路海

(北京印刷學(xué)院，北京市印刷電子工程技術(shù)研究中心，北京 102600)

20世紀(jì)50年代中期，Marvin Minsky首次提出了激光掃描共焦顯微鏡的基本概念[1]，他使用一個針孔在顯微鏡的照明光路中，再用另一個針孔在共軛焦平面(因此稱共聚焦)，由此焦距外的光線可以被針孔阻斷，可以避免樣品其他部位光的散射對圖像造成影響，這樣的顯微鏡會產(chǎn)生一幅比傳統(tǒng)的顯微鏡(寬視場)更清晰的圖像。共聚焦掃描，是一種結(jié)合光學(xué)、機械、電子、計算機和材料等多學(xué)科技術(shù)的高端光學(xué)顯微成像技術(shù)。LSCM以紫外光或可見光為光源，在熒光顯微鏡成像的基礎(chǔ)上加裝激光掃描裝置，并利用計算機進行圖像處理，使光學(xué)成像的分辨率提高了30%[2]。它具有對樣品進行光學(xué)切片和三維重建的功能，同時還具有精度高、成像速度快、成像質(zhì)量好、操作簡單等優(yōu)點[3]，因此在生物化學(xué)、植物學(xué)、形態(tài)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4]。 本文旨在通過闡述LSCM的檢測原理及在形態(tài)檢測上優(yōu)勢，介紹了LSCM在印刷電路板、顯示器件、電子器件、印刷打印等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 LSCM的構(gòu)造和檢測原理

LSCM采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，可通過極小針孔，完全排除焦點位置外產(chǎn)生的反射光、環(huán)境光，并將反射光量最多的位置識別為正確高度。照明針孔與探測針孔對被照射點或被探測點來說是共軛的，因此被探測點即共焦點，被探測點所在的平面即共焦平面(圖1、圖2)，計算機以像點的方式將被探測點顯示在計算機屏幕上，為了產(chǎn)生一幅完整的圖像，掃描裝置提供三個維度的相對位移，由光路中的掃描系統(tǒng)在樣品焦平面上掃描，先在某特定深度獲得該深度的二維圖像，然后改變該深度從而獲得一系列的二維圖像，再通過圖像處理中的三維重建技術(shù)，把這一系列的二維圖像重建，最終產(chǎn)生一幅完整的三維圖像[3]。不僅可通過高精度定位實現(xiàn)高精度測量，還可對排除了散焦部分的圖像進行累積(圖3)，解決了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡難以解決的問題，從而實現(xiàn)高精細(xì)、高倍率觀察。

圖2 LSCM成像原理簡圖[3]

圖3 針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)與普通光學(xué)系統(tǒng)焦點位置檢測對比圖

2 LSCM在形狀檢測上的優(yōu)勢

LSCM測量樣品時，表面差異通過數(shù)值實現(xiàn)可視化，相對于傳統(tǒng)顯微系統(tǒng)可并列排列需分析的樣品，通過需比較的項目進行分析，可實現(xiàn)不選擇材質(zhì)與形狀的高精度測量。通過高分辨率、角度特性，實現(xiàn)干涉計及以往LSCM所無法進行的測量。本課題組實驗室使用的VK-X系列LSCM的激光應(yīng)用技術(shù)以及軟核處理器，使測量結(jié)果不再產(chǎn)生因人所致的不均。在空氣中實現(xiàn)高倍彩色并以最高分辨率觀察，實現(xiàn)可與SEM相媲美的高分辨率。LSCM在形狀測量上相對于其他設(shè)備的優(yōu)勢如下，如表1和表2。使用 SEM 時，必須對目標(biāo)進行噴金覆蓋層或切割等預(yù)處理，但使用LSCM時就無需如此。使用接觸式輪廓儀時，探針可能會發(fā)生故障，或由于針尖的厚度難以測量到精確的輪廓。然而，使用激光顯微鏡就可以做到精確的測量，除了寬度和高度以外，角度、形狀、表面積和體積等各種分析也均能實現(xiàn)。

2.1 LSCM相對于粗糙度儀的優(yōu)勢

可進行非接觸測量，利用激光實現(xiàn)高精度掃描，不損傷目標(biāo)物，可瞬時測量目標(biāo)位置。粗糙度儀的情況下，探針需要接觸到樣品表面，因此存在各種測量限制，即可測量的目標(biāo)物有限。

2.2 LSCM相對于SEM的優(yōu)勢

簡單快速，無需預(yù)處理，可實現(xiàn)高精細(xì)彩色觀察，可測量各種樣品。在SEM的情況下，需進行真空處理，因此實施觀察步驟前需等待一段時間。此外，SEM不僅可測量的樣品種類有限，而且僅可以使用黑白的形式進行觀察。

2.3 LSCM相對于光干涉儀的優(yōu)勢

可測量各種目標(biāo)物，通過針孔共聚焦實現(xiàn)高精度測量?？稍诘驮胍舻那闆r下對陡峭的形狀實現(xiàn)測量，測量時樣品傾斜也沒關(guān)系，系統(tǒng)自帶傾斜矯正，水平分辨率高。在光干涉儀的情況下，測量目標(biāo)物表面的反射率需足夠高否則難以實施測量，因此角度特性大，除需進行傾斜補正外，其水平分辨率相當(dāng)于光學(xué)顯微鏡。

表1 激光顯微系統(tǒng)與傳統(tǒng)觀察、測量儀器的不同之處

表2 LSCM優(yōu)點與光學(xué)顯微系統(tǒng)、SEM和粗糙度儀缺點

3 激光共聚焦顯微鏡的應(yīng)用

共聚焦技術(shù)除了在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛外，在印刷電路板、芯片、電子器件等材料的研發(fā)和生產(chǎn)檢測等領(lǐng)域也具有極高的應(yīng)用價值[5]。激光顯微系統(tǒng)使用短波長激光，可將高分辨率、高對比度的觀察圖像通過真彩色完全對焦的圖像顯示，解決了傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡難以觀察的問題，輕松精確地觀察有立體構(gòu)造、微觀結(jié)構(gòu)的物體，并進行形狀分析。某些型號LSCM自帶的軟件能自動、精確地把X，Y和Z方向上的所有圖像數(shù)據(jù)聯(lián)合，以執(zhí)行精確的廣域3D測量，如可以實現(xiàn)對樣品的彎曲/扭曲測量，圖案的截面輪廓，鍍層的表面粗糙度或者通孔輪廓等。

3.1 印刷電路板、芯片安裝行業(yè)中的應(yīng)用

在印刷電路板、芯片安裝領(lǐng)域利用LSCM可以快速精確地對電路板上鍍層的粗糙度，通孔輪廓和底部的觀測和粗糙度測量，圖案的輪廓，寬度和高度分析，光阻材料的厚度測。

3.2 在顯示領(lǐng)域中的應(yīng)用

LSCM可以實現(xiàn)對各種光學(xué)膜(散射，棱鏡，光導(dǎo)，光聚焦等)的輪廓和粗糙度測量，對濾色鏡的粗糙度和厚度測量/感光性間隙材料的輪廓和高度測量，對OEL(Organic Electro-Luminescence)染料的粗糙度測量，對各種薄膜的厚度和粗糙度測量，對TFT(Thin Film Transistor) 元件的圖案高度和寬度測量。

3．3 在電子零件領(lǐng)域中的應(yīng)用

接觸式輪廓儀使用較粗的針尖量測目標(biāo)輪廓，目標(biāo)在應(yīng)用或窄間距案處理后無法精確測量。而借助亞微米光束點執(zhí)行非接觸式測量的經(jīng)過顯微鏡可以做到精確的測量。圖案的輪廓可以自動提取。北京印刷學(xué)院印刷電子課題組劉世麗制備微米精細(xì)圖案所用的硅模板，利用LSCM表征得到清晰圖像，如圖4為共聚焦反射光成像所測得的經(jīng)過光刻蝕的硅板圖像信息[6]，通過軟件生成的高清晰圖像報告，一次測量可以得出其刻蝕的寬度，深度，橫截面長度及橫截面面積等信息。

圖4 光刻蝕硅板圖像(a).共聚焦反射光所測光刻蝕硅板激光圖像；(b).光刻蝕硅板3D測量圖像；(c).光刻蝕硅板輪廓圖；(d).光刻蝕硅板輪廓信息

3.4 打印、印刷、復(fù)印機器等領(lǐng)域的應(yīng)用

使用LSCM可以實現(xiàn)對各種硒鼓表面粗糙度和厚度測量，硒鼓上碳粉的厚度測量，噴墨打印機的噴頭形狀測量，熱敏打印機的打印頭形狀測量，清潔刀片的刀尖形狀測量等，簡便快捷。

4 結(jié)語

本文通過對LSCM檢測原理進行介紹，分析了LSCM在測量上相對于其他傳統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)勢，其操作簡單，可實現(xiàn)對樣品非接觸測量，并解決了測量值因人而異的問題，在短時間內(nèi)就能完成樣品分析等極大地滿足了各行業(yè)的檢測需求。