CN116242781A - 一种显微散斑干涉全场成像检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种显微散斑干涉全场成像检测装置，包括激励脉冲激光器、探测脉冲激光器和数字脉冲延时器。脉冲激光作用在材料表面产生热量，从而激发出超声脉冲信号。超声携带有材料的缺陷结构信息。另一方面，光剪切散斑干涉技术利用物体表面的散斑场经过剪切装置后成像于数字相机图像传感器表面。当被测目标受到超声波加载使表面发生微小形变时，剪切散斑干涉图的相位分布也随之发生变化。将形变前后得到的两个剪切散斑干涉图直接进行相减，可获得光强差或者相位差图案。条纹的分布与被测目标的形变有关，据此可以分析被测表面的变形，从而测量出物体表面由于内部缺陷在超声波加载情况下引起的离面位移。

Description

一种显微散斑干涉全场成像检测装置及方法
技术领域
本发明涉及半导体材料的质量检测装置及方法。具体为一种显微散斑干涉全场成像检测装置及技术方法。
背景技术
硅片广泛应用于半导体和微电子行业。使用这种材料，非常需要获得无缺陷的高度抛光表面，以提高微组件的产量和性能。半导体行业目前的做法是仅在最终抛光阶段结束时检查晶片是否存在任何表面缺陷。在这一阶段，亚表面缺陷以形成螺旋环或“漩涡”的微小斑点的形式可见（因为它们已通过抛光暴露）。这些亚表面缺陷在回收过程或晶片制造过程之前无法检测到，导致在精加工阶段结束时晶片“赝品”率高。遗憾的是，目前没有仪器可用于在晶片加工/回收之前对亚表面缺陷进行检测。
一些技术，如x射线、原子力显微镜、扫描隧道显微镜、扫描电子显微镜和声学扫描电子显微镜，已用于表面缺陷表征。然而，在半导体工业中，主要挑战在于非接触式快速表征亚表面和表面缺陷。常用的显微测量技术，根据在测量过程中测量仪器是否与被测器件接触，可以将显微测量技术分为接触式测量和非接触式测量两大类。接触式测量主要是各种探针测量技术，具有高精度、大量程、重复性好的优点，但该技术采用逐点扫描的方式，测量速度较慢，不能直接实现全场测量。非接触式测量多采用光学方法和各种显微镜法，具有非接触、高灵敏性、测量速度快的优点。
作为非接触式无损测量技术的一种，电子剪切散斑干涉技术是一种光学干涉技术，用于测量表面和次表面缺陷或缺陷引起的表面应变集中，这些缺陷或缺陷是由某种负载引起的，通常是热、真空或振动激励。电子剪切散斑干涉技术已用于检测飞机零件、涡轮叶片、航天器、汽车和许多其他产品中的隐藏缺陷。然而，传统的电子剪切散斑干涉技术用于缺陷检测存在以下问题：（1）检测精度有限，多为毫米量级；（2）热、真空或振动激励的方式难以适用于工业生产线；（3）检测结果需要专业的工程师靠肉眼判断；（4）难以获取缺陷的深度、形貌、大小等信息。
发明内容
本发明的目的是要提供一种显微散斑干涉全场成像检测装置，解决了如何快速进行全场成像的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供了一种显微散斑干涉全场成像检测装置，包括激励脉冲激光器和探测脉冲激光器，所述激励脉冲激光器发出的激光经过光隔离器Ⅰ、二分之一波片Ⅰ、偏振分光镜Ⅰ、扩束器Ⅰ、反射镜Ⅰ后到达分光镜Ⅰ，与探测脉冲激光器发出的经过光隔离器Ⅱ、二分之一波片Ⅱ、偏振分光镜Ⅱ、扩束器Ⅱ、反射镜Ⅱ后到达分光镜Ⅰ的激光相遇并重合，最终通过分光镜Ⅱ、高倍率变焦系统、物镜到达样品表面，透过分光镜Ⅱ的另一部分光被能量探测器接收，样品表面的反射光沿原路依次通过物镜、高倍率变焦系统、分光镜Ⅱ到达分光镜Ⅲ，一部分光到达相移器，另一部分光透射到剪切器，接着相移器和剪切器表面的反射光经过分光镜Ⅲ、平凸透镜、滤光片后，只保留探测脉冲激光器发出的少量激光在CCD相机上进行成像，还包括数字脉冲延时器，通过数字脉冲延时器分别控制激励脉冲激光器、探测脉冲激光器以及CCD相机三者之间的延迟时间，通过高性能电脑的上位机软件控制数字脉冲延时器和相移器控制器的信号发射以及接收CCD相机控制器采集的图像信息。
优选地，数字脉冲延时器的时间分辨率为皮秒量级，内部触发频率10 μHz~10MHz。
优选地，激励脉冲激光器为波长1064 nm的纳秒激光器，探测脉冲激光器为波长532 nm的纳秒激光器。
进一步地，光隔离器Ⅰ、二分之一波片Ⅰ和偏振分光镜Ⅰ对1064 nm波长的光具有高透过率，光隔离器Ⅱ、二分之一波片Ⅱ和偏振分光镜Ⅱ对532 nm波长的光具有高透过率。
优选地，高倍率变焦系统的放大倍率为0.7~6.5 倍。
优选地，物镜为显微物镜，其类型、特征参数可根据不同的需求进行更换。
优选地，所有光学部件均位于同一个工作水平面上。
优选地，相移器、剪切器、平凸透镜、滤光片和CCD相机均位于分光镜Ⅲ的正前方，相移器、分光镜Ⅲ、平凸透镜、滤光片、CCD相机的中心轴在同一条直线上，物镜、高倍率变焦系统、分光镜Ⅱ、分光镜Ⅲ、剪切器的中心轴在同一条直线上，且这两条中心轴垂直相交。
优选地，激励脉冲激光器聚焦在样品表面的光斑直径远小于探测脉冲激光器聚集在样品表面的光斑直径大小。
还提供一种显微散斑干涉全场成像检测方法，包括以下步骤：
（a）打开激励脉冲激光器、探测脉冲激光器、数字脉冲延时器、相移器和CCD相机；
（b）将待测的样品放置于XYZ三维位移台上；
（c）调节扩束器Ⅰ改变激励脉冲激光器光束直径，调节高倍率变焦系统，并通过CCD相机观察聚焦在样品上的光斑图案，直至得到一个清晰的聚焦光斑；
（d）调节扩束器Ⅱ改变探测脉冲激光器光束直径，调节高倍率变焦系统，并通过CCD相机观察聚焦在样品上的光斑图案，直至得到一个清晰的光斑；
（e）通过能量探测器校准激励脉冲激光器的能量；
（f）调节剪切器的剪切量；
（g）打开高性能电脑的上位机软件，与数字脉冲延时器、相移器控制器、CCD相机控制器保持窜口通讯连接，并设置激励脉冲激光器、探测脉冲激光器以及CCD相机控制器之间的延迟时间与信号采集参数，设置相移器控制器的相移量；
（h）将CCD相机拍摄到的图案计算后送入图片智能降噪系统进行降噪处理；
（i）将降噪处理完的图片送入智能目标检测系统进行材料缺陷的目标识别；
（j）通过控制界面关闭所有设备。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的显微散斑干涉全场成像检测装置和方法，脉冲激光作用在材料表面产生热量，从而激发出超声脉冲信号。超声携带有材料的缺陷结构信息。另一方面，光剪切散斑干涉技术利用物体表面的散斑场经过剪切装置后成像于数字相机图像传感器表面。当被测目标受到超声波加载使表面发生微小形变时，剪切散斑干涉图的相位分布也随之发生变化。将形变前后得到的两个剪切散斑干涉图直接进行相减，可获得光强差或者相位差图案。条纹的分布与被测目标的形变有关，据此可以分析被测表面的变形，从而测量出物体表面由于内部缺陷在超声波加载情况下引起的离面位移。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是本发明显微散斑干涉全场成像检测装置结构示意图；
图2是本发明显微散斑干涉全场成像检测方法的工作流程图；
图3是图片智能降噪系统v 1.0的GUI界面；
图4是LUT-DSSPI智能目标检测系统v 1.0的GUI界面；
图5是上位机软件的控制系统界面；
其中，附图标记说明如下：
1、激励脉冲激光器；
2、探测脉冲激光器；
3、数字脉冲延时器；
4、高性能电脑；
5、扩束器Ⅱ；
6、二分之一波片Ⅱ；
7、偏振分光镜Ⅱ；
8、相移器控制器；
9、扩束器Ⅰ；
10、反射镜Ⅰ；
11、分光镜Ⅰ；
12、相移器；
13、剪切器；
14、CCD相机；
15、滤光片；
16、平凸透镜；
17、能量探测器；
18、高倍率变焦系统；
19、物镜；
20、样品；
21、CCD相机控制器；
22、二分之一波片Ⅰ；
23、偏振分光镜Ⅰ；
24、分光镜Ⅱ；
25、分光镜Ⅲ；
26、光隔离器Ⅰ；
27、光隔离器Ⅱ；
28、反射镜Ⅱ。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
显微散斑干涉全场成像检测装置如图1，包括激励脉冲激光器1和探测脉冲激光器2。激励脉冲激光器1发出的激光经过光隔离器Ⅰ26、二分之一波片Ⅰ22、偏振分光镜Ⅰ23、扩束器Ⅰ9、反射镜Ⅰ10后到达分光镜Ⅰ11，与探测脉冲激光器2发出的经过光隔离器Ⅱ27、二分之一波片Ⅱ6、偏振分光镜Ⅱ7、扩束器Ⅱ5、反射镜Ⅱ28后到达分光镜Ⅰ11的激光相遇并重合，最终通过分光镜Ⅱ24、高倍率变焦系统18、物镜19到达样品20表面。透光分光镜Ⅱ24的另一部分光被能量探测器17接收。样品20表面的反射光沿原路依次通过物镜19、高倍率变焦系统18、分光镜Ⅱ24到达分光镜Ⅲ25，一部分光到达相移器12，另一部分光透射到剪切器13，接着相移器12和剪切器13表面的反射光经过分光镜Ⅲ25、平凸透镜16、滤光片15后，只保留探测脉冲激光器2发出的少量激光在CCD相机14上进行成像。通过数字脉冲延时器3分别控制激励脉冲激光器1、探测脉冲激光器2以及CCD相机14三者之间的延迟时间。通过高性能电脑4的上位机软件控制数字脉冲延时器3和相移器控制器8的信号发射以及接收CCD相机控制器21采集的图像信息。
相移器12、剪切器13、平凸透镜16、滤光片15和CCD相机14均位于分光镜Ⅲ25的正前方。相移器12、分光镜Ⅲ25、平凸透镜16、滤光片15、CCD相机14的中心轴在同一条直线上。物镜19、高倍率变焦系统18、分光镜Ⅱ24、分光镜Ⅲ25、剪切器13的中心轴在同一条直线上，且这两条中心轴垂直相交。
如图2的显微散斑干涉全场成像检测方法，包括以下步骤：
（a）打开激励脉冲激光器1、探测脉冲激光器2、数字脉冲延时器3、相移器12和CCD相机14；
（b）将待测的样品20放置于XYZ三维位移台上；
（c）调节扩束器Ⅰ9改变激励脉冲激光器1光束直径，调节高倍率变焦系统18，并通过CCD相机14观察聚焦在样品20上的光斑图案，直至得到一个清晰的聚焦光斑；
（d）调节扩束器Ⅱ5改变探测脉冲激光器2光束直径，调节高倍率变焦系统18，并通过CCD相机14观察聚焦在样品20上的光斑图案，直至得到一个清晰的光斑；
（e）通过能量探测器17校准激励脉冲激光器1的能量；
（f）调节剪切器13的剪切量；
（g）打开高性能电脑4的上位机软件，设置相移器12的相移量分别为0、π/2、π、3π/2，并与数字脉冲延时器3、相移器控制器8、CCD相机控制器21保持窜口通讯连接正常，并设置激励脉冲激光器1、探测脉冲激光器2以及CCD相机控制器21之间的延迟时间、触发电平、触发频率与信号采集参数。具体图像采集与计算步骤如下：
激励脉冲激光加载前：
①设置激励脉冲激光器1和探测脉冲激光器2延迟时间Δt, 2Δt, 3Δt, 4Δt,……；
②设置相移器12的相移量为分别为0，CCD相机14分别在每个延迟时间处进行图片拍摄；
③设置相移器12的相移量分别为π/2，CCD相机14分别在每个延迟时间处进行图片拍摄；
④设置相移器12的相移量分别为π，CCD相机14分别在每个延迟时间处进行图片拍摄；
⑤设置相移器12的相移量分别为3π/2，CCD相机14分别在每个延迟时间处进行图片拍摄；
激励脉冲激光加载后：
按照上述①~⑤步骤进行拍摄图像；
⑥根据下述公式分别计算出不同时刻对应的超声波相位场图；
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，I1，I2，I3，I4分别为激励脉冲激光加载前相位0，π/2，π，3π/2对应图像的灰度强度矩阵；I1'， I2'， I3'， I4'分别为激励脉冲激光加载后相位0，π/2，π，3π/2对应图像的灰度强度矩阵；
（h）将CCD相机14拍摄到的图案通过步骤（g）后送入图片智能降噪系统v 1.0 GUI界面进行降噪处理；
（i）将降噪处理完的图片送入LUT-DSSPI智能目标检测系统进行材料缺陷的目标识别；
（j）通过控制界面关闭所有设备。
如图3为是图片智能降噪系统v 1.0的GUI界面。
如图4为LUT-DSSPI智能目标检测系统v 1.0的GUI界面，图中所用照片仅为示意。
如图5是上位机软件的控制系统界面。
激励脉冲激光器1发出的光聚焦在样品20表面后，根据光声效应产生的超声波会引起样品20表面的微弱振动，进而再根据剪切散斑干涉原理可对该振动进行干涉成像，从而反演出样品的表面及内部结构信息。
本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、非接触式半导体显微无损检测成像，无需逐点扫描，即可快速进行全场成像；
2.、可拍摄超声波在材料表面的动态传播过程。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种显微散斑干涉全场成像检测装置，其特征在于：包括激励脉冲激光器（1）和探测脉冲激光器（2），还包括设置在所述激励脉冲激光器（1）发出激光路径中的光隔离器Ⅰ（26）、二分之一波片Ⅰ（22）、偏振分光镜Ⅰ（23）、扩束器Ⅰ（9）、反射镜Ⅰ（10）和分光镜Ⅰ（11），所述探测脉冲激光器（2）发出激光的路径中设置有光隔离器Ⅱ（27）、二分之一波片Ⅱ（6）、偏振分光镜Ⅱ（7）、扩束器Ⅱ（5）、反射镜Ⅱ（28）以及所述分光镜Ⅰ（11），分光镜Ⅰ（11）后的激光依次经过设置的分光镜Ⅱ（24）、高倍率变焦系统（18）、物镜（19）到达样品（20）表面，透过分光镜Ⅱ（24）的另一部分光被能量探测器（17）接收，样品（20）表面的反射光沿原路依次通过物镜（19）、高倍率变焦系统（18）、分光镜Ⅱ（24）到达分光镜Ⅲ（25），一部分光到达相移器（12），另一部分光透射到剪切器（13），接着相移器（12）和剪切器（13）表面的反射光经过分光镜Ⅲ（25）、平凸透镜（16）、滤光片（15）后，只保留探测脉冲激光器（2）发出的少量激光在CCD相机（14）上进行成像，还包括数字脉冲延时器（3），通过数字脉冲延时器（3）分别控制激励脉冲激光器（1）、探测脉冲激光器（2）以及CCD相机（14）三者之间的延迟时间，通过高性能电脑（4）的上位机软件控制数字脉冲延时器（3）和相移器控制器（8）的信号发射以及接收CCD相机控制器（21）采集的图像信息。
2.根据权利要求1所述的显微散斑干涉全场成像检测装置，其特征在于：数字脉冲延时器（3）的时间分辨率为皮秒量级，内部触发频率10 μHz~10 MHz。
3.根据权利要求1所述的显微散斑干涉全场成像检测装置，其特征在于：激励脉冲激光器（1）为波长1064 nm的纳秒激光器，探测脉冲激光器（2）为波长532 nm的纳秒激光器。
4.根据权利要求3所述的显微散斑干涉全场成像检测装置，其特征在于：光隔离器Ⅰ（26）、二分之一波片Ⅰ（22）和偏振分光镜Ⅰ（23）对1064 nm波长的光具有高透过率，光隔离器Ⅱ（27）、二分之一波片Ⅱ（6）和偏振分光镜Ⅱ（7）对532 nm波长的光具有高透过率。
5.根据权利要求1所述的显微散斑干涉全场成像检测装置，其特征在于：高倍率变焦系统（18）的放大倍率为0.7~6.5 倍。
6.根据权利要求1所述的显微散斑干涉全场成像检测装置，其特征在于：物镜（19）为显微物镜，其类型、特征参数可根据不同的需求进行更换。
7.根据权利要求1所述的显微散斑干涉全场成像检测装置，其特征在于：所有光学部件均位于同一个工作水平面上。
8.根据权利要求1所述的显微散斑干涉全场成像检测装置，其特征在于：相移器（12）、剪切器（13）、平凸透镜（16）、滤光片（15）和CCD相机（14）均位于分光镜Ⅲ（25）的正前方，相移器（12）、分光镜Ⅲ（25）、平凸透镜（16）、滤光片（15）、CCD相机（14）的中心轴在同一条直线上，物镜（19）、高倍率变焦系统（18）、分光镜Ⅱ（24）、分光镜Ⅲ（25）、剪切器（13）的中心轴在同一条直线上，且这两条中心轴垂直相交。
9.根据权利要求1所述的显微散斑干涉全场成像检测装置，其特征在于：激励脉冲激光器（1）聚焦在样品（20）表面的光斑直径远小于探测脉冲激光器（2）聚集在样品（20）表面的光斑直径大小。
10.一种显微散斑干涉全场成像检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
（a）打开激励脉冲激光器（1）、探测脉冲激光器（2）、数字脉冲延时器（3）、相移器（12）和CCD相机（14）；
（b）将待测的样品（20）放置于XYZ三维位移台上；
（c）调节扩束器Ⅰ（9）改变激励脉冲激光器（1）光束直径，调节高倍率变焦系统（18），并通过CCD相机（14）观察聚焦在样品（20）上的光斑图案，直至得到一个清晰的聚焦光斑；
（d）调节扩束器Ⅱ（5）改变探测脉冲激光器（2）光束直径，调节高倍率变焦系统（18），并通过CCD相机（14）观察聚焦在样品（20）上的光斑图案，直至得到一个清晰的光斑；
（e）通过能量探测器（17）校准激励脉冲激光器（1）的能量；
（f）调节剪切器（13）的剪切量；
（g）打开高性能电脑（4）的上位机软件，与数字脉冲延时器（3）、相移器控制器（8）、CCD相机控制器（21）保持窜口通讯连接，并设置激励脉冲激光器（1）、探测脉冲激光器（2）以及CCD相机控制器（21）之间的延迟时间与信号采集参数，设置相移器控制器（8）的相移量；
（h）将CCD相机（14）拍摄到的图案计算后送入图片智能降噪系统进行降噪处理；
（i）将降噪处理完的图片送入智能目标检测系统进行材料缺陷的目标识别；
（j）通过控制界面关闭所有设备。
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