CN106932399B

CN106932399B - 一种暗场照明装置及表面缺陷检测装置

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Publication number: CN106932399B
Application number: CN201511025773.6A
Authority: CN
Inventors: 梁海亮
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2020-02-18
Anticipated expiration: 2035-12-30
Also published as: CN106932399A

Abstract

本发明公开了一种暗场照明装置及表面缺陷检测装置，其中，所述暗场照明装置包括光源、光传导匀化结构、固定件及装置固定架，所述光传导匀化结构包括入射端、传导段和若干出射端，所述光源发出的光入射到所述入射端端面，经所述传导段后从若干所述出射端倾斜于待测试平面射出，若干所述出射端构成环形，并通过所述固定件固定在所述装置固定架上，所述光传导匀化结构为一体式注塑结构。本发明采用的光传导匀化结构为一体式注塑结构，光源发出的光在其中进行传导时发生全反射，各个方向的全反射对光进行匀化，提高了暗场照明装置的照明均匀性，同时，一体式注塑结构具有接近100％的填充率，一体式注塑结构简单，易于制造和装配。

Description

一种暗场照明装置及表面缺陷检测装置

技术领域

本发明涉及一种暗场照明装置及表面缺陷检测装置，应用于半导体行业。

背景技术

暗场照明技术广泛应用于仪器视觉领域，如表面缺陷检测领域，暗场照明是指照明光束以极大的入射角投射到试样表面上，如果试样表面是一个抛光镜面，则从镜面上反射的光线以极大的反射角反射出去，而不能进入物镜成像，在目镜中只能看到一片漆黑；如果试样表面存在缺陷特征，则从缺陷特征处漫反射的光线有一部分可进入物镜成像，这些缺陷特征呈明亮的像映衬在黑暗的视场内，最终可以在目镜中被观测到。环形暗场照明装置提供均匀的照明光，用于检测试样表面的凹陷、突起、划痕等缺陷特征，因此，环形暗场照明装置照明光的均匀性决定了缺陷的检测质量。

现有技术的环形暗场照明装置常采用LED环形暗场照明和光纤环形暗场照明，其中，LED环形暗场照明作为脉冲光源使用时，能量无法满足高扫描速度的需求，无法适应半导体行业对扫描和检测速度越来越高的要求，作为连续光源使用时存在能量不足的问题。

如图1和图2所示，现有技术的光纤环形暗场照明装置通过传导光纤102作为光传导介质，将光源发出的光从入射端101传导到出射端103后射出，对试样表面进行暗场照明，可同时适用于连续光源和脉冲光源。光纤环形暗场照明使用大量的光纤来传导光，由于光源面分布往往不均匀，现有技术的光纤环形暗场照明装置没有匀光装置，导致进入光纤环形暗场照明装置中每根光纤的能量差异较大，降低了光纤环形暗场照明装置出射光的均匀性，从而影响了缺陷检测质量。由于使用大量彼此独立的光纤作为传导介质，导致该结构的填充率不高，降低了耦合效率，使光源的能量利用率降低，造成光能量损失。同时，采用大量的光纤线缆，造成了暗场照明装置的结构变得复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有光传导和匀化作用、高耦合效率且结构简单的暗场照明装置及表面缺陷检测装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种暗场照明装置，包括光源、光传导匀化结构、固定件及装置固定架，所述光传导匀化结构包括入射端、传导段和若干出射端，所述光源发出的光入射到所述入射端端面，经所述传导段后从若干所述出射端倾斜于待测试平面射出，若干所述出射端构成环形，并通过所述固定件固定在所述装置固定架上，所述光传导匀化结构为一体式注塑结构。

优选的，所述光在所述传导段内进行全反射。

优选的，所述入射端为端面是多边形的柱状结构。

优选的，所述出射端为长方体结构。

优选的，所述固定件的数量与所述出射端的数量一致，每个所述固定件固定一个所述出射端后排布在一起形成环形。

优选的，若干所述出射端注塑成一体式环形结构，所述固定件为与所述一体式环形结构匹配的环形固定件。

优选的，所述入射端的数量不少于2个，所述入射端连接的出射端组合后构成环形。

优选的，每个所述入射端对应的光源均相同。

优选的，所述光传导匀化结构采用聚碳酸酯材料或有机玻璃。

为了实现上述目的，本发明还提供一种表面缺陷检测装置，包括所述暗场照明装置。

与现有技术相比，本发明的暗场照明装置及表面缺陷检测装置，采用的光传导匀化结构为一体式注塑结构，光源发出的光在其中进行传导时发生全反射，各个方向的全反射对光进行匀化，使出射光更加均匀，提高了暗场照明装置的照明均匀性，同时，一体式注塑结构具有接近100％的填充率，使光的耦合效率提高，提高了暗场照明装置的能量利用率，一体式注塑结构通过现有的注塑工艺制造，结构简单，易于制造和装配。

附图说明

图1是现有技术光纤环形暗场照明装置的俯视示意图；

图2是图1中光纤环形暗场照明装置的A-A剖视示意图；

图3是本发明一实施例中暗场照明装置的俯视示意图；

图4是图3中暗场照明装置的B-B剖视示意图；

图5是本发明一实施例中光传导匀化结构入射端的截面示意图；

图6是本发明一实施例中光传导匀化结构出射端的截面示意图；

图7是本发明中暗场照明装置的原理示意图；

图8是本发明中暗场照明装置的暗场照明效果的试验结果图；

图9是本发明中暗场照明装置的暗场照明效果的试验结果图；

图10是本发明一实施例中暗场照明装置的俯视示意图。

图1-2中所示：101、入射端；102、传导光纤；103、出射端；

图3-10中所示：200、光传导匀化结构；201、入射端；202、传导段；203、出射端；300、装置固定架；400、固定件；α、第一入射角；β、第二入射角；γ、固定件倾斜角；θ’、全反射的入射角；θ、全反射临界角。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述：

实施例1

如图3和图4所示，本发明的暗场照明装置，包括光源、光传导匀化结构200及装置固定架300，所述光传导匀化结构200为一体式注塑结构，包括入射端201、传导段202和出射端203，所述光源发出的光入射到入射端201端面，经传导段202进行全反射传导后，从出射端203端面射出，所述出射端203构成环形结构并通过固定件400固定在装置固定架300上，所述出射端203端面倾斜于装置固定架300。相应的，所述固定件400采用倾斜设置，倾斜角为γ。优选的，所述入射端201为端面是多边形的柱状结构，所述出射端203为长方体结构。

本发明的暗场照明装置，采用的光传导匀化结构200为一体式注塑结构，注塑材料优选采用聚碳酸酯材料或有机玻璃。光源发出的光在其中进行传导时发生全反射，各个方向的全反射对光进行匀化，使出射光更加均匀，提高了暗场照明装置的照明均匀性，同时，一体式注塑结构具有接近100％的填充率，使光的耦合效率提高，提高了暗场照明装置的能量利用率，一体式注塑结构通过现有的注塑工艺制造，结构简单，易于制造和装配。

参照图5和图6所示，作为一种具体实施例，所述光传导匀化结构200的入射端201采用正六边形柱状结构，传导段202前段采用正六边形柱状结构，与入射端201对应连接，后段分成8个四边形柱状结构，分别与出射端203对应连接。对应的，出射端203的数量也为8个，采用长方体结构，所述8个出射端203共同围成环形结构。

需要注意的是，在图3中仅给出3个传导段202的后段分别与出射端203中的3个对应连接以示说明。同时，为了能够实施，所述光传导匀化结构200中的部分结构会采用弯折或弯曲结构，对于该部分结构只要满足光在其中发生全反射传导的条件即可，不会影响到整个装置所产生的有益技术效果。

现结合图7所示说明本暗场照明装置的工作原理，为了方便说明，以所述光传导匀化结构200内一个长方形截面内的一条光线的传播路线为例予以说明。光源发出的光以第一入射角α，从空气中入射到所述光传导匀化结构200的入射端201端面，然后光线在入射端201端面发生折射，折射后的光线以θ’角入射到传导段202的侧壁上。

根据斯涅尔折射定律：n·sinθ＝n'·sinθ'，其中，介质1为空气，折射率n＝1，介质2为注塑材料，折射率为n’,当θ’为入射角时，θ为折射角。根据全反射公式，全反射临界角θ＝90°，则

由此可知，通过控制注塑材料的折射率n’和光源的发散角，即可实现光线在光传导匀化结构200内进行全反射传导。最后，光线以第二入射角β入射到所述光传导匀化结构200的出射端203端面，并在出射端203端面发生折射后射出到空气中，出射光照射在试样表面形成暗场照明效果。

其中，当θ’为全反射的入射角时，本暗场照明装置的数值孔径NA＝n'·sin(90-θ')。因此，所选用的注塑材料可以根据实际需要的暗场照明装置的数值孔径来确定。

当光源以一定发散角入射到光传导匀化结构200后，使光线在光传导匀化结构200中发生全反射传导，光路在各个方向上发生全反射，对光路具有匀化作用。结合空间分割理论：光在光传导匀化结构200中多次反射，每次反射都会形成虚拟光源像，多次反射形成二维的虚拟光源矩阵，从而使得光更加的均匀，对光源发出的光进行均匀化，形成均匀的出射光面，其中，以正多边形柱状结构效果最佳。所述光传导匀化结构200解决了现有技术中光纤环形暗场照明装置的均匀性问题。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例所述出射端203采用一体式环形结构。对应的，固定件400也采用环形结构。

采用这种技术，将多个出射端203合并注塑成一个环形结构，在实现光传导匀化效果的基础上，简化了出射端203的结构，便于注塑制造和装配。

实施例3

如图10所示，与实施例1不同的是，本实施例所述入射端201的数量为2个，其对应的光源采用相同光源，所有出射端203围在一起构成环形。采用2个入射端201用于光能量的耦合，增加了用于照明的光能量，可适应于对光能和亮度有更高要求的暗场照明装置。本领域的技术人员可知，所述入射端201的数量还可以扩展到2个以上的情形，这种合理的改进也属于本发明所包括的技术范围。

为了验证本发明的技术效果，使用Tracepro仿真系统对试样进行了试验。图8和图9所示为本暗场照明装置的暗场照明效果的试验结果图。其中，X向和Y向分别表示试样平面的两个正交方向，数值单位为mm；在图8中选择试样平面在X向和Y向的中心线作为数据采集位置，并将两条中心线上的光能量分布显示在图9中。

选取-6～6mm范围内的能量分布，通过不均匀性计算公式计算可得，不均匀性U＝(8.4-7.8)/(8.4+7.8)×100％＝3.7％。相对于现有技术，降低了不均匀性数值，因此，本暗场照明装置的照明均匀性得到了提高和改善。

本发明还提供一种表面缺陷检测装置，包括上述的暗场照明装置。所述表面缺陷检测装置包括照明系统、成像系统及接收器，其中，照明系统包括上述的暗场照明装置，通过本暗场照明装置使得暗场照明的均匀性更佳，通过成像系统显示的试样表面的凹陷、突起、划痕等缺陷特征更加清晰，提高成像分辨率，从而提高了表面缺陷检测质量。

Claims

1.一种暗场照明装置，其特征在于，包括光源、光传导匀化结构、固定件及装置固定架，所述光传导匀化结构包括入射端、传导段和若干出射端，所述光源发出的光入射到所述入射端端面，经所述传导段后从若干所述出射端倾斜于待测试平面射出，若干所述出射端构成环形，并通过所述固定件固定在所述装置固定架上，所述光传导匀化结构为一体式注塑结构；所述光传导匀化结构采用聚碳酸酯材料或有机玻璃。

2.根据权利要求1所述的暗场照明装置，其特征在于，所述光在所述传导段内进行全反射。

3.根据权利要求1所述的暗场照明装置，其特征在于，所述入射端为端面是多边形的柱状结构。

4.根据权利要求1所述的暗场照明装置，其特征在于，所述出射端为长方体结构。

5.根据权利要求1所述的暗场照明装置，其特征在于，所述固定件的数量与所述出射端的数量一致，每个所述固定件固定一个所述出射端后排布在一起形成环形。

6.根据权利要求1所述的暗场照明装置，其特征在于，若干所述出射端注塑成一体式环形结构，所述固定件为与所述一体式环形结构匹配的环形固定件。

7.根据权利要求1所述的暗场照明装置，其特征在于，所述入射端的数量不少于2个，所述入射端连接的出射端组合后构成环形。

8.根据权利要求7所述的暗场照明装置，其特征在于，每个所述入射端对应的光源均相同。

9.一种表面缺陷检测装置，其特征在于，包括权利要求1至8中任何一项所述的暗场照明装置。