TW201516374A - 線型掃描形貌量測系統 - Google Patents

Abstract

本揭露提供一種線型掃描形貌量測系統，包括：偏振片用以將光源之光束形成偏極光，偏極光通過第一DIC稜鏡後被區分為兩相互正交的偏振光，兩偏振光通過凸透鏡後入射至一待測物後形成干涉系統以產生兩干涉光束，兩干涉光束通過物鏡至第二DIC稜鏡，第二DIC稜鏡將兩干涉光束合成為干涉影像，之後，該干涉影像通過四分之一波片及影像鏡片後至線型相機並成像於線型相機上，藉此形成三張不同相位之影像，其中，該線型相機包括具有三相位陣列元件設於其上之三線感測器，該三張不同相位之影像透過三相位演算法以還原出待測物的高度。

Description

線型掃描形貌量測系統

本揭露係關於一種量測系統，更詳而言之，係一種以差分干涉對比光學為基礎之線型掃描形貌量測系統。

目前關於顯示器或觸控面板的製法主要是將薄膜電晶體製作於透明基板上，可使用的材料例如透明電極、玻璃基板、或是導光板等均為透明材質，然而在製程中常會產生內部的線路缺陷或結構瑕疵等情況，因而需經量測以確認品質是否達到標準。

對於前述的品質量測方式，目前較常使用白光干涉形貌量測技術，然而該技術易受環境振動而影響量測結果，且該技術需搭配面型相機，因而每一次僅能量測最大1mm見方之面積，並不利於線上量測使用。對於前述技術的不足，本領域之人另有提出使用干涉相位差之方法來量測三維形貌，所謂的干涉相位差原理是以差分干涉對比(Differential Interference Contrast，DIC)光學架構為基礎並搭配取像系統，透過掃描待測物和計算相位差，藉此分出影像的三維形貌，其中，常見的DIC顯微鏡通常由光源、 偏光片(polarizer)、第一DIC稜鏡(wollaston prism)、聚焦透鏡(condenser)、物鏡(objective)、第二DIC稜鏡、檢偏鏡(analyzer)所組成，取像時，先取同一剪切(shear)方向不同偏置(bias)的影像數張，而偏置可透過水平移動第二DIC稜鏡來調整，例如可透過四分之一波片搭背可旋轉的偏振片來達到，接下來透過旋轉試片改變剪切方向，以取剪切方向不同的偏置的影像數張，藉此得到完整的影像資料並進行後續分析。然而此方法的量測結果雖然較不易受環境振動的影響，但由於也是搭配面型相機，因而量測面積受限，且需要分次取得四張不同相位之影像，導致量測時間較慢，難以符合線上量測之需求。

因此，如何在利用現有差分干涉對比(DIC)光學架構架構下，無需經過重大結構改變或者耗費過多成本，以達到高速大面積的線上量測需求，實為本技術領域之人亟欲解決的技術課題。

本揭露提出一種線型掃描形貌量測系統，係利用干涉相位差技術，配合三線線型相機以及相位陣列元件，以高速掃描並取得三張不同相位之影像，經演算法計算後還原待測物的高度資訊。

本揭露提供一種穿透式線型掃描形貌量測系統，係包括：光源、偏振片、第一DIC稜鏡、凸透鏡、物鏡、第二DIC稜鏡、四分之一波片、影像鏡片及線型相機。該偏振片位於一光源之前，用以將該光源之光束形成為偏極光， 且該偏極光的偏極方向為水平，第一DIC稜鏡位於偏振片之前，用以將偏極光區分為兩相互正交的偏振光，該兩偏振光通過一凸透鏡後入射至一待測物以形成干涉系統，藉此產生兩干涉光束，該物鏡位於該待測物之前，以供該兩干涉光束通過，該第二DIC稜鏡位於該物鏡之前，用以將該兩干涉光束合成為干涉影像，線型相機位於第二DIC稜鏡之前，該干涉影像通過位於該第二DIC稜鏡與該線型相機間之四分之一波片及影像鏡片以成像於該線型相機上，藉以形成三張不同相位之影像，其中，該線型相機包括具有三相位陣列元件設於其上之三線感測器，該三張不同相位之影像透過三相位演算法以還原出原始相位。

本揭露另外還提出一種反射式線型掃描形貌量測系統，係包括：光源、偏振片、分光鏡、DIC稜鏡、物鏡、四分之一波片、影像鏡片以及線型相機。該偏振片位於光源之前，用以將該光源之光束形成為偏極光，且該偏極光的偏極方向為水平，該分光鏡位於該偏振片之前，用以反射該偏極光，該DIC稜鏡位於分光鏡之一側，用以將該分光鏡所反射之偏極光區分為兩相互正交的偏振光，該物鏡位於該DIC稜鏡之前，該兩偏振光經該物鏡後入射至一待測物，且經該待測物反射以產生兩干涉光束，其中，該兩干涉光束於反射後依序通過該物鏡及該DIC稜鏡，且該兩干涉光束於通過該DIC稜鏡時合成干涉影像並通過該分光鏡，最後，該線型相機位於分光鏡之另一側，該干涉影像通過位於該DIC稜鏡與該線型相機間之四分之一波片及影 像鏡片後成像於該線型相機上，藉以形成三張不同相位之影像，其中，該線型相機包括有三相位陣列元件設於其上之三線感測器，該三張不同相位之影像透過三相位演算法以還原出原始相位。

相較於習知技術，本揭露所提出之線型掃描形貌量測系統，是以差分干涉對比光學技術為基礎，同時搭配線型取像系統，藉此可一次性大面積的掃描待測物之影像，並搭配三相位演算法以分析出待測物之三維形貌，因此，本揭露之系統架構是符合高速大面積的線上量測需求。相較於現有技術，本揭露所提出之線型掃描形貌量測系統不易受到環境振動而影響其量測結果，且因為搭配線型相機，因而可大面積掃描，相較於習知之面型相機，一次僅能量測最大1mm見方之面積，如此可節省許多時間，由此可知，透過線型相機可提升生產速度，同時可節省成本。本揭露主要是應用於顯示器產業、觸控面板產業與半導體產業等，針對薄膜圖案製程中基材或線路會產生的形貌缺陷，可做線上快速的量測與分析。

1‧‧‧穿透式線型掃描形貌量測系統

10、20‧‧‧光源

111、211‧‧‧濾鏡

112、212‧‧‧聚光鏡

12、22‧‧‧偏振片

13‧‧‧第一DIC稜鏡

14‧‧‧凸透鏡

15、25‧‧‧物鏡

16‧‧‧第二DIC稜鏡

171、271‧‧‧四分之一波片

172、272‧‧‧影像鏡片

18、28‧‧‧線型相機

19‧‧‧反光鏡

2‧‧‧反射式線型掃描形貌量測系統

23‧‧‧DIC稜鏡

29‧‧‧分光鏡

3、4、5’‧‧‧三相位線型感測器

31‧‧‧三相位陣列元件

32‧‧‧三線感測器

401~403‧‧‧掃描內容

5‧‧‧二維偏振列光學元件

6、6’、9‧‧‧待測物

61‧‧‧區塊

第1圖係為本揭露之穿透式線型掃描形貌量測系統的示意圖；第2圖係為本揭露之反射式線型掃描形貌量測系統的的示意圖；第3圖係為本揭露之線型掃描形貌量測系統中線性感測器和相位陣列元件的示意圖； 第4圖係為本揭露之線型掃描形貌量測系統中線性感測器掃描結果的示意圖；第5A和5B圖係為現有之面型相機與本揭露之線型相機處理機制比較的示意圖；以及第6圖係為本揭露之三相位演算法與現有之四相位演算法的量測比較。

以下藉由特定的具體實施形態說明本揭露之技術內容，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本揭露之優點與功效。然本揭露亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。

第1圖係為本揭露之穿透式線型掃描形貌量測系統的示意圖。如圖所示，穿透式線型掃描形貌量測系統1主要包括光源10、偏振片12、第一DIC稜鏡13、凸透鏡14、物鏡15、第二DIC稜鏡16、線型相機18以及反光鏡19。

偏振片12是位於光源10之前，用以將該光源之光束形成為偏極光，且該偏極光的偏極方向為水平，這裡所謂的水平方向可為0度。

之後，偏極光通過反光鏡19的反射改變方向，需說明者，此反光鏡需依設計而設置，亦即若所有元件成一直線排列，則此反光鏡19可以被省略。

偏極光經該反光鏡19反射後進入第一DIC稜鏡13，第一DIC稜鏡13是用以將該偏極光區分為兩相互正交的偏振光，其中，偏振光是包括沿慢軸偏振之尋常光(o-ray) 以及沿快軸偏振之異常光(e-ray)。隨後，兩偏振光通過凸透鏡14後入射至一待測物9以形成干涉系統，並藉此產生兩干涉光束。

物鏡15位於待測物9之前，通過待測物9所形成之兩干涉光束接著通過物鏡15，之後，該兩干涉光束在通過第二DIC稜鏡16，該第二DIC稜鏡16是用以將兩干涉光束合成為干涉影像。需說明者，第一DIC稜鏡13與第二DIC稜鏡16兩者的分光角度是相同，於本實施例中，其分光角度約為0.5度。

線型相機18位於第二DIC稜鏡16之前，干涉影像通過位於第二DIC稜鏡16與線型相機18間之四分之一波片171及影像鏡片172以成像於線型相機18上，此時，線型相機18會產生三張不同相位之影像，詳言之，線型相機18係包括有三相位陣列元件設於其上之三線感測器，而三張不同相位之影像是透過三相位演算法以還原出原始相位，亦即三相位演算法是計算三張不同相位之影像以得到相位差分佈，接著，積分該相位差分佈以還原出原始相位，透過該原始相位可取得待測物9的高度資訊。

具體而言，三相位陣列元件是包括三個不同偏振方向之陣列且分別對應線型相機18之三線感測器，舉例來說，三個不同偏振方向之陣列可為-π/4、0和π/4，且分別對應到線型相機之三線感測器，使得其相對的相位偏置量為-π/2、0和π/2。

於一實施例中，光源10與偏振片12之間包括濾鏡111 和聚光鏡112，於本實施例中，所使用之濾鏡111的中心波長為550nm，其頻寬可為20nm。

由上可知，穿透式線型掃描形貌量測系統1之線型相機18具有三線感測器，透過三相位陣列元件設於三線感測器上以提供三相位掃描的功能，由於三線感測器可呈現細長狀，因而可以單次掃描即可得到所有資訊，相較傳統的四相位掃描更快速、省時。

第2圖係為本揭露之反射式線型掃描形貌量測系統的的示意圖。如圖所示，反射式線型掃描形貌量測系統2主要包括光源20、偏振片22、DIC稜鏡23、物鏡25、線型相機28以及分光鏡29。

偏振片22位於光源20之前，用以將該光源之光束形成為偏極光，且該偏極光的偏極方向為水平，於此水平方向可為0度。

分光鏡29設置位於偏振片22之前，可用來反射該偏振片22所射出之偏極光，該偏極光朝著位於分光鏡29之一側的DIC稜鏡23前進，DIC稜鏡23是用於將分光鏡29所反射之偏極光區分為兩相互正交的偏振光。如前面所述，偏振光是包括沿慢軸偏振之尋常光(o-ray)以及沿快軸偏振之異常光(e-ray)。

該偏振光由DIC稜鏡23射出後前進至物鏡25，該物鏡25是位於DIC稜鏡23之前，兩偏振光經物鏡25後入射至一待測物9，且經反射該待測物以產生兩干涉光束。

之後，該兩干涉光束會依序通過物鏡25及DIC稜鏡 23，該兩干涉光束於通過該DIC稜鏡23時會被合成為干涉影像，該干涉影像之後會通過分光鏡29往線型相機28前進。

線型相機28是位於分光鏡29之另一側，干涉影像通過四分之一波片271及影像鏡片272後成像於線型相機28上，藉以形成三張不同相位之影像。其中，線型相機28包括有三相位陣列元件設於其上之三線感測器，而該三張不同相位之影像透過三相位演算法以還原出原始相位，即計算三張不同相位之影像以得到相位差分佈，接著，再積分該相位差分佈以還原出原始相位，該原始相位可推得待測物9的高度資訊。

如同前面實施例，三相位陣列元件是包括三個不同偏振方向之陣列且分別對應線型相機28之三線感測器，舉例來說，三個不同偏振方向之陣列可為-π/4、0和π/4，且分別對應到線型相機之三線感測器，使得其相對的相位偏置量為-π/2、0和π/2。

此外，光源20與偏振片22之間包括濾鏡211和聚光鏡212，於本實施例中，所使用之濾鏡211的中心波長為550nm，其頻寬可為20nm。

由上可知，透過反射式線型掃描形貌量測系統2之線型相機28之三線感測器，搭配三相位陣列元件可進行三相位的掃描，同樣地，因三線感測器可以細長狀呈現，因而僅需單次掃描即可得到所有資訊，相較傳統的四相位掃描更快速且省時，關於兩者差異，之後將會有更詳細描述。

第3圖係為本揭露之線型掃描形貌量測系統中線性感測器和相位陣列元件的示意圖。如圖所示，三相位陣列元件31包含三個不同偏振方向之陣列，即上下方向及兩個對角方向，需說明者，傳統的四相位除上面三者外還包括左右方向，然而本揭露中之三相位陣列元件31是左右寬、上下窄的設計，如此縱使左右方向的相位不易製作，也不影響本實施例。

此外，三線感測器32常見於目前相機設備，通常相機會以RGB的三相位來取得影像，因而本揭露僅需將原本的RGB三相位改成本實施例所設計的三方向相位即可，因而無需複雜的修改。將三相位陣列元件31對應三線感測器32而設置，即可完成本揭露中之線型相機所需要之具三相位陣列元件之三相位線型感測器3。

第4圖係為本揭露之線型掃描形貌量測系統中線性感測器掃描結果的示意圖。如圖所示，三相位線型感測器4是貼齊待測物的上側開始向下掃描，因而導致最下面的感測器(掃描左上右下方向)無法掃描到一開始上面兩個感測器所佔據的位置，同理，掃描待測物的下端時，上面兩個感測測所佔據的位置也無法掃描到一開始下面的感測器所佔據的位置。

據此，如掃描內容401表示最上面的感測器可掃描範圍，掃描內容402表示中間的感測器可掃描範圍，掃描內容403表示最下面的感測器可掃描範圍，因而可用的範圍應為掃描內容401~403皆有的部分。更具體地，每個感測 器之間僅間隔90μm大小，如此扣除上面兩段約180μm及下面兩段約180μm後，兩者約扣除360μm，此對於大面積(幾公尺)的待測物而言並不造成太大影響。

第5A和5B圖係為現有之面型相機與本揭露之線型相機處理機制比較的示意圖。如第5A圖所示，其說明現有面型相機的處理方式，若是面型相機，其會採用二維偏振列光學元件5，待測物6將會被分成多各區塊61分開掃瞄，由於要取得各區塊61的高度，掃描每一區塊61的過程中，二維偏振列光學元件5將被要求依序轉動至不同相位以進行影像擷取，才能還原出該區塊61的高度，如此不僅耗時且過程繁雜。

反觀，如第5B圖所示，其說明本揭露所採用之線型相機的處理方式，採用相同於第5A圖之待測物6大小的待測物6’時，由於線型相機可左右較長，因而僅需將三相位陣列元件設於三線感測器上，之後以三相位線型感測器5’由上而下進行掃描，僅需一次即可取得全部所需資料，過程簡單且省時。

由前述比較可知，本揭露採用具有三相位陣列元件之線型感測器來進行感測，相較於現有之四線感測器，因而更符合高速大面積之線上量測的需求。

利用三相位陣列元件之線型感測器來量測三維形貌時，需要取得多張不同偏置量的影像以進行分析，於本實施例中是取得三張不同相位之影像，透過三相位演算法來還原出原始相位，設最終干涉影像光強度分佈為：

其中，I為光源強度，λ為光源波長，Γ為偏置量，δ為剪切距離，σ為剪切方位(設σ=θ(x,y)-ψ(x,y))，為光進入DIC稜鏡前的光強度空間分佈，θ(x,y)為相位梯度方位，I_min為無待測物時的背景光強度。

取得Γ_i=-α,0,α，i=1,2,3三張不同相位之影像，代入上述可整理如下：I₁(x,y)=I'(x,y)+I"(x,y)cos[θ(x,y)-α]

I₂(x,y)=I'(x,y)+I"(x,y)cos[θ(x,y)]

I₃(x,y)=I'(x,y)+I"(x,y)cos[θ(x,y)+α]

最後得到相位差分佈：

當α=2/π時，

將所得到的微分相位差分佈，經由積分即可還原出原始的相位資訊，並換算得到高度形貌資訊。常用的積分法為線積分法，設相位分佈為Φ(x,y)，則積分公式可寫為：

積分時由x,y兩方向分別積分，則可改寫為：

或以像素的方法表示，則可改寫為：

經上面積分後即可還原出原始的相位資訊，最後，可依據原始的相位資訊換算得到高度形貌資訊。

第6圖係為本揭露之三相位演算法與現有之四相位演算法的量測比較。如圖所示，包括有二相、三相和四相之雜訊比例與平均相位誤差間之關係的比較，其中，在計算原始相位差分佈後，本揭露所提出之三相位演算法相較於傳統之四相位演算法兩者的誤差量僅增加1%，在實用性與易於量產的優勢下，1%的誤差量是屬於可接受範圍。

綜上所述，本揭露提出一種線型掃描形貌量測系統，無論是穿透式或反射式，線型相機將其內部之線型感測器上設置三相位陣列元件，藉此取得三張不同偏置量的影像來作分析，透過三相位演算法可計算得到相位差分佈，最後可透過積分還原出原始的相位資訊，之後該相位資訊可換算得到待測物的高度形貌，因此，利用本揭露之線型掃描形貌量測系統將可達到快速且大面積的掃描影像的目的。

上述實施形態僅例示性說明本揭露之原理及其功效，而非用於限制本揭露。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。因此，本揭露之權利保護範圍，應如後述之申 請專利範圍所列。

1‧‧‧穿透式線型掃描形貌量測系統

10‧‧‧光源

111‧‧‧濾鏡

112‧‧‧聚光鏡

12‧‧‧偏振片

13‧‧‧第一DIC稜鏡

14‧‧‧凸透鏡

15‧‧‧物鏡

16‧‧‧第二DIC稜鏡

171‧‧‧四分之一波片

172‧‧‧影像鏡片

18‧‧‧線型相機

19‧‧‧反光鏡

9‧‧‧待測物

Claims (11)

1. 一種線型掃描形貌量測系統，包括：一偏振片，位於一光源之前，用以將該光源之光束形成為偏極光，且該偏極光的偏極方向為水平；一第一DIC稜鏡，位於該偏振片之前，用以將該偏極光區分為兩相互正交的偏振光，該兩偏振光通過一凸透鏡後入射至一待測物以形成干涉系統，藉此產生兩干涉光束；一物鏡，位於該待測物之前，以由該兩干涉光束通過該物鏡；一第二DIC稜鏡，位於該物鏡之前，用以將該兩干涉光束合成為干涉影像；以及一線型相機，位於該第二DIC稜鏡之前，該干涉影像通過位於該第二DIC稜鏡與該線型相機間之四分之一波片及影像鏡片以成像於該線型相機上，藉以形成三張不同相位之影像，其中，該線型相機包括具有三相位陣列元件設於其上之三線感測器，該三張不同相位之影像透過三相位演算法以還原出原始相位。
2. 如申請專利範圍第1項所述之線型掃描形貌量測系統，其中，該光源與該偏振片之間包括濾鏡和聚光鏡。
3. 如申請專利範圍第1項所述之線型掃描形貌量測系統，其中，該偏振光包括沿慢軸偏振之尋常光(o-ray)以及沿快軸偏振之異常光(e-ray)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之線型掃描形貌量測系 統，其中，該第一DIC稜鏡與該第二DIC稜鏡之分光角度相同。
5. 如申請專利範圍第1項所述之線型掃描形貌量測系統，其中，該三相位陣列元件包括三個不同偏振方向之陣列且分別對應該三線感測器。
6. 如申請專利範圍第1項所述之線型掃描形貌量測系統，其中，該三相位演算法係計算該三張不同相位之影像以得到相位差分佈，接著積分該相位差分佈以還原出該原始相位，該原始相位係供換算成高度形貌資訊。
7. 一種線型掃描形貌量測系統，係包括：一偏振片，位於光源之前，用以將該光源之光束形成為偏極光，且該偏極光的偏極方向為水平；一分光鏡，位於該偏振片之前，用以反射該偏極光；一DIC稜鏡，位於該分光鏡之一側，用以將該分光鏡所反射之偏極光區分為兩相互正交的偏振光；一物鏡，位於該DIC稜鏡之前，該兩偏振光經該物鏡後入射至一待測物，且經該待測物反射以產生兩干涉光束，其中，該兩干涉光束於反射後依序通過該物鏡及該DIC稜鏡，且該兩干涉光束於通過該DIC稜鏡時合成干涉影像並通過該分光鏡；一線型相機，位於該分光鏡之另一側，該干涉影像通過位於該DC稜鏡與該線型相機間之四分之一波 片及影像鏡片後成像於該線型相機上，藉以形成三張不同相位之影像，其中，該線型相機包括有三相位陣列元件設於其上之三線感測器，該三張不同相位之影像透過三相位演算法以還原出原始相位。
8. 如申請專利範圍第1項所述之線型掃描形貌量測系統，其中，該光源與該偏振片之間包括濾鏡和聚光鏡。
9. 如申請專利範圍第1項所述之線型掃描形貌量測系統，其中，該偏振光包括沿慢軸偏振之尋常光(o-ray)以及沿快軸偏振之異常光(e-ray)。
10. 如申請專利範圍第1項所述之線型掃描形貌量測系統，其中，該三相位陣列元件包括三個不同偏振方向之陣列且分別對應該三線感測器。
11. 如申請專利範圍第1項所述之線型掃描形貌量測系統，其中，該三相位演算法係計算該三張不同相位之影像以得到相位差分佈，接著積分該相位差分佈以還原出該原始相位，該原始相位係供換算成高度形貌資訊。