彩色共焦扫描装置

摘要

本发明公开了一种彩色共焦扫描装置，该装置包含有：光源，其用于产生包含有多个波长的光线；第一屏幕，其具有开放的延伸狭缝，该狭缝允许产生自光源的光线带通过该狭缝；圆柱形物镜，其被操作来聚焦光线在将被测量的物体表面上，并将自物体表面反射的光线成像；中间圆柱形透镜组，其聚焦自圆柱形物镜成像的光线带，以通过包含于第二屏幕中的开放的延伸狭缝；和彩色传感器，其接收已经通过第二屏幕的延伸狭缝的光线，以确定所述光线带的多个波长，而藉此构造物体表面的至少局部的高度分布曲线。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检查物体表面的装置，尤其是涉及用于确定其表面的高度分布曲线（height profile）。

背景技术

过去几十年来，半导体器件的需求迅速增长。半导体制造商经常被迫来改善终端产品质量、速度和性能，以及改善制造工序的质量、速度和性能。机器视觉系统已经证明成为改善半导体产品的生产率和质量的很有必要的一部分。对于更快速和更准确的机器视觉系统而言，存在一致的驱动以用于永远更高的半导体产能。很多高密度半导体封装检查应用需要三维的测量能力。相应地，半导体器件，如位于最终封装产品的半导体晶圆或衬底的三维测量和检查的技术领域已经出现迅速的增长。

很多商业系统使用基于三角法的原理进行三维测量，例如专利号为6,064,756、发明名称为“用于电子元件三维检查的装置”的美国专利所公开的。其描述了用于设置在固定光学系统中的球形阵列器件（ball array device）的三维检查的装置。第一摄像机设置在相对于球形阵列器件固定的聚焦位置以拍摄球形阵列器件的第一图像，而获得来自焊球的独特的圆环形图像。第二摄像机设置在相对于球形阵列器件固定的聚焦位置以拍摄球形阵列器件的第二图像，而获得焊球的顶面图像。处理器将三角法计算公式应用在第一图像和第二图像的相关测量结果上以参考预计算校准平面计算焊球的三维位置。

其他的基于三角法的系统可能利用聚焦激光或条纹图案（fringe pattern）投射。在这种三角法中，激光或其他结构的图案投射光线或图案在物体表面上，一传感器相对于入射光线或图案斜置。当高度变化时，由传感器所检测的光线或图案的位置存在偏差。高度信息能够从传感器上所检测的偏差位置中得以检测。但是，三角法配置易受堵塞和阴影的影响。而且，根据半导体封装件如BGA（Ball Grid Array）封装件所需的测量结果变化范围，其像素/斑点（spot）分辨率通常不足10微米。如此，基于所需的测量结果变化范围没有足够充分的光学分辨率。有必要强化光学分辨率以迎合最近封装件技术所需的高精度要求。

共焦（confocal）光学器件充分利用输出信号在共焦光学器件的焦平面上位于峰值（在强度或对比度方面）的原理。它利用了带有大的数值孔径（N.A.: Numerical Aperture）的衍射极限斑点（diffraction-limited spot），从而它能够实现亚微米光学分辨率（submicron optical resolution）。在给定共焦光学系统的焦点深度很小的情形下，它需要两次扫描，如旋转尼普科夫圆盘（Nipkow disk）或其他扫描方法，以扫描水平的XY平面和垂直的Z移动而扫描目标景深。

出版号为2010/0296106 A1、发明名称为“彩色共焦(Chromatic Confocal)传感器”的美国专利公开了一种包含有衬底、光源和检测器的共焦光学系统，在衬底上具有多光子可固化光敏组合物（multiphoton curable photoreactive composition），该光源发出包含有多个波长的光束于该衬底上的组合物的至少一个区域，检测器检测反射自该组合物的部分光线以获得关于衬底的位置信号，其中，该位置信号至少是基于反射光线的波长。以这种方式，物体表面的高度能够得以确定。

不幸的是，前述的彩色共焦传感器在任何一次仅仅能够检查物体表面上的一个单独的斑点。所以，有必要在水平平面上二维地移动传感器以扫描整个物体表面。如此，全部三维表面的测量非常浪费时间，并远离半导体工业所需的高产。

一些狭缝（slit）扫描系统充分利用衍射透镜的色散特性，通过它们狭缝的平面成像是依赖波长并沿着纵轴方向均匀分布。带有可变焦距的波长编码的光线然后通过藕接的透镜和显微镜的物镜成像于被测量的样本上。具体地，出版号为2010/0188742、发明名称为“狭缝扫描多波长的共焦透镜模块和狭缝扫描显微镜系统以及使用它的方法”的美国专利公开了一种狭缝扫描多波长的共焦系统，其利用具有色差的至少两组透镜以分别将宽带光分成具有不同焦距的连续的线性光谱光线。

前述的狭缝扫描共焦系统充分利用传统的圆形透镜作为显微镜的物镜。但是，由于制造难度，商业上的显微镜的物镜的视场（FOV:Field Of View）是很有限的，尤其是那些具有大的数值孔径（N.A.）的物镜。所以，检查的速度也是有限的。而且，圆形物镜的数值孔径是对称的，所以，如同传统的斑点扫描共焦系统，任何来自狭缝的、投射在物体上的离焦的光线不能被抑制。所以，这将会大大地影响测量精度。

发明内容

所以，本发明寻求提供一种用于扫描物体表面的装置，和现有技术相比，其具有强化的视场（“FOV”）、较好的能源利用和更精确的基于狭缝的测量方法。

因此，本发明提供一种彩色共焦扫描装置，该装置包含有：光源，其用于产生包含有多个波长的光线；第一屏幕，其具有开放的延伸狭缝（open elongated slit），该狭缝允许产生自光源的光线带(a strip of light rays)通过该狭缝；圆柱形物镜，其被操作来聚焦和投射光线在将被测量的物体表面上，并将自物体表面反射的光线成像；中间圆柱形透镜组，其被操作来聚焦自圆柱形物镜成像的光线带，以通过包含于第二屏幕中的开放的延伸狭缝；和彩色传感器，其被配置来接收已经通过第二屏幕的延伸狭缝的光线，以确定所述光线带的多个波长，而构造物体表面的至少局部的高度分布曲线。

参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。

附图说明

参考描述本发明较佳实施例的详细描述，并参考附图，很容易理解本发明，其中。

图1所示为表明根据本发明第一较佳实施例所述的用于测量物体表面的彩色共焦扫描装置的透镜系统的示意图。

图2所示为表明根据本发明第二较佳实施例所述的用于测量物体表面的彩色共焦扫描装置的透镜系统的示意图。

图3所示为和图2的透镜系统一起使用的衍射透镜（diffractive lens）的侧视示意图。

图4所示为和图1的透镜系统一起使用的圆柱形物镜的侧视示意图。

图5(a)和图5(b)所示分别为从相互正交的方向观察图4的彩色圆柱形物镜当用作投射器（projector）时的侧视示意图。

图6(a)至图6(c)所示表明了彩色圆柱形物镜当用作为成像部件时的非对称数值孔径结构设计。

图7(a) 和图7(b)所示为离焦光线(out-of-focus light)如何影响共焦高度测量精度，尤其是当物体的反射率不是同质时。

图8所示为非对称的数值孔径结构设计如何减弱具有不同反射率的两个区域的边界效应；以及。

图9表明了用于根据本发明较佳实施例所述的装置的校准方法。

具体实施方式

图1所示为表明根据本发明较佳实施例所述的用于测量物体表面26的彩色共焦扫描装置的透镜系统10的示意图。透镜系统10包含有用于产生具有多个波长的光线以照射表面的光源12。来自光源12的、包含有多个波长的光线通过第一准直器(first collimated)14以使得来自光源12的光线平行。校准后的光线被传送通过圆柱形的聚光器(condenser)16至带有开放延伸狭缝18的第一屏幕，其允许单个的光线带（a single strip of light rays）通过延伸狭缝18。其后，该光线带通过投射圆柱形非彩色透镜20至分光器22上。

分光器22引导来自光源12的光线朝向待测量的物体表面26。光线被具有色差的圆柱形物镜24聚焦和投射至物体表面26上，以便于表面26的局部被光线带照射。这些光线根据光线的波长将会具有不同的焦平面。因此，根据图1，具有波长λ1的光线聚焦在更远离圆柱形物镜24的焦平面上，而具有波长λ3的光线聚焦在更靠近圆柱形物镜24的焦平面上。不同的波长对应于从物体表面26反射的不同颜色的光线。所以，根据从物体表面26反射的光线的颜色，表面26上的沿着光线带分布的每个点自圆柱形物镜24的距离得以确定。

从物体表面26反射的光线朝向分光器22通过并由圆柱形物镜24成像，然后朝向包含有第一非彩色透镜27的中间圆柱形透镜。第一非彩色透镜27沿着第一方向聚焦光线，其后，包含有第二非彩色透镜28的另一组中间圆柱形透镜被如此设置以便于它在第二方向上聚焦光线，第二方向正交于第一方向。光线被设置和配置来通过第二屏幕的延伸狭缝30。通过该延伸狭缝30的光线在它们被彩色传感器34如分光光度计（spectrophotometer）接收以前被物镜32成像。由彩色传感器34所确定的光线的位置和颜色将会允许本装置构建由光线带所照射的物体表面26上延伸区域的高度分布曲线。然后，通过相对于表面线性移动光线带，包含有多个集成的表面26的局部的整个表面26能够得以被检查，并将从连续捕获的图像中所获得的结果合并。针对移动光线带，一个定位设备可能被耦接至物体上，以便于相对于圆柱形物镜24移动物体表面26。

取代使用如上所述的彩色圆柱形物镜，展示彩色属性的其他的透镜也可以被采用。图2所示为表明根据本发明第二较佳实施例所述的用于测量物体表面的彩色共焦扫描装置的透镜系统的示意图。在这个第二实施例中，圆柱形准直器17和衍射透镜19设置在开放的延伸狭缝18和投射圆柱形非彩色透镜20之间。在这种情形下，圆柱形物镜可以代替地包含有非彩色的圆柱形物镜25，因为衍射透镜19提供了光线色差的功能。

图3所示为可和图2的透镜系统一起使用的衍射透镜19的侧视示意图。衍射透镜19被操作来根据光线的波长λ1、λ2、λ3将光线聚焦在不同的焦平面上。由于衍射本质上是依赖波长的，所以在彩色共焦系统中，它的强大的色散特性(chromatic dispersion)适合于将不同波长的光分隔开来。

另一方面，图4所示为和图1的透镜系统10一起使用的圆柱形物镜24的侧视示意图。圆柱形物镜24具有第一侧面24a和第二侧面24b，第一侧面24a具有弯曲的凸形端缘，而第二侧面24b形状通常为矩形。第一侧面24a被如此成形以便于根据光线的波长λ1、λ2、λ3将光线聚焦在不同的焦平面上。圆柱形物镜24具有沿着圆柱形表面分布的、和圆柱形物镜24的第二侧面24b相匹配的均匀的截面。

图5(a)所示为从其第一侧面24a观察图4的彩色圆柱形物镜24当用作投射器时的侧视示意图。彩色圆柱形物镜24的弯曲表面聚焦通过它的光线在线形光带上。具有特定波长的光线全部被聚焦在和物体表面26共面的单一的焦平面上。当具有所述波长的光线被表面26反射和由彩色传感器34接收时，表面26的高度能够从所接收的这种光线的颜色得以推导出。使用这个视图完成的检查具有大的投射数值孔径，但是具有很窄的投射景深（DOF: depth  of  field）。

如上所及，仅仅从光源12发出的、包含有多个波长的光中的特定波长的光将会聚焦至物体表面26，其然后被反射并被彩色传感器34所接收。为了提高照射能效，大的照射数值孔径被使用。图5(b)所示为从其第二侧面24b观察图4的彩色圆柱形物镜24进行照射时的侧视示意图。由于物镜24沿着这个视图的横截面大体上是均匀的，所以光线被传递在物体表面26的延伸狭缝上。在具有大的照射覆盖角度的情形下，物体表面26被照射有充足的特定波长的照射光能。

图6(a)至图6(c)所示表明了彩色圆柱形物镜24当用作为成像部件时的非对称数值孔径结构设计。图6(a)所示为从其第一侧面24a观察图4的彩色圆柱形物镜24进行成像时的侧视示意图。具有特定波长的光线从单独的焦平面处被反射，该单独的焦平面和物体的表面26共面。当具有所述波长的光线被物体表面26反射，和被彩色传感器34所接收的时候，表面26的高度能够从所接收的这种光线的颜色得以推导出。使用这个视图完成的检查具有相对较大的数值孔径，但是具有较小的投射景深（DOF）。

图6(b)所示为从其第二侧面24b观察图4的彩色圆柱形物镜24进行成像时的侧视示意图。使用这个视图完成的检查具有相对较小的数值孔径，但是具有较大的投射景深（DOF）。

共焦系统通过评价从测量点反射回的能量来估算该点的高度。对于基于狭缝的共焦装置，消除相邻照射的沿着狭缝的方向分布的互相干扰尤其重要。这是因为一行测量点的照射强度即使在焦点之外的位置会同步增强。

图7(a) 和图7(b)所示为离焦光线(out-of-focus light)如何影响共焦高度测量精度，尤其是当物体的反射率不是同质时。为了便于阐述，假定位置X₀是位于正被测量的低反射率的区域（A）。当X₀被聚焦时，仅仅由X₀反射的特定数量的能量（E）被本装置所接收（参见图7(a)）。但是，当X₀在焦点之外Dh时，系统接收从位置X₀-Dh×tanq至位置X₀+Dh×tanq之间变化的总能量E’ （参见图7(b)），其中sinq是光学系统的数值孔径N.A.值。由于E’部分地是由来自具有较高反射率的区域B的一些点所贡献的，以致于最终的E’的值可能比E的值大。在这种情形下，系统可能错误地理解为：位置X₀可能更有可能是h₀+Dh的高度而不是h₀。为了消除这种不期望的效果，角度q（从而是数值孔径N.A.值）应该得以最小化。这是应用圆柱形物镜概念的益处，其中，沿着狭缝方向分布的数值孔径N.A.值比圆形物镜的更小得多。

图8所示为非对称的数值孔径N.A.值结构设计如何减弱具有不同反射率的两个区域的边界效应。它表明了圆柱形透镜的双轴，一个（a）具有大的N.A.值（物体侧）而另一个（b）具有小的N.A.值。在两个具有不同反射率的区域的边界处所引起的最终的效应也得以被阐明。在右侧的使用圆柱形透镜（b）（其中其N.A.值小于圆形透镜的）的边界处检测出的高度分布曲线变得更为准确。

图9表明了用于根据本发明较佳实施例所述的装置的校准方法。具有溢出表面(sloping surface)的参考物体44被用于校准透镜系统10。参考物体44被设置在移动平台46上，该移动平台46被操作来相对于透镜系统10的彩色圆柱形物镜24线性移动该参考物体。

参考物体44具有带预设尺寸的网格48，其设置在参考物体44表面上。网格48用于二维位置校准，溢出表面用于相对于参考物体44沿着其斜面的公知高度在由彩色传感器34所检测的颜色之间映射。通过在具有公知高度的不同网格48的位置映射由彩色传感器34所检测的颜色，本装置可得以被相应地校准。

值得注意的是，和传统的彩色共焦装置相比，根据本发明较佳实施例所述的装置具有更大的视场，从而检查速度得以大大提高，而传统的彩色共焦装置通过使用带有小的视场的圆形物镜来检测物体表面上的一个单独点或者狭缝。在具有本装置的所述配置的情形下，当具有大的数值孔径N.A.的狭缝图案沿着圆柱形物镜24的一个方向被投射，而具有大的数值孔径N.A.的照射沿着正交于第一方向的另一方向被投射时，该投射实现了更好的能源利用。

而且，失真的成像（anamophic imaging）可以被使用来抑制离焦的光线，因为该图像沿着物镜的一个方向具有大的数值孔径N.A.，而该图像沿着正交于第一方向的另一方向被放大以致于该图像具有较小的数值孔径N.A.，而具有较大的景深。

另外，校准装置和方法被提供来用于沿着不同焦距分布的非线性光谱光线，以高效而有效地测量物体高度。

此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。