激光扫描共聚焦显微镜在形状测量上的应用研究

路海

(北京印刷学院，北京市印刷电子工程技术研究中心，北京 102600)

20世纪50年代中期，Marvin Minsky首次提出了激光扫描共焦显微镜的基本概念[1]，他使用一个针孔在显微镜的照明光路中，再用另一个针孔在共轭焦平面(因此称共聚焦)，由此焦距外的光线可以被针孔阻断，可以避免样品其他部位光的散射对图像造成影响，这样的显微镜会产生一幅比传统的显微镜(宽视场)更清晰的图像。共聚焦扫描，是一种结合光学、机械、电子、计算机和材料等多学科技术的高端光学显微成像技术。LSCM以紫外光或可见光为光源，在荧光显微镜成像的基础上加装激光扫描装置，并利用计算机进行图像处理，使光学成像的分辨率提高了30%[2]。它具有对样品进行光学切片和三维重建的功能，同时还具有精度高、成像速度快、成像质量好、操作简单等优点[3]，因此在生物化学、植物学、形态学等领域应用广泛[4]。 本文旨在通过阐述LSCM的检测原理及在形态检测上优势，介绍了LSCM在印刷电路板、显示器件、电子器件、印刷打印等领域的应用。

1 LSCM的构造和检测原理

LSCM采用针孔共聚焦光学系统，可通过极小针孔，完全排除焦点位置外产生的反射光、环境光，并将反射光量最多的位置识别为正确高度。照明针孔与探测针孔对被照射点或被探测点来说是共轭的，因此被探测点即共焦点，被探测点所在的平面即共焦平面(图1、图2)，计算机以像点的方式将被探测点显示在计算机屏幕上，为了产生一幅完整的图像，扫描装置提供三个维度的相对位移，由光路中的扫描系统在样品焦平面上扫描，先在某特定深度获得该深度的二维图像，然后改变该深度从而获得一系列的二维图像，再通过图像处理中的三维重建技术，把这一系列的二维图像重建，最终产生一幅完整的三维图像[3]。不仅可通过高精度定位实现高精度测量，还可对排除了散焦部分的图像进行累积(图3)，解决了传统光学显微镜难以解决的问题，从而实现高精细、高倍率观察。

图2 LSCM成像原理简图[3]

图3 针孔共聚焦光学系统与普通光学系统焦点位置检测对比图

2 LSCM在形状检测上的优势

LSCM测量样品时，表面差异通过数值实现可视化，相对于传统显微系统可并列排列需分析的样品，通过需比较的项目进行分析，可实现不选择材质与形状的高精度测量。通过高分辨率、角度特性，实现干涉计及以往LSCM所无法进行的测量。本课题组实验室使用的VK-X系列LSCM的激光应用技术以及软核处理器，使测量结果不再产生因人所致的不均。在空气中实现高倍彩色并以最高分辨率观察，实现可与SEM相媲美的高分辨率。LSCM在形状测量上相对于其他设备的优势如下，如表1和表2。使用 SEM 时，必须对目标进行喷金覆盖层或切割等预处理，但使用LSCM时就无需如此。使用接触式轮廓仪时，探针可能会发生故障，或由于针尖的厚度难以测量到精确的轮廓。然而，使用激光显微镜就可以做到精确的测量，除了宽度和高度以外，角度、形状、表面积和体积等各种分析也均能实现。

2.1 LSCM相对于粗糙度仪的优势

可进行非接触测量，利用激光实现高精度扫描，不损伤目标物，可瞬时测量目标位置。粗糙度仪的情况下，探针需要接触到样品表面，因此存在各种测量限制，即可测量的目标物有限。

2.2 LSCM相对于SEM的优势

简单快速，无需预处理，可实现高精细彩色观察，可测量各种样品。在SEM的情况下，需进行真空处理，因此实施观察步骤前需等待一段时间。此外，SEM不仅可测量的样品种类有限，而且仅可以使用黑白的形式进行观察。

2.3 LSCM相对于光干涉仪的优势

可测量各种目标物，通过针孔共聚焦实现高精度测量。可在低噪音的情况下对陡峭的形状实现测量，测量时样品倾斜也没关系，系统自带倾斜矫正，水平分辨率高。在光干涉仪的情况下，测量目标物表面的反射率需足够高否则难以实施测量，因此角度特性大，除需进行倾斜补正外，其水平分辨率相当于光学显微镜。

表1 激光显微系统与传统观察、测量仪器的不同之处

表2 LSCM优点与光学显微系统、SEM和粗糙度仪缺点

3 激光共聚焦显微镜的应用

共聚焦技术除了在生物学和医学领域应用广泛外，在印刷电路板、芯片、电子器件等材料的研发和生产检测等领域也具有极高的应用价值[5]。激光显微系统使用短波长激光，可将高分辨率、高对比度的观察图像通过真彩色完全对焦的图像显示，解决了传统光学显微镜难以观察的问题，轻松精确地观察有立体构造、微观结构的物体，并进行形状分析。某些型号LSCM自带的软件能自动、精确地把X，Y和Z方向上的所有图像数据联合，以执行精确的广域3D测量，如可以实现对样品的弯曲/扭曲测量，图案的截面轮廓，镀层的表面粗糙度或者通孔轮廓等。

3.1 印刷电路板、芯片安装行业中的应用

在印刷电路板、芯片安装领域利用LSCM可以快速精确地对电路板上镀层的粗糙度，通孔轮廓和底部的观测和粗糙度测量，图案的轮廓，宽度和高度分析，光阻材料的厚度测。

3.2 在显示领域中的应用

LSCM可以实现对各种光学膜(散射，棱镜，光导，光聚焦等)的轮廓和粗糙度测量，对滤色镜的粗糙度和厚度测量/感光性间隙材料的轮廓和高度测量，对OEL(Organic Electro-Luminescence)染料的粗糙度测量，对各种薄膜的厚度和粗糙度测量，对TFT(Thin Film Transistor) 元件的图案高度和宽度测量。

3．3 在电子零件领域中的应用

接触式轮廓仪使用较粗的针尖量测目标轮廓，目标在应用或窄间距案处理后无法精确测量。而借助亚微米光束点执行非接触式测量的经过显微镜可以做到精确的测量。图案的轮廓可以自动提取。北京印刷学院印刷电子课题组刘世丽制备微米精细图案所用的硅模板，利用LSCM表征得到清晰图像，如图4为共聚焦反射光成像所测得的经过光刻蚀的硅板图像信息[6]，通过软件生成的高清晰图像报告，一次测量可以得出其刻蚀的宽度，深度，横截面长度及横截面面积等信息。

图4 光刻蚀硅板图像(a).共聚焦反射光所测光刻蚀硅板激光图像；(b).光刻蚀硅板3D测量图像；(c).光刻蚀硅板轮廓图；(d).光刻蚀硅板轮廓信息

3.4 打印、印刷、复印机器等领域的应用

使用LSCM可以实现对各种硒鼓表面粗糙度和厚度测量，硒鼓上碳粉的厚度测量，喷墨打印机的喷头形状测量，热敏打印机的打印头形状测量，清洁刀片的刀尖形状测量等，简便快捷。

4 结语

本文通过对LSCM检测原理进行介绍，分析了LSCM在测量上相对于其他传统设备的优势，其操作简单，可实现对样品非接触测量，并解决了测量值因人而异的问题，在短时间内就能完成样品分析等极大地满足了各行业的检测需求。