TWI638131B - 用於獲取距離差之光學量測裝置及光學量測方法 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及一種光學量測裝置用於原位獲取一支撐座和一待測物件之邊緣區域之間之距離差。該光學量測裝置包含具有雙引導光束之一量測頭，其引導一第一量測光束朝向該支撐座，和一第二量測光束朝向該待測物件之邊緣區域。提供用於獲取和形成朝向該支撐座之該第一量測光束和朝向該待測物件之邊緣區域之該第二量測光束之反射光譜之機構。該光學量測裝置包含具有一個分光計之一多頻道量測裝置，一估算單元與一光譜儀和一顯示單元協同操作，根據反射光譜獲取該支撐座和該物件之邊緣區域之間之台階高度。

Description

用於獲取距離差之光學量測裝置及光學量測方法
本發明係涉及一種用於獲取距離差之光學量測裝置，以及使用該量測裝置之一光學量測方法。
於德國專利案DE 10 2008 041 062 A1中已揭示一種用於量測表面之光學量測裝置。該傳統的量測裝置產生一量測光線，其在分別地穿過至少三個聚焦光學元件後，撞射一物件的表面，並經由該物件的表面反射，以及藉由一空間分辨光偵測器與一基準光線於干涉疊加結合後被偵測。
為實現上述，該傳統的量測裝置具有包含至少三個獨立地聚焦光學元件之光學組件。該三個獨立地聚焦光學元件之主軸係相對於彼此間隔且並排設置。此外，該傳統的量測裝置包含位於量測光線的光路上之一分光器。再者，提供一基準面和一空間分辨光偵測器用於該傳統的裝置。
該光源、該分光器及該光學組件係相對於彼此設置，使得該光源發出量測光線並且穿過該聚焦光學元件，撞射該表面，並經由該表面反射，以及通過該聚焦光學元件後撞射該偵測器。此外，該傳統的量測裝 置包含一估算系統，用於從該空間分辨光偵測器接收圖像數據，以及輸出表示該表面之一表面形狀的量測數據，以獲取該表面之位置與該聚焦光學元件之間的距離值。根據該等距離值，該估算系統形成表示該表面之該表面形狀的參數。
另外，上述公開的專利揭示一種用於量測一物件之一表面的方法，基本上包含以下步驟。首先，產生一量測光線。根據由該量測光線之第一部份之三道收斂的部份光束所形成之該量測光線，照亮該物件之該表面之三個區域，該物件係相隔一定距離地設置。該反射光或由該表面反射之三道部份光束係與該量測光線之第二部分一同朝向一空間分辨光偵測器，並於該處形成干涉。最後，該等干涉係藉由一偵測光強度的偵測器進行分析，以藉由對應的量測數據表示該物件之該表面之該表面形狀。
此外，於該等公開專利案DE 10 2008 041 062 A1、US 7826068 B2、US 20090078888 AS1、WO 2013070732 A1、US 7853429 B2、US 7443517 B2、DE 10 2011 081 596 A1、DE 10 2011 055 735及KR 10 2008 0112436中已明確記載習知的方法。
量測一旋轉支撐座和一待測物件(尤其是一被減薄的物件)之旋轉邊緣區域之間的台階高度，需要一堅固的量測裝置，其占用少量的空間，同時對於環境汙染的承受度高。
為此，傳統之堅固的台階量測裝置配合複數個觸覺探針操作。其中之一探針掃描該待測物件之狹窄的邊緣區域之表面，以及一第二探針設置於該旋轉支撐座之上方，使得在機械處理過程中所產生的從毫米範圍至數倍微米範圍之該台階高度可以從兩個探針之間的距離來獲取。此 種觸覺量測方法的難處在於需將適當的壓力一方面施加在該待測物件之邊緣區域，另一方面在該支撐座部件之表面。
假如該壓力過高，將無法排除該待測物件之邊緣區域損傷的可能性，尤其是當複數個旋轉研磨的物件，其厚度需要被從毫米範圍減薄至小於100微米之間時。假如該壓力過低，因為該等探針呈現相當大的量測誤差和在減薄過程中所產生的研磨顆粒，使得量測該支撐座之相對粗糙的上方不精確而發生干涉。
對於一種堅固的量測裝置和相應的量測方法而言，有必要克服現有技術的缺點，而同時提供可靠的量測結果。
提供一種光學量測裝置包含獨立申請專利範圍第1項之特徵和一種量測方法包含獨立申請專利範圍第14項之特徵。
在此文中，彩色共焦距離量測技術應當理解為意指一種方法，其使用在用於不同的光波長之複數個透鏡包含不同的焦點的效果。在此，彩色共焦距離量測使用在一光學成像系統中寬頻譜光之色散，準確地決定一反射面和量測頭之間的距離。一寬頻譜點光源，其通常由一第一針孔光闌(pinhole diaphragm)或一光纖端所形成，並且在一光學成像系統中聚焦於一物件。在此焦點至該成像系統之距離為一清楚且不變地定義波長函數。反射光同樣係藉由相同的成像裝置所呈現，並且經由照射光路去耦合(decoupled)和投射至位於一分光器之鏡像點的針孔光闌。可選地，該反射光也可被直接地反饋至該第一針孔光闌，之後再去耦合。在該針孔光闌後方的偵測器接著決定該反射光的主波長。根據已知的單一波長的焦距，可直 接從該主波長決定該物件距離。此方法之一優點為不存在移動的元件。
再者，光學同調斷層掃描(optical coherence tomography，OCT)表示一種測試方法，其中寬頻譜光係在一干涉儀的輔助下用於量測物件之間的距離。在此過程中，係以逐點掃描(point-scanned)該被檢測的物件。具有已知光徑長度之光臂係被用於作為一量測光臂之基準。兩光臂之分波(partial waves)的干涉導致一圖案，從其可讀取該兩光臂之光徑長度之間的差值。
在此區分所謂的時域(Time Domain)OCT和頻域(Frequency Domain)OCT兩種干涉量測和估算方法之間的差別。兩者一方面涉及時域(TD)訊號，另一方面涉及頻域(FD)訊號。這意味著頻率光臂之長度的變化和在不考慮頻譜下不間斷地量測干擾的強度(時域)，或者是獲取個別的光譜元件之干涉(頻域)。
根據本發明之該量測裝置和量測方法可有益地用於彩色共焦式和干涉距離式量測技術。當其被用於原位獲取機械作動期間旋轉的待測或減薄物件和一旋轉支撐座之台階高度時，這情況尤其適當。
尤其是，創造一可靠且非接觸式的量測技術，其在研磨環境中係穩固的，因而在本發明之第一實施例中使用一種用於獲取距離差的光學量測裝置，其包含具有雙引導光束的量測頭，引導一第一量測光束朝向該支撐座和一第二量測光束朝向該物件之邊緣區域。
再者，該光學量測裝置包含一量測頭引導裝置，其中該量測頭係設置為量測該台階高度。另外，該光學量測裝置包含一寬頻譜光源用於產生光線。對應的光學量測頭可在該支撐座上呈現至少一第一量測點和 在該物件之該邊緣區域呈現至少一第二量測點。用於獲取和形成朝向該支撐座之第一量測光束和朝向該待測物件之邊緣區域之第二量測光束之反射光譜的機構與一用於反射光譜以取得該支撐座和該物件之邊緣區域之間的台階高度的一估算單元協同操作。
該光學量測裝置之該量測頭之該雙引導光束為一優點，在本發明之另一實施例中，其係藉由將兩個鄰近的量測頭嵌入該量測頭引導裝置來實現。一第一量測光束係朝向該待測物件之鄰近該邊緣區域表面之表面，以及該第二量測頭之一第二量測光束原位掃描該待測物件之邊緣區域。
於本發明之另一實施例中，可藉由在該量測頭中相應的光學量測機構將該量測光線分裂，使得該支撐座之表面之一第一量測點產生反射，其係適用於距離估算，以及該待測物件之相鄰該邊緣區域之一第二量測點產生反射，其同樣係適用於在該光學量測裝置中進行距離估算。兩距離結果之間的差值可用於不間斷地監控該待測物件在厚度上的減少，並且表示出該待測物件在原位上相應的顯示。
掃描速度(例如4kHz(千赫茲))使其可識別出量測異常值，因而使用一適當的數值化量測濾波器消除量測誤差。因塵埃和懸浮粒子造成的量測誤差當以每秒超過4000掃描值時可被獲取，且可被確實地消除以及過濾出有效的量測結果，使得藉由使用該光學量測裝置，即使在惡劣的環境條件中，減少的台階高度可被確實和有效地量測。
該量測方法的有效性可藉由選擇用於量測非透明材質的支撐座和待測物件之該寬頻譜光源之一光波長率而提高。
於本發明之另一實施例中，提供該量測頭用於以彩色共焦式 原位獲取該台階高度。再者，該量測裝置還配置有一量測頭用於以干涉式原位獲取該台階高度。藉由簡易的更換量測頭的步驟，以及可從一方法切換至另一方法的量測程式，以實現該光學量測裝置的量測環境的最佳化調整。
當已完成上述的設置，該光學量測裝置可包含一量測頭，其包含一多頻道量測裝置之兩個光學量測頭，該兩個光學量測頭並排設置且機械連接在一量測頭引導裝置中。然而，在該量測頭引導裝置中此類小型的量測頭始終與兩個獨立的量測值獲取系統一同作業以獲取距離差。
於本發明之另一實施例中，該量測頭可包含兩個量測光纖，其可被機械地定向且與該多頻道量測裝置協同操作，較佳地，與一雙通道量測裝置。此類的量測頭亦與兩個獨立的量測值獲取系統一同作業。
在此，該光學量測裝置之該兩個量測頭光纖可藉由一Y型光纖耦合器提供。該Y型光纖耦合器將光線從寬頻譜光源去耦合至兩個光纖。即使該光學量測方法需要一基準量測部分，其可通過相對地有效地光纖量測而實現，其中僅有一個光纖部分在一面被鏡射且可被融合入一有效的光纖線。
該多頻道量測裝置可包含至少兩個光譜儀，以估算一方面來自該支撐座的上面，另一方面來自該待測物件之邊緣區域之表面的兩個量測點的反射光。可選地，可使用一個光譜儀和一多工器，該光譜儀放置在該多工器之上游，使得在多工模式中，藉由一光纖將該第一量測光束和該第二量測光束的掃描結果交替地傳遞至一信號光譜儀。另一方面，該多頻道量測裝置亦可包含一多線偵測器(multi-line detector)。
於本發明之另一實施例中，該光學量測裝置配置有至少一分光計(spectrometer line)，藉由該分光計，該量測距離可被呈現且估算為一台階高度的量測。為實現上述，同樣的分光計被用於檢測和量測來自該第一量測光束的反射光，以及檢測和量測來自該第二量測光束的反射光。當存在複數對量測頭以量測複數個距離差時，該光譜儀亦可包含複數個分光計，但此情況並非必需。因此，在某些實施例中，複數對量測頭的光線可藉由單一個分光計量測。
使用彩色共焦的方式，來自反射光譜的距離峰值可被明確地決定。在其他實施例中，光譜干涉的方法係被附加地或者是作為一種可替換的使用。較佳地，先進行均衡然後進行傅立葉(Fourier)轉換，或者是稱之為快速傅立葉轉換(fast Fourier transformation，FFT)，以決定該距離峰值。
為了創造複數個量測通道，每一個量測頭可有益地分別連接至一光導，尤其是一光纖，因而該光線經由分配給所有量測頭之各自的光導被分別提供至共用的分光計。為實現上述，每一該光導或光纖可被連接至該多頻道量測裝置之一輸入端，且在該多頻道量測裝置之內部該等輸入端可為獨立的，例如：藉由一專用的光導接至該光譜儀。輸入該光譜儀之該光導或光纖可終結於一光纖連接器處，該光纖連接器插接至一用於光纖連接器之固定器，其可被設置在該光譜儀之一準直透鏡之前。
因此，可以實現一種特別有效且精確的多通道裝置，並且還具有成本效益。
於本發明之另一實施例中，該光學量測裝置包含機構，用於數值化朝向該支撐座之第一量測光束和朝向該待測物件之邊緣區 域之第二量測光束之該等反射光譜。該量測裝置包含一估算單元用於該等數值化的反射光譜，其可被用於獲取該支撐座和該物件之該邊緣區域之間的台階高度。
在此，當已完成上述的設置，可用於偵測因為處於切屑顆粒、懸浮粒子及塵埃的環境中或因為使用例如至少4kHz的高光學掃描率所引起的量測異常值，並且使用一如同上述之電子濾波器過濾該等量測異常值。另外，考慮到折射率相較於大氣環境所產生之任何的變化，也可以藉由一氣體沖洗式或液體沖洗式的機構保護該雙量測光之環境。
本發明之另一方面涉及一種光學量測方法用於原位獲取一支撐座和一待測物件之邊緣區域之間的距離差。為實現上述，該量測方法包含以下步驟。在一量測頭引道裝置提供一包含具有雙引導光束之量測頭之光學量測裝置，以獲取該支撐座之表面和該待測物件之邊緣區域之表面之間的距離。
然後經由光導施加一光源之寬頻譜光線，並且該光學量測頭作為該支撐座之表面和該待測物件之邊緣區域之表面上的量測點。在過程中，反射的量測光線反饋至該量測裝置之量測通道，該量測裝置包含至少一干涉光譜儀，該干涉光譜儀獲取該反射光之反射光譜。
然後估算該反射光譜並且消除系統誤差和極端的量測誤差，以及確定該待測物件在原位上不斷減少的厚度。
此方法允許有效地監控變薄的物件，例如一半導體晶圓或陶瓷晶圓。舉例來說，該物件被保持在一相應的研磨裝置上並且繞一轉軸旋轉，該待測物件之邊緣區域相對於一支撐座被作為可供台階高度之量測， 該支撐座亦可轉動，但係沿相反方向。
該旋轉的支撐座一般為一研磨盤，其繞著轉軸旋轉，且其半徑明顯大於盤形待測物件之直徑，使得複數個待測物件可被放置於該研磨盤上。每一該待測物件藉由一旋轉的固定器被保持在該研磨盤的表面，該等待測物件的直徑可能為大於10英吋以及該等待測物件的起始厚度可落在毫米範圍。然後該等物件被減薄至小於100微米的厚度，並且該支撐座與用於輔助的研磨盤和該固定器沿互相相反的方向旋轉。
由於掃描速度大於每秒4000圈，該方法可獲取、過濾、和消除因干擾所引起的誤差。該干擾可能是因為研磨顆粒、研磨灰塵、空氣懸浮粒子、研磨劑的粒子和其他隨機的或週期性的量測誤差。因為高掃描率所引起之該等類型的量測異常值可被過濾掉，因而確保有效的監控該待測物件之厚度的減少。
即使是固有誤差，例如因為該支撐座表面的彎曲或整個研磨結構的振動所引起，可藉由該雙引導光束和該位於下游的估算單元的輔助下被獲取或消除。作為兩個獨立的量測值獲取系統，使得可提供一種可靠的有效的量測方法，用於在有問題的環境中的自動研磨機。
為實現上述，在該方法的一較佳實施例中，在該量測頭引導裝置中的量測頭可包含兩個並排設置的光學量測頭，且機械連接在一多頻道量測裝置中。此類型的光學量測裝置包含一優點：兩個量測頭之間不會互相干涉，因此不影響距離量測結果。
此外，該量測頭可包含兩個量測光纖，其可被機械地定向且與該多頻道量測裝置協同操作，較佳地，與一雙通道量測裝置。此類的量 測頭僅包含兩個獨立的光纖或光纖束，其在結構上相對小型因而適用於一薄型的裝置，而不會占用過多的空間。
另外，此類型的光纖解決方案同樣可被用於另一實施例中，經由一Y型光纖耦合器將寬頻譜光源的光線去耦合至兩個光纖。
在量測過程中，在該支撐座上形成一第一量測點在該待測物件之邊緣區域上形成一第二量測點，以及獲取兩者相距該量測頭的距離，並且利用減法計算該台階高度。
當已完成上述的設置，該方法可使用兩種不同的量測方法，即，用於獲取台階高度的彩色共焦式量測方法，以及干涉式量測方法。
將朝向該支撐座的第一量測光束和朝向該物件之邊緣區域之第二量測光束之該等反射光譜數值化係尤其有益的。舉例來說，因為數值化，所以可藉由使用前述的電子濾波器消除因在研磨機的環境中的研磨粒子所引起的異常值。於本發明中所揭示的量測方法尤其適用於在研磨工廠的環境中。
因為該量測頭係設置為雙量測頭而非個別獨立的，該光學量測裝置僅需要占用少量的空間，使該裝置尤其適用於原位量測。舉例來說，在用於電子產業之半導體晶圓和陶瓷盤的研磨期間，原位測試物件的高度。再者，當研磨的物件對應於複數種的光波長時，在邊緣區域出現台階。一般製造工廠在研磨塵埃、研磨劑及懸浮粒子污染的情況下，該光學量測裝置和該方法也可被適當的使用，尤其是於旋轉台上之光學台階量測。
2、3、4、5‧‧‧光學量測裝置
6‧‧‧台階高度
8‧‧‧支撐座
10‧‧‧邊緣區域
12‧‧‧物件
14、14’‧‧‧量測頭
15‧‧‧雙引導光束
16‧‧‧第一量測光束
18‧‧‧第二量測光束
20‧‧‧量測頭引導裝置
22‧‧‧光源
23‧‧‧光線
24‧‧‧光線
26、26’‧‧‧光學量測頭
28‧‧‧第一量測點
30‧‧‧第二量測點
32‧‧‧估算單元
34‧‧‧多頻道量測裝置
36‧‧‧光纖
38‧‧‧光纖
40‧‧‧多工器
42‧‧‧光導
44‧‧‧電子濾波器
46‧‧‧光導
48‧‧‧光譜儀
50‧‧‧研磨機
52‧‧‧研磨盤
54‧‧‧表面
56‧‧‧層
58‧‧‧轉軸
60‧‧‧固定器
62‧‧‧感測器線
64‧‧‧連接線
66‧‧‧顯示單元
70‧‧‧輸入端
71‧‧‧輸入端
72‧‧‧分光計
73‧‧‧準直儀
74‧‧‧光柵
75‧‧‧聚焦透鏡
77‧‧‧Y型耦合器
78‧‧‧固定器
79‧‧‧光導
80‧‧‧光導
81‧‧‧偏移
140‧‧‧量測頭
141‧‧‧量測頭
A‧‧‧旋轉方向
B‧‧‧旋轉方向
C‧‧‧旋轉方向
D‧‧‧直徑
R‧‧‧半徑
c‧‧‧距離
d‧‧‧厚度
d1‧‧‧距離
dn‧‧‧距離
e‧‧‧距離
在下文結合所附圖式對本發明之細節進行詳盡的描述。
第1圖顯示在一研磨機上使用根據本發明之第一實施例之一種用於獲取距離差的光學量測裝置之示意圖。
第2圖詳細顯示根據第1圖之該裝置之一量測頭。
第3圖詳細顯示根據第1圖之該量測頭之一變化。
第4圖顯示根據本發明之一實施例之一種用於獲取距離差的光學量測裝置之示意圖，其中該光學量測裝置2包含複數個量測頭和一多頻道量測裝置，其包含單一分光計之光譜儀。
第5圖顯示根據本發明之一實施例之一種用於獲取距離差的光學量測裝置之示意圖，其中該光學量測裝置包含2n個量測頭和一多頻道量測裝置，其較佳地包含單一個分光計之單一個光譜儀。
第1圖顯示用於獲取一距離差之一光學量測裝置2。在此，根據本發明之一實施例，一台階高度6一般是在一研磨機50上。該研磨機50包含一研磨盤52，其表面54可被一研磨劑層56覆蓋。該研磨盤52被支撐，使得其可沿著箭頭A的方向繞著轉軸58轉動。一個具有厚度d(介於毫米範圍)和直徑D(大於10英吋(25公分))的盤形待測物件12，現已準備大量的前期製作階段的記憶體和(或)邏輯晶片在該研磨盤52之上方工作面且固定至固定器。藉由一固定器60沿著箭頭C的方向對該待測物件施加壓力，該固定器60在該研磨盤52之表面54與該待測物件之背面的研磨期間沿著箭頭B的方向轉動。
為實現上述，該旋轉的固定器60之直徑係被選擇為：該盤形 物件12之一邊緣區域10突伸出該旋轉的固定器60之邊界，導致一可量測的台階高度6位在與該固定器60一同轉動之該物件12之邊緣區域10和該研磨盤52之表面54之間，該研磨盤52形成一支撐座8。為實現上述，該研磨盤52之半徑R係明顯地大於該旋轉的固定器之直徑D。因此，可放置複數個物件12於該研磨盤52之上，該研磨盤52沿箭頭A的方向轉動。該旋轉的固定器60可具有一旋轉方向B，其相對於該研磨盤52之旋轉方向A。
在研磨期間，為量測變薄的台階高度6，該光學量測裝置2之一固定的量測頭引導裝置20被以與每一固定器60固定的方式設置。因此，當該物件12被量測時，該量測頭引導裝置20將包含雙引導光束15之一量測頭14固定在一固定位置，尤其是該邊緣區域，並且在該量測頭14之一第二量測光束18之下方以一旋轉的方式移動。
該研磨盤52之表面54同時地在該雙引導光束15之一第一量測光束16之下方移動，使得在本發明之該實施例中，該量測頭14可藉由光纖36和光纖38將在該支撐座8之表面54之一第一量測點28之反射光和在該減薄的物件12之邊緣區域10之表面之一第二量測點30之反射光提供至一多工器40，其在一方面將來自一光源22經由一光導46的一寬頻譜光提供至該量測頭40，在另一方面將該等量測點28和30之反射光經由一光導42提供至一光譜儀48。
該光譜儀48係經由一感測器線62連接至一估算單元32，並且經由一電子濾波器44將數值化的干涉光譜提供至該估算單元32。在此，該電子濾波器44可消除因研磨機的環境所造成的量測異常值。舉例來說，當錯誤的時候，該估算單元可經由一連接線64連續地傳遞該台階高度量測誤 差的修正數值至一顯示單元66。
顯然地，將一量測頭引導裝置20提供在用於任何待測物件之此類型的研磨機，每一該量測頭引導裝置20包含一相對應的量測頭14、下游量測及估算單元。因為該多工器40，所以可將來自於所需的量測頭之複數個訊號進行估算並且呈現在顯示單元66。根據該研磨盤52之半徑R和該等待測物件之直徑之間的關係，三至十六個待測物件12藉由相關的量測頭進行監控，並且將厚度d從毫米範圍減薄至數十微米範圍。
第2圖詳細顯示根據第1圖之該裝置之一量測頭14。該量測頭14被藉由該量測頭引導裝置20固定住，並且包含兩個獨立的量測頭140和141，被固定在該量測頭引導裝置20中且並排設置。一第一量測頭140用於獲取量測頭140和該支撐座8之表面54之間的距離e，以及一第二量測頭141用於獲取該量測頭141和該待測物件14之邊緣區域10之表面之間的距離c。減少的厚度d(t)=e-c(t)係由該等獲取的距離e和c之間的差值所產生，以及該量測盤52之非透明的表面或該被減薄的物件12之邊緣區域。
第3圖詳細顯示根據第1圖之該量測頭14’之一變化。該變化的量測頭14’有別於第2圖中之量測頭14，於此兩個分隔的量測點(在支撐座8上之量測點28和在該待測物件12之邊緣區域10上之量測點30)係藉由適當的光學量測頭26所形成。反射光被反饋至光纖36和光纖38，並且經由該多工器40傳遞至該用於估算的估算單元。如同第1圖所示，該光譜儀48的干涉值被數值化。
第4圖顯示根據第三實施例之一種光學量測裝置3。該光學量測裝置可用於與一研磨機50結合，該研磨機50之進一步細節已描述於上 文。然而，本發明不局限於此方案之類型。事實上，本發明可被用於任何藉由一種光學量測方法以決定距離差。該距離差可以是介於一支撐座和在該支撐座上之物件之表面之間。舉例來說，由一待測物件之形式或形狀所產生的距離差。完全不同的應用是可想而知的。然而為了簡單起見，在此不進一步詳細說明。舉例來說，對於在此所描述的光學量測裝置而言，可能的應用包含瓶罐的量測或其他的物件。
然而，該光學量測裝置3特別地適用於量測厚度，尤其是一種被研磨成薄型的物件的厚度，例如：放置在一研磨機50之一支撐座12上。進一步的原因是該光學量測裝置3可為明顯地小型且堅固的設計。因為在一變化，兩個量測頭140和141可被一同結合以形成一個量測頭14，就如同一種雙量測頭的設計。
參照上述之該等圖式之詳細說明，已說明根據第三實施例之該光學量測裝置3之部分的元件以及如第4圖所示之其他的元件，在此不再次詳細描述。
相較於上述之實施例，在本實施例中，對該多頻道量測裝置34之結構的一特定變化進行描述。該多頻道量測裝置34包含一分光計72。該分光計72設置在該光譜儀48之內，該光譜儀48同時也包含一準直儀73、一光柵74及一聚焦透鏡75。所屬領域之技藝人士已知該等元件係作為示範，並且，舉例來說在其他實施例中，該光柵74可被替換為一稜鏡。
再者，該多頻道量測裝置34包含一光源22，其本身可進一步包含複數個獨立的光源76。兩個Y型耦合器77被設置在該多頻道量測裝置34之內部，每一Y型耦合器之一個輸入端係連接至該等光源76的其中之一。以 此種方式，該等量測頭140和141可被特別有效地供應具有寬頻譜之光線。
當已完成上述的設置，該等量測頭140和141被設置在包含雙引導光束15之光學量測頭14，因而形成一種雙量測頭。為實現上述，該等量測頭140和141在一量測頭引導裝置20中並排設置，且彼此機械連接。因此，該光學量測裝置在該待測物件附近以量測距離差，為一種特別堅固且節省空間的設計。
該光源22或該兩個獨立的光源76提供寬頻譜光線，因而形成一第一量測光束16和一第二量測光束18。在這情況下，在本實施例，該第一量測頭引導該第一量測光束16朝向位於該支撐座8上之一第一量測點28，以及該第二量測頭14引導該第二量測光束18朝向位於該物件12之邊緣區域10之一第二量測點30。
設置在該第一量測頭140的一種機構，係用於獲取和形成朝向該第一量測點28之該第一量測光束16之反射光譜。此外，設置在該第二量測頭141的一種機構，係用於獲取和形成朝向該第二量測點30之該第二量測光束18之反射光譜。用於獲取和形成反射光譜的該機構可根據一種干涉量測式之方法操作，其中該相關的量測頭140和141可包含一參考面鏡和一立方分光器(未出示)。然而，本發明不局限於此類型之實施例。舉例來說，該等量測頭140和141之至少其中之一也可以根據一彩色共焦式的方法操作。
如第4圖所示，該等量測頭140和141是以一種預先定義的方法朝向彼此，並且較佳地具有相同的幾何高度。因此，相較於該量測頭141，該量測頭140可量測一較大的距離e且偵測一較藍的光線，該量測頭141因而 量測一較小的距離c。換句話說，該第二量測頭141應用於量測較紅的光線。
來自該反射光譜之光線藉由該等光纖36和38被耦合至該多頻道量測裝置34。該第一光纖38將該第一量測頭140連接至該多頻道量測裝置34之一第一輸入端70，以及該第二光纖36將該第二量測頭141連接至該多頻道量測裝置34之一第二輸入端71。該多頻道量測裝置34之每一輸入端70和71相應於該光學量測裝置之一獨立的量測通道。如第4圖所示，該等輸入端70和71可藉由一Y型耦合器連接至該光譜儀48。在該光譜儀48之輸入側包含用於連接光纖之一固定器78。該等光纖36和38可經由該Y型耦合器行經至該固定器78，使得該等光導79和80可在光譜方向沿著該分光計72之方向上，相對於彼此而被抵銷。
在此，偏移81的程度可導致在特性曲線上的差值，該特性曲線是由該等量測頭140和141之反射光譜彼此不相同所引起。在特性曲線上的差值被以適當的方式帶進在後續所得到的距離峰值的估算。當使用彩色共焦量測方法時，較佳地被採用。使用干涉量測方法(例如OCT)時，舉例來說，該等光導79和80較佳地應該被設置在光譜方向上相同的高度，但也可替換成被設置為垂直於該分光計72且相對於彼此偏移。該分光計72應獲取所有經由該等量測頭140和141所偵測且傳達至該多頻道量測裝置34的光線。較佳地，該分光計72為足夠的高度且包含用於此目的之充足的偵測器像素。
在此可看見該所示之實施例之一特定優點為，僅需要單一個分光計72用於估算兩個量測頭140和141之反射光譜，從而該等特性曲線可為不同的。因此，也可估算相對於偵測器像素之該峰值距離，而不會產生 歧異。
第5圖顯示該光學量測裝置5之一第四實施例。如第5圖所示，該光學量測裝置5可包含複數個光學量測頭14，每一量測頭14包含一雙引導光束，其已於上述說明。
再者，每一量測頭可獨立地操作，使得每一雙量測頭14可藉由如同上述說明的方式獲取d1至dn之距離差。所有的量測頭14可被連接至該多頻道量測裝置34之兩個通道，使得該光學量測裝置5包含2n個單一的該等量測頭140和141，以及包含2n個通道之多頻道量測裝置34。在此，該多頻道量測裝置配置為包含單一個分光計72之單一個光譜儀48。藉由使用該分光計72可估算所有的量測訊號以及該等量測頭140和141之所有的反射光譜。第4圖和第5圖所示之該等實施例可被結合至第1圖至第3圖所示之該等實施例。
舉例來說，根據第5圖所示之實施例，該多頻道量測裝置34也可包含一個或複數個多工器。如果是在這種情況下，較佳地，該等多工器應被設置，使得藉由每個脈衝每對量測頭140和141之差值可被篩選。關於該多工器之頻率和操作的細節已經在上述相對應的實施例中說明，並且也可藉由適當的更改而施用於此。再者，提供複數個機構，以允許該特性曲線之間進一步的差異。在以彩色共焦式量測的情況下，藉由該2n個光導79和80之具體的定位而部分地實現。該2n個光導79和80可沿著該光譜儀48之分光計72之方向被設置在光譜方向上之不同的位置。

Claims (23)

  1. 一種用於獲取距離差之光學量測裝置，用於原位獲取一支撐座(8)和一物件(12)之一邊緣區域(10)之間的一台階高度(6)，包含：一光學量測頭(14，14’)，包含雙引導光束(15)，該光學量測頭係被配置為包含一第一量測頭(140)和一第二量測頭(141)的雙量測頭；一量測頭引導裝置(20)，在其中該第一量測頭(140)和該第二量測頭(141)並排設置且機械連接；至少一寬頻譜光源(22)，用於產生一第一量測光束和一第二量測光束(18)之光線(23，24)，其中該第一量測頭(140)引導該第一量測光束(16)朝向在該支撐座(8)上之一第一量測點(28)的位置，以及該第二量測頭(141)引導該第二量測光束(18)朝向在該物件(12)之該邊緣區域(10)之一第二量測點(30)的位置，其中該第一量測頭(140)和該第二量測頭(141)設置用於獲取和形成朝向該第一量測點(28)之該第一量測光束(16)之反射光譜和朝向該第二量測點(30)之該第二量測光束(18)之反射光譜；一第一光纖(38)和一第二光纖(36)，用於分別將來自該第一量測光束(16)的反射光和來自該第二量測光束(18)的反射光耦合至包含複數個量測輸入端的一多頻道量測裝置(34)之不同的量測輸入端；一光譜儀(48)，具有單一個分光計(72，spectrometer line)位於該多頻道量測裝置(34)，該第一量測光束之該反射光譜和該第二量測光束之該反射光譜可藉由該分光計量測；以及一估算單元(32)，藉由一感測器線(62)連接至該分光計(72)，該分光計(72)所量測之該第一量測光束(16)和該第二量測光束(18)之反射光譜之距 離峰值可藉由該估算單元形成，且該距離峰值可被估算為一距離差的量測值，其中該多頻道量測裝置(34)之不同的該量測輸入端以相差一偏移的方式偶接至用於連接光纖之一固定器(78)，該固定器(78)設置在該光譜儀(48)的輸入側，且該偏移為在沿著該分光計(72)之方向的光譜方向上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，其中該光學量測裝置包含複數個具有雙引導光束(15)的光學量測頭(14，14’)，每一該光學量測頭(14，14’)被設置為包含一第一量測頭(140)和一第二量測頭(141)的雙量測頭。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光學量測裝置，其中每一該第一量測頭(140)和每一該第二量測頭(141)係藉由一光纖連接至該多頻道量測裝置(34)之一不同的量測端，使得每一該第一量測頭(140)和每一該第二量測頭(141)之反射光譜可藉由位於該多頻道量測裝置(34)之該分光計(72)估算。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，其中該光學量測裝置設置有至少一該第一量測頭(140)和該第二量測頭(141)，用於以彩色共焦式(chromatic confocal)原位獲取該距離差。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，其中該光學量測裝置(2)設置有至少一該第一量測頭(140)和該第二量測頭(141)，用於以干涉式(interferometric)原位獲取該距離差。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，其中該光學量測裝置(2)在該多頻道量測裝置(34)之每一端(70，71)包含至少一Y型光纖耦合器。
  7. 如申請專利範圍第2項至第6項任一項所述之光學量測裝置，其中該多頻道量測裝置(34)包含至少一多工器(40)，進行該第一量測頭(140)和該第二量測頭(141)之間的切換。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之光學量測裝置，其中該多頻道量測裝置(34)包含一多線偵測器(multi-line detector)。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，其中該至少一寬頻譜光源(22)包含用於每一該第一量測頭(140)和每一該第二量測頭(140)之一光源(76)。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，其中該光學量測裝置(2)包含用於將朝向該支撐座(8)之該第一量測光束(16)之該反射光譜和朝向該物件(12)之該邊緣區域(10)之該第二量測光束(18)之該反射光譜數值化之機構。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之光學量測裝置，其中該光學量測裝置(2)包含該估算單元(32)用於數值化該反射光譜以獲取該支撐座(8)和該物件(12)之該邊緣區域(10)之間的該距離差。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，其中該光學量測裝置(2)具有至少4kHz(千赫茲)的一光學掃描率。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測裝置，其中該光學量測裝置(2)在該估算單元(32)中包含一電子濾波器(44)。
  14. 一種用於獲取至少一距離差之光學量測方法，用於原位獲取一支撐座(8)和一物件(12)之一邊緣區域(10)之間的一台階高度(6)，該方法包含以下步驟：提供包含具有一雙引導光束(15)之一光學量測頭(14，14’)之一量測裝置，其被配置為包含一第一量測頭(140)和一第二量測頭(141)的雙量測頭，在一量測頭引導裝置(20)中該第一量測頭(140)和該第二量測頭(141) 並排設置且機械連接；藉由至少一寬頻譜光源使得該第一量測頭產生一第一量測光束(16)和該第二量測頭產生一第二量測光束(18)，其中該第一量測頭(140)引導該第一量測光束(16)朝向一第一量測點(28)，以及該第二量測頭(141)引導該第二量測光束(18)朝向一第二量測點(30)，並且分別形成一反射光譜；經由一第一光導(light guide)和一第二光導將來自該第一量測光束(16)之反射光和來自該第二量測光束(18)之反射光耦合至包含複數個量測輸入端的一多頻道量測裝置(34)之不同的量測輸入端；以及藉由一具有單一個分光計之光譜儀和連接該分光計之下游處之一估算單元量測該等反射光譜，其中該光譜儀位於該多頻道量測裝置內，以及其中該多頻道量測裝置(34)之不同的該量測輸入端以相差一偏移的方式偶接至用於連接光纖之一固定器(78)，該固定器(78)設置在該光譜儀(48)的輸入側，且該偏移為在沿著該分光計(72)之方向的光譜方向上，以及根據該第一量測點與該第一量測頭之間的距離和該第二量測點與該第二量測頭之間的距離形成距離峰值，且該距離峰值可被估算為一距離差的量測值。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之光學量測方法，其中在量測過程中，該量測頭(14)被保持在該量測頭引導裝置(20)之一固定位置，且該支撐座(8)和該物件(12)在該量測頭(14)下方沿相反方向的轉軸(A，B)旋轉地移動。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之光學量測方法，其中在量測期間，在該支撐座(8)上設置一第一量測點(28)，和在該物件(12)之該邊緣區域(10)上設置一第二量測點(30)，以及獲取兩者分別與該量測頭(14)相距的距離值(c， e)。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之光學量測方法，其中藉由計算原位獲取的該等距離(c，e)之間的差值，紀錄該物件之厚度(d)。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之光學量測方法，其中使用一彩色共焦量測方法以獲取該距離差。
  19. 如申請專利範圍第14項所述之光學量測方法，其中使用一干涉量測方法以獲取該距離差。
  20. 如申請專利範圍第14項所述之光學量測方法，其中藉由一Y型光纖耦合器將該寬頻譜光源(22)之光線耦合至朝向該量測頭(14)之兩個光纖(36，38)。
  21. 如申請專利範圍第14項所述之光學量測方法，其中將朝向該支撐座(8)之該第一量測光束(16)之該反射光譜和朝向該物件(12)之該邊緣區域(10)之該第二量測光束(18)之該反射光譜數值化，以用於估算。
  22. 如申請專利範圍第14項所述之光學量測方法，其中在一大於4kHz的掃描速率下掃描該物件(12)之該邊緣區域(10)的表面和該支撐座(8)的表面。
  23. 如申請專利範圍第14項至第22項任一項所述之光學量測方法，其中藉由在該估算單元(32)中的一電子數位濾波器(44)過濾量測誤差。
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