专利名称：平面基板自动检测系统及方法
技术领域：
本发明属于检测系统领域，特别是用于检测平面基板上刻印图形的缺陷的系统和方法。
背景技术：
缺陷监控是生产和加工平面显示器类大型基板的关键步骤。平面显示器主要用于个人笔记本电脑，电脑平面显示器，手机和数码仪器显示屏，汽车导向系统，摄像机，投影电视和液晶电视，以及许多仪器上的大大小小的显示屏。平面显示是由两个透明基板(一般是玻璃)组成。基板上刻印有控制电路和光学滤色片，两个基板间充满液晶。平面显示器产品的加工过程非常繁复，而且必须在超净环境下进行，否则很容易受到加工过程中的各种缺陷影响，制造商有可能不得不修理或报废有缺陷的显示器。这将降低成品率，增加成本，因此制造商的成功在很大程度上取决于对基板缺陷的控制和检测。
平面显示器的加工过程中有许多类型的缺陷，缺陷包括但不限于落尘(落在基板上的异物)，开路和短路，化学残留(留在基板表面的化学物质)，通孔(连接上下两层的孔洞，此孔洞可能造成短路)。这些缺陷会使基板某些像素不工作或整块基板不工作。
在生产过程中进行基板检测可帮助质量控制和流程控制，而且帮助减少缺陷造成的材料损失。平面显示屏检测面临特殊的技术挑战，原因是基板使用透明材料，表面的刻线具有多层结构，刻印的图案密集，缺陷的尺寸非常小(在微米量级)，基板面积太大，检测时间非常短。自动光学检测系统用于平面晶体管液晶显示器基板和半导体集成电路的加工过程，可诊断产品的质量，提高成品率，降低生产成本。
传统的自动光学检测系统使用照相机对基板进行拍照。分析拍照的图像可发现基板上的缺陷，图像可提供缺陷的坐标(x，y坐标，经度，纬度，区域等等)，大小，种类。图像分析不仅提供缺陷位置和种类，还提供缺陷数目的趋势。这些信息帮助制造商优化他们的成品率管理系统。
自动光学检测系统的性能主要由检测速度和灵敏度决定。加工技术的不断更新大大提高生产速度，基板也不断变大，基板上刻印的图案线宽也越来越小，所有这些要求自动光学检测系统具有更高的检测速度和更高的灵敏度。现在对自动光学检测系统和方法的要求是能够高速分析大型平面基板(平面液晶显示器基板，半导体晶圆等等)，同时检测系统的探测器必须具有很高的灵敏度，而且能够提供高分辨率图像。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种平面基板自动检测系统及方法，能够高速分析大型平面基板，具有高灵敏度，而且可提供高分辨率图像。
本发明的目的是这样实现的一种平面基板自动检测系统，其特征在于包括一个照明组件；一个透镜组用于引导照明组件的光束至基板的特定区域，透镜组至少包含一个菲涅尔透镜；和一个相机用于接收照明光与基板表面作用后的反射光，相机包含一个时间延迟积分(TDI)传感器。
一种平面基板自动检测方法，其特征在于包括产生照明；采用菲涅尔透镜引导光线至基板的一个区域；采用时间延迟积分(TDI)传感器接收经入射光和基板作用之后的反射光；和采集反射光信息生成基板的图像。
下面所述自动光学检测系统和方法是用于平面显示器基板上刻印图案缺陷的检测，判断和分类。平面显示器包括液晶显示器，有机发光二极管基板，掩模板和半导体晶圆。自动光学检测系统和方法在这里统称AOI系统，它是由光学模块所组成。光学模块包括照明光源和透镜阵列，用于把光源的光投射到基板表面上去。本发明中透镜阵列包括至少一个菲涅尔透镜。光学模块还包括一个照相机，用于接收投射到基板的光的反射部分、散射部分或透射部分。照相机包括时间延迟积分传感器或线形扫描电荷耦合装置(CCD)。一个远心透镜把基板的反射光，散射光或透射光投射到照相机上去。
照明部分有一个控制器控制多个发光二级管(LED)光源，不同LED发射不同波长的光。控制器可以单独控制每个LED光源。照明部分包括正面照明光源和背面照明光源，每一个光源包括明场和暗场光源。另一个在这里描述的自动光学检测系统实例包括能发生不同波长光波的单一LED光源。一个反馈系统连接到照相机的输出端，这个反馈系统控制照明光强和照相机的增益。照相机与图像采集和处理系统用一根电缆或光缆连接。
本发明具有高灵敏度以及可提供高分辨率图像，通过调整不同波长LED灯的输出光强可优化缺陷检出灵敏度，通过采用菲涅尔透镜可减少透镜厚度从而减轻重量和体积，通过采用TDI相机可在相对较短的采样时间内采集大量的信号，因此与其它视频扫描方法相比，可以提供一种具有更高响应速度的线形扫描。
图1是本发明自动光学检测系统光学模块的一个实例的示意图；图2是本发明自动光学检测系统光学模块的另一实例的示意图；图3是本发明自动光学检测系统光学模块中菲涅尔透镜的一个样本实例的结构图；图4是本发明在自动光学检测系统中使用暗场检测的方法实例的示意图；图5是本发明在自动光学检测系统中的光学模块用明场和暗场检测的实例的示意图；图6是本发明自动光学检测系统中用背光照明的光学模块的实例的示意图；图7是本发明自动光学检测系统中用反射镜做背光照明的光学模块实例的示意图；图8是本发明自动光学检测系统中光学模块使用正光，背光照明，明场和暗场检测的组合实例的示意图；图9是本发明自动光学检测系统带有反馈系统的光学模块实例的示意图；图10是本发明自动光学检测系统模块实例的示意图；图11是本发明自动光学检测系统的示意图，该系统由不同光学模块组合而成，具有不同的监控和表层测量功能实例；图12是本发明用于检测大型基板的自动光学检测系统实例的示意图；图13是本发明检测系统的高速致动器实例的示意图。
具体实施例方式
下面的描述提供了许多细节来描述和理解一个检测系统和方法的实例。本技术领域的技术人员可意识到即使缺乏一个或多个细节，或者用另外的元件，仍然可以实现这些实例。换句话说，众所周知的结构和操作没有显示在这里，或者没有详细描述。
图1是自动光学检测系统光学模块605的方块图实例。光学模块605用来检测基板并进行缺陷的判断和定位，通过探测与入射光强和积分时间乘积成正比的缺陷信号可以实现这一目标。光学模块605包括多个LED光源，每个LED光源发出不同波长的光入射到被检测的平面基板上。虽然在这个例子中光学模块605有三个LED光源产生三个波长的光，实际应用中同样可使用不同数目的LED或波长。多光源的光学模块605包括LED 301产生波长为λ1的光，LED 302产生波长为λ2的光，LED 303产生波长为λ3的光，LED的输出光束经透镜311，312和313准直，并由二向色分光镜314和315合并。二向色分光镜314反射波长为λ2的光和透射波长为λ1的光。二向色分光镜315透射波长为λ1和λ2的光，反射波长为λ3的光。
控制单元330独立控制3个波长光的光强。样品表面的光强I由公式给出I＝I1+I2+I3这里I1，I2，和I3分别是波长为λ1，λ2，λ3的LED光源的输出光强。
LED光源301-303的光强I1，I2，和I3可以从0到100％单独调整，这样可以针对不同的样品表面优化缺陷检测的灵敏度。例如，镀在基板上的薄膜的光学特性和厚度都会影响不同波长的光的反射率。于是，某些波长的光会比其他波长的光具有更高的缺陷检出灵敏度。不同波长的光相对强度的可调性可以优化缺陷检出灵敏度，但用传统的光纤光源非常难以实现这点。
此外，由于不同的波长的光的相对权重连续可调，使得光学模块605可以补偿光学系统对不同光谱透射的不均匀性和CCD传感器的光学响应的不均匀性。因此，光学模块605可以提供一个真实平坦的照明光谱，这对于检测因表面镀膜厚度不匀而产生许多噪声的基板非常重要。另外，增加另一个光源还可以实现暗场的照明和成像(没有图示)，比如用激光以一个倾斜角度照射表面。
光学模块605中在照明光路上位于彩色滤光片315和分光镜307之间有一个柱状透镜202和一个球形透镜203。柱状透镜202和球形透镜203经过配置和定位，用于控制各个LED输出光源的光投射在基板上形成的形状，在本发明中汇集在基板表面的照明区域是一条窄的线状区域。照明区域还应该加以优化，至少与象素的长宽比、大小、成像传感器在基板上的视野中的一项或全部相匹配。光学模块605还包含位于分光镜307的反射路径上的成像透镜205；分光镜307的分光镜面308朝向成像透镜205，这样来自样品表面204或基板的光束就不会通过分光镜307成像。通过这种方法光学模块605具体实现了消除由分光镜厚度引起的像差。来自成像透镜205的光投向装有线性扫描电荷耦合装置(CCD)或时间延迟积分器(TDI)的照相机206，如下所述。
图2是一个自动光学检测系统的光学模块200之方块图的另一种实现方法。自动光学检测系统的光学模块200包括多个LED光源，每个LED光源通过设置可以输出不同波长的光。尽管本例中光学模块200中有三个LED光源和各自分别可以输出三种波长的光，该装置还可以配置不同的LED光源和/或波长。具有多个光源的光学模块200包含LED 301输出光源波长为λ1，LED 302输出光源波长为λ2，LED303输出光源波长为λ3。输出的光源经由透镜311，312和313校准，再由二向色分光镜314和315合并。二向色分光镜314反射波长为λ2的光线和投射波长为λ1的光线。二向色分光镜315透射波长为λ1和λ2的光线，反射波长为λ3的光线。
控制单元330独立控制三种波长的光源的光强。样品表面照明光强的计算如前述图1所示。LED光源301-303的光强I1，I2，和I3可独立由0至100％光强范围内调节，以优化不同样品表面缺陷检测的灵敏度。
光学模块200中在照明光路上位于彩色滤光片315和分光镜307之间包含一个柱状透镜202和一个球形透镜203。柱状透镜202和球形透镜203经过配置和定位，用于控制LED输出光源的光投射在基板上的形状。汇集在基板表面的照明区域是一条窄的线状区域。照明区域应该加以优化，至少与象素的长宽比、大小、成像传感器在基板上的视野中的一项或全部相匹配。光学模块200包含位于分光镜307和样品表面204之间的光线路径上的成像透镜205；分光镜307的分光镜面朝向照相机206，它直接把样品表面204上过来的光308反射到装有线性扫描电荷耦合装置(CCD)或时间延迟积分器(TDI)的照相机206上，这样来自样品表面204或基板的光束就不会通过分光镜307。通过这种方法自动光学检测系统的光学模块200具体实现了消除由分光镜厚度引起的像差。
光线模块200在光路上位于光源和分光镜307之间包含透镜311，312，313，316，202和203。每个透镜311，312，313，316，202和203经过配置，收集和导向来自光源301-303的光线至基板表面204，每个透镜311，312，313，316，202和203都是一个菲涅尔透镜。
图3所示为光学模块200所含菲涅尔透镜300的实例。光学模块200用聚丙烯树脂菲涅尔透镜300替代传统镜头。菲涅尔透镜300以直接压膜而成的轻而薄的塑料片取代了传统制作镜头所需的大量材料。菲涅尔透镜300可以有大的孔径和短的焦距，却不需要像其它透镜那样为此耗费很重和很大体积的材料。与其它类型透镜比较，菲涅尔透镜300更轻，透光率更高。因为菲涅尔透镜很薄，很小或几乎没有因吸收引起的光损失。菲涅尔透镜300由一组被称为菲涅尔区的同心环状结构构成，减少了传统球形透镜所需大量材料。对每个菲涅尔区，透镜的整体厚度大大减少，等效为将一个具有连续表面的标准透镜切割为一套具有相同曲率但不连续的多个表面。这样就可以大大减少透镜厚度(于是减轻重量减少体积)，但代价是透镜成像质量下降。光线模块200的配置可以采用菲涅尔透镜300，是因为TDI传感器在扫描方向上每次只读取一个像素，而不是一个图片，因此光学模块200的照明线远远宽于成像区，所以在表面上仅仅利用了一个很小的，相对均匀的线状区域。因此，任何由菲涅尔透镜产生的成像质量下降都不会妨碍菲涅尔透镜应用于本发明自动光学检测系统的光学照明系统中。
来自基板204的反射光308应与TDI相机206垂直，因为成像方向的移动与电荷移动方向(通过相机206的传感器)一致。参看图1，光学模块的配置满足这个要求，它将入射光经分光镜307射入基板表面204。同一个分光镜将由基板204反射回来的散射光和/或透射光导入TDI相机206。成像透镜205位于光路中将来自基板表面204的光导入TDI相机206。
光线模块200采用了更为紧凑的设计，把成像透镜205放在分光镜307和基板表面204之间，这样成像透镜205就可以收集和引导来自基板204的反射光。光学模块200中的成像透镜205拥有相对较小的工作距离。当光学模块200的放大倍率固定时，成像透镜205和TDI镜头206之间的距离也就变短。
基于上述原因，光学模块200包含的成像透镜205采用远心透镜。一般说来，远心透镜的配置是使来自物体或图像所有点的光主轴平行。远心透镜可提供同轴成像光。本发明的自动光学检测系统采用远心透镜是因为最后的图像具有固定的放大倍率和几何形状，远心透镜使物体的大小不受物体图像在视野中的位置影响，甚至当物体距镜头的距离有一些变化时也没有关系。同时采用远心透镜和LED光源可以优化远心的效果，因为LED是通过远心透镜照明，它可以产生平行的光束。因此，入射光和由基板表面204的反射光以相同的光路通过成像透镜205。
与传统透镜不同，远心透镜对距镜头任意距离的物体有相同的放大倍率，于是远心透镜对任意距离的物体都生成大小一样的图像，在全部的视野范围内保持固定的视角。一个物体如果距离远心透镜太近或太远都会造成聚焦模糊，但是即使是聚焦模糊的图像也都与聚焦清晰的图像具有相同的大小。
应用于机器视觉系统的远心透镜因此在一定距离范围内和整个视野范围内可以提供固定大小和几何形状的图像。采用了远心透镜的自动光学检测机器视觉系统因而克服了许多采用传统透镜的机器视觉系统常见的问题，这些问题包括但不限于由于物距改变而引起的表观大小的改变，由于不在视野的中心区域而引起的变型(使用传统透镜，物体在边缘时的视角和物体在视野中心区域时视角不同)。
一般情况一张待检测的基板有两个表面底层的基板和上层的图形结构。远心透镜不会收到反射自底层(比如我们感兴趣的上层图形结构之下的基板)的阴影图像；因为当入射光线正入射至基板上时，阴影图像正好在图形结构之下。TDI获取的图像是基板的顶视图。所有下层的阴影都可以被它们之上的图形挡住。阴影图像在图像处理中是作为背景噪声的。因此采用远心成像透镜可减少自动光学检测系统的光学模块200的背景噪声。
光学模块200包含一个用于捕捉基板图像的TDI相机206，如上所述。TDI相机是一种线形扫描相机包含有一个TDI传感器。通常TDI相机可对同一物体累积多次曝光，因而有效的增加了收集入射光的积分时间。正在成像中的物体处于运动状态时，物体的运动与TDI的曝光应保持同步以保证图像质量。
TDI相机可在相对较短的采样时间内采集大量的信号，因此与其它视频扫描方法相比，可以提供一种具有更高响应速度的线形扫描。在相同入射光强情况下，TDI相机可以更高的速度扫描，或在弱光情况下，以相同的速度扫描。
TDI传感器包含多行光电探测器或传感器(如，从4行到96行的光电探测器)。当一行光电探测器阵列中的每一个光电探测器受到光子的撞击时，便产生与光子数目成正比例的电荷。基于TDI相机的系统以时间延迟多次曝光的方法采集移动物体的图像，所以自动光学检测系统移动被检测的基板，使之与TDI相机所采集线形图像保持同步。这种运动使得基板以每次一条线的方式通过TDI镜头的视野，如同文件通过扫描仪一样。
当基板运动经过TDI相机时，采集的线性图像(基板的一部分)依次由一行探测器移往下一行探测器。同时，TDI相机移动储存的电荷使它们与运动的图像保持一致。于是，当基板运动经过TDI相机时，代表基板图像的电荷也依次流向临近的光电探测器并且不断累积起来。通过这种方法，TDI传感器将若干行传感器上的线性图像累积(积分)起来，使得图像获得更多的光照。TDI相机传送线性图像的信息到图像采集卡上，把像素的信息整合成一个完整的图像。
经过积分的图像信号具有更好的信噪比和动态范围。更多的积分时间可以实现更快动态图像的采集。更进一步，因为TDI相机的操作可以有效的平均直流光源的光强波动，从而可以用LED光源来代替高功率，高消耗和高温的直流卤素灯，进而降低了系统的维护成本。尽管此处自动光学检测系统是使用一个TDI相机206，其它各种高灵敏度的探测器包含于此自动光学检测系统的光学模块200之内，例如增强型的电荷耦合器件(ICCD)，光电倍增管(PMT)，线性扫描电荷耦合器件，互补金属氧化物半导体(CMOS)。
上述自动光学检测系统采用明场检测原理进行基板检测。明场方法直接由基板的反射光获取基板表面的图像。有些缺陷(如划痕，颗粒等)具有很强的暗场光学响应，有些缺陷具有很强的明场光学响应。因此，为可靠的检测出各种类型缺陷，另外一种自动光学检测系统的设计采用了暗场方法作为明场方法的补充来检测基板。
图4所示为自动光学检测系统采用暗场检测方法的示意图。在暗场检测方法中入射光601由一处或多处倾斜入射至基板。入射光线601与基板作用后产生反射光线602和散射光线603。透镜组604收集来自基板表面的散射光603并将之导入一个探测器。
图5是自动光学检测系统光学模块500的示意图，该系统使用明场和暗场检测方法。该光学模块500的明场检测部分的配置和功能如前图2所述(光学模块200)。光学模块500除含有前述明场LED光源301-303外还包含一个暗场光源701。暗场光源701包含一个或多个LED，灯泡，光纤照明和激光光源等等。透镜702将来自暗场光源701的入射光703会聚至基板表面204。暗场照明区域与明场照明区域应该重叠。入射光703与基板表面204作用生成反射光704和散射光705。成像透镜205收集散射光705并在TDI相机206上成像。
自动光学检测系统还使用背光或背侧照明来获取基板图像。背光设置为放置一个光源于需要成像的基板之下。背光可以使某些类型缺陷(如玻璃基板上的岛状缺陷)获得很高的对比度。当被检测的样品为玻璃基板时，背部照明可以检测出玻璃表面和玻璃内部的缺陷。
图6是采用背光照明的自动光学检测系统的示意图。背光可以增强某些正面光源难以检测出的缺陷的检出率。自动光学检测系统光学模块600包含正面光源804和背光源803。正面光源804可包含前述所有光源。被光源可以是一个LED，灯泡或光纤光源。背光源803的数值孔径应与正面光源804匹配以保证尽可能多的光进入TDI相机。两种光源照亮基板表面的同一个区域。光学模块600包含两个带真空的气浮支架603，支架603之间的区域为背光源803。支架包含一个压缩空气入口801和一个真空出口802，其中真空提供维持基板在气浮上稳定高速运动的向下的吸力。
另一种提供背光光源方法是把不同反射率的镜子放置于玻璃基板之下。图7是含有镜面903作为背光照明的自动光学检测系统的光学模块700示意图。正面光源804输出的光射入镜面903，自镜面903的反射光提供背光光源。镜面903有一个三棱柱形的构造，但不限于此。三棱柱形镜面903的每一面镀有不同反射率的薄膜。针对不同性质的基板选用不同反射率的背光源镜面，通过旋转或放置适当的三棱柱镜面提供不同强度反射光线作为背光源。来自基板表面和镜面的反射光都进入TDI相机206。基板之下放置镜面的区域要比放置其它光源(如LED，灯泡，光纤照明)的区域小的多。另外一种自动光学检测系统的设计采用任意几何形状和任意反射率和/或类型的膜，以及不同类型的照明光源比如漫散射光源。
图8是采用正面光源和背光源以及明场和暗场检测方法的自动光学检测系统光学模块800之示意图。自动光学检测系统光学模块800包含有用于明场的一个正面光源804和一个背光源803，如前所述。正面光源804和/或背光源803可以是一个或多个LED，灯泡，光纤照明。自动光学检测系统800包含有用于暗场照明的一个正面光源701和一个背光源1001，如前所述。暗场光源1001包含一个或多个LED，灯泡，光纤照明，或激光光源。暗场光源照明区域与明场光源照明区域重叠在一起。光学模块800中的正面光源构造和操作，用于明场和暗场检测时分别与前面所述的光学模块200(图2)和光学模块500(图5)类似。光学模块800中的背光源构造和操作，与前面所述的光学模块600(图6)和光学模块700(图7)类似。
不管使用上面所述的哪种光源类型或构造，在基板检测操作中LED光源光强必须保持稳定。尽管LED光源具有相对很长的使用寿命，它们的光强会随LED或半导体的老化效应而衰减。自动光学检测系统的设计采用一套反馈系统，通过一个标准样品来检查并补偿任何LED强度的衰减。用标准样品来定期测量LED的光强，如果光强发生变化(如下降)，反馈系统就会调整LED工作电流以提供自动光学检测系统所需的光强。
图9带有反馈系统的自动光学检测系统的光学模块900的示意图。本例中的光学模块900包含前面图2中所述的光学模块200，但也可包含本专利中所描述的任何光学模块。光学模块900包括一个反馈系统，该反馈系统含有一个控制单元1102，可控制TDI相机206的增益输出和LED电源1103的输入，电源1103的输出与LED光源301-303联结在一起，因此可控制供给LED光源的电流。
在校准操作中，光学模块900用镜面1101作为参考平面，而且将从该镜面1101的反射光用作自动校准的标准。由镜面1101反射回的光进入TDI相机206的传感器，经测量后输入至控制单元1102。如果反射光的读数小于预设值，控制单元就产生一个信号或命令以驱动电源1103增加LED光源的电流直到TDI相机206上的光强读数回到预设值。
标准镜面也可以用于TDI相机的校准，当使用参考镜面1101时每个TDI传感器像素的输出不一定相同。像素输出的差异可能来自于每个像素光学响应、成像透镜和光源的不均匀性，。TDI相机校准的第一步是当它接受到来自参考镜面1101的光之后测量每个像素的输出。下一步是重复测量在不同光强下的输出，这一步可以通过降低照明光强或改用不同反射率的镜面来实现。测量的结果用来确定两个校准的参数每个像素或一组像素的斜率和偏移。在对实际基板测量时，每一个像素的输出首先减去偏移，再乘以这个像素的斜率，以这个方法来校正像素间不均匀性。
另外一个反馈系统是用于控制TDI相机206传感器的增益使传感器的动态范围达到最大。反馈系统分两步来控制或调整TDI传感器的最大动态范围首先确定TDI传感器饱和时的数字输出1，然后确定图像信号最大值时的数字输出2。反馈系统于是设置和保持TDI增益的值大致等于数字输出1除以数字输出2。这个增益值可使传感器达到最大的动态范围。
本专利描述的自动光学检测系统为模块化系统，可以重新构造或增减，以适用于被检测的基板或检测操作。
图10是模块1000的示意图。模块1000包含一个或多个组件或组件的组合，如，模块包含至少一个光源1201，两个透镜1202和1203用于引导光束至基板，一个分光镜1204用于反射来自基板的光线至TDI相机1206。成像透镜1205把基板的像成在TDI相机1206上。一个联结至镜头的电缆或光纤1209用于将图像信息由TDI相机1206传输至图像采集卡1207。图像采集卡1207采集和分析图像数据，并向图像处理计算机1208提供图像数据。每个模块1000都是独立的，而且其安装于系统上的数量和/或类型都可根据特定的基板和检测过程进行调整。
比如，图12显示了一个自动光学检测系统包含有三个光学模块605。
图11为一个自动光学检测系统1100的示意图，该系统包含一个光学检测模块801和复查拍照，修复，量测模块802-806。自动光学检测系统1100含有多个(如3个)光学检测模块801，同时还有一个光学复查拍照模块802，一个线宽和线对齐度测量模块803，一个薄膜厚度量测模块804，一个数字宏缺陷测量模块805，一个修复模块806以激光切割和化学气相沉积(CVD)(或类似的技术)来修复类似于短路和开路的缺陷。线宽/对齐(CD/Overlay)量测要求达到50nm或更好的精确度。基板任意一个很小的振动都会使测量结果超出精度范围。自动光学检测系统的气浮真空支架可以保证CD/Overlay的测量精度，因为它提供向下的吸力使得玻璃在气浮上可以稳定的高速运动。因而在自动光学检测系统1100上可以实现多种功能。其它设计可以采用上述模块的不同的组合。
如上所述由自动光学检测系统的TDI相机产生的原始数据送至图像采集卡用于图像处理。传统的自动光学检测系统采用一种镜头联结电缆连接TDI相机和图像采集卡来进行图像数据的传输。镜头联结是一种数据传输协议需要特定的电缆线。镜头联结电缆受制于双绞线松紧，屏蔽和长度的严格要求的限制。在实际的自动光学检测应用中，TDI相机(如，定位于平台之上的滑轨上)和图像采集卡(如位于图像处理计算机上)之间的电缆长度会达到甚至超过10米，这样的话就需要中继器来保持信号的完整性。另外，由于镜头联结电缆的体积很大(直径大约为15毫米)，为如此多的电缆布线，在许多地方都需要绕来绕去，会变得非常复杂和困难。而且，这些电缆由于天线作用会互相干扰以致破坏数据信号。
自动光学检测系统用光纤取代了TDI相机和图像采集卡之间的镜头联结电缆。它先将TDI相机的电信号输出转化为光信号，然后由光纤传输光信号。在图像采集卡端，光信号再次转换回电信号。光纤非常的细，轻和柔顺，无需中继器仍可联结远距离的组件，因此图像采集卡或其他数据处理器可以远离自动光学检测系统。更值得一提的是，光信号不受电磁干扰影响，与镜头联结电缆相比拥有更宽的带宽(于是允许更高的数据流量)。
图12是用于检测大尺寸基板的自动光学检测系统1200。自动光学检测系统1200包括一个平台601含有一个气浮支架602和一个气浮真空预载支架603。自动光学检测系统1200包括至少一个光学模块605(如3个光学模块605)。自动光学检测系统1200用于检测大型基板如液晶显示器(LCD)玻璃基板606，但不限于此。光学模块605包括照明光源和成像组件，具体如前所述(如图2中光学模块200，图5中光学模块500，如图6中光学模块600图，如图7中光学模块700，如图8中光学模块800，如图9中光学模块900)在检测操作中，每一次线触发TDI都会生成一个像素宽的基板图像。一个像素宽的线性图像区域的长边与驱动光学头运动的线性马达轴604(x轴)相平行。玻璃606沿与线性马达轴607(y轴)平行方向运动，而且由气浮支架602和真空预载气浮支架603支撑。真空预载气浮支架603为在薄层气浮上运动的玻璃提供严格的飞行高度控制。线性马达轴604沿x轴分步驱动光学模块，直到全部玻璃检测完毕。
每次一张基板装载至检测系统1200上后，必须根据平台的坐标来对准基板。因此，需要采用高速，高分辨率，高精确度和长位移距离的致动器来做基板的对准。高速基板对准可以保证高的处理速度(或更短的处理时间)和更高的生产能力，长位移距离可以调整更大的装载误差。自动光学检测系统中的高分辨率，高精确度致动器可在显微镜下实现精细的对准，因而提供精确的对准，定位和注册。
图13显示一个使用高速致动器的检测系统示意图。高速致动器1301包括但不限于，如气动致动器，音圈致动器，线性马达致动器和螺线管。高速致动器1301包括一个对准栓1304，用于基板1305的对准或定位。基板可在弹簧或本身重力作用下装载在对准栓1304上。对准栓1304与基板1305接触并且由高速致动器1301驱动。对准栓的硬止动位1302由高分辨率致动器1303控制。由高速致动器1301产生的推动力小于由高分辨率致动器1303产生的相反方向拉力。由高分辨率致动器1303控制的硬止动位1302，决定对准栓的最后位置或对准的精确度及分辨率。
本发明所描述的检测系统和方法都可由各种可编程的电路来实现，包括可编程逻辑器件(PLDs)如现场可编程门阵列(FPGAs)，可编程阵列逻辑(PAL)器件，电子可编程逻辑和记忆器件和标准的基于电池的器件，专用集成电路的应用。另外还有一些可能的方法可以实现检测系统和方法，包括带内存的微处理器(如电子可擦写可编程只读内存(EEPROM))，嵌入式微处理器，固件，软件等等。更进一步，此检测系统和方法可由基于软件的电路仿真，离散逻辑器件(连续的和组合的)，自定义的器件，模糊逻辑(在神经网络中)，量子器件和以上各种器件的混合体来实现。当然正在发展中的器件技术可以提供各种类型组件，如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)技术如互补金属氧化物半导体(CMOS)，偶极技术如发射极耦合逻辑器件(ECL)，聚合物技术(如硅-共轭聚合物和金属-共轭聚合物-金属结构)，模拟和数字混合器件，等等。
必须注意到本发明中各种检测系统和方法中的组件可用计算机辅助设计工具来描述，并以数据和/或指令的方式由各种计算机可读的媒体所表达从它们的行为方式，寄存器转移，逻辑组件，晶体管，版面设计，和/或其他特征。计算机可识别媒体之格式化的数据和/或指令集包括，但不限于，如各种固定存储器介质(如光学的，电磁的或半导体存储介质)和经由无线，光学的或电缆或它们的组合可以传输格式化数据和/或指令集的载波。
通过载波传输这些格式化数据和/或指令集的例子为，但不限于，通过结合或连接一种或多种数据传输协议(如HTTP，FTP，SMTP等)传输(上传，下载，电子邮件等)。结合或连接的方式包括，但不限于，有线连接，无线连接，有线/无线的混合连接。更进一步，连接方式可包括，但不限于，提供通讯服务的各种网络和/或网络组件(没有显示)。所提及的网络和对应的网络组件，包括但不限于，本地局域网(LANs)，区域网(MANs)，广域网(WANs)，私人网络，终端网络和互联网。当上述系统和方法的这些数据和/或基于指令的表达式在一个计算机内通过一个或多个计算机可读介质接受时，通过可执行程序与之相连的计算机的运算处理单元(如一个或多个运算处理单元)就可以处理它们。
除非另有明确的上下文，所有的描述，“包含”“包含的”和类似的被解释为包括的词语是“唯一的”或“彻底的”的反意，也即是说是“包括但不限于”的解释。另外，单词“在这里”，“在下文”，“上面”，“下面”和类似代词都是作为整体引用本发明而不是指本发明的个别部分。当以“或”来引用一个由两项或更多项的列表时，这个词涵盖以下解释列表中的任意一项，所有项和各项的任意的组合。
上述检测系统的具体化描述和方法并不是想要是无遗漏的描述或限制被描述的系统和方法。对特定的实现，例如，检测系统和方法在此处作为说明的目的被描述，各种不同的修正在其他的检测系统和方法的范围里面是可能的，如同那些熟悉的有关技术中将会认同。在此处被提供的检测系统和方法的教学能适用于其他处理系统和方法，不仅对上述的检测系统和方法。
上述各种不同的实例和元素和行为可被组合以提供进一步的实例。可以基于上述详细描述的启发，对检测系统和方法经行各种改进。
权利要求
1.一种平面基板自动检测系统，其特征在于包括一个照明组件；一个用于引导照明组件的光束至基板的特定区域的透镜组，该透镜组至少包含一个菲涅尔透镜；和一个接收照明光与基板表面作用后的反射光的相机，该相机包含一个时间延迟积分(TDI)传感器。
2.根据权利要求1中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的照明组件包含一个多组LED光源，每个LED光源发出不同的波长的光线。
3.根据权利要求2中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于还包含一个控制器联结于多组LED光源，用于独立的控制每个LED光源。
4.根据权利要求1中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于还包含一个分光镜位于透镜组和基板之间，分光镜是一个二向色分光镜。
5.根据权利要求1中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于还包含一个成像透镜位于分光镜和基板之间，成像透镜是远心透镜。
6.根据权利要求1中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的透镜组包含多个费涅尔透镜。
7.根据权利要求1中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的照明组件含有一个明场光源和一个暗场光源。
8.根据权利要求7中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的明场光源包含一个第一前侧光源位于基板的第一侧。
9.根据权利要求8中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的明场光源包含一个背侧光源位于基板的第二侧，第二侧是第一侧的对面。
10.根据权利要求9中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的位于第一背侧的光源是一面镜子，用于反射照明组件发出的光源。
11.根据权利要求7中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的暗场光源包含一个第二前侧光源位于基板的第一侧面。
12.根据权利要求11中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的暗场光源包含一个第二背侧光源位于基板第二侧面，第二侧为第一侧面的对面。
13.根据权利要求1中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于还包含一个与相机输出相连的反馈系统。
14.根据权利要求13中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的反馈系统用于控制照明组件。
15.根据权利要求13中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的反馈系统用于控制相机的增益。
16.根据权利要求1中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于还包含一个图像采集卡；和一条光纤与相机和图像采集卡相连。
17.根据权利要求1中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于还包含一个气浮支架用于传输基板；和一个运动机制用于引起基板的相对运动。
18.根据权利要求17中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于还包含一个真空预载气浮支架用于支撑和稳定基板。
19.根据权利要求1中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于还包含一个高速，高分辨率，高精确度和长位移距离的致动器。
20.根据权利要求1中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的相机包括一个或多个线性扫描电荷藕合器件(CCD)，增强型CCD，光电倍增管(PMT)阵列，或互补金属-氧化物-半导体(CMOS)探测器。
21.根据权利要求1中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的照明组件包含一个LED光源，LED光源可发出多种波长的光线。
22.根据权利要求1中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的基板包括一个或多个液晶显示器(LCD)面板，一个平面显示器(FPD)，一个有机发光二极管(OLED)基板，一个掩模版，或半导体晶圆。
23.一种平面基板自动检测系统，其特征在于包含一个照明组件；一个用于引导照明组件的光束至基板的特定区域的透镜组，该透镜组至少包含一个菲涅尔透镜；和一个位于透镜组与基板之间的成像镜头，成像透镜是远心透镜。
24.根据权利要求23中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于还包含一个固定的相机接收照明光源与基板表明作用后的反射光，相机包含一个或多个时间延迟积分(TDI)传感器，线性扫描CCD，ICCD，PMT阵列，和CMOS探测器。
25.根据权利要求23中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的照明组件包含一个控制器连接于含多组LED的光源，每个LED光源可发出不同波长光线，控制器用于独立控制每个LED光源。
26.根据权利要求23中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的照明组件含有一个明场光源和一个暗场光源。
27.根据权利要求26中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的照明组件含有一个或多个至少一个前侧光源和至少一个背侧光源。
28.根据权利要求27中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的至少一个背侧光源含有一个镜面用于反射照明系统的光线。
29.根据权利要求23中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于还包含一个连接于相机输出的反馈系统，反馈系统用于控制一个或多个照明组件，和相机的增益。
30.根据权利要求23中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于还包含一个连接于相机和至少一个图像处理器的光纤。
31.根据权利要求23中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于还包含一个传送装置用于传输基板。
32.根据权利要求23中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于还包含一个高速，高分辨率，高精确度和长位移距离的致动器。
33.根据权利要求23中所述的平面基板自动检测系统，其特征在于所述的照明组件中包含一个LED光源，LED光源可发出多种波长的光线。
34.一种平面基板自动检测方法，其特征在于包括产生照明；采用菲涅尔透镜引导光线至基板的一个区域；采用时间延迟积分(TDI)传感器接收经入射光和基板作用之后的反射光；和采集反射光信息生成基板的图像。
35.根据权利要求34中所述的平面基板自动检测方法，其特征在于还包含采用成像透镜引导反射光至TDI传感器，成像透镜是远心透镜。
36.根据权利要求34中所述的平面基板自动检测方法，其特征在于生成照明光源包含生成具有多种波长的光线。
37.根据权利要求34中所述的平面基板自动检测方法，其特征在于还包含独立可控制的多色光源分别对应于多种波长。
38.根据权利要求34中所述的平面基板自动检测方法，其特征在于所述的生成照明光源包含生成明场照明光源和暗场照明光源。
39.根据权利要求34中所述的平面基板自动检测方法，其特征在于所述的生成照明光源包含生成一个或多个前侧照明光源和背侧照明光源。
40.根据权利要求39中所述的平面基板自动检测方法，其特征在于生成背侧照明光源包含反射前侧光源的方法。
41.根据权利要求34中所述的平面基板自动检测方法，其特征在于还包含由图像的电信号生成图像的光信号；和传输光信号。
42.根据权利要求34中所述的平面基板自动检测方法，其特征在于还包含采用图像数据检测基板缺陷的方法。
43.一种平面基板自动检测方法，其特征在于包含生成照明光源；采用菲涅尔透镜引导光线至基板；采用成像透镜将反射光线引导至成像传感器，反射光是照明光源与基板表明作用的结果，成像透镜为远心透镜；和采用反射光生成基板图像。
44.根据权利要求43中所述的平面基板自动检测方法，其特征在于还包含采用图像检测基板缺陷。
45.根据权利要求43中所述的平面基板自动检测方法，其特征在于所述的镜头传感器包含一个或多个时间延迟积分(TDI)传感器，线性扫描CCD，ICCD，PMT阵列，和CMOS探测器。
全文摘要
本发明公开了一种平面基板自动检测系统及方法，系统包含有光学模块，光学模块包含有照明组件和透镜组，透镜组引导照明光束至基板的部分区域，透镜组包含一个菲涅尔透镜，光学模块包含一个相机，相机接收经照明光源和基板作用后产生的反射光，相机包含一个时间延迟积分(TDI)传感器，远心成像透镜引导来自基板的反射光至相机，照明组件包含一个连接至含多组LED光源的控制器，每个LED可发射不同波长的光线。控制器独立控制每个LED光源。本发明能够高速分析大型平面基板，具有高灵敏度，而且可提供高分辨率图像。
文档编号G01R31/28GK101021490SQ20071008765
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月12日 优先权日2007年3月12日
发明者严征, 李波, 陈维华, 杨铁成, 李宁, 高剑波 申请人:3i系统公司