CN112748111A - 三维检测装置及三维检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维检测装置及三维检测方法，该三维检测装置包括光源模块、分束镜、空间光调制器和探测模块；光源模块提供的至少两种波长的出射光束经分束镜分为第一光束和第二光束，该第一光束经待测器件的检测面反射后形成探测光束，第二光束由空间光调制器的多个相位调节单元反射形成多束初始相位不同的参考光束；该参考光束和探测光束由探测模块接收，并在探测模块的探测面发生干涉产生干涉条纹，以使探测模块能够根据参考光束和探测光束产生的干涉条纹对待测器件的检测面进行三维检测。本发明实施例能够实现三维检测，且具有较高的检测精度。

Description

三维检测装置及三维检测方法
技术领域
本发明实施例涉及半导体技术，尤其涉及一种三维检测装置及其检测方法。
背景技术
“超摩尔定律”等概念引领集成电路(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(Wafer LevelPackaging，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不断发展的主要技术之一。
WLP主要包括铜柱高度、金球高度、焊点高度、重布线层(RDL)、硅通孔(ThroughSilicone Via，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都需要对芯片进行缺陷检测，早期的设备主要集中在表面二维的缺陷检测，例如污染、划痕、颗粒等。随着工艺控制要求的增加，越来越需要对表面三维特征进行检测，例如高度、RDL厚度、TSV的孔深等。现有技术中，通过采用光的干涉原理对芯片进行三维测量。
但是，现有的三维测量方式仅能获取单个方向的干涉信息，从而损失部分位置信息，易产生较大的测量误差，致使测量结果不准确。
发明内容
本发明实施例提供一种三维检测装置及其检测方法，以降低测量误差，提高测量结果的准确度。
第一方面，本发明实施例提供一种三维检测装置，包括：
光源模块，用于提供至少两种波长的出射光束；
分束镜，用于接收所述出射光束，并将所述出射光束分为第一光束和第二光束；其中，所述第一光束经待测器件的检测面反射形成探测光束；
空间光调制器，包括阵列排布的多个相位调节单元；多个所述相位调节单元用于反射所述第二光束形成参考光束；多个所述相位调节单元反射形成的所述参考光束的初始相位不同；
探测模块，用于接收所述探测光束和所述参考光束；
各所述参考光束分别与所述探测光束在所述探测模块的探测面发生干涉产生干涉条纹；
所述探测模块还用于根据所述干涉条纹对所述待测器件的检测面进行三维检测。
第二方面，本发明实施例还提供一种三维检测方法，采用上述三维检测装置执行，所述检测方法包括：
空间光调制器调节各所述相位调节单元的位置，以使多个所述相位调节单元反射所述第二光束形成的参考光束的初始相位不同；
探测模块根据所接收的探测光束和所述参考光束形成的干涉条纹，对待测器件的检测面进行三维检测；
其中，所述三维检测装置包括光源模块、分束镜、空间光调制器和探测模块；
所述光源模块用于提供至少两种波长的出射光束；所述分束镜用于接收所述出射光束，并将所述出射光束分为第一光束和第二光束；其中，所述第一光束经待测器件的检测面反射形成探测光束；所述空间光调制器包括阵列排布的多个相位调节单元；各所述参考光束分别与所述探测光束在所述探测模块的探测面发生干涉产生干涉条纹。
本发明实施例提供的三维检测装置和三维检测方法，通过光源模块提供至少两种波长的出射光束，该出射光束经分束镜分为第一光束和第二光束，且第一光束经待测器件的检测面反射形成探测光束，第二光束经空间光调制器的相位调节单元反射形成参考光束；探测模块接收待测器件的检测面反射的探测光束和空间光调制器的相位调节单元反射的参考光束，且该探测光束和参考光束在探测模块的探测面形成干涉条纹，以使探测模块能够根据探测光束和参考光束的干涉条纹对待测器件的检测面进行三维检测；其中，空间光调制器包括多个相位调节调节，且各相位调节单元反射形成的参考光束的初始相位不同，该多束初始相位不同的参考光束能够分别与探测光束形成的干涉条纹，以使探测模块能够根据初始相位不同的各参考光束与探测光束发生干涉，所形成的干涉条纹为二维或多维干涉。一方面，能够对待测器件的检测面进行三维检测；另一方面，能够获得更多的位置信息，能够降低测量误差，提高测量精度。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种三维检测装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的空间光调制器的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的又一种三维检测装置的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种具有可旋转反射镜的空间光调制器的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种具有高度可调反射镜的空间光调制器的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种参考光束的初始相位分布示意图；
图7是本发明实施例提供的一种相位提取稳定性示意图；
图8是本发明实施例提供的又一种三维检测装置的结构示意图；
图9是本发明实施例提供的一种三维检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
本发明实施例提供一种三维检测装置，该三维检测装置能够对晶圆、芯片等器件进行三维检测。图1是本发明实施例提供的一种三维检测装置的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的三维检测装置包括光源模块10、空间光调制器20、分束镜30和探测模块40。光源模块10用于提供至少两种波长的出射光束；分束镜30用于接收光源模块10提供的出射光束，并将该出射光束分为第一光束和第二光束；其中，第一光束经待测器件50的检测面501反射形成探测光束；空间光调制器20包括阵列排布的多个相位调节单元201，该多个相位调节单元201用于反射第二光束形成参考光束，且多个相位调节单元201反射形成的参考光束的初始相位不同；探测模块40用于接收探测光束和参考光束，且探测光束和参考光束能够在探测模块40的探测面发生干涉产生干涉条纹；该探测模块40能够根据探测光束和参考光束产生的干涉条纹对待测器件50的检测面501进行检测。
具体的，光源模块10提供至少两种波长的出射光束，例如可以为光源模块提供三种波长的出射光束，该三种波长的出射光束的波长分别为λ1、λ2和λ3，其中λ3＞λ2＞λ1。此时，三维检测装置的分辨率R0＝λ1/2/SNR，其中SNR表示三维检测装置的信噪比，三维检测装置的垂向探测范围Z0＝λs/2，其中λs为各出射光束的合成波长，即λs＝(λ1λ2λ3)/(λ2λ3+λ1λ2-2λ1λ3)。因此，当光源模块10提供至少两种波长的出射光束时，相较于光源模块提供一种波长的出射光束的情况能够实现对待测器件50的检测面501的三维检测，同时能够具有较高的垂向测量范围。该至少两种波长的出射光束例如可以为相干性、方向性好激光。
光源模块10提供的至少两种波长的出射光束经分束镜30分为第一光束和第二光束，该第一光束经待测器件50的检测面501反射形成探测光束，该第二光束经空间光调制器20的相位调节单元201反射形成参考光束。该参考光束与探测光束之间具有相位差，因此探测模块40接收参考光束和探测光束后，该参考光束和探测光束能够在探测模块40的探测面形成干涉条纹，以使探测模块40能够根据参考光束和探测光束在探测模块40的探测面形成的干涉条纹，对待测器件50的检测面501实现三维检测。其中，探测模块10例如可以包括互补金属氧化物半导体或电荷藕合器件图像传感器，其能够将干涉条纹的光信号转换为电信号。
其中，图2是本发明实施例提供的一种空间光调制器的结构示意图。结合图1和图2所示，空间光调制器20包括多个相位调节单元201，各相位调节单元201对第二光束反射形成的参考光束的初始相位不同，探测光束与初始相位不同的各参考光束之间的相位差不同，使得探测光束与初始相位不同的各参考光束在探测模块40的探测面形成的干涉条纹具有差异，从而获得多个方向的干涉信号，通过探测模块40对多个干涉信号进行解析，能够获得更多的检测信息，进而提高三维检测装置的检测精度。
可选的，图3是本发明实施例提供的又一种三维检测装置的结构示意图，图4是本发明实施例提供的一种具有可旋转反射镜的空间光调制器的结构示意图。结合图3和图4所示，空间光调制器20的相位调节单元201包括反射镜21和第一驱动机构22。该第一驱动机构22能够控制反射镜21旋转，以调节经相位调节单元201的反射镜21反射形成的参考光束的初始相位。其中，第一驱动结构22控制反射镜21旋转的方向例如可以为X方向和Y方向，可根据各反射镜21的位置确定该反射镜21的旋转角度，以使反射镜21对第二光束反射后，能够获得不同初始相位的参考光束。
可选的，继续结合参考图3和图4，三维检测装置还包括透镜60。该透镜60位于空间光调制器20和分束镜30之间，各相位调节单元201的反射镜21的反射面的中心位于透镜60的焦平面上。相位调节单元201的第一驱动机构22控制该相位调节单元201的反射镜21旋转，以使反射镜21与透镜60的焦平面具有夹角。其中，同一行的多个反射镜21的反射面与透镜60的焦平面的夹角相同，同一列的多个反射镜21的反射面与透镜60的焦平面之间的夹角逐渐增大或逐渐减小。
具体的，各相位调节单元201中反射镜21的反射面的初始位置位于透镜60的焦平面内，当相位调节单元201控制反射镜21沿X方向或Y方向旋转时，该反射镜21的反射面与透镜60的焦平面不再重合，此时反射镜21的反射面与透镜60的焦平面具有夹角。由于各反射镜21所处的位置不同，且同一列的各反射镜21与透镜60的焦平面的夹角具有渐变趋势。因此，第二光束传输至各反射镜21的反射面进行反射的过程中具有不同的光程，从而使得第二光束在各反射镜21上发生发射后形成不同初始相位的参考光束。该不同初始相位的参考光束能够与探测光束发生干涉，以对待检测器件50的检测面进行三维检测。
可选的，图5是本发明实施例提供的一种具有高度可调反射镜的空间光调制器的结构示意图。结合图3和图5所示，空间光调制器20的相位调节单元201包括反射镜21和第二驱动机构23。该第二驱动结构用于控制反射镜21在平行于第二光束传播方向上的位移，以调节参考光束的初始相位。其中，第二驱动结构23控制反射镜21在平形于第二光束传播的Y方向上位移，可根据各反射镜21位置确定该反射镜21的位移，以使反射镜21对第二光束反射后，能够获得不同初始相位的参考光束。
可选的，继续结合参考图3和图5，三维检测装置还包括透镜60。该透镜60位于空间光调制器20和分束镜30之间。各相位调节单元201的反射镜21与透镜60的焦平面之间具有离焦量。其中，位于同一行的多个反射镜21的反射面的离焦量，从中间向两侧逐渐减小；位于同一列的多个反射镜21的反射面的离焦量，从中间向两侧逐渐增大。
具体的，各相位调节单元201中反射镜21的反射面的初始位置位于透镜60的焦平面内，当相位调节单元201控制反射镜21沿Y方向发生位移时，该反射镜21的反射面与透镜60的焦平面不再重合，此时反射镜21的反射面与透镜60的焦平面之间具有离焦量，该离焦量可以为正离焦量或负离焦量。由于各反射镜21所处的位置不同，且反射镜21的反射面相较于透镜60的焦平面的离焦量具有渐变趋势。因此，第二光束传输至各反射镜21的反射面进行反射的过程中具有不同的光程，从而使得第二光束在各反射镜21上发生发射后形成不同初始相位的参考光束。该不同初始相位的参考光束能够与探测光束发生干涉，以对待检测器件50的检测面501进行三维检测。
可选的，三维检测装置中空间光调制器的各相位调节单元相互独立，其可进行任意形式的调节，例如每个相位调节单元的驱动机构均能够驱动其反射镜旋转和/或发生位移，以使第二光束经各相位调节单元反射后，能够获得不同初始相位的参考光束。其中，当出射光束的波长为λ时，参考光束的初始相位
Figure BDA0002256307650000081
的取值范围为
Figure BDA0002256307650000082
在初始相位的取值范围内，能够简化对相位的计算，同时所获得的参考光束的初始相位可以在该初始相位的取值范围内连续变化。
示例性的，图6是本发明实施例提供的一种参考光束的初始相位分布示意图。结合图2和图6所示，当对第二光束进行相位调节的相位调节单元201为5×5的阵列，且相位调节单元201反射形成的参考光束的相位
Figure BDA0002256307650000083
的取值范围为
Figure BDA0002256307650000084
Figure BDA0002256307650000085
时，可获得25个初始相位不同的参考光束，该25个初始相位不同的参考光束的初始相位可均匀分布于[λ，2λ]的范围内。如此，探测模块根据参考光束与探测光束发生干涉产生的干涉条纹，对待测器件的检测面进行检测时可获得25种干涉信息，从而能够提高检测精度。
可选的，继续结合参考图1和图2所示，探测模块10的探测面包括多个超像素，每一超像素包括多个像素单元；当光源模块10提供波长为λ1、λ2和λ3的三种出射光束时，一个超像素内干涉条纹表示如下：
Figure BDA0002256307650000091
Figure BDA0002256307650000092
Figure BDA0002256307650000093
其中，(m，n)为超像素中各像素单元的像素坐标以及与该像素单元对应的相位调节单元的位置坐标；Ii(m，n)为波长为λi的光在像素坐标为(m，n)的像素单元中的光强强度；ψi(m，n)为位置坐标为(m，n)的所述相位调节单元对波长为λi的出射光束的相位进行调节后获得的参考光束与探测光束之间的相位差；
Figure BDA0002256307650000094
为位置坐标为(m，n)的相位调节单元对波长为λi的光相位进行调节后获得的参考光束的初始相位；Ai为波长为λi的出射光束与待测器件的检测面的反射系数；Bi为波长为λi的出射光束所述空间调制器中的反射透射相关系数；其中，i为1、2或3。
具体的，超像素中的各像素单元与相位调节单元201一一对应。当一个超像素包括m×n(m和n均为正整数)个像素单元时，则可获得3×m×n个方程，通过相位提取算法，例如FFT算是，依次求解相位
Figure BDA0002256307650000095
和
Figure BDA0002256307650000096
即可获得对应待测器件50的探测面501上的探测点的高度值z。其中，
Figure BDA0002256307650000097
示例性的，图7是本发明实施例提供的一种相位提取稳定性示意图。如图7所示，在[0μm，20μm]范围内，本发明实施例提供的三维检测装置的空间光调制器能够反射形成多个初始相位不同的参考光束，从而能够实现二维或多维干涉，相较于现有技术中的一维干涉，本发明实施例提供的三维检测装置的相位提取稳定性更好，测量误差能够从1.01μm降低到0.379μm。
可选的，图8是本发明实施例提供的又一种三维检测装置的结构示意图。如图8所示，该三维检测装置的光源模块10包括至少两个光源(11、12和13)、汇聚透镜14、光纤15和照明镜组16；各光源(11、12和13)发出的出射光束的波长(λ1、λ2和λ3)不同；汇聚透镜14将各光源(11、12和13)发出的光汇聚耦合至光纤15，并经光纤15传导后进入照明镜组16，以及经照明镜组16传输至分束镜30。如此，能够使光源模块10的至少两个光源(11、12和13)提供的出射光束汇聚成一束光，并由分束镜30分为第一光束和第二光束。
可选的：继续参考图8，该三维检测装置还包括放大物镜70，该放大物镜70位于分束镜30和待测器件50的检测面501之间。
本发明实施例通过分束镜将光源模块提供至少两种波长的出射光束分为第一光束和第二光束，且第一光束经待测器件的检测面反射形成探测光束，第二光束经空间光调制器的相位调节单元反射形成多个初始相位不同的参考光束；该多个初始相位不同的参考光束能够与探测光束发生干涉，形成的干涉条纹为二维或多维干涉，以使探测模块能够对待测器件的检测面实现三维检测，同时能够获得更多的位置信息，从而能够降低测量误差，提高测量精度。
本发明实施例还提供一种三维检测方法，该三维检测方法采用本发明实施例提供的三维检测装置执行。如图1所示，三维检测装置包括光源模块10、分束镜30、空间光调制器20和探测模块40；光源模块10用于提供至少两种波长的出射光束；分束镜30用于接收出射光束，并将出射光束分为第一光束和第二光束；其中，第一光束经待测器件50的检测面501反射形成探测光束；空间光调制器20包括阵列排布的多个相位调节单元201；各参考光束分别与探测光束在探测模块40的探测面发生干涉产生干涉条纹。图9是本发明实施例提供的一种三维检测方法的流程图。结合图1和图9所示，该三维检测方法包括：
S910、空间光调制器20调节各相位调节单元201的位置，以使多个相位调节单元201反射第二光束形成的参考光束的初始相位不同；
S920、探测模块40根据所接收的探测光束和参考光束形成的干涉条纹，对待测器件50的检测面501进行三维检测。
具体的，当空间光调制器20的相位调节单元201位于初始位置时，第二光束经相位调节单元201反射形成的参考光束的初始相位相同或相差较小，通过空间光调制器20调节各相位调节单元201的位置，使得第二光束传输至各相位调节单元201的光程差不同，以使第二光束在各相位调节单元上反射后形成的参考光束的初始相位不同。各初始相位不同的参考光束与探测光束在探测模块40的探测面发生干涉，能够形成二维或多维干涉信息，以使探测模块40能够根据该二维或多维干涉信息对待测器件50的检测面501进行三维检测，从而能够降低测量误差，提高检测精度。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (13)

1.一种三维检测装置，其特征在于，包括：
光源模块，用于提供至少两种波长的出射光束；
分束镜，用于接收所述出射光束，并将所述出射光束分为第一光束和第二光束；其中，所述第一光束经待测器件的检测面反射形成探测光束；
空间光调制器，包括阵列排布的多个相位调节单元；多个所述相位调节单元用于反射所述第二光束形成参考光束；多个所述相位调节单元反射形成的所述参考光束的初始相位不同；
探测模块，用于接收所述探测光束和所述参考光束；
各所述参考光束分别与所述探测光束在所述探测模块的探测面发生干涉产生干涉条纹；
所述探测模块还用于根据所述干涉条纹对所述待测器件的检测面进行三维检测。
2.根据权利要求1所述的三维检测装置，其特征在于，所述相位调节单元包括反射镜和第一驱动机构；
所述第一驱动机构用于控制所述反射镜旋转，以调节所述参考光束的初始相位。
3.根据权利要求2所述的三维检测装置，其特征在于，还包括：透镜；
所述透镜位于所述空间光调制器和所述分束镜之间；
所述反射镜的反射面的中心位于所述透镜的焦平面；
所述第一驱动机构控制所述反射镜旋转，以使所述反射镜的反射面与所述透镜的焦平面具有夹角；
其中，同一行多个所述反射镜的反射面与所述透镜的焦平面之间的夹角相同；同一列多个所述反射镜的反射面与所述透镜的焦平面之间的夹角逐渐增大或逐渐减小。
4.根据权利要求2所述的三维检测装置，其特征在于，所述相位调节单元包括反射镜和第二驱动机构；所述第二驱动结构用于控制所述反射镜在平行于所述第二光束传播方向上的位移，以调节所述参考光束的初始相位。
5.根据权利要求4所述的三维检测装置，其特征在于，还包括：透镜；
所述透镜位于所述空间光调制器和所述分束镜之间；
所述反射镜的反射面与所述透镜的焦平面之间具有离焦量；
其中，位于同一行的多个所述反射镜的反射面的离焦量，从中间向两侧逐渐减小；位于同一列的多个所述反射镜的反射面的离焦量，从中间向两侧逐渐增大。
6.根据权利要求1所述的三维检测装置，其特征在于，所述出射光束的波长为λ；所述参考光束的初始相位
Figure FDA0002256307640000024
的取值范围为：
Figure FDA0002256307640000025
7.根据权利要求1所述的三维检测装置，其特征在于，各所述相位调节单元的调节方式相互独立。
8.根据权利要求1所述的三维检测装置，其特征在于，所述探测模块的探测面包括多个超像素，每一所述超像素包括多个像素单元；
当所述光源模块提供波长为λ1、λ2和λ3的三种出射光束时，一个所述超像素内所述干涉条纹表示如下：
Figure FDA0002256307640000021
Figure FDA0002256307640000022
Figure FDA0002256307640000023
其中，(m，n)为所述超像素中各所述像素单元的像素坐标以及与该所述像素单元对应的相位调节单元的位置坐标；Ii(m，n)为波长为λi的光在像素坐标为(m，n)的像素单元中的光强强度；ψi(m，n)为位置坐标为(m，n)的所述相位调节单元对波长为λi的出射光束的相位进行调节后获得的所述参考光束与所述探测光束之间的相位差；φi(m，n)为位置坐标为(m，n)的所述相位调节单元对波长为λi的光相位进行调节后获得的所述参考光束的初始相位；Ai为波长为λi的出射光束与所述待测器件的检测面的反射系数；Bi为波长为λi的出射光束所述空间调制器中的反射透射相关系数；其中，i为1、2或3。
9.根据权利要求8所述的三维检测装置，其特征在于，所述超像素的多个像素单元与多个所述相位调节单元一一对应。
10.根据权利要求1所述的三维检测装置，其特征在于，所述光源模块包括至少两个光源、汇聚透镜、光纤和照明镜组；
各所述光源发出的出射光束的波长不同；
所述汇聚透镜将各所述光源发出的光汇聚耦合至所述光纤，并经所述光纤传导后进入所述照明镜组，以及经所述照明镜组传输至所述分束镜。
11.根据权利要求1所述的三维检测装置，其特征在于，还包括：放大物镜；
所述放大物镜位于所述分束镜和所述待测器件的检测面之间。
12.根据权利要求1所述的三维检测装置，其特征在于，所述探测模块包括互补金属氧化物半导体或电荷藕合器件图像传感器。
13.一种三维检测方法，其特征在于，采用三维检测装置执行，所述三维检测方法包括：
空间光调制器调节各相位调节单元的位置，以使多个所述相位调节单元反射第二光束形成的参考光束的初始相位不同；
探测模块根据所接收的探测光束和所述参考光束形成的干涉条纹，对待测器件的检测面进行三维检测；
其中，所述三维检测装置包括光源模块、分束镜、空间光调制器和探测模块；
所述光源模块用于提供至少两种波长的出射光束；所述分束镜用于接收所述出射光束，并将所述出射光束分为第一光束和第二光束；其中，所述第一光束经待测器件的检测面反射形成探测光束；所述空间光调制器包括阵列排布的多个相位调节单元；各所述参考光束分别与所述探测光束在所述探测模块的探测面发生干涉产生干涉条纹。
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