571073 A7 _______ B7 五、發明說明（/ ) 發明之背景 (1) 發明之領域 本發明爲有關一種用來測定測定對象面之凹凸形狀的 表面形狀測定方法及其裝置，特別是關於採用白色光以 非接觸來測定測定對象表面之技術。 (2) 習知之技術 作爲先前的這種裝置中，爲眾所知者係採用表面形狀 測定裝置其使用白色光的干擾以測定半導體晶圓或液晶 顯示器用玻璃基板等精密加工品的凹凸形狀之方法。 以往的表面測定裝置如第1圖所示，具備有從白色光 源90之白色光線通過第1透鏡91引導至半反射鏡92， 並以半反射鏡92所反射的白色光線由第2透鏡93聚焦， 將其白色光線藉由分光鏡95照射到測定對象面96上所 構成之干涉計。 在干涉計的分光鏡95，係分爲照射於測定對象面96的 白色光線與照射於參考面94的白色光線。照射於參考面 94的白色光線在參考面94的反射部94a反射，再達至分 光鏡95。一方面，通過分光鏡95的白色光線在測定對象 面96上作反射再達到分光鏡95。分光鏡95，係於參考 面94所反射的白色光線和測定對象面96所反射的白色 光線再度匯集於同一之路徑。此時，產生自參考面94到 分光鏡9 5的距離L 1，與分光鏡9 5到測定對象面9 6之距 離L2的距離差而產生干擾現象。產生其干擾現象的白色 光線，通過半反射鏡92入射於CCD攝像機98。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 請 先 閱 讀 背 © 之 注 再t 填V. 寫裝 本衣 頁 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 571073 A7 B7 五、發明說明（> ) C C D攝像機9 8係與產生其干擾現象的白色光線一起來 攝影測定對象面96。在此，以圖未示的變動手段，使分 光鏡9 5側的單元作上下變動，由以變化距離L 1與距離 L2的差，使入射於CCD攝像機98的白色光線之波長互 相增強或互相削弱。例如著眼於CCD攝像機98所攝像的 區域內之測定對象面96上之特定地方時，使分光鏡95 的位置從距離L2 <距離L 1變動至距離L2 >距離L 1。由 此，測定在特定地方所干擾的白色光線（以下單稱「干 擾光」）之強度時，在理論上可獲得如第2 A圖所示的波 形。並以求出該干擾光線強度値變化之波形變成最大的 位置，就可求出測定對象面的特定地方之高度。以同樣， 用以求出多數的特定地方的高度，而測定其測定對象面 的凹凸形狀。 然而，測定干擾光線強度所獲得的實際之資料群，係 如第2B圖所示爲離散性者，因而必須從此等資料求出干 擾光線強度値變化之波形成爲最大的位置。 於此，欲求出其波形成爲最大的位置之方法及裝置， 有美國專利第5 1 3 3 6 0 1號所揭示者。在此方法及裝置， 係將第2B圖所示的離散性之資料群由各個作2次方，轉 換爲如第2C圖所示的資料群，其後，如第2D圖所示， 求出平滑化此資料群之波形。並由求出此平滑化波形成 爲最大値之位置，用來求出特定地方之高度。 然而，具有如此構成的先前例時，有如次之問題。 在上述美國專利第5 1 3 3 6 0 1號，需要從實際測定所 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------U-------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) l·訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 571073 A7 B7 i、發明說明（3 ) 得的資料群求出在特定地方的高度所呈現峰値位置之波 形，故其資料群在整體上需要再現第2A圖所示理論上的 波形。亦即，欲以充分的精度測定測定對象面的特定地 方之高度時，至可再現理論上的波形之程度止，需要細 細地取樣特定地方之干擾光線之強度値。 其結果是，欲取得多數個強度値之取樣時間變長，有 測定表面形狀上有需要長時間的問題。再者，由取樣所 取得的資料量成龐大，欲儲存該等資料的記憶容量增 加，故與其裝置的製造成本增加的缺失，或爲了處理該 等龐大的資料之運算處理長時間化，亦會發生表面形狀 的測定更加長時間化之缺失。 本發明係有鑑於上述問題所實施者，係提供一種表面 形狀測定方法及其裝置爲目的，其係依據比較少個數的 資料，求出更高精度的特定地方之高度，以便以比較高 速、高精度來測定測定對象面之凹凸形狀者。 本發明爲達成上述目的，採取如次之構成。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 將白色光源之白色光線一邊照射於測定對象面和參考 面，一邊由變動上述兩面間的相對距離來產生干涉條紋 之變化，以此時干擾光線之強度値變化，對於上述測定 對象面上的多數特定地方測定所得，依據上述各特定地 方之干擾光線強度値群，分別求出上述多數個特定地方 之高度，用來以測定上述測定對象面的凹凸形狀之表面 形狀測定方法，該方法包含以下之步驟： 從上述白色光源之白色光線之頻帶限制在特定頻帶的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 571073 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 i、發明說明（4 ) 第1步驟； 變動被照射的上述特定頻帶的白色光之上述測定對象 面與參考面間的相對距離之第2步驟； 因應由上述測定對象面與參考面間的相對距離之變動 產生的干涉條紋之變化，於上述測定對象面的特定地方 之干擾光線強度値，以取得因應上述特定頻帶的帶寬的 取樣間隔依序採取的干擾光線強度値群之第3步驟； 用來推定依據從上述干擾光線強度値群求得的干擾光 線強度値變化之理論上的波形之振幅分量的特性函數之 第4步驟； 依據上述所推定的特性函數之峰値位置，用以求出上 述特定地方的高度之第5步驟。 自白色光源所產生的白色光線之頻帶限制在特定頻帶 內，將其特定頻帶的白色光線照射於測定對像面和參考 面。因應於分別在測定對象面與參考面所反射的兩白色 光線間的光程差產生干擾的干涉條紋。 在此，由於變動測定對象面與參考面間的相對距離， 用來變化各個之光程差而予變化干涉條紋。在隨著其干 涉條紋之變化的測定對象面上之特定地方的干擾光線強 度値，以因應於上述特定頻帶的頻帶寬之取樣間隔依序 採取。並由此，取得依據特定頻帶之白色光線的最小限 度之干擾光線強度値群。 從其干擾光強度値群求出在特定地方的干擾光線之強 度値變化的理想波形，並依據其波形的振幅分量推定特 -6- (請先閱讀背面之注意事填寫本頁) 裝---- - -•線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 571073 A7 〜^ _____B7___ 五、發明說明（Γ ) 性函數。所謂特性函數，係干擾光線之強度値變化的理 想波形，係以變化激烈的函數如在變化緩和的函數之內 側振動來表示，所以只取出該變化緩和的函數者。此特 性函數的峰値位置，係與干涉條紋之理想的波形本身成 爲最大的位置大致成一致，故依據其峰値位置求出特定 地方的高度。並由分別求出多數的特定地方之高度，用 以測定測定對象面的凹凸形狀。 如此將白色光線的頻帶限制於特定頻帶內，以因應其 特定頻帶的帶寬取樣間隔，用來取樣在特定地方的干涉 條紋之強度値，因而與以往考慮到全部頻帶之取樣間 隔，可以用廣寬的取樣間隔來取樣。 又，由取樣所得的干擾光線強度値群係由特定頻帶的 白色光線所形成者，因而從其干擾光強度値群與干擾光 線的強度値變化的理論上波形，同時可容易求出依據其 理論上的波形振幅量的特性函數。 再者，依據特性函數的峰値用以求出特定地方的高 度，因而與如先前從依據實測資料的波形求出峰値位置 之方法時比較，可以同等以上的精度、更高速地求出特 定地方之高度。 亦即’與先前比較可以更少量的資料量求出比較高精 度的高度資訊，故可縮短表面形狀的測定時間，同時可 縮小記憶資料的記憶容量，可以廉價製造裝置。 又’於本發明，上述之第3步驟，以7Γ除以特定頻帶 的帶寬之値作爲取樣間隔爲理想。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ^1 —.1 n ϋ 一：0’ ·1 ϋ ϋ —i ϋ I · 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 571073
、發明說明（心 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 取樣間隔係以依據7Γ除特定頻帶的頻帶寬之値者，並 由此’可獲得依據特定頻帶之白色光線的干涉光線之強 度値變化’用來成爲再現理論上的波形所需要的最小限 度取樣値群的干涉光線強度値群。 因而係依據7Γ除以特定頻帶的頻帶寬之値來設定取樣 間隔’故可容易求出因應於特定頻帶之取樣間隔。 又，於本發明之上述第4步驟，係從上述干擾光線強 度値群算出強度値的平均値，並從各強度値減去其平均 値的各調整値，於表示大致通過各調整値的波形振幅分 量的公式’代入上述各調整値所求新函數作特性函數來 推定爲理想。 從干擾光線強度値群算出強度値的平均値，求出干擾 光線強度値變化的波形之中心線値。並從各強度値減去 其平均値求出調整値，則表示調整値群成爲以中心線爲 基準所分布的波形之値群。使用此値群來推定上述特性 函數。此特性函數的峰値位置，與干擾光線之強度値變 化之波形至成爲最大的位置大致一致，故依據其峰値位 置可求出特定地方的高度。 表示由取樣所得的干涉條紋之各強度値所求得的波形 振幅分量之函數，代入各調整値，故可求出持有與干擾 光線之強度値之變化波形成爲最大的位置大致一致的峰 値位置之特性函數。 再者，由此特性函數的峰値位置來求出特定地方的高 度，故與以往的比較，可以更少的資料量求出比較高精 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注音？事寫本頁) J · --裝 _ 線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 571073 A7 _____B7____ 五、發明說明（9 ) 度的高度資訊。 又，本發明，於測定測定對象面的凹凸形狀之表面形 狀測定裝置，該裝置包含以下之要素： 用來產生照射於測定對象面和參考面的白色光線之白 色光源； 使上述測定對像面與參考面間的相對距離變動的變動 裝置； 從上述白色光源所產生的白色光線之頻帶限制在特定 頻帶內之頻帶限制裝置； 隨著被照射上述白色光線的測定對象面與參考面間的 相對距離之變動產生干涉條紋之變化同時將上述測定對 象面予以攝像之攝像裝置； 具備採取於上述攝像的、測定對象面上之多處特定地 方的干擾光線之強度値功能，由上述變動裝置因應上述 測定對象面與參考面間的相對距離之變動作變化的干涉 條紋之干擾光線強度値，因應上述特定頻帶的頻帶寬的 取樣間隔依序採取的取樣裝置； 具有用來記憶由上述取樣裝置所採取的每一個特定地 方之多數個強度値的各干擾光強度値群的功能，以上述 取樣間隔所採取的多數個強度値之各干擾光線強度値群 的記憶裝置；以及 由於依據儲存在上述記憶裝置的各干擾光線強度値 群，分別求出上述多數個特定地方的高度，具有測定上 述測定對象面的凹凸形狀之功能，依據自儲存在上述記 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
571073 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7_1、發明說明（J) 憶裝置的干擾光線強度値群所求的，干擾光線強度値變 化在理論上的波形之振幅分量推定特性函數，並依據上 述被推定的特性函數之峰値位置，求出上述特定地方的 高度之運算裝置者。 白色光源係產生比較廣闊頻帶的白色光線。頻帶限制 裝置係限制其頻帶之白色光線在特定頻帶。並由此，可 把握照射於測定對象面及參考面的白色光線之頻帶。變 動裝置，係使特定頻帶之白色光線所照射的測定對象面 與參考面間的相對距離變動。攝像裝置係因應於分別在 測定對象面與參考面反射的白色光線的光路差所變化的 干涉條紋加以攝像，同時也對測定對象面攝像，故可掌 握到其干涉條紋因應於測定對象面的凹凸形狀產生或變 化的情況。取樣裝置，是欲取得在測定對象面上之特定 地方作變化的干擾光線之強度値，以因應於特定頻帶的 頻帶寬之取樣間隔依序採取干涉條紋之強度値。由取樣 裝置可獲得依據特定頻帶之白色光的干擾光線之最小限 度個數之強度値。記憶裝置由取樣裝置所採取的強度値 依序加以儲存，用來儲存在特定地方的多數個強度値之 干擾光線強度値群。運算裝置是從干擾光線強度値群求 出在特定地方的干擾光線強度値變化之理論上的波形， 以推定依據該波形的振幅分量之特性函數。再者，運算 裝置是依據該特性函數的峰値位置，求出測定對象面的 特定地方之高度，並由求出測定對象面的多數個特定地 方的高度，用來測定測定對象面的凹凸形狀。 -10- (請先閱讀背面之注意事填寫本頁) 裝 · 線」 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 571073 A7 _____B7____ 五、發明說明（9 ) [圖式之簡單說明] 爲了說明本發明，雖圖示有現在認爲合適地幾個形 態，但是並不限定於如本發明所圖示的構成及計策者。 第1圖表示有關先前例的表面形狀測定裝置之槪略構 成圖。 第2A〜2D圖爲求出先前例之干涉光線強度値之峰値位 置主模式圖。 第3圖爲了說明產生干涉條紋的機構說明圖。 第4圖表示A ( ω )與ω之間關係的模式圖。 第5圖表示Γ( ω )與ω之間關係的模式圖。 第6圖表示有關實施例的表面形狀測定裝置之槪略構 成圖。 第7圖表示在表面形狀測定裝置中的處理流程圖。 弟8 Α〜8 D圖爲求出貫施例的干擾光線強度値之峰位位 置至之模式圖。 第9圖爲了說明求出特性函數之峰値位置的處理說明 圖。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事填寫本頁) 第1 0圖表示求出特性函數之峰値位置的處理流程圖。 第11圖由本發明方法與以往方法的測定結果之比較 表。 [較佳實施例說明] 以下，依照圖面詳細說明本發明之較佳實施例。 首先，爲了容易於理解本發明，對本發明之原理加以 說明，將本發明所用的干涉計之要部放大圖表示於第3 -1 1 - ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 一 571073 A7 B7 五、發明說明（w ) 圖。尙，對各構成部分之說明，在後述的實施例詳細說 明之。 如第3圖所示，從分光鏡1 7至參考面1 5的距離爲距 離L 1、於自分光鏡1 7以離開距離L1位置之面爲面E。 又，以試件台5 0爲基準，從此至面E的高度h爲干涉計 之位置，至試件的測定對象面3 1上的點p之高度爲hp。 再者，在真空中的波長之逆數乘以2 7Γ者叫做波數，以k 表示。對於k的光源之振幅分量爲a(k)，媒質的折射率 以η表示之。 在此如以 ω =2nk··· (1) A ( ω ) = a2 (k) = a2 ( ω / 2 η)…（2 ) 定義時，表示在點P的干擾光線之強度値變化之函數g(h) 以如下式表示。 g(h) = f(h) + c …（3 ) f(h) = (qs/n) · S Α( ω )cos ω (h-hp)d ω …（4) c = [ ( q2 + s2) / 2 η ] · S A ( ω ) d ω …（5 ) S : - 〇〇〜CX)(以下，丨如未特別表示時表示同樣範圍） q、s :由在分光鏡的反射或通過的衰減率 式（2)的Α(ω )，是如第4圖所示的，將其看做只分佈 在以ω。爲中心的、寬2oa頻帶範圍時，可由下式假定之。 Α(ω) = 0(ω<ω〇-ω3' ω c+ ω a< ω ) ··· (6) 由此可知這種干擾光線強度値的變化，是持有如下之 性質。即g(h)關連於h = hp時爲對稱者， -12- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -l·-----------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 571073
五、發明說明（（，） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 g(hp-h) = g(hp + h)…（7) 又’ g(h)’是在h = hp時成爲最大，在任意的h#hp日寺 成爲如下式。 g(h)<g(hp)··· (8) 由以上的情形，從點P上的干擾光線強度値推定表示 干擾光線的理論上波形之函數，並求出此函數成爲最大 的位置，就成爲點P上的高度hp。 其次’欲檢索表7K上述干擾光線之波形的函數成爲最 大位置時，如在先前例所說明，需要非常多的計算量。 於是，爲了以更少的計算量來檢索高度hp，本發明係採 用以下之原理。 表不干擾光之波形的函數g ( h )，係可看到其變化激烈 的函數似如在變化緩和的函數之內側振動。並以求出此 變化之緩和的函數成爲最大的位置之方法，比求出干擾 光線的函數成爲最大的位置之方法認爲比較容易。於 是，從干擾光線的函數中以僅取出緩和的函數（雖接近 於包絡線函數，但在嚴密上乃不同，以下單以稱「特性 函數」），求出其成爲最大的位置。以下說明其理論。 將特性函數r (h)定義如下式。 r(h) = [mc2(h) + ms2(h)]/2 …（9) mc(h) = (qs/n) . S Α(ω )cos(6J - ω c)(h-1ιρ)(1ω …（10) ms(h) = (qs/n) · S Α(ω )sin(0L) - ω c)(h-hp)d0L)…（11) 在此將f(h)2次方的函數表示於下式。 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公1 ) (請先閱讀背面之注意事項翔填寫本頁) I· 裝 卜訂· 線」 五 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 571073 、發明說明（) f2 (h) = [ m c2 (h) + m s2 (h) ]/2 + [ m c2 (h) - m s2 (h) ]/2 · cos26〇 c (h-hp)-mc2(h) . ms2(h) · sin2(i) c(h，hp).·· (12) 以取出此f2(h)的所謂低頻分量之第1項者，就是特性 函數r(h)。 在此雖省略，在理論上可證明r(h)在成爲g(h)之最大 位置h = hp時成爲最大。亦即，對任意的hp可以如次 表示之。 r(h)<r(hp)…（13) 又，以如上述，也可導出如下之性質。 r(hp-h) = r(hp + h)…（14) 以下，對於將干擾光線的強度値從取樣的取樣値至推 定特定函數加以說明。首先，表示干擾光線強度値的變 化之波形，係表不已受到頻帶通過型的頻帶限制，並導 出對於干擾光線之強度値變化的標本化定理。並以爲基 礎’導引表示干擾光線強度値的變化函數，從此函數導 出特性函數之情形加以說明。 調查照射於測定對象面3 1及參考面} 5的白色光線之 頻帶。將函數f(h)的傅利葉變換Γ(ω)以下式定義之。 Γ(ω )= S f(h)( 式（3)中的g(h)因含有常數項，故不能求出傅利葉 換。因此，求出式（4)的f(h)之傅利葉變換。 f(h)的傅利葉變換是由下式賦予。 Γ(ω ) = (qs;r /η) · e-Jwhp[A(w )-Α(-ω )]…（16) 由式（6)和式（16)，f(h)的頻帶變成如下式。 -1 4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） ^ L----1-------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一：口、. ldh." (1 變 571073 A7 —^---- 五、發明說明（〇 ) f，（0) = 〇(| ω | <ua、6jc+6ja<| ω | )…（17) (請先閱讀背面之注音？事項系填寫本頁) 函數f(h)的頻帶限制的情形表示於第5圖’如第5圖所 示，不僅是高頻分量，可知其低頻分量亦成爲〇。這種頻 帶限制叫做頻帶通過型。由此可在函數f(h)上適用頻帶通 過型標本化定理。尙，頻帶通過型標本化定理係揭示在 R. J. Marks : Introduction to Shannon Sampling and Interpolation Theory，Springer-Verlay, New York (1991) 0 函數f(h)係使用其取樣値{f(hm)}(m = -〇〇到〇〇 )，可由下 式表示之。 f(h)=2 f(hm)c/) m(h)…（18) Σ : m = - 到°°之總和 在此，以I爲正的整數，ω a、ω e爲可滿足如下條件的 實數。 6L)C'^a = (〇 c~ a ^ 6ϋ〇-(λ)3*··(19) ω c = (2I+l)u（20) 此時{ h m } (m = - 〇〇到〇〇 )的取樣間隔△ B，係以下式所賦 〇 Α Β = π /2 ω a··· (21) 利用這些所給予的取樣點以下式表示。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 hm-(m-l)A B··· (22) 又，0 m(h)以下式給予。 0 m(h) = sinc[6； af(h-hm) / 7Γ ] · cos6l) c'(h-hm)…（23) 使用式（1 8)，欲求出干擾光線波形的函數時，需要對於 f(h)需要有無限個之取樣値{f(hm)}(m = -〇〇到〇〇)。可是， -15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 571073 A7 B7 五、發明說明（α) 從干涉計所獲得的資料{Zm}(m=l到Μ)，係g(h)( = f(h) + c) 的取樣値，而且爲有限個者。因此，對於c的推定値cf 以{ym}(m=l到Μ)定義來替代{f(hm)}(m=l到Μ)。 ym = zm_C’ …（24) 在此，將式（1 8)的無限級數從第1項至第Μ項截止， 由此所得的函數fB(h)以下式表示。 fB(h)=Z ym0 m(h)…（25) Σ : (m = 1 到 Μ) 將此fB(h)作爲干擾光線之波形的函數使用。 如從f(h)導出特性函數r(h)，將式（25)的fB(h)的平方 之低頻分量以rB(h)表示，用作特性函數的指定値。此特 性函數r(h)的推定値rB(h)是以下式給予。 h不是取樣點時： rB(h)=l/(46〇 a'2) { [ 1-cos2 ω afh][E ' (y 2 m -1 / (h - h 2 m -1)) ]2 + [l+c0S2wa’h][E，，（y2m/(h，h2m))]2}…（2 6) Σ ’ ：自（m-1)至（M/2以上的最小整數）之總和 Σ":自（m-1)至（M/2以上的最大整數）之總和 h爲取樣點時，亦即h = h』（J是1 S S Μ的整數）時， Γβ(1ι)=1/(2ω 3’2){(ω a’yj)2+Z ’’’（yJ + 2m + i/ (hj-hJ+2m+1))2}…（27) Σ’"：一自（m = J/ 2以下的最大整數）至（[M-J]/2以上 的最小整數-1 )之總和 由式（26)及式（27)、式（23)及式（25)可知，在fB(h)的言十 算所需要的sine的計算已無需要，cos的計算也與取樣黑占 -1 6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -^------------裝--- (請先閱讀背面之注意事填寫本頁) 訂· 線- 571073 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ____Β7_____五、發明說明（^ ) 數無關只進行1次即可。再者，h與取樣點一致時’ cos 的計算也無需要，借以代數的運算就可處理。 在此，爲了更容易的理解本發明的原理，進行與以往 例作原理比較。以先前例的方法所用的最大取樣間隔△ C 以下式表示。 △ C=7Z* /[2(ω c+ω a)]··· (28) 並以比此取樣間隔△ C較細間隔來取樣，否則不能求出 正確的尚度。 在本發明，如式（21)所示，△ B與△ C之間成立如下式 所示的關係。 △ Β = [(ω 3)/(ω c’+ω a’）] · 2 . (I+1)^C …（29) 因而，將（ω c + ω a) / ( ω c ’ + ω a ’）視作1，則△ b成爲△ C 的 2(1+1)倍。 一方面，利用低通過型標本化定理時，取樣間隔△ L由 下式所給予。 △ L= 7Γ /( ω C+ ω a)…（3 0) 就需要以比此取樣間隔△L較細的間隔來取樣。 由式（20)、（21)及（30)，ΛΒ可由下式表示之。 △ Β = [(ω c+o 3)/(ω c’+〇 a，）](I+l)AL …（3 1) 因而’將視作 1，則 ab 成爲 Z\L 的（1+1)倍。 如此’ f(h)由對頻帶通過型作頻帶限制，可以更廣的取 樣間隔來取樣。例如，在後述之實施例，△B成爲△ L的 約1 3倍，△ C的約2 5倍。 -17-
(請先閱讀背面之注意事填寫本頁) 裝 訂· --線· 571073 A7 B7 五、發明說明（4) 以下參照圖面具體的說明本發明之實施例。 第6圖，係表示有關本發明實施例的表面形狀丨則@ g 置之槪略構成圖。此表面形狀測定裝置，由：對形$於^ 半導體晶圓、玻璃基板或金屬基板等之測定對象物3 〇白勺 測定對象面3 1上的微細圖案，具備照射特定頻帶的白色 光線之光學系統單元1，和控制光學系統單元1的控制系 統單元2所構成。 光學系統單元1具備：照射於測定對象面3 1及參考面 來產生白色光線的白色光源1 0 ;從白色光源1 〇依白色光 線成爲平行光線的準直透鏡1 1 ;只使特定頻帶的白色光 線通過的帶通濾波器1 2 ;將通過帶通濾波器1 2的白色光 線反射於測定對象物3 0的方向，一面使從測定對象面3 〇 方向的白色光線通過半反射鏡1 3 ;以半反射鏡1 3所反射 的白色光線聚光之物鏡1 4 ;通過物鏡1 4的白色光線分爲 反射於參考面1 5的參考光，和通過至測定對象面3丨的 測定光，同時在反射面1 5所反射的參考光和在測定對象 面3 1反射的測定光再度匯集，用來產生干涉條紋之分光 鏡17 ;爲了欲在參考面15使參考光反射所設的反光鏡 1 6 ;由使參考光學測定光所匯集的白色光線成像的成像 透鏡1 8 ;及與干涉條紋一起用來攝像測定對象面3 1的 CCD攝像機19所構成。 白色光源1 0例如爲白色光燈等，予產生比較廣的頻帶 之白色光線。從此白色光源1 〇所產生的白色光線由準直 透鏡Π作爲平行光線，入射於帶通濾波器1 2。 -1 8- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (清先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 裝 .. 經濟部智慧財產局員工诮費合作社印製 571073 A7 B7 五、發明說明（w) 帶通濾波器1 2係只讓特定頻帶的白色光線通過用之濾 波器，安裝在自白色光源i 〇至CCD攝像機1 9間的光路 上。最好是安裝在從白色光源10至其白色光線被分成對 於參考面1 5的參考光和對於測定對象面3 1的測定光位 置間之光路。 在本實施例，例如係安裝在準直透鏡1 1與半反射鏡1 3 間的光路。而作爲帶通濾波器1 2，例如利用中心波長 630.9nm，帶寬（頻帶寬）38nm的頻帶通過型光學干擾 濾光片等。入射於該帶通濾波器1 2的比較廣的頻帶之白 色光線’其頻帶被縮狹，只有特定頻帶的白色光線通過 帶通濾波器1 2。 半反射鏡1 3，係一方面過過帶通濾波器1 2來的特定頻 帶之白色光線朝向測定對象物3 0的方向反射，一方面使 自測定對象物3 0之方向回來的白色光線過過者。在此半 反射鏡1 3所反射的特定頻帶之白色光線乃入射於物鏡 14 ° 物鏡1 4，係爲將所入射的白色光線聚光於焦點p的透 鏡。並由此物鏡1 4所聚光的白色光線通過參考面1 5，而 到達分光鏡1 7。 分光鏡1 7係將物鏡1 4所聚光的白色光線，爲了反射 於參考面1 5用，分成例如於分光鏡1 7上面作反射的參 考光，與欲在測定對象面31作反射使分光鏡1 7通過的 測定光，同時，由於再度匯集參考面1 5和測定光，用來 產生干涉條紋者。到達分光鏡1 7的白色光線’是被分爲 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公t ) (請先閱讀背面之注意事項#填寫本頁) -裝 訂·· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 571073 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（d) 在分光鏡1 7上面所反射的參考光和通過分光鏡1 7的測 定光，其參考光係到達參考面1 5，其測定光係到達測定 對象面3 1。 在參考面15,安裝有使將參考光反射於分光鏡17方向 用的反射鏡1 6，並由此反射鏡1 6所反射的參考光，到達 至分光鏡1 7，再者此參考光係由分光鏡1 7所反射。 通過分光鏡1 7的測定光係朝向焦點p聚光，在測定對 象面3 1上反射。此反射的測定光到達分光鏡1 7，通過其 分光鏡1 7。 分光鏡1 7，再度匯集參考光和測定光。此時，由參考 面1 5與分光鏡1 7之間的距離L 1，和分光鏡1 7與測定對 象面3 1間的距離L2的距離之差異產生光程差。而因應 於此光程差，參考光和測定光會互相干擾，所以產生干 涉條紋。產生有此干涉條紋狀態的白色光線係通過半反 射鏡13，由成像透鏡18所成像入射於CCD攝像機19。 C CD攝像機1 9，係與產生干涉條紋狀態的白色光線一 起攝像由測定光所映出的、測定對象面3 1的焦點P附近 之圖像。此攝像的圖條資料乃由控制系統單元2所收集。 又，在後述就可明白，相當於本發明的變動裝置之控 制系統單元2的驅動部2 4，例如使光學系統單元1被作 上下左右變動。特別是，由於光學系統單元1被作上下 方向的驅動，可變動距離L 1與距離L2間的距離。由此’ 使干涉條紋因應於距離L 1與距離L2間的距離差慢慢地 作變化。並由C C D攝像機1 9以後述由每一規定的取樣間 -20- (請先閱讀背面之注意事項 為填寫本頁) i 裝 i訂· 線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 571073 A7 B7 五、發明說明（α) 隔，與干涉條紋之變化一起攝像測定對象面3 1的圖像， 其圖像資料由控制系統單元2所收集。CCD攝像機1 9係 相當於本發明的攝像裝置。 控制系統單元具備：總括性的控制表面形狀測定裝置 全體，執行規定之運算處理用之CPU 20 ;記憶由CPU 20 被逐次收集的圖像資料，或CPU 20的運算結果等的各種 資料之記憶體2 1 ;可輸入取樣間隔或其他設定資訊用的 滑鼠或鍵盤等之輸入部22 ;顯示測定對象面3 1的圖像等 之監控器23 ;以及可因應於CPU 20的指示以上下左右驅 動光學系統單元1，例如由3軸驅動型伺服馬達等之驅動 機構所構成的驅動部24的電腦系統所構成。 尙，CPU 2 0，係分別相當於本發明的取樣裝置及運算 裝置，記憶體2 1係於本發明的記憶裝置，驅動裝置25 係於本發明的變動裝置。 CPU 20係所謂中央處理裝置，係控制CCD攝像機19、 記憶體2 1及驅動部24，同時依據CCD攝像機1 9所攝像 包含干涉條紋的測定對象面3 1之圖像資料，執行測定測 定對象面3 1的凹凸形狀的處理。有關此處理於後詳細加 以說明。 再者，在CPU連接有監控器23、鍵盤或滑鼠等輸入部 22，操作者可一邊觀察顯示在監控制器23的操作畫面， 一邊從輸入部22進行輸入各種設定資訊。又，監控器23， 於測定對象面3 1的測定完畢後，以測定對象面3 1的凹 凸形狀可以數値或圖像顯示之。 -2 1- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項Λ填寫本頁) l·訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 571073 A7 _ B7 五、發明說明（/) 驅動裝置24 ’爲了變化光學系統單元1內的參考面i 5 與分光鏡1 7間被固定的距離l 1，和分光鏡1 7與測定對 象面3 1間的可變距離L2間的距離之差，可使光學系統 單元1變動於正交3軸方向之裝置，由CPU20的指示驅 動光學系統單元1於X、γ、Z方向，例如由具備3軸驅 動型伺服馬達之驅動機構所構成。 尙，驅動部24相當於本發明的變動裝置，在本發明所 謂相對距離，係指自參考面i 5至測定對象面3 1的距離 亦即表示距離L 1及距離L 2。在本實施例，雖動作光學系 統單元1 ’可是例如使載置測定對象物3 〇的台（未圖示） 變動於直交3軸方向亦可以。 以下’參照第7圖的流程圖說明在本實施例表面形狀 測定裝置全體所進行的處理。 步驟S 1 (設定取樣間隔） 首先，爲了滿足式（19)、（20)的條件求出ω a’，依據該 ω a’導出取樣間隔△ B。在具體上，表面形狀測定裝置的 光學系統單元1在作驅動精度上之最小移動間隔例如爲 0.00927 // m，故此取樣間隔△ B需要作爲0.00927 // m的 整數倍。 在此，由帶通濾波器1 2限制其特定頻帶的白色光線之 中心波長爲〇.6309/zm，其頻帶寬爲0.038//m時，設介 質中的折射率 n=l 時，= 60(1/// m)，6l)c = 47T /0.6309 = 19.94(1/ // m)。於是，以可完全滿足此等條件之値，採用 ω a’ = 0_79(l//z m)、^6 = 1.98// m、1=12 用以測定表面形 -22- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項#<填寫本頁) 裝 · 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 571073 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（Μ ) 狀。操作者將△ B直接、或爲了設定△ B的設定値自輸入 部 22 輸入。尙，由上限波長= 0.6309 + (0.038/2) = 0.6499， 上限頻率c+ω a = 20.54。由下限波長= 0.6309-(0.038/2) 二〇.6119，下限頻率a=19.34。 •步驟2 (以取樣間隔攝像） 光學系統單元1，係將白色光源1 0所產生的白色光線 經由帶通濾波器1 2限制爲特定頻帶的白色光線照射於測 定對象面31及參考面15。由此帶通濾波器12，或至由 後述的白色光線分爲測定光及參考光之光學系統，限制 $特定頻帶止，係相當於本發明的第1步驟。 係以預先移動於規定之測定場所的光學系統單元1，爲 了開始向乙軸方向移動之用之變動開始之指示給予驅動 部24。驅動部24，係予以驅動未圖示的步進馬達等之驅 動系統。使光學系統單元1向乙軸方向移動預先所設定 的距離。並由此，參考面1 5與測定對象面31間的相對 距離被變動。此過程即相當於本發明的第2步驟。 CPU 20，係在光學系統單元1僅在移動每一取樣間隔 △ B份量時，予以收集CCD 19所攝像包含干涉條紋的測 定對象面3 1之同像資料，依序儲存於記憶體2 1。當光學 系統單元1僅以移動預先所定的距離，在記憶體2 1記憶 光學系統單元1之移動距離及由取樣間隔△ B所定的多 數片之圖像資料。 •步驟S3 (取得特定地方的干擾光強度値群） 例如，操作者一邊觀察顯示在監控器2 3的測定對象面 -23- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項為填寫本頁) -裝 訂· 線」 571073 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（》) 3 1，一邊從輸入部22輸入其欲測定之測定對象面3丨高 度的多數特定地方。CPU 20，係把握所輸入的多數特定 地方，將相當於測定對象面3 1以所攝像的圖像上之相當 於上述多數特定地方的像素之濃度値，亦即於特定地方 的干擾光線之強度値，從多數片的圖像資料分別採取。 並由此，可獲得在各特定地方的Μ個之強度値，此等Μ 個之強度値稱爲干擾光強度値，以{zm}(m=l到Μ)表示。 此過程，即相當於本發明中的第3步驟。 由步驟S3如第8Α圖所示，獲得取樣間隔比較廣之Μ 個強度値，此等Μ個之強度値係如第8Β圖所示分布於依 據特定頻帶之白色光線因應於干擾條紋的特定地方之干 涉光線之強度値變化所示的波形上。 •步驟S4 (從強度値的平均値導出調整値） CPU 20，依據於特定地方的干擾光強度値群，求出千 擾光線強度値的平均値之上所述推定値C’。再者，從千 擾光強度値群的各強度値減去平均値求出各調整値（調 整値群）。推定値C’由下式求出。 C丨二（1/M) · Σ zm··· (32) 再者，依據式（24)導出調整値群的{ym}(m=l到Μ) ° 步驟S 5 (從調整値群指定特性函數） CPU 20，係在步驟S4所導出的調整値群{ym}(m=l到 M)，代入式（26)或式（27)，用以推定特性函數rB = (h)、 rB = (h』）。在此，從調整値群{ym}(m=l到Μ)可求得的式（4) 之f(h)赤示於第8c圖所示。如第8c圖所示，f(h)係以通 -24- (請先閱讀背面之注咅？事項^填寫本頁) I!裝 1填寫士
Lr I I L- .. --線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 571073 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（w) 過調整値群{ym}(m=l到Μ)似的，以推定値C’上爲中心， 在變化緩和的波形之內側以上下激烈振動的波形所表示 的理論上函數。特性函數rB = (h)、rB = (h〇 (以下單稱「特 性函數」），係如第8D圖所示，具有與f(h)的峰値位置爲 一致的峰値位置之函數。尙，步驟S 4及S 5係相當於本 發明的第4步驟。 •步驟S 6 (從特性函數的峰値位置求出高度） C P U 2 0，爲了求出特性函數成爲最大的峰値位置，執 行如第1 〇圖流程圖所示的處理。在具體上，首先爲了對 於峰値位置hpf大致地估計，利用式（27)求出所有在取樣 點的特性函數之値群{rB(hm)}(m=l到M)(步驟T1 )。此 等値群{rB(hm)}(m=l到M)的峰値位置hp’如第9圖所示存 在於以{rB(hm)}(m=l到M)成爲最大之値^附近。於是， 在値hj的兩鄰之値hj-Ι、h+Ι之間進行檢索（步驟T2 )。 在此，以 a 、/3 =hj+l (步驟 T3 )。接著，CPU 20， 係以此等兩點進行變形二分探索的步驟T4至T6所示的 處理。 如 rB = (a )>rB = (yS )時，以冷=(冷 + α )/2 + (冷- a )/2xb。 在此b係OS b< 1的實數。假設rB(h)是對稱時，通常依 據二分探索，由以/3 =( /3 + α )/2，即可求出峰値位置。可 是，rB(h)並非爲對稱，故/3變成比峰値位置hp’小。 於是，只廣大（/3 - a )/2xb之檢索範圍。一方面若爲 rB(a)<rB(/3)時，互換α和/3，進行同樣的處理。由反覆 此等處理，α和/3分別接近於峰値hp’。當/? - α變成小於 -25- (請先閱讀背面之注音？事項 填寫本頁) 養 -裝 |線_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 571073 A7 _ B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（Μ) 探索所要求的精度値e時，結束反覆處理。然後，採用 在α和沒之中的rB(h)之値大者作爲峰値位置hp'之値。此 値成爲峰値位置hpf的高度資訊。尙，b値越大，也可對 應於對稱性所崩潰rB(h)。 可是，隨著其計算量會增加，故應注意選擇適當的b。 例如，取樣點的個數M= 1 4，光學系統單元1的移動距離 爲 27//m，以 ε=0·000001#ιη、b = 0_2 時，由於式（27)要 計算14次，式（2 6)要計算28次可求出峰値位置。尙，步 驟S6，係相當於本發明的第5步驟。 步驟S7(全特定地方是否完畢？） C P U 2 0，係進行反覆步驟S 3〜S 6的處理，至全部的特 定地方完畢爲止，求出全部之特定地方的高度。 步驟S 8 (顯示） CPU 20，對監控器23顯示特定地方之高度資訊，或顯 示依據該等各特定地方之高度資訊的三維或二維的圖 像。操作者可由觀察此等顯示，以便把握測定對象物3 0 的測定對象面3 1之凹凸形狀。 依上述實施例，係採用頻帶被頻帶寬所限制的白色光 線，同時依據此白色光線之頻帶的取樣間隔，至少將特 定地方的干擾光線強度値之變化加以取樣。然後，從此 等強度値直接求出特性函數，並依據此特性關數成爲最 大峰値位置，求出特色地方的高度，故可以更少的資料 量、更高精度，測定作測定對象面的凹凸形狀。 再者，可減少求出特定地方之筒度所需要的資料量， -26- f睛先閱讀背面之注 意事 填寫本頁) 裝 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 571073 Α7 ____ Β7 五、發明說明（< 因而可使儲存其資料的記憶容量小，也可以廉價製造表 面形狀測定裝置。 尙’由上述實施例可知於本發明，其特徵爲可更簡單 的求出干擾光線強度値作變化之値變成最大的位置，所 以止自表示干涉光線強度値之變化的波形充分地平滑， 而導入可在同位置成爲最大的特性函數之槪念者。 其次’導入表示干擾光線強度値變化的波形更精密的 模型’不僅表示其頻帶寬被限制於低通過型，也被帶通 型所限制以利用此等性質的標本化定理爲基礎，從測定 資料導出直接推定特性函數的式，並利用此式，由於求 出特性函數變成最大的位置，用以測定測定對象面上的 凹凸形狀。並由此，由後述的實驗結果也可知，其比起 先前例，可使測定時間高速化。 在此，依本發明的方法之測定結果，和依先前例方法 之測定結果作比較的實驗結果表示如下。 本實驗所使用的測定對象物，係以高的面部分（高 部）’和低的面部分（低部）間的段差預先所知叫做標準 段差，採用其段差爲9.947 // m之試件。在測定中對其試 料的高部和低部分別以各1 00點合計200點之特定地方 加以測定。尙，測定範圍係以最初的取樣點高度爲0，而 由此點起之2 7 // m範圍。 在本發明的方法，一方面將取樣間隔以上述的1.98 # m ’在先前例的方法，係作取樣間隔以〇 . 〇 8 // m及0.24 # hi的兩樣進行。測定結果如第1 1圖的表中所示。 -27- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 閱 讀 背 © 之 注 意 事 I· ί裝 頁 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 571073 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（汕） 由上述表中可知，首先，段差的平均相對誤差，在先 前例的取樣間隔爲0.24 /z m時8_2%，〇·〇8 // m時爲 5.54%。相對地，在本發明，取樣間隔爲198 #①時係 0.21%。 由此等事情知，在本發明，取樣間隔雖然比先前例爲 廣’但可知比先前例有所改善。其次，關於段差的標準 偏差’與先前例的0 · 2 4 # m時比較時，將標準偏差保持 在1 . 5倍的狀態下，可將取樣間隔廣大到8.2倍。又，與 先前的0 · 0 8 # m比較時，將標準偏差保持在3 · 7 5倍的狀 態下，可將取樣間隔廣大到2 3 . 8倍。 尙’上所述的各實施例，在於攝像測定對象面3 1的圖 像資料後’才取得特定地方的干擾光線強度値之構成， 但本發明並不限定於此，例如，將相當於所攝像的圖像 資料上的特定地方於像素的強度値以實時的取得，將此 等干擾光線的強度値依序儲存於記憶體i 2之構成者亦可 以。 又’在上述實施例從白色光源發出的白色光線之頻 帶，由帶通濾波器1 1將頻帶限制在特定頻帶，可是本發 明並不限定於此，也可利用自白色光源之白色光線至作 攝像裝置的CCD攝像機19止的光學系統（包含光源、透 鏡、各反射鏡），利用從白色光源發出的白色光線之頻帶 被作頻帶限制，預先把握其頻帶，將其被頻帶限制的頻 帶作爲本發明的特定頻帶亦可以。 又’在上述實施例，從白色光源發出的白色光線之頻 -28- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) »!裝 -線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 571073 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（) 帶，由帶通濾波器11將頻帶限制在特定頻帶內，但本發 明並不限定於此，也可由攝像裝置的CCD攝像機19的頻 率特性所限制的頻帶作爲特定頻帶，用來預先把握其特 定頻帶，將其被頻帶限制的頻帶作爲本發明的特定頻帶。 又，在上述實施例，作爲攝像裝置係採用CCD攝像機， 但是例如鑑於只要攝像（檢測）特定地方的干擾光線之 強度値時，也可構成一排或平面狀的光感元件等來構成 攝像裝置。 在本發明，只要不脫離其思想或本質，可以其他具體 的形態實施之，因而，作爲表示本發明的範圍者，並不 僅是以上的說明，而應參照所附加的申請專利範圍。 符號說明 10…白色光源 11…準直透鏡 12…帶通濾波器 1 3…半反射鏡 14…物鏡 1 5…參考面 16…反射鏡 17…分光鏡 18…成像透鏡 19…電荷耦合器件（CCD)攝像機 2〇···中央處理機（CPU) 2卜··記憶體 -29- (請先閱讀背面之注意事項_填寫本頁) 禱 ί訂： 線， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 571073 A7 _B7五、發明說明（¥ ) 22…輸入裝置 23…監控器 24···驅動裝置 3〇···測定對象物 3 1…測定對象面 (請先閱讀背面之注意事項4<填寫本頁) I· :裝 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）