光學元件的疵病檢測及現狀

陸 敏，王治樂，高萍萍，郭繼鍇

（哈爾濱工業大學 航天學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

引 言

在各種各樣的光學儀器中，幾乎都要使用平面光學零件，而平面光學零件所用的光學材料主要是光學玻璃。在光學玻璃的加工過程中，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表面[1]。其中，拋光是獲得光學表面最主要的工序，針對不同光學零件將會有不同的拋光方法。

化學機械平面化[2]（CMP）是一種獨特的超精密加工技術，它是利用化學力和機械力使光學玻璃等表面光滑平整而進行的拋光，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、臺階覆蓋好、適用于各種材料等優點而應用廣泛。

本質上，不同拋光工藝所產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重程度的不同。在CMP過程中產生的疵病及其原因大致分為以下幾類[3-4]：

（1）由于研磨墊、研磨劑和光學元件片表面之間存在復雜的相互作用，導致光學元件表面產生不同類型的劃痕，比如微劃痕、長而深的劃痕以及顫振等。劃痕又稱擦痕，是光學零件表面上的任何一種狹長的痕跡或磨損，它對光非常敏感。這些是最常見的疵病。

（2）堿性溶液的侵蝕作用和水（潮氣）導致的腐蝕、麻點等。

（3）局部的高拋光率和研磨墊的靈活可變性導致的凹陷、侵蝕和溝槽的現象。

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

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

CMP過程中所使用的磨料顆粒在納米范圍內，所產生的疵病也在微納米級別，但這些表面疵病將會產生不同程度的成品率損失，影響產品的可靠性、視場清晰度、元件壽命等。由于現代光學元件或集成電路中需要拋光的材料越來越多，因此對拋光過程中所產生的表面疵病的來源、表面疵病的檢測標準及檢測方法進行更深入的研究是十分必要的。本文以平面光學元件為研究對象，介紹其在CMP工藝中疵病的檢測標準及檢測方法。

1 疵病檢測國家標準及應用

任何一種產品都存在檢驗標準，而標準是判斷該類產品是否合格的主要判據。目前，對光學元件外觀的檢驗標準主要包括國際標準ISO 10110-7、國家標準GB/T 1185—2006、德國工業標準DIN3140-7以及美國軍用規范MIL-PRF-13830B[5-7]，其中美國軍用規范的使用比較廣泛。長期以來，描述光學表面質量的實際標準方法一直是使用一對數字，即采用“數字1-數字2”來表示劃痕和凹坑規范。劃痕和凹坑規范是一個高度主觀的適用于表面的可見性標準。起初劃痕和凹坑的標準適用于軍事產品，后來延伸到民用產品。

統一的氣象服務平臺能夠將各氣象平臺統一起來，避免較小的氣象平臺水平參差不齊的問題，使氣象服務更加準確，同時也能將分散在各平臺的資金集中起來使用，提高氣象科技服務水平。

目前所用的劃痕和凹坑規范是于1954年首次作為軍事標準發布的，它是指在特定的暗場照明條件下，對測試表面缺陷進行視覺比較并確定缺陷可見性或“等級”的比較標準。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]。該標準由兩個用短線分隔的數字組成，比如60-40或20-10，其中：第一個數字有時被稱為劃痕的最大寬度（單位為 μm），但實際上是為了與一組標有劃痕號的標準劃痕進行視覺比較；第二個數字是凹坑允許的最大直徑（單位為 mm/%）。因此，60-40規格表示劃痕的視覺外觀允許與60#標準劃痕相匹配，凹痕直徑允許高達0.4 mm。

劃痕和凹坑規范還對所有劃痕的總長度和劃痕的總數量進行了限制。在光學元件表面上，劃痕的長度與允許的最大劃痕數的總和不得超過光學元件直徑的四分之一，較小的劃痕也有限制。設lj為第j個劃痕的長度，根據標準要求這些參數應該滿足

式中：n為光學元件實際劃痕數；D為光學元件的直徑，單位為mm；smax為標準規范中允許的最大劃痕數。只有在實際的劃痕數達到允許的最大值時，式（1）標準才適用。如果實際的劃痕數低于允許的最大劃痕數，則對劃痕長度的限制放寬到

允許的最大尺寸凹坑數量為

式中 Int表示對數值取整。所有凹坑直徑之和為

式中：dj為第j個凹坑的直徑；dmax為標準規范允許的最大直徑（單位為 mm）。例如，對于60-40規范，則對應的dmax為0.4 mm。MIL-PRF-13830B需要更多的細節和資格，而上面給出的規范對我們目前的應用已經足夠了。

長期以來，人們一直試圖使用表面疵病中的劃痕和凹坑規范來控制精密光學系統表面的缺陷，而這又是一個高度主觀的可見性標準。在現有的疵病中，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構，僅能對二維平面的疵病進行標準化。由此可見，目前針對光學元件的疵病檢測還沒有統一的客觀標準。

2 光學元件疵病檢測方法

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

接觸式檢測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。經輪廓儀探針對光學元件表面所有點掃描后，我們可得到光學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，由此檢測出光學元件表面的微損傷。雖然AFM的檢測精度可以達到納米級，但是接觸式檢測法與元件表面的工作距離過短，容易造成二次損傷，并且點掃描的檢測方式效率低下，檢測成本過高，不適合大尺寸元件的檢測。

非接觸式檢測方法又可以分為電子顯微法、聲學法、熱學法和光學法[10]，其中光學法又分為干涉法、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光學元件表面的各種物理信號，并對這些信號進行調制成像，從而得到被測光學元件表面的形貌、成分等。電子顯微法雖然能夠得到表面各種凹凸不平的細微結構，但是該方法只能針對電導表面進行檢測，對于非導體材料表面則需要鍍金屬膜，而鍍膜又會進一步損壞元件表面。聲學法一般使用超聲檢測技術[12-14]，該方法是根據超聲波經被測元件后特性的變化來判斷被測元件的缺陷和異常。在光學元件表面存在疵病時，超聲波在元件表面會產生不同的反射、折射和透射現象，通過對反饋信號的處理可以從中提取出被測表面的疵病特征。聲學法需采用電傳感器激勵和接收超聲信號，所以對被檢測材料會產生影響，也容易受到外部的干擾，因此對于敏感的高精度基片已不再適用，且對表面形狀的復雜性也有一定限制。熱學法[15]是通過激光在光學元件表面產生的光熱效應對光學元件表面的疵病進行熱成像來實現缺陷檢測，理論上具有對固體材料不同深度進行非破壞性檢測的獨特本領，然而深度信息還是不能在疵病檢測標準中體現，并且這種方法對元件材料有限制，還需要嚴格的實驗條件。

光學法[16]是非接觸式檢測法中最大的一類，其中的干涉法[17]是利用因微損傷產生的光程差實現對微損傷的檢測，如干涉顯微鏡[18]、激光干涉輪廓儀[19]、白光干涉儀[20]等。干涉法的優點在于可以檢測出微損傷的深度信息，但干涉條紋會在微損傷處發生斷裂，解調方法復雜，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系不夠精確，只適用于形狀規則的微損傷（如圓形麻點、直線形劃痕），不具通用性。

損傷屬于元件表面折射率突變，當光入射到微損傷處，微損傷會對入射光的相位產生隨機調制，從而產生散射，因此大多數損傷檢測方法都是基于散射機理。散射檢測法按照是否利用散射光對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法，目前該方法仍然在國內光學元件疵病檢測上廣泛使用，如圖2所示。目視法是指在暗場或照明環境下來回轉動被測元件，借助強光在表面的散射來檢測樣品，根據檢測人員經驗判斷表面疵病的種類、大小。由上述可知，由于目視法檢測結果因人而異，不同檢測人員經驗不同，檢測時間不同，或者眼睛疲勞程度不同，都會導致檢測結果存在明顯的誤差，因此該方法帶有明顯的主觀性，檢測效率極低，檢測精度極其不穩定，這些問題限制了該檢測方法的發展。

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

圖2 目視法檢測光學元件疵病原理Fig. 2 Principle of optical element defect detection by visual method

圖3 暗場散射顯微法原理圖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，光束通過擴束鏡后變成平行寬光束，再經過分束器和聚焦物鏡照射到被測元件上。被測元件位于聚焦物鏡的焦平面，掃描器對焦平面上的每一個點進行掃描，聚焦后的光束被光電倍增管探測收集，并將信號傳輸至計算機進行處理。該方法成像清晰，系統的分辨率高，能夠精確地得到被測元件的三維形貌信息，是一種高分辨率檢測技術。

自適應濾波成像法[25]基本原理，如圖5所示。在光學元件表面疵病檢測時，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雜算法。

全內反射顯微法[26]是一種無損的亞表面缺陷檢測技術，在光學元件缺陷檢測技術中該方法根據光的全內反射原理對光學元件內部缺陷進行暗場成像。全內反射顯微法原理如圖6所示，當激光束以大于全反射臨界角θ入射到待測大口徑光學元件內部時：如果被測元件沒有劃痕、氣泡、凹坑等缺陷，激光光束將在被測元件表面產生多次全內反射，成像面呈暗像并接近黑色；如果被測元件存在缺陷，在表面缺陷處激光的全內反射條件將會被破壞，產生光散射，成像面是一幅暗背景下出現亮點的圖像。

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

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

圖6 全內反射顯微法Fig. 6 Total internal reflection microscopy

但是，現有的全內反射顯微檢測技術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一步探索。

光切斷法[27]原理如圖7所示。首先，采用線光源對被測元件進行斜照射，對其表面的凹凸進行放大；然后，用三角測距法來測量表面凹凸的高度差；最后，通過CCD相機以及DSP獲得數字圖像，再經計算機處理即可得到被測表面的凹凸信息。該方法操作簡單，不會產生破壞性，可以準確地反映被測表面的凹凸性，但是由于該方法視野窄小，僅僅能夠測量局部凹凸性，不適于大范圍測定。

圖7 光切斷法Fig. 7 Optical cutting

光學元件表面疵病的非成像散射測量方法有兩種，一是以矢量散射理論為基礎的角分辨散射測量法[28]，二是以標量散射理論為基礎的總積分散射測量法[29]。角分辨散射（angle resolved scattering，ARS）測量法是利用散射光的光強及其分布來測量表面粗糙度參數。該方法所采用的儀器結構復雜，成本較高?？偡e分散射（total integrated scattering，TIS）測量法是指入射光照射到光學元件表面后，采用積分球收集光學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，但無法獲得光學表面形貌的全部特征及散射光的空間分布。并且在測量透明材料表面時，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，該方法對測試環境要求較高，需要在較暗、潔凈度較高的環境下進行，如若存在表面臟污，則會導致測量結果產生較大誤差。

在現有的疵病檢測手段中，接觸法一般能夠得到光學元件表面的三維形貌信息，但是這在檢測標準中無法呈現量化信息，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，可利用現有的檢測標準準確描述疵病情況，但特征信息量較少。檢測人員為了觀察到極為微小的表面微損傷[30-31]，往往會增加顯微鏡放大倍率或提高照明光源的亮度或使用暗場照明條件，但大多只是原理性方案，目前還沒有一種表面質量的檢測技術可以做到對所有類型損傷實現滿足行業所需精度的檢測，另外由于檢測視場受限，難以定量等技術障礙而無法建立高效、自動化的檢測分析設備。

3 發展趨勢及關鍵技術分析

通過對光學元件表面疵病檢測標準和檢測方法歸納，可以看出光學元件表面疵病標準和檢測方法的發展趨勢如下：

（1）疵病檢測的標準是一個高度主觀的可見性標準。針對不同的表面疵病，不同的國家有不同的標準，目前常用的美國軍用規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準?？梢?，在光學元件疵病檢測方面急需統一規劃標準，以對疵病進行客觀描述。

（2）損傷屬于元件表面折射率突變，當光入射到微損傷處，微損傷會對入射光的相位產生隨機調制，從而產生散射。因此，大多數損傷檢測方法都是基于散射機理對微損傷檢測。

（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散射，都需要針對不同的疵病進行不同的算法研究，需建立數據庫，過程復雜。

4 結 論

本文針對表面疵病自動化檢測亟待解決的關鍵技術，對光學元件表面疵病產生的原因、種類以及檢測標準進行了介紹。重點分析了光學元件表面疵病的檢測方法，指出了目前有關光學元件表面疵病檢測所存在的問題。分析表明，目前還沒有一種標準可以做到對所有類型疵病實現滿足行業所需精度的檢測，并且由于受檢測儀器視場的限制以及光學元件缺陷難以定量等技術難題而無法建立高效、自動化的檢測分析設備。