TW202340685A - 用於光學光柵中間距和定向的高解析度、穩定量測的方法 - Google Patents

Abstract

本文所述的實施例提供了一種具有孔徑過濾部件的量測系統及利用該量測系統的方法。本文所述的量測系統包括量測臂及平台。該量測臂將光束投射到光學元件結構的頂表面。從非不透明的基板的其他表面反射及繞射得到的多反射束導致干涉。該量測臂包括孔徑（例如，孔徑過濾部件），該孔徑過濾多反射束以免該多反射束被中繼到偵測器中。因此，僅將光束的圖像中繼到偵測器。

Description

用於光學光柵中間距和定向的高解析度、穩定量測的方法

本揭示的實施例係關於一種量測系統。特定言之，本揭示的實施例係關於一種具有孔徑過濾部件的量測系統及利用該量測系統的方法。

虛擬實境通常被認為係電腦產生的模擬環境，在該模擬環境中使用者具有表觀實體存在。虛擬實境體驗可以3D產生，並且用頭戴式顯示器(head-mounted display; HMD)，諸如眼鏡或其他可穿戴顯示裝置觀看，該等眼鏡或其他可穿戴顯示裝置具有近眼顯示面板作為透鏡以顯示替代實際環境的虛擬實境環境。

然而，擴增實境實現了使用者仍然可以透過眼鏡或其他HMD裝置的顯示透鏡觀看周圍環境，亦能夠看到虛擬物體的圖像的體驗，該等虛擬物體經產生用於顯示並且作為環境的部分出現。擴增實境可以包括任何類型的輸入，諸如音訊及觸覺輸入，以及增強或擴增使用者經歷的環境的虛擬圖像、圖形、及視訊。作為新興技術，擴增實境存在許多挑戰及設計約束。

一個此種挑戰係顯示重疊在周圍環境上的虛擬圖像。光學元件用於輔助重疊圖像。製造光學元件可以具有挑戰性，由於光學元件趨於具有需要根據特定容差製造的性質，諸如光學元件結構間距及光學元件結構定向。量測裝置用於確保實現意欲的間距及定向。當量測透明基板上的光學元件結構時，歸因於多反射束干涉量測裝置，習知系統將經歷準確性及重複性的降低。由此，本領域中需要一種改進的量測裝置及過濾多反射束的方法。

在一個實施例中，提供了一種量測系統。該量測系統包括：光源，被配置為將光束投射到在光源下方設置的基板；第一透鏡，在基板與光源之間設置並且被配置為將光束聚焦到基板；以及第一分束器，在第一透鏡與光源之間設置。該量測系統進一步包括：第二透鏡，鄰近第一分束器設置並且被配置為將光束導向第二透鏡，且被配置為將光束導向鏡子；孔徑，在鏡子前方設置；第二分束器，被配置為將光束從鏡子導向第三透鏡；以及偵測器，其中藉由第三透鏡將光束投射到偵測器。

在另一實施例中，提供了一種量測系統。該量測系統包括：平台，具有基板支撐表面，其中平台耦接到平台致動器，該平台致動器被配置為在掃描路徑中移動平台並且繞著軸旋轉平台；量測臂，在平台之上設置並且被配置為將光束導向在基板支撐表面上設置的基板。該量測臂包括：光源，被配置為將光束投射到在光源下方設置的基板；第一透鏡，在基板與光源之間設置並且被配置為將光束聚焦到基板；第一分束器，在第一透鏡與光源之間設置；第二透鏡，鄰近分束器設置並且被配置為將光束導向第二透鏡；孔徑，其中第二透鏡被配置為導引光束穿過孔徑；第三透鏡；以及偵測器，其中藉由第三透鏡將光束投射到偵測器。

在又一實施例中，提供了一種方法。該方法包括將光束從量測臂投射到第一光學元件結構，光束從基板的第一光學元件結構的頂表面繞射，其中基板在平台上設置。該方法進一步包括穿過在量測臂中的鏡子前方設置的孔徑投射光束，其中孔徑可操作為僅允許光束接觸鏡子；將光束的第一原始圖像中繼到量測臂中的偵測器；沿著掃描路徑移動平台；以及將光束投射到第二光學元件結構。將第二原始圖像中繼到偵測器。該方法進一步包括形成至少第一光學元件結構及第二光學元件結構的間距及定向角的高解析度圖。

本揭示的實施例係關於一種具有孔徑過濾部件的量測系統及利用該量測系統的方法。量測系統包括平台及量測臂。從量測臂投射的光從在平台上設置的基板反射，並且從基板表面反射的光入射在量測臂上。當光學元件結構的定向及/或間距改變時，投射到偵測器的圖像的偏移將偏移。本文揭示的實施例可特別地用於但不限於量測光學系統中的局部均勻性。

第1圖係根據一個實施例的量測系統101的示意圖。如圖所示，量測系統101包括平台102及量測臂104。在一些實施例中，反射臂112包括在量測系統101中。臂致動器被配置為繞著z軸旋轉反射臂112並且在z方向上掃描反射臂112。量測系統101被配置為繞射藉由量測臂104投射的光。藉由量測臂104投射的光經導引在平台102上方設置的基板103處。從基板103反射及繞射的光束入射在量測臂104上。量測臂104在平台102之上設置。反射臂112在平台102之上設置。

如圖所示，平台102包括支撐表面106及平台致動器108。平台102被配置為將基板103固定在支撐表面106上。在可以與本文描述的其他實施例相結合的一個實施例中，基板103係透明基板。平台102耦接到平台致動器108。平台致動器108被配置為沿著x方向及y方向在掃描路徑110中移動平台102。平台致動器108亦被配置為繞著z軸旋轉平台102。平台102被配置為在掃描路徑中移動並且旋轉基板103，使得在量測系統101的操作期間從量測臂104投射的光束入射在基板103的不同部分或光柵上。

基板103包括具有光學元件結構109的一或多個光柵107的一或多個光學元件105。光柵107的每一者包括光學元件結構109的區域。光學元件結構109的每一者具有定向角 ϕ及間距 P（第2圖所示）。將間距 P定義為在相鄰點之間的距離，諸如光學元件結構109的相鄰第一邊緣或相鄰質心。用於第一光柵111的光學元件結構109的間距 P及定向角 ϕ可以與用於一或多個光柵107的第二光柵113的光學元件結構109的間距 P及定向角 ϕ不同。此外，歸因於基板103的局部翹曲或其他變形，可以存在光學元件結構109的局部間距 P’變化及局部定向角 ϕ’變化。量測系統101可以用於量測用於光學元件105的每一者的光柵107的每一者的光學元件結構109的間距 P及定向角 ϕ。基板103可以係任何大小的單晶晶圓，諸如具有從約150 mm至約450 mm的半徑。

量測臂104及平台102與控制器130通訊。控制器130促進用於量測本文描述的光學元件結構109的間距 P及定向角 ϕ的方法的控制及自動化。控制器可包括中央處理單元(central processing unit; CPU) （未圖示）、記憶體（未圖示）、及支援電路（或I/O）（未圖示）。CPU可係任何形式的電腦處理器中的一個，該等電腦處理器在工業設置中用於控制各種製程及硬體（例如，電動機及其他硬體）並且監測製程（例如，傳遞裝置位置及掃描時間）。記憶體（未圖示）連接到CPU，並且可係容易獲得的記憶體，諸如隨機存取記憶體(random access memory; RAM)。軟體指令及資料可以在記憶體內編碼及儲存用於指示CPU。支援電路（未圖示）亦連接到CPU，用於支援處理器。支援電路可包括快取記憶體、電源供應器、時鐘電路、輸入/輸出電路系統、子系統、及類似者。控制器可讀取的程式（或電腦指令）確定在基板103上可執行哪些任務。程式可係由控制器可讀取的軟體，並且可包括用於監測及控制（例如）基板位置及量測臂位置的代碼。

第2A圖係量測臂104的第一配置200A的示意性側視圖。量測臂104被配置為將光束202導向基板103。量測臂104被配置為量測在基板105上形成的光學元件結構109的間距P及定向角 ϕ。光學元件結構109形成光柵107。將光束202投射到待量測的光學元件結構109的頂表面201。如第2圖所示，將光束202投射到光柵107的複數個光學元件結構109。

在可以與本文描述的其他實施例相結合的其中基板103係非不透明（例如，透明）的實施例中，光的多反射束204將從基板103的至少底表面203反射。當使用量測臂106時，多反射束204導致干涉。干涉將引起光束202的非對稱圖像，例如，從基板103繞射或反射的光路的圖像不係圓形或實質上圓形的，此降低了間距P及定向角 ϕ的量測準確性。為了解決此問題，量測系統101利用孔徑過濾部件來降低干涉。

量測臂104的第一配置200A包括光源206、第一透鏡208、第一分束器210、第二透鏡212、孔徑214、鏡子216、第二分束器218、第三透鏡220、及偵測器222。量測臂104與控制器130（第1圖所示）通訊。控制器130被配置為促進量測臂104的操作及移動。量測臂104亦可包括臂致動器224（第1圖所示）。臂致動器224被配置為繞著z軸旋轉量測臂104，並且在z方向上掃描量測臂。在執行量測時量測臂104亦可係固定的。

光源206被配置為朝向基板103投射光束202。例如，光源206係LED或雷射。光源在從約400 nm至約700 nm的波長範圍中操作。例如，光源206係在450 nm、530 nm、或650 nm之一下操作的LED光源。光束202相對於基板103的底表面203以束角θ投射。在可以與本文描述的其他實施例相結合的一個實施例中，光束202係準直雷射束。在可以與本文描述的其他實施例相結合的另一實施例中，光束202具有圓形或實質上圓形的橫截面（如第3A圖所示）及/或投射形狀。如藉由第一箭頭240所描繪，光束202從光源206投射、穿過第一分束器210透射（一些光束202從第一分束器210反射）、並且藉由第一透鏡208投射到光學元件結構109。

光源206朝向第一透鏡208投射光束202。第一透鏡208係聚焦光束202的會聚透鏡或聚焦透鏡。第一透鏡208鄰近基板103。第一透鏡208在光源206與基板103之間設置。第一透鏡208被配置為在待量測的光學元件結構109的頂表面201上聚焦光束202。光學元件結構109導致在從光學元件結構109反射之後光束202的相變。第一透鏡208被配置為聚焦光束202，例如，減小光束202的束直徑，以改進量測臂104的空間解析度。此外，改進的空間解析度將較佳地區分光束202與多反射束204。

光束202以束角θ從光學元件結構的頂表面201繞射。如藉由第二箭頭242所描繪，光束202穿過第一透鏡208朝向第一分束器210投射並且投射到鏡子216。第一分束器210將光束202反射到第二透鏡212（一些光束202穿過第一分束器210透射）。第一分束器210在第一透鏡208與光源206之間設置。第二透鏡212在第二分束器218與孔徑214之間設置。第二透鏡212係聚焦光束202的會聚透鏡。

第二透鏡212將光束202聚焦到鏡子216的反射表面226。第二透鏡212穿過孔徑214導引光束202。孔徑214在鏡子216前方設置。孔徑214經定位為使得允許光束202穿過孔徑214接觸反射表面226。孔徑214包括孔徑大小215。孔徑大小215基於結果的預定空間解析度來確定。例如，孔徑大小215係約50 μm至約1 mm。

鏡子216將光束202反射到第二分束器218。如藉由第三箭頭244所描繪，光束從鏡子216反射穿過第二透鏡212，第二分束器218將光束202反射到第三透鏡220（一些光束202穿過第二分束器218透射），並且投射到偵測器222。第二分束器218鄰近鏡子216設置。第三透鏡220鄰近偵測器222。第三透鏡220在第二分束器218與偵測器222之間設置。

第三透鏡220將傅立葉平面228處的原始圖像中繼到偵測器222。第三透鏡220係中繼透鏡。第三透鏡220可以係單個透鏡或多個透鏡。傅立葉平面228在第二分束器218與第二透鏡212之間設置。將在傅立葉平面228處的光束202的原始圖像投射到偵測器222。偵測器222中繼傅立葉平面228處的原始圖像以觀察投射到不同光學元件結構109的光束202的主光線角的偏移（第3A圖及第3B圖所示）。偵測器222係本領域中用於偵測光的任何光學設備，諸如電荷耦合元件(charge-coupled device; CCD)陣列或主動像素感測器（CMOS陣列）。

傅立葉平面228的位置經定義為鏡子216的傅立葉平面以及基板103上的平面。傅立葉平面228係光束202的原始輪廓的中繼圖像以及中繼到偵測器222的原始圖像。當間距改變時，傅立葉平面228以及偵測器222上的原始圖像將偏移，但基板103及鏡子216上的光束202的位置將不偏移。

由於基板103係非不透明的，當光源206投射經過基板103的光時，形成多反射束204。例如，如第2A圖所示，多反射束204從基板103的底表面203繞射。歸因於從底表面203繞射（並且在一些實施例中，從其他光學元件結構109或基板103的上表面繞射），多反射束204不沿著與光束202相同的路徑穿過量測臂104投射。例如，如第2A圖所示，將多反射束204經由第一分束器210導向第二透鏡212。第二透鏡212朝向鏡子216聚焦多反射束204。第二透鏡212鄰近孔徑214。然而，孔徑214將多反射束204濾除以免接觸鏡子216。孔徑214經定位為使得多反射束204將不接觸反射表面226。多反射束204將具有超出光束202的圖像點的圖像點。多反射束204亦將從光束202偏移。由此，孔徑214將多反射束204濾除以免中繼到偵測器222。將改進中繼到偵測器222的原始圖像的精度及準確性，而無來自多反射束204的干涉。

第2B圖係量測臂104的第二配置200B的示意性側視圖。量測臂104的第二配置200B包括光源206、第一透鏡208、第一分束器210、第二透鏡212、孔徑214、鏡子216、第三透鏡220、偵測器222、第一線性偏光器230、第二線性偏光器232、第一波板234、及第二波板236。第一線性偏光器230、第二線性偏光器232、第一波板234、及第二波板236被配置為增加量測臂104中的光束的效率並且減少在量測臂104的部件之間反射的光束。第一線性偏光器230、第二線性偏光器232、第一波板234、及第二波板236可互換以適應預定波長。例如，第一波板234及第二波板236可係四分之一波板。與第一配置200A相比，第二配置200B允許緊湊設計。然而，第一線性偏光器230、第二線性偏光器232、第一波板234、及第二波板236包括在內以避免量測臂104內的不期望的光束繞射及反射。

光源206被配置為朝向基板103投射光束202。光束202相對於基板103的底表面203以束角θ投射。在可以與本文描述的其他實施例相結合的一個實施例中，光束202係準直雷射束。在可以與本文描述的其他實施例相結合的另一實施例中，光束202具有圓形或實質上圓形的橫截面（如第3A圖所示）及/或投射形狀。如藉由第一箭頭246所描繪，光束202從光束206投射到第一線性偏光器230，穿過第一分束器210透射（一些光束202從第一分束器210反射），穿過第一波板234，並且藉由第一透鏡208投射到光學元件結構109。第一分束器210係偏振的分束器。第一線性偏光器230、第二線性偏光器232、第一波板234、及第二波板236最大化透射到基板103的光束202的效率，使得光束202保持沿著藉由第一箭頭246定義的路徑。第一線性偏光器230在光源206與第一分束器210之間設置。第一波板234在第一分束器210與第一透鏡208之間設置。第一分束器210將使偏振的光束透射並且反射另一偏振光束。第一線性偏光器230、第二線性偏光器232、第一波板234、及第二波板236在接觸第一分束器210之前改變光束202的偏振，以便控制光束202是否藉由第一分束器210反射或透射。

光源206朝向第一透鏡208投射光束202。第一透鏡208係聚焦光束202的會聚透鏡。第一透鏡208鄰近基板103。光束202從第一線性偏光器230投射到第一透鏡208。第一透鏡208被配置為在待量測的光學元件結構109的頂表面201上聚焦光束202。第一透鏡208被配置為聚焦光束202，例如，減小光束202的束直徑，以改進量測臂104的空間解析度。此外，改進的空間解析度將較佳地區分光束202與多反射束204。光學元件結構109導致在從光學元件結構109反射之後光束202的相變。第一透鏡208在第一波板234與基板103之間設置。

光束202以束角θ從頂表面201繞射。如藉由第二箭頭248所描繪，光束202穿過第一透鏡208朝向第一分束器210投射並且投射到鏡子216。在反射之後，光束202在接觸第一分束器210之前經過第一透鏡208及第一波板234。第一分束器210將光束202反射到第二波板236，穿過第二透鏡212，並且反射到鏡子216。第二波板236在第二透鏡212與第一分束器210之間設置。第一線性偏光器230、第二線性偏光器232、第一波板234、及第二波板236最大化反射到鏡子216的光束202的效率，使得光束202保持沿著藉由第二箭頭248定義的路徑。

第二透鏡212在第二波板236與孔徑214之間設置。第一分束器210在第一線性偏光器230、第二線性偏光器232、第一波板234、與第二波板236之間設置。在第一透鏡208與第二透鏡212之間的距離藉由每個相應焦距的總和定義。第二透鏡212將光束202聚焦到鏡子216的反射表面226。第二透鏡212穿過孔徑214導引光束202。孔徑214在鏡子216前方設置。孔徑214經定位為使得允許光束202接觸反射表面226。孔徑214包括孔徑大小215。

鏡子216將光束202反射到偵測器222。如藉由第三箭頭250所描繪，光束從鏡子216反射穿過第二透鏡212、穿過第二波板236、第一分束器210將光束202透射（一些光束202穿過第二分束器218透射）到第二線性偏光器232及第三透鏡220，並且投射到偵測器222。第二線性偏光器在第一分束器210與第三透鏡220之間設置。第一線性偏光器230、第二線性偏光器232、第一波板234、及第二波板236最大化透射到偵測器222的光束202的效率，使得光束202保持沿著藉由第三箭頭250定義的路徑。

第三透鏡220將傅立葉平面228處的原始圖像中繼到偵測器222。第三透鏡220鄰近偵測器222。第三透鏡220在第二線性偏光器232與偵測器222之間設置。將在傅立葉平面228處的光束202的原始圖像投射到偵測器222。偵測器222係本領域中用於偵測光的任何光學設備，諸如電荷耦合元件(CCD)陣列或主動像素感測器（CMOS陣列）。

由於基板103係非不透明的，當光源206投射經過基板103的光時，形成多反射束204。例如，如第2B圖所示，多反射束204從基板103的底表面203繞射。歸因於從底表面203繞射（並且在一些實施例中，從其他光學元件結構109繞射），多反射束204不沿著與光束202相同的路徑穿過量測臂104投射。例如，如第2B圖所示，將多反射束204經由第一分束器210導向第二透鏡212。第二透鏡212朝向鏡子216聚焦多反射束204。第二透鏡212鄰近孔徑214。然而，孔徑214將多反射束204濾除以免接觸鏡子216。孔徑214經定位為使得多反射束204將不接觸反射表面226。多反射束204將具有超出光束202的圖像點的圖像點。多反射束204亦將從光束202偏移。由此，孔徑214將多反射束204濾除以免中繼到偵測器222。將改進中繼到偵測器222的原始圖像的精度及準確性，而無來自多反射束204的干涉。

第3A圖係第一光束302及第二光束304的示意圖。在一個實例中，第一光束302及第二光束304對應於第2A圖及第2B圖所示的光束202。在另一實例中，第一光束302及第二光束304對應於第5A圖至第5G圖所示的光束502。為了促進解釋，第3A圖參考第2A圖及第2B圖描述。

第一光束302對應於投射到第一光學元件結構（例如，第2A圖及第2B圖所示的光學元件結構109）的光束202。第一光束302藉由量測臂104投射以量測第一光學元件結構的間距P及定向角 ϕ。第二光束304對應於投射到第二光學元件結構（例如，第2A圖及第2B圖所示的光學元件結構109）的光束202。第二光束304藉由量測臂104投射以量測第二光學元件結構的間距P及定向角 ϕ。

如第3A圖所示，第一光束302包括定義為第一光束302的中心線的第一主光線角(chief ray angle; CRA) 306。第二光束304包括定義為第二光束304的中心線的第二CRA 308。如參考第2A圖及第2B圖所論述，將傅立葉平面228處的原始圖像中繼到量測系統101的量測臂104中的偵測器222。偵測器222被配置為偵測在傅立葉平面228上的第一CRA 306與第二CRA 308的位置之間的偏移310。偏移310對應於在第一光學元件結構與第二光學元件結構之間的間距P及定向角ϕ的改變。

第3B圖係偵測器222的示意性俯視圖。為了促進解釋，第3B圖參考第2A圖及第2B圖描述，然而，預期第一偵測器522及第二偵測器534亦在第3B圖中圖示。偵測器222包括第一光束302及第二光束304。第一光束302及第二光束304藉由第三透鏡220（第2A圖及第2B圖所示）從傅立葉平面228中繼到偵測器222。在第一CRA 306與第二CRA 308之間的偏移310對應於間距改變，例如，從間距P到間距P’的改變（第2A圖及第2B圖所示），及定向角 ϕ的改變，例如，從定向角 ϕ到定向角 ϕ’的改變（第2A圖及第2B圖所示）。偵測器222僅包括第一光束302及第二光束304。由於第2A圖及第2B圖所示的孔徑214過濾多反射束204，偵測器222能夠偵測第一光束302及第二光束304而無干涉。當確定間距P及定向角 ϕ時，降低對孔徑214的干涉增加精度、準確性、及可靠性。

偏移310具有x分量312及y分量314。在可以與本文描述的其他實施例相結合的一個實施例中，x分量312對應於間距改變並且y分量對應於定向角 ϕ的改變。在可以與本文描述的其他實施例相結合的另一實施例中，x分量312對應於定向角 ϕ的改變並且y分量對應於間距的改變。間距方向及定向方向可以藉由調節量測臂104及平台102來預校準。偏移310分解為預定義的間距方向及定向方向。間距及定向角 ϕ至少部分利用藉由與量測系統101通訊的控制器130執行的軟體演算法確定。利用量測系統101將允許在基板103的二維區域中形成間距P及定向角 ϕ的高解析度圖。

第4圖係利用量測系統101確定間距P的改變及定向角 ϕ的改變的方法400的流程圖。在一個實例中，方法400可藉由量測系統101的第一配置200A或第二配置200B來執行。在另一實例中，方法400可藉由下文第5A圖至第5G圖所示的量測系統101的配置500A-500G來執行。為了促進解釋，方法400將參考量測系統101的第一配置200A描述。控制器130可操作為促進方法400的操作。

於操作401，將光束202投射到第一光學元件結構。光束202從光源206投射到第一光學元件結構的頂表面201。光束202從第一光學元件結構的頂表面201繞射。

於操作402，光束202穿過孔徑214投射。鏡子216在孔徑214後方設置。光束可操作為穿過孔徑214投射。光束202的圖像點位於鏡子216的反射表面226上。孔徑214經定位為使得允許光束202接觸反射表面226。孔徑214將多反射束204濾除以免接觸鏡子216。孔徑214經定位為使得多反射束204將不接觸反射表面226。過濾多反射束204將允許量測將中繼到偵測器222的原始圖像的改進的精度、準確性、及可靠性。

於操作403，將光束202的原始圖像中繼到偵測器222。鏡子216經由第二分束器218將光束202反射到偵測器222。第三透鏡220在傅立葉平面228處中繼原始圖像。光束202包括原始圖像中的中繼到偵測器222的第一CRA 306（第3A圖及第3B圖所示）。此外，原始圖像從偵測器222記錄。將原始圖像保存到控制器130。

於操作404，平台102沿著掃描路徑110（第1圖所示）移動。移動平台102，使得量測臂104經設置為使得光束202可投射到第二光學元件結構。

於操作405，針對至少第二光學元件結構重複操作401-404。重複操作401-404，直到預定數量的光學元件結構的原始圖像已經藉由偵測器222獲得。

於操作406，形成間距P及定向角ϕ的高解析度圖。歸因於孔徑214濾除來自多反射束204的干涉，高解析度圖具有改進的準確性、精度、及可靠性。此外，控制器130將演算法應用於原始圖像並且產生間距P及定向角ϕ的高解析度圖。

第5A圖係量測臂104的第三配置500A的示意性側視圖。量測臂104被配置為將光束502導向基板103。量測臂104被配置為量測在基板103上形成的光學元件結構109的間距P及定向角 ϕ。光學元件結構109形成光柵107。將光束502投射到待量測的光學元件結構109的頂表面201。如第5圖所示，將光束502投射到光柵107的複數個光學元件結構109。在可以與本文描述的其他實施例相結合的其中基板103係非不透明（例如，透明）的實施例中，光的多反射束504將從基板103的至少底表面203反射。當使用量測臂104時，多反射束504導致干涉。為了解決此問題，量測系統101利用孔徑過濾部件來降低干涉。

量測臂104的第三配置500A包括光源506、第一透鏡508、第一分束器510、第二透鏡512、孔徑514、標線片516、第三透鏡520、及第一偵測器522。

光源506被配置為朝向基板103投射光束502。光源506在從約250 nm至約530 nm的波長範圍中操作。光束502相對於基板103的底表面203以束角θ投射。在可以與本文描述的其他實施例相結合的一個實施例中，光束502係準直雷射束。如藉由第一箭頭540所描繪，光束502從光源506投射、穿過第一分束器510透射（一些光束502從第一分束器510反射）、並且藉由第一透鏡508投射到光學元件結構109。標線片516在第一分束器510與光源506之間設置。標線片516包括其上的標記。標記可能係十字形、圓形、三角形、或其他適宜形狀。標線片516可調節光束502以將標記投射到基板103。標記將幫助定位光束502的中心並且將允許在第一偵測器522上較簡單地追蹤，達成改進的量測效能。

光源506朝向第一透鏡508投射光束502。第一透鏡508係聚焦光束502的會聚透鏡。第一透鏡508鄰近基板103。第一透鏡508在光源506與基板103之間設置。第一透鏡508被配置為在待量測的光學元件結構109的頂表面201上聚焦光束502。待量測的光學元件的頂表面201的原始圖像將與第一偵測器522有關。光學元件結構109導致在從光學元件結構109反射之後光束502的相變。第一透鏡508被配置為聚焦光束502，例如，減小光束502的束直徑，以改進量測臂104的空間解析度。此外，改進的空間解析度較佳地區分光束502與多反射束504。

光束502以束角θ從光學元件結構的頂表面201繞射。如藉由第二箭頭542所描繪，光束502穿過第一透鏡508朝向第一分束器510投射並且投射到鏡子216。第一分束器510將光束502反射到第二透鏡512（一些光束502穿過第一分束器502透射，例如，透射光束502的50%）。第一分束器510在第一透鏡508與光源506之間設置。第二透鏡512在第一分束器510與孔徑514之間設置。第二透鏡512係聚焦光束502的會聚透鏡。

第二透鏡512穿過孔徑514聚焦光束502。孔徑514在第二透鏡512與第三透鏡520之間設置。孔徑514經定位為使得允許光束502經過孔徑514。在可以與本文描述的其他實施例相結合的一個實施例中，孔徑514可與光束502的投射方向垂直（例如，與第二箭頭542垂直）。在可以與本文描述的其他實施例相結合的另一實施例中，孔徑514可相對於光束502的投射方向呈一孔徑角（例如，相對於第二箭頭542不垂直）。

在第5A圖以虛線圖示的孔徑514係呈一孔徑角。孔徑角可基於束角θ預定。孔徑514的孔徑角改進了孔徑514相對於光學元件結構109的頂表面201的對準。預定的孔徑角將確保孔徑514允許在光學元件結構109的頂表面201上聚焦的原始圖像經過其中並且較佳地阻擋光束502到光學元件結構109的頂表面201的不期望區域。可隨後確定孔徑514的孔徑位置。孔徑位置經選擇為確保待捕獲的原始圖像在基板103上在X-Y平面中對準。孔徑位置亦經調節為確保標記穿過孔徑514投射到第一偵測器522。

第三透鏡520鄰近第一偵測器522。第三透鏡520在孔徑514與第一偵測器522之間設置。第三透鏡520將傅立葉平面528處的原始圖像中繼到第一偵測器522。第三透鏡520可以係單個透鏡或多個透鏡。傅立葉平面528在第一分束器510與第二透鏡512之間設置。將在傅立葉平面528處的光束502的原始圖像投射到第一偵測器522。第一偵測器522中繼傅立葉平面528處的原始圖像以觀察投射到不同光學元件結構109的光束502的主光線角的偏移（第3A圖及第3B圖所示）。

孔徑514將多反射束504濾除以免接觸第一偵測器522。多反射束504將具有超出光束502的圖像點或在該圖像點之前的圖像點。多反射束504亦將從光束502偏移。由此，孔徑514將多反射束504濾除以免中繼到第一偵測器522。改進中繼到第一偵測器522的原始圖像的精度及準確性，而無來自多反射束504的干涉。

第5B圖係量測臂104的第四配置500B的示意性側視圖。量測臂104的第四配置500B與第三配置500A類似。然而，在第四配置500B中，在入射到光學元件結構109的頂表面201上之後接觸第一分束器510的光束502導向鏡子524。光束502經由第二透鏡512導向鏡子524。

第二透鏡512將光束502聚焦到鏡子524的反射表面526。第二透鏡512穿過孔徑514導引光束502。孔徑514在鏡子524前方設置。孔徑514經定位為使得允許光束502穿過孔徑514接觸反射表面526。

鏡子524將光束502反射到第二分束器518。如藉由第三箭頭544所描繪，光束502從鏡子524反射穿過第二透鏡512，第二分束器518將光束202反射到第一偵測器522（一些光束502穿過第二分束器518透射）。

在第四配置500B中，第一透鏡508用於投射及收集光束502。第一透鏡508的頂表面將光束502反射到藉由第二箭頭542指示的路徑中。光束502的此部分不經過基板103，但藉由第一偵測器522收集。

第5C圖係量測臂104的第五配置500C的示意性側視圖。量測臂104的第五配置500C包括上文關於第三配置500A描述的所有元件。然而，第五配置500C包括在第一分束器510與標線片516之間設置的第一透鏡508。第五配置500C進一步包括第四透鏡530。第四透鏡530在孔徑514與第一偵測器522之間設置。第四透鏡530被配置為收集光束502。第五配置500C允許最小化從第一透鏡508返回到光束502中的反向反射。由此，改進了訊雜比。從標線片516到第一透鏡508的距離等於第一透鏡508的焦距。在第五配置500C中，第一透鏡508（投射透鏡）及第二透鏡512（收集透鏡）係分離的，因此從第一透鏡508的頂表面的反射將不行進到第一偵測器522。由此，減少了反向反射。

第5D圖係量測臂104的第六配置500D的示意性側視圖。量測臂104的第六配置500D包括上文關於第五配置500C描述的所有元件外加第二分束器518、第五透鏡532、及第二偵測器534。第二分束器518在孔徑514與第五透鏡532之間設置。第五透鏡532在第二分束器518與第二分束器518之間設置。光束502經過孔徑514並且入射在第二分束器518上（如藉由第二箭頭542指示）。第二分束器518將光束502反射到第四透鏡530（一些光束502穿過第二分束器518透射，例如，透射光束502的50%，如藉由第三箭頭544指示）。穿過第二分束器518透射的光束502導向第五透鏡532。第五透鏡532將光束502導向第二偵測器534。第二偵測器534相對於光束502的投射方向呈一角度設置（例如，相對於第三箭頭544呈角度）。

包括第二偵測器534允許監測基板103及孔徑514的對準。特定而言，配置促進監測孔徑位置以及監測光束502如何聚焦在光學元件結構109的頂表面201上。第五透鏡532將原始圖像中繼到第二偵測器534以確保光學元件結構109的頂表面201與孔徑514如預定般對準。因此，第二偵測器534用於經由掃描基板103來監測聚焦改變。

第5E圖係量測臂104的第七配置500E的示意性側視圖。量測臂104的第七配置500E包括上文關於第六配置500D描述的所有元件外加第三分束器538及第四分束器546。第三分束器538在光源506與標線片516之間設置。第四分束器546在第一偵測器522與第四透鏡530之間設置。光束502從光源506投射並且入射在第三分束器538上。第三分束器538反射光束502以形成參考束548。一些光束502穿過第三分束器538透射到標線片516。第七配置500E包括呈一孔徑角的孔徑514。

包括參考束548以產生在光束502與直接來自光源506的參考束548之間的干涉圖。干涉圖將在第一偵測器522上顯示，此將具有改進的對比以較佳地定位標線片516的標記。在沒有參考束548的情況下，第一偵測器522上的標記將模糊，此限制原始圖像的銳度及系統的準確性。在第二偵測器534上產生干涉條紋將幫助更準確地定位標記。

第5F圖係量測臂104的第八配置500F的示意性側視圖。量測臂104的第八配置500F包括上文關於第七配置500E描述的所有元件，然而，移除了第一偵測器522及第四透鏡530。與第七配置相比，第二分束器518將光束502反射到第五透鏡532。第五透鏡532將光束502中繼到第二偵測器534。第二偵測器534相對於光束502的投射方向呈一角度設置（例如，相對於第二箭頭542呈角度）。參考束548將在第二偵測器534上顯示干涉圖。條紋的間隔及定向指示基板103上的光學元件結構109的間距/定向。

第5G圖係量測臂104及反射臂112的第六配置500G的示意性側視圖。上文描述了量測臂104的第六配置500G。反射臂112包括第一反射臂透鏡562、第二反射臂透鏡564、第三反射臂透鏡566、反射臂偵測器568、及反射臂孔徑570。反射臂112可操作為量測從待量測的光學元件結構109的頂表面201反射的反射束560。在一個實例中，反射臂112直接與量測壁104相對設置。儘管在第5G圖中將反射臂112圖示為具有量測臂104的第六配置500G，量測臂104的任何配置可以與反射臂112成對。

反射臂孔徑570在第二反射臂透鏡564與第三反射臂透鏡566之間設置。反射臂孔徑570經定位為使得允許反射束560經過反射臂孔徑570。在可以與本文描述的其他實施例相結合的一個實施例中，反射臂孔徑570可與反射束560的投射方向垂直（例如，與反射束560的傳播方向垂直）。在可以與本文描述的其他實施例相結合的另一實施例中，反射臂孔徑570可相對於反射束560的投射方向呈一反射孔徑角。

第三反射臂透鏡566將反射束560從第二反射臂透鏡564中繼到反射臂偵測器568。反射臂偵測器568可操作為獲得關於平台102的平台條件的資料。反射臂112將監測當掃描時從平台102的角度改變，使得在掃描期間平台條件的影響（例如，平台傾倒或傾斜）從利用量測臂104獲得的量測中排除。反射臂112從基板103收集反射束並且可以收集關於基板103的彎曲的資料。反射臂112用作在量測臂104中確定的資料的參考。

總而言之，本文描述了具有孔徑過濾部件的量測系統及利用該量測系統的方法。本文描述的量測系統包括量測臂及平台。量測臂將光束投射到光學元件結構的頂表面。從非不透明的基板的其他表面反射及繞射得到的多反射束導致干涉。量測臂包括將多反射束過濾以免中繼到偵測器的孔徑（例如，孔徑過濾部件）。因此，僅將光束的圖像中繼到偵測器。圖像允許量測跨基板的間距及定向角。孔徑允許藉由從多反射束中濾除干涉來改進量測的準確性、精度、及可靠性。

儘管上述內容涉及本揭示的實施例，本揭示的其他及進一步實施例可在不脫離其基本範疇的情況下設計，並且其範疇由以下申請專利範圍確定。

101:量測系統 102:平台 103:基板 104:量測臂 105:光學元件 106:支撐表面 107:光柵 108:平台致動器 109:光學元件結構 110:掃描路徑 111:第一光柵 112:反射臂 130:控制器 200A:第一配置 200B:第二配置 201:頂表面 202:光束 203:底表面 204:多反射束 206:光源 208:第一透鏡 210:第一分束器 212:第二透鏡 214:孔徑 215:孔徑大小 216:鏡子 218:第二分束器 220:第三透鏡 222:偵測器 224:臂致動器 226:反射表面 228:傅立葉平面 230:第一線性偏光器 232:第二線性偏光器 234:第一波板 236:第二波板 240:第一箭頭 242:第二箭頭 244:第三箭頭 246:第一箭頭 248:第二箭頭 250:第三箭頭 302:第一光束 304:第二光束 306:第一主光線角(CRA) 308:第二CRA 310:偏移 312:x分量 314:y分量 400:方法 401:操作 402:操作 403:操作 404:操作 405:操作 406:操作 500A:第三配置 500B:第四配置 500C:第五配置 500D:第六配置 500E:第七配置 500F:第八配置 500G:第六配置 502:光束 504:多反射束 506:光源 508:第一透鏡 510:第一分束器 512:第二透鏡 514:孔徑 516:標線片 518:第二分束器 520:第三透鏡 522:第一偵測器 524:鏡子 526:反射表面 528:傅立葉平面 530:第四透鏡 532:第五透鏡 534:第二偵測器 540:第一箭頭 542:第二箭頭 544:第三箭頭 546:第四分束器 548:參考束 560:反射束 562:第一反射臂透鏡 564:第二反射臂透鏡 566:第三反射臂透鏡 568:反射臂偵測器 570:反射臂孔徑 P:間距 P':間距 X:方向 Y:方向 Z:方向 θ:束角 Φ:定向角 Φ':定向角

為了能夠詳細理解本揭示的上述特徵所用方式，可參考實施例進行對上文簡要概述的本揭示的更特定描述，一些實施例在附圖中圖示。然而，需注意，附圖僅圖示示例性實施例，並且由此不被認為限制其範疇，由於本揭示可允許其他等同有效的實施例。

第1圖係根據一個實施例的量測系統的示意圖。

第2A圖係根據一個實施例的量測臂的第一配置的示意性側視圖。

第2B圖係根據一個實施例的量測臂的第二配置的示意性側視圖。

第3A圖係根據一個實施例的第一光束及第二光束的示意圖。

第3B圖係根據一個實施例的偵測器的示意性俯視圖。

第4圖係根據本文所述的實施例的利用量測系統確定間距P的改變及定向角ϕ的改變的方法的流程圖。

第5A圖至第5F圖係根據一個實施例的量測臂的配置的示意性側視圖。

第5G圖係根據一個實施例的量測臂及反射臂的第六配置的示意性側視圖。

為了促進理解，相同元件符號在可能的情況下已經用於標識圖中共有的相同元件。可以預期，一個實施例的元件及特徵可有利地併入其他實施例中，而無需進一步敘述。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

103:基板

104:量測臂

107:光柵

109:光學元件結構

200A:第一配置

201:頂表面

202:光束

203:底表面

204:多反射束

206:光源

208:第一透鏡

210:第一分束器

212:第二透鏡

214:孔徑

215:孔徑大小

216:鏡子

218:第二分束器

220:第三透鏡

222:偵測器

226:反射表面

228:傅立葉平面

240:第一箭頭

242:第二箭頭

244:第三箭頭

P:間距

P':間距

X:方向

Y:方向

Z:方向

θ:束角

Φ:定向角

Φ':定向角

Claims (20)

1. 一種量測系統，包括： 一光源，該光源被配置為將一光束投射到在該光源下方設置的一基板； 一第一透鏡，在該基板與該光源之間設置，該第一透鏡被配置為將該光束聚焦到該基板； 一第一分束器，在該第一透鏡與該光源之間設置； 一第二透鏡，鄰近該第一分束器設置，該第一分束器被配置為將該光束導向該第二透鏡，該第二透鏡被配置為將該光束導向一鏡子； 一孔徑，在該鏡子前方設置； 一第二分束器，該第二分束器被配置為將該光束從該鏡子導向一第三透鏡；以及 一偵測器，其中該光束藉由該第三透鏡投射到該偵測器。
2. 如請求項1所述之量測系統，其中該第一透鏡係一聚焦透鏡。
3. 如請求項1所述之量測系統，其中該第三透鏡被配置為將一傅立葉平面處的該光束的一原始圖像中繼到該偵測器，其中該傅立葉平面鄰近該第二透鏡形成。
4. 如請求項1所述之量測系統，其中該孔徑具有在約50 μm至約1 mm之間的一孔徑大小。
5. 如請求項1所述之量測系統，進一步包括一標線片，該標線片在該第一分束器與該光源之間設置。
6. 如請求項5所述之量測系統，其中該標線片包括其上的一標記，其中該標記係一十字形、圓形、或三角形。
7. 如請求項1所述之量測系統，其中該偵測器係一電荷耦合元件(CCD)陣列或一主動像素感測器(CMOS陣列）。
8. 一種量測系統，包括： 一平台，具有一基板支撐表面，該平台耦接到一平台致動器，該平台致動器被配置為在一掃描路徑中移動該平台並且繞著一軸旋轉該平台；以及 一量測臂，在該平台之上設置，該量測臂被配置為將一光束導向在該基板支撐表面上設置的一基板，該量測臂包括： 一光源，該光源被配置為將該光束投射到在該光源下方設置的該基板； 一第一透鏡，在該基板與該光源之間設置，該第一透鏡被配置為將該光束聚焦到該基板； 一第一分束器，在該第一透鏡與該光源之間設置； 一第二透鏡，鄰近該第一分束器設置，該第一分束器被配置為將該光束導向該第二透鏡； 一孔徑，該第二透鏡被配置為導引該光束穿過該孔徑； 一第三透鏡；以及 一偵測器，其中該光束藉由該第三透鏡投射到該偵測器。
9. 如請求項8所述之量測系統，其中該第一透鏡係一聚焦透鏡。
10. 如請求項8所述之量測系統，其中該第三透鏡被配置為將一傅立葉平面處的該光束的一原始圖像中繼到該偵測器，其中該傅立葉平面鄰近該第二透鏡設置。
11. 如請求項8所述之量測系統，其中該量測臂耦接到被配置為掃描該量測臂並且繞著該軸旋轉該量測臂的一臂致動器。
12. 如請求項8所述之量測系統，其中該量測臂進一步包含： 一第一線性偏光器，鄰近該光源設置； 一第二線性偏光器，在該分束器與該第三透鏡之間設置； 一第一波板，在該分束器與該第一透鏡之間設置；以及 一第二波板，在該第二透鏡與該分束器之間設置。
13. 如請求項8所述之量測系統，其中該偵測器係一電荷耦合元件(CCD)陣列或一主動像素感測器(CMOS陣列）。
14. 如請求項8所述之量測系統，進一步包括一反射臂，在該平台之上設置。
15. 如請求項14所述之量測系統，其中該反射臂耦接到一臂致動器，該臂致動器被配置為掃描該量測臂並且繞著該軸旋轉該量測臂。
16. 如請求項15所述之量測系統，其中該反射臂包括： 一第一反射臂透鏡； 一第二反射臂透鏡，鄰近該第一反射臂透鏡； 一第三反射臂透鏡； 一反射臂孔徑，在該第二反射臂透鏡與該第三反射臂透鏡之間設置；以及 一反射臂偵測器，其中該第三反射臂透鏡將一反射束導向該反射臂偵測器。
17. 如請求項8所述之量測系統，其中該孔徑呈一孔徑角設置，其中該孔徑角係相對於該光束的一投射方向非垂直的。
18. 一種方法，包括以下步驟： 將一光束從一量測臂投射到一第一光學元件結構，該光束從一基板的該第一光學元件結構的一頂表面繞射，該基板在一平台上設置； 穿過在該量測臂中的一鏡子前方設置的一孔徑投射該光束，該孔徑可操作為僅允許該光束接觸該鏡子； 將該光束的一第一原始圖像中繼到該量測臂中的一偵測器； 沿著一掃描路徑移動該平台並且將該光束投射到一第二光學元件結構，其中將一第二原始圖像中繼到該偵測器；以及 形成至少該第一光學元件結構及該第二光學元件結構的一間距及定向角的一高解析度圖。
19. 如請求項18所述之方法，其中由從該基板的至少一底表面反射的該光束形成的多反射束被該孔徑過濾掉。
20. 如請求項18所述之方法，進一步包括以下步驟：確定該孔徑的一孔徑位置，其中該孔徑位置經確定以在該基板上的一X-Y平面中對準該第一原始圖像。