CN114280017A - 微机械界面纳米级缺陷检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机械界面缺陷检测技术领域，提供一种微机械界面纳米级缺陷检测装置，包括激光发射装置，能发射激光；倒置显微镜，包括下物镜；单光子探测器，用于接收光子信号；光路组件，包括扩束透镜、长通滤光片、双色镜、光阑、聚焦透镜和发射滤光片；扫描驱动组件，用于驱动待检测物与激光相对位移，使激光能扫描待检测物；单光子计数器，分别与单光子探测器和激光发射装置连接；处理单元，分别与单光子计数器和扫描驱动组件连接。通过测量微机械界面中激子荧光寿命以获得界面的缺陷信息，并能对界面进行荧光寿命成像，从而获得缺陷的空间分布信息。因此能够对不同缺陷密度、缺陷种类的界面进行荧光寿命成像，从而对微机械界面缺陷进行检测。

Description

微机械界面纳米级缺陷检测装置

技术领域

本发明涉及微机械界面缺陷检测技术领域，尤其涉及一种微机械界面纳米级缺陷检测装置。

背景技术

在微机械界面中(尺寸近百微米)，特别是以半导体作为界面的微机电系统中，界面中的纳米级缺陷会严重影响微机电系统的电学、光电子学性能。因此，亟需一种能够检测微机械界面的纳米级缺陷的检测装置。

发明内容

本发明提供一种微机械界面纳米级缺陷检测装置，用以实现对微机械，如半导体等界面的微纳米缺陷的检测。

本发明提供的一种微机械界面纳米级缺陷检测装置，包括：

激光发射装置，能够发射脉冲激光；

倒置显微镜，包括用下物镜，所述下物镜用于将所述激光聚焦于待检测物的界面并收集待检测物激发的光子信号；

单光子探测器，用于接收光子信号；

光路组件，包括扩束透镜、长通滤光片、双色镜、光阑、聚焦透镜和发射滤光片，所述扩束透镜和所述长通滤光片设置于所述激光发射装置与所述双色镜的反射端面之间，所述光阑和所述聚焦透镜设置于所述下物镜与所述双色镜的反射端面之间，所述发射滤光片设置于所述单光子探测器与所述双色镜的透射端面之间；

扫描驱动组件，用于承载并驱动所述待检测物与所述激光相对位移，以使所述激光能够扫描所述待检测物表面；

单光子计数器，分别与所述单光子探测器和所述激光发射装置，且能基于所述激光发射装置传输的激光脉冲周期的数目、所述单光子探测器传输的光子信息，获取多个激光脉冲周期内的光子数量；

处理单元，与所述扫描驱动组件和所述单光子计数器电连接，且能基于所述单光子计数器传输的光子数量、所述扫描驱动组件传输的所述激光的照射点位信息，获取各个照射点位的光子数量。

根据本发明提供的一种微机械界面纳米级缺陷检测装置，所述扫描驱动组件包括压电位移台和位移台控制器；

所述待检测物用于设置在所述压电位移台上，所述压电位移台能够驱动所述待检测物位移；

所述位移台控制器分别与所述处理单元、所述单光子计数器和所述压电位移台电连接。

根据本发明提供的一种微机械界面纳米级缺陷检测装置，所述扫描驱动组件包括振镜；

所述振镜设置于所述聚焦透镜和所述下物镜之间，所述振镜能够基于电压与摆动角度的转换比例进行摆动，以使所述激光能够通过所述振镜，对待检测物激发和扫描；

所述振镜分别与所述处理单元、所述单光子计数器电连接。

根据本发明提供的一种微机械界面纳米级缺陷检测装置，所述处理单元包括微型计算机；

所述微型计算机分别与所述扫描驱动组件和所述单光子计数器电连接。

根据本发明提供的一种微机械界面纳米级缺陷检测装置，还包括照明光源，所述倒置显微镜还包括上物镜；

所述照明光源用于通过所述上物镜对待检测区域进行照明，所述上物镜的光线出口端用于所述待检测物相对。

根据本发明提供的一种微机械界面纳米级缺陷检测装置，还包括原子力显微镜和/或拉曼光谱仪；

所述原子力显微镜的探针设置于所述待检测物的上方；

所述拉曼光谱仪的检测器设置于所述倒置显微镜的第二光口，所述聚焦透镜设置于所述倒置显微镜的第一光口。

根据本发明提供的一种微机械界面纳米级缺陷检测装置，所述扩束透镜包括依次设置的第一消色差透镜和第二消色差透镜。

根据本发明提供的一种微机械界面纳米级缺陷检测装置，还包括硬件路由器；

所述位移台控制器通过所述硬件路由器与所述单光子计数器电连接。

根据本发明提供的一种微机械界面纳米级缺陷检测装置，所述激光发射装置包括激光器和与所述激光器电连接的激光控制器；

所述激光控制器分别与所述处理单元和所述单光子计数器电连接。

根据本发明提供的一种微机械界面纳米级缺陷检测装置，所述光路组件还包括用于调整所述激光的传输路径的反射镜组。

本发明提供的微机械界面纳米级缺陷检测装置，通过激光发射装置发射脉冲激光，激光经过扩束透镜、长通滤光片后，经双色镜反射端面反射，再经过光阑、聚焦透镜进入到下物镜，下物镜与待检测物相对，从而使激光能聚焦于待检测物的表面，使待检测物激发荧光。待检测物激发的荧光经过下物镜传出，并经过聚焦透镜、光阑后，经双色镜透射，从双色镜的透射端面传出，并进入到单光子探测器。

单光子探测器接收到光子信号后转换为电信号，并传输至单光子计数器。同时，激光发射装置能够将激光脉冲周期的数目传输至单光子计数器，单光子计数器基于激光脉冲周期的数目以及光子信号，获取多个脉冲激光周期内的光子数量，从而检测激光照射点位的微机械界面材料的荧光寿命。通过扫描驱动组件驱动待检测物与激光进行相对位移，并通过扫描驱动组件将激光的照射点位信息传输至处理单元，同时，单光子计数器将此照射点位的光子数量传输至处理单元，从而获取各个照射点位的光子数量。最后基于各个照射点位的光子数量，可对待检测物界面进行荧光寿命成像。

由于缺陷会对激子荧光寿命产生影响，本发明提供的微机械界面纳米级缺陷检测装置通过测量微机械界面中激子的荧光寿命从而获得界面的缺陷信息，并能够对界面进行荧光寿命成像，从而获得缺陷的空间分布信息。因此，能够对不同缺陷密度、缺陷种类的界面进行荧光寿命成像，从而达到微机械界面缺陷检测的目的。当然，基于荧光寿命数值还可以间接计算界面所处的介电环境信息以及界面材料厚度信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的微机械界面纳米级缺陷检测装置的结构示意图；

附图标记：

1、下物镜；2、单光子探测器；3、单光子计数器；4、长通滤光片；5、双色镜；6、光阑；7、聚焦透镜；8、发射滤光片；9、压电位移台；10、位移台控制器；11、微型计算机；12、上物镜；13、第一消色差透镜；14、第二消色差透镜；15、硬件路由器；16、激光器；17、激光控制器；18、反射镜；19、反射端面；20、透射端面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1描述本发明提供的实施例中的微机械界面纳米级缺陷检测装置。

具体来说，微机械界面纳米级缺陷检测装置包括激光发射装置、倒置显微镜、单光子探测器2、单光子计数器3、光路组件、扫描驱动组件以及处理单元。

其中，激光发射装置能够发射脉冲激光。例如，激光的波长为405nm、频率为40MHz。

可选地，激光发射装置包括激光器16和与激光器16电连接的激光控制器17。激光控制器17能够控制激光器16发射脉冲激光。

具体地，激光器16可以设置为半导体激光器16，例如可以选择PicoQuant公司的LDH系列，波长为405nm的激光器16产品。激光控制器17可以选择PicoQuant公司的型号为PDL828“Sepia II”的产品。

倒置显微镜包括下物镜1。下物镜1用于将激光聚焦于待检测物的界面并收集待检测物激发的光子信号。例如，倒置显微镜可以选择Olympus公司的型号为IX73的显微镜。

单光子探测器2用于接收光子信号，并能够将光子信号转换为电信号。例如，单光子探测器2可以选择PicoQuant公司的型号为PMA Hybrid的单光子探测产品。

光路组件包括扩束透镜、长通滤光片4、双色镜5、光阑6、聚焦透镜7和发射滤光片8。扩束透镜和长通滤光片4设置于激光发射装置与双色镜5的反射端面19之间。光阑6和聚焦透镜7设置于下物镜1与双色镜5的反射端面19之间。发射滤光片8设置于单光子探测器2与双色镜5的透射端面20之间。

激光器16发射的激光经过扩束透镜和长通滤光片4后照射于双色镜5的反射端面19上，经过反射端面19反射后，再经过光阑6和聚焦透镜7进入到下物镜1。经过下物镜1聚焦照射于待检测物的表面，以使待检测物激发荧光。待检测物激发的荧光经下物镜1传出，经过聚焦透镜7和光阑6后照射于双色镜5的反射端面19并透过双色镜5从透射端面20穿出，经过发射滤光片8后进入到单光子探测器2。

其中，扩束透镜用于对激光进行扩束，以扩展激光的直径并减小发散角，以使经过扩束透镜的激光可以被聚焦透镜7和下物镜1聚焦到更小。

可选地，扩束透镜可以包括第一消色差透镜13和第二消色差透镜14。进一步地，第一消色差透镜13的焦距设置为30mm，第二消色差透镜14的焦距设置为150mm。

其中，长通滤光片4用于使波长为405nm的光束通过。例如，长通滤光片4的型号可以为BLP01-405R-25。

其中，光阑6用于控制透过光阑6的激光以及荧光的强度。

其中，聚焦透镜7可以设置于倒置显微镜的第一光口。第一光口可以是倒置显微镜的右侧光口。倒置显微镜的光口与下物镜1相对，以供光线进入到下物镜1。聚焦透镜7的焦距可以设置为180mm。激光经过聚焦透镜7能够在下物镜1后焦面聚焦，并在待检测物位置像平面准直，对待检测物做均匀全视野照明。下物镜1的放大倍数可为100倍，数值孔径设置为0.9。经过聚焦透镜7聚焦后的激光，进入到下物镜1，经过下物镜1再次聚焦，照射于样品表面，从而激发样品。

其中，双色镜5的反射端面19用于发射激光，双色镜5的透射端面20用于透射荧光，从而能够将光路组件中的激光和荧光分离。例如，双色镜5的型号可以选用Di03-R405-t1-25x36。

其中，发射滤光片8用于对荧光中的激光等进行滤除，防止干扰。

扫描驱动组件用于承载并驱动待检测物与激光相对位移，以使激光能够扫描待检测物表面。

单光子计数器3分别与单光子探测器2和激光发射装置电连接，且能基于激光发射装置传输的激光脉冲周期的数目、单光子探测器2传输的光子信息，获取多个激光脉冲周期内的光子数量。通过获取多个激光脉冲周期内的光子数量可以拟合得到荧光衰减曲线，进而通过分析荧光衰减曲线可以得到荧光寿命值。例如，单光子计数器3可以选择PicoQuant公司的型号为PicoHarp 300的单光子计数产品。

具体地，单光子计数器3与激光发射装置电连接，即单光子计数器3与激光控制器17电连接，以使激光控制器17能够将激光脉冲周期的数目传输至单光子计数器3。

处理单元分别与扫描驱动组件和单光子计数器电连接，且能基于单光子计数器传输的光子数量、扫描驱动组件传输的激光的照射点位信息，获取各个照射点位的光子数量。

本发明提供的微机械界面纳米级缺陷检测装置，基于单光子计数检测原理，通过激光发射装置发射脉冲激光，激光经过扩束透镜、长通滤光片4后，经双色镜5反射端面19反射，再经过光阑6、聚焦透镜7进入到下物镜1，下物镜1与待检测物相对，从而使激光能聚焦于待检测物的表面，使待检测物激发荧光。待检测物激发的荧光经过下物镜1传出，并经过聚焦透镜7、光阑6后，经双色镜5透射，从双色镜5的透射端面20传出，并进入到单光子探测器2。如此设置，光程最短，对荧光采集时，光损失最小。

单光子计数器3可对单光子探测器2、激光控制器17和扫描驱动组件进行同步，通过扫描驱动组件驱动激光和待检测物相对移动，扫描得到待检测物的界面的荧光寿命图像。

具体而言，单光子探测器2接收到光子信号后转换为电信号，并传输至单光子计数器3。同时，激光发射装置能够将激光脉冲周期的数目传输至单光子计数器3。单光子计数器3基于激光脉冲周期的数目以及光子信号，获取多个脉冲激光周期内的光子数量，从而计算出当前的激光照射点位的微机械界面材料的荧光寿命。通过扫描驱动组件驱动待检测物与激光进行相对位移，并通过扫描驱动组件将激光的照射点位信息传输至处理单元，同时，单光子计数器将此照射点位的光子数量传输至处理单元，从而获取并记录各个照射点位的光子数量。最后基于各个照射点位的多个脉冲激光周期内的光子数量，可对待检测物界面进行荧光寿命成像。

由于缺陷会对激子荧光寿命产生影响，本发明提供的微机械界面纳米级缺陷检测装置通过测量微机械界面中激子的荧光寿命从而获得界面的缺陷信息，并能够对界面进行荧光寿命成像，从而获得缺陷的空间分布信息。因此，能够对不同缺陷密度、缺陷种类的界面进行荧光寿命成像，从而达到微机械界面缺陷检测的目的。当然，通过荧光寿命数值还可以间接计算界面所处的介电环境信息以及界面材料厚度信息。

同时，本发明提供的实施例中的微机械界面纳米级缺陷检测装置设置为半开光光路，升级潜力大，能够升级为共聚焦光路，任意增加激光器，如增加不同激发波长的激光器，还可以任意增加检测器，以进行多路同时检测。

在本发明提供的一些实施例中，扫描驱动组件包括压电位移台9和位移台控制器10。

待检测物用于设置在压电位移台9上，压电位移台9能够驱动待检测物位移。需要说明的是，压电位移台9属于现有技术中的产品，关于其构造原理不属于本文论述重点，此处不再赘述。

位移台控制器10分别与处理单元、单光子计数器3和压电位移台9电连接。位移台控制器10用于直接对压电位移台9的运动状态进行控制，并能够将压电位移台9移动的位置信息传输至处理单元，以便于处理单元获取各个照射点位的光子数量。位移台控制器与单光子计数器电连接，以便于单光子计数器对位移台控制器及激光发射装置进行同步。

当然，扫描驱动组件的形式并不局限于上述的压电位移台9的形式。

例如，在本发明提供的其他实施例中，扫描驱动组件包括振镜。

振镜设置于聚焦透镜7和下物镜1之间。振镜能够基于电压与摆动角度的转换比例进行摆动，以使激光能够通过振镜，对待检测物激发和扫描。与上述实施例中不同的是，本实施例中通过振镜改变激光照射方向，来实现对待检测物的表面进行扫描。

振镜分别与处理单元、单光子计数器3电连接，以将照射点位的位置信息传输至处理单元，以便于处理单元获取各个照射点位的光子数量。振镜与单光子计数器，以便于单光子计数器对振镜及激光发射装置进行同步。

在本发明提供的一些实施例中，微机械界面纳米级缺陷检测装置处理单元包括微型计算机11。

微型计算机11分别与激光发射装置、扫描驱动组件和单光子计数器3电连接。进一步地，微型计算机11上可以安装专用软件，以分别对激光发射装置、扫描驱动组件和单光子计数器3的工作状态进行控制。当然，单光子计数器3还可以将数据传输至微型计算器，并利用专业软件对数据进行分析处理。

在本发明提供的一些实施例中，微机械界面纳米级缺陷检测装置还包括照明光源，倒置显微镜还包括上物镜12。

照明光源用于通过上物镜12对待检测区域进行照明，上物镜12的光线出口端用于待检测物相对。

例如，在将待检测物固定后，可以打开照明光源，白光可以经过上物镜12照亮待检测物区域，以便于实验人员方便查找待检测物的位置，在确定待检测物位置后，可以将关闭照明光源，再打开激光器16。

在本发明提供的一些实施例中，微机械界面纳米级缺陷检测装置还包括硬件路由器15。

位移台控制器10通过硬件路由器15与单光子计数器3电连接，以使位移台控制器10与单光子计数器3之间能够进行信息传输。例如，硬件路由器15可以选择PicoQuant公司的型号为PHR800的产品。

在本发明提供的一些实施例中，激光发射装置包括激光器和与激光器电连接的激光控制器。激光控制器分别与处理单元和单光子计数器电连接。处理单元能够控制激光控制器的工作状态，激光控制器能够将激光的激光脉冲周期的数目传输至单光子计数器。

在本发明提供的一些实施例中，光路组件还包括用于调整激光的传输路径的反射镜组。例如，反射镜组可以包括多个反射镜18，反射镜18可以是铝膜反射镜。如图所示，通过反射镜组能够对激光的传输路径进行导向，以便于使光路组件的设置形式更加方便灵活。

在本发明提供的一些实施例中，微机械界面纳米级缺陷检测装置还包括原子力显微镜和/或拉曼光谱仪。

其中，原子力显微镜的探针设置于待检测物上方，同时可利用倒置显微镜中的上物镜对待测区域进行照明，确定探针扫描区域位置。关闭照明光源后，在原子力显微镜的探针进行扫描的同时，可利用用于荧光寿命检测的激光通过倒置显微镜的下物镜1激发待测区域，以此实现原子力显微镜扫描和荧光寿命成像的原位探测的功能。

拉曼光谱仪的检测器设置于倒置显微镜的第二光口，例如第二光口可以是倒置显微镜的左侧光口。左侧光口及上方光口处分别留有1个CCD相机接口，方便拉曼光谱仪的探测器的接入。为了不影响下物镜荧光寿命成像激光的激发，可保持下物镜1光路不变，仅需将拉曼测试激光从显微镜的上物镜12引入，从而实现对待测区域的拉曼激发，以此实现待测区域的拉曼测试和荧光寿命成像的原位探测功能。

如此设置，能够将微机械界面纳米级缺陷检测装置、原子力显微镜以及拉曼光谱仪进行耦合，从而实现对微机械界面的多种性质的原位、实时检测功能。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种微机械界面纳米级缺陷检测装置，其特征在于，包括：

激光发射装置，能够发射脉冲激光；

倒置显微镜，包括下物镜，所述下物镜用于将所述激光聚焦于待检测物的界面并收集待检测物激发的光子信号；

单光子探测器，用于接收光子信号；

光路组件，包括扩束透镜、长通滤光片、双色镜、光阑、聚焦透镜和发射滤光片，所述扩束透镜和所述长通滤光片设置于所述激光发射装置与所述双色镜的反射端面之间，所述光阑和所述聚焦透镜设置于所述下物镜与所述双色镜的反射端面之间，所述发射滤光片设置于所述单光子探测器与所述双色镜的透射端面之间；

扫描驱动组件，用于承载并驱动所述待检测物与所述激光相对位移，以使所述激光能够扫描所述待检测物表面；

单光子计数器，分别与所述单光子探测器和所述激光发射装置电连接，且能基于所述激光发射装置传输的激光脉冲周期的数目、所述单光子探测器传输的光子信息，获取多个激光脉冲周期内的光子数量；

处理单元，与所述扫描驱动组件和所述单光子计数器电连接，且能基于所述单光子计数器传输的光子数量、所述扫描驱动组件传输的所述激光的照射点位信息，获取各个照射点位的光子数量。

2.根据权利要求1所述的微机械界面纳米级缺陷检测装置，其特征在于，所述扫描驱动组件包括压电位移台和位移台控制器；

所述待检测物用于设置在所述压电位移台上，所述压电位移台能够驱动所述待检测物位移；

所述位移台控制器分别与所述处理单元、所述单光子计数器和所述压电位移台电连接。

3.根据权利要求1所述的微机械界面纳米级缺陷检测装置，其特征在于，所述扫描驱动组件包括振镜；

所述振镜设置于所述聚焦透镜和所述下物镜之间，所述振镜能够基于电压与摆动角度的转换比例进行摆动，以使所述激光能够通过所述振镜，对待检测物激发和扫描；

所述振镜分别与所述处理单元、所述单光子计数器电连接。

4.根据权利要求1所述的微机械界面纳米级缺陷检测装置，其特征在于，所述处理单元包括微型计算机；

所述微型计算机分别与所述扫描驱动组件、所述单光子计数器和所述激光发射装置电连接。

5.根据权利要求1所述的微机械界面纳米级缺陷检测装置，其特征在于，还包括照明光源，所述倒置显微镜还包括上物镜；

所述照明光源用于通过所述上物镜对待检测区域进行照明，所述上物镜的光线出口端用于所述待检测物相对。

6.根据权利要求1所述的微机械界面纳米级缺陷检测装置，其特征在于，所述扩束透镜包括依次设置的第一消色差透镜和第二消色差透镜。

7.根据权利要求2所述的微机械界面纳米级缺陷检测装置，其特征在于，还包括硬件路由器；

所述位移台控制器通过所述硬件路由器与所述单光子计数器电连接。

8.根据权利要求1所述的微机械界面纳米级缺陷检测装置，其特征在于，所述激光发射装置包括激光器和与所述激光器电连接的激光控制器；

所述激光控制器分别与所述处理单元和所述单光子计数器电连接。

9.根据权利要求1所述的微机械界面纳米级缺陷检测装置，其特征在于，所述光路组件还包括用于调整所述激光的传输路径的反射镜组。

10.根据权利要求1所述的微机械界面纳米级缺陷检测装置，其特征在于，还包括原子力显微镜和/或拉曼光谱仪；

所述原子力显微镜的探针设置于所述待检测物的上方；

所述拉曼光谱仪的检测器设置于所述倒置显微镜的第二光口，所述聚焦透镜设置于所述倒置显微镜的第一光口。

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