TWI749409B

TWI749409B - 光學量測方法

Info

Publication number: TWI749409B
Application number: TW108142800A
Authority: TW
Inventors: 蕭瑋仁; 蔡鈞亦; 張巍耀
Original assignee: 致茂電子股份有限公司
Priority date: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2021-12-11
Also published as: TW202120913A

Abstract

本發明提供一種光學量測方法，用以量測物件的表面，所述光學量測方法包含以下步驟。首先，提供輸入光線。於輸入光線的光學路徑上，提供空間光調製器，空間光調製器具有多個像素，所述多個像素用以選擇性地調變輸入光線為測試光線。並且，控制空間光調製器，使所述多個像素中的第一像素群組不調變輸入光線，第一像素群組對應表面的定位標記的位置。並且，分別於第一時間與第二時間取得表面的第一表面影像與第二表面影像。並且，依據第一表面影像與第二表面影像中的定位標記，對準第一表面影像與第二表面影像。

Description

光學量測方法

本發明係關於一種光學量測方法，特別是關於一種解析物件表面影像的光學量測方法。

在產品製造完成後，都會經過一定的測試程序，用來把關產品的品質。一般來說，會仰賴人力檢查產品的外觀是否缺損，或者藉由觀察產品的外觀來判斷功能是否正常。但有些產品的結構比較細緻，有時實在無法要求人員使用肉眼檢查出瑕疵。傳統上，當肉眼無法判別是否有瑕疵時，可以借助攝影機來拍攝產品的外觀，藉由放大拍攝到的影像，便可以檢查產品特定區域的外觀。舉例來說，晶圓磊晶完成後也時常會藉由攝影機來拍攝晶圓表面，藉由晶圓的表面影像來檢查晶圓中每個元件的磊晶品質。

由於晶圓中的元件尺寸非常小，表面影像往往需要有相當高的解析度，才能詳細地檢查磊晶品質。然而，為了提高影像解析度，常會使用拍攝多張影像合成為單一影像的手法，但時常會因為攝影機的震動或晶圓的位移，使拍攝到的表面影像產生偏移而有解析度不佳的情況。因此，業界需要一種新的光學量測方法，能夠在表面影像發生偏移時，有效地校準表面影像，以提高表面影像的解析度。

本發明提供了一種光學量測方法，在把結構光投射至物件的表面時，會避開物件的定位標記。藉此，在拍攝物件的表面影像時，會發現定位標記沒有受到結構光的干擾，使得表面影像更容易進行後續的對準與校正程序。

於一些實施例中，空間光調製器的所述多個像素於第一時間可以對應第一圖樣，空間光調製器的所述多個像素於第二時間可以對應第二圖樣。此外，於依據第一表面影像與第二表面影像中的定位標記，對準第一表面影像與第二表面影像的步驟中，包含以下步驟。首先，定位第一表面影像中的定位標記，據以產生第一座標。並且，定位第二表面影像中的定位標記，據以產生第二座標。並且，比對第一座標與第二座標，計算第一偏移值。並且，依據第一偏移值，補償第二表面影像，使第二表面影像對準第一表面影像。

於一些實施例中，第一表面影像可以對應該表面的第一取像範圍，第二表面影像可以對應表面的第二取像範圍，第一取像範圍不等於第二取像範圍。此外，於對準該第一表面影像與該第二表面影像的步驟中，更可以設定第一取像範圍與第二取像範圍於表面重疊的區域為交集取像範圍。並且，更可以移除第一表面影像與第二表面影像於交集取像範圍以外的資料。

於一些實施例中，光學量測方法更可以包含以下步驟。首先，可以預先取得表面的初始表面影像。並且，可以計算定位標記於初始表面影像中的位置，據以產生計算結果。並且，可以依據計算結果，自所述多個像素中選擇第一像素群組，使第一像素群組對應初始表面影像中的定位標記的位置。此外，第一像素群組可以對應表面上的不投影範圍，不投影範圍的面積大於定位標記的面積，且不投影範圍的中心位置可以大致上等於定位標記的中心位置。

綜上所述，本發明提供的光學量測方法，在把結構光投射至物件的表面時，會避開物件的定位標記。並且，本發明提供的光學量測方法可以利用定位標記重疊多次拍攝的表面影像，由於定位標記沒有受到結構光的干擾，使得多次拍攝的表面影像更容易進行後續的對準與校正程序。

下文將進一步揭露本發明之特徵、目的及功能。然而，以下所述者，僅為本發明之實施例，當不能以之限制本發明之範圍，即但凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化及修飾，仍將不失為本發明之要意所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故應將視為本發明的進一步實施態樣。

請一併參閱圖1與圖2A，圖1係繪示依據本發明一實施例之光學量測系統的示意圖，圖2A係繪示依據本發明一實施例之物件表面的示意圖。如圖所示，本發明所揭露的光學量測方法可以應用於光學量測系統1，而光學量測系統1可以用來檢測物件20。在此，物件20可以是晶圓或者是載板，用以裝載待測元件200。待測元件200設置於物件20的表面20a上，且可以是晶片、晶粒、面板或者電路，本實施例在此不加以限制。此外，物件20的表面20a上還可以具有定位標記202，實務上在進行檢測時，可以利用定位標記202對齊物件20。另外，圖1繪示的光學量測系統1可以具有光源10、透鏡11、分光單元12、透鏡13、空間光調製器(spatial light modulator)14、透鏡15、影像擷取設備16以及處理單元17，以下說明光學量測系統1的光學架構。

光源10係用來提供輸入光線，雖然圖1繪示了光源10是點光源，但本實施例不加以限制，例如光源10也可以是面光源。此外，光源10可以是白光光源或者是非同調光源，從而輸入光線可以是白光光線或者是一種非同調光光線。在此，光源10提供的輸入光線會進入透鏡11，透鏡11的功能是將來自點光源的輸入光線轉換成平行光。於所屬技術領域具有通常知識者應該明白，光源10大致上會在透鏡11的焦點位置，從而經過透鏡11的輸入光線，大致上可被視為一個平面光。當然，如果光源10原本就是平行面光源，實務上也可以不需要透鏡11。

此外，於輸入光線的光學路徑上，還可以設置有分光單元12以及空間光調製器14。於圖1繪示的例子中，空間光調製器14可以設置於透鏡11以及分光單元12之間，而空間光調製器14可以將至少部分的輸入光線轉換為測試光線，其中所述測試光線可以例如是第一結構光。實務上，分光單元12可以是一種光學分光鏡，可以將從空間光調製器14來的測試光線反射向透鏡13，使得測試光線能夠經過透鏡13照射向物件20。於一個例子中，輸入光線與空間光調製器14調變後的測試光線可以是同一方向，而經過分光單元12反射的測試光線可以是垂直輸入光線的方向。

空間光調製器14可以具有多個像素，且所述多個像素可以排列成陣列形式。在此所稱的每一個「像素」可以由液晶組成，所述多個像素能選擇透光與不透光狀態，從而可以決定測試光線能否通過或通過的比例。舉例來說，空間光調製器14可以依據處理單元17提供的控制指令cmd，來決定哪些像素被開啟或部分開啟，哪些像素被關閉。於一個例子中，圖1中的空間光調製器14可以具有一種穿透式的像素陣列，所述穿透式的像素陣列可以具有一液晶層(圖未示)，藉由控制指令cmd控制所述液晶層中的液晶旋轉方向，決定測試光線能以多少比例通過特定像素。為了方便說明本實施例的空間光調製器14，請一併參閱圖1、圖2A與圖2B，圖2B係繪示依據本發明一實施例之空間光調製器的示意圖。如圖所示，空間光調製器14可以具有多個陣列排列的像素140，所述像素140可以受控於控制指令cmd來調整測試光線能通過的比例。

於一個例子中，多個像素140和物件20的表面20a有空間上的對應關係，例如任一個像素140可以對應到表面20a上的一個特定位置。反之，表面20a上的任一個位置也可以對應到空間光調製器14中的一個特定像素140。當多個像素140和表面20a的對應關係被建立出來後，其中部分的像素140可以被定義為第一像素群組142，第一像素群組142會大致上對應表面20a的定位標記202的位置。實務上，本實施例提供的空間光調製器14中，第一像素群組142可以看成一個不調變測試光線的區域，即第一像素群組142中的像素140可以讓測試光線全部通過。舉例來說，第一像素群組142會對應表面20a上的一個不投影範圍，不投影範圍的中心位置大致上等於定位標記202的中心位置，且不投影範圍的面積會略大於定位標記202所佔面積。

以實際的例子來說，如果已知要反覆檢測類似的一批物件20，則處理單元17可以預先儲存有像素140和表面20a的對應關係，並且也可以預先儲存定位標記202的位置。也就是說，由於處理單元17預先儲存有像素140和表面20a的對應關係，可以查找哪些像素140會對應到初始表面影像中的定位標記的周圍區域。接著，處理單元17再將對應初始表面影像中的定位標記周圍區域的多個像素140設定為第一像素群組142。於一個例子中，為了快速完成設定第一像素群組142的步驟，所述初始表面影像解析度可以較低或也可以沒有充分對焦，只要能讓處理單元17看出初始表面影像中的定位標記，即能符合本實施例的初始表面影像的範疇。

另一方面，本實施例不限制空間光調製器14要具有穿透式的像素陣列，例如空間光調製器14也有可能具有反射式的像素陣列。舉例來說，如果像素140是反射式的架構，則像素140可能由液晶層和反射鏡組成。在此，像素140同樣也可以藉由控制像素中的液晶旋轉方向，決定測試光線被反射鏡反射的比例。此外，反射式的像素140也有可能沒有液晶層而僅具有反射鏡，例如每一個像素140可以就是一面小反射鏡，控制指令cmd可以決定哪些像素140可以將測試光線反射到表面20a。同樣地，縱使像素140是反射式的架構，第一像素群組142仍可看成是一個不調變測試光線的區域，即第一像素群組142中的像素140可以讓測試光線全部反射到表面20a。另外，空間光調製器14有可能會與偏振片搭配使用，不過由於偏振片的功能及用途係所屬技術領域中具有通常知識者皆能理解，再加上其並非本發明之重點，在此不予贅述。

測試光線在經過物件20的表面20a反射後，可以再次經過透鏡13射向分光單元12。由於分光單元12的光學特性，來自透鏡13的光線可以直接穿透分光單元12而進入透鏡15，並且再被透鏡15聚焦而導引至影像擷取設備16。於一個例子中，影像擷取設備16可以設置在分光單元12的一側，用來接收從透鏡13反射回來的參考光線，以及接收從物件20的表面20a反射回來的光線。於一個例子中，為了看清楚在某一高度的表面20a，影像擷取設備16可以在多個連續時間點拍攝多張物件20的表面影像，以提高表面影像的解析度。

舉例來說，影像擷取設備16在第一時間可以取得表面20a的第一表面影像，影像擷取設備16在第二時間可以取得表面20a的第二表面影像，第一時間與第二時間可以是先後兩個拍攝時間點，本實施例在此不加以限制。為了方便說明，請一併參閱圖1、圖2A、圖2B、圖3A與圖3B，圖3A係繪示依據本發明一實施例之第一表面影像的示意圖，圖3B係繪示依據本發明一實施例之第二表面影像的示意圖。如圖所示，在第一時間，空間光調製器14可以將測試光線調變為第一結構光，從而影像擷取設備16可以拍攝第一結構光照射到表面20a，以得到第一表面影像3。實務上，由於第一結構光可能帶有特定的圖樣，如果表面20a的定位標記202也被投影上特定的圖樣，可能在第一表面影像3中不易判讀。因此，本實施例的空間光調製器14會控制第一像素群組142中的像素140，使得第一像素群組142中的像素140不調變測試光線，使得表面20a的定位標記202不會被投影上特定的圖樣。

換句話說，由於第一像素群組142中的像素140不調變測試光線，使得第一表面影像3中的定位標記30沒有投影上第一結構光，可以讓定位標記30容易且清楚地被讀取出來。並且，由於第一像素群組142以外的其他像素140都正常地調變測試光線，使得物件20的表面20a上的其他部分(例如待測元件200)都有被投影上第一結構光，因此也可以正常地檢測物件20。

同樣地，在第二時間，空間光調製器14可以將測試光線調變為第二結構光，從而影像擷取設備16可以拍攝第二結構光照射到表面20a，以得到第二表面影像4。在此，第二結構光可以和第一結構光具有不同的相位，又或者第二結構光可以和第一結構光帶有不同的圖樣，本實施例在此不限制。如前所述，本實施例的空間光調製器14同樣會控制第一像素群組142中的像素140，使得第一像素群組142中的像素140不調變測試光線，使得表面20a的定位標記202不會被投影上第二結構光。由於第一像素群組142中的像素140不調變測試光線，使得第二表面影像4中的定位標記40同樣可以容易且清楚地被讀取出來。

以實際的例子來說，由於影像擷取設備16先後拍攝第一表面影像3和第二表面影像4時，因為某些不理想的因素，可能導致物件20相對於影像擷取設備16發生偏移。此時，本實施例的處理單元17便可以接收第一表面影像3和第二表面影像4，並利用第一表面影像3中的定位標記30和第二表面影像4中的定位標記40，將第一表面影像3和第二表面影像4對齊。請參閱圖4，圖4係繪示依據本發明一實施例之定位標記偏移的示意圖。如圖所示，假設第一表面影像3中的定位標記30定義有一個中心點A，為了方便運算，處理單元17可以給中心點A一個座標(a1,a2)。同樣地，處理單元17可以找出第二表面影像4中的定位標記40，並在相同的座標系內，給中心點B一個座標(b1,b2)。

當中心點A和中心點B的座標不相同時，可以知道影像擷取設備16或物件20在第一時間和第二時間之間發生了震動，使得物件20相對於影像擷取設備16發生偏移。因此，處理單元17可以先判斷中心點A和中心點B的偏移程度(即第一偏移值)，所述第一偏移值在第一方向上可以是b1-a1，而在第二方向上可以是b2-a2。接著，處理單元17可以選擇以第一表面影像3為基礎，基於所述第一偏移值平移第二表面影像4。例如，將整個第二表面影像4在第一方向上移動-(b1-a1)，在第二方向上移動-(b2-a2)，使得第二表面影像4能夠重疊第一表面影像3。如此一來，處理單元17便完成了第一表面影像3和第二表面影像4的對齊作業。

於一個例子中，處理單元17有可能不基於中心點A與中心點B計算定位標記30和定位標記40的偏移程度，例如處理單元17也可以選擇其他方便定義的點或線來計算所述第一偏移值。此外，如果物件20和影像擷取設備16之間還發生了相對轉動，處理單元17也可以基於多個點、點和線或線和線的組合，來計算定位標記30和定位標記40各自的角度，以判斷定位標記30和定位標記40的轉動程度。換句話說，第一偏移值不僅有可能用來指示平移的程度，也有可能用來指示轉動的程度，本實施例不加以限制。

另外，由於影像擷取設備16的拍攝範圍應該是固定的，如果在兩次拍攝之間，物件20相對於影像擷取設備16發生偏移，於所屬技術領域具有通常知識者應可以理解，影像擷取設備16這兩次拍攝到的畫面範圍應有些許的不同。也就是說，第一表面影像3可以對應表面20a的第一取像範圍，第二表面影像4可以對應表面20a的第二取像範圍，第一取像範圍不等於第二取像範圍。另一方面，由於第一取像範圍不等於第二取像範圍，處理單元17也可以裁切第一表面影像3和第二表面影像4，僅保留第一取像範圍和第二取像範圍重疊處(交集取像範圍)的影像內容。實務上，縱使物件20相對於影像擷取設備16發生偏移，也不至於偏移的太多，多數會在可以接受的程度內。從而，被裁切掉的部分第一表面影像3和第二表面影像4，也是屬於影像畫面的邊緣，不會影響檢測待測元件200的目的。

於一個例子中，處理單元17完成第一表面影像3和第二表面影像4的對齊作業之後，還有可能組合第一表面影像3和第二表面影像4，使得組合出來的表面影像可以有更高的解析度，並更能表現完整的細節。當然，本實施例不限制處理單元17只能對齊兩張表面影像，例如影像擷取設備16如果連續拍攝了多張表面影像，處理單元17也可以依序對齊或組合這些表面影像。

值得一提的是，處理單元17不一定要預先儲存有像素140和表面20a的對應關係，並且不一定要預先儲存定位標記202的位置。舉例來說，如果時常檢測不同的物件，則處理單元17可以在正式測試前，先讓影像擷取設備16拍攝一張物件20表面20a的初始表面影像。接著，處理單元17可以計算定位標記202於初始表面影像中的位置，據以產生計算結果。並且，處理單元17可以依據計算結果，自多個像素140中選擇出第一像素群組142，使第一像素群組142對應初始表面影像中的定位標記的位置。

為了再次說明本發明的光學量測方法的步驟，請一併參考圖1到圖5，圖5係繪示依據本發明一實施例之光學量測方法的步驟流程圖。如圖所示，於步驟S50中，光源10提供輸入光線。於步驟S52中，於輸入光線的光學路徑上，提供空間光調製器14，空間光調製器14具有多個像素140，所述多個像素140用以選擇性地調變輸入光線為測試光線。於步驟S54中，處理單元17可以控制空間光調製器14，使所述多個像素140中的第一像素群組142不調變輸入光線，第一像素群組142對應物件20表面20a中的定位標記202的位置。接著，於步驟S56中，影像擷取設備16分別於第一時間與第二時間取得表面20a的第一表面影像3與第二表面影像4。接著，於步驟S58中，處理單元17可以依據第一表面影像3與第二表面影像4中的定位標記30和定位標記40，對準第一表面影像3與第二表面影像4。本發明光學量測方法的其他步驟細節，已於前述實施例詳細說明，在此不予贅述。

1:光學量測系統 10:光源 11:透鏡 12:分光單元 13:透鏡 14:空間光調製器 140:像素 142:第一像素群組 15:透鏡 16:影像擷取設備 17:處理單元 20:物件 20a:表面 200:待測元件 202:定位標記 3:第一表面影像 30:影像中的定位標記 4:第二表面影像 40:影像中的定位標記 A、B:影像中的定位標記的中心點 cmd:控制指令 S50~S58:步驟流程

圖1係繪示依據本發明一實施例之光學量測系統的示意圖。

圖2A係繪示依據本發明一實施例之物件表面的示意圖。

圖2B係繪示依據本發明一實施例之空間光調製器的示意圖。

圖3A係繪示依據本發明一實施例之第一表面影像的示意圖。

圖3B係繪示依據本發明一實施例之第二表面影像的示意圖。

圖4係繪示依據本發明一實施例之定位標記偏移的示意圖。

圖5係繪示依據本發明一實施例之光學量測方法的步驟流程圖。

S50~S58:步驟流程

Claims

一種光學量測方法，用以量測一物件的一表面，該光學量測方法包含：提供一輸入光線；於該輸入光線的一光學路徑上，提供一空間光調製器，該空間光調製器具有多個像素，該些像素用以選擇性地調變該輸入光線為一測試光線；控制該空間光調製器，使該些像素中的一第一像素群組不調變該輸入光線，該第一像素群組對應該表面的一定位標記的位置；分別於一第一時間與一第二時間取得該表面的一第一表面影像與一第二表面影像；以及依據該第一表面影像與該第二表面影像中的該定位標記，對準該第一表面影像與該第二表面影像。
如請求項1所述之光學量測方法，其中於依據該第一表面影像與該第二表面影像中的該定位標記，對準該第一表面影像與該第二表面影像的步驟中，包含：定位該第一表面影像中的該定位標記，據以產生一第一座標；定位該第二表面影像中的該定位標記，據以產生一第二座標；比對該第一座標與該第二座標，計算一第一偏移值；以及依據該第一偏移值，補償該第二表面影像，使該第二表面影像對準該第一表面影像。
如請求項1所述之光學量測方法，其中該第一表面影像對應該表面的一第一取像範圍，該第二表面影像對應該表面的一第二取像範圍，該第一取像範圍不等於該第二取像範圍。
如請求項3所述之光學量測方法，其中於對準該第一表面影像與該第二表面影像的步驟中，更包含：設定該第一取像範圍與該第二取像範圍於該表面重疊的區域為一交集取像範圍；以及移除該第一表面影像與該第二表面影像於該交集取像範圍以外的資料。
如請求項1所述之光學量測方法，更包含：預先取得該表面的一初始表面影像；計算該定位標記於該初始表面影像中的位置，據以產生一計算結果；以及依據該計算結果，自該些像素中選擇該第一像素群組，使該第一像素群組對應該初始表面影像中的該定位標記的位置。
如請求項5所述之光學量測方法，其中該第一像素群組係對應該表面上的一不投影範圍，該不投影範圍的面積大於該定位標記的面積。
如請求項6所述之光學量測方法，其中該不投影範圍的中心位置大致上等於該定位標記的中心位置。
如請求項1所述之光學量測方法，其中該空間光調製器的該些像素於該第一時間對應一第一圖樣，該空間光調製器的該些像素於該第二時間對應一第二圖樣。