TWI387721B - 三維形貌檢測裝置 - Google Patents

Description

三維形貌檢測裝置

本發明係關於一種光學檢測裝置，特別是關於一種三維形貌檢測裝置。

精密的形貌檢測是現代科技中非常重要的一環，當許多元組件漸漸微小化，就更需要精確可靠的檢測技術來驗證其微結構尺寸或形貌的精度，以控制品質及製程。其中利用光學非接觸檢測方式之量測技術，可以非破壞方式取得待測物表面精確的形貌資訊，已廣泛應用於各種產業中。

參照圖1，當待測物12形貌表面斜率較大時，因光學顯微鏡11常使用的物鏡倍率為20倍以下，此區間之數值孔徑過小，會造成待測物12表面反射光13無法進入光學顯微鏡11，而無法取得待測物表面形貌資料。因此，往往只能採用數值內插法，補足所缺的形貌資料，但無法量得實際形貌尺寸及其粗糙度資料。

中華民國專利TW1229186利用雙視角之線性掃描裝置搭配一斜向光源，可用以檢測缺陷之大致形狀及尺寸，主要優點為可較快速檢測大面積之缺陷，並判斷缺陷為凸起或凹陷。但是無法精確量取微結構三維形貌尺寸，也沒有解決待測物形貌表面斜率較大時，表面訊號無法被擷取到的問題。

美國專利6,449,048利用將干涉儀傾斜一角度，與待測物橫移方向不成垂直，可直接使用傳統的垂直掃描干涉儀 (VSI)及相移干涉儀(PSI)硬體，連續掃描待測物表面，不需用影像縫補技術，取得待測物表面形貌。但仍未能解決待測物形貌表面斜率較大時之全方位角形貌取得之問題。

QED Technology公司則發展出以傾斜待測物並旋轉的方式，取得較大表面待測物斜率較大之表面形貌資料。但此種方式受限於較小之待測樣品，若待測樣品較大，無法配合傾斜時，則無法使用。

本發明針對先進製程之切削、壓印、研磨、奈米加工產業，開發精密機械所需微結構表面形貌尺寸、大行程奈米解析、以及高速量測之共通先進檢測和驗證核心技術。本發明提出一種三維形貌檢測系統，可以有效克服待測物形貌表面斜率較大時，造成待測物表面反射光訊號無法進入顯微鏡，而無法取得待測物表面形貌資料的問題。不論是規則性簡單微結構或複雜之微結構，均得以利用本發明進行微結構之檢測，可達奈米級之應用。

根據本發明一實施範例之三維形貌檢測裝置，其包含至少二光學檢測裝置及一傾斜角度調整機構。該傾斜角度調整機構將至少二光學檢測裝置架設其上，以調整該光學檢測裝置之傾斜角度。當至少二光學檢測裝置的傾斜角度改變時，至少二光學檢測裝置的焦點維持在同一位置(或同一焦平面)，並使待測物位於該至少二光學檢測裝置的視場範圍(Field of view)內。將該至少二光學檢測裝置擷取影 像資料進行影像重建後，即可得到待測物之三維形貌。

本發明所揭示之三維形貌檢測系統架構之實現方法將參考圖式舉例說明如下，惟該等實現方式僅係例示，而並非為其侷限。

如圖2所示，三維形貌檢測裝置20主要包含兩光學檢測裝置21、22，分置於一圓弧軌道23之兩側。光學檢測裝置21利用樞紐25於圓弧軌道23滑動，光學檢測裝置22亦利用樞紐(其設置位置類似於樞紐25相對於光學檢測裝置21之位置，但恰為光學檢測系統22所阻擋而未見於圖中)於圓弧軌道23滑動。圓弧軌道23係一體成型，具良好之剛性，而可提升光學檢測裝置21、22移動位置之精密度。

根據此圓弧軌道23的路徑可以調整光學檢測裝置21和22的傾斜角度，亦即圓弧軌道23係一傾斜角度調整機構。圓弧軌道23之圓弧中心為光學檢測裝置21和22之對焦成像點，使光學檢測裝置21和22的傾斜角度改變時，光學檢測裝置21和22的焦點隨時維持在同一位置(同一焦平面)。此外，為了要使待測物26的位置落在光學檢測裝置21和22的視場範圍內，或者要取得待測物26的全方位角影像時，可以藉由待測物旋轉平台27及移動平台28協助完成取像工作。

光學檢測裝置21和22分別傾斜一個固定角度後各取像一次，此固定角度之大小取決於待測物26之表面斜率，然後分別取得的影像經由軟體進行縫合而重建出待測物26 形貌。另外，可視待測物26的形貌結構複雜度決定是否需要增設待測物26之轉動平台27及移動平台28，以改變不同視角或檢測位置，取得全方位角之三維形貌影像。

上述三維形貌檢測裝置20之實際運用可如圖3及圖4所示之架構，其中圖3顯示立體架構，圖4則為側視圖。經由兩組步進馬達30轉動導螺桿31，移動連接於光學檢測裝置21和22的連接軸43及44，使得各別形貌檢測裝置的樞紐25(另一樞紐未示於圖中)得以在圓弧軌道23上滑動。然後光學檢測裝置21和22分別取得的影像可經由軟體進行縫合而重建出待測物形貌。另外，可視待測物的形貌結構複雜度決定是否需要待測物之轉動及移動平台，以改變不同視角或檢測位置，取得全方位角之三維形貌影像。

實際應用上，並非以上述實施例為限，圓弧軌道亦可以其他之傾斜角度調整機構替代，例如：連桿機構、X－Y平面位移平台、旋轉平台等可實現的機構。該光學檢測裝置21、22包含光學顯微鏡、干涉儀等。

綜言之，本發明之概念如圖5所示，一三維形貌檢測裝置50包含兩光學檢測裝置51、52及一傾斜角度調整機構53。光學檢測裝置51、52利用傾斜角度調整機構53進行傾斜角度位置調整，使光學檢測裝置51和52的傾斜角度改變時，其焦點仍隨時維持在同一位置(同一焦平面)，以針對待測物55進行形貌檢測。三維形貌檢測裝置50可應用於檢測規則性簡單微結構，如背光模組中的增亮膜(BEF)等。

若需檢測如複雜的曲面或錐狀結構等時，複雜微結構係 單靠兩組光學檢測裝置及傾斜角度調整機構仍無法完成檢測，而需要搭配上可調整待測物方向角機構才能夠完成檢測工作。參照圖6，一三維形貌檢測裝置60除包含兩光學檢測裝置51、52及一傾斜角度調整機構53外，另包含一待測物方向角調整機構61，其可包含例如圖2所示之旋轉平台27及移動平台28。

申言之，本發明利用傾斜式光學檢測架構，可取得斜率較大之表面形貌資料，且可應用於待測樣品不方便傾斜之狀況。另外，本發明利用傾斜角度調整架構可調整影像檢測裝置至任意角度，以取得待測物影像並重建三維形貌；且可檢測微結構形貌尺寸及較大表面待測物之形貌尺寸。

以應用面而言，例如應用於平面顯示器產業背光模組之滾筒模仁加工機，可於加工完成後直接在加工機上檢測加工精度，不需將工件卸下檢測，若檢測出加工精度不足，又需再重新上機定位加工的麻煩，可節省時間，提高效率。又如可應用於半導體產業、平面顯示器產業、光學元件產業之微結構檢測及光學元件形貌檢測。本發明可用於顯微鏡支架架構，用以檢測待測樣品之微結構三微形貌，特別是可以克服斜率較大之表面檢測問題；或用於檢測較大表面之待測物(如非球面鏡)之形貌尺寸，可確實掌握產品品質，提高製程效率。

本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範 圍應不限於實施範例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。

11‧‧‧光學顯微鏡

12‧‧‧待測物

13‧‧‧反射光

20‧‧‧三維形貌檢測裝置

21‧‧‧光學檢測裝置

22‧‧‧光學檢測裝置

23‧‧‧圓弧軌道

25‧‧‧樞紐

26‧‧‧待測物

27‧‧‧旋轉平台

28‧‧‧移動平台

30‧‧‧馬達

31‧‧‧導螺桿

43‧‧‧連接軸

44‧‧‧連接軸

50‧‧‧三維形貌檢測裝置

51‧‧‧光學檢測裝置

52‧‧‧光學檢測裝置

53‧‧‧傾斜角度調整裝置

55‧‧‧待測物

60‧‧‧三維形貌檢測裝置

61‧‧‧方向角調整機構

圖1顯示習知之三維形貌檢測裝置之示意圖；圖2至圖4顯示本發明一實施範例之三維形貌檢測裝置之示意圖；以及圖5及圖6顯示本發明之三維形貌檢測裝置之概念示意圖。

20‧‧‧三維形貌檢測裝置

21‧‧‧光學檢測裝置

22‧‧‧光學檢測裝置

23‧‧‧傾斜角度調整機構

25‧‧‧樞紐

26‧‧‧待測物

27‧‧‧旋轉平台

28‧‧‧移動平台

Claims (12)

1. 一種三維形貌檢測裝置，包含：至少二光學檢測裝置；一傾斜角度調整機構，將該至少二光學檢測裝置架設其上，以調整該至少二光學檢測裝置之傾斜角度，其中該傾斜角度調整機構為連桿機構、X-Y平面位移平台或旋轉平台；其中當該至少二光學檢測裝置的傾斜角度改變時，該至少二光學檢測裝置的焦點維持在同一位置，並使待測物位於該至少二光學檢測裝置的視場範圍內。
2. 根據請求項1之三維形貌檢測裝置，其中該傾斜角度調整機構係圓弧軌道。
3. 根據請求項2之三維形貌檢測裝置，其中該至少二光學檢測裝置設有樞紐，且利用該樞紐使得該至少二光學檢測裝置於圓弧軌道上移動，以調整該光學檢測裝置之傾斜角度。
4. 根據請求項2之三維形貌檢測裝置，其中該圓弧軌道係一體成型。
5. 根據請求項1之三維形貌檢測裝置，其另包含方向角調整機構，以調整該待測物之方向角度。
6. 根據請求項5之三維形貌檢測裝置，其中該方向角調整機構包含一移動平台及一旋轉平台。
7. 根據請求項1之三維形貌檢測裝置，其中該至少二光學檢測裝置各搭配一組該馬達、導螺桿及連接軸，以驅動 該至少二光學檢測裝置之移動。
8. 根據請求項1之三維形貌檢測裝置，其中該光學檢測裝置包含光學顯微鏡、干涉儀。
9. 根據請求項1之三維形貌檢測裝置，其中該光學檢測裝置之焦點維持在同一焦平面。
10. 一種三維形貌檢測裝置，包含：至少二光學檢測裝置；一傾斜角度調整機構，將該至少二光學檢測裝置架設其上，以調整該至少二光學檢測裝置之傾斜角度；以及一方向角調整機構，以調整該待測物之方向角度；其中當該至少二光學檢測裝置的傾斜角度改變時，該至少二光學檢測裝置的焦點維持在同一位置，並使待測物位於該至少二光學檢測裝置的視場範圍內。
11. 一種三維形貌檢測裝置，包含：至少二光學檢測裝置；一傾斜角度調整機構，將該至少二光學檢測裝置架設其上，以調整該至少二光學檢測裝置之傾斜角度；其中當該至少二光學檢測裝置的傾斜角度改變時，該至少二光學檢測裝置的焦點維持在同一位置，並使待測物位於該至少二光學檢測裝置的視場範圍內，其中該至少二光學檢測裝置各搭配一組該馬達、導螺桿及連接軸，以驅動該至少二光學檢測裝置之移動。
12. 一種三維形貌檢測裝置，包含：至少二光學檢測裝置； 一傾斜角度調整機構，將該至少二光學檢測裝置架設其上，以調整該至少二光學檢測裝置之傾斜角度；其中當該至少二光學檢測裝置的傾斜角度改變時，該至少二光學檢測裝置的焦點維持在同一位置，並使待測物位於該至少二光學檢測裝置的視場範圍內，其中該至少二光學檢測裝置包含光學顯微鏡、干涉儀。