[发明专利]彩色共焦扫描装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检查物体表面的装置，尤其是涉及用于确定其表面的高度分布曲线（height profile）。

背景技术

过去几十年来，半导体器件的需求迅速增长。半导体制造商经常被迫来改善终端产品质量、速度和性能，以及改善制造工序的质量、速度和性能。机器视觉系统已经证明成为改善半导体产品的生产率和质量的很有必要的一部分。对于更快速和更准确的机器视觉系统而言，存在一致的驱动以用于永远更高的半导体产能。很多高密度半导体封装检查应用需要三维的测量能力。相应地，半导体器件，如位于最终封装产品的半导体晶圆或衬底的三维测量和检查的技术领域已经出现迅速的增长。

很多商业系统使用基于三角法的原理进行三维测量，例如专利号为6,064,756、发明名称为“用于电子元件三维检查的装置”的美国专利所公开的。其描述了用于设置在固定光学系统中的球形阵列器件（ball array device）的三维检查的装置。第一摄像机设置在相对于球形阵列器件固定的聚焦位置以拍摄球形阵列器件的第一图像，而获得来自焊球的独特的圆环形图像。第二摄像机设置在相对于球形阵列器件固定的聚焦位置以拍摄球形阵列器件的第二图像，而获得焊球的顶面图像。处理器将三角法计算公式应用在第一图像和第二图像的相关测量结果上以参考预计算校准平面计算焊球的三维位置。

其他的基于三角法的系统可能利用聚焦激光或条纹图案（fringe pattern）投射。在这种三角法中，激光或其他结构的图案投射光线或图案在物体表面上，一传感器相对于入射光线或图案斜置。当高度变化时，由传感器所检测的光线或图案的位置存在偏差。高度信息能够从传感器上所检测的偏差位置中得以检测。但是，三角法配置易受堵塞和阴影的影响。而且，根据半导体封装件如BGA（Ball Grid Array）封装件所需的测量结果变化范围，其像素/斑点（spot）分辨率通常不足10微米。如此，基于所需的测量结果变化范围没有足够充分的光学分辨率。有必要强化光学分辨率以迎合最近封装件技术所需的高精度要求。

共焦（confocal）光学器件充分利用输出信号在共焦光学器件的焦平面上位于峰值（在强度或对比度方面）的原理。它利用了带有大的数值孔径（N.A.: Numerical Aperture）的衍射极限斑点（diffraction-limited spot），从而它能够实现亚微米光学分辨率（submicron optical resolution）。在给定共焦光学系统的焦点深度很小的情形下，它需要两次扫描，如旋转尼普科夫圆盘（Nipkow disk）或其他扫描方法，以扫描水平的XY平面和垂直的Z移动而扫描目标景深。

出版号为2010/0296106 A1、发明名称为“彩色共焦(Chromatic Confocal)传感器”的美国专利公开了一种包含有衬底、光源和检测器的共焦光学系统，在衬底上具有多光子可固化光敏组合物（multiphoton curable photoreactive composition），该光源发出包含有多个波长的光束于该衬底上的组合物的至少一个区域，检测器检测反射自该组合物的部分光线以获得关于衬底的位置信号，其中，该位置信号至少是基于反射光线的波长。以这种方式，物体表面的高度能够得以确定。

不幸的是，前述的彩色共焦传感器在任何一次仅仅能够检查物体表面上的一个单独的斑点。所以，有必要在水平平面上二维地移动传感器以扫描整个物体表面。如此，全部三维表面的测量非常浪费时间，并远离半导体工业所需的高产。

一些狭缝（slit）扫描系统充分利用衍射透镜的色散特性，通过它们狭缝的平面成像是依赖波长并沿着纵轴方向均匀分布。带有可变焦距的波长编码的光线然后通过藕接的透镜和显微镜的物镜成像于被测量的样本上。具体地，出版号为2010/0188742、发明名称为“狭缝扫描多波长的共焦透镜模块和狭缝扫描显微镜系统以及使用它的方法”的美国专利公开了一种狭缝扫描多波长的共焦系统，其利用具有色差的至少两组透镜以分别将宽带光分成具有不同焦距的连续的线性光谱光线。

前述的狭缝扫描共焦系统充分利用传统的圆形透镜作为显微镜的物镜。但是，由于制造难度，商业上的显微镜的物镜的视场（FOV:Field Of View）是很有限的，尤其是那些具有大的数值孔径（N.A.）的物镜。所以，检查的速度也是有限的。而且，圆形物镜的数值孔径是对称的，所以，如同传统的斑点扫描共焦系统，任何来自狭缝的、投射在物体上的离焦的光线不能被抑制。所以，这将会大大地影响测量精度。

发明内容