晶圆金属表面纳米颗粒暗场检测系统设计

缺陷检测是基于金属膜层激发表面等离子体进行超衍射加工前的重要工艺流程，但目前先进空白晶圆缺陷检测设备光源多位于深紫外波段，恰好在KrF等深紫外光刻胶的感光范围内，检测带有该光刻胶的晶圆表面时易导致光刻胶感光而改性失效。针对此问题，笔者提出并设计了一种基于可见光波段的激光偏振暗场检测装置。该装置利用晶圆表面顶层银膜的偏振转换特性，通过调控入射光的偏振态与入射角，使微粗糙银膜表面的弱散射光偏振态与膜层表面颗粒的散射光偏振态产生差异，然后利用偏振器件对来自银膜表面的散射光进行部分滤除，有效提高了颗粒信号的信噪比。实验结果表明：所设计的装置在不影响光刻胶的同时还可以减少金属膜层表面散射所带来的缺陷误检。在对百纳米级颗粒进行检测时，由于使用了激光照明及高灵敏度的sCMOS作为探测器件，本装置单次曝光时间仅为150 μs，是奥林巴斯公司基于白光的DSX1000暗场显微镜的4‰左右。通过抑制噪声，笔者采用该装置实测了均方根（RMS）粗糙度为3.4 nm的银膜表面上直径为61 nm的聚苯乙烯乳胶颗粒，结果显示，该装置在探测极限和探测效率上较DSX1000均有较大提升。

Abstract

Objective

Defect detection is an essential process for realizing superdiffraction fabrication based on metal film layer excitation surface plasmons. However, the light source of most existing advanced defect detection equipment operates in the deep ultraviolet band (DUV), which is within the light-sensitive range of DUV photoresists such as KrF. The overlap of working wavelengths between the defect detection equipment and the DUV photoresist can result in a loss of photoresist efficacy. Furthermore, to avoid the influence of the detection equipment's working wavelength on the photoresist when DUV equipment is used to detect particles on the surface of the film, it is necessary to tune the equipment's incident intensity several times. Moreover, the equipment parameters after tuning are only effective for a single film structure. It is necessary to retune equipment parameters when changing the thickness, material, and the number of film layers, which is time consuming and labor intensive. Therefore, a defect-detection device with a wide range of applications that avoids photoresist-sensitive bands must be developed to address this challenge.

Methods

In this study, visible laser polarization defect detection equipment consisting of three parts: polarization modulation, dark-field detection, and motion control (Fig. 8), is theoretically and experimentally demonstrated. A more sensitive scientific CMOS (sCMOS) is used to detect particle scattering signals. The equipment utilizes the polarization conversion principle of a silver film on the top layer of the wafer surface. By modulating the polarization state and incident angle of the incident light, the scattered light polarization states on the slightly rough silver film surface and the particles on the film surface are different. On the receiving side, the light scattered from the surface of the silver film is partially filtered using a polarization detection device, which improves the signal-to-noise ratio of the particle signal to achieve defect detection.

Based on the aforementioned principles, experimental equipment was developed to verify particle detectability [Fig.8(a)]. Standard polystyrene latex (PSL) spheres with diameters of 100 and 50 nm were used as detection targets. Etching marks on the surface of the silicon wafer were used as the detection area, and subsequent processes such as photoresist spin-coating, magnetron sputtering coating, reactive ion beam etching (AFM surface roughness detection), and particle solution atomization were performed on the wafer [Fig.8(b)]. In this experiment, silver films with different surface roughness were processed by controlling the power and etching time of reactive ion beam etching. After dilution and ultrasonic vibration, the particle solution was sprayed onto the surface of the silver film using an atomizer such that standard PSL particles with diameter 100 and 50 nm were uniformly distributed in the surface labeled area. In addition, the samples were maintained under a vacuum insofar as possible during the experiment to decelerate oxidation of the silver film.

Results and Discussions

The effect of surface roughness on particle detection was subsequently analyzed. Samples with different surface roughness values were observed using identical camera exposure parameters (Fig.10). Experimental results show that as the silver film surface roughness increases, the background noise obtained from the experiment also increases, which can cover up the signal of small-particle defects and cause misclassification. To reduce the effect of surface roughness on particle detection, a polarization device was introduced into the detection equipment and the effect of the incident light polarization state on the signal-to-noise ratio of particles was analyzed. Based on the results, it can be observed that the signal-to-noise ratio of particles differs with different polarization states of the incident light [Fig. 12(a)?(d)]. In the detection experiment involving 100 nm particles, the single exposure time of this equipment was only 150 μs, which is 4‰ of the DSX1000 dark-field microscope based on white light, and the detection efficiency was significantly improved. Finally, it was confirmed using a scanning electron microscope that the proposed experimental system could detect 61 nm PSL particles [Fig.12(l)].

Conclusions

This study conducted targeted research based on defect detection during the plasmon super-diffraction fabrication of metal film layer surfaces. Background noise was suppressed by the polarization modulation technique, and the PSL particles with diameter of 61 nm on the silver film surface were detected with a 473 nm light source for inspection. The equipment operates in the visible wavelength band, which differs from the sensitive wavelength band of the DUV photoresist, thus, effectively avoiding photoresist failure. The proposed method can be theoretically extended to other wavelengths, which can be flexibly selected according to photoresist sensing characteristics, and can improve particle detectability without loss of photoresist efficacy. The proposed solution has a straightforward structure, high practicality, low cost, and good prospects for application in the field of micro-nano fabrication.

1　引言

表面等离子体（SP）是指金属表面自由电子的一种相干集体振荡^［1-2］，其可在亚波长区域明显增强电磁场强度，并且其等效波长远小于真空波长。与表面等离子体相关的技术，如超透镜^［3-7］、反射腔共振镜^［8-10］、双曲超材料^［11-12］等技术，在超衍射成像及微纳加工等领域极具发展前景。以简单超透镜模型为例，晶圆表面有底层光刻胶和顶层银膜，通过银膜激发表面等离子体激元干涉可以得到超衍射图形^［8］，如果银膜表面存在较多的颗粒等缺陷，将极大地影响成像效果，因此需要对其进行表面颗粒检测。

无图案晶圆表面缺陷检测的光学技术主要有干涉法^［13-15］、衍射法^［16-18］及散射法^［19-21］三类，其中散射法中的暗场散射技术具有灵敏度和效率高的特点，因此被广泛应用于实际生产中^［21］。散射法通过检测缺陷的散射光来判定表面情况，它通过所建立的标准直径聚苯乙烯乳胶（PSL）颗粒散射光强的“相关曲线”将采集的散射光强度转换为缺陷的等效尺寸^［22-23］。由于颗粒散射能的大小与波长呈负相关，因此为了检测到更小的颗粒，商用化设备采用的检测光源逐渐发展到了深紫外，例如美国KLA公司研制的Surfscan系列中的Surfscan SP7^XP采用深紫外照明结合多通道探测能满足5 nm节点工艺的缺陷检测需求^［24］。国内在这方面的起步较晚，目前最先进的是深圳中科飞测科技股份有限公司（以下简称“中科飞测”）生产的SPRUCE-800，但其即使采用266 nm光源也只能检测到直径为32 nm的颗粒，并且在该检测指标下已经无法保证捕获率。

目前，实验室主要采用暗场缺陷检测设备对带有光刻胶和顶层银膜的超透镜模型进行表面颗粒等缺陷的检测，如果选用基于白光的暗场散射显微镜，如奥林巴斯的DSX1000，不仅难以获得表面缺陷分布全貌，而且颗粒检测能力只能达到100 nm，此外曝光时间还比较长，自动化程度低，采集效率也不高；如果选用深紫外波段的检测设备，如中科飞测的SPRUCE-800，虽然可以解决暗场散射显微镜的不足，但一些紫外光刻胶（KrF、i线等）的感光范围恰好覆盖了入射光波段，易导致光刻胶感光而失效，无法参与后续曝光等工艺。暗场缺陷检测设备在使用过程中往往需要反复摸索其工艺参数以避免光刻胶感光，而且这些工艺参数只对一种模型有效，同时此类设备也极其昂贵。总的来说，当前实验室尚没有一种具有针对性和简易性的低成本专用设备能够弥补以上不足。

笔者设计了一种基于可见波段的激光偏振暗场检测实验验证装置，同时采用灵敏度更高的科研级相机（sCMOS）探测颗粒的散射信号。该装置利用晶圆表面顶层银膜的偏振转换特性，通过调控入射光的偏振态与入射角，使微粗糙银膜表面的弱散射光偏振态与膜层表面颗粒的散射光偏振态产生差异，然后利用偏振器件对来自银膜表面的散射光进行部分滤除，从而降低其进入sCMOS的比例，提高了颗粒的信噪比。实验结果表明，相较于基于白光的暗场散射显微镜，在百纳米级颗粒检测时，本装置单次曝光时间仅为150 μs，并且实测出了均方根（RMS）粗糙度为3.4 nm（评估面积均为1 μm×1 μm）的银膜表面上61 nm的PSL颗粒，在探测极限和工作效率方面都取得了更好的效果；相较于深紫外检测设备，本装置不会使底层光刻胶改性失效。

2　基本原理

暗场物镜收集的光场分为两部分，一是作为信号的颗粒散射场，二是作为噪声的膜层散射场，这是由膜层表面不是理想镜面导致的。在颗粒较大时，信号强度远大于噪声，但随着颗粒减小，信号强度逐渐衰减到噪声水平，甚至更小，检测难度增大。下面对两者进行分析。

2.1　银膜表面的散射

采用微扰理论处理入射光在银膜表面的散射分布。在银膜粗糙度较小的情况下，将膜层表面看作是理想平面与一个小扰动的叠加，由于 $σ ≪ λ$ （ $σ$ 为均方根粗糙度， $λ$ 为波长），可以只考虑一级近似散射场，由此得到微分散射系数^［25-26］为

\begin{matrix} \frac{1}{I_{0}} \frac{d I}{d Ω} = \\ \frac{16 π^{2}}{λ^{4}} c o s θ_{0} c o s θ_{s}^{2} Q_{p_{i} p_{s}} (θ_{0}, θ_{s}, φ_{s}, N) S (K_{S} - K_{0}) \end{matrix}

，（1）

式中： $θ_{0}$ 为入射角，如图1（a）所示； $θ_{s}$ 为散射角； $φ_{s}$ 为偏转角； $N = (n - i k)$ ； $d I / d Ω$ 为单位立体角的光能量；I₀为入射光能量； $K_{S}$ 、 $K_{0}$ 为散射光和入射光波矢的大小； $Q_{p_{i} p_{s}} (θ_{0}, θ_{s}, φ_{s}, N)$ 代表与入射角、散射角与偏转角相关的几何因子，其中p_i和p_s分别为入射光、散射光的偏振状态； $S (K_{S} - K_{0})$ 为微粗糙表面的功率谱密度函数，表示表面的微观不规则性。二维微粗糙表面的功率谱密度函数可表示为

S (f_{x}, f_{y}) = S (\frac{s i n θ_{s} c o s φ_{s} - s i n θ_{0}}{λ}, \frac{s i n θ_{s} c o s φ_{s}}{λ})

。（2）

图 1. 理论模型及原理说明。（a）银膜表面的散射；（b）双交互模型原理；（c）偏振调控原理

Fig. 1. Theoretical model and principle description. (a) Scattering of silver film surface; (b) double interaction model principle; (c) principle of polarization modulation

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2.2　颗粒在银膜表面的散射

颗粒与银膜之间存在复杂的相互作用，因此颗粒在银膜上的散射不同于其在自由空间的散射，需要进行更全面的考虑。本文采用双交互模型^［27-28］分析颗粒在银膜上的散射场，原理如图1（b）所示，假设半径为d的PSL颗粒位于银膜表面上方，其入射场由两部分组成，一是直接照射在颗粒上的入射场，二是经银膜表面反射后二次照射到颗粒的入射场。假设直接入射场为 $E_{0}$ ，则入射总场可表示为

E_{i} = E_{0} + α \cdot J (θ_{i}) \cdot E_{0}

，（3）

式中：α表示两入射光的相位差， $α = e x p (2 d c o s θ_{i} \cdot 2 π i / λ)$ ，其中 $θ_{i}$ 为入射角，d为PSL颗粒的半径； $J (θ_{i}) = [\begin{matrix} r_{s} (θ_{i}) & 0 \\ 0 & r_{p} (θ_{i}) \end{matrix}]$ 表示镜面反射的琼斯矩阵， $r_{s} (θ_{i})$ 、 $r_{p} (θ_{i})$ 分别表示 $θ_{i}$ 角下s光和p光在银膜表面的反射系数。同理，对散射场进行分析。除了颗粒直接散射场外，还会有经银膜表面反射的散射场，总散射场 $E_{s}$ 可表示为

E_{s} = E_{s} (θ_{s}, φ_{s}) + β \cdot J (θ_{s}) \cdot E_{s} (π - θ_{s}, φ_{s})

，（4）

式中： $E_{s} (θ_{s}, φ_{s})$ 表示在 $(θ_{s}, φ_{s})$ 方向上的散射电场； $β = e x p (2 d c o s θ_{s} \cdot 2 π i / λ)$ 表示两散射光的相位差。结合瑞利散射和双向反射分布函数（BRDF）^［29］可得到PSL颗粒在银膜表面的散射分布为

B R D F_{P S L} = \frac{16 π^{4}}{λ^{4}} {(\frac{n_{P S L}^{2} - 1}{n_{P S L}^{2} + 2})}^{2} \frac{d^{6}}{c o s θ_{i} c o s θ_{s}} \frac{n}{A} {|J_{P S L} \cdot e|}^{2}

，（5）

式中： $n_{P S L}^{}$ 为颗粒的折射率；n表示面积为A的表面上颗粒的数量；e为入射光偏振态的单位琼斯矢量； $J_{P S L} = [\begin{matrix} j_{s s} & j_{p s} \\ j_{s p} & j_{p p} \end{matrix}]$ 表示颗粒的散射琼斯矩阵，各分量的表达式为

\{\begin{matrix} j_{s s} = [1 + β r_{s} (θ_{s})] [1 + α r_{s} (θ_{i})] c o s φ_{s} \\ j_{p s} = - [1 + β r_{s} (θ_{s})] [1 - α r_{p} (θ_{i})] c o s θ_{i} s i n φ_{s} \\ j_{s p} = - [1 - β r_{p} (θ_{s})] [1 + α r_{s} (θ_{i})] c o s θ_{s} s i n φ_{s} \\ j_{p p} = - [1 + β r_{p} (θ_{s})] [1 + α r_{p} (θ_{i})] s i n θ_{i} s i n φ_{s} \\ - [1 - β r_{p} (θ_{s})] [1 - α r_{p} (θ_{i})] c o s θ_{i} c o s θ_{s} c o s φ_{s} \end{matrix}

。（6）

2.3　偏振转换原理

提高信噪比的原理如图1（c）所示。在偏振光入射下，颗粒散射光一般为椭圆偏振光，而银膜表面并非理想平面，因此会在空间中带来一定的薄膜散射，这就是噪声的来源。偏振光入射银膜表面时，由于银的折射率存在虚部，给s、p分量带来一定的相位差，因此银膜表面空间散射光的偏振特性与颗粒散射光的偏振特性会出现差异^［30］，该差异同时受入射光偏振态和角度的影响。s、p分量的反射系数分别为

r_{s} = - \frac{s i n (θ_{i} - θ_{t})}{s i n (θ_{i} + θ_{t})} = |r_{s}| e x p (i φ r_{s})

，（7）

r_{p} = - \frac{t a n (θ_{i} - θ_{t})}{t a n (θ_{i} + θ_{t})} = |r_{p}| e x p (i φ r_{p})

。（8）

相位差变化为 $Δ φ = φ r_{s} - φ r_{p}$ ，空间散射光的偏振特性由此发生变化。本系统选用长工作距物镜，通过调节入射光的偏振态以及改变入射角，使物镜视场内信号光的偏振态与噪声光的偏振态出现最大差异，然后调节暗场接收光路的偏振片以尽可能使噪声被滤除同时使颗粒散射光尽可能通过，从而提高信噪比。须注意到，视场内微粗糙银膜上散射光的偏振态并非完全一致，而是在一定范围变化，因此只能选择最优偏振态作最大滤除，但这同时也会对颗粒信号有一定衰减作用，于是选用了更灵敏的sCMOS作为探测相机。最佳入射偏振态以及偏振片的调节角度可利用反射光的偏振态^［30-31］进行求解，或者利用正交试验法以颗粒信噪比作为评判标准进行确定。

3　仿真结果

本文采用时域有限差分方法（FDTD方法），结合仿真软件FDTD Solutions，建立了纳米颗粒及表面粗糙度均不同的散射模型，对暗场检测微粗糙银膜表面的纳米颗粒散射进行了仿真分析。

3.1　银膜透射率仿真

激发表面等离子体可以得到超衍射图形，但表面颗粒将影响图形质量，为保证得到高质量图形，需要对表面进行颗粒检测，但目前实验室所使用的SPRUCE-800的266 nm检测光源在检测过程中易透射至光刻胶层，导致光刻胶改性失效。以266 nm作为入射仿真波长，银膜厚度的变化范围为20~60 nm，入射角在0°~80°之间，通过软件建立的仿真模型如图2（a）所示，在银膜的底部有能量监视器（以计算透射率）。仿真结果如图2（b）所示。266 nm检测光源经过银膜后仍有较大透射率，膜厚越小，透射率越大，在银膜厚度为30 nm时，透射率也普遍高于0.15，而实际膜厚往往小于30 nm，这就使得感光范围包含266 nm的紫外光刻胶在该检测波段下易改性失效。自制紫外光刻胶K4在SPRUCE-800下的检测效果如图2（c）所示，可以在表面发现K4发生了明显的改性现象，无法进行后续的曝光等工艺，因此需要研发低成本的基于可见光的检测设备。

图 2. 透射率仿真模型及结果。（a）仿真模型；（b）透射率仿真结果；（c）经266 nm光检测后的K4光刻胶表面

Fig. 2. Transmission simulation model and simulation result. (a) Simulation model; (b) transmittance simulation result; (c) K4 photoresist surface detected by 266 nm light

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3.2　颗粒在明暗场检测技术下的仿真

采用可见光（473 nm）作为测试光源，利用构建S矩阵的方法仿真得到了银膜表面半径为100 nm的PSL颗粒在明暗场两种检测方法下的检测结果。入射光通过数值孔径为0.82的显微物镜对表面进行照明，暗场收集的数值孔径范围为0.82~0.92。明场检测仿真结果如图3（a）所示，从图中可以看出在365 nm照明下明场技术只能观测到反射场，颗粒信号淹没在背景信号中，无法检测出颗粒，检测能力受衍射极限制约。暗场检测仿真结果如图3（b）所示，从图中可以看出暗场过滤了反射场，能够检测出颗粒信号，说明暗场技术的检测能力优于明场，但由于暗场主要接收颗粒的散射信号，因此其电场强度相对于明场弱了许多。由瑞利散射公式可知，颗粒散射信号受入射波长的影响，入射波长越短，颗粒的散射信号越强，但短波光源价格昂贵，系统调节不便，容易影响光刻胶，如果能够降低背景噪声，一样可以提高系统对颗粒的检测能力。

图 3. 明暗场检测仿真图像。（a）明场仿真结果；（b）暗场仿真结果

Fig. 3. Simulation results of brightness and dark fields detection. (a) Brightness field simulation result; (b) dark field simulation result

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3.3　颗粒在银膜表面的散射场仿真

利用全场散射源（TFSF）对银膜表面的纳米颗粒进行散射场仿真与远场投影，以473 nm的p、s偏振光入射，同时使用PSL与SiO₂两种不同材料的纳米颗粒，颗粒半径扫描以20 nm为梯度，扫描范围为20~80 nm。两种颗粒散射能的仿真结果如图4所示。散射能受到材料、直径、光源偏振态的影响，其中直径的影响尤为突出。随着颗粒尺寸增大，散射能急剧增大。对直径小于120 nm的颗粒进行检测时，颗粒在p光入射时的散射能比s光入射时的散射能更大，因此p光入射更有利于检测；而对直径大于120 nm的颗粒进行检测时，结果相反。本次实验最终使用的是椭圆偏振光，颗粒在椭圆偏振光入射下的散射能介于p光和s光之间。在55°入射条件下，不同直径颗粒的散射场分布如图5（a）~（h）所示，可以看出散射主要集中在前向散射方向，不同直径颗粒在同种入射条件下的散射场分布不同，同一直径颗粒在不同偏振光照射下的散射场也不同，这为研发多探测器系统进行颗粒粒径检测提供了依据。

图 4. PSL与SiO₂颗粒在p光和s光入射下的散射能

Fig. 4. Scattering energy of PSL and SiO₂ particles under p and s light incidence

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图 5. 不同直径的PSL颗粒在p光和s光入射下的散射场分布。（a）~（d）半径分别为20、40、60、80 nm的PSL颗粒在p光入射下的散射能空间分布；（e）~（h）半径分别为20、40、60、80 nm的PSL颗粒在s光入射下的散射能空间分布

Fig. 5. Scattering field spatial distribution of PSL particles with different diameters under p and s light incidence. (a)‒(d) Spatial distribution of scattering energy of PSL particles with radius of 20,40,60,80 nm under p light incidence; (e)‒(h) spatial distribution of scattering energy of PSL particles with radius of 20, 40, 60,80 nm under s light incidence

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3.4　微粗糙银膜表面的散射仿真

采用平面波入射+Bloch边界条件分析了均方根（RMS）粗糙度为8 nm的微粗糙银膜表面的双向散射分布函数（BSDF），观察微粗糙表面散射光的空间分布。入射波段为473 nm，依次改变入射光角度为0°、30°、60°，得到的由表面粗糙度引起的空间散射角度分布如图6（a）~（c）所示。在微粗糙表面作用下，空间散射光，即进入散射系统的背景噪声，主要集中在靠近反射光的方向；当探测器位于银膜表面正上方时，使用大角度入射有利于减轻表面颗粒散射信号的背景噪声。

图 6. 不同入射角下的仿真结果。（a）0°入射角下的仿真结果；（b）30°入射角下的仿真结果；（c）60°入射角下的仿真结果

Fig. 6. Simulation results with different incident angles. (a) Simulation result at 0° incident angle; (b) simulation result at 30° incident angle; (c) simulation result at 60° incident angle

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4　总体方案

检测系统总体方案如图7所示。采用473 nm激光光源作为测试光源，激光器发出的光经由空间耦合器耦合入光纤后由准直镜出射，出射光依次通过带有旋转台的偏振片、λ/4波片调控偏振状态，最后经可调光阑入射至晶圆表面，其中λ/4快轴方位恒位于45°方向。整体入射调控光路经旋转台转接至三角形固定器上，通过下方1号双向运动工作台可调控光在晶圆表面的入射位置，旋转台用于控制入射角度。晶圆安装在多轴倾斜工作台与三轴工作台构成的复合调节台上，以便调平晶圆以及控制晶圆运动，采集不同区域图像完成后续图像拼接。反射光路与入射光路具有相同的机械结构，反射光经由光阑进入偏振分析仪，光阑的作用在于调节入射光斑大小及去除部分杂散光，偏振分析仪用于分析反射光偏振态，以便在实验中分析、确定入射状态^［28］。暗场接收光路主要用来接收信号，银膜表面的噪声光与颗粒散射光先经无限远校正长工作距物镜出射，物镜入瞳位置较高，进入入瞳的噪声光偏振状态差异较小，当噪声光与信号光有不同的偏振状态时，旋转偏振片尽可能过滤掉噪声光，降低光路中噪声光的占比（即提高信噪比），最后经由管镜被灵敏度极高的sCMOS接收。各器件均含有相应调节与固定工装并配有遮光罩，整体固定于二维运动平台与二维角度调节台构成的复合台上，以调节物镜姿态及捕捉入射光斑位置。本次实验选择的入射角度为55°，以颗粒信噪比作为评判标准设计正交试验从而确定各偏振片的角度。

图 7. 总体方案三维图

Fig. 7. Three-dimensional diagram of overall scheme

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5　实验结果

实际搭建的系统如图8（a）所示。采用直径分别为100、50 nm的商用化标准PSL小球作为检测目标。检测样片的基本加工工艺流程如图8（b）所示，在硅片表面刻蚀标记，将标记区域作为待检测区域，随后进行匀胶、磁控溅射镀膜、反应离子束刻蚀（采用原子力显微镜检测表面RMS）、颗粒溶液雾化等工艺。在本实验中通过控制反应离子束刻蚀的功率以及刻蚀时间加工出了不同表面粗糙度的银膜，利用雾化器将经稀释、超声振荡后的颗粒溶液喷洒在银膜表面，使PSL小球均匀分布在银膜表面的标记区域。同时，在实验过程中，样品应尽可能保存在真空环境中，以减缓银膜的氧化。最后，采用扫描电镜验证自建系统对50 nm直径颗粒的检测结果，同时采用DSX1000和自建系统对100 nm直径颗粒进行检测并对检测结果进行对比。

图 8. 搭建的实验系统及工艺流程图。（a）实验系统；（b）样片的加工工艺流程图

Fig. 8. Experimental system and process flow diagrams. (a) Experimental system; (b) schematic of the process of fabricating samples

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5.1　不同粗糙度条件下的背景噪声对比

在相机曝光参数相同的情况下，对银膜表面RMS粗糙度分别为2.4、4.9、8 nm的三个雾化有100 nm直径颗粒的样片进行观察，结果如图9（a）~（c）所示。随机选择图9（a）~（c）的局部区域进行灰度变换，灰度变换后的结果如图9（e）~（g）所示，提取其中无明显颗粒位置处20个像素区域的灰度值，提取结果如图9（h）所示。观察图9（h）可以发现随着膜层的粗糙度增大，背景噪声不断变大。这是由于表面粗糙度越大，银膜散射就越强烈，进入暗场散射系统的杂散光就越多，当检测小颗粒时，由于小颗粒的散射信号很弱，很容易造成误判。图9（f）和图9（g）的差异不明显，这可能是当前刻蚀参数不当造成的。多次在原子力显微镜下检测RMS粗糙度为8 nm的膜层，结果中均出现了如9图（d）标注所示的凹坑，这可能是造成RMS粗糙度变大的主因。除凹坑区域外，其他区域的RMS粗糙度评定与4.9 nm RMS粗糙度银膜的相差不大。

图 9. 不同RMS粗糙度值膜层表面颗粒的实测结果。（a）~（c）RMS粗糙度分别为2.4、4.9、8 nm的样片在暗场显微镜下的观察结果；（d）RMS粗糙度为8 nm的样片在原子力显微镜下的扫描结果；（e）~（g）图（a）~（c）的局部区域；（h）不同RMS粗糙度下的背景噪声曲线

Fig. 9. Detection results of particles on film surface with different RMS roughness values. (a)‒(c) Observation results of the samples with RMS roughness of 2.4, 4.9 and 8 nm under dark field microscope; (d) scanning results of the sample with RMS roughness of 8 nm under AFM;(e)‒(g) local areas of Figs. 9 (a), (b) and (c); (h) background noise curves under different RMS roughness values

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5.2　偏振调控下的效果展示

取RMS粗糙度为2.4 nm的样片进行观察，旋转入射光路上的波片，改变入射光偏振态，得到的图像如图10（a）~（c）所示。取图像上有明显颗粒的区域的灰度值来评定颗粒信号的变化情况，评定结果如图10（d）所示，可以发现颗粒信号的对比度有明显减弱的现象。这表明随着入射偏振态的改变，系统对颗粒检测的能力也会发生改变，合理的偏振态调控可以提高系统对颗粒的检测能力。

图 10. 自建系统对RMS粗糙度为2.4 nm的样片的实测结果。（a）~（c）三种不同偏振光入射下的检测结果；（d）与三图对应的颗粒信号曲线

Fig. 10. Detection results of the experimental system on the sample with RMS roughness of 2.4 nm. (a)‒(c) Detection results with three different polarized light incidence; (d) particle signal curve corresponding to Fig.10 (a), (b) and (c)

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固定入射偏振态，旋转暗场接收光路上的偏振片20°，得到了图11（a）、（b）所示的图像；在图像上无明显颗粒的随机区域内取101个像素点的灰度值评定背景噪声的变化情况，评定结果如图11（c）所示。由图11（c）可知将偏振片旋转20°后，灰度均值从16.3变为17.4，这表明膜层表面的散射光为偏振光，因此可以利用暗场接收光路上的偏振片对该光进行一定程度的滤除，以降低噪声。

图 11. 自建系统对RMS粗糙度为4.9 nm的样片的实测结果。（a）偏振片在初始位置下的观察结果；（b）偏振片旋转20°后的观察结果；（c）两图对应的背景噪声曲线

Fig. 11. Detection results of the samples with RMS roughness of 4.9 nm by our own experimental system. (a) Detection result with the polarizer at initial position; (b) detection result after 20° rotation of the polarizer; (c) background noise curves corresponding to Figs.11 (a) and (b)

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以上实验表明利用偏振调控可以降低背景噪声从而提高系统对颗粒的检测能力。对于更小颗粒的检测场合，随着颗粒变小，散射强度急剧降低，而膜层的散射强度不变，此时易将膜层散射的背景噪声当作颗粒信号，如果此时能够降低背景噪声便能降低颗粒的误检率。

5.3　颗粒检测结果

RMS粗糙度为2.4 nm的样片上100 nm颗粒的检测结果如图12（a）~（d）所示，其中图12（a）是未添加颗粒时1#标记区域的检测结果，添加颗粒后的检测结果如图12（b）~（d）所示，未进行偏振调控时的检测结果如图12（b）所示，经过正交试验确定入射偏振态以及暗场接收光路上的偏振片角度后颗粒的检测结果如图12（c）所示，图12（d）是使用DSX1000对样片的观察结果。自建系统对颗粒的检出率稍微高于DSX1000，并且自建系统使用激光照明以及更灵敏的sCMOS感光，单次曝光时间仅为150 μs，而DSX1000自动计算的单次曝光时间为38 ms，自建系统曝光时间是DSX1000的4‰左右，检测效率得到极大提升，这对下一步开展整片扫描具有重要意义。在本次实验中，选用的旋转台的旋转精度为0.02°，可见光在金属膜层表面的相位变化会受入射角的影响，相位变化是非线性的，随着入射角和入射偏振态变化，空间散射光的偏振特性也会发生变化，从而会影响偏振滤除效果。在55°入射条件下，当入射角的旋转运动误差控制在-0.3°~0.3°以内时，颗粒的检测效果无明显变化；散射接收光路上的偏振片在-0.2°~0.2°以内转动时，偏振滤除效果无明显变化。

颗粒的实测结果。（a）RMS粗糙度为2.4 nm的样片添加颗粒前的检测结果；（b）样片上添加100 nm颗粒后，暗场接收光路上不加偏振片时自建系统的检测结果；（c）自建系统调控偏振状态后的检测结果；（d）DSX1000的检测结果；（e）RMS粗糙度为8 nm的样片添加颗粒前的检测结果；（f）样片上添加100 nm颗粒后，暗场接收光路上不加偏振片时自建系统的检测结果；（g）自建系统调控偏振状态后的检测结果；（h）DSX1000的检测结果；（i）RMS粗糙度为3.4 nm的样片添加颗粒前的检测结果；（j）样片上添加50 nm颗粒后DSX1000的检测结果；（k）自建系统偏振调控后的检测结果；（l）颗粒的扫描电镜照片

图 12. 颗粒的实测结果。（a）RMS粗糙度为2.4 nm的样片添加颗粒前的检测结果；（b）样片上添加100 nm颗粒后，暗场接收光路上不加偏振片时自建系统的检测结果；（c）自建系统调控偏振状态后的检测结果；（d）DSX1000的检测结果；（e）RMS粗糙度为8 nm的样片添加颗粒前的检测结果；（f）样片上添加100 nm颗粒后，暗场接收光路上不加偏振片时自建系统的检测结果；（g）自建系统调控偏振状态后的检测结果；（h）DSX1000的检测结果；（i）RMS粗糙度为3.4 nm的样片添加颗粒前的检测结果；（j）样片上添加50 nm颗粒后DSX1000的检测结果；（k）自建系统偏振调控后的检测结果；（l）颗粒的扫描电镜照片

Fig. 12. Particle detection result. (a) Detection results before adding 100 nm particles to the sample with RMS roughness of 2.4 nm; (b) detection results of the self-built experimental system without polarizer on the dark field receiving optical path after adding 100 nm particles; (c) detection results of the self-built experimental system after modulating the polarization state; (d) detection results of DSX1000; (e) detection results before adding 100 nm particles to the sample with 8 nm RMS roughness; (f) detection results of the self-built experimental system without polarizer on the dark field receiving optical path after adding 100 nm particles; (g) detection results of the self-built system with modulating the polarization state; (h) detection results of DSX1000; (i) detection results before adding particles to the sample with 3.4 nm RMS roughness; (j) detection results of DSX1000 after adding 50 nm particles to the sample; (k) detection results of the self-built experimental system after modulating the polarization state; (l) SEM image of the particles

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RMS粗糙度为8 nm的样片上100 nm颗粒的检测结果如12（e）~（h）所示，各图含义与前文相同，由于8 nm样片较前者粗糙，能观察到背景中较为明显的“霾”现象，即背景噪声较大。经偏振调控后的检测结果如图12（g）所示，相对于图12（f）而言，图12（g）中有明显的背景噪声抑制效果。经扫描电镜验证，图12（f）~（h）左上角的最大亮斑为颗粒团聚区，因此有很强的散射光强，并且由于使用的是单侧光照，因此在与入射方向垂直的边缘区域会出现较强的“毛刺”现象。

RMS粗糙度为3.4 nm的样片上50 nm颗粒的检测结果如12（i）~（l）所示，其中图12（i）为添加颗粒前的检测结果，图12（j）为添加颗粒后DSX1000的检测结果，图12（k）为自建系统经过偏振调控后的检测结果，图12（l）为电镜扫描结果。自建系统经偏振调控后可以检测到银膜表面61 nm的PSL颗粒，检测能力高于DSX1000。

为了获得整个表面的颗粒全貌，需要对图像进行拼接。首先对初始图像进行增强、滤波操作，然后检测待拼接图像中的SURF特征点，提取每个特征点对应的特征描述向量，在匹配的特征点处估计待拼接图像的几何变换关系（在匹配过程中采用M-estimator Sample Consensus（MSAC）算法去除误匹配点，完成图像融合），最后对整图进行颗粒区域分割，统计颗粒数量。

6　结论

笔者有针对性地开展了基于金属膜层激发表面等离子体进行超衍射加工这一领域缺陷检测的相关研究工作，通过偏振调控技术抑制了背景噪声，用473 nm检测光源实测了银膜表面61 nm的PSL颗粒，避免了紫外、深紫外光刻胶在现有深紫外设备检测过程中易改性失效的问题，并且该方案具有向其他波段扩展的能力，原理上可以按光刻胶感光特性灵活选择不同的波长，在不影响光刻胶的同时提高对颗粒的检测能力。此外，本装置在进行100 nm颗粒检测时，单次曝光时间为150 μs，具有较高的检测效率。

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