CN117347373A - 一种半导体检测用多光源照明成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体检测用多光源照明成像系统，属于半导体光学检测领域，系统包括多个光源、多个耦合组件、多个方棒、照明组件、物镜、像镜和多个成像传感器；其中，由多个光源、多个耦合组件构成耦合光路，从方棒经照明组件和物镜组成照明光路，从物镜、像镜至成像传感器组成成像光路；其中，方棒和成像传感器的位置及排布、方棒末端端面和成像传感器的感光面成比例可调的设置。本申请可以提高照明系统的能量效率，降低对单个光源的要求。本方案还可以减少光路中的杂散光，避免在高功率的条件下因为杂散光导致精密光机温度变化发生形变。可广泛应用于如晶圆等缺陷类型和不同材质的检测需求。
Description
技术领域
本发明属于半导体光学检测领域，具体涉及一种半导体检测用多光源照明成像系统。
背景技术
在晶圆缺陷检测中，随着制程工艺要求越来越高，缺陷检测设备对小缺陷的信噪比要求也随之提高。提高设备光源的照明光强是提高信噪比的最有利手段。但是为了兼顾设备的产率，减小检测时间，往往需要增大光路检测范围，减小曝光时间。受限于总功率和散热等因素，单一光源越来越难以兼顾照明光强和照明范围，因此多光源系统对于晶圆缺陷检测设备是一个发展方向。
传统的多光源光路系统中，有的采用多套完全独立的光路实现，这样不仅成本较高，也增加了系统的装配难度，降低了系统的可靠性。有的采用多路光源进入一套照明匀光系统，例如单个方棒或单个微透镜阵列组。虽然这种方案可以降低系统复杂度，一方面耦合效率优先，另一方面照明光斑往往与多个传感器的感光面无法很好匹配，只能以外轮廓的方式将传感器感光面包含在内。这样会导致光路光效效率下降，反而会提高对光源的要求。还会带来热效应和杂散光等不利因素。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种半导体检测用多光源照明成像系统，其能解决上述问题。
一种半导体检测用多光源照明成像系统，系统包括多个光源、多个耦合组件、多个方棒、照明组件、物镜、像镜和多个成像传感器；其中，由多个光源、多个耦合组件构成耦合光路，从方棒经照明组件和物镜组成照明光路，从物镜、像镜至成像传感器组成成像光路；其中，方棒和成像传感器的位置及排布、方棒末端端面和成像传感器的感光面成比例可调的设置。
进一步的，光源、方棒、成像传感器的个数相等，方棒末端与成像传感器感光面排布方式同比例排布，每个方棒末端端面的尺寸与对应成像传感器感光面的尺寸缩放比例一致；方棒末端端面间的相对位置与成像传感器感光面间的相对位置缩放倍率一致，其与照明投影光路的缩放倍率相同。
进一步的，多个所述光源的类型相同或不同，且多个所述光源的波长不同。
进一步的，所述耦合组件包括与光源数量相等的耦合透镜以及棱镜。
进一步的，所述照明组件包括照明透镜组、照明反射镜和半透半反镜，所述照明透镜组形成科勒照明光路，照明反射镜和半透半反镜布置在照明透镜组与物镜之间，用于将经光棒的出射均匀光斑通过物镜射向被测物体表面。
进一步的，多个所述方棒为楔形结构，或前段为矩形体后段为楔形的组合结构，且方棒长度满足光线在方棒内长和宽方向反射大于等于3次。以此形成均匀光斑。
进一步的，所述物镜的倍率与照明透镜组的倍率乘积等于被测物体表面光斑与方棒出射端面的倍率比。需要说明的是，该处的倍率比优先是指光斑和端面的长和长的尺寸比，也即是宽和宽的尺寸比，这里长度尺寸比和宽度尺寸比是相同的。当然，其他如面积比等也在考虑之列。
进一步的，方棒出射端面与成像传感器的感光面的倍率比例等于照明透镜组与像镜的倍率乘积。该处的倍率比例同前所述，优先指长度尺寸比和宽度尺寸比。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：本方案可以提高照明系统的能量效率，降低对单个光源的要求。本方案还可以减少光路中的杂散光，避免在高功率的条件下因为杂散光导致精密光机温度变化发生形变。
附图说明
图1为本发明一种半导体检测用多光源照明成像系统采用两个光源的示意图；
图2为多光源照明成像系统采用四个光源的部分结构示意图；
图3为图2形成的光斑分布仿真结果。
图中，
101、第一光源；102、第二光源；103、第三光源；104、第四光源；
201、第一耦合透镜； 202、第二耦合透镜；
211、第一耦合透镜组； 212、第二耦合透镜组； 213、第三耦合透镜组；214、第四耦合透镜组；
3、棱镜； 301、第一棱镜； 302、第二棱镜；
401、第一方棒；402、第二方棒；403、第三方棒；404、第四方棒；
5、照明透镜组；
6、照明反射镜；
7、半透半反镜；
8、物镜；
9、被测物体；
10、像镜；
111、第一成像传感器；112、第二成像传感器；113、第三成像传感器；114、第四成像传感器；
12、耦合反射镜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
一种半导体检测用多光源照明成像系统，系统包括多个光源、多个耦合组件、多个方棒、照明组件、物镜8、像镜10和多个成像传感器；其中，由多个光源、多个耦合组件构成耦合光路，从方棒经照明组件和物镜8组成照明光路，从物镜8、像镜10至成像传感器组成成像光路；其中，方棒和成像传感器的位置及排布、方棒末端端面和成像传感器的感光面成比例可调的设置。
其中，光源、方棒、成像传感器的个数相等，方棒末端与成像传感器感光面排布方式同比例排布，每个方棒末端端面的尺寸与对应成像传感器感光面的尺寸缩放比例一致；方棒末端端面间的相对位置与成像传感器感光面间的相对位置缩放倍率一致，其与照明投影光路的缩放倍率相同。
其中，多个光源的类型相同或不同，或具有不同波长的同一种类型的光源，且多个所述光源的波长不同。其目的是保证至少两个光源的波长不同，提供更宽的检测范围，保证成像质量。
光源为用于产生照明光的器件，包括但不限于LED、激光器、氙灯、等离子体光源。
其中，耦合组件包括与光源数量相等的耦合透镜以及棱镜3。
其中，照明组件包括照明透镜组5、照明反射镜6和半透半反镜7，照明透镜组5形成科勒照明光路，照明反射镜6和半透半反镜7布置在照明透镜组5与物镜8之间，用于将经光棒的出射均匀光斑通过物镜8射向被测物体9表面。
其中，多个方棒为楔形结构，或前段为矩形体后段为楔形的组合结构，且方棒长度满足光线在方棒内长和宽方向反射大于等于3次。以此形成均匀光斑。
每一路耦合光路可以将光源出射光的全部或大部会聚到对应方棒的端面。方棒形状不限于长方体、楔状体，由石英晶体或其它光学材料组成，可以在侧壁实现全反射。在每一路方棒的出射端，能形成与方棒端面大小一致的均匀光强光斑。
照明光路可以将方棒出射端的均匀光斑成比例放大或缩小，照明光路可以将缩放后的光斑投影在被测物体上。
其中，物镜8的倍率与照明透镜组5的倍率乘积等于被测物体表面光斑与方棒出射端面的倍率比。
其中，方棒出射端面与成像传感器的感光面的倍率比例等于照明透镜组5与像镜10的倍率乘积。
成像光路可以将照明光斑在被测物体表面的反射光成像按比例成像。成像传感器可以将成像光路的出射光转换成电信号，包括但不限于CMOS、CCD、TDI、PMT。多个成像传感器种类可以相同或不同。传感器感光面以一定的形式排布。
被测物体表面的光斑排布与成像传感器感光面的排布方式一致，缩放比例与成像光路的光学倍率一致。
考虑被测物体表面光斑与方棒出射端端面成比例放大缩小，缩放比例与照明系统中照明光路的光学倍率一致。所以方棒端面的排布方式，与成像传感器感光面的排布方式一致，且方棒端面尺寸和传感器感光面尺寸成比例放大或缩小，方棒端面间的相对位置与成像传感器感光面间相对位置成比例放大或缩小。比例系数一致，且与照明光路和成像光路的光学器件的光学倍率相同。
光源可以采用相同或不同波长的器件，优选为不同波长的期间。对应不同波长的光源光斑的成像传感器可以采用针对该波长的成像传感器。在检测过程中，实现不同波长同时扫描。通过对不同波长的检测结果综合分析，实现对被测物表面不同材料缺陷的兼顾。
参见图1的实施例，采用两个光源，第一光源101和第二光源102；对应的设置两个耦合透镜，第一耦合透镜201和第二耦合透镜202；棱镜3采用45°棱镜。第一光源101和第二光源102对置布置，且均水平出射照明光至棱镜3。对应于棱镜3的出射光路布置两个竖直设置的方棒-第一方棒401和第二方棒402。成像传感器包括第一成像传感器111和第二成像传感器112，他们采用TDI芯片。
出射光被照明透镜组5会聚后，经照明反射镜6和半透半反镜7反射，被进入物镜8投影在被测物体9表面，形成与方棒出射端同比例缩小的两个光斑。被测物表面的反射光被物镜8收集后透过半透半反镜7，被像镜10分别投影在第一成像传感器111和第二成像传感器112的感光面上。
在图1所示的实施例中，第一方棒401和第二方棒402为楔形，出射端面尺寸比入射端面小。较大的入射端面可以保证经第一耦合透镜201和第二耦合透镜202会聚的光有较高的耦合效率。第一耦合透镜201和第二耦合透镜202会聚后光斑尺寸小于第一方棒401和第二方棒402的入射端面尺寸。NA小于第一方棒401和第二方棒402的数值孔径。
在图1所示的实施例中，第一方棒401和第二方棒402的出射端面长和宽的比例与成像传感器-TDI芯片的感光面的长宽比例一致。为了实现这一点，方棒长宽方向的楔形角度可以不一致。方棒的长度需要足够长，确保入射光在方棒内长和宽方向反射至少3次，才可以在方棒出射端形成均匀光斑。
在图1所示的实施例中，照明透镜组5常由两组光学器件组成。两组光学器件之间的相互位置满足共轭，形成一个柯勒照明光路的系统。这样可以将第一方棒401和第二方棒402的出射端面光斑更好的投影进物镜8。
在图1所示的实施例中，照明透镜组5后光路需要满足一定的远心度要求，以确保光路中有足够长的距离放置照明反射镜6和半透半反镜7。
在图1所示的实施例中，半透半反镜7在光路中呈45°角放置，可以将照明光路的光反射进入物镜8，也可以将物镜8收集的反射光透射进入像镜10。
在图1所示的实施例中，物镜8的NA较大，以提高系统的分辨率。物镜8的视场较大，以满足所有光斑投影在被测物体表面的需求。物镜8的倍率与照明透镜组5的倍率乘积等于被测物体表面光斑与楔形方棒出射端面之间的倍率比例。
在图1所示的实施例中，反射光透过半透半反镜7后，由像镜10分别投影在第一成像传感器111和第二成像传感器112上。第一光源101的光投影在第一成像传感器111上，第二光源102的光投影在第二成像传感器112上。
在图1所示的实施例中，楔形的方棒出射端面与成像传感器感光面之间的倍率比例等于照明透镜组5与像镜10的倍率乘积，与物镜8无关。
参见图2的实施例，系统采用四个光源-第一光源101、第二光源102、第三光源103和第四光源104；对应的设置四组耦合透镜组对四个光源进行会聚，组耦合透镜组为第一耦合透镜组211、第二耦合透镜组212、第三耦合透镜组213和第四耦合透镜组214，每个透镜组包括三个透镜；对应的棱镜3设置两个-第一棱镜301和第二棱镜302；方棒包括四个：第一方棒401、第二方棒402、第三方棒403和第四方棒404。在采用四组光源和四组耦合透镜组的情况下，还增设一个耦合反射镜12，两个棱镜的反射光经耦合反射镜12后进入四个对应的方棒。
第一光源101、第二光源102由第一棱镜301反射，第三光源103和第四光源104由第二棱镜302反射，第一棱镜301和第二棱镜302的出射光经由耦合反射镜12进入对应的四个方棒。
该实施例中，四个方棒的结构由前段为矩形体后段为楔形两部分组成，具体的，前半段为长方体形状，后半段为楔形形状，确保出射端面与传感器感光面分布一致。
图2的实施例中，四个方棒后的光路实现方式与图1所示的实施例基本一致，四个成像传感器为第一成像传感器111、第二成像传感器112、第三成像传感器113和第四成像传感器114。图2所示的实施例最终形成的光斑分布仿真结果如图3所示，是由四个长宽比例为1:5的光斑组成。光斑的长宽尺寸与单个TDI芯片的感光面一致。TDI芯片间间隔较大，可以满足芯片电路的制板要求。
本申请的优势在于：通过控制方棒的末端尺寸和方棒之间的排布，调节照明光路的出光端面光斑分布。出光端面光斑分布于成像传感器感光面尺寸呈比例放大或缩小，比例与成像光路放大倍率相同。光斑经过物镜投影在被测物体表面，反射光由物镜收集后，经成像光路成像在成像传感器感光面。因为光斑的分布和感光面分布相同，尺寸经成像光路放大后与感光面尺寸一致。到达传感器表面的光斑基本覆盖成像传感器感光面。每个光斑对应一个TDI芯片的感光面，避免光源功率限制成像传感器应用个数。因为大部分光都照射在传感器感光面上，尽可能减小了光路中杂散光对图像的影响，被检测物体表面和芯片表面的热效应降低。可以应用缺陷类型和不同材质的检测需求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种半导体检测用多光源照明成像系统，其特征在于：系统包括多个光源、多个耦合组件、多个方棒、照明组件、物镜(8)、像镜(10)和多个成像传感器；其中，由多个光源、多个耦合组件构成耦合光路，从方棒经照明组件和物镜(8)组成照明光路，从物镜(8)、像镜(10)至成像传感器组成成像光路；
其中，方棒和成像传感器的位置及排布、方棒末端端面和成像传感器的感光面成比例可调的设置。
2.根据权利要求1所述的多光源照明成像系统，其特征在于：
光源、方棒、成像传感器的个数相等，方棒末端与成像传感器感光面排布方式同比例排布，每个方棒末端端面的尺寸与对应成像传感器感光面的尺寸缩放比例一致；方棒末端端面间的相对位置与成像传感器感光面间的相对位置缩放倍率一致，其与照明投影光路的缩放倍率相同。
3.根据权利要求1所述的多光源照明成像系统，其特征在于：
多个所述光源的类型相同或不同，且多个所述光源的波长不同。
4.根据权利要求1所述的多光源照明成像系统，其特征在于：
所述耦合组件包括与光源数量相等的耦合透镜以及棱镜(3)。
5.根据权利要求1所述的多光源照明成像系统，其特征在于：
所述照明组件包括照明透镜组(5)、照明反射镜(6)和半透半反镜(7)，所述照明透镜组(5)形成科勒照明光路，照明反射镜(6)和半透半反镜(7)布置在照明透镜组(5)与物镜(8)之间，用于将经光棒的出射均匀光斑通过物镜(8)射向被测物体(9)表面。
6.根据权利要求1所述的多光源照明成像系统，其特征在于：
多个所述方棒为楔形结构，或前段为矩形体后段为楔形的组合结构，且方棒长度满足光线在方棒内长和宽方向反射大于等于3次。
7.根据权利要求1或2所述的多光源照明成像系统，其特征在于：
所述物镜(8)的倍率与照明透镜组(5)的倍率乘积等于被测物体表面光斑与方棒出射端面的倍率比。
8.根据权利要求1或2所述的多光源照明成像系统，其特征在于：
方棒出射端面与成像传感器的感光面的倍率比例等于照明透镜组(5)与像镜(10)的倍率乘积。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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