TWI393871B - Multi - wavelength Polarization Full - image Measurement System and Measurement Method - Google Patents

Description

多波長偏光全像量測系統及測量方法

本發明是有關於一種進行多波長偏光顯微全像光學干涉量測系統與測量方法，特別指一種以不同偏極化比較出樣品，特別是半透明樣品受外應力變化之光學量測系統與測量方法。

非接觸式光學量測可避免刮傷樣品表面，目前已廣泛地運用於例如元件加工後的尺寸檢查、印刷電路板(PCB)線路檢查、黃光製程中的疊對量測、發光二極體的立體光輪廓檢測、晶圓雷射標記識別等等。

非接觸式數位光學量測技術大致分為單波長數位全像顯微術、相移式數位全像顯微術、多波長數位全像顯微術三種。單波長數位全像顯微技術是Cuche、Marquet、Depeursinge等人於1999年首次將數位全像技術(Digital holography)和傳統的光學顯微鏡(Optical Microscope)結合成為數位全像顯微鏡，以數位重建方法從數位全像片上重建出樣品的表面輪廓，具數百奈米橫向解析度，與小於λ/150縱向解析度的優點，但缺點是樣品階高差需小於λ/4(λ表入射光波長)，離軸架構使得只有不到四分之一的感測器像素可被完整利用。

相移式數位全像顯微術是利用壓電致動器來調制參考光相位，例如以四步相位移法在0、π/2、π、3 π/2等四個不同相位下取得四張數位全像片，再以數值方法重建樣 品的表面形貌；缺點是必需拍攝多次的全像片，因此失去一次取相(one-shot)與實際即時成像(real-time imaging)的優點。

多波長數位全像顯微術則是Ichirou Yamaguchi等人使用三波段範圍的氦-氖雷射作為光源，並利用壓電驅動器做微小位移再經相移法計算直流及虛像，最後將三個重建影像結合成為一個彩色影像；2007年E.Cuche等人在離軸架構下以雙波長雷射做為照明光源，並在波長分別為679.53nm及759.91nm下達到合成波長6.428μm，並使得待測物縱深低於該合成波長而無相位混淆情形發生；多波長數位全像顯微術的缺點在於僅解決待測物量測縱深限制，並無法得知樣品承受之應力變化。

因此，本發明之目的，即在提供一種階高量測範圍提升至約20μm，且可即時量測樣品受外應力作用產生變形量的多波長偏光全像量測系統。

再者，本發明之另一目的，即在提供一種階高量測範圍提升至約20μm，且可即時量測樣品受外應力作用產生變形量的全像即時測量方法。

於是，本發明多波長偏光全像量測系統包含一多光束發出裝置、一參考光裝置、一測試光裝置，及一成像裝置。

該多光束發出裝置包括多數光發出單元，與一第一分光鏡，該多數光發出單元分別發出不同波長的平行光束，該第一光分鏡將各平行光束分為一沿一第一光路行進的第一入射光，及一沿一光連接至一樣品的第二光路行進的第二入射光。

該參考光裝置包括一設置在該第一光路上的第二分光鏡，及一與該第二分光鏡光連接的參考光學鏡組，該第二分光鏡將該第一入射光分為一第一極化光，與一第二極化光，該參考光學鏡組調整該第一極化光與該第二極化光的極化角度使彼此具有極化角度差後，改變該二極化光的離軸角度，得到一沿一第三光路行進的參考光。

該測試光裝置設置於該第二、三光路交會處，調整該第二入射光極化並入射於該樣品，並使入射於該樣品的反射光沿該第三光路行進形成一與該參考光彼此離軸干涉的測試光。

該成像裝置設置於該第三光路上，接收該參考光與該測試光所形成的干涉影像，進而還原出該樣品的表面形貌。

再者，本發明一種全像即時測量方法包含一提供多數光源步驟、一光產生步驟、一參考光形成步驟、一測試光形成步驟、一影像形成步驟，及一表面形貌還原步驟。

該提供多數光源步驟用一發出多波段範圍光的多光束發出裝置提供多數具相異波段範圍之平行光束。

該光產生步驟選取其中一平行光束產生分別沿第一、二光路行進的第一入射光與第二入射光，其中，該第二光路光連接至一樣品。

該參考光形成步驟用一參考光裝置將第一入射光分為彼此具有極化角度差的第一、二極化光後，改變該二極化光的離軸角度，得到沿第三光路行進的參考光。

該測試光形成步驟用一測試光裝置調整第二入射光極化後射於該樣品，並使入射於該樣品的反射光沿該第三光路行進，而與參考光形成彼此離軸干涉的測試光。

該影像形成步驟用一成像裝置接收對應之參考光與測試光所形成對應該平行光束的干涉影像。

該表面形貌還原步驟對取得之多數平行光束所形成的干涉影像進行運算處理，並進行還原運算，得出該樣品的表面形貌。

本發明之功效在於：應用多數不同波長的平行光束進行光學量測，提高樣品階差量測範圍，調整第一及第二極化光使彼此極化狀態成正交，並調整該二極化光之離軸角度後形成參考光，再與該測試光形成離軸干涉影像，可供量測樣品受外應力變化之資訊。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明多波長偏光全像量測系統的一較佳實施例包含相互光連接的一多光束發出裝置1、一參考光裝置2、一測試光裝置3，及一成像裝置4。

該多光束發出裝置1包括多數光發出單元11、一第一分光鏡12、一多光束光學鏡組13，在此，該多光束發出裝置1包括三分別發出紅、藍，及綠之雷射光的光發出單元11，該多光束光學鏡組13具有三對應該三光發出單元11設置的半波片131、分別用以改變光行進的六反射鏡132，與二分光鏡133。當該三光發出單元11分別發出紅、藍，及綠雷射光後，每一雷射光經過其中一半波片131調整極化特性，該些反射鏡132與分光鏡133調整光行進的路徑，並令每一雷射光透過該第一分光鏡12而分為一沿一第一光路X1行進的第一入射光，及一沿一第二光路X2行進的第二入射光。

該參考光裝置2包括一設置在該第一光路X1上的第二分光鏡21，及一與該第二分光鏡21光連接的參考光學鏡組22，該參考光學鏡組22具有二偏光鏡221、二反射鏡222，及一分光鏡223，該第二分光鏡21將沿該第一光路X1行進的該第一入射光分為一第一極化光與一第二極化光後，以該二偏光鏡221分別調整該第一極化光與該第二極化光的極化角度使彼此具有預定的極化角度差，並調整該二極化光的離軸角度，最後，得到一沿一第三光路X3行進的參考光。

更詳細地，是令該第一極化光經其中一偏光鏡221後調整其極化角度為0度，並令該第二極化光經另一偏光鏡221調整其極化角度為90度，亦即，調整第一、二極化光彼此正交。另外，並對該第一、二極化光調整離軸角度，最後，合成為該參考光。

該測試光裝置3設置於第二、三光路X2、X3交會處，並包括一偏光鏡31、一聚光鏡32、一分光鏡33、一物鏡34，及一反射鏡35，間隔地沿該第二光路X2設置，該第二入射光以該偏光鏡31調整極化角度後，依序通過該聚光鏡32、該分光鏡33，及該物鏡34後射至於樣品100上，反射的反射光沿該第三光路X3行進成一與該參考光彼此離軸干涉的測試光，在本例中，該第二入射光調整極化角度後，是先以該反射鏡35改變行進方向，再依序通過該聚光鏡32、該分光鏡33，及該物鏡34。

需注意的是，由於每個樣品的差異性，該第二入射光的極化角度不以固定數值為限，可依不同樣品選用不同的極化角度，使該測試光與該參考光形成的干涉影像清晰為佳；另外，該物鏡34可依樣品100的幾何外型、尺寸，及表面的精細程度加以更換，以獲得更佳的量測結果。

該成像裝置4設置在第三光路X3上，包括一供接收干涉影像的感光單元41，及一對該感光單元41接受到的干涉影像進行還原運算的運算處理單元42，該感光單元41接收該參考光與該測試光離軸干涉而形成的干涉影像後，經該運算處理單元42進行影像運算還原出樣品100的表面形貌。在本例中，該感光單元41是電荷耦合元件(CCD)，或互補式金氧半導體(CMOS)影像感測元件，該運算處理單元42則是數位化該感光單元41取得的紅、綠，及藍雷射光形成的干涉影像後，進行運算處理而還原出樣品100的表面形貌與變形量，必須說明的是，該感光單元41係分別取得紅、綠，及藍雷射光所形成的干涉影像，因此必須將紅、綠，及藍雷射光所形成的干涉影像傳送至運算處理單元42進行運算處理，而可還原出樣品100的表面形貌與變形量，由於此影像處理還原部分技術並非本發明的創作重點所在，故不就此詳加贅述。

參閱圖2，本發明全像即時測量方法的一較佳實施例，是採用上述的多波長偏光全像量測系統進行樣品的量測，進而即時得知樣品的表面形貌與受外力時的變形量，包含一提供多數光源步驟91、一光產生步驟92、一參考光形成步驟93、一測試光形成步驟94、一影像形成步驟95，及一表面形貌還原步驟96。

首先，在提供多數光源步驟91中，以多光束發出裝置1提供多數具相異波段範圍之平行光束。

接著，進行光產生步驟92，選取其中一平行光束產生分別沿第一、二光路X1、X2行進的第一入射光與第二入射光，其中，該第二光路X2光連接至樣品100。

再接著，進行參考光形成步驟93，用參考光裝置2將該第一入射光分為彼此具有極化角度差的第一、二極化光後，改變該第一、二極化光的離軸角度，得到沿第三光路X3行進的參考光。

之後，進行測試光形成步驟94，用測試光裝置3調整該第二入射光極化後射於樣品100，並使入射於樣品100的反射光沿該第三光路X3行進，而與該參考光形成彼此離軸干涉的測試光。

然後，進行影像形成步驟95，用成像裝置4接收對應之參考光與測試光所形成對應該光束的干涉影像。

最後，進行表面形貌還原步驟96，對取得之多數平行光束所形成的多數干涉影像進行運算處理，即可即時得到樣品100的表面形貌與受外應力時的變形量，其中，任一干涉影像是選取任一平行光束，並重複步驟92至步驟95後取得對應該平行光束之干涉影像。

綜上所述，本發明主要是以多波長偏光全像量測系統以該多光束發出裝置1發出多數波段範圍不同的平行光束，利用多波長特性提昇樣品量測階高範圍達19.59μm，已足以應付現行樣品所需。

另外，在樣品受外應力發生形變後，調整該第一及該第二極化光的離軸角度而得到樣品形變後的離軸干涉影像，再經該成像裝置4還原處理得到樣品受外應力後的變形量，因此，本發明多波長偏光全像量測系統具備即時量測樣品受外應力後的變形量的功效。與現有的雙波長全像量測系統相比，不但保留了即時量測的優點，還大幅增加階高量測範圍，此外，導入偏光機制更可量測半透明樣品受外應力後的變形量，原因在於透過本發明可同時擷取樣品水平及垂直兩種不同偏極化狀態資訊，樣品承受外力造成極化改變可反應在同一張全像干涉圖形上；透過適當影像還原處理後可比較出受力前後差異，確實達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100．．．樣品

X1．．．第一光路

X2．．．第二光路

X3．．．第三光路

1．．．多光束發出裝置

11．．．光發出單元

12．．．第一分光鏡

13．．．多光束光學鏡組

131．．．半波片

132．．．反射鏡

133．．．分光鏡

2．．．參考光裝置

21．．．第二分光鏡

22．．．參考光學鏡組

221．．．偏光鏡

222．．．反射鏡

223．．．分光鏡

3．．．測試光裝置

31．．．偏光鏡

32．．．聚光鏡

33．．．分光鏡

34．．．物鏡

35．．．反射鏡

4．．．成像裝置

41．．．感光單元

42．．．運算處理單元

91．．．提供多數光源步驟

92．．．光產生步驟

93．．．參考光形成步驟

94．．．測試光形成步驟

95．．．影像形成步驟

96．．．表面形貌還原步驟

圖1是一示意圖，說明本發明多波長偏光全像量測系統的一較佳實施例；及

圖2是一流程圖，說明本發明全像即時測量方法的一較佳實施例。

100．．．樣品

X1．．．第一光路

X2．．．第二光路

X3．．．第三光路

1．．．多光束發出裝置

11．．．光發出單元

12．．．第一分光鏡

13．．．多光束光學鏡組

131．．．半波片

132．．．反射鏡

133．．．分光鏡

2．．．參考光裝置

21．．．第二分光鏡

22．．．參考光學鏡組

221．．．偏光鏡

222．．．反射鏡

223．．．分光鏡

3．．．測試光裝置

31．．．偏光鏡

32．．．聚光鏡

33．．．分光鏡

34．．．物鏡

35．．．反射鏡

4．．．成像裝置

41．．．感光單元

42．．．運算處理單元

Claims (10)

1. 一種多波長偏光全像量測系統，量測一樣品的表面形貌，包含：一多光束發出裝置，包括多數光發出單元，與一第一分光鏡，該多數光發出單元分別發出不同波段範圍的平行光束，該第一光分鏡將各平行光束分為一沿一第一光路行進的第一入射光，及一沿一光連接至一樣品的第二光路行進的第二入射光；一參考光裝置，包括一設置在該第一光路上的第二分光鏡，及一與該第二分光鏡光連接的參考光學鏡組，該第二分光鏡將該第一入射光分為一第一極化光，與一第二極化光，該參考光學鏡組調整該第一極化光與該第二極化光的極化角度使彼此具有極化角度差後改變該第一及該第二極化光的離軸角度，得到一沿一第三光路行進的參考光；一測試光裝置，設置於該第二、三光路交會處，調整該第二入射光極化並入射於該樣品，並使入射於該樣品的反射光沿該第三光路行進形成一與該參考光彼此離軸干涉的測試光；及一成像裝置，設置於該第三光路上，接收該參考光與該測試光所形成的干涉影像，進而還原出該樣品的表面形貌。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之多波長偏光全像量測系統，其中，該多光束發出裝置還包括一具有多數半波片 用以調整光極化狀態的多光束光學鏡組，且該多數光發出單元發出預定波段範圍的雷射光。
3. 根據申請專利範圍第2項所述的多波長偏光全像量測系統，其中，該參考光裝置的參考光學鏡組使該第一極化光與第二極化光彼此正交。
4. 根據申請專利範圍第3項所述的多波長偏光全像量測系統，其中，該測試光裝置具有沿該第二光路間隔地設置的一偏光鏡、一聚光鏡、一分光鏡，及一物鏡。
5. 根據申請專利範圍第4項所述的多波長偏光全像量測系統，其中，該成像裝置包括一供接收干涉影像的感光單元，及一對該感光單元接受到的干涉影像進行還原運算的運算處理單元。
6. 一種全像即時測量方法，包含：一提供多數光源步驟，用一發出多波段範圍光的多光束發出裝置提供多數具相異波段範圍之平行光束；一光產生步驟，選取其中一平行光束產生分別沿第一、二光路行進的第一入射光與第二入射光，其中，該第二光路光連接至一樣品；一參考光形成步驟，用一參考光裝置將該第一入射光分為彼此具有極化角度差的第一、二極化光後，改變該第一及該第二極化光的離軸角度，得到沿第三光路行進的參考光；一測試光形成步驟，用一測試光裝置調整該第二入射光極化後射於該樣品，並使入射於該樣品的反射光沿 該第三光路行進，而與參考光形成彼此離軸干涉的測試光；一影像形成步驟，用一成像裝置接收對應之參考光與測試光所形成對應該平行光束的干涉影像；及一表面形貌還原步驟，對取得之多數平行光束所形成的多數干涉影像進行運算處理，並進行還原運算，得出該樣品的表面形貌。
7. 根據申請專利範圍第6項所述之全像即時測量方法，其中，該提供多數光源步驟採用的多光束發出裝置包括多數發出預定波段範圍雷射光的光發出單元、一具有多數半波片而調整光極化狀態的多光束光學鏡組，及一將該第一、二入射光分別引入沿該第一、二光路行進的第一分光鏡。
8. 根據申請專利範圍第7項所述之全像即時測量方法，其中，該參考光形成步驟採用的參考光裝置包括一設置在該第一光路上的第二分光鏡，及一與該第二分光鏡光連接的參考光學鏡組，該第二分光鏡將該第一入射光分為該第一、二極化光，且該參考光學鏡組調整該第一極化光與該第二極化光使彼此正交。
9. 根據申請專利範圍第8項所述之全像即時測量方法，其中，該測試光形成步驟採用的測試光裝置設置於該第二、三光路交會處並包括沿該第二光路設置的一偏光鏡、一聚光鏡、一分光鏡，及一物鏡。
10. 根據申請專利範圍第9項所述之全像即時測量方法，其 中，該表面形貌還原步驟採用的成像裝置包括一接收干涉影像的感光單元，及一對該感光單元接受到的干涉影像進行還原運算的運算處理單元。