PET薄膜激光刻蚀高精度形貌测量

      聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate, PET)薄膜具有优良的力学性能、光学性能、耐化学试 剂以及耐热等性能,是用来制备人造核孔膜模板、仿 生纳米孔道的最佳选择之一[1-2],常用激光刻蚀 PET 膜来制作核孔膜模板[3]和纳米通道.核孔膜微孔形状 有圆柱形、双圆锥形、椭球面形等,孔道内部形貌及尺 寸信息对测量核孔膜孔隙率、截留效应等方面具有指 导意义[4].激光刻蚀仿生纳米通道有漏斗型、锥形等, 纳米孔道中的离子运输性质往往与所处液体环境、孔 道的几 何 形 状 和 孔 道 的 内 表 面 电 荷 等 因 素 息 息 相 关[2],在实际应用和测试中遇到了很多困难,例如纳 米孔尺寸过大等阻碍因素[5];锥形孔内倾斜程度不同 的势阱会 造 成 离 子 穿 过 纳 米 孔 道 的 速 度 差 异[6].可 见,刻蚀孔道的形貌与几何尺寸对孔传输特性有直接 影响[7],因此 需 要 对 薄 膜 孔 道 及 其 形 貌 进 行 精 密 测 量.准确测量激光刻蚀核孔膜、仿生纳米通道的表面 微纳结构形貌是评价激光加工工艺、指导激光刻蚀工艺优化的关键因素.

       目前,激光刻蚀薄膜形貌的测量方法主要有成像 方法和电化学方法.其中成像方法包括扫描电子显微 镜[8-9]、原子力显微镜[10]、透射电子显微镜[11]以及白 光干涉仪[12]等.在实际应用中,扫描电镜对于测量环 境要求高,对非导电样品通常使用离子溅射镀膜方法 对样品表面进行导电处理,制备过程严格、繁琐[13-14], 对样品有不可逆性损伤;原子力显微镜能真正还原出 物体的表面信息,但是以牺牲时间分辨率为前提,和 扫描电镜相比 成 像 的 范 围 比 较 小,成 像 的 速 度 也 很 慢,微悬臂探头的状态对测量的影响较大;白光干涉 仪可以直接对样品进行无损测试[15],相对扫描电镜是 一种方便快捷的测量手段,但在实验中发现,用 干 涉 法测量薄膜沟槽线宽较小的 陡 峭 沟 壑 时,由 于 干 涉 图案集中在陡峭区域,白光干 涉 仪 无 法 准 确 解 析 高 度信息.电化 学 表 征 法[16-19]是 通 过 电 化 学 测 量 的 方 法实现通 道 表 面 的 电 荷 性 质 及 表 面 电 荷 密 度 的 表 征,估算圆锥形小口端孔径的大小.使用电化学方法表征刻蚀孔径不仅步骤繁琐,而 且 测 量 结 果 取 决 于 操作水平和实验条件,具 有 不 稳 定 的 特 点.目 前,还 缺乏方便、快速、高效地测量激光刻蚀加工的几何尺 寸、孔隙率以及构建高分辨率 的 形 貌 三 维 结 构 的 方 法.如何快速、无损、准确测量应用于核孔膜、纳米通 道等领域的 激 光 刻 蚀 PET 膜 的 表 面 形 貌 是 一 项 艰 巨的挑战.

       课题组前期提出了并行物方差动共聚焦三维成 像方法[20-21].该方法获取待测物体焦前焦后两幅光强 图像,通过差动图像光强与预先标定的差动信号曲线 的对比,快速获得高精度的测量结果.该方法的横向 分辨率能达到173nm,对500nm 台阶样品轴向测量 平均误差为2.9nm,相对误差为0.58%.

      针对激光刻蚀透明PET 薄膜尺寸在微纳米级,薄 膜反射率低、受成像噪声干扰严重等挑战,本文结合 并行物方差动共聚焦三维成像方法和数字图像处理 技术,提出一种快速、高效、无损且低成本的PET 薄膜 激光加工刻蚀沟槽微纳结构表面三维形貌测量方法. 首先根据并行物方差动原理建立差动共聚焦图像;然 后针对气泡、噪声等干扰信息,进行消除干扰的图像 优化,利用差动共聚焦图像与高度的函数关系还原样 品表面亚微米级别的三维形貌信息;最后对激光刻蚀 的PET 沟槽进行实验,实验结果证明了本文方法的高 精度与可行性.

1       并行物方差动共聚焦三维测量原理

1.1    并行物方差动共聚焦系统组成

       并行物方差动共聚焦三维测量方法所采用的基 本光学装置如图1所示.该装置包括一个高压水银汞 灯作为光源,SCMOS相机作为探测器,数字微镜器件 (digitalmicromirrordevice,DMD)作为平行针孔,以 及一个传统的光学显微镜,带有 XYZ 轴电动载物台, 其中Z 轴采用压电陶瓷电机(PCM,PI,P-725,4CD). 测试样品被放置在显微镜的电动载物台上.

      并行物方差动共聚焦测量与传统激光扫描共聚 焦显微成像系统相同之处在于,两者都是利用点光源 作为测量时的照明光源;不同之处在于,激光扫描共 聚焦系统只有一个照明针孔,而并行物方差动共聚焦 系统采用 DMD作为并行二维点阵式照明针孔.如图 1所示,光源发出的光经过集光镜和和全反射棱镜到 达数字微镜器件 DMD,通过对 DMD 的微镜单阵元 “开”和“关”状态的数字控制,使得一束大的入射光束 被调制成为多束离散的微型光束,之后经过准直透镜组、半反半透分光镜、物镜后照射在样品表面,形成离 散分布的二维阵列式聚焦照明光斑.从样品反射回来 的带有样品表面信息的光相继经过物镜、半反半透分 光透镜、管镜后被相机接收.其中 DMD、样品表面、探 测器靶面的空 间 位 置 两 两 共 轭,探 测 器 靶 面 尺 寸 与 DMD微镜阵列尺寸相匹配.

       并行共聚焦显微成像在保持传统激光扫描共聚 焦技术测量高精度的前提下,实现快速测量的关键是 采用了 DMD代替了传统共聚焦技术中的照明针孔, 通过同时开启一定间隔T 的多个微镜单元,将光源调 制成多束并行的点光源阵列,实现样品表面多点并行 测量,从而提高测量效率.在测量时,需要兼顾横向精 度和测量速度,已有研究表明,当周期T=4,即行和列 均是每 4 个 单 元 开 启 一 个 微 镜,并 行 测 量 的 效 果 最佳.

      并行物方差动共聚焦测量系统的成像针孔采用 “虚拟针孔”概念来实现的.“虚拟针孔”的具体实施是 将 DMD的“关”状态微镜对应的图像像素的强度值设 为零.“虚拟针孔”有效性是因为样品表面、DMD 和图 像传感器表面三者之间彼此共轭并且 DMD和图像传 感器之间的光学畸变被设计为在1/1000,即一个像 素以内.当 DMD完成全周期的调制(当 T=4时候, 全周期对应4×4=16 个 调 制 模 式,如图2),相机分 别采集到每个 DMD调制照明模式所产生的离散光斑 照明下样本的图像.对相机所采集的每幅图像施加成像“虚拟针孔”概念,即对应“开”状态像素值不变,对 应“光”状态像素置零.最后将 DMD完成全周期所对 应的 T×T 图 像 求 和 即 获 得 样 本 全 视 场 的 共 聚 焦 图像.

1.2     并行物方差动共聚焦显微三维测量原理

     在共聚焦显微成像中,当物体表面位于焦面附近 时,探测器获取的光强值I(u)与物体表面离焦量u关 系为

式(1)为共聚焦显微成像光强I与离焦量距离u 的关 系曲线,简称为轴向响应曲线[25].当离焦量u为零时, 即物体表面最佳聚焦时,探测到的光强为最大值.因 此在共聚焦显微成像中,常常通过驱动载物台或者物 镜相对样本表面进行轴向扫描,通过寻找在某一层探 测到的光强最大值而得知物体表面的相对高度(即该 层轴向位置).传统激光扫描共聚焦显微成像采用光 强峰值法来确定物体表面的高度.

      并行物方差动共焦法则是将焦前、焦后等距离位 置的两条轴向响应曲线做差来扩大光强轴向响应的 线性范围及测量灵敏度:

其中:ID(u)为差动信号曲线,IA (u)、IF(u)分别为焦 后距离uF、焦前距离uF 处的轴向响应曲线.轴向差动 信号仿真曲线如图3所示.

      探测器获取的光来自物体表面的反射光,光强与 物体表面反射率R 相关:

其中n1、n2分别为空气、物体表面的折射率.如考虑被 测物体特性,探测器获取光强I与物体表面反射率关 系为

     物体表面的折射率n2越大,反射率 R 越大,探测 器获得的光强也越大.

     根据式(1)和式(4),并行物方差动共聚焦显微三 维测量方法中,焦前焦后获得的光强信号差与离焦量 之间的关系为

      并行物方差动共聚焦显微成像三维测量包括3 个步骤.首 先,刻 度 光 强 差 与 离 焦 量 之 间 的 关 系 曲 线,简称为差动曲线,以备用.具体步骤为:通过焦前 和焦后轴向层扫,测得不同离焦量uF 与光强 差ID, 并拟合一条轴向响应曲线,获 取 轴 向 响 应 曲 线 的 线 性区间即测量系统的线性测量范围.第二,在实测过 程中,获取焦前焦后光强差ID,根据事先刻度的光强 差ID(u)曲线获取物 体 离 焦 量(表 面 形 貌).第 三,对 所获取的形貌进行滤波等平 滑 处 理、三 维 显 示 及 尺寸测量等.

2    激光刻蚀PET薄膜微沟槽测量实验

2.1 差动信号曲线刻度

     选择 Apo40×、NA=0.95物镜进行实验,获取刻 度差动信号曲线.刻度的步骤如下:1)将平面镜放置 在载物台上,通过相机获取焦面位置;2)设置 DMD 为单点照明模式,控制载物台移动到焦前uF 处,驱动 压电陶瓷电机移动物镜进行行程z、步长为 Δz的轴向 扫描并获取z/Δz 张图像,记录所有图像中光斑光强 值与对应轴向位置,得到焦前轴向光强响应曲线IF (红色点划线表示);3)控制载物台移动到焦后uF 处, 驱动压电陶瓷电机移动物镜进行行程z、步长为 Δz的 轴向扫描并获取z/Δz张图像,与2)类似得到焦后轴 向光强响应曲线IA(蓝色虚线表示);4)将焦前、焦后 两条曲线作差,得到差动信号曲线ID =IA -IF(黑色 实线表示).实验选择的物镜放大倍数为40×,数值孔 径(NA)为0.95,设置焦前焦后离焦量uF =1.5μm, 图3 为 Apo40×,NA=0.95 物 镜 下 焦 前 焦 后 距 离 uF=1.5μm 刻度的轴向差动信号曲线,曲线中间区域 代表了光强与离焦量的线性关系.该条轴向差动信号 曲线中间区域(-1.3~1.3μm)呈现出较高的线性 度.为此,Apo40×NA=0.95物镜且uF =1.5μm 条 件下,并行物方差动共聚焦显微三维测量方法轴向测 量范围约为2.6μm.

       将线性区域归一化并拟合成一次函数表达式:

      完成差动信号曲线的刻度后,采集样品焦前、焦 后共聚焦图像,利用式(1)中光强差值ID 与离焦量u 的线性函数关系即可还原出样品真实的形貌信息.

2.2   PET薄膜差动图像获取

2.2.1 薄膜样本

     激光刻蚀对象:1.4μm 厚PET薄膜载玻片(Leica, 德国).激光器:纳秒紫外激光器(355nm,120μJ,重复 频率50~5000Hz.切割移动方法:扫描振镜.刻蚀的 沟槽深度低于薄膜平均厚度.

     使用SANKO 的显微分光膜厚计(型号 OPTMA1)对 PET 膜的膜厚进行测量,经过自由取多个随机 点测量以及10次重复测量显示,该 PET 膜的反射率 曲线基 本 重 合,重 复 性 良 好,平 均 厚 度 计 算 值 为 1319.038nm,拉依达准则下3σ为0.567,测试结果 表明该PET 薄膜具备厚度均匀性良好的特点,是作为激光加工和三维形貌测量技术研究的可靠材料,不到 1.4μm 的厚度也在并行物方差动共聚焦显微镜三维 测量方法免扫描轴向测量范围之内.

2.2.2 薄膜焦前焦后共聚焦图像获取

     采集焦前、焦后共聚焦图像需要将覆PET 膜载玻 片置 于 载 物 台.首 先 选 择 零 参 考 平 面,具 体 地:在 DMD单个微镜“开”的单点照明模式下,通过轴向位 置调节,寻找使光斑光强最大的轴向位置,也就是物 镜的焦面位置,该步骤为实验提供了参考零平面,保 证之后拍摄的共聚焦图像有相同参考面.随后,采集 样本焦后共聚焦图像,具体地:驱动 PI电机移动物镜 到焦后uF=1.5μm 的位置,切换 DMD的照明模式为 并行共聚焦模式,并调整曝光大小.该模式下,数字微 镜阵列行和列“开”微镜周期T=4,即每4个微镜单元 中一个“开”,要覆盖整个视场的共聚焦成像,需要T× T=4×4共16个互补 DMD 的点照明模式下采集样 本16个点照明图像,应用数字“虚拟针孔”概念,将每 幅图像对应微镜“关”状态的像素置零,将所得的 16 张焦后图像相 加 合 成 薄 膜 的 焦 后 共 聚 焦 图 像.采 用 DMD 作为并行照明针孔及虚拟探测针孔,大大加快 了共聚焦成像速度.第三,采集样本焦前共聚焦图像. 驱动 PI电机移动物镜到焦前1.5μm 的位置.为了消 除物镜在移动过程中产生的空回误差,控制物镜移动 到焦前2μm 处,再往回移动0.5μm,采集样品焦前 16张点阵照明图像,16张焦前图像之和合成薄膜的 焦前共聚焦图像.第四,将焦前和焦后共聚焦图像相 减后获得差动图像,如图5所示,(a)为焦前图像,(b) 是焦后图像,(c)是差动图像.

2.2.3 PET薄膜差动图像及误差来源分析

     将图5中的焦前和焦后图像相减,利用式(6)计 算得到如图6的激光刻蚀 PET 薄膜的原始差动共聚 焦图像.差动共聚焦测量技术是基于光强与离焦量的 数学关系,通过获取样品表面在焦前、焦后反射的光 强差值来计算出样品表面高度,因此样品表面反射率 的变化会影响最终测量的高度,反射率高的地方轴向 响应强度较强,相对的反射率低的地方轴向响应强度 较低,相同高度不同反射率的样品表面的图像灰度差 值不同,测量得到的高度也会不同[22].图6为使用并 行物方差动共聚焦还原的 PET 薄膜激光刻蚀沟槽差 动共聚焦三维原始信号,该原始信号存在很多影响沟 槽形貌(黑框所示位置)的毛刺,较难将加工区域和背 景区分开.

      在显微镜观察下,PET 薄膜表面存在较多影响测 量结果的因素,如表1中3幅图像中黑色方框所示,膜 上的气泡、杂质、表面反射率不均都会导致样品该位 置测量的高度与真实高度出现偏差,当 DMD 调制点 光源照射到气泡时,由于气泡反射率较高,探测器接 收到的光强较高,焦前、焦后两张图片做差后的光强 差值也会相应变大,根据图3刻度的轴向差动信号曲线,测量所得的离焦量(样品气泡处高度)会随着光强 差值增大而增大;反之,当 DMD调制点光源照射到杂 质时,杂质反射率较低,最终测量得到的样品表面高 度会相对较小.除此之外,由于薄膜制作工艺等问题, PET 薄膜在高倍镜观察下表面交替出现不规则的灰 色条纹,在使用差动共聚焦技术测量时背景会出现反 射率不均、导致还原的样品表面高度出现起伏,与实 际高度出现偏差.

3      沟槽位置提取及图像平滑

     由于 PET 薄膜在微观下存在表面反射率不均的问题来源于样品本身的光学特性,根据分析2.2.3节 中对影响测量结果的因素,本节采用了数字图像处理 的办法进行了理论分析和实验研究.对于使用并行物 方差动共聚焦技术采集的图像存在图像对比度低的 问题,采用了灰度直方图均衡化增强图像中加工痕迹 与背景的对比度来提取刻痕的空间位置,针对孤立点 反射率差别较大造成的柱状毛刺问题则采用了中值 滤波来消除毛刺干扰.

3.1    激光刻蚀沟槽区域提取

      为了提取出激光刻蚀沟槽的空间位置,首先,使 用直方图均衡化算法提升激光刻蚀沟槽区域与背景 的对比度后,利用沟槽区域灰度值较高的特点,将除 了沟槽(模板)以外的区域(背景)置为零,获得激光刻 蚀沟槽区域完整的分割模板,最后,将该模板分别用 于焦前和焦后共聚焦图像中,仅保留原始沟槽区域, 结果如图7所示.

     直方图均衡化是一种通过改变图像像素的灰度值使其分布更为均匀的简单有效的图像增强技术,其 基本原理是对图像中像素个数较多的灰度级进行展 宽,而对像素个数较少的灰度级进行归并,从而增大 图像灰度的动态范围,突出灰度细节,达到图像增强 的目的.激光加工后的痕迹与背景的灰度区别不大, 为了提高加工痕迹与背景的对比度,实验采用图像增 强技术中的直方图均衡化来突出加工痕迹,处理后的 焦面图像的图像细节更加突出,激光加工痕迹与背景 的对比度大大提升.

      图7为激光刻蚀沟槽焦前和焦后共聚焦图像基 于模板分割得到的沟槽区域,其中,由2.2.1节中可 知黑色部分为薄膜均匀平整表面,为非感兴趣的薄膜 背景区域;灰色部分为激光加工微纳沟槽所在区域, 保留了使用并行物方差动共聚焦显微成像系统采集 的原始灰度信息,通过提取薄膜沟槽区域,能够消除 大部分薄膜背景区域噪声对沟槽区域差动共聚焦三 维还原形貌的影响.

3.2     消除薄膜受反射率不均成像影响的三维 形貌还原

     针对上一小节提取的沟槽区域中反射率相对比 较高或低的孤立点,本节研究利用中值滤波的原理消 除反射率较高或较低的孤立点的影响,解决测量高度 偏大或偏小的问题.

     统计排序滤波器属于非线性空间滤波器,其基本 原理是将被滤波器包含的图像区域中的像素进行排 序,依据排序的结果来决定中心像素点的值,其中最 有效的滤波器便是中值滤波,它是用排序结果的中值来替换中心像素点的值,能够很好地去除图像中的脉 冲噪声,例如椒盐噪声.

其中g(x,y)为在区域Sxy 内坐标为 (x,y)像素的值, 计算得到的在 (x,y)处的像素值即为中值.

     图8为使用中值滤波对差动共聚焦测量形貌存 在的毛刺进行平滑的效果,(a)~(f)为选取不同邻域 大小(sig×sig)进行中值计算的效果.因为反射率不均 的区域占有一定的面积,需要根据毛刺所占的区域大 小选取不同参数sig进行处理,可以看出随着选取区域 越大,平滑的效果越明显,但取值过大会造成图8(f)中 的细节缺失,当选取邻域大小为15×15时,毛刺已基 本被平滑,可以直观观察到激光加工的形貌.

4     薄膜沟槽形貌测量结果分析讨论

     激光加工技术是利用激光与物质相互作用的特 性,对材料进行切割、打孔或刻蚀.利用激光技术可在 PET 薄膜刻蚀沟槽、凹点,以制作符合特定需求的通 道或器件.采用纳秒激光技术对高分子材料薄膜的刻 蚀,会在刻蚀区域堆积熔融材料和表面残屑[26],由于刻蚀的凹点区域小,各个刻蚀沟槽的凹点容易深浅不 一,这都对测量形成了挑战.

       如图9(a)为在 PET 薄膜表面进行的激光光斑直 径为10μm 的激光刻蚀加工字母0样本,图9(b)、(c) 为本文基于并行差动共聚焦的二分之一样本的三维 形貌及二维剖面测量结果,耗时0.528s,图9(d)、(e) 为使用商用白光干涉仪的测量结果,耗时约9s.从图9(c)中可以观察到,PET 薄膜表面由于受到激光能量 的作用形成的熔融堆叠区域高度为0.062μm 左右, 加工线宽为11.535μm,深度为0.104μm,与图9(e) 中白光干涉仪测量的结果相差无几,但商用的白光干 涉仪追求测量结果可观性,损失了激光加工中心区域 熔融后(如图9(b)虚线框所示)的细节信息.

     图10(a)~(b)为基于并行差动共聚焦测量得到的激光刻蚀平行线样本的三维形貌及二维剖面图,二维 剖面图显示使用光斑直径为2μm 的激光对 PET薄膜 加工后,测量得到线宽分别为3.387μm、3.230μm,加 工深度分别为0.105μm、0.082μm.因为激光刻蚀加 工是基于光热解作用,因此加工线宽略大于激光光斑大小,并且激光对PET 薄膜加工熔化的物质熔融堆叠 形成几纳米至几十纳米高的形貌.图10(c)~(d)为使 用白光干涉仪测量的结果,对于陡峭的沟壑,由于干 涉图案集中在陡峭区域,无法准确解析高度信息,白 光干涉仪无法测量加工沟壑较窄的样本.

5    结    论

     针对现有激光刻蚀高分子薄膜微纳结构表面形 貌的高精度测量,存在难度大、效率低等艰巨挑战,提 出基于并行物方差动共聚焦与图像处理技术相结合 的高精度三维快速测量方法.首先,介绍了并行共聚 焦及并行物方差动共聚焦三维显微成像方法,并刻度 了并行物方差动共聚焦显微成像系统在40倍物镜下 的轴向测量曲 线、拟 合 光 强 差 与 离 焦 量 的 线 性 关 系 式;采集激光加工PET 薄膜沟槽样品的焦前焦后两张 并行共聚焦图像,针对焦前焦后图像中存在较多毛刺 的问题,分析了影响差动信号的误差来源;基于图像 增强提取了加工区域的空间位置模版并应用于焦前 焦后共聚焦图 像;针 对 存 在 反 射 率 差 异 较 大 的 孤 立 点,采用了大小为15×15的模板对差动图像进行中值滤波处理,消除了三维形貌中孤立点引起的毛刺. 实验最后完成了激光显微刻蚀线宽3.230μm,轴向深 度0.082μm 的 PET 薄膜样品的三维形貌测量.本文 方法的测量结果与白光干涉仪测量结果相比,对于线 宽4μm 以下的白光干涉仪无法测量的沟槽,基于并 行差动共聚焦成像技术与图像抗干扰相结合的方法 仍能测量得到沟槽的刻蚀线宽和刻蚀深度.

      该研究基于并行物方差动共聚焦技术,解决了激 光加工 PET 薄膜微纳结构尺寸小、反射率低、三维显 微测量受噪声影响大的难题,改善了现有表征薄膜沟 槽形貌光学测量方法效率低、测量形貌受限的现状, 为高分子薄膜加工而成的核孔膜、纳米通道等微观形 貌提供了一种高效率、高精度的快速三维测量方法.