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為了支持設(shè)備和儀器設(shè)計(jì)人員,，我們向基于顯微鏡的成像系統(tǒng)制造商供應(yīng)各種物鏡和其他光學(xué)部件。這些組件有助于他們的工程師高效地設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的光學(xué)檢測(cè)設(shè)備,。

半導(dǎo)體檢測(cè)是一種需要顯微鏡成像系統(tǒng)的應(yīng)用,。半導(dǎo)體制造商要求在整個(gè)制造過程中進(jìn)行快速、準(zhǔn)確和干凈的檢測(cè),。他們依賴光學(xué)檢測(cè)設(shè)備制造商創(chuàng)新檢測(cè)工具,，以滿足行業(yè)的需求。半導(dǎo)體制造商通常會(huì)將半導(dǎo)體檢測(cè)所需的光學(xué)機(jī)械組件采購給光學(xué)成像專家,。在這種應(yīng)用中,，光學(xué)系統(tǒng)的自動(dòng)對(duì)焦組件密不可分，而且對(duì)整體檢測(cè)速度有很大的影響,。自動(dòng)對(duì)焦組件與光學(xué)系統(tǒng)的電動(dòng)Z軸機(jī)械裝置,、照明器、顯微鏡物鏡和數(shù)碼相機(jī)或傳感器相結(jié)合,，構(gòu)成了完整的系統(tǒng),。

在此文章中,，我們介紹了如何將自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)（BXC-FSU）與顯微鏡的電動(dòng)Z軸機(jī)械裝置、照明器,、光源,、物鏡和其他組件相結(jié)合,，幫助半導(dǎo)體制造商快速高效地完成檢測(cè),。

什么是自動(dòng)對(duì)焦？

自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)有兩種類型：被動(dòng)系統(tǒng)使用觀察到的圖像進(jìn)行對(duì)焦,。這種技術(shù)通常被稱為圖像對(duì)比法,，但它不適用于裸晶圓等低對(duì)比度樣品。使用這種方法很難確定對(duì)焦方向,，因此必須在Z軸方向上,，上下移動(dòng)載物臺(tái)，以探測(cè)到樣品對(duì)比度的增減,。這樣會(huì)減慢對(duì)焦速度,，并使檢測(cè)人員難以掌握對(duì)焦情況。然而,，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是成本相對(duì)較低,。

主動(dòng)系統(tǒng)將來自專用光源的光照射到樣品上，并基于返回的光進(jìn)行對(duì)焦,。這種技術(shù)適用于樣品缺乏對(duì)比度的高級(jí)檢測(cè)系統(tǒng),，如平板和裸晶圓檢測(cè)系統(tǒng)。

裸晶圓檢測(cè)

主動(dòng)式瞳分割法

主動(dòng)式瞳分割法概要

瞳分割法是一種主動(dòng)的對(duì)焦傳感方法,。在這種方法中,，要在光源和透鏡之間放置一塊屏蔽板。從激光源發(fā)出的光在一側(cè)被屏蔽板阻擋,。激光通過物鏡照射到樣品后,，從樣品上反射回來，然后通過半反射鏡進(jìn)入兩段式光電二極管,。進(jìn)入每一側(cè)的光強(qiáng)度會(huì)根據(jù)樣品位于焦點(diǎn)的遠(yuǎn)或近而發(fā)生變化,。自動(dòng)對(duì)焦裝置感測(cè)流經(jīng)A和B的光通量，并使用公式（A-B）/（A+B）將其轉(zhuǎn)換為“誤差信號(hào)",。對(duì)焦位置是光電二極管兩側(cè)的入射光強(qiáng)度相等的Z位置,。換句話說，當(dāng)誤差信號(hào)約等于零時(shí),，自動(dòng)對(duì)焦裝置就會(huì)判斷對(duì)焦已完成,。

采用主動(dòng)式瞳分割法進(jìn)行對(duì)焦感應(yīng)，以上說明了入射到兩段式光電二極管A側(cè)和B側(cè)的信號(hào)以及誤差信號(hào)值如何根據(jù)樣品位置而變化,。

對(duì)焦誤差信號(hào)輸出

自動(dòng)對(duì)焦裝置控制盒接收信號(hào),，并將其傳輸?shù)津?qū)動(dòng)電動(dòng)Z軸運(yùn)動(dòng)的軟件,。為了向客戶設(shè)備輸出對(duì)焦信息，要將BXC-FSU與BXC-CBB控制器結(jié)合起來,。

BXC-CBB系統(tǒng)的配置

對(duì)焦信息按以下方式在系統(tǒng)中傳輸：BXC-FSU→BXC-RLI→BXC-CBB→BXC-CBE1,。BXC-CBE1控制器根據(jù)BXC-FSU最初提供的對(duì)焦信息，創(chuàng)建傳輸?shù)娇蛻粼O(shè)備的模擬信號(hào),。

BXC-CBE1產(chǎn)生三種對(duì)焦信號(hào)：

• 對(duì)焦誤差信號(hào)

• 捕獲閾值信號(hào)

• 對(duì)焦信號(hào)

上述(A-B)/(A+B)誤差信號(hào)以-10 V至+10 V范圍內(nèi)的模擬信號(hào)形式輸出,，焦點(diǎn)位置的方向可通過電壓的正負(fù)來確定。

誤差信號(hào)與0 V交叉的位置就是對(duì)焦位置,。如圖5所示,，當(dāng)誤差信號(hào)處于0 V左右的對(duì)焦閾值范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)焦信號(hào)就會(huì)激活,。激活對(duì)焦信號(hào)的范圍是指樣品在物鏡焦深內(nèi)（對(duì)焦）的范圍,。

然而，如下圖中的紅色框所示,，當(dāng)樣品遠(yuǎn)離對(duì)焦位置時(shí),，誤差信號(hào)也為0 V。出現(xiàn)這種情況的原因是,，樣品距離對(duì)焦位置越遠(yuǎn),，從樣品反射并入射到兩段式光電二極管上的激光強(qiáng)度就越低。在圖5中,，當(dāng)對(duì)焦信號(hào)實(shí)際上為低電平時(shí),，表示該信號(hào)處于激活狀態(tài)。

每個(gè)Z位置的誤差信號(hào)(A-B)/(A+B)和對(duì)焦信號(hào)的變化

捕獲信號(hào)表示從自動(dòng)對(duì)焦裝置發(fā)射并從樣品反射到光電二極管的激光強(qiáng)度,。由于系統(tǒng)可以識(shí)別強(qiáng)度,，因此可以判斷零信號(hào)是否由低強(qiáng)度引起，而樣品實(shí)際上并沒有對(duì)焦,。當(dāng)樣品位于焦點(diǎn)位置附近時(shí),，就會(huì)出現(xiàn)這種捕獲信號(hào)，也被稱為捕獲范圍,。當(dāng)樣品處于捕獲范圍內(nèi)時(shí),，就可以激活自動(dòng)對(duì)焦功能，并實(shí)現(xiàn)實(shí)際對(duì)焦,。當(dāng)入射到兩個(gè)分光光電二極管上的光總量（A+B）超過某個(gè)閾值時(shí),，就能確定樣品是否在捕獲范圍內(nèi)。

每個(gè)Z位置的光通量A+B和捕獲信號(hào)的變化,。當(dāng)A+B超過某個(gè)閾值時(shí),，捕獲信號(hào)就會(huì)被激活。在此圖中,，捕獲信號(hào)在低電平時(shí)處于激活狀態(tài),。

總而言之,，對(duì)焦位置是指BXC-CBE1輸出的捕獲信號(hào)處于激活狀態(tài)、誤差信號(hào)接近0 V,，且對(duì)焦信號(hào)也處于激活狀態(tài)的范圍,。下面的圖7顯示了每個(gè)Z位置的捕獲信號(hào)和對(duì)焦信號(hào)的狀態(tài)。在這里,，捕獲信號(hào)和對(duì)焦信號(hào)在低電平時(shí)處于激活狀態(tài),。

捕獲信號(hào)和對(duì)焦信號(hào)的變化

在此基礎(chǔ)上，通過監(jiān)控BXC-CBE1輸出的三個(gè)信號(hào)（誤差信號(hào),、捕獲信號(hào)和對(duì)焦信號(hào)）,，可以找到焦點(diǎn)，并與客戶選擇的Z軸電機(jī)和Z軸驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行通信,。隨著載物臺(tái)移動(dòng)到每個(gè)檢測(cè)位置，這些設(shè)備都在積極協(xié)調(diào)工作,。

物鏡,、實(shí)時(shí)圖像和波形之間的關(guān)系（示波器信號(hào)；誤差信號(hào)：綠色,；對(duì)焦信號(hào)：黃色,；捕獲信號(hào)：藍(lán)色）

示波器可以確認(rèn)，當(dāng)圖像對(duì)焦時(shí),，所有信號(hào)均處于激活狀態(tài),。這可用于儀器的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

多點(diǎn)激光投射

樣品的形貌會(huì)影響對(duì)焦的成功率,。當(dāng)激光單點(diǎn)投射到樣品上時(shí),，如果樣品具有階梯結(jié)構(gòu)（如半導(dǎo)體基板上的細(xì)線圖案），則對(duì)焦位置會(huì)隨著對(duì)樣品的掃描而頻繁變化,。這就是所謂的振紋,。由于自動(dòng)對(duì)焦光在階梯邊緣的散射，還可以看到對(duì)焦誤差信號(hào)的信噪比（SNR）在變差（下圖）,。這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致在整個(gè)檢測(cè)過程中很難保持對(duì)焦?fàn)顟B(tài),，從而使檢測(cè)速度放慢。

（a）焦點(diǎn)位置的變化（b）邊緣散射

（a）在單點(diǎn)法中,，在移動(dòng)到樣品有階梯高度的一側(cè)時(shí),，Z位置會(huì)明顯移動(dòng)，導(dǎo)致圖像失焦,。

（b）使用多點(diǎn)法時(shí),，即使樣品上有階梯高度，在橫向平移時(shí),，焦點(diǎn)位置也不會(huì)改變,。

在檢測(cè)具有階梯高度的樣品時(shí),，單點(diǎn)和多點(diǎn)自動(dòng)對(duì)焦法在對(duì)焦穩(wěn)定性方面的比較。亮點(diǎn)表示對(duì)焦檢測(cè)點(diǎn),。為了減少振紋并提高對(duì)焦穩(wěn)定性,，BXC-FSU采用了多點(diǎn)主動(dòng)式自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)（圖10和圖11）。這些光點(diǎn)以45度角排列在整個(gè)視場(chǎng)中,，所有光點(diǎn)的平均信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)平均對(duì)焦位置,。當(dāng)樣品在視場(chǎng)內(nèi)具有不同的高度時(shí)，通過對(duì)整個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行平均對(duì)焦,，可以實(shí)現(xiàn)可再現(xiàn)的自動(dòng)對(duì)焦,。

色差校正

由于BXC-FSU自動(dòng)對(duì)焦裝置使用的是近紅外激光光源，因此激光光源和白光源的載物臺(tái)對(duì)焦位置會(huì)有所不同,。這是由于色差造成的,，即鏡頭中所用玻璃的折射率會(huì)根據(jù)光的波長而變化（下圖）。因此,，BXC-FSU配備了校正色差和匹配可見光和紅外激光對(duì)焦位置的裝置,。根據(jù)軟件中分配的預(yù)定量，每次物鏡轉(zhuǎn)盤切換物鏡時(shí),，都會(huì)校正色差,。

物鏡的色差導(dǎo)致可見光和激光有兩個(gè)對(duì)焦位置

自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)大幅縮短了掃描時(shí)間，提高了分辨率精度,。了解對(duì)焦感應(yīng)原理將有助于您充分利用BXC-FSU并將其集成到您的設(shè)備中,。