TW201641914A - 全域式影像檢測系統及其檢測方法 - Google Patents

Abstract

一種全域式影像檢測系統，包括一平面光源、一影像擷取裝置、一光感測裝置、一處理單元以及一量測模組。平面光源用以投射具有週期變化的光影像於一待測物上。影像擷取裝置用以擷取經由待測物反射之一反射光影像。光感測裝置用以偵測待測物上至少三個量測點的相對座標，以擬合出一平面。處理單元用以計算反射光影像相位移後之相位變化，並根據相位變化計算待測物的表面形貌的一相對高度分布，且計算待測物的表面形貌相對於此平面的一絕對高度分布，以得到一絕對座標資訊。量測模組可根據絕對座標資訊對待測物的表面進行檢測。

Description

全域式影像檢測系統及其檢測方法

本發明是有關於一種檢測系統，且特別是有關於一種全域式影像檢測系統及其檢測方法。

隨著晶圓薄化趨勢，晶圓翹曲變形可達毫米(mm)等級。也由於翹曲量增加，當一般的自動光學檢測(Automatic optical inspection,AOI)系統的對焦範圍不夠大和尋焦的速度不夠快時，將造成自動光學量測系統的對焦不易，延長了檢測時間，造成檢測的效果不佳，而影響到後續製程的進行。

在現有技術中，主要的對焦方式分成主動式對焦以及被動式對焦兩種方式，其中被動式對焦利用粗調與細調兩階段的方式尋焦，主動式對焦利用光源產生的光透過對焦光柵的投影經過物鏡投射至物體表面，將物面反射的光柵影像與原光柵影像進行相位比對，以提高對焦速度，然而，主動式對焦的成本相對較高。

本發明係有關於一種全域式影像檢測系統及其檢測 方法，可克服習知技術之缺失，針對全域式影像的檢測進行改善，以提高檢測的速度及精準度。

根據本發明之一方面，提出一種全域式影像檢測系統，包括一平面光源、一影像擷取裝置、一光學位置量測裝置、一處理單元以及一量測模組。平面光源用以投射具有週期變化的光影像於一待測物上。影像擷取裝置用以擷取經由待測物反射之一反射光影像。光學位置量測裝置用以偵測待測物上至少三個量測點的相對座標，以擬合出一平面。處理單元用以計算反射光影像相位移後之相位變化，並根據相位變化計算待測物的表面形貌的一相對高度分布，且計算待測物的表面形貌相對於此平面的一絕對高度分布，以得到一絕對座標資訊。量測模組根據絕對座標資訊對待測物的表面進行檢測。

根據本發明之一方面，提出一種全域式影像檢測方法，包括下列步驟。以一平面光源投射具有週期變化的光影像於一待測物上。擷取經由待測物反射之一反射光影像。偵測待測物上至少三個量測點的相對座標，以擬合出一絕對高度座標系。計算反射光影像相位移後之相位變化，並根據相位變化計算待測物的表面形貌的一相對高度分布。計算待測物的表面形貌於絕對高度座標系中的一絕對高度分布，以得到一絕對座標資訊。根據座標資訊對待測物的表面進行檢測。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

10‧‧‧待測物

11‧‧‧光影像

12‧‧‧條紋

100‧‧‧全域式影像檢測系統

101‧‧‧全域式影像檢測裝置

110‧‧‧平面光源

120‧‧‧處理單元

121‧‧‧光影像控制模組

122‧‧‧影像校正模組

123‧‧‧計算模組

124‧‧‧相位展開模組

125‧‧‧平整化模組

130‧‧‧影像擷取裝置

140‧‧‧光感測裝置

150‧‧‧量測模組

160‧‧‧定位平台

A、B、C‧‧‧量測點

θ1‧‧‧旋轉角度

L‧‧‧距離

α‧‧‧角度

Z‧‧‧高度

(x_o,y_o)‧‧‧圓心位置

(x_n,y_n)‧‧‧對位槽位置

第1圖繪示依照本發明一實施例之全域式影像檢測方法的流程圖。

第2圖繪示依照本發明一實施例之全域式影像檢測系統的示意圖。

第3圖繪示一實施例之全域式影像檢測裝置的示意圖。

第4圖繪示一實施例之光影像的示意圖。

第5圖繪示依照本發明一實施例之全域式影像對焦方法的流程圖。

第6圖繪示待測物的圓心位置、對位槽位置及旋轉角度。

本實施例之全域式影像檢測系統及其檢測方法，藉由量測待測物(例如晶圓)的表面形貌及其相對高度分佈，並輸出參考座標資訊(例如晶圓圓心位置、對位槽位置及旋轉角度以及影像之解析度等)，以作為量測模組(例如光學顯微鏡或光干涉儀)及定位平台的移動資訊，縮短對焦時間，使量測模組能做逐點快速量測。

以晶圓表面檢測為例，先量測晶圓的表面形貌的相對高度分布，並將晶圓的表面形貌的相對高度及參考座標資訊提供給量測模組，以省去傳統量測模組需進行粗調及細調等尋焦步驟及縮減細掃描行程，解決晶圓翹曲所造成的對焦議題。

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。

請參照第1圖，其繪示依照本發明一實施例之全域式影像檢測方法的流程圖。本實施例之全域式影像檢測方法包括下列步驟：在步驟S101中，以一平面光源投射具有週期變化的光影像於一待測物上。在步驟S102中，擷取經由待測物反射之一反射光影像。在步驟S103中，計算反射光影像相位移後之相位變化，並根據相位變化計算待測物的表面形貌的一相對高度分布。在步驟S104中，偵測待測物上至少三個量測點的相對座標，以擬合出一平面。在步驟S105中，計算待測物的表面形貌相對於此平面的一絕對高度分布，以得到一絕對座標資訊。在步驟S106中，根據絕對座標資訊對待測物的表面進行檢測。

請參照第2圖，其繪示依照本發明一實施例之全域式影像檢測系統的示意圖。根據上述之步驟S101~S106，全域式影像檢測系統100包括一平面光源110、一處理單元120、一影像擷取裝置130、一光感測裝置140、一量測模組150以及一定位平台160。定位平台160用以承載一待測物10，例如是晶圓或半導體基板。有關平面光源110、處理單元120以及影像擷取裝置130的配置及細部內容請一併參照第3圖及第4圖之說明。以下先以第3圖之全域式影像檢測裝置101來說明第1圖之步驟S101~S103。

請參照第3圖，處理單元120包括一光影像控制模組121、一影像校正模組122、一計算模組123、一相位展開模組124以及一平整化模組125。在步驟S101中，平面光源110用以 投射具有週期變化之一光影像11(參照第4圖)於一待測物10上，且光影像11可被待測物10反射後形成一反射光影像。反射光影像與投射在待測物10上之光影像11同樣具有週期變化，其差異僅在於：當待測物10表面沒有斜率變化時，反射光影像不會產生偏移或變形，如同投射之光影像。然而，當待測物10的表面有微小斜率變化時，反射光影像會產生偏移或變形，且反射光影像的偏移量δy與待測物10表面斜率的變化量呈正相關，如以下的關係式(1)：δy=L[tan(α+2θ)-tan(α)] (1)其中L：平面光源110與待測物10之間的距離

α：影像擷取裝置130擷取影像之角度

θ：待測物10表面斜率變化量當待測物10表面斜率變化量θ很小時，可將上式簡化為δy=2Lθsec² α (2)

因此，可藉由反射光影像的偏移量δy來計算待測物10表面斜率的變化量θ。

接著，請參照第4圖之光影像11，其例如是由週期變化之長條狀之條紋12所組成。在另一實施例中，光影像可由週期變化之同心圓狀之條紋所組成。這些明暗相間之條紋12可由週期2π的正弦波或方波經訊號處理而產生於平面光源110中，再以平面光源110投射至待測物10上，以形成具有週期變化之光影像11。平面光源110例如由一平面顯示器產生，平面顯示器用 以接收由光影像控制模組121所輸入之控制訊號，並且由平面顯示器中多個畫素單元的明暗變化產生所需的光影像11。在一實施例中，每個條紋12的寬度由對應的畫素單元的數量來決定，例如10~20個左右，並可藉由控制畫素單元中液晶分子的透光度，來決定產生亮條紋或暗條紋。

在步驟S102中，光影像控制模組121例如是可程式化控制之模組，用以產生上述之光影像11，並控制光影像11相對於待測物10沿著至少一方向等間隔地移動，以產生相位移。舉例來說，光影像係以三步相位移法或四步相位移法等間隔地移動以產生多個光影像(例如6個或8個)。在第4圖中，光影像11移動的方向可為長條狀之條紋12的排列方向(圖中為X方向)。在第2圖中，當產生預定數量的光影像之後，影像擷取裝置130可依序擷取此些反射光影像，並由影像校正模組122進行反射光影像之扭曲校正處理。此外，為了得到二維的相位圖，光影像控制模組121可分別產生兩正交之光影像，並使各光影像沿著X方向移動或Y方向移動以產生不同方向之相位移。當然，本實施例不限定為兩正交之光影像，亦可為任意夾角之兩光影像。

上述中，三步相位移法需取三張相位移的光影像，且第一張影像I₁與第二張影像I₂之相差移為2π/3，第二張影像I₂與第三張影像I₃之相位移為4π/3，其聯立方程式如下：

其中，I₀為背景光的強度，A為光波的振幅，為光影像中各座標點(x,y)的相位值。

此外，四步相位移法需取四張相位移條紋的影像，且第一張影像I₁與第二張影像I₂之相差移為π/2，第二張影像I₂與第三張影像I₃之相位移為π，第三張影像I₃與第四張影像I₄之相位移為3π/2，其聯立方程式如下：

其中，I₀為背景光的強度，A為光波的振幅，為光影像中各座標點(x,y)的相位值。

在步驟S103中，由於各座標點(x,y)的相位變化△與反射光影像的偏移量δy呈正比。因此，第2圖之計算模組123可計算此些影像中各座標點(x,y)的相位變化△，以得知待測 物10的表面形貌。若關係式(2)中，以相位變化△表示反射光影像的偏移量δy，可表示如下：

其中P：反射光影像之週期

由關係式(3)可知，待測物10表面斜率的變化量θ可由相位變化△得知。由於上述使用的三步相位移法或四步相位移法都是以反正切(tan^-1)函數為基礎，且相位被限制在-π/2到π/2之間，因此相位圖為不連續之相位分佈圖。若要使不連續之相位恢復為原來連續0~Nπ週期(N為整數)之相位，則需進行相位展開之運算。

請參照第3圖，相位展開模組124對各座標點的相位值進行相位展開，以得到一相位展開圖。簡言之，相位展開之運算是通過一特定之數學演算法，將相位圖中相鄰兩相位差超過某一定限定者，加上或減去其差值來消除截斷線，使其恢復為連續相位。因此，光影像中各座標點的相位值可經由相位移及相位展開法來獲得。

接著，平整化模組125可對相位展開圖進行平整化，以得到待測物10的表面形貌之相對高度分布。簡言之，平整化之處理係將各個座標點的相位拉至相同水平來比較其變化量，以利於計算待測物10的表面形貌的一相對高度分布。其中， 待測物10上各座標點的相對高度分布以Wi(x,y,z)表示。

請參照第5圖，其繪示依照本發明一實施例之全域式影像對焦方法的流程圖，其中步驟S201~S204如同上述所介紹的步驟S101~S103，在步驟S201中以一平面光源110投射，以產生多張週期變化的光影像，並擷取多張週期變化的反射光影像。在步驟S202中對反射光影像進行扭曲校正，以將傾斜投影至待測物10之光影像修正為正投影至待測物10的光影像。在步驟S203中計算反射光影像相位移後之相位變化，以得到待測物10的表面形貌。在步驟S203中，根據相位展開結果計算待測物10的表面形貌的一相對高度分布，以Wi(x,y,z)表示。

接著，請參照步驟S205~S207，如同上述所介紹的步驟S104。在步驟S205中，以平面光源110投射一均勻光影像(無週期變化的條紋12)至待測物10上，並且影像擷取裝置130擷取反射後的均勻光影像。在步驟S206中，對反射後的均勻光影像進行扭曲校正，以將傾斜投影至待測物10之均勻光影像修正為正投影至待測物10的均勻光影像。接著，根據待測物10上至少三個量測點的相對座標，以擬合出一平面。如第6圖所示。在步驟S207中，處理單元120根據三個量測點A、B、C的座標位置擬合出的平面，來計算待測物10的圓心位置(x_o,y_o)、對位槽位置(x_n,y_n)及旋轉角度θ1以及影像解析度等座標資訊，以得到待測物10之一平面座標系。上述用以偵測待測物10上至少三個量測點A、B、C的相對座標的裝置例如是雷射感測器或是其他具有 光學定位功能的光感測裝置140，如第2圖所示。

接著，在步驟S208中，上述的圓心位置(x_o,y_o)以及影像解析度是用以連結上述待測物10之平面座標系與其他座標系統(例如定位平台160的座標系統及量測模組150的座標系統)，此外，對位槽的旋轉角度θ1用來修正待測物10擺置時的旋轉角度誤差。在步驟S209中，根據絕對座標資訊，調整量測模組150的高度，以對待測物10的表面進行檢測。因此，在第2圖中，處理單元120可根據絕對座標資訊控制定位平台160移動待測物10至一座標位置(x,y)，且量測模組150可根據絕對座標資訊調整高度Z，以調整光學顯微鏡或光干涉儀與待測物10之間的一焦距。在另一實施例中，當量測模組150包括一探針卡電性檢測裝置時，可根據絕對座標資訊調整探針卡電性檢測裝置與待測物10之間的間隙，以使探針卡電性檢測裝置與待測物10電性接觸。

有關絕對座標資訊之演算方法，請參照如下。在步驟S105中，當處理單元120得到三個量測點A、B、C的相對座標之後，如下列計算公式，以此三個量測點的座標位置擬合出一平面Q(x,y,z)，並將待測物10的表面形貌的相對高度分布Wi(x,y,z)與此平面Q(x,y,z)進行曲面重疊演算，以計算待測物10的表面形貌相對於此平面Q(x,y,z)的一絕對高度分布，而得到一絕對座標資訊。此絕對座標資訊可做為實際待測物10表面的絕對高度座標系Zi(x,y,z)，其中 Zi(x,y,z)=Wi(x,y,z)+Q(x,y,z)-P(xi,yi,zi)

P(xi,yi,zi)為絕對高度座標系中一參考座標點(例如三個量測點A、B、C其中之一點)的座標。

在步驟S106中，當量測模組150得到絕對座標資訊之後，可根據絕對座標資訊對待測物10的表面進行檢測，例如對焦、掃描或進行一電性檢測。量測模組150例如是光學顯微鏡、光干涉儀或探針卡電性檢測裝置等。因此，在本實施例中，當全域式影像檢測系統100透過影像高度資訊修正待測物10上多個待測點(x_i,yi)與量測模組150之間的絕對高度之後，處理單元120將可控制量測模組150在垂直軸上移動並直接到達定位，不需經過粗調定位，以節省量測模組150的對焦時間或對位時間。

本發明上述實施例所揭露之全域式影像檢測系統及其檢測方法中，處理單元根據絕對座標資訊控制定位平台移動待測物至一座標位置，且量測模組可根據絕對座標資訊控制的高度，使量測模組在垂直軸上移動並直接到達定位，因此對焦速度非常快，且利於逐點進行快速檢測。本系統相對於一般被動式對焦利用粗調與細調兩階段的方式尋焦來得快，且成本相對於主動式對焦的成本相對較低，因而突破目前現有技術的瓶頸。此外，本系統還能針對待測物上的表面形貌(例如凸塊高度分布)、表面缺陷及翹曲量進行量測，以符合系統的多方面需求。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識 者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧待測物

100‧‧‧全域式影像檢測系統

110‧‧‧平面光源

120‧‧‧處理單元

130‧‧‧影像擷取裝置

140‧‧‧光感測裝置

150‧‧‧量測模組

160‧‧‧定位平台

Z‧‧‧高度

Claims (12)

1. 一種全域式影像檢測系統，包括：一平面光源，用以投射具有週期變化的光影像於一待測物上；一影像擷取裝置，用以擷取經由該待測物反射之一反射光影像；一光感測裝置，用以偵測該待測物上至少三個量測點的相對座標，以擬合出一平面；一處理單元，用以計算該反射光影像相位移後之相位變化，並根據該相位變化計算該待測物的表面形貌的一相對高度分布，且計算該待測物的表面形貌相對於該平面的一絕對高度分布，以得到一絕對座標資訊；以及一量測模組，根據該絕對座標資訊對該待測物的表面進行檢測。
2. 如申請專利範圍第1項所述之全域式影像檢測系統，更包括一定位平台，用以承載該待測物，該定位平台根據該絕對座標資訊移動該待測物至一座標位置。
3. 如申請專利範圍第1項所述之全域式影像檢測系統，其中該平面光源投射一均勻光影像至該待測物，以供該處理單元根據擬合出的該平面得到一平面座標系的座標資訊。
4. 如申請專利範圍第1項所述之全域式影像檢測系統，其中該量測模組包括一光學顯微鏡或一光干涉儀。
5. 如申請專利範圍第4項所述之全域式影像檢測系統，其中該光學顯微鏡或該光干涉儀根據該絕對座標資訊調整高度，以調 整該光學顯微鏡或該光干涉儀與該待測物之間的一焦距。
6. 如申請專利範圍第1項所述之全域式影像檢測系統，其中該量測模組包括一探針卡電性檢測裝置。
7. 如申請專利範圍第6項所述之全域式影像檢測系統，其中該量測模組根據該絕對座標資訊調整間隙，以使該探針卡電性檢測裝置與該待測物電性接觸。
8. 一種全域式影像檢測方法，包括：以一平面光源投射具有週期變化的光影像於一待測物上：擷取經由該待測物反射之一反射光影像；計算該反射光影像相位移後之相位變化，並根據該相位變化計算該待測物的表面形貌的一相對高度分布；偵測該待測物上至少三個量測點的相對座標，以擬合出一平面；計算該待測物的表面形貌相對於該平面的一絕對高度分布，以得到一絕對座標資訊；以及根據該絕對座標資訊對該待測物的表面進行檢測。
9. 如申請專利範圍第8項所述之全域式影像檢測方法，更包括以一定位平台承載該待測物，並根據該絕對座標資訊控制該定位平台移動該待測物至一座標位置。
10. 如申請專利範圍第8項所述之全域式影像檢測方法，更包括以該平面光源投射一均勻光影像至該待測物，並根據擬合出的該平面得到一平面座標系的座標資訊。
11. 如申請專利範圍第8項所述之全域式影像檢測方法，其 中該待測物以一光學顯微鏡或一光干涉儀進行檢測時，更包括根據該絕對座標資訊調整高度，以調整該光學顯微鏡或該光干涉儀與該待測物之間的一焦距。
12. 如申請專利範圍第8項所述之全域式影像檢測方法，其中該待測物以一探針卡電性檢測裝置進行檢測時，更包括根據該絕對座標資訊調整間隙，以使該探針卡電性檢測裝置與該待測物電性接觸。