CN100453965C - 整合型干涉扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明整合型干涉扫描方法主要是整合VSI、PSI测量各自的优点，而达到没有测量范围限制以及高精确度的特点。尤其是基于VSI测量和PSI测量之间的斜率校正因子、位移校正因子，对VSI、PSI的高度数据数组进行整合计算，干涉扫描系统可仅使用宽频光源即可完成所需的扫描程序，进而降低扫描系统的复杂度与误差。

Description

整合型干涉扫描方法

技术领域

本发明是关于一种整合型干涉扫描方法，尤指整合VSI、PSI测量干涉扫描方法。

背景技术

公知的干涉技术应用光程差与干涉原理，是透过产生干涉图谱来求出被测物体的表面形貌，通常这类技术就算法而言可分为垂直扫描技术(VerticalScanning Interferometry，VSI)与相移式干涉技术(Phase Shifting Interferometry，PSI)两类。

在VSI扫描技术中，其是利用白光具有低同调长度的优点，去除干涉的噪声，并借由干涉波包分布情形推算出三维形貌，VSI算法的测量范围并无限制，可测量具有大断差阶高的待测物，但是若要提升垂直方向分辨率，必须缩小垂直扫描步幅，但相对的也会花费较多时间，另外测量精度较差是其主要缺点，综观而言VSI适合不要求精度的测量环境、或是表面粗糙具大断差的被测物测量。另外，在PSI扫描技术中，其是搭配各种相位重建技术，可以还原三维形貌，与VSI比较之下，PSI具有较佳的精度，但测量光波长限制纵深测量范围，且受到2π模糊(ambiguity)的限制，故不适合测量具有大于λ/4断差的被测物，例如具有大阶高的被测物体，针对这一点，目前已有发展出双波长光相移干涉术，可以扩大阶高的测量范围，但由于当同调长度较高时，容易自我干涉造成噪声增多，是目前不容易解决的难题。

为了更好地利用VSI和PSI测量的优点并弥补各自的缺点，已有如美国第5471303号专利所提供的整合测量方法。

由于VSI的零光程差是垂直扫描的波包信息来计算，每个像素都是独立的，不会受其它像素的影响，但PSI则是由与相邻像素的相位变化来计算该点的高度。对PSI测量而言，若使用宽频光作为光源，因光学系统的数值孔径(NA)影响实际干涉图谱中干涉条纹的间距(即平均波长)，由干涉条纹间距算出的平均波长与实际平均波长会产生偏移，造成VSI与PSI高度信息结合时，高度无法直接接合(有落差(截距)及倾斜度(斜率-NA值的影响)不一致)。因此，在美国第5471303号专利中为了要精确以PSI测量，是需要使用一已知波长的单频光，才不致造成此一偏移。所以，在此公知扫描系统，除了VSI测量所使用宽频光源，还另外需要装置PSI测量所使用的窄频光源。

然而，公知技术中具有同时使用宽频光源与窄频光源的系统架构，其是先以白光光源进行VSI测量后，再使用机构切换窄频光，针对所需区域进行PSI测量，而达到二阶段形式的测量方法。这类的技术主要会因为使用二个光源分别进行VSI与PSI测量，而需要一机构切换光源，因而增加了系统成本。同时，由于其是属二阶段扫描，而在VSI与PSI中皆需进行垂直扫描取像动作，故不利于测量效率。

发明内容

本发明的发明人有鉴于公知干涉测量系统的缺失，急切研究发明，而提供一干涉系统的扫描方法，并借以使得干涉系统的测量过程能更为快速、简易且正确。

本发明的主要目的在提供一种整合型干涉扫描方法，借助VSI测量和PSI测量之间的斜率校正因子、位移校正因子，对VSI、PSI的高度数据数组进行整合计算，使得本发明干涉扫描系统可仅使用宽频光源即可完成所需的扫描程序。换句话说，本发明是利用斜率校正因子校正远场波长偏移，使得不需为了PSI测量额外增设窄频光源，进而降低扫描系统的复杂度与误差。

基于上述目的，本发明的整合型干涉扫描方法，是整合水平扫描测量(vertical scanning interferometry，VSI)、相位移测量(phase shifting interferometry，PSI)所测量出的高度数据数组。

具体而言，本发明整合型干涉扫描方法首先借助宽频光源的干涉扫描系统对待测物进行扫描，并获得扫描信息。然后，基于扫描信息以VSI测量出VSI的高度数据数组。针对零光程差的位置，基于扫描信息改以PSI测量出PSI的高度数据数组。基于VSI测量和PSI测量之间的斜率校正因子、位移校正因子，对VSI的高度数据数组、PSI的高度数据数组进行整合计算。

关于本发明的优点与精神可以借由以下的发明详述及附图得到进一步的了解。

附图说明

图1是显示本发明干涉扫描系统的示意图。

图2A～2B为本发明整合VSI、PSI测量的方法的示意图。

图中

1光源装置，11入射光束，2物镜组，3光束导引装置，4影像撷取装置，41反射光束，5逻辑演算控制单元，6待测物

具体实施方式

图1是显示本发明干涉扫描系统的示意图。如图1所示，本发明干涉扫描系统包括光源装置1、物镜组2、光束导引装置3、影像撷取装置4以及逻辑演算控制单元5。

简略而言，本发明整合型干涉扫描方法主要是利用单一且属于白光光源(宽频光源)对待测物6进行扫描，降低扫描系统的复杂度与误差。为了仅使用单一且属于白光光源(宽频光源)进行扫描，本发明方法在VSI、PSI的高度数据数组进行整合计算时，可因为VSI测量和PSI测量之间的斜率校正因子、位移校正因子，尤其是斜率校正因子校正远场波长偏移，而能达到与美国第5471303号专利相同甚至更好的优点，亦即整合VSI、PSI测量各自的优点，而达到没有测量范围限制以及高精确度的特点，并且本发明方法尚可降低扫描系统的复杂度与误差。

与美国第5471303号专利相比，本发明方法同样也利用VSI在大范围测量且能测量大断差的特点，先对待测物6做粗略性测量，并在选定零光程差的位置处，另利用PSI高精确度的特点，对需要仔细测量的部分做进一步测量。因此关于PSI、VSI测量以及雷同的部分，在此不过分详细说明，本发明主要针对与美国第5471303号专利不同之处做详细说明。

以下先说明本发明两种整合VSI、PSI测量的方法做说明，然后再说明如何借助斜率校正因子、位移校正因子整合VSI、PSI测量的结果，最后才大略说明如图1所示的本发明干涉扫描系统。

本发明两种整合VSI、PSI测量的方法，主要是依据待测物6的高度分布而选用其中一种整合方法。其中一种为90度相位移扫描，另一种为二阶段式扫描。

请参阅图2A～2B，图2A～2B为本发明整合VSI、PSI测量的方法的示意图。如图2A所示的本发明90度相位移扫描，主要是对小范围高度分布的待测物6进行的。由于扫描范围较小，可以如图2A所示借助宽频光源的干涉扫描系统对待测物6一次性地进行扫描，然后借助所获得的扫描信息分别进行VSI、PSI测量，而如图2B所示的本发明二阶段式扫描则适合用于大范围高度分布的待测物6。

这是因为，若待测物6为高度数十μm的阶高或Bump时，若采用如图2A所示的本发明90度相位移扫描，整个扫描时间将会很长，因此对大范围高度分布的待测物6，用如图2B所示的本发明二阶段式扫描，就可以较快完成扫描。

在如图2A所示的本发明90度相位移扫描中，会先借助宽频光源的干涉扫描系统(采如90度相位的扫描间距)对待测物6进行一次性扫描，其所获得扫描信息将供后续VSI、PSI测量所使用。然后，基于扫描信息以VSI测量出VSI的高度数据数组(VSI(i，j))，接着针对如图2A所示的零光程差(optical pathdifference，OPD)的位置，基于扫描信息改以PSI测量出PSI的高度数据数组(PSI((i，j))。最后，基于VSI测量和PSI测量之间的斜率校正因子(NA factor)、位移校正因子(Base Height)，对VSI的高度数据数组、PSI的高度数据数组进行整合计算(稍后会详细说明如何整合计算)。

在如图2B所示的本发明二阶段式扫描，主要分别以第一扫描间距、第二扫描间距(第一扫描间距大于第二扫描间距，第二扫描间距一般也为90度)进行两次性扫描，并分别获得两个扫描信息(第一扫描信息、第二扫描信息)，然后再进行整合计算。

具体而言，同样借助宽频光源的干涉扫描系统以第一扫描间距对待测物6进行扫描，并获得第一扫描信息，然后基于第一扫描信息以VSI测量出VSI的高度数据数组(VSI(i，j))。然后，针对零光程差的位置，再次借助宽频光源的干涉扫描系统以第二扫描间距对待测物6进行扫描，并获得第二扫描信息，并基于第二扫描信息改以PSI测量出PSI的高度数据数组((PSI(i，j))。最后，仍基于VSI测量和PSI测量之间的斜率校正因子、位移校正因子，对VSI的高度数据数组、PSI的高度数据数组进行整合计算。

不论是利用如图2A所示的本发明90度相位移扫描或是如图2B所示的本发明二阶段式扫描获得上述VSI、PSI的高度数据数组，本发明整合型干涉扫描方法如同美国第5471303号专利一样都需要因为VSI的高度数据数组(VSI(i，j))、PSI的高度数据数组((PSI(i，j))在测量的基准点不相同，而需要考虑接合校正。在本发明方法中，接合校正主要分为斜率和位移，亦即基于VSI测量和PSI测量之间的斜率校正因子(NA factor)、位移校正因子(Base Height)进行校正。

由于PSI的高度数据数组中其品质最好的像素点为PSI基准点(seedingpoint)，而对待测物进行扫描的起点为VSI基准点。因此，VSI基准点VSI(X_{seeding point}，Y_{seeding point})和PSI基准点PSI(X_{seeding point}，Y_{seeding point})的高度落差为位移校正因子(Base Height)。关于位移校正因子的求法可参阅美国第5471303号专利。

为了克服公知采用宽频光源进行PSI测量所会遇到的远场波长偏移，在本发明方法中主要利用斜率校正因子校正远场波长偏移，而不需为了PSI测量额外增设窄频光源，进而降低扫描系统的复杂度与误差。斜率校正因子(NAfactor)的计算方程式为：

NA factor＝Slope(VSI(i，j))/Slope(PSI(i，j))；

也就是说，基于VSI、PSI的高度数据数组，以直线方程式模合系数分别求出VSI、PSI的斜率{Slope(VSI(i，j))、Slope(PSI(i，j))}。然后再以VSI的斜率除以PSI的斜率而获得斜率校正因子。

再获得上述斜率校正因子(NA factor)、位移校正因子(Base Height)之后，就可以利用这两个因子将PSI的高度数据数组转变成VSI的该高度数据数组做整合计算。其整合方程式为：

if(Height(i，j)是PSI选取区域)

Height(i，j)＝PSI(i，j)x NA factor+Base Height

else

Height(i，j)＝VSI(i，j)

也就是说，PSI的高度数据数组乘以斜率校正因子并加上位移校正因子之后，PSI的高度数据数组始可和VSI的高度数据数组做整合计算。

如图1所示，本发明干涉扫描系统与美国第5471303号专利相比，本发明干涉扫描系统所使用的光源装置1仅有宽频光源一组，且由于不需要在两个光源之间作切换，因此本发明干涉扫描系统也没有切换的机构与控制需求。

光源装置1是产生的入射光束11光源信号的装置，并可产生白光光源信号的入射光束11；该物镜组2是包括有干涉物镜以及物镜组的焦距调节部；该光束导引装置3是一光学机构，用以导引系统中的光源信号，举例来说，这类光学机构可以是一分光镜；该影像撷取装置4是一具有影像撷取部的光学装置，举例来说，这类光学装置可以是一CCD或CMOS光学感测组件及其相关的控制以及信号传输电气线路；以及该逻辑演算控制单元5是具有逻辑演算部、记忆部以及控制部并可由电子电路或者是计算机系统所达成者，其逻辑演算部包括垂直扫描(Vertical Scanning Interferometry，VSI)演算以及相移式干涉(Phase Shifting Interferometry，PSI)演算。透过前述的该光源装置1提供一入射光束11经过光束导引装置3而反射至该物镜组2，使得入射光束11抵达待测物6并反射形成携带干涉信号的反射光束41，反射光束41经过该物镜组2后穿透过光束导引装置3，并被影像撷取装置4所撷取。因此，该逻辑演算控制单元5可透过其控制部以及记忆部，进行记录该影像撷取装置4所撷取的待测物6光学信息，使得本发明干涉系统的扫描方法可透过该逻辑演算控制单元5所具有的逻辑演算部，计算影像撷取装置4所撷取的光学信息，并获得待测物6的表面轮廓信息。

借由以上较佳具体实施例的详述，是希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭露的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具相等性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。

Claims (5)

1.一种整合型干涉扫描方法，是整合水平扫描测量、相位移测量所测量出的高度数据数组，该高度数据数组用来计算出待测物的表面轮廓，该整合型干涉扫描方法包含：

借助宽频光源的干涉扫描系统对该待测物进行扫描，并获得扫描信息；

基于该扫描信息以VSI测量出VSI的该高度数据数组；

针对零光程差的位置，基于该扫描信息改以PSI测量出PSI的该高度数据数组；以及

先将PSI的该高度数据数组与VSI测量和PSI测量之间的斜率校正因子相乘，再将所得到的积与VSI测量和PSI测量之间的位移校正因子相加之后，PSI的该高度数据数组方和VSI的该高度数据数组做整合计算。

2.如权利要求1所述的整合型干涉扫描方法，其中该干涉扫描系统主要由该宽频光源、物镜组、光束导引装置、影像撷取装置、逻辑演算控制单元所组成。

3.如权利要求1所述的整合型干涉扫描方法，其中该斜率校正因子的计算方式进一步包含：

基于VSI、PSI的该高度数据数组，以直线方程式模合系数分别求出VSI、PSI的斜率；以及

以VSI的斜率除以PSI的斜率而获得该斜率校正因子。

4.如权利要求1所述的整合型干涉扫描方法，其中PSI的该高度数据数组中其相位品质最好的像素点为PSI基准点，对该待测物进行扫描的起点为VSI基准点，该位移校正因子的计算方式进一步包含：

该VSI基准点和该PSI基准点的高度落差为该位移校正因子。

5.一种整合型干涉扫描方法，是整合水平扫描测量、相位移测量所测量出的高度数据数组，该高度数据数组用来计算出待测物的表面轮廓，该整合型干涉扫描方法包含：

借着宽频光源的干涉扫描系统以第一扫描间距对该待测物进行扫描，并获得第一扫描信息；

基于该第一扫描信息以VSI测量出VSI的该高度数据数组；

针对零光程差的位置，借助宽频光源的干涉扫描系统以第二扫描间距对该待测物进行扫描，并获得第二扫描信息；

针对零光程差的位置，基于该第二扫描信息改以PSI测量出PSI的该高度数据数组；以及

先将PSI的该高度数据数组与VSI测量和PSI测量之间的斜率校正因子相乘，再将所得到的积与VSI测量和PSI测量之间的位移校正因子相加之后，PSI的该高度数据数组方和VSI的该高度数据数组做整合计算；

其中，该第一扫描间距大于该第二扫描间距。

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