JPH063587A

JPH063587A - 走査対物レンズ

Info

Publication number: JPH063587A
Application number: JP4248619A
Authority: JP
Inventors: Anton Schick; シツクアントン
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-05-25
Filing date: 1992-08-24
Publication date: 1994-01-14
Anticipated expiration: 2010-12-18
Also published as: JPH07117647B2; SG44693A1; WO1993024854A1; KR950701741A; KR0177848B1; US5608564A; EP0642676A1

Abstract

(57)【要約】【目的】高い分解能、相応に高い開口数、大きい像領
域で、同時に高い走査レートで走査する走査対物レンズ
の構造を提案する。【構成】走査対物レンズが３つのレンズ群１、２、３
から成り、その際にビーム偏向ユニット４に連結するた
め、同時に大きい走査角度θにおいて全走査対物レンズ
に比較して小さい開口数を有する中間像５を発生する正
の屈折力を有する第１のレンズ群１が設けられ、対象物
側に第１のレンズ群１にくらべて大きい開口数を有する
第３のレンズ群３が設けられ、正の屈折力および第１の
レンズ群１にくらべて大きい焦点距離ｆを有し第１のレ
ンズ群１から発生された中間像５を無限遠に結像する中
間接続されている第２のレンズ群２が設けられており、
第１および第２のレンズ群１、２により形成される出射
瞳孔６２が第３のレンズ群３の前に位置している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高い分解能および高い
検査速度で対象物表面を行または点状に三次元走査する
ための走査対物レンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】電子アセンブリ上の増大する実装密度は
相応に適合された検査を必要とする。この検査は一般に
高分解能の光学式検査システムにより行われる。原理的
には三角測量原理が表面の高速走査のためのシステムと
結び付いて使用され得る。しかし、構造化された対象物
の鏡面反射する表面では一般に同焦点原理がより適して
いる。その際に通常絞り孔により定められている点状の
光源が対象物表面の上に、また後方散乱された光がほぼ
点状の検出器の上に結像される。これについてはたとえ
ばヨーロッパ特許出願第91120863.5号明細書を参照され
たい。同焦点の光学的構成の焦点深度はシステムの高さ
分解能に対する尺度である。焦点深度はその際に開口数
の二乗に逆比例している。高い開口数および非常に速い
ビーム偏向ユニット、たとえば高い回転数で回転する多
面鏡を有する走査対物レンズは自動的な検査システムに
対する高い分解能に関する要求条件を満足する。しかし
現在のところ十分に高い開口数を有する走査対物レンズ
は得られていない。十分に高い開口数は少なくとも０．
１５の値を有するべきであろう。

【０００３】回折制限された走査対物レンズの設計の際
に重要な理論的に達成可能な結像能力を表す量はラグラ
ンジェ不変量Ｌである。それはビーム偏向ユニットの位
置におけるビーム直径Ｄの半分と走査角度または偏向角
度θとの積により形成される。これは開口数Ｎと走査対
物レンズの走査長さＳの半分との積と同じ意味である。

【０００４】

【数１】Ｌ＝（１／２）Ｄ・θ＝（１／２）Ｓ・ＮＡ

【０００５】開口数により分解能が予め与えられている
ので、Ｌは走査線あたりの走査される点の数に比例して
いる。こうして高い走査レートは走査の際の高い偏向速
度および走査するシステムのできるかぎり大きいラグラ
ンジェ不変量Ｌにより達成される。上記の関係に相応し
てビーム偏向ユニットも走査対物レンズも互いに適合さ
れなければならない。

【０００６】ビーム偏向ユニットに関しては、回転する
多面鏡に対して他のビーム偏向器と比較して実現可能な
角速度が同時に大きいビーム直径において得られ、従っ
てまた画素データレートが非常に高い。他のビーム偏向
器とはたとえば音響‐光学式偏向器、共振スキャナまた
は検流計鏡を指している。上方へのデータレートの制限
はビーム断面の増大または鏡ファセット直径の増大の際
の大きくなる回転慣性モーメントにより与えられてい
る。従って、多面鏡の使用される材料および機械的構造
に応じて最適な多面鏡の設計が生ずる。

【０００７】走査対物レンズの基本となる形態は下記の
関係を顧慮しなければならない。 −ラグランジェ不変量が大きいほど（大きい像領域の際
の高い分解能）、幾何学的結像誤差を最小化、また走査
対物レンズを製造に適して構成することは困難になる。 −開口数の増大と同じ意味である分解能への要求の上昇
に際して、ラグランジェ不変量が不変の際に走査長さは
減少する。 −予め与えられたラグランジェ不変量を有するシステム
に対して一定の焦点距離の際に開口数を大きくすると、
ビーム直径が走査角度の減少のもとに増大する。しか
し、小さい走査角度の際のビーム直径の増大は多面鏡の
ファセットの数および大きさを高め、それによって達成
可能な回転速度が低下する。 −予め与えられたラグランジェ不変量を有するシステム
に対して走査角度の維持のもとに開口数を大きくする
と、対物レンズの焦点距離が減少する。このことは通常
の走査対物レンズにおいて前および後焦点距離がレンズ
取付部に非常に近づくことを意味する。なぜならば、さ
もなければ収差の補正が著しく困難になるからである。
このことは再び多面鏡の位置決めのための必要な空間を
制限する。

【０００８】列挙された関係は、大きい開口数および同
時に大きい像領域を有する対物レンズが従来の手段によ
っては構成可能でないことを明らかにする。

【０００９】現在市場で得られる走査対物レンズは約
０．１の開口数を有し、また少なくとも２０ｍｍの焦点
距離において約１３°の走査角度を有する。これらの対
物レンズは高い速度で回転する多面鏡に非常に良好に適
合され得る。ラグランジェ不変量はこの際に約１ｍｍで
ある。しかし、この構成形態の対物レンズは高い分解能
を有する同焦点スキャナには適していない。

【００１０】さらに、同焦点のレーザー走査顕微鏡が存
在する。これらはたいてい通常の光学顕微鏡または光学
顕微鏡対物レンズのベースの上に構成されており、従っ
てまた高い開口数を有し得る。しかし、約０．１５のラ
グランジェ不変量の際に全結像能力は小さい像領域また
は小さい走査長さに基づいて比較的低い。しばしばこの
際に音響‐光学式ビーム偏向器が使用され、それによっ
て結像能力が小さい偏向角度および同時の円形ではない
小さい開口に基づいて減少する。加えて、ビーム偏向が
無収差でない（非点収差）。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高い
分解能、相応に高い開口数、大きい像領域で、同時に高
い走査レートで走査する走査対物レンズの構造を提案す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この課題は請求項１の特
徴により解決される。

【００１３】

【作用効果】原理的に対物レンズの高い分解能は開口数
の高い値により保証される。走査または偏向角度は対物
レンズの焦点距離と結び付いて像領域の大きさを決定す
る。

【００１４】本発明は、３つのレンズ群から成る１つの
走査対物レンズにより相応の設計の際に必要とされる質
的特徴が達成されるという認識に基づいている。走査ビ
ームの方向に見て正の屈折力および比較的小さい開口数
を有する第１のレンズ群は、高い結像能力においてビー
ム偏向ユニットへの理想的な連結要素とみなされ得る。
この光学系は構成の点で比較的大きい開口数を従来の技
術からの典型的な走査対物レンズに相応する。それは６
つよりも少ない個別レンズにより回折制限されて製作さ
れ得る。このレンズ群により実の中間像が発生される。
大きな利点は、入射瞳孔と第１のレンズ群の表面との間
の十分な頂点間隔である。

【００１５】対象物側に配置されている第３のレンズ群
は大きい焦点距離および約２．５°の比較的小さい偏向
角度を与えられる。回折制限内にとどまるためには、幾
何学的結像誤差が最適に補正されるように注意されなけ
ればならない。コリメータ光学系との類似性により主と
して球面収差の補正のみが行われる。第３のレンズ群の
上記の構成により対象物側で高い開口数を有する走査シ
ステムまたは走査対物レンズの結像能力が可能である。

【００１６】第１のレンズ群の実の中間像を無限遠に結
像する正の屈折力を有する第２のレンズ群は、第１およ
び第２のレンズ群により形成される出射瞳孔が第３のレ
ンズ群の入射瞳孔と合致するように構成されていなけれ
ばならない。第２のレンズ群の視野角度はその際に第３
のレンズ群の走査角度と一致しなければならない。この
第２のレンズ群はたとえば反転された走査対物レンズで
あってよい。このことは、これまでに知られている走査
対物レンズが逆方向に使用されることを意味する。その
際に第１のレンズ群に関する走査長さ（中間像の像高
さ）および開口数の相応のマッチングに注意すべきであ
る。さらに走査角度（視野角度）および第３のレンズ群
の入射瞳孔の直径に関するマッチングを行う必要があ
る。第１のレンズ群の焦点距離と第２のレンズ群の焦点
距離との比はその際に第１のレンズ群の走査角度（視野
角度）と第３のレンズ群の走査角度（視野角度）との比
に一致する。すべての３つのレンズ群は回折制限されて
いる。

【００１７】本発明の特に有利な実施態様はＦ‐θ対物
レンズとしての走査対物レンズの設計を含んでいる。Ｆ
‐θ対物レンズに対する必要条件は走査または偏向角度
と瞬時の偏向または瞬時の像高さとの間の比例性であ
る。それにより自動的検査システムにおける制御技術的
費用が減少する。

【００１８】第１および第２のレンズ群の間の主ビーム
が光軸に対して平行に延びていることは有利である。テ
レセントリックな構成に相応するこの構造は一方では第
１および第２のレンズ群に対して、また他方ではすべて
の走査対物レンズに対して有効であり得る。その結果と
しての利点は、個々のテレセントリックなレンズ群を簡
単な仕方で相い前後して接続し得ることにある。すべて
の走査対物レンズのテレセントリックな構成は特に測定
目的に対する有利な応用を意味する。高価な電子的（ハ
ードウェアおよびソフトウェア）補正が不要になる。

【００１９】走査対物レンズの全焦点距離が第１のレン
ズ群の第１のレンズ表面の頂点と走査対物レンズのその
前に位置する入射瞳孔との間の間隔よりも小さい場合に
は、走査対物レンズとビーム偏向ユニットとの間の連結
は簡単な仕方で行われる。

【００２０】第１のレンズ群の開口数が少なくとも０．
１５である（すべての走査対物レンズの開口数がたとえ
ば０．６である）ことは、後に接続されているレンズ群
の構造に対して、より大きい構成自由度が全体として高
い開口数を顧慮して達成可能である点で有利である。

【００２１】本発明の有利な実施態様では、走査角度は
約１６°であり、また入射瞳孔は約７．５ｍｍの直径を
有する。走査対物レンズのこれらの両パラメータを上記
の数値に決定することは、高い回転数で回転する多面鏡
（たとえばファセット数１２、鏡直径約７０ｍｍ、ファ
セット長さ約１９ｍｍ）の設計に関して特に利点を生ず
る。

【００２２】約２．５°の走査角度および約８ｍｍの走
査角度と組み合わせて第３のレンズ群の開口数が少なく
とも０．２５であれば、既に対物レンズと対象物との間
の約３０ｍｍの動作間隔が設定され得る。

【００２３】

【実施例】以下、図面により本発明の実施例を説明す
る。

【００２４】図１には、単に１つの線により示されてい
る対物レンズ１１の概要が示されている。対物レンズ１
１は光軸１０に関して位置決めされている。焦点距離ｆ
は対物レンズ１１の両側に示されている。入射瞳孔６１
におけるビーム直径Ｄから出発して主ビームおよび周辺
ビームは走査角度θに相応して延びている。図の右部に
は対象物面９が示されている。走査長さＳは像の大きさ
に相当する。

【００２５】図１に示されているような公知の走査対物
レンズは多くの製造業者から商業的に販売されている。
それらは一般に０．１以下の開口数および２０ｍｍより
も大きい焦点距離を有する。走査角度は±１３°ないし
２５°の範囲内にある。ラグランジェ不変量が光学的構
成部分の結像能力に対する尺度であり、開口数は像点の
大きさを決定し、また結像能力は分解される像点の数に
対応しているので、常に、所望の開口が存在するように
設計されなければならないであろう。結像能力に対する
尺度としてのラグランジェ不変量が一定にとどまり、ま
た全光学系の焦点距離が変化しないことから出発して、
開口数の増大の際に図２に相応するビーム経路が生ず
る。この際にも入射瞳孔６１および対象物面９はそれぞ
れ焦点に位置している。走査長さＳは相応に光軸１０に
対して対称に示されており、また図１中に示されている
ものよりもはるかに大きい入射瞳孔６１におけるビーム
直径Ｄが記入されている。走査角度θが図１の走査角度
θに比較してはるかに縮小していることが明らかにわか
る。同じことが走査長さＳに対しても当てはまる。主ビ
ーム７および周辺ビーム８が同じく記入されている。し
かし図２に相応する構造は課せられた課題の解決のため
に実施可能でない。なぜなら、その際にビーム偏向ユニ
ットの格納は一般に容易に可能ではないからである。構
造自体は近似的に、一般に１つの点のみを結像するコリ
メータ光学系に相当する。その際に、視野角度が小さく
てよいので、簡単な仕方で高い開口数が達成可能であ
る。

【００２６】図１でラグランジェ不変量および走査角度
θが一定に保たれ、また開口数が増大されると、焦点距
離ｆは小さくなる。このことは同じく、走査対物レンズ
の前のビーム偏向ユニットの格納に関して難点を生ず
る。

【００２７】たとえば５０×／０．６の純粋な顕微鏡対
物レンズの使用は同じく、課せられた課題の解決のため
に容易に可能ではない。なぜなら、その際にあまりに小
さい偏向角度が存在するからである。さらに入射瞳孔が
一般に顕微鏡対物レンズのレンズ系の非常に近くに位置
する。

【００２８】図３には、前置されたビーム偏向ユニット
４を有する走査対物レンズが示されている。レンズ群１
ないし３から構成されている走査対物レンズは０．６の
開口数を有する。第１のレンズ群１および第２のレンズ
群２はそれぞれ５つの個別レンズから成っている。第１
のレンズ群は０．１５の開口数および２５ｍｍの焦点距
離を有する。第２のレンズ群は実の中間像５から出発す
る１６０ｍｍの焦点距離におけるビームをコリメートす
る。この際にビーム広がりおよび角度縮小が行われる。
二重要素（デュプレット）、３つの直接に続いている正
に屈折する個別レンズおよび１つのレンズトリプレット
から成る第３のレンズ群３は４０ｍｍの焦点距離および
０．６の開口数を有する。対物レンズの全長は約６５０
ｍｍである。

【００２９】図３に相応する走査対物レンズは高い開口
数（０．６および大きい走査長さＳ）を有する。０．１
５の小さい開口数を有する第１のレンズ群１は約±１６
°の大きい走査角度を有する。第１のレンズ群１はビー
ム偏向ユニット４への連結要素をなしている。正の屈折
力を有する第３のレンズ群３の０．６の高い開口数は
２．５°の小さい視野角度により達成される。このこと
はたとえば第３のレンズ群３に対して４８ｍｍの瞳孔直
径、４０ｍｍの焦点距離ｆおよび３．５ｍｍの像領域を
意味する。その際にこのレンズ群はその構造に関して５
０倍の拡大率を有する一定率で拡大された顕微鏡対物レ
ンズに類似している。

【００３０】原理的には最初の両レンズ群１、２はこう
して走査角度縮小および瞳孔拡大を生じさせる（図面中
で左から右へ見て）。その際に第１のレンズ群１の入射
瞳孔６１は第３のレンズ群３の入射瞳孔６３のなかに結
像され、または第１および第２のレンズ群１、２の出射
瞳孔６２が第３のレンズ群３の入射瞳孔６３と重なり合
う。このことから、入射瞳孔６３と第３のレンズ群３の
第１のレンズの表面との間の間隔が第３のレンズ群３の
構成および最適化の際の追加的な自由度として解放され
るという利点が生ずる。個々のレンズ群の瞳孔の考察は
単に走査対物レンズの構成のために応用される。このよ
うな走査対物レンズは全体としてただ１つの入射瞳孔お
よび出射瞳孔を有する。走査対物レンズの追加的なテレ
セントリックな構成は自動的３Ｄ検査システムの測定デ
ータ評価を簡単化する。

【００３１】図３および図４に相応してレンズ群１によ
り中間像５が発生される。レンズ群１〜３および光軸１
０に関する主ビーム７および周辺ビーム８の経過が示さ
れている。第２のレンズ群２は中間像５を無限遠に結像
する。その際に瞳孔結像は第１および第２のレンズ群
１、２により行われ、その際に第１のレンズ群１の入射
瞳孔６１は第３のレンズ群３の入射瞳孔６３のなかに結
像される。このことは走査角度変換とも呼ばれ得る。第
３のレンズ群３の入射瞳孔６３は第２のレンズ群２と第
３のレンズ群３との間に位置している。平行なビームは
最大直径において瞳孔を通して導かれる。第１のレンズ
群１はそれ自体で小さい分解能を有する走査対物レンズ
とみなされ得る。同じことが第２のレンズ群２に対して
も当てはまるが、これはより大きい焦点距離ｆを有す
る。

【００３２】以上説明した走査対物レンズによりたとえ
ば０．５ｍｍの範囲内で分解が行われ得る。

【００３３】図４には、高い開口数を有する走査対物レ
ンズの原理図が示されている。

【００３４】可能な技術的データは下記のとおりであ
る。例１：開口数（全体）：０．６焦点距離ｆ：６．２５ｍｍ入射瞳孔におけるビーム直径：７．５ｍｍ動作間隔：５ｍｍ走査角度θ： ±１６° 間隔ａ：１５ｍｍ走査長さＳ：３．５ｍｍ例２：ビーム直径および走査角度は一定開口数：０．２８走査長さＳ：７．５ｍｍ動作間隔：２７ｍｍ焦点距離ｆ：約１４ｍｍ

【００３５】本発明による走査対物レンズの原理的構成
は図４中の概要構成に相応して第１、第２および第３の
レンズ群１、２、３を含んでいる。検査すべき対象物の
表面または対象物面９は図の右端に概要を示されてい
る。左端には走査対物レンズ全体の入射瞳孔６１が示さ
れている。装置全体は光軸１０を有する。主ビーム７お
よび周辺ビーム８の特徴的な経過が相応に概要を示され
ている。

【００３６】図４中に絞りとして示されている入射瞳孔
６１は回転する多面鏡により置換され得る。第１および
第２のレンズ群１、２の出射瞳孔６２は第３のレンズ群
３の入射瞳孔６３と合致しており、その際に第２のレン
ズ群２は第１のレンズ群１から発生された中間像５を無
限遠に結像する。

【図面の簡単な説明】

【図１】０．１の開口数を有する従来の走査対物レンズ
の原理図。

【図２】図１にくらべて開口数が増大する際の走査対物
レンズのビーム経路図。

【図３】高い開口数を有する走査対物レンズの詳細な構
成を示す図。

【図４】図３に相応する走査対物レンズの原理図。

【符号の説明】

１第１のレンズ群２第２のレンズ群３第３のレンズ群４ビーム偏向ユニット５実の中間像７主ビーム８周辺ビーム９対象物面１０光軸１１対物レンズ６１、６３入射瞳孔６２出射瞳孔Ｄビーム直径ｆ焦点距離Ｓ走査長さ θ 走査角度

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】特に電子平形アセンブリの表面検査のた
めの走査システムに用いられる照明ビームまたは照明ビ
ームおよび測定ビームを導くための走査対物レンズにお
いて、３つのレンズ群（１；２；３）から成り、その際
にビーム偏向ユニット（４）に連結するため、同時に大
きい走査角度（θ）において全走査対物レンズに比較し
て小さい開口数を有する中間像（５）を発生する正の屈
折力を有する第１のレンズ群（１）が設けられ、対象物
側に第１のレンズ群（１）にくらべて大きい開口数を有
する第３のレンズ群（３）が設けられ、また正の屈折力
および第１のレンズ群（１）にくらべて大きい焦点距離
（ｆ）を有し第１のレンズ群（１）から発生された中間
像（５）を無限遠に結像する中間接続されている第２の
レンズ群（２）が設けられており、第１および第２のレ
ンズ群（１；２）により形成される出射瞳孔（６２）が
第３のレンズ群（３）の前に位置しており、また第３の
レンズ群（３）がコリメータ光学系の構成に介して類似
していることにより、第１および第２のレンズ群（１；
２）により走査角度縮小が達成されることを特徴とする
走査対物レンズ。
【請求項２】走査対物レンズがＦ‐θ対物レンズであ
ることを特徴とする請求項１記載の走査対物レンズ。
【請求項３】第１および第２のレンズ群（１；２）の
間の主ビーム（７）が光軸（１０）に対して平行に延び
ていることを特徴とする請求項１または２記載の走査対
物レンズ。
【請求項４】走査対物レンズが全体として１つのテレ
セントリックなビーム経路を有することを特徴とする請
求項１ないし３の１つに記載の走査対物レンズ。
【請求項５】第１のレンズ群（１）の第１のレンズ表
面の頂点と走査対物レンズのその前に位置する入射瞳孔
（６１）との間の間隔（ａ）が走査対物レンズの全焦点
距離（ｆ）よりも大きいことを特徴とする請求項１ない
し４の１つに記載の走査対物レンズ。
【請求項６】第１のレンズ群（１）の開口数が少なく
とも０．１５であることを特徴とする請求項１ないし５
の１つに記載の走査対物レンズ。
【請求項７】走査角度（θ）が約１６°であり、また
走査対物レンズの入射瞳孔（６１）におけるビーム直径
が約７．５ｍｍであることを特徴とする請求項１ないし
６の１つに記載の走査対物レンズ。
【請求項８】第３のレンズ群（３）の開口数が少なく
とも０．２５であり、また走査角度（θ）が約２．５°
であることを特徴とする請求項１ないし７の１つに記載
の走査対物レンズ。