TWI435067B - 利用被測量物之反射光的光學特性測量裝置以及測量方法 - Google Patents
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Description
本發明係有關於一種光學特性測量裝置及使用該裝置的測量方法，更特別地係有關於以更高的精度測量薄膜的反射率等之光學特性的技術。
做為用於透過對被形成在基板上等的薄膜照射光，並分光計測其反射光，以測量該薄膜的反射率、折射率、消光係數、及膜厚等的光學特性(光學常數)之代表的光學特性測量裝置，已知有顯微分光裝置。
一般的顯微分光裝置係例如特開平11－230829號公報的圖1開示的構成。此顯微分光裝置係包括：照明光學系統，將從光源射出的照明光經由半反射鏡導引至被載置於工作台上的測量樣品；及成像光學系統，將在測量樣品中被反射的光導引至繞射光柵及監控用光學系統。繞射光柵係做為將來自測量樣品上的測量區域之觀察光分光的分光裝置，並且將分光光譜成像在線感測器上。由在線感測器上被測量的分光光譜算出光學特性。另一方面，監控用光學系統將測量樣品的放大影像透過中繼透鏡成像至2維的CCD照相機上。透過CCD照相機被拍照之測量樣品的放大影像被用以確認測量位置及粗略的調焦。
如上所述，在一般的顯微分光裝置中係將從光源射出的照明光同時用於測量分光光譜及聚焦。
通常，在測量光學特性的情況中，必須測量測量對象的波長範圍的光譜。另一方面，為了讓使用者可用目視進行對測量樣品的聚焦，觀察光不能不包含可見光頻帶的波長。因此，照明光的光源必須採用具有包含測量對象的波長範圍及可見光頻帶之較寬的波長頻帶者。同時，為了進行調焦，因為不能不確保預定的亮度及較寬的觀察視野，而必須相對地增大照明光的光束直徑。
在此，為了更高精度地測量光學特性，雖然必須使用強度變化少之穩定的照明光，但是難以直接得到具有寬波長頻帶及較大光束直徑之穩定的照明光。因此，一般的結構使用產生較小光束直徑之照明光的光源及擴大該照明光之光束直徑的擴大器。不過，當擴大光束直徑時，會減少照明光之每單位面積的光強度(光量)。
也就是，從使光學特性的測量精度變得更高的觀點來說，最好是更小的光束直徑，而從進行調焦的觀點來說，最好是更大的光束直徑。如此，傳統的顯微分光裝置潛在地包含無法同時滿足的要求，而限制了光學特性的測量精度的提升。
為了解決上述問題，本發明之目的在於提供一種光學特性測量裝置及測量方法，其可更容易地提升光學特性的測量精度，同時對被測量物聚焦。
根據本發明之一個面向的光學特性測量裝置係包含
測量用光源、觀察用光源、聚光光學系統、光注入部、光分離器、輸出部、及調整機構。測量用光源產生包含對於被測量物之測量範圍的波長之測量光。觀察用光源產生包括可在被測量物反射的波長之觀察光。聚光光學系統被入射測量光及觀察光，並將入射的光聚光。光注入部在從測量用光源起至聚光光學系統的光學路徑上的預定位置中注入觀察光。光分離部將在被測量物產生的反射光分離成測量反射光及觀察反射光。輸出部輸出透過觀察反射光得到的反射影像及對應於該反射影像的信號的至少一個。調整機構可變更聚光光學系統及被測量物之間的位置關係。
根據本發明，測量用光源產生被用於測量被測量物之光學特性的測量光，同時觀察用光源產生被使用於聚焦至被測量物及確認測量位置的觀察光。因此，測量光及觀察光的光學參數可分別獨立地設定。從而，可將測量光的光束直徑及/或波長範圍設定於適合光學特性測量的值或範圍，同時可將觀察光的光束直徑及/或波長範圍設定於適合被測量物的觀察的值或範圍。
如此，可提升光學特性的測量精度，同時更容易地進行對被測量物的聚焦。
較好地，光注入部中之測量光的光束直徑比光注入部中之觀察光的光束直徑小。
較好地，光學特性測量裝置更包含測量測量反射光的光譜之分光測量部。光分離部係包含光反射部，被配置於在被測量物上產生的反射光傳播的光學路徑上。光反射部
在對應於在被測量物上產生的反射光之光軸的位置上具有直徑比測量反射光的光束直徑小的開口部。分光測量部被配置以接收通過開口部的反射光。
較好地，聚光光學系統包含凸面反射鏡及凹面反射鏡；凸面反射鏡在與測量光的光軸正交的截面中將入射至預定的半徑距離以上的區域的光從該光軸導向凹面反射鏡；凹面反射鏡將來自凸面反射鏡的光聚光於被測量物。
較好地，光學特性測量裝置更包括遮蔽觀察光的一部分之光罩部，以使得預定的觀察基準影像被投射至被測量物。
較好地，輸出部包含顯示反射影像的顯示部。
較好地，觀察用光源在使用測量反射光的測量中停止產生觀察光。
根據本發明之另一個面向，提供一種測量方法，其使用光學特性測量裝置測量被測量物的光學特性。光學特性測量裝置包含測量用光源、觀察用光源、聚光光學系統、光注入部、光分離器、及調整機構。測量用光源產生包含對於被測量物之測量範圍的波長之測量光。觀察用光源產生包括可在被測量物反射的波長之觀察光。聚光光學系統被入射測量光及觀察光，並將入射的光聚光。光注入部在從測量用光源起至聚光光學系統的光學路徑上的預定位置中注入觀察光。光分離部將在被測量物產生的反射光分離成測量反射光及觀察反射光。調整機構可變更聚光光學系統及被測量物之間的位置關係。測量方法係包括：觀察
用光源產生觀察光的步驟；從透過光分離部被分離的觀察反射光取得反射影像的步驟；根據反射影像顯示的聚焦狀態驅動調整機構的步驟；測量用光源產生測量光的步驟；及測量透過光分離部被分離的測量反射光之光譜的步驟。
較好地，測量方法更包含：當開始產生測量光時，停止從觀察用光源產生觀察光的步驟。
根據本發明，可更容易地提升光學特性的測量精度，同時進行對被測量物的聚焦。
由參閱附圖被理解之有關本發明的下面詳細說明，本發明之上述及其他目的、特徵、面向及優點變得更加明瞭。
參閱附圖詳細說明本發明之實施例。再者，圖中相同或相當的部分標示相同的符號，且不重複其說明。
根據本發明之實施例1的光學特性測量裝置100A通常係顯微分光式的測量裝置，以測量來自被測量物的反射光之光譜，測量被形成於被測量物之薄膜等的(絕對及/或相對)反射率、折射率、消光係數、及膜厚等的光學特性(光學常數)。
再者，在諸如半導體基板、玻璃基板、藍寶石基板、石英基板、及膜的材料表面上形成薄膜以做為被測量物的代表例。更具體來說，形成薄膜的玻璃基板係被使用做為液晶顯示器(LCD：Liquid Crystal Display)及電漿顯示
面板(PDP：Plasma Display Panel)等平面顯示器(FPD：Flat PanelDisplay)的顯示單元。又，形成薄膜的藍寶石基板係被使用做為氮化物半導體(GaN：Gallium Nitride)系的LED(Light Emitting Diode)及LD(Laser Diode)。又，形成薄膜的石英基板係被使用於各種光學濾光器及光學元件與投影液晶元件等。
特別地，根據本實施例的光學特性測量裝置100A係透過將被用於被測量物的光學特性之測量光及被用於對被測量物的聚焦之觀察光分別獨立地照射被測量物，而同時實現光學特性的測量精度的提升及使得對被測量物的聚焦變得容易。
參閱圖1，光學特性測量裝置100A包括測量用光源10；準直透鏡12；截止濾光器14；成像透鏡16、36；光圈18；分光器20、30；觀察用光源22；光纖24；出射部26；針孔反射鏡32；軸變換反射鏡34；觀察用照相機38；顯示部39；物鏡40；載物台50；可動機構52；分光測量部60；及資料處理部70。
測量用光源10係產生被用於測量被測量物的光學特性之測量光的光源，其通常係由氘燈(D2
燈)及鎢絲燈或其組合構成。測量用光源10產生的測量光係包含對被測量物之光學特性的測量範圍(例如，對於形成於玻璃基板上的薄膜係250nm~750nm)的波長。特別，在根據本實施例之光學特性測量裝置100A中，由於不將測量光使用於調焦，可任意地設定測量光的波長頻帶，也可使用僅包含諸如紅
外光頻帶及紫外光頻帶的可見光頻帶以外的波長之測量光。
準直透鏡12、截止濾光器14、成像透鏡16、及光圈18係被配置在連結測量用光源10及分光器30的光軸AX2上，並光學地調整從測量用光源10射出的測量光。
準直透鏡12係來自測量用光源10的測量光最初入射的光學元件，其將做為擴散光線傳播的測量光折射並變換成平行光線。通過準直透鏡12的測量光入射至截止濾光器14。
截止濾光器14係用以將測量光包含的波長限制於測量光學特性需要的波長範圍之光學濾光器。也就是，因為測量光包含之測量範圍以外的波長成分變成導致測量誤差的主因，所以截止濾光器14將測量範圍以外的波長成分裁剪掉。通常，截止濾光器14係由蒸氣沉積至玻璃基板等之上的多層膜形成。
為了調整測量光的光束直徑，成像透鏡16將通過截止濾光器14的測量光從平行光線變換成收斂光線。通過成像透鏡16的測量光入射至光圈18。
光圈18在將測量光的光量調整至預定量之後射出至分光器30。最好，光圈18被配置在透過成像透鏡16被變換的測量光的成像位置上。再者，光圈18的光圈量係根據入射至被測量物的測量光之景深及必要的光強度等而被適當地設定。
相對地，觀察用光源22係產生被使用於聚焦至被測
量物及確認測量位置的觀察光的光源。觀察用光源22產生的觀察光被選擇以包含可在被測量物上反射的波長。特別，在根據本實施例的光學特性測量裝置100A中，由於觀察光未被使用於測量光學特性，可採用具有適於聚焦至被測量物及確認測量位置的波長頻帶及光量的光源。觀察用光源22係經由光纖24與出射部26接續，在觀察用光源22中產生的觀察光在通過做為光波導的光纖24傳播後從出射部26朝向分光器20射出。
出射部26係包含遮蔽在觀察用光源22產生的觀察光的一部分之光罩部26a，使得預定的觀察基準影像被投射至被測量物。也就是，雖然剛在觀察用光源22上產生的觀察光的光束截面中的光強度(光量)大體上均勻，利用光罩部26遮蔽此觀察光的一部分，在觀察光上形成在其光束截面中光強度大約為零的區域(陰影區域)。此陰影區域做為觀察基準影像被投射至被測量物上。觀察基準影像也被稱為刻線板(reticle)影像。
如此，根據本實施例之光學特性測量裝置100A係利用將包含刻線板影像的觀察光照射至被測量物，即使對於在其表面上什麼設計(圖案)都未形成的被測量物(例如，透明的玻璃基板等)，根據該投射的刻線板影像，使用者可容易地進行調焦。刻線板影像可為任何形狀，舉例而言，可使用同心圓形及十字形的圖案等。
載物台50係用以配置被測量物的樣品台，其配置面係被平坦地形成。舉例而言，此載物台50係透過被機械
地連結的可動機構52，在3個方向(X方向、Y方向、Z方向)上自由地被驅動。可動機構52係被構成以包含例如3個軸的伺服馬達，及用以驅動各伺服馬達的伺服驅動器。可動機構52係回應於來自使用者或未圖示的控制裝置等之載物台位置指令驅動載物台50。透過驅動此載物台50，變更被測量物與後述的物鏡40間的位置關係。
物鏡40、分光器20、分光器30、及針孔反射鏡32係被配置於在垂直於載物台50的平坦面之方向上延伸的光軸AX1上。
分光器30係利用反射以測量用光源10產生的測量光，將其傳播方向變換朝向光軸AX1的紙面下方。又，分光器30被沿著光軸AX1朝向紙面上方傳播之來自被測量物的反射光穿透。舉例而言，分光器30係由半反射鏡構成。
相對地，分光器20係利用反射以觀察用光源22產生的觀察光，將其傳播方向變換朝向光軸AX1的紙面下方。同時，分光器20被沿著光軸AX1朝向紙面下方傳播之在分光器30被反射的測量光穿透。也就是，分光器20係做為在從測量用光源10至做為聚光光學系統的物鏡40之光學路徑上的預定位置中注入觀察光的光注入部。在此分光器20合成的測量光及觀察光入射至物鏡40。又，分光器20被沿著光軸AX1朝向紙面上方傳播之來自被測量物的反射光穿透。舉例而言，分光器20係由半反射鏡構成。
物鏡40係用以將沿著光軸AX1朝向紙面下方傳播之
測量光及觀察光聚光的聚光光學系統。也就是，物鏡40收斂測量光及觀察光以在被測量物或其附近的位置成像。又，物鏡40係具有預定倍率(例如，10倍、20倍、30倍、40倍等)的放大透鏡，從而，與入射至物鏡40的光之光束截面相比，可將測量被測量物的光學特性之區域更加微小化。因此，可測量被測量物之更微小區域的光學特性。
又，從物鏡40入射至被測量物的測量光及觀察光係在被測量物上被反射，且沿著光軸AX1朝向紙面上方傳播。此反射光在穿透物鏡40之後，也穿透分光器20及30，並到達針孔反射鏡32。
針孔反射鏡32係做為將在被測量物上產生的反射光分離成測量反射光及觀察反射光的光分離部。具體而言，針孔反射鏡32係包含將沿著光軸AX1朝向紙面上方傳播之來自被測量物的反射光反射之反射面，且形成以該反射面及光軸AX1的交點做為中心的開口部(針孔)32a。此針孔32a被形成以使得其大小比來自測量用光源10的測量光在被測量物上反射而產生的測量反射光在針孔反射鏡32的位置之光束直徑小。又，此針孔32a係被配置以分別與測量光及觀察光在被測量物反射產生的測量反射光及觀察反射光的成像位置一致。透過此種結構，在被測量物上產生的反射光中靠近光軸AX1附近的成分通過針孔32a並入射至分光測量部60。相對地，反射光之剩餘部分則變換其傳播方向並入射至軸變換反射鏡34。
分光測量部60測量通過針孔反射鏡32的測量反射光之光譜，並將其測量結果輸出至資料處理部70。更詳細地，分光測量部60係包含繞射光柵(光柵)62、檢測部64、截止濾光器66、及快門68。
截止濾光器66、快門68、及繞射光柵62係被配置在光軸AX1上。截止濾光器66係用以限制通過針孔入射至分光測量部60的測量反射光中包含的測量範圍以外的波長成分之光學濾光器，特別是裁剪掉測量範圍外的波長成分。快門68在重置檢測部64時被使用以遮斷入射至檢測部64的光。快門通常係由透過電磁力驅動的機械式快門構成。
繞射光柵62在將入射的測量反射光分光之後，將各分光的光波導引至檢測部64。具體而言，繞射光柵62係反射型的繞射光柵，其被構成以使得在預定的波長間隔之每個繞射波反射至對應的各方向。當測量反射波入射至具有此種結構的繞射光柵62時，所包含的各波長成分被反射至對應的方向，並且入射至檢測部64之對應的檢測區域。繞射光柵62通常係由平面聚焦(flat focus)型球面光柵構成。
為了測量測量反射光的光譜，檢測部64輸出對應於在繞射光柵62被分光的測量反射光包含之各波長成分的光強度之電氣信號。檢測部64通常係由將光二極體等的檢測元件配置成陣列狀的光二極體陣列、及被配置成矩陣狀的CCD(Charged Coupled Device)等構成。
繞射光柵62及檢測部64係根據光學特性的測量波長範圍及測量波長間隔等被適當地設計。
資料處理部70係基於來自檢測部64的測量結果(電氣信號)進行各種資料處理(通常係適配處理及噪音除去處理)，以輸出被測量物的反射率、折射率、消光係數、及膜厚等的光學特性(光學常數)。
相對地，在針孔反射鏡32被反射的觀測反射光係沿著光軸AX3傳播，並入射至軸變換反射鏡34。軸變換反射鏡34將觀測反射光的傳播方向從光軸AX3變換至光軸AX4。從而，觀測反射光係沿著光軸AX4傳播，並入射至觀察用照相機38。
觀察用照相機38係取得由觀察反射光得到的反射像之照相部，通常係由CCD(Charged Coupled Device)及CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)感測器等構成。再者，觀察用照相機38通常係對可見光頻帶具有感度，多數的情況係具有與對預定的測量範圍具有感度的檢測部64不同的感度特性。觀察用照相機38係將對應於由觀察反射光得到的反射影像之影像信號輸出至顯示部39。顯示部39係基於來自觀察用照相機38的影像信號顯示反射影像。使用者目視被顯示在此顯示部39上的反射影像，以進行對被測量物的聚焦及確認測量位置。顯示部39通常係由液晶顯示器(LCD)等構成。再者，取代觀察用照相機38及顯示部39，也可設置使用者可直接目視反射影像的取景器。
有關上述圖1及本發明的對應關係，測量用光源10係相當於「測量用光源」，物鏡40係相當於「聚光光學系統」，觀察用光源22係相當於「觀察用光源」，分光器20係相當於「光注入部」，針孔反射鏡32係相當於「光分離部」及「光反射部」，針孔32a係相當於「開口部」，觀察用照相機38係相當於「輸出部」，可動機構52係相當於「調整機構」，分光測量部60係相當於「分光測量部」，光罩部26a係相當於「光罩部」，顯示部39係相當於「顯示部」。
如上所述，根據本實施例的光學特性測量裝置100A係分別獨立地設置產生被用於測量被測量物的光學特性之測量光的測量用光源10，及產生被用於對被測量物聚焦之觀察光的觀察用光源22。因此，為了進一步提升光學特性的測量精度，同時更容易地進行對被測量物的聚焦，最好如下所述將測量光的波長頻帶及光束直徑與觀察光的波長頻帶及光束直徑最適化。
首先，從進一步提升光學特性的測量精度的觀點，入射至被測量物的測量光之光束直徑最好是相對地小。這是為了利用減小光束直徑使每單位面積的光強度(光量)變大，從而來自被測量物的反射光之每單位面積的光強度也變大，且為了可更高精度測量光譜。又，在測量光傳播時，在其光學路徑上的透鏡之表面上產生少量的反射，且測量反射光產生在從針孔32a偏移的位置上之成像。在此種分光測量部60中不期望(不希望入射)的光也被稱為內部反
射光，其可能成為測量誤差的主因，利用減小傳播中的測量光的光束直徑，可減低入射至針孔32a之此種內部反射光。例如，當測量光的光束直徑成為1/8時，利用簡單的計算，內部反射光可減低至約1/64。再者，由於也可抑制不規則反射及漫反射，實際上可進一步減低內部反射光。
相對地，從更容易地進行對被測量物的聚焦的觀點，入射至被測量物的觀察光之光束直徑最好是相對地大。這是為了確保盡可能大的觀察視野。
因此，在根據本實施例的光學特性測量裝置100A中，分光器20中的測量光之光束直徑被設計以變得比分光器20中的觀察光之光束直徑小。
圖2係顯示以觀察用照相機取得的反射影像之一例的圖式。圖2係顯示從觀察用光源22射出的觀察光之光束直徑為6mm，物鏡40具有10倍的倍率之情況的一例。
參閱圖2，由觀察光確保的觀察視野80係約0.6mm(6mm×1/10倍)。圖2的刻度係為了便於說明而被顯示，實際的被測量物不必一定為此種刻度。在此觀察視野80的中心部上存在由被設置於針孔反射鏡32的針孔32a(圖1)導致的陰影部82，相當於此陰影部82的光係做為測量反射光入射至分光測量部60。
又，從進一步提升光學特性的測量精度的觀點，測量光的波長頻帶最好盡可能與測量範圍一致。這是因為測量範圍外的波長成分成為測量誤差的主因。
相對地，從更容易地進行對被測量物的聚焦的觀點，
最好包含許多使得在被測量物的反射率相對地大的波長之觀察光。這是為了透過來自被測量物的反射光(亦即反射影像)視覺辨認被測量物的狀態。在一般的被測量物的情況中，使用包含可見光頻帶的波長的光做為觀察光即已足夠，但在可見光抗反射膜等為被測量物的情況中，由於可見光頻帶的波長之反射率相當小，而無法得到充分的反射影像，從而不能進行調焦。在此情況中，使用具有可見光頻帶以外的波長的光(例如近紅外光等)做為觀察光，同時使用對近紅外光具有感度的近紅外光照相機做為觀察用照相機38，而可進行調焦。再者，在膜等非常薄的被測量物上，前表面及背面之間的聚焦狀態的差異小而難以判別。亦即，由於可見光頻帶的波長係穿透該膜，在前表面的反射光及在背面的反射光混合，故難以判定聚焦於哪一個面上。因此，使用對於膜的穿透率低且僅在膜表面上反射的紫外光做為觀察光，可使得在前表面上聚焦變得容易。為了使此種紫外光可被看見，使用對紫外光具有感度的紫外光用照相機做為觀察用照相機38。
再者，從進一步提升光學特性的測量精度的觀點，在分光測量部60的測量中，最好遮斷來自觀察用光源22的觀察光的產生。觀察用光源22回應於在分光利量部60的測量狀態信號(未圖示)，而停止觀察光的產生。
圖3A及圖3B係顯示在使用可見光抗反射膜做為被測量物的情況中之以觀察用照相機取得的反射影像之一例的圖式。圖3A係顯示使用具有可見光頻帶的波長的光
做為觀察光的情況，圖3B係顯示使用具有近紅外光的波長的光做為觀察光的情況。
如圖3A所示，由於可見光抗反射膜關於可見光頻帶的波長的反射率非常小，使用具有可見光頻帶的波長之觀察光無法得到可視覺辨認的反射影像。相對地，如圖3B所示，由於在可見光抗反射膜上存在相當程度之對於近紅外光波長的反射率，使用具有近紅外光波長之觀察光可得到可視覺辨認的觀察視野80。並且，在此觀察視野80的中心部上，存在有被設置於針孔反射鏡32上的針孔32a(圖1)造成的陰影部82，並且投射在光罩部26a(圖1)產生的光柵影像(觀察基準影像)86。因此，使用者可參考此光柵影像進行調焦。
以下，參閱圖4所示的流程圖，說明使用根據本實施例之光學特性測量裝置100A測量被測量物的光學特性之步驟。
圖4係顯示使用根據本發明的實施例1之光學特性測量裝置100A的被測量物的光學特性的測量步驟之流程圖。
參閱圖4，首先，回應於使用者操作等，觀察用光源22開始產生觀察光(步驟S100)。當此產生的觀察光經由物鏡40入射至被測量物時，在被測量物產生的觀察反射光經由針孔反射鏡32等入射至觀察用照相機38。觀察用照相機38從此觀察反射光取得反射影像(步驟S102)。顯示部39顯示以觀察用照相機38拍照的反射影像(步驟S104)。
參考在此顯示部39上顯示的反射影像之聚焦狀態，使用者給予可動機構52載物台位置指令，以變更被測量物(載物台50)及物鏡40間的位置關係(步驟S106)。
在完成聚焦之後，使用者給予光學測量開始的指令。回應於此指令，觀察用光源22停止產生觀察光(步驟S108)，同時測量用光源10開始產生測量光(步驟S110)。當此產生的測量光經由物鏡40入射至被測量物時，在被測量物產生的測量反射光通過針孔反射鏡32的針孔32a，並入射至分光測量部60。分光測量部60測量此測量反射光的光譜(步驟S112)，並將其測量結果輸出至資料處理部70(步驟S114)。再者，資料處理部70基於來自檢測部64的測量結果進行各種資料處理，並輸出被測量物的反射率、折射率、消光係數、及膜厚等的光學特性(步驟S116)。
根據如上述之一系列的處理，可測量被測量物的光學特性。
在上面的說明中，雖然係例示使用者參考顯示部39上顯示的反射影像之聚焦狀態，變更被測量物及物鏡40之間的位置關係的結構，也可使用眾所周知的自動對焦技術，由未圖示的控制裝置進行調焦。
根據本發明之實施例1，測量用光源產生被用於測量被測量物之光學特性的測量光，同時觀察用光源產生被使用於聚焦至被測量物及確認測量位置的觀察光。因此，測量光及觀察光的光學參數可分別獨立地設定。從而，可將
測量光的光束直徑及波長範圍設定於適合光學特性測量的值或範圍，同時可將觀察光的光束直徑及波長範圍設定於適合被測量物的觀察的值或範圍。
如此，可提升光學特性的測量精度，同時更容易地進行對被測量物的聚焦。
又，根據本發明之實施例1，由於可任意地設定測量光的波長範圍，透過相對地減小光束直徑，可減低由在透鏡表面等產生的內部反射光造成的測量誤差。如此，可提升測量精度，同時測量在被測量物的微小區域內的光學特性。
又，根據本發明的實施例1，由於可任意地設定觀察光的波長範圍，透過使用包含使得在被測量物的反射率相對地大的波長之觀察光，即使對於難以對可見光頻帶的波長調焦之可見光抗反射膜及膜等，也可容易地進行調焦。
在上述根據本發明之實施例1的光學特性測量裝置100A中係例示使用折射型透鏡做為物鏡的結構，不過，取決於被測量物的種類，雖然在被測量物的前表面進行調焦，但來自被測量物背面的反射光出現成為迷光，使得測量精度變差。在此種情況中，最好使用如下所述的反射物鏡。
圖5係根據本發明之實施例2的光學特性測量裝置100B之概略結構圖。
參閱圖5，根據本發明之實施例2的光學特性測量裝
置100B係使用反射物鏡42取代在圖1所示的光學特性測量裝置100A中的物鏡40之結構。關於其他組件，由於與圖1所示的光學特性測量裝置100A相同，不重複詳細說明。
反射物鏡42通常係卡塞格林(Cassegrain)型反射物鏡。具體而言，反射物鏡42係包含相互組合的凸面反射鏡42a及凹面反射鏡42b。
凸面反射鏡42a及凹面反射鏡42b被配置以使得其任一個的中心軸均與光軸AX1一致。凸面反射鏡42a將沿著光軸AX1傳播的觀察光及測量光的一部分反射並且導引至凹面反射鏡42b。凹面反射鏡42b係同心圓形的反射鏡。在圖5上係概略地顯示凹面反射鏡42b的截面形狀。凹面反射鏡42b將在凸面反射鏡42a上被反射的觀察光及測量光的一部分聚光至被測量物上。又，來自被測量物的反射光係沿著與入射路徑相同的光學路徑反向地傳播。
圖6係根據本發明之實施例2的反射物鏡42的更詳細的結構圖。
參閱圖6，在沿著光軸AX1入射的光(測量光及觀察光)之中，凸面反射鏡42a僅將在與光軸AX1正交的截面中之從光軸AX1入射至預定的半徑距離r以上的區域的光導引至凹面反射鏡42b。相對地，入射至從光軸Ax1起至未達預定的半徑距離r的區域，換言之，入射至光軸AX1的附近區域的光未在凸面反射鏡42a反射，而未被導引至凹面反射鏡42b。也就是，僅入射至從凸面反射鏡42a的光軸
AX1起至預定的半徑距離r以上的區域之測量光及觀察光被照射至被測量物OBJ。因此，在入射至被測量物OBJ的中途之光的光束截面係其中心部被遮蔽的同心圓形(甜甜圈形)。使用具有此種同心圓形的光束截面的光，可避免在被測量物OBJ的背面反射而產生的背面反射光(迷光)的影響。
圖7係用以說明在使用折射物鏡的情況中之背面反射光的產生狀態的概念圖。
參閱圖7，特別是在被測量物OBJ的膜厚相對地小的情況中，透過折射型物鏡40的透鏡像差等，在被測量物OBJ的前表面90及背面92的二界面中均產生反射光。亦即，雖然原來只需要來自被測量物OBJ的前表面90之反射光，但來自背面92的反射光成為與之混合的迷光。此來自背面92的反射光係造成測量誤差的主因。
其次，參閱圖8A及圖8B，說明可使用反射物鏡42避免此等來自背面92的反射光之影響的理由。
圖8A及圖8B係用以說明在使用反射物鏡的情況中之背面反射光的產生狀態的概念圖。圖8A係顯示來自被測量物OBJ的前表面90的反射光，圖8B係顯示來自被測量物OBJ的背面92的反射光。
在反射物鏡42的焦點係位於被測量物OBJ之前表面90上的情況中，由在被測量物OBJ的前表面90上反射產生的測量反射光係經由反射物鏡42沿著光軸AX1朝向紙面上側傳播。如圖8A所示，由於此測量反射光的成像位
置被設計以與針孔反射鏡32(圖5)的針孔32a的位置大概一致，測量反射光係以光束直徑變細的狀態到達針孔反射鏡32。因此，測量反射光係通過針孔32a入射至分光測量部60(圖5)。如此，在成像位置與針孔32a位置大概一致的情況中，未成為在針孔32a之同心圓形的光束截面。也就是，維持充分的強度而入射至分光測量部60。
相對地，如圖8B所示，與圖8A所示的測量反射光之成像位置相比較，透過在被測量物OBJ的背面92之反射產生的背面反射光的成像位置移動至反射物鏡42側。在從此成像位置起至針孔32a的光學路徑中，由於背面反射光變成甜甜圈形的光束，在靠近針孔32a時，光束直徑擴大。若沒有背面反射光的光束強度的區域(光束截面的內徑區域)比針孔32a的開口直徑大，則背面反射光無法通過針孔32a。亦即，若可實現如上所述的光學差異，則可避免背面反射光造成之測量誤差的影響。
因此，在本實施例的光學特性測量裝置100B中，根據被測量物OBJ的膜厚等，適當地設定反射物鏡42的大小等，以使得在來自前表面的反射光與來自背面的反射光之間產生如圖8A及圖8B所示的光學差異。
為了避免如圖8A及圖8B所示的背面反射光的影響，適當地設定測量光的光束直徑是重要的。接著，使用圖9A及圖9B說明此測量光的光束直徑的影響。
圖9A及9B係用以說明根據測量光之光束直徑的背面反射光之影響程度的變化的概念圖。圖9A係顯示測量光
的光束直徑變成相對地大的情況，圖9B係顯示測量光的光束直徑變成相對地小的情況。
如圖9A所示，當測量光未透過光圈18充分地縮小其光束直徑而入射至反射物鏡42時，由於在被測量物OBJ的背面92反射產生的背面反射光增大其光束截面本身，在針孔32a的位置上之光束強度變成不存在被遮蔽的部分。也就是，針孔32a的位置內的背面反射光的光束強度並非甜甜圈形，而是變成圓形，其一部分通過針孔32a並入射至分光測量部60。因而，無法充分地避免背面反射光造成的影響。從而，如圖9B所示，測量光最好是在透過光圈18適當地縮小其光束直徑之後，入射至反射物鏡42。
(測量結果例)
圖10係將使用根據本發明之實施例2的光學特性測量裝置100B測量被測量物的反射率的結果與由傳統的光學特性測量裝置得到的結果比較的圖式。圖10係以被用以做為實用上之抗反射膜的低反射率樣品，即玻璃上的氣化矽薄膜做為被測量物，並顯示測量被測量物的反射率光譜之結果。圖10中的測量結果200A係顯示由透過共通的光源產生如特開平11一230829號公報(專利文獻1)的圖1所示之測量光及觀察光的傳統光學特性測量裝置得到的資料。又，測量結果200B係顯示透過根據本實施例的光學特性測量裝置100B得到的資料。
傳統光學特性測量裝置的測量結果200A顯示比測量結果200B高約1.5倍的數值。因為無法充分地分離測量
反射光及觀測反射光，觀察反射光的一部分變成迷光並入射至分光測量部60而產生測量誤差，這對於像此被測量物的低反射率樣品變得越加顯著。
圖11係將使用根據本發明之實施例2的光學特性測量裝置100B測量被測量物的反射率的結果與由傳統的光學特性測量裝置得到的結果比較的圖式。圖11係以厚0.2mm的PET膜做為被測量物，顯示測量反射率光譜之結果。圖11中的測量結果220A係顯示由傳統的光學特性測量裝置得到的資料。測量結果220B係顯示由本實施例之光學特性測量裝置100B得到的資料。理論值220C係顯示由PET膜(被測量物)之已知的折射率及消光係數計算的僅來自PET膜表面的反射率光譜之理論計算值。
參閱圖11，傳統的光學特性測量裝置的測量結果220A已知變成理論值220C的大約2倍。這是因為除了PET膜的表面反射光外還混入了背面反射光。相對地，測量結果220B已知與理論值220C更加一致。亦即，這表示即使在被測量物的厚度為約0.2mm之比較薄的情況中，本實施例的光學特性測量裝置100B避免背面反射光的影響，而可用更高的精度測量被測量物的光學特性。
根據本發明之實施例2，除了上述透過實施例1得到的效果外，可避免背面反射光的影響。也就是，由於使用反射物鏡42，可抑制在被測量物的背面反射產生的背面反射光入射至分光測量部60，而可減低背面反射光導致的測量誤差。因此，即使是容易引起背面反射光的影響之比較
薄的被測量物，也可用更高的精度測量光學特性。
在上述根據本發明的實施例1或2的光學特性測量裝置中，雖然係說明在反射光(測量反射光及觀察反射光)的傳播路徑上配置分光器20並注入觀察光的結構，若注入觀察光的位置是在從測量用光源10至做為聚光光學系統的物鏡40之光學路徑上，則其可為任何位置。因此，在本發明之實施例3中，說明在從測量用光源10至分光器30的光學路徑上注入觀察光的結構。
圖12係根據本發明之實施例3的光學特性測量裝置100C之概略結構圖。
參閱圖12，根據本發明之實施例3的光學特性測量裝置100C係將在圖1所示的光學特性測量裝置100A中之分光器20的位置變更至從測量用光源10至分光器30的光學路徑上，隨著此位置變更，也變更觀察用光源22、光纖24、及出射部26的位置。其他的功能及結構，由於與圖1所示的光學特性測量裝置100A相同，不重複詳細說明。
根據本實施例之光學特性測量裝置100C，來自被測量物的反射光(測量反射光及觀察反射光)僅通過1個分光器30。分光器30通常係由半反射鏡構成。因為半反射鏡理論上的穿透率係如其名稱所指的50%，在通過半反射鏡的前後，其光強度減半(50%)。因此，減低反射光通過的分光器的數目，可抑制入射至分光測量部60的反射光之衰減量。從而，可將在分光測量部60檢測的光譜之
SN(Signal to Noise)比維持於更高的狀態。
根據本發明的實施例3，除了透過上述實施例1得到的效果外，可進一步提升測量精度。
圖13係根據本發明之實施例4的光學特性測量裝置100D之概略結構圖。
參閱圖13，根據本發明之實施例4的光學特性測量裝置100D係將在圖5所示的光學特性測量裝置100B中之分光器20的位置變更至從測量用光源10至分光器30的光學路徑上，隨著此位置變更，也變更觀察用光源22、光纖24、及出射部26的位置。其他的功能及結構，由於與圖5所示的光學特性測量裝置100B相同，不重複詳細說明。又，如上述實施例3中說明，利用減低反射光通過的分光器的數目，可抑制入射至分光測量部60的反射光之衰減量。從而，可將在分光測量部60檢測的光譜之SN比維持於更高的狀態。
根據本發明的實施例4，除了透過上述實施例2得到的效果外，可進一步提升測量精度。
雖然已詳細說明本發明，但其僅係用於例示而非限定，應清楚地理解本發明之範圍係由附加的申請專利範圍解釋。
10‧‧‧測量用光源
12‧‧‧準直透鏡
14‧‧‧截止濾光器
16、36‧‧‧成像透鏡
18‧‧‧光圈
20、30‧‧‧分光器
22‧‧‧觀察用光源
24‧‧‧光纖
26‧‧‧出射部
26a‧‧‧光罩部
32‧‧‧針孔反射鏡
32a‧‧‧針孔
34‧‧‧軸變換反射鏡
38‧‧‧觀察用照相機
39‧‧‧顯示部
40‧‧‧物鏡
42‧‧‧反射物鏡
42a‧‧‧凸面反射鏡
42b‧‧‧凹面反射鏡
50‧‧‧載物台
52‧‧‧可動機構
60‧‧‧分光測量部
62‧‧‧繞射光柵
64‧‧‧檢測部
66‧‧‧截止濾光器
68‧‧‧快門
70‧‧‧資料處理部
80‧‧‧觀察視野
82‧‧‧陰影部
90‧‧‧前表面
92‧‧‧背面
100A、100B、100C、100D‧‧‧光學特性測量裝置
AX1、AX2、AX3、AX4‧‧‧光軸
OBJ‧‧‧被測量物
圖1係根據本發明之實施例1的光學特性測量裝置之
概略結構圖。
圖2係顯示以觀察用照相機取得的反射影像之一例的圖式。
圖3A及3B係顯示在使用可見光抗反射膜做為被測量物的情況中之以觀察用照相機取得的反射影像之一例的圖式。
圖4係顯示使用根據本發明的實施例1之光學特性測量裝置的被測量物的光學特性的測量步驟之流程圖。
圖5係根據本發明之實施例2的光學特性測量裝置之概略結構圖。
圖6係根據本發明之實施例2的反射物鏡的更詳細的結構圖。
圖7係用以說明在使用折射物鏡的情況中之背面反射光的產生狀態的概念圖。
圖8A及8B係用以說明在使用反射物鏡的情況中之背面反射光的產生狀態的概念圖。
圖9A及9B係用以說明根據測量光之光束直徑的背面反射光之影響程度的變化的概念圖。
圖10係將使用根據本發明之實施例2的光學特性測量裝置測量被測量物的反射率的結果與由傳統的光學特性測量裝置得到的結果比較的圖式。
圖11係將使用根據本發明之實施例2的光學特性測量裝置測量被測量物的反射率的結果與由傳統的光學特性測量裝置得到的結果比較的圖式。
圖12係根據本發明之實施例3的光學特性測量裝置之概略結構圖。
圖13係根據本發明之實施例4的光學特性測量裝置之概略結構圖。
10‧‧‧測量用光源
12‧‧‧準直透鏡
14‧‧‧截止濾光器
16、36‧‧‧成像透鏡
18‧‧‧光圈
20、30‧‧‧分光器
22‧‧‧觀察用光源
24‧‧‧光纖
26‧‧‧出射部
26a‧‧‧光罩部
32‧‧‧針孔反射鏡
32a‧‧‧針孔
34‧‧‧軸變換反射鏡
38‧‧‧觀察用照相機
39‧‧‧顯示部
40‧‧‧物鏡
50‧‧‧載物台
52‧‧‧可動機構
60‧‧‧分光測量部
62‧‧‧繞射光柵
64‧‧‧檢測部
66‧‧‧截止濾光器
68‧‧‧快門
70‧‧‧資料處理部
100A‧‧‧光學特性測量裝置
AX1~AX4‧‧‧光軸
Claims (9)
- 一種光學特性測量裝置，包括：測量用光源，產生包含對被測量物之測量範圍的波長之測量光；觀察用光源，產生包括可在前述被測量物反射的波長之觀察光；聚光光學系統，被入射前述測量光及前述觀察光，並將入射的光聚光；光注入部，在由前述測量用光源起至前述聚光光學系統的光學路徑上的預定位置中注入前述觀察光；光分離部，將在前述被測量物產生的反射光分離成測量反射光及觀察反射光；輸出部，輸出透過前述觀察反射光得到的反射影像及對應於該反射影像的信號的至少一個；調整機構，可變更前述聚光光學系統及前述被測量物之間的位置關係；及光罩部，遮蔽前述觀察光的一部分，以使得預定的觀察基準影像被投射至前述被測量物，其中前述觀察基準影像係用於對前述被測量物的調焦，並包括具有光強度與前述觀察光的光強度實質相同的區域以及光強度實質為零的區域。
- 如申請專利範圍第1項所述的光學特性測量裝置，其中，前述光注入部中之前述測量光的光束直徑比前述光注入部中之前述觀察光的光束直徑小。
- 如申請專利範圍第1項所述的光學特性測量裝置，更包括分光測量部，測量前述測量反射光的光譜；前述光分離部係包含光反射部，被配置於在前述被測量物上產生的反射光傳播的路徑上；前述光反射部在對應於在前述被測量物上產生的反射光之光軸的位置上具有直徑比前述測量反射光的光束直徑小的開口部；前述分光測量部被配置以接收通過前述開口部的反射光。
- 如申請專利範圍第3項所述的光學特性測量裝置，其中，前述觀察基準影像中對應前述開口部的區域具有與前述觀察光的光強度實質相同的光強度。
- 如申請專利範圍第1項所述的光學特性測量裝置，其中，前述聚光光學系統包含凸面反射鏡及凹面反射鏡；前述凸面反射鏡在與前述測量光的光軸正交的截面中將入射至預定的半徑距離以上的區域的光從該光軸導向前述凹面反射鏡；前述凹面反射鏡將來自前述凸面反射鏡的光聚光於前述被測量物。
- 如申請專利範圍第1項所述的光學特性測量裝置，其中，前述輸出部包含顯示部，顯示前述反射影像。
- 如申請專利範圍第1項所述的光學特性測量裝置，其中，前述觀察用光源在使用前述測量反射光的測量 中停止產生前述觀察光。
- 一種測量方法，使用光學特性測量裝置測量被測量物的光學特性之測量方法，其中，前述光學特性測量裝置係包括：測量用光源，產生包含對被測量物之測量範圍的波長之測量光；觀察用光源，產生包含可在前述被測量物反射的波長之觀察光；聚光光學系統，被入射前述測量光及前述觀察光，並將入射的光聚光；光注入部，在由前述測量用光源起至前述聚光光學系統的光學路徑上的預定位置中注入前述觀察光；光分離部，將在前述被測量物產生的反射光分離成測量反射光及觀察反射光；調整機構，可變更前述聚光光學系統及前述被測量物之間的位置關係；及光罩部，遮蔽前述觀察光的一部分，以使得預定的觀察基準影像被投射至前述被測量物，前述觀察基準影像係用於對前述被測量物的調焦，並包括具有光強度與前述觀察光的光強度實質相同的區域以及光強度實質為零的區域，前述測量方法係包括：前述觀察用光源產生前述觀察光的步驟；遮蔽前述觀察光的一部分，以使得預定的觀察基準影 像被投射至前述被測量物的步驟；從透過前述光分離部被分離的前述觀察反射光取得反射影像的步驟；根據前述反射影像顯示的聚焦狀態驅動前述調整機構的步驟；前述測量用光源產生前述測量光的步驟；及測量透過前述光分離部被分離的前述測量反射光之光譜的步驟。
- 如申請專利範圍第8項所述的測量方法，更包括：當開始產生前述測量光時，停止從前述觀察用光源產生前述觀察光的步驟。
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