大口徑超光滑表面缺陷的檢測裝置和檢測方法與流程
2023-06-14 19:13:11 2
本發明涉及表面缺陷，特別是一種大口徑超光滑表面缺陷的檢測裝置和檢測方法，可以實現對缺陷的識別和分類。
背景技術：
在精密光學工程、半導體製造、精密機械製造以及國防軍工等高科技領域，對所加工的材料的表面缺陷有嚴格的要求。表面缺陷是指加工、搬運等各個環節，在元器件表面產生的形狀、尺寸各異，隨機分布的劃痕和麻點等微小缺陷。這些微小缺陷的存在將嚴重影響元器件的性能，如：在高功率雷射系統中，光學元器件的表面缺陷會極大降低雷射損傷閾值，造成光學元器件的損傷甚至破壞。大量研究表明，表面缺陷對入射的強雷射束會造成不同程度的熱吸收，隨著元器件上高能量雷射輻射次數的增多，元器件的缺陷會引起材料的進一步損傷，最終會造成材料破壞。此外，入射雷射束在光學元器件的表面缺陷處將產生散射，導致雷射束的能量利用率降低，極大地限制了整個系統的性能。因此，必須對光學元器件的表面缺陷進行精確檢測。
目前，國內外對表面缺陷的檢測方法主要包括：目視法、顯微散射暗場成像法和雷射散射測量法。目視法主要是在暗室環境中，用強光手電筒照射元器件表面，通過表面缺陷產生的散射光進行人工觀察。該方法具有主觀性強、解析度低、無法精確量化缺陷尺寸以及檢測結果不可靠等缺點。顯微散射暗場成像法(參考文獻CN1563957A)通過暗場照明方式，使只有表面缺陷產生的散射光才能被顯微系統收集，在CCD相機上成亮像。該方法單孔徑成像範圍小，需要花費較長時間對大口徑光學元器件整個表面進行掃描成像，其後期的圖像拼接和量化處理也要耗費大量時間，檢測速度慢。雷射散射測量法由於其高靈敏度被廣泛用於半導體檢測中，美國KLA-Tencor公司利用該方法(參考文獻US5798829)使雷射束在矽片表面聚焦成直徑幾十微米的微小的點，通過矽片高速旋轉和徑向運動實現對圓形矽片表面的高速度高靈敏度的缺陷檢測。但是該方法採用單點雷射束掃描測量，對大口徑光學元器件進行檢測需要很長時間。同時大口徑光學元器件重量大，高速旋轉帶來的振動、軸向跳動等將嚴重影響檢測結果的嚴重性，因此，該方法無法滿足大口徑光學元器件表面缺陷檢測需求。
技術實現要素：
本發明公開一種大口徑超光滑表面缺陷檢測裝置及檢測方法，該方法將雷射聚焦點變為高速掃描的點陣線，可以實現劃痕和麻點等表面缺陷的高速檢測；通過對缺陷散射空間的不同角度散射光的探測，實現對缺陷的分類。
為達到上述目的，本發明採用的技術方案如下：
一種大口徑超光滑表面缺陷的檢測裝置，包括雷射器和精密位移平臺，所述的精密位移平臺供待測樣品放置，其特點在於，沿該雷射器的雷射束輸出方向依次是雷射擴束系統、高反鏡、起偏器、偏振分光稜鏡、1/4波片、旋轉稜鏡、遠心場鏡和精密位移平臺，所述的雷射器發出的雷射束經所述的雷射擴束系統準直擴束和所述的高反鏡入射到所述的起偏器產生S偏振光，該S偏振光經過所述的偏振分光稜鏡反射後，入射到所述的1/4波片產生圓偏振光，該圓偏振光通過所述的旋轉稜鏡反射後，射入所述的遠心場鏡，該遠心場鏡使各個角度入射的圓偏光變為雷射聚焦光束垂直地聚焦到待測樣品表面，在待測樣品表面上形成一條雷射聚焦點陣線；在所述的遠心場鏡和待測樣品之間的雷射聚焦光束外設置高角度散射光探測器和低角度散射光探測器，所述的高角度散射光探測器的光軸方向與待測樣品的表面法線夾角小於45°；所述的低角度散射光探測器的光軸方向與待測樣品的表面法線夾角大於45°；與所述的遠心場鏡並排放置行觸發探測器，用於接收部分入射光產生行觸發信號；在所述的偏振分光稜鏡的P偏振光透射方向設置反射光探測器，該反射光探測器用於接收從待測樣品表面反射的並經遠心場鏡、旋轉稜鏡、1/4波片、偏振分光稜鏡的P偏振態反射光信號；所述的精密位移平臺由計算機控制並通過精密位移平臺驅動電路驅動，使之能夠帶動待測樣品的移動，所述的高角度散射光探測器、低角度散射光探測器、行觸發探測器和反射光探測器的輸出端與所述的計算機的輸入端相連。
所述的旋轉稜鏡還可為振鏡、聲光調製器、電光調製器或旋轉電機帶動的反射鏡。
所述的高角度散射光探測器和低角度散射光探測器包括但不限於光電二極體、電荷耦合元件或光電倍增管。
利用上述大口徑超光滑表面缺陷的檢測裝置進行大口徑元器件表面缺陷的檢測方法，該方法包括下列步驟：
①在所述的計算機上輸入待測樣品的長度L和寬度W，根據所述的雷射聚焦點陣線的長度l和寬度w，計算掃描的列數M和行數N，掃描列數為M＝L/l，每一列掃描行數為N＝W/w，若M和N不為整數，則分別取其整數部分，再加一，保證待測樣品整個面都能被掃描；
②所述的計算機控制並通過所述的精密位移平臺驅動電路，驅動所述的精密位移平臺帶動待測樣品移動到初始位置(X0,Y0)處，所述的旋轉稜鏡開始轉動，所述的行觸發探測器接收到信號後，所述的計算機記錄起始位置，然後待測樣品第一行被雷射聚焦光束掃描，掃描長寬分別為上述的l和w，掃描時，所述的高角度散射光探測器和低角度散射光探測器分別記錄相應高角度散射光的強度和低角度散射光的強度，所述的反射光探測器記錄反射光的強度並實時傳送到所述的計算機；
③第一行掃描完成後，在所述的計算機控制下，所述的精密位移平臺帶動待測樣品沿Y方向移動距離w進行下一行掃描；
④重複步驟③完成第一列所有剩餘行的掃描；
⑤第一列掃描完成後，利用所述的精密位移平臺帶動所述的待測樣品沿X方向移動，移動距離為l，然後重複步驟③～④完成第二列所有行掃描；
⑥重複步驟③～⑤完成待測樣品整個面的掃描；
⑦對測量採集的信號進行分析：
分析所述的高角度散射光探測器和低角度散射光探測器分別記錄的高角度散射光信號的強度和低角度散射光信號的強度，若所述的高角度散射光探測器接收的散射光信號強度比所述的低角度散射光探測器接收的散射光信號強度大，則待測樣品的表面缺陷為凹坑或劃痕；反之，則待測樣品的表面缺陷為凸起；依此，推斷出待測樣品表面缺陷的類型，從而實現對缺陷進行分類；
當雷射聚焦點陣線照射在待測樣品表面的區域沒有缺陷時，入射雷射束在待測樣品的該區域表面不發生散射或散射光極弱，所述的高角度散射光探測器和低角度散射光探測器分別記錄的高角度散射光信號的強度和低角度散射光信號的強度很弱，這時，所述的反射光探測器接收的信號強度反映了待測樣品的表面反射率信息。
本發明的優點如下：
與傳統的散射測量方法相比，本發明表面缺陷檢測裝置和方法主要具有以下優點：
1、提高了檢測效率。傳統的雷射散射測量法採用單個聚焦點進行掃描，效率較低。本發明依靠旋轉稜鏡高速旋轉，將傳統的單個雷射聚焦點測量變為高速掃描的點陣線進行掃描檢測，極大地縮短了對大口徑樣品的檢測時間。同時，待測樣品也無需進行高速旋轉，避免了因高速旋轉使大口徑光學元器件產生振動、軸向跳動等因素對檢測結果產生嚴重影響。因此，檢測結果也更可靠。
2、本發明能夠區分不同類別的表面缺陷。傳統的雷射散射測量法無法區分表面缺陷類別，本發明使用兩個與樣品表面法線成不同角度的散射光探測器，通過比較兩個散射光探測器同時接收的信號強度能夠區分缺陷是凹坑、劃痕，還是凸起的灰塵、纖維等。為樣品的後期加工、清洗提供更準確的指導建議。
附圖說明
圖1是本發明大口徑超光滑表面缺陷的檢測裝置結構示意圖
圖2是本發明表面缺陷檢測掃描路線示意圖
圖3是本發明所述的凹坑缺陷檢測原理示意圖
圖4是本發明所述的凸起缺陷檢測原理示意圖
圖中：1-雷射器；2-雷射擴束系統；3-高反鏡；4-起偏器；5-偏振分光稜鏡；6-1/4波片；7-旋轉稜鏡；8-遠心場鏡；9-雷射聚焦點陣線；10-待測樣品；11-高角度散射光探測器；12-低角度散射光探測器；13-行觸發探測器；14-反射光探測器；15-雷射聚焦光束；16-精密位移平臺；17-精密位移平臺驅動電路；18-計算機；19-散射光。
具體實施方式
下面結合具體附圖和實施例對本發明作進一步詳細闡述，但不應以此限制本發明的保護範圍。
先請參閱圖1，圖1是本發明大口徑超光滑表面缺陷的檢測裝置結構示意圖，由圖可見，本發明大口徑超光滑表面缺陷的檢測裝置，包括雷射器1和精密位移平臺16，所述的精密位移平臺16供待測樣品10放置，沿該雷射器1的雷射束輸出方向依次是雷射擴束系統2、高反鏡3、起偏器4、偏振分光稜鏡5、1/4波片6、旋轉稜鏡7、遠心場鏡8和精密位移平臺16，所述的雷射器1發出的雷射束經所述的雷射擴束系統2準直擴束和所述的高反鏡3入射到所述的起偏器4產生S偏振光，該S偏振光經過所述的偏振分光稜鏡5反射後，入射到所述的1/4波片6產生圓偏振光，該圓偏振光通過所述的旋轉稜鏡7反射後，射入所述的遠心場鏡8，該遠心場鏡8使各個角度入射的圓偏光變為雷射聚焦光束15垂直地聚焦到待測樣品10表面，在待測樣品10表面上形成一條雷射聚焦點陣線9；在所述的遠心場鏡8和待測樣品10之間的雷射聚焦光束15外設置高角度散射光探測器11和低角度散射光探測器12，所述的高角度散射光探測器11的光軸方向與待測樣品10的表面法線夾角小於45°；所述的低角度散射光探測器12的光軸方向與待測樣品10的表面法線夾角大於45°；與所述的遠心場鏡8並排放置行觸發探測器13，用於接收部分入射光產生行觸發信號；在所述的偏振分光稜鏡5的P偏振光透射方向設置反射光探測器14，該反射光探測器14用於接收從待測樣品10表面反射的並經遠心場鏡8、旋轉稜鏡7、1/4波片6、偏振分光稜鏡5的P偏振態反射光信號；所述的精密位移平臺16由計算機18控制的精密位移平臺驅動電路17驅動，使之能夠帶動待測樣品10的移動，所述的高角度散射光探測器11、低角度散射光探測器12、行觸發探測器13和反射光探測器14的輸出端與所述的計算機18的輸入端相連。
利用上述大口徑超光滑表面缺陷的檢測裝置進行大口徑元器件表面缺陷的檢測方法，包括下列步驟：
①在所述的計算機18上輸入待測樣品的長度L和寬度W，根據所述的雷射聚焦點陣線9的長度l和寬度w，計算掃描的列數M和行數N，掃描列數為M＝L/l，每一列掃描行數為N＝W/w，若M和N不為整數，則分別取其整數部分，再加一，保證待測樣品10整個面都能被掃描；
②所述的計算機18控制並通過所述的精密位移平臺驅動電路17，驅動所述的精密位移平臺16帶動待測樣品10移動到初始位置(X0,Y0)處，所述的旋轉稜鏡7開始轉動，所述的行觸發探測器13接收到信號後，所述的計算機18記錄起始位置，然後待測樣品10第一行被雷射聚焦光束15掃描，掃描長寬分別為上述的l和w，掃描時，所述的高角度散射光探測器11和低角度散射光探測器12分別記錄相應高角度散射光的強度和低角度散射光的強度，所述的反射光探測器14記錄反射光的強度並實時傳送到所述的計算機18；
③第一行掃描完成後，在所述的計算機18控制下，所述的精密位移平臺16帶動待測樣品10沿Y方向移動距離w進行下一行掃描；
④重複步驟③完成第一列所有剩餘行的掃描；
⑤第一列掃描完成後，利用所述的精密位移平臺16帶動所述的待測樣品10沿X方向移動，移動距離為l，然後重複步驟③～④完成第二列所有行掃描；
⑥重複步驟③～⑤完成待測樣品10整個面的掃描；
⑦對測量採集的信號進行分析：
分析所述的高角度散射光探測器11和低角度散射光探測器12分別記錄的高角度散射光信號的強度和低角度散射光信號的強度，若所述的高角度散射光探測器11接收的散射光信號強度比所述的低角度散射光探測器12接收的散射光信號強度大，則待測樣品10的表面缺陷為凹坑或劃痕；反之，則待測樣品10的表面缺陷為凸起；依此，推斷出待測樣品表面缺陷的類型，從而實現對缺陷進行分類；
當雷射聚焦點陣線9照射在待測樣品10表面的區域沒有缺陷時，入射雷射束在待測樣品10的該區域表面不發生散射或散射光17極弱，所述的高角度散射光探測器11和低角度散射光探測器12分別記錄的高角度散射光信號的強度和低角度散射光信號的強度很弱，為暗背景信號，這時，所述的反射光探測器14接收的信號強度反映了待測樣品10的表面反射率信息。
實施例：
如圖1所示，測量是計算機18控制精密位移平臺驅動電路17，使精密位移平臺16帶動待測樣品10沿圖2所示的掃描路線進行掃描，實現對待測樣品10整個面的掃描。高角度散射光探測器11的光軸方向與待測樣品10的表面法線夾角小於45°，低角度散射光探測器12的光軸方向與待測樣品10的表面法線夾角大於45°。反射光探測器實時監控待測樣品10表面反射狀況。高角度散射光探測器11、低角度散射光探測器12、反射光探測器14接收的信號實時傳送到計算機18上進行保存。
從圖3可以看出，表面缺陷為凹坑缺陷時，高角度散射光探測器11接收更多的散射光，其散射光信號強度比低角度散射光探測器12接收的散射光信號強度大。
從圖4可以看出，表面缺陷為凸起缺陷時，低角度散射光探測器12接收更多的散射光，其散射光信號強度比高角度散射光探測器11接收的散射光信號強度大。
本實施例中旋轉稜鏡7是用於將入射雷射束在一定角度範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、聲光調製器、電光調製器、旋轉電機。
本實施例中高角度散射光探測器11與低角度散射光探測器12為實現光電轉換的器件，實現該功能的裝置包括但不限於光電二極體、電荷耦合元件、光電倍增管。
本實施例中高角度散射光探測器11與低角度散射光探測器12與散射光19之間放置光學透鏡系統，使散射光有效的收集起來，增加散射光能量，提高系統信噪比。