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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft Abbildungsoptiken und zugeordnete Beleuchtungssysteme und insbesondere eine Einrichtung, die eine koaxiale Kleinwinkel-Dunkelfeldbeleuchtung für ein ebenes spiegelndes Objekt bereitstellt, welches mindestens einen Defekt aufweist.
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Hintergrund der Erfindung
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Es gibt eine Klasse von Halbleiter-Produkten, die überwiegend eben und spiegelnd (flach und glänzend) sind, und häufig ist es notwendig, diese Komponenten derart abzubilden, daß auch sehr kleine Abweichungen von dem ebenen und spiegelnden Zustand mit adäquatem Kontrast abgebildet werden. Eine Klasse derartiger Produkte sind Halbleiter-Wafer, die mit Marken versehen sein können, die neben anderen Dingen die Nummer des Wafers und den Hersteller anzeigen können. Diese Marken stellen Defekte in der Oberfläche des Wafers dar und sind typischerweise eine Matrix von durch Laserätzen erzeugten Vertiefungen. Diese Marken werden in der Fachsprache oft als ”Softmarks” bezeichnet. Es ist notwendig, diese Marken abzubilden, um die Codes in verschiedenen Stufen im Verlaufe des Herstellungsprozesses auslesen zu können.
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Nachdem die Komponenten vereinzelt worden sind (normalerweise mit einer Säge in einzelne rechteckige Komponenten zersägt worden sind) kann es notwendig sein, die Kanten auf kleine angeschlagene Stellen und Risse zu überprüfen, die sich im Laufe der Zeit fortpflanzen können und einen vorzeitigen Ausfall der Komponenten herbeiführen können. Diese Überprüfungsvorgänge sind automatisiert, und bei ihnen werden elektronische bildgebende Kameras in Kombination mit digitalen elektronischen Computern verwendet, die so programmiert sind, daß sie die notwendigen Überprüfungen, Messungen und Identifizierungen durchführen.
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Die Dunkelfeldbeleuchtung ist ein dem Fachmann an sich von Hause aus bekanntes Verfahren, und sie eignet sich besonders gut zum Inspizieren von Defekten auf spiegelnden Objekten. Die Definition der Dunkelfeldbeleuchtung hängt ab von den Eigenschaften der das Beleuchtungslicht bereitstellenden Quelle, von deren Position bezüglich des Gegenstandes und des Beobachters oder der Kamera und von den Eigenschaften des Objektes, welches beleuchtet wird. Damit die Definition der Dunkelfeldbeleuchtung erfüllt wird, ist es notwendig, daß der überwiegende Anteil des Beleuchtungslichtes, welches auf das Objekt auffällt, in einer Richtung oder in Richtungen reflektiert wird, in denen es nicht in die optische Apertur des Beobachters oder der Kamera eintritt. Die Dunkelfeldbeleuchtung kann der Hellfeldbeleuchtung gegenüber gestellt werden, bei welcher der größte Anteil des Lichtes direkt in die Kamera reflektiert wird.
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Wie in 1 dargestellt ist, kann man die Dunkelfeldbeleuchtung dadurch erreichen, daß man die Lichtquelle so aufstellt, daß sie auf das Objekt unter einem Winkel zur Linie zwischen Kamera und Objekt zeigt. Dieser Winkel muß größer sein als derjenige Winkel, über welchen hinweg das Objekt Licht streut. Wenn das Objekt im wesentlichen diffus reflektierender Art ist, dann muß der Winkel größer sein als der halbe Winkel, über den hinweg das Objekt einfallendes Beleuchtungslicht durch diffuse Reflexion verteilt. Ist das Objekt spiegelnd, d. h. dann, wenn das Objekt das einfallende Beleuchtungslicht über einen kleinen Winkel streut oder mit nur sehr geringer Effizienz streut oder beides, dann kann der Winkel sehr klein sein.
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Es kann wünschenswert sein, die Quelle für das Beleuchtungslicht symmetrisch zu machen. In diesem Falle kann man die Quelle in ringförmiger Geometrie herstellen und koaxial zu der optischen Achse anordnen. Man kann auch eine Mehrzahl von Quellen in ringförmiger Geometrie anordnen. Der Durchmesser dieses Ringes und seine Nähe zum Objekt bestimmen den Bereich von Winkeln, über welchen hinweg das Beleuchtungslicht auf das Objekt auffällt. Solche Arten von Licht sind dem Fachmann als Ringlicht bekannt und werden mit unterschiedlicher Konfiguration verwendet, so daß sie einen ”großen Winkel” oder einen ”kleinen Winkel” haben.
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Beim Abbilden gewisser Objekte ist es wünschenswert, sehr kleine Strukturen in einer Oberfläche, die sonst im wesentlichen eben und spiegelnd ist, besonders hervorzuheben. Diese Oberflächenmerkmale umfassen ”Softmarks” und die Kanten vereinzelter Komponenten. Um dies zu bewerkstelligen, ist es nötig, daß man die Quelle für das Beleuchtungslicht so nahe auf die Achse des Abbildungssystems bringt, wie dies möglich ist, ohne daß es dazu kommt, daß die Quelle für das Beleuchtungslicht direkt in das Abbildungssystem reflektiert wird. Dies bedeutet, daß man einen kleinen Winkel braucht. Die effektivste Art und Weise, dies zu erzielen, ist nach gegenwärtigem Wissen die, bei welcher Abschirmungen verwendet werden, wobei man zugleich eine spezielle Ausfluchtung zwischen der Quelle für das Beleuchtungslicht, dem Objekt, den Abschirmungen und dem Abbildungssystem vornimmt.
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Eine Verwirklichung dieses Lösungsweges ist in der
US-PS 5 737 122 desselben Inhabers offenbart, welche den Titel hat ”Beleuchtungssystem für optische Zeichenerkennung von Marken auf einem Substrat” (nachstehend kurz '122-Patent). Eine Darstellung einer Ausführungsform des '122-Patentes ist in
2 gezeigt. Das '122-Patent beschreibt, daß die Achse der Kamera und die Achse des Beleuchtungsmoduls unter komplementären spitzen Winkeln angeordnet sind, die zur Normalen auf einem spiegelnden Objekt symmetrisch sind. Die Kleinwinkel-Dunkelfeld-Leuchten sind nahe bei der optischen Achse angeordnet, und man verhindert, daß sie direkt von der Kamera abgebildet werden, indem man Abschirmungen im Abbildungsweg anordnet, die dies verhindern. Die Stellung der Abschirmungen begrenzt zwar das Gesichtsfeld des abbildenden Systems; dies wird aber als akzeptabler Kompromiß angesehen. Bei derartigen Auslegungen ist die Dunkelfeldbeleuchtung mit kleinem Winkel aus zwei einander gegenüberliegenden Bänken zusammengesetzt und hat nur einzählige Symmetrie. Wenn man im wesentlichen kreisförmige Vertiefungen auf Wafern abbildet, welche die symbolische Darstellung des Chargencodes oder der Seriennummer ausmachen, kann diese einzählige Symmetrie zu einem verschlechterten Bild führen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Abbildungssystem mit einer Kleinwinkel-/Dunkelfeldbeleuchtung anzugeben, das dazu dient, einen Defekt auf einem spiegelnden Objekt abzubilden.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein bildgebendes System zum Abbilden eines auf einem ebenen spiegelnden Objekt liegenden Defekts. Das System umfasst ein telezentrisches Objektiv, das eine definierte Achse und einen Brennpunkt aufweist, wobei das telezentrische Objektiv dazu dient, ein Bild des Objektes einer Kamera zu überstellen. Ferner umfasst das System eine Quelle für Beleuchtungslicht, die so angeordnet ist, daß sie das Objekt längs der Achse des telezentrischen Objektivs beleuchtet. Außerdem umfasst das System eine telezentrische Blende, die mit einer in ihr liegenden Öffnung versehen ist und so angeordnet ist, daß sie Licht blockiert, welches von dem ebenen spiegelnden Objekt zurückgeworfen wird, während sie Licht durch die Öffnung hindurchlaufen läßt, welches von dem Defekt zurückgeworfen wird, wodurch eine Kleinwinkel-Dunkelfeldbeleuchtung erreicht wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Strahlteiler der Art vorgesehen, daß die Quelle für das Beleuchtungslicht senkrecht zu der Achse des telezentrischen Objektivs angeordnet werden kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Öffnung der telezentrischen Blende in unmittelbarer Nähe des Brennpunktes des telezentrischen Objektivs angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine hintere Linsengruppe vorgesehen, welche das Bild des Defektes auf die Kamera fokussiert.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Quelle für das Beleuchtungslicht eine kreisförmig angeordnete Gruppe von LEDs.
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Andere Anwendungen für die vorliegende Erfindung erschließen sich dem Fachmann, wenn er die nachstehende Beschreibung der besten Ausführungsform zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis liest und die beiliegende Zeichnung hinzuzieht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die nachstehende Beschreibung nimmt Bezug auf die beiliegende Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Darstellungen durchweg die gleichen Teile bezeichnen. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung, in welcher das Konzept der Dunkelfeldbeleuchtung veranschaulicht ist;
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2 eine Darstellung eines Beleuchtungssystems mit Abschirmungen gemäß dem Stand der Technik;
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3 eine teilweise bildhafte, teilweise als Schnitt gezeigte Darstellung, in der ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt ist;
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4 eine Darstellung eines Silicium-Wafers mit einer ”Softmark”;
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5 eine Aufsicht auf eine Lichtquelle, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und
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6 eine teilweise bildhafte, teilweise als Schnitt dargestellte Darstellung, in welcher ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt ist.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Notwendigkeit, eine überwiegend ebene und spiegelnde Oberfläche so zu beleuchten und so abzubilden, daß Abweichungen von der Ebenheit oder dem spiegelnden Charakter des Gegenstandes, der abgebildet wird, mit vergrößertem Kontrast wiedergegeben werden. Die weiter unten beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwenden ein telezentrisches Objektiv zum Beleuchten von Objekten mit einer symmetrischen koaxialen Kleinwinkel-Dunkelfeldbeleuchtung. Diese Beleuchtungstechnik ist besonders dazu geeignet, kleinere Merkmale oder Defekte auf ebenen spiegelnden Objekten hervorzuheben. Spezifische Beispiele für derartige Objekte umfassen Silizium-Wafer, während unter den Defekten ”Softmark”-Symbole auf Silizium-Wafer und/oder Kanten-Unregelmäßigkeiten auf Komponenten von Chip-Größe sein kann.
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Genauer gesagt erzeugt eine Lichtquelle ringförmige Kegel von Lichtstrahlen, die auf ein telezentrisches Objektiv gerichtet sind. Das telezentrische Objektiv ändert die Lichtstrahlen in Richtung eines im wesentlichen ebenen spiegelnden Objektes so ab, daß die Lichtstrahlen parallel sind und senkrecht zum Objekt gerichtet sind.
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Eine Eigenschaft des ebenen spiegelnden Objektes ist die, daß es Licht unter einem Winkel zurückwirft, der zum Einfallswinkel komplementär ist, im vorliegenden Falle also senkrecht auf der Oberfläche des Objektes steht. Nach der Reflexion sind die Lichtstrahlen geprägte Bildstrahlen. Die Bildstrahlen werden von einem im wesentlichen ebenen spiegelnden Objekt zurückgeworfen und durch das telezentrische Objektiv invers zu dem Punkt transformiert, an welchem sie entstanden. Das System umfasst eine telezentrische Blende, wobei eine zentrale Öffnung mit der Lichtquelle derart zusammenfällt, daß im wesentlichen kein Licht zu einer Kamera hindurchläuft. Befindet sich jedoch in der spiegelnden Oberfläche ein Defekt, so wird das Licht gestört, und es ist wahrscheinlich, daß ein gewisser Anteil des Lichtes durch die Öffnung der telezentrischen Blende hindurchtritt und zur Kamera weiterläuft.
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3 zeigt eine teilweise bildhafte, teilweise als Schnitt dargestellt Wiedergabe eines ersten bevorzugten optischen Abbildungssystems 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. 3 zeigt ein ebenes Objekt 102. Das ebene Objekt 102 ist vorzugsweise ein Silizium-Wafer 104, der in 4 genauer gezeigt ist. Der Silizium-Wafer 104 ist von Hause aus spiegelnd. Der Silizium-Wafer 104 umfasst typischerweise Defekte wie eine Softmarke 105. Die Softmarke 105 besteht aus einer Ansammlung von durch Ätzen mit einem Laser erzeugten Vertiefungen und gibt Informationen wieder, die den Silizium-Wafer 104 betreffen. Der Silizium-Wafer 104 umfasst ferner eine Mehrzahl von Halbleiterkomponenten 106. Die vorliegende Erfindung wird zwar im Blick auf das Inspizieren eines Silizium-Wafers 104 und insbesondere im Hinblick auf das Abbilden einer Softmarke 105 beschrieben, es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung gleichermaßen auch auf Abbildungen anderer ebener Objekte anwendbar ist. Beispielsweise können Halbleiter-Komponenten 106 nach deren Vereinzelung auf Kantendefekte hin untersucht werden.
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In 3 ist ferner ein optisches Abbildungssystem 100 dargestellt, welches zwei Linsengruppen umfasst, von denen die eine hintere Gruppe 108 genannt wird und die andere telezentrisches Feldobjektiv 110 genannt wird. Eine Bezugsquelle für geeignete Linsen sowohl für die hintere Linsengruppe 108 als auch das telezentrische Feldobjektiv 110 ist die Firma Edmund Scientific. Die hintere Linsengruppe 108 und das telezentrische Feldobjektiv 110 arbeiten derart zusammen, daß sie auf einer Kamera 200 ein Bild 113 der Softmarke 105 erzeugen, wie nachstehend noch genauer beschrieben werden wird. Bei der Kamera 200 handelt es sich vorzugsweise um eine digitale Kamera, welche einen CCD oder einen CMOS-Sensor umfasst.
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Die hintere Linsengruppe 108 ist duch eine Zusammenstellung korrigierter Objektlinsen vorgegeben und hat eine Eingangspupille 109. Die hintere Linsengruppe 108 zeichnet sich vorzugsweise durch geringe Verzeichnung aus und hat eine ausreichend hohe Auflösung, wie sie zur Kamera 200 paßt. Es versteht sich, daß man die hintere Linsengruppe 108 anders wählen kann, je nach dem, welcher Typ für die Kamera 200 verwendet wird.
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Es versteht sich, daß das telezentrische Feldobjektiv 110 als telezentrisches Feldobjektiv arbeitet, um das Abbilden des Objektes telezentrisch längs der Ebene des Objektes 102 zu bewerkstelligen. Anders gesagt: Die Lichtstrahlen verlaufen parallel zueinander, wenn sie das telezentrische Objektiv 110 verlassen und sind vorzugsweise senkrecht zur Ebene des Objektes 102. Es versteht sich, daß das telezentrische Objektiv 110 und die Linsengruppe 108 dann, wenn sie von einer Lichtquelle 118 beleuchtet werden, so arbeiten, daß sie in der Kamera 200 ein Bild 113 erzeugen. Das telezentrische Objektiv 110 hat eine Mehrzahl von charakterisierenden Kenngrößen, darunter eine Achse 111 und eine telezentrische Apertur oder einen Brennpunkt 112. Wie in 3 dargestellt, fällt der Brennpunkt 112 des telezentrischen Feldobjektivs 110 mit der Eingangspupille 109 der hinteren Linsengruppe 108 zusammen. Die Achse 111 stellt die optische Achse des Systems 100 dar, so daß die hintere Linse 108 und die Kamera gleichermaßen auf der Achse 111 angeordnet sind.
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Eine Quelle für Beleuchtungslicht 118 ist ebenfalls vorgesehen. Die Quelle für das Beleuchtungslicht 118 ist so angeordnet, daß sie eine Kleinwinkel-Beleuchtung bewerkstelligt, die koaxial zur Achse 111 des telezentrischen Feldobjektivs 110 ist. 3 zeigt die erste bevorzugte Stellung der Lichtquelle 118, in welcher sie körperlich auf der Achse 111 steht. Es versteht sich und wird noch unten beschrieben, daß die Lichtquelle 118 auch körperlich von der Achse 111 entfernt auf optisch äquivalente Weise angeordnet werden kann.
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Eine telezentrische Blende 116 ist zwischen der hinteren Linsengruppe 108 und dem telezentrischen Feldobjektiv 110 angeordnet. Sie ist auf die Achse 111 des telezentrischen Feldobjektivs 110 zentriert. Vorzugsweise ist die telezentrische Blende 116 in enger Nachbarschaft der Eingangspupille 109 der hinteren Linsengruppe 108 angeordnet. Die telezentrische Blende 116 ist vorzugsweise eine körperliche optische Blende, welche eine mittige Öffnung 117 aufweist. Die Öffnung 117 ist ebenfalls in enger Nachbarschaft zum Brennpunkt 112 des telezentrischen Objektivs 110 angeordnet.
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Die bevorzugte Quelle für Beleuchtungslicht ist in 5 dargestellt. Gemäß 5 umfasst ein lichtförmige Lichtquelle eine Mehrzahl von LEDs 120, die auf einer gedruckten Leiterplatte 121 angeordnet sind. Es versteht sich, daß die gedruckte Leiterplatte 121 die Funktion der telezentrischen Blende 116 erfüllen kann. Die gedruckte Leiterplatte 121 ist mit einer Öffnung 121A versehen, die zumindest so groß ist wie die Öffnung 117 der telezentrischen Blende 116. Wird zusammen mit der telezentrischen Blende 116 eine Irisblendenöffnung verwendet, so muß die Öffnung 121A so groß sein wie die größte verfügbare Öffnungseinstellung. Wie dargestellt sind die LEDs 120 in einer inneren kreisförmigen Gruppe 119A und einer äußeren kreisförmigen Gruppe 119B angeordnet. Es versteht sich, daß die innere Gruppe 119A und die äußere Gruppe 119B Licht zum Beleuchten des Objektes 102 bereitstellen, welches geringfügig unterschiedlichen kleinen Öffnungswinkel hat. Die innere Gruppe 119A und die äußere Gruppe 119B können zusammen leuchten oder alternierend leuchten, je nach den Eigenschaften des Objektes 102. Es versteht sich, daß man zusätzlich weitere kreisförmig angeordnete LED-Gruppen vorsehen kann.
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Die Empfindlichkeit des Systems gegenüber der Art des Defektes hängt hauptsächlich ab von dem Verhältnis zwischen der Brennweite des telezentrischen Objektivs 110 und dem Durchmesser der Lichtquelle. Durch die vorliegende Erfindung wird ein Weg geschaffen, wie man diese Empfindlichkeit einstellen kann. Genauer gesagt kann man für die ringförmigen Lichtquellen 119A und 119B unterschiedliche Durchmesser wählen; statt dessen kann man auch den Durchmesser der Öffnung 117 der telezentrischen Blende 116 einstellen. Die Öffnung 117 kann dadurch einstellbar sein, daß man eine Irisblende verwendet, und auf diese Weise erhält man ein einstellbares Öffnungsverhältnis.
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6 zeigt ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel, welches optisch zum Ausführungsbeispiel gemäß 3 äquivalent ist. Wie in 6 dargestellt, umfasst das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel einen teildurchlässigen Spiegel oder Strahlteiler 132, der auf der Achse 111 des telezentrischen Feldobjektivs 110 angeordnet ist. Der Strahlteiler 132 erlaubt es, die Lichtquelle 118 in einer Richtung anzuordnen, die senkrecht auf der Achse 111 des telezentrischen Feldobjektivs 110 steht. Beim zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Lichtquelle 118 an einem Ort aufgestellt, der optisch zum Ort der telezentrischen Blende 116 äquivalent ist.
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Wie aus 3 ersichtlich, sorgt die Lichtquelle 118 dafür, daß Lichtstrahlen 128 und 130 derart in Richtung auf das telezentrische Feldobjektiv 110 geworfen werden, daß die Strahlen 128 und 130 in unmittelbarer Nachbarschaft zum Objekt 102 fokussiert werden und im wesentlichen parallel verlaufen. Es versteht sich, daß die Lichtstrahlen 128 und 130 als ringförmige Kegel projiziert werden, die parallel werden, wenn sie durch das telezentrische Objektiv 110 hindurchlaufen. Die Lichtstrahlen werden vom Gegenstand als bildgebende Strahlen 122, 124 und 126 zurückgeworfen. Werden die Lichtstrahlen 128 und 130 von einem spiegelnden Abschnitt des Gegenstandes 102 zurückgeworfen, so treffen die bildgebenden Strahlen 122 und 126 auf die telezentrische Blende 116 und treten nicht in die Linsengruppe 108 ein. Genauer gesagt werden die bildgebenden Strahlen 122 und 126 von einer im wesentlichen ebenen und spiegelnden Oberfläche zurückgeworfen, so daß man ringförmige Kegel von Beleuchtungslicht erhält, die zu ihrem Ausgangspunkt als Spiegelbild zurückkehren. Wenn aber die Lichtstrahlen 128 und/oder 130 von einem Defekt zurückgeworfen werden, so durchsetzen die bildgebenden Strahlen 124 die Öffnung 117 in der telezentrischen Blende 116, werden durch die Linsengruppe 108 fokussiert und bilden in der Kamera 200 ein Bild 113.
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Bei dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß 6 arbeitet das System in einer Weise, die äquivalent zu derjenigen ist, die oben beschrieben wurde, nur ist der Strahlteiler 132 vorgesehen. Genauer gesagt reduziert der Strahlteiler 132 die Intensität des Lichtes, das letztlich durch die Öffnung 117 der telezentrischen Blende 116 hindurchgeht.
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Die vorliegende Erfindung hat deutliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Der Winkel zwischen der optischen Achse und der Kleinwinkel-Dunkelfeldbeleuchtung kann nämlich beliebig klein gewählt werden und zwar bis zu dem Punkt, bei dem die Beleuchtung in eine Hellfeld-Beleuchtung übergeht, falls dies gewünscht wird. Darüber hinaus läßt sich die Empfindlichkeit in der oben beschriebenen Art und Weise dadurch einstellen, daß man unterschiedliche Durchmesser der Beleuchtung wählt oder daß man die Öffnung der telezentrischen Blende ändert. Darüber hinaus kann man das volle Gesichtsfeld der Kamera verwenden, da bei dem System keine Abschirmungen verwendet werden, die beim Stand der Technik notwendig waren. Bei dem System hat man auch eine volle kreisförmige Symmetrie über das gesamte Gesichtsfeld.
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Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf das beschrieben, was derzeit als die praktischste und die bevorzugte Ausführungsform angesehen wird. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, vielmehr verschiedene Abwandlungen und äquivalente Anordnungen mit abdecken soll, die innerhalb der Lehre und des Umfanges der beigefügten Ansprüche liegen, wobei diesem Umfang die breitesmögliche Interpretation gegeben werden soll, so daß alle Modifikationen und äquivalende Strukturen eingeschlossen sind, wie dies durch das Gesetz erlaubt ist.
