CN114859540A - 一种用于晶圆aoi检测的紫外-可见显微物镜光学系统 - Google Patents

一种用于晶圆aoi检测的紫外-可见显微物镜光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于晶圆AOI检测的紫外‑可见显微物镜光学系统，沿其光轴方向，从物方到像方依次包括第一透镜组、第二透镜组以及第三透镜组；第一透镜组包含具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜和具有正光焦度的第三透镜，第二透镜组包含具有正光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜、具有负光焦度的第六透镜、具有正光焦度的第七透镜、具有负光焦度的第八透镜、具有正光焦度的第九透镜以及具有负光焦度的第十透镜，第三透镜组包含具有正光焦度的第十一透镜、具有正光焦度的第十二透镜、具有负光焦度的第十三透镜、具有负光焦度的第十四透镜以及具有正光焦度的第十五透镜。本发明具备了大视场、大数值孔径的特性。

Description

一种用于晶圆AOI检测的紫外-可见显微物镜光学系统
技术领域
本发明属于光学仪器技术领域，涉及一种光学系统，特别是涉及一种用于晶圆AOI检测的紫外-可见显微物镜光学系统。
背景技术
光刻图形关键线宽(CD)的减小意味着芯片制造封装中产生各种误差的余量更小。受物理条件限制，光刻过程无法完全精确，对晶圆的各种处理工序都可能引入种类繁多的复杂缺陷，这些缺陷将导致产出的芯片成为残次品甚至彻底报废。无限共轭显微成像系统包含显微物镜及管镜，将放大得到的晶圆表面缺陷信息成像于CCD或CMOS上，作为晶圆AOI检测设备的重要组成部分，其性能直接决定了晶圆缺陷检测的分辨力与灵敏度。
紫外线的波长相较于可见光和红外波段更短，在目标探测与识别领域具有明显优势，受到研究人员的密切关注，成为一种非常重要的光学窗口。紫外光学技术发展迅速，在国防工程、工业检测、空间科学等领域具有广阔应用前景。为满足半导体工业及生命科学等应用领域对检测精度日益苛刻的需求，显微系统逐渐向紫外拓展以提升分辨力和对比度。数值孔径(NA)和工作波长是决定显微光学系统特征分辨率的两个因素，随着波长减小，NA增大，衍射极限特征分辨率逐渐提升，紫外波段可以实现超出可见光系统的解析力；根据线扫描成像原理，显微系统对晶圆的全表面扫描时间与传感器的行频、幅面尺寸以及前置显微成像系统的物方视场成反比，在适当范围内提高幅面尺寸、行频、物方视场是提升AOI检测设备吞吐效率的有效手段，因此显微物镜应同时具有紫外工作波段、高数值孔径以及大视场特性。
商用标准显微物镜为保证通用性，其齐焦距离通常被严格限制，这导致低倍物镜数值孔径较小而视场较大，高倍物镜视场较小而数值孔径较大，难以同时满足对高分辨率与大视场的需求，同时具有高数值孔径及大视场特性的非标紫外显微物镜是亟待研究的设计方向。
公开号为CN104459966A的中国专利公开一种用于可见－紫外检测显微镜的成像光学系统，全部采用高透过率的i线光学玻璃，成像质量接近完善成像，并且结构紧凑，满足用于可见－紫外检测显微系统的技术要求。该发明专利中包含的显微物镜像质接近衍射极限，工作波段365nm-436nm，采用14片透镜实现了大数值孔径(NA＝0.85)，物像共轭距离为270mm，结构紧凑。但是对于该专利所描述的应用以及其他潜在的应用范围来讲，还存在一些可改进之处：
根据该发明专利的描述，为减少透镜片数并提升成像质量，通过显微物镜与管镜的像差补偿关系将各自的所有残余像差作最大限度地抵偿消除，与无限共轭显微系统中显微物镜与管镜分别对无限远点物独立优化的一般设计方法相比较，在单独使用显微物镜时像质会受到一定影响。
根据该发明专利实施例的描述，显微物镜的物方视场半径为0.2mm，即物方线视场为0.4mm，物方视场较小，限制了检测效率。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种用于晶圆AOI检测的紫外-可见显微物镜光学系统，本发明的紫外显微物镜通过前、中、后三个透镜组之间的像差补偿平衡，在365nm～436nm的工作波段范围内同时具备大视场、高数值孔径、高放大倍率的优良特性，可拓展应用于半导体工业及生命科学等领域的各类精密检测成像用途。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种用于晶圆AOI检测的紫外-可见显微物镜光学系统，定义物方为左侧，像方为右侧，由于光路可逆，按照反向光路设计，所述显微物镜光学系统从物方到像方沿其光轴方向，依次包括屈光度为正的第一透镜组、屈光度为正的第二透镜组以及屈光度为负的第三透镜组，其中：
所述第一透镜组从物方到像方沿其光轴方向依次包括：具有正光焦度的第一透镜、具有正光焦度的第二透镜和具有正光焦度的第三透镜；
所述第二透镜组从物方到像方沿其光轴方向依次包括：具有正光焦度的第四透镜、具有正光焦度的第五透镜、具有负光焦度的第六透镜、具有正光焦度的第七透镜、具有负光焦度的第八透镜、具有正光焦度的第九透镜以及具有负光焦度的第十透镜；
所述第三透镜组从物方到像方沿其光轴方向依次包括：具有正光焦度的第十一透镜、具有正光焦度的第十二透镜、具有负光焦度的第十三透镜、具有负光焦度的第十四透镜以及具有正光焦度的第十五透镜。
进一步地说，所述第一透镜、第三透镜和第十五透镜均为平凸透镜；
所述第二透镜、第十二透镜均为弯向物方的正弯月透镜，并且第二透镜为齐明透镜；
所述第四透镜、第七透镜、第九透镜和第十一透镜均为双凸透镜；
所述第五透镜、第八透镜和第十透镜均为弯向物方的负弯月透镜；
所述第六透镜和第十三透镜均为双凹透镜；
所述第十四透镜为平凹透镜。
进一步地说，所述第一透镜的折射率Nd1>l.4，色散系数Vd1>95；所述第二透镜的折射率Nd2>l.6，色散系数Vd2>60；所述第三透镜的折射率Nd3>l.6，色散系数Vd3>36；所述第四透镜的折射率Nd4>l.4，色散系数Vd4>86；所述第五透镜的折射率Nd5>l.5，色散系数Vd5>65；所述第六透镜的折射率Nd6>l.6，色散系数Vd6>42；所述第七透镜的折射率Nd7>l.4，色散系数Vd7>95；所述第八透镜的折射率Nd8>l.5，色散系数Vd8>49；所述第九透镜的折射率Nd9>l.4，色散系数Vd9>95；所述第十透镜的折射率Nd10>l.6，色散系数Vd10>60；所述第十一透镜的折射率Nd11>l.4，色散系数Vd11>86；所述第十二透镜的折射率Nd12>l.7，色散系数Vd12>54；所述第十三透镜的折射率Nd13>l.7，色散系数Vd13>54；所述第十四透镜的折射率Nd14>l.7，色散系数Vd14>54；所述第十五透镜的折射率Nd15>l.6，色散系数Vd15>38。
进一步地说，所述显微物镜光学系统还包括一个光阑，所述光阑位于第五透镜和第六透镜之间，所述光阑为孔径光阑，用于限制成像光束的大小，并确保数值孔径NA＝0.9，根据瑞利分辨率公式
Figure BDA0003657384170000031
λ为工作波长365.0nm，特征分辨率为250nm。
进一步地说，所述第一透镜组中，第一透镜与第二透镜胶合在一起。
进一步地说，所述第二透镜组中，第四透镜与第五透镜胶合在一起，第九透镜与第十透镜胶合在一起。
进一步地说，所述第三透镜组中，第十一透镜与第十二透镜胶合在一起。
进一步地说，所述显微物镜光学系统的焦距为4.5mm，光学总长为73.3mm，最大物方视场半径为0.414mm。
进一步地说，所述显微物镜光学系统的像方出射为平行光，透镜最大口径为16mm。
进一步地说，所述显微物镜光学系统的像方数值孔径NA为0.9，工作波长范围为i线、h线和g线，即高压汞灯的主要三条谱线365.0nm、404.7nm、435.8nm。
本发明的有益效果至少具有以下几点：
1、本发明的显微物镜光学系统对无限远点物独立优化，数值孔径NA为0.9，最大物方视场半径为0.414mm，有效地实现了在具备超大视场的同时兼具高分辨率特性；
2、本发明的显微物镜光学系统，第一透镜组包含齐明厚弯月透镜，承担了最大的正光焦度，第二透镜组为弱光焦度正组，由两对双胶合透镜及空气隙三分离镜组构成，主要承担了校正高级像差的任务，第三透镜组为弱光焦度负组，包含平场镜组及一对双胶合透镜，在避免引入额外色差的同时校正了场曲，最后一片正光焦度单透镜使出射平行光，材料折射率较高，同样减少了高级像差的引入量。
附图说明
图1是本发明光学系统的结构示意图；
图2是本发明光学系统的光路示意图；
图3是本发明光学系统的MTF曲线图；
图4是本发明光学系统的点列图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例：一种用于晶圆AOI检测的紫外-可见显微物镜光学系统，如图1所示，定义物方为左侧，像方为右侧，由于光路可逆，按照反向光路设计，所述显微物镜光学系统从物方到像方沿其光轴方向，依次包括屈光度为正的第一透镜组G1(前组)、屈光度为正的第二透镜组G2(中组)以及屈光度为负的第三透镜组G3(后组)，其中：
所述第一透镜组从物方到像方沿其光轴方向依次包括：具有正光焦度的第一透镜1、具有正光焦度的第二透镜2和具有正光焦度的第三透镜3；
所述第二透镜组从物方到像方沿其光轴方向依次包括：具有正光焦度的第四透镜4、具有正光焦度的第五透镜5、具有负光焦度的第六透镜6、具有正光焦度的第七透镜7、具有负光焦度的第八透镜8、具有正光焦度的第九透镜9以及具有负光焦度的第十透镜10；
所述第三透镜组从物方到像方沿其光轴方向依次包括：具有正光焦度的第十一透镜11、具有正光焦度的第十二透镜12、具有负光焦度的第十三透镜13、具有负光焦度的第十四透镜14以及具有正光焦度的第十五透镜15。
透镜的正负光焦度与形状有关，正透镜包括双凸透镜、平凸透镜、凹凸透镜(正弯月透镜)，负透镜包括双凹透镜、平凹透镜、凸凹透镜(负弯月透镜)。
所述第一透镜、第三透镜和第十五透镜均为平凸透镜；
所述第二透镜、第十二透镜均为弯向物方的正弯月透镜，并且第二透镜为齐明透镜；
所述第四透镜、第七透镜、第九透镜和第十一透镜均为双凸透镜；
所述第五透镜、第八透镜和第十透镜均为弯向物方的负弯月透镜；
所述第六透镜和第十三透镜均为双凹透镜；
所述第十四透镜为平凹透镜。
所述第一透镜的折射率Nd1>l.4，色散系数Vd1>95；所述第二透镜的折射率Nd2>l.6，色散系数Vd2>60；所述第三透镜的折射率Nd3>l.6，色散系数Vd3>36；所述第四透镜的折射率Nd4>l.4，色散系数Vd4>86；所述第五透镜的折射率Nd5>l.5，色散系数Vd5>65；所述第六透镜的折射率Nd6>l.6，色散系数Vd6>42；所述第七透镜的折射率Nd7>l.4，色散系数Vd7>95；所述第八透镜的折射率Nd8>l.5，色散系数Vd8>49；所述第九透镜的折射率Nd9>l.4，色散系数Vd9>95；所述第十透镜的折射率Nd10>l.6，色散系数Vd10>60；所述第十一透镜的折射率Nd11>l.4，色散系数Vd11>86；所述第十二透镜的折射率Nd12>l.7，色散系数Vd12>54；所述第十三透镜的折射率Nd13>l.7，色散系数Vd13>54；所述第十四透镜的折射率Nd14>l.7，色散系数Vd14>54；所述第十五透镜的折射率Nd15>l.6，色散系数Vd15>38。
所有十五块透镜全部采用高透过率的i线光学玻璃，且均为无荧光光学材料。
所述显微物镜光学系统还包括一个光阑，所述光阑位于第五透镜和第六透镜之间，所述光阑为孔径光阑，用于限制成像光束的大小，并确保数值孔径NA＝0.9，根据瑞利分辨率公式
Figure BDA0003657384170000061
λ为工作波长365.0nm，特征分辨率为250nm。
所述第一透镜组中，第一透镜与第二透镜胶合在一起。
所述第二透镜组中，第四透镜与第五透镜胶合在一起，第九透镜与第十透镜胶合在一起。
所述第三透镜组中，第十一透镜与第十二透镜胶合在一起。
所述显微物镜光学系统的焦距为4.5mm，光学总长为73.3mm，最大物方视场半径为0.414mm。
所述显微物镜光学系统的像方出射为平行光，透镜最大口径为16mm。
所述显微物镜光学系统的像方数值孔径NA为0.9，工作波长范围为i线、h线和g线，即高压汞灯的主要三条谱线365.0nm、404.7nm、435.8nm。
本实施例所述的显微物镜光学系统光路示意图如图2所示，接近于物面的第一透镜组G1承担较大的正光焦度，在保证数值孔径NA＝0.9的同时强烈偏折光线，显著降低后部镜组的数值孔径。光线强烈偏折通常会引入大量的高级像差，为避免上述情况，前组包含齐明透镜，物体经过齐明透镜成像不会产生球差、彗差和像散，对于后续的像差校正大为有利，齐明透镜同时还具备了一定的平场作用。第二透镜组G2为弱光焦度正组，也是整个物镜系统中最为复杂的部分，其主要任务是补偿第一透镜组G1引入的各种复杂像差以及校正色差，包含双胶合及密接分离透镜组。第三透镜组G3为弱光焦度负组，包含对置平场镜组，主要任务是校正前置光路带来的场曲，同时也具备一定的色差校正作用，通过前、中、后组的密切配合，每个透镜组都同时参与对全部像差的校正和平衡，实现了兼顾高分辨率与大视场的成像性能。
远心光路是对显微物镜结构的基本要求之一，物方远心光路的特点在于孔径光阑被设置在系统的像方焦面处，这使得物方主光线具有平行于光轴的特性，物方远心可使显微物镜在全视场范围内获得相对一致的分辨力，也能确保同轴落射照明的均匀性。本实施例中，由于第一透镜组G1承担了较大光焦度，物方远心表明孔径光阑大致位于其后焦面上。
本实施例所述显微物镜光学系统的MTF曲线如图3所示，在1800lp/mm处，半物方视场0.332mm的MTF大于0.3且图中曲线均匀平滑，表明该物镜成像质量好。
本实施例所述显微物镜光学系统的点列图如图4所示，除了最大视场以外，各视场下的点列图RMS半径均小于0.5倍艾里斑半径，可认为该物镜的设计符合要求。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于晶圆AOI检测的紫外-可见显微物镜光学系统，其特征在于：定义物方为左侧，像方为右侧，由于光路可逆，按照反向光路设计，所述显微物镜光学系统从物方到像方沿其光轴方向，依次包括屈光度为正的第一透镜组(G1)、屈光度为正的第二透镜组(G2)以及屈光度为负的第三透镜组(G3)，其中：
所述第一透镜组从物方到像方沿其光轴方向依次包括：具有正光焦度的第一透镜(1)、具有正光焦度的第二透镜(2)和具有正光焦度的第三透镜(3)；
所述第二透镜组从物方到像方沿其光轴方向依次包括：具有正光焦度的第四透镜(4)、具有正光焦度的第五透镜(5)、具有负光焦度的第六透镜(6)、具有正光焦度的第七透镜(7)、具有负光焦度的第八透镜(8)、具有正光焦度的第九透镜(9)以及具有负光焦度的第十透镜(10)；
所述第三透镜组从物方到像方沿其光轴方向依次包括：具有正光焦度的第十一透镜(11)、具有正光焦度的第十二透镜(12)、具有负光焦度的第十三透镜(13)、具有负光焦度的第十四透镜(14)以及具有正光焦度的第十五透镜(15)。
2.根据权利要求1所述的一种用于晶圆AOI检测的紫外-可见显微物镜光学系统，其特征在于：所述第一透镜、第三透镜和第十五透镜均为平凸透镜；
所述第二透镜、第十二透镜均为弯向物方的正弯月透镜，并且第二透镜为齐明透镜；
所述第四透镜、第七透镜、第九透镜和第十一透镜均为双凸透镜；
所述第五透镜、第八透镜和第十透镜均为弯向物方的负弯月透镜；
所述第六透镜和第十三透镜均为双凹透镜；
所述第十四透镜为平凹透镜。
3.根据权利要求1所述的一种用于晶圆AOI检测的紫外-可见显微物镜光学系统，其特征在于：所述第一透镜的折射率Nd1>l.4，色散系数Vd1>95；所述第二透镜的折射率Nd2>l.6，色散系数Vd2>60；所述第三透镜的折射率Nd3>l.6，色散系数Vd3>36；所述第四透镜的折射率Nd4>l.4，色散系数Vd4>86；所述第五透镜的折射率Nd5>l.5，色散系数Vd5>65；所述第六透镜的折射率Nd6>l.6，色散系数Vd6>42；所述第七透镜的折射率Nd7>l.4，色散系数Vd7>95；所述第八透镜的折射率Nd8>l.5，色散系数Vd8>49；所述第九透镜的折射率Nd9>l.4，色散系数Vd9>95；所述第十透镜的折射率Nd10>l.6，色散系数Vd10>60；所述第十一透镜的折射率Nd11>l.4，色散系数Vd11>86；所述第十二透镜的折射率Nd12>l.7，色散系数Vd12>54；所述第十三透镜的折射率Nd13>l.7，色散系数Vd13>54；所述第十四透镜的折射率Nd14>l.7，色散系数Vd14>54；所述第十五透镜的折射率Nd15>l.6，色散系数Vd15>38。
4.根据权利要求1所述的一种用于晶圆AOI检测的紫外-可见显微物镜光学系统，其特征在于：所述显微物镜光学系统还包括一个光阑，所述光阑位于第五透镜和第六透镜之间，所述光阑为孔径光阑，用于限制成像光束的大小，并确保数值孔径NA＝0.9，根据瑞利分辨率公式
Figure FDA0003657384160000021
λ为工作波长365.0nm，特征分辨率为250nm。
5.根据权利要求1所述的一种用于晶圆AOI检测的紫外-可见显微物镜光学系统，其特征在于：所述第一透镜组中，第一透镜与第二透镜胶合在一起。
6.根据权利要求1所述的一种用于晶圆AOI检测的紫外-可见显微物镜光学系统，其特征在于：所述第二透镜组中，第四透镜与第五透镜胶合在一起，第九透镜与第十透镜胶合在一起。
7.根据权利要求1所述的一种用于晶圆AOI检测的紫外-可见显微物镜光学系统，其特征在于：所述第三透镜组中，第十一透镜与第十二透镜胶合在一起。
8.根据权利要求1所述的一种用于晶圆AOI检测的紫外-可见显微物镜光学系统，其特征在于：所述显微物镜光学系统的焦距为4.5mm，光学总长为73.3mm，最大物方视场半径为0.414mm。
9.根据权利要求1所述的一种用于晶圆AOI检测的紫外-可见显微物镜光学系统，其特征在于：所述显微物镜光学系统的像方出射为平行光，透镜最大口径为16mm。
10.根据权利要求1所述的一种用于晶圆AOI检测的紫外-可见显微物镜光学系统，其特征在于：所述显微物镜光学系统的像方数值孔径NA为0.9，工作波长范围为i线、h线和g线，即高压汞灯的主要三条谱线365.0nm、404.7nm、435.8nm。
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