CN110296666A - 三维量测器件 - Google Patents

Abstract

一种三维量测器件，包含：光源、分光器、反射器、传感器、成像系统。此三维量测器件对应一干涉量测面。分光器倾斜第一角度，反射器倾斜第二角度，传感器倾斜第三角度，且干涉量测面倾斜第四角度。

Description

三维量测器件

【技术领域】

本发明是关于三维量测器件，特别是关于以光学量测待测物的表面三维轮廓的器件。

【背景技术】

不论传统产业的加工制造或是高科技半导体制程，表面三维轮廓的拍摄与量测的需求与日俱增。除了精准度之外，检速更是各家设备商考虑的重点，因为搭载着高精准度且能够速测的仪器设备代表质量保证及产率。

表面三维轮廓量测技术有许多种类，各自有不同的原理，例如立体传感器、激光光切断法、色散共焦传感器、白光干涉仪等，其高度量测范围与分辨率各有所不同。白光干涉仪相对于其它技术，在量测上不受限表面材料及起伏，且其高度分辨率取决于白光干涉仪或装载待测物的载台的高度位移精准度，但却有不可忽视的缺点，如量测视野范围太小以及量测速度太慢等，故这是一般白光干涉仪难以使用在在线(In-line)检测机台上的主要原因。

图1为传统的白光干涉仪1001的结构的光路图，其中光路1000以粗直线表示。参照图1，此传统的白光干涉仪1001包含光源1002、分光器1003、反射镜1004、传感器1005及成像系统1006。此传统的白光干涉仪1001具有对应的干涉量测面1012(此干涉量测面1012为虚拟面，以虚线表示)，光源1002发出的光经分光器1003分别发生透射与反射至反射镜1004与待测物1007，于待测物1007的表面的高度与此干涉量测面1012一致处所产生的反射光与从反射镜1004的反射光在对应的传感器1005的像素测得最大干涉强度。为了调整干涉量测面1012以确认待测物1007的表面的不同高度，必须垂直(z方向)移动传统的白光干涉仪1001或装载待测物1007的载台。让干涉量测面1012垂直移动扫描而得到待测物1007的此处的水平(x-y方向，于图1中y方向平行于入纸面方向)位置的表面的高度分布后，才能移动往下一个水平位置。

例如，对于12吋(直径约300mm)晶圆，若以搭配物镜的传统的白光干涉仪1001进行全区域量测，量测的视野范围假设为25mm，需要在很多个不同水平位置进行垂直移动扫描量测才能做完整的晶圆的表面高度分布量测。且传统的白光干涉仪1001的高度分辨率由传统的白光干涉仪1001或载台的高度位移精准度决定，要达成高的高度分辨率所需的成本很高。又，传统的白光干涉仪1001需配合显微镜系统使用，因而成本高。

【发明内容】

本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件，包含：光源；分光器，分光器相对于水平方向倾斜第一角度；反射器，反射器的表面对应参考面，参考面相对于垂直方向倾斜第二角度；传感器，传感器的表面对应成像面，成像面相对于水平方向倾斜第三角度或与水平方向平行；成像系统，成像系统位于分光器和传感器之间，其中，三维量测器件具有干涉量测面，干涉量测面相对于水平方向倾斜第四角度，其中，于水平方向分光器在光源及参考面之间，且于垂直方向分光器在成像面及干涉量测面之间，其中，分光器上的任意点到参考面的在水平方向的距离等于分光器上的此点到干涉量测面的在垂直方向的距离，其中，当进行量测时，三维量测器件往待测物照射的光平行于垂直方向。

本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件，其中，相对于水平方向倾斜或平行的第三角度的成像面透过成像系统会有一对应的相对于水平方向倾斜或平行的物面，成像面与物面符合沙姆定律(Scheimpflug Principle)，且调整成像面的第三角度来使物面与倾斜的干涉量测面一致。

本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件，其中，反射器的表面使得从光源发出且穿透分光器的光在照射反射器时能有部分反射光平行于从光源发出且穿透分光器的光。

本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件，其中，当进行量测时，若待测物的表面的高度与干涉量测面一致，传感器测得最大干涉强度。

本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件，其中，传感器是面传感器，面传感器包含像素数组，其中，干涉量测面包含对应像素数组的对应列的多个量测线，倾斜的干涉量测面可视为判断不同高度的量测线的组合，其中，当进行量测时，若待测物的表面的高度与量测线一致，传感器的像素数组中的对应的像素测得最大干涉强度。

本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件，其中，反射器及传感器可转动，使得第二角度及第三角度可依第四角度的需求而调整。

本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件，其中，当进行量测时，三维量测器件或装有待测物的载台水平移动而可得到不同水平位置上的待测物的表面的高度。

本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件，其中，当进行量测时，三维量测器件或装有待测物的载台可连续移动而一次量测待测物的整个表面。

本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件，其中，成像系统至少包含以下的其中之一：反射镜组、透射镜组、或由反射镜和透射镜组成的镜组。

本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件，其中，反射器的表面为阶梯状。

如此，本发明至少具有以下的有利功效的一者或多者。因本发明的三维量测器件具有倾斜的干涉量测面，因此，不像传统的白光干涉仪必须垂直移动三维量测器件或载台而只能分次量测，本发明只需水平移动三维量测器件或载台即可进行量测，且因此可进行连续的量测，而不需要分次量测额外要求的精准定位系统。又，即使本发明的三维量测器件的干涉量测面是倾斜的，本发明的三维量测器件往待测物照射的光仍平行于垂直方向，因此不会有阴影或暗角的问题。再者，本发明的三维量测器件的高度分辨率可由像素数及干涉量测面的倾斜角决定，要达成高的高度分辨率很容易且成本低。又，本发明的三维量测器件不一定要用显微镜系统，且亦可使用照相机系统所用的大尺寸传感器、或视野更广、不同种类与倍率的镜头，甚至成像系统可使用远心系统，其建置成本可较低且建置方式较多元。因为本发明的不受限成像系统可为反射镜组、透射镜组、或由反射镜和透射镜组成的镜组系统，透射镜组例如常见的各类镜头通常设计给可见光，而使用反射镜组的光源适用范围更广，因此本发明的三维量测器件用的光源可使用可见光或不可见光。

【附图说明】

图1为传统的白光干涉仪1001的结构的光路图。

图2A为本发明的一实施方式的一例的三维量测器件2001的结构的光路图。

图2B为图2A的三维量测器件2001的一例的进一步说明的光路图。

图2C为图2A的三维量测器件2001的一例的进一步说明的光路图。

图3A为图2A的三维量测器件2001的一例的进一步说明图。

图3B为图3A的三维量测器件2001的一例的传感器2005的进一步说明图。

图3C为图3A的三维量测器件2001的反射器2004的一例的进一步说明图。

图4A、图4B及图4C为当进行量测时的图2A的三维量测器件2001的一例的示意说明图。

图4D为待测物4007的表面的高度分布的量测结果的一例的示意图。

图4E为干涉强度I对光程差D的一例的图。

【符号说明】

1000：光路

1001：传统的白光干涉仪

1002：光源

1003：分光器

1004：反射镜

1005：传感器

1006：成像系统

1007：待测物

1012：干涉量测面

2000：光路

2001：三维量测器件

2002：光源

2003：分光器

2004：反射器

2005：传感器

2006：成像系统

2010：参考面

2011：成像面

2012：干涉量测面

2013：物面

3005：面传感器

3012：量测线

4007：待测物

θ1：第一角度

θ2：第二角度

θ3：第三角度

θ4：第四角度

d1：距离

d2：距离

h1：高度分辨率

h2：高度量测范围

s1：传感器尺寸

s2：像素尺寸

Px：像素

P1：像素

P2：像素

P3：像素

P4：像素

P5：像素

P6：像素

H1：高度

H2：高度

H3：高度

H4：高度

D：光程差

I：干涉强度

【具体实施方式】

以下，参照图式对本发明的实施方式、实施例及例子进行说明。需要注意的是，本发明的实施方式、实施例及例子的详细内容可变换为不同的形式而不脱离本发明的整体的范畴，故本发明不应仅单纯限定于以下所述的实施方式、实施例及例子中，而应是亦包含不超出本发明的整体的范畴的合理的变化，且本发明的实施方式、实施例及例子可任意地合理组合。

以下，参照图2A、图2B、图2C、图3A、图3B、图3C、图4A、图4B、图4C、图4D及图4E详细说明本发明的实施方式。

图2A为本发明的一实施方式的一例的三维量测器件2001的结构的光路图，其中光路2000以粗直线表示。参照图2A，本发明的一实施方式的一个例子可为一种三维量测器件2001，包含：光源2002、分光器2003、反射器2004、传感器2005、成像系统2006。分光器2003相对于水平方向(x-y方向，于图2A中y方向平行于入纸面方向，且于图2A中示意地显示以相对于x方向倾斜的例子)倾斜第一角度θ1。反射器2004的表面对应参考面2010(此参考面2010为虚拟面，以虚线表示)，参考面2010相对于垂直方向(z方向)倾斜第二角度θ2。传感器2005的表面对应成像面2011(此成像面2011为虚拟面，以虚线表示)，成像面2011相对于水平方向倾斜第三角度θ3或与水平方向平行。成像系统2006位于分光器2003和传感器2005之间，其中，三维量测器件2001具有干涉量测面2012(此干涉量测面2012为虚拟面，以虚线表示，其指当待测物于干涉量测面2012处，传感器2005得到对应的最大干涉强度)，干涉量测面2012相对于水平方向倾斜第四角度θ4。于水平方向分光器2003在光源2002及参考面2010之间，且于垂直方向分光器2003在成像面2011及干涉量测面2012之间。分光器2003上的任意点到参考面2010的在水平方向的距离d1等于分光器2003上的此点到干涉量测面2012的在垂直方向的距离d2。当进行量测时，三维量测器件2001往待测物照射的光平行于垂直方向。

注意，此图2A仅为示意性的光路图，光路图包含成像、照明与干涉系统的光路，实际的光路图可能依这三个系统的不同型式而调整。或是，当其它光学组件额外设置于光路间时，光路会有所不同。只要符合本发明的精神的光路设置，皆落入本发明的范围。于本发明的一个例子，甚至成像系统2006及用于干涉的分光器2003的位置亦可随需要而设置于光路间的其它位置。

本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件2001，其中，反射器2004及传感器2005可转动，使得第二角度θ2及第三角度θ3可依第四角度θ4的需求而调整。如此，可调整高度的量测范围及分辨率，并同时得到清楚的表面成像与干涉强度。

本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件2001，其中，当进行量测时，若待测物的表面的高度与干涉量测面2012一致，传感器2005测得最大干涉强度。亦即，若「从光源2002发出的光透射分光器2003到达反射器2004，接着在反射器2004反射后到达分光器2003，且再由分光器2003反射后到达传感器2005的光程」等于「从光源2002发出的光在分光器2003反射后到达干涉量测面2012，而此处的干涉量测面2012与待测物此处的表面一致，接着从待测物此处的表面反射到达分光器2003，且再透射分光器2003到达传感器2005的光程」时，传感器2005测得最大干涉强度。

图2B为图2A的三维量测器件2001的一例的进一步说明的光路图，其各组件编号与图2A相同，为了避免过度复杂造成混淆，部分重复的组件不再标示。本发明的一实施方式的一例子的三维量测器件2001中，成像面2011因成像系统2006会对应一物面2013(此物面2013为虚拟面，以虚线表示，于图2B显示物面2013与干涉量测面2012一致的一例)，亦即当待测物在物面2013上时，于成像面2011会得到最清楚的成像。本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件2001，其中，第三角度θ3与第四角度θ4的设置使得成像面2011与物面2013符合沙姆定律(Scheimpflug Principle)且物面2013与干涉量测面2012重合，如此，最大干涉强度之处与成像最清楚之处一致，因而可在得到最清楚的量测表面成像的同时得到最大干涉强度。

图2C为图2A的三维量测器件2001的一例的进一步说明的光路图，其各组件编号与图2A相同，为了避免过度复杂造成混淆，部分重复的组件不再标示。本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件2001，当成像系统2006及传感器2005提供足够的景深时，成像面2011的倾斜可与理想有差异，或是没有倾斜，仍可获得成像，但需牺牲部分的成像质量。亦即，此时物面2013与干涉量测面2012不重合，故最大干涉强度之处与成像最清楚之处不一致，当成像系统2006及传感器2005提供足够的景深时，虽需牺牲部分的成像质量，传感器2005仍可看到最大干涉的成像。图2C为当成像面2011没有倾斜时，亦即当成像面2011与水平方向平行时的一个例子。此时物面2013与干涉量测面2012不重合，故需由成像系统2006及传感器2005提供足够的景深以达成高度量测。

参照图2A，本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件2001，其中，成像系统2006例如可至少包含以下的其中之一：反射镜组、透射镜组、或由反射镜和透射镜组成的镜组。本发明的一实施方式的一例子，光源2002的光谱宽幅影响发生干涉的范围。当干涉范围窄，三维量测器件2001可以更准确判断物体表面高度位置。

图3A为图2A的三维量测器件2001的一例的进一步说明图，其各组件编号与图2A相同，为了避免过度复杂造成混淆，部分重复的组件不再标示。图3B为图3A的三维量测器件2001的传感器2005的一例的进一步说明图。图3C为图3A的三维量测器件2001的反射器2004的一例的进一步说明图。

参照图3A及图3B，本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件2001，其中，传感器2005是面传感器3005，面传感器3005包含像素数组，其中，干涉量测面2012包含对应像素数组的对应列的用于量测不同高度的多个量测线3012(此量测线3012为平行于入纸面方向的虚拟的线，在图3A的截面中仅为一点，以圆圈及点表示)，其中，当进行量测时，若待测物的表面的高度与量测线3012一致，传感器2005的像素数组2025中的对应的像素Px测得最大干涉强度。面传感器3005例如可为长方形或正方形的二维像素数组。

参照图3A，本发明的高度分辨率h1受像素数影响，其中，像素数＝传感器尺寸s1/像素尺寸s2，当像素数越多，高度分辨率h1越小，即高度分辨率越高。又，本发明的高度量测范围h2受第四角度θ4(请参照图2A)影响，当第四角度θ4越大，高度量测范围h2越大。而本发明的高度分辨率h1亦受第四角度θ4影响，当第四角度θ4越小，高度分辨率h1越小，即高度分辨率越高。如此，由像素数、倾斜角的调整即可得到想要的高度分辨率h1及高度量测范围h2。

参照图3A及图3C，本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件2001，其中，反射器2004的表面使得从光源2002发出且穿透分光器2003的光在照射反射器2004时能有部分反射光平行于从光源2002发出且穿透分光器2003的光。

参照图3C，本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件2001，其中，反射器2004的表面为阶梯状，使得对于反射器2004的表面的入射光与反射光平行。本发明的一实施方式的一例子，反射器2004的表面具有闪耀光栅(Blazed grating)结构。

本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件2001，其中，反射器2004可更换，可依第二角度θ2的范围的不同而使用具有不同结构的表面，如此，可得到更好的反射效果。于一例子，反射器2004可依第四角度θ4的范围的需求不同而使用具有不同结构的表面，如此，干涉量测面2012得以与物面2013一致。

图4A、图4B及图4C为当进行量测时的图2A的三维量测器件2001的一例的示意说明图。图4D为待测物4007的表面的高度分布的量测结果的一例的示意图。图4E为干涉强度I对光程差D的一例的图。其各组件编号与图2A及图3A相同，为了避免过度复杂造成混淆，部分重复的组件不再标示。

参照图4A、图4B、图4C及图4D，本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件2001，其中，当进行量测时，三维量测器件2001或装有待测物4007的载台水平移动而可得到不同水平位置上的待测物4007的表面的高度。参照图4A，水平移动来让像素P1至P6进行量测，当三维量测器件2001与待测物4007的水平位置移动到图4A的情况，高度与干涉量测面2012的量测线3012一致处的待测物4007的表面处，只会在对应的像素P1测得最大干涉强度，而像素P2、P3、P4、P5及P6在此表面处测得的干涉强度非最大，故可得待测物4007的此处表面的高度为由像素P1对应的高度H1。注意，像素Px对应的方式会依成像系统2006而不同，于此所示的为成像系统2006使光路上下左右颠倒的一例。参照图4B，当三维量测器件2001与待测物4007的水平位置移动到图4B的情况，高度与干涉量测面2012的量测线3012一致处的待测物4007的表面处，只会在对应的像素P3测得最大干涉强度，而像素P1、P2、P4、P5及P6在此表面处测得的干涉强度非最大，故可得待测物4007的此处表面的高度为由像素P3对应的高度H3。参照图4C，当三维量测器件2001与待测物的水平位置移动到图4C的情况，于待测物4007的表面的高度与干涉量测面2012的量测线3012一致的三处，这三个表面位置会分别在对应的像素P1、P2及P3测得最大干涉强度，故可得待测物4007的此三处表面的高度为由像素P1、P2及P3对应的高度H1、H2及H3。参照图4D，分析每个位置测得最大干涉强度对应的像素所对应的高度H1、H2、H3、H4，即可建立每个位置的高度分布，而得到待测物4007表面的三维形貌。

于图4E中，横轴为光程差D且纵轴为干涉强度I。于此，定义光程差D等于「从光源2002发出的光透射分光器2003到达反射器2004，接着在反射器2004反射后到达分光器2003，且再由分光器2003反射后到达传感器2005的光程」减去「从光源2002发出的光在分光器2003反射后到达待测物4007表面的特定处，接着从待测物4007此特定处的表面反射到达分光器2003，且再透射分光器2003到达传感器2005的光程」，亦即，光程差D等于「从分光器2003到干涉量测面2012的距离」减去「从分光器2003到待测物4007的表面的特定处的距离」。干涉图案强度的变化随光程差D的不同有所不同，当光程差D为0时，干涉强度I有最大的干涉强度发生。

本发明的一实施方式的一例子可为一种三维量测器件2001，其中，当进行量测时，三维量测器件2001或装有待测物4007的载台可连续移动而一次量测待测物4007的整个表面。例如，可连续移动而一次量测完整的晶圆的表面。

如此，本发明的以上的实施方式的例子的一者或多者至少具有以下的有利功效的一者或多者。因本发明的三维量测器件2001具有倾斜的干涉量测面2012，因此，不像传统的白光干涉仪必须垂直移动三维量测器件或载台而只能分次量测，本发明只需水平移动三维量测器件2001或载台即可进行量测，且因此可进行连续的量测，而不需要分次量测额外要求的精准定位系统。又，即使本发明的三维量测器件2001的干涉量测面2012是倾斜的，本发明的三维量测器件2001往待测物照射的光仍平行于垂直方向，因此不会有阴影或暗角的问题。再者，本发明的三维量测器件2001的高度分辨率h1可由像素数及干涉量测面2012的倾斜角决定，要达成小的高度分辨率h1很容易且成本低。又，本发明的三维量测器件2001不一定要用显微镜系统，且亦可使用照相机系统所用的大尺寸传感器、或视野更广、不同种类与倍率的镜头，甚至是成像系统可使用远心系统，其建置成本可较低且建置方式较多元。因为本发明的三维量测器件2001不受限成像系统2006可为反射镜组、透射镜组、或由反射镜和透射镜组成的镜组系统，透射镜组例如常见的各类镜头通常设计给可见光，而使用反射镜组的光源适用范围更广，因此本发明的三维量测器件2001用的光源2002可使用可见光或不可见光。

Claims (10)

1.一种三维量测器件，其特征在于，包含：

光源；

分光器，所述分光器相对于水平方向倾斜第一角度；

反射器，所述反射器的表面对应参考面，所述参考面相对于垂直方向倾斜第二角度；

传感器，所述传感器的表面对应成像面，所述成像面相对于水平方向倾斜第三角度或与水平方向平行；

成像系统，所述成像系统位于所述分光器和所述传感器之间；

其中，所述三维量测器件具有干涉量测面，所述干涉量测面相对于水平方向倾斜第四角度，

其中，于水平方向所述分光器在所述光源及所述参考面之间，且于垂直方向所述分光器在所述成像面及所述干涉量测面之间，

其中，所述分光器上的任意点到所述参考面的在水平方向的距离等于所述分光器上的所述点到所述干涉量测面的在垂直方向的距离，

其中，当进行量测时，所述三维量测器件往待测物照射的光平行于垂直方向。

2.一种三维量测器件，其特征在于，包含：

光源；

分光器，所述分光器相对于水平方向倾斜第一角度；

反射器，所述反射器的表面对应参考面，所述参考面相对于垂直方向倾斜第二角度；

传感器，所述传感器的表面对应成像面，所述成像面相对于水平方向倾斜第三角度；

成像系统，所述成像系统位于所述分光器和所述传感器之间，

其中，所述三维量测器件具有干涉量测面，所述干涉量测面相对于水平方向倾斜第四角度，

其中，于水平方向所述分光器在所述光源及所述参考面之间，且于垂直方向所述分光器在所述成像面及所述干涉量测面之间，

其中，所述分光器上的任意点到所述参考面的在水平方向的距离等于所述分光器上的所述点到所述干涉量测面的在垂直方向的距离，

其中，当进行量测时，所述三维量测器件往待测物照射的光平行于垂直方向，

其中，所述第三角度与所述第四角度的设置使得所述成像面与物面符合沙姆定律(Scheimpflug Principle)且所述物面与所述干涉量测面一致。

3.一种三维量测器件，其特征在于，包含：

光源；

分光器，所述分光器相对于水平方向倾斜第一角度；

反射器，所述反射器的表面对应参考面，所述参考面相对于垂直方向倾斜第二角度；

传感器，所述传感器的表面对应成像面，所述成像面相对于水平方向倾斜第三角度；

成像系统，所述成像系统位于所述分光器和所述传感器之间，

其中，所述三维量测器件具有干涉量测面，所述干涉量测面相对于水平方向倾斜第四角度，

其中，于水平方向所述分光器在所述光源及所述参考面之间，且于垂直方向所述分光器在所述成像面及所述干涉量测面之间，

其中，所述分光器上的任意点到所述参考面的在水平方向的距离等于所述分光器上的所述点到所述干涉量测面的在垂直方向的距离，

其中，当进行量测时，所述三维量测器件往待测物照射的光平行于垂直方向，

其中，所述反射器的表面使得从所述光源发出且穿透所述分光器的光在照射所述反射器时能有部分反射光平行于从所述光源发出且穿透所述分光器的所述光。

4.如权利要求1至3中的任一项的三维量测器件，其特征在于，

当进行量测时，若所述待测物的表面的高度与所述干涉量测面一致，所述传感器测得最大干涉强度。

5.如权利要求1至3中的任一项的三维量测器件，其特征在于，

所述传感器是面传感器，所述面传感器包含像素数组，

其中，所述干涉量测面包含对应所述像素数组的对应列的多个量测线，

其中，当进行量测时，若所述待测物的表面的高度与所述量测线一致，所述传感器的所述像素数组中的对应的像素测得最大干涉强度。

6.如权利要求1至3中的任一项的三维量测器件，其特征在于，

所述反射器及所述传感器可转动，使得所述第二角度及所述第三角度可依所述第四角度的需求而调整。

7.如权利要求1至3中的任一项的三维量测器件，其特征在于，

当进行量测时，所述三维量测器件或装有所述待测物的载台水平移动而可得到不同水平位置上的所述待测物的表面的高度。

8.如权利要求1至3中的任一项的三维量测器件，其特征在于，

当进行量测时，所述三维量测器件或装有所述待测物的载台可连续移动而一次量测所述待测物的整个表面。

9.如权利要求1至3中的任一项的三维量测器件，其特征在于，

所述成像系统至少包含以下的其中之一：反射镜组、透射镜组、或由反射镜和透射镜组成的镜组。

10.如权利要求3的三维量测器件，其特征在于，

所述反射器的所述表面为阶梯状或具有闪耀光栅(Blazed grating)结构。