CN105372256A - 表面检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种表面检测系统，包括载物台、光源、探测单元和回收单元，所述回收单元用于收集待检测物表面的镜面反射光，并将所述镜面反射光再次投射至所述待检测物表面。本发明还提供了一种表面检测方法，采用此方法进行缺陷检测时，经待检测物表面反射的光得以再次利用，提高了光能利用率的同时，对待检测物表面的再次投射也能提高检测的灵敏度。

Description

表面检测系统及方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种表面检测系统及方法。

背景技术

在半导体集成电路或平板显示的制备工艺中，为提高产品良率，污染控制是一个至关重要的环节。掩模版、硅片或玻璃基板等在进行曝光前，都需要进行污染(包括外来颗粒、指纹、划痕、针孔等)检测。

基于空间约束、成本及产率的综合考虑，集成在光刻设备中的颗粒检测装置通常采用暗场散射测量技术，例如美国专利US8634054B2、US4999510所披露的技术方案，其检测原理如图1所示。光源1提供照明光束11倾斜入射到待测表面9，如果照射区域没有颗粒，则镜面反射光13将进入吸光装置7，探测系统4检测不到光信号；当照射区域存在颗粒8时，产生的部分散射光12将进入探测系统4，根据探测到的光信号强弱来判断颗粒的大小。

暗场散射测量系统可以探测远小于成像分辨率的颗粒，并且具有较高的灵敏度和对比度，但该技术面临的问题是光能利用率很低，光源1提供的光束在被反射或散射后，大量光能被吸光装置7吸收掉。

另外，当被检测到的颗粒过小时，会导致散射光过弱(10微米的颗粒散射光约入射光的0.01％)，影响探测系统4的检测和判断。对此，在暗场散射测量系统中，为检测到更小尺寸的颗粒，通常的方法是增强光源能量或提高探测器的灵敏度，但如此会导致成本的升高。

发明内容

针对背景技术中光能利用率低，对小颗粒反应不够灵敏等问题，本发明提供一种表面检测系统及方法，包括

载物台，用于承载一待检测物，所述载物台能够带动所述待检测物移动；

光源，用于投射光束至所述待检测物表面；

探测单元，用于探测来自所述待检测物表面的散射光；以及

回收单元，用于收集所述待检测物表面的镜面反射光，并将所述镜面反射光再次投射至所述待检测物表面。

可选的，所述表面检测系统，还包括吸光单元，用于吸收所述待检测物表面检测完成后剩余的镜面反射光。

可选的，所述表面检测系统还包括光调整单元，设置于所述光源与所述载物台之间，用于对所述光束进行整形、扩束及准直。

可选的，所述光调整单元由多个透镜组成。

可选的，所述探测单元包括：

成像镜组，用于对散射光进行成像；以及

探测器，连接所述成像镜组，用于分析成像以检测待测物表面的缺陷。

可选的，所述缺陷为颗粒、指纹、油污、刮伤、针孔等。

可选的，所述表面检测系统还包括偏振分束器，设置于所述光源与所述载物台之间，所述光源产生能通过所述偏振分束器的线偏振光，经所述回收单元再次投射至所述待检测物表面的镜面反射光经所述待检测物表面产生二次镜面反射光，所述偏振分束器将所述二次镜面反射光反射至所述吸光单元。

可选的，所述回收单元包括四分之一波片及可使所述镜面光按原路返回的反射器。

可选的，所述反射器为角锥棱镜。

可选的，所述反射器通过凸透镜和反射镜实现将光束按原方向返回。

可选的，所述反射器为平面反射镜。

可选的，所述光源为线偏振激光器。

可选的，所述光源包括LED光源及起偏器，用于产生线偏振光。

可选的，所光源包括卤素灯光源及起偏器，用于产生线偏振光。

本发明还提供一种表面检测系统，包括：

载物台，用于承载待检测物，所述载物台能够带动所述待检测物移动；

光源，用于投射光束至所述待检测物表面，形成第一照明视场；

n-1个回收单元，将所述待测物表面第一次反射的镜面反射光依序进行n-1次反射以照射所述待测物表面形成第二照明视场或第二至第n照明视场，n为大于1的自然数；当n等于2时，仅形成第二照明单元，而当n大于2时，在所述待测物表面形成第二至第n照明视场；

n个探测单元，用于分别探测所述n个照明视场内所述待测物表面的衍射光。

可选的，所述回收单元是全反射棱镜。

可选的，所述探测单元包括用于防止镜面反射光的减弱的光强测定仪和增益单元，均设置于所述探测单元的内部。

可选的，所述回收单元包括反射镜和设置于所述反射镜两侧的透镜。

可选的，所述表面检测系统还包括吸光单元，用于吸收所述第n个照明视场内经所述待测物表面所反射的镜面反射光。

本发明还提供一种表面检测方法，通过所述的表面检测系统实现，其包括以下步骤：

将待检测物上载到载物台；

打开光源，光束投射到所述待检测物表面，探测单元收集所述待检测物表面的散射光，回收单元收集所述待检测物表面的镜面反射光，并将所述镜面反射光再次投射至所述待检测物表面；

通过所述载物台的水平移动，实现所述待检测物表面不同区域的检测；

所述探测单元根据探测的散射光确定缺陷的尺寸及位置信息。

本发明提供的表面检测系统包括载物台、光源、探测单元和回收单元，所述回收单元用于收集所述待检测物表面的镜面反射光，并将所述镜面反射光再次投射至所述待检测物表面。相比于现有技术，经待检测物表面反射而被吸收的光得以再次利用，提高了光能利用率的同时，对待检测物表面的再次投射也能提高探测的灵敏度。

附图说明

图1为背景技术中颗粒检测装置的示意图。

图2为本发明第一实施例所述表面检测系统的示意图。

图3为本发明第二实施例所述表面检测系统的示意图。

图4为本发明第二实施例中成像镜组结构的示意图。

图5为本发明一实施例所述表面检测方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的表面检测系统用于对待侧物表面的缺陷进行检测，缺陷可以为待测物表面的颗粒、指纹、油污、刮伤、针孔等，以下实施例即以检测待测物表面颗粒为例详细说明本发明表面检测系统的运作机理。

实施例一

如图2所示，本实施例的表面检测系统包含光源10、载物台200、光调整单元20、偏振分束器203、回收单元30、探测单元40以及吸光单元70。

载物台200用于承载待检测物90，同时载物台200还包含相应的运动机构(图中未示出)，可以实现水平移动，比如通过步进或扫描运动来实现。

吸光单元70用于吸收颗粒检测完成后剩余的镜面反射光。光源10优选线偏振激光器，其可提供高质量的线偏振光101，例如能产生线偏振光的半导体激光器、光纤激光器等。光源10也可以选择其他类型光源，例如发光二极管(LEDs，lightemittingdiodes)，卤素灯等，此时光源10还包括起偏器(图中未示出)，设置于所述光源10与所述载物台200之间，也可实现输出线偏振光101。

光调整单元20设置于所述光源10与所述载物台200之间，用于提高光的质量，比如实现光束的整形、扩束及准直。光调整单元20由多个透镜组成，在本实施例中仅以其包括凸透镜201和202为示例进行图示说明，两个凸透镜的设置即可增加光的平行度，并扩宽光束。具体的透镜数量和种类本发明不作限制。

偏振分束器203设置于所述光源10与所述载物台200之间，更具体的说是设置于光调整单元20与所述载物台200之间，所述光源10产生能通过所述偏振分束器203的线偏振光101a、101b(假设线偏振光101a、101b为S偏振光)，同时偏振分束器203能使与线偏振光101a、101b偏振方向不同的线偏振光反射，比如垂直于线偏振光101a、101b的线偏振光(P偏振光)。

线偏振光101a和101b经过偏振分束器203后，入射到待检测物90的表面，对应的镜面反射光102a和102b入射到回收单元30。回收单元30包括波片301和可将光束按原方向返回的反射器302。

在本实施例中，波片301为四分之一波片，即偏振光在两次通过所述波片301后，其偏振方向垂直于初始方向，如此能达到最好的效果，即能完全被偏振分束器203反射。

反射器302优选角锥棱镜，其包含三个相互垂直的反射面，入射光束在各个表面发生内反射后产生与入射光束方向相反的光束，并且角锥棱镜不受入射光角度的影响。

反射器302也可采用“猫眼”反射器，即通过凸透镜和反射镜实现将光束按原方向返回。所述反射器302也可以采用简单的平面反射镜或棱镜反射镜等，对此本发明并不对反射器302作限制，只要其能够将镜面非反射光束按原路返回再次照射待测物90表面即可。

从回收单元30出来的反射光束103a和103b分别两次经过波片301(四分之一波片)，其线偏振方向相对于102a和102b偏振方向(S偏振)发生90度旋转，变为P偏振光。103a和103b再次回射到待检测物90的表面，形成的镜面反射光104a和104b亦为P偏振光，其通过偏振分束器203反射后，进入吸光装置70。

探测单元40设置于所述载物台200的上方，或其他非镜面反射光方向。探测单元40包括成像镜组401和连接所述成像镜组的探测器402，探测器402可选CCD或CMOS传感器。当照明视场内出现颗粒80时，成像镜组401将收集颗粒80的部分散射光进行成像，之后探测器402将成像转化为数值信号，并根据数值信号判断颗粒的位置及尺寸。

总之，在本实施例所述的表面检测系统中，所述光源10产生的线偏振光通过所述偏振分束器203投射至所述待检测物90的表面后，产生部分一次镜面反射光102a、102b，所述一次镜面反射光102a、102b进入所述回收单元30后沿原方向返回，并因两次通过所述波片301而改变偏振方向，再次投射至所述待检测物90的表面后产生不能通过所述偏振分束器203的部分二次镜面反射光104a和104b，所述偏振分束器203将所述二次镜面反射光104a和104b反射至所述吸光单元70。

在本实施例中，假设待检测物90的折射率为1.5，入射角如70°，单个光学元件的透光率或反射率为0.95，则光能利用率可提高约57％。

实施例二

本实施例的方案如图3所示，表面检测系统包含光源10、载物台200、光调整单元20、回收单元60、第一探测单元40、第二探测单元50以及吸光单元70。

光源10发出的光束101经过光调整单元20的透镜201和透镜202后，投射到待检测物90的表面，形成第一照明视场。镜面反射光102经过光回收单元60后，反射光束105再次投射到待检测物90的表面，形成第二照明视场，其镜面反射光束106进入吸光装置70。

所述的光回收单元60可以是全反射棱镜。从减小杂散光考虑，镜面反射光102应垂直入射到全反射棱镜表面，此时产生的全反射光会垂直于全反射棱镜的另一表面射出。进一步的，可在全反射棱镜的入射和反射表面镀增透膜，以增加透射光的强度，减少光的损失。光回收单元60还可以由反射镜602和设置于所述反射镜602两侧的透镜601和603构成成像镜组结构，如图4所示，用于将第一照明视场成像到第二照明视场的位置，可用于解决光束经过反射后平行度降低的问题，也可减小光能量损失。

第一探测单元40和第二探测单元50分别用于探测所述的第一照明视场和第二照明视场。每一探测单元包括成像镜组和连接所述成像镜组的探测器。比如第一探测单元40包括第一成像镜组401和第一探测器402，第二探测单元50包括第二成像镜组501和第二探测器502。由于第一照明视场和第二照明视场的光照强度不同，因此需要进行相应的校正。基于此，所述第一探测单元40和第二探测单元50均包括光强测定仪和增益单元，分别设置于第一探测器402和第二探测器502中，能够防止镜面反射光的减弱。

具体测校步骤如下：

(1)第一探测单元40和第二探测单元50的光强测定仪分别测量第一照明视场的光强I1和第二照明视场的光强I2；

(2)通过两个视场的光强度之比β＝I1/I2，第一探测单元40和第二探测单元50的增益单元分别调整各自的增益g1和g2，使其满g1/g2＝1/β。

当第一照明视场和第二照明视场内出现颗粒时，第一成像镜组401和第二成像镜组501分别将收集颗粒的部分散射光进行成像，之后第一探测器402和第二探测器502分别将成像转化为数值信号，并根据数值信号判断颗粒的位置及尺寸。

在本实施例中，探测单元的数量为两个，回收单元的数量为一个，设置于两个探测单元之间。但本发明不限制探测单元和回收单元的数量，当所述探测单元的数量为n时，所述回收单元的数量为n-1，n为大于1的自然数。此时，所述光源10将光束101投射至第一探测单元对应的所述待检测物90的表面，形成第一照明视场，产生部分一次镜面反射光，第一回收单元将所述一次镜面反射光再次投射至第二探测单元对应的所述待检测物90的表面，形成第二照明视场，产生部分二次镜面反射光，第二回收单元将所述二次镜面反射光再次投射至第三探测单元对应的所述待检测物90的表面，形成第三照明视场……第n-1回收单元将第n-1次镜面反射光再次投射到第n个探测单元对应的待检测物90的表面，形成第n照明视场，产生的第n次镜面反射光进入所述吸光装置70。

如图5所示，本发明还提供一种表面检测方法，通过上述的表面检测系统实现，包括以下步骤：

将待检测物上载到载物台；

打开光源，光束投射到所述待检测物表面，探测单元收集所述待检测物表面的散射光，回收单元收集所述待检测物表面的镜面反射光，并将所述镜面反射光再次投射至所述待检测物表面；

通过所述载物台的水平移动，实现所述待检测物表面不同区域的检测；

所述探测单元根据探测的散射光确定颗粒的尺寸及位置信息。

本发明提供的表面检测系统载物台、光源、探测单元和回收单元，所述回收单元用于收集所述待检测物表面的镜面反射光，并将所述镜面反射光再次投射至所述待检测物表面。相比于现有技术，经待检测物表面反射而被吸收的光得以再次利用，提高了光能利用率的同时，对待检测物表面的再次投射也能提高探测的灵敏度。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (20)

1.一种表面检测系统，其特征在于，包括：

载物台，用于承载一待检测物，所述载物台能够带动所述待检测物移动；

光源，用于投射光束至所述待检测物表面；

探测单元，用于探测来自所述待检测物表面的散射光；以及

回收单元，用于收集所述待检测物表面的镜面反射光，并将所述镜面反射光再次投射至所述待检测物表面。

2.如权利要求1所述的表面检测系统，其特征在于：还包括吸光单元，用于吸收所述待检测物表面检测完成后剩余的镜面反射光。

3.如权利要求1所述的表面检测系统，其特征在于：还包括光调整单元，设置于所述光源与所述载物台之间，用于对所述光束进行整形、扩束及准直。

4.如权利要求3所述的表面检测系统，其特征在于：所述光调整单元由多个透镜组成。

5.如权利要求1所述的表面检测系统，其特征在于：所述探测单元包括：

成像镜组，用于对散射光进行成像；以及

探测器，连接所述成像镜组，用于分析成像以检测待测物表面的缺陷。

6.如权利要求5所述的表面检测系统，其特征在于：所述缺陷包括颗粒、指纹、油污、刮伤、针孔其中之一者或多者。

7.如权利要求2所述的表面检测系统，其特征在于：还包括偏振分束器，设置于所述光源与所述载物台之间，所述光源产生能通过所述偏振分束器的线偏振光，经所述回收单元再次投射至所述待检测物表面的镜面反射光经所述待检测物表面产生二次镜面反射光，所述偏振分束器将所述二次镜面反射光反射至所述吸光单元。

8.如权利要求1所述的表面检测系统，其特征在于：所述回收单元包括四分之一波片及可使所述镜面光按原路返回的反射器。

9.如权利要求8所述的表面检测系统，其特征在于：所述反射器为角锥棱镜。

10.如权利要求8所述的表面检测系统，其特征在于：所述反射器通过凸透镜和反射镜实现将光束按原方向返回。

11.如权利要求8所述的表面检测系统，其特征在于：所述反射器为平面反射镜。

12.如权利要求1所述的表面检测系统，其特征在于：所述光源为线偏振激光器。

13.如权利要求1所述的表面检测系统，其特征在于：所述光源包括LED光源及起偏器，用于产生线偏振光。

14.如权利要求1所述的表面检测系统，其特征在于，所光源包括卤素灯光源及起偏器，用于产生线偏振光。

15.一种表面检测系统，包括：

载物台，用于承载待检测物，所述载物台能够带动所述待检测物移动；

光源，用于投射光束至所述待检测物表面，形成第一照明视场；

n-1个回收单元，将所述待测物表面第一次反射的镜面反射光依序进行n-1次反射以照射所述待测物表面形成第二照明视场或第二至第n照明视场，n为大于1的自然数；

n个探测单元，用于分别探测所述n个照明视场内所述待测物表面的衍射光。

16.如权利要求15所述的表面检测系统，其特征在于：所述回收单元是全反射棱镜。

17.如权利要求15所述的表面检测系统，其特征在于：所述探测单元包括用于防止镜面反射光的减弱的光强测定仪和增益单元，均设置于所述探测单元的内部。

18.如权利要求15所述的表面检测系统，其特征在于：所述回收单元包括反射镜和设置于所述反射镜两侧的透镜。

19.如权利要求15所述的表面检测系统，还包括吸光单元，用于吸收所述第n个照明视场内经所述待测物表面所反射的镜面反射光。

20.一种表面检测方法，用于检测待测表面的缺陷，通过权利要求1-19任意一项所述的表面检测系统实现，其特征在于，包括以下步骤：

将待检测物上载到载物台；

打开光源，光束投射到所述待检测物表面，探测单元收集所述待检测物表面的散射光，回收单元收集所述待检测物表面的镜面反射光，并将所述镜面反射光再次投射至所述待检测物表面；

通过所述载物台的水平移动，实现所述待检测物表面不同区域的检测；

所述探测单元根据探测的散射光确定缺陷的尺寸及位置信息。