Introducción
Nuestra empresa, comprometida a prestar apoyo a los diseñadores de equipamiento e instrumentación, facilita un amplio rango de objetivos y otros componentes ópticos a los fabricantes de sistemas microscópicos de procesamiento de imágenes. Estos componentes permiten a los ingenieros diseñar eficazmente instrumentos ópticos de alta calidad dedicados a la inspección.
Entre las aplicaciones que requieren sistemas microscópicos de procesamiento de imágenes destaca la inspección de semiconductores. Los fabricantes de semiconductores deben ejecutar inspecciones rápidas, precisas y claras a lo largo de todo el proceso de fabricación. Ellos dependen de los fabricantes de equipamiento óptico de inspección para desarrollar herramientas de inspección innovadoras que les permitan cumplir con las demandas de la industria. Por tanto, los fabricantes de semiconductores subcontratan frecuentemente los ensambles optomecánicos requeridos en la inspección de semiconductores a expertos del procesamiento óptico de imágenes. Un componente crucial en esta aplicación es el mecanismo de enfoque automático del sistema óptico, cuya velocidad influirá grandemente en todo el proceso de inspección. El enfoque automático (o autoenfoque) funciona en combinación con el mecanismo motorizado de eje Z, la iluminación, los objetivos microscópicos y una cámara o un sensor de los sistemas ópticos para completar el sistema de inspección.
A través de este informe técnico, se explicará cómo se crea un sistema de ajuste que conjuga el enfoque automático (BXC-FSU), el mecanismo motorizado de eje Z, el iluminador, el recinto de lámpara, la lente de objetivo y otros componentes microscópicos a fin de proporcionar un respaldo a los fabricantes de semiconductores para que completen sus inspecciones de forma rápida y eficiente.
¿Qué es el autoenfoque o enfoque automático?
Existen dos tipos de sistemas de autoenfoque:
- El enfoque de sistemas pasivos que usa la imagen observada. A esta técnica se le denomina frecuentemente método de contraste de imagen; sin embargo, no funciona con muestras de bajo contraste como las obleas de base/lisas. Con este método resulta difícil determinar la dirección del enfoque; por lo tanto, la platina en Z debe subir (alejarse) y bajar (acercarse) para poder detectar un aumento o una reducción en el contraste de la muestra. Esto reduce la velocidad del enfoque y dificulta su seguimiento. Sin embargo, este método tiene la ventaja de ser relativamente asequible.
- Los sistemas activos irradian luz desde una fuente de luz específica hacia la muestra y aplican el enfoque en función de la luz de retorno. Esta técnica está indicada para sistemas de inspección avanzada en los que la muestra pierde contraste, como en el caso de los sistemas de inspección de pantallas planas u obleas (placas) electrónicas de base/lisas (Figura 1).
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Figura 1. Inspección de obleas electrónicas de base/lisas.
Método activo por pupila partida
Figura 2. Esquema del método activo por pupila partida.
Un método activo para la detección del enfoque es el denominado «pupila partida» (Figura 2). En este método, se coloca una placa de blindaje entre la fuente de luz y la lente (Figura 2). La luz que se emite a partir de la fuente de luz es bloqueada en un solo lado por una placa de blindaje. Luego de orientar la luz láser a través de la lente de objetivo hasta la muestra, esta luz láser se reflejará a partir de la muestra e ingresará al fotodiodo de dos segmentos por vía de medio espejo. La intensidad de la luz que ingresa por cada lado de los segmentos (Figuras 2.A y 2.B) cambia en función de la posición lejana o cercana del enfoque en la muestra. La unidad de autoenfoque detecta la corriente a través de los segmentos A y B, y la convierte en una señal de error (Error Signal) que plantea la ecuación (A-B)/(A+B). La posición bajo enfoque equivale a la posición del eje Z en donde la intensidad de la luz —incidente en los dos segmentos del fotodiodo— es igual. Dicho de otra forma, cuando la señal de error es aproximadamente igual a cero, la unidad de autoenfoque reconoce que la muestra está bajo enfoque (In-Focus).
La Figura 3 ilustra cómo las señales inciden en los lados de los segmentos A y B y cómo los valores de la señal de error cambian en función de la posición de la muestra.
Figura 3. Detección del enfoque con el método activo por pupila partida
Salida de la señal de error de enfoque
La caja de control de la unidad de autoenfoque recibe la señal y la transfiere al software que dirige el movimiento motorizado de eje Z. Para transferir la información de enfoque al dispositivo del cliente, la unidad BXC-FSU es empleada junto con el controlador BXC-CBB (Figura 4).
Ver cómo funciona el sistema BXC-CBB.
Figura 4. Configuración del sistema BXC-CBB.
La información de enfoque es transferida a través del sistema siguiendo la siguiente vía: BXC-FSU→BXC-RLI→BXC-CBB→BXC-CBE1.El controlador BXC-CBE1 crea la señal analógica que es transmitida al equipamiento del cliente en función de la información original proporcionada por la unidad BXC-FSU.
Hay tres tipos de señales de enfoque que son producidas por el controlador BXC-CBE1:
- Señal de error de enfoque (ingl. Focus Error Signal)
- Señal bajo captura (ingl. In-Capture Signal)
- Señal bajo enfoque (ingl. In-Focus Signal)
La señal de error (A-B)/(A+B), descrita anteriormente, sale como una señal analógica que va de –10 V a +10 V, y la dirección de su posición de enfoque puede determinarse según la tensión negativa o positiva.
La posición en la que la señal de error cruza los 0 V es considerada la posición bajo enfoque. Tal y como se muestra en la Figura 5, la señal bajo enfoque se activa cuando la señal de error se encuentra en el rango del umbral bajo enfoque a aproximadamente 0 V. El rango en el que la señal bajo enfoque se activa delimita el rango en el que la muestra se halla dentro de la profundidad de enfoque de la lente de objetivo (enfocado).
Sin embargo, tal y como se muestra en los cuadros rojos de la Figura 5, la señal de error también está en 0 V cuando la muestra se halla lejos de la posición bajo enfoque. Esto sucede debido a que la intensidad de la luz láser, reflejada a partir de la muestra e incidente en el fotodiodo de dos segmentos, disminuye a medida que la muestra se aleja de la posición de enfoque. La señal bajo enfoque se determina a activa cuando justamente está en la posición baja como en la Figura 5.
Figura 5. Cambio en la señal de error (A-B)/(A+B) y en la señal bajo enfoque en cada posición de eje Z.
La señal bajo captura indica la intensidad de la luz láser emitida a partir de la unidad de autoenfoque y reflejada a partir de la muestra hasta el fotodiodo. Dado que el sistema es capaz de reconocer la intensidad, puede informar si la señal cero es provocada por una intensidad baja o si la muestra no está realmente bajo enfoque. Esta señal bajo captura se genera cuando la muestra se ubica cerca o junto a la posición de enfoque, a lo que también se le denomina «rango bajo captura». Cuando la muestra se encuentra dentro del rango bajo captura, el autoenfoque puede activarse y usarse para conseguir el enfoque en curso. Esto se determina —sin importar que la muestra se encuentre en el rango bajo captura— cuando la cantidad total de luz (A+B) incidente en los dos segmentos del fotodiodo supera un cierto valor de umbral (Figura 6).
Figura 6. Variación de la intensidad de luz total A+B y señal bajo captura en cada posición de eje Z. La señal bajo captura se activa cuando A+B supera un cierto valor de umbral. En esta figura, la señal bajo captura se determina a activa en la posición baja.
Para resumir, la posición bajo enfoque significa el rango en el que la salida de la señal bajo captura —proveniente del controlador BXC-CBE1— se encontrará activa, la señal de error es próxima a 0 V, y la señal bajo enfoque también está activa. La Figura 7 a continuación muestra los estados de las señales bajo captura y bajo enfoque en cada posición de eje Z. Aquí, las señales bajo captura y bajo enfoque están activas en la posición baja.
Figura 7. Cambios en las señales bajo captura y bajo enfoque.
De acuerdo con lo mencionado previamente, monitorizar las salidas de las tres señales a partir del controlador BXC-CBE1— la señal de error, la señal bajo captura y la señal bajo enfoque— permite hallar el enfoque y transmitir dicha información a la unidad de eje Z y motor de eje Z seleccionado por el cliente. Todas estas unidades funcionan de forma activa en coordinación con las platinas que se desplazan a cada ubicación de la inspección (Figura 8).
Figura 8. Relación entre la lente de objetivo, la imagen en directo y la forma de onda (señales osciloscópicas; señal de error: verde; señal bajo enfoque: amarilla; señal bajo captura: azul).
Un osciloscopio puede confirmar que todas las señales se encuentran activas cuando la imagen está enfocada. Éste puede ser usado en el diseño y desarrollo del instrumento.
Proyección láser multipunto
La topografía de la muestra también es un factor que impide un enfoque exitoso. Cuando un láser es proyectado hacia la muestra en un solo punto y ésta presenta una estructura escalonada, como los patrones de hilo metálico fino en los sustratos de semiconductores, la posición bajo enfoque puede cambiar frecuentemente a medida que la muestra es escaneada. A esto se le denomina vibración de contacto (o chatter, en inglés). Asimismo, es posible observar la degradación que experimenta la relación de señal-ruido (SNR) de las señales de error de enfoque debido a la dispersión de la luz AF que se produce a partir del borde de un escalón (Figura 9). Estas dos situaciones dificultan el mantenimiento del enfoque a lo largo de la inspección y la ralentizan.
Para reducir la vibración de contacto (chatter) y mejorar la estabilidad del enfoque, la unidad BXC-FSU emplea un sistema de autoenfoque activo multipunto (Figura 10 y 11). Los puntos se distribuyen en un ángulo de 45º a través del campo visual y la señal promedio —a partir de todos los puntos— define un posición bajo enfoque promedio. Tomar por término medio el enfoque sobre el campo visual hace posible un autoenfoque reproducible cuando la muestra presenta alturas variadas dentro del campo visual.
(a) Variación en la posición de enfoque (b) Dispersión generada por los bordes
Figura 9. Factores de inestabilidad de enfoque.
(a) Método de un solo punto (b) Método multipunto
Figura 10. Comparación entre los puntos focales sobre la superficie de la muestra.
(a) En el método de un solo punto, al desplazar la muestra hacia un escalón de altura, hace que la posición de eje Z se desplace significativamente, lo que causa el desenfoque de la imagen.
(b) Con el método multipunto, la posición bajo enfoque no sufre desplazamiento incluso si hay un escalón de altura en la muestra y ésta sigue un desplazamiento lateral.
Figura 11. Comparación de la estabilidad del enfoque entre los métodos de autoenfoque de un solo punto y multipunto usando muestras con escalones de diferentes alturas. Los puntos brillantes indican puntos de detección bajo enfoque.
Corrección de la aberración cromática
La unidad de autoenfoque BXC-FSU usa una fuente de luz láser de infrarrojo cercano, esto hace que la posición de la platina dedicada a establecer el enfoque sea diferente tanto para el láser como para la fuente de luz blanca. La causa es la aberración cromática, en la que el índice de refracción del vidrio de la lente difiere en función de la longitud de onda de la luz (Figura 12). Por dicha razón, la unidad BXC-FSU viene equipada con un mecanismo que permite corregir la aberración cromática y empareja la posición de enfoque de la luz visible con aquella de la luz láser infrarroja. La aberración cromática se corrige cada vez que el objetivo es alternado por el portaobjetivos giratorio según el valor predefinido en el software dedicado.
Figura 12. Aberración cromática en la lente de objetivo que resulta en dos posiciones de enfoque para la luz visible y la luz láser.
Conclusión
La tecnología de autoenfoque optimiza los tiempos de escaneo y la precisión de la resolución. Entender los principios de la detección del enfoque ayudará a sacar mayor provecho de la unidad sensorial de enfoque BXC-FSU e incorporarla en su dispositivo.
Para evaluar la compatibilidad de este dispositivo con su producto, visite nuestra página de recursos a partir de la cual tendrá acceso a más documentos.
Para poder comprender mejor el control de comandos de los sistemas BXC-CBB y BXC-CBRLM, es posible descargar el software de ensayo y ponerlo a prueba para su aplicación.
El manual de aplicación BXC-FSU que explica cómo usar el FSU, también se encuentra disponible.
A fin de obtener una copia de este manual, llene el formulario de consulta y escriba «Pedido de manual de aplicación» (ingl. “Request for Application Manual”) en la sección comentarios.
