全域式影像检测系统及其检测方法与流程

本发明涉及一种检测系统，特别是一种全域式影像检测系统及其检测方法。

背景技术：

随着晶圆薄化趋势，晶圆翘曲变形可达毫米(mm)等级。也由于翘曲量增加，当一般的自动光学检测(Automatic optical inspection,AOI)系统的对焦范围不够大和寻焦的速度不够快时，将造成自动光学量测系统的对焦不易，延长了检测时间，造成检测的效果不佳，而影响到后续工艺的进行。

在现有技术中，主要的对焦方式分成主动式对焦以及被动式对焦两种方式，其中被动式对焦利用粗调与细调两阶段的方式寻焦，主动式对焦利用光源产生的光透过对焦光栅的投影经过物镜投射至物体表面，将物面反射的光栅影像与原光栅影像进行相位比对，以提高对焦速度，然而，主动式对焦的成本相对较高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种全域式影像检测系统及其检测方法，可克服现有技术的缺失，针对全域式影像的检测进行改善，以提高检测的速度及精准度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种全域式影像检测系统，包括一平面光源、一影像撷取装置、一光学位置量测装置、一处理单元以及一量测模块。平面光源用以投射具有周期变化的光影像于一待测物上。影像撷取装置用以撷取经由待测物反射的一反射光影像。光学位置量测装置用以检测待测物上至少三个量测点的相对坐标，以拟合出一平面。处理单元用以计算反射光影像相位移后的相位变化，并根据相位变化计算待测物的表面形貌的一相对高度分布，且计算待测物的表面形貌相对于此平面的一绝对高度分布，以得到一绝对坐标 信息。量测模块根据绝对坐标信息对待测物的表面进行检测。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种全域式影像检测方法，包括下列步骤。以一平面光源投射具有周期变化的光影像于一待测物上。撷取经由待测物反射的一反射光影像。检测待测物上至少三个量测点的相对坐标，以拟合出一绝对高度坐标系。计算反射光影像相位移后的相位变化，并根据相位变化计算待测物的表面形貌的一相对高度分布。计算待测物的表面形貌于绝对高度坐标系中的一绝对高度分布，以得到一绝对坐标信息。根据坐标信息对待测物的表面进行检测。

本发明的技术效果在于：

本发明的全域式影像检测系统及其检测方法中，处理单元根据绝对坐标信息控制定位平台移动待测物至一坐标位置，且量测模块可根据绝对坐标信息控制的高度，使量测模块在垂直轴上移动并直接到达定位，因此对焦速度非常快，且利于逐点进行快速检测。本发明相对于一般被动式对焦利用粗调与细调两阶段的方式寻焦来得快，且成本相对于主动式对焦的成本相对较低，因而突破目前现有技术的瓶颈。此外，本发明还能针对待测物上的表面形貌(例如凸块高度分布)、表面缺陷及翘曲量进行量测，以符合系统的多方面需求。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为依照本发明一实施例的全域式影像检测方法的流程图；

图2为依照本发明一实施例的全域式影像检测系统的示意图；

图3为本发明一实施例的全域式影像检测装置的示意图；

图4为本发明一实施例的光影像的示意图；

图5为本发明一实施例的全域式影像对焦方法的流程图；

图6为待测物的圆心位置、对位槽位置及旋转角度。

其中，附图标记

10 待测物

11 光影像

12 条纹

100 全域式影像检测系统

101 全域式影像检测装置

110 平面光源

120 处理单元

121 光影像控制模块

122 影像校正模块

123 计算模块

124 相位展开模块

125 平整化模块

130 影像撷取装置

140 光感测装置

150 量测模块

160 定位平台

A、B、C 量测点

θ1 旋转角度

L 距离

α 角度

Z 高度

(xo,yo) 圆心位置

(xn,yn) 对位槽位置

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

本实施例的全域式影像检测系统及其检测方法，藉由量测待测物(例如晶圆)的表面形貌及其相对高度分布，并输出参考坐标信息(例如晶圆圆心位置、对位槽位置及旋转角度以及影像的解析度等)，以作为量测模块(例如光学显微镜或光干涉仪)及定位平台的移动信息，缩短对焦时间，使量测模块能做逐点快速量测。

以晶圆表面检测为例，先量测晶圆的表面形貌的相对高度分布，并将晶圆的表面形貌的相对高度及参考坐标信息提供给量测模块，以省去传统量测模块 需进行粗调及细调等寻焦步骤及缩减细扫描行程，解决晶圆翘曲所造成的对焦问题。

以下提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本发明欲保护的范围。

请参照图1，其为依照本发明一实施例的全域式影像检测方法的流程图。本实施例的全域式影像检测方法包括下列步骤：在步骤S101中，以一平面光源投射具有周期变化的光影像于一待测物上。在步骤S102中，撷取经由待测物反射的一反射光影像。在步骤S103中，计算反射光影像相位移后的相位变化，并根据相位变化计算待测物的表面形貌的一相对高度分布。在步骤S104中，检测待测物上至少三个量测点的相对坐标，以拟合出一平面。在步骤S105中，计算待测物的表面形貌相对于此平面的一绝对高度分布，以得到一绝对坐标信息。在步骤S106中，根据绝对坐标信息对待测物的表面进行检测。

请参照图2，其为依照本发明一实施例的全域式影像检测系统的示意图。根据上述的步骤S101～S106，全域式影像检测系统100包括一平面光源110、一处理单元120、一影像撷取装置130、一光感测装置140、一量测模块150以及一定位平台160。定位平台160用以承载一待测物10，例如是晶圆或半导体基板。有关平面光源110、处理单元120以及影像撷取装置130的配置及细部内容请一并参照图3及图4的说明。以下先以图3的全域式影像检测装置101来说明图1的步骤S101～S103。

请参照图3，处理单元120包括一光影像控制模块121、一影像校正模块122、一计算模块123、一相位展开模块124以及一平整化模块125。在步骤S101中，平面光源110用以投射具有周期变化的一光影像11(参照图4)于一待测物10上，且光影像11可被待测物10反射后形成一反射光影像。反射光影像与投射在待测物10上的光影像11同样具有周期变化，其差异仅在于：当待测物10表面没有斜率变化时，反射光影像不会产生偏移或变形，如同投射的光影像。然而，当待测物10的表面有微小斜率变化时，反射光影像会产生偏移或变形，且反射光影像的偏移量δy与待测物10表面斜率的变化量呈正相关，如以下的关系式(1)：

δy＝L[tan(α+2θ)-tan(α)] (1)

其中L：平面光源110与待测物10之间的距离

α：影像撷取装置130撷取影像之角度

θ：待测物10表面斜率变化量

当待测物10表面斜率变化量θ很小时，可将上式简化为

δy＝2Lθsec²α (2)

因此，可藉由反射光影像的偏移量δy来计算待测物10表面斜率的变化量θ。

接着，请参照图4的光影像11，其例如是由周期变化的长条状的条纹12所组成。在另一实施例中，光影像可由周期变化的同心圆状的条纹所组成。这些明暗相间的条纹12可由周期2π的正弦波或方波经信号处理而产生于平面光源110中，再以平面光源110投射至待测物10上，以形成具有周期变化的光影像11。平面光源110例如由一平面显示器产生，平面显示器用以接收由光影像控制模块121所输入的控制信号，并且由平面显示器中多个像素单元的明暗变化产生所需的光影像11。在一实施例中，每个条纹12的宽度由对应的像素单元的数量来决定，例如10～20个左右，并可藉由控制像素单元中液晶分子的透光度，来决定产生亮条纹或暗条纹。

在步骤S102中，光影像控制模块121例如是可程序化控制的模块，用以产生上述的光影像11，并控制光影像11相对于待测物10沿着至少一方向等间隔地移动，以产生相位移。举例来说，光影像以三步相位移法或四步相位移法等间隔地移动以产生多个光影像(例如6个或8个)。在图4中，光影像11移动的方向可为长条状的条纹12的排列方向(图中为X方向)。在图2中，当产生预定数量的光影像之后，影像撷取装置130可依序撷取此些反射光影像，并由影像校正模块122进行反射光影像的扭曲校正处理。此外，为了得到二维的相位图，光影像控制模块121可分别产生两正交的光影像，并使各光影像沿着X方向移动或Y方向移动以产生不同方向的相位移。当然，本实施例不限定为两正交的光影像，亦可为任意夹角的两光影像。

上述中，三步相位移法需取三张相位移的光影像，且第一张影像I1与第二张影像I2的相差移为2π/3，第二张影像I2与第三张影像I3的相位移为4π/3，其联立方程式如下：

I₁＝I₀+A cosφ

$I_2=I_0+Acos(\mathrm{\φ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

$I_3=I_0+Acos(\mathrm{\φ}-\frac{4\mathrm{\π}}{3})$

$\mathrm{\φ}(x,y)={\tan }^{-1}\left(\frac{\sqrt{3}(I_2-I_3)}{2I_1-I_2-I_3}\right)$

其中，I0为背景光的强度，A为光波的振幅，φ为光影像中各坐标点(x，y)的相位值。

此外，四步相位移法需取四张相位移条纹的影像，且第一张影像I1与第二张影像I2的相差移为π/2，第二张影像I2与第三张影像I3的相位移为π，第三张影像I3与第四张影像I4的相位移为3π/2，其联立方程式如下：

I₁＝I₀+A cosφ

$I_2=I_0+Acos(\mathrm{\φ}-\frac{\mathrm{\π}}{2})$

I₃＝I₀+A cos(φ-π)

$I_4=I_0+Acos(\mathrm{\φ}-\frac{3\mathrm{\π}}{2})$

$\mathrm{\φ}(x,y)={\tan }^{-1}\left(\frac{I_2-I_4}{I_1-I_3}\right)$

其中，I0为背景光的强度，A为光波的振幅，φ为光影像中各坐标点(x，y)的相位值。

在步骤S103中，由于各坐标点(x，y)的相位变化Δφ与反射光影像的偏移量δy呈正比。因此，图2的计算模块123可计算此些影像中各坐标点(x，y)的相位变化Δφ，以得知待测物10的表面形貌。若关系式(2)中，以相位变化Δφ表示反射光影像的偏移量δy，可表示如下：

$\mathrm{\δ}y=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}}{2\mathrm{\π}}p=2{\mathrm{L\θsec}}^2\mathrm{\α}$

$\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\φ}\·p}{4{\mathrm{\πLsec}}^2\mathrm{\α}}---\left(3\right)$

其中P：反射光影像的周期

由关系式(3)可知，待测物10表面斜率的变化量θ可由相位变化Δφ得知。由于上述使用的三步相位移法或四步相位移法都是以反正切(tan-1)函数为基础，且相位被限制在-π/2到π/2之间，因此相位图为不连续的相位分布图。若要使不连续的相位恢复为原来连续0～Nπ周期(N为整数)的相位，则需进行相位展开的运算。

请参照图3，相位展开模块124对各坐标点的相位值进行相位展开，以得到一相位展开图。简言之，相位展开的运算是通过一特定的数学演算法，将相位图中相邻两相位差超过某一定限定者，加上或减去其差值来消除截断线，使其恢复为连续相位。因此，光影像中各坐标点的相位值可经由相位移及相位展开法来获得。

接着，平整化模块125可对相位展开图进行平整化，以得到待测物10的表面形貌的相对高度分布。简言之，平整化的处理系将各个坐标点的相位拉至相同水平来比较其变化量，以利于计算待测物10的表面形貌的一相对高度分布。其中，待测物10上各坐标点的相对高度分布以Wi(x，y，z)表示。

请参照图5，其为依照本发明一实施例的全域式影像对焦方法的流程图，其中步骤S201～S204如同上述所介绍的步骤S101～S103，在步骤S201中以一平面光源110投射，以产生多张周期变化的光影像，并撷取多张周期变化的反射光影像。在步骤S202中对反射光影像进行扭曲校正，以将倾斜投影至待测物10的光影像修正为正投影至待测物10的光影像。在步骤S203中计算反射光影像相位移后的相位变化，以得到待测物10的表面形貌。在步骤S203中，根据相位展开结果计算待测物10的表面形貌的一相对高度分布，以Wi(x，y，z)表示。

接着，请参照步骤S205～S207，如同上述所介绍的步骤S104。在步骤S205中，以平面光源110投射一均匀光影像(无周期变化的条纹12)至待测物10上，并且影像撷取装置130撷取反射后的均匀光影像。在步骤S206中，对反 射后的均匀光影像进行扭曲校正，以将倾斜投影至待测物10的均匀光影像修正为正投影至待测物10的均匀光影像。接着，根据待测物10上至少三个量测点的相对坐标，以拟合出一平面。如图6所示。在步骤S207中，处理单元120根据三个量测点A、B、C的坐标位置拟合出的平面，来计算待测物10的圆心位置(xo，yo)、对位槽位置(xn，yn)及旋转角度θ1以及影像解析度等坐标信息，以得到待测物10的一平面坐标系。上述用以检测待测物10上至少三个量测点A、B、C的相对坐标的装置例如是激光感测器或是其他具有光学定位功能的光感测装置140，如图2所示。

接着，在步骤S208中，上述的圆心位置(xo，yo)以及影像解析度是用以连结上述待测物10的平面坐标系与其他坐标系统(例如定位平台160的坐标系统及量测模块150的坐标系统)，此外，对位槽的旋转角度θ1用来修正待测物10摆置时的旋转角度误差。在步骤S209中，根据绝对坐标信息，调整量测模块150的高度，以对待测物10的表面进行检测。因此，在图2中，处理单元120可根据绝对坐标信息控制定位平台160移动待测物10至一坐标位置(x，y)，且量测模块150可根据绝对坐标信息调整高度Z，以调整光学显微镜或光干涉仪与待测物10之间的一焦距。在另一实施例中，当量测模块150包括一探针卡电性检测装置时，可根据绝对坐标信息调整探针卡电性检测装置与待测物10之间的间隙，以使探针卡电性检测装置与待测物10电性接触。

有关绝对坐标信息的演算方法，请参照如下。在步骤S105中，当处理单元120得到三个量测点A、B、C的相对坐标之后，如下列计算公式，以此三个量测点的坐标位置拟合出一平面Q(x，y，z)，并将待测物10的表面形貌的相对高度分布Wi(x，y，z)与此平面Q(x，y，z)进行曲面重叠演算，以计算待测物10的表面形貌相对于此平面Q(x，y，z)的一绝对高度分布，而得到一绝对坐标信息。此绝对坐标信息可作为实际待测物10表面的绝对高度坐标系Zi(x，y，z)，其中

Zi(x，y，z)＝Wi(x，y，z)+Q(x，y，z)-P(xi，yi，zi)

P(xi，yi，zi)为绝对高度坐标系中一参考坐标点(例如三个量测点A、B、C其中的一点)的坐标。

在步骤S106中，当量测模块150得到绝对坐标信息之后，可根据绝对坐标信息对待测物10的表面进行检测，例如对焦、扫描或进行一电性检测。量 测模块150例如是光学显微镜、光干涉仪或探针卡电性检测装置等。因此，在本实施例中，当全域式影像检测系统100透过影像高度信息修正待测物10上多个待测点(xi，yi)与量测模块150之间的绝对高度之后，处理单元120将可控制量测模块150在垂直轴上移动并直接到达定位，不需经过粗调定位，以节省量测模块150的对焦时间或对位时间。

本发明上述实施例所揭露的全域式影像检测系统及其检测方法中，处理单元根据绝对坐标信息控制定位平台移动待测物至一坐标位置，且量测模块可根据绝对坐标信息控制的高度，使量测模块在垂直轴上移动并直接到达定位，因此对焦速度非常快，且利于逐点进行快速检测。本系统相对于一般被动式对焦利用粗调与细调两阶段的方式寻焦来得快，且成本相对于主动式对焦的成本相对较低，因而突破目前现有技术的瓶颈。此外，本系统还能针对待测物上的表面形貌(例如凸块高度分布)、表面缺陷及翘曲量进行量测，以符合系统的多方面需求。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。