CN109073368B - 用于晶片等对象的2d/3d检测的色差共焦装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测诸如晶片等对象(10)的表面的共焦色差装置，包括具有收集孔(14)的多个光学测量通道(24)，收集孔(14)布置为在多个测量点(15)处通过色差透镜(13)收集由对象(10)反射的光，所述多个光学测量通道(24)包括具有用于测量所收集的光的总强度的强度检测器(20)的光学测量通道(24)。本发明还涉及一种用于检测诸如包括三维结构(11)的晶片等对象(10)的表面的方法。

Description

用于晶片等对象的2D/3D检测的色差共焦装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于检测诸如晶片的对象的装置和方法，更具体地涉及用于检测包括诸如凸起或微凸起的结构的对象的装置和方法。

本发明的领域是但不限于半导体工业的2D-3D检测和计量。

背景技术

色差共焦技术是用于三维(3D)表面映射或轮廓测定的公知技术，特别是用于半导体应用。

该技术依赖于使用具有增强色差的色差透镜，其焦距很大程度上取决于光波长。穿过这种透镜的光的每个波长聚焦在不同的距离处，或聚焦在不同的焦平面中。

色差透镜嵌入共焦设置中，其中源和检测针孔(通常由光纤制成)布置在色差透镜的共焦平面上，以抑制失焦透镜。当反射表面布置在色差透镜的前面时，只有其波长的焦平面对应于表面位置的光被透射过检测针孔。

通过光谱仪进行检测，该光谱仪通常包括色散元件和用于获取光的强度光谱的线性传感器(线性CCD)以通过分析检测到的光的强度光谱来获得表面相对于色差透镜的高度(或距离)。

这种设置允许同时测量单个点上的距离。因此，通过扫描所有表面来检测整个晶片表面可能非常耗时。实际上，限制测量速度的因素是用于获取强度光谱的线性传感器的读出时间。

通过并行提供多个测量通道可以提高获取速度。

我们知道例如文献US2015/0260504，其公开了共焦色差装置的实施方式，其中通过具有多个光纤的色差透镜提供多个测量通道。传感器允许同时测量对象表面上几个点的距离或高度。

然而，即使提高了获取速率，检测整个晶片表面的时间仍然很长。

测量或检测图案化晶片时的另一个问题是测量点相对于现有结构的精确定位。该问题通常通过使用2D(二维)检测或成像***(例如相机)来解决。

我们知道例如文献US 6,934,019，其描述了一种基于共焦色差传感器的检测***，该***还包括成像相机。测量需要两个步骤：首先用相机获取晶片的图像并计算待测量结构的位置图；然后进行高度测量。

然而，相机和色差传感器之间的切换是耗时的，并且需要机械位移以将相机或共焦色差传感器定位在待测量的结构上方，这可能影响高度测量的定位精度。

本发明的一个目的是提供一种装置和方法，其允许对诸如晶片等对象进行快速且准确的2D(二维或平面内成像)检测。

本发明的另一个目的是提供一种装置和方法，其允许对诸如晶片等对象进行快速和精确的3D(三维高度测量)检测。

本发明的另一个目的是提供一种装置和方法，其允许同时或至少在相同扫描期间提供针对对象(例如，具有图案或结构的晶片)的、具有最小的定位不确定性的强度图像(2D)和精确高度测量(3D)。

本发明的另一个目的是提供一种装置和方法，其允许精确定位高度测量位置，和/或相对于诸如晶片等对象上的结构或图案精确定位高度测量探针。

本发明的另一个目的是提供一种装置和方法，其允许在位置和形状上表征或检测诸如晶片等对象的结构(2D和/或3D)。

本发明的另一个目的是提供一种用于检测诸如晶片等对象上的凸起、沟槽和其他图案化结构的装置和方法。

发明内容

这些目的是通过共焦色差装置和检测诸如晶片等对象的表面的方法来实现的。

根据本发明的第一方面，提出了一种用于检测诸如晶片的对象表面的共焦色差装置，包括：

-色差透镜，其具有扩大的轴向色差的；

-光源，其用于通过色差透镜，使用在不同的轴向距离处聚焦的多个光波长来照射对象；

-多个光学测量通道，其具有收集孔，布置为在多个测量点处通过色差透镜收集由对象反射的光；

其特征在于，多个光学测量通道包括具有强度检测器的光学测量通道，强度检测器用于测量所收集的光的总强度。

色差透镜可包括在视场上具有合适色差的任何种类的色差透镜或透镜组件，例如：

-光学测量通道之间共享的单透镜或透镜组件；

-多个透镜或微透镜，每个透镜或微透镜仅由一个或几个光学测量通道使用；

-全息元素；

-衍射透镜或微透镜元件。

色差透镜可以至少包括由色散材料制成的透镜，以及提供必要光学配置所需的任何其他透镜。可以根据众所周知的技术设计这种透镜，以便提供强的色差，允许穿过透镜的不同光波长在不同的距离处聚焦，并且在横向视场上聚焦。

因此，本发明的共焦色差装置包括几个光学测量通道。每个光学测量通道对特定测量点处反射的光敏感，特定测量点在垂直于色差透镜光轴的平面中，并且沿着与穿过色差透镜的不同光波长的聚焦平面相对应的轴向距离或高度范围(在基本上平行于透镜光轴的方向上)。允许测量的轴向距离范围可以定义为装置的测量范围。

换句话说，测量点对应于收集孔的共轭点，或者更确切地说，对应于在垂直于色差透镜的光轴的平面上的不同波长的收集孔的共轭点的投影。根据经典的共焦检测方案，这些收集孔作为针孔操作，允许抑制失焦光。

光源可以包括能够在多个波长下发射光的任何种类的光源，所述多个波长覆盖可以有效利用色差透镜的色差的光谱范围。它可以包括例如发光二极管(LED)，诸如卤素灯的热光源，或气体放电灯。它还可以包括可调谐激光器、白色激光器或超连续光子光源。光源可以产生波长在例如400-700nm(可见范围)范围内的光，允许检测可见光范围内的表面和/或透明层。或者，光源可以产生红外范围内的波长大于1微米的光，允许例如通过硅层或在红外线中透明的其他材料的层进行检测。

光源可以包括在所有光学测量通道之间共享的单个光源，或者在多个光学测量通道之间共享的多个光源，或每个光学测量通道的光源。

强度检测器可包括测量光强度，或光谱范围内的全局光强度的任何光电探测器。

根据一些实施方式，强度检测器可以包括：

-用于每个光学测量通道的单独或离散的强度检测器，例如光电晶体管、光电二极管或雪崩光电二极管；和/或

-在多个光学测量通道之间共享的强度检测器。这种强度检测器可以包括例如光电二极管阵列、线性或矩阵CCD或CMOS，其中不同光学测量通道的强度测量在不同的像素上完成。

强度检测器在测量点处提供全局光强度。因此，他们提供了对象的2D图像信息。

由于共焦色差设置，2D测量得益于扩大的焦深。通过这些方法获得的图像在装置的整个测量范围内聚焦或聚焦良好，因为它主要使用聚焦在对象表面上的波长来完成，无论表面在测量范围内的位置如何。因此，成像的可用焦深由色差透镜的色差程度决定。因此，它比经典消色差透镜可获得的焦深大得多，并且对应于可用于具有色差透镜的单个波长的焦深。

根据本发明的一些实施方式，多个光学测量通道还可以包括具有光谱检测器的至少一个光学测量通道，光谱检测器用于测量所收集的光的光谱信息并推导出轴向距离信息。

这种光谱检测器可以包括能够提供与随光波长变化的光强度相关的光信号的任何检测器，例如：

-具有诸如光栅或衍射阵列等色散元件的光谱仪型装置，和能够收集不同波长的光强度的传感器，例如线性CCD、CMOS或光电二极管阵列；

-在线性或矩阵检测器前面带有滤色器的设备，允许在利用不同检测器区域选择波长进行检测。

光谱检测器还可以包括在几个光学测量通道之间共享的检测器，例如线性或矩阵CCD或CMOS。在这种情况下，不同光学测量通道的强度光谱被收集在检测器的不同区域或像素上。

通过识别光谱中的峰值或反射最多的波长，可以从强度光谱推导出轴向距离信息，它们代表了测量范围内对象的相应界面的位置。当然，在存在具有多个可检测层的透明对象的情况下，可以识别代表到多个界面的光学距离的多个峰值。

因此，光谱检测器提供测量点处的轴向距离或高度信息。因此，它们提供3D信息，这是共焦色差传感器的通常目的。

因此，本发明允许在单个测量头中存在具有2D-3D检测能力的传感器。2D和3D检测的测量点处于固定、稳定且众所周知的空间关系中。

2D总强度测量可以比3D轴向距离测量快得多，因为它们在获取速率方面的唯一限制涉及探测器的积分时间或带宽。另一方面，3D轴向测量速率至少受到光谱仪传感器的积分时间和读出时间的限制。因此，2D测量可以以比3D测量快10倍或甚至更快的获取速率完成。例如，2D测量可以在几万赫兹的获取速率下进行(例如50KHz到100KHz)，而3D测量仅能在几千赫兹的获取速率下进行。

因此，本发明的装置特别适用于高速检测，因为它允许例如：

-具有扩大的焦深的快速2D检测，例如，允许在任何测量点处检测具有扩展的三维结构(例如凸起、柱子，钉子......)的对象表面，而无需重新聚焦；和/或

-对结构化对象表面进行快速2D检测，并在选定的兴趣点进行即时的3D测量。

根据一些实施方式，光学测量通道可包括光学波导或平面光学波导。

根据一些实施方式，光学测量通道可包括光纤。

根据一些实施方式，宽频带光源可以通过相对于色差透镜和收集孔以共焦配置布置的照明孔传送。

然后，本发明的装置可以包括分束器，该分束器分别***在色差透镜与照明孔和收集孔之间。分束器可以优选地***传播光束被准直(例如，使用准直透镜)的部分。当然，通过分束器和色差透镜，收集孔和照明孔应设置成使得收集孔和照射孔都是同一测量点的共轭点。

根据一些实施方式，光学测量通道可以包括照明光纤，其一端用作照明孔。

这些照明光纤可包括多模或单模光纤。它们可以成束排列或分组。它们可以具有对应于定位在，例如具有用于精确定位的V形槽的安装件中的照明孔的端部。

根据一些实施方式，本发明的装置可包括收集孔，包括例如：

-针孔，如面罩或墙上的通孔；

-入口狭缝，对应于在一个方向上伸长的通孔，其实现了用于排列成行的多个光学测量通道的多个收集孔；

-检测器的像素或检测元件。

根据一些实施方式，光学测量通道可以包括收集光纤，其一端用作收集孔。

这些收集光纤可包括多模或单模光纤。它们可以成束排列或分组。它们可以具有

对应于定位在，例如具有用于精确定位的V形槽的安装件中的收集孔的端部。

根据一些实现方式，宽带光源可以由收集光纤传送。

然后，光学测量通道可以包括耦合器或光纤耦合器，用于将光源的光引导到收集孔，并将由收集孔收集的光导向检测器。

根据一些实施方式，本发明的装置可以包括至少一个光学路由元件，其允许执行以下中的至少一个：

-使用强度检测器和光谱检测器在一个光学测量通道上同时或顺序进行测量；

-对多个光学测量通道，选择性地使用强度检测器和/或光谱检测器。

这种光学路由元件可以包括例如：

-用于对在强度检测器和光谱检测器之间的光学测量通道上收集的光进行分离的耦合器。在这种情况下，可以在同一光学测量信道上(以同步或异步方式)并行或顺序地获得总强度和光谱信息；

-光学开关，用于将在光学测量通道上收集的光导向强度检测器或光谱检测器。在这种情况下，可以在相同的光学测量信道上顺序地获得总强度和光谱信息；

-光复用器，包括例如几个光学开关，用于选择性地将强度检测器和/或光谱检测器连接到多个测量通道，例如，在多个光学测量通道之间共享这种强度检测器和/或光谱检测器，或者选择连接到一个光学测量通道的强度检测器和/或光谱检测器。

根据一些实现方式，本发明的装置还可包括位于收集孔和色差透镜之间的放大透镜，并且布置成在收集孔的空间重新分配和测量点之间的空间重新分配引入变化或可变比例因子。

放大透镜可包括任何种类的透镜或透镜组件。对于所使用的波长，它可以基本上是消色差的(或者对于检测器中使用的光源的波长是消色差的)。

该装置当然可以包括布置在收集孔和放大透镜之间的其他透镜，和/或布置在放大透镜和色差透镜之间的其他透镜。

有几种配置是可能的。

根据一些实施方式，本发明的装置可以包括放大透镜和色差透镜，其被布置成提供中间共轭焦平面，该中间共轭焦平面同时是：

-具有用于包括放大透镜的透镜组件的收集孔的平面的共轭焦平面；和

-具有用于包括彩色透镜的透镜组件的测量点的平面的共轭焦平面。

根据一些实施方式，中间共轭焦平面可以是：

-在有限的距离处；或者

-在有限距离处并且位于放大透镜和色差透镜之间。

然后它可以形成收集孔的真实图像平面。

根据一些实施方式，中间共轭焦平面可以处于无限远距离，对应于准直光束。

根据一些实施方式，本发明的装置可包括位于收集孔和放大透镜之间的准直透镜。

例如，这种准直透镜可以与如前所述的分束器一起使用。它可以与定位在其焦平面中的收集孔一起布置，以便为放大透镜提供准直光束。

然后，本发明的装置可包括具有无焦透镜布置的放大透镜。

这种无焦透镜布置具有无限的有效焦距。例如，可以将两个会聚透镜定位成使得它们的间距对应于它们的焦距之和(或者它们的中间焦平面处于相同位置)。

在所有情况下，具有测量点的平面是包括放大透镜和色差透镜的整个光学组件的具有收集孔的平面的像平面(或共轭平面)。或者换句话说，测量点是整个光学组件的收集孔的相应图像。这样的图像形成有横向放大系数，该放大系数取决于放大透镜(当然对于给定的或特定的色差透镜)。因此，改变放大透镜提供的放大系数允许通过比例因子改变测量点的空间重新分配而不改变色差透镜。

当然，比例因子或放大系数可以对应于放大(高于1的绝对值)、减小(低于1的绝对值)或单位放大(绝对值等于1)。

放大透镜的使用允许连续地和/或通过离散步骤改变测量点的空间重新分配，而不改变色差透镜，因此不会显著改变由该色差透镜的色散限定的测量范围。

另外，通过提供允许将中间共轭焦平面定位在沿光轴相对于色差透镜(或无限远)的相同位置的放大透镜布置，色差透镜总是在类似的条件下使用。

根据一些实施方式，本发明的装置可以包括允许引入可变放大率的变焦类型的放大透镜。

放大透镜可以包括例如变焦镜头、或或变焦类型的放大透镜或镜头组件。

这种(变焦类型的)放大透镜可包括：

-(沿光轴)可移动并允许改变放大率的至少一个镜头；

-透镜布置，允许改变收集孔平面和有限距离处的中间共轭焦平面之间的放大率；

-无焦变焦布置，允许修改准直光束的宽度，以便利用无限远距离处的中间共轭焦平面操作。

本发明的装置还可包括机械支架，其允许改变以下中的至少一个：

-放大透镜，

-放大透镜和色差镜头的组合。

机械支架可包括例如用于改变放大透镜的线性台或转台。

它可以允许将具有不同放大率的多个放大透镜与一个色差透镜组合。例如，它可以在移动台(例如转台或线性台)上保持几个放大透镜，以便能够将它们中的任何一个定位在收集孔和色差透镜之间。

当然，机械支架可以允许改变放大透镜，其中至少一些放大透镜是变焦类型的放大透镜。

如前所述，本发明的装置可以包括允许改变放大透镜和色差透镜的组合的机械支架，组合例如是：

-多个放大透镜与多个色差透镜；

-一个放大透镜与多个色差透镜。

根据一些实现方式，本发明的装置还可包括分别沿第一排和第二排布置的收集孔，其中第二排基本平行于第一排，第一排包括具有强度检测器的光学测量通道的收集孔，第二排包括具有光谱检测器的光学测量通道的收集孔。

这样的配置允许在对象相对于色差透镜的单调相对位移期间，例如利用使用第一排的光学测量通道以更高速率获得的2D总强度信息选择的兴趣测量点上的第二排的光学测量通道来获取3D光谱信息。

根据一些实施方式，本发明的装置还可以包括用于相对移动对象和色差透镜的机械移位台。

机械移位台可以包括平移板和/或旋转板。

根据本发明的另一方面，提出了一种用于检测诸如包括三维结构的晶片等对象的表面的方法，包括：

-提供具有扩大的轴向色差的色差透镜；

-通过色差透镜，利用聚焦在不同轴向距离处的多个光波长照射对象；

-通过色差透镜，使用具有收集孔的多个光学测量通道，收集对象在多个测量点处反射的光；

该方法还包括测量由光学测量通道中的至少一个收集的光的总强度，以获得强度信息；

根据一些实施方式，本发明的方法还可以包括测量由光学测量通道中的至少一个收集的光的光谱信息，以获得轴向距离信息。

本发明的方法可以使用如前所述的本发明的共焦色差装置，或使用允许执行方法步骤的任何其他共焦色差装置来实现。

根据一些实施方式，本发明的方法还可以包括以下步骤：

-获得对象上的多个测量点处的强度信息；

-使用所述强度信息识别至少一个感兴趣的测量点；

-在所述至少一个兴趣点处获得轴向距离信息。

根据一些实施方式，本发明的方法还可以包括以下步骤：

-使用强度信息定位对象表面上的至少一个结构；

-识别与所述结构有关的至少一个感兴趣的测量点。

根据一些实施方式，本发明的方法还可包括相对移动对象和色差透镜以定位至少一个光学测量通道，来获得关于先前识别的感兴趣的测量点的至少一个轴向距离信息的步骤。

根据一些实施方式，本发明的方法还可以包括沿着预定义的扫描轨迹相对移动对象和色差透镜的步骤，并且对于至少一个扫描位置：

-获得至少一个强度信息；和/或

-获得关于先前识别的感兴趣的测量点的至少一个轴向距离信息。

沿着扫描轨迹的移动可以连续地进行，测量是在扫描位置处即时获取的。沿着扫描轨迹的移动也可以逐步完成，并且在扫描位置处停止。

强度信息提供与对象表面的图像对应的2D表示的元素或像素。如前所述，由于获取装置的扩大的焦深，可以以高分辨率和高获取速率来获得。特别地，扩大的焦深允许对对象表面的在高度或深度上延伸的图案或结构进行高质量的成像。

这种强度图像可以用于定位对象表面上的特定图案或结构，从而准确定位应在此处测量深度或距离信息的感兴趣的测量点。因此，较慢的深度测量仅在相关的兴趣点进行。

当然，强度信息和轴向距离/深度信息也可以以相同或不同的采样模式(对应于例如采样网格)***地在对象表面上的测量点获取到，以便提供该表面的2D强度图像和3D高度图。特别地：

-可以根据不同的采样模式获取强度信息和轴向距离/深度信息，以提供空间分辨率比2D强度图像的空间分辨率更粗糙的3D高度图；

-可以根据采样模式获取轴向距离/深度信息，该采样模式是用于获取强度信息的采样模式的子集。

根据一些实施方式，本发明的方法还可以包括根据对象上的结构的空间重新分配来调整测量点的空间重新分配的步骤。

本发明的方法可以特别地包括调整测量点的间距，以便基本上匹配对象上的结构的间距。

结构的间距可以例如是中心间距或左右间距。

本发明的方法还可以包括以下步骤：

-使用关于对象的先验知识或对象的描述信息获得关于结构间距的信息；

-使用先前获得的强度信息和/或轴向距离信息获得关于结构间距的信息。

本发明的方法可以包括使用放大透镜改变收集孔的空间重新分配和测量点的空间重新分配之间的比例因子。

空间重新分配也可以通过其他方式调整，例如通过相对于色差透镜物理地移动光学测量通道的收集孔径。

根据一些实施方式，本发明的方法还可包括使用强度信息和/或轴向距离信息沿轴向相对定位对象和色差透镜的步骤。

可以进行沿轴向的这种定位，以将对象的表面定位在色差透镜的测量范围内。

可以这样做：

-使用直接提供距离测量的轴向距离信息或超出范围的信息(无测量)；

-使用强度信息。该解决方案具有允许高获取速度以将对象定位在色差透镜的测量范围内的优点。由于光学布置的共焦特性，仅当对象的界面存在于测量范围内时才测量到显著的强度。当然，一旦定位在范围内，轴向距离信息可用于微调。

根据一些实施方式，本发明的方法还可以包括以下步骤：

-通过组合在对象的兴趣区域中获得的强度信息来构建强度图像；和/或

-通过组合在对象的兴趣区域中获得的轴向距离信息来构建高度图。

根据一些实施方式，本发明的方法还可以包括将获得的轴向距离信息与参考值进行比较的步骤。

根据一些实施方式，可以实施本发明的方法以检测晶片上的凸起结构。

凸起结构可包括例如凸起、微凸起、焊料凸起、铜柱、铜钉、随机电介质层(RDL)、金属图案......

本方法还包括以下步骤：

-使用强度信息在对象表面上定位至少一个凸起结构；

-定位与凸起结构的顶点相对应的至少一个兴趣点；

-获得所述至少一个兴趣点处的轴向距离信息，并推导出所述凸起结构的高度信息。

附图说明

参考附图可以更好地理解根据本发明实施例的方法，附图仅出于说明性目的而给出，并不意味着限制。根据下面给出的描述，本发明的其他方面、目标和优点将显而易见。

-图1示出了本发明的共焦色差装置的第一种实施方式；

-图2示出了本发明的共焦色差装置的第二种实施方式；

-图3示出了具有放大透镜的测量头的第一种实施方式；

-图4示出了具有放大透镜的测量头的第二种实施方式；

-图5示出了具有放大透镜的测量头的第三种实施方式；

-图6示出了具有放大透镜的测量头的第四种实施方式；

-图7示出了提供排列成行的测量点的测量头的实施方式；

-图8示出了本发明方法的流程图。

具体实施方式

很好理解，下文描述的实施例决不是限制性的。如果这些特征的选择足以赋予技术优点或将本发明区分于现有技术，特别地可以设想本发明的变型，其仅包括以下与所描述的其它特征隔离的特征的选择。该选择包括至少一个没有结构细节的优选功能特征，或者如果该部分单独足以赋予技术优点或将本发明区分于现有技术，则仅具有一部分结构细节。

特别地，可以组合所描述的所有变型和实施例，只要从技术观点来看不排斥该组合即可。

在附图中，多个附图所共有的元件保留相同的附图标记。

参考图1和图2，我们将描述本发明的共焦色差装置。图1和图2示出了装置的一些子部分的实施方式的几种变型，当然可以将其组合。

共焦色差装置包括具有色差透镜13的测量头12。这种透镜根据众所周知的技术设计，以提供强烈的色差，允许穿过透镜的不同光波长在不同的轴向距离(即沿透镜光轴的距离，或沿Z轴的距离，如图1和图2所示)处聚焦。

当然，色差透镜13可以包括如图1和图2所示的单个透镜，或者根据众所周知的技术形成色差透镜组件的几个单独透镜的排列。

共焦色差装置还包括几个光学测量通道24。

每个光学测量通道24包括用于将光传送到测量头12和色差透镜并且从测量头12和色差透镜13传送光的收集光纤17。在所呈现的实施方式中，这些收集光纤17包括布置成束的多模光纤。收集光纤17具有位于测量头12中的端部14，其构成共焦检测装置的收集孔14。这些收集孔14位于相对于色差透镜13的收集平面(对应于图1和图2中的X-Y平面)中。

每个光学测量通道24允许对位于物面(对应于X-Y平面)中的测量点15上进行测量，该物面是色差透镜13的收集平面的共轭平面。因此，测量点15对应于色差透镜13的收集孔14的图像，或者更准确地并且由于色散，对应于物面中的用于各种波长的收集孔14的图像的投影。因此，物面中的测量点15的空间重新分配(repartition)由收集平面中的收集孔14的空间布置确定。

光学测量通道24由宽带光源19照射。在所呈现的实施方式中，光源19可以包括热源(例如卤素灯)或LED光源，产生波长在例如400-700nm范围(可见范围)内的光。

在图1所示的实施方式中，光源19的光被注入光纤中并通过光耦合器18传送到收集孔14。耦合器18可以包括光纤耦合器，或者用其他技术制成的耦合器，例如平面光波导。它们可以用针对每个光学测量通道24的不同组件来完成，或者，特别是当使用平面波导技术时，其中包括用于多个测量通道24的多个耦合器18的组件。

在图2所示的实施方式中，光源的光由照明光纤27传送到测量头12。测量头12包括分束器26，例如分束器立方体，其将从照明光纤27发出的光通过它们的照射孔28(它们的端部)朝向色差透镜13引导，并且其允许将由对象10反射回的光耦合到收集光纤17的收集孔14。两个准直透镜29分别布置在照明孔28和收集孔14的前面，以确保穿过分束器26的光束基本上是准直的。当然，色差透镜13相应地布置。

照明孔28和收集孔14的空间布置使得分别与测量点15形成成对的共轭点。为此，使用两个类似的准直透镜29，并且对照明孔28和收集孔14进行相同的空间重新分配。

光源19的光由色差透镜13聚焦，使得不同的波长聚焦在测量点15上的不同轴向位置，从而限定测量范围。

由位于测量范围内的感兴趣对象10在测量点15处反射的光耦合回到收集孔14中。由于装置的共焦布置，仅实际聚焦在对象10的界面上的光被耦合回到收集孔14中，并且由对象10反射离开的光不会被耦合回来。另外，由于色差透镜13的色散：

-聚焦在对象10的界面(或表面)上的光基本上对应于单个波长或波长组，其中，色差透镜13的焦距对应于沿着透镜的光轴(对应于Z轴)到该界面的轴向光学距离。因此，通过分析反射光的强度光谱，可以测量到界面的轴向距离。该测量模式可以称为轮廓测定模式或3D检测模式，对应于共焦色差技术的经典用途；

-在位于测量范围内任何位置的对象10的界面(或表面)上反射之后被收集的光不包括任何显著的散焦光，而仅包括聚焦在该界面或表面上的光。因此，它提供了物面(X-Y)中具有与焦点处的光斑尺寸相对应的横向分辨率的强度信息。并且对于位于整个测量范围内的界面或表面实现这种横向分辨率。因此，通过分析反射光的总强度，该设置使得对象10的成像界面或表面在扩大的焦深上具有高横向分辨率。因此，该测量模式具有允许在2D(二维)检测模式中具有最佳横向分辨率的显著高度的结构11的表面(如图1或图2所示)的强度成像的优点。

根据一些实施方式，本发明的装置仅包括具有强度检测器20的光学测量通道24，强度检测器20用于测量所收集的光的总强度。在这种情况下，本发明的装置致力于具有扩大的焦深的快速2D检测(强度成像)。

根据一些实施方式，本发明的装置包括光学测量通道24，该光学测量通道24具有(或耦合有)强度检测器20和/或光谱检测器21，分别用于以2D检测模式(强度成像)和/或3D检测模式(轮廓测定法)获取数据。

在两种情况下，耦合回收集孔14中的光通过收集光纤17传输到这些强度检测器20和/或光谱检测器21，并且在图1的实施方式中，还通过耦合器18传输。

在光学测量通道24内或与光学测量通道24相关的强度检测器20和光谱检测器21的几种布置是可能的。本发明的装置可以特别包括：

-光学测量通道24，其仅包括强度检测器20或光谱检测器21。在这种情况下，这些光学测量通道24专用于相应测量点15处的强度(2D)测量或轴向距离(3D)测量；

-光学测量通道24，其包括强度检测器20和光谱检测器21。这些光学测量通道24还包括分支元件23，例如如图1所示的耦合器23或开关23，用于将耦合回到收集孔14中的光同时或顺序地导向强度检测器20和光谱检测器21。在这种情况下，这些光学测量通道24允许在相应的测量点15处进行强度测量(2D)和轴向距离测量(3D)；

-光学多路复用器25，具有例如如图2所示的如在互连阵列中那样操作的光学开关25的阵列，并且允许以可再配置的方式将多个光学测量通道24与多个强度检测器20和/或光谱检测器21互连。在这种情况下，可以根据需要配置这些光学测量通道24，以在相应的测量点15处进行强度(2D)测量和/或轴向距离(3D)测量。

如图1和图2的实施方式中所示的光谱检测器21包括：

-前透光孔，对应于例如收集光纤17的一端，和第一透镜，用于使从前透光孔发出的入射光准直；

-分散元件，例如衍射阵列或光栅，用于有角度地分散不同波长的入射光；

-第二透镜和线性检测器，例如线性CDD，用于对分散的光重新成像，使得不同的波长聚焦在传感器的不同像素上。通过收集关于传感器的像素的信息来获得光的强度光谱。存在于测量范围内的对象10的界面在聚焦在相应轴向位置处的波长周围的强度光谱中产生峰值。因此，分析强度光谱以获得轴向距离信息，或者对象10的界面或表面在测量范围内的位置。

不同测量通道24的光谱检测器21可以完全不同，或者如图2所示，它们可以共享一些元件，例如检测器。例如，几个光谱检测器21可以共享相同的线性或矩阵传感器，每个光谱检测器21的信息被收集在共享检测器的单独像素集上。以相同的方式，几个光谱检测器21可以共享相同的分散元件。

强度检测器20包括点检测器，例如光电二极管，其测量全光谱上的光的整体强度。

不同测量通道24的强度检测器20可以是不同的(使用例如单独的光电二极管)，或者如图2所示，它们可以共享一些元件，例如检测器。例如，几个强度检测器20可以共享相同的光电二极管阵列，或相同的线性或矩阵传感器(CCD或CMOS)，每个强度检测器20的信息被收集在单独的像素、像素组或光电二极管上。

在图2的实施方式的变型中，收集孔14可以直接布置在强度检测器20或光谱检测器21的水平处。在这种情况下，测量通道24不包括收集光纤17，当然也不包括光学多路复用器25。例如，本发明的装置可以包括：

-强度检测器20与感测元件一起定位，或检测器的感测表面位于具有收集孔14的收集平面中，收集平面是具有测量点15的物面的共轭焦平面。然后，通过有限尺寸的传感元件(例如当使用光电二极管时)直接实现收集孔14，或者，当使用例如线性或矩阵CCD时，通过有限尺寸的像素直接实现收集孔14；

-强度检测器20与感测元件一起定位，或检测器的感测表面位于针孔掩模或入口狭缝后面，该入口狭缝实现了收集孔14并位于收集平面中。入口狭缝可以用于实现一系列线性排列的收集孔14，其面向例如在几个强度检测器20之间共享的线性或矩阵传感器；

-光谱检测器21与其前透光孔一起定位，前透光孔对应于位于收集平面中的收集孔14。这些前透光孔可以形如针孔。它们还可以对应于实现一系列光谱检测器21的前透光孔的入口狭缝，所述光谱检测器21共享例如相同的色散元件和矩阵检测器。

本发明的装置还包括用于控制和数据处理的计算机或微控制器22。

为了允许检测诸如晶片的对象10，本发明的装置还包括用于保持对象10的支架(例如晶片卡盘)和用于相对移动测量头12和对象10的机械移位台16。在所呈现的实施方式中，机械移位台16可包括用于沿X、Y和Z轴线性移位的平移板，以及用于在X-Y平面中转动对象10(晶片)的转动台。

当然，测量头12可以与保持光源19和检测器20、21的装置的部件分离，或者包括测量头12的整个***可以作为单个组件实现。

参考图3至图6，我们现在将描述本发明的装置的一些实施方式，其允许调整或改变测量点15的空间间隔，而无需机械地移动收集孔14。

这种实施方式可能是有利的，例如用于检测具有周期性结构11的对象10。通过调整测量点15的空间间隔以匹配结构11的周期，可以以最佳速度执行对这些结构11的并行2D和/或3D检测。

根据这些实施方式，测量头12还包括***在收集孔14和色差透镜13之间的放大透镜31或放大透镜组件31。放大透镜31优选是消色差透镜布置。

图示出了一种实施方式，其中放大透镜31被布置成使得沿着光轴35在中间共轭焦平面32中以第一放大系数G"对收集孔14成像。如果收集孔14在垂直于光轴35的平面中相隔距离d，则由于放大透镜31，它们的图像33相隔距离d"＝G"d。色差透镜13被布置成使得中间共轭焦平面32也是具有测量点15的物面的共轭焦平面。因此，通过假设中间共轭焦平面32与测量点15的平面之间的色差透镜13的第二放大系数G'，我们获得相隔距离d'＝Gd的测量点15，其中，放大系数G＝G'G"是对应于放大透镜31和色差透镜13的组合的全局放大系数。当然，在所呈现的所有实施方式中，放大系数G可以对应于放大、缩小或单位放大。

应注意，对应于这些测量点15的横向分辨率的测量点15的横向尺寸也由放大系数改变，但是保留了测量点15处的间隔距离d'和横向分辨率之间的比率，这对于采样的质量是最重要的。

图4示出了一种实现方式，其中放大透镜31被布置成使得收集孔14位于其入射焦平面中。在这种情况下，中间共轭焦平面处于无穷远，并且放大系数G由放大透镜31和色差透镜13的焦距的比率确定。当然，色差透镜13布置成以这种配置操作。

图5和图6示出了具有放大透镜31的测量头12的实施方式，其与在图2所示的装置的实施方式中描述的存在的体分束器26相兼容。当然，这些实施方式也可以与图1所示的装置的实施方式一起使用，没有分束器26，而是使用准直透镜29，准直透镜布置成使得收集孔14在其焦平面中。

在使用分束器26的情况下，放大透镜31布置在分束器26和色差透镜13之间，以便对收集孔14和照射孔28施加相同的放大系数G.

在图5所示的实施方式中，放大透镜31(与准直透镜29组合)被布置成在中间共轭焦平面32中以第一放大系数G"对收集孔14成像。在这种情况下，第一放大系数G"由放大透镜31和准直透镜29的焦距之比确定。如前所述，通过假设中间共轭焦平面32与测量点15的平面之间的色差透镜13的第二放大系数G'，放大透镜31和色差透镜13的组合的(全局)放大系数G对应于G＝G'G"。

应注意，如果准直透镜29是放大透镜组件31的一部分，则在没有分束器26的情况下，图5的实施方式可以类似于图4的实施方式。

在图6的实施方式中，放大透镜31包括无焦透镜布置，例如两个透镜的中间焦平面重叠。在这种情况下，中间共轭焦平面(在放大透镜31和色差透镜13之间)处于无穷远处。放大系数G可以确定为以下的乘积G＝G'G"：

-对应于色差透镜13和准直透镜29的焦距之比的第一放大系数G'；和

-第二放大系数G"，其对应于包括在放大透镜***31中的无焦透镜对的透镜的各个焦距的比率。

应注意，在图6的实施方式中，放大透镜31具有无限的有效焦距，或者换言之，布置在无穷远处的入射和出射共轭焦平面。该配置具有以下优点：放大透镜31沿光轴35的定位精度对于性能并不重要。

如前所述，放大透镜31的目的是提供连续地或在一组离散值上改变光学装置的放大系数G的能力。

几种实际实施方式是可能的。

根据一些实施方式，放大透镜31包括用于在一定范围内连续改变放大系数G的变焦装置。

例如，在图6的实施方式中，放大透镜31可包括无焦变焦布置。根据众所周知的配置，这种无焦布置可包括两个焦距相等的会聚透镜，以及布置在会聚透镜之间的发散透镜，其中发散透镜的绝对焦距小于会聚透镜的绝对焦距的一半。这种布置允许通过沿着光轴35以特定的非线性关系移动发散透镜和一个会聚透镜来改变放大率。

根据一些实施方式，测量头12包括用于改变放大透镜31的机械支架34。

测量头12可包括例如转台34或线性台34，其保持几个放大透镜31并允许通过平移或转动运动来改变***在收集孔14和色差透镜13之间的放大透镜31。在这种情况下，不同的放大透镜31被布置成使得一旦就位，具有收集孔14的平面通过包括放大透镜31和色差透镜13的整个光学***与具有测量点15的物面共轭。如果放大透镜31的共轭焦平面中的至少一个(即朝向收集孔14和/或中间共轭焦平面32的入射平面)处于有限距离，这是图3、图4或图5的实施方式的情况，需要沿光轴35精确定位不同的放大透镜。如果放大透镜31的两个共轭平面都处于无限远距离，这是图6的实施方式的情况，则放松了沿光轴35定位的要求。

测量头12还可包括转台或线性平台，其保持与一个固定的放大透镜31一起使用的几个色差透镜13，或几个可换放大透镜31。

为了清楚起见，图1至图6的实施方式示出了而具有几个测量通道24的装置。当然，在实践中，本发明的装置可以包括更多的测量通道24，大约一百或更多。

取决于应用，测量头12中的收集孔14的空间重新分配以及光学测量通道24中的强度检测器20和光谱检测器21的重新分区可以是任何类型。

参考图7，我们现在将描述一种装置的实施方式，其被优化以允许高速检测对象(例如，具有诸如凸起或微凸起11等的结构11的晶片10)的表面。

光学测量通道24设置有收集光纤17，其端部形成收集孔14，收集孔14布置在位于安装件43中(例如，具有用于精确定位光纤端部的带槽元件)的两个平行的排中。

第一排41包括连接到强度检测器20的测量通道24的收集光纤17。

第二排42包括连接到光谱检测器21的测量通道24的收集光纤17。

第一排41和第二排42可以具有与图4中所示相同数量的收集孔14，或者可以具有不同数量的收集孔，可以具有不同间距。

第二排42甚至可以具有连接到单个光谱检测器21的单个收集孔14。

当然，可以使用如参照图3至图6所述的放大透镜31来调整测量点15的空间重新分配。

如下所述，该特定布置的主要目的是提供一种允许在同一扫描中在获取轴向距离信息之前获取强度信息的装置。

当然，其他重新分区也是可能的。特别地，收集孔14可以布置成一排41。并且这些收集孔14可以光学连接到：

-仅强度检测器20；或者

-强度检测器20，或者对于位于排41中心的一个或更多个收集孔，光谱检测器21。

参考图8，我们现在将描述用于在2D和3D模式下检测对象的表面的方法。

一般而言，本发明的方法包括以下步骤：

-利用多个测量通道24获取对象10的表面上的多个测量点15的强度信息(步骤51)；

-使用在前面的步骤中获得的所述强度信息和可能的强度信息和/或轴向距离信息来定位轴向距离测量的兴趣点(步骤52)；

-将具有光谱检测器21的至少一个测量通道24的收集孔14定位在兴趣点上(步骤53)；

-获取至少一个轴向距离信息(步骤54)；

-在对象10的表面上重复该过程并计算结果(步骤55)。

计算可以包括例如以下中的至少一个：构建高度图，构建强度图，在X-Y平面中定位结构，将结构的高度或平面内尺寸与预期值进行比较，发出通过/失败数据。

可选地，该方法可以包括使用放大透镜31调整收集孔14的空间重新分配的步骤(步骤50)。

可以使用关于对象的先验知识，或者使用先前获得的强度信息和/或轴向信息来进行该调整。它可以在测量开始时进行一次，或者在测量过程中进行多次。

通过使用结合图7描述的本发明的装置，本发明的方法尤其允许对具有诸如以周期性方式布置的结构11(例如，凸起或微凸起11)的晶片10的表面进行非常高速的检测。

在第一步骤中，测量头12和晶片10布置成使得收集孔14的排41、42与结构11对齐。可选地，利用放大透镜31调节放大率，使得测量点15之间的距离与结构的间隔匹配(例如，与结构顶部的一个测量点15、两个结构之间的一个测量点匹配，如图7所示)。

然后，测量头沿位移方向44移动，优选地垂直于收集光纤的排41、42。对于每个位移步骤：

-利用第一排41的收集孔14获取强度信息。它与先前获得的强度信息相结合，以建立强度图；

-处理强度图以定位在X-Y平面中新出现的结构11。相应地计算轴向距离测量的后续兴趣点，对应于例如结构11的顶点；

-如果对应于第二排42的收集孔14的测量点15位于先前识别的兴趣点上，则获取相应的轴向距离信息。然后将新获取的轴向信息与先前获取的轴向信息组合以构建高度图。

在晶片的整个感兴趣区域上重复该过程，并且计算数据以提供例如以下中的至少一个：高度图、强度图、X-Y平面中结构的位置、结构的高度或平面内尺寸与期望值的比较、通过/失败数据。

如前所述，可以使用关于对象的先验知识或先前在测量开始时获得一次，或者在位移步骤之间的测量过程中多次获得的强度信息和/或轴向距离信息，利用放大透镜31来调节放大率。

本发明的装置和方法可有利地用于多种应用。它可以用于例如检测：

-诸如晶片等对象10；

-诸如载体或玻璃载体上的晶片、或晶片元件、或例如载体上的管芯的对象10；

-诸如框架上的晶片、或框架上的模具的晶片元件的对象10；

特别地，为了检测由诸如载体或框架上的模具的若干复合元件制成的对象10，本发明的方法可包括以下步骤：

-如前所述以高放大率执行检测步骤来获得粗略的空间分辨率(和高速度)，用于在X-Y平面中，也可能在高度Z上定位载体或框架表面上的复合元件(或管芯)；和

-如前所述以低放大率执行检测步骤来获得精细的空间分辨率，用于检测至少一些复合元件(或管芯)，例如查看这些复合元件上的焊料凸起。

虽然已经结合许多实施例描述了本发明，但显然许多替代、修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。因此，旨在包括在本发明的精神和范围内的所有这些替代、修改、等同和变化。

Claims (19)

1.一种用于检测对象(10)的表面的共焦色差装置，所述装置包括：

-色差透镜(13)，其具有扩大的轴向色差；

-光源(19)，其用于通过色差透镜(13)，利用聚焦在不同轴向距离处的多个光波长来照射对象(10)；

-多个光学测量通道(24)，其具有收集孔(14)，布置为在多个测量点(15)处通过色差透镜(13)收集由对象(10)反射的光；

-控制和数据处理单元(22)；

其特征在于，所述多个光学测量通道(24)包括：

具有强度检测器(20)的至少一个光学测量通道(24)，强度检测器(20)用于测量所收集的光的总强度；

具有光谱检测器(21)的至少一个光学测量通道(24)，所述光谱检测器用于测量从感兴趣的测量点所收集的光的光谱信息；

其中，所述控制和数据处理单元(22)被配置为：

根据通过扫描所述对象(10)的表面收集的光的总强度来提供具有扩大的焦深的强度2D图像信息；以及

推导出从所述2D图像信息中识别的感兴趣测量点处的轴向距离信息；

其中，由具有强度检测器的光测量通道测量的测量点和由具有光谱检测器的光测量通道测量的测量点彼此处于已知的固定的空间关系中。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，光学测量通道(24)包括收集光纤(17)，其一端用作收集孔(14)。

3.根据权利要求1所述的装置，包括至少一个光学路由元件(23、25)，其允许执行以下中的至少一个：

-使用强度检测器(20)和光谱检测器(21)在一个光学测量通道(24)上同时或顺序地进行测量；

-将至少一个强度检测器(20)或至少一个光谱检测器(21)选择性地用于多个光学测量通道(24)。

4.根据权利要求1所述的装置，还包括位于收集孔(14)和色差透镜(13)之间的放大透镜(31)，并且布置成引入收集孔(14)和测量点(15)的空间重新分配之间的变化的或可变的比例因子。

5.根据权利要求4所述的装置，包括允许引入可变放大率的变焦型放大透镜(31)。

6.根据权利要求4所述的装置，还包括机械支架(34)，其允许改变以下中的至少一个：

-放大透镜(31)，

-放大透镜(31)和色差镜头(13)的组合。

7.根据前述权利要求任一项所述的装置，包括沿排布置的收集孔(14)。

8.根据权利要求1所述的装置，包括分别沿第一排(41)和基本平行于第一排(41)的第二排(42)布置的收集孔(14)，第一排(41)包括具有强度检测器(20)的光学测量通道(24)的收集孔(14)，第二排(42)包括具有光谱检测器(21)的光学测量通道(24)的收集孔(14)。

9.根据权利要求1所述的装置，还包括用于相对移动对象(10)和色差透镜(13)的机械移位台。

10.一种用于检测对象(10)的表面的方法，包括：

-提供具有扩大的轴向色差的色差透镜(13)；

-通过色差透镜(13)，利用聚焦在不同轴向距离处的多个光波长来照射对象(10)；

-使用具有收集孔(14)的多个光学测量通道(24)，在多个测量点(15)处通过色差透镜(13)收集对象(10)反射的光；

其特征在于，所述方法还包括：

测量由光学测量通道(24)中的至少一个测量通道收集的光的总强度；

通过扫描所述对象的表面，提供所述表面的具有扩大的焦深的强度2D图像信息；

测量由光测量通道中的至少一个测量通道从根据所述2D图像信息识别的感兴趣的测量点收集的光的光谱信息，以得到轴向距离信息；

其中，来自总强度测量的测量点和来自光谱信息测量的测量点彼此处于已知的固定的空间关系中。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：

-使用强度信息定位对象(10)表面上的至少一个结构；

-识别与所述结构有关的至少一个感兴趣的测量点。

12.根据权利要求10所述的方法，还包括相对移动对象(10)和色差透镜(13)以定位至少一个光学测量通道(24)，来获得关于先前识别的感兴趣的测量点的至少一个轴向距离信息的步骤。

13.根据权利要求10所述的方法，包括沿着预定义的扫描轨迹相对移动对象(10)和色差透镜(13)的步骤，并且对于至少一个扫描位置：

-获得至少一个强度信息；或

-获得关于先前识别的感兴趣的测量点的至少一个轴向距离信息。

14.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤中的至少一个：

-根据对象(10)上的结构的空间重新分配，来调整测量点(15)的空间重新分配；

-调整测量点(15)的间距，以基本匹配对象(10)上的结构的间距；

-使用放大透镜(31)改变收集孔(14)和测量点(15)的空间重新分配之间的比例因子。

15.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤中的至少一个：

-通过组合在对象(10)的兴趣区域中获得的强度信息来构建强度图像；

-通过组合在对象(10)的兴趣区域中获得的轴向距离信息来构建高度图。

16.根据权利要求10所述的方法，还包括将所获得的轴向距离信息与参考值进行比较的步骤。

17.根据权利要求10所述的方法，其被实施用于检测晶片上的三维结构。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述三维结构是凸起结构。

19.根据权利要求17所述的方法，包括以下步骤：

-使用强度信息在对象(10)表面上定位至少一个凸起结构；

-定位与凸起结构的顶点相对应的至少一个兴趣点；

-获得所述至少一个兴趣点处的轴向距离信息，并推导出所述凸起结构的高度信息。

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