写在前面

半导体系列的前几篇文章从应用侧讲光学：光刻篇讲曝光，检测与量测篇讲明暗场和椭偏，设备工程篇讲成像链路。光学概念在其中都是"用到时顺带一提"。这篇把这些地基一次补齐——从描述光本身的最小词汇表出发，沿着一条光学检测/量测设备的完整信号链，把每个环节的核心概念系统地过一遍。

知识树的结构如下，每一层都在为下一层设置物理边界：

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光（波长 / 光子 / 强度 / 相位 / 偏振）
  → 与晶圆相互作用（反射 / 折射 / 散射 / 衍射 / 干涉 / 薄膜效应）
    → 照明（明场 / 暗场 / 同轴 / 斜照明 / 偏振 / 波段）
      → 成像光学（物镜 / NA / 分辨率 / DOF / PSF / MTF / 远心…）
        → 传感器（面阵 / 线阵 / TDI / QE / SNR…）
          → 运动（行频 / 编码器 / 同步 / 拼接）
            → 对焦（对焦传感器 / Z 轴台 / 伺服带宽）
              → 检测与量测（颗粒 / 划伤 / 图形 / 边缘 / 高度 / CD / 膜厚 / Overlay）

读完这篇，你应该能把设备规格书和论文里的光学术语放到树上的正确位置，并理解每个参数为什么存在、和谁联动。

一、光：描述光的最小词汇表

设备信号链里的一切，最终都能追溯到描述光的这五个词。

1.1 波长 λ

光是电磁波，波长是它最核心的身份。半导体场景常用的长度单位是 nm 和 µm（1 µm = 1000 nm）。按 ISO 21348 的划分：UVA 315–400 nm、UVB 280–315 nm、UVC 100–280 nm、可见光约 380–760 nm、近红外 760–1400 nm。半导体里的熟面孔：光刻的 DUV（193 nm ArF）与 EUV（13.5 nm），检测常用的 405/520/660 nm 激光与 LED，以及能透过硅的短波红外。

波长同时决定三件事：

• 分辨能力：光学系统能分辨的最小尺寸与 λ 成正比，短波长看得更细；
• 材料响应：每种材料对不同波长的吸收、反射都不同，这是"选波段"的依据；
• 散射强度：远小于波长的颗粒，其散射强度随波长减小急剧上升（瑞利区约与 λ 的四次方成反比），短波长对小缺陷更敏感。

波长还对应光子能量：E（eV）≈ 1240 / λ（nm）。例如 400 nm 约 3.1 eV，193 nm 约 6.4 eV。室温下硅的间接禁带约 1.12 eV，对应光子波长约 1.1 µm；波长跨过这一吸收边后，本征带间吸收显著下降，所以近红外/短波红外有机会穿透硅。不过实际透过率还取决于晶圆厚度、掺杂、自由载流子吸收和表面膜层，不能把 1.1 µm 当成理想的透明开关。

1.2 光子

量子视角下，光以离散的光子形式传递能量。即使平均光功率稳定，探测到的光子数也会涨落；对理想相干光且探测事件相互独立的常用模型，计数服从泊松分布，标准差等于平均计数的平方根。平均 10 个光子时标准差约 3 个；平均 10000 个光子时标准差约 100 个（1%）。热光、压缩光等光场的统计分布可以不同，这里采用的是成像工程里最常用的散粒噪声模型。

这就是散粒噪声（Shot Noise），它不是设备缺陷，而是光电探测的统计本性，构成检测灵敏度的重要物理下限。普通相机和光电二极管通常不是逐个分辨光子，而是在曝光时间内积分光生电荷，再把电荷读成灰度；只有专门的单光子探测器才做事件级计数。

1.3 强度

日常说的"光强"在物理上更接近辐照度——单位时间打到单位面积上的能量（W/m²）。传感器像素积累的是能量：辐照度 × 曝光时间 × 像元面积 × 量子效率，最后变成电荷。所以"图像偏暗"可能是光源弱、曝光短、光学收集少或传感器转换率低中的任何一个，需要逐段排查。

1.4 相位

相位描述波在周期中的瞬时位置。两束光叠加时，相位一致则增强、相反则抵消——干涉（见 2.5）完全由相位差决定。薄膜的厚度信息之所以能被量测，正是因为它以光程差的形式改写了相位。

关键限制：普通探测器（相机、光电二极管）只对强度敏感，不直接测相位。相位信息通常要借助干涉或偏振调制转换成可测的强度变化。椭偏参数 Δ 表示样品反射系数中 P、S 两个偏振分量的相位差，仪器由调制后的强度信号反推出 Ψ、Δ，并非直接读取光场相位（见《光学薄膜与关键尺寸量测》第三节）。与相位相伴的是相干性：激光相干长度长，容易产生散斑和寄生干涉；宽谱光源相干长度较短，只有光程差落在相干范围内的分量才能形成清晰干涉。

1.5 偏振

光是横波，电场振动方向垂直于传播方向，这个方向就是偏振。线偏振、圆偏振、椭圆偏振描述振动轨迹的形状。讨论界面反射时，习惯把偏振分解为两个正交分量：入射面内的 P 分量与垂直入射面的 S 分量——两者在界面的反射行为不同（布鲁斯特角附近 P 分量反射率趋近于零），这是椭偏量测能提供额外信息的原因。

工程上，起偏器把自然光变成线偏振光，检偏器分析返回光的偏振状态。对保持原偏振的镜面反射，正交放置的起偏器与检偏器可以显著抑制背景；消光比、器件应力双折射、表面去偏振和光路串扰都会留下残余信号。偏振在晶圆检测中的用途包括区分各向异性材料、抑制特定反射背景，以及为椭偏/散射量测增加独立信息维度。

二、光与晶圆的相互作用

照射到晶圆上的光只有几种去向：按镜面规律反射、折射进入膜层后被吸收、被微小结构散射到其他方向、被周期图形衍射到离散方向。检测与量测的全部信号都来自这些过程。描述材料的中心参数是复折射率：实部 n 决定相速度与折射，消光系数 k 描述吸收；复数写成 n + ik 还是 n − ik 取决于采用的时间因子约定，工程资料中必须连同约定理解。

2.1 反射（Reflection）

光到达折射率突变的界面会部分返回。反射率由菲涅尔方程决定，取决于两侧材料的 n 和 k、入射角与偏振。金属膜（k 大）反射率高，介质膜部分反射，且反射率随波长变化——这正是反射光谱量测膜厚的物理基础。明场成像的衬度，本质就是视场内各处反射率的差异。

2.2 折射（Refraction）

进入介质的光改变传播方向，服从斯涅尔定律；折射率还随波长变化（色散），这也是透镜存在色差的根源。对晶圆检测最有工程意义的是材料的光谱透过窗口：硅在可见光波段吸收很强，跨过约 1.1 µm 的带间吸收边后吸收显著减弱，因此短波红外成像可在合适的厚度、掺杂与波段条件下透过硅观察背面或内部结构——这是红外检测和键合对准的物理基础。

2.3 散射（Scattering）

粗糙表面、颗粒、划伤、图形边缘都会把一部分光偏离镜面方向，这就是散射。颗粒尺寸远小于波长时处于瑞利区，散射强度约与波长四次方成反比；尺寸与波长相当后进入米氏区，行为更复杂但信号更强。

两个工程要点：其一，散射截面不等于几何尺寸——同样 30 nm 的颗粒在不同材料、不同膜层上的散射信号可以差很多倍（详见《明场、暗场与散射检测》第五节）；其二，探测与分辨是两回事：尺寸远小于衍射分辨率的孤立颗粒仍可能产生可检测的散射信号，但系统通常不能仅凭其光斑直接还原颗粒的几何尺寸，也不能把相邻的多个亚分辨颗粒彼此分开。

2.4 衍射（Diffraction）

波遇到与波长相当的障碍或周期结构时会绕射偏折。周期图形（光栅）会把入射光散射到一系列离散的衍射级次，方向由图形周期、波长和入射角共同决定，各级次强度携带图形的形貌信息——CD 与 Overlay 的光学量测正是读这些级次。

衍射同时限制分辨率：物体细节越细，对应的空间频率越高；当携带这些频率的衍射分量超出物镜收集角（由 NA 决定），常规成像系统就不再传递相应信息。对周期物体，可以把成像理解为物镜收集零级和若干高阶衍射光后在像面重组；未进入孔径的频率分量不能由这幅常规强度图像凭空恢复。这个视角把光刻、显微成像和分辨率极限统一在同一个框架里（见《光刻——如何把图形转移到晶圆》）。

2.5 干涉（Interference）

两束相干光叠加，相位差决定结果是增强还是抵消。相位差来自光程差：从薄膜上下两个界面反射的光，光程差约等于两倍膜厚乘以折射率。膜厚每变化约四分之一的介质内波长（正入射附近），反射就在增强与抵消之间翻转一次。

干涉是光学量测的"放大器"：纳米级的厚度变化被转换成反射光谱上可测的明暗变化。它也是噪声源：平行平板间的多重反射、相干光照到粗糙表面产生的散斑，都是非预期干涉。

2.6 薄膜效应（Thin-film Effect）

多层膜有多个界面，各界面反射光相互干涉，结果是反射率随波长、膜厚、入射角呈周期性振荡。晶圆表面随膜厚变化呈现不同"颜色"（氮化硅、氧化硅的工艺颜色卡）就是这个效应的直观表现。

对检测而言，薄膜效应意味着：同一尺寸的缺陷，长在不同膜堆叠上的光学信号可以完全不同；Recipe 换层时灵敏度必须重新评价。这也是为什么《光源、镜头、传感器与成像链路》强调"样品是成像链的一部分"。

三、照明：光怎么打到晶圆上

照明决定缺陷的信号"存不存在"，是 Recipe 的第一组参数。同样的缺陷，换一种照明几何，可能从极亮变成完全不可见。

3.1 明场（Bright Field）

照明光路与收集光路近同轴：镜面表面把光反射回镜头，形成亮背景；缺陷若吸收光或把光散射出收集角，就在亮背景上显示为暗点。明场看的是反射率与形貌差异，适合有图形晶圆——图形、套刻偏差、桥连短路这类"结构与背景不同"的缺陷在明场下有稳定衬度。

3.2 暗场（Dark Field）

照明从收集孔径之外以大角度斜入射：理想镜面把光反射到镜头之外，背景较暗；缺陷的散射光有一部分落入收集角，表现为暗背景上的亮点。暗场看的是散射，抑制镜面背景后常能提高弱散射缺陷的对比度，是无图形晶圆颗粒检测的主力；但实际 SNR 仍受表面雾度、杂散光、光子数和探测器噪声限制。它对表面粗糙度、图形边缘同样敏感，误报控制更依赖光学通道选择与算法。

3.3 同轴照明（Coaxial）

通过分束器让照明沿光轴入射，是明场的一种标准实现。平整镜面把较多光反射回镜头；倾斜或粗糙区域会改变进入收集孔径的能量，因此同轴明场对反射率、局部斜率与粗糙度差异敏感，常用于平面图形和表面状态检查。纯粹的轴向高度变化若仍在景深内，并不必然产生强度衬度；高度通常要借助离焦、共焦、干涉或结构光等机制量测。

3.4 斜照明（Oblique）

照明以明显倾角入射而不经过光轴。表面微小起伏在斜照明下产生阴影和高光反差，对划伤、浅坑、残留这类"有方向性的浅结构"衬度显著增强。环形照明（各方向均匀斜照）或方位角可选的方向性照明，让不同取向的缺陷轮流"亮起来"——多通道暗场设备正是用多个照明方位区分缺陷类型。

3.5 偏振照明（Polarized）

在照明侧加起偏器、收集侧加检偏器。正交偏振组合可以显著压低保持原偏振的镜面反射，并突出发生去偏振或偏振旋转的信号，但不会无条件消除全部背景；不同材料、不同膜层、应力区域对 P/S 两个分量的反射差异不同，可作为区分手段。偏振照明常与明场/暗场叠加使用，是"同一视场多通道"设计的经典维度。

3.6 波段选择：UV / VIS / IR

波长是照明的另一个自由度：

• 紫外：散射强、分辨率高，先进节点的小缺陷检测持续向 DUV 推进；光学材料与光源成本随之上升；
• 可见：光源与传感器生态最成熟，QE 高、维护成本低，覆盖大部分常规检测；
• 红外（含短波红外）：透过硅，可检查背面与内部结构；对金属/介质对比度也与可见光不同，是另一条对比度通道。

波段与材料的组合本质上是"对比度开关"——同一缺陷在 405 nm 和 1064 nm 下的可见性可能完全相反。

四、成像光学：镜头在传递什么

镜头不是透明管道，而是一个带截止频率的空间信息低通滤波器。这一节的概念回答同一个问题：光学系统能传递多少细节、代价是什么。

4.1 物镜与放大率（Objective / Magnification）

物镜是决定成像质量的第一元件，显微镜物镜普遍采用无限远校正结构：物镜输出平行光，由镜筒透镜汇聚成像，便于在光路中插入分束器、滤光片——检测设备的复杂光路依赖这一设计。放大率 β 是像尺寸与物尺寸之比；传感器像元尺寸除以 β 得到物方采样间距。注意：采样间距决定"每毫米多少个采样点"，不等于分辨率——分辨率由 NA 与波长决定（见 4.3）。

4.2 数值孔径（NA）

NA = n × sin θ，其中 n 是物方介质折射率（空气约 1，浸液大于 1），θ 是物镜能收集的最大半角。NA 是成像侧的总旋钮，同时牵动：

• 分辨率：最小可分辨尺寸约与 λ/NA 成正比；
• 光通量：在物体辐亮度、照明、放大率等条件不变的近似下，收集立体角随 NA 增大，进入系统的通量常呈近似 NA² 量级增长；具体像面照度还受放大率、透过率与照明方式影响；
• 景深：随 NA 增大按约 1/NA² 量级快速收缩；
• 对焦与对准难度：光锥越尖，容差越苛刻。

空气物镜 NA 上限约 0.95，油浸物镜可达 1.4 量级；光刻机的 High-NA EUV 把投影 NA 从 0.33 推到 0.55，是同一物理在另一个尺度上的应用。

4.3 分辨率（Resolution）

衍射极限的经典表述有两个：瑞利判据给出两点可分辨的最小间距 d ≈ 0.61λ/NA（非相干成像、圆形孔径的艾里斑判据），阿贝极限给出 d ≈ λ/2NA。两者数量级一致，都说明分辨率由 λ 和 NA 的比值决定。

必须警惕两个误解：其一，这是对比度准则而非物理墙——对周期结构，光学传递的对比度随频率连续下降，不是在某尺寸突然归零；其二，图像分辨率不等于量测能力——亚波长结构的平均参数变化可以通过模型反演高精度测得（详见《光学薄膜与关键尺寸量测》第五节对 Resolution 与 Parameter Sensitivity 的区分）。

4.4 景深（DOF）

DOF 是物体偏离最佳焦面仍保持可接受像质的距离范围。工程上它必须绑定"指定空间频率 + 指定对比度"来定义——细节越细（频率越高），DOF 越窄。规律：DOF 随波长增大而增大，随 NA 增大按约 1/NA² 的量级快速缩小。

DOF 是高 NA 的直接代价：高 NA 换来分辨率，同时把容许离焦压缩到微米级。而晶圆有翘曲、膜厚台阶和图形起伏，高度变化远超 DOF——这是第七节整套对焦系统存在的原因。

4.5 工作距离与视场（WD / FOV）

工作距离是物镜前端到样品的物理间距，高 NA 物镜通常 WD 很短，直接影响设备的机械布局与防撞设计。视场是一次成像覆盖的物方范围，约等于传感器尺寸除以放大率。FOV、分辨率与 DOF 互相牵制：FOV 越大，镜头越难在全视场维持高 MTF；步进重复的次数 = 晶圆面积 / FOV，FOV 直接进入吞吐量公式。

4.6 像差（Aberration）

真实镜头偏离理想成像。球差（孔径相关）、彗差、像散、场曲（离轴模糊）、畸变（几何失真）、色差（不同波长焦点不同）各自从不同方向侵蚀像质。工程含义：理论分辨率只是上限，像差决定实际达到多少；畸变直接污染尺寸量测，需要标定修正；色差可以用单色窄带照明规避——这也是检测设备偏爱单色光源的原因之一。

4.7 PSF 与 MTF

点扩散函数（PSF）描述一个点物被系统成像成的光斑——衍射极限下就是艾里斑。整个成像过程可近似为"真实图像与 PSF 卷积"，PSF 越窄，细节保留越多。

光学传递函数（OTF）可由 PSF 的傅里叶变换得到，MTF 是 OTF 的幅值，描述输出对比度随空间频率的变化。频率越高，传递的对比度通常越低；接近截止频率时，系统几乎不再传递相应细节。传感器采样有对应的奈奎斯特频率：像面频率上限 = 1 /（2 × 像元尺寸），换算到物方还要乘以放大率。光学 MTF 与采样必须匹配——采样不足会混叠并浪费光学分辨能力，采样远细于光学带宽则很难换来额外细节。回答"这个设备看得见 X nm 的缺陷吗"，需要同时看缺陷信号、MTF、采样和噪声，不能只看放大率。

4.8 远心光路（Telecentric）

物方远心镜头的光阑放在焦平面上，使所有主光线平行于光轴：物体沿光轴前后移动或表面有高度起伏时，放大率不变。这消除了普通镜头"离物越近越大"的透视误差，是尺寸量测与缺陷坐标定位的几何一致性保障。代价是镜头口径必须不小于视场，体积和成本随之上升。量测型设备普遍采用远心设计，检测型设备按需取舍。

五、传感器：光子变成数据

传感器把光子计数转换成数字。这一节的概念决定信号的上限（能收到多少光子、转换效率多高）和下限（噪声有多大）。

5.1 面阵与线阵（Area Scan / Line Scan）

面阵传感器一次曝光成一幅二维图，配合步进重复运动覆盖晶圆，光路和控制简单。线阵传感器只有一行（或少数几行）像元，靠连续运动逐行扫过样品：行数可达数万像元，行频远高于面阵帧率，照明只需照亮一条线，亮度更容易做均匀。晶圆大面积高速扫描检测普遍采用线阵或 TDI——“图像的一维来自传感器，另一维来自运动”。

5.2 TDI：时间延迟积分

TDI 是线阵的灵敏度增强版：N 行像元对同一物点依次曝光，并让信号随像移逐级累加。理想同步且以光子散粒噪声为主时，信号正比于 N、散粒噪声正比于 √N，因此 SNR 理论上提升 √N——64 级 TDI 对应 8 倍。真实增益还受读出架构、暗电流、满阱容量、级间转移效率和同步误差限制；增加级数可以换取更快扫描，或在更弱光照下维持图像质量。

TDI 的代价是对同步的苛刻要求：电荷逐行转移的速度必须与物点的像移严格同步，失配直接造成拖影。行频与运动速度的锁相（见 6.3）是 TDI 设备的生命线。

5.3 像元尺寸（Pixel Size）

像元尺寸决定采样密度，物方采样间距 = 像元尺寸 / 放大率。对带限信号，避免混叠至少要以最高空间频率的两倍采样；工程上往往还会留余量。像元并非越小越好：在相近工艺和结构下，小像元通常具有更小的光敏面积与满阱容量，单像素能积累的光电子更少，满阱附近的散粒噪声极限 SNR 也较低；微透镜、BSI、像素合并和不同读出架构会改变这一权衡。采样密度、灵敏度与动态范围需要一起评价。

5.4 量子效率（QE）

QE 是入射光子转换为有效电子的概率，随波长变化（看 QE 曲线，不看单一数字）。前照式（FSI）CMOS 峰值常见 50–70%；背照式（BSI）把布线层挪到光敏面背后，峰值可超过 80% 乃至 90%。信号电子数 ≈ 光子数 × QE——QE 与光学透过率、照明功率一起，构成信号链的"收入侧"。

5.5 曝光（Exposure）

曝光时间内像素积累电荷，上限是满阱容量（FWC）：超过即饱和，灰度被裁剪，强度关系丢失。线阵扫描下曝光时间被行频封顶（行周期就是最长曝光），因此"提速"直接压缩每行的光子预算——吞吐量与灵敏度在曝光这一步正面相撞。曝光、照明功率、光圈、增益（只放大信号也放大噪声）必须作为一组参数整体设定。

5.6 信噪比与动态范围（SNR / Dynamic Range）

主要噪声源：散粒噪声（√N，光的统计本性）、读出噪声（电子学读取）、暗电流（热生电荷，随温度和曝光时间增长）。SNR = 信号电子数 / 总噪声。动态范围 = 满阱容量 / 读出噪声，表示单幅图像能同时容纳最亮与最暗的跨度，常以 dB（20·log10）或有效位数表示。

工程上，暗帧与平场校正是把传感器原始输出变成可比较数据的第一步，具体链路见《光源、镜头、传感器与成像链路》第五节与《图像采集与数据处理流水线》。

六、运动：把像素铺满晶圆

线扫描设备里，图像的一维坐标完全由运动系统决定。运动误差不表现为"图像糊了"，而是表现为几何失真与坐标错误——进而变成漏检和误报。

6.1 扫描速度与行频匹配

线阵成像的基本约束：扫描速度 = 行频 × 物方采样间距。速度瞬时波动会让图像在扫描方向被拉伸或压缩，均匀性误差直接进入尺寸量测结果。速度稳、行频稳、两者锁相，是扫描图像几何保真度的前提。

6.2 编码器（Encoder）

编码器提供位置与速度基准：直线光栅读平台位移，激光干涉仪以激光波长建立更高精度的位移尺度（见《精密运动平台与定位系统》）。在扫描成像中，编码器精度就是图像坐标精度——位置反馈的不确定性，最终以几何畸变和拼接误差的形式出现在图像里。

6.3 触发与像素同步（Trigger / Pixel Synchronization）

两种触发方式：时间触发（固定周期出图）和编码器等距触发（每走过一个物方采样间距出一行）。后者把行坐标锚定在位移上，能补偿一定范围内的速度波动并保持几何采样间距，是精密扫描的常见做法；它并不能消除编码器误差、触发延迟、曝光期间运动模糊、加速度扰动或相机最高行频约束。

TDI 传感器对同步的要求再进一层：行与行之间的电荷转移必须与像移逐行对齐，同步误差在累加中放大为拖影。这就是"像素同步"的完整含义——不仅出图时刻对，出图时刻之间的像移也要对。

6.4 图像拼接（Image Stitching）

相邻两次成像保留重叠区，通过配准把局部图拼成整片大图。重叠不足、配准误差、行频失配都会在拼接处制造台阶——错位的图形边缘在算法眼里与缺陷无异。拼接精度依赖编码器精度、畸变标定和重叠区设计，是"检测覆盖率"背后的隐性精度预算。

七、对焦：让纳米结构"清楚"

高 NA 把景深压缩到微米级，而晶圆的翘曲、台阶和图形起伏远大于此。对焦系统的任务是在高速扫描中把每个视场实时保持在最佳焦面附近——它是光学能力能否兑现的最后一道关口（与《自动对焦、调平与晶圆翘曲》一节互补，那里讲设备实现，这里讲控制概念）。

7.1 最佳焦面与离焦误差（Best Focus / Focus Error）

最佳焦面是按指定波长、视场位置、空间频率和评价指标优化得到的物面位置；不同指标的最佳位置可能略有差异。偏离它，高频对比度通常先衰减——小缺陷信号变弱、量测重复性变差，而低频图形看起来依然"清楚"，离焦容易被忽视。评价设备对焦质量要看离焦误差分布（Focus Error Map）以及目标频段的 MTF/信号变化，而不是抽几张图目测。

7.2 对焦传感器（Autofocus Sensor）

对焦通常由独立光路完成：三角测量（光点位置随高度移动）、共焦（只有焦面附近返回光最强）、像散法（光斑形状随离焦变化）等方案在量程、速度、表面适应性上各有取舍。对焦传感器输出高度误差信号，交给 Z 轴执行器闭环。

7.3 Z 轴台与伺服（Z Stage / Servo）

Z 轴执行器驱动镜组或台面做快速微位移修正，常用音圈电机、压电元件或直线电机；所需分辨率、行程和带宽由景深与表面高度谱共同决定，不能只用"纳米级"概括整套系统。伺服（闭环控制）指控制器根据误差信号连续调整执行器——目标是让跟随误差（实际位置与目标位置的实时差）在扫描全程保持在允许的离焦容差内。

7.4 跟踪带宽（Tracking Bandwidth）

伺服能跟踪的误差变化频率有上限，即跟踪带宽。表面高度变化是空间频率 × 扫描速度的乘积：同一片晶圆，扫描速度翻倍，高度变化的时间频率就翻倍。因此提速会在两个方向同时挤压对焦——每行光子更少（见 5.5）、离焦更难跟住。跟踪带宽、加速度能力和噪声敏感度共同构成"这台设备能扫多快还保持清晰"的答案，是吞吐量与灵敏度权衡（见《灵敏度、误报率与吞吐量》）在控制侧的具体形态。

八、检测与量测：八类对象的光学信号

前面七层概念在这里合流。每类检测/量测对象都是若干光学机制的特定组合；反过来，理解了组合方式，也就理解了对应设备规格书里每个参数为什么存在。

8.1 颗粒与划伤（Particle / Scratch）

颗粒是近似局部的散射体：暗场下常呈现为亮点，信号取决于尺寸、材料、下层膜堆叠与波长（散射截面 ≠ 几何尺寸，见 2.3）。划伤是方向性微结构：走向与照明方位的关系决定衬度，单一方位照明可能漏掉某些取向的划伤，因此环形或多方位照明是提高方向覆盖率的常见设计。无图形晶圆的表面颗粒检测通常以激光散射暗场为主，同时需要控制雾度与表面粗糙度背景。

8.2 图形缺陷与边缘缺陷（Pattern / Edge Defect）

有图形晶圆上，缺陷信号叠在强图形背景之上，“非镜面信号即异常"不再成立——正常图形边缘本身就会散射。明场宽谱成像与激光暗场都是量产中的重要路线，分别偏向高分辨图形衬度和高速散射缺陷捕获，具体选择取决于层别与缺陷类型；算法再通过 Die-to-Die、Cell-to-Cell 或 Die-to-Database 等比较分离差异。光学侧要在波段、偏振、入射/收集角、MTF、杂散光与畸变之间共同优化。晶圆边缘与斜面（bevel）区域形貌特殊，需要专门的照明几何、对焦与运动轨迹，是独立的检测子问题。

8.3 高度与形貌（Height）

三维量测——bump 高度、键合后翘曲、台阶深度——依赖把高度转换为光信号的技术：共焦通过轴向扫描定位响应峰值；相干扫描干涉（常称白光干涉）在每个相机像素上分析随 Z 扫描出现的干涉包络，可达到纳米级甚至亚纳米级高度重复性；条纹投影或阴影莫尔则由条纹相位求高度。白光干涉与阴影莫尔评价翘曲的对比见《先进封装中的检测与量测》。这些方法既有点、线扫描方案，也有面阵并行方案；整片吞吐量取决于视场、横向采样、Z 扫描范围、拼接次数与所需不确定度，不能简单归结为"单点精度高、整片覆盖慢”。

8.4 CD、膜厚与 Overlay

CD、膜厚与 Overlay 这三个量测任务是前面概念的集大成者：

• CD（关键尺寸）：OCD/散射量测读周期图形的衍射响应（2.4），用严格耦合波分析（RCWA）等电磁模型反演——衍射、偏振、薄膜干涉三种机制同时起作用；
• 膜厚：反射光谱与椭偏读薄膜干涉信号（2.5、2.6），椭偏额外利用 P/S 偏振差异提高可辨识性；
• Overlay（套刻）：对专用套刻标记做衍射或成像量测，读出两层图形的相对偏移，标记的衍射特性同样由周期、波长、偏振共同决定。

三者的共同范式是先采集光学响应，再通过经过标定的算法得到几何参数，但求解路径不同：OCD 与光谱膜厚通常依赖光学模型反演；成像式 Overlay 主要定位上下层标记的位置或相位中心；衍射式 Overlay 则由正负衍射级等强度不对称量解算偏移。不能把所有 Overlay 都概括成与 OCD 相同的模型反演。这些差异正是《光学薄膜与关键尺寸量测》与《Overlay、CD 与膜厚量测》的主线。

8.5 概念与对象的对照表

九、小结

1. 概念链共八层：光的描述 → 与晶圆相互作用 → 照明 → 成像光学 → 传感器 → 运动 → 对焦 → 检测应用；每一层都为下一层设置物理边界。
2. 波长是贯穿全链的第一参数：同时决定分辨率极限、散射强度、材料响应与光子能量，“换波段"是最强的对比度手段之一。
3. 照明几何决定信号存在与否：明暗场的本质是"是否收集镜面反射”，偏振与波段是材料对比度开关；同一缺陷换一种照明可能完全不可见。
4. NA 是成像侧总旋钮：分辨率、光通量、景深、对焦容差全部随之联动，高 NA 的每一分收益都有明确代价。
5. 光子统计是灵敏度的物理底：散粒噪声不可消除，信号链每一环节的光子收支决定最终 SNR；曝光、QE、TDI、扫描速度是一个预算表上的项目。
6. 运动与对焦把光学能力兑现到整片晶圆：像素坐标来自编码器与同步，清晰度来自伺服带宽；提速同时挤压两者。
7. 每类检测对象都是上述机制的组合；对照第八节的表格回看整机规格书，每个参数都应该能在这张知识树上找到位置。

参考资料

• ISO 21348:2007：Space environment — Determining solar irradiances（光谱分区定义）
• Basler：What Really Limits Microscopy Resolution（瑞利判据 d = 0.61λ/NA）
• Evident Scientific：Airy Patterns and the Rayleigh Criterion
• Edmund Optics：The Airy Disk and Diffraction Limit
• Edmund Optics：Depth of Field and Depth of Focus
• Teledyne Vision Solutions：TDI Primer — High Sensitivity Line Scanning
• Teledyne Vision Solutions：Quantum Efficiency
• HORIBA：Spectroscopic Ellipsometry Principles（Ψ、Δ 与 P/S 反射系数）
• Hamamatsu Photonics：TDI Imaging（TDI 的 SNR 与同步边界）
• Basler：GigE Line Scan Use Cases（编码器触发行扫描）
• KLA：Puma 9150 Darkfield Patterned Wafer Inspection（有图形晶圆暗场检测）
• KLA：Archer 200 Overlay Metrology（成像式与散射量测式 Overlay）
• ZYGO：Coherence Scanning Interferometry（面阵相干扫描干涉）
• ASML：EUV Lithography Systems（0.33 NA 与 0.55 NA）