尤其适用于微系统技术领域，运用干涉测量和基于成像处理进行组合式几何测量的设备和方法

本发明涉及一种对测量对象进行光学测量的设备和方法。这种设 备和方法尤其适用于微系统技术领域内的测量工作。

为了在阶梯状表面采用光学测量方式测量高度结构，并符合高精 度的要求，垂直扫描白光干涉仪(WLI)特别适合。通常采用的干涉测 量设备包括迈克尔逊干涉仪(Michelson interferometer)、林尼克干涉 仪(Linnik-interferometer)和米劳干涉仪(Mirau interferometer)。在 WLI中，用于照明的白光源一般使用卤灯。在测量过程中，不断增加 或减小测量光路和基准光路之间的行程差，同时，相距不到100nm的 地方，用二维分辨像素传感器(例如，CCD或CMOS阵列等)记录测 量对象的干涉图像。通过向干涉仪方向移动测量对象，或沿测量对象 方向移动干涉仪使之接近或远离测量对象，再或者通过移动干涉物镜 或基准镜，可以产生光程的变化。这种测量过程称为垂直扫描A。基 于光学行程差的每个摄像机像素的强度曲线(被称为相关图 correlogrm)，可以用来进行更进一步的信号分析。

在WLI信号分析中，应注意相干峰值和相位分析之间的区别。前 者对测量点的高度位置仅作相对比较模糊的估测，有时偏差值超过 100nm以上。后者提供的测量误差在纳米或次纳米范围内。上述高度 测量范围可达若干毫米。

测量对象的横向几何特征可以通过对像素图像的数字分析确定， 例如，使用图像边缘检测算法。对于显微测量对象，则使用配有合适 摄像装置的显微测量仪，以达到记录显微像素图像，并对此进行数字 化分析。这一方法的优点在于测量速度快，高速度的测量，一方面可 以实现图像抓取和测量对象激发之间的同步，另一方面还可以同时对 测量对象的动态动作进行检测。然而，因为受到折射偏转的影响，所 有显微方法可以达到的横向分辨率均有一定的限制。当使用可见光时， 通常可以达到的横向分辨率约为0.5μm。

在使用上述干涉仪对数字化光显微摄像摄取的横向结构进行分析 时，干涉显微仪中必然会出现干涉效应，干涉效应还会引起额外的图 像反差，产生不良的干扰作用。

所以，WO2005/108915AI提出使用同一物镜的、以干涉和成像处 理模式进行测量的测量设备。在这一方面，有发射不同光谱构成光的 两个光源。在干涉光路中，安排一个滤色片，它只允许一种光谱构成 的光通过，而不允许其他光谱构成光通过。

根据这原理，将不同类型的光用于不同的测量模式。

本发明的目标是改善这种情况。

本目标通过权利要求1的设备和权利要求28的方法实现。

采用本发明中的设备和方法，至少可以实现两种测量模式，即干 涉测量模式和成像处理模式，它们可进行图像处理或测量对象的手动 观察，或进行储存图像或以后图像分析的图像记录。

测量装置包括带光源的第一和第二照明装置，光源可发射不同或 相同光谱构成的光。通过在仅第一或仅第二照明装置工作的两个光源 之间转换，实现两种测量模式之间的转换。不同的测量模式通过交替 激活照明装置完成，通过将基准光路连接到使基准光束分叉的第一方 向的光束输入，使一个(第一)光源的光通过光束分离器，而另一(第 二)光源的光只在相反方向通过这光束分离器，光束分离器不分叉进 入基准光路的光。

例如，第一照明装置的光，在光束分离器和图像记录装置之间的 位置结合到测量设备的光路中。相反，第二照明的光在光束分离器和 测量对象之间的第二位置结合到测量设备的光路中，或者，交替地辐 射到测量对象上。然后，第一照明装置的光以向着测量对象的方向通 过光束分离器，从测量对象反射的光以相反方向通过光束分离器。即 光以向着和向反的方向，通过光束分离器两次。通过光束分离器照射 到测量对象上的光，部分分叉到基准光路中。

第二照明装置的光不在向着测量对象的方向通过光束分离器，在 那里光被分叉到基准光路中。所以，基准光路对第二照明装置的光完 全休眠，并且，如果第一和第二照明装置使用同一光源，这也是正确 的。从而消除了为不同方法模式选择照明装置光源的工艺状况限制。

作为第一和第二照明装置的光源，可使用短-相干光源、长-相干光 源、有色光源、白光源，比如激光二极管、发光二极管、有色发光二 极管、白色发光二极管、高级冷光二极管、卤灯和类似物。测量模式 之间的转换是纯电子性质的——只需要激活或休眠照明装置。不需要 机械调节或移动物镜。在干涉光学处理模式，测量对象用通过物镜的 光照明，在成像模式，照明可在宽的限制内任意确定。照明以垂直照 明形式通过物镜提供，或作为发射光照明，或作为暗场照明，或测量 对象的另一照明或测量对象载体。例如，装有环形光发射二极管装置 的暗场照明设备。

用光显微扫描A，再加后续的干涉测量，可实现干涉仪的快速测 量和自动程序。在光显微测量的模式中，还可以对待测对象或待测系 统的动态动作进行快速检测。

作为物镜，优选使用带集成光束分离器板和集成基准镜的米劳干 涉仪(Mirau interferometer)。

使用蓝光摄取的光显微图像可用于几何元件的横向测定，具有的 高分辨率的特征。由于蓝光的波长较短，因此可获得小于0.5微米的横 向分辨率。在成像处理模式中，使用基于蓝色发光二极管产生的外部 光源，例如，片段式可控环形照明灯，可在倾斜的反射侧面上完成测 量工作，无需翻转测量对象，从而节约成本。

上述测量方法同样可以适用于迈克尔逊物镜(Michelson Objective)。在使用迈克尔逊物镜时，可以对较大的测量对象(横向分 辨率对应较小的孔径数值相应减小)执行一次性测量。相反，在使用 林尼克装置(Linnik arrangement)时，可以通过选择物镜的最大孔径 数值，实现横向分辨率的最小化。此外，还可以在同一部设备中借助 换镜转盘同时安装多个物镜。

本发明中的干涉装置也可作为移相干涉仪使用。在此情形，应当 在干涉测量中使用基本单色光源。

在显微镜的视角范围内额外安装一个触觉式微型扫描器，当待测 结果无法用光学方法进行测量时，就可以用扫描器来测定对象的几何 数据。用触觉方法进行测量时，借助与光学设备的机械连接，可以使 测量保持在与干涉测量和成像处理相同的参照系统中。例如，触觉式 微型扫描器可以是一根硅制的弯曲条，上面装有用以测定扫描器偏转 情况的抗电压桥式电路。

将测量设备与配置了合适的增量测量系统的X，Y和Z轴机械定位 元件组合在一起，可以在测量具体对象时，把不同区域的测量结果联 系起来。出于测量需要，也可使用旋转的定位轴。

本发明涉及的设备可以被设计成一种紧凑型的探测元件，投入的 设备成本较少，应用却十分广泛，尤其在微系统工程领域。这种设备 在设计时充分考虑到测量精度、测量速度等方面要求的不断提高，贴 近实际测量程序、具有灵活的可操作性。与现行的白光源干涉测量中 广泛使用的热辐射体相比，使用发光二极管作为光源，在设计的自由 度、简洁程度、使用寿命和降低热干扰方面均具有显著的优势。

本发明中介绍的测量方法，可以将测量设备的各个单一系统有机 地结合起来，通过最优化的测量方法，完成各类测量工作。在具体的 测量过程中，借助成像处理，分析测量对象的横向结构数据，借助白 光干涉测量，检测对象的高度结构。此外，出于测量的特殊需要，还 可以通过触觉式扫描仪完成对诸如垂直侧面上的微结构特征的测定。 所有测量数据保持在同一参照系统内，可以互相结合。

对于本发明实施例的优点和细节的进一步说明，可参见附图、说 明或权利要求。

附图中显示的本发明实施例说明如下：

图1是本发明以迈克尔逊干涉仪为基础的、测量对象的光学测量 设备的基本说明；

图2是对以米劳干涉仪为基础的本发明设备的基本说明；

图3原则上，是图2设备在解释暗场照明装置的局部图；

图4是图3暗场照明装置的透视图；

图5是可使用三种测量模式的、以米劳干涉仪为基础的本发明设 备；

图6是对干涉测量模式、成像处理模式的测量装置的基本说明， 此外，机械扫描仪的描绘。

图1描述了对测量对象9的高度进行二维组合式测量的设备，在 测量中，即可采用干涉测量模式，也可采用测量对象9拍摄光学图像 的成像处理模式。在测量设备中，包括一个面向测量对象9发出照射 光的设备1。该设备具有与光学系统相连的第一照明装置1a和第二照 明装置1b。

照明装置1a、1b发出的光具有不同的光谱构成。例如：第一照明 装置1a可以由发白色的光二极管构成，产生相对较宽的光谱。而第二 照明装置1b是发射蓝光的发光二极管，发射短波光束。照明装置1a、 1b可交替地为白光LEDs或有色光LEDs，例如，可使用蓝光LEDs或 其他光源。

测量设备包括从测量对象延伸到图像记录装置12的光路。在光路 中，安装内有基准光路3的光束分离器2。在基准光路3中，装有镜子 4。通过聚光镜5和第二个的光束分离器6，第一照明装置1a的光源照 射在物镜8的进口孔7上，物镜8包含光束分离器2和基准镜4。在干 涉处理模式中，已被光束分离器2分叉的部分光源1a的光，通过光束 分离器2导向基准镜4并反射。另一部分光从光束分离器2经可反射 的第二照明装置的光源1b，分叉到另一个光束分离器10。第一照明装 置1a的光通过光束分离器10，并照在测量对象9上并从它反射。

基准镜4和位于景深范围内的部分测量对象9借助物镜8和筒透 镜11，照射在检测器阵列12上，例如，在一个800×600像素的摄像 机上。从测量对象9和镜子4反射的光通过光束分离器2聚合在一起， 穿过光束分离器6，最后导向检测器阵列12，以产生干涉。

定位器13用于调整物镜8，使其在Z方向上垂直于测量对象9。 用作控制装置的计算机14负责接收数据阵列12传送的图像，并对定 位器13进行控制。执行干涉测量时，借助定位器13，物镜可沿光轴来 回移动，对于物镜的不同高度位置分别记录干涉图像，并将其传输到 数字计算机14中进行分析。在干涉测量中，照明装置1a(例如白光源) 处于工作状态，而照明装置1b(例如蓝色LED)则不处于干涉模式的 工作状态。照明装置1a的光通过光束分离器2结合到基准光路3两次， 一次向前到测量对象19，一次向后到成像装置12。

在成像处理模式，照明装置1a退出工作状态，而照明装置1b接 通。通过聚光镜15和光束分离器10，以基准光路3为旁通的方式，光 被结合到光路中。为此，光束分离器10安装在光束分离器2和测量对 象之间。照明装置1b的光照亮测量对象9，并结合筒透镜11，使测量 对象在位于物镜景深范围内的检测器阵列12上成像。检测器阵列将图 像记录下来，并将其传输到连接的数字计算机14中进行数字分析。

在干涉测量模式中，可根据采用的白光干涉测量的某种程序来确 定测量对象9的结构的高度位置。例如，可调整定位器13直到干涉现 象出现，并对干涉现象进行分析。

在成像处理模式，照明装置1b的光照射下的测量对象9在检测器 阵列12上成像，可以通过数字计算机14储存摄取的图像并对它进行 进一步的处理。例如，可以通过边缘识别程序来识别和测量图像结构。

用于干涉测量的照明装置1a的光首先到达光束分离器2，然后到 达测量对象9。照明装置1b的光首先到达测量对象9，然后到达光束 分离器2。

图2描述了本发明米劳干涉仪形式的设备。对前图的描述和前图 中使用的相关图例说明仍然适用。光束分离器2部分起到反射片的作 用。基准镜4安装在光轴上。照明装置1b安装在物镜的外侧。它反射 光到测量对象上，这样，如前面例子，光在通过第一光束分离器前到 达测量对象。只有到达测量对象9的光通过光束分离器2，并到达图像 处理装置12。

图3描述了本发明的照明装置1b或暗场照明装置。暗场照明装置 包括几个光源，例如，发光二极管，它安装在支持测量对象9的板16 的下面。测量对象9，如图中所示，有几个阶梯和边缘17、18、19、 20，以及照明装置1b照明的侧表面21、22。因此，如已经提到的，它 包括许多光源，例如，图4中所示的发光二极管，可以一个或几个环 形排列。它们包括每个开口或光发射角(例如，25°)。它们的光轴 优选在共同点上相合。发光二极管的排列最好使发射的光不能直接到 达物镜8。

如图3所示，照明装置1b可包括第二个光源23，例如，以发光 二极管或另一光源(比如，白炽灯)的形式，安装在装置光轴上测量 对象的下面。该光源可用于透射测量中的测量对象。这对半透明或透 明对象是有利的。发光二极管可以是有色光发射二极管，短波蓝光发 射二极管，紫外辐射光发射二极管或白光发射二极管。

图5描述本发明基于图2所示设备的另一个实施例。可参考各项 的说明。与早期描述的实施例的区别是：照明装置1b安装在测量对象 上，提供顶部照明。照明装置1b包含一个或几个光源，它们的光导向 测量对象9上，但不导入物镜。所以，只有从测量对象9返回的照明 装置1b的光，到达物镜8。基准光路3在这测量模式是休眠的——在 这情况中使用光学成像。

此外，照明装置1a包括两个光源24、25，它们的光借助光束分离 器26结合，经聚光镜5和光束分离器6导入设备的光路。光源24、25 可有不同的光谱性质，它们适合于干涉测量模式。例如，一个可以是 长相干的，另一个可以是短相干的。在选择干涉生成物镜时，既可使 用迈克尔逊干涉仪，也可使用米劳或林尼克干涉仪。

如图6所示，点-测量扫描器16可额外地导入成像光学设备的视 场中。这可应用于上面所述的所有实施例。以点状的工作方式进行测 量的扫描器26可连接到数字计算机14。

通过在测量对象9和/或测量仪上，特别上在物镜8上安装移动和 /或旋转调节定位装置(轴)，可以改变测量对象和测量仪之间的相对 位置。

本发明设备包含一个至少具有两种不同增加模式的物镜。在第一 种干涉模式中，对测量对象进行干涉光学测量。在第二种成像处理模 式中，则在类似摄像机构造的检测器阵列上生成测量对象的图像，并 将其传输到图像处理程序中。通过变换照明装置，可出现测量模式之 间的转换，并连接到设备光路的不同位置——就像从光束分离器前后、 将基准光路结合到光路的摄像机看到的。