納米技術微區表面及亞表面光學暗場共焦顯微表征方法II目 次前言 I引言 I范圍 2規性用件 2術和義 2面陷關語定義 2表缺相術及定義 3征法語 4方提要 6學場焦微基本置 6學場焦微環形明生方法 7學場焦微表面量邊判方法 8學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 言微區表面及亞表面損傷是超精密光學加工過程中廣泛存在的一種物理現象，直接影響元件的性能作條件下面臨的激光誘導損傷已經成為制約激光慣性約束聚變發展的瓶頸。微區表面及亞表面損傷檢測技術不僅是激光慣性約束核聚變光學系統性能和壽命的重要保障，也是提高核心元件生產效率的關鍵。本標準規定了光學暗場共焦顯微鏡的基本結構及采用光學暗場共焦顯微鏡對微區表面及亞表面進行缺陷檢測的方法，適用于檢測各類光學透明材料以及半導體材料表面及亞表面納米或微米級缺陷的檢測。PAGEPAGE10納米技術微區表面及亞表面光學暗場共焦顯微表征方法范圍本標準規定了采用光學暗場共焦顯微鏡對微區表面及亞表面進行缺陷檢測的方法。本標準適用于檢測各類光學透明材料以及半導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，產品幾何技術規范（GPS）表面缺陷術語、定義及參數（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：這些單元體或不規則提的類型，明顯區別于構成一個粗陶度表面的那些單元體或不規則體。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，并由適當的項目來確定，即長度、寬度、深度、高度、單位面積上的缺陷數等。3.1.2表面缺陷評定區域surfaceimperfectionassessarea工件實際表面的局部或全部，在該區域上，檢測和確定表面缺陷。3.1.3凹缺陷recession向內的缺陷，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亞表面缺陷評定區域sub-surfacedefectionassessarea工件實際亞表面的局部或全部，在該區域上，檢測和確定亞表面缺陷，通常在距表面深度100μm范圍內。圖1亞表面缺陷區域示意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，具體表現為在樣件淺表層（通常0.1μm深度范圍內）存在著微量的金屬、非金屬雜質。此外，也包含有積累絡合物成分。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結構性缺陷structuraldefects（NBOHC）（ODC）3.3.1暗場共焦顯微術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形照明光尺寸進行匹配時應將光學系統的放大倍率計算在內。3.3.4探測照明孔徑比ratioofilluminationanddetectionapertures探測互補孔徑光闌尺寸與環形照明光內環尺寸比值。ΦDdΦD圖2探測照明孔徑比示意注：d——環形照明光內環尺寸；D——環形照明光外環尺寸；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的最大軸向掃描范圍。3.3.6軸向包絡axialenvelope所記錄的探測信號對應于暗場共焦層析圖像中單一像點軸向位置變化的函數。注：曲線“1”——軸向包絡曲線；曲線“2”——半高寬；Uz——軸向坐標z的取值范圍，單位：m；z——軸向實際坐標，單位：m圖3暗場共焦顯微成像軸向包絡示意曲線3.3.7軸向最大信號位置axialmaximumsignalposition軸向掃描過程中軸向響應信號最大值所對應的軸向（z向）坐標。注：軸向響應信號最大值可以是實際探測最大值，或者是數學擬合計算的理論最大值。3.3.8表面定位算法locationalgorithm從軸向包絡中提取軸向峰值信號位置的數學算法。3.3.9多模態暗場共焦測量multimodedarkfieldconfocalmeasurement基于暗場共焦構架，使用不同類型激發光對缺陷進行激勵，探測不同模式下的調制信號進行測量，如熱波成像、激光誘導成像。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寬度的平行光束經過成對錐形鏡可產生形狀規則的環形光，環形光的內外徑尺寸可通過調節光闌通光孔徑尺寸和兩個錐形鏡的間距來調節，在試用不同數值孔徑的物鏡時調節合適的環形光內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，錐形透鏡在裝調時較方便，錐形反射鏡在消色差寬譜照明方面有優勢。注2：照明環形光亦可由衍射光學元件生成。2'1'2'1' 4'61 4 3 2a) b)圖5暗場共焦顯微鏡環形光照明產生的兩種方式注：11'——入射光；2、2'——出射環形光；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形光照明產生方式注：1——入射光；2——出射渦旋環形光；3——單模光纖；4——雙模光纖；5——光纖旋轉器；6——光纖準直鏡；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——響應曲線峰值橫向位置坐標；xk——響應曲線大于峰值強度一半的數據點的橫向位置坐標；I(xk)——響應曲線大于峰值強度一半的數據點的歸一化測量光強值。C。暗場共焦顯微技術由于在照明端采用環形光照明，同時對高數值孔徑物鏡（NA＞0.5）sinc2I(z)Asinc2zBAcosBos22 2 說明：z——軸向位置坐標；I(z)——軸向光強響應曲線；α1——環形光內徑照明孔徑角；α2——環形光外徑照明孔徑角。

cos

2cos1k因此，光學暗場顯微鏡亞表面深度定位采用基于sinc2函數的峰值擬合定位方法。圖8暗場共焦顯微鏡基于sinc2函數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為是線性函數關系，經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；仿真計算或測量數據點線性擬合直線，斜率即介質校正系數KK仿真計算或測量數據點線性擬合直線，斜率即介質校正系數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折射率失陪誤差校正示意圖sinc2sinc2Iznic2ztzii2a b i1

i 注1：I(z)——光學暗場共焦軸向響應；a——表征點擴展函數寬度的參數；rect[]——矩形函數；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)表面及亞表面光學暗場共焦顯微鏡數據分析方法示例0.2μm0~60μm1圖1釹玻璃測量結果圖。(a)-(d)為在明場共焦模式下獲得的同一區域的截面圖；(e)-(h)為在暗場共焦模式下獲得的同一區域的截面圖；(i)-(l)為兩模態下測得的軸向響應。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)表面及亞表面光學暗場共焦顯微鏡數據顯示方法示例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果（μm）測量次數12345均值標準差偏差質心擬合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果（μm）測量次數1234