显微散射偏振成像表面缺陷测量装置和测量方法与流程

本发明涉及表面缺陷检测，特别是一种针对超光滑元件表面的显微散射偏振成像表面缺陷测量装置和测量方法。

背景技术：

大口径超光滑元件(表面粗糙度均方根值小于1nm)广泛应用在光刻系统、高功率强激光系统、天文望远系统以及超大规模集成电路等高端装备中。在强激光系统中，随机分布在元件表面的划痕、麻点等缺陷对入射光产生调制，使局部光场极大增强，超出元件损伤阈值。划痕、麻点中残留的抛光液中的金属离子和污染物对入射光产生强烈吸收，导致元件局部炸裂，直接威胁整个系统的安全运行。另外，表面缺陷对入射光产生的散射会引起成像系统中成像光束能量损耗，杂散光成为噪声，进一步降低系统信噪比，造成目标信号无法提取与分析。在半导体领域，开口气泡、划痕等缺陷是影响晶圆产量的关键因素，对芯片性能造成十分严重的影响，甚至导致芯片直接报废，被视为“晶圆杀手”。

当前用于超光滑元件表面缺陷检测的方法主要包括目视法、显微散射暗场成像法、激光散射法以及光热显微成像法等。其中，光热显微成像法(参见bertussib,natolijy,commandrém.high-resolutionphotothermalmicroscope:asensitivetoolforthedetectionofisolatedabsorbingdefectsinopticalcoatings[j].appliedoptics,2006,45(7):1410-1415.)是基于光热效应探测吸收性缺陷，对划痕、麻点等结构性缺陷不灵敏，而且由于是单点探测，测量效率低，无法应用于中、大口径元件全口径快速测量。目视法依靠人眼观察：在暗室洁净环境中，检测员手持强光手电筒，倾斜照射超光滑元件表面。若元件表面存在缺陷，则缺陷对入射光产生散射。人眼避开反射光，观测缺陷发出的散射光。由于目视法简单易操作，目前仍广泛应用于表面缺陷检测行业，但其存在两方面不足：一方面是生理限制，眼睛疲劳导致检验员不能长时间连续工作。另一方面依赖主观评价，检验员不能准确给出缺陷的尺寸。不同的检验员之间的检测结果经常不一致，缺乏传递性。激光散射法(参考文献us5798829)是激光聚焦后倾斜入射到晶圆表面，缺陷产生的散射光被探测器接收。该方法为单点探测，为实现全口径快速测量，将晶圆固定在承载台上，承载台沿其中心轴高速旋转，同时在水平面内沿径向移动。该方法不适用于大口径、大重量的超光滑光学元件表面的缺陷检测。显微散射暗场成像法(参考文献cn1563957a)是采用准直光源斜入射到待测元件表面，反射光从另一侧出射，表面缺陷产生的散射光被位于元件表面法线上的显微成像系统收集，在相机上成暗背景亮像，实现超分辨探测。结合数字图像处理技术，提取表面缺陷的位置和尺寸信息。该方法在表面弱划痕检测效果上，有待进一步提升。此外，该方法在测量高反膜元件时，背景灰度急剧升高，图像对比度降低，表面缺陷无法被有效提取。

技术实现要素：

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种显微散射偏振成像表面缺陷测量装置和测量方法。该方法采用微偏振片阵列实现表面缺陷实时显微散射偏振成像，通过计算偏振度图像，提升了超光滑元件表面缺陷探测的灵敏度，实现高反膜元件表面缺陷有效检测，能够满足米级大口径超光滑元件表面缺陷快速检测需求。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种显微散射偏振成像表面缺陷测量装置，包括：激光器、第一会聚透镜、旋转扩散器、第二会聚透镜、光阑、第三会聚透镜、针孔、第四会聚透镜、偏振片、半波片、偏振分束器、x-y位移平台、样品、显微镜头、四分之一波片、微偏振片阵列、相机和计算机。

所述的激光器、第一会聚透镜、旋转扩散器、第二会聚透镜、光阑、第三会聚透镜、针孔、第四会聚透镜、偏振片、半波片、偏振分束器依次共光轴排列。该光轴与所述的样品的待测表面的法线成一定角度。

所述的第一会聚透镜与第二会聚透镜共焦，所述的旋转扩散器位于共焦位置。

所述的第三会聚透镜与第四会聚透镜共焦，所述的针孔位于共焦位置。

所述的显微镜头、四分之一波片、微偏振片阵列和相机依次共光轴排列，该光轴位于入射面内，与所述的样品待测表面法线平行。

所述的四分之一波片的快轴与沿所述的显微镜头的光轴传播的s偏振(或p偏振)光的偏振面的夹角为45°。

所述的微偏振片阵列由多个2×2单元的微纳结构周期性构成，每一个2×2单元包含四个透射光偏振方向，分别为0°、45°、90°和135°。所述的微偏振片阵列的尺寸与所述的相机感光芯片的尺寸一致，两者紧密贴合，每一个像素位置重合。所述的微偏振片阵列的像元尺寸与所述的相机的像元尺寸一致。

所述的样品固定在x-y位移平台上，所述的样品的待测表面位于显微镜头成像物面上；所述的计算机的输出端与所述的旋转扩散器、相机和x-y位移平台的控制端相连，所述的相机的输出端与所述的计算机的输入端相连。

利用上述显微散射偏振成像表面缺陷测量装置进行超光滑元件表面缺陷检测的测量方法，包括下列步骤：

1)将所述的样品固定在所述的x-y位移平台上；

2)所述的激光器发出的光束依次通过第一会聚透镜、旋转扩散器和第二会聚透镜后被降低相干性并扩束准直。微调所述的光阑选取出射光束中较均匀部分，选取的均匀光束依次通过所述的第三会聚透镜、针孔和第四会聚透镜组成的滤波系统后输出准直光束；该准直光束经过所述的偏振片后成为线偏振光，该线偏振光依次经过所述的半波片和偏振分束器后变成s偏振(或p偏振)光斜入射到所述的样品的待测表面；

3)旋转所述的半波片，使通过所述的偏振分束器输出的s偏振(或p偏振)光强度最大；该s偏振(或p偏振)光照射在所述的样品的待测表面上；所述的样品的光滑表面和表面缺陷产生的散射光依次通过所述的显微镜头、四分之一波片和微偏振片阵列后，在所述的相机上成像，得到单个子孔径散射偏振图像；

4)所述的x-y位移平台按设计的路线移动，实现所述的样品待测表面全口径测量；

5)所述的旋转扩散器、相机和x-y位移平台在所述的计算机控制下工作，所述的x-y位移平台每移动一个位置，所述的相机获取一幅散射偏振图像并输入所述的计算机，直到获得所有子孔径散射偏振图像；

6)所述的计算机对所述的每一幅散射偏振图像进行下列数据处理：

①计算所有子孔径散射偏振图像的偏振度：所述的微偏振片阵列每一个2×2单元的四个偏振方向的透射光强分别为i0、i45、i90和i135；相机采集的每一幅散射偏振子孔径图像包含m×n个像素，每一个像素(i,j)的线偏振度d(i,j)由其与周围相邻另外三个像素(i,j+1)、(i+1,j)及(i+1,j+1)共四个像素的光强i0、i45、i90和i135按下式计算得到：

所述的s偏振(或p偏振)光经过样品表面，光滑表面产生的散射光偏振态在入射面内几乎不变，通过所述的四分之一波片后，散射光的偏振态接近圆偏振，i0、i45、i90和i135接近，由上式计算的线偏振度接近0；

所述的s偏振(或p偏振)光经过样品表面缺陷时发生多重散射，产生的散射光偏振态发生改变，s偏振(或p偏振)光中包含p偏振(或s偏振)光。经过四分之一波片后，散射光偏振态偏离圆偏振，由上式计算的线偏振度发生显著变化，不再为0；样品表面缺陷越严重，线偏振度越大；由上式计算的经过四分之一波片后的散射光线偏振度取值范围为[0,1]；重复上述计算过程得到所有子孔径散射偏振图像的偏振度图像。

②计算偏振度灰度图像：将值在[0,1]的偏振度图像线性投影到值在[0,255]的灰度图像，即：

g(i,j)＝int(d(i,j)·255)

其中，g(i,j)表示单幅偏振度图像中像素(i,j)经过线性投影后的灰度值，int为取整函数；经过上述投影变换得到适合数字图像处理技术处理的所有子孔径偏振度灰度图像。偏振度灰度图像为不依赖光强分布的背景均匀的暗背景亮缺陷图像。

③利用现有的子孔径图像拼接、中值滤波、二值化、形态学孔洞填充和特征提取方法(请参见gonzalez,r.c.,woods,r.,eddins,s..digitalimageprocessingusingmatlab,2nded..gatesmarkpublishing:knoxville,u.s.,2009)提取表面缺陷的尺寸和位置信息。

本发明的优点如下：

(1)实现光学元件表面缺陷高灵敏度测量。本发明对表面缺陷产生的散射光进行收集成像，保持了暗场成像的高对比度、超分辨测量优点。由显微散射偏振图像计算得到不依赖照明光强分布的散射光偏振度图像，无论照明光强强弱，光滑表面区域散射光线偏振度均接近0，而表面缺陷散射光线偏振度高，有效克服传统散射暗场成像中由于照明光源不均匀导致弱划痕等缺陷图像对比度低，无法有效提取的问题。

(2)实现高反膜元件表面缺陷有效测量。光滑表面的散射光强度为其它参数一致时，与样品表面反射率r成正比。传统的散射暗场成像技术测量高反膜表面缺陷时，由于高反膜反射率远高于基片反射率，造成高反膜图像背景灰度高，缺陷对比度低，无法有效提取。本发明由散射偏振图像计算偏振度图像，偏振度与照明强度、反射率等因素无关。经过计算，高亮度背景偏振度接近0，缺陷图对比度提高，因此，能有效测量高反膜元件表面缺陷。

(3)采用微偏振片阵列实现相机采集单幅图像即可获得0°、45°、90°和135°四个偏振方向的强度值，无需添加偏振片和旋转机械结构，简化了系统部件结构，有效提高扫描测量速率，使该技术满足米级大口径超光滑元件表面缺陷快速检测需求。

附图说明

图1是本发明显微散射偏振成像表面缺陷测量装置示意图

图2是本发明微偏振片阵列示意图

图3是本发明由表面缺陷散射偏振图像计算表面缺陷偏振度图像原理图

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步详细阐述，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例

图1为本发明显微散射偏振成像表面缺陷测量装置示意图，由图可见，本发明显微散射偏振成像表面缺陷测量装置包括激光器1、第一会聚透镜2、旋转扩散器3、第二会聚透镜4、光阑5、第三会聚透镜6、针孔7、第四会聚透镜8、偏振片9、半波片10、偏振分束器11、x-y位移平台12、样品13、显微镜头14、四分之一波片15、微偏振片阵列16、相机17和计算机18。

所述的激光器1、第一会聚透镜2、旋转扩散器3、第二会聚透镜4、光阑5、第三会聚透镜6、针孔7、第四会聚透镜8、偏振片9、半波片10、偏振分束器11依次共光轴排列。该光轴与所述的样品13的待测表面的法线成一定角度。

所述的第一会聚透镜2与第二会聚透镜4共焦，所述的旋转扩散器3位于共焦位置。

所述的第三会聚透镜6与第四会聚透镜8共焦，所述的针孔7位于共焦位置。

所述的显微镜头14、四分之一波片15、微偏振片阵列16和相机17位于入射面内，共光轴,该光轴与样品13待测表面法线重合。

所述的四分之一波片15的快轴与沿所述的显微镜头14的光轴传播的s偏振(或p偏振)光的偏振面的夹角为45°。

所述的微偏振片阵列16如图2所示，由多个2×2单元的微纳结构周期性构成，每一个2×2单元包含四个透射光偏振方向，分别为0°、45°、90°和135°。所述的微偏振片阵列16的尺寸与所述的相机17的感光芯片的尺寸一致，两者紧密贴合，每一个像素位置重合。微偏振片阵列16的像元尺寸与所述的相机17的像元尺寸一致。

所述的样品13固定在x-y位移平台12上，所述的样品13的待测表面位于显微镜头14成像物面上；所述的计算机18的输出端与所述的旋转扩散器3、相机17和x-y位移平台12的控制端相连，所述的相机17的输出端与所述的计算机18的输入端相连。

利用上述显微散射偏振成像表面缺陷测量装置进行超光滑元件表面缺陷检测的测量方法，该方法包括下列步骤：

1)将所述的样品13固定在所述的x-y位移平台12上；

2)所述的激光器1发出的光束依次通过所述的第一会聚透镜2、旋转扩散器3和第二会聚透镜4后被降低相干性和扩束准直。微调所述的光阑5选取出射光束中较均匀部分，选取的均匀光束依次通过所述的第三会聚透镜6、针孔7和第四会聚透镜8组成的滤波系统后输出准直光束；该准直光束经过所述的偏振片9后成为线偏振光，该线偏振光依次经过所述的半波片10和偏振分束器11后变成s偏振(或p偏振)光斜入射到所述的样品13表面的待测表面；

3)旋转所述的半波片10，使通过所述的偏振分束器11输出的s偏振(或p偏振)光强度最大；s偏振(或p偏振)照射在所述的样品13的待测表面上；所述的样品13的光滑表面和表面缺陷产生的散射光依次通过显微镜头14、四分之一波片15和微偏振片阵列16后，在相机17上成像，得到单个子孔径散射偏振图像；

4)所述的x-y位移平台12按光栅扫描方式的路线移动，实现对所述的样品13待测表面全口径测量；

5)所述的旋转扩散器3、相机17和x-y位移平台12在所述的计算机18控制下工作，所述的x-y位移平台12每移动一个位置，所述的相机17获取一幅散射偏振图像并输入所述的计算机18，直到获得所有子孔径散射偏振图像；

6)所述的计算机18对所述的每一幅子孔径散射偏振图像进行下列数据处理：

①计算所有子孔径散射偏振图像的偏振度图像：所述的微偏振片阵列16每一个2×2单元的四个偏振方向的透射光强分别为i0、i45、i90和i135。由散射偏振图像计算表面缺陷偏振度图像的方式如图3所示，相机17采集的每一幅散射偏振子孔径图像包含m×n个像素，每一个像素(i,j)的线偏振度d(i,j)由其与周围相邻另外三个像素(i,j+1)、(i+1,j)及(i+1,j+1)共四个像素的光强i0、i45、i90和i135按下式计算得到：

所述的s偏振(或p偏振)光经过样品13表面，光滑表面产生的散射光偏振态在入射面内几乎不变，通过所述的四分之一波片15后，散射光偏振态接近圆偏振，i0、i45、i90和i135接近，由上式计算的线偏振度接近0；

所述的s偏振(或p偏振)光经过样品表面缺陷发生多重散射，产生的散射光偏振态发生改变，s偏振(或p偏振)光中包含p偏振(或s偏振)光。经过四分之一波片15后，散射光偏振态偏离圆偏振，由上式计算的线偏振度发生显著变化，不再为0；样品13表面缺陷越严重，线偏振度越大；由上式计算的经过四分之一波片15后的散射光线偏振度取值范围为[0,1]；重复上述计算过程得到所有子孔径散射偏振图像的偏振度图像。

②计算偏振度灰度图像：将值在[0,1]的偏振度图像线性投影到值在[0,255]的灰度图像，即：

g(i,j)＝int(d(i,j)·255)

其中，g(i,j)表示单幅偏振度图像中像素(i,j)经过线性投影后的灰度值，int为取整函数；经过上述投影变换得到适合数字图像处理技术处理的所有子孔径偏振度灰度图像。偏振度灰度图像为不依赖光强分布的背景均匀的暗背景亮缺陷图像。

③利用子孔径图像拼接、中值滤波、二值化、形态学孔洞填充和特征提取等数字图像处理技术提取表面缺陷的尺寸和位置信息。

实验表明，本发明采用微偏振片阵列实现表面缺陷实时显微散射偏振成像，通过计算偏振度图像，提升了超光滑元件表面缺陷探测的灵敏度，实现高反膜元件表面缺陷有效检测，能够满足米级大口径超光滑元件表面缺陷快速检测需求。