CN106442565A - 高速激光线扫描的表面缺陷检测装置 - Google Patents

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Abstract

一种高速激光线扫描的表面缺陷检测装置，该装置主要包括激光器、激光扩束系统、第一高反镜、起偏器、第二高反镜、波片、第三高反镜、旋转棱镜、行触发探测器、远心场镜、激光聚焦点阵线、被测样品、散射光收集器、线阵散射光探测器和柱面透镜。该装置具有较高的灵敏度和信噪比，解决了大口径、大重量样品的表面缺陷测量需求。

Description

高速激光线扫描的表面缺陷检测装置
技术领域
本发明涉及表面缺陷检测领域，特别是一种针对超光滑表面微小缺陷的高速度高灵敏度的检测方法及装置。
背景技术
超光滑表面元器件在微光机电系统、激光聚变系统、激光器谐振腔、探测器芯片、大规模集成电路基片和半导体制造等为主的光电子产业领域都有广泛的应用。以激光聚变系统为例，光学元件表面的微小缺陷(如划痕和麻点)一方面会由于散射降低激光的能量利用率，另一方面会造成激光能量的沉积，通过热吸收效应造成激光损伤和破坏，极大限制了核心元器件的激光损伤阈值，降低了系统的性能。以集成电路和半导体制造为例，根据国家2014年6月颁布的《国家集成电路产业发展推进纲要》的实施目标“32/28纳米(nm)制造工艺实现规模量产……65-45nm关键设备和12英寸硅片等关键材料在生产线上得到应用……”，材料表面的微小缺陷严重制约了产品的良率和生产效率。因此，对超光滑表面微小缺陷的定量检测是需要迫切解决的问题。
目前，国内外超光滑表面微小缺陷检测方法主要包括：目视法、显微成像法、激光散射测量法。
目视法主要通过人工观察，具有主观性、无法量化、分辨率低、检测结果不可靠的缺点。
显微成像法(参考文献CN1563957A)通过暗场光源照明和显微光学CCD成像系统结合对被测表面进行成像和拼接，实现了量化检测，但是检测速度慢，后续数字化处理时间长。
激光散射测量法由于其高灵敏度被广泛用于半导体检测中，美国KLA-Tencor公司利用该方法(参考文献US5798829)使激光束在硅片表面聚焦成微小的点，通过硅片高速旋转和径向运动实现对圆形硅片表面的高速度高灵敏度的缺陷检测，但是该方法采用单点激光束测量，无法满足大口径、大重量的样品表面测量需求。
发明内容
本发明公开了一种高速激光线扫描的表面缺陷检测装置，该装置具有较高的灵敏度和信噪比，可有效地检测如划痕和麻点等表面缺陷。
本发明的技术解决方案如下：
一种高速激光线扫描的表面缺陷检测装置，其特点在于，该装置包括激光器、激光扩束系统、第一高反镜、起偏器、第二高反镜、波片、第三高反镜、旋转棱镜、行触发探测器、远心场镜、激光聚焦点阵线、被测样品、散射光收集器、线阵散射光探测器和柱面透镜，所述的激光器输出的激光束依次经所述的激光扩束系统、第一高反镜、起偏器、第二高反镜、波片、第三高反镜入射在所述的旋转棱镜的反射棱面上，所述的激光束经所述的旋转棱镜反射到所述的远心场镜，该远心场镜将各个角度入射的激光束以一定的入射角聚焦到被测样品的表面，并在所述的被测样品的表面形成一条激光聚焦点阵线，在该激光聚焦点阵线的正上方并沿该激光聚焦点阵线设置所述的散射光收集器，该散射光收集器为一由前端面、后端面、上平面、下平面和两侧面构成的柱状空腔结构，长度大于所述的激光聚焦点阵线的长度，该散射光收集器的两侧面即散射光收集器的横截面的两侧的轮廓是由同一椭圆的对称的两部分构成的光的反射面，所述的上平面、下平面对光通透，该散射光收集器的椭圆的下焦点线与所述的激光聚焦点阵线重合，在该椭圆的上焦点线上设置所述的线阵散射光探测器，在所述的散射光收集器的空腔内的中心偏下沿所述的激光聚焦点阵线方向设置一柱面透镜，该柱面透镜的下焦线与所述的激光聚焦点阵线重合，上焦线与所述的线阵散射光探测器重合，所述的行触发探测器与所述的旋转棱镜并排平行放置。
所述的波片是1/4波片或1/2波片。
所述的旋转棱镜是振镜、声光调制器、电光调制器或旋转电机。
所述的线阵散射光探测器为光电二极管阵列、电荷耦合元件阵列或光电倍增管阵列。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明一方面通过光学系统直接在被测表面实现激光聚焦点阵线，实现了高速线扫描，避免了因大口径、大重量样品高速旋转运动带来的振动、位移导致的误差，适应大口径、大重量的样品表面测量需求；
另一方面通过横截面为椭圆轮廓的散射光收集器结合其中设置的柱面透镜，将激光聚焦点阵线所在直线上缺陷点的散射光全部收集到线阵探测器中，与传统的积分球收集方式相比，具有更高的灵敏度和信噪比。
附图说明
图1是本发明所述的椭圆定义和椭圆法线定理示意图。
图2是本发明高速激光线扫描的表面缺陷检测装置的结构框图。
图3是本发明所述的散射光收集器原理示意图。
图中：1为激光器、2为激光扩束系统、3为第一高反镜、4为起偏器、5为第二高反镜、6为波片、7为第三高反镜、8为旋转棱镜、9为行触发探测器、10为远心场镜、11为激光聚焦点阵线、12为被测样品、13为散射光收集器、14为线阵散射光探测器、15为柱面透镜。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步详细阐述。
本发明的工作原理如下：
先请参阅图1，根据椭圆定义：平面内与两定点F1和F2的距离之和等于常数的动点P的轨迹叫做椭圆，其中F1和F2成为该椭圆的焦点。再根据椭圆法线定理：设F1和F2为椭圆的两个焦点，P为椭圆上任意一点，若直线AB为椭圆在P点的法线，则直线AB平分∠F1PF2。根据以上定义和定理，假设椭圆焦点F1为一理想点光源，从该点光源F1发出的任一方向的光束交椭圆于P点，则根据椭圆法线定理可以推出，从P点经椭圆反射的光束必经过另一个焦点F2。根据上述推论，将图1中椭圆的实线部分轮廓作为光束收集器的内反射表面，将焦点F1作为点光源，则点光源发出的各个方向的光束经过光束收集器反射，将聚焦在F2点。
图2是本发明高速激光线扫描的表面缺陷检测装置的结构框图。由图可见，本发明高速激光线扫描的表面缺陷检测装置，包括激光器1、激光扩束系统2、第一高反镜3、起偏器4、第二高反镜5、波片6、第三高反镜7、旋转棱镜8、行触发探测器9、远心场镜10、激光聚焦点阵线11、被测样品12、散射光收集器13、线阵散射光探测器14和柱面透镜15，所述的激光器1输出的激光束依次经所述的激光扩束系统2、第一高反镜3、起偏器4、第二高反镜5、波片6、第三高反镜7入射在所述的旋转棱镜8的反射棱面上，所述的激光束经所述的旋转棱镜8反射到所述的远心场镜10，所述的远心场镜10将各个角度入射的激光束以一定的入射角聚焦到被测样品12的表面，并在所述的被测样品的表面形成一条激光聚焦点阵线11，在该激光聚焦点阵线11的正上方并沿该激光聚焦点阵线11设置所述的散射光收集器13，该散射光收集器13为一由前端面、后端面、上平面、下平面和两侧面构成的柱状空腔结构，长度大于所述的激光聚焦点阵线11的长度，该散射光收集器13的两侧面即散射光收集器的横截面的两侧的轮廓是由同一椭圆的对称的两部分构成的光的反射面，所述的上平面、下平面对光通透，该散射光收集器13的椭圆的下焦点线F1与所述的激光聚焦点阵线11重合，在该椭圆的上焦点线F2上设置所述的线阵散射光探测器14，所述的行触发探测器9与所述的旋转棱镜8并排平行放置。
所述的散射光收集器13的空腔内的中心偏下沿所述的激光聚焦点阵线11方向设置一柱面透镜15，该柱面透镜15的下焦线与所述的激光聚焦点阵线11重合，上焦线与所述的线阵散射光探测器14重合。
若被测样品12表面没有缺陷，则入射激光束被样品表面沿镜像反射。若被测样品表面12有缺陷，则入射激光束发生散射，散射光被所述的散射光收集器13收集并聚焦到线阵散射光探测器14上。
通过旋转棱镜8扫描的激光束有一部分入射到与所述的旋转棱镜8并排放置的行触发探测器9上产生行触发信号，行触发信号用来判断在水平方向每行扫描激光束的起始位置。
结合图3所示，散射光收集器13为一柱状结构，长度大于激光聚焦点阵线11。散射光收集器13的横截面为图1所示的部分椭圆轮廓。该椭圆轮廓的焦点F1设置于激光聚焦点阵线11所在的直线上，该椭圆轮廓的焦点F2设置于线阵散射光探测器14所在的直线上。在散射光收集器13中设置所述的柱面透镜15。激光聚焦点阵线11所在的直线上若有缺陷，则与被测样品12表面法线夹角较大的缺陷点散射光可以通过散射光收集器13的椭圆轮廓反射并会聚到线阵散射光探测器14上，而与被测样品12表面法线夹角较小的缺陷点的散射光可以通过位于散射光收集器13中的柱面透镜15会聚到线阵散射光探测器14上。
激光器1发出的激光束通过激光扩束系统2进行准直和扩束，通过第一高反镜3入射到起偏器4后通过第二高反镜5反射到波片6上，通过波片6的激光束通过第三高反镜7反射到旋转棱镜8上。旋转棱镜8首先将入射激光束在一定角度范围内连续扫描，并入射到远心场镜10。远心场镜10将各个角度入射的激光束以一定的入射角聚焦到被测样品12表面，在被测样品12表面形成一条激光聚焦点阵线11。
通过旋转棱镜8扫描的激光束有一部分入射到与旋转棱镜8并排放置的行触发探测器9上产生行触发信号，行触发信号用来判断在水平方向每行扫描激光束的起始位置。
本实施例中波片6可以是1/4波片或1/2波片，与起偏器4配合使用可以调节激光束的偏振态为水平偏振光、垂直偏振光、圆偏振光或者椭圆偏振光。
本实施例中旋转棱镜8是用于将入射激光束在一定角度范围内进行连续角度扫描的装置，实现该功能的装置还包括但不限于振镜、声光调制器、电光调制器、旋转电机。
本实施例中线阵散射光探测器14为实现光电转换的器件，实现该功能的装置包括但不限于光电二极管阵列、电荷耦合元件阵列、光电倍增管阵列。
实验表明，本发明装置具有较高的灵敏度和信噪比，解决了大口径、大重量样品的表面缺陷测量需求。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或者替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (4)

1.一种高速激光线扫描的表面缺陷检测装置，其特征在于，该装置包括激光器(1)、激光扩束系统(2)、第一高反镜(3)、起偏器(4)、第二高反镜(5)、波片(6)、第三高反镜(7)、旋转棱镜(8)、行触发探测器(9)、远心场镜(10)、激光聚焦点阵线(11)、被测样品(12)、散射光收集器(13)、线阵散射光探测器(14)和柱面透镜(15)，所述的激光器(1)输出的激光束依次经所述的激光扩束系统(2)、第一高反镜(3)、起偏器(4)、第二高反镜(5)、波片(6)、第三高反镜(7)入射在所述的旋转棱镜(8)的反射棱面上，所述的激光束经所述的旋转棱镜(8)反射到所述的远心场镜(10)，所述的远心场镜(10)将各个角度入射的激光束以一定的入射角聚焦到被测样品(12)的表面，并在所述的被测样品的表面形成一条激光聚焦点阵线(11)，在该激光聚焦点阵线(11)的正上方并沿该激光聚焦点阵线(11)设置所述的散射光收集器(13)，该散射光收集器(13)为一由前端面、后端面、上平面、下平面和两侧面构成的柱状空腔结构，长度大于所述的激光聚焦点阵线(11)的长度，该散射光收集器(13)的两侧面即散射光收集器的横截面的两侧的轮廓是由同一椭圆的对称的两部分构成的光的反射面，所述的上平面、下平面对光通透，该散射光收集器(13)的椭圆的下焦点线(F1)与所述的激光聚焦点阵线(11)重合，在该椭圆的上焦点线(F2)上设置所述的线阵散射光探测器(14)，在所述的散射光收集器(13)的空腔内的中心偏下沿所述的激光聚焦点阵线(11)方向设置一柱面透镜(15)，该柱面透镜(15)的下焦线与所述的激光聚焦点阵线(11)重合，上焦线与所述的线阵散射光探测器(14)重合，所述的行触发探测器(9)与所述的旋转棱镜(8)并排平行放置。
2.根据权利要求1所述的高速激光线扫描的表面缺陷检测装置，其特征在于：所述的波片(6)是1/4波片或1/2波片。
3.根据权利要求1所述的高速激光线扫描的表面缺陷检测装置，其特征在于：所述的旋转棱镜(8)是振镜、声光调制器、电光调制器或旋转电机。
4.根据权利要求1至3任一项所述的高速激光线扫描的表面缺陷检测装置，其特征在于：所述的线阵散射光探测器(14)为光电二极管阵列、电荷耦合元件阵列或光电倍增管阵列。
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