一种环形光纤束照明装置

技术领域

本发明涉及一种用于缺陷检测的环形光学照明装置，特别涉及一种用于半导体晶圆的亚表面缺陷检测的环形光学照明装置。

背景技术

半导体晶圆的亚表面的缺陷属于微结构，在对其进行检测时，通常要求照明装置具有小型化和高集成度的特点，否则难以用于对半导体晶圆的亚表面的缺陷进行检测。不仅如此，与半导体的表面缺陷不同，半导体晶圆的亚表面缺陷为内部缺陷，在对其进行检测时需要采用高强度的紫外光（如313nm或者365nm光波）对半导体样品进行倾斜照射，使半导体晶圆的亚表面的缺陷吸收该能量后激发出特定波长的散射光，由检测接收系统对该光束进行探测才能够检测出该内部缺陷。

环形LED照明装置是通过布置一圈或者多圈LED灯珠，以一定角度照射在待测物体上。环形LED照明装置可以紧凑地布置在半导体检测装置上，当需要检测半导体晶圆的亚表面的缺陷时，可以通过滤光片滤出365nm或者313nm的光波长对待测样品进行照明。然而，由于检测半导体晶圆的亚表面缺陷时需要高能量密度的光能量照射，而LED灯珠发光发散角大，单颗LED灯珠功率无法做到很高，导致照射在单位面积样品上的能量不高，无法有效激发晶圆内部缺陷，所以，环形LED照明装置在需要激发亚表面的内部缺陷的半导体检测领域无法使用。

对于目前已知的环形光纤照明装置而言，所用光纤为普通玻璃光纤或者塑料光纤。由于普通玻璃光纤和塑料光纤的弯折半径通常小于100毫米，虽可满足半导体晶圆的亚表面缺陷检测对照明装置的小型化和高集成度的要求，然而，由于普通玻璃光纤和塑料光纤不能传输400nm以下波长的光，因而目前的环形光纤照明装置不能适用于半导体晶圆的亚表面缺陷的检测。

目前，可传输400nm以下波长光源的光纤为特种石英光纤，其弯折半径大于100毫米。如前所述，目前已知的环形光纤照明装置由于使用的是小弯折半径的普通玻璃光纤或塑料光纤，因而可以做到小型化和高集成度，然而，一旦将其中的普通玻璃光纤或塑料光纤替换为弯折半径大于100毫米的光纤，则不仅装配困难，而且会导致整个环形光纤照明装置的结构非常庞大，无法满足半导体晶圆的亚表面缺陷检测对环形照明装置的小型化和高集成度的要求，因而不能在半导体检测领域中使用。参见图1（a）和图1（b）可让我们更好理解地因光纤1的弯折半径的增大而对目前已知的环形光纤照明装置的整体大小所带来的影响。尤其是在一分多束的光纤束的子光纤束较多（例如超过32根时），按照目前已知的环形光纤照明装置的结构已无法布置这些子光纤束。或许是弯折半径大于100毫米在实践中难以使环形光纤照明装置小型化的缘故，目前尚未见有可应用于半导体晶圆的亚表面缺陷检测的环形光纤照明装置的报道。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种光纤束照明装置，在使用弯折半径大于100毫米的光纤作传导介质时仍具有紧凑而小型的结构，可用于实现对半导体晶圆的亚表面等缺陷的检测。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：本发明环形光纤束照明装置包括会聚透镜、一分多束的光纤束、安装支架和光学元件，所述一分多束的光纤束中的各根光纤的弯折半径大于100毫米，所述安装支架设有光路通道，所述光学元件安装于光路通道中，来自于光源的光线经会聚透镜会聚后耦合到所述一分多束的光纤束的母光纤束中，所述一分多束的光纤束的各子光纤束分别以垂直于物面的方向插入到相应的光路通道中且各子光纤束呈环形分布，一分多束的光纤束的子光纤束发出的光束以垂直于物面的角度出射且经对应的光学元件准直并转折后以环形照明光倾斜照射到物面上。

进一步地，本发明所述安装支架设有通孔，所述光路通道设于通孔的四周。

进一步地，本发明所述光路通道为一个且呈环形。

进一步地，本发明所述光路通道包括第一光路通道，各第一光路通道相互间隔且呈环形排列。

进一步地，本发明所述光路通道还包括第二光路通道，所述第二光路通道为环形通道，所述第二光路通道设于第一光路的出口处且与各第一通道连通。

进一步地，本发明所述第一光路通道的数量与所述一分多束的光纤束的子光纤束的数量相同。

进一步地，本发明所述光学元件包括准直透镜和转折棱镜，一分多束的光纤束的各子光纤束出射的光束以垂直于物面的角度一一入射到各对应的准直透镜中，各准直透镜分别将光束准直并一一入射到各对应的转折棱镜的反射面上，各转折棱镜将光束反射到物面上。

进一步地，本发明所述光学元件为转折棱镜，所述转折棱镜包含第一通光、反射面和第二通光面，所述第一通光面为具有光焦度的曲面，第二通光面为平面，一分多束的光纤束的各子光纤束出射的光束一一依次经对应的转折棱镜的第一通光面、反射面、第二通光面后照射到物面上。

进一步地，本发明所述光学元件为一个自由曲面反射镜，所述自由曲面反射镜将一分多束的光纤束的各子光纤束出射的光束准直并反射到物面上。

本发明所要解决的第二个技术问题是提高光纤耦合效率和能量收集效率。为解决该技术问题，本发明所采取的技术方案是将上述技术方案中的会聚透镜替换为微透镜阵列，所述微透镜阵列将来自于光源的光线束分割成子光束并分别会聚耦合到一分多束的光纤束的母光纤束的各根光纤中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明提供了一种新型结构的环形光纤照明装置，其一分多束的光纤束的各子光纤束以垂直于物面的方向出射，在装配时，一分多束的光纤束的各子光纤束从上方以垂直于物面的角度插入到安装支架的光路通道中，可将弯折半径大于100毫米的光纤以紧凑的方式进行布置，不仅装配简单，而且使整个环形光纤照明装置的结构小型化且集成度高，可满足半导体晶圆的内部缺陷检测对照明装置的小型化和高集成度的要求，使环形光纤照明装置在半导体检测领域的亚表面内部缺陷检测中的应用成为可能。本发明特别适于用在要求环形光纤束照明装置小型化但光纤的弯折半径大的场景。不仅如此，本发明还可应用于半导体晶圆的表面缺陷及其它物体缺陷的检测。

（2）本发明环形光纤束照明装置具有光能量收集效率高、照明均匀、体积小、结构紧凑、装配简易等优点，尤其在使用石英光纤等弯折半径大于100毫米的光纤作传导介质时相比传统方案优势明显，并不因使用弯折半径大的石英光纤作传导介质而导致环形光纤束照明装置的体积变得庞大和装配复杂，使检测系统的集成化和小型化成为可能。尤其在一分多束的光纤束的子光纤束较多（例如超过32根）的情况下，本发明能够显著减少部件的数量，降低装配难度。

（3）现有技术中的光纤束照明装置的光纤束的各个光纤之间有空隙，且每一根光纤外部都有包层，因此耦合效率不高。在本发明中，会聚透镜亦未能有效解决光纤束的各个光纤之间的孔隙和包层部分造成光能量的损失和浪费这一问题。在现有技术中，微透镜阵列的作用在照明领域是使光线均匀化，在光场相机中则起解耦光线的作用，而本发明则通过微透镜阵列将会聚的光束分成多个光束一一对应分别汇聚到一分多束的光纤束的母光纤束的每一个光纤中，避免在空隙和包层部分造成光能量的损失和浪费，有效地提高了光纤耦合效率和能量收集效率，获得了新的技术效果。

附图说明

图1是按照现有技术对光纤的布置方式，一分多束的光纤束的子光纤束的弯曲半径不同时的装配状态简图，其中，（a）中的光纤的弯曲半径小于100毫米，（b）中的光纤的弯曲半径大于100毫米；

图2是本发明的第一个实施例的光纤束照明装置示意图；

图3是本发明的第一个实施例中插入一分多束的光纤束的子光纤束后的安装支架的结构示意图；

图4是本发明的第二个实施例中插入一分多束的光纤束的子光纤束后的安装支架的结构示意图；

图5是本发明的第二个实施例中的带光焦度的转折棱镜的结构示意图；

图6是本发明的第三个实施例中插入一分多束的光纤束的子光纤束后的安装支架的结构示意图；

图7是本发明的第三个实施例中的自由曲面反射镜的结构示意图；

图8是一分多束的母光纤束的排布示意图（截面）。

具体实施方式

本发明光纤束照明装置主要包括会聚透镜（或微透镜阵列）、一分多束的光纤束、安装支架和光学元件，其中，一分多束的光纤束中的各根光纤的弯折半径大于100毫米，安装支架设有光路通道，光学元件安装于光路通道中，来自于光源的光线经会聚透镜会聚后耦合到一分多束的光纤束的母光纤束中，一分多束的光纤束的各子光纤束分别以垂直于物面（即被检测物体的表面）的方向插入到光路通道中且各子光纤束呈环形分布，一分多束的光纤束的子光纤束发出的光束以垂直于物面的角度出射且经对应的光学元件准直并转折后以环形照明光倾斜照射到物面上。需要说明的是，从一分多束的光纤束的各子光纤束出射的光束可以由光学元件先准直再转折，也可以先转折再准直。在使用弯折半径大于100毫米的一分多束的光纤束时，按照本发明的结构仍可满足半导体晶圆亚表面的内部缺陷检测对照明装置的小型化和高集成度的要求，使用石英光纤传输波长为365nm或313nm的光源可使半导体晶圆的亚表面缺陷吸收该光能量后激发出的散射光被探测而检测出该缺陷。

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明的第一个实施例如图2和图3所示，该环形光纤束照明装置主要包括微透镜阵列101、一分多束的光纤束200、安装支架401、多个准直透镜403和转折棱镜404。其中，安装支架401的中间有一通孔，在通孔的四周设有四个第一光路通道。检测系统的物镜500可插入到该通孔中，由此将环形光纤束照明装置固定安装在检测系统的物镜500上。

具体而言，如图2所示，微透镜阵列101将来自于外部光源的光线分割成多个子光束并分别会聚，进而由一分多束的光纤束200的母光纤束201的端面中的各个光纤一一对应接收，由此降低光纤束排列的空隙502以及光纤包层501对能量的浪费（参见图8），提高光线的接收效率。母光纤束201又分成了四根子光纤束202、203和204（另一根子光纤束在图中未示出），每一个子光纤束均匀地分配母光纤束201的光纤，由此可近似地看作所有子光纤束的能量是均匀分配的。本发明不需使用光纤输出端光机组件，每一个子光纤束可直接插入到安装支架401的第一光路通道中。如图3所示，本实施例中，第一光路通道的数量与一分多束的光纤束的子光纤束的数量相同，各第一光路通道相互间隔且在通孔的四周呈环形排列。一分多束的光纤束的各子光纤束分别以垂直于物面600的方向从上方插入到各第一光路通道中，与同一子光纤束对应的准直透镜403和转折棱镜404与该子光纤束置于同一光路通道中，用于将该子光纤束出射的光束在第一光路通道中进行准直并转折后倾斜入射到物面600上。如图3所示，安装支架401的各第一光路通道呈环形分布，使得各子光纤束及其对应的准直透镜403和转折棱镜404亦呈环形分布。各光纤束固定部件402分别将插入到安装支架401的各第一光路通道内的各子光纤束固定在安装支架401上。一分多束的光纤束的各子光纤束发出的光束以垂直于物面600的角度一一对应入射到各准直透镜403中，各准直透镜403分别将光束准直并一一对应入射到各转折棱镜404中，各转折棱镜404将光束转折并均匀反射到物面600上。物面600反射或散射的光线被检测系统的物镜500所采集，并被后续系统成像。光线照射到物面600的角度可以通过调整转折棱镜404的角度做相应调整，各子光纤束发出的光束最终在物面600上形成均匀的光斑。本实施例的四根子光纤束直接以垂直于物面600的角度插入到安装支架401的各第一光路通道中且各子光纤束呈环形分布，一分多束的光纤束的子光纤束发出的光束以垂直于物面的角度出射且经对应的准直透镜准直并转折棱镜转折后以环形照明光倾斜照射到物面上，即使一分多束的光纤束的子光纤束的数量超过32根，依然可以有效地减小整个装置的体积，并降低装配难度，满足了半导体晶圆的亚表面缺陷检测对照明装置的小型化和高集成度的要求，实现对半导体晶圆的亚表面缺陷的检测；同时，相比于会聚透镜有效提高了光能量耦合效率。

如图4和图5所示，在第二个实施例中，光纤束照明装置主要由微透镜阵列、一个一分多束的光纤束200、安装支架401和多个带光焦度的转折棱镜405。安装支架401的中间有一通孔，在通孔的四周设有四个第一光路通道。检测系统的物镜500可插入到该通孔中，由此将环形光纤束照明装置固定安装在检测系统的物镜500上。本实施例中，第一光路通道的数量与一分多束的光纤束的子光纤束的数量相同，各第一光路通道相互间隔且在安装支架的通孔的四周呈环形排列。各子光纤束以垂直于物面600的方向从上方插入到安装支架401的各第一光路通道中。如图4所示，各光纤束固定部件402分别将插入到安装支架401的各第一光路通道中的四根子光纤束202、203和204（另一根子光纤束未在图中示出）固定在安装支架401上，与同一子光纤束对应的转折棱镜405与该子光纤束置于同一光路通道中。带光焦度的转折棱镜405的结构如图5所示，每个转折棱镜405包含第一通光4051、反射面4052和第二通光面4053，第一通光面4051为具有光焦度的曲面，第二通光面4053为平面，一分多束的光纤束的每个子光纤束出射的光束一一对应入射到一个转折棱镜405的第一通光面4051上，光束经具有光焦度的第一通光面4051准直后到达反射面4052并反射到第二通光面4053，再经第二通光面4053透射到物面600上。带光焦度的转折棱镜405可以通过注塑或者模压的方式制造。带光焦度的转折棱镜405既能够准直各子光纤束发出的光束，也能够将光束转折，以一定角度倾斜照射在物面600上。

光线照射到物面600的角度可以通过调整带光焦度的转折棱镜405的角度而作相应的调整，使各子光纤束发出的光束最终在物面600上形成均匀的光斑。相比于第一个实施例，第二个实施例进一步减少了安装支架401中的光学元件，每个转折棱镜405的第一通光面4051将一分多束的光纤束的其中一个子光纤束出射的光束准直后依次经反射面4052和第二通光面4053后，形成环形照明光以一定倾斜角度照射到物面600上，即使一分多束的光纤束的子光纤束的数量超过32根，依然可以有效地减小整个装置的体积，且提高装配简易度，同时满足了半导体晶圆的亚表面缺陷检测对照明装置的小型化和高集成度的要求，实现对半导体晶圆的亚表面缺陷的检测。

如图6和图7所示，第三个实施例中，环形光纤束照明装置主要微透镜阵列、一个一分多束的光纤束200、安装支架401和一个自由曲面反射镜406组成。在图6中，安装支架401中的光路通道为一个且呈环形。不同于现有技术，第三个实施例中的一分多束的光纤束的各子光纤束是以垂直于物面600的方向从上方插入到安装支架401的环形光路通道中，自由曲面反射镜406安装于环形光路通道中。各光纤束固定部件402将插入到安装支架401的环形光路通道内的各子光纤束202固定在安装支架401上。如图7所示，自由曲面反射镜406为环状，可以将一分多束的光纤束的各子光纤束出射的光束准直并反射到物面600上。该自由曲面反射镜406可以通过注塑的方式制造。各子光纤束202发出的光线以垂直于物面600的方向照射到同一个自由曲面反射镜406上，由自由曲面反射镜406将各光束准直并转折反射形成环形照明光，以一定角度倾斜照射在物面600上。作为本发明的另一种实施方式，安装支架401中的光路通道包括第一光路通道和第二光路通道（图中未示出），其中，第一光路通道为多个且相互间隔开来而呈环形分布；第二光路通道为一个环形通道，它设于第一光路的出口处且与第一通道连通，第二光路通道呈环形可用于安装环形的自由曲面反射镜406。第一光路通道的数量与一分多束的光纤束的子光纤束的数量相同，此时，一分多束的光纤束的各子光纤束以垂直于物面600的方向从上方分别插入到各对应的第一光路通道中，各子光纤束202发出的光线以垂直于物面600的角度照射到安装在第二光路通道中的自由曲面反射镜406上，由自由曲面反射镜406将各光束准直并转折反射形成环形照明光，以一定角度倾斜照射在物面600上。光线照射到物面600的倾斜角度可以通过调节自由曲面反射镜406的面型而作相应的调整，各子光纤束发出的光束最终在物面600上形成均匀的光斑。相比于第二个实施例，第三个实施例进一步减少了安装支架401中的光学元件，即使是使用超过32根的子光纤束，亦只需要使用一个自由曲面反射镜406就能够实现所有子光纤束的光路准直和转折，能够极大地提高装配的简易度和缩小整个光纤束照明装置的体积，满足了半导体晶圆亚表面的内部缺陷检测对照明装置的小型化和高集成度的要求，实现对半导体的亚表面缺陷的检测。

需要说明的是，上述实施例中，安装支架中的第一光路通道为多个时，各第一光路通道相互间隔且呈环形排列。此时，第一光路通道的数量与一分多束的光纤束的子光纤束的数量可以相同，也可以少于一分多束的光纤束的子光纤束的数量。当第一光路通道的数量少于一分多束的光纤束的子光纤束的数量时，可以在同一个第一光路通道中垂直插入多个子光纤束。上述各实施例以一分多束的光纤束的子光纤束的数量为4根作为示例，实践中，一分多束的光纤束的子光纤束的数量可根据实际的检测需求而定，本发明即使使用超过32根的子光纤束也能够极大地提高装配的简易度和缩小整个光纤束照明装置的体积，满足了半导体晶圆亚表面的内部缺陷检测对照明装置的小型化和高集成度的要求，可实现对半导体的亚表面缺陷的检测。

此外，本发明中，上述实施例中的微透镜阵列亦可替换为会聚透镜。然而，会聚透镜未能解决一分多束的母光纤束的各个光纤之间的空隙502和纤芯503外的包层501部分（如图8所示）造成光能量的损失和浪费这一问题。在现有技术中，微透镜阵列的作用在照明领域是使光线均匀化，在光场相机中则起解耦光线作用，而本发明则通过微透镜阵列将会聚的光束分成多个光束一一对应分别汇聚到一分多束的光纤束的母光纤束的每一个光纤中，避免在空隙502和包层501部分造成光能量的损失和浪费，有效地提高了光纤耦合效率和能量收集效率，获得了新的技术效果。

以上示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的保护范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的保护范围由权利要求书所限定。