CN100414248C - 组合式几何检测的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明设备包含一个至少具有两种测量模式的物镜。在第一种干涉模式中，对测量对象9进行干涉光学测量。在第二种成像处理模式中，则在类似摄像机构造的检测器阵列上生成测量对象的图像，并将其传输到图像处理程序中。通过对不同物镜照射方式的选择，以及在干涉仪的基准光路上安装相应元件，根据测量用光的不同光谱组成激活或休眠基准光路，可以实现两种测量模式之间的转换。这种测量方式之间的转换具有简单、快速的特点，不需要更换，甚至无需移动物镜。除了快速的优点外，通过干涉测量和成像处理两种方法获得的测量数据产生于同一个参照坐标系内，因此，互相之间具有良好的关联性。

Description

组合式几何检测的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种对测量对象的高度值进行二维组合式检测的设备和方法。这种设备和方法尤其适用于微系统技术领域内的测量工作。

背景技术

为了在阶梯状表面采用光学测量方式测量高度结构，并符合高精度的要求，在这里，特别使用了一种垂直扫描白光干涉测量的方法(WLT)。通常采用的干涉测量设备包括迈克尔逊干涉仪(MichelsonInterferometer)、林尼克干涉仪(Linik Interferometer)和米劳干涉仪(Mirau Interferometer)等。在WLT中，一般使用白光源(卤灯是其中的典型)作为照射源。在测量过程中，工作人员不断增加或减小测量光路和基准光路之间的行程差，同时，在相距不到100nm的地方，用二维分辨像素传感器(例如，CCD或CMOS阵列等)记录测量对象的干涉图像。通过向干涉仪方向移动测量对象，或沿测量对象方向移动干涉仪、使之接近或远离测量对象，再或者通过移动干涉物镜或基准镜，可以产生光程的变化。这种测量过程称为“垂直扫描”。基于光学行程差产生的每个摄像机像素的强度分布图(Korelogramm)还可以用来进行更进一步的信号分析。

在进行WLT信号分析的过程中，应当注意相干峰值分析和相位分析的差别。前者对测量点的高度值仅作比较模糊的估测，部分偏差值甚至超过100nm以上。而后者允许的测量误差在纳米或次纳米的范围内，精度较高。上述高度测量的范围可达若干毫米。

测量对象的横向几何特征可以通过对像素图像进行数字化的分析来确定。对于显微测量对象，则使用配有合适的摄像装置的显微测量仪，以达到记录显微像素图像，并对此进行数字化分析的目的。这一方法的优点在于测量速度快，高速度的测量，一方面可以实现图像抓取和测量对象激发之间的同步，另一方面还可以同时对测量对象的动态动作进行检测。然而，因为受到折射偏转的影响，所有显微方法可以达到的横向分辨率均有一定的限制。当使用可见光时，通常可以达到的最小横向分辨率约为0.5μm。

在使用上述干涉测量设备对数字化光微摄像摄取的横向结构进行分析时，干涉显微仪中必然会出现干涉效应，干涉效应还会引起额外的图像反差，产生不良的干扰作用。在目前通行的程序中，至少必须更换物镜，才能最终将白光干涉测量和基于成像处理的测量相结合。然而，更换物镜，未免使依靠白光干涉测量确定的高度值同用有限景深的光学显微仪摄取的图像之间丧失准确的比照关系。第二个缺点在于，额外使用物镜，以及为实现自动转换两种测量方式而使用的换镜转盘将造成更高的成本。

本发明因此应运而生。

发明内容

采用本发明中的设备和方法，至少可以实现两种测量模式，即干涉测量模式和显示测量对象光学图像的成像处理模式。通过转换不同的、用于照射测量对象的光，可以实现两种测量模式之间的转换。这里的光指的是短波电磁波。使用本发明中的设备，可以制造一种新型的探测元件。在这种探测元件上，只安装一块紧凑的、面向测量对象的物镜。使用这种探测元件，既可执行垂直方向高分辨率的干涉测量，也可以同时执行水平方向高分辨率的、基于成像处理进行的测量。其原理是：一方面，使用摄像机可以接收的部分光谱进行白光干涉测量，同时，使用光谱的其它部分进行纯成像处理的测量。例如，在光微测量模式中，可以在照射光路中使用蓝色LED(发光二极管)。相反，在白光干涉测量中，则可以使用白光LED。进行白光干涉测量时，关闭蓝色LED，开启白光LED。通过这种方式，花费很低的成本就可在同一参照系中执行光微测量和干涉测量，每种测量均可获得完善的精度。先用光微“触摸”，再加以后续的干涉测量，可以进一步实现快速、自动化的测量程序。同时，在光微测量模式中，还可以对待测对象或待测系统的动态动作进行快速检测。

配有整体分光片和集成标准镜的米劳干涉物镜无疑是最适合的物镜。在白光干涉测量模式中，入射光照通常通过短相干光源实现，例如白光LED，使用时配合合适的滤色片，滤色片的光谱应当覆盖大于150nm或大于500nm的波长范围。同时，可使用光波波长约为450nm的蓝色LED，专用于测量对象的成像。也就是说，对于这部分波长的光谱而言，基准光路中不会有任何光射向探测器矩阵。在可行的实施例中，技术人员就把基准镜设计成长通道滤色片(例如，后面连有吸收器的分色层)。

使用蓝光摄取的光微图像可用于测量元件的横向几何特征，具有高分辨率的特点。因为蓝光的波长较短，因此可获得小于0.5μm的横向分辨率。在成像处理模式中，使用基于蓝色LED产生的外部光源，例如片段式可控环行照明灯，可在倾斜的反射侧面上完成测量工作，无需翻转测量对象，从而节约成本。

上述测量方法同样可以适用于迈克尔逊物镜(Michelson-Objektive)。在使用迈克尔逊物镜时，可以对较大的测量对象(横向分辨率对应较小的孔径数值相应减少)执行一次性测量。相反，在使用林尼克设备(Linnik-Anordnung)时，可以通过选择物镜的最大孔径数值，实现横向分辨率的最小化。此外，还可以在同一部设备中借助换镜转盘同时安装多个物镜。

本发明中的干涉装置也可以作为移相干涉仪使用。在此情形，应当在干涉测量中使用近似单色光源。

在显微镜的视角范围内额外安装一个触觉式微型扫描器，当待测结构无法用光学方法进行测量时，就可以用扫描器来测定对象的几何数据。用触觉方法进行测量时，借助同光学设备的机械连接，可以使测量保持在与干涉测量和成像处理相同的参照系当中。例如，触觉式微型扫描器可以是一根硅制的弯曲条，上面装有用以测定扫描器偏移情况的抗压电桥式电路。

将测量设备同配置了合适的增量测量系统的x、y和z轴机械定位元件组合在一起，可以在测量具体对象时，把不同区域的测量结果联系起来。出于测量需要，也可使用可旋转的定位轴。

本发明涉及的设备可以被设计成一种紧凑型的探测元件，投入的设备成本较少，应用却十分广泛，尤其是在微系统技术领域，作用更为突出。这种设备在设计时充分考虑到了测量精度、测量速度等方面要求的不断提高，贴近实际测量程序、具有灵活的可操作性。与现行白光干涉测量中广泛使用的热光束相比，使用二极管矩阵作为光源，在设备构成的自由度、简洁程度、使用寿命和降低热干扰方面均具有显著的优点。

本发明中介绍的测量方法，可以将测量设备的各个单一系统有机地结合起来，通过最优化的测量方式，完成各类测量工作。在具体的测量过程中，借助成像处理，分析测量对象的横向结构数据，借助白光干涉测量，检测对象的高度结构。此外，出于测量的特殊需要，还可以通过触觉式扫描器完成对诸如垂直侧面上的微构造等特征的测定。所有测量数据保持在同一参照系内，可以互相组合。

对于本发明实施例优点和细节的进一步说明可参见附图、说明书或权利要求书。

附图说明

附图中说明了本发明的实施例如下：

图1是对以迈克尔逊干涉仪为基础改建的发明设备的基本说明；

图2是对以米劳干涉仪为基础改建的发明设备的基本说明；

图3是对以林尼克干涉仪为基础改建的发明设备的基本说明；

图4描述的是以米劳干涉仪为基础，使用三种测量模式的发明设备；

图5是对安装了额外机械扫描器的图1测量设备的基本说明。

具体实施方式

图1描述了对测量对象9的高度值进行二维组合式测量的设备，在测量中，既可以采用干涉测量模式，也可以采用对测量对象9拍摄光学图像的成像处理模式。在测量设备中，包括一个面向测量对象9发出照射光的设备。该设备具有同光学系统相连的1a、1b两个光源，并由光学系统负责将光打向测量对象的表面。光源1a，1b发出的光具有不同的光谱构成。例如：光源1a可以由蓝色的光二极管构成，发射短波光束。而光源1b则由白光LED构成，产生相对较宽的光谱。光源1a，1b经由分色光束分离器2、聚光镜3和第二个光束分离器4，在物镜5的进口孔5a上产生投影，同时，在物镜5上集成有光束分离器6，基准镜7和吸收器8。在干涉测量模式中，光源1b的一部分白光或黄光从物镜5侧向射出，通过光束分离器6导向基准镜7并被基准镜反射；从物镜5侧向射出的另一部分白光或黄光通过分离器6导向测量对象9并被测量对象反射。基准镜7和位于景深范围内的部分测量对象借助物镜5和筒透镜11在检测器阵列12上，例如在一个800×600像素的像素摄像机上产生投影。被测量对象9和基准镜7反射的光则通过光束分离器6聚集在一起，横向穿过光束分离器4，最后导向检测器阵列，以产生干涉。

定位器10用于调整物镜5，使其在Z方向上垂直于测量对象9。用作控制装置的数字计算机13负责接收由检测器阵列12传送的图像，并对定位器10进行控制。执行干涉测量时，借助定位器10，物镜5可以沿光轴方面来回移动，对于物镜的不同高度位置分别记录干涉图像，并将其传输到数字计算机13中进行分析。在干涉测量中，光源1b(白光源)处于工作状态，而光源1a则在干涉模式中处于关闭状态。

进入成像处理模式时，光源1a(蓝色LED)被启用，光源1b(白光LED)被关闭。此时，一部分蓝光进入基准光路6a，在穿过基准镜7后，这部分光将被位于基准镜后面的吸收器8吸收，不会返回并进入成像光路6b。通过这种方式，由基准镜7和吸收器8构成的选频转换元件，将分别根据光源1a或1b发出的光谱，激活或屏蔽基准光路6a，实现干涉模式和成像模式的转换。此外，作为可选择设备或补充设备，光束分离器6也可被设计成选频转换元件，对在干涉模式中使用的光起到分离的作用，相反，对在成像处理模式中使用的光仅起到传送的作用。

用蓝光的实质性部分照射测量对象9，并结合筒透镜11，使测量对象在位于物镜5景深范围内的检测器阵列12上成像。检测器阵列12将图像记录下来，并传输并将其传输到数字计算机13中进行后续分析。

例如，在干涉测量模式中，可根据采用白光干涉测量的某种已知方法来确定测量对象9的结构的高度位置。例如，可调整定位器10直到干涉现象出现，并对干涉现象进行分析。

相反，在成像处理模式中，应当使蓝光照射下的测量对象在检测器阵列12上成像，可以通过数字计算机13对摄取的图像进行进一步处理。例如，可以通过例行边缘识别程序来识别和测量图像结构。

图2描述了如何用米劳干涉仪，实现本发明中的测量方法。对前图的描述和前图中使用的相关图例说明仍然适用。光束分离器6部分起到反射片的作用。基准镜7和吸收器8均安装在光轴上。与前图1描述的以迈克尔逊原理为工作原理的干涉仪一样，在这里，基准镜7和光吸收器8同样构成受光频影响的转换装置，并最终成为可以根据光源1a，1b的不同光谱特性，在不同测量模式之间实现转换的滤光器。在所有描述的实施例中，这种结构的滤光器在干涉测量的基准光路中均可以发挥长通滤光，短通滤光，带通滤光或带阻滤光等功能。在此情形，同样可以借助光束分离器6对不同波长光的相应作用来获得选择性或补充性的滤光效果。

图3描述了以林尼克干涉仪为基础改建的、具有两种测量模式的发明设备。在这种发明设备中，除前图图例说明中包含的组件外，还在测量光路M和基准光路R上装有大孔径值的物镜14，15。使用上述物镜，可以实现横向分辨率的最小化。

在基准光路R上，同样安装了同吸收器相连、能够让成像处理模式中的光通过的基准镜。同样可行的措施是：在基准光路R上安装一个不让成像处理模式中的光通过的颜色滤光片8’。为实现在干涉模式和成像处理模式之间自由转换，同样使用了可以对其光谱组成施加影响，或者进行转换的光源。

使用图3描述的林尼克干涉仪，同样可以执行移相干涉测量。通过合适的定位装置，如压电定位装置，可以在平行于基准光路的光轴上操作基准镜。对基准镜7的调整可以通过数字计算机13记录下来，数字计算机还可以对投影在检测器阵列12上的干涉图像进行分析。使用干涉测量模式中通过光源1发射的短相干光，例如通过白光二极管产生的光，也可以完成移相干涉测量。当然，长相干光无疑更为适合，而后者可以通过激光二极管实现。

图4描述了可以发射三种不同光质的光源，既包括借助窄带光源产生的用于光成像处理模式的光、通过光源1b产生的用于白光干涉的短相干光，也包括借助激光二极管1c产生，用于完成移相干涉测量的长相干光。光源1适用于前图描述的各种干涉仪。在图4中，以米劳干涉仪为例来说明这一点。三种光源1a、1b、1c发射的光束可以通过相应的分色光束分离器2a、2b和聚光透镜3a、3b射入。在成像处理模式和(短相干)干涉测量模式中，当测量设备在光源1a，1b照射下的运作与图1、图2的描述一致时，如果开启长相关光源1c，还可以执行移相干涉测量。在上述实例中，可以借助定位元件10对物镜5进行调整，来实现移相干涉测量，此时，调整动作改变测量光路的长度，相反，基准光路6a的长度保持不变。

另一种方式是按照图3使用林尼克干涉仪，其光源1包括1a、1b、1c三种光源，并且，设置基准镜7用于移相。作为替代，也可按照图1使用迈克尔逊干涉仪，此时，则通过一个未在图中作出标示的定位元件调整基准镜7。

本发明中的设备和方法适用于通过干涉测量对测量对象的高度值进行组合二维检测(干涉测量模式)，以及通过对测量对象的光学图像进行记录以及数字分析，实现对物体的横向几何特征进行测量(成像处理模式)的情形。因此，在具体的测量中将选择适合的物镜，对电磁波光谱的一部分而言，所选择的物镜可以起到干涉物镜的作用，相反，对光谱的另一部分而言，则仅起到帮助测量对象光学成像的作用。在此前提下，通过改变入射用光的光谱组成，可以从干涉测量模式转换成成像处理模式。在选择干涉生成物镜时，既可使用迈克尔逊干涉仪，也可使用米劳或林尼克干涉仪。在选择两种测量模式的光源时，可以使用不同颜色的二极管矩阵。比如：蓝色LED可用作成像处理模式的光源。依靠在干涉测量装置的基准光路上设置长通滤光、短通滤光、带通滤光和/或带阻滤光，可以通过改变光源的光谱特性来选择不同的测量模式。在干涉测量模式中，可采用诸如白光LED等短相干光源，以实现基于垂直扫描白光干涉的测量。同样，在干涉测量模式中也可以采用相干光源，以实现基于移相干涉的测量。

在干涉测量模式中，可以采用短相干光源，以实现基于垂直白光干涉的测量，此时，也可以使用相干光源来替代短相干光源，前提是，该相干光源发射的光应当具有适用于干涉测量的光谱范围。使用相干光源的目的在于，可以在第三种测量模式中，实现基于移相干涉的测量。

与此同时，可以在成像光学系统的可视范围，安装以点状工作方式进行测量的扫描器16。图5描述的就是一种在迈克尔逊干涉仪上安装扫描器的实施例。在图2至图4描述的设备上，同样可以安装以点状工作方式进行测量的扫描器16。这种扫描器16同数字计算机13相连。

通过在测量对象9和/或测量仪上，特别是在物镜5上安装移动和/或旋转定位装置(轴)，可以改变测量对象和测量仪之间的相对位置。

本发明设备包含一个至少具有两种测量模式的物镜。在第一种干涉模式中，对测量对象9进行干涉光学测量。在第二种成像处理模式中，则在类似摄像机构造的检测器阵列上生成测量对象的图像，并将其传输到图像处理程序中。通过对不同物镜照射方式的选择，以及在干涉仪的基准光路上安装相应元件，根据测量用光的不同光谱组成激活或休眠基准光路，可以实现两种测量模式之间的转换。这种测量方式之间的转换具有简单、快速的特点，不需要更换，甚至无需移动物镜。除了快速的优点外，通过干涉测量和成像处理两种方法获得的测量数据产生于同一个参照坐标系内，因此，互相之间具有良好的关联性。

Claims (18)

1. 一种在干涉测量模式中，通过干涉测量对测量对象(9)的高度值进行组合二维检测，以及在成像处理模式中，通过对测量对象的光学图像进行记录以及数字分析，实现对物体的横向几何特征进行测量的设备，该设备包括：物镜(5)，产生入射光的装置(1)和干涉仪，其特征在于：物镜(5)相对于电磁波光谱中的一部分而言，起到干涉物镜的作用，相对于电磁波光谱的另一部分，仅起到光学成像物镜的作用，在此情形，通过改变入射用光的光谱组成，可以将干涉测量模式转变为成像处理模式。

2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于：产生入射光的装置(1)至少可以发射两种不同类型的，具有不同光谱组成的光。

3. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于：产生入射光的装置(1)包括可转换的光源。

4. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于：产生入射光的装置(1)至少包括两种可选光源(1a、1b)。

5. 根据权利要求4所述的设备，其特征在于：光源(1a、1b)是具有两种不同颜色的二极管阵列。

6. 根据权利要求4所述的设备，其特征在于：成像处理模式的光源(1a)采用蓝色LED。

7. 根据权利要求4所述的设备，其特征在于：干涉测量模式的光源(1b)采用短相干光源。

8. 根据权利要求7所述的设备，其特征在于：所述干涉仪为白光干涉仪。

9. 根据权利要求8所述的设备，其特征在于：在所述干涉仪上，在物镜(5)和/或测量对象(9)上安装了用以执行垂直扫描干涉测量的定位装置(10)。

10. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述干涉仪包含基准镜(7)。

11. 根据权利要求7至10所述的设备，其特征在于：除短相干光源(1b)外，还安装有长相干光源(1c)，以实现基于移相干涉测量的第三种测量模式。

12. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于：在设备的可视范围内安装以点状工作方式进行测量的扫描器(16)。

13. 根据权利要求12所述的设备，其特征在于：所述扫描器(16)为机械扫描器。

14. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于：安装有用以调整所述装置和测量对象(9)之间相对位置的定位装置(10)。

15. 一种在干涉测量模式中，通过干涉测量对测量对象(9)的高度值进行组合二维检测，以及在成像处理模式中，通过对测量对象的光学图像进行记录以及数字分析，实现对物体的横向几何特征进行测量的方法，其特征在于：物镜(5)相对于电磁波光谱中的一部分而言，起到干涉物镜的作用，相对于电磁波光谱的另一部分，仅起到光学成像物镜的作用，通过改变入射用光的光谱组成，可以将干涉测量模式转变为成像处理模式。

16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述干涉仪、物镜(5)和/或测量对象(9)可以借助定位装置(10)进行移动，执行垂直扫描干涉测量。

17. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于：借助额外安装的长相干光源，可以在第三种测量模式中执行移相干涉测量。

18. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于：借助安装在干涉仪可视范围内、以点状工作方式进行测量的扫描器(16)，可以接触测量对象(9)。

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