CN113552692B - 成像光学系统和检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种成像光学系统和检测装置，包括沿光轴顺次设置的物面、具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、具有负光焦度的第七透镜、具有正光焦度的第八透镜及具有正光焦度的第九透镜。本发明提供的成像光学系统，结构简单紧凑，成本低，且具有较好的成像质量，满足掩模颗粒检测装置的光学设计需求。

Description

成像光学系统和检测装置
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体地涉及一种成像光学系统和检测装置。
背景技术
在半导体集成电路或平板显示的制备工艺中，为提高产品良率，污染控制是一个至关重要的环节。作为图案模板的掩模版玻璃（glass）面和薄膜（pellicle）面在夹持、传输、存储及曝光等过程中可能受到污染而产生异物（包括外来颗粒、指纹、划痕或针孔等）等，若曝光前不进行检测，在曝光过程中，上述污染的存在将直接影响光刻机的曝光性能及良率，故在掩模版曝光之前进行颗粒度检测确定是否可直接用于曝光，是提高曝光良率的重要手段之一。
为满足检测设备体积约束和检测效率的要求，当前集成在光刻设备中的掩模颗粒检测装置，通常采用暗场散射测量技术。其检测的基本原理如图1所示，从照明系统10发出的照明光线101经待测物体30上的缺陷（颗粒）20散射，散射的信号401进入成像探测系统40，最终被探测器402所探测，然后检测装置根据检测到的光强信号确定缺陷的尺寸大小。为实现掩模颗粒的检测，掩模颗粒检测装置需要一种大视场的物方远心成像光学系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成像光学系统和检测装置，以满足掩模颗粒检测装置的光学设计需求。
为实现上述目的，本发明提供一种成像光学系统，包括沿光轴顺次设置的物面、具有正光焦度的第一透镜组、具有正光焦度的第二透镜组和像面，所述第一透镜组包括沿光轴顺次设置的具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜及具有正光焦度的第五透镜；所述第二透镜组包括沿光轴顺次设置的具有正光焦度的第六透镜、具有负光焦度的第七透镜、具有正光焦度的第八透镜及具有正光焦度的第九透镜。
可选的，所述第一透镜为平凸透镜或双凸透镜。
可选的，所述第二透镜和所述第三透镜均为弯月透镜。
可选的，所述第七透镜为双凹透镜，所述第九透镜为双凸透镜。
可选的，所述第四透镜和所述第五透镜之间留有间隙，所述间隙的宽度大于25mm。
可选的，所述第一透镜的焦距在170mm~220mm之间，所述第二透镜的焦距在160mm~190mm之间，所述第四透镜的焦距位于-25mm~-36mm之间，所述第五透镜的焦距在40mm~55mm之间。
可选的，所述第六透镜的焦距在29mm~39mm之间，所述第七透镜的焦距在-15mm~-20mm之间，所述第九透镜的焦距在65mm~75mm之间。
可选的，所述第一透镜、所述第五透镜、所述第六透镜及所述第七透镜均由折射率大于1.75的玻璃材料制成。
可选的，所述成像光学系统的物像距≤300mm。
可选的，所述成像光学系统的放大倍率为-0.33X，物方数值孔径≤0.05，物方半视场≤63.5mm。
可选的，所述成像光学系统中的光源采用白光波段。
相应的本发明还提供一种检测装置，用于对掩模颗粒进行检测，包括上述任一项所述的成像光学系统。
综上所述，本发明提供的成像光学系统，结构简单紧凑，成本低，且具有较好的成像质量，满足了掩模颗粒检测装置的光学设计需求。
附图说明
图1为一种掩模颗粒检测装置的结构示意图；
图2为标准颗粒（PSL）散射强度随接收角度变化的曲线图（波长640nm光照下）；
图3 为本发明一实施例提供的成像光学系统的结构示意图；
图4 为本发明一实施例提供的成像光学系统的远心曲线图；
图5为本发明一实施例提供的成像光学系统的光线像差图；
图6为本发明一实施例提供的成像镜光学系统的畸变图；
图7 为本发明另一实施例提供的成像光学系统的结构示意图；
图8 为本发明另一实施例提供的成像光学系统的远心曲线图；
图9为本发明另一实施例提供的成像光学系统的光线像差图；
图10为本发明另一实施例提供的成像镜光学系统的畸变图。
具体实施方式
在专利CN110658196A中，提出了一种基于线扫描的掩模颗粒检测装置，而该装置的实现需要基于一种大视场的物方远心成像光学系统，该光学系统的主要需求简要描述如下：
在通常曝光工艺中，掩模版的有效图案区域为大于104mm，故这种光学系统的物方视场必须大于104mm，考虑到实际检测系统的装配定位误差及其他因素，该光学系统的视场最好大于125mm。
另外，由于该检测装置是基于暗场散射测量原理设计的，最终颗粒尺寸的测量确定是通过探测器接收到的能量来确定的。而基于米氏散射（Mie scattering）理论仿真，若照明光入射角角度一定，标准颗粒（PSL）尺寸一定，则探测器接收到的散射信号会随着接收角度的变化而发生变化，故在探测视场不同位置保证接收角度和角度范围的一致性就十分重要。
下面对此影响进行进一步仿真，图2为相同照明角度，波长640nm光照下，10微米标准颗粒（PSL）散射强度随接收角度（Scattering angle（deg.）的变化曲线图。当接收角度相差8度（从100度到108度）时，接收到的光强差异最大可达到约(Imax-Imin)/(Imax+Imin)×100%=61.3%，此光强差异将产生很大的尺寸测量误差。由于实际缺陷形状的随机性，该差异无法进行系统校正，将引入到最终测量结果中。故该光学系统至少需要物方远心，远心度需要小于1°，优选小于0.5°。
另外，考虑到掩模检测装置的设备体积，光学系统内部最好加入反射镜进行折转，使掩模检测装置整体的体积得到有效控制。
目前主流的TDI CCD相机的靶面线长度位于41mm~65mm之间，故光学系统的放大倍率位于-0.333~-0.5X之间，由于掩模颗粒检测装置的空间分辨率要求不太高，故从性价比角度考虑，放大倍率优选-0.33X。现有光学系统中物方数值孔径（NA）较小，例如，在专利CN109991816A中，描述了一种大视场物方远心的光学系统，其物方数值孔径为≤0.14，放大倍率为-1x，最大像方视场为135mm，远心度小于6.5mrad（约0.37°），可以满足掩模检测装置的主要性能需求，但这种光学系统过于复杂，另外该光学系统的成本过高，体积和重量等都很大，放大倍率对于探测器的要求也过高。
为实现上述掩模检测装置的信号采集目的，本发明提供一种成像光学系统和检测装置，以将测量信号从待测物体表面传送到探测器，成像光学系统包括沿光轴顺次设置的物面、具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜、具有正光焦度的第六透镜、具有负光焦度的第七透镜、具有正光焦度的第八透镜及具有正光焦度的第九透镜。本发明提供的成像光学系统，结构简单紧凑，成本低，且具有较好的成像质量，满足掩模颗粒检测装置的光学设计需求
以下结合附图和具体实施例对本发明的成像光学系统和检测装置作进一步详细说明。根据下面的说明和附图，本发明的优点和特征将更清楚，然而，需说明的是，本发明技术方案的构思可按照多种不同的形式实施，并不局限于在此阐述的特定实施例。附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
在说明书和权利要求书中的术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换，例如可使得本文所述的本发明实施例能够以不同于本文所述的或所示的其他顺序来操作。若某附图中的构件与其他附图中的构件相同，虽然在所有附图中都可轻易辨认出这些构件，但为了使附图的说明更为清楚，本说明书不会将所有相同构件的标号标于每一图中。
实施例一
图3 为实施例提供的成像光学系统的结构示意图。如图3所示，本实施例提供的成像光学系统包括沿光轴顺次设置的物面100、具有正光焦度的第一透镜组G1、具有正光焦度的第二透镜组G2和像面200，其中，所述第一透镜组G1包括沿光轴顺次设置的具有正光焦度的第一透镜G1-1、具有正光焦度的第二透镜G1-2、具有负光焦度的第三透镜G1-3、具有负光焦度的第四透镜G1-4及具有正光焦度的第五透镜G1-5；所述第二透镜组G2包括沿光轴顺次设置的具有正光焦度的第六透镜G2-1、具有负光焦度的第七透镜G2-2、具有正光焦度的第八透镜G2-3及具有正光焦度的第九透镜G2-4。
本实施例中，成像光学系统光源采用白光波段，例如光源可以采用半导体激光，波长为405nm，445nm，520nm，638nm等，实际使用时可相应进行微调。所述成像光学系统中所有镜片均为球面镜片。具体的，所述第一透镜组G1中，所述第一透镜G1-1选用高折射率的玻璃材料制成，以降低后续镜组的实现难度。例如，所述玻璃材料的折射率大于1.75，优选的，所述玻璃材料的折射率大于1.80。
所述第一透镜G1-1可以为平凸透镜或双凸透镜；所述第二透镜G1-2和所述第三透镜G1-3均为弯月透镜。所述第四透镜G1-4和所述第五透镜G1-5之间留有间隙，以满足成像光学系统中加入反射镜进行折转的需求。所述第四透镜G1-4和所述第五透镜G1-5之间的间隙的宽度大于25mm，例如为30nm。
所述第五透镜G1-5位于成像光学系统的频谱面附近，由于物方视场大，为获得较大的光线折转角度，所述第五透镜G1-5选用高折射率的玻璃材料制成，所述玻璃材料的折射率大于1.75，优选的，所述玻璃材料的折射率大于1.80。
所述第一透镜G1-1的焦距在170mm~220mm之间，所述第二透镜G1-2的焦距在160mm~190mm之间，所述第四透镜G1-4的焦距在-25mm~-36mm之间，所述第五透镜G1-5的焦距在40mm~55mm之间。
所述第二透镜组G2中，所述第六透镜G2-1位于成像光学系统的频谱面附近，由于物方视场大，为获得较大的光线折转角度，所述第五透镜G1-5上选用高折射率的玻璃材料制成，所述玻璃材料的折射率大于1.75，优选的，所述玻璃材料的折射率大于1.80。
所述第七透镜G2-2为双凹透镜，所述第九透镜G2-4为双凸透镜。所述第七透镜G2-2紧邻所述第六透镜G2-1，同理，所述第七透镜G2-2上选用高折射率的玻璃材料制成，所述玻璃材料的折射率大于1.75，优选的，所述玻璃材料的折射率大于1.80。
所述第六透镜G2-1的焦距在29mm~39mm之间，所述第七透镜G2-2的焦距在-15mm~-20mm之间，所述第九透镜G2-4的焦距在65mm~75mm之间。
具体的，表1给出了本实施例提供的成像光学系统的具体设计值，其中，半径栏表示镜片的曲率半径，正的半径代表镜片曲率中心在表面的右边，负的半径代表镜片曲率中心在表面左边，1.00E+18代表此表面为平面。表中OBJ代表物面，STOP代表孔径光阑，IMA代表像面，表面序号从光线入射端开始对表面的计数。各个镜片之间的填充气体为空气。材料栏中“AIR”代表镜片与镜片间的空气间隔，填充气体为空气，材料栏非“AIR”的材料是指具体镜片的材料种类。全口径栏是指某一镜片表面的最大通光口径。表中厚度栏代表空气间隔或镜片厚度，镜片厚度或两个镜片的间隔均是指此表面到下个表面的轴上距离，所有尺寸单位都是毫米(mm)。
表1
表面序号 曲率半径 厚度 材料 全口径
OBJ 1.00E+18 0 AIR 127
1 1.00E+18 32.84 AIR 127
2 231.970 22.44 N-LASF46B 140
3 -731.775 0.99 AIR 140
4 63.905 26.06 N-LAK21 110
5 115.138 11.83 AIR 100
6 67.940 23.98 N-LAK33B 84
7 33.984 10.89 AIR 46
8 -2115.850 5.22 N-SF15 48
9 22.960 41.51 AIR 29.57
10 32.000 5.93 N-LASF31A 30
11 193.539 11.31 AIR 30
Stop 1.00E+18 7.77 AIR 13.37
13 121.955 10.81 N-LASF31A 20
14 -45.024 1.69 AIR 19.26
15 -19.833 6.85 H-ZF52A 19.25
16 66.785 10.96 N-PSK53A 30
17 -33.910 33.15 AIR 30
18 279.857 7.67 SF57HHT 50
19 -81.203 27.83 AIR 50
IMA 1.00E+18 38.37
本实施例提供的成像光学系统的放大倍率为-0.33X，物方数值孔径≤0.05，物方半视场≤63.5mm，作为优选，本实施例中成像光学系统提供的是直径为127mm的圆形视场，物方数值孔径为0.03。
本实施例提供的成像光学系统采用物方远心结构，图4是本实施例所提供的成像光学系统的远心曲线图，其中，横坐标为物方视场范围（Field of Vision，FOV），0代表物方中心，纵坐标为主光线角度（Chief Ray Angle，CRA），可以代表某一物方视场点下的远心大小。从曲线可以看出本实施例提供的成像光学系统的物方远心度小于0.25度（约4.3mrad），说明成像光学系统的远心已被很好的校正。
图5为本实施例提供的成像光学系统的光线像差图，图6本实施例提供的成像镜光学系统的畸变图（Distortion）。从图5和图6可以看出，成像光学系统的像差均被很好校正，畸变小于0.3%。
本实施例提供的成像光学系统的物像距≤300mm，光学系统结构紧凑，单色波像差较小，具有较好的成像质量。作为优选，本实施例中成像光学系统的物像方距为300mm。
本实施例提供的成像光学系统的物距大于30mm，像距大于25mm，具有足够的机械距离，便于机械装配和工艺实现。
本发明所提供的成像光学系统包括9片镜片，且均为球面镜片，结构简单，减少光学系统的成本，满足了掩模颗粒检测装置的光学设计需求。
相应的，本实施例还提供一种包含上述成像光学系统的检测装置，用于对掩模颗粒进行检测。
实施例2
图7 为实施例提供的成像光学系统的结构示意图。如图7所示，本实施例提供的成像光学系统包括沿光轴顺次设置的物面100、具有正光焦度的第一透镜组G1、具有正光焦度的第二透镜组G2和像面200，其中，所述第一透镜组G1包括沿光轴顺次设置的具有正光焦度的第一透镜G1-1、具有正光焦度的第二透镜G1-2、具有负光焦度的第三透镜G1-3、具有负光焦度的第四透镜G1-4及具有正光焦度的第五透镜G1-5；所述第二透镜组G2包括沿光轴顺次设置的具有正光焦度的第六透镜G2-1、具有负光焦度的第七透镜G2-2、具有正光焦度的第八透镜G2-3及具有正光焦度的第九透镜G2-4。
本实施例中，所有镜片均为球面镜片。具体的，所述第一透镜G1-1选用高折射率的玻璃材料制成，以降低后续镜组的实现难度。例如，所述玻璃材料的折射率大于1.75，优选的，所述玻璃材料的折射率大于1.80。
所述第一透镜G1-1可以为平凸透镜或双凸透镜，所述第二透镜G1-2和所述第三透镜G1-3均为弯月透镜，所述第七透镜G2-2为双凹透镜，所述第九透镜G2-4为弯月透镜。所述第四透镜G1-4和所述第五透镜G1-5之间留有间隙，以满足成像光学系统中加入反射镜进行折转的需求。所述第四透镜G1-4和所述第五透镜G1-5之间的间隙的宽度大于25mm，例如为30nm。
所述第五透镜G1-5、所述第六透镜G2-1及所述第七透镜G2-2位于成像光学系统的频谱面附近，由于物方视场大，为获得较大的光线折转角度，所述第五透镜G1-5、所述第六透镜G2-1及所述第七透镜G2-2均选用高折射率的玻璃材料制成，所述玻璃材料的折射率大于1.75，优选的，所述玻璃材料的折射率大于1.80。
所述第一透镜G1-1的焦距在170mm~220mm之间，所述第二透镜G1-2的焦距在160mm~190mm之间，所述第四透镜G1-4的焦距在-25mm~-36mm之间，所述第五透镜G1-5的焦距在40mm~55mm之间，所述第六透镜G2-1的焦距在29mm~39mm之间，所述第七透镜G2-2的焦距在-15mm~-20mm之间，所述第九透镜G2-4的焦距在65mm~75mm之间。
具体的，表2给出了本实施例提供的成像光学系统的具体设计值，其中，半径栏表示镜片的曲率半径，正的半径代表镜片曲率中心在表面的右边，负的半径代表镜片曲率中心在表面左边，1.00E+18代表此表面为平面。表中OBJ代表物面，STOP代表孔径光阑，IMA代表像面，表面序号从光线入射端开始对表面的计数。各个镜片之间的填充气体为空气。材料栏中“AIR”代表镜片与镜片间的空气间隔，填充气体为空气，材料栏非“AIR”的材料是指具体镜片的材料种类。全口径栏是指某一镜片表面的最大通光口径。表中厚度栏代表空气间隔或镜片厚度，镜片厚度或两个镜片的间隔均是指此表面到下个表面的轴上距离，所有尺寸单位都是毫米(mm)。
表2
表面序号 曲率半径 厚度 材料 全口径
OBJ 1.00E+18 0 AIR 127
1 1.00E+18 31.60 AIR 127
2 202.2186 22.11 N-LASF31A 140
3 -980.4988 0.99 AIR 140
4 66.48225 26.00 N-LAK34 110
5 130.8308 4.81 AIR 96.46
6 64.89058 24.01 N-LAF2 80
7 30.88546 10.80 AIR 46
8 -665.7037 4.49 SF10 48
9 27.34161 52.39 AIR 30
10 33.29671 7.52 N-LASF31A 36
11 119.6597 13.74 AIR 36
Stop 1.00E+18 1.68 AIR 13.6
13 63.18765 14.96 N-LAK33B 20
14 -36.66208 0.87 AIR 34.4
15 -21.59613 8.53 H-ZF52A 34.4
16 73.82338 3.77 AIR 42.5
17 -244.4451 5.08 N-LASF31A 30
18 -37.45486 35.01 AIR 30
19 -813.3551 12.00 N-LASF31A 50
IMA -60.0333 19.64 AIR 50
本实施例提供的成像光学系统采用物方远心结构，放大倍率为-0.33X，物方数值孔径≤0.05，物方半视场≤63.5mm。
图8是本实施例所提供的成像光学系统的远心曲线图，图9为本实施例提供的成像光学系统的光线像差图，图10本实施例提供的成像镜光学系统的畸变图。从图8、图9和图10可以看出，本实施例提供的成像光学系统的物方远心度小于0.6度（约10.5mrad），像差均被很好校正，畸变小于0.3%。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于结构实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (6)

1.一种成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统由沿光轴顺次设置的物面、具有正光焦度的第一透镜组、具有正光焦度的第二透镜组和像面组成，所述第一透镜组由沿光轴顺次设置的具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜、具有负光焦度的第三透镜、具有负光焦度的第四透镜及具有正光焦度的第五透镜组成；所述第二透镜组由沿光轴顺次设置的具有正光焦度的第六透镜、具有负光焦度的第七透镜、具有正光焦度的第八透镜及具有正光焦度的第九透镜组成；所述成像光学系统的物方远心小于1°；
所述第一透镜为平凸透镜或双凸透镜，所述第二透镜和所述第三透镜均为弯月透镜，所述第七透镜为双凹透镜，所述第九透镜为双凸透镜；
所述第四透镜和所述第五透镜之间留有间隙，所述间隙的宽度大于25mm；
所述第一透镜的焦距在170mm~220mm之间，所述第二透镜的焦距在160mm~190mm之间，所述第四透镜的焦距在-25mm~-36mm之间，所述第五透镜的焦距在40mm~55mm之间，所述第六透镜的焦距在29mm~39mm之间，所述第七透镜的焦距在-15mm~-20mm之间，所述第九透镜的焦距在65mm~75mm之间。
2.根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜、所述第五透镜、所述第六透镜及所述第七透镜均由折射率大于1.75的玻璃材料制成。
3.根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统的物像距≤300mm。
4.根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统的放大倍率为-0.33X，物方数值孔径≤0.05，物方半视场≤63.5mm。
5.根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统中的光源采用白光波段。
6.一种检测装置，用于对掩模颗粒进行检测，包括如权利要求1-5任一项所述的成像光学系统。
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