本發(fā)明涉及納米技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及微納米成像測(cè)量?jī)x器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于特殊設(shè)計(jì)加工的參考樣塊結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)微納米成像測(cè)量?jī)x器的分辨力、xyz尺寸測(cè)量精度、時(shí)間穩(wěn)定性等多種儀器性能的同時(shí)校準(zhǔn)表征的方法。

背景技術(shù)：

微納米成像測(cè)量?jī)x器，如掃描激光共焦顯微鏡、激光干涉顯微鏡、掃描探針顯微鏡等，在定量形貌結(jié)構(gòu)測(cè)量應(yīng)用中通常需要進(jìn)行分辨力、xyz尺寸測(cè)量精度、長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用穩(wěn)定性等儀器性能的校準(zhǔn)標(biāo)定。此類儀器性能的測(cè)試多采用具有確定特性值的參考樣塊結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)施。然而，現(xiàn)有的微納米參考樣塊結(jié)構(gòu)多為用于xy尺寸/節(jié)距測(cè)量表征的周期二維光柵結(jié)構(gòu)或用于z尺寸的測(cè)量表征的臺(tái)階式結(jié)構(gòu)，在功能上較為單一，僅能表征微納米成像測(cè)量?jī)x器在單個(gè)維度上尺寸測(cè)量的特性。除此以外，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量應(yīng)用時(shí)儀器漂移普遍存在，直接影響著各種微納米成像測(cè)量?jī)x器的使用。因此，儀器時(shí)間穩(wěn)定性即漂移特性的分析極為重要，能便于用戶了解儀器的穩(wěn)定性，以便有效設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。基于現(xiàn)有的參考樣塊結(jié)構(gòu)難以進(jìn)行分辨力、xyz尺寸測(cè)量精度和時(shí)間穩(wěn)定性等性能參數(shù)的同時(shí)表征。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題

鑒于上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于特殊設(shè)計(jì)的集成多種微納米結(jié)構(gòu)的多功能參考樣塊來(lái)實(shí)現(xiàn)各種微納米成像測(cè)量?jī)x器的分辨力、xyz尺寸測(cè)量精度、時(shí)間穩(wěn)定性等重要性能同時(shí)表征的方法。

(二)技術(shù)方案

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種同時(shí)表征微納米成像測(cè)量?jī)x器多種性能的方法，包括：

(1)預(yù)備參考樣塊，該參考樣塊表面具有預(yù)先設(shè)定的三維尺寸的二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)和漸變節(jié)距的柵線結(jié)構(gòu)；

(2)獲得微納米成像測(cè)量?jī)x器對(duì)所述參考樣塊表面進(jìn)行掃描而得到的掃描成像的結(jié)果；

(3)對(duì)所述掃描成像的結(jié)果進(jìn)行分析處理：通過(guò)對(duì)所述二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)在不同時(shí)刻進(jìn)行掃描測(cè)量，獲得該微納米成像測(cè)量?jī)x器的時(shí)間穩(wěn)定性表征；通過(guò)對(duì)所述漸變節(jié)距的柵線結(jié)構(gòu)掃描測(cè)量，獲得所述微納米成像測(cè)量?jī)x器的分辨力；通過(guò)對(duì)所述二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)的光柵單元的寬度及高度，和/或所述柵線結(jié)構(gòu)的節(jié)距及高度的掃描測(cè)量，并通過(guò)將實(shí)測(cè)尺寸和標(biāo)稱尺寸進(jìn)行比較，獲得xyz三個(gè)坐標(biāo)方向上尺寸測(cè)量的校準(zhǔn)系數(shù)。

(三)有益效果

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明同時(shí)表征微納米成像測(cè)量?jī)x器多種性能的方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)在單個(gè)參考樣塊上集成能實(shí)現(xiàn)微納米成像測(cè)量?jī)x器的分辨力、xyz尺寸測(cè)量精度、時(shí)間穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能表征的微納結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)單一參考樣塊的成像測(cè)試，實(shí)現(xiàn)包括分辨力、xyz尺寸測(cè)量精度和時(shí)間穩(wěn)定性等儀器性能的同時(shí)測(cè)量表征。

(2)二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)使其掃描圖像互相關(guān)分析峰值對(duì)比度大，利于漂移表征，具有漂移測(cè)量范圍大、對(duì)比度高、不易受干擾等優(yōu)點(diǎn)。

(3)所述參考樣塊具有漸變節(jié)距的柵線結(jié)構(gòu)能方便地實(shí)現(xiàn)儀器水平、垂直方向分辨能力表征。

(4)通過(guò)精確控制所述二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)的光柵單元寬度/高度和/或所述柵線結(jié)構(gòu)的節(jié)距/高度，即可以作為尺寸參考值用于xyz尺寸測(cè)量精度的校準(zhǔn)表征，操作簡(jiǎn)便。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明參考樣塊結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)具體示意圖；

圖3為本發(fā)明柵線結(jié)構(gòu)具體示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。實(shí)施例中提到的方向用語(yǔ)，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語(yǔ)是用來(lái)說(shuō)明并非用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

在本發(fā)明的具體實(shí)施例中，采用多功能參考樣塊同時(shí)表征微納米成像測(cè)量?jī)x器的多種性能。圖1為本發(fā)明參考樣塊結(jié)構(gòu)示意圖，請(qǐng)參照?qǐng)D1，本發(fā)明參考樣塊包括：二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)1、漸變節(jié)距柵線結(jié)構(gòu)2以及邊框3；其中，

所述邊框用于限定所述參考樣塊的有效區(qū)域；

所述二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)位于所述邊框的中心區(qū)域，用于時(shí)間穩(wěn)定性表征；以及

所述漸變節(jié)距柵線結(jié)構(gòu)位于所述邊框內(nèi)、所述二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)的四側(cè)，用于分辨力和xy尺寸表征的漸變節(jié)距柵線，同時(shí)該漸變節(jié)距柵線結(jié)構(gòu)在應(yīng)用時(shí)可起到導(dǎo)向作用。

進(jìn)一步的，所述二維非周期編碼光柵和漸變節(jié)距柵線具有精確的指定臺(tái)階高度，可用于z向(高度方向)測(cè)量尺寸表征。

所述二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)的主要功能是進(jìn)行微納米成像測(cè)量?jī)x器的時(shí)間穩(wěn)定性表征。該二維非周期編碼光柵與通常周期光柵在結(jié)構(gòu)上不同，其包括具有預(yù)設(shè)臺(tái)階高度的光柵單元及基底高度的光柵單元，可以記所述具有預(yù)設(shè)臺(tái)階高度的光柵單元的編碼為“1”，所述基底高度的光柵單元的編碼為“0”，則所述二維非周期光柵結(jié)構(gòu)可由一個(gè)n×n二值矩陣表示，如圖2所示。其編碼經(jīng)過(guò)優(yōu)化使得在確定光柵單元數(shù)n×n和編碼“1”的個(gè)數(shù)t下，編碼矩陣的互相關(guān)函數(shù)有較優(yōu)的對(duì)比度，以便進(jìn)行不同時(shí)刻下掃描圖像間的數(shù)字圖像互相關(guān)分析確定相對(duì)漂移大小及漂移方向。也即，采用了上述二維非周期編碼光柵，能夠使得掃描圖像互相關(guān)分析峰值對(duì)比度大，有利于漂移表征，具有漂移測(cè)量范圍大、對(duì)比度高、不易受干擾等優(yōu)點(diǎn)。

進(jìn)一步的，所述二維非周期編碼光柵的編碼數(shù)n和編碼“1”的個(gè)數(shù)可根據(jù)微納米成像測(cè)量?jī)x器的分辨能力和成像范圍的不同而選擇設(shè)計(jì)。編碼“0”和“1”除代表臺(tái)階高度差別外，還可設(shè)計(jì)成不透光/透光、反射/投射等物理性能的差異。例如，可設(shè)計(jì)所述具有預(yù)設(shè)臺(tái)階高度的光柵單元為不透光型光柵單元，所述基底高度的光柵單元為透光型光柵單元，或所述具有預(yù)設(shè)臺(tái)階高度的光柵單元為反光型光柵單元，所述基底高度的光柵單元為透光型光柵單元。

本發(fā)明的工作原理是：利用漸變節(jié)距的柵線結(jié)構(gòu)來(lái)分析儀器對(duì)平面尺寸的截止分辨尺寸；利用不同時(shí)刻掃描的二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)圖像間的互相關(guān)分析獲得漂移特性，其中優(yōu)化后的二位非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)圖像能提高基于圖像互相關(guān)分析所測(cè)得的漂移大小/方向的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性；利用漸變節(jié)距的柵線結(jié)構(gòu)和/或二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)的xyz尺寸的精確控制，經(jīng)定值后即可用來(lái)表征及測(cè)量微納米成像測(cè)量?jī)x器在三個(gè)維度方向的尺寸測(cè)量精度。

下面分別具體說(shuō)明采用所述多功能參考樣塊進(jìn)行微納米成像測(cè)量?jī)x器的時(shí)間穩(wěn)定性、分辨力、xyz尺寸測(cè)量精度等關(guān)鍵性能表征的原理。

在時(shí)間穩(wěn)定性表征時(shí)，可對(duì)該二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同時(shí)刻掃描測(cè)量。假定某兩不同時(shí)刻掃描測(cè)量的兩幅圖像用f(x,y)和g(x,y)表示；u和v分別為圖像g(x,y)相對(duì)于參考圖像f(x,y)在x和y方向的偏移值，則它們的互相關(guān)函數(shù)可以表示為：

式(1)中，f_m和g_m是數(shù)字圖像f和g的平均值；當(dāng)互相關(guān)函數(shù)C取最大值時(shí)，相對(duì)應(yīng)的u和v即為圖像g相對(duì)于參考圖像f在x和y方向的偏移值。由此，可以描繪出不同時(shí)刻下的漂移曲線，表征儀器應(yīng)用中的時(shí)間穩(wěn)定性。

在分辨力表征時(shí)，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的多功能參考樣塊中，所述二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)的上下左右四個(gè)方向上對(duì)稱分布有漸變節(jié)距的柵線結(jié)構(gòu)，如圖3所示，所述漸變節(jié)距的柵線結(jié)構(gòu)的柵線的節(jié)距和線長(zhǎng)在某一范圍內(nèi)依次增加，如從100nm增加到800nm，增加步距50nm。通過(guò)微納米成像測(cè)量?jī)x器對(duì)該結(jié)構(gòu)掃描成像，由瑞利判據(jù)得出可分辨的最小節(jié)距即可測(cè)得儀器分辨力。同時(shí)，該系列柵線結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中還可起到中心的所述二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向作用。

在xyz尺寸測(cè)量精度表征時(shí)，通過(guò)精確控制上述二維非周期編碼光柵的單元寬度/高度和/或柵線結(jié)構(gòu)的節(jié)距/高度，從而可以作為尺寸參考值用于xyz尺寸測(cè)量精度的校準(zhǔn)表征，由實(shí)測(cè)尺寸和標(biāo)稱尺寸得出xyz三個(gè)坐標(biāo)方向上尺寸測(cè)量的校準(zhǔn)系數(shù)。

本發(fā)明提出的一種同時(shí)表征微納米成像測(cè)量?jī)x器多種性能的方法包括：

(1)預(yù)備參考樣塊，該參考樣塊表面具有預(yù)先設(shè)定的三維尺寸的二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)和漸變節(jié)距的柵線結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，所述二維非周期編碼光柵的編碼數(shù)n和編碼“1”的個(gè)數(shù)可根據(jù)微納米成像測(cè)量?jī)x器的分辨能力和成像范圍的不同而選擇設(shè)計(jì)，并能夠產(chǎn)生具有較大對(duì)比度的圖像互相關(guān)分析峰值。所述漸變節(jié)距的柵線結(jié)構(gòu)，其柵線的節(jié)距和線長(zhǎng)在某一范圍內(nèi)依次增加，如從100nm增加到800nm，增加步距50nm。該系列柵線結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中還可起到中心的所述二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)的導(dǎo)向作用。

(2)獲得微納米成像測(cè)量?jī)x器對(duì)所述參考樣塊表面進(jìn)行掃描而得到的掃描成像的結(jié)果。

(3)對(duì)所述掃描成像的結(jié)果進(jìn)行分析處理：通過(guò)對(duì)該二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同時(shí)刻掃描測(cè)量，可以獲得該微納米成像測(cè)量?jī)x器隨時(shí)間的漂移值，從而表征或校準(zhǔn)其時(shí)間穩(wěn)定性；通過(guò)對(duì)該漸變節(jié)距柵線結(jié)構(gòu)掃描成像，由瑞利判據(jù)得出水平、垂直方向可分辨的最小節(jié)距，即可測(cè)得該微納米成像測(cè)量?jī)x器的分辨力；所述二維非周期編碼光柵的單元的寬度及高度和/或柵線結(jié)構(gòu)的節(jié)距及高度，都具有精確的預(yù)設(shè)值，通過(guò)對(duì)預(yù)加工的、具有精確尺寸的所述二維非周期編碼光柵的單元的寬度及高度和/或柵線結(jié)構(gòu)的節(jié)距及高度的掃描測(cè)量，從而可以作為尺寸參考值用于xyz尺寸測(cè)量精度的校準(zhǔn)表征，由實(shí)測(cè)尺寸和標(biāo)稱尺寸得出xyz三個(gè)坐標(biāo)方向上尺寸測(cè)量的校準(zhǔn)系數(shù)。例如，將該二維非周期編碼光柵和漸變節(jié)距柵線加工為具有精確的指定臺(tái)階高度，即可用于z向測(cè)量尺寸表征。

綜上，本發(fā)明通過(guò)在單個(gè)參考樣塊上集成能實(shí)現(xiàn)微納米成像測(cè)量?jī)x器的分辨力、xyz尺寸測(cè)量精度、時(shí)間穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能表征的微納結(jié)構(gòu)，使得用戶只需對(duì)單個(gè)樣塊進(jìn)行掃描成像，即可同時(shí)表征出微納米成像測(cè)量?jī)x器的分辨力、xyz尺寸測(cè)量精度、時(shí)間穩(wěn)定性等性能。并且，通過(guò)設(shè)置二維非周期編碼光柵結(jié)構(gòu)，相對(duì)于現(xiàn)有的二維周期性編碼光柵結(jié)構(gòu)，能夠獲得對(duì)比度更大的圖像互相關(guān)分析峰值，利于漂移表征。本發(fā)明的方案相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，能夠獲得操作簡(jiǎn)便、漂移測(cè)量范圍大、對(duì)比度高、不易受干擾等優(yōu)點(diǎn)。

需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書正文中，未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。此外，上述對(duì)各元件和方法的定義并不僅限于實(shí)施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地更改或替換。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。