CN102466471A - 表面形状测量设备 - Google Patents

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金承佑
刘俊浩
金煐植
张玄俊
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Abstract

在此公开了一种表面形状测量设备，该设备包括：光源，该光源将光发射至样品；空间光调制器，该空间光调制器安装于所述光源与所述样品之间的光路上，用于以像素为单位，对从所述光源发射至所述样品的光量进行空间控制；光检测器，该光检测器对反射自所述样品的光进行检测；以及控制器，该控制器通过控制穿过所述空间光调制器(SLM)的光量以及反射自所述样品的待检测光，控制发射自所述光源的光发射至所述样品，藉此由空间光调制器以像素为单位，对发射至所述样品的光量进行空间控制，从而可改善表面形状测量性能，且更紧凑。

Description

表面形状测量设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2010年11月18日提交的、题为“Surface Shape MeasuringApparatus”的韩国专利申请No.10-2010-0114969的权益，该申请的全部内容作为参考被结合于此。
技术领域
本发明涉及一种表面形状测量设备。
背景技术
近年来，对于诸如半导体、平板显示屏、MEM、光学器件、以及超精密加工等产业而言，已存在对精密处理技术或加工技术等的需求。目前，已进一步提出了对以纳米为单位的超精密制造技术的需求。
另外，精密制造工艺已从简单的二维图案变成复杂的三维形状，因此，已进一步对三维细微形状测量技术的重要性作出了要求。
作为对形成于待测对象表面的细微形状进行测量的光学测量方法，有相移干涉测量法、白光扫描干涉测量法、摩尔纹(moiré)测量、以及共焦扫描显微镜等。这些测量技术涉及一种主要结合二维平面几何形状，对形成于表面的三维结构的高度进行测量以检查整个视野内的三维形状的技术。这些测量技术基于由照明系统、光学系统、以及光学检测器(该光学检测器的具体代表为摄像机)配置而成的光学视觉系统以及视频处理技术。
其中，不同于一般显微镜，所述共焦激光扫描显微镜(该显微镜为用于获取高分辨率视频的装置)为具有改善对比度及分辨率的显微镜，其于物镜后方具有针孔，并仅允许起始于样品一点的光穿过该针孔。
一次仅可看见一点。因此，如果以一时间间隔连续测量邻近点，并通过使用计算机呈现该邻近点，可获得二维或三维视频。
一般的使用共焦激光扫描显微镜的表面形状测量系统将光线发射至样品，并检测反射自样品的光量，从而测量表面形状。
然而，如果样品的表面具有反射率不同的材料，即使以同一光量进行发射光线，亦会因为反射率差异而在样品表面反射率高的部分检测到饱和的光量，并在样品表面反射率低的部分检测到不足的光量。
光量的饱和及不足均会导致表面形状测量性能下降。
为解决该问题，可在样品高度的方向上，大致增大反射率低的部分的光量，并减小反射率高的部分的光量，以补偿表面形状的反射率差异。
然而，这仅控制了高度方向上的光量，从而无法克服空间反射率的差异。
发明内容
本发明致力于提供一种能够通过安装于从光源发射至样品的光的路径上的空间光调制器(SLM)，以像素为单位对发射至样品(每一样品具有不同反射率)的光量进行空间上的控制的表面形状测量设备。
根据本发明的优选实施方式，提供了一种表面形状测量设备，该设备包括：光源，该光源将光发射至样品；空间光调制器，该空间光调制器安装于所述光源与所述样品之间的光路上，用于以像素为单位，对从所述光源发射至所述样品的光量进行空间上的控制；光检测器，该光检测器对反射自所述样品的光进行检测；以及控制器，该控制器通过控制穿过所述空间光调制器(SLM)的光量以及反射自所述样品的待检测光，来控制发射自所述光源的光发射至所述样品。
所述光源可为白光光源、单色光光源或激光光源中的任一者。
所述空间光调制器可为反光空间光调制器，该反光空间光调制器由多个微镜配置而成，并通过根据位置和相应微镜的打开/关闭频率控制每一微镜的打开/关闭来控制光量。
所述反光空间光调制器可为数字微镜器件(DMD)。
所述空间光调制器可为透光空间光调制器(transmission spatial lightmodulator)，该透光空间光调制器由多个像素配置而成，并通过控制每一像素的透光率来控制光量。
所述透光空间光调制器可为液晶器件(LCD)或硅上液晶(LCoS)中的任一者。
所述表面形状测量设备可进一步包括光学系统，该光学系统安装于从所述光源通过所述空间光调制器发射至所述样品的光的路径上以及从所述样品反射至所述光检测器的光的路径上。
所述光学系统可包括：照明透镜，该照明透镜收集从所述光源穿过所述空间光调制器(SLM)的光，并将该光变为平行光；偏振器，该偏振器对通过所述照明透镜输入的平行光进行水平偏转，以发射至所述样品200，并对反射自所述样品200的光进行垂直偏转，以由光学检测器来接收；以及摄像机镜头，该摄像机镜头收集经过所述偏振器所反射的光，并将所收集的光传输至所述光检测器。
所述光学系统可进一步包括四分之一波片，该四分之一波片对反射至所述样品的光进行垂直偏转以由所述光检测器来接收。
所述光学系统可进一步包括针孔阵列，其中该针孔阵列为具有多个孔的板，基于共焦显微镜的原理而运行，允许通过所述偏振器输入的光以及反射至所述样品的光仅穿过多个孔。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施方式的表面形状测量设备的框图；
图2为示出了图1的表面形状测量设备的空间光调制器的一个示例的示意图；
图3为示出了图1的表面形状测量设备的空间光调制器的另一示例的示意图；以及
图4为示出了根据本发明一个实施方式的表面形状测量设备与根据现有技术的表面形状测量设备的测量结果的对比图。
具体实施方式
通过参考附图以及以下对实施方式的描述，本发明的各种目的、优点以及特征将显而易见。
本说明书及权利要求书中所使用的术语及词语不应被解释为限于一般含义或字典定义，基于发明人可适当地对术语的概念进行定义以更为适当地对其所知的用于执行本发明的最佳方法进行描述这一原则，所述术语及词语应被解释为具有与本发明的技术范围相关的意义及概念。
通过以下结合附图的详细描述，可更为清晰地理解本发明的上述及其他目的、特征以及优点。在说明书中，应该注意的是，在对附图中的组件添加参考标记时，相同的参考标记指代相同的组件(即使该组件出现于不同附图中)。进一步地，当判断出对与本发明相关的公知技术的详细描述可能晦涩本发明的主旨时，可省略其详细描述。
下文中，将参考附图，详细描述根据本发明的优选实施方式。
图1为根据本发明一个实施方式的表面形状测量设备的框图，图2为示出了图1的表面形状测量设备的空间光学调制器的一个示例的示意图，以及图3为示出了图1的表面形状测量设备的空间光学调制器的另一示例的示意图。
参考图1，根据本发明一个实施方式的表面形状测量设备100包括光源110，该光源110将光发射至样品200；空间光调制器(SLM)120，该空间光调制器(SLM)120设置于光源110与样品200之间的光路上，用于针对每一像素控制发射至样品200的光量，并对其进行空间上的控制；光检测器130，该光检测器130对反射自样品200的光进行检测；以及控制器140，该控制器140通过控制穿过空间光调制器(SLM)120的光量以及反射自样品200的待检测光，来控制发射自光源110的光发射至样品200。
所述样品200为具有全反射表面(诸如，玻璃、抛光表面、以及镀层表面等)的物体，其每一区域可具有不同的反射率。
在光源110照射样品200(每一样品200具有不同的反射率)时，可使用白光、单色光、激光来照射很细微的部分，以进行精确测量。
当光从光源110发射至样品200时，其同时被发射至整个样品200之上。
所述空间光调制器(SLM)120安装于从光源110发射至样品200的光的路径上，以对从光源110发射至样品200的光量进行空间上的控制。
所述空间光调制器120例如可根据光量控制方案而被大体划分为反光SLM和透光SLM。
可使用数字微镜器件(DMD)作为所述反光SLM，图2示意性地示出了该DMD。
所述DMD由多个微镜(例如，一百万个或更多个)配置而成，且能够控制每一微镜每秒打开/关闭数千次。因此，随着微镜的数量的增多，可对空间分布进行更精确的控制。
更为具体地，如图2所示，当发射自光源110的光到达DMD时，可依赖于DMD位置以及相应微镜的打开/关闭频率，根据每一微镜的打开/关闭，改变反射自微镜的光的强度。
如上所述，所述DMD依赖于位置以及相应微镜的打开/关闭频率来控制每一微镜的打开/关闭，以将具有不同强度的光发射至样品200，从而可控制发射至样品200(每一样品具有不同的反射率)的光量。
同时，可将液晶显示器(LCD)或硅上液晶(LCoS)等用作所述透光SLM，且图3示意性地示出了所述LCD和LCoS。
所述透光LCD和LCoS由多个像素(例如，一百万个或更多个)配置而成，且能够随着像素的数量的增多，可对空间分布进行更精确的控制。
更为具体地，如图3所示，当发射自光源110的光到达LCD和LCoS时，可根据LCD和LCoS的每一像素的透光率，改变所发送的光的强度。
如上所述，可控制LCD和LCoS的每一像素的透光率，以将具有不同强度的光发射至样品200，从而可控制发射至样品200(每一样品具有不同的反射率)的光量。
在此，所述反光SLM的微镜对应于所述透光SLM的像素。在两种情况下，从光源110发送至样品200的光量均可被视为被进行以像素为单位的空间上的控制。
再次参见图1，所述光检测器130对反射自样品200的光进行成像，以获取视频图像。
作为示例，可将电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)等用作光检测器130。
所述控制器140可完全控制表面形状测量设备100的每一构成部分。
更为具体地，所述控制器140控制空间光调制器(SLM)120的每一像素，以控制每一像素的光强，从而防止由于根据光反射率的差异(基于当相对于光轴对样品200进行扫描时，样品200的高度或材料的差异)对样品200的表面形状进行成像时的光饱和或光不足而不能进行表面形状测量。
另外，当所述空间光调制器(SLM)120为反光SLM时，控制器140根据位置以及相应微镜的打开/关闭频率来控制每一微镜的打开/关闭，以控制发射至样品200的光的强度。当所述空间光调制器(SLM)120为透光SLM时，控制器140控制每一像素的操作，以便每一像素的透光率可控制发射至样品200的光的强度。
同时，根据本发明一个实施方式的表面形状测量设备100可进一步包括光学系统150，该光学系统150位于空间光调制器(SLM)120与样品200之间的光路上以及样品200与光检测器130之间的路上。
所述光学系统150安装于从光源110通过空间光调制器(SLM)120发射至样品200的光的路径上以及从样品200反射至光检测器130的光的路径上，以控制与光饱和或光不足的位置相对应的像素的衰减。
所述光学系统150被配置为包括照明透镜(lighting lens)151、偏振器152、针孔阵列153、物镜154、四分之一波片155、以及摄像机镜头156等。
所述照明透镜151控制从光源110穿过空间光调制器(SLM)120的光，并使所收集的光成为平行光，以将该平行光传输至偏振器152。
另外，所述照明透镜151安装于空间光调制器(SLM)120与样品200之间的光路上，从而可根据照明透镜151的放大率来改变所发射的光的亮度(magnitude)。
虽然无论样品200如何，所述空间光调制器SLM 120的尺寸均是固定的，但相对于所述照明透镜151，该空间光调制器SLM 120可具有独立的尺寸。因此，可使空间光调制器(SLM)120变得紧凑，这可致使整个表面形状测量设备更为紧凑。
所述偏振器152用于允许经由所述照明透镜151输入的平行光在水平偏振光与垂直偏振光中具有相同的亮度。穿过偏振器152的平行光被划分为垂直偏振光或水平偏振光。
换句话说，所述偏振器152将来自光源110输入的光作为水平偏振光发射至样品200，并通过四分之一波片155将反射自样品200的要由光检测器130接收的光偏振为垂直偏振光。
所述针孔阵列153(该针孔阵列153为具有多个孔的预定尺寸的板)基于共焦显微镜的原理而工作，其允许经由偏振器152输入的光以及样品200上所反射的光仅从所述孔中穿过。
穿过针孔阵列153的光经由物镜154和四分之一波片155而被聚焦，之后被发射至样品200。
发射至样品200的光被输入至光检测器130，以检测反射自样品200并通过偏振器152偏转的将由摄像机透镜156所收集的光。
图4为示出了根据本发明优选实施方式的表面形状测量设备与根据现有技术的表面形状测量设备的测量结果的对比图。
参见图4，可以理解的是，对于表面形状测量设备而言(参见实线A)，当发射至样品200的光量非常大时，会在某些区域出现光饱和和模糊现象(blooming)。
另一方面，可以理解的是，对于表面形状测量设备100而言(参见实线B)，即使给予了最大光量，也不会出现光饱和和模糊现象。
如上所述，根据本发明优选实施方式的表面形状测量设备100可以像素为单位对光量进行空间控制，以使得可根据样品200的材料或高度，由光空间调制器120对发射至所测量物体(即，样品200)的光量进行不同地发射。
因此，如果控制发射至样品200(每一样品具有不同的反射率)的光量，可减少因光饱和以及光不足而不可能进行测量的区域，从而可改善表面形状测量的执行。
根据本发明，可由空间光调制器以像素为单位对发射至样品(每一样品具有不同的反射率)的光量控制，以减少在检测光量时的光饱和和光不足，从而可改善表面形状测量的性能。
另外，根据本发明，所述空间光调制器根据安装于空间光调制器与样品之间的光路上的光学系统的照明透镜放大率，来控制所发射光的亮度，以具有固定尺寸，从而可更为紧凑。
虽然已出于示例性目的公开了本发明的优选实施方式，但本领域技术人员可以理解，在不脱离附图中所公开的本发明范围及本质的情况下，各种不同的修改、添加以及替换均是可能的。因此，此类修改、添加以及替换也应被理解为落入本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种表面形状测量设备，该设备包括：
光源，该光源将光发射至样品；
空间光调制器，该空间光调制器安装于所述光源与所述样品之间的光路上，用于以像素为单位对从所述光源发射至所述样品的光量进行空间上的控制；
光检测器，该光检测器对反射自所述样品的光进行检测；以及
控制器，该控制器通过控制穿过所述空间光调制器的光量以及反射自所述样品的待检测光，来控制发射自所述光源的光发射至所述样品。
2.根据权利要求1所述表面形状测量设备，其中，所述光源为白光光源、单色光光源或激光光源中的任一者。
3.根据权利要求1所述的表面形状测量设备，其中，所述空间光调制器为反光空间光调制器，该反光空间光调制器由多个微镜配置而成，并通过根据位置和相应微镜的打开/关闭频率控制每一微镜的打开/关闭来控制光量。
4.根据权利要求3所述的表面形状测量设备，其中，所述反光空间光调制器为数字微镜器件。
5.根据权利要求1所述的表面形状测量设备，其中，所述空间光调制器为透光空间光调制器，该透光空间光调制器由多个像素配置而成，并通过控制每一像素的透光率来控制光量。
6.根据权利要求5所述表面形状测量设备，其中，所述透光空间光调制器为液晶器件或硅上液晶中的任一者。
7.根据权利要求1所述的表面形状测量设备，该设备进一步包括光学系统，该光学系统安装于从所述光源通过所述空间光调制器发射至所述样品的光的路径上以及从所述样品反射至所述光检测器的光的路径上。
8.根据权利要求7所述的表面形状测量设备，其中，所述光学系统包括：
照明透镜，该照明透镜收集从所述光源穿过所述空间光调制器的光，并将该光变为平行光；
偏振器，该偏振器对通过所述照明透镜输入的要被发射至所述样品的平行光进行水平偏转，并对反射自所述样品的要由光学检测器接收的光进行垂直偏转；以及
摄像机镜头，该摄像机镜头收集经过所述偏振器被反射的光，并将所收集的光传输至所述光检测器。
9.根据权利要求8所述的表面形状测量设备，其中，所述光学系统进一步包括四分之一波片，该四分之一波片对反射自所述样品的要由所述光检测器接收的光进行垂直偏转。
10.根据权利要求8所述的表面形状测量设备，其中，所述光学系统进一步包括针孔阵列，该针孔阵列为具有多个孔的板，并且基于共焦显微镜的原理而运行，以允许通过所述偏振器输入的光以及反射自所述样品的光仅穿过所述多个孔。
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