CN113126285A

CN113126285A - 宽谱线大视场物镜系统

Info

Publication number: CN113126285A
Application number: CN201911394405.7A
Authority: CN
Inventors: 刘鹏
Original assignee: Zhangjiagang Zhonghe Automation Technology Co ltd
Current assignee: Zhangjiagang Zhonghe Automation Technology Co ltd
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2039-12-30
Also published as: CN113126285B

Abstract

本发明提供一种宽谱线大视场物镜系统，其包括：第一成像镜头以及至少一个第二成像镜头；各成像镜头依次设置，任一成像镜头对应一像面，来自所述照明单元的光束依次经第一成像镜头以及至少一个第二成像镜头成像后逐级放大，所述第一成像镜头包括依次设置的：第一成像镜组、第二成像镜组以及第三成像镜组，所述第二成像镜头包括依次设置的：第四成像镜组、成像孔径光阑、第二正光焦度的子镜组。本发明的宽谱线大视场物镜系统适于在200nm至450nm的深紫外波长范围使用，其通过设置第一成像镜头以及至少一个第二成像镜头，具有提高放大倍率，并缩短整个系统长度，节省空间的效果。

Description

宽谱线大视场物镜系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种宽谱线大视场物镜系统。

背景技术

LDSI(大规模集成电路)的半导体领域中，以光刻技术为核心的微细加工制造的技术难度最大。在LDSI的研发和制造过程中，需要对多种不同特性材质的高精细线路图形等实施多道高精度的光学检测，而且在制造现场还有高稳定性和高速检测的需求。由于各类光学检测的信息量非常大，所以超大视野，高分辨率，及包括紫外波段在内的宽谱线的光学检测系统应运而生，而且需求日益增强

随着半导体芯片及器件的集成密度提高，要求光学检测系统具有更高的光学分辨率。决定光学分辨率主要因素是光波波长和数值孔径，所以为了提高光学检测系统的分辨率，光学系统的照明光源的波长范围日益变短，如近紫外光甚至是深紫外光；检测物镜的数值孔径日益增大，趋近极限。在紫外波长区域，尤其是200nm至450nm的深紫外波长区域，普通光学材料的吸收很大，透光率很低，适用的光学材料受到很大限制，所以包括紫外波段在内的宽谱线、大视场和高分辨率的光学系统的设计和制造变得非常困难。由于针对上述问题的解决方案十分有限，所以急需提出切实的解决方案。

发明内容

本发明旨在提供一种宽谱线大视场物镜系统，以克服现有技术中存在的不足。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种宽谱线大视场物镜系统，其包括：第一成像镜头以及至少一个第二成像镜头；

各成像镜头依次设置，任一成像镜头对应一像面，来自所述照明单元的光束依次经第一成像镜头以及至少一个第二成像镜头成像后逐级放大，所述第一成像镜头包括依次设置的：第一成像镜组、第二成像镜组以及第三成像镜组，所述第二成像镜头包括依次设置的：第四成像镜组、成像孔径光阑、第五成像镜组；

所述第二成像镜组中，至少有2片正透镜满足关系式：Dop>0.7×D1，且其中焦距最短的2片正透镜满足关系式：0.7＜(1/fp1+1/fp2)×f2＜1.9；

至少有2片负透镜满足关系式：Dop>0.7×D1，且其中焦距的绝对值最短的2片负透镜满足关系式：0.45＜|1/fm1+1/fm2|×f2＜1.4；

其中，Dop为透镜的通光孔径，D1为第二成像镜组(G2)和第三成像镜组(G3)孔径光阑的直径，fp1为满足关系式Dop>0.7×D1焦距最短正透镜的焦距，fp2为满足关系式Dop>0.7×D1焦距次短正透镜的焦距，fm1为满足关系式Dop>0.7×D1焦距的绝对值最短负透镜的焦距，fm1为满足关系式Dop>0.7×D1焦距的绝对值次短负透镜的焦距；

所述第一成像镜组和第二成像镜组满足关系式：0.35＜f1/f2＜1.5，第二成像镜组和第三成像镜组满足关系式：0.22＜f3/(f2×β)＜0.8；

其中，f2为第二成像镜组的组合焦距，f3为第三成像镜组的组合焦距，β为第一成像镜头的放大倍率。

所述成像孔径光阑处选择性地插入有不同的光瞳滤波器；

来自物面的光束依次经过所述第一成像镜组、第二成像镜组、第三成像镜组形成第一像面，所述第一像面处设置视场光阑，视场光阑通光口径与物方视野FOV尺寸相对应。

作为本发明的宽谱线大视场物镜系统的改进，所述第一成像镜组包括由物面侧指向像面侧的：第一片复合透镜、第二片透镜、第三片反射镜；所述第一片复合透镜的物面侧曲面包括一个反射面，第一片复合透镜的物面侧曲面的中央部分是透过面，其周围部分为朝向像方的反射面；所述第三反射镜物面侧曲面为一个凹反射面，且第三片反射镜为中央开有通孔可以允许光束穿过。

作为本发明的宽谱线大视场物镜系统的改进，来自所述物面的光束经所述第一成像镜组后形成中间像，所述中间像形成于第三片反射镜的中央通孔附近；

所述第一成像镜组满足关系式：|f1/R2|＜0.35，|f1/R3|＜0.8；其中，f1为第一成像镜组的组合焦距，R2为物面侧第一复合透镜的像面侧曲面的曲率半径，R3为物面侧第二片透镜的物面侧曲面的曲率半径。

作为本发明的宽谱线大视场物镜系统的改进，所述中间像满足关系式：|Ti/f2|＜0.4，Ti为中间像到第二成像镜组物方第一片透镜之间的距离。

作为本发明的宽谱线大视场物镜系统的改进，所述第二成像镜组为适于形成平行光或者近平行光的镜组；所述第二成像镜组和第三成像镜组之间还设置有光路分离元件；

来自物面的光束依次经过所述第一照明镜组、第二成像镜组、光路分离元件、第三成像镜组形成所述第一像面。

作为本发明的宽谱线大视场物镜系统的改进，所述第二成像镜头包括第四成像镜组，孔径光阑和第五成像镜组；第四成像镜组包含具有第一正光焦度的子镜组、负光焦度的子镜组和第二正光焦度的子镜组，满足关系式：

0.3＜f111/f11＜1.6；

0.13＜-f112/f11＜0.8；

0.2＜f113/f11＜1.1；

其中，f11为第四成像镜组的组合焦距，f111为第一正光焦度的子镜组的组合焦距，f112为负光焦度的子镜组的组合焦距，f113为第二正光焦度的子镜组的组合焦距。

作为本发明的宽谱线大视场物镜系统的改进，所述第四成像镜组中的负光焦度的子镜组最靠近物方的透镜表面是朝向物方的凸面，负光焦度的子镜组最靠近像方的透镜表面是朝向像方的凹面，第二正光焦度的子镜组最靠近物方的透镜表面是朝向物方的凸面，第二正光焦度的子镜组最靠近像方的透镜表面是朝向像方的凸面。

作为本发明的宽谱线大视场物镜系统的改进，所述第五成像镜组包括能够相互替换的至少两组，任一组具有相应不同的成像倍率，至少两组相互切换的第五成像镜组对应同一成像位置，在同一成像位置处设置图像传感器；切换的不同的第五镜组时，图形传感器保持位置不动，以不同的成像倍率接收不同尺寸的物方视野FOV发出的光束。

作为本发明的宽谱线大视场物镜系统的改进，所述宽谱线大视场物镜系统的像差系数＝NA²×FOV×λmax/(λmin)²>2；其中，NA为物方数值孔径；FOV为物方视场，单位：毫米；λmax为物镜适用光谱的最长波长，单位：微米；λmin为物镜适用光谱的最短波长，单位：微米。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的宽谱线大视场物镜系统适于在200nm至450nm的深紫外波长范围使用，其通过设置第一成像镜头以及至少一个第二成像镜头，具有提高放大倍率，并缩短整个系统长度，节省空间的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例的宽谱线大视场物镜系统的结构示意图；

图2为本发明一实施例中第一成像镜组的结构示意图；

图3为宽谱线大视场物镜系统中配合说明第一成像镜头的光学参数的结构示意图；

图4为本发明一实施例中第二成像镜头的结构示意图；

图5为图4中第四成像镜组的结构示意图；

图6为第一成像镜头的传递函数MTF图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例的宽谱线大视场物镜系统包括：第一成像镜头31以及至少一个第二成像镜头32，从而通过设置至少一个第二成像镜头32，以实现相应放大倍率的成像。例如，当设置一个第二成像镜头32时，能够实现2级放大，并缩短整个系统长度，节省空间。其中，各成像镜头31、32依次设置，任一成像镜头31、32对应一像面，来自照明单元2的光束依次经第一成像镜头31以及至少一个第二成像镜头32成像后逐级放大。

第一成像镜头31包括依次设置的：第一成像镜组G1、第二成像镜组G2以及第三成像镜组G3。

其中，第一成像镜组G1包括由物面侧指向像面侧的：第一复合透镜、第二片透镜、第三片反射镜。

第一复合透镜的物面侧曲面形成一个反射面M2，第三透镜物面侧曲面形成另一个反射面M1，第三片反射镜为中央开有通孔可以允许光束穿过，第一复合透镜的物面侧曲面的中央部分是透过面，其周围部分为朝向像方的反射面。如此，采用很少数量的光学部件，简化结构，最大限度的有效利用达到校正各种光学像差的效果。

如图2所示，所述第一成像镜组满足关系式：|f1/R2|＜0.35，|f1/R3|＜0.8；其中，f1为第一成像镜组的组合焦距，R2为物面侧第一复合透镜的像面侧曲面的曲率半径，R3为物面侧第二片透镜的物面侧曲面的曲率半径。如超过上述界限，高级色像差和球像差校正会很困难。

第一成像镜组G1包括至少两个反射面和至少一个折射透镜，至少两个反射面的中间区域为适于光束透射的区域。来自所述物面的光束经第一成像镜组G1后形成中间像，中间像形成于第三片反射镜的中央通孔附近。

所述中间像满足关系式：|Ti/f2|＜0.4，Ti为中间像到第二成像镜组物方第一片透镜之间的距离。超过上述关系式的上限，像差校正会很困难，尤其是初级和高级像差校正会很困难，会导致镜头结构变得复杂，制造成本增加。

第二成像镜组G2为适于形成平行光或者近平行光的镜组。

其中，Dop为透镜的通光孔径，D1为第二成像镜组(G2)和第三成像镜组(G3)孔径光阑的直径，fp1为满足关系式Dop>0.7×D1焦距最短正透镜的焦距，fp2为满足关系式Dop>0.7×D1焦距次短正透镜的焦距，fm1为满足关系式Dop>0.7×D1焦距的绝对值最短负透镜的焦距，fm1为满足关系式Dop>0.7×D1焦距的绝对值次短负透镜的焦距。

通过设置满足上述关系式的第二成像镜组，可以不产生过多的高级像差，取得均衡地校正各种像差的效果。

其中，f2为第二成像镜组的组合焦距，f3为第三成像镜组的组合焦距，β为第一成像镜头的放大倍率。当超过上述第一成像镜组和第二成像镜组之间关系式的界限时，将导致尤其是色像差和场曲像差校正会很困难；超过下限，尤其球像差校正会很困难。进一步地，当超过上述第二成像镜组和第三成像镜组之间关系式的界限时，将导致高级色像差和球像差校正会很困难；从结构上导入同轴落射照明光束也会困难。

第三成像镜组G3包括：至少两个正透镜和至少一个负透镜。

从而，物平面发出的光线经过第一成像镜组G1后形成中间像，中间像位置在靠近第二成像镜组G2的反射面附近。中间像经过第二成像镜组G2后形成近似平行光或近似平行光经第三成像镜组G3后再成像到有限远处的像面S3。

此外，照明单元2和第一成像镜头31之间还设置有镜组G4和光路分离元件BS。来自照明单元2光束依次经过镜组G4、光路分离元件BS、第二成像镜组G2、第一成像镜组G1到达物面，来自物面的光束依次经过第一成像镜组G1、第二成像镜组G2、光路分离元件BS、第三成像镜组G3形成上述像面S3。

从而，聚光元件12将光源11发出的光束汇聚到照明面S1，形成光源11的空间像，然后均匀地投射到照明面S2。再通过镜组G4和光路分离元件BS将光源11发出的光束引入第一成像镜头31，并投射到物面，对物面进行照明。

结合图3，该第一成像镜头31的光学参数如下表1所示：

物镜的参数值：

NA＝0.9；

物方视场直径：1.2mm；

波长：260～450nm。

NA为物方的数值孔径。

表1

其中表面1为非球面，以如下公式表示

c＝1/R1＝0

k＝0

α1＝-0.002282233

α2＝0.001063988

α3＝-0.000641664

α4＝0.00020374

α5＝-2.62E-05

例如，特征参数如表2所示。

表2

例如，关系式的计算值分别为表3所示：

(1)	f3/(f2×β)	0.50
			(2)	f1/f2	0.80
(3)	\|f1/R2\|	0.20
			(4)	\|f1/R3\|	0.46
(5)	(1/fp1+1/fp2)×f2	1.16
			(6)	\|1/fm1+1/fm2\|×f2	0.77
(7)	\|Ti/f2\|＜0.4	0.07
			(8)	NA2×FOV×λmax/(λmin)2	6.47

表3

如图4、5所示，第二成像镜头32用于实现使像面S3再成像于像面S4，其包括依次设置的：第四成像镜组G11，孔径光阑AS1和第五成像镜组G12；第四成像镜组G11包含具有第一正光焦度的子镜组G111，负光焦度的子镜组G112和第二正光焦度的子镜组G113，满足关系式：

0.3＜f111/f11＜1.6；

0.13＜-f112/f11＜0.8；

0.2＜f113/f11＜1.1。

其中，f11为第四成像镜组的组合焦距，f111为第一正光焦度的子镜组G111的组合焦距，f112为负光焦度的子镜组G112的组合焦距，f113为第二正光焦度的子镜组G113的组合焦距。

第二成像镜头中的负光焦度的子镜组G112最靠近物方的透镜表面是朝向物方的凸面，负光焦度的子镜组G112最靠近像方的透镜表面是朝向像方的凹面，第二正光焦度的子镜组G113最靠近物方的透镜表面是朝向物方的凸面，第二正光焦度的子镜组G113最靠近像方的透镜表面是朝向像方的凸面。

该第一成像镜头32的光学参数如下表4所示：

表4

例如，特征参数如表5所示。

表5

例如，关系式的计算值分别为表6所示：

(1)	f111/f11	0.75
			(2)	-f112/F11	0.35
(3)	f113/f11	0.44

表6

第五成像镜组G12采用能够相互替换的两组，使像面S3分别以不同的倍率成像于像面S4，且在不同成像倍率时保持物面的最大数值孔径相同。两组相互替换的第五成像镜组G12对应同一成像位置。

同时，成像孔径光阑AS1处可以插入不同的光瞳滤波器。如此设置，使得不同成像倍率可以共用相同的光瞳滤波器，有效利用照明光源的效率，最大限度地提高光学系统的成像分辨率。

进一步地，光瞳滤波器可以改变光瞳函数的空间分布，从而改变相应的衍射斑分布，为了实现超分辨或针对物面目标特性，可选择不同的光瞳滤波器。光瞳滤波器包括振幅型光瞳滤波器和相位型光瞳滤波器。

此外，在使像面S3处设置视场光阑，在像面S4处设置图像传感器。对应于第二正光焦度的子镜组不同的成像倍率，调整视场光阑的尺寸，遮挡将抵达图像传感器有效测量范围之外的光束，消除无用的杂散光，提高像面S4处图像的对比度和清晰度。

其中，图像传感器选择时间延时积分电荷耦合器件(Time Delay and Integra-tion Charge Coupled Devices,TDICCD)，根据TDICCD行转移速度按比例对物面目标进行同步扫描，对物面目标进行多次曝光，并对其信号进行累加。

定义宽谱线大视场物镜系统的像差系数＝NA²×FOV×λmax/(λmin)²>2。其中，NA为物方数值孔径；FOV为物方视场，单位：毫米；λmax为物镜适用光谱的最长波长，单位：微米；λmin为物镜适用光谱的最短波长，单位：微米。

本专利引入了像差系数的概念，用来对比和评估光学镜头系统的技术难度和复杂性。

该像差系数能够表征本实施例光学系统的技术难度，像差系数包含了光学系统的视场尺寸FOV，分辨率和适用波长范围因素的综合影响。像差系数越大，意味着更大视场，更高分辨率，更宽的光谱波段，这些因素都直接增加光学系统的技术难度，包括设计，适用材料，加工制造，组装调试，和检测运行等很多方面，与其适配的光源和图像传感器等相关联设备的难度和成本也相应提高。

现有的光学系统像差系数大多为0.3～1，而本实施例的光学系统的像差系数大于2，可以达到6.47。说明本专利的综合技术难度高于现有光学系统数倍。

此外，本实施例的光学系统中，所包含的所有透镜、反射镜元件中不含有非球面，如此能够大幅度降低加工，检测和装校的难度和成本。同时，所有透镜采用石英或氟化钙晶体材料制成。在紫外波长区域，尤其是200nm至450nm的深紫外波长区域，普通光学材料的吸收很大，透光率很低，使用石英玻璃或氟化钙晶体可以提高光学系统的透光率。同时自有这两种材料可以适用，校正系统的各项光学像差会变困难，尤其在数值孔径增加时，校正光学像差会变得相当困难。

如图6所示，为第一成像镜组的传递函数MTF图中。其中，横轴为分辨率，单位是线对/毫米(lp/mm)，每毫米能够分辩出的线对数就是分辨率的数值。纵轴为调制传递函数MTF(Modulation Transfer Function)，是对镜头分辨率的一个定量描述。用调制度(Modulation)表示反差的大小。设最大亮度为Imax，最小亮度为Imin，调制度M定义为：M＝(Imax－Imin)/(Imax+Imin)。调制度介于0和1之间，调制度越大，则表明反差越大。当最大亮度与最小亮度完全相等时，反差完全消失，这时的调制度等于0。

对于原来调制度为M的正弦波，如果经过镜头到达像平面的像的调制度为Mˊ，则MTF函数值为：MTF值＝Mˊ/M。

可以看出，MTF值必定介于0和1之间，并且越接近1，则镜头的性能越好。如果镜头的MTF值等于1，镜头输出的调制度完全反映了输入正弦波的反差；而如果输入的正弦波的调制度是1，则输出图像的调制度正好等于MTF值。所以，MTF函数代表了镜头在一定空间频率下的反差。

进一步地，图4中的曲线可以看出，具有代表性的0视场，0.5视场和最大视场的MTF值已经非常接近衍射极限值。衍射极限是指一个理想物点经光学系统成像时，由于物理光学的光的衍射的限制，不可能得到理想像点，而是得到一个夫朗和费衍射像，这个衍射像是物理光学的衍射极限，即最大值。

可以看出，本发明可以在很宽的260～450nm光谱范围内，整个视场上接近物理光学的衍射极限。通过分析的结果表明，在260～450nm光谱范围内，整个视场的波像差WFE(RMS)小于0.05波长。

综上所述，本发明的宽谱线大视场物镜系统适于在200nm至450nm的深紫外波长范围使用，其通过设置第一成像镜头以及至少一个第二成像镜头，具有提高放大倍率，并缩短整个系统长度，节省空间的效果。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种宽谱线大视场物镜系统，其特征在于，所述宽谱线大视场物镜系统包括：第一成像镜头以及至少一个第二成像镜头；

所述成像孔径光阑处选择性地插入有不同的光瞳滤波器；

2.根据权利要求1所述的宽谱线大视场物镜系统，其特征在于，所述第一成像镜组包括由物面侧指向像面侧的：第一片复合透镜、第二片透镜、第三片反射镜；所述第一片复合透镜的物面侧曲面包括一个反射面，第一片复合透镜的物面侧曲面的中央部分是透过面，其周围部分为朝向像方的反射面；所述第三反射镜物面侧曲面为一个凹反射面，且第三片反射镜为中央开有通孔可以允许光束穿过。

3.根据权利要求2所述的宽谱线大视场物镜系统，其特征在于，来自所述物面的光束经所述第一成像镜组后形成中间像，所述中间像形成于第三片反射镜的中央通孔附近；

4.根据权利要求3所述的宽谱线大视场物镜系统，其特征在于，所述中间像满足关系式：|Ti/f2|＜0.4，Ti为中间像到第二成像镜组物方第一片透镜之间的距离。

5.根据权利要求1所述的宽谱线大视场物镜系统，其特征在于，所述第二成像镜组为适于形成平行光或者近平行光的镜组；所述第二成像镜组和第三成像镜组之间还设置有光路分离元件；

6.根据权利要求1所述的宽谱线大视场物镜系统，其特征在于，所述第二成像镜头包括第四成像镜组，孔径光阑和第五成像镜组；第四成像镜组包含具有第一正光焦度的子镜组、负光焦度的子镜组和第二正光焦度的子镜组，满足关系式：

0.3＜f111/f11＜1.6；

0.13＜-f112/f11＜0.8；

0.2＜f113/f11＜1.1；

7.根据权利要求7所述的宽谱线大视场物镜系统，其特征在于，所述第四成像镜组中的负光焦度的子镜组最靠近物方的透镜表面是朝向物方的凸面，负光焦度的子镜组最靠近像方的透镜表面是朝向像方的凹面，第二正光焦度的子镜组最靠近物方的透镜表面是朝向物方的凸面，第二正光焦度的子镜组最靠近像方的透镜表面是朝向像方的凸面。

8.根据权利要求1所述的宽谱线大视场物镜系统，其特征在于，所述第五成像镜组包括能够相互替换的至少两组，任一组具有相应不同的成像倍率，至少两组相互切换的第五成像镜组对应同一成像位置，在同一成像位置处设置图像传感器；切换的不同的第五镜组时，图形传感器保持位置不动，以不同的成像倍率接收不同尺寸的物方视野FOV发出的光束。

9.根据权利要求1～8任一项所述的宽谱线大视场物镜系统，其特征在于，所述宽谱线大视场物镜系统的像差系数＝NA²×FOV×λmax/(λmin)²>2；其中，NA为物方数值孔径；FOV为物方视场，单位：毫米；λmax为物镜适用光谱的最长波长，单位：微米；λmin为物镜适用光谱的最短波长，单位：微米。