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精密表面缺陷檢測散射成像理論建模及系統(tǒng)分析研究
王世通；
知網(wǎng)
原文摘要
精密超光滑表面元件的缺陷數(shù)字化檢測是光學加工及檢測領域迫切需要解決的關鍵技術(shù)問題�？臻g光學、慣性約束核聚變、高功率激光、微光學、極紫外光刻、超大規(guī)模集成電路等光學前沿和電子工業(yè)領域大量應用大口徑超光滑表面元件,因此都需要對元件的表面質(zhì)量進行嚴格的控制——要求檢測出幾百毫米口徑表面上隨機孤立分布、形狀尺寸各異的缺陷,檢測分辨率達亞微米量級。目前國內(nèi)外采用目視法、濾波成像法、角譜分析法等對表面缺陷進行檢測,但大多只是原理性方案,由于視場受限、難以定量等技術(shù)障礙而無法建立高效、自動化的檢測分析設備。而作為一種有效的表面缺陷檢測手段,基于光在表面缺陷產(chǎn)生散射效應的檢測技術(shù)可以實現(xiàn)亞微米量級的檢測精度,并具有很好的儀器化實現(xiàn)前景。然而,現(xiàn)有表面散射研究多側(cè)重于缺陷對電磁場的調(diào)制和損傷機制,而缺陷散射檢測的理論體系尚不完備,仍有很多基礎性問題和關鍵技術(shù)需要進行更深入的研究。本論文主要研究的是精密表面缺陷檢測散射成像技術(shù)和系統(tǒng)、基于有限時域差分算法的表面缺陷散射成像理論研究、基于顯微散射暗場成像的精密表面缺陷檢測系統(tǒng)原理與方案、系統(tǒng)視覺模塊誤差分析與系統(tǒng)標定與畸變校正技術(shù)、基于多維參數(shù)的缺陷逆向識別算法研究等。該研究對于實現(xiàn)精密表面缺陷散射成像檢測技術(shù)具有重要的意義。主要研究內(nèi)容包括：論述了精密表面缺陷檢測技術(shù)在現(xiàn)代光學檢測及光學加工領域的重要應用意義。比對了精密表面缺陷國際標準、美國標準和中國標準,指出了現(xiàn)行標準的局限性；綜合國內(nèi)外精密表面缺陷檢測、特別是基于散射機制的精密表面缺陷檢測技術(shù)研究進展情況,提出了研究客觀、快速、自動化檢測精密表面缺陷檢測系統(tǒng)及標準的必要性。介紹了基于顯微散射暗場成像的精密表面缺陷檢測原理及初步方案。并結(jié)合實際待檢缺陷應用要求,重點分析系統(tǒng)基于顯微暗場成像原理的機器視覺模塊實現(xiàn)中的關鍵參數(shù),詳細論述了高低雙倍率優(yōu)化掃描檢測方案、子圖像快速拼接技術(shù)和缺陷數(shù)字化高精度快速定標技術(shù),并對上述方案和技術(shù)的要求及現(xiàn)實依據(jù)進行了說明與討論�；谟邢迺r域差分算法的矢量衍射理論,建立了表面缺陷散射電磁及成像模型,利用表面散射理論機理研究分析了慣性約束核聚變系統(tǒng)中缺陷的影響。仿真研究了寬光譜白光斜入射條件,研究了遠場散射成像計算方法,分析了光源入射及像面探測器接收角度、缺陷截面形狀、缺陷寬度深度對散射成像造成的影響,進而為系統(tǒng)散射成像過程的分析、缺分析了系統(tǒng)機器視覺模塊中存在的畸變對缺陷特征提取造成的檢測誤差,建立了顯微散射暗場成像系統(tǒng)標定數(shù)學模型,提出了一種適用于高分辨率精密測量系統(tǒng)的標定及畸變校正方法,設計了可使用電子束曝光、離子束刻蝕工藝制作的畸變校正標準圖案板,并介紹了利用標準圖案板求解內(nèi)部參數(shù)的系統(tǒng)標定方法,給出了詳細標定流程及畸變校正評價方法,形成了完善的理論體系和技術(shù)方法。提出了通過將系統(tǒng)實際成像情況與散射成像仿真進行匹配而實現(xiàn)對缺陷進行檢測的原理；該原理能夠解決散射暗場成像中由衍射造成的寬度識別誤差,并能夠通過單幀暗場圖像實現(xiàn)對缺陷三維信息的精確快速檢測。同時利用表面散射電磁模型建立了微觀缺陷電磁仿真數(shù)據(jù)庫,并研究了顯微散射成像過程,重點分析了實際散射成像過程中的點擴散函數(shù)和相關度判別原理。仿真分析了對缺陷寬度和深度的逆向識別過程,為缺陷識別奠定了理論基礎。該技術(shù)對基于顯微散射暗場成像的精密表面缺陷檢測技術(shù)進行了延伸與完善。建立了基于顯微散射暗場成像的精密表面缺陷檢測系統(tǒng),使用系統(tǒng)標定及畸變校正方法對系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)進行了標定實驗,并分析了標定精度和畸變誤差,標定精度可以控制在1個像素以內(nèi),視場邊緣相對畸變量從標定前的4%減小到標定后的不到0.1%；同時對缺陷標準板上的缺陷樣本分別進行了寬度和深度逆向識別實驗,將識別結(jié)果與SEM和臺階儀進行比較；識別實驗得出了衍射增寬缺陷的正確寬度,并給出了缺陷的參考深度值,檢測精度優(yōu)于100nm,達到了預期的實驗結(jié)果,進而對所提出的檢測技術(shù)、系統(tǒng)進行了原理性實驗論證�？偨Y(jié)了本文所開展的相關工作,并對下一步研究方向進行了展望并提出了相關的建議。分析了系統(tǒng)機器視覺模塊中存在的畸變對缺陷特征提取造成的檢測誤差,建立了顯微散射暗場成像系統(tǒng)標定數(shù)學模型,提出了一種適用于高分辨率精密測量系統(tǒng)的標定及畸變校正方法,設計了可使用電子束曝光、離子束刻蝕工藝制作的畸變校正標準圖案板,并介紹了利用標準圖案板求解內(nèi)部參數(shù)的系統(tǒng)標定方法,給出了詳細標定流程及畸變校正評價方法,形成了完善的理論體系和技術(shù)方法。提出了通過將系統(tǒng)實際成像情況與散射成像仿真進行匹配而實現(xiàn)對缺陷進行檢測的原理；該原理能夠解決散射暗場成像中由衍射造成的寬度識別誤差,并能夠通過單幀暗場圖像實現(xiàn)對缺陷三維信息的精確快速檢測。同時利用表面散射電磁模型建立了微觀缺陷電磁仿真數(shù)據(jù)庫,并研究了顯微散射成像過程,重點分析了實際散射成像過程中的點擴散函數(shù)和相關度判別原理。仿真分析了對缺陷寬度和深度的逆向識別過程,為缺陷識別奠定了理論基礎。該技術(shù)對基于顯微散射暗場成像的精密表面缺陷檢測技術(shù)進行了延伸與完善。建立了基于顯微散射暗場成像的精密表面缺陷檢測系統(tǒng),使用系統(tǒng)標定及畸變校正方法對系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)進行了標定實驗,并分析了標定精度和畸變誤差,標定精度可以控制在1個像素以內(nèi),視場邊緣相對畸變量從標定前的4%減小到標定后的不到0.1%；同時對缺陷標準板上的缺陷樣本分別進行了寬度和深度逆向識別實驗,將識別結(jié)果與SEM和臺階儀進行比較；識別實驗得出了衍射增寬缺陷的正確寬度,并給出了缺陷的參考深度值,檢測精度優(yōu)于100nm,達到了預期的實驗結(jié)果,進而對所提出的檢測技術(shù)、系統(tǒng)進行了原理性實驗論證�？偨Y(jié)了本文所開展的相關工作,并對下一步研究方向進行了展望并提出了相關的建議。陷多維參數(shù)的識別提供直接的參考依據(jù)。
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213330
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