CN116338924B - 一种显微物镜光学系统、硅片缺陷的检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种显微物镜光学系统、一种硅片缺陷的检测装置以及一种硅片缺陷的检测方法。该显微物镜光学系统包括：光阑；第一透镜组，位于光阑的第一侧，具有负的第一光焦度、第一球差、第一场曲、第一色差、第一像散、第一彗差及负的第一畸变；第二透镜组，位于光阑的第二侧，具有第二光焦度、正的第二球差、正的第二场曲、负的第二色差、第二像散、第二彗差及第二畸变；以及第三折反透镜组，位于第二透镜组的第二侧，具有第三光焦度、第三球差、第三场曲、第三色差、正的第三像散、正的第二彗差，以及第三畸变。本发明能够同时满足大视场、高数值孔径、宽光谱波段的观测需求，并获得接近衍射极限的高成像质量及低光学畸变的成像效果。
Description
技术领域
本发明涉及半导体缺陷检测技术领域，尤其涉及一种显微物镜光学系统、一种硅片缺陷的检测装置，以及一种硅片缺陷的检测方法。
背景技术
在集成电路制造过程中，本领域主要利用光学显微成像检测法对硅片表面缺陷进行检测。在光学显微成像检测法中，显微物镜是其中最为关键的部件，直接影响检测分辨率和检测速度。因此，高质量的显微物镜对于进一步提高检测分辨率与检测速度具有十分重要的意义。
显微物镜的检测分辨率、检测速度与显微物镜的视场、数值孔径（NA）相关。显微物镜的视场代表着显微镜系统能够观察到物体的范围。显微物镜的数值孔径NA越高，则检测分辨率会更高。现有技术中，显微物镜常常采用折射式系统或折反射系统，以实现在一定的光谱范围内尽可能地提高数值孔径的同时扩大视场的范围。然而，目前在紫外-可见波段（即350nm~550nm）的光谱波段内鲜有能够在数值孔径NA≥0.9（干式）的同时实现视场D≥1.2mm的显微物镜光学系统，因而难以对半导体缺陷进行高分辨率且快速的检测。
为克服现有技术所存在的上述缺陷，本领域亟需一种半导体缺陷检测技术，用于同时满足大视场、高数值孔径以及宽光谱波段的观测需求，并获得接近衍射极限的高成像质量及低光学畸变的成像效果，从而同时提高半导体缺陷的检测速度与检测分辨率，并满足硅片缺陷检测装置或其他超精密表面形貌测量装置的应用需求。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之前序。
为克服现有技术所存在的上述缺陷，本发明提供了一种显微物镜光学系统、一种硅片缺陷的检测装置以及一种硅片缺陷的检测方法，能够同时满足大视场、高数值孔径以及宽光谱波段的观测需求，并获得接近衍射极限的高成像质量及低光学畸变的成像效果，从而同时提高半导体缺陷的检测速度与检测分辨率，并满足硅片缺陷检测装置或其他超精密表面形貌测量装置的应用需求。
具体来说，根据本发明的第一方面提供的上述显微物镜光学系统包括：光阑；第一透镜组，位于所述光阑的第一侧，具有负的第一光焦度、第一球差、第一场曲、第一色差、第一像散、第一彗差及负的第一畸变；第二透镜组，位于所述光阑的第二侧，具有第二光焦度、正的第二球差、正的第二场曲、负的第二色差、第二像散、第二彗差及第二畸变，其中，所述第一透镜组与所述第二透镜组共同产生负的组合像散及负的组合彗差；以及第三折反透镜组，位于所述第二透镜组的所述第二侧，具有第三光焦度、第三球差、第三场曲、第三色差、正的第三像散、正的第二彗差，以及第三畸变，其中，所述第二透镜组与所述第三折反透镜组共同产生正的组合光焦度，所述第一透镜组与所述第三折反透镜组共同产生负的组合球差、负的组合场曲及正的组合色差，所述第二透镜组与所述第三折反透镜组共同产生正的组合畸变。
优选地，在本发明的一实施例中，所述第一透镜组由第一负透镜、第二正透镜、第三正透镜、第四正透镜、第五负透镜及第六负透镜组成，其中包含至少两种不同色散的玻璃。
优选地，在本发明的一实施例中，所述第一负透镜具有曲率半径为-88.714mm的第一表面和曲率半径为-50.296mm的第二表面，和/或所述第一负透镜的厚度为12.246mm，和/或所述第二正透镜具有曲率半径为37.127mm的第一表面和曲率半径为-1971.866mm的第二表面，和/或所述第二正透镜的厚度为2.743mm，和/或所述第三正透镜具有曲率半径为20.717mm的第一表面和曲率半径为61.996mm的第二表面，和/或所述第三正透镜的厚度为2.819mm，和/或所述第四正透镜具有曲率半径为12.251mm的第一表面和曲率半径为39.080mm的第二表面，和/或所述第四正透镜的厚度为3.158mm，和/或所述第五负透镜具有曲率半径为136.840mm的第一表面和曲率半径为5.640mm的第二表面，和/或所述第五负透镜的厚度为1.621mm，和/或所述第六负透镜具有曲率半径为-16.730mm的第一表面和曲率半径为6.409mm的第二表面，和/或所述第六负透镜的厚度为2.111mm。
优选地，在本发明的一实施例中，所述第一负透镜的第二表面到所述第二正透镜的第一表面的间距为0.188mm，和/或所述第二正透镜的第二表面到所述第三正透镜的第一表面的间距为0.026mm，和/或所述第三正透镜的第二表面到所述第四正透镜的第一表面的间距为0.009mm，和/或所述第四正透镜的第二表面到所述第五负透镜的第一表面的间距为0.421mm，和/或所述第五负透镜的第二表面到所述第六负透镜的第一表面的间距为2.727mm，和/或所述第六负透镜的第二表面到所述光阑的间距为8.890mm。
优选地，在本发明的一实施例中，所述第二透镜组由第七正透镜、第八正透镜、第九负透镜、第十正透镜、第十一正透镜、第十二正透镜及第十三负透镜组成，其中包含至少两种不同色散的玻璃。
优选地，在本发明的一实施例中，所述第七正透镜具有曲率半径为20.330mm的第一表面和曲率半径为-33.085mm的第二表面，和/或所述第七正透镜的厚度为1.992mm，和/或所述第八正透镜具有曲率半径为12.461mm的第一表面和曲率半径为66.863mm的第二表面，和/或所述第八正透镜的厚度为2.103mm，和/或所述第九负透镜具有曲率半径为8.407mm的第一表面和曲率半径为5.433mm的第二表面，和/或所述第九负透镜的厚度为5.512mm，和/或所述第十正透镜具有曲率半径为14.461mm的第一表面和曲率半径为-8.389mm的第二表面，和/或所述第十正透镜的厚度为2.047mm，和/或所述第十一正透镜具有曲率半径为7.577 mm的第一表面和曲率半径为-14.652mm的第二表面，和/或所述第十一正透镜的厚度为3.582mm，和/或所述第十二正透镜具有曲率半径为-24.637mm的第一表面和曲率半径为-6.109mm的第二表面，和/或所述第十二正透镜的厚度为3.486mm，和/或所述第十三负透镜具有曲率半径为-3.597mm的第一表面和曲率半径为-5.409的第二表面，和/或所述第十三负透镜的厚度为2.153mm。
优选地，在本发明的一实施例中，所述第七正透镜的第二表面到所述第八正透镜的第一表面的间距为0.053mm，和/或所述第八正透镜的第二表面到所述第九负透镜的第一表面的间距为0.041mm，和/或所述第九负透镜的第二表面到所述第十正透镜的第一表面的间距为1.338mm，和/或所述第十正透镜的第二表面到所述第十一正透镜的第一表面的间距为0.034mm，和/或所述第十一正透镜的第二表面到所述第十二正透镜的第一表面的间距为1.416mm，和/或所述第十二正透镜的第二表面到所述第十三负透镜的第一表面的间距为0.384mm，和/或所述第十三负透镜的第二表面到所述第三折反透镜组的第一表面的间距为6.312mm。
优选地，在本发明的一实施例中，所述至少两种不同色散的玻璃选自紫外熔融石英玻璃和/或氟化钙玻璃。
优选地，在本发明的一实施例中，所述第三折反透镜组由第十四负透镜、第十五漫反射镜及第十六凹面反射镜组成，其中，所述第十五漫反射镜上设有像面视孔，所述第十六凹面反射镜上设有通光孔，所述第二透镜组的第二侧经由所述通光孔伸入所述第三折反透镜组，所述像面视孔发出的光线依次经过所述第十五漫反射镜的第一表面、所述第十四负透镜的第二表面及第一表面、所述第十六凹面反射镜的反射面、所述第十四负透镜的第一表面及第二表面、所述第十五漫反射镜的第一表面及第二反射面，以及所述第十四负透镜的第二表面及第一表面，以抵达所述第二透镜组。
优选地，在本发明的一实施例中，所述第十四负透镜具有曲率半径为89.550mm的第一表面和曲率半径为54.329mm的第二表面，和/或所述第十四负透镜的厚度为8.294mm，和/或所述第十五漫反射镜具有曲率半径为98.412mm的第一表面，和/或所述第十五漫反射镜的厚度为2.781mm。
优选地，在本发明的一实施例中，所述第十四负透镜的第二表面到所述第十五漫反射镜的第一表面的间距为4.313mm，和/或所述第十四负透镜的第一表面到所述第十六凹面反射镜的反射面的间距为7.271mm。
优选地，在本发明的一实施例中，所述第一透镜组的第一焦距fS1、所述第二透镜组的第二焦距fS2、所述第三折反透镜组的第三焦距fS3及所述显微物镜光学系统的组合焦距fE1，满足以下关系式：
1<| fS1/ fS3|<2，0.5<| fS2/ fS3|<1.5，2.5<| fS3/ fE1|<5。
优选地，在本发明的一实施例中，所述显微物镜光学系统在350nm~550nm的光谱波段内的数值孔径NA≥0.9且视场D≥1.2mm。
此外，根据本发明的第二方面提供的上述硅片缺陷的检测装置包括：上述任意一个实施例所提供的显微物镜光学系统，其第二侧朝向待测硅片；图像采集模块，对准所述显微物镜光学系统的第一侧；以及控制器，被配置为：控制所述图像采集模块，经由所述显微物镜光学系统采集所述待测硅片的显微图像；以及根据所述显微图像，对所述待测硅片进行缺陷检测。
此外，根据本发明的第三方面提供的上述硅片缺陷的检测方法包括以下步骤：控制图像采集模块，经由上述任意一个实施例所提供的显微物镜光学系统，采集待测硅片的显微图像；以及根据所述显微图像，对所述待测硅片进行缺陷检测。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1示出了根据本发明的一些实施例提供的显微物镜光学系统的光路图。
图2示出了根据本发明的一些实施例提供的显微物镜光学系统的光学传递函数图。
图3示出了根据本发明的一些实施例提供的显微物镜光学系统的波前误差均方根随视场变化的曲线图。
图4示出了根据本发明的一些实施例提供的显微物镜光学系统的点列图。
图5示出了根据本发明的一些实施例提供的显微物镜光学系统的光学畸变随视场变化的曲线图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。
能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。
如上所述，现有技术中，显微物镜常常采用折射式系统或折反射系统，以实现在一定的光谱范围内尽可能地提高数值孔径的同时扩大视场的范围。然而，目前在紫外-可见波段即350nm~550nm的光谱波段内鲜有能够在数值孔径NA≥0.9（干式）的同时实现视场D≥1.2mm的显微物镜光学系统，因而难以对半导体缺陷进行高分辨率且快速的检测。
为克服现有技术所存在的上述缺陷，本发明提供了一种显微物镜光学系统、一种硅片缺陷的检测装置以及一种硅片缺陷的检测方法，能够同时满足大视场（例如：D≥1.2mm）、高数值孔径（例如：NA≥0.9）以及宽光谱波段（例如：350nm~550nm）的观测需求，并获得接近衍射极限的高成像质量及低光学畸变（例如：小于0.05%）的成像效果，从而同时提高半导体缺陷的检测速度与检测分辨率，并满足硅片缺陷检测装置或其他超精密表面形貌测量装置的应用需求。
在一些非限制性的实施例中，本发明的第三方面提供的上述硅片缺陷的检测方法可以经由本发明的第一方面提供的上述显微物镜光学系统来实施。具体来说，该显微物镜光学系统可以被配置于本发明的第三方面提供的上述硅片缺陷的检测装置。该硅片缺陷的检测装置中包括该显微物镜光学系统、图像采集模块以及控制器。该显微物镜光学系统的第二侧朝向待测硅片，而该图像采集模块对准该显微物镜光学系统的第一侧。该控制器被配置用于执行本发明的第三方面提供的上述硅片缺陷的检测方法，控制图像采集模块经由显微物镜光学系统采集待测硅片的显微图像，并根据采集的显微图像对待测硅片进行缺陷检测。
具体请参考图1，图1示出了根据本发明的一些实施例提供的显微物镜光学系统的光路图。
如图1所示，本发明的第一方面提供的上述显微物镜光学系统包括光阑10、第一透镜组11、第二透镜组12以及第三折反透镜组13。在一些实施例中，该第一透镜组11、光阑10、第二透镜组12以及第三折反透镜组13可以沿图中所示的从左到右的光路方向同轴依次排列。
具体来说，上述第一透镜组11可以位于光阑10的左侧，由第一负透镜、第二正透镜、第三正透镜、第四正透镜、第五负透镜及第六负透镜组成，并优选地包含至少两种不同色散的玻璃，以校正色差。在此，不同色散的玻璃可以选自紫外熔融石英玻璃（F_SILICA）和/或氟化钙玻璃（CAF2）。
优选地，上述第一负透镜可以具有曲率半径为-88.714mm的第一表面和曲率半径为-50.296mm的第二表面，其厚度可以为12.246mm。上述第二正透镜可以具有曲率半径为37.127mm的第一表面和曲率半径为-1971.866mm的第二表面，其厚度可以为2.743mm。上述第三正透镜可以具有曲率半径为20.717mm的第一表面和曲率半径为61.996mm的第二表面，其厚度可以为2.819mm。上述第四正透镜可以具有曲率半径为12.251mm的第一表面和曲率半径为39.080mm的第二表面，其厚度可以为3.158mm。上述第五负透镜可以具有曲率半径为136.840mm的第一表面和曲率半径为5.640mm的第二表面，其厚度可以为1.621mm。上述第六负透镜具有曲率半径为-16.730mm的第一表面和曲率半径为6.409mm的第二表面，其厚度可以为2.111mm。如此，本发明提供的上述第一透镜组11可以具有第一透镜组焦距fS1，并具有负的第一光焦度、第一球差、第一场曲、第一色差、第一像散、第一彗差及负的第一畸变，能够将从第一负透镜左侧的观侧端输入的第一光束高效、均匀地传输到光阑10，或将第二透镜组12经由光阑10输出的第二光束（即物像光线）高效、均匀地传输到第一负透镜左侧的观测端。
更优地，该第一负透镜的第二表面到第二正透镜的第一表面的间距可以为0.188mm。该第二正透镜的第二表面到第三正透镜的第一表面的间距可以为0.026mm。该第三正透镜的第二表面到第四正透镜的第一表面的间距可以为0.009mm。该第四正透镜的第二表面到第五负透镜的第一表面的间距可以为0.421mm。该第五负透镜的第二表面到第六负透镜的第一表面的间距可以为2.727mm。该第六负透镜的第二表面到光阑10的间距为8.890mm。如此，本发明提供的上述第一透镜组11可以适应上述第一至第六透镜的单体光学元件参数，合理调配各透镜之间的间距，以实现第一透镜组11的紧凑化设计，从而减少第一透镜组11沿光路方向的长度。
此外，上述第二透镜组12可以位于光阑10的右侧，由第七正透镜、第八正透镜、第九负透镜、第十正透镜、第十一正透镜、第十二正透镜及第十三负透镜组成，并优选地包含至少两种不同色散的玻璃，以校正色差。在此，不同色散的玻璃可以选自紫外熔融石英玻璃（F_SILICA）和/或氟化钙玻璃（CAF2）。
优选地，上述第七正透镜可以具有曲率半径为20.330mm的第一表面和曲率半径为-33.085mm的第二表面，其厚度可以为1.992mm。上述第八正透镜可以具有曲率半径为12.461mm的第一表面和曲率半径为66.863mm的第二表面，其厚度可以为2.103mm。上述第九负透镜可以具有曲率半径为8.407mm的第一表面和曲率半径为5.433mm的第二表面，其厚度可以为5.512mm。上述第十正透镜可以具有曲率半径为14.461mm的第一表面和曲率半径为-8.389mm的第二表面，其厚度可以为2.047mm。上述第十一正透镜可以具有曲率半径为7.577mm的第一表面和曲率半径为-14.652mm的第二表面，其厚度可以为3.582mm。上述第十二正透镜具有曲率半径为-24.637mm的第一表面和曲率半径为-6.109mm的第二表面，其厚度可以为3.486mm。上述第十三负透镜可以具有曲率半径为-3.597mm的第一表面和曲率半径为-5.409的第二表面，其厚度可以为2.153mm。如此，本发明提供的上述第二透镜组12可以具有第二透镜组焦距fS2，具有第二光焦度、正的第二球差、正的第二场曲、负的第二色差、第二像散、第二彗差及第二畸变，并与上述第一透镜组11共同产生负的组合像散及负的组合彗差，能够将从第一负透镜左侧的观测端输入的第一光束高效、均匀地传输到第三折反透镜组13，或将物像平面15经由第三折反透镜组13输出的第二光束（即物像光线）高效、均匀地传输到光阑10。
更优地，该第七正透镜的第二表面到第八正透镜的第一表面的间距可以为0.053mm。该第八正透镜的第二表面到第九负透镜的第一表面的间距可以为0.041mm。该第九负透镜的第二表面到第十正透镜的第一表面的间距可以为1.338mm。该第十正透镜的第二表面到第十一正透镜的第一表面的间距可以为0.034mm。该第十一正透镜的第二表面到第十二正透镜的第一表面的间距可以为1.416mm。该第十二正透镜的第二表面到第十三负透镜的第一表面的间距可以为0.384mm。该第十三负透镜的第二表面到第三折反透镜组13的左侧表面的间距可以为6.312mm。如此，本发明提供的上述第二透镜组12可以适应上述第七至第十三透镜的单体光学元件参数，合理调配各透镜之间的间距，以实现第二透镜组12的紧凑化设计，从而减少第二透镜组12沿光路方向的长度。
此外，上述第三折反透镜组13可以位于上述第二透镜组12的右侧，由第十四负透镜、第十五漫反射镜及第十六凹面反射镜组成。具体来说，该第十四负透镜可以为弯月型负透镜。该第十五漫反射镜可以为正漫金镜，其反射镜上设有像面视孔。该第十六凹面反射镜可以为凹球面反射镜，其反射镜上设有通光孔。
优选地，上述第二透镜组12的右侧可以经由第十六凹面反射镜上的该通光孔伸入第三折反透镜组13。上述第十四负透镜可以具有曲率半径为89.550mm的第一表面和曲率半径为54.329mm的第二表面，其厚度可以为8.294mm。该第十五漫反射镜可以具有曲率半径为98.412mm的第一表面，其厚度可以为2.781mm。如此，本发明提供的上述第三折反透镜组13可以具有第三透镜组焦距fS3，并具有第三光焦度、第三球差、第三场曲、第三色差、正的第三像散、正的第二彗差及第三畸变，能与第二透镜组12共同产生正的组合光焦度，与第一透镜组11共同产生负的组合球差、负的组合场曲及正的组合色差，并与第二透镜组12共同产生正的组合畸变。
此外，从第一负透镜左侧的观测端输入的第一光束可以经由第一透镜组11、光阑10及第二透镜组12传输到第三折反透镜组13，再依次经由第十四负透镜的第一表面及第二表面、第十五漫反射镜的第一表面及第二反射面、第十四负透镜的第二表面及第一表面、第十六凹面反射镜的反射面、第十四负透镜的第一表面及第二表面及第十五漫反射镜的第一表面，高效、均匀地通过像面视孔传输到物像平面15。反之，物像平面15经由像面视孔发出的第二光束（即物像光线）可以依次经过第十五漫反射镜的第一表面、第十四负透镜的第二表面及第一表面、第十六凹面反射镜的反射面、第十四负透镜的第一表面及第二表面、第十五漫反射镜的第一表面及第二反射面，以及第十四负透镜的第二表面及第一表面，高效、均匀地经由通光孔抵达第二透镜组12。
更优地，上述第十四负透镜的第二表面到第十五漫反射镜的第一表面的间距可以为4.313mm。上述第十四负透镜的第一表面到第十六凹面反射镜的反射面的间距为7.271mm。如此，本发明提供的上述第三折反透镜组13可以适应上述第十四负透镜、第十五漫反射镜及第十六凹面反射镜等光学元件的单体光学参数，合理调配各透镜、反光镜之间的间距，以实现第三折反透镜组13的紧凑化设计，从而减少第三折反透镜组13沿光路方向的长度。
更优地，上述第二透镜组12及第三折反透镜组13可以共同产生较大的正光焦度，抵消第一透镜组11产生的较小的负光焦度，以使显微物镜光学系统具有高的数值孔径（NA）。此外，上述第二透镜组12可以产生较大的正球差、正场曲及负色差，抵消第一透镜组11及第三折反透镜组13共同产生的负球差、负场曲及正色差，以平衡显微物镜光学系统的球差、场曲及色差。此外，上述第一透镜组11及第二透镜组12可以共同产生较大的负像散及负彗差，抵消第三折反透镜组13较大的正像散及正彗差，以平衡显微物镜光学系统的像散及彗差。此外，位于光阑10左侧的第一透镜组11可以产生较大的负畸变，抵消光阑10右侧的第二透镜组12及第三折反透镜组13共同产生的正畸变，以平衡显微物镜光学系统的畸变。如此，本发明提供的上述显微物镜光学系统即可通过三组光学元件11~13的像差平衡，实现显微物镜光学系统的大视场、高NA及低畸变成像。
进一步地，通过结合上述第一透镜组11、第二透镜组12以及第三折反透镜组13的三个实施例，本发明提供的上述显微物镜光学系统中可以包括16片光学元件。各光学元件均可以优选地采用球面面型，以方便技术人员的加工装调。此外，通过配合采用上述第一透镜组11、第二透镜组12以及第三折反透镜组13的紧凑化设计，本发明提供的上述显微物镜光学系统在其光路方向上的长度可以被优化为100mm，十分紧凑。此外，通过采用相对较少的透镜数量，并采用吸收系数较小的镀膜透镜材料，各透镜的表面透过率可以大于0.99，从而使光线在经过整个显微物镜光学系统的38个光学表面后，获得0.99^38=68%的光学系统总透过率。
更进一步地，在一些实施例中，上述第一透镜组11的第一焦距fS1、第二透镜组12的第二焦距fS2、第三折反透镜组13的第三焦距fS3及显微物镜光学系统的组合焦距fE1，可以满足以下关系式：
1<| fS1/ fS3|<2，0.5<| fS2/ fS3|<1.5，2.5<| fS3/ fE1|<5。
根据光路可逆原理，显微物镜光学系统可以采用无穷远校正，即物方所发出的光线为不同视场角的平行光，显微物镜光学系统的物像平面15为被检测的样品所在的平面，其大小即为显微物镜光学系统的视场D大小。由于显微物镜光学系统为中心对称，视场D与显微物镜光学系统的组合焦距fE1以及视场角A的关系为：D=2fE1*tan(A)。
如此，通过第一透镜组11、第二透镜组12以及第三折反透镜组13的像差平衡，显微物镜光学系统可以在350nm~550nm的紫外-可见光的光谱波段内的数值孔径NA≥0.9且视场D≥1.2mm。
以下将结合一优选实施例来描述上述显微物镜光学系统的工作原理，并据此对本发明提出的显微物镜光学系统进行进一步展开说明。本领域的技术人员可以理解，该实施例只是本发明提供的一些非限制性的实施方式，旨在清楚地展示本发明的主要构思，并提供一些便于公众实施的具体方案，而非用于限制该显微物镜光学系统所能采用的全部功能、全部工作方式或各光学参数。
请结合参考表1及图1~图5。表1记载了图1所示的显微物镜光学系统中各光学元件的关键光学参数。图2示出了根据本发明的一些实施例提供的显微物镜光学系统的光学传递函数图。图3示出了根据本发明的一些实施例提供的显微物镜光学系统的波前误差均方根随视场变化的曲线图。图4示出了根据本发明的一些实施例提供的显微物镜光学系统的点列图。图5示出了根据本发明的一些实施例提供的显微物镜光学系统的光学畸变随视场变化的曲线图。
表1
| 表面 | 曲率半径 | 距离 | 材料 |
| 表面1 | -88.714 | 12.246 | 紫外熔融石英玻璃 |
| 表面2 | -50.296 | 0.188 | |
| 表面3 | 37.127 | 2.743 | 紫外熔融石英玻璃 |
| 表面4 | -1971.866 | 0.026 | |
| 表面5 | 20.717 | 2.819 | 紫外熔融石英玻璃 |
| 表面6 | 61.996 | 0.009 | |
| 表面7 | 12.251 | 3.158 | 紫外熔融石英玻璃 |
| 表面8 | 39.080 | 0.421 | |
| 表面9 | 136.840 | 1.621 | 氟化钙玻璃 |
| 表面10 | 5.640 | 2.727 | |
| 表面11 | -16.730 | 2.111 | 紫外熔融石英玻璃 |
| 表面12 | 6.409 | 8.890 | |
| 表面13 | 20.330 | 1.992 | 紫外熔融石英玻璃 |
| 表面14 | -33.085 | 0.053 | |
| 表面15 | 12.461 | 2.103 | 紫外熔融石英玻璃 |
| 表面16 | 66.863 | 0.041 | |
| 表面17 | 8.407 | 5.512 | 紫外熔融石英玻璃 |
| 表面18 | 5.433 | 1.338 | |
| 表面19 | 14.461 | 2.047 | 紫外熔融石英玻璃 |
| 表面20 | -8.389 | 0.034 | |
| 表面21 | 7.577 | 3.582 | 氟化钙玻璃 |
| 表面22 | -14.652 | 1.416 | |
| 表面23 | -24.637 | 3.486 | 紫外熔融石英玻璃 |
| 表面24 | -6.109 | 0.384 | |
| 表面25 | -3.597 | 2.153 | 紫外熔融石英玻璃 |
| 表面26 | -5.409 | 6.312 | |
| 表面27 | 89.550 | 8.294 | 紫外熔融石英玻璃 |
| 表面28 | 54.329 | 4.313 | |
| 表面29 | 98.412 | 2.781 | 紫外熔融石英玻璃 |
| 表面30 | / | -2.781 | 反射镜面 |
| 表面31 | 98.412 | -4.313 | |
| 表面32 | 54.329 | -8.294 | 紫外熔融石英玻璃 |
| 表面33 | 89.550 | -7.271 | |
| 表面34 | 26.343 | 7.271 | 反射镜面 |
| 表面35 | 89.550 | 8.294 | 紫外熔融石英玻璃 |
| 表面36 | 54.329 | 4.313 | |
| 表面37 | 98.412 | 2.781 | 紫外熔融石英玻璃 |
| 表面38 | / | 0.530 | |
| 物像平面 | / | 0.000 |
在本优选实施例中，该显微物镜光学系统的组合焦距fE1可以为4mm，采用无穷远校正，其远心度小于0.5°。在此，远心度是描述主光线偏离于光轴的角度，角度越小远心度越好。视场D与显微物镜光学系统的组合焦距fE1以及视场角A的关系为：D=2fE1*tan(A)，即视场D为1.4mm时，视场角A为9.92°。
图2所示的横坐标表示物体的空间频率，其单位为线对/毫米，用于描述单位空间内物体有多少黑白条纹数。图2所示的纵坐标表示光学传递函数（Optical TransferFunction，OTF）的值，是指物体的黑白对比度是1时，经过显微物镜光学系统后其对比度的值。不同的曲线表示在不同的视场角A下OTF随物体的空间频率的变化。图中曲线的视场D可以通过D=2fE1*tan(A)进行换算。由图2可见，本优选实施例提供的该显微物镜光学系统的光学传递函数接近衍射极限（Diffraction Limit），在其视场D（视场角A为9.92°，半视场D/2为0.7mm）内，且物体空间频率3200线对/毫米时，OTF值均大于0.1。
图3所示的是在波长360nm、485nm、550nm时，波前误差均方根（Root Mean Square，RMS）随视场变化的关系曲线，其横坐标表示视场角A的角度，而视场D可以根据D=2fE1*tan(A)进行换算得到。图3所示的纵坐标表示波前误差均方根RMS的值。由图3可见，在本优选实施例提供的该显微物镜光学系统视场D内，波前误差均方根均小于衍射极限。
图4所示的是本优选实施例中显微物镜光学系统的点列图。由图4可见，本优选实施例提供的该显微物镜光学系统的各视场内点列图的RMS半径均小于艾里斑半径，表明该显微物镜光学系统达到衍射极限水平，成像质量优秀。
图5所示的纵坐标表示视场角A，其视场D可以通过D=2fE1*tan(A)换算得到。由图5可见，本优选实施例提供的该显微物镜光学系统在工作光谱段内的视场D内畸变均小于0.05%，成像畸变小。
综上，本发明提供的上述显微物镜光学系统、硅片缺陷的检测装置及硅片缺陷的检测方法，可以同时满足在紫外-可见波段（即350nm~550nm）的宽光谱段内，以高数值孔径（例如：NA=0.9）及大视场（例如：D=1.4mm）的成像的观测需求，并获得接近衍射极限的高成像质量及低光学畸变（例如：小于0.05%）的成像效果 ，从而同时提高半导体缺陷的检测速率与检测分辨率，并满足硅片缺陷检测装置或其他超精密表面形貌测量装置的应用需求。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
本领域技术人员将可理解，信息、信号和数据可使用各种不同技术和技艺中的任何技术和技艺来表示。例如，以上描述通篇引述的数据、指令、命令、信息、信号、位（比特）、码元、和码片可由电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光学粒子、或其任何组合来表示。
本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
Claims (13)
1.一种显微物镜光学系统，其特征在于，包括：
光阑；
第一透镜组，位于所述光阑的像方侧，具有负的第一光焦度、第一球差、第一场曲、第一色差、第一像散、第一彗差及负的第一畸变；
第二透镜组，位于所述光阑的物方侧，具有第二光焦度、正的第二球差、正的第二场曲、负的第二色差、第二像散、第二彗差及第二畸变，其中，所述第一透镜组与所述第二透镜组共同产生负的组合像散及负的组合彗差；以及
第三折反透镜组，位于所述第二透镜组的物方侧，具有第三光焦度、第三球差、第三场曲、第三色差、正的第三像散、正的第二彗差，以及第三畸变，其中，所述第二透镜组与所述第三折反透镜组共同产生正的组合光焦度，所述第一透镜组与所述第三折反透镜组共同产生负的组合球差、负的组合场曲及正的组合色差，所述第二透镜组与所述第三折反透镜组共同产生正的组合畸变，其中，
所述光学系统中具有光焦度的透镜组数量为三，所述第一透镜组的第一焦距fS1、所述第二透镜组的第二焦距fS2、所述第三折反透镜组的第三焦距fS3及所述显微物镜光学系统的组合焦距fE1，满足以下关系式：1<| fS1/ fS3|<2，0.5<| fS2/ fS3|<1.5，2.5<| fS3/fE1|<5，
所述显微物镜光学系统在350nm~550nm 的光谱波段内的数值孔径NA≥0.9 且视场D≥1.2mm。
2. 如权利要求1所述的显微物镜光学系统，其特征在于，所述第一透镜组由第一负透镜、第二正透镜、第三正透镜、第四正透镜、第五负透镜及第六负透镜组成，其中包含至少两种不同色散的玻璃。
3. 如权利要求2所述的显微物镜光学系统，其特征在于，所述第一负透镜的第一表面和第二表面的曲率半径分别为-88.714mm和-50.296mm，和/或所述第一负透镜的厚度为12.246mm；和/或
所述第二正透镜的第一表面和第二表面的曲率半径分别为37.127mm和-1971.866mm，和/或所述第二正透镜的厚度为2.743mm；和/或
所述第三正透镜的第一表面和第二表面的曲率半径分别为20.717mm和61.996mm，和/或所述第三正透镜的厚度为2.819mm；和/或
所述第四正透镜的第一表面和第二表面的曲率半径分别为12.251mm和39.080mm，和/或所述第四正透镜的厚度为3.158mm；和/或
所述第五负透镜的第一表面和第二表面的曲率半径分别为136.840mm和5.640mm，和/或所述第五负透镜的厚度为1.621mm；和/或
所述第六负透镜的第一表面和第二表面的曲率半径分别为-16.730mm和6.409mm，和/或所述第六负透镜的厚度为2.111mm。
4. 如权利要求3所述的显微物镜光学系统，其特征在于，所述第一负透镜的第二表面到所述第二正透镜的第一表面的间距为0.188mm，和/或
所述第二正透镜的第二表面到所述第三正透镜的第一表面的间距为0.026mm，和/或
所述第三正透镜的第二表面到所述第四正透镜的第一表面的间距为0.009mm，和/或
所述第四正透镜的第二表面到所述第五负透镜的第一表面的间距为0.421mm，和/或
所述第五负透镜的第二表面到所述第六负透镜的第一表面的间距为2.727mm，和/或
所述第六负透镜的第二表面到所述光阑的间距为8.890mm。
5. 如权利要求1所述的显微物镜光学系统，其特征在于，所述第二透镜组由第七正透镜、第八正透镜、第九负透镜、第十正透镜、第十一正透镜、第十二正透镜及第十三负透镜组成，其中包含至少两种不同色散的玻璃。
6. 如权利要求5所述的显微物镜光学系统，其特征在于，所述第七正透镜的第一表面和第二表面的曲率半径分别为20.330mm和-33.085mm，和/或所述第七正透镜的厚度为1.992mm；和/或
所述第八正透镜的第一表面和第二表面的曲率半径分别为12.461mm和66.863mm，和/或所述第八正透镜的厚度为2.103mm；和/或
所述第九负透镜的第一表面和第二表面的曲率半径分别为8.407mm和5.433mm，和/或所述第九负透镜的厚度为5.512mm；和/或
所述第十正透镜的第一表面和第二表面的曲率半径分别为14.461mm和-8.389mm，和/或所述第十正透镜的厚度为2.047mm；和/或
所述第十一正透镜的第一表面和第二表面的曲率半径分别为7.577 mm和-14.652mm，和/或所述第十一正透镜的厚度为3.582mm；和/或
所述第十二正透镜的第一表面和第二表面的曲率半径分别为-24.637mm和-6.109mm，和/或所述第十二正透镜的厚度为3.486mm；和/或
所述第十三负透镜的第一表面和第二表面的曲率半径分别为-3.597mm和-5.409，和/或所述第十三负透镜的厚度为2.153mm。
7. 如权利要求6所述的显微物镜光学系统，其特征在于，所述第七正透镜的第二表面到所述第八正透镜的第一表面的间距为0.053mm，和/或
所述第八正透镜的第二表面到所述第九负透镜的第一表面的间距为0.041mm，和/或
所述第九负透镜的第二表面到所述第十正透镜的第一表面的间距为1.338mm，和/或
所述第十正透镜的第二表面到所述第十一正透镜的第一表面的间距为0.034mm，和/或
所述第十一正透镜的第二表面到所述第十二正透镜的第一表面的间距为1.416mm，和/或
所述第十二正透镜的第二表面到所述第十三负透镜的第一表面的间距为0.384mm，和/或
所述第十三负透镜的第二表面到所述第三折反透镜组的第一表面的间距为6.312mm。
8.如权利要求2或5所述的显微物镜光学系统，其特征在于，所述至少两种不同色散的玻璃选自紫外熔融石英玻璃和/或氟化钙玻璃。
9. 如权利要求1所述的显微物镜光学系统，其特征在于，所述第三折反透镜组由第十四负透镜、第十五漫反射镜及第十六凹面反射镜组成，其中，所述第十五漫反射镜上设有像面视孔，所述第十六凹面反射镜上设有通光孔，所述第二透镜组的物方侧经由所述通光孔伸入所述第三折反透镜组，所述像面视孔发出的光线依次经过所述第十五漫反射镜的第一表面、所述第十四负透镜的第二表面及第一表面、所述第十六凹面反射镜的反射面、所述第十四负透镜的第一表面及第二表面、所述第十五漫反射镜的第一表面及第二反射面，以及所述第十四负透镜的第二表面及第一表面，以抵达所述第二透镜组。
10. 如权利要求9所述的显微物镜光学系统，其特征在于，所述第十四负透镜的第一表面和第二表面的曲率半径分别为89.550mm和 54.329mm，和/或所述第十四负透镜的厚度为8.294mm；和/或
所述第十五漫反射镜的第一表面的曲率半径为98.412mm，和/或所述第十五漫反射镜的厚度为2.781mm。
11.如权利要求10所述的显微物镜光学系统，其特征在于，所述第十四负透镜的第二表面到所述第十五漫反射镜的第一表面的间距为4.313mm，和/或
所述第十四负透镜的第一表面到所述第十六凹面反射镜的反射面的间距为7.271mm。
12.一种硅片缺陷的检测装置，其特征在于，包括：
如权利要求1~11中任一项所述的显微物镜光学系统，其物方侧朝向待测硅片；
图像采集模块，对准所述显微物镜光学系统的像方侧；以及
控制器，被配置为：控制所述图像采集模块，经由所述显微物镜光学系统采集所述待测硅片的显微图像；以及根据所述显微图像，对所述待测硅片进行缺陷检测。
13. 一种硅片缺陷的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
控制图像采集模块，经由如权利要求1~11中任一项所述的显微物镜光学系统，采集待测硅片的显微图像；以及
根据所述显微图像，对所述待测硅片进行缺陷检测。
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|---|---|---|---|
| CN202310620301.3A CN116338924B (zh) | 2023-05-30 | 2023-05-30 | 一种显微物镜光学系统、硅片缺陷的检测装置及检测方法 |
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|---|---|---|---|
| CN202310620301.3A CN116338924B (zh) | 2023-05-30 | 2023-05-30 | 一种显微物镜光学系统、硅片缺陷的检测装置及检测方法 |
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