CN106323163A - 一种表面3d检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面3D检测装置及检测方法，该装置依次包括照明单元、偏振分束单元、多路光分束单元、多个相移板及探测器；照明单元产生的光束经偏振分束单元形成探测光束和参考光束；重合后的探测光束和参考光束分别经多路光分束单元分离为多路分支，每路分支对应一个相移板，使偏振方向相互垂直的探测光束和参考光束产生额外的相位差，之后再经过偏振合束器，使探测光束和参考光束具有相同偏振方向，从而在探测器表面产生干涉信号；每路分支中的相移板产生的额外的相位差不同。本发明不需要进行垂向扫描，可瞬间获取测量点的多个干涉信号，从而计算出视场内待测样品表面的高度信息，配合运动台的扫描，可快速实现大尺寸待测样品的表面3D检测。

Description

一种表面3D检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种表面3D检测装置及检测方法。

背景技术

“超摩尔定律”等概念引领IC行业从追求工艺技术节点的时代，转向更多地依赖于芯片封装技术发展的全新时代。相比于传统封装，晶圆级封装(WaferLevel Packaging，WLP)在缩小封装尺寸、节约工艺成本方面有着显著的优势。因此，WLP将是未来支持IC行业不断发展的主要技术之一。

WLP主要包括Pillar/Gold/Solder Bump、RDL、TSV等工艺技术。为了增加芯片制造的良率，在整个封装工艺过程中都需要对芯片进行缺陷检测，早期的设备主要集中在表面2D的缺陷检测，例如污染、划痕、颗粒等。随着工艺控制要求的增加，越来越需要对表面3D特征进行检测，例如Bump高度、RDL厚度、TSV的孔深等。

目前业界实现表面3D测量的方法主要包括激光三角测量、激光共聚焦、干涉测量仪等，其中激光三角测量法可以采用Laser Line进行扫描，极大的提高了检测速度，但精度相对较低；激光共聚焦和干涉测量仪虽然能获得较高的垂向分辨率，但需要进行垂向扫描，检测效率较低，难以满足wafer全片扫描检测的需求。

发明内容

本发明提供一种表面3D检测装置及检测方法，以解决现有技术中的上述技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种表面3D检测装置，沿光束传播方向依次包括照明单元、偏振分束单元、多路光分束单元、多个相移板以及探测器；所述照明单元产生的光束经所述偏振分束单元形成探测光束和参考光束；所述探测光束入射至待测样品表面后反射后再次进入所述偏振分束单元；所述参考光束入射至第二反射镜，经所述第二反射镜表面反射后再次进入所述偏振分束单元，并与经所述待测样品表面反射的探测光束重合；重合后的探测光束和参考光束分别经所述多路光分束单元分离为多路分支，每路分支对应一个相移板，使偏振方向相互垂直的探测光束和参考光束产生额外的相位差，之后再经过偏振合束器，使探测光束和参考光束具有相同偏振方向，从而在所述探测器表面产生干涉信号；所述每路分支中的相移板产生的额外的相位差不同。

较佳地，所述照明单元依次包括光源、准直扩束单元以及第一反射镜，所述光源发出的光束经过所述准直扩束单元后入射至所述第一反射镜，经所述第一反射镜反射后入射至所述偏振分束单元。

较佳地，所述光源采用汞灯、氙灯、卤素灯或激光光源。

较佳地，所述准直扩束单元包括依次设置的第一透镜和第二透镜。

较佳地，所述偏振分束单元还包括偏振分束器、第一1/4λ波片、第三透镜、第二1/4λ波片、第四透镜以及第五透镜，所述照明单元产生的光束经所述偏振分束器后分为偏振方向相互垂直的探测光束和参考光束，所述探测光束经所述第一1/4λ波片和第三透镜后，入射至运动台上的待测样品的表面，经所述待测样品的表面的反射后再次通过第一1/4λ波片，偏振方向旋转90°，并透过所述偏振分束器，经第五透镜入射至所述多路光分束单元；所述参考光束经所述第二1/4λ波片和第四透镜后，入射至第二反射镜，经第二反射镜反射后再次通过第二1/4λ波片，偏振方向旋转90°，经过所述偏振分束器发生反射，经所述第五透镜入射至所述多路光分束单元。

较佳地，所述照明单元与待测样品之间设有多个不同倍率的干涉物镜。

较佳地，多个所述干涉物镜之间通过物镜转轮进行切换。

较佳地，所述照明单元的出射光经第一分束器入射至所述干涉物镜。

较佳地，所述多路光分束单元采用衍射光学元件，所述衍射光学元件在所述探测器表面产生若干面阵式的干涉图案或若干条状的干涉信号。

较佳地，所述多路光分束单元采用n个第二分束器组成，n个第二分束器将光束分为n+1个分支，每个分支对应一个相移板，一个偏振合束器以及一个探测器，其中，n为正整数。

较佳地，所述探测器采用CMOS或CCD传感器。

较佳地，所述多路光分束单元采用空间光调制器件。

本发明还提供了一种表面3D检测方法，利用照明单元产生的光束经偏振分束单元形成探测光束和参考光束，所述探测光束和参考光束分别经多路光分束单元分离为多路分支，每路分支经一个相移板后产生相位差，从而在探测器表面产生干涉信号，所述每路分支中的相移板产生的额外的相位差不同，根据任意测量点同一时刻在探测器表面产生的干涉信号计算该测量点相对于参考平面的高度。

较佳地，测量点相对于参考平面的高度h的计算公式为：

其中，λ为波长，为探测光束和参考光束的相位差。

较佳地，相位差的计算公式为：

其中，I₁，I₂，I₃，I₄分别为四路分支产生的干涉信号的强度。

较佳地，所述I₁，I₂，I₃，I₄的计算公式为：

其中A、B是待定系数。

与现有技术相比，本发明提供的一种表面3D检测装置及检测方法，不需要进行垂向扫描，可瞬间获取测量点的多个干涉信号，从而计算出视场内待测样品表面的高度信息，配合运动台的扫描，可快速实现大尺寸待测样品的表面3D检测，进而提高检测效率。

附图说明

图1为本发明实施例一的表面3D检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例一中四个测量点的干涉信号示意图；

图3a～3d分别为图2中的四个测量点在探测器面上产生的干涉图案；

图4为本发明实施例二中多光路分束器的结构示意图；

图5为本发明实施例三中线光源探测器的结构示意图；

图6为本发明实施例三中探测器的干涉图案及表面高度计算结果示意图；

图7为本发明实施例四中空间光调制器件的结构示意图；

图8为本发明实施例五的表面3D检测装置的结构示意图。

图中：10-照明单元，11-光源，12-第一透镜，13-第二透镜，14-第一反射镜；

20-偏振分束单元，21-偏振分束器，22-第一1/4λ波片，23-第三透镜，24-第二1/4λ波片，25-第四透镜，26-第二反射镜，27-第五透镜，28-第一分束器，29-物镜转轮，29a、29b、29c-干涉物镜；

30-多路光分束单元，31a、31b、31c、31d-第二分束器；

40a、40b、40c、40d-相移板，41、41a、41b、41c、41d-偏振合束器；

50、50a、50b、50c、50d-探测器；

60-待测样品，61-运动台，70-探测视场；

100-入射光束，101-探测光束，102-参考光束，103-出射光束。

具体实施方式

为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下列举出具体的实施例来证明技术效果；需要强调的是，这些实施例用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。

实施例一

本发明提供的一种表面3D检测装置，请参考图1，沿光束传播方向依次包括照明单元10、偏振分束单元20、多路光分束单元30、多个相移板40a、40b、40c、40d，以及探测器50；所述照明单元10产生的入射光束100经所述偏振分束单元20形成探测光束101和参考光束102；所述探测光束101入射至待测样品60表面后反射后再次进入所述偏振分束单元20；所述参考光束102入射至第二反射镜26，经所述第二反射镜26表面反射后再次进入所述偏振分束单元20，并与经所述待测样品60表面反射的探测光束101重合；从所述偏振分束单元20射出的出射光束103(即重合后的探测光束101和参考光束102)经所述多路光分束单元30分离为多路分支(本实施例中，分支为四路)，四路分支分别对应一个相移板40a、40b、40c、40d，使偏振方向相互垂直的探测光束101和参考光束102产生额外的相位差，之后再经过偏振合束器41，使探测光束101和参考光束102具有相同偏振方向，从而在所述探测器50表面产生干涉信号；所述每路分支中的相移板40a、40b、40c、40d产生的额外的相位差不同。本发明利用多路光分束单元30将干涉信号分离为多路分支；利用相移技术，获取表面单点的多个干涉信号；这样，不需要进行垂向扫描，即可瞬间获取测量点的多个干涉信号，从而计算出视场内待测样品60表面的高度信息，再配合运动台61的扫描，可快速实现大尺寸待测样品60的表面3D检测，提高了检测效率。

较佳地，请继续参考图1，所述照明单元依次包括光源11、准直扩束单元以及第一反射镜14，其中，所述准直扩束单元包括依次设置的第一透镜12和第二透镜13，用于对所述光源11发出的光束进行准直扩束，所述准直扩束单元的出射光入射至所述第一反射镜14，经所述第一反射镜14反射后入射至所述偏振分束单元20。较佳地，所述光源11可以是单色光光源，例如半导体激光器、光纤激光器、气体激光器等；也可以采用宽波段的白光，例如汞灯、氙灯、卤素灯等。优选宽波段的白光，可提高待测样品60表面高度的测量范围。

较佳地，请继续参考图1，所述偏振分束单元20还包括偏振分束器21、第一1/4λ波片22、第三透镜23、第二1/4λ波片24、第四透镜25以及第五透镜27，所述照明单元10产生的入射光束100经所述偏振分束器21后分为偏振方向相互垂直的探测光束101和参考光束102，所述探测光束101经所述第一1/4λ波片22和第三透镜23后，入射至运动台61上的待测样品60的表面，经所述待测样品60的表面的反射后再次通过第一1/4λ波片22，偏振方向旋转90°，并透过所述偏振分束器21，经第五透镜27入射至所述多路光分束单元30；所述参考光束102经所述第二1/4λ波片24和第四透镜25后，入射至第二反射镜26，经第二反射镜26反射后再次通过第二1/4λ波片24，偏振方向旋转90°，经过所述偏振分束器21发生反射，经所述第五透镜27入射至所述多路光分束单元30，从而实现探测光束101和参考光束102形成出射光束103时，在空间上的重合。

较佳地，请重点参考图1，本实施例中，所述多路光分束单元30采用衍射光学元件(DOE，英文全称：Diffraction Optical Elements)实现多路光输出，本实施例中分支为四路，四路分支通过对应的相移板40a、40b、40c、40d，每个相移板40a、40b、40c、40d可使偏振方向相互垂直的探测光束101和参考光束102产生特定的相位差，例如40a、40b、40c、40d附加的相位差分别为0，π/2、π、3π/2，所述相移板40a、40b、40c、40d后设置的偏振合束器41，可使探测光束101和参考光束102具有相同偏振方向，从而在探测器50表面产生干涉。

本发明还提供了一种表面3D检测方法，利用照明单元10产生的入射光束100经偏振分束单元20形成探测光束101和参考光束102，所述探测光束101和参考光束102分别经多路光分束单元30分离为多路分支，每路分支经一个相移板40a、40b、40c、40d后产生相位差，从而在探测器50表面产生干涉信号，所述每路分支中的相移板40a、40b、40c、40d产生的额外的相位差不同，根据任意测量点同一时刻在探测器50表面产生的干涉信号计算该测量点相对于参考平面的高度。

具体地，相移板40a、40b、40c、40d产生的相位差可根据需要进行设计，本实施例中以各相移板40a、40b、40c、40d产生的额外相位差分别为Φ_a＝0；Φ_b＝π/2；Φ_c＝π；Φ_d＝3π/2为例，则四路光产生的干涉信号可简化表示为(为描述方便，这里仅考虑单色光的干涉)：

上式中A、B为待定系数，表示探测光路和参考光路的相位差，h表示待测样品60的表面相对参考零平面的高度，相位计算方法如下：

请重点参考图2，其中的实心方块、棱形、三角、圆分别表示通过四个相移板40a、40b、40c、40d后在探测器50表面上产生的干涉信号，T1-T4表示待测样品60表面不同的测量点，其与参考零平面的高度差不同，其对应上方产生的干涉信号也不相同。对任意一测量点而言，根据四路干涉光的强度I_i(i＝1、2、3、4)，通过公式(2)，可计算出该点相对参考零平面的高度：

较佳地，本实施例中所述探测器50采用CMOS或CCD传感器，通过相移板40a、40b、40c、40d在探测器50表面将产生四个面阵式的干涉图案(如图3a至3d所示)，四个干涉图案中相同位置的像素对应于探测视场中的同一点，每一点的高度可根据这四个像素记录的光强值，通过算法计算获得。

本发明提供的表面3D检测方法，不需要进行垂向扫描，可瞬间获取测量点的多个干涉信号，从而计算出视场内待测样品60表面的高度信息，配合运动台61的扫描，可快速实现大尺寸待测样品60的表面3D检测，进而提高检测效率。

实施例二

较佳地，请重点参考图4，本实施例与实施例一的区别在于：所述多路光分束单元采用n个第二分束器31a、31b、31c组成，其中，n为正整数，本实施例中第二分束器31a、31b、31c的数量为三个，三个第二分束器31a、31b、31c将光束分为四个分支，每个分支对应一个相移板40a、40b、40c、40d，一个偏振合束器41a、41b、41c、41d以及一个探测器50a、50b、50c、50d，换句话说，相对于实施例一，本实施例中，每路分支都配置有各自的相移板、偏振合束器以及探测器，在此配置下，每个探测器50a、50b、50c、50d的光敏区域将被充分利用，探测视场相比实施例一增加了4倍，进一步提高了检测效率。

实施例三

较佳地，本实施例与实施例一的区别在于：本实施例采用线光源进行探测，请重点参考图5，从多路光分束单元30分出四条线光束，通过四个相移板40a、40b、40c、40d，以及偏振合束器41后进入探测器50。请参考图6，四路光将在探测器50表面产生四条条状的干涉信号P1、P2、P3、P4，同一列上的四个光强值对应同一点的干涉信号，根据公式(1)和(2)，即可获得该点的高度值h。对每一列像素依次进行处理，可获得一条线上的待测样品60表面高度变化，如图6中圆圈组成的曲线所示。本实施例同样不需要进行垂向扫描，即可快速实现大尺寸待测样品的表面3D检测。

实施例四

较佳地，请重点参考图7，本实施例与实施例一的区别在于：所述多路光分束单元30采用空间光调制器件进行光束分光，具体地，所述多路光分束单元30分为四个区域Area1、Area2、Area3、Area4，通过改变四个区域Area1、Area2、Area3、Area4内的偏振角度，可实现四路或四路以上的分光，每路分支分别进入对应的相位板40a、40b、40c、40d。本实施例使用空间光调制器件进行光束分光，可更灵活的实现光路配置，分开的探测支路更多。

实施例五

较佳地，请重点参考图8，所述照明单元10与待测样品60之间设有多个不同倍率的干涉物镜29a、29b、29c，本实施例中，干涉物镜29a、29b、29c的数量为3个，其放大倍率分别为5X、10X和20X，较佳地，多个所述干涉物镜29a、29b、29c之间通过物镜转轮29进行切换，干涉物镜29a、29b、29c的放大倍率越大，探测视场70越小，水平分辨率越高。较佳地，所述照明单元10的出射光经第一分束器28入射至所述干涉物镜29a、29b、29c，用于将探测光导入干涉物镜29a、29b、29c。

综上所述，本发明提供的一种表面3D检测装置及检测方法，该装置沿光束传播方向依次包括照明单元10、偏振分束单元20、多路光分束单元30、多个相移板40a、40b、40c、40d以及探测器50；所述照明单元10产生的光束经所述偏振分束单元20形成探测光束101和参考光束102；所述探测光束101入射至待测样品60表面后反射后再次进入所述偏振分束单元20；所述参考光束101入射至第二反射镜26，经所述第二反射镜26表面反射后再次进入所述偏振分束单元20，并与经所述待测样品60表面反射的探测光束101重合；重合后的探测光束101和参考光束102分别经所述多路光分束单元30分离为多路分支，每路分支对应一个相移板40a、40b、40c、40d，使偏振方向相互垂直的探测光束101和参考光束102产生额外的相位差，之后再经过偏振合束器41，使探测光束101和参考光束102具有相同偏振方向，从而在所述探测器50表面产生干涉信号；所述每路分支中的相移板40a、40b、40c、40d产生的额外的相位差不同。本发明不需要进行垂向扫描，可瞬间获取测量点的多个干涉信号，从而计算出视场内待测样品60表面的高度信息，配合运动台61的扫描，可快速实现大尺寸待测样品60的表面3D检测。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (16)

1.一种表面3D检测装置，其特征在于，沿光束传播方向依次包括照明单元、偏振分束单元、多路光分束单元、多个相移板以及探测器；所述照明单元产生的光束经所述偏振分束单元形成探测光束和参考光束；所述探测光束入射至待测样品表面后反射后再次进入所述偏振分束单元；所述参考光束入射至第二反射镜，经所述第二反射镜表面反射后再次进入所述偏振分束单元，并与经所述待测样品表面反射的探测光束重合；重合后的探测光束和参考光束分别经所述多路光分束单元分离为多路分支，每路分支对应一个相移板，使偏振方向相互垂直的探测光束和参考光束产生额外的相位差，之后再经过偏振合束器，使探测光束和参考光束具有相同偏振方向，从而在所述探测器表面产生干涉信号；所述每路分支中的相移板产生的额外的相位差不同。

2.如权利要求1所述的表面3D检测装置，其特征在于，所述照明单元依次包括光源、准直扩束单元以及第一反射镜，所述光源发出的光束经过所述准直扩束单元后入射至所述第一反射镜，经所述第一反射镜反射后入射至所述偏振分束单元。

3.如权利要求2所述的表面3D检测装置，其特征在于，所述光源采用汞灯、氙灯、卤素灯或激光光源。

4.如权利要求2所述的表面3D检测装置，其特征在于，所述准直扩束单元包括依次设置的第一透镜和第二透镜。

5.如权利要求1所述的表面3D检测装置，其特征在于，所述偏振分束单元还包括偏振分束器、第一1/4λ波片、第三透镜、第二1/4λ波片、第四透镜以及第五透镜，所述照明单元产生的光束经所述偏振分束器后分为偏振方向相互垂直的探测光束和参考光束，所述探测光束经所述第一1/4λ波片和第三透镜后，入射至运动台上的待测样品的表面，经所述待测样品的表面的反射后再次通过第一1/4λ波片，偏振方向旋转90°，并透过所述偏振分束器，经第五透镜入射至所述多路光分束单元；所述参考光束经所述第二1/4λ波片和第四透镜后，入射至第二反射镜，经第二反射镜反射后再次通过第二1/4λ波片，偏振方向旋转90°，经过所述偏振分束器发生反射，经所述第五透镜入射至所述多路光分束单元。

6.如权利要求1所述的表面3D检测装置，其特征在于，所述照明单元与待测样品之间设有多个不同倍率的干涉物镜。

7.如权利要求6所述的表面3D检测装置，其特征在于，多个所述干涉物镜之间通过物镜转轮进行切换。

8.如权利要求6或7所述的表面3D检测装置，其特征在于，所述照明单元的出射光经第一分束器入射至所述干涉物镜。

9.如权利要求1所述的表面3D检测装置，其特征在于，所述多路光分束单元采用衍射光学元件，所述衍射光学元件在所述探测器表面产生若干面阵式的干涉图案或若干条状的干涉信号。

10.如权利要求1所述的表面3D检测装置，其特征在于，所述多路光分束单元采用n个第二分束器组成，n个第二分束器将光束分为n+1个分支，每个分支对应一个相移板，一个偏振合束器以及一个探测器，其中，n为正整数。

11.如权利要求1所述的表面3D检测装置，其特征在于，所述探测器采用CMOS或CCD传感器。

12.如权利要求1所述的表面3D检测装置，其特征在于，所述多路光分束单元采用空间光调制器件。

13.一种表面3D检测方法，其特征在于，利用照明单元产生的光束经偏振分束单元形成探测光束和参考光束，所述探测光束和参考光束分别经多路光分束单元分离为多路分支，每路分支经一个相移板后产生相位差，从而在探测器表面产生干涉信号，所述每路分支中的相移板产生的额外的相位差不同，根据任意测量点同一时刻在探测器表面产生的干涉信号计算该测量点相对于参考平面的高度。

14.如权利要求13所述的表面3D检测方法，其特征在于，测量点相对于参考平面的高度h的计算公式为：

其中，λ为波长，为探测光束和参考光束的相位差。

15.如权利要求14所述的表面3D检测方法，其特征在于，相位差的计算公式为：

其中，I₁，I₂，I₃，I₄分别为四路分支产生的干涉信号的强度。

16.如权利要求15所述的表面3D检测方法，其特征在于：所述I₁，I₂，I₃，I₄的计算公式为：

其中A、B是待定系数。