表面形貌量测系统与方法与流程

1.本技术是关于一种表面形貌量测系统与方法，特别是关于一种利用干涉条纹来量测表面形貌的系统与方法。


背景技术：

2.在产品制造完成后，都会经过一定的测试程序，用来把关产品的质量。一些测试程序中会需要确认产品表面的质量，例如可能会检查产品的表面平整度或者表面上的微结构。一般来说，测试程序中会应用各种测试装置来检查产品表面，例如可以使用摄影机来拍摄产品表面，再放大拍摄到的影像，便可以检查产品表面的特定区域。
3.以量测产品表面的平整度来说，传统上会使用干涉仪来量测产品表面。于所属技术领域具有通常知识者可以理解，干涉仪是将一束光线分成两束子光线，让产品表面反射其中一束子光线，并利用移动反射镜来改变另一束子光线的光程，最后利用两束子光线的光程差与相位差来量测产品表面的形貌。然而，如果对产品表面的平面精度的要求很高，移动反射镜时带来的机械误差会特别被凸显出来，从而会因为所述机械误差而无法正确判断产品表面的形貌。有鉴于传统的干涉仪有平面精度的限制，业界需要一种能够支持到更高平面精度的表面形貌检测系统与方法。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术的主要目的在于提供一种表面形貌检测方法，能够消除移动反射镜时的误差，从而能够正确地量测出表面形貌。
5.本技术提出一种表面形貌检测方法，包含下列步骤。首先，将测试光线分为第一子光线与第二子光线，第一子光线沿第一轴向入射反射镜，第二子光线沿第二轴向入射对象表面。接着，移动反射镜，使反射镜于第一轴向上的不同位置反射第一子光线，以产生n个反射光。并且，产生对象反射光，对象反射光关联于反射自对象表面的第二子光线。接着，产生n个影像，所述n个影像关联于所述n个反射光以及对象反射光，每一个影像包含多个干涉条纹。并且，分析每一个影像中的所述多个干涉条纹，以计算出n个弦波曲线算式。以及，由所述n个弦波曲线算式计算对象表面的表面形貌。其中反射镜的第一法线与第一轴向夹有第一角度，或对象表面的第二法线与第二轴向夹有第一角度，n为大于2的正整数。
6.于一些实施例中，于测试光线具有第一波长，且于移动反射镜，使反射镜于第一轴向上的不同位置反射第一子光线，以产生n个反射光的步骤中，更可以包含下列步骤。首先，设定反射镜在第一轴向上的第i个设定位置，以产生所述n个反射光中的第i个反射光。并且，设定反射镜在第一轴向上的第i 1个设定位置，产生所述n个反射光中的第i 1个反射光。其中第i个设定位置与第i 1个设定位置间隔八分之一的第一波长，i为小于n的正整数。此外，于分析每一个影像中的所述多个干涉条纹，以计算出所述n个弦波曲线算式的步骤中，更可以包含下列步骤。首先，于每一个影像中的选择垂直于所述多个干涉条纹的参考线。以及，将参考线上的所述多个干涉条纹进行曲线拟合，以计算出每一个弦波曲线算式。
7.于一些实施例中，于将参考线上的所述多个干涉条纹进行曲线拟合，以计算出每一个弦波曲线算式的步骤中，于进行曲线拟合时，更可以取得第i个反射光与第i 1个反射光的第i个相位误差值。在此，每一个弦波曲线算式可以包含准位参数、振幅参数以及相位参数，且相位参数关联于对象表面的该表面形貌以及第i个相位误差值。
8.本技术提供一种表面形貌检测系统，能够消除移动反射镜时的误差，从而能够正确地量测出表面形貌。
9.本技术提出一种表面形貌检测系统，用以量测对象表面的表面形貌，所述表面形貌量测系统包含光源、反射镜、分光镜、摄影装置以及处理装置。光源用以提供测试光线。反射镜选择性地移动于第一轴向上的不同位置。分光镜用以将测试光线分为第一子光线与第二子光线，第一子光线沿第一轴向入射反射镜，第二子光线沿第二轴向入射对象表面。摄影装置用以接收反射自反射镜于第一轴向上的不同位置的第一子光线，以及接收反射自对象表面的第二子光线，以产生n个影像，其中反射自反射镜于第一轴向上的不同位置的第一子光线定义为n个反射光，反射自对象表面的第二子光线定义为对象反射光，所述n个影像关联于所述n个反射光以及对象反射光，每一个影像包含多个干涉条纹。处理装置电性连接摄影装置，用以分析每一个影像中的所述多个干涉条纹，以计算出n个弦波曲线算式，并由所述n个弦波曲线算式计算对象表面的表面形貌。其中反射镜的第一法线与第一轴向夹有第一角度，或对象表面的第二法线与第二轴向夹有第一角度，n为大于2的正整数。
10.于一些实施例中，于测试光线具有第一波长，反射镜在第一轴向上的第i个设定位置可以产生所述n个反射光中的第i个反射光，反射镜在第一轴向上的第i 1个设定位置可以产生所述n个反射光中的第i 1个反射光，其中第i个设定位置与第i 1个设定位置间隔八分之一的该第一波长，i为小于n的正整数。在此，处理装置更可以于每一个影像中的选择垂直于所述多个干涉条纹的参考线，并且将参考线上的所述多个干涉条纹进行曲线拟合，以计算出每一个弦波曲线算式。此外，处理装置还可以于进行曲线拟合时，更取得第i个反射光与第i 1个反射光的第i个相位误差值。其中每一个弦波曲线算式可以包含准位参数、振幅参数以及相位参数，且相位参数关联于对象表面的表面形貌以及第i个相位误差值。
11.综上所述，本技术提供的表面形貌检测系统与方法，因为让反射镜或对象表面倾斜了一个角度，使第一子光线或第二子光线不会垂直入射反射镜或对象表面，从而能够确保摄影装置摄得的影像具有多个干涉条纹。此外，处理装置可以经过计算消除移动反射镜时的相位误差值，从而能够正确地量测出表面形貌。
12.有关本技术的其它功效及实施例的详细内容，配合附图说明如下。
附图说明
13.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
14.图1是绘示本技术一实施例的表面形貌量测系统的功能方块图；
15.图2a是绘示本技术一实施例的具有多个干涉条纹的影像的示意图；
16.图2b是绘示本技术一实施例的具有多个干涉条纹的另一影像的示意图；
17.图2c是绘示本技术一实施例的对干涉条纹进行曲线拟合的弦波的示意图；
18.图3是绘示本技术一实施例的表面形貌量测方法的步骤流程图。
19.符号说明
20.1表面形貌检测系统
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10光源
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12反射镜
21.14分光镜
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16摄影装置
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160a、160b影像
22.162a、162b参考线
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164a、164b弦波
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18处理装置
23.2对象表面
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l1测试光线
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l11第一子光线
24.l12第二子光线
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r11反射光
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r12对象反射光
25.θ角度
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a第一轴向
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b第二轴向
26.s20～s25步骤流程
具体实施方式
27.以下为具体说明本技术的实施方式与达成功效，提供一实施例并搭配图式说明如下。
28.请参阅图1，图1是绘示本技术一实施例的表面形貌量测系统的功能方块图。如图1所示，表面形貌检测系统1是一种光学系统，并且可以用来量测对象表面2的表面形貌。本实施例不限制对象表面2的种类，例如可以是晶圆、芯片或是机械零件的全部或部分的表面。实务上，本实施例的表面形貌检测系统1可以支持到较高的平面精度，但不限于只量测平面的对象表面2，本实施例的表面形貌检测系统1当然也有可能量测曲面的对象表面2。由图可知，表面形貌量测系统1可以包含光源10、反射镜12、分光镜14、摄影装置16以及处理装置18，并且不限制光源10、反射镜12、分光镜14、摄影装置16以及处理装置18是否装设于一个壳体之内，且摄影装置16以及处理装置18可以有线或无线地电性连接，例如处理装置18可以设置于远程。于一个例子中，表面形貌检测系统1还可以包含透镜、滤光片或者其他光学组件，本实施例不加以限制。以下分别就表面形貌量测系统1的各部组件进行说明。
29.光源10用以提供测试光线l1，所述测试光线l1可以是一种具有单一波长(第一波长)的雷射光，本实施例在此不限制测试光线l1的波长。如图1所示，光源10会将测试光线l1沿着第二轴向b入射分光镜14。接着，分光镜14可以将测试光线l1分为第一子光线l11与第二子光线l12，第一子光线l11沿第一轴向a入射反射镜12，第二子光线l12沿第二轴向b入射对象表面2。于所属技术领域具有通常知识者应可以理解，分光镜14的功能是将测试光线l1分成两束相同的子光线，也就是第一子光线l11与第二子光线l12大致上具有相同的光强度以及相同的波长，并且可以分别射向互相垂直的第一轴向a和第二轴向b。值得一提的是，虽然图1绘示了光源10、分光镜14和对象表面2同在第二轴向b上，但本实施例不以此为限。举例来说，反射镜12和对象表面2也有可能互换，使得对象表面2在第一轴向a上，而光源10、分光镜14和反射镜12同在第二轴向b上。
30.先以第一子光线l11入射的反射镜12说明，反射镜12可以选择性地移动于第一轴向a上的不同位置，并且反射镜12可以将第一子光线l11反射回去，反射后的第一子光线l11在此定义为反射光r11。实务上，第一轴向a上会有n个设定位置，反射镜12可以受驱动而移动到n个设定位置其中之一。于一个例子中，n个设定位置中的相邻两个设定位置的间距可以被预先设定好，例如当第一波长为λ，所述间距可以是λ/8，也就是测试光线l1波长(第一
波长)的八分之一。反射镜12的所述n个设定位置会关连到第一子光线l11的光程，特别是反射镜12到分光镜14之间的距离。举例来说，假设反射镜12在第一轴向a上的第1个设定位置反射了第一子光线l11，则会产生第1个反射光r11。当反射镜12在第一轴向a上向前(或向后)移动了八分之一的第一波长后，于第2个设定位置再反射了第一子光线l11，则会产生第2个反射光r11。
31.因为第一轴向a上的光路重叠的关系，虽然反射镜12在第2个设定位置和分光镜14的距离，比反射镜12在第1个设定位置和分光镜14的距离只多了(或少了)八分之一的第一波长，于所属技术领域具有通常知识者应可以理解，第2个反射光r11的光程会比第1个反射光r11多了(或少了)两倍，也就是四分之一的第一波长。这意味着，第2个反射光r11和第1个反射光r11的相位会相差90度(即π/2)。实务上，反射镜12的可以有3个以上的设定位置，于所属技术领域具有通常知识者应可以理解，在测量时通常采用的四步相移法或七步相移法，即是对应反射镜12有4个设定位置或有7个设定位置。以四步相移法为例子，反射镜12还会在第一轴向a上的第3个设定位置反射第一子光线l11，并且会产生第3个反射光r11。以及，反射镜12还会在第一轴向a上的第4个设定位置反射第一子光线l11，并且会产生第4个反射光r11。也就是说，所述第1到4个反射光r11的相位会依序相差90度(即π/2)。
32.承接上述，再以第二子光线l12入射的对象表面2来说，对象表面2同样可以将第二子光线l12反射回去，反射后的第二子光线l12在此定义为对象反射光r12。有别于反射镜12会移动到n个设定位置，对象表面2和分光镜14的相对距离可以保持固定，从而任何时间点的对象反射光r12的相位应是一样的。当然，实务上也有可能固定反射镜12和分光镜14的相对距离，而改变对象表面2和分光镜14的相对距离，于所属技术领域具有通常知识者可以理解这样子改变仅为本实施例的简单置换。为了方便解释本技术的精神，本实施例还是以反射镜12移动n个设定位置为例子进行说明。此外，反射光r11和对象反射光r12会经由分光镜14射向摄影装置16，从而摄影装置16会接收反射光r11和对象反射光r12，以产生n个影像。再以上述的四步相移法为例子，摄影装置16产生的第1到第4个影像可以分别对应到第1个反射光r11和对象反射光r12、第2个反射光r11和对象反射光r12、第3个反射光r11和对象反射光r12、第4个反射光r11和对象反射光r12，以此类推。
33.实务上，因为反射镜12镜面的法线(第一法线)与第一轴向a夹有角度θ(第一角度)，角度θ的用途在于确保摄影装置16产生的影像中必定会具有干涉条纹。于一个例子中，假设反射镜12镜面的法线(第一法线)与第一轴向a没有角度θ，或说反射镜12镜面的法线重叠与第一轴向a时，便不能确保摄影装置16产生的影像中会产生干涉条纹。由于干涉条纹是本实施例判断对象表面2的表面形貌的依据，反射镜12镜面的法线(第一法线)与第一轴向a夹有角度θ(第一角度)实具有技术上的意义。进一步地说，以第1个影像来看，第1个反射光r11和对象反射光r12会产生干涉现象，而在第1个影像中会有多个干涉条纹。同理，以第2到第4个影像来说，第2到第4个反射光r11和对象反射光r12也会产生干涉现象，而在第2到第4个影像中同样会有多个干涉条纹，以此类推。为了分析这些影像，摄影装置16会电性连接到处理装置18，由处理装置18将每一个影像中的干涉条纹转换为对应的弦波曲线算式，并由这些弦波曲线算式计算出关联于对象表面2的表面形貌。
34.于一个例子中，处理装置18会先对摄影装置16传来的影像进行处理，特别是为了从每一个影像中提取出关联于干涉条纹的弦波曲线算式。为了说明如何从影像中提取出关
联于干涉条纹的弦波曲线算式，请一并参阅图2a以及图2b。图2a是绘示本技术一实施例的具有多个干涉条纹的影像的示意图，图2a是绘示本技术一实施例的具有多个干涉条纹的另一影像的示意图。假设摄影装置16产生的第1个影像为图2a的影像160a，首先处理装置18要在影像160a中选择一条参考线162a。在此，所述参考线162a应当垂直于影像160a中的干涉条纹，从而参考线162a上会有规律出现的亮暗数值。接着，处理装置18再对参考线162a上的干涉条纹进行曲线拟合，以产生一个弦波164a。所述弦波164a的波峰可以是干涉条纹中的亮纹中心，而弦波164a的波谷可以是干涉条纹中的暗纹中心。同样地，假设摄影装置16产生的第2个影像为图2b的影像160b，处理装置18也会在影像160b中选择一条参考线162b。并且，所述参考线162b也会垂直于影像160b中的干涉条纹，从而参考线162b上会有规律出现的亮暗数值。此外，处理装置18也会对参考线162b上的干涉条纹进行曲线拟合，以产生一个弦波164b。以上述的四步相移法为例子，处理装置18可以分别计算出对应4个影像中的弦波的弦波曲线算式。
35.举例来说，处理装置18可以将参考线162a上的亮暗数值数据输入计算程序，例如常用的matlab程序，由matlab程序对参考线162a上的亮暗数值进行曲线拟合。以此类推，使得处理装置18可以计算出对应第1到第4个影像的4个弦波曲线算式，例如下列算式(1)～(4)。
36.i1(x,y)＝i’(x,y) i”(x,y)cos[φ(x,y)]
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(1)
[0037]
i2(x,y)＝i’(x,y) i”(x,y)cos[φ(x,y) ε1]
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(2)
[0038]
i3(x,y)＝i’(x,y) i”(x,y)cos[φ(x,y) ε1) ε2]
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(3)
[0039]
i4(x,y)＝i’(x,y) i”(x,y)cos[φ(x,y) ε1 ε2) ε3]
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(4)
[0040]
以算式(1)来说明，其中i1(x,y)用以表示第1个影像中干涉条纹拟合出的弦波，i’(x,y)用以表示所述弦波对应的准位参数(或说直流偏移量)，i”(x,y)用以表示所述弦波对应的振幅参数，cos[φ(x,y)]用以表示所述弦波对应的相位参数，其中φ(x,y)是关联于对象表面2的表面形貌。由算式(1)和算式(2)可以看出，算式(2)中的弦波i2(x,y)除了同样有准位参数i’(x,y)和振幅参数i”(x,y)之外，在相位参数的部分会多出一个ε1，本实施例将ε1定义为第1个相位误差值。本实施例在前述的例子中提到反射镜12可以被设定在n个设定位置之间，所述n个设定位置可以理解为反射镜12预计要被移动到的位置，但是反射镜12却不一定能精准移动到所述n个设定位置。于所属技术领域具有通常知识者可以理解，算式(1)～(4)中的准位参数i’(x,y)和振幅参数i”(x,y)应该都是相同的，原因在于第1到第4个反射光r11的差异在于光程不同，而准位和振幅应当都是相同的。此外，于算式(1)～(4)中的相位参数的cos[φ(x,y)]分量，因为仅关联于对象表面2的表面形貌，所以也应当是相同的。
[0041]
相位参数的还有第1个相位误差值ε1分量的原因，本实施例简要说明如下。请一并参考图2a到图2c，图2c是绘示本技术一实施例的对干涉条纹进行曲线拟合的弦波的示意图。如前面实施例所述，假设反射镜12的第1个设定位置和第2个设定位置理想上是相差八分之一的第一波长(λ/8)，也就是理想上第2个反射光r11和第1个反射光r11的光程差是四分之一的第一波长(λ/4)，可以推论出第2个反射光r11和第1个反射光r11的相位会相差90度(即π/2)。也就是说，影像160a中的弦波164a和影像160b中的弦波164b的相位理论上会相差90度(即π/2)。为了方便举例，本实施例在图2c中选定一个弦波164a的波峰，例如是在(x,
y)位置。理论上，弦波164a和弦波164b的相位差90度(即π/2)，弦波164a波峰的位置会对应到弦波164b振幅零点的位置。然而实务上，反射镜12在第一轴向a上移动的距离可以由压电材料制成的压电组件来控制，虽然压电组件是相对较精密的，但物理上不存在理想的组件。因此，压电组件每次移动反射镜12时仍然很可能会存在着误差，导致弦波164a波峰的位置不会正好对准弦波164b振幅零点的位置。换句话说，压电组件每次对外加电压的反应(位移程度)不一定相同，导致实际上第1个设定位置和第2个设定位置的距离不会正好是八分之一的第一波长(λ/8)。这也是本实施例在对应弦波164a的算式(1)和对应弦波164b的算式(2)之间要再加上一个相位误差值ε1的原因。
[0042]
同样地，实际上第2个设定位置和第3个设定位置的距离会存在误差，也就是第3个反射光r11和第2个反射光r11的相位会相差90度(即π/2)加上一个相位误差值ε2。值得一提的是，由于第2个设定位置本身也是有误差的，因此算式(3)中的除了相位误差值ε2之外，也同时包含了相位误差值ε1。同理，第3个设定位置和第4个设定位置的距离也存在误差，第4个反射光r11和第3个反射光r11的相位会相差90度(即π/2)加上一个相位误差值ε3。并且，在算式(4)中的除了相位误差值ε3之外，也同时包含了相位误差值ε1和相位误差值ε2。于所属技术领域具有通常知识者可以理解，由于本实施例对第1到第4个影像中的多个干涉条纹进行曲线拟合时，会连同相位误差值ε1、相位误差值ε2和相位误差值ε3一起计算出来。也就是说，算式(1)到算式(4)中弦波i1(x,y)到i4(x,y)是从第1到第4个影像的参考线上的干涉条纹直接得出，相位误差值ε1、相位误差值ε2和相位误差值ε3会在曲线拟合时得出，这些是属于已知的参数。相对地，算式(1)到算式(4)中未知的变量只剩下准位参数i’(x,y)、振幅参数i”(x,y)和相位参数cos[φ(x,y)]。也就是说，如果本实施例基于四步相移法得出算式(1)到算式(4)，将必然可以解出上述三个未知的变量，也就是可以解出相位参数cos[φ(x,y)]，从而可以从相位参数cos[φ(x,y)]再推导出对象表面2的表面形貌。
[0043]
于所属技术领域具有通常知识者可以理解，三个未知的变量仅需要三个对应的算式即可求解，据此不论是常用的四步相移法(如前所述会有四个算式)或七步相移法(会有七个算式)，都有足够的信息可以推导出对象表面2的表面形貌。换句话说，四步相移法或七步相移法皆可以应用本实施例来量测对象表面2的表面形貌。
[0044]
以下应用前述实施例的表面形貌量测系统来说明本技术的表面形貌量测方法，请一并参阅图1与图3，图3是绘示本技术一实施例的表面形貌量测方法的步骤流程图。如图所示，本技术的表面形貌检测方法，包含下列步骤。于步骤s20中，分光镜14可以将光源10发出的测试光线l1分为第一子光线l11与第二子光线l12，第一子光线l11沿第一轴向a入射反射镜12，第二子光线l12沿第二轴向b入射对象表面2。接着于步骤s21中，反射镜12可以移动于第一轴向a上的不同位置以反射第一子光线l11，反射后的第一子光线l11即为反射光r11。并且于步骤s22中，反射自对象表面2会反射第二子光线l12，反射后的第二子光线l12即为对象反射光r12。接着于步骤s23中，摄影装置16会收到反射光r11和对象反射光r12并产生影像，每一个影像会包含多个干涉条纹。并且于步骤s24中，处理装置18会分析每一个影像中的所述多个干涉条纹，以计算出弦波曲线算式，如上述算式(1)～(4)。以及于步骤s25中，处理装置18会由弦波曲线算式计算对象表面2的表面形貌。关联于表面形貌量测方法的其他步骤皆已说明于上述表面形貌量测系统的实施例中，本实施例在此不予赘述。
[0045]
综上所述，本技术提供的表面形貌检测系统与方法，因为让反射镜或对象表面倾
斜了一个角度，使第一子光线或第二子光线不会垂直入射反射镜或对象表面，从而能够确保摄影装置摄得的影像具有多个干涉条纹。此外，处理装置可以经过计算消除移动反射镜时的相位误差值，从而能够正确地量测出表面形貌。
[0046]
以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本技术技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本技术技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本技术内容所公开的技术手段的范围，当可作些许的更动或修改为其它等效的实施例，但仍应视为与本技术实质相同的技术或实施例。