DE69029561T2

DE69029561T2 - Automatische mit hoher Geschwindigkeit arbeitende optische Prüfungsvorrichtung und Verfahren

Info

Publication number: DE69029561T2
Application number: DE69029561T
Authority: DE
Inventors: William Bell; Curt H Chadwick; Michael E Fein; John D Greene; David J Harvey; P C Jann; Robert H Sholes; Francis D Tucker
Original assignee: KLA Instruments Corp
Current assignee: KLA Corp
Priority date: 1989-10-31
Filing date: 1990-10-31
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2010-11-01
Also published as: EP0426182A2; DE69029561D1; EP0426182A3; US5085517A; EP0426182B1; IL96011A0; IL96011A; JP3249509B2; JPH03167456A; JP2002174514A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die automatisierte Inspektion von Oberflächen wie Leiterplatten und dergleichen.
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.
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.
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.
¹ 1 mil = 0,001 Inch = 0,00254 cm
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.
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.
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.
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)
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.
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.
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).
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

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.
Die Erfindung ermöglicht eine automatisierte Hochgeschwindigkeitsinspektion von Oberflächen unter Verwendung eines TDI-Sensors als Detektor.
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.
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.
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.
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

Figur 1 ist ein Blockdiagramm der automatischen Leiterplatten-Inspektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Figur 2 ist eine Querschnittsansicht, welche die Lichtstreuungswirkung eines repräsentativen Kupfer-Leiterzugs auf einer zu inspizierenden Leiterplatte darstellt.
Figur 3 zeigt einen Teil der Oberfläche eines Kupfer-Leiterzugs, wo die Beleuchtung der Oberfläche bei jedem Beleuchtungsschema unmöglich ist.
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.
Figur 5 ist eine Graphik, die das Verhältnis zwischen der Breite der Kupfer-Rückstrahlungsspitze und der numerischen Apertur des Beleuchtungsgeräts zeigt.
Figur 6 ist eine schematische Darstellung im Querschnitt eines quasi-Lambertschen Auflicht-Beleuchtungsgeräts der vorliegenden Erfindung.
Figur 7 ist eine perspektivische Ansicht des Beleuchtungsgeräts von Figur 6.
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.
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.
Figur 10 ist eine Graphik des Durchlässigkeitsspektrums von Dupont Riston 216R Photoresist.
Figur 11 ist im Prinzip dieselbe Figur wie Figur 6, wobei die Reflexion ausgewählter Lichtstrahlen dargestellt ist.
Figur 12 ist eine modifizierte Anordnung jener aus Figur 6 für die tatsächliche Kombination von Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuchtung.
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.
Figur 14 ist eine perspektivische Ansicht des Beleuchtungsgerät-Kühlungssystems und zugehöriger Kanäle.
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.
Figur 16a und 16b sind eine Draufsicht im Querschnitt und eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Fluoreszenzbeleuchtungsgeräts der vorliegenden Erfindung.
Figur 17a ist eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Fluoreszenzbeleuchtungsgeräts der vorliegenden Erfindung.
Figur 17b ist eine schematische Querschnittsansicht eines Beleuchtungsgeräts, das sowohl zur Auflicht- als auch Fluoreszenzbeleuchtung imstande ist.
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.
Figur 19 ist eine schematische Ansicht des Multisegment- TDI-Sensors, der von den Antragstellern für ihre besondere Anwendung gewählt wurde.
Figur 20 ist eine ausführlichere Ansicht der einzelnen Sensorsegmente des TDI-Sensors von Figur 20.
Figur 21a bis 21j zeigen die Modulationsspezifikation des gewählten TDI-Sensors, indem die gewünschte Reaktion auf gewählte eingegebene Beleuchtungsmuster gezeigt wird.
Figur 22 ist eine Graphik der Mindestquantenausbeute in bezug auf die Wellenlänge des gewählten TDI-Sensors.
Figur 23 ist ein Blockdiagramm der TDI-Elektronik für einen Abschnitt des Mehrfachabschnitt-TDI-Sensors der vorliegenden Erfindung.
Figur 24 ist ein Zeitdiagramm gewählter Signale von verschiedenen Blöcken der TDI-Elektronik von Figur 24.
Figur 25 ist ein Blockdiagramm eines Einfachbild-Prozessorelektronikabschnitts, der einem der TDI-Elektronikabschnitte von Figur 24 zur Verwendung in der Datenbank-Inspektionskonfiguration entspricht.
Figur 26 ist ein Blockdiagramm des Prozessorelektronikabschnitts, der mit einem einzigen TDI-Sensor von Figur 24 für eine Muster-Muster-Inspektion in yerbindung steht.
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.
Figur 28 ist eine schematische Darstellung eines ungleichmäßigen Lichtbeleuchtungssystems zur Verwendung mit einem TDI-Sensor.
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.
Figur 30 ist eine Draufsicht auf den TDI-Sensor, welche den Austausch der Strahlungslichtquelle von Figur 28 und 29 durch einen Abtastlaser zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele Systemüberblick
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).
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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

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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
a. Fokussiertes quasi-Lambertsches Beleuchtungsgerät
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
b. Entfembarer Schlitz zur Verbesserung des Signal-Geräusch-Abstandes
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
c. Weiße Lichtquelle mit Spektralselektionsfilter
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
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.
Damit eine optische Inspektionsmaschine eine maximale Flexibilität bei der Inspektion von pwb's aufweist, werden die folgenden Punkte vorgeschlagen:
a. Austauschbare Farbfilter (915, Figur 6), die eine Wahl unterschiedlicher Filter zur Optimierung der Inspektion verschiedener Materialien zulassen.
b. Eine Lichtquelle, der eine substantielle Energie in einem breiten Spektralbereich wie 500 bis 700 nm zur Verfügung steht.
c. Ein Bildsensor, der in dem gesamten zweckdienlichen Spektralband der Lichtquelle reaktionsfähig ist.
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.
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.
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).
d. Durchführungen mit mehrfachen linearen Wolframfilamentlampen.
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.
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.
Jede im allgemeinen lineare Lichtquelle kann bei dem beschriebenen optischen System verwendet werden. Eine Alternative ist die Verwendung von Kapillarbogen-Gasentladungslampen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
&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).
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.
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.
Das in Fig. 13 und 14 dargestellte Kanalmuster wurde empirisch entwickelt, um diese Birnentemperaturanforderung zu erfüllen, während gleichzeitig die Anforderung zur Schlierenunterdrückung erfüllt wird.
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.
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.
e. Inkohärentes Fluoreszenzbeleuchtungsgerät
Dies ist ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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.
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.
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.
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.
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:
a. Inkohärente Lichtquellen sind weniger teuer als Laserquellen, insbesondere in einem Vergleich, der auf den Kosten pro Watt abgegebenem Licht beruht.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ein weiteres effizienzverstärkendes Mittel ist ein System mit konzentrierter Beleuchtung, wie das zuvor beschriebene.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
Die Linse 1606 erzeugt eine Abbildung des Bereichs 1601 auf einem Sensor, nicht dargestellt, der ein TDI-Sensor sein kann.
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.
In dem System von Figur 17a sind Endspiegel (nicht dargestellt) aus demselben Grund vorgesehen, aus dem sie in Figur 16a und 16b vorgesehen sind.
f. Kombinationsbeleuchtungsgeräte
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:
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.
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.
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.
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.
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)
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.
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.
g. Schwarzes Oxid
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.
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.
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.
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.
Die Entfernung des Strahlenteilers liefert einen zusätzlichen Faktor von Zwei in der Sammelleistung von Licht von den übrigen beiden Lampen.
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.
h. Gesamtes optisches System
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.
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.
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.
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.
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

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.
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.
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).
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

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
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)
wobei:
G.L. = Graupegel aus dem A/D-Wandler (dezimal) 0-63
DDYOS = dynamische Versetzungskorrektur (dezimal) 0-255
DDYGM = dynamische Verstärkungskorrektur (dezimal) 0-255
DGLOS = globale Versetzungskorrektur (dezimal) 0-255
DGLGM = globale Verstärkungskorrektur (dezimal) 100-1023
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.
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.
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.
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.
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.
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

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.
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..
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.
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.

Claims

Inspektionsvorrichtung (10) zum Inspizieren von Oberflächenmerkmalen eines Substrats (14) mit:

Speichermitteln (32) zum Speichern von Merkmalen der Oberfläche des Substrats;

Beleuchtungsmitteln (20) zur Beleuchtung zumindest eines Bereichs der Oberfläche des zu inspizierenden Substrats;

Sensormitteln (24) zur Abbildung des durch die Beleuchtungsmittel (20) beleuchteten Bereichs des Substrats; und

Vergleichsmitteln, reagibel auf die Speicher- und die Sensormittel, zum Vergleich des abgebildeten Bereichs des Substrats mit den gespeicherten Merkmalen des Substrats,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Beleuchtungsmittel (20) eine kritische Beleuchtung des Bereichs gewährleisten&sub1; und daß die Sensormittel TDI- Sensormittel sind.
2. Inspektionsvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Beleuchtungsmittel (20) folgendes umfaßt:

eine ungleichmäßige Lichtquelle (338);

Kondensorlinsenmittel (336) zum Konzentrieren des Lichts von der Lichtquelle;

Objektivlinsenmittel (334) zum Projizieren der Abbildung (332) von der Oberfläche des Substrats (330) zu den TDI- Sensormitteln (344); und

Strahlenteilermittel (340) zwischen den TDI-Sensormitteln (344) und den Objektivlinsenmitteln (334), die derart gewinkelt sind, daß sie einen Teil des von der Lichtquelle (338) ausgegebenen Lichts durch die Objektivlinse (334) zum Substrat (330) reflektieren und einen Teil des Lichts von der Lichtquelle durch die Strahlenteilermittel (340) auf die TDI-Sensormittel (344) übertragen, zur Bildung einer kombinierten Abbildung auf den TDI-Sensormitteln (344) der Lichtquelle (338) und einer reflektierten Abbildung (332) der Lichtquelle von der Oberfläche des inspizierten Substrats (330).
3. Inspektionsvorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Lichtquelle (338) eine mit Wechselstrom gespeiste Gasentladungslampe ist und die Abbildung jene des Filaments (338) der Lampe ist.
4. Inspektionsvorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die Lichtquelle ein Laserstrahl (34') ist, abgetastet in einer Richtung senkrecht zur effektiven substratabtastrichtung, und die Abbildung jene des Abtastlaserstrahlpunkts ist.
5. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die gewünschten Merkmale in den Speichermitteln (316) gespeichert werden, indem erst eine goldene Platte mit der Inspektionsvorrichtung abgetastet wird und die Kennzeichen gespeichert werden, während die goldene Platte abgetastet wird.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die gewünschten Merkmale in den Speichermitteln gespeichert werden, indem die Kennzeichen des Substrats von dem CAD-System geladen werden, die zur Herstellung des Substrats dienten.
7. Inspektionsvorrichtung (10) zum Inspizieren von Oberf lächenmerkmalen eines Substrats (14) gemäß Anspruch 1 mit:

Beleuchtungsmitteln (20) für die Beleuchtung eines ersten und zweiten Musters in einem Bereich der Oberfläche zumindest eines zu inspizierenden Substrats;

TDI-Sensormitteln (206) zur sequentiellen Abbildung des ersten und des zweiten Musters; und

Speichermitteln (315) zum Speichern des abgebildeten ersten Musters, wie dieses Muster durch die TDI- Sensormittel abgebildet ist; und Vergleichsmitteln (319), reagibel auf die Speicher- und die TDI-Sensormittel, zum Vergleich der abgebildeten zweiten Muster mit dem ersten Muster, welches in den Speichermitteln (315) gespeichert ist.
8. Inspektionsvorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei das Speichermittel auch das Ergebnis des Vergleichs zusammen mit den Stellen des ersten und zweiten Musters speichert.
9. Inspektionsvorrichtung zum Inspizieren von Oberflächenmerkmalen eines Substrats mit:

Beleuchtungsmitteln (20) zur gleichzeitigen kritischen Beleuchtung eines ersten und zweiten Musters in einem Bereich der Oberfläche von zumindest einem zu inspizierenden Substrat;

einem Paar TDI-Sensormitteln zur Abbildung des ersten und zweiten Musters; und

Vergleichsmitteln (319), reagibel auf das Paar von TDI- Sensormitteln, zum Vergleich des abgebildeten ersten und zweiten Musters.
10. Inspektionsvorrichtung gemäß Anspruch 9, die des weiteren Speichermittel aufweist, um das Ergebnis des Vergleichs zusammen mit den Stellen des ersten und zweiten Musters zu speichern.
11. Inspektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das erste und das zweite Muster eine erste und zweite Struktur sind, welche identisch sein sollen.
12. Inspektionsvorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die erste und die zweite Struktur auf demselben Substrat sind.
13. Inspektionsvorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei die erste und die zweite Struktur auf verschiedenen Substraten sind.
14. Inspektionsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der das erste und zweite Muster wiederholte Muster auf derselben Struktur sind, die identisch sein sollen.
15. Verfahren zum Inspizieren von Oberflächenmerkmalen eines Substrats&sub1; wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

a. Speichern von Merkmalen auf der Oberfläche des Substrat 5;

b. Beleuchten durch kritische Beleuchtung eines Bereichs der Oberfläche des zu inspizierenden Substrats;

c. Abbildung des beleuchteten Bereichs des Substrats mit TDI-Sensormitteln, vorzugsweise einem TDI-Sensor; und

d. Vergleich des abgebildeten Bereichs des Substrats mit den gespeicherten Merkmalen des Substrats.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem der Schritt der Beleuchtung folgende Schritte umfaßt:

e. Speisen einer ungleichmäßigen Lichtquelle;

f. Konzentrieren des Lichts von der Lichtquelle;

g. Anwendung des konzentrierten Lichts von Schritt f. auf eine Oberfläche eines Strahlenteilers zur Reflektierung eines Teils des konzentrierten Lichts in Richtung auf das Substrat und Übertragung eines Teils des konzentrierten Lichts zu TDI-Sensormitteln, vorzugsweise einem TDI-Sensor; und

h. Durchgang des reflektierten Lichts von dem Strahlenteiler durch eine Objektivlinse zur Fokussierung des Lichts auf die Oberfläche des Substrats und zur übertragung der Abbildung von der Oberfläche des Substrats direkt auf die TDI- Sensormittel durch die Objektivlinse und den Strahlenteiler.
17. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei der die Lichtquelle von Schritt a. eine mit Wechselstrom gespeiste Gasentladungslampe ist und die Abbildung jene des Filaments der Lampe ist.
18. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei der die Lichtquelle von Schritt a. ein Laserstrahl ist, abgetastet in einer Richtung senkrecht zur effektiven Substratabtastrichtung, und die Abbildung jene des Äbtastlaserstrahlpunkts ist.
19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem der Schritt der Speicherung der gewünschten Merkmale folgende Schritte umfaßt:

i. Abtasten einer goldenen Platte mit der Inspektionsvorrichtung; und

j. Speichern der Merkmale, während die goldene Platte abgetastet wird.
20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem der Schritt der Speicherung der gewünschten Merkmale den Schritt des Ladens der Kennzeichen des Substrats von dem CAD-System, die zur Herstellung des Substrats dienten, umfaßt.
21. Verfahren zum Inspizieren von Oberflächenmerkmalen eines Substrats gemäß einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

a. Beleuchten durch kritische Beleuchtung zumindest eines ersten Musters in einem Bereich der Oberfläche des zu inspizierenden Substrats;

b. Abbildung eines ersten Musters in dem beleuchteten Bereich des in Schritt a. beleuchteten Substrats mit TDI-Sensormitteln, vorzugsweise einem TDI-Sensor;

c. Speichern des abgebildeten Musters von Schritt b.;

d. Beleuchten durch kritische Beleuchtung zumindest eines zweiten Musters in einem Bereich der Oberfläche des zu inspizierenden Substrats;

: e. Abbildung eines zweiten Musters in dem beleuchteten Bereich des in Schritt d. beleuchteten Substrats mit TDI-Sensorrnitteln, vorzugsweise einem TDI-Sensor; und

f. Vergleich des abgebildeten zweiten Musters von Schritt e. mit dem in Schritt c. gespeicherten ersten Muster.
22. Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem das erste und das zweite Muster identisch sein sollen und/oder eine erste und zweite Struktur sind.
23. Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei die erste und die zweite Struktur auf demselben Substrat sind.
24. Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei die erste und die zweite Struktur auf verschiedenen Substraten sind.
25. Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem das erste und zweite Muster wiederholte Muster auf derselben Struktur sind, die identisch sein sollen.
26. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 21 bis 25, das des weiteren folgende Schritte umfaßt:

g. Speichern des Ergebnisses des Vergleichs von Schritt f. zusammen mit den Stellen des ersten und zweiten Musters; und

h. Wiederholen der Schritte a. bis g. in aufeinanderfolgender Weise für jedes Paar von Mustern, wobei das zweite Muster in dem vorhergehenden Paar zum ersten Muster und ein weiteres Muster zum zweiten Muster wird.
27. Verfahren zum Inspizieren von Oberflächenmerkmalen eines Substrats, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

a. Beleuchten durch kritische Beleuchtung zumindest eines ersten und eines zweiten Musters der Oberfläche des zu inspizierenden Substrats;

b. gleichzeitige Abbildung des ersten und zweiten Musters in dem beleuchteten Bereich des in Schritt a. beleuchteten Substrats mit ersten und zweiten TDI- Sensormitteln, vorzugsweise einem ersten bzw. einem zweiten TDI-Sensor;

c. Vergleich des abgebildeten ersten und zweiten Musters von Schritt b.
28. Verfahren gemäß Anspruch 27, bei dem das erste und das zweite Muster eine erste und zweite Struktur sind, welche identisch sein sollen.
29. Verfahren gemäß Anspruch 28, bei dem die erste und die zweite Struktur auf demselben Substrat sind.
30. Verfahren gemäß Anspruch 28, bei dem die erste und die zweite Struktur auf verschiedenen Substraten sind.
31. Verfahren gemäß Anspruch 27, bei dem das erste und zweite Muster wiederholte Muster auf derselben Struktur sind, die identisch sein sollen.
32. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 27 bis 31, das des weiteren folgende Schritte umfaßt:

d. Speichern des Ergebnisses des Vergleichs von Schritt c. zusammen mit den Stellen des ersten und zweiten Musters; und

e. Wiederholen der Schritte a. bis d. in aufeinanderfolgender Weise für jedes Paar von Mustern, wobei das zweite Muster in dem vorhergehenden Paar zum ersten Muster und ein weiteres Muster zum zweiten Muster wird.