線型彩色共軛焦表面輪廓量測儀(Line chromatic confocal profilometer)
傳統的點型彩色共軛焦顯微術利用光的色散特性,藉由一色散鏡組將通過針孔的寬頻光源聚焦於被測物表面,形成一特定的色散範圍。
接著藉由偵測針孔將返回光做空間濾波,以篩選正好聚焦於樣品上的特定波長,再藉由其後方的光譜儀進行量測解析。
藉由事先校正之波長-高度對應關係,可以精確地對被測物表面進行高度定位以及形貌重建。
若進一步將傳統的點型彩色共軛焦之針孔 (pinhole) 置換為狹縫 (slit),再佐以適當的光學設計,能夠將點型量測拓展為線型量測,實現更高的量測速度。
彩色共軛焦因其天生的軸向平行化量測,能夠同時量測到薄膜的頂部與底部,從而直接量測薄膜厚度。
▲ 點型/線型彩色共軛焦顯微術原理示意圖
▲ 薄膜量測實例
▲ 其他表面量測實例1
▲ 其他表面量測實例2
繞射影像顯微術 (Diffraction Image Microscopy, DIM) 首先藉由將點狀光源投射於被測物表面。
接著對被測物表面的反射光斑進行取像與分析。由於不同的表面位置會導致不同的光斑影像,藉由適當的預先校正,可以由光斑影像反推被測物的表面高度,並且達到次微米等級之軸向解析度。
此技術結合數位微鏡 (Digital Micromirror Device, DMD) 與相關的光機設計,可整合成一緊湊的點陣型可掃描量測陣列,實現上千點平行量測之高速全域顯微形貌重建。
基於此原理所開發之量測模組與本實驗室超精密零阿背晶圓平台整合後,可以實現大範圍精密掃描拼接量測,可應用於半導體晶圓之線上高速微觀形貌量測。
▲ 結合 DMD 之繞射影像顯微鏡架構與原理概要圖
▲ 繞射影像顯微量測模組內部照片
▲ 繞射影像顯微量測模組的光機設計圖
▲ 繞射影像顯微鏡與零阿貝晶圓平台
Structured light probe design
為深化精密光學量測技術基礎,藉由與高自由度多軸機器手臂進行系統整合,達到線上製程的智動化與數位化,本實驗室近年來致力於發展結構光量測視覺模組。
第一代量測模組為理念雛型開發、第二代量測模組可與機器手臂控制器之進階整合與掃描測試,第三代量測模組則更注重商品化、輕量化、耐用化開發。
簡易的外型設計更有利於安裝於機械手臂上進行自動化量測;模組體積更小、重量更輕、採用高強度鋁合金外殼,避免機械震動導致變形,使用TI DLP投影技術,可實現高速高精度之物件形貌重建。
▲ Probe Design layout-1
▲ Probe Design layout-2
▲ Internal view of the probe
▲ External view of the probe
Robot arm end-effector pose estimation system
利用第三代結構光視覺量測模組開發機械手臂姿態變化偵測系統,結合三軸晶圓機器手臂,可在手臂傳送晶圓至定點時,偵測手臂姿態是否偏位,以視覺化圖表顯示於使用者介面,避免因機械手臂的誤差導致晶圓在運送時發生破片、掉片的情況發生。
利用次方向包圍合作為多視角點雲姿態比對之特徵,可在短時間內估計出粗使對位轉移矩陣,結合變化的最近點跌代法,使兩接近點雲快速蝶合併進行姿態變化求解,可應用於機械手臂之姿態誤差偵測,實現無額外添加特徵之姿態偵測演算法。
▲ Captured vs. Measurement result
▲6 degrees of freedom pose variance of robot arm end-effector
▲ Robot arm end-effector pose estimation system
目前 Vision 4.0(Smart Vision for Smart Factories)已受到各國的高度重視,根據國家智慧機械的整體發展方向,本研究以發展視覺 4.0 為目標,將發展創新智慧型光學精密量測模組與關鍵演算技術,與六軸機器手臂或精密掃描機之控制器進行整合。在線上製程對工件的自動化加工與量測過程中,可達到具複雜幾何工件(例如渦輪引擎葉片)之智慧型自動化三維視覺偵測、複雜工件辨識與三維空間定位,同時可進行自動化精密光學三維量測與關鍵尺寸之萃取與演算。
技術目標:
複雜工件定位與瑕疵檢測
工件三維形貌量測與形貌誤差分析
關鍵尺寸之邊緣偵測
可自動辨識複雜形貌工件,並達到空間定位與三維姿態精確量測。之後進行量測點雲資料與CAD model 之間精密影像擬合,以求出工件形狀誤差分佈。
關鍵尺寸萃取:進行電路板檢測時,尺寸量測有助於檢測是否出現缺件、元件翹曲、位移等瑕疵。二維檢測系統在取像時會有需要定位點、喪失深度資訊的限制,三維形貌量測系統則不受影響。
使用基於隨機一致算法的形狀偵測演算法,可得出元件之於基準面的相對高度,以及特定形狀的元件尺寸數據。
▲ 工件三維形貌誤差量測流程圖
本實驗室研發之超精密零阿貝誤差晶圓檢測平台與關鍵光學量測探頭模組,目標將運用於晶圓生產前段製程之精密量測或瑕疵檢測工程。
量測平台可整合具抗振性光學量測探頭模組,發展晶圓表面之平整度檢測設備與技術,同時量測平台未來可整合國內漢微科或台灣電鏡所研發之電子束掃描探頭模組,進行晶圓N10新顯影製程計畫之缺陷檢測關鍵技術與設備。
將整合台大機械系精密量測、精密定位控制與精密機構設計三個實驗室,整合 Micro-CMM精密量測、奈米級精密定位控制及精密平台與機構設計等方面的經驗與技術。本研究所發展量測平台之精度規格水準,將以測量範圍達 300 mm × 300 mm × 5 mm、掃描量測速度達 40 m/min、以及空間體積定位誤差控制在 50 (±3s) 以內為技術發展目標。
▲ 超精密零阿貝誤差晶圓檢測平台設計圖
▲ 超精密零阿貝誤差晶圓檢測平台外觀