一种微观缺陷三维尺度逆向标定及检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于超光滑元件表面缺陷检测领域，本发明涉及一种微观缺陷三维尺度逆 向标定及检测方法。
【背景技术】
[0002] 超光滑元件表面缺陷在宏观上随机离散分布，微观精度在微米到亚微米量级，因 此元件表面微观缺陷检测要求对整个表面上进行全口径采样，并完成缺陷在亚微米量级的 测量。微观缺陷显微暗场成像原理利用了光滑表面缺陷对入射光调制而产生的散射效应。 多束高亮度的环形白光LED光源以特定角度入射至待测的超光滑元件表面，显微成像系统 对表面缺陷产生的散射光进行收集并成像在CCD上，最终形成暗背景上的亮缺陷图像。这 种图像不仅辨识度高而且可以进行精密复杂的图像处理，实现一种效率高、直观性强而且 高精度的微观缺陷检测方法，目前显微暗场缺陷检测可以完成亚微米级别的二维信息精确 检测。但是显微暗场散射检测微观缺陷无法直接检测出缺陷纳米量级的三维尺度信息，其 中宽度信息需要通过宽度定标获得，目前还需要利用光学定标版对缺陷宽度图像进行标 定；另外，微观缺陷与光相互作用产生复杂的调制散射光，所以从散射光中直接解调出缺陷 纵向深度信息也几乎是不可能的。使用干涉法检测表面微观缺陷的纵向三维尺度，条纹会 在缺陷处产生断裂，而且难以解调；如果使用原子力显微镜测量缺陷三维尺度虽然检测精 度可以达到纳米量级，但是检测物方视场过小，点扫描方式检测效率低下，不适合宏观全表 面的微观缺陷检测；另外，如果使用激光扫描共聚焦显微镜对元件表面微观缺陷纵向三维 尺度进行测量时，不仅检测物方视场小，检测效率低下，而且纵向分辨率为微米量级无法完 成微观缺陷纳米级的三维尺度检测。
[0003] 使用基于矢量衍射理论的时域有限差分方法，可以建立表面缺陷散射光的电磁场 暗场散射模型，相应的可以得到在光学成像系统像面上的电磁场分布。因此可以用像方数 学模型来反演定量评价真实缺陷的三维尺度信息，不仅可以完成更加精确的显微缺陷宽度 信息的标定而且可以完成显微缺陷深度的高精度标定，不需要采用轴向层析扫描就可以获 得缺陷的三维尺度信息，检测效率高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是解决微观缺陷显微暗场散射成像检测时无法获得被测缺陷三维 尺度信息的问题，提出一种微观缺陷三维尺度逆向标定及检测方法。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：
[0006] 步骤1、仿真模型样本库建立；
[0007] 所述的仿真模型样本库包括仿真缺陷模型、近场电磁场分布以及缺陷光强分布和 光强分布的多维特征参数；
[0008] 步骤2、超光滑元件表面缺陷检测；
[0009] 步骤3、基于特征匹配的三维尺度逆向识别。
[0010] 步骤1所述的仿真模型样本库的建立具体如下：
[0011] 1-1.通过FDTD仿真软件建立仿真缺陷模型；
[0012] 1-2.通过FDTD仿真软件建立仿真缺陷暗场散射模型；
[0013] 1-3.基于FDTD仿真软件对缺陷进行电磁场仿真；
[0014] 1-4.基于FDTD仿真软件外推获得仿真缺陷模型在光学成像系统像面上的理想光 强分布；
[0015] 1-5.基于理想光强分布利用数据处理提取理想光强分布特征；
[0016] 卜6.在理想光强分布中加高斯型光学系统像差模型，具体如下：
[0017] 1-7.利用最大光强、极值点数量、阈值处灰度梯度及光强分布曲线构建多维特征 参数向量；
[0018] 1-8.通过多维特征参数向量创建仿真模型样本库。
[0019] 步骤1-6所述的在理想光强分布中加高斯型光学系统像差模型，具体如下：
[0020] 加入点扩散函数仿真显微散射暗场成像系统的高斯型光学系统像差模型，利用高 斯退化函数作为光学成像系统的点扩散函数PSF，其表达式为：
【主权项】
1. 一种微观缺陷三维尺度逆向标定及检测方法，其特征在于包括如下步骤： 步骤1、仿真模型样本库建立； 所述的仿真模型样本库包括仿真缺陷模型、近场电磁场分布以及缺陷光强分布和光强 分布的多维特征参数； 步骤2、超光滑元件表面缺陷检测； 步骤3、基于特征匹配的三维尺度逆向识别。
2. 如权利要求书1所述的一种微观缺陷三维尺度逆向标定及检测方法，其特征在于步 骤1所述的仿真模型样本库的建立具体如下： 1-1.通过FDTD仿真软件建立仿真缺陷模型； 1-2.通过FDTD仿真软件建立仿真缺陷暗场散射模型； 1-3.基于FDTD仿真软件对缺陷进行电磁场仿真； 1-4.基于FDTD仿真软件外推获得仿真缺陷模型在光学成像系统像面上的理想光强分 布； 1-5.基于理想光强分布利用数据处理提取理想光强分布特征； 1-6.在理想光强分布中加入光学系统像差模型，具体如下： 1-7.利用最大光强、极值点数量、阈值处灰度梯度及光强分布曲线构建多维特征参数 向量； 1- 8.通过多维特征参数向量创建仿真模型样本库。
3. 如权利要求书2所述的一种微观缺陷三维尺度逆向标定及检测方法，其特征在于步 骤1-6所述的在理想光强分布中加入光学系统像差模型，具体如下： 加入点扩散函数仿真显微散射暗场成像系统的高斯型光学系统像差模型，利用高斯退 化函数作为光学成像系统的点扩散函数PSF，其表达式为：
式⑴中，K是归一化常数，μ，σ是常数，C是孔径区域；在电磁仿真得到的像面散射 光强分布结果中，使用高斯型扩展函数对理想仿真结果进行卷积，能够模拟得到缺陷经过 存在像差的光学系统后的散射成像结果；定义I fdtdOO是FDTD仿真得到的远场散射成像理 想光强分布，IpsfOO是加入光学成像系统弥散的光强分布，I fdtdOO和IpsfOO存在以下关系 表达式： IpsAx) =IFDTD (X)? PSF+ Ihg 公式⑵ 式（2)中?是卷积符号，PSF是点扩散函数，IBe表示背景光强，由CCD的背景噪声因素 决定；通过对理想的缺陷光强与高斯型退化函数做卷积，就能够尽可能接近实际缺陷在像 面上的光强分布。
4. 如权利要求书1所述的一种微观缺陷三维尺度逆向标定及检测方法，其特征在于步 骤2所述的超光滑元件表面缺陷的检测，具体如下： 2- 1.元件缺陷暗场散射成像； 2-2.显微成像系统C⑶采集缺陷图像； 2-3.对采集得到的缺陷图像利用灰度分布统计的方法提取缺陷图像中垂直于待测缺 陷长度方向的灰度分布； 2- 4.基于理想光强分布利用数据处理提取灰度分布中的灰度分布特征。
5. 如权利要求书1所述的一种微观缺陷三维尺度逆向标定及检测方法，其特征在于步 骤3所述的基于特征匹配的三维尺度逆向识别，具体如下： 3- 1.建立相似度评价函数； 3-2.利用基本顺序搜索算法搜寻仿真模型样本库中特征参数向量； 3-3.判断相似度是否达到要求； 实际中考虑到系统误差、光照影响、缺陷自身误差的因素，即使Ipsf(P)和Idf(P)分别是 参数完全相同缺陷的仿真和实验结果，Ipsf (P)和Idf (P)不可能完全一致，即r12不可能刚好 等于1，因此设定一个小量ε，并作如下判断： l-r12|< ε 公式（4) 当r12满足公式⑷时，判断I PSF(ρ)和IDF(p)之间是相关的，则提取对应的仿真缺陷 模型的三维尺度，并将其作为实际缺陷三维尺度；此时，认为电磁仿真建模时预设的缺陷参 数与检测中实际缺陷的真实参数是接近的，将缺陷建模参数作为缺陷参数的检测参考值输 出；ε取值为〇-〇. 2,具体的取值则需要计算机仿真和实验来确定；否则返回步骤3-2。
6. 如权利要求书1所述的一种微观缺陷三维尺度逆向标定及检测方法，其特征在于步 骤3-1所述的建立相似度评价函数，具体如下： 在实际检测中，超光滑元件表面微观缺陷经过显微暗场散射成像能够在光学系统像面 上采集得到缺陷的灰度图像，然后提取垂直待测缺陷长度方向对的灰度分布，其中灰度与 光强成正比，则能够将灰度分布乘以比例系数作为实际缺陷在像面上的光强分布；对得到 的缺陷实际光强与仿真得到的缺陷光强分布进行相似度评价；设I df(P)为缺陷垂直于长度 方向实际灰度所对应的光强分布，并将Ipsf(P)和Idf(P)转换到光强-像素空间，将I psf(P) 和看Idf(P)作两个一维离散信号；参考信号处理中两个一维离散信号间的相关性运算，定 义r12为I psf(P)和Idf(P)之间的相似度，如下式，
式（3)中，Q为缺陷的像素宽度值，为整数；像素变量ρ = 0，1，2，...，Q-I，Ptl为像素位 移量；r12的意义在于能够通过相关运算结果考察IPSF (ρ)和IDF(p)之间相似程度；若Ipsf(P) 和Idf (P)完全相同，则r12 = 1 ;若IPSF (ρ)和Idf (ρ)完全不同，则r12 = 0。
【专利摘要】本发明公开了一种微观缺陷三维尺度逆向标定及检测方法。本发明具体步骤如下：1、通过FDTD仿真软件建立仿真缺陷模型和仿真缺陷暗场散射模型；对缺陷进行电磁场仿真；外推获得仿真缺陷模型在光学成像系统像面上的理想光强分布；提取理想光强分布特征；在理想光强分布中加高斯型光学系统像差模型；构建多维特征参数向量并创建仿真模型样本库。2、元件缺陷暗场散射成像，显微成像系统采集缺陷图像；提取缺陷图像中垂直于待测缺陷长度方向的灰度分布；提取灰度分布中的灰度分布特征。3、建立相似度评价函数；搜寻仿真模型样本库中特征参数向量；判断相似度是否达到要求。本发明易于操作且具有较高的检测效率，能够达到纳米量级的纵向分辨率。
【IPC分类】G01N21-88
【公开号】CN104833679
【申请号】CN201510217110
【发明人】杨甬英, 刘 东, 李阳, 曹频, 王世通
【申请人】浙江大学, 杭州晶耐科光电技术有限公司
【公开日】2015年8月12日
【申请日】2015年4月29日