高速自动聚焦系统的制作方法
【专利摘要】一种用于使用高数值孔径(NA)光学器件，使用智能图像分析来断定最佳聚焦，来优化部件的检查高速光学检查的方法和设备，该方法和设备利用非常有限的景深透镜来实现优越的信噪比、分辨率、和检查速度性能。
【专利说明】高速自动聚焦系统
【技术领域】
[0001] 本发明大体涉及电子部件的光学检查，并且更具体地涉及用于在这样的光学检查 中使用的自动聚焦系统。
【背景技术】
[0002] 诸如晶片、电路板、平板显示器、多芯片模块、和高密度电子封装的电子部件的光 学检查需要使用高分辨率光学器件来检测部件中的小缺陷。此外，在整个检查期间，必须保 持高分辨率光学器件部分处于聚焦状态以查看缺陷。图1为在扫描方向1-2和相对于扫描 方向而言的正交方向两者上具有表面高度Z的变化的部件1-1的示例。最近引进的具有嵌 入管芯的电路板为这样的部件的示例，并且因为被成像的表面经受由放置在基板层上和在 基板层之间的嵌入管芯或电路引起的高度变化和所识别的基板本身将变卷曲的特性，所以 该电路板被识别为难以被成像。
[0003] 图1有助于理解当需要现有技术设备来对各种部件中的缺陷成像时存在的问题。 在现有技术中，未不出的相机在部件的表面上面在扫描方向1-2上扫描。由于扫描对诸如 图1中所示的横向于扫描方向1-2的区域成像，所以由相机拍摄的图像必定处于聚焦状态。 图1中所示的部件具有由箭头1-3所示的必定在相机光学器件的景深内的高度变化范围。 利用现有技术成像设备，为相机选择的特定焦点能够任意地在部件的顶部1-5或在底部 1-6或在任意中间位置处。据此，成像光学器件的光学器件设计设定了需要的景深，该景深 优选地为如由描绘将覆盖高度变化的范围的深度的箭头1-7和1-8所示的部件的顶部1-5 和底部1-6之间的距离的两倍。然而，如已知的和稍后更详细地描述的，光学器件系统的景 深还确定图像的分辨率。这样的分辨率常常限制图像质量，这将妨碍对部件中的小缺陷的 检测。
[0004] 为了对部件检查缺陷，频繁地使用相机来以如由图2中的连续的条A至E所图示 的蛇形图案扫描部件。相机的视场的宽度由矩形2-1表示。已经描述本领域中的各种技 术来在这样的检查期间维持聚焦。授予Bishop的美国专利No. 7, 015, 445 "Method for Optimizing Inspection Speed in Low, and Fluorescent Light Applications without Sacrificing Signal to Noise Ratio, Resolution, or Focus Quality，'描述了在扫描部件 时使用三角测量传感器来维持成像光学器件和该部件之间的恒定距离。图3示出具有倾角 Θ的波状部件3-1、成像光学器件3-2和成像相机3-3。在扫描部件时，使成像光学器件3-2 和成像相机3-3作为一个单元升高和降低，以将部件的表面保持在成像光学器件的光学景 深3-4内。从概念上讲，能够移动部件、光学器件、或光学器件与相机的组合体以维持聚焦。
[0005] 图4示出使用具有光源4-1、照射束4-2和位置传感器4-3的三角测量传感器。三 角测量传感器在相机前面扫描，如由箭头4-4所指示。光束4-5撞击位置传感器的位置指 示离部件4-6的距离。在该图4中，成像相机光学器件具有景深（D0F)4-7。该距离测量在 反馈回路中被用来将成像光学器件或部件相对于彼此机械地移动以维持聚焦。图5示出到 位置传感器5-1上的束的位置如何作为到部件的距离的函数来移动。在由表面5-3、5-4、 和5-5表示的不同的距离处的三个表面分别被投射到在位置5-3'、5-4'和5-5'处的传感 器5-1上。这些距离测量值在反馈回路中使光学头或部件作为所测量的高度的函数移动以 维持聚焦。
[0006] 对于这些聚焦方法，存在两个限制。首先，如果图4中的照射束4-2在材料边界处 撞击部件，则距离测量值可能是不正确的。参照图6并且具体地参照图6A，当来自三角测量 传感器的光束6-1撞击高反射材料6-2时，整个照射斑6-3位于材料6-2上。该斑的图像 在传感器6-5上产生对称的有形束6-4。如果在传感器下方的材料现在改变，则在将部件扫 描到由图6B中的6-6表不的具有较低反射率的材料时，由6-7表不的较低度空间对称斑被 投射到传感器6-5上。只要投射斑6-7和6-4为空间对称的，代表到部件的距离的斑的质心 就将是相同的，并且将计算正确的聚焦距离。然而，如果照射斑6-3如在图6C中落在材料 边界上，则它在高反射材料6-2和较低反射材料6-3之间展开。在这种情况下，投射到传感 器上的斑将不对称，并且因为斑的质心不再代表到部件的正确距离，当正确的距离应为6-7 时，到部件的距离将被不正确地计算为6-8。
[0007] 其次，在图7中，具有成像光学器件7-2的成像相机7-1沿着Z轴7-3在聚焦方向 上移动以维持离部件7-4的表面的恒定距离，而在部件在Y方向上被扫描时，聚焦距离被动 态地调节。整个成像相机的聚焦距离基于沿着扫描方向上的窄线的一系列单点测量值。不 取垂直于扫描方向的测量值。这暗示跨相机的宽度，或图2所示的每个已扫描的条A-E的 宽度，表面上的所有特征必定位于由图3中的箭头3-4指示的成像光学器件的光学景深内。 如将明显的，不在景深内的任意特征将处于焦点未聚焦状态。
[0008] 在部件被扫描时，聚焦测量单元可以经过部件上的高或低特征。可以基于到高特 征的距离来计算一些聚焦距离，而可以基于离低特征的距离来计算其它聚焦距离。这暗示 在当计算聚焦测量值的时候，成像光学器件的光学景深必须足够大以确保适当的聚焦，无 论在聚焦测量单元下方是高特征还是低特征。仅基于沿着扫描方向上的线的测量值来计算 聚焦将具有这种局限性，无论获取了多少测量值，计算该计算有多快，具体的测量方法或测 量装置的类型。优选的器件是单点三角测量传感器；取决于要由检查设备提供的性能标准， 可以以单点共焦传感器、单点电容性传感器等替代。
[0009] 为了使当前聚焦跟踪技术正常运转，由图8中的箭头8-1指示的成像光学器件的 焦深必须足够大以保证可以被用来计算聚焦距离的所有可能的特征高度的聚焦。重要的是 注意图8表示垂直于机械扫描方向的X轴中的部件的表面。图8还表示投射到如由图2中 的块2-1表示的线性CCD扫描相机的长轴上的图像。不幸地，严格要求此种大景深限制了 检查系统的空间分辨率和缺陷检测能力。更具体地，光学焦深（D0F)由以下方程式给出：
[0010]
【权利要求】
1. 一种用于通过利用具有成像光学器件的成像相机来拍摄部件的不同的像场的多个 图像来检查所述部件的方法，所述成像光学器件具有固定的分辨率和景深，其中，所述部件 的表面的特征在于在给定像场内的高度变化，并且其中，所述图像光学器件景深具有的值 使得聚焦在所述给定像场中的任意点上都无法保证整个对应的图像将处于聚焦状态，所述 方法包括以下步骤： A) 在给定像场的多个位置处对所述部件表面的高度进行采样，其中，所述采样间隔足 够小以确定在所述像场内的所述表面的高度变化的范围， B) 基于给定像场的采样高度来为每个图像确定所述成像光学器件或成像相机的聚焦 位置，使得在所述像场中的所有感兴趣的表面将在所述成像光学器件的景深内，以及 C) 将所述成像光学器件移动至所述给定像场的聚焦位置，以此所述图像跨所述像场将 处于聚焦状态。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述成像相机在扫描方向上扫描所述部件的表 面，并且所述图像的大小被调节，以此所述图像中的高度变化范围将在所述成像光学器件 的景深内。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述成像相机沿着最大宽度的相邻的平行条扫 描所述电子部件，并且所述大小减小改变将由所述成像相机获得的图像的宽度，以此所述 条中的高度变化范围将在所述成像光学器件的景深内。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述成像相机包括线性电荷耦合器件。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述成像相机包括延时和集成电荷耦合器件。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述采样包括以第一频率照射所述部件，并且所 述成像相机以不与所述第一频率干涉的第二频率响应于照射。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，所述第一频率在红外带中。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述第二频率在可见光带中。
9. 根据权利要求7所述的方法，其中，所述部件包括不透明材料制的基板，并且所述第 二频率在使所述不透明材料发荧光的带中。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述采样包括记录在所述成像相机视场内取得 的高度测量。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中，在扫描操作期间，所述采样包括记录在所述成 像相机视场的前面的高度测量。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述图像沿着扫描轴在扫描操作期间被拍摄， 并且所述采样包括记录在沿着所述扫描轴的各个连续位置处的垂直于所述扫描述方向的 高度测量的组，并且所述聚焦位置确定包括处理至少一组所记录的高度测量。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述图像沿着扫描轴在扫描操作期间被拍摄， 并且所述采样包括记录在沿着所述扫描轴的各个连续位置处的垂直于所述扫描述方向的 高度测量的组，并且所述聚焦位置确定包括处理来自多个相邻的组的所记录的高度测量的 高度测量。
14. 一种用于通过利用具有成像光学器件的成像相机来拍摄部件的不同的像场的多个 图像来检查所述部件的设备，所述成像光学器件具有固定的分辨率和景深，其中，所述部件 的表面的特征在于在给定像场内的高度变化，并且其中，所述图像光学器件景深具有的值 使得聚焦在所述给定像场中的任意点上都无法保证整个对应的图像将处于聚焦状态，所述 设备包括： A) 用于在给定像场的多个位置处对所述部件表面的高度进行采样的装置，其中，所述 采样间隔足够小以确定在所述像场内的所述表面的高度变化的范围， B) 用于基于给定像场的来自所述采样装置的采样高度来为每个图像确定所述成像光 学器件或成像相机的聚焦位置，使得在所述像场中的所有感兴趣的表面将在所述成像光学 器件的景深内的装置，以及 C) 用于将所述成像光学器件或成像相机移动至所述给定像场的聚焦位置，以此所述图 像跨所述像场将处于聚焦状态的装置。
15. 根据权利要求14所述的设备，其中，所述成像相机在扫描方向上扫描所述部件的 表面，并且进一步包括用于调节所述图像的大小，以此所述图像中的高度变化的范围将在 所述成像光学器件的景深内的装置。
16. 根据权利要求15所述的设备，其中，所述成像相机沿着最大宽度的相邻的平行条 扫描所述电子部件，并且所述大小减小装置改变将由所述成像相机获得的图像的宽度，以 此所述条中的高度变化范围将在所述成像光学器件的景深内。
17. 根据权利要求14所述的设备，其中，所述成像相机包括线性电荷耦合器件。
18. 根据权利要求14所述的设备，其中，所述成像相机包括延时和集成电荷耦合器件。
19. 根据权利要求14所述的设备，其中，所述采样装置包括用于以第一频率照射所述 部件的装置，并且所述成像相机以不与所述第一频率干涉的第二频率响应于照射。
20. 根据权利要求19所述的设备，其中，所述第一频率在红外带中。
21. 根据权利要求20所述的设备，其中，所述第二频率在可见光带中。
22. 根据权利要求19所述的设备，其中，所述部件包括不透明材料制的基板，并且所述 第二频率在使所述不透明材料发荧光的带中。
23. 根据权利要求14所述的设备，其中，所述采样装置包括用于记录在所述成像相机 视场内取得的高度测量的装置。
24. 根据权利要求14所述的设备，其中，在扫描操作期间，所述采样包括用于记录在所 述成像相机视场的前面的高度测量的装置。
25. 根据权利要求24所述的设备，其中，所述图像沿着扫描轴在扫描操作期间被拍摄， 并且所述采样装置包括用于记录在沿着所述扫描轴的各个连续位置处的垂直于所述扫描 述方向的高度测量的组的装置，并且所述聚焦位置确定装置包括用于处理至少一组所记录 的高度测量的装置。
26. 根据权利要求24所述的设备，其中，所述图像沿着扫描轴在扫描操作期间被拍摄， 并且所述采样装置包括用于记录在沿着所述扫描轴的各个连续位置处的垂直于所述扫描 述方向的高度测量的组，并且所述聚焦位置确定装置包括用于处理来自多个相邻的组的所 记录的高度测量的高度测量的装置。
【文档编号】G01N21/956GK104126114SQ201280061083
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2012年10月17日 优先权日:2011年10月17日
【发明者】罗伯特·毕晓普, 蒂莫西·平克尼 申请人:斯特拉联合有限责任公司