CN101872064B - 线型多波长共焦显微镜模块以及其共焦显微方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供线型多波长共焦显微系统，其利用两个以上的色差透镜，使一线入射光场产生色散而使不同波长聚焦于不同的位置。本发明更利用具有线扫描共焦原理及光源色散技术的该线型多波长共焦显微镜模块，以具有光学切片能力的共焦显微技术，配合光谱色散的高解析，发展长景深高解析的光学微形貌轮廓量测技术与系统。本发明的方法与系统利用宽频的线光源，由该色散物镜模块，使宽频光源产生轴向色散并聚焦在不同深度，同时获得聚焦表面反射光谱，经由狭缝进行空间滤波由线光谱影像感测单元精确侦测出光谱聚焦反应曲线的峰值位置，可精确且快速地完成剖面轮廓量测。

Description

线型多波长共焦显微镜模块以及其共焦显微方法与系统

技术领域

本发明有关一种光学三维形貌量测技术，尤其是指一种结合线型共焦原理及宽频光源色散技术，发展长景深高解析的色散物镜模块以及多波长共焦显微方法与系统。

背景技术

在精密的微结构制程领域，如：IC产业、半导体产业、LCD产业、机电自动化产业、光电量测产业等领域中，三维形貌量测的程序是确保制程品质均一的重要程序。在检测的技术中，由于光学或光电结合的方法具有高准确度与非接触等特点，目前常用光学方法检测物体微小的轮廓、厚度或尺寸。目前已有许多光学非接触量测技术已广泛的被运用，包括共焦量测技术(confocal microscopy)、相位移干涉量测技术(phase shifting interferometry)、白光干涉垂直扫描技术(white-lightvertical scanning interferometry)等，不同的量测技术适用于不同的量测条件和不同领域上。

传统的共焦量测技术其原理是以光学式垂直扫描的量测方式，来获得不同深度的光学切片影像，由针孔(pinhole)进行失焦信号的过滤，将聚焦区外的反射光与散射光滤除，保留聚焦面资讯，并由电脑将不同深度所得的光学切片影像重建起来，即可求得待测物三度空间影像资讯。

例如图1所示的美国专利US.Pat.No.6,934,019所揭露的一种共焦晶圆检测系统，光源11投射的光场经过透镜12而聚焦在不同聚焦位置13a、13b以及13c。由于为点光场之故，因此透过由待测晶圆上的反射的光场只有一种颜色的光场可以经由分光镜14的反射而通过滤波元件15。透过移动待测物或者是移动光学结构，以量测待测晶圆上不同位置的表面高度。前述的常用技术虽然可以量测待测物的表面高度，但是因为聚焦的位置为点光场，因此每一次检测的位置仅为单点，因此要能够量测到整个待测物的表面形貌不但耗时而且降低制程的生产效率。此外，由于反射的光场为单一色光，因此直接由光谱仪感测即可分析。

另外，又如美国专利US.Pat.No.5,785,651所揭露的一种共焦显微装置。在该技术中，该共焦显微装置利用一光源所产生的多色光场(polychromatic light)经过无色差准直透镜(achromatic collimator lens)，然后形成无色差的准直光场而投射至菲涅耳(Fresnel)光学元件上。经过Fresnel光学元件后形成随着波长不同而有不同聚焦点的分散光场，以检测待测物的表面形貌。在该技术中，同样地，也是将光场调制成随着不同波长而聚焦于不同位置的点，由于每一次检测的位置仅为单点，因此要能够量测到整个待测物的表面形貌不但耗时而且降低制程的生产效率。此外，由于反射的光场为单一色光，因此直接由感测元件感测即可分析。

此外，又如美国公开申请案第US.Pub.No.2004/0109170所揭露的共焦检测感测器，其也是将光场分成不同波长而分别聚焦于不同的聚焦位置上。该系统虽可以检测物表形貌，但同样也是单点检测的技术。

另外，如图1B所示，该图为常用的利用绕射光学元件产生线色散光场示意图。该装置16主要是利用宽频光源160产生宽频光场，先经过柱型透镜161后，经过狭缝162、准直透镜163之后，再经由分光元件164将光导引至绕射光学元件165(diffractive optical element，DOE)产生线色散光场。不过利用DOE所产生的色散光场的数值孔径值(numerical aperture，NA)较低，因此需要再由准直透镜组166将线光场准直后，再导入一般物镜167而投射至待测物1000上。由待测物1000反射的光场经过物镜167之后，会经由分光元件164而导引至共轭透镜168而至狭缝169。最后的光场经过透镜170与光栅171的调制而由影像感测器172所接收而产生影像，进行光谱侦测。前述利用DOE的方式虽可以产生色散线光场，但是所需的元件相当多，因此无形的中增加系统的成本、系统体积与系统设计的复杂度。

发明内容

本发明提供一种线型多波长共焦显微镜模块，其利用两个以上的色差透镜，使一线入射光场产生色散而使不同波长聚焦于不同的位置，而投射至一待测物上，所设计色散物镜的数值孔径值(NA)可与一般物镜相当，可有效改善绕射元件的NA值过低而无法直接使用于物镜的缺点，并于设计色散物镜时校正场曲像差，使本系统达到最佳化及小型化。

本发明提供一种线型多波长共焦显微镜模块，其由多个色差透镜的组合一方面可以将线光场色散，另一方面又可以使得反射回来的线光场聚焦在同一平面上以解决场曲像差的问题，以简化常用线色散系统复杂度的问题。

本发明提供一种线型多波长共焦显微方法与系统，其由特殊设计的色散物镜，使宽频光源产生轴向色散并聚焦在不同深度，同时获得聚焦表面反射光谱，经由狭缝进行空间滤波由线光谱仪精确侦测出光谱聚焦反应曲线的峰值位置，可精确且快速地完成剖面轮廓量测，使量测速率大幅增加，更符合线上量测的需求。

本发明提供一种线型多波长共焦显微方法与系统，由色散检测光源所测得的剖面轮廓资讯再配合一线性位移运动可以得到关于待测物的一全域性(full-field)表面轮廓资讯，改善传统共焦系统仅聚焦于一深度检测的缺点。

在一实施例中，本发明提供一种线型多波长共焦显微镜模块，其包括有：一线光源模块，其提供一线入射光场；一空间滤波元件；以及一色散物镜，其设置于该线光源模块的一侧，该色散物镜具有两个以上的色差透镜，该色散物镜使该线入射光场产生一连续光谱的轴向色散，使得该线入射光场聚焦形成多个具有不同深度的子线光场，每一个子线光场具有不同波长，该多个子线光场经由一物体反射而聚焦通过该空间滤波元件。

在另一实施例中，本发明提供一种线型多波长共焦显微系统，包括：一光源模块，其产生一线入射光场；一空间滤波元件；一色散物镜，其设置于该线光源模块的一侧，该色散物镜具有两个以上的色差透镜，该色散物镜使该线入射光场产生轴向色散，使得该线入射光场聚焦形成多个具有不同深度的子线光场，每一个子线光场具有不同波长，该多个子线光场经由一物体反射而聚焦通过该空间滤波元件；一光谱影像感测单元，其对通过该空间滤波元件的子线光场分光并感测以形成一光谱影像；以及一运算处理单元，其与该光谱影像感测单元以及该光源模块电讯连接，以接收该光谱影像并经由运算产生一剖面轮廓形貌资讯。

在另一实施例中，本发明提供一种线型多波长共焦显微方法，其包括有下列步骤：提供一线入射光场；使该线入射光场经由一色散物镜产生色散，使得该线入射光场聚焦形成多个具有不同深度的子线光场，每一个子线光场具有不同波长；使该多个子线光场经由一物体反射而聚焦通过一空间滤波元件；对通过该空间滤波元件的光场进行分光而由一影像感测元件感测到一光谱影像；以及分析该光谱影像以还原该物体的一剖面轮廓。

本发明的线型多波长共焦显微镜模块以及线型多波长共焦显微方法与系统，可有效改善绕射元件的NA值过低而无法直接使用于物镜的缺点，并于设计色散物镜时校正场曲像差，使本系统达到最佳化及小型化，并可精确且快速地完成剖面轮廓量测，使量测速率大幅增加。

附图说明

图1A为美国专利US.Pat.No.6,934,019所揭露的一种共焦晶圆检测系统。

图1B为常用的利用绕射光学元件产生线型色散光场示意图。

图2为本发明的线型多波长共焦显微镜模块示意图。

图3A与图3B为本发明的色散物镜剖面示意图。

图4为本发明的多个子线光场于YZ平面方向的示意图。

图5A至图5C为空间滤波元件实施例示意图。

图6为本发明的多波长共焦显微检测方法流程示意图。

图7为本发明的线型多波长共焦显微系统示意图。

图8A为多个子线光场投射至待测物的一截面位置示意图。

图8B与8C为本发明的反射光场聚焦于空间滤波元件示意图。

图8D为反射光场聚焦于空间滤波元件形成场曲像差示意图。

图9为本发明的共焦系统扫描示意图。

图10为50.5μm标准阶高块规量侧图，横轴为空间轴，纵轴为光谱轴。

图11为50.5μm标准阶高块规剖面图，横轴为空间轴，纵轴为深度轴。

图12为由横向位移获得的待测样品的三维轮廓形貌示意图。

附图标记说明

11-光源；12-透镜；13a、13b、13c-聚焦位置；14-分光镜；15-滤波元件；16-装置；160-宽频光源；161-柱型透镜；162-狭缝；163-准直透镜；164-分光元件；165-绕射光学元件；166-准直透镜组；167-物镜；168-共轭透镜；169-狭缝；170-透镜；171-光栅；172影像感测器；2-线型多波长共焦显微镜模块；20-线光源模块；200-光源单元；201-导引元件；202-透镜组；203-滤波元件；21-色散物镜；210a、210b、210c-色差透镜；22、22a、22b、22c-空间滤波元件；220-针孔；221-光纤；3-共焦系统；30-光源模块；300-光源单元；301-导引元件；302-透镜组；303-滤波元件；31-色散物镜；32-光谱影像感测单元；320-光谱分光单元；321-影像感测元件；33-运算处理单元；34-分光镜；35-空间滤波元件；350-狭缝；36-位移平台；4-多波长共焦显微检测方法；40～45-步骤；90-线入射光源；91-细长光源；92a、92b、92c-子线光场；93、93a、93b、93c-反射光场；94-位移运动；95-第一方向；96-第二方向；100-物体；100a、100b、100c-结构表面；1000-待测物。

具体实施方式

为使贵审查委员能对本发明的特征、目的及功能有更进一步的认知与了解，下文特将本发明的装置的相关细部结构以及设计的理念缘由进行说明，以使得审查委员可以了解本发明的特点，详细说明陈述如下：

请参阅图2所示，该图为本发明的色散物镜模块示意图。在本实施例中，该线型多波长共焦显微镜模块2具有一线光源模块20、一色散物镜21以及一空间滤波元件。该线光源模块20可提供一线入射光源90。产生该线入射光源90的方式在常用技术的中有很多种，但不以图2的实施例为限。该线光源模块20具有一光源单元200、一导引元件201、一透镜组202以及一空间滤波元件203。该光源单元200，其提供一入射光场。该入射光场为具有不同波长的宽频光场。该导引元件201，其与该光源相耦接以导引该入射光场。在本实施例中，该导引元件201为光纤，但不以此为限。另外，虽然本实施例有导引元件201，但是实际上并非为一必要元件，使用者可根据需要而选择使用。该透镜组202，其与该导引元件201耦接，以将该入射光场调制成一细长线状光源。本实施例的透镜组由一圆柱透镜或者是半圆柱透镜所构成。该滤波元件203，其对该细长光源91进行空间滤波以形成该线入射光场90，该滤波元件203在本实施例中为一狭缝结构。

如图2与图3A及3B所示，其中图3A与图3B为分别本发明的色散物镜剖面示意图。本发明的色散物镜21主要由具有两个以上的色差透镜所构成。在图3A的实施例中，为两个色散透镜210a与210b的实施例，而在图3B中，则为三个色差透镜210a～210c。该色散物镜使图2中的线入射光场90产生轴向色散，使得该线入射光场聚焦形成多个具有不同深度的子线光场92a、92b与92c，每一个子线光场92a、92b与92c具有不同波长，该多个子线光场92a、92b与92c经由一物体100的表面反射经由该色散物镜21而聚焦通过该空间滤波元件22。该物体100可为一待测物、一参考面或者是承载待测物的平台，在本实施例中，该物体100为待测物。至于该多个子线光场构成一连续光谱，其可为可见光谱或者是不可见光谱。在本实施中，为了方便说明，该多个子线光场以红色光场92a(R)、绿色光场92b(G)以及蓝色光场92c(B)来做说明。

此外，如图4所示，该图为本发明的多个子线光场于YZ平面方向的示意图。对于每一个子线光场92a、92b与92c而言，其聚焦的位置呈现为一直线光场。在图4中，为了避免杂乱，因此图中仅以子线光场92c作为示意(其余92a与92b都是相同的原则)，由该图可以了解由本发明的多个子线光场投射至待测物时，因为每一个子线光场聚焦成一线，且在不同的位置，因此可由待测物反射的资讯，经过解析而得到关于待测物的剖面轮廓资讯。如图5A至图5C所示，该图为本发明空间滤波元件实施例示意图。在图5A中的空间滤波元件22a为一狭缝结构，图5B的空间滤波元件22b则为具有多个针孔220所形成的针孔阵列结构，而在图5C中该空间滤波元件22c则为具有多个光纤221所形成的光纤阵列结构。

利用图2的架构所产生的线型彩色共焦检测光场，本发明更提供一种多波长共焦显微检测方法。如图6所示，该图为本发明的多波长共焦显微检测方法流程示意图。该方法4包括有下列步骤：首先以步骤40提供一宽频线入射光场。产生线入射光场的方式如同前述图2所述，在此不做赘述。接着以步骤41使该线入射光场经由一色散物镜产生色散，使得该线入射光场聚焦形成多个具有不同深度的子线光场，每一个子线光场具有不同波长。该多道子线光场为一连续光谱的光场，其可为可见光谱或者是不可见光谱。接着以步骤42使该多个子线光场经由一物体反射而聚焦通过一空间滤波元件。接着利用步骤43对通过该空间滤波元件的光场进行分光而由一影像感测元件感测到一光谱影像。接着以步骤44分析该光谱影像以还原该待测物的一剖面轮廓。为了可以得到关于该待测物的全部表面形貌，更可以使该待测物产生线性位移运动，使得该多道子线光场扫描过该待测的表面，进而得到关于该待测物表面的全域性轮廓。最后，以步骤45将该待测物移动至下一个位置，并重复进行步骤42至45以得到关于待测物的表面轮廓。

请参阅图7所示，该图为本发明的线型多波长共焦显微系统示意图。利用图7的系统架构实线图6的流程，在本实施例中，该共焦系统3包括有一光源模块30、一色散物镜31、一光谱影像感测单元32以及一运算处理单元33。该光源模块30，其产生一线入射光场90。在本实施例中，该线入射光场90为一宽频的线光场。该光源模块具有一光源单元300、一导引元件301、一透镜组302以及一滤波元件303，其产生的方式如同前述的图2线光源模块20一样，在此不作赘述。该线入射光场90经由一分光镜34将该线入射光场90导引至该色散物镜31内。该色散物镜31的结构如同图3所示，在此不作赘述。该线入射光场90经过该色散物镜31的调制后形成多道子线光场92a、92b与92c而投射至物体100的表面上。由该物体100的表面反射的反射光场93经过分光镜34而汇聚在该空间滤波元件35上。该空间滤波元件35，其设置于该多道子线光场92a、92b与92的共同聚焦的平面上，本实施例中的空间滤波元件35为了配合反射线光场，具有一狭缝结构350(但不以此为限，如图5B或5C的结构亦可)，以提供经由待测物反射光场93通过。

该光谱影像感测单元32，其对通过该空间滤波元件35的反射光场93分光并感测以形成一光谱影像。在本实施例中，该光谱影像感测单元32更包括有一光谱分光单元320以及一影像感测元件321。该光谱分光单元320，其耦接于该空间滤波元件35的一侧，该光谱分光单元320将通过该空间滤波元件35的反射光场93分光。该影像感测元件321，其与该光谱分光单元320耦接，以感测被分光的光场而形成该光谱影像。如图8A所示，该图为多个子线光场投射至待测物的一截面位置示意图。由于本发明检测物体100表面具有高低不同的结构，而当该多个子线光场92a、92b与92c投射至该物体100时，因为物体100表面的高低起伏结构之故，因此反射的该多个子线光场经过该色散物镜21的后会共同聚焦在一平面上。如图8C，前述投射至物体100的反射的光场经过了色散物镜21的后，形成反射光场93a、93b以及93c再度聚焦于狭缝350所放置的平面上。每一个反射光场93a、93b以及93c可视为由子线光场92a、92b以及93c所合光所形成的光场。如图8D所示，例如：对于结构表面100c的位置而言，只有子线光场92a所反射的聚焦范围最集中，其他子线光场92b与92c则聚焦范围比较大；对于结构表面100b而言，只有子线光场92b所反射的聚焦范围最集中；而对于结构表面100a而言会有子线光场92c所反射的聚焦范围最集中。在各个位置反射的子线光场经过该色散物镜合光而聚焦于该空间滤波元件35的狭缝350上。此时只有聚焦范围最集中的光场得以通过狭缝350。也就是说，对于每一个子线光场92a、92b与92c而言，只有聚焦在物体100表面而反射的光场成分才能够通过狭缝350。而其他未能聚焦在待测物表面而反射的子线光场成分由于范围过大，因此只有部分光场可以通过。

另外，本发明的色散物镜更具有消除场曲像差的特性，使得每一个反射光场得以聚焦在共同的平面上。如图8D所示，该图为反射光场聚焦于空间滤波元件形成场曲像差示意图。在常用技术的透镜中如果没有经过设计，由待测物反射的离轴不同视场的光线在经过透镜的后会产生场曲像差的问题，使得反射光场无法聚焦在同一平面上，而使得离轴光场产生较大的误差。因此，本发明色散物镜内的多个色差透镜可由一般商用光学软体，例如：Zemax，但不以此为限，来调整透镜的材料、配置相对位置以及曲率降低场曲像差的问题，使得每一个反射光场聚焦在同一平面上。

再回到图7所示，穿越空间滤波元件35的光场再由该光谱分光单元320进行波长分离，由二维的影像感测元件321感测而得光谱影像资讯。由于通过狭缝强度越强的光场成分被影像感测元件所感测到的强度越强，因此可以由该光谱影像资讯来判断对应在该待测物的一截面上的每一个位置是由哪一个频谱光场聚焦在该位置上。在本实施例中该影像感测元件321为CCD(Charge Coupled Device电荷耦合器件)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor互补金属氧化物半导体)。该运算处理单元33，其与该光谱影像感测单元32以及该光源模块30该电讯连接，该运算处理单元33接收由该影像感测元件所产生的光谱影像资讯经由运算产生一剖面轮廓形貌资讯。此外，该运算处理单元33更与承载该待测物的平台36电讯连接，以控制该平台产生线性位移运动。如图9所示，该图为本发明的共焦系统扫描示意图。在图9中，该运算处理单元由控制该平台36产生线性位移运动94，而于检测的光场为线光场，因此，当该平台36进行一段位移的后，即可扫描整个待测物的表面，经过还原演算的后，即可得到关于该待测物的全域性表面形貌。

利用图7的共焦系统3对一待测样品为一50.5μm标准阶高进行检测。将待测物放置于量侧范围内，经由线型光谱仪取像可得到空间，光谱与光强影像，其图形表示如图10所示。对空间中各点进行光谱的光强峰值侦测并透过校正曲线得到各点深度资讯，可获得此阶高的剖线资讯，其图形表示如图11所示。然后利用平台的线性位移运动，移动欲量测的范围并逐一取像，即可重建出待测样品的三维轮廓形貌，其结果如图12所示。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围的内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (18)

1.一种线型多波长共焦显微镜模块，其特征在于，包括有：

一线光源模块，其提供一线入射光场；

一色散物镜，其设置于该线光源模块的一侧，该色散物镜具有两个以上的色差透镜，该色散物镜使该线入射光场产生轴向色散，使得该线入射光场聚焦形成多个具有不同深度的子线光场，每一个子线光场具有不同波长，该多个子线光场经由一物体反射通过该色散物镜后而聚焦在共同的一平面上；以及

一空间滤波元件，其设置于该多个子线光场的共同聚焦的该平面上。

2.如权利要求1所述的线型多波长共焦显微镜模块，其特征在于，该多个子线光场为一连续光谱的光场。

3.如权利要求1所述的线型多波长共焦显微镜模块，其特征在于，该线入射光场为一宽频光场。

4.如权利要求1所述的线型多波长共焦显微镜模块，其特征在于，该空间滤波元件为一狭缝结构、一光纤阵列或者是一针孔阵列结构。

5.一种线型多波长共焦显微系统，其特征在于，包括：

一线光源模块，其产生一线入射光场；

一色散物镜，其设置于该线光源模块的一侧，该色散物镜具有两个以上的色差透镜，该色散物镜使该线入射光场产生轴向色散，使得该线入射光场聚焦形成多个具有不同深度的子线光场，每一个子线光场具有不同波长，该多个子线光场经由一物体反射通过该色散物镜后而聚焦在共同的一平面上；

一空间滤波元件，其设置于该多个子线光场的共同聚焦的该平面上；

一光谱影像感测单元，其对通过该空间滤波元件的子线光场分光并感测以形成一光谱影像；以及

一运算处理单元，其与该光谱影像感测单元以及该线光源模块电讯连接，以接收该光谱影像并经由运算产生一剖面轮廓形貌资讯。

6.如权利要求5所述的线型多波长共焦显微系统，其特征在于，该多个子线光场为一连续光谱的光场。

7.如权利要求5所述的线型多波长共焦显微系统，其特征在于，该线入射光场为一宽频光场。

8.如权利要求5所述的线型多波长共焦显微系统，其特征在于，该光谱影像感测单元更包括有：

一光谱分光单元，其耦接于该空间滤波元件的一侧，该光谱分光单元将通过该空间滤波元件的光场分光；以及

一影像感测元件，其与该光谱分光单元耦接，以感测被分光的光场而形成该光谱影像。

9.如权利要求5所述的线型多波长共焦显微系统，其特征在于，该线光源模块更包括有：

一光源单元，其提供一入射光场；

一透镜组，其将该入射光场调制成一细长光源；以及

一滤波元件，其对该细长光源进行空间滤波以形成该线入射光场。

10.如权利要求9所述的线型多波长共焦显微系统，其特征在于，该滤波元件为一滤波狭缝元件。

11.如权利要求9所述的线型多波长共焦显微系统，其特征在于，该透镜组为圆柱透镜或半圆柱透镜。

12.如权利要求5所述的线型多波长共焦显微系统，其特征在于，更具有一线性移动平台以提供承载一待测物进行线性位移运动。

13.如权利要求5所述的线型多波长共焦显微系统，其特征在于，该空间滤波元件为一狭缝结构、一光纤阵列或者是一针孔阵列结构。

14.一种线型多波长共焦显微方法，其特征在于，包括有下列步骤：

提供一线入射光场；

使该线入射光场经由一色散物镜产生色散，使得该线入射光场聚焦形成多个具有不同深度的子线光场，每一个子线光场具有不同波长；

使该多个子线光场经由一物体反射通过该色散物镜后而聚焦在共同的一平面上，并且通过设置在该平面上的一空间滤波元件；

对通过该空间滤波元件的光场进行分光而由一影像感测元件感测到一光谱影像；以及

分析该光谱影像以还原该物体的一剖面轮廓。

15.如权利要求14所述的线型多波长共焦显微方法，其特征在于，该多个子线光场为一连续光谱的光场。

16.如权利要求14所述的线型多波长共焦显微方法，其特征在于，该线入射光场为一宽频光场。

17.如权利要求14所述的线型多波长共焦显微方法，其特征在于，该物体进行一线性位移运动以得到关于该物体的一表面轮廓形貌。

18.如权利要求14所述的线型多波长共焦显微方法，其特征在于，该空间滤波元件为一狭缝结构、一光纤阵列或者是一针孔阵列结构。

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