专利名称：衍射透镜元件和使用该元件的照明装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在使用相干光源和相位型衍射光学元件的照明装置中消除斑纹的技术。
背景技术：
近年来随着半导体器件的小型化，使用光学显微镜的半导体检查装置要求较高的分辨率。为此，可以使用两种方法，这两种方法包括NA(数值孔径)增加和波长缩短。然而，由于浸没物镜透镜并不能用于检查半导体装置，因增加了“NA＜1.0”的限制。此外还有这样的一种公知的装置，该装置通过缩短波长法使用远紫外激光以便实现较高的分辨率，并且通过以大致为可见光的波长的一半的波长观测目标能够实现大约两倍的分辨率。
然而，在使用激光作为光源时，存在的问题是在图像中产生斑纹图(在使用高度相干的光源并且图像形成光的相位杂乱时，不规则形态的干涉图叠加在图像上)，因此不能实现所需的分辨率。为了消除上述的斑纹图，如下的方法是公知的。
(1)一种方法是在照明光学系统中提供旋转散射片；(2)一种方法是在照明光学系统中使用纤维束(使长度差大于激光的相干长度)(例如，日本公开的专利公报No.HEI6-167640)。
然而，在使用旋转散射片的方法(1)中，会产生如下的问题*由于在散射片上的散射和反射引起的能量损失较大，所以效率并不好。
*丢弃并浪费了大部分光，光的利用效率较低，因为，如果辐射越低，来自散射片的光的出射角度变得越大，所以在比如要求均匀光线的装置比如显微镜中，仅仅在出射角度较小的一部分有限区域中的光线对图像的形成有贡献。
此外，在上述的方法(2)中，对于每根纤维，都需要设定大于激光的相干长度的不同长度，结果，纤维束的整个长度非常长。因此，特别是在具有较低的透射率的远紫外线区间中能量损失变得显著，因为相对于在纤维中传播的光，其与纤维的长度的平方成比例地衰减。
因此，本发明提出了一种具有衍射光学元件和使用这种元件的照明装置，该衍射光学元件具有透镜阵列和随机相移片的光学功能，由此本发明能够降低斑纹，同时提高能量效率和光的利用率。
发明内容
为解决上述的问题，根据本发明的衍射透镜元件是这样的一种衍射透镜元件，在该元件中在透明基底材料中通过如下的方式形成具有不规则的相位变化的凹进部分即将根据随机数的变化量分别附加或添加到每个凹进部分的深度中，这些凹进部分构成了其值等于透镜或透镜阵列的台阶。
此外，为获得消除了斑纹的均匀的照明光，根据本发明的照明装置是这样的一种照明装置，在该装置中提供了激光源和旋转上述的衍射透镜元件的旋转装置。
因此，根据本发明，衍射透镜元件也具有透镜或透镜阵列和随机相移片的光学功能，并且通过旋转它还可以抑制斑纹图，同时还可以降低能量损失并提高光的利用率，因为不需要使用散射片。
附图1A至1C所示为关于相位型衍射光学元件的形成的解释性示意图；附图2所示为微透镜的形状的实例的示意图；附图3所示为随机相移片的形状的实例的示意图；附图4所示为根据本发明的透镜元件的形状的实例的示意图；附图5所示为微透镜的截面的形状的实例的示意图；附图6所示为随机相移片的截面的形状的实例的示意图；附图7所示为根据本发明的透镜元件的截面的形状的实例的示意图；附图8所示为在其中将根据本发明的照明装置应用于光学显微镜的配置的实例的示意图；以及附图9所示为在其中将根据本发明的照明装置应用于光学显微镜的配置的不同的实例的示意图。
具体实施例方式
本发明涉及衍射光学元件和使用这种光学元件的光学装置。此外，衍射透镜正以作为替换常规的球面透镜的光学元件而引起人们的注意，例如包括二元相位型衍射光学元件。
附图1A示意性地示出了2-级平面(level)二元光学元件的形成的实例。通过以掩模2A覆盖管状透明基底材料1，并进行离子蚀刻，形成了与掩模对应的槽或凹进部分3，3，…。此外，在此2-级是指它包括2种状态，一种情况是在其中形成凹进部分，一种情况是在其中不形成凹进部分。因此，如果设定4级平面，如在附图1B中所示，四种状态包括在其中设置第二掩模2B和不形成凹进部分(零深度)的情况，3级深度也是可以的。此外，如附图1C所示，在设置了第三掩模2C的8级中，包括零深度的8种状态也是可以的。
通过进行这种操作，可以看到形成了包括2至n次幂种类型的深度(包括零深度)的详细台阶。换句话说，通过在透明基底部件1中形成具有不同的深度的许多凹进部分，以台阶状的形状形成截面的形状，并且可以制造出具有良好的衍射效率的非常精确的元件(特别是适合于制造微光学元件)。
此外，如果(所形成的菲涅耳(Fresnel)台阶形状的图案)仅在附图1A至1C中所示的截面形状例如相对透明基底材料1的旋转中心轴对称，则可以看出，从这种中心轴(光轴)的方向上看到的形状呈同心圆形，它具有相当于球面透镜的透镜功能。
如果应用上述的技术，可以替换显微镜透镜元件比如微透镜和衍射光学元件比如随机相移片(一种零件，这种零件使照明光的波前相位是随意的以使它没有统一的图案)，然而，这里存在的问题变为直线光(第零阶衍射光)。换句话说，在衍射光学元件中，由于它的特性的缘故产生了第零阶衍射光，然而，这种第零阶衍射光在作为衍射光学元件的光学功能方面是非功能性的。
因此，在应用衍射光学元件时，在消除斑纹图的同时又带来了问题(比如效率降低、部件数量和成本增加)，由此需要采取措施比如消除具有空间滤波器的第零阶衍射光。
因此，在本发明中，通过在一个衍射光学元件中应用具有透镜或透镜阵列和随机相移片的光学功能的衍射透镜元件，不仅利用了透镜的功能，还利用了随机相移片的功能(换句话说，利用了不规则的相位分配)，结果，可以不使用空间滤波器等实现消除第零阶衍射光和斑纹图。
作为对比附图2至7示出了在将根据本发明的微透镜4、随机相移片5和衍射透镜元件6形成为衍射光学元件时相应的实例。附图2和附图5、附图3和附图6以及附图4和附图7分别示出了根据本发明的微透镜、随机相移片和衍射透镜元件。为了以容易理解的方式说明每个光学元件的形状的特征，附图2至附图4示出了表示在灰度级转换之后以2-色调表示它们的形状的图像数据。附图5至附图7所示为在包括光学轴或基底轴的平表面上的截面的形状(台阶形状)。
附图2所示为构成微透镜阵列(一种光学元件，该光学元件具有这样的配置，在该配置中以二维阵列的形式顺序地设置微透镜)的微透镜4的形状的实例，并且微透镜4相对它的光轴旋转对称。如附图5所示，包括这种透镜的光轴的平表面的截面的形状呈有序的台阶状。
如附图3所示，随机相移片5具有不规则的凹进和突起，并且它的截面的形状类似于在附图6中所示的形状。此外，通过如下的方式形成这种形状将透镜基底部件的表面剖成网格状，同时还以随机数的方式不规则地改变凹进部分的深度。
如附图4所示，衍射透镜元件6具有似乎不规则的凹进的形状，在微透镜4的形状中增加突起。换句话说，如附图7所示，虽然在透视图中看时它具有微透镜4的台阶状的趋势，但是在仔细地看时它的形状不规则。在上述的相位型衍射光学元件中，通过如下的方式将这种形状形成为具有不规则的相位变化的凹进部分在每个凹进部分的深度上分别附加或添加根据随机数的变化量，该凹进部分构成了具有相当于透镜的光学功能的台阶。
例如，通过向利用随机数函数(伪随机数函数)产生的凹进部分的深度分别分配变化量，可以产生不规则的相位变化。
此外，关于作为随机相移片的函数，在如果通过随机函数分配完全随机相位变化则造成制造较困难的情况下，可以建立在0～2π的相位范围内的许多台阶的相位变化，并且可以随机地从其中选择。
关于照明装置，这种照明装置使用光学元件获得消除或降低了斑纹的均匀照明光线，在该光学元件中在一片透明基底材料上设置多个这种衍射透镜元件6，并提供旋转衍射透镜元件的旋转装置。换句话说，通过在垂直于光学轴的平表面内旋转(例如，以一百到几千rpm的转速)衍射透镜元件，可以在空间上和时间上产生随机相位变化，并且能够抑制相干光源所特有的斑纹图。此外，由于可以无需分别制备微透镜阵列和随机相移片，因此可以简化系统的配置，并且在降低成本方面还比较有利。
此外，根据本发明照明装置可广泛地用于使用单波长的相干光源(具有较高的干涉的光源)的各种不同的光学装置，比如使用多模光纤的光学显微镜、图形曝光装置或光学成型装置。
作为根据本发明的照明装置的应用的实例，附图8所示为使用衍射透镜元件的显微镜的配置实例7，它基本是Koehler照明配置。
激光从SHG(二次谐波发生)-Ar激光的激光源8通过光纤9传播并且能够连续地振荡，首先成为通过聚焦透镜10传播的平行光通量，并且辐射在衍射透镜元件11上(参见附图4和附图7的相应的透镜元件)。
如箭头所示，通过包括马达等的旋转装置12使衍射透镜元件11绕中心轴旋转。通过衍射透镜元件11发射的光在穿过孔径光阑13、透镜14和视场光阑15之后经过透镜16达到镜子17(半透明镜)。
然后，成像装置20(例如CD型照相机、胶片摄影机等)经过镜子17和图像形成透镜19接收经过物镜透镜18并辐射在样品目标(TG)上的光。
根据这种配置，通过旋转衍射透镜元件11，可以产生随机的相位变化，并且可以消除相干光所特有的斑纹图。换句话说，因为对所接收的光量进行了平均，并且通过如下的方式降低斑纹图的噪声通过在构成观测系统的成像装置20内的图像拾取元件的图像捕获周期(或者电荷存储周期)内积分或通过在胶片摄影机的曝光周期内积分，能够增加S/N(信号噪声)比。
此外，在为缩短波长而应用远紫外线时，可以考虑使用石英作为在衍射透镜元件或透镜中的玻璃材料。
此外，虽然在本实例中使用一个衍射透镜元件(例如，在两个表面上形成元件)，但是还可以采用不同的实施例，比如构造一种光学系统并旋转整个光学系统或它的一部分，在该光学系统中组合多个衍射透镜元件认为是适合的。
附图9所示为使用激光束的显微镜的配置实例21，与附图8的差别在于激光束(LB)直接辐射到衍射透镜元件11。换句话说，如果激光束一开始可作作平行束，则可以省去上述的光纤9和聚光透镜10。
此外，还可以有不同的实施例，比如透射光类型的配置，并不限于在附图8和附图9中所示的这些配置。
从上文的描述中可以看出，根据权利要求1的本发明，因为在一个光学元件中提供透镜或透镜阵列(二维阵列类型)和随机相移片的光学功能，所以不需要使用具有各自的功能的不同的光学元件。
此外，根据权利要求2和权利要求3的本发明，通过旋转衍射透镜元件，可以抑制斑纹图，同时，因为不需要使用散射片，所以可以实现降低能量损失并提高光的利用效率。
权利要求
1.一种衍射透镜元件，在该衍射透镜元件中通过形成相对于透明基底材料具有不同深度的多个凹进部分以台阶状的方式形成截面形状，并且具有组合了一个透镜或多个透镜和随机相移片的光学功能，所说的衍射透镜元件其特征在于，通过如下的方式形成具有不规则的相位变化的凹进部分将根据随机数的变化量分别附加或添加到凹进部分的深度中，该凹进部分构成了其值等于透镜或透镜阵列的台阶。
2.一种照明装置，该照明装置用于使用根据权利要求1所述的衍射透镜元件获得消除了斑纹的均匀照明光，其特征在于，所说的照明装置具有激光源和旋转所说的衍射透镜元件的旋转装置。
3.根据权利要求2所述的照明装置，所说的照明装置其特征在于，来自激光源的光线在通过光纤传播之后通过聚光透镜辐射在衍射透镜元件上。
全文摘要
本发明提出一种具有组合了随机相移片和透镜阵列的光学功能的衍射光学元件和使用这种透镜元件的照明装置，能够降低斑纹，同时可以实现提高能量效率和光的利用率。在透明基底材料中，将根据随机数的变化量分别分配或叠加到每个凹进部分的深度中，该凹进部分构成了其值等于透镜或透镜阵列的台阶，形成具有不规则的相位变化的凹进部分并制造衍射透镜元件(6)。此外，在应用这种衍射透镜元件和激光源的照明装置中，为了获得消除了斑纹的均匀照明光线，通过旋转装置旋转衍射透镜元件(6)。
文档编号H01L21/027GK1459033SQ02800580
公开日2003年11月26日 申请日期2002年3月5日 优先权日2001年3月9日
发明者森田昌幸, 宫崎敢人 申请人:索尼公司