TW202419856A - 光學檢測裝置與方法 - Google Patents

Abstract

一種光學檢測裝置，用以檢測一待測物的三維結構資訊。光學檢測裝置包括一掃頻式雷射光源、一分光器、一二維光電掃描器及一光接收器。掃頻式雷射光源用以發出一雷射光束，分光器配置於雷射光束的路徑上。二維光電掃描器配置於來自分光器的雷射光束的路徑上，且用以使雷射光束在二個維度上掃描待測物。待測物將雷射光束反射成一訊號光，一參考面將雷射光束反射成一參考光，訊號光與參考光傳遞回分光器，並互相干涉以形成一干涉光。光接收器配置於來自分光器的干涉光的路徑上，且用以感測干涉光。一種光學檢測方法亦被提出。

Description

光學檢測裝置與方法

本發明是有關於一種光學檢測裝置與方法。

光學檢測裝置可代替使用人眼觀看的人工檢測，除了縮短檢測工時外，甚至還可以達到自動化的檢測。然而，若僅是檢測待測物的表面或外觀，將無法得知待測物的內部結構是否有損壞。

在半導體製程中，隨著晶圓越精細化，晶圓品質的檢測也相對的越重要，其中檢測項目會包含晶圓隱崩、裸晶的邊緣檢測、薄膜下晶圓隱崩。然而，在目前非破壞檢測設備中，仍有不足的地方，像是X光檢測設備和超音波檢測設備，無法提供高解析影像。另一方面，紅外光相機雖能夠達到高解析度成像，但其無法分辨缺陷所在的深度。

因此，如何能夠同時兼具三維檢測與高影像解析度，是本領域的技術人員的重要研發課題。

本發明提供一種光學檢測裝置，其能夠兼具三維檢測與高影像解析度。

本發明提供一種光學檢測方法，其能夠兼具三維檢測與高影像解析度。

本發明的一實施例提出一種光學檢測裝置，用以檢測一待測物的三維結構資訊。光學檢測裝置包括一掃頻式雷射光源（swept frequency laser source）、一分光器、一二維光電掃描器及一光接收器。掃頻式雷射光源用以發出一雷射光束，分光器配置於雷射光束的路徑上。二維光電掃描器配置於來自分光器的雷射光束的路徑上，且用以使雷射光束在二個維度上掃描待測物。待測物將雷射光束反射成一訊號光，一參考面將雷射光束反射成一參考光，訊號光與參考光傳遞回分光器，並互相干涉以形成一干涉光。掃頻式雷射光源用以變化雷射光束的波長，以使訊號光與參考光產生不同的干涉。光接收器配置於來自分光器的干涉光的路徑上，且用以感測干涉光。

在本發明的一實施例中，光學檢測裝置更包括一第一反射鏡，其中分光器將雷射光束分成一第一部分與一第二部分，第一反射鏡配置於來自分光器的雷射光束的第一部分的路徑上。參考面為第一反射鏡的反射面，第一反射鏡的反射面將雷射光束的第一部分反射成參考光，且雷射光束的第二部分傳遞至待測物。

在本發明的一實施例中，光學檢測裝置更包括一光束準直器及一物鏡，光束準直器配置於分光器與第一反射鏡之間的雷射光束的第一部分的路徑上，且物鏡配置於光束準直器與第一反射鏡之間的雷射光束的第一部分的路徑上。

在本發明的一實施例中，第一反射鏡與二維光電掃描器整合在同一探頭中。

在本發明的一實施例中，參考面為待測物的表面。

在本發明的一實施例中，待測物的材質為半導體，且雷射光束適於在待測物中傳遞。

在本發明的一實施例中，雷射光束為紅外光。

在本發明的一實施例中，分光器將雷射光束分成多個子光束，這些子光束照射於待測物上的不同位置。

在本發明的一實施例中，二維光電掃描器為掃描鏡。

在本發明的一實施例中，光學檢測裝置更包括一控制器，用以控制掃頻式雷射光源的發光與波長，用以控制二維光電掃描器的作動，且用以接收並處理來自光接收器的訊號。

在本發明的一實施例中，光學檢測裝置更包括一光束準直器及一物鏡。光束準直器配置於分光器與二維光電掃描器之間的雷射光束的路徑上，物鏡配置於二維光電掃描器與待測物之間的雷射光束的路徑上。

在本發明的一實施例中，光學檢測裝置更包括一第二反射鏡，配置於光束準直器與二維光電掃描器之間的雷射光束的路徑上。

本發明的一實施例提出一種光學檢測方法，用以檢測一待測物的三維結構資訊。光學檢測方法包括：提供上述光學檢測裝置；開啟掃頻式雷射光源；利用來自光接收器的訊號進行二維影像預覽；設定二維光電掃描器的掃描參數；以及利用來自光接收器的訊號進行至少一次三維影像擷取。

在本發明的一實施例中，光學檢測方法更包括：對擷取的三維影像進行影像均勻度校正；對三維影像進行背景及特定區域辨別；提取三維影像中的特徵；從特徵識別缺陷；以及儲存識別出的缺陷的資料及三維影像。

在本發明的實施例的光學檢測裝置與光學檢測方法中，由於採用訊號光與參考光互相干涉以形成干涉光，且採用掃頻式雷射光源變化雷射光束的波長以達到不同的干涉，因此本發明的實施例的光學檢測裝置與方法可以兼具三維檢測與高影像解析度。此外，由於採用了二維光電掃描器以使雷射光束在二個維度上掃描待測物，因此本發明的實施例的光學檢測裝置與方法可以達到廣域成像。

圖1為本發明的一實施例的光學檢測裝置的架構示意圖。請參照圖1，本實施例的光學檢測裝置100用以檢測一待測物50的三維結構資訊。光學檢測裝置100包括一掃頻式雷射光源110、一分光器120、一二維光電掃描器130及一光接收器140。掃頻式雷射光源110用以發出一雷射光束112，分光器120配置於雷射光束112的路徑上。二維光電掃描器130配置於來自分光器120的雷射光束112的路徑上，且用以使雷射光束112在二個維度上掃描待測物。在本實施例中，待測物50的材質為半導體，而雷射光束112適於在待測物50中傳遞。具體而言，待測物50例如為半導體晶圓，其上設有多個排成陣列的晶片，其中此晶片可為電子晶片（如矽晶片）或光電晶片（如發光二極體晶片或雷射二極體晶片）。二維光電掃描器130例如是可以在兩個方向上擺動的一掃描鏡或一掃描稜鏡，或者可以是二個在不同方向擺動的掃描鏡或掃描稜鏡，而雷射光束112依序被這兩個掃描鏡或掃描稜鏡反射。因此，二維光電掃描器130可以使雷射光束112的角度在兩個方向上發生改變，以在平行於晶圓或晶片的表面的二個維度上掃描晶圓或晶片的表面。

待測物50將雷射光束112反射成一訊號光52，一參考面162將雷射光束112反射成一參考光161，訊號光52與參考光161傳遞回分光器120，並互相干涉以形成一干涉光121。掃頻式雷射光源110用以變化雷射光束112的波長，以使訊號光52與參考光161產生不同的干涉。光接收器140配置於來自分光器120的干涉光121的路徑上，且用以感測干涉光121。

在本實施例中，光學檢測裝置100更包括一第一反射鏡160，分光器120將雷射光束112分成一第一部分1121與一第二部分1122。第一反射鏡160配置於來自分光器120的雷射光束112的第一部分1121的路徑上，其中參考面162為第一反射鏡160的反射面。第一反射鏡160的反射面（即參考面162）將雷射光束112的第一部分1121反射成參考光161，且雷射光束112的第二部分1122傳遞至待測物50。具體而言，二維光電掃描器130使雷射光束112的第二部分1122在二個維度上掃描待測物50。雷射光束112的第二部分1122可在待測物50中傳遞，而待測物50的不同深度的截面的一些結構可將雷射光束112的第二部分1122反射成訊號光52。由於掃頻式雷射光源110會變化雷射光束112的波長，例如使雷射光束112的波長由較短的波長依序遞增為較長的波長，或由較長的波長依序遞減為較短的波長，因此光接收器140可獲取待測物50分別對應於不同波長的不同深度的影像。也就是說，不同的波長會分別使來自待測物的不同深度的訊號光52與參考光161產生建涉性干涉，而被光接收器140感測到。如此一來，光接收器140便能夠感測待測物50不同深度的影像，再加上二維光電掃描器130使雷射光束112的第二部分1122在二個維度上掃描待測物50，光接收器140並能夠獲取待測物50的三維結構資訊。

在本實施例中，待測物50例如為矽晶圓，而其上製作有多個晶片結構，如包含電路和電子元件，而雷射光束112為紅外光，例如為近紅外光，其可穿透矽晶圓，但可被矽晶圓中不同深度的結構的界面反射。

在本實施例中，光學檢測裝置100更包括一光束準直器172及一物鏡174。光束準直器172配置於分光器120與第一反射鏡160之間的雷射光束112的第一部分1121的路徑上，以使雷射光束112的第一部分1121準直化。物鏡174配置於光束準直器172與第一反射鏡160之間的雷射光束112的第一部分1121的路徑上，以使雷射光束112的第一部分1121會聚於參考面162上。

在本實施例中，光學檢測裝置100更包括一光束準直器176及一物鏡179。光束準直器176配置於分光器120與二維光電掃描器130之間的雷射光束112的路徑上（例如是雷射光束112的第二部分1122的路徑上），以使雷射光束112的第二部分1122準直地照射在二維光電掃描器130上。物鏡179配置於二維光電掃描器130與待測物50之間的雷射光束112的路徑上（例如是雷射光束112的第二部分1122的路徑上），以使雷射光束112的第二部分1122會聚於待測物50上。在本實施例中，光學檢測裝置100更包括一第二反射鏡178，配置於光束準直器176與二維光電掃描器130之間的雷射光束112的路徑上（例如是雷射光束112的第二部分1122的路徑上），以改變雷射光束112的第二部分1122的傳遞方向。然而，在其他實施例中，光學檢測裝置100也可以不包括第二反射鏡178，而是讓來自光束準直器176的雷射光束112的第二部分1122直接傳遞至二維光電掃描器130。

另一方面，待測物50所反射的訊號光52則依序經由物鏡179、二維光電掃描器130、第二反射鏡178、光束準直器176而回到分光器120。此外，參考面162所反射的參考光161則依序經由物鏡174及光束準直器172而回到分光器120。然後，訊號光52與參考光161在分光器120中混合而互相干涉成干涉光121。

在本實施例中，光學檢測裝置100更包括一控制器150，用以控制掃頻式雷射光源110的發光與波長，用以控制二維光電掃描器130的作動，且用以接收並處理來自光接收器140的訊號。

在一實施例中，控制器150例如為中央處理單元（central processing unit, CPU)、微處理器（microprocessor）、數位訊號處理器（digital signal processor, DSP）、可程式化控制器、可程式化邏輯裝置（programmable logic device, PLD）或其他類似裝置或這些裝置的組合，本發明並不加以限制。此外，在一實施例中，控制器150的各功能可被實作為多個程式碼。這些程式碼會被儲存在一個記憶體中，由控制器150來執行這些程式碼。或者，在一實施例中，控制器150的各功能可被實作為一或多個電路。本發明並不限制用軟體或硬體的方式來實作控制器150的各功能。

在本實施例的光學檢測裝置100中，由於採用訊號光52與參考光161互相干涉以形成干涉光121，且採用掃頻式雷射光源110變化雷射光束112的波長以達到不同的干涉，因此本實施例的光學檢測裝置100可以兼具三維檢測與高影像解析度。此外，由於採用了二維光電掃描器130以使雷射光束在二個維度上掃描待測物，因此本實施例的光學檢測裝置100可以達到廣域成像，也就是檢測的範圍較大。

在本實施例中，分光器120將干涉光121分成二道，且光接收器140例如為一平衡式光接收器，其可根據這兩道干涉光121來濾除干涉訊號中的直流訊號，並保留交流訊號，以使干涉影像能夠更為清楚。

圖2為本發明的另一實施例的光學檢測裝置的架構示意圖。請參照圖2，本實施例的光學檢測裝置100a類似圖1的光學檢測裝置100，而兩者的差異如下所述。在圖1的實施例中，第一反射鏡160的光路是設計在二維光電掃描器130的光路所在的探頭135之外，而在本實施例（即圖2的實施例）中，第一反射鏡160與二維光電掃描器130整合在同一探頭135a中。舉例而言，第一反射鏡160的光路與二維光電掃描器130的光路都整合在同一探頭135a的殼體中。

圖3為本發明的又一實施例的光學檢測裝置的架構示意圖。請參照圖3，本實施例的光學檢測裝置100b類似圖1的光學檢測裝置100，而兩者的差異如下所述。在本實施例的光學檢測裝置100b中，參考面51為待測物50的表面。也就是說，本實施例的光學檢測裝置100b不像圖1的光學檢測裝置100那樣額外採用第一反射鏡160來形成參考面162，而是直接使用待測物52的表面（即參考面51）反射的雷射光束112當作參考光53。參考光53與訊號光52發生干涉，以形成干涉光121。隨著掃頻式雷射光源110改變雷射光束112的波長，光接收器140亦可以偵測到待測物50的不同深度的截面的影像。

圖4為本發明的再一實施例的光學檢測裝置的架構示意圖。請參照圖4，本實施例的光學檢測裝置100c類似圖1的光學檢測裝置100，而兩者的差異如下所述。在本實施例的光學檢測裝置100c中，分光器120將雷射光束112分成多個子光束113（如圖4所示為兩個子光束113），這些子光束113照射於待測物50上的不同位置。另一方面，雷射光束112的第一部分1121依然傳遞至第一反射鏡160，以形成參考光161。藉由參考光161與待測物50反射兩道子光束113所產生的兩道訊號光52發生干涉，光接收器140便能夠同時感測待測物50上的兩個位置的影像資訊，進而可以縮短掃描整個待測物50的時間。

圖5為本發明的一實施例的光學檢測方法的流程圖。請參照圖1與圖5，本實施例的光學檢測方法可利用前述任一實施例的光學檢測裝置（如光學檢測裝置100、100a、100b或100c）來執行，而以下以利用光學檢測裝置100來執行為例進行說明。本實施例的光學檢測方法包括下列步驟。首先，提供光學檢測裝置100，且執行步驟S110，即可透過本機或遠端來控制光學檢測裝置100。接著，執行步驟S120，開啟掃頻式雷射光源110，此時，雷射光束112會照射待測物50與參考面162。再來，執行步驟S130，利用來自光接收器140的訊號進行二維影像預覽。之後，藉由控制器150設定二維光電掃描器130的掃描參數，其中這些掃描參數例如是二維掃描範圍、電壓、張數設定或條數設定等。

在此之後，利用來自光接收器140的訊號進行至少一次三維影像擷取。舉例而言，可以執行步驟S152，執行單次的三維影像擷取。或者，可以執行步驟S154，執行多次的三維影像擷取，然後執行步驟S156，進行擷取次數的設定。舉例而言，多個待測物50可以輸送帶或載台傳送，而上述多次的三維影像擷取則分別擷取不同的待測物的三維影像。

在本實施例中，光學檢測方法可再包括下列步驟。在步驟S152或步驟S156之後，執行步驟S160，對擷取的三維影像進行影像均勻度校正。舉例而言，影像的中央通常亮度較高，而周圍亮度較低，因此可減少影像的中央的亮度，以使整個影像的亮度較為均勻。之後，執行步驟S170，對三維影像進行背景及特定區域辨別，例如可濾除背景雜訊，以拉大背景雜訊與訊號的差異。再來，進行步驟S180，提取三維影像中的特徵，也就是提取待測物50中有異常狀況的特徵的影像。接著，進行步驟S190，從特徵識別缺陷，也就是把待測物50的缺陷種類識別出來。然後，執行步驟S210，儲存識別出的缺陷的資料及三維影像，包括儲存缺陷的位置與影像。最後，完成檢測後，執行步驟S220，關閉掃頻式雷射光源110。

基於上述，本實施例的光學檢測裝置100或其他實施例的光學檢測裝置100a～100c與光學檢測方法所使用的光學同調斷層掃描術可以同時具備高解析度以及三維成像，有助於提升檢測精準率。此外，在硬體架構方面具有以下優點：1. 單個掃描裝置具備單點或多光點同時掃描的能力；2. 可量測回光強度來實現自動對焦；3. 物鏡（例如物鏡179與174）可使用液態透鏡來實現變焦；4. 可達到廣域成像；5. 自動調整參考光161強度；6. 當待測物50為晶圓時，單系統可以同時取得多切割道或多個裸晶的三維結構資訊。

再者，在軟體架構方面具有以下優點：1. 精準量測缺陷位置、缺陷尺寸、缺陷體積、缺陷種類以及各式幾何尺寸相關資訊，例如厚度、表面特徵等；2. 透過晶片背面作為遮罩來強化分析影像的準確度以用來判斷金屬缺陷；3. 能夠藉由序列埠或網路 埠來進行通訊協定以能夠遠端控制系統。

在本實施例的光學檢測裝置100或其他實施例的光學檢測裝置100a～100c與光學檢測方法中所描述的光學同調斷層掃描術解決了X光檢測設備和超音波檢測設備無法提供高精度缺陷量測的問題，也同時解決了紅外光相機無法量測缺陷深度位置的問題，另外又具備了多光點同時掃描、液態透鏡變焦、單個掃描裝置能同時擷取多切割道或多個裸晶的特徵來提升擷取速度。另外透過新穎的軟體演算法的整合，而可以精準量測缺陷位置、缺陷尺寸、缺陷體積、缺陷種類以及各式幾何尺寸相關資訊（如厚度、表面特徵等），來降低晶圓的誤殺率。本實施例的光學檢測裝置100或其他實施例的光學檢測裝置100a～100c與光學檢測方法可用於光電或化合物半導體製程中晶圓切割程序所產生於切割道邊緣的內缺陷和裸晶的邊緣高速自動化檢測。

另外，在上述各實施例中，掃頻式雷射光源110、分光器120、光束準直器172、176及光接收器140之間以實線連接的線段可以表示這些元件之間的光路是以光纖連接來形成，而光束準直器172與物鏡174之間、物鏡174與第一反射鏡160之間、光束準直器176與第二反射鏡178之間、第二反射鏡178與二維光電掃描器130之間、二維光電掃描器130與物鏡179之間及物鏡179與待測物50之間以虛線連接的線段可以表示這些元件之間的光路是存在於空氣、真空或元件之間的填充物質中，但本發明不以此為限。在另一實施例中，以光纖連接所形成的光路在元件位置的適當配置之下，也可以改成存在於空氣、真空或元件之間的填充物質中的光路。

綜上所述，在本發明的實施例的光學檢測裝置與光學檢測方法中，由於採用訊號光與參考光互相干涉以形成干涉光，且採用掃頻式雷射光源變化雷射光束的波長以達到不同的干涉，因此本發明的實施例的光學檢測裝置與方法可以兼具三維檢測與高影像解析度。此外，由於採用了二維光電掃描器以使雷射光束在二個維度上掃描待測物，因此本發明的實施例的光學檢測裝置與方法可以達到廣域成像。

50:待測物 51、162:參考面 52:訊號光 53、161:參考光 100、100a、100b、100c:光學檢測裝置 110:掃頻式雷射光源 112:雷射光束 1121:第一部分 1122:第二部分 113:子光束 120:分光器 121:干涉光 130:二維光電掃描器 135、135a:探頭 140:光接收器 150:控制器 160:第一反射鏡 172、176:光束準直器 174、179:物鏡 178:第二反射鏡 S110～S140、S152、S154、S156、S160～S190、S210、S220:步驟

圖1為本發明的一實施例的光學檢測裝置的架構示意圖。 圖2為本發明的另一實施例的光學檢測裝置的架構示意圖。 圖3為本發明的又一實施例的光學檢測裝置的架構示意圖。 圖4為本發明的再一實施例的光學檢測裝置的架構示意圖。 圖5為本發明的一實施例的光學檢測方法的流程圖。

50:待測物

52:訊號光

100:光學檢測裝置

110:掃頻式雷射光源

112:雷射光束

1121:第一部分

1122:第二部分

120:分光器

121:干涉光

130:二維光電掃描器

135:探頭

140:光接收器

150:控制器

160:第一反射鏡

161:參考光

162:參考面

172、176:光束準直器

174、179:物鏡

178:第二反射鏡

Claims (14)

1. 一種光學檢測裝置，用以檢測一待測物的三維結構資訊，該光學檢測裝置包括： 一掃頻式雷射光源，用以發出一雷射光束； 一分光器，配置於該雷射光束的路徑上； 一二維光電掃描器，配置於來自該分光器的該雷射光束的路徑上，且用以使該雷射光束在二個維度上掃描該待測物，其中該待測物將該雷射光束反射成一訊號光，一參考面將該雷射光束反射成一參考光，該訊號光與該參考光傳遞回該分光器，並互相干涉以形成一干涉光，該掃頻式雷射光源用以變化該雷射光束的波長，以使該訊號光與該參考光產生不同的干涉；以及 一光接收器，配置於來自該分光器的該干涉光的路徑上，且用以感測該干涉光。
2. 如請求項1所述的光學檢測裝置，更包括一第一反射鏡，其中該分光器將該雷射光束分成一第一部分與一第二部分，該第一反射鏡配置於來自該分光器的該雷射光束的該第一部分的路徑上，其中該參考面為該第一反射鏡的反射面，該第一反射鏡的該反射面將該雷射光束的該第一部分反射成該參考光，且該雷射光束的該第二部分傳遞至該待測物。
3. 如請求項2所述的光學檢測裝置，更包括： 一光束準直器，配置於該分光器與該第一反射鏡之間的該雷射光束的該第一部分的路徑上；以及 一物鏡，配置於該光束準直器與該第一反射鏡之間的該雷射光束的該第一部分的路徑上。
4. 如請求項2所述的光學檢測裝置，其中該第一反射鏡與該二維光電掃描器整合在同一探頭中。
5. 如請求項1所述的光學檢測裝置，其中該參考面為該待測物的表面。
6. 如請求項1所述的光學檢測裝置，其中該待測物的材質為半導體，且該雷射光束適於在該待測物中傳遞。
7. 如請求項6所述的光學檢測裝置，其中該雷射光束為紅外光。
8. 如請求項1所述的光學檢測裝置，其中該分光器將該雷射光束分成多個子光束，該些子光束照射於該待測物上的不同位置。
9. 如請求項1所述的光學檢測裝置，其中該二維光電掃描器為掃描鏡。
10. 如請求項1所述的光學檢測裝置，更包括一控制器，用以控制該掃頻式雷射光源的發光與波長，用以控制該二維光電掃描器的作動，且用以接收並處理來自該光接收器的訊號。
11. 如請求項1所述的光學檢測裝置，更包括： 一光束準直器，配置於該分光器與該二維光電掃描器之間的該雷射光束的路徑上；以及 一物鏡，配置於該二維光電掃描器與該待測物之間的該雷射光束的路徑上。
12. 如請求項11所述的光學檢測裝置，更包括一第二反射鏡，配置於該光束準直器與該二維光電掃描器之間的該雷射光束的路徑上。
13. 一種光學檢測方法，用以檢測一待測物的三維結構資訊，該光學檢測方法包括： 提供如請求項1所述的光學檢測裝置； 開啟該掃頻式雷射光源； 利用來自該光接收器的訊號進行二維影像預覽； 設定該二維光電掃描器的掃描參數；以及 利用來自該光接收器的訊號進行至少一次三維影像擷取。
14. 如請求項13所述的光學檢測方法，更包括： 對擷取的三維影像進行影像均勻度校正； 對該三維影像進行背景及特定區域辨別； 提取該三維影像中的特徵； 從該特徵識別缺陷；以及 儲存識別出的該缺陷的資料及該三維影像。

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