CN100582717C - 高效照明表面检测*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效照明表面检测***，其分立式光源如LED组所发射的光由一个圆柱面透镜和一个球面透镜聚焦成两束相互垂直的光，用于表面照明，第一束光投射到样本表面以改善照明效率，另一束光投射到成像透镜的光阑以改善照明均匀性。另外，优化LED集成块的设计，使之与成像探测器的长宽比匹配，并将若干个波长不同的LED相组合，以便改善检测灵敏度，通过样本和光学***的相对运动来实现对样本的整个表面的检测。

Description

高效照明表面检测***

技术领域

本发明属于检测***领域，特别是一种提供了使用光学技术检测平面基板上刻印的结构/图形的方法和***，可应用于液晶显示屏(LCD)，平面显示器(FPD)，有机发光二极管基板(OLED)，掩模板和半导体硅片的制造过程。

背景技术

自动光学检测(A0I)是液晶显示屏和半导体集成电路芯片制造的关键步骤，用以诊断和改善制造工艺过程中间产品质量，从而降低制造成本。自动光学检测的基本性能由两个关键指标衡量：检测速度和检测灵敏度。生产技术的进步使制造速度加快，基板尺寸加大，印刷图形尺寸缩小，因此对自动光学检测的速度和灵敏度提出更高的要求。

获取样本表面图像所需光强与成像像素大小和检测速度成反比，因此，要对LCD或硅片进行高速度和高分辨率的光检测，则不可避免地需要高效的照明光学***。根据成像像素大小按比例增大成像透镜的数值孔径(NA)可以满足增大光源的需求，但是由于降低了景深，会对***的机械精度产生负面影响。另外，透镜的数值孔径也因为检测大面积的样本表面所要求的大视场而受到限制。当线阵扫描CCD照相机扫描样本表面时，通常使用线性光纤阵列或线性LED阵列光来照明，这种照明方法和仪器在低分辨率检测时，比如，大于10um的像素，是有效的，但在高分辨率检测时，如小于10um的像素时，这种照明技术效率很低。使用光纤线阵光的缺点是光纤束的总体有效传输的效率低(两端之间的效率一般为50％)，其主要原因包括光纤之间存在的间隙，光纤终端端面对光的反射，以及光纤传输损耗。使用光纤束通常以电灯为光源，而电灯的使用寿命较短，大约只有1000小时。尽管更换电灯时间短，成本低，但由于更换电灯而引起的包括重新校准检测工具的下线时间，则可到达若干小时，这对于持续高速运转的生产线来说，生产成本将明显增加。用灯光作为光源的另一个缺点是灯光的波长范围太广。由于成像所使用的波长范围很小，光效率因使用彩色滤光片进一步降低。

对于自动光学检测(AOI)来说，LED是更具吸引力的光源。LED的优势在于能够高效率地产成所需波长以及具有高达上万小时的寿命。但是，单个LED集成块发出的光远低于电灯发出的光，比如，目前单个大功率LED光源发出光仅为几个瓦特，而大多数电灯光源可达几百瓦特。传统上增加AOI的LED光强度的方法是在单个印刷电路板上高密度地组装LED集成块，比如，由Stockeryale提供的LED线阵光(COBRA LED线阵光)。但是，高密度组装的LED集成块会导致产生多余的热量，并且因为需要使用大型的散热片导致光源尺寸增大。此外，光源的亮度(定义为单位面积单位立体角的光功率)并不随着更多的LED集成块数目的增加而增强。当光源的光学恒量(定义为发光区域与发光立体角的积)大幅超出成像光学***的光学恒量(定义为视场与NA的积)时，大部分生成光都被浪费。

使用光纤线阵或LED集成块线阵的另一个缺点是大视场的照明均匀性差。照明的均匀性在很大程度上决定于单个光纤的传输均匀性，每个LED集成块相互间的差异，或是每个集成块的几何排列误差。

大样本检测的一个挑战就是检测工具的占地面积，比如第七代LCD玻璃基板，尺寸就远远超过2000mm＊2000mm。净化间的建造和运行十分昂贵，因此十分需要占地面积小的设备。

总之，需要一种效率高，寿命长，结构紧凑，成本低的照明方法和装置用于对LCD玻璃基板和半导体硅片进行高分辨率的自动光学检测。

发明内容

本节概述本发明的主要方面并简要介绍应用实例。为使本节内容、摘要和名称清晰切题，在本节内容、摘要和名称的陈述中会采用简化和省略等方式，但简化和省略并不限制本发明的应用范围。

本发明提供了一种检测基板的技术，尤其是检测大尺寸基板，如LCD玻璃基板或半导体硅片。本技术方案只需一个分立式LED光源，它产生的光经过照明光学***修正，与视场和线阵成像光学***的NA相匹配，从而提高效率，优化均匀性。照明光学***由球面透镜和圆柱面透镜组成，经两者透射后形成LED的象散性影像，影像是两根相互垂直、相隔一段距离，同时又都与光学轴垂直的线条。LED的第一条影像线在样本表面形成，样本表面即视为成像透镜的物面，可以取得高效率照明。第二条影像线在成像透镜的光阑上形成，可以在线阵扫描成像传感器的视场长边实现强度均匀性和角度均匀性。线阵扫描CCD或TDI的长边与起照明作用的第一条影像线平行。LED集成电路的形状可进一步优化，与TDI传感器的高宽比匹配，以取得最大的光效率。

本发明可作为一个方法，一套仪器或***的一个部件来应用。在以下应用实例中本发明是用于检测基板表面的一个***，该***包括一个线阵扫描传感器、一套成像镜头和一个照明光源。此照明光源包括一系列光源，每个光源的波长均不同，包括至少两个用于照明被检测基板表面的透镜。根据具体实例，这两个透镜包括：一个柱面透镜和一个球面透镜，用于从照明光源产生第一影像线和第二条影像线，第一条影像线投射到(样本)表面，第二条影像线沿垂直方向投射到成像透镜的物面，在线阵扫描传感器的视场内实现强度均匀性和角度均匀性，成像透镜将(样本)表面的像聚焦于线阵扫描传感器。

在以下另一个应用实例中，本发明是一个基板表面的检测***，***包括一个线阵扫描传感器、一个成像透镜、一个至少包含两个透镜的用于被检测基板表面照明的前方照明光源，一个提高缺陷检测效果的后方照明光源，可检测仅用前方照明光源难以检测到的缺陷；至少一个真空预载气浮底座，可产生使基板在气悬浮导轨上高速运动时保持稳定的向下的力。

本发明中的物体，特征，优势和益处之一是提供使用高效照明***检测基板缺陷的方法和***。

通过以下对具体例子的进一步详细描述并结合附图，本发明的其他物体，特征，优势和益处更加显而易见。

附图说明

通过以下描述并结合附图，本发明的物体，特征，优势和益处将更容易理解。

图1A是现有光纤线阵光或LED线阵照明工艺示意图；

图1B是图1A照明场和成像场的详图；

图2A是本发明的使用分立式LED光源照明方法的正视图；

图2B是图2A的俯视图；

图3是本发明的一个应用实例中不同波长的LED光源组合示意图；

图4A是传统商业LED集成块尺寸典型设计示意图；

图4B是本发明中用于线阵扫描CCD或TDI光学视场照明的LED集成块优化定向法的示意图；

图5A-图5D分别是本发明的用于图2所示照明及成像光学结构的LED集成块发光区的优化设计例子的示意图；

图6是本发明的进行大面积高速表面检测的使用状态图；

图7是图6的截面图；

图8是本发明的不同检测和测量功能的光学模块组合示意图

具体实施方式

本发明具体描述的主要方式是通过程序，步骤，逻辑块，或其他符号来直接或间接表示各装置或预期***的运转。这些表示方法是本领域技术人员的惯用手段，能够最有效向他们表达本发明的实质性内容。

本文所述“一项应用实例”即指与本发明的应用实例有关的一个具体特征，结构或特点。“在一个应用实例”的字眼并不一定指代同一个应用实例，亦并不排出其他应用实例。

在所有视图中，各部分的标号在不同视图中保持一致。图1A为现有技术的检测***，包括用于检测样品表面103的一个照明光源101和一个成像光学***102，一个用于捕捉图像的线阵扫描CCD照相机105。一束光纤线阵光(或LED线阵光)101和一个圆柱面透镜102共同将一束很窄的光线投射到样本表面103上，透镜104将一部分照明场成像于线阵扫描CCD传感器105上。当样本表面103与成像光学***102产生相对运动时，就获得样本表面的图像103。样本表面103起到镜子的作用，其反射光形成了样本表面103的图像。将光路展开成传输模式(如图1B)，能更好的说明照明和成像的主要原理。光纤线阵光101的长度由成像透镜104的视野角度和光纤线阵光与样本的距离决定。由于视场角度和照明均匀性的限制，照明场107比成像透镜的视场的长度长许多，因此，照明效率十分低。

如图1所示的现有***的缺点包括：光效率低，元件大而笨重，光源101产生的热量过多，因此，不适用于移动的扫描光学头。要检测大尺寸的样本，如LCD玻璃基板，最好能让光学头沿着至少一个方向移动来对整个表面进行扫描成像，从而缩小检测设备的占地面积。因此，十分需要一个结构紧凑，效率高，寿命长的照明***。

图2A和图2B所示为本发明使用线阵扫描CCD照相机或TDI照相机，并用分立式LED光源进行表面照明的典型应用实例。图2A和图2B分别为正视图和俯视图。如图所示，一个圆柱面透镜202和一个球面透镜203将分立式LED光源201的发出的光聚焦成像。为了达到最合适的照明均匀性和效率，根据下列方程式计算透镜202、203的焦距和两者的距离。

假设LED 201与焦距为f₁的柱面透镜202的距离为L₁ 207，此时

L₁＝f₁                 (1)。光在一个维度上由圆柱面透镜202校直，并由焦距为f₂的球面透镜203聚焦成平行于圆柱面透镜202长轴的一条线。球面透镜203与圆柱面透镜202的距离L₁’208由下列等式给出：

$\frac{1}{L_1^{\′}+L_1}+\frac{1}{L_2^{\′}+L_3}=\frac{1}{f_2}---\left(2\right).$

由此，在柱面镜202长轴的垂直方向上，LED光源201通过球面透镜203(在没有圆柱面透镜202的情况下)形成了一个实像，实像位于成像透镜205的光阑上，如图2B所示。球面透镜203与样本204的距离L₂’209由下列等式给出：

L′₂＝f₂         (3)

样本204与成像透镜205的光阑的距离L₃210由下列等式给出：

$\frac{1}{L_3}+\frac{1}{L_3^{\′}}=\frac{1}{f_3}---\left(4\right)$

因此，成像透镜205在CCD传感器206的表面上形成了样本的一个实像。

光学放大率由CCD传感器的元件尺寸p_c和样本表面的光学成像像素大小p_s决定：

$M=\frac{p_c}{p_s}---\left(5\right)$

全视场(FFOV)由下式给出：

FFOV＝Np_s        (6)

其中，N是CCD传感器元件的数目。

全视场角度(FFA)为：

$\mathrm{FFA}=\frac{\mathrm{FFOV}}{L_3}---\left(7\right)$

球面镜203的最小直径D由成像透镜205的FFA和NA决定，下列等式保证照明能覆盖成像透镜的全视场和全视场角。

D＝(L₃+L′₂)FFA+2L′₂·NA          (8)

选择焦距合适圆柱面透镜202(f₁)和球面透镜203(f₂)，可调整放大率从而使照明效率达到最大值。投射到成像透镜205光阑上的光线长度应与光阑的直径非常匹配，最好比光阑的直径略小。与投射到样本平面204上的光线垂直的聚光角度应与成像透镜205的数值孔径(NA)匹配，最好略小于成像透镜的数值孔径。

图3为使用波长不同的复合LED光源组来检测样品平面的典型应用实例的示意图。虽然图中只显示了三个不同波长的LED，应用中LED数量以及其波长可根据实际调整。LED 301产生波长为λ₁的光，LED 302产生波长为λ₂的光，LED303产生波长为λ₃的光。LED组产生的光由透镜311，312，和313校直，经二向色分光镜314和315合并。二向色分光镜314反射波长为λ₂的光，透射波长为λ₁的光。二向色分光镜315透射波长为λ₁和λ₂的光，反射波长为λ₃的光。控制单元330分别独立地控制三个波长的LED的光强度。样本表面的照明光强度为：

I＝I₁+I₂+I₃                        (9)

其中，I₁，I₂，和I₃分别是波长为λ₁，λ₂，和λ₃的LED光源的光强度。

I₁，I₂，和I₃可在各自光强度的0到100％范围内调节，以优化在不同样本表面上探测缺陷的灵敏度。比如，波长不同时，基板的光学特性和薄膜镀膜的厚度对反射率的影响程度不同，因此，某些波长比其它波长的检测灵敏度更高。本发明中不同波长的光的混合比例是可调节的，从而可以提高缺陷探测灵敏度，这一点用传统的光纤线阵光是难以做到的。

此外，各波长的比重可以连续调节，从而弥补光学***传输不均匀性以及CCD传感器光谱响应的不均匀性，形成真实准确的平面照明光谱，这是理想的检测方法，尤其适合检测因薄膜厚度不均而引起噪音偏大的表面。暗视场照明和成像(未在图3中显示)也可通过增加其它光源来实现，最好使用激光倾斜射向样品表面对其进行照明。

成像透镜205位于分光镜307的反射路径上，分光镜的分光面308朝向成像透镜205，从样本表面204反射出的光不会穿过分光镜307，因此可消除分光镜厚度引起的像差。

LED组通常为不相干光源，并具有发出大立体角光的特性。此外，大功率LED组的发光区域的尺寸有限，通常为毫米。用于高速线阵扫描检测的传感器通常为线阵扫描CCD或高灵敏度TDI传感器。一个线阵扫描CCD由一排的元件(照片传感器)构成，例如，DALSA线阵扫描CCD(型号P3-80-08k40)有8192个元件，成像场的高宽比是8192∶1。TDI传感器由若干行元件组成，用以提高光灵敏度，然而，由于制造成本和产出限制，元件的行数通常有限。比如，DALSA TDI传感器(型号HS-80-08k80)有96行元件，每一行有8192个元件，因此成像场的高宽比约为85∶1。由于传感器形状的极大不对称，因此要求进一步优化发光区域的形状和布局，以便改善照明光效率和均匀性。

图4A所示为现有的高功率LED的发光区布局(如：由LUMILEDS提供的Luxeon V星形三相绕组)。发光区由4个对称分布，面积约为1×1mm的正方形发光集成块401组成。如图2所示的照明光学***，当集成块401的一条边与圆柱面透镜202的长轴平行时，在样本表面上将形成呈两条线状的光斑402，它们分别由集成块401顶部和底部的一对发光集成块发出。尽管本发明的照明光学***优化了对线阵扫描CCD传感器的照明效率，但由于线阵扫描CCD传感器的长宽比十分大，照明线的宽度通常远大于成像场的宽度，成像场即传感器在样本上的投影区域为405，因此，在样本表面上形成的照明线中，只有一条能够在CCD传感器上成像。图4a还画出了光强的轮廓线403来阐明用于成像的那部分光(图中用点线围成的矩形部分)。实际上，只有来自LED的区域404发出的光被利用了。

在以下应用实例中，为了改善光效率，将LED旋转45度，使LED集成块的对角线与圆柱面透镜的长轴对齐。于是，分配到样本上的光就变成由一根中间强光线和两侧的两个弱光瓣组成。用于照明的有效区是区域405。由于正方形的对角线是边长的1.4倍，因此，有效区405比有效区404大约大40％。

针对线阵扫描的应用，可对LED的发光区进一步优化。图5A所示为应用于线阵扫描照明的LED发光区优化设计。发光区501由一排狭窄的光带组成，光带之间的间隙用来放置电极。整个发光区的优化，使之与拉长了的成像传感器的长宽比匹配。图5B是另一LED发光区设计，由几个矩形发光元件502线性排列而成。排列的整体长度和宽度与线阵扫描CCD或TDI传感器的长宽比匹配。

图5C也是一个LED发光区的设计，它由几个矩形发光元件503线性排列而成，排列的整体长和宽与线阵扫描CCD或TDI的长宽比匹配。图5D也是一个LED发光区的设计，由一个连续的矩形发光区504构成，发光区的长和宽与线阵扫描CCD或TDI传感器的长宽比匹配。还有其它形式的布局，尽管发光区的细节可能有所不同，但发光区整体与线阵扫描CCD或TDI传感器的长宽比匹配，都属于本发明的范围。

图6是对大型平面例如LCD玻璃基板606进行检测的示意图。光学模块605包括如图3所示的照明和成像部件，成像场的长边与线性移动平台604(移动平台X)的移动轴平行。玻璃基板606的运动方向与线性移动平台Y 607的移动轴平行，基板由气悬浮导轨602和真空预载气悬浮底座603支撑。真空预载气悬浮底座603，例如由Newway Airbearings提供的S2225401型产品，能够为在一层很薄的空气上运动的玻璃提供很高的刚性。线性马达移动平台604将光学模块一次移动视场大小的一步，每一次玻璃都沿垂直方向移动直至玻璃的全部区域被检测完毕。

图7是图6所示结构的侧视截面图，显示了用于提高缺陷探测率的后方照明703，因为某些缺陷用前方照明是难以探测到的。检测***使用了2个真空预载气悬浮底座603，两个底座之间的间隙为后方照明提供了空间。底座具有真空出口702和高压气体进口701。真空提供向下的吸力，稳定了在气悬浮上高速运动的玻璃。

图8显示了一个具有不同检测和测量功能的光学模块组合。该组合体由若干个光学检测模块801、一个光学复查显微镜802、一个关键尺寸(CD)测量与对准测量模块803、一个薄膜厚度测量模块804等组合在一起，由此，缺陷探测和光学测量可以在一台机器上完成。

以上为本发明的详尽描述。本领域的专家均知本描述仅为本项发明的应用实例，而在实际应用中，还可作大量不同排列或组合，均未脱离本发明的实质和范畴。因此，本发明的保护范围不限于上文所举实例。

Claims (19)

1.一种高效照明表面检测***，其特征在于包括：

一个线阵扫描传感器；

一个成像透镜；

一个照明光源，包括一系列光源，其光线通过至少两个透镜后用于照明被检测基板，

其中，两个透镜包括：

一个圆柱面透镜和一个球面透镜，将照明光源的光线聚焦成二条影像线，第一条影像线投射到基板样本表面，第二条影像线沿垂直方向投射到上述成像透镜的光阑上，使线阵扫描传感器的视场取得光强度和角度的均匀性，样本表面的像通过上述成像透镜聚焦于线阵扫描传感器上。

2.根据权利要求1所述高效照明表面检测***，其特征在于：所述线阵扫描传感器为一个CCD或一个TDI传感器。

3.根据权利要求1所述高效照明表面检测***，其特征在于还包括：

一运送基板的气浮输送装置；

一实现基板与***相对运动的移动机构。

4.根据权利要求3所述高效照明表面检测***，其特征在于还包括：

一真空预载气悬浮底座，用于支持和稳定处于线阵扫描传感器视场内的基板。

5.根据权利要求1所述高效照明表面检测***，其特征在于：

所述的光源至少包括一个波长为λ₁的LED和一个波长为λ₂的LED，该两个LED产生的光由一个二向色分光镜准直合并。

6.根据权利要求5所述高效照明表面检测***，其特征在于：

所述的二向色分光镜反射波长为λ₂的光，透射波长为λ₁的光。

7.根据权利要求6所述高效照明表面检测***，其特征在于：

有一个独立控制波长为λ₁或λ₂的光的强度的控制单元。

8.根据权利要求6所述高效照明表面检测***，其特征在于：

所述的波长为λ₁或λ₂的光的强度可根据基板表面特征调节，实现缺陷检测灵敏度的最优化。

9.根据权利要求1所述高效照明表面检测***，其特征在于：

所述的光源呈正方形矩阵排列，旋转45度，正方形矩阵的对角线方向与圆柱面透镜的长轴相对，以使分布在基板表面上的光由一根中间强光线和两侧的两个弱光瓣组成。

10.根据权利要求1所述高效照明表面检测***，其特征在于：

所述的基板为液晶显示屏LCD，平板显示屏FPD，有机发光二极管OLED，掩模和半导体晶圆。

11.根据权利要求1所述高效照明表面检测***，其特征在于还包括：

一个倾斜入射暗场照明装置。

12.一种高效照明表面检测***，其特征在于包括：

一个线阵扫描传感器；

一个成像透镜；

一个前方照明光源，包括至少两个透镜，用于照明被检测基板，

其中，两个透镜包括：

一个圆柱面透镜和一个球面透镜，将照明光源的光线聚焦成二条影像线，第一影像条线投射到基板样本表面，第二条影像线沿垂直方向投射到成像透镜的光阑上，使线阵扫描传感器的视场取得强度和角度的均匀性，样本表面的像通过上述成像透镜聚焦于线阵扫描传感器上；一个后方照明光源，用于增强仅使用前方光源难以检测到的缺陷的检测效果。

至少一个真空预载气浮底座，产生向下的力使基板在气悬浮导轨上高速运动的过程中保持稳定。

13.根据权利要求12所述高效照明表面检测***，其特征在于包括：

一个移动机械装置，使基板与检测模块产生相对运动，该检测模块包括：线阵扫描传感器以及成像透镜；

前方和后方照明光源，以及用于控制前方和后方照明光源的光强度的控制单元。

14.根据权利要求13所述高效照明表面检测***，其特征在于：

所述的光源至少包括一个产生波长为λ₁的LED以及一个产生波长为λ₂的LED，该两个LED产生的光由一个二向色分光镜准直合并。

15.根据权利要求14所述高效照明表面检测***，其特征在于：

所述的二向色分光镜反射波长为λ₂的光，透射波长为λ₁的光。

16.根据权利要求12所述高效照明表面检测***，其特征在于：

所述的波长为λ₁或λ₂的光强度可根据基板表面特征调节，实现缺陷检测灵敏度的最优化。

17.根据权利要求12所述高效照明表面检测***，其特征在于：

所述的前方照明光源的光源呈正方形矩阵排列，旋转45度，正方形矩阵的对角线方向与圆柱面透镜的长轴相对，以使分布在基板表面上的光由一根中间强光线和两侧的两个弱光瓣组成。

18.根据权利要求12所述高效照明表面检测***，其特征在于：

所述的基板为液晶显示屏LCD，平板显示屏FPD，有机发光二极管OLED，掩模和半导体晶圆。

19.根据权利要求12所述高效照明表面检测***，其特征在于还包括：

一个倾斜入射暗场照明装置。

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