CN102445750B - 显微镜照明系统、显微镜和倾斜入射照明方法 - Google Patents

Abstract

显微镜照明系统(1)，包括光源(2，3)和具有用于生成相对光轴(16)以居中关系延伸的照明束路径(15′)的孔径(9)的孔径器件，在所述系统中可通过移位孔径(9)为倾斜入射照明生成从光轴(16)偏心延伸的照明束路径(15)。孔径器件包括围绕旋转轴线(11)可旋转孔径轮(8)，并在孔径轮中多个不同尺寸的孔径(9)在圆周方向上形成，通过旋转孔径轮(8)，所述孔径的每一个可以在光轴(16)上居中地定位或从光轴(16)偏心地定位在围绕光轴(16)的限定区域内。具有显微镜照明系统(1)的显微镜(30)有利地具有多个物镜(31)，所述物镜单独或成组地与特定孔径(9)关联。控制单元(40)选择多个物镜/孔径组合并在这些组合基础上优化照相机图像(50)。也公开了用于该目的的方法。

Description

显微镜照明系统、显微镜和倾斜入射照明方法

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1的前序部分中所述的显微镜照明系统。这样的系统包括光源和具有用于生成相对于光轴以居中关系延伸的中心照明束路径的孔径的孔径器件，并且允许通过移位孔径而生成从光轴偏心延伸的照明束路径(“偏心照明束路径”)。在具有入射照明的显微镜中，这样的显微镜照明系统可以用于以倾斜入射光照明物体。本发明也涉及相应的方法。

背景技术

待检查物体的倾斜入射照明例如在晶片检查中用于通过在样本的表面结构处产生的衍射效应而对所述表面结构进行具有高对比度和三维外观的成像。在德国专利DE3527426C1中，描述了一种用于显微镜的入射光照明器，其可以用于该目的并且适合于提供倾斜入射照明并且其使用可变尺寸的孔径光阑。该专利提出一种孔径光阑器件，所述孔径光阑器件可以在两个方向上从光轴向旁侧移位。离光轴的距离的增加与照明束路径的轴线在穿过显微镜物镜之后会合物体平面(相对于物体平面的法线)所成的所谓的“入射光角度”的增加相关联。

然而，在上述文献中提出的入射光照明器的设计结果却在机械上是复杂的并且需要用户的培训和经验以成功地用于该领域中。另外，如该文献中所述，取决于台架内的位置，枢转范围可能被限制。最后，也如该文献中所述，光的入射方向的可再现性(根据孔径光阑器件的枢转运动)被限制。改变入射光角度所需的调节螺母的旋转使得在显微检查期间实际上不可能连续地改变所述角度。

特别适合用于表面起伏物观察的、以倾斜照明进行的反射光显微术提供了技术上简单并且因此可经济地替代干涉显微镜(其有利地用于相位物体)的替代物。为此，通常使用入射光柯勒照明。就此而论，通过将孔径光阑偏心定位获得单侧倾斜照明(参见上述的文献DE3527426C1)，而通过将中心或环形光阑插入孔径光阑的平面中获得从所有侧的倾斜照明。

发明内容

本发明的一个目标是提供一种显微镜照明系统，其提供以可变孔径尺寸和可变入射光角度提供倾斜入射照明的技术上简单、容易使用和可再现的方式。另一个目标是提供一种相应的显微镜和一种以倾斜照明进行入射光显微的方法。

该目标由具有权利要求1的特征的显微镜照明系统实现。相应的显微镜是权利要求11的主题，并且以倾斜照明进行入射光显微的相应方法是权利要求21的主题。有利的实施例将从相应的从属权利要求和以下描述显而易见。

根据本发明，孔径器件包括围绕旋转轴线可旋转的孔径轮或盘，并且在所述孔径轮中多个不同尺寸的孔径在圆周方向上形成。通过旋转孔径轮，这些孔径的每一个可以在光轴上居中地定位或从光轴偏心地定位在围绕光轴的限定区域内。当然，这需要孔径轮的旋转轴线偏离光轴。除非另外规定，并且在不限定一般性的情况下，假设照明是竖直照明，其中照明束通过分束器和显微镜物镜被引导到待检查的物体上。中心照明束路径提供轴向入射明视场照明，而偏心照明束路径导致从一侧的有角度入射照明，这也被称为“倾斜照明”。

为了阐释在本申请中使用的术语“光的入射方向”和“入射光角度”，参考已知的球面坐标系和它的球面坐标。入射光角度(即，物体平面的法线和照明束的入射方向之间的角度)对应于极角，而光的入射方向对应于球面坐标系中的方位角。

在初始位置，特定孔径应当在相对于显微镜照明系统的光轴的居中位置。从该位置开始，通过围绕它的旋转轴线顺时针或逆时针旋转孔径轮，孔径可以移动到相对于光轴的偏心位置。在该过程中，首先入射光角度变化，并且由于在孔径轮的移动期间孔径所沿着的圆形路径，光的入射方向也变化。然而，后者仅仅在小程度上变化，原因是对于相对于光轴的微小移位，圆形路径可以由直线近似，并且在光轴和孔径轮的旋转轴线之间的大距离的情况下尤其如此。

由于孔径轮在其中形成在圆周方向上布置的多个不同尺寸的孔径的事实，有可能通过相应地定位孔径轮而容易地在预定孔径尺寸之间切换。

由于将每个孔径可再现地调节到限定位置的能力，本发明以技术上简单并且容易使用的方式允许特别是在光轴的两侧的入射光角度的容易可再现的变化，同时允许使用不同的孔径尺寸。

在权利要求1中提到的并且在其中特定孔径可以从光轴偏心定位的“围绕光轴的限定区域”原则上由圆周方向上的孔径之间的间隙以及由各个孔径相对于孔径轮的边缘的位置界定。然而，实际上，所述限制主要由孔径上游的光源和照明光学器件所产生的照明束的直径施加。相对于光轴居中地并且在孔径轮前方(特别是紧邻前方)布置的固定孔径光阑允许这样的区域围绕光轴固定地限定。在本文中，“布置在孔径轮紧邻前方”表示固定孔径光阑在朝着光源的方向上与孔径轮相邻地定位。在固定孔径光阑和孔径轮之间不应当有其他光学活性元件。

为了尽可能地允许孔径轮的无限可变的旋转，适宜的是使用步进马达驱动孔径轮。驱动也可以由其他马达提供，例如直流马达或磁驱动器。为了使马达和孔径轮到达操作位置，有可能安装齿轮机构、皮带驱动、齿环等。给予合适的控制，孔径轮可以备选地直接安装在马达轴上。以微小步长操作的步进马达允许孔径轮的明显连续的旋转。特别地，步进马达的使用允许倾斜入射照明的特定设置(特别是取决于特定物体的入射光角度)的可靠再现。

有利地，孔径轮的旋转轴线平行于显微镜照明系统中的光轴并且以这样的方式布置使得旋转轴线和光轴与孔径轮的交点之间的连接线17与水平形成大致45度的角度。术语“大致”被理解为表示大约10度的精度，使得所述角度应当在35度至55度的范围内。术语“水平”实际上被理解为通过照明束路径的光轴的水平线。

当将笛卡尔坐标系旋加于孔径轮上使得它的原点与孔径轮的旋转轴线重合、x轴表示水平并且y轴表示竖直时，上述旋转轴线相对于光轴的有利布置响应孔径轮的旋转导致选定孔径相对于x和y轴成大约45度的角度沿着固定孔径光阑内(或更一般地，围绕光轴的限定区域内)的圆弧移动。在实际应用中给定固定孔径光阑的尺寸，前述圆弧可以由直线充分地近似。当这样的照明束通过显微镜物镜被引导到物体平面上以根据柯勒照明的原理提供入射照明时，有可能获得物体平面(其被称为相应的x′-y′坐标系)中的倾斜入射照明，其中光的入射方向(方位角)为大约45度，并且通过移动孔径远离光轴(通过围绕旋转轴线旋转孔径轮)可调节入射光角度。

以该方式，在北-南方向上(平行于x′轴)延伸的样品表面结构和在东-西方向上(y′轴)延伸的结构可以有效地同时被可视化。这些结构例如可以是晶片、微电子部件、太阳能电池板等上的结构，并且可以在完成部件时或在制造期间被检查。如果例如孔径仅仅在竖直方向上(即，在根据孔径轮中的前述笛卡尔坐标系的北-南方向上)相对于光轴可移动，则在下面将进一步描述的柯勒型入射显微镜照明系统中，这导致在水平方向上(即，在物体平面的相应笛卡尔坐标系中的东-西方向上)相对于物体平面的入射光角度的变化。使用该类型的可变倾斜入射照明，确实有可能有效地可视化在北-南方向上延伸的样品的表面结构，但是特别地在东-西方向上(即，平行于移位方向)延伸的那些结构在改变入射光角度之后不能更好地看到。与之相比，提出的45°倾斜入射照明允许具有北-南取向的结构和具有东-西取向的结构两者的有效可视化。特别地，不需要将显微镜载台例如旋转45度以便更好地可视化这样的结构。这样的旋转式载台是昂贵的并且另外将仅仅允许差的可再现性。

在本发明的另一个实施例中，可能有利的是孔径轮的旋转轴线在至少一个方向上垂直于光轴可移动。为此，例如能够围绕旋转轴线旋转孔径轮的上述的步进马达可以在孔径轮的x-y坐标系内例如在x和/或y方向上移动。以该方式，除了45°倾斜照明以外，将有可能执行在北-南方向和/或东-西方向上的移位。

也已证明特别有利的是倾斜入射照明的对比度和分辨率在光谱的紫外区域中的照明期间增加(“倾斜UV”)。根据物理定律，使用UV光谱的短波长的照明导致比可见区域中的照明更高的分辨率。合适的光源特别是发出具有365nm的波长的光的LED(被称为“i-line”)。紫外光谱区域的范围从400至大约185nm。UV照明已经在轴向入射明视场照明中提供更高的分辨率，并且当改变为倾斜入射照明时，它额外地允许以三维外观表示物体结构。使用倾斜UV照明，可以以增加的分辨率检查具有更大形貌的部件。可以以该方式可视化例如裸晶片上的轻划伤或半导体结构上的光致抗蚀剂腐蚀的程度。

特定地匹配该倾斜UV照明的UV物镜与UV分束器和UV敏感照相机协同地允许用户可视化例如由PC的监视器上的照相机捕捉的UV图像并且优化它。然而，也有UV物镜(例如可从本申请人获得)适合于经典方法，例如入射明视场照明、入射暗视场照明和DIC照明，并且也可以用于扶行与i-line照明(即，365nm下的UV光)相同的方法。此外，有分束器实际上是“UV优化的”，但是在可见光中也适合于各自方法。

本发明的另一个重要方面涉及一种具有光源和孔径器件的显微镜照明系统，所述孔径器件用于在一方面生成中心照明束路径，并且备选地在另一方面生成偏心照明束路径，其中可以以简单方式改变照明光的光谱区域。对该方面要求单独保护，但是为了清楚起见，该方面将在下面作为上述的显微镜照明系统的有利实施例被描述。各种灯罩和作为光源的不同类型的灯通常可用作已知显微镜照明系统中的光源。使用滤光器滤除特定光谱区域。例如，迄今为止，从可见光谱切换到紫外光谱总是涉及手动地或通过马达装置进行滤光器的插入或移除。可以通过为显微镜照明系统提供具有不同光谱或不同波长范围的两个光源，以技术上简单的方式实现光谱区域之间的这样的切换。然后可以通过在光源之间切换简单地改变照明光谱而不必使用滤光器。当然，这需要光源和由它们产生的光的路径合适地耦合到显微镜照明系统的照明束路径中。这可以使用二色分束器容易地实现，两个光源可以经由所述二色分束器耦合到照明束路径中。当然，该方面也适用于两个以上光源。

光源可以采用LEDs的形式，所述LEDs是可控的，特别在它们的输出功率方面。因此，可以交替地接通不同的LEDs，这允许例如可见光谱和紫外光谱(或包括紫外波长范围的至少一部分的光谱)之间的容易切换。也可以实现功率控制使得不同光谱的特定部分可以以特定强度同时耦合到照明束路径中。

为了根据柯勒原理提供入射照明，孔径轮可以位于与显微镜照明系统的光源共轭的平面中。在该情况下，光源被成像到孔径轮中，即，被成像到位于孔径轮的紧邻前方的固定孔径光阑中。另外，显微镜照明系统的孔径轮位于与显微镜物镜的入射光瞳共轭的平面中。这允许物体平面的均匀照明。

本发明的另一个目标是一种显微镜，其具有包括至少一个光源的如上文所述的显微镜照明系统并且还具有至少一个显微镜物镜。实际上，典型地设有承载从中进行选择的多个显微镜物镜的换镜旋座。此外，显微镜包括常用部件，例如管状光学系统、目镜和/或照相机。除非另外规定，这些部件在下文中被统称为“成像光学器件”。在这样的显微镜中，可以通过经由优选地布置在显微镜物镜和成像光学器件之间的分束器将显微镜照明系统的照明束耦合到显微镜的光路中使得物镜将光束聚焦到样品上而实现入射光照明。光束从物体沿着成像光束路径穿过物镜、分束器和管状光学系统并且被成像到照相机上。

具有不同孔径的孔径轮的使用具有的优点是与当例如使用虹彩光圈时相比允许小得多的孔径直径。尽管虹彩光圈可以接近仅仅大约1mm的直径，但是孔径轮中的孔径可以具有更加小的直径。例如，150x/0.90物镜具有2.4mm的光瞳直径。当孔径光阑以2的因数成像到物镜的光瞳中时，该物镜的全照明孔径仅仅需要2.4mm/2＝1.2mm的孔径直径。在该物镜的情况下，如果希望在照明侧光阑缩小，则孔径直径必须明显地小于1.2mm，优选地小于1mm，然而这在使用常规虹彩光圈的情况下是不可能的。如果另外，直径完全位于光轴外部的偏心照明束将根据本发明产生，则前述物镜的孔径直径必须小于或等于0.6mm，这在使用常规虹彩光圈的情况下也是不可能的。

在具有多个物镜的前述显微镜中，有利的是每个显微镜物镜与显微镜照明系统的孔径轮上的孔径关联或能够关联。取决于所使用的显微镜物镜，可以为入射照明选择合适直径的特定孔径。该关联可以由用户或在工厂例如通过相应地控制各自部件而完成。在另一个实施例中，这样的显微镜具有与显微镜照明系统的孔径轮上的特定尺寸的孔径关联或能够关联的多个显微镜物镜。备选地，显微镜物镜中的至少一个与若干孔径关联或能够关联。优选地，关联使得当改变物镜时，通过相应地旋转孔径轮，相关联的孔径或相关联的孔径中的一个被旋转到目标位置，即，旋转到光轴上。

有利地按照直径增加的顺序沿着孔径轮的圆周分布不同尺寸的孔径提供与通过打开或闭合孔径平面中的虹彩光圈所获得的相同的效果。然而，该方法所提供的可再现性远远高于虹彩光圈所提供的。取决于相邻开口的直径的差异，也可想到使两个或以上孔径与特定显微镜物镜关联。孔径的尺寸确定照明孔径的尺寸。众所周知，随着照明孔径尺寸的减小，光学分辨率减小并且对比度增加。大开口导致更大的照明孔径，具有更高的分辨率和更低的对比度。

为了在分辨率和对比度方面优化通过显微镜获得的图像，特别有利的是提供控制单元，所述控制单元可操作地连接到用于旋转显微镜照明系统的孔径轮的驱动单元并且也可选地连接到显微镜照明系统的至少一个光源。控制单元可以以这样的方式被设计，使得取决于所提供的照明在UV区域中还是在可见区域中，相应的显微镜物镜和与其关联的孔径将移动到它们各自的初始或目标位置。例如，取决于光源的选定光谱，相关联的孔径也可以被定位以提供在或大或小的程度上偏心移位的照明束路径。

特别有利的是为了分析照相机图像，控制单元可操作地连接到以照相机图像的形式产生物体的显微图像的照相机。可以使用下面进一步所述的方法关于分辨率和/或对比度分析照相机图像。通过使用控制单元改变可调节参数(光源的光谱、照明的强度、孔径的直径、入射光角度和光的入射方向以及显微镜物镜的类型)中的一个或多个，照相机图像可以被优化。以后可以为相同类型的检查相应地再选择相应的参数，这提供高度的可再现性。

例如，可以通过至少一个光源的控制以限定方式调节照明的光谱或波长范围和照明的强度。控制孔径轮的驱动单元允许对例如孔径的直径、入射光角度(孔径离光轴的距离)和光的入射方向(对于相同距离孔径相对于光轴的位置)进行限定调节。

可以以各种方法优化照相机图像：在一方面，可以通过改变所述可调节参数中的一个或多个而优化所显示的特定照相机图像。在另一方面，可以使用不同的设置(所述参数的变化)捕捉一系列照相机图像，并且可以自动地或由用户从所述一系列照相机图像选择最佳图像。与最佳照相机图像关联的设置可以被选择用于将为该物体或类似物体拍摄的附加照相机图像。

通过所述参数的相应调节优化照相机图像的过程优选地使用形成控制单元的一部分的图像分析装置自动地执行。照相机图像的该自优化然后以类似于闭环控制系统的方式扶行，其中所述的可调节参数是输入变量，而用于照相机图像的一个或多个分析标准(即，至少分辨率和/或对比度)是结果输出变量。

最后，关于光谱的UV区域中的前述照明(“倾斜UV”)，有利的是所述控制单元被设计成自动地或响应用户输入导致具有在紫外波长范围中的光源在照明束路径中被启动，并且导致用户可选择孔径(或备选地，固定预定孔径)借助于孔径轮的驱动单元可再现地被调节到相对于光轴的位置。也可能有用的是连续地调节从其中选择最佳位置的各种限定位置。

本发明的又一个方面是一种用于倾斜入射照明待显微检查的物体的方法。先前已在本文中结合根据本发明的显微镜照明系统和显微镜描述了该方法的许多方面。因此，以上公开也明确地涉及本发明的方法。倾斜入射照明待显微检查的物体的方法具有的基本特征是围绕旋转轴线可旋转并且不同尺寸的多个孔径在圆周方向上形成于其中的孔径轮以这样的方式相对于显微镜照明系统的光轴布置，使得通过旋转孔径轮每个孔径可以在光轴上居中地定位在初始位置，并且通过进一步旋转，这样的孔径可以从光轴偏心地定位在围绕光轴的限定区域内。关于该方法的优点，明确地参考上面结合根据本发明的显微镜照明系统和显微镜给出的解释。

有利的是使用具有在紫外波长范围中的光谱的光源作为显微镜照明系统的光源。特别地，有利的是分别使用在紫外和可见区域中的(至少)两个光源，所述光源经由二色分束器均被耦合到显微镜照明系统的光束路径中。先前已在本文中详细描述了这些实施例。所以，在这里将不重复它们的描述以避免赘述。这适用于这样的实施例，根据所述实施例使用驱动马达实现孔径轮的旋转，所述驱动马达的轴与孔径轮的旋转轴线重合。术语“重合”旨在包括旋转轴线和轴的连接，或整体设计。

在本发明的方法中，其中相对于光轴居中地或偏心地传播的照明束通过显微镜物镜被引导到待检查的物体上，有利的是取决于所选择的显微镜物镜，与其关联的孔径移动到所述初始位置，在所述初始位置中它相对于光轴居中。孔径和显微镜物镜之间的关联可以在工厂被预编程并且例如由控制单元执行。备选地，关联可以由用户限定。这为用户提供限定孔径轮的初始位置的另一种方式，所述初始位置将被用作用于调节适当的入射光角度的开始位置。

根据本发明的方法可以特别地用于优化正被显微检查的物体的照相机图像。为此，针对至少分辨率和/或对比度分析照相机图像。该分析可以使用已知的图像处理方法或使用这里所提出的分析技术-其将在下面进一步描述-执行。可以通过在围绕光轴的限定区域内旋转孔径轮，或换句话说，通过改变入射光角度，而优化图像的三维外观。

优化照相机图像的备选或附加方式是选择合适的孔径和/或合适的显微镜物镜。例如，对于指定的显微镜物镜，可以通过从与该显微镜物镜关联的孔径开始分别选择更小或更大的孔径而实现光阑缩小或放大。与更大的照明孔径相比，更小的照明孔径导致更低的分辨率、但是更高的对比度，而与更小的照明孔径相比，更大的照明孔径导致增加的分辨率、但是更低的对比度。根据物体的期望放大倍数选择合适的显微镜物镜。当从可见光变化为UV光照明时，也可能必须改变物镜。

优化照相机图像的另一个备选或附加方式是通过选择显微镜照明系统的光源。如本文中先前所述，光谱的可见区域中的观察可能是足够的并且有利的，但是为了更高分辨率，适宜的是切换到UV照明。

先前已在本文中结合本发明的显微镜和它的控制单元描述了用于优化照相机图像的可能方法。为了避免重复，那里给出的解释旨在关于照相机图像优化的任何可能形式也支持本发明的方法。

特别地通过使用可以在显微镜上和/或显微镜照明系统上改变的设置(即，特别是刚刚所述的改变入射光角度、孔径、显微镜物镜和/或光源的选择)中的不同设置捕捉各种照相机图像，并且通过生成这些照相机图像的每一个的代表性区域的强度分布图，从而实现照相机图像的优化。这样的强度分布图特别地由在相应的图像扫描线上例如作为像素的数量绘制的图像扫描线的灰度值形成。取决于物体的类型，也有可能产生三维强度分布图。在随后的步骤中，为所获得的强度分布图限定分析标准。特别合适的分析标准的例子是强度分布图的侧面的数量和斜率或强度分布图中的极值的数量。尽管侧面的数量提供关于所观察的图像区域的对比度的信息，但是极值(强度分布图或灰度值的最大值和最小值)的数量给出关于所观察图像区域内的分辨率的信息。不同于基于强度分布图执行分析，也有可能使用它的一阶数学导数，其中强度分布图的侧面可以由极值识别并且强度分布图的极值可以由零交叉识别。然后可以关于分析标准比较单独的照相机图像的强度分布图，并且可以基于比较确定最佳强度分布图和相关联的照相机图像。根据待执行的特定任务进行该确定。该任务可以生成具有最高可能的分辨率的图像，或提供高分辨率和高对比度之间的最佳折衷的图像。

优化照相机图像的另一种方式是使用用于可以在显微镜和/或显微镜照明系统上变化的设置的存储参数生成不同的照相机图像，并且让用户选择最佳照相机图像。在该情况下，照相机图像将由用户视觉地评估。再次地，所存储的参数包括入射光角度(即，具有指定孔径的孔径轮的旋转)、光的入射方向(即，孔径轮的旋转方向)、照明孔径(即，位于操作位置的孔径)、照明光谱(即，具有预定光谱范围的有效光源)、光源的强度和显微镜物镜的类型。

本发明的更多优点和实施例将从以下描述和附图显而易见。

将理解前述特征和下面所述的特征不仅在特定组合中使用，而且在其他组合中或单独地使用而不脱离本发明的范围。

本发明在图中使用示例性实施例示意性地示出，并且将在下面参考图详细地进行描述。

附图说明

图1是本发明的显微镜照明系统和相关联的显微镜的实施例的基本设计的示意性透视图；

图2是图1的设计的另一个实施例的示意性侧视图，所述实施例包括第二光源和用于优化照相机图像的控制单元；

图3显示了处于三个不同旋转位置的显微镜照明系统的孔径轮的实施例；

图4显示了在用轴向(居中)入射光照明物体时捕捉的物体区域的显微图像和选定图像区域的强度分布图；

图5是类似于图4的视图，但是其中单侧照明由从第一光入射方向倾斜入射的光提供；以及

图6类似于图4和5的视图，其中单侧倾斜入射照明来自与图5相反的光的入射方向。

具体实施方式

图1在示意性透视图中显示了显微镜照明系统1。显微镜照明系统1包括光源2和位于光源2的下游并且位于显微镜照明系统1的光轴6上的两个透镜5和6。可以被称为照明光学器件的透镜5和6用于将光源2成像到孔径平面中，固定孔径光阑12布置在所述孔径平面中。在固定孔径光阑紧邻后方的平面中，定位有孔径轮8，其在圆周方向上布置有孔径9。孔径轮8围绕旋转轴线11可旋转，在该情况下，所述旋转轴线与步进马达10的轴11′重合。备选方案也是可能的，其中其他驱动器用于代替步进马达，例如直流马达或磁驱动器。可以备选地经由齿轮机构、齿轮、齿带等实现机械耦合。从图1显而易见，孔径轮8围绕旋转轴线11的旋转导致孔径9移动通过由固定孔径光阑12限定的区域。以该方式，在固定孔径光阑12前方的照明束15′通过掩蔽转化为在孔径9后方的照明束15。

将照明束15传递到分束器20的透镜13和14也位于显微镜照明系统1的光轴16上。在一方面分束器20形成显微镜照明系统1的一部分，其中它用于将照明束15偏转到物体平面中的物体36上，并且在另一方面，分束器20是显微镜30的一部分，其中它允许来自物体36的成像光束(未显示)的一部分朝着成像光学器件33穿过其中。

图1很示意性地显示了包括作为基本部件的物镜31和成像光学器件33的显微镜30。成像光学器件33包括常用部件，例如管状光学系统、目镜和/或照相机。由于这些部件的细节在这里不重要，因此针对这些显微镜部件的设计和功能参考现有技术。显微镜30还包括x′-y′显微镜载台35，待显微检查的物体36在所述载台上支撑在物体平面中。在本示例性实施例中，该物体例如是将进行划伤或缺陷结构的检查的晶片。物体36的被观察区域的显微图像以已知的方式借助于物镜31和成像光学器件33生成。该显微图像可以由用户通过目镜查视或由照相机捕捉并且显示在监视器(未显示)上。关于后一种选择，参考图2中所示的实施例。

以下描述图1中所示的设计的操作。从光学上说，图1中所示的图像形成光束路径为柯勒照明提供竖直入射光(照明束通过显微镜物镜耦合到物体平面上)。为此，孔径轮8位于与光源2共轭的平面中。而且，孔径轮8位于与显微镜物镜31的入射光瞳共轭的平面中。这允许物体平面和因此正被观察的样品区域的均匀照明。光源2通过由透镜5和6形成的成像光学器件被成像到孔径光阑平面中。相对于光轴16居中布置的固定孔径光阑12限定孔径的最大直径。位于由固定孔径光阑12限定的区域内的孔径9将照明束15′转化为可以居中或偏心的照明束15。可以通过将孔径轮8的孔径9中的任何一个正好定位在光轴16上而提供中心明视场照明(也被称为轴向入射明视场照明)。孔径9的尺寸确定照明孔径的尺寸。当从中心照明变化为倾斜照明时，孔径9从它的初始居中位置相对于光轴16移位。在所示的示例性实施例中，通过围绕其旋转轴线11旋转孔径轮8获得该移动，所述旋转轴线也是步进马达10的轴线或轴11′。取决于步进马达10的旋转方向，孔径9成角度地向上或向下移动到期望的目标位置。

在图1中，可以看到孔径轮8的旋转轴线11平行于显微镜照明系统1的光轴16延伸并且从该光轴16“偏移45度”。更确切地说，这表示光轴16和旋转轴线11与孔径轮8的交点之间的连接线17与照明束路径的水平并且因此与所示坐标系的x轴形成45度的角度(也参见图3)。也与图中所示的y轴形成45度的角度。当然，前述45度的角度不必是正好45度的角度。取决于待成像的物体36的特定结构，偏差是可能的并且甚至可能是期望的。然而，由于物体36通常以这样的方式布置在显微镜载台35上使得存在于物体36上的结构在x′和/或y′方向上延伸，因此45度的偏移布置是适宜的，原因是它导致光的入射方向又与物体平面中的坐标系的x′和y′轴的每一个形成45度的角度。因此，在x′方向(N-S方向)和y′方向(E-W方向)两者上延伸的结构也可以同样地以三维外观进行成像。

孔径轮8的旋转导致孔径9沿着圆弧移动通过由固定孔径光阑12限定的区域，所述圆弧的半径对应于光轴16离旋转轴线11的距离。这参考图3更详细地进行解释。由于孔径9的该移动，在物体36上的入射光角度随着离光轴16的距离的增加而增加。光的入射方向保持大致成45度的方位角，原因是前述圆弧可以由直线以良好的精度近似。该线与水平并且因此与x轴成45度的角度延伸。

在另一个实施例中，孔径轮8可以作为整体在孔径光阑平面中移动。实现该移动的一种方式是通过以这样的方式支撑步进马达10自身，使得它在X-Y平面中可移动。步进马达10在Y方向上的移动导致照明束15在物体平面中的y′方向上移位。相反地，步进马达10在X方向上的移动导致照明束15在物体平面中的x′方向上移位。

由于这样的UV源的短波长，具有UV光谱中的发射的光源2(例如，发射i-line(365nm)辐射的LED)的使用使得有可能获得比可见区域中的照明更高的分辨率。同时，偏心照明束15′的所述生成允许以三维外观表示物体36上的结构。这使得例如有可能可视化裸晶片上的轻划伤或半导体结构上的光致抗蚀剂腐蚀的程度。以UV光进行的有角度照明也将被称为“倾斜UV”。

图2示出了允许两个光源之间的容易切换的配置。而且，图2显示了用于优化包含物体36上的结构的显微表示的照相机图像的布置。图2基本上显示了与图1相同的元件并且使用相同的附图标记表示相似的元件。所以，在这里将不重复从图1已知的元件的描述。下面将仅仅论述附加的元件。

除了光源2以外，显微镜照明系统1还包括经由透镜7和二色分光器4耦合到照明束15′的路径中的光源3。另一个透镜6相对于图1不变。因此，透镜5和6形成用于光源2的照明光学器件，而透镜7和6形成用于光源3的照明光学器件。也在图2中显示了从图1已知的显微镜30的成像光学器件33的元件。这些元件是管状光学系统32和置于管状光学系统32的下游的照相机34。照相机34电子地捕捉显微图像。照相机图像可以在一方面进行视觉显示，并且在另一方面使用图像处理方法进行电子处理和分析。包括物镜31、管状光学系统32和照相机34的显微镜30的所示配置本身是本领域的技术人员已知的。

在图2中，也显示了控制单元40。控制单元40允许全自动地和半自动地优化所获得的照相机图像。在下面通过例子并且在不限制在本申请的概述部分中所述的各种选择的情况下描述了这样做的一种方式。

从图2显而易见，控制单元40连接到光源2和3两者，连接到步进马达40并且连接到照相机34。可能适宜的是控制附加部件，例如特别是承载从其选择合适的物镜31的多个物镜的物镜转轮(未显示)。控制单元40以一种方式连接到光源2和3使得允许所述光源至少交替地操作，即，接通和切断。在另外的实施例中，光源2和3的强度或输出功率也可以经由控制单元40被控制。控制单元40以这样的方式连接到步进马达10使得通过旋转孔径轮8，设在孔径轮8上的特定孔径9可以移动到初始位置，在所述初始位置中孔径9相对于显微镜照明系统1的光轴16居中。随后，控制单元40可以驱动步进马达10进行微调，在所述微调期间孔径9从它的初始位置移位以移动到由固定孔径光阑12限定的区域内的限定目标位置(其已参考图1进行了详细描述)。最后，控制单元40以这样的方式连接到照相机34使得可以在控制单元40中分析照相机图像。该分析至少包括分辨率和/或对比度的标准。当然，控制单元40也可以进行照相机34上的某些图像捕捉设置。

这里假设光源3在光谱的紫外区域中发光并且光源2在光谱的可见区域中发光。有利的是使用LEDs作为光源2和3。控制单元40允许控制光源2和3，即，彼此独立地接通和切断(并且可能在它们的输出功率方面进行控制)。通过选择合适的光源，有可能导致显微照相机图像中的期望分辨率，这取决于待检查的物体36上的结构的精细度。孔径轮可以具有六个不同的孔径9，或者在另一个实施例中，它可以具有十四个(或任何其他数量的)不同孔径9。孔径9具有不同尺寸的直径并且在圆周方向上优选地按照直径的递升顺序布置在轮上。实际上，使用具有物镜转轮的显微镜30，使得不同的物镜31可以被插入显微镜30的成像光束路径中。物镜的选择取决于期望的放大倍数和其他参数，所述参数又在一方面取决于物体36上的结构，并且在另一方面取决于所使用的光源。在UV照明的情况下，有利地使用UV有效透镜31。特定物镜31可以与一个或多个孔径9关联。改变孔径于是具有与孔径平面中的虹彩光圈的打开或闭合相同的效果。然而，如本文中的别处所述，该方法提供比虹彩光圈远远更高的可再现性，并且使得有可能获得比用虹彩光圈可获得的远远更小的孔径直径。在不限定一般性的情况下，现在将假设每个物镜31与孔径轮8上的正好一个孔径9关联。有利地，该关联由控制单元40中的软件存储，使得当物镜变化时，相关联的孔径9自动地移动到它的初始位置，在所述初始位置中它相对于显微镜照明系统1的光轴16居中。为此，孔径轮8通过步进马达10合适地围绕旋转轴线11旋转。因此，例如当从一个光源2、3切换到另一个光源3、2时，可以通过在控制单元40的控制下旋转物镜转轮将相应物镜31移动到显微镜30的成像光束路径的光轴37上，并且同时可以通过相应地驱动步进马达10将相关联的孔径9移动到它的初始位置。

于是有可能生成待检查的物体36上的被显微成像的结构的照相机图像。例如，初始地，在使用选定参数(光源、孔径、物镜)的轴向入射照明下捕捉图像。在图4中显示了这样的图像的例子，该图显示了在北-南方向上延伸并且在东-西方向上重复的结构。该图像显示了晶片的平行结构。在单侧45°倾斜入射照明中，可以通过在一个方向上在由固定孔径光阑12围绕光轴16限定的区域内旋转选定孔径9而改变入射光角度。图5显示了在某个入射光角度捕捉的(与图4)相同的物体区域的图像。图6显示了类似的图像，但是所述图像在与图5相比相反的入射光角度被捕捉，原因是孔径轮在另一个方向上转过相同的角度。照相机图像的差异在这里已经很清楚地可见。因此，可以在改变入射光角度和光的入射方向的同时捕捉许多照相机图像，并且可以以该方式确定最佳照相机图像。通常，与最佳照相机图像关联的设置将在很大程度上取决于待成像的结构。

除了改变入射光角度和光的入射方向以外，当然也有可能改变其他参数，例如物镜31的类型、孔径9和光源2、3。

如图4至6中所示，可以通过生成照相机图像50的限定区域51的强度分布图52并且将它居中地重叠在图4至6中的各自照相机图像50上而有利地实现照相机图像的自动优化。在该情况下，强度分布图52表示区域51上的灰度值(像素距离)。从明灰度值的区域到暗灰度值的区域的过渡由陡侧面表示。陡侧面指示高对比度，而强度分布图52中的极值(最大值和最小值)的数量指示正被观察的区域51中的分辨率。在图4中，许多极值的存在指示以图像对比度为代价的高分辨率。与之相比，图5清楚地显示了较小的极值和因此较低的分辨率，以及指示高对比度的有点陡的侧面。在图6中显示了类似的情况。尽管在图5中，从平均灰度值的偏差(在标度上大约130)在两个方向上比较大，但是图6显示了从平均灰度值的向上小偏差和仅仅略微更大的向下偏差(大约120)。这又指示图5中的明-暗对比度比图6中更高。

如本文中所述的用于一系列被捕捉的照相机图像50的强度分布图52的分析可以自动地在控制单元40中执行。这使得有可能确定例如在对比度方面导致优化的照相机图像的参数。在选择这些参数之后，然后有可能检查整个样品或相同类型的一系列样品。

图3在示意性正视图中显示了总共具有六个孔径9的孔径轮8。再次地，旋转轴线由11表示。图3b显示了处于用于居中照明(或轴向入射照明)的位置的孔径轮8，而图3a和3c显示了用于倾斜入射照明的位置。图4中所示的照相机图像50例如可以由处于图3b中所示的位置的孔径轮8生成，而图5、6中所示的照相机图像50可以分别使用处于图3c和3a中所示的孔径轮位置生成。

固定孔径光阑由12表示。它挖出限定区域，选定孔径9可以在所述限定区域内移动以改变入射光角度。超出该限定区域的移动导致完全遮蔽。只有在进一步旋转之后在圆周方向上的下一个孔径9才进入由固定孔径光阑12限定的区域。

再次地，显微镜照明系统1的光轴由16表示。从图3清楚地看到，在图3的平面中光轴16和旋转轴线11之间的连接线17与x轴形成45度的角度。在孔径轮8的旋转期间孔径9沿其移动的圆弧被绘制为虚线。其余孔径9必须沿着该虚线布置。孔径轮8的微小旋转导致选定孔径9从它的初始位置与x轴也成大致45°的角度移位达到这样的程度，使得沿着虚线圆形路径的该移动由沿着相应直线的移动近似。

附图中的附图标记的索引

1显微镜照明系统

2光源

3光源

4二色分光器

5透镜

6透镜

7透镜

8孔径轮

9孔径

10驱动单元，驱动马达，步进马达

11旋转轴线

11′轴

12固定孔径光阑

13透镜

14透镜

15，15′照明束路径

16光轴

17连接线

20分束器

30显微镜

31物镜

32管状光学系统

33成像光学器件

34照相机

35显微镜载台

36物体

37光轴

40控制单元

50照相机图像

51区域

52强度分布图

Claims (31)

1.一种显微镜照明系统(1)，其包括光源(2，3)和孔径器件，所述孔径器件具有用于生成相对于光轴(16)以居中关系延伸的照明束路径(15')的孔径(9)，在所述系统中能够通过移位所述孔径(9)而为倾斜入射照明生成从所述光轴(16)偏心延伸的照明束路径(15)，

其中所述孔径器件包括围绕旋转轴线(11)可旋转的孔径轮或盘(8)，并且在所述孔径轮或盘中多个不同尺寸的孔径(9)在圆周方向上形成，并且通过旋转所述孔径轮(8)，所述孔径的每一个可以在所述光轴(16)上居中地定位或从所述光轴(16)偏心地定位在围绕所述光轴(16)的限定区域内,

其中所述孔径轮(8)的所述旋转轴线(11)平行于所述光轴(16)并且以这样的方式布置使得所述旋转轴线(11)和所述光轴(16)与所述孔径轮(8)的交点之间的连接线与水平线(x)形成大致45度的角度。

2.根据权利要求1所述的显微镜照明系统，

其中驱动马达(10)在操作位置中与所述孔径轮(8)关联以用于旋转所述孔径轮。

3.根据权利要求1所述的显微镜照明系统，

其中所述孔径轮(8)的所述旋转轴线(11)在至少一个方向上垂直于所述光轴(16)可移动。

4.根据权利要求1所述的显微镜照明系统，

其中固定孔径光阑(12)相对于所述光轴(16)以居中关系定位在所述孔径轮(8)前方或后方。

5.根据权利要求1所述的显微镜照明系统，

其中所述光源(3)具有在紫外波长范围中的光谱。

6.根据权利要求1所述的显微镜照明系统，

其中所述显微镜照明系统具有带有不同波长范围的两个光源(2，3)，所述光源中的一个包括紫外波长范围的至少一部分。

7.根据权利要求6所述的显微镜照明系统，

其中所述两个光源(2，3)中的一个或两者能够在任何时候经由二色分束器(4)耦合到所述照明束路径(15')中。

8.根据权利要求6或7所述的显微镜照明系统，

其中所述光源(2、3)采用LEDs的形式。

9.根据权利要求1所述的显微镜照明系统，

其中所述孔径轮(8)位于与所述显微镜照明系统(1)的所述光源(2，3)共轭的平面中。

10.一种显微镜(30)，其具有包括至少一个光源(2，3)的根据权利要求1至9之一所述的显微镜照明系统(1)，并且还具有至少一个显微镜物镜(31)。

11.根据权利要求10所述的显微镜，

其中所述显微镜照明系统(1)的所述孔径轮(8)位于与所述显微镜物镜(31)的入射光瞳共轭的平面中。

12.根据权利要求10或11所述的显微镜，

其中所述显微镜物镜(31)与所述显微镜照明系统(1)的所述孔径轮(8)上的特定尺寸的孔径(9)关联或能够关联。

13.根据权利要求12所述的显微镜，其具有多个显微镜物镜(31)并且其中若干显微镜物镜(31)与所述显微镜照明系统(1)的所述孔径轮(8)上的特定尺寸的孔径(9)关联或能够关联，或所述显微镜物镜(31)中的至少一个与若干孔径(9)关联或能够关联。

14.根据权利要求10所述的显微镜，

其中提供控制单元(40)，所述控制单元可操作地连接到用于旋转所述显微镜照明系统(1)的所述孔径轮(8)的驱动单元(10)和/或连接到所述显微镜照明系统(1)的所述至少一个光源(2，3)。

15.根据权利要求14所述的显微镜，其具有以照相机图像的形式产生物体的显微图像的照相机(34)，所述控制单元(40)可操作地连接到所述照相机(34)以用于分析所述照相机图像。

16.根据权利要求15所述的显微镜，

其中所述控制单元(40)被设计成使得通过控制所述至少一个光源(2，3)和/或所述显微镜照明系统(1)的所述孔径轮(8)的所述驱动单元(10)而针对至少分辨率和/或对比度优化所述照相机图像，所述驱动单元允许选定孔径(9)被插入所述照明束路径(15')中并且可再现地被调节到相对于所述光轴(16)的限定位置。

17.根据权利要求16所述的显微镜，

其中所述控制单元(40)被设计成使得基于照相机图像的选择和/或标准的输入由用户执行针对至少分辨率和/或对比度的所述照相机图像的优化。

18.根据权利要求16所述的显微镜，

其中所述控制单元(40)被设计成使得由图像分析装置自动地执行针对至少分辨率和/或对比度的所述照相机图像的优化。

19.根据权利要求15所述的显微镜，

其中所述控制单元(40)被设计成自动地或响应用户输入导致具有在紫外波长范围中的光谱的光源(3)在所述照明束路径(15')中被启动，并且导致用户可选择孔径(9)借助于所述孔径轮(8)的所述驱动单元(10)可再现地被调节到相对于所述光轴的一个或多个限定位置。

20.一种用于倾斜入射照明待显微检查的物体(36)的方法，其中通过将位于显微镜照明系统(1)的照明束路径(15')中的孔径(9)移位到相对于显微镜照明系统(1)的光轴(16)的居中位置之外而为倾斜入射照明生成从光轴(16)偏心延伸的照明束路径(15)，

其中为了从其居中位置移位孔径(9)，围绕旋转轴线(11)可旋转并且其中在圆周方向上形成多个不同尺寸的孔径(9)的孔径轮或盘(8)以这样的方式相对于显微镜照明系统(1)的光轴(16)布置，使得通过旋转所述孔径轮(8)每个孔径(9)能够在光轴(16)上居中地定位在初始位置，并且通过进一步旋转，这样的孔径能够从光轴(16)偏心地定位在围绕光轴的限定区域内,

其中所述孔径轮(8)的所述旋转轴线(11)平行于所述光轴(16)并且以这样的方式布置使得所述旋转轴线(11)和所述光轴(16)与所述孔径轮(8)的交点之间的连接线与水平线(x)形成大致45度的角度。

21.根据权利要求20所述的方法，

其中所述孔径轮(8)的旋转使用能够将所述孔径(9)可再现地调节到相对于光轴(16)的限定位置的驱动马达(10)来实现。

22.根据权利要求20或21所述的方法，

其中具有在紫外波长范围中的光谱的光源(3)被用作用于显微镜照明系统(1)的光源(2，3)。

23.根据权利要求20所述的方法，

其中使用具有在紫外波长范围中的光谱的光源(3)和具有在可见波长范围中的光谱的光源(2)，所述光源经由二色分束器(4)均被耦合到显微镜照明系统(1)的光束路径中。

24.根据权利要求20所述的方法，其中相对于光轴(16)居中地或偏心地传播的照明束(15)通过显微镜物镜(31)被引导到待检查的物体(36)上，

其中取决于所选择的显微镜物镜(31)，与其关联的孔径(9)移动到所述初始位置，在所述初始位置中它相对于光轴(16)居中。

25.根据权利要求20所述的方法，

其中用于产生物体的显微图像的照相机(34)生成照相机图像；并且

针对至少分辨率和/或对比度分析所述照相机图像并且通过在围绕光轴(16)的限定区域内旋转所述孔径轮(8)而优化所述照相机图像。

26.根据权利要求20所述的方法，

其中用于产生物体的显微图像的照相机(34)生成照相机图像；并且

针对至少分辨率和/或对比度分析所述照相机图像并且通过孔径(9)和/或显微镜物镜(31)的选择而优化所述照相机图像。

27.根据权利要求20所述的方法，

其中用于产生物体的显微图像的照相机(34)生成照相机图像；并且

针对至少分辨率和/或对比度分析所述照相机图像并且通过显微镜照明系统(1)的光源(2，3)的选择而优化所述照相机图像。

28.根据权利要求25至27之一所述的方法，

其中基于照相机图像的选择和/或标准的输入由用户执行所述照相机图像针对至少分辨率和/或对比度的优化。

29.根据权利要求25至27之一所述的方法，

其中使用图像分析装置自动地执行所述照相机图像针对至少分辨率和/或对比度的优化。

30.根据权利要求20所述的方法，

其中自动地或响应用户输入地，在所述照明束路径(15')中启动具有在紫外波长范围中的光谱的光源，并且将可选择的或预定的孔径(9)可再现地调节到相对于光轴的一个或连续若干个限定位置。

31.根据权利要求25所述的方法，

其中通过使用可以在所述显微镜(30)上和/或所述显微镜照明系统(1)上改变的设置中的不同设置捕捉相同物体区域的各种照相机图像，通过生成所述照相机图像的每一个中的限定区域(51)的强度分布图(52)，并且通过针对某个标准分析和计算所生成的强度分布图(52)，从而实现照相机图像的优化，所述标准包括强度分布图(52)的侧面的数量和/或强度分布图(52)中的极值的数量。