CN1207601C - 共焦显微镜及用其测量高度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种共焦显微镜及用其测量高度的方法，通过能获得分段效果的共焦圆盘把照明光照射到试样上，再通过上述共焦圆盘使来自该试样的光在光电变换装置上成像的这种共焦显微镜，具有：物镜成像光学***，其中具有使上述共焦圆盘图像在上述试样上成像的成像透镜和低放大倍数的物镜；以及成像透镜驱动装置，用于使上述成像透镜在光轴方向上移动。

Description

共焦显微镜及用其测量高度的方法

本发明涉及利用共焦圆盘(disk)来获得分段(sectioning)图像的共焦显微镜以及用其测量高度的方法。

背景技术

最近，随着LSI的高集成化，LSI芯片的电极数增多，并且，装配密度也在提高，因此，LSI芯片的电极采用凸起(bump)电极。

并且，将形成这种凸起的LSI芯片倒放到基片上，使其与基片相接触，同时把凸起连接到基片上的电极上，即利用所谓倒叩法焊接芯片(倒装片法)。

在此情况下，重要的是在基片上的电极与芯片上的凸起之间要正确地连接，为此，必须形成准确的凸起形状和高度。

因此，设计了一种以凸起为被测物，用光学方法来测量其高度的光学式高度测量装置(参见特开平9-113259号公报、特开平9-126739号公报)。该光学式高度测量装置采用已知的激光扫描方式或圆盘方式(Nipkow圆盘)。无论是那种方式都具有把高度方向(光轴方向、即Z轴方向)的分布变换成检测光亮的功能。

利用这种共焦光学***，取得试样的Z轴方向的每个移动位置的多个切片图像，根据这些切片图像的各像素的最大亮度来推断IZ峰值位置，取得试样的高度信息。

但是，为了取得多个切片图像，要使试样的Z轴方向的焦点位置进行移动，其一般的方法是使装有试样的试样台或物镜在Z轴方式移动。

然而，若采用使试样台在Z轴方向上移动的试样台移动方式，则例如在测量大的8英寸晶片上所形成的LSI芯片的凸起高度时，试样台必须能以高精度使8英寸晶片上下移动，结构体积非常大。因此，过去的设备价格很高。并且，过去的设备，质量也很大，所以，在高速条件下上下移动时很难控制，焦点移动精度下降，同时，移动所需的时间也长。再者，利用使物镜在Z轴方向上移动的物镜移动方式来测量LSI芯片的凸起高度时，为了实现高速检查，要获得光学***综合放大倍数低的，例如1倍左右的宽视场光学***，可以采用低放大倍数的物镜。这种低放大倍数的物镜体积大，质量也大，在高速时上下移动很难控制，在这种情况下也是不仅焦点移动精度下降，而且移动所需的时间长。

再者，为了实现检查的高速化，有效的方法是利用那种一次能观察大面积的低放大倍数物镜来提高2维方向的扫描速度。一般，物镜的NA越大分段效果越好。但，通常，NA大的物镜在高放大倍数时视场小。即检查的高速化和光轴方向的分段效果是互相矛盾的。因此，一般利用低放大倍数的物镜来进行高速检查，然后，在希望把一部分不好的地方放大后观察时，把物镜更改成高放大倍数的。随着这种更改，必须更改成形成了针孔的转动圆盘，孔直径相当于物镜的放大倍数。

但是，存在的问题是：为了更改放大倍数而更换物镜和转动圆盘的机构庞大，结构复杂。并且，更换物镜和转动圆盘因机构庞大而不能提高速度，切换时间长。

另一方面，在争取检查的高速化时，可以使用高NA放大倍数的特殊物镜，以一定程度的低放大倍数来确保大视场。而且，利用分段效果能实现高对比度。但这种物镜对于以高速度来测量高度是有效的。与光轴相垂直的平面方向的像素分辨率不高。所以，为了对不合格的部分进行放大检查，仍必须把物镜放大倍数提高。因此，需要多个不同放大倍数的特殊的高价物镜，经济效果不好。

再者，也可采用这样的方法，即在转动圆盘前后布置可调放大率光学***，在更换物镜的同时改变放大率，这样，即可不更换转动圆盘，而且能不影响分段效果(参见特开平9-230245号公报)。但是，这种方法虽然对于使用通常的物镜按各种放大倍数进行观察的用途来说是非常有效的，但对有些希望观察的东西，则必须更换与放大倍数相对应的物镜。所以，物镜更换机构庞大，更换时间长，价格也昂贵。

再者，现已公开了这样一种技术(参见特开平9-126739号公报)：利用共焦光学***的I-Z特性(当试样位于焦点位置时，光量I最大，随着试样离开焦点位置的距离增大，光量I逐渐减小)，在物镜的后方布置一种安装了多块平行平面玻璃板的旋转板，使该旋转板高速旋转，即可使焦点位置和试样的相对位置在Z方向上高速移动(特开平9-126739号公报)。该技术是根据平行平面玻璃板的厚度使焦点位置移动，形成离散，从而获得切片图像。这时，切片图像的张数与平行平面玻璃板的数相同，Z测量范围取决于最厚的平行平面玻璃板和最薄的平行平面玻璃板的厚度，平行平面玻璃板的块数越多，Z方向的取样间隔可以越小。这样，根据多个离散的切片图像、以及共焦光学***的由物镜的NA所的I-Z特性，在Z方向上进行内插处理，推断出各像素的焦点位置，实现试样高度测量的高速化。

但是，利用这种共焦光学***的方法，在凸起有一定程度较大的情况下是有效的。但在凸起减小的情况下，出现的问题是测量时间增长。也就是说，若凸起实现了微小化，则作为光检测器使用的CCD必须提高拍摄的像素分辨能力。所以，如果从试样到CCD的综合放大倍数是相同的，那么，必须使用像素尺寸更小的CCD。在此情况下要使用像素数多的高价的CCD摄像机。并且，由于图像的像素数增多，所以，数据处理时间增长。并且，如果使用相同像素尺寸的CCD，那么，必须提高综合放大倍数，以减小实际视场(能用CCD拍照的范围)。在此情况下，因为实际视场减小，所以，扫描时间必然增长。

另一方面，使用2维排列型器件，其中具有在一块板上规则地排列许多行针孔，在此情况下，若凸起实现微细化，则要求2维排列的针孔图形提高密度(减小针孔间距)。另外，由于2维排列型的器件和CCD摄像机在光学了上被布置在共轭位置上，所以，CCD摄像机的各像素和2维排列型器件的位置很难调整。加之，针孔的间距若减小，则来自相邻的针孔的离开焦点位置的光(散焦的光)进入，使分段效果降低。

发明的公开

本发明的目的在于提供一种能以高精度、高速度进行焦点移动，对低倍的分段图像容易改变放大倍数的共焦显微镜。并且，提供一种能以短时间高精度进行高度测量的、采用共焦显微镜的高度测量方法。

本发明的共焦显微镜，它通过能获得分段效果的共焦圆盘把照明光照射到试样上，通过上述共焦圆盘使来自该试样的光在光电变换装置上成像，其特征在于具有：物镜成像光学***，其中具有使上述共焦圆盘图像在试样上成像的成像透镜和低放大倍数的物镜；以及成像透镜驱动装置，用于使上述成像透镜在光轴方向上移动。

若采用涉及本发明的共焦显微镜，则能通过成像透镜的移动而大大提高焦点移动精度。

并且，因为成像透镜能减小体积，减轻重量，所以能进行高速移动控制，能大幅度缩短焦点移动所需的时间。

本发明的共焦显微镜，它通过能获得分段效果的共焦圆盘把照明光照射到试样上，通过上述共焦圆盘使来自该试样的光在光电变换装置上成像，其特征在于具有：第1成像光学***，它通过低放大倍数的物镜使上述共焦圆盘图像在上述试样上成像，使来自该试样的光在上述共焦圆盘上成像；以及第2成像光学***，它使通过上述第1成像光学***的分段图像相对于上述光电变换装置改变成像放大倍数进行成像。

再者，对可调放大率光学***在高速检查时设定为低放大倍数；在对不合格部分进行放大检查等时，将其设定为高放大倍数，因此，能很容易地进行高速广泛检查和缺陷部分的放大检查。

本发明的高度测量方法，其特征在于，在使用了共焦圆盘的共焦显微镜中，具有：光源；高NA低放大倍数的物镜，将通过把来自该光源的光进行照射得到的上述共焦圆盘的像在试样上成像；第1成像透镜***，配置在上述共焦圆盘和上述物镜之间；第1成像透镜***驱动装置，使上述第1成像透镜***在光轴方向移动，调节上述物镜相对于上述试样的焦点位置；第2成像透镜***，使在上述共焦圆盘上成像的分段图像在CCD相机上成像，通过上述第1成像透镜***驱动装置使上述第1成像透镜***在光轴方向移动，根据在上述CCD相机上成像的多个位置的分段图像的像素的亮度信息，求出IZ峰值位置，获得上述试样的高度信息，上述IZ峰值位置是根据表示亮度I和Z軸方向的焦点位置之间关系的I-Z特性求出的最大亮度位置。若采用涉及本发明的高度测量方法，则能一次测量出广阔范围内的高度，而且能提高焦点移动速度，能提高高度的测量精度和范围。

附图的简要说明

图1是表示本发明的第1实施方式的共焦显微镜的概要构成的图。

图2是表示本发明的第2实施方式的共焦显微镜的概要构成的图。

图3是表示本发明的第3实施方式的共焦显微镜的概要构成的图。

图4是说明在第3实施方式的凸起顶点附近的反射光状态的图。

图5A和图5B是说明第3实施方式的共焦图像的图。

图6A和图6B是说明第2实施方式的投影在CCD上的凸起顶点图像的图。

图7A和图7B是说明第3实施方式所采用的晕映光学***的图，

图8是说明第3实施方式所采用的晕映光学***的第1变形例图。

图9是说明第3实施方式所采用的晕映光学***的第1变形例的状态的图。

图10是说明第3实施方式所采用的晕映光学***的第2变形例的状态的图。

最佳实施方式

以下根据附图，详细说明本发明的实施方式。图1表示本发明第1实施方式的共焦显微镜的概要构成。

在图1中，在从卤素光源或水银光源等光源1中射出的光的光路上设置有：与光源1一起形成照明光学***的透镜2、以及PBS(偏振光束分离器)3。并且，在PBS3的反射光路上，布置了观察对象试样9，其中间配置有构成具有分段效果的构成第1成像光学***的例如Nipkow圆盘等共焦圆盘4、成像透镜6、1/4波长镜片7、光圈13、物镜8。在此情况下物镜8为了实现检查的高速化，采用5倍以下(也包括1倍以下)的高NA低放大倍数能确保广阔视场的物镜。并且，共焦圆盘4、物镜8和成像透镜6大体上形成远心布置。再者，在从试样9来的反射光的PBS3的透射光路上通过与第1成像光学***串联的构成第2成像光学***的透镜10、光圈18、透镜11而布置CCD摄像机12。

作为共焦圆盘4使用的Nipkow圆盘是园板状的，与马达5的轴相连结，依靠该马达5按一定转速旋转。而且，该共焦圆盘4只要是能产生分段效果的，无论是哪一种均可，可以使用已知的圆盘等。(专利申请2000-060578号)。也可以使用形成直线状的透射图形和遮光图形交互形成的。并且，共焦圆盘4并非仅限于园板状，也可以是像液晶快门那样的。并且，试样9具有形成在LSI芯片上的半园球状的凸起，放置在试样台16上。

再者，第2成像光学***把利用第1成像光学***(共焦光学***)在共焦圆盘4上成像的具有分段效果的试样图像(分段图像)成像在CCD摄像机12上。

在CCD摄像机12上连接计算机14，根据计算机14的指示，对摄像的开始、结束、拍摄图像的传输等进行控制。计算机14对由CCD摄像机12拍摄的图像数据进行读取运算处理，显示到图中未示出的监视器上，同时，向焦点移动装置15发出驱动指令。

焦点移动装置15根据计算机14的驱动指令使成像透镜6在光轴方向上移动。成像透镜6在光轴方向上移动，即可使共焦圆盘4的图像在试样9上的任意高度位置上成像。在此，在LSI芯片凸起高度测量的情况下，为了实现高速检查，并且为获得广阔视场的光学***，采用了低放大倍数的光学***。例如，若包括物镜8在内的第1成像光学***的横向放大倍数定为3倍，则纵向放大倍数(＝横向放大倍数的二次方)为3²＝9。所以，若使成像透镜6移动9μm，则共焦圆盘4的图像在试样9面上移动1μm，其结果，焦平面在光轴方向上移动1μm。

顺便提一下，在一般的共焦光学***中大都采用高放大倍数。因此，例如，在把第1成像光学***定为100倍左右的横向放大倍数时，纵向放大倍数为100²＝10000倍。在这种高放大倍数光学***中若采用上述成像透镜移动方式，则即使使成像透镜移动10000μm，即10mm，焦平面的移动也只有1μm左右。不能实际使用。所以，可以认为，第1成像光学***的横向放大倍数最好为5倍以下，10倍以内时能够实际使用。

在上述构成中，从光源1中射出的光通过透镜2变成平行光，由PBS3进行反射，然后射入到按一定速度旋转的共焦圆盘4内。通过共焦圆盘4的针孔的图像再通过成像透镜6，在1/4波长板7中变成园偏振光，通过光圈13由物镜8将其投影到试样9上。从试样9反射的光通过物镜8、光圈13再次变成与在1/4波长板7上入射时相垂直的偏振光方向，由成像透镜6将其投影到共焦圆盘4上。然后，在投影到共焦圆盘4上的试样图像中焦点对准的部分，通过针孔，再透过PBS3，经过透镜10、光圈18、透镜11，由CCD摄像机12拍摄。由CCD摄像机12拍摄的共焦图像被送入计算机14内。

在此，在图1中，为简单起见，在共焦圆盘4上的许多针孔中仅将通过了2个针孔的光示于图中。共焦圆盘4、物镜8和成像透镜6大体上形成远心布置，所以在第1成像光学***中能把试样9的光轴方向上的高度分布变换成光强度信息。

另一方面，共焦圆盘4和CCD摄像机12由于透镜10、11而有共轭关系，而且，由透镜10、11、CCD摄像机12构成的第2成像光学***也是透镜10、11由于光圈18存在而形成两侧远心***布置。该第2成像光学***也可以不是远心的，但，如果第2成像光学***的长度没有问题，那么，最好是不易产生周边光量减少的远心***。

通过这种第1成像光学***和第2成像光学***，利用CCD摄像机12仅拍摄出物镜8的焦平面附近的切片图像。若在监视器上显示出该分段图像，则只有焦平面明亮，从焦平面向光轴方向偏移的部分比较暗。

在此状态下，若利用焦点移动装置15使成像透镜6在光轴方向上移动，则共焦圆盘4的图像在试样9内移动，焦平面仅按规定距离移动。所以，如果一边进行焦点移动，一边取得各试样9上的焦平面的分段图像，那么，可以得到试样9的3维信息。与此同时，根据多个分段图像的各像素的最大亮度可以推断IZ峰值位置，获得试样9的高度信息。而且，这时的XY测量范围是CCD摄像机12的摄像视场。并且，Z的测量范围是通过成像透镜6的光轴方向的移动进行焦点移动而拍摄分段图像的范围。

若采用本发明的第1实施方式，则使第1成像光学***的成像透镜6在光轴方向上移动，即可使试样9上的焦点位置移动。所以，如上所述，例如若把第1成像光学***的横向放大倍数定为3倍，则在使成像透镜6移动9μm的情况下，共焦圆盘4的图像在试样9面上移动1μm，即可使焦平面移动1μm。在过去的试样台和物镜的移动方法中，这些移动量成为焦平面的移动量，但在涉及本发明的成像透镜6的移动方法中，移动精度也可达到9倍。所以，能大大提高焦点的移动精度。顺便说一下，在试样9面上例如欲使焦平面移动100μm的情况下，成像透镜6的移动量是900μm，作为移动范围，可以获得非常现实的值。

再有，成像透镜6的移动，与过去的试样台和物镜等体积大重量大的物体移动相比，由于前者体积小重量轻，所以，能控制高速下的上下移动，能大大缩短焦点移动所需的时间。

如上所述，若采用本发明第1实施方式，则能使焦点移动精度高，而且速度快。

图2表示涉及本发明第2实施方式的共焦显微镜的概要构成。在图2中，与图1相同的部分，标注相同的符号，其详细说明从略。在第2实施方式中也具有第1成像光学***和第2成像光学***。

在该第2实施方式中，第2成像光学***具有可调放大率光学***17，这一点和第1实施方式不同。

物镜8为了获得宽视场的分段图像，采用5倍以下(也包括0.5倍、0.7倍等1倍以下在内)的高NA低放大倍数的物镜。可调放大率光学***17能更改向CCD摄像机12的成像放大倍数，例如，其构成包括：变焦光学***以及能更换不同放大倍数的多个透镜***的转台改变放大率***。在该构成中，在利用宽视场进行高速检查(向2维方向高速扫描)时，可调放大率光学***17被设定为低放大倍数。另一方面，在对不合格部分等窄视场进行高放大倍数放大检查中，为了对利用第1成像光学***在共焦圆盘4上成像的分段图像进行放大观察，把可调放大率光学***17设定为高放大倍数。

试样9的高速检查方法如下。首先，把第2成像光学***的可调放大率光学***17设定为低放大倍数，使综合放大倍数从5倍到0.5倍。

在此状态下，与第1实施方式一样，从光源1射出的光经过视准透镜2、PBS3、共焦圆盘4、成像透镜6、1/4波长板7和物镜8，射入到试样9内。并且试样9反射出来的光，经过物镜8、1/4I波长板7、成像透镜6、共焦圆盘4、PBS3、透镜10、低放大倍数的可调放大率光学***17和透镜11，由CCD摄像机12进行拍摄。

并且，和第1实施方式一样，可以得到分段图像。

另一方面，在这种高速检查之后，在必须对一部分不合格的进行放大检查时把可调放大率光学***17设定为高放大倍数。

在此状态下，和上述情况一样，从试样9反射的光通过低放大倍数物镜8利用成像透镜6在共焦圆盘4上投影试样像，在投影到共焦圆盘4上试样图像中，焦点对准的部分通过针孔，在该共焦圆盘4上成像的宽视场(低倍数)的分段图像，通过透镜10、高放大倍数的可调放大率光学***17、透镜11由CCD摄像机12进行拍摄。

在此情况下，可调放大率光学***17设定为高放大倍数，所以，共焦圆盘4的分段图像由可调放大率光学***17放大，由CCD摄像机12拍摄。所以，能获得高放大倍数窄视场分段图像。因此，能对不合格部分进行高倍数放大，进行高精度检查。

而且，在此状态下的分段效果的影响已涉及到共焦圆盘4上的试样图像，所以，即使把可调放大率光学***17布置在从共焦圆盘4到CCD摄像机12的光路中，也不会影响效果。

因此，在第2成像光学***中布置了一种能更改在CCD摄像机12上的成像放大倍数的可调放大率光学***17，所以在保持分段效果的状态下，能任意改变由第1成像光学***取得的宽视场(低放大倍数)的试样图像放大倍数。并且，可调放大率光学***17与过去必须更换物镜和转动圆盘时相比，结构简单，价格也低廉。再者，对可调放大率光学***17在高速检查时设定为低放大倍数；在对不合格部分进行放大检查等时设定为高放大倍数，这样，很容易进行高速的广泛检查和缺陷部的放大检查。

如上所述，若采用本发明的第2实施方式，则在保持分段效果的状态下也能改变放大倍数，结构简单，价格低廉。

图3表示涉及本发明第3实施方式的共焦显微镜的概要构成，在图3中，对于和图1相同的部分，标注相同的符号，其详细说明从略。该第3实施方式的特征在于在第2成像光学***中具有以下将要详述的晕映(ボカシ)光学***20。

关于利用CCD摄像机12对形成在试样9的LSI芯片上的凸起进行拍摄而获得的图像，现参照图4到图6进行分析。

图4表示对从图3的试样9到光圈13的图进行放大。在图4中，为了简单起见，表示出在物镜8的下方的试样9上在LSI芯片9a上仅形成一个凸起9b。并且，通过光圈13的光束表示通过共焦圆盘4的一个针孔的光束。

而且，实际上，来自多个针孔的多个光束通过光圈13。

在这种构成中，通过光圈13的光束通过物镜8聚焦在凸起9b的顶点附近的P点上。在此情况下，凸起9b呈半园球形，周围是球面，所以，在点P上反射的反射光的一部分在物镜8的外部散开而不能再射入。而且，P点离顶点越远，能够再射入到物镜8内的反射光的比例越小。

求出通过光圈13的中心的主光线在凸起9b的点P上反射，而且，在点P上反射的主光线再次射入到物镜8内所需的条件。在此情况下，物镜8的数值孔径(NA)，根据图4中的θ，可和NA＝sinθ，并且，假定凸起9b是完全的球面，设点P处的凸起9b的切线为B1-B2；P点处的切线B1-B2的垂线为C1-C2。

从图4中可以看出，主光线在P点反射，为了再次射入到物镜8内，C1-C2与从物镜8射入的主光线所形成的角度必须是θ/2以下。所以，在C1-C2与主光线所形成的角度θ/2的情况下，点P离开凸起9b的中心在X方向(图示中的横方向)上的位置，若设凸起9b的半径为R，则为R·sin(θ/2)。由此可见，主光线能再次射入到物镜8内的点P的全宽区为2R·sin(θ/2)。若点P离开凸起9b中心，则能再次射入到物镜8内的反射光急剧减少。

以下说明对在LSI芯片上形成的许多凸起进行观察时的情况。图5A是在LSI芯片9a上的凸起9b顶点附近对焦时的共焦图像。假定图5A中的凸起9b中心所示的空白点的明亮区为φ，那么φ＝2R·sin(θ/2)，实际上若离开2R·sin(θ/2)，则急剧变暗。例如，假定物镜8的数值孔径NA＝0.3，凸起9B的半径R＝20μm，那么φ＝6μm，如果凸起9b的间距为50μm，那么，明亮的区φ＝6μm按间距50μm进行并行排列。并且，由于上述共焦光学***的分段效果从凸起9b的顶点起在Z方向上只能观察到数μm的分段图像，所以，检测不出离凸起9b顶点数10μm的下侧的LSI芯片9a面上的反射光，只能观察出凸起9b顶点附近的明亮图像。而且，在图5A中，表示出了LSI芯片9a面和凸起9b涂黑部分的浓度不同。这是说明时的情况，实际上能看见的明亮地方只有凸起9b的顶上附近，其他地方几乎是完全黑的。

根据该状态，在图4中，若使对焦位置靠近LSI芯片9s面，则由于共焦光学***的分段效果而使凸起9b的顶上附近逐渐变暗。若使对焦位置更接近LSI芯片9a面，则凸起9b变成完全黑的。并且，若进一步使对焦位置接近LSI芯片9a面，则LSI芯片9a面逐渐变得明亮。若达到焦点对准到LSI芯片9a面上的状态，则如图5b所示，凸起9b变成完全黑的状态，LSI芯片9a面达到最亮状态。

实际上，图5A和图5B所示的图像是由CCD摄像机12拍摄的，所以对该拍摄情况加以分析。CCD摄像机12中所采用的CCD的像素尺寸通常为数μm-10μm。为简便起见，假定为10μm的正方像素。最近容易得到的1000×1000(100万像素)，CCD尺寸为10×10mm。在该尺寸的CCD上按照光学***的放大倍数为1倍来使图5A的图像进行成像的情况下(实际视场为10×10mm的宽视场)下，CCD和图5A的关系示于图6A。在此，按1倍来考虑光学***放大倍数是为了实现宽视场光学***，实现高速检查，在实际使用中，有时综合放大倍数设定为5-2倍；有时设定为0.5倍、0.7倍等缩小***。

但是，除了部分特殊的CCD摄像机外，通常能得到的CCD摄像机称为隔行扫描型，如图6A所示，由受光部12a和信号传输部12b构成。在此情况下，虽说是10μm正方像素，但并不是间距为10μm。受光部12a为10μm的正方，在信号传输部12b不能检测出光。在这样的CCD中，若凸起9b的顶点的能看到的明亮区φ＝6μm作为光点a按1倍进行成像，则出现两种情况：一种是如图6A的区A所示光点a射入到受光部12a内；另一种是如区B所示光点a离开受光部12a。其中，如区B所示，若光点a离开受光部12a，则CCD摄像机12什么也检测不出来。

为了消除这种现象，光点a的大小必须达到一个像素的大小，以便能射入到受光部12a内。并且，凸起9b的间距相对于CCD像素的间距若不是准确地为整数倍，则不能检测出光点a，也会产生波纹图像。为了在这种隔行扫描型CCD摄像机12中检测出光点a，相对于受光部12a来说，使光点a的尺寸增大即可。但是，若单纯增大光点，则实际视场变窄，扫描时间增长，不符合高速检查的要求。

不过，凸起9b，最小间距是已知的，在一定程度上有规则地进行排列。并且从图6A中也可以看出，当对焦到凸起9b的顶点附近时用CCD摄像机12来拍摄共焦图像的情况下，凸起9b的顶点的图像是离散的，所以CCD像素的大部分是不受光的部分。所以在图6A中如果不改变相邻光点a相互的间隔，仅增大光点a，那么，不提高光学***的综合放大倍数，即不缩小实际视场，即可无遗漏地检测出光点a。图6B示出了这种状态。这样，产生不提高光学放大倍数只增大光点的晕映图像a’的所谓光点晕映装置，在此称为晕映光学***。而且，在图6B中，在面内的2维方向上对光点a进行放大，只要能检测出光点a即可，光点a的增大方向也可以是任意1维方向。

晕映光学***可以是各种各样的。这时的晕映光学***20最好是接近透镜11的后侧焦点位置的光圈18，布置弱的漫射板和绕射光栅。图7A表示仅仅抽出对晕映光学***20、透镜11和CCD摄像机12的光线，用晕映光学***20来使光进行漫射或绕射的情况。为了测算晕映光学***20所产生的光点a的扩展量，现假定在图3中成像透镜6和透镜10是相同焦距的透镜，按照从试样9到CCD摄像机12的综合放大倍数为1倍来进行成像。物镜8和透镜11也是相同焦距，例如，假定物镜8、透镜11的焦距为20mm，在此，在弱的漫射板的情况下，把该漫射角度总宽定为0.1度。弱的漫射板位于透镜11的后侧焦点位置上，所以，在CCD摄像机12上，2·sin(0.05°)·20mm＝35μm。该状态是把光点a增大到等于图6B所示的凸起顶点的晕映图像。另一方面，在采用绕射光栅的情况下若设光的波长λ为0.55μm，绕射光栅的间距P为3mm，透射缝隙宽度为0.4mm，则如图7B所示，作为绕射角α通过计算可以求得横坐标为sinα，纵坐标为各次数的绕射光强度的关系。图7B表示仅一侧的绕射角。在图7B中，假定0次光的绕射光强度为1，则6次光的绕射光强度为sinα＝0.0011左右，为0.1以下。所以，实质上可以看作是±6次以内的绕射光，±6次光的CCD摄像机12上的间隔与上述弱的漫射板时相同，为2·0.0011·20mm＝44μm，-6次光-+6次光的13点的光点发生在44μm宽度内。

而且，图7B所示的绕射强度是根据Max & Born光学原理而计算的，可按下式计算。

I(sinα)＝

   [sin((N×k×d×sinα)/2)

   /N×sin(k×d×sinα)/2)²}

   ×[sin((k×s×sinα)/2)

   /(k×s×sinα)/2]

式中k＝2xπ/λ；s；缝隙；d：光栅间距；N：光束内的光栅条数。

其结果在绕射光栅情况下不同于漫射板，从图7B中可以看出：发生不连续的光点。

并且，这些漫射板和绕射光栅等晕映光学***20能从第2成像光学***上拆下或装上，因此，能适应于希望增大光点a时和不希望增大光点a时。所以，调整装置等情况下，通过取下晕映光学***20，即可很容易地进行调整作业。并且，如果能更换漫射板和绕射光栅，那么就能根据需要来改变光点增大的程度。其效果是可根据试样9的凸起9b的间距来选择所需的光点a的晕映程度。

并且，由于使用这种晕映光学***20而获得的图6B所示的凸起9b顶点附近的晕映图像的光量若进行积分，则这时的光量随I-Z特性而变化，所以一边利用图3的焦点移动装置来驱动度试样台16，使焦点移动，一边根据焦点移动量和光点a的积分光量的关系，求出与积分光量最大值相对应的焦点位置，这样即可精密地测量凸起9b的高度。该方式由于光点a增大，所以光点a的能量密度降低，但可使用更亮的光源加以弥补，甚至效果更好，因为利用多个像素的积分光量来检测一个光点a的光量变化，所以利用亮的光源能获得S/N(信杂比)良好的信号。

并且，用这样方法求得的凸起9b的高度，与其说是凸起顶点的高度，不如说是在图5A中可以看出的光亮区的平均高度，更为准确。实质上可以看作是测量凸起顶点的高度。其理由如下。在图5A中看出的光亮区的直径Φ在凸起半径R＝20μm、物镜NA(sinθ)＝0.3的情况下，Φ＝6μm，该光亮区的中心是图4中的点Q，该点Q的高度和Φ6μm两端的高度差ΔZb为ΔZb＝(1-cos(θ/2))×R＝0.23μm，最多不过是0.23μm。所以，在按数μm精度来测量凸起高度的情况下，虽说是求点Q与P之间的平均凸起高度，实质上可以看作是测量凸起顶点的高度。

这样，具有晕映光学***20的第2成像光学***和第1成像光学***所构成的共焦光学***串联布置，利用第2成像光学***的晕映光学***20使一个光点a扩展，形成横跨CCD摄像机12上的多个像素的状态，在此状态下利用共焦光学***的分段效果把试样9的高度信息作为光强度信息送入，所以，使用通常的像素数的CCD摄像机12也不会使实际视场变窄，一次即可测量出大范围内的试样高度，因此，能实现高速度测量高度。

并且，由于第2成像光学***的晕映光学***20的作用，一个光点a扩展成横跨CCD摄像机12上的多个像素，不会产生凸起间距和CCD像素间距所形成的莫尔条纹，而且，光量均匀地分配到这多个像素上。所以用CCD摄像机12拍摄时，如果提高光源亮度是在各像素未饱和之前，那么就能增加这多个像素的积分光量，所以非常有利于S/N，对微小化的凸起也能进行高精度的高度测量。

另一方面，CCD具有数值孔径(对一个像素的受光部比例)为100％的特殊CCD(帧传输型)，用这种CCD，无论是多么小的光点也能检测出来。如果利用上述晕映光学***来检测多个像素的积分光量，那么能进一步改善S/N。

晕映光学***，例如也可采用平行平面玻璃板。在图8中在透镜11和CCD摄像机12之间以能够***拨出的方式布置一种平行平面玻璃板30作为晕映光学***。

在此情况下，从透镜11到CCD摄像机12之间为会聚光，所以由于平行平面玻璃板30使光产生折射，其近轴成像位置偏移量为D，因此，CCD摄像机12的摄像面也被置于偏移量为D的位置上。但在会聚光途中若有平行平面玻璃板30，则产生像差，在CCD摄像机12上的光点a增大。在此情况下，可以解释为：平行平面玻璃板30越厚，并且从透镜11的射出NA越大，光点a越大，产生球面像差。这样，能利用平行平面玻璃板30来仅对光点a进行放大，例如假定透镜11的射出数值孔径为0.3，则为了把光点增大到图6B所示的状态，玻璃厚度最好是10mm左右，这也可以从光线跟踪模拟中看出。图9表示在平行平面玻璃板20的厚度t＝0mm(无玻璃)、5mm、10mm、15mm这4种情况下，在会聚光点最小的位置上的光点图。可以看出：板越厚，越不易会聚成一点。

而且，为了产生像差，增大光点，也可以使第2成像光学***本身具有像差。但在平行平面玻璃板30的情况下，因为能在第2成像光学***上***和拔出，所以，无论是希望产生像差还是不希望产生像差，均能适应。并且，平行平面玻璃板30只要是在第2成像光学***中的形成会聚光的光路中，无论什么地方均可，例如也可设置在PBS3和透镜10之间并使其能***拔出。

作为晕映光学***如图10所示，也可以把漫射板和绕射光栅的晕映光学元件31布置在CCD摄像机12的近前边并使其能***拔出。在此情况下，作为晕映光学元件31的漫射板和绕射光栅布置在稍稍偏离透镜11的成像位置的位置上，光点在没有完全会聚的状态下射入到晕映光学元件31内，在此，入射光漫射或绕射，在被放大后射入到CCD摄像机12内。这样，可以增大光点a使图A状态的图像变成图6B的状态。而且，漫射板和绕射光栅的晕映光学元件31被布置在透镜11的成像位置上，也可以把CCD摄像机12布置在由此稍稍偏移的位置上。

以上说明了把晕映光学***布置在CCD摄像机12前面产生晕映的方法，但也可以改变第2成像光学***和CCD摄像机12前面产生晕映的方法，但也可以改变第2成像光学***和CCD摄像机12的光轴方向的相对位置关系来产生晕映。在此情况下，把CCD摄像机12布置在第2成像光学***的成像位置上时，晕映量为0，通过偏离成像位置可任意改变晕映量。若采用此方法，则不采用产生晕映的晕映光学***，而采用使CCD摄像机12在光轴方向上移动的移动机构，即可连续地改变晕映量。

若采用本发明第3实施方式，则利用光点晕映装置使一个光点横跨摄像装置的多个受光部，形成扩展状态，这样，利用共焦光学***的分段效果把测量对象物的高度信息作为光强度信息送入，所以，作为摄像装置即使使用通常的像素数的CCD摄像机也不会使实际视场变窄，一次即可测量大范围的试样高度，能实现对高度的高速测量。

并且，如果，在摄像装置中的受光部未饱和之前，增加光源亮度，那么就能增加这多个受光部中的积分光量。所以，能有利于S/N。

再者，能根据检查目的来改变检查精度和检查时间的优先度，用一台设备即可适应各种检查目的。

但是，在上述各共焦光学***中利用CCD摄像机12来取得在Z方向上离散的多个切片图像。当然，在此情况下，切片图像，Z方向的间隔越小，对高度进行测量的精度越高。但切片图像的Z方向的间隔越大，越有利于实现高速测量。这样，高度检查精度和检查时间不得已而处于折衷选择的关系。如果能根据检查目的来改变检查精度和检查时间的优先度，那么，用一台设备即可适应各种检查目的。也就是说，上述各实施方式中所叙述的设备是利用焦点移动装置15来移动试样9上的对焦位置，所以，在检查精度优先方式的情况下，可以减少切片图像在Z方向的取样间隔。在检查时间优先方式时可以增大Z方向的取样间隔。并且在检查时间优先的方式时要进一步提高速度的情况下也可以进一步增大Z方向的取样间隔，减少取得的切片图像，根据已取得的切片图像上点的放大光的积分光量和Z的关系(I-Z特性)，进行内插处理，进行高速检查。在进一步高速化的情况下，也可以从Z方向的允许范围前后起开始Z方向的取样，该允许范围是对每种试样9分别设定的高度是否合格的判断标准。

若采用本发明第3实施方式，则对于微小化的试样，也可以在短时间内进行高精度的高度测量。

产业上应用的可能性

本发明涉及利用共焦圆盘来取得分段图像的共焦显微镜以及用其进行高度测量的方法。

Claims (12)

1.一种共焦显微镜，它使用了共焦圆盘，其特征在于具有：

光源；

高NA低放大倍数的物镜，将通过把来自该光源的光进行照射得到的上述共焦圆盘的像在试样上成像；

第1成像透镜***，配置在上述共焦圆盘和上述物镜之间；

第1成像透镜***驱动装置，使上述第1成像透镜***在光轴方向移动，调节上述物镜相对于上述试样的焦点位置；

第2成像透镜***，使在上述共焦圆盘上成像的分段图像在光电变换装置上成像。

2.根据权利要求1所述的共焦显微镜，其特征在于：上述物镜是放大倍数在10倍以下的低放大倍数。

3.根据权利要求1所述的共焦显微镜，其特征在于：上述物镜是放大倍数从0.5倍开始到10倍以下的低放大倍数。

4.根据权利要求1所述的共焦显微镜，其特征在于：上述第2成像透镜***具有变倍光学***，使上述共焦圆盘上的分段图像相对于上述光电变换装置改变成像放大倍数而成像。

5.如权利要求4所述的共焦显微镜，其特征在于：上述变倍光学***具有能从低放大倍数向高放大倍数变化的变焦光学***。

6.如权利要求4所述的共焦显微镜，其特征在于：上述变倍光学***构成一种转台，能够更换多个不同放大倍数的透镜。

7.如权利要求1所述的共焦显微镜，其特征在于：上述第1成像透镜***和上述物镜形成远心布置状态。

8.如权利要求1所述的共焦显微镜，其特征在于：上述第2成像透镜***相对于共焦圆盘和上述光电变换装置的两侧形成远心布置状态。

9.如权利要求1所述的共焦显微镜，其特征在于：上述第1成像透镜驱动装置根据计算机的驱动指令使上述第1成像透镜***在光轴方向焦点移动，该计算机通过上述光电变换装置读取各个移动位置的上述共焦圆盘上的分段图像，获得3维信息。

10.一种高度测量方法，其特征在于，在使用了共焦圆盘的共焦显微镜中，具有：

光源；

高NA低放大倍数的物镜，将通过把来自该光源的光进行照射得到的上述共焦圆盘的像在试样上成像；

第1成像透镜***，配置在上述共焦圆盘和上述物镜之间；

第1成像透镜***驱动装置，使上述第1成像透镜***在光轴方向移动，调节上述物镜相对于上述试样的焦点位置；

第2成像透镜***，使在上述共焦圆盘上成像的分段图像在CCD相机上成像，

通过上述第1成像透镜***驱动装置使上述第1成像透镜***在光轴方向移动，根据在上述CCD相机上成像的多个位置的分段图像的像素的亮度信息，求出IZ峰值位置，获得上述试样的高度信息，上述IZ峰值位置是根据表示亮度I和Z軸方向的焦点位置之间关系的I-Z特性求出的最大亮度位置。

11.如权利要求10所述的高度测量方法，其特征在于：上述第2成像光学***具有光点晕映装置，它能进一步增大在上述CCD相机上成像的光点，使光点大小能横跨该CCD相机的相邻的多个像素；

根据多个像素接受的上述点晕映装置增大的光点的光量的积分亮度值信息，求出IZ峰值位置。

12.如权利要求10所述的高度测量方法，其特征在于：上述晕映装置由不改变光学放大倍数而改变光点的大小的漫射板或绕射光栅构成，并可相对于上述第2成像透镜拆卸。

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