CN1758019B - 用于光学机械检查的转换机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于相对于待检查物体移动光学机械检查系统的光学元件的装置，其使用线性驱动机构，该机构包含有安装在磁场中的线圈，该磁场由磁性组件产生。一转换平台和所述的线圈和磁性组件中的一个相连，藉此该转换平台被配置来相对于所述的线圈和磁性组件中的另一个移动，该转换平台的移动被设置来沿着一平面，该平面基本垂直于入射光线的方向。该入射光线由一光源通过该光学元件投射到该物体上。

Description

用于光学机械检查的转换机构
技术领域
本发明涉及使用三维图像的方法对物体的表面轮廓(surfacecontour)进行光学检查，尤其是涉及一种在这种三维成像的过程中被用来相对该物体移动光学机械系统的元件(a component of anopto-mechanical system)的机构。
背景技术
在半导体制造和装配工业中，有时有必要通过视觉检查电子元件的表面以确保不存在缺陷。工业中的机器常常使用用于不同目的的电脑化影像系统(computerized vision systems)，例如用来监控过程和检查从每台机器送出的已完成或半完成产品。如在一个例子中，在完成模塑形成半导体封装件之后，需要仔细检查封装件表面，以发现其表面的孔洞或不能接受的不平坦。在该实例中，三维的光学检查系统将是最理想的，其是由于在该光学系统的视野内探测深度的能力。
检查相互连接的半导体尤其关键，以确保在印刷电路板和软性电路(flex circuits)上的器件装配没有缺陷。在装配半导体器件之前，如果凸点或引线(bumps or leads)缺失或没有对齐，电子器件的两维(2-D)检查就能够发现，而三维(3-D)检查能够确认电子器件是否具有合适的尺寸和形状。3-D检查也能检测出如前所述的衬底表面轮廓的变形。
在几种获得物体3-D图像的非接触式光学方法中，其中一种方法包括通过仔细检查将光栅图像投射到该物体上。图1是现有技术中使用带有光栅投射的相位移动方法的光学机械(opto-mechanical)检查系统的示意图。包含有多个等距平行线或杆的正弦波散射光栅10(sinusoidal diffusion grating)常常为此目的而被使用。入射在该正弦波散射光栅10上的平行光束(collimated light)12a以这样的调制光束(modulated beam)12出现：其强度具有单向的、正弦波空间分布(sinusoidal spatial profile)14。这种强度可调的光束12b入射于将被检查的物体16之上。反射光线18具有畸变的强度分布20。该畸变是该物体16的高度变化结果。该光栅10通常沿着其所在平面相对于该物体16每次移动通过一特定的距离。移动的方向通常垂直于光栅线的方向。在连续动作之间，该光栅线投射在该物体上的图像由CCD摄像机捕获，该摄像机被安装来观察反射光线18的畸变强度分布20。
通常，该光栅10移动通过很小的增量间距，一般为具有精确度为1-2微米的若干分之几毫米的距离。在该光栅10的每个位置处，形成于表面上的光栅线图案的图像被CCD摄像机捕获和记录。这些图案的组合形成了沿着该物体16表面的深度分布(depth profile)，以致于得以确定其表面轮廓。基于这些图像之间的强度和相位变化的图像算法(vision algorithms)被使用来计算该物体的高度分布。随着当今半导体制造和装配系统的不断发展，该光栅的移动必须被快速完成和该光栅准确定位在所需的位置，以便于在保持高生产能力的同时能够得到准确的深度测量。
为了实现所述的速度和准确，该光栅的移动最好应该由高度精确的机构所驱动.现有的用于光学元件移动的装置在这一方面是有缺陷的.例如，公开号为2004/28333，名称为“可调的光学过滤器”的美国专利，阐明了一种驱动装置的使用，该驱动装置包含有螺纹驱动轴(threaded drive shaft)，其螺纹具有引导的和从动的螺纹面。车有螺纹的螺母区域弹性接触于该驱动轴的螺纹面，而该车有螺纹的螺母区域和一滤板相连接，以随着驱动轴单元相对于该车有螺纹的螺母区域的旋转而相对于一放射光束移动该滤板。该驱动轴单元和一步进马达、直流马达(d.c.motor)或者线性马达相连接以可控地旋转驱动轴。在另一个现有技术的实例中，专利号为5,307,152，名称为“波纹(moire)检查系统”的美国专利公开了在转换平台上的光栅的安装，该转换平台包含有一用于驱动该转换平台的精确的马达控制的微米尺(motorized micrometer)。
这些现有技术中的实例使用了本质上将转动动作转换为线性动作的马达以控制该光栅的转换变化，同时对于高性能需求，尤其是当存在和这些设计结构相关的大量缺陷时，它们不够精确。例如对于现实因素而言，一旋转螺杆和一可在该螺杆上移动的相连的螺母不能够相互连接得太紧，以便于允许它们中的一个可以相对于另一个移动。因此，相应的该螺杆的螺纹和螺母之间存在间隙，该间隙能够产生反冲和滞后的问题，尤其是在包括移动方向改变的快速移动过程中。另外，该间隙通常在旋转和相应的线性移动之间产生偏移，其将降低完成快速和准确移动的能力。
因此，对于光栅而言，采用移动机构来避免一些所述现有的机构中存在的上述问题是令人期待的。另外，对于该光栅的滑动移动引入一种无摩擦的和无磨损的结构框架同样也是令人期望的。传统的框架使用滚轮轴承，当其在表面滚动时产生磨损，同时它们由于和它们所滑动表面相接触产生的摩擦而缺少准确性和可重复性。应用崭新的具有更高准确性和可重复性的框架结构存在许多优点。柔性体由于没有摩擦和磨损而使它们的移动轨迹具有良好的固有的可重复性，尤其适合于这些目的。
发明内容
因此，本发明的目的在于通过提供一种用于相对于待检查物体移动光学机械检查系统的光学元件的改良转换机构，其和前述现有的机构相比更精确和更可重复性。
于是，本发明提供一种用于相对于待检查物体移动光学机械检查系统的光学元件的装置，其包含有：光源，其通过该光学元件有效投射入射光线到该物体上；线性驱动机构，其包含有安装在磁场中的线圈，该磁场由磁性组件产生；转换平台，其和所述的线圈和磁性组件中的一个相连，并被配置来相对于所述的线圈和磁性组件中的另一个沿着一平面移动，该平面基本垂直于所述的入射光线的方向，光学元件安装于该转换平台上，该光学元件被设置沿着大体垂直于所述的入射光线的方向的平面移动；相对的固定架，其沿着入射光线的方向和该转换平台隔开；柔性条，其一端和该转换平台相连，相对的另一端和相对的固定架相连，该柔性条在移动过程中有效支撑该转换平台。
参阅后附的描述本发明实施例的附图，随后来详细描述本发明是很方便的。附图和相关的描述不能理解成是对本发明的限制，本发明的特点限定在权利要求书中。
附图说明
根据本发明所述的装置的较佳实施例将参考附图加以描述，其中：
图1是现有技术中使用带有光栅投射的相位移动方法的光学机械检查系统的示意图；
图2是根据本发明较佳实施例所述的包含有移动机构的光学机械检查系统的侧视图；
图3是沿着图2的A-A’剖面所视的该光学机械检查系统的剖视图；
图4是根据本发明较佳实施例所述的柔性支撑系统的立体示意图；
图5是沿着图4的B方向所视的柔性支撑系统的侧视图。
具体实施方式
本发明的较佳实施例结合图2和图3进行说明。图2是根据本发明较佳实施例所述的包含有移动机构(displacement mechanism)的光学机械(opto-mechanical)检查系统的侧视图，而图3是沿着图2的A-A’剖面所视的该光学机械检查系统的剖视图。将被移动的元件，例如以散射光栅(diffusion grating)10的形式存在的光学元件，被适宜地安装和贴附于包含有轻型移动架(lightweight movable frame)22的转换平台(translation stage)上。待检查的物体可以安装在该转换平台上而取代在该物体和光学元件之间的相对移动，同样也是可能的，虽然这不是很合适的。
在所描述的实施例中，光栅线(grating lines)定向于笛卡尔参照系统(Cartesian reference frame)XYZ中的Y方向，如图2所示，光源(图中未示)可有效在平行于Z方向的方向上投射入射光线12a、12b。相应地，散射光栅10垂直于入射光线12a、12b被定位，同时其被设置沿着大体垂直于所述的入射光线的方向的平面移动。移动架22使用柔性条(flexible strips of material)或柔性体(flexures)26悬挂于相对的固定架24，(更详细的描述参见图4所示)。柔性体26一端和移动架22相连，相对的另一端和固定架24相连。更合适地，相互隔开合适距离和沿着移动架22的移动轴线定位的两个柔性体26被用来在移动过程中支撑移动架22。
该柔性体26最好是以板体(flat sheet)的形式，厚度为毫米的若干分之几。通过使用导线放电加工(wire electro-discharge machining)或者图像光刻(photo-lithography)或者其他合适的方法对其进行加工，得到一个或多个承受移动部件负荷的柔性“臂”(flexing“arms”)。它们较适宜地由不锈钢或铍铜制成。使用这种柔性体能够实现横向硬度和轴向硬度的很高比值。
所述使用柔性体机构的驱动是由直驱式驱动机构(direct driveactuator)所完成，例如线性马达和更适宜的音圈马达(voice coilmotor)28。该音圈马达28能是几种可能的结构设计中的一种，但在本案中其为圆柱状(cylindrical)。此后该音圈马达28的描述参见图2。该音圈马达28的静止磁性组件包含有环状的轴向磁化的永磁铁28a，其同轴紧附于外极(outer pole)28c。永磁铁28a由高能量密度(highenergy density)材料制成，如钕亚铁硼(neodymium ferrous boron)。环状的内极28b紧附于该磁铁。该内极28b和外极28c均由永磁铁合金(permeable iron alloy)制成。
位于该内极28b和外极28c之间的环状气隙包含有径向磁场(radial magnetic field).当安装在线圈座28e上的、和大体定位在环状磁性气隙中的线圈28d被电流激活时，由于径向磁场的存在，一轴向力被引入其上.当电流方向改变时，作用在线圈28d上的力也改变.因此，上述的音圈马达28被用来移动和定位该移动架22和随之的光栅10.该移动架22可以或者和线圈座28e相连(如图所示)，或者可选择地和磁性组件相连.音圈马达的可选的设计结构可以被用来替代上述的音圈马达28.
该机构被计划来获得该光栅10的高度可重复的移动轨迹(trajectory)，在垂直于光栅线的方向上很近似于直线移动，并基本和该光栅自身共面(co-planar)，而获得一个装置，藉此该光栅的图像在不同的时刻和稍微不同的位置处能够被投射到感兴趣的物体(如图1所示)，而不需人工干预(intervention)。移动架22更和一位置传感器相连，如LVDT(Linear Variable Differential Transducer：线性可变差动传感器)的位置传感器30提供移动架22和光栅10上的位置反馈，使得马达28能够以闭环伺服方式被操作，以很准确地控制安装于移动架22上的光栅10的轴向位置。该LVDT 30包含有静止的传感器头30a，其通常包括一线圈绕组组件，和移动的铁磁芯(ferromagneticcore)，藉此提供实时的反馈到控制音圈马达28和依次控制移动架22的位置至期望精度(precision)的闭环控制系统。任何其他的传感器，如电容型、电感型或光学传感器(capacitive，inductive or optical sensor)可以适宜地代替LVDT 30使用。LVDT 30的铁磁芯30b以其和LVDT传感器头30a名义上共轴这样的方式贴附于移动架22。整个LVDT组件30是围绕移动架22大体均衡设置。
图4所示是具有多个相互分开的柔性部26a的柔性体26的示意图，其中柔性部26a被涂上阴影。保留部(remaining portions)26b和26c不能弯曲和被用来将该柔性体通过安装孔26d和夹板32分别安装在固定架24和移动架22上。该夹板32被定形以完全覆盖该柔性体26的非柔性部26b和26c。图5所示为包含有单一柔性条(flexure strip)26的柔性轴承组件(flexure bearing assembly)的示意图，每个具有两个柔性部26a。
再次参考图4，图4所示的柔性轴承组件的四个柔性部26a的相互连接使得整个组件赋予了很高的扭曲刚度(torsional rigidity)。尤其，通过定位每块柔性体26的表面平面(planar surface)赋予在Y轴上很高的横向硬度，其基本垂直于移动架22的移动轴线。同时，这种配置使得沿X轴线的轴向硬度保持低得多，以便实现X方向的移动。因此这种配置赋予围绕所有三个轴线X、Y和Z上很高的扭曲刚度。
另外，该机构的移动部件由音圈马达28所驱动，其是使用有效的驱动力34名义上(nominally)和移动架相符合(symmetric with)，并和包含有移动架22的整个移动体(entire moving mass)的重心基本上在一直线上(in line with)的方式。这避免围绕Z轴产生任何可观的转矩，该转矩是垂直于光栅平面。这实际上减少了源自光栅10直线移动的“偏离”错误，其否则可能相反地影响图像处理。
值得注意的是，本发明较佳实施例已经公开的高精度移动平台被用来准确定位光学机械检查系统的元件，例如光学散射光栅。该移动平台最好使用音圈马达作为直驱式机构。而且，柔性轴承的使用确保免除摩擦力和静摩擦力，因此实现了高的分析能力和可重复性，而没有任何伴随和反向影响传统轴承的磨损。
此处描述的本发明在所具体描述的内容基础上很容易产生变化、修正和/或补充，可以理解的是所有这些变化、修正和/或补充都包括在本发明的上述描述的精神和范围内。

Claims (15)

1.一种用于相对于待检查物体移动光学机械检查系统的光学元件的装置，其包含有：
光源，其通过该光学元件有效投射入射光线到该物体上；
线性驱动机构，其包含有安装在磁场中的线圈，该磁场由磁性组件产生；
转换平台，其和所述的线圈和磁性组件中的一个相连，并被配置来相对于所述的线圈和磁性组件中的另一个沿着一平面移动，该平面基本垂直于所述的入射光线的方向，光学元件安装于该转换平台上，该光学元件被设置沿着大体垂直于所述的入射光线的方向的平面移动；
相对的固定架，其沿着入射光线的方向和该转换平台隔开；
柔性条，其一端和该转换平台相连，相对的另一端和相对的固定架相连，该柔性条在移动过程中有效支撑该转换平台。
2.如权利要求1所述的装置，其中该光学元件是散射光栅。
3.如权利要求1所述的装置，其中来自该线性驱动机构的有效驱动力名义上和该转换平台相符合，并和由所述驱动力所移动的、包含有该转换平台的移动体的重心在一直线上。
4.如权利要求1所述的装置，该柔性条具体是指和该转换平台相连的两个柔性体，该两个柔性体沿着该转换平台的移动轴线定位而相互隔开合适距离。
5.如权利要求1所述的装置，其中该柔性条包含有多个相互分开的柔性部。
6.如权利要求1所述的装置，其中该柔性条被设置以便于沿着垂直于该转换平台的移动轴线的轴线，为该转换平台的移动提供高水平的硬度。
7.如权利要求6所述的装置，其中该柔性条包含有板体材料，并且该板体材料的表面平面基本垂直于该转换平台的移动轴线定位。
8.如权利要求1所述的装置，其中该柔性条被设置来为该转换平台的所有移动轴线提供高的扭曲刚度。
9.如权利要求1所述的装置，其中该柔性条由不锈钢或铍铜制成。
10.如权利要求1所述的装置，其中该转换平台进一步和位置传感器相连，该位置传感器有效提供关于该转换平台位置的反馈。
11.如权利要求10所述的装置，其中该位置传感器围绕该转换平台基本均衡设置。
12.如权利要求10所述的装置，其中该转换平台和位置传感器被连接到闭环位置反馈系统。
13.如权利要求10所述的装置，其中该位置传感器选自下述组群，该组群包含有：线性可变差动传感器、电容型传感器、电感型传感器和光学传感器。
14.如权利要求13所述的装置，其中该线性可变差动传感器包含有铁磁芯，该铁磁芯设置在包括线圈绕组组件的传感器头中。
15.如权利要求14所述的装置，其中该铁磁芯和该转换平台相连，并且名义上和该传感器头共轴。
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