[发明专利]显微散射偏振成像表面缺陷测量装置和测量方法

说明书

一种显微散射偏振成像表面缺陷测量装置和测量方法，该装置主要包括激光器、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。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。

技术领域

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Bertussi B,Natoli JY,CommandréM.High-resolution photothermal microscope:a sensitive tool for thedetection of isolated absorbing defects in optical coatings[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。

发明内容

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。