光學(xué)元件的疵病檢測(cè)及現(xiàn)狀

陸 敏，王治樂，高萍萍，郭繼鍇

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

引 言

在各種各樣的光學(xué)儀器中，幾乎都要使用平面光學(xué)零件，而平面光學(xué)零件所用的光學(xué)材料主要是光學(xué)玻璃。在光學(xué)玻璃的加工過程中，通常需要通過粗磨、精磨和拋光三大基本工序，才能將毛坯加工成透明的光學(xué)表面[1]。其中，拋光是獲得光學(xué)表面最主要的工序，針對(duì)不同光學(xué)零件將會(huì)有不同的拋光方法。

化學(xué)機(jī)械平面化[2]（CMP）是一種獨(dú)特的超精密加工技術(shù)，它是利用化學(xué)力和機(jī)械力使光學(xué)玻璃等表面光滑平整而進(jìn)行的拋光，可以獲得良好的局部或全局平面性。CMP工藝由于具有全局平面化、缺陷少、臺(tái)階覆蓋好、適用于各種材料等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛。

本質(zhì)上，不同拋光工藝所產(chǎn)生的缺陷是及其近似的，主要的不同是拋光過程中所使用的拋光氧化物類型、表面缺陷的類型和表面缺陷嚴(yán)重程度的不同。在CMP過程中產(chǎn)生的疵病及其原因大致分為以下幾類[3-4]：

（1）由于研磨墊、研磨劑和光學(xué)元件片表面之間存在復(fù)雜的相互作用，導(dǎo)致光學(xué)元件表面產(chǎn)生不同類型的劃痕，比如微劃痕、長而深的劃痕以及顫振等。劃痕又稱擦痕，是光學(xué)零件表面上的任何一種狹長的痕跡或磨損，它對(duì)光非常敏感。這些是最常見的疵病。

（2）堿性溶液的侵蝕作用和水（潮氣）導(dǎo)致的腐蝕、麻點(diǎn)等。

（3）局部的高拋光率和研磨墊的靈活可變性導(dǎo)致的凹陷、侵蝕和溝槽的現(xiàn)象。

（4）局部過大的機(jī)械應(yīng)力和拋光作用產(chǎn)生的剪切力所導(dǎo)致的玻璃變形、涂污、斷裂等機(jī)械損傷。

（5）CMP后清洗過程很差時(shí)研磨墊材料和研磨墊碎片所產(chǎn)生磨料顆粒污染、拋光殘留物的嵌入污染和污漬現(xiàn)象。

CMP過程中所使用的磨料顆粒在納米范圍內(nèi)，所產(chǎn)生的疵病也在微納米級(jí)別，但這些表面疵病將會(huì)產(chǎn)生不同程度的成品率損失，影響產(chǎn)品的可靠性、視場(chǎng)清晰度、元件壽命等。由于現(xiàn)代光學(xué)元件或集成電路中需要拋光的材料越來越多，因此對(duì)拋光過程中所產(chǎn)生的表面疵病的來源、表面疵病的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)方法進(jìn)行更深入的研究是十分必要的。本文以平面光學(xué)元件為研究對(duì)象，介紹其在CMP工藝中疵病的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及檢測(cè)方法。

1 疵病檢測(cè)國家標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用

任何一種產(chǎn)品都存在檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，而標(biāo)準(zhǔn)是判斷該類產(chǎn)品是否合格的主要判據(jù)。目前，對(duì)光學(xué)元件外觀的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要包括國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 10110-7、國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1185—2006、德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN3140-7以及美國軍用規(guī)范MIL-PRF-13830B[5-7]，其中美國軍用規(guī)范的使用比較廣泛。長期以來，描述光學(xué)表面質(zhì)量的實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)方法一直是使用一對(duì)數(shù)字，即采用“數(shù)字1-數(shù)字2”來表示劃痕和凹坑規(guī)范。劃痕和凹坑規(guī)范是一個(gè)高度主觀的適用于表面的可見性標(biāo)準(zhǔn)。起初劃痕和凹坑的標(biāo)準(zhǔn)適用于軍事產(chǎn)品，后來延伸到民用產(chǎn)品。

統(tǒng)一的氣象服務(wù)平臺(tái)能夠?qū)⒏鳉庀笃脚_(tái)統(tǒng)一起來，避免較小的氣象平臺(tái)水平參差不齊的問題，使氣象服務(wù)更加準(zhǔn)確，同時(shí)也能將分散在各平臺(tái)的資金集中起來使用，提高氣象科技服務(wù)水平。

目前所用的劃痕和凹坑規(guī)范是于1954年首次作為軍事標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的，它是指在特定的暗場(chǎng)照明條件下，對(duì)測(cè)試表面缺陷進(jìn)行視覺比較并確定缺陷可見性或“等級(jí)”的比較標(biāo)準(zhǔn)。這種處理表面缺陷的方法最初是由McLeod和Sherwood在1945年提出的[8]。該標(biāo)準(zhǔn)由兩個(gè)用短線分隔的數(shù)字組成，比如60-40或20-10，其中：第一個(gè)數(shù)字有時(shí)被稱為劃痕的最大寬度（單位為 μm），但實(shí)際上是為了與一組標(biāo)有劃痕號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)劃痕進(jìn)行視覺比較；第二個(gè)數(shù)字是凹坑允許的最大直徑（單位為 mm/%）。因此，60-40規(guī)格表示劃痕的視覺外觀允許與60#標(biāo)準(zhǔn)劃痕相匹配，凹痕直徑允許高達(dá)0.4 mm。

劃痕和凹坑規(guī)范還對(duì)所有劃痕的總長度和劃痕的總數(shù)量進(jìn)行了限制。在光學(xué)元件表面上，劃痕的長度與允許的最大劃痕數(shù)的總和不得超過光學(xué)元件直徑的四分之一，較小的劃痕也有限制。設(shè)lj為第j個(gè)劃痕的長度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求這些參數(shù)應(yīng)該滿足

式中：n為光學(xué)元件實(shí)際劃痕數(shù)；D為光學(xué)元件的直徑，單位為mm；smax為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中允許的最大劃痕數(shù)。只有在實(shí)際的劃痕數(shù)達(dá)到允許的最大值時(shí)，式（1）標(biāo)準(zhǔn)才適用。如果實(shí)際的劃痕數(shù)低于允許的最大劃痕數(shù)，則對(duì)劃痕長度的限制放寬到

允許的最大尺寸凹坑數(shù)量為

式中 Int表示對(duì)數(shù)值取整。所有凹坑直徑之和為

式中：dj為第j個(gè)凹坑的直徑；dmax為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范允許的最大直徑（單位為 mm）。例如，對(duì)于60-40規(guī)范，則對(duì)應(yīng)的dmax為0.4 mm。MIL-PRF-13830B需要更多的細(xì)節(jié)和資格，而上面給出的規(guī)范對(duì)我們目前的應(yīng)用已經(jīng)足夠了。

長期以來，人們一直試圖使用表面疵病中的劃痕和凹坑規(guī)范來控制精密光學(xué)系統(tǒng)表面的缺陷，而這又是一個(gè)高度主觀的可見性標(biāo)準(zhǔn)。在現(xiàn)有的疵病中，劃痕的長度、寬度或者凹坑的直徑大小均未涉及疵病深層結(jié)構(gòu)，僅能對(duì)二維平面的疵病進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。由此可見，目前針對(duì)光學(xué)元件的疵病檢測(cè)還沒有統(tǒng)一的客觀標(biāo)準(zhǔn)。

2 光學(xué)元件疵病檢測(cè)方法

圖1 表面微損傷檢測(cè)方法Fig. 1 Surface micro-damage detection method

接觸式檢測(cè)法以掃描探針式表面輪廓儀和原子力顯微鏡[9]（atomic force microscope，AFM）為代表。經(jīng)輪廓儀探針對(duì)光學(xué)元件表面所有點(diǎn)掃描后，我們可得到光學(xué)元件表面的凸起與凹坑的位置、大小，劃痕長度、寬度、深度等信息，由此檢測(cè)出光學(xué)元件表面的微損傷。雖然AFM的檢測(cè)精度可以達(dá)到納米級(jí)，但是接觸式檢測(cè)法與元件表面的工作距離過短，容易造成二次損傷，并且點(diǎn)掃描的檢測(cè)方式效率低下，檢測(cè)成本過高，不適合大尺寸元件的檢測(cè)。

非接觸式檢測(cè)方法又可以分為電子顯微法、聲學(xué)法、熱學(xué)法和光學(xué)法[10]，其中光學(xué)法又分為干涉法、衍射法和散射法。電子顯微法是利用掃描電子顯微鏡[11]（scanning electron microscope，SEM）聚焦的電子束掃描出被測(cè)光學(xué)元件表面的各種物理信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行調(diào)制成像，從而得到被測(cè)光學(xué)元件表面的形貌、成分等。電子顯微法雖然能夠得到表面各種凹凸不平的細(xì)微結(jié)構(gòu)，但是該方法只能針對(duì)電導(dǎo)表面進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于非導(dǎo)體材料表面則需要鍍金屬膜，而鍍膜又會(huì)進(jìn)一步損壞元件表面。聲學(xué)法一般使用超聲檢測(cè)技術(shù)[12-14]，該方法是根據(jù)超聲波經(jīng)被測(cè)元件后特性的變化來判斷被測(cè)元件的缺陷和異常。在光學(xué)元件表面存在疵病時(shí)，超聲波在元件表面會(huì)產(chǎn)生不同的反射、折射和透射現(xiàn)象，通過對(duì)反饋信號(hào)的處理可以從中提取出被測(cè)表面的疵病特征。聲學(xué)法需采用電傳感器激勵(lì)和接收超聲信號(hào)，所以對(duì)被檢測(cè)材料會(huì)產(chǎn)生影響，也容易受到外部的干擾，因此對(duì)于敏感的高精度基片已不再適用，且對(duì)表面形狀的復(fù)雜性也有一定限制。熱學(xué)法[15]是通過激光在光學(xué)元件表面產(chǎn)生的光熱效應(yīng)對(duì)光學(xué)元件表面的疵病進(jìn)行熱成像來實(shí)現(xiàn)缺陷檢測(cè)，理論上具有對(duì)固體材料不同深度進(jìn)行非破壞性檢測(cè)的獨(dú)特本領(lǐng)，然而深度信息還是不能在疵病檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中體現(xiàn)，并且這種方法對(duì)元件材料有限制，還需要嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件。

光學(xué)法[16]是非接觸式檢測(cè)法中最大的一類，其中的干涉法[17]是利用因微損傷產(chǎn)生的光程差實(shí)現(xiàn)對(duì)微損傷的檢測(cè)，如干涉顯微鏡[18]、激光干涉輪廓儀[19]、白光干涉儀[20]等。干涉法的優(yōu)點(diǎn)在于可以檢測(cè)出微損傷的深度信息，但干涉條紋會(huì)在微損傷處發(fā)生斷裂，解調(diào)方法復(fù)雜，橫向分辨率有限，待檢元件口徑不宜過大。衍射法[21]是指光束正入射到表面微損傷處，在透射平面形成衍射圖樣，該法以衍射圖樣法為代表。衍射圖樣法光源一般采用激光或相干性較好的平行光，該法可以同時(shí)檢出微損傷的種類和尺寸，但這種方法建立的微損傷形狀、尺寸與衍射圖樣的關(guān)系不夠精確，只適用于形狀規(guī)則的微損傷（如圓形麻點(diǎn)、直線形劃痕），不具通用性。

損傷屬于元件表面折射率突變，當(dāng)光入射到微損傷處，微損傷會(huì)對(duì)入射光的相位產(chǎn)生隨機(jī)調(diào)制，從而產(chǎn)生散射，因此大多數(shù)損傷檢測(cè)方法都是基于散射機(jī)理。散射檢測(cè)法按照是否利用散射光對(duì)微損傷成像可以分為成像法和非成像法兩類。散射法中的目視法[22]是一種最原始的非成像檢測(cè)法，目前該方法仍然在國內(nèi)光學(xué)元件疵病檢測(cè)上廣泛使用，如圖2所示。目視法是指在暗場(chǎng)或照明環(huán)境下來回轉(zhuǎn)動(dòng)被測(cè)元件，借助強(qiáng)光在表面的散射來檢測(cè)樣品，根據(jù)檢測(cè)人員經(jīng)驗(yàn)判斷表面疵病的種類、大小。由上述可知，由于目視法檢測(cè)結(jié)果因人而異，不同檢測(cè)人員經(jīng)驗(yàn)不同，檢測(cè)時(shí)間不同，或者眼睛疲勞程度不同，都會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果存在明顯的誤差，因此該方法帶有明顯的主觀性，檢測(cè)效率極低，檢測(cè)精度極其不穩(wěn)定，這些問題限制了該檢測(cè)方法的發(fā)展。

散射暗場(chǎng)成像法[23]如圖3所示，其中圖像采集模塊采用暗場(chǎng)照明配置，由光源、變焦顯微鏡、CCD組成。光源由圓形間隔的白色LED組成，為測(cè)試樣品提供多方向照明。變焦顯微鏡只采集由缺陷產(chǎn)生的光散射，因此CCD采集的圖像對(duì)比度高，分辨率高，非常適合后續(xù)的圖像處理。為了解決光學(xué)顯微鏡視場(chǎng)與被測(cè)元件尺寸之間存在的矛盾，采用了子孔徑掃描模塊，包括調(diào)平級(jí)、XY平移級(jí)和支撐臺(tái)。通過這種方法，可以對(duì)元件表面缺陷實(shí)現(xiàn)亞微米分辨率的檢測(cè)，但是還不能直接區(qū)分出缺陷的類型。

圖2 目視法檢測(cè)光學(xué)元件疵病原理Fig. 2 Principle of optical element defect detection by visual method

圖3 暗場(chǎng)散射顯微法原理圖Fig. 3 Schematic diagram of dark field scattering microscopy

激光共焦顯微檢測(cè)法[24]原理如圖4所示，激光共聚焦顯微鏡的光源為激光光束，光束通過擴(kuò)束鏡后變成平行寬光束，再經(jīng)過分束器和聚焦物鏡照射到被測(cè)元件上。被測(cè)元件位于聚焦物鏡的焦平面，掃描器對(duì)焦平面上的每一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行掃描，聚焦后的光束被光電倍增管探測(cè)收集，并將信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。該方法成像清晰，系統(tǒng)的分辨率高，能夠精確地得到被測(cè)元件的三維形貌信息，是一種高分辨率檢測(cè)技術(shù)。

自適應(yīng)濾波成像法[25]基本原理，如圖5所示。在光學(xué)元件表面疵病檢測(cè)時(shí)，成像光束中的低頻部分被濾除，只有光束的高頻部分能到達(dá)成像面，亦是只讓元件疵病信息傳輸至成像面，最后所成的像為暗背景下的亮缺陷像，該方法還需要通過各種復(fù)雜算法。

全內(nèi)反射顯微法[26]是一種無損的亞表面缺陷檢測(cè)技術(shù)，在光學(xué)元件缺陷檢測(cè)技術(shù)中該方法根據(jù)光的全內(nèi)反射原理對(duì)光學(xué)元件內(nèi)部缺陷進(jìn)行暗場(chǎng)成像。全內(nèi)反射顯微法原理如圖6所示，當(dāng)激光束以大于全反射臨界角θ入射到待測(cè)大口徑光學(xué)元件內(nèi)部時(shí)：如果被測(cè)元件沒有劃痕、氣泡、凹坑等缺陷，激光光束將在被測(cè)元件表面產(chǎn)生多次全內(nèi)反射，成像面呈暗像并接近黑色；如果被測(cè)元件存在缺陷，在表面缺陷處激光的全內(nèi)反射條件將會(huì)被破壞，產(chǎn)生光散射，成像面是一幅暗背景下出現(xiàn)亮點(diǎn)的圖像。

圖4 激光共聚焦顯微檢測(cè)Fig. 4 Confocal laser microscopy

圖5 自適應(yīng)濾波成像法原理Fig. 5 Principle of adaptive filter imaging method

圖6 全內(nèi)反射顯微法Fig. 6 Total internal reflection microscopy

但是，現(xiàn)有的全內(nèi)反射顯微檢測(cè)技術(shù)只能定性或半定量地表征表面缺陷，想要定量地描述各種表面缺陷還需要進(jìn)一步探索。

光切斷法[27]原理如圖7所示。首先，采用線光源對(duì)被測(cè)元件進(jìn)行斜照射，對(duì)其表面的凹凸進(jìn)行放大；然后，用三角測(cè)距法來測(cè)量表面凹凸的高度差；最后，通過CCD相機(jī)以及DSP獲得數(shù)字圖像，再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理即可得到被測(cè)表面的凹凸信息。該方法操作簡單，不會(huì)產(chǎn)生破壞性，可以準(zhǔn)確地反映被測(cè)表面的凹凸性，但是由于該方法視野窄小，僅僅能夠測(cè)量局部凹凸性，不適于大范圍測(cè)定。

圖7 光切斷法Fig. 7 Optical cutting

光學(xué)元件表面疵病的非成像散射測(cè)量方法有兩種，一是以矢量散射理論為基礎(chǔ)的角分辨散射測(cè)量法[28]，二是以標(biāo)量散射理論為基礎(chǔ)的總積分散射測(cè)量法[29]。角分辨散射（angle resolved scattering，ARS）測(cè)量法是利用散射光的光強(qiáng)及其分布來測(cè)量表面粗糙度參數(shù)。該方法所采用的儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高?？偡e分散射（total integrated scattering，TIS）測(cè)量法是指入射光照射到光學(xué)元件表面后，采用積分球收集光學(xué)元件表面散射的漫反射光以及鏡向反射光的總體反射光。該方法雖然成本較低，但無法獲得光學(xué)表面形貌的全部特征及散射光的空間分布。并且在測(cè)量透明材料表面時(shí)，需要鍍金屬膜、采用匹配液等方法來降低后向散射和體散射的影響。另外，該方法對(duì)測(cè)試環(huán)境要求較高，需要在較暗、潔凈度較高的環(huán)境下進(jìn)行，如若存在表面臟污，則會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差。

在現(xiàn)有的疵病檢測(cè)手段中，接觸法一般能夠得到光學(xué)元件表面的三維形貌信息，但是這在檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中無法呈現(xiàn)量化信息，而非接觸法基本上得到的是二維表面缺陷的長度、面積等信息，可利用現(xiàn)有的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確描述疵病情況，但特征信息量較少。檢測(cè)人員為了觀察到極為微小的表面微損傷[30-31]，往往會(huì)增加顯微鏡放大倍率或提高照明光源的亮度或使用暗場(chǎng)照明條件，但大多只是原理性方案，目前還沒有一種表面質(zhì)量的檢測(cè)技術(shù)可以做到對(duì)所有類型損傷實(shí)現(xiàn)滿足行業(yè)所需精度的檢測(cè)，另外由于檢測(cè)視場(chǎng)受限，難以定量等技術(shù)障礙而無法建立高效、自動(dòng)化的檢測(cè)分析設(shè)備。

3 發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)分析

通過對(duì)光學(xué)元件表面疵病檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法歸納，可以看出光學(xué)元件表面疵病標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)方法的發(fā)展趨勢(shì)如下：

（1）疵病檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)高度主觀的可見性標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)不同的表面疵病，不同的國家有不同的標(biāo)準(zhǔn)，目前常用的美國軍用規(guī)范僅能展示疵病信息的長度、寬度、面積等，在深度方面無法給出標(biāo)準(zhǔn)?？梢姡诠鈱W(xué)元件疵病檢測(cè)方面急需統(tǒng)一規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，以對(duì)疵病進(jìn)行客觀描述。

（2）損傷屬于元件表面折射率突變，當(dāng)光入射到微損傷處，微損傷會(huì)對(duì)入射光的相位產(chǎn)生隨機(jī)調(diào)制，從而產(chǎn)生散射。因此，大多數(shù)損傷檢測(cè)方法都是基于散射機(jī)理對(duì)微損傷檢測(cè)。

（3）散射法中的成像法比其他散射法更直接、簡明易懂，但無論是直接散射還是暗場(chǎng)散射，都需要針對(duì)不同的疵病進(jìn)行不同的算法研究，需建立數(shù)據(jù)庫，過程復(fù)雜。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)表面疵病自動(dòng)化檢測(cè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)光學(xué)元件表面疵病產(chǎn)生的原因、種類以及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了介紹。重點(diǎn)分析了光學(xué)元件表面疵病的檢測(cè)方法，指出了目前有關(guān)光學(xué)元件表面疵病檢測(cè)所存在的問題。分析表明，目前還沒有一種標(biāo)準(zhǔn)可以做到對(duì)所有類型疵病實(shí)現(xiàn)滿足行業(yè)所需精度的檢測(cè)，并且由于受檢測(cè)儀器視場(chǎng)的限制以及光學(xué)元件缺陷難以定量等技術(shù)難題而無法建立高效、自動(dòng)化的檢測(cè)分析設(shè)備。