2023納米技術(shù)微區(qū)表面及亞表面光學(xué)暗場共焦顯微表征方法

納米技術(shù)微區(qū)表面及亞表面光學(xué)暗場共焦顯微表征方法II目 次前言 I引言 I范圍 2規(guī)性用件 2術(shù)和義 2面陷關(guān)語定義 2表缺相術(shù)及定義 3征法語 4方提要 6學(xué)場焦微基本置 6學(xué)場焦微環(huán)形明生方法 7學(xué)場焦微表面量邊判方法 8學(xué)場焦微亞表深定方法 9附錄A 附錄B 13附錄C 14附錄D 15參考獻 16引 言微區(qū)表面及亞表面損傷是超精密光學(xué)加工過程中廣泛存在的一種物理現(xiàn)象，直接影響元件的性能作條件下面臨的激光誘導(dǎo)損傷已經(jīng)成為制約激光慣性約束聚變發(fā)展的瓶頸。微區(qū)表面及亞表面損傷檢測技術(shù)不僅是激光慣性約束核聚變光學(xué)系統(tǒng)性能和壽命的重要保障，也是提高核心元件生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了光學(xué)暗場共焦顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)及采用光學(xué)暗場共焦顯微鏡對微區(qū)表面及亞表面進行缺陷檢測的方法，適用于檢測各類光學(xué)透明材料以及半導(dǎo)體材料表面及亞表面納米或微米級缺陷的檢測。PAGEPAGE10納米技術(shù)微區(qū)表面及亞表面光學(xué)暗場共焦顯微表征方法范圍本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了采用光學(xué)暗場共焦顯微鏡對微區(qū)表面及亞表面進行缺陷檢測的方法。本標(biāo)準(zhǔn)適用于檢測各類光學(xué)透明材料以及半導(dǎo)體材料表面及亞表面納米或微米級缺陷的檢測。（25178-600,600—方法的計量特性（Geometricalproductspecifications(GPS)—Surfacetexture:Areal—Part600:Metrologicalcharacteristicsforareal-topographymeasuringmethods）GB/T15757-2002，產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）表面缺陷術(shù)語、定義及參數(shù)（GeometricalProductSpecification（GPS）—Surfaceimperfection—Terms，definitionandparameters）ISO25178-607,607—）（Geometricalproductspecifications(GPS)—Surfacetexture:Areal—Part607:Nominalcharacteristicsofnon-contact(confocalmicroscopy)instrument）GB/T部分:（VocabularyformicroscopyPart1:Lightmicroscopy）3.1.1表面缺陷surfaceimperfection（SIM）注1：這些單元體或不規(guī)則提的類型，明顯區(qū)別于構(gòu)成一個粗陶度表面的那些單元體或不規(guī)則體。注2：在實際表面上存在缺陷并不表示該表面不可用。缺陷的殼接受性取決于表面的用途或功能，并由適當(dāng)?shù)捻椖縼泶_定，即長度、寬度、深度、高度、單位面積上的缺陷數(shù)等。3.1.2表面缺陷評定區(qū)域surfaceimperfectionassessarea工件實際表面的局部或全部，在該區(qū)域上，檢測和確定表面缺陷。3.1.3凹缺陷recession向內(nèi)的缺陷，包括溝槽（groove）、擦痕（scratch）、破裂（crack）、毛孔（pore）、砂眼（blowhole）、裂隙（crevice）等。3.1.4凸缺陷raising向外的缺陷，包括樹瘤（wart）、皰疤（blister）、縫脊（flash）、附著物（deposits）等。combinedsurfaceimperfection部分向外和部分向內(nèi)的表面缺陷，包括折疊（lap）、劃痕（scoring）、切屑殘余（chiprest）等。areaimperfection、斑點（spot）（patch）3.2.1亞表面缺陷sub-surfacedefection(SSD)（1-100μm）3.2.2亞表面缺陷評定區(qū)域sub-surfacedefectionassessarea工件實際亞表面的局部或全部，在該區(qū)域上，檢測和確定亞表面缺陷，通常在距表面深度100μm范圍內(nèi)。圖1亞表面缺陷區(qū)域示意3.2.3污染性缺陷pollutiondefects拋光粉在樣件表面再沉積層的殘留而引發(fā)，具體表現(xiàn)為在樣件淺表層（通常0.1μm深度范圍內(nèi)）存在著微量的金屬、非金屬雜質(zhì)。此外，也包含有積累絡(luò)合物成分。注：破碎性缺陷的微尺度空隙處容易填埋污染性缺陷。3.2.4破碎性缺陷fragmentizeddefects1μm-1003.2.5結(jié)構(gòu)性缺陷structuraldefects（NBOHC）（ODC）3.3.1暗場共焦顯微術(shù)dark-fieldconfocalmicroscopy(DCM)3.3.2ratioofannularaperture探測互補孔徑光闌complementarydetectionaperturediaphragm注：探測互補孔徑光闌的孔徑尺寸與環(huán)形照明光尺寸進行匹配時應(yīng)將光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率計算在內(nèi)。3.3.4探測照明孔徑比ratioofilluminationanddetectionapertures探測互補孔徑光闌尺寸與環(huán)形照明光內(nèi)環(huán)尺寸比值。ΦDdΦD圖2探測照明孔徑比示意注：d——環(huán)形照明光內(nèi)環(huán)尺寸；D——環(huán)形照明光外環(huán)尺寸；Φ——探測互補孔徑光闌的直徑尺寸3.3.5軸向掃描長度axialscanlength暗場共焦顯微鏡所能實現(xiàn)的最大軸向掃描范圍。3.3.6軸向包絡(luò)axialenvelope所記錄的探測信號對應(yīng)于暗場共焦層析圖像中單一像點軸向位置變化的函數(shù)。注：曲線“1”——軸向包絡(luò)曲線；曲線“2”——半高寬；Uz——軸向坐標(biāo)z的取值范圍，單位：m；z——軸向?qū)嶋H坐標(biāo)，單位：m圖3暗場共焦顯微成像軸向包絡(luò)示意曲線3.3.7軸向最大信號位置axialmaximumsignalposition軸向掃描過程中軸向響應(yīng)信號最大值所對應(yīng)的軸向（z向）坐標(biāo)。注：軸向響應(yīng)信號最大值可以是實際探測最大值，或者是數(shù)學(xué)擬合計算的理論最大值。3.3.8表面定位算法locationalgorithm從軸向包絡(luò)中提取軸向峰值信號位置的數(shù)學(xué)算法。3.3.9多模態(tài)暗場共焦測量multimodedarkfieldconfocalmeasurement基于暗場共焦構(gòu)架，使用不同類型激發(fā)光對缺陷進行激勵，探測不同模式下的調(diào)制信號進行測量，如熱波成像、激光誘導(dǎo)成像。光）（）（）（）注：1——13——18——探測針孔；19——光電探測器；圖4暗場共焦顯微鏡基本原理組成示意圖適當(dāng)寬度的平行光束經(jīng)過成對錐形鏡可產(chǎn)生形狀規(guī)則的環(huán)形光，環(huán)形光的內(nèi)外徑尺寸可通過調(diào)節(jié)光闌通光孔徑尺寸和兩個錐形鏡的間距來調(diào)節(jié)，在試用不同數(shù)值孔徑的物鏡時調(diào)節(jié)合適的環(huán)形光內(nèi)外徑尺寸是非常有必要的。注1：錐形鏡可分為錐形透鏡和錐形反射鏡，錐形透鏡在裝調(diào)時較方便，錐形反射鏡在消色差寬譜照明方面有優(yōu)勢。注2：照明環(huán)形光亦可由衍射光學(xué)元件生成。2'1'2'1' 4'61 4 3 2a) b)圖5暗場共焦顯微鏡環(huán)形光照明產(chǎn)生的兩種方式注：11'——入射光；2、2'——出射環(huán)形光；3——錐形透鏡；4——光闌；5——1；6——錐27862786213 54圖6暗場共焦顯微鏡渦旋環(huán)形光照明產(chǎn)生方式注：1——入射光；2——出射渦旋環(huán)形光；3——單模光纖；4——雙模光纖；5——光纖旋轉(zhuǎn)器；6——光纖準(zhǔn)直鏡；7——擴束器；8——光闌圖7暗場共焦顯微鏡表面測量邊緣判定示意圖注像位置會有較寬的光強變化過渡帶。I(xk)xk0xxk 0I(xk)k說明：x0——響應(yīng)曲線峰值橫向位置坐標(biāo)；xk——響應(yīng)曲線大于峰值強度一半的數(shù)據(jù)點的橫向位置坐標(biāo)；I(xk)——響應(yīng)曲線大于峰值強度一半的數(shù)據(jù)點的歸一化測量光強值。C。暗場共焦顯微技術(shù)由于在照明端采用環(huán)形光照明，同時對高數(shù)值孔徑物鏡（NA＞0.5）sinc2I(z)Asinc2zBAcosBos22 2 說明：z——軸向位置坐標(biāo)；I(z)——軸向光強響應(yīng)曲線；α1——環(huán)形光內(nèi)徑照明孔徑角；α2——環(huán)形光外徑照明孔徑角。

cos

2cos1k因此，光學(xué)暗場顯微鏡亞表面深度定位采用基于sinc2函數(shù)的峰值擬合定位方法。圖8暗場共焦顯微鏡基于sinc2函數(shù)的峰值擬合定位示意圖n真實軸向定位深度與暗場共焦顯微鏡軸向測量峰值間距之間可近似認(rèn)為是線性函數(shù)關(guān)系，經(jīng)折射率失配校正的軸向定位深度表示為：DKz說明：D——軸向定位深度；Δz——暗場共焦顯微鏡軸向測量峰值間距；仿真計算或測量數(shù)據(jù)點線性擬合直線，斜率即介質(zhì)校正系數(shù)KK仿真計算或測量數(shù)據(jù)點線性擬合直線，斜率即介質(zhì)校正系數(shù)K真實軸向定位深度D/μmΔz真實軸向定位深度D/μm9暗場共焦顯微鏡介質(zhì)折射率失陪誤差校正示意圖sinc2sinc2Iznic2ztzii2a b i1

i 注1：I(z)——光學(xué)暗場共焦軸向響應(yīng)；a——表征點擴展函數(shù)寬度的參數(shù)；rect[]——矩形函數(shù)；zi——第i個亞表面缺陷的深度位置；bj——第i個亞表面缺陷在深度方向的跨度。zibj附錄A(資料性)表面及亞表面光學(xué)暗場共焦顯微鏡數(shù)據(jù)分析方法示例0.2μm0~60μm1圖1釹玻璃測量結(jié)果圖。(a)-(d)為在明場共焦模式下獲得的同一區(qū)域的截面圖；(e)-(h)為在暗場共焦模式下獲得的同一區(qū)域的截面圖；(i)-(l)為兩模態(tài)下測得的軸向響應(yīng)。1(b)1(f)1(j)1(b)1(f)1(c)1(g)1(k)6μm~60μm1(d)、1(h)1(l)1(a)和1(e)1(d)1(h)1(h)40μm~56μm附 錄(資料性)表面及亞表面光學(xué)暗場共焦顯微鏡數(shù)據(jù)顯示方法示例2圖2明場共焦和暗場共焦模式下的表面及亞表面缺陷三維分布圖。(a)為明場共焦模式下的三維分布，(b)為暗場共焦模式下的三維分布。(c)是兩種模式疊加的側(cè)視圖2(a)2(b)2(a1)2(b1)z2(a2)2(b2)2(a3)2(b3)2(a4)2(b4)附錄C(資料性)暗場共焦顯微鏡表面測量的邊緣判定方法示例測4.939。表1暗場共焦顯微鏡表面臺階寬度測量結(jié)果（μm）測量次數(shù)12345均值標(biāo)準(zhǔn)差偏差質(zhì)心擬合24.40424.39724.41624.36224.40224.3960.020-0.543高斯擬合24.41124.39424.40024.38424.40424.3990.010-0.540圖3采用高斯擬合模型進行邊緣位置判定示意圖附錄D(資料性)光學(xué)暗場顯微鏡亞表面深度定位方法示例（n1.7表2暗場共焦顯微鏡對亞表面臺階深度測量結(jié)果（μm）測量次數(shù)1234