TWI639808B - Three-dimensional shape measuring device using multi-wavelength optical scanning interferometer - Google Patents

Three-dimensional shape measuring device using multi-wavelength optical scanning interferometer Download PDF

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Abstract

一種採用多波長光掃描干涉儀的三維形狀測量裝置，其包括：光源，其照射至少2種以上不同波段的光線；分光器，其將從該光源照射的光線分離；樣品，其配置在該分光器下端，照射由該分光器反射的光線；基準鏡部，其配置在從該分光器穿透的光線的路徑上提供與該等光線的波段個數相應個數的基準光；測量部，其接收由該樣品反射的測量光和由該基準鏡部反射的基準光，並將接收的圖像按不同波段分離。依據本發明，隨著掃描時間顯著減少，檢查時間隨之縮短，由此顯著提高收率。同時，隨著用於掃描的樣品或基準鏡的移動距離減少，驅動系統的製作費用減少，由此可以降低製造成本。

Description

採用多波長光掃描干涉儀的三維形狀測量裝置
本發明有關於一種採用掃描干涉儀(Scanning Interferometry)的三維形狀測量裝置特別有關於一種利用多波長的光源大幅減少物體高度方向的掃描長度，從而可以顯著縮短測量時間的技術。
為了檢測平板顯示器、半導體、微型精密組件等的缺陷，需要對物體的表面進行檢查並測量其三維厚度及/或形狀，一般都採用干涉儀方式。生成針對作為測量物件的物體表面的干涉圖案，藉由分析就可以獲得物體的厚度及/或立體形狀。
在實現上述目的的方法中，有一種方法叫作「白光掃描干涉測量法(WSI：White light Scanning Interferometry)」。自1990年後廣泛研究的白光掃描干涉測量法是為克服相移干涉法(phase-shifting interferometry)的相位模糊性而研發的，其優點在於，即使是對於具有數μm大段差的形狀，也能以數nm的解析度進行測量。
圖1是白光掃描干涉儀的普通光學系統構成圖，包括：光源10、分光器20、基準鏡30、測量樣品40、測量部50。
從光源10照射的白光藉由分光器20被分離為測量光與基準光，分別照射至測量面(即測量樣品40的表面)與基準面(即 基準鏡30的表面)，由各個面反射的光經過相同的光程後生成干涉信號。
如圖1所示，如果使測量樣品沿光軸方向(z軸方向)按一個一個的微小間隔移動並觀察一個測量點的干涉信號，如圖所示，在測量點與基準面的位置差處於相干涉長度內較短距離處時，即只有在測量點產生與基準面相同光程差的地方才會出現干涉信號。因此，獲得對測量區域內所有測量點的干涉信號，如果將各個干涉信號頂點處的光軸方向位置設定為高度值，就可以體現針對基準面的測量面的三維立體表面形狀。
作為對物體高度方向進行測量的其它方法，也可以採用以下方式，將基準鏡30向左右按一個一個的微小間隔移動並觀察一個測量點的干涉信號。
利用上述依據現有技術的普通白光掃描干涉儀的形狀測量方式，必須要經過整個測量高度沿高度方向進行掃描，因此掃描時間延長，檢查速度延緩，同時會使測量樣品或基準鏡移動的移動長度變長，由此導致驅動系統的費用增加。
[先前技術文獻] [專利文獻]
(專利文獻0001)韓國公開專利2016-0037483：樣品表面測量方法及裝置。
本發明就是為解決上述現有技術存在的問題而提出的，利用不 同波長的光源，並按不同的光源分離高度測量區域，從而可以減少掃描時間和用於掃描的移動長度。
為了實現上述目的，依據本發明的一個側面提供一種採用多波長光掃描干涉儀的三維形狀測量裝置，其包括：光源，其照射至少2種以上不同波段(wavelength band)的光線；分光器，其將從該光源照射的光線分離；樣品，其配置在該分光器的下端，照射由該分光器反射的光線；基準鏡部，其配置在從該分光器穿透的光線的路徑上提供與該等光線的波段個數相應個數的基準光；測量部，其接收由該樣品反射的測量光和由該基準鏡部反射的基準光，並將接收的圖像按不同波段分離。
另外，該測量部較佳為彩色圖像感測器。
另外，該基準鏡部，包括：第1濾光器，其反射第1波段以上的光線；第1基準鏡，其配置在由該第1濾光器反射的光線照射的位置處提供第1基準光；第2基準鏡，其配置在通過第2濾光器的光線照射的位置處提供第2基準光。
同時，當將該分光器與第1濾光器之間的距離定義為c，將第1濾光器與第1基準鏡之間的距離定義為a，將第1濾光器與第2基準鏡之間的距離定義為b，將分光器與樣品最上端之間的距離定義為l 1，將分光器與樣品的高度中間位置之間的距離定義為l 2時，該基準鏡部較佳設置在滿足以下關係的位置處：l 1=c+a l 2=c+b。
另外，該基準鏡部，可包括：第1濾光器，其反射第1波段以上的光線；第1基準鏡，其配置在由該第1濾光器反射的光線照射的位置處提供第1基準光；第2濾光器，其配置在通過該第1濾光器的光線路徑上，反射比該第1波段更低的第2波段以上的光線；第2基準鏡，其配置在通過該第2濾光器的光線路徑上提供第2基準光；第3基準鏡，其配置在由該第2濾光器反射的光線照射的位置處提供第3基準光。
另外，當將該分光器與第1濾光器之間的距離定義為l a，將第1濾光器與第1基準鏡之間的距離定義為l R，將第1濾光器與第2濾光器之間的距離定義為l b，將第2濾光器與第2基準鏡之間的距離定義為l B，將第2濾光器與第3基準鏡之間的距離定義為l G，將分光器與樣品最上端之間的距離定義為l 1，將分光器與樣品的高度2/3位置之間的距離定義為l 2，將分光器與樣品的高度1/3位置之間的距離定義為l 3時，該基準鏡部較佳設置在滿足以下關係的位置處：l 1=l a+l b+l B l 2=l a+l b+l G l 3=l a+l R。
依據本發明，隨著掃描時間顯著減少，檢查時間隨之縮短，由此獲得收率顯著提高的效果。
另外，隨著用於掃描的樣品或基準鏡的移動距離減少，驅動系統的製作費用減少，由此可以降低製造成本。
10‧‧‧光源
20‧‧‧分光器
30‧‧‧基準鏡
40‧‧‧測量樣品
50‧‧‧測量部
100‧‧‧光源
200‧‧‧分光器
300‧‧‧基準鏡部
310‧‧‧第1濾光器
320‧‧‧第1基準鏡
330‧‧‧第2基準鏡
340‧‧‧第2濾光器
350‧‧‧第3基準鏡
400‧‧‧樣品
500‧‧‧測量部
圖1是顯示現有普通白光掃描干涉儀的光學系統結構的示意圖。
圖2是顯示利用依據本發明第1實施例多波長的白光掃描干涉儀的光學系統結構的示意圖。
圖3是對利用具有2種不同波長的光源測量樣品高度的方法進行概念性說明的示意圖。
圖4是顯示利用依據本發明第2實施例多波長的白光掃描干涉儀的光學系統結構的示意圖。
下面，將參照附圖對本發明的一個較佳實施例進行詳細說明。
圖2是顯示依據本發明的多波長光掃描干涉儀的光學系統結構的示意圖，包括：光源100、分光器200、基準鏡部300、樣品400、測量部500。為了使說明更加簡化，圖2中省略以下結構：利用測量部500測量的結果測量物體高度的PC；使物體或基準鏡移動的驅動系統。
光源100照射2種不同波長，即不同顏色的第1光和第2光。在圖2中，第1光與第2光為紅光與藍光，對產生2種光的紅色LED和藍色LED進行示例性說明。
分光器200的作用在於，將照射的光分離為基準光與測量光，如果分離的基準光及測量光反射回來，就對其進行干涉從而生成干涉光，它是一種與現有分光器200功能相同的組件。
基準鏡部300用於提供基準光，包括：濾光器310、第1基準鏡320、第2基準鏡330。
濾光器310是一種位於從分光器200穿透的穿透光的路徑上只讓特定波段的光穿透的組件，在圖2的實施例中，可以使用一種具有以下特性的篩檢程式構件，即，使波段比紅光更短的光線穿透，並使從紅光波段開始的光線反射。因此，從光源100的紅光與藍光中，紅光由濾光器310反射後向上部的第1基準鏡320照射，藍光通過濾光器310後向後端的第2基準鏡330照射。
第1基準鏡320設置在由濾光器310反射的光線照射的位置處提供針對第1光的基準光。在這裡，本實施例中，第1光為紅光。設置第1基準鏡320的位置可以是分光器200與濾光器310之間的距離c和濾光器310與第1基準鏡320之間的距離a之和等於分光器200與樣品最上端之間的距離l 1的位置。
第2基準鏡330設置在穿透濾光器310的光線照射的位置處提供針對第2光的基準光。在圖2所示實施例中，第2光為藍光。設置第2基準鏡330的位置可以是分光器200與濾光器310之間的距離c和濾光器310與第2基準鏡330之間的距離b之和等於分光器200與樣品的高度中間點之間的距離l 2的位置。
如上所述，參照附圖將用於生成基準光的第1基準鏡320及第2基準鏡330的設置位置整理如下：l 1=c+a l 2=c+b。
測量部500用於接收由樣品400反射的測量光和由基準鏡部300反射的第1基準光及第2基準光，它採用既能夠拍攝 (imaging)紅光也能夠拍攝藍光的彩色圖像感測器。
測量部500將拍攝的圖像分為針對第1光源(紅光)的圖像和針對第2光源(藍光)的圖像並向PC提供，PC藉由對由第1光源的測量光與基準光生成的干涉圖像和由第2光源的測量光與基準光生成的干涉圖像進行分析，從而計算出物體的高度。
在這種情況下，第1光源的干涉圖像用於測量從樣品的中間點到最上端的高度，第2光源的干涉圖像用於測量從樣品的下端到中間點的高度。
因此，依據本發明，只需將物體移動相當於物體高度一半的標準，就可以依靠物體的2個光源分別對上端部和下端部進行掃描。因此，可以將掃描時間縮短為一半。
圖3是對依據本發明第1實施例的物體高度測量方法進行概念性說明的示意圖。
如圖3所示，相對樣品的高度或掃描高度，將距離上端一半的高度作為第1光源的掃描區域，將距離下端一半的高度作為第2光源的掃描區域。因此，在為了測量高度而將樣品向上方移動的過程中，上端的一半高度藉由第1光源測量其高度，下端的一半高度藉由第2光源測量其高度。
例如，在將樣品按照△h1的標準移動的情況下，處於下端區域第1點的高度h1和第2光源的測量光與基準光的光程差相同，從而會出現干涉信號。因此，將該點的光軸方向位置設定為高度值。
另外，在將樣品按照△h2的標準移動的情況下，處於上端區域第2點的高度h2和第1光源的測量光與基準光的光程差 相同，從而會出現干涉信號。因此，將該點的光軸方向位置設定為高度值。
圖4是顯示依據本發明第2實施例的多波長光掃描干涉儀的光學系統結構的示意圖。與第1實施例相同，包括：光源100、分光器200、基準鏡部300、樣品400、測量部500。為了使說明更加簡化，這裡就不再對利用測量部500測量的結果測量物體高度的PC和使物體或基準鏡移動的驅動系統進行詳細說明。
光源100照射3種不同波長，即照射不同顏色的第1光至第3光。在圖4中，第1光至第3光分別為紅光、綠光及藍光。下面，將對產生3種光的紅色LED、綠色LED、藍色LED進行舉例說明。
基準鏡部300用於提供基準光，包括：第1濾光器310、第1基準鏡320、第2濾光器340、第2基準鏡330、第3基準鏡350。
第1濾光器310作為一種與第1實施例相同的構件，它是對紅光以上波段的光線進行反射的篩檢程式構件。因此，在光源100照射的光線中，紅光由濾光器310反射後向上部的第1基準鏡320照射。藍光與綠光通過濾光器310後向後端的第2濾光器340照射。
第1基準鏡320設置在由濾光器310反射的光線照射的位置處提供針對第1光的基準光。在這裡，本實施例中，第1光為紅光。設置第1基準鏡320的位置可以是分光器200與濾光器310之間的距離l a和濾光器310與第1基準鏡320之間的距離l R之和等於分光器200與樣品高度1/3附近點間的距離l 3的位置。
第2濾光器340位於從第1濾光器310穿透的穿透光的路徑上，第2濾光器340作為一種只讓特定波段的光穿透的構件，在第2實施例中，可以使用具有以下特性的篩檢程式構件，即，使波段比綠光更短的光線穿透，對綠光波段以上的光線進行反射。因此，在通過第1濾光器310的光線中，綠光由第2濾光器340反射後向上部的第3基準鏡350照射，藍光通過第2濾光器340後向後端的第2基準鏡330照射。
第2基準鏡330設置在穿透第2濾光器340的光線照射的位置處提供針對第2光的基準光。在第2實施例中，第2光為藍光。設置第2基準鏡330的位置可以是分光器200與第1濾光器310之間的距離l a和第1濾光器310與第2濾光器340之間的距離l b、第2濾光器340與第2基準鏡330之間的距離l B之和等於分光器200與樣品的最上端附近點間的距離l 1的位置。
第3基準鏡350設置在由第2濾光器340反射的光線照射的位置處提供針對第3光的基準光。在第2實施例中，第3光為綠光。設置第3基準鏡350的位置可以是分光器200與第1濾光器310之間的距離l a和第1濾光器310與第2濾光器340之間的距離l b、第2濾光器340與第3基準鏡350之間的距離l G之和等於分光器200與樣品高度2/3附近點間的距離l 2的位置。
如上所述，參照附圖將用於生成基準光的第1基準鏡320、第2基準鏡330、第3基準鏡350的設置位置整理如下：l 1=l a+l b+l B l 2=l a+l b+l G l 3=l a+l R。
測量部500用於接收由樣品400反射的測量光和由基準鏡部300反射的第1至第3基準光，測量部500採用能夠拍攝紅光、綠光以及藍光全部的彩色圖像感測器。
測量部500將拍攝的圖像分為針對第1光源(紅光)的圖像和針對第2光源(藍光)的圖像及針對第3光源(綠光)的圖像並向PC提供，PC藉由對由第1光源的測量光與基準光生成的干涉圖像和由第2光源的測量光與基準光生成的干涉圖像以及由第3光源的測量光與基準光生成的干涉圖像進行分析，從而計算出物體的高度。
在這種情況下，針對第1光源的干涉圖像用於測量從樣品底部位置到樣品1/3位置附近的高度，針對第3光源的干涉圖像用於測量從樣品1/3位置到2/3位置的高度，針對第2光源的干涉圖像用於測量從樣品2/3高度位置到樣品最上端位置的高度。
因此，依據本發明的第2實施例，只需將物體移動相當於物體高度1/3的標準，就可以利用3種光源分別對物體上端部、中間部及下端部進行掃描，從而能夠將掃描時間縮短至1/3。

Claims (6)

  1. 一種採用多波長光掃描干涉儀的三維形狀測量裝置，其包括：一光源，其照射至少2種以上不同波段的複數光線；一分光器，其將從該光源照射的該等光線分離；一樣品，其配置在該分光器的下端，照射由該分光器反射的該等光線；一基準鏡部，其配置在從該分光器穿透的該等光線的路徑上，提供與該等光線的波段個數相應個數的複數基準光；一測量部，其接收由該樣品反射的複數測量光和由該基準鏡部反射的該等基準光，並將接收的複數個圖像按不同波段分離，其中三維形狀生成終端，藉由對由該測量部提供的該等測量光和該等基準光生成的複數波段互不相同的干涉圖像進行分析，對不同高度區域的一測量樣品的高度同時進行計算，使該測量樣品在小於該測量樣品整個高度的移動範圍內在高度方向上移動，並反復執行高度測量過程，該等波段的個數越多，該測量樣品的移動範圍設定為越小。
  2. 如請求項1之採用多波長光掃描干涉儀的三維形狀測量裝置，其中，該測量部為一彩色圖像感測器。
  3. 如請求項1之採用多波長光掃描干涉儀的三維形狀測量裝置，其中，該基準鏡部，包括：一第1濾光器，其反射第1波段以上的該等光線；一第1基準鏡，其配置在由該第1濾光器反射的該等光線照射的位置處提供一第1基準光；一第2基準鏡，其配置在通過該第1濾光器的該等光線照射的位 置處提供一第2基準光。
  4. 如請求項3之採用多波長光掃描干涉儀的三維形狀測量裝置，其中，當將該分光器與該第1濾光器之間的距離定義為c，將該第1濾光器與該第1基準鏡之間的距離定義為a，將該第1濾光器與該第2基準鏡之間的距離定義為b，將該分光器與該樣品的最上端之間的距離定義為l 1，將該分光器與該樣品的高度中間位置之間的距離定義為l 2時，該基準鏡部設置在滿足以下關係的位置處：l 1=c+a l 2=c+b。
  5. 如請求項1之採用多波長光掃描干涉儀的三維形狀測量裝置，其中，該基準鏡部，包括：一第1濾光器，其反射第1波段以上的該等光線；一第1基準鏡，其配置在由該第1濾光器反射的該等光線照射的位置處提供一第1基準光；一第2濾光器，其配置在通過該第1濾光器的該等光線路徑上反射比該第1波段更低的第2波段以上的該等光線；一第2基準鏡，其配置在通過該第2濾光器的該等光線路徑上提供一第2基準光；一第3基準鏡，其配置在由該第2濾光器反射的該等光線照射的位置處提供一第3基準光。
  6. 如請求項5之採用多波長光掃描干涉儀的三維形狀測量裝置，其中，當將該分光器與該第1濾光器之間的距離定義為l a，將該第1濾 光器與該第1基準鏡之間的距離定義為l R，將該第1濾光器與該第2濾光器之間的距離定義為l b，將該第2濾光器與該第2基準鏡之間的距離定義為l B，將該第2濾光器與該第3基準鏡之間的距離定義為l G，將該分光器與該樣品的最上端之間的距離定義為l 1，將該分光器與該樣品的高度2/3位置之間的距離定義為l 2，將該分光器與該樣品的高度1/3位置之間的距離定義為l 3時，該基準鏡部設置在滿足以下關係的位置處：l 1=l a+l b+l B l 2=l a+l b+l G l 3=l a+l R。
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