遠心軸上暗場照明所實施的光學系統的優化使用及性能的製作方法

2023-05-30 19:00:51 3

專利名稱：遠心軸上暗場照明所實施的光學系統的優化使用及性能的製作方法
技術領域：
本發明是關於成像(imaging)光學組件及相關聯的照明系統。尤其關於改善遠心 軸上暗場照明的系統及方法。
背景技術：
存在一類半導體產品，其主要呈平面及鏡面(specular)(扁平且磨光)，成像這類 組件經常必要的是(或希望的是)即使是平面鏡狀的微小偏差也以適當對比成像。一種此 類別的產品是半導體晶圓，其可以設有指示晶圓編號與製造商的標註(indicia)。此類標註 是在晶圓表面中的缺陷(defect)，且典型是一矩陣的雷射蝕刻凹點。此類標註在本領域中 被稱作「軟標記(soft mark)」。對此類標記成像以沿製程的各種步驟讀取碼。在半導體晶圓已經單一化(通常由鋸子及/或雷射所切割成為個別的矩形組件) 之後，檢查小晶片與裂縫的邊緣可能是必要或希望的，其可能隨著時間而增長且引起過早 的組件失效。此類檢查過程是自動化的且該過程使用電子式成像相機及結合數字電子計算 機，對數字電子計算機進行程序設計以進行必要的檢查、測量與識別。概括而言，暗場照明是本領域技術人員公知的一種技術且特別有用於檢查在鏡狀 物體上的缺陷。暗場照明的定義取決於照明源的性質、相對於物體與觀察者(或相機)照 明源的位置以及所照明的物體的性質。為了符合暗場照明的定義，必要的是沿著未進入觀 察者或相機之光學孔徑的一個或多個方向反射入射在物體上的大多數的照明。暗場照明可 與亮場照明相比較，在亮場照明中，大多數光線是直接反射至相機。暗場照明可通過放置一光源而獲得，使光源以對於該相機與物體之間的直線的一 個角度而指向物體。此角度是選擇為大於該物體將擴散光線的角度。若物體具有通常的擴 散反射性質，則該角度選擇為大於物體將通過擴散反射來分布入射照明的角度的一半。若 物體是鏡狀(例如若物體是以小的角度、或以極低的效率、或是以以上二者而擴散入射照 明)，則該角度可選擇為非常小的角。可能希望使照明源對稱。在該情況，可以環狀形狀製造照明源且放置為與光軸同 軸，或可在環狀形狀中配置多個照明源。此環的直徑與此環到物體的鄰近性決定該照明入 射於物體的角度的範圍。本領域技術人員將此類光源稱作環光源，且以種種方式構成為「高 角度」或「低角度」。在成像某些物體中，希望強調表面中的極微小的特徵，該表面是另外的完全的平 面及鏡狀。此類包括軟標記與單一化的組件的邊緣。為此，必須使得照明源儘可能接近同 軸於成像系統而並未致使照明源直接反射至成像系統(例如選擇一窄角度)。如目前所公知的，為達成此目的的一種有效方式是藉助於擋板(baffle)且在照明源、物體、擋板、與 成像系統之間提供特別對準。在機器視覺系統與晶圓識別(ID，identification)系統的設計中，設計者(例如 系統工程師)通常作出若干個設計折衷方案。舉例而言，如果將透鏡孔徑(aperture)做大， 系統的限制解析度系將通常為較高且系統將較為有效率。較有效率的系統要求來自影像傳 感器的較少的靈敏度或增益，且系統要求來自照明系統的較少的光線。若照明系統要求較 少光線，較小的要求加諸於電源供應系統且較少的熱量耗散。散熱系通常為獲得緊密封裝 的設計目標的主要障礙。反之，若將系統孔徑做小，系統的限制解析度降低，一些像差可減小，焦點深度增 大，極重大的要求是影像傳感器的靈敏度及/或增益，且該極重大的要求是加諸於照明系 統以提供實質較多的光線。照明系統上要求將要求加諸於電源供應系統，且因而加劇緊密 封裝內的散熱問題。迄今，包括由美國俄勒岡州波特蘭市Electro Scientific Industries公司(此 件專利申請案的受讓人)與業界(例如美國麻薩諸塞州Natick的Cognex公司與日本東京 的Kowa有限公司)的其它公司製造的前幾代產品(例如=ScribeViewTM型號1至5P)的商 用晶圓ID讀取系統，已經運用其具有約為士 1毫米或較小的工作距離範圍(在物體空間的 焦點深度)的光學系統。雖然該種系統可以運作，但其需要用戶調整該透鏡的焦點位置和 /或調整晶圓ID讀取器的位置以考慮對於工作距離的更微小的變化。工作距離可以改變， 例如，若物體的厚度改變，或若在將晶圓送至晶圓ID讀取系統的機械手臂系統存在不精確 性。更可取地，若固定架構的晶圓ID系統的工作距離範圍超過約為士 1毫米。若此範 圍可通過數量的等級延伸，系統的聚焦及設定相比較於已有系統而將為繁瑣。例如，目前的 系統通常需要該系統根據反覆運作程序安裝及聚焦於一供電狀態，，其中，可以電子式監視 影像且用戶可以在監視電子式呈現影像時改變焦點調整或位置。用戶通常作調整而直到得 到滿意影像。若工作距離範圍可延伸至約為士 1毫米，當晶圓ID系統為未供電狀態時可以 使用簡單規尺以確定適當的工作距離來安裝晶圓。另外，關於已有的系統，致使工作距離約為士 1毫米的改變的製程變化通常需要 用戶介入以調整製程來重新達成先前的工作距離或是調整晶圓ID系統的焦點，例如，通過 轉動透鏡焦點筒或轉動焦點調整螺絲。更可取地，若造成工作距離改變為僅數毫米的微小 製程變化系可由晶圓ID系統來調節而無需用戶介入。

發明內容
為了解決上述問題，本文揭示的實施例提出一種用於對如半導體晶圓的平面鏡狀 物體成像的系統及方法。在一個實施例中，用於對平面鏡狀物體的缺陷成像的一種成像 系統包括遠心透鏡，其具有充分非球面表面，使該遠心透鏡充分地修正光學像差；遠心光 圈，其包括孔徑，以阻斷自該平面鏡狀物體所反射的光線而允許自該缺陷所反射的光線通 過該孔徑；及透鏡群組，其具有定位於該遠心光圈與該透鏡群組之間的系統光圈，該透鏡群 組無關於遠心透鏡而充分地修正光學像差。在一個實施例中，一種遠心軸上暗場(TOAD，telecentricon-axis darkfield)照明(lighting)裝置系包括第一圓形數組的照明源，其關於中心點徑向配置，第一圓形數 組位於自該中心點的第一半徑；及第二圓形數組的照明源，其關於該中心點切向配置，第二 圓形數組位於自該中心點的第二半徑。在一個實施例中，第二半徑大於第一半徑。在一個實施例中，提出一種用於對準遠心軸上暗場(TOAD)照明裝置與實質鏡狀 表面的方法。TOAD照明裝置具有多個同心照明數組，該方法包括在第一方向，調整在該 TOAD照明裝置與物體平面之間的入射角度，直到將強亮度區域從該鏡狀表面的影像的第一 側實質地移除；記錄該調整的入射角度作為第一測量；在相比較於第一方向的相反方向， 調整在該TOAD照明裝置與物體平面之間的入射角度，直到強亮度區域從該鏡狀表面的影 像的第二側實質地移除；記錄該重新調整的入射角度作為第二測量；及確定針對第一方向 的對準的入射角度作為在第一測量與第二測量之間的近似差。在一個實施例中，一種用於成像半導體晶圓的成像系統系包括用於照明晶圓的 部件；用於提供晶圓影像至感測部件的部件，工作距離是由介於該晶圓與用於提供影像至 感測機構的部件之間的距離所定義；及用於當工作距離改變於約士 10毫米的範圍時維持 影像焦點的部件。另外的層面與優點將通過參照附圖所進行的以下詳細說明而顯明。


圖IA是一種用於成像平面物體的光學成像系統的部分繪製、部分截面圖。圖IB是在圖IA所顯示的光學成像系統可運用的一種現有技術照明源的平面圖。圖2是一種包括多個照明源210的慣用環狀照明數組的示意圖。圖3是於圖2所顯示的環狀照明數組與三個其它環狀照明數組為同心定位的慣用 配置的示意圖。圖4是根據一個實施例所配置的多個同心定位的照明數組的示意圖。圖5是流程圖，其說明根據一個實施例的一種用於配置高密度照明數組的方法。圖6是流程圖，其說明根據一個實施例的一種用於對準遠心軸上暗場(TOAD)照明 數組的方法。圖7A與7B是說明根據一個實施例的讀取單元所捕捉的鏡的相片。光學成像系統(讀取單元)100
平面(鏡狀)物體102
後方透鏡群組108
入射瞳孔109
遠心(場)透鏡110
光軸111
影像113
相機114
遠心光圈116
中央孔徑117
光源(照明源)118
內層(圓形)群組119A
外層(圓形)群組119B
發光二極體(LED)120
印刷電路板121
孔徑121A
影像形成光線122、124,126
光線128、130
工作距離132
外殼134
照明數組200
照明源(照明組件)210
照明數組 310、312、314
照明數組410、412、414、416
共同中心418
圖5的方法500
方法500的步驟510 558
圖6的方法600
方法600的步驟610 636
亮度區域710
箭頭(調整方向)712、716、722
影像714、718、720、
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具體實施例方式系統及方法提供以照明及形成主要為平面鏡狀的表面的影像，使成像的表面的平 面性與鏡狀性的偏差複製具有加強的對比。根據一個實施例，提供增大的工作距離範圍以 考慮為成像的表面的變化及/或在該表面與一識別(ID)系統之間的距離變化。此外，或是在另一個實施例中，同心圓形數組的照明源配置用於增大的照明而未 增大個別數組的直徑。在一個實施例中，一種方法提出以對準同心的照明數組與將成像的 一表面，由此降低入射角度。此外，或是在其它實施例中，一種系統包括其為獨立適當修正 幹擾的前方透鏡與後方透鏡群組，使系統的放大率可改變而無須改變該前方透鏡與後方透 鏡群組。本文揭示的實施例利用一種遠心透鏡以對稱同軸窄角度暗場照明而照明物體。此 照明技術特別適用以強調於平面鏡狀物體的微小特徵或缺陷。該種物體的特定實例包括 矽晶圓。該等缺陷可包括於矽晶圓的軟標記符號及/或於晶片規模組件的邊緣不規則性。光源提供環形錐狀光線為朝向遠心透鏡。遠心透鏡重新指引光線為朝向實質平面 且鏡狀的物體，使光線為平行及垂直於物體。平面鏡狀物體的性質是欲重新指引光線於其 互補於入射角度的角度。因此，於此情形，光線反射為垂直於物體的表面。於反射時，光線 在本文稱為「影像射線(image ray)」。影像射線是向後反射自實質平面鏡狀物體且逆向轉 變透過遠心透鏡至其為發起的點。該種系統設有遠心光圈，其具有符合於光源的中央孔徑，使實質為無光線通過至
6相機。然而，若存在缺陷於鏡狀表面，光線將受幹擾，且光線的一部分將可能通過遠心光圈 的孔徑至相機。圖式將作參考，其中，相同的參考符號指相同的組件。為了明確，參考符號的第一 個數字指示該對應組件為首先運用其的圖式編號。通過以下說明，諸多特定細節提供針對 於本文所述的實施例的徹底了解。然而，本領域的技術人遠將明白的是該等實施例可無需 特定細節的一或多個而實行，或是藉由其它方法、構件或材料。再者，在一些情形，眾所周知 的結構、材料、或操作未詳細顯示或描述，由此避免混淆這類實施例的多個層面。此外，所述 的特點、結構、或特徵可以任何適合方式而組合於一或多個實施例。一種晶圓ID系統描述於美國專利第6，870，949號(下文稱為「第』949號專利」)。 論述於本文的某些實施例系修改第』 949號專利以納入另外特徵以大為擴大(例如約為 十倍)針對於一固定架構的工作距離範圍而無需實際或光學調整，且簡化改變系統的放大 率。針對於論述目的，第』 949號專利的圖3與5分別顯示及論述為於本文的圖IA與1B。圖IA是一種用於成像一平面物體102的光學成像系統100的部分繪製、部分截 面圖。舉例而言，平面物體102可包含其本質為鏡狀的一矽晶圓。矽晶圓通常為包括諸如 軟標記(未顯示)的缺陷。如為於此技術領域所公知，一軟標記由一集合的雷射蝕刻凹點 (pit)所作成且提供關於蝕刻於其的特定矽晶圓的信息。矽晶圓亦通常包括複數個半導體 組件。儘管本揭示內容是依據檢查矽晶圓而描述，且尤其是成像軟標記，了解的是本揭示 內容對於成像其它平面物體為具有相同的應用性。舉例而言，當半導體組件系單獨化，其可 為根據本文揭示的某些實施例以檢查邊緣缺陷。在圖IA所示的光學成像系統100包括一對的透鏡群組(本文稱為一後方群組 108)與一遠心場透鏡110。針對於後方透鏡群組108與遠心場透鏡110的適當透鏡的一 個來源是美國紐澤西州Barrington的Edmund光學公司。後方透鏡群組108與遠心場透鏡 110是共同操作以將諸如一軟標記的缺陷的一影像113為指向至一相機114，如將更為詳述 於後。相機114較佳為一數字相機，其包括一電荷耦合組件(CCD)或一互補金屬氧化物半 導體(CMOS)型式的傳感器。後方透鏡群組108由一集合的修正式物鏡所定義且包括一入射瞳孔109。後方透 鏡群組108較佳為低失真且具有充分解析倍率以互補該相機114。了解的是後方透鏡群 組108可取決於何種型式的相機114為運用而不同。如下所論，於本文揭示的一個實施例， 後方透鏡群組108與遠心場透鏡110是各者為獨立適當修正其像差，從而使任一者可更換 而未影響另一者的效能。了解的是遠心場透鏡110運作為一遠心場透鏡以提供物體的成像為遠心沿著物 體102的平面。換言之，光線隨著其退出遠心透鏡110而平行於彼此，且較佳為垂直於物體 102的平面。當由一光源118所照明，了解的是遠心透鏡110與透鏡群組108運作以形成 影像113於相機114。遠心透鏡110具有若干個定義特性，其包括一軸111與一遠心孔徑或 焦點。如於圖IA所示，遠心場透鏡110的焦點符合於後方透鏡群組108的入射瞳孔109。 軸111定義針對於系統100的光軸，俾使後方透鏡108與相機114類似定位為沿著軸111。光源118定位以提供其為同軸於遠心場透鏡110的軸111的窄角度照明。圖IA 說明其實際沿著軸111的光源118的一個定位。然而，如於第』 949號專利所揭示，了解的 是光源118可為以一種光學等效方式而實際定位為遠離軸111。舉例而言，第』 949號專利的圖6說明光源118的一個不同位置，其為光學等效於本文的圖IA所示的實施例。光學 等效是運用其定位為沿著遠心場透鏡110的軸111的一部分反射鏡或分光鏡(未顯示)而 達成。分光鏡是允許光源118以定位為垂直於遠心場透鏡110的軸111。一遠心光圈116是定位於後方透鏡群組108與遠心場透鏡110之間。遠心光圈 116是置中於遠心場透鏡110的軸111。遠心光圈116是較佳為置放鄰近於後方透鏡群組 108的入射瞳孔109。遠心光圈116是較佳為其包括一中央孔徑117的一實際光圈。孔徑 117亦為定位鄰近於遠心場透鏡110的焦點。圖IB是於圖IA所顯示的光學成像系統可運用的一種照明源118的平面圖。於圖 IB所示的照明源包含其利用安裝至一印刷電路板121的複數個發光二極體(LED) 120的一 環狀光源。了解的是於一個實施例，印刷電路板121可作用為遠心光圈116。印刷電路板 121包括一孔徑121A，其至少為如同遠心光圈116的孔徑117 —樣大。倘若一可變光圈(iris diaphragm)孔徑運用為連同於遠心光圈116，孔徑121A至 少為如同可用的最大孔徑設定一樣大。如圖所示，LED 120是組織為一內層圓形群組119A 與一外層圓形群組119B。了解的是內層群組119A與外層群組119B提供物體102的稍微 不同的窄角度照明。內層群組119A與外層群組119B可同時或交替照明，視物體102的質 量而定。了解的是外加圓形群組的LED 120可設置。光學成像系統100對於某型式的缺陷的靈敏度主要為由遠心透鏡110與光源118 的直徑之間的焦比而決定。此靈敏度可調整，例如選擇於光源118的內層群組119A與外層 群組119B的不同直徑之間。替代而言，此靈敏度可由選擇性調整遠心光圈116的孔徑117 的直徑而調整。孔徑117可透過一可變光圈的運用而調整，以提供針對於系統100的一可 調整的焦比。於操作中，光源118致使光線128、130以投射朝向遠心場透鏡110，從而使光線 128、130聚焦為鄰近於物體102且為實質平行於彼此。了解的是光線128、130投射為環狀 錐，隨著其通過遠心透鏡110而成為平行。光線128、130自物體102而反射作為影像形成 光線122、124、126。倘若光線128、130反射自物體102的一鏡狀部分，影像形成光線122、 126將撞擊於遠心光圈116而未進入後方透鏡群組108。尤其，影像形成光線122、126向後 反射自一實質平面鏡狀表面以產生環狀的照明錐，返回至其原點而作為一鏡像。然而，當一 部分的光線128、130反射自一缺陷，影像形成光線124通過遠心光圈116的孔徑117，於其， 光線124由後方透鏡群組108所聚焦且形成一影像113於相機114。若為期望，光學成像系統100允許於光軸111與窄角度暗場照明之間的角度作調 整為任意小到成為亮場照明的程度。再者，系統100的靈敏度可藉由選擇不同直徑的照明 或藉由調整遠心光圈116的孔徑117而調整。再者，相機114的全視場可運用，且該系統 100提供於整個視場的完全圓形對稱。A.增大焦點的深度如上所論，本文揭示的實施例擴大針對於光學成像系統100的一固定架構的工作 距離範圍而無需實際或光學調整。概括而言，一相機系統於影像平面的散焦程度可描述為 下式 其中，φ是散焦，A是孔徑的線性尺寸，λ是光線的波長，f是透鏡的焦距，且s是 分別為自透鏡至物體平面的距離(SO)與至影像平面的距離(Si)，如由下標所指示。群組其針對於系統為固定的變量至常數χ與y簡化此式為 誠然，支配因素是孔徑的尺寸以及於SO的偏差。注意，針對於焦點的一系統，y = 1/so，且Φ是成為零。上式是將該孔徑與工作距離偏差為相關至於影像平面的一散焦。此 是可相關至於物體平面的一散焦ω，藉由相乘以系統放大率m的平方者 針對於一給定的視場，系統放大率m是由傳感器的尺寸(通常也稱為規格)所決 定。傳感器為愈小，系統放大率m為愈小，且針對於工作距離的一給定變化的散焦參數為愈 小。—個解決方式是選擇一極小的孔徑(使得A2為一極小的數目)與一極小的成像 器(使得m2為一極小的數目)，藉以使得乘積A2m2為最小且使得針對於物體距離的給定變 化的散焦為最小。然而，系統的倍率效率相關於孔徑。於一簡化形式，光學系統於聚焦其照 明物體的部分輻射能量的效率T可相關其為入射於聚焦平面的成像傳感器的輻射能量至 孔徑的線性尺寸平方，例如T A2。因此，任意降低A以增大焦點的深度(且因此為工作距離的範圍)使得光學系統 傳輸光學倍率的效率為減小至影像將為過暗而無法自其恢復有用信息的程度。圖IA是說明於平面物體102的頂表面與遠心場透鏡110的前表面之間的一工作 距離132。本領域技術人員將自本文揭示內容所知悉的是舉例而言，工作距離132可替代 定義為於平面物體102的頂表面與光學成像系統100的一外殼134底部之間的一距離。於 光學成像系統100的物體空間的焦點深度是該工作距離132可改變以使得影像113仍然為 於針對相機114的實質焦點的距離範圍(例如工作距離範圍)。較大的工作距離範圍允許於平面物體102或於連續平面物體之間的厚度變化而 無需重新聚焦光學成像系統。再者，較大的工作距離範圍允許用戶估計(例如藉由簡單規 尺測量或藉由肉眼)一適當工作距離132以維持實質焦點。於本文揭示的一個實施例，工作距離範圍約為士 10毫米。根據該個實施例，相機 114的成像表面選擇為相當小，藉以減小系統放大率m。於一個實施例，成像表面的長度與 寬度是各自選擇為於約2. 5毫米與約5. 5毫米之間的一範圍。於一個實例實施例，成像表 面是長為約4. 51毫米且寬為約2. 88毫米。作為比較，一種標準的成像器(例如可購自美 國俄勒岡州波特蘭市ElectroScientific Industries公司的ScribeRead 5P成像系統的 成像器)是長為約6. 4毫米且寬為約4. 8毫米。
此外，相機114是選擇以具有相當高的靈敏度。因此，降低系統效率T的影響是 減小或最小化。適用作為相機114的該種傳感器是由例如Micron所製造且相對於更為常 用的CXD成像器而運用CMOS。於一個實例實施例，相機114包括自美國愛達荷州Boise的 Micron Imaging公司的型號MT9V022，且具有於一波長為約550毫微米(nm)的一靈敏度為 約2.0V/lux-sec。在此，V是伏特，lux-sec是一強度-時間乘積。本領域技術人員將知悉 的是綠光是具有一波長為約550毫微米且靈敏度是可為有些低於其它可見光的波長。欲達成約為士 10毫米的工作距離範圍，根據一個實施例，照明源118是構成以提 供大量的光線。LED 120是選擇以提供極高的亮度。於一個實施例，LED 120包括自美國 伊利諾州Palatin的Lumex公司的型號SML-LX0402SIC且於約為20毫安而具有約為 140mcd(毫燭光)的亮度。於一個實施例，LED 120藉由透鏡以捕捉及運用儘可能多的能 量。此外，或是於另一個實施例，LED 120是脈衝具有一極高的電流以達成高亮度階層。用 於達成高亮度的照明的技術描述於後。於一個實施例，如上所論，選擇針對於相機114的一小的成像表面、選擇相機114 以具有一高靈敏度、及選擇極高亮度的LED 120提供一光學系統為具有一焦比f/12(相較 於通常的f/5. 8)、及一小的系統放大率為約0. 14x。注意，一 f/12系統是相較於f/5. 8系 統者而通過小於四分之一的能量，需要的是光學成像系統100的平衡是更為大倍數及/或 更為有效率四倍。B.配置照明封裝作為一種暗場照明方法的遠心軸上暗場(TOAD)照明是一種相當效率低的照明方 法，因為其反射離開物體102的光線的一小百分比系捕捉，相較於其傳送以照明物體102的 光線的量。因此，大量的光線需要為傳送至物體102以補償其固有於暗場照明方法的損失。於機器視覺應用的產業所加諸的尺寸限制大為減少其可用於暗場照明源的空間 的量。小的照明源封裝、以及光源的高密度配置將為有利。如於圖IB所示，描述於第』 949 號專利的TOAD照明方案運用一種照明數組(內層群組119A、外層群組119B、或二者)。隨 著自數組的中央至數組的邊緣的距離減小，察覺軟與超軟的水印(water mark)的能力提 高。因此，使得此距離為儘可能小是有利。再者，隨著距離減小，由照明源118所運用的空 間顯著減小。設置多個照明數組於多個中央至邊緣的距離也為有益，且提供不同方式的物體照 明以及不同程度的超軟、軟、與硬的水印偵測。針對於此，多個照明數組是有幫助。然而，如 下文所論，多個照明數組導致封裝問題。封裝問題是解決，根據本文所揭示的一個實施例， 藉由運用小的個別照明源以及配置該等照明源至其中的照明源密度(以及數組密度)為增 大或最大化的數組。圖2是一種包括複數個照明源210(圖示為十二個)的常用環狀照明數組200的示 意圖。於此實例的照明源210是矩形且可包含例如LED。照明源210是切向配置於一餅圖 案。本領域技術人員將知悉的是環狀照明數組200的配置可藉由加入或移除照明源210、 以及藉由增大或減小環狀照明數組200的半徑而改變。舉例而言，欲減小環狀照明數組200 的半徑，一或多個照明組件210將移除。其餘的照明組件210重新配置，藉以具有於一餅圖 案的實質相等的端對端間距。將一或多個照明源210移除以減小半徑降低該數組200的亮 度階層。
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環狀照明數組200可與其它數組為同心定位。舉例而言，圖3是於圖2所示的環 狀照明數組200與三個其它環狀照明數組310、312、314為同心定位的常用配置的示意圖。 各個環狀照明數組310、200、312、314具有一不同的半徑與一不同數目的切向配置的照明 源210。維持於個別的數組310、200、312、314之間的亮度階層可為合意，雖然非為必要。因 為R平方損失，當為可能時，於各個數組310、200、312、314的照明源210的數目自前一個內 層數組而增大。於此實例，環狀照明數組310、200、312、314分別包括七個、十二個、十六個 與二十個照明源210。如於圖3所示，於常用的照明源布局下，各個數組以類似方式而定向(例如切向 環繞於一共同中心點)。然而，於本文揭示的一個實施例，常用配置是藉由增大於各個數組 的照明源的數目而改良。圖4是根據一個實施例所配置的複數個同心定位的照明數組410、 412、414、416的示意圖。各個照明數組410、412、414、416是具有複數個照明源210，其配置 為繞於一共同中心418的一餅圖案。在圖3與4所示的配置之間的一比較是揭露其運用於數組410、414、416的照明源 210的數目的顯著增大。因此，相較於數組310、312、314所提供者，數組410、414、416分別 提供於發光的量的顯著增大。於圖4所示的最內層的照明數組410包括其徑向配置於一餅圖案的十二個照明源 210。自共同中心418至於數組410的照明源210的一近似中心的半徑大約等於圖3所示 的最內層數組310的半徑。然而，相較於數組410的十二個照明源210，於圖3所示的最內 層數組310具有七個照明源210。於圖4所示的次一個最內層的數組412包括其切向配置於一餅圖案的十二個照明 源210。於數組412的照明源210的半徑與數目是實質為相同於圖3所示的數組200的照 明源210的半徑與數目。於圖4所示的次一個最內層的數組414包括其徑向配置於一餅圖案的二十四個照 明源210。自共同中心418至於數組414的照明源210的一近似中心的半徑大約等於圖3 所示的數組312的半徑。然而，相較於數組414的二十四個照明源210，於圖3所示的數組 312具有十六個照明源210。於圖4所示的最外層的數組416包括其配置於一餅圖案的二十四個照明源210。 欲達成於數組416的照明源210的末端之間的期望分離，照明源210偏移自一種切向架構。 於另一個實施例，欲達成期望分離，一或多個照明源210移除自數組416且其餘的照明源 210配置於一實質切向架構。如於圖4所示，自共同中心418至最外層數組416的照明源 210的一近似中心的半徑大約等於圖3所示的最外層數組314的半徑。然而，相較於數組 414的二十四個照明源210，於圖3所示的數組314具有二十個照明源210。圖5是流程圖，其說明根據一個實施例的一種用於配置高密度照明數組的方法 500。舉例而言，方法500可運用以布局於圖4所示意顯示的照明數組410、412、414、416的 配置。於一步驟510，方法500包括選擇任意的四倍數個照明源作為運用於一最內層照明 數組的一總數的照明源。本領域技術人員由本文揭示內容所將知悉的是初始選擇四倍數 個照明源可為任意或可選取為針對於電路理由(例如欲達成平衡驅動器)。然而，任何數 目的照明源可初始選擇。於一步驟512，方法500包括以一徑向方式而定向所選擇的照明源在其等於用於一光學成像系統(例如上述關於圖1的光學成像系統100)的光學組件所期望或需要的半 徑加上照明組件的最長封裝尺寸(例如於圖4所示的照明源210的長度)的一半徑。於一步驟514，方法500查詢照明源是否為幹擾彼此。若照明源的實際布局是使其 並未碰觸彼此或其具有一期望間距，方法500通過一否(no)路徑516至一步驟518，於其， 方法500增加該四倍數個照明源為一整個整數。該種方法接著返回至步驟512，隨後為步驟 514。若照明源為幹擾彼此，方法500自步驟514透過一是(yes)路徑520而進行至一步驟 522，於其，方法500查詢先前迭代(iteration)數目的照明源是否在目前數目的照明源幹 擾之前而為幹擾。若先前迭代為幹擾，方法500通過一是路徑524至一步驟526，於其，該四倍數個照 明源減少為一整個整數。自步驟526，方法500返回至步驟512。若先前迭代數目的照明源 為未乾擾，方法500通過一否路徑528至一步驟530，於其，該四倍數個照明源減少為一整 個整數且方法500繼續於下一個外層照明數組。於方法500的此點，最內層照明數組完成。 舉例而言，具有徑向配置的照明源210的於圖4所示的最內層照明數組410可根據上述的 方法500而為已經構成。於一步驟532，運用如同先前徑向定向照明數組的相同數目的照明源，方法500切 向定向一第二最內層數組的照明源在其等於先前數組的半徑加上照明組件的最長封裝尺 寸長度1.5倍的一半徑。本領域技術人員由本文揭示內容所將知悉的是針對於第二最內 層數組的一不同半徑可選擇於其它實施例。於方法500的此點，第二最內層照明數組完成。 舉例而言，於圖4所示的第二最內層照明數組412可根據上述的方法500而為已經構成。雖 然未顯示於圖4或5，若於第二最內層照明數組412的照明源210幹擾彼此，其可偏移自切 向方位，類似於最外層數組416的方位。於一步驟534，針對於一第三最內層數組，方法500增加該四倍數個照明源至下一 個整個整數。於一步驟536，方法500以一徑向架構而定向針對於第三最內層數組的此等照 明源在其等於先前數組者加上照明組件的最長封裝尺寸長度1. 5倍的一半徑。於一個實例實施例，照明源配置於其類似於圖4所示的數組410、412、414、416的 四個圓形數組，於其，一第一圓形數組具有約2. 2毫米的一半徑，一第二圓形數組具有約 3. 8毫米的一半徑，一第三圓形數組具有約5. 2毫米的一半徑，且一第四圓形數組具有約 6. 6毫米的一半徑。於該個實施例，各個照明源(例如LED封裝)具有長為約1. 2毫米及 寬為約0. 6毫米且按照英寸(inch)的尺寸(0.04」 X0. 02」)於業界習稱為一 0402封裝。於一步驟538，方法500查詢於第三最內層數組的照明源是否為幹擾彼此。若照 明源的實際布局使其並未碰觸彼此或其具有一期望間距，方法500通過一否路徑540至一 步驟542，於其，方法500增加該四倍數個照明源為一整個整數。該種方法接著返回至步驟 536，隨後為步驟538。若照明源為幹擾彼此，方法500自步驟538為透過一是路徑546而進 行至一步驟548，於其，方法500查詢先前迭代數目的照明源是否在目前數目的照明源幹擾 之前而為幹擾。若先前迭代幹擾，方法500通過一是路徑550至一步驟552，於其，該四倍數個照明 源減少為一整個整數。自步驟552，方法500返回至步驟536。若先前迭代數目的照明源為 未乾擾，方法500通過一否路徑554至一步驟556，於其，該四倍數個照明源減少為一整個整 數且方法500繼續於下一個外層照明數組。於方法500的此點，第三最內層照明數組完成。舉例而言，具有徑向配置的照明源210的於圖4所示的第三最內層數組414可根據上述的 方法500而為已經構成。於一步驟558，運用如同先前徑向定向照明數組的相同數目的照明源，方法500切 向定向一第四最內層數組的照明源在其等於先前數組的半徑加上照明組件的最長封裝尺 寸長度1.5倍的一半徑。於方法500的此點，第四最內層照明數組完成。舉例而言，於圖4 所示的第四最內層照明數組416可根據上述的方法500而為已經構成。如上所論，若於第 四最內層照明數組416的照明源210幹擾彼此，其可偏移自切向方位，如於圖4所示。本領域技術人員由本文揭示內容所將知悉的是方法500可繼續於類似方式，交 替於徑向定向的照明數組與切向定向的照明數組(或偏移自切向者以提供期望間距)之 間，以建立任何數目的照明數組。再者，順序可逆轉以使得最內層數組為具有一切向配置的 照明源、第二內層數組為具有一徑向配置的照明源、等等。此外，各個數組的半徑可選擇為 任何期望長度。C.對準TOAD照明數組作為一種暗場照明方法的遠心軸上暗場(TOAD)照明仰賴於照明源與照明的物體 之間的入射角度。隨著自光軸的暗場的角度成為較小，且較軟的標記可察覺，對於對準的幹 擾的靈敏度提高。針對於其運用極窄角度暗場照明(諸如T0AD照明)的晶圓ID系統的 對準要求因此成為愈益更具關鍵性。根據一個實施例的一種相當簡單便利的對準方法描述 於後。因為於圖IA所顯示的光學成像系統100 (於本文也稱為讀取單元100)的布局與 設計，對準讀取單元100至一或多個TOAD照明數組由於其同心性而將因此對準該讀取單元 100至所有的數組。舉例而言，TOAD照明數組包括圖4所示的照明數組410、412、414、416。 然而，諸如圖IB與2-3所示的彼等者的其它TOAD照明數組配置也可運用。根據一個實施 例的一種對準方法包括對準一最內層數組，因為其相較於其它數組者而將顯示任何未對 準特性於較小的未對準角度。因此，對準最內層數組保證相關於其它TOAD照明數組的光學 路徑的對準。圖6是流程圖，其說明根據一個實施例的一種用於對準TOAD照明數組的方法600。 方法600包括構成一讀取單元以運用一最內層TOAD照明數組。舉例而言，光學成像系統 100可構成以運用於圖4所示的照明數組410。於一步驟620，方法600包括對準讀取單 元光軸為儘可能接近垂直於物體平面。於一步驟622，一鏡或類似高反射物體置放於物體平 面，且一影像捕捉過程開始。於一步驟624，方法600包括藉由分析於如所安裝的讀取單元所捕捉的影像以特 性化角度偏移。總角度偏移是由影像的非均勻的強(intense)亮度區域所代表。小角度偏 移由影像的幻象(ghosted)亮度區域所代表。舉例而言，圖7A與7B是說明根據一個實施 例的讀取單元所捕捉的鏡的相片。影像包括亮度區域710 (例如強亮度的一個大區域與二 個小區域為由幻象亮度區域所環繞)。於一步驟626，方法600包括調整於讀取單元與物體平面之間的入射角度於χ方 向(例如於影像空間的左/右)，直到亮度區域710不再為顯明於影像中。該顯明角度設 定接著指示為設定xl。舉例而言，於圖7Α，入射角度調整於一第一影像714所示的一箭頭 712的方向。只要亮度區域710移動為離開至第一影像714的左方且消失，xl記錄。
於一步驟628，方法600包括調整於讀取單元與物體平面之間的入射角度於相較 於前一步驟者的相反方向，直到亮度區域710完全橫越影像空間且為不再顯明於影像中， 相對於其消失於前一步驟之處。該顯明角度設定接著指示為設定x2。舉例而言，於圖7A， 入射角度調整於一第二影像718所示的一箭頭716的方向。只要亮度區域710移動為離開 至第二影像718的右方且消失，x2記錄。於一步驟630，方法600包括計算x3作為於設定xl與設定x2的約為中間者的一 角度設定。讀取單元接著定位為俾使於讀取單元與物體平面之間的入射角度為於設定x3。 舉例而言，於圖7A所示的一第三影像720說明當該入射角度設定在設定x3，亮度區域710 未成像且TOAD照明數組對準於χ方向。於一步驟632，方法600包括調整於讀取單元與物體平面之間的入射角度於y方 向(例如於影像空間的上/下)，直到亮度區域710不再為顯明於影像中。該顯明角度設 定接著指示為設定yl。舉例而言，於圖7B，入射角度調整於一第四影像724所示的一箭頭 722的方向。只要亮度區域710移動為離開至第四影像724的頂部且消失，yl記錄。於一步驟634，方法600包括調整於讀取單元與物體平面之間的入射角度於相較 於前一步驟者的相反方向，直到亮度區域710完全橫越影像空間且為不再顯明於影像中， 相對於其消失於前一步驟之處。該顯明角度設定接著指示為設定y2。舉例而言，於圖7B， 入射角度調整於一第五影像728所示的一箭頭726的方向。只要亮度區域710移動為離開 至第五影像728的底部且消失，y2記錄。於一步驟636，方法600包括計算y3作為於設定yl與設定y2的約為中間者的一 角度設定。讀取單元接著定位為俾使於讀取單元與物體平面之間的入射角度為於設定x3。 舉例而言，於圖7B所示的一第六影像730說明當該入射角度設定在設定y3，亮度區域710 未成像且TOAD照明數組對準於y方向。於一個實施例，於y方向所作成的測量當於χ方向的入射角度為設定在設定χ3而 作成。然後，一旦於y方向的入射角度為設定在設定y3，於χ方向所作成的測量重新測量且 針對於設定χ3的一新值決定。於一個實施例，運用以對準TOAD照明數組的鏡旋轉於一成像過程期間，以評估讀 取單元的外型質量。於讀取單元的透鏡與內部鏡的汙垢、塵埃、覆層缺陷、與其它的瑕疵難 以區別自其運用以對準TOAD照明數組的外部鏡的汙垢、塵埃、與其它的瑕疵。旋轉外部鏡 識別其為可歸因至讀取單元的缺陷。舉例而言，當外部鏡旋轉，於圖7Α與7Β所示的亮度區 域710成為低強度的條紋。然而，歸因於內部汙垢、塵埃、覆層缺陷與其它瑕疵的任何明亮 光點當外部鏡為旋轉時而未成為條紋。因此，讀取單元的內部瑕疵可區別自旋轉的鏡的外 部瑕疵。D.分離前方與後方透鏡群組一晶圓ID系統通常包含基本方塊，其包括例如一視訊相機、一透鏡、與一光源。 該等晶圓ID系統可提供某組合之亮場照明、暗場照明、與窄角度暗場照明，藉由置放光源 為稍微離軸(例如典型為於約5度與約7度之間)自該透鏡與相機且設置關聯的擋板以 防止由該晶圓之鏡狀表面所反射之光源的直視。此等型式的系統常見為提供常用(經常為「現成(off-the-shelf) 」)視訊透鏡之 一選擇，以提供該系統為具有種種視場。舉例而言用於讀取文字數字序號(諸如於SEMIM13規格所述的彼等者)之約30毫米的一視場、及用於讀取2DID序號之約為一半者的一視 場，其通常為較小許多且裨益於其對應於較小視場的增大的放大率。如上所論，第』 949號專利揭示該窄角度暗場光源的納入於圖IA所示的遠心光學 成像系統100。因此，運用以形成其將讀取序號的一影像的同個光學系統也運用以密切控制 光線的幾何性。藉由配置光源118在遠心光圈116的附近，透鏡108、110的性質可運用使 得暗場照明為於光軸的約1度與約2度之間的一範圍內而且維持遮蔽照明組件的直接的反 射。再者，透鏡108、110的性質為運用以維持跨於整個視場之此關係的一致性。關於第』949號專利所提出的一問題在於透鏡108、110相較於常用的成像系統而 較為複雜許多。該種系統的至少一個光學組件特定作成針對一特別系統且因為透鏡108、 110的獨特要求而非可取得為「現成」。舉例而言，一個獨特要求在於遠心場透鏡110—凹 凸(meniscus)透鏡，其具有二個外表面的曲度半徑為小於或等於遠心場透鏡110的遠心孔 徑與最接近表面之間的距離。於本文揭示的一個實施例，一種特定設計方法提供能力以改變光學成像系統100 的放大率，藉由改變一相當小的光學子系統而非為整個光學系統。根據一個實施例，系統放 大率可藉由調換後方透鏡群組108而變化，具有小或無影響於整個系統而不同於系統放大 率的期望改變。藉由比較於本文揭示的一個實施例，若一種常用設計方式是運用以設計光學成像 系統100，熟悉此技藝的人士將作出針對於各個透鏡組件的種種曲度半徑、針對於各個透鏡 組件的種種玻璃型式、與針對於各個透鏡組件的種種厚度與間距的設計選取。然而，針對於 該種常用設計方式的解決方式系列者不可分離。即，後方透鏡群組108與前方遠心場透鏡 110必須視為單一個單元，若一可接受限制的光學效能欲達成。依照此種設計方式，若欲提 供其具有不同放大率的一類似系統，則第二系統之後方透鏡群組108將設計以最少為互補 第一系統的遠心場透鏡110。替代而言，可重新設計整個系統以達成新的視場。此替代方式 可能為必要，若第二視場大於第一視場者。於一個實施例，欲使得成本、零件數、與開發時間為最小化的一種方法包括首先 針對於較大的視場(例如較低的放大率)以設計光學成像系統100。此確保的是遠心場 透鏡110針對於任何後續系統為充分大。然後，設計作成分離式，藉由脫離自其運用概括為 球面曲線與錐形截面的常用設計與生產方法至其運用下列形式的一非球面曲線的一者 上式的第一項是一種球面曲線或錐形截面透鏡表面的標準描述。Z是沿著一特定 曲線的光軸的位移，其通常稱為「下垂度(sag)」。Y是自該光軸的一徑向距離。C是曲度 (曲度半徑的倒數)且K是錐形常數。K K 0，針對於扁橢圓面。級數An為非球 面係數且修正該下垂度Z作為對於軸的徑向距離至η次乘方(在此標示為Yn)的一函數。 若僅為偶數η運用於係數AnYn，如為運用於一個實施例，則合成曲度與其運用該曲線的透 鏡是稱為一偶數(even)非球面。若奇數與偶數η為均運用，則曲線與其運用該曲線的透鏡 是稱為一奇數(odd)非球面。奇數非球面的一較為概括情形提出於此。本領域技術人員通常避免該等複雜曲線，因為其通常為昂貴以商業生產。然而，已經確定的是一種模製聚合物透鏡的光學特性將適用於分離式設計。根據一個實施例的一 種模製聚合物透鏡提供一種具有複雜曲度的低成本的透鏡，允許其為不同於系統的其它透 鏡而分離式設計。借著運用非球面曲線於前方遠心場透鏡110所實施的分離式設計，遠心 場透鏡110可充分適當修正且視為隔離自該系統的其餘部分。獨立修正遠心場透鏡110允許後方透鏡群組108的選擇，俾使其為獨立適當修正。 於一個實施例，後方透鏡群組108包括商用的物鏡，其符合以下需求具有適當焦距以達成 一期望的系統放大率、適當尺寸的一影像圓形以覆蓋所選擇的相機傳感器、及作為兼容於 具有其界定於後方群組與前方透鏡之間的系統光圈的一種設計。用於後方透鏡群組108的該種透鏡的一個實例是其在後方為遠心且具有其系統 光圈在透鏡的前方之一。該等透鏡有時稱為針孔(pinhole)透鏡，因為前方孔徑可為對準 於用於隱藏監視的一針孔。藉由設計遠心場透鏡110為運用非球面第一表面以個別適當修 正且藉由用於後方透鏡群組108的針孔式後方透鏡的審慎選擇，具有多個放大率的一種系 統可提供，藉此，光學組件包含單一個低成本塑料組件而具有用於遠心場透鏡110的非球 面表面與用於後方透鏡群組108的種種商用針孔透鏡。對於本領域技術人員顯明的是諸多變化可作成於上述實施例的細節而未脫離本 發明的根本原理。因此，本發明的範疇僅為由隨附的申請專利範圍所決定。
權利要求
一種遠心軸上暗場(TOAD)照明裝置，包含第一圓形數組的照明源，其關於中心點徑向配置，第一圓形數組位於自該中心點的第一半徑；及第二圓形數組的照明源，其關於該中心點切向配置，第二圓形數組位於自該中心點的第二半徑。
2.根據權利要求1所述的TOAD照明裝置，進一步包括第三圓形數組的照明源，其關 於該中心點徑向配置，第三圓形數組位於自該中心點的第三半徑。
3.根據權利要求2所述的TOAD照明裝置，進一步包括第四圓形數組的照明源，其關 於該中心點切向配置，第四圓形數組位於自該中心點的第四半徑。
4.根據權利要求3所述的TOAD照明裝置，其中，第二半徑大於第一半徑。
5.根據權利要求4所述的TOAD照明裝置，其中，第三半徑大於第二半徑。
6.根據權利要求5所述的TOAD照明裝置，其中，第四半徑大於第三半徑。
7.一種用於對準遠心軸上暗場(TOAD)照明裝置與實質鏡狀表面的方法，TOAD照明裝 置具有多個同心照明數組，該方法包括在第一方向，調整在該TOAD照明裝置與物體平面之間的入射角度，直到將強亮度區域 從該鏡狀表面的影像的第一側實質地移除； 記錄該調整的入射角度作為第一測量；在相比較於第一方向的相反方向，調整在該TOAD照明裝置與物體平面之間的入射角 度，直到強亮度區域從該鏡狀表面的影像的第二側實質地移除； 記錄該重新調整的入射角度作為第二測量；及.確定針對第一方向的對準的入射角度作為在第一測量與第二測量之間的近似差。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，調整在該TOAD照明裝置與物體平面之間的入射 角度包括選擇最內的同心照明數組；及調整在該最內的同心照明數組與TOAD照明裝置之間的入射角度。
9.根據權利要求7所述的方法，更包含在第二方向，調整在該TOAD照明裝置與物體平面之間的入射角度，直到將強亮度區域 從該鏡狀表面的影像的第三側實質地移除； 記錄該調整的入射角度作為第三測量；在相比較於第二方向的相反方向，調整在該TOAD照明裝置與物體平面之間的入射角 度，直到強亮度區域從該鏡狀表面的影像的第四側實質地移除； 記錄該重新調整的入射角度作為第四測量；及確定針對第二方向的對準的入射角度作為在第三測量與第四測量之間的近似差。
全文摘要
本發明提供一種系統及方法，通過本發明提出以成像平面鏡狀物體(102)，諸如半導體晶圓。於實施例中，用於成像於平面鏡狀物體(102)的缺陷的一種成像系統(100)包括遠心透鏡(110)，其具有充分非球面表面，使遠心透鏡實質修正光學像差。成像系統(100)還包括遠心光圈(116)，於其包括孔徑，以阻斷自平面鏡狀物體(102)所反射的光線而允許自缺陷所反射的光線為通過孔徑。成像系統(100)更包括透鏡群組(108)，其具有定位於遠心光圈(116)與透鏡群組(108)之間的系統光圈。透鏡群組(108)無關於遠心透鏡(110)而實質修正光學像差。
文檔編號G01N21/47GK101887032SQ20101021168
公開日2010年11月17日 申請日期2006年7月7日 優先權日2005年7月8日
發明者約瑟·J.·伊莫瑞, 裡歐·鮑德溫 申請人:伊雷克託科學工業股份有限公司