CN103579037A - 利用数字光学技术的厚度检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用数字光学技术的厚度检测装置及其方法。本发明的利用数字光学技术的厚度检测装置及其方法，包括：光源，用于放射光线；光分束器，用于反射从光源放射的光线或者通过被检测对象反射的光线；透镜部，用于将被光分束器反射的光线汇聚到检测对象；反射型光路变换部，用于有选择地反射从光分束器透射的光线；分光器，用于分析从反射型光路变换部反射的光线以获取所述检测对象的厚度信息。因此根据本发明，提供一种利用光线的反射能够使光损失最小化，并且能够同时检测多个检测区域厚度的利用数字光学技术的厚度检测装置及其方法。

Description

利用数字光学技术的厚度检测装置及方法
技术区域
本发明涉及一种利用数字光学技术的厚度检测装置及其方法，更为详细地，涉及一种通过反射型光路变换部反射从光分束器透射的光线，从而使光损失最小化，并通过调节反射角可同时检测多处地点的厚度的利用数字光学技术的厚度检测装置及其方法。
背景技术
在半导体工艺及FPD工艺中决定产品质量的诸多因素中，薄膜层厚度的控制所占的比重较大，因此，在工艺中必须直接对此进行监测。“薄膜层”是指在基底层即在基板表面形成的具有极微细厚度的层，通常是指厚度为几nm～几μm的范围的层。为了将这一薄膜层应用于特定用途，有必要了解薄膜层的厚度、组成、粗糙度和其他物理光学性质。
特别是最近为了提高半导体元件的集成度，一般在基板上形成多层超薄膜层。为了开发这种高集成半导体元件，要正确控制对其特性影响较大的因素即包括薄膜层厚度的膜的物理性质。
以往的厚度检测装置具有使从光分束器透射的光线通过用于透射光线的LCD之后，入射到分光器的结构。
这种以往的发明由于光线透过LCD会出现光损失而导致无法获得对于检测对象厚度的正确信息的问题。
而且，要获得对于检测对象一部分的厚度信息时，还要对检测对象整体进行厚度分析，如果一个检测对象的各个检测区域的薄膜结构各不相同，则需要进行多次检测，会导致检测时间变长。
发明内容
本发明是鉴于上述问题提出的，其目的在于提供一种利用数字光学技术的厚度检测装置及其方法，该装置及方法利用光反射能够使光损失最小化。
而且，本发明的目的是提供一种利用数字光学技术的厚度检测装置及其方法，该装置及方法通过控制反射型光路变换部使从不同的多个检测区域入射的光线入射到不同的分光器，从而能够同时检测多个检测区域的厚度。
为了达到上述目的，本发明的利用数字光学技术的厚度检测装置包括：光源，用于放射光线；光分束器，用于反射从光源放射的光线或者透射被检测对象反射的光线；透镜部，用于将被光分束器反射的光线汇聚到检测对象；反射型光路变换部，用于有选择地反射从光分束器透射的光线；和分光器，用于分析从反射型光路变换部反射的光线以获取所述检测对象的厚度信息。
在此优选地，分光器配设为多个，反射型光路变换部用各个分光器反射从检测对象的不同的多个个检测区域反射的光线。
而且，还可以进一步包括显示部，用于以从光分束器透射的光线为基准显示检测对象的影像。
在此，显示部优选接收从光路变换部反射的光线以显示所述检测对象的影像。
而且，可进一步包括辅助光分束器，其配置在光分束器与反射型光路变换部之间的光路上，用于反射或者透射从光分束器透射的光线。显示部可以接收从光分匹配器透射的光线并显示检测对象的影像。
在此，可进一步包括吸光部，用于吸收并除掉从反射型光路变换部向分光器反射的光线以外的光线。
而且，为了达到上述目的，本发明提供一种厚度检测方法，其利用第三项方式所述的利用数字光学技术的厚度检测装置，包括：存储步骤，用于存储检测对象的图像；匹配步骤，用于比较图像存储步骤中存储的图像和显示在所述显示部上的影像，以判断检测区域是否显示于显示部；反射角调节步骤，用于调节反射型光路变换部的反射角，以使从不同的多个检测区域反射的光线分别反射到多个分光器；和厚度检测步骤，用于以从分光器获得的光线为基础，测量所述检测对象的厚度。
而且，匹配步骤可反复进行到检测区域全部显示在显示部，并包括：对中步骤，当仅有检测区域的一部分显示于显示部时，使检测对象移动以使检测区域全部显示于显示在显示部的影像中，之后再进行匹配步骤；和搜索步骤，当检测区域未被显示于显示部时，使检测对象沿着螺旋方向移动至在显示部显示检测区域的部分或者全部为止，之后再进行匹配步骤。
在此，厚度检测步骤可包括：反射度检测步骤，根据从分光器获得的光线的光谱检测光线的反射度；反射度比较步骤，比较所测到的反射度和用理论模型配设的反射度，以搜索最类似模型；和厚度输出步骤，输出相当于反射度比较步骤中搜索到的模型的厚度值。
根据本发明，提供一种利用光的反射使光损失最小化，从而能够提高检测效率的利用数字光学技术的厚度检测装置及其方法。
而且，控制反射型光路变换部的极小镜子使在各不相同的检测区域反射的光线入射到各个分光器，由此即使检测区域的薄膜结构不同也能同时检测检测区域的厚度。
而且，通过显示部能够用视觉确认从厚度检测装置测到的检测对象的影像。
而且，通过吸光部能够吸收并除掉从反射型光路变换部向分光器反射的光线以外的光线。
而且，当检测范围内不存在全部检测区域时，可通过改变透镜部或者检测对象的位置，使得自动包含全部检测区域，从而提高检测效率。
附图说明
图1是示意地表示本发明的第一实施例的利用数字光学技术的厚度检测装置的示意图。
图2是示意地表示图1所示的利用数字光学技术的厚度检测装置中变更反射型光路变换部的反射角的示意图。
图3是示意地表示图1所示的利用数字光学技术的厚度检测装置中变更反射型光路变换部的部分区域的反射角并检测薄膜结构不同的两个检测区域中的反射度的图，其中图3a是示意地表示在数字微镜中光线同时向三个装置反射的样子的示意图，图3b是示意地表示检测对象的样子的俯视图，图3c是示意地表示第一检测区域和第二检测区域的薄膜结构的剖视图，图3d是示意地表示在数字微镜中分别控制各区域反射度的仰视图，图3e是表示同时检测薄膜结构不同的两个区域之后的反射度曲线的图表。
图4是示意地表示本发明的第二实施例的利用数字光学技术的厚度检测装置的示意图。
图5是示意地表示本发明的第一实施例的利用数字光学技术的厚度检测方法的顺序图。
图6是示意地表示图5所示的利用数字光学技术的厚度检测方法中匹配步骤的顺序图。
图7是示意地表示图6所示的检测区域搜索步骤中搜索检测区域的方向的示意图。
附图标记说明
100：厚度检测装置
110：光源
120：光分束器
130：透镜部
140：反射型光路变换部
150：分光器
160：显示部
200：厚度检测装置
225：辅助光分束器
270：吸光部
S100：厚度检测方法
S110：图像储存步骤
S120：匹配步骤
S121：对中步骤
S122：检测区域搜索步骤
S130：反射角调节步骤
S140：厚度检测步骤
S141：反射度检测步骤
S142：反射度比较步骤
S143：厚度输出步骤
具体实施方式
在进行说明之前需要明确的是，在诸多实施例中，对于具有相同结构的结构要素使用相同的附图标记并在第一实施例中进行代表性的说明，在其他实施例中只说明不同于第一实施例的结构。
下面，参照附图详细说明本发明的第一实施例的利用数字光学技术的厚度检测装置及其方法。
图1是示意地表示本发明的第一实施例的利用数字光学技术的厚度检测装置的示意图。
如图1所示，本发明的第一实施例的利用数字光学技术的厚度检测装置包括光源110、光分束器120、透镜部130、反射型光路变换部140、分光器150和显示部160。
所述光源110是为了测量检测对象105的厚度而放射光线的，可使用包含卤素灯的各种光源的灯。而且还可以配设为白色光源，但并不限定于此。
所述光分束器120引导光路，以反射从光源110入射的光线使之入射到后述的透镜部130，或者透射从检测对象105反射的光线使之入射到后述的反射型光路变换部140。
所述透镜部130将从光分束器120反射的光线汇聚到检测对象105。透镜部130的具体结构是人们公知的技术，在此省略详细说明。
所述反射型光路变换部140反射从光分束器120透射的具有检测对象105的厚度信息的光线，并引导光路入射到后述的分光器150或者显示部160。在反射型光路变换部140出现反射的表面由能够分别控制的极小镜子构成，因此能够调节光线的反射角。根据本发明的第一实施例100，反射型光路变换部140由数字微镜元件（Digital Micromirror Device:DMD）构成，但并不限定于此。还可包含能够将光线反射成在不同的区域具有不同角度的所有装置。
图2是示意地表示图1所示的利用数字光学技术的厚度检测装置中变更反射型光路变换部的反射角的示意图。图3是示意地表示图1所示的利用数字光学技术的厚度检测装置中变更反射型光路变换部的部分区域的反射角并检测薄膜结构不同的两个检测区域中的反射度的图，其中（a）是示意地表示在数字微镜中光线同时向三个装置反射的样子的示意图，（b）是示意地表示检测对象的样子的俯视图，（c）是示意地表示第一检测区域和第二检测区域的薄膜结构的剖视图，（d）是示意地表示在数字微镜中分别控制各区域反射度的仰视图，（e）是表示同时测量薄膜结构不同的两个区域之后的反射度曲线的图表。
换句话说，可调节反射型光路变换部140的镜子的反射角全部相同，还可调节反射型光路变换部140的各个镜子都具有不同的反射角。特别是，调节成具有各不相同的反射角，以使即便在检测对象105上存在要检测的不同的多个区域，也能够调节对应于相应区域的反射型光路变换部140的镜子，使光线入射到各个分光器150。由此，即便在检测对象105上存在的多个不同区域的薄膜结构各不相同，也能够利用单独的分光器150分析在各个区域反射的光线，能够同时进行检测。
所述分光器150是用于检测从检测对象105反射的光线的光谱的装置。根据本发明的第一实施例100，包括第一分光器151和第二分光器152，但并不限定于此，而是根据使用者的需要也可配设三个以上。
如图3a所示，第一分光器151设置在光线从反射型光路变换部140形成100°的反射角而反射的光路上，第二分光器152设置在光线从反射型光路变换部140形成80°的反射角而反射的光路上。但并不限定于这一角度，只要各个分光器150设置在从反射型光路变换部140具有不同反射角的光路上即可。
例如，如图3b所示，如果同时测量检测对象105上存在的第一检测区域106和第二检测区域107，则如图3d所示，控制对应于第一检测区域106的反射型光路变换部140上的第一反射部141具有100°反射角，对应于第二检测区域107的第二反射部142具有80°反射角，从而使从第一检测区域106和第一反射部141反射的光线入射到第一分光器151，从第二检测区域107和第二反射部142反射的光线入射到第二分光器152。由此，如图3c所示，即便第一检测区域106与第二检测区域107的薄膜结构不同，由于如图3e所示，在第一分光器151与第二分光器152上能够同时检测光线的光谱，因此也能同时检测两个区域的厚度。
所述显示部160是拍摄检测对象105的形状并向外部提供影像的装置。由显示部160拍摄的区域与本发明的第一实施例100中要检测厚度的检测区域相同。在后述的匹配步骤S120中对拍摄到显示部160的区域和所储存的检测对象105的图像进行比较，以判断检测区域是否包含在本发明的第一实施例100的检测范围内。
以从光源110放射的光线的光路为准详细说明本发明的第一实施例100的配置如下：光线从光源110放射后，由光分束器120反射并通过透镜部130。通过透镜部130的光线入射到检测对象105之后被反射并透射光分束器120。从光分束器120透射的光线入射到反射型光路变换部140之后被反射而入射到分光器150或者显示部160。
另外，在光分束器120与反射型光路变换部140之间可设置有聚光镜，用于汇聚从光分束器120透射的光线并使之入射到反射型光路变换部140侧，但并不限定于此。
而且，在反射型光路变换部140与分光器150之间可设置有引导光路的光纤或者汇聚入射到各个分光器150的聚光镜，但并不限定于此。
下面，详细说明利用上述数字光学技术的厚度检测装置的第一实施例的运作方法S100。
图5是示意地表示本发明的第一实施例的利用数字光学技术的厚度检测方法的顺序图，图6是示意地表示图5所示的利用数字光学技术的厚度检测方法中的匹配步骤的顺序图，图7是示意地表示在图6所示的检测区域搜索步骤中搜索检测区域的方向的示意图。
如图5所示，本发明的第一实施例的利用数字光学技术的厚度测量方法S100包括图像储存步骤S110、匹配步骤S120、反射角调节步骤S130和厚度检测步骤S140，通过执行这些过程能够检测检测对象105的厚度。
所述图像储存步骤S110是为了识别检测区域而在进行厚度检测之前储存检测对象105的图像的步骤。即，用光学***拍摄检测对象105中包括检测区域的区域所获得的图像本身储存为标准模型，并在后述的匹配步骤S120中应用。
所述匹配步骤S120是比较图像储存步骤S110中储存的标准模型与拍摄到显示部160上的影像，以判断检测区域是否包含在本发明的第一实施例100的检测范围内的步骤。
如图6所示，匹配步骤S120优选反复进行到检测区域全部显示在显示部160上为止，在显示部160上只显示检测区域的一部分或者完全没有显示时则进行对中步骤（centering process）S121或者检测区域搜索步骤S122。
所述对中步骤S121是在显示部160上只显示检测区域的一部分时进行的步骤，是使检测对象105或者透镜部130的移位，使检测区域全部显示在显示部160上的步骤。
根据本发明的第一实施例100，在对中步骤S121中比较图像储存步骤S110中储存的标准模型与显示在显示部160上的影像，计算目前检测的位置，利用算出的位置值计算其与检测区域之间的位置差并使检测对象105或者透镜部130移动。
如图7所示，所述检测区域搜索步骤S122是在检测区域根本没有显示在显示部160时进行的步骤，是因为难以应用图像储存步骤S110中储存的标准模型才进行本步骤的。
检测区域搜索步骤S122是沿着螺旋方向使检测对象105或者透镜部130移位而搜索离显示在显示部的区域最接近的区域从而搜索检测区域的步骤。根据本发明的第一实施例100，如果在显示部160中没有显示检测区域，则沿着逆时针方向使检测对象105或者透镜部130移动而拍摄影像。
在此，反复进行至检测区域的全部或者一部分显示在显示部160，在全部显示时进行反射角调节步骤S130，在一部分显示时进行对中步骤S121。
另外，在检测区域为两个区域以上时也同样进行上述匹配步骤S120。如果多个检测区域全部都能包含在检测范围内，则进行匹配步骤S120直至多个检测区域全部包含在检测范围内。如果多个检测区域无法全部包含在检测范围内，则在每个检测区域分别进行匹配步骤S120。
如图2所示，所述反射角调节步骤S130调节反射型光路变换部140的反射角使从检测区域反射的光线反射到分光器150。即，如果反射型光路变换部140的反射角调节为100°则光线入射到第一分光器151，如果反射角调节为80°则光线入射到第二分光器152。
而且，如图3所示，检测区域为两个区域，同时用两个分光器150使光线入射时也是相同的。如上所述，反射型光路变换部140的反射面包括无数个极小镜子，各个镜子可分别进行控制。利用该镜子，如果第一反射部141的反射角调节为100°，第二反射部142的反射角调节为80°，则从第一检测区域106反射的光线入射到第一分光器151，从第二检测区域107反射的光线入射到第二分光器152。当然，当检测区域不仅是两个，在三个以上时也可通过进一步增加分光器150，并使反射型光路变换部140的部分反射角具有与第一反射面141和第二反射面的反射角不同的反射角，从而能够同时进行厚度检测。
所述厚度检测步骤S140是照射入射到分光器150的光线的光谱，并检测光的反射度且以此为基础测量检测对象105的厚度的步骤。根据本发明的第一实施例S100，厚度检测步骤S140包括反射度检测步骤S141、反射度比较步骤S142和厚度输出步骤S143。但是厚度检测步骤S140并不限定于上述步骤。
所述反射度检测步骤S141通过分析入射到分光器的光线的光谱，利用光线各个波长的光量数据计算检测区域的反射度。
所述反射度比较步骤S142通过比较反射度检测步骤S141中获得的检测区域的反射度与用理论建模获得的反射度，当相同或者没有相同模型时，搜索具有最类似反射度的模型的步骤。
所述厚度输出步骤S143是输出相当于反射度比较步骤S142中搜索到的模型的厚度的值的步骤。
本发明的第一实施例的厚度检测方法S100进行匹配步骤S120使检测区域包含在检测范围内，以提高厚度检测的准确度，尤其在使之自动化时更能够提高其效果。
而且，可调节包含在反射型光路变换部140的全部极小镜子的反射角或者只调节部分镜子的反射角，特别是，当只调节部分镜子的反射角时能够同时检测多个检测区域的厚度，因此能够缩短检测时间。
其次，详细说明本发明的第二实施例的利用数字光学技术的厚度检测装置及其方法。
图4是示意地表示本发明的第二实施例的利用数字光学技术的厚度检测装置的示意图。
如图4所示，本发明的第二实施例的利用数字光学技术的厚度检测装置200包括光源110、光分束器120、透镜部130、反射型光路变换部（Digital MicromirrorDevice，下称“反射型光路变换部”）140、分光器150、显示部160、辅助光分束器225和吸光部270。
所述辅助光分束器225设置在光分束器120与反射型光路变换部140之间的光路上，用于将从光分束器120透射的光线向显示部160侧反射，或者向反射型光路变换部140侧透射。
即，不同于第一实施例，设置有辅助光分束器225，不是将从反射型光路变换部140反射的光线向显示部160侧入射，而是通过辅助光分束器225将从光分束器透射的光线向显示部160反射。
所述显示部160设置成与第一实施例100的显示部160具有相同结构，但其位置不像第一实施例100那样配设在从反射型光路变换部140反射的光线入射的位置，而是配设在从辅助光分束器225反射的光线入射的位置上。通过这样的设置，显示部160不受反射型光路变换部140的反射角的影响，能够总显示对于检测范围的影像。
所述吸光部270是吸收并除掉从反射型光路变换部140反射到分光器150的光线之外的光线的装置。当反射型光路变换部140形成第一反射部141与第二反射部142并且用第一分光器151或者第二分光器152反射从第一检测区域106或者第二检测区域107反射的光线时，在反射型光路变换部140中除第一反射部141或者第二反射部142之外的面上反射的光线反射到吸光部并被除掉。
上述利用数字光学技术的厚度检测装置的第二实施例的运作方法S200与第一实施例的运作方法S100相同，故省略详细说明。即，第二实施例200变更了从入射到反射型光路变换部140之前的光线到检测对象105的位置，并且增加了吸收并除掉从检测区域外反射的光线的吸光部270，只是各个结构的配置不同，与第一实施例100具有相同的功能，并且测量检测对象105的厚度的方法是相同的。
本发明并不限于上述实施例，而是在权利要求书的范围内可以实现为多种形式的实施例。因此在不脱离权利要求书所要求保护的本发明精神的范围内，本领域普通技术人员所进行的各种变更及修饰均属于本发明的保护范围之内。
图中文字译文

Claims (9)

1.一种利用数字光学技术的厚度检测装置，其特征在于，包括：
光源，用于放射光线；
光分束器，用于反射从所述光源放射的光线或者通过被检测对象反射的光线；
透镜部，用于将被所述光分束器反射的光线汇聚到检测对象；
反射型光路变换部，用于有选择地反射从所述光分束器透射的光线；和
分光器，用于分析从所述反射型光路变换部反射的光线获取所述检测对象的厚度信息。
2.根据权利要求1所述的利用数字光学技术的厚度检测装置，其特征在于，
所述分光器配设为多个，
所述反射型光路变换部用各个分光器反射从所述检测对象的不同的多个检测区域反射的光线。
3.根据权利要求2所述的利用数字光学技术的厚度检测装置，其特征在于，
进一步包括显示部，用于以从所述光分束器透射的光线为基准显示所述检测对象的影像。
4.根据权利要求3所述的利用数字光学技术的厚度检测装置，其特征在于，
所述显示部接收从所述光路变换部反射的光线以显示所述检测对象的影像。
5.根据权利要求3所述的利用数字光学技术的厚度检测装置，其特征在于，
进一步包括辅助光分束器，配置在所述光分束器与所述反射型光路变换部之间的光路上，用于反射或者透射从所述光分束器透射的光线，
所述显示部接收从所述辅助光分匹配器透射的光线以显示所述检测对象的影像。
6.根据权利要求4所述的利用数字光学技术的厚度检测装置，其特征在于，
进一步包括吸光部，用于吸收并除掉从所述反射型光路变换部向所述分光器反射的光线以外的光线。
7.一种厚度检测方法，其特征在于，
利用根据权利要求3至6中任一项所述的利用数字光学技术的厚度检测装置，所述方法包括：
存储步骤，用于存储所述检测对象的图像；
匹配步骤，用于比较在所述图像存储步骤中存储的图像和显示在所述显示部上的影像，以判断所述检测对象中的检测区域是否显示于所述显示部；
反射角调节步骤，用于调节所述反射型光路变换部的反射角，以使从不同的多个所述检测区域反射的光线分别反射到多个所述分光器；和
厚度检测步骤，用于以从所述分光器获得的光线为基础，测量所述检测对象的厚度。
8.根据权利要求7所述的厚度检测方法，其特征在于，
所述匹配步骤反复进行到所述检测区域全部显示在所述显示部，并包括：
对中步骤，当仅有所述检测区域的一部分显示于所述显示部时，使所述检测对象或者所述透镜部移动，使所述检测区域全部显示于显示在显示部的影像中，之后再进行匹配步骤；和
搜索步骤，当所述检测区域未被显示于所述显示部时，使所述检测对象或者所述透镜部沿着螺旋方向移动至在所述显示部上显示所述检测区域的部分或者全部，之后再进行匹配步骤。
9.根据权利要求7所述的厚度检测方法，其特征在于，
所述厚度检测步骤包括：
反射度检测步骤，根据从所述分光器获得的光线的光谱检测光线的反射度；
反射度比较步骤，比较所测到的所述反射度和用理论模型配设的反射度以搜索最类似的模型；和
厚度输出步骤，输出相当于在所述反射度比较步骤中搜索到的模型的厚度值。
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