CN109791113A - 使用可见光和红外线的用于半导体元件的光学检查装置和光学检查方法 - Google Patents

Abstract

一种适于并设计成测量半导体元件(2)的性能的光学检查装置(200)。它包括第一照射装置(4，6)，第二照射装置(8，10)和成像装置(12，14)，第一照射装置将红外线发射到半导体元件背离成像设备(相机)的第一表面上。红外线至少成比例地完全穿透半导体元件。第二照射装置将可见光发射到半导体元件的面向成像装置的第二表面上。成像装置被设计和布置成检测由第一和第二照射装置发射的光谱，并且作为基于可见光和红外线光谱的后续图像评估的结果，提供单独的捕获图像用于确定半导体元件的性能缺陷或损坏。

Description

使用可见光和红外线的用于半导体元件的光学检查装置和光 学检查方法

技术领域

本发明描述了一种使用可见光和红外线用于半导体元件的光学检查装置。

背景技术

在本发明中，半导体元件例如是主要由硅构成的电子半导体元件，也被称为“芯片(chip)”或“晶粒(die)”。这种元件通常具有矩形或方形横截面、多个侧表面以及一个端面和包覆面。元件的侧表面和两个(底和顶)包覆面在下文中被概括性称为表面。元件也可以具有数量不同于四的侧表面数量。

从申请人的操作实践中，已知借助于吸盘或支架从元件台拾取元件，然后将元件放置在载体上或运输容器等中的所谓拾取和放置装置。在将元件放下之前，一般会对元件进行检测。出于该目的，通过一个或多个照相机来捕获元件的一个或多个侧表面的图像并通过自动图像处理技术对所述图像进行评估。

现有技术

在制造操作完成期间或之后用于检测半导体元件的光学检查装置在现有技术中是已知的。同一申请人的DE 10 2010 053 912 B4公开了一种用于电子元件的外部检测的光学检查装置和光学检查方法，其包括元件传送机构，该元件传送机构将元件传送到不同的检查区域。在不同的检查区域中，元件的不同表面被照射并且不同表面的图像被照相机装置捕获。

文件DE 10 2012 010 406 A1公开了用于检查太阳能电池的装置。在该装置中太阳能电池被不同的波长或颜色的光线连续照射。通过分别捕获的图像验证太阳能电池未受外部损坏的自由度。除此之外，太阳能电池的背面被部分穿透太阳能电池的红外线照射。通过在红外范围内捕获的图像，验证太阳能电池未受内部损坏的自由度。

文件DE 11 2008 002 282 T2公开了用于检测电路板的装置。在该文中，电路板被暴露于不同波长的连续辐照下。分别捕获图像并与参考图像进行比较，以验证电路板未受损坏的自由度。辐照可以包括红外线或近红外线的波长范围内的光。

文件WO2009/124817A1示出了光学检测装置和用于检测元件表面的方法。在该文中，元件的表面由来自不同光源和不同波长的光照射，而相机设备捕获元件的图像。

文献US 6 094 263 A示出了用于半导体元件的光学检测装置。通过光活性件的布置，可以在共同的捕获图像上记录元件的多个侧表面。

发明内容

待解决的问题

改进的光学检查装置能够从多个观察方向上对半导体元件的损伤或性能缺陷进行检测。

本申请提出的解决方案

该目的是通过光学检查装置实现的，所述光学检查装置适于且设计成尤其是在包含光学检查装置的元件处理设备中检测元件的性能。所述检查装置具有至少两个彼此分开的检测光谱，其中一个检测光谱与红外范围相关联。所述检查装置尤其适于并设计成同时检测在半导体元件表面和在其内部的性能缺陷。所述光学检查装置包括成像装置，所述成像装置适于并设计成与多个辐射源配合，所述辐射源在其辐射光谱和辐射入射角方面彼此协调。所述成像装置适于并构造成针对每个检测光谱的单独的捕获图像，以用于所述成像装置下游的图像评估。

本发明所述的光学检查装置适于并设计成检测半导体元件的性能。所述光学检查装置包括第一照射装置，第二照射装置和成像装置。所述第一照射装置适于并设计成向半导体元件的分别背离所述成像装置的两个表面垂直地发射红外线，其中红外线至少成比例地完全穿透半导体元件。所述第二照射装置适于并设计成向半导体元件分别面向所述成像装置的两个表面垂直地发射可见光，尤其是红光。所述第一和第二照射装置对半导体元件的照射同时发生。所述成像装置构造和布置成对均由第一和第二照射装置发出的光谱进行检测，并基于可见光和红外线光谱在每种情况下为下游的图像评估提供用于确定半导体元件的性能缺陷和/或损伤的单独的捕获图像。此处，所述成像装置至少部分地使用相同的光束路径来记录由元件的表面反射的可见光并记录穿透元件的红外线。

在一个变型中，所述光学检查装置包括多个光活性件，尤其是适于可见光和/或红外线的反光镜、棱镜、滤光器和/或透镜。

在一个变型中，所述光学检查装置包括至少一个半反射镜，其中所述半反射镜与所述成像装置的光轴大致成45度的角度布置，并用于光学耦合所述第一和/或第二照射装置的光并将其引导至所述元件上。在这种情况下，所述半反射镜适于并布置成将所述元件反射的可见光和穿透所述元件的红外线引导至成像装置上。

在一个变型中，第一和/或第二照射装置分别由一个或多个LED构成。所述第一照射装置的(多个)LED适于发射红外线(1200纳米加减100纳米)以及/或者所述第二照射装置的(多个)LED适于发射诸如红光(例如630纳米加减30纳米)的可见光。

在一个变型中，第一和/或第二照射装置的(多个)LED如此布置，使得它们分别照射半导体元件的多个表面。这也可以通过使用一个/多个光活性件来将(多个)LED发射的光引导到半导体元件的多个表面上来实现。

所述成像装置包括两个成像传感器，尤其是照相机传感器。第一和第二成像传感器直接地或借助于光活性件来指向半导体元件的两个不同表面。第一和第二成像传感器还被配置和布置成检测和处理由第一照射装置发射的可见光和由第二照射装置发射的红外线。两个成像传感器进一步构造和布置成为下游的图像处理基于可见光和红外线在每种情况下提供单独的捕获图像。

在一个变型中，第一照射装置和/或第二照射装置和/或单个或多个的光活性件构造和布置成均彼此独立地定向和/或校准/聚焦。

用于半导体元件的光学检查方法，包括以下方法步骤：

用红外线对半导体元件的两个不同表面进行照射，所述红外线至少成比例地完全穿透所述半导体元件，

用可见光对半导体元件的两个不同表面进行照射，其中用可见光照射的表面分别与用红外线照射的表面相对，

通过至少一个成像装置，特别是照相机来检测元件被可见光照射的两个表面所反射的可见光和穿透被红外线照射的元件两个表面的红外线，为此所述成像装置使用至少部分相同的光束路径；

基于用于照射的可见光和用于照射的红外线，通过所述成像装置分别产生至少一个捕获图像。尤其是，在元件被可见光照射的两个表面的方向上分别产生两个捕获图像，其中两个捕获图像中的一个是基于由所述元件表面反射的可见光产生的，而另一个则基于穿透所述元件的红外线产生的；

通过采用所述捕获图像的下游图像评估来对所述元件的缺损或缺陷进行检查。

附图说明

对于本发明的其它特征、特性、优点和可能的修改，本领域技术人员可以参照附图从以下描述中清楚得知。附图示意性地示出了用于半导体元件的光学检查装置的两个示例性实施例，不应理解为将所描述的设备的变型限制于此。

图1示意性地示出了用于半导体元件的检查装置，其中两个照相机同时检测矩形轮廓的半导体元件的两个表面，所述表面相互成直角相邻并被红光照射。同时，检查装置能够使得红外线沿着两个正交的轴穿过元件照耀并允许两个照相机对传导穿过元件的红外线进行检测。

图1a示意性地示出了用于拾取从基板上分离的半导体元件的提取装置的侧视图。

图2示意性地示出了用于半导体元件的检查装置，其中两个照相机同时检测矩形轮廓的半导体元件的两个相对表面。同时，检查装置能够使得红外线穿过元件照射并允许两个照相机对传导穿过元件的红外线进行检测。

具体实施方式

图1示出了光学检查装置100。在该装置中，具有矩形轮廓的半导体元件2的表面a和表面b分别被第一照射装置4，6的红外线(1200纳米)照射。在该实施例中，照射装置4，6由两个彼此成直角布置的子装置构成，而所述子装置又分别由三个LED形成。子装置4由LEDA、B和C形成，而子装置6则由LED G、H和I形成，其中LED A、B和C以及LED G、H和I均适于并设计成以垂直于(90°加减高达20°)元件2的两个表面a和b的方式发射红外线(1200纳米)。

由于半导体材料，尤其是硅，相对于红外线，尤其是相对于在近红外线范围(大致780纳米，尤其是1000纳米，直到3000纳米的红外线，缩写为NIR)内的红外线具有透光性，由照射装置4，6发射的红外线的至少一部分能够完全穿透半导体元件2。因此，在表面a和b处垂直地入射进入半导体元件2的红外线再次垂直地、至少部分地在表面c和d处出射。

同时，半导体元件2的两个表面c和d由第二照射装置8，10用红光(630纳米)照射。在这种情况中，照射装置8，10由两个彼此成直角布置的子装置构成，而所述子装置又分别由三个LED形成。子装置8由LED D、E和F形成，而子装置10则由LED J、K和L形成，其中LED D、E和F以及LED J、K和L均适于并设计成以垂直于(90°加减高达20°)元件2的两个表面c和d的方式发射红光(630纳米)。

在这种情况下，由子装置8和10发射的红光在垂直冲击在元件表面c，d之前，最初先通过聚焦透镜30，32，然后再通过半反射镜22，24。遮蔽物26，28的黑膜防止不希望的杂散或散射光的发生。

半反射镜22和24在示出的装置中与子装置8和10的发射方向成45°角定位，并适于并设计成在元件2的方向上传导由第二照射装置8，10发射的光，而对由元件表面c和d在相反方向反射的光以相对于子装置8和10的相应发射方向分别成90°角度的方式进行反射。

此外，半反射镜22，24适于并设计成以与起源自这些方向、已由元件表面c和d反射的红光相同的方式反射照射装置4，6的、从元件表面c和d出射的红外线。

在图1示出的装置中，镜子20用于引导由半反射镜22反射的红光和红外线的光束路径使其平行于由半反射镜24反射的红光和红外线。

图1还示出了两个照相机12，14，所述照相机如此定位，使得它们分别检测最初由子装置4，8或6，10发射的红光和红外线。两个照相机12，14的检测方向分别指向半导体元件的被可见光照射的两个表面c，d中的一个。

图1示出的照相机12和14均适于在可见红光的基础上以及在红外线的基础上产生捕获图像。照相机12和14的照相机透镜16和18分别针对450-670纳米和1100-1200纳米的波长范围进行优化。此外，照相机构造和布置成使得捕获图像能够用于下游的用于检测元件的图像评估，尤其是分别基于红光和红外线来确定损伤和/或性能缺陷。

在图像评估中，相对于正在接受检查的元件，通过图像处理和/或通过与无缺陷/无损伤组件的捕获图像进行比较来做出(拒绝，通过)的决定。

对检查的该布置的优点在于，(由于基于红光的捕获图像)能够对元件2的两个表面a，b进行外部损伤和/或性能缺陷的检查，同时(由于基于红外线的捕获图像)能够对元件2的内部进行损伤和/或性能缺陷的检查，而不用改变照相机传感器的位置。在将检查平面中的元件旋转180°之后，可以以相同的方式检查表面c，d。

在图1a中示出了用于拾取从基板40上分离的半导体元件2的提取装置的侧视图。

在基板40远离检查装置100的一侧上布置有分离单元(弹射针或激光)，所述分离单元构造成将半导体元件2至少部分地从基板40上分离。

在该描绘中，出于清楚的原因未示出用于分离设置在基板40上的半导体元件2的分离单元。也未示出图1的检查装置。

提取装置包括接收单元60，其构造成接收从基板40分离出的半导体元件2并通过绕X轴180°的旋转动作将所述半导体元件进行转动并将其运输至用于另一接收单元62的转移位置。

为此，接收单元60进一步构造成沿着Z轴移动。接收单元60进一步包括在其周边上的两个或更多个拾取器。其它接收单元62构造成在转移位置接收来自接收单元60的半导体元件2并将其传送至检查位置(在图1中示出)。

转移位置位于检查平面上并可以与检查位置重合或与其不同。图1中的照相机12，14的图像采集轴位于检查平面中。

接收单元62进一步构造成在检查位置对半导体元件2进行检查后在中间存储器64中存储半导体元件2；另一接收单元62则相应地沿着Y轴和Z轴移动并能够绕着Z轴旋转。在本发明中，接收单元60和其它接收单元62设置成真空钳。

图2示出了光学检查装置200。在该装置中，具有矩形轮廓的半导体元件2的表面a和表面c分别被第一照射装置4，6的红外线(1200纳米)照射，并同时被第二照射装置8，10的红光(630纳米)照射。

在这种情况下，第一照射装置4，6由两个子装置4和6构成，所述子装置相对于半导体元件2相对布置并均由多个LED形成。所述子装置4由LED A和C形成，而子装置6则由LED B形成，其中LED A、B和C均适于并设计成以垂直于元件2的表面a和c的其中一个的方式发射红外线(1200纳米)。

第二照射装置8，10用红光(630纳米)照射表面a和c。在这种情况下，所述照射装置8，10由两个子装置8和10构成，所述子装置相对于半导体元件2相对布置并均由多个LED形成。所述子装置8由LED D形成，而子装置10则由LED E和F形成，其中LED D、E和F均适于并设计成以垂直于元件2的表面a和c的其中一个的方式发射红光(630纳米)。

由照射装置4，6发射的红外线的至少一部分能够完全穿透半导体元件2。红外线以垂直于(90°加减高达20°)表面a和c的方式进入半导体元件2并因此再次分别在对向表面c和a至少部分地出射。

在图2中，在垂直冲击在元件表面c，a之前，由照射装置4，6，8，10发射的红光和红外线均首先分别通过聚焦透镜30，32然后通过半反射镜22，24。遮蔽物26，28的黑膜防止不希望的杂散或散射光的发生。

在图2中，半反射镜22和24在示出的装置中与照射装置4，6，8，10的发射方向成45°角定位，并适于并设计成在元件2的方向上传导由照射装置4，6，8，10发射的光，而对由元件表面a和c在相反方向反射的光以相对于照射装置4，6，8，10的发射方向成90°角度的方式进行反射。

此外，半反射镜22，24适于并设计成以与起源自这些方向、由元件表面a和c之前反射的红光相同的方式反射照射装置4，6的、从元件表面a和c出射的红外线。

所述装置还示出了两个照相机12，14，所述照相机如此定位，使得它们适于分别检测最初由子装置4，10或6，8发射的红光或红外线。两个照相机12，14的检测方向分别指向半导体元件的被可见光照射的两个表面a，c中的一个。

所述装置示出的照相机12和14均适于捕获在红光的基础上以及在红外线的基础上的图像。照相机12和14的照相机透镜16和18分别针对450-670纳米和1100-1200纳米的波长范围进行优化。此外，照相机构造和布置成使得捕获图像能够用于下游的用于检测元件的图像评估，尤其是分别基于红光和红外线来确定损伤和/或性能缺陷。

对检查的该布置的优点在于，(由于基于红光的捕获图像)能够对元件2的两个表面a，c进行外部损伤和/或性能缺陷的检查，同时(由于基于红外线的捕获图像)能够对元件的内部进行损伤和/或性能缺陷的检查，而不用改变照相机传感器的位置。在将元件旋转90°之后，可以以相同的方式检查表面b，d。

在图1和2中以点状线示意性地示出的光束路径仅由红光使用，由短划线示出的光束路径仅由红外线使用，并且由点划线示出的光束路径则由红光和红外线两者使用。

半导体元件2被保持在拾取器上。拾取器是星状或轮状的第一转动装置的一部分。该第一转动装置在其周长上具有多个(例如八个)拾取器并能够围绕着旋转轴旋转。每个拾取器构造成通过负压来保持半导体元件。第一转动装置与基本上具有相同的结构并且可绕旋转轴线旋转的第二转动装置配合，其中半导体元件2在转移点处可从第一转动装置转移到第二转动装置。第二转动装置同样地可以包括如图1所示的光学检查装置。

第一和第二转动装置也可以彼此正交地布置。

上述装置的变体及其结构和操作方面仅用于更好地理解结构，操作模式和性能；它们不将本公开仅限制于示例性实施例。这些图是部分示意图，其中在某些情况下显着地放大了实质性特性和效果，以便阐明功能，活性原理，技术配置和特征。在这种情况下，在图中或者在文本中公开的每种操作模式，每种原理，每种技术配置和每种特征都可以与所有权利要求、文中和其他附图中的任何特征、本公开中包含或得到的其他操作模式、原理、技术配置和特征自由地和任意地组合，因此所有可以设想到的组合可以与所述过程相关联。在文本中的所有单独实施方式之间的组合，即在说明书的每个部分中之间的组合，在权利要求书中以及在文本中，权利要求书和附图中不同变体之间的组合也在本发明的范围内。甚至权利要求也不限制本公开，因此也不限制所展示的所有特征的彼此组合的可能性。所有公开的特征都可以单独地或与其他特征结合而明确地在本文中公开。

Claims (9)

1.适于并设计成检测矩形半导体元件(2)的性能的光学检查装置(100，200)，其包括：

第一照射装置(4，6)，第二照射装置(8，10)和成像装置(12，14)，其中

所述成像装置(12，14)至少包括第一成像传感器(12)和第二成像传感器(14)，其中所述第一成像传感器(12)和所述第二成像传感器(14)分别指向所述半导体元件(2)的不同表面，并且

所述第一照射装置(4，6)向所述半导体元件(2)的分别背离所述成像装置(12，14)的两个表面垂直地发射红外线，其中所述红外线至少成比例地完全穿透所述半导体元件(2)，并且

所述第二照射装置(8，10)向所述半导体元件(2)的分别面向所述成像装置(12，14)的两个表面垂直地发射可见光，其中所述第一照射装置(4，6)和所述第二照射装置(8，10)同时照射在半导体元件(2)上，并且

所述第一成像传感器(12)和第二成像传感器(14)均构造和布置成检测由所述第一照射装置(4，6)发射的光谱和由所述第二照射装置(8，10)发射的光谱，并且

基于可见光光谱和红外线谱在每种情况下为下游的评估分别提供单独的捕获图像以确定所述半导体元件(2)的性能缺陷或损伤，其中所述成像传感器(12，14)至少在部分上采用相同的光束路径以记录由所述元件(2)反射的可见光和记录穿透所述元件(2)的红外线。

2.根据权利要求1所述的光学检查装置(100，200)，其中所述检查装置(100，200)包括多个光活性件。

3.根据前述任一项所述的光学检查装置(100，200)，其中所述检查装置(100，200)包括至少一个半反射镜(22，24)，其中

所述半反射镜(22，24)相对于所述成像装置(12，14)的光轴大致成45°的角度布置并且用于光学耦合所述第一和/或第二照射装置(4，6，8，10)的光并将其引导至所述元件(2)上，并且其中

所述半反射镜(22，24)适于并布置成将所述元件(2)反射的可见光和穿透所述元件(2)的红外线引导至所述成像装置(12，14)上。

4.根据前述任一项所述的光学检查装置(100，200)，其中所述第一和/或第二照射装置(4，6，8，10)由一个或多个LED构成，其中

所述第一照射装置(4，6)的LED发射1200纳米加减100纳米的红外线，以及/或者

所述第二照射装置(8，10)的LED发射630纳米加减30纳米的红光。

5.根据前述任一项所述的光学检查装置(100，200)，其中所述第一和/或所述第二照射装置(4，6，8，10)的LED布置成它们分别照射所述半导体元件(2)的多个表面，并且/或者

所述第一和/或所述第二照射装置(4，6，8，10)发射的光由光活性件反射/引导至所述半导体元件的多个表面。

6.根据前述任一项所述的光学检查装置(100，200)，其中所述第一照射装置(4，6)和/或所述第二照射装置(8，10)和/或单个或多个光活性件构造和布置成彼此分别独立地定向和/或校准/聚焦。

7.根据权利要求1所述的光学检查装置(100)，其中

所述第一照射装置(4，6)由一个或多个LED构成，所述LED构造成并布置成垂直于所述半导体元件(2)的两个相邻表面发射红外线，

所述第二照射装置(8，10)由一个或多个LED构成，所述LED构造成并布置成垂直于所述半导体元件(2)的两个与被所述第一照射装置(4，6)的红外线指向的表面相对的相邻表面而发射可见光，其中

所述第二照射装置(8，10)的可见光被光活性件(22，24)传导，所述光活性件(22，24)分别构造和布置成对第二照射装置(8，10)的发射方向上的可见光具有预定的可穿透度，并且对在成180°相反方向上的可见光和红外线具有预定的反射度，其中

可见光和红外线的反射方向不等于所述第二照射装置(8，10)的发射方向和与其成180°的相反方向，并且

所述成像装置由第一照相机(12)和第二照相机(14)构成，其中两个所述照相机被构造和布置成基于可见光和红外线提供捕获图像，其中

两个照相机(12，14)的每个指向所述半导体元件(2)的由所述第二照射装置(8，10)向其上引导了可见光的一个表面上。

8.根据权利要求1所述的光学检查装置(200)，其中

所述第一照射装置(4，6)由多个LED构成，所述LED构造成并布置成垂直于所述半导体元件(2)的两个相对表面发射红外线，其中

所述第二照射装置(8，10)由多个LED构成，所述LED构造成并布置成垂直于所述半导体元件(2)的所述两个相对表面发射可见光，其中

所述可见光和红外线均分别被光活性件(22，24)传导，所述光活性件(22，24)构造和布置成对所述第一和第二照射装置(4，6，8，10)的各个在共同发射方向上的可见光和红外线具有预定的可穿透度，并且在每种情况下对在成180°相反方向上的可见光和红外线具有预定的反射度，其中

可见光和红外线的反射方向不等于所述第一和第二照射装置(4，6，8，10)的共同发射方向和与其成180°的相反方向，并且

所述成像装置由第一照相机(12)和第二照相机(14)构成，其中两个所述照相机被构造和布置成基于可见光和红外线提供捕获图像，其中

两个照相机(12，14)的每个指向所述半导体元件(2)的由所述第一和第二照射装置(4，6，8，10)向其上引导了光的一个表面上。

9.用于半导体元件(2)的光学检查方法，包括以下方法步骤：

用红外线对半导体元件(2)的两个不同表面进行照射，所述红外线至少成比例地完全穿透所述半导体元件(2)，

用可见光对所述半导体元件(2)的两个不同表面进行照射，其中用可见光照射的表面分别与用红外线照射的表面相对，

通过至少一个成像装置(12，14)来检测所述元件(2)的被可见光照射的两个表面所反射的可见光和穿透被红外线照射的所述元件(2)的两个表面的红外线，为此所述成像装置使用至少部分相同的光束路径，

分别产生所述元件的被可见光照射的表面的至少两个捕获图像，其中两个捕获图像中的一个是基于由所述元件表面反射的可见光产生的，而另一个则基于穿透所述元件(2)的红外线产生的，

通过采用所述捕获图像的下游图像评估来对所述元件的缺陷进行检查。