CN101218500A - 远心轴上暗场照明所实施的光学系统的优化使用及性能 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种系统及方法，通过本发明提出以成像平面镜状物体(102)，诸如：半导体晶圆。于实施例中，用于成像于平面镜状物体(102)的缺陷的一种成像系统(100)包括远心透镜(110)，其具有充分非球面表面，使远心透镜实质修正光学像差。成像系统(100)还包括远心光圈(116)，于其包括孔径，以阻断自平面镜状物体(102)所反射的光线而允许自缺陷所反射的光线为通过孔径。成像系统(100)更包括透镜群组(108)，其具有定位于远心光圈(116)与透镜群组(108)之间的系统光圈。透镜群组(108)无关于远心透镜(110)而实质修正光学像差。

Description

远心轴上暗场照明所实施的光学系统的优化使用及性能

本申请依据美国专利法35 U.S.C.§119(e)而主张2005年7月8日提出的美国临时专利申请案第60/697,904号的优先权，其以参照方式而整体纳入本文。

技术领域

本发明是关于成像(imaging)光学组件及相关联的照明系统。尤其关于改善远心轴上暗场照明的系统及方法。

发明内容

存在一类半导体产品，其主要呈平面及镜面(specular)(扁平且磨光)，成像这类组件经常必要的是(或希望的是)即使是平面镜状的微小偏差也以适当对比成像。一种此类别的产品是半导体晶圆，其可以设有指示晶圆编号与制造商的标注(indicia)。此类标注是在晶圆表面中的缺陷(defect)，且典型是一矩阵的雷射蚀刻凹点。此类标注在本领域中被称作“软标记(soft mark)”。对此类标记成像以沿制程的各种步骤读取码。

在半导体晶圆已经单一化(通常由锯子及/或雷射所切割成为个别的矩形组件)之后，检查小芯片与裂缝的边缘可能是必要或希望的，其可能随着时间而增长且引起过早的组件失效。此类检查过程是自动化的且该过程使用电子式成像相机及结合数字电子计算机，对数字电子计算机进行程序设计以进行必要的检查、测量与识别。

概括而言，暗场照明是本领域技术人员公知的一种技术且特别有用于检查在镜状物体上的缺陷。暗场照明的定义取决于照明源的性质、相对于物体与观察者(或相机)照明源的位置以及所照明的物体的性质。为了符合暗场照明的定义，必要的是：沿着未进入观察者或相机之光学孔径的一个或多个方向反射入射在物体上的大多数的照明。暗场照明可与亮场照明相比较，在亮场照明中，大多数光线是直接反射至相机。

暗场照明可通过放置一光源而获得，使光源以对于该相机与物体之间的直线的一个角度而指向物体。此角度是选择为大于该物体将扩散光线的角度。若物体具有通常的扩散反射性质，则该角度选择为大于物体将通过扩散反射来分布入射照明的角度的一半。若物体是镜状(例如：若物体是以小的角度、或以极低的效率、或是以以上二者而扩散入射照明)，则该角度可选择为非常小的角。

可能希望使照明源对称。在该情况，可以环状形状制造照明源且放置为与光轴同轴，或可在环状形状中配置多个照明源。此环的直径与此环到物体的邻近性决定该照明入射于物体的角度的范围。本领域技术人员将此类光源称作环光源，且以种种方式构成为“高角度”或“低角度”。

在成像某些物体中，希望强调表面中的极微小的特征，该表面是另外的完全的平面及镜状。此类包括：软标记与单一化的组件的边缘。为此，必须使得照明源尽可能接近同轴于成像系统而并未致使照明源直接反射至成像系统(例如：选择一窄角度)。如目前所公知的，为达成此目的的一种有效方式是借助于挡板(baffle)且在照明源、物体、挡板、与成像系统之间提供特别对准。

在机器视觉系统与晶圆识别(ID，identification)系统的设计中，设计者(例如：系统工程师)通常作出若干个设计折衷方案。举例而言，如果将透镜孔径(aperture)做大，系统的限制分辨率系将通常为较高且系统将较为有效率。较有效率的系统要求来自影像传感器的较少的灵敏度或增益，且系统要求来自照明系统的较少的光线。若照明系统要求较少光线，较小的要求加诸于电源供应系统且较少的热量耗散。散热系通常为获得紧密封装的设计目标的主要障碍。

反之，若将系统孔径做小，系统的限制分辨率降低，一些像差可减小，焦点深度增大，极重大的要求是影像传感器的灵敏度及/或增益，且该极重大的要求是加诸于照明系统以提供实质较多的光线。照明系统上要求将要求加诸于电源供应系统，且因而加剧紧密封装内的散热问题。

迄今，包括由美国俄勒冈州波特兰市Electro Scientific Industries公司(此件专利申请案的受让人)与业界(例如：美国麻萨诸塞州Natick的Cognex公司与日本东京的Kowa有限公司)的其它公司制造的前几代产品(例如：ScribeViewTM型号1至5P)的商用晶圆ID读取系统，已经运用其具有约为±1毫米或较小的工作距离范围(在物体空间的焦点深度)的光学系统。虽然该种系统可以运作，但其需要用户调整该透镜的焦点位置和/或调整晶圆ID读取器的位置以考虑对于工作距离的更微小的变化。工作距离可以改变，例如，若物体的厚度改变，或若在将晶圆送至晶圆ID读取系统的机械手臂系统存在不精确性。

更可取地，若固定架构的晶圆ID系统的工作距离范围超过约为±1毫米。若此范围可通过数量的等级延伸，系统的聚焦及设定相比较于已有系统而将为繁琐。例如，目前的系统通常需要该系统根据反复运作程序安装及聚焦于一供电状态，，其中，可以电子式监视影像且用户可以在监视电子式呈现影像时改变焦点调整或位置。用户通常作调整而直到得到满意影像。若工作距离范围可延伸至约为±1毫米，当晶圆ID系统为未供电状态时可以使用简单规尺以确定适当的工作距离来安装晶圆。

另外，关于已有的系统，致使工作距离约为±1毫米的改变的制程变化通常需要用户介入以调整制程来重新达成先前的工作距离或是调整晶圆ID系统的焦点，例如，通过转动透镜焦点筒或转动焦点调整螺丝。更可取地，若造成工作距离改变为仅数毫米的微小制程变化系可由晶圆ID系统来调节而无需用户介入。

发明内容

为了解决上述问题，本文揭示的实施例提出一种用于对如半导体晶圆的平面镜状物体成像的系统及方法。在一个实施例中，用于对平面镜状物体的缺陷成像的一种成像系统包括：远心透镜，其具有充分非球面表面，使该远心透镜充分地修正光学像差；远心光圈，其包括孔径，以阻断自该平面镜状物体所反射的光线而允许自该缺陷所反射的光线通过该孔径；及透镜群组，其具有定位于该远心光圈与该透镜群组之间的系统光圈，该透镜群组无关于远心透镜而充分地修正光学像差。

在一个实施例中，一种远心轴上暗场(TOAD，telecentric on-axis darkfield)照明(lighting)装置系包括：第一圆形数组的照明源，其关于中心点径向配置，第一圆形数组位于自该中心点的第一半径；及第二圆形数组的照明源，其关于该中心点切向配置，第二圆形数组位于自该中心点的第二半径。在一个实施例中，第二半径大于第一半径。

在一个实施例中，提出一种用于对准远心轴上暗场(TOAD)照明装置与实质镜状表面的方法。TOAD照明装置具有多个同心照明数组，该方法包括：在第一方向，调整在该TOAD照明装置与物体平面之间的入射角度，直到将强亮度区域从该镜状表面的影像的第一侧实质地移除；记录该调整的入射角度作为第一测量；在相比较于第一方向的相反方向，调整在该TOAD照明装置与物体平面之间的入射角度，直到强亮度区域从该镜状表面的影像的第二侧实质地移除；记录该重新调整的入射角度作为第二测量；及确定针对第一方向的对准的入射角度作为在第一测量与第二测量之间的近似差。

在一个实施例中，一种用于成像半导体晶圆的成像系统系包括：用于照明晶圆的部件；用于提供晶圆影像至感测部件的部件，工作距离是由介于该晶圆与用于提供影像至感测机构的部件之间的距离所定义；及用于当工作距离改变于约±10毫米的范围时维持影像焦点的部件。

另外的层面与优点将通过参照附图所进行的以下详细说明而显明。

附图说明

图1A是一种用于成像平面物体的光学成像系统的部分绘制、部分截面图。

图1B是在图1A所显示的光学成像系统可运用的一种现有技术照明源的平面图。

图2是一种包括多个照明源210的惯用环状照明数组的示意图。

图3是于图2所显示的环状照明数组与三个其它环状照明数组为同心定位的惯用配置的示意图。

图4是根据一个实施例所配置的多个同心定位的照明数组的示意图。

图5是流程图，其说明根据一个实施例的一种用于配置高密度照明数组的方法。

图6是流程图，其说明根据一个实施例的一种用于对准远心轴上暗场(TOAD)照明数组的方法。

图7A与7B是说明根据一个实施例的读取单元所捕捉的镜的相片。

光学成像系统(读取单元)  100

平面(镜状)物体          102

后方透镜群组            108

入射瞳孔            109

远心(场)透镜        110

光轴                111

影像                113

相机                114

远心光圈            116

中央孔径            117

光源(照明源)        118

内层(圆形)群组      119A

外层(圆形)群组      119B

发光二极管(LED)     120

印刷电路板          121

孔径                121A

影像形成光线        122、124、126

光线                128、130

工作距离            132

外壳                134

照明数组            200

照明源(照明组件)    210

照明数组            310、312、314

照明数组            410、412、414、416

共同中心            418

图5的方法           500

方法500的步骤       510～558

图6的方法           600

方法600的步骤       610～636

亮度区域            710

箭头(调整方向)      712、716、722、726

影像                714、718、720、724、728、730

具体实施方式

系统及方法提供以照明及形成主要为平面镜状的表面的影像，使成像的表面的平面性与镜状性的偏差复制具有加强的对比。根据一个实施例，提供增大的工作距离范围以考虑为成像的表面的变化及/或在该表面与一识别(ID)系统之间的距离变化。

此外，或是在另一个实施例中，同心圆形数组的照明源配置用于增大的照明而未增大个别数组的直径。在一个实施例中，一种方法提出以对准同心的照明数组与将成像的一表面，由此降低入射角度。此外，或是在其它实施例中，一种系统包括其为独立适当修正干扰的前方透镜与后方透镜群组，使系统的放大率可改变而无须改变该前方透镜与后方透镜群组。

本文揭示的实施例利用一种远心透镜以对称同轴窄角度暗场照明而照明物体。此照明技术特别适用以强调于平面镜状物体的微小特征或缺陷。该种物体的特定实例包括：硅晶圆。该等缺陷可包括：于硅晶圆的软标记符号及/或于芯片规模组件的边缘不规则性。

光源提供环形锥状光线为朝向远心透镜。远心透镜重新指引光线为朝向实质平面且镜状的物体，使光线为平行及垂直于物体。平面镜状物体的性质是欲重新指引光线于其互补于入射角度的角度。因此，于此情形，光线反射为垂直于物体的表面。于反射时，光线在本文称为“影像射线(image ray)”。影像射线是向后反射自实质平面镜状物体且逆向转变透过远心透镜至其为发起的点。

该种系统设有远心光圈，其具有符合于光源的中央孔径，使实质为无光线通过至相机。然而，若存在缺陷于镜状表面，光线将受干扰，且光线的一部分将可能通过远心光圈的孔径至相机。

图式将作参考，其中，相同的参考符号指相同的组件。为了明确，参考符号的第一个数字指示该对应组件为首先运用其的图式编号。通过以下说明，诸多特定细节提供针对于本文所述的实施例的彻底了解。然而，本领域的技术人远将明白的是：该等实施例可无需特定细节的一或多个而实行，或是藉由其它方法、构件或材料。再者，在一些情形，众所周知的结构、材料、或操作未详细显示或描述，由此避免混淆这类实施例的多个层面。此外，所述的特点、结构、或特征可以任何适合方式而组合于一或多个实施例。

一种晶圆ID系统描述于美国专利第6,870,949号(下文称为“第’949号专利”)。论述于本文的某些实施例系修改第’949号专利以纳入另外特征以大为扩大(例如：约为十倍)针对于一固定架构的工作距离范围而无需实际或光学调整，且简化改变系统的放大率。针对于论述目的，第’949号专利的图3与5分别显示及论述为于本文的图1A与1B。

图1A是一种用于成像一平面物体102的光学成像系统100的部分绘制、部分截面图。举例而言，平面物体102可包含其本质为镜状的一硅晶圆。硅晶圆通常为包括诸如软标记(未显示)的缺陷。如为于此技术领域所公知，一软标记由一集合的雷射蚀刻凹点(pit)所作成且提供关于蚀刻于其的特定硅晶圆的信息。硅晶圆亦通常包括复数个半导体组件。尽管本揭示内容是依据检查硅晶圆而描述，且尤其是成像软标记，了解的是：本揭示内容对于成像其它平面物体为具有相同的应用性。举例而言，当半导体组件系单独化，其可为根据本文揭示的某些实施例以检查边缘缺陷。

在图1A所示的光学成像系统100包括一对的透镜群组(本文称为一后方群组108)与一远心场透镜110。针对于后方透镜群组108与远心场透镜110的适当透镜的一个来源是美国纽泽西州Barrington的Edmund光学公司。后方透镜群组108与远心场透镜110是共同操作以将诸如一软标记的缺陷的一影像113为指向至一相机114，如将更为详述于后。相机114较佳为一数字相机，其包括一电荷耦合组件(CCD)或一互补金属氧化物半导体(CMOS)型式的传感器。

后方透镜群组108由一集合的修正式物镜所定义且包括一入射瞳孔109。后方透镜群组108较佳为低失真且具有充分解析倍率以互补该相机114。了解的是：后方透镜群组108可取决于何种型式的相机114为运用而不同。如下所论，于本文揭示的一个实施例，后方透镜群组108与远心场透镜110是各者为独立适当修正其像差，从而使任一者可更换而未影响另一者的效能。

了解的是：远心场透镜110运作为一远心场透镜以提供物体的成像为远心沿着物体102的平面。换言之，光线随着其退出远心透镜110而平行于彼此，且较佳为垂直于物体102的平面。当由一光源118所照明，了解的是：远心透镜110与透镜群组108运作以形成影像113于相机114。远心透镜110具有若干个定义特性，其包括一轴111与一远心孔径或焦点。如于图1A所示，远心场透镜110的焦点符合于后方透镜群组108的入射瞳孔109。轴111定义针对于系统100的光轴，俾使后方透镜108与相机114类似定位为沿着轴111。

光源118定位以提供其为同轴于远心场透镜110的轴111的窄角度照明。图1A说明其实际沿着轴111的光源118的一个定位。然而，如于第’949号专利所揭示，了解的是：光源118可为以一种光学等效方式而实际定位为远离轴111。举例而言，第’949号专利的图6说明光源118的一个不同位置，其为光学等效于本文的图1A所示的实施例。光学等效是运用其定位为沿着远心场透镜110的轴111的一部分反射镜或分光镜(未显示)而达成。分光镜是允许光源118以定位为垂直于远心场透镜110的轴111。

一远心光圈116是定位于后方透镜群组108与远心场透镜110之间。远心光圈116是置中于远心场透镜110的轴111。远心光圈116是较佳为置放邻近于后方透镜群组108的入射瞳孔109。远心光圈116是较佳为其包括一中央孔径117的一实际光圈。孔径117亦为定位邻近于远心场透镜110的焦点。

图1B是于图1A所显示的光学成像系统可运用的一种照明源118的平面图。于图1B所示的照明源包含其利用安装至一印刷电路板121的复数个发光二极管(LED)120的一环状光源。了解的是：于一个实施例，印刷电路板121可作用为远心光圈116。印刷电路板121包括一孔径121A，其至少为如同远心光圈116的孔径117一样大。

倘若一可变光圈(iris diaphragm)孔径运用为连同于远心光圈116，孔径121A至少为如同可用的最大孔径设定一样大。如图所示，LED 120是组织为一内层圆形群组119A与一外层圆形群组119B。了解的是：内层群组119A与外层群组119B提供物体102的稍微不同的窄角度照明。内层群组119A与外层群组119B可同时或交替照明，视物体102的质量而定。了解的是：外加圆形群组的LED 120可设置。

光学成像系统100对于某型式的缺陷的灵敏度主要为由远心透镜110与光源118的直径之间的焦比而决定。此灵敏度可调整，例如：选择于光源118的内层群组119A与外层群组119B的不同直径之间。替代而言，此灵敏度可由选择性调整远心光圈116的孔径117的直径而调整。孔径117可透过一可变光圈的运用而调整，以提供针对于系统100的一可调整的焦比。

于操作中，光源118致使光线128、130以投射朝向远心场透镜110，从而使光线128、130聚焦为邻近于物体102且为实质平行于彼此。了解的是：光线128、130投射为环状锥，随着其通过远心透镜110而成为平行。光线128、130自物体102而反射作为影像形成光线122、124、126。倘若光线128、130反射自物体102的一镜状部分，影像形成光线122、126将撞击于远心光圈116而未进入后方透镜群组108。尤其，影像形成光线122、126向后反射自一实质平面镜状表面以产生环状的照明锥，返回至其原点而作为一镜像。然而，当一部分的光线128、130反射自一缺陷，影像形成光线124通过远心光圈116的孔径117，于其，光线124由后方透镜群组108所聚焦且形成一影像113于相机114。

若为期望，光学成像系统100允许于光轴111与窄角度暗场照明之间的角度作调整为任意小到成为亮场照明的程度。再者，系统100的灵敏度可藉由选择不同直径的照明或藉由调整远心光圈116的孔径117而调整。再者，相机114的全视场可运用，且该系统100提供于整个视场的完全圆形对称。

A.增大焦点的深度

如上所论，本文揭示的实施例扩大针对于光学成像系统100的一固定架构的工作距离范围而无需实际或光学调整。概括而言，一相机系统于影像平面的散焦程度可描述为下式：

其中，φ是散焦，A是孔径的线性尺寸，λ是光线的波长，f是透镜的焦距，且s是分别为自透镜至物体平面的距离(so)与至影像平面的距离(si)，如由下标所指示。

群组其针对于系统为固定的变量至常数x与y简化比式为：

诚然，支配因素是孔径的尺寸以及于so的偏差。注意，针对于焦点的一系统，y＝1/so，且φ是成为零。上式是将该孔径与工作距离偏差为相关至于影像平面的一散焦。此是可相关至于物体平面的一散焦ω，藉由相乘以系统放大率m的平方者：

ω＝m²

针对于一给定的视场，系统放大率m是由传感器的尺寸(通常也称为规格)所决定。传感器为愈小，系统放大率m为愈小，且针对于工作距离的一给定变化的散焦参数为愈小。

一个解决方式是选择一极小的孔径(使得A2为一极小的数目)与一极小的成像器(使得m2为一极小的数目)，藉以使得乘积A2m2为最小且使得针对于物体距离的给定变化的散焦为最小。然而，系统的倍率效率相关于孔径。于一简化形式，光学系统于聚焦其照明物体的部分辐射能量的效率T可相关其为入射于聚焦平面的成像传感器的辐射能量至孔径的线性尺寸平方，例如：

T≈A²。

因此，任意降低A以增大焦点的深度(且因此为工作距离的范围)使得光学系统传输光学倍率的效率为减小至影像将为过暗而无法自其恢复有用信息的程度。

图1A是说明于平面物体102的顶表面与远心场透镜110的前表面之间的一工作距离132。本领域技术人员将自本文揭示内容所知悉的是：举例而言，工作距离132可替代定义为于平面物体102的顶表面与光学成像系统100的一外壳134底部之间的一距离。于光学成像系统100的物体空间的焦点深度是该工作距离132可改变以使得影像113仍然为于针对相机114的实质焦点的距离范围(例如：工作距离范围)。

较大的工作距离范围允许于平面物体102或于连续平面物体之间的厚度变化而无需重新聚焦光学成像系统。再者，较大的工作距离范围允许用户估计(例如：藉由简单规尺测量或藉由肉眼)一适当工作距离132以维持实质焦点。

于本文揭示的一个实施例，工作距离范围约为±10毫米。根据该个实施例，相机114的成像表面选择为相当小，藉以减小系统放大率m。于一个实施例，成像表面的长度与宽度是各自选择为于约2.5毫米与约5.5毫米之间的一范围。于一个实例实施例，成像表面是长为约4.51毫米且宽为约2.88毫米。作为比较，一种标准的成像器(例如：可购自美国俄勒冈州波特兰市ElectroScientific Industries公司的ScribeRead 5P成像系统的成像器)是长为约6.4毫米且宽为约4.8毫米。

此外，相机114是选择以具有相当高的灵敏度。因此，降低系统效率T的影响是减小或最小化。适用作为相机114的该种传感器是由例如Micron所制造且相对于更为常用的CCD成像器而运用CMOS。于一个实例实施例，相机114包括自美国爱达荷州Boise的Micron Imaging公司的型号MT9V022，且具有于一波长为约550毫微米(nm)的一灵敏度为约2.0V/lux-sec。在此，V是伏特，lux-sec是一强度-时间乘积。本领域技术人员将知悉的是：绿光是具有一波长为约550毫微米且灵敏度是可为有些低于其它可见光的波长。

欲达成约为±10毫米的工作距离范围，根据一个实施例，照明源118是构成以提供大量的光线。LED 120是选择以提供极高的亮度。于一个实施例，LED 120包括自美国伊利诺伊州Palatin的Lumex公司的型号SML-LX0402SIC且于约为20毫安而具有约为140mcd(毫烛光)的亮度。于一个实施例，LED 120藉由透镜以捕捉及运用尽可能多的能量。此外，或是于另一个实施例，LED 120是脉冲具有一极高的电流以达成高亮度阶层。用于达成高亮度的照明的技术描述于后。

于一个实施例，如上所论，选择针对于相机114的一小的成像表面、选择相机114以具有一高灵敏度、及选择极高亮度的LED 120提供一光学系统为具有一焦比f/12(相较于通常的f/5.8)、及一小的系统放大率为约0.14x。注意，一f/12系统是相较于f/5.8系统者而通过小于四分之一的能量，需要的是：光学成像系统100的平衡是更为大倍数及/或更为有效率四倍。

B.配置照明封装

作为一种暗场照明方法的远心轴上暗场(TOAD)照明是一种相当效率低的照明方法，因为其反射离开物体102的光线的一小百分比系捕捉，相较于其传送以照明物体102的光线的量。因此，大量的光线需要为传送至物体102以补偿其固有于暗场照明方法的损失。

于机器视觉应用的产业所加诸的尺寸限制大为减少其可用于暗场照明源的空间的量。小的照明源封装、以及光源的高密度配置将为有利。如于图1B所示，描述于第’949号专利的TOAD照明方案运用一种照明数组(内层群组119A、外层群组119B、或二者)。随着自数组的中央至数组的边缘的距离减小，察觉软与超软的水印(water mark)的能力提高。因此，使得此距离为尽可能小是有利。再者，随着距离减小，由照明源118所运用的空间显著减小。

设置多个照明数组于多个中央至边缘的距离也为有益，且提供不同方式的物体照明以及不同程度的超软、软、与硬的水印侦测。针对于此，多个照明数组是有帮助。然而，如下文所论，多个照明数组导致封装问题。封装问题是解决，根据本文所揭示的一个实施例，藉由运用小的个别照明源以及配置该等照明源至其中的照明源密度(以及数组密度)为增大或最大化的数组。

图2是一种包括复数个照明源210(图示为十二个)的常用环状照明数组200的示意图。于此实例的照明源210是矩形且可包含例如LED。照明源210是切向配置于一饼图案。本领域技术人员将知悉的是：环状照明数组200的配置可藉由加入或移除照明源210、以及藉由增大或减小环状照明数组200的半径而改变。举例而言，欲减小环状照明数组200的半径，一或多个照明组件210将移除。其余的照明组件210重新配置，藉以具有于一饼图案的实质相等的端对端间距。将一或多个照明源210移除以减小半径降低该数组200的亮度阶层。

环状照明数组200可与其它数组为同心定位。举例而言，图3是于图2所示的环状照明数组200与三个其它环状照明数组310、312、314为同心定位的常用配置的示意图。各个环状照明数组310、200、312、314具有一不同的半径与一不同数目的切向配置的照明源210。维持于个别的数组310、200、312、314之间的亮度阶层可为合意，虽然非为必要。因为R平方损失，当为可能时，于各个数组310、200、312、314的照明源210的数目自前一个内层数组而增大。于此实例，环状照明数组310、200、312、314分别包括七个、十二个、十六个与二十个照明源210。

如于图3所示，于常用的照明源布局下，各个数组以类似方式而定向(例如：切向环绕于一共同中心点)。然而，于本文揭示的一个实施例，常用配置是藉由增大于各个数组的照明源的数目而改良。图4是根据一个实施例所配置的复数个同心定位的照明数组410、412、414、416的示意图。各个照明数组410、412、414、416是具有复数个照明源210，其配置为绕于一共同中心418的一饼图案。

在图3与4所示的配置之间的一比较是揭露其运用于数组410、414、416的照明源210的数目的显著增大。因此，相较于数组310、312、314所提供者，数组410、414、416分别提供于发光的量的显著增大。

于图4所示的最内层的照明数组410包括其径向配置于一饼图案的十二个照明源210。自共同中心418至于数组410的照明源210的一近似中心的半径大约等于图3所示的最内层数组310的半径。然而，相较于数组410的十二个照明源210，于图3所示的最内层数组310具有七个照明源210。

于图4所示的次一个最内层的数组412包括其切向配置于一饼图案的十二个照明源210。于数组412的照明源210的半径与数目是实质为相同于图3所示的数组200的照明源210的半径与数目。

于图4所示的次一个最内层的数组414包括其径向配置于一饼图案的二十四个照明源210。自共同中心418至于数组414的照明源210的一近似中心的半径大约等于图3所示的数组312的半径。然而，相较于数组414的二十四个照明源210，于图3所示的数组312具有十六个照明源210。

于图4所示的最外层的数组416包括其配置于一饼图案的二十四个照明源210。欲达成于数组416的照明源210的末端之间的期望分离，照明源210偏移自一种切向架构。于另一个实施例，欲达成期望分离，一或多个照明源210移除自数组416且其余的照明源210配置于一实质切向架构。如于图4所示，自共同中心418至最外层数组416的照明源210的一近似中心的半径大约等于图3所示的最外层数组314的半径。然而，相较于数组414的二十四个照明源210，于图3所示的数组314具有二十个照明源210。

图5是流程图，其说明根据一个实施例的一种用于配置高密度照明数组的方法500。举例而言，方法500可运用以布局于图4所示意显示的照明数组410、412、414、416的配置。于一步骤510，方法500包括：选择任意的四倍数个照明源作为运用于一最内层照明数组的一总数的照明源。本领域技术人员由本文揭示内容所将知悉的是：初始选择四倍数个照明源可为任意或可选取为针对于电路理由(例如：欲达成平衡驱动器)。然而，任何数目的照明源可初始选择。

于一步骤512，方法500包括：以一径向方式而定向所选择的照明源在其等于用于一光学成像系统(例如：上述关于图1的光学成像系统100)的光学组件所期望或需要的半径加上照明组件的最长封装尺寸(例如：于图4所示的照明源210的长度)的一半径。

于一步骤514，方法500查询照明源是否为干扰彼此。若照明源的实际布局是使其并未碰触彼此或其具有一期望间距，方法500通过一否(no)路径516至一步骤518，于其，方法500增加该四倍数个照明源为一整个整数。该种方法接着返回至步骤512，随后为步骤514。若照明源为干扰彼此，方法500自步骤514透过一是(yes)路径520而进行至一步骤522，于其，方法500查询先前迭代(iteration)数目的照明源是否在目前数目的照明源干扰之前而为干扰。

若先前迭代为干扰，方法500通过一是路径524至一步骤526，于其，该四倍数个照明源减少为一整个整数。自步骤526，方法500返回至步骤512。若先前迭代数目的照明源为未干扰，方法500通过一否路径528至一步骤530，于其，该四倍数个照明源减少为一整个整数且方法500继续于下一个外层照明数组。于方法500的此点，最内层照明数组完成。举例而言，具有径向配置的照明源210的于图4所示的最内层照明数组410可根据上述的方法500而为已经构成。

于一步骤532，运用如同先前径向定向照明数组的相同数目的照明源，方法500切向定向一第二最内层数组的照明源在其等于先前数组的半径加上照明组件的最长封装尺寸长度1.5倍的一半径。本领域技术人员由本文揭示内容所将知悉的是：针对于第二最内层数组的一不同半径可选择于其它实施例。于方法500的此点，第二最内层照明数组完成。举例而言，于图4所示的第二最内层照明数组412可根据上述的方法500而为已经构成。虽然未显示于图4或5，若于第二最内层照明数组412的照明源210干扰彼此，其可偏移自切向方位，类似于最外层数组416的方位。

于一步骤534，针对于一第三最内层数组，方法500增加该四倍数个照明源至下一个整个整数。于一步骤536，方法500以一径向架构而定向针对于第三最内层数组的此等照明源在其等于先前数组者加上照明组件的最长封装尺寸长度1.5倍的一半径。

于一个实例实施例，照明源配置于其类似于图4所示的数组410、412、414、416的四个圆形数组，于其，一第一圆形数组具有约2.2毫米的一半径，一第二圆形数组具有约3.8毫米的一半径，一第三圆形数组具有约5.2毫米的一半径，且一第四圆形数组具有约6.6毫米的一半径。于该个实施例，各个照明源(例如：LED封装)具有长为约1.2毫米及宽为约0.6毫米且按照英寸(inch)的尺寸(0.04”×0.02”)于业界习称为一0402封装。

于一步骤538，方法500查询于第三最内层数组的照明源是否为干扰彼此。若照明源的实际布局使其并未碰触彼此或其具有一期望间距，方法500通过一否路径540至一步骤542，于其，方法500增加该四倍数个照明源为一整个整数。该种方法接着返回至步骤536，随后为步骤538。若照明源为干扰彼此，方法500自步骤538为透过一是路径546而进行至一步骤548，于其，方法500查询先前迭代数目的照明源是否在目前数目的照明源干扰之前而为干扰。

若先前迭代干扰，方法500通过一是路径550至一步骤552，于其，该四倍数个照明源减少为一整个整数。自步骤552，方法500返回至步骤536。若先前迭代数目的照明源为未干扰，方法500通过一否路径554至一步骤556，于其，该四倍数个照明源减少为一整个整数且方法500继续于下一个外层照明数组。于方法500的此点，第三最内层照明数组完成。举例而言，具有径向配置的照明源210的于图4所示的第三最内层数组414可根据上述的方法500而为已经构成。

于一步骤558，运用如同先前径向定向照明数组的相同数目的照明源，方法500切向定向一第四最内层数组的照明源在其等于先前数组的半径加上照明组件的最长封装尺寸长度1.5倍的一半径。于方法500的此点，第四最内层照明数组完成。举例而言，于图4所示的第四最内层照明数组416可根据上述的方法500而为已经构成。如上所论，若于第四最内层照明数组416的照明源210干扰彼此，其可偏移自切向方位，如于图4所示。

本领域技术人员由本文揭示内容所将知悉的是：方法500可继续于类似方式，交替于径向定向的照明数组与切向定向的照明数组(或偏移自切向者以提供期望间距)之间，以建立任何数目的照明数组。再者，顺序可逆转以使得最内层数组为具有一切向配置的照明源、第二内层数组为具有一径向配置的照明源、等等。此外，各个数组的半径可选择为任何期望长度。

C.对准TOAD照明数组

作为一种暗场照明方法的远心轴上暗场(TOAD)照明仰赖于照明源与照明的物体之间的入射角度。随着自光轴的暗场的角度成为较小，且较软的标记可察觉，对于对准的干扰的灵敏度提高。针对于其运用极窄角度暗场照明(诸如：TOAD照明)的晶圆ID系统的对准要求因此成为愈益更具关键性。根据一个实施例的一种相当简单便利的对准方法描述于后。

因为于图1A所显示的光学成像系统100(于本文也称为读取单元100)的布局与设计，对准读取单元100至一或多个TOAD照明数组由于其同心性而将因此对准该读取单元100至所有的数组。举例而言，TOAD照明数组包括图4所示的照明数组410、412、414、416。然而，诸如图1B与2-3所示的彼等者的其它TOAD照明数组配置也可运用。根据一个实施例的一种对准方法包括：对准一最内层数组，因为其相较于其它数组者而将显示任何未对准特性于较小的未对准角度。因此，对准最内层数组保证相关于其它TOAD照明数组的光学路径的对准。

图6是流程图，其说明根据一个实施例的一种用于对准TOAD照明数组的方法600。方法600包括：构成一读取单元以运用一最内层TOAD照明数组。举例而言，光学成像系统100可构成以运用于图4所示的照明数组410。于一步骤620，方法600包括：对准读取单元光轴为尽可能接近垂直于物体平面。于一步骤622，一镜或类似高反射物体置放于物体平面，且一影像捕捉过程开始。

于一步骤624，方法600包括：藉由分析于如所安装的读取单元所捕捉的影像以特性化角度偏移。总角度偏移是由影像的非均匀的强(intense)亮度区域所代表。小角度偏移由影像的幻象(ghosted)亮度区域所代表。举例而言，图7A与7B是说明根据一个实施例的读取单元所捕捉的镜的相片。影像包括亮度区域710(例如：强亮度的一个大区域与二个小区域为由幻象亮度区域所环绕)。

于一步骤626，方法600包括：调整于读取单元与物体平面之间的入射角度于x方向(例如：于影像空间的左/右)，直到亮度区域710不再为显明于影像中。该显明角度设定接着指示为设定x1。举例而言，于图7A，入射角度调整于一第一影像714所示的一箭头712的方向。只要亮度区域710移动为离开至第一影像714的左方且消失，x1记录。

于一步骤628，方法600包括：调整于读取单元与物体平面之间的入射角度于相较于前一步骤者的相反方向，直到亮度区域710完全横越影像空间且为不再显明于影像中，相对于其消失于前一步骤之处。该显明角度设定接着指示为设定x2。举例而言，于图7A，入射角度调整于一第二影像718所示的一箭头716的方向。只要亮度区域710移动为离开至第二影像718的右方且消失，x2记录。

于一步骤630，方法600包括：计算x3作为于设定x1与设定x2的约为中间者的一角度设定。读取单元接着定位为俾使于读取单元与物体平面之间的入射角度为于设定x3。举例而言，于图7A所示的一第三影像720说明：当该入射角度设定在设定x3，亮度区域710未成像且TOAD照明数组对准于x方向。

于一步骤632，方法600包括：调整于读取单元与物体平面之间的入射角度于y方向(例如：于影像空间的上/下)，直到亮度区域710不再为显明于影像中。该显明角度设定接着指示为设定y1。举例而言，于图7B，入射角度调整于一第四影像724所示的一箭头722的方向。只要亮度区域710移动为离开至第四影像724的顶部且消失，y1记录。

于一步骤634，方法600包括：调整于读取单元与物体平面之间的入射角度于相较于前一步骤者的相反方向，直到亮度区域710完全横越影像空间且为不再显明于影像中，相对于其消失于前一步骤之处。该显明角度设定接着指示为设定y2。举例而言，于图7B，入射角度调整于一第五影像728所示的一箭头726的方向。只要亮度区域710移动为离开至第五影像728的底部且消失，y2记录。

于一步骤636，方法600包括：计算y3作为于设定y1与设定y2的约为中间者的一角度设定。读取单元接着定位为俾使于读取单元与物体平面之间的入射角度为于设定x3。举例而言，于图7B所示的一第六影像730说明：当该入射角度设定在设定y3，亮度区域710未成像且TOAD照明数组对准于y方向。

于一个实施例，于y方向所作成的测量当于x方向的入射角度为设定在设定x3而作成。然后，一旦于y方向的入射角度为设定在设定y3，于x方向所作成的测量重新测量且针对于设定x3的一新值决定。

于一个实施例，运用以对准TOAD照明数组的镜旋转于一成像过程期间，以评估读取单元的外型质量。于读取单元的透镜与内部镜的污垢、尘埃、覆层缺陷、与其它的瑕疵难以区别自其运用以对准TOAD照明数组的外部镜的污垢、尘埃、与其它的瑕疵。旋转外部镜识别其为可归因至读取单元的缺陷。举例而言，当外部镜旋转，于图7A与7B所示的亮度区域710成为低强度的条纹。然而，归因于内部污垢、尘埃、覆层缺陷与其它瑕疵的任何明亮光点当外部镜为旋转时而未成为条纹。因此，读取单元的内部瑕疵可区别自旋转的镜的外部瑕疵。

D.分离前方与后方透镜群组

一晶圆ID系统通常包含基本方块，其包括例如：一视讯相机、一透镜、与一光源。该等晶圆ID系统可提供某组合之亮场照明、暗场照明、与窄角度暗场照明，藉由置放光源为稍微离轴(例如：典型为于约5度与约7度之间)自该透镜与相机且设置关联的挡板以防止由该晶圆之镜状表面所反射之光源的直视。

此等型式的系统常见为提供常用(经常为“现成(off-the-shelf)”)视讯透镜之一选择，以提供该系统为具有种种视场。举例而言：用于读取文字数字序号(诸如：于SEMI M13规格所述的彼等者)之约30毫米的一视场、及用于读取2DID序号之约为一半者的一视场，其通常为较小许多且裨益于其对应于较小视场的增大的放大率。

如上所论，第’949号专利揭示该窄角度暗场光源的纳入于图1A所示的远心光学成像系统100。因此，运用以形成其将读取序号的一影像的同个光学系统也运用以密切控制光线的几何性。藉由配置光源118在远心光圈116的附近，透镜108、110的性质可运用使得暗场照明为于光轴的约1度与约2度之间的一范围内而且维持遮蔽照明组件的直接的反射。再者，透镜108、110的性质为运用以维持跨于整个视场之此关系的一致性。

关于第’949号专利所提出的一问题在于：透镜108、110相较于常用的成像系统而较为复杂许多。该种系统的至少一个光学组件特定作成针对一特别系统且因为透镜108、110的独特要求而非可取得为“现成”。举例而言，一个独特要求在于：远心场透镜110一凹凸(meniscus)透镜，其具有二个外表面的曲度半径为小于或等于远心场透镜110的远心孔径与最接近表面之间的距离。

于本文揭示的一个实施例，一种特定设计方法提供能力以改变光学成像系统100的放大率，藉由改变一相当小的光学子系统而非为整个光学系统。根据一个实施例，系统放大率可藉由调换后方透镜群组108而变化，具有小或无影响于整个系统而不同于系统放大率的期望改变。

藉由比较于本文揭示的一个实施例，若一种常用设计方式是运用以设计光学成像系统100，熟悉此技艺的人士将作出针对于各个透镜组件的种种曲度半径、针对于各个透镜组件的种种玻璃型式、与针对于各个透镜组件的种种厚度与间距的设计选取。然而，针对于该种常用设计方式的解决方式系列者不可分离。即，后方透镜群组108与前方远心场透镜110必须视为单一个单元，若一可接受限制的光学效能欲达成。依照此种设计方式，若欲提供其具有不同放大率的一类似系统，则第二系统之后方透镜群组108将设计以最少为互补第一系统的远心场透镜110。替代而言，可重新设计整个系统以达成新的视场。此替代方式可能为必要，若第二视场大于第一视场者。

于一个实施例，欲使得成本、零件数、与开发时间为最小化的一种方法包括：首先针对于较大的视场(例如：较低的放大率)以设计光学成像系统100。此确保的是：远心场透镜110针对于任何后续系统为充分大。然后，设计作成分离式，藉由脱离自其运用概括为球面曲线与锥形截面的常用设计与生产方法至其运用下列形式的一非球面曲线的一者：

$Z=\frac{C{Y}^2}{1+\sqrt{1-(1+K)C^2{Y}^2}}+A_2{Y}^2+A_3{Y}^3+A_4{Y}^4+A_5{Y}^5+A_6{Y}^6+...+A_n{Y}^n.$

上式的第一项是一种球面曲线或锥形截面透镜表面的标准描述。Z是沿着一特定曲线的光轴的位移，其通常称为“下垂度(sag)”。Y是自该光轴的一径向距离。C是曲度(曲度半径的倒数)且K是锥形常数。K＜-1，针对于双曲线；K＝-1，针对于抛物线；-1＞K＜0，针对于椭圆面；K＝0，针对于球面表面；及，K＞0，针对于扁椭圆面。级数An为非球面系数且修正该下垂度Z作为对于轴的径向距离至n次乘方(在此标示为Yn)的一函数。若仅为偶数n运用于系数AnYn，如为运用于一个实施例，则合成曲度与其运用该曲线的透镜是称为一偶数(even)非球面。若奇数与偶数n为均运用，则曲线与其运用该曲线的透镜是称为一奇数(odd)非球面。奇数非球面的一较为概括情形提出于此。

本领域技术人员通常避免该等复杂曲线，因为其通常为昂贵以商业生产。然而，已经确定的是：一种模制聚合物透镜的光学特性将适用于分离式设计。根据一个实施例的一种模制聚合物透镜提供一种具有复杂曲度的低成本的透镜，允许其为不同于系统的其它透镜而分离式设计。借着运用非球面曲线于前方远心场透镜110所实施的分离式设计，远心场透镜110可充分适当修正且视为隔离自该系统的其余部分。

独立修正远心场透镜110允许后方透镜群组108的选择，俾使其为独立适当修正。于一个实施例，后方透镜群组108包括商用的物镜，其符合以下需求：具有适当焦距以达成一期望的系统放大率、适当尺寸的一影像圆形以覆盖所选择的相机传感器、及作为兼容于具有其界定于后方群组与前方透镜之间的系统光圈的一种设计。

用于后方透镜群组108的该种透镜的一个实例是其在后方为远心且具有其系统光圈在透镜的前方之一。该等透镜有时称为针孔(pinhole)透镜，因为前方孔径可为对准于用于隐藏监视的一针孔。藉由设计远心场透镜110为运用非球面第一表面以个别适当修正且藉由用于后方透镜群组108的针孔式后方透镜的审慎选择，具有多个放大率的一种系统可提供，藉此，光学组件包含单一个低成本塑料组件而具有用于远心场透镜110的非球面表面与用于后方透镜群组108的种种商用针孔透镜。

对于本领域技术人员显明的是：诸多变化可作成于上述实施例的细节而未脱离本发明的根本原理。因此，本发明的范畴仅为由随附的申请专利范围所决定。

Claims (23)

1.一种成像系统，用于使平面镜状物体上的缺陷成像，该种成像系统包括：

远心透镜，其具有充分非球面表面，使该远心透镜充分地修正光学像差；

远心光圈，其包括孔径，以阻断自该平面镜状物体所反射的光线而允许自该缺陷所反射的光线通过该孔径；及

透镜群组，其具有定位于该远心光圈与该透镜群组之间的系统光圈，该透镜群组无关于远心透镜而充分地修正光学像差。

2.根据权利要求1所述的成像系统，进一步包括：相机，用于透过该远心透镜、远心光圈、与透镜群组以使该平面镜状物体成像。

3.根据权利要求2所述的成像系统，其中，该相机包括互补金属氧化物半导体传感器。

4.根据权利要求3所述的成像系统，其中，该成像系统具有约±10毫米的焦点深度。

5.根据权利要求1所述的成像系统，其中，该缺陷是软标记。

6.根据权利要求1所述的成像系统，其中，该远心透镜包括模制聚合物。

7.根据权利要求1所述的成像系统，其中，该光学像差包括球面像差。

8.根据权利要求1所述的成像系统，其中，该透镜群组包括针孔透镜。

9.根据权利要求1所述的成像系统，进一步包括：照明源，其定位为沿着该远心透镜的轴以照明该平面镜状物体。

10.根据权利要求9所述的成像系统，其中，该照明源包括二个或多个同心数组的发光二极管。

11.根据权利要求10所述的成像系统，其中，在该二个或多个同心数组的LED的连续同心数组在关于共同中心点的切向配置与径向配置之间交替。

12.一种远心轴上暗场(TOAD)照明装置，包含：

第一圆形数组的照明源，其关于中心点径向配置，第一圆形数组位于自该中心点的第一半径；及

第二圆形数组的照明源，其关于该中心点切向配置，第二圆形数组位于自该中心点的第二半径。

13.根据权利要求12所述的TOAD照明装置，进一步包括：第三圆形数组的照明源，其关于该中心点径向配置，第三圆形数组位于自该中心点的第三半径。

14.根据权利要求13所述的TOAD照明装置，进一步包括：第四圆形数组的照明源，其关于该中心点切向配置，第四圆形数组位于自该中心点的第四半径。

15.根据权利要求14所述的TOAD照明装置，其中，第二半径大于第一半径。

16.根据权利要求15所述的TOAD照明装置，其中，第三半径大于第二半径。

17.根据权利要求16所述的TOAD照明装置，其中，第四半径大于第三半径。

18.一种用于对准远心轴上暗场(TOAD)照明装置与实质镜状表面的方法，TOAD照明装置具有多个同心照明数组，该方法包括：

在第一方向，调整在该TOAD照明装置与物体平面之间的入射角度，直到将强亮度区域从该镜状表面的影像的第一侧实质地移除；

记录该调整的入射角度作为第一测量；

在相比较于第一方向的相反方向，调整在该TOAD照明装置与物体平面之间的入射角度，直到强亮度区域从该镜状表面的影像的第二侧实质地移除；

记录该重新调整的入射角度作为第二测量；及.

确定针对第一方向的对准的入射角度作为在第一测量与第二测量之间的近似差。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，调整在该TOAD照明装置与物体平面之间的入射角度包括：

选择最内的同心照明数组；及

调整在该最内的同心照明数组与TOAD照明装置之间的入射角度。

20.根据权利要求18所述的方法，更包含：

在第二方向，调整在该TOAD照明装置与物体平面之间的入射角度，直到将强亮度区域从该镜状表面的影像的第三侧实质地移除；

记录该调整的入射角度作为第三测量；

在相比较于第二方向的相反方向，调整在该TOAD照明装置与物体平面之间的入射角度，直到强亮度区域从该镜状表面的影像的第四侧实质地移除；

记录该重新调整的入射角度作为第四测量；及

确定针对第二方向的对准的入射角度作为在第三测量与第四测量之间的近似差。

21.一种用于成像半导体晶圆的成像系统，包含：

用于照明晶圆的部件；

用于提供晶圆影像至感测部件的部件，工作距离是由介于该晶圆与用于提供影像至感测机构的部件之间的距离所定义；及

用于当工作距离改变于约±10毫米的范围时维持影像焦点的部件。

22.根据权利要求21所述的成像系统，其中，用于照明晶圆的部件提供暗场照明。

23.根据权利要求21所述的成像系统，其中，用于照明晶圆的部件提供远心轴上暗场照明。

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