TWI451078B - 用於檢查半導體之成像裝置、暗場環燈以及照明物體之方法 - Google Patents

Description

用於檢查半導體之成像裝置、暗場環燈以及照明物體之方法

本發明係關於以收斂光線而照明物體。

一物體反射光線之方式係可變化自習知於此技藝為朗伯(Lambertian)(在朗伯(Lambert)之後)之完全發散(diffuse)至完全鏡射(specular)(在反射鏡(speculum)之後)。若一物體係實質為朗伯，其性質為在於：表面係以本質上無關於角度之一效率而反射光線，則該物體之照明係相當簡單。於該種情形，一物體之影像的均勻度係僅仰賴於入射照明之均勻度與強度。一種朗伯物體之實例為紙張，其可為由一單點狀的光源而適當照明。

若一物體係實質為鏡射且期望的照明係亮場照明，則光源係將由觀察者所直接看到。此係可藉由置放一相機於一偏離(off)角度而達成，該偏離角度係極為相同於一光源之偏離角度，此亦由於一鏡射物體之反射角度為互補於入射角度之故。於該種情形，光源本身係必須具有一朗伯發射器之特性且必須涵蓋所投射的視野。

於實質發散反射的朗伯物體與實質鏡射反射的物體之間係存在一極大類別的物體，針對於此者，其表面係既非實質為朗伯且亦非實質為鏡射。針對於此等物體，自一光源而反射至觀察者或感測裝置的光線之量係取決於入射的照明強度與入射的角度。

設計用於成像一物體之一照明系統係需要指引一光線於一特定方向，概括為朝向所要成像的物體。欲達成此舉之通常方式係指向或瞄準一光源於物體之方向。此瞄準係可為相當複雜。舉例而言，由Baldwin等人於2003年7月10日提出為美國專利申請案第10/616,548號之美國專利公告第2004/0141175號，係提出自不同方向而瞄準諸如發光二極體(LED)之光源的一個實例，以達成一物體之均勻照明於一實質固定照明角度而不論該物體之位置為何處。

一般運用暗場(darkfield)環燈(ringlight)以自複數個方向而照明物體。運用現有技術所產生之一種暗場環燈係包括LED，其納入一基本聚光(condensing)透鏡，此透鏡安裝至例如四個各自的電路板段(segment)，俾使該等LED係可自不同方向而傾斜朝向該物體。各個電路板段係安裝於一適合角度，且定位為俾使其能量指引朝向該物體。該等LED之主要光線係收斂於一預定的位置。雖然此配置係提供適當的照明，但具有關聯於此實施之困難度。舉例而言，其製造、產生及互連四個單獨的電路板組件是昂貴的。

因此，較佳的是安裝一暗場環燈之光源(例如：LED)於單一電路板，以降低零件數、零件成本、組裝時間、與組裝成本。亦為較佳的是由於較少的互連而提高可靠度。

於一個實施例，係提出一種成像裝置以供檢查半導體或其他物體。該成像裝置係包括：用於成像自一物體所反射的光線之一或多個成像透鏡、及一平面電路板。該成像裝置亦包括：附接至該平面電路板之一第一光源、及附接至該平面電路板之一第二光源。該成像裝置更包括：用於指引自第一光源之光線為自一第一方向而朝向該物體之一第一菲涅耳(Fresnel)稜鏡、及用於指引自第二光源之光線為自一第二方向而朝向該物體之一第二菲涅耳稜鏡。

於一個實施例，一種暗場環燈係包括：用於發出一第一光束之一第一光源、用於發出實質平行於第一光束的一第二光束之一第二光源、及用於重新指引第一光束與第二光束之一或多個光學元件，俾使第一光束與第二光束為收斂於一期望的位置。

於一個實施例，一種用於照明一物體之方法係包括：發出一第一光束、發出實質平行於第一光束之一第二光束、及重新指引第一光束與第二光束，俾使該等光束為收斂於一期望的位置。

於一個實施例，一種用於製造檢查系統之光源係包括：用於重新指引二或更多個實質平行的光束為朝向欲成像之一物體的機構、及用於改變該等光束至少一者之發散度的機構。

另外的層面與優點係將由下文之較佳實施例的詳細說明而顯明，其參照伴隨的圖式而進行。

於一個實施例，光線係由一光源平面陣列所發出及指引以照明於觀察下之一物體。典型而言，雖然本發明係未如此受限，光源之平面陣列係可運用於製造零件之自動的特徵化及/或檢查。此等製造零件係包括半導體。半導體之類別係可具有一非普通之雙向反射分佈函數，藉以提供自朗伯(Lambertian)至鏡射(specular)之改變的照明性質。眾所瞭解的是：準確檢查諸如半導體之某些製造零件所需要的時間係受限於降低整體生產率之效率的任何誤差。根據一個實施例，一照明裝置係降低關聯於照明之檢查的誤差，且因此助於製程之整體效率。

參考該等圖式，其中，相同的參考數字係指相同元件。為了簡明，一參考數字之第一位數字係指出對應的元件為首先運用之圖式編號。於以下說明，係提供諸多特定細節以針對於本文揭示的實施例之徹底瞭解。然而，熟悉此技藝人士係將知悉的是：本文揭示的實施例係可實行而無需該等特定細節之一或多者，或是藉著其他方法、構件、或材料而實行。再者，於一些情形，眾所周知的結構、材料、或作業係未詳細顯示或描述，藉以避免混淆實施例之層面。再者，所述的特點、結構、或特徵係可以任何適合方式而組合於一或多個實施例。

第1圖係一種習用的成像裝置100之示意圖。成像裝置100係包括一感測元件110、一透鏡配置112、與一光源114。舉例而言，感測元件110係可包括一電荷耦合器件(CCD,charge coupled device)或一互補金屬氧化物半導體(CMOS,complementary metal oxide semiconductor)相機。透鏡配置112係構成以提供一物體116之影像至感測元件110。感測元件110與透鏡配置112係可為包括習用或非習用之任何的結構。舉例而言，透鏡配置112係可為遠心(telecentric)。

光源114係定位以自二或更多個不同方向(顯示的是二個)而照明物體116。光源114係可定位，俾使於物體116之各點係以實質相同於一標稱(nominal)照明角度之一角度而照明。提供照明為具有跨於物體116之相同的入射角度，係改善鏡射物體之照明達到任何程度。標稱照明角度係最有效照明物體116之角度。所瞭解的是：標稱照明角度係將取決於所要成像之物體116的品質而改變。

標稱照明角度係可憑經驗決定以提供一較佳的照明效果；其可藉由物體116、光源114、與感測元件110之數學模型而決定；或是可藉由針對於成像裝置100之可利用的空間而限制至一特定標稱值。經驗決定係可涉及於物體116上的嘗試錯誤法，以決定一最佳化的照明角度。一數學做法的實例係一種蒙地卡羅光線追蹤(Monte Carlo raytracing)。一蒙地卡羅光線追蹤係涉及使用一隨機變數套裝程式，其產生蒙地卡羅光線蹤跡。能做到該種數學模型之一軟體套裝程式的一個實例係由美國麻州Littleton之Lambda研究公司以商品名稱Trace Pro所販售。

光源114係包括一第一照明裝置118與一第二照明裝置120。第一照明裝置118與第二照明裝置120係可各包含例如一發光二極體(LED)。該等LED係可各包括一聚光透鏡以集中光線於物體116。替代而言，此技藝人士係將知悉的是：第一照明裝置118與第二照明裝置120係可各包含一維或二維陣列之LED，以提供物體116之提高的亮度及/或均勻照明。如於第1圖所示，光源114係可構成以對向著(subtend)物體116之突出尺寸及環繞該物體116。欲對向著物體116之突出尺寸，瞭解的是：光源114係具有一充分的發散度。瞭解的是：光源114亦可構成以並未對向著突出尺寸。

第一照明裝置118係安裝至一第一印刷電路板(PCB)122。第一PCB 122係定位以指引自第一照明裝置118之光線123為自一第一方向而朝向物體116。第二照明裝置120係安裝至一第一PCB 124。第二PCB 124係定位以指引自第二照明裝置120之光線126為自一第二方向而朝向物體116。因此，自第一照明裝置118與第二照明裝置120之光線123、126係收斂於物體116，以提供一期望的暗場照明配置。此技藝人士係將瞭解的是：光源114可為圓形對稱、二重對稱、四重對稱，或是其為適用於物體116與可利用的空間之任何其他架構。

如上所論，運用諸如第一PCB 124與第二PCB 124之一種分段式(segmented)PCB係相較於運用單一個PCB為昂貴。諸如一LED驅動器或其一部分之電路係可能需要複製於第一PCB 124與第二PCB 124。再者，可能難以安裝及互連第一PCB 124與第二PCB 124。美國專利公告第2004/0141175號係揭示運用分段式PCB或形成為一錐狀之可撓PCB，舉例而言，以提供自複數個不同方向之收斂光線。然而，此等解決方式之二者相較於單一個剛性的平面PCB而都可能為較昂貴及/或較不可靠。

置放第一照明裝置118與第二照明裝置120於單一個平面PCB(未顯示於第1圖)，根據一個實施例，要求的是：各自的光線123、126係重新指引以收斂於物體116。一光束係可由一稜鏡且透過一角度而於一維上偏離。然而，定位鄰近於第一照明裝置118與第二照明裝置120之習用的稜鏡對於大多數的應用來說而為過大。因此，習用的稜鏡對於運用於光源114與物體116之間的距離而言為概括延伸太遠而超過光源114。於一個實施例，於光源114與物體116之間的距離係約為25毫米。於其他的實施例，於光源114與物體116之間的距離係於約為20毫米與約為60毫米之間的一範圍。熟悉此技藝人士係將知悉的是：其他範圍為可能。然而，一最小的淨空距離係應維持於物體116之前方，以允許諸如用於拾取及置放物體116的一機械手臂及一固定物之一操縱機構的空間。

如詳細論述於後，於一個實施例，係運用小型稜鏡之重複陣列以重新指引自一光源平面陣列的光線，以收斂光線於物體116。於一個該種實施例，小型稜鏡之重複陣列係包含稱為一菲涅耳稜鏡之一扁平化的稜鏡，因為其相似於一菲涅耳透鏡，但為於一維。因此，菲涅耳稜鏡係以極為相同方式而達成一大許多的習用稜鏡之結果：一菲涅耳透鏡係包括環狀鏡面的同心陣列之一習用透鏡的扁平化形式。

第2圖係根據一個實施例之一種用於達成收斂光線的成像裝置200之示意圖。如上所論，成像裝置200係包括感測元件110與透鏡配置112。然而，成像裝置200係包括一光源210，其具有一照明源之平面陣列。於第2圖所示之範例性實施例，光源210係包括安裝於單一個剛性的PCB 212之第一照明裝置118與第二照明裝置120。針對於示範目的，PCB 212之一部分係圖示為延伸自第一照明裝置118至第二照明裝置120之一虛線。PCB 212係構成而並未干擾該透鏡配置112。舉例而言，於一個實施例，PCB 212係包括一孔洞，其允許自物體116所反射的光線由透鏡配置112所成像。

如上所論，第一照明裝置118與第二照明裝置120係可各包括單一個LED或一LED陣列。第一照明裝置118與第二照明裝置120係安裝於PCB 212，以初始投射光線為實質垂直自對應於PCB 212之一平面。光源210亦包括：定位以自第一方向而重新指引自第一照明裝置118至物體116之光線123的一第一菲涅耳稜鏡214、及定位以自第二方向而重新指引自第二照明裝置120至物體116之光線126的一第二菲涅耳稜鏡216。如上所論，針對第一方向與第二方向之角度係可選擇以達成一期望的暗照明效果。

於一個實施例，第一菲涅耳稜鏡214與第二菲涅耳稜鏡216係包含射出成形的菲涅耳稜鏡。若稜鏡214、216係具有諸多小的鏡面(facet)，則該等稜鏡係薄且可撓。然而，若係運用較少的鏡面，則各個鏡面係比較大且結合於一支撐結構，俾使稜鏡214、216係剛性且厚度為數毫米。於一個實施例，菲涅耳稜鏡214、216係具有一厚度約為1.2毫米且具有約為一半厚度之鏡面。該種結構係充分厚而為剛性，且當由角隅所安裝時為自我支撐。於其他的實施例，菲涅耳稜鏡214、216係具有一厚度於約為0.1毫米與約為5毫米之間的一範圍。

於一個實施例，菲涅耳稜鏡214、216係包括清徹、可撓的聚氯乙烯塑膠薄片，其經修正以產生稜鏡的效果。該等薄片係包含一連串之小的稜鏡，其頂點線實質平行而對準於一薄的塑膠平台。此技藝人士係自本文揭示內容而將知悉的是：第一菲涅耳稜鏡214與第二菲涅耳稜鏡216係可包含單一個菲涅耳稜鏡且/或可形成於單一個塑膠薄片上，如由虛線218所代表於第2圖。

菲涅耳稜鏡214、216係偏轉光線123、126以達成相同的期望收斂，即使第一照明裝置118與第二照明裝置120係非平面而為傾斜朝向物體116。運用菲涅耳稜鏡214、216，則藉著安裝於平面PCB 212之第一照明裝置118與第二照明裝置120，而達成改善的或最佳的照明性能。因此，電氣構件之數目、組裝時間、與成本係相較於運用多個PCB者而為降低。再者，由於多個PCB之間的互連較少而提高可靠度。

於一個實施例，第一照明裝置118與第二照明裝置120係各具有一發散度，其為選擇以實質對向著該物體116。然而，於發散度之變化、介於光源114與物體116之間的工作距離之變化、及/或於物體16的尺寸之變化係可造成照明品質之降低。舉例而言，過多的發散度係可能造成光線浪費，而過少的發散度係可能造成暗的周邊。因此，於一個實施例，除了彎曲或重新指引自第一照明裝置118與第二照明裝置120的光線之外，係調整光線之發散度以適當照明該物體116。

舉例而言，第3圖係根據一個實施例之一種用於降低收斂光線之發散度的成像裝置300之示意圖。成像裝置300係包括一第一光學元件310，其為構成以重新指引及降低自第一照明裝置118所發出的光線之發散度。成像裝置300亦包括一第二光學元件312，其為構成以重新指引及降低自第二照明裝置120所發出的光線之發散度。此技藝人士係自本文揭示內容而將知悉的是：第一光學元件310與第二光學元件312係可包含成單一個單元而非二個單獨的元件。

於一個實施例，第一光學元件310與第二光學元件312係包含一正菲涅耳透鏡與一菲涅耳稜鏡之組合，該菲涅耳稜鏡係具有一組之變化角度的鏡面。因此，該第一光學元件310與第二光學元件312係分別偏轉自第一照明裝置118與第二照明裝置120的光線為朝向一物體314。

於此實例，物體314係相較於第1與2圖所示的物體116為短。因此，第一光學元件310與第二光學元件312係分別降低自第一照明裝置118與第二照明裝置120所發出的光線之發散度，使得過量的光線未浪費。舉例而言，用於降低發散度之其他實施例係包括：定位一正透鏡或正菲涅耳透鏡於第2圖所示的菲涅耳稜鏡214、216之前方。此技藝人士係自本文揭示內容而將知悉用於降低發散度之其他的實施例。

第4圖係根據一個實施例之一種用於提高收斂光線之發散度的成像裝置400之示意圖。成像裝置400係包括一第一負透鏡410，其定位為相對於第一菲涅耳稜鏡214以增加自第一照明裝置118所發出的光線之發散度。成像裝置400亦包括一第二負透鏡412，其定位為相對於第二菲涅耳稜鏡216以增加自第二照明裝置120所發出的光線之發散度。此技藝人士係自本文之揭示內容而將知悉的是：第一負透鏡410與第二負透鏡412係可包含成單一個透鏡而非為二個單獨的透鏡。

於第4圖所示的實例，一物體414係相較於第1與2圖所示的物體116為長。因此，在第一菲涅耳稜鏡214與第二菲涅耳稜鏡216指引光束朝向物體414之後，第一負透鏡410與第二負透鏡412係分別增加發散度至諸光束，使得光線係覆蓋整個物體414。若欲增加發散度至發出的諸光束，根據另一個實施例，第一負透鏡410與第二負透鏡412係以一或多個發散器所取代。於另一個實施例，發散度係運用組合於一菲涅耳稜鏡之一負菲涅耳透鏡而增加至發出的諸光束。於另一個實施例，一發散器係組合於一菲涅耳稜鏡。舉例而言，支撐菲涅耳稜鏡214之一塑膠薄片係可具有適用於光線發散之一表面，其模製至相對於菲涅耳稜鏡之鏡面的那一側。此技藝人士係自本文揭示內容而將知悉用於增加發散度至光束之其他實施例。

對於熟悉此技藝人士係將為顯明的是：諸多的變化係可作成於上述的實施例之細節而未偏離自本發明之根本的原理。因此，本發明之範疇係應僅為由隨附申請專利範圍所決定。

100．．．成像裝置

110．．．感測元件

112．．．透鏡配置

114．．．光源

116．．．物體

118、120．．．照明裝置

122、124．．．印刷電路板(PCB)

123、126．．．光線

200．．．成像裝置

210．．．光源

212．．．印刷電路板(PCB)

214、216．．．菲涅耳稜鏡

218．．．塑膠薄片

300．．．成像裝置

310、312．．．光學元件

314．．．物體

400．．．成像裝置

410、412．．．負透鏡

414．．．物體

第1圖係一種習用的成像裝置之示意圖。

第2圖係根據一個實施例之一種用於達成收斂光線的成像裝置之示意圖。

第3圖係根據一個實施例之一種用於降低收斂光線之發散度的成像裝置之示意圖。

第4圖係根據一個實施例之一種用於提高收斂光線之發散度的成像裝置之示意圖。

110．．．感測元件

112．．．透鏡配置

116．．．物體

118、120．．．照明裝置

123、126．．．光線

200．．．成像裝置

210．．．光源

212．．．印刷電路板(PCB)

214、216．．．菲涅耳稜鏡

218．．．塑膠薄片

Claims (9)

1. 一種用於檢查半導體之成像裝置，該成像裝置係包含：一或多個成像透鏡，用於成像自一物體所反射的光線；一平面電路板；一第一光源，附接至該平面電路板；一第二光源，附接至該平面電路板；一第一菲涅耳(Fresnel)稜鏡，用於指引自第一光源之光線為自一第一方向而朝向該物體；及一第二菲涅耳稜鏡，用於指引自第二光源之光線為自一第二方向而朝向該物體，其中該重新指引的光線發散自該第一菲涅耳稜鏡發散和該第二菲涅耳稜鏡，且其中該第一菲涅耳稜鏡發散和該第二菲涅耳稜鏡各者包含一組有變化角度的鏡面以減少該重新指引的光線之發散度。
2. 如申請專利範圍第1項之成像裝置，更包含：一感測元件，用於接收自該一或多個成像透鏡之物體影像。
3. 如申請專利範圍第1項之成像裝置，其中，該第一光源與第二光源之至少一者係包含一發光二極體。
4. 如申請專利範圍第1項之成像裝置，其中，該第一光源與第二光源之至少一者係包含發光二極體之陣列。
5. 一種暗場環燈，包含：一第一光源，用於發出一第一光束； 一第二光源，用於發出實質平行於第一光束之一第二光束；及一光學元件，用於重新指引第一光束與第二光束，俾使第一光束與第二光束為收斂於一期望的位置，其中，該重新指引的光線發散自一或多個光學元件，其中該一或多個光學元件係包含一組合式的菲涅耳透鏡與菲涅耳稜鏡，該稜鏡具有變化角度的鏡面，且其中該一或多個光學元件係構成以減少第一光束與第二光束之至少一者的發散度。
6. 如申請專利範圍第5項之暗場環燈，其中，該第一光源與第二光源之至少一者係包含一或多個發光二極體。
7. 如申請專利範圍第5項之暗場環燈，其中，該一或多個光學元件係包含一菲涅耳稜鏡。
8. 如申請專利範圍第5項之暗場環燈，更包含：一電路板，該第一光源與第二光源係機械式耦接至該電路板之一平坦表面。
9. 一種照明物體之方法，該方法係包含：發出一第一光束；發出實質平行於第一光束之一第二光束；及使用含有變化角度的鏡面之一光學元件以重新指引第一光束與第二光束，俾使該等光束為收斂於一期望的位置，其中，該等重新指引的第一光束與第二光束各者發散自該光學元件，且其中該光學元件減少該重新指引的光線 之發散度。