显微镜自动对焦：用于设备设计的主动式与被动式方法

这篇文章将深入探讨主动式自动对焦方法——了解它是什么，比较它与其他方法的优劣，并探究它对于光学检测设备设计（如半导体检测）的主要优势。

显微镜的自动对焦方法对比：主动式与被动式

一般来说，有两种类型的自动对焦系统：

1、主动式系统将来自专用自动对焦光源的光照射到样本上，并根据返回的光进行对焦。该技术适用于样本缺乏对比度的高级检测系统，如平板和裸晶圆检测系统。主动式自动对焦技术也有不同的类型。瞳孔分离系统允许在不将样本（移动到初始焦点平面上方或下方的情况下检测焦点方向，从而使对焦快速且易于跟踪。在单点自动对焦系统中，焦点位于样本表面的视场中心。

2、被动系统使用观察到的图像进行对焦。这种技术（图 1）通常被称为图像对比法。在被动式方法中，难以确定对焦方向，因此必须在Z方向上下移动载物台以检测样本对比度的增加或减少。这会减慢对焦速度，并使人难以掌握对焦情况。然而，这种方法的优点是价格相对便宜。

图 1.被动式自动对焦方法示意图

使用多点系统开发主动式自动对焦

半导体设计的复杂化或小型化为显微镜检查时的自动对焦带来了新的挑战。布线图案更精细，阶梯结构更复杂。

这些自动对焦的挑战（图 2）包括：

1、当样本稍微侧移时，焦点位置在阶梯顶部和底部之间的不稳定移动。

2、由于阶梯边缘的自动对焦光的散射，导致对焦误差信号的信噪比 (SNR) 变差

图 2.半导体样本聚焦不稳定的原因：（左）焦点位置的变化和（右）阶梯边缘的散射。

为了解决这些问题，我们开发了一种使用多个焦点检测点的主动式自动对焦系统（图 3，右）。我们还增添了一个功能，通过移动自动对焦光学系统的中继镜的光轴，将焦点位置偏移到所需的观察位置。这就消除了焦点不稳定的问题（图 4 和图 5）。

图 3.样本表面对焦检测点对比：（左）单点自动对焦系统，（右）多点自动对焦系统。

这种自动对焦技术可以作为一个组件提供，以集成到更大的光学检测设备中。它主要用于半导体检测设备。

图 4.焦点位置偏移功能。

(a) 在单点系统中，将样本移到一侧会移动焦点位置。

(b) 在多点系统中，将同一样本移到一侧不会改变焦点位置。

图 5.阶梯状样本横向错位与焦点稳定性比较（亮点表示焦点内的检测点）。