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)檢測設(shè)備。

半導(dǎo)體檢測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制造過程中進(jìn)行快速、準(zhǔn)確和干凈的檢測。他們依賴光學(xué)檢測設(shè)備制造商創(chuàng)新檢測工具，以滿足行業(yè)的需求。半導(dǎo)體制造商通常會將半導(dǎo)體檢測所需的光學(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)的自動對焦組件密不可分，而且對整體檢測速度有很大的影響。自動對焦組件與光學(xué)系統(tǒng)的電動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調(diào)焦系統(tǒng)（BXC-FSU）與顯微鏡的電動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。

什么是自動對焦？

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

主動系統(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)行對焦。這種技術(shù)適用于樣品缺乏對比度的高級檢測系統(tǒng)，如平板和裸晶圓檢測系統(tǒng)。

裸晶圓檢測

主動式瞳分割法

主動式瞳分割法概要

瞳分割法是一種主動的對焦傳感方法。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)度會根據(jù)樣品位于焦點(diǎn)的遠(yuǎn)或近而發(fā)生變化。自動對焦裝置感測流經(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"。對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)誤差信號約等于零時，自動對焦裝置就會判斷對焦已完成。

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

對焦誤差信號輸出

自動對焦裝置控制盒接收信號，并將其傳輸?shù)津?qū)動電動Z軸運(yùn)動的軟件。為了向客戶設(shè)備輸出對焦信息，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最初提供的對焦信息，創(chuàng)建傳輸?shù)娇蛻粼O(shè)備的模擬信號。

BXC-CBE1產(chǎn)生三種對焦信號：

• 對焦誤差信號

• 捕獲閾值信號

• 對焦信號

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

誤差信號與0 V交叉的位置就是對焦位置。如圖5所示，當(dāng)誤差信號處于0 V左右的對焦閾值范圍內(nèi)時，對焦信號就會激活。激活對焦信號的范圍是指樣品在物鏡焦深內(nèi)（對焦）的范圍。

然而，如下圖中的紅色框所示，當(dāng)樣品遠(yuǎn)離對焦位置時，誤差信號也為0 V。出現(xiàn)這種情況的原因是，樣品距離對焦位置越遠(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)對焦信號實(shí)際上為低電平時，表示該信號處于激活狀態(tài)。

每個Z位置的誤差信號(A-B)/(A+B)和對焦信號的變化

捕獲信號表示從自動對焦裝置發(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)可以識別強(qiáng)度，因此可以判斷零信號是否由低強(qiáng)度引起，而樣品實(shí)際上并沒有對焦。當(dāng)樣品位于焦點(diǎn)位置附近時，就會出現(xiàn)這種捕獲信號，也被稱為捕獲范圍。當(dāng)樣品處于捕獲范圍內(nèi)時，就可以激活自動對焦功能，并實(shí)現(xiàn)實(shí)際對焦。當(dāng)入射到兩個分光光電二極管上的光總量（A+B）超過某個閾值時，就能確定樣品是否在捕獲范圍內(nèi)。

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

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

捕獲信號和對焦信號的變化

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

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

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

多點(diǎn)激光投射

樣品的形貌會影響對焦的成功率。當(dāng)激光單點(diǎn)投射到樣品上時，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），則對焦位置會隨著對樣品的掃描而頻繁變化。這就是所謂的振紋。由于自動對焦光在階梯邊緣的散射，還可以看到對焦誤差信號的信噪比（SNR）在變差（下圖）。這兩種情況都會導(dǎo)致在整個檢測過程中很難保持對焦?fàn)顟B(tài)，從而使檢測速度放慢。

（a）焦點(diǎn)位置的變化（b）邊緣散射

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

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

在檢測具有階梯高度的樣品時，單點(diǎn)和多點(diǎn)自動對焦法在對焦穩(wěn)定性方面的比較。亮點(diǎn)表示對焦檢測點(diǎn)。為了減少振紋并提高對焦穩(wěn)定性，BXC-FSU采用了多點(diǎn)主動式自動對焦系統(tǒng)（圖10和圖11）。這些光點(diǎn)以45度角排列在整個視場中，所有光點(diǎn)的平均信號會產(chǎn)生一個平均對焦位置。當(dāng)樣品在視場內(nèi)具有不同的高度時，通過對整個視場進(jìn)行平均對焦，可以實(shí)現(xiàn)可再現(xiàn)的自動對焦。

色差校正

由于BXC-FSU自動對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對焦位置會有所不同。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，都會校正色差。

物鏡的色差導(dǎo)致可見光和激光有兩個對焦位置

自動對焦技術(shù)大幅縮短了掃描時間，提高了分辨率精度。了解對焦感應(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。