TW479129B - Illumination and imaging device for multiple spectral regions, and coordinate measuring machine having an illumination and imaging device for multiple spectral regions - Google Patents

Description

479129 五、發明説明（1 ) 發明背景 發明領域 本發明關係一種用於多重光譜區之照明及成像裝置。 本發明也關係一種具有用於多重光譜區之照明及成像裝 置的座標測量機器。 相關技術說明 於半導體晶片的製程中，隨著封裝密度愈變愈大，單 獨圖形的圖形寬度會日益變小。對應到愈來愈小的圖 形，對用來當作測量及檢查系統測量圖形邊緣以及圖形 位置且用於測量圖形寬度之座標測量機器規格的需求也 會曰益增加。在這類座標測量機器的限度上持續偏愛光 學感知方法，雖則各圖形寬度已小於用於測量或檢查的 光波長。理由是使用光學感知方法的測量系統實質上會 比依不同方式例如使用電子束進行感知的方法更容易使 用。 不過，因爲受測圖形變得愈來愈小，使得不只對所用 光學系統之性質同時對用於評估及分析之照明及成像裝 置之性質的要求也會日益增加。 德國未審查專利申請案第DE-A- 1 98 1 9 492號文件中 揭示了 一種座標測量機器。入射光對樣本的照明係藉由 近紫外線光譜區內的光源而完成的。同時爲了偵測而提 供有偵測器裝置，其成像路徑係經由分光器而耦合於由 物鏡所界定的光軸上。這種系統不會允許吾人使用多重 光譜區同時對受檢樣本進行照明及分析，或者以分離光 479129 五、發明説明（2 ) 譜區爲基礎進行評估。 發明之槪^ 本發明的目的在於創造一種適用於多重光譜區之照明 及成像裝置。 上述目的係藉由具有下列組成的照明及成像單位而達 成的： 一物鏡’係用來定義出光軸； -分光器模具，係配置該光軸內； 一多重光源，其中各照明光束路徑皆係從每一個光源開 始的； 一多重偵測器，每一個偵測器都具有附屬的成像光束路 徑，該照明光束路徑與各成像光束路徑都含有其上配 置有分光器模具的共同光學路徑片段。 本發明的另一目的在於創造一種適用於測量樣本上非 常微細之圖形的座標測量機器，且係以多重光譜區的光 照射受檢樣本。 上述目的係藉由一種座標測量機器而達成的，該座標 測量機器係含有用來界定出光軸之多重光譜區用照明及 成像裝置，且含有用於收納樣本而可沿相對於光軸的垂 直方法進行干涉波譜測量的可位移測量平臺。 本發明的一種優點是該照明及成像裝置係配備有一分 光器模具，該分光器模具係配置於物鏡光軸內以便使受 檢樣本成像。所有成像及照明光束路徑都是沿著該光軸 受到引導。另外，提供有多重光源，各照明光束路徑皆 -4- 479129 五、發明説明（3 ) 係從 其 中 每 一 個 光 源 開始 的 〇 各 光 源 的 建 造 方 式 是 使 它 們 在 非 常 明 確 的 波 長 範 圍 內 發 射 出 光 0 如 同 已 說 明 如 上 的 也 提 供 有 多 重 偵 測 器 ， 其 中 每 一 個 偵 器 都 具 有 附 屬 的 成 像 光 束 路 徑 且 該 照 明 光 束 路 徑 與 各 成 像 光 束 路 徑 都 含 有 其 上 配 置 有 分 光 器 模 具 的 共 同 光 學 路 徑 片 段 〇 結 果 能 夠 々巳巳 擇 性 地 以 不 同 的 波 長 區 域 撞 擊 不同 的 偵 測 器 〇 同 時 j 特 別 有 利 的 是 將 該 照 明 及 成 像 裝 置 用 於 座 標 測 量 機 器 內 〇 必 須 設 計 出 座 標 測 量 機 器 使 得 能 夠 將 絕 大 部 分 會 與 局 準 確 度 測 量 作 業 產 生 干 涉 的 所 有 可 能 干 涉 影 響 排 除 掉 只 有 這 樣 才 能 夠 以 數 奈 米 的 準 確 度 測 量 各 圖 •形 上 各 邊 緣 的 位 置 〇 有 了 根 據 本 發 明 的 照 明 及 成 像 裝 置 y 即 使 存 在 有 多 重 的 光 源 及 偵 測 器 也 不 需 要 切 換 過 來 以 啓 動 該 光 學 路 徑 片 段 的 機 械 式 位 移 作 業 〇 這 類 作 業 會 產 生 亂 流 或 熱 能 而 做 未 經 界 定 的 形 式 影 響 測 量 作 業 5 於 該 眧 j \ \\ 明 及 成 像 裝 置 中 使 用 分 光 器 模 具 5 使 吾 人 能 夠 令 所 有 照 明 及 成 像 光 束 路 徑 都 通 -iJH, m 僅 有 的 一 個 物 鏡 該 昭 y ΐ、、 明 及 成 像 裝 置 係 適 用 於 多 重 光 譜 區 0 已 證 明 該 昭 j \\\ 明 及 成 像 裝 置 的 一 種 實 施 例 對 利 用 座 標 測 量 機 器 施 行 非 常 準 確 的 測 量 作 業 而 言 是 特 別 有 利的 〇 這 裡 係 在 物 鏡 之 後 配 置 了 個 別 分 光 器 模 具 ， 其 中 含 有 依 成 對 形 式 配 置 於 分 光 器 群 內 的 四 個 分 光 器 〇 於 每 個 分 光 器 群 中 ， 第 一 分 光 器 是 —. 種 50/50 ： 分; 光: 器1 而； 第. 二分: 光: 器 是 種 二 向 色 分 光 器 〇 各 分 光 •5- 器 在 波 長 上 性 質 是 該 第 479129 五、發明説明（4 ) 分光器群只允許波長落在第一波長λ !以上的光通過’ 而該第二分光器群只允許波長落在第二波長λ2以下的 光通過。另外，在該第二分光器群後方將偵測器配置在 透射光束路徑中該分光器模具之後，該偵測器會偵測出 落在λ i與λ 2之間的波長範圍內的光。因此能夠取得前 述三種不同的光譜區。爲了達成對應的高品質影像’於 落在小於λ I之較短波長λ min與大於λ 2之較長波長λ max 之間的區域內依受繞射限制的形式校正該物鏡。於較佳 實施例中，所用的波長爲λ m i η = 3 6 5奈米以及λ m u = 9 0 0 奈米。 圖式簡單說明 以下將參照各附圖簡略地顯示出本發明之標的物。 第1圖係用以顯示一種根據本發明具有用於多重光譜 區之照明及成像裝置之座標測量機器的簡略圖示。 第2圖係用以顯示一種照明及成像裝置的簡略圖示。 第3圖顯示的是一種屬於根據本發明之照明及成像裝 置中一部分之多重分光器模具的物理結構。 第4圖係用以顯不該分光窃1模具之第一'分光器群中第 一分光器之光學性質的曲線圖。 第5圖係用以顯示該分光器模具之第一分光器群中第 二分光器之光學性質的曲線圖。 第6圖係用以顯示該分光器模具之第二分光器群中第 一分光器之光學性質的曲線圖。 第7圖係用以顯示該分光器模具之第二分光器群中第 479129 五、發明説明（5 ) 二分光器之光學性質的曲線圖。 較佳實施例的詳細說明 第1圖顯示的是一種座標測量機器1的解釋用實施 例，其中含有包括根據本發明之照明及成像裝置2而結 合了入射光及透射光的照明系統。 所描繪的座標測量機器1係包括裝設在振動阻尼器 24,25上的花崗岩塊23。於該花崗岩塊23上，使建造成 框架形式的測量平臺26是可以沿著X和γ方向（圖屮係 以兩個箭號標示出）在空氣軸承2 7，2 8上進行滑動位'移 的。有利的是該測量平臺26的框架係由具有低熱膨脹 係數之玻璃陶瓷製成的。圖中並未標示出用於移動該測 量平臺2 6的驅動元件。該測量平臺2 6的位置係以雷射 干涉儀系統29沿著X和Y方向測量出的。 樣本、3 0係放置於該測量平臺2 6內。該樣本3 0係由 例如石英玻璃製成的。圖形3 1係塗覆於該樣本表面 上。由於該測量平臺2 6係建造成框架形式，故該樣本 3 0也能夠從底下接受貫穿照明。 位於該樣本30 i:方的是具有極高光學品質的照明及 成像裝置2。該照明及成像裝置2係圍繞光軸20而配置 的。吾人能夠沿著朝向Z方向的光軸20進行聚焦。該 照明及成像裝置2係包括一分光器模具32以及多重偵 測器34，同時也包括多重照明裝置35。藉由各偵測器 3 4，將圖形3 1的ίι/*置定爲該樣本3 〇上的座標。 同時設置於該花崗岩塊23上的是含有具可調高度之 -7- 479129 五、發明説明（6 ) 聚光器1 7以及光源7的透射光照明裝置。具有光軸2 之透射光照明光束路徑係從該光源1開始的。該光源1 的光係經由具有最大可行數値孔徑（例如N A = 6 0)之放大 用耦入式光學系統3而選出的。依這種方式，從該光源 1收集了特別大量的光。藉由耦入式光學系統3使所收 集的光耦合到一光導之內。吾人係使用一種光纖束4當 作該光導。 耦出式光學系統5(較佳的是建造成消色差式）會發射 自該光纖束4的光準直化。 該聚光器17的光軸會與光軸20對齊。該聚光器17 的高度調整作用係扮演著使將要被引導到圖形3 1上的 各照明光束順應遮罩30上不同光學厚度的角色。特別 是，該聚光器拾訊器能夠伸展到該測量平臺2 6的開放 部分內。不過爲了於該測量平臺26的位移期間跨越整 個遮罩表面保護該測量平臺2 6以對抗破壞作用，吾人 也能夠將該聚光器26拉到該花崗岩塊23表面以下。且 也能夠依互爲獨立的方式對照明及成像裝置2的光源7 以及多重照明裝置35進行切換。 第2圖顯示的是一種適用於多重光譜區之照明及成像 裝置2的特殊實施例，使吾人能夠在多重光譜區上獲致 具有極高光學品質的影像。該照明及成像裝置2係包括 配置於光軸20內的物鏡2 1以及所界定出的光軸2〇。位 於該物鏡20下游的是實質上依向心方式繞光軸2〇配置 的分光器模具32。該照明及成像裝置2也包括多重偵測 479129 五、發明説明（7 ) 器34及多重照明裝置35。該分光器模具32係包括圍繞 且沿著光軸20而配置的多重分光器1 〇,1 1，1 2和1 3。於 某一特殊實施例中，從物鏡2 1開始，將第一和第二分 光器1 0和1 1配置於第一分光器群1 4內’並將第二和 第四分光器12和13配置於第二分光器群15內。每一 個分光器群14和15內的第一分光器和12都是建造 成一種50/50的分光器。每一個分光器群14和丨5內的 第二分光器11和13都是建造成一種二向色分光器。該 第一分光器群14的第一分光器1〇是與配置於相關成像 光束路徑34a內的偵測器34有關的。這種分光器1 0會 扮演著使光耦出該分光器模具3 2內共同光學路徑片段 的角色。該分光器模具32內的共同光學路徑片段是與 光軸20完全相同的。該第一分光器群14的第二分光器 1 1是與配置於相關照明光束路徑3 5 a內的光源3 5有關 的。該第二分光器群15的第一分光器11也是與配置於 相關照明光束路徑3 5 b內的光源3 5有關的。該第二分 光器群15的第二分光器13是與偵測器34且也與光源 35有關的。該偵測器34會界定出成像光束路徑34b，. 而該光源3 5也會界定出t照明光束路徑3 5 c。 於用來測量樣本30上之圖形3 1的特定實施例中，裝 設有說明如下的元件，亦即，相對於物鏡2 1的特定順 序以便當作光源34或是當作偵測器35。測量用相機是 一種偵測器34的特殊實施例。該測量用相機會接收在 經歷一次分光作用之後從樣本30發出的光。這是必需 -9- 479129 五、發明説明（8 ) 的以便使肇因於多重分光作用可能產生的像差最小化’ 由於對樣本30上圖形3 1的測量作業係藉由該測量用相 機而執行的緣故。因此消除了肇因於像差的任何僞造影 像。與該第一分光器群1 4的第二分光器1 1有關的，例 如光源35係一種會發射出波長區爲從480到700奈米 之光的總照明系統。與該第二分光器群1 5的第二分光 器1 3有關的，例如偵測器34係負責使樣本相對於該照 明及成像裝置2而對齊的校準裝置。同時與這個分光器 1 3有關的是一種建造成雷射自動聚焦系統的另一光源 34。該雷射自動聚焦系統係由具有800奈米以上波長的 光加以操作的。 各分光器都是依用於測量樣本30之波長的功能而作 對應配置的。從物鏡2 1開始，由第一和第二分光器1 0 和1 1構成的該第一分光器群1 4的建造方式是只允許其 波長落在λ !以上的光通過。包括第一和第二分光器12 和13的該第二分光器群15的建造方式是只允許其波長 落在λ 2以下的光通過。如同已說明如上的，該偵測器 34係落在該分光器模具32之成像光束路徑34b內第二 分光器群1 5的後方，該偵測器34會偵測落在λ ,與λ 2 之間的波長區域。該物鏡係於落在小於λ !之較短波長 λ 與大於λ 2之較長波長λ max之間的區域內依受繞射 限制的形式接受校正。 第3圖描繪的是一種分光器模具3 2之物理結構的實 施例。該分光器模具32會界定出與該物鏡21相鄰的下 -10- 479129 五、 發明説明（9 ) 邊部位（參見第2圖）。該分光器模具32也會.界定出建造 成用來收納一光學系統（未標示）之鑽孔形式的上邊部 位。與該光學系統有關的是偵測器3 4，於本實施例中指 的是一種校準裝置。每一個分光器10，1 1,1 2,和13都是 依不可移動的方式設置於某一支架之內。標示爲符號1〇 的分光器係設置於第一支架1 〇 a之內，標示爲符號1 1 的分光器係設置於第二支架1 1 a之內，標示爲符號]2 的分光器係設置於第三支架1 2a之內，而標示爲符號1 3 的分光器係設置於第四支架13a之內。每一個支架 1(^，11&，12&，和133上都含有一凸緣16，該凸緣16上係 裝設有用來將光從各支架1(^，11^，12&，和13&引導到偵測 器34或光源35上的各光學元件。每一個支架 10a，lla,12a,和13a上所提供的相對凸緣16都是一種調 整元件9，其中配置有用於調整螺釘（未標示）的鑽孔8 而允許相對於光軸20對該分光器進行調整。吾人應該 注意的是標示爲符號1 0和1 2的分光器都是相對於該光 軸20呈45°傾斜的。另外，標示爲符號11和13的分 光器都是相對於該光軸20呈-45°傾斜的。可能具有對 應的鏡像逆轉配置，且對熟悉習知設計的人而言都是不 證自明的。 各分光器10，11，12,和13的光學性質係描繪於第4到 7圖中。各分光器於該分光器模具32內從物鏡2 1開始 的配置順序以及它們的光學性質都只是一種解釋用實施 例而不能當作本發明的極限。緊跟著物鏡2 1的分光器 -11- 479129 五、發明説明（1G ) 10係建造成一種50/50分光器。該分光器會使50%的光 朝向凸緣16反射，而允許另外50%的光沿著光軸20通 過。該分光器1 0在波長上的性質係描繪於第4圖中。 在從λ mu = 350奈米到大槪；I ^420奈米的區域內，這個 分光器10係扮演著50/50分光器的角色。對大於Ai = 4 20奈米的波長而言，會允許所有的光沿著光軸20通 過。沿著該光軸20，允許通過該分光器1 0的光會撞擊 到分光器1 1。這個分光器1 1係一種截止分光器。如第 5圖所示，所有落在從λ mu = 350奈米到大槪；I ! =420奈 米的區域內的光都會朝向支架1 1 a的凸緣1 6反射。只 允許波長大於λ 1 = 420奈米的光沿著光軸20通過。來自 分光器1 1的光接下來會撞擊到安裝於支架1 2a內的分 光器12。這個分光器12也是建造成一種5 0/5 0分光 器。第6圖顯示的是該分光器1 2在波長上的性質。在 從；I min = 420奈米到大槪λ 2 = 7 5 0奈米的區域內，這個分 光器12會使入射光強度的50%會朝向支架12a的凸緣 1 6反射。在Amiix = 900奈米的波長以上’該分光益12是 完全透明的。然後光會抵達提供於支架1 3a內的分光器 1 3。可以從第7圖明顯地看出，該分光器1 3對落在從 λ min = 350奈米到大槪λ ^420奈米波長區域內的光而言 是透明的。該分光器13不允許波長落在λ 2 = 750奈米以 上的光通過且使之朝向支架1 3a的凸緣1 6反射。用於 波長的定量標示只能當作是一種可行的實施例。選擇其 他波長區域是落在熟悉習知設計的人的創造能力之內， -12- 479129 五、發明説明（11 ) 雖然本發明已參照某一特殊實施例加以說明。然而明 顯地是，吾人能在不偏離本發明附錄申請專利範圍之精 神及架構下作各種改變及修正。 符號說明 1…座標測量機器 2…照明及成像裝置 3…耦入式光學系統 4…光纖束 5…耦出式光學系統 7…光束 8…鑽孔 9…調整元件 1 0…分光器 , 10a···第一支架 1 1…分光器 1 la···第二支架 1 2…分光器 12a···第三支架 13…分光器 1 3 a…第四支架 丄4…第一群 15…第二群 1 6…凸緣 1 7…具可調高度的聚光器 -13- 479129 五、發明説明（12 ) 20… 光 軸 21… 物 鏡 23··· 化 崗 岩 塊 24". 振 動 阻 尼 器 25"· 振 動 阻 尼 器 2 6"· 測 量 平 臺 27… 空 氣 軸 承 28… 空 氣 軸 承 29"· 雷 射 干 涉 儀系統 30"· 樣 本 31… 圖 形 32… 分 光 器 模 具 33··· 校 準 裝 置 34··· 偵 測 器 3 4 a…成像光束路徑 34b···成像光束路徑 3 5…光源 35a···照明光束路徑 35b···照明光束路徑 35c···照明光束路徑 -14-

Claims (1)

1. 479129 六、申請專利範圍 1. 一種用於多重光譜區之照明及成像裝置（2)，包含： 一物鏡（21)，用來界定出光軸（20); 一分光器模具（32)，配置於該光軸（20)內； —多重光源（35)，其中各照明光束路徑（35a，35b，35c) 皆係從每一個光源開始的； 一多重偵測器（3 4 )，每一個偵測器都具有附屬的成像 光束路徑（34&,3413)，該照明光束路徑（35&,35\35〇) 與各成像光束路徑（34a,34b)都含有其上配置有分光 器模具（32)的共同光學路徑片段。 2. 如申請專利範圍第1項之照明及成像裝置（2)，其中係 於該分光器模具（32)內配置有多重分光器（10,11,12,13) ，各分光器不是各與某一光源（35)有關而配置於其照 明光束路徑（35a,35b，35c)內以便使之耦入到該共同光 學路徑片段之內，就是各與某一偵測器（34)有關而配 置於其成像光束路徑（34a，34b)內以便使之耦出到該共 同光學路徑片段之外。 3. 如申請專利範圍第2項之照明及成像裝置（2)，其中從 該物鏡（21)開始，將兩個分光器（1〇 ; 11及12 ; 13)依 成對形式配置於分光器群（14，15)內，每一個分光器群 的第一分光器（10,12)是一種50/50分光器而每一個分 光器群的第二分光器（11,13)都是一種二向色分光器。 4. 如申請專利範圍第3項之照明及成像裝置（2)，其中從 該物鏡（21)開始，該第一分光器群Π4)只允許波長落在 第一波長λ !以上的光通過，而該第二分光器群（1 5)只 -15- 479129 ^、申請專利托圍 允許波長落在第一波長λ 2以下的光通過；且在該第二 分光器群（1 5)後方將偵測器（34)配置在透射光束路徑 中該分光器模具（13)之後，該偵測器（34)會偵測出落在 λ 1與λ 2之間的波長範圍內的光。 5·如申請專利範圍第4項之照明及成像裝置（2)，其中該 物鏡（21)係於落在小於；I !之較短波長λ min與大於λ 2 之較長波長λ max之間的區域內依受繞射限制的形式加 以校正。 6. 如申請專利範圍第5項之照明及成像裝置（2)，其中所 用的波長爲λ ^ = 365奈米以及λ max = 900奈米。 7. —種座標測量機器（1)，包含如申請專利範圍第1到6 項用於多重光譜區而定義出光軸（20)之照明及成像裝 置（2)以及用於收納樣本而可沿相對於光軸的垂直方 法進行干涉波譜測量的可位移測量平臺。 8. 如申請專利範圍第7項之座標測量機器（1)，其中用於 多重光譜區之照明及成像裝置（2)，包括： 一物鏡（21)，用來界定出光軸（20); 一分光器模具（32)，配置於該光軸（20)內； 一多重光源（35)，其中各照明光束路徑（35a，35b，35c) 皆係從每一個光源開始的； 一多重偵測器（34)，每一個偵測器都具有附屬的成像 光束路徑（343,3仆），該照明光束路徑（3 53,3 51),3 5(：) 與各成像光束路徑（34a，34b)都含有其上配置有分光 器模具（32)的共同光學路徑片段。 -16 - 479129 六、申請專利範圍 9.如申請專利範圍第8項之座標測量機器（1)，其中係於 該分光器模具（32)內配置有多重分光器（1〇，1Μ2，13)， 各分光器不是各與某一光源（35)有關而配置於其照明 光束路徑（35a,35b,35c)內以便使之耦入到該共同光學 路徑片段之內，就是各與某一偵測器（34)有關而配置 於其成像光束路徑（34a，34b)內以便使之耦出到該共同 光學路徑片段之外。 1 〇.如申請專利範圍第9項之座標測量機器（1 )，其中從 該物鏡（21)開始，將兩個分光器（10 ; 11及12 ; 13)依 成對形式配置於分光器群（14,15)內，每一個分光器群 的第一分光器（1〇, 12)是一種50/50分光器而每一個分 光器群的第二分光器（11，1 3)都是一種二向色分光器。 1 1.如申請專利範圍第1 0項之座標測量機器（1 )，其中從 該物鏡（21)開始，該第一分光器群（14)只允許波長落在 第一波長λ !以上的光通過，而該第二分光器群（15)只 允許波長落在第二波長λ 2以下的光通過；且在該第二 分光器群（1 5)後方將偵測器（34)配置在透射光束路徑 中該分光器模具（13)之後’該偵測器（34)會偵測出落在 λ ,與λ 2之間的波長範圍內的光。 12. 如申請專利範圍第7項之座標測量機器（1)，其中該 分光器模具（32)包括測量裝置、校準裝置、以及自動 聚焦裝置。 13. 如申請專利範圍第12項之座標測量機器（1)，其中落 在又，以下的波長區域是與該測量裝置有關的，落在A 1 ___ _____UJ--_ 479129 六、申請專利範圍 . 與λ 2之間的波長區域是與該校準裝置有關的，而落 在λ 2以上的波長區域是與該自動聚焦裝置有關的。 14. 如申請專利範圍第13項之座標測量機器（1)，其中該 λ !是小於420奈米，而該λ 2是大於800奈米。 15. 如申請專利範圍第7項之座標測量機器（1)，其中該 物鏡（21)係於落在小於λ I之較短波長λ _與大於λ 2 之較長波長λ _之間的區域內依受繞射限制的形式加 以校正。 1 6.如申請專利範圍第1 5項之座標測量機器（1 )，其屮所 用的波長爲λ min = 365奈米以及λ mu = 900奈米。 -18-