專利名稱：：圖像測(cè)量設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種光學(xué)類型圖像測(cè)量設(shè)備，其測(cè)量樣品，諸如機(jī)械部件和半導(dǎo)體芯片。
背景技術(shù)：
：傳統(tǒng)地，作為測(cè)量樣品的工件的形狀尺寸的測(cè)量設(shè)備，測(cè)量顯微鏡或圖像測(cè)量設(shè)備普及廣泛。在這種測(cè)量設(shè)備中，放置在可水平移動(dòng)的平臺(tái)上的樣品被放大并且通過光學(xué)系統(tǒng)被投影到圖像攝取設(shè)備，并且，通過利用投影像被轉(zhuǎn)換成的圖像信號(hào)，來測(cè)量樣品的表面形狀、缺陷檢查、坐標(biāo)和尺寸。例如，日本專利特開No.11-183124(專利文獻(xiàn)l)公開了這種測(cè)量設(shè)備。通常，測(cè)量設(shè)備包括透射照明和頂置式照明，它們是照明系統(tǒng)，并且頂置式照明被專門用于測(cè)量諸如機(jī)械部件這樣的透明對(duì)象時(shí)。頂置式光照明包括鹵素?zé)簟⒓馔哥R、和聚光透鏡，并且物體以遠(yuǎn)心的方式通過物鏡被照明。專利文獻(xiàn)l:日本專利特開No.11-18312
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的問題另一方面，成像光學(xué)系統(tǒng)包括物鏡和成像透鏡，并且樣品的圖像形成在圖像攝取裝置上。存在一種眾所周知的設(shè)備，其包括可以根據(jù)樣品的尺度改變倍率的變焦光學(xué)系統(tǒng)。在包括變焦光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)備的照明中，需要如此的照明光，艮口，其中在變焦低倍側(cè)的寬廣視場(chǎng)和在變焦高倍側(cè)的高NA之間建立平衡。然而，在傳統(tǒng)的頂置式照明系統(tǒng)中，不幸的是，在變焦高倍側(cè)的NA不足，或者在變焦低倍側(cè)的視場(chǎng)的附近變暗。近來，隨著LED的廣泛普及，LED被越來越多地采用為照明光學(xué)系統(tǒng)的光源。與鹵素?zé)粝啾?，LED具有諸如低功耗、恒定色溫、和快速響應(yīng)的多種優(yōu)點(diǎn)。然而，因?yàn)榘l(fā)光區(qū)域小于鹵素?zé)舻陌l(fā)光區(qū)域，上述問題變得更加明顯。根據(jù)上述，本發(fā)明的目的是提供一種包括變焦光學(xué)系統(tǒng)的圖像測(cè)量設(shè)備，其中利用頂置式照明，可以防止在從變焦低倍到變焦高倍的范圍中的NA的不足和不均勻視場(chǎng)，在所述頂置式照明中，使用諸如LED這樣的小面積光源。解決問題的裝置根據(jù)本發(fā)明的第一方面，圖像測(cè)量設(shè)備包括成像光學(xué)系統(tǒng)，從樣品側(cè)起包括物鏡和變焦光學(xué)系統(tǒng)；以及照明光學(xué)系統(tǒng)，從光源側(cè)起包括光源和蠅眼積分器，所述照明光學(xué)系統(tǒng)通過所述物鏡照明所述樣品，其中，所述蠅眼積分器滿足表達(dá)式(l):Ox^MxDlxNAl(1)其中，①是在蠅眼積分器的出射端面中內(nèi)接的圓的直徑，小是在構(gòu)成蠅眼積分器的每個(gè)透鏡元件的端面中內(nèi)接的圓的直徑，f是構(gòu)成蠅眼積分器的每個(gè)透鏡元件的焦距，M是成像光學(xué)系統(tǒng)的變焦變倍比，D^是對(duì)于成像光學(xué)系統(tǒng)變焦低倍側(cè)必要的視場(chǎng)直徑，以及NA^是對(duì)于成像光學(xué)系統(tǒng)變焦低倍側(cè)必要的數(shù)值孔徑。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，在根據(jù)第一方面的圖像測(cè)量設(shè)備中，蠅眼積分器進(jìn)一步滿足表達(dá)式(2)和(3):<))/f>DL/F(2)(|)<NALxF(3)其中F是物鏡的焦距。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，根據(jù)第一方面的圖像測(cè)量設(shè)備包括在所述物鏡和所述蠅眼積分器之間的照明中繼透鏡。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，根據(jù)第三方面的圖像測(cè)量設(shè)備中，蠅眼積分器進(jìn)一步滿足表達(dá)式(2')和(3'):(()/(fxB)>DL/F(2，)c|)xB<NALxF(3，)其中F是物鏡的焦距，以及B是中繼透鏡倍率。發(fā)明效果因此，本發(fā)明可以提供包括變焦光學(xué)系統(tǒng)的圖像測(cè)量設(shè)備，在所述圖像測(cè)量設(shè)備中，利用頂置式照明，可以防止在從變焦低倍到變焦高倍的范圍中的NA的不足和不均勻視場(chǎng)，在所述頂置式照明中，使用諸如LED這樣的小面積光源。圖1是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的圖像測(cè)量設(shè)備的視圖。圖2是示出傳統(tǒng)照明光學(xué)系統(tǒng)的視圖。圖3是蠅眼積分器的示意圖。圖4是示出蠅眼的數(shù)值孔徑和照明區(qū)域之間的關(guān)系的視圖。圖5是用于說明蠅眼之間的間隔的限制的視圖。圖6是說明根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的圖像測(cè)量設(shè)備的示意圖。字母或數(shù)字的說明1LED光源2集光透鏡3蠅眼積分器54擴(kuò)散板5折疊式反射鏡6偏光板7偏光分束器8消光濾光器9物鏡101/4波板11樣品12變焦光學(xué)系統(tǒng)13檢偏器14成像透鏡15CCD16激光二極管17泛光燈透鏡18光接收透鏡19二分割傳感器20孔徑光闌21光源22聚光透鏡23透鏡元件24照明中繼透鏡25視場(chǎng)光闌具體實(shí)施例方式下面將參考附圖描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方式。圖1是示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的圖像測(cè)量設(shè)備的視圖。通過集光透鏡2使從LED1出射的光平行，并且所述光入射到蠅眼積分器3。蠅眼積分器3設(shè)置在物鏡9的焦點(diǎn)位置處以執(zhí)行遠(yuǎn)心照明。在通過擴(kuò)散板4之后，從蠅眼積分器3出射的光通量的光學(xué)路徑6被折疊式反射鏡5改變，在通過偏光板6之后，光通量被偏光分束器7的涂層反射，并且光通量被引導(dǎo)進(jìn)入成像光學(xué)系統(tǒng)。同時(shí)，過量的光通量被孔徑光闌20阻擋。然后，光通量通過物鏡9和1/4波板10,并且利用光通量照明樣品11。在通過1/4波板10和物鏡9之后，從樣品11衍射的光透射通過偏光分束器7的涂層，并且光入射到變焦光學(xué)系統(tǒng)12。變焦光學(xué)系統(tǒng)12具有根據(jù)樣品11的尺寸改變光學(xué)系統(tǒng)的成像倍率的功能。然后，光透射通過檢偏器13，并且由成像透鏡14將樣品的圖像形成在CCD15上。依次設(shè)置偏光板6、偏光分束器7、消光濾光器8、1/4波板10和檢偏器13，從而減小由來自棱鏡、物鏡等的表面反射引起的噪聲。下面將介紹偏光板6、偏光分束器7、消光濾光器8、1/4波板10和檢偏器13的功能。偏光板6被設(shè)置為朝向如此的方向，g卩，在所述方向上，在垂直于紙張表面的方向上的線偏振光可以透射通過偏光板6。檢偏器13被設(shè)置為朝向如此的方向，即，在所述方向上，在平行于紙張表面的方向上的線偏振光可以透射通過檢偏器13。透射通過偏光板6的光變成在垂直于紙張表面的方向上的線偏振光，并且光被偏光分束器7反射。輕微地透射通過偏光分束器7的分量被消光濾光器8吸收。從棱鏡和物鏡的表面反射的光是在垂直于紙張表面的方向上的線偏振光，并且因此，大部分光不能以直線行進(jìn)通過偏光分束器7。因?yàn)橐灾本€行進(jìn)的部分泄漏的分量不能透射通過檢偏器13，所以表面反射光不能到達(dá)CCD15。另一方面，樣品被透射穿過1/4波板10的照明光照明，并且從樣品衍射的光再次透射穿過1/4波板。在兩次透射穿過1/4波板的光中，在垂直于紙張表面的方向上的線偏振光旋轉(zhuǎn)90度，從而變成平行于紙張表面的方向上的線偏振光。因此，從樣品11反射的光可以透射通過偏光分束器7和檢偏器13，從而到達(dá)CCD15。透射通過檢偏器13的光變成線偏振光。因此，當(dāng)彩色三CCD照相機(jī)被用作CCD15時(shí)，為了避免線偏振光的不良效應(yīng)，理想地，將1/4波板(未示出)設(shè)置在檢偏器的背后以將線偏振光轉(zhuǎn)換成圓偏振光。光學(xué)系統(tǒng)還包括自動(dòng)聚焦系統(tǒng)。從激光二極管16出射的光通過泛光燈透鏡17被聚集到樣品上。從樣品反射的光透射通過光接收透鏡18，并且在二分割傳感器19上成像。當(dāng)樣品的位置豎直地移動(dòng)時(shí)，在傳感器上的圖像水平地移動(dòng)，這使得自動(dòng)聚焦得以實(shí)現(xiàn)。在第一實(shí)施例中采用斜入射型自動(dòng)聚焦。另一方面，在其中物鏡9具有相對(duì)大的數(shù)值孔徑的情形中，也可以使用刀口型(knife-edgetype)自動(dòng)聚焦。在刀口型自動(dòng)聚焦中，透射通過物鏡9的光的一半被隱蔽在光瞳上。在本發(fā)明的變焦低倍側(cè)，假設(shè)DL是必要的視場(chǎng)直徑，NAl是必要的數(shù)值孔徑，并且M是必要的變焦變倍比。這里，將對(duì)于變焦高倍側(cè)必要的視場(chǎng)直徑DH表示如下DH~DL/M因?yàn)榉蔷€性地移動(dòng)的光學(xué)元件存在于變焦光學(xué)系統(tǒng)中，所以為了不產(chǎn)生光束的遮蔽，對(duì)于變焦高倍側(cè)必要的數(shù)值孔徑NAH被經(jīng)驗(yàn)地表示如下NAH~NALxM/2(4)例如，本發(fā)明的變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下(1)M=10，NAL=0.027，并且NAh二0.11，(2)M=7，NAL=0.024,并且NAH=0.08在情形(l)中，由表達(dá)式(4)的右側(cè)計(jì)算的高倍數(shù)值孔徑NA變成0.135，而在情形(2)中，高倍數(shù)值孔徑NA變成0.084。因此，結(jié)論是，表達(dá)式(4)的近似基本成立。圖2示出了傳統(tǒng)的照明光學(xué)系統(tǒng)。傳統(tǒng)地，通過將聚光透鏡22與集光透鏡2結(jié)合而形成照明系統(tǒng)。假設(shè)A是發(fā)光尺寸，而NAs是光源的數(shù)值孔徑，為了防止在從變焦低倍到變焦高倍的范圍中NA的不足和不均勻視場(chǎng)，光源21應(yīng)該滿足的條件被表示如下AxNAs>DLxNAH將表達(dá)式(4)代入該條件，從而獲得表達(dá)式(5):AxNAs>MxDLxNAL/2(5)然而，在具有大的變倍比的變焦光學(xué)系統(tǒng)中，表達(dá)式(5)的右側(cè)過度增加，并且基本找不到滿足表達(dá)式(5)的光源。當(dāng)與鹵素?zé)粝啾染哂兄T如低功耗、恒定色溫、和快速響應(yīng)的多種優(yōu)點(diǎn)的LED被用作光源時(shí)，因?yàn)長(zhǎng)ED通常具有比鹵素?zé)舻某叽绺〉某叽鏏,所以更加難以滿足表達(dá)式(5)。例如，在具有IO倍的變焦變倍比、0.027的低倍NA、和17mm的低倍視場(chǎng)直徑的光學(xué)系統(tǒng)中，假設(shè)LED被用作光源，同時(shí)具有1.5mm的發(fā)光尺寸(方形)和0.77的數(shù)值孔徑。在0.77的數(shù)值孔徑下，光量減少到55%。當(dāng)將這些數(shù)值代入表達(dá)式(5)時(shí)，表達(dá)式(5)的右側(cè)變成大約2.3，并且左側(cè)變成大約1.2，即使光被使用直到光量減少到百分之55。因此，表達(dá)式(5)根本不成立，并且不利地，在變焦低倍側(cè)，視場(chǎng)的附近變暗，或者，在高倍側(cè)，NA變得不足?？紤]如此的情形，即其中使用作為本發(fā)明的區(qū)別部分的蠅眼積分器3。圖3是蠅眼積分器3的示意圖。蠅眼積分器3包括很多透鏡元件23。圖3示出了其透鏡元件具有六邊形形狀的蠅眼積分器。然而，透鏡元件可以具有方形的或圓形的形狀。假設(shè)O是內(nèi)接蠅眼積分器的圓的直徑，())是內(nèi)接構(gòu)成蠅眼積分器的透鏡元件的圓的直徑，并且f是焦距。平行于蠅眼積分器入射的光通量由每個(gè)透鏡元件聚集，并且在每個(gè)元件的輸出端面中形成光源圖像。因此，獲得具有光源尺寸①的偽光源，并且從偽光源出射的光的數(shù)值孔徑變成NAF產(chǎn)(K2f。當(dāng)NAn-(K2f的數(shù)值孔徑被應(yīng)用到表達(dá)式(5)時(shí)，獲得A二①和NAs=NAFI=(j)/2f。蠅眼積分器應(yīng)該滿足的條件由表達(dá)式(l)表示9Ox(()/f>MxDLxNAL(1)因此，當(dāng)O和())增加而f減小時(shí)，表達(dá)式(l)的左側(cè)可以增加。在這種情形下，偽光源的整個(gè)表面不發(fā)射光，而是只有位于每個(gè)元件的中心的光源圖像發(fā)射光。然而，沒有實(shí)際的問題。SP，發(fā)光點(diǎn)離散地分布于偽光源中。在其中蠅眼積分器的O過大的情形中，沒有必要照明蠅眼積分器的整個(gè)表面，但是通過只使用蠅眼積分器的一部分，表達(dá)式(l)的左側(cè)可以明顯地減小。在這點(diǎn)上，根據(jù)機(jī)械限制的觀點(diǎn)，可以偏心地設(shè)置蠅眼積分器。在其中使用蠅眼積分器的情形中，必要的是選擇至少滿足表達(dá)式(l)的蠅眼積分器。在第一實(shí)施例中，因?yàn)橄壯鄣某錾涔獗恢苯尤肷涞轿镧R，所以如下所述，通過滿足表達(dá)式(l)不能完全地實(shí)現(xiàn)有效的照明。因?yàn)閺南壯鄢錾涞墓獾臄?shù)值孔徑被轉(zhuǎn)換成照明場(chǎng)，所以除非照明場(chǎng)滿足在變焦低倍側(cè)的視場(chǎng)直徑DL，否則低倍視場(chǎng)的附近變暗。在圖4中，假設(shè)A是每個(gè)蠅眼(透鏡元件)的射出點(diǎn)、NAFI=sinoc、并且F是物鏡9的焦距，則從圖4的關(guān)系得到下面的關(guān)系NAFIxF>DL/2當(dāng)將NAn/2f代入NAFIxF>DL/2時(shí)，獲得表達(dá)式(2):())/f>DL/F(2)因?yàn)樵谧兘沟捅秱?cè)必要的數(shù)值孔徑NAn較小，所以，在位于蠅眼積分器的端面的偽光源中利用區(qū)減小，并且元件的重疊效應(yīng)惡化。為了減小不均勻，從一個(gè)蠅眼(透鏡元件)的射出點(diǎn)A出射的光和從相鄰蠅眼(透鏡元件)的射出點(diǎn)B出射的光需要在照射表面內(nèi)重疊，如在圖5中所示。由于NAi^sinf3，所以根據(jù)圖5的關(guān)系，必須滿足下面的表達(dá)式(3):4<NALxF(3)即使?jié)M足表達(dá)式(3)，因?yàn)樵谧兘沟捅秱?cè)蠅眼積分器的重疊效應(yīng)較弱，所以散景(bokeh)變得不自然。需要擴(kuò)散板解決該問題。例如，考慮的是，具有10倍的變焦變倍比、0.027的低倍NA、17mm的低倍視場(chǎng)直徑、和90mm的物鏡焦距的光學(xué)系統(tǒng)與蠅眼積分器結(jié)合。蠅眼積分器具有40mm的器件尺寸，每個(gè)元件具有2mm的尺寸，并且每個(gè)元件具有7mm的焦距。表格1表示數(shù)值被代入表達(dá)式(l)、(2)和(3)中的結(jié)果。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>該結(jié)果滿足所有條件，并且利用蠅眼積分器可以形成如此的光學(xué)系統(tǒng)，即，其中，防止了在從變焦低倍到變焦高倍的范圍中的NA的不足和不均勻視場(chǎng)。圖6是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的圖像測(cè)量設(shè)備的示意圖。在圖6中，使用相同的附圖標(biāo)記表示與圖1中的部件相同的部件。圖6的實(shí)施例與圖1的實(shí)施例的不同之處只在于照明中繼透鏡24和視場(chǎng)光闌25位于蠅眼積分器3的背后。因此，省略相同部件的描述，并且將只描述不同的部件。因?yàn)樵趫D1的第一實(shí)施例中不能設(shè)置視場(chǎng)光闌，所以不利地，照明場(chǎng)變大到超過引起雜散光的需要，或者照明場(chǎng)的形狀變成構(gòu)成蠅眼積分器的每個(gè)元件的端面的形狀。在第二實(shí)施例中，利用中繼透鏡24可以形成對(duì)樣品11的點(diǎn)共軛，并且視場(chǎng)光闌25可以設(shè)置在共軛點(diǎn)處。因此，可以解決上述問題。因?yàn)橹欣^透鏡的使用改變了倍率，所以，假設(shè)B是中繼透鏡的倍率，獲得下面的表達(dá)式NAFI—NAFI/B，艮P，c()/(2xf)4(j)/(2xfxB)假設(shè)B是中繼透鏡的倍率，表達(dá)式(2)和(3)的條件改變?nèi)缦?()/(fxB)〉DL/F(2')—B<NALxF(3，)表達(dá)式(2')和(3')表明，即使因?yàn)橄壯鄯e分器不滿足表達(dá)式(2)和(3)而在第一實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)中不能使用蠅眼積分器，在利用具有縮小倍率的中繼透鏡的第二實(shí)施例中，也可以使用蠅眼積分器。即，第二實(shí)施例也具有擴(kuò)展蠅眼積分器的應(yīng)用的效應(yīng)。例如，考慮的是，具有10倍的變焦變倍比、0.027的低倍NA、17mm的低倍視場(chǎng)直徑、和90mm的物鏡焦距的光學(xué)系統(tǒng)與蠅眼積分器結(jié)合。蠅眼積分器具有45mm的器件尺寸，每個(gè)元件具有3mm的尺寸，并且每個(gè)元件具有20mm的焦距。表格2表示數(shù)值被代入表達(dá)式(1)、(2)和(3)中的結(jié)果。左側(cè)右側(cè)滿足？表達(dá)式(l)6.84.6OK表達(dá)式(2)0.150.19NG表達(dá)式(3)32.4NG結(jié)果，表達(dá)式(2)和(3)不滿足。當(dāng)在第一實(shí)施例的圖像測(cè)量設(shè)備中使用蠅眼積分器時(shí)，產(chǎn)生如下問題，諸如NA的不足以及在視場(chǎng)的周邊的光量的減少。在該情況下，當(dāng)采用第二實(shí)施例時(shí)，其中，具有0.7倍的倍率的照明中繼透鏡與蠅眼積分器一起使用，通過代入表達(dá)式(l)、(2')和(3')獲得表格3的結(jié)果。12[表格3]<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>因此，滿足所有條件，并且利用蠅眼積分器和照明中繼透鏡可以形成如此的光學(xué)系統(tǒng)，即其中防止了在從變焦低倍到變焦高倍的范圍中的NA的不足和不均勻視場(chǎng)。即，即使對(duì)于不能被用于第一實(shí)施例的圖像測(cè)量設(shè)備中的蠅眼積分器，通過第二實(shí)施例的圖像測(cè)量設(shè)備的布局，也可以使用蠅眼積分器，并且可以擴(kuò)展蠅眼積分器的應(yīng)用。權(quán)利要求1.一種圖像測(cè)量設(shè)備，包括成像光學(xué)系統(tǒng)，所述成像光學(xué)系統(tǒng)從樣品側(cè)起包括物鏡和變焦光學(xué)系統(tǒng)；以及照明光學(xué)系統(tǒng)，所述照明光學(xué)系統(tǒng)從光源側(cè)起包括光源和蠅眼積分器，所述照明光學(xué)系統(tǒng)通過所述物鏡照明所述樣品，其中所述蠅眼積分器滿足表達(dá)式(1)Φ×φ/f＞M×DL×NAL(1)其中Φ是在蠅眼積分器的出射端面中內(nèi)接的圓的直徑，φ是在構(gòu)成蠅眼積分器的每個(gè)透鏡元件的端面中內(nèi)接的圓的直徑，f是構(gòu)成蠅眼積分器的每個(gè)透鏡元件的焦距，M是成像光學(xué)系統(tǒng)的變焦變倍比，DL是對(duì)于成像光學(xué)系統(tǒng)變焦低倍側(cè)必要的視場(chǎng)直徑，并且NAL是對(duì)于成像光學(xué)系統(tǒng)變焦低倍側(cè)必要的數(shù)值孔徑。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像測(cè)'步滿足表達(dá)式(2)和(3):,DL/F())<NALxF其中F是物鏡的焦距。:設(shè)備，其中所述蠅眼積分器進(jìn)(2)(3)3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的圖像測(cè)量設(shè)備，包括在所述物鏡和所述蠅眼積分器之間的照明中繼透鏡。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的圖像測(cè)-步滿足表達(dá)式(2')和(3'):(|)/(fxB)>DL/F(|)xB<NALxF其中F是物鏡的焦距，并且B是中繼透鏡的倍率。:設(shè)備，其中所述蠅眼積分器進(jìn)(2，)(3，)全文摘要一種滿足下面的表達(dá)式(1)的蠅眼積分器被用于照明系統(tǒng)Φ×φ/f＞M×D_L×NA_L(1)。其中，Φ是與蠅眼積分器的出射端面內(nèi)接的圓的直徑；φ是與構(gòu)成蠅眼積分器的每個(gè)透鏡元件的端面內(nèi)接的圓的直徑；f是構(gòu)成蠅眼積分器的每個(gè)透鏡元件的焦距；M是成像光學(xué)系統(tǒng)的變焦變倍比，D_L是對(duì)于成像光學(xué)系統(tǒng)變焦低倍側(cè)所需要的視場(chǎng)直徑，以及NA_L是對(duì)于成像光學(xué)系統(tǒng)變焦低倍側(cè)必要的數(shù)值孔徑。因此，可以提供圖像測(cè)量設(shè)備，其可以防止從低變倍到高變倍的不足的NA和視場(chǎng)的不均勻。文檔編號(hào)G02B21/08GK101542352SQ200780043238公開日2009年9月23日申請(qǐng)日期2007年11月2日優(yōu)先權(quán)日2006年11月22日發(fā)明者持田大作申請(qǐng)人:株式會(huì)社尼康