用于光学三维形貌测量的方法及系统技术方案

本申请实施例涉及用于光学三维形貌测量的方法及系统。针对物体的表面的三维形貌测量，通过物镜将图案化照明投影于所述表面上。在所述物体与所述物镜之间进行相对移动，且由检测器通过所述物镜记录所述表面的多个图像。所述相对移动的方向包含相对于所述物镜的光轴的斜角。根据从相应位置记录的强度的变化导出所述表面上的给定位置的高度信息。此外，可将图案化照明及均匀照明交替地投影于所述表面上，同时在所述物体与所述物镜沿着所述物镜的光轴的相对移动期间记录所述表面的图像。均匀照明用于获得所述表面上的镜面结构的高度信息，图案化照明用于获得有关所述表面的其它部分的高度信息。部分的高度信息。部分的高度信息。

【技术实现步骤摘要】
用于光学三维形貌测量的方法及系统
[0001]本申请是申请日为2016年11月04日，申请号为“201680080685.2”，专利技术名称为“用于光学三维形貌测量的方法及系统”的专利技术专利申请的分案申请。
[0002]相关申请案的交叉参考
[0003]本申请案主张2016年2月1日申请的美国临时申请案US 62/289,889的优先权，所述申请案的全部内容以引用的方式包含于本文中。


[0004]本专利技术涉及一种用于物体的表面的三维(3D)形貌测量的方法及系统，其中通过物镜将图案化照明投影到物体的表面上且从在物体与物镜之间的相对移动期间记录的表面的图像获得有关表面的高度信息。

技术介绍

[0005]在各种制造领域中需要有关物体的表面的形貌的信息。对此类信息的需要尤其显著的领域是半导体制造，其中需要检验半导体装置以确保适当的功能。此类检验包含组成晶片上的装置的特定结构，以及将装置的组件固持在一起所需的实体，例如焊料凸块。例如，首先可使用焊料凸块阵列将从晶片切割的裸片接触到芯片的引脚。接着可通过焊料球将芯片接触到外部电路。为了质量保证，必须在焊接完成之前检验焊料凸块及焊料球相对于基板的高度。
[0006]用于3D形貌测量的若干方法在所属领域中众所周知。这些方法包括白光干涉法、共焦显微法、基于结构化照明的方法，及具有立体视觉的激光三角测量。所有这些方法皆具有其特定优点及缺点。
[0007]白光干涉法能够提供极高精确度的高度信息。表面在干涉仪中按小于一个波长的步长移动；因此，当检验半导体装置时，需要采取及处理表面的大量框架，这是由于步长必须在与表面上出现的高度变化相当的范围内延伸。
[0008]共焦显微法及基于结构化照明的方法两者皆需要相当标准的显微镜光学器件。两种方法皆较佳地适于检验典型半导体装置的尺度下的表面形貌。虽然共焦显微法相比于基于结构化照明的方法通常提供较佳的高度分辨率，但其还需要更复杂且昂贵的光学设置。
[0009]基于结构化照明的方法的基本概念是将图案(例如，光栅)投影到物体的表面上。存在两种一般方法。
[0010]对于具有低数值孔径(NA)(例如，低于0.1)的成像系统(对于所述成像系统，较长的工作距离及较大的焦点深度是可能的)，可按相对于成像光轴的角度将图案投影到表面上。此类布置类似于激光三角测量，这是由于使用线照明的条纹相移而非位置偏移来提取表面高度。此方法也被称为相移条纹投影方法。
[0011]在具有较高NA(高于0.1)的成像系统的情况下，无法轻易实施斜投影或斜成像，这是由于焦点深度及工作距离受限制。此处，代替地，通过成像光学器件将图案(例如，光栅)投影到表面上，且成像光学器件的光轴垂直于物体的表面，更精确来说垂直于通过表面的
一般宏观延伸而界定的平面。由于此布置，无法从条纹相移提取高度信息。代替地，可通过在平行于光轴的方向上移动物体且沿着此方向找到投影图案的对比度最大的位置偏移而获得高度信息。
[0012]此设置与共焦显微镜之间存在类似点，但光学器件较简单，无需中继光学器件。然而，需要较高的数据速率，这是由于提取图案图像的对比度会针对每一高度位置需要三个或三个以上框架。
[0013]垂直于表面的结构化照明的此类方法的一个实例可在申请案13/309,244上发布的美国专利US 8,649,024 B2中找到。由空间光调制器(SLM)产生图案且沿着成像物镜的光轴投影到物体的表面上。沿着光轴相对于物镜移动物体，同时SLM调制投影图案且记录多个图像。表面上的特定位置处的投影图案的最大对比度得到相应位置的高度信息。
[0014]用于上文所提及的3D形貌测量的方法中的哪一者最佳地取决于特定测量应用的要求。针对半导体装置检验，一些关键要求为：通过表面的宏观延伸而界定的平面中的几μm的分辨率、沿着垂直于此平面的方向定位物体的小于1μm的重复性、沿着此垂直方向的移动的几百μm的总范围。鉴于此情形，基于结构化照明的方法似乎最适合于通过3D形貌测量进行的半导体装置检验。相关系统的配置可涵盖表面平面中的分辨率及垂直于平面的重复性两者的宽范围，且所述方法实现沿着垂直方向的相对移动的大范围。光学器件比较简单且低成本，沿着垂直方向的照明及成像的设置适合于各种各样的表面类型，包含具有显著镜面反射的表面及具有显著漫反射的表面两者。特定来说，相对于焊料凸块的检验，较大的NA在较小凸块的球形凸块顶部处产生较多数目的可用像素。
[0015]虽然上文所概述且在所引用专利US 8,649,024 B2中所示范的结构化照明的基本概念实现所需精确度及准确度，但未解决的问题是如何在按优选低成本满足不断增加的处理量要求的同时(此外以可扩展的方式)实现这些所需特性。例如，用于产生图案化照明的所引用专利US 8,649,024 B2的空间光调制器是昂贵的，而且不具有覆盖大视野的分辨率及像素计数，然而，具有覆盖大视野的分辨率及像素计数将是较高处理量所必需的。

技术实现思路

[0016]本专利技术的目标是提供一种用于物体的表面的三维形貌测量的方法，其易于实施，提供沿着垂直方向的足够的平面内分辨率及重复性，且可扩展。
[0017]本专利技术的另外目标是提供一种用于物体的表面的三维形貌测量的系统，其为简单配置，提供沿着垂直方向的足够的平面内分辨率及重复性，且是模块化且紧凑的，从而可扩展。
[0018]关于所述方法的所述目标是通过根据技术方案1或技术方案11的方法实现。
[0019]关于所述系统的所述目标是通过根据技术方案23或技术方案33的系统实现。
[0020]在用于物体的表面的光学三维形貌测量的根据本专利技术的所述方法中，通过物镜将图案化照明投影到所述物体的所述表面上。在所述物体与所述物镜之间执行相对移动。此相对移动的方向包含相对于所述物镜的光轴的斜角。在所述相对移动期间所述物体的所述表面通过所述物镜的焦平面；所述物镜的所述光轴垂直于所述焦平面。在所述相对移动期间，通过所述物镜记录所述表面的多个图像。所述图案化照明的所述图案在所述物镜的所述焦平面的最佳焦点处；在平行于所述焦平面但沿着所述光轴与所述焦平面偏移的平面
中，所述图案离焦。在所述表面的图像中，在所述焦平面中的所述表面的那些部分出现在所述图像中的最佳焦点处；不在所述焦平面中的所述表面的部分出现离焦。在最佳焦点处的所述表面上的图案(也在最佳焦点处成像)具有高对比度度，而离焦的所述表面上的图案(也离焦成像)在所述表面的记录图像中具有减小的对比度。所述对比度对沿着所述光轴的所述表面的部分的位置的此相依性导致在所述相对移动期间从所述物体的所述表面的这些部分记录的强度的变化。根据从所述多个图像中的相应位置记录的所述强度的所述变化导出所述物体的所述表面上的所述相应位置的高度信息。
[0021]所述表面上的位置的高度是指所述位置沿着垂直于参考平面的方向与参考平面相距的距离。通常，所述参考平面是通过所述表面的宏观延伸而界定；例如，经制造晶片在其表面上承载多个微观结构，然而，宏观上，这个表面表现本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于物体的表面的光学三维形貌测量的系统，所述系统包括：图案化照明的源；物镜，其包括垂直于所述物体的所述表面的宏观延伸的光轴，所述物镜经布置以将所述图案化照明引导到所述物体的所述表面；光学检测器，所述光学检测器在所述物体沿着与所述物镜的所述光轴呈斜角的方向而相对于所述物镜移动期间，经布置及配置用于通过所述物镜记录所述物体的所述表面的多个图像，其中所述物体的所述表面上的位置在所述多个图像中的一或多者中；以及计算机，其连接到所述光学检测器，所述计算机经配置以基于所述多个图像的光强度的差确定所述物体的所述表面上的所述位置的高度信息，其中所述光强度沿所述方向变化。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述图案化照明的源包括光源和图案掩模...

【专利技术属性】
技术研发人员：国衡，
申请(专利权)人：科磊股份有限公司，
类型：发明
国别省市：