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為了支持設備和儀器設計人員，我們向基于顯微鏡的成像系統制造商供應各種物鏡和其他光學部件。這些組件有助于他們的工程師高效地設計出高質量的光學檢測設備。

半導體檢測是一種需要顯微鏡成像系統的應用。半導體制造商要求在整個制造過程中進行快速、準確和干凈的檢測。他們依賴光學檢測設備制造商創新檢測工具，以滿足行業的需求。半導體制造商通常會將半導體檢測所需的光學機械組件采購給光學成像專家。在這種應用中，光學系統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系統的電動Z軸機械裝置、照明器、顯微鏡物鏡和數碼相機或傳感器相結合，構成了完整的系統。

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

什么是自動對焦？

自動對焦系統有兩種類型：被動系統使用觀察到的圖像進行對焦。這種技術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，這種方法的優點是成本相對較低。

主動系統將來自專用光源的光照射到樣品上，并基于返回的光進行對焦。這種技術適用于樣品缺乏對比度的高級檢測系統，如平板和裸晶圓檢測系統。

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。從激光源發出的光在一側被屏蔽板阻擋。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入兩段式光電二極管。進入每一側的光強度會根據樣品位于焦點的遠或近而發生變化。自動對焦裝置感測流經A和B的光通量，并使用公式（A-B）/（A+B）將其轉換為“誤差信號"。對焦位置是光電二極管兩側的入射光強度相等的Z位置。換句話說，當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行對焦感應，以上說明了入射到兩段式光電二極管A側和B側的信號以及誤差信號值如何根據樣品位置而變化。

對焦誤差信號輸出

自動對焦裝置控制盒接收信號，并將其傳輸到驅動電動Z軸運動的軟件。為了向客戶設備輸出對焦信息，要將BXC-FSU與BXC-CBB控制器結合起來。

BXC-CBB系統的配置

對焦信息按以下方式在系統中傳輸：BXC-FSU→BXC-RLI→BXC-CBB→BXC-CBE1。BXC-CBE1控制器根據BXC-FSU最初提供的對焦信息，創建傳輸到客戶設備的模擬信號。

BXC-CBE1產生三種對焦信號：

• 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范圍內的模擬信號形式輸出，焦點位置的方向可通過電壓的正負來確定。

誤差信號與0 V交叉的位置就是對焦位置。如圖5所示，當誤差信號處于0 V左右的對焦閾值范圍內時，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（對焦）的范圍。

然而，如下圖中的紅色框所示，當樣品遠離對焦位置時，誤差信號也為0 V。出現這種情況的原因是，樣品距離對焦位置越遠，從樣品反射并入射到兩段式光電二極管上的激光強度就越低。在圖5中，當對焦信號實際上為低電平時，表示該信號處于激活狀態。

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射并從樣品反射到光電二極管的激光強度。由于系統可以識別強度，因此可以判斷零信號是否由低強度引起，而樣品實際上并沒有對焦。當樣品位于焦點位置附近時，就會出現這種捕獲信號，也被稱為捕獲范圍。當樣品處于捕獲范圍內時，就可以激活自動對焦功能，并實現實際對焦。當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。

每個Z位置的光通量A+B和捕獲信號的變化。當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。

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、誤差信號接近0 V，且對焦信號也處于激活狀態的范圍。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。在這里，捕獲信號和對焦信號在低電平時處于激活狀態。

捕獲信號和對焦信號的變化

在此基礎上，通過監控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，并與客戶選擇的Z軸電機和Z軸驅動器進行通信。隨著載物臺移動到每個檢測位置，這些設備都在積極協調工作。

物鏡、實時圖像和波形之間的關系（示波器信號；誤差信號：綠色；對焦信號：黃色；捕獲信號：藍色）

示波器可以確認，當圖像對焦時，所有信號均處于激活狀態。這可用于儀器的設計和開發。

多點激光投射

樣品的形貌會影響對焦的成功率。當激光單點投射到樣品上時，如果樣品具有階梯結構（如半導體基板上的細線圖案），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）。這兩種情況都會導致在整個檢測過程中很難保持對焦狀態，從而使檢測速度放慢。

（a）焦點位置的變化（b）邊緣散射

（a）在單點法中，在移動到樣品有階梯高度的一側時，Z位置會明顯移動，導致圖像失焦。

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

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

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。根據軟件中分配的預定量，每次物鏡轉盤切換物鏡時，都會校正色差。

物鏡的色差導致可見光和激光有兩個對焦位置

自動對焦技術大幅縮短了掃描時間，提高了分辨率精度。了解對焦感應原理將有助于您充分利用BXC-FSU并將其集成到您的設備中。