TWI596685B - Surface 3D testing equipment and testing methods - Google Patents

Description

表面3D檢測裝置及檢測方法

本發明涉及一種表面3D檢測裝置及檢測方法。

“超莫爾定律”等概念引領IC行業從追求製造技術節點的時代，轉向更多地依賴于晶片封裝技術發展的全新時代。相比於傳統封裝，晶圓級封裝（Wafer Level Packaging，WLP）在縮小封裝尺寸、節約製程成本方面有著顯著的優勢。因此，WLP將是未來支持IC行業不斷發展的主要技術之一。

WLP主要包括Pillar/Gold/Solder Bump、RDL、TSV等製造技術。為了增加晶片製造的良率，在整個封裝製程過程中都需要對晶片進行缺陷檢測，早期的設備主要集中在表面2D的缺陷檢測，例如污染、劃痕、顆粒等。隨著製程控制要求的增加，越來越需要對表面3D特徵進行檢測，例如Bump高度、RDL厚度、TSV的孔深等。

目前業界實現表面3D測量的方法主要包括鐳射三角測量、鐳射共聚焦、干涉測量儀等，其中鐳射三角測量法可以採用Laser Line進行掃描，極大的提高了檢測速度，但精準度相對較低；鐳射共聚焦和干涉測量儀雖然能獲得較高的垂向解析度，但需要進行垂向掃描，檢測效率較低，難以滿足wafer全片掃描檢測的需求。

本發明提供一種表面3D檢測裝置及檢測方法，以解決習知技術中的上述技術問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種表面3D檢測裝置，沿光束傳播方向依次包括照明單元、偏振分束單元、多路光分束單元、多個相移板、偏振合併器以及探測器；所述照明單元產生的光束經所述偏振分束單元形成偏振方向相互垂直的探測光束和參考光束；所述探測光束入射至待測樣品表面並被反射後再次進入所述偏振分束單元；所述參考光束入射至所述偏振分束單元的一第一反射鏡，經所述第一反射鏡表面反射後再次進入所述偏振分束單元，並與經所述待測樣品表面反射的探測光束疊加；疊加後的探測光束和參考光束分別經所述多路光分束單元分離為多個子光束，每個子光束經過一個相應的相移板，以使該子光束中所包含的偏振方向相互垂直的探測子光束和參考子光束產生額外的相位差，之後各個子光束再經過所述偏振合併器，使各探測子光束和參考子光束具有相同的偏振方向，從而在所述探測器表面產生多個干涉訊號；其中，所述多個相移板產生的額外的相位差互不相同。

較佳地，所述照明單元依次包括光源、準直擴束單元以及第二反射鏡，所述光源發出的光束經過所述準直擴束單元後入射至所述第二反射鏡，經所述第二反射鏡反射後入射至所述偏振分束單元。

較佳地，所述光源採用汞燈、氙燈、鹵素燈或鐳射光源。

較佳地，所述準直擴束單元包括依次設置的第一透鏡和第二透鏡。

較佳地，所述偏振分束單元更包括偏振分束器、第一1/4 波片、第三透鏡、第二1/4 波片、第四透鏡以及第五透鏡，所述照明單元產生的光束經所述偏振分束器後分為偏振方向相互垂直的探測光束和參考光束，所述探測光束經所述第一1/4 波片和第三透鏡後，入射至待測樣品的表面，經所述待測樣品的表面反射後再次藉由第三透鏡和第一1/4 波片，偏振方向旋轉90°，並透過所述偏振分束器，經第五透鏡入射至所述多路光分束單元；所述參考光束經所述第二1/4 波片和第四透鏡後，入射至所述第一反射鏡，經第一反射鏡反射後再次藉由第四透鏡和第二1/4 波片，偏振方向旋轉90°，經過所述偏振分束器發生反射，經所述第五透鏡入射至所述多路光分束單元。

較佳地，所述照明單元與待測樣品之間設有多個不同倍率的干涉物鏡。

較佳地，多個所述干涉物鏡之間藉由物鏡轉輪進行切換。

較佳地，所述照明單元的出射光經所述偏振分束單元入射至所述干涉物鏡，所述偏振分束單元為第一分束器。

較佳地，所述多路光分束單元採用繞射光學元件，所述繞射光學元件在所述探測器表面產生若干面陣式的干涉圖案或若干條狀的干涉訊號。

較佳地，所述多路光分束單元包括n個第二分束器，n個第二分束器將疊加後的探測光束和參考光束分離為n+1個子光束，每個子光束經過一個相應的相移板，一個相應的偏振合併器，入射至一個相應的探測器，其中，n為正整數。

較佳地，所述探測器採用CMOS或CCD感測器。

較佳地，所述多路光分束單元採用空間光調製器。

本發明還提供了一種表面3D檢測方法，採用上述表面3D檢測裝置，根據任意測量點同一時刻在探測器表面產生的多個干涉訊號計算該測量點相對於參考平面的高度。

較佳地，測量點相對於參考平面的高度h的計算公式為：

其中， 為照明單元產生的光束的波長， 為相疊加的探測光束和參考光束之間的相位差。

較佳地，當多路光分束單元將疊加後的探測光束和參考光束分離為四個子光束時，所述相位差 的計算公式為：

其中， I ₁， I ₂， I ₃， I ₄分別為四個子光束在探測器表面產生的干涉訊號的強度。

較佳地，所述 I ₁， I ₂， I ₃， I ₄的計算公式為：

其中A、B是常數。

與習知技術相比，本發明提供的一種表面3D檢測裝置及檢測方法，不需要進行垂向掃描，可瞬間獲取測量點的多個干涉訊號，從而計算出視場內待測樣品表面的高度資訊，配合運動臺的掃描，可快速實現大尺寸待測樣品的表面3D檢測，進而提高檢測效率。

為了更詳盡的表述上述發明的技術方案，以下列舉出具體的實施例來證明技術效果；需要強調的是，這些實施例用於說明本發明而不限於限制本發明的範圍。

實施例一

本發明提供的一種表面3D檢測裝置，請參考第1圖，沿光束傳播方向依次包括照明單元10、偏振分束單元20、多路光分束單元30、多個相移板40a、40b、40c、40d，以及探測器50；所述照明單元10產生的入射光束100經所述偏振分束單元20形成探測光束101和參考光束102；所述探測光束101入射至待測樣品60表面並經所述表面反射後再次進入所述偏振分束單元20；所述參考光束102入射至第二反射鏡26，經所述第二反射鏡26表面反射後再次進入所述偏振分束單元20，並與經所述待測樣品60表面反射的探測光束101疊加，即參考光路與探測光路重合；從所述偏振分束單元20射出的出射光束103（即疊加後的探測光束101和參考光束102）經所述多路光分束單元30分離為多路分支（本實施例中，分支為四路），四路分支分別對應一個相移板40a、40b、40c、40d，使偏振方向相互垂直的探測光束101和參考光束102產生額外的相位差，之後再經過偏振合併器41，使探測光束101和參考光束102具有相同偏振方向，從而在所述探測器50表面產生干涉訊號；所述每路分支中的相移板40a、40b、40c、40d產生的額外的相位差不同。本發明利用多路光分束單元30將干涉訊號分離為多路分支；利用移相技術，獲取待測樣品60表面單個測量點的多個干涉訊號；這樣，不需要進行垂向掃描，即可瞬間獲取測量點的多個干涉訊號，從而計算出視場內待測樣品60表面的高度資訊，再配合運動臺61的掃描，可快速實現大尺寸待測樣品60的表面3D檢測，提高了檢測效率。

較佳地，請繼續參考第1圖，所述照明單元依次包括光源11、準直擴束單元以及第一反射鏡14，其中，所述準直擴束單元包括依次設置的第一透鏡12和第二透鏡13，用於對所述光源11發出的光束進行準直擴束，所述準直擴束單元的出射光入射至所述第一反射鏡14，經所述第一反射鏡14反射後入射至所述偏振分束單元20。較佳地，所述光源11可以是單色光光源，例如半導體雷射器、光纖雷射器、氣體雷射器等；也可以採用寬波段的白光，例如汞燈、氙燈、鹵素燈等。較佳寬波段的白光，可提高待測樣品60表面高度的測量範圍。所述光源11發出的光束的波長以 表示。

較佳地，請繼續參考第1圖，所述偏振分束單元20還包括偏振分束器21、第一1/4 波片22、第三透鏡23、第二1/4 波片24、第四透鏡25以及第五透鏡27，所述照明單元10產生的入射光束100經所述偏振分束器21後分為偏振方向相互垂直的探測光束101和參考光束102，所述探測光束101經所述第一1/4 波片22和第三透鏡23後，入射至運動臺61上的待測樣品60的表面，經所述待測樣品60的表面的反射後再次藉由第一1/4 波片22，偏振方向旋轉90°，並透過所述偏振分束器21，經第五透鏡27入射至所述多路光分束單元30；所述參考光束102經所述第二1/4 波片24和第四透鏡25後，入射至第二反射鏡26，經第二反射鏡26反射後再次藉由第二1/4 波片24，偏振方向旋轉90°，經過所述偏振分束器21發生反射，經所述第五透鏡27入射至所述多路光分束單元30，從而實現探測光束101和參考光束102形成出射光束103時，在空間上的疊加。由於偏振分束器21與第二反射鏡26之間的距離是不變的，而偏振分束器21到待測樣品60表面的不同測量點的距離是隨測量點的高度而變化的，因此當從待測樣品60表面的不同位置反射回來的探測光束101與參考光束102疊加時，會產生不同的相位差。該相位差與測量點的高度具有直接關聯，且該相位差在探測器50上表現為不同的光強。也就是說，該光強資訊攜帶有測量點的高度資訊。為了萃取出測量點的高度資訊，需要使出射光束103進入多路光分束單元30。

較佳地，請重點參考第1圖，本實施例中，所述多路光分束單元30採用繞射光學元件（DOE，英文全稱：Diffraction Optical Elements）實現多路光輸出，本實施例中分支為四路，四路分支藉由對應的相移板40a、40b、40c、40d，每個相移板40a、40b、40c、40d可使偏振方向相互垂直的探測光束101和參考光束102產生特定的相位差，例如40a、40b、40c、40d附加的相位差分別為0， π/2、 π、3 π/2，所述相移板40a、40b、40c、40d後設置的偏振合併器41，可使探測光束101和參考光束102具有相同偏振方向，從而在探測器50表面產生干涉。

本發明還提供了一種表面3D檢測方法，利用照明單元10產生的入射光束100經偏振分束單元20形成探測光束101和參考光束102，所述探測光束101和參考光束102疊加後經多路光分束單元30分離為多路分支，每路分支經一個相移板40a、40b、40c、40d後產生相位差，從而在探測器50表面產生干涉訊號，所述每路分支中的相移板40a、40b、40c、40d產生的額外的相位差不同，根據任意測量點同一時刻在探測器50表面產生的干涉訊號計算該測量點相對於參考平面的高度。

具體地，相移板40a、40b、40c、40d產生的相位差可根據需要進行設計，本實施例中以各相移板40a、40b、40c、40d產生的額外相位差分別為 ； ； ； 為例，則四路光產生的干涉訊號可簡化表示為（為描述方便，這裡僅考慮單色光的干涉）：

（1）

上式中A、B為待定係數， 表示探測光路和參考光路的相位差，h表示待測樣品60的表面相對參考零平面的高度，其中，參考零平面選取為滿足以下條件的虛擬平面：參考零平面到偏振分束器21的距離等於第二反射鏡26到偏振分束器21的距離。如此，當相移板40a、40b、40c、40d附加的相位差分別為0， π/2、 π、3 π/2時，探測光路和參考光路的相位差 計算方法如下：

（2）

請重點參考第2圖，其中的實心方塊、棱形、三角、圓分別表示藉由四個相移板40a、40b、40c、40d後在探測器50表面上產生的干涉訊號，T1-T4表示待測樣品60表面不同的測量點，其與參考零平面的高度差不同，繪於T1-T4上方的各測量點所對應的干涉訊號也不相同。對任意一測量點而言，根據四路干涉光的強度 I _i(i= 1、2、3、4)，藉由公式（2）可計算出 ，進而可計算出該點相對參考零平面的高度：

（3）

較佳地，本實施例中所述探測器50採用CMOS或CCD感測器，藉由相移板40a、40b、40c、40d在探測器50表面將產生四個面陣式的干涉圖案（如第3a圖至第3d圖所示），四個干涉圖案中相同位置的像素對應於探測視場中的同一點，每一點的高度可根據這四個像素記錄的光強值，藉由演算法計算獲得。

本發明提供的表面3D檢測方法，不需要進行垂向掃描，可瞬間獲取測量點的多個干涉訊號，從而計算出視場內待測樣品60表面的高度資訊，配合運動臺61的掃描，可快速實現大尺寸待測樣品60的表面3D檢測，進而提高檢測效率。

實施例二

較佳地，請重點參考第4圖，本實施例與實施例一的區別在於：所述多路光分束單元採用n個第二分束器31a、31b、31c組成，其中，n為正整數，本實施例中第二分束器31a、31b、31c的數量為三個，三個第二分束器31a、31b、31c將光束分為四個分支，每個分支對應一個相應的相移板40a、40b、40c、40d，一個相應的偏振合併器41a、41b、41c、41d以及一個相應的探測器50a、50b、50c、50d，換句話說，相對於實施例一，本實施例中，每路分支都配置有各自的相移板、偏振合併器以及探測器，在此配置下，每個探測器50a、50b、50c、50d的光敏區域將被充分利用，探測視場相比實施例一增加了4倍，進一步提高了檢測效率。

實施例三

較佳地，本實施例與實施例一的區別在於：本實施例採用線光源進行探測，請重點參考第5圖，從多路光分束單元30分出四條線光束，藉由四個相移板40a、40b、40c、40d，以及偏振合併器41後進入探測器50。請參考第6圖，四路光將在探測器50表面產生四條條狀的干涉訊號P1、P2、P3、P4，同一列上的四個光強值對應同一點的干涉訊號，根據公式（1）和（2），即可獲得該點的高度值h。對每一列像素依次進行處理，可獲得一條線上的待測樣品60表面高度變化，如第6圖中圓圈組成的曲線所示。本實施例同樣不需要進行垂向掃描，即可快速實現大尺寸待測樣品的表面3D檢測。

實施例四

較佳地，請重點參考第7圖，本實施例與實施例一的區別在於：所述多路光分束單元30採用空間光調製器進行光束分光，具體地，所述多路光分束單元30分為四個區域區域1、區域2、區域3、區域4，藉由改變四個區域區域1、區域2、區域3、區域4內的偏振角度，可實現四路或四路以上的分光，每路分支分別進入對應的相位板40a、40b、40c、40d。本實施例使用空間光調製器進行光束分光，可更靈活的實現光路配置，分開的探測支路更多。

實施例五

較佳地，請重點參考第8圖，所述照明單元10與待測樣品60之間設有多個不同倍率的干涉物鏡29a、29b、29c，本實施例中，干涉物鏡29a、29b、29c的數量為3個，其放大倍率分別為5X、10X和20X，較佳地，多個所述干涉物鏡29a、29b、29c之間藉由物鏡轉輪29進行切換，干涉物鏡29a、29b、29c的放大倍率越大，探測視場70越小，水平解析度越高。較佳地，所述照明單元10的出射光經第一分束器28入射至所述干涉物鏡29a、29b、29c，用於將探測光導入干涉物鏡29a、29b、29c。

綜上所述，本發明提供的一種表面3D檢測裝置及檢測方法，該裝置沿光束傳播方向依次包括照明單元10、偏振分束單元20、多路光分束單元30、多個相移板40a、40b、40c、40d以及探測器50；所述照明單元10產生的光束經所述偏振分束單元20形成探測光束101和參考光束102；所述探測光束101入射至待測樣品60表面並反射後再次進入所述偏振分束單元20；所述參考光束101入射至第二反射鏡26，經所述第二反射鏡26表面反射後再次進入所述偏振分束單元20，並與經所述待測樣品60表面反射的探測光束101疊加；疊加後的探測光束101和參考光束102分別經所述多路光分束單元30分離為多路分支，每路分支對應一個相移板40a、40b、40c、40d，使偏振方向相互垂直的探測光束101和參考光束102產生額外的相位差，之後再經過偏振合併器41，使探測光束101和參考光束102具有相同偏振方向，從而在所述探測器50表面產生干涉訊號；所述每路分支中的相移板40a、40b、40c、40d產生的額外的相位差不同。本發明不需要進行垂向掃描，可瞬間獲取測量點的多個干涉訊號，從而計算出視場內待測樣品60表面的高度資訊，配合運動臺61的掃描，可快速實現大尺寸待測樣品60的表面3D檢測。

顯然，本領域的技術人員可以對發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬於本發明申請專利範圍及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包括這些改動和變型在內。

1、2、3、4‧‧‧區域
10‧‧‧照明單元
11‧‧‧光源
12‧‧‧第一透鏡
13‧‧‧第二透鏡
14‧‧‧第一反射鏡
20‧‧‧偏振分束單元
21‧‧‧偏振分束器
22‧‧‧第一1/4‧‧‧波片
23‧‧‧第三透鏡
24‧‧‧第二1/4‧‧‧波片
25‧‧‧第四透鏡
26‧‧‧第二反射鏡
27‧‧‧第五透鏡
28‧‧‧第一分束器
29‧‧‧物鏡轉輪
29a、29b、29c‧‧‧干涉物鏡
30‧‧‧多路光分束單元
31a、31b、31c、31d‧‧‧第二分束器
40a、40b、40c、40d‧‧‧相移板
41、41a、41b、41c、41d‧‧‧偏振合併器
50、50a、50b、50c、50d‧‧‧探測器
60‧‧‧待測樣品
61‧‧‧運動臺
70‧‧‧探測視場
100‧‧‧入射光束
101‧‧‧探測光束
102‧‧‧參考光束
103‧‧‧出射光束

第1圖為本發明實施例一的表面3D檢測裝置的結構示意圖。

第2圖為本發明實施例一中四個測量點的干涉訊號示意圖。

第3a圖至第3d圖分別為第2圖中的四個測量點在探測器面上產生的干涉圖案。

第4圖為本發明實施例二中多光路分束器的結構示意圖。

第5圖為本發明實施例三中線光源探測器的結構示意圖。

第6圖為本發明實施例三中探測器的干涉圖案及表面高度計算結果示意圖。

第7圖為本發明實施例四中空間光調製器的結構示意圖。

第8圖為本發明實施例五的表面3D檢測裝置的結構示意圖。

10‧‧‧照明單元

11‧‧‧光源

12‧‧‧第一透鏡

13‧‧‧第二透鏡

14‧‧‧第一反射鏡

20‧‧‧偏振分束單元

21‧‧‧偏振分束器

22‧‧‧第一1/4λ波片

23‧‧‧第三透鏡

24‧‧‧第二1/4λ波片

25‧‧‧第四透鏡

26‧‧‧第二反射鏡

27‧‧‧第五透鏡

30‧‧‧多路光分束單元

40a、40b、40c、40d‧‧‧相移板

41‧‧‧偏振合併器

50‧‧‧探測器

60‧‧‧待測樣品

61‧‧‧運動臺

100‧‧‧入射光束

101‧‧‧探測光束

102‧‧‧參考光束

103‧‧‧出射光束

Claims (16)

1. 一種表面3D檢測裝置，其沿光束傳播方向依次包括一照明單元、一偏振分束單元、複數個光分束單元、複數個相移板、一偏振合併器以及一探測器；該照明單元產生的光束經該偏振分束單元形成偏振方向相互垂直的一探測光束及一參考光束；該探測光束入射至一待測樣品表面並被反射後再次進入該偏振分束單元；該參考光束入射至該偏振分束單元的一第一反射鏡，經該第一反射鏡表面反射後再次進入該偏振分束單元，並與經該待測樣品表面反射的該探測光束疊加；疊加後的該探測光束及該參考光束分別經該複數個光分束單元分離為複數個子光束，每一該子光束經過一個相應的相移板，以使該子光束中所包含的偏振方向相互垂直的一探測子光束和及一參考子光束產生額外的相位差，之後各該子光束再經過該偏振合併器，使各該探測子光束及該參考子光束具有相同的偏振方向，從而在該探測器表面產生複數個干涉訊號；其中，該複數個相移板產生的額外的相位差互不相同。
2. 如申請專利範圍第1項所述之表面3D檢測裝置，其中，該照明單元依次包括一光源、一準直擴束單元以及一第二反射鏡，該光源發出的光束經過該準直擴束單元後入射至該第二反射鏡，經該第二反射鏡反射後入射至該偏振分束單元。
3. 如申請專利範圍第2項所述之表面3D檢測裝置，其中，該光源採用汞燈、氙燈、鹵素燈或鐳射光源。
4. 如申請專利範圍第2項所述之表面3D檢測裝置，其中，該準直擴束單元包括依次設置的第一透鏡及第二透鏡。
5. 如申請專利範圍第1項所述之表面3D檢測裝置，其中，該偏振分束單元更包括一偏振分束器、一第一1/4 波片、一第三透鏡、一第二1/4 波片、一第四透鏡以及一第五透鏡，該照明單元產生的光束經該偏振分束器後分為偏振方向相互垂直的該探測光束及該參考光束，該探測光束經該第一1/4 波片及該第三透鏡後，入射至該待測樣品的表面，經該待測樣品的表面反射後再次藉由該第三透鏡及該第一1/4 波片，偏振方向旋轉90°，並透過該偏振分束器，經該第五透鏡入射至該複數個光分束單元；該參考光束經該第二1/4 波片及該第四透鏡後，入射至該第一反射鏡，經該第一反射鏡反射後再次藉由該第四透鏡及該第二1/4 波片，偏振方向旋轉90°，經過該偏振分束器發生反射，經該第五透鏡入射至該複數個光分束單元。
6. 如申請專利範圍第1項所述之表面3D檢測裝置，其中，該照明單元與該待測樣品之間設有複數個不同倍率的干涉物鏡。
7. 如申請專利範圍第6項所述之表面3D檢測裝置，其中，該複數個干涉物鏡之間藉由一物鏡轉輪進行切換。
8. 如申請專利範圍第6項或第7項所述之表面3D檢測裝置，其中，該照明單元的出射光經該偏振分束單元入射至該干涉物鏡，該偏振分束單元為第一分束器。
9. 如申請專利範圍第1項所述之表面3D檢測裝置，其中，該複數個光分束單元採用一繞射光學元件，該繞射光學元件在該探測器表面產生若干面陣式的干涉圖案或若干條狀的干涉訊號。
10. 如申請專利範圍第1項所述之表面3D檢測裝置，其中，該複數個光分束單元包括n個第二分束器，n個第二分束器將疊加後的該探測光束及該參考光束分離為n+1個子光束，每一該子光束經過一個相應的相移板，一個相應的偏振合併器，入射至一個相應的探測器，其中，n為正整數。
11. 如申請專利範圍第1項所述之表面3D檢測裝置，其中，該探測器採用CMOS或CCD感測器。
12. 如申請專利範圍第1項所述之表面3D檢測裝置，其中，該複數個光分束單元採用空間光調製器。
13. 一種表面3D檢測方法，其採用如申請專利範圍第1項至第12項中中任一項所述之表面3D檢測裝置，根據任意一測量點同一時刻在探測器表面產生的複數個干涉訊號計算該測量點相對於參考平面的高度。
14. 如申請專利範圍第13項所述之表面3D檢測方法，其中，測量點相對於參考平面的高度h的計算公式為： 其中， 為照明單元產生的光束的波長， 為相疊加的該探測光束及該參考光束之間的相位差。
15. 如申請專利範圍第14項所述之表面3D檢測方法，其中，當複數個光分束單元將疊加後的該探測光束及該參考光束分離為四個子光束時，該相位差 的計算公式為： 其中， I ₁， I ₂， I ₃， I ₄分別為四個子光束在探測器表面產生的干涉訊號的強度。
16. 如申請專利範圍第15項所述之表面3D檢測方法，其中： I ₁， I ₂， I ₃， I ₄的計算公式為： 其中A、B是常數。