CN1961238A - 双重（共焦和干涉）技术光学轮廓曲线仪 - Google Patents

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Abstract

该设备包括光源(LED)，光束分束器(至少其中之一是偏振的)，照射图案生成装置(LCOS微型显示器)和可互换的显微镜透镜，所述显微镜透镜是可用于获得共焦像的传统透镜和可用于获得干涉像的干涉透镜。该微型显示器可以生成一系列照射图案，以获得共焦像，或可以完全开放所有的照射像素以获得干涉像。该设计是紧凑的并可以在微米和纳米级别上对包括由不同材料组成的结构或成层样品的所有类型的表面的形状和纹理进行非接触快速测量。

Description

双重(共焦和干涉)技术光学轮廓曲线仪
本发明涉及一种双重(共焦和干涉)技术光学轮廓曲线仪(profilometer)，用于表面的三维检查和测量。
本发明属于光学度量衡的专业分支，也就是说其中在测量设备与正被分析的样品之间没有物理接触。
有很多应用都需要知道一个物体的表面形貌，并由此确定它的微观形状。例如，这种分析可以形成质量控制过程的一部分。
材料的新应用和新制造工艺的引入，这导致对表面检查的过程和光学轮廓曲线仪的开发的市场需求上正在产生系统性的增长。
就此而论，目前存在两种基于成像的技术，其在最近几年中激烈的竞争，以主导光学表面度量衡市场。
共焦技术和干涉技术都能够在微米和纳米级上准确并可靠地测量表面形貌。
然而，正如下面说明的，共焦技术和干涉技术所涉及的一些测量原理是非常不同的，因此这两种技术的能力是更加互补而非重合的。
共焦轮廓测量技术
共焦轮廓曲线仪，通过逐步阶地垂直扫描样品以至该表面上每个点都通过焦点，使得可以对具有宽范围纹理(从非常粗糙的表面到非常平滑的表面)的表面进行高度测量。通过检测轴向响应的最大值的位置来确定各点上的表面高度。由于在表面上只有一个或很少量的点被同时照射，因此必须执行一个同平面扫描，以便对于落入所使用的透镜的视野内的所有点的各个垂直步阶上，构建该轴向响应，也就是共焦像。
此类轮廓曲线仪的实例在例如欧洲专利EP0,485,803中进行了描述，其涉及一种光学设备，使用了具有光源阵列(illumination array)和检测器阵列的共焦光束路径。该光源阵列在位于或邻近于物体表面的焦平面内被成像。借助于光束分束器，在焦平面内被反射的射线被直接发送至CCD设备的接收器表面上。在该接收器表面上的该光源阵列的成像被执行，以至该接收器的光敏区充当共焦光阑。在测定中不考虑，或者分别考虑来自用于仅接收焦平面外被散射的光的检测器的元件的信号。
美国专利5,239,178公开了一种相似的光学设备，其相对于一个物体以共焦配置提供了光源栅格(illumination grid)和检测器栅格。该光源栅格可以具有例如由一个LED栅格形成的可变的栅格尺寸。
干涉轮廓测量技术
在这种情况下，一束光穿过光束分束器。一部分光束被发送到样品的表面，其他部分被发送到参考反射镜。从这些表面反射的光被重组合并形成一个干涉条纹的图案。
干涉轮廓曲线仪利用相移干涉测量(PSI)，该相移干涉测量允许以亚纳米分辨率测量非常光滑的表面的形貌。该样品，其必须被置于焦点上，被逐步阶地垂直扫描，该步阶是波长的非常准确的几分之一。轮廓成形算法产生了一个表面的相位图，借助于合适的展开过程，其被转变为对应的高度图。
干涉轮廓曲线仪也使用利用白光的垂直扫描干涉测量(VSI)来测量光滑或中等粗糙度表面的形貌。干涉条纹的最大对比度(contrast)出现在样品表面上各点的焦点的最佳位置。该样品被逐步阶地垂直扫描，以至表面上各点都穿过该焦点。通过检测干涉图的包络的最大值的位置，获得各点上的该表面的高度。
此类轮廓曲线仪的实例被描述在例如美国专利5,563,706中，其涉及一种干涉表面轮廓曲线仪。从参考表面和样品表面反射的光通过光束分束器被发送至成像光学系统，并且利用检测光学系统观测根据从两个表面反射的光形成的干涉条纹。准直光学元件被置于成像光学系统和干涉条纹的像平面之间的光路上，以至该准直光学元件的后焦点位于该像平面上。
例如，美国专利6,665,075描述了一种使用相移干涉测量(PSI)的成像系统，并进一步包括发射器，光束分束器，倒相器和接收器。该发射器发射信号脉冲，该信号脉冲被分为测量脉冲和参考脉冲。该测量脉冲被施加于一个样品，一个相对相移通过该倒相器被引入这两个脉冲之间，其被重组合以形成被该接收器检测的复合脉冲。
美国专利6,636,317提供的光束分束器，其以略倾斜于与入射光束相垂直的方向被放置。在所描述的光学干涉计中，借助于所述光束分束器，该入射光束被分支到两个相交成直角的光路中。在每个光路上，反射光被第一反射单元完全反射，同时，透射光被第二反射单元完全反射。被两个反射单元反射的光由该光束分束器再次组波并被光接收器接收。
上述PSI和VSI干涉计可以在微米和纳米级上执行非常快的测量。另外，在使用VSI技术的情况下，在垂直测量范围上没有固有的限制。然而，这两种技术都具有缺点，它们不太容易处理高度倾斜的平滑表面或包含不同材料的结构样品。
PSI设备使用户可以甚至是在低于0.1nm的级别上进行形状和纹理的测量。然而，它们有一个非常受限的垂直测量范围的缺陷。
如上述的基于成像的共焦轮廓曲线仪为在干涉技术中涉及的许多难点提供了解决方案，甚至可以以一个光学系统提供尽可能好的最佳横向分辨率。然而，它们有一个由它们的数值孔径值所强加的受限制的垂直分辨率，并且不能实现0.1nm级上的可重复性。
共焦轮廓曲线仪可以与分别具有高达150x和0.95的高放大倍率和数值孔径的透镜一起使用。另一方面，PSI和VSI设备的可能的放大倍率在实际中被限制到50x。较高的放大倍率可以通过使用其他类型的透镜而获得，但这些透镜是不切实际的并且极其昂贵。
因此，希望有一种轮廓曲线仪，可以提供具有一定的倾斜角度的平滑或相对粗糙的表面的表示，以亚纳米级的分辨率在不同材料的样品中确定它们的形状，纹理等。
本发明提供了一种用于进行非物理接触表面测量的新的光学表面度量衡设备。它是在一个设备中组合两种技术的优点的双重(共焦和干涉)技术轮廓曲线仪，这个设备是紧凑尺寸且不包含移动部件。
本发明的轮廓曲线仪可以用作共焦轮廓曲线仪或用作干涉轮廓曲线仪，因此对于一个宽应用范围是有用的，并提供了进一步的优点。由此，本发明的该双重技术光学轮廓曲线仪提供了样品表面分析所要求的全部特性，并适用于对纳米范围纵横比的非常平坦和平滑的表面进行重复与准确的测量。
本发明的轮廓曲线仪也可以被用于测量具有非常高的纵横比与陡峭倾斜的非常粗糙的表面。也可以使用相同设备对所示的包含不同材料和倾斜表面的结构或成层样品进行高度测量。
本发明提供的双重(共焦和干涉)光学轮廓曲线仪，包括一个包括发光二极管的光源，光束分束器，CCD设备和多个可互换的显微镜透镜。这些可互换的显微镜透镜包括可被用于获得共焦像的传统透镜和可被用于获得干涉像的干涉透镜。所有的所述可互换的显微镜透镜都被固定在旋转元件上，根据想要的轮廓曲线仪功能类型，该旋转元件允许所述显微镜透镜被容易地变换。
本发明提供的轮廓曲线仪具有照射图案生成装置，其包括硅基液晶(LCOS)微型显示器。该LCOS微型显示器允许生成一系列照射图案，其借助合适的算法应用提供了共焦像，或允许全部光照像素的完全开放，以获得干涉像。该轮廓曲线仪是利用与所述微型显示器相关联的偏振光束分束器来实现的。
该发光二极管优选地会发射一个具有从2到10μm范围的相干长度的光谱。这个范围允许应用相移干涉轮廓测量技术(PSI)或利用白光的垂直扫描轮廓测量技术(VSI)。所发射的光的光谱的相干长度的最佳范围值是在4到6μm之间。
最后，该轮廓曲线仪包括扫描系统来执行样品所要求的垂直扫描，以至表面上所有的点都穿过焦点。共焦轮廓测量技术和干涉轮廓测量技术(PSI和VSI)都需要这种扫描。
用于测量样品的表面形貌的垂直扫描借助垂直扫描系统执行，其可以是电机驱动装置或压电驱动装置(PZT)。这两种系统(电机或压电驱动装置)可以被开环系统或优选为闭环系统来控制。
这种简单的结构配置提供了一种耐用的，设计紧凑的非接触测量轮廓曲线仪，其可以被附加至例如一个机器人的臂上，以在工艺控制过程中的困难位置，例如，在一个倾斜的位置上执行测量。
本发明的轮廓曲线仪的这种双重(共焦和干涉)特征，可允许它在该设备自身上，通过借助安装有透镜的该旋转元件，简单地选择合适的显微镜透镜，作为一个共焦成像和成形设备或作为一个干涉成像和成形设备来操作以用于表面分析。
对于执行对包括具有不同材料的结构或成层的样品的各类表面的形状和纹理的微米和纳米级的准确测量而言，本发明的轮廓曲线仪是通用的。
本发明的轮廓曲线仪可以使用在许多应用中。作为实例，本发明的这种轮廓曲线仪可以用于测量高纵横比的表面等，例如，那些包含沟槽，孔洞或缺口的表面；陡斜抛光的表面等，例如，那些作为微透镜和微棱镜或硅基微完(macro-finished)表面的微光学结构；非常粗糙且非完全反射的表面等，例如，纸；包含不同材料的非常低粗糙度的表面等，例如，光学或电子的微设备；表现出不同纹理的表面和相对大尺寸的表面等，例如，一个模具，一个硬币或一个晶片，等等，这些表面都可以结合场拼接(field stitching)的选择而被测量。
本发明的轮廓曲线仪的双重操作的描述如下。
在共焦模式下，用户选择传统显微镜透镜并激活与该模式关联的获取程序。光源(LED)发射调制光束，该调制光束穿过准直器和偏振光束分束器(PBS)。被该PBS反射的光落到LCOS微型显示器上并在此以一个偏振反射，该偏振依赖于分配给所呈现出的照射图案的每个像素的规定(state)。该被LCOS反射的光再次通过PBS和辅助光学系统，在该PBS中，在不同的偏振之间进行辨别，并且该被LCOS反射的光被另一个光束分束器反射至显微镜透镜。该光束落到要被测量的样品表面上，在其上由该LCOS生成的光图案被投射出。在样品表面上反射或漫射的光再次穿过显微镜透镜，光束分束器和辅助光学系统(物镜)，以落到该CCD设备上，在CCD设备中，此时焦点上的该样品表面的像被投射出。
在共焦模式下，样品表面上仅仅一个或很少量的点被LCOS微型显示器上表现的照射图案同时照射，并且使用合适的算法可以计算这些点中的每个点的轴向响应。为了覆盖要被测量的表面上的所有点，一系列照射图案必须被投射到该表面，以获得落入视野中的所有点的轴向响应的值。按照这种方式，获得特定垂直位置的共焦像，其中各点的轴向响应的对应值越高则它越接近焦点位置。因此，共焦像提供了非常高的对比度，因为只在焦点附近区域才能感应到光，而距离焦点一个距离的区域呈现为黑暗。
表面形貌的测量在位于不同高度的样品的不同平面上要求一系列共焦像。基于这些像，并使用合适的软件，可以获得该表面的一个三维重构。为了获得该一系列像，要求一个用于垂直扫描样品的系统。
在所述共焦模式下，该轮廓曲线仪可以以一个特定的横向分辨率执行测量。这使得对于传统的150x透镜可能将空间采样减少至0.10μm的值，使得它对于纳米级别的临界维度的测量是理想的。在这种模式下，可以使用具有大数值孔径(NA)的透镜，其允许具有非常高坡度(高达70°)的抛光表面的测量。还可以使用具有超大工作距离(SLWD)的透镜，其允许具有高纵横比的表面的测量。在所有情况下，也可以测量包含不同材料的结构样品。
在干涉模式下，用户选择干涉显微镜透镜，并还激活与该透镜相关联的获取程序。与共焦模式相反，该微型显示器开放它所有的像素来照射该立即要被测量的整个表面。换句话说，在干涉模式下，照射图案未被投射，而是整个表面被照射以针对各分析面获得干涉像。该发射的光束通过分束器，该分束器将全部的光发送至样品的表面，该表面的图像被投射至该CCD设备。借助于合适的算法，这一系列由垂直扫描样品而产生的干涉像提供了要被分析的样品的表面形貌。
在这种模式下，该PSI技术可以被用于以亚纳米垂直可重复性测量连续的并且非常光滑的表面，而不管所使用的干涉透镜如何，换句话说，适用于所有的数值孔径值。同样，该VSI技术可以被用于对于所有的数值孔径值，以纳米垂直可重复性测量抛光表面或粗糙表面。另外，使用该VSI技术的垂直测量范围没有固有的限制，并且可以使用非常高的扫描速度(高达100μm/s)。
本发明的轮廓曲线仪具有计算机系统，其管理上述的功能模式的程序，其中在一个监视器上以文本，图像或图表形式显示结果。所显示的数据例如是被测量形貌的等距线，等高线或轮廓像，直方图，快速傅立叶变换(FFT)，等等，以及样品的表面的标准显微镜，共焦像和干涉像。
该软件被设计为确定该要被分析的表面的几何参数(高度，宽度，斜度，体积)，以及分析参数(粗糙度，波度，等)，并且能执行插值的数据或函数的过滤以恢复未测量点。该软件也被设计用于以文本形式或以二进制文件来导出数据，并允许打印报告。
本发明的基于双重技术的光学轮廓曲线仪的测量装置可以利用用于定位样品的系统完成，包括与该轮廓曲线仪的光轴正交的平面内X-Y移动的两个步骤。这些步骤可以被手工控制，或者它们可以被电机驱动。这这种情况下，该轮廓曲线仪本身的软件借助操纵杆允许定位所使用的透镜视野内的要被测量的样品的区域，并借助场拼接技术，也允许自动形貌测量延伸出透镜视野外的轮廓或形貌。该测量装置也可以利用使用PSI和VSI干涉测量技术所需要的倾斜(tip-tilt)台来完成，用以减少(minimise)出现在视野中的干涉条纹的数量。
下面是一个用于三维检查和表面测量的双重技术光学轮廓曲线仪的实施例。本发明的轮廓曲线仪的特征和优点会更加清楚。下文中会给出一个作为非限制性的实例的描述，并配合附于本说明书中的附图，其相当于一个根据本发明的光学轮廓曲线仪的全视图。
本说明书中公开的附图中作为一个实例示出的双重技术的光学轮廓曲线仪被总体指定为(1)。
该双重技术光学轮廓曲线仪(1)图解地主要包括光源(2)，该光源(2)由具有480nm波长和Lambert发射图案的高功率发光二极管组成。由该发光二极管(2)发射的光具有2到10μm，优选的是4到6μm范围内的相干长度，以允许应用相移干涉的轮廓测量技术(PSI)和利用白光的垂直扫描轮廓测量技术(VSI)。
该光学轮廓曲线仪(1)还包括光束分束器(3，4)，其中之一是与微型显示器(5)相关联的偏振光束分束器(3)。
存在安装于旋转支撑件(9)上的三个显微镜透镜(6，7，8)，允许它们根据用户希望使用的该轮廓曲线仪(1)的功能模式而容易地互换。该显微镜透镜(6，7，8)是可被用于获得共焦像的传统透镜，和可被用于获得干涉像的干涉透镜。
所述微型显示器(5)构成了该照射图案生成装置的一部分。在所述实施例中，所述微型显示器(5)是硅基铁电液晶(F-LCOS)微型显示器，适用于生成一系列照射图案。这一系列照射图案使得能够获得共焦像，也使得完全开放所有的照射像素以获得干涉像，以至该轮廓曲线仪(1)根据需要既可以工作于共焦模式，也可以工作于干涉模式。
辅助光学系统(14，15)也被包括来与显微镜透镜(6，7，8)结合进行操作，以至所述LCOS微型显示器(5)的平面内的像被投射在样品(11)的表面上，其随后被投射在CCD设备(12)上。
在共焦模式下，起作用的显微镜透镜(8)是传统的显微镜透镜，并且与该功能模式相关联的获取程序也被激活。所述光源(LED)(2)发射调制光束，在其到达该偏振光束分束器(PBS)(3)之前借助准直器(10)被准直。由PBS(3)反射的该部分光束落到LCOS微型显示器(5)上并由它以一个偏振来反射，该偏振依赖于分配给每个呈现出的照射图案的各像素的规定。该被LCOS(5)反射的光再次通过PBS(3)和光学系统(15)，并被该光束分束器(4)反射至显微镜透镜(8)，如图1中所示。该光束落到要被测量的样品的表面(11)上，在其上由该LCOS生成的光图案被投射出(5)。样品的表面上反射或漫射的光再次通过显微镜透镜(8)，光束分束器(4)和辅助光学系统(物镜)(14)，以落到该轮廓曲线仪的CCD设备(12)上。
借助该LCOS微型显示器(5)利用一系列照射图案来照射样品的表面，并且使用合适的算法来获得落入视野内的所有点的轴向响应值，换句话说，焦平面的共焦像。这些共焦像提供了非常高的对比度，这是因为只在焦点附近区域才能感应到光，而距离焦点一个距离的区域呈现为黑暗。
借助于垂直扫描系统(13)，通过垂直扫描样品，实现了表面形貌的测量，由此获得一系列位于不同高度的样品(11)的不同平面中的共焦像。基于这些像，并借助合适的软件，可以获得该样品的表面(11)的三维重构。对于要被分析的表面(11)上的各个点，所述软件确定了在获得最大轴向响应的位置上的形貌的坐标值。
该垂直扫描系统(13)可以包括电机驱动装置或压电驱动装置(PZT)。这两种系统(电机或压电驱动装置)可以借助于开环系统或优选为闭环系统而被控制。
在所述模式下，可以使用具有大数值孔径(NA)的透镜，这允许具有非常高坡度(高达70°)的抛光表面的测量，并可以使用具有超大工作距离(SLWD)的透镜，这允许具有高纵横比的表面的测量。在所有情况下，也可以测量包含不同材料的结构样品。
在干涉模式下，起作用的显微镜透镜(8)是干涉显微镜透镜，并且与该透镜相关联的获取程序也被激活。在这种情况下，该微型显示器(5)开放它的所有像素以照射该马上要被分析的整个表面(11)。这里，照射图案未被投射，而是整个表面(11)被照射以获得各分析平面的干涉像。所发射的光的光束通过光束分束器(4)，该分束器将光束发送至样品(11)的表面，该表面的反射光落到该CCD设备(12)上。借助于合适的算法，这一系列由垂直扫描样品而产生的干涉像提供了要被分析的样品的表面形貌。
本发明的轮廓曲线仪具有计算机系统，用于管理上述功能模式的程序，其中在一个监视器上以文本，图像或图表形式显示结果。所显示的数据例如是被测量形貌的等距线，等高线或轮廓像，直方图，快速傅立叶变换(FFT)，等等，以及样品表面的标准显微镜，共焦像和干涉像。
本发明的双重技术光学轮廓曲线仪的组成已经根据所附的附图进行了充分的描述，应当理解的是，可以引入任何适当的细节修改，只要不改变如附加的权利要求书中总结的本发明的本质。

Claims (10)

1、双重(共焦和干涉)技术的光学轮廓曲线仪(1)，包括光源(2)，光束分束器(3，4)和一系列显微镜透镜(6，7，8)，其特征在于，它还包括，照射图案生成装置(5)，以及所述显微镜透镜(6，7，8)是可互换的，所述显微镜透镜(6，7，8)包括可用于获得样品(11)的表面的共焦像的传统透镜和可用于获得所述样品(11)的表面的干涉像的干涉透镜。
2、如权利要求1所述的双重(共焦和干涉)技术的光学轮廓曲线仪(1)，其特征在于，所述照射图案生成装置包括LCOS微型显示器(5)。
3、如权利要求1所述的双重(共焦和干涉)技术的光学轮廓曲线仪(1)，其特征在于，所述光源是发光二极管(2)。
4、如权利要求2所述的双重(共焦和干涉)技术的光学轮廓曲线仪(1)，其特征在于，所述光束分束器(3)是与所述微型显示器(5)相关联的偏振光束分束器。
5、如权利要求2所述的双重(共焦和干涉)技术的光学轮廓曲线仪(1)，其特征在于，所述微型显示器(5)适用于生成一系列照射图案，使得可以获得共焦像，或开放所有照射像素，从而可以获得干涉像。
6、如权利要求3所述的双重(共焦和干涉)技术的光学轮廓曲线仪(1)，其特征在于，所述发光二极管(2)发射具有2到10μm范围内的相干长度的光谱，使得可以应用相移干涉轮廓测量(PSI)技术和利用白光的垂直扫描轮廓测量(VSI)技术。
7、如权利要求1所述的双重(共焦和干涉)技术的光学轮廓曲线仪(1)，其特征在于，它包括所述样品(11)的垂直扫描系统(13)，使得可以获得位于不同高度的所述样品(11)的不同平面内的一系列共焦像或干涉像，从而，通过使用合适的算法，获得所述样品(11)的表面形貌。
8、如权利要求7所述的双重(共焦和干涉)技术的光学轮廓曲线仪(1)，其特征在于，所述样品(11)的垂直扫描系统(13)包括电机驱动装置。
9、如权利要求7所述的双重(共焦和干涉)技术的光学轮廓曲线仪(1)，其特征在于，所述样品(11)的垂直扫描系统(13)包括压电驱动装置。
10、如权利要求8或9所述的双重(共焦和干涉)技术的光学轮廓曲线仪(1)，其特征在于，所述垂直扫描系统(13)借助于开环系统或闭环系统而被控制。
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