CN116931236A - 一种基于探针对准晶圆的双倍率光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于探针对准晶圆的双倍率光学系统。属于光学成像晶圆检测技术领域，具体涉及基于探针对准晶圆的双倍率光学系统。其解决了目前市场上存在的探针相机放大倍率低、数值孔径较小，达到了工程要求而降低了光学性能的问题。所述系统包括物方、高倍成像系统、低倍成像系统Ⅰ和像面，光束从物方射入后，分别经过高倍成像系统和低倍成像系统Ⅰ后射入像面；所述高倍成像系统包括第一透镜组、第二透镜组、反射镜、分光装置和滤光片，所述低倍成像系统Ⅰ包括第三透镜组、第四透镜组、分光棱镜和滤光片。本发明可以应用于半导体晶圆中晶格的电学性能测试技术领域。
Description
技术领域
本发明属于光学成像晶圆检测技术领域，具体涉及基于探针对准晶圆的双倍率光学系统。
背景技术
半导体晶圆在加工完成后，需要对晶圆进行检测，检测主要分析物理性能检测和电性能检测，物理性能检测主要是对封装前的晶圆进行表面缺陷检测；电学性能检测是在不同的电压、温度和湿度等条件下对晶圆进行温度、电气和速度测试，目的是检测性能是否达标。探针台的核心功能是调整探针位置，准确扎在晶圆的晶格上，即针头与焊盘相互接触，从而实现晶格的电学性能测试。针对以上需求，探针台需要具备晶圆相机和探针相机，晶圆相机确定晶圆中焊盘的具体位置，探针相机确定针尖和晶圆相机位置，通过坐标转换，建立焊盘与针尖的位置关系，从而实现精准测试。
探针针尖直径最小可以达到5μm，根据系统设计的空间分辨率以及探测器像元尺寸大小进行计算，相机仅能看到1mm区域以内的目标物。为了方便实际应用，在对针的过程中，探针相机需要提供另外一个大视野低倍率的光学成像系统。在低倍率光路中，获取目标大致位置；在高倍率光路中，实现高精度定位。探针相机具有低倍率成像光路和高倍率成像光路，但是目前市场上存在的探针相机放大倍率低、数值孔径较小，达到了工程要求而降低了光学性能。因此，亟需研发一种高像质双倍率成像的光学系统。
发明内容
为了解决目前市场上存在的探针相机放大倍率低、数值孔径较小，达到了工程要求而降低了光学性能的问题，本发明提供一种基于探针对准晶圆双倍率的光学成像系统，所述系统包括物方、高倍成像系统、低倍成像系统Ⅰ和像面，光束从物方射入后，分别经过高倍成像系统和低倍成像系统Ⅰ后射入像面；
所述高倍成像系统包括第一透镜组、第二透镜组、反射镜、分光装置和滤光片，光束射入后依次经过第一透镜组和第二透镜组到达反射镜后光线偏转90度，依次通过分光装置和滤光片后到达像面；
所述低倍成像系统Ⅰ包括第三透镜组、第四透镜组、分光装置和滤光片，光束射入后依次经过第三透镜组和第四透镜组到达分光装置后光线偏转90度，通过滤光片后到达像面。
进一步，所述第一透镜组包括依次沿入射光束设置的第一胶合透镜、第二胶合透镜、第三胶合透镜和第四胶合透镜，所述第二透镜组包括第五胶合透镜，所述第三透镜组包括依次沿入射光束设置的第六胶合透镜和第七胶合透镜，所述第四透镜组包括第八胶合透镜。
进一步，所述高倍成像系统中，满足：
；
；
其中为第一胶合透镜的焦距，/>为高倍成像系统的焦距，其中/>为第五胶合透镜的焦距；
所述低倍成像系统Ⅰ中，满足：
；
；
其中，为第六胶合透镜的焦距，/>为低倍成像系统Ⅰ的焦距，/>为第七胶合透镜的焦距。
进一步，所述高倍成像系统中，满足：
；
；
；
；
，
其中，为第一胶合透镜的光焦度，/>为第二胶合透镜的光焦度，/>为第三胶合透镜的光焦度，/>为第四胶合透镜的光焦度，/>为第五胶合透镜的光焦度。
所述低倍成像系统Ⅰ中，满足：
；
；
；
其中，为第六胶合透镜的光焦度，/>为第七胶合透镜的光焦度，/>为第八胶合透镜的光焦度。
进一步，所述第一胶合透镜、第二胶合透镜、第三胶合透镜、第四胶合透镜、第五胶合透镜、第六胶合透镜、第七胶合透镜和第八胶合透镜均由一片光焦度为正的正透镜与一片光焦度为负的负透镜胶合组成，满足阿贝数差值，其中/>为任意一个胶合透镜内正透镜与负透镜的阿贝数差值。
本发明还提供一种带有光源照明的基于探针对准晶圆的双倍率光学系统，其特征在于，所述系统包括物方、高倍成像系统、低倍成像系统Ⅱ、照明系统和像面；
所述低倍成像系统Ⅱ与低倍成像系统Ⅰ结构相同；
所述照明系统包括第二分光装置、匀光透镜、第二反射镜和同轴光源；光束从同轴光源发出，经过第二反射镜光束偏折90度，射入匀光透镜，在第二分光装置处偏折90度，分别射入高倍成像系统Ⅰ和低倍成像系统Ⅰ所在光路，并分别沿上述光路射出至物方；
光束从物方射入后，分别经过高倍成像系统和低倍成像系统Ⅰ后射入像面；第二分光装置设置在滤光片和像面之间，与滤光片和像面共光轴。
进一步，所述低倍成像系统Ⅱ中，满足：
；
；
其中，为第六胶合透镜的焦距，/>为低倍成像系统Ⅰ的焦距，/>为第七胶合透镜的焦距；
；
；
；
其中，为第六胶合透镜的光焦度，/>为第七胶合透镜的光焦度，/>为第八胶合透镜的光焦度。
本发明的有益效果为：
（1）本发明的胶合透镜采用了正负透镜组合，通过对镜片进行光焦度分配，搭配不同镜片材料的折射率差异，在满足高像质的同时减小色差，提高了光学成像镜头的光学性能；
（2）本发明采用双物面共像面的共轴结构，高倍成像系统与低倍成像系统共用一个像面的同时共用一个光源，优化了结构布局，光学系统结构紧凑。两条光路光轴平行，光轴之间距离与探针台机械距离保持匹配。低倍率光路具有较大的视野从而寻找目标物体，高倍率光路具有大分辨率从而精准定位目标物体；
（3）本发明根据透镜材料的热膨胀系数，通过光学被动式消热差计算，合理分配透镜的光焦度，满足本发明在探针台上-40°C～150°C的工作环境中正常使用，成像质量优异；
（4）本发明中高倍成像系统分辨率达到1μm，优选地，可以达到0.83μm，放大倍率为16倍，景深为10μm；低倍成像系统分辨率达到2.25μm，放大倍率为2倍，景深为100μm。
本发明可以应用于半导体晶圆中晶格的电学性能测试技术领域。
附图说明
图1为本发明实施例1中光学系统架构示意图；
图2为本发明实施例1的光学系统结构示意图；
图3为本发明实施例1的光学系统表面示意图；
图4为实施例1高倍成像系统的全视场调至传递函数曲线图；
图5为实施例1低倍成像系统Ⅰ的全视场调至传递函数曲线图；
图6为实施例1高倍成像系统在探针台温度-40°的工作环境下全视场调至传递函数曲线图；
图7为实施例1高倍成像系统在探针台温度150°的工作环境下全视场调至传递函数曲线图；
图8为实施例1低倍成像系统Ⅰ在探针台温度-40°的工作环境下全视场调至传递函数曲线图；
图9为实施例1低倍成像系统Ⅰ在探针台温度150°的工作环境下全视场调至传递函数曲线图；
图10为本发明实施例2中的光学系统结构示意图；
图11为本发明实施例3的光学系统结构示意图；
图12为本发明实施例2的分光棱镜像面示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，都属于本发明的保护范围。
实施例1、
如图1和图2所示，本发明提供一种基于探针对准晶圆的双倍率光学系统，包括放大倍率为16倍的高倍成像系统和放大倍率为2倍的低倍成像系统Ⅰ。所述高倍成像系统包括沿物侧顺次设置的第一透镜组（1）、第二透镜组（2）、反射镜（3）、分光装置（4）、滤光片（9）；所述第一透镜组（1）包括第一胶合透镜（11）、第二胶合透镜（12）、第三胶合透镜（13）和第四胶合透镜（14），所述第二透镜组（2）包括第五胶合透镜（21）。光束从物方（7）入射，依次通过第一胶合透镜（11）、第二胶合透镜（12）、第三胶合透镜（13）、第四胶合透镜（14）、第五胶合透镜（21），到达反射镜（3）后光线偏转90度，通过分光装置（4）、滤光片（9）后到达像面。所述低倍成像系统Ⅰ包括沿光路顺次设置的第三透镜组（5）、第四透镜组（6）、分光装置（4）、滤光片（9）；所述第三透镜组（5）包括第六胶合透镜（51）和第七胶合透镜（52），所述第四透镜组（6）包括第八胶合透镜（61）。光束从物方进入，依次通过第六胶合透镜（51）、第七胶合透镜（52）、第八胶合透镜（61），到达分光装置（4）后光线偏转90度，通过滤光片（9）后到达像面（8）。
所述第一胶合透镜（11）、第二胶合透镜（12）、第三胶合透镜（13）和第四胶合透镜（14）、第五胶合透镜（21）和反射镜（3）共光轴；所述第六胶合透镜（51）、第七胶合透镜（52）、第八胶合透镜（61）和分光装置（4）共光轴；上述两条光轴平行设置。
所述分光装置（4）设置为分光棱镜。
所述实施例1的高倍成像系统系统参数见表1-1。
表1-1：
如图3所示，表1-1中，表面2为第一胶合透镜（11）物侧面111，表面3为第一胶合透镜（11）胶合面112，表面4为第一胶合透镜（11）像侧面113；表面5为第二胶合透镜（12）物侧面121，表面6为第二胶合透镜（12）胶合面122，表面7为第二胶合透镜（12）像侧面123；表面8为第三胶合透镜（13）物侧面131，表面9为第三胶合透镜（13）胶合面132，表面10为第三胶合透镜（13）像侧面133；表面11为第四胶合透镜（14）物侧面141，表面12为第四胶合透镜（14）胶合面142，表面13为第四胶合透镜（14）像侧面143；表面14为第五胶合透镜（21）物侧面211，表面15为第五胶合透镜（21）胶合面212，表面16为第五胶合透镜（21）像侧面213。
其中，标准面18中的36表示第一反射镜（3）与分光棱镜（4）的距离36mm，标准面20中的3.5表示分光棱镜（4）与滤光片（9）的距离为3.5mm，标准面22中的75.45表示滤光片（9）和像面（8）的距离为75.45mm。
所述高倍成像系统中，满足：
；
；
其中为第一胶合透镜（11）的焦距，/>为高倍成像系统的焦距，其中/>为第五胶合透镜（21）的焦距；
所述低倍成像系统Ⅰ中，满足：
；
；
其中，为第六胶合透镜（51）的焦距，/>为低倍成像系统Ⅰ的焦距，/>为第七胶合透镜（52）的焦距。
所述高倍成像系统中，满足：
；
；
；
；
，
其中，为第一胶合透镜（11）的光焦度，/>为第二胶合透镜（12）的光焦度，为第三胶合透镜（13）的光焦度，/>为第四胶合透镜（14）的光焦度，/>为第五胶合透镜（21）的光焦度。
所述低倍成像系统Ⅰ中，满足：
；
；
；
其中，为第六胶合透镜（51）的光焦度，/>为第七胶合透镜（52）的光焦度，为第八胶合透镜（61）的光焦度。
所述实施例1的低倍成像系统Ⅰ系统参数见表1-2。
表1-2：
如图2所示，表1-2中，表面2为第六胶合透镜（51）物侧面511，表面3为第六胶合透镜（51）胶合面512，表面4为第六胶合透镜（51）像侧面513；表面5为第七胶合透镜（52）物侧面521，表面6为第七胶合透镜（52）胶合面522，表面7为第七胶合透镜（52）像侧面523；表面8为第八胶合透镜（61）物侧面611，表面9为第八胶合透镜（61）胶合面612，表面10为第八胶合透镜（61）像侧面613。
图4和图5分别为高倍成像系统和低倍成像系统Ⅰ的调制传递函数曲线图，从图4中可以看出，高倍成像系统全视场曲线在截止频率38.5处大于0.2，基本接近于衍射极限，从图5可以看出，低倍成像系统全视场曲线在截止频率115处大于0.25，成像质量优异。图6为高倍成像系统Ⅰ在探针台-40°工作环境下的全视场调制传递函数曲线图，可以看出，像质略微下降；图7为高倍成像系统Ⅰ在探针台150°工作环境下的全视场调制传递函数曲线图，可以看出，像质略微下降；图8为低倍成像系统Ⅰ在探针台-40°工作环境下的全视场调制传递函数曲线图，可以看出，像质略微下降；图9为低倍成像系统Ⅰ在探针台150°工作环境下的全视场调制传递函数曲线图，可以看出，系统存在像散，对于目标探测物探针和十字叉丝的识别来说，基本没有影响。
图4-图9中，线条与线条之间距离特别近，难以区分，代表着成像没有像散，是像质好的一种反应，是评价光学系统很重要的一种评判标准。
实施例2：
以下参考图10描述本发明申请实施例2的光学成像系统，为了方便说明简洁准确，实施例2中与实施例1相同的部分将省略描述，仅具体说明在实施例1基础上添加的光源系统。
并且对于原低倍成像系统Ⅰ中透镜的焦距要求做了调整，为了进行区分，调整后的低倍成像系统Ⅰ命名为低倍成像系统Ⅱ，所述调整具体为：低倍成像系统Ⅱ中，满足：
；
；
其中，为第六胶合透镜（51）的焦距，/>为低倍成像系统Ⅱ的焦距，/>为第七胶合透镜（52）的焦距。
以上实施例1描述了一种基于探针对准晶圆的双倍率光学系统，考虑到检测晶圆的实际工程需求，进一步的，可以在实施例1的基础上增加光源系统，构成带有光源照明的基于探针对准晶圆的双倍率光学系统，如图10所示，在滤光片（9）像面方向增加一个照明系统，照明系统包括第二分光装置（10）、匀光透镜（15）、第二反射镜（16）、同轴光源（17）。光束从光源（17）发出，经过第二反射镜（16）光束偏折90度，经过匀光透镜（15），在第二分光装置（10）处偏折90度，分别经过高倍成像系统和低倍成像系统Ⅱ光束到达物面（7），在物面处将目标信息反射，再次经过高倍成像系统和低倍成像系统Ⅱ后，光束通过第二分光装置（10）后到达探测器20成像。
所述第二分光装置（10）设置为分光棱镜。
实施例3：
以下参考图10描述本发明申请实施例3的光学成像系统，为了方便说明简洁准确，实施例3中与实施例1、实施例2相同的部分将省略描述，仅具体说明在实施例1、实施例2基础上的改变。
以上实施例2描述了一种带有光源照明的基于探针对准晶圆的双倍率光学系统，在实际生产过程中，当光源照明过强或物面目标物反射率不强时，会造成成像效果对比度较弱的可能性，为了解决这一问题，实施例3将第一分光装置（4）与第二分光装置（10）替换为第一分光片（18）和第二分光片（19）。实施例3的具体光学结构图如图11所示。相较于实施例3，实施例2中的分光棱镜前后表面会对系统引入杂散光，如图12所示，第二分光装置（10）的前表面A，存在0.5％的反射光，进入到探测器中造成背景发灰发亮，探针反射亮度与背景对比度不明显，为后续的目标识别造成了一部分影响。
实施例3中光束传播路线与实施例2相同，在此不一一赘述。对于低倍成像系统Ⅱ，由于分光片的存在，系统存在像散，需要第六胶合透镜（51）、第七胶合透镜（52）、第八胶合透镜（61）对像质进行补偿。
对于高倍成像系统，两个分光片替换了两个分光棱镜，第一分光片（18）与光轴顺时针45度放置，第二分光片（19）与光轴逆时针呈45度放置，因此抵消了像散，光学像质不发生改变。所述实施例3的高倍成像系统系统参数见表2-1。
表2-1：
所述实施例3的低倍成像系统Ⅱ系统参数见表2-2。
表2-2：
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
本发明通过高倍成像系统与低倍成像系统共用一个像面的设计，优化了光学布局，减小了光学体积。实施例2与实施例3添加的照明系统，进一步的解决了光源问题。考虑到杂散光及成像对比度等客观情况，进一步的对实施例2进行了优化升级。根据针对性的应用条件，以探针台-40°C～150°C的工作环境进行了无热化设计，解决了高低温像质变化的问题。高倍成像系统分辨率达到1μm乃至于更低，可以轻松的识别最小直径5μm探针的针尖。光学系统中所有的透镜都是透射式球面镜，加工周期与成本大幅度降低，有利于实际加工与系统装调。
Claims (7)
1.一种基于探针对准晶圆的双倍率光学系统，其特征在于，所述系统包括物方（7）、高倍成像系统、低倍成像系统Ⅰ和像面（8），光束从物方（7）射入后，分别经过高倍成像系统和低倍成像系统Ⅰ后射入像面（8）；
所述高倍成像系统包括第一透镜组（1）、第二透镜组（2）、反射镜（3）、分光装置（4）和滤光片（9），光束射入后依次经过第一透镜组（1）和第二透镜组（2）到达反射镜（3）后光线偏转90度，依次通过分光装置（4）和滤光片（9）后到达像面（8）；
所述低倍成像系统Ⅰ包括第三透镜组（5）、第四透镜组（6）、分光装置（4）和滤光片（9），光束射入后依次经过第三透镜组（5）和第四透镜组（6）到达分光装置（4）后光线偏转90度，通过滤光片（9）后到达像面（8）。
2.根据权利要求1所述的基于探针对准晶圆的双倍率光学系统，其特征在于，所述第一透镜组（1）包括依次沿入射光束设置的第一胶合透镜（11）、第二胶合透镜(12)、第三胶合透镜（13）和第四胶合透镜（14），所述第二透镜组（2）包括第五胶合透镜（21），所述第三透镜组（5）包括依次沿入射光束设置的第六胶合透镜（51）和第七胶合透镜（52），所述第四透镜组（6）包括第八胶合透镜（61）。
3.根据权利要求1所述的基于探针对准晶圆的双倍率光学系统，其特征在于，
所述高倍成像系统中，满足：
；
；
其中为第一胶合透镜（11）的焦距，/>为高倍成像系统的焦距，其中/>为第五胶合透镜（21）的焦距；
所述低倍成像系统Ⅰ中，满足：
；
；
其中，为第六胶合透镜（51）的焦距，/>为低倍成像系统Ⅰ的焦距，/>为第七胶合透镜（52）的焦距。
4.根据权利要求1所述的基于探针对准晶圆的双倍率光学系统，其特征在于，
所述高倍成像系统中，满足：
；
；
；
；
，
其中，为第一胶合透镜（11）的光焦度，/>为第二胶合透镜（12）的光焦度，/>为第三胶合透镜（13）的光焦度，/>为第四胶合透镜（14）的光焦度，/>为第五胶合透镜（21）的光焦度；
所述低倍成像系统Ⅰ中，满足：
；
；
；
其中，为第六胶合透镜（51）的光焦度，/>为第七胶合透镜（52）的光焦度，/>为第八胶合透镜（61）的光焦度。
5.根据权利要求2所述的基于探针对准晶圆的双倍率光学系统，其特征在于，所述第一胶合透镜（11）、第二胶合透镜(12)、第三胶合透镜（13）、第四胶合透镜（14）、第五胶合透镜（21）、第六胶合透镜（51）、第七胶合透镜（52）和第八胶合透镜（61）均由一片光焦度为正的正透镜与一片光焦度为负的负透镜胶合组成，满足阿贝数差值，其中/>为任意一个胶合透镜内正透镜与负透镜的阿贝数差值。
6.一种带有光源照明的基于探针对准晶圆的双倍率光学系统，其特征在于，所述系统包括物方（7）、高倍成像系统、低倍成像系统Ⅱ、照明系统和像面（8）；
所述低倍成像系统Ⅱ与低倍成像系统Ⅰ结构相同；
所述照明系统包括第二分光装置（10）、匀光透镜（15）、第二反射镜（16）和同轴光源（17）；光束从同轴光源（17）发出，经过第二反射镜（16）光束偏折90度，射入匀光透镜（15），在第二分光装置（10）处偏折90度，分别射入高倍成像系统Ⅰ和低倍成像系统Ⅰ所在光路，并分别沿上述光路射出至物方（7）；
光束从物方（7）射入后，分别经过高倍成像系统和低倍成像系统Ⅰ后射入像面（8）；第二分光装置（10）设置在滤光片（9）和像面（8）之间，与滤光片（9）和像面（8）共光轴。
7.根据权利要求6所述的带有光源照明的基于探针对准晶圆的双倍率光学系统，其特征在于，所述低倍成像系统Ⅱ中，满足：
；
；
其中，为第六胶合透镜（51）的焦距，/>为低倍成像系统Ⅱ的焦距，/>为第七胶合透镜（52）的焦距；
；
；
；
其中，为第六胶合透镜（51）的光焦度，/>为第七胶合透镜（52）的光焦度，/>为第八胶合透镜（61）的光焦度。
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