CN109387155B - 形貌检测装置与形貌检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种形貌检测装置与形貌检测方法，形貌检测装置包括发源发生器、数字微镜器件、探测器及工控机，所述光源发生器包括三维测量光源发生器和光谱测量光源发生器，所述光源发生器形成的光束通过分光镜形成探测光和参考光，所述数字微镜器件反射所述参考光形成基准光，所述探测光照射到所述待测面反射形成物面光，所述物面光与所述基准光通过所述分光镜到所述探测器。本发明提供的形貌检测装置与形貌检测方法中，形貌检测装置形成探测光和参考光可实现切换测量状态，探测器检测物面光与基准光，探测器通过两种不同的光源发生器可得到待测面的反射波前相位分布和反射率光谱分布，能对复杂薄膜材料反射光谱、三维轮廓进行同步检测和补偿。

Description

形貌检测装置与形貌检测方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种形貌检测装置与形貌检测方法。

背景技术

在半导体技术领域中，随着技术的不断发展，对于半导体器件的要求也越来越高，需要对晶圆、芯片或其它待测对象的表面形貌特征进行检测，例如高度、厚度和孔深等，通过采用干涉测量技术能获得较高的垂向分辨率，干涉测量技术是常用的光学检测方法之一。

由于较多的测量场景中被测样品上会有透明薄膜存在，此时需要对薄膜厚度及基底表面的形貌分布进行测量。但是薄膜界面之间的反射会对干涉图案造成影响，造成较大的形貌解算误差，尤其是当存在多个波长的大量程形貌测量系统中时。另外，对于不同样品或者同一样品同时包含有膜层和无膜层的区域，反射率会存在较大差异，对干涉条纹对比度造成影响，进而产生测量误差。

因此，如何提高形貌检测的测量精度是本领域技术人员亟待解决的一个技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种形貌检测装置与形貌检测方法，以提高现有技术中形貌检测的测量精度。

为解决上述技术问题，本发明提供一种形貌检测装置，包括光源发生器、数字微镜器件、探测器及工控机，其中，所述光源发生器包括三维测量光源发生器和光谱测量光源发生器；

所述光源发生器形成的光束通过分光镜形成探测光和参考光，所述探测光包括所述三维测量光源发生器形成的三维探测光和所述光谱测量光源发生器形成的光谱探测光，所述参考光包括所述三维测量光源发生器形成的三维参考光和所述光谱测量光源发生器形成的光谱参考光；

所述参考光照射到所述数字微镜器件，所述数字微镜器件反射所述参考光形成基准光，所述基准光包括所述三维参考光形成的第一基准光和所述光谱参考光形成的第二基准光；

所述探测光照射到样品的待测面，被反射形成物面光，所述物面光与所述基准光通过所述分光镜会合到所述探测器，所述物面光包括所述三维探测光形成的第一物面光和所述光谱探测光形成的第二物面光；

所述探测器探测所述第一基准光与所述第一物面光干涉形成的三维测量干涉条纹，所述工控机根据所述三维测量干涉条纹计算得到所述待测面的反射波前相位分布，所述探测器探测所述第二基准光与所述第二物面光干涉形成的光谱测量干涉条纹，所述工控机根据所述光谱测量干涉条纹计算所述待测面的反射率光谱分布，之后所述工控机结合所述待测面的反射波前相位分布和所述待测面的反射率光谱分布，解析出所述待测面的形貌分布。

可选的，所述三维测量光源发生器形成单个波长或多个波长的光束，所述光谱测量光源发生器形成波长按时间变化的窄带光束，所述窄带光束的波长范围覆盖所述三维测量光源发生器形成的光束的波长。

可选的，所述数字微镜器件包括多个反射镜，相邻反射镜反射的光束之间均具相同的光程差。

可选的，所述窄带光束的波长范围满足所述窄带光束的相干长度大于所述数字微镜器件中相邻反射镜反射的光束之间形成的光程差。

可选的，调整所述数字微镜器件的反射镜镜面方向与所述三维参考光的光束截面成非零夹角，使所述第一物面光与所述第一基准光成夹角干涉形成所述三维测量干涉条纹；调整所述数字微镜器件的反射镜镜面方向与所述光谱参考光的光束截面平行，使所述第二物面光与所述第二基准光平行干涉形成所述光谱测量干涉条纹。

可选的，所述三维测量干涉条纹为等厚干涉条纹。

可选的，所述形貌检测装置还包括电控衰减器，用于调整入射至所述数字微镜器件的所述三维参考光的光强。

可选的，所述探测器的个数与所述三维测量光源发生器形成的光束的个数相同，并与不同波长的光束一一对应。

可选的，所述探测器包括第一探测器和第二探测器，所述第一探测器用于探测所述三维测量干涉条纹，所述第二探测器用于探测所述光谱测量干涉条纹。

可选的，所述数字微镜器件的个数与所述三维测量光源发生器形成的光束的个数相同，并与不同波长的光束一一对应。

可选的，所述数字微镜器件的个数至少为一个，各个所述数字微镜器件按序排列，使入射至所述数字微镜器件的所述参考光依次被反射到下一个所述数字微镜器件，之后又依次被反射回上一个所述数字微镜器件。

可选的，所述样品为硅片、LED基底或TFT面板。

本发明还提供一种形貌检测方法，包括：

步骤1、进行光谱测量模式，调整所述数字微镜器件的镜面与入射至镜面的光束的光轴垂直，开启所述光谱测量光源发生器，输出波长按时间变化的窄带光，所述探测器探测波长变化时间内形成的所有所述光谱测量干涉条纹；

步骤2、所述工控机根据所述光谱测量干涉条纹计算所述待测面的反射率光谱分布；

步骤3、进行三维测量模式，关闭所述光谱测量光源发生器，调整所述数字微镜器件的镜面与入射至镜面的光束的截面成非零夹角，打开所述三维测量光源发生器，在所述探测器上形成所述三维测量干涉条纹；

步骤4、所述工控机根据所述三维测量干涉条纹计算所述待测面的反射波前相位分布；

步骤5、所述工控机结合所述待测面的反射率光谱分布与所述待测面的反射波前相位分布，解析出所述待测面的形貌分布。

可选的，在进行所述三维测量模式时还包括：根据所述待测面的反射率光谱分布中三维测量光源发生器发出的光束的波长下待测面的反射率光谱信息，调整所述三维参考光的光强，使所述三维测量干涉条纹的对比度在最佳状态。

可选的，所述步骤5具体包括：

根据所述待测面的反射率光谱分布与已知膜层的反射率光谱模型拟合计算所述待测面的膜层相移

再将所述待测面的膜层相移

和所述待测面的反射波前相位分布

代入公式

解析出所述待测面的形貌分布，其中λ为三维测量模式时所述三维测量光源发生器发出的光束的波长。

综上所述，在本发明提供的形貌检测装置与形貌检测方法中，所述形貌检测装置将包括三维测量光源发生器和光谱测量光源发生器的光源发生器形成探测光和参考光，从而可实现切换测量状态，再通过数字微镜器件形成基准光，探测光经待测面反射形成物面光，探测器检测物面光与基准光，探测器通过两种不同的光源发生器可得到待测面的反射波前相位分布和反射率光谱分布，能够对复杂薄膜材料反射光谱、三维轮廓进行同步检测和补偿，提升了系统的测量精度以及测量效率。

附图说明

图1是本发明实施例一的形貌检测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的三维测量模式与光谱测量模式的光束示意图；

图3是本发明实施例中的数字微镜器件的超像素块的结构示意图；

图4是本发明实施例中的数字微镜器件的反射镜与坐标系的位置关系的示意图；

图5是本发明实施例二的形貌检测装置的结构示意图；

图6是本发明实施例三的形貌检测装置的结构示意图；

图7是本发明实施例中两种测量模式的时序控制示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

实施例一

如图1所示，本发明提供一种形貌检测装置，所述形貌检测装置包括光源发生器10、数字微镜器件20(DMD，Digital Micromirror Device)、探测器30及工控机70，所述光源发生器10包括三维测量光源发生器11和光谱测量光源发生器12，所述光源发生器10形成的光束通过分光镜形成探测光和参考光，所述探测光包括所述三维测量光源发生器11形成的三维探测光和所述光谱测量光源发生器12形成的光谱探测光，所述参考光包括所述三维测量光源发生器11形成的三维参考光和所述光谱测量光源发生器12形成的光谱参考光，所述探测光照射到样品50的待测面，所述参考光照射到所述数字微镜器件20，所述数字微镜器件20反射所述参考光形成基准光，所述基准光包括所述三维参考光形成的第一基准光和所述光谱参考光形成的第二基准光，所述探测光照射到所述待测面反射形成物面光，所述物面光与所述基准光通过所述分光镜会合并干涉后到所述探测器30，所述物面光包括所述三维探测光形成的第一物面光和所述光谱探测光形成的第二物面光。所述探测器30探测所述第一基准光与所述第一物面光形成的三维测量干涉条纹，所述工控机70根据所述三维测量干涉条纹计算所述待测面的反射波前相位分布，所述探测器30探测所述第二基准光与所述第二物面光形成的光谱测量干涉条纹，所述工控机70根据所述光谱测量干涉条纹计算所述待测面的反射率光谱分布。所述工控机70根据所述待测面的反射率光谱分布与已知膜层的反射率光谱模型拟合获得所述待测面的膜层相移，再通过膜层相移和所述待测面的反射波前相位分布，解析出待测面的形貌分布。所述待测面包括基底和设置在所述基底上的薄膜，所述薄膜的膜层数是一层或多层。

可选的，本实施例中所述分光镜包括第一分光镜41和第二分光镜42，三维测量光源发生器11形成的光束经所述第一分光镜41透射后，被所述第二分光镜42分光形成三维探测光和三维参考光，所述光谱测量光源发生器12形成的光束经所述第一分光镜41反射后，被所述第二分光镜42分光形成光谱探测光和光谱参考光。

对于光源的选择，所述三维测量光源发生器11形成单个波长或多个波长的光束，单个波长的光束适应于表面高度变化在波长范围内的待测面，多个波长的光束可适应于表面高度变化在亚毫米～毫米级别的测试对象，所述光谱测量光源发生器12形成波长按时间变化的窄带光束，所述窄带光束的波长范围覆盖所述三维测量光源发生器11形成的光束的波长。探测器30在波长变化的时间范围内多次拍照采集形成的光谱测量干涉条纹。

可选的，所述三维测量光源发生器11为光参量振荡(OPO，Optical ParametricOscillator)激光器、半导体激光器或具有滤光片的氙气灯，通过上述器件形成所需光束。

可选的，所述窄带光束为380nm～780nm波长范围内波长按时间顺序变化的光束。

可选的，所述光谱测量光源发生器12为白光LED或氙气灯叠加旋转的光栅，通过旋转的光栅使白光LED或氙气灯发出的光束的波长按时间变化，也可以是光谱可调谐的激光器、单色仪等。

如图3所示，所述数字微镜器件20包括多个反射镜，相邻反射镜反射的光束之间均具相同的光程差。将每个反射镜设认为是一个超像素块，单个超像素块可由m×n的光谱像素构成，单个反射镜的摆放方式可以参考如图4所示，

α＝nβ，这样超像素块中可包含m×n个光程差为

的光谱像素，d为相邻超像素块的间距，即经过某一超像素块可直接展开为一条具有m×n个光程差为Δ的光谱曲线。

所述窄带光束的波长范围满足所述窄带光束的相干长度λ²/Δλ大于所述数字微镜器件20中各超像素块之间的光程差。

所述形貌检测装置还包括电控衰减器60，电控衰减器60可为电动可变衰减片或液晶衰减片等，所述电控衰减器60设置在所述第二分光镜42与所述数字微镜器件20之间，所述参考光经由所述电控衰减器60照射到所述数字微镜器件20，具体的所述电控衰减器60根据所述待测面的反射率光谱分布中三维测量光源发生器发出的光束的波长(以下均称工作波长)下待测面的反射率光谱信息调整所述三维参考光的光强，从而可使第一基准光与第一物面光形成最佳的干涉对比度，形成清晰的干涉图形被探测器探测到，提高了精度。

在三维测量模式中，即三维测量光源发生器11工作时，调整所述数字微镜器件20，使所述第一物面光与所述第一基准光成夹角时形成三维测量干涉条纹到所述探测器，也就是将数字微镜器件20的镜面方向与参考光的光束截面成非平行的夹角θ时，如图2所示中的A表示，三维参考光被反射后形成的第一基准光到探测器30时也就与第一物面光之间具有夹角2θ，通过所述三维测量干涉条纹得到所述待测面的反射波前相位分布，即通过对所述三维测量干涉条纹的相位解析得到待测面的反射波前相位分布。

所述三维测量干涉条纹为等厚干涉条纹，通过对数字微镜器件20角度的设置形成等厚干涉条纹，较佳的得到光谱信息。

在光谱测量模式中，即光谱测量光源发生器12工作时，调整所述数字微镜器件20，使所述第二物面光与所述第二基准光平行时形成光谱测量干涉条纹到所述探测器30，也就是数字微镜器件20的镜面方向与光谱参考光的光束截面平行时，即数字微镜器件20的镜面方向与光谱参考光的光轴垂直，如图2所示中的B表示，光谱参考光反射后形成的第二基准光到探测器30时与第二物面光平行。但数字微镜器件20中每个反射镜具有不同的光程，使被数字微镜器件20上不同反射镜反射形成的第二基准光具有不同的光程，对于波长按时间变化的窄带光，所述数字微镜器件20使每个波长下被各个反射镜反射的第二基准光均具有不同的光程，在波长变化时间内，在探测器30上形成多个波长下的变化的光谱测量干涉条纹，探测器30多次探测波长变化时间内的所有光谱测量干涉条纹，通过对所有光谱测量干涉条纹进行傅里叶分析得到待测面的反射率光谱分布。为消除光源光谱影响，进行光谱测量模式时，待测面可采用裸硅片或已知标准片。

根据在光谱测量模式中得到的所述待测面的反射率光谱分布与已知膜层的反射光谱模型拟合获得所述待测面的膜层的相移

再将所述待测面的膜层的相移

和在三维测量模式时得到的工作波长λ下待测面的反射波前相位分布

代入公式

解析出实际待测面的形貌分布。若光谱测量模式时数字微镜器件20的超像素块无法与三维测量模式时数字微镜器件20的超像素块一一对应，可调整为整数倍关系，在光谱测量模式中进行光谱分布解算时频域进行等比缩放。

其中，计算所述待测面的膜层的相移

具体包括：

(1)若膜层折射率η_i已知，根据光谱测量模式时得到的所述待测面的反射率光谱分布R计算膜层厚度d_i，

其中

η₀为空气折射率，k为所述基底上的膜层数，η_i＝n_i+jk_i为第i层膜层折射率，n_i是第i层膜层折射率η_i的实部，k_i是第i层膜层折射率η_i的虚部，η_S＝n_S+jk_S为基底折射率，n_S是基底折射率η_S的实部，k_S是基底折射率η_S的虚部，

d_i是第i层膜层的膜厚，i＝1,2,…,k；

再代入以下公式计算所述待测面的膜层的相移

(2)当膜层折射率η_i未知时，给出初始值η_i，通过最小二乘法确定各膜层厚度d_i，对比膜层边缘处的高度的跳变，按一定方式，如二分法等重复设置η_i，直到膜层边缘处高度跳变为0。膜层边缘的确定可由三维测量模式得到待测面的反射波前相位分布

跳变点与根据设置的η_i计算得到的

的跳变点求与得到。

下面以单层膜为例进一步说明，单层膜的膜层相移

可按如下公式解算：

其中，r₁₂为空气与膜层界面的反射率，r₂₃为膜层与基底界面的反射率，

d为膜层厚度，η为膜层折射率，λ为工作波长。

当膜层折射率η已知时，结合所述待测面的反射率光谱分布

确定膜层厚度d，再代入

解算出单层膜的膜层相移

根据

解析出待测面的三维分布。

当η未知时，给出初始值η，通过最小二乘法确定各膜层厚度d，对比膜层边缘处的高度的跳变，按一定方式，如二分法等重复设置η，直到膜层边缘处高度跳变为0。膜层边缘的确定可由三维测量模式得到相位

跳变点与

的跳变点求与得到。

在本实施例中，所述形貌检测装置还包括照明镜组43，具体可包括匀光镜，所述照明镜组43设置在第一分光镜41后。

在本实施例中，所述形貌检测装置还包括一物镜44和管镜45，所述物镜44设置在所述待测面前，所述探测光经所述物镜44到所述待测面，所述管镜45设置在所述探测器30前，物镜44可起到成像放大作用，与管镜45组合形成图像。

对于测试对象，所述样品50为硅片、LED基底或TFT面板，可通过工件台带动其上设置的样品50以对不同位置进行检测，可进行同步控制得到样品表面形貌，对于表面有膜层或没有膜层的样品均可进行检测。

本发明还提供一种形貌检测方法，包括如下步骤：

步骤1、进行光谱测量模式，调整所述数字微镜器件20的镜面与入射至镜面的光束的光轴垂直，开启所述光谱测量光源发生器21，输出波长按时间变化的窄带光，所述探测器30多次探测波长变化时间内形成的所述光谱测量干涉条纹；

步骤2、所述工控机70根据所述光谱测量干涉条纹计算所述待测面的反射率光谱分布；

步骤3、进行三维测量模式，关闭所述光谱测量光源发生器21，调整所述数字微镜器件20的镜面与入射至镜面的光束的截面成非零夹角，打开所述三维测量光源发生器11，在所述探测器上形成所述三维测量干涉条纹；

步骤4、所述工控机70根据所述三维测量干涉条纹计算所述待测面的反射波前相位分布；

步骤5、所述工控机70结合所述待测面的反射率光谱分布与所述待测面的反射波前相位分布，解析出所述待测面的形貌分布。

在进行所述三维测量模式时还包括：根据所述待测面的反射率光谱分布中三维测量光源发生器11发出的光束的波长下待测面的反射率光谱信息，调整所述三维参考光的光强，使所述三维测量干涉条纹的对比度在最佳状态。

在实施步骤中，若数据解算速度足够快并且探测器模块能进行数据处理，则可进行同步控制。图7为实施例1的时序控制图，这里工控机70用作同步控制器。当工件台运动到第一个测量位置时，工件台发出同步信号S0给同步控制器，同步控制器首先发出第一个同步信号S1(图7中的脉冲1)给数字微镜器件20和探测器30，数字微镜器件20偏转到与入射光的光轴垂直，探测器30延迟较小时间后开始进行测量。在探测器30进行工作期间，同步控制器发出第二个同步信号S2(图7中的脉冲2)给光谱测量光源发生器12，光谱测量光源发生器12发出光脉冲(图7中的脉冲2-)，执行光谱测量模式下的照明，探测器30获得待测面的光谱测量干涉图像并进行光谱解算，获得工作波长的反射率分布后返回给同步控制器。同步控制器发出第三个同步信号S3(图7中的脉冲3)给电控衰减器60，电控衰减器60调整完毕后返回给同步控制器。同步控制器发出第四个同步信号S4(图7中的脉冲4)给数字微镜器件20和探测器30，数字微镜器件20的反射镜片偏转到与入射光的光束截面成非零夹角，探测器30延迟较小时间后开始进行测量。在探测器30进行工作期间，同步控制器发出第五个同步信号S5，三维测量光源发生器11发出光脉冲(图7中的脉冲5-)，执行三维测量模式下的照明，探测器30获得待测面的三维测量干涉图像并进行相位解算，得到所述待测面的反射波前相位分布，再结合待测面的膜层相移得到样品的三维形貌分布。测量时序图显示，两次图像获取时间间隔主要受光源脉冲宽度、电控衰减器响应时间、光谱解算时间、数字微镜器件20的偏转时间等约束。

实施例二

本实施例中三维测量光源发生器11发出多个波长的光束，所述光谱测量光源发生器12发出覆盖所述多个光束的波长范围的窄带光束，所述探测器30的个数与所述三维测量光源发生器11形成的光束的个数相同，并与不同波长的光束一一对应。所述数字微镜器件20的个数与所述三维测量光源发生器11形成的光束的个数也相同，同样可与不同波长的光束一一对应。下面以三维测量光源发生器11发出两个不同波长λ₁、λ₂的光束为例进行说明。

如图5所示，在本实施例中，所述探测器30包括第一探测器31和第二探测器32，所述数字微镜器件20包括第一数字微镜器件21和第二数字微镜器件22，所述第二分光镜42与所述探测器30之间设有第三分光镜45，所述第二分光镜42与所述数字微镜器件20之间设有第四分光镜46，其它部分可以沿用实施例一中的方案。

所述第四分光镜46对入射的参考光按波长进行分光，使两个波长的参考光分别入射至所述第一数字微镜器件21和所述第二数字微镜器件22；两个波长的所述物面光与所述基准光通过所述第二分光镜42汇合干涉形成两个波长的干涉光，所述第三分光镜45按波长对两个波长的干涉光进行分光，使两个波长的干涉光分别被所述第一探测器31与所述第二探测器32探测，采用两个探测器可消除两个波长干涉信号间的串扰，提高形貌检测装置的信噪比，同时通过多个探测器可以提高探测器整体的计算能力，提高探测速度，从而提高效率。

三维测量模式时，如图5所示，调整所述第一数字微镜器件21与波长λ₁三维参考光的光束截面形成非零夹角θ₁，调整所述第二数字微镜器件22与波长λ₂三维参考光的光束截面形成非零夹角θ₂，波长λ₁三维参考光被反射后形成的波长λ₁的第一基准光到第一探测器31时与波长λ₁的第一物面光之间具有夹角2θ₁，波长λ₂三维参考光被反射后形成的波长λ₂的第一基准光到第二探测器32时与波长λ₂的第一物面光之间具有夹角2θ₂，非零夹角θ₁与非零夹角θ₁不相等，不同夹角的设置用于调节干涉条纹的周期分布，以保证每个工作波长选用相同规模的超像素块大小。

光谱测量模式时，由第三分光镜45对不同波段范围的干涉光进行分光后由不同探测器探测，最终计算所述待测面的反射率光谱分布根据每个探测器的波长范围内解算得到待测面的反射率光谱分布合并获取。

进一步的，所述电控衰减器60包括第一电控衰减器61和第二电控衰减器62，在三维测量模式时，根据所述待测面的反射率光谱分布中两个不同工作波长下的待测面的反射率光谱信息，通过被所述第一电控衰减器61和所述第二电控衰减器62分别调节所在光路的三维参考光的光强，以使所述第一探测器31与所述第二探测器32探测得到的三维测量干涉条纹的对比度最佳。

实施例三

如图6所示，本实施例中所述探测器30包括第三探测器33和第四探测器34，所述第三探测器33用于探测所述三维测量干涉条纹，所述第四探测器34用于探测所述光谱测量干涉条纹，所述数字微镜器件20的个数至少为一个，各个所述数字微镜器件20按序排列，使入射至所述数字微镜器件20的所述参考光依次被反射到下一个所述数字微镜器件20。具体的，在本实施例中不增设所述第四分光镜46，所述数字微镜器件20包括第三数字微镜器件23和第四数字微镜器件24，其它部分可以沿用实施例二中的方案。同样的，本实施例也以三维测量光源发生器11发出两个不同波长λ₁、λ₂的光束为例进行说明。

两个波长的所述参考光照射到所述第三数字微镜器件23，被所述第三数字微镜器件23反射到所述第四数字微镜器件24，所述第四数字微镜器件24又反射所述参考光回到第三数字微镜器件23，最后被第三数字微镜器件23反射回到第二分光镜42形成基准光。两个波长的所述物面光与所述基准光通过所述第二分光镜42汇合干涉形成两个波长的干涉光，所述第三分光镜45按三维测量光源发生器11发出的两个工作波长的波段对光谱测量光源发生器21发出的窄带光进行分光，使两个工作波长的干涉光透射后进入第三探测器33，使其余波长的干涉光被反射进入第四探测器34。

在三维测量模式时，通过设置第三数字微镜器件23和第四数字微镜器件24与入射光束的光束截面成非零夹角，多数字微镜器件的设置可扩大基准光相对物面光的倾斜角度范围，从而满足更多的测试需要。设定所述第四探测器44专用于光谱数据采集以减少解算步骤和提高测量速度。

传统干涉仪进行具有膜层的样品的形貌测量时，因膜层界面反射，以及由于不同区域反射率不同引起的对比度不同，往往会导致相位测量误差。为应对待测对象复杂的工艺情况，对一张硅片需要采用扫描干涉仪或独立的膜厚测量设备进行多次检测，降低了一张硅片的形貌检测效率。本发明具有光谱测量和三维测量两种功能的切换能力，宽波段光谱数据获取精度高、谱段宽，更能够反映膜层特性，同时具有自动补偿反射率差异的能力，能够提升对复杂膜层材料的样品的测量精度和效率。

在上述所有实施例中，为了便于理解均以光束的行径进行描述，其中第一分光镜、第二分光镜、第三分光镜和第四分光镜为光学里常用的分光镜片，如分光棱镜等。实施方式及附图中还省略了其它光学镜片等组件，其中各部件的位置分布关系亦可根据光路径调整相对位置关系。

综上所述，在本发明提供的形貌检测装置与形貌检测方法中，所述形貌检测装置将包括三维测量光源发生器和光谱测量光源发生器的光源发生器形成探测光和参考光，从而可实现切换测量状态，再通过数字微镜器件形成基准光，探测光经待测面反射形成物面光，探测器检测物面光与基准光形成的干涉光，探测器通过两种不同的光源发生器可得到待测面的反射波前相位分布和反射率光谱分布，能够对复杂薄膜材料反射光谱、三维轮廓进行同步检测和补偿，提升了系统的测量精度以及测量效率。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (15)

1.一种形貌检测装置，其特征在于，所述形貌检测装置包括：光源发生器、数字微镜器件、探测器及工控机，其中，所述光源发生器包括三维测量光源发生器和光谱测量光源发生器；

所述光源发生器形成的光束通过分光镜形成探测光和参考光，所述探测光包括所述三维测量光源发生器形成的三维探测光和所述光谱测量光源发生器形成的光谱探测光，所述参考光包括所述三维测量光源发生器形成的三维参考光和所述光谱测量光源发生器形成的光谱参考光；

所述参考光照射到所述数字微镜器件，所述数字微镜器件反射所述参考光形成基准光，所述基准光包括所述三维参考光形成的第一基准光和所述光谱参考光形成的第二基准光；

所述探测光照射到样品的待测面，被反射形成物面光，所述物面光与所述基准光通过所述分光镜会合到所述探测器，所述物面光包括所述三维探测光形成的第一物面光和所述光谱探测光形成的第二物面光；

所述探测器探测所述第一基准光与所述第一物面光干涉形成的三维测量干涉条纹，所述工控机根据所述三维测量干涉条纹计算得到所述待测面的反射波前相位分布，所述探测器探测所述第二基准光与所述第二物面光干涉形成的光谱测量干涉条纹，所述工控机根据所述光谱测量干涉条纹计算所述待测面的反射率光谱分布，之后所述工控机结合所述待测面的反射波前相位分布和所述待测面的反射率光谱分布，解析出所述待测面的形貌分布。

2.根据权利要求1所述的形貌检测装置，其特征在于，所述三维测量光源发生器形成单个波长或多个波长的光束，所述光谱测量光源发生器形成波长按时间变化的窄带光束，所述窄带光束的波长范围覆盖所述三维测量光源发生器形成的光束的波长。

3.根据权利要求2所述的形貌检测装置，其特征在于，所述数字微镜器件包括多个反射镜，相邻反射镜反射的光束之间均具相同的光程差。

4.根据权利要求3所述的形貌检测装置，其特征在于，所述窄带光束的波长范围满足所述窄带光束的相干长度大于所述数字微镜器件中相邻反射镜反射的光束之间形成的光程差。

5.根据权利要求3所述的形貌检测装置，其特征在于，调整所述数字微镜器件的反射镜镜面方向与所述三维参考光的光束截面成非零夹角，使所述第一物面光与所述第一基准光成夹角干涉形成所述三维测量干涉条纹；调整所述数字微镜器件的反射镜镜面方向与所述光谱参考光的光束截面平行，使所述第二物面光与所述第二基准光平行干涉形成所述光谱测量干涉条纹。

6.根据权利要求5所述的形貌检测装置，其特征在于，所述三维测量干涉条纹为等厚干涉条纹。

7.根据权利要求5所述的形貌检测装置，其特征在于，所述形貌检测装置还包括电控衰减器，用于调整入射至所述数字微镜器件的所述三维参考光的光强。

8.根据权利要求5所述的形貌检测装置，其特征在于，所述探测器的个数与所述三维测量光源发生器形成的光束的个数相同，并与不同波长的光束一一对应。

9.根据权利要求5所述的形貌检测装置，其特征在于，所述探测器包括第一探测器和第二探测器，所述第一探测器用于探测所述三维测量干涉条纹，所述第二探测器用于探测所述光谱测量干涉条纹。

10.根据权利要求8或9所述的形貌检测装置，其特征在于，所述数字微镜器件的个数与所述三维测量光源发生器形成的光束的个数相同，并与不同波长的光束一一对应。

11.根据权利要求8或9所述的形貌检测装置，其特征在于，所述数字微镜器件的个数至少为一个，各个所述数字微镜器件按序排列，使入射至所述数字微镜器件的所述参考光依次被反射到下一个所述数字微镜器件，之后又依次被反射回上一个所述数字微镜器件。

12.根据权利要求1所述的形貌检测装置，其特征在于，所述样品为硅片、LED基底或TFT面板。

13.一种使用如权利要求1-12任一所述形貌检测装置进行表面形貌检测的形貌检测方法，其特征在于，所述形貌检测方法包括：

步骤1、进行光谱测量模式，调整所述数字微镜器件的镜面与入射至镜面的光束的光轴垂直，开启所述光谱测量光源发生器，输出波长按时间变化的窄带光，所述探测器探测波长变化时间内形成的所有所述光谱测量干涉条纹；

步骤2、所述工控机根据所述光谱测量干涉条纹计算所述待测面的反射率光谱分布；

步骤3、进行三维测量模式，关闭所述光谱测量光源发生器，调整所述数字微镜器件的镜面与入射至镜面的光束的截面成非零夹角，打开所述三维测量光源发生器，在所述探测器上形成所述三维测量干涉条纹；

步骤4、所述工控机根据所述三维测量干涉条纹计算所述待测面的反射波前相位分布；

步骤5、所述工控机结合所述待测面的反射率光谱分布与所述待测面的反射波前相位分布，解析出所述待测面的形貌分布。

14.根据权利要求13所述的形貌检测方法，其特征在于，在进行所述三维测量模式时还包括：根据所述待测面的反射率光谱分布中三维测量光源发生器发出的光束的波长下待测面的反射率光谱信息，调整所述三维参考光的光强，使所述三维测量干涉条纹的对比度在最佳状态。

15.根据权利要求13所述的形貌检测方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：

根据所述待测面的反射率光谱分布与已知膜层的反射率光谱模型拟合计算所述待测面的膜层相移

再将所述待测面的膜层相移

和所述待测面的反射波前相位分布

代入公式

解析出所述待测面的形貌分布，其中λ为三维测量模式时所述三维测量光源发生器发出的光束的波长。

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