JP4274572B2 - 同軸狭角暗視野照明 - Google Patents

Description

本発明は、撮像光学系および関連した照明システムに関し、特に、少なくとも１つの欠陥を有する平面鏡面物体の同軸狭角暗視野照明を実現する装置に関する。

主として平面でかつ鏡面（平らで光沢のある）である半導体製品の部類があり、平面鏡面からの僅かなずれでも適切なコントラストで撮像するようなやり方でこのデバイスを撮像することがしばしば必要になる。そのような部類の製品の１つは、とりわけウェーハ番号および製造業者を示すしるしを備えることができる半導体ウェーハである。このしるしは、ウェーハの表面の欠陥であり、一般に、レーザ・エッチ・ピットのマトリックスである。このしるしは、当技術分野で「ソフト・マーク」として知られている。製造プロセスに沿った様々な段階で、このマークを撮像してコードを読むことが必要である。

デバイスが個別にされた後で（一般に、のこぎりで個々の長方形デバイスに切断される）、徐々に伝播して普通より早いデバイス故障を引き起こすことがある小さな傷やクラックについてデバイスの端部を検査することが必要なことがある。この検査プロセスは自動化されており、必要な検査、測定および識別を行なうようにプログラムされているディジタル電子コンピュータと組み合わせて電子撮像カメラが使用される。
一般に、暗視野照明は、当業者にはよく知られている技術であり、鏡面物体の欠陥を検査するのに特に有用である。暗視野照明の定義は、照明光源の特性、物体と観察者またはカメラとの両方に対する照明光源の位置、および照明される物体の特性に依存する。暗視野照明の定義を満たすためには、物体に入射する照明の大部分は観察者またはカメラの光学開口に入らない方向に反射されることが必要である。暗視野照明は、光の大部分が直接カメラの中に反射される明視野照明と比較することができる。

図１を参照して、光源がカメラと物体との間の線に対してある角度で物体に向くように光源を配置することで、暗視野を実現することができる。この角度は、物体が光を拡散させる角度よりも大きくなければならない。物体が一般的な拡散反射特性を有する場合には、その角度は、物体が入射照明を拡散反射で分散させる半角よりも大きくなければならない。物体が鏡面である場合、すなわち物体が小さな角度にわたって、または非常に低い効率で、またはその両方で入射照明を拡散する場合、この角度は非常に小さいことがある。

照明光源を対称にすることが望ましいことがある。この場合、照明光源は、円環形に作り、光軸に対して同軸に配置することができる。または、複数の照明光源を円環形に配列することができる。この環の直径および物体への近さによって、照明が物体に入射する角度の範囲が決定される。そのような光は、当業者には環状光源として知られ、「高角度」または「低角度」であるように様々に構成される。
ある特定の物体を撮像する際に、それがなければ実質的に平面でかつ鏡面である表面の非常に少ない特徴を強調することが望ましい。この特徴には、ソフト・マークおよび個別デバイスの端部がある。これを実現するためには、照明光源が直接反射されて撮像システムに入らないようにして、照明光源が撮像システムに対してできるだけ軸上近くにあるようにすること（すなわち、狭角）が必要である。これを実現する最も有効な方法は、現在知られているように、バッフルを使用して照明光源、物体、バッフル、および撮像システムの間に特定の位置合わせを実現することである。

これの実施は、Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ＯＣＲ ＯＦ Ｉｎｄｉｃｉａ ｏｎ Ａ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅという名称の一般的に譲渡された米国特許第５，７３７，１２２号明細書（以下で’１２２特許明細書）に見ることができる。’１２２特許明細書に記載の一実施形態の例示を図２に示す。’１２２特許は、カメラの軸および照明モジュールの軸は鏡面物体の垂線に関して対称な相補的鋭角であると記載している。狭角暗視野光源は、光軸の近くに位置付けされ、そして、カメラで直接撮像されることが、これを防ぐために撮像経路に配置されたバッフルによって、できないようになっている。バッフルの位置は、撮像装置の視野を制限するが、これは許容できる妥協と考えられる。これらの設計で、狭角暗視野照明は、２個の向かい合ったバンク（ｂａｎｋ）で構成され、ほんの一回対称にすぎない。ロット・コードまたは通し番号の記号を構成するウェーハ上の一般に円形のピットを撮像するとき、この一回対称は劣化した像をもたらすことがある。

本発明は、平面鏡面物体の欠陥を撮像する撮像システムを提供する。本システムは、確定された軸および焦点を有するテレセントリック・レンズを含む。テレセントリック・レンズは、物体の像をカメラに供給するように作用する。照明光源は、テレセントリック・レンズの軸に沿って物体を照明するように位置付けされている。鏡面物体の場合、開口を含むテレセントリック絞りは、欠陥で反射された光が開口を通過するようにしながら平面鏡面物体で反射された光を阻止する。

本発明の他の態様に従って、照明光源がテレセントリック・レンズの軸に対して垂直に位置付けされるようにビーム・スプリッタが設けられる。
本発明の他の態様に従って、テレセントリック絞りの開口は、テレセントリック・レンズの焦点に接近して位置付けされる。
本発明の他の態様に従って、欠陥の像をカメラに集束させる後部レンズ・グループが設けられる。

本発明の他の態様に従って、照明光源はＬＥＤの円形のグループを備える。
本発明を実施するために考えられた最良の形態についての以下の説明を添付の図面に関連して読むとき、本発明の他の用途は、当業者に明らかになるであろう。
本明細書の説明は、添付の図面を参照し、この図面で、同様な参照数字はいくつかの図面全体を通して同様な部分を参照する。

本発明は、撮像される物体の平面または鏡面からのずれが強調コントラストで再生されるように、主に平面鏡面を照明しかつそれの像を形成する要求に対処する。本発明の実施形態は、以下で説明するように、テレセントリック・レンズを使用して、対称同軸狭角暗視野照明で物体を照明する。この照明技術は、平面鏡面物体上の小さな特徴または欠陥の強調に特に適している。そのような物体の特定の例にはシリコン・ウェーハがあるが、一方で、その欠陥は、シリコン・ウェーハ上のソフト・マーク記号および／またはチップ規模デバイスの端部不規則を含むことがある。

特に、光源はテレセントリック・レンズに向けて環状円錐の光線を供給する。テレセントリック・レンズは、光線が平行でかつ物体に対して垂直であるように光線を実質的な平面鏡面物体の方に向け直す。平面鏡面物体の特性は、入射角に対して相補的な角度で光を反射する。この場合には物体の表面に対して垂直に光を反射する。反射すると、光線は、造り出された用語の像光線である。像光線は、実質的な平面鏡面物体で逆反射され、逆にテレセントリック・レンズを通ってそれが発生した点に変わる。システムは、カメラまで通過する光が実質的に無いように中心開口が光源と一致しているテレセントリック絞りを備える。しかし、鏡面に欠陥があると、光は乱され、光のいくらかの部分がテレセントリック絞りの開口を通ってカメラに進む。

図３を参照して、本発明に従った第1の好ましい光学撮像システム１００の部分実体、部分断面図が示されている。図３は、平面物体１０２を示す。平面物体１０２は好ましくはシリコン・ウェーハ１０４であり、このシリコン・ウェーハ１０４をより詳細に図４に示す。シリコン・ウェーハ１０４は本質的に鏡面である。シリコン・ウェーハ１０４は、一般に、ソフト・マーク１０５のような欠陥を含む。ソフト・マーク１０５は、レーザ・エッチ・ピットの集まりで構成され、シリコン・ウェーハ１０４に関する情報を提供する。シリコン・ウェーハ１０４は、また、複数の半導体デバイス１０６を含む。本発明は、シリコン・ウェーハ１０４の検査、特にソフト・マーク１０５の撮像に関して説明するが、本発明は他の平面物体の撮像に同等に使用応用可能であることは理解される。例えば、半導体デバイス１０６が個別にされたとき、半導体デバイスの端部欠陥を検査することができる。

続けて図３を参照して、光学撮像システム１００は、それぞれ造り出された用語の後部グループ１０８とテレセントリック視野レンズ１１０との一対のレンズ・グループを含む。後部レンズ・グループ１０８とテレセントリック視野レンズ１１０との両方のための適切なレンズの１つの供給元はＥｄｍｕｎｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃである。以下でより詳細に説明するように、後部レンズ・グループ１０８およびテレセントリック視野レンズ１１０は、ソフト・マーク１０５の像１１３をカメラ２００に向けるように協働する。カメラ２００は、好ましくは、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ型センサを含んだディジタル・カメラである。

後部レンズ・グループ１０８は、補正された対物レンズの集まりで定められ、そして入射ひとみ１０９を含む。後部レンズ・グループ１０８は、好ましくはゆがみが小さく、カメラ２００を補完するのに十分な解像力を有する。理解されることであるが、後部レンズ・グループ１０８は、どのような型のカメラ２００が使用されるかに依存して異なることができる。
理解されることであるが、テレセントリック視野レンズ１１０は、物体の撮像を物体１０２の面に沿ってテレセントリックにするテレセントリック視野レンズとして作用する。言い換えると、光線はテレセントリック・レンズを出るとき互いに平行であり、かつ好ましくは物体１０２の面に対して垂直である。光源１１８で照明されたとき、理解されることであるが、テレセントリック・レンズ１１０およびレンズ・グループ１０８は像１１３をカメラ２００に形成するように作用する。テレセントリック・レンズ１１０は、軸１１１およびテレセントリック開口または焦点１１２を含んだいくつかの決定的な特性を有する。図３に示すように、テレセントリック視野レンズ１１０の焦点１１２は後部レンズ・グループ１０８の入射ひとみ１０９と一致している。軸１１１は、後部レンズ１０８およびカメラが軸１１１に沿って同様に位置付けされるようにシステム１００の光軸を定める。

また、照明光源１１８が設けられている。照明光源１１８は、テレセントリック視野レンズ１１０の軸１１１と同軸である狭角照明を実現するように位置付けされている。図３は、物理的に軸１１１に沿った光源１１８の第1の好ましい位置付けを示す。理解されることであり、また以下で説明するように、光源１１８は、光学的に同等なやり方で軸１１１から物理的に離れて位置付けすることができる。
テレセントリック絞り１１６は、後部レンズ・グループ１０８とテレセントリック視野レンズ１１０との間に位置付けされ、かつテレセントリック視野レンズ１１０の軸１１１上に中心がある。テレセントリック絞り１１６は、好ましくは、後部レンズ・グループ１０８の入射ひとみ１０９のすぐ近くに置かれる。テレセントリック絞り１１６は、好ましくは、中心開口１１７を含む物理的な光学絞りである。開口１１７は、また、テレセントリック・レンズ１１０の焦点１１２に接近して位置付けされている。

好ましい照明光源を図５に示す。図５を参照して、プリント回路基板１２１に取り付けられた複数のＬＥＤ１２０を利用する環状光源が示されている。理解されることであるが、プリント回路基板１２１はテレセントリック絞り１１６として機能することができる。プリント回路基板１２１は、テレセントリック絞り１１６の開口１１７と少なくとも同じくらいの開口１２１Ａを含む。テレセントリック絞り１１６と共にアイリス絞り開口が使用される場合には、開口１２１Ａは、使用可能な最大開口設定と同じくらいでなければならない。図示のように、ＬＥＤ１２０は内側円形グループ１１９Ａと外側円形グループ１１９Ｂとに分けて構成されている。理解されることであるが、内側グループ１１９Ａおよび外側グループ１１９Ｂは、物体１０２の僅かに異なる狭角の照明を実現する。内側および外側グループ１１９Ａ、１１９Ｂは、物体１０２の性質に依存して、一緒にまたは交互に照明することができる。理解されることであるが、ＬＥＤの追加の円形グループが設けられるかもしれない。

欠陥の種類に対するシステムの感度は、主として、テレセントリック・レンズ１１０と光源の直径との焦点比によって決定される。本発明は、この感度を調整する方法を提供する。特に、環状光源１１９Ａおよび１１９Ｂの異なる直径を使用することができ、または代わりに、テレセントリック絞り１１６の開口１１７の直径を調整することができる。開口１１７は、アイリス絞りを使用して調整可能にすることができ、それによって、システムの調整可能な焦点比を実現する。

図６は、図３に示す実施形態と光学的に同等な第２の好ましい実施形態を示す。図６に示すように、第２の好ましい実施形態は、テレセントリック視野レンズ１１０の軸１１１に沿って位置付けされた部分反射ミラーまたはビーム・スプリッタ１３２を含む。ビーム・スプリッタ１３２によって、光源１１８をテレセントリック視野レンズ１１０の軸１１１に対して垂直に位置付けすることができるようになる。第２の好ましい実施形態では、光源１１８は、テレセントリック絞り１１６の位置と光学的に同等な位置に位置付けされる。

再び図３を参照して、光線１２８および１３０が物体１０２のすぐ近くに集束されかつ実質的に平行であるようなやり方で、光源１１８は光線１２８および１３０をテレセントリック視野レンズ１１０の方に向けて投射する。理解されることであるが、光線１２８および１３０は、環状円錐として投射され、テレセントリック・レンズ１１０を通過するとき平行になる。光線は、物体１０２で像形成光線１２２、１２４および１２６として反射される。光線１２８および１３０が物体１０２の鏡面部分で反射する場合には、像形成光線１２２および１２６は、テレセントリック絞り１１６に当たり、レンズ・グループ１０８に入らない。特に、像光線１２２および１２６は実質的に平面でかつ鏡面の表面で逆反射されて、鏡像として原点に帰る環状円錐の照明を作る。しかし、光線１２８および／または１３０が欠陥で反射されるとき、像形成光線１２４はテレセントリック絞り１１６の開口１１７を通過し、レンズ・グループ１０８で集束され、そしてカメラ２００に像１１３を形成する。

図６の第２の好ましい実施形態を参照して、システムは、ビーム・スプリッタ１３２を除いて先に説明したもの同等に動作する。特に、ビーム・スプリッタ１３２は、最終的にテレセントリック絞り１１６の開口１１７を通過することができる光強度を減少させるように機能する。
本発明は、従来技術に優る重要な有利点を有する。すなわち、光軸と狭角暗視野照明との間の角度は、望ましければ明視野照明になる点に至るまで任意に小さくすることができる。さらに、本システムの感度は、先に説明したように、異なる直径の照明を選ぶことによって、またはテレセントリック絞りの開口を調整することによって調整することができる。さらに、本システムは従来技術で必要であったバッフルを取り除くので、カメラの全視野を使用することができる。本システムは、また、視野全体にわたって完全円対称を実現する。

本発明は、最も実際的でかつ好ましい実施形態であると現在考えられるものに関して説明したが、理解すべきことであるが、本発明は開示された実施形態に限定すべきでなく、それどころか、添付の特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれる様々な修正および同等な配列を含む意図である。特許請求の範囲の範囲は、法律の下で許されるような修正および同等な構造全てを含むように最も広い解釈を与えられるべきである。

暗視野照明の概念を示す一般的な図である。 バッフルを含む従来技術照明システムを示す図である。 本発明に従った第1の好ましい実施形態を示す部分実体、部分断面図である。 ソフト・マークを含むシリコン・ウェーハを示す図である。 本発明に従って使用される光源を示す平面図である。 本発明に従った第２の好ましい実施形態を示す部分実体、部分断面図である。

Claims (14)

1. 平面鏡面物体上の欠陥を撮像する撮像システムであって、
   確定された軸および焦点を有するテレセントリック視野レンズと、
   前記テレセントリック視野レンズの軸に沿い、前記テレセントリック視野レンズの方に光線を向けて投射して前記物体を照明するように位置付けされた照明光源と、
   その中に開口を含み、前記欠陥で反射された光が前記開口を通過するようにしながら前記平面鏡面物体で反射された特定の光を減衰するように位置付けされたテレセントリック絞りと、
   前記テレセントリック絞りとカメラとの間に位置付けされた入射ひとみを有する第２のレンズ・グループであって、前記テレセントリック視野レンズ及び前記第２のレンズ・グループが、前記物体の像を前記カメラに供給するように作用する第２のレンズ・グループとを備えることを特徴とする撮像システム。
2. 前記欠陥がソフト・マークであることを特徴とする請求項１記載の撮像システム。
3. 前記テレセントリック視野レンズの焦点が、前記第２のレンズ・グループの入射ひとみ
   と一致することを特徴とする請求項１記載の撮像システム。
4. 前記照明光源が、発光要素の少なくとも１つの概して円形のグループを備えることを特
   徴とする請求項３記載の撮像システム。
5. 前記テレセントリック絞りが、発光要素の前記円形のグループに非常に接近しているこ
   とを特徴とする請求項４記載の撮像システム。
6. 前記照明光源が、発光要素の複数の同心の概して円形のグループを含むことを特徴とす
   る請求項３記載の撮像システム。
7. さらに、前記テレセントリック絞りの開口に位置付けされたアイリス絞り開口を備え、
   それによって前記テレセントリック視野レンズの焦点が調整可能であることを特徴とする請求項１記載の撮像システム。
8. 平面鏡面物体上の欠陥を撮像するシステムであって、
   前記物体に接近して位置付けされたテレセントリック視野レンズであって、確定された軸と焦点とを有するテレセントリック視野レンズと、
   前記テレセントリック視野レンズの軸に沿って前記テレセントリック視野レンズとテレセントリック絞りとの間に位置付けされたビーム・スプリッタと、
   前記テレセントリック視野レンズの軸に対して垂直に位置付けされ、かつ前記テレセントリック視野レンズの軸に沿って前記物体を照明するために前記ビーム・スプリッタの方に複数の光線を向けるように位置付けされた照明光源と、
   その中に開口を含んだ前記テレセントリック絞りであって、前記欠陥で反射された光が前記開口を通過するようにしながら前記平面鏡面物体で反射された光を阻止するように、前記テレセントリック視野レンズの軸に沿って位置付けされた前記テレセントリック絞りと、
   前記テレセントリック絞りとカメラとの間に位置付けされた入射ひとみを有する第２のレンズ・グループであって、前記テレセントリック視野レンズ及び前記第２のレンズ・グループが、前記物体の像を前記カメラに供給するように作用する第２のレンズ・グループとを備えることを特徴とする撮像システム。
9. 前記欠陥がソフト・マークであることを特徴とする請求項８記載の撮像システム。
10. 前記テレセントリック視野レンズの焦点が、前記第２のレンズ・グループの入射ひとみ
    と一致することを特徴とする請求項８記載の撮像システム。
11. 前記照明光源が、発光要素の少なくとも１つの概して円形のグループを備えることを特
    徴とする請求項８記載の撮像システム。
12. 前記テレセントリック絞りが、発光要素の前記円形のグループに非常に接近しているこ
    とを特徴とする請求項１１記載の撮像システム。
13. 前記照明光源が、発光要素の複数の同心の概して円形のグループを含むことを特徴とす
    る請求項８記載の撮像システム。
14. さらに、前記テレセントリック絞りの開口に位置付けされたアイリス開口を備え、それ
    によって前記テレセントリック視野レンズの焦点が調整可能であることを特徴とする請求項８記載の撮像システム。

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