包括用于提供多次成像和測量能力的可插入組件的3D顯微鏡本發(fā)明專利申請是國際申請日為2011年12月22日、中國國家階段申請?zhí)枮?01180064272.2、題為“包括用于提供多次成像和測量能力的可插入組件的3D顯微鏡”的發(fā)明專利申請的分案申請。相關(guān)申請本申請要求2011年1月7日提交的名稱為“3DImagingandMetrologySystem(3D成像和測量系統(tǒng))”的美國臨時申請61/430,937的優(yōu)先權(quán)。發(fā)明背景發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及光學(xué)成像和測量系統(tǒng)，更具體地涉及包括有助于多次成像和測量能力的可插入組件的三維(3D)顯微鏡，包括Nomarski成像、偏振光成像、定量差分干涉對比度(q-DIC)成像、機動偏振光成像、相移干涉測量法(PSI)以及垂直掃描干涉測量法(VSI)。相關(guān)技術(shù)常規(guī)顯微鏡使操作者能夠觀看樣品上對肉眼不可見的微小特征的放大圖像。因此，常規(guī)顯微鏡已在大學(xué)、研究機構(gòu)以及許多工廠中被廣泛使用。然而，常規(guī)顯微鏡具有顯著的限制。具體而言，常規(guī)顯微鏡僅提供樣品的二維(2D)圖像，而在真實世界中，大多數(shù)樣品本質(zhì)上是3D的。因此，產(chǎn)生了對用于捕獲那些樣品的圖像的3D顯微鏡的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
提供了能夠產(chǎn)生3D圖像的顯微鏡照明裝置。該顯微鏡照明裝置包括形成第一光路的部分的第一光源、形成第二光路的第二光源和一組物品。該組物品可包括多個有圖案的物品、以及通孔和銷孔中的一個。第一和第二光路可具有共享的一組組件，可包括第一分束器、透鏡組以及分束器集合。第一光源可將光引導(dǎo)到第一分束器上，第二光源可經(jīng)由該一組物品中的一個將光引導(dǎo)到所述第一分束器上。一個物品的表面可位于所述透鏡組的有效焦平面處。該透鏡組可經(jīng)由分束器集合在顯微鏡物鏡的入射光瞳處對第一光源和第二光源成像。分束器集合可包括第二分束器和安裝在第一直線滑塊上的一對分束器，該第一直線滑塊連接至第一拉桿。該顯微鏡照明裝置可進一步包括聚焦透鏡和多引腳連接器。分束器集合和聚焦透鏡可形成第三光路的部分，用于將光引導(dǎo)至外部連接器。多引腳連接器可電氣地連結(jié)至第一和第二光源。該組物品可安裝在第二直線滑塊上，該第二直線滑塊連接至第二拉桿。每個有圖案的物品可以是具有形成在其一個表面上的圖案的透明材料。在一個實施例中，第一和第二光源是發(fā)光二極管(LED)。用于該顯微鏡照明裝置的外殼可包括插槽，該插槽用于插入多個組件中的一個，其中在插入時，每個組件被定位以形成第一和第二光路的部分。組件之一可以是包括可調(diào)節(jié)起偏器的起偏器組裝件。對于Nomarski成像而言，該起偏器被設(shè)置于固定的取向，而第二直線滑塊被定位以使得有圖案的物品或通孔中的一個在第一光路中。對于偏振光成像應(yīng)用而言，該起偏器的取向是可調(diào)節(jié)的，并且第二直線滑塊被定位以使得有圖案的物品或通孔中的一個在第二光路中。組件中的另一個可以是包括起偏器的組裝件，該起偏器具有機動轉(zhuǎn)子和四分之一波片，其中機動轉(zhuǎn)子連接至多引腳連接器。機動轉(zhuǎn)子可通過配方被遠程控制，該配方是基于觀測類型和特定樣品成像的。對于定量差分干涉對比度(q-DIC)，使起偏器步進經(jīng)過具有預(yù)定相移的預(yù)定數(shù)量的連續(xù)步驟。在一個實施例中，組件中的另一個可以是波長濾光器組裝件，包括通孔和窄帶濾光器。還提供了一種3D顯微鏡。該3D顯微鏡可包括能夠產(chǎn)生樣品的3D圖像的照明裝置，該照明裝置包括用于第一組件的第一插槽。轉(zhuǎn)臺可被安裝在照明裝置上，其中轉(zhuǎn)臺可包括用于第二組件的第二插槽。物鏡可被安裝在轉(zhuǎn)臺上。鏡筒透鏡和適配器可被安裝在照明裝置上，其中適配器可包括用于第三組件的的第三插槽。光學(xué)傳感器和光學(xué)傳感器耦合器可被安裝在鏡筒透鏡和適配器上，其中光學(xué)傳感器可被配置以采集樣品的圖像。包括處理器，該處理器用于控制照明裝置和光學(xué)傳感器，其中第一、第二和第三組件有助于Nomarski成像，并且第一和第三組件有助于偏振光成像。光學(xué)傳感器可包括電荷耦合器件(CCD)相機或互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)相機。光學(xué)傳感器耦合器可為光學(xué)傳感器提供多個放大率。光譜儀可耦合至照明裝置，其中用于光譜儀的光經(jīng)由與通向光學(xué)傳感器的成像路徑無關(guān)的路徑被收集。該3D顯微鏡還可包括聚焦調(diào)節(jié)裝置，該聚焦調(diào)節(jié)裝置提供對樣品的多個Z步驟調(diào)節(jié)。在一個實施例中，該聚焦調(diào)節(jié)裝置可被安裝在樣品卡盤和轉(zhuǎn)臺中的一個上。物鏡可包括安裝在轉(zhuǎn)臺上的邁克爾遜(Michelson)干涉物鏡和/或Mirau干涉物鏡。對于垂直掃描干涉測量法(VSI)，第一組件可包括與通孔一起被定位在照明光路中的濾光器組裝件，并且定位裝置可被配置以在Z方向上移動樣品同時光學(xué)傳感器捕獲干涉圖，由此創(chuàng)建樣品的真彩色3D圖像。對于相移干涉測量法(PSI)，第一組件可包括與濾光器一起被定位在照明光路中的濾光器組裝件，并且定位裝置可被配置以進行四次相移移動，同時光學(xué)傳感器捕獲四個干涉圖。當(dāng)轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)以在無物鏡的情況下操作時，轉(zhuǎn)臺可將3D顯微鏡轉(zhuǎn)換成自動準(zhǔn)直器。還提供了一種對有圖案的襯底樣品進行3D成像或測量的方法。該方法可包括在預(yù)定步驟改變具有圖形的襯底樣品與物鏡之間的相對距離。在第一預(yù)定步驟，可將有圖案的物品的圖像投射到物鏡的焦平面上?？刹东@具有與有圖案的物品和樣品相關(guān)聯(lián)的圖案的第一圖像，然后將其存儲在第一圖像陣列中。在第二預(yù)定步驟，可捕獲樣品的第二圖像并將其存儲在第二圖像陣列中，該第二圖像不具有與有圖案的樣品相關(guān)聯(lián)的圖案，其中第二預(yù)定步驟具有與第一預(yù)定步驟不同數(shù)量的步驟?？煞治龅谝缓偷诙D像至3D圖像或測量有圖案的襯底樣品。第二預(yù)定步驟的數(shù)量可少于第一預(yù)定步驟的數(shù)量。第一和第二預(yù)定步驟可被分配至特定高度。第一和第二預(yù)定步驟可跳過樣品的預(yù)定高度。第一和第二預(yù)定步驟中的至少一個可具有不均勻的步驟。還提供了一種對有圖案的襯底樣品進行3D成像或測量的方法。在該方法中，可按照預(yù)定步驟改變有圖案的襯底樣品與物鏡之間的相對距離。在第一預(yù)定步驟，可將有圖案的物品的圖像投射到物鏡的焦平面上?？刹东@具有與有圖案的物品和樣品相關(guān)聯(lián)的圖案的第一圖像，然后將其存儲在第一圖像陣列中。在第二預(yù)定步驟，可捕獲樣品的第二圖像并將其存儲在第二圖像陣列中，該第二圖像不具有與有圖案的樣品相關(guān)聯(lián)的圖案，其中第二預(yù)定步驟具有與第一預(yù)定步驟不同數(shù)量的步驟?？煞治龅谝缓偷诙D像至3D圖像或測量有圖案的襯底樣品。該方法還可包括執(zhí)行向下掃描和向上掃描以確定下降效應(yīng)(droopingeffect)，然后提供所得的在分析第一和第二圖像時的步驟高度值。還提供了一種重新定位樣品以最小化傾斜的方法。在該方法中，可開啟3D顯微鏡的光源，其中該光源通過銷孔，然后將3D顯微鏡轉(zhuǎn)換成自動準(zhǔn)直器。當(dāng)銷孔的圖像落在視野中時，可調(diào)節(jié)該3D顯微鏡的載臺的尖端/傾斜機構(gòu)，使得銷孔圖像與否則為漆黑的視野上的預(yù)定義圓圈重合，由此完成對準(zhǔn)。當(dāng)銷孔的圖像落在視野之外時，可基于使銷孔的圖像進入視野的過程來進行一次3D成像采集過程和載臺的調(diào)節(jié)。然后，可調(diào)節(jié)3D顯微鏡的載臺的尖端/傾斜機構(gòu)，使得銷孔圖像與否則為漆黑的視野上的預(yù)定義圓圈重合，由此完成對準(zhǔn)。還提供了另一種重新定位樣品以最小化傾斜的方法。在該方法中，可開啟3D顯微鏡的光源，其中該光源通過銷孔，然后可將3D顯微鏡轉(zhuǎn)換成自動準(zhǔn)直器。當(dāng)銷孔的圖像落在視野中時，可調(diào)節(jié)該3D顯微鏡的載臺的尖端/傾斜機構(gòu)，使得銷孔圖像與否則為漆黑的視野上的預(yù)定義圓圈重合，由此完成對準(zhǔn)。當(dāng)銷孔的圖像落在視野之外時，可在觀看銷孔圖像出現(xiàn)在視野內(nèi)的同時對尖端/傾斜機構(gòu)進行粗調(diào)。然后，可精細調(diào)節(jié)3D顯微鏡的載臺的尖端/傾斜機構(gòu)，使得銷孔圖像與否則為漆黑的視野上的預(yù)定義圓圈重合，由此完成對準(zhǔn)。附圖說明圖1A示出用于3D成像和測量系統(tǒng)的示例性照明裝置。圖1B示出用于3D成像和測量系統(tǒng)的示例性的有圖案的物品。圖1C示出被配置用于Nomarski和偏振光成像的示例性照明裝置。圖1D示出被配置用于定量差分干涉對比度(q-DIC)和機動偏振光成像的示例性照明裝置。圖1E示出被配置用于相移干涉測量法(PSI)和垂直掃描干涉測量法(VSI)的示例性照明裝置。圖2A示出包括被配置用于膜厚度測量的照明裝置的示例性3D成像和測量系統(tǒng)。圖2B示出包括被配置用于Nomarski和偏振光成像的照明裝置的另一示例性3D成像和測量系統(tǒng)。圖2C示出包括被配置用于q-DIC和機動偏振光成像的照明裝置的另一示例性3D成像和測量系統(tǒng)。圖2D示出包括被配置用于相移和垂直掃描干涉測量法的照明裝置的另一示例性3D成像和測量系統(tǒng)。圖3A示出示例性的尖端/傾斜對準(zhǔn)技術(shù)。圖3B示出用戶感興趣的樣品和潛在目標(biāo)高度的示例性表面。圖4示出在符合圖2B的系統(tǒng)的實現(xiàn)系統(tǒng)上采集的II-VI化合物半導(dǎo)體晶片表面的有限q-DIC圖像。圖5A和5B示出包括機動尖端和傾斜載臺的另一示例性3D成像和測量系統(tǒng)。圖6示出示例性的一次3D圖像采集過程。附圖說明在共同轉(zhuǎn)讓的美國專利7,729,049和7,944,609以及共同待審的已公開美國申請20100135573和20080291533中陳述了3D成像和測量技術(shù)的現(xiàn)有技術(shù)水平，上述專利和專利申請均通過引用完整地結(jié)合于此。如下文進一步詳細描述，3D數(shù)據(jù)采集方法可進一步包括諸如膜厚度測量、白光干涉測量法、Nomarski或差分干涉對比度(DIC)以及偏振光成像之類的能力。圖1A示出可用于本發(fā)明的3D成像和測量系統(tǒng)的示例性照明裝置100。照明裝置100包含兩個光源101和102。在一個實施例中，光源101和102可包括高亮度白色發(fā)光二極管(LED)。也可使用諸如鹵素?zé)?、光纖耦合燈、激光器等其它光源。光源101和102形成如圖1A的下半部中的點虛線所示的兩個光路。這兩個光路定義了該系統(tǒng)的基本3D成像操作模式。兩個光路共享若干組件，即第一分束器103、消色差雙重透鏡105、雙凸透鏡106以及第二分束器107A。注意，在其它實施例中，透鏡105和106可利用提供相似光學(xué)功能的其它類型的透鏡來實現(xiàn)。光源102發(fā)起第二光路，包括光源102、有圖案的物品104A或104B、以及之前提到的共享組件。有圖案的物品104A和104B被安裝在直線滑塊104上。雖然直線滑塊在本情況下是安裝有圖案的物品104A和104B的最簡單方法，但也可使用諸如圓形轉(zhuǎn)臺等等之類的其它類型的多位置固定裝置，并且在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。分束器107A被安裝在連接至拉桿的直線滑塊107上，另外兩個分束器107B和107C也如此。在一個實施例中，直線滑塊107可通過止動彈簧柱塞實現(xiàn)，該止動彈簧柱塞在兩個預(yù)定義位置處止動，即，伴隨著將分束器107A定位成引導(dǎo)光束或引導(dǎo)被定位成引導(dǎo)光束的分束器107B/107C。因此，分束器107A、107B和107C將不會同時在該路徑中。如本文所使用的術(shù)語“分束器集合”指的是單獨的分束器107A或組合的分束器107B和107C。如下文進一步詳細描述，分束器107A被定位以將照明光向下引導(dǎo)至物體，然后將從樣品反射的返回光引導(dǎo)至相機。當(dāng)分束器107B和107C在該路徑中時，分束器107B將照明光向下引導(dǎo)至物體，然后將從樣品反射的返回光引導(dǎo)至分束器107C，分束器107C具有與分束器107B的取向不同的取向。在該取向下，分束器107C可將返回束的部分引導(dǎo)至透鏡110。在一個實施例中，分束器107A的直徑是1.0英寸，而分束器107B/107C的直徑是0.5英寸。在一個實施例中，照明器100的光學(xué)組件可安裝在具有兩個開口(未示出)的暗箱內(nèi)部，兩個開口是：頂部開口和底部開口。頂部開口可位于分束器107A正上方，而底部開口可位于分束器107A正下方。這兩個開口允許來自兩個光路的光與不屬于照明裝置100的其它系統(tǒng)組件相互作用。多引腳連接器108經(jīng)由電線連結(jié)至光源101和102。圖1B示出示例性的有圖案的物品104A或104B。有圖案的物品可以是一片玻璃、液晶或感光膠片(即襯底)，其具有形成于其表面之一上的均勻間隔的不透明點的二維陣列。還可使用諸如網(wǎng)格、菱形等等之類的不同類型的圖案。實際上，任何圖案都可以，只要它滿足以下條件：(1)它具有高對比度；(2)它是有規(guī)律的或者隨機的；(3)它是半透明的；以及(4)其最小特征尺寸與所使用的成像光學(xué)傳感器的采樣分辨率相匹配。有圖案的物品的有圖案表面位于透鏡組(即透鏡105和106)的有效焦平面處。如在下文中進一步詳細描述的，有圖案的物品可在照明裝置中被用于將該圖案的圖像投射到物鏡的焦平面上以產(chǎn)生足夠的對比度，從而可獲取樣品的3D高度信息。尤其，圖案節(jié)距不同的有圖案的物品104A和104B可被選擇以匹配特定光學(xué)傳感器/耦合透鏡組合以實現(xiàn)最優(yōu)的成像結(jié)果。取決于環(huán)境，直線滑塊104可將有圖案的物品104A或有圖案的物品104B定位在光路中。插塞109可填充照明裝置100一側(cè)的開放插槽，這樣的插槽被保留用于可提供Nomarski或DIC、偏振光以及相移干涉成像的組件，所有這些在下文中討論。如圖1A的上半部的點虛線所示的第三光路可用于膜厚度測量操作模式。在該模式下，直線滑塊107被定位以使得分束器107B和107C在照明光路中(即代替分束器107A)。來自光源101的光通過分束器103、透鏡105和106，并被分束器107B引導(dǎo)以向下傳播至物鏡中(參考圖2A描述)。光照射樣品表面、反射回，然后穿過物鏡、分束器107B和分束器107C。分束器107C然后將光水平地引導(dǎo)至聚焦透鏡110。在透鏡110之后，會聚束在照射反射鏡111和112之后進行兩次90度轉(zhuǎn)彎，并聚焦在連接器113的出口附近。經(jīng)聚焦的光束然后進入光纖114，并被連接至光纖114的光譜儀120收集。圖1C示出被配置用于Nomarski和偏振光成像的示例性照明裝置100C。在該配置中，有圖案的物品104A和104B以及通孔104C被安裝在直線滑塊104上，并且起偏器組件115代替插塞109(圖1A)。當(dāng)非常小的缺陷檢測需要最大照明光強度并且光源101不足以用于這樣的檢測時，通孔位置104C在某些Nomarski或偏振光成像應(yīng)用中是有用的。因此，使用通孔位置104C允許來自光源101...