TW201423036A

TW201423036A - 手動白光干涉階高量測方法

Info

Publication number: TW201423036A
Application number: TW101145773A
Authority: TW
Inventors: Can-Lin Chen; Qing-Fen Gao
Original assignee: Carmar Accuracy Co Ltd
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2014-06-16

Abstract

一種手動白光干涉階高量測方法，先擷取待測物的影像，並於影像上選取至少兩個欲量測高度之像素，再以手動方式控制一手動位移器令分光干涉儀以垂直方向移動以掃描待測物，擷取選定之各像素經過分光干涉儀之寬頻光的干涉條紋，且等間距地記錄所選定各像素之強度值與掃描位置，並記錄於一干涉強度資料庫中，針對寬頻光之波長，同時對干涉強度資料庫中之資料進行一垂直掃描干涉分析，得到包絡波曲線之極值位置，作為待測物表面選定像素的相對高度，並透過各像素之相對高度計算即得表面階高。

Description

手動白光干涉階高量測方法

　　本發明與階高量測方法有關，尤指一種以手動方式且應用白光干涉原理進行階高量測的方法。

　　目前產業界對於經由量測待測物表面輪廓的方法而檢測產品品質的需求日漸增加，例如晶圓表面粗糙度和平坦度的檢測、覆晶製程中金球凸塊尺寸和共平面度的量測、彩色濾光片之間隔柱尺寸和高度的量測、光纖端面及微光學元件表面的量測等，所應用的範圍幾乎涵蓋所有的高科技產業(半導體業、封裝測試業、平面顯示器業及光通訊業)。所以，一種可以快速且精確地檢測產品的檢測方法對於廠商降低產品的生產成本及提升產品的生產效率非常重要。因此，業界無不投入資源努力研究，希望能改進產品檢測方法及裝置。

　　目前一般量測待測物之表面輪廓的技術主要為白光(寬頻光)垂直掃描干涉分析法，其係運用白光(寬頻光)之同調長度短的特性，精確地量測待測物之表面輪廓。在量測進行時，一分光干涉儀利用一分合光元件將量測光分為兩道，其一為入射至一待測物表面並被此表面反射之量測光，而另一則為入射至一參考鏡面並被此參考鏡面反射之參考光，前述被反射之量測光及參考光並被此分合光元件合成為一合成光並產生干涉條紋。隨後，利用一位移器調變前述量測光與參考光之間所具的光程差，造成寬頻光干涉條紋分佈的變化。最後，經由記錄產生最大干涉條紋對比時位移器的垂直位置，分析出待測物之表面輪廓。

　　美國專利第5471303號揭露一種結合白光垂直掃描干涉術(VSI)與單波長相移干涉術(PSI)而量測待測物之表面輪廓的裝置及量測方法。此專利之量測方法係分別將一經由白光垂直掃描干涉術量測並分析所得的整數干涉階數值與另一經由單波長相移干涉術量測且分析所得的小數干涉階數值整合在一起，進而在維持單波長相移量測的解析度的條件下，分析出待測物之表面輪廓。但是，由於此專利之量測方法在量測時需要依序切換寬頻光源與單波長光源做為量測光源，才能進行上述兩種不同量測模式的量測，導致此專利之量測裝置的架構複雜。此外，此專利之量測方法必須依序完成上述兩種量測後才能描繪出待測物之表面輪廓，所需之量測時間極長。因此，美國專利第5471303號所揭露之量測方法及裝置，不僅裝置架構複雜，且無法應用於需要迅速量測的線上產品檢測場合。

　　如上述，新興的檢測技術皆為強調快速、自動化的影像式檢測方法，然而在速度與精度的要求下，現有的檢測設備均需使用昂貴的垂直掃描致動器或馬達，如壓電致動器(PZT)來作微米甚至是奈米距離的移動且搭配複雜的量測方法來達到量測的速度與精度，也因如此使得量測範圍限制在幾毫米之內而無法突破，相對在速度與精度的要求下使檢測設備的價格也居高不下。

　　但應近年來傳統產業的升級，數十毫米尺寸及次微米解析度之量測需求日增，若以市場現有的檢測設備及方法來作階高量測實在是大材小用，且會增加業者添購檢測設備的負擔，再者現有的檢測設備對數十毫米尺寸的量測範圍是有難度的，因此如何以現有的顯微鏡機台搭配手動掃描機制，達到數十毫米尺寸及次微米解析度之三維量測方法，乃為目前需要積極研發的方向。

　　有鑑於此，故如何解決上述問題即為本發明所欲解決之首要課題，因此本案發明人乃經過不斷的苦思與試作後，才終於有本發明之產生。

　　本發明之主要目的在於提供一種手動白光干涉階高量測方法，可在不需昂貴的垂直掃描致動器或馬達的情況下，以手動方式有效地得到待測物的階高，且自動分析得到階高參數，簡化量測裝置的複雜度及降低量測系統的價格。

　　本發明之另一目的在於，利用手動位移器與位移測量裝置配合分光干涉儀的量測，而可因應傳統產業數十毫米尺寸及次微米解析度之量測需求。

　　為達前述之目的，本發明提供一種手動白光干涉階高量測方法，其藉由一分光干涉儀手動量測一待測物之表面階高，其步驟包括有：擷取待測物的影像；於該影像上選取至少兩個欲量測高度之像素；以手動方式控制一手動位移器令分光干涉儀以垂直方向移動以掃描待測物；擷取選定之像素經過分光干涉儀之寬頻光的干涉條紋，其中該寬頻光包括至少一特定波長之光波，並由一寬頻光源提供；在手動移動垂直方向的距離中以等間距地記錄選定像素之強度值與掃描位置，並記錄於一干涉強度資料庫中；針對該至少一特定波長，同時對該干涉強度資料庫中之資料進行一垂直掃描干涉分析，得到包絡波曲線之極值位置，作為待測物表面選定像素的相對高度；以及透過各像素之相對高度計算即得表面階高。

　　而本發明之上述及其他目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳細說明與附圖中獲得深入了解。當然本發明在某些另件或另件之安排上容許有所不同，但所選用之實施例則於本說明書中予以詳細說明，並於附圖中展示其構造。

　　請參閱第１圖，其為本發明所提供之手動白光干涉階高量測方法，其藉由一分光干涉儀手動量測一待測物之表面階高，其步驟包括有：
　　Ａ．擷取待測物的影像；
　　Ｂ．於該影像上選取至少兩個欲量測高度之像素；
　　Ｃ．以手動方式控制一手動位移器令分光干涉儀以垂直方向移動以掃描待測物；
　　Ｄ．擷取選定之像素經過分光干涉儀之寬頻光的干涉條紋，其中該寬頻光包括至少一特定波長之光波，並由一寬頻光源提供；
　　Ｅ．在手動移動垂直方向的距離中以等間距地記錄選定像素之強度值與掃描位置，並記錄於一干涉強度資料庫中；
　　Ｆ．針對該至少一特定波長，同時對該干涉強度資料庫中之資料進行一垂直掃描干涉分析，得到包絡波曲線之極值位置，作為待測物表面選定像素的相對高度；
　　以及Ｇ．透過各像素之相對高度計算即得表面階高。

　　於上述步驟中，所搭配使用的分光干涉儀示意圖如第２圖所示，其中本發明所使用的偵測器種類沒有限制，較佳者為光二極體偵測器，最佳者為感光耦合元件（CCD）偵測器；而所使用的分光干涉儀種類亦沒有限制，較佳者為Twyman-Green式干涉儀、Michelson式干涉儀或Linnik式干涉儀，最佳者為Mirau式干涉儀。第２圖中，寬頻光源１０提供一寬頻光至光束整形系統１１，而光束整形系統１１將入射之光束均勻地入射於分光鏡１２。分光鏡１２將入射之寬頻光反射至分合光元件１３，寬頻光並被分合光元件１３分為兩道光束，量測光及參考光。其中，量測光入射至待測物１４之表面並被此表面反射，參考光入射至參考鏡面１５並被參考鏡面反射。前述被反射之量測光及參考光經由分合光元件１３合光形成一具有干涉條紋之寬頻合成光，並入射於陣列式偵測器１６。經由手動位移器１７垂直的移動該分光干涉儀以調變量測光及參考光之間所具之光程差，造成合成光之干涉條紋的變化，並由陣列式偵測器１６偵測。

　　承上，該手動位移器１７具有一位移測量裝置（圖中未示），其中該位移測量裝置可為光學線性編碼器、光學旋轉編碼器、磁性線性編碼器、磁性旋轉編碼器、線性可變差分位移器或雷射位移器其中之一者。於上述步驟中，請參閱第３圖，先以陣列式偵測器擷取待測物的影像，再自所擷取的影像上選取至少兩點欲量測高度之像素２０、２１，利用手動位移器以手動的方式移動分光干涉儀對待測物的影像進行兩端點２２、２３間垂直掃描，其中由上朝下掃描，或由下朝上掃描皆可，並於此掃描兩端點２２、２３的路徑間，利用該位移測量裝置的量測，於每一固定掃瞄間距讀取該像素２０、２１之強度變化並等間距地記錄選定像素２０、２１的強度值與掃描位置，計算得出此像素的強度變化，以獲得白光干涉掃描的包絡波曲線２４、２５，當然亦可擷取全部該些干涉像素強度後才計算得出像素之強度變化，以獲得白光干涉掃描之包絡波曲線，再決定該曲線２４、２５的峰值，以決定像素位置之相對高度值，兩像素２０、２１間之位置高度差，即為階高。

　　上述干涉像素強度的計算是根據一遮罩方法演算。此遮罩方法更進一步地界定為九宮格遮罩的機制，其中於影像上被選取的像素位於九宮格遮罩的中間像素，並將被該九宮格遮罩所涵蓋的像素選出，根據該等像素的強度，而以一計算規則得出一計算值。其中該九宮格遮罩的形狀是以該中間像素為中心，間隔90度在第一、第二、第三、第四個方向延伸及間隔45度在第一、第二、第三、第四個方向延伸至少十二個像素所構成，且每一個像素位置分別設定有一權重值以乘以對應的像素強度，而獲得白光干涉掃描的包絡波曲線。

　　而在步驟Ｆ中，藉由分析由前步驟所得之手動掃描範圍內的像素強度值，得到掃描範圍內的最大值，以此最大值為中心向兩側延伸固定範圍，或設定一門閥值取出固定範圍，以作為包絡波曲線的分析範圍，其中該門閥值乃根據統計機制而得。接著，於分析該干涉像素之相對高度的步驟中，其計算方法是依據質心法之演算，其中此質心法之計算包括有去除直流的機制以及計算質心之機制。當計算得出兩包絡波曲線的質心位置２４１、２５１後，二者之位置差距Ｈ即為待測物兩像素２０、２１間的表面階高。

　　由上述說明可知，本發明所提供之手動白光干涉階高量測方法係以手動方式控制一手動位移器令分光干涉儀以垂直方向移動以掃描待測物，並利用位移測量裝置的量測，可於每一固定掃瞄間距讀取該像素之強度變化且等間距地記錄選定像素的強度值與掃描位置，可在不需昂貴的垂直掃描致動器或馬達的情況下，以手動方式有效地得到待測物的階高，且利用位移測量裝置的量測等間距地記錄選定像素之強度值與掃描位置，自動分析得到階高參數，簡化量測裝置的複雜度及降低量測系統的價格。

　　再者，本發明之方法係以手動方式帶動整組分光干涉儀垂直移動，在移動過程中利用位移測量裝置的量測等間距地記錄選定像素之強度值與掃描位置，使量測範圍可達到數十毫米尺寸及次微米解析度，而可因應傳統產業數十毫米尺寸及次微米解析度之量測需求。

　　以上所述實施例之揭示乃用以說明本發明，並非用以限制本發明，故數量之變更或等效元件之置換仍應隸屬本發明之範疇。由以上詳細說明，可使熟知本項技藝者明瞭本發明的確可達成前述目的，實已符合專利法之規定，爰提出專利申請。

10．．．光源

11．．．光束整形系統

12．．．分光鏡

13．．．分合光元件

14．．．待測物

15．．．參考鏡面

16．．．偵測器

17．．．手動位移器

20、21．．．像素

22、23．．．端點

24、25．．．包絡波曲線

241、251．．．質心位置

H．．．位置差距

第１圖為本發明之方法流程圖

第２圖為本發明所搭配使用之分光干涉儀示意圖

第３圖為本發明計算待測物表面階高之示意圖

Claims

一種手動白光干涉階高量測方法，其藉由一分光干涉儀手動量測一待測物之表面階高，其步驟包括有：
　　擷取待測物的影像；
　　於該影像上選取至少兩個欲量測高度之像素；
　　以手動方式控制一手動位移器令分光干涉儀以垂直方向移動以掃描待測物；
　　擷取選定之像素經過分光干涉儀之寬頻光的干涉條紋，其中該寬頻光包括至少一特定波長之光波，並由一寬頻光源提供；
在手動移動垂直方向的距離中以等間距地記錄選定像素之強度值與掃描位置，並記錄於一干涉強度資料庫中；
　　針對該至少一特定波長，同時對該干涉強度資料庫中之資料進行一垂直掃描干涉分析，得到包絡波曲線之極值位置，作為待測物表面選定像素的相對高度；
　　以及透過各像素之相對高度計算即得表面階高。
依申請專利範圍第１項所述之手動白光干涉階高量測方法，其中，該分光干涉儀為Mirau式干涉儀、Twyman-Green式干涉儀、Michelson式干涉儀或Linnik式干涉儀其中之一者。
依申請專利範圍第１項所述之手動白光干涉階高量測方法，其中，該分光干涉儀具有一分合光元件，用以對該寬頻光源所提供之寬頻光分成一量測光及一參考光，該量測光入射至該待測物之表面並被該表面反射，該參考光入射至一參考鏡面並被該參考鏡面反射，該分合光元件合成該反射之量測光與該反射之參考光為一合成光，俾供該合成光入射至一偵測器後而由該偵測器擷取出該寬頻光之干涉條紋。
依申請專利範圍第３項所述之手動白光干涉階高量測方法，其中，藉由一手動位移器調整該量測光及該參考光兩者之間所具之光程差，俾供該偵測器能偵測該光程差所造成之該寬頻光干涉條紋分布的變化。
依申請專利範圍第１項所述之手動白光干涉階高量測方法，其中，該手動位移器包括有一位移測量裝置。
依申請專利範圍第５項所述之手動白光干涉階高量測方法，其中，該位移測量裝置可為光學線性編碼器、光學旋轉編碼器、磁性線性編碼器、磁性旋轉編碼器、線性可變差分位移器或雷射位移器其中之一者。
依申請專利範圍第３項所述之手動白光干涉階高量測方法，其中，該偵測器為一陣列式偵測器。
依申請專利範圍第７項所述之手動白光干涉階高量測方法，其中，該陣列式偵測器為感光耦合元件偵測器。
依申請專利範圍第７項所述之手動白光干涉階高量測方法，其中，該陣列式偵測器為光二極體偵測器。