2023納米技術(shù)微區(qū)表面及亞表面光學(xué)暗場(chǎng)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(chǎng)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(yǔ)定義 2表缺相術(shù)及定義 3征法語(yǔ) 4方提要 6學(xué)場(chǎng)焦微基本置 6學(xué)場(chǎng)焦微環(huán)形明生方法 7學(xué)場(chǎng)焦微表面量邊判方法 8學(xué)場(chǎng)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(xiàn) 16引 言微區(qū)表面及亞表面損傷是超精密光學(xué)加工過(guò)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(cè)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(chǎng)共焦顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)及采用光學(xué)暗場(chǎng)共焦顯微鏡對(duì)微區(qū)表面及亞表面進(jìn)行缺陷檢測(cè)的方法，適用于檢測(cè)各類(lèi)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(jí)缺陷的檢測(cè)。PAGEPAGE10納米技術(shù)微區(qū)表面及亞表面光學(xué)暗場(chǎng)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(chǎng)共焦顯微鏡對(duì)微區(qū)表面及亞表面進(jìn)行缺陷檢測(cè)的方法。本標(biāo)準(zhǔn)適用于檢測(cè)各類(lèi)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(jí)缺陷的檢測(cè)。（25178-600,600—方法的計(jì)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(yǔ)、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(lèi)型，明顯區(qū)別于構(gòu)成一個(gè)粗陶度表面的那些單元體或不規(guī)則體。注2：在實(shí)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?xiàng)目來(lái)確定，即長(zhǎng)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(píng)定區(qū)域surfaceimperfectionassessarea工件實(shí)際表面的局部或全部，在該區(qū)域上，檢測(cè)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(shù)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?xì)堄啵╟hiprest）等。areaimperfection、斑點(diǎn)（spot）（patch）3.2.1亞表面缺陷sub-surfacedefection(SSD)（1-100μm）3.2.2亞表面缺陷評(píng)定區(qū)域sub-surfacedefectionassessarea工件實(shí)際亞表面的局部或全部，在該區(qū)域上，檢測(cè)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(chǎng)共焦顯微術(shù)dark-fieldconfocalmicroscopy(DCM)3.3.2ratioofannularaperture探測(cè)互補(bǔ)孔徑光闌complementarydetectionaperturediaphragm注：探測(cè)互補(bǔ)孔徑光闌的孔徑尺寸與環(huán)形照明光尺寸進(jìn)行匹配時(shí)應(yīng)將光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率計(jì)算在內(nèi)。3.3.4探測(cè)照明孔徑比ratioofilluminationanddetectionapertures探測(cè)互補(bǔ)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(cè)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(cè)互補(bǔ)孔徑光闌的直徑尺寸3.3.5軸向掃描長(zhǎng)度axialscanlength暗場(chǎng)共焦顯微鏡所能實(shí)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(cè)信號(hào)對(duì)應(yīng)于暗場(chǎng)共焦層析圖像中單一像點(diǎn)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(chǎng)共焦顯微成像軸向包絡(luò)示意曲線3.3.7軸向最大信號(hào)位置axialmaximumsignalposition軸向掃描過(guò)程中軸向響應(yīng)信號(hào)最大值所對(duì)應(yīng)的軸向（z向）坐標(biāo)。注：軸向響應(yīng)信號(hào)最大值可以是實(shí)際探測(cè)最大值，或者是數(shù)學(xué)擬合計(jì)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(hào)位置的數(shù)學(xué)算法。3.3.9多模態(tài)暗場(chǎng)共焦測(cè)量multimodedarkfieldconfocalmeasurement基于暗場(chǎng)共焦構(gòu)架，使用不同類(lèi)型激發(fā)光對(duì)缺陷進(jìn)行激勵(lì)，探測(cè)不同模式下的調(diào)制信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，如熱波成像、激光誘導(dǎo)成像。光）（）（）（）注：1——13——18——探測(cè)針孔；19——光電探測(cè)器；圖4暗場(chǎng)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(guò)成對(duì)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(guò)調(diào)節(jié)光闌通光孔徑尺寸和兩個(gè)錐形鏡的間距來(lái)調(diào)節(jié)，在試用不同數(shù)值孔徑的物鏡時(shí)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(shí)較方便，錐形反射鏡在消色差寬譜照明方面有優(yōu)勢(shì)。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(chǎng)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(chǎng)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(kuò)束器；8——光闌圖7暗場(chǎng)共焦顯微鏡表面測(cè)量邊緣判定示意圖注像位置會(huì)有較寬的光強(qiáng)變化過(guò)渡帶。I(xk)xk0xxk 0I(xk)k說(shuō)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(qiáng)度一半的數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫向位置坐標(biāo)；I(xk)——響應(yīng)曲線大于峰值強(qiáng)度一半的數(shù)據(jù)點(diǎn)的歸一化測(cè)量光強(qiáng)值。C。暗場(chǎng)共焦顯微技術(shù)由于在照明端采用環(huán)形光照明，同時(shí)對(duì)高數(shù)值孔徑物鏡（NA＞0.5）sinc2I(z)Asinc2zBAcosBos22 2 說(shuō)明：z——軸向位置坐標(biāo)；I(z)——軸向光強(qiáng)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(chǎng)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(chǎng)共焦顯微鏡基于sinc2函數(shù)的峰值擬合定位示意圖n真實(shí)軸向定位深度與暗場(chǎng)共焦顯微鏡軸向測(cè)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(shuō)明：D——軸向定位深度；Δz——暗場(chǎng)共焦顯微鏡軸向測(cè)量峰值間距；仿真計(jì)算或測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)線性擬合直線，斜率即介質(zhì)校正系數(shù)KK仿真計(jì)算或測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)線性擬合直線，斜率即介質(zhì)校正系數(shù)K真實(shí)軸向定位深度D/μmΔz真實(shí)軸向定位深度D/μm9暗場(chǎng)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(chǎng)共焦軸向響應(yīng)；a——表征點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)寬度的參數(shù)；rect[]——矩形函數(shù)；zi——第i個(gè)亞表面缺陷的深度位置；bj——第i個(gè)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(chǎng)共焦顯微鏡數(shù)據(jù)分析方法示例0.2μm0~60μm1圖1釹玻璃測(cè)量結(jié)果圖。(a)-(d)為在明場(chǎng)共焦模式下獲得的同一區(qū)域的截面圖；(e)-(h)為在暗場(chǎng)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(cè)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(chǎng)共焦顯微鏡數(shù)據(jù)顯示方法示例2圖2明場(chǎng)共焦和暗場(chǎng)共焦模式下的表面及亞表面缺陷三維分布圖。(a)為明場(chǎng)共焦模式下的三維分布，(b)為暗場(chǎng)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(chǎng)共焦顯微鏡表面測(cè)量的邊緣判定方法示例測(cè)4.939。表1暗場(chǎng)共焦顯微鏡表面臺(tái)階寬度測(cè)量結(jié)果（μm）測(cè)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(jìn)行邊緣位置判定示意圖附錄D(資料性)光學(xué)暗場(chǎng)顯微鏡亞表面深度定位方法示例（n1.7表2暗場(chǎng)共焦顯微鏡對(duì)亞表面臺(tái)階深度測(cè)量結(jié)果（μm）測(cè)量次數(shù)1234