TW201407128A

TW201407128A - 彩色共焦掃描裝置

Info

Publication number: TW201407128A
Application number: TW102127009A
Authority: TW
Inventors: Jiangwen Deng; Zhuan-Yun Zhang; Fang-Han Chen; Wui Fung Sze
Original assignee: Asm Tech Singapore Pte Ltd
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2013-07-29
Publication date: 2014-02-16
Also published as: CN103575218B; TWI484139B; CN103575218A; US8654352B1; US20140043619A1

Abstract

本發明公開了一種彩色共焦掃描裝置，該裝置包含有：光源，其用於產生包含有多個波長的光線；第一螢幕，其具有開放的延伸狹縫，該狹縫允許產生自光源的光線帶通過該狹縫；圓柱形物鏡，其被操作來聚焦光線在將被測量的物體表面上，並將自物體表面反射的光線成像；中間圓柱形透鏡組，其聚焦自圓柱形物鏡成像的光線帶，以通過包含於第二螢幕中的開放的延伸狹縫；和彩色感測器，其接收已經通過第二螢幕的延伸狹縫的光線，以確定所述光線帶的多個波長，而藉此構造物體表面的至少局部的高度分佈曲線。

Description

彩色共焦掃描裝置

本發明涉及一種用於檢查物體表面的裝置，尤其是涉及用於確定其表面的高度分佈曲線(height profile)。

過去幾十年來，半導體器件的需求迅速增長。半導體製造商經常被迫改善終端產品品質、速度和性能，以及改善製造工序的品質、速度和性能。機器視覺系統已經證明成為改善半導體產品的生產率和品質的很有必要的一部分。對於更快速和更準確的機器視覺系統而言，存在一致的驅動以用於永遠更高的半導體產能。很多高密度半導體封裝檢查應用需要三維的測量能力。相應地，半導體器件，如位於最終封裝產品的半導體晶圓或襯底的三維測量和檢查的技術領域已經出現迅速的增長。

很多商業系統使用基於三角法的原理進行三維測量，例如專利號為6,064,756、發明名稱為“用於電子元件三維檢查的裝置”的美國專利所公開的。其描述了用於設置在固定光學系統中的球形陣列器件(ball array device)的三維檢查的裝置。第一攝像機設置在相對於球形陣列器件固定的聚焦位置以拍攝球形陣列器件的第一圖像，而獲得來自焊球的獨特的圓環形圖像。第二攝像機設置在相對於球形陣列器件固定的聚焦位置以拍攝球形陣列器件的第二圖像，而獲得焊球的頂面圖像。處理器將三角法計算公式應用在第一圖像和第二圖像的相關測量結果上以參考預計算校準平面計算焊球的三維位置。

其他的基於三角法的系統可能利用聚焦鐳射或條紋圖案(fringe pattern)投射。在這種三角法中，鐳射或其他結構的圖案投射光線或圖案在物體表面上，一感測器相對於入射光線或圖案斜置。當高度變化時，由感測器所檢測的光線或圖案的位置存在偏差。高度資訊能夠從感測器上所檢測的偏差位置中得以檢測。但是，三角法配置易受堵塞和陰影的影響。而且，根據半導體封裝件如BGA(Ball Grid Array)封裝件所需的測量結果變化範圍，其圖元/斑點(spot)解析度通常不足10微米。如此，基於所需的測量結果變化範圍沒有足夠充分的光學解析度。有必要強化光學解析度以迎合最近封裝件技術所需的高精度要求。

共焦(confocal)光學器件充分利用輸出信號在共焦光學器件的焦平面上位於峰值(在強度或對比度方面)的原理。它利用了帶有大的數值孔徑(N.A.：Numerical Aperture)的衍射極限斑點(diffraction-limited spot)，從而它能夠實現亞微米光學解析度(submicron optical resolution)。在給定共焦光學系統的焦點深度很小的情形下，它需要兩次掃描，如旋轉尼普科夫圓盤(Nipkow disk)或其他掃描方法，以掃描水準的XY平面和垂直的Z移動而掃描目標景深。

出版號為2010/0296106 A1、發明名稱為“彩色共焦(Chromatic Confocal)感測器”的美國專利公開了一種包含有襯底、光源和檢測器的共焦光學系統，在襯底上具有多光子可固化光敏組合物(multiphoton curable photoreactive composition)，該光源發出包含有多個波長的光束於該襯底上的組合物的至少一個區域，檢測器檢測反射自該組合物的部分光線以獲得關於襯底的位置信號，其中，該位置信號至少是基於反射光線的波長。以這種方式，物體表面的高度能夠得以確定。

不幸的是，前述的彩色共焦感測器在任何一次僅僅能夠檢查物體表面上的一個單獨的斑點。所以，有必要在水準平面上二維地移動感測器以掃描整個物體表面。如此，全部三維表面的測量非常浪費時間，並遠離半導體工業所需的高產。

一些狹縫(slit)掃描系統充分利用衍射透鏡的色散特性，通過它們狹縫的平面成像是依賴波長並沿著縱軸方向均勻分佈。帶有可變焦距的波長編碼的光線然後通過藕接的透鏡和顯微鏡的物鏡成像於被測量的樣本上。具體地，出版號為2010/0188742、發明名稱為“狹縫掃描多波長的共焦透鏡模組和狹縫掃描顯微鏡系統以及使用它的方法”的美國專利公開了一種狹縫掃描多波長的共焦系統，其利用具有色差的至少兩組透鏡以分別將寬頻光分成具有不同焦距的連續的線性光譜光線。

前述的狹縫掃描共焦系統充分利用傳統的圓形透鏡作為顯微鏡的物鏡。但是，由於製造難度，商業上的顯微鏡的物鏡的視場(FOV：Field Of View)是很有限的，尤其是那些具有大的數值孔徑(N.A.)的物鏡。所以，檢查的速度也是有限的。而且，圓形物鏡的數值孔徑是對稱的，所以，如同傳統的斑點掃描共焦系統，任何來自狹縫的、投射在物體上的離焦的光線不能被抑制。所以，這將會大大地影響測量精度。

所以，本發明尋求提供一種用於掃描物體表面的裝置，和現有技術相比，其具有強化的視場(“FOV”)、較好的能源利用和更精確的基於狹縫的測量方法。

因此，本發明提供一種彩色共焦掃描裝置，該裝置包含有：光源，其用於產生包含有多個波長的光線；第一螢幕，其具有開放的延伸狹縫(open elongated slit)，該狹縫允許產生自光源的光線帶(a strip of light rays)通過該狹縫；圓柱形物鏡，其被操作來聚焦和投射光線在將被測量的物體表面上，並將自物體表面反射的光線成像；中間圓柱形透鏡組，其被操作來聚焦自圓柱形物鏡成像的光線帶，以通過包含於第二螢幕中的開放的延伸狹縫；和彩色感測器，其被配置來接收已經通過第二螢幕的延伸狹縫的光線，以確定所述光線帶的多個波長，而構造物體表面的至少局部的高度分佈曲線。

參閱後附的描述本發明實施例的附圖，隨後來詳細描述本發明是很方便的。附圖和相關的描述不能理解成是對本發明的限制，本發明的特點限定在申請專利範圍書中。

10‧‧‧透鏡系統

12‧‧‧光源

14‧‧‧第一準直器

16‧‧‧聚光器

17‧‧‧圓柱形准直器

18‧‧‧延伸狹縫

19‧‧‧衍射透鏡

20‧‧‧投射圓柱形非彩色透鏡

22‧‧‧分光器

24‧‧‧圓注物鏡

24a‧‧‧第一側面

24b‧‧‧第二側面

25‧‧‧圓柱形物鏡

26‧‧‧物體表面

27‧‧‧第一非彩色透鏡

28‧‧‧第二非彩色透鏡

30‧‧‧延伸狹縫

32‧‧‧物鏡

34‧‧‧彩色感測器

44‧‧‧參考物體

46‧‧‧移動平台

48‧‧‧網格

參考描述本發明較佳實施例的詳細描述，並參考附圖，很容易理解本發明，其中：圖1所示為表明根據本發明第一較佳實施例所述的用於測量物體表面的彩色共焦掃描裝置的透鏡系統的示意圖。

圖2所示為表明根據本發明第二較佳實施例所述的用於測量物體表面的彩色共焦掃描裝置的透鏡系統的示意圖。

圖3所示為和圖2的透鏡系統一起使用的衍射透鏡(diffractive lens)的側視示意圖。

圖4所示為和圖1的透鏡系統一起使用的圓柱形物鏡的側視示意圖。

圖5(a)和圖5(b)所示分別為從相互正交的方向觀察圖4的彩色圓柱形物鏡當用作投射器(projector)時的側視示意圖。

圖6(a)至圖6(c)所示表明了彩色圓柱形物鏡當用作為成像部件時的非對稱數值孔徑結構設計。

圖7(a)和圖7(b)所示為離焦光線(out-of-focus light)如何影響共焦高度測量精度，尤其是當物體的反射率不是同質時。

圖8所示為非對稱的數值孔徑結構設計如何減弱具有不同反射率的兩個區域的邊界效應；以及圖9表明了用於根據本發明較佳實施例所述的裝置的校準方法。

圖1所示為表明根據本發明較佳實施例所述的用於測量物體表面26的彩色共焦掃描裝置的透鏡系統10的示意圖。透鏡系統10包含有用於產生具有多個波長的光線以照射表面的光源12。來自光源12的、包含有多個波長的光線通過第一準直器(first collimated)14以使得來自光源12的光線平行。校準後的光線被傳送通過圓柱形的聚光器(condenser)16至帶有開放延伸狹縫18的第一螢幕，其允許單個的光線帶(a single strip of light rays)通過延伸狹縫18。其後，該光線帶通過投射圓柱形非彩色透鏡20至分光器22上。

分光器22引導來自光源12的光線朝向待測量的物體表面26。光線被具有色差的圓柱形物鏡24聚焦和投射至物體表面26上，以便於表面26的局部被光線帶照射。這些光線根據光線的波長將會具有不同的焦平面。因此，根據圖1，具有波長λ 1的光線聚焦在更遠離圓柱形物鏡24的焦平面上，而具有波長λ 3的光線聚焦在更靠近圓柱形物鏡24的焦平面上。不同的波長對應於從物體表面26反射的不同顏色的光線。所以，根據從物體表面26反射的光線的顏色，表面26上的沿著光線帶分佈的每個點自圓柱形物鏡24的距離得以確定。

從物體表面26反射的光線朝向分光器22通過並由圓柱形物鏡24成像，然後朝向包含有第一非彩色透鏡27的中間圓柱形透鏡。第一非彩色透鏡27沿著第一方向聚焦光線，其後，包含有第二非彩色透鏡28的另一組中間圓柱形透鏡被如此設置以便於它在第二方向上聚焦光線，第二方向正交於第一方向。光線被設置和配置來通過第二螢幕的延伸狹縫30。通過該延伸狹縫30的光線在它們被彩色感測器34如分光光度計(spectrophotometer)接收以前被物鏡32成像。由彩色感測器34所確定的光線的位置和顏色將會允許本裝置構建由光線帶所照射的物體表面26上延伸區域的高度分佈曲線。然後，通過相對於表面線性移動光線帶，包含有多個集成的表面26的局部的整個表面26能夠得以被檢查，並將從連續捕獲的圖像中所獲得的結果合併。針對移動光線帶，一個定位設備可能被耦接至物體上，以便於相對於圓柱形物鏡24移動物體表面26。

取代使用如上所述的彩色圓柱形物鏡，展示彩色屬性的其他的透鏡也可以被採用。圖2所示為表明根據本發明第二較佳實施例所述的用於測量物體表面的彩色共焦掃描裝置的透鏡系統的示意圖。在這個第二實施例中，圓柱形准直器17和衍射透鏡19設置在開放的延伸狹縫18和投射圓柱形非彩色透鏡20之間。在這種情形下，圓柱形物鏡可以代替地包含有非彩色的圓柱形物鏡25，因為衍射透鏡19提供了光線色差的功能。

圖3所示為可和圖2的透鏡系統一起使用的衍射透鏡19的側視示意圖。衍射透鏡19被操作來根據光線的波長λ 1、λ 2、λ 3將光線聚焦在不同的焦平面上。由於衍射本質上是依賴波長的，所以在彩色共焦系統中，它的強大的色散特性(chromatic dispersion)適合於將不同波長的光分隔開來。

另一方面，圖4所示為和圖1的透鏡系統10一起使用的圓柱形物鏡24的側視示意圖。圓柱形物鏡24具有第一側面24a和第二側面24b，第一側面24a具有彎曲的凸形端緣，而第二側面24b形狀通常為矩形。第一側面24a被如此成形以便於根據光線的波長λ 1、λ 2、λ 3將光線聚焦在不同的焦平面上。圓柱形物鏡24具有沿著圓柱形表面分佈的、和圓柱形物鏡24的第二側面24b相匹配的均勻的截面。

圖5(a)所示為從其第一側面24a觀察圖4的彩色圓柱形物鏡24當用作投射器時的側視示意圖。彩色圓柱形物鏡24的彎曲表面聚焦通過它的光線在線形光帶上。具有特定波長的光線全部被聚焦在和物體表面26共面的單一的焦平面上。當具有所述波長的光線被表面26反射和由彩色感測器34接收時，表面26的高度能夠從所接收的這種光線的顏色得以推導出。使用這個視圖完成的檢查具有大的投射數值孔徑，但是具有很窄的投射景深(DOF：depth of field)。

如上所及，僅僅從光源12發出的、包含有多個波長的光中的特定波長的光將會聚焦至物體表面26，其然後被反射並被彩色感測器34所接收。為了提高照射能效，大的照射數值孔徑被使用。圖5(b)所示為從其第二側面24b觀察圖4的彩色圓柱形物鏡24進行照射時的側視示意圖。由於物鏡24沿著這個視圖的橫截面大體上是均勻的，所以光線被傳遞在物體表面26的延伸狹縫上。在具有大的照射覆蓋角度的情形下，物體表面26被照射有充足的特定波長的照射光能。

圖6(a)至圖6(c)所示表明了彩色圓柱形物鏡24當用作為成像部件時的非對稱數值孔徑結構設計。圖6(a)所示為從其第一側面24a觀察圖4的彩色圓柱形物鏡24進行成像時的側視示意圖。具有特定波長的光線從單獨的焦平面處被反射，該單獨的焦平面和物體的表面26共面。當具有所述波長的光線被物體表面26反射，和被彩色感測器34所接收的時候，表面26的高度能夠從所接收的這種光線的顏色得以推導出。使用這個視圖完成的檢查具有相對較大的數值孔徑，但是具有較小的投射景深(DOF)。

圖6(b)所示為從其第二側面24b觀察圖4的彩色圓柱形物鏡24 進行成像時的側視示意圖。使用這個視圖完成的檢查具有相對較小的數值孔徑，但是具有較大的投射景深(DOF)。

共焦系統通過評價從測量點反射回的能量來估算該點的高度。對於基於狹縫的共焦裝置，消除相鄰照射的沿著狹縫的方向分佈的互相干擾尤其重要。這是因為一行測量點的照射強度即使在焦點之外的位置會同步增強。

圖7(a)和圖7(b)所示為離焦光線(out-of-focus light)如何影響共焦高度測量精度，尤其是當物體的反射率不是同質時。為了便於闡述，假定位置X₀是位於正被測量的低反射率的區域(A)。當X₀被聚焦時，僅僅由X₀反射的特定數量的能量(E)被本裝置所接收(參見圖7(a))。但是，當X₀在焦點之外△h時，系統接收從位置X₀-△h．tan θ至位置X₀+△h．tan θ之間變化的總能量E’(參見圖7(b))，其中sin θ是光學系統的數值孔徑N.A.值。由於E’部分地是由來自具有較高反射率的區域B的一些點所貢獻的，以致於最終的E’的值可能比E的值大。在這種情形下，系統可能錯誤地理解為：位置X₀可能更有可能是h₀+△h的高度而不是h₀。為了消除這種不期望的效果，角度θ(從而是數值孔徑N.A.值)應該得以最小化。這是應用圓柱形物鏡概念的益處，其中，沿著狹縫方向分佈的數值孔徑N.A.值比圓形物鏡的更小得多。

圖8所示為非對稱的數值孔徑N.A.值結構設計如何減弱具有不同反射率的兩個區域的邊界效應。它表明了圓柱形透鏡的雙軸，一個(a)具有大的N.A.值(物體側)而另一個(b)具有小的N.A.值。在兩個具有不同反射率的區域的邊界處所引起的最終的效應也得以被闡明。在右側的使用圓柱形透鏡(b)(其中其N.A.值小於圓形透鏡的)的邊界處檢測出的高度分佈曲線變得更為準確。

圖9表明了用於根據本發明較佳實施例所述的裝置的校準方法。具有溢出表面(sloping surface)的參考物體44被用於校準透鏡系統10。參考物體44被設置在移動平臺46上，該移動平臺46被操作來相對於透鏡系統10的彩色圓柱形物鏡24線性移動該參考物體。

參考物體44具有帶預設尺寸的網格48，其設置在參考物體44表面上。網格48用於二維位置校準，溢出表面用於相對於參考物體44沿著其斜面的公知高度在由彩色感測器34所檢測的顏色之間映射。通過在具有公知高度的不同網格48的位置映射由彩色感測器34所檢測的顏色，本裝置可得以被相應地校準。

值得注意的是，和傳統的彩色共焦裝置相比，根據本發明較佳實施例所述的裝置具有更大的視場，從而檢查速度得以大大提高，而傳統的彩色共焦裝置通過使用帶有小的視場的圓形物鏡來檢測物體表面上的一個單獨點或者狹縫。在具有本裝置的所述配置的情形下，當具有大的數值孔徑N.A.的狹縫圖案沿著圓柱形物鏡24的一個方向被投射，而具有大的數值孔徑N.A.的照射沿著正交於第一方向的另一方向被投射時，該投射實現了更好的能源利用。

而且，失真的成像(anamophic imaging)可以被使用來抑制離焦的光線，因為該圖像沿著物鏡的一個方向具有大的數值孔徑N.A.，而該圖像沿著正交於第一方向的另一方向被放大以致於該圖像具有較小的數值孔徑N.A.，而具有較大的景深。

另外，校準裝置和方法被提供來用於沿著不同焦距分佈的非線性光譜光線，以高效而有效地測量物體高度。

此處描述的本發明在所具體描述的內容基礎上很容易產生變化、修正和/或補充，可以理解的是所有這些變化、修正和/或補充都包括在本發明的上述描述的精神和範圍內。