TWI473963B - 一維掃瞄表面形貌量測裝置與方法 - Google Patents

一維掃瞄表面形貌量測裝置與方法 Download PDF

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一維掃瞄表面形貌量測裝置與方法
本發明係有關於一種一維掃瞄表面形貌量測裝置與方法，尤指一種利用反射率(光強度)量測的方法結合臨界角技術或多層鍍膜技術所做成的角度感測器，即利用光強度對微小角度變化有線性關係之特性以及待測物在焦平面附近其反射光因離焦距離而偏折，來進行一維掃描，進而獲得表面的高度差或縱向位移量的技術。
按習知表面形貌測量儀器的種類繁多，原理各異，但根據測量原理的不同來歸類，目前表面測量技術主要可分為三類：接觸式測量法[如參考文獻1]、光學測量法[如參考文獻2~4]以及非光學式掃描顯微鏡[如參考文獻5]。習用接觸式測量法，目前仍被廣泛地應用於表面形貌測量，其係為一種最基本表面形貌量測方法，原因在於接觸式儀器具有操作簡單、通用性強、水平分辨率高等特點，然而在觸針方面，該儀器卻又有測量速度慢的缺點，特別是在三維形貌量測時間過長，溫度變化帶給測量結果有較大的影響，另外還有一個主要的缺點，觸針與被測表面有一定的力量，因此鋒利的觸針容易刮傷表面，觸針本身也容易受損，而使測量結果扭曲。光學測量法最常見的有：幾何光學探針法及干涉量測法，再測量上具有非接觸與速度上等優點。非光學式掃描顯微鏡沒有光學物鏡，其與光學測量法不同，不需通過光學鏡片，目前有兩種類型的非光學掃描顯微鏡，一種是電子顯微鏡，例如掃描式電子顯微鏡(SEM)、穿透式電子顯微鏡(TEM)及掃描穿透式電子顯微鏡(STEM)；另一種是掃描探針顯微鏡，例如掃描式穿隧顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)，其缺點在於操作複雜，容易受到灰塵干擾，在實際應用上，又因其價格昂貴，且掃描範圍(面積)不大，故仍無法有效廣泛地作為一般線上的檢測工具，而只能作為少量樣品的檢測。
再者，掃描共焦顯微鏡(scanning confocal microscopy)由Minsky在1957年首次提出[如參考文獻6]，之後有許多的學者對共焦系統做近一步的研究。基本原理就是，從一個點光源發射的探測光通過透鏡聚焦到被觀測物體上，如果物體恰在焦點上，那麼反射光通過原透鏡應當匯聚回到光源，這就是所謂的共聚焦，簡稱共焦。共焦顯微鏡技術基本架構，光經過物鏡在樣本(Sample)上聚焦，其反射光沿原路返回，再通過分光鏡傳入空間濾波的共焦孔內，透過焦點在樣本上面的位置來進行二維或三維成像。掃描共焦顯微鏡之關鍵技術在於共焦針孔的引入，偵測器只能接收來自物鏡焦點的光訊號，利用光偵測器探測到的光訊號強弱變化來獲得表面輪廓訊息。
此外，聚焦探測法是利用光電偵測器測量表面微小起伏。根據聚焦誤差訊號檢測方式的不同，聚焦探測法主要有刀緣法、像散法、臨界角法，這些聚焦法的橫向分辨率與焦點的光點大小有關，垂直分辨率則因誤差訊號的檢測方式而有所不同。
本發明人對於微小量測技術有深入研究，不斷的投入研發，並有相關的研發成果接續地產出，例如已獲准中華民國專利第I250269號及第I274150號專利技術，該二專利技術係採用相位法(外差干涉術)量測。本發明技術則採用光強度方法，量測範圍較廣，所採用之光源及角度感測器與在先技術不同，且本發明加入一個多次反射的角度感測器，以提高角度靈敏度，可增加量測表面高度或位移量之解析度。本發明採取在二組光感測器，分別量測其參考光與測試光之光強度變化，以求取反射率值，做為量測表面高度或位移量之依據，表面高度或位移量與反射率成線性關係。
本發明之主要目的，為了研發一維光學式掃描形貌儀或微小位移量測，其精度在1μm以上，能做快速準確的量測，且在不使用任何干涉術之情況下，純粹以幾何光學原理及簡單物理光學之特性來做量測，及採用“角度偏向法”來量測表面，由於雷射在光學的量測上具有速度快以及穩定等優點，且目前有關這方面的技術之論文或專利並不多見，所以本發明提出光強度量測的方法結合臨界角技術或多層鍍膜技術所做成的角度感測器，即利用光強度對微小角度變化之特性，並利用待測物在焦平面附近反射光之偏折，來進行一維掃描物體，進而獲得表面的高度差或位移量。此方法成本低精度高，可以讓國內精密加工產業與其他相關產業的發展速度快速提升。
本發明一維掃瞄表面形貌量測裝置與方法，可用來量測表面高度或縱向位移量，其方法是利用反射率(光強度)量測的方法結合臨界角技術或多層鍍膜技術所做成的角度感測器，即利用光強度對微小角度變化有線性關係之特性以及待測物在焦平面附近其反射光因離焦距離而偏折，來進行一維掃描，進而獲得表面的高度差或縱向位移量。此原理乃利用幾何光學光追跡法原理決定光線高度與其角度。
 壹．本發明之原理 1.幾何光學成像原理
如圖1所示，本發明之幾何光學成像原理，係當入射光平行於光軸入射進入透鏡，而當待測物表面位於透鏡焦點時，此時反射光返回透鏡後會平行於入射光；若待測物離開焦點平面△Z時，此時反射光經過透鏡後不會平行入射光，則產生反射光角度偏移。由圖1所示，得知在焦平面反射的光，Δθ=0，若待測物離開焦平面ΔZ，則產生反射光角度偏移Δθ，並由圖2及成像公式得知：
其中：
由(1)與(2)可推得：
由結果得知，角度變化量△θ與移動量△Z成正比，所以即可由△θ大小正負號，判斷其位移的大小及方向。
2.　量測角度偏向之基本原理
本發明以光強度量測的方法，係結合臨界角技術或多層鍍膜技術所做成的角度感測器，主要利用光強度對微小角度變化之特性，由於此角度感測器之光強度(或反射率)變化對光線角度的微小變化極為靈敏且成線性關係，當反射光之偏折時，角度感測器之出射光強度產生變化，因此可以由所感測到的光強度變化量來求出角度的改變量。
3.　全反射原理
本發明方法係利用臨界法全反射原理及反射率對光強度的變化。全反射(又稱全內反射)是一種光學現象。當光線經過兩個不同折射率的介質時，部份的光線會於介質的界面被折射，其餘的則被反射。但是，當入射角比臨界角大時(光線遠離法線)，光線會停止進入另一介面，反之會全部向內面反射。這只會發生在當光線從光密介質(較高折射率的介質)進入到光疏介質(較低折射率的介質)，入射角大於臨界角時。因為沒有折射(折射光線消失)而都是反射，故稱之為全反射。例如當光線從玻璃進入空氣時會發生，但當光線從空氣進入玻璃則不會。
4. Fresnel定律
為了要計算一個光學系統中所定出之光束上的偏振狀態，我們必須要能算出通過不同折射率介面下的電場效應。一般而言，當一個平面波碰到一個介面，部份波被折射，部份波則被反射。(為了單純起見，我們假設介質不吸收)。而描述穿透與反射跟入射場的比值叫做Fresnel方程式。
電場永遠都可以分成二個分量(如圖3所示)，一個與入射面平行，另一則是與入射面垂直。平行的分量被稱p、π或者TM(transverse magnetic)偏振，而垂直分量則被稱作s、σ或TE(transverse electric)偏振，(s源自德文「senkrecht」，意指正交)。如果我們註記入射角叫θ1 ，折射角叫θ2 ，而反射光振幅與入射光振幅比值叫做r，稱之為反射係數；透射(折射)光振幅與入射光振幅比值t，稱之為穿透係數。則Fresnel方程式如下：
其中n1 為入射的折射率和n2 為出射的折射率；P、S偏光之反射率分別為：
5.反射率與外角變化關係
如圖4所示，其係代表光線由空氣入射至稜鏡(取n1 為稜鏡之折射率和n2 為空氣的折射率)，根據Snell定律可以求出折射角θ2 及入射角θ1 的關係，與外角θ和入射稜鏡內角θ1 之間的關係：
貳．本發明之實驗例 1.　本發明實驗例之系統架構
如圖5所示，係本發明實驗例之系統架構。我們以前面所介紹的幾何光學成像原理與臨界角反射率為基礎，設計出本發明實驗例之系統架構，來做表面輪廓及形貌的量測，藉由光強度(反射率)的不同來計算出縱向位移量或分析出物體表面的高低差，整個過程以掃描方式測出物體表面高低，並繪圖顯示結果。
2.　本發明實驗例之系統架構的各組件
如圖5所示，本發明實驗例之系統架構，包括：光源(1)，用以發射出光束，光源(1)可為單一波長光源或採用雷射光源；偏極板(Polarizer)(2)，其可調整角度，用以接收來自光源(1)的光束，以改變光束之光偏極方向；透鏡(Lens)(3)，其焦距已知，其用以接收來自偏極板(2)的光束，功能為讓入射光束進入透鏡(3)後，聚焦在待測物(4)上，使光點變小，藉此提高橫向解析度；並利用幾何光學成像原理，當待測物(4)表面不在透鏡焦點時，待測物(4)的反射光則會偏離光軸，藉角度變化來觀察待測物(4)表面之位移量；待測物(4)，其為待量測之物件(可為透明或非透明物件)；本發明實驗例係以反射鏡(5)與一表面有高低落差之樣品作為待測物，反射鏡(5)用來測試位移量，而高低落差之樣品以塗佈有機材料方式製作；反射鏡(5)，由於入射光束與反射光束之間距有限，為了方便測量，所以利用反射鏡(5)讓反射自待測物(4)的反射光束做90°反射；光圈(6)，用以擋住阻隔來自反射鏡(5)之反射光束中不必要的雜訊光，降低接收器的雜訊；分光鏡(Beam-Splitter)(7)，接收來自光圈(6)的反射光束，可讓反射光束一部份(50%)穿透，及另一部份(50%)反射；平行四邊形稜鏡(Parallelogram Prism)(9)，其做為角度感測器之用，供來自分光鏡的穿透光束入射，並做多次反射，以測量穿透光束之微小角度變化，本實驗例之反射次數為兩次，所用之平行四邊形稜鏡材質為BK 7；第一、第二光接收器(8)(80)，用以偵測光強度變化，第一光接收器(8)在此實驗的功能用於偵測經過平行四邊形稜鏡(9)內部而反射出來的光強度，第二光接收器(80)的功能是用於抵銷雷射本身的雜訊及待測物(4)反射率不同所造成測量上的誤差；及一運算手段，本發明實施例係使用有運算程式之電腦，用以將該第一光接收器(8)之光強度除以該第二光接收器(80)之光強度，獲取實際之反射率值，再利用反射率值進而量出該待測物(4)表面的高度差或縱向位移量。
3.本發明實驗例之操作
依據如圖5所示之本發明實驗例架構，本發明實驗例之操作，係以固態綠光雷射光源(1)(波長532nm)當光源，藉由入射透鏡(3)讓光聚焦在待測物(4)之待測面上，之後經由待測物(4)表面反射返回透鏡(3)，當待測物(4)表面遠離透鏡(3)的焦點時，反射回來的雷射光經過透鏡(3)後會偏離光軸，產生角度的改變，再經過一反射鏡(5)將光線反射通過光圈(6)，過光圈(6)之後可以濾掉待測物(4)表面所產生的雜光，再由分光鏡(7)將光分別入射光接收器PD2(80)與平行四邊形稜鏡(9)內，進入稜鏡(9)的光線，藉由反射光角度的改變，使反射率產生變化，之後由第一光接收器PD1(8)所測量出的光強度I 1 來當做入射光之光強度，而第二光接收器PD2(80)所得之光強度為I 2 ，第二光接收器PD2(80)其功能是用於抵銷雷射光本身的雜訊及待測物(4)反射率不同所造成測量上的誤差以及藉以I 1 /I 2 可量出反射率，進而計算出待測物(4)樣本(Sample)表面的高度差或位移量。
4.本發明實驗例之量測結果
本發明實驗例所量測之待測物，係以塗佈方式製作高度約20μm的待測物樣本(Sample)，利用本發明實驗例之系統架構進行一維掃瞄表面輪廓的量測，觀察其膜厚高度與接面形狀。附件一為樣本(Sample)，A區為塗佈20μm高度之區塊，B區則為基板區塊，表面輪廓量測方向由A至B，測量距離為4000μm，量測結果將與商用測膜機Dektak 6M進行比對。
圖6所示為測量表面形貌之高度(反射率Rp2)之變化，由圖6所示可知最高高度為27.5μm，平整區塊大約為19.8μm。
5.本發明測量結果與測膜機Dektak 6M綜合比較
由測膜機所測得結果如圖7，可知樣本(Sample)上接面之表面輪廓，其最大高度大約為27.5μm，平整區塊大約為20μm，由此測試物表面量測結果，本發明實驗例之系統架構與Dektak 6M測膜機所測得的高低落差與變化之距離都相當接近，由此可證明本發明之方法的可行性。
參．結論
本發明為一種光學非破壞性、非接觸式之強度型一維位移量測裝置及方法之技術。
本發明可作為精密定位與加工等量測。
本發明可作為透明與非透明表面形貌量測。
本發明可作為膜厚或表面高度差量測。
本發明乃是一種利用表面高度在透鏡焦平面附近，其反射光返回透鏡後造成光線偏向的特性，以此偏向角來做為主要的量測的依據。
本發明乃是一種利用光強度改變轉換成表面高度差的一種量測裝置及方法之技術。
本發明乃是一種利用光感測器作為接收光強度信號然後轉成電信號，其反射率值作為量測表面高度的資訊。
本發明乃是包含利用表面高度變化所造成的反射光線角度變化的一種裝置及方法之技術。
本發明乃是包含利用光線角度偏向造成的反射率或光強度改變的一種裝置及方法之技術。
本發明之縱向解析度最小可達到0.3μm。
本發明之縱向高度量測範圍可超過±50μm。
本發明可量測最小寬度為3.25μm。
本發明所使用之角度感測器是一種反射率或光強度對入射角變化之轉換，可以為稜鏡或有鍍膜之元件。
本發明所使用之光源為單一波長光源或採用雷射光源。
以上所述，僅為本發明之一可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明除上述優點外，並深具產業之利用性，可有效改善習知技術所產生之缺失，而且所具體界定於請求項之特徵，未見於同類技術，故而具新穎性、實用性、進步性及產業利用性，已完全符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請　鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。
(1)．．．光源
(2)．．．偏極板
(3)．．．透鏡
(4)．．．待測物
(5)．．．反射鏡
(6)．．．光圈
(7)．．．分光鏡
(8)(80)．．．光接收器
(9)．．．平行四邊形稜鏡
圖1為習知入射角等於反射角之示意圖；
圖2為本發明待測物離開焦平面時之示意圖；
圖3為本發明偏光斜向入射不同介質界面電磁理論分析示意圖；
圖4為本發明光入射稜鏡之角度偏向之示意圖；
圖5為本發明實驗架構圖；
圖6為本發明高度20μm待測物樣本Sample反射率Rp2變化轉換為高度圖；及
圖7為本發明測膜機Dektak 6M量測結果圖。
附件一：為本發明高度20μm之待測物樣本照片。
附件二：參考文獻。
(1)．．．光源
(2)．．．偏極板
(3)．．．透鏡
(4)．．．待測物
(5)．．．反射鏡
(6)．．．光圈
(7)．．．分光鏡
(8)(80)．．．光接收器
(9)．．．平行四邊形稜鏡

Claims (3)

  1. 一維掃瞄表面形貌量測方法，其包括以下步驟：提供一維掃瞄表面形貌量測裝置，該裝置包括一光源、一可調整角度之偏極板、一焦距已知之透鏡、一反射鏡、一分光鏡、一角度感測器、一第一光接收器、一第二光接收器及一運算手段；以該光源發射出光束；以該偏極板接收來自該光源的光束，以改變光束之光偏極方向；以該透鏡接收來自該偏極板的光束，讓入射光束進入該透鏡後，聚焦在一待測物上，使光點變小；以反射鏡反射自該待測物的反射光束做九十度反射；以該分光鏡接收來自該反射鏡的光束，讓該反射光束一部份穿透，另一部份反射；以該角度感測器供來自該分光鏡的穿透光束入射，並做多次反射，以測量該穿透光束之微小角度變化；以該第一光接收器偵測經過該角度感測器內部而反射出來的光強度，以該第二光接收器偵測來自該分光鏡反射光束之光強度；及以運算手段將該第一光接收器之光強度除以該第二光接收器之光強度，獲取實際之反射率值，利用該反射率值計算出該待測物表面的高度差或縱向位移量。
  2. 如請求項1所述之一維掃瞄表面形貌量測方法，其中該反射鏡與該分光鏡之間設一光圈，用以擋住阻隔來自該反射鏡之反射光束中不必要的雜訊光。
  3. 如請求項1所述之一維掃瞄表面形貌量測方法，其中，該角度感測器為一平行四邊形稜鏡，該穿透光束入射至其內部並做兩次反射。
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