CN214173285U

CN214173285U - 一种面型检测系统

Info

Publication number: CN214173285U
Application number: CN202120367903.9U
Authority: CN
Inventors: 肖鹏飞
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2021-02-09
Publication date: 2021-09-10
Anticipated expiration: 2031-02-09

Abstract

本实用新型提供的一种面型检测系统，包括光源、成像镜头以及图像传感器，所述光源提供的光束经过所述成像镜头照射在被测样品的被测面上，所述图像传感器检测所述被测面的散射光以确定所述被测面上各点的散射光的光强最大时对应的波长，并根据各点确定的波长确定该点相对于所述成像镜头的距离，以确定所述被测样品的形貌。该面型检测系统的检测速度要高于探针式面型测量的系统的检测速度，无需采用高精度(X，Y，Z)三维位移定位系统或者一维Z向位移定位系统，可以实现高通量、低成本检测。

Description

一种面型检测系统

技术领域

本实用新型涉及光学检测技术领域，特别涉及一种面型检测系统。

背景技术

在晶圆缺陷检测、手机镜头面型检测和精密光学检测等领域，存在大量的精密面型缺陷检测需求。在手机镜头模组装配领域，随着手机成像质量要求越来越高，对手机镜头模具的面型精度检测要求越来越高，甚至需要对手机镜头模组的镜片进行直接面型检测。但是，这些手机镜头绝大部分为自由曲面镜片，普通面型干涉仪无法直接测量，而能够进行自由曲面测量的系统普遍成本高且速度低。

对于高精度面型测量而言，一般是采用激光干涉测量方法，其基本原理如图1所示，激光光束111通过参考镜112然后被被测样品113表面反射，假设参考镜112和被测样品113表面的距离为Δd，那么光学公式为：

Δd*Δn＝m*λ/2 (1)

其中，Δn为介质折射率(空气折射率大约为1)，m取整数，λ为激光波长。

当m＝1，3，5…奇数时，测量光114和参考光115相位相差半个波长整数倍，二者发生相消干涉，形成暗条纹；当m＝2，4，6…偶数时，测量光114和参考光115相位相差整个波长整数倍，二者发生相长干涉，形成亮条纹。由于激光波长可以精确确定，并且为纳米级精度，因此，通过将激光干涉条纹转换为激光强度电子信号，并且通过插入算法技术就可以对被测样本面型进行纳米级高精度测量。

但是，普通的激光干涉测量方法难以解决自由曲面面型测量问题。如图2所示，激光光束121经过参考镜122后照射到被测样品123的曲面，参考镜122产生参考光125，被测样品123的曲面产生测量光124，由于测量光124的反射方向不确定，因而，测量光124和参考光125难以全部相遇发生干涉，这样导致部分区域干涉信号缺失，无法完成被测样品123的曲面的面型测量。

为了解决自由曲面面型测量问题，目前一般采用拼接式面型测量方法。如图3所示，面型激光干涉仪单独测量位置131、位置132、位置133、位置134等，然后通过拼接技术将单次测量的局部小范围面型拼接在一起，形成整个被测样品135面型的面型测量数据。然而，该方法存在一些缺陷：一方面，通常情况对被测样品135面型的检测精度要求很高，否则也不需要采用激光干涉测量技术检测面型，在面型激光干涉仪或者被测样品135的运动过程中，会引入运动误差，该运动误差与被测样品135的面型耦合在一起无法区分，为了将引入的误差限制在一个合适的范围内，对运动机构的运动精度要求将会非常高，这将极大的增加设备成本；另一方面，由于参考镜加工工艺限制，面型激光干涉仪一般只能检测接近平面，或者接近球形的被测样本面型，对于面型变化比较剧烈的局部区域，则无法获得检测数据，会形成面型检测数据缺失。

为了解决自由曲面面型测量问题，还可以采用探针式面型测量的方法。如图4所示，在探针式面型测量方案中，探针145可以与被测样品146表面接触，探针145也可以不与被测样品146表面接触(采用光束非接触式)，无论采用哪种方式探针145和触发信号解析机构144共同组成接触传感触发机构。其核心功能为当探针145与被测样品146表面产生的接触力超过某一个阈值，或者当探针145与被测样品146表面的距离接近到某一个数值时，就产生触发信号。其具体原理就可以是电容式触发器，也可以是光学反射式触发器等原理。位移传感器141、位移传感器142、位移传感器143负责精确测定探针145的空间坐标X，Y，Z。每当触发信号解析机构144发出触发信号，系统就记录下探针146的空间坐标(X，Y，Z)，进而当被测样品146表面的测量点足够多时，拟合出被测样品146表面的面型。探针145的测量点轨迹图可以根据被测样品146表面进行设计，接着通过合适的插值运算算法拟合出被测样品146表面的形貌。然而，探针式面型测量方案存在以下的问题：第一，探针精度受测量原理限制，探针精度大约10nm到几百纳米之间，该精度可以满足对形貌几何误差检测，但无法满足对被测样本面型粗糙度检测，粗糙度检测精度一般要求小于1nm；第二，探针式面型测量的系统精度可以认为是探针精度和位移传感器精度的矢量和，为了测得被测样本的面型，位移传感器需要提供探针145的三维坐标(X，Y，Z)，提供高精度的三维坐标，除了高精度位移传感器，还需要精密误差补偿和精密的三维绝对坐标系设计，技术实现难度很高，高精度探针式面型测量设备成本十分昂贵，同时，由于需要检测足够多的检测点，才能高精度拟合出被测样本的面型，因此，探针式面型测量设备速度十分慢，产率十分低。

专利DE102004047928B4中采用成像物镜景深限制对被检测曲面不同平面进行成像，最终拼接出被检测曲面的3D面型，但成像物镜的景深至少有3μm的成像区间，因此景深必须需要一定的区间才能够实现成像，因而会引入至少3μm的误差，而对于手机非球面镜头检测应用来讲，假设有3mm通光孔径，那么仅仅有1*10^-3检测精度，该精度远远不能满足精度需求。

目前，由于市场需求的强劲推动，手机镜头的分辨率要求越来越高，而手机摄像头成像质量除了受图像传感器像素影响外，更重要的是手机镜头分辨率(以手机镜头能够分辨每毫米条纹数进行衡量)。为了达到越来越高的镜头分辨率要求，需要越来越多的镜片补偿各种成像误差，但镜片增多后，除了影响成本，还影响镜头厚度，而手机镜头对厚度要求十分苛刻，因此，一个可行的技术解决方案和趋势就是用非球面镜片组取代球面镜组，从而减小镜片数量。同时，为了进一步提升手机镜头分辨率，对非球面镜片组的面型精度也要求越来越高。对于手机镜头模组来说，由于面向民用，属于成本敏感型，因此需要低成本解决方案。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种面型检测系统，以解决自由曲面面型测量精度低、成本高的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种面型检测系统，包括光源、成像镜头以及图像传感器；所述光源提供的光束经过所述成像镜头照射在被测样品的被测面上，所述图像传感器检测所述被测面的散射光以确定所述被测面上各点的散射光的光强最大时对应的波长，并根据各点确定的波长确定该点相对于所述成像镜头的距离，以确定所述被测样品的形貌。

可选的，所述光源为照明光源。

可选的，所述光源发出的光束为宽光谱连续光。

可选的，所述面型检测系统还包括波长调制组件，所述波长调制组件用于调制所述光源提供的光束，使其变为窄光谱连续光，并且中心波长可调。

可选的，所述波长调制组件对所述光源提供的光束进行连续调制。

可选的，所述面型检测系统还包括反射镜，所述波长调制组件调制后的光束传输至所述反射镜并经所述反射镜反射后传输至所述成像镜头。

可选的，所述反射镜的反射率与透射率相等，或者，所述反射镜的反射率与透射率比值根据光源的强度和图像传感器的灵敏度设计。

可选的，所述图像传感器为二维图像传感器。

可选的，所述成像镜头为色差成像镜头。

可选的，所述被测样品的被测面为自由曲面。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

本实用新型提供的一种面型检测系统，包括光源、成像镜头以及图像传感器；通过所述光源提供的光束经过所述成像镜头照射在被测样品的被测面上，所述图像传感器检测所述被测面的散射光以确定所述被测面上各点的散射光的光强最大时对应的波长，并根据各点确定的波长确定该点相对于所述成像镜头的距离，以确定所述被测样品的形貌。由于采用图像传感器进行二维图像数据获取，检测速度要远远高于探针式面型测量的系统的检测速度，不需要高精度(X，Y，Z)三维位移定位系统，或者一维Z向位移定位系统，可以实现高通量，低成本检测。

附图说明

图1是现有技术中平面被测样品的激光干涉测量方法原理示意图；

图2是现有技术中自由曲面被测样品的激光干涉测量方法原理示意图；

图3是现有技术中拼接式自由曲面面型测量原理图；

图4是现有技术中探针式自由曲面面型测量原理图；

图5是本实用新型实施例的面型检测系统示意图；

图6是本实用新型实施例中的一种面型检测方法流程图

图7本实用新型实施例中的一种面型检测系统中Z向位移检测原理图；

图8是本实用新型实施例中的一种面型检测系统中成像镜头的焦面位移距离与照明波长函数关系示意图；

图9是本实用新型实施例中的一种面型检测系统Z向数据与X-Y数据偶联原理图；

图10是本实用新型实施例中的一种面型检测系统被测样本虚拟切片(Z向)图；

图11是本实用新型实施例中的一种面型检测系统被测样本虚拟切片(X-Y平面)图；

图12是本实用新型实施例中的一种面型检测系统被测样品点法线非0状态的测试示意图；

图13是本实用新型实施例中的一种面型检测系统被测样品点法线非0状态的成像物镜的示意图；

附图标记：

111-激光光束；112-参考镜；113-被测样品；114-测量光；115-参考光；

121-激光光束；122-参考镜；123-被测样品；124-测量光；125-参考光；

131-位置；132-位置；133-位置；134-位置；135-被测样品；

141-位移传感器；142-位移传感器；143-位移传感器；144-触发信号解析机构；145-探针；146-被测样品；

201-光源，202-波长调制组件，203-反射镜，204-成像镜头，205-被测样品，206-样品台，207-二维图像传感器，208-光路，209-共轭点，210-最大光强度，211-光强曲线，212-虚拟切片面，213-测量点，214-等高线，215-等高线，216-等高线，217-等高线，218-通光孔径NA角，219-法线，220-法线角。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型提出的一种面型检测系统作进一步详细说明。根据下面说明，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

具体的，请参考图5，其为本实用新型实施例的面型检测系统示意图。如图5所示，本实用新型实施例提供一种面型检测系统，其包括光源201、波长调制组件202、反射镜203、成像镜头204以及二维图像传感器207。

所述光源201为均匀照明光源，用于提供第一光束，所述第一光束为宽光谱光束，其波长λ位于波段Δλ内。

所述波长调制组件202将所述第一光束调制后传输至所述反射镜203，所述波长调制组件202在波段Δλ内平滑连续调制波长λ，使其变为窄光谱连续光，并且中心波长可调。

所述反射镜203的反射率与透射率比值根据光源201的强度和二维图像传感器207的灵敏度设计，在本实施例中，所述反射镜203例如为反射率和透射率相等，即反射率和透射率比值为50:50的反射镜，所述第一光束经所述反射镜203反射转换成第二光束。

所述成像镜头204将所述第二光束经过照射在被测样品205上，所述被测样品205例如是放置于样品台206上。所述成像镜头204例如是色差成像镜头。

所述被测样品205将所述第二光束散射转换成第三光束，所述第三光束经过所述成像镜头204后传输至所述二维图像传感器207，所述二维图像传感器207将光学强度信号转换电子信号并完成记录。

参考图6，本实施例的面型检测系统的工作过程包括步骤：

步骤S10，面型检测系统初始化；

步骤S20，光源201提供第一光束，所述第一光束为宽光谱光束；

波长调制组件202对所述第一光束进行调制后传输至反射镜203；所述反射镜203将所述第一光束反射转换成第二光束，所述第二光束经过成像镜头204照射在被测样品205上，所述第二光束经过被测样品205散射转换成第三光束，所述第三光束经过所述成像镜头204后传输至二维图像传感器207；

步骤S30，所述波长调制组件202对所述第一光束进行调制，以获得Z向位移数据。

图7是本实用新型实施例中一种面型检测系统中Z向位移检测原理图，在实际的频谱扫描过程中，入射波长不可能是单波长，往往是某个波段窄光谱波长Δλ，并且对应等效中心波长λ₀，该波段窄光谱波长对应的焦平面位移ΔZ，并且对应等效中心焦平面Z₀。在波段窄光谱波长Δλ内，带通滤波器平滑连续移动，对应等效中心波长λ₀也连续平移。进而，该波段窄光谱波长对应的焦平面位移ΔZ也平滑移动，其对应的等效中心焦平面Z₀也连续平移。从而实现中心波长λ₀对应等效中心焦平面Z₀的连续渐变函数。从而，理论上，可以实现λ₀的连续输出，并且对应中心焦平面Z₀连续输出，从而理论上讲，所述面型检测系统的Z向面型精度可以实现无限高，其约束只取决于λ₀的测量噪声。

在检测过程中，波长调制组件202对第一光束的波长进行连续调制，并记录第一光束的波长λ，当成像镜头204设计结构确定以后，其焦距函数f＝F(λ)就是确定函数，当波长小于特定波长时，焦面位移函数为线性函数，当波长大于特定波长时，焦面位移函数为函数f＝F(λ)，所述特定波长例如是比如几十微米，如图8所示。通过对函数进行索引，那么根据记录照明光束的波长λ换算为Z向位移数据Z＝f，并记录Z向位移数据Z。所述波长调制组件202根据所述第一光束波长λ提供的Z向位移数据，需要与所述二维图像传感器207获取的光强二维数据实现关联。所述波长调制组件202提供的Z向位移数据为被检测样品205面型数据(X，Y，Z)中Z轴精度数据。所述二维图像传感器207获取的光强二维数据经过数学算法解析出被检测样品205面型数据(X，Y，Z)中的(X，Y)精度数据。

步骤S40，所述图像传感器获得光强二维数据，以获得对应Z向位移数据的(X,Y)数据，将(X,Y)与Z向位移数据偶联以获得面型数据(X,Y,Z)。

图9是本实用新型实施例中一种面型检测系统的Z向数据与X-Y数据偶联原理。光强曲线211为二维图像传感器207中的(X，Y)像素点检测到的光强与波长调制组件202根据第一光束的波长λ提供Z轴数据的曲线图，光路208为二维图像传感器207中的(X，Y)像素点的光路图。根据光学成像镜像对称原理，随着虚拟焦面随着第一光束波长λ调制导致虚拟焦平面由光学成像点Z₀的下方运到到上方时，那么被测样品205的面型的(X，Y)物点在二维图像传感器207中的(X，Y)的像点处成像将经历一个离焦-对焦-离焦过程，这时候二维图像传感器207中的(X，Y)像素点检测到的光强形成光强曲线211，当二维图像传感器207中的(X，Y)像素点检测到最大光强点210时，被测样品205的面型的(X，Y)物点和二维图像传感器207中的(X，Y)像素点实现了共轭，那么，此时，由波长调制组件202通过调制第一光束波长λ驱动的虚拟曲面运动到了被测样品205的面型的(X，Y)物点成像光路的共轭点209，此时，照明光路波长λ对应Z₀，进而实现了被测样品205的面型的Z向数据与X-Y数据的偶联。

具体的，所述二维图像传感器207记录光强数据并输出(X，Y，I)，同时记录对应的Z向位移数据，判断光强I值是否为最大值，如果是最大值，将(X，Y，I)值置换为(X，Y，Z)。

步骤S50，所述被测样品205由多个Z平面组成，通过所述波长调制组件202平滑连续调制波长，获取多个所述Z向位移数据对应的面型数据(X，Y，Z)，以形成整个面型数据。

具体的，采用成像镜头204的成像焦平面对被检测样品205进行“虚拟切片”，通过虚拟切片获取被检测样品205的“等高线”，成像镜头204的成像焦平面与第一光束波长λ确定性相关，因此可以通过记录波长对每一个被检测样品205的“等高线”进行足够精度的“高度”标记，进而绘制出被检测样品205的3D面型数据。进行“等高线”绘制，一方面，本实施例提供的面型检测系统可以检测自由曲面，不受平面或者球面限制，同时可以对整个样本区域成像，不需要进行面型“拼接”。另一方面，采用二维图像传感器207进行二维图像数据获取，检测速度要远远高于探针式面型测量的系统的检测速度，不需要高精度(X，Y，Z)三维位移定位系统，或者一维Z向位移定位系统，通常大行程，高精度的位移测量运动系统成本十分高昂。因此，本实施例提供的面型检测系统可以实现高精度，低成本检测。

进一步的，对被测样品205进行虚拟切片(Z向)见图10，被测样品205的面型被虚拟“切片”面212切割，虚拟“切片”面212与被测样品205的面型相交形成一系列测量点213，测量点213包含三维位移数据(X，Y，Z)，其中Z向位移数据由波长调制组件202根据第一光束的波长λ获得，(X，Y)横向数据由二维图像传感器207获得。参见图11，被测样品205进行虚拟切片(X-Y向)，等高线214、等高线215、等高线216、等高线217，它们相同“切面”拥有相同的Z向位移数据，不同的“切面”Z向位移数据不同。对被测样品205的面型进行“切片”形成等高线214、等高线215、等高线216、等高线217…，当等高线间隔足够小时，即可拟合成被测样品205的面型数据。

参考图12以及图13，本实用新型实施例还提供一种面型检测系统的被测面型样品点法线非0状态对应二维图像传感器像素点的光强影响。假如被测试样品表面以散射为主，那么各个方向的散射光基本同性，则不会对对应二维图像传感器像素点的探测光强产生影响。但如果被测试样品表面比较完备，镜面反射含量比较多，则会对探测光强产生比较大的影响，甚至无法探测光强信号。这种条件下，如图12所示，成像物镜204没有处于被测样品205的正上方，如图13所示，法线219和被测样品205表面形成了法线角θ220，当θ等于0度时，产生正反射，当θ等于90度无法接受反射光信号。当θ小于成像物镜204的通光孔径NA角218时，就会有被测样品205反射光被接受，同时被测光强I＝I₀*F(cos(θ)),其中I₀为被测样品205正反射时的反射光信号。同时，当进行频谱扫描时，对应二维图像传感器207像素点接受到的光强为相对值最大时，对应检测的Z向位移数据，同时，被测的最大光强满足公式I＝I₀*F(cos(θ))，从而，被检测样品205表面法向角不引入检测误差。

本实用新型实施例提供的一种面型检测系统，可以实现高精度、高通量、低成本的样品形貌3D测量，主要应用于手机镜头检测、晶圆缺陷检测和硅片面型检测等非球面、非平面的3D面型测量应用领域。

本实用新型通过波长调制组件对波长平滑调制获得成像物镜焦平面Z向位移平滑移动，提高了自由曲面面型测量精度，同时实现了高通量，低成本检测。由于采用图像传感器进行二维图像数据获取，检测速度要远远高于探针式面型测量的系统的检测速度，不需要高精度(X，Y，Z)三维位移定位系统，或者一维Z向位移定位系统，可以实现高通量，低成本检测。

上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本实用新型范围的任何限定，本实用新型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

1.一种面型检测系统，其特征在于，包括光源、成像镜头以及图像传感器；所述光源提供的光束经过所述成像镜头照射在被测样品的被测面上，所述图像传感器检测所述被测面的散射光以确定所述被测面上各点的散射光的光强最大时对应的波长，并根据各点确定的波长确定该点相对于所述成像镜头的距离，以确定所述被测样品的形貌。

2.如权利要求1所述的一种面型检测系统，其特征在于，所述光源为照明光源。

3.如权利要求1所述的一种面型检测系统，其特征在于，所述光源发出的光束为宽光谱连续光。

4.如权利要求1所述的一种面型检测系统，其特征在于，所述面型检测系统还包括波长调制组件，所述波长调制组件用于调制所述光源提供的光束，使其变为窄光谱连续光，并且中心波长可调。

5.如权利要求4所述的一种面型检测系统，其特征在于，所述波长调制组件对所述光源提供的光束进行连续调制。

6.如权利要求4所述的一种面型检测系统，其特征在于，所述面型检测系统还包括反射镜，所述波长调制组件调制后的光束传输至所述反射镜并经所述反射镜反射后传输至所述成像镜头。

7.如权利要求6所述的一种面型检测系统，其特征在于，所述反射镜的反射率与透射率相等，或者，所述反射镜的反射率与透射率比值根据光源的强度和图像传感器的灵敏度设计。

8.如权利要求1所述的一种面型检测系统，其特征在于，所述图像传感器为二维图像传感器。

9.如权利要求1所述的一种面型检测系统，其特征在于，所述成像镜头为色差成像镜头。

10.如权利要求1至9中任一项所述的一种面型检测系统，其特征在于，所述被测样品的被测面为自由曲面。