TWI579524B - 光學檢測裝置 - Google Patents

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Description

光學檢測裝置
本揭露是有關於一種光學檢測裝置。
半導體晶片係在一半導體晶圓上形成積體電路而形成。半導體晶片最上層之表面通常會沉積一層保護層作為保護。保護層可防止半導體晶片受到非期望之水氣與離子污染物的損害。晶圓可使用檢測裝置以檢測保護層的厚度與均勻度。
本揭露之一態樣提供一種光學檢測裝置，包含分光鏡、第一光源與第一影像擷取裝置。分光鏡具有相對之第一側與第二側。分光鏡讓第一光束穿透並反射第二光束，且第二光束之波長不同於第一光束之波長。第一光源置於分光鏡之第一側，用以提供第一光束以穿透分光鏡。第一影像擷取裝置置於分光鏡之第二側，用以偵測自分光鏡反射之第二光束。
本揭露之另一態樣提供一種光學檢測裝置，包含第一光源、分光鏡、第一影像擷取裝置與第二光源。第一 光源提供第一光束至檢測位置。第一光束與檢測位置形成光軸。分光鏡置於光軸上，且具有相對之第一側與第二側。第一光束自第一側穿透分光鏡至檢測位置。第一影像擷取裝置置於光軸外，用以偵測自分光鏡之第二側反射的第二光束。第二光束來自檢測位置，且第二光束之波長不同於第一光束之波長。第一光源與第一影像擷取裝置係同軸設置。第二光源用以提供第三光束至檢測位置。第三光束之路徑與分光鏡相隔開。
因上述實施方式之光學檢測裝置利用分光鏡以整列第一光束與第二光束之光路徑，因此第一光束與第二光束可具有較低或甚至實質為零的能量損失。另外，因第一影像擷取裝置偵測自分光鏡反射的第二光束，因此待測物的影像不會有像差(chromatic aberration)的問題。因此，不需執行影像補償程序即可直接分析影像。
110‧‧‧分光鏡
112‧‧‧第一側
114‧‧‧第二側
120‧‧‧第一光源
122‧‧‧第一光束
130‧‧‧第一影像擷取裝置
132‧‧‧收光面
140‧‧‧第二光源
142‧‧‧第三光束
150、150’‧‧‧第三光源
152、152’‧‧‧第四光束
160‧‧‧第二影像擷取裝置
170‧‧‧濾波元件
900‧‧‧檢測位置
910‧‧‧待測物
912‧‧‧第二光束
λ0‧‧‧波長
FOV‧‧‧擷取視野
O‧‧‧光軸
P1、P2、P2’‧‧‧路徑
第1圖為本揭露一實施方式之光學檢測裝置的示意圖。
第2圖為第1圖之分光鏡在一些實施方式的穿透頻譜圖。
第3圖為本揭露另一實施方式之光學檢測裝置的示意圖。
第4圖為本揭露再一實施方式之光學檢測裝置的示意圖。
第5圖為本揭露又一實施方式之光學檢測裝置的示意圖。
以下將以圖式揭露本揭露的複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本揭露。也就是說，在本揭露部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。
第1圖為本揭露一實施方式之光學檢測裝置的示意圖。光學檢測裝置包含分光鏡110、第一光源120與第一影像擷取裝置130。分光鏡110具有相對之第一側112與第二側114。分光鏡110讓第一光束122穿透並反射第二光束912，且第二光束912之波長不同於第一光束122之波長。第一光源120置於分光鏡110之第一側112，用以提供第一光束122以穿透分光鏡110。第一影像擷取裝置130置於分光鏡110之第二側114，用以偵測自分光鏡110反射之第二光束912。
在一些實施方式中，光學檢測裝置可檢測具有波長轉換層(未繪示)之待測物910。波長轉換層可將第一光束122轉換成第二光束912。如此一來，在檢測時，第一光源120射出第一光束122，其穿透分光鏡110並打至待測物910上。待測物910之波長轉換層將第一光束122轉換成第 二光束912，且第二光束912傳播回分光鏡110。分光鏡110接著將第二光束912反射至第一影像擷取裝置130，使得第一影像擷取裝置130可接收到待測物910的影像。
因本實施方式之光學檢測裝置利用分光鏡110以整列第一光束122與第二光束912之光路徑，因此第一光束122與第二光束912可具有較低或甚至實質為零的能量損失。換言之，第一光束122與第二光束912的能量可被有效地利用。另外，因第一影像擷取裝置130偵測自分光鏡110反射的第二光束912，因此待測物910的影像不會有像差(chromatic aberration)的問題，其中像差問題肇因於一光束穿透一介質時產生的光色散。因此，不需執行影像補償程序即可直接分析影像。
在一些實施方式中，分光鏡110可為短通(short-pass)濾波元件或者為帶通(band-pass)濾波元件，其可由一短通濾波元件與一長通(long-pass)濾波元件結合而成。短通濾波元件讓一特定波長以下的光通過，且反射(或阻擋)該波長以上的光。長通濾波元件讓一特定波長以上的光通過，且反射(或阻擋)該波長以下的光。帶通濾波元件讓一特定波長範圍以內的光通過，且反射(或阻擋)該波長範圍以外的光。
第2圖為第1圖之分光鏡110在一些實施方式的穿透頻譜圖。請一併參照第1圖與第2圖。在第2圖中，分光鏡為一短通濾波元件，其讓一波長λ0以下的光通過，並反射(或阻擋)該波長λ0以上的光。在一些實施方式中，第一光束 122的波長可低於波長λ0，而第二光束912的波長可高於波長λ0。換言之，第一光束122之波長短於第二光束912之波長。如第2圖所示，低於波長λ0之光具有高穿透率，例如實質為100%，而高於波長λ0之光具有低穿透率，例如實質為0%。也就是說，對於分光鏡110而言，第一光束122具有高穿透率，而第二光束912具有低穿透率(或高反射率)。因此，第一光束122與第二光束912可具有低(甚至是零)能量損失。分光鏡110之穿透頻譜圖僅為例示，並非用於限制本揭露。本領域具通常知識者可視實際情形而選擇分光鏡110之穿透頻譜。
請參照第1圖。在一些實施方式中，第一光束122為紫外光，亦即第一光源120為紫外光源，而第二光束912為可見光，例如為藍光。然而本揭露不以此為限。
在一些實施方式中，待測物910可為印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)或晶圓(wafer)，而其中之波長轉換層可為保護層，以保護形成於其下的電路。本實施方式之光學檢測裝置可量測保護層之厚度與或均勻度。為了量測保護層的厚度，複數個波長轉換材料可加入保護層中。當短波長的入射光照射至待測物910時，其中之波長轉換材料會產生長波長的光。長波長之光的強度取決於保護層之厚度，而其光分佈則取決於保護層的均勻度。在一些實施方式中，波長轉換材料為螢光材料，其可吸收短波長的光(如紫外光)，而射出長波長的光(如可見光)，然而本揭露之範疇不以此為限。
在一些實施方式中，光學檢測裝置更包含濾波元件170，置於分光鏡110與第一影像擷取裝置130之間，以阻擋第一光束122，而讓第二光束912穿透。舉例而言，濾波元件170可置於第一影像擷取裝置130之收光面132。若第一光束122為紫外光，則濾波元件170可為紫外光濾波元件(ultraviolet cut filter)。因濾波元件170可阻擋第一光束122，第一影像擷取裝置130所偵測的影像則不包含第一光束122之雜訊。
在第1圖中，第一光源120提供第一光束122至一檢測位置900。待測物910置於檢測位置900，而第一影像擷取裝置130則偵測來自置於檢測位置900之待測物910的第二光束912。在第1圖中，第一光源120與檢測位置900形成一光軸O，而分光鏡110置於光軸O上。或者，第一光源120與分光鏡110形成光軸O。第一光束122沿著光軸O傳播。
在一些實施方式中，第一光源120與第一影像擷取裝置130為同軸設置。亦即，第一光源120與第一影像擷取裝置130共享至少一部分之共同光路。舉例而言，第一光源120與第一影像擷取裝置130共享位於分光鏡110與檢測位置900之間的部分光軸O，而第一影像擷取裝置130則置於光軸O外。藉由如此的設置，第一光束122可正向地入射待測物910，而第一影像擷取裝置130可偵測自待測物910反射之正向光(亦即第二光束912)。根據菲湼耳(Fresnel)公式，正向光具有較斜向光穩定(或低)之反射 率。因此，同軸設置可更降低第一光束122與第二光束912之能量損失。
在一些實施方式中，第一影像擷取裝置130為彩色相機，並具有一調制轉換函數(modulation transfer function,MTF)。詳細而言，第一影像擷取裝置130可包含鏡頭與影像感應元件。鏡頭可將進入第一影像擷取裝置130之光束聚焦至影像感應元件。此處所指之調制轉換函數具體為彩色相機之鏡頭的調制轉換函數。於約50 lp/mm((line pair)/mm，每公厘之黑白條紋線對數)(對應至約10微米之解析度)至約25 lp/mm(對應至約20微米之解析度)時，調制轉換函數之值(module或magnitude)之範圍為約30%至約100%。舉例而言，於約33.3 lp/mm(對應至約15微米之解析度)時，調制轉換函數之值之範圍大於30%。彩色相機可包含光感測元件與置於光感測元件前的彩色濾光片，而本揭露之範疇不限於此。如此的設置使得第一影像擷取裝置130具有足夠高的解析度以決定其偵測影像之第二光束912的強度，但不會過高以至於突顯偵測影像的背景。
在一些其他的實施方式中，第一影像擷取裝置130為單色相機，並具有一調制轉換函數。此處所指之調制轉換函數具體為單色相機之鏡頭的調制轉換函數。於約20 lp/mm(對應至約25微米之解析度)至約14.2 lp/mm(對應至約35微米之解析度)時，調制轉換函數之值之範圍為約30%至約100%。舉例而言，於約16.7 lp/mm(對應至約30 微米之解析度)時，調制轉換函數之值之範圍大於30%。在一些實施方式中，單色相機可為一光感測元件以偵測光的強度且以灰度(gray scale)表現影像。如此的設置使得第一影像擷取裝置130具有足夠高的解析度以決定其偵測影像之第二光束912的強度，但不會過高以至於突顯偵測影像的背景。
第3圖為本揭露另一實施方式之光學檢測裝置的示意圖。第3圖與第1圖之光學檢測裝置的不同處在於第二光源140與第三光源150的存在。在第3圖中，光學檢測裝置更包含第二光源140以提供第三光束142沿著路徑P1而到檢測位置900，其中分光鏡110置於路徑P1上。另外，分光鏡110更反射第三光束142。第三光束142可具有與第一光束122以及第二光束912不同的波長。舉例而言，第一光束122為紫外光，第二光束912為藍光，而第三光束142為紅光或黃光，即第二光源140為可見光源。濾波元件170亦讓第三光束142通過，且第一影像擷取裝置130更偵測第三光束142。為了清楚起見，第3圖繪示第三光束142之邊緣。
自第二光源140發出的第三光束142被分光鏡110反射而沿著路徑P1打至待測物910上。待測物910反射至少部分之第三光束142，其傳播回分光鏡110，穿透濾波元件170後被第一影像擷取裝置130所偵測。
第三光束142可突顯第二光束912的訊號。詳細而言，在一些實施方式中，第二光束912與第三光束142於光譜上相距遙遠以形成高對比度。因此，在被第一影像擷取 裝置130偵測到的影像中，第二光束912可被突顯，使得待測物910之保護層的訊號可更明顯。
在一些實施方式中，第二光源140為環形光源，如第3圖所示，而第二光源140可環繞第一影像擷取裝置130設置。亦即，第三光束142可斜向入射待測物910。為了清楚起見，第3圖繪示半圓狀的第二光源140。然而，在其他的實施方式中，第二光源140可為點光源，而本揭露之範疇不以此為限。
在一些實施方式中，光學檢測裝置更包含第三光源150，用以提供一第四光束152沿著路徑P2至檢測位置900，其中路徑P2與分光鏡110相隔開。亦即，分光鏡110不會阻擋自第三光源150射出之第四光束152。為了清楚起見，第3圖繪示第四光束152之邊緣。第四光束152具有與第一光束122、第二光束912以及第三光束142不同的波長。舉例而言，第一光束122為紫外光，第二光束912為藍光，第三光束142為紅光，而第四光束152為黃光，亦即第三光源150為可見光源。分光鏡110更可反射第四光束152，濾波元件170亦讓第四光束152穿透，且第一影像擷取裝置130更偵測第四光束152。在一些實施方式中，第二光束912與第四光束152於光譜上相距遙遠以形成高對比度。因此，在被第一影像擷取裝置130偵測到的影像中，第二光束912可被突顯，使得待測物910之保護層的訊號可更明顯。
在一些實施方式中，第三光源150為環形光源，如第3圖所示，而第三光源150可環繞由第一光源120 與檢測位置900(與/或分光鏡110)形成之光軸O設置。亦即，第四光束152可斜向入射待測物910。為了清楚起見，第3圖繪示半圓狀的第三光源150。然而，在其他的實施方式中，第三光源150可為點光源，而本揭露之範疇不以此為限。至於第3圖之光學檢測裝置的其他細節因與第1圖之光學檢測裝置相似，因此便不再贅述。
第4圖為本揭露再一實施方式之光學檢測裝置的示意圖。第4圖與第3圖之光學檢測裝置的不同處在於第三光源的數量。在第4圖中，第三光源的數量為複數個，例如為第三光源150與150’。此二第三光源150與150’可為環形光源，並環繞由第一光源120與檢測位置900(與/或分光鏡110)形成之光軸O設置。第四光束152與152’可具有不同波長。第四光束152沿著路徑P2傳播，而第四光束152’沿著路徑P2’傳播，路徑P2與P2’相隔開。亦即，分光鏡110與第三光源150’不會阻擋第四光束152，且分光鏡110與第三光源150不會阻擋第四光束152’。至於第4圖之光學檢測裝置的其他細節因與第3圖之光學檢測裝置相似，因此便不再贅述。
第5圖為本揭露又一實施方式之光學檢測裝置的示意圖。第5圖與第3圖之光學檢測裝置的不同處在於第三光源的設置。在第5圖中，第3圖之第三光源150被替換為第二影像擷取裝置160。第二影像擷取裝置160用以斜向擷取檢測位置900(或待測物910)之影像。第二影像擷取裝置160具有一擷取視野(field of view)FOV其未覆蓋至少部 分之分光鏡110與至少部分之第一影像擷取裝置130。亦即，第二影像擷取裝置160並不會擷取完整之分光鏡110與第一影像擷取裝置130的完整影像。因第二影像擷取裝置160斜向擷取檢測位置900(或待測物910)之影像，一些自正向角度難以擷取的特徵(例如部分置於待測物910之電路側壁之保護層的光強度)可被第二影像擷取裝置160所擷取。在一些其他的實施方式中，第4圖之第三光源150’可加入第5圖之光學檢測裝置中，或者第4圖之第三光源150’可替代為第二影像擷取裝置160，本揭露之範疇不以此為限。在一些實施方式中，第二影像擷取裝置160可為複數個。在一些實施方式中，第二影像擷取裝置160可為彩色相機，且具有一調制轉換函數。此處所指之調制轉換函數具體為彩色相機之鏡頭的調制轉換函數。於約50 lp/mm(對應至約10微米之解析度)至約25 lp/mm(對應至約20微米之解析度)時，調制轉換函數之值之範圍為約30%至約100%。舉例而言，於約33.3 lp/mm(對應至約15微米之解析度)時，調制轉換函數之值之範圍大於30%。在一些其他的實施方式中，第二影像擷取裝置160可為單色相機，且具有一調制轉換函數。此處所指之調制轉換函數具體為單色相機之鏡頭的調制轉換函數。於約20 lp/mm(對應至約25微米之解析度)至約14.2 lp/mm(對應至約35微米之解析度)時，調制轉換函數之值之範圍為約30%至約100%。舉例而言，於約16.7 lp/mm(對應至約30微米之解析度)時，調制轉換函數之值之範圍大於 30%。至於第5圖之光學檢測裝置的其他細節因與第3圖之光學檢測裝置相似，因此便不再贅述。
雖然本揭露已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭露之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
110‧‧‧分光鏡
112‧‧‧第一側
114‧‧‧第二側
120‧‧‧第一光源
122‧‧‧第一光束
130‧‧‧第一影像擷取裝置
132‧‧‧收光面
170‧‧‧濾波元件
900‧‧‧檢測位置
910‧‧‧待測物
912‧‧‧第二光束
O‧‧‧光軸

Claims (20)

  1. 一種光學檢測裝置，包含：一分光鏡，具有相對之一第一側與一第二側，其中該分光鏡讓一第一光束穿透並反射一第二光束，且該第二光束之波長不同於該第一光束之波長；一第一光源，置於該分光鏡之該第一側，用以提供該第一光束以穿透該分光鏡；以及一第一影像擷取裝置，置於該分光鏡之該第二側，用以偵測自該分光鏡反射之該第二光束。
  2. 如請求項1所述之光學檢測裝置，其中該第一光源與該第一影像擷取裝置為同軸設置。
  3. 如請求項1所述之光學檢測裝置，其中該分光鏡為一帶通濾波元件或一短通濾波元件。
  4. 如請求項1所述之光學檢測裝置，其中該第一光束之該波長短於該第二光束之該波長。
  5. 如請求項1所述之光學檢測裝置，其中該第一光束為紫外光，且該第二光束為可見光。
  6. 如請求項1所述之光學檢測裝置，更包含一濾波元件，置於該分光鏡與該第一影像擷取裝置之間，以阻擋該第一光束並讓該第二光束通過。
  7. 如請求項1所述之光學檢測裝置，其中該第一光源提供該第一光束至一檢測位置，且該第一影像擷取裝置偵測來自該檢測位置之該第二光束，且該光學檢測裝置更包含：一第二光源，用以提供一第三光束沿著一路徑至該檢測位置，該路徑與該分光鏡相隔開。
  8. 如請求項7所述之光學檢測裝置，其中該第二光源為一環形光源。
  9. 如請求項8所述之光學檢測裝置，其中該第二光源環繞由該第一光源與該分光鏡形成之一光軸。
  10. 如請求項7所述之光學檢測裝置，其中該第三光束為可見光。
  11. 如請求項1所述之光學檢測裝置，其中該第一光源提供該第一光束至一檢測位置，且該第一影像擷取裝置偵測來自該檢測位置之該第二光束，且該光學檢測裝置更包含：一第二光源，用以提供一第三光束沿著一路徑至該檢測位置，該分光鏡置於該路徑上。
  12. 如請求項11所述之光學檢測裝置，其中該第二光源為一環形光源。
  13. 如請求項12所述之光學檢測裝置，其中該第二光源環繞該第一影像擷取裝置。
  14. 如請求項11所述之光學檢測裝置，其中該第三光束為可見光。
  15. 如請求項1所述之光學檢測裝置，其中該第一光源提供該第一光束至一檢測位置，該第一影像擷取裝置偵測來自該檢測位置之該第二光束，且該光學檢測裝置更包含：一第二影像擷取裝置，用以斜向擷取該檢測位置的影像，其中該第二影像擷取裝置具有一視野，該視野未覆蓋至少部分之該分光鏡與至少部分之該第一影像擷取裝置。
  16. 如請求項1所述之光學檢測裝置，其中該第一影像擷取裝置為一彩色相機，且具有一調制轉換函數，於約50 lp/mm(每公厘之黑白條紋線對數)至約25 lp/mm時，該調制轉換函數之值的範圍為約30%至約100%。
  17. 如請求項1所述之光學檢測裝置，其中該第一影像擷取裝置為一單色相機，且具有一調制轉換函數，於約20 lp/mm(每公厘之黑白條紋線對數)至約14.2 lp/mm時，該調制轉換函數之值的範圍為約30%至約100%。
  18. 一種光學檢測裝置，包含：一第一光源，提供一第一光束至一檢測位置，其中該第一光源與該檢測位置形成一光軸；一分光鏡，置於該光軸上，且具有相對之一第一側與一第二側，其中該第一光束自該第一側穿透該分光鏡至該檢測位置；一第一影像擷取裝置，置於該光軸外，用以偵測自該分光鏡之該第二側反射的一第二光束，其中該第二光束來自該檢測位置，該第二光束之波長不同於該第一光束之波長，且該第一光源與該第一影像擷取裝置係同軸設置；以及一第二光源，用以提供一第三光束至該檢測位置，其中該第三光束之路徑與該分光鏡相隔開。
  19. 如請求項18所述之光學檢測裝置，更包含一第三光源，用以提供一第四光束至該檢測位置，其中該第三光源環繞該第一影像擷取裝置設置。
  20. 如請求項18所述之光學檢測裝置，更包含一第二影像擷取裝置，用以擷取該檢測位置之影像，其中該第二影像擷取裝置具有一視野，該視野未覆蓋至少部分之該分光鏡、至少部分之該第一影像擷取裝置與至少部分之該第二光源。
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