测量测试表面的高精度高度图的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种使用多传感器光学轮廓仪来测量测试表面的高精度高度图的方法。
【背景技术】
[0002]通常，对于3D光学轮廓仪系统，高度图精度与垂直扫描范围和垂直扫描速度成反比关系。高精度光学轮廓仪传感器可能具有有限的视野，例如视野可能是0.1X0.1_，而测试表面可能更大一些。因此，存在如下需要，将位于传感器下方的测试表面从该测试表面的第一部分移动至该测试表面的后续部分，从而可以将多幅高度图结合在一起以使得能够得到整个测试表面的测量结果。如果针对各高度图，操作者不得不以自动方式或者手动方式寻找测试表面位于传感器的焦点深度和扫描范围(如果合适的话)之内的位置，这可能花费很长的时间来测量整个测试表面。
[0003]可能需要使用光学轮廓仪传感器来测量测试表面的高精度高度图的改进方法，其中，将测试表面定位在高精度光学轮廓仪传感器的焦点范围(focal range)之内的时间最短。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种使用光学轮廓仪来测量测试表面的高精度高度图的改进方法。
[0005]因此，提供了一种使用多传感器光学轮廓仪来测量测试表面的高精度高度图的方法，包括:
[0006]通过设置于所述光学轮廓仪的具有相对长的工作距离和/或大的视野的预映射传感器来测量所述测试表面的粗糙高度图；
[0007]将所述粗糙高度图存储在存储器中；
[0008]将所述粗糙高度图细分为多个部分，以适合于设置于所述光学轮廓仪的相对高分辨率的光学轮廓仪传感器的视野；
[0009]计算所述高分辨率的光学轮廓仪传感器相对于所述测试表面的相应X、Y和Z位置；使用所计算出的X、Y和Z位置计算所述高分辨率的光学轮廓仪传感器相对于所述测试表面在X、Y和Z方向上的轨迹；
[0010]根据所述轨迹在X、Y和Z方向上使所述高分辨率的光学轮廓仪传感器相对于所述测试表面移动；以及
[0011 ] 使用所述高分辨率的光学轮廓仪传感器来测量高精度高度图。
[0012]通过使用两个高度传感器可以实现高精度高度图的快速测量:快速且具有长焦点范围和长工作距离以对测试表面进行预映射的预映射传感器、以及针对高精度高度图具有高的高度测量精度的第二传感器(光学轮廓仪)。
[0013]通过预映射传感器的帮助，可以预先测量出测试表面和预映射传感器之间的距离。所测量的距离可以用来在高精度传感器有限的焦点范围内移动测试表面。高精度传感器因此可以直接用来测量而没有将时间浪费在在焦点范围内寻找测试表面上。
[0014]根据实施例，所述预映射传感器包括:共聚焦传感器、三角聚焦传感器、刀口聚焦传感器、色点传感器、聚焦点恢复传感器(a points from focus sensor)、结构照明显微传感器、聚焦垂直影像对比度传感器(vertical image contrast through focus sensor)、聚焦横向影像对比度传感器(lateral image contrast through focus sensor)、触觉传感器或电容式传感器。不排除其它快速聚焦方法。
[0015]根据实施例，来自所述预映射传感器的所述粗糙高度图包括多个合并、重叠或接合的来自所述预映射传感器的各测量结果。
[0016]理想地，预映射传感器会产生粗糙高度图。注意，快速单点聚焦传感器通过结合多个测量结果或多个传感器的阵列也能够用来创建高度图。可以连接预映射传感器的多个视野以增大可测量区域。
[0017]预映射传感器高度图结果的关注区域被细分为高精度高度图传感器视野的尺寸的连接或者重叠区域。预映射传感器高度图可以用于为使用第二较高精度光学轮廓仪的后续测量确定合适的聚焦扫描开始和结束位置。在优化配置中，系统可以首先全部使用预映射传感器映射关注区域，然后切换至高精度传感器以用较高的精度映射相同区域。两个传感器的视野可以不同，但是本方法不限于此。使用两个传感器的好处是预映射数据用于确保在扫描距离上优化了较慢的较高精度方法，从而能够获取测量速度和稳定性的大幅提高。另外一个关键因素是这种组合测量方案非常适合自动化。
[0018]然而，不排除其它优化较少的测量方案。也不排除单视野的测量，因为这样也有利于为了快速和稳定的自动聚焦的目的而使用第一传感器。
[0019]可以使用高精度扫描3D光学分析方法完成后续高精度高度测量，所述高精度扫描3D光学分析方法包括:结构性光照明分析、聚焦点恢复分析、旋转盘(Nipkow)共聚焦分析、单点共聚焦分析、数字全息术分析、干涉分析。不排除其它快速高度光学高度映射方法。
[0020]所有具有高精度传感器的任意预映射传感器的不同组合都是可以的。预映射传感器可以与高精度传感器共享部分相同的光学路径。
[0021]如果最终高精度高度图重叠，则使用高度图拼合方法将它们合并成一幅较大的高度图。如果高精度高度图相连，则可以直接将它们合并成一幅较大的高度图。
[0022]如果最终高精度高度图没有重叠并且没有相连，则可以通过对它们之间的间隙进行插值来合并成一幅较大的高度图。
[0023]如果高度漂移大，则在第二扫描时从预映射数据获取的预测扫描范围可能不充足，测量可能失败。通过使用预映射数据和最后一次高精度高度扫描之间的偏移量的补偿来先取得这些误差。
[0024]根据实施例，所述测试表面相对于所述光学轮廓仪的移动由X、Y和Z测试台驱动。
[0025]以这种方式可以将测试表面的不同区域定位在光学轮廓仪设备下方。在任何情况下，可能都需要计算机控制的(X、Y、Z)移动系统相对于传感器来移动测试样本。可以在(X、Υ、Ζ)方向移动样本或者在(Χ、Υ、Ζ)方向移动传感器。然而其它方案也是可以的。例如，可以在ΧΥ方向移动样本并且在Ζ方向移动传感器。也可以在Ζ方向移动样本并且在ΧΥ方向移动传感器。不排除其它动作的组合。
[0026]根据实施例，用于计算在X、Y和Z方向上的轨迹的方法包括使得所述高分辨率的光学轮廓仪传感器测量所述多个部分的高度图的顺序随机化。
[0027]在拼合多个重叠的视野时可能会产生倾斜误差。如果在系统的高度漂移和视野的测量顺序之间存在较强的相关性，则发生这种误差。这种高度漂移可能由环境温度变化或者由在光路或其它子系统中进行内部的(机械或电子)加热引起。通过随机测量视野，可以使得这种影响最小化。在预映射聚焦策略中，能够使得测量高精度高度图视野的顺序随机化。
[0028]根据实施例，用于计算在X、Y和Z方向上的轨迹的方法包括对所述轨迹进行排序。
[0029]通过对所述轨迹进行排序，使得整个测试表面的测量时间最小化。
[0030]根据实施例，将所述粗糙高度图细分为多个部分以适合于所述高分辨率的光学轮廓仪传感器的视野，导致所述多个部分重叠或相邻。
[0031]根据实施例，计算所述高分辨率的光学轮廓仪传感器在X、Υ和Ζ方向上的轨迹包括从所述粗糙高度图中减去所述预映射传感器和所述高分辨率的光学轮廓仪传感器之间的经过