CN1952594A - 形貌测量方法及其测量装置 - Google Patents

Abstract

一种形貌测量方法(surface profile measuringmethod)，是以一宽频光源经分光镜分束后，分别照射待测物体表面与一参考面，由两个表面的反射光产生干涉，以一固定步幅，改变物体表面与分光镜的距离，产生一高度值对应于光强度的干涉图谱。接下来，扫描此干涉图谱，找出对应于最大光强度的第一干涉条纹。然后，于第一干涉条纹及其附近的干涉条纹中，使用干涉图谱对称性原则，找出对称性最佳的一第二干涉条纹。随后，在此第二干涉条纹上，利用相位补偿法，计算出第二干涉条纹的波峰所对应的零光程差处，即为待测物体表面的高度值。

Description

形貌测量方法及其测量装置

技术领域

本发明是关于一种形貌测量方法(Surface Profile Measuring Method)及其测量装置，尤其是一种透过使用宽频光源，以非接触的方式进行的形貌测量方法及其测量装置。

背景技术

利用白光干涉(white light interferometry)的特性，以非接触方式对物体表面形貌进行测量的形貌测量装置，是广泛应用于对精密度有高度要求的产品，诸如：半导体晶片、液晶显示器的玻璃面板等。

请参照图1所示，是一典型非接触式形貌测量装置的示意图。如图中所示，此形貌测量装置具有一宽频光源10、一准直透镜(collimation lens)20、一45度分光镜(Splitter)30、一成像目镜40、一影像感测装置50、一干涉显微物镜组60、一扫描平台70与一计算机系统80。宽频光源10所提供的光线，透过准直透镜20形成平行光，投射至45度分光镜30。此平行光是受到45度分光镜30的反射，照射至干涉显微物镜组60。

干涉显微物镜组60是位于扫描平台70的上方，并且，对准扫描平台70所承载的待测物体90的表面。此干涉显微物镜组60具有一显微物镜62、一反射镜64与一分光镜(beam splitter)66。其中，显微物镜62是位于反射镜64的上方，而反射镜64是位于分光镜66的上方。来自45度分光镜30的光线，透过显微物镜62，照射至分光镜66，而被分光镜66分成两道光线。其中一道光线是照射至反射镜64，而另一道光线则是照射至待测物体90表面。

此二道光线分别经由反射镜64与待测物体90表面反射后，投射回分光镜66再度重合。值得注意的是，由于此二道光线行经距离的差异(即此二道光线的光程差(Optical Path Difference，OPD))，将在重合后的光线内产生干涉效果。而此光线再向上投射，经过显微物镜62与45度分光镜30，最后，透过成像目镜40聚焦于影像感测装置50。

前述二道光线的光程差的大小，是受到干涉显微物镜组60与扫描平台70的距离的影响。因此，通过改变干涉显微物镜组60或是扫描平台70的垂直位置，即可改变光程差的大小，而使影像感测装置50接收到一系列具有不同光程差的干涉影像。透过计算机系统80分析，计算此一系列干涉影像中，各个像素位置在不同的干涉影像中的光强度，即可形成如图2的干涉图谱。此干涉图谱是一理想的干涉图谱，透过计算此干涉图谱中的波包的峰值，即可推导出零光程差的位置，以确认此像素位置所对应的高度。以同样的方式，计算其它像素位置所对应的高度，即可得到此待测物体90的表面形貌。

基本上，计算干涉图谱的波形峰值的方法大致可分为两类：一是相移法(phase shifting interferometry，PSI)，一是垂直扫描干涉法(verticalscanning interferometry，VSI)。

相移法是利用干涉图谱的规律的频率相位变化，透过撷取相位信息、解相位与相位重建等步骤，计算干涉图谱实际上的峰值的位置，以计算出物体的表面形貌。值得注意的是，相移法是适用于表面平滑的待测物体，一旦待测物体表面有较大的高度差(所形成的干涉影像中，相邻二像素高度差大于光波长的四分之一)，相移法便无法正确求得物体的表面形貌。

垂直扫描干涉法是利用干涉图谱对称于零光程差处，以及干涉图谱在零光程差处的光强度最大的特性，分析干涉图谱，找出零光程差的位置，并藉以计算物体的表面形貌。值得注意的是，垂直扫描干涉法虽然并不受到待测物体表面的高度差的限制，但是，在测量的精确度上，却不及相移法。以下系列举一些用以估算零光程差位置的技术。

美国专利案第5633715号是使用质心法(Centroid Approach)，以干涉图谱的质心位置为零光程差的位置，藉以计算出待测表面的垂直高度。此方法虽然具有速度快的优点，但是，若是干涉图谱在波包处的干涉条纹不对称，则以质心法计算的质心位置，必然与零光程差的位置有明显的误差产生。此外，不可避免的，在以质心法计算质心位置的过程中，亦将干涉图谱内的噪声一并计算进去。因此，在系统噪声比较大或是干涉图谱的垂直扫描范围较大(通常是使用于表面高度的范围较大的待测物体)的情况下，此方法的量测误差将更形明显。

美国专利案第5133601号的方法在形成干涉图谱的过程中，是以相位差为90度的扫描步幅进行垂直扫描，以获得干涉图谱。随后，再利用干涉图谱在零光程差处，其干涉条纹的光强度对比最大的特性，以干涉图谱上，连续三点或五点的光强度数据，求取其光强度对比，以寻找干涉条纹光强度对比最大处(亦即寻找零阶干涉条纹(central fringe))。接下来，再以相位补偿的方式，在此寻得的零阶干涉条纹上，精确求取零光程差的位置。

基本上，此方法具有下列缺点：一、条纹对比的计算量庞大，需要耗费相当多的时间；二、此方法对于噪声的抵抗能力不佳，一旦在零阶干涉条纹附近有明显的噪声，所求得光强度对比最大的干涉条纹偏离零阶干涉条纹，则后续计算所获得的零光程差位置，将与实际上的零光程差位置有360度相位差的整数倍的差异。

美国专利案第5398113号的方法是利用傅利叶转换(Fourier analysis)等频域转换方式，将垂直扫描所获得的干涉信息转移至频率域(frequencydomain)做一系列处理，再搭配最小平方逼近法(least square fitting)推算零光程差位置。值得注意的是，此方法虽然可以精确计算出待测物体的表面形貌，但是，频域转换与最小平方逼近法所产生的资料量却非常庞大，而需要耗费相当多的时间。

如前所述，公知方法在估算零光程差的过程，或是无法有效排除噪声的影响，而容易产生误差，或是在计算过程中产生庞大的资料量，而耗费大量的时间，而无法同时兼顾量测的精确度与运算的速度。

发明内容

本发明的目的，是提供一种形貌量测方法，可以有效降低干涉图谱内的噪声的影响。

本发明的另一目的，是提供一种形貌量测方法，在顾及量测精确度的前提，同时顾及运算速度的需求。

本发明所提供的形貌测量方法(surface profile measuring method)，是用以准确且快速地在干涉图谱中，确认零光程差的位置。首先，扫描此干涉图谱，找出对应于最大光强度的第一干涉条纹。然后，于第一干涉条纹及其附近的干涉条纹中，找出一第二干涉条纹，使干涉图谱相对于此第二干涉条纹具有最佳对称性。随后，在此第二干涉条纹上，利用相位补偿法，找出第二干涉条纹的波峰所对应的高度值。

依据前述的形貌量测方法，本发明一并提供一种形貌测量装置。此形貌测量装置具有一宽频光源、一分光镜、一位移模块、一影像感测模块、一取样模块、一图谱扫描模块、一对称性判断模块与一计算模块。其中，宽频光源是产生一宽频光。分光镜是将此宽频光分束，分别照射至待测物体表面与一参考面。位移模块是可以一定的步幅，改变待测物体表面与分光镜之间隔距离。影像感测模块是用以收集宽频光经待测物体表面与参考面反射而形成的干涉影像。并且，经此影像感测模块所获取的干涉影像中的各个像素，是分别对应于待测物体表面的各个特定位置。取样模块是用以获取前述各个像素的强度值。并且，随着位移模块改变待测物体表面与分光镜之间隔距离，取样模块是对待测物体表面的各个特定位置，分别形成一高度值对应于影像强度的干涉图谱。

图谱扫描模块是扫描干涉图谱，以找出对应于最大光强度的干涉条纹的第一资料点。对称性判断模块，是于此第一资料点及其外围一定范围内的资料点中，找出可以使干涉图谱具有最佳对称性的第二资料点。计算模块是依据第二数据点及其邻近的资料点，找出第二资料点所座落的干涉条纹的波峰于干涉图谱上所对应的高度值。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

附图说明

图1是一典型形貌测量装置的示意图。

图2是一理想上的干涉图谱。

图3是本发明的形貌测量方法(surface profile measuring method)一较佳实施例的流程图。

图3A是显示图3的步骤B中，于干涉图谱中选取第一资料点。

图3B是显示图3的步骤C中，所选取的第一资料点及其邻近的待测资料点。

图3C是显示图3的步骤C中，估算干涉图谱的对称性的方法。

图3D是显示图3的步骤D中，于零阶条纹上，估算零光程差位置的示意图。

图4是本发明的形貌测量装置一较佳实施例的示意图。

符号说明：

宽频光源10

准直透镜20

45度分光镜30

成像目镜40

干涉显微物镜组60

扫描平台70

计算机系统80

影像感测模块50

取样模块100

图谱扫描模块120

对称性判断模块140

计算模块160。

位移模块180

具体实施方式

请参照图3所示，是本发明的形貌测量方法(surface profile measuringmethod)一较佳实施例的流程图。于步骤A中，同时请参照图4所示，宽频光(例如白光)是透过一分光镜66的分束，分别照射一待测物体表面与一参考面，同时以一固定步幅，调整待测物体表面与分光镜的距离，而产生一高度值对应于光强度的干涉图谱(如图2所示)。

接下来，于步骤B中，扫描此干涉图谱，找出对应于最大光强度的第一资料点P1。同时请参照图3A所示，经由寻找此最大光强度的第一数据P1点的位置，即可大致确认在干涉图谱中，对应于最大光强度的第一干涉条纹。

然后，于步骤C中，同时请参照图3B所示，在第一资料点P1及其附近预定数量的资料点Pn1，Pn2中，找出一第二资料点，使干涉图谱相对于此第二资料点具有最佳的对称性。

在选取资料点的过程中，是以第一资料点P1为基准，并以一定间隔t于第一资料点P1周边一定范围内的资料点中，选取多个待测资料点Pn1，Pn2。值得注意的是，此间隔的大小，是足以使第一资料点P1与各个待测资料点Pn1，Pn2，分别位于不同的干涉条纹上。同时，各个待测资料点Pn1，Pn2最好是其所座落的干涉条纹上，具有最大光强度的资料点。就一较佳实施例而言，此间隔t的大小是相当于干涉图谱上三百六十度相位差的距离。

随后，就第一资料点P1与选取的待测资料点Pn1，Pn2，分别设定为中心Pc，来计算干涉图谱的对称性。如图3C所示，此在计算干涉图谱的对称性的步骤，是就干涉图谱于中心Pc左右两侧一定范围d内的起伏变化，分别加总。也就是说，就此中心Pc两侧一定范围d内，所有相邻资料点的光强度差值的绝对值，分别加总。然后，将左右两侧加总后的数值相减，以判断对称性。值得注意的是，此范围d的大小必须足以涵盖干涉图谱中的整个波包的宽度。

透过比较以不同的资料点P1，Pn1，Pn2为中心所计算的相减后的数值，所得数值最小者所对应的资料点，即是使干涉条纹具有最佳对称性的第二资料点P2。

由此观之，前述步骤C也可说是在图3A的第一干涉条纹及其附近的干涉条纹中，找出一第二干涉条纹(对应于前述第二资料点P2)，可以使干涉图谱相对于此第二干涉条纹具有最佳对称性，而此第二干涉条纹即是零阶的干涉条纹。

值得注意的是，前述步骤C的选取资料点的方式，会受到步骤A中所形成的干涉图谱，其取样密度的影响。而此取样密度是受到固定步幅的大小所决定。就一较佳实施例而言，当固定步幅的大小是相当于干涉图谱上九十度相位差的距离，步骤C所选取的各个待测资料点是分别与第一资料点间隔四个固定步幅的距离或其整数倍。

随后，于步骤D中，并请参照图3D所示，依据第二资料点P2及其邻近的资料点Pm1，Pm2，Pm3，Pm4，以相位补偿法，找出零阶干涉条纹的波峰于干涉图谱上所对应的高度值，亦即零光程差的位置。

值得注意的是，步骤D的选取资料点的方式，亦会受到步骤A中所形成的干涉图谱，其取样密度的影响。就一较佳实施例而言，当固定步幅的大小是相当于干涉图谱上九十度相位差的距离，在步骤D中，是依据第二资料点P2及其最近四个资料点Pm1，Pm2，Pm3，Pm4的资料(如图3D所示)，以下列方程式(1)进行相位补偿，以计算第二资料点P2与实际上零光程差位置的相位差Φ。

方程式(1)：Φ＝tan^-1(2(I_pm2-I_pm3)/(2I_pc-I_pm1-I_pm4)。

其中，I_pm1、I_pm2、I_pm3与I_pm4分别是第二资料点P2周围最近四个资料点Pm1，Pm2，Pm3，Pm4所对应的光强度值；而I_pc则是第二资料点P2所对应的光强度值。

然后，将此相位差Φ，换算为高度值的差距Δh＝Φλ/4π...方程式(2)。由此，即可估算出实际上零光程差位置，所对应的高度值h₀＝h_p2+Δh...方程式(3)。其中，h_p2是指第二资料点P2所对应的高度值。

请参照图4所示，是本发明的形貌测量装置一较佳实施例的示意图。如图中所示，此形貌测量装置具有一宽频光源10、一准直透镜(collimationlens)20、一45度分光镜(Splitter)30、一成像目镜40、一干涉显微物镜组60、一扫描平台70、一位移模块180、一影像感测模块50、一取样模块100、一图谱扫描模块120、一对称性判断模块140与一计算模块160。

宽频光源10所提供的光线是透过准直透镜20，形成平行光照射至45度分光镜30。此平行光受到45度分光镜30的反射，照射至干涉显微物镜组60。干涉显微物镜组60是位于扫描平台70上方，并且，对准置放于扫描平台70上方的待测物体90的表面。此干涉显微物镜组60具有一显微物镜62、一反射镜64与一分光镜(beam splitter)66。来自45度分光镜30的光线，是透过显微物镜62，照射至分光镜66而被分束成两道光线。此二道光线分别经由反射镜64与待测物体的表面90反射后，投射回分光镜66再度重合而产生干涉。干涉后的光线向上投射，依序经过显微物镜62与45度分光镜30，并透过成像目镜40聚焦于影像感测装置50。

位移模块180是可以一定的步幅，改变待测物体90表面与分光镜66的间隔距离，以调整前述二道光线的光程差的大小，藉此，影像感测装置50即可攫取一系列具有不同光程差的干涉影像。此影像感测模块50所攫取的干涉影像中，各个像素是分别对应至待测物体90表面的不同位置。

取样模块100是用以获取前述各个像素的强度值。并且，随着待测物体90表面与反射镜表面(可视为一参考面)之间隔距离的改变，取样模块100是对于待测物体表面的不同位置(即对于干涉影像的各个像素)，分别形成一高度值对应于影像强度的干涉图谱。

同时请参照图3A所示，图谱扫描模块120是用以扫描此干涉图谱，找出对应于最大光强度的干涉条纹的第一资料点P1。同时请参照第三B与C图所示，对称性判断模块140是依据前述图谱扫描模块120所获取的第一数据点P1，于此第一资料点P1及其附近的资料点Pn1，Pn2中，找出可以使干涉图谱具有最佳对称性的第二资料点P2。同时请参照图3D所示，计算模块160是依据对称性判断模块140所获取的第二资料点P2，藉以在第二资料点P2及其邻近的资料点Pm1，Pm2，Pm3，Pm4，找出第二资料点P2所座落的零阶干涉条纹的波峰，于干涉图谱上所对应的高度值。

就步骤B而言，本发明是直接在干涉图谱中，找出光强度最大的第一资料点P1。此计算过程仅涉及简单的比对，而不需耗费过大的计算时间。其次，就一般的干涉图谱而言，除非是涉及暗点，干涉图谱中光强度最大值都非常接近零阶条纹的位置。因此，由步骤B所获得的第一资料点P1当不致于与零阶条纹的位置有太大的偏离。

透过步骤B约略确认零阶条纹的位置后，于步骤C中，本发明利用波包的对称性，找出一使干涉图谱具有最佳对称性的第二资料点P2，以确认确切的零阶条纹处。基本上，在干涉图谱中，白光干涉所形成的波包的宽度通常不会太大。而如图3C所示，在对称性的判断过程中，仅涉及简单的加减计算，可以维持理想的计算速度。又，本发明利用对称性求取确切的零阶条纹的位置，亦可以避免噪声对于计算准确性的影响(噪声对于零阶条纹左右两侧的干涉图谱通常有相似的影响，而于此计算过程中是相互抵销)。

在步骤D中，本发明是就步骤C所获致的零阶条纹，以相位补偿的方法求取确切的零光程差位置。值得注意的是，透过相位补偿的方式所获得的零光程差位置，其精确度是可与公知相移算法相比拟。又，由于本发明于步骤B与C中，即已确认零阶条纹的位置，因此，不会面临公知相移算法无法应用于较大高度差的缺点，同时，亦可以节省公知相移算法于相位重建所需花费的时间。

以上所述是利用较佳实施例详细说明本发明，而非限制本发明的范围，而且熟知此类技艺人士皆能明了，适当而作些微的改变及调整，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围。

Claims (12)

1.一种形貌测量方法，以一宽频光源经一分光镜分束后，分别照射一物体表面与一参考面，并以一定步幅，改变该物体表面与该分光镜的距离，以产生一高度值对应于光强度的干涉图谱，该形貌测量方法至少包括下列步骤：

扫描该干涉图谱，找出对应于最大光强度的第一资料点；

于该第一资料点及其周边一定范围内的资料点中，找出一第二资料点，使该干涉图谱相对于该第二资料点具有最佳对称性；以及

依据该第二资料点及其邻近的资料点，找出该第二资料点所座落的干涉条纹的波峰，于该干涉图谱上所对应的高度值。

2.如权利要求1所述的形貌测量方法，其中，在找出使该干涉图谱具有最佳对称性的第二资料点的步骤中，包括：

以该第一资料点为基准，并以一定间隔，于该第一资料点附近选取多个待测资料点，该第一资料点与所述的待测资料点是分别对应至不同的干涉条纹：以及

分别计算以该第一资料点与所述的待测资料点为中心时，该干涉图谱的对称性。

3.如权利要求2所述的形貌测量方法，其中，计算该干涉图谱的对称性的步骤，包括：

将该干涉图谱对应于该中心左右两侧一定范围内的起伏变化分别加总；以及

将该加总后的数值相减，相减后所得数值最小者所对应的资料点，即具有最佳对称性。

4.如权利要求2所述的形貌测量方法，其中，该一定间隔的大小是相当于该干涉图谱上三百六十度相位差的距离。

5.如权利要求2所述的形貌测量方法，其中，所述的待测资料点是分别与该第一资料点间隔四个固定步幅的距离或其整数倍。

6.如权利要求1所述的形貌测量方法，其中，该固定步幅的大小是相当于该干涉图谱上九十度相位差的距离。

7.如权利要求1所述的形貌测量方法，其中，找出该第二资料点座落的干涉条纹的波峰的步骤中，是利用相位补偿法，依据该第二资料点及其最近四个资料点的资料计算该波峰所对应的高度值。

8.一种形貌测量装置，包括：

一宽频光源，产生一宽频光；

一分光镜，将该宽频光分束，以分别照射至一物体表面与一参考面；

一位移装置，可以一定的步幅，改变该物体表面与该分光镜之间隔距离；

一影像感测装置，收集该宽频光经由该物体表面与该参考面反射而形成的干涉影像，该干涉影像中各个像素是分别对应于该物体表面的各个特定位置；

一取样装置，用以获取该干涉影像中各个像素的强度，并且，随着该物体表面与该分光镜之间隔距离的改变，对该物体表面的各个特定位置，分别形成一高度位置对应于影像强度的干涉图谱；

一图谱扫描装置，扫描该干涉图谱，找出对应于最大光强度的干涉条纹的第一资料点；

一对称性判断装置，于该第一资料点及其外围一定范围内的资料点中，找出使该干涉图谱具有最佳对称性的第二资料点；以及

一计算装置，依据该第二资料点及其邻近的资料点，找出该第二资料点所座落的干涉条纹的波峰，于该干涉图谱上所对应的高度值。

9.如权利要求8所述的形貌测量装置，其中，该对称性判断装置是以该第一资料点为基准，并以一定间隔，于该第一资料点附近选取多个与该第一资料点分别对应至不同的干涉条纹的待测资料点，并且分别将该干涉图谱对应于该第一资料点或所述的待测资料点左右两侧一定范围内的起伏变化分别加总，并将该加总后的数值相减，相减后所得数值最小者所对应的资料点即为该第二资料点。

10.如权利要求9所述的形貌测量装置，其中，该一定间隔的大小是使该干涉影像产生三百六十度相位差的距离。

11.如权利要求9所述的形貌测量装置，其中，该一定步幅的大小是使该干涉影像产生九十度相位差的距离，而所述的待测资料点是分别与该第一资料点间隔四个一定步幅的距离或其整数倍。

12.如权利要求8所述的形貌测量装置，其中，该计算装置是依据该第二资料点及其最近数个资料点的资料，利用相位补偿法，找出该第二资料点所座落的干涉条纹的波峰，于该干涉图谱上所对应的高度值。

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