TWI458964B - 表面缺陷檢測裝置及其量測方法 - Google Patents

Description

表面缺陷檢測裝置及其量測方法

本揭露書是有關於一種檢測裝置及其量測方法，且特別是有關於一種用以量測基底表面缺陷之檢測裝置及其量測方法。

目前市面上常見的表面缺陷檢測方法包括亮場顯微鏡、暗場顯微鏡以及散色儀，以上之方法皆為微小範圍的量測方法，倘若待測物面積提高或缺陷超過感測器視野大小，勢必得採用掃描之方式，不僅耗時亦提高成本。

另一種常見檢測架構則為一般三角量測法，以二維感測器搭配單點擴散光源，此架構以暗場顯微鏡之概念，對於表面缺陷檢測僅能接收散射光，使其缺陷對比度提高，但此方法針對反射率高之待測物，則會因為散射光強太弱，無法提高其缺陷對比度，或光源反射光太強無法使偵測器接收反射光，導致檢測缺陷失敗。

為了克服習知技術之缺失，本揭露書提出一種大範圍全域式的缺陷檢測裝置及其量測方法，利用鏡面反射原理檢測出表面缺陷，如：壓痕、凹陷、波紋、凸起或暈環(mura)等。

本揭露書係有關於一種表面缺陷檢測裝置及其量測方法，用以量測具有高度變化之缺陷或非高度變化所造成 之表面缺陷。

根據本揭露書之一方面，提出一種表面缺陷量測方法，包括下列步驟。提供一平面光源。以平面光源投射出具有週期變化之一圖案於一基底上，且平面光源被基底反射後形成一反射圖案。相對於基底沿著至少一方向等間隔地移動圖案，以產生相位移，並對應於圖案之相位移分別產生多個影像。擷取此些影像，並計算此些影像中各座標點的相位變化。對各座標點的相位值進行相位展開，以得到一相位展開圖。對相位展開圖進行平整化，以得到基底表面的缺陷圖案。

根據本揭露書之另一方面，提出一種表面缺陷檢測裝置，包括一圖案投射模組、一圖案控制模組、一影像感測模組、一影像處理模組、一計算模組、一相位展開模組以及一平整化模組。圖案投射模組用以提供一平面光源，並以平面光源投射出具有週期變化之一圖案於一基底上，且平面光源被基底反射後形成一反射圖案。圖案控制模組用以產生圖案並控制圖案相對於基底沿著至少一方向等間隔地移動，以產生相位移，並對應於圖案之相位移分別產生多個影像。影像感測模組用以擷取此些影像。影像處理模組連接影像感測模組，用以處理此些影像並記錄此些影像中各座標點之相位值。計算模組計算此些影像中各座標點的相位變化。相位展開模組對各座標點的相位值進行相位展開，以得到一相位展開圖。平整化模組對相位展開圖進行平整化，以得到基底表面的缺陷圖案。

根據本揭露書之另一方面，提出一種表面缺陷量測方 法，包括下列步驟。投射一平面光源於一基底上，基底表面具有非高度變化所造成的缺陷。擷取平面光源被基底反射後所形成之一影像。進行影像之處理，以得到基底表面的缺陷圖案。

根據本揭露書之另一方面，提出一種表面缺陷檢測裝置，包括一投射模組、一控制模組、一影像感測模組以及一影像處理模組。投射模組用以提供一平面光源，並以平面光源投射在一基底上，基底表面具有非高度變化所造成的缺陷。控制模組用以開啟或關閉平面光源。影像感測模組用以擷取平面光源被基底反射後所形成之一影像。影像處理模組對影像進行處理，以得到基底表面的缺陷圖案。

為了對本揭露書之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

本實施例之表面缺陷檢測裝置及其量測方法，用以量測具有高度變化之缺陷，例如壓痕、凹陷、波紋或凸起等，或是用以量測非高度變化或表面斜率高低所造成的表面缺陷，例如暈環(mura)。在一實施例中，擷取由相位移條紋(例如明暗相間之直條紋或同心圓)所形成之數個影像，並經由相位展開法來計算影像中各座標點的相位值，以及對相位展開後的相位值進行平整化之處理，即可得到因高度變化所產生的缺陷圖案，例如壓痕、凹陷、波紋或凸起等。在另一實施例中，若擷取的影像為不具相位移條紋的空白影像時，則可得到非高度變化所造成的表面缺 陷，例如暈環(mura)。

以下係提出各種實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。

第一實施例

請參照第1及2圖，其中第1圖繪示依照本揭露書一實施例之表面缺陷量測方法的流程圖，第2圖繪示依照本揭露書一實施例之表面缺陷檢測裝置的示意圖。此表面缺陷量測方法包括下列步驟S10~S14：步驟S10係投射一圖案於一基底10上。步驟S11係移動圖案，並擷取圖案反射後所形成之影像。步驟S12係計算影像中各座標點之相位變化。步驟S13係進行相位展開之演算，以得到一相位展開圖。步驟S14係進行平整化之處理，以得到基底10表面的缺陷圖案。以下係以第2圖之表面缺陷檢測裝置100來說明第1圖之各個步驟S10~S14。

請參照第2圖，表面缺陷檢測裝置100包括一圖案投射模組110、一圖案控制模組120、一影像感測模組130、一影像處理模組140、一計算模組150、一相位展開模組160以及一平整化模組170。在步驟S10中，圖案投射模組110用以提供一平面光源S，並以平面光源S投射出具有週期變化之一圖案(參照第3A及3B圖)於一基底10上，基底10例如為一晶圓或一半導體基板，且平面光源S可被基底10反射後形成一反射圖案。反射圖案與投射之圖案同樣具有週期變化，其差異僅在於：當基底10表面沒有斜率變化時，反射圖案不會產生偏移或變形，如同投 射之圖案。然而，當基底10(待測物)表面有微小斜率變化時，反射圖案會產生偏移或變形，且反射圖案的偏移量δy 與基底10表面斜率的變化量呈正相關，如以下的關係式(1)：δy =L [tan(α+2θ)-tan(α)] (1)

其中L ：圖案投射模組110與基底10之間的距離

α ：影像感測模組130擷取影像之角度

θ ：基底10表面斜率變化量

當基底10表面斜率變化量θ 很小時，可將上式簡化為δy =2Lθ sec² α (2)

因此，可藉由反射圖案的偏移量δy 來計算基底10表面斜率的變化量θ 。

接著，請參照第3A及3B圖之圖案11及12，其例如是由週期變化之長條狀之條紋30或同心圓狀之條紋40所組成。這些明暗相間之條紋30、40可由週期2π的正弦波或方波經訊號處理而產生於圖案投射模組110中，再以平面光源S投射至基底10上，以各別形成具有週期變化之圖案11、12。圖案投射模組110例如是一平面顯示器，用以接收由圖案控制模組120所輸入之控制訊號，並且由平面顯示器中多個畫素單元的明暗變化產生所需的圖案11、12。在一實施例中，每個條紋30、40的寬度由對應的畫素單元的數量來決定，例如10~20個左右，並可藉由控制畫素單元中液晶分子的透光度，來決定產生亮條紋或暗條紋。

在步驟S11中，圖案控制模組120例如是可程式化控制之模組，用以產生上述之圖案11或12，並控制圖案11或12相對於基底10沿著至少一方向等間隔地移動，以產生相位移，並對應於圖案之相位移分別產生多個影像。舉例來說，圖案係以三步相位移法或四步相位移法等間隔地移動以產生三個影像或四個影像。在第3A及3B圖中，圖案移動的方向可為直條紋圖案11之排列方向(圖中為X方向)或同心圓圖案12之徑向(圖中為R方向)。在第2圖中，當產生預定數量的影像之後，影像感測模組130可依序擷取此些影像，並由影像處理模組140進行影像之處理以及記錄影像中各座標點的相位值。此外，為了得到二維的相位圖，圖案控制模組120可分別產生兩正交之圖案，並使各圖案沿著X方向移動或Y方向移動以產生不同方向之相位移。當然，本實施例不限定為兩正交之圖案，亦可為任意夾角之兩圖案。

上述中，三步相位移法需取三張相位移條紋的影像，且第一張影像I₁ 與第二張影像I₂ 之相差移為2π/3，第二張影像I₂ 與第三張影像I₃ 之相位移為4π/3，其聯立方程式如下：

其中，I₀ 為背景光的強度，A為光波的振幅，為影像中各座標點(x,y)的相位值。

此外，四步相位移法需取四張相位移條紋的影像，且第一張影像I₁ 與第二張影像I₂ 之相差移為π/2，第二張影像I₂ 與第三張影像I₃ 之相位移為π，第三張影像I₃ 與第四張影像I₄ 之相位移為3π/2，其聯立方程式如下：

其中，I₀ 為背景光的強度，A為光波的振幅，為影像中各座標點(x,y)的相位值。

在步驟S12中，由於各座標點(x,y)的相位變化△與反射圖案的偏移量δy 呈正比。因此，第2圖之計算模組150可計算此些影像中各座標點(x,y)的相位變化△，以得知基底10表面是否有缺陷存在。若關係式(2)中，以相位變化△表示反射圖案的偏移量δy ，可表示如下：

其中P ：反射圖案之週期

由關係式(3)可知，基底10表面斜率的變化量θ 可由相位變化△得知。由於上述使用的三步相位移法或四步相位移法都是以反正切(tan^-1 )函數為基礎，且相位被限制在-π/2到π/2之間，因此相位圖為不連續之相位分佈圖。若要使不連續之相位恢復為原來連續0~Nπ週期(N為整數)之相位，則需進行步驟S13相位展開之運算。

在步驟S13中，相位展開模組160對各座標點的相位值進行相位展開，以得到一相位展開圖。簡言之，相位展開之運算是通過一特定之數學演算法，將相位圖中相鄰兩相位差超過某一定限定者，加上或減去其差值來消除截斷線，使其恢復為連續相位。因此，影像中各座標點的相位值可經由相位移及相位展開法來獲得。

接著，在步驟S14中，由於相位展開後的相位分佈為0~Nπ，若要由相位分佈看出基底10表面之缺陷，必須進行平整化之處理。在第2圖中，平整化模組170可對相位展開圖進行平整化，以得到基底10表面的缺陷圖案，並可顯示在顯示單元180上。簡言之，平整化之處理係將各個座標點的相位拉至相同水平來比較其變化量，以突顯出因高度變化而產生之表面缺陷，故可輕易地從顯示單元180中分辨出基底10表面的缺陷圖案。

由此可知，本實施例可用以量測具有高度變化之缺陷，例如壓痕、凹陷、波紋或凸起等，並可藉由相位展開及平整化之處理，以得到缺陷圖案。

第二實施例

請參照第4及5圖，其中第4圖繪示依照本揭露書一實施例之表面缺陷量測方法的流程圖，第5圖繪示依照本揭露書一實施例之表面缺陷檢測裝置的示意圖。此表面缺陷量測方法包括下列步驟S20~S22：步驟S20係投射一平面光源S於一基底20上。步驟S21係擷取平面光源S反射後所形成之影像。步驟S31係進行影像之處理，以得到基底20表面的缺陷圖案。本實施例與第一實施例不同之處在於：投射之平面光源S不具有圖案，不需進行圖案相位移，且所擷取的影像為不具條紋的空白影像，因此不需進行相位展開之運算。

在本實施例中，表面缺陷檢測裝置200包括一投射模組210、一控制模組220、一影像感測模組230以及一影像處理模組240。投射模組210用以提供一平面光源S，並以平面光源S投射在基底20上。控制模組220用以開啟或關閉平面光源S。當基底20表面的缺陷並非高度變化所造成的，例如暈環，平面光源S反射後所形成之影像中會產生與波長有關的色暈像差(aberration)。色暈像差是由於平面光源S中各個反射波長的折射率不同所造成的。在第5圖中，影像感測模組130擷取影像之後，影像處理模組140可進行色暈像差之灰階處理，以得到基底10表面的缺陷圖案，並可顯示在顯示單元180上。

由此可知，本實施例可用以量測非高度變化之缺陷，例如暈環，並可藉由色暈像差之灰階處理，以得到缺陷圖案。

綜上所述，雖然本揭露書已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10、20‧‧‧基底

11、12‧‧‧圖案

30、40‧‧‧條紋

100、200‧‧‧表面缺陷檢測裝置

110‧‧‧圖案投射模組

120‧‧‧圖案控制模組

130、230‧‧‧影像感測模組

140、240‧‧‧影像處理模組

150‧‧‧計算模組

160‧‧‧相位展開模組

170‧‧‧平整化模組

180、250‧‧‧顯示單元

220‧‧‧控制模組

S‧‧‧平面光源

L ‧‧‧圖案投射模組與基底之間的距離

α ‧‧‧影像感測模組擷取影像之角度

第1圖繪示依照本揭露書一實施例之表面缺陷量測方法的流程圖。

第2圖繪示依照本揭露書一實施例之表面缺陷檢測裝置的示意圖。

第3A及3B圖繪示投射在基底上之圖案。

第4圖繪示依照本揭露書一實施例之表面缺陷量測方法的流程圖。

第5圖繪示依照本揭露書一實施例之表面缺陷檢測裝置的示意圖。

10‧‧‧基底

100‧‧‧表面缺陷檢測裝置

110‧‧‧圖案投射模組

120‧‧‧圖案控制模組

130‧‧‧影像感測模組

140‧‧‧影像處理模組

150‧‧‧計算模組

160‧‧‧相位展開模組

170‧‧‧平整化模組

180‧‧‧顯示單元

S‧‧‧平面光源

L ‧‧‧圖案投射模組與基底之間的距離

α ‧‧‧影像感測模組擷取影像之角度

Claims (12)

1. 一種表面缺陷量測方法，包括：提供一平面光源，該平面光源由一平面顯示器提供；以該平面光源投射出具有週期變化之一圖案於一基底上，且該平面光源被該基底反射後形成一反射圖案；控制該平面顯示器之畫素單元的明暗變化以產生該圖案，使該圖案相對於該基底沿著至少一方向等間隔地移動，以產生相位移，並對應於該圖案之相位移分別產生複數個影像；擷取該些影像，並計算該些影像中各座標點的相位變化；對各該座標點的相位值進行相位展開，以得到一相位展開圖；以及對該相位展開圖進行平整化，以得到該基底表面的缺陷圖案。
2. 如申請專利範圍第1項所述之表面缺陷量測方法，其中該圖案以三步相位移法等間隔地移動以產生該些影像。
3. 如申請專利範圍第1項所述之表面缺陷量測方法，其中該圖案以四步相位移法等間隔地移動以產生該些影像。
4. 如申請專利範圍第1項所述之表面缺陷量測方法，其中該圖案由複數個以單一週期變化之條紋所組成。
5. 如申請專利範圍第1項所述之表面缺陷量測方 法，其中該圖案由複數個以單一週期變化之同心圓所組成。
6. 一種表面缺陷檢測裝置，包括：一圖案投射模組，該圖案投射模組為一平面顯示器，用以提供一平面光源，並以該平面光源投射出具有週期變化之一圖案於一基底上，且該平面光源被該基底反射後形成一反射圖案；一圖案控制模組，用以產生該圖案並控制該平面顯示器之畫素單元的明暗變化以產生該圖案，使該圖案相對於該基底沿著至少一方向等間隔地移動，以產生相位移，並對應於該圖案之相位移分別產生複數個影像；一影像感測模組，用以擷取該些影像；一影像處理模組，連接影像感測模組，用以處理該些影像並記錄該些影像中各座標點之相位值；一計算模組，用以計算該些影像中各座標點的相位變化；一相位展開模組，對各該座標點的相位值進行相位展開，以得到一相位展開圖；以及一平整化模組，對該相位展開圖進行平整化，以得到該基底表面的缺陷圖案。
7. 如申請專利範圍第6項所述之表面缺陷檢測裝置，其中該圖案以三步相位移法等間隔地移動以產生該些影像。
8. 如申請專利範圍第6項所述之表面缺陷檢測裝置，其中該圖案以四步相位移法等間隔地移動以產生該些 影像。
9. 如申請專利範圍第6項所述之表面缺陷檢測裝置，其中該圖案由複數個以單一週期變化之長條狀之條紋所組成。
10. 如申請專利範圍第6項所述之表面缺陷檢測裝置，其中該圖案由複數個以單一週期變化之同心圓狀之條紋所組成。
11. 一種表面缺陷量測方法，包括：投射一平面光源於一基底上，該平面光源由一平面顯示器提供，該基底表面具有非高度變化所造成的缺陷；擷取該平面光源被該基底反射後所形成之一影像；以及進行該影像之處理，以得到該基底表面的缺陷圖案。
12. 一種表面缺陷檢測裝置，包括：一投射模組，該投射模組為一平面顯示器，用以提供一平面光源，並以該平面光源投射在一基底上，該基底表面具有非高度變化所造成的缺陷；一控制模組，用以開啟或關閉該平面光源；一影像感測模組，用以擷取該平面光源被該基底反射後所形成之一影像；以及一影像處理模組，對該影像進行處理，以得到該基底表面的缺陷圖案。