高速激光線掃描的表面缺陷檢測裝置的制作方法

本發明涉及表面缺陷檢測領域，特別是一種針對超光滑表面微小缺陷的高速度高靈敏度的檢測方法及裝置。

背景技術：

超光滑表面元器件在微光機電系統、激光聚變系統、激光器諧振腔、探測器芯片、大規模集成電路基片和半導體制造等為主的光電子產業領域都有廣泛的應用。以激光聚變系統為例，光學元件表面的微小缺陷(如劃痕和麻點)一方面會由于散射降低激光的能量利用率，另一方面會造成激光能量的沉積，通過熱吸收效應造成激光損傷和破壞，極大限制了核心元器件的激光損傷閾值，降低了系統的性能。以集成電路和半導體制造為例，根據國家2014年6月頒布的《國家集成電路產業發展推進綱要》的實施目標“32/28納米(nm)制造工藝實現規模量產……65-45nm關鍵設備和12英寸硅片等關鍵材料在生產線上得到應用……”，材料表面的微小缺陷嚴重制約了產品的良率和生產效率。因此，對超光滑表面微小缺陷的定量檢測是需要迫切解決的問題。

目前，國內外超光滑表面微小缺陷檢測方法主要包括：目視法、顯微成像法、激光散射測量法。

目視法主要通過人工觀察，具有主觀性、無法量化、分辨率低、檢測結果不可靠的缺點。

顯微成像法(參考文獻CN1563957A)通過暗場光源照明和顯微光學CCD成像系統結合對被測表面進行成像和拼接，實現了量化檢測，但是檢測速度慢，后續數字化處理時間長。

激光散射測量法由于其高靈敏度被廣泛用于半導體檢測中，美國KLA-Tencor公司利用該方法(參考文獻US5798829)使激光束在硅片表面聚焦成微小的點，通過硅片高速旋轉和徑向運動實現對圓形硅片表面的高速度高靈敏度的缺陷檢測，但是該方法采用單點激光束測量，無法滿足大口徑、大重量的樣品表面測量需求。

技術實現要素：

本發明公開了一種高速激光線掃描的表面缺陷檢測裝置，該裝置具有較高的靈敏度和信噪比，可有效地檢測如劃痕和麻點等表面缺陷。

本發明的技術解決方案如下：

一種高速激光線掃描的表面缺陷檢測裝置，其特點在于，該裝置包括激光器、激光擴束系統、第一高反鏡、起偏器、第二高反鏡、波片、第三高反鏡、旋轉棱鏡、行觸發探測器、遠心場鏡、激光聚焦點陣線、被測樣品、散射光收集器、線陣散射光探測器和柱面透鏡，所述的激光器輸出的激光束依次經所述的激光擴束系統、第一高反鏡、起偏器、第二高反鏡、波片、第三高反鏡入射在所述的旋轉棱鏡的反射棱面上，所述的激光束經所述的旋轉棱鏡反射到所述的遠心場鏡，該遠心場鏡將各個角度入射的激光束以一定的入射角聚焦到被測樣品的表面，并在所述的被測樣品的表面形成一條激光聚焦點陣線，在該激光聚焦點陣線的正上方并沿該激光聚焦點陣線設置所述的散射光收集器，該散射光收集器為一由前端面、后端面、上平面、下平面和兩側面構成的柱狀空腔結構，長度大于所述的激光聚焦點陣線的長度，該散射光收集器的兩側面即散射光收集器的橫截面的兩側的輪廓是由同一橢圓的對稱的兩部分構成的光的反射面，所述的上平面、下平面對光通透，該散射光收集器的橢圓的下焦點線與所述的激光聚焦點陣線重合，在該橢圓的上焦點線上設置所述的線陣散射光探測器，在所述的散射光收集器的空腔內的中心偏下沿所述的激光聚焦點陣線方向設置一柱面透鏡，該柱面透鏡的下焦線與所述的激光聚焦點陣線重合，上焦線與所述的線陣散射光探測器重合，所述的行觸發探測器與所述的旋轉棱鏡并排平行放置。

所述的波片是1/4波片或1/2波片。

所述的旋轉棱鏡是振鏡、聲光調制器、電光調制器或旋轉電機。

所述的線陣散射光探測器為光電二極管陣列、電荷耦合元件陣列或光電倍增管陣列。

本發明與現有技術相比的優點在于：

本發明一方面通過光學系統直接在被測表面實現激光聚焦點陣線，實現了高速線掃描，避免了因大口徑、大重量樣品高速旋轉運動帶來的振動、位移導致的誤差，適應大口徑、大重量的樣品表面測量需求；

另一方面通過橫截面為橢圓輪廓的散射光收集器結合其中設置的柱面透鏡，將激光聚焦點陣線所在直線上缺陷點的散射光全部收集到線陣探測器中，與傳統的積分球收集方式相比，具有更高的靈敏度和信噪比。

附圖說明

圖1是本發明所述的橢圓定義和橢圓法線定理示意圖。

圖2是本發明高速激光線掃描的表面缺陷檢測裝置的結構框圖。

圖3是本發明所述的散射光收集器原理示意圖。

圖中：1為激光器、2為激光擴束系統、3為第一高反鏡、4為起偏器、5為第二高反鏡、6為波片、7為第三高反鏡、8為旋轉棱鏡、9為行觸發探測器、10為遠心場鏡、11為激光聚焦點陣線、12為被測樣品、13為散射光收集器、14為線陣散射光探測器、15為柱面透鏡。

具體實施方式

下面結合具體附圖對本發明作進一步詳細闡述。

本發明的工作原理如下：

先請參閱圖1，根據橢圓定義：平面內與兩定點F1和F2的距離之和等于常數的動點P的軌跡叫做橢圓，其中F1和F2成為該橢圓的焦點。再根據橢圓法線定理：設F1和F2為橢圓的兩個焦點，P為橢圓上任意一點，若直線AB為橢圓在P點的法線，則直線AB平分∠F1PF2。根據以上定義和定理，假設橢圓焦點F1為一理想點光源，從該點光源F1發出的任一方向的光束交橢圓于P點，則根據橢圓法線定理可以推出，從P點經橢圓反射的光束必經過另一個焦點F2。根據上述推論，將圖1中橢圓的實線部分輪廓作為光束收集器的內反射表面，將焦點F1作為點光源，則點光源發出的各個方向的光束經過光束收集器反射，將聚焦在F2點。

圖2是本發明高速激光線掃描的表面缺陷檢測裝置的結構框圖。由圖可見，本發明高速激光線掃描的表面缺陷檢測裝置，包括激光器1、激光擴束系統2、第一高反鏡3、起偏器4、第二高反鏡5、波片6、第三高反鏡7、旋轉棱鏡8、行觸發探測器9、遠心場鏡10、激光聚焦點陣線11、被測樣品12、散射光收集器13、線陣散射光探測器14和柱面透鏡15，所述的激光器1輸出的激光束依次經所述的激光擴束系統2、第一高反鏡3、起偏器4、第二高反鏡5、波片6、第三高反鏡7入射在所述的旋轉棱鏡8的反射棱面上，所述的激光束經所述的旋轉棱鏡8反射到所述的遠心場鏡10，所述的遠心場鏡10將各個角度入射的激光束以一定的入射角聚焦到被測樣品12的表面，并在所述的被測樣品的表面形成一條激光聚焦點陣線11，在該激光聚焦點陣線11的正上方并沿該激光聚焦點陣線11設置所述的散射光收集器13，該散射光收集器13為一由前端面、后端面、上平面、下平面和兩側面構成的柱狀空腔結構，長度大于所述的激光聚焦點陣線11的長度，該散射光收集器13的兩側面即散射光收集器的橫截面的兩側的輪廓是由同一橢圓的對稱的兩部分構成的光的反射面，所述的上平面、下平面對光通透，該散射光收集器13的橢圓的下焦點線F1與所述的激光聚焦點陣線11重合，在該橢圓的上焦點線F2上設置所述的線陣散射光探測器14，所述的行觸發探測器9與所述的旋轉棱鏡8并排平行放置。

所述的散射光收集器13的空腔內的中心偏下沿所述的激光聚焦點陣線11方向設置一柱面透鏡15，該柱面透鏡15的下焦線與所述的激光聚焦點陣線11重合，上焦線與所述的線陣散射光探測器14重合。

若被測樣品12表面沒有缺陷，則入射激光束被樣品表面沿鏡像反射。若被測樣品表面12有缺陷，則入射激光束發生散射，散射光被所述的散射光收集器13收集并聚焦到線陣散射光探測器14上。

通過旋轉棱鏡8掃描的激光束有一部分入射到與所述的旋轉棱鏡8并排放置的行觸發探測器9上產生行觸發信號，行觸發信號用來判斷在水平方向每行掃描激光束的起始位置。

結合圖3所示，散射光收集器13為一柱狀結構，長度大于激光聚焦點陣線11。散射光收集器13的橫截面為圖1所示的部分橢圓輪廓。該橢圓輪廓的焦點F1設置于激光聚焦點陣線11所在的直線上，該橢圓輪廓的焦點F2設置于線陣散射光探測器14所在的直線上。在散射光收集器13中設置所述的柱面透鏡15。激光聚焦點陣線11所在的直線上若有缺陷，則與被測樣品12表面法線夾角較大的缺陷點散射光可以通過散射光收集器13的橢圓輪廓反射并會聚到線陣散射光探測器14上，而與被測樣品12表面法線夾角較小的缺陷點的散射光可以通過位于散射光收集器13中的柱面透鏡15會聚到線陣散射光探測器14上。

激光器1發出的激光束通過激光擴束系統2進行準直和擴束，通過第一高反鏡3入射到起偏器4后通過第二高反鏡5反射到波片6上，通過波片6的激光束通過第三高反鏡7反射到旋轉棱鏡8上。旋轉棱鏡8首先將入射激光束在一定角度范圍內連續掃描，并入射到遠心場鏡10。遠心場鏡10將各個角度入射的激光束以一定的入射角聚焦到被測樣品12表面，在被測樣品12表面形成一條激光聚焦點陣線11。

通過旋轉棱鏡8掃描的激光束有一部分入射到與旋轉棱鏡8并排放置的行觸發探測器9上產生行觸發信號，行觸發信號用來判斷在水平方向每行掃描激光束的起始位置。

本實施例中波片6可以是1/4波片或1/2波片，與起偏器4配合使用可以調節激光束的偏振態為水平偏振光、垂直偏振光、圓偏振光或者橢圓偏振光。

本實施例中旋轉棱鏡8是用于將入射激光束在一定角度范圍內進行連續角度掃描的裝置，實現該功能的裝置還包括但不限于振鏡、聲光調制器、電光調制器、旋轉電機。

本實施例中線陣散射光探測器14為實現光電轉換的器件，實現該功能的裝置包括但不限于光電二極管陣列、電荷耦合元件陣列、光電倍增管陣列。

實驗表明，本發明裝置具有較高的靈敏度和信噪比，解決了大口徑、大重量樣品的表面缺陷測量需求。

以上所述，僅為本發明中的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或者替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內。