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Die vorliegende Erfindung betrifft die automatisierte
Inspektion von Oberflächen wie Leiterplatten und
dergleichen.
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Eine Leiterplatte (pwb) umfaßt ein Muster elektrischer
Leiter (die aus einem Material wie 1,4 mil¹ dickem Kupfer
bestehen), das auf einem nicht leitenden Substrat (das aus
einem Material wie einem FR-4 Epoxid-Glasfaser-Verbundstoff
besteht) liegt. Während der Herstellung von pwb's wird die
obere Oberfläche des leitfähigen Materials häufig
absichtlich aufgerauht, um die Haftung des Photoresists an dem
Leiter zu verbessern. Zu den Verfahren zum Aufrauhen zählen
das mechanische Abreiben, chemische Ätzen und das
Aufbringen einer strukturierten Oberflächenschicht durch
Elektroplattieren (wie bei sogenanntem "doppelt behandeltem
Kupfer"). Jedes Aufrauhungsverfahren erzeugt seine eigene
charakteristische Oberflächenstruktur.
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Daher ist bei der Konstruktion einer Maschine zur optischen
Inspektion von pwb's eine Anforderung, daß die Maschine
eine große Zahl von Oberflächenstrukturen effektiv
berücksichtigen kann. Es ist auch wünschenswert, daß sie imstande
ist, pwb's korrekt zu inspizieren, deren Leiter glatte
Oberflächen aufweisen, um die Anwendungsmöglichkeit der
Maschine so flexibel wie möglich zu gestalten.
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Der häufigste und einfachste Weg zur Beleuchtung
undurchsichtiger optischer Oberflächen zur Inspektion ist die
Bereitstellung einer Beleuchtung durch dieselbe Linse, die
zur Betrachtung der inspizierten Oberfläche verwendet wird,
und das Sammeln des Lichts mit dieser Linse, das von der
Oberfläche reflektiert oder gestreut wird. Dieses Verfahren
ist allgemein als senkrechte Hellfeldbeleuchtung oder
einfach als Hellfeldbeleuchtung bekannt.
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¹ 1 mil = 0,001 Inch = 0,00254 cm
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Figur 2 zeigt das Problem, das bei der Verwendung der
Hellfeldbeleuchtung zur Inspektion von pwb's auftritt. Ein
Kupferleiter 8 (der im Querschnitt dargestellt ist) liegt
auf einem Isoliersubstrat 9. Die obere Oberfläche des
Leiters 8 ist rauh dargestellt (das charakteristische
Ausmaß der Rauhigkeit ist zu illustrativen Zwecken deutlich
übertrieben). Die Beleuchtung erfolgt durch eine Linse 11,
die auch zur Betrachtung des Lichts verwendet wird, das von
der Oberfläche reflektiert oder gestreut wird.
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Es ist nun das Verhalten dieses Systems beim Inspizieren
eines bestimmten Punkts 13 auf der Leiteroberfläche zu
beachten. Der Punkt 13 wurde zum Zwecke der
Veranschaulichung in einer kleinen Fläche gewählt, die im wesentlichen
etwas schräg zur Horizontalen liegt. Beleuchtungsstrahlen 1
und 2 treffen von den äußeren Rändern der Linse 11 auf den
Punkt 13. Alle anderen Lichtstrahlen, die auf den Punkt 13
treffen, liegen in einem Winkel zwischen den Strahlen 1 und
2. Die Neigung der Oberfläche bei Punkt 13 ist derart, daß
der Strahl 1 in den Strahl 3 reflektiert wird und der
Strahl 2 in Strahl 4 reflektiert wird, wobei diese beiden
Strahlen außerhalb der Öffnung der Linse 11 liegen. Alle
anderen Beleuchtungsstrahlen werden irgendwo zwischen
Strahl 3 und Strahl 4 reflektiert, was bedeutet, daß kein
Beleuchtungslicht zurück in die Linse 11 reflektiert wird.
Jeder optische Sensor, der über der Linse 11 angeordnet
ist, wo er die zurückkehrenden Strahlen erfaßt, sieht den
Punkt 13 schwarz, da kein Licht, das den Punkt 13 verläßt,
durch die Linse geht.
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Die allgemeine Aussage dieser Darstellung ist, daß beim
Betrachten einer rauhen Oberfläche durch die senkrechte
Hellfeldbeleuchtung die stark geneigten Teile der
Oberfläche meistens schwarz erscheinen und das gesamte
Erscheinungsbild der Oberfläche stark gefleckt ist. Eine optische
Inspektionsmaschine muß zwischen Kupferbereichen und
Isolatorbereichen unterscheiden können. Dies erfolgt häufig
unter Nutzung der Tatsache, daß leitende Bereiche stärker
reflektierend sind als isolierende Bereiche, zumindest bei
bestimmten Wellenlängen. Es kann eine elektronische Logik
verwendet werden, die dunkle Bereiche als isolierend und
helle Bereiche als leitend identifiziert. Wenn ein
optisches Beleuchtungssystem leitende Bereiche gefleckt
erscheinen läßt, werden einige Teile der leitenden Bereiche
fälschlich als isolierend identifiziert.
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Eine bekannte Abhilfe für dieses Problem ist die Bildung
eines Mittelwerts der beobachteten Werte des
Reflexionsgrades über einem verhältnismäßig großen Bereich, so daß die
Tatsache genutzt wird, daß der durchschnittliche
Reflexionsgrad, sogar von rauh strukturiertem Kupfer, häufig höher
ist als der durchschnittliche Reflexionsgrad von
Substratmaterialien. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil&sub1; daß
es unmöglich wird, tatsächliche Defekte mit fehlendem
Kupfer festzustellen, die eine geringere Größe als der
durchschnittsbildende Bereich aufweisen. Bei einer
Definition der numerischen Apertur (NA) des Beleuchtungsgeräts
auf herkömmliche Weise, das heißt, NA sin (θ), wobei θ
der Winkel zwischen einer Normalen zu der Oberfläche und
dem Beleuchtungsrandstrahl ist, sollte die NA der
Beleuchtung zumindest etwa 0,7 NA sein und vorzugsweise größer
0,8 NA sein. Zusätzlich sollte die Beleuchtung eine
konstante Intensität (Watt/Steradient/cm²) über alle
Einfallswinkel aufweisen (d.h. eine quasi-Lambertsche Beleuchtung
sein)
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Eine Errungenschaft der vorliegenden Erfindung besteht
darin, daß durch optisches Verringern der offensichtlichen
Flecken von rauh strukturierten Oberflächen möglich wird,
eine Durchschnittsbildung über große Flächen zu vermeiden,
und somit möglich wird, kleinere Bereiche mit fehlendem
leitendem Material zu entdecken.
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Es ist nicht neu, eine fokussierte Beleuchtung von einem
großen Winkelbereich bis zu einer numerischen Apertur, die
sogar 0,9 überschreiten kann, zu verwenden. Eine derartige
Beleuchtung wird zum Beispiel in senkrechten
Hellfeldbeleuchtungsgeräten erhalten, die in stark vergrößernden
Mikroskopen bei Verwendung von Objektiven mit hoher NA
eingesetzt werden. Die besten solcher Mikroskope erreichen
eine Beleuchtungs-NA in der Größenordnung von 0,95. Die
Intensität der Beleuchtung ist in solchen Mikroskopen
jedoch vom Einfallswinkel nicht unabhängig. Die Abnahme in
der Durchlässigkeit von stark gekrümmten Linsenelementen
bei großen Winkeln bewirkt, daß die Beleuchtung, die von
solchen Objektiven erzeugt wird, bei Winkeln, die weit von
der Normalen entfernt sind, deutlich schwächer ist.
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Die Schrift EP-A-0124113 betrifft eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Erfassen eines Defekts in einem
Schaltungsmuster, das auf einem LSI-Wafer, einer Photomaske oder einer
Leiterplatte gebildet ist. Ein Unterschied zwischen einem
Musterpaar wird durch einen zweidimensionalen Vergleich
eines ersten binären Signals, das durch Abtasten und
Abbilden eines der Muster erhalten wird, mit einem zweiten
binären Signal, das dem anderen Muster entspricht und durch
Abtasten und Abbilden des anderen Muster erhalten wird oder
zuvor in einem Speichermittel gespeichert wurde, ermittelt.
Zur Abbildung der Muster werden lineare Bildsensoren
verwendet, die jeweils aus einer ladungsgekoppelten
Vorrichtung bestehen. Für ein zufriedenstellendes Erfassen ebener
Teile und "feiner" Teile, zum Beispiel eines Aluminium-
Verdrahtungsmusters, offenbart dieses Dokument eine
Kombination aus einer senkrechten Beleuchtung und einer
Dunkelfeldbeleuchtung (siehe Fig. 15 bis 16 und Seite 27, Zeile 4
bis 19). Demnach wird dies durch Bereitstellung von zwei
getrennten Lampen erzielt: eine für die senkrechte
Beleuchtung und eine für die Dunkelfeldbeleuchtung (siehe Fig. 17
und 18).
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Die Schrift EP-A-0294643 offenbart ein Inspektionssystem
zum Inspizieren von Chips mit vielen redundanten
Schaltungsmustern. Das Inspektionssystem verwendet eine Fourier-
Transformations-Linse und eine umgekehrte
Fourier-Transformations-Linse, die entlang einer optischen Achse angeordnet
sind, um aus einem beleuchten Bereich eines gemusterten
Probewafers ein Raumfrequenzspektrum des Jnterferenzmusters
zwischen den Chips zu erzeugen, dessen Frequenzkomponenten
selektiv gefiltert werden, um ein Bildmuster von Defekten
in dem beleuchteten Bereich des Wafers zu erhalten. Das
gefilterte Bild des Interferenzmusters zwischen den Chips
trifft auf die Oberfläche einer zweidimensionalen TDI-
Photodetektoranordnung, welche die Gegenwart des Lichts
entsprechend den Defekten erfaßt. Zur Beleuchtung des
Wafers enthält dieses Inspektionssystem eine Laserquelle,
die einen nahezu kollimierten Lichtstrahl liefert, der eine
Fläche der Waferoberfläche von 20 Millimetern Durchmesser
senkrecht beleuchtet.
Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß den dargestellten Ausführungsbeispielen zeigt die
vorliegende Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zum
Inspizieren von Oberflächenmerkmalen eines Substrats gemäß
den unabhängigen Ansprüchen 1, 9, 15 und 27. Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung gehen aus den abhängigen
Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen hervor.
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Die Erfindung ermöglicht eine automatisierte
Hochgeschwindigkeitsinspektion von Oberflächen unter Verwendung eines
TDI-Sensors als Detektor.
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In jeder Anordnung der Erfindung wird zumindest ein TDI-
Sensor zur Abbildung der Substratteile von Interesse
verwendet, wobei diese Teile mit kritischer Beleuchtung
beleuchtet werden.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel wird das Substrat durch
einen Vergleich der charakteristischen Merkmale des
inspizierten Substrats mit zuvor in einem Speichermittel
gespeicherten Kennzeichen geprüft. Wenn das inspizierte Substrat
abgebildet ist, wird diese Abbildung mit den gespeicherten
Kennzeichen in dem Speichermittel verglichen.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel sind ein erstes und
zweites Muster in einem Bereich der Oberfläche von
mindestens einem Substrat zu inspizieren, indem ein Muster mit
dem anderen verglichen und festgestellt wird, ob sie
miteinander übereinstimmen, ohne zuvor ein erwartetes Muster
zu speichern. Dies erfolgt durch Beleuchtung mindestens der
beiden Muster, Abbilden des ersten Musters und Speichern
seiner Kennzeichen in einem Zwischenspeicher, dann Abbilden
des zweiten Musters und Vergleichen mit den gespeicherten
Kennzeichen aus dem Zwischenspeicher. Hier zeigt der
Vergleich, ob die beiden Muster übereinstimmen oder nicht.
Dann werden die Vergleiche der Reihe nach fortgesetzt,
wobei das zweite Muster in der nächsten
Abbildungs/Vergleichssequenz, die mit einem neuen zweiten Muster
durchgeführt wird, zum ersten Muster wird. Bei jeder
Durchführung des Vergleichs wird festgestellt, ob es eine
Übereinstimmung zwischen den beiden Mustern gibt und welche
zwei Muster verglichen wurden. Nachdem alle Muster der
Reihe nach verglichen wurden, werden die schlechten
identifiziert, indem jene identifiziert werden, die nicht mit
anderen Mustern in dem Testverfahren vergleichbar waren.
Diese Inspektionstechnik ist für die Durchführung von
Inspektionen bei verschiedenen Chips wie auch von
Inspektionen von sich wiederholenden Mustern in demselben Chip
zweckdienlich.
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Das dritte Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem zweiten
Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel werden zwei
TDI-Sensoren verwendet, um das erste und zweite Muster
gleichzeitig abzubilden, wodurch der Bedarf an einem
Zwischenspeicher
entfällt. In diesem Ausführungsbeispiel
werden die beiden Muster gleichzeitig abgebildet und
verglichen, dann werden zusätzliche Muster der Reihe nach auf
dieselbe Weise verglichen, wobei die Ergebnisse des
Vergleichs und die gespeicherten Musteranordnungen festlegen,
welche Muster schlecht sind, wenn die Inspektion aller
Muster beendet ist.
Kurze Beschreibung der Figuren
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Figur 1 ist ein Blockdiagramm der automatischen
Leiterplatten-Inspektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
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Figur 2 ist eine Querschnittsansicht, welche die
Lichtstreuungswirkung eines repräsentativen Kupfer-Leiterzugs
auf einer zu inspizierenden Leiterplatte darstellt.
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Figur 3 zeigt einen Teil der Oberfläche eines
Kupfer-Leiterzugs, wo die Beleuchtung der Oberfläche bei jedem
Beleuchtungsschema unmöglich ist.
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Figur 4 ist ein Histogramm, das den Unterschied in der
Stärke des Lichts zeigt, das von einem Kupfer-Leiterzug und
einem Glasfaser-Substrat reflektiert wurde.
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Figur 5 ist eine Graphik, die das Verhältnis zwischen der
Breite der Kupfer-Rückstrahlungsspitze und der numerischen
Apertur des Beleuchtungsgeräts zeigt.
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Figur 6 ist eine schematische Darstellung im Querschnitt
eines quasi-Lambertschen Auflicht-Beleuchtungsgeräts der
vorliegenden Erfindung.
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Figur 7 ist eine perspektivische Ansicht des
Beleuchtungsgeräts von Figur 6.
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Figur 8 ist eine Querschnittsansicht eines pwb, welche die
Wirkung von einfallenden und reflektierten Lichtstrahlen
zeigt, wenn die pwb durch eine niedere und eine hohe N.A.
beleuchtet wird, mit und ohne Verwendung eines
Beleuchtungsverringerungsschlitzes.
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Figur 9 ist ein Satz von Histogrammen, welche den Kontrast
des beleuchteten Glasfasersubstrats und des Kupferleiters
bei drei verschiedenen N.A.-Bedingungen und bei Gegenwart
eines Schlitzes in der Anordnung von Figur 8 zeigen.
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Figur 10 ist eine Graphik des Durchlässigkeitsspektrums von
Dupont Riston 216R Photoresist.
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Figur 11 ist im Prinzip dieselbe Figur wie Figur 6, wobei
die Reflexion ausgewählter Lichtstrahlen dargestellt ist.
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Figur 12 ist eine modifizierte Anordnung jener aus Figur 6
für die tatsächliche Kombination von Hellfeld- und
Dunkelfeldbeleuchtung.
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Figur 13 ist eine Querschnittsansicht des
Beleuchtungsgeräts von Figur 6, die ein Luftstrom-Regulierungssystem zur
Kühlung der Lampen und Spiegel und Minimierung von
Schliereneffekten davon zeigt.
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Figur 14 ist eine perspektivische Ansicht des
Beleuchtungsgerät-Kühlungssystems und zugehöriger Kanäle.
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Figur 15a und 15b sind eine senkrechte Draufsicht im
Querschnitt bzw. eine Draufsicht von unten auf die
Schlitzanordnung und das integrierte Luftlager des
Beleuchtungsgeräts der vorliegenden Erfindung.
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Figur 16a und 16b sind eine Draufsicht im Querschnitt und
eine perspektivische Ansicht eines ersten
Ausführungsbeispiels
eines Fluoreszenzbeleuchtungsgeräts der vorliegenden
Erfindung.
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Figur 17a ist eine schematische Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels eines Fluoreszenzbeleuchtungsgeräts
der vorliegenden Erfindung.
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Figur 17b ist eine schematische Querschnittsansicht eines
Beleuchtungsgeräts, das sowohl zur Auflicht- als auch
Fluoreszenzbeleuchtung imstande ist.
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Figur 18 ist eine perspektivische Ansicht, welche die
mechanische Befestigung der Schlitzanordnung, der
Beleuchtungsgerätanordnung, der Sensorlinsen und der Sensoren mit
der zugehörigen Elektronik in bezug zueinander zeigt.
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Figur 19 ist eine schematische Ansicht des Multisegment-
TDI-Sensors, der von den Antragstellern für ihre besondere
Anwendung gewählt wurde.
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Figur 20 ist eine ausführlichere Ansicht der einzelnen
Sensorsegmente des TDI-Sensors von Figur 20.
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Figur 21a bis 21j zeigen die Modulationsspezifikation des
gewählten TDI-Sensors, indem die gewünschte Reaktion auf
gewählte eingegebene Beleuchtungsmuster gezeigt wird.
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Figur 22 ist eine Graphik der Mindestquantenausbeute in
bezug auf die Wellenlänge des gewählten TDI-Sensors.
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Figur 23 ist ein Blockdiagramm der TDI-Elektronik für einen
Abschnitt des Mehrfachabschnitt-TDI-Sensors der
vorliegenden Erfindung.
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Figur 24 ist ein Zeitdiagramm gewählter Signale von
verschiedenen Blöcken der TDI-Elektronik von Figur 24.
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Figur 25 ist ein Blockdiagramm eines
Einfachbild-Prozessorelektronikabschnitts, der einem der
TDI-Elektronikabschnitte von Figur 24 zur Verwendung in der
Datenbank-Inspektionskonfiguration entspricht.
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Figur 26 ist ein Blockdiagramm des
Prozessorelektronikabschnitts, der mit einem einzigen TDI-Sensor von Figur 24
für eine Muster-Muster-Inspektion in yerbindung steht.
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Figur 27 ist ein Blockdiagramm des
Prozessorelektronikabschnitts, der gleichzeitig mit einem Paar TDI-Sensoren von
Figur 24 für eine Muster-Muster-Inspektion in Verbindung
steht.
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Figur 28 ist eine schematische Darstellung eines
ungleichmäßigen Lichtbeleuchtungssystems zur Verwendung mit einem
TDI-Sensor.
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Figur 29 ist eine Draufsicht auf den TDI mit einer
Kombination aus Beleuchtung von dem Filament der Lichtquelle und
reflektiertem Abbild dieses Filaments von dem Substrat
unter Inspektion.
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Figur 30 ist eine Draufsicht auf den TDI-Sensor, welche den
Austausch der Strahlungslichtquelle von Figur 28 und 29
durch einen Abtastlaser zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Systemüberblick
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In Figur 1 ist ein Gesamtblockdiagramm für das
Inspektionssystem 10 der vorliegenden Erfindung dargestellt. In System
10 beruht das Testverfahren im Prinzip auf dem Vergleich
der Oberfläche eines ersten Substrats mit der Oberfläche
eines zweiten Substrats, das dasselbe wie das erste
Substrat sein soll (Struktur-zu-Struktur), eines Substrats
mit einem sich wiederholenden Muster, wobei eines dieser
Muster auf dem Substrat mit einem anderen dieser Muster auf
demselben Substrat verglichen wird, oder der grundlegenden
Kennzeichen des erwarteten Musters des zu inspizierenden
Substrats, das in einem Speicher gespeichert ist
(Datenbank).
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Die erste, Struktur-Struktur, Konfiguration ist
zweckdienlich, wenn das Substrat, z.B. ein Halbleiterwafer eine
Mehrzahl von Strukturen aufweist, die einander entsprechen
sollen. In dieser Situation werden zwei Strukturen
gleichzeitig betrachtet, wobei die Merkmale einer mit jenen der
anderen verglichen werden. Wenn ein Unterschied besteht,
wird der Unterschied festgehalten und auch, zwischen
welchen beiden Strukturen dieser Unterschied besteht. Das
Verfahren läuft weiter, wobei jede Struktur in einem
Inspektionsverlauf zweimal betrachtet wird, mit der möglichen
Ausnahme der ersten und letzten Struktur. Bei diesem
Inspektionsverfahren können die schlechten Strukturen ermittelt
werden, da sie sich im allgemeinen in mehr als einem nicht
passenden Paar zeigen. Bei diesem Inspektionsmodus wird
keines der erwarteten Kennzeichen jeder Struktur in einer
Datenbank von irgendeiner Quelle gespeichert. Dieses
Verfahren kann auch verwendet werden, wenn die "Strukturen"
getrennt sind, z.B. zwei oder mehr Leiterplatten. Bei der
Ausführung der tatsächlichen Prüfung besteht die Wahl, die
Inspektion mit einem übereinstimmenden Paar von
Strahlengängen und Sensoren auszuführen, wobei
Sensorausgangssignale gleichzeitig zu dem Komparator gesteuert werden, oder
mit einem einzigen Strahlengang und Sensor, wobei die
Bildkennzeichen der ersten Struktur vorübergehend gespeichert
und dann zu dem Komparator gesteuert werden, während die
zweite Struktur abgebildet wird. Die Abbildungskennzeichen
der zweiten Struktur überschreiben dann jene der ersten
Struktur in dem Zwischenspeicher und das Verfahren wird wie
zuvor besprochen fortgesetzt.
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In der Datenbankkonfiguration werden die
Abbildungskennzeichen des zu inspizierenden Substrats in einem Speicher
vorgespeichert, wobei die Daten nicht durch eine optische
Abbildung eines bekannten guten Substrats oder einer
"goldenen Platte" erzeugt werden. Der häufigste Weg zur
Erstellung einer solchen Datenbank ist durch ein CAD-System,
in dem das Substrat ursprünglich konstruiert wurde. Eine
solche Datenbank kann auch manuell erstellt werden, was in
den meisten Anwendungen sehr unzureichend sein kann. In
Gebrauch würde diese Konfiguration dann das zu inspizierende
Substrat optisch abbilden und die abgebildeten Kennzeichen
mit den in der Datenbank gespeicherten vergleichen. Hier
wird ein nicht passendes Substrat automatisch als
mangelhaft identifiziert.
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In jenen Fällen, in welchen zwei sich wiederholende Muster
gleichzeitig betrachtet werden, werden die Merkmale des
einen mit jenen des anderen verglichen. Wenn hier ein
Unterschied besteht, wird der Unterschied festgehalten wie auch
zwischen welchen beiden der sich wiederholenden Muster der
Unterschied besteht. Das Verfahren läuft weiter, wobei
jedes sich wiederholende Muster in einem Inspektionsverlauf
zweimal betrachtet wird, mit der möglichen Ausnahme der
ersten und letzten dieser Muster. Bei diesem
Inspektionsverfahren können die schlechten "Muster" ermittelt werden, da
sie sich im allgemeinen in mehr als einem nicht passendem
Paar zeigen. Bei diesem Inspektionsmodus wird keines der
erwarteten Kennzeichen des Musters in einer Datenbank
vorgespeichert. Bei der Ausführung der tatsächlichen Prüfung
besteht die Wahl zwischen einer Ausführung der Inspektion
mit einem übereinstimmenden Paar von Strahlengängen und
Sensoren, wobei Sensorausgangssignale gleichzeitig zu dem
Komparator gesteuert werden, oder mit einem einzigen
Strahlengang und Sensor, wobei die Abbildungskennzeichen des
ersten sich wiederholenden Musters vorübergehend gespeichert
und dann zu dem Komparator gesteuert werden, während das
zweite sich wiederholende Muster abgebildet wird. Die
Bildkennzeichen
des zweiten sich wiederholenden Musters
überschreiben dann jene des ersten sich wiederholenden Musters
in dem Zwischenspeicher und das Verfahren wird wie zuvor
besprochen fortgesetzt.
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Die Anwendung des hierin offenbarten Systems der
Antragsteller ist die Inspektion von Wafern, Masken,
Leiterplatten, Photohilfsmitteln und dergleichen, einschließlich von
Substraten, wobei dasselbe Muster sehr oft wiederholt wird
(z.B. Halbleiter-Speicherchips).
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Das System 10 in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung ist ein computergesteuertes System mit einer CPU
26, die mit verschiedenen anderen Elementen des Systems
über einen Datenbus 40 in Verbindung steht. Die anderen
Elemente des Systems, die an den Datenbus 40 gekoppelt
sind, sind ein ROM 30, RAM 32, ein Monitor 34, eine X-Y-
Servoregelung 36, Positionssensoren 38 und ein
Bildprozessor 25. Eine Tastatur 28 ist für die Interaktion des
Benutzers mit dem System vorgesehen, um die Inspektion des
Substrats 14 zu starten und von Hand zu steuern, und der
Monitor 34 ist zur visuellen Rückführung der Fläche des
Substrats 14, die gegenwärtig betrachtet wird, zu dem
Benutzer vorgesehen. Der RAM 32 und ROM 30 sind für die
üblichen Funktionen in einem CPU-gesteuerten System vorhanden.
Die X-Y-Servoregelung 36 ist mechanisch mit einem oder
mehreren Koordinatentischen 12 verbunden, um Substrate 14 zu
den gewünschten Stellen unter der Steuerung der CPU 26 zu
bewegen. Die Positionssensoren 38 sind lineare Skalen zur
Bestimmung der X- und X-Position der Tische 12. Direkt über
dem Substrat 14 befindet sich ein optisches
Beleuchtungsgerät 20, das für eine Beleuchtung der Oberfläche von
Substraten 14 durch Lichtstrahlen 16 sorgt und durch
welches die Oberfläche des Substrats durch Lichtstrahlen 18
und 18' von Sensoren 24 betrachtet wird. Die Sensoren 24
wandeln das betrachtete Bild der Oberfläche von Substraten
14 in ein elektrisches Signal um, das zu dem Bildprozessor
25 gesteuert wird. Der Bildprozessor 25 bearbeitet
seinerseits die Signale von den Sensoren 24, um sowohl das
erfaßte Bild zu verstärken als auch die Daten zu
restrukturieren, um sie zu komprimieren, so daß der Speicher minimiert
wird, der zur Speicherung der empfangenen Daten im RAM 32,
abhängig von dem verwendeten Betriebsmodus, notwendig ist.
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In Betrieb im Datenbankmodus speichert der Benutzer
zunächst im RAM 32 die Konstruktionskennzeichen des Musters
auf der Oberfläche des zu inspizierenden Substrats 14.
Diese Kennzeichen umfassen die Stelle und die Kennzeichen
von Merkmalen und die Verknüpfungsinformation. Dies kann
mit der Datenbank erfolgen, die zum Erzeugen des Musters
verwendet wurde.
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Durch die Verwendung verschiedener Beleuchtungstechniken,
die in der Folge besprochen werden, in Kombination mit
einem bestimmten Bildsensor, z.B. einem TDI-Sensor, kann die
Oberfläche von Substraten wie Leiterplatten inspiziert
werden, wobei das Substrat in einer geraden Linie unterhalb
des Beleuchtungsgeräts in einer Geschwindigkeit im Bereich
von 25 Inches² pro Sekunde läuft.
Optisches Beleuchtungsgerät
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Eines der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
ist eine Beleuchtungsvorrichtung, die im größtmöglichen
Ausmaß für einen gleichmäßigen Beleuchtungshimmel über dem
zu inspizierenden Werkstück sorgt, so daß strukturbedingte
Fleckeneffekte maximal unterdrückt werden.
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Das optische Beleuchtungsgerät 20 wird durch die
Betrachtung des Beleuchtungsstrahls 5 in Figur 2 verständlich.
Dieser Strahl wird von einem Beleuchtungssystem (nicht
dargestellt) von einem Winkel außerhalb der Apertur der Linse
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² 1 inch = 2,54 cm
22 erzeugt. Der Strahl 5 wird durch die geneigte Oberfläche
bei Punkt 13 reflektiert und wird zu Strahl 6, der in die
Linse 11 eintritt. Dieser Strahl trägt dazu bei, daß bei
einer Abbildung auf einem Sensor der Oberflächenbereich um
den Punkt 13 hell und nicht dunkel erscheint. Die
Überlegungen, die mit Figur 2 als Beispiel besprochen wurden,
führten zu dem Beweis, daß das gefleckte Erscheinungsbild
von rauhen Oberflächen deutlich verringert oder sogar
beseitigt werden kann, wenn Beleuchtungslichtstrahlen von
sehr vielen Winkeln bereitgestellt werden, so daß
unabhängig von der örtlichen Neigung eines bestimmten Bereichs der
Oberfläche immer Beleuchtungsstrahlen in geeigneten Winkeln
zur Verfügung stehen, die in die Betrachtungslinse
reflektiert werden.
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Für jeden Winkel, in dem ein Element der Oberfläche geneigt
sein kann, gibt es eine bestimmte Gruppe von
Beleuchtungsstrahlen, die von dieser Oberfläche in die
Betrachtungslinse reflektiert werden. Damit Oberflächen, die in
verschiedenen Winkeln geneigt sind, für den Sensor gleich hell
erscheinen können, ist es wichtig, daß alle verschiedenen
Strahlengruppen dieselbe Intensität aufweisen. Vom
Standpunkt eines imaginären Beobachters, der sich auf der
leitenden Oberfläche befindet und nach oben blickt, sollte der
Eindruck entstehen, daß das Licht von allen Richtungen mit
gleicher Intensität eintrifft; d.h., daß der Beobachter
unter einem Himmel mit gleichmäßiger Helligkeit steht.
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Dieser Beleuchtungszustand hielte an, wenn eine Lambertsche
diffus strahlende Fläche vorhanden wäre, wie ein Stück
Opalglas, die direkt über dem Beobachter angeordnet ist,
und wenn durch diese Oberfläche räumlich gleichmäßiges
Beleuchtungslicht abgegeben werden wird. Eine Lambertsche
Fläche ist eine, die gleiche optische Leistungsdichten in
gleiche Raumwinkel ausstrahlt, so daß ein Beobachter, der
von irgendeiner Richtung auf die Fläche blickt, dieselbe
Helligkeit sieht. Ein imaginärer Beobachter, der sich auf
dem Werkstück befindet, würde zu dem Opalglashimmel
hochblicken und unabhängig von der Blickrichtung eine
Intensität sehen, die zu der Intensität von Licht, das auf die
Oberseite des Opalglases an dem Punkt auftrifft, zu dem er
blickt, proportional ist. Somit hätte die räumliche
Gleichmäßigkeit von Licht, das auf die Oberseite des Opalglases
auftrifft, an der Beobachtungsfläche eine winkelige
Gleichmäßigkeit von Licht zur Folge.
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Eine derartiges Beleuchtungsgerät wäre schon alleine aus
dem Grund nicht brauchbar, daß das Opalglas eine
Betrachtung des Objekts verhindert. Das Beleuchtungsgerät der
vorliegenden Erfindung ist ein praktisches Beleuchtungsgerät,
das sich dem idealen Lambertschen Beleuchtungsgerät in
einem zweckdienlichen Ausmaß nähert. Es kann als
quasi-Lambertsches Beleuchtungsgerät bezeichnet werden.
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Es gibt einige Formen von Oberflächenrauhigkeit, die eine
totale Unterdrückung von Flecken unmöglich machen. Dies
geht aus der Betrachtung von Figur 3 hervor. Punkt 205 auf
der Oberfläche von Leiter 8 ist so stark zu der
Waagerechten geneigt, daß er für eine Himmelsbeleuchtung
unzugänglich ist. Strahlen 201 und 202 gehen von Punkt 205 zu den
Rändern der Linse 11. Strahlen 203 und 204 sind die
Beleuchtungsstrahlen, die bereitgestellt werden müßten, um in
die Strahlen 201 und 202 reflektiert zu werden. Diese
Strahlen müßten von innerhalb des Leiters 8 kommen, was
nicht möglich ist, oder müßten an Punkt 205 anlangen,
nachdem sie einmal oder mehrere Male von anderen Punkten auf
der Leiteroberfläche reflektiert wurden. Da der
Reflexionsgrad der Oberflächenmaterialien nicht perfekt ist,
erscheinen indirekt beleuchtete Punkte wie Punkt 205 dunkler als
Punkte, die vom Himmel direkt beleuchtet werden.
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Trotz der theoretischen Unwahrscheinlichkeit einer totalen
Unterdrückung von Flecken, haben wir empirisch beobachtet,
daß eine Fleckenbildung um so effektiver unterdrückt wird,
je besser die Bereitstellung eines gleichmäßigen
Beleuchtungshimmels über dem Arbeitsplatz war. Bei einer optimalen
Unterdrückung einer Fleckenbildung können die
Inspektionsalgorithmen so eingestellt werden, daß die kleinstmöglichen
Defekte in dem Leitermuster gefunden werden, ohne falsche
Defekte aufgrund einer nicht korrekten Identifizierung von
dunklen Kupferbereichen als Isolator zu schaffen.
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Ausgehend von Daten, die in einem Experiment unter
Verwendung eines quasi-Lambertschen Beleuchtungsgeräts gesammelt
wurden, zeigt das Histogramm von Figur 4 die Verteilung von
Pixel-Intensitäten für Objektflächen (einer kleinen Probe,
die aus einem pwb geschnitten wurde), die mit Kupfer
bedeckt sind, und eine andere Verteilung für Flächen, in
welchen das isolierende FR4 Substrat freiliegt. Es wurde die
Breite der Kupfer-Spitze beobachtet, als Bruchzahl des
Durchschnittswertes, während die numerische Apertur der
Beleuchtung variiert wurde. Diese Funktion ist in Figur 5
eingetragen.
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Es ist offensichtlich, daß die Spitze mit steigender
numerischer Apertur bis zur Grenze des Experiments schmäler
wird. Die Daten zeigen, daß es vom Standpunkt der
Minimierung der offensichtlichen Oberflächenflecken rauher
Kupferflächen wünschenswert ist, die größtmögliche numerische
Apertur der Beleuchtung einzusetzen, wobei die numerische
Apertur größer als mindestens 0,7 NA und vorzugsweise
größer als 0,8 NA ist.
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Es sollte ebenso offensichtlich sein, daß während Figur 2
und 3 Querschnitte zeigen, in welchen die Beleuchtung in
eine bestimmte Querschnittsebene gleichmäßig dargestellt
ist, es wünschenswert ist, eine Gleichmäßigkeit in alle
Richtungen um das Objekt zu erzielen. Wäre dies nicht der
Fall, hätte zum Beispiel ein kleiner Flächenbereich, der 40
Grad zu der Normalen in nördliche Richtung geneigt ist,
eine
andere scheinbare Helligkeit als ein elementarer
Flächenbereich, der in eine östliche Richtung geneigt ist.
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Die allgemeine Regel, die sich aus den Experimenten ergibt,
besagt, daß jeder Teil des Himmels im größtmöglichen Ausmaß
gleichmäßig mit Licht gefüllt sein muß, um die scheinbaren
Flecken der rauhen Oberflächen zu minimieren.
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Es gibt neben dem Vorteil der Verringerung der
Fleckenbildung einen Vorteil der quasi-Lambertschen Beleuchtung, der
darin besteht, daß eine derartige Beleuchtung die
Möglichkeit eines optischen Inspektionssystems verbessert, die
Bodenränder von Leitern zu erfassen.
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Mit neuerlicher Bezugnahme auf Fig. 2 ist zu beachten, daß
der Rand 7 des Leiters in einem Winkel zu der Senkrechten
abgeschrägt ist, so daß der Leiter am Boden eine größere
Breite als an der Oberseite aufweist. Eine allgemeine
Inspektionsanforderung ist die Bestimmung des Spalts zwischen
benachbarten Leitern am Boden, da die Leiter bei ihrem
geringsten Abstand am wahrscheinlichsten kurzgeschlossen
werden. Ein Hellfeld-Beleuchtungsgerät läßt für gewöhnlich
einen Rand wie 7 dunkel und somit nicht von dem
Substratmaterial unterscheidbar erscheinen, da der Rand 7
Hellfeldstrahlen nicht in die Betrachtungslinse reflektiert. Daher
besteht bei Hellfeld-Beleuchtungsgeräten die Tendenz, daß
Leiterbreiten an der Oberseite gemessen werden (da nur die
Oberseite des Leiters erkennbar ist). Es kann gezeigt
werden, daß bei vielen der unterschiedlichen Randprofile, die
bei pwb's sichtbar sind, die Verwendung einer
quasi-Lambertschen Beleuchtung zweckdienlich ist, Strahlen
bereitzustellen, welche die Leiterränder sichtbar machen, so daß
Leiterbreiten und -abstände am Boden des Leiterprofils
gemessen werden können.
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Eine allgemeine Anforderung an das Beleuchtungsgerät ist,
daß die Lichtintensität in dem optischen Sehfeld im
wesentlichen
gleichmäßig entlang der Länge (Y-Richtung) des TDI-
Sensors ist. Es muß jedoch nicht in die X-Richtung
gleichmäßig sein, die Bewegungsrichtung des Tisches (senkrecht zu
der Längsachse des TDI-Sensors). Dies ist auf die
integnerende Eigenschaft des TDI-Sensors in diese Richtung
zurückzuführen. Diese Eigenschaft ermöglicht, daß das Licht jedes
Intensitätsprofil in die X-Richtung besitzen kann, solange
die integrierte Gesamtenergie über das Sehfeld des Sensors
entlang der Länge des Sehfelds gleichmäßig ist. Dies macht
die Konstruktion eines Beleuchtungsgeräts für einen TDI-
Sensor viel einfacher als für einen herkömmlichen
Flächensensor, der im wesentlichen konstantes Licht auf beiden
Achsen braucht. Diese integrierende Eigenschaft macht das
System sogar gegenüber den Pixel-blockierenden
Staubteilchen an der Fläche des Sensors tolerant. Ihre Wirkung wird
einfach durch den TDI-Sensor herausintegriert.
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a. Fokussiertes quasi-Lambertsches Beleuchtungsgerät
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Ein Nachteil der meisten Formen diffuser Beleuchtung und
insbesondere der meisten vorstellbaren Ausführungen eines
quasi-Lambertschen Beleuchtungsgeräts besteht darin, daß
sie sehr viel Licht benötigen.
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Bei der Konstruktion einer optischen Hochgeschwindigkeits-
Inspektionsvorrichtung wird die Systemleistung häufig durch
die Menge des zur Verfügung stehenden Lichts begrenzt. Wenn
eine quasi-Lambertsche Beleuchtung auf Kosten eines großen
Lichtverbrauchs erzielt wird, kann es notwendig sein, die
Maschine herabzuschalten, um einen angemessenen
Signal-Geräusch-Abstand aufrechtzuerhalten. Das wesentliche Merkmal
der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung von
Fokussierelementen in mindestens einer Achse, so daß eine
quasi-Lambertsche Beleuchtung in dem begrenzten Bereich,
der von einem Sensor betrachtet wird, erhalten wird,
während der Lichtverbrauch zur Beleuchtung nicht betrachteter
Bereiche minimiert wird.
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In der Folge wird auch offensichtlich, daß die Ausbildung
eines beleuchtungsregulierenden Schlitzes zur Begrenzung
der quasi-Lambertschen Beleuchtung den
Signal-Geräusch-Abstand durch Unterdrückung des Geräusches und Verstärken des
Signals weiter verbessert. Dies ist ein zweiter Vorteil der
vorliegenden Erfindung.
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In der Folge wird ferner offensichtlich, daß die besonderen
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die zur
Arbeit mit im allgemeinen linearen Detektoranordnungen
konstruiert sind, eine effiziente fokussierte Beleuchtung mit
hoher NA über ein sehr langes Sehfeld erreichen.
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Während die grundlegende Erfindung die Bereitstellung einer
fokussierten quasi-Lambertschen Beleuchtung ist, gibt es
zusätzliche Konstruktionsprinzipien, die in der
Konstruktion berücksichtigt werden sollten, um die
Zweckdienlichkeit des Inspektionssystems der vorliegenden Erfindung zu
optimieren. Bei der Konstruktion eines optischen
Beleuchtungsgeräts 20 der vorliegenden Erfindung hat die
Betrachtungslinse eine NA von 0,06 und die Beleuchtungs-NA ist
etwa 0,9.
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Es ist allgemein bekannt, daß in Übereinstimmung mit dem
Zweiten Thermodynamischen Gesetz, kein optisches
Beleuchtungssystem eine scheinbare Helligkeit erzielen kann, die
größer als jene der lichtaussendenden Quelle ist. In der
Praxis bedeutet dies, daß wenn die Lichtquelle, die in
einem bestimmten System verwendet wird, einen
Oberflächenbereich von zehn Quadratinch³ besitzt, die effizienteste
Konstruktion einer Beleuchtungsoptik das gesamte ausgesendete
Licht auf einen Bereich von zehn Quadratinch abgibt, und
die meisten tatsächlich erzielbaren Beleuchtungsgeräte
streuen das Licht über einen größeren Bereich als zehn
Quadratinch. Es kann daher geschlossen werden, daß für eine
-
³ 1 Quadratinch = 2,54 cm²
maximale Effizienz in der Konstruktion eines
quasi-Lambertschen Beleuchtungsgeräts die Lichtquelle eine Dimension
aufweisen muß, die mit dem zu beleuchtenden Bereich
vergleichbar oder kleiner als dieser ist.
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Eine zweite Anforderung bei der Konstruktion eines
effizienten quasi-Lambertschen Beleuchtungsgeräts besteht darin,
daß Fokussierungsmittel auf mindestens einer Achse
bereitgestellt werden müssen, so daß Lichtstrahlen, die von Natur
aus von der Quelle divergieren, zu dem zu beleuchtendem
Objekt rekonvergiert werden.
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Eine dritte Anforderung besteht darin, daß die Kombination
aus sämtlichen optischen Fokussier- und
Nichtfokussierelementen, die in dem Beleuchtungsgerät vorgesehen sind,
garantieren sollte, daß der Himmel über dem Objekt im
wesentlichen aus allen Winkeln über dem Objekt und nicht nur in
einem Querschnitt gleichmäßig erscheint. Ein Beispiel für
die Anwendung dieses Prinzips folgt in der anschließenden
Besprechung der besonderen Glühlampenausführung eines
fokussierten quasi-Lambertschen Beleuchtungsgeräts.
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Bei dem Beleuchtungsgerät der vorliegenden Erfindung sind
die optischen Fokussierelemente elliptische Zylinder, die
für eine Konvergenz in nur einer Ebene sorgen (siehe
Spiegel 901, 902 und 903 in Figur 6). Flache Endspiegel 1102
und 1103 (Figur 7) sind senkrecht zu den Lampenfilamenten
(907a, 908a und 909a) und zu den Achsen der elliptischen
Zylinder der Spiegel 901, 902 und 903; diese Endspiegel
sorgen für mehrfache Reflexionen der Ellipsen und Lampen,
wodurch bei einer Betrachtung vom pwb-Target aus das
Äquivalent sehr langer Lampen und elliptischer Reflektoren
entsteht. Somit hat die Kombination aus Endspiegeln (1102 und
1103) und zylindrischen Fokussierspiegeln (901, 902 und
903) die Wirkung, daß vom Objekt aus ein gleichmäßiger
Himmel in alle Richtungen gesehen wird.
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Bei der Konstruktion des fokussierten quasi-Lambertschen
Beleuchtungsgeräts zur Inspektion von Oberflächen ist ein
Konstruktionsprinzip, Strahlen von dem Werkstück zurück zu
dem Filament zu verfolgen, das die Beleuchtung ausstrahlt.
Unter Berücksichtigung der Toleranzen in der
Systemherstellung sollte garantiert sein, daß jeder solcher Strahl
schließlich auf den Bereich trifft, der von dem Filament
besetzt wird, und daß der Nettoverlust, den der Strahl
aufgrund der Oberflächenreflexionen erfährt, 20% nicht
übersteigt und vorzugsweise 10% nicht übersteigt.
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Das Beleuchtungsgerät der vorliegenden Erfindung erzielt in
unerwarteter Weise eine effiziente fokussierte Beleuchtung
mit hoher NA über ein sehr großes lineares Feld, indem eine
effiziente optische Kopplung an eine im allgemeinen lineare
Lichtquelle bereitgestellt wird. Es war auch nicht zu
erwarten, daß das Beleuchtungsgerät der vorliegenden
Erfindung für eine im wesentlichen gleichmäßige Beleuchtung mit
hoher NA in beide Achsen sorgt, wobei die Beleuchtung in
mindestens einer Achse fokussiert ist, ohne daß die
Beleuchtung durch dieselbe Linse gehen muß, die zur Erzeugung
eines Bildes auf einem Bildsensor verwendet wird. Diese
Errungenschaft optimiert die Konstruktion, indem sie die
Kosten der Sensorlinse reduziert.
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b. Entfembarer Schlitz zur Verbesserung des
Signal-Geräusch-Abstandes
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Wenn eine Beleuchtung von sehr hohen numerischen Aperturen
zur Inspektion von pwb's verwendet wird, tritt ein
überraschendes pHänomen auf, das überwunden werden muß, wenn eine
Hochwinkelbeleuchtung verwendet werden soll. Dieses
Phänomen ist in Figur 8 und 9 dargestellt.
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Zu Beginn sollte man sich Figur 8 ohne Schlitzanordnung 607
vorstellen. Ein fokussiertes quasi-Lambertsches
Beleuchtungssystem liefert Lichtstrahlen in vielen Winkeln. Die
Beleuchtung trifft auf den Bereich 602, der von dem
optischen Sensor betrachtet wird, und trifft auch wegen Mängel
in der Beleuchtung auf Flächen außerhalb des Bereichs 602.
Der zusätzliche Beleuchtungsbereich wird so klein wie
möglich gemacht, um Licht zu sparen, aber es ist unmöglich,
das gesamte Licht zu veranlassen, innerhalb des Bereichs
602 aufzutreffen.
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Lichtstrahlen 604, 605 und 606 sind ausgewählte Beispiele
der vielen Strahlen, die in dem System vorhanden sind. Der
Strahl 604 ist so dargestellt, daß er auf einen Teil eines
Leiters 603 auftrifft und in einem solchen Winkel
reflektiert wird, daß er zur Erzeugung eines Bildes des Leiters
beiträgt. Der Strahl 605 trifft auf das Glasfasersubstrat,
diffundiert unregelmäßig durch das Substratmaterial und
erscheint an einem Punkt innerhalb des betrachteten Bereichs
602, wo er zu der scheinbaren Helligkeit des Substrat am
Erscheinungspunkt beiträgt. Der Strahl 606 trifft auf das
Substrat an einem Punkt außerhalb des betrachteten Bereichs
602 und diffundiert in den betrachteten Bereich, bevor er
erscheint, so daß der Strahl 606 auch zu der scheinbaren
Helligkeit des Substrats in dem betrachteten Bereich 602
beiträgt.
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Der gewöhnliche Vorgang beim Betrachten eines Musters eines
Kupferleiters auf einem Glasfasersubstrat beruht auf der
Tatsache, daß die scheinbare Helligkeit von Kupfer die
scheinbare Helligkeit des Glasfasersubstrats übersteigt. Es
ist nun die Wirkung auf den Kupfer/Glasfaser-Kontrast bei
einer Erhöhung der numerischen Apertur der Beleuchtung zu
beachten. Wenn die NA gering ist, erscheinen bestimmte
Bereiche des Kupfers, die zufällig nahezu in der Waagerechten
liegen, hell. Bereiche, die zu der Waagerechten geneigt
sind, erscheinen dunkel. Daher ist das Histogramm des
Kupfer-Reflexionsgrades, wie in Figur 9, Zustand 1, breit.
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Unter derselben Bedingung einer Beleuchtung mit niederer NA
erscheint ein großer Bruchteil der Lichtstrahlen, die in
das Glasfasersubstrat eindringen, in Winkeln, so daß sie
aus dem optischen System austreten. Eine Zufallsauswahl
dieser Strahlen nach der Diffusion erscheint in einer
solchen Position und in einem solchen Winkel, daß sie
sichtbar ist. Wegen der zahlreichen Brechungen, die jeder
Lichtstrahl erfährt, wenn er sich in das Substrat bewegt,
sind die Lichtintensitäten stark randomisiert und die
allgemeine Helligkeit des Substrats erscheint ziemlich
gleichmäßig. Da mindestens die Hälfte der diffundierenden
Strahlen zufällig an die Rückseite des Substrats und nicht
zu der betrachteten Seite gelangt und da einige der
Strahlen absorbiert werden, ohne jemals aus dem
Substratmaterial wieder zu erscheinen, scheint das Substrat im
allgemeinen dunkler zu sein als das Kupfer. Die
Gleichmäßigkeit und Dunkelheit des Substrats erscheint in Figur
9, Zustand 1 als die schmale Stelle und der geringe
durchschnittliche Helligkeitswert der Histogrammspitze, die dem
Substratmaterial entspricht.
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Es ist nun zu bedenken, wie sich die Situation ändert, wenn
die numerische Apertur des Beleuchtungssystems erhöht wird.
Die Kupferbereiche, die zunächst hell waren, ändern sich in
der Helligkeit nicht deutlich, da die zusätzlichen
Hochwinkeistrahlen, wenn sie auf diese nahezu in der Waagerechten
liegenden Bereiche treffen, aus dem optischen System
reflektiert werden. Kupferbereiche, die zunächst dunkel
waren, nehmen an Helligkeit zu, wie zuvor erklärt wurde. Die
Nettowirkung ist die Verringerung der Flecken, wobei aber
das Ausmaß der Spitzenhelligkeit, die von Kupferbereichen
gesehen wird, nicht deutlich erhöht wird. Die Auswirkung
auf das Histogramm im Zustand 2 ist, daß die Kupfer-Spitze
schmäler wird, aber nicht viel weiter nach rechts auf der
Helligkeitsachse wandert.
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Die Wirkung auf das diffundierende Substratmaterial ist
anders. Wegen der diffundierenden Wirkung des Substrats
besteht für jeden Strahl, der in das Material eintritt,
annähemd eine konstante Wahrscheinlichkeit, in einem solchen
Winkel wieder zu erscheinen, daß er von dem optischen
System erfaßt wird. Wenn der Bereich der bereitgestellten
Beleuchtungswinkel erhöht wird, wird die Gesamtlichtmenge,
die in das Substrat eintritt, erhöht, und die beobachtete
Helligkeit nimmt proportional zu. Diese Situation wird
durch Strahlen wie den Strahl 606 verschlimmert, die auf
das Substrat außerhalb des betrachteten Bereichs
auftreffen, so daß sie in keiner Weise zu der scheinbaren
Helligkeit der Leiter beitragen können, aber aufgrund der
Diffusion die unerwünschte scheinbare Helligkeit des Substrats
erhöhen können.
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Die Nettowirkung einer starken Erhöhung der numerischen
Apertur der Beleuchtung ist ein Histogramm wie jenes, das
in Figur 9, Zustand 2, dargestellt ist, wo die Substrat-
Spitze die Kupfer-Spitze überlappt Die hellsten Punkte auf
dem Substrat sehen mit anderen Worten heller aus als die
schwächsten Punkte auf dem Kupfer. Der Computer kann nicht
mehr eindeutig zwischen Kupfer und Substrat unterscheiden.
Die Kupfer-Spitze wurde in dem Histogramm verschmälert, was
wünschenswert ist, aber dafür ein anderer, äußerst
unerwünschter Effekt erzielt.
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Eine Lösung für dieses pHänomen ist das Hinzufügen von
Mitteln zur Begrenzung der Beleuchtung auf einen schmalen
Bereich auf dem Substrat, wodurch Strahlen wie der Strahl 606
beseitigt werden, die nur unerwünschte Auswirkungen haben.
Die Schlitzanordnung 607, die in Figur 8 dargestellt ist,
ist ein derartiges Mittel. In einem Experiment mit einer
0,9 NA Beleuchtung wurde festgestellt, daß durch den
Wechsel von einem 1,6 mm Schlitz zu einem 0,8 mm Schlitz eine
Änderung von einem nicht annehmbaren Zustand 2 im
Histogramm
zu einem wünschenswerten Histogramm wie in Fig. 9,
Zustand 3, stattfindet.
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c. Weiße Lichtquelle mit Spektralselektionsfilter
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Bei der Konstruktion einer optischen Inspektionsmaschine
für pwb's ist es wünschenswert, daß die von dem Sensor
erfaßte Farbe des Lichts verändert werden kann, so daß der
Kontrast bei bestimmten Inspektionsanwendungen optimiert
wird. Zum Beispiel ist es manchmal wünschenswert,
gemusterten Photoresist auf Kupfer zu inspizieren, bevor das Kupfer
geätzt wird. Wenn Fehler in dem Photoresistmuster
festgestellt werden, kann der Resist abgelöst und ausgetauscht
werden, ohne das Substrat zu verschwenden. Der Photoresist
wird in mehreren Farben geliefert und eine erfolgreiche
Inspektion erfordert eine Auswahl der
Inspektionslichtwellenlängen, welche den Kontrast zwischen dem Resist und dem
Kupfer optimieren
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Zum Beispiel zeigt Figur 10 das Durchlässigkeitsspektrum
von Dupont Riston (TM) 215R, einem im Handel erhältlichen
roten Photoresistmaterial. Durch Eingrenzung der
Inspektionswellenlängen auf einen Bereich zwischen 500 und 575 nm
kann erreicht werden, daß der Resist dunkel erscheint,
während das Kupfer hell ist; der Reflexionsgrad von Kupfer
schwankt von etwa 63% bei 500 nm bis etwa 80% bei 575 nm.
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Damit eine optische Inspektionsmaschine eine maximale
Flexibilität bei der Inspektion von pwb's aufweist, werden die
folgenden Punkte vorgeschlagen:
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a. Austauschbare Farbfilter (915, Figur 6), die eine Wahl
unterschiedlicher Filter zur Optimierung der Inspektion
verschiedener Materialien zulassen.
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b. Eine Lichtquelle, der eine substantielle Energie in
einem breiten Spektralbereich wie 500 bis 700 nm zur
Verfügung steht.
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c. Ein Bildsensor, der in dem gesamten zweckdienlichen
Spektralband der Lichtquelle reaktionsfähig ist.
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d. Hilfsverstärkungsmittel für einen verbesserten Signal-
Geräusch-Abstand, die ermöglichen, daß die Maschine trotz
des Verlusts des Signalpegels, der durch die Verwendung
eines Schmalbandfilters, zum Beispiel eines TDI-Sensors
entsteht, bei hoher Geschwindigkeit läuft, eine Lichtquelle,
deren physikalische Größe ähnlich der Größe des von unserem
Photosensor betrachteten Bereichs ist und ein
Beleuchtungsgerät mit fokussiertem Licht. Diese vereinten Merkmale
genügen, daß ein Betrieb mit 100 MPixel/Sec. möglich ist,
selbst wenn ein Filter eingebaut ist, der nur eine 500 bis
575 nm Strahlung den Sensor erreichen läßt.
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Es ist nicht neu, eine gefilterte Lichtquelle zur Verfügung
zu stellen. Zum Beispiel liefert Optrotech Vision 105
austauschbare Filter. Bei einem Vergleich der Maschine der
vorliegenden Erfindung mit dieser ist jedoch
offensichtlich, daß bei Optrotech eine hocheffiziente
Natriumbogenlampe verwendet werden muß, um genug Licht zu erhalten, so
daß diese Maschine selbst bei 10 Mpixel/Sec. arbeiten kann.
Diese Lampe liefert keine substantielle Strahlung in dem
Wellenlängenbereich unter etwa 550 nm. Bei der vorliegenden
Erfindung können, durch die Bereitstellung verschiedener
obengenannter Techniken, welche die Effizienz verbessern,
mit der verfügbares Licht verwendet wird, weniger
effiziente Lampen verwendet werden (Wolfram-Halogen, die eine
zweckdienliche Energiemenge bei 500 nm liefern). Neu ist
die Kombination einer gefilterten Breitband-Lichtquelle mit
den effizienzverstärkenden Merkmalen, die eine solche
Lichtquelle für eine Hochgeschwindigkeitsinspektion
zweckdienlich machen.
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Die Verwendung eines 64-reihigen TDI-Sensors, dessen
Gesamteffizienz 64-mal so groß wie jene eines normalen
Sensors ist, ermöglicht die Verwendung von
Wolfram-Halogenlampen (907, 908 und 909, Figur 6).
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d. Durchführungen mit mehrfachen linearen
Wolframfilamentlampen.
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Figur 6, 7 und 11 zeigen ein Ausführungsbeispiel der
Konstruktion der vorliegenden Erfindung. Die Lichtquellen in
diesem Beleuchtungsgerät sind drei Linearfilament-Wolfram-
Halogenlampen 907, 908 und 909. Jede Lampe besitzt ein
Filament (907a, 908a bzw. 909a, das jeweils annähernd zentral
in einem rohrförmigen Glaskolben angeordnet ist). Jedes
Lampenfilament wird in dem Inspektionsbereich 912
abgebildet( Das Filament 908a wird von dem elliptischen Spiegel
901 abgebildet, das Filament 909a von dem elliptischen
Spiegel 902 und das Filament 907a von der Kombination aus
dem elliptischen Spiegel 903 und dem Strahlenteiler 904.
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Das Filament der Lampe 909 liegt an dem ersten Brennpunkt
des elliptischen Reflektors 902 und der lineare beleuchtete
Bereich 912 liegt an dem zweiten Brennpunkt derselben
Ellipse. Somit wird aufgrund der allgemein bekannten
Abbildungseigenschaften einer Ellipse Licht, das von dem
Filament 909 ausgeht und auf den Reflektor 902 trifft, in einer
Linie entlang dem Bereich 912 reflektiert. Die Abbildung
von Filament 910 durch den Reflektor 901 entspricht exakt
der Abbildung von Filament 909 durch den Reflektor 902.
Ebenso liegt das Filament 907 in dem ersten Brennpunkt des
oberen elliptischen Reflektors 903 und der Bereich 912
liegt im zweiten Brennpunkt des Reflektors 903, wenn es von
dem Strahlenteiler 904 reflektiert wird.
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Jede im allgemeinen lineare Lichtquelle kann bei dem
beschriebenen optischen System verwendet werden. Eine
Alternative
ist die Verwendung von
Kapillarbogen-Gasentladungslampen.
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Der Inspektionsbereich 912 wird durch den Strahlenteiler
904 von Linse 906 betrachtet, deren Aufgabe die Erzeugung
der Abbildung von Bereich 912 auf einem Photosensor (nicht
dargestellt) durch das Sensorlinsensystem 906 ist. Für eine
optimale Effizienz ist der Sensor vom TDI-Typ, wie in der
Folge besprochen wird. Es ist eine Schlitzanordnung 910
vorgesehen, wie zuvor erklärt wurde, um den Kontrast
zwischen dem Kupfer und Glasfasermaterial zu verbessern.
Endspiegel 1102 und 1103 (die in der in Einzelteile
aufgelösten Darstellung von Figur 7 erkennbar sind) sind so
angeordnet, daß die Lampenfilamenten unendlich erscheinen.
Aufgrund dieser Spiegel finden windschiefe Strahlen (wie
Strahl 1101 in Figur 7) ihren Weg zu dem
Beobachtungsbereich 912, indem sie eine oder mehrere Reflexionen von den
Endspiegeln auf dem Weg zu Bereich 912 erfahren.
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Die Gegenwart der Endspiegel 1102 und 1103 ist für die
Tatsache verantwortlich, daß dieses Beleuchtungsgerät eine im
wesentlichen gleichmäßige Beleuchtung abgibt, nicht nur in
der Querschnittsebene von Figur 6 und 11, sondern auch in
der senkrechten Ebene und in allen Zwischenebenen. Dies ist
notwendig, wenn eine effektive quasi-Lambertsche
Beleuchtung erzielt werden soll. Ein imaginärer Beobachter, der
sich auf dem Beobachtungsbereich 912 befindet und nach oben
in den Himmel blickt, sähe die Oberfläche eines
Lampenfilaments in jede Blickrichtung bis zu einem Winkel von θ&sub3; zu
der Normalen der Oberfläche. Figur 11 zeigt, daß der
Grenzwinkel θ&sub3; durch die Ränder der Spiegel 901 und 902 in der
Ebene von Figur 11 bestimmt wird. Figur 7 zeigt, daß der
Grenzwinkel θ&sub3; in der orthogonalen Ebene durch die unteren
Ränder 1104 und 1105 der Spiegel 1102 und 1103 bestimmt
wird.
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Das Verhältnis zwischen den Winkeln θ&sub1; und θ&sub2; ist ebenso
wichtig. θ&sub1; ist der Winkel zu der Oberflächennormalen, in
dem die Sensorlinse 906 Licht sammelt. Dieser Winkel liegt
für gewöhnlich im Bereich bis zu etwa 5,74 Grad (0,1 NA)
oder ist vielleicht etwas größer. Der Winkel θ&sub2; reicht von
der Normalen zu dem Innenrand der Spiegel 902 und 901. θ&sub2;
ist größer, so daß die inneren Spiegelränder die
Lichtstrahlen, die von dem Beobachtungsbereich 912 zu der
Betrachtungslinse 906 gehen, nicht behindern. Der Winkel θ&sub3;
von der Oberflächennormalen zu den Außenrändern der Spiegel
bestimmt das Ausmaß, in dem das Beleuchtungsgerät sich
einem vollständig gleichmäßigen Himmel nähert. Bei der
gegenwärtigen Konstruktion beträgt dieser Winkel etwa 70º, was
einer numerischen Apertur von 0,94 entspricht.
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Beleuchtungsstrahlen wie Strahl 916 (Figur 11), die
reflektiert werden, so daß sie durch den Lampenkolben auf ihrem
Weg von dem Spiegel zu dem Beobachtungsbereich gehen,
können von dem Kolben etwas abgelenkt werden und ihre
Intensität wird wegen der Teilreflexionen, die bei jeder
Glas/Luft-Grenzfläche auftreten, etwas verringert. Es ist
daher ein Merkmal des bevorzugten Ausführungsbeispiels der
Erfindung, daß die Lampenfilamente in einem Richtungswinkel
nahe dem äußersten Beleuchtungswinkel θ&sub3; angeordnet sind.
Somit werden die Verzerrungs- und
Intensitätsverringerungseffekte des Glaskolbens in den Strahlen mit extremem Winkel
konzentriert. Die Erfahrung hat gezeigt, daß diese Strahlen
bei der Verringerung der scheinbaren Flecken auf rauhen
Oberflächen weniger wichtig sind als Strahlen, welche auf
das Objekt annähernd senkrecht einfallen.
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Die fokussierende Wirkung der elliptischen Spiegel macht
dieses System effizienter als ein Beleuchtungsgerät ohne
Fokussierung. Abgesehen von den Verlusten, die durch den
Reflexionsgrad von nicht perfekten Spiegeln und dem
Strahlenteiler entstehen und abgesehen von Beleuchtungsfehlern,
die durch nicht gerade Lampenfilamente entstehen, ist die
Helligkeit, die unser imaginärer Beobachter wahrnimmt, so
als ob der gesamte Himmel über ihm mit weißglühendem
Wolfram bei einer Farbtemperatur, die 3100K übersteigen kann,
gefüllt wäre.
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Die Anordnung von drei einachsig fokussierenden Spiegeln
und einem Strahlenteiler in Kombination mit im wesentlichen
linearen Lichtquellen und Endspiegeln, welche diese
Lichtquellen unendlich erscheinen lassen, wird als innovativ
angesehen.
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Es wird auch als innovativ erachtet, eine Anordnung mit
einachsig fokussierenden Beleuchtungsgeräten und linearen
Lichtquellen zu haben, wobei der Himmel wie folgt in zwei
Abschnitte unterteilt wird: einen äußeren Abschnitt des
Himmels, in dem die Spiegel voll reflektierend sein können,
und einen inneren Abschnitt, in dem zumindest ein teilweise
durchlässiges Objekt wie der Strahlenteiler 904
erforderlich ist, damit eine Betrachtungslinse das Objekt durch das
Beleuchtungsgerät sieht.
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Es besteht eine gewisse Versuchung, die Nomenklatur von
Mikroskop-Beleuchtungsgeräten zur Beschreibung des
Beleuchtungsgeräts der vorliegenden Erfindung zu verwenden,
nämlich, daß sie einen Hellfeld"-Abschnitt umfaßt, der
Strahlen liefert, die im allgemeinen im Inneren eines inneren
Betrachtungskegels liegen, und einen
"Dunkelfeld"-Abschnitt, der Strahlen außerhalb dieses Kegels liefert. Das
ist nicht ganz korrekt, wie aus Figur 7 ersichtlich ist. In
der Richtung entlang der Längsachse des linienartigen
Beobachtungsbereichs 912 liefern die obere Lampe und das
Spiegelsystem sowohl Strahlen in Winkeln innerhalb des
Betrachtungskegels 917 als auch andere Strahlen, die weit
außerhalb des Kegels 917 liegen. Somit besitzt das obere
Beleuchtungsgerät 907 sowohl einige Hellfeld- als auch einige
Dunkel feldeigenschaften.
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Eine Variation der Konstruktion der vorliegenden Erfindung,
die unter einigen Umständen zweckdienlich ist, ist eine
Anordnung, bei welcher der Himmel im Prinzip in wahre
Hellfeld- und Dunkelfeldabschnitte unterteilt ist. Dazu (Figur
12) wird der Strahlenteiler 904' über der Linse 906'
angeordnet, so daß eine Hellfeldbeleuchtung durch die Linse
geschaffen wird. Spiegel 901' und 902' reichen in die Mitte
und schneiden sich dort, wobei ein offener kreisförmiger
Bereich 918 mit einem Winkelmaß θ&sub1; vorhanden ist, so daß
sie eine Weitwinkel-Dunkelfeldbeleuchtung in allen
Bereichen schaffen, die nicht von der Linse 906' beleuchtet
werden.
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Ein Vorteil der optischen Anordnung von Figur 6, in welcher
der Strahlenteiler 904 unter der Sensorlinse 906 liegt,
besteht darin, daß es keine Möglichkeit gibt, daß das
Streulicht von der Linse zurück in den Sensor reflektiert
wird. Aufgrund der sehr hohen Beleuchtungswerte, die in
Hochgeschwindigkeits-Inspektionssystemen verwendet werden,
ist die Unterdrückung eines solchen Streulichts wichtig.
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Es ist wünschenswert, daß die reflektierenden Oberflächen
in dem Beleuchtungsgerät wellenlängenabhängige
Eigenschaften besitzen. Jedes Wolframlampenfilament sendet einen
großen Bereich von Wellenlängen aus, vorwiegend in dem
sichtbaren und Infrarotbereich, aber nur ein bestimmter Teil des
Spektrums, für gewöhnlich im Bereich von 500 bis 700 nm,
ist nützlich. In dem Ausmaß, in dem andere Wellenlängen
reflektiert und auf dem Beobachtungsbereich 912 fokussiert
werden, tragen sie zu der unerwünschten Erwärmung des pwb
bei.
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Eine Möglichkeit zur Auswahl der Wellenlängen ist die
Herstellung der Spiegel aus Glas und die Ausführung der
Spiegelbeschichtungen als mehrlagige dielektrische
Kaltlichtspiegel, die zur Reflexion der Wellenlängen von
Interesse und zum Durchlassen anderer Wellenlängen bestimmt
sind. Eine andere Möglichkeit, die geeignet ist, wenn die
Spiegelsubstrate aus undurchsichtigem Material wie durch
galvanoplastisch hergestelltem Nickel bestehen, ist die
Verwendung einer Dunkelspiegelbeschichtung.
Dunkelspiegelbeschichtungen sind auch mehrlagige Beschichtungen, die zur
Reflexion ausgewählter Wellenlängen und effizienten
Kopplung anderer in das Substratmaterial, wo diese absorbiert
werden, bestimmt sind.
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In jedem Fall muß gewährleistet sein, daß die nicht
reflektierte Energie effektiv in einem Kühlluftstrom
abtransportiert wird (siehe Figur 13). Bei Dunkelspiegeln dient die
unerwünschte Energie zur Erwärmung der Spiegelsubstrate.
Luft, die direkt über die Substrate strömt, absorbiert dann
die Wärme und trägt sie weg.
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Zur Minimierung der Menge an verbrauchter Energie, die zu
dem Kühlluftstrom befördert werden muß, kann es
wünschenswert sein, rohrförmige Kolben der Lampen mit dielektrischen
Beschichtungen vorzusehen, die so konstruiert sind, daß sie
gewünschte sichtbare Wellenlängen durchlassen und zumindest
einen Teil der unerwünschten langwelligen Strahlung zurück
auf das Filament reflektieren. Solche Lampen sind zum
Beispiel von General Electric unter der Handelsbezeichnung
"Wattmiser" erhältlich.
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Es kann auch wünschenswert sein, zusätzliche Röhren
vorzusehen, die den Lampenkolben umgeben, wobei die
Infrarot-abweisende Beschichtung auf der zusätzlichen Röhre vorgesehen
ist. Diese Lösung bietet den Vorteil, daß billigere, nicht
beschichtete Lampen verwendet werden können. Die
verhältnismäßig teure Lampenbeschichtung läge auf den zusätzlichen
Röhren, die nicht periodisch ausgetauscht werden müssen.
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Da der Strahlenteiler 904 teilweise durchlässig ist, wird
ein Strahl verbrauchter Energie durch den Strahlenteiler
durchgelassen. Der Strahl 920 in Figur 6 ist der oberste
Randstrahl dieses Strahlenbündels. Ein wesentliches
Konstruktionsmerkmal besteht darin, daß die Sensorlinse 906
hoch genug angeordnet ist, so daß der verbrauchte
Energiestrahl nicht in das Linsengehäuse eintritt. Wenn der Strahl
920 einträte, spränge er wahrscheinlich innerhalb des
Gehäuses umher, was zu Streulicht-Artefakten in dem Abbildung
führte.
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Ein wesentliches Merkmal der Beleuchtungsgerätkonstruktion,
die in Figur 6, 7 und 11 dargestellt ist, besteht darin,
daß der Strahlenteiler 904 in einem verhältnismäßig kleinen
Winkel zu der optischen Achse geneigt ist. Eine
herkömmlichere Weise zur Konfiguration eines senkrechten
Beleuchtungsgeräts wäre mit dem Strahlenteiler in 45 Grad. In dem
System der vorliegenden Erfindung muß die Linse 906 jedoch
eine verhältnismäßig hohe numerische Apertur (bis zu NA
0,1) aufweisen und geringe optische Abbildungsfehler
zeigen. Ferner muß die Leistung mit geringen Abbildungsfehlern
über eine wesentliche Brennpunkttiefe in der Größenordnung
von +0,002 Inches aufrechterhalten werden. Es wurde
bestimmt, daß ein 1 mm dicker Strahlenteiler, der 45º geneigt
ist, einen so großen Abbildungsfehler in dem optischen
Betrachtungssystem bewirkt, daß die erforderliche Kombination
aus Auflösung und Brennpunkttiefe selbst mit einer
perfekten Linse nicht erreichbar wäre.
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Eine geneigte Glasplatte erzeugt einen kleineren
Abbildungsfehler, wenn der Neigungswinkel verringert wird. Es
hat sich daher als vorteilhaft erwiesen, den Winkel so
klein wie möglich zu machen, in Übereinstimmung mit anderen
Konstruktionsbeschränkungen. Dies führte zu einer
Neigungswahl von etwa 20º.
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Selbst wenn die Glasplatte vollständig ungeneigt ist,
bliebe ein gewisser sphärischer Abbildungsfehler, aber dies
stellt kein ernsthaftes Problem dar, da er durch die
richtige Konstruktion der Linse 906 korrigiert werden kann. Der
Astigmatismus, der sich aus dem Neigen der Platte ergibt,
kann nicht einfach durch die Linsenkonstruktion korrigiert
werden (teilweise Korrektur durch geneigte Linsenelemente
wäre möglich, aber teuer) und daher muß die Neigung
minimiert werden.
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Wie in der Folge genauer besprochen wird, ist es
vorteilhaft, einen Kühlluftstrom durch das Beleuchtungsgerät
vorzusehen, so daß Wärme, die von den Lampen erzeugt wird,
abtransportiert wird und Schliereneffekte in dem optischen
Betrachtungsweg unterdrückt werden. Das Fenster 905 dient
zur Begrenzung des Luftstroms und zum Abhalten von Staub
von dem Strahlenteiler 904, während die Linse 906 den
Beobachtungsbereich 912 betrachten kann.
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Ein wesentliches Merkmal der Schlitzanordnung 910 ist, daß
sie entfembar ist und daß sie auf einem integrierten
Luftlager über der zu inspizierenden Oberfläche, unabhängig von
dem Gehäuse des Beleuchtungsgeräts schwebt. Bei der
Inspektion einiger Arten von pwb's wie mehrlagigen Platten mit
einer starken Wölbung kann sich die zu inspizierende
Oberfläche über eine größere Strecke als die optische
Schärfentiefe hin- und herbewegen, wenn die Platte unter dem
optischen Inspektionskopf abgetastet wird. Die
Inspektionsmaschine enthält einen Fokussiermechanismus, der zur Auf- und
Abwärtsbewegung des optischen Kopfs in Übereinstimmung mit
der Bewegung der Platte konstruiert ist.
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Figur 15a und 15b zeigen die Schlitzanordnung 910 der
vorliegenden Erfindung mit dem integrierten Luftlager. Der
Schlitz 922 verläuft entlang der Länge der Anordnung und
wenn die Anordnung unterhalb des Beleuchtungsgeräts 20
eingebaut wird, ist der Schlitz 922 im wesentlichen so lange
wie das optische Sehfeld parallel zu dem Filament der
Lampen 907-910. Die Schlitzanordnung 910 definiert auch
parallel
zu Schlitz 922 Luftkanäle 924, welche mit einer 60 psi&sup4;
Luftzufuhr (nicht dargestellt) verbunden sind, um einen
Zwangsluftstrom durch diese zu erhalten. Selektiv
beabstandete Luftauslaßöffnungen 926 erstrecken sich durch die
Bodenfläche der Schlitzanordnung 910 und sind mit einem der
Luftkanäle 924 verbunden. Somit schwebt die
Schlitzanordnung 910 aufgrund der Größe, des Abstandes und der Anzahl
der Kanäle 926 und des auf die Kanäle 924 ausgeübten Drucks
knapp über der Oberfläche des zu inspizierenden Objekts
911. Wenn der Luftdruck konstant gehalten wird, bleibt der
Abstand zwischen der Inspektionsoberfläche 911 und der
Schlitzanordnung 910 im wesentlichen konstant.
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Figur 13 und 14 zeigen ein geeignetes Luftstromsystem 22
zur Entfernung von Wärme und Schliereneffekten von der
Beleuchtungsgerätanordnung 20. Ein typisches
Beleuchtungsgerät 20 kann Wärme in der Größenordnung von 3 Kilowatt
abgeben, wodurch ein Luftstrom von etwa 300 Kubikfuß pro Minute
(cfm&sup5;) erforderlich ist, um die Wärme ohne unannehmbaren
Temperaturanstieg der Abluft zu entfernen. Das Kühlsystem
22 umfaßt ein Gebläse 1301, einen Luftfilter 1302, einen
Lufteinlaßkanal 1303, Strömungslenkklappen wie 1407 und
1408 und Auslaßkanäle 1304.
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Flügel 1407' und 1408' dienen dazu, die Luft durch den
optischen Weg nach unten zu leiten. Sie liegen unmittelbar
außerhalb und parallel zu den Randstrahlen vom Objekt zu
der Betrachtungslinse 906. Es ist zu beachten, daß sie
etwas unter den elliptischen Reflektoren 901 und 902
vorstehen. Ein Betrachter auf der Linie des Beleuchtungsgeräts
sähe nur die Ränder der Flügel 1407 und 1408, da die Ebenen
dieser Flügel entlang der Sehstrahlen liegen, die in der
Mitte des Sehfeldes entspringen. Dadurch wird der Teil des
Himmels verkleinert, der aufgrund ihrer Gegenwart dunkel
-
&sup4; 1 psi = 0,069 bar
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&sup5; 1 Kubjkfuß pro Minute = 0,0284 Kubikmeter pro Minute
ist. Der Luftstrom, der von diesen Flügeln gelenkt wird,
dient zum Entfernen der warmen Wirbelluft von dem optischen
Weg zur Verringerung von Wärmegradienten entlang dem Weg
der Betrachtungsoptik und somit zur Minimierung der
Schliereneffekte. (Schliereneffekte sind die Brechung von
Lichtstrahlen aufgrund von thermisch bedingten Änderungen in dem
Brechungsindex der Luft, durch welche das Licht geht).
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Ein Merkmal der Konstruktion des Kühlsystems ist, daß der
Luftströmungsweg ausreichend luftdicht ist, so daß eine
wesentliche Abgabe von warmer Luft innerhalb der Maschine
verhindert wird. Die warme Luft wird aus der Maschine
hinausgeführt, so daß sie nicht zu Ungenauigkeiten in der
Leistung des optischen Abbildungssystems beiträgt.
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Eine weitere Anforderung in der Konstruktion des
Kühlsystems ist, daß die Lampenkolben nicht überkühlt werden
dürfen. Es ist bekannt, daß für eine lange Betriebsdauer einer
Wolfram-Halogenlampe die Wandtemperatur der Lampe nicht
unter etwa 250ºC fallen sollte, wenn das Filament volle
Betriebstemperatur aufweist. Wenn sich die Wand unter diesen
Wert abkühlt, kommt es zu einer Unterdrückung des
chemischen Zyklus, der abgelagertes Wolfram von der Lampenwand
zu dem Filament zurückbewegt. Dies führt dazu, daß die
Lampenwand schwarz wird und das Filament leicht durchbrennt.
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Das in Fig. 13 und 14 dargestellte Kanalmuster wurde
empirisch entwickelt, um diese Birnentemperaturanforderung zu
erfüllen, während gleichzeitig die Anforderung zur
Schlierenunterdrückung erfüllt wird.
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Eine alternative Anordnung zur Erfüllung der
Birnentemperaturanforderung besteht darin, den Birnenkolben mit einer
zusätzlichen Glasröhre zu umgeben, wie mit der
Infrarot-reflektierenden Glasröhre, die zuvor besprochen wurde. Die
Gegenwart dieser Röhre schützt den Lampenkolben vor der
direkten Einwirkung des Luftstroms, so daß die
Luftstromgeschwindigkeit
deutlich höher sein kann, ohne die Temperatur
des Lampenkolbens ungebührlich zu senken.
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Ein Systemkonstruktionsmerkmal, das für die effektive
Verwendung des Beleuchtungsgeräts 20 notwendig ist, ist eine
Vorrichtung, welche die Lichtstärke, die von jeder der drei
Lampen erzeugt wird, ausgleicht. Zur optimalen
Unterdrückung von Flecken auf rauhen Oberflächen sollten alle
Bereiche des Himmels über dem Beobachtungsbereich annähernd
eine gleichmäßige Helligkeit aufweisen. Eine Möglichkeit,
diese Helligkeit zu erzielen, ist die Anordnung einer
gleichmäßig diffus streuenden Probe in dem
Beobachtungsbereich, das einzelne Bedienen der Lampen und das Einstellen
der Lampenamplituden, so daß die Spitzenhelligkeit, die in
jedem Fall gesehen wird, einen vorgegebenen Wert erreicht.
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e. Inkohärentes Fluoreszenzbeleuchtungsgerät
-
Dies ist ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung.
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Die vorangehende Besprechung konzentrierte sich auf die
Verwendung einer fokussierten quasi-Lambertschen
Beleuchtung zur Unterdrückung von Oberflächenflecken auf
Materialien mit rauhen Oberflächen, die optisch inspiziert werden.
Eine alternative Möglichkeit, diesen Zweck zu erfüllen, ist
die Beleuchtung des pwb mit kurzwelliger Strahlung, zum
Beispiel im Bereich von 400 bis 500 nm, und die Betrachtung
der längerwelligen Strahlung, die aus der Fluoreszenz
resultieren kann, die durch die kurzwellige Strahlung
angeregt wird.
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Viele Arten von pwb-Substratmaterial fluoreszieren bis zu
einem bestimmten Grad, während reine metallische
Leiterflächen dies nicht tun, so daß ein derartiges Schema
Abbildungen mit hohen Kontrasten erzeugt, in welchen die Leiter
schwarz erscheinen und das Substratmaterial hell erscheint.
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Da die Leiter schwarz sind, verschwinden ihre
Oberflächenflecken. In einigen Fällen ist es praktisch, die
Fluoreszenzeffizienz des Substrats deutlich zu verstärken, wodurch
der Signal-Geräusch-Abstand verbessert wird, indem dem
Substrat ein Fluoreszenzfarbstoff hinzugefügt wird.
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Optische Inspektionssysteme, welche dieses Prinzip
anwenden, sind bekannt. Lincoln Laser Corporation verkauft eine
pwb-Inspektionsmaschine auf Fluoreszenzbasis, bei welcher
die Anregungsstrahlung durch einen 442 nm-Abtaststrahl von
einem Helium-Cadmium-Laser bereitgestellt wird. Eine
derartige Maschine wurde in U.S. Patent 4.556.903, erteilt am 3.
Dezember 1985 an Frank H. Blitchington und David B. Haught,
beschrieben.
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Die Verwendung eines Lasers zur Anregung der Fluoreszenz
hat mehrere Nachteile, die gelöst werden könnten, wenn es
möglich wäre, inkohärente Beleuchtung als Anreger zu
verwenden. Zu den Vorteilen der inkohärenten Beleuchtung
zählen:
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a. Inkohärente Lichtquellen sind weniger teuer als
Laserquellen, insbesondere in einem Vergleich, der auf den
Kosten pro Watt abgegebenem Licht beruht.
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b. Abbildungssysteme, die auf einer inkohärenten
Beleuchtung und Festkörperdetektoranordnungen beruhen, können
wirtschaftlicher als ein Laserabtaster mit einer hohen
Genauigkeit bei der Feststellung von Merkmalen hergestellt
werden, wegen all der Ungenauigkeitsquellen, die mit
beweglichen Teilen, wie sich drehenden polygonalen Spiegeln,
zusammenhängen, die allgemein in Laserabtastern verwendet
werden.
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c. Es ist einfacher, eine Wellenlängenflexibilität in einem
inkohärenten Beleuchtungsgerät zu erzielen als in einem
Laserbeleuchtungsgerät. Dies ist wünschenswert, da
verschie-dene
Materialien optimal auf verschiedene
Anregungswellenlängen reagieren.
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Die Schwierigkeit bei der Anwendung einer inkohärenten
Beleuchtung bei der fluoreszierenden pwb Inspektion bestand
darin, daß anscheinend zu wenig Licht für eine
Hochgeschwindigkeitsinspektion zur Verfügung stand.
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Die Systeme auf Laserbasis haben den Vorteil, daß der
gesamte, verhältnismäßig schwache Lichtausgang des Lasers
(etwa 10 mW) auf einen sehr kleinen Fleck (von nur einem
Bruchteil eines mil im Durchmesser) konzentriert werden
kann und ein großer Bruchteil des von diesem Fleck
ausgesendeten, fluoreszierenden Lichts von einer Detektoroptik
mit großer Apertur gesammelt werden kann. Licht von einer
Hochdruck-Kurzbogenlampe (der hellsten, gegenwärtig
verfügbaren inkohärenten Lichtquelle) kann im Prinzip nicht auf
eine Fläche konzentriert werden, die kleiner als der
Oberflächenbereich des Bogens ist (praktische Systeme können im
Prinzip Licht nur auf viel größere Flächen als jene der
Bogenoberfläche konzentrieren) und die Apertur der
Abbildungslinse, welche das fluoreszierende Licht sammelt, muß
für gewöhnlich klein genug sein, so daß 1% oder weniger der
fluoreszierenden Strahlung an die Sensoranordnung abgegeben
wird.
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Die Antragsteller haben erkannt, daß die möglichen Vorteile
des inkohärenten Fluoreszenzsystems erzielt werden können,
wenn eine inkohärente fluoreszierende Quelle mit einer oder
mehreren einer Gruppen von effizienzverstärkenden
Vorrichtungen kombiniert werden.
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Die erste solche Vorrichtung ist ein
Time-Delay-Integration-Sensor (TDI-Sensor), dessen Anwendung in. der
automatischen optischen Inspektion in der Folge besprochen
wird. Eine Möglichkeit, den Nutzen des TDI-Sensors zu
sehen, ist die Erkenntnis, daß er Licht effektiv von einer
Fläche sammelt, die eine vielfache Breite der auflösbaren
Pixel besitzt (Breiten von mindestens 64 Pixel). Wenn daher
das gesamte Licht von einer Fluoreszenz-anregenden Quelle
in einer Fläche konzentriert werden kann, die 64 mal der
Breite eines Pixeis entspricht, ist die Wirkung so gut, als
wäre das gesamte Licht in einer Pixelbreite bei einem
herkömmlichen linearen Anordnungssensor konzentriert. Dies
trägt viel dazu bei, die Schwierigkeit zu überwinden,
inkohärentes Licht auf eine kleine Fläche zu fokussieren.
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Ein weiteres effizienzverstärkendes Mittel ist ein System
mit konzentrierter Beleuchtung, wie das zuvor beschriebene.
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Figur 16a und 16b zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Fluoreszenz-Beleuchtungsgeräts, das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Dieses
Ausführungsbeispiel enthält ein konzentriertes
Beleuchtungssystem, das zur Verwendung mit einem im wesentlichen
linearen Betrachtungsbereich geeignet ist und auch einen
TDI-Sensor enthalten kann( Figur 16a ist ein Querschnitt in
der Mitte und Figur 16b ist eine perspektivische Ansicht
des Beleuchtungsgeräts.
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Der Bereich 1501 ist die Linie, die auf dem zu
inspizierenden Objekt beleuchtet werden soll. Wenn ein TDI-Sensor
verwendet wird, ist dieser Bereich etwa 2000 Pixel lang und 64
Pixel breit, wobei ein Pixel 0,001 Inches oder weniger
betragen kann, abhängig von der gewünschten Auflösung.
Kurzwelliges Licht wird in das Beleuchtungsgerät durch
Faseroptikbündel 1502 und 1503 gebracht, deren Ausgangsenden in
der in Fig. 16a dargestellten Ansicht schmal sind (z.B.
etwa 0,005 Inches hoch) und so breit wie die
Betrachtungslinie 1501 in die senkrechte Richtung zu dem Schnitt von
Figur 16a.
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Der Spiegel 1504 ist ein Schnitt eines elliptischen
Zylinders, mit den Brennpunkten auf Linie 1501 und an dem
Ausgangsende
des Faserbündels 1503. Der Spiegel 1504 kann
durch einen Schnitt eines kreisförmigen Zylinders genähert
werden, der annähernd der spezifizierten Ellipse
entspricht. Ebenso ist der Spiegel 1505 ein Schnitt eines
elliptischen Zylinders, mit den Brennpunkten auf dem
Ausgangsende des Faserbündels 1502 und auf Linie 1501, und
dieser Spiegel kann auch ein Segment eines kreisförmigen
Zylinders sein, der annähernd der optimalen Ellipse
entspricht.
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Die Linse 1506 ist die Betrachtungslinse, die eine
Fluoreszenzlicht-Abbildung von Linie 1501 auf dem Sensor (nicht
dargestellt) fokussiert. Dieser Sensor kann ein
herkömmlicher Festkörper-Lineardiodenanordnungssensor sein, kann
aber auch ein TDI-Sensor sein.
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Der Filter 1512 ist ein Filter, der das gesamte kurzwellige
Licht von der Quelle 1511 abhält, das von dem Substrat
direkt in die Linse 1506 gestreut werden könnte&sub1; und das
sichtbare Licht durchläßt, das aus der Fluoreszenz des
Substrats resultiert.
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Wie in Figur 16b dargestellt, sind die Faseroptikbündel
1502 und 1503 entlang ihrer Längen umgeformt, so daß ihre
Eingangsenden 1509 und 1510 annähernd kreisförmig sind.
Dadurch können die Eingangsenden der Fasern effizient mit
Licht beleuchtet werden, das von einer kurzwelligen
Lichtquelle erhalten wird, wie mit 365 nm Strahlung von einem
Hochdruck-Quecksilberbogen. Da die Einzelheiten der
Konstruktion von effizienten Beleuchtungsgeräten zur Erzeugung
kreisförmiger Lichtflecken allgemein bekannt sind, wurde
dieser Teil des Systems nicht ausführlich gezeigt, sondern
als Block 1511 dargestellt.
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Bei der Konstruktion dieses Systems ist es wichtig, daß ein
sehr großer Bruchteil des Lichts, das aus den Ausgangsenden
der Faserbündel 1502 und 1503 austritt, an den Bereich
abgegeben wird, der auf dem Detektor abgebildet wird. Eine
erste Anforderung, falls diese Zielsetzung erfüllt werden
soll, ist, daß die Bogenlänge der Spiegel 1504 und 1505 gut
auf den Divergenzwinkel von Strahlen, welche die
Faserbündel verlassen (siehe Figur 16A) abgestimmt ist, so daß die
Strahlen, welche die Bündel verlassen, von diesen Spiegeln
eingefangen und zu der Linie 1501 konvergiert werden. Da
der Divergenzwinkel von Strahlen, welche die Faserbündel
verlassen, im wesentlichen gleich den Konvergenzwinkeln der
eintretenden Strahlen ist, wird diese Anforderung erfüllt,
indem die optische Konstruktion der Lichtquelle 1511 auf
das Winkelmaß der Spiegel 1504 und 1505 abgestimmt wird.
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Eine zweite Anforderung in der Konstruktion der
Fluoreszenz-Beleuchtungsgeräte von Figur 16a und 16b ist, daß die
Breite der beleuchteten Linie 1501 nicht wesentlich größer
als der von dem Detektor betrachtete Bereich ist. Dies
erfordert wiederum, daß die Höhe des Ausgangsendes der
Faseroptikbündel 1502 und 1503 wesentlich kleiner als die
Breite des Bereichs 1501 ist. Dies verlangt wiederum eine
Begrenzung des Durchmessers der Eingangsenden 1509 und 1510
der Faserbündel
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Es ist nun allgemein bekannt, daß eine effizient
konstruierte Lichtquelle durch ein bestimmtes Maß gekennzeichnet
ist, welches das Produkt der Fläche des beleuchteten
Bereichs und dem Quadrat der numerischen Apertur des
konvergierenden Beleuchtungsstrahls ist. Wenn das gesamte
verfügbare Licht von einem Faserbogenlampenbeleuchtungsgerät
gesammelt werden soll, hat der Konstrukteur die Freiheit, ein
größeres Faserbündel bei einer kleinen NA oder ein
kleineres Bündel bei einer großen NA zu beleuchten, er kann aber
nicht sowohl die Fläche als auch die NA willkürlich wählen.
Da die Breite des Bereichs 1501 eine Spezifikation der zu
beleuchtenden Fläche impliziert, ist die NA des Lichts, das
in die Faserbündel eintritt, festgelegt. Da Licht in
demselben Winkel divergiert, wenn es die Faserbündel verläßt,
impliziert dies eine Anforderung an das Winkelmaß der
Spiegelbogen 1504 und 1505. Diese Bögen müssen lange genug
sein, so daß selbst bei der Begrenzung der Ausgangshöhen
der Bündel 1502 und 1503 im wesentlichen das gesamte Licht,
das von der Quelle 1511 abgegeben wird, an den Bereich 1501
abgegeben werden kann.
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Es trifft für gewöhnlich zu, daß Licht, das von dem Ende
jeder optischen Faser, welche das Bündel 1502 und 1503
bilden, austritt, annähernd konisch divergiert. Wenn die
Bündel etwa mit derselben Breite wie der Länge der zu
beleuchteten Linie hergestellt werden, was für die Effizienz und
Gleichmäßigkeit der Beleuchtung wünschenswert ist, strahlen
die Fasern in der Nähe der Enden des Bereichs 1501 einen
wesentlichen Teil ihres Ausgangs in Richtungen, welche die
Strahlen, die von den Spiegeln 1504 und 1505 fokussiert
werden, in Flächen über den Bereich 1501 hinaus tragen
würden. Aus diesem Grund sind Endspiegel 1507 und 1508
vorgesehen, die solche Strahlen zurück zu Bereich 1501 lenken.
Es ist für den Fachmann in der optischen Konstruktion
offensichtlich, daß die Wirkung der Spiegel 1507 und 1508
darin besteht, im wesentlichen die gesamte Strahlung
einzufangen, die von den Bündeln 1502 und 1503 stammt, und diese
zu dem Bereich 1501 zu lenken, wo sie nützlich ist.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel des
Fluoreszenz-Beleuchtungsgeräts der vorliegenden Erfindung ist schematisch in
Figur 17a dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel ist
ebenso zur Erzielung einer effizienten Beleuchtung eines im
wesentlichen linearen Bereichs 1601 ausgebildet. Es
unterscheidet sich von dem System von Figur 16 vorwiegend darin,
daß eine zylindrische Linse 1604 anstatt der Spiegel 1504
und 1505 verwendet wird. Licht wird dem System von einer
kurzwelligen Lichtquelle (nicht dargestellt) durch ein
einziges Faserbündel 1602 mit einer Ausgangsform zugeführt,
die wie jene von Bündel 1502 und 1503 in der Ebene des
dargestellten Querschnitts kurz ist, aber in die senkrechte
Richtung eine Breite aufweist, die annähernd gleich der
Länge des beleuchteten Bereichs 1601 ist.
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Der Strahlenteiler 1612 ist dichroitisch, was bedeutet, daß
er so konstruiert ist, daß er bei den kurzen Wellenlängen,
die zur Anregung der Fluoreszenz verwendet werden, nahezu
100% reflektierend ist und bei den längeren Wellenlängen
des zu betrachtenden fluoreszierenden Lichts nahezu 100%
durchlässig ist.
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Die Linse 1606 erzeugt eine Abbildung des Bereichs 1601 auf
einem Sensor, nicht dargestellt, der ein TDI-Sensor sein
kann.
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Die Forderung nach einer Übereinstimmung des Maßes betrifft
die Linse 1604 auf dieselbe Weise, wie sie die Größe der
Spiegel 1504 und 1505 betroffen hat.
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In dem System von Figur 17a sind Endspiegel (nicht
dargestellt) aus demselben Grund vorgesehen, aus dem sie in
Figur 16a und 16b vorgesehen sind.
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f. Kombinationsbeleuchtungsgeräte
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Das in Figur 6 dargestellte Beleuchtungsgerät kann
modifiziert werden, so daß es entweder im Fluoreszenz- oder
sichtbaren Modus arbeitet. Dies erfolgt, wie in Figur 17b
dargestellt. Die Anordnung und Art aller Bauteile in diesem
Beleuchtungsgerät ist im wesentlichen gleich wie bei dem
Beleuchtungsgerät mit sichtbarem Licht, das in Figur 6
dargestellt ist. Die Änderungen sind folgende:
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luftgekühlte Glühlampen 908 und 909 werden durch
wassergekühlte Quecksilberkapillarbogenlampen 1601 und 1602 ersetzt
und es werden entfembare Filter 913 und 914 hinzugefügt.
Zusätzlich ist der Strahlenteiler 904 entfernbar.
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Die Filter 913 und 914 sind eingesetzt, um das sichtbare
Licht von den Lampen 1601 und 1602 abzuhalten, so daß nur
Licht mit kurzer Wellenlänge (weniger als 500 nm) auf das
Substrat auftreffen kann. Wenn dieses Beleuchtungsgerät im
Fluoreszenzmodus arbeitet, ist die Lampe 907 ausgeschaltet
und die Filter 913, 914 und 915 sind eingesetzt.
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Der Filter 915 ist ein Filter für sichtbares Licht, der das
fluoreszierende Licht durchläßt und das Licht mit kurzer
Wellenlänge, das durch die Filter 913 und 914 hindurchgeht,
blockiert.
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Wenn dieses Beleuchtungsgerät im quasi-Lambertschen Modus
für sichtbares Licht arbeitet, werden die Filter 913 und
914 entfernt oder durch Filter für sichtbares Licht
ausgetauscht, der Strahlenteiler 904 wird eingesetzt und die
Lampe 907 eingeschaltet.
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Dieses Beleuchtungsgerät ermöglicht die Inspektion eines
einzelnen Substrats der Reihe nach im sichtbaren Modus und
im Fluoreszenzmodus. Das System findet dann einen separaten
Satz von Defekten in jedem Modus, wobei jeder Satz von
Defekten einen bestimmten Anteil an vlfalschentv Defekten
enthält (Defekten, die von dem System erkannt werden, aber
nicht wirklich vorhanden sind)
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Zum Beispiel können im sichtbaren Modus "falsche" Defekte
aus tiefen Kratzern im Kupfer oder dunklen Oxidflecken auf
dem Kupfer resultieren, die beide als Brüche in einem
Leiterzug gesehen werden können. Ebenso- kann im
Fluoreszenzmodus ein Staubteuchen, das über einem Leiterzug liegt,
fluoreszieren, was dazu führt, daß die Maschine einen Bruch
anzeigt.
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Aufgrund der sehr unterschiedlichen Art der sichtbaren und
fluoreszierenden Abbildungsabläufe liegen die "falschen"
Defekte, die bei jeder Inspektion auftreten, in nahezu
nicht überschneidenden Sätzen. Wenn daher die Ergebnisse
der beiden Inspektionen durch eine logische Operation
laufen, die einen Defekt als nicht echt erkennt, wenn dieser
nicht in beiden Inspektionen festgestellt wird, wird der
größere Teil der "falschen" Defekte beseitigt, wodurch fast
alle echten Defekte zurückbleiben.
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g. Schwarzes Oxid
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Das Beleuchtungsgerät, das in Figur 6 dargestellt ist, ist
zur Inspektion heller Kupferleiterzüge gut geeignet. Es ist
jedoch nicht imstande, eine Abbildung mit starkem Kontrast
bei Leiterplatten zu liefern, in welchen das Kupfer mit
einer Oxidschicht, für gewöhnlich entweder schwarz oder
braun, bedeckt wurde.
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In diesem Fall reflektiert das Kupfer fast nicht und
scheint dunkel, mit Ausnahme eines gelegentlich hellen
Punkts, wo die Oxidschicht nicht durchgehend ist.
Tatsächlich erscheint das Substrat (für gewöhnlich FR-4) heller
als das mit Oxid bedeckte Kupfer.
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In dieser Variante der grundlegenden Erfindung wird diese
Neigung der Substrate, heller als das Oxid zu erscheinen,
verwendet, um eine Abbildung mit starkem Kontrast zu
erzeugen, in der das FR4-Substrat heller als die Leiterzüge
erscheint.
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Mit neuerlicher Bezugnahme auf Figur 9 ist ersichtlich, daß
die Kombination aus Beleuchtung mit hoher NA und ohne
Schlitz ein ziemlich helles FR4 erzeugt. Das Hinzufügen
einer Beleuchtung mit hoher NA erhellt das Oxid nicht
nennenswert, so daß eine Abbildung mit starkem Kontrast
entsteht, in der das FR4 heller als das schwarze Oxid ist. Zur
Vermeidung spiegelnder Reflexionen von gelegentlich hellen
Punkten auf dem Kupfer (fehlendes Oxid) wird die obere
Lampe 907 abgeschaltet und der Strahlenteiler 904
zurückgezogen.
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Die Entfernung des Strahlenteilers liefert einen
zusätzlichen Faktor von Zwei in der Sammelleistung von Licht von
den übrigen beiden Lampen.
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Somit ist die Beleuchtungsgerätkonfiguration, die zur
Inspektion von Oxiden auf Kupfer verwendet wird, mit jener
von Figur 6 identisch, mit der Ausnahme, daß der Schlitz
910 und der Strahlenteiler 904 entfernt wurden.
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h. Gesamtes optisches System
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In Figur 18 ist das räumliche Verhältnis zwischen den
Hauptelementen des optischen Systems der vorliegenden
Erfindung dargestellt, mit einer Konfiguration zur Inspektion
von zwei parallelen Wegen auf der zu inspizierenden
Oberfläche. Während hier zwei optische Betrachtungswege
dargestellt sind, kann jede Anzahl solcher Wege von 1 bis N
bereitgestellt werden. Für den Fachmann in der optischen
Technik sollte offensichtlich sein, daß die Konfiguration
erweitert werden kann, um gleichzeitig so viele parallele
Wege wie gewünscht zu inspizieren. In der restlichen
Besprechung des Beleuchtungsgeräts 20 wird hierin nur ein
einziger Inspektionsweg auf der zu inspizierenden
Oberfläche der Einfachheit wegen angesprochen.
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In Figur 18 ist eine Befestigungsplatte 806 für optische
Bauelemente dargestellt, an der alle Bauteile, die in
dieser Figur gezeigt werden, befestigt sind, mit Ausnahme der
Schlitzanordnung 910 und des Beleuchtungsgeräts 20. Die
Befestigungsplatte 806 für optische Bauelemente ist
ihrerseits an einer feststehenden, verhältnismäßig
schwingungsfreien Oberfläche (nicht dargestellt) durch biegsame
Parallelogrammträger 807 und 808 befestigt. Diese beschränken
die Bewegung der optischen Bauelemente auf die senkrechte
(z)
Richtung zur Fokussierung. Ebenso ist die
Schlitzanordnung 910 unter dem Beleuchtungsgerät 20 an derselben
feststehenden, verhältnismäßig schwingungsfreien Oberfläche
(nicht dargestellt) durch einen biegsamen Träger 810
befestigt. Die Schlitzanordnung ist einzeln an der Oberfläche
befestigt, so daß sie auf ihrem integrierten Luftlager über
der zu inspizierenden Oberfläche schweben kann, die sich
nur in eine senkrechte Richtung bewegt.
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Zwischen dem Schlitz 910 und der optischen Platte 806 ist
ein LVDT-Sensor angeordnet, der die relative Anordnung der
beiden erfaßt. Das Signal vom LVDT wird von einer
fokussierenden Servoregelung verwendet, welche die optische Platte
806 zur Fokussierung der optischen Bauelemente bewegt.
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Das Beleuchtungsgerät 20 ist ebenso an derselben
feststehenden Oberfläche befestigt, an welcher der Schlitz und die
optische Platte befestigt sind. Es ist durch Gelenkträger
810 befestigt. Das Beleuchtungsgerät wird zur Anpassung an
verschiedene Plattendicken in eine senkrechte Richtung
bewegt. Seine Tiefenschärfe ist jedoch ausreichend, so daß es
feststehend bleiben kann, während eine bestimmte Gruppe von
pwb's inspiziert wird.
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Beginnend mit der unteren Seite von Figur 18 ist ein
doppelt langes Beleuchtungsgerät 20 mit zwei
Betrachtungsfenstern 905 in seiner oberen Platte dargestellt. Darüber und
in Ausrichtung mit den Betrachtungsfenstern 905 befinden
sich Sensorlinsen 906 und 906'. Der Bildlichtweg von jeder
der Linsen 906 und 906' geht nach oben zu den Spiegeln 802
bzw. 803, wo der Bildlichtweg um 450 geschwenkt wird, wobei
er parallel zu der Befestigungsplatte 806 für die optischen
Bauelemente bleibt. Jeder der Bildlichtwege wird zu Spiegel
804 bzw. 805 fortgesetzt. Der obere Weg wird wieder um 450
geschwenkt, so daß er nun senkrecht ist und von der
Befestigungsplatte 806 weggeht. Der untere Weg wird nach unten
und dann senkrecht zu der Platte nach außen gelenkt. Jeder
der Bildlichtwege erreicht dann den entsprechenden
Bildsensor 800 und 801. Das Bild wird von jedem der Sensoren 800
und 801 in elektrische Signale umgewandelt, die von dem
Bildprozessor 25 verarbeitet werden.
Kritische Beleuchtung mit TDI-Sensor
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Figur 28 ist eine schematische Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels eines Beleuchtungsgeräts der
vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel strahlt die
Lichtquelle Licht aus, das nicht im wesentlichen
gleichmäßig ist. Das Filament 338 einer nicht gleichmäßig
strahlenden Lichtquelle liefert die Beleuchtung, die von der Linse
336 auf den Strahlenteiler 340 konzentriert wird. Der
Strahlenteiler 340 reflektiert einen Teil des Lichts vom
Filament 338 nach unten durch eine Objektivlinse 334,
welche es auf ein Substrat 330 als Abbildung 332 fokussiert.
Der Strahlenteiler 340 überträgt zusätzlich einen Teil des
Lichts nach oben zu dem TDI-Sensor 344. Die Abbildung 332
auf dem Substrat 330 wird auch durch die Linse 334 und den
Strahlenteiler 340 nach oben reflektiert und auf dem TDI-
Sensor 344 fokussiert. Somit ist die Abbildung 342 auf dem
TDI-Sensor 344 eine Überlagerung der reflektierten
Abbildung 332 auf dem Substrat 330 und eine Projektion des
Filaments 338 (siehe Figur 29). Die optischen Bauelemente in
diesem Ausführungsbeispiel werden zur Erzeugung einer
Abbildung des Filaments 338 auf dem Substrat 330 in einer
Konfiguration gewählt, die in der Technik als kritische
Beleuchtung bekannt ist.
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Dieses Ausführungsbeispiel nützt die
Lichtintegrationsfähigkeit eines TDI-Sensors. Durch synchrones Abtasten von
Substrat 330 mit der TDI-Sensor-Pixelabtastung werden die
räumlichen Ungleichmäßigkeiten der Quelle 338 in Richtung
der Abtastung gemittelt. Diese Technik ermöglicht, wenn sie
mit einem TDI-Sensor gekoppelt wird, die Verwendung
verschiedener ungleichmäßiger Beleuchtungsquellen mit nur
geringfügigen Modifizierungen bei dem optischen System, das
in Figur 28 dargestellt ist.
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Beim Abtasten eines Substrats 330 in Kombination mit einem
einreihigen Sensor ist für gewöhnlich notwendig, daß die
Quelle zeitlich konstant ist, mit einer Toleranz, die von
der zulässigen Variation von Pixel zu Pixel abhängt. Die
Verwendung eines TDI-Sensors ermöglicht die Verwendung von
Lichtquellen, die zeitlich nicht konstant sind. Beispiele
für solche Lichtquellen können Gasentladungslampen sein,
die mit Wechselstrom gespeist werden, oder ein Laserstrahl
346 (siehe Figur 30).
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Bei Verwendung eines Laserstrahls wird nur eine kleine
Fläche zu jedem Zeitpunkt beleuchtet, wobei der Strahl rasch
in eine senkrechte Richtung zu der effektiven
Substrat-Abtastrichtung abgetastet wird. In Figur 30 ist ersichtlich,
daß der Strahl einen Bogen abtastet, wobei aber die
Datenausgabe dennoch ein geradliniges Format aufgrund der
geradlinigen Geometrie des TDI-Sensors aufweist. Somit liegt ein
weiterer Vorteil der Verwendung von TDI-Sensoren in ihrer
Fähigkeit, Bilddaten in einem Format zu präsentieren, das
im wesentlichen besser zur Bildverarbeitung geeignet ist,
als jenes, das für gewöhnlich unter Verwendung von
ungleichmäßigen Lichtquellen erhalten wird.
TDI-Sensor
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Ein Zeitverzögerungsintegrations- (TDI-) Sensor wird
realisiert, indem eine sich bewegende Abbildung auf eine
ladungsgekoppelte Vorrichtungs- (CCD-)
Lichtwahrnehmungsanordnung fokussiert wird. Die CCD besteht aus einer
zweidimensionalen Anordnung von lichtempfindlichen Bereichen oder
Photostellen. Wenn Photone in eine Photostelle eintreten,
werden Elektronen freigesetzt. Die Elektronen wandern zu
möglichen Energiemulden, die durch Taktleitungen erzeugt
werden, die sich auf der Fläche der Anordnung befinden.
Sobald sich in den Photostellen eine Ladung angesammelt hat,
kann sie zu benachbarten Photostellen bewegt werden, indem
die Spannung auf den Taktleitungen verändert wird. Ein
wiederholtes periodisches Durchlaufen der Taktleitungen bewegt
die Ladung in einer bestimmten Photostelle zu einem
Ladungs/Spannungswandler, wo sie von dem Sensor als Spannung
ausgelesen wird.
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Der TDI nutzt die Tatsache, daß, wenn Ladungspakete von
Photostelle zu Photostelle durch periodisches Durchlaufen
der Taktspannungen wie zuvor beschrieben übertragen werden,
die Photostelle Elektronen erzeugt, die das Ladungspaket
vergrößern, das sich zu diesem Zeitpunkt an der Photostelle
befindet. Im TDI werden die Ladungspakte über die Anordnung
bewegt, so daß, während sich eine Abbildung eines Merkmals
über die Anordnung bewegt, die von diesem Merkmal erzeugte
Ladung dasselbe Ladungspaket vergrößert. Im Prinzip wirkt
die Anordnung wie ein Liniensensor mit einer
Expositionszeit, die um einen Faktor gleich der Pixelanzahl in der
TDI-Dimension größer ist.
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Die Anwendung des TDI zur Inspektion ist reizvoll, da
Inspektionsverfahren häufig in bezug auf das Licht begrenzt
sind. Die Inspektionsgschwindigkeit eines Liniensensors
wird durch den erforderlichen Signal-Geräusch-Abstand und
die verfügbare Lichtmenge bestimmt. Da das Signal zu dem
Produkt von Lichtenergie und Zeit proportional ist, besteht
die einzige Möglichkeit, den erforderlichen
Signal-Geräusch-Abstand bei einer begrenzten Lichtenergie zu
erzielen, darin, die Integrationszeit zu erhöhen, wodurch die
Inspektionsgeschwindigkeit gesenkt wird. Aufgrund seiner
zeitverschachtelt arbeitenden Struktur ermöglicht der TDI,
daß die Integrationszeit erhöht wird, ohne die Inspektion
zu verlangsamen. Er ermöglicht auch eine Inspektion mit
einer Dunkelfeldbeleuchtung und Fluoreszenzbeleuchtung, also
mit Techniken, die für gewöhnlich in bezug auf das Licht
begrenzt sind.
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Damit die Ausgabegeschwindigkeit des Sensors mit der hohen
Lichtsammelgeschwindigkeit kompatibel bleibt, werden
mehrere Ausgabeabgriffe verwendet. Dadurch wird verhindert,
daß die Ausgabedatenübertragungsgeschwindigkeit bei jedem
Abgriff zu groß wird. Die besondere
TDI-Sensorkonfiguration, die von den Antragstellern für ihre Anwendung gewählt
wurde, besteht aus sechzehn Segmenten, wie in Figur 19
dargestellt ist. Insbesondere ist der gewählte TDI-Sensor ein
64x2048 CCD-Bildsensor mit 64 Reihen in der TDI-Dimension
und 2048 Spalten in der MUX-Dimension, der im
Zeitverzögerungsintegrations- (TDI-) Modus läuft, wie in Figur 20
dargestellt ist.
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Während des Betriebs werden die Spalten nach oben oder
unten zu Serienschieberegistern an der Oberseite oder
Unterseite der Anordnung verschoben. "Nach oben" und "nach
unten" bezeichnet die Parallelverschiebungen einer Reihe in
der TDI-Dimension. Die Serienschieberegister haben 16
Abgriffe, einen alle 128 Elemente. Jeder Abgriff hat eine 8
MHz Ausgabedatenübertragungsgeschwindigkeit. Das
Schieberegister an der Oberseite verschiebt nach links und das
Schieberegister an der Unterseite verschiebt nach rechts,
wenn auf die Vorderseite des Chips geblickt wird, wie in
Figur 19 dargestellt. Ein solcher Sensor verwendet eine an
der Vorderseite beleuchtete Konstruktion mit 4-Phasen und
versenktem Kanal. Die Spezifikationen des von den
Antragstellern gewählten Sensors sind, wie zuvor angegeben, mit
einer Einzelpixelgröße von 27x27 um; einer
Ausgabeempfindlichkeit von 1 O&sub3;v/e; einer CTE von mehr als 0,99995 bei
einer Liniengeschwindigkeit von 60K Linien/Sec, einer
Datenübertragungsgeschwindigkeit von 8M Pixel/Sec bei einem
Lichtpegel von 500K Elektronen; wobei der Dynamikbereich am
Ausgang größer ist als 1250:1, gesättigtes Signal zu
Einzelpixel-Effektivwertgeräusch, gemessen bei einer 8 MHz
Taktfrequenz mit einem minimalen Probenfenster von 15 ns;
einem Dunkelstrom von weniger als 1% Sättigung bei 25ºC
einer 8 MHz Pixelrate; und einer
Spaltenreaktionsungleichmäßigkeit
von 10% innerhalb jedes Abgriffs und von 15% von
Abgriff zu Abgriff.
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Bevor fortgefahren wird, sind einige Definitionen
notwendig. "Dunkle" und "helle" Linien werden im Sinne von zwei
Bestrahlungswerten definiert, einem "hellen" Wert L und
einem "dunklen" Wert D. Wenn eine große Fläche gleichmäßig
mit dem Wert L bestrahlt wird, ist die Reaktion jedes
Pixels RL. Wenn eine große Fläche gleichmäßig mit dem Wert D
bestrahlt wird, ist die Reaktion jedes Pixels RD. Für jeden
von acht Fällen wird eine Linie als ein räumliches Muster
von hellen Werten L und D definiert und die Reaktion der
Pixel wird im Sinne von RL und RD definiert. Figur 21a bis
21j zeigen die Modulationsspezifikationen des gewählten
TDI-Sensors in graphischer Form. In jeder dieser Figuren
ist die Reaktion des TDI-Sensors auf verschiedene
eingegebene Beleuchtungsmuster dargestellt. In Zusammenfassung der
Modulationsspezifikationen muß die Modulation, wie zuvor
definiert (Formel in Fig. 21c), größer als 60% sein, wenn
eine Linie mit einfacher Pixelbreite auf der mittleren
Reihe oder Spalte abgebildet wird. Wenn sie auf einer
Grenze zwischen Reihen oder Spalten abgebildet wird, muß
die Modulation größer als 40% sein. Ebenso zeigt Figur 22
die minimale annehmbare QE (Quantenausbeute) des gewählten
TDI-Sensors.
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Figur 23 ist ein Blockdiagramm der Bildaufnahmeelektronik,
einschließlich des TDI-Sensors 206, die dem Sensorblock 24
von Figur 1 entspricht. In der Bildaufnahmeelektronik ist
ein Sekundärprozessor 200 enthalten, der unter anderen
Operationen vier Datenworte (Dglos, Dglgn, Ddygn und Ddyos)
erzeugt, die Eingangssignale für jedes Segment des
TDI-Sensors zu den globalen Verstärkungs- und Versetzungsstufen
und den dynamischen Verstärkungs- und Versetzungsstufen
liefern, wie in der Folge besprochen wird. Ebenso enthalten
sind ein Phasenregeikreis 202, ein Taktgeber 204 und der
TDI-Sensor 206. Für jedes Segment des TDI-Sensors 206 ist
eine getrennte und identische Ausgangsschaltung vorgesehen,
wobei nur eine der 16 in dieser Figur dargestellt ist.
Jeder dieser Teile der Bildaufnahmeelektronik enthält einen
Faktor 2-Multiplizierer 208, Abtastschalter 210 und 212,
Kondensatoren 246 und 248, Puffer 214, 216, 220 und 242,
Addierer 218, 222 und 228, Multiplizierer 224 und 226, DACS
230-236, RAMS 238 und 240 und einen Parallel-A/D-Wandler
244.
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Der Sensor 206 hat 16 Segmente, wie zuvor besprochen wurde,
mit einem unterschiedlichen Ausgangssignal von jedem dieser
Segmente. In dieser Figur ist die Schaltung zur
Verarbeitung nur eines dieser Ausgangssignale dargestellt, da jede
der Sensorausgangssignal-Verarbeitungsschaltungen gleich
ist. Das Sensorausgangssignal wird zuerst zu einem mal 2-
Multiplizierer 208 geleitet, um das Signal zu verstärken,
dann wird das verstärkte Signal zu den beiden Abtast-Halte-
Schaltungen geleitet. Der obere Abtast-Halte-Weg (Elemente
210, 214 und 248) tastet das Signal Pixel für Pixel ab, um
das Takt- und Rücksetzgeräusch zu beseitigen, das zwischen
Pixeln auftritt. Der untere Abtast-Halte-Weg (Elemente 212,
216 und 246) tastet einen dunklen Referenzwert ab, der
während der Linienübertragungszeit zwischen jeder Gruppe von
128 Pixeln auftritt, die aus dem Sensorabgriff erscheint.
Der Unterschied dieser beiden Signale wird dann durch einen
Differentialverstärker (Elemente 218 und 220) erzeugt, was
ein Videosignal ergibt, das im wesentlichen frei von
Abweichungsfehlern aufgrund von thermischen oder anderen
Änderungen in dem Dunkelausgangswert des Sensors ist. Dieses
Differenzsignal wird dann von dem Puffer 220 gepuffert und
zu der Kaskade von Addierern 222 und 228 gesteuert,
zwischen welchen auch Multiplizierer 224 und 226 in einer
Kaskade angeordnet sind. Diese Elemente, gemeinsam mit den
DACS 230-236 und den RAMS 238 und 240 sind die
Kalibrierschaltung. Die Aufgabe dieses Teils der Schaltung ist die
Entfernung von Anomalitäten in der Abbildung, die auf eine
ungleichmäßige Beleuchtung oder eine ungleichmäßige
Empfindlichkeit
des Sensors zurückzuführen sind, und liefert
ein standardisiertes Signal am Ausgangsteil des Addierers
228. Die Schwankungen in dem standardisierten Signal
sollten dann nur das Ergebnis von Schwankungen in dem vom
Inspektionssystem beobachteten Objekt sein.
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Die Kalibrierschaltungen sorgen für eine Korrektur der
globalen und dynamischen Verstärkung und Versetzung, die
vorhanden sein kann. Die globalen Verstärkungs- und
Versetzungssignale sind Gleichstromsignale, die sehr große
Änderungen im Verstärker bewirken, um sich stark
unterschiedlichen Objekten anzupassen, die vom System inspiziert werden.
Zum Beispiel haben verschiedene Arten von pwb's sehr
unterschiedliche Kontraste zwischen Kupfer und Substrat oder
Photoresist und Substrat. Somit ist es notwendig, daß die
Verstärkung des Verstärkers über einem großen Bereich
variiert werden kann, so daß es möglich ist, jedes vorgefundene
Objekt zu inspizieren. Die Eingangssignale zu den DACs 230
und 232 werden als Reaktion auf Signale von der Haupt-CPU
26 (Figur 1) erzeugt, wenn diese zu Beginn das zu
inspizierende Objekt betrachtet, um zu garantieren, daß ein
ausreichender Kontrast zur Durchführung der Inspektionsaufgabe
besteht.
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Die globalen Kalibrierschaltungen sorgen gleichzeitig für
große Änderungen in der Verstärkung und Versetzung aller 16
Kanäle. Dadurch kann die Haupt-CPU die Kalibrierschaltungen
programmieren, um einer Vielzahl von inspizierbaren
Objekten gerecht zu werden, deren Hintergrundhelligkeit und
Kontrast stark unterschiedlich sein können. Die richtigen
globalen Verstärkungs- und Versetzungskalibrierungen werden
empirisch vor Beginn einer Inspektion bestimmt und bleiben
während des Inspektionsverfahrens konstant.
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Die dynamische Verstärkungs- und Versetzungsschaltung führt
eine Korrektur von Pixel zu Pixel durch. Der Bereich dieser
Schaltung ist im Vergleich zu den globalen Korrekturblöcken
viel stärker eingeschränkt. Sie kann eine Variation in der
Verstärkung oder Versetzung von bis zu + 20% korrigieren,
läuft aber bei einer sehr hohen Geschwindigkeit, da jedes
Pixel verändert werden muß. Dies ist die Schaltung, die
Ungleichmäßigkeiten in der Beleuchtung oder der Reaktion des
Sensors 206 korrigiert. Sie wird mit einem Bild einer
"schwarzen" Referenzfläche und einer "weißen"
Referenzfläche kalibriert, die auf dem Koordinatentisch 12 angeordnet
sind. Im Idealfall sollten die Referenzbilder vollständig
gleichmäßig erscheinen, was aber wegen der
Ungleichmäßigkeiten nicht der Fall ist. Der Hauptrechner erfaßt die
Reaktionen und lädt dann angemessene Korrekturen in den
Prozessor 200, wo die zuvor erwähnten "D"-Signale erzeugt und
dann zu den RAMs 238 und 240 gesteuert werden, so daß die
Korrektur jedes der Pixel auf seinen erforderlichen
Nennwert ausgeführt wird. Das Signal von Puffer 220 wird dann
durch Subtrahieren seiner globalen Versetzung, dividiert
durch die globale Verstärkungskorrektur, multipliziert mit
der dynamischen Verstärkungskorrektur und Addieren der
dynamischen Versetzung korrigiert. Das korrigierte Signal von
Addierer 228 wird dann zu dem Puffer 242 gesteuert und dann
zu dem Parallel-A/D-Wandler 244. Die Übertragungsfunktion
der Kalibrierschaltungen, die in dieser Anwendung verwendet
werden, ist wie folgt:
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G.L. = 44,74 - ,100DYOS
+ (19 . 20 x 10&sup6; (801,7 x 10&supmin;&sup6; + 1,578 x 10&sup6; DDYGM)
(V in 2,552 x 10&supmin;³ DGLOS) / DGLGM)
(1)
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wobei:
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G.L. = Graupegel aus dem A/D-Wandler (dezimal) 0-63
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DDYOS = dynamische Versetzungskorrektur (dezimal) 0-255
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DDYGM = dynamische Verstärkungskorrektur (dezimal) 0-255
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DGLOS = globale Versetzungskorrektur (dezimal) 0-255
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DGLGM = globale Verstärkungskorrektur (dezimal) 100-1023
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VIN = analoge Ausgabe der Abtast-Halte-Schaltung (Volt)
Jedes Segment des TDI-Sensors 206 wird von der
Phasenregelkreisschaltung 202 über den Zeitgeber 204 gesteuert. Die
von dem TDI-Sensor benötigten Ausgangssignale sind in dem
Zeitstaffelungsdiagramm von Figur 24 dargestellt. Es gibt
im wesentlichen drei Klassen von Taktsignalen. Es gibt
Phase-"C"-Takte, welche die Ladung in die TDI-Richtung
verschieben, und die Phase-"A"- und "B"-Takte, welche die
Ausgabeschieberegister antreiben, welche die Signale nach der
Abbildung aus der Anordnung schieben. Nur eine Gruppe der
Phase-"A"- oder "B"-Takte sind zu einem bestimmten
Zeitpunkt aktiv. Phase-"C"-Takte sind freilaufende Takte, die
miteinander, wie in Figur 24 dargestellt, in Beziehung
stehen. Wenn Ladung vom TDI-Abschnitt der Anordnung verschoben
wird, dem optisch empfindlichen Abschnitt der Anordnung,
wird sie zu einem der beiden Schieberegistern übertragen,
dem "A"- oder "B"-Register, und zu jedem der sechzehn
Abgriffe in der Konstruktion der vorliegenden Erfindung
übertragen. Die Phase-"A"- und -"B"-Takte sind die Takte,
welche diese Ladungsübertragung zu den
Ausgangsladungs/Spannungswandlern erzeugen. Die Phase-"A"- und -"B"-
Takte sind ein Vierphasentakt, wobei jedes Signal der Reihe
nach in der Phase um 90º zu dem vorangehenden verschoben
ist, wodurch der TDI-Sensor als Vierphasenvorrichtung
bezeichnet ist.
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Neben den Phase-"A"- und -"B"-Takten, welche die Ladung aus
der Anordnung schieben, gibt es auch einen
Rücksetzgattertakt und dieser wird als Phase-"RGA"- oder "RGB"-Signal für
das "A"- bzw. "B"-Register bezeichnet. Dies sind im Prinzip
freilaufende Takte, welche die Ausgabeverstärker auf dem
Sensorchip zwischen jedem Pixel auf bekannte Pegel
zurücksetzen. Bei Betrachtung der Kodiersignale in dem
Phasenregelkreisblock 202 kann die Richtung, in welche sich der
Koordinatentisch 12 in die X-Richtung bewegt, bestimmt
werden, was somit die Wahl des richtigen der "A"- und
"B"-Register in dem Sensor 206 veranlaßt. Die "A"- und
"B"-Register befinden sich an jeder Seite der Längsachse der
Anordnung.
Das Abbild wird synchron mit dem Weg, auf dem die
Signalladung bewegt wird, über die Anordnung bewegt. Um
beiden Abtastrichtungen zu entsprechen, muß Ladung in beiden
Richtungen verschoben werden, und daher sind
Ausgaberegister an beiden Seiten der Anordnung notwendig, von welchen
nur eine Gruppe zu einem bestimmten Zeitpunkt aktiv ist.
Somit muß die Richtung, in welche das Substrat abgetastet
wird, mit jener übereinstimmen, die in dem Phasenregelkreis
202 dekodiert wird.
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Der Sensor 206, der in der Anwendung der Antragsteller
verwendet wird, ist 2048 Pixel lang und da sich sechzehn
Abgriffe auf der Anordnung befinden, sind diese Abgriffe alle
128 Pixel angeordnet. Wenn die Phase-"A"- und -"B"-Takte
inaktiv sind, wird die Signalladung von dem TDI-Abschnitt
der Anordnung eingeschoben. Dann werden die "A"- und -"B"-
Takte gegebenenfalls angeregt, um jene 128 Pixel pro
Abgriff zu dem Ausgabeverstärker für diesen Abgriff
hinauszuschieben. Dann werden die Takte wieder angehalten und die
nächste Pixelsammlung von dem TDI-Abschnitt der Anordnung
wird eingeschoben und das Muster wiederholt. Die Perioden,
in welchen die "A"- und "B"-Phasen-Takte inaktiv sind, sind
als Übertragungszeit definiert. Der TDI-Sensor sammelt
permanent Daten und schiebt die Daten während der
Übertragungszeit in Paketen hinaus.
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An der Oberseite des Zeitstaffelungsdiagramms von Figur 24
sind zwei Serien von Nummern, ein Satz ohne Klammern und
der andere Satz in Klammern. Der Zeitgeber 204 in der
Ausführung der Antragsteller wurde durch binäre Zähler
implementiert, die einen PROM antreiben, der die Ausgangssignale
von dem Zähler dekodiert und die Taktsignale erzeugt, die
in Figur 24 dargestellt sind. Die Nummern in Klammern sind
der Zählerausgang, welcher jedem Zeitinkrement in dem
Zeitstaffelungsdiagramm entspricht. Die Nummern ohne
Klammer sind willkürliche Zustandszuordnungen für jeden
Taktzustand in diesem Zyklus.
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Die O2m und O4m Signale treiben die
Abtast-Halte-Schaltungen an und Ysync geht zu dem Eingabepuffer, um den
Abbildungscomputer mit den ausgehenden Daten zu synchronisieren.
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Die Eingangssignale zu dem Phasenregelkreis 202 sind in
Figur 23 dargestellt. Diese Signale sind die
Zweiphasen-Quadraturkodiersignale, die eine Funktion der Geschwindigkeit
des Koordinatentisches 12 und der Ausgangssignale von den
linearen Kodierern 38 (Fig. 1) sind. Der PLL 202 ist für
verschiedene Tischgeschwindigkeiten und Pixelgrößen
programmierbar. Tabelle I beschreibt die Frequenz des
Ausgangstaktes (4xck) für jede Kombination von Pixelgröße und
Abtast- (Koordinatentisch-) Geschwindigkeit, welche die
Antragsteller verwenden. Ein Zweiphasen-Quadraturkodiersignal
besteht aus zwei Rechteckwellen- oder Sinuswellensignalen,
von welchen eines dem anderen um 90º der Phase nacheilt.
Wenn sich die Abtastrichtung ändert, führt das Signal, das
in der vorangehenden Abtastrichtung nachgeeilt ist, in der
zweiten Abtastrichtung.
Bildprozessor
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Figur 25 ist ein Blockdiagramm des Bildprozessors 25 von
Figur 1 in der Datenbank-Inspektionskonfiguration. Die
Ausgangssignale von jedem der A/D-Wandler 244 jedes der
sechzehn Abschnitte der Bildaufnahmeelektronik von Figur 23
werden parallel zu dem Eingabepuffer 310 gesteuert, in dem
ein zusammengesetztes Bildsignal erzeugt wird. Das
zusammengesetzte Bildsignal wird dann zu der
Merkmalgewinnungspipeline 312 gesteuert, die unter der Steuerung der
Bildprozessorsteuerung 314 die Merkmale aus dem Signal
gewinnt und diese in dasselbe Formal bringt wie die
Merkmalinforrnation von der "goldenen Platte", die in der
Referenzdatenbank 316 (einem Teil von RAM 32 von Figur 1)
gespeichert ist. Die Merkmale von der Datenbank 316 werden
dann mit den Merkmalen von der Merkmalgewinnungspipeline
312 in dem Fehlerdetektor 318 (kann von der CPU 26 von
Figur 1 ausgeführt werden) verglichen. Eine Fehlermeldung,
in der jeder erfaßte Fehler dem
Benutzerschnittstellenprozessor 320 (kann auch die CPU 26 von Figur 1 sein)
mitgeteilt wird, informiert den Benutzer über erfaßte Fehler.
Das Ausgangssignal von dem Eingabepuffer 310 ist auch an
den Monitor 34 (Figur 1, zur Anzeige des von dem Benutzer
betrachteten Substratbereichs) gekoppelt.
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Figur 26 ist ein Blockdiagramm zur Durchführung einer
Inspektion von Chip zu Chip oder eines sich wiederholenden
Musters unter Verwendung eines einzigen TDI-Sensors. Links
von der gestrichelten senkrechten Linie in Figur 26 ist
dasselbe wie in Figur 25. Rechts von der gestrichelten
senkrechten Linie befindet sich der Zwischenspeicher 315,
der Schalter 317, der Komparator 319 und der
Benutzerschnittstellenprozessor 320. In Betrieb wird ein erster
Chip oder ein erstes Muster von dem TDI-Sensor betrachtet,
wobei die Merkmale dieses Chips oder Musters in dem
Zwischenspeicher 315 über den Schalter 317 gespeichert werden,
der von der Bildprozessorsteuerung 314 und dem
Benutzerschnittstellenprozessor 320 gesteuert wird. Wenn die
Kennzeichen des ersten Chips oder Musters in dem Speicher 315
gespeichert sind, werden diese Kennzeichen zu dem
Komparator 319 gesteuert, während die Kennzeichen eines zweiten
Chips oder Musters ebenso über den Schalter 317 zu dem
Komparator 319 gesteuert werden. Sobald der Vergleich beendet
ist, wird ein Vergleich/Nicht-Vergleich-Signal zu dem
Benutzerschnittstellenprozessor 320 gesteuert, wo das Signal
gemeinsam mit einem Hinweis von der Bildprozessorsteuerung
314, welches Paar von Chips oder Mustern verglichen wurde,
festgehalten wird. Die Inspektion wird mit den Kennzeichen
des zweiten Chips oder Musters fortgesetzt, die in dem
Zwischenspeicher 315 gespeichert sind usw..
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Wenn der Speicher 315 ein FIFO ("first-in, first-out")-
Speicher ist, der groß genug ist, um die Kennzeichen von
zwei Chips oder Muster zu halten, kann der Schalter 317
fehlen, wobei die Chip- oder Musterkennzeichen gleichzeitig
zu dem Speicher 315 und Komparator 319 gesteuert werden. In
diesem Ausführungsbeispiel wird der Speicher 315 zuerst
initialisiert. Dann wird der erste Chip oder das erste Muster
inspiziert, was dazu führt, daß die Kennzeichen in Speicher
315 gespeichert werden, während sie mit einem Nullsatz von
Kennzeichen verglichen werden. Dies ergibt das erwartete
Nicht-Vergleich-Signal von Komparator 319. Das ist die
Anlaufphase. Danach werden die Kennzeichen eines zweiten
Chips oder Musters in den Speicher 315 gelesen, während die
Kennzeichen des ersten Chips oder Musters ausgelesen werden
und gleichzeitig die Kennzeichen des zweiten Chips oder
Musters zu dem Komparator 319 gesteuert werden. Dieses
Verfahren wird dann wie oben für jeden zu inspizierenden Chip
oder jedes sich wiederholende Muster fortgesetzt.
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Figur 27 ist ein Blockdiagramm zur Durchführung einer
Inspektion von Chip zu Chip oder eines sich wiederholenden
Musters unter Verwendung eines TDI-Sensorpaares. Links von
der gestrichelten senkrechten Linie sind dieselben Elemente
an dieser Stelle wie in Figur 26. Ein Puffer 310 und die
Merkmalgewinnungspipeline 312 bilden den Weg zur
Verarbeitung der Information von dem ersten TDI-Sensor. Ein zweiter
Puffer 311 und eine zweite Merkmalgewinnungspipeline 313
bilden den Weg zur Verarbeitung der Information von dem
zweiten TDI-Sensor, wobei die Pipeline 313 auch unter der
Steuerung der Bildprozessorsteuerung 314 steht. Die
Ausgangssignale von Pipeline 312 und 313 werden gleichzeitig
zu dem Komparator 319 gesteuert, der wie zuvor in der
Besprechung von Figur 26 beschrieben funktioniert, was auch
für den Benutzerschnittstellenprozessor 310 gilt.