[发明专利]线型多波长共焦显微镜模块以及其共焦显微方法与系统

说明书

技术领域

本发明有关一种光学三维形貌量测技术，尤其是指一种结合线型共焦原理及宽频光源色散技术，发展长景深高解析的色散物镜模块以及多波长共焦显微方法与系统。

背景技术

在精密的微结构制程领域，如：IC产业、半导体产业、LCD产业、机电自动化产业、光电量测产业等领域中，三维形貌量测的程序是确保制程品质均一的重要程序。在检测的技术中，由于光学或光电结合的方法具有高准确度与非接触等特点，目前常用光学方法检测物体微小的轮廓、厚度或尺寸。目前已有许多光学非接触量测技术已广泛的被运用，包括共焦量测技术(confocal microscopy)、相位移干涉量测技术(phase shifting interferometry)、白光干涉垂直扫描技术(white-lightvertical scanning interferometry)等，不同的量测技术适用于不同的量测条件和不同领域上。

传统的共焦量测技术其原理是以光学式垂直扫描的量测方式，来获得不同深度的光学切片影像，由针孔(pinhole)进行失焦信号的过滤，将聚焦区外的反射光与散射光滤除，保留聚焦面资讯，并由电脑将不同深度所得的光学切片影像重建起来，即可求得待测物三度空间影像资讯。

例如图1所示的美国专利US.Pat.No.6,934,019所揭露的一种共焦晶圆检测系统，光源11投射的光场经过透镜12而聚焦在不同聚焦位置13a、13b以及13c。由于为点光场之故，因此透过由待测晶圆上的反射的光场只有一种颜色的光场可以经由分光镜14的反射而通过滤波元件15。透过移动待测物或者是移动光学结构，以量测待测晶圆上不同位置的表面高度。前述的常用技术虽然可以量测待测物的表面高度，但是因为聚焦的位置为点光场，因此每一次检测的位置仅为单点，因此要能够量测到整个待测物的表面形貌不但耗时而且降低制程的生产效率。此外，由于反射的光场为单一色光，因此直接由光谱仪感测即可分析。

另外，又如美国专利US.Pat.No.5,785,651所揭露的一种共焦显微装置。在该技术中，该共焦显微装置利用一光源所产生的多色光场(polychromatic light)经过无色差准直透镜(achromatic collimator lens)，然后形成无色差的准直光场而投射至菲涅耳(Fresnel)光学元件上。经过Fresnel光学元件后形成随着波长不同而有不同聚焦点的分散光场，以检测待测物的表面形貌。在该技术中，同样地，也是将光场调制成随着不同波长而聚焦于不同位置的点，由于每一次检测的位置仅为单点，因此要能够量测到整个待测物的表面形貌不但耗时而且降低制程的生产效率。此外，由于反射的光场为单一色光，因此直接由感测元件感测即可分析。

此外，又如美国公开申请案第US.Pub.No.2004/0109170所揭露的共焦检测感测器，其也是将光场分成不同波长而分别聚焦于不同的聚焦位置上。该系统虽可以检测物表形貌，但同样也是单点检测的技术。

另外，如图1B所示，该图为常用的利用绕射光学元件产生线色散光场示意图。该装置16主要是利用宽频光源160产生宽频光场，先经过柱型透镜161后，经过狭缝162、准直透镜163之后，再经由分光元件164将光导引至绕射光学元件165(diffractive optical element，DOE)产生线色散光场。不过利用DOE所产生的色散光场的数值孔径值(numerical aperture，NA)较低，因此需要再由准直透镜组166将线光场准直后，再导入一般物镜167而投射至待测物1000上。由待测物1000反射的光场经过物镜167之后，会经由分光元件164而导引至共轭透镜168而至狭缝169。最后的光场经过透镜170与光栅171的调制而由影像感测器172所接收而产生影像，进行光谱侦测。前述利用DOE的方式虽可以产生色散线光场，但是所需的元件相当多，因此无形的中增加系统的成本、系统体积与系统设计的复杂度。

发明内容

本发明提供一种线型多波长共焦显微镜模块，其利用两个以上的色差透镜，使一线入射光场产生色散而使不同波长聚焦于不同的位置，而投射至一待测物上，所设计色散物镜的数值孔径值(NA)可与一般物镜相当，可有效改善绕射元件的NA值过低而无法直接使用于物镜的缺点，并于设计色散物镜时校正场曲像差，使本系统达到最佳化及小型化。

本发明提供一种线型多波长共焦显微镜模块，其由多个色差透镜的组合一方面可以将线光场色散，另一方面又可以使得反射回来的线光场聚焦在同一平面上以解决场曲像差的问题，以简化常用线色散系统复杂度的问题。