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TWI405949B - 表面形狀之測定方法及使用該方法之裝置 - Google Patents

表面形狀之測定方法及使用該方法之裝置 Download PDF

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TWI405949B
TWI405949B TW096103487A TW96103487A TWI405949B TW I405949 B TWI405949 B TW I405949B TW 096103487 A TW096103487 A TW 096103487A TW 96103487 A TW96103487 A TW 96103487A TW I405949 B TWI405949 B TW I405949B
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Taiwan
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pixel
interference fringe
measurement target
phase
intensity value
Prior art date
Application number
TW096103487A
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English (en)
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TW200741175A (en
Inventor
Masashi Sugiyama
Hidemitsu Ogawa
Katsuichi Kitagawa
Kazuyoshi Suzuki
Original Assignee
Tokyo Inst Tech
Toray Eng Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Inst Tech, Toray Eng Co Ltd filed Critical Tokyo Inst Tech
Publication of TW200741175A publication Critical patent/TW200741175A/zh
Application granted granted Critical
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Description

表面形狀之測定方法及使用該方法之裝置
本發明係關於用以測定半導體晶圓、液晶面板、電漿顯示面板、磁性體薄膜等之具有平坦度的測定對象物之凹凸的表面形狀之測定方法及使用該方法之裝置，尤其是關於使用單色光並以非接觸方式來進行測定對象物之表面形狀之測定的技術。
以往，測定對象物面之表面形狀之測定方法，係依以下方法來進行。將自單色光源輸出之單色光，照射於相對於介由分光手段而被分光的光線的行進方向以任意角度之傾斜姿勢所配備的參考平面及測定對象面上，對自該測定對象面及該參考平面之雙方進行反射而返回相同光路之反射光所產生之干涉條紋進行一次拍攝。自藉由該拍攝所取得之影像資料，首先，以像素單位求取干涉條紋之強度值。換言之，利用以下求取強度值g(x)之計算演算法。
g(x)=a(x)+b(x)cos{2 π fx+(x)}
其中，a(x)係具有光之強度值g(x)之干涉條紋波形內所含之直流成分，b(x)係干涉條紋波形內所含之交流振幅，f係干涉條紋g(x)之空間頻率成分，(x)係對應於測定對象面之指定像素的相位。
求取相位(x)之方法係如專利文獻1所記載，例如，具有傅立葉變換法、空間相位同步法等。
換言之，當求得各像素之相位時，將各像素之相位代 入於每像素計算測定對象面之表面高度的計算數式z(x)=[(x)/4 π]λ+z0 。然後，自該些表面高度z(x)的資料來特定表面之形狀。又，z0 係相同試樣表面之基準高度。
[專利文獻1]
精密工學會誌Vol.64,No.9第1290-1291頁(1998)
然而，在先前方法中具有如下的問題。
首先，在實施如低通濾波處理之全範圍的濾波處理之情況，其高度方向之空間分解能降低，而在測定對象面之陡峻部位，其邊緣部分變軟。即，具有無法正確求得測定對象面之凹凸部分的表面高度的問題。
另外，在實施如傅立葉變換、低通濾波處理之全範圍的濾波處理之情況，需要利用複雜之運算處理，所以具有計算負荷高且處理時間長之問題。
本發明係鑒於上述背景而提出並完成者，其主要目的在於，提供一種可高速且精度良好地測定測定對象物之表面的凹凸高低差之表面形狀之測定方法及使用該方法之裝置。
本發明係依以下構成來達成上述目的。
亦即，第一發明，係介由分光手段將自單色光源輸出之單色光照射於測定對象面及參考平面，並根據自測定對象面及參考平面之雙方進行反射而返回相同光路之反射光所產生之干涉條紋的強度值，求取測定對象面之表面高度及表面形狀之測定方法，其特徵為具備： 第1步驟，係取得在將該參考平面配置成相對於光之行進方向傾斜任意角度之傾斜姿勢的狀態下所產生的干涉條紋的影像；第2步驟，係求取在所取得之該影像中的各像素之干涉條紋的強度值；第3步驟，係利用求取干涉條紋波形之表達式，針對每個該像素，利用各像素之強度值及其附近之複數個像素的強度值，並假定該些像素中之干涉條紋波形之直流成分、交流振幅及相位相等，求取各像素之相位；第4步驟，係自所求得之該各像素的相位來求取所拍攝之測定對象面的表面高度；及第5步驟，係自所求得之該測定對象面的表面高度來求取表面形狀。
根據該測定方法，藉由以相對於光之行進方向傾斜任意角度之傾斜姿勢配備參考平面，而藉由自測定對象面及參考平面返回相同光路之反射光來產生干涉條紋。由像素單位來求取該干涉條紋之強度值，並利用求取干涉波形之表達式而對於每一像素，利用各像素之強度值及該每像素附近之像素之強度值，並假定含於各像素中之干涉條紋波形之直流成分、交流振幅及相位相等，求取各像素之相位。此時，可取消各像素中之直流成分、交流振幅，而無需實施除去空間頻率成分用之低通濾波處理。藉此可回避因低通濾波處理之影響所產生的空間分解能之降低，可正確地求取測定對象面之陡峻部位的邊緣部分。另外，因為無需 利用如傅立葉變換、逆變換、濾波處理之複雜的運算處理，所以，可減輕計算負荷，可縮短處理時間。即，可提高作業效率。
又，在上述發明之測定方法中，係在像素之附近使各像素之強度值g(x)滿足干涉條紋波形之表達式g(x)=a+bcos{2 π fx+(x)}而求取該相位為較佳。
根據該測定方法，藉由在像素之附近使各像素之強度值g(x)滿足干涉條紋波形之表達式的g(x)=a+bcos{2 π fx+(x)}，可容易求得各像素之相位。即，利用簡單之運算式，可較佳地實施該第1發明。
另外，在該表達式之調整中，以該干涉條紋波形之空間頻率成分成為預先決定之值的方式進行設定或推定，求取所求相位之sin成分及cos成分的符號，並自此兩成分之符號資訊的組合，特定該表達式之(x)的範圍。另外，在該構成中，調整自單色光源輸出之單色光的波長，而將干涉條紋波形之空間頻率成分設定成預先決定之值，運算手段更具備判定所求取之相位的sin成分及cos成分的符號的符號判定部，且自藉由該符號判定部所求取之兩成分之符號資訊的組合，來特定該表達式之(x)的範圍。例如，藉由表達式=arctan{S/C}+2n π(n=正整數)來求取。其中S=bsin，C=bcos。
藉由使用該表達式，可利用該像素周圍之複數個像素、即N個像素來求取測定對象之像素的光線強度值。其結果，可提高測定精度。
另外，根據該測定方法，例如在第1步驟中，亦可使測定對象物移動，同時以與該測定對象物之移動速度同步的指定取樣時間間隔來取得測定對象面之影像。
根據該測定方法，可使單色光掃描於單一之測定對象物之表面而連續地求取其表面高度及表面形狀。另外，可將複數個測定對象物載置於輸送路徑或可動台上一面進行輸送或移動，一面對於複數個測定對象物整體連續地求取其高度及表面形狀。
另外，本發明係依以下構成來達成上述目的。
亦即，一種表面形狀測定裝置，係介由分光手段將自單色光源輸出之單色光照射於測定對象面及參考平面，並根據自測定對象面及參考平面之雙方進行反射而藉由返回相同光路之反射光所產生之干涉條紋的強度值，求取測定對象面之表面高度及表面形狀之表面形狀測定裝置，其特徵為具備：將該參考平面配備成相對於光之行進方向傾斜任意角度之傾斜姿勢；並具備：攝影手段，係藉由該單色光照射並自測定對象面及參考平面反射而返回相同光路之反射光而產生干涉條紋，藉以拍攝測定對象面；取樣手段，係將所拍攝之該測定對象面於每像素作為干涉條紋的強度值來取得；記憶手段，係記憶屬藉由該取樣手段所取入之該強度 值的干涉條紋強度值群；及運算手段，係自記憶於該記憶手段內之強度值群依每像素讀出強度值，利用各像素之強度值及每像素附近之像素的強度值，並假定各像素中所包含之干涉條紋波形之直流成分、交流振幅及相位相等，同時利用用於求取干涉條紋波形之表達式，求取各像素之相位，自求得之該各像素的相位來求取所拍攝之測定對象面的表面高度，再自此求得之該測定對象面的表面高度來求取表面形狀。
根據該構成，攝影手段係藉由照射單色光並自測定對象面及參考平面反射而返回相同光路之反射光產生干涉條紋，以拍攝測定對象面。取樣手段係於每像素將所拍攝之該測定對象面取入而作為干涉條紋的強度值。記憶手段係記憶屬藉由該取樣手段所取入之該強度值的干涉條紋強度值群。運算手段係自該記憶手段內記憶之強度值群依每像素讀出強度值，利用各像素之強度值及每像素附近之像素的強度值，並假定含於各像素中之干涉條紋波形之直流成分、交流振幅及相位相等，同時利用求取干涉條紋波形之表達式以求取各像素之相位，自求得之該各像素的相位來求取所拍攝之測定對象面的表面高度，再自該求得之該測定對象面的表面高度來求取表面形狀。
換言之，藉由聯立比較各像素，可消除各像素中之干涉條紋之直流成分及交流振幅。其結果，而無需實施除去空間頻率成分用之低通濾波處理。即，可較佳地實現該第1發明。
又，在該測定裝置中，以該運算手段，係使各像素之強度值g(x)在像素之附近滿足干涉條紋波形之表達式g(x)=a+bcos{2 π fx+(x)}而求取為較佳。
根據該構成，藉由在像素之附近使各像素之強度值g(x)滿足干涉條紋波形之表達式的g(x)=a+bcos{2 π fx+(x)}，可容易求得各像素之相位。即，可較佳地實現上述測定方法。
另外，在該構成中，調整自單色光源輸出之單色光的波長，而將干涉條紋波形之空間頻率成分設定成預先決定之值，運算手段更具備判定所求取之相位的sin成分及cos成分的符號的符號判定部，且自藉由此符號判定部所求取之兩成分之符號資訊的組合，特定該表達式之(x)的範圍。例如，藉由表達式=arctan{S/C}+2n π(n=正整數)來求取。其中S=bsin，C=bcos。
根據該構成，可利用該像素周圍之複數個像素、即N個像素來求取測定對象之像素的光線強度值。其結果，可提高測定精度。
另外，自單色光源輸出之單色光的波長，係亦構成為可任意調節。
根據本發明之表面形狀之測定方法及使用該方法之裝置，藉由自任意角度之傾斜姿勢的參考平面及略平坦之測定對象面而返回相同光路之反射光產生干涉條紋以求取每像素之強度值。並利用求取干涉波形之表達式、各像素之強度值及該每像素附近之像素之強度值，並假定含於各像 素中之干涉條紋波形之直流成分、交流振幅及相位相等，求取各像素之相位。因此，可取消各像素中之干涉條紋波形的直流成分及交流振幅。其結果，無需實施除去空間頻率成分用之低通濾波處理的濾波處理。另外，可回避因低通濾波處理之影響所產生的空間分解能之降低，可正確地求取測定對象面之陡峻部位的邊緣部分，進而可精度良好地求取測定對象面之凹凸高低差。因為無需利用如傅立葉變換、逆變換、濾波處理之複雜的運算處理，所以，可減輕計算負荷，可縮短處理時間。即，可提高作業效率。
以下，參照圖面說明本發明之實施例。又，在本實施例中，以利用干涉條紋來測定表面略平坦之測定對象物之表面高度及其表面形狀的表面形狀測定裝置為例進行說明。
第1圖為本發明之實施例的表面形狀測定裝置之概略構成示意圖。
該表面形狀測定裝置表面形狀測定裝置具備：將特定波長條紋域之單色光照射於在半導體晶圓、玻璃基板、金屬膜等之表面具有微細凹凸高低差之略平坦之測定對象物30的光學系單元1、及控制光學系單元1之控制系單元2。
光學系單元1具備：屬產生照射於測定對象面30A及參考平面15之光用的光源的白色光源10；使來自白色光源10的白色光成為平行光之準直透鏡11；僅使特定頻帶之單色光通過的帶通濾波器12；使通過帶通濾波器12之光線朝 測定對象物30之方向反射，另一方面使來自測定對象物30之方向的光線通過的半反射鏡13；用以對由半反射鏡13所反射之單色光進行聚光的物鏡14；將通過物鏡14之單色光，分光成朝參考平面15照射之參照光、通過測定對象面30A之測定光，並再度聚光成由參考平面15所反射之參照光及由測定對象面30A所反射之測定光，以產生干涉條紋的分光器17；使參照光及測定光所聚合而成之單色光成像之成像透鏡18；及拍攝干涉條紋並同時拍攝測定對象面30A之CCD相機19。又，CCD相機19相當於本發明之攝影手段。
白色光源10係由例如鹵素燈等所構成，用以產生較寬頻帶之白色光。自該白色光源10所產生的白色光，係藉由準直透鏡11而形成平行光，並藉由通過帶通濾波器12而成為特定頻帶之單色光，並射向半反射鏡13。
半反射鏡13係使來自準直透鏡11之平行光朝測定對象物30之方向反射，另一方面使自測定對象物30之方向返回的光線通過。由該半反射鏡13所反射之特定頻帶之單色光，係射入物鏡14。
物鏡14係將射入之光線朝向焦點P進行聚光。藉該物鏡14所聚光之光線，到達分光器17。
分光器17係將由物鏡14所聚光之光線，分光成由參考平面15所反射之參照光及由測定對象面30A所反射之測定光。另外，藉由再度聚光成由各面反射而返回相同光路之參照光及測定光，以產生干涉條紋。到達分光器17之光 線，係被分光成在分光器17之面反射的參照光及通過分光器17之測定光，該參照光到達參考平面15，而該測定光到達測定對象面30A。
參考平面15係相對於參照光之行進方向，以前後傾斜姿勢所安裝。藉由該參考平面15所反射之參照光到達分光器17，並且，該參照光再由分光器17所反射。
藉由相對於參照光之行進方向，以前後傾斜姿勢來安裝參考平面15，以使參照光之到達距離及反射光到達CCD相機19的距離，根據該反射面之位置而變化。這是與移動參考平面15，以使參考平面15與分光器17之間的距離L1 變動等效。
通過分光器17之測定光係朝向焦點進行聚光，而在測定對象面30A被反射。該反射之測定光，係到達分光器17，並通過該分光器17。
在分光器17，參照光及測定光再度聚合。此時，藉由參考平面15與分光器17之間的距離L1 、分光器17與測定對象面30A之間的距離L2 的差異產生光路差。因應於該光路差，參照光及測定光進行干涉。產生該干涉之狀態的光線，係通過半反射鏡13，而由成像透鏡18所成像，並射入CCD相機19。
CCD相機19係用以拍攝藉由測定光所映出之測定對象面30A之影像。此時，藉由參考平面15之傾斜，可在所拍攝之測定對象面30A之影像上拍攝到因干涉而在亮度空間上變動的干涉條紋。該拍攝之影像資料係由控制系單元2 所收集。另外，在後述中可知，藉由控制系單元2之驅動部24，係可朝所需拍攝部位以使光學系單元1於第1圖中之x,y,z軸方向移動。另外，藉由CCD相機19而以指定之取樣時序來拍攝測定對象面30A之影像，該影像資料係由控制系單元2所收集。
控制系單元2係由電腦系統所構成，該電腦具備：進行表面形狀測定裝置整體之統合性控制、或指定運算處理用的CPU20；用以記憶藉由CPU20而逐一收集之影像資料、在CPU20之運算結果等之資料或程式的記憶體21；輸入取樣時序、拍攝區域等之其他設定資訊的滑鼠或鍵盤等之輸入部22；用以顯示測定對象面30A之影像等的顯示部23；及根據CPU20之指示來驅動光學系單元1而於上下左右方向移動，例如、係由3軸驅動型之伺服馬達等之驅動機構構成的驅動部24。又，CPU20相當於本發明之運算手段，記憶體21相當於本發明之記憶手段。
CPU20係所謂之中央運算處理裝置，其具備相位計算部25、影像資料製作部27，係用以控制CCD相機19、記憶體21及驅動部24，同時根據包含由CCD相機19所拍攝之干涉條紋在內的測定對象面30A之影像資料，進行求取測定對象物30之表面高度的運算處理。有關該CPU20中之相位計算部25、影像資料製作部27的處理，則容待後續詳加說明。並且，在CPU20上連接有顯示器23及鍵盤、滑鼠等之輸入部22，操作者係一面觀察顯示於顯示器23上之操作畫面，一面自輸入部22輸入各種之設定資訊。另外，顯 示器23係將測定對象面30A之表面影像、凹凸形狀等作為數值或影像加以顯示。
驅動部24係朝所需拍攝部位以使光學系單元1於第1圖中之x,y,z軸方向移動之裝置。該驅動部24係例如由具備3軸驅動型之伺服馬達等之驅動機構所構成，其係根據CPU20之指示而於x,y,z軸方向驅動光學系單元1。又，在本實施例中，雖使光學系單元1作動，但例如、亦可使載置有測定對象物30之未圖示的作業台於正交之3軸方向變動。另外，移動軸可為2軸以下，亦可不存在。
以下，根據第2圖所示之流程，說明本實施例之特徵部分的在整個表面形狀測定裝置所進行之處理。
又，在本實施例中，係以第1圖所示使參考平面15傾斜的情況為例進行說明。在該情況時，拍攝影像係如第3圖所示。
<步驟S1>取得測定資料
CPU20驅動未圖示之步進馬達等的驅動系統而藉由驅動部24以使光學系單元1移動於測定對象物30之拍攝區域。當決定了拍攝位置時，光學系單元1自白色光源10產生白色光。該白色光介由帶通濾波器12被形成單色光(例如、波長λ=600nm)而照射於測定對象物30及參考平面15。
CCD相機19與該單色光之照射連動進行動作，例如進行一次具有第1圖所示之凸部30B的測定對象面30A的拍攝。並收集藉由該拍攝所取得之測定對象面30A之干涉條紋的影像資料，記憶於記憶體21內。即，在記憶體21內 記憶有藉由傾斜姿勢之參考平面15上的反射光、及由測定對象面30A反射而返回之反射光所產生的干涉條紋的影像資料。此時，在參考平面15反射之光線的傳播距離(L1 之2倍)，係在參考平面15之反射位置規則性地進行變動。因此，在測定對象面30A之高度平坦的部分，在測定對象面30A反射而返回之反射光的傳播距離(L2 之2倍)，則無測定部位之變動，所以，藉由CCD相機19所拍攝之影像的干涉條紋，係響應參考平面15之傾斜方向及角度而空間性且規則性地出現於攝影面內。該干涉條紋係在每次於參考平面15反射之光線的傳播距離(L1 之2倍)與在測定對象面30A反射而返回之反射光的傳播距離(L2 之2倍)的差成為λ/2=300nm時，出現一個周期。
另一方面，如第1圖所示，在測定對象面30A之高度變動的部位，則出現干涉條紋產生錯位之不規則的條紋圖案。
又，該過程相當於本發明之第1步驟。
<步驟S2>取得干涉光強度值群
CPU20係自影像資料中取入拍攝後記憶於記憶體21內之各像素的強度值、即測定對象面30A之干涉光的強度值。此時，如第4圖所示，在測定對象面30A及凸部30B之高度變動的部位，出現干涉條紋之空間相位產生錯位(例如在第4圖之本實施例中X軸方向)之不規則圖案。
又，該過程相當於本發明之第2步驟。
<步驟S3>計算像素單位之相位
CPU20之相位運算部25，係使用該像素及該像素附近之像素(本實施例中，為鄰近於x軸方向的像素)之各干涉條紋的光強度值，利用預先決定之計算數式，求取測定對象面30A之算出對象之像素的相位。具體而言，算出對象之像素及該像素附近之像素之干涉條紋的光強度值，代入(滿足)求取干涉條紋波形之表達式，藉以求取相位。
首先，算出對象之像素的干涉條紋的光強度值，係如下式(1)所記載。
其中，x係算出對象之像素的位置座標，a(x)係含於干涉條紋波形內之直流成分，b(x)係含於干涉條紋波形內之交流成分(係振動成分之振幅，以下，適宜稱為「交流振幅」)，f係干涉條紋g(x)之空間頻率成分，(x)係在對應於測定對象面30A之指定像素的相位所應算出者。又，算出對象之像素的位置座標係以(x,y)之二維所表示，但在本實施例中，為簡化說明而省略y座標進行記載。
其次，有關相鄰之像素，係於x軸方向自算出對象之像素偏離微小距離△x，所以，該干涉條紋之光強度值係如下式(2)所表示。
在此，在本實施例中，因為算出對象之像素與相鄰之像素之間距係微小距離，所以，假定橫跨於各像素之干涉條紋內所含之直流成分、交流振幅及相位相等，並利用下式(3)~(5)之關係式。
a(x)=a(x+△x)=a．．．(3)
b(x)=b(x+△x)=b．．．(4)
其中，a,b,係常數。
藉由如上述(3)~(5)式般進行假定，式(1)及式(2)可如以下之式(1a)及式(2a)重新代換。
其次，將式(1a)及式(2a)變形，製成下式(6),(7)。
其次，藉由加法定理將式(6)及式(7)變形為下式(8),(9)。
其次，由矩陣(10)表示該些數式(8),(9)。
又，A係表示如下。
其中，藉由自矩陣(10)之左邊乘以A之逆矩陣進行展開而求取下式(11),(12)。
利用該些式(11),(12)，可獲得下式(13)。又，在此設該bsin及bcos之各個為bsin=S及bcos=C，更設tan=S/C。
又，n’係整數。
其中，CPU20更具備符號判定部26，該符號判定部26係參照sin及cos之符號資訊。當使用該符號資訊時，可自sin及cos之符號的組合，將之存在範圍從π擴張至2π。第5圖係如式(13)所示，參照sin與cos之符號資訊而用以特定之範圍的具體示意圖。因此，若使用sin與cos之符號資訊，式(13)即可由式(14)所表示。
又，n係整數。
藉此，若G(x)與干涉條紋波形之空間頻率f係已知的話，即可藉由式(14)求取相位。G(x)係由畫素之亮度資訊g(x)及g(x+△x)與干涉條紋波形之直流成分a所構成，所以，其結果，若g(x)及g(x+△x)、干涉條紋波形之直流成分a、干涉條紋波形之空間頻率f係已知的話，即可藉由式(14)求取。
g(x)及g(x+△x)係可作為CCD相機19之像素的亮度資訊。
a例如係可由設定由CCD相機19所觀察之全像素的亮度平均值的方法、設定相位算出對象像素之附近像素的平均值的方法、或預先測定反射率之方法等求取。
f例如係由從參考平面15之設置角度來求取的方法、從作為預測定對象物而觀察平坦面之情況的干涉條紋波形的畫面內之干涉條紋根數來求取之方法等而可求取。
又，該過程相當於本發明之第3步驟。
<步驟S4>計算像素單位之表面高度
CPU20係將自該式(14)所計算出之算出對象的像素的相位(x)代入下式(15)中以求取高度z(x)。
其中，z0 係測定對象物30之基準高度。
又，該過程相當於本發明之第4步驟。
<步驟S5>有關全像素，計算結束？
CPU20係針對所有之像素，迄至相位及高度之計算結束止，重複進行步驟S3~S4的處理，藉以求取相位及表面高度。
<步驟S6>表面形狀之顯示
CPU20之影像資料製作部27，係自計算出之表面高度的資訊來製成測定對象面30A之顯示影像。然後，CPU20係根據藉由該影像資料製作部27所製成的資訊，如第6圖所示，於顯示器23上顯示測定對象物30之表面高度的資訊，或顯示根據該些各特定部位之高度的資訊之3維或2維的影像。操作者係利用觀察該些顯示，可把握測定對象面30A之表面的凹凸形狀。以上，結束測定對象面30A之表面形狀的測定處理。
又，該過程相當於本發明之第5步驟。
如上述，在從CCD相機19所拍攝之影像資料計算每像素之干涉條紋的光的強度值及其附近之複數個像素的強度值的過程，含於各像素中之干涉條紋波形之直流成分a(x)、交流振幅b(x)及相位(x)之各個，係藉由就每像素假定為相等而進行聯立比較，便可消除各像素中之干涉條紋之直流成分及交流振幅。
因此，在習知方法中，因為在對測定對象物30之表面進行測定的情況，係施以低通濾波處理，所以如第7圖所示，凸部30B之邊緣部分柔化，相對於此，在本實施例之情況，因為不利用低通濾波處理，可對測定對象物30之表面高度進行測定，所以，如第6圖所示，可精度良好地求取測定對象面30A之陡峻邊緣部分(X軸像素編號200附近及340附近)的表面高度，其結果可精度良好地測定該測定對象面30A之表面形狀。
另外，因為不需要利用如傅立葉變換、逆變換、濾波處理之複雜之運算處理，所以，可減輕計算負荷，可縮短處理時間。即，藉由在像素之附近使各像素之強度值g(x)滿足干涉條紋波形之表達式的g(x)=a(x)+b(x)cos{2 π fx+(x)}，可容易求取各像素之相位，所以，可成為簡單之運算式，而縮短運算處理，可提高作業效率。
本發明不限於該實施例，亦可依如下實施變形。
(1)在該實施例中，雖利用鄰接於算出對象之像素的一個像素的干涉光的強度值來求取測定對象面30A之高度，但亦可利用算出對象之像素附近的2個像素，而從合計之 3個像素來求取測定對象面30A之高度。
在該情況時，解開3維之聯立方程式，即可求取3個未知變數。藉此，與利用鄰接於算出對象之像素的一個像素的干涉光的強度值來求取時比較，可追加干涉條紋波形之直流成分a、干涉條紋波形之空間頻率f之任一方作為未知變數。
若舉以其他之方法來推定f，且追加a作為未知變數的例子的話，利用算出對象之像素x+△x1 及鄰近像素x+△x2 ,x+△x3 之合計3個像素的干涉光的強度值，該指定像素之高度係如下式(16)所求取。
其中，g1 =g(x+△x1 ),g2 =g(x+△x2 ),g3 =g(x+△x3 )。
藉由以上之運算處理，可精度良好地求取測定對象面30A之指定像素的表面高度。
另外，在本發明中，亦可利用4個以上之複數個相鄰之像素來求取測定對象面30A之高度。在該情況時，因為以多數像素之強度值的資訊為基礎來求取(x)，所以，具有可減小對於拍攝時之亮度雜訊或計算時之量子化誤差之測定值的影響的特色。
即，在該實施例裝置中，CPU20之相位計算部25，係利用為了求取像素x與該像素x附近之複數個(N個)像素x+△xi (i=1,2,3,…,N)(在本實施例中，存在於x軸方向之複 數個像素)的各個的干涉條紋之光強度值而預先決定之計算數式，來求取所欲求得之測定對象面30A之像素x中的相位。具體而言，藉由下式(17)來求取算出對象之像素x中的干涉條紋的光強度值。
該情況係與上述實施例相同，假定該些像素中之干涉條紋波形之直流成分、交流振幅及相位相等，並應用上述式(3)~(5)之關係式。在本實施例之情況，成為下式(18)~(20)。
a(xi )=a(x+△xi )=a．．．(18)
b(xi )=b(x+△xi )=b．．．(19)
藉由如該式(18)~(20)進行假定，可將式(17)表示為下式(21)。
從該些N元之聯立方程式，利用滿足干涉條紋波形之直流成分a、交流振幅b、空間頻率f、及相位之推定來求取。在此，干涉條紋波形之直流成分a、及干涉條紋波形之空間頻率f，亦可與來自2像素或3像素之相位的計算時相同，以其他方法來求取。
在以下中，記載有以其他之方法來推定干涉條紋波形之空間頻率f，干涉條紋波形之直流成分a係依滿足之推定所求取之例子。
對於式(21)，以複數個像素之強度值(x+△xi )為基礎， 求取滿足以下之式(22)的(a,bcos,bsin)之組，而可從其中之(bcos,bsin)來求取。
在此，如以下之式(23)、式(24)、式(25)配置。
其次，滿足式(22)之α，可依下式(26)來求取。
α=(AT．A)-1 ．AT．G．．．(26)
然後，可自α之向量成分，使用下式(27)來求取相位。
可自該式(27)而與該實施例所示式(13),(14)相同求取。
如上述，對於算出對象之像素，即使利用該像素附近之複數個像素，仍可精度良好地求取該像素之高度。又，在該變形實際例中，雖利用處於X軸方向之複數個鄰近像 素，但針對其利用Y軸方向之像素等之利用像素並無特別的限定。
(2)在該實施例中，雖利用分布於X軸或Y軸方向之一軸之附近像素進行說明，但亦可利用分布於XY平面上之附近像素。在該情況時，對於算出對象之(x,y)座標上之像素，可將該像素附近之像素的座標作為{(xi ,yi )}(i=1,2,3,…N)予以解開。
(3)在該實施例中，雖在靜止狀態拍攝測定對象物30，但亦可構成為以指定速度使長尺寸的測定對象物或複數個測定對象物30移動，並與該移動速度同步一面以指定取樣時間拍攝測定對象面30A的畫像，藉以求取表面高度。
(4)在該實施例中，雖使用CCD相機19作為攝影部，但例如，若是鑒於僅拍攝(檢測)特定部位之干涉條紋的強度值，亦可藉由構成為一列或平面狀之受光元件等來構成攝影部。
(5)在該實施例中，雖求取一個測定對象物30之表面高度及表面形狀，但亦可構成如下。例如，可為一面在輸送路徑上連續地輸送複數個測定對象物30，或使整列配置於可動台上之複數個測定對象物30移動於X-Y平面上，一面針對所有之測定對象物30，求取其表面高度及表面形狀的構成。
(6)在該實施例中，雖預先決定自光源輸出之單色光的波長，但例如亦可選擇複數個帶通濾波器，而調整為任意之波長。
(7)在該實施例中，雖在預先保持測定對象物30之平行度的狀態，任意設定參考平面15之角度而進行測定，但亦可構成如下。例如，在測定對象物30之測定面側設置保持平坦度且高度為已知之基準區域，在設定參考平面15之角度後，預先測定該區域的高度，並測定此時之測定對象物30的傾斜。然後，亦可計算該求取之傾斜的修正量，並利用該結果進行修正。藉此，可推定干涉條紋波形之空間頻率成分。
(產業上之可利用性)
如上述，本發明係適合於高速且精度良好地測定處於測定對象物表面之凹凸高低差。
1‧‧‧光學系單元
2‧‧‧控制系單元
10‧‧‧白色光源
11‧‧‧準直透鏡
12‧‧‧帶通濾波器
13‧‧‧半反射鏡
14‧‧‧物鏡
15‧‧‧參考平面
17‧‧‧分光器
18‧‧‧成像透鏡
19‧‧‧CCD相機
20‧‧‧CPU
21‧‧‧記憶體
22‧‧‧輸入部
23‧‧‧顯示部
24‧‧‧驅動部
25‧‧‧相位計算部
26‧‧‧符號判定部
27‧‧‧影像資料製作部
30‧‧‧測定對象物
30A‧‧‧測定對象面
30B‧‧‧凸部
第1圖為本實施例之表面形狀測定裝置之概略構成示意圖。
第2圖為顯示表面形狀測定裝置之處理的流程圖。
第3圖為測定對象面之攝影影像資料的示意圖。
第4圖為攝影影像之X軸方向亮度變化之示意圖。
第5圖為利用sin與cos之符號資訊而可特定之範圍的示意圖。
第6圖為利用本實施例裝置來測定陡峻高低差之情況的測定結果的示意圖。
第7圖為利用習知裝置來測定陡峻高低差之情況的測定結果的示意圖。
1‧‧‧光學系單元
2‧‧‧控制系單元
10‧‧‧白色光源
11‧‧‧準直透鏡
12‧‧‧帶通濾波器
13‧‧‧半反射鏡
14‧‧‧物鏡
15‧‧‧參考平面
17‧‧‧分光器
18‧‧‧成像透鏡
19‧‧‧CCD相機
20‧‧‧CPU
21‧‧‧記憶體
22‧‧‧輸入部
23‧‧‧顯示部
24‧‧‧驅動部
25‧‧‧相位計算部
26‧‧‧符號判定部
27‧‧‧影像資料製作部
30‧‧‧測定對象物
30A‧‧‧測定對象面
30B‧‧‧凸部

Claims (8)

  1. 一種表面形狀之測定方法，係藉由分光手段將自單色光源輸出之單色光照射於測定對象面及參考平面，並根據由自測定對象面及參考平面之雙方進行反射而返回相同光路之反射光所產生之干涉條紋的強度值，求取測定對象面之表面高度及表面形狀之測定方法，其特徵為具備：第1步驟，係取得在將該參考平面配置成相對於光之行進方向傾斜任意角度之傾斜姿勢的狀態下所產生的干涉條紋的影像；第2步驟，係求取在所取得之該影像的各像素之干涉條紋的強度值；第3步驟，係利用求取干涉條紋波形之表達式，針對每個該像素，利用各像素之強度值及其附近之複數個像素的強度值，並假定該些像素中之干涉條紋波形之直流成分、交流振幅及相位相等，求取各像素之相位；第4步驟，係自所求得之該各像素的相位來求取所拍攝之測定對象面的表面高度；及第5步驟，係自所求得之該測定對象面的表面高度來求取表面形狀；該第3步驟的表達式為g(x)=a(x)+b(x)cos{2 π fx+(x)}，x為算出對象的像素之位置座標，a(x)為包含於干涉條紋波形之直流成分，b(x)為包含於干涉條紋波形之交 流成分，f為干涉條紋波形之空間頻率成分，(x)為應以對應於測定對象面的指定像素的相位算出者。
  2. 如申請專利範圍第1項之表面形狀之測定方法，其中以該干涉條紋波形之空間頻率成分成為預先決定之值的方式進行設定或推定，求取所求相位之sin 成分及cos成分的符號，並自此兩成分之符號資訊的組合，特定該表達式之(x)的範圍。
  3. 如申請專利範圍第2項之表面形狀之測定方法，其中該表達式之(x)表示如下：=arctan{S/C}+2n π(n=正整數)其中S=bsin，C=bcos。
  4. 如申請專利範圍第1項之表面形狀之測定方法，其中在該第1步驟中，使該測定對象物移動，同時以與此測定對象物之移動速度同步之指定取樣時間間隔來取得測定對象面的影像。
  5. 一種表面形狀測定裝置，係藉由分光手段將自單色光源輸出之單色光照射於測定對象面及參考平面，並根據由自測定對象面及參考平面之雙方進行反射而返回相同光路之反射光所產生之干涉條紋的強度值，求取測定對象面之表面高度及表面形狀之表面形狀測定裝置，其特徵為：將該參考平面配備成相對於光之行進方向傾斜任意角度之傾斜姿勢；該裝置具備： 攝影手段，係藉由該單色光照射並自測定對象面及參考平面反射而返回相同光路之反射光而產生干涉條紋，藉以拍攝測定對象面；取樣手段，係依每個像素將所拍攝之該測定對象面取入而作為干涉條紋的強度值；記憶手段，係記憶屬藉由該取樣手段所取入之該強度值的干涉條紋強度值群；及運算手段，係自記憶於該記憶手段內之強度值群依每個像素讀出強度值，利用各像素之強度值及每個像素附近之像素的強度值，並假定各像素中所包含之干涉條紋波形之直流成分、交流振幅及相位相等，同時利用用於求取干涉條紋波形之表達式，求取各像素之相位，自求得之該各像素的相位來求取所拍攝之測定對象面的表面高度，再自此求得之該測定對象面的表面高度來求取表面形狀；該表達式為g(x)=a(x)+b(x)cos{2 π fx+(x)}，x為算出對象的像素之位置座標，a(x)為包含於干涉條紋波形之直流成分，b(x)為包含於干涉條紋波形之交流成分，f為干涉條紋波形之空間頻率成分，(x)為應以對應於測定對象面的指定像素的相位算出者。
  6. 如申請專利範圍第5項之表面形狀測定裝置，其中預先決定自該單色光源輸出之單色光的波長，並以該干涉條紋波形之空間頻率成分成為預先決定之值的方式進行設定或推定， 該運算手段更具備判定所求相位之sin 成分及cos成分的符號之符號判定部，並且，從藉由此符號判定部所求得之兩成分之符號資訊的組合，特定該表達式之(x)的範圍。
  7. 如申請專利範圍第6項之表面形狀測定裝置，其中該表達式之(x)表示如下：=arctan{S/C}+2n π(n=正整數)其中S=bsin，C=bcos。
  8. 如申請專利範圍第6項之表面形狀測定裝置，其中自該單色光源輸出之單色光的波長，係構成為可任意調節。
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