CN1322304C - 干涉扫描装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干涉扫描装置，是借由反射器的结构改良，使反射器的各别区域具有彼此相异的光程，让每一瞬间各区域各自获得不同光程的干涉资讯，随后整合各瞬间的资讯，借由计算干涉单元的移动速率，找出特定待测位置在各瞬间的资料，即可模拟对该位置的升降量测。所以本发明的干涉扫描装置在每次量测时，只需将干涉单元在同一高度平移，自然能获得目前干涉仪升降的量测结果；而大幅提升扫描速度与精度，解决目前产业界无法提升干涉检测速度的重大困扰。

Description

干涉扫描装置及方法

技术领域

本发明涉及一种干涉扫描的装置与方法，特别是涉及一种应用一步阶状镜片产生光程差，达到干涉仪光程变化效果的轮廓扫描装置及方法。

背景技术

随着科技的进步与制程的改善，半导体、平面显示器、微机电、光通讯等领域的制程线宽逐年下降，单位体积的元件数快速成长，尤其奈米技术的应用，把制程推向新的境界；随着制程尺寸的缩小，对于品质的管控愈形困难，以薄膜电晶体-液晶显示器的制程为例，在制程中液晶量乃由两片玻璃间的间格柱或是间格球来控制，间格柱或间格球的尺寸小于5微米，高度需控制在奈米等级，以往的表面形貌检测，是以白光干涉为主，其它如半导体、微机电、生医、光通讯领域都需要针对布植在晶圆或玻璃上的元件进行检测，始能确保产品品质，然而，为了降低成本，批次制程的面积越来越大，如半导体晶圆扩大到12时，玻璃基板也增加到超过两公尺，制程确实加速，但是在要求检测精度的同时，检测速度却无法符合业界的需求。如何提升检测速度并保有检测精密度，已成为业界亟需解决的制程瓶颈。

目前对于半导体、平面显示器、微机电、光通讯与生医产业的表面形貌或表面微细结构的检验，是以白光干涉仪作为检测工具，如图1、2所示，将位于图面右侧的光源90发射的原始光束经一半透镜91反射、以及显微物镜92将平行光收敛，再入射至例如一迈克森干涉仪(Michelson Interferometer)8，此干涉仪8放大如图2所示，由一分光棱镜81将自上至下的原始光束100分为向右行进的参考光束200、与向下行进的物体光束300，而参考光束200再被右侧的反射镜82反射，物体光束300则受下方置放于载台93上的待测物7待测表面70区域反射，当反射参考光束与反射物体光束的光程相同(或差距恰为整数波长)，则产生建设性干涉；相反地，当光程差恰为半个波长，则产生破坏性干涉。

配合图1至图3所示，在此，为使量测值更精确，所用的光源90为白光光源，使得原始光束100几乎不具空间同调性，同调长度甚短，使得待测物7表面轮廓的空间解析度更细致。所以当干涉仪8如图3所示沿Z轴的高度方向，针对同一待测表面区域70进行微小升降，即可分别由CCD模块94测得待测物7表面70反射物体光束区域点1及点2的建设性干涉位置，而由影像卡95将资讯输入一计算机96，计算出点1及点2的高度101及102；整合所有测得的高度，即为表面70微细结构的形貌高度资料。

但是如上述，由于每一次检测，只能针对物体光束300所涵盖的面积进行量测，且每次量测都需等候干涉仪8的机械式升降，所以量测每一待测区域都必须耗费相当时间。当待测物面积较大、无法被单一物体光束300全面涵盖，就需分区域测量；尤其若物体光束300所能涵盖面积远小于待测物尺寸，如现行的液晶显示器用玻璃基板，若当真逐区域检测其表面形貌高度，势必严重延宕产品出货速度。

因此，目前的实际检测流程只如图4所示，在整片玻璃基板7表面70的少数特定位置71进行检测(绘有虚线圈围标示处)，至于虚线标示区域71外，则以少数数据推估，造成制程上很大的不确定，影响品质甚巨。是以，如何在不增加检验仪器的成本下，有效增进检测速度与精度，即成为业界瞩目的重点。

发明内容

因此，本发明的目的即在提供一种可检测大尺寸待测物表面的干涉扫描装置。

本发明的另一目的在提供一种量测迅速的干涉扫描装置。

本发明的再一目的在提供一种可迅速检测待测物表面的干涉扫描方法。

所以本发明的干涉扫描装置，是供侦测一待测物表面形貌高度，该装置包括：

一光源，用以射出一原始光束；

一干涉单元，包含一分/合光器，供将该原始光束分光为沿一参考方向行进的一参考光束、及沿一物体方向行进的一物体光束；及一反射器，是垂直于该参考方向设置于该参考光束行进路线中，供反射该参考光束返回该分/合光器，该反射器具有一区分为复数区域的反射面，且该反射面的各相邻反射区域与该分/合光器间的光程分别具有一步阶状光程差；

一载台，用以承载该待测物，使该待测物的一待测表面是暴露于该物体光束行进路线中，且至少部分反射该物体光束返回该分/合光器；

一光学影像感测单元，用以接收该分/合光器汇聚的该反射参考光束及该反射物体光束干涉的光学影像资料，并转为电信号输出；以及

一控制单元，用以接收并处理来自该光学影像感测单元的电信号，以及控制该载台相对于该干涉单元与光学影像感测单元沿垂直该物体方向的一移动方向移动。

由此，本发明的干涉扫描装置在每次量测时，只需将干涉单元在同一高度平移，借由反射器的各别区域光程各异，自然获得相当于既有技术中干涉仪升降的量测结果；所以能大幅度增加扫描面积、提升扫描速度与精度，解决目前业界的重大困扰。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

图1是目前表面形貌量测装置的结构示意图。

图2是目前表面形貌量测装置中干涉仪部分的示意图。

图3是量测原理的示意图。

图4是依照目前表面形貌量测装置量测玻璃基板的量测区域示意图。

图5是本发明第一较佳实施例干涉单元部分的示意图。

图6是图5所用反射器的侧视示意图。

图7是本发明的扫描量测流程图。

图8是依照图5实施例进行量测的时序关系示意图。

图9是本发明第二较佳实施例干涉单元部分的示意图。

图10是本发明第三较佳实施例干涉单元部分的示意图。

具体实施方式

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。凡与以往技术相同的结构，均以相同的标号标示，且为了方便于说明起见，反射器的结构比例于图标中将有夸张的放大。

本发明的干涉扫描装置与以往技术同样可采用白光光源，也同样需将待测物置放于一载台上，所以本发明整体的扫描装置可大致参照图1所示，图5中只将结构特征所在的干涉单元放大绘示。且在本例中，是以载台(图未示)可沿图式的左右方向移动为例。

图5所例示者为Mirau干涉仪的架构，来自光源(图未示)的原始光束100由上向下，经过一显微物镜92收敛后；如图7的流程所示，在步骤31由分光片11将原始光束100分为向上反射的参考光束200、以及向下行进的物体光束300；随后于步骤32，参考光束200随即入射至反射器12，物体光束300也照射至待测表面70。

在本实施例中，如图6所示，反射器12是由一玻璃基材121及反射层122所构成的特殊反射镜片，玻璃基材121具有步阶状的表面，反射层122即涂布于该表面上，使得反射器12沿图式的左右方向，被区分为复数道沿垂直纸张表面方向延伸的反射区域120。

本例中，各反射区域120不只彼此走向平行排列，且相邻反射区域中，图中偏左侧的区域基材较厚、右侧的区域基材较薄，所以当反射层122是向下面对分光片11设置时，左侧反射区域与分光片11间的光程较短、右侧反射区域光程较长，当每一对相邻反射区域间的光程差都一致时(例如为Δd)，要计算两不同反射区域光程差，只要沿图式中X轴(左右方向)度量其各自位置，即可算出该二反射区域在Z轴方向的光程差究竟为几倍的Δd。

再随后于步骤34、35，反射自反射器12的参考光束与反射自待测表面70的物体光束均返回分光片11，并于分光片11处合光而汇聚为一光学干涉影像，由类似图1所示的光学影像感测单元(CCD94)及控制单元(计算机96)转换为电信号并分别纪录来自各反射区域的干涉信号。步骤36时，由控制单元驱动载台向右移动，并且在步骤37判断是否已经移动到待测表面尽头、或是到达一预定的停止位置，若尚未到达，则在步骤38持续上述步骤31至36。

由于各反射区域120与分光片11的光程各不相同，如图8所示，将反射器12以相邻的三个区域1201、1202、1203为例，并且界定步骤31至35的感测、纪录时间为第一时间101，而步骤38的感测、纪录时间为第二时间102。

第一时间101时，反射器12左反射区域1201的反射光恰与待测表面70的4区反射光相干涉、中央反射区域1202则与5区干涉、右反射区域1203对应6区；至第二时间102时，载台携带待测物右移一距离3，此时改由中央反射区域1202的反射光与待测表面的4区反射光干涉、反射区域1203则对应5区。由于左、中央、右反射区域1201、1202、1203两两相差Δd的光程，使得第一时间101时所获得的1201与4区干涉资料相较于第二时间102时所获得的1202与4区干涉资料，在参考光部分，恰相差Δd的光程。

亦即，当步骤39整合分别在两不同时间101、102感测、纪录的资料，并计算载台位移量3而推知参考光部分的光程差后，即可补偿修正而将两笔资料中，对应待测表面相同区域(例如4区)的信号取出比对，模拟以往技术中干涉仪沿Z轴移动、进行量测的效果。

当然，如熟于此技术者所能轻易理解，实际量测时，移动与量测过程可以等速持续进行，并不需要在特定时间101、102停顿；且图8中为说明起见，是将干涉单元等机构左移，以呈现载台右移的效果，但是在实际状况下，只需让待测物相对于干涉单元移动，至于到底是由载台移动、或干涉单元移动均无伤大雅。

此外，熟悉光学机构者均知，尚有多种类似的干涉架构均可依照本发明的揭露而获得类似效果增进。如图9所示的迈克森干涉仪架构，或图10所示的Linnik干涉仪架构，均可作为本案的干涉单元。

第二较佳实施例如图9所示，与前述第一实施例的主要差异，一方面在参考光束200行进方向、与反射器12’的放置位置，另方面，由于本案的主要结构特征是使反射器12被区分为复数区域、且各反射区域与分/合光器11’间的光程各异；所以不只可将反射层设置于步阶状的基材前，也可将透明基材121’置于于较接近分/合光器11’位置，让参考光束因所行经的透明基材121’厚度不一，且透明基材121’的光折射率较空气大，造成反射层122’与分/合光器11’实际距离相等、却有光程差存在的光学架构。

第三较佳实施例如图10所示，则与第二实施例大致相似，主要差异是将原置放于分光棱镜11”上游的单一显微物镜，改为分别置放于参考光束200行进路线及物体光束300行进路线的两组显微物镜92”；至于反射器12”，也可考虑将反射层122”设置于透明基材121”形成有步阶状的表面，并以透明基材121”较平整的表面朝向分光棱镜11”，使得参考光束需先行经各反射区域不同厚度的透明基材部分，再被反射层122”反射。

归纳上述，本发明的干涉扫描装置及方法，在改变反射器的实际结构后，让反射器相对待测物进行水平方向移动，即可在一瞬间对待测表面的各区进行参考光程各自不同的干涉；随时间递移，待测表面各区相对移动，即可模拟获得干涉仪升降所得资讯。相较于以往技术原本分别要在水平方向移动干涉移到定位，再停滞于该定位而升降干涉仪，感测完毕还要重复平移干涉仪至下一预定位置，本案只需单纯平移干涉仪，完全无须进行升降动作，大幅增进检测速度、也使全面检测成为可能，所以本发明揭露的结构与方法确实能达到本案的目的。惟以上所述者，只为本发明的较佳实施例而已，不能以此实施例的揭露限定本发明实施的范围；尤其熟于此技者皆可轻易理解，前述步骤31至34的分光、反射、合光、感测等，在实际量测时几乎同时发生，并无实际的先后顺序。所以大凡依本发明申请专利范围及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本案专利涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种干涉扫描装置，是供侦测一待测物表面轮廓，其特征在于：该装置包括：

一光源，用以射出一原始光束；

一干涉单元，包含

一分/合光器，供将该原始光束分光为沿一参考方向行进的一参考光束，和沿一自该分/合光器朝向该待测物体的物体方向行进的一物体光束，及

一反射器，是垂直于该参考方向设置于该参考光束行进路线中，供反射该参考光束返回该分/合光器，该反射器具有一区分为多个区域的反射面，且该反射面的各相邻反射区域与该分/合光器间的光程分别具有一步阶状光程差；

一载台，用以承载该待测物，使该待测物的一待测表面是暴露于该物体光束行进路线中，且使该待测表面至少部分反射该物体光束返回该分/合光器；

一光学影像感测单元，用以接收该分/合光器汇聚的该反射参考光束及该反射物体光束干涉的光学影像资料，并转为电信号输出；以及

一控制单元，用以接收并处理来自该光学影像感测单元的电信号，以及控制该载台相对于该干涉单元与光学影像感测单元沿垂直该自该分/合光器朝向该待测物体的物体方向的一移动方向移动。

2.如权利要求1所述的干涉扫描装置，其特征在于：

该光源是一白光光源。

3.如权利要求1所述的干涉扫描装置，其特征在于：

该反射器是一镜片，且该反射面的相邻区域是彼此平行分布，各该区域的走向均同时垂直于该参考方向、该自该分/合光器朝向该待测物体的物体方向、及该移动方向。

4.如权利要求3所述的干涉扫描装置，其特征在于：

该镜片具有一表面呈步阶状落差的基材以及涂布于该步阶状表面的反射层，且涂布有该反射层的该表面是朝向该分/合光器设置。

5.如权利要求3所述的干涉扫描装置，其特征在于：

该镜片具有一表面呈步阶状落差的基材以及涂布在相反于该步阶状表面的反射层，且涂布有该反射层的该表面是相对于该步阶状是远离该分/合光器设置。

6.如权利要求1所述的干涉扫描装置，其特征在于：

该干涉扫描装置更包括位于该光源与该分/合光器间的一显微物镜，借此收敛该原始光束。

7.如权利要求1所述的干涉扫描装置，其特征在于：

该干涉扫描装置更包括分别位于该分/合光器与该反射器间、及该分/合光器与该待测物间的二显微物镜。

8.一种轮廓扫描方法，是供侦测一待测物表面轮廓，其特征在于：

该方法包括下列步骤：

a)将来自一光源的一原始光束经一分/合光器，分光为沿一参考方向行进的一参考光束、及沿一物体方向行进的一物体光束，前述物体方向是自该分/合光器朝向该待测物体的方向；

b)将该参考光束射至具多个不同区域的一反射器，且该反射器各该相邻区域的反射面与该分/合光器间的光程分别具有一步阶状光程差；并将该物体光束射至该待测物的一待测表面；

c)汇聚反射自该反射器的该反射参考光束、及反射自该物体的该反射物体光束；

d)接收该汇聚光束的光学干涉影像资料，并转为电信号输出；

e)分别纪录对应该反射器各反射区域的干涉电信号资料；

f)将该待测物相对该分/合光器及该反射器沿垂直该物体方向的一移动方向移动一预定距离，并纪录该位移量；

g)重复该步骤a)至e)；以及

h)将步骤g)所得对应各该反射区域的干涉电信号，经加计步骤f)的位移量补偿修正后，与进行步骤f)前的步骤e)所得对应各该反射区域的干涉电信号比对，以推算该待测物该待测表面轮廓。

Images