測量測試表面的高精度高度圖的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種使用多傳感器光學(xué)輪廓儀來測量測試表面的高精度高度圖的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]通常，對于3D光學(xué)輪廓儀系統(tǒng)，高度圖精度與垂直掃描范圍和垂直掃描速度成反比關(guān)系。高精度光學(xué)輪廓儀傳感器可能具有有限的視野，例如視野可能是0.1X0.1_，而測試表面可能更大一些。因此，存在如下需要，將位于傳感器下方的測試表面從該測試表面的第一部分移動至該測試表面的后續(xù)部分，從而可以將多幅高度圖結(jié)合在一起以使得能夠得到整個測試表面的測量結(jié)果。如果針對各高度圖，操作者不得不以自動方式或者手動方式尋找測試表面位于傳感器的焦點深度和掃描范圍(如果合適的話)之內(nèi)的位置，這可能花費很長的時間來測量整個測試表面。
[0003]可能需要使用光學(xué)輪廓儀傳感器來測量測試表面的高精度高度圖的改進方法，其中，將測試表面定位在高精度光學(xué)輪廓儀傳感器的焦點范圍(focal range)之內(nèi)的時間最短。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種使用光學(xué)輪廓儀來測量測試表面的高精度高度圖的改進方法。
[0005]因此，提供了一種使用多傳感器光學(xué)輪廓儀來測量測試表面的高精度高度圖的方法，包括:
[0006]通過設(shè)置于所述光學(xué)輪廓儀的具有相對長的工作距離和/或大的視野的預(yù)映射傳感器來測量所述測試表面的粗糙高度圖；
[0007]將所述粗糙高度圖存儲在存儲器中；
[0008]將所述粗糙高度圖細(xì)分為多個部分，以適合于設(shè)置于所述光學(xué)輪廓儀的相對高分辨率的光學(xué)輪廓儀傳感器的視野；
[0009]計算所述高分辨率的光學(xué)輪廓儀傳感器相對于所述測試表面的相應(yīng)X、Y和Z位置；使用所計算出的X、Y和Z位置計算所述高分辨率的光學(xué)輪廓儀傳感器相對于所述測試表面在X、Y和Z方向上的軌跡；
[0010]根據(jù)所述軌跡在X、Y和Z方向上使所述高分辨率的光學(xué)輪廓儀傳感器相對于所述測試表面移動；以及
[0011 ] 使用所述高分辨率的光學(xué)輪廓儀傳感器來測量高精度高度圖。
[0012]通過使用兩個高度傳感器可以實現(xiàn)高精度高度圖的快速測量:快速且具有長焦點范圍和長工作距離以對測試表面進行預(yù)映射的預(yù)映射傳感器、以及針對高精度高度圖具有高的高度測量精度的第二傳感器(光學(xué)輪廓儀)。
[0013]通過預(yù)映射傳感器的幫助，可以預(yù)先測量出測試表面和預(yù)映射傳感器之間的距離。所測量的距離可以用來在高精度傳感器有限的焦點范圍內(nèi)移動測試表面。高精度傳感器因此可以直接用來測量而沒有將時間浪費在在焦點范圍內(nèi)尋找測試表面上。
[0014]根據(jù)實施例，所述預(yù)映射傳感器包括:共聚焦傳感器、三角聚焦傳感器、刀口聚焦傳感器、色點傳感器、聚焦點恢復(fù)傳感器(a points from focus sensor)、結(jié)構(gòu)照明顯微傳感器、聚焦垂直影像對比度傳感器(vertical image contrast through focus sensor)、聚焦橫向影像對比度傳感器(lateral image contrast through focus sensor)、觸覺傳感器或電容式傳感器。不排除其它快速聚焦方法。
[0015]根據(jù)實施例，來自所述預(yù)映射傳感器的所述粗糙高度圖包括多個合并、重疊或接合的來自所述預(yù)映射傳感器的各測量結(jié)果。
[0016]理想地，預(yù)映射傳感器會產(chǎn)生粗糙高度圖。注意，快速單點聚焦傳感器通過結(jié)合多個測量結(jié)果或多個傳感器的陣列也能夠用來創(chuàng)建高度圖。可以連接預(yù)映射傳感器的多個視野以增大可測量區(qū)域。
[0017]預(yù)映射傳感器高度圖結(jié)果的關(guān)注區(qū)域被細(xì)分為高精度高度圖傳感器視野的尺寸的連接或者重疊區(qū)域。預(yù)映射傳感器高度圖可以用于為使用第二較高精度光學(xué)輪廓儀的后續(xù)測量確定合適的聚焦掃描開始和結(jié)束位置。在優(yōu)化配置中，系統(tǒng)可以首先全部使用預(yù)映射傳感器映射關(guān)注區(qū)域，然后切換至高精度傳感器以用較高的精度映射相同區(qū)域。兩個傳感器的視野可以不同，但是本方法不限于此。使用兩個傳感器的好處是預(yù)映射數(shù)據(jù)用于確保在掃描距離上優(yōu)化了較慢的較高精度方法，從而能夠獲取測量速度和穩(wěn)定性的大幅提高。另外一個關(guān)鍵因素是這種組合測量方案非常適合自動化。
[0018]然而，不排除其它優(yōu)化較少的測量方案。也不排除單視野的測量，因為這樣也有利于為了快速和穩(wěn)定的自動聚焦的目的而使用第一傳感器。
[0019]可以使用高精度掃描3D光學(xué)分析方法完成后續(xù)高精度高度測量，所述高精度掃描3D光學(xué)分析方法包括:結(jié)構(gòu)性光照明分析、聚焦點恢復(fù)分析、旋轉(zhuǎn)盤(Nipkow)共聚焦分析、單點共聚焦分析、數(shù)字全息術(shù)分析、干涉分析。不排除其它快速高度光學(xué)高度映射方法。
[0020]所有具有高精度傳感器的任意預(yù)映射傳感器的不同組合都是可以的。預(yù)映射傳感器可以與高精度傳感器共享部分相同的光學(xué)路徑。
[0021]如果最終高精度高度圖重疊，則使用高度圖拼合方法將它們合并成一幅較大的高度圖。如果高精度高度圖相連，則可以直接將它們合并成一幅較大的高度圖。
[0022]如果最終高精度高度圖沒有重疊并且沒有相連，則可以通過對它們之間的間隙進行插值來合并成一幅較大的高度圖。
[0023]如果高度漂移大，則在第二掃描時從預(yù)映射數(shù)據(jù)獲取的預(yù)測掃描范圍可能不充足，測量可能失敗。通過使用預(yù)映射數(shù)據(jù)和最后一次高精度高度掃描之間的偏移量的補償來先取得這些誤差。
[0024]根據(jù)實施例，所述測試表面相對于所述光學(xué)輪廓儀的移動由X、Y和Z測試臺驅(qū)動。
[0025]以這種方式可以將測試表面的不同區(qū)域定位在光學(xué)輪廓儀設(shè)備下方。在任何情況下，可能都需要計算機控制的(X、Y、Z)移動系統(tǒng)相對于傳感器來移動測試樣本。可以在(X、Υ、Ζ)方向移動樣本或者在(Χ、Υ、Ζ)方向移動傳感器。然而其它方案也是可以的。例如，可以在ΧΥ方向移動樣本并且在Ζ方向移動傳感器。也可以在Ζ方向移動樣本并且在ΧΥ方向移動傳感器。不排除其它動作的組合。
[0026]根據(jù)實施例，用于計算在X、Y和Z方向上的軌跡的方法包括使得所述高分辨率的光學(xué)輪廓儀傳感器測量所述多個部分的高度圖的順序隨機化。
[0027]在拼合多個重疊的視野時可能會產(chǎn)生傾斜誤差。如果在系統(tǒng)的高度漂移和視野的測量順序之間存在較強的相關(guān)性，則發(fā)生這種誤差。這種高度漂移可能由環(huán)境溫度變化或者由在光路或其它子系統(tǒng)中進行內(nèi)部的(機械或電子)加熱引起。通過隨機測量視野，可以使得這種影響最小化。在預(yù)映射聚焦策略中，能夠使得測量高精度高度圖視野的順序隨機化。
[0028]根據(jù)實施例，用于計算在X、Y和Z方向上的軌跡的方法包括對所述軌跡進行排序。
[0029]通過對所述軌跡進行排序，使得整個測試表面的測量時間最小化。
[0030]根據(jù)實施例，將所述粗糙高度圖細(xì)分為多個部分以適合于所述高分辨率的光學(xué)輪廓儀傳感器的視野，導(dǎo)致所述多個部分重疊或相鄰。
[0031]根據(jù)實施例，計算所述高分辨率的光學(xué)輪廓儀傳感器在X、Υ和Ζ方向上的軌跡包括從所述粗糙高度圖中減去所述預(yù)映射傳感器和所述高分辨率的光學(xué)輪廓儀傳感器之間的經(jīng)過