[发明专利]光学系统及使用该系统的物体表面三维形貌侦测方法

说明书

技术领域

本发明为一种通过同步多点光学扫描的高速全局式光学系统与侦测技术，特别是指一种利用散射图案影像来侦测物体表面或内部光反射接口(含物体的背面)三维形貌的一种光学系统，以及使用该系统的物体表面或内部光反射接口三维形貌侦测方法。

背景技术

彩色共焦显微系统是测量物体表面三维形貌的方法之一，可以测量机械或半导体结构中的阶高、线宽、沟槽宽度以及深度等信息，进而作为制程改进或合格率检测的重要依据。本技术最早在1957年由马文·闵斯基(Marvin Minsky)提出。彩色共焦的原理是将入射光色散，形成具有不同聚焦深度的多个侦测光，形成光学式垂直扫描的测量机制，应用这种方式来侦测待测物，可以获得不同深度的光学切片影像，通过针孔(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，保留聚焦面信息，并由计算机将不同深度所得的光学切片影像重建起来，即可求得待测物的三度空间影像信息。

例如美国专利US.Pat.No.6,934,019公开的一种共焦晶圆检测系统，光源投射的光场经过透镜而聚焦在不同聚焦位置。由于为点光场，因此通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的反射而通过滤波组件。通过移动待测物或者是移动光学结构，以测量待测晶圆上不同位置的表面高度。前述技术虽然可以测量待测物的表面高度，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，因此要能够测量到整个待测物的表面三维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公开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Fresnel光学组件上。经过Fresnel光学组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三维形貌。在该技术中，同样地，亦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，因此要能够测量到整个待测物的表面三维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，因此直接由感测组件感测即可分析。此外，又如美国公开申请案第US.Pub.No.2004/0109170所公开的共焦检测传感器，其亦是将光场分成不同波长而分别聚焦于不同的聚焦位置上。

虽然彩色共焦的侦测光因为具有不同的聚焦深度，而可以免除传统垂直扫描时，因为垂直移动机构的运动对测量机台所造成的振动问题，但是仍然有几个部分有待解决的部分：

第一、在多点同时测量射时，紧邻测量点之间失焦光和杂散光重迭而易生横向干扰(cross talk)的噪声问题，现有技术中，为了减少光线间相互干扰的问题，多在光谱仪前面设置针孔(pinhole)，然而此种方式虽可以减少干扰，但是如果是应用在测量物体二维表面形貌或者需要高分辨率的测量时，则需要配合横向移动，如此一来会增加测量所需的时间以及振动对测量精度的影响，因此一般共焦三维形貌测量的方式多半还是应用在单点测量领域。

第二、光谱仪体积占据空间以及解析光谱耗时的问题。现有技术中，为了还原表面三维形貌，需要通过光谱仪侦测通过狭缝或者是针孔结构的光谱，进而找出对应侦测位置的光线波长与其光强度，从而还原该位置对应的深度。利用光谱仪的方式有几个有待克服的部分，首先是光谱仪的体积庞大，占据空间。另外，由于光谱仪还原光谱信息耗时不具测量效率，其主要的原因是对每一个测量位点而言，展开的光谱是一维度的光谱，如果对一个线性测量位置而言，展开的就是一个二维光谱，在测量速度与数据计算上均属不利的情况，一般均将测量速度大幅降低。由此可知，每一个光谱仪进行一次性的解析，最多就是一个线性的测量区域，因此，如果要测量一个面，这就必须要通过横向移动的扫描，如此一来不但增加测量的时间，更有可能因为横向机械扫描运动对测量机台造成振动问题，从而影响测量精度。