专利名称：表面检查系统和检查工件表面的方法
这一发明涉及表面检查系统和方法，尤其特别涉及对物品或工件的检查，如硅晶片，以探测物品表面的微粒、裂纹或缺陷。
在制造如硅或其它半导体微晶片这样的物品或工件的过程中，光往往被导向通过一个光栅掩蔽盘射向硅晶片来蚀刻电路。光栅掩蔽盘或硅晶片表面上存在的裂缝、缺陷、污物、灰尘、斑点或其它外来物质都是非常不希望有的，并且对最终电路有不利影响。因此，光栅和硅片必须在使用前受到检查。一种检查技术是由检查人员靠视觉在强光下并经过放大后来检查每一表面。那些小于能被人眼靠视觉检查出的碎片和缺陷，则会损害最终的微晶片或掩蔽盘。而且对检查过程，即使在同样的质量准则或标准下，人的判断仍会有很大差异。
所以，已经发展了激光检查系统来检查物品如硅晶片的表面，精确地探测出小颗粒或缺陷。这些激光检查系统往往建立在如下原理上从一个物品表面反射回的照明光决定于照明壳相对于晶片表面的方向和表面的物理特征。例如，这些物理特征可能包括相对光滑的区域、起伏不平的区域、粗糙部分、微粒，和(或)其它在物品表面上的缺陷或裂缝。在这些传统的激光检查系统中，光是同时在物品表面镜面反射和散射的。镜面反射和散射的光均可指示出物品或工件表面微粒或缺陷的存在。从表面镜面反射的光，也就是亮道，和从表面散射的光，也就是暗道，被分别收集并分别传送到光探测器，比如光电倍增管(PMT)或电荷藕合器件(CCD)。从物品表面散射来的光也被理解为包括衍射光。
已经发展了几种激光检查系统，它们采用不同种类的扫描器和收集器来扫描一个正在平移的工件并且收集从物品表面反射和散射的光。这样的系统的例子可以在以下专利中见到美国专利第4,630,276号，由Moran发明的“紧密激光扫描系统”；美国专利第5,108,176号，由Malin等人发明的“校准扫描器的方法和用于产生确定散射光波幅的装置”；美国专利第5,127,726号，由Moran发明的“小角度、高分辨率的表面检查的方法和装置”。
这些用于探测物品表面上存在的微粒或缺陷的激光检查系统的发展也已经包括了可以提供更多的关于被测表面及微粒的信息的不同的扫描技术。几种螺旋扫描系统的例子可以在以下专利中见到美国专利第5,067,789号，由Tomoyasu发明的“激光束扫描系统”；美国专利第5,135,303号，由Uto等人发明的“检查表面缺陷的方法和装置”；美国专利第4,508,450号，由Ohshima等人发明的“用于检查物体平坦表面上的缺陷的系统”；美国专利第4,314,763号，由Steigmeier等人发明的“缺陷检查系统”；美国专利第5,189,481号，由Jann等人发明的“用于粗糙表面的微粒探测器”。然而，这些检查系统仅仅表明提供了一种对硅晶片表面的螺旋扫描模式。这些系统限制了检查物品表面所需的时间以及探测表面反射光的过程所提供的信息量。这些系统只是进一步针对表面检查过程的高的空间分辨率，或是高的完成速度。
基于以上的想法，本发明的一个目的就是提供一个可以密集而高效地扫描并收集工件表面的反射光和散射光的表面检查系统。
本发明的另一个目的就是提供一种对于表面检查过程高效的、有相对高的空间分辨率的，并且有相对高的完成速度的表面检查系统。
本发明的再一个目的就是提供一种具有高灵敏度的表面检查系统以便可以更容易地辨别并分类一个物品或工件的表面状况，包括工件表面内部及表面上的微粒、缺陷、划痕，或裂缝。
本发明的以上的和其它的目的是由被设置用来探测工件表面内部及表面上的微粒、缺陷，或其它表面特征的表面检查系统和的方法来实现的。表面检查系统最好包括一个当工件旋转并平移时沿着一个预先确定的最好相对较窄的扫描路径扫过工件表面的扫描器和一个具有分段光学部件以便更准确地从工件表面收集反射和散射光的集光器。因此这种表面检查系统提供了一种相对容易使用的、相对密集、高效的检查系统，提供了与该处表面上被探测的微粒或缺陷有关的高度精确的结果，并提供了在表面检查过程中对于检查物品的整个表面的高空间分辨率和高完成速度。
尤其是，这种表面检查系统最好有一个被设置用来沿着实际路径传送一个工件的传送器和一个与传送器相联接的被设置用来当工件沿着实际路径平移时旋转工件的旋转器。一个扫描器被配置并设置用来在工件沿着实际路径旋转并平移时扫描工件表面。该扫描器包括一个被设置用来产生一束光的光源和当工件沿着实际路径旋转并平移时被设置用来接收光束和使光束沿着一个预先确定的扫描路径扫描工件表面的装置。最好一个集光器也被设置用来收集当工件沿着实际路径旋转并平移时从工件表面反射和散射来的光。
根据本发明提供一种扫描器并且被配置和设置用来当工件沿着实际路径旋转并平移时扫描工件表面。扫描器包括一个光源，即激光器，被设置用来从其中产生一束光，以及被置用来当工件沿着实际路径旋转并平移时接收光束并本性使光束沿着一个预先确定的相对窄的扫描路径扫描工件表面的装置。这一扫描装置是一个提供了一个在方向上相对于工件移动的平移路径具有小于0.1弧度的相对较窄的扫描路径的声光致偏器。
根据本发明也提供一个集光器，它包括一个被设置用来探测从工件表面镜面反射的光的亮道探测器和一个紧邻着亮道探测器置的探测从工件表面散射来的光的暗道探测器。暗道探测器有许多互相紧邻着安置的集光器，被设置用来收集来自工件表面的各个不同预定角度的散射光部分忝分和(或)来自工件表面的反射光。暗道探测器的这些集光器组成至少有两个互相紧邻着安置的集光器的分段光学部件。这些集光器有被设置用来收集以一个相对较小的角度从工件表面向前散射的光成分的小角度集光器，一个被紧邻着小角度集光器安置的被设置用来收集大体上垂直的以相对中等的角度从工件表面散射的光成分的中等角度集光器，和一个被紧邻着中等角度集光器安置的被设置用来收集以相对较大的角度从工件表面向后散射的光成分的大角度集光器。暗道探测器进一步包括被各自安置成与相应的集光器之间有光学联系的一个小角度探测器、一个中等角度探测器、一个大角度探测器，和与小、中、大角度探测器之间电气联接的对来自探测器的电信号起反应的装置，以确定工件表面微粒的存在。
例如，当一个微粒或缺陷被探测出来时，小角度集光器被安置用来接收和收集从工件表面向前散射的光，中等角度集光器被安置用来接收和收集从工件表面大体垂直散射的光，大角度集光器被安置用来接收和收集从工件表面向后散射的光。根据本发明，暗道集光器尤其提供一种具有高灵敏度的表面检查系统，可以更容易地对物品或工件表面状况，包括工件表面内部及表面上的微粒、缺陷、划痕或裂缝进行辨别、分类和(或)提供形貌图。
根据本发明还提供了检查物品或工件表面缺陷的方法。一种检查工件表面的方法包括沿着实际路径旋转并平移地传送工件并且当工件沿着实际路径运动时沿着一个相对较窄的扫描路径α将一束光扫描经过工件表面。这个沿着实际路径旋转并平移传送一个工件的步调与最好扫描工件表面的步调同步，以便产生一个对工件表面的具体形状的扫描。从工件表面反射的光和散射的光最好被分别收集。被收集的散射光至少分别包括收集到的从工件表面向前散射的光成分以及收集到的从工件表面向后散射的光成分。在扫描表面的过程中至少工件的旋转速度，并最好包括平移传送的速度可以被改变，以便提供一种对工件表面大体不变的扫描速度。而且，扫描光的光学增益还可以在对工件表面的扫描过程中被改变。
检查工件表面的另一种方法包括沿着一个预定的，即相对较窄的扫描路径使一束光发生偏转，并且把这一偏转光束从扫描路径引导到工件的表面，例如，以一个相对较小的入射角。该方法也包括产生一个对工件的旋转并平移的扫描，以便这一狭窄的扫描路径可以沿着一个螺旋轨迹横扫过整个工件表面。
另一种检查工件表面以提供在工件表面探测到的微粒的信息的方法包括用多个集光器在一些预定的散射角探测从工件表面反射和散射来的光。至少两个被安置在预定散射角的集光器是被分别安置来收集从工件表面向前和向后散射的光。工件表面内部或表面上的一个微粒或缺陷是根据在预定散射角探测到的光辨别的。
根据本发明一种检查工件表面的方法还包括在被设置用来收集向前散射光的第一预定散射角处收集从工件表面散射来的光，在被设置用来收集大体垂直的散射光的第二预定散射角处收集从工件表面散射来的光，在被设置用来收集向后散射光的第三预定角处收集从工件表面散射来的光。
另外，一种检查工件表面以提供工件表面内部或表面上的微粒，缺陷或其它表面特征的信息的方法包括通过在一些紧密相邻的预定散射角处设置一些集光器来收集从工件表面散射的光，以便产生表示被收集光的信号。这些预定的散射角最好根据工件表面来设定以便可以独立地收集至少向前和向后两种散射光。然后用这些信号与表示预定材料的介电常数的预定数据相比较来辨别工件表面内部或表面上的微粒或缺陷。
除了以上的优点之外，本发明的这种表面检查系统和方法，也提供了高的空间分辨率，目标平面上的小视场，这一视场可以依次提供改进的边缘探测性能和改进的在检查过程中的可重复性。而且由于被设置成特殊的位置排列的暗道集光器有许多探测器被设置成与工件表面成预定的角度，在探测从工件表面反射和散射的光时，由于分子散射，表面检查系统可以降低干扰信号。
其它目的和优点会在结合附图进行的说明中出现，这些附图当中
图1表示根据本发明的一个表面检查系统的透视图；图2表示根据本发明的一个表面检查系统的被设置用来沿着实际路径旋转并平移传送工件的一个传送器；图3示意表示根据本发明的一个表面检查系统的一个侧视图；图3A表示一个根据本发明的一个表面检查系统的一个亮道探测器的一个不完全视图；图4示意表示了根据本发明的一个表面检查系统的一个光学扫描系统的一个侧视图；图5示意表示了根据本发明工件穿过一块检查区域时的旋转和平移运动；图6示意表示了根据本发明具有用来收集从工作表面散射的光的分段光学部件的一个表面检查系统的一个集光器；以及图7示意表示了根据本发明的一个表面检查系统的系统控制器。
现在参照那些表示本发明的优选实施例的附图，本发明将在下文中得到更充分的描述。然而这个发明可以用很多不同的形式来实施并且不应该被看作受到此处出现的说明的具体实施例的限制，这里提供这些具体实施例以便这一公开将会是彻底而完整的，并且可以完整地把这一发明的范围传达给熟练技术人员。相同的数字始终代表相同的部件。
图1表示根据本发明用来探测工件或物品W，如硅晶片，表面的微粒、缺陷、裂缝和形貌的一个表面检查系统20的透视图，系统20的一部分为了更清楚的目的而被去掉，并以虚线表示用以说明表面检查系统20的不同部件。本发明的表面检查系统20被用来检查有镀膜和无镀膜的未加工的晶片W。表面系统20包括用来沿实际路径P平移传送工件W的装置，和与平移传送装置相连的，当工件W沿实际路径P移动时旋转工件W的装置，以及当工件W沿实际路径P旋转并平移运动时扫描工件W的表面S的装置，和收集从工作W的表面S反射和散射的光的装置。
如图1所示，表面检查系统20被设置成一个包括工作台21的工作站，被安装在工作台21上的是一个通常关闭的并且大体上是亮的坚固的外壳22，一个视频显示器23，一个键盘25，和一个鼠标26。一个柜子27从工作台悬挂下来用来装一个系统控制器50。与柜子27相邻的是一个板架28，用来装一个打印机29和连带的打印纸29a。外壳22的一部分被断开去掉以更好地表示出本发明的检查装置。晶片W的检查在检查台31上的一个检查区Z中进行。一个自动的晶片夹持装置32，与检查台20相邻安装，用来从一个盒33中向台面31装上或拿下晶片W。盒33装有一定数量的晶片W，从一个门(未表示)被装入柜27。在外壳22内的对晶片的夹持是自动进行的，没有人手的接触以避免弄脏形成污迹。
如图1-3所很好表示的那样，表面检查系统20包括用做沿着一个实际路径P平移传送一个工件W的装置。这一传送工件W的装置被表示为一个被设置用来沿着一个实际路径P平移传送一个工件W穿过一块检查区域或范围Z的传送器40。平移传送器40，如所示，包括一个齿轮42，一个包括一根被设置用来带动齿轮42旋转的轴41a的电动机41，和具有整体成形齿的导向板36、37。电动机41和安装在电动机轴41a上的齿轮42组成一个系统50的夹盘。如图所示夹盘的电动机41与一个其上有一些用来沿着工件W边缘安放工件W，即硅晶片W，的向上伸出的凸缘43a的载物台部件43安装在一起。这一为工件W而采用的安置技术可以减少那些可能与调节工件的下表面的位置以便使之紧靠载物台的上表面有关的污染或其它表面问题。载物台43被沿着固定在其下方的载物导轨部件38，39平移传送。根据本发明其它平移和(或)旋转装置如与载物台部件安装在一起的活塞和缸体装置和一个用来使载物台旋转的电动机这样的能被熟练技术人员理解的装置也可以被应用。
而且，使工件W旋转的装置，图示为旋转器45，是与传送器40相关联的，被设置用来在沿着实际路径P平移运动过程中转动工件W。如图所示旋转器4 5包括一个与载物台的下表面安装在一起的，以预定速度向装在那里的晶片提供转动的一个电动机46。传送器40和旋转器45是同步的，并且与一个扫描器80一起被设置以便在工件沿着实际路径P旋转并平移运动时扫描器可以经过工件表面产生一个螺旋形的较窄角度扫描(α)。
如图1和图3-5所示，安装了一个扫描器80用来在工件沿着实际路径P旋转并平移运动过程中扫描工件W的表面。这仍能被熟练技术人员所理解，即当工件W是静止的或平移运动或旋转运动时，扫描器80可以为了旋转和(或)平移运动而被设置。因此，本发明包括一个被设置用来从其中产生一束光的光源81、接收光的装置和扫描工件W的表面S的装置，即一面反射镜82、透镜84、86、致偏器85，和可以用来对工件W产生旋转和平移扫描的装置，即传送器40和旋转器45。
根据本发明，扫描器80包括一个光源81，即被设置用来由此产生一光束B的激光器和被设置用来接收光束B和被设置用来当工件W沿着实际路径P旋转并平移运动时沿着一个相对较窄的扫描路径(α)扫描过工件W的表面S的装置。正如可被熟练技术人员理解的那样，光源81是波长相对较短的可见光激光器，如氩离子激光器或固体激光器。正如可被熟练技术人员理解的那样，激光器81是一个激光器和外部光学部件的组合。激光器81光束直径大约为0.6毫米(mm)。包括了图示的与之连接的光学部件的扫描器80，被设置用来产生线性偏振光，即P极偏振光，其光点尺寸全宽度半极大值小于0.1毫米。这也可被熟练技术人员理解，即根据本发明，也可以产生出和(或)应用S偏振光或圆偏振光。
通常三个重要因素决定着本发明的表面检查系统20的探测灵敏度。激光功率、激光波长，和激光束光点直径。激光功率和光点直径一起决定功率密度，它直接与散射信号强度成比例。根据本发明，对表面检查系统20，激光光点直径小于60微米，即在25-40微米之间，并且往往是大约30微米。这一优选的激光光点直径是象素大小，即空间分辨率的三倍，这提供了一个表面检查事件的足够的抽样以及改良的探测灵敏度。通过减小光点直径，并且假设增益、集光角度，和光学效率是相同的，则可以使表面检查系统20的由信噪比(S/N)决定的探测范围得到显著的改进。如果激光功率能得到实质上的提高，即倍增，那么探测范围就可得到显著改进。如果激光功率没有变化发生，那么优化入射角、偏振，和集光几何条件也可以改进探测范围。
扫描装置包括一个致偏器85，如图所示，被安置来接收光束B并且被设置用来沿着一个相对较窄的扫描路径(α)偏转光束B。如图所示致偏器85是一个声光(A0)致偏器，并且相对较窄的扫描路径(α)不大于0.1弧度，往往在0.025-0.040弧度范围之内。正如图4很好地表示的那样，扫描路径(α)定向地与平移运动路径P相符合，如图中箭头所示，大体上在与其平行的方向。偏转是用诸如用高频声波激励晶体的方法产生的，它与入射光波发生相互作用从而移转光束B，藉此改变传播角度。可以理解不同的晶体频率会相应导致光经过那里时以相应不同的传播角度被偏转。如果被扫描的声波频率呈锯齿形，激光束B会被以与频率成正比的角度(α)扫描。声光致偏器85提供一个不变的扫描速度，这可以依次提供一个与从物品表面探测到的微粒或缺陷一致的或预定的时间响应。正如可被熟练技术人员理解的那样，尽管本发明的描述是结合一个声光致偏器85的，其它提供窄角度扫描的装置，如一个检流计，一个压电扫描器，一个共振扫描器，一面旋转的反射镜，一个扫描头，其它电子扫描器，或者类似的装置，根据本发明也可以被使用。
而且一个光束扩展器82被安置在激光源81和致偏器85中间，用来在光束B进入声光致偏器85之前使之扩展。扩展器82提供了可以更充分地填充致偏器85的有效孔径以便最好地利用致偏器85的扫描角度的装置。例如，任何在致偏器85之后或在其下游的光束的扩展，会以与增大光束直径相同的因素减小偏转角。致偏器85处的实际光束直径受到所需的由下列表达式给出的折回时间的限制T＝D/Va这里D是光束直径而Va是声音在安置在此处的传感器中的速率。
扫描器80也包括在位置上与致偏器85排成一行，被设置用来当工件沿着实际路径P旋转并平移运动时将光束从窄扫描路径(α)以一个相对低的入射角(β)引向工件W的表面S的装置。尽管根据具体应用入射角对工件W而言可能是大体垂直的的或者较小的，与物品表面法线之间的入射角β最好大于45°，即与工件W表面之间小于45°，并且，尤其是从法线到物品表面的入射角在65°-85°的范围内。
引导装置被图示为一面反射镜82和一些透镜84、86，被设置用来把光束B从激光器81引向待检查的工件W的表面S，当光束B从声光致偏器85传来时，光束B穿过一个角度取向面向光束的园柱透镜84，以便在物品旋转并平移运动穿过检查区时对物品表面进行直线扫描。一个阻滞部件87被安置与和声光致偏器85紧邻安置的园柱透镜84排成一行，用来挡住那些没有对工件W表面直线扫描的相对的小部分光。安置在圆柱透镜84之后的光学透镜86是一个聚焦或f-θ透镜，正如可被熟练技术人员理解的那样，被设置用来把光束聚焦到工件W表面上。
根据本发明，扫描器80被根据传送器40和旋转器45来设置，后两者之间是同步的，以便在工件W沿着实际路径P旋转并平移运动时对工件W表面S形成一个螺旋形的窄角度扫描(见图5)。扫描器80因此在径向θ角处通过旋转运动和直线的、横向的或平移运动(Y)实现在图3中得到很好表示的一种螺旋扫描模式。
扫描路径α的方向与工件W的平移运动方向(Y)相一致。窄角度扫描从旋转工件即晶片的外径开始，工件以一预定速度旋转，即大约每分钟50转(rpm)。工件W被安放在其上的载物台部件43与这一旋转同步运动以产生一个光滑的螺旋。当半径减小时，和平移速度一样，旋转速度被逐渐增加，来保证声光致偏器85的扫描速度大体不变。这一扫描过程一直持续至最内部，此时最后五圈保持一个相对不变的转速，即大约200转/分。预先确定转速可以使由于任何的系统不平衡导致的潜在的横向的及平移的力降至最小。旋转器45包括用来改变速度，即改变在沿着实际路径P扫描工件W的表面S的过程中旋转工件的速度的装置，即变速电动机46。同样，传送器40也包括用来改变速度，即改变在沿着实际路径P扫描工件W的表面S的过程中平移传送工件的速度的装置，即变速电动机41。
另外，光束B的光输出功率或光学增益也可以在正被检查不同表面特征的工件W的不同部分被增加或降低，即沿着工件W的周边部分降低光学增益。这种对光输出能量或光学增益的改变改善了系统其它性能，也有助于使由于增加的表面粗糙度或其它特征的那部分区域影响了系统在表面内部或表面上探测微粒或缺陷的能力而导致的干扰降至最小。本发明的表面检查系统籍此提供高空间分辨率、高通过量、在目标平面上的一个小视场，这些依次提供了检查过程中的改良的边缘探测性能和改良的可重复性。
如图1，3，3A和6-7很好地表示的那样，从工件表面收集光的装置是一个具有一个被设置用来探测从工件W的表面S镜面反射的光的亮道探测器110和一个被设置用来探测从工件W的表面S散射的光的暗道探测器120的集光器100。亮道探测器110可以是一个钝化台面型晶体管或一个光电二极管。但是，正如熟练技术人员所理解的，实际是一个扇形单元设备，也就是探测器，被设置用作X-Y坐标探测以便在探测一个缺陷或微粒时可以测定反射光路径上的偏差。这样的扇形单元探测器由Camarillo，California的Advanced Photonix公司制造，以前是Silicon Detector公司。尽管表示的是一种特殊结构，但是可以被理解的是根据本发明不同的其它矩形或复合的单元，即双单元结构也可以被应用。
暗道探测器120包括一些集光器121、123、125，它们被紧邻着安置并且被设置用来收集从工件W的表面S分别以不同的预定角散射的光。暗道探测器的这些集光器121、123、125，至少由两个相邻安置的集光器的分段光学部件组成。所示的这些集光器121、123、125会被熟练技术人员理解为混合透镜组。根据本发明，其它的透镜排列也可以得到使用。这些集光器121、123、125相应地包括一个被设置用来收集从工件W的表面S以一个相对小的角度a向前散射的部分光的小角度集光器121，一个被紧邻着小角度集光器121安置的被设置用来收集从工件W的表面S以一个相对中等的角度b大体正常地散射的部分光的中等角度集光器123和一个被紧邻着中等角度集光器123安置的被设置用来收集从工件W的表面S以一个相对大的角度c向后散射的部分光的大角度集光器125。暗道探测器120包括分别独立地与集光器121、123、125对应存在光学联系的一个小角度探测器122，和一个中等角度探测器124，和一个大角度探测器126，以及与小角度、中等角度和大角度探测器122、124、126用电气连接的并响应前述探测器产生的电信号以确定工件W的表面S上的一个微粒的存在的装置。
划痕控测器130(图6)被设置用来接收从所示的反射路径偏离的光，当光从工件W的表面被反射时，它穿过一个聚焦透镜112并到达一个反射镜113的表面，反射镜113便将这束光转向所示的亮道集光器110的前表面115，从前表面反射的光被一个阻挡部件116切断或挡住。如果一个划痕在工件W表面被探测到，图示的很大一部分反射光会从指向亮道集光器110的路径偏离并且会绕过反射镜113而达到划痕探测器130，即钝化台面型晶体管。集光器的决定性装置是电子信号识别电路150，如图示(图3和图7)并可为熟练技术人员所理解，可以接收描述暗道探测器122、124、126、130收集的光的信号。
正如图1、3和6中很好地表示的那样，这些集光器121、123、135的相对独立的角度a、b、c根据工件W的表面S来的光的反射角α和相对扫描入射角β产生的向前散射a、大体垂直散射b和向后散射c的散射光部分来确定的。例如，如果入射角相对较低，即从水平算15°或从法线算-75°，则向前散射角或小角度α大约为+22°至+67°，大体垂直的散射角或中等角度是大约为-25°至+20°，而向后散射角或大角度-72°至-27°。当探测到一个微粒或缺陷时，根据探测到的微粒或缺陷或类似的东西，在来自工件表面散射光中，小角度集光器121被安置来接收和收集向前散射a，中角度集光器123被安置来接收和收集大体垂直散射b，大角度集光器125被安置来接收和收集向后散射c。上述例子中，在通常垂直于入射面的方向上，全部角度中的大约73°范围可被上述集光器获得。这是每段固定角度为0.64球面度或是总共大约1.92球面度，这是个对目前已知的探测器的本质上的改善。
根据本发明，暗道集光器120分析表面S和微粒的散射特性，例如可以用于抛光的晶片及不同的镀膜。当一定条件，即与表面粗糙度允许水平最有关联的条件满足时，表面散射光的分布〔BRDF)可以表示为BRDF＝[16π2cosβi·cosβs·Q·S(fx，fy)]/λ4其中βi是入射角，βs是散射角，Q是在这一波长的反射系数和入射光的偏振，S是表示粗糙度的功率光谱密度特性，λ是入射光的波长，fx、fy是空间频率，它们可依次用入射角和散射角表示如下
fx＝(sinβscosφs-sinβi)/λfy＝sinβssinφs/λ在这些等式中，β一般指入射平面内的角而φ代表方位角。表面散射光分布曲线的形状由上面这个提供了可接受的给出很好的功率光谱密度信息的结果的等式中的S(fx，fy)项和余弦项决定。曲线幅值的大小主要由反射系数Q决定。
物品表面和在其上探测到的一个微粒或缺陷的反射系数决定于所检查材料或微粒，即硅、铝的介电常数。而且，根据本发明，用P偏振光照射的一种材料或微粒即硅、铝的反射系数会和用S偏振光照射的材料或微粒有不同的特性，在某一角度，即布鲁斯特角，用P偏振光照射的一种绝缘体的反射系数为0，它是如下表示的折射率(n)的函数βb＝tan-1n例如，金属和其它吸收材料展现相似形状的曲线，而P偏振光下它们的反射系数达到一个非零的最小值，这一非零最小值出现的角度可以被称为一个伪布鲁斯特角或者称为主角度。主角度依赖于复合介电常数(n＝n-ik)并且可以通过在迭代的基础上评估下列表达式而被得到(n2+k2)1/2＝sin2βp/cosβp例如，尽管铝和硅不同，铝是一种强吸收体而硅表现出高指数的介电特性。两种材料的主角度都接近相同，即大约78°(铝78.1°，硅77.8°)。几乎所有其它感兴趣的材料的指数都不比铝或硅的大，所以其主角度会等于或小于大约78°。例如，二氧化硅的折射率约为1.65，等同于主角度大约58.8°。绝缘膜的特性也依赖于基体和膜的厚度，而且反射曲线会在几个角度处出现极小值。
从表面散射光分布曲线得到的这些不同值的数据，折射率和介电常数可以被用来为表面检查系统50确定微粒或缺陷的识别信息。一个用来确定散射角的相对信噪比，可以通过用表面散射光分布的平方根除微粒响应得到。正如被熟练技术人员理解的那样，这为当噪声的主源是”朦胧”信号时的泊松波动的极限情况提供了一个相当的信噪比。这种对暗道集光器120收集的光，即散射光的有效角度进行的比较，被与象一个数据表中的已知特征数据相比较，以有助于据此对微粒或缺陷进行确定和分类。正如被熟练技术人员理解的那样，这些比较步骤是根据预定的命令信号，即一个存在一个结构硬件或一张存储盘上或类似东西中的软件程序来执行的。
如图1中的透视图和图7的简图所很好地表示的那样，表面检查系统20是由计算机控制的，系统控制器50在一个操作人员的监督和指导下操作检查系统20，存储并修正由系统20产生的数据，并响应预定指令完成数据分析。所示的扫描部件部分90与扫描器80相配合并且包括一个把位置信息送给伺服放大器91的到时候人探测器91。被检查工件的相对位置通过另外的电机41、46和编码器93传送给系统50。位置数据被传给声光扫描控制73，它组成系统电子基板70的一部分，并通过一个声光扫描驱动器95相应地驱动声光致偏器85的。
系统电子基板70包括一个系统电源71并从分别表示散射光和镜面反射光的暗道探测器120和亮道探测器110接收信号。正如可被熟练技术人员理解的那样，这些数据信号按常规以一种模拟形式与模拟前端设备75电气连接，并且由数字前端设备74或类似设备转换成数字形式，数字前端设备74也与个人计算机(PC)板60上的声光扫描控制73，系统总线接口72，和微分接口69，即微分总线相连接。系统总线接口72也与表面检查系统50的一个激光电源51相连通。
个人计算机基板60包括一个被设置用来给个人计算机提供能量的个人计算机电源61，个人计算机基板60也有一个通过响应与扫描器部件90的伺服放大器92和一个系统控制计算机65，即微处理器，或控制器相连通的运动控制器64。系统控制计算机65与一个晶片支撑装置52电气连通，以便经过响应发送和接收用以安放并支撑如上面所述的被检查物品或晶片的预定指令信号。系统控制计算机65还与一个硬盘驱动器68，一个被设置用来与显示器连通的显示适配器67，和一个被设置用于网络或其他系统50的通信的以太网接口66相连通。一个图像处理器64与微分接口69和系统控制计算机65电气连通以处理被检查物品和(或)其上的缺陷、裂缝、表面起伏或微粒的图象，如图7所示的表面检查系统50，正如可被熟练技术人员所理解的那样，是由软件和组成系统50的这些不同部件，或其组合的硬件组成的。
如图1-7所示，根据本发明也提供了用于检查物品或工件W的表面S的缺陷的方法。检查工件W的表面S的方法包括沿着一个实际路径旋转并平移传送工件W，并且当工件W沿实际路径P运动时，沿着一条相对较窄的扫描路径扫描经过工件W的表面。沿一条实际路径旋转并平移传送一个工件的步调与扫描工件的表面的步调同步，以便产生一个对工件表面的大致成形扫描。从工件w表面s镜面反射和散射的光被分别收集。被收集的散射光包括至少分别从工件表面向前散射的部分光和从工件表面向后散射的光成分。至少旋转速度，包括表面扫描过程中平移传送工件的速度是可以被改变的，以便提供对工件w的表面s的大体不变的扫描速度。而且，在对工件表面的扫描过程中，扫描光的光学增益也可以进一步被改变。
另一种检查工件W的表面S的方法包括使一束光B沿着一条预定的，即相对较窄的扫描路径α发生偏转，并且把偏转的光束B从扫描路径α引向工件W的表面S，例如，以一个相对小的入射角。此方法也包括对工件W产生一个旋转并且平移的扫描，以便窄扫描路径可以沿着一条螺旋路径横扫过整个工件表面。
另一种检查工件W的表面S以提供关于在工件W的表面S上探测到的微粒的信息的方法。包括用一些集光器121、123、125在一些预定散射角a、b、c，探测从工件W表面S反射和散射的光。至少这些集光器中的被安置在预定散射角的两个121、125，被分别安置来收集从工件W的表面S向前和向后散射的光，工件W表面S内部或表面上的一个微粒或缺陷是根据在一些预定散射角探测到的光束辨别的。
根据本发明一种检查工件W的表面S的方法还包括在第一个预定散射角收集从工件W的表面S散射来的光，这被设置来收集向前散射光，在第二个预定散射角收集从工件W的表面S散射来的光，这被设置来收集大体垂直散射的光，在第三个预定散射角收集从工件W的表面S散射来的光，这被设置来收集向后散射光。
另外，检查工件W的表面S以提供工件表面内部或表面上的微粒、缺陷或其它表面特征的信息的方法包括用一些安置在一些紧邻预定角度a、b、c的集光器121、123、125收集从工件W的表面散射的光束来产生表示被收集光的信号。预定的散射角根据工件表面来设置，以便可以分别收集至少向前和向后的散射光。然后把这些信号与预定材料的表示介电常数的预定数据相比较来辨别在工件W表面内部或表面上探测到的微粒或缺陷。
在这些图和说明中，这一发明的典型的优选实施例已经得到公开，而且，尽管使用专门术语，但这些术语仅在描述的意义上使用，而且不是为了限制的目的。参照各种所示实施例，这些发明已得到了相当详细的描述。很明显，可以在不脱离所附权利要求书所确定的及以上说明所述的本发明的主旨和范围的情况下，对其进行各种修改和变化。
权利要求
1.一种用以检查工件的表面上的微粒或缺陷的表面检查系统，该表面检查系统包括沿一实际路径平移传送工件的装置；在工件沿实际路径平移运动的过程中用来旋转工件的与上述传送装置相连的装置；一个被安装和设置用来在工件沿实际路径旋转并平移的过程中扫描工件表面的扫描器。上述扫描器包括一个被设置用来从其中产生光束的光源和被安置用来接收光束并被设置用来当工件沿实际路径旋转并平移运动时沿着一条预定扫描路径使光束扫描经过工件的表面的装置；以及一个被设置用来在工件沿实际路径旋转并平移运动时，收集从工件表面反射和散射的光的集光器。
2.权利要求1所定义的表面检查系统，其中所述的平移传送装置和所述的旋转装置是同步的，并且被和上述的扫描器一起安置以便在工件沿实际路径旋转并平移运动时，对工件表面形成一个大体上螺旋形的角形扫描。
3.权利要求1或2所定义的表面检查系统，其中预定扫描路径包括一个沿着工件表面的不大于0.1弧度的相对窄的扫描路径。
4.权利要求1、2或3所定义的表面检查系统，其中上述的扫描装置包括一个被设置用来沿着工件表面使光束沿一预定的窄扫描路径反复偏转的致偏器。
5.权利要求1、2、3或4所定义的表面检查系统，其中上述的集光器包括一个被设置用来探测从工件的表面镜面反射的光的亮道探测器；一个被紧邻着上述亮道探测器安置的用来探测从工件表面散射的光的暗道探测器，上述暗道探测器包括一些互相紧邻着安置的集光器，被安置来收集从工件表面的不同的相应的预定角度散射的光。
6.权利要求6所定义的表面检查系统，其中上述暗道探测器的上述多个集光器包括一个被设置用来收集以一个相对小的角度从工件表面向前散射的光成分的小角度集光器，一个被紧邻着上述小角度集光器安置的用来收集以一个相对中等的角度从工件表面大体垂直散射的光成分的中等角度集光器，和一个被紧邻着上述中等角度集光器安置的用来收集以一个相对大的角度从工件表面向后散射的光成分的大角度集光器。而且，其中上述暗道探测器进一步包括分别被按照与一个相应集光器有光学联系的方式安置的一个小角度探测器、一个中等角度探测器和一个大角度探测器，以探测被收集的光，和与上述小、中、大角度探测器电气连接的并且对上述探测器发出的电信号响应以确定工件表面的一个微粒的存在的装置。
7.权利要求1、2、3、4、5或6定义的表面检查系统，其中上述旋转装置包括在工件表面的扫描过程中当工件沿实际路径平移运动时用来改变工件旋转速度以便提供一个对工件表面的大体不变的扫描速度的装置。
8.权利要求4定义的表面检查系统，其中上述致偏器被设置用来沿工件表面，沿着一条预定的较窄扫描路径重复地使光束偏转，其中上述扫描器进一步包括当工件沿实际路径旋转并平移时，把光束从较窄扫描路径以一个相对小的入射角引向工件表面的装置。
9.权利要求8定义的表面检查系统，其中相对小的入射角从法线到工件大于45°。
10.权利要求8或9定义的表面检查系统，其中致偏器包括一个被安置在上述激光光源和实际路径之间并且被设置来把光束引导向被检查工件表面的一面反射镜和一些光学透镜。
11.一个被设置用来扫描工件表面的表面检查系统，表面检查系统包括一个被设置用来从其中产生一束光的光源；用来接收光束并向工件的表面扫描一个相对较窄的扫描路径的装置；以及和对工件产生一个旋转并平移扫描的装置。
12.权利要求11定义的表面检查系统，其中沿着工件表面的相对较窄的扫描路径不大于0.1弧度。
13.权利要求12定义的表面检查系统，其中相对较窄的扫描路径在大约0.025至0.040弧度范围之间。
14.权利要求11、12或13定义的表面检查系统，其中上述扫描装置包括一个被设置用来沿着工件表面使光束一条预定的沿较窄扫描路径重复偏转的致偏器。
15.权利要求11定义的表面检查系统，进一步包括与上述扫描装置排成一行安置用来把光束以一个相对小的入射角引向工件表面的装置，上述引导装置包括一面反射镜和一些光学透镜。
16.一个被设置用来探测工件的表面上的微粒或缺陷的光学扫描器，此光学扫描器包括一个被设置来从其中产生一激光光束的激光器；一个被设置用来接收光束并使光束沿一相对窄的扫描路径偏转的声光致偏器，相对较的扫描路径不大于0.1弧度；以及与上述激光器和声光致偏器相联系用来在工件沿一实际路径旋转并平移运动时把光束以一相对较小的入射角引向工件表面的装置，上述引导装置包括被设置用来把光束引向被检查工件表面的一面反射镜和一些光学透镜。
17.一个用来收集从工件表面反射的光并且提供在工件表面上探测到的微粒的信息的光学集光器，光学集光器包括用以探测从工件表面散射来的光的暗道探测装置，上述暗道探测装置包括一些互相紧邻着安置的被设置用来收集以不同的相应的预定角度从工件表面散射来的光成分的一些集光器，上述这些集光器包括至少一个被设置用来收集从工件向前散射的光的集光器和一个被设置用来收集从工件表面向后散射的光的集光器。
18.权利要求17定义的光学集光器，其中上述那些暗道探测器的集光器包括一个被设置用来收集从工件表面以一个相对小的角度向前散射的光成分的小角度集光器；一个被紧邻着上述小角度集光器安置的被设置用来收集从工件表面以一个相对中等的角度正常散射的光成分的中等角度集光器；一个被紧邻着上述中等角度集光器安置的被设置用来收集从工件表面以一个相对大的角度向后散射的光成分的大角度集光器。而且，其中上述暗道探测器进一步包括用来探测被收集的光的分别被按照与一个相应集光器有光学联系的方式安置的一个小角度探测器、一个中等角度探测器和一个大角度探测器，和与上述小、中、大角度探测器电气连接的并且对上述探测器发出的电信号响应以确定工件表面的一个微粒的存在的装置。
19.权利要求17或18定义的光学集光器，其中上述暗道集光器进一步包括一个被紧邻着上述亮道探测器和上述小角度探测器安置的，用以探测工件表面的划痕的划痕探测器。
20.一种检查工件表面的方法包括沿一实际路径旋转并平移传送工件；以及当工件沿实际路径运动时沿一个相对较窄的扫描路径扫描一束光经过工件的表面。
21.权利要求20定义的一种方法，进一步包括分别收集从工件表面镜面反射和散射的光，被收集的散射光包括至少从工件表面向前散射的光成分和向后散射的光成分。
22.权利要求20或21定义的一种方法，其中沿一实际路径旋转并平移传送工件的步调与扫描工件表面的步调同步，以便对工件表面产生一个大体上螺旋形的扫描。
23.权利要求20、21或22定义的一种方法，进一步包括在扫描工件表面的过程中改变旋转和平移传送工件的速度，以便对工件表面提供一个大体不变的扫描速度。
24.权利要求20、21、22或23定义的一种方法，进一步包括在对工件表面扫描的过程中改变被扫描光的光学增益。
25.检测工件表面的方法包括以从预定速度沿一实际路径平移传送工件；以预定速度在工件沿一实际平移运动旋转工件；当工件沿实际路径运动时扫描一束光经过工件表面；以及在对其平面扫描的过程中至少改变旋转工件的速度以便对工件表面提供一个大体不变的扫描速度。
26.权利要求25定义的一种方法，其中扫描一束光经过工件表面的步骤包括一个相对较窄的角度的扫描；而且其中至少改变旋转工件的速度的步骤进一步包括在扫描其平面过程中改变平移传送工件的速度。
27.检查工件表面的一种方法包括沿一相对窄的扫描路径偏转一束光；以及把一束偏转光从较窄扫描路径以一个相对小的入射角引向工件平面；以及对工件产生一个旋转并平移的扫描以便窄扫描路径沿一螺旋路径横扫过工件的整个平面。
28.一种检查工件表面以提供关于在工件表面上探测到的微粒的信息的方法，此方法包括探测从工件表面反射的光；以及通过按一些紧邻着的预定散射角度设置的一些集光器探测从工件表面散射的光，至少在预定散射角上的这些集光器中的两个被分别安置以收集从工件表面向前和向后散射的光。
29.权利要求28定义的一种方法，其中这些集光器进一步包括一个被安置用来收集从工件表面大体垂直散射的光的集光器。
30.权利要求29定义的一种方法，进一步根据在这些预定散射角处探测到的光来辨别工件表面内部或表面上的缺陷。
31.一种检查工件表面以提供关于在工件表面上探测到微粒的信息的方法，此方法包括在被设置用来收集向前散射光的第一预定散射角处收集从工件表面散射的光；在被设置用来收集大体垂直散射的光的第二预定散射角处收集从工件表面散射的光；在被设置用来收集向后散射光的第三预定散射角处收集从工件表面散射的光。
32.一种检查工件表面以提供关于在工件表面上探测到微粒的信息的方法，此方法包括通过按一些紧邻着的预定散射角设置的一些集光器收集从工件表面散射的光以便产生表示所收集的光的信号，预定的散射角被按照工件表面设置以便至少分别收集从工件表面向前和向后散射的光；以及把表示所收集的光的信号与预定材料的表示介电常数的预定数据相比较，来辨别在工件表面上一个探测到的微粒或缺陷。
全文摘要
提供了一种表面检查系统(20)及检查工件表面的方法,用于检查工件表面内部或表面上的微粒、缺陷或其它表面特征。这种表面检查系统有一个被设置用来沿着一个实际路径传送工件的传送器(40)和一个与传送器相连接的被设置用来在沿着实际路径平移时旋转工件的旋转器(45)。安置了一个扫描器(80),它被设置用来当工件沿着实际路径旋转并平移时扫描工件表面。该扫描器包括一个被设置用来产生一束光的光源(81)和一个被设置用来当工件沿着实际路径旋转并平移时接收光束并使其沿着一个预先确定的扫描路径偏转经过工件表面的致偏器(85)。还设置了一个集光器(100)用来收集当工件沿着实际路径旋转并平移时从工件表面镜面反射和散射来的光。
文档编号G01N21/89GK1181135SQ96193137
公开日1998年5月6日 申请日期1996年3月4日 优先权日1995年3月6日
发明者李·D·克莱门特, 迈克尔·E·福斯伊 申请人:Ade光学系统公司