WO2021019136A1 - Device for inspecting a surface of an object - Google Patents

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WO2021019136A1
WO2021019136A1 PCT/FR2020/051135 FR2020051135W WO2021019136A1 WO 2021019136 A1 WO2021019136 A1 WO 2021019136A1 FR 2020051135 W FR2020051135 W FR 2020051135W WO 2021019136 A1 WO2021019136 A1 WO 2021019136A1
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inspection
chromatic
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confocal
photodetectors
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PCT/FR2020/051135
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Philippe Gastaldo
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Unity Semiconductor
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Definitions

  • the present invention relates to a device for inspecting a surface of an object.
  • a device according to the invention allows the inspection of the surface of the object when the latter comprises strong variations in height and makes it possible to generate at high rates intensity images representative of the reflectivity of this surface with a depth. wide field of view and high lateral resolution.
  • the invention relates to the field of imaging for the inspection and control of objects, such as substrates for the semiconductor industry or for integrated optics (semiconductor wafers or substrates in all forms, during or at the end of the manufacture of semiconductor devices), or other objects in the fields of mechanics or the manufacturing industry for example (micro mechanisms, parts or assembly of watchmaking , assembled systems).
  • Optical imaging systems such as conventional microscopes are known. These systems are generally limited in depth of field: the optical diffraction limit makes it very difficult to have both a high magnification and a great depth of field. This is particularly penalizing when checking remote surfaces or structures with significant heights or depths. This problem is generally solved by keeping the objective at a desired distance from the measured surface, by an autofocus type system. This results in reduced displacement speeds and more complex systems, or even the need to perform several passes to acquire the images.
  • Document US Pat. No. 8,654,324 implements a method for increasing the depth of field by exploiting the chromatic dispersion of a chromatic lens.
  • Light transmitted through a slit is projected onto an object through a chromatic lens.
  • the light reflected from the inspected surface is returned to the chromatic objective and then transmitted through a slit placed in front of a linear detector.
  • the chromatic objective used in this configuration makes it possible to increase the measurement depth of field by exploiting the fact that different wavelengths are focused at different distances on the object.
  • this system is not suitable for the formation of intensity images in two dimensions and with high lateral resolution. This is because of its slot configuration which does not meet the criteria of confocal detection in one dimension and thus generates crosstalk or cross-talk between measurement channels.
  • Document US Pat. No. 9,739,600 B1 describes a system making it possible to locate patterns in two dimensions with an extended depth of field obtained by a chromatic lens.
  • the profile or the distance of the identified structures can be measured by the same instrument while respecting the criteria of a detection confocal, with a minimum of cross-talk between measurement channels.
  • the acquisition speed of the system is however directly limited by the quantity of light collected by the photodetector and above all by the number of measurement channels that it is possible to implement.
  • the inspection rates depend on the optimization of the filling factor of the measurement points on the wafers inspected and defining the density of points measured at each instant.
  • the fill factor is defined as the ratio between the diameter of the measurement points (diameter of the light beam projected onto the wafer at the focal point) and the separation between two measurement points.
  • One of the objectives of the invention is to provide a device for rapidly imaging a surface of an object over an extended depth of field.
  • Another objective of the invention is to provide such a device allowing a high density of measurement points (high spatial resolution) while minimizing the light coupling (cross-talk) between the detection channels.
  • Another objective of the invention is to allow localization and inspection of structures and patterns of a surface of an object such as a semiconductor substrate.
  • the invention provides a device for inspecting a surface of an object, the device comprising:
  • At least one polychromatic light source for projecting an inspection beam onto the surface; at least one confocal mask intercepting the inspection beam and a beam reflected from the surface, the confocal mask having a plurality of chromatic filtering apertures;
  • chromatic system spatially spreading the focus of the inspection beam as a function of present wavelengths, according to focusing planes along an optical axis in a depth of field, and intercepting the beam reflected by the surface to project it onto a detection plane combined with the focusing planes;
  • a mobile support for receiving the object and positioning the surface in the depth of field of the chromatic system, the support being controllable to move the surface relative to the chromatic system at least in an inspection direction;
  • the image sensor comprising a matrix of photodetectors arranged in the detection plane, the chromatic filtering openings of the confocal mask illuminating a part. photodetectors.
  • the chromatic filtering openings are arranged on the confocal mask to illuminate a plurality of photodetectors arranged on a column of the matrix corresponding to a plurality of measurement points arranged according to the inspection direction;
  • the chromatic filtering openings are distributed in a complementary manner over at least two lines of the confocal mask to illuminate a plurality of photodetectors corresponding to a plurality of measurement points arranged along at least two lines arranged in a direction perpendicular to the inspection direction ;
  • the confocal mask comprises a plurality of groups of at least two lines comprising chromatic filtering apertures distributed in a complementary manner over said at least two lines;
  • the device comprises a confocal illumination mask arranged in the inspection beam and a confocal detection mask arranged in the reflected beam, the confocal illumination mask and the confocal detection mask being respectively placed in a conjugate plane of the planes. of focusing vis-à-vis the chromatic system;
  • the confocal detection mask is produced by depositing at least one material on the surface of the image sensor
  • the inspection device comprises a single confocal mask, arranged in a jointly conjugated plane of the detection plane and of the focusing planes with respect to the chromatic system;
  • the polychromatic light source comprises a halogen lamp or an array of electroluminescent diodes, associated with a diffusion device to homogenize the intensity of the inspection beam;
  • the chromatic system includes a chromatic lens
  • the chromatic objective comprises a lens or a combination of lenses, at least one diffraction lens and / or at least one metal lens;
  • the chromatic system includes a separator element
  • the separator element is a separator cube or a semi-reflecting plate
  • the photodetectors are fitted with a color filter; • the chromatic filtering openings are arranged to each illuminate a plurality of photodetectors provided with different color filters.
  • Figure 1 shows an inspection device according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 represents a block diagram of the confocal chromatic operation implemented by the device of FIG. 1;
  • FIG. 3 represents a front view of a detection mask illuminated by a reflected beam
  • Figure 4 shows an opening arrangement on a confocal mask in alignment with a photodetection array
  • Figure 5 shows two inspection fields on the surface of a surface to be inspected.
  • FIG. 1 represents a first embodiment of an inspection device according to the present invention.
  • the inspection device 1 projects an inspection light beam onto a surface S of an inspected object.
  • the beam is reflected on this surface S to project onto a detection plane P of an image sensor 5.
  • the inspected object such as a semiconductor substrate
  • a movable support 4 of the inspection device 1 for example a table whose movement can be controlled.
  • the mobile support 4 makes it possible to move the surface in at least one inspection direction I under the inspection beam.
  • the inspection device 1 comprises a lighting system 2 comprising a polychromatic light source 20 to form the inspection beam.
  • the source 20 therefore emits several wavelengths which may for example be included in the visible spectrum, in a range of wavelengths between 380 nm to 700 nm, or in the infrared beyond 700 nm.
  • the wavelengths making up the emission spectrum of the source 20 are chosen according to the nature of the object inspected and the layers which are likely to cover it.
  • the wavelengths of the polychromatic source 20 will be chosen so that the inspection beam is reflected by the surface S of the object to be inspected.
  • the wavelengths of the polychromatic source 20 can be chosen so that they are included in the transparency spectrum of this covering layer.
  • the polychromatic light source 20 can be formed from a halogen lamp or from an array of light-emitting diodes.
  • the inspection field can have a dimension of between a few hundred microns and a side of a few millimeters.
  • a diffusion device 21 for homogenizing the intensity of the inspection light beam produced by the lighting system can for example be produced by a ground glass or by an optical guiding element ensuring a mixture of the propagation modes of the radiation produced by the polychromatic source 20 so as to make the intensity of the beam homogeneous. inspection.
  • optical fibers 22 or any other form of guide for light radiation can be provided, to conduct the light beam produced by the source 20 as far as the injection zone of the inspection beam into the device 1, here occupied by the distribution device 21.
  • the lighting system 20 is not limited to that described of this mode of implementation.
  • it can be envisaged that it is composed of a polychromatic super-continuum light source, the radiation of which is guided by at least one optical guide to the injection zone.
  • the inspection device 1 also comprises a chromatic system 3 arranged on the optical path of the inspection beam and of the reflected beam.
  • the chromatic system 3 generates a chromatic dispersion of the light which passes through it and thus spatially spreads the focus of the polychromatic inspection beam, as a function of the wavelengths present, according to focusing planes distributed along an optical axis AO in a depth of field of the chromatic system 3 extended with respect to the depth of field obtained for an individual wavelength.
  • the chromatic system 3 comprises a chromatic objective 3a leading to focusing the different wavelengths of the inspection beam, over its entire transverse extent, at different distances from the objective.
  • the chromatic objective 3 can be achieved in multiple ways, for example by means of a lens or a combination of lenses. These lenses can intercept the entire transverse extent of the inspection beam, or be respectively dedicated to portions of this beam constituting measurement channels. They can also be diffraction lenses or holographic devices. They can also be metal lenses, that is to say reflective or transmissive optical elements having structured reflection or transmission surfaces. The patterns constituting this surface structuring have dimensions smaller than the wavelengths of the inspection light beam and affect the phase of the radiation of this beam and therefore its shape and its propagation. The patterns on the surface of the optical elements can be produced by known methods of photolithography and etching.
  • the chromatic objective 3a is chosen to present a significant chromatic aberration, leading to spatially spreading the inspection beam, according to the wavelengths which compose it, according to arranged focusing planes. in the depth of field of the chromatic system 3.
  • This depth of field can for example extend over a distance of 100 to 200 microns.
  • the surface S of the inspected object is placed in the depth of field of the chromatic system 3.
  • the mobile support 4 can be able to adjust the position of the surface S by moving the inspected object. in the direction of the axis AO of the chromatic system 3, so as to maintain the surface S of the object in the depth of field. This characteristic is particularly advantageous when the surface S has significant reliefs in elevation or depression.
  • the movable support 4 can consist of a table provided with means capable of controlling its movement in a plane perpendicular to the inspection beam in order to move the surface in the inspection direction I, and complementary means ensuring a displacement in a direction perpendicular to this plane in order to maintain the surface S in the depth of field of the chromatic system 3.
  • the constraints to maintain there the surface S are relaxed relative to an achromatic system.
  • the displacement in space of the surface S during a measurement sequence can be controlled by an electronic control unit 7.
  • the latter can also collect the trajectory made during the measurement sequence in order to be able to reconstitute a faithful image of the inspected surface S.
  • the chromatic system 3 is also provided with a splitter element 3b, for example a splitter cube or a reflecting plate, to intercept the beam reflected by the surface S and the project onto a detection plane P of an image sensor 5.
  • the splitter element 3b is placed on the optical path of the reflected beam, downstream from the chromatic optic 3a, so that the reflected beam passes through this objective 3a before projecting onto the detection plane P.
  • the image sensor 5 is a timed integration image sensor (designated by “image sensor” in the rest of this description for the sake of simplicity).
  • image sensor The detailed operation of such a sensor is for example described in document EP2088763. It comprises a matrix of photodetectors arranged in a plurality of rows and columns. The charges generated by the photodetectors are moved from one row to another, in a direction of columns synchronously with the displacement of the imaged object. The last line of the matrix is moved in a shift register, or any other form of electronic component making it possible to extract the charges from this line, in order to constitute an image line of the object.
  • the matrix of photodetectors of the image sensor 5 is arranged in the detection plane P onto which the reflected beam is projected.
  • the image sensor 5 is arranged in the inspection device 1 to image the inspection field.
  • Such a matrix can have a very large number of rows and columns, for example more than 10,000 columns and several hundred rows.
  • the image sensor 5 is connected to the electronic control unit 7 in order to synchronize it with the displacement of the surface S according to the inspection direction I, and to repeatedly recover the lines of charges extracted from the matrix of end photodetectors. of columns.
  • a point of the surface S which moves in the inspection direction I is successively imaged on the photodetectors of a column of the matrix, that is to say on successive rows of the column.
  • the electric charge generated by a photodetector is moved synchronously from one row to another, in a column direction, so that the charge accumulated at the end of this scanning, at the end of the column, is representative. of the light reflected by the point of the surface S during the entire duration of its displacement, in the conjugate plane of the image sensor 5, along of the corresponding column of the sensor according to the inspection direction I.
  • the inspection device shown in Figure 1 also includes two confocal masks 6a, 6b arranged in conjugate planes of the surface S of the object vis-à-vis the chromatic system 3, and respectively placed in the optical path of the beam inspection and reflected beam.
  • a first confocal illumination mask 6a is here arranged on the diffusion device 21.
  • the mask has a plurality of illumination openings. These openings can be crossed by the inspection beam coming from the lighting system, and the confocal lighting mask blocks the beam outside these openings.
  • the inspection beam therefore consists of a plurality of lighting channels defined by the lighting openings, projecting onto the surface S at the level of a plurality of measurement points distributed in the inspection field of the device. 1, according to focal planes as a function of the wavelengths in the depth of field of the chromatic system 3.
  • a second confocal detection mask 6b is here arranged on the detection plane of the image sensor 5. Similar to the first confocal illumination mask 6a, the confocal detection mask 6b comprises a plurality of chromatic filtering openings (or confocal chromatic), conjugates of the lighting apertures of the confocal lighting mask 6a. More precisely, the lighting apertures and the chromatic filtering apertures are combined from the same measurement points by the chromatic system 3.
  • the confocal detection mask 6b and the image sensor 5 are arranged relative to one another so that the chromatic filtering openings of the confocal mask 6b are respectively placed opposite a photodetector or a group of photodetectors and illuminate part of the photodetectors of the array.
  • the confocal detection mask 6b can be plated, glued, or produced directly on the surface of the image sensor 5. It can in particular be produced by selective deposits of layers of dielectric or metallic materials on the surface of the sensor 5. .
  • the confocal detection mask 6b can also be produced in the form of an element distinct from the sensor 5, positioned in an optical plane conjugated to the sensor by a lens or an imaging system.
  • the lighting paths of the inspection beam pass through the chromatic objective 3a.
  • the beam is focused, according to the different wavelengths which constitute it, in focusing planes distributed over the very wide depth of field by the effect of the chromatic objective 3a.
  • the radiation from each illumination channel is reflected by the inspected surface S, arranged in the depth of field, at the measurement points, again passes through the chromatic objective 3a, and is projected onto the confocal detection mask 6b by the intermediate of the separator element 3b.
  • FIG 2 a block diagram of the confocal chromatic operation implemented by the device of Figure 1.
  • the illumination mask 6a has an illumination opening defining an inspection beam comprising here a single lighting channel.
  • the inspection beam is focused, as a function of the optical wavelengths present, on an extended depth of field.
  • a first wavelength lo of the beam which is focused in a focusing plane PfO and a second wavelength l ⁇ of the beam which focuses on a second focusing plane Pfl, quite distinct in the foreground.
  • the surface S to be inspected was placed at the level of the first focusing plane PfO, so that the illumination aperture of the mask illumination there image for the first wavelength.
  • the light at the first wavelength lo coming from the illumination opening is therefore reflected on the surface S in order to focus on the detection plane P of the image sensor 5, in the chromatic filtering opening of the mask detection 6b.
  • this light at the first wavelength lo reaches in all or almost all of its intensity the detection plane P through the opening of the mask.
  • the light at the second wavelength l ⁇ is not perfectly focused on the first focusing plane PfO in which the surface S resides. Consequently, this light is reflected diffusely, up to the mask of detection 6b which largely blocks it, so that little of its intensity reaches the detection plane P.
  • FIG. 3 shows a front view of the detection mask 6b, which here has 12 chromatic filtering openings O arranged in 4 columns and 3 rows.
  • the mask 6b is illuminated by the reflected beam in an assembly similar to that shown in FIG. 2.
  • Also shown in FIG. 3 is the outline of the light halo H corresponding to the projection onto the mask of radiation at wavelengths. reflected outside their focal planes on the inspected surface S.
  • the openings of the masks 6a, 6b are sufficiently far from each other, so that the diffuse halo associated with an opening does not cover too much of an area. neighboring opening.
  • the centers of two adjacent openings on the illumination mask 6a or on the detection mask 6b can be separated by a distance greater than twice the dimension of these openings (their diameters if these openings are circular).
  • moving the openings of the masks 6a, 6b away from one another leads to a reduction in the filling factor of the measurement points in the inspection field.
  • a reduction in the fill factor affects the inspection rate and the density of the measurement points.
  • the openings of the illumination and detection masks are cleverly arranged vis-à-vis the photodetectors of the image sensor 5.
  • FIG. 4 shows part of the photodetector matrix in the form of a grid G.
  • Each cell of the grid symbolizes a photodetector or a group of photodetectors.
  • the part of the matrix shown is composed of 5 columns (referenced C1 to C5) and 5 rows (referenced L1 to L5).
  • the openings of the masks 6a, 6b are represented by circles, here arranged in alignment with the photodetectors of the camera. These openings are capable of causing the reflected beam to pass, which is then projected onto the exposed photodetectors to be measured by the image sensor 5. It is noted that these are either the openings of the illumination mask 6a or of the optical mask. detection 6b, these two masks being optically conjugated to each other when the photodetectors are exposed.
  • the chromatic filtering openings are arranged on the confocal mask (6a, 6b) to respectively illuminate a plurality of photodetectors, or a plurality of groups of photodetectors, arranged on a column (C1-C5) of the matrix.
  • the image sensor 5 is synchronized with the movement of the surface to be inspected so that the plurality of photodetectors of a column under the openings is in correspondence with a plurality of measurement points arranged according to the inspection direction (I) .
  • the photodetectors of the column under the openings of the mask are successively exposed to the light coming from a measurement point.
  • a charge is recovered corresponding to the quantity of light reflected by the measurement point during an extended exposure time, corresponding to the exposure time of each photodetector multiplied by the number of openings in the column. In this way, it is possible to produce a high intensity image of the inspected surface and / or to increase the inspection rate.
  • the chromatic filtering openings are distributed over the confocal mask 6b in a complementary manner over at least two rows, that is to say for example only for a given column, if one row does not include an aperture of chromatic filtering, another line includes one.
  • a complementary distribution makes it possible to ensure that, for a group of rows which each include a chromatic filtering opening, for a sub-part of the columns, each column comprises the same number of chromatic filtering openings (for example example a) for the group of lines. In this way, a plurality of photodetectors are exposed, also distributed in a complementary manner over at least two rows of the matrix.
  • the photodetectors of lines L1 and L2, and of lines L3 and L4 are thus arranged in a complementary manner on these two lines.
  • two contiguous photodetectors in row or in column are not simultaneously exposed under an opening of the mask.
  • the openings are sufficiently separated from one another to limit the parasitic coupling between several detection channels.
  • the image sensor 5 is synchronized with the movement of the surface S to be inspected so that the photodetectors distributed over the lines correspond to a plurality of measurement points arranged similarly along lines arranged in a direction perpendicular to the inspection direction. (I).
  • FIG. 5 shows a first inspection field C11 as well as the measurement points (in dotted lines) imaged on the image sensor 5 of this inspection field.
  • the surface has been moved in the direction of inspection and a second inspection field CI2 has been shown as well as the measurement points in this field (in solid line).
  • the distribution on several complementary lines of the openings allows as the movement of the object to proceed to dense measurements in the inspection field.
  • the openings can be distributed in a complementary manner over a larger number of lines, which makes it possible to separate these openings even further from each other and to limit the coupling phenomenon even more. For a given dimension of the photodetector matrix, this amounts to placing fewer photodetectors on a column, and therefore affecting the quality of intensity of the image.
  • the confocal mask (6a, 6b) can comprise a plurality of groups of lines with a complementary distribution of the chromatic filtering openings. These groups of lines may for example comprise a distribution of identical chromatic filtering openings.
  • each measurement point of the object is imaged on the detector in a plurality of chromatic filtering apertures, sequentially, which makes it possible to accumulate more intensity or charges and to fully exploit the number of lines of the array of photodetectors.
  • the device as described makes it possible to obtain images in intensity, or in gray level, of the surface of the object, or in other words of its reflectivity.
  • the chromatic system performs an encoding of the height of the object in wavelength
  • a plurality of photodetectors are placed under the openings of the mask, respectively provided with color filters, for example RGB.
  • Each measurement point is then characterized by the intensity measurement in each of the spectra defined by these filters.
  • the photodetector (or the photodetectors) under an opening is provided with a single color filter, but the nature of this filter varies from one column to another, along the row.
  • the radiation emitted by adjacent measurement points of the surface S, corresponding to adjacent columns of the detector, is therefore detected by photodetectors respectively dedicated to a color.
  • the color information can advantageously be used by the electronic control unit 7 to estimate the elevation of the measurement points, and more specifically the distance separating the point. for measuring a reference plane of the device.
  • the control unit 7 can therefore estimate an average distance separating the surface S from this reference plane. It can control the displacement along the optical axis AO of the mobile support 4 on this average distance estimate to maintain the inspection surface S in the depth of field of the chromatic system 3 while moving this surface S along the inspection direction. I, during a measurement sequence.
  • the speed of movement of the surface S can for example reach a value of the order of 100 mm / second.
  • the invention is not limited to the embodiments described and it is possible to provide variant embodiments without departing from the scope of the invention as defined by the claims.
  • the two opaque illumination and detection masks 6a, 6b can be replaced by a single mask, arranged in this case under the separator element 3b.
  • the mask can for example be fixed directly under a splitter cube or a reflecting plate, for example by depositing an opaque material on this optical part.
  • the apertures of the single mask perform both the function of the illumination and color filtering apertures.
  • the openings of this mask are then optically conjugated from the surface S of the object by the chromatic system 3, and optically conjugated from the image sensor 5.

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Abstract

A device (1) for inspecting a surface (S) of an object, the device comprising a polychromatic light source (20) for projecting an inspection beam onto the surface (S); a confocal mask (6a, 6b) intercepting the inspection beam and a beam reflected by the surface, having a plurality of chromatic filtering openings; a chromatic system (3) spatially spreading the focusing of the inspection beam over focusing planes along an optical axis (AO) in a depth of field, intercepting the reflected beam so as to project it onto a conjugated detection plane (P) of the focusing planes; a movable support (4) for positioning the surface (S) in the depth of field; a timed integration image sensor (5) synchronised with the movement of the surface, the image sensor (5) comprising a matrix of photodetectors disposed in the detection plane (P), the chromatic filtering openings of the confocal mask illuminating part of the photodetectors.

Description

DESCRIPTION DESCRIPTION
TITRE : DISPOSITIF D'INSPECTION D'UNE SURFACE D'UN OBJET TITLE: DEVICE FOR INSPECTING THE SURFACE OF AN OBJECT
DOMAINE DE L' INVENTION FIELD OF THE INVENTION
La présente invention concerne un dispositif d'inspection d'une surface d'un objet. Un dispositif conforme à l'invention permet l'inspection de la surface de l'objet lorsque celle-ci comprend de fortes variations de hauteur et permet de générer à hautes cadences des images d' intensité représentatives de la réflectivité de cette surface avec une profondeur de champ étendue et une grande résolution latérale. D'une manière générale, l'invention relève du domaine de l'imagerie pour l'inspection et le contrôle d'objets, tels que des substrats pour l'industrie du semi-conducteur ou de l'optique intégrée (plaquettes semi-conductrices ou substrats sous toutes les formes, en cours ou en fin de fabrication de dispositifs à semi- conducteurs) , ou d'autres objets dans les domaines de la mécanique ou l'industrie manufacturière par exemple (micro mécanismes, pièces ou assemblage d'horlogerie, systèmes assemblés) . The present invention relates to a device for inspecting a surface of an object. A device according to the invention allows the inspection of the surface of the object when the latter comprises strong variations in height and makes it possible to generate at high rates intensity images representative of the reflectivity of this surface with a depth. wide field of view and high lateral resolution. In general, the invention relates to the field of imaging for the inspection and control of objects, such as substrates for the semiconductor industry or for integrated optics (semiconductor wafers or substrates in all forms, during or at the end of the manufacture of semiconductor devices), or other objects in the fields of mechanics or the manufacturing industry for example (micro mechanisms, parts or assembly of watchmaking , assembled systems).
ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L' INVENTION TECHNOLOGICAL BACKGROUND OF THE INVENTION
Dans le domaine de l'industrie du semiconducteur, l'augmentation des cadences de production des plaquettes de dispositifs à semi- conducteurs et la réduction de la taille des motifs créent un besoin croissant d'inspection en imagerie à hautes cadences. Les méthodes pour imager ces plaquettes doivent ainsi permettre la localisation rapide des défauts, structures et motifs sur toute la surface des plaquettes. Par ailleurs, du fait de la courbure des plaquettes notamment, ou du fait de la hauteur des structures à imager (bords de wafer, ...) , il est nécessaire de pouvoir effectuer des images nettes dans une zone de profondeur de champ étendue. Dans d'autres domaines, tels que ceux de la micromécanique ou l'horlogerie, les objets à inspecter peuvent avoir un relief ou des différences de hauteur importantes, nécessitant également des profondeurs de champ étendues. In the field of the semiconductor industry, the increase in the production rates of semiconductor device wafers and the reduction in the size of the patterns create a growing need for high-speed imaging inspection. The methods for imaging these platelets must thus allow the rapid localization of defects, structures and patterns over the entire surface of the platelets. Moreover, due to the curvature of the platelets in particular, or due to the height of the structures to be imaged (wafer edges, etc.), it is necessary to be able to take clear images in an area of extended depth of field. In other fields, such as those of micromechanics or watchmaking, the objects to be inspected may have significant relief or height differences, also requiring extended depths of field.
On connaît des systèmes d' imagerie optique tels que des microscopes classiques. Ces systèmes sont en général limités en profondeur de champ : la limite de diffraction optique fait qu'il est très difficile d'avoir à la fois un fort grossissement et une grande profondeur de champ. Ceci est particulièrement pénalisant lors du contrôle de surfaces éloignées ou de structures avec des hauteurs ou des profondeurs significatives. Ce problème est généralement résolu en maintenant l'objectif à distance voulue de la surface mesurée, par un système de type autofocus. Cela se traduit par des vitesses de déplacement diminuées et des systèmes plus complexes, voire la nécessité d'effectuer plusieurs passages pour acquérir les images. Optical imaging systems such as conventional microscopes are known. These systems are generally limited in depth of field: the optical diffraction limit makes it very difficult to have both a high magnification and a great depth of field. This is particularly penalizing when checking remote surfaces or structures with significant heights or depths. This problem is generally solved by keeping the objective at a desired distance from the measured surface, by an autofocus type system. This results in reduced displacement speeds and more complex systems, or even the need to perform several passes to acquire the images.
Le document US 8,654,324 met en œuvre une méthode pour augmenter la profondeur de champ en exploitant la dispersion chromatique d'un objectif chromatique. La lumière transmise au travers d'une fente est projetée sur un objet au travers d'un objectif chromatique. La lumière réfléchie par la surface inspectée est renvoyée vers l'objectif chromatique puis transmise au travers d'une fente placée devant un détecteur linéaire. L'objectif chromatique utilisé dans cette configuration permet d'augmenter la profondeur de champ de mesure en exploitant le fait que différentes longueurs d'onde sont focalisées à différentes distances sur l'objet. Cependant, ce système n'est pas adapté à la formation d' images d' intensité en deux dimensions et avec une grande résolution latérale. Ceci du fait de sa configuration en fente qui ne respecte pas les critères d'une détection confocale dans une dimension et génère ainsi de la diaphonie ou cross-talk entre voies de mesure. Document US Pat. No. 8,654,324 implements a method for increasing the depth of field by exploiting the chromatic dispersion of a chromatic lens. Light transmitted through a slit is projected onto an object through a chromatic lens. The light reflected from the inspected surface is returned to the chromatic objective and then transmitted through a slit placed in front of a linear detector. The chromatic objective used in this configuration makes it possible to increase the measurement depth of field by exploiting the fact that different wavelengths are focused at different distances on the object. However, this system is not suitable for the formation of intensity images in two dimensions and with high lateral resolution. This is because of its slot configuration which does not meet the criteria of confocal detection in one dimension and thus generates crosstalk or cross-talk between measurement channels.
Le document US 9,739,600 B1 décrit un système permettant la localisation de motifs selon deux dimensions avec une profondeur de champ étendue obtenue par un objectif chromatique. Le profil ou la distance des structures identifiées peuvent être mesurés par le même instrument en respectant les critères d'une détection confocale, avec un minimum de cross-talk entre voies de mesure. La vitesse d'acquisition du système est toutefois directement limitée par la quantité de lumière collectée par le photodétecteur et surtout par le nombre de voies de mesure qu' il est possible d'implémenter. Document US Pat. No. 9,739,600 B1 describes a system making it possible to locate patterns in two dimensions with an extended depth of field obtained by a chromatic lens. The profile or the distance of the identified structures can be measured by the same instrument while respecting the criteria of a detection confocal, with a minimum of cross-talk between measurement channels. The acquisition speed of the system is however directly limited by the quantity of light collected by the photodetector and above all by the number of measurement channels that it is possible to implement.
Plus particulièrement, les cadences d'inspection dépendent de l'optimisation du facteur de remplissage des points de mesures sur les plaquettes inspectées et définissant la densité de points mesurés à chaque instant. Le facteur de remplissage est défini comme le rapport entre le diamètre des points de mesure (diamètre du faisceau de lumière projeté sur la plaquette au point de focalisation) et la séparation entre deux points de mesure. Ainsi, l'utilisation de fibres optiques ou de circuits optiques intégrés pose une limitation physique sur la possibilité de rapprocher les voies de mesure entre elles. More particularly, the inspection rates depend on the optimization of the filling factor of the measurement points on the wafers inspected and defining the density of points measured at each instant. The fill factor is defined as the ratio between the diameter of the measurement points (diameter of the light beam projected onto the wafer at the focal point) and the separation between two measurement points. Thus, the use of optical fibers or integrated optical circuits poses a physical limitation on the possibility of bringing the measurement channels closer together.
Un des objectifs de l'invention est de proposer un dispositif pour imager rapidement sur une profondeur de champ étendue une surface d'un objet. One of the objectives of the invention is to provide a device for rapidly imaging a surface of an object over an extended depth of field.
Un autre objectif de l'invention est de proposer un tel dispositif permettant une grande densité de points de mesure (résolution spatiale élevée) tout en minimisant le couplage de lumière (cross-talk) entre les voies de détection. Another objective of the invention is to provide such a device allowing a high density of measurement points (high spatial resolution) while minimizing the light coupling (cross-talk) between the detection channels.
Un autre objectif de l'invention est de permettre une localisation et une inspection de structures et de motifs d'une surface d'un objet tel qu'un substrat semi-conducteur. Another objective of the invention is to allow localization and inspection of structures and patterns of a surface of an object such as a semiconductor substrate.
BREVE DESCRIPTION DE L' INVENTION BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION
En vue de la réalisation de l'un de ces buts, l'invention propose un dispositif d'inspection d'une surface d'un objet, le dispositif comprenant : With a view to achieving one of these aims, the invention provides a device for inspecting a surface of an object, the device comprising:
- au moins une source de lumière polychromatique pour projeter un faisceau d' inspection sur la surface ; au moins un masque confocal interceptant le faisceau d'inspection et un faisceau réfléchi par la surface, le masque confocal présentant une pluralité d'ouvertures de filtrage chromatique ; - at least one polychromatic light source for projecting an inspection beam onto the surface; at least one confocal mask intercepting the inspection beam and a beam reflected from the surface, the confocal mask having a plurality of chromatic filtering apertures;
- un système chromatique étalant spatialement la focalisation du faisceau d'inspection en fonction de longueurs d'onde présentes, selon des plans de focalisation le long d'un l'axe optique dans une profondeur de champ, et interceptant le faisceau réfléchi par la surface pour le projeter sur un plan de détection conjugué des plans de focalisation; - a chromatic system spatially spreading the focus of the inspection beam as a function of present wavelengths, according to focusing planes along an optical axis in a depth of field, and intercepting the beam reflected by the surface to project it onto a detection plane combined with the focusing planes;
- un support mobile pour recevoir l'objet et positionner la surface dans la profondeur de champ du système chromatique, le support pouvant être commandé pour déplacer la surface relativement au système chromatique au moins selon une direction d' inspection ; a mobile support for receiving the object and positioning the surface in the depth of field of the chromatic system, the support being controllable to move the surface relative to the chromatic system at least in an inspection direction;
- un capteur d' image à intégration temporisée synchronisé au déplacement de la surface selon la direction d' inspection, le capteur d' image comprenant une matrice de photodétecteurs disposée dans le plan de détection, les ouvertures de filtrage chromatique du masque confocal éclairant une partie des photodétecteurs . - a timed integration image sensor synchronized with the displacement of the surface in the direction of inspection, the image sensor comprising a matrix of photodetectors arranged in the detection plane, the chromatic filtering openings of the confocal mask illuminating a part. photodetectors.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives de l'invention, prises seules ou selon toute combinaison techniquement réalisable : According to other advantageous and non-limiting characteristics of the invention, taken alone or in any technically feasible combination:
• les ouvertures de filtrage chromatique sont agencées sur le masque confocal pour éclairer une pluralité de photodétecteurs disposée sur une colonne de la matrice correspondant à une pluralité de points de mesure agencés selon la direction d' inspection ; • the chromatic filtering openings are arranged on the confocal mask to illuminate a plurality of photodetectors arranged on a column of the matrix corresponding to a plurality of measurement points arranged according to the inspection direction;
• les ouvertures de filtrage chromatique sont réparties de manière complémentaire sur au moins deux lignes du masque confocal pour éclairer une pluralité de photodétecteurs correspondant à une pluralité de points de mesure disposés selon au moins deux lignes agencées selon une direction perpendiculaire à la direction d' inspection ; • le masque confocal comprend une pluralité de groupes d'au moins deux lignes comprenant des ouvertures de filtrage chromatique réparties de manière complémentaire sur lesdites au moins deux lignes ; • the chromatic filtering openings are distributed in a complementary manner over at least two lines of the confocal mask to illuminate a plurality of photodetectors corresponding to a plurality of measurement points arranged along at least two lines arranged in a direction perpendicular to the inspection direction ; • the confocal mask comprises a plurality of groups of at least two lines comprising chromatic filtering apertures distributed in a complementary manner over said at least two lines;
• le dispositif comprend un masque confocal d'éclairage disposé dans le faisceau d' inspection et un masque confocal de détection disposé dans le faisceau réfléchi, le masque confocal d'éclairage et le masque confocal de détection étant respectivement placés dans un plan conjugué des plans de focalisation vis-à-vis du système chromatique ; • the device comprises a confocal illumination mask arranged in the inspection beam and a confocal detection mask arranged in the reflected beam, the confocal illumination mask and the confocal detection mask being respectively placed in a conjugate plane of the planes. of focusing vis-à-vis the chromatic system;
• le masque confocal de détection est réalisé par un dépôt d' au moins un matériau sur la surface du capteur d' image ; • the confocal detection mask is produced by depositing at least one material on the surface of the image sensor;
• le dispositif d' inspection comprend un masque confocal unique, disposé dans un plan conjointement conjugué du plan de détection et des plans de focalisation vis-à-vis du système chromatique ; • the inspection device comprises a single confocal mask, arranged in a jointly conjugated plane of the detection plane and of the focusing planes with respect to the chromatic system;
• la source de lumière polychromatique comprend une lampe halogène ou une barrette de diodes électroluminescentes, associée à un dispositif de diffusion pour homogénéiser l'intensité du faisceau d'inspection ; • the polychromatic light source comprises a halogen lamp or an array of electroluminescent diodes, associated with a diffusion device to homogenize the intensity of the inspection beam;
• le système chromatique comprend un objectif chromatique ; • the chromatic system includes a chromatic lens;
• l'objectif chromatique comprend une lentille ou une combinaison de lentilles, au moins une lentille de diffraction et/ou au moins une métalentille ; • the chromatic objective comprises a lens or a combination of lenses, at least one diffraction lens and / or at least one metal lens;
• le système chromatique comprend un élément séparateur ; • the chromatic system includes a separator element;
• l'élément séparateur est un cube séparateur ou une lame semi-réfléchissante ; • the separator element is a separator cube or a semi-reflecting plate;
• les photodétecteurs sont munis d'un filtre de couleur ; • les ouvertures de filtrage chromatique sont agencées pour éclairer chacune une pluralité de photodétecteurs munis de filtres de couleur différentes. • the photodetectors are fitted with a color filter; • the chromatic filtering openings are arranged to each illuminate a plurality of photodetectors provided with different color filters.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée de l'invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquelles : Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the detailed description of the invention which will follow with reference to the appended figures in which:
[Fig. 1] La figure 1 représente un dispositif d'inspection conforme à un premier mode de mise en œuvre de l'invention ; [Fig. 1] Figure 1 shows an inspection device according to a first embodiment of the invention;
[Fig. 2] La figure 2 représente un schéma de principe du fonctionnement chromatique confocal mis en œuvre par le dispositif de la figure 1 ; [Fig. 2] FIG. 2 represents a block diagram of the confocal chromatic operation implemented by the device of FIG. 1;
[Fig. 3] La figure 3 représente une vue de face d'un masque de détection éclairé par un faisceau réfléchi ; [Fig. 3] FIG. 3 represents a front view of a detection mask illuminated by a reflected beam;
[Fig. 4] La figure 4 représente un agencement d'ouverture sur un masque confocal en alignement à une matrice de photodétection ; [Fig. 4] Figure 4 shows an opening arrangement on a confocal mask in alignment with a photodetection array;
[Fig. 5] La figure 5 représente deux champs d'inspection à la surface d'une surface à inspecter. [Fig. 5] Figure 5 shows two inspection fields on the surface of a surface to be inspected.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L' INVENTION DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Par souci de simplification de la description à venir, les mêmes références sont utilisées pour des éléments identiques ou assurant la même fonction dans l'état de la technique ou dans les différents modes de mise en œuvre exposés du dispositif. La figure 1 représente un premier mode de mise en œuvre d'un dispositif d'inspection conforme à la présente invention. For the sake of simplification of the description to come, the same references are used for elements which are identical or perform the same function in the state of the art or in the various embodiments disclosed of the device. FIG. 1 represents a first embodiment of an inspection device according to the present invention.
D'une manière générale, le dispositif d'inspection 1 projette un faisceau lumineux d'inspection sur une surface S d'un objet inspecté. Le faisceau se réfléchit sur cette surface S pour projeter sur un plan de détection P d'un capteur d'image 5. In general, the inspection device 1 projects an inspection light beam onto a surface S of an inspected object. The beam is reflected on this surface S to project onto a detection plane P of an image sensor 5.
L'objet inspecté, tel qu'un substrat semi-conducteur, est disposé sur un support mobile 4 du dispositif d'inspection 1, par exemple une table dont le déplacement peut être contrôlé. Le support mobile 4 permet de déplacer la surface selon au moins une direction d'inspection I sous le faisceau d'inspection. The inspected object, such as a semiconductor substrate, is placed on a movable support 4 of the inspection device 1, for example a table whose movement can be controlled. The mobile support 4 makes it possible to move the surface in at least one inspection direction I under the inspection beam.
Le dispositif d'inspection 1 comprend un système d'éclairage 2 comportant une source de lumière polychromatique 20 pour former le faisceau d'inspection. La source 20 émet donc plusieurs longueurs d'onde qui peuvent être par exemple comprises dans le spectre visible, dans un intervalle de longueurs d'onde compris entre 380 nm à 700 nm, ou dans l'infrarouge au-delà de 700nm. The inspection device 1 comprises a lighting system 2 comprising a polychromatic light source 20 to form the inspection beam. The source 20 therefore emits several wavelengths which may for example be included in the visible spectrum, in a range of wavelengths between 380 nm to 700 nm, or in the infrared beyond 700 nm.
D'une manière générale, les longueurs d'onde composant le spectre d'émission de la source 20 sont choisies selon la nature de l'objet inspecté et des couches qui sont susceptibles de le recouvrir. On choisira les longueurs d'onde de la source polychromatique 20 pour que le faisceau d'inspection soit réfléchi par la surface S de l'objet que l'on souhaite inspecter. En outre, lorsqu'une couche de recouvrement est présente, on peut choisir les longueurs d'onde de la source polychromatique 20 pour qu'elles soient comprises dans le spectre de transparence de cette couche de recouvrement. In general, the wavelengths making up the emission spectrum of the source 20 are chosen according to the nature of the object inspected and the layers which are likely to cover it. The wavelengths of the polychromatic source 20 will be chosen so that the inspection beam is reflected by the surface S of the object to be inspected. In addition, when a covering layer is present, the wavelengths of the polychromatic source 20 can be chosen so that they are included in the transparency spectrum of this covering layer.
A titre d'exemple, la source de lumière polychromatique 20 peut être formée d'une lampe halogène ou d'une barrette de diodes électroluminescentes . By way of example, the polychromatic light source 20 can be formed from a halogen lamp or from an array of light-emitting diodes.
On cherche de manière générale à former un faisceau d'inspection de dimension transverse importante de manière à éclairer une large portion de la surface S inspectée, désignée « champ d'inspection » dans la suite de cette description. Dans une application dans le domaine du semiconducteur, le champ d' inspection peut présenter une dimension comprise entre quelques centaines de microns et quelques millimètres de côté. A cet effet, on peut prévoir, comme c'est le cas sur le mode de mise en œuvre représenté sur la figure 1, un dispositif de diffusion 21 pour homogénéiser l'intensité du faisceau lumineux d'inspection produit par le système d'éclairage 2. Le dispositif de diffusion 21 peut par exemple être réalisé par un verre dépoli ou par un élément de guidage optique assurant un mélange des modes de propagation du rayonnement produit par la source polychromatique 20 de manière à rendre homogène l'intensité du faisceau d'inspection. In general, we seek to form an inspection beam of large transverse dimension so as to illuminate a large portion of the inspected surface S, designated “inspection field” in the remainder of this description. In an application in the field of semiconductors, the inspection field can have a dimension of between a few hundred microns and a side of a few millimeters. To this end, it is possible to provide, as is the case in the embodiment shown in FIG. 1, a diffusion device 21 for homogenizing the intensity of the inspection light beam produced by the lighting system. 2. The diffusion device 21 can for example be produced by a ground glass or by an optical guiding element ensuring a mixture of the propagation modes of the radiation produced by the polychromatic source 20 so as to make the intensity of the beam homogeneous. inspection.
On peut également prévoir des fibres optiques 22 ou toutes autres formes de guide d'un rayonnement lumineux, pour conduire le faisceau lumineux produit par la source 20 jusqu'à la zone d'injection du faisceau d'inspection dans le dispositif 1, ici occupé par le dispositif de diffusion 21. It is also possible to provide optical fibers 22 or any other form of guide for light radiation, to conduct the light beam produced by the source 20 as far as the injection zone of the inspection beam into the device 1, here occupied by the distribution device 21.
Bien entendu, le système d'éclairage 20 n'est pas limité à celui décrit de ce mode de mise en œuvre. On peut par exemple envisager qu'il soit composé d'une source de lumière polychromatique à super continuum dont le rayonnement est guidé par au moins un guide optique jusqu'à la zone d'injection. Of course, the lighting system 20 is not limited to that described of this mode of implementation. For example, it can be envisaged that it is composed of a polychromatic super-continuum light source, the radiation of which is guided by at least one optical guide to the injection zone.
Poursuivant description de la figure 1, le dispositif d'inspection 1 comprend également un système chromatique 3 disposé sur le chemin optique du faisceau d'inspection et du faisceau réfléchi. Le système chromatique 3 génère une dispersion chromatique de la lumière qui le traverse et ainsi étale spatialement la focalisation du faisceau d' inspection polychromatique, en fonction des longueurs d'ondes présentes, selon des plans de focalisation répartis le long d'un axe optique AO dans une profondeur de champ du système chromatique 3 étendue par rapport à la profondeur de champ obtenue pour une longueur d'onde individuelle. À cet effet, le système chromatique 3 comprend un objectif chromatique 3a conduisant à focaliser les différentes longueurs d'onde du faisceau d'inspection, sur toute son étendue transverse, à des distances différentes de l'objectif. L'objectif chromatique 3 peut être réalisé de multiples manières, par exemple par l'intermédiaire d'une lentille ou d'une combinaison de lentilles. Ces lentilles peuvent intercepter toute l'étendue transverse du faisceau d'inspection, ou être respectivement dédiées à des portions de ce faisceau constituant des voies de mesure. Il peut également s'agir de lentilles de diffraction ou de dispositifs holographiques. Il peut également s'agir de métalentilles , c'est-à-dire d'éléments optiques réflectifs ou transmissifs présentant des surfaces de réflexion ou de transmission structurées. Les motifs constituant cette structuration de surface présentent des dimensions plus petites que les longueurs d'onde du faisceau lumineux d'inspection et affectent la phase du rayonnement de ce faisceau et donc sa forme et sa propagation. Les motifs en surface des éléments optiques peuvent être fabriqués par des méthodes connues de photolithographie et de gravure. Continuing the description of FIG. 1, the inspection device 1 also comprises a chromatic system 3 arranged on the optical path of the inspection beam and of the reflected beam. The chromatic system 3 generates a chromatic dispersion of the light which passes through it and thus spatially spreads the focus of the polychromatic inspection beam, as a function of the wavelengths present, according to focusing planes distributed along an optical axis AO in a depth of field of the chromatic system 3 extended with respect to the depth of field obtained for an individual wavelength. For this purpose, the chromatic system 3 comprises a chromatic objective 3a leading to focusing the different wavelengths of the inspection beam, over its entire transverse extent, at different distances from the objective. The chromatic objective 3 can be achieved in multiple ways, for example by means of a lens or a combination of lenses. These lenses can intercept the entire transverse extent of the inspection beam, or be respectively dedicated to portions of this beam constituting measurement channels. They can also be diffraction lenses or holographic devices. They can also be metal lenses, that is to say reflective or transmissive optical elements having structured reflection or transmission surfaces. The patterns constituting this surface structuring have dimensions smaller than the wavelengths of the inspection light beam and affect the phase of the radiation of this beam and therefore its shape and its propagation. The patterns on the surface of the optical elements can be produced by known methods of photolithography and etching.
Quelle que soit la nature de l'objectif chromatique 3a, celui- ci est choisi pour présenter une aberration chromatique importante, conduisant à étaler spatialement le faisceau d'inspection, selon les longueurs d'onde qui le compose, selon des plans de focalisation disposés dans la profondeur de champ du système chromatique 3. Cette profondeur de champ peut par exemple s'étendre sur une distance de 100 à 200 microns. Whatever the nature of the chromatic objective 3a, the latter is chosen to present a significant chromatic aberration, leading to spatially spreading the inspection beam, according to the wavelengths which compose it, according to arranged focusing planes. in the depth of field of the chromatic system 3. This depth of field can for example extend over a distance of 100 to 200 microns.
Pendant une mesure, la surface S de l'objet inspecté est disposée dans la profondeur de champ du système chromatique 3. À cet effet, on peut prévoir que le support mobile 4 puisse ajuster la position de la surface S en déplaçant l'objet inspecté selon la direction de l'axe AO du système chromatique 3, de manière à maintenir la surface S de l'objet dans la profondeur de champ. Cette caractéristique est notamment intéressante lorsque la surface S présente des reliefs importants en élévation ou en dépression . During a measurement, the surface S of the inspected object is placed in the depth of field of the chromatic system 3. For this purpose, provision can be made for the mobile support 4 to be able to adjust the position of the surface S by moving the inspected object. in the direction of the axis AO of the chromatic system 3, so as to maintain the surface S of the object in the depth of field. This characteristic is particularly advantageous when the surface S has significant reliefs in elevation or depression.
En conséquence, et de manière avantageuse, le support mobile 4 peut être constitué d'une table pourvue de moyens pouvant contrôler son déplacement dans un plan perpendiculaire au faisceau d' inspection afin de déplacer la surface selon la direction d'inspection I, et des moyens complémentaires assurant un déplacement selon une direction perpendiculaire à ce plan afin de maintenir la surface S dans la profondeur de champ du système chromatique 3. Toutefois, dans la mesure où la profondeur de champ du système chromatique 3 est étendue, les contraintes pour y maintenir la surface S sont relâchées par rapport à un système achromatique. Consequently, and advantageously, the movable support 4 can consist of a table provided with means capable of controlling its movement in a plane perpendicular to the inspection beam in order to move the surface in the inspection direction I, and complementary means ensuring a displacement in a direction perpendicular to this plane in order to maintain the surface S in the depth of field of the chromatic system 3. However, insofar as the depth of field of the chromatic system 3 is extended, the constraints to maintain there the surface S are relaxed relative to an achromatic system.
Le déplacement dans l'espace de la surface S au cours d'une séquence de mesure peut être contrôlée par une unité électronique de commande 7. Celle-ci peut également collecter la trajectoire réalisée au cours de la séquence de mesure afin de pouvoir reconstituer une image fidèle de la surface inspectée S. The displacement in space of the surface S during a measurement sequence can be controlled by an electronic control unit 7. The latter can also collect the trajectory made during the measurement sequence in order to be able to reconstitute a faithful image of the inspected surface S.
Poursuivant la description du mode de mise en œuvre représenté sur la figure 1, le système chromatique 3 est également pourvu d'un élément séparateur 3b, par exemple un cube séparateur ou une lame réfléchissante, pour intercepter le faisceau réfléchi par la surface S et le projeter sur un plan de détection P d'un capteur d'image 5. L'élément séparateur 3b est disposé sur le chemin optique du faisceau réfléchi, en aval de l'optique chromatique 3a, si bien que le faisceau réfléchi traverse cet objectif 3a avant de se projeter sur le plan de détection P. Continuing the description of the embodiment shown in Figure 1, the chromatic system 3 is also provided with a splitter element 3b, for example a splitter cube or a reflecting plate, to intercept the beam reflected by the surface S and the project onto a detection plane P of an image sensor 5. The splitter element 3b is placed on the optical path of the reflected beam, downstream from the chromatic optic 3a, so that the reflected beam passes through this objective 3a before projecting onto the detection plane P.
D'autres pièces optiques du système chromatique 3 peuvent être placées sur le chemin optique entre l'élément séparateur 3b et le plan de détection du capteur d'image 5, mais dans tous les cas, le plan de détection P est disposé dans un plan conjugué, vis-à-vis du système chromatique 3, des plans de focalisation. Selon l'invention, le capteur d'image 5 est un capteur d'image à intégration temporisée (désigné par « capteur d' image » dans la suite de cet exposé pour plus de simplicité) . Le fonctionnement détaillé d'un tel capteur est par exemple décrit dans le document EP2088763. Il comprend une matrice de photodétecteurs agencés selon une pluralité de lignes et de colonnes. Les charges générées par les photodétecteurs sont déplacées d'une ligne à l'autre, selon une direction de colonnes de manière synchrone avec le déplacement de l'objet imagé. La dernière ligne de la matrice est déplacée dans un registre à décalage, ou toute autre forme de composant électronique permettant d'extraire les charges de cette ligne, afin de constituer une ligne d'image de l'objet. Other optical parts of the chromatic system 3 can be placed on the optical path between the separator element 3b and the detection plane of the image sensor 5, but in all cases the detection plane P is arranged in a plane conjugate, with respect to the chromatic system 3, of the focusing planes. According to the invention, the image sensor 5 is a timed integration image sensor (designated by “image sensor” in the rest of this description for the sake of simplicity). The detailed operation of such a sensor is for example described in document EP2088763. It comprises a matrix of photodetectors arranged in a plurality of rows and columns. The charges generated by the photodetectors are moved from one row to another, in a direction of columns synchronously with the displacement of the imaged object. The last line of the matrix is moved in a shift register, or any other form of electronic component making it possible to extract the charges from this line, in order to constitute an image line of the object.
Dans le dispositif d'inspection 1, la matrice de photodétecteurs du capteur d' image 5 est disposée dans le plan de détection P sur lequel se projette le faisceau réfléchi. En d'autres termes, le capteur d' image 5 est disposé dans le dispositif d' inspection 1 pour imager le champ d'inspection. Une telle matrice peut présenter un nombre très important de lignes et de colonnes, par exemple plus de 10 mille colonnes et plusieurs centaines de lignes . In the inspection device 1, the matrix of photodetectors of the image sensor 5 is arranged in the detection plane P onto which the reflected beam is projected. In other words, the image sensor 5 is arranged in the inspection device 1 to image the inspection field. Such a matrix can have a very large number of rows and columns, for example more than 10,000 columns and several hundred rows.
Le capteur d'image 5 est relié à l'unité électronique de commande 7 afin de le synchroniser au déplacement de la surface S selon la direction d'inspection I, et pour récupérer répétitivement les lignes de charges extraites de la matrice de photodétecteurs en bout de colonnes. Dans cette configuration, et en l'absence de tout masquage, un point de la surface S qui se déplace selon la direction d' inspection I est imagé successivement sur les photodétecteurs d'une colonne de la matrice, c'est-à-dire sur des lignes successives de la colonne. Simultanément, la charge électrique générée par un photodétecteur est déplacée de manière synchrone d'une ligne à l'autre, selon une direction de colonne, si bien que la charge accumulée à l'issue de ce balayage, en bout de colonne, est représentative de la lumière réfléchie par le point de la surface S pendant toute la durée de son déplacement, dans le plan conjugué du capteur d'image 5, le long de la colonne correspondante du capteur selon la direction d' inspection I . The image sensor 5 is connected to the electronic control unit 7 in order to synchronize it with the displacement of the surface S according to the inspection direction I, and to repeatedly recover the lines of charges extracted from the matrix of end photodetectors. of columns. In this configuration, and in the absence of any masking, a point of the surface S which moves in the inspection direction I is successively imaged on the photodetectors of a column of the matrix, that is to say on successive rows of the column. Simultaneously, the electric charge generated by a photodetector is moved synchronously from one row to another, in a column direction, so that the charge accumulated at the end of this scanning, at the end of the column, is representative. of the light reflected by the point of the surface S during the entire duration of its displacement, in the conjugate plane of the image sensor 5, along of the corresponding column of the sensor according to the inspection direction I.
Le dispositif d' inspection représenté sur la figure 1 comprend également deux masques confocaux 6a, 6b disposés dans des plans conjugués de la surface S de l'objet vis-à-vis du système chromatique 3, et respectivement placés dans le chemin optique du faisceau d'inspection et du faisceau réfléchi. The inspection device shown in Figure 1 also includes two confocal masks 6a, 6b arranged in conjugate planes of the surface S of the object vis-à-vis the chromatic system 3, and respectively placed in the optical path of the beam inspection and reflected beam.
Un premier masque confocal d'éclairage 6a est ici disposé sur le dispositif de diffusion 21. Le masque présente une pluralité d'ouvertures d'éclairage. Ces ouvertures peuvent être traversées par le faisceau d'inspection issue du système d'éclairage, et le masque confocal d'éclairage bloque le faisceau en dehors de ces ouvertures. Le faisceau d'inspection est donc constitué d'une pluralité de voies d'éclairage définie par les ouvertures d'éclairage, se projetant sur la surface S au niveau d'une pluralité de points de mesures réparties dans le champ d'inspection du dispositif 1, selon des plans de focalisation en fonction des longueurs d' ondes dans la profondeur de champ du système chromatique 3. A first confocal illumination mask 6a is here arranged on the diffusion device 21. The mask has a plurality of illumination openings. These openings can be crossed by the inspection beam coming from the lighting system, and the confocal lighting mask blocks the beam outside these openings. The inspection beam therefore consists of a plurality of lighting channels defined by the lighting openings, projecting onto the surface S at the level of a plurality of measurement points distributed in the inspection field of the device. 1, according to focal planes as a function of the wavelengths in the depth of field of the chromatic system 3.
Un deuxième masque confocal de détection 6b est ici disposé sur le plan de détection du capteur d'image 5. Similairement au premier masque confocal d'éclairage 6a, le masque confocal de détection 6b comprend une pluralité d'ouvertures de filtrage chromatique (ou confocal chromatique) , conjuguées des ouvertures d'éclairage du masque confocal d'éclairage 6a. Plus précisément, les ouvertures d'éclairage et les ouvertures de filtrage chromatique sont conjuguées des mêmes points de mesure par le système chromatique 3. A second confocal detection mask 6b is here arranged on the detection plane of the image sensor 5. Similar to the first confocal illumination mask 6a, the confocal detection mask 6b comprises a plurality of chromatic filtering openings (or confocal chromatic), conjugates of the lighting apertures of the confocal lighting mask 6a. More precisely, the lighting apertures and the chromatic filtering apertures are combined from the same measurement points by the chromatic system 3.
Le masque confocal de détection 6b et le capteur d' image 5 sont disposés l'un par rapport à l'autre pour que les ouvertures de filtrage chromatique du masque confocal 6b soient respectivement mises en vis-à-vis d'un photodétecteur ou un groupe de photodétecteurs et éclairent une partie des photodétecteurs de la matrice. Pour cela, le masque confocal de détection 6b peut être plaqué, collé, ou réalisé directement sur la surface du capteur d'image 5. Il peut notamment être réalisé par des dépôts sélectifs de couches de matériaux diélectriques ou métalliques sur la surface du capteur 5. The confocal detection mask 6b and the image sensor 5 are arranged relative to one another so that the chromatic filtering openings of the confocal mask 6b are respectively placed opposite a photodetector or a group of photodetectors and illuminate part of the photodetectors of the array. For this, the confocal detection mask 6b can be plated, glued, or produced directly on the surface of the image sensor 5. It can in particular be produced by selective deposits of layers of dielectric or metallic materials on the surface of the sensor 5. .
Le masque confocal de détection 6b peut également être réalisé sous la forme d'un élément distinct du capteur 5, positionné dans un plan optique conjugué du capteur par une lentille ou un système d'imagerie. The confocal detection mask 6b can also be produced in the form of an element distinct from the sensor 5, positioned in an optical plane conjugated to the sensor by a lens or an imaging system.
Dans le dispositif d'inspection 1 ainsi configuré, les voies d'éclairage du faisceau d'inspection traversent l'objectif chromatique 3a. Le faisceau se focalise, suivant les différentes longueurs d'ondes qui le constituent, dans des plans de focalisation répartis sur la profondeur de champ très étendue par l'effet de l'objectif chromatique 3a. Le rayonnement de chaque voie d'éclairage est réfléchi par la surface inspectée S, disposée dans la profondeur de champ, aux points de mesure, traverse à nouveau l'objectif chromatique 3a, et est projeté sur le masque confocal de détection 6b par l'intermédiaire de l'élément séparateur 3b. In the inspection device 1 thus configured, the lighting paths of the inspection beam pass through the chromatic objective 3a. The beam is focused, according to the different wavelengths which constitute it, in focusing planes distributed over the very wide depth of field by the effect of the chromatic objective 3a. The radiation from each illumination channel is reflected by the inspected surface S, arranged in the depth of field, at the measurement points, again passes through the chromatic objective 3a, and is projected onto the confocal detection mask 6b by the intermediate of the separator element 3b.
On a ainsi représenté sur la figure 2 un schéma de principe du fonctionnement chromatique confocal mis en œuvre par le dispositif de la figure 1. Sur cette figure, le masque d'éclairage 6a présente une ouverture d'éclairage définissant un faisceau d' inspection comprenant ici une unique voie d'éclairage. Par l'effet de l'objectif chromatique 3a disposé sur son chemin optique, le faisceau d'inspection se focalise, en fonction des longueurs d'ondes optiques présentes, sur une profondeur de champ étendue. Sur la figure 2, on a représenté une première longueur d'onde lo du faisceau qui se focalise dans un plan de focalisation PfO et une seconde longueur d'onde l± du faisceau qui se focalise sur un deuxième plan de focalisation Pfl, bien distinct du premier plan. There is thus shown in Figure 2 a block diagram of the confocal chromatic operation implemented by the device of Figure 1. In this figure, the illumination mask 6a has an illumination opening defining an inspection beam comprising here a single lighting channel. By the effect of the chromatic objective 3a placed on its optical path, the inspection beam is focused, as a function of the optical wavelengths present, on an extended depth of field. In Figure 2, there is shown a first wavelength lo of the beam which is focused in a focusing plane PfO and a second wavelength l ± of the beam which focuses on a second focusing plane Pfl, quite distinct in the foreground.
On a placé la surface S à inspecter au niveau du premier plan de focalisation PfO, de sorte que l'ouverture d'éclairage du masque d'éclairage s'y image pour la première longueur d'onde. La lumière à la première longueur d'onde lo issue de l'ouverture d'éclairage est donc réfléchie sur la surface S pour se focaliser sur le plan de détection P du capteur d'image 5, dans l'ouverture de filtrage chromatique du masque de détection 6b. Ainsi, cette lumière à la première longueur d' onde lo atteint dans toute son intensité ou presque le plan de détection P à travers l'ouverture du masque. The surface S to be inspected was placed at the level of the first focusing plane PfO, so that the illumination aperture of the mask illumination there image for the first wavelength. The light at the first wavelength lo coming from the illumination opening is therefore reflected on the surface S in order to focus on the detection plane P of the image sensor 5, in the chromatic filtering opening of the mask detection 6b. Thus, this light at the first wavelength lo reaches in all or almost all of its intensity the detection plane P through the opening of the mask.
Au contraire, la lumière à la deuxième longueur d'onde l± n'est pas parfaitement focalisé sur le premier plan de focalisation PfO dans lequel réside la surface S. En conséquence, cette lumière est réfléchie de manière diffuse, jusqu'au masque de détection 6b qui la bloque en grande partie, de sorte que peu de son intensité atteint le plan de détection P. On the contrary, the light at the second wavelength l ± is not perfectly focused on the first focusing plane PfO in which the surface S resides. Consequently, this light is reflected diffusely, up to the mask of detection 6b which largely blocks it, so that little of its intensity reaches the detection plane P.
On a représenté sur la figure 3, une vue de face du masque de détection 6b, qui présente ici 12 ouvertures de filtrage chromatique O arrangées selon 4 colonnes et 3 lignes. Le masque 6b est éclairé par le faisceau réfléchi dans un montage similaire à celui représenté sur la figure 2. On a représenté également sur la figure 3 le contour du halo lumineux H correspondant à la projection sur le masque de rayonnements à des longueurs d'onde réfléchies en dehors de leurs plans de focalisation sur la surface S inspectée. FIG. 3 shows a front view of the detection mask 6b, which here has 12 chromatic filtering openings O arranged in 4 columns and 3 rows. The mask 6b is illuminated by the reflected beam in an assembly similar to that shown in FIG. 2. Also shown in FIG. 3 is the outline of the light halo H corresponding to the projection onto the mask of radiation at wavelengths. reflected outside their focal planes on the inspected surface S.
Pour limiter le phénomène de couplage entre différentes voies de détection, il est important que les ouvertures des masques 6a, 6b soient suffisamment éloignées les unes des autres, de sorte que le halo diffus associé à une ouverture ne recouvre pas avec trop d'intensité une ouverture voisine. To limit the phenomenon of coupling between different detection channels, it is important that the openings of the masks 6a, 6b are sufficiently far from each other, so that the diffuse halo associated with an opening does not cover too much of an area. neighboring opening.
Par exemple, les centres de deux ouvertures adjacentes sur le masque d'éclairage 6a ou sur le masque de détection 6b peuvent être séparés d'une distance supérieure à deux fois la dimension de ces ouvertures (leurs diamètres si ces ouvertures sont circulaires) . Toutefois, le fait d'éloigner les unes des autres les ouvertures des masques 6a, 6b conduit à réduire le facteur de remplissage des points de mesures dans le champ d'inspection. Comme on l'a noté en introduction, une réduction du facteur de remplissage affecte la cadence d' inspection et la densité des points de mesure . For example, the centers of two adjacent openings on the illumination mask 6a or on the detection mask 6b can be separated by a distance greater than twice the dimension of these openings (their diameters if these openings are circular). However, moving the openings of the masks 6a, 6b away from one another leads to a reduction in the filling factor of the measurement points in the inspection field. As noted in the introduction, a reduction in the fill factor affects the inspection rate and the density of the measurement points.
Pour résoudre ce problème, les ouvertures des masques d'éclairage et de détection sont astucieusement agencées vis-à- vis des photodétecteurs du capteur d'image 5. To solve this problem, the openings of the illumination and detection masks are cleverly arranged vis-à-vis the photodetectors of the image sensor 5.
On a ainsi représenté sur la figure 4 une partie de la matrice de photodétecteur sous la forme d'une grille G. Chaque case de la grille symbolise un photodétecteur ou un groupe de photodétecteurs. La partie de la matrice représentée est composée de 5 colonnes (référencées Cl à C5) et de 5 lignes (référencées L1 à L5) . Les ouvertures des masques 6a, 6b, sont représentées par des cercles, disposés ici en alignement avec les photodétecteurs de la caméra. Ces ouvertures sont susceptibles de faire passer le faisceau réfléchi qui se projette alors sur les photodétecteurs exposés pour être mesurés par le capteur d'image 5. On note qu'il s'agit indifféremment des ouvertures du masque d'éclairage 6a ou du masque de détection 6b, ces deux masques étant optiquement conjugués l'un de l'autre lorsque les photodétecteurs sont exposés. Thus, FIG. 4 shows part of the photodetector matrix in the form of a grid G. Each cell of the grid symbolizes a photodetector or a group of photodetectors. The part of the matrix shown is composed of 5 columns (referenced C1 to C5) and 5 rows (referenced L1 to L5). The openings of the masks 6a, 6b are represented by circles, here arranged in alignment with the photodetectors of the camera. These openings are capable of causing the reflected beam to pass, which is then projected onto the exposed photodetectors to be measured by the image sensor 5. It is noted that these are either the openings of the illumination mask 6a or of the optical mask. detection 6b, these two masks being optically conjugated to each other when the photodetectors are exposed.
Dans cet agencement, les ouvertures de filtrages chromatiques sont agencées sur le masque confocal (6a, 6b) pour éclairer respectivement une pluralité de photodétecteurs, ou une pluralité de groupes de photodétecteurs, disposée sur une colonne (C1-C5) de la matrice. Le capteur d'image 5 est synchronisé avec le déplacement de la surface à inspecter de sorte que la pluralité de photodétecteurs d'une colonne sous les ouvertures est en correspondance avec une pluralité de points de mesure agencés selon la direction d'inspection (I) . Lorsque la surface S est déplacée selon la direction d' inspection I les photodétecteurs de la colonne sous les ouvertures du masque sont successivement exposés à la lumière issue d'un point de mesure. En bout de colonne, on récupère une charge correspondant à la quantité de lumière réfléchie par le point de mesure pendant une durée d'exposition étendue, correspondant au temps d'exposition de chaque photodétecteur multiplié par le nombre d'ouvertures dans la colonne. On peut de la sorte réaliser une image de forte intensité de la surface inspectée et/ou augmenter la cadence d' inspection . In this arrangement, the chromatic filtering openings are arranged on the confocal mask (6a, 6b) to respectively illuminate a plurality of photodetectors, or a plurality of groups of photodetectors, arranged on a column (C1-C5) of the matrix. The image sensor 5 is synchronized with the movement of the surface to be inspected so that the plurality of photodetectors of a column under the openings is in correspondence with a plurality of measurement points arranged according to the inspection direction (I) . When the surface S is moved along the inspection direction I, the photodetectors of the column under the openings of the mask are successively exposed to the light coming from a measurement point. At the end of the column, a charge is recovered corresponding to the quantity of light reflected by the measurement point during an extended exposure time, corresponding to the exposure time of each photodetector multiplied by the number of openings in the column. In this way, it is possible to produce a high intensity image of the inspected surface and / or to increase the inspection rate.
Dans cet agencement également, les ouvertures de filtrages chromatiques sont réparties sur le masque confocal 6b de manière complémentaire sur au moins deux lignes, c'est-à-dire par exemple que pour une colonne donnée, si une ligne ne comprend pas d'ouverture de filtrage chromatique, une autre ligne en comprend une. En particulier, une telle répartition complémentaire permet de faire en sorte que, pour un groupe de lignes qui comprennent chacune une ouverture de filtrage chromatique, pour une sous-partie des colonnes, chaque colonne comprend le même nombre d'ouvertures de filtrage chromatique (par exemple une) pour le groupe de lignes. On expose de la sorte une pluralité de photodétecteurs répartis également de manière complémentaire sur au moins deux lignes de la matrice. Dans l'exemple de la figure 4, les photodétecteurs des lignes L1 et L2, et des lignes L3 et L4 sont ainsi disposées de manière complémentaire sur ces deux lignes. En d'autres termes, deux photodétecteurs contigus en ligne ou en colonne ne sont pas simultanément exposées sous une ouverture du masque. De la sorte on écarte suffisamment les ouvertures les unes des autres pour limiter le couplage parasite entre plusieurs voies de détection. Le capteur d' image 5 est synchronisé avec le déplacement de la surface S à inspecter de sorte que les photodétecteurs répartis sur les lignes correspondent à une pluralité de points de mesure disposés similairement selon des lignes agencées selon une direction perpendiculaire à la direction d'inspection (I) . Grâce à la répartition complémentaire des ouvertures de filtrage chromatique entre les lignes, lorsque la surface S est déplacée selon la direction d' inspection I les points de mesures imagés sur le détecteur se combinent de manière très dense dans le champ d' inspection . On a ainsi représenté sur la figure 5 un premier champ d'inspection Cil ainsi que les points de mesure (en pointillé) imagés sur le capteur d'image 5 de ce champ d'inspection. La surface a été déplacée selon la direction d' inspection et on a représenté un deuxième champ d' inspection CI2 ainsi que les points de mesure dans ce champ (en trait plein) . La répartition sur plusieurs lignes complémentaires des ouvertures permet au fur et à mesure du déplacement de l'objet de procéder à des mesures denses dans le champ d'inspection. In this arrangement also, the chromatic filtering openings are distributed over the confocal mask 6b in a complementary manner over at least two rows, that is to say for example only for a given column, if one row does not include an aperture of chromatic filtering, another line includes one. In particular, such a complementary distribution makes it possible to ensure that, for a group of rows which each include a chromatic filtering opening, for a sub-part of the columns, each column comprises the same number of chromatic filtering openings (for example example a) for the group of lines. In this way, a plurality of photodetectors are exposed, also distributed in a complementary manner over at least two rows of the matrix. In the example of FIG. 4, the photodetectors of lines L1 and L2, and of lines L3 and L4 are thus arranged in a complementary manner on these two lines. In other words, two contiguous photodetectors in row or in column are not simultaneously exposed under an opening of the mask. In this way, the openings are sufficiently separated from one another to limit the parasitic coupling between several detection channels. The image sensor 5 is synchronized with the movement of the surface S to be inspected so that the photodetectors distributed over the lines correspond to a plurality of measurement points arranged similarly along lines arranged in a direction perpendicular to the inspection direction. (I). Thanks to the complementary distribution of the chromatic filtering openings between the lines, when the surface S is moved in the inspection direction I, the measurement points imaged on the detector combine very densely in the inspection field. Thus, FIG. 5 shows a first inspection field C11 as well as the measurement points (in dotted lines) imaged on the image sensor 5 of this inspection field. The surface has been moved in the direction of inspection and a second inspection field CI2 has been shown as well as the measurement points in this field (in solid line). The distribution on several complementary lines of the openings allows as the movement of the object to proceed to dense measurements in the inspection field.
Bien entendu, les ouvertures peuvent être réparties de manière complémentaire sur un plus grand nombre de lignes, ce qui permet d'écarter ces ouvertures encore plus les unes des autres et limiter encore plus le phénomène de couplage. Pour une dimension donnée de la matrice de photodétecteur, cela revient à placer moins de photodétecteurs sur une colonne, et donc affecter la qualité d'intensité de l'image. Of course, the openings can be distributed in a complementary manner over a larger number of lines, which makes it possible to separate these openings even further from each other and to limit the coupling phenomenon even more. For a given dimension of the photodetector matrix, this amounts to placing fewer photodetectors on a column, and therefore affecting the quality of intensity of the image.
Avantageusement, le masque confocal (6a, 6b) peut comprendre une pluralité de groupes de lignes avec une répartition complémentaire des ouvertures de filtrage chromatique. Ces groupes de lignes peuvent comprendre par exemple une répartition d'ouvertures de filtrage chromatique identique. Ainsi chaque point de mesure de l'objet est imagé sur le détecteur en une pluralité d'ouvertures de filtrage chromatique, séquentiellement, ce qui permet d'accumuler plus d'intensité ou de charges et d'exploiter pleinement le nombre de lignes de la matrice de photodétecteurs. Advantageously, the confocal mask (6a, 6b) can comprise a plurality of groups of lines with a complementary distribution of the chromatic filtering openings. These groups of lines may for example comprise a distribution of identical chromatic filtering openings. Thus each measurement point of the object is imaged on the detector in a plurality of chromatic filtering apertures, sequentially, which makes it possible to accumulate more intensity or charges and to fully exploit the number of lines of the array of photodetectors.
Le dispositif tel que décrit permet d'obtenir des images en intensité, ou en niveau de gris, de la surface de l'objet, ou en d'autres termes de sa réflectivité. The device as described makes it possible to obtain images in intensity, or in gray level, of the surface of the object, or in other words of its reflectivity.
Dans la mesure où le système chromatique réalise un codage de la hauteur de l'objet en longueur d'onde, il est également possible d'obtenir une information de profondeur. Cela nécessite de déterminer la longueur d' onde du rayonnement détecté par les photodétecteurs. Ceci peut être mis en œuvre en employant un capteur d' image 5 couleur, retournant donc une information de couleur en plus de l'information d'intensité du rayonnement détecté . Insofar as the chromatic system performs an encoding of the height of the object in wavelength, it is also possible to obtain depth information. This requires determining the wavelength of the radiation detected by the photodetectors. This can be implemented by employing a color image sensor, thus returning color information in addition to the intensity information of the detected radiation.
Cette approche peut être mise en œuvre de différentes manières. This approach can be implemented in different ways.
Selon une première approche, on dispose une pluralité de photodétecteurs sous les ouvertures du masque, respectivement muni de filtres de couleurs, par exemple RGB. Chaque point de mesure est alors caractérisé par la mesure d' intensité dans chacun des spectres définis par ces filtres. According to a first approach, a plurality of photodetectors are placed under the openings of the mask, respectively provided with color filters, for example RGB. Each measurement point is then characterized by the intensity measurement in each of the spectra defined by these filters.
Selon une autre approche, le photodétecteur (ou les photodétecteurs) sous une ouverture est muni d'un unique filtre de couleur, mais la nature de ce filtre varie d'une colonne à l'autre, le long de la ligne. Le rayonnement émis par des points de mesure adjacents de la surface S, correspondant à des colonnes adjacentes du détecteur, est donc détecté par des photodétecteurs respectivement dédiés à une couleur. According to another approach, the photodetector (or the photodetectors) under an opening is provided with a single color filter, but the nature of this filter varies from one column to another, along the row. The radiation emitted by adjacent measurement points of the surface S, corresponding to adjacent columns of the detector, is therefore detected by photodetectors respectively dedicated to a color.
L'information de couleur, même grossière, obtenue à l'aide de filtre du type RGB, peut avantageusement être exploitée par l'unité électronique de commande 7 pour estimer l'élévation des points de mesures, et plus spécifiquement la distance séparant le point de mesure d'un plan de référence du dispositif. L'unité de commande 7 peut donc estimer une distance moyenne séparant la surface S de ce plan de référence. Elle peut asservir le déplacement selon l'axe optique AO du support mobile 4 sur cette estimation de distance moyenne pour maintenir la surface d' inspection S dans la profondeur de champ du système chromatique 3 tout en déplaçant cette surface S selon la direction d'inspection I, pendant une séquence de mesure. The color information, even coarse, obtained using an RGB type filter, can advantageously be used by the electronic control unit 7 to estimate the elevation of the measurement points, and more specifically the distance separating the point. for measuring a reference plane of the device. The control unit 7 can therefore estimate an average distance separating the surface S from this reference plane. It can control the displacement along the optical axis AO of the mobile support 4 on this average distance estimate to maintain the inspection surface S in the depth of field of the chromatic system 3 while moving this surface S along the inspection direction. I, during a measurement sequence.
La vitesse de déplacement de la surface S, selon la direction d'inspection peut atteindre par exemple une valeur de l'ordre de 100mm/seconde . Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de mise en œuvre décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications . The speed of movement of the surface S, depending on the inspection direction, can for example reach a value of the order of 100 mm / second. Of course, the invention is not limited to the embodiments described and it is possible to provide variant embodiments without departing from the scope of the invention as defined by the claims.
Ainsi, les deux masques opaques d'éclairage et de détection 6a, 6b peuvent être remplacés par un unique masque, disposé dans ce cas sous l'élément séparateur 3b. Le masque peut par exemple être fixé directement sous un cube séparateur ou une lame réfléchissante, par exemple par dépôt d'une matière opaque sur cette pièce optique. Dans cette configuration alternative, les ouvertures de l'unique masque réalisent à la fois la fonction des ouvertures d'éclairage et de filtrage chromatique. Les ouvertures de ce masque sont alors optiquement conjuguées de la surface S de l'objet par le système chromatique 3, et optiquement conjuguées du capteur d'image 5. Thus, the two opaque illumination and detection masks 6a, 6b can be replaced by a single mask, arranged in this case under the separator element 3b. The mask can for example be fixed directly under a splitter cube or a reflecting plate, for example by depositing an opaque material on this optical part. In this alternative configuration, the apertures of the single mask perform both the function of the illumination and color filtering apertures. The openings of this mask are then optically conjugated from the surface S of the object by the chromatic system 3, and optically conjugated from the image sensor 5.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif d'inspection (1) d'une surface (S) d'un objet, le dispositif comprenant : 1. Device for inspecting (1) a surface (S) of an object, the device comprising:
- au moins une source de lumière polychromatique (20) pour projeter un faisceau d'inspection sur la surface (S) ; au moins un masque confocal (6a, 6b) interceptant le faisceau d' inspection et un faisceau réfléchi par la surface (S), le masque confocal (6a, 6b) présentant une pluralité d'ouvertures de filtrage chromatique ; - at least one polychromatic light source (20) for projecting an inspection beam onto the surface (S); at least one confocal mask (6a, 6b) intercepting the inspection beam and a beam reflected from the surface (S), the confocal mask (6a, 6b) having a plurality of chromatic filtering apertures;
- un système chromatique (3) étalant spatialement la focalisation du faisceau d' inspection en fonction de longueurs d'onde présentes, selon des plans de focalisation le long d'un axe optique (AO) dans une profondeur de champ, et interceptant le faisceau réfléchi par la surface (S) pour le projeter sur un plan de détection (P) conjugué des plans de focalisation; - a chromatic system (3) spatially spreading the focusing of the inspection beam as a function of present wavelengths, according to focusing planes along an optical axis (AO) in a depth of field, and intercepting the beam reflected by the surface (S) to project it onto a detection plane (P) combined with the focusing planes;
- un support mobile (4) pour recevoir l'objet et positionner la surface (S) dans la profondeur de champ du système chromatique (3), le support (4) pouvant être commandé pour déplacer la surface (S) relativement au système chromatique (3) au moins selon une direction d'inspection (I) ; - a mobile support (4) for receiving the object and positioning the surface (S) in the depth of field of the chromatic system (3), the support (4) being able to be controlled to move the surface (S) relative to the chromatic system (3) at least according to an inspection direction (I);
- un capteur d'image à intégration temporisée (5) synchronisé au déplacement de la surface (S) selon la direction d'inspection (I), le capteur d'image (5) comprenant une matrice de photodétecteurs disposée dans le plan de détection (P) , les ouvertures de filtrage chromatique du masque confocal (6a, 6b) éclairant une partie des photodétecteurs. - a timed integration image sensor (5) synchronized with the displacement of the surface (S) in the inspection direction (I), the image sensor (5) comprising a matrix of photodetectors arranged in the detection plane (P), the chromatic filtering openings of the confocal mask (6a, 6b) illuminating part of the photodetectors.
2. Dispositif d'inspection selon la revendication précédente dans lequel les ouvertures de filtrage chromatique sont agencées sur le masque confocal (6a, 6b) pour éclairer une pluralité de photodétecteurs disposée sur une colonne de la matrice correspondant à une pluralité de points de mesure agencés selon la direction d'inspection (I). 2. Inspection device according to the preceding claim wherein the chromatic filtering openings are arranged on the confocal mask (6a, 6b) to illuminate a plurality of photodetectors arranged on a column of the matrix corresponding to a plurality of measurement points arranged. according to the inspection direction (I).
3. Dispositif d'inspection selon l'une des revendications précédentes dans lequel les ouvertures de filtrage chromatique sont réparties de manière complémentaire sur au moins deux lignes du masque confocal (6a, 6b) pour éclairer une pluralité de photodétecteurs correspondant à une pluralité de points de mesure disposés selon au moins deux lignes agencées selon une direction perpendiculaire à la direction d'inspection (I). 3. Inspection device according to one of the preceding claims wherein the filter openings chromaticity are distributed in a complementary manner on at least two lines of the confocal mask (6a, 6b) to illuminate a plurality of photodetectors corresponding to a plurality of measurement points arranged along at least two lines arranged in a direction perpendicular to the inspection direction (I).
4. Dispositif d'inspection selon la revendication précédente dans lequel le masque confocal (6a, 6b) comprend une pluralité de groupes d'au moins deux lignes comprenant des ouvertures de filtrage chromatique réparties de manière complémentaire sur lesdites au moins deux lignes. 4. Inspection device according to the preceding claim wherein the confocal mask (6a, 6b) comprises a plurality of groups of at least two lines comprising chromatic filtering openings distributed in a complementary manner on said at least two lines.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes comprenant un masque confocal d'éclairage (6a) disposé dans le faisceau d' inspection et un masque confocal de détection (6b) disposé dans le faisceau réfléchi, le masque confocal d'éclairage (6a) et le masque confocal de détection (6b) étant respectivement placés dans un plan conjugué des plans de focalisation vis-à-vis du système chromatique (3) . 5. Device according to one of the preceding claims comprising a confocal illumination mask (6a) arranged in the inspection beam and a confocal detection mask (6b) arranged in the reflected beam, the confocal illumination mask (6a). ) and the confocal detection mask (6b) being respectively placed in a plane conjugate of the focusing planes with respect to the chromatic system (3).
6. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel le masque confocal de détection (6b) est réalisé par un dépôt d'au moins un matériau sur la surface du capteur d'image (5) . 6. Device according to the preceding claim wherein the confocal detection mask (6b) is produced by depositing at least one material on the surface of the image sensor (5).
7. Dispositif d'inspection selon l'une des revendications 1 à 4 comprenant un masque confocal unique, disposé dans un plan conjointement conjugué du plan de détection (P) et des plans de focalisation vis-à-vis du système chromatique (3) . 7. Inspection device according to one of claims 1 to 4 comprising a single confocal mask, arranged in a jointly conjugated plane of the detection plane (P) and of the focusing planes with respect to the chromatic system (3). .
8. Dispositif d'inspection selon l'une des revendications précédentes dans lequel la source de lumière polychromatique8. Inspection device according to one of the preceding claims wherein the polychromatic light source
(20) comprend une lampe halogène ou une barrette de diodes électroluminescentes, associée à un dispositif de diffusion(20) comprises a halogen lamp or an array of light-emitting diodes, associated with a diffusion device
(21) pour homogénéiser l'intensité du faisceau d'inspection. (21) to homogenize the intensity of the inspection beam.
9. Dispositif d'inspection selon l'une des revendications précédentes dans lequel le système chromatique (3) comprend un objectif chromatique (3a) . 9. Inspection device according to one of the preceding claims wherein the chromatic system (3) comprises a chromatic lens (3a).
10. Dispositif d'inspection selon la revendication précédente dans lequel l'objectif chromatique (3a) comprend une lentille ou une combinaison de lentilles, au moins une lentille de diffraction et/ou au moins une métalentille . 10. Inspection device according to the preceding claim wherein the chromatic objective (3a) comprises a lens or a combination of lenses, at least one diffraction lens and / or at least one metal lens.
11. Dispositif d'inspection selon l'une des revendications précédentes dans lequel le système chromatique (3) comprend un élément séparateur (3b) . 11. Inspection device according to one of the preceding claims wherein the chromatic system (3) comprises a separator element (3b).
12. Dispositif d'inspection selon la revendication précédente dans lequel l'élément séparateur (3b) est un cube séparateur ou une lame semi-réfléchissante. 12. Inspection device according to the preceding claim wherein the separator element (3b) is a separator cube or a semi-reflecting blade.
13. Dispositif d'inspection selon l'une des revendications précédentes dans lequel les photodétecteurs sont munis d'un filtre de couleur. 13. Inspection device according to one of the preceding claims wherein the photodetectors are provided with a color filter.
14. Dispositif d'inspection selon la revendication précédente, dans lequel les ouvertures de filtrage chromatique sont agencées pour éclairer chacune une pluralité de photodétecteurs munis de filtres de couleur différentes. 14. Inspection device according to the preceding claim, wherein the chromatic filtering openings are arranged to each illuminate a plurality of photodetectors provided with different color filters.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5880846A (en) * 1997-07-09 1999-03-09 Yeda Research And Development Co. Ltd. Method and apparatus for color-coded optical profilometer
US6580502B1 (en) * 1999-05-12 2003-06-17 Tokyo Seimitsu Co., Ltd. Appearance inspection method and apparatus
EP2088763A2 (en) 2008-02-11 2009-08-12 Cmosis NV Time delay integration in imaging devices
US8654324B2 (en) 2009-02-25 2014-02-18 Altatech Semiconductor Device and method for inspecting semiconductor wafers
US9739600B1 (en) 2016-03-25 2017-08-22 Unity Semiconductor Chromatic confocal device and method for 2D/3D inspection of an object such as a wafer
US10228551B1 (en) * 2018-06-20 2019-03-12 Precitec Optronik Gmbh Device and method for optically measuring a measurement object

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5880846A (en) * 1997-07-09 1999-03-09 Yeda Research And Development Co. Ltd. Method and apparatus for color-coded optical profilometer
US6580502B1 (en) * 1999-05-12 2003-06-17 Tokyo Seimitsu Co., Ltd. Appearance inspection method and apparatus
EP2088763A2 (en) 2008-02-11 2009-08-12 Cmosis NV Time delay integration in imaging devices
US8654324B2 (en) 2009-02-25 2014-02-18 Altatech Semiconductor Device and method for inspecting semiconductor wafers
US9739600B1 (en) 2016-03-25 2017-08-22 Unity Semiconductor Chromatic confocal device and method for 2D/3D inspection of an object such as a wafer
US10228551B1 (en) * 2018-06-20 2019-03-12 Precitec Optronik Gmbh Device and method for optically measuring a measurement object

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DUC TRUNG NGUYEN ET AL: "Development of novel one-shot full-field surface profilometer using chromatic confocal microscopy", ARXIV.ORG, CORNELL UNIVERSITY LIBRARY, 201 OLIN LIBRARY CORNELL UNIVERSITY ITHACA, NY 14853, 17 December 2018 (2018-12-17), XP080993665 *

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