CN101821581A - 用于检查物体表面的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于检查物体的装置，包括：光源，用于照亮物体；遮蔽装置，布置在所述光源与所述物体之间，用于在所述物体的表面上产生阴影；图像捕获装置，用于捕获所述物体的表面的图像；以及处理单元，用于处理图像数据，以提供所述物体表面的质量的指示。还提供一种用于检查物体的方法：在物体的至少一个表面上提供阴影，捕获包括所述阴影的物体的表面的图像，并且分析所述图像中的阴影的至少一个边缘，以提供所述物体的表面的质量的指示。

Description

用于检查物体表面的方法和装置
技术领域
本发明涉及用于检查物体的方法和装置。
背景技术
对于诸如用于电子器件和/或太阳能电池中的半导体衬底等晶片，在一些应用中，需要能够检查物体的表面。
为此使用了各种解决方案。JP 2006292617描述了一种光学手段，其中，利用从光源发出并透射过环形滤光器的照明光在表面中照射半导体衬底上的划痕。基于来自光电转换器的、源于干涉的电信号而检测出划痕。
JP 2005221288描述了用于通过利用成角度的光源在材料上投射阴影来测量材料的表面特性的方法。阴影的图像由照相机捕获，并且该阴影的形状/范围用于计算该材料的表面状态。该材料例如可以是木材、金属或塑料。因此，所述方法适于测量相对粗糙的表面的特性，但不具有检查表面中的小的不规则(例如由于从半导体材料/衬底锯切晶片而造成的不规则)所需要的精度和分辨率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于检查半导体衬底的表面的方法和装置，其具有非常高的精度和高可靠性，并且易于使用、紧凑且具有低的维护成本。半导体衬底例如为太阳能电池的硅片。
借助于本专利权利要求的特征实现本发明的目的。
在一个实施例中，用于检查半导体物体的表面的装置包括：
-用于照亮物体的光源，
-布置在光源与物体之间的遮蔽装置，用于在物体的表面产生阴影，
-用于捕获物体的表面的图像的图像捕获装置，
-用于处理图像数据以提供物体表面的质量的指示的处理单元。
待检查的物体可以是表面检查具有重要性的物体。物体可以具有任意的形状和尺寸。在一个实施例中，待检查的物体是晶片，例如半导体晶片或用于太阳能电池的光电晶片。
表面的质量例如可以包括表面的高度变化(例如由于从更大的块/铸块锯切晶片而造成的高度变化)信息。
光源可以是任何合适的光源，诸如卤素灯、一个或多个发光二极管等。光源照亮该遮蔽装置，以在物体表面产生阴影。可以优化光源与遮蔽装置和/或物体之间的距离，以提供阴影的清晰的边缘。例如，布置在距遮蔽装置较大距离处的卤素灯将类似理想的点光源。也可有多个光源。
遮蔽装置可以是任何在物体的至少一个表面上提供合适的阴影的装置。产生的阴影可以具有任何期望的形状和尺寸，并且可以有任意数量的遮蔽装置。使用数个遮蔽装置，可以提供增加的测量冗余度，从而提供提高的测量鲁棒性。在一个实施例中，遮蔽装置具有纵向形状，例如线或杆。
图像捕获装置可以是任何成像装置，诸如照相机、图像传感器(诸如CCD或CMOS装置)等。图像捕获装置也可以包括透镜组件或其它的聚焦光学器件，以获得物体表面和/或阴影的清晰的图像。可以有一个或多个图像捕获装置。
处理单元用于处理图像数据并且分析图像中阴影的至少一个边缘，以提供物体表面的质量指示。阴影的形状会随物体表面的高度变化而变化，因此物体表面的高度信息能够从阴影的边缘的图像数据中得到。
在一个实施例中，计算出阴影边缘上的对应点之间的一致性，且使用该一致性作为所述点上的阴影的质量的度量。若一致性差，即所述点处的值之间的差在阈值以上，则在进一步的计算中拒绝所述点。
在一个实施例中，分析图像中的阴影的边缘包括计算边缘的形状的变化。
在一个实施例中，确定物体在参考系中的位置。
在一个实施例中，确定物体表面上的阴影的位置。此外，可以确定物体表面上的阴影的边缘的位置。
在一个实施例中，图像被标准化。这在物体由多晶材料制成时特别有吸引力，因为由不同的晶体特性所造成的表面反射率的差异可能在测量中产生噪声。例如，可以通过另外捕获不带阴影的物体的表面的图像、确定不带阴影的物体在参考系中的位置、并且将不带有阴影的物体的图像与带有阴影的物体的图像结合来执行标准化。图像的结合可以通过从带有阴影的物体的图像中减去不带有阴影的物体的图像或者用带有阴影的物体的图像分割不带有阴影的物体的图像来执行。通过分割进行的标准化导致得到的图像中对比度和信号强度改善，因而产生在暗的(阴影)部分和亮的部分之间的图像不同。
物体位置的确定使得能够针对所述两个图像中的物体表面的相同部分进行相减和/或分割，从而确保正确的标准化和测量中的低噪声。
在一个实施例中，对图像中阴影的至少一个边缘的分析提供对物体表面的高度变化的度量。
在一个实施例中，对物体的两个相反的表面执行上述步骤。这为每个表面提供高度分布/曲线。将结果相减能够提供对物体厚度的度量。在一个实施例中，还以与上述方式相同的方式测量具有已知厚度的物体，并且该已知厚度与根据高度分布的测量出的厚度结合，以给出待检查物体的正确的实际厚度。
在一个实施例中，物体为晶片，例如半导体晶片，如用在太阳能电池中的半导体晶片。
附图说明
下面将借助于示例并参考附图更加详细地描述本发明。
图1示意性示出本发明的原理；
图2示出本发明一个实施例的一种可能的布置；
图3示出带有阴影的图像的示例；
图4至图8示出根据本发明的方法的实施例的不同阶段；
图9示出根据本发明一个实施例的标准化的过程；
图10示出用于提供物体厚度指示的本发明一个实施例的原理。
具体实施方式
在图1中，检查物体14的表面10。光源11照亮物体14和遮蔽装置13，该遮蔽装置13布置在光源11与物体14之间。因此，遮蔽装置13在该物体的表面10上产生阴影15。图像捕获装置12被布置用于捕获包括阴影15的物体表面10的图像。然后该图像数据被处理/分析，以提供该物体表面的质量的指示。
光源11可以是任何合适的光源，诸如卤素灯、一个或多个发光二极管等。为了说明的目的，在本示例中光源11被描绘成单一的灯泡，例如卤素灯泡。光源11被布置成相对于物体14横向偏移，这导致从光源11经由遮蔽装置13至物体表面10的光路径相对于物体表面10成一角度。该角度例如可在20°至40°的范围内。
可以优化光源11与遮蔽装置13和/或物体之间的距离以提供阴影的清晰的边缘。在图中，遮蔽装置13与物体14之间的距离明显短于光源11与遮蔽装置13之间的距离。有利的可以是，使得从遮蔽装置13至物体14的距离短，以在物体14的表面10上得到清晰的阴影。从遮蔽装置13至物体14的距离可以在1mm至5mm的范围内，例如在1.5mm至2.5mm的范围内，而从光源至物体的距离可以在50mm至250mm的量值范围内。
遮蔽装置可以是任何在物体的至少一个表面上提供适当阴影的装置。遮蔽装置可以具有任何期望的形状和尺寸，并且可以有任意数量的遮蔽装置。在图1中具有两个遮蔽装置13，它们被布置在物体14的同一表面的相对的侧部上。其它的实施例可以对遮蔽装置进行其它配置，例如配置在物体的中心部的上方。
图像捕获装置12在图1中被描绘成照相机，但是可以是任何成像装置，诸如图像传感器如CCD或CMOS装置等。图像捕获装置也可以包括透镜组件或其它的聚焦光学器件，以获得物体表面和/或阴影的清晰的图像。图1中仅有一个图像捕获装置12，但在其它实施例中可以有数个图像捕获装置。
表面10上的阴影15的形状会随着物体14的表面10的高度变化而变化。该形状变化能够从图像捕获装置所捕获的图像中检测出，因此能够获得物体表面的高度信息。这例如可以通过在多个点计算阴影边缘的位置来得到，一系列的边缘阴影位置构成阴影边缘分布(profile)，该阴影边缘分布对应于表示物体表面10的高度曲线/分布。为了获得在多个点/位置上的计算，遮蔽装置和物体可彼此相对移动。在图1的示例中，物体在图像捕获期间不移动，但是为了检查物体的下侧或为了进一步处理物体，该物体被侧向移动。当从物体至遮蔽装置和光源的距离已知时，可以借助于几何计算根据阴影边缘分布计算出表面高度的变化。可以将沿着表面的多个高度曲线/分布的计算结果组合以形成物体表面的三维模型。
为了提供对阴影位置的精确计算，图像应当具有高的质量。这可以通过使用具有高分辨率的图像捕获装置和/或通过例如使用n阶透镜校准或其它已知校准技术校准图像捕获装置来确保。图像捕获装置也可用于控制图像的曝光和/或反差。
在图2中示出用于实施本发明的布置的示例。待检查的物体20被布置在运送装置21上。运送装置21使得能够实现对沿着箭头方向移动的物体20的连续测量。在本实施例中，运送装置21具有用于支撑和移动物体20的支撑元件24、25。可替选地，所述支撑元件被布置用于支撑物体表面的不同部分。这使得能够测量物体的两个相反表面，例如下表面和上表面。当物体被布置在运送装置上时，如果要检查物体的下表面和上表面两者，则应当在运送装置21的上方和下方布置有光源和遮蔽装置。测量物体的两侧使得不需要对物体进行精确的高度定位/对齐，因为所述两次测量会抵消高度和/或定位误差。在图2中，第一支撑元件24在运送路径的第一部分26中支撑物体的外边缘部分，于是物体被转移至该运送路径的第二部分27，在第二部分27中，第二支撑元件25支撑物体的中心部分。在此配置中，第一遮蔽装置22被布置在第一支撑元件之间，并且测量物体下表面的中心部分的特性。而第二遮蔽装置23被布置在第二支撑元件25之外，并且测量物体的下表面的边缘部分的特性。在一个实施中，布置有数个光成像捕获装置和光源，例如光源的数量对应于图像捕获装置的数量。可以增加根据在物体的不同位置上所捕获的不同图像而产生的测量结果，以提供在物体表面的全部宽度上的表面的指示。
图3示出带有阴影32的物体31的图像30的示例。阴影32由布置在物体上方的细长的遮蔽物体33来提供。该细长的遮蔽物体可以例如是伸长的线、杆、或蚀刻在玻璃板上的金属条。在图3所示的示例中，每个遮蔽元件包括三个细长元件，每个细长元件具有两个纵向边缘，因此，每个遮蔽元件具有六个纵向边缘。在其它的配置中，可以有其它数量的细长元件，例如4个或5个。这在计算上提供良好的冗余度，进而提供系统的鲁棒性。纵向元件被布置成相互接近，典型的中心问的距离为2mm。
图4至图8示出根据本发明的方法的实施例的不同阶段，其中，借助于图像处理/分析来分析图像。在图4中，借助于图像处理/分析，确定物体31的边缘40、41，并计算它们在参考系中的位置。所述边缘在参考系中的位置于是可用于计算物体的尺寸和形状。参考系可以与图像捕获装置的图像区域有关。如图5所示，边缘的位置在下一个步骤中使用，在该步骤中，确定物体31在参考系中的位置。在图6中，在图像中确定阴影32，并且确定阴影32在物体31表面上的位置。在图7中，图像处理使用阴影32的位置信息来确定阴影的边缘70至75的位置。评估阴影边缘的质量，以确定适于进行计算的阴影。由于图像中的赝象(artefact)，例如由于物体表面上的灰尘颗粒，阴影的边缘的质量可能降低。在多个点上计算边缘的位置，一系列的点构成阴影边缘分布。例如通过统计分析来评估阴影的边缘的质量。对所有阴影(在图7中有三个阴影)的两个边缘的对应点进行比较，并且计算出它们之间的相关性。如果有符合要求的、预定的多个点相关(即所述多个点之间相差小于预定阈值)，则接受所述点，若不相关，则拒绝所述点。在每个遮蔽元件中有四个阴影(八个边缘)的情况下，相应地可接受的点的数量可以例如为四个，而对于三个阴影(六个边缘)，可接受的数量可以为三个或四个。被接受的点被分配以公值，该公值例如是相关点的中值。在没有足够的点相关且所述点被拒绝的情况下，通过使用邻近的点来插补这些点的值。如果必须插补太多的点，则拒绝整个阴影，并且不评估物体表面的这一区域。
根据阴影边缘分布，例如借助于三角计算可以计算出物体表面的高度分布。图8示出叠加在包括阴影32的物体31的图像30上的计算出的高度分布80。
图9示出根据本发明一个实施例的标准化处理的实现。通过捕获不带有阴影的物体的表面的图像、确定不带有阴影的物体在参考系中的位置、并且使用物体表面的这两个图像以及位置信息，实现标准化，以例如借助于从带有阴影的物体的图像中减去不带有阴影的物体的图像或者用带有阴影的物体的图像分割不带有阴影的物体的图来标准化图像。该标准化的结果能够在图中看到，如白色的区域90。标准化消除了图像和信号噪声(诸如振动)和由于物体表面的反射率的大的差异所产生的噪声。后者在根据本发明的方法和装置用于检查太阳能电池的多晶晶片时尤其成问题。多晶结构导致测量中的噪声，该噪声由标准化处理来抵消。
图10示出本发明一个实施例的用于提供物体厚度的指示的原理。在两个相对的外表面101和102上以如上所述的方式测量物体的表面。对待检查的物体104和具有已知厚度的参考物体103两者都执行该测量。对参考物体103的测量在图10a中示出，而图10b示出对待检查的物体104的测量。从各表面101、102中如上所述获得高度分布。然后在多个位置/地方将高度分布相减，以针对每个计算出的高度分布位置/点，计算物体的厚度。在一个实施例中，计算出多个高度分布，并且使用它们的平均值来计算厚度分布。可以针对形成高度分布的一系列位置上的每个高度位置，或者针对根据未被平均的高度分布计算出的厚度分布来执行所述平均。使用计算出的参考物体103的厚度分布来计算增益和偏移以获得物体的正确厚度。

Claims (24)

1.一种用于检查半导体物体的表面的方法，其特征在于，该方法包括步骤：
-在所述物体的至少一个表面上提供数个阴影；
-捕获包括所述阴影的物体的表面的图像；
-分析所述图像中的阴影的至少两个边缘，以提供所述物体的表面的质量的指示。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分析图像中的阴影的边缘包括：计算所述边缘的形状的变化。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法还包括：
-确定所述物体在参考系中的位置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，确定所述物体表面上的阴影的位置。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，确定所述物体表面上的阴影的边缘的位置。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，计算在所述阴影的边缘上的对应点之间的一致性，并且使用该一致性作为在所述点上的阴影的质量的度量。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，基于所述边缘的位置计算所述物体的尺寸。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，标准化所述图像。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过另外捕获不带有阴影的物体的表面的图像、确定不带有阴影的物体在参考系中的位置、以及从带有阴影的物体的图像中减去不带有阴影的物体的图像来执行所述标准化。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过另外捕获不带有阴影的物体的表面的图像、确定不带有阴影的物体在参考系中的位置、以及用不带有阴影的物体的图像分割带有阴影的物体的图像来实施所述标准化。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述图像中的阴影的至少一个边缘的分析提供对所述物体的表面的高度变化的度量。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，针所述物体的两个相对的表面执行所述步骤，并且将结果相减，以获得对所述物体的厚度的度量。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述物体是晶片。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物体是半导体晶片。
15.一种用于检查半导体物体的表面的装置，其特征在于，该装置包括：
-光源，该光源用于照亮所述物体；
-遮蔽装置，该遮蔽装置布置在所述光源与所述物体之间，用于在所述物体的表面上提供数个阴影；
-图像捕获装置，该图像捕获装置用于捕获包括阴影的物体表面的图像；以及
-处理单元，该处理单元用于处理图像数据，以提供所述物体表面的质量的指示。
16.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述处理单元用于计算所述阴影的形状的变化。
17.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述处理单元用于确定所述物体在参考系中的位置。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的装置，其特征在于，所述处理单元用于确定所述阴影的位置。
19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，所述处理单元用于确定所述阴影的边缘的位置。
20.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，所述处理单元用于标准化所述图像。
21.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，通过捕获不带有阴影的物体的表面的图像、确定不带有阴影的物体的位置、以及从带有阴影的物体的图像中减去不带有阴影的物体的图像来执行所述标准化。
22.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，所述处理单元用于提供对所述物体表面的高度变化的度量。
23.根据权利要求15至22中任一项所述的装置，其特征在于，所述物体为晶片。
24.根据权利要求23所述的装置，其特征在于，所述物体为半导体晶片。
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