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【自有技术大讲堂】显微系统照明方式介绍

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一、引言

 

半导体芯片表面缺陷在线检测系统是基于采集的半导体芯片图像进行目标检测提取与分类的系统,因此采集到的图像作为机器视觉进行处理的原始输入数据,其质量的好坏将直接影响到后续图像处理算法的难易程度、分类的准确性与稳定性,从而决定系统的检测系能。合理的照明方案设计,有助于获得光照均匀、亮度适宜、缺陷突出的检测图像[1]。

 

二、明场照明

 

在显微成像过程中,常使用临界照明和科勒照明两种方式:临界照明是将光源直接成像到样品平面上,光源亮度的不均匀性可能导致在样品平面成像的光斑亮度也不均匀,从而影响观察效果;科勒照明是将发光光源成像到前置聚光镜的后焦平面,再由聚光镜成像在无限远处,这样在样品表面处没有灯丝的像形成,从而照度均匀。并且由于照度均匀,在样品上没有热焦点形成,因此即使长时间照明,也不会出现灼伤样品情况。

 

科勒照明克服了临界照明的缺点,是显微镜的理想照明方式。图1所示为科勒照明系统的结构图,光源的灯丝经聚光镜及可变视场光阑(FS)后,灯丝成像在聚光镜孔径光阑(AS)的平面处,再由聚光镜成像在无限远处,这样在样品表面处没有灯丝像的形成,且照度均匀[2]。

 

光干涉测量技术就采用临界

 

光干涉测量技术常常选用卤素灯作为光源,如果选用临界照明的方式,虽然直接照射到检测样品表面上,但光源灯丝的像也会由于物镜的汇聚作用成像在被测样品的平面附近,从而造成测量区域照度的不均匀,影响白光干涉方法的三维表面形貌还原。科勒(August Kohloer)提出的二次成像照明方法克服了临近照明中灯丝成像的缺点,是显微成像系统中的一种理想的照明方法。以下为干涉测量中两种照明方式所获取到的干涉条纹图,两者照明方式的干涉成像质量明显不同[3]。

 

 

三、暗场照明

 

根据相机接收光的位置可以将照明方式分为明场照明和暗场照明。入射光照射被测样品,相机位于反射光方向并接受绝大多数光,这种成像方式称为明场照明;若光源与相机的布局使绝大多数光没有被相机接收,仅使相机接收部分散射光,这种成像方式称为暗场照明[4,5]。图2为暗场照明系统的结构图,激光器发射的光源照射到样品上,探测器并不放置在反射光位置,仅用探测器接收部分散射光。

 

图2

 

暗场照明光路如上图所示,镜头主要搜集被测物体的散射光。不同散射角、不同方位角的散射光往往包含缺陷信息。例如缺陷若为具有一定方向性的划痕缺陷,位于特定角度的散射光能得到缺陷对比度高的图像。

 

四、总结

 

在机器视觉检测中,根据研究半导体芯片表面缺陷检测的基本需求,选择合理的照明方式、光照的方向特性及目标物体表面反射特性,可以提高提高成像的对比度,降低算法的难易程度,从而提升设备的稳定性和效率。

 

参考文献

[1]巢渊.基于机器视觉的半导体芯片表面缺陷在线检测关键技术研究[D].东南大学,2017.
[2]朱晓萌,高万荣,朱越.使用改进型科勒照明系统的全场光学相干层析成像系统[J].光学学报, 2014(5):5.
[3]赵冠华.基于Linnik结构的白光干涉光谱线测量系统的开发与应用[D].天津大学,2020.
[4]陈世炜. 基于明暗场成像的多扫描方式图案化晶圆检测技术研究[D]. 浙江:浙江大学,2021.
[5]潘龙飞,李静.一种新型的暗场显微镜成像系统[J].新技术新工艺, 2017(7):2.

 

2023年12月27日 13:49