專利名稱：共焦點顯微鏡、光學式高度測定方法及自動聚焦方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學對測定對象物高度進行測定的共焦點顯微鏡、光學式高度測定方法及在共焦點顯微鏡中自動地進行焦點調(diào)整的自動聚焦方法。
背景技術：
最近，隨著LSI的高度集成化，LSI接頭的電極數(shù)正在增加。而且，LSI的安裝密度也變得高起來。由于這樣的背景，已經(jīng)開始采用凸起電極作為LSI接頭的電極。
圖1為表示形成了這樣的凸起電極的LSI接頭的概略構成的圖。如圖1所示，在LSI接頭100上形成有多個半球狀的凸起101。在這樣的情況下，凸起101的大小或凸起101之間的距離各種各樣。例如，使用著半徑50μm、距離200μm等的凸起。此時，如果LSI接頭100為10mm×10mm的話，則形成了數(shù)千個這樣龐大數(shù)量的凸起(bump)。
然后，形成了這樣的凸起101的LSI接頭100不僅如圖2所示那樣頭朝下地與基板102接觸，而且使凸起101與基板102上的電極(圖中沒有示出)連接，進行所謂倒裝連接。
在這樣的情況下，基板102上的電極(圖中沒有示出)與凸起101之間正確地連接當然是重要的。因此，必須精確地形成凸起101的形狀及高度。
但是，LSI接頭100上的凸起101在設計上以高度匯集在如圖3虛線所示那樣的高度水平上為前提，但是實際上由于制造上的誤差，存在如涂黑的凸起101′那樣比設計高度高或低的凸起。因此，如果對這樣的LSI接頭100進行上述倒裝連接，則存在與基板102之間產(chǎn)生接觸不良的可能。
因此，作為形成這樣的凸起101的LSI接頭100必須使用凸起101的高度只分散在一定范圍的構件。由于這樣的背景，要求在倒裝連接之前以數(shù)μm的精度成行檢查所有的凸起的高度。
因此，考慮使用了共焦點光學系的高度測定裝置(參照日本專利特開平9-113235號公報、特開平9-126739號公報)。作為這種情況下的共焦點光學系，我們知道激光掃描式或光盤式(尼普科夫掃描盤)，但無論哪種都具有將高度方向(光軸方向)的分布變換成檢測光量的功能。
圖4為表示上述那樣的共焦點光學系的原理的圖。從光源211放射出來的光通過小孔212、分光鏡213、物鏡214聚光到樣本215上。并且，樣本215反射的光通過物鏡214和分光鏡213聚光到檢測小孔216，被CCD等光探測器217接收。這里，使樣本215沿光軸方向偏離ΔZ。樣本215反射的光經(jīng)過圖示虛線的路徑在檢測小孔216上被擴大。因此，能夠通過檢測小孔216的光量變得非常小，實際上可以認為通過的光量為0。
圖5為表示樣本215沿Z方向的移動位置與通過檢測小孔216的光量I的關系(I-Z特性)的曲線。具體地，圖5用最大值標準化表示以物鏡214的數(shù)值孔徑(NA)為參數(shù)時的焦點位置為基準的樣本215的位置Z與光量I的關系。在圖5中，樣本215在焦點位置(Z＝0)時光量I最大(I＝1)，隨著從焦點位置離開，光量I減小。因此，如果用共焦點光學系觀察樣本215，只有在焦點附近看得明亮。這種效果稱為光學系的分割(セクシヨニング)效果。即，普通的光學顯微鏡使離開焦點位置的部分的模糊像與聚焦位置的像重合進行觀察，而共焦點光學系則靠分割效果只觀察聚焦位置的分割圖像。這是共焦點光學系與普通的光學顯微鏡最大的不同的地方。并且，物鏡214的NA值越大，分割效果越顯著。例如，NA＝0.3時，只能觀察到離焦點位置±10μm以內(nèi)的樣本215的分割圖像。
日本專利特開平9-113235號公報通過下述方法獲取高度信息。利用共焦點光學系的I-Z特性獲取離散的分割圖像，用包含各像素的最大輝度的3個IZ值近似2次曲線，然后推定IZ峰值的位置獲取高度信息。即，如果采用上述文獻，利用共焦點光學系分割效果進行曲線擬合，例如上述2次曲線的近似，進行樣本的高度的測定。但是，在這種情況下需要IZ曲線的一定強度以上中的最少3張分割圖像。這里，需要3張分割圖像的理由是因為在進行2次近似時有3個未知數(shù)，因此需要有3個點的數(shù)據(jù)。
并且，3張分割圖像必須是用IZ曲線的預定強度以上的強度獲得的圖像。其理由根據(jù)圖6進行說明。圖6為表示實際測定了NA＝0.3的物鏡的IZ曲線的例子的圖。如從圖6能夠明白的那樣，實測IZ曲線的下擺部分由于物鏡的像差其形狀變得紊亂。因此，進行曲線擬合時必須使用IZ曲線的紊亂不會成為問題的部分的數(shù)據(jù)。如果根據(jù)圖6，IZ曲線的紊亂不會成為問題的部分考慮強度在0.4以上的部分就可以。為了簡單，如果假定采用強度在0.5以上的數(shù)據(jù)，則在強度0.5以上的區(qū)域內(nèi)必須要有計算曲線擬合所需要的最少的數(shù)據(jù)點數(shù)(擬合2次曲線時需要3個數(shù)據(jù))。因此，出現(xiàn)了Z方向的取樣間隔的最大值的限制。并且，如果假設強度0.5的Z方向的IZ曲線的整個寬度為W0.5，則W0.5＝8μm。為了取得W0.5＝8μm中的3個數(shù)據(jù)，必須使Z方向的取樣間隔最寬為8m/3＝2.67μm。因此，圖6的IZ曲線不能使Z方向的取樣間隔比2.67μm寬。
在像上述那樣地一邊進行曲線擬合一邊進行高度測定時，由于上述Z方向的取樣間隔的最大值的限制，不能進行比該限制值還稀的Z方向的取樣。
因此，產(chǎn)生以下這樣的問題。
例如，在檢查凸起的高度時，考慮即使多少犧牲一些高度測定的精度也需要大的測定范圍，并且不增大檢查時間的情況。在這種情況下，為了不增加檢查時間，使Z方向的取樣間隔變稀疏抑制取得分割圖像的張數(shù)是有效果的。但是，如上所述，分割圖像的Z方向的取樣間隔的最大值有限制。因此，為了與大的高度測定范圍相對應，只好增加分割圖像的張數(shù)了。其結果，增大了凸起高度的檢查時間。產(chǎn)生招致增大了每個接頭的檢查成本的問題。
為了解決這個問題，可以考慮交替使用NA不同的多個物鏡。但是，用于檢查凸起高度這樣的低倍率(寬視野)的NA比較大的(NA＝0.3、NA＝0.25等)物鏡體積大、價格貴。并且，物鏡的切換機構也復雜。因此，在這種情況下也產(chǎn)生招致每個接頭的檢查成本增大的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要提供一種能夠降低檢查的成本的共焦點顯微鏡、光學式高度測定方法及自動聚焦方法。
本發(fā)明的第1種形式的共焦點顯微鏡，其特征在于，包括通過物鏡使通過共焦點結構(pattern)的、從光源射出的光在樣本上掃描的裝置；通過上述物鏡使透過上述共焦點結構的、從樣本反射來的光成像在光電變換裝置上獲得共焦點圖像的共焦點光學系；配置在上述光源與上述物鏡之間、上述物鏡的瞳孔位置或者與上述物鏡的瞳孔位置共軛的位置上，使光軸方向的分割效果能夠改變的可變光圈。
本發(fā)明的第2種形式的共焦點顯微鏡，其特征在于，包括通過共焦點結構及物鏡使從光源射出的光在樣本上掃描、使從上述樣本反射來的光通過上述物鏡及上述共焦點結構獲取分割圖像的第1成像光學系；光學地連接在上述第1成像光學系上、通過成像透鏡使上述分割圖像成像在光電變換裝置上的第2成像光學系；使上述樣本和上述物鏡之一沿光軸方向相對地移動的移動裝置；配置在上述光源與上述物鏡之間、上述物鏡的大概瞳孔的位置或者與上述物鏡的瞳孔位置大致共軛的位置上，使光軸方向的分割條件能夠改變的可變光圈。
在第1種形式及第2種形式中，最好是下述的實施形態(tài)。并且，下述實施形態(tài)可以單獨使用，也可以適當組合使用。
(1)上述共焦點結構為形成了具有遮光線和透光線的周期性的線結構的旋轉型光盤。
(2)上述可變光圈根據(jù)測定范圍或精度改變分割條件。
(3)上述可變光圈改變分割條件以便至少能夠得到3個數(shù)據(jù)。
(4)根據(jù)分割條件改變光源的光量。
本發(fā)明的第3種形式的光學式高度測定方法，其特征在于，包括一邊使樣本與物鏡之一沿光軸方向相對地移動，一邊通過物鏡使通過共焦點結構的、從光源射出的光在樣本上掃描的步驟；通過上述物鏡獲取透過上述共焦點結構的、從樣本反射來的光作為分割圖像的步驟；在上述光軸方向的多個位置靠上述分割圖像測定上述樣本的高度的步驟；通過配置在上述物鏡的大致瞳孔的位置或者與上述物鏡的瞳孔位置大致共軛的位置上的光圈，根據(jù)測定精度變更上述物鏡的開口直徑的步驟。
本發(fā)明的第4種形式的自動聚焦方法，其特征在于，包括一邊使樣本與物鏡之一沿光軸方向相對地移動，一邊通過物鏡使通過共焦點結構的、從光源射出的光在樣本上掃描的步驟；通過上述物鏡獲取透過上述共焦點結構的、從樣本反射來的光作為分割圖像的步驟；在上述光軸方向的多個位置上靠預定的函數(shù)根據(jù)上述分割圖像求取聚焦位置的步驟；在不能得到聚焦位置的情況下，通過配置在上述物鏡的大致瞳孔的位置或者與上述物鏡的瞳孔位置大致共軛的位置上的光圈變更上述物鏡的開口直徑，反復進行從掃描到求取聚焦位置的步驟。


圖1形成了凸起電極的LSI接頭的概略構成的示意2LSI接頭與基板的連接狀態(tài)的示意3用于說明不良凸起的狀態(tài)的4一般的共焦點光學系的概略構成的示意5以NA為參數(shù)的IZ曲線的示意6實測的物鏡的IZ曲線的示意7用于本發(fā)明的第1實施形態(tài)的共焦點顯微鏡的概略構成的示意8A及圖8B說明第1實施形態(tài)的共焦點圖像的示意9用于說明第1實施形態(tài)的10可變光圈的一例的示意11可變光圈的一例的示意12可變光圈的一例的示意13可變光圈的一例的示意14本發(fā)明的第2實施形態(tài)的概略構成的示意15將本發(fā)明用于激光掃描型顯微鏡的例子的示意16用于說明第4實施形態(tài)的聚焦動作的流程17A至圖17C說明用于本發(fā)明的第3實施形態(tài)的共焦點光盤的圖具體實施方式
下面根據(jù)

本發(fā)明的實施形態(tài)。
(第1實施形態(tài))圖7為用于本發(fā)明的第1實施形態(tài)的共焦點顯微鏡的概略構成的示意圖。
在圖7中，從具有鹵素光源或水銀光源等的光源1射出的光的光路上配置有與光源1一起構成照明光學系的透鏡2、PBS(分光鏡)3。并且，在PBS3的反射光路上，中間經(jīng)過例如Nipkow(尼普科夫)掃描盤等共焦點盤4、成像透鏡6、1/4波長板7、可變光圈13、物鏡8，配置有樣本9。它們構成具有分割效果的第1成像光學系。這里，可變光圈13配置在物鏡8的瞳孔位置上。并且，使用如后面詳細敘述那樣的能夠改變直徑的葉片光圈或者能夠選擇地在光軸上交換直徑不同的多個開口部的固定光圈等(在本說明書中，將這種光圈統(tǒng)稱為“可變光圈”)作為可變光圈13。圖7所示的例子使用了根據(jù)后述的計算機14的指示無級地控制光圈直徑的葉片光圈。并且，在樣本9反射光的PBS3的透過光路上，與第1成像光學系直列地、經(jīng)過構成第2成像光學系的透鏡10、光圈141、透鏡11配置有CCD相機12。
作為共焦點盤4使用的尼普科夫掃描盤，圓板上小孔的配置為螺旋狀，各小孔之間的距離配置成小孔直徑的10倍左右。共焦點盤4與電機5的軸連接，以一定的旋轉速度旋轉。該共焦點盤4，只要是產(chǎn)生分割效果的構件，也可以是國際公開編號第97/31282號中所公開的Tony Wilson盤等或交互地形成了直線狀的透過結構與遮光結構的線結構盤。并且，共焦點盤4不局限于在玻璃圓板上形成薄膜結構的構件，也可以是能夠將共焦點圖形(pattern)進行映象的透射型液晶顯示器。并且，樣本9在LSI接頭上形成了半球狀的凸起，樣本9載置在樣本載物臺16上。
CCD相機12上連接著計算機14。根據(jù)計算機14的指示控制CCD相機12攝像的開始、結束和攝影圖像的傳輸?shù)取Ｓ嬎銠C14獲取CCD相機12拍攝的圖像數(shù)據(jù)進行運算處理，顯示在圖中沒有示出的監(jiān)視器上。計算機14還給予焦點移動裝置15驅動指令。焦點移動裝置15根據(jù)計算機14的驅動指令沿光軸方向移動樣本載物臺16或者物鏡8，獲取多張圖像。
在這樣的結構中，從光源1射出的光通過透鏡2變成平行光。平行光被PBS3反射。PBS3反射的光射入以一定的速度旋轉的共焦點盤4。通過共焦點盤4的小孔的光通過成像透鏡6被1/4波長板7變成圓偏振光。圓偏振光通過可變光圈13被物鏡8成像，射入樣本9。從樣本9反射來的光通過物鏡8、可變光圈13再次被1/4波長板7變成與入射時相直交的偏振光。然后靠成像透鏡6將樣本像投影到共焦點盤4上。并且，投影到共焦點盤4上的樣本像中的焦點重合的部分通過共焦點盤4上的小孔，再透過PBS3，通過透鏡10、光圈141、透鏡11用CCD相機12攝像。CCD相機12拍攝的共焦點圖像被計算機14獲取，顯示在圖中沒有示出的顯示器上。
這里，為了簡單，圖7表示的是著眼于通過共焦點盤4上的多個小孔中的2個小孔的光。并且，共焦點盤4的小孔與物鏡8的焦點面為共軛，成像透鏡6、物鏡8、可變光圈13為兩側遠心(テレセントリツク)系的配置。而且，光源1與可變光圈13為共軛關系，為能夠均勻地照明樣本9的凱勒照明。利用共焦點光學系的I-Z特性、通過上述那樣的第1成像光學系能夠將樣本9的光軸方向的高度分布變換成光強度信息。并且，可變光圈13如上所述為可變光圈或者為可以交換的光圈。并且，可變光圈13如后所述為本發(fā)明的最重要的元件。
共焦點盤4與CCD相機12通過透鏡10、11為共軛關系，并且，由透鏡10、11和CCD相機12構成的第2成像光學系，其透鏡10、11也由于光圈141的存在成為兩側遠心系的配置。該第2成像光學系也可以不是遠心系。但是，如果第2成像光學系的長度不成問題的話，最好是難于引起周邊光量低下的遠心系。
通過這樣的第1成像光學系和第2成像光學系，CCD相機12只拍攝物鏡8的焦點面附近的分割圖像。如果將拍攝的分割圖像顯示在顯示器上，則只有焦點面看起來明亮，沿光軸方向離開焦點面的部分看起來暗。并且，如果用焦點移動裝置15沿光軸方向移動樣本載物臺16或物鏡8獲取多張圖像，可以獲得樣本9的三維信息。另外，這種情況下的XY的測定范圍為用CCD相機12拍攝的視野，Z測定范圍為移動焦點拍攝分割圖像的范圍。
下面用圖8A及圖8B說明觀察在LSI接頭9a上形成的多個凸起9b作為樣本9時的樣子。
首先，圖8A為聚焦在LSI接頭9a上的凸起9b的頂點附近時的共焦點圖像。如果假設圖8A中的凸起9b的中心表示的空白的看起來為亮點的區(qū)域為，只有該部分，即凸起9b的頂點附近能夠觀察到明亮的圖像。另外，雖然圖8A將LSI接頭9a面與凸起9b的涂黑部分表示成不同的濃度，但這只是說明上的需要，實際上看起來明亮的只有凸起9b的頂點附近，其他的幾乎是漆黑的。
如果在這種狀態(tài)下使聚焦位置向LSI接頭9a面靠攏，由于共焦點光學系的分割效果，凸起9b的頂點附近逐漸變暗。不久，凸起9b完全變黑。如果使聚焦位置再向LSI接頭9a面靠近，則LSI接頭9a逐漸變得明亮起來。當處于聚焦在LSI接頭9a面上的狀態(tài)時，如圖8B所示那樣，凸起9b處于幾乎全黑的狀態(tài)，LSI接頭9a面最明亮。
實際上，由于圖8A及圖8B所示的圖像為CCD相機12拍攝的，因此考慮該攝像的情況。用于CCD相機12的CCD的像素尺寸通常為幾μm～10μm左右。為了簡單，如果使CCD的像素尺寸為10μm的正方形像素，則在價格上也容易采購的1000×1000(100萬像素)的CCD尺寸為10×10mm。其結果，如果使光學系的綜合倍率為1倍，則能夠同時觀察到10×10mm的樣本9。因此，為了實現(xiàn)高速檢查，必須實現(xiàn)光學系綜合倍率為1倍那樣的寬視野光學系。但是，在這種情況下，可以考慮第1成像光學系的倍率為3倍、第2成像光學系的倍率為1/3倍這樣的組合，并且，在實用化中，也有將綜合倍率設定為2倍或1/2等的縮小系的情況。
下面就利用第1成像光學系的NA決定的分割效果獲取分割圖像的Z方向的取樣間隔ΔZ進行說明。
但是，如圖5所示那樣，分割效果即IZ曲線的陡度由NA決定。圖5表示了NA為0.3、0.25、0.2三種情況的理論IZ曲線。這里，圖示這樣的NA的IZ曲線的理由是基于這樣的設想如果考慮第1成像光學系的倍率為3倍左右的低倍率，一般認為能夠使用的物鏡的最大的NA為NA＝0.3左右。另外，NA小到0.25、0.2時，其設計、制作的難易程度有若干緩和。但是，無論怎樣降低物鏡8的倍率，由于是高NA，因此物鏡8為價格高、體積大的元件。
下面說明使用NA＝0.3左右的元件作為物鏡8實際進行高度測定時的情況。在這種情況下，由于圖5為理論IZ曲線，因此為相對于焦點位置(Z＝0μm)完全對稱的形狀。但是，在實際的NA＝0.3的物鏡8的IZ曲線中，如圖6所示，下擺部分由于像差處于紊亂狀態(tài)。因此，沿Z方向以ΔZ離散地從IZ曲線取樣分割圖像，用2次曲線或高斯曲線擬合，在獲取其峰值位置的Z作為凸起的高度信息的情況下，不僅要提高測定精度，而且還必須不使用由于像差而產(chǎn)生紊亂的下擺部分的數(shù)據(jù)。并且，擬合時，理論的IZ曲線((sin(x)/x)2的形式)能夠用高斯分布曲線(exp(-(x-a)2/2×σ2；σ標準偏差，a平均值)非常好地近似。因此，高斯擬合比2次曲線有利。并且，由于當取自然對數(shù)時高斯擬合能夠作為2次曲線使用，因此其計算也不是很麻煩。
并且，從CCD量子噪音(∝(亮度)1/2)等的S/N方面考慮，將遠離焦點位置的暗的數(shù)據(jù)用于擬合也不太理想。由于這樣的原因，最好是使預定的界限值Ith以上的數(shù)據(jù)為有效值，界限值Ith以下的數(shù)據(jù)為無效值。無論是使用高斯還是2次曲線擬合，數(shù)學上都必需至少3個界限值Ith以上的數(shù)據(jù)。需要的數(shù)據(jù)的最低界限的個數(shù)與擬合所使用的函數(shù)中包含的系數(shù)的個數(shù)相同。但是，由于上述的理由，一般認為，擬合所使用的函數(shù)用高斯分布就足夠了。因此，在以后的說明中，以使用高斯分布為前提。但是，雖說是用高斯分布說明，本發(fā)明的宗旨沒有改變。
并且，界限值Ith的決定方法，可以綜合地判斷圖像的S/N或使用的物鏡8的IZ曲線的下擺部的紊亂等適當?shù)剡M行選擇。這里，根據(jù)圖6的實測IZ數(shù)據(jù)的紊亂，試著考慮Ith＝0.5。實際上，由于直到0.4左右，圖5的NA＝0.3的理論IZ與圖6的實測IZ非常一致，因此Ith＝0.5是妥當?shù)摹?br> 圖6的實測IZ的Ith＝0.5時的Z方向的全寬W0.5為全寬W0.5＝8μm。因此，為了保證其中必須存在至少3個離散的IZ數(shù)據(jù)的Z方向的取樣間隔ΔZ為ΔZ＝8μm/3＝2.67μm。并且，如果使取樣間隔ΔZ比2.67μm密總是使用4個以上的數(shù)據(jù)進行擬合的話，則檢查時間變長了。但是，能夠進一步提高峰值推定位置的精度。我們稱這為“高精度檢查模式”。實際上，如果用ΔZ＝2.67μm獲取離散的IZ數(shù)據(jù)進行擬合的話，高度測定精度能夠匯集在±1μm左右。
另一方面，設想今后要生產(chǎn)各種各樣的凸起的大小和形狀不同的產(chǎn)品。因此設想凸起高度的檢查范圍也會變大。例如，現(xiàn)在就算是小的元件，高出LSI接頭面的高度也在50μm左右。但是，高度10～20μm左右的元件正在逐漸使用。在這種情況下，小的凸起要求高精度的高度測定。反之，大的凸起就不要求小凸起那樣高的檢查精度了。如果用戶要求，高度檢查精度要求在凸起高度的1/20的程度。
在微小的凸起的情況下，用上述高精度檢查模式相對應就可以了，但在大的凸起的情況下，采取下面的措施。
現(xiàn)在，作為一個例子，考慮檢查高度50μm大小的凸起時的情況，要求的檢查精度為100μm的1/20即±5μm，如果使物鏡8與上述一樣為NA＝0.3，則Z方向的取樣間隔ΔZ最寬為3.37μm。由于這個值能夠充分滿足要求的精度，因此精度上沒有問題。但是，產(chǎn)生了ΔZ超斑點(オ一バスペツク)，檢查裝置白白浪費檢查時間這樣的問題。即，平均每個接頭的檢查成本中花費了浪費成本。從這一點來說，作為檢查裝置要求足夠的檢查精度，并且盡量縮短檢查時間抑制平均每個接頭的檢查成本。
為了與這樣的高度測定范圍的變化相對應，可以考慮準備多個NA不同的物鏡8，根據(jù)測定范圍交換能夠選擇IZ曲線的陡度這樣的最合適的NA的物鏡8的方法。但是，用于凸起檢查的低倍率的物鏡8為上述那樣的高價并且體積大的元件。因此，成本上存在問題。并且，為了自動地切換物鏡，如果準備電動左旋(レボ)機構，由于物鏡8的體積大，電動左旋機構本身也體積大變得復雜，因此也花費成本。而且，由于左旋機構在結構上剛性變低，容易受振動等干擾的影響，測定精度也變差了。
因此，本發(fā)明只在光軸上固定配置1個低倍率的高NA物鏡8，根據(jù)計算機14的指示改變可變光圈13的光圈直徑使物鏡8的NA可以改變。由此能夠用非常簡單的結構靠低成本選擇多個IZ曲線。即，如果使可變光圈13最大直徑時的NA＝0.3，則如果使可變光圈13的直徑為1/1.2時NA＝0.25。使可變光圈13的直徑為2/3時NA＝0.2。這樣，通過使獲得分割圖像的條件可以改變，能夠獲得與交換到最合適的NA的物鏡8時同樣的結果。
在這種情況下，將IZ曲線的Ith＝0.5、在W0.5內(nèi)獲得最低3個數(shù)據(jù)的Z取樣間隔ΔZ、成像透鏡6的向光盤射出的NA′，共焦點盤4上的艾里斑直徑a與對物NA(0.3、0.25、0.2)的關系表示在圖9中。但是，如果使第1光學系的倍率為3倍，則NA′＝NA/3，a＝1.22×NA′/λ，光波長度λ＝0.55μm。
由此，在圖9中，如果將例如在NA＝0.3與NA＝0.2時的在W0.5內(nèi)獲得最低3個數(shù)據(jù)的Z取樣間隔ΔZ進行比較，則NA＝0.3時ΔZ＝2.67，而NA＝0.2時ΔZ＝5.87，因此NA＝0.2時ΔZ與NA＝0.3時相比，由于5.87/2.67＝2.2，能夠以2倍以上的寬的間隔取樣。其結果，能夠抑制由于測定范圍的擴大增加測定的時間。
另外，雖然在理想的共焦點光學系的情況下，共焦點盤4的小孔為無限小，但由于這樣透過的光就變成了零，因此使其為共焦點盤4上的艾里斑直徑a以下。實際上，多數(shù)情況下還考慮S/N在ψa的2/3左右設計。并且，如果用可變光圈13使NA變化，嚴格地講共焦點盤4的最合適的小孔直徑也改變，就出現(xiàn)了交換光盤的必要。為了避免產(chǎn)生這種情況，如果預先設定NA＝0.3的小孔直徑＝a×2/3＝6.71×2/3＝4.5μm的話，則即使在NA＝0.25、NA＝0.2時，共焦點盤4也能夠共同使用。但是，這時由于如果NA變小，共焦點盤4上的艾里斑直徑a變大，因此圖像變暗。在這樣改變物鏡8的NA時，調(diào)整光源1的光量使之成為與NA相對應的最合適的亮度。并且，減小NA時的場合為測定大的范圍即測定大的凸起的場合。在這樣的條件下，CCD相機12拍攝的凸起的頂點像也變大，總的檢測光量增加。因此，由于NA變小出現(xiàn)了補充光量減少的效果。
因此，如果采用第1實施形態(tài)，能夠改變可變光圈13的光圈直徑選擇最適合高度測定的物鏡8的NA。因此，對于即使犧牲Z測定范圍也要求用高精度測定、即使犧牲精度也要求增大Z測定范圍、或者即使犧牲精度也要求縮短檢查時間等各種要求，能夠用1臺裝置與以必要的足夠的精度盡量縮短檢查時間相對應。其結果，能夠降低平均每個接頭的檢查成本。并且，由于使用1個物鏡8就可以，因此能夠大幅度地降低裝置的成本。而且由于可以不要物鏡8的左旋轉換機構，因此能夠防止由于物鏡固定部的剛性惡化而引起高度測定精度的惡化。
另外，雖然在第1實施形態(tài)中，使可變光圈13的可變光圈的動作由計算機14控制進行，但手動也可以，也可以是手動電動兩方面或者將可變光圈13與預定的光圈直徑的元件交換。具體地，可以示例以下的元件(1)驅動葉片型快門，連續(xù)地改變直徑(參照圖10)。
(2)使具有多個不同直徑的開口部的光盤旋轉選擇所希望的開口直徑(參照圖11)。
(3)使具有多個不同直徑的開口部的板狀元件(滑塊)直線移動選擇所希望的開口直徑(參照圖12)。
(4)交換多個具有不同直徑的開口部的板狀元件(滑塊)(參照圖13)。
(第2實施形態(tài))圖14為本發(fā)明的第2實施形態(tài)的概略構成的示意圖。在圖14中，與圖7相同的部分添加相同的符號，其詳細說明省略。
第2實施形態(tài)將圖7所述的可變光圈13(即可變光圈)配置在與物鏡8的瞳孔位置共軛的光源1的前面的位置。并且，在物鏡8的瞳孔位置配置有固定光圈130作為遠心系。
這樣的結構，分割效果由照明的NA和獲取反射光的NA兩者決定。第2實施形態(tài)通過改變光源1前面的可變光圈13改變照明的NA改變分割效果。
如果采用第2實施形態(tài)，當使可變光圈13的光圈直徑變小時，投影到物鏡8的瞳孔上的可變光圈13的像變小。其結果，照明到樣本9的光的NA變小，因此，處于能夠改變分割效果的狀態(tài)，能夠期待與第1實施形態(tài)相同的效果。
(第3實施形態(tài))上述第1實施形態(tài)及第2實施形態(tài)表示使用普通的照明的例子，但本發(fā)明也可以用于使用激光作照明的場合。
圖15為將本發(fā)明用于激光掃描型顯微鏡的例子的示意圖。另外，在圖15中，與圖7和圖14相同的部分添加相同的符號，其說明省略。
激光光源1′射出的光通過PBS3入射到到二維掃描反射鏡40。
二維掃描反射鏡40反射的光通過瞳投影透鏡61、1/4波長板7、可變光圈13和物鏡8入射到樣本9。樣本9反射的光沿反向光路通過PBS3，經(jīng)過透鏡11及小孔41入射到光敏器件12′中。另外，小孔41是為了獲得共焦點效果而設置的。
在上述結構中，也可能在物鏡8的瞳孔共軛位置(或者附近)、二維掃描反射鏡40與PBS3之間配置可變光圈13′代替可變光圈13。在本結構中，通過改變可變光圈13(或者13′)可以改變NA。因此，即使在激光掃描型顯微鏡中也能夠實現(xiàn)與第1實施形態(tài)及第2實施形態(tài)相同的效果。
(第4實施形態(tài))在第4實施形態(tài)中，說明使用從第1實施形態(tài)到第3實施形態(tài)的顯微鏡實現(xiàn)了自動聚焦的實施形態(tài)。因此，由于裝置的結構與第1實施形態(tài)到第3實施形態(tài)的顯微鏡相同，因此圖示及說明省略。
圖16為用于說明第4實施形態(tài)的聚焦動作的流程圖。
首先，設定Z方向的取樣間隔(步驟S1)。該取樣間隔根據(jù)例如LSI的設計值設定。
其次，從預定的位置(例如設定的基準位置)開始，用步驟S1設定的取樣間隔獲取圖像(步驟S2)。在步驟S2中，如果取得了3張圖像(步驟S3)，則根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)作成擬合曲線(步驟S7)。然后，根據(jù)擬合曲線求取焦點位置，用焦點移動裝置15沿光軸方向移動樣本載物臺16或者物鏡8，進行焦點調(diào)整(步驟S8)在步驟S3中，在不能取得3張圖像的情況下，使可變光圈13的NA從例如NA＝0.3變小到0.25(步驟S4)。由此，如圖5所示的那樣，由于IZ曲線變平緩，因此即使是同樣的取樣間隔，也能夠獲得更多的圖像。在使NA變小的狀態(tài)下再次進行圖像獲取(步驟S5)。然后，反復進行步驟S4到步驟S5(步驟S6)，直到獲得3張以上的圖像。
然后，在獲得3張以上的圖像后，執(zhí)行步驟S7和步驟S8，進行焦點調(diào)整。
另外，雖然在第4實施形態(tài)中根據(jù)是否取得3張圖像而進行焦點調(diào)整，但由于必要的圖像的張數(shù)隨擬合曲線而改變，因此也可以獲取與選擇的擬合曲線相對應的圖像張數(shù)。
并且，如圖6所示，由于下擺部分由于像差而處于紊亂的狀態(tài)，因此判定是否使用因像差而產(chǎn)生紊亂的下擺部分的數(shù)據(jù)，當使用了下擺部分的數(shù)據(jù)時，使NA更加小獲取圖像就可以了。
(第5實施形態(tài))第1實施形態(tài)及第2實施形態(tài)使用了共焦點盤4。并且，敘述了使用多個小孔形成為螺旋狀的尼普科夫掃描盤作為共焦點盤4的例子。在本發(fā)明中，只要是具有產(chǎn)生分割效果的結構的光盤，具有什么樣的結構都可以。
例如，可以使用如圖17A所示那樣的，具有交互地形成了直線狀遮光線和透過線的周期性的線結構區(qū)域32的光盤33。也可以使用如圖17B所示那樣的，具有與線結構區(qū)域32相直交的方向的其他的線結構區(qū)域34的光盤35。
此時，這些結構如圖17C所示，以光的透過部分的縫隙寬S與結構間距P之比為1/2為特征。其中，縫隙寬S由第1成像光學系的成像透鏡6的向光盤的射出NA′決定，多數(shù)情況下設計成光盤上的艾里斑直徑的2/3左右。
這里，S/P＝0.5時，包含在獲得的圖像中的非共焦點圖像的比例為0.5。S/P＝0.1時，非共焦點圖像的比例為0.1。同樣，S/P＝0.05時，非共焦點圖像的比例為0.05。因此，如果使S/P＝0.1以下的程度，能夠獲取實質(zhì)上有用的分割效果。并且，如果使S/P＝0.01，非共焦點圖像的比例為0.01，該比例實質(zhì)上為與包含在用尼普科夫掃描盤獲得的圖像中的非共焦點圖像的比例大致相同的比例。但是，由于使S/P越小圖像當然越暗，因此根據(jù)應用設定最合適的S/P就可以了。
如果采用這樣的具有一個方向的周期性的線結構區(qū)域32(及直交方向的線結構區(qū)域34)的光盤33(35)，與尼普科夫掃描盤相比，由于結構形成簡單制造容易，因此價格便宜，而且通過選擇S/P的值，能夠與應用相對應任意地設定最合適的非共焦點圖像的比例。
如果采用上述那樣的本發(fā)明，能夠提供可以降低檢查成本的共焦點顯微鏡及光學式高度測定方法。
權利要求
1.一種共焦點顯微鏡，其特征在于，包括通過物鏡使通過共焦點結構的、從光源射出的光在樣本上掃描的裝置；通過上述物鏡使透過上述共焦點結構的、從樣本反射來的光成像在光電變換裝置上獲得共焦點圖像的共焦點光學系；配置在上述光源與上述物鏡之間、上述物鏡的瞳孔位置或者與上述物鏡的瞳孔位置共軛的位置上，使光軸方向的分割效果能夠改變的可變光圈。
2.一種共焦點顯微鏡，其特征在于，包括通過共焦點結構及物鏡使從光源射出的光在樣本上掃描、使從上述樣本反射來的光通過上述物鏡及上述共焦點結構獲取分割圖像的第1成像光學系；光學地連接在上述第1成像光學系上、通過成像透鏡使上述分割圖像成像在光電變換裝置上的第2成像光學系；使上述樣本和上述物鏡之一沿光軸方向相對地移動的移動裝置；配置在上述光源與上述物鏡之間、上述物鏡的大概瞳孔的位置或者與上述物鏡的瞳孔位置大致共軛的位置上，使光軸方向的分割條件能夠改變的可變光圈。
3.如權利要求1或者權利要求2所述的共焦點顯微鏡，其特征在于，上述共焦點結構為形成了具有遮光線和透光線的周期性的線結構的旋轉型光盤。
4.如權利要求1或者權利要求2所述的共焦點顯微鏡，其特征在于，上述可變光圈根據(jù)測定范圍或精度改變分割條件。
5.如權利要求1或者權利要求2所述的共焦點顯微鏡，其特征在于，上述可變光圈改變分割條件以便至少能夠得到3個數(shù)據(jù)。
6.如權利要求1或者權利要求2所述的共焦點顯微鏡，其特征在于，根據(jù)分割條件改變光源的光量。
7.一種光學式高度測定方法，其特征在于，包括一邊使樣本與物鏡之一沿光軸方向相對地移動，一邊通過物鏡使通過共焦點結構的、從光源射出的光在樣本上掃描的步驟；通過上述物鏡獲取透過上述共焦點結構的、從樣本反射來的光作為分割圖像的步驟；在上述光軸方向的多個位置靠上述分割圖像測定上述樣本的高度的步驟；通過配置在上述物鏡的大致瞳孔的位置或者與上述物鏡的瞳孔位置大致共軛的位置上的光圈，根據(jù)測定精度變更上述物鏡的開口直徑的步驟。
8.一種自動聚焦方法，其特征在于，包括一邊使樣本與物鏡之一沿光軸方向相對地移動，一邊通過物鏡使通過共焦點結構的、從光源射出的光在樣本上掃描的步驟；通過上述物鏡獲取透過上述共焦點結構的、從樣本反射來的光作為分割圖像的步驟；在上述光軸方向的多個位置上靠預定的函數(shù)根據(jù)上述分割圖像求取聚焦位置的步驟；在不能得到聚焦位置的情況下，通過配置在上述物鏡的大致瞳孔的位置或者與上述物鏡的瞳孔位置大致共軛的位置上的光圈變更上述物鏡的開口直徑，反復進行從掃描到求取聚焦位置的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠降低檢查的成本的共焦點顯微鏡、光學式高度測定方法及自動聚焦方法。共焦點顯微鏡包括通過物鏡使通過共焦點結構的、從光源射出的光在樣本上掃描的裝置；通過上述物鏡使透過上述共焦點結構的、從樣本反射來的光成像在光電變換裝置上獲得共焦點圖像的共焦點光學系；配置在上述光源與上述物鏡之間、上述物鏡的瞳孔位置或者與上述物鏡的瞳孔位置共軛的位置上的，使光軸方向的分割效果能夠改變的可變光圈。
文檔編號G02B21/00GK1511248SQ0280568
公開日2004年7月7日 申請日期2002年2月28日 優(yōu)先權日2001年2月28日
發(fā)明者江田幸夫 申請人:奧林巴斯光學工業(yè)株式會社