专利名称：量测待测物表面轮廓的装置及方法
技术领域：
本发明是关于一种量测待测物表面轮廓的装置及方法，尤指一种分析白光干涉条纹以量测待测物表面轮廓的装置及方法。
背景技术：
量测待测物表面轮廓可让使用者了解待测物表面轮廓是否正常或符合使用者的预期，而目前量测待测物表面轮廓的技术是使用白光垂直扫描干涉(vertical scanning interferometry)分析的方法。白光是指波长400-700纳米(nm)的宽频光，由于白光的相互干涉所需的长度极短，约为8-10纳米，所以光程差需小于相互干涉所需的长度，方能产生明显的干涉现象。故此方法可用以观察极小范围的变化，并对待测物可提供精准的表面轮廓的量测。
白光垂直扫描分析可区分成二大技术波峰感测分析(peak-sensinganalysis)以及频谱分析(spectrum analysis)，此二种方法皆利用分光元件而将白光区分成量测光以及参考光，量测光是用以入射至待测物表面，参考光是用以入射至标准参考面，通过由调变量测光路中量测光与参考光的光程差并记录干涉强度的变化，纪录产生最大干涉对比时的位置，从而建立出三维表面轮廓。
美国专利第4340306号，发明名称，[Optical system for surfacetopography measurement]，其使用波峰感测分析以检测最大干涉对比(强度)所发生位置，以重建出待测物的表面轮廓。然而，于量测大阶高表面轮廓时，为维持一定的量测精度，往往会耗费大量的量测时间。
如图1所示，美国专利第5398113号，发明名称Method and apparatusfor surface topography measurement by spatial-frequency analysisof interferograms，其使用频谱分析并利用傅利叶转换(FourierTransform)及最小平方拟合法，得到对应白光中不同波长的初始相位差，以重建出待测物表面轮廓高度。然而，此技术是对复数个连续波长进行傅利叶转换，假设，单一像素若有N笔扫描资料，则完成傅利叶转换所需的运算次数至少为N*10g2*N次，要完成最小平方拟合的运算则需要N次的运算次数，则完成单一像素所需的运算次数至少为N2*10g2*N次。因此，于量测大阶高表面轮廓时，由于所需运算的资料量与运算次数仍无法有效减少，仍会耗费大量的运算时间与记忆空间。
由于上述两种量测待测物表面轮廓高度的技术，皆需要大量的运算时间与记忆空间，并无比较快速、有效率的改进方法，这将无法满足使用者的需求。
发明内容
本发明的主要目的是在提供一种量测待测物表面轮廓的装置，以便能迅速取得待测物表面轮廓，并有效地简化系统架构与成本。
本发明的另一目的是在提供一种量测待测物表面轮廓的方法，以便能迅速取得待测物表面轮廓，有效降低记忆空间及所需的运算次数。
为达成上述目的，本发明揭露一种量测待测物表面轮廓的装置，包括宽频光源，是用以提供宽频光，宽频光是包括至少一特定波长的光波；光束整形系统，是用以接收宽频光，并将宽频光输出；分光镜，是用以接收光束整形系统所输出的宽频光，并输出之，并用以接收干涉宽频光，并输出之；参考镜面，是用以入射参考光，并反射之；分合光元件，是用以将分光镜所输出的宽频光分成量测光以及参考光，量测光是用以入射至待测物表面，并反射之，分合光元件将反射的量测光以及参考光合光后，输出干涉宽频光；位移器，是以调整分合光元件与参考镜面及分合光元件与待测物之间距离；以及阵列式强度检测器，是用以接收分光镜所反射的干涉宽频光，并对至少一特定波长的光波进行分析以取得待测物表面轮廓。
为达成上述目的，本发明揭露一种量测待测物表面轮廓的方法，是包括下列步骤(A)检索宽频光的干涉强度；(B)检测宽频光的干涉强度分布的变化；(C)对宽频光所包括的至少一特定波长的干涉强度分布进行转换，以取得至少一特定波长的相位分布图；(D)对至少一特定波长的相位分布图进行相位还原的处理以取得至少一特定波长的相位还原图；以及(E)对至少一特定波长的相位还原图进行相位-物理尺度的转换以取得待测物的表面轮廓。
图1是现有量测待测物表面轮廓装置的示意图；
图2是本发明量测待测物表面轮廓装置的示意图；图3是本发明量测待测物表面轮廓方法的流程图；图4是白光垂直扫描干涉强度变化的波形图；图5是特定波长的相位分布平面图；图6是特定波长的相位还原图；图7是待测物表面轮廓的示意图。
具体实施例方式
本发明量测待测物表面轮廓的装置及方法是针对复数个特定的单波长的干涉信号进行傅利叶转换，以取得复数特定的单波长的初始相位分布，再利用单波长或多波长相移干涉中的相位还原的方法，因而重建待测物表面轮廓。由于本发明量测待测物表面轮廓的方法所需的记忆空间、运算次数、及运算时间皆较现有技术为少，同时可直接应用在结合单波长相移干涉与白光垂直扫描干涉的表面轮廓干涉仪装置上，同时可用处理单波长相移干涉术中的相位还原演算法来处理白光垂直扫描干涉术的干涉信号。
如图2所示，本发明量测待测物表面轮廓的装置是包括下列元件宽频光源12、光束整形系统14、分光镜16、阵列式强度检测器18、位移器20、分合光元件22、参考镜面24、及待测物26，上述元件的说明如下宽频光源12是用以提供宽频光，即白光，至光束整形系统14。光束整形系统14是用以将宽频光源12所提供的宽频光，均匀地入射至分光镜16。
分光镜16是用以将光束整形系统14所入射的宽频光反射至分合光元件22，并将来分合光元件22所入射的干涉宽频光透射至阵列式强度检测器18。
分合光元件22将分光镜16所入射的宽频光分成量测光以及参考光，量测光是用以入射至待测物26表面，并反射之；参考光是用以入射至参考镜面24，并反射之。当反射的量测光以及参考光经由分合光元件22合光后，形成干涉宽频光，再将干涉宽频光入射至阵列式强度检测器18。此时，双光束(干涉宽频光)干涉强度分布表示如下I＝IDC.[1+V.cos(φ)]表示双光束间的干涉相位差。使用者通过由对位移器20进行光轴方向的垂直扫移，依序改变双光束间的干涉相位差，再经由阵列式强度检测器18纪录干涉强度的变化，即可得知待测物表面上任一点的白光垂直扫描干涉强度变化图(如图4所示)。其中整体干涉强度的变化会随着同调函式V的波包形式而变化。
由于宽频光的双光束干涉可以视为同时间复数个单频光双光束干涉的集合，所以宽频光双光束干涉强度的分布可表示如下I=∫0∞IDC(σ,x,y).[1+V(σ,x,y)·cos(φ(σ,x,y))]dσ---(2)]]>σ是表示波长的倒数(1/λ)，亦称为波数(σ，x，y，)＝0(σ，x，y，)+Δ(σ，x，y，)是表示对应各单频光的干涉相位差；(x，y)是表示量测点(以pixel为单位)的位置，并以阵列式强度检测器18的平面空间位置来表示，其可对应至待测物表面上的一个点。由于宽频光的双光束干涉可以视为同时间复数个单频光双光束干涉的集合，使用者可选取特定波长λ1以作为上述量测的依据，图5是为特定波长λ1的相位分布平面图，将特定波长λ1的干涉强度变化资料做傅利叶转换，并对转换后的实部项与虚部项作反正切(tan-1)运算，即可取到特定波长λ1对量测点(x，y)干涉的相位分布平面图，待依序完成所有量测点(x，y)的上述计算，即可得出如图5所示的相位分布平面图。再通过由单波长相移干涉术中的相位还原演算法以对所有量测点(x，y)进行运算，即可得到特定波长的相位还原图，如图6所示。由于波长与相位的关系是为等效，此时，再对特定波长的相位还原图进行相位-物理尺度的转换，即能得到待测物的表面轮廓，如图7所示。由于单波长相移干涉术中的相位还原演算法以及相位-物理尺度的转换是为已知的技术，在此并不多作说明。
本发明量测待测物表面轮廓的方法是包括下列步骤步骤S30检索宽频光的干涉强度。将宽频光源12所提供宽频光传送至光束整形系统14以、分光镜16、及分合光元件22后，分合光元件22将宽频光分成量测光以及参考光，量测光是用以入射至待测物26表面，并反射之；参考光是用以入射至参考镜面24，并反射之。当反射的量测光以及参考光经由分合光元件22合光后，形成干涉宽频光，再将干涉宽频光入射至阵列式强度检测器18，并通过由对位移器20进行光轴方向的垂直扫移，即可得知待测物表面上任一点的白光(宽频光)垂直扫描干涉强度分布(干涉资讯)。并通过由对位移器20进行光轴方向的垂直扫移，则可改变双光束间(量测光以及参考光)的光程差，即可得到宽频光双光束间的干涉相位差。
步骤S32检测宽频光的干涉强度分布的变化。阵列式强度检测器18检测宽频光双光束间的干涉强度的变化，即可得知待测物表面上任一点的白光垂直扫描干涉强度的分布。
步骤S34对特定波长的干涉强度分布进行转换，以取得特定波长的相位分布。由于宽频光的双光束干涉可以视为同时间复数个单频光双光束干涉的集合，可选取特定波长λ1作为量测的依据，并将此特定波长λ1的干涉强度变化资料做傅利叶转换，并对转换后的实部项与虚部项作反正切运算，即可取到特定波长λ1对量测点(x，y)干涉的相位分布。待依序完成所有量测点(x，y)的上述计算，即可取得特定波长的相位分布图。
步骤S36对特定波长的相位分布图进行进行相位还原的处理以取得特定波长的相位还原图。再通过由单波长相移干涉术中的相位还原演算法以对所有量测点(x，y)进行相位还原的运算，即可得到特定波长的相位还原图。
步骤S38对特定波长的相位还原图进行相位-物理尺度的转换以取得待测物的表面轮廓。由于波长与相位的关系是为等效，如果对特定波长的相位还原图进行相位-物理尺度的转换，即能得到待测物的表面轮廓。
本发明量测待测物表面轮廓的装置及方法，除了具有运算次数较少的优点外，因为使用宽频光源时不须外加滤光片便可执行传统单波长相移干涉法，更可有效地简化系统架构与成本。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围而非仅限于上述实施例。
权利要求
1.一种量测待测物表面轮廓的装置，其特征在于包括一宽频光源，是用以提供一宽频光，该宽频光是包括至少一特定波长的光波；一光束整形系统，是用以接收该宽频光，并将该宽频光输出；一分光镜，是用以接收该光束整形系统所输出的该宽频光，并输出之，并用以接收一干涉宽频光，并输出之；一参考镜面，是用以入射一参考光，并反射之；一分合光元件，是用以将该分光镜所输出的该宽频光分成一量测光以及该参考光，该量测光是用以入射至该待测物表面，并反射之，该分合光元件将反射的该量测光以及该参考光合光后，输出该干涉宽频光；一位移器，是以调整该分合光元件与该参考镜面及该分合光元件与该待测物之间的距离；以及一阵列式强度检测器，是用以接收该分光镜所反射的该干涉宽频光，并对该至少一特定波长的光波进行分析以取得该待测物表面轮廓。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述该阵列式强度检测器对该至少一特定波长的光波进行分析是包括将特定波长的干涉强度变化资料做傅利叶转换，并对转换后的实部项与虚部项作反正切运算，并配合相位还原演算法以取得该至少一特定波长的相位还原图，再进行相位-物理尺度的转换。
3.一种量测待测物表面轮廓的方法，其特征在于是包括下列步骤(A)检索一宽频光的干涉强度；(B)检测该宽频光的干涉强度分布的变化；(C)对该宽频光所包括的至少一特定波长的干涉强度分布进行转换，以取得该至少一特定波长的相位分布图；(D)对该至少一特定波长的相位分布图进行相位还原的处理以取得该至少一特定波长的相位还原图；以及(E)对该至少一特定波长的相位还原图进行相位-物理尺度的转换以取得该待测物的表面轮廓。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述步骤(A)更包括将该宽频光区分成一量测光以及一参考光，该量测光是用以入射至该待测物表面，并反射之的，该参考光是用以入射至一参考镜面，并反射之，并由一分合光元件将反射的该量测光以及该参考光合光后以检索该宽频光的干涉强度。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述步骤(B)更包括通过由一相位器以调整该量测光至该待测物表面以及该参考光至该参考镜面的光程差以取得该宽频光的干涉强度分布的变化。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于所述步骤(C)更包括对该至少一特定波长的干涉强度分布进行傅利叶转换，并对转换后的实部项与虚部项作反正切运算，即可取到该至少一特定波长的相位分布图。
全文摘要
本发明是有关于一种量测待测物表面轮廓的装置及方法，是通过由检索宽频光的干涉强度以检测宽频光的干涉强度分布的变化，并对宽频光所包括的至少一特定波长的干涉强度分布进行转换，以取得至少一特定波长的相位分布图，再对至少一特定波长的相位分布图进行相位还原的处理以取得至少一特定波长的相位还原图，最后，对至少一特定波长的相位还原图进行相位－物理尺度的转换，即可取得待测物的表面轮廓。
文档编号G01B11/24GK1673670SQ200410030218
公开日2005年9月28日 申请日期2004年3月22日 优先权日2004年3月22日
发明者许华珍, 童启弘, 张中柱 申请人:财团法人工业技术研究院