专利名称：一种待测物表面轮廓分析方法
技术领域：
本发明是关于一种待测物表面轮廓分析方法，尤指一种结合白光垂直扫描干涉条纹分析与相位分析的优点并可迅速且精确地量测待测物表面轮廓的分析方法。
背景技术：
目前产业界对于经由量测待测物表面轮廓的方法而检测产品品质的需求日渐增加，例如晶圆表面粗糙度和平坦度的检测、覆晶制程中金球凸块尺寸和共平面度的量测、彩色滤光片之间隔柱尺寸和高度的量测、光纤端面及微光学元件表面的量测等，所应用的范围几乎涵盖所有的高科技产业(半导体业、封装测试业、平面显示器业及光通讯业)。所以，一种可以快速且精确地检测产品的检测方法对于厂商降低产品的生产成本及提升产品的生产效率非常重要。因此，业界无不投入资源努力研究，希望能改进产品检测方法及装置。
目前一般量测待测物的表面轮廓的技术主要为白光(宽频光)垂直扫描干涉分析法，其是运用白光(宽频光)的同调长度短的特性，精确地量测待测物的表面轮廓。在量测进行时，一分光干涉仪利用一分合光元件将量测光分为两道，其一为入射至一待测物表面并被此表面反射的量测光，而另一则为入射至一参考镜面并被此参考镜面反射的参考光，前述被反射的量测光及参考光并被此分合光元件合成为一合成光并产生干涉条纹。
随后，利用一位移器调变前述量测光与参考光之间所具的光程差，造成宽频光干涉条纹分布的变化。最后，经由记录产生最大干涉条纹对比时位移器的垂直位置，分析出待测物的表面轮廓。
如图1所示，美国专利第5,471,303号揭露一种结合白光垂直扫描干涉术(VS1)与单波长相移干涉术(PSI)而量测待测物的表面轮廓的装置及量测方法。此专利的量测方法是分别将一经由白光垂直扫描干涉术量测并分析所得的整数干涉阶数值与另一经由单波长相移干涉术量测且分析所得的小数干涉阶数值整合在一起，进而在维持单波长相移量测的解析度的条件下，分析出待测物的表面轮廓。但是，由于此专利的量测方法在量测时需要依序切换宽频光源112与单波长光源111做为量测光源，才能进行上述两种不同量测模式的量测，导致此专利的量测装置的架构复杂。此外，此专利的量测方法必须依序完成上述两种量测后才能描绘出待测物14的表面轮廓，所需的量测时间极长。因此，美国专利第5,471,303号所揭露的量测方法及装置，不仅装置架构复杂，且无法应用于需要迅速量测的线上产品检测场合。
此外，美国专利案第6,028,670号揭露了另一种结合白光垂直扫描干涉术(VSI)与单波长相移干涉术(PS1)而运算出待测物的表面轮廓的演算法。此专利的演算法是运用如图2所示的装置，其中宽频光源21提供一宽频光，此宽频光均匀入射于一分光镜22。分光镜22将入射的宽频光反射至分合光元件26，并被分合光元件26分为两道光束，量测光及参考光。量测光入射至待测物24的表面并被此表面反射，参考光入射至参考镜面25并被此参考镜面反射。前述被反射的量测光及参考光经由分合光元件26合光后，形成一具有干涉条纹的宽频合成光并入射于检测器27。最后，经由位移器23调变量测光及参考光之间所具的光程差，造成合成光的干涉条纹的变化，而此变化由检测器27检测并送至电脑28进行处理。接着，此专利(美国专利案第6,028,670号)的演算法是先利用白光干涉同调函数峰值位置检测法(peak sensing analysis)，找出对应于检测器的不同像素位置的峰值位置(检测器的不同像素位置是对应于待测物表面的不同位置)，并据此计算出一整数干涉阶数值。接着，经由加总平均所有对应于检测器像素的峰值位置并检索出位于平均峰值位置前后几笔的干涉强度资料进行一相移干涉分析，便计算出一小数干涉阶数值。最后，经由整合上述所得的整数干涉阶数值与小数干涉阶数值，便可在等同于单波长相移量测的解析度下，分析出待测物的表面轮廓。
虽然此专利的演算法并不像前述美国专利第5,471,303号的量测方法需要切换其量测光源硬体架构才可进行待测物的表面轮廓的运算，但是此专利的演算法必须先利用白光干涉同调函数峰值位置检测法找出一整数干涉阶数值，再利用位于加总平均所得的平均峰值位置附近的数笔干涉强度资料进行相位分析，才能计算出一小数干涉阶数值，因此此专利的演算法需要许多笔干涉强度资料才可进行分析。此外，扫描得到前述各笔干涉强度资料时的扫描间距又必须小于白光的平均中心波长。因此，运用此专利(美国专利案第6,028,670号)演算法的待测物表面轮廓量测需要极长的扫描时间及运算时间，并无法运用于前述的产品线上量测的场合中。
如上所述，上述的两种待测物的表面轮廓的量测技术及演算法，皆需要较长的量测时间及较繁复的运算步骤，并无法应用于需要快速量测的线上产品检测场合中。因此，产业界及需一种可迅速量测待测物的表面轮廓且具有极佳解析度的量测方式及分析方法。
发明内容
本发明的主要目的是在提供一种待测物表面轮廓分析方法，以便能在不需要切换扫描装置硬体架构的情况下，即可迅速地计算出对应于待测物的表面轮廓的一整数干涉相位阶数及一小数干涉相位阶数，并可精确地描绘出待测物的表面轮廓，有效地简化量测装置的复杂度及缩短量测所需的时间。
本发明的另一目的是在提一种待测物表面轮廓分析方法，以便能在维持单波长相位量测解析度佳的优点的情况下，仅运用一笔干涉强度资料即可运算出待测物的表面轮廓，有效地减化量测所需的运算程序并缩短量测所需的时间。
为达成上述目的，本发明的运算法，是配合一分光干涉仪装置量测一待测物的表面轮廓，包括下列步骤(A)检索一经过一分光干涉仪的宽频光的干涉条纹，其中此宽频光包括至少一特定波长的光波，并由一宽频光源提供；(B)检测此宽频光的干涉条纹分布的变化，并记录于一干涉强度资料库中；(C)针对至少一特定波长，同时对此干涉强度资料中的资料进行一垂直扫描干涉分析演算及一相位分析演算，分别取得对应于待测物表面轮廓的一整数干涉阶数值及一小数干涉阶数值；以及(D)结合此整数干涉阶数值与此小数干涉阶数值，对至少一特定波长进行相位-物理尺度计算，取得待测物的表面轮廓。
需注意的是，运用本发明的待测物表面轮廓分析方法量测仅需使用具有单一宽频光源的分光干涉仪，而不必使用同时具有宽频光源及单波长光源的分光干涉仪。此外，本发明的待测物表面轮廓分析方法可从一笔宽频光源(白光)垂直扫描干涉量测的资料中，同时计算出对应于待测物表面轮廓的整数干涉阶数值与小数干涉阶数值，且其解析度与传统的单波长相移量测的解析度相同。最后，本发明的待测物表面轮廓分析方法并不需找出最大干涉对比的纵向扫描位置，即可执行相移干涉分析而计算出小数干涉阶数值。所以，本发明的待测物表面轮廓分析方法除了具有不须使用单波长光源便可进行运算的优点以外，更具有可减少量测所需的运算次数及简化量测架构的优点，并可运用于需要迅速精确量测的线上产品检测的场合中。
此外，本发明的待测物表面轮廓分析方法与前述美国专利第5,471,303号的量测方法之间差异在于本发明的待测物表面轮廓分析方法可直接对一笔干涉强度资料进行分析，并同时计算出对应于待测物的表面轮廓的一整数干涉阶数值与一小数干涉阶数值，而不像美国专利第5,471,303号的量测方法必需切换不同的量测光源架构，依序进行白光垂直扫描干涉术(VS1)与单波长相移干涉术(PS1)两种不同模式的量测，才能而得出对应于待测物的表面轮廓的一整数干涉阶数值与一小数干涉阶数值。因此，运用本发明的待测物表面轮廓分析方法，不仅可以简化待测物的表面轮廓的量测架构，其量测的时间也可大幅的缩短。
而本发明的待测物表面轮廓分析方法与前述的美国专利第6,028,670号所揭露的演算法之间的差异则在于本发明的待测物表面轮廓分析方法对于小数干涉阶数值的计算乃是与整数干涉阶数值的计算同时进行，两者同时对同一笔干涉强度资料进行各自的分析，并同时得出对应于待测物的表面轮廓的一整数干涉阶数值与一小数干涉阶数值；而在美国专利第6,028,670号的演算法中，小数干涉阶数值的计算必须等到整数干涉阶数值被计算出来以后，才能经由相位分析位于平均峰值位置前后几笔的干涉强度资料的方法被计算出来。因此，本发明的待测物表面轮廓分析方法较美国专利第6,028,670号的演算法可有效地缩短量测及后续运算所需的时间，并降低所需的电脑运算资源。
本发明所运用的检测器种类没有限制，较佳为光二极管检测器，最佳为感光耦合元件(CCD)检测器。本发明所运用的分光干涉仪种类没有限制，较佳为Twyman-Green式干涉仪、Michelson式干涉仪或Linnik式干涉仪，最佳为Mirau式干涉仪。
图1是现有美国专利第5,471,303号的量测装置示意图；图2是现有美国专利第6,028,670号的量测装置示意图；图3是本发明一较佳实施例的分光干涉仪示意图；图4a是本发明一较佳实施例的干涉强度随着参考镜面垂直位置变化示意图；图4b是本发明一较佳实施例的干涉最大对比发生的纵向位置对应于待测物的表面轮廓示意图；图5a是本发明一较佳实施例的待测物表面轮廓分析方法流程图；图5b是本发明一较佳实施例的计算整数干涉阶数值流程图；图5c是本发明一较佳实施例的计算小数干涉阶数值流程图。
具体实施例方式
为了更了解本发明的技术内容，申请人特别提出本发明的一较佳实施例，供参考。
图3是本发明的待测物表面轮廓分析方法所配合的分光干涉仪示意图，其中宽频光源31提供一宽频光至光束整形系统32，而光束整形系统32将入射的光束均匀地入射于分光镜33。分光镜33将入射的宽频光反射至分合光元件34，宽频光并被分合光元件34分为两道光束，量测光及参考光。其中，量测光入射至待测物35的表面并被此表面反射，参考光入射至参考镜面36并被参考镜面反射。前述被反射的量测光及参考光经由分合光元件34合光形成一具有干涉条纹的宽频合成光，并入射于阵列式检测器37。经由位移器38调变量测光及参考光之间所具的光程差，造成合成光的干涉条纹的变化，并由阵列式检测器37检测。
前述具有干涉条纹的宽频合成光的干涉强度分布可以表示为下式I＝IDC.[1+V.cos(φ)] (1)此外，由于本发明的待测物表面轮廓分析方法是运用同一笔白光垂直扫描干涉信息分别计算出待测物表面上不同位置对应一基准高度的不同高度落差分布，而此高度落差分布可被视为待测物表面上不同位置的干涉光程差分布。因此，对应特定波长λ，待测物表面的高度分布H(x，y)可表示为H(x，y)＝(m+ε)λ，其中m∈Z且|ε|＜1 (2)另外，干涉相位与光程差的关系可表示为下式φ(x,y)2π=H(x,y)λ=m(x,y)+ϵ(x,y)---(3)]]>所以，只要分析出具有较低解析度的整数干涉阶数值m(x，y)与具有较高解析度的小数干涉阶数值ε(x，y)以后，即可通过由已知的波长信息λ又，换算出待测物的表面轮廓H(x，y)。
此外，由于本发明的待测物表面轮廓分析方法是利用『平行运算』的概念同时运算出整数干涉阶数值m(x，y)与小数干涉阶数值ε(x，y)，所以本发明的待测物表面轮廓分析方法可在较上述现有的演算或量测方法法所需时间为短的时间内精确地演算出待测物的表面轮廓。
图4a是通过由位移器38调变参考镜面的垂直位置，使其垂直地上下移动而依序改变量测光及参考光之间的干涉相位差φ，阵列式检测器37的某一像素所量测到的干涉强度变化随着参考镜面垂直位置的变化图，此像素并对应于待测物表面上的某一位置。由图4a并可看出，对于待测物表面上的某一位置，整体干涉强度的变化会随着一同调函式V的波包形式变化。但是如图4b所示，虽然对阵列式检测器37的各像素而言，其纵向空间的波包函数分布走一致的，但是各像素发生最大干涉对比位置的纵向扫描座标并不会相同，且各像素发生最大干涉对比位置的纵向座标之间的相对关系正好对应于待测物的表面轮廓。
本发明的待测物表面轮廓分析方法的详细步骤如图5a、图5b及图5c所示，其中图5b是图5a的步骤S51中，整数干涉阶数值m(x，y)的演算流程图，图5c是图5a的步骤S51中，小数干涉阶数值ε(x，y)的演算流程图。
如图5a所示，本发明的待测物表面轮廓分析方法包括下列步骤步骤S51检索并检测宽频光的干涉条纹分布的变化，并记录于一干涉强度资料库中。
步骤S52对上述干涉强度资料库中的一笔干涉强度资料同时进行整数干涉阶数值m(x，y)的运算(步骤S511至步骤S512)及小数干涉阶数值ε(x，y)的运算(步骤S521至步骤S523)。
步骤S53结合整数干涉阶数值m(x，y)及小数干涉阶数值ε(x，y)，对特定波长λ又进行相位-物理尺度计算，取得待测物的表面轮廓。
如图5b所示，在本发明的待测物表面轮廓分析方法中，关于整数干涉阶数值m(x，y)的计算包括下列步骤步骤S511将先前量测所得的干涉强度资料分别对检测器的每一像素位置进行计算，得出检测器每一个像素发生最大干涉对比位置所对应的纵向扫描座标。接着，采用『质心法』的计算方式迅速地分析出待测物的初阶低解析度的表面轮廓Z(x，y)，如下式所示Z(x,y)=Σi=1Ni×ΔZ×(Ii-Ii-1)Σi-1N(Ii-Ii-1)---(4)]]>其中Z(x，y)为计算出的一位于待测物表面的对应点(x，y)的高度，N为垂直扫描总次数，ΔZ为每一次扫描之间的垂直位移间距，Ii为每次扫描纪录的干涉强度分布。
步骤S512以待测物表面一基准位置(xo，yo)的高度Z(xo，yo)为准，将待测物表面上其他位置(x，y)的高度z(x，y)与其相减并除以特定波长λ，便可计算出对应于各位置的整数干涉阶数值m(x，y)。
需注意的是，对单一笔扫描资料的一个位置点(x，y)而言，前述所运用的质心法计算程序仅包括2次乘除运算与1次加减运算，所需的运算量极少。因此，本发明的待测物表面轮廓分析方法可迅速地计算出整数干涉阶数值m(x，y)。
另一方面，宽频光的双光束干涉(量测光及参考光)可视为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以由下式表示I=∫0∞I0(σ,x,y)·[1+V(σ,x,y)·cos(φ(σ,x,y))]dσ]]>=IDC+IINT---(5)]]>其中为波数；φ(σ，x，y)＝φ0((σ，x，y)+，Δφ(σ，x，y)，为对应各单频光的干涉相位差；Δφ(σ，x，y)＝2π×δ×nΔZ为干涉仪作垂直位移扫描nΔZ后的干涉相位变化。
(5)式中的第二项并可进一步整理为IINT=∫-∞∞F(∂,x,y)×exp(-j2πδZ)dδ---(6)]]>其中F(σ，x，y)为复数，内含exp(-jφ0(σ，x，y))的相位项。
因此，如图5c所示，在本发明的待测物表面轮廓分析方法中，关于小数干涉阶数值ε(x，y)的计算包括下列步骤步骤S521选择一特定波长λ，将先前量测所得的干涉强度资料针对此特定波长λ(波数σ)进行傅利叶转换(Fourier Transform)。
步骤S522分别对傅利叶转换转换后所得的实部项与虚部项进行反正切运算，得到对于此特定波长λ(波数σ)而言，待测物表面的一待测点(x，y)的干涉相位分布φ(σ，x，y)。
步骤S523以待测物表面的基准位置(x0，y0)所具有的干涉相位φ0(σ，x0，y0)为准，将待测物表面上其他位置所具有的相位φ(σ，x，y)与其相减并除以4π，计算出对应于待测物的表面轮廓的小数干涉阶数值ε(x，y)。
如上所述，在本发明的待测物表面轮廓分析方法中，对于整数干涉阶数值m(x，y)的运算(如步骤S511至步骤S512)及小数干涉阶数值ε(x，y)的运算(如步骤S521至步骤S523)可以同时进行，而且两者所需的运算时间皆极短，而其运算出的待测物表面轮廓的解析度又与单波长相位量测相同。因此，本发明的待测物表面轮廓分析方法可运用于需要快速精确量测的场合中，如工厂中的线上产品检测，并可简化量测架构的复杂度及整体量测的成本。
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自应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
权利要求
1.一种待测物表面轮廓分析方法，是配合一分光干涉仪量测一待测物的表面轮廓，其特征在于包括下列步骤(A)检索一经过该分光干涉仪的宽频光的干涉条纹，其中该宽频光包括至少一特定波长的光波，并由一宽频光源提供；(B)检测该宽频光的干涉条纹分布的变化，并记录于一干涉强度资料库中；(C)针对该至少一特定波长，同时对该干涉强度资料库中的资料进行一垂直扫描干涉分析及一相位分析，分别取得对应于该待测物的表面轮廓的一整数干涉阶数值及一小数干涉阶数值；以及(D)结合该整数干涉阶数值与该小数干涉阶数值，对该至少一特定波长进行相位-物理尺度计算，取得该待测物的表面轮廓。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述该分光干涉仪装置是为Mirau式干涉仪。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述该分光干涉仪装置是为Twyman-Green式干涉仪。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述该分光干涉仪装置是为Michelson式干涉仪。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述该分光干涉仪装置是为Linnik式干涉仪。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述该分光干涉仪量测具有一分合光元件，是用以对该宽频光源所提供的宽频光分成一量测光与一参考光，该量测光入射至该待测物的表面并被该表面反射，该参考光入射至一参考镜面并被该参考镜面反射，该分合光元件并合成该反射的该量测光与该反射的参考光为一合成光，以便供该合成光入射至一检测器后而由该检测器检索出该宽频光的干涉条纹。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于其中于步骤(B)中，是通过由一位移器调整该量测光及该参考光两者之间所具的光程差，以便供该检测器能检测该光程差所造成的该宽频光干涉条纹分布的变化。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述该垂直扫描干涉演算是利用一质心法运算并建立该待测物的低解析表面轮廓，并由该低解析表面轮廓运算出针对该至少一特定波长并对应于该待测物表面轮廓的整数干涉阶数值。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述该相位演算是包括将该干涉强度资料针对该至少一特定波长进行傅立叶转换，并将该干涉强度资料经过该傅立叶转换后所得的实部项与虚部项分别进行反正切运算，取得一对应于该待测物的表面轮廓的相位分布图，接着将该相位分布图对该至少一特定波长进行运算，得到一对应于该待测物表面轮廓的小数干涉阶数值。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述该检测器是为一阵列式检测器。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述该阵列式检测器是为感光耦合元件检测器。
12.如权利要求10所述的方法，其中该阵列式检测器是为光二极管检测器。
全文摘要
本发明一种待测物表面轮廓分析方法，是关于一种通过由分析干涉强度而获得待测物表面轮廓的方法，并运用一分光干涉仪，结合宽频光源(白光)进行待测物表面轮廓的分析。本发明的分析方法是结合峰值位置检测分析法与相位分析法以描绘出待测物的表面轮廓，并具有高量测解析度。此外，本发明的分析方法仅需一笔干涉强度资料即可分析出待测物的相位与轮廓信息，并不像现有量测技术必须切换不同干涉量测模式，即相移干涉术模式和垂直扫描干涉术模式，才可取得待测物的相位与轮廓信息。因此，本发明的分析方法可进一步缩短量测所需的时间，而运用于线上产品品质检测的场合中。
文档编号G01B9/023GK1737494SQ200410064108
公开日2006年2月22日 申请日期2004年8月19日 优先权日2004年8月19日
发明者许华珍, 童启弘, 高清芬, 张中柱 申请人:财团法人工业技术研究院
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
