TW201944025A

TW201944025A - 多層堆疊結構之計量方法

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Publication number: TW201944025A
Application number: TW108105958A
Authority: TW
Inventors: 萊思禮Ｌ迪克; 古魯特彼德ＪＤｅ
Original assignee: 美商賽格股份有限公司
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2019-11-16
Also published as: JP7174060B2; US20190265023A1; WO2019168982A1; US10591284B2; EP3759423A1; KR102558264B1; JP2021515218A; EP3759423A4; TWI794416B; KR20200118218A

Abstract

本發明提供一種在多層堆疊中，移除色散和其他效應引起的干涉訊號之相位變化的方法，包括：提供電子處理器堆疊之樣品干涉資料，樣品干涉資料是使用低同調成像干涉系統所擷取的；由電子處理器將樣品干涉資料轉換到頻率域；在頻率域中，識別樣品干涉資料之非線性相位變化，其中非線性相位變化是因待測樣品將色散被引入量測光束的結果；從樣品干涉資料中去除非線性相位變化，從而產生補償後干涉資料。

Description

多層堆疊結構之計量方法

本發明有關於多層堆疊結構之量測方法。

用於穿戴式虛擬實境和/或擴增實境(VR / AR)的裝置通常採用包含多個平行板的堆疊。堆疊內的平行板的表面可具作為波導的特徵和塗層，使得當設備放置在用戶眼前時，來自裝置周圍的光資訊被傳輸並重定向到眼睛以產生資料或影像的疊加，而不阻礙正常視力。在一些情況下，堆疊採用平行設置的許多平板，其中每個平板引導不同顏色的光(例如，紅光、綠光和藍光)。為了保持高品質的影像，重要的是在平板之間維持良好的平行度，以確保某些表面具有期望的平坦度，並且在製造期間保持平板之間的特定間隔距離以及其他因素。然而，由於受由堆疊內的表面或特徵反射回來之非期望的光的影響，這些參數的測量可能是困難的。

本發明有關於多層堆疊的計量方法。

一般而言，在一些實施例中，本發明標的可藉由一種方法來實施，該方法包括：使用一低同調影像干涉儀系統，提供一待測樣品之一樣品干涉資料至一電子處理器，其中該待測樣品包括一堆疊中之複數層；使用該電子處理器，將該樣品干涉資料轉換至一頻率域；識別該樣品干涉資料在該頻率域中之一非線性相位變化，其中已識別之該非線性相位變化是一量測光束入射至該待測樣品後發生色散之結果；以及從該樣品干涉資料中，移除在該頻率域中之已識別之該非線性相位變化，藉此產生一補償後干涉資料。

該方法的實施可以包括一個或多個下述技術特徵和/或其他實施例的技術特徵。舉例而言，在一些實施例中，該方法包括：引導該量測光束沿著一量測光束路徑，入射至該待測樣品；引導一參考光束沿著一參考光束路徑，入射至一參考面，其中該量測光束與該參考光束來自一共同光源產生之光，該光包含複數波長，其中該待測樣品對該等波長至少是部分透明的；在該參考光束與該量測光束分別入射至該該參考面與該待測樣品後，結合該參考光束與該量測光束，形成一輸出光束；引導該輸出光束至一偵測器陣列，該偵測器陣列包含複數；以及記錄來自該偵測器陣列之複數干涉訊號，該等干涉訊號之每一者對應於該待測樣品上之不同位置，該樣品干涉資料包含該等干涉訊號。

在一些實施例中，識別該樣品干涉資料之該非線性相位變化的步驟，更包括：在該頻率域中，從該干涉資料之至少一子集合中，取得一平均相位變化；以及取得擬合該平均相位變化之一擬合函式，其中移除已識別之該非線性相位變化的步驟包括：在該頻率域中，從該樣品干涉資料中，移除該擬合函式。擬合該平均相位變化之該擬合函式具有二次形式。擬合該平均相位變化之該擬合函式為次冪大於兩次之多項式。

在一些實施例中，該方法包括：將該補償後干涉資料轉換回一時間域，其中在該時間域中之該補償後干涉資料包括複數補償後干涉訊號；以及使用該電子處理器，處理在該時域中之該補償後干涉資料，以決定與該待測樣品有關的資訊。處理在該時間域中之該補償後干涉資料，以決定與該待測樣品有關的資訊的步驟更包括：決定該待測樣品中之一第一界面與一第二界面之間的一距離。決定該待測樣品中之該第一界面與該第二界面之間的該距離的步驟更包括：對於該等補償後干涉訊號之每一者，識別對應於該待測樣品中之該第一界面的一第一強度峰值與對應於該待測樣品中之該第二界面的一第二強度峰值；以及對於該等複數補償後干涉訊號之每一者，求出已識別之該第一強度峰值出現的位置與已識別之該第二強度峰值出現的位置之間的一間隔。該方法更包括：根據對於該等補償後干涉訊號之每一者求出之該間隔，決定該第一界面與該第二界面之間的平行度。處理在該時域中之該補償後干涉資料，以決定與該待測樣品有關的資訊的步驟更包括：決定該待測樣品中之一第一界面之平坦度。處理在該時域中之該補償後干涉資料，以決定與該待測樣品有關的資訊的步驟更包括：決定該待測樣品中一第一平板之厚度。處理在該時域中之該補償後干涉資料，以決定與該待測樣品有關的資訊的步驟更包括：決定該待測樣品中之一薄膜之厚度。在該待測樣品中有兩個平板被一間隙所分隔，且其中處理在該時域中之該補償後干涉資料，以決定與該待測樣品有關的資訊的步驟更包括：決定該等兩個平板之間的該間隙的厚度。該方法更包括產生該間隙之一三維形貌圖。該方法更包括決定該間隙之一平均厚度。

在一些實施例中，該方法包括：執行該堆疊之一初始掃描，以識別與該堆疊中之至少一候選界面位置有關的資訊；根據該待測樣品中與該至少一候選界面位置有關的該資訊，重新定位一干涉儀物鏡及/或該待測樣品，以將該堆疊的一第一界面定位在該量測光束的一焦平面附近；以及平移該干涉儀物鏡及/或該待測樣品，擷取該樣品干涉資料，使得該第一界面穿過該焦平面。執行該初始掃描的步驟包括：將該干涉儀物鏡及/或該待測樣品相對平移；在將該干涉儀物鏡及/或該待測樣品相對平移的期間，記錄來自該偵測器陣列之該等干涉訊號，該等干涉訊號之每一者對應於該待測樣品上的不同位置，並且被以一干涉條紋頻率(interference fringe frequency)之次奈奎斯特頻率(sub-Nyquist frequency)進行取樣；以及根據該等干涉訊號，決定該至少一候選界面位置。執行該初始掃描的步驟包括：將該待測樣品定位在相對於該干涉儀物鏡的一第一位置；執行該干涉儀物鏡及/或該待測樣品相對於彼此的一第一次平移；在該第一次平移期間，記錄來自該偵測器陣列之複數第一干涉訊號；將該待測樣品定位在相對於該干涉儀物鏡的一第二位置；執行該干涉儀物鏡及/或該待測樣品相對於彼此的一第二次平移；在該第二次平移期間，記錄來自該偵測器陣列之複數第二干涉訊號；以及根據該等第一干涉訊號與該等第二干涉訊號，決定該至少一候選界面位置。

在一些實施例中，在該堆疊中之該等層中至少有一者為一玻璃平板。

在一些實施例中，該堆疊包括一第一平板，以及在該第一平板上一第一表面上形成的一介電膜。

在一些實施例中，該堆疊包括一第一平板，以及在該第一平板上一第一表面上形成的一第一繞射光柵。該第一繞射光柵為一光學耦合器，該光學耦合器用於將光耦合進入該第一平板、耦合離開該第一平板，或耦合進入及離開該第一平板。該堆疊包括在該第一平板上一第二表面上形成的一第二繞射光柵。該第二繞射光柵為一光學耦合器，該光學耦合器用於將光耦合進入該第一平板、耦合離開該第一平板，或耦合進入及離開該第一平板。

在一些實施例中，該共同光源為一白光光源。

在一些實施例中，使用該低同調影像干涉儀系統取得一範圍之波數，該樣品干涉資料之該非線性相位變化是在該範圍內之波數識別的。

一般而言，在一些實施例中，本發明標的可藉由一種系統來實施，該系統，包括: 一低同調光源，用以發射具有複數波長之光；一干涉儀物鏡，用以接收來自該低同調光源之光，引導一部分的光作為一參考光束而沿著一參考光束路徑至一參考面，引導另一部分的光作為一量測光束而沿著一量測光束路徑至一待測樣品，且在該參考光束與該量測光束分別從該參考面與該待測樣品反射之後，將該參考光束與該量測光束結合為一輸出光束；一偵測器陣列，用以接收來自該干涉儀務鏡之該輸出光束，並產生一樣品干涉資料，該樣品干涉資料包括與該待測樣品有關之資訊，該樣品干涉資料包括複數干涉訊號，該等干涉訊號之每一者對應於該待測樣品上的不同位置；一電子處理器，該電子處理器與該偵測器陣列彼此通訊，該電子處理器用以將該樣品干涉資料轉換至一頻率域，其中該電子處理器更用以識別該樣品干涉資料在該頻率域中之一非線性相位變化，其中該非線性相位變化是該量測光束入射至該待測樣品後發生色散之結果，並從該樣品干涉資料中，移除該非線性相位變化，藉此產生一補償後干涉資料。

該系統的實施包括一個或多個以下技述特徵。舉例而言，在一些實施例中，該電子處理器進一步用以：在該頻率域中，從該干涉資料之至少一子集合中，取得一平均相位變化；以及使用一擬合函式擬合該平均相位變化。該擬合函式具有二次形式。該擬合函式為次冪大於兩次之多項式。該電子處理器進一步用以：將該補償後干涉資料轉換回一時間域，其中在該時間域中之該補償後干涉資料包括複數補償後干涉訊號；以及處理在該時域中之該補償後干涉資料，以決定與該待測樣品有關的資訊。與該待測樣品有關的資訊包括該待測樣品中之一第一界面與一第二界面之間的一距離。處理在該時域中之該補償後干涉資料，以決定該待測樣品中之該第一界面與該第二界面之間的該距離包括：對於該等補償後干涉訊號之每一者，識別對應於該待測樣品中之該第一界面的一第一強度峰值與對應於該待測樣品中之該第二界面的一第二強度峰值；以及對於該等複數補償後干涉訊號之每一者，求出已識別之該第一強度峰值出現的位置與已識別之該第二強度峰值出現的位置之間的一間隔。與該待測樣品有關的資訊包括該待測樣品中之一第一界面之平坦度。與該待測樣品有關的資訊包括該待測樣品中一第一平板之厚度。在該待測樣品中有兩個平板被一間隙所分隔，且其中與該待測樣品有關的資訊包括該等兩個平板之間的該間隙的厚度。與該待測樣品有關的資訊包括該待測樣品中之一薄膜之厚度。

在一些實施例中，該干涉儀物鏡包括一麥克生干涉儀(Michelson interferometer)物鏡。

在一些實施例中，該干涉儀物鏡包括一Mirau干涉儀物鏡、一Linnik干涉儀物鏡，或一廣視野(wide field)物鏡。

在一些實施例中，該低同調光源包括一白光光源。

參考第1圖，一個模擬低同調(low coherence)的干涉訊號150包含複數偵測器強度數值，偵測器的強度數值是從物體上的單一點(例如具有單一反射介面的矽晶圓)取得的。將強度數值繪示為光程差(optical path length difference，OPD)的函數，光程差是從物體上的一個點反射回來的光與從干涉儀中的參考物反射回來的光，兩者所走路徑的差值。干涉訊號150是低同調掃描式干涉儀(low coherence scanning interferometry，CSI)掃描光程差路徑產生的訊號，例如移動光學元件及/或物體，以改變從物體反射回來的光所走的路徑或參考光束所走的路徑。

參考第1圖，將強度數值繪示為光程差(此處為掃描位置)的函數，並繪製出具有複數條紋152的干涉圖案151，條紋152會在最大值的兩側受低同調包絡(low coherence envelop)154之限制而遞減。若無低同調包絡，干涉圖案的條紋通常會在很大的光程差範圍內顯示出類似的振幅。低同調包絡本身不會出現在干涉訊號中，將其繪示出來僅是為了說明之用。干涉圖案在光程差座標軸上的位置通常與零光程差(zero OPD)的位置有關，例如從物體上的點反射回來的光與從參考物反射回來的光，兩者之間零光程差的掃描位置或空間位置。零光程差的掃描位置是物體表面形貌的函數，物體表面形貌用於描述物體上每一個點的相對高度，以及物體本身的偏向(orientation)與位置，零光程差的掃描位置影響物體上每一個點相對於干涉儀的位置。在一些實施例中，干涉訊號也包括待測樣品所貢獻的成分，例如材料間中間層(intervening layers)導致的色散與吸收。

調變條紋152振幅之低同調包絡154的寬度通常與接收到之偵測光的同調長度有關。決定同調長度的因素是時間同調現象(temporal coherence phenomena)和空間同調現象(spectral coherence phenomena)，舉例而言，時間同調現象會與光源的頻寬有關，而空間同調現象會與照射物體之光的入射角範圍有關。通常而言，(1)增加光源頻寬，及/或(2)增加入射角範圍，同調長度會隨之減少。同調現象的整體表現可能由其中一種同調現象主導，或其中數種同時對整體的同調長度有實體貢獻，這與用來擷取資料之干涉儀的組態有關。藉由從具有單一反射表面(例如並非薄膜結構)之物體取得干涉訊號，可以決定干涉儀的同調長度。干涉長度對應於調變所觀測之干涉圖案之包絡的半高全寬。

如第1圖所示，干涉信號150來自於檢測具有一系列光程差的光，光程差的變化幅度大於同調包絡的寬度，因此，大於檢測到的光的同調長度。通常，低同調干涉訊號可以藉由獲得由檢測到的光的同調包絡進行振幅調製的干涉條紋而產生。例如，當觀察到的干涉條紋的振幅相差至少20％、30%或50%時，就可以在光程差的路徑上獲得干涉圖案。舉例而言，條紋98的振幅峰值比條紋99的振幅峰值小約50%。

低同調干涉儀能偵測光程差範圍內的干涉信號，該干涉信號的光程差大於或相當於干涉儀的同調長度。舉例而言，所偵測到的干涉訊號的光程差可能大於同調長度的至少兩倍以上(例如，約同調長度的3倍或以上、5倍或以上、10倍或以上、50倍或以上、100倍或以上)。在一些實施例中，所偵測到之光的同調長度大約是物體特徵結構的高度變化的數量級，例如，大約幾微米或更小，但是大於檢測到的光的標稱(nominal)波長。

參考第2圖，干涉訊號190擷取自物體191，物體191包含基板192與例為薄膜193之覆蓋層。基板192與薄膜之間定義出一個界面。薄膜的外表面195在物體與其周遭環境(例如空氣、其他玻璃或真空)之間定義出一個界面。界面的一般定義是一個物體的兩個位置之間的折射率變化。一個物體在與其他層之間可以包含許多膜。

干涉訊號190包括由界面194產生的第一干涉圖案196和由界面195產生的第二干涉圖案197。第一干涉圖案196和第二干涉圖案197重疊。例如，干涉圖案(196,197)的最大值被小於干涉儀的同調長度的光程差分開，並且干涉圖案(196,197)不被零強度區域分開。因為重疊的干涉圖案彼此扭曲，重疊的干涉圖案可能產生錯誤的結果。

舉例而言，干涉儀可為低同調掃描式干涉儀，包括Michelson、Linnik和Mirau干涉儀。第3圖示出了Michelson型式的掃描式干涉儀。光源模組205提供給分光器208，分光器208將照射光206引導到Mirau干涉物鏡組件210。照射光206可以包括來自寬頻帶光源的寬頻帶光(例如，白光)，該寬頻帶光源具有產生所需之同調長度的光譜特性。Mirau干涉物鏡組件210包括物鏡211，在其中心部分上具有反射鍍膜的參考平板212(其定義出參考鏡215)，以及分光器213。當操作時，物鏡211將照射光穿過參考平板212，聚焦到待測樣品220。分光器213將聚焦光的第一部分反射到參考鏡215，用以定義出參考光束222，並將聚焦光的第二部分透射到待測樣品220，用以定義量測光束224。然後，分光器213重新組合量測光束和參考光束，量測光束從待測樣品220反射(或散射)回來，參考光束從參考鏡215反射回來，並且物鏡211和成像透鏡230用以在偵測器240(例如，多像素相機)中讓組合光彼此干涉成像。偵測器的測量信號被發送到計算機(未圖示)。

第3圖實施例的掃描涉及壓電轉換器(piezoelectric transducer，PZT)260，壓電轉換器260耦接至Mirau干涉物鏡組件210，讓Mirau干涉物鏡組件210整體沿著物鏡211的光軸對於待測樣品220作掃瞄，在相機的每一個畫素產生掃描式的干涉訊號(例如I (ξ,h )，其中I 是代表干涉資料的訊號強度，ξ是與物體表面正交的干涉儀掃描座標，且h 是表面的高度)。在其他實施例中，壓電轉換器耦接至待測樣品，而非耦接至Mirau干涉物鏡組件210，用以在待測樣品與Mirau干涉物鏡組件210之間提供相對移動，如所示之壓電致動器(PZT actuator)270。在一些實施例中，可以沿著物鏡211的光軸移動參考鏡215及分光器213的其中一者或其中兩者。

光源模組205包括空間擴展光源(spatially extended source)201，由透鏡202和203形成的望遠鏡，以及位於透鏡202的前焦平面中的光闌204(光闌204的位置與透鏡203的後焦平面重合)。上述配置將空間擴展源成像到Mirau干涉物鏡組件210的光瞳平面(pupil plane)245上，這是Koehler成像的例子。光闌204的大小控制待測樣品220上的照明場的大小。在一些實施例中，光源模組可以包括空間擴展源直接成像到待測樣品上的配置，其被稱為臨界成像(critical imaging)。任何類型的光源模組都可以與其他類型的干涉儀一起使用，例如Linnik型式掃描干涉系統。

第4圖是可在人造實境(artificial reality，AR)/虛擬實境(virtual reality，VR)裝置之中使用的元件300之例子的示意圖。元件300，此處也稱待測樣品，包括以堆疊方式設置的多個層。在本例子中，層包括平板302、304、306、308。藉由樣品夾具312將平板固定於其位置上。堆疊內的一個或多個平板是以相應的間隙(例如，間隙310)與堆疊中相鄰的平板互相間隔。平板之堆疊還可以包括在堆疊任一端上形成，或者在整個堆疊的個別平板上形成之繞射光學元件和/或鍍膜(未圖示)。繞射光學元件可以用作光學耦合器(例如，全像輸入和輸出耦合器)，用於將光耦合到各個平板之中和/或從各個平板耦合出來，這又可以做為用於移動光的波導。

在一些實施例中，例如，對於AR / VR應用，確認和控制元件300內的平板的平行度，以及測量裝置的其他性質是有用的，例如，一個或多個平板之表面平坦度、一個或多個平板的表面粗糙度，以及平板之間的距離(例如，間隙厚度)。低同調掃描式干涉儀(CSI)作為用於測量堆疊裝置的測量技術(例如元件300)，其提供了若干優點，例如，由於CSI通常使用連續寬頻帶光源(例如，發光二極體、鹵素燈、白熾光源等)，可以直接使用標準光學元件(例如濾光器)來定制入射光頻譜。此外，在CSI中，寬頻帶頻譜自然地抑制了其光程差超過光源的干涉長度的空腔干擾，這在具有由間隙分開的層的光學裝置中特別受到關注。

儘管如此，使用CSI來測量具有由間隙分開的多個層的光學元件(例如元件300)的表面形貌，由於若干原因可能是具有挑戰性的。例如，當界面靠近在一起時，界面的接近可能產生重疊的干涉圖案，導致干涉訊號的失真。在一些情況下，多個中間層增加了信號色散和吸收的量。例如，對於相對大的玻璃平板堆疊，因為吸收和散射中，光可能會損失，導致干涉信號內的峰值幅度衰減。在一些情況下，色散可能是由表面特徵和/或鍍膜引起的應力以及堆疊組裝過程的結果。例如，在一些實施方式中，玻璃片塗有全像輸入和輸出耦合器，並黏合到組件上，這些都可能導致平板彎曲，甚至可能彼此接觸。由這種效應引起的色散在測量信號中的表現為相位延遲。如果色散是非線性的，則淨效應可能是邊緣對比度的損失和低干涉訊號中的干涉包絡的變寬。層的堆疊越厚，當干涉儀更深入掃描堆疊時，色散效應可能越嚴重。由於前述訊號的非線性特性取決於來自堆疊內的所有中間層的色散以及來自表面特徵的色散特性，且由於這些資訊在執行測量之前可能是未知的，因此執行任何一種補償非線性的預校準都是具有挑戰性的。

本發明揭露對於此類多層堆疊執行量測的技術和系統，同時針對導致對干涉訊號色散和/或其他不利影響的非線性進行補償。一般而言，在一些實施例中，本發明所涵蓋技術包括：1) 將來自一待測樣品之樣品干涉資料轉換至一頻率域，待測樣品具有多層堆疊；2) 識別該樣品干涉資料在該頻率域中之一非線性相位變化，其中已識別之該非線性相位變化是一量測光束入射至該待測樣品後發生色散之結果；以及3) 從該樣品干涉資料中，移除在該頻率域中之已識別之該非線性相位變化，藉此產生一補償後干涉資料。然後將該補償後干涉資料轉換回時間域，從中可以取得關於待測樣品的資訊，例如表面形貌和表面分離(surface separation)。此外，可以在轉換回時域之前，從補償的干涉測量數據中取得量測資料。

第5圖是一個流程圖，說明使用CSI干涉儀(例如第1圖之Mirau干涉儀)測量具有多層堆疊的光學元件(例如元件300)的表面形貌的流程500。如前述，Mirau干涉儀的光源201可以是寬頻帶光源，包括具有相對大的頻帶寬(例如，大約100nm或更大)的光源，並且可以包括例如發光二極體、鹵素燈、弧光燈、白熾燈等。例如，光源可以處於電磁光譜的可見光部分(例如，白光)。

在步驟502，引導來自光源201的量測光束沿著量測光束路徑，入射在待測樣品220上，待測樣品220包括例如具有以堆疊方式設置的多數層的元件300。舉例而言，如第4圖所示，引導量測光束316沿光軸318朝向元件300的第一表面314。光軸318可以與元件300的第一表面314正交。當量測光束316穿過元件300時，一部分的量測光束316在不同折射率的區域之間的每個界面處皆會反射。

如前述，元件300的層可包括對量測光束的一個或多個波長至少半透明的平板。例如，平板可包括玻璃板。堆疊內的一個或多個層是以相應的間隙與堆疊中相鄰的層互相間隔，如第3圖所示。間隙厚度(例如，堆疊內，兩個相鄰平板之相對面之間的平均距離)可以在大約幾百奈米(nm)到大約幾毫米(mm)之間(例如，至少大於約100 nm、至少大於大約1微米(μm)、至少大於約10μm、至少大於約100μm、至少大於約1 mm)。對疊內的一個或多個平板的厚度可以在幾百微米到幾十毫米或更多(例如，至少大於約100 μm、至少大於約500μm、至少大於約1 mm，至少大於約5 mm，至少大於約10 mm)。在一些實施例中，平板鍍有一種或多種不同材料的單層薄膜或多層薄膜。例如，平板可包括一個或多個抗反射或高反射之鍍膜，鍍膜由單層膜或具有交替折射率之介電材料的多層膜所構成。在一些實施例中，平板的表面包含特定特徵。例如，可以使用光柵(如繞射光柵)蝕刻，用以使平板的表面包含全像光學耦合器。在一些實施例中，平板的第一表面包括第一光學耦合器，並且平板的第二對側表面包括第二光學耦合器。光學耦合器可用於將光耦合進入平板中、耦合離開平板，或者耦合進入及離開平板。多個平板的每一者可包括如本文所述的膜和/或耦合器。

再次參考第3圖，來自寬頻帶光源201的光被分光器213分成1) 第一部分，第一部分聚焦到參考鏡215，用以定義出參考光束路徑中的參考光束222；和2) 第二部分，第二部分被聚焦到待測樣品220，用以定義出量測光束路徑中的量測光束224。在步驟504，引導參考光束222沿參考光束路徑，入射至參考表面(例如，參考平板212)。在步驟506，將從待測樣品220反射(或散射)回來的量測光束與來自參考鏡215的參考光束組合以形成輸出光束。成像透鏡230和物鏡211用以在偵測器240(例如，多像素相機)中讓組合光彼此干涉成像。在一些實施例中，可以使用分束器，使得參考光束和量測光束通過等量的玻璃，從而減少與對比度增寬(contrast broadening)有關的色散。來自偵測器的量測訊號被發送到計算機(未圖示)。當兩條光路之間的光程差落在照明光同調長度內時，便會發生干涉。為了讓待測樣品220的每個表面均發生干涉，使用載台(motorized stage)沿著光軸318(參見第4圖)掃描待測樣品220和/或干涉儀的組件，使得待測樣品220的一個或多個表面測試樣品220再次滿足同調條件。

在步驟508，記錄來自偵測器陣列之複數干涉訊號，其中干涉訊號之每一者對應於待測樣品上之不同位置並且被不同的偵測器單元所記錄，該樣品干涉資料包含該等干涉訊號，用以提供樣品干涉資料。在本實施例的測量中，待測樣品220被固定在可調節架台中，可調節架台將測試樣本220的標稱表面法線與干涉儀的光軸318對準。對準過程可以包括，例如，對來自的待測樣品的光源反射與來自參考表面的光源反射成像至偵測器240的檢測器元件上。一旦對準之後，載台被設定成使得最靠近干涉儀的堆疊表面恰好在物體空間焦平面的外部(並且在其右側)。然後，當相機獲取干涉圖案時，載台是以恆定速度將部件移向干涉儀。當每個表面通過相等路徑區域時，發生干涉並且相機記錄干涉圖案。干涉儀可以配置成使得最佳焦點落在滿足參考光束和量測光束之間的相等光學路徑條件的物平面處。

在步驟510，偵測器擷取不同載台位置的干涉影像，並且干涉影像隨後被提供到一個或多個電子處理器(未圖示)，然後在步驟512，該電子處理器又對訊號執行色散補償並使用CSI法(例如峰值相干對比度偵側法、最小平方(模板)分析或頻率域分析)處理校正後的干涉圖案。關於進行表面形貌分析的CSI法的進一步資訊可以在例如美國專利US 5,398,113、US 5,953,124、US 8,045,175和US 7,522,288中找到，這些專利各自通過引用整體併入本文。例如，假設掃描速度、相機取樣頻率(camera rate)和照明光的平均波長是已知的，則可以分析來自每個表面的干涉圖案以獲得表面形貌。如果在整個掃描過程中連續擷取干涉圖案，則可以保留所有表面之間的關係資訊。

第6圖是流程圖，其顯示出可由一個或多個處理器執行的流程600，流程600用以補償由待測樣品引起的色散和其他效應，色散和其他效應會影響干涉圖案之形狀。在第一步驟602中，干涉儀系統之一個或多個處理器將樣品干涉資料從時間域變換到頻率域。

例如，不希望受理論限制，離散取樣的低同調干涉訊號I 可以表示為：在一定頻率範圍K 內，干涉圖案的非同調總和，如下式：

(1)

頻率範圍是干涉儀系統光源頻寬和非同調照射光在非零數值孔徑(nonzero numerical aperture (NA))之幾何效應加總的結果。在式(1)中，ξ是與物體表面正交的干涉儀掃描座標，N 是掃描時所擷取的樣品數目，q 是傅立葉係數，j 是偵側器陣列之偵測元件的索引編號，且z, ν 分別是掃描位置ξ和頻率k 的索引編號。假設在圍繞干涉訊號I 之整個包絡的掃瞄範圍內作均勻取樣，則可以將表示如下：

(2)

舉例而言，對干涉訊號執行正傅立葉轉換可以得到傅立葉係數。代表干涉資料的傅立葉係數可用波數(wavenumbers)和相應相位的複數型式表示之。

在一些情況下，在將干涉資料轉換到頻率域之前，移除來自乾擾數據的DC分量。此外，隔離對應於待測樣品的選定表面的干涉訊號。例如，來自干涉資料且具有高於預定訊號強度值的干涉訊號可以被識別為對應於待測樣品之所選表面的界面。藉由將其他剩餘干涉訊號的值設置為零，可以隔離得到具有大於(或大於或等於)預定訊號強度值的干涉訊號。此外，時間域干涉訊號(例如，隔離後的干涉訊號)可以在將它們變換到頻域之前被時間平移(time-sifted)，例如，對於每個像素，時間域中的訊號資料可以被時間平移，使得訊號的峰值振幅出現在資料集合的開始處。這消除了傅立葉分量中的線性相位項。

在將樣品干涉資料轉換到頻率域之後，在步驟604，識別樣品干涉資料在頻率域中之非線性相位變化。如本文所述，非線性相位變化是量測光束入射至待測樣品中的層之後發生色散之結果。非線性相位變化的識別包括從樣品干涉資料本身導出非線性相位變化，而不是從校正資訊或從待測樣品的預期特徵導出。識別非線性相位變化可以包括，例如，在步驟606，獲得頻域中的多個干涉訊號的至少一個子集的相位變化。例如，在傅里葉轉換資料中，最有用的資訊可包含在傅立葉係數相對較大的區域中。因此，從干涉資料之至少一子集合中，取得平均相位變化的步驟(步驟606)可包括: 使用一個或多個處理器來計算與解出振幅足夠大之傅立葉分量之子集合的相位，例如選擇至少有達到預定訊躁比(S/N ratio)之波數之傅立葉分量。使用低同調影像干涉儀系統取得之波數範圍，該樣品干涉資料之相位變化是在波數範圍內被識別的。在一些實施例中，取得相位變化的步驟包括: 從干涉資料之至少一子集合中，取得一平均相位變化(例如平均、模數(mode)、中數)(步驟606)。在一些實施方式中，可以針對場(field)中的每個位置個別地且獨立地導出相位變化。然而，如果色散在場上是均勻的，則平均多個位置可以減少量測誤差。關於評估干涉資料的相位資訊可以參考，例如美國專利US 5,398,113(例如，9：44-10：54)和美國專利US 7,522,288(例如，11：49-13：12)，其每一個通過引用整體併入本文。

識別非線性相位變化的步驟還包括: 取得擬合相位變化的擬合函式(步驟608)。例如，如上所述，可以針對區域中的所有像素或像素子集合導出所選擇之波數的平均相位變化。在待測樣品中，由材料中間層和/或應力引起的色散通常可能導致二次方形式的相位非線性。因此，擬合相位變化的函式可以具有二次方形式，例如x2。然而，非線性相位變化可以具有二次方以外的形式。此外，其他函式也可以用於擬合相位變化，例如具有次冪大於兩次之多項式的函式、指數函式、對數函式、樣條擬合、高斯擬合等。

在識別出非線性相位變化之後，在步驟610中，在頻率域中移除樣品干涉資料的已識別之非線性相位變化，以產生補償後干涉資料。例如，移除已識別之非線性相位變化(步驟610)可以包括: 針對每個像素或像素子集合，從樣品干涉資料中，減去擬合函式(例如，最佳擬合)。在一些實施例中，可進一步分析已識別之非線性相位資訊以提供有用資訊，包括材料特性，例如，若層的材料為已知，則分析群速度折射率和/或厚度，以及若材料缺陷為已知，則分析影響吸收和色散的污染物。

在移除非線性相位變化之後，在步驟612，可以將補償後的樣本干涉資料轉換回時間域。然後，一個或多個處理器可以使用CSI方法處理補償後的干涉圖案，用以提供例如表面形貌的量測資訊，如本文所述。藉由這種方式，可以使用干涉訊號本身來評估待測樣品中色散對干涉訊號的影響，並且不需要中間層材料的進一步資訊(例如，折射率、色散特性或層厚度)。此外，可以在頻率域中，使用頻率域的方法，從補償後干涉資料導出包括形貌圖的量測資訊(例如美國專利 US 5,398,113中所述，其內容通過引用整體合併於此)。儘管此實施例假設在場內的色散特性是相同的，但藉由對把非線性項(例如，二次方項)視為場位置的函數，此步驟可以擴展應用至場依賴性(field-dependent)之色散。

在一實施例中，處理器可以根據補償後的干涉資料，決定待測樣品中的第一界面和第二界面之間的距離。決定第一界面和第二界面之間的距離可以包括: 例如，對於多個補償後干涉訊號的每一個補償後干涉訊號，識別對應於待測樣品中之第一界面的第一強度峰值和對應於待測樣品中之第二界面的第二強度峰值。然後，對於多個干涉訊號的每一個補償後干涉訊號，一個或多個處理器可以求出已識別之第一強度峰值出現的位置與已識別之第二強度峰值出現的位置之間的間隔。不同信號之間，作間隔的平均計算，可以提供第一界面和第二界面之間的平均距離。該距離可以對應於例如待測樣品內的層之間的平均間隙厚度。例如，該距離可以是待測樣品內的第一平板和第二平板之間的平均間隙厚度。或者，該距離可以對應於待測樣品中的平板上形成的層的平均厚度。例如，該距離可以對應於在待測中的平板表面上形成的薄膜介電層的厚度。或者，該距離可以對應於待測樣品中的平板的厚度。

在一些實施例中，一個或一個以上的處理器根據對於補償後干涉訊號之每一者求出的間距，決定第一界面與第二界面之間的平行度。例如，一個或多個處理器可以用於輸出每個像素的距離資料而成為形貌圖，其顯示待測樣品內的兩個平板之間的間隙厚度是均勻的或不均勻的。例如，形貌圖可以顯示第一界面和第二界面的面之形貌上的差異。將形貌圖輸出到顯示器。在一些實施例中，一個或多個處理器被設置為根據形貌圖決定其他資訊，例如包括第一界面和第二界面之間均方根差值(root-mean-square difference)、第一界面和第二界面之間的峰谷差值(peak-valley difference)，或形貌圖的任何其他參數化方法。在一些實施例中，一個或一個以上處理器可決定待測樣本內的一個或一個以上界面的平坦度。例如，可以獲得相對於干涉儀系統的參考平面，待測樣品中的界面的表面形式。

在一些實施例中，使用本發明揭露之技術所獲取的資料量可能非常大，並且會花費很多時間，尤其是具有相對較厚平板的待測樣品，其中平板之間具有間隙。例如，對於由8個0.5 mm厚的平板製成之堆疊的待測樣品而言，其平板之間的間隙為50 μm，整個堆疊的厚度為4.35 mm。若每一個相機圖框，沿掃描方向的CSI取樣率等於波長的1/8(條紋的1/4)，且平均光源波長為500 nm，掃描堆疊並且獲得所有表面需要70,000個以上的相機圖框(camera frames)。假設每張影像的畫素是500×500並以8位元(bits)數位化，這對應於大約17.5 GB的資料。另外，對於以100 Hz操作的相機，該過程可能需要大約700秒(11.7分鐘)。

在一些實施例中，以更高之移動速率(translation rate)執行一快速的初始掃描可以增加資料擷取的產出量，用以識別堆疊內至少一個候選界面位置有關的資訊。根據待測樣品內至少一個候選界面位置有關的資訊，可以重新定位干涉儀物鏡及/或待測樣品，以將堆疊的至少一個候選界面定位在量測光束的焦平面附近。然後可以通過平移干涉儀物鏡及/或待測樣品來獲得更詳細的資訊，使得至少一個候選界面能以較慢的速率通過焦平面和/或以較高的取樣速率擷取樣品干涉資料。

例如，在一些實施例中，以次奈奎斯特取樣(Sub-Nyquist acquisitions)來執行快速掃描。奈奎斯特頻率是每個干涉條紋有兩個取樣點的取樣頻率。在次奈奎斯特取樣中，取樣頻率將小於干涉條紋訊號頻率的一半。例如，(物鏡和/或待測樣品的)掃描速度可以增加一個奇數倍數(3, 5, 7, ...)(次奈奎斯特倍數Sub-Nyquist multiple)，並且相機以相應之奇數倍數的倒數被關閉(shuttered)( 1/3, 1/5, 1/7, ...)。這藉由次奈奎斯特頻率的倍數，減少了擷取時間和資料量。快門(shuttering)確保了對所有次奈奎斯特倍數而言，相機積分相同的相位範圍，用以讓對比度模糊降到最低。在某些情況下，需要增加光源強度來補償快門。此外，在次奈奎斯特的資料擷取架構下操作干涉儀系統時，量測雜訊和環境靈敏度可能會增加。關於進行快速掃描的額外資訊，可以參考例如美國專利US 5,398,113和期刊論文"High-speed non-contact profiler based on scanning white light interferometry "，L. Deck and P. de Groot，Appl. Opt. 33(31)，7334-7338(1994)，其各自通過引用整體併入本文。

根據使用快速初始掃描獲得的資料，可以識別堆疊內的至少一個候選界面位置。可以藉由定位具有局部峰值的干涉訊號的一部分，來識別至少一個候選界面。例如，如果待測樣品由多個平板組成且相鄰平板之間具有間隙，並且吾人有興趣者為決定平板之間的間隙，而不是關於平板表面的其他相關資訊，則可以對整個待測樣品執行高速掃描(次奈奎斯特掃描)，以識別所有界面的平台位置。對應於界面的載台位置發生在時間域干涉訊號的振幅達到局部最大值之處。然後，可以將大約是以預期的平板間隙距離互相間隔之訊號振幅的峰值，將其標記為平板的候選表面。接著，可以用比初始掃描更慢的速率(例如，以等於或大於奈奎斯特頻率的速率)進行的標準掃描，用以對界定已識別間隙的表面進行測量，並且記錄新的干涉訊號，新干涉訊號涵蓋堆疊中的兩個不同平板的相向表面。然後可以對新記錄的訊號執行本發明公開的色散補償技術，並且將CSI分析應用於校正後資料，用以獲得兩個表面的更準確的位置。如果掃描表面互相足夠靠近，使得可以藉由單次擷取掃描獲取干涉資料，則可以通過減去對應於表面位置的掃描位置之間的差，來決定間隙厚度變化。

在一些實施例中，初始掃描資料用於快速識別候選表面的位置，使得候選表面的分析可執行更準確。例如，在如本文所述的快速初始掃描之後，可以重新定位干涉儀和/或待測樣品，使得已識別候選表面位於干涉儀系統的焦平面附近。從此新位置，可以執行以比初始掃描更慢的速率(例如，以等於或大於奈奎斯特頻率的速率)進行的標準掃描，並記錄新的干涉測量信號。然後，可以對新記錄的信號執行本發明公開的色散補償技術，並且將CSI分析應用於校正的數據以獲得並輸出關於候選表面的資訊。上述說明是將快速初始掃描描述為用於候選表面的初始識別，之後可以執行候選表面的第二掃描以獲得更詳細的資訊。然而，在一些實施例中，快速掃描可提供關於候選表面的足夠細節而無需執行第二次額外掃描。

具體應用

本發明所述之低同調干涉量測方法和系統可用於以下任何表面分析問題：面狀表面形貌、紋理量測、表面形式量測、多個表面之間相關性量測(厚度和平行度)、表面缺陷檢測、簡單薄膜、多層薄膜、堆疊的多層物體，層間有間隙、產生繞射或複雜的干涉效應之鋒利的邊緣和表面特徵、未解決的表面粗糙度、未解決的表面特徵，例如，在其它光滑表面上的次波長寬度凹槽、異種材料、表面的偏振相關特性、表面或可變形表面特徵的偏折、振動或運動導致干涉現象的入射角依賴性擾動。對於薄膜的情況，感興趣的可變參數可以是膜厚度、膜的折射率、基板的折射率或它們的一些組合。接下來討論具體應用。

AR/VR光學元件

如本發明前述解釋，AR/VR應用可以採用包含多個平行板的堆疊，其中堆疊內的平行板表面具有作為波導之結構特徵和鍍膜，使得當元件放置在使用者眼前時，來自元件周圍的光資訊被傳輸並重定向到眼睛以產生資料或影像的疊加而不阻擋正常視覺。為了保持高品質的影像，以下是很重要的: 在平板之間達到良好的平行度、確保某些表面具有期望的平坦度，以及在製造期間保持平板之間的特定間隔距離以及其他因素。在一些情況下，因為這些光學元件中使用的平板相對較厚，隨著干涉儀掃描探針更深地進入光學平板，會導致色散效應。

例如，第7A圖和第7B圖繪示使用單一個檢測器畫素所獲得之厚度為6.25 mm的平行玻璃板的時間域干涉訊號。為了取得第7A圖和第7B圖所示之資料，干涉儀系統為寬視區物鏡之設計，例如美國專利US 8,045,175中公開的干涉儀設計，其主題藉由引用以其整體併入本文。干涉儀系統採用步進馬達載台，以500微米/秒的速度作均勻的運動。光源是10W的牙科藍光二極體(Dental Blue light LED)，其平均波長為460 nm，半峰全寬為約25 nm。該光源提供了近似高斯形狀的無色散對比度包絡，其標準差為3.5微米。

第7A圖和第7B圖為干涉儀系統中偵測器之單個畫素所擷取之時間域干涉資料，分別對應於光學平板的前表面和後表面。換言之，干涉儀從玻璃平板的前表面掃描到後表面。橫軸表示樣本編號並且對應於掃描位置(對於每個樣品訊號，其初始位置重設為0)，而縱軸表示訊號強度。第7A圖和第7B圖中的每個訊號表示以約57.5 nm掃描運動，且以奈奎斯特頻率所獲得的資料取樣。從第7B圖中可以明顯看出，後表面之干涉訊號的同調寬度明顯變寬。這是因為玻璃板前表面和後表面之間，居間的玻璃所造成之色散。如第7B圖所示，後表面訊號在樣本500周圍觀察到較小的干涉峰值，這是由於光源的空間同調特性，並不代表後表面反射較弱。

使用本發明揭露的技術，將訊號轉換到頻率域，其中識別並移除相位變化。例如，第8圖顯示後表面干涉訊號，其頻譜峰值(對應於波數格0)周圍的相位變化。第8圖橫軸對應於頻譜波數格(spectral wavenumber bin)，縱軸對應於相位(單位: 弧度)。從第8圖中可以明顯看出，後表面干涉訊號之頻譜峰值表現出的二次方形式的相位變化。相位變化是由於玻璃平板的前表面和後表面之間，居間的玻璃的引起的色散所導致的。用二次方函式800擬合相位變化，然後從頻率域訊號中減去二次方函式800。

然後對色散校正後的頻率域訊號進行傅立葉轉換，以獲得校正後的時間域干涉訊號。第9A圖和第9B圖顯示由玻璃平板之後表面，進行色散補償之前與之後，所觀察到干涉訊號。如第9B圖所示，色散補償對空間同調峰幾乎沒有影響。

如本發明所解釋，在一些情況下，可以執行快速初始掃描，以快速識別多層堆疊內的界面，例如對應於光學平板之間的間隙位置。在類似第4圖所示之元件300的光學元件上執行實際的掃瞄。使用與第7A圖和第7B圖獲得快速掃描資料相同的系統。儘管元件300顯示具有4個平板的堆疊，但是在以下實驗中，所使用的堆疊具有至少6個平行的玻璃板，每個玻璃板具有大約幾百微米的厚度。相鄰平板之間的間隙至少10微米。從堆疊的第一側(例如，元件300的表面314)開始，使用快速掃描使堆疊首先平移通過干涉儀的焦平面。具體而言，快速掃描以大約140微米/秒的速率執行(例如，對於100Hz相機而言，此快速掃苗速率是一般掃描速率的約20倍，對於以可見波長操作的干涉儀而言，以奈奎斯特極限的兩倍取樣)在堆疊的小區域上擷取干涉資料，以識別相應於堆疊內的玻璃平板表面的位置。

第10圖顯示執行快速掃描所獲得的干涉訊號。橫軸表示掃描位置(單位: mm)，縱軸表示干涉訊號的振幅。如第10圖所示，訊號包括在約0.1 mm處的第一局部峰值，其對應於量測光束入射堆疊的初始表面(類似於元件300中的表面314)。在第一峰值mm之後，局部峰值(例如，在約0.75 mm、約1.4 mm，約2.1 mm、約2.75 mm和約3.4 mm處)代表兩個緊密間隔的表面。實際上，上述位置的信號所呈現的應該是兩個緊密間隔的峰值，每個峰值對應於一個玻璃板的一個表面。隨著掃描進一步深入到元件中，色散效應導致峰值一起模糊(例如，在2.75 mm和3.4 mm處)。

在識別平板表面的資料(如第10圖所示)之後，在每一個表面處重新定位樣品載台，用以獲得每個表面或表面對的表面形貌，使得短的CSI掃描可以獲得來自每個表面或表面對的干涉。

例如，在重新定位載台之後，載台位於堆疊內部約2.75 mm的第8個和第9個表面(分別對應於第4個和第5個平板的表面)的前面，執行150微米長、3X SubNyquist CSI掃描以獲取來自兩個表面的干涉。系統的平均波長為460 nm，3X SubNyquist掃描的相機圖框之間的掃描增量為172.5 nm。第11A圖顯示在干涉儀系統中的偵測器的一個畫素所觀察到，兩個緊密間隔的第8個和第9個表面，在色散補償之前的原始時間域干涉訊號。如第11A圖所示，在色散補償之前，每個界面的訊號合併在一起，很難從兩個表面分辨出各自的干涉特徵。第11B圖說明在執行如本發明所揭露的色散補償之後，相同的時間域干涉訊號。如第11B圖所示，現在可以容易地分辨對應於不同界面的峰值。如第11B圖的資料所示，表面之間間距為約25微米。

在一些情況下，針對場中的每個畫素識別表示表面的訊號，並使用CSI演算法進行分析。例如，對於第10圖中在約2.7 mm的兩個表面，對預定場中的每個像素採用峰值對比度演算法(peak contrast algorithm)，以產生表面的形貌圖。第12A圖是第一表面(對應於第四玻璃平板後表面之堆疊內的表面8)的形貌圖。第12B圖是第二表面的形貌圖(對應於第五玻璃平板後表面之堆疊內的表面9)。表面8實際上包括壓印特徵，可以在第12A圖中觀察到明顯的界線(step)1200，由於特徵的複雜光學特性使對比度包絡移位。由於這兩個表面的資料是在單次掃描中獲得的，因此它們的相對方向得以保留，並且它們之間的間隙可以根據它們的差異來計算。如第13圖所示，間隙可以用三維圖式表示，其中z軸對應於間隙厚度。

堆疊內的其他表面或表面對也可如本文所述進行量測，直到所有感興趣的表面均被量測為止。雖然本發明揭露的掃描是由第一側照射待測樣品，然後平移待測樣品通過焦平面，但是在一些實施例中，從第一側開始部分地通過待測樣品/堆疊執行掃描可能是有利的。然後，從待測樣品/堆疊的第二個相側執行第二次部分掃描，通過測試樣品/堆疊。例如，上述手段可以藉由在第一次掃描之後和執行第二次掃描之前翻轉待測樣本/堆疊在樣品夾持治具內的方向來加以實現。當表面和材料的透射性質非常差時，以這種方式執行掃描可能是有用的，避免在待測樣品/堆疊執行單次掃描，使得在待測樣品/堆疊末端附近之界面附近雜訊太大。

數位化實現

本發明描述的資訊處理的技術特徵可用數位電子電路、計算機硬體、韌體或者上述組合加以實現。這些特徵可以在資訊載體中的計算機程序產品中具體實現，例如在機器可讀取儲存設備中，讓可編程處理器執行；藉由執行指令程序的可編程處理器來執行這些技術特徵，對輸入資料進行操作並產生輸出，以執行所描述的實現的功能。上述技術特徵可以在可編程系統上之一個或多個可執行的計算機程序中實現，該可編程系統包括至少一個可編程處理器，其被耦接以從資料儲存系統接收數據和指令，並將數據和指令傳輸到至少一個輸入裝置和至少一個輸出裝置。計算機程序包括一組指令，這些指令可以在計算機中直接或間接地執行某種活動或帶來某種結果。計算機程序可以在計算環境中，用任何形式的編程語言編寫，包括編譯或解釋語言，並且可以以任何形式設置，包括作為獨立程序或作為模塊、組件，子程序或其他適合使用的單元。

用於執行指令程序的合適處理器包括：例如，通用和專用微處理器，任何類型的計算機的多個處理器之一者。通常，處理器將從唯讀記憶體或隨機存取存記憶體，或兩者接收指令和資料。計算機包括用於執行指令的處理器和用於存儲指令和資歷的一個或多個記憶體。一般而言，計算機還包括一個或多個大容量儲存裝置，或被操作耦接以與一個或多個大容量儲存設備通訊，大容量儲存裝置用於存儲資料文件；這些大容量儲存設備包括磁碟，例如：內部硬碟和可移除磁碟；磁光碟(magneto-optical disks)；和光碟。適合用於具體實施計算機程式指令和資料的儲存裝置包括所有形式的非揮發性記憶體，包括：例如半導體記憶體裝置，例如EPROM，EEPROM和快閃式記憶體裝置；磁碟，例如內部硬碟和可移除磁碟；磁光碟；以及CD-ROM和DVD-ROM磁碟。處理器和記憶體可以由ASIC(特殊用途積體電路)補充或併入其中。這些功能可以在單個進程中實現，也可以分散在一個或多個位置的多個處理器之間。例如，這些功能可以採用雲技術進行數據傳輸、儲存和/或分析。

範疇

必須注意的是，如本文和所附申請專利範圍中所使用的，單數形式『一』(a)、『一個』(an)和『該』(the)可包括複數指示物，除非上下文另有明確規定，例如，當明確使用單數量詞『單一』(single)時。

本文所使用之用語『適應的』(adapted)和『配置的』(configured)意味著元件、組件或其他標的(subject matter)被設計且/或旨在執行給定功能。因此，使用『適應』和『配置』並非意指『能夠』簡單地執行給定功能之特定元件、組件或其他標的。

如這裡所使用的，關於一個以上實體列表，『至少一個(至少一者)』和『一個或多個』是指實體列表中的任何一個或多個實體，並且不限於實體列表中具體列出的每個實體中的至少一個。例如，『A和B中的至少一個』(或意義相同的『A或B中的至少一個』或『A和/或B中的至少一個』)可以僅指A、B 單獨使用，或A和B的組合。

如這裡所使用的，第一實體和第二實體之間的連接詞『和/或』意指(1) 第一實體；(2) 第二實體和(3) 第一實體和第二實體之其中一者。用『和/或』列出的多個實體應以相同的方式解釋，即，依此方式結合的實體的『一個或多個』。除了『和/或』子句具體標識的實體之外，可以可選擇性地存在其他實體，無論是與具體標識的那些實體相關還是不相關。

雖然本說明書包含許多具體的實施細節，但這些不應被解釋為對任何發明或可能請求保護的範圍的限制，而是作為特定於特定發明的特定實施例的特徵的描述。

在單獨實施例的上下文中在本說明書中描述的某些特徵也可以在單個實施例中組合實現。反過來說，在單個實施例的上下文中描述的各種特徵也可以單獨地或以任何合適的子組合在多個實施例中實現。

此外，儘管上面的特徵可以描述為藉由某些組合起作用，並且即使最初即是如此聲明，但是在某些情況下，可以從組合中從所請求保護的組合的一個或多個特徵之中移除某些特徵，並且所請求保護的組合意指子組合或子組合的變化。

類似地，雖然在圖式中以特定順序描繪了操作方式，但是這不應該被理解為必須要以所示特定順序或按順序執行這些操作，或者執行所有顯示出的操作，以實現期望的結果。在某些情況下，多工處理和並行處理可能是有利的。此外，上述實施例中的各種系統元件的分離不應被理解為在所有實施例中都需要這種分離，並且應該理解，所描述的程序組件和系統通常可以整合在單個軟體產品中，或拆成多種套裝軟體產品。

本發明所請標的之實施例如上所述。以下申請專利範圍包含其他實施例。在一些情況下，申請專利範圍中記載的動作可以以不同的順序執行並且仍然實現期望的結果。另外，圖式中描繪的過程不一定需要所示的特定順序或順序次序來實現期望的結果。在某些實施例中，多工處理和並行處理可能是較佳的。

本發明許多實施例如上所述。然而，應該理解，在不脫離本發明的精神和範圍的前提下，可以進行各種修改。因此，其他實施例在下述申請專利範圍的範圍內。

98、99 、152‧‧‧條紋

150‧‧‧干涉訊號

151‧‧‧干涉圖案

154‧‧‧包絡

190‧‧‧干涉訊號

191‧‧‧物體

192‧‧‧基板

193‧‧‧薄膜

194‧‧‧界面

195‧‧‧界面

196‧‧‧第一干涉圖案

197‧‧‧第二干涉圖案

201‧‧‧光源

202、203‧‧‧透鏡

204‧‧‧光闌

205‧‧‧光源模組

206‧‧‧照射光

208‧‧‧分光器

210‧‧‧Mirau干涉物鏡組件

211‧‧‧物鏡

212‧‧‧參考平板

213‧‧‧分光器

215‧‧‧參考鏡

220‧‧‧待測樣品

222‧‧‧參考光束

224‧‧‧量測光束

230‧‧‧成像透鏡

240‧‧‧偵測器

245‧‧‧光瞳平面

260‧‧‧壓電轉換器

270‧‧‧壓電致動器

300‧‧‧元件

302、304、306、308‧‧‧平板

310‧‧‧間隙

312‧‧‧樣品夾具

314‧‧‧表面

316‧‧‧量測光束

318‧‧‧光軸

500、600‧‧‧流程

502、504、506、508、510、512‧‧‧步驟

602、604、606、608、610、612‧‧‧步驟

1200‧‧‧界線

第1圖是掃描式白光干涉儀(scanning white light interferometry，SWLI)訊號的例子。第2圖是包含薄膜之待測樣品之掃描式白光干涉儀訊號的例子。第3圖是掃描式Mirau干涉儀的示意圖。第4圖是一個光學裝置的示意圖。第5圖是的量測具有多層堆疊之光學裝置之表面形貌的流程圖。第6圖是補償色散的流程圖。第7A圖是一個玻璃平板的表面，其干涉訊號在時間域的示意圖。第7B圖是一個玻璃平板的表面，其干涉訊號在時間域的示意圖。第8圖顯示一個干涉訊號在其頻譜峰值附近的相位變化。第9A圖和第9B圖分別顯示該玻璃平板之後表面在色散補償前後的干涉訊號。第10圖是執行快速掃描所得到的干涉訊號。第11A圖是在色散補償之前，在偵測器中得到之干涉訊號在時間域的示意圖。第11B圖是第11A圖之時間域干涉訊號在色散補償之後的示意圖。第12A圖和第12B圖分別是在玻璃平板堆疊中，第一表面和第二表面的表面形貌圖。第13圖是第12A圖和第12B圖之第一表面和第二表面之間的間隙厚度的三維圖示。

Claims

一種方法，包括：使用一低同調影像干涉儀系統，提供一待測樣品之一樣品干涉資料至一電子處理器，其中該待測樣品包括一堆疊中之複數層；使用該電子處理器，將該樣品干涉資料轉換至一頻率域；識別該樣品干涉資料在該頻率域中之一非線性相位變化，其中已識別之該非線性相位變化是一量測光束入射至該待測樣品後發生色散之結果；以及從該樣品干涉資料中，移除在該頻率域中之已識別之該非線性相位變化，藉此產生一補償後干涉資料。
如申請專利範圍第1項所述之方法，包括：引導該量測光束沿著一量測光束路徑，入射至該待測樣品；引導一參考光束沿著一參考光束路徑，入射至一參考面，其中該量測光束與該參考光束來自一共同光源產生之光，該光包含複數波長，其中該待測樣品對該等波長至少是部分透明的；在該參考光束與該量測光束分別入射至該該參考面與該待測樣品後，結合該參考光束與該量測光束，形成一輸出光束；引導該輸出光束至一偵測器陣列，該偵測器陣列包含複數偵測器元件；以及記錄來自該偵測器陣列之複數干涉訊號，該等干涉訊號之每一者對應於該待測樣品上之不同位置，該樣品干涉資料包含該等干涉訊號。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中識別該樣品干涉資料之該非線性相位變化的步驟，更包括：在該頻率域中，從該干涉資料之至少一子集合中，取得一平均相位變化；以及取得擬合該平均相位變化之一擬合函式，其中移除已識別之該非線性相位變化的步驟包括：在該頻率域中，從該樣品干涉資料中，移除該擬合函式。
如申請專利範圍第3項所述之方法，其中擬合該平均相位變化之該擬合函式具有二次形式。
如申請專利範圍第3項所述之方法，其中擬合該平均相位變化之該擬合函式為次冪大於兩次之多項式。
如申請專利範圍第2項所述之方法，包括：將該補償後干涉資料轉換回一時間域，其中在該時間域中之該補償後干涉資料包括複數補償後干涉訊號；以及使用該電子處理器，處理在該時域中之該補償後干涉資料，以決定與該待測樣品有關的資訊。
如申請專利範圍第6項所述之方法，其中處理在該時間域中之該補償後干涉資料，以決定與該待測樣品有關的資訊的步驟更包括：決定該待測樣品中之一第一界面與一第二界面之間的一距離。
如申請專利範圍第7項所述之方法，其中決定該待測樣品中之該第一界面與該第二界面之間的該距離的步驟更包括：對於該等補償後干涉訊號之每一者，識別對應於該待測樣品中之該第一界面的一第一強度峰值與對應於該待測樣品中之該第二界面的一第二強度峰值；以及對於該等複數補償後干涉訊號之每一者，求出已識別之該第一強度峰值出現的位置與已識別之該第二強度峰值出現的位置之間的一間隔。
如申請專利範圍第8項所述之方法，包括根據對於該等補償後干涉訊號之每一者求出之該間隔，決定該第一界面與該第二界面之間的平行度。
如申請專利範圍第6項所述之方法，其中處理在該時域中之該補償後干涉資料，以決定與該待測樣品有關的資訊的步驟更包括：決定該待測樣品中之一第一界面之平坦度。
如申請專利範圍第6項所述之方法，其中處理在該時域中之該補償後干涉資料，以決定與該待測樣品有關的資訊的步驟更包括：決定該待測樣品中一第一平板之厚度。
如申請專利範圍第6項所述之方法，其中處理在該時域中之該補償後干涉資料，以決定與該待測樣品有關的資訊的步驟更包括：決定該待測樣品中之一薄膜之厚度。
如申請專利範圍第6項所述之方法，其中在該待測樣品中有兩個平板被一間隙所分隔，且其中處理在該時域中之該補償後干涉資料，以決定與該待測樣品有關的資訊的步驟更包括：決定該等兩個平板之間的該間隙的厚度。
如申請專利範圍第13項所述之方法，更包括產生該間隙之一三維形貌圖。
如申請專利範圍第13項所述之方法，更包括決定該間隙之一平均厚度。
如申請專利範圍第2項所述之方法，包括：執行該堆疊之一初始掃描，以識別與該堆疊中之至少一候選界面位置有關的資訊；根據該待測樣品中與該至少一候選界面位置有關的該資訊，重新定位一干涉儀物鏡及/或該待測樣品，以將該堆疊的一第一界面定位在該量測光束的一焦平面附近；以及平移該干涉儀物鏡及/或該待測樣品，擷取該樣品干涉資料，使得該第一界面穿過該焦平面。
如申請專利範圍第16項所述之方法，其中執行該初始掃描的步驟包括：將該干涉儀物鏡及/或該待測樣品相對平移；在將該干涉儀物鏡及/或該待測樣品相對平移的期間，記錄來自該偵測器陣列之該等干涉訊號，該等干涉訊號之每一者對應於該待測樣品上的不同位置，並且被以一干涉條紋頻率(interference fringe frequency)之次奈奎斯特頻率(sub-Nyquist frequency)進行取樣；以及根據該等干涉訊號，決定該至少一候選界面位置。
如申請專利範圍第16項所述之方法，執行該初始掃描的步驟包括：將該待測樣品定位在相對於該干涉儀物鏡的一第一位置；執行該干涉儀物鏡及/或該待測樣品相對於彼此的一第一次平移；在該第一次平移期間，記錄來自該偵測器陣列之複數第一干涉訊號；將該待測樣品定位在相對於該干涉儀物鏡的一第二位置；執行該干涉儀物鏡及/或該待測樣品相對於彼此的一第二次平移；在該第二次平移期間，記錄來自該偵測器陣列之複數第二干涉訊號；以及根據該等第一干涉訊號與該等第二干涉訊號，決定該至少一候選界面位置。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中在該堆疊中之該等層中至少有一者為一玻璃平板。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該堆疊包括一第一平板，以及在該第一平板上一第一表面上形成的一介電膜。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該堆疊包括一第一平板，以及在該第一平板上一第一表面上形成的一第一繞射光柵。
如申請專利範圍第21項所述之方法，其中該第一繞射光柵為一光學耦合器，該光學耦合器用於將光耦合進入該第一平板、耦合離開該第一平板，或耦合進入及離開該第一平板。
如申請專利範圍第21項所述之方法，其中該堆疊包括在該第一平板上一第二表面上形成的一第二繞射光柵。
如申請專利範圍第23項所述之方法，其中該第二繞射光柵為一光學耦合器，該光學耦合器用於將光耦合進入該第一平板、耦合離開該第一平板，或耦合進入及離開該第一平板。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該共同光源為一白光光源。
如申請專利範圍第2項所述之方法，其中使用該低同調影像干涉儀系統取得一之波數範圍，該樣品干涉資料之該非線性相位變化是在該波數範圍內被識別的。
一種系統，包括：一低同調光源，用以發射具有複數波長之光；一干涉儀物鏡，用以接收來自該低同調光源之光，引導一部分的光作為一參考光束而沿著一參考光束路徑至一參考面，引導另一部分的光作為一量測光束而沿著一量測光束路徑至一待測樣品，且在該參考光束與該量測光束分別從該參考面與該待測樣品反射之後，將該參考光束與該量測光束結合為一輸出光束；一偵測器陣列，用以接收來自該干涉儀務鏡之該輸出光束，並產生一樣品干涉資料，該樣品干涉資料包括與該待測樣品有關之資訊，該樣品干涉資料包括複數干涉訊號，該等干涉訊號之每一者對應於該待測樣品上的不同位置；一電子處理器，該電子處理器與該偵測器陣列彼此通訊，該電子處理器用以將該樣品干涉資料轉換至一頻率域，其中該電子處理器更用以識別該樣品干涉資料在該頻率域中之一非線性相位變化，其中該非線性相位變化是該量測光束入射至該待測樣品後發生色散之結果，並從該樣品干涉資料中，移除該非線性相位變化，藉此產生一補償後干涉資料。
如申請專利範圍第27項所述之系統，其中該電子處理器進一步用以：在該頻率域中，從該干涉資料之至少一子集合中，取得一平均相位變化；以及使用一擬合函式擬合該平均相位變化。
如申請專利範圍第28項所述之系統，其中該擬合函式具有二次形式。
如申請專利範圍第28項所述之系統，其中該擬合函式為次冪大於兩次之多項式。
如申請專利範圍第27項所述之系統，其中該電子處理器進一步用以：將該補償後干涉資料轉換回一時間域，其中在該時間域中之該補償後干涉資料包括複數補償後干涉訊號；以及處理在該時域中之該補償後干涉資料，以決定與該待測樣品有關的資訊。
如申請專利範圍第31項所述之系統，其中與該待測樣品有關的資訊包括該待測樣品中之一第一界面與一第二界面之間的一距離。
如申請專利範圍第32項所述之系統，其中處理在該時域中之該補償後干涉資料，以決定該待測樣品中之該第一界面與該第二界面之間的該距離包括：對於該等補償後干涉訊號之每一者，識別對應於該待測樣品中之該第一界面的一第一強度峰值與對應於該待測樣品中之該第二界面的一第二強度峰值；以及對於該等複數補償後干涉訊號之每一者，求出已識別之該第一強度峰值出現的位置與已識別之該第二強度峰值出現的位置之間的一間隔。
如申請專利範圍第31項所述之系統，其中與該待測樣品有關的資訊包括該待測樣品中之一第一界面之平坦度。
如申請專利範圍第31項所述之系統，其中與該待測樣品有關的資訊包括該待測樣品中一第一平板之厚度。
如申請專利範圍第31項所述之系統，其中在該待測樣品中有兩個平板被一間隙所分隔，且其中與該待測樣品有關的資訊包括該等兩個平板之間的該間隙的厚度。
如申請專利範圍第31項所述之系統，其中與該待測樣品有關的資訊包括該待測樣品中之一薄膜之厚度。
如申請專利範圍第27項所述之系統，其中該干涉儀物鏡包括一麥克生干涉儀(Michelson interferometer)物鏡。
如申請專利範圍第27項所述之系統，其中該干涉儀物鏡包括一Mirau干涉儀物鏡、一Linnik干涉儀物鏡，或一廣視野(wide field)物鏡。
如申請專利範圍第27項所述之系統，其中該低同調光源包括一白光光源。