一种明暗场融合谐波显微成像装置及方法

1.本发明属于光学显微测量领域，主要涉及一种用于二维半导体晶体缺陷检测的明暗场融合谐波显微成像装置及方法。


背景技术：

2.采用二维半导体材料制造复杂芯片，其主要瓶颈是晶圆级、高均匀性、晶粒取向一致的单层二维半导体制备，这是提高晶体管良率的关键。单层二维半导体晶圆中由于晶体取向不一致、晶粒尺寸小等导致大量非均匀分布晶体缺陷的存在，造成晶圆光电特性和均匀性降低。沟道区的晶界会引起载流子散射，从而降低载流子迁移率、器件开关比等性能。因此，对于单层二维半导体晶体缺陷进行快速、高灵敏、高对比度检测，对于推动其成为下一代芯片材料至关重要。
3.目前，多种不同的技术被用来表征这些二维半导体中的晶体缺陷，以评估样品晶体质量。透射电子显微镜直接分辨缺陷的原子细节，但需要复杂的破坏性样品制备流程。光致发光和拉曼光谱实现了对晶体缺陷区域的电子和振动特性的快速和非破坏性探测。与原始晶体的信号响应相比，晶体缺陷区域通常表现为具有增强或抑制的红移或蓝移，这取决于材料成分、掺杂水平、缺陷钝化、晶体缺陷几何形状等多种因素。这些因素使得以上检测方法作为可重复的缺陷表征手段变得更加复杂化。因此，亟需一种更可靠、简便的检测方法来有效地成像晶体缺陷和边缘，而不受成分、掺杂和缺陷的影响。暗场显微镜通过抑制从均匀区域散射的光来提高图像对比度。该技术不依赖于详细的局部原子和电子结构，即尖锐的不连续性结构对比度更高。相同频率的入射光和收集光下，在二维半导体的暗场光学图像中可以清楚地看到边缘，而在传统明场光学图像中则无法观测。然而，当前传统光学成像技术无法解析二维半导体中的晶体缺陷，因为二维半导体的面内线性介电响应是各向同性的，因此由晶体缺陷隔开的两个晶粒产生的辐射偶极子始终保持相同的相位，即使在暗场成像中其散射光强度十分接近，晶体缺陷也无法检测与区分。
4.因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够对二维半导体晶体缺陷进行高对比度、高灵敏度检测。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供一种明暗场融合谐波显微成像装置，包括：
6.激光光源系统，用于生成谐波信号激发光，所述谐波信号激发光用于激发放置于三维位移台上的样品；
7.谐波信号激发系统，设置于所述激光光源系统的出射光路上，用于对激发光束在样品表面进行扫描并激发谐波信号；
8.明场信号探测系统，用于在明场模式下采集和探测经所述谐波信号激发系统所激发出的谐波信号；
9.暗场信号探测系统，用于谐波信号的空间分离，在暗场散射模式下采集和探测经
所述谐波信号激发系统所激发出的谐波信号；
10.控制与数据处理系统，用于对明暗场融合谐波显微成像装置进行时序控制，明暗场探测模式控制，并根据所采用的探测模式对谐波信号进行处理，以获得所述样品的明暗场融合谐波显微图像。
11.本技术方案中，通过在明场谐波探测模式中增加暗场谐波显微成像系统，实现多种模式谐波显微成像探测，利用暗场空间滤波器滤除明场照明谐波信号以收集大波矢量暗场辐射谐波信号，进行暗场谐波显微探测，提升谐波显微成像对比度，和二维半导体晶体缺陷检测灵敏度。
12.进一步地，所述激光光源系统包括飞秒激光光源、第一透镜、第二透镜、二向色镜，第一透镜设置于飞秒激光光源的出射光路上，第二透镜则设置于第一透镜的出射光路上，且两者距离为其焦距之和，通过设计第一透镜、第二透镜的焦距之比，实现激光光源系统的输出光束的尺寸控制，二向色镜则设置于第二透镜的出射光路上，所述二向色镜的分离波长处于所述飞秒激光光源出射波长与谐波信号波长之间。
13.本技术方案中，通过对激光输出光束进行准直扩束，使得光斑尺寸与光束扫描单元，物镜入瞳以及暗场空间滤波器尺寸相互匹配。
14.进一步地，所述谐波信号激发系统包括光束扫描元件、扫描透镜、管镜、偏振转换模块、聚焦物镜，所述扫描透镜位于光束扫描元件的出射光路上，且入瞳位置处于所述光束扫描元件的扫描平面上，所述管镜位于扫描透镜的出射光路上，所述偏振转换模块位于管镜的出射光路上，所述聚焦物镜位于偏振转换模块的出射光路上。
15.本技术方案中，可通过光束二维扫描的方式实现了对样品的大视场检测。
16.进一步地，所述明场信号探测系统包括收集物镜、第一谐波信号滤光模块、第一聚焦透镜、第一谐波信号探测器，所述第一谐波信号滤光模块通带谱段与谐波信号波长匹配，可根据滤光需求增加滤光光密度。
17.本技术方案中，通过在前向散射方向上设置明场谐波成像系统，提升了谐波信号强度，同时利用第一谐波信号滤光模块最大限度滤除激发光，提升了明场谐波信号对比度。
18.进一步地，所述暗场信号探测系统包括第二谐波信号滤光模块、分光镜、暗场空间滤波器、第二聚焦透镜、第二谐波信号探测器、第三聚焦透镜、高灵敏相机。可根据入射光光斑尺寸以及暗场散射谐波信号波矢量收集角度调整所述暗场空间滤波的尺寸。
19.本技术方案中，利用暗场空间滤波器滤除明场谐波信号，从而提取大角度散射的暗场谐波信号进行成像，提升晶体缺陷成像对比度。
20.进一步地，所述的控制与数据处理系统与所述的谐波信号激发系统的光束扫描元件通信连接，所述的控制与数据处理系统与所述的明场信号探测系统的第一谐波信号探测器通信连接，所述的控制与数据处理系统与所述的暗场信号探测系统的第二谐波信号探测器、高灵敏相机通信连接。
21.本技术方案中，通过控制与数据处理系统与其他系统通信连接，优化了明暗场融合谐波显微成像装置的时序控制，实现了明场和暗场谐波显微图像的同步探测。
22.本发明还提出了一种明暗场融合谐波显微成像方法，基于如上述所述的明暗场融合谐波显微成像装置，包括如下步骤：
23.(1)激光光源系统出射谐波信号激发光，调整输出光束的尺寸；
24.(2)谐波信号激发系统利用所述光束尺寸调整后的激发光对样品进行扫描，激发样品生成谐波信号，同时聚焦物镜收集谐波信号，谐波信号返回传递至二向色镜进行滤波；
25.(3)明场信号探测系统利用收集物镜收集前向散射谐波信号，滤光后由第一谐波信号探测器探测。
26.(4)暗场信号探测系统接收来自二向色镜滤波的背向散射谐波信号，并经由暗场空间滤波器滤除明场照明谐波信号以收集大波矢量暗场散射谐波信号，滤光后由第二谐波信号探测器探测；
27.(5)控制与数据处理系统对明场信号探测系统和暗场信号探测系统探测到的明场及暗场谐波信号进行处理，生成样品的明暗场融合谐波图像。
28.本技术方案中，利用明场与暗场谐波图像的互补特性，通过设计暗场空间滤波器参数，实现明场照明谐波信号滤除和大波矢量暗场辐射谐波信号收集，从而利用大角度谐波辐射将晶体缺陷和缺陷边缘显示为高对比度图像。
29.进一步地，所述的明场和暗场探测系统分别利用前向和背向散射谐波信号同时生成明场和暗场谐波显微图像，并通过提取晶体缺陷及边缘特征进行图像融合。
30.本技术方案中，通过明暗场谐波显微成像的有机融合和图像融合配准，进一步提升晶体缺陷谐波图像的信息丰富度和探测灵敏度。
附图说明
31.图1是本发明实施例中的明暗场融合谐波显微成像装置的原理框图；
32.图2是本发明实施例中的明暗场融合谐波显微成像装置的结构示意图；
33.图3是本发明实施例中的暗场空间滤波器的结构示意图。
34.图4是本发明实施例中的明暗场融合谐波显微成像方法的流程图。
35.其中：1-激光光源系统；101-飞秒激光光源；102-第一透镜、103-第二透镜、104-二向色镜、2-谐波信号激发系统、201-光束扫描元件、202-扫描透镜、203-管镜、204-偏振转换模块、205-聚焦物镜、3-样品、4-明场信号探测系统、401-收集物镜、402-第一谐波信号滤光模块、403-第一聚焦透镜、404-第一谐波信号探测器、5-暗场信号探测系统、501-第二谐波信号滤光模块、502分光镜、503-暗场空间滤波器、504-第二聚焦透镜、505-第二谐波信号探测器、506-第三聚焦透镜、507-高灵敏相机、6-控制与数据处理系统。
具体实施方式
36.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施实例对本发明做进一步详细的说明。
37.要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
38.参照图1和2所示，本发明提出了一种明暗场融合谐波显微成像装置，
39.激光光源系统1，用于生成谐波信号激发光，所述谐波信号激发光用于激发放置于三维位移台上的样品3；
40.谐波信号激发系统2，设置于所述激光光源系统的出射光路上，用于对激发光束在样品表面进行扫描并激发谐波信号；
41.明场信号探测系统4，用于在明场模式下采集和探测经所述谐波信号激发系统所激发出的谐波信号；
42.暗场信号探测系统5，用于谐波信号的空间分离，在暗场散射模式下采集和探测经所述谐波信号激发系统所激发出的谐波信号；
43.控制与数据处理系统6，用于对明暗场融合谐波显微成像装置进行时序控制，明暗场探测模式控制，并根据所采用的探测模式对谐波信号进行处理，以获得所述样品的明暗场融合谐波显微图像。
44.在相关技术中，传统光学成像无法解析二维半导体中的晶体缺陷，传统线性暗场成像中，其散射光强度十分接近，晶体缺陷也无法检测与区分。
45.基于此，本实施例提出了一种明暗场融合谐波显微成像装置，参照图1和2所示，其包括激光光源系统1，用于生成光斑尺寸可调的谐波信号激发光，所述谐波信号激发光经由谐波信号激发系统2激发样品3，样品3辐射的谐波信号由明场信号探测系统4和暗场信号探测系统5同步收集探测，从而能够对样品3辐射的谐波信号进行明暗场成像或相应的处理；
46.通常情况下，在对激发光进行光斑尺寸控制后，对光束聚焦并对样品进行扫描以生成谐波信号。谐波信号激发系统2，设置于所述激光光源系统1的输出光路上，利用光束扫描元件搭配对应的光学元件实现谐波信号的聚焦扫描激发；
47.通常情况下，谐波信号可以在前向或背向探测，明场信号探测系统4，用于在明场模式下采集和探测经所述谐波信号激发系统2所激发出的谐波信号，其中具体的，可在前向散射模式下进行谐波信号明场探测；
48.暗场信号探测系统5，用于在暗场模式下采集和探测经所述谐波信号激发系统2所激发出的谐波信号，其中具体的，可在背向散射模式下收集大角度散射信号进行谐波信号暗场探测；
49.明暗场融合谐波显微成像系统还包括控制与数据处理系统6，与所述的谐波信号激发系统2的光束扫描元件201通信连接，实现快速光束扫描的时序控制，所述的控制与数据处理系统6与所述的明场信号探测系统4的第一谐波信号探测器404通信连接，实现谐波信号的高速明场采集探测，所述的控制与数据处理系统6与所述的暗场信号探测系统5的第二谐波信号探测器505、高灵敏相机507通信连接，实现暗场空间滤波器的光束对准与背向散射谐波信号的暗场同步采集探测。
50.在本发明的一个可选的实施例中，所述激光光源系统1包括飞秒激光光源101、第一透镜102、第二透镜103、二向色镜104，第一透镜102设置于飞秒激光光源101的出射光路上，第二透镜103则设置于第一透镜102的出射光路上，且两者距离为其焦距之和，通过设计第一透镜102、第二透镜103的焦距之比，实现激光光源系统1的输出光束的尺寸控制，二向色镜104则设置于第二透镜103的出射光路上，所述二向色镜104的分离波长处于所述飞秒激光光源101出射波长与谐波信号波长之间。
51.参照图2和3所示，本实施例中，所述谐波信号激发系统2包括光束扫描元件201、扫描透镜202、管镜203、偏振转换模块204、聚焦物镜205，所述扫描透镜202位于光束扫描元件201的出射光路上，且入瞳位置处于所述光束扫描元件201的扫描平面上，所述管镜203位于
扫描透镜202的出射光路上，所述偏振转换模块204位于管镜203的出射光路上，所述聚焦物镜205位于偏振转换模块204的出射光路上。采用光束扫描的方式实现样品扫描的优势在于可使系统紧凑、经济。
52.本实施例中，所述明场信号探测系统4包括收集物镜401、第一谐波信号滤光模块402、第一聚焦透镜403、第一谐波信号探测器404，所述第一谐波信号滤光模块402通带谱段与谐波信号波长匹配，可根据滤光需求增加滤光模块光密度。
53.在本发明的一个可选的实施例中，所述暗场信号探测系统5包括第二谐波信号滤光模块501、分光镜502、暗场空间滤波器503、第二聚焦透镜504、第二谐波信号探测器505、第三聚焦透镜506、高灵敏相机507。
54.本实施例中，所述的暗场空间滤波器，可根据入射光光斑尺寸以及暗场散射谐波信号波矢量收集角度调整暗场空间滤波器的尺寸。
55.参照图4，本发明还提出了一种明暗场融合谐波显微成像方法，基于上述的明暗场融合谐波显微成像装置，包括如下步骤：
56.s1生成激发光，调整功率及光束尺寸；
57.s2对样品进行扫描生成谐波信号；
58.s3收集明场探测模式谐波图像；
59.s4收集暗场探测模式谐波图像；
60.s5对两种探测模式下的谐波图像进行融合处理。
61.在本发明的一个可选的实施例中，利用前向和背向散射谐波信号同时生成明场和暗场谐波显微图像，并通过提取晶体缺陷及边缘特征进行图像融合。
62.以上对本发明所提出的一种明暗场融合谐波显微成像装置及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，这些改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种明暗场融合谐波显微成像装置，其特征在于，包括：激光光源系统(1)，用于生成谐波信号激发光，所述谐波信号激发光用于激发放置于三维位移台上的样品(3)；谐波信号激发系统(2)，设置于所述激光光源系统(1)的出射光路上，用于对激发光束在样品表面进行扫描并激发谐波信号；明场信号探测系统(4)，用于在明场模式下采集和探测经所述谐波信号激发系统(2)所激发出的谐波信号；暗场信号探测系统(5)，用于谐波信号的空间分离，在暗场散射模式下采集和探测经所述谐波信号激发系统(2)所激发出的谐波信号；控制与数据处理系统(6)，用于对明暗场融合谐波显微成像装置进行时序控制，明暗场探测模式控制，并根据所采用的探测模式对谐波信号进行处理，以获得所述样品(3)的明暗场融合谐波显微图像。2.根据权利要求1所述的一种明暗场融合谐波显微成像装置，其特征在于，所述激光光源系统(1)包括飞秒激光光源(101)、第一透镜(102)、第二透镜(103)、二向色镜(104)，第一透镜(102)设置于飞秒激光光源(101)的出射光路上，第二透镜(103)则设置于第一透镜(102)的出射光路上，且两者距离为其焦距之和，通过设计第一透镜(102)、第二透镜(103)的焦距之比，实现激光光源系统(1)的输出光束的尺寸控制，二向色镜(104)则设置于第二透镜(103)的出射光路上，所述二向色镜(104)的分离波长处于所述飞秒激光光源(101)出射波长与谐波信号波长之间。3.根据权利要求1所述的一种明暗场融合谐波显微成像装置，其特征在于所述谐波信号激发系统(2)包括光束扫描元件(201)、扫描透镜(202)、管镜(203)、偏振转换模块(204)、聚焦物镜(205)，所述扫描透镜(202)位于光束扫描元件(201)的出射光路上，且入瞳位置处于所述光束扫描元件(201)的扫描平面上，所述管镜(203)位于扫描透镜(202)的出射光路上，所述偏振转换模块(204)位于管镜(203)的出射光路上，所述聚焦物镜(205)位于偏振转换模块(204)的出射光路上。4.根据权利要求1所述的一种明暗场融合谐波显微成像装置，其特征在于所述明场信号探测系统(4)包括收集物镜(401)、第一谐波信号滤光模块(402)、第一聚焦透镜(403)、第一谐波信号探测器(404)，所述第一谐波信号滤光模块(402)通带谱段与谐波信号波长匹配，可根据滤光需求增加滤光光密度。5.根据权利要求1所述的一种明暗场融合谐波显微成像装置，其特征在于所述暗场信号探测系统(5)包括第二谐波信号滤光模块(501)、分光镜(502)、暗场空间滤波器(503)、第二聚焦透镜(504)、第二谐波信号探测器(505)、第三聚焦透镜(506)、高灵敏相机(507)。6.根据权利要求5所述的暗场空间滤波器，其特征在于可根据入射光光斑尺寸以及暗场散射谐波信号波矢量收集角度调整暗场空间滤波器的尺寸。7.根据权利要求1-6任一所述的明暗场融合谐波显微成像装置，其特征在于，所述的控制与数据处理系统(6)与所述的谐波信号激发系统(2)的光束扫描元件(201)通信连接，所述的控制与数据处理系统(6)与所述的明场信号探测系统(4)的第一谐波信号探测器(404)通信连接，所述的控制与数据处理系统(6)与所述的暗场信号探测系统(5)的第二谐波信号探测器(505)、高灵敏相机(507)通信连接。8.一种明暗场融合谐波显微成像方法，基于权利要求1-7任一所述的明暗场融合谐波显微成像装置，其特征在于，包括如下步骤：(1)激光光源系统(1)出射谐波信号激发光，调整输出光束的尺寸；
(2)谐波信号激发系统(2)利用所述光束尺寸调整后的激发光对样品进行扫描，激发样品生成谐波信号，同时聚焦物镜(205)收集谐波信号，谐波信号返回传递至二向色镜(104)进行滤波；(3)明场信号探测系统(4)利用收集物镜(401)收集前向散射谐波信号，滤光后由第一谐波信号探测器(404)探测。(4)暗场信号探测系统(5)接收来自二向色镜(104)滤波的背向散射谐波信号，并经由暗场空间滤波器(503)滤除明场照明谐波信号以收集大波矢量暗场散射谐波信号，滤光后由第二谐波信号探测器(505)探测；(5)控制与数据处理系统(6)对明场信号探测系统(4)和暗场信号探测系统(5)探测到的明场及暗场谐波信号进行处理，生成样品的明暗场融合谐波图像。9.根据权利要求8所述的一种明暗场融合谐波显微成像方法，其特征在于利用前向和背向散射谐波信号同时生成明场和暗场谐波显微图像，并通过提取晶体缺陷及边缘特征进行图像融合。

技术总结
本发明涉及一种用于二维半导体晶体缺陷检测的明暗场融合谐波显微成像装置及方法，属于光学显微成像技术领域。本发明装置包括激光光源系统、谐波信号激发系统、明场信号探测系统、暗场信号探测系统以及控制与数据处理系统。本发明通过暗场空间滤波器滤除明场照明谐波信号以收集大波矢量暗场辐射谐波信号，并采用明场谐波显微图像与暗场谐波显微图像同时探测并融合的模式进行晶体缺陷检测。本发明利用不同取向晶体缺陷的谐波信号干涉效应，通过大角度谐波辐射以及明暗场谐波图像融合将晶体缺陷和缺陷边缘显示为高对比度图像。本发明的有益效果：提升二维半导体晶体缺陷检测的灵敏度和信噪比。敏度和信噪比。敏度和信噪比。


技术研发人员：王伟波 吴必伟 谭久彬
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/10/8