專利名稱：衍射透鏡元件和使用該元件的照明裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在使用相干光源和相位型衍射光學(xué)元件的照明裝置中消除斑紋的技術(shù)。
背景技術(shù)：
近年來隨著半導(dǎo)體器件的小型化，使用光學(xué)顯微鏡的半導(dǎo)體檢查裝置要求較高的分辨率。為此，可以使用兩種方法，這兩種方法包括NA(數(shù)值孔徑)增加和波長縮短。然而，由于浸沒物鏡透鏡并不能用于檢查半導(dǎo)體裝置，因增加了“NA＜1.0”的限制。此外還有這樣的一種公知的裝置，該裝置通過縮短波長法使用遠(yuǎn)紫外激光以便實(shí)現(xiàn)較高的分辨率，并且通過以大致為可見光的波長的一半的波長觀測目標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)大約兩倍的分辨率。
然而，在使用激光作為光源時(shí)，存在的問題是在圖像中產(chǎn)生斑紋圖(在使用高度相干的光源并且圖像形成光的相位雜亂時(shí)，不規(guī)則形態(tài)的干涉圖疊加在圖像上)，因此不能實(shí)現(xiàn)所需的分辨率。為了消除上述的斑紋圖，如下的方法是公知的。
(1)一種方法是在照明光學(xué)系統(tǒng)中提供旋轉(zhuǎn)散射片；(2)一種方法是在照明光學(xué)系統(tǒng)中使用纖維束(使長度差大于激光的相干長度)(例如，日本公開的專利公報(bào)No.HEI6-167640)。
然而，在使用旋轉(zhuǎn)散射片的方法(1)中，會產(chǎn)生如下的問題*由于在散射片上的散射和反射引起的能量損失較大，所以效率并不好。
*丟棄并浪費(fèi)了大部分光，光的利用效率較低，因?yàn)?，如果輻射越低，來自散射片的光的出射角度變得越大，所以在比如要求均勻光線的裝置比如顯微鏡中，僅僅在出射角度較小的一部分有限區(qū)域中的光線對圖像的形成有貢獻(xiàn)。
此外，在上述的方法(2)中，對于每根纖維，都需要設(shè)定大于激光的相干長度的不同長度，結(jié)果，纖維束的整個(gè)長度非常長。因此，特別是在具有較低的透射率的遠(yuǎn)紫外線區(qū)間中能量損失變得顯著，因?yàn)橄鄬τ谠诶w維中傳播的光，其與纖維的長度的平方成比例地衰減。
因此，本發(fā)明提出了一種具有衍射光學(xué)元件和使用這種元件的照明裝置，該衍射光學(xué)元件具有透鏡陣列和隨機(jī)相移片的光學(xué)功能，由此本發(fā)明能夠降低斑紋，同時(shí)提高能量效率和光的利用率。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述的問題，根據(jù)本發(fā)明的衍射透鏡元件是這樣的一種衍射透鏡元件，在該元件中在透明基底材料中通過如下的方式形成具有不規(guī)則的相位變化的凹進(jìn)部分即將根據(jù)隨機(jī)數(shù)的變化量分別附加或添加到每個(gè)凹進(jìn)部分的深度中，這些凹進(jìn)部分構(gòu)成了其值等于透鏡或透鏡陣列的臺階。
此外，為獲得消除了斑紋的均勻的照明光，根據(jù)本發(fā)明的照明裝置是這樣的一種照明裝置，在該裝置中提供了激光源和旋轉(zhuǎn)上述的衍射透鏡元件的旋轉(zhuǎn)裝置。
因此，根據(jù)本發(fā)明，衍射透鏡元件也具有透鏡或透鏡陣列和隨機(jī)相移片的光學(xué)功能，并且通過旋轉(zhuǎn)它還可以抑制斑紋圖，同時(shí)還可以降低能量損失并提高光的利用率，因?yàn)椴恍枰褂蒙⑸淦?br>

附圖1A至1C所示為關(guān)于相位型衍射光學(xué)元件的形成的解釋性示意圖；附圖2所示為微透鏡的形狀的實(shí)例的示意圖；附圖3所示為隨機(jī)相移片的形狀的實(shí)例的示意圖；附圖4所示為根據(jù)本發(fā)明的透鏡元件的形狀的實(shí)例的示意圖；附圖5所示為微透鏡的截面的形狀的實(shí)例的示意圖；附圖6所示為隨機(jī)相移片的截面的形狀的實(shí)例的示意圖；附圖7所示為根據(jù)本發(fā)明的透鏡元件的截面的形狀的實(shí)例的示意圖；附圖8所示為在其中將根據(jù)本發(fā)明的照明裝置應(yīng)用于光學(xué)顯微鏡的配置的實(shí)例的示意圖；以及附圖9所示為在其中將根據(jù)本發(fā)明的照明裝置應(yīng)用于光學(xué)顯微鏡的配置的不同的實(shí)例的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及衍射光學(xué)元件和使用這種光學(xué)元件的光學(xué)裝置。此外，衍射透鏡正以作為替換常規(guī)的球面透鏡的光學(xué)元件而引起人們的注意，例如包括二元相位型衍射光學(xué)元件。
附圖1A示意性地示出了2-級平面(level)二元光學(xué)元件的形成的實(shí)例。通過以掩模2A覆蓋管狀透明基底材料1，并進(jìn)行離子蝕刻，形成了與掩模對應(yīng)的槽或凹進(jìn)部分3，3，…。此外，在此2-級是指它包括2種狀態(tài)，一種情況是在其中形成凹進(jìn)部分，一種情況是在其中不形成凹進(jìn)部分。因此，如果設(shè)定4級平面，如在附圖1B中所示，四種狀態(tài)包括在其中設(shè)置第二掩模2B和不形成凹進(jìn)部分(零深度)的情況，3級深度也是可以的。此外，如附圖1C所示，在設(shè)置了第三掩模2C的8級中，包括零深度的8種狀態(tài)也是可以的。
通過進(jìn)行這種操作，可以看到形成了包括2至n次冪種類型的深度(包括零深度)的詳細(xì)臺階。換句話說，通過在透明基底部件1中形成具有不同的深度的許多凹進(jìn)部分，以臺階狀的形狀形成截面的形狀，并且可以制造出具有良好的衍射效率的非常精確的元件(特別是適合于制造微光學(xué)元件)。
此外，如果(所形成的菲涅耳(Fresnel)臺階形狀的圖案)僅在附圖1A至1C中所示的截面形狀例如相對透明基底材料1的旋轉(zhuǎn)中心軸對稱，則可以看出，從這種中心軸(光軸)的方向上看到的形狀呈同心圓形，它具有相當(dāng)于球面透鏡的透鏡功能。
如果應(yīng)用上述的技術(shù)，可以替換顯微鏡透鏡元件比如微透鏡和衍射光學(xué)元件比如隨機(jī)相移片(一種零件，這種零件使照明光的波前相位是隨意的以使它沒有統(tǒng)一的圖案)，然而，這里存在的問題變?yōu)橹本€光(第零階衍射光)。換句話說，在衍射光學(xué)元件中，由于它的特性的緣故產(chǎn)生了第零階衍射光，然而，這種第零階衍射光在作為衍射光學(xué)元件的光學(xué)功能方面是非功能性的。
因此，在應(yīng)用衍射光學(xué)元件時(shí)，在消除斑紋圖的同時(shí)又帶來了問題(比如效率降低、部件數(shù)量和成本增加)，由此需要采取措施比如消除具有空間濾波器的第零階衍射光。
因此，在本發(fā)明中，通過在一個(gè)衍射光學(xué)元件中應(yīng)用具有透鏡或透鏡陣列和隨機(jī)相移片的光學(xué)功能的衍射透鏡元件，不僅利用了透鏡的功能，還利用了隨機(jī)相移片的功能(換句話說，利用了不規(guī)則的相位分配)，結(jié)果，可以不使用空間濾波器等實(shí)現(xiàn)消除第零階衍射光和斑紋圖。
作為對比附圖2至7示出了在將根據(jù)本發(fā)明的微透鏡4、隨機(jī)相移片5和衍射透鏡元件6形成為衍射光學(xué)元件時(shí)相應(yīng)的實(shí)例。附圖2和附圖5、附圖3和附圖6以及附圖4和附圖7分別示出了根據(jù)本發(fā)明的微透鏡、隨機(jī)相移片和衍射透鏡元件。為了以容易理解的方式說明每個(gè)光學(xué)元件的形狀的特征，附圖2至附圖4示出了表示在灰度級轉(zhuǎn)換之后以2-色調(diào)表示它們的形狀的圖像數(shù)據(jù)。附圖5至附圖7所示為在包括光學(xué)軸或基底軸的平表面上的截面的形狀(臺階形狀)。
附圖2所示為構(gòu)成微透鏡陣列(一種光學(xué)元件，該光學(xué)元件具有這樣的配置，在該配置中以二維陣列的形式順序地設(shè)置微透鏡)的微透鏡4的形狀的實(shí)例，并且微透鏡4相對它的光軸旋轉(zhuǎn)對稱。如附圖5所示，包括這種透鏡的光軸的平表面的截面的形狀呈有序的臺階狀。
如附圖3所示，隨機(jī)相移片5具有不規(guī)則的凹進(jìn)和突起，并且它的截面的形狀類似于在附圖6中所示的形狀。此外，通過如下的方式形成這種形狀將透鏡基底部件的表面剖成網(wǎng)格狀，同時(shí)還以隨機(jī)數(shù)的方式不規(guī)則地改變凹進(jìn)部分的深度。
如附圖4所示，衍射透鏡元件6具有似乎不規(guī)則的凹進(jìn)的形狀，在微透鏡4的形狀中增加突起。換句話說，如附圖7所示，雖然在透視圖中看時(shí)它具有微透鏡4的臺階狀的趨勢，但是在仔細(xì)地看時(shí)它的形狀不規(guī)則。在上述的相位型衍射光學(xué)元件中，通過如下的方式將這種形狀形成為具有不規(guī)則的相位變化的凹進(jìn)部分在每個(gè)凹進(jìn)部分的深度上分別附加或添加根據(jù)隨機(jī)數(shù)的變化量，該凹進(jìn)部分構(gòu)成了具有相當(dāng)于透鏡的光學(xué)功能的臺階。
例如，通過向利用隨機(jī)數(shù)函數(shù)(偽隨機(jī)數(shù)函數(shù))產(chǎn)生的凹進(jìn)部分的深度分別分配變化量，可以產(chǎn)生不規(guī)則的相位變化。
此外，關(guān)于作為隨機(jī)相移片的函數(shù)，在如果通過隨機(jī)函數(shù)分配完全隨機(jī)相位變化則造成制造較困難的情況下，可以建立在0～2π的相位范圍內(nèi)的許多臺階的相位變化，并且可以隨機(jī)地從其中選擇。
關(guān)于照明裝置，這種照明裝置使用光學(xué)元件獲得消除或降低了斑紋的均勻照明光線，在該光學(xué)元件中在一片透明基底材料上設(shè)置多個(gè)這種衍射透鏡元件6，并提供旋轉(zhuǎn)衍射透鏡元件的旋轉(zhuǎn)裝置。換句話說，通過在垂直于光學(xué)軸的平表面內(nèi)旋轉(zhuǎn)(例如，以一百到幾千rpm的轉(zhuǎn)速)衍射透鏡元件，可以在空間上和時(shí)間上產(chǎn)生隨機(jī)相位變化，并且能夠抑制相干光源所特有的斑紋圖。此外，由于可以無需分別制備微透鏡陣列和隨機(jī)相移片，因此可以簡化系統(tǒng)的配置，并且在降低成本方面還比較有利。
此外，根據(jù)本發(fā)明照明裝置可廣泛地用于使用單波長的相干光源(具有較高的干涉的光源)的各種不同的光學(xué)裝置，比如使用多模光纖的光學(xué)顯微鏡、圖形曝光裝置或光學(xué)成型裝置。
作為根據(jù)本發(fā)明的照明裝置的應(yīng)用的實(shí)例，附圖8所示為使用衍射透鏡元件的顯微鏡的配置實(shí)例7，它基本是Koehler照明配置。
激光從SHG(二次諧波發(fā)生)-Ar激光的激光源8通過光纖9傳播并且能夠連續(xù)地振蕩，首先成為通過聚焦透鏡10傳播的平行光通量，并且輻射在衍射透鏡元件11上(參見附圖4和附圖7的相應(yīng)的透鏡元件)。
如箭頭所示，通過包括馬達(dá)等的旋轉(zhuǎn)裝置12使衍射透鏡元件11繞中心軸旋轉(zhuǎn)。通過衍射透鏡元件11發(fā)射的光在穿過孔徑光闌13、透鏡14和視場光闌15之后經(jīng)過透鏡16達(dá)到鏡子17(半透明鏡)。
然后，成像裝置20(例如CD型照相機(jī)、膠片攝影機(jī)等)經(jīng)過鏡子17和圖像形成透鏡19接收經(jīng)過物鏡透鏡18并輻射在樣品目標(biāo)(TG)上的光。
根據(jù)這種配置，通過旋轉(zhuǎn)衍射透鏡元件11，可以產(chǎn)生隨機(jī)的相位變化，并且可以消除相干光所特有的斑紋圖。換句話說，因?yàn)閷λ邮盏墓饬窟M(jìn)行了平均，并且通過如下的方式降低斑紋圖的噪聲通過在構(gòu)成觀測系統(tǒng)的成像裝置20內(nèi)的圖像拾取元件的圖像捕獲周期(或者電荷存儲周期)內(nèi)積分或通過在膠片攝影機(jī)的曝光周期內(nèi)積分，能夠增加S/N(信號噪聲)比。
此外，在為縮短波長而應(yīng)用遠(yuǎn)紫外線時(shí)，可以考慮使用石英作為在衍射透鏡元件或透鏡中的玻璃材料。
此外，雖然在本實(shí)例中使用一個(gè)衍射透鏡元件(例如，在兩個(gè)表面上形成元件)，但是還可以采用不同的實(shí)施例，比如構(gòu)造一種光學(xué)系統(tǒng)并旋轉(zhuǎn)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)或它的一部分，在該光學(xué)系統(tǒng)中組合多個(gè)衍射透鏡元件認(rèn)為是適合的。
附圖9所示為使用激光束的顯微鏡的配置實(shí)例21，與附圖8的差別在于激光束(LB)直接輻射到衍射透鏡元件11。換句話說，如果激光束一開始可作作平行束，則可以省去上述的光纖9和聚光透鏡10。
此外，還可以有不同的實(shí)施例，比如透射光類型的配置，并不限于在附圖8和附圖9中所示的這些配置。
從上文的描述中可以看出，根據(jù)權(quán)利要求1的本發(fā)明，因?yàn)樵谝粋€(gè)光學(xué)元件中提供透鏡或透鏡陣列(二維陣列類型)和隨機(jī)相移片的光學(xué)功能，所以不需要使用具有各自的功能的不同的光學(xué)元件。
此外，根據(jù)權(quán)利要求2和權(quán)利要求3的本發(fā)明，通過旋轉(zhuǎn)衍射透鏡元件，可以抑制斑紋圖，同時(shí)，因?yàn)椴恍枰褂蒙⑸淦?，所以可以?shí)現(xiàn)降低能量損失并提高光的利用效率。
權(quán)利要求
1.一種衍射透鏡元件，在該衍射透鏡元件中通過形成相對于透明基底材料具有不同深度的多個(gè)凹進(jìn)部分以臺階狀的方式形成截面形狀，并且具有組合了一個(gè)透鏡或多個(gè)透鏡和隨機(jī)相移片的光學(xué)功能，所說的衍射透鏡元件其特征在于，通過如下的方式形成具有不規(guī)則的相位變化的凹進(jìn)部分將根據(jù)隨機(jī)數(shù)的變化量分別附加或添加到凹進(jìn)部分的深度中，該凹進(jìn)部分構(gòu)成了其值等于透鏡或透鏡陣列的臺階。
2.一種照明裝置，該照明裝置用于使用根據(jù)權(quán)利要求1所述的衍射透鏡元件獲得消除了斑紋的均勻照明光，其特征在于，所說的照明裝置具有激光源和旋轉(zhuǎn)所說的衍射透鏡元件的旋轉(zhuǎn)裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的照明裝置，所說的照明裝置其特征在于，來自激光源的光線在通過光纖傳播之后通過聚光透鏡輻射在衍射透鏡元件上。
全文摘要
本發(fā)明提出一種具有組合了隨機(jī)相移片和透鏡陣列的光學(xué)功能的衍射光學(xué)元件和使用這種透鏡元件的照明裝置，能夠降低斑紋，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)提高能量效率和光的利用率。在透明基底材料中，將根據(jù)隨機(jī)數(shù)的變化量分別分配或疊加到每個(gè)凹進(jìn)部分的深度中，該凹進(jìn)部分構(gòu)成了其值等于透鏡或透鏡陣列的臺階，形成具有不規(guī)則的相位變化的凹進(jìn)部分并制造衍射透鏡元件(6)。此外，在應(yīng)用這種衍射透鏡元件和激光源的照明裝置中，為了獲得消除了斑紋的均勻照明光線，通過旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)衍射透鏡元件(6)。
文檔編號H01L21/027GK1459033SQ02800580
公開日2003年11月26日 申請日期2002年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月9日
發(fā)明者森田昌幸, 宮崎敢人 申請人:索尼公司