一種待測物表面輪廓分析方法

專利名稱：一種待測物表面輪廓分析方法
技術領域：
本發明是關于一種待測物表面輪廓分析方法，尤指一種結合白光垂直掃描干涉條紋分析與相位分析的優點并可迅速且精確地量測待測物表面輪廓的分析方法。
背景技術：
目前產業界對于經由量測待測物表面輪廓的方法而檢測產品品質的需求日漸增加，例如晶圓表面粗糙度和平坦度的檢測、覆晶制程中金球凸塊尺寸和共平面度的量測、彩色濾光片之間隔柱尺寸和高度的量測、光纖端面及微光學元件表面的量測等，所應用的范圍幾乎涵蓋所有的高科技產業(半導體業、封裝測試業、平面顯示器業及光通訊業)。所以，一種可以快速且精確地檢測產品的檢測方法對于廠商降低產品的生產成本及提升產品的生產效率非常重要。因此，業界無不投入資源努力研究，希望能改進產品檢測方法及裝置。
目前一般量測待測物的表面輪廓的技術主要為白光(寬頻光)垂直掃描干涉分析法，其是運用白光(寬頻光)的同調長度短的特性，精確地量測待測物的表面輪廓。在量測進行時，一分光干涉儀利用一分合光元件將量測光分為兩道，其一為入射至一待測物表面并被此表面反射的量測光，而另一則為入射至一參考鏡面并被此參考鏡面反射的參考光，前述被反射的量測光及參考光并被此分合光元件合成為一合成光并產生干涉條紋。
隨后，利用一位移器調變前述量測光與參考光之間所具的光程差，造成寬頻光干涉條紋分布的變化。最后，經由記錄產生最大干涉條紋對比時位移器的垂直位置，分析出待測物的表面輪廓。
如圖1所示，美國專利第5,471,303號揭露一種結合白光垂直掃描干涉術(VS1)與單波長相移干涉術(PSI)而量測待測物的表面輪廓的裝置及量測方法。此專利的量測方法是分別將一經由白光垂直掃描干涉術量測并分析所得的整數干涉階數值與另一經由單波長相移干涉術量測且分析所得的小數干涉階數值整合在一起，進而在維持單波長相移量測的解析度的條件下，分析出待測物的表面輪廓。但是，由于此專利的量測方法在量測時需要依序切換寬頻光源112與單波長光源111做為量測光源，才能進行上述兩種不同量測模式的量測，導致此專利的量測裝置的架構復雜。此外，此專利的量測方法必須依序完成上述兩種量測后才能描繪出待測物14的表面輪廓，所需的量測時間極長。因此，美國專利第5,471,303號所揭露的量測方法及裝置，不僅裝置架構復雜，且無法應用于需要迅速量測的線上產品檢測場合。
此外，美國專利案第6,028,670號揭露了另一種結合白光垂直掃描干涉術(VSI)與單波長相移干涉術(PS1)而運算出待測物的表面輪廓的演算法。此專利的演算法是運用如圖2所示的裝置，其中寬頻光源21提供一寬頻光，此寬頻光均勻入射于一分光鏡22。分光鏡22將入射的寬頻光反射至分合光元件26，并被分合光元件26分為兩道光束，量測光及參考光。量測光入射至待測物24的表面并被此表面反射，參考光入射至參考鏡面25并被此參考鏡面反射。前述被反射的量測光及參考光經由分合光元件26合光后，形成一具有干涉條紋的寬頻合成光并入射于檢測器27。最后，經由位移器23調變量測光及參考光之間所具的光程差，造成合成光的干涉條紋的變化，而此變化由檢測器27檢測并送至電腦28進行處理。接著，此專利(美國專利案第6,028,670號)的演算法是先利用白光干涉同調函數峰值位置檢測法(peak sensing analysis)，找出對應于檢測器的不同像素位置的峰值位置(檢測器的不同像素位置是對應于待測物表面的不同位置)，并據此計算出一整數干涉階數值。接著，經由加總平均所有對應于檢測器像素的峰值位置并檢索出位于平均峰值位置前后幾筆的干涉強度資料進行一相移干涉分析，便計算出一小數干涉階數值。最后，經由整合上述所得的整數干涉階數值與小數干涉階數值，便可在等同于單波長相移量測的解析度下，分析出待測物的表面輪廓。
雖然此專利的演算法并不像前述美國專利第5,471,303號的量測方法需要切換其量測光源硬體架構才可進行待測物的表面輪廓的運算，但是此專利的演算法必須先利用白光干涉同調函數峰值位置檢測法找出一整數干涉階數值，再利用位于加總平均所得的平均峰值位置附近的數筆干涉強度資料進行相位分析，才能計算出一小數干涉階數值，因此此專利的演算法需要許多筆干涉強度資料才可進行分析。此外，掃描得到前述各筆干涉強度資料時的掃描間距又必須小于白光的平均中心波長。因此，運用此專利(美國專利案第6,028,670號)演算法的待測物表面輪廓量測需要極長的掃描時間及運算時間，并無法運用于前述的產品線上量測的場合中。
如上所述，上述的兩種待測物的表面輪廓的量測技術及演算法，皆需要較長的量測時間及較繁復的運算步驟，并無法應用于需要快速量測的線上產品檢測場合中。因此，產業界及需一種可迅速量測待測物的表面輪廓且具有極佳解析度的量測方式及分析方法。

發明內容
本發明的主要目的是在提供一種待測物表面輪廓分析方法，以便能在不需要切換掃描裝置硬體架構的情況下，即可迅速地計算出對應于待測物的表面輪廓的一整數干涉相位階數及一小數干涉相位階數，并可精確地描繪出待測物的表面輪廓，有效地簡化量測裝置的復雜度及縮短量測所需的時間。
本發明的另一目的是在提一種待測物表面輪廓分析方法，以便能在維持單波長相位量測解析度佳的優點的情況下，僅運用一筆干涉強度資料即可運算出待測物的表面輪廓，有效地減化量測所需的運算程序并縮短量測所需的時間。
為達成上述目的，本發明的運算法，是配合一分光干涉儀裝置量測一待測物的表面輪廓，包括下列步驟(A)檢索一經過一分光干涉儀的寬頻光的干涉條紋，其中此寬頻光包括至少一特定波長的光波，并由一寬頻光源提供；(B)檢測此寬頻光的干涉條紋分布的變化，并記錄于一干涉強度資料庫中；(C)針對至少一特定波長，同時對此干涉強度資料中的資料進行一垂直掃描干涉分析演算及一相位分析演算，分別取得對應于待測物表面輪廓的一整數干涉階數值及一小數干涉階數值；以及(D)結合此整數干涉階數值與此小數干涉階數值，對至少一特定波長進行相位-物理尺度計算，取得待測物的表面輪廓。
需注意的是，運用本發明的待測物表面輪廓分析方法量測僅需使用具有單一寬頻光源的分光干涉儀，而不必使用同時具有寬頻光源及單波長光源的分光干涉儀。此外，本發明的待測物表面輪廓分析方法可從一筆寬頻光源(白光)垂直掃描干涉量測的資料中，同時計算出對應于待測物表面輪廓的整數干涉階數值與小數干涉階數值，且其解析度與傳統的單波長相移量測的解析度相同。最后，本發明的待測物表面輪廓分析方法并不需找出最大干涉對比的縱向掃描位置，即可執行相移干涉分析而計算出小數干涉階數值。所以，本發明的待測物表面輪廓分析方法除了具有不須使用單波長光源便可進行運算的優點以外，更具有可減少量測所需的運算次數及簡化量測架構的優點，并可運用于需要迅速精確量測的線上產品檢測的場合中。
此外，本發明的待測物表面輪廓分析方法與前述美國專利第5,471,303號的量測方法之間差異在于本發明的待測物表面輪廓分析方法可直接對一筆干涉強度資料進行分析，并同時計算出對應于待測物的表面輪廓的一整數干涉階數值與一小數干涉階數值，而不像美國專利第5,471,303號的量測方法必需切換不同的量測光源架構，依序進行白光垂直掃描干涉術(VS1)與單波長相移干涉術(PS1)兩種不同模式的量測，才能而得出對應于待測物的表面輪廓的一整數干涉階數值與一小數干涉階數值。因此，運用本發明的待測物表面輪廓分析方法，不僅可以簡化待測物的表面輪廓的量測架構，其量測的時間也可大幅的縮短。
而本發明的待測物表面輪廓分析方法與前述的美國專利第6,028,670號所揭露的演算法之間的差異則在于本發明的待測物表面輪廓分析方法對于小數干涉階數值的計算乃是與整數干涉階數值的計算同時進行，兩者同時對同一筆干涉強度資料進行各自的分析，并同時得出對應于待測物的表面輪廓的一整數干涉階數值與一小數干涉階數值；而在美國專利第6,028,670號的演算法中，小數干涉階數值的計算必須等到整數干涉階數值被計算出來以后，才能經由相位分析位于平均峰值位置前后幾筆的干涉強度資料的方法被計算出來。因此，本發明的待測物表面輪廓分析方法較美國專利第6,028,670號的演算法可有效地縮短量測及后續運算所需的時間，并降低所需的電腦運算資源。
本發明所運用的檢測器種類沒有限制，較佳為光二極管檢測器，最佳為感光耦合元件(CCD)檢測器。本發明所運用的分光干涉儀種類沒有限制，較佳為Twyman-Green式干涉儀、Michelson式干涉儀或Linnik式干涉儀，最佳為Mirau式干涉儀。


圖1是現有美國專利第5,471,303號的量測裝置示意圖；圖2是現有美國專利第6,028,670號的量測裝置示意圖；圖3是本發明一較佳實施例的分光干涉儀示意圖；圖4a是本發明一較佳實施例的干涉強度隨著參考鏡面垂直位置變化示意圖；圖4b是本發明一較佳實施例的干涉最大對比發生的縱向位置對應于待測物的表面輪廓示意圖；圖5a是本發明一較佳實施例的待測物表面輪廓分析方法流程圖；圖5b是本發明一較佳實施例的計算整數干涉階數值流程圖；圖5c是本發明一較佳實施例的計算小數干涉階數值流程圖。
具體實施例方式
為了更了解本發明的技術內容，申請人特別提出本發明的一較佳實施例，供參考。
圖3是本發明的待測物表面輪廓分析方法所配合的分光干涉儀示意圖，其中寬頻光源31提供一寬頻光至光束整形系統32，而光束整形系統32將入射的光束均勻地入射于分光鏡33。分光鏡33將入射的寬頻光反射至分合光元件34，寬頻光并被分合光元件34分為兩道光束，量測光及參考光。其中，量測光入射至待測物35的表面并被此表面反射，參考光入射至參考鏡面36并被參考鏡面反射。前述被反射的量測光及參考光經由分合光元件34合光形成一具有干涉條紋的寬頻合成光，并入射于陣列式檢測器37。經由位移器38調變量測光及參考光之間所具的光程差，造成合成光的干涉條紋的變化，并由陣列式檢測器37檢測。
前述具有干涉條紋的寬頻合成光的干涉強度分布可以表示為下式I＝IDC.[1+V.cos(φ)] (1)此外，由于本發明的待測物表面輪廓分析方法是運用同一筆白光垂直掃描干涉信息分別計算出待測物表面上不同位置對應一基準高度的不同高度落差分布，而此高度落差分布可被視為待測物表面上不同位置的干涉光程差分布。因此，對應特定波長λ，待測物表面的高度分布H(x，y)可表示為H(x，y)＝(m+ε)λ，其中m∈Z且|ε|＜1 (2)另外，干涉相位與光程差的關系可表示為下式φ(x,y)2π=H(x,y)λ=m(x,y)+ϵ(x,y)---(3)]]>所以，只要分析出具有較低解析度的整數干涉階數值m(x，y)與具有較高解析度的小數干涉階數值ε(x，y)以后，即可通過由已知的波長信息λ又，換算出待測物的表面輪廓H(x，y)。
此外，由于本發明的待測物表面輪廓分析方法是利用『平行運算』的概念同時運算出整數干涉階數值m(x，y)與小數干涉階數值ε(x，y)，所以本發明的待測物表面輪廓分析方法可在較上述現有的演算或量測方法法所需時間為短的時間內精確地演算出待測物的表面輪廓。
圖4a是通過由位移器38調變參考鏡面的垂直位置，使其垂直地上下移動而依序改變量測光及參考光之間的干涉相位差φ，陣列式檢測器37的某一像素所量測到的干涉強度變化隨著參考鏡面垂直位置的變化圖，此像素并對應于待測物表面上的某一位置。由圖4a并可看出，對于待測物表面上的某一位置，整體干涉強度的變化會隨著一同調函式V的波包形式變化。但是如圖4b所示，雖然對陣列式檢測器37的各像素而言，其縱向空間的波包函數分布走一致的，但是各像素發生最大干涉對比位置的縱向掃描座標并不會相同，且各像素發生最大干涉對比位置的縱向座標之間的相對關系正好對應于待測物的表面輪廓。
本發明的待測物表面輪廓分析方法的詳細步驟如圖5a、圖5b及圖5c所示，其中圖5b是圖5a的步驟S51中，整數干涉階數值m(x，y)的演算流程圖，圖5c是圖5a的步驟S51中，小數干涉階數值ε(x，y)的演算流程圖。
如圖5a所示，本發明的待測物表面輪廓分析方法包括下列步驟步驟S51檢索并檢測寬頻光的干涉條紋分布的變化，并記錄于一干涉強度資料庫中。
步驟S52對上述干涉強度資料庫中的一筆干涉強度資料同時進行整數干涉階數值m(x，y)的運算(步驟S511至步驟S512)及小數干涉階數值ε(x，y)的運算(步驟S521至步驟S523)。
步驟S53結合整數干涉階數值m(x，y)及小數干涉階數值ε(x，y)，對特定波長λ又進行相位-物理尺度計算，取得待測物的表面輪廓。
如圖5b所示，在本發明的待測物表面輪廓分析方法中，關于整數干涉階數值m(x，y)的計算包括下列步驟步驟S511將先前量測所得的干涉強度資料分別對檢測器的每一像素位置進行計算，得出檢測器每一個像素發生最大干涉對比位置所對應的縱向掃描座標。接著，采用『質心法』的計算方式迅速地分析出待測物的初階低解析度的表面輪廓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)為計算出的一位于待測物表面的對應點(x，y)的高度，N為垂直掃描總次數，ΔZ為每一次掃描之間的垂直位移間距，Ii為每次掃描紀錄的干涉強度分布。
步驟S512以待測物表面一基準位置(xo，yo)的高度Z(xo，yo)為準，將待測物表面上其他位置(x，y)的高度z(x，y)與其相減并除以特定波長λ，便可計算出對應于各位置的整數干涉階數值m(x，y)。
需注意的是，對單一筆掃描資料的一個位置點(x，y)而言，前述所運用的質心法計算程序僅包括2次乘除運算與1次加減運算，所需的運算量極少。因此，本發明的待測物表面輪廓分析方法可迅速地計算出整數干涉階數值m(x，y)。
另一方面，寬頻光的雙光束干涉(量測光及參考光)可視為復數個單頻光雙光束干涉的集合，所以寬頻光雙光束干涉強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)]]>其中為波數；φ(σ，x，y)＝φ0((σ，x，y)+，Δφ(σ，x，y)，為對應各單頻光的干涉相位差；Δφ(σ，x，y)＝2π×δ×nΔZ為干涉儀作垂直位移掃描nΔZ后的干涉相位變化。
(5)式中的第二項并可進一步整理為IINT=∫-∞∞F(∂,x,y)×exp(-j2πδZ)dδ---(6)]]>其中F(σ，x，y)為復數，內含exp(-jφ0(σ，x，y))的相位項。
因此，如圖5c所示，在本發明的待測物表面輪廓分析方法中，關于小數干涉階數值ε(x，y)的計算包括下列步驟步驟S521選擇一特定波長λ，將先前量測所得的干涉強度資料針對此特定波長λ(波數σ)進行傅利葉轉換(Fourier Transform)。
步驟S522分別對傅利葉轉換轉換后所得的實部項與虛部項進行反正切運算，得到對于此特定波長λ(波數σ)而言，待測物表面的一待測點(x，y)的干涉相位分布φ(σ，x，y)。
步驟S523以待測物表面的基準位置(x0，y0)所具有的干涉相位φ0(σ，x0，y0)為準，將待測物表面上其他位置所具有的相位φ(σ，x，y)與其相減并除以4π，計算出對應于待測物的表面輪廓的小數干涉階數值ε(x，y)。
如上所述，在本發明的待測物表面輪廓分析方法中，對于整數干涉階數值m(x，y)的運算(如步驟S511至步驟S512)及小數干涉階數值ε(x，y)的運算(如步驟S521至步驟S523)可以同時進行，而且兩者所需的運算時間皆極短，而其運算出的待測物表面輪廓的解析度又與單波長相位量測相同。因此，本發明的待測物表面輪廓分析方法可運用于需要快速精確量測的場合中，如工廠中的線上產品檢測，并可簡化量測架構的復雜度及整體量測的成本。
上述實施例僅是為了方便說明而舉例而已，本發明所主張的權利范圍自應以申請專利范圍所述為準，而非僅限于上述實施例。
權利要求
1.一種待測物表面輪廓分析方法，是配合一分光干涉儀量測一待測物的表面輪廓，其特征在于包括下列步驟(A)檢索一經過該分光干涉儀的寬頻光的干涉條紋，其中該寬頻光包括至少一特定波長的光波，并由一寬頻光源提供；(B)檢測該寬頻光的干涉條紋分布的變化，并記錄于一干涉強度資料庫中；(C)針對該至少一特定波長，同時對該干涉強度資料庫中的資料進行一垂直掃描干涉分析及一相位分析，分別取得對應于該待測物的表面輪廓的一整數干涉階數值及一小數干涉階數值；以及(D)結合該整數干涉階數值與該小數干涉階數值，對該至少一特定波長進行相位-物理尺度計算，取得該待測物的表面輪廓。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述該分光干涉儀裝置是為Mirau式干涉儀。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述該分光干涉儀裝置是為Twyman-Green式干涉儀。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述該分光干涉儀裝置是為Michelson式干涉儀。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述該分光干涉儀裝置是為Linnik式干涉儀。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述該分光干涉儀量測具有一分合光元件，是用以對該寬頻光源所提供的寬頻光分成一量測光與一參考光，該量測光入射至該待測物的表面并被該表面反射，該參考光入射至一參考鏡面并被該參考鏡面反射，該分合光元件并合成該反射的該量測光與該反射的參考光為一合成光，以便供該合成光入射至一檢測器后而由該檢測器檢索出該寬頻光的干涉條紋。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于其中于步驟(B)中，是通過由一位移器調整該量測光及該參考光兩者之間所具的光程差，以便供該檢測器能檢測該光程差所造成的該寬頻光干涉條紋分布的變化。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述該垂直掃描干涉演算是利用一質心法運算并建立該待測物的低解析表面輪廓，并由該低解析表面輪廓運算出針對該至少一特定波長并對應于該待測物表面輪廓的整數干涉階數值。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述該相位演算是包括將該干涉強度資料針對該至少一特定波長進行傅立葉轉換，并將該干涉強度資料經過該傅立葉轉換后所得的實部項與虛部項分別進行反正切運算，取得一對應于該待測物的表面輪廓的相位分布圖，接著將該相位分布圖對該至少一特定波長進行運算，得到一對應于該待測物表面輪廓的小數干涉階數值。
10.如權利要求6所述的方法，其特征在于所述該檢測器是為一陣列式檢測器。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于所述該陣列式檢測器是為感光耦合元件檢測器。
12.如權利要求10所述的方法，其中該陣列式檢測器是為光二極管檢測器。
全文摘要
本發明一種待測物表面輪廓分析方法，是關于一種通過由分析干涉強度而獲得待測物表面輪廓的方法，并運用一分光干涉儀，結合寬頻光源(白光)進行待測物表面輪廓的分析。本發明的分析方法是結合峰值位置檢測分析法與相位分析法以描繪出待測物的表面輪廓，并具有高量測解析度。此外，本發明的分析方法僅需一筆干涉強度資料即可分析出待測物的相位與輪廓信息，并不像現有量測技術必須切換不同干涉量測模式，即相移干涉術模式和垂直掃描干涉術模式，才可取得待測物的相位與輪廓信息。因此，本發明的分析方法可進一步縮短量測所需的時間，而運用于線上產品品質檢測的場合中。
文檔編號G01B9/023GK1737494SQ200410064108
公開日2006年2月22日 申請日期2004年8月19日 優先權日2004年8月19日
發明者許華珍, 童啟弘, 高清芬, 張中柱 申請人:財團法人工業技術研究院