CN113125436B - 基于光学暗场显微技术的检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及缺陷检测和纳米颗粒检测领域，提供一种基于光学暗场显微技术的检测系统和方法。本发明利用样品表面起伏和和检测目标的空间分布及几何形貌的区别，将特定偏振态的照明光束以一定角度照射到样品的待检测区域，减小样品表面纳米级或亚纳米级起伏散射的杂散光强度，并使杂散光和检测目标散射的信号光偏振不同，调控探测光束的偏振态，滤除绝大部分杂散光，降低杂散光带来的背景噪声，提升检测信噪比，提高检测灵敏度。使用本发明所述系统和方法，可大幅度将光学方法可检测的缺陷和纳米颗粒推向更小尺寸。

Description

基于光学暗场显微技术的检测系统和方法

技术领域

本发明涉及缺陷检测和纳米颗粒技术领域，尤其涉及一种基于暗场显微技术的检测系统和方法，通过选择照明光束光频电场偏振态和入射角，并调控探测光束的光频电场偏振态，增强检测信噪比的系统和方法。

背景技术

缺陷检测通常是指对样品表面的缺陷进行检测，缺陷包括但不限于外来污染物，样品表面的非正常突起，样品表面的划痕，样品表面的凹槽，样品表面特定图案结构的变形等。缺陷检测在各种工业生产中有着大量的需求，例如集成电路、显示面板、玻璃和金属制品等领域。特别是集成电路生产中，晶圆表面缺陷检测是必不可少的关键工艺流程之一，准确检测出带有缺陷的不合格晶圆，可以大幅提高产品的良率。随着集成电路中半导体器件趋于小型化，小尺寸缺陷，例如数十纳米级的缺陷，甚至纳米级的缺陷，都可能对结构造成致命的破坏，甚至使产品完全损毁失效。因此，当前的工业应用，对产品表面缺陷检测的灵敏度提出了极高的要求。

纳米颗粒检测通常是指对颗粒物进行检测，检测的颗粒包括但不限于纳米球，纳米棒，纳米线，空气中的灰尘，生物体，DNA，RNA，蛋白质，其他有机物等。纳米颗粒检测对工业应用和学术研究都有着重大的意义，例如，药品开发通常需要对生物体内大分子或标记物的运动轨迹进行追踪，对病毒与细胞结合过程进行监控等。纳米颗粒检测的灵敏度，是这些应用的重要技术指标。

目前，样品表面缺陷和纳米颗粒(以下把二者统称为检测目标)的光学检测方法主要是光学暗场显微成像。光学暗场显微技术是一种结构简单、无标签、高实时性的检测手段，其特点是只收集待检测对象的散射光进行成像，而不收集样品表面反射或透射的照明光，黑暗的背景和明亮的目标信号在检测图像中形成明显的对比。

工业生产的很多产品，例如硅晶圆，玻璃制品，金属制品，有机材料等，已经可将样品表面高度起伏变化降到纳米级甚至亚纳米级。样品表面起伏在横向既有跨度为百纳米至数微米的缓慢变化部分，也有跨度为亚纳米至数十纳米的距离变化部分。样品表面纳米级或亚纳米级起伏和检测目标一样，在照明光束照射下，会发生散射，从而形成干扰目标检测的杂散光。由于衍射极限的存在，横向跨度为亚纳米至数十纳米距离变化的表面起伏对杂散光的贡献是可忽略的，横向跨度为百纳米至数微米缓慢变化的表面起伏引起的散射是杂散光的主要来源。

检测目标散射的信号光强度，近似正比于检测目标体积的平方。当检测目标小于一定尺寸，杂散光强度会接近甚至大于信号光强度，导致检测信号被背景噪声淹没。因此，如果能尽量多地衰减杂散光，而尽量少地衰减信号光，就能够样品表面纳米级或亚纳米级起伏带来的背景噪声，提升检测信噪比，将光学方法可检测的检测目标推向更小的尺寸。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于暗场显微技术的检测系统和方法，显著抑制样品表面起伏散射产生的背景噪声，大幅度提高检测信噪比，从而能够有效检测到现有光学方法无法检测的小尺寸检测目标。

为解决上述技术问题，本发明首先提出一种基于暗场显微技术的检测系统，包括：

光源组件，用于提供照明光束；

照明光束调控组件，用于调控照明光束的偏振态，并引导照明光束以一定入射角度照射到样品的被测区域，使照明光束具有垂直于待测样品表面的光频电场偏振分量；

探测光束调控组件，用于收集探测光束，调控探测光束的偏振态，将探测光束中特定方向的偏振分量滤除，并将经滤除后的探测光束引导到所述信号收集组件；

信号采集组件，用于采集所述经过探测光束调控组件调控后的探测光束，形成与所述被测区域对应的检测图像信息。

所述的入射角度是指照明光束照射到样品表面时，光束的行进方向与样品表面法线的夹角。

所述的探测光束包括，样品表面起伏散射的杂散光，检测目标散射的信号光，样品表面特定图案结构散射的背景光。

所述基于光学暗场显微技术的检测系统还包括计算机系统，所述计算机系统用于存储和处理信号采集组件输出的检测图像信息。

针对样品表面具有特定图案结构的待测样品，进一步优化的方案是，计算机系统将样品表面含有相同特定图案结构的不同区域对应的检测图像相减，消除样品表面特定图案结构对检测目标信号的影响。

同时，适用于所述基于光学暗场显微技术的检测系统，本发明提出了一种基于光学暗场显微技术的检测方法，包括以下步骤：

将照明光束调控为特定偏振态，并引导照明光束以特定入射角度照射到样品的被测区域，使照明光束照射到样品表面时，照明光束具有垂直于样品表面的偏振分量；所述的入射角度是指照明光束照射到样品表面时行进方向与样品表面的夹角；

收集探测光束，所述探测光束包括样品表面纳米级或亚纳米级起伏散射的杂散光、检测目标散射信号光以及样品表面特定图案结构散射的背景光；

调控探测光束的偏振态，滤除探测光束中特定方向的偏振分量，该偏振分量为样品表面纳米级或亚纳米级起伏散射的杂散光的主导偏振分量；

采集经滤除处理的所述探测光束，生成与所述被测区域对应的检测图像信息；

进一步的，采用计算机系统存储和处理检测图像。

针对样品表面具有特定图案结构的待测样品，最优的方案是，所述的计算机系统将样品表面含有相同特定图案结构的不同区域对应的检测图像相减，消除样品表面特定图案结构对检测信号的干扰。

上述的样品可以是透明的，包括但不限于玻璃制品，云母，硅晶圆(使用波长大于1微米的光源)，有机透明材料等；上述的样品也可以是非透明的，包括但不限于硅晶圆(使用波长小于1微米的光源)，金属制品，有机非透明材料等。上述的样品可以是表面有特定图案结构的样品，也可以是表面没有特定图案结构的裸露样品。上述的检测目标可以是样品表面缺陷，包括但不限于外来污染物，样品表面的非正常突起，样品表面的划痕，样品表面的凹槽，样品表面特定图案结构的变形等；上述的检测目标可以是样品表面的纳米颗粒，包括但不限于纳米球，纳米棒，纳米线，空气中的灰尘，生物体，DNA，RNA，蛋白质，其他有机物等。

本发明所公开的检测系统和方法的原理，主要基于样品表面起伏和检测目标在空间分布和几何形貌上的差别。具体地说，样品表面起伏的高度变化通常是纳米级或亚纳米级，而横向既有跨度百纳米至数微米的缓慢变化部分，也有跨度亚纳米至数十纳米的剧烈变化部分，横向跨度为亚纳米至数十纳米的剧烈变化部分对杂散光的贡献很小。因此，可以将样品表面起伏近似看成由若干横向尺寸可达百纳米级甚至微米级，而高度为纳米级或亚纳米级的等效凸起和等效凹陷组成。样品表面的检测目标,例如纳米颗粒物等,不同方向上的尺寸通常不会有如此悬殊的差别，例如直径为10纳米的纳米颗粒，横向和高度方向尺寸均为10纳米。

本发明使用具有特定偏振态的照明光束，以一定入射角度照射待测样品的待测区域，利用上述的空间分布和几何形貌上的差别，可以抑制样品表面起伏散射的杂散光强度，并且杂散光和检测目标散射的信号光具有不同的偏振态。还可以在探测光路进行偏振态调控，将杂散光的主要偏振分量全部滤除或滤除大部分，从而抑制杂散光带来的背景噪声，增强检测信噪比，提高检测灵敏度。例如，利用本发明所述的检测系统和方法，能够有效检测硅晶圆表面直径为12纳米甚至更小的聚苯乙烯(以下简称：PSL)微球。

本发明与现有的技术相比，主要具有以下几个优点：

其一，本发明通过对照明光束的偏振态和入射角的选择，可以抑制样品表面纳米级或亚纳米级起伏散射的杂散光强度；

其二，本发明通过对探测光束偏振态的选择，可滤除样品表面纳米级或亚纳米级起伏散射的杂散光的大部分，进一步抑制杂散光带来的背景噪声，增强检测信噪比，大幅提高检测灵敏度；

其三，本发明所需的装置系统结构简单，无需真空环境等苛刻要求，也无需特殊设计的光学元件，可由商业显微镜或自行搭建的光学显微镜快速改造而成，成本低廉；

其四，本发明对光源波长无限制，可选择的包括但不限于10纳米至300微米，使用者可依据需要选择光源；

其五，本发明对探测器没有严格要求，可选择的探测器包括但不限于光电探测器，互补式金属氧化物半导体工业相机，电荷耦合元件相机等；

其六，本发明可使用宽场成像模式，也可以选择使用逐点扫描的模式；

其七，本发明对作为检测对象的样品没有特别要求，可以检测各种需要检测的样品；

其八，本发明的检测目标没有特别要求，可以是样品表面的缺陷，包括但不限于样品表面的外来污染物，样品表面非正常突起，样品表面的凹槽，样品表面的划痕，样品表面特定图案结构的变形等；也可以是纳米颗粒，包括但不限于纳米球，纳米棒，纳米线，生物体，蛋白质，DNA，RNA等；

其九，本发明的调控组件对应的最佳参数可以通过简单的菲涅尔定律计算反射和折射系数得出，对技术人员的知识要求低；

其十，本发明的调控组件对应的最佳参数可以通过手动控制，无需动态调试和动态监控，节省设备资源和人力成本；

其十一，本发明对探测光束的调控是整体一致的，无需将探测光束分成多个部分分别处理，操作简便。

附图说明

为便于本领域内技术人员理解，下面将参考附图通过非限制性示例描述本发明的具体实施方法。本领域内的技术人员应当明白，依据本发明的方法和原理，可以进行合理的改造，这仍然在本发明的保护范围。在附图中：

图1A为本发明所述的检测系统和方法的实施方式一的原理图。

图1B为本发明所述的检测系统和方法的实施方式二的原理图。

图1C为本发明所述的检测系统和方法的实施方式三的原理图。

图2A为本发明的检测系统和方法的具体实施例一的装置图。

图2B为本发明的检测系统和方法的具体实施例二的装置图。

图2C为本发明的检测系统和方法的具体实施例三的装置图。

图3A为本发明的检测系统和方法在图2A所示的具体实施例一和图2B所示的具体实施例二的基础上修改的具体实施例示意图。

图3B为本发明的检测系统和方法在图2C所示的具体实施例三的基础上修改的具体实施例示意图。

图4A为使用图2A所示的检测系统和方法检测硅晶圆表面的颗粒，收集到的杂散光在物镜后焦面不同偏振分量的归一化光强分布图。

图4B为图4A中划线对应的杂散光归一化光强分布曲线。

图4C为使用图2A所示的检测系统和方法检测硅晶圆表面的颗粒，收集到的信号光在物镜后焦面不同偏振分量的归一化光强分布图。

图4D为图4C中划线对应的信号光归一化光强分布曲线。

图5A为模拟的传统方法测得的硅晶圆表面直径为12纳米PSL微球的暗场显微成像结果。

图5B为模拟的本发明所述的检测系统和方法测得的硅晶圆表面上直径为12纳米PSL微球的暗场显微成像结果。

具体实施方式

本发明所述基于光学暗场显微技术的检测系统和方法可以结合附图描述，所附图仅作示例性展示，不对本发明形成限制性约束。本领域技术人员依据本发明所阐述的内容、系统和方法进行合理改造，仍然从属于本发明所声明的范围。还需说明的是，附图中的光学元件并不构成等比例演示。

为方便描述，作如下非限制性方向定义：待检测样品表面定义为xy平面，待检测样品的法向为z方向，照明光束传播的方向在xy平面内的投影为x方向，y方向既与x方向垂直，也与z方向垂直。需要说明的是，本领域内的技术人员应当明白，本发明所述的照明光束调控组件和探测光束调控组件均可能包含若干能改变光束传播方向的光学元件，所定义的方向，会根据光束传播的方向改变而发生相应的改变。附图说明的方向定义与此处的定义保持一致。

在照明光束照射下，样品表面纳米级或亚纳米级起伏会发生散射形成杂散光，使检测图像产生背景噪声，检测目标则会散射形成信号光，使检测图像生成信号。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。

样品表面起伏高度变化通常可到纳米级或亚纳米级，例如集成电路工业常用的高质量晶圆表面高度变化约为0.5纳米，这些起伏横向既有跨度百纳米至数微米的缓慢变化部分，也有跨度为亚纳米至数十纳米的剧烈变化部分。其中横向剧烈变化的起伏对杂散光贡献很小，杂散光的主导部分为横向缓慢变化的起伏的散射。因此，样品表面起伏可以看作是若干横向尺寸可达百纳米甚至微米，而高度尺寸仅为数纳米甚至亚纳米的等效凸起或等效凹陷。每一个等效凸起或等效凹陷照明光束照射下，会形成大量相互影响的电偶极子，这些电偶极子可叠加形成一个等效电偶极子，等效电偶极子各方向偏振分量的大小，与等效突起或等效凹陷在相应方向的尺寸存在正相关关系。由于这些等效凸起或等效凹陷的横向尺寸远大于高度尺寸，所以等效电偶极子的偏振方向，会近似平行于总电场在xy平面内的投影。所述的总电场，是指样品表面在照明光束照射下，发生反射和折射，形成的电场。等效电偶极子辐射的杂射光，经探测光束调控组件收集后，偏振态近似与等效电偶极子的偏振态一致。通过对照明光束偏振态和入射角的选择，可以使杂散光经探测光束调控组件收集和偏振态调控后，杂散光变成近似于线偏振光。

检测目标在各个方向的尺寸不存在显著差别，所以检测目标在照明光束照射下，形成的电偶极子偏振方向会近似平行于总电场的偏振方向。所述的总电场，是指样品表面在照明光束照射下，发生反射和折射，形成的电场。通过对照明光束偏振态和入射角的选择，可以使检测目标形成的电偶极子以z方向偏振分量占主导，辐射的信号光经收集后在xy平面内各个方向的偏振分量基本相同。

以波长为545纳米的照明光检测硅晶圆表面的缺陷为例，可以使用反射式配置，以60°角P偏振光入射。其中所述的P偏振光，是指照明光束在照射到待测样品表面时，偏振方向为完全平行于入射面，即所定义的xz平面。如此配置下，探测光束经探测光束调控组件收集后，杂散光会是以x偏振分量占主导，而信号光的x偏振分量和y偏振分量所占比例没有明显区别。因此，在探测光束调控组件加入滤除x偏振分量的光学元件，例如偏振片或偏振分束器，可以将绝大部分杂散光滤除。经滤除后地探测光束，被探测光束调控组件导引至信号采集组件，将会大幅度提升检测信噪比。如果待检测样品表面具有特定图案结构，信号采集组件可以对2个具有相同特定图案结构的检测区域对应的检测图像作差，消除特定图案结构散射的背景光对检测信号形成的干扰。

图1A至图1C阐述了本发明的原理和3种常见的实施方案。

如图1A-图1C所示，本发明所述的系统和方法包含光源组件101，光源调控组件102，待测样品组件103，探测光束调控组件104和信号采集组件105。

其中，光源组件101提供检测所需的光源光束106，所述的照明光束的波长可以是从10纳米至300微米选择，可以是单色光，也可以是多色光的组合。

光源光束106经光源调控组件102，形成特定具有偏振态的照明光束107，以一定的入射角照射到待测样品组件103。所述的光源调控组件可包含若干能改变光束偏振态的光学元件，和改变入射角的元件。所述的偏振态是指光束的光频电场振动方向，所述的入射角是指照明光束107传播方向和样品112表面法向的夹角。照明光束107可以与探测光束收集组件104在待测样品组件103的同一侧，形成反射式照明，如图1A和图1B所示。照明光束107可以与探测光束调控组件104在待测样品组件103的不同一侧，形成透射式照明，如图1C所示。照明光束调控组件102还可以包含若干反射镜(未在图中演示)，用于改变照明光束的行进方向。照明光束调控组件102还可以包含若干透镜组(未在图中演示)，用于改变照明区域的大小。

待测样品组件103包含移动和承载待测样品的样品架(未在图中演示)，待检测的样品112。待测样品通常包含样品和检测目标114。所述的检测目标，可以是检测人员想要在待测样品上想要检测的任意物体和(或)任意物体缺失，例如可以是样品表面的缺陷，包括但不限于样品表面的外来污染物、样品表面特定图案结构的变形、样品表面的划痕与凹槽、样品表面的非正常突起等，也可以是各种尺寸的纳米颗粒，包括但不限于，纳米球，纳米棒，纳米线，生物体，蛋白质，DNA，RNA，其他有机物等。通常，待测样品112的表面并非完全平坦，而是有许多高度为纳米级或亚纳米级的起伏113，这些起伏通常不会被视为缺陷。

在照明光束107的照射下，待测样品组件103会产生探测光束。探测光束包含检测目标114散射的信号光109，待测样品112表面纳米级或亚纳米级的起伏113散射的杂散光110，待测样品112表面的特定图案结构散射的背景光(未在图中演示)和待测样品112表面反射或透射的照明光108。

探测光束会被探测光束调控组件104收集，并进行偏振态调控，最后被引导到信号采集组件105。所述的探测光束调控组件104可包含收集探测光束的光学元件，若干可调控偏振的光学元件。

探测光束被引导至信号采集组件105后，会生成与检测区域对应的检测图像，对检测图像进行数据处理，可以得到检测区域的信息。所述的信号采集组件105可包含可记录光学图像的信号采集器，可连接储存并处理光学图像的计算机系统。

探测光束调控组件104还可以包含若干反射镜(未在图中演示)，用于改变探测光束的行进方向。探测光束调控组件104还可以包含若干透镜组(未在图中演示)，用于改变探测系统的光学放大倍数。

在暗场显微成像技术中，反射或透射的照明光108不会被引导到信号采集组件105。实现这一目的手段可以是照明光108不被探测光束调控组件104收集(如图1A和图1C所示)，也可以是照明光108被探测光束调控组件104收集后被挡住(如图1B所示)。

待测样品112表面特定图案结构散射的背景光，在信号采集器上在检测图像中形成特定背景,对2个具有相同图案结构的区域形成的检测图像作差，可以将这一背景去除。因此，经过处理后的图像，仅包含待测样品112表面纳米级或亚纳米级起伏113散射的杂散光110和检测目标114散射的信号光109的信息，其中信号光109产生的是检测信号，而杂散光108产生的是背景噪声。

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，本发明的正是基于对这一物理原理的利用。待测样品112表面起伏113高度变化通常可到纳米级或亚纳米级，例如集成电路工业常用的高质量晶圆表面起伏高度变化约为0.5纳米，这些起伏横向既有跨度百纳米至数微米的缓慢变化部分，也有跨度为亚纳米至数十纳米的剧烈变化部分。其中横向剧烈变化的起伏对散射的杂散光贡献很小，杂散光的主导部分十横向缓慢变化的起伏的散射。因此，样品表面起伏113可以看作是若干横向尺寸可达百纳米甚至微米，而高度尺寸仅为数纳米甚至亚纳米的等效凸起或等效凹陷。在照明光束107照射下，每一个等效凸起或等效凹陷会形成大量相互影响的电偶极子，这些电偶极子可叠加形成等效电偶极子，等效电偶极子各方向偏振分量的大小，与等效突起或等效凹陷在相应方向的尺寸存在正相关关系。由于这些等效凸起或等效凹陷的横向尺寸远大于高度尺寸，所以等效电偶极子的偏振方向，会近似平行于总电场在样品112表面的投影。所述的总电场，是指待测样品112在照明光束107照射下，发生反射和折射，形成的电场。等效电偶极子辐射的杂射光110，经探测光束调控组件104收集后，其偏振态会近似与等效电偶极子的偏振态一致。通过对照明光束107偏振态和入射角的选择，可以使杂散光110经探测光束调控组件104收集后，变成近似线偏振光。

检测目标114不同方向的尺寸不存在显著差别，例如直径为10纳米的球形纳米颗粒各个方向的尺寸均为10纳米，所以检测目标在照明下形成的电偶极子偏振态会近似与总电场的偏振态一致。所述的总电场，是待测样品112在照明光束107照射下，发生反射和折射，形成的电场。通过对照明光束107偏振态和入射角的选择，可以使检测目标114形成的电偶极子以垂直于样品112表面的偏振分量占主导，辐射的信号光109经收集后在平行于样品112表面内各个方向的偏振分量具有比例没有明显差别。

探测光束调控组件104将探测光束收集，依据杂散光110和信号光109偏振态的差别，可在探测光束调控组件104内加入偏振片或其它偏振调控元件，将杂散光110占主导的偏振分量滤除。如此便可将绝大部分杂散光110消除，而信号光111能可观地得到保留，大幅提升检测信噪比。

根据图1所展示的原理和系统设置原则，在图2A至图2C中的非限制性示例，演示具体的光学系统设计。

图2A演示了可实现本发明的一种具体实施方式，其中光源组件101由光源系统201组成；光源调控组件102由偏振片202组成；待测样品组件102由待测样品112组成，待测样品112包含和检测目标114；探测光束调控组件由物镜203，偏振片204和透镜205组成；信号采集组件105由相机206组成，相机206可连接能存储和处理图像信息的计算机系统。

光源系统201发射的光源光束106，经过偏振片202，与z轴成一定夹角照射到待测样品112，为实现暗场显微成像目的，待测样品112表面直接反射的光108不会被物镜203收集。被物镜203收集的探测光束207包括待测样品112表面纳米级或亚纳米级起伏散射的杂散光，待测样品112表面特定图案结构散射的背景光，检测目标114散射的信号光。探测光束207会依次经过偏振片204和透镜205，最后在相机206上成像。

图2B演示了可实现本发明的另一种具体实施方式，其中光源组件101由光源系统201组成；光源调控组件102由偏振片202，分束器209和物镜203组成；待测样品组件102由待测样品112组成，待测样品112包含和检测目标114；探测光束调控组件由物镜203，分束器209，偏振片204和透镜205组成；信号采集组件105由相机206组成，相机206可连接能存储和处理图像信息的计算机系统。

光源系统201发射的光源光束106，依次经过偏振片202，分束器209，物镜203，与z轴成一定夹角照射到待测样品112，为实现暗场显微成像目的，待测样品112表面直接反射的光108被物镜203收集后会被挡住。被物镜203收集而不被挡住的探测光束207包括待测样品112表面纳米级或亚纳米级起伏散射的杂散光，待测样品112表面特定图案结构散射的背景光，检测目标114散射的信号光。探测光束207会依次经过分束器209，偏振片204和透镜205，最后在相机206上成像。

图2C演示了可实现本发明的另一种具体实施方式，其中光源组件101由光源系统201组成；光源调控组件102由偏振片202；被待测样品组件102由待测样品112组成，待测样品112包含和检测目标114；探测光束调控组件由物镜203，偏振片204和透镜205组成；信号采集组件105由相机206组成，相机206可连接能存储和处理图像信息的计算机系统。

光源系统201发射的光源光束106，经过偏振片202，与z轴成一定夹角照射到待测样品112，为实现暗场显微成像目的，待测样品112表面直接反射的光108不会被物镜203收集。被物镜203收集的探测光束207包括待测样品112表面纳米级或亚纳米级起伏散射的杂散光，待测样品112表面特定图案结构散射的背景光，检测目标114散射的信号光。探测光束207会依次经过偏振片204和透镜205，最后在相机206上成像。

为达到最佳效果，图2C所示的光学系统参数设置应遵循如下原则：照明光束107照射到待测样品112时偏振方向应当完全在xz平面内或投影到xz平面的偏振分量占主导，并且调整合适的入射角，使得在样品112表面，照明光形成的总电场以z方向的偏振分量占主导。

图2A-图2C所演示的光学系统，入射的照明光束107均是P偏振最佳，即照明光束107的光频电场振动方向平行于图2A-图2C所示的xz平面。对有些样品的检测，如此配置并不一定会达到最佳的效果，例如待测样品112的材料在照明光所在波段的折射率存在较大虚部，则可能需要将照明光束107调整成圆偏振光或椭圆偏振光。可对图2A-图2C所示的光学系统进行改造，如图3A至图3B所示。

图3A-图3B所示的光学系统中。光源组件101与图2A-图2C所示的光学系统相同。光源光束调控组件102由偏振片202，相位补偿器301和光束导引子系统302组成，相位补偿器302的作用是使得照明光束107为椭圆偏振光或圆偏振光。待测样品组件103和图2A-图2C所示的光学系统相同。探测光束调控组件104由探测光束收集和导引子系统303，相位补偿器304，偏振片204组成，相位补偿器304的作用是使待测样品112表面纳米级或亚纳米级起伏散射的杂散光调控为接近线偏光。信号采集组件105和图2A-图2C所示的光学系统相同。

图3A-图3B所示的光学系统，照明光束107以椭圆偏振或圆偏振入射，使待测样品112表面纳米级或亚纳米级起伏散射的杂散光，经探测光束收集和导引子系统303收集后，偏振态为近似于椭圆偏振或圆偏振，经过相位补偿器304，可将其调控为近似线偏振，结合偏振片204，即可将大部分杂散光滤除。图3所示的偏振片202的角度，相位补偿器301的角度，相位补偿器204的角度，偏振片304的角度，以及入射角，都可根据菲涅尔定律计算的反射系数和折射系数予以确定。

图4A展示了以图2A所示的光学系统，在光源波长为545纳米，入射角为60°的照明条件下，完全平坦的硅晶圆表面一个直径12纳米的PSL微球颗粒散射的信号光在物镜203后焦面上的归一化强度分布，左图表示x偏振分量，右图表示y偏振分量。所述的x方向和y方向，与图2A所示定义的方向一致。图4B是将图4A中截线401和截线402代表的值以曲线的形式展示。

图4C展示了以图2A所示的光学系统在光源波长为545纳米，入射角为60°的照明条件下，硅晶圆表面纳米级或亚纳米级起伏散射的杂散光在物镜203后焦面上的归一化强度分布，左图表示x偏振分量，右图表示y偏振分量。所述的x方向和y方向，与图2A所示定义的方向一致。图4D是将图4C中截线403和截线404代表的值以曲线的形式展示。此处使用了晶圆上一个高度小于0.5纳米，横向尺寸为60纳米的凸起代替了晶圆表面的粗糙起伏。尽管晶圆表面粗糙起伏散射的杂散光和实际形貌相关，但是这已足以体现本发明的物理原理。

从图4A和图4B可以看出，在物镜203后焦面上，信号光的x偏振分量和y偏振分量光强没有明显区别。从图4C和图4D可以看出，在物镜203后焦面上，杂散光的x偏振分量的光强显著大于y偏振分量的光强。如图2A所示，偏振片204允许透过的光偏振方向为y方向，杂散光被滤除的比例约为99.5％，而信号光被滤除的比例约为50.3％，会明显增强目标检测的信噪比。

图5A-图5B展示了硅晶圆上一个直径12纳米的PSL微球的暗场检测模拟结果，模拟的光学系统和照明方式与上述图4的设置相同，硅晶圆表面均方根高度为0.15纳米。图5A是传统的暗场成像结果，图5B是使用本发明得到的暗场成像结果，光源的波长为545纳米，二者对应同一区域，图像对应的区域为6平方微米，白色虚线圆圈内表示PSL微球的位置。在左图，显然无法识别PSL微球是否存在，在右图则可清晰识别PSL微球。

如图4A所示，在本发明中，信号光得以保留的y偏振分量是x轴对称的，x轴附近时暗的，所以最后得到的PSL微球检测图像会关于x轴对称，且图像中心是暗的，如图5B所示。图5A和图5B的对比证明，本发明能有效抑制待检测样品表面纳米级或亚纳米级起伏的散射，大幅提升权限检测和纳米颗粒检测的信噪比，将光学可检测的样品表面缺陷和纳米颗粒推向更小的尺寸。

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，本领域的技术人员应当理解，对本发明的技术方案和使用的元器件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，仍被本发明所保护。

Claims (8)

1.一种基于光学暗场显微技术的检测系统，其特征在于，包括：

光源组件，用于提供照明光束；

照明光束调控组件，用于调控照明光束的偏振态，使照明光束具有垂直于待测样品表面的光频电场偏振分量，并引导照明光束以一定入射角度照射到样品的被测区域上；所述的入射角度是指照明光束照射到样品表面时，照明光束行进方向与样品表面法线的夹角；

探测光束调控组件，收集探测光束，所述的探测光束包括检测目标散射的信号光、待测样品表面纳米或亚纳米尺度起伏散射的杂散光、待测样品表面特定图案结构散射的背景光；调控探测光束的偏振态，将探测光束中主导杂散光的偏振分量滤除，并将经滤除后的探测光束引导到信号收集组件；

信号采集组件，用于采集所述经过探测光束调控组件调控后的探测光束，形成与所述被测区域对应的检测图像信息。

2.根据权利要求1所述基于光学暗场显微技术的检测系统，其特征在于，所述的照明光束调控组件，还具有光束扫描功能，将照明光束照射到样品不同位置，选择检测区域。

3.根据权利要求1所述的基于光学暗场显微技术的检测系统，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所述基于光学暗场显微技术的检测系统，其特征在于，还包括计算机系统，计算机系统用于存储和处理信号采集组件输出的检测图像信息。

5.根据权利要求4所述基于光学暗场显微技术的检测系统，其特征在于，所述计算机系统将样品表面含有相同特定图案结构的不同区域对应的检测图像相减，消除样品表面特定图案结构对检测信号的影响。

6.一种基于权利要求1所述基于光学暗场显微技术的检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

将照明光束调控为具有特定偏振态，并引导照明光束以一定入射角度照射到样品的被测区域上，所述特定偏振态是指照明光束照射到样品时，照明光束具有垂直于样品表面的偏振分量；所述的入射角度是指照明光束照射到样品表面时，照明光束行进方向与样品表面法线的夹角；

收集探测光束，所述探测光束包括样品表面纳米级或亚纳米级起伏散射的杂散光、检测目标散射的信号光以及样品特定图案结构散射的背景光；

调控探测光束的偏振态，滤除探测光束中特定方向的偏振分量，该偏振分量对应样品表面纳米级或亚纳米级起伏散射的杂散光的主导偏振分量；

采集经滤除处理的所述探测光束，生成与所述被测区域对应的检测图像信息。

7.根据权利要求6所述的基于光学暗场显微技术的检测方法，其特征在于，采用计算机系统存储和处理检测图像。

8.根据权利要求7所述的基于光学暗场显微技术的检测方法，其特征在于，所述的计算机系统将样品表面含有相同特定图案结构的不同区域对应的检测图像相减，消除样品表面特定图案结构对检测目标信号的影响。

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