本發(fā)明涉及表面缺陷檢測領(lǐng)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(shù)：

超光滑表面元器件在微光機(jī)電系統(tǒng)、激光聚變系統(tǒng)、激光器諧振腔、探測器芯片、大規(guī)模集成電路基片和半導(dǎo)體制造等為主的光電子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。以激光聚變系統(tǒng)為例，光學(xué)元件表面的微小缺陷(如劃痕和麻點(diǎn))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(yīng)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(tǒng)的性能。以集成電路和半導(dǎo)體制造為例，根據(jù)國家2014年6月頒布的《國家集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)綱要》的實(shí)施目標(biāo)“32/28納米(nm)制造工藝實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)……65-45nm關(guān)鍵設(shè)備和12英寸硅片等關(guān)鍵材料在生產(chǎn)線上得到應(yīng)用……”，材料表面的微小缺陷嚴(yán)重制約了產(chǎn)品的良率和生產(chǎn)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(nèi)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(jié)果不可靠的缺點(diǎn)。

顯微成像法(參考文獻(xiàn)CN1563957A)通過暗場光源照明和顯微光學(xué)CCD成像系統(tǒng)結(jié)合對被測表面進(jìn)行成像和拼接，實(shí)現(xiàn)了量化檢測，但是檢測速度慢，后續(xù)數(shù)字化處理時(shí)間長。

激光散射測量法由于其高靈敏度被廣泛用于半導(dǎo)體檢測中，美國KLA-Tencor公司利用該方法(參考文獻(xiàn)US5798829)使激光束在硅片表面聚焦成微小的點(diǎn)，通過硅片高速旋轉(zhuǎn)和徑向運(yùn)動實(shí)現(xiàn)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(diǎn)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(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)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(diǎn)等表面缺陷。

本發(fā)明的技術(shù)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(diǎn)在于，該裝置包括激光器、激光擴(kuò)束系統(tǒng)、第一高反鏡、起偏器、第二高反鏡、波片、第三高反鏡、旋轉(zhuǎn)棱鏡、行觸發(fā)探測器、遠(yuǎn)心場鏡、激光聚焦點(diǎn)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(jīng)所述的激光擴(kuò)束系統(tǒng)、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(zhuǎn)棱鏡的反射棱面上，所述的激光束經(jīng)所述的旋轉(zhuǎn)棱鏡反射到所述的遠(yuǎn)心場鏡，該遠(yuǎn)心場鏡將各個(gè)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(diǎn)陣線，在該激光聚焦點(diǎn)陣線的正上方并沿該激光聚焦點(diǎn)陣線設(shè)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(cè)面構(gòu)成的柱狀空腔結(jié)構(gòu)，長度大于所述的激光聚焦點(diǎn)陣線的長度，該散射光收集器的兩側(cè)面即散射光收集器的橫截面的兩側(cè)的輪廓是由同一橢圓的對稱的兩部分構(gòu)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(diǎn)線與所述的激光聚焦點(diǎn)陣線重合，在該橢圓的上焦點(diǎn)線上設(shè)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(nèi)的中心偏下沿所述的激光聚焦點(diǎn)陣線方向設(shè)置一柱面透鏡，該柱面透鏡的下焦線與所述的激光聚焦點(diǎn)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(fā)探測器與所述的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)棱鏡是振鏡、聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器或旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

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(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明一方面通過光學(xué)系統(tǒng)直接在被測表面實(shí)現(xiàn)激光聚焦點(diǎn)陣線，實(shí)現(xiàn)了高速線掃描，避免了因大口徑、大重量樣品高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動帶來的振動、位移導(dǎo)致的誤差，適應(yīng)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(jié)合其中設(shè)置的柱面透鏡，將激光聚焦點(diǎn)陣線所在直線上缺陷點(diǎn)的散射光全部收集到線陣探測器中，與傳統(tǒng)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(fā)明所述的橢圓定義和橢圓法線定理示意圖。

圖2是本發(fā)明高速激光線掃描的表面缺陷檢測裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3是本發(fā)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(kuò)束系統(tǒng)、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(zhuǎn)棱鏡、9為行觸發(fā)探測器、10為遠(yuǎn)心場鏡、11為激光聚焦點(diǎn)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(shí)施方式

下面結(jié)合具體附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)闡述。

本發(fā)明的工作原理如下：

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

圖2是本發(fā)明高速激光線掃描的表面缺陷檢測裝置的結(jié)構(gòu)框圖。由圖可見，本發(fā)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(kuò)束系統(tǒng)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(zhuǎn)棱鏡8、行觸發(fā)探測器9、遠(yuǎn)心場鏡10、激光聚焦點(diǎn)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(jīng)所述的激光擴(kuò)束系統(tǒng)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(zhuǎn)棱鏡8的反射棱面上，所述的激光束經(jīng)所述的旋轉(zhuǎn)棱鏡8反射到所述的遠(yuǎn)心場鏡10，所述的遠(yuǎn)心場鏡10將各個(gè)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(diǎn)陣線11，在該激光聚焦點(diǎn)陣線11的正上方并沿該激光聚焦點(diǎn)陣線11設(shè)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(cè)面構(gòu)成的柱狀空腔結(jié)構(gòu)，長度大于所述的激光聚焦點(diǎn)陣線11的長度，該散射光收集器13的兩側(cè)面即散射光收集器的橫截面的兩側(cè)的輪廓是由同一橢圓的對稱的兩部分構(gòu)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(diǎn)線F1與所述的激光聚焦點(diǎn)陣線11重合，在該橢圓的上焦點(diǎn)線F2上設(shè)置所述的線陣散射光探測器14，所述的行觸發(fā)探測器9與所述的旋轉(zhuǎn)棱鏡8并排平行放置。

所述的散射光收集器13的空腔內(nèi)的中心偏下沿所述的激光聚焦點(diǎn)陣線11方向設(shè)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(diǎn)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(fā)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(zhuǎn)棱鏡8掃描的激光束有一部分入射到與所述的旋轉(zhuǎn)棱鏡8并排放置的行觸發(fā)探測器9上產(chǎn)生行觸發(fā)信號，行觸發(fā)信號用來判斷在水平方向每行掃描激光束的起始位置。

結(jié)合圖3所示，散射光收集器13為一柱狀結(jié)構(gòu)，長度大于激光聚焦點(diǎn)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(diǎn)F1設(shè)置于激光聚焦點(diǎn)陣線11所在的直線上，該橢圓輪廓的焦點(diǎn)F2設(shè)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(shè)置所述的柱面透鏡15。激光聚焦點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(fā)出的激光束通過激光擴(kuò)束系統(tǒng)2進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)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(zhuǎn)棱鏡8上。旋轉(zhuǎn)棱鏡8首先將入射激光束在一定角度范圍內(nèi)連續(xù)掃描，并入射到遠(yuǎn)心場鏡10。遠(yuǎn)心場鏡10將各個(gè)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(diǎn)陣線11。

通過旋轉(zhuǎn)棱鏡8掃描的激光束有一部分入射到與旋轉(zhuǎn)棱鏡8并排放置的行觸發(fā)探測器9上產(chǎn)生行觸發(fā)信號，行觸發(fā)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(shí)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(diào)節(jié)激光束的偏振態(tài)為水平偏振光、垂直偏振光、圓偏振光或者橢圓偏振光。

本實(shí)施例中旋轉(zhuǎn)棱鏡8是用于將入射激光束在一定角度范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)角度掃描的裝置，實(shí)現(xiàn)該功能的裝置還包括但不限于振鏡、聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)。

本實(shí)施例中線陣散射光探測器14為實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的器件，實(shí)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)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(fā)明中的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或者替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。