大平面构图介质的高通量检测方法和装置的制作方法

专利名称：大平面构图介质的高通量检测方法和装置的制作方法
背景技术：
本发明涉及利用光学技术对平面构图介质的检测。更具体地，本发明涉及诸如薄膜晶体管(TFT)阵列(液晶平板显示器(LCD)的主要部件)的大的平面构图介质的自动光学检测(AOI)。尽管本发明可应用于任何平面的、周期性构图的介质的检测的一般情况，但本发明对于TFT阵列在其不同制造阶段的高通量的联机检测是尤为有用的。
在LCD面板的制造中，大块的透明薄玻璃板被用作衬底以用于通过淀积各种材料层而形成可以起到多个可分离的、相同的显示板的作用的电路。这种淀积通常由多个阶段完成，在每个阶段中，特定的材料(如金属、氧化铟锡(ITO)、硅、无定形硅等)被淀积在与预定图案依附在一起的前面的层上(或空的玻璃衬底上)。每个阶段包括不同的步骤，如淀积、掩膜、蚀刻和脱膜。
在每一阶段及每一阶段的不同步骤中，可能会出现许多产品缺陷，这些缺陷将对最终LCD产品的性能产生电子的和/或视觉的影响。这些缺陷包括但不限于短路、开路、杂质颗粒、错误淀积、特性尺寸问题以及过度蚀刻和欠蚀刻。如图1所示，最普通的缺陷包括进入ITO112的金属凸起110、进入金属116的ITO凸起114、所谓的“缺口(mouse-bite)”118、开路120、晶体管124中的短路122以及杂质颗粒126。
在特定的应用领域，例如在TFT LCD面板检测中，受检测的颗粒缺陷很小(小于几个微米)，因此需要有苛刻的缺陷检测极限。
然而，仅仅进行缺陷检测是不够的。检测出的缺陷还必须被分类为过程缺陷，也就是较小的瑕疵，它不会破坏最终产品性能而是对阵列制造过程偏离最优条件的一个早期指示；可修复的缺陷，其可被修复以提高阵列制造产量；最终致命缺陷，其使TFT阵列丧失了进一步使用的能力。
在任何常规AOI系统中，通常在多个关键特性(如光学扫描分辨率、间歇时间、检测极限和成本)之间进行折衷。这些特性确定了AOI装置的应用类型或用途。通常，通过折衷其他的特性，某一特性可被优化或提高。例如AOI系统分辨率可被提高，结果提高了检测极限(更小的可检测缺陷)。但这种提高对完成系统检测所需的时间(间歇时间)或系统成本都有负面的影响。相反地，对不同类型的应用来说，可通过降低系统的分辨率来放松检测极限(较大的可检测缺陷)，由此获得较短的间歇时间并降低系统成本。
现有技术不能在可接受的代价下提供高的检测灵敏度和与制造速度相匹配的间歇时间，从而导致LCD工业使用低性能、短间歇时间的系统作为联机工具。更高检测灵敏度的系统(通常要求长的检测时间并与制造速度不谐调)只能作为脱机工具使用，它只能检测选定的TFT面板。这种检测方法通常被称为采样操作模式。
AOI系统的操作分辨率对其成本有直接的影响。对短的间歇时间来说，成本几乎随操作分辨率的增加而成指数增长，因此，对在要求间歇时间较短的制造速度下的高通量联机应用来说，只有相对较低的分辨率对系统是可行的。
对于感兴趣的应用领域而言，传统的AOI系统使用不同的图案比较技术来检测缺陷的存在和位置。这些方法很好地利用被检测目标的周期性特性并直接比较由图案周期或它的倍数分开的区域。
本领域的技术人员应意识到，先前的空间域图像比较技术会受到象素化效应(pixelation effect)的影响，这种效应总会降低系统的检测极限。象素化效应(其经常被解释为图像内的噪声)在其中发生图像强度快速转换的电路特征附近尤为显著。这导致了错误检测或掩饰了合理的缺陷。由于希望检测装置在TFT阵列特征附近(如晶体管、数据以及门线的交叉处)具有最高的检测灵敏度，因而这些效应是非常不受欢迎的。象素化抑制方法(如那些主要基于子象素插值和近似技术的方法)被用作部分减轻这些缺点的工具。然而，这些方法不能满足特定应用领域的要求。
这些内在的缺陷导致了开发者探讨在因为用于分析的目标图像的数字化而引入象素化之前在光学领域对可观察到的周期性图案进行抑制的希望。众所周知，例如，已获得很好理解的透镜特性是在透镜的焦平面上形成目标的两维傅立叶光谱。在任何信号的数字化之前，傅立叶变换全部发生在光学领域。这为在光学、模拟模式下过滤图像谱内的周期性图案带来了机会。
光学过滤预先假定了放置在透镜焦平面的合适的空间光调制器(SLM)的可用性，用以有选择地削弱其内形成的强度截面，从而在图像平面内产生改变的(经过滤的)图像。理想地是通过诸如电荷耦合器件(CCD)传感器的图像捕捉设备对最终图像进行数字化。在被检测目标具有周期性构图的表面的特定情况下，理想的焦平面强度截面被定义为有多个强度峰值的栅格。通过利用焦平面上的理想的专用过滤器来屏蔽输出(mask out)这些峰值，则在保持非周期性信号成分(如由原始图案内的缺陷所导致的那些成分)的同时削弱图像的周期性成分将是可以可预期的。
然而，这种的过滤器的成功高度依赖于焦平面上所放置的掩膜的多种性质，如对比度、空间分辨率、光学质量以及被高速重新编程的能力。这种缺乏合适技术来实现具有所需性能的SLM的情况致使光学傅立叶过滤原理在感兴趣的应用领域内无法实施。
AOI设备是由所要解决的各种问题来表征的。其大多数应用方案都是基于空间域图案比较技术，该技术通常与传感器级象素或子象素精度对准技术结合使用。
Levy等人的美国专利第4,579,455号中描述了一种对准和图案比较技术，其中一对7×7的窗口被考虑用于测试和参考图像，并该窗口中大量可能的3×3子窗口中的误差的平方和得到了计算。如果这25个组合的最小误差数超过了一个阈值，就可以假定出现了缺陷。这种方法能够补偿低于传感器级的对准失配。
通过对Levy等人提出的方法的粗糙的对准精度进行争辩，Specht等人的美国专利第4,805,123号中描述了一种用于缺陷检测的改进的对准和比较技术。在这种技术中，测试和参考图像中的大窗口被用于计算测试图像与参考图像之间的传感器象素级相关性。结果采样的相关表面的最小点被发现，并且二次函数适合于该最小点附近的表面。利用该适合的二次函数，就可以获得子象素精度转换以对准测试和参考图像。通过对测试图像和对准的参考图像上的2×2子窗口上的图像差进行阈值处理，可以对被对准的图像进行比较。
人们也提出了多种对这些基础技术的变换和改进。例如，在Yolles等人的美国专利第5,907,628号中特别指出了使用这种采样的相关表面来寻找最小值的缺点，并且辩称由于对表面的粗糙采样所以该点未必与真实的最小点相对应。因此，他们认为后续的子象素插值步骤对改善被检测的最小值的作用很小并且将会造成错误的对准，从而导致检测中的错误报警。Yolles等人提出可以通过基于改进的比较实体的精细的比较过程来缓解这些问题。
尽管基于图案比较的设备已被成功地应用在工业中用于特定应用，但系统速度(间歇时间)和精度(缺陷检测极限)之间的折衷已成为一个主导因素，该主导因素影响了所考虑到的基本极限。用于常规检测方法的已出现的折衷限制了这些系统在同时要求速度和检测灵敏度的制造速度下的大的平面构图介质的高通量的联机检测中的使用。
所谓的光学傅立叶过滤(OFF)(也被称为傅立叶空间过滤)是众所周知的广为理解的技术。使用OFF用于重复构图表面的缺陷检测的尝试可追溯到Watkins的标题为“Inspection of integrated circuit photo mask withintensity spatial filter”(“利用强度空间过滤器检测集成电路光掩膜”)的论文，其出版在IEEE学报第57卷第9号中(1969年9月)。该文中描述了这类空间过滤器的特性。随后，Watkins等人的美国专利第4,000,949号的发明中描述了用于构图表面检测的基本OFF的基础方面。
随着用来实现傅立叶空间过滤器的技术被证明在特定的应用领域是可行的，许多贡献紧随而来。这些贡献包括，例如，Lin等人的第4,806,774号美国专利，其中描述了用于微电路模检测的基础亮场照明傅立叶空间过滤装置。以及Nishii等人的第5,383,056和5,627,678号美国专利，其中描述了具有良好特性的特殊透镜结构。在Galbraith等人的第5,276,498号美国专利中描述了用于高周期性半导体晶片检测的傅立叶空间过滤器的另一种应用。该被描述的系统被指定用于扫描一个合并了带有不同光衍射图案的两个区域的表面。该表面被窄光束扫描。通过使用由多个光阀组成的两个连续平台(stage)从而实现了可编程SLM，其中每个平台由形成为线性条带的光阀的一维阵列组成，并且这两个平台相互横向布置。
在Hendler等人的第5,506,676号美国专利中所提出的另一种系统考虑到了利用诸如微镜设备的空间分离器来将透镜焦平面信息的不同部分重定向到不同的光强传感器以用于并行分析，并且该系统无需结合使用图像捕获设备。
其他公开了相关技术的美国专利包括Zhou的第6,490,393号美国专利，标题为“Integrated optical multiplexerand demultiplexer for wavelength division transmission of information”(用于信息的波长分割传输的集成光学复用器和多路分离器)；Chuang等人的第6,137,570号美国专利，标题为“System and method foranalyzing topological feature on a surface”(用于分析表面上的拓扑特性的系统及方法)；Fateley的第6,128,078号美国专利，标题为“Radiation filter，spectrometerand imager using a micro-mirror array”(采用微镜阵列的辐射过滤器、光谱仪以及成像器)；Holcomb的第6,084,671号美国专利，标题为“Surface analysis usingGaussian beam profiles”(采用高斯波束截面的表面分析)；Yoshimura等人的第6,061,126号美国专利，标题为“Detecting system forsurface form of obiect”(用于物体表面形态的检测系统)；Fateley的第6,046,808号美国专利，标题为“Radiation filter，spectrometerand imager using a micro-mirror array”(采用微镜阵列的辐射过滤器、光谱仪以及成像器)；Hendler等人的第5,966,212号美国专利，标题为“High-speed，high-resolution，large area inspection using multiple optical Fourier transformcell”(采用多个光学傅立叶变换单元的高速、高分辨率、大面积检测)；和Tsai等人的第5,822,055号美国专利，标题为“Optical inspection of aspecimen using multi-channel response from the specimen using bright anddarkfield detection”(通过亮和暗场检测对使用来自样本的多通道响应的样本进行光学检测)。
尽管他们内在的局限性导致了高的错误报警率或通过放松阈值而使灵敏度受到限制，但传统的图案匹配技术在整个工业中仍保持为主流的检测技术。这是由于抽样处理的自身特征所致，它不试图在制造速度下实现100％的检测，并且不看重检测系统的丢失缺陷率。然而，在制造速度下的高通量的联机光学检测的新兴应用领域受到更严的速度和精度的限制，而这些都是这种常规的系统在可行的成本下所不能实现的。
尽管OFF被考虑作为候选者以同时实现速度和检测精度，但其应用由于一系列的问题而尚未被认为是可行的。随着被检测目标缺陷的尺寸和对比度变小，精度、光学质量和用作光学过滤器的掩膜图案将变得至关重要。除非使用静态掩膜(诸如照像胶片或全息光栅)或通过静态或很难配置的机械系统，否则获得这类质量在过去是不可能的。静态掩膜对目前考虑的应用领域是不合适的，因为在AOI设备的正常操作期间，被检测材料上的图案通常需要改变，而静态掩膜不能被快速重新配置以检测带有新图案的对象或对同一图案的不同方向进行补偿。
如Drake的第5,742,422号美国专利和Monteasanto等人的第5,970,168号美国专利中描述的可重新配置的机械系统试图在保护光学质量的同时部分解决这个问题。然而，结果是系统的重新配置不可接受的慢。另外，它们受到了可实现掩膜图案的限制，通常是受到有限数量的水平和竖直线的限制。使用线作为掩膜图案还会导致其自身的负面影响，这些影响表现为缺陷在过滤图像内的寄生重影(parasitic ghost)。进一步，傅立叶过滤器的机械应用复杂、成本高、可靠性低并且尺寸过大，因而不易于扩展。例如，需要在紧的间歇时间要求内提供对大表面积的表面区域进行多个并行检测。
电可编程SLM设备在过去十年内首次出现，它使解决高速过滤器的重新配置问题方面第一次展现出了希望。然而，可用的设备(如光阀和透射LCD的早期形式)不能满足期望的性能指标。这些要求包括·高的对比度和高的光学质量(透明度/反射率和光学均匀性)，用以实现非常高的光谱抑制和未失真的信号传送，导致期望的检测极限；·高的空间分辨率和小的尺寸，适合于在紧凑的光学结构中使用并且并因而可以实现多通道操作；·大的填充系数以使掩膜表面效果(带有网格结构)最小，掩膜表面效果导致被过滤图像上的不受欢迎的寄生衍射图案；以及·在大范围的入射角内的可操作性，其由大视场(FOV)光学通道结构所需要，以利用较少数量的检测通道覆盖较大的检测表面区域。
因此，上述这些设备对于在制造速度下的大的平面构图介质的高通量、联机光学检测中使用并同时满足对检测极限的工业需求来说是不实用的。因而，前面所述的希望并没有得到满足。

发明内容
根据本发明，在一种特别适用于平面结构检测的检测系统中，光学傅立叶过滤器(OFF)原理被采用，并且结合使用了电可编程和电可重对准的高分辨率、高填充系数、高对比度、高均匀性、高光通量的空间光调制器(SLM)以作为可编程傅立叶掩膜。被测试目标的图像通过第一透镜组件被投射(使用合适的空间相干光源或类似的光源照明)到傅立叶平面上，在该傅立叶平面上定位有空间光调制器(SLM)形式的电可编程和电可重对准傅立叶掩膜或反射元件。逆傅立叶变换通过第二透镜组件被投射到最终的图像平面上。SLM被编程以在SLM上产生单个中心点，该点与傅立叶图像的中心点大小相应。通过利用从最终图像平面上检测到的光学信号反馈回来的图像强度，可在傅立叶图像的中心周围扫描SLM点，从而电力地使SLM遮挡图案相对于入射的傅立叶图像居中。随后，SLM被编程以产生可精确旋转对准的掩膜(如十字准线装置)，其相对于图像居中。该十字准线装置或类似装置遮蔽掉任何与十字准线对准的光学射线。随后，SLM图案被电力地旋转以通过利用从最终图像平面上检测到的光学信号反馈回来的图像强度从而旋转地使SLM十字准线图案与傅立叶图像的周期性图案对准。之后，SLM被编程以电扫描和采样傅立叶图像，从而在最终图像平面上根据预先确定的对准信息以检测傅立叶图像的各个单元或单元线的强度截面。为检测被测试目标，重建的傅立叶图像强度截面被编程入SLM以作为周期性单元的掩膜而将入射到SLM所在的傅立叶平面的傅立叶图像掩蔽，并且使非周期性成分的位置(通常为缺陷)在投射到最终图像平面上的图像中突显出来。
商业上可用的高分辨率LCD空间光调制器首次在根据本发明所述的系统中得到采用。
本发明专门致力于解决这样的问题，即，利用以非常慢的速度运行的各个目标缺陷检测限制调节系统，在制造速度下以高通量、联机的操作模式对大的平面构图介质(如高密度TFT-LCD板)的产品缺陷进行光学检测。
本发明通过利用具有比相同灵敏度的常规AOI设备低得多的分辨率的系统，从而使同时满足需要的间歇时间和检测极限需求成为可能。在本发明中，较低分辨率提供了满足间歇时间的速度，同时多个并行的OFF检测通道提供了能够满足苛刻的缺陷检测极限的检测灵敏度。
在下面结合附图的详细描述中，本发明将被更好地理解。


图1是带有构建的周期性晶体管阵列的大的平面构图介质的一部分的俯视图，其用来说明可能的非周期性缺陷；图2是其中示出了傅立叶平面的透镜系统的示意图；图3A是TFT LCD阵列的照片图像；图3B是傅立叶平面图像的照片再现；图4A是带有缺陷和标记的LCD栅格的一个区域的照片图像；图4B是经过过滤后的图像平面图像的照片再现，其中展示了缺乏周期性的缺陷；图4C是图4A和图4B中所示的低对比度“暗”缺陷的横截面图；图4D是图4A和图4B所示的低对比度“暗”缺陷的横截面5A是根据本发明的反射模式设备的射线追踪图；图5B是根据本发明的反射模式设备的示意图；图5C是采用偏振光的反射模式设备的示意图；图6是使用SLM和CCD图像捕获设备以确定正确的过滤图案的算法流程图；图7是本发明的4通道系统的示意图；图8A是单成像/光学过滤通道的功能图；图8B是多通道操作的功能图。
具体实施例方式
图2示出了说明光学傅立叶变换的透镜系统的一般结构。当位于透镜系统的物平面210中的周期性构图表面被平行的空间相干光照亮时，其起到了衍射光栅的作用。衍射光212被透镜模块214整合，并且周期性结构的干涉图形成在透镜的焦平面216中。在光到达图像平面218之后，该干涉图随后形成物平面的图像。已知在透镜焦平面中观察到的干涉图案与物平面的光学傅立叶变换相对应。由于这种物理特性，透镜焦平面也被称作傅立叶平面。傅立叶平面的大小以及傅立叶平面内的空间频率刻度(frequency scale)由第一透镜模块的设计参数和照明光的波长决定。
图3示出了这种特性。图3A是带有基本周期性结构310的TFT LCD阵列的实际图像，其中周期性结构310是单个的单元。图3B示出了被数字捕获到的透镜焦平面干涉图的图像，其中316和318是周期的主坐标轴。中心峰值312与位于图案正中心的均匀灰度级成分(DC)以及由于照明和样本反射而产生的低频不均匀性相对应。其余的峰值314与信号中的周期性成分相对应。
对干涉图的选定区域进行掩蔽(衰减)包括OFF并在最终的图像中获得期望的过滤效果。对于周期性图案检测而言，此举采用了对干涉图314中与原始信号的周期性相应的成分进行掩蔽而同时保持焦平面其余部分的透明度的形式。这种操作抑制了周期性信号成分的能量，同时使与被识别为缺陷的非周期成分相对应的信号能量通过。
图4A-4D示出了傅立叶过滤操作，在图4A中示出了带有较大缺陷412和较小缺陷410的LCD栅格。在图4B中示出了经过合适的光学掩膜过滤的同一栅格区，并且其中标记光纤414清晰可见。
图4C和图4D示出了低对比度“暗”缺陷410的横剖面图。缺陷对比显著提高，并且过滤后的缺陷信号在统一低背景416中显著升起。由于光学傅立叶过滤器也已经消除了低空间频率背景，所以简单的固定阈值414就以足够完成缺陷检测。可以观察到周期性栅格接近相机的噪声水平，同时缺陷清晰可辨并带有显著的信噪比(SNR)。
本发明的一个实施例的目标是在制造速度下高通量、联机地检测诸如高分辨率TFT LCD面板的大面积的平面构图介质。本发明所带来的明显好处是其通过对OFF的创新使用以满足充分超过系统的光学和图像捕获分辨率的检测极限的能力。这样就产生了一种系统，它能够达到较慢、较高分辨率的传统系统的检测极限，同时能够实现这些传统系统所不能实现的扫描速度。
具体地，我们已经开发出了一种AOI系统，它能够利用为7.6μm物平面分辨率设计的光学电子系统来检测出只比周围背景高出20个数字单位(DU)(对8位相机超过256DU)的3μm等效尺度的低对比度缺陷。对中对比度(超出背景100DU)的缺陷，检测极限被提高到2μm等效缺陷尺度。这些结果对处于包括晶体管的栅格的周期性特征之内或在其附近的缺陷是同样有效的。
通过降低的系统分辨率、连同简单迅速的基于阈值的数字处理、再结合大的FOV光学器材设计，就可以实现满足苛刻的间歇时间所需要的高速度。该系统使用多个相同的成像通道，每个通道都装备大的FOV光学器材，这样就可以覆盖多个双向检测通道上的整个检测表面。
为了利用减小的系统分辨率和简单的数字信号处理来满足同样苛刻的检测极限，本发明在透镜焦平面中使用了与高分辨率电可编程硅上液晶(LCOS)SLM相结合的OFF。信号内的周期性成分被抑制到相机噪声水平，同时照明强度被提高到通常会导致相机饱和的水平。由此实现了极高的缺陷信噪比。为实现后续检测阶段所需要的高SNR，SLM必须满足本文所描述的严格的指标。
图5A示出了组成本发明一个实施例的OFF的远心透镜(telecentric lens)设计和光学结构。图5B示出了照明器结构和图像捕捉设备。
参照图5A，使用半导体激光器532和平行光学器材536产生的平行的空间相干光通过分束器522和λ/4延迟波片524进入光路以照明被检区域526。从被检测区域的表面反射回来的光通过第一透镜组件520和另一个分束器518。分束器518放置在电可控反射SLM设备516附近。SLM设备516被置于第一透镜系统的焦平面上。从SLM设备516反射的光(其经过下载到SLM的掩膜图案过滤)被分束器518反射，并通过偏光镜514和第二透镜组件512被投射到最终的图像平面510上。在最终图像平面510中，检测器540通过由检测器540、图像捕获设备542、存储和处理设备544、输入/输出(I/O)设备545和电子饲服控制器546组成的反馈网将反馈信号541供应到电可控SLM516。在特定的实施例中，检测器540和图像捕捉设备542可合并到单个CCD图像捕获设备中。另外，也可使用附加的反馈环548。如下面参照图6所描述的，SLM516和反馈网在交互的方式下使用，以确定和优化SLM过滤图案，包括SLM516的电子对心和旋转对准。
透镜系统被设计用于7.6μm的物平面分辨率。第一透镜具有80mm的焦距，并且由第一和第二透镜组成的复合光学系统具有4.0的光圈数(f-number)。透镜系统的详细规格在下面的表1中给出。在这个由两组组成的特定透镜设计中，第一组520被优化以在透镜焦平面上产生需要的光学分辨率(小的光点尺寸和最小化的色差)，复合的第一组透镜520和第二组透镜512被优化以提供与图像平面510内的图像检测器分辨率相匹配的光学分辨率。
透镜系统被设计为远心的，其目的是为了保持整个FOV内的连续空间频谱以及由此产生的整个FOV内的均匀的缺陷检测极限。
如图5B所示，本发明的另一特性是可以使用能双向工作的延时积分(TDI)线扫描CCD传感器528。TDI CCD传感器提供了增强的光灵敏度，而图像传感器的双向特性则方便了对被测表面的双向图像扫描。
本发明的一个实施例采用了在反射亮场模式下的平行的、空间相干光源。由于使用线扫描CCD传感器，照明器被设计成在被检测平面上方形成椭圆的照明场。光强截面沿该椭圆的长轴是均匀的。选择照明区域的大小以在傅立叶平面中提供所需的FOV和光强峰值的定位。此举可利用光束路径折叠反射镜534、对准透镜结构536和产生30-50mW输出功率的单模半导体激光器532来实现。照明波长优选地在660nm(红光)以在不同的TFT阵列材料之间提供最好的对比度折衷。
本发明很好地利用了光偏振控制以防止由于设备操作的一个实施例中的两个分束器而造成照明损失。这可以利用λ/4延迟波片524和两个偏振分束器516和522来实现。互补的偏振器514被用作清除(clean-up)部件。对于这种双分束器结构类型来说，本方法使照明损失降低了约16倍，并且使利用商业上可用的单模半导体激光器进行成像变得可行。


表1

表2这种偏振控制方案的详细操作在图5C中示出。来自激光器的S平面偏振相干光束被供应到第一分束器522，并且在第一分束器522中几乎可以获得全部反射。随后反射的光束经过λ/4延迟波片524，并在其中被转换为圆偏振光束。当圆偏振光束从被测表面526反射并第二次经过λ/4延迟波片时，其将在与原始偏振平面垂直的P平面内偏振。这导致反射的光束几乎全部被分束器522传输到第一透镜组件520，并且随后经过第二分束器518到达SLM设备516的表面上。SLM将被反射光束的偏光旋转90°，因而几乎全部光束被从第二分束器518反射。
尽管本发明用焦平面上的硅上液晶(LCOS)或小镜片SLM设备的以反射过滤模式工作的特定的光学结构来说明，但这仅仅是一种可能而已。另一种可用的实现是在操作的发射模式中，其中焦平面配有带有可比较属性的发射SLM。
目标设备性能只可能通过使用满足非常苛刻的要求的电可编程SLM设备而实现。这种设备只是最近才可用的，本发明为其在感兴趣的领域提供了首次应用。
在本发明的特定实施例中，可编程光学傅立叶过滤器使用垂直排列向列(VAN)垂向(homeotropic)液晶SLM或电控双折射(ECB)模式硅上液晶(LCOS)反射型SLM设备。适当的VAN垂向液晶SLM设备由以下公司制造荷兰的菲利普电子公司，其在纽约的Briarcliff Manor有美国办事处；美国加利福尼亚州的Microdisplay of San Pablo；中国台湾苗栗竹南的TDMC；以及日本的JVC元器件公司的ILA器件分部。ECB模式的LCOS反射型SLM设备由在美国佐治亚州的Norcross有办事处的日本的日立公司制造。然而，也可以采用具有类似属性的反射或发射设备，只要满足下面的规格即可。
所采用的SLM设备提供足够的对比度来有效地对周期性信号成分进行阻滞同时使具有被重点关注的尺寸的非周期性信号成分仍能通过。因而，对比度超过500∶1是优选的。对指定较差的缺陷检测极限(可检测缺陷较大)的实施例来说，可使用较低的对比度。尽管在本发明的精神和范围内，如果其他性能得到满足并且检测极限宽松时，可以采用低至100∶1的对比度，但在实践中，需要300∶1的对比度以使根据本发明的装置能够正确运行。另外，优选的设备在宽范围的入射角(≥±14度)上保持了这种高对比度。这个范围应该至少能够支持由特定的远心透镜设计所决定的内容。这些属性使穿过透镜系统的整个大的FOV的原始信号中的周期成分得到高度抑制。因此，照明强度可显著增加，同时信号中的周期性成分被保持在低于图像捕获设备的随机噪声电平。这导致高的缺陷SNR，并允许使用非常直截了当的数字信号处理技术(如简单的阈值处理)，以实现缺陷检测和尺寸确定。
SLM设备提供足够高的填充系数来抑制SLM自身引起的寄生衍射是非常重要的。填充系数是SLM的电可控表面积与它的整体光学可用表面积的比率(百分比)。由于SLM内的象素间距起到了衍射光栅的作用，所以大的填充系数(接近100％)可使由于SLM自身的寄生衍射最小化。因此，大的填充系数，优选地≥90％，可进一步提高可实现的缺陷SNR。
跨越SLM表面的光学均匀性和波前失真是优选SLM的另一重要特性。如果失真在20mm的长度上不超过一个λ，则本发明可更加高效的工作。此举可产生非失真的最终图像，从而方便了缺陷定位并防止缺陷SNR由于光的振幅和相位的变坏而变差。
根据本发明使用的SLM优选地具有高的总光通量。本发明在至少80％的光反射率或透射率下工作更加有效。这种高的光通量使单模半导体激光器可得到实际利用。
采用的SLM的另一性质是其具有足够分辨率的合适尺寸。带有含1024×768个有效象素的19.45mm×14.59mm有效面积，设备能够充分地匹配透镜设计(提供20mm×20mm的焦平面尺寸)。该分辨率使有选择的削弱傅立叶光谱中的个别峰值成为可能，并且对系统光通量的损害最小。在提供了所需分辨率的同时，SLM的物理尺寸还可方便小型光学系统的设计，从而使多通道设备操作可行。后者是多个特征中的一个，它可以帮助满足所考虑的应用领域的需求。具有更小尺寸和更多有效象素的SLM设备将改善本装置的操作，并且只要它满足其它的规格就可得到使用。
没有透镜焦平面上实现的优化的过滤器，感兴趣领域的应用所要求的苛刻的缺陷检测极限是难以做到的。除了所需规格的电可编程SLM设备以外，利用算法来确定被编程到SLM设备中的最佳掩膜图案使该系统可更加有效地工作。过滤器的最优化应该考虑以下因素显示在SLM设备上的过滤器图案应足以将信号中的周期性成分抑制到尽可能实用的水平，同时应使来自非周期性缺陷的能量尽可能多地通过，由此产生高的缺陷SNR。
优选地，过滤器将是健壮的以防止表面平整度的偏差，如颗粒倾斜或弯曲；物平面内颗粒的不可避免的小的旋转；以及半导体激光器波长漂移。
在特定的实施例中，根据本发明的算法交互使用SLM、CCD图像捕获设备以及反馈网来确定最优化的过滤图案。这种过程在图6中以流程图的形式说明。注意，过滤图案图不是成比例的，并且为说明的目的而将旋转值夸大。
为得到并优化过滤图案，带有参考周期性图案的衬底区域被布置在系统的视场下方(步骤A)。衬底在最好的程度上被机械地对准，例如像将在用于缺陷的后续衬底的实际检测过程中所做的那样(步骤B)。尽管需要与SLM的对准相对应的旋转以提高过滤器的效率，但因为算法具有可补偿任何旋转失准的预备措施，因而这种对应并不是必需的。接下来，衬底沿页面(web)方向(沿线性扫描相机的扫描方向)移动，这样在与页面交叉的方向(与线性扫描相机的扫描方向垂直)可观察到CCD图像捕获装置上的周期性区域(步骤C)。在该操作期间，SLM设备保持完全反射。
随后的步骤是确定SLM上的光学系统的中心轴(步骤D)，再次说明，尽管希望在先前的机械对准中使主光轴位于SLM的中心附近，但只需粗糙的对准即可。在这一步骤中将补偿SLM设备的任何中心失准。为了这一目的，单个SLM象素中心点被显示在SLM上，并且相应的CCD能量被监测，同时使这个中心点扫描傅立叶图像的中心区域。导致在最终图像平面内具有最小能量的光点位置即对应于光学中心。这一过程利用焦平面图像的特性，从而使光学中心将与信号的DC成分相应，并由此最大化能量峰值。因此，当该中心点被SLM点掩膜抑制时，则可在最终图像平面上观察到急剧的能量下降。
在中心优化之后，执行旋转对准校验(步骤E)。该步骤被用于补偿相对于参考图案对准的光学轴附近的SLM的任何旋转失准。在特定衬底上图案的旋转对准没有任何假定的情况下，该步骤也可被用于单个衬底的检测。对这一步骤而言，除了显示在SLM设备上并位于傅立叶图像的中心的一个象素的薄十字准线掩膜图案之外，SLM设备被做成反射的。因而，十字准线图案的中心与步骤D确定的中心位置对应。在十字准线图案绕其中心轴旋转时，最终图像平面内的CCD能量被监测。角度搜索空间经常被限制在其中预计有任何失准的小范围内。旋转角所导致的最小的CCD能量被假定为相应于正确值。
随后的两步对应于如何确定沿旋转补偿的X’和y’轴的干涉峰值间隔。例如为确定沿X’轴的峰值间隔，除了沿y’轴的薄的反射窗口以外，SLM被全部掩蔽(步骤F)。该线型的窗口沿x’轴传播，并且利用每个窗口位置的CCD能量可计算出能量投影(步骤G)。截面或者得到阈值处理或者与峰值确定过程联合使用，以获得对x’轴的干涉峰值间隔。非常简单的过程被重复以确定y’轴的峰值间隔(步骤H和I)。对于一些LCD栅格，与较大单元尺寸相应的周期性可能导致聚焦平面上的干涉峰值相互非常靠近。可选地，对于这种情况，所描述的过程可被用在带有较大峰值间隔的该轴上，单元尺寸的现有知识可被用于获得其它轴的值。
在这些步骤之后获得了可用的过滤器(步骤K)，并且其可与确定的旋转对准(步骤N)联合应用。本发明的算法也可以结合可用于进一步优化特定情况下的过滤器行为的可选特征。一个例子是旋转健壮性(rotationalrobustness)的特征(步骤L)，其可被用于提高过滤器的健壮性，防止可从样本到样本而偶然发生的衬底上的图案的小的旋转失准。在中间样本变动发生时和在没有足够的可用时间以完成过滤器重新优化时，它将尤其提高系统性能。对这一步骤来说，基本掩膜点的大小朝SLM外围与相对图案中心的距离成比例地增加，这是由于这样的事实，即，随着与旋转中心的远离，与固定旋转相应的单个干涉峰值的位移值增加。另一个例子是使用十字准线图案来抑制干涉图案的主轴。应该理解，掩膜的形状和大小提供了对傅立叶平面内的光谱峰值的有选择抑制，从而可以提供改进的有选择的光谱抑制。
通过使用带有特定透镜设计的OFF、照明器、SLM设备和过滤算法，可以在被CCD图像捕获设备捕获的经过光学过滤的最终图像内获得非常高的缺陷SNR。在数字化的图像中，周期性栅格的剩余部分被抑制到传感器随机噪声水平以下，同时所有的非周期性缺陷在暗的背景中突显出来。缺陷强度与他们的大小和对比度相关。
因而，可以实现刚好处于噪声水平之上的固定阈值形式的被捕获图像的非常简单快捷的数字处理。其结果导致出了现场可编程门阵列(FPGA)固件形式的简单快捷的硬件形式。快速图像处理对满足应用领域的间歇时间要求是至关重要的。作为处理的结果，可获得缺陷的存在、位置和大小。
这在图4C和图4D中示出，其中低对比度“暗”缺陷410的截面图被示出。缺陷对比度被显著提高，过滤的缺陷信号在均匀的低背景416中升起。由于光学傅立叶过滤器消除了低的空间频率背景波动，所以简单固定的阈值414足够完成缺陷检测，并因此不再需要麻烦的背景校正或差分阈值处理技术。
在结合入机械的和/或气动的抑制装置以移动被检测的平面介质(或光学系统)时，本发明可更有效地工作并可提高所应用的光学过滤器的有效性。这样，对平面度的偏离在20mm介质的跨度上小于10μm。另外，在运动时的介质的旋转不稳定性应不超过±0.5度。
即使使用单通道、宽FOV光学器材，一些感兴趣的应用领域对短的间歇时间的要求也是无法实现的。因而，当包含OFF的多个相同距离的FOV图像通道被用于同时扫描多通道内网状方向的多个宽FOV时，本发明可以更加有效地工作。对一个假定的4通道系统而言，这种配置在图7中被示出。通道710，包括所有的光学过滤器、照明和光学器材，通过非常刚性的和高精细的台架712连接在一起。衬底718的整个面积被覆盖在多个通道716中，并且台架或者在衬底上移动，或者衬垫在台架下移动。
在60秒的间歇时间中，该设备的一个实施例覆盖了带有10个成像通道和6个检测通道的2100mm×1800mm的扫描区域，从而利用3.5μm的低对比缺陷检测极限实现对该区域的100％的检测。
图8A示出了用于单成像/光学过滤通道的功能系统部件。图8B示出了用于多通道工作的功能系统部件。光学路径包括物平面810、照明分束器812、第一透镜组813、SLM814、第二透镜组816和图像捕获装置818。在图8A中，每个单独的通道被前端处理器(FEP)826控制。这是一个由与同步动态随机访问存储器(SDRAM)和视频RAM(VRAM)相结合的一个或多个FPGA组成的处理器面板。FEP控制通过激光器驱动模块824的激光器照明光832、通过SLM驱动器模块822控制SLM814以及通过转换模块820控制CCD图像捕获装置818。而FEP则受到用作外设处理器板(PPB)的更慢但更加灵活的通用计算硬件828的控制，该外设处理器板包括通用中央处理单元(CPU)、内存和永久存储设备。如图8B所示，每个FEP-PPB对可被配置以控制多于一个的相机通道830和840，并且多个这样的FEP-PPB对可被用于完成多通道操作。缺陷检测、预分类和图像控制在FEP-PPB级上得到完成，同时系统控制板(SCB)整理从多个通道来的数据流，并通过特定的计算机控制板836将控制信号提供给X-Y-Z平台838。平台838传送并限制被检测介质，以使之符合图像系统的平整度和运动要求。可选地，成像通道而不是介质可沿着一些特定的轴移动。一个例子可能是相机沿着Z轴移动以进行自动聚焦。
已经参照特定的实施例解释了本发明。对本领域的技术人员来说其它的实施例是显而易见的。因而应该意识到，本发明只受所附权利要求的限制而不受这些实施例的约束。
权利要求
1.在用于检测具有周期性结构的大的平面对象中的缺陷的检测系统的方法中，一种用于提供可改变的掩膜以加强所述平面对象中的非周期性结构的可见性的方法，包括通过第一透镜组件将所述平面对象的图像作为输入空间信号投射到傅立叶平面上，以产生所述平面对象的所述空间信号的光学空间傅立叶变换；电力地使所述周期性结构与所述第一透镜组件的傅立叶平面上的电可编程空间光调制器对准，以遮挡所述空间傅立叶变换的周期性成分，并产生非周期性成分占主导的过滤的光学空间傅立叶变换，所述空间光调制器具有足够的分辨率、光能通量和对比度以用作一个有效的掩膜部件；以及通过第二透镜组件将所述被过滤的光学空间傅立叶变换的图像作为输出空间信号投射到图像平面，以产生过滤的图像，从而增强所述非周期性结构对空间光学能量检测器的可视性；其中所述电力对准步骤采用从所述图像平面转换来的光信号作为反馈信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对准步骤包括电力地在所述傅立叶平面内的所述空间光调制器上产生聚光点，并使所述聚光点定位于所述傅立叶平面上的所述图像的中心点；随后电力地产生与所述周期性图案的最窄情况相对应的可旋转对准的掩膜，并旋转地为所述傅立叶图像上的十字准线定中心，以遮挡所述傅立叶图像的周期性成分的传输；并随后电力地在所述傅立叶平面内的所述空间光调制器上产生可透射的线性窗口；以及随后沿所述旋转定心的轴对所述可透射的线性窗口进行扫描以确定所述光学空间傅立叶变换的周期性。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电可编程空间光调制器具有足够的对比度以有效地遮挡周期性信号成分。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对比度大于约100∶1。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对比度大于约300∶1。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对比度大于约500∶1。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对比度在至少±14度的入射角范围内大于约500∶1。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电可编程空间光调制器具有足以抑制寄生衍射的填充系数。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述填充系数大于约90％。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电可编程空间光调制器是其表面具有足够低的光学不均匀度和波前失真的用以产生不失真的图像的电可编程空间光调制器。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述空间光调制器表面的光学不均匀度和波前失真在20mm上小于一个波长。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电可编程空间光调制器具有至少80％的光能通量。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电可编程空间光调制器具有小于约20mm×15mm的有效面积，该有效面积可以提供至少1024×768个有效象素的分辨率。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电可编程空间光调制器进一步具有以下特征在至少±14度的入射角范围内具有至少500∶1的对比度；大于90％的填充系数；表面的光学不均匀度和波前失真在20mm上小于一个波长；至少80％的光能通量；以及小于20mm×15mm的有效面积，该有效面积可提供至少1024×768个有效象素的分辨率。
15.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述可旋转对准的掩膜是十字准线装置。
16.一种用于检测带有周期性结构的平面对象以指明所述平面对象中的缺陷的系统，包括多个成像通道前端，每个成像通道前端包括由电可编程空间光调制器实现的光学傅立叶过滤器，所述空间光调制器可重新配置，并具有足以将所述平面对象的转换的图像的周期性成分抑制到低于空间图像检测器的光学传感器噪声电平的对比度；具有足够大的视场的透镜组件，以与所述空间光调制器相互作用；激光照明系统，其被放置用来通过相干照明来照明所述平面对象，并产生足以在不带光学傅立叶过滤器的情况下使所述空间图像检测器饱和的光能强度；以及反馈系统，其与每个所述成像通道前端相结合，并响应所述空间图像检测器的输出、根据算法进行操作以可计算地控制所述可编程空间光调制器，从而产生对准的过滤图案以抑制所述被转换图像中的周期性成分。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述电可编程空间光调制器具有以下特征在至少±14度的入射角范围内的具有至少500∶1的对比度；至少90％的填充系数；表面的光学不均匀度和波前失真在20mm上小于一个波长；至少80％的光能通量；以及小于近似20mm×15mm的有效面积；且在所述有效面积内具有至少1024×768个有效象素。
18.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述透镜组件进一步包括含有多个透镜的远心透镜装置，其中第一透镜被放置以产生无限的共轭；以及第二透镜被放置以满足透镜组件约束。
19.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述激光器照明系统进一步包括运行于单空间模式以产生沿路径的光束的单模半导体激光器；放置在所述路径内的多个四分之一波片；以及放置在所述路径内的偏振分束器，所述偏振分束器以相对于非偏振分束器至少16倍的系数来提高光通量。
20.根据权利要求16所述的系统，进一步包括物理转换部件以限制平面对象和多个成像通道中的每一个之间的距离，以使其在平行于平面对象的平面内的成像通道的20mm的转换上变化不超过10μm。
21.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述电可编程空间光调制器可通过操作性地改变聚光点的大小以降低对旋转失准的灵敏度。
22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述聚光点的大小变化是通过与图案中心的距离成比例的基础掩膜点的大小变化而实现的。
23.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，所述电可编程空间光调制器包括十字准线形式的可旋转对准的掩膜图案。
全文摘要
在用于检测带有周期性结构的平面对象的检测系统中，远心透镜系统的焦平面中的可编程光学傅立叶过滤器被用于直接识别指明非周期性缺陷的物理现象。透镜组件和相干光源被用于产生和观察傅立叶平面内的周期性结构的空间傅立叶变换。使用电可编程和电可对准空间光调制器，光学傅立叶过滤(OFF)在聚焦平面内被完成，带有高的信噪比的空间光调制器根据反馈驱动、过滤器结构和对准算法被重新配置。OFF增强了在傅立叶平面和目标的最终图像平面内出现的任何非周期性成分。带有多个检测通道的系统提供了带有小的非周期性缺陷的目标的高通量检测，同时维持高的检测灵敏度。
文档编号G01N21/956GK1532542SQ20041000891
公开日2004年9月29日 申请日期2004年3月15日 优先权日2003年3月24日
发明者亚当·韦斯, 阿夫沙尔·萨兰勒, 奥利克西·洛帕廷, 亚历山德雷·奥博特耐, 亚当 韦斯, 尔 萨兰勒, 德雷 奥博特耐, 西 洛帕廷 申请人:光子动力学公司