CN110720135A - 包括激光三角测量传感器的晶片检查系统 - Google Patents

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Abstract

检查系统的一个示例包括激光器、放大变换器和第一相机。激光器将线投射到待检查的晶片上。放大变换器包括多个不同放大倍率的可选择透镜。第一相机对投射到晶片上的线成像，并且输出指示晶片的特征的高度的三维线数据。放大变换器的每个透镜提供第一相机相对于晶片的相同标称焦平面位置。

Description

包括激光三角测量传感器的晶片检查系统
相关申请的交叉引用
本申请是PCT申请，其要求2017年6月8日提交的题为“WAFER INSPECTION SYSTEMINCLUDING A LASER TRIANGULATION SENSOR”的62/516,701号美国临时专利申请的优先权，该申请以引用方式并入本文。
背景技术
可以使用检查系统检查半导体晶片来测量晶片的特征以进行质量控制。这有利于增加生产量、提高精度、增加动态范围、提高可靠性和降低检查系统的成本。
附图说明
图1所示为包括激光三角测量传感器的检查系统的一个示例的框图。
图2所示为用于激光三角测量传感器的相机的一个示例。
图3所示为用于激光三角测量传感器的接口/控制板连接的一个示例的框图。
图4所示为用于校准激光三角测量传感器的示例性校准块。
图5A和图5B所示为使用激光三角测量传感器检查晶片的一个示例。
图6所示为由激光三角测量传感器的相机观察的激光线的一个示例。
图7A到图7D所示为如由相机观察的激光线和由相机获得的样本帧。
图8所示为使用两个相机来检查晶片的一个示例。
图9所示为使用两个激光器来检查晶片的一个示例。
图10所示为从晶片的背侧检查晶片的一个示例。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考了构成本描述一部分的附图，并且其中通过图示的方式示出了可以实践本公开的具体示例。应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其它示例，并且可以进行结构或逻辑改变。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义，并且本公开的范围由所附权利要求书限定。应当理解，除非另外特别指出，否则本文中所描述的各个示例的特征可以部分或全部彼此组合。
本文公开了一种用于检查晶片的激光三角测量的系统和方法。激光线产生器可以将线投射到晶片的表面上。激光线可以通过显微镜光学器件成像到三维(3D)相机上。3D相机可以获取激光线的二维(2D)图像，在现场可编程门阵列(FPGA)处理板中将2D图像转换成3D线条，并且然后经由通用串行总线(USB)(例如，USB3.0)接口将3D线条输出到前端计算机。
图1是图示包括激光三角测量传感器的检查系统100的一个示例的框图。检查系统100可以包括传感器头102、支撑待检查的晶片106的载物台104、触发器板108和前端计算机110。触发器板108可以经由触发器/编码器信号路径112通信地耦合到传感器头102。前端计算机110可以经由USB(例如，USB3.0)接口114通信地耦合到传感器头102。
传感器头102可以包括第一3D相机116、隔离器118、镜面滤光器/阻挡器120、放大变换器(例如，转台/滑块)122、激光器座架124和接口/控制板126。第一3D相机116可以包括第一相机外壳128、座架130、管132和透镜134。放大变换器122可以包括多个不同放大倍率(例如，2×、10×和5×)的物镜1361到1363。放大变换器122可以通过匀场物镜来为物镜1361到1363中的每一个提供第一相机116相对于晶片106的相同标称焦平面位置。
激光器座架124可以包括激光器138、衰减器140、反射镜142和四分之一波片144。激光器138可以产生激光线146，激光线146可以被衰减器140衰减、被反射镜142反射并且穿过四分之一波片144以投射到晶片106上。激光器138与晶片106之间的衰减器140、反射镜142和四分之一波片144可以在晶片106的表面上以与晶片法线成45度的角度提供圆偏振激光线。激光器座架124可以允许进行以下调节：在Z上平移以得到物镜中心轴线上的焦点，围绕Z旋转以得到与工具Y轴线平行的线，围绕X旋转以得到在物镜中心轴线上的线中心或使激光器的场平坦，并且围绕Y旋转以得到物镜标称工作距离上的平面。
四分之一波片144可以将激光器138输出的自然线性偏振光转换成圆偏振光。衰减器140可以是中性密度型固定衰减器，以使激光功率略微降低。反射镜142可以是转向反射镜，以将激光束146重定向到晶片106。反射镜142可以包括围绕Y旋转进行调节，以得到通过标称工具点的平面。围绕Z旋转还可以用于获得物镜中心轴线上的线中心或使激光器138的场平坦。投射到晶片106的表面上的激光线146通过放大变换器122、镜面滤光器/阻挡器120、隔离器118和相机镜头134被反射回第一相机116。
图2所示为相机200的一个示例。在一个示例中，相机200可以用于图1的相机116。相机200可以包括3D相机板202和204、图像传感器206、相机外壳208、相机座架/管210和相机镜头212。图像传感器206可以是具有电子快门的单互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。相机200可以包括可配置用于3D或2D的图像处理模式。3D模式的最大帧速率对于1280×50窗口尺寸可能是57000fps或更高，对于1280×100窗口尺寸是29500fps或更高，或者对于1280×864窗口尺寸是3500fps或更高。2D模式的最大帧速率可能是上面列出的3D模式速率和(200MB/s/(帧尺寸))中的较小者。X开窗的尺寸可以配置为从1到1280。开始位置可以配置为从0到1279。尺寸在1280至1184之间时，帧速率应该与尺寸成反比地增加。可以通过无帧速率益处的数据跳过来使尺寸小于1184。Y开窗的尺寸可以以4为量程进行配置。开始位置可以配置为从0到860。帧速率应该与尺寸成反比地改变。相机200在3D模式下的输出格式可以是32位(16位Z和16位强度)；在2D模式下的输出格式可以配置为8位(存储为8位)或10位(存储为16位)。
相机200可以安装成使图像传感器206的长尺寸平行于Y轴。安装相机200时，如果需要，可以使用分离器和第二相机148(图1)。外壳208和座架210可以提供以下调节：在X上平移座架(例如，可借助于量块调节)，在Z/焦点上平移座架(例如，可借助于量块调节)，和围绕Z旋转座架。这些调节可以主要用于补偿图像传感器相对于外壳208的位置/旋转误差，然而，它们也可以用于去除激光线位置调节之后的残留误差。
相机座架210的接收器部分可使得能够重新配置焦距在148mm到295mm范围内的相机镜头。返回参考图1，隔离器118可以与四分之一波片144结合工作，以阻挡激光在两个凸块之间或者在晶片106表面与凸块之间的双重反弹。隔离器118可以由预组装的四分之一波片和线性偏振器组成。隔离器118可以安装在相机镜头134与物镜1361到1363之间，其中线性偏振器面向相机镜头。
当在低放大倍率下检查漫反射表面(例如，回流前凸块)时，可以使用自动镜面滤光器/阻挡器120。镜面滤光器/阻挡器120可以位于物镜孔径附近。镜面滤光器/阻挡器120可以包括多个可选择滤光器和/或阻挡器。镜面滤光器/阻挡器120可以包括具有标志/相位定位的轮子。低惯性矩(MOI)和摩擦可以允许小功率步进电机快速并且准确地定位阻挡器或滤光器。多个阻挡器可以具有不同的尺寸和形状，这取决于什么空间阻挡将提供最干净的信号(类似于阻挡与相关信号无关的所有光的微检查或散射工具)，。滤光器可以包括傅里叶(Fourier)滤光器。可以使用液晶显示器(LCD)以及固体阻挡材料(例如，梵塔黑(Vantablack))。镜面滤光器/阻挡器120可以使用方案进行自动控制，并且可以包括用以检测滤光器/阻挡器处于哪个位置和/或检测滤光器/阻挡器是否未完全处于其中一个位置的机构。
可以使用柱面透镜150或接收器散焦。在其它示例中，不使用柱面透镜150。与激光线宽度相比，随着像球状凸块这样的反射镜顶部半径变小，数据可能会呈现阶梯效应。当球状表面将光传播得远远超过物镜数值孔径(NA)，从而导致在图像传感器上形成衍射极限线时，这种效果最差。当线宽度小于一个像素时，很容易看到阶梯效果。对于高斯形状，作为激光图像尺寸的函数的质心误差应该保持低于第十六分之一子像素分辨率的二分之一，达到像素的3％。因此，图像宽度应该至少是1.5个像素或更大，以使质心误差保持在3％以下。可以使用在X方向上增加相机镜头焦距(FL)的弱柱面透镜来实现这一点。也可以将相机移动更靠近相机镜头来实现这一点，然而，这也会散焦Y，根据散焦的量和被检查的特征，散焦Y可能是期望或不期望的。相机聚焦调节可以在负Z方向上具有额外的行程，以适应散焦，从而将物镜NA衍射限制的光斑尺寸增加到至少三个像素。
传感器头102的放大变换器122可以经由方案控制在两个或三个物镜1361到1363之间自动地切换。放大变换器122不会导致2D与激光三角测量光学中心线之间的距离增加。放大变换器122可以包括用以检测放大变换器处于哪个透镜位置的机构。如果放大变换器122不完全在透镜位置中，则放大变换器不报告为处于任何位置中。
放大变换器122可以支持同一系列的多个可互换物镜。举例来说，物镜可以包括以下各项的任何适合组合：2×、3×、5×、7.5×、10×或20×透镜。物镜可以在现场手动更换，其中只需改变配置文件和重新校准。不应该要求光学调节。如果物镜之间的齐焦距离变化太大，则可以使用定制间隔物来调节距离。在这种情况下，可以在制造中使用具有标称间隔物的主10×物镜，使得所有生产2×、3×、5×和10×物镜可以间隔到理想的齐焦距离。
图3所示为用于激光三角测量传感器的接口/控制板126连接的一个示例的框图。传感器头102中的机电装置可以由位于传感器头中的接口/控制板126控制。从前端计算机110(图1)到接口/控制板126的通信可以通过3D相机116经由USB接口114和串行外围接口(SPI)接口160进行。这种方法可以最小化电缆数量并且集中控制功能，这可以降低成本并且提高可靠性和可维护性。
接口/控制板126可以包括具有SPI的微控制器芯片(MCU)、通用输入/输出(GPIO)、模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)。接口/控制板126可以支持至少一个激光器(例如，激光器138)和两个3D相机(例如，3D相机116和148)。接口/控制板126可以根据需要将来自功率路径162到功率路径164的功率分配到(多个)3D相机116和/或148、(多个)激光器138和其它装置。接口/控制板126可以通过通信路径166控制放大变换器122(例如，转台/滑块)，通过通信路径170控制镜面滤光器/阻挡器120，以及通过通信路径168控制(多个)激光器138的开/关和输出功率。
接口/控制板126可以通过信号路径112接收RS422触发器和编码器信号，并且将它们转换成用于(多个)3D相机的单端TTL信号。接口/控制板126可以通过信号路径172将触发信号输出到(多个)3D相机，并且通过信号路径174将编码器信号输出到(多个)3D相机。在使用两个3D相机的示例中，其中一个相机可以接收奇数编号的触发，另一个相机可以接收偶数编号的触发。
接口/控制板126可以支持触发缓冲逻辑，当在加速过冲和速度波动峰值期间触发来得太快时，所述触发缓冲逻辑将触发排队，然后在速度波动谷的期间追上。可以配置最大队列深度。在XY载物台的情况下，触发缓冲可以允许使用小至0.3％的速度安全裕度，同时落后不超过1个触发。触发缓冲逻辑可以使用通过信号路径172来自相机的触发输出信号来决定何时可以发送下一个触发。在其它示例中，触发缓冲逻辑可以由触发器板108或由3D相机116实施。
图4所示为用于校准激光三角测量传感器的示例性校准块300和302。矩形可以用于Z校准、激光功率校准、Z原点校准，以及确定校准块的法向矢量，以在校准块不完全水平的情况下补偿校准。矩形也可以用于Z对Y的平坦度检查、Z噪声水平检查，以及扫描遍次与扫描遍次间Z对Y均匀性检查。矩形边界可以用于检查杂散光和亮到暗或暗到亮的过渡响应。
星形图案可以用于Y校准和XY原点校准。星型也可以用于在整个Y视场(FOV)和ZFOV中对激光器进行轮廓分析，并且用于检查和/或调节校准块斜率和旋转。在一个示例中，矩形和星形特征容纳2mm Z FOV和8mm Y FOV。
图5A和图5B所示为被检查的晶片320的一个示例。图5A所示为晶片320的侧视图，图5B所示为晶片320的俯视图。在一个示例中，激光线322以45度投射到晶片320上，如箭头324所指示，并且激光线322的反射由相机成像，如326处所指示。对于每个图像，晶片320经由载物台在箭头328所指示的方向上移动，举例来说如虚线所指示。可以同时测量多个特征(例如，凸块)330。
图6所示为由相机观察的激光线360的一个示例。由相机感测的线在362处指示的方向上的位置指示晶片的特征的高度。整行数据立即被检测到。
图7A所示为由相机观察的激光线370的一个示例，并且图7B到图7D所示为由相机获得的样本帧。相机允许从凸块顶部质心计算中过滤掉不想要的数据，这提高了准确性。
图8所示为使用两个相机来检查晶片400的一个示例。可以使用两个相机来提高检查速度。在一个示例中，第一相机(由图案402指示)和第二相机(由图案404指示)通过分束器耦合到光学路径，使得检查系统的两个相机基本上共享相同的视场。支撑晶片的载物台可以在箭头406所指示的方向上以相对于相机视场的速率移动，使得每个相机在交替操作时捕获基本上覆盖待成像晶片的整个表面的连续视场(即交错)。载物台的速度可以与两个相机捕获视场的图像的速率和相机的视场的尺寸相关。
图9所示为使用两个激光器来检查晶片的一个示例。该示例包括第一激光器420、第二激光器422、反射镜424和衰减器426。第一激光器420产生激光线428，激光线428通过反射镜424并且被衰减器426衰减。第二激光器422产生激光线430，激光线430被反射镜424反射并且被衰减器426衰减。能够捕获晶片至少部分透明的波长范围内的图像的第二相机可以与发射在第二相机可见的波长范围内的光的第二激光器422一起使用。在这种情况下，第二激光器422发射在晶片至少部分透明的波长范围内的光。
图10所示为从晶片的背侧452检查晶片450的一个示例。激光线454可以由第二激光器通过晶片450的背侧452投射到一个或多个特征456上。在这种情况下，第二相机捕获来自第二激光器的所投射线的图像，并且输出指示晶片的特征的高度的三维线数据。可以从由通孔和沟槽组成的组中选择特征。
尽管本文中已经图示和描述了特定示例，但是在不脱离本公开的范围的情况下，可以用各种替代方案和/或等同的实施方案来替代所示出和所描述的特定示例。本申请意在覆盖本文中所讨论的特定示例的任何修改或变型。因此，预期本公开仅由权利要求书及其等同物限制。

Claims (15)

1.一种检查系统，包括：
激光器，该激光器将线投射到待检查的晶片上；
放大变换器，该放大变换器包括多个不同放大倍率的可选择透镜；和
第一相机，该第一相机用以对投射到所述晶片上的所述的线进行成像并且输出指示所述晶片的特征的高度的三维线数据，
其中，所述放大变换器的每个透镜提供所述第一相机相对于所述晶片的相同标称焦平面位置。
2.根据权利要求1所述的检查系统，还包括：
位于所述放大变换器与所述第一相机之间的镜面滤光器/阻挡器，所述镜面滤光器/阻挡器包括多个可选择的滤光器和/或阻挡器。
3.根据权利要求1所述的检查系统，还包括：
衰减器、反射镜和四分之一波片，处于所述激光器与所述晶片之间，以在所述晶片的表面上以与晶片法线成45度的角度提供圆偏振激光线。
4.根据权利要求1所述的检查系统，还包括：
处于所述第一相机与所述放大变换器之间的隔离器。
5.根据权利要求1所述的检查系统，还包括：
处于所述倍率变换器与所述第一相机之间的柱面透镜。
6.根据权利要求1所述的检查系统，还包括：
第二相机，该第二相机对投射到所述晶片上的线成像并且输出指示所述晶片的特征的高度的三维线数据。
7.根据权利要求1所述的检查系统，还包括：
第二相机，
其中，所述第一相机和所述第二相机通过分束器耦合到光学路径，使得所述第一相机和所述第二相机基本上共享相同的视场。
8.根据权利要求7所述的检查系统，还包括：
载物台，该载物台支撑晶片，所述载物台以相对于所述第一相机和所述第二相机的视场的速率移动，使得所述第一相机和所述第二相机中的每一个相机在交替地操作时捕获基本上覆盖了所述晶片的整个表面的连续视场。
9.根据权利要求8所述的检查系统，其中，所述载物台的速度与所述第一相机和所述第二相机以其捕获所述视场的图像的速率相关，以及与所述第一相机和所述第二相机的所述视场的尺寸相关。
10.根据权利要求1所述的检查系统，还包括：
第二相机，该第二相机用以捕获所述晶片至少部分透明的波长范围内的图像；和
第二激光器，该第二激光器发射在由所述第二相机可见的波长范围内的光，所述波长范围同样是所述晶片至少部分透明的所述波长范围。
11.根据权利要求10所述的检查系统，其中，由所述第二激光器通过所述晶片的所述背侧将线投射到一个或多个特征上，并且
其中，所述第二相机捕获来自所述第二激光器的所述所投射线的图像，并且输出指示所述晶片的特征的高度的三维线数据。
12.根据权利要求11所述的检查系统，其中，所述特征选自由通孔和沟槽组成的组。
13.根据权利要求1所述的检查系统，还包括：
触发缓冲逻辑，响应于在加速过冲和速度波动峰值期间来得太快的触发而对用于所述第一相机的触发进行排队，然后在速度波动谷的期间追上。
14.一种检查晶片的方法，所述方法包括：
将激光线投射到待检查的晶片上；
经由相机获取所述激光线的二维图像；以及
将所述二维图像转换成指示所述晶片的特征的高度的三维线数据。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
经由另一相机获取所述激光线的二维图像。
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