CN113125437B - 基于光学干涉散射显微技术的检测***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及缺陷和纳米颗粒检测领域，提供一种基于光学干涉散射显微技术的检测***和方法。本发明从信号光与参考光干涉形成的光学图像中提取对比度图像作为检测信息。本发明利用样品表面起伏和缺陷或纳米颗粒的空间分布以及几何形貌的不同，将特定偏振态的照明光束以一定角度照射到检测区域，以减小样品表面纳米或亚纳米尺度起伏散射的杂散光强度，并使杂散光的偏振与检测对象散射的信号光偏振不同。在探测光路中有选择性地将杂散光的主要偏振分量和绝大部分参考光滤除，从而增强缺陷或纳米颗粒的检测信号，提升信噪比。本发明能将光学检测技术能检测的缺陷或纳米颗粒尺寸大幅度减小，检测精度大大提高，值得推广应用。

Description

基于光学干涉散射显微技术的检测***和方法
技术领域
本发明涉及缺陷和纳米颗粒检测技术领域，尤其涉及一种基于光学干涉散射显微技术的通过光偏振态选择增强检测信号和提高信噪比的检测***和方法。
背景技术
缺陷和纳米颗粒(后文中二者统一称为检测对象)检测通常是指对物品表面的缺陷和纳米颗粒进行检测。在集成电路、显示面板、玻璃和金属制品等各种工业领域以及生命科学、环境科学和纳米科技等科学研究领域中有着大量的需求。例如在集成电路生产中，晶圆表面缺陷检测是必不可少的关键工艺流程之一，准确的检测出带有颗粒物、凹槽、划痕等典型缺陷的不合格晶圆可以大幅提高产品的良率，减小损失。当前集成电路中半导体器件尺寸逐渐趋于小型化，即使很小尺寸的缺陷都可能对后续工艺制作的昂贵结构造成致命的破坏而使得产品损毁失效，因此对晶圆表面缺陷检测技术的灵敏度提出了更高的要求。
现有光学检测方法主要是基于光学暗场显微成像技术。光学暗场成像技术是一种结构简单、无标签、高实时性的检测手段，其特点是只收集检测对象的散射光进行成像，而不收集基底表面的反射光，因此成像图像呈现出黑暗的背景中明亮的目标。光学暗场成像技术已经在科学研究和工业生产中获得了广泛应用。
光学暗场成像检测技术只收集检测对象散射的信号光，该信号光强度与检测对象体积的平方成正比，因此当检测对象尺寸减小时，其暗场信号强度会急剧减小从而难以检测。并且暗场成像等光学检测技术信号的信噪比会受到被测样品表面起伏散射的杂散光的限制。这是因为实际生产中的被测样品表面通常不是理想的平整光滑的平面，而是带有纳米或亚纳米尺度的起伏，如同检测对象一样，这些起伏同样会散射照明光形成所述的杂散光，杂散光被探测器收集成像形成背景散射噪声。
干涉散射显微技术是近些年发展出的一种光学显微技术，具有无标签、高精度定位和高灵敏度的特点，其灵敏度足以达到探测单个分子的水平。干涉散射显微技术已经在科学研究中特别是生命科学和纳米科学中得到了广泛应用。不同于暗场成像，光学干涉散射显微技术同时采集样品基底表面反射或者透射的照明光即参考光和检测对象散射的信号光。参考光和信号光相互干涉，形成光学图像。以电场表示来自目标的散射场，以场/>表示参考光场。则探测光强可表示为
上式得到的三项分别表示纯参考光强度纯散射光强度/>以及干涉项光强度(Iinterfere＝2EsErcosφ)。其中φ＝φr-φs表示参考光和散射光的相位差。纯的散射光强度与散射体的体积平方成正比，而干涉光强度与散射体体积成正比。因此，对于直径亚波长的纳米颗粒，干涉项强度显著大于散射项，从而光学干涉散射显微镜相比于传统暗场显微镜显著增大了探测信号。例如，直径5nm与50nm的纳米颗粒相比较而言，前者的暗场信号强度将只有后者的百万分之一；而前者的光学干涉信号是后者的千分之一。
对于Is远小于Ir的颗粒，忽略小量Is，减去背景光强即参考光Ir，得到光学干涉对比度(本文所述的检测信号强度含义均为此处所定义的对比度)
在光学干涉散射显微技术中，计算机分别采集待检测区域S1的光学图像A和标准区域S2的光学图像B，并做(A-B)/B得到对比度图像C。对比度图像C中的每个像素值即为此处所述的光学干涉对比度c。
如上所述，尽管光学干涉显微镜在一定程度上可以克服暗场成像技术成像信号弱的困难。但当散射体尺寸继续减小，光学干涉显微镜的信噪比和暗场成像一样会受到上述被测样品表面起伏散射的杂散光的限制。小尺寸检测对象的散射信号会被基底表面起伏的背景散射噪声淹没从而难以识别。因此开发一种能够抑制这些背景散射噪声的光学检测技术具有十分重大的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够突破现有技术中样品表面起伏散射的杂散光对检测对象散射的信号光的限制的检测***和方法。这种检测***和方法能够增强检测信号强度，有效地抑制样品表面起伏的背景散射噪声，大幅度提高待检测对象信号的信噪比，从而能够检测到现有技术检测不到的小尺寸缺陷和纳米颗粒。
为解决上述技术问题，本发明公开一种基于光学干涉散射显微技术的检测***，包括：
光源组件，用于提供照明光束，照射被测样品；
照明光束调控组件，用于调控所述光源组件提供的照明光束的偏振态和入射角度，使得照明光束具有垂直于样品表面的光频电场分量，所述入射角度是光束传播方向与样品表面法线的夹角；
探测光束调控组件，用于收集探测光束，所述探测光束包括从被测样品反射的或者透射的照明光即参考光、检测对象散射的信号光、被测样品表面纳米或亚纳米尺度起伏散射的杂散光；调控探测光束的偏振态，使被测样品表面纳米或亚纳米尺度起伏散射的杂散光的强度尽量衰减，同时使检测对象散射的信号光强度尽量保持；
信号采集组件，用于采集经过所述探测光束调控组件调控后的探测光束，生成与被测区域对应的光学图像；
数据处理组件，用于从所述光学图像信息中提取对比度图像，作为所期望的检测信息，所述对比度图像是探测光束中的参考光与其它光干涉形成的。
进一步的，所述照明光束调控组件具有光束扫描功能，以控制照明光束照射被测样品上不同的检测区域。
所述探测光束调控组件，还用于降低参考光的信号强度。
优化的，本发明还包括样品架，所述样品架用于将样品保持在样品位置。
优选的，所述数据处理组件提取对比度图像是指，将所述信号采集组件采集的待检测区域的光学图像A与标准区域的光学图像B，进行(A-B)/B计算处理，得到对比度图像C，所述对比度图像C作为所期望的检测信息，所述标准区域为已标定的不包含检测对象的对比区域，所述待检测区域与标准区域具有相同的图案结构特性。
本发明同时还提出了基于光学干涉散射显微技术的检测方法，包括以下步骤：
光源组件提供照明光束，照射被测样品；
调控所述光源组件提供的照明光束的偏振态和入射角度，使得照明光束具有垂直于样品表面的光频电场分量；
收集探测光束，调控探测光束的偏振态，使被测样品表面纳米或亚纳米尺度起伏散射的杂散光的强度尽量衰减，同时使检测对象散射的信号光强度尽量保持；
采集经过调控后的探测光束，生成与被测区域对应的光学图像；
从所述光学图像信息中提取对比度图像，作为所期望的检测信息。
所述从所述光学图像信息中提取对比度图像包括：将采集的待检测区域的光学图像A与标准区域的光学图像B，进行(A-B)/B计算处理，得到对比度图像C，所述对比度图像C作为所期望的检测信息，所述标准区域为已标定的不包含检测对象的对比区域，所述待检测区域与标准区域具有相同的图案结构特性。
本发明所公开的检测***和方法的原理主要是基于检测对象与样品表面起伏的几何形貌差别。具体地说，检测对象通常高度尺寸和横向尺寸没有显著差别，例如直径10nm的颗粒物缺陷具有10nm的高度和10nm的横向尺寸。而实际的样品表面不是理想的平整光滑的平面。例如，高品质的硅晶圆基片尽管已经相当平坦，但其表面仍然通常具有高度尺寸在亚纳米到几个纳米、横向尺寸在几十纳米到几微米的缓慢变化的起伏，也有高度尺寸在亚纳米到几个纳米、横向尺寸在亚纳米到几个纳米的剧烈变化的起伏。其中剧烈变化的起伏形成的杂散光很弱，可以不予考虑。但是大横向尺寸的缓慢变化的起伏形成的杂散光是不能忽略的。在现有的光学检测技术中，这种缓慢变化的起伏散射的杂散光形成的背景散射噪声会淹没检测对象的信号，限制了光学检测灵敏度。本发明使用具有特定偏振态的照明光束以特定入射角度照射被测样品的待测区域，以将上述检测对象和样品表面起伏这种微观上几何形貌的差别转换为可测量的散射光强度和偏振态的差别。进而通过调控探测光束偏振态以尽量多地衰减样品表面起伏的杂散光强度而尽量少地衰减检测对象的信号光强度，从而抑制样品表面起伏的背景散射噪声，增强检测对象的信号光强与表面起伏的杂散光强度的比值即信噪比。同时，由于参考光的偏振态与杂散光相似，并且这两部分光在空间上不可区分，因此参考光强度也会被大幅衰减，从而增强了检测信号的对比度。
本发明与现有的技术相比，主要具有以下几个优点：
其一，本发明通过调控照明光束的偏振态和入射角度，抑制了样品表面起伏的背景散射噪声，增强了检测对象信号的信噪比；
其二，本发明通过调控探测光束中信号光和杂散光的偏振态，进一步抑制了样品表面起伏的背景散射噪声，增强了检测对象信号的信噪比，提高了检测灵敏度极限；
其三，本发明通过调控探测光束中信号光和杂散光的偏振态的同时，也大幅度衰减了参考光的强度，从而大幅度增强了检测对象检测信号强度即对比度；
其四，本发明所需的装置***结构简单，无需真空环境等苛刻要求，也无需特殊的光学元件，可由自建的光学显微镜或商业显微镜快速改造而成；
其五，本发明对照明光波长无限制，可根据需求选择波长在10nm至300μm范围内的单色光或单色光的混合，使用可见光波长即可超过现有技术使用深紫外波长才能达到的检测水平，成本相对低廉；
其六，本发明可进行宽场区域成像，优于逐点扫描式成像，可以实现快速高通量的检测；
其七，由于光学干涉散射显微术的信号是参考光和信号光的干涉项强度，远强于暗场成像的纯散射项强度，本发明使用普通量子效率的工业级CMOS或CCD相机作为探测器即可满足要求，无需使用昂贵的高量子效率的探测器；
其八，本发明所述的检测***和方法对检测对象的材料和三维形貌无任何要求，样品也无需经过特殊处理。
其九，本发明的调控组件对应的最佳参数可以通过手动控制，无需反复动态调试，也无需复杂的动态检测***，节省设备资源和人力成本；
其十，本发明的调控组件对应的最佳参数可以通过菲涅尔定律计算得到，对技术人员的知识要求低；
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明的***和方法作进一步具体说明。
图1是本发明的原理图。
图2(A)是本发明所述方法缺陷或纳米颗粒散射的信号光在后焦面处的XY平面内X和Y方向电场归一化强度图。图2(B)是本发明所述方法样品表面起伏散射的杂散光在后焦面处的XY平面内X和Y方向电场归一化强度图。
图3是本发明所述***可选择的一种照明光束与探测光束共用物镜和分束器的配置，其中照明光束和探测光束的偏振态均分别偏振片调控。
图4是本发明所述***实验检测的纳米颗粒图像。其中a)是旋涂有直径20纳米的聚苯乙烯纳米颗粒样品的硅晶圆在传统正入射即照明光束以0°入射条件下的检测图像；b)是a)中样品在本发明所述技术下的检测图像。
图5是本发明所述***实验检测的金纳米颗粒和聚苯乙烯纳米颗粒的对比度统计图。a)是利用本发明所述技术方案检测的不同直径聚苯乙烯纳米颗粒的信号-直径统计图；b)是利用本发明所述技术方案检测的不同直径金纳米颗粒的信号-直径统计图。
图6是本发明所述***的一种透明基底可选择的反射式配置。
图7是本发明所述***可选择的一种照明光束与探测光束共用物镜和偏振分束器(PBS)的配置，其中照明光束和探测光束的偏振态均由同一个PBS调控。
图8是本发明所述***可选择的一种照明光束与探测光束共用物镜和分束器的配置，其中照明光束和探测光束的偏振态分别由两组偏振片和相位补偿器调控。
图9是本发明所述***可选择的一种照明光束和探测光束不共用光学元件的配置，其中照明光束和探测光束的偏振态分别由偏振片调控。
图10是本发明所述***可选择的一种照明光束与探测光束不共用光学元件的配置，其中照明光束和探测光束的偏振态分别由两组偏振片和相位补偿器调控。
图11是本发明所述***可选择的透射式配置，其中照明光束和探测光束的偏振态分别由偏振片调控。
具体实施方式
为了更好地理解，现在将参考附图通过非限制性示例描述本发明的实施例。
本发明基于干涉散射显微技术的偏振增强信噪比的检测***。检测***包括：光源组件，样品架，照明光束调控组件，探测光束调控组件、信号采集组件和作为数据处理组件的计算机***。检测***的各部分组件可以根据不同的检测需要布置成反射式的，即照明光束照射到样品表面，部分照明光被表面反射形成探测光束中的参考光部分；也可以布置成透射式的，即照明光照射到样品表面，部分照明光透射过样品形成探测光束中的参考光部分。
光源组件，其被配置为提供照明光束。照明光可以是包括但不限于10纳米至300微米波长范围内的单色光或单色光的混合。
被测样品组件，其包括被测样品和样品架，被配置为样品架将样品保持在样品位置，并可以根据需要移动样品以检测不同的区域。被测样品上的检测对象包括缺陷或纳米颗粒两大类。所述缺陷可以是检测人员想要在待测样品上想要检测的任意物体或任意物体缺失，包括但不限于外来的颗粒污染物、待测样品上已知的特定图案的变形、待测样品上非正常的凹陷或凸起等。例如，集成电路硅晶圆上的颗粒污染物、凹槽、划痕和特定图案结构的变形等。所述纳米颗粒包括但不限于金属纳米颗粒、介质纳米颗粒、纳米线、纳米棒、空气中的灰尘颗粒，以及蛋白质、DNA、病毒等纳米尺度的生物体颗粒。除了上述缺陷或纳米颗粒和上述表面起伏以外，样品表面还可能具有正常的特定图案结构。其中，缺陷或纳米颗粒是检测对象，表面起伏会造成背景散射噪声淹没检测对象的检测信号。正常的特定图案结构尽管也会散射照明光形成干扰图像，但可以采用特定的数据处理方法去除，因此不予考虑。
照明光束调控组件，其被配置为根据不同的检测需求调控光源组件提供的照明光束的偏振态，并引导照明光束以特定入射角度照射到样品的被测区域上。为了利用上述检测对象与样品表面起伏的几何形貌的区别，使用照明光束调控组件调控照明光束的偏振态和照射被测样品的入射角度。其中，入射角度定义为与被测样品表面法向的夹角。可选地，入射角度可以为大于0°小于90°中的任意角度。照明光束调控组件调控光束的偏振态和入射角度的原则是，使照明光束照射到样品表面时具有垂直于样品表面的偏振分量。可选的，调控后的照明光束可以为线偏振光，部分偏振光，椭圆偏振光、圆偏振光和非偏振光等。最佳的，偏振态为偏振方向完全平行于光束光轴与样品表面法线所定义的平面的线偏振光。
亚波长尺寸的物体对照明光的散射行为可以用电偶极子辐射作近似描述，在某一方向上形成的电偶极子强度，与物体在该方向上的尺寸存在正相关关系。样品表面的起伏可以等效看作平坦表面上存在若干横向尺寸可达百纳米而高度为亚纳米尺度的凸起或凹陷，每个凸起或凹陷在光频激发电场的作用下，大量散射元的偶极子叠加形成一个等效电偶极子。而待测样品上的每个检测对象也在光频激发电场的作用下也形成一个有效电偶极子。所述的激发电场是照明光束的光频电场和参考光的光频电场线性叠加的总电场。
由于凸起或凹陷的横向尺寸远大于高度方向的尺寸，其形成的等效电偶极子偏振方向会近似平行于上述总电场在样品表面的分量，即总电场平行于样品表面的分量起主导作用。该电偶极子的辐射，即杂散光经收集后，偏振方向将会与该电偶极子的方向基本保持一致。
不同于样品表面起伏，检测对象在各个方向的尺寸不存在显著差别，所以检测对象在总电场形成的电偶极子偏振方向会基本与总电场保持一致。通过对照明光束的偏振调控，选择合适的入射角，可以使总电场以垂直样品表面的偏振分量占主导。如此配置，则可使检测对象形成的电偶极子辐射的信号光经收集后在各个方向的偏振分量基本相同。以波长为545纳米的光检测硅晶圆表面的缺陷为例，使用偏振方向完全平行于光束传播方向与样品表面法线所形成平面的线偏振光，以60°角入射到样品表面可以很好地达到这一目的，可以大幅减小表面起伏散射的杂散光强度，并且使杂散光和信号光有不同的偏振态。
探测光束调控组件，其被配置为收集探测光束，根据不同的检测需求调控探测光束的偏振态，并将其引导到所述信号收集组件。从被测样品反射的或者透射的参考光、检测对象散射的信号光和样品表面起伏散射的杂散光经过探测光束调控组件收集形成探测光束。如上文所述，依据杂散光和信号光偏振态的差别，可以使用偏振片或其它偏振调控元件将杂散光占主导的偏振分量滤除。如此便可以大幅度衰减杂散光强度，而信号光强度能得到可观地保留，大幅提升检测对象检测信噪比。同时，由于参考光偏振态类似于杂散光偏振态，所以参考光强度也会被大幅度衰减，从而增强检测对象检测信号强度。
信号采集组件，其被配置为采集经过所述探测光束调控组件调控后的探测光束，生成与被测区域对应的光学图像。
数据处理组件，用于从所述光学图像信息中提取对比度图像，作为所期望的检测信息。其中，对于没有特定图案结构的样品而言，信号采集组件采集待检测区域的光学图像A，光学图像A中包含了参考光剩余部分分别与信号光剩余部分、杂散光剩余部分的干涉。信号采集组件另采集标准区域的光学图像B，光学图像B仅包含了参考光剩余部分与杂散光剩余部分的干涉，然后，进行(A-B)/B计算处理，得到，对比度图像C，对比度图像C即为所期望的检测信息。所期望的检测信息包括检测对象的位置以及尺寸信息。可使用已知的标准样品进行定标，实际检测时根据标定分析检测数据即可以得到检测对象的尺寸信息。
对于包含正常特定图案结构的被测样品，信号采集组件所采集的图像数据包括信号光与参考光干涉形成的检测信号，还包括特定图案结构的散射光与参考光干涉形成的干扰图像。同样的，通过对比度图像处理：分别采集的待检测区域的光学图像A、标准区域的光学图像B，由于待检测区域与标准区域具有相同的特定图案结构。因此，进行(A-B)/B计算处理后，去除了特定图案结构的散射光与参考光干涉形成的干扰图像，得到对比度图像C，所述对比度图像C作为所期望的检测信息。
另一方面，提供了一种基于光学干涉散射显微技术的检测***的检测方法，包括以下步骤：
光源组件提供照明光束，照射被测样品；
调控所述光源组件提供的照明光束的偏振态和入射角度，使得照明光束具有垂直于样品表面的光频电场分量，所述入射角度是光束传播方向与样品表面法线的夹角；
收集探测光束，调控探测光束的偏振态，使被测样品表面纳米或亚纳米尺度起伏散射的杂散光的强度尽量衰减，同时使检测对象散射的信号光强度尽量保持；
采集经过调控后的探测光束，生成与被测区域对应的光学图像，并从所述光学图像信息中提取对比度图像，作为所期望的检测信息。
从所述光学图像信息中提取对比度图像是指，将所述信号采集组件分别采集的待检测区域的光学图像A与标准区域的对比度图像B，进行(A-B)/B计算处理，得到对比度图像C，所述对比度图像C作为所期望的检测信息，所述待检测区域S1与标准区域具有相同的图案结构特性。
本发明能够有效检测到现有光学检测技术检测不到的小尺寸检测对象。例如，所述***和方法可以检测到硅晶圆基底上直径为7纳米甚至更小的金纳米颗粒和直径为12纳米甚至更小的聚苯乙烯乳胶纳米颗粒，大幅度超过了现有基于光学的检测技术的灵敏度极限。
在本文所述的检测***和方法中，所使用的的照明光可以是：紫外光(本文中可以定义为波长在10nm至380nm的光)；可见光(本文中可以定义为具有380nm至740nm范围内的波长)；红外光(本文中可以定义为具有740nm至300μm范围内的波长)。光可以是单一波长的光，也可以是多种单色光的混合。
为方便描述，作如下标记性定义，在待测样品附近，待测样品108的表面记作xy平面，垂直该平面的方向记作z方向，照明光束107照射到待测样品上时传播方向在xy平面的投影记作x方向。需要说明的是，由于光源调控组件102和探测光束调控组件104可能包含若干能改变光束传播方向的光学元件，各处的标记性方向定义可随之相应变化。
图1展示了本发明所述检测***和方法的原理图。抽象地，检测***可以包括光源组件101，照明光束调控组件102，样品组件103，探测光束调控组件104和信号采集组件105。
光源组件101作用是提供照明光源，如上所述，本发明可以使用上述紫外光，可见光和红外光等各种波段的单色光或单色光的混合光源。
照明光束调控组件102包括偏振片，相位补偿器，分束器，物镜等。照明光束106经过照明光束调控组件102调控后成为具有特定偏振态的照明光束107，光束107并以特定角度入射到样品组件103上面。照明光束调控组件102还可以包括若干透镜组(图中未演示)用以调控照射到样品上的照明区域面积，和若干反射镜(图中未演示)用以调控光束行进方向。
照明光束偏振态调控的目的是使经过调控后的光束107具有垂直于样品108表面的偏振分量。所述光束入射角度是指照明光束照射到样品表面时与样品表面法线的夹角。入射角度可以非限制地选择大于0°，小于90°的任意角度。以545nm波长的激光检测硅晶圆基底上的缺陷为例，最佳的，入射角度为60°左右。
样品组件103包括样品架(图示中未演示)和被测样品108，样品架被配置为可以移动被测样品以选择不同的检测区域。被测样品108表面包括检测对象109和表面起伏110，以及具有特定已知图形结构。其中，可能包括的特定已知图形结构也会散射照明光，但其散射光形成的干扰图像经过特定数据处理方法可以精确提取从而去除，因此本发明对其不做考虑。所述缺陷可以是检测人员想要在待测样品上想要检测的任意物体或任意物体缺失，包括但不限于外来的颗粒污染物、待测样品上已知的特定图案的变形、待测样品上非正常的凹陷或凸起等。例如，集成电路硅晶圆上的颗粒污染物、凹槽、划痕和特定图案结构的变形等。所述纳米颗粒包括但不限于金属纳米颗粒、介质纳米颗粒、纳米棒、纳米线、空气中的灰尘颗粒，以及蛋白质、DNA、病毒等纳米尺度的生物体颗粒。
被测样品108表面反射或者透射部分照明光即参考光112。检测对象109散射照明光形成信号光111。如图1所示，实际生产中被测样品108表面不是理想的平面，而是具有纳米或亚纳米尺度的起伏110，如同检测对象109一样，这些起伏110同样会散射照明光形成所述的杂散光113，杂散光113被探测器收集成像形成背景散射噪声。
探测光束117包括参考光112，信号光111和杂散光113被探测光束调控组件104收集。探测光束调控组件104可能包括物镜，分束器，相位补偿器，偏振片以及若干反射镜和透镜等光学元件。探测光束调控组件104调控探测光束117的目的是尽量多地衰减杂散光113的强度，而尽量少地衰减信号光111的强度，从而尽量大的增大信号光与杂散光的强度比值即提高待检测缺陷的信噪比。
被探测光束调控组件104调控后的参考光116和信号光115被引导到信号采集组件105上。信号采集组件105可能是普通量子效率的工业级互补金属氧化物半导体(CMOS)相机或者电荷耦合元件(CCD)相机，也可以是高量子效率的科学级CMOS或CCD相机。在某些配置中也可以是光电二极管(Photodiode)和雪崩光电二极管(APD)等点探测器。总之，信号采集组件是非限制性的，可以根据需求自由选择。
为了突破上述背景散射噪声对小尺寸缺陷检测的制约因素，本发明所述检测***和方法使用照明光束调控组件102调控照明光束106形成照明光束107。照明光束107具有特定的偏振态并以一定的入射角度照射到被测样品108表面。然后用探测光束调控组件收集探测光束117并调控其偏振态形成探测光束114。信号采集组件采集探测光束105形成包含待测缺陷信息的光学图像。
如上所述，样品表面起伏所散射的杂散光形成的背景散射噪声，会淹没小尺寸检测对象所散射的信号光，使得小尺寸检测对象难以检测识别。因此，本发明所要解决的技术问题是抑制背景散射噪声，增强检测对象检测信号信噪比，提升检测灵敏度。为此，本发明公开了所述基于偏振调控抑制被测样品表面起伏的背景散射噪声，增强检测对象检测信号强度，提升信噪比的光学干涉散射显微成像检测***和方法。
本发明所公开的检测***和方法的原理主要是基于检测对象和样品表面起伏的几何形貌差别。具体地说，检测对象109通常高度尺寸和横向尺寸没有显著差别，例如直径10nm的颗粒物缺陷具有10nm的高度和10nm的横向尺寸。而实际的样品表面不是理想的平整光滑的平面。例如，高品质的硅晶圆基片尽管已经相当平坦，但其表面仍然通常具有高度尺寸在亚纳米到几个纳米、横向尺寸在几十纳米到几微米的缓慢变化的起伏110，也有高度尺寸在亚纳米到几个纳米、横向尺寸在亚纳米到几个纳米的剧烈变化的起伏。其中剧烈变化的起伏形成的杂散光很弱，可以不予考虑。但是大横向尺寸的缓慢变化的起伏形成的杂散光是不能忽略的。在现有的光学检测技术中，这种缓慢变化的起伏散射的杂散光形成的背景散射噪声会淹没检测对象的信号，是限制检测能力的关键因素。本发明使用调控的特定偏振态的照明光束107以特定入射角度照射被测样品108的待测区域，以将上述检测对象109和样品表面起伏110这种微观上几何形貌的差别转换为可测量的散射光强度和偏振态的差别。进而通过调控探测光束117偏振态以尽量多地衰减样品表面起伏的杂散光113强度而尽量少地衰减检测对象109的信号光111强度，从而抑制样品表面起伏的背景散射噪声，增强检测对象109的信号光强与表面起伏110的杂散光强度的比值即信噪比。
为了利用上述检测对象109与样品表面起伏110的几何形貌的区别，使用照明光束调控组件102调控照明光束107照射被测样品的入射角度。可选地，入射角度可以为大于0°小于90°中的任意角度。以545nm波长的激光检测硅晶圆基底上的缺陷为例，最佳的，入射角度为60°左右。照明光束调控组件102调控光束106的入射角度和偏振态的原则是，使调控后的光束107具有垂直于样品表面的偏振分量。可选的，调控后的照明光束107可以为线偏振光，部分偏振光，椭圆偏振光、圆偏振光和非偏振光等。最佳的，偏振态为偏振方向完全平行于光束光轴与样品表面法线所定义的平面的线偏振光。
亚波长尺寸的物体对照明光的散射行为可以用电偶极子辐射作近似描述，在某一方向上形成的电偶极子强度，与物体在该方向上的尺寸存在正相关关系。样品表面的起伏110可以等效看作平坦表面上存在若干横向尺寸可达百纳米而高度为亚纳米尺度的凸起或凹陷，每个凸起或凹陷在光频激发电场的作用下，散射元的偶极子叠加形成一个等效电偶极子。而待测样品108上的每个检测对象109也在光频激发电场的作用下散射元的偶极子叠加形成一个等效电偶极子。所述的激发电场是照明光束107的光频电场和参考光112的光频电场线性叠加的总电场。
由于凸起或凹陷等起伏110的横向尺寸远大于高度方向的尺寸，其形成的电偶极子偏振方向会近似平行于上述总电场在样品表面的分量，即总电场平行于样品表面的分量起主导作用。该电偶极子的辐射，即杂散光113经收集后，偏振方向将会与该电偶极子的方向基本保持一致。如图2(B)所示，杂散光113在后焦面处的归一化电场强度分布，X偏振分量的电场强度显著大于Y方向电场强度。
不同于样品表面起伏，检测对象109在各个方向的尺寸不存在显著差别，所以检测对象在总电场形成的电偶极子偏振方向会基本与总电场保持一致。通过对照明光束的偏振调制，选择合适的入射角，可以使总电场以垂直样品表面的偏振分量占主导。如此配置，则可使检测对象109形成的电偶极子辐射的信号光经收集后在各个方向的偏振分量基本相同。如图2(A)所示，信号光112在后焦面处的归一化电场强度分布，X偏振分量的电场强度和Y方向电场强度没有显著差别。以波长为545纳米的光检测硅晶圆表面的缺陷为例，使用偏振方向完全平行于光束传播方向与样品表面法线所形成平面的线偏振光，以60°角入射到样品表面可以很好地达到这一目的，可以大幅减小表面起伏散射的杂散光强度。
如上文所述，依据杂散光113和信号光111偏振态的差别，可以使用偏振片或其它偏振调控元件将杂散光113占主导的偏振分量滤除。如此便可将绝大部分杂散光113消除，而信号光111能得到可观地保留，大幅提升检测对象检测信号的信噪比。如此可以抑制表面起伏杂散光113形成的背景散射噪声，增大检测对象信号光的信噪比，提高检测灵敏度。同时，由于参考光112偏振态类似于杂散光113偏振态，所以参考光112强度也会被大幅度衰减，从而增强检测对象检测信号对比度。
信号采集组件105，其被配置为采集所述经过探测光束调控组件104调控后的探测光束114，进而形成与所述被测区域对应的检测图像信息。经过调控后的探测光束114中参考光剩余部分116分别与信号光剩余部分115干涉，形成包含检测对象109信息的光学图像。经过数据处理去除背景光强，得到光学干涉散射显微术的对比度图像，即可得到检测对象109的位置信息。可以使用已知的标准样品进行定标，实际检测时根据标定分析检测数据即可以得到检测对象109的尺寸信息。
图3展示了依据所述的本发明所述检测***地原理的一种具体配置。
图3中光源组件101发出非偏振的照明光束106。照明光束调控组件102包括偏振片301，非偏振分束器302，物镜303。照明光束调控组件102还可以包括若干透镜组(图中未演示)用以调控照射到样品上的照明区域面积，和若干反射镜(图中未演示)用以调控光束行进方向。光束106经过偏振片301后被调控为偏振方向平行于xz平面的线偏振照明光束107。光束107从非偏振分束器302透过，并被透镜组会聚到物镜303的后焦面上，如此从物镜303正向出射的照明光束为平行光，这样可以照亮较大的视场范围。组件102调控光束107的传播方向与物镜303的光轴平行，但与其光轴保持一段距离，这样从物镜303正向出射的平行光束将以大于0°小于90°的角度斜入射到样品108表面，并且其偏振方向仍然平行于xz平面。
图3中探测光束调控组件104包括物镜303，分束器302，偏振片304。为了调控光束行进方向，组件104还可能包括若干反射镜(图中未演示)。组件104还可能包括若干透镜组用以调控放大倍率。由于检测对象散射的信号光和表面起伏散射的杂散光在空间上是难以区分的，因此样品108表面反射的参考光、信号光和杂散光三者都被物镜303收集为探测光束117进入探测光路。探测光束117经过分束器反射然后被偏振片304滤波。如上所述原理，偏振片304需要尽量多地衰减掉杂散光较大的偏振分量，尽量少地衰减信号光111的光强。因此，此处偏振片304的透过方向应该平行于y方向放置。经过偏振片304后的探测光束基本是偏振方向垂直xz平面的线偏振光，其中的的参考光和杂散光都已经被大幅度衰减。值得注意的是，偏振片304衰减掉杂散光的大部分可以抑制杂散光造成的背景散射噪声，提高检测对象的信噪比。同时参考光112也会被偏振片304衰减掉绝大部分，带来的作用是提高检测信号的对比度。提高对比度可以大大放宽传统干涉散射显微技术对硬件比如照明光功率、探测器量子效率和动态范围等的要求，这通常通过在探测光路中增加空间滤波器以衰减参考光强度来实现，而本发明所述方案也可实现这一效果。
经过偏振片304调控后的探测光束中的参考光116与信号光115最终经由透镜305在信号采集组件105上干涉形成光学图像。此处选择的信号采集组件是工业级CMOS相机。探测相机105采集包含检测对象109的区域的光学图像Itotal，并按照现有光学干涉散射显微术去除纯参考光强度的数据处理方法，采集不包含检测对象109的纯参考光强度的光学图像Iref。则可以得到检测对象109的对比度图像c＝(Itotal-Iref)/Iref。
图4是使用上述图3所示配置检测的硅晶圆基底上纳米颗粒的结果。其中a)是使用传统光学干涉散射显微术方法检测的直径20nm的PSL微粒图像，图中箭头所指的位置经过原子力显微镜扫描确认过是存在有三个聚苯乙烯(PSL)颗粒。在传统光学干涉散射显微术即使用角度为0°的入射角度检测中，背景散射噪声已经完全淹没了这些颗粒缺陷的信号，使其无法识别。b)是使用本发明所述的检测方案对a)中同一区域进行检测的结果，箭头所指的位置三个PSL的信号清晰可见，这里使用的是线偏振光照明以60°入射角度照射检测区域，并以偏振片304在探测光路以透过方向垂直于偏振片301放置进行滤波。
图5是使用图3配置，采用图4b)中相同的参数对硅晶圆基底上大量颗粒检测的统计结果。图5中a)是对不同直径的PSL微粒的检测统计结果，可见本发明所述检测***和方法可以有效检测到直径小于15nm的PSL微粒。图5中b)是对不同直径的GNP检测的统计结果，可见本发明所述检测***和放大可以有效检测到直径小于8nm的GNP颗粒。
图4和图5中所使用的照明光源波长为545nm。所述的颗粒直径数据均经过原子力显微镜精确扫描测量。
图6是图3所示配置的一种变形配置。修改之处在于可以根据检测样品的需要选择不同的样品放置方案。图6所示配置中，照明光束107从样品108不带有检测对象的一侧表面照射。选择合适的波长，照明光束107可以透过样品基底108从而照射检测对象109。检测对象109散射的信号光与样品基底108上表面反射的参考光透过基底108被物镜303收集进入探测光路。
图7是图3所示配置的一种变形配置。修改之处在于去掉了图3中偏振片301和偏振片304，使用偏振分束器701(PBS)替换了非偏振分束器302(BS)。照明光束106经过PBS 701后被调控为偏振方向平行于xz平面的线偏振光束107，经过物镜303再斜入射到样品108上。检测对象109散射的信号光与被样品基底108表面反射的参考光被物镜303收集进入探测光路即探测光束111和112。参考光112和信号光111经过PBS 701时只有垂直xz平面的偏振分量被反射进入探测光路后续光学***成像。可以简单理解为，PBS 701替代了偏振片301，分束器302和偏振片304的功能。
图8是图3所示配置的一种变形配置。修改之处在于增加了相位补偿器801和相位补偿器802。照明光束106经过偏振片301后被调控为偏振方向平行于xz平面的线偏振光，然后增加一片相位补偿器801。转动相位补偿器801的角度可以调控照明光束107的偏振态，使其可以是圆偏振光或者椭圆偏振光。然后照明光束107经过分束器302和物镜303后照射到样品108上。检测对象109散射的信号光和样品基底108表面反射的参考光被物镜303收集，再经过分束器302反射进入探测光路。参考光112和信号光111经过相位补偿器802调控，调节相位补偿器802的角度可以调节参考光112和信号光111的偏振态，使其成为偏振方向基本平行于xz平面的线偏振光。偏振片304的透过方向沿y方向放置，可以将探测光束滤成偏振方向基本垂直于xz平面的线偏振光，再经过透镜组305成像到探测相机105上。
图3，图6，图7和图8所示的配置中，照明光路和探测光路都共用了部分光学元件包括分束器和物镜等。即照明光束经由物镜303照射到样品108上，探测光束经由物镜303收集进入探测光路。
图9是本发明所述检测***和方法的一种变形配置。在这种配置中，照明光路和探测光路不共用光学元件。光源组件101发出的照明光束经过照明光束调控组件引导到样品组件103上。照明光束调控组件可能包括偏振片301以及其他若干反射镜和透镜组等元件，其中偏振片301透过方向平行于xz平面放置。照明光束经过偏振片301后是平行于xz平面的线偏振光，并以大于0°小于90°的角度斜入射照射到样品组件103上面。样品基底108表面反射的参考光以及检测对象109散射的信号光被探测光束调控组件104收集。探测光束调控组件104可能包括光学***901，偏振片304等。光学***901可以包括若干反射镜，其可以具有若干调控放大倍率的透镜组。偏振片304以透过方向垂直于xz平面放置，如此探测光束经过偏振片304后变为偏振方向垂直于xz平面的线偏振光被信号采集组件105采集形成光学图像。
图10是图9所示配置的一种变形配置。修改之处在于增加了相位补偿器801和相位补偿器802。光源组件101发出的照明光束经过偏振片301后变为偏振方向平行于xz平面的线偏振光进入相位补偿器801。调节相位补偿器801的角度可以使通过后的照明光束偏振态为圆偏振光或者椭圆偏振光。调控后的照明光束以斜入射角度照射到样品组件103上。样品108表面反射的参考光和检测对象109散射的信号光被探测光束调控组件104收集。探测光束经过光学***601后进入相位补偿器802，调节相位补偿器802的角度使通过的探测光束成为偏振方向基本平行于xz平面的线偏振光，再经过偏振片304。偏振片304的透过方向与xz平面垂直，所以经过偏振片304后的探测光束被滤掉平行于xz平面的偏振分量，成为偏振方向基本上垂直于xz平面的线偏振光。然后进入信号采集组件105形成光学图像。
图11是图9所示配置的一种变形配置。修改之处在于不同于图9的反射式配置，图11是透射式配置。在一些检测需求中，根据需要，选择合适的波长可以使照明光束透射样品。如图所示，光源组件101发出的照明光束经过偏振片301等照明光束调控组件调控后，以线偏振斜入射照射到样品108的一面，参考光和信号光透射出样品108被位于另一面的探测光束调控组件104收集。探测光束调控组件104可能包括光学***901和偏振片304等。经过调控后的参考光和信号光被探测相机105采集形成光学图像。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于光学干涉散射显微技术的检测***，其特征在于，包括：
光源组件，用于提供照明光束，照射被测样品；
照明光束调控组件，用于调控所述光源组件提供的照明光束的偏振态和入射角度，使得照明光束具有垂直于样品表面的光频电场分量，以将检测对象和样品表面纳米或亚纳米尺度起伏在几何形貌上的差别，转换为信号光和杂散光在偏振态上的差别，且杂散光和参考光会具有相似的偏振态；所述信号光为所述检测对象的散射光,所述杂散光为所述样品表面纳米或亚纳米尺度起伏的散射光,所述参考光为从被测样品反射的或者透射的照明光，所述入射角度是光束传播方向与样品表面法线的夹角；
探测光束调控组件，用于收集探测光束，所述探测光束包括所述参考光、信号光和杂散光；调控所述探测光束的偏振态，依据所述杂散光和所述信号光在偏振态上的差别，将所述杂散光占主导的偏振分量滤除，使被测样品表面纳米或亚纳米尺度起伏散射的杂散光的强度尽量衰减，同时使检测对象散射的信号光强度尽量保持,所述参考光的强度也会大幅度衰减；
信号采集组件，用于采集经过所述探测光束调控组件调控后的探测光束，生成与被测区域对应的光学图像，所述光学图像是探测光束中的参考光与其它光干涉形成的；
数据处理组件，用于从所述光学图像信息中提取对比度图像，作为所期望的检测信息。
2.根据权利要求1所述的基于光学干涉散射显微技术的检测***，其特征在于，所述照明光束调控组件具有光束扫描功能，以控制照明光束照射被测样品上不同的检测区域。
3.根据权利要求1所述的基于光学干涉散射显微技术的检测***，其特征在于，还包括样品架，所述样品架用于将样品保持在样品位置。
4.根据权利要求1所述的基于光学干涉散射显微技术的检测***，其特征在于，
所述数据处理组件提取对比度图像是指，将所述信号采集组件采集的待检测区域的光学图像A与标准区域光学图像B，进行(A-B)/B计算处理，得到对比度图像C，则所述对比度图像C作为所期望的检测信息，所述标准区域为已标定的不包含检测对象的对比区域，所述待检测区域与标准区域具有相同的图案结构特性。
5.一种权利要求1所述的基于光学干涉散射显微技术的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
使用光源组件提供照明光束，照射被测样品；
调控所述光源组件提供的照明光束的偏振态和入射角度，使得照明光束具有垂直于样品表面的光频电场分量，以将检测对象和样品表面纳米或亚纳米尺度起伏在几何形貌上的差别，转换为信号光和杂散光在偏振态上的差别，且杂散光和参考光会具有相似的偏振态；所述信号光为所述检测对象的散射光,所述杂散光为所述纳米或亚纳米尺度起伏的散射光,所述参考光为从被测样品反射的或者透射的照明光；所述入射角度是光束传播方向与样品表面法线的夹角；
收集探测光束，所述探测光束包括所述参考光、信号光和杂散光；调控所述探测光束的偏振态，依据所述杂散光和所述信号光在偏振态上的差别，将所述杂散光占主导的偏振分量滤除，使被测样品表面纳米或亚纳米尺度起伏散射的杂散光的强度尽量衰减，同时使检测对象散射的信号光强度尽量保持，所述参考光的强度也会大幅度衰减；
采集经过所述探测光束调控组件调控后的探测光束，生成与被测区域对应的光学图像，所述光学图像是探测光束中的参考光与其它光干涉形成的；
从所述光学图像信息中提取对比度图像，作为所期望的检测信息。
6.根据权利要求5所述的基于光学干涉散射显微技术的检测方法，其特征在于，所述从所述光学图像信息中提取对比度图像包括：
将采集的待检测区域的光学图像A与标准区域的光学图像B，进行(A-B)/B计算处理，得到对比度图像C，所述对比度图像C作为所期望的检测信息，所述标准区域为已标定的不包含检测对象的对比区域，所述检测区域与检测区域具有相同的图案结构特性。
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表面增强光学力与光操纵研究进展;汪涵聪 等;物理学报;第68卷(第14期);第144101-1-15页 *

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