CN1991333A

CN1991333A - 零阿贝误差测量***及其方法

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Publication number: CN1991333A
Application number: CNA2005101374506A
Authority: CN
Inventors: 吴乾埼; 翁汉甫; 许正治; 王振宇; 温博浚
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2005-12-30
Filing date: 2005-12-30
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2025-12-30
Also published as: CN1991333B

Abstract

一种零阿贝误差测量***，其包括移动平台、检测装置以及第一与第二三维光学尺。移动平台是用以载置待测量样本。检测装置用以检测待测量样本，并测量待测量样本的待测点相对于移动平台的垂直高度。第一与第二三维光学尺分别设置在移动平台上且隔着待测量样本彼此相对，其中第一与第二三维光学尺可垂直该移动平台进行高度微调，使第一与第二三维光学尺相对于移动平台的垂直高度与待测点的垂直高度相等，以进行待测量样本的测量。

Description

零阿贝误差测量***及其方法

技术领域

本发明涉及一种测量***及其方法，且特别涉及一种可以消除阿贝误差的测量***及其方法。

背景技术

传统三维微(纳)米测量***的架构，如扫描探针显微镜(scanning probemicroscopy，SPM)、原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)与三坐标测量机(coordinate measuring machine，CMM)等，主要以形貌检测***及/或定位平台等次***所组成。形貌检测***主要工作为利用探针等方式取得待测物的表面信息。定位平台***则负责推动探针载具或移动平台，使整个***完成三个维度的扫描与测量动作。但是，此种定位***中的光学尺(linear scale)或干涉仪的摆放位置以及探针或测量端点两者间会因为坐落在不同的位置，而存在某种程度上的角度偏差。此偏差会因为两点的距离增加而增加，使得测量过程产生所谓的阿贝误差(Abbe error)。此阿贝误差会影响最后实际测量结果并降低测量的精确度。

在三维测量***中，一般是采用多组光学干涉仪做为平台定位的工具，另外也加入零阿贝误差的测量设计。但是，以干涉仪来定位时，往往会有需要较多的元件、对位复杂、光路径长以及空气干扰等问题与缺点，故精确度与***效能不容易提高。另外也有使用光学尺来做为定位装置，其具备光路径相对较短与对位方便等优势。

图1表示公知使用干涉仪的测量***。图1的测量***包括三个坐标方向的光学干涉仪106x、106y、106z。在移动平台100上放置待测量样本102。另外，使用检测器104的探针等取得待测量样本102的表面形貌等信息。检测器104的探针与定位台位移测量位置间存在一小段距离，这使得在测量过程中产生所谓的阿贝误差。图2为表示公知具有零阿贝误差设计的干涉仪测量***。图2是使图1的三组光学干涉仪106x、106y、106z的测量光束沿着XYZ三轴相交于一点，并利用阿贝误差修正部108a、108b使定位点落在测量点上，进行定位工作，使阿贝误差消除到最小。但是采用干涉仪的定位，会使***复杂度增加，而且会使***成本增加很多。

因此，有人提出使用光学尺的方式。图3为三维光学定位尺测量***的示意图。如图3所示，光学尺包括光栅120与光源122，利用光源对光栅射出光束来进行定位。光栅120是设置在移动平台100的下方，此种架构会因为定位点与实际测量位置落在不同位置，而同样会产生阿贝误差。

因此，如何改善上述问题，得到一个简单、低成本且可以消除阿贝误差的测量***，是测量技术所要突破的一环。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的就是提供一种零阿贝误差测量***，以三维或二维光学尺为定位平台，加入新的设计方式，使测量结果达到零阿贝误差，取代一般干涉仪测量***，并降低***成本。

为达上述目的，本发明提出一种零阿贝误差测量***，其包括移动平台、检测装置以及第一与第二三维光学尺。移动平台是用以载置待测量样本。检测装置用以检测待测量样本，并测量待测量样本的待测点相对于移动平台的垂直高度。第一与第二三维光学尺分别设置在移动平台上且隔着待测量样本彼此相对，其中第一与第二三维光学尺可垂直该移动平台进行高度微调，使第一与第二三维光学尺相对于移动平台的垂直高度与待测点的垂直高度相等，以进行待测量样本的测量。

根据本发明一实施方式，前述零阿贝误差测量***的第一与第二三维光学尺还分别包括二维光栅、高度微调器与高度检测器。二维光栅设置在移动平台上，以定位移动平台。高度微调器与二维光栅连接，用以微调二维光栅的垂直高度。高度检测器设置成大致垂直于二维光栅上方，用以射出光束，检测二维光栅的垂直高度。

根据本发明一实施方式，前述二维光栅具有起伏状表面。此外，当前述起伏状表面为光可穿透时，二维光栅的基底还具有反射面。另外，二维光栅可以例如是全像式二维光栅。

根据本发明一实施方式，前述零阿贝误差测量***可还包括控制电路，其至少包括比较器与高度微调控制器。比较器用以接收第一与第二三维光学尺的高度检测器输出的垂直高度以及检测装置输出的待测点的垂直高度，并输出两者垂直高度的差値。高度微调控制器连接至比较器的输出端，接收该差值并依据此差值控制高度微调器，进行二维光栅的垂直高度的微调。

此外，本发明还提出一种零阿贝误差测量***，其包括移动平台、检测装置以及第一与第二二维光学尺。移动平台是用以载置待测量样本。检测装置用以检测待测量样本，并测量待测量样本的待测点相对于移动平台的垂直高度。第一与第二二维光学尺分别设置在移动平台上且隔着待测量样本彼此相对，其中第一与第二二维光学尺可垂直该移动平台进行高度微调，使第一与第二二维光学尺相对于移动平台的垂直高度与待测点的垂直高度相等，以进行待测量样本的测量。

根据本发明一实施方式，前述各二维光学尺分别包括光栅、高度微调器、光源与高度检测器。光栅设置在移动平台上，以定位移动平台。高度微调器与光栅连接，用以微调光栅的垂直高度。光源设置成大致垂直于移动平台下方，用以对光栅射出光束，以进行移动平台的定位。高度检测器设置成大致垂直于二维光栅上方，用以射出光束，检测光栅的垂直高度。前述的高度检测器例如可以是干涉仪或者高精确度位移测量器。

此外，本发明还提出一种零阿贝误差测量方法，用以测量载置于移动平台上的待测量样本。移动平台上还设置第一与第二光学尺。零阿贝误差测量方法至少包括以下步骤：检测待测量样本的表面，并测量待测量样本的待测点相对于该移动平台的第一垂直高度；检测第一与第二光学尺相对于移动平台的第二垂直高度；以及依据第一与第二垂直高度的差値，进行第一与第二二维光学尺的垂直高度微调，使第一与第二垂直高度相等，以测量待测量样本。

综上所述，本发明将光学尺的光栅的XY平面放置在与待测量点相同的垂直高度上，使得定位点与测量点均保持在同样的平面上，藉以消除公知将光栅放置在样本下方时，测量点与实际定位位置不同所造成的阿贝误差。

另外，由于本发明不使用干涉仪做为平台定位之用，或仅使用在垂直高度测量上，所以更不需要额外的阿贝误差补偿装置，故可以降低***的成本以及复杂度。

为让本发明之上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1表示公知使用干涉仪的测量***。

图2表示公知具有零阿贝误差设计的干涉仪测量***。

图3为三维光学定位尺测量***的示意图。

图4为依据本发明实施例的零阿贝误差测量***的示意图。

图5为图4的控制电路的示意图。

图6为依据本发明另一实施例的零阿贝误差测量***的示意图。

主要元件标记说明

100移动平台

102待测量样本

104检测装置

106x、106y、106z干涉仪

108a、108b阿贝误差修正部

120光栅(光学尺)

122光源(光学尺)

200移动平台

210载台

212待测量样本

230、240测量***(三维光学尺)

232、242高度检测器

234、244二维光栅

250检测装置

264比较器

266控制器

300、310测量***(二维光学尺)

302、312高度检测器

304、314光源

306、316光栅

306a、316a反射面

308、318高度微调器

具体实施方式

图4为依据本发明实施例的零阿贝误差测量***的示意图。为使图简化易读，***本身的详细机械结构省略，所属技术领域的技术人员可以依据下面的说明做适当的设计。

本发明的零阿贝误差测量***主要包括两部分，一部分为形貌检测次***，另一部分则为平台定位测量次***。如图4所示，形貌检测次***主要是由检测装置250所构成，其具有探针，可以检测待测量样本(以下简称样本)212的表面形貌。待测量样本212是经由一个载台210放置在三维移动平台(3D moving table)200上。此移动平台200可以沿着图示的XYZ轴三方向进行移动，以使检测装置250检测样本212的表面形貌或其它物理化学特性等等。

平台定位测量次***主要是由两组测量***230、240所构成。测量***230、240主要是使用三维光学尺做为平台的定位，以下称为第一三维光学尺230与第二三维光学尺240。如图4所示，第一三维光学尺230与第二三维光学尺240分别设置在移动平台200上，且隔着样本212彼此相对。第一三维光学尺230与第二三维光学尺240可垂直该移动平台进行高度(H)的微调，使得第一三维光学尺230与第二三维光学尺240相对于该移动平台的垂直高度与待测点的垂直高度相等，以进行样本212的测量。

第一三维光学尺230包括二维光栅234、高度微调器(图中未表示)、高度检测器(Z轴高度)232。二维光栅234设置在移动平台200上，以定位移动平台200。高度微调器可以用来对二维光栅234的垂直高度H进行微调。高度检测器232主要可以射出例如激光等光束，用以检测二维光栅234相对于移动平台200的垂直高度。

同样地，第二三维光学尺240包括二维光栅244、高度微调器(图中未表示)、高度检测器(Z轴高度)242。二维光栅244设置在移动平台200上，以定位移动平台200。高度微调器可以用来对二维光栅244的垂直高度H进行微调。高度检测器242主要可以射出例如激光等光束，用以检测二维光栅244相对于移动平台200的垂直高度。

关于二维光栅234、244，其可以使用具有表面起伏的二维光学尺，做为位移的测量。另外，若前述表面起伏为光可穿透，则可以在二维光栅的基材底面做反射层，使高度检测器232射出的光束可以被反射回去，进行Z轴高度H的检测。另外，二维光栅234、244也可以使用全像式二维光学尺，做为位移的测量。只要是可以达到二维光栅234、244的功能与目的者，其具体实施方式不多做限制。

接着说明上述测量***的操作。在进行测量时，移动平台200会移动，使检测装置250去检测样本212的每一个待测点。另外，检测装置250也会同时检测出待测点相对于移动平台200的垂直高度。此时，二维光学尺230、240的高度检测器232、242会检测二维光栅234、244的XY平面的相对于移动平台200的垂直高度。接着，会比较高度检测器232、242的垂直高度与待测点的垂直高度，在两个垂直高度不同时，二维光学尺230、240的高度微调器会动作，调整二维光学尺230、240的垂直高度，以使二维光栅234、244的XY平面的垂直高度与待测点的垂直高度相同。在整个测量过程中，待测点的垂直高度会一直变化。根据此高度变化，二维光学尺230、240的高度微调器也会不断地随着动作来调整高度，使二维光栅234、244的XY平面的垂直高度能够与每一个待测点的垂直高度相同。

如上所述，因为在测量过程中，二维光栅234、244的XY平面的垂直高度能够与待测点的垂直高度都一直保持相同，所以可以消除阿贝误差，达到零阿贝误差的目的。

图5为图4的控制电路的示意图。图5所示的控制电路是用来控制前述测量过程。控制电路包括比较器264与控制器266。

比较器264会接收前述高度检测器232、242所输出的二维光栅234、244的XY平面的垂直高度以及前述检测装置250所输出的待测点的垂直高度。比较器264接着比较两者垂直高度的差値，并输出给控制器266。控制器266接着依据此差値控制二维光栅234、244的高度微调器，对二维光栅234、244的XY平面的垂直高度进行Z轴方向的高度微调，使垂直高度与待测点的垂直高度在相同的高度上。在整个测量过程中，上述的负反馈控制一直不断地动作，使得二维光栅234、244的XY平面的垂直高度与待测点的垂直高度保持在相同的高度上，藉以消除阿贝误差。

如上所述，本发明利用简单的光学尺便可以达到零阿贝误差的测量目的，大大降低***的成本。

图6为依据本发明另一实施例的零阿贝误差测量***的示意图。此实施例主要是图4的变化例，两者差别在于图4是使用三维光学尺，图6的***是使用二维光学尺。

如图6所示，零阿贝误差测量***除了平台定位测量次***有差异外，其它与图4的零阿贝误差测量***相似。在此处仅针对平台定位测量次***做说明。

第一二维光学尺300包括光栅306、高度微调器308、光源304与高度检测器302。光栅306设置在移动平台200上，用以定位移动平台200。高度微调器308连接至光栅306，用以微调光栅306的垂直高度H。光源设置成大致垂直于移动平台200下方，用以对光栅306射出光束，以进行移动平台200的定位。高度检测器302设置成大致垂直于二维光栅306上方，用以射出光束，检测光栅306的垂直高度。

第二二维光学尺310包括光栅316、高度微调器318、光源314与高度检测器312。光栅316设置在移动平台200上，用以定位移动平台200。高度微调器318连接至光栅316，用以微调光栅316的垂直高度H。光源设置成大致垂直于移动平台200下方，用以对光栅316射出光束，以进行移动平台200的定位。高度检测器312设置成大致垂直于二维光栅316上方，用以射出光束，检测光栅316的垂直高度。

在进行测量时，消除阿贝误差的原理与图4的***相同，故在此便不多描述。以第一二维光学尺300来说明，本实施例在平台定位上是使用一般光栅，并配合光源304来进行。光栅306的XY表面的垂直高度微调则利用高度检测器302来进行。为了配合这种结构，在光栅306的表面306a上设置反射面，藉以将高度检测器302射出的光束反射回去，以测量光栅306的XY表面的垂直高度。

上述的高度检测器302、312可以例如使用干涉仪或者是高精确度的位移测量器。此外，与图4的实施例相同，图6实施例也可以利用图5所示的控制电路，来进行光栅的垂直高度微调器，在此便不多做描述。

另外，由于本发明不使用干涉仪做为平台定位之用，而干涉仪若使用也仅在高度测量上，所以更不需要额外的阿贝误差补偿装置，故可以降低***的成本以及复杂度。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许之更动与改进，因此本发明之保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims

1.一种零阿贝误差测量***，其特征是包括：

移动平台，用以载置待测量样本；

检测装置，用以检测该待测量样本，并测量该待测量样本的待测点相对于该移动平台的垂直高度；

第一与第二三维光学尺，分别设置在该移动平台上且隔着该待测量样本彼此相对，其中该第一与该第二三维光学尺可垂直该移动平台进行高度微调，使该第一与该第二三维光学尺相对于该移动平台的垂直高度与该待测点的垂直高度相等，以进行该待测量样本的测量。

2.根据权利要求1所述之零阿贝误差测量***，其特征是该第一与该第二三维光学尺分别包括：

二维光栅，设置在该移动平台上，以定位该移动平台；

高度微调器，与该二维光栅连接，用以微调该二维光栅的垂直高度；以及

高度检测器，设置成大致垂直于该二维光栅上方，用以射出光束，检测该二维光栅的垂直高度。

3.根据权利要求2所述之零阿贝误差测量***，其特征是该二维光栅具有起伏状表面。

4.根据权利要求3所述之零阿贝误差测量***，其特征是该二维光栅的该起伏状表面为光可穿透，且该二维光栅的基底具有反射面。

5.根据权利要求2所述之零阿贝误差测量***，其特征是该二维光栅是全像式二维光栅。

6.根据权利要求2所述之零阿贝误差测量***，其特征是还包括控制电路，该控制电路还包括：

比较器，用以接收各该第一与该第二三维光学尺的该高度检测器输出的垂直高度以及该检测装置输出的该待测点的垂直高度，并输出两者垂直高度的差值；以及

高度微调控制器，连接至该比较器的输出端，接收该差值，并依据该差值控制该高度微调器。

7.一种零阿贝误差测量***，其特征是包括：

移动平台，用以载置待测量样本；

第一与第二二维光学尺，分别设置在该移动平台上且隔着该待测量样本彼此相对，其中该第一与该第二二维光学尺可垂直该移动平台进行高度微调，使该第一与该第二二维光学尺相对于该移动平台的垂直高度与该待测点的垂直高度相等，以进行该待测量样本的测量。

8.根据权利要求7所述之零阿贝误差测量***，其特征是该第一与该第二二维光学尺分别包括：

光栅，设置在该移动平台上，以定位该移动平台；

高度微调器，与该光栅连接，用以微调该光栅的垂直高度；

光源，设置成大致垂直于该移动平台下方，用以对该光栅射出光束，以进行该移动平台的定位；以及

高度检测器，设置成大致垂直于该二维光栅上方，用以射出光束，检测该光栅的垂直高度。

9.根据权利要求8所述之零阿贝误差测量***，其特征是该高度检测器为干涉仪。

10.根据权利要求8所述之零阿贝误差测量***，其特征是该高度检测器为位移测量器。

11.根据权利要求8所述之零阿贝误差测量***，其特征是还包括控制电路，该控制电路还包括：

比较器，用以接收各该第一与该第二二维光学尺的该高度检测器输出的垂直高度以及该检测装置输出的该待测点的垂直高度，并输出两者垂直高度的差值；以及

12.一种零阿贝误差测量方法，用以测量载置于移动平台上的待测量样本，其特征是该移动平台上还设置第一与第二光学尺，该零阿贝误差测量方法包括：

检测该待测量样本的表面，并测量该待测量样本的待测点相对于该移动平台的第一垂直高度；

检测该第一与该第二光学尺相对于该移动平台的第二垂直高度；

依据该第一与该第二垂直高度的差值，进行该第一与该第二二维光学尺的垂直高度微调，使该第一与该第二垂直高度相等，以测量该待测量样本。