CN108122797A - 一种3d检测装置 - Google Patents

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张鹏黎
陆海亮
王帆
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Abstract

本发明提供了一种3D检测装置，包括光源模块、探测模块、参考模块和第一分束器，所述光源模块采用一个激光器输出至少三个波长的光，所述光源模块输出的光经过第一分束器产生探测光和参考光，所述探测光照射到一待测面并被反射，所述参考光照射所述参考模块后被反射，经反射的参考光和经反射的探测光形成一定的夹角，入射至所述探测模块形成干涉条纹，所述探测模块根据所述干涉条纹计算所述待测面高度。本发明提供的一种3D检测装置，利用1个激光器，通过光学参量调节和分光，实现多波长的光同时输出，可节省成本并缩小设备体积，方便维修维护。

Description

一种3D检测装置
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种3D检测装置。
背景技术
在半导体制造过程中，为了增加芯片制造的良率，在整个封装工艺过程都需要对芯片进行缺陷检测，早期的设备主要集中在芯片表面2D的缺陷检测，例如污染、划痕、颗粒等。随着工艺控制要求的增加，越来越需要对芯片表面3D特征进行检测，例如高度、厚度和孔深等。
目前业界实现芯片表面3D测量的方式主要包括激光三角测量法、激光共聚焦法和干涉测量仪。其中三角测量法可以采用激光谱线进行扫描，极大的提高检测速度，但精度相对较低；激光共聚焦法和干涉测量仪能获得较高的垂向分辨率，但需要进行垂向扫描，检测效率较低，难以满足全面扫描检测的需求。
并且在上述方案中，为提高表面高度检测范围，通常需要多个波长进行测量，对应的需要多个激光器，例如采用三个独立的激光器，才能输出三个波长的光源，此外还需考虑激光器间的同步控制问题，因此多个激光器的使用势必增加设备成本和占地空间，同时维修维护起来也不方便。
为此上述问题已成为业界亟需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种3D检测装置，以解决现有的3D检测装置需要多个激光器才能输出多个波长光源的问题。
一种3D检测装置，包括光源模块、探测模块、参考模块和第一分束器，所述光源模块采用一个激光器输出至少三个波长的光，所述光源模块输出的光经过第一分束器产生探测光和参考光，所述探测光照射到一待测面并被反射，所述参考光照射所述参考模块后被反射，经反射的参考光和经反射的探测光形成一定的夹角，入射至所述探测模块形成干涉条纹，所述探测模块根据所述干涉条纹计算所述待测面高度。
可选的，所述光源模块包括分光组件、光学参量振荡器及光耦合组件，所述激光器产生的光经过所述分光组件后，一部分被反射形成第一光束，另一部分被透射形成所述光学参量振荡器的泵浦源，所述泵浦源经所述光学参量振荡器后形成信号光和闲频光，所述第一光束、信号光及闲频光经所述光耦合组件耦合后入射至所述第一分束器。
可选的，所述光源模块还包括倍频晶体和和频晶体，所述激光器产生的光为基频光，所述基频光通过所述倍频晶体产生倍频光，所述基频光和倍频光通过所述和频晶体产生3倍频光，所述分光组件反射所述倍频光作为所述第一光束，透射所述3倍频光作为所述泵浦源。
可选的，其特征在于，所述光源模块还包括倍频晶体，所述激光器产生的光为基频光，所述基频光通过所述倍频晶体产生倍频光，所述分光组件反射一部分所述倍频光作为所述第一光束，透射另一部分所述倍频光作为所述泵浦源。
可选的，所述基频光的波长为1064nm，所述倍频光的波长为532nm，所述3倍频光的波长为355nm，则所述第一光束的波长为532nm，所述信号光的波长范围为413nm-709nm，所述闲频光的波长范围为709nm-2500nm。
可选的，所述信号光的波长范围优选为630-650nm。
可选的，所述基频光的波长为1064nm，所述倍频光的波长为532nm，则所述第一光束的波长为532nm，所述信号光的波长范围为670nm-1064nm，所述闲频光的波长范围为1064nm-2500nm。
可选的，所述信号光的波长范围优选为790-810nm。
可选的，所述信号光决定了所述3D检测装置的分辨率R：
R＝λ1/2/SNR，
其中，SNR表示所述3D检测装置的信噪比，λ1所述信号光的波长。
可选的，所述干涉条纹由若干超像素构成，所述超像素包括多个像素，每个像素的光照强度如下式：
其中，x和y表示像素坐标；B1、B2和B3是各波长的光束在光路中的透射和反射相关的系数，可通过标定获得；A1、A2和A3是各波长的光束与待测面反射率相关的系数，表示初始相位，I表示光强强度，θ表示经所述参考模块反射的参考光和经待测面反射的探测光之间的夹角。
可选的，采用FFT算法计算若干所述超像素的光照强度，求解得到相位及并求解出所述待测面的高度Z：
其中λ1为所述信号光的波长。
可选的，所述光源模块输出的光束的合成波长λs决定了所述3D检测装置的垂向探测范围Z0：
Z0＝λs/2。
可选的，还包括物镜，用于放大所述待测面，所述物镜位于所述第一分束器和所述待测面之间。
可选的，所述参考模块包括反射镜，所述反光镜的表面与所述待测面之间呈一定的夹角。
可选的，所述分光组件为二向色元件。
可选的，所述分光组件为半透半反射镜。
本发明提供的一种3D检测装置，利用1个激光器，通过光学参量调节和分光，实现多波长同时输出，可节省成本并缩小设备体积，方便维修维护。
附图说明
图1是本发明所提供的一种3D检测装置的原理图；
图2是超像素示意图；
图3是本发明实施例一的结构图；
图4是本发明实施例一探测范围随信号光波长的变化图；
图5是本发明实施例二的结构图；
图6是本发明实施例二探测范围随信号光波长的变化图。
图中标号：1-光源模块；4-参考模块；6-探测模块；7-待测面；11-倍频晶体；12-和频晶体；13-光学参量振荡器；14-分光组件；15-第一反射镜；17-光耦合组件；18-传导光纤；21-照明镜组；22-第一分束器；31-物镜；41-透镜；42-第二反射镜；50-管镜；61-探测器；71-超像素；72-像素；110-基频光；112-倍频光；113-3倍频光；114-信号光；115-闲频光；300-探测光；400-参考光。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的3D检测装置作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
现有的3D检测装置需要多个激光器才能输出多个波长的激光，占用大量的场地和设备空间，维修维护也有困难性，增加了许多成本，本发明人经过长期的研究和实验，研发出了一种新型的3D检测装置，解决了上述的问题。
本发明提供的一种3D检测装置，包括光源模块、探测模块、参考模块和第一分束器，所述光源模块采用一个激光器输出至少三个波长的光，所述光源模块输出的光经过第一分束器产生探测光和参考光，所述探测光照射到一待测面并被反射，所述参考光照射所述参考模块后被反射，经反射的参考光和经反射的探测光形成一定的夹角，入射至所述探测模块形成干涉条纹，所述探测模块根据所述干涉条纹计算所述待测面高度。本发明提供的一种3D检测装置，利用1个激光器，通过光学参量调节和分光，实现多波长的光同时输出，可节省成本并缩小设备体积，方便维修维护
实施例一
图1是本发明所提供的一种3D检测装置的原理图，包括光源模块1、物镜31、参考模块4、探测模块6、第一分束器22、管镜50和一个激光器(图中未标识)，所述激光器产生一个波长的光，所述激光器产生一个波长的光经过所述光源模块后输出为多个波长的光，所述多个波长的光经过第一分束器22产生探测光300和参考光400，所述探测光300经物镜31后照射到经物镜31放大后的待测面7，所述参考光400进入参考模块4，经反射的参考光400和探测光300经过管镜50进入探测模块6，所述反射后的探测光300和参考光400具有一夹角θ，从而形成干涉条纹，通过对所述干涉条纹的相位解析得到待测面高度。
所述3D检测装置还包括照明镜组21，光源模块输出的光经过照明镜组21进入第一分束器22。
所述光源模块1将多个特定波长的光源输出，所述物镜31将探测光300传送到待测面7，所述参考模块4将参考光400反射，所述探测模块6处理反射后的探测光300和参考光400。
所述的光源优先选择相干性，方向性好的激光，输出光源的波长取决于探测高度范围Z0和分辨率R，例如，当光源模块输出的波长为λ1、λ2和λ3时，解析如下函数：
其中，I表示光强分布
λ1决定分辨率R＝λ1/2/SNR，(SNR表示信噪比)，合成波长
其决定垂向探测范围Z0＝λs/2。
在探测光300和参考光400反射后，在探测器表面形成干涉条纹，为了求解单点的垂向高度z，需要在探测模块上构造多个超像素，每个超像素由m×n的像素构成，如图2所示，所述探测模块上构造出许多超像素71，每个超像素由像素72构成，每个超像素内像素的信号满足下列公式
其中x＝1,2，…，m；y＝1,2,…,n，表示像素坐标；B1、B2和B3是各波长在参考光路中的透射和反射相关系数，可通过标定获得；A1、A2和A3是各波长与待测面反射率相关的未知系数。
对于一个m×n的超像素，可获得m×n个矩阵方程，通过FFT(相位提取)算法，求解出相位及即可获得探测点的高度值z。
其中z表示待测面高度，λ1表示信号光波长，表示信号光的相位。
实施例二
实施例2是针对实施例1中各个模块进一步说明。具体的，所述光源模块的具体结构如图3所示，包含倍频晶体11、和频晶体12、光学参量振荡器13、分光组件14、第一反射镜15、光耦合组件17和传导光纤18，所述激光机(图中未标识)产生波长1064nm基频光110，所述基频光110通过倍频晶体11产生波长为532nm的倍频光112，所述基频光110和倍频光112通过和频晶体12产生波长为355nm的3倍频光113，所述3倍频光113和倍频光112作为输入光路。
所述输入光路被分光组件14分为泵浦源和第一光束，本实施例中所述分光组件14为二向色元件，所述分光组件14透过3倍频光113为泵浦源，所述分光组件14反射倍频光112为第一光束，所述泵浦源进入光学参量振荡器13产生信号光114和闲频光115，所述信号光114和闲频光115进入光耦合组件17，所述第一光束经第一反射镜15后进入光耦合组件17，所述信号光114、闲频光115和第一光束经光耦合组件17进入传导光纤18后入射至第一分束器22，所述信号光114、闲频光115和第一光束作为输出光路。
本实施例中，激光器输入的光源的波长是固定的1064nm，经过二向色元件拆分成泵浦源和第一光束，所述泵浦源波长为355nm，所述第一光束波长532nm，所述泵浦源经光学参量振荡器产生信号光和闲频光，所述泵浦源波长为λ0，信号光波长为λ1，闲频光波长为λ2，满足如下关系：k0＝k1+k2，其中ki＝2π/λi，i＝0,1,2，当泵浦源波长为355nm时，信号光的变换范围为413-709nm，闲频光的变换范围为709-2500nm，再根据实施例1中所述的公式，可得探测范围随信号光波长变化曲线如图4所示，横坐标表示信号光的波长，纵坐标表示探测范围。由图4可知，信号光波长取638.8nm时，探测范围最大达到1694um。但由于探测范围取极大值时，信号光波长的波动会对探测范围产生较大的影响，因此需要对波长的精度进行控制，并且考虑到实际的工程应用，信号光波长的合理范围为630nm-650nm，这样可以获得10um以上的探测范围。
继续参考图3，所述参考模块包括透镜41和第二反射镜42，所述探测模块包括探测器61，所述输出光路经第一分束器22产生探测光300和参考光400，所述探测光300经物镜31照射到待测面7，所述参考光400经过成经过透镜41后被反射42反射，然后再经过透镜41后被第一分束器22反射到管镜50，所述管镜50和物镜31相配合，使探测光300和参考光400在探测器601上形成干涉条纹，从而获得解出探测点的高度值。
实施例三
实施例3是针对实施例1中各个模块的进一步说明。具体的，所述光源模块还可以是如下结构，如图5所示，包含倍频晶体11、光学参量振荡器13、分光组件14、第一反射镜15、光耦合组件17和传导光纤18，所述激光机(图中未标识)产生波长1064nm的基频光110，所述基频光110通过一倍频晶体11产生波长为532nm的倍频光112，所述倍频光112作为输入光路。
所述输入光路被分光组件14分为泵浦源和第一光束，本实施例中所述分光组件14为半透半反镜，所述分光组件14透过一部分倍频光112，透过的倍频光112为泵浦源，所述分光组件14将另一部分倍频光反射并使之变为3倍频光，所述3倍频光为第一光束，所述泵浦源进入光学参量振荡器13产生信号光114和闲频光115，所述信号光114和闲频光115进入光耦合组件17，所述第一光束经第一反射镜15后进入光耦合组件17，所述信号光114、闲频光115和第一光束经光耦合组件17进入传导光纤18后入射至第一分束器22，所述信号光114、闲频光115和第一光束作为输出光路。
本实施例中，激光器输入的光源的波长是固定的1064nm，经过半透半反镜拆分成泵浦源和第一光束，所述泵浦源波长为532nm，所述第一光束波长为355nm，所述泵浦源经光学参量振荡器产生信号光和闲频光，所述泵浦源波长为λ0，信号光波长为λ1，闲频光波长为λ2，满足如下关系：k0＝k1+k2，其中ki＝2π/λi，i＝0,1,2，当泵浦源波长为532nm时，信号光的变换范围为670-1064nm，闲频光的变换范围为1064-2500nm，再根据实施例1中所述的公式，可得探测范围随信号光波长变化曲线如图6所示，横坐标表示信号光的波长，纵坐标表示探测范围。由图6可知，信号光波长取798.1nm时，探测范围最大达到1061um。但由于探测范围取极大值时，信号光波长的波动会对探测范围产生较大的影响，因此需要对波长的精度进行控制。并且考虑到实际的工程应用，信号光波长的合理范围为790nm-810nm，这样可以获得10um以上的探测范围。
本实例中的探测模块和参考模块与实施例2一样，这里不在进行多余的阐述。
本发明可以利用一个激光器，输出多个波长的光源，实现3D检测，即节约了成本和设备空间，也方便了维修维护。
上述实施例以一个激光机产生三个不同波长的光源的装置为例，本领域人员容易想到是，产生其他多个波长的光源的装置也在本发明的保护范围之内。
上述实施例以激光器输入1064nm波长的光波为例，容易想到的是，其他波长的光波也在发明的保护范围之内
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (16)

1.一种3D检测装置，其特征在于，包括光源模块、探测模块、参考模块和第一分束器，所述光源模块采用一个激光器输出至少三个波长的光，所述光源模块输出的光经过第一分束器产生探测光和参考光，所述探测光照射到一待测面并被反射，所述参考光照射所述参考模块后被反射，经反射的参考光和经反射的探测光形成一定的夹角，入射至所述探测模块形成干涉条纹，所述探测模块根据所述干涉条纹计算所述待测面高度。
2.如权利要求1所述的一种3D检测装置，其特征在于，所述光源模块包括分光组件、光学参量振荡器及光耦合组件，所述激光器产生的光经过所述分光组件后，一部分被反射形成第一光束，另一部分被透射形成所述光学参量振荡器的泵浦源，所述泵浦源经所述光学参量振荡器后形成信号光和闲频光，所述第一光束、信号光及闲频光经所述光耦合组件耦合后入射至所述第一分束器。
3.如权利要求2所述的一种3D检测装置，其特征在于，所述光源模块还包括倍频晶体和和频晶体，所述激光器产生的光为基频光，所述基频光通过所述倍频晶体产生倍频光，所述基频光和倍频光通过所述和频晶体产生3倍频光，所述分光组件反射所述倍频光作为所述第一光束，透射所述3倍频光作为所述泵浦源。
4.如权利要求2所述的一种3D检测装置，其特征在于，所述光源模块还包括倍频晶体，所述激光器产生的光为基频光，所述基频光通过所述倍频晶体产生倍频光，所述分光组件反射一部分所述倍频光作为所述第一光束，透射另一部分所述倍频光作为所述泵浦源。
5.如权利要求3所述的一种3D检测装置，其特征在于，所述基频光的波长为1064nm，所述倍频光的波长为532nm，所述3倍频光的波长为355nm，则所述第一光束的波长为532nm，所述信号光的波长范围为413nm-709nm，所述闲频光的波长范围为709nm-2500nm。
6.如权利要求5所述的一种3D检测装置，其特征在于，所述信号光的波长范围优选为630-650nm。
7.如权利要求4所述的一种3D检测装置，其特征在于，所述基频光的波长为1064nm，所述倍频光的波长为532nm，则所述第一光束的波长为532nm，所述信号光的波长范围为670nm-1064nm，所述闲频光的波长范围为1064nm-2500nm。
8.如权利要求7所述的一种3D检测装置，其特征在于，所述信号光的波长范围优选为790-810nm。
9.如权利要求5或7所述的一种3D检测装置，其特征在于，所述信号光决定所述3D检测装置的分辨率R：
R＝λ1/2/SNR，
其中，SNR表示所述3D检测装置的信噪比，λ1所述信号光的波长。
10.如权利要求9所述的一种3D检测装置，其特征在于，所述干涉条纹由若干超像素构成，所述超像素包括多个像素，每个像素的光照强度如下式：
其中，x和y表示像素坐标；B1、B2和B3是各波长的光束在光路中的透射和反射相关的系数，可通过标定获得；A1、A2和A3是各波长的光束与待测面反射率相关的系数，表示初始相位，I表示光强强度，θ表示经所述参考模块反射的参考光和经待测面反射的探测光之间的夹角。
11.如权利要求10所述的一种3D检测装置，其特征在于，采用FFT算法计算若干所述超像素的光照强度，求解得到相位及并求解出所述待测面高度Z：
其中λ1为所述信号光的波长。
12.如权利要求1所述的一种3D检测装置，其特征在于，所述光源模块输出的光束的合成波长λs决定了所述3D检测装置的垂向探测范围Z0：
Z0＝λs/2。
13.如权利要求1所述的一种3D检测装置，其特征在于，还包括物镜，用于放大所述待测面，所述物镜位于所述第一分束器和所述待测面之间。
14.如权利要求1所述的一种3D检测装置，其特征在于，所述参考模块包括反射镜，所述反光镜的表面与所述待测面之间呈一定的夹角。
15.如权利要求3所述的一种3D检测装置，其特征在于，所述分光组件为二向色元件。
16.如权利要求4所述的一种3D检测装置，其特征在于，所述分光组件为半透半反射镜。
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