텔레센트릭 축상 암 시야 조명으로 구현된 광학 시스템의 사용과 성능의 최적화 document_id A220623062658

반도체 제품 종들은 우수한 평면성 및 반사성(평탄성 및 광택성)을 갖고 있다. 종종 평면성 및 반사성으로부터의 매우 작은 편차(deviation)들을 적절한 콘트라스트로 이미징하는 방식으로 이들 디바이스를 이미징하는 것이 필수적이거나 바람직하다. 이러한 제품 종들 중 하나가 반도체 웨이퍼로서, 이 반도체 웨이퍼에는 무엇보다도 웨이퍼 수와 제조자를 나타내는 표시가 제공될 수 있다. 이들 표시는 웨이퍼의 표면의 결함부로서, 통상적으로 레이저 에칭 피트(pits)의 매트릭스이다. 이들 표시는 당해 기술분야에서 "소프트 마크(soft mark)"로 알려져 있다. 이들 마크는 제조 프로세스에 따른 여러 단계에서 코드들을 판독하기 위해 이미징된다. 반도체 웨이퍼를 개별화한 후(통상적으로, 톱 및/또는 레이저에 의해 개별적인 직사각형 디바이스들로 절단한 후)에는, 시간에 따라 파급될 수 있고 디바이스의 조기 결함을 발생시키며 균열들과 소형 칩에 대한 에지부를 검사하는 것이 필수적이거나 바람직할 수 있다. 이들 검사 프로세스는 자동화되어 있으며, 필요한 검사, 측정 및 식별을 수행하도록 프로그래밍이 된 디지털 전자 컴퓨터와 함께 전자 이미징 카메라를 이용한다. 통상적으로, 암 시야 조명은 당업자에게는 잘 알려진 기술로서, 반사성의 대상물 상의 결함부를 검사하는데 특히 유용하다. 암 시야 조명의 해상도는 조명원의 특성, 대상물과 관찰자 또는 카메라 간의 상대적인 위치 및 조명받고 있는 대상물의 특성에 의존한다. 암 시야 조명의 해상도를 충족시키기 위해서는, 대상물 상에 입사하는 대부분의 조명을 관찰자 또는 카메라의 광학 개구(optical aperture)에 진입하지 않는 방향 또는 방향들로 반사시키는 것이 필요하다. 암 시야 조명은 대부분의 광이 카메라로 직접 반사되는 명 시야(bright field) 조명과 대조 비교될 수 있다. 암 시야 조명은 광원이 카메라와 대상물 간의 선에 대하여 어떤 각도에서 대상물을 향하도록 광원을 배치함으로써 구현될 수 있다. 이러한 각도는 대상물이 광을 확산시키는 각도보다 크도록 선택된다. 대상물이 통상적인 확산 반사 특성을 갖는 경우, 그 각도는 대상물이 확산 반사에 의해 입사 조명을 분산시키는 반각(half-angle)보다 더 크도록 선택된다. 대상물이 반사성이라면(즉, 대상물이 미소 각도, 또는 매우 낮은 효율을 갖거나, 미소 각도와 매우 낮은 효율 모두를 갖고 입사 조명을 확산시킨다면), 그 각도는 매우 작도록 선택될 수 있다. 조명원은 대칭적으로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 조명원은 고리 형태로 제조되어, 광학 축에 대하여 동축으로 배치될 수도 있으며, 또는 복수의 조명원이 고리 형태로 배열될 수 있다. 이러한 고리 형태의 직경과 대상물에 대한 그 근접성은 조명이 대상물 상에 입사하는 각도의 범위를 결정한다. 당해 기술 분야에서, 이러한 조명은 환형 조명(ring lights)으로 알려져 있으며, "하이 앵글(high angle)"이나 "로우 앵글(low angle)"로 다양하게 구성된다. 어떤 대상물을 이미징할 때에는, 실질적으로 평탄하고 반사성을 가진 것 외의 표면에서의 매우 작은 지형부(feature)를 부각시키는 것이 바람직하다. 이 작은 지형부는 개별화된 디바이스의 에지부와 소프트 마스크를 포함한다. 이를 구현하기 위해서는, 조명원이 이미징 시스템으로 직접 반사되어짐이 없이 (예컨대 협각을 선택하는) 조명원이 가능한 이미징 시스템과 거의 광학 축 상에(on-axis) 이르게 하는 것이 필요하다. 현재 알려진, 이를 달성하는 효과적인 방법은 배플(baffle)을 이용하여, 조명원, 대상물, 배플 및 이미징 시스템 간에 특정한 정렬을 제공하는 것이다. 머신 비전 시스템(machine vision system)과 웨이퍼 식별(ID) 시스템의 설계시, 설계자(예컨대, 시스템 엔지니어)는 통상 다수의 설계 절충안을 만든다. 예컨대, 렌즈 개구가 크게 만들어지면, 시스템의 제한적인 해상도는 통상 더 높아지고, 시스템은 통상 더 효율적이 된다. 더 효율적인 시스템은 이미지 센서로부터의 민감도 또는 이득이 덜할 것을 요구하고, 시스템은 조명 시스템으로부터의 광이 덜할 것을 요구한다. 조명 시스템이 광을 덜 요구한다면, 전원 공급 시스템에 대한 요구가 적어지고, 더 적은 열이 소모된다. 열 소모는 통상 콤팩트 패키징(compact packaging)을 달성하려는 설계 목적을 달성하는 데 있어 주요 장애물이다. 반대로, 시스템 개구가 작게 만들어지면, 시스템의 제한적인 해상도는 감소되고, 일부 수차가 감소되며, 초점 깊이는 증가하고, 민감도 및/또는 이득에 대해 이미지 센서에 매우 상당한 요구가 이루어지며, 조명 시스템에 실질적으로 더 많은 광을 제공하라는 매우 상당한 요구가 더해진다. 조명 시스템에 대한 요구는 전원 공급 시스템에 대한 요구를 불러 일으키고 이로 인해 콤팩트 패키지 내의 열 소모의 문제점을 악화시킨다. 지금까지는 본 특허 출원의 양수인인, 오레건주 포틀랜드의 Electro Scientific Industries사가 제작한 이전 세대의 것(예컨대, ScribeViewTM 모델 1부터 5P까지)과, 업계 내의 다른 것들(예컨대, 매사추세츠주 Natick의 Cognex사의 것과, 일본 동경의 Kowa 주식회사의 것)을 포함하는 상업용 웨이퍼 ID 판독 시스템은 대략 ±1㎜ 이하의 작용 거리 범위(대상물 공간에서의 초점의 깊이)를 지닌 광학 시스템을 이용하였다. 비록 그러한 시스템이 작동 가능하지만, 그러한 시스템은 작용 거리에 있어서의 매우 경미한 변화도 고려하기 위해, 사용자가 렌즈의 초점 위치에 대한 조정 및/또는 웨이퍼 ID 판독기의 위치 조정을 할 것을 요구한다. 작용 거리는, 예컨대 대상물의 두께가 변하거나, 웨이퍼를 웨이퍼 ID 판독 시스템에 제시하는 로봇식(robotic) 시스템에서 부정확함이 존재하는 경우 변할 수 있다. 고정된 구성에서의 웨이퍼 ID 시스템에 대한 작용 거리의 범위가 대략 ±1㎜보다 크게 걸치는 것이 바람직하게 된다. 만약 이 범위가 한 자릿수(order of magnitude)만큼 더 크게 확장될 수 있다면, 시스템의 포커싱과 설정이 기존 시스템에 비해 대단치 않은 것이 된다. 예컨대, 현재 시스템은, 통상 이미지가 전자적으로 감시될 수 있고, 사용자가 전자적으로 표현된 이미지를 감시하면서 초점 조정이나 위치에서의 변화를 만들 수 있는 반복 절차에 따라 전력이 공급된(powered-up) 상태에서 시스템의 탑재와 포커싱을 요구한다. 사용자는 통상 만족스러운 이미지가 얻어질 때까지 조정한다. 작용 거리 범위가 대략 ±10㎜까지 확장될 수 있다면, 웨이퍼는 웨이퍼 ID 시스템이 적절한 작용 거리를 결정하기 위해 간단한 자를 사용하여 전력이 공급되지 않은 상태에 있는 동안 탑재될 수 있다. 게다가, 기존의 시스템에서는, 대략 1㎜의 작용 거리 변화를 일으키는 프로세스 변동은 통상 이전 작용 거리를 다시 달성하기 위해 프로세스를 조정하거나, 예컨대 렌즈-초점 배럴을 회전시키거나 초점-조정 스크류(screw)를 회전시킴으로써, 웨이퍼 ID 시스템의 초점을 조정하기 위한 사용자 간섭을 필요로 한다. 단지 수 ㎜만큼만 작용 거리에 있어서의 변화를 초래하는 경미한 프로세스 변동은 사용자 간섭 없이 웨이퍼 ID 시스템에 의해 조절될 수 있는 것이 바람직하다.