一种用于晶圆缺陷检测的宽光谱高数值孔径平场显微物镜的制作方法

本发明涉及显微光学成像和半导体晶圆光学检测技术，具体涉及一种用于晶圆缺陷检测的宽光谱高数值孔径平场显微物镜。

背景技术：

1、晶圆表面缺陷检测通常需要在有限扫描时间内同时兼顾分辨能力、单视场覆盖范围和图像一致性。明场检测模式主要采集晶圆表面的镜面反射和图形反射信息；暗场检测模式主要捕获颗粒、划痕、残留物和边缘结构产生的散射光。物镜既要接收较大角度的有效光线，又要控制视场边缘的场曲、像散和倍率色差。

2、在650～950nm波段内使用同一物镜时，普通可见光显微物镜的残余轴向色差和倍率色差会直接反映到调焦位置和视场边缘。暗场信号本身较弱，多片镜片产生的表面反射、镜筒内壁反射和非有效孔径光线还会抬高背景。研发中实际遇到的问题，不是单独把数值孔径做大，而是在较大的样品视场内同时控制色差、场曲、畸变和杂散光，并保证物镜能够与后续管镜及孔径位置匹配。

3、现有显微物镜难以同时满足上述多重约束，无法适配晶圆明暗场一体化高速缺陷检测场景。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有可见光显微物镜存在多项设计难题：其一，当在650～950nm波段共用物镜成像时，残余轴向色差和倍率色差会直接反映到调焦位置和视场边缘，劣化视场边缘成像效果；其二，暗场成像中缺陷散射信号微弱，透镜表面反射、镜筒内壁反射以及非有效孔径光线形成杂散光，抬高成像背景；其三，设计难点不在于单纯增大数值孔径，而是需要在较大样品视场内同步实现色差、场曲、畸变的有效控制；其四，物镜结构难以满足与后端管镜、孔径位置相匹配的系统装配要求。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种区别于常规可见光平场物镜结构的宽光谱显微物镜，具体为一种用于晶圆缺陷检测的宽光谱高数值孔径平场显微物镜。该物镜采用准直侧外置孔径光阑、三组光焦度分区和14片球面透镜组合，能够在650～950nm波段内，对样品侧1.42mm直径视场进行成像，并将样品侧数值孔径控制在约0.54。

3、本发明采用的技术方案具体如下：

4、本发明提出一种用于晶圆缺陷检测的宽光谱高数值孔径平场显微物镜，沿准直侧至样品侧依次布置外置孔径光阑、正光焦度第一透镜组、负光焦度第二透镜组、正光焦度第三透镜组、样品面。

5、所述孔径光阑的半口径为4.0 mm～4.5 mm，入瞳直径为8.0 mm～9.0 mm；所述孔径光阑至所述第一片透镜第一光学表面之间的轴向距离为36 mm～44 mm，所述轴向距离与所述显微物镜有效焦距绝对值之比为5.5～6.5。

6、进一步地，本发明所述孔径光阑的中心位于所述正光焦度第一透镜组的光轴上，所述孔径光阑与所述第一透镜组之间的轴向空气间隔为40 mm，所述轴向空气间隔用于实现孔径匹配，并在超出有效孔径的非成像光线进入所述第一透镜组之前对其进行截断。

7、进一步地，本发明所述正光焦度第一透镜组包括四片沿光轴依次空气间隔排布的球面透镜，沿准直侧至样品侧方向依次为第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜；所述第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的光焦度依次为正、负、正、正，相邻透镜之间均设置有空气间隔。

8、进一步地，所述第一透镜用于实现光束的初次会聚和孔径压缩；所述第二透镜用于补偿所述第一透镜组产生的轴向色差；所述第三透镜用于收拢边缘视场光束；所述第四透镜通过其两侧表面的曲率组合校正所述第一透镜组的残余球差，并使出射光束口径与后续第二透镜组的入射孔径相匹配。

9、进一步地，本发明所述负光焦度第二透镜组为像差校正组，包括五片沿光轴依次空气间隔排布的球面透镜，沿准直侧至样品侧方向依次为第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜；所述第五透镜、第六透镜、第七透镜、第八透镜和第九透镜的光焦度依次为负、负、正、正、负，相邻透镜之间均设置有空气间隔。

10、进一步地，所述第五透镜的第一面曲率半径为9.2 mm～11.2 mm，第二面曲率半径为5.3 mm～6.4 mm；

11、所述第六透镜朝向准直侧的表面曲率半径为-5.7 mm～-4.6 mm；

12、所述第七透镜为设置于所述第二透镜组中部的正光焦度补偿透镜；

13、所述第八透镜用于与其前后设置的低色散材料透镜配合，对显微物镜的倍率色差进行校正；

14、所述第九透镜朝向准直侧的表面曲率半径为-31.7 mm～-25.9 mm，所述第九透镜为所述第二透镜组末端的负光焦度透镜。

15、进一步地，所述第二透镜组的周边设置有环形消光槽，所述环形消光槽的表面设置有消光层，用于拦截和吸收由透镜大曲率表面反射形成的非成像光线，降低杂散光对晶圆缺陷检测图像的影响。

16、进一步地，本发明所述正光焦度第三透镜组包括第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜和第十四透镜；

17、沿准直侧至样品侧方向，所述第十透镜、第十一透镜、第十二透镜构成胶合三联透镜；

18、所述胶合三联透镜之后依次设置第十三透镜、第十四透镜两个独立单透镜；

19、胶合三联透镜与第十三透镜之间、第十三透镜与第十四透镜之间均为空气间隔。

20、进一步地，本发明所述第三透镜组将样品侧高数值孔径光束转化为适配第二透镜组像差校正的光束形态，并借助胶合界面不同光学材料的折射率、色散差值抑制残余色差。

21、进一步地，本发明所述显微物镜在650～950 nm波段内，对样品侧1.42 mm直径视场进行成像，并将样品侧数值孔径控制在0.54。

22、本发明的有益效果为：

23、1. 本发明将孔径光阑布置在第一透镜组准直侧，并与首片透镜保持40mm轴向距离。该结构在光束进入物镜主体前限定有效孔径，便于与管镜或中继光路进行瞳匹配，同时减少超出有效孔径的光线进入多片透镜。

24、2. 本发明第一透镜组采用“高折射率正透镜—低色散负透镜—高折射率正透镜—正透镜”的材料和光焦度组合。其中，低色散负透镜位于两个高折射率正透镜之间，主要承担初级轴向色差补偿，不需要单独增加一组可见光消色差双胶合透镜。

25、3. 本发明第二透镜组采用负—负—正—正—负的五片空气间隔结构。前后负透镜改变边缘光线高度，中间正透镜恢复光束会聚状态，使场曲、像散、畸变和倍率色差可以分别分配到不同表面进行校正。

26、4. 本发明第二透镜组附近的遮光槽、镜片边缘消光和准直侧光阑共同形成杂散光控制路径。

27、5. 本发明第三透镜组采用胶合三联透镜和两片样品侧单透镜。胶合三联透镜利用三种玻璃的折射率和色散差控制剩余色差，两片靠近样品的单透镜形成0.5375的样品侧数值孔径。

28、6. 本发明在0.65、0.725、0.8、0.875和0.95μm五个波长上进行联合优化。仿真汇总图显示，各波长在多个视场点的成像曲线保持接近，可减少多波长切换时的重新调焦量。

29、7. 本发明所提出的宽光谱高数值孔径平场显微物镜采用球面加工。除第三透镜组中的胶合三联透镜外，其余透镜采用空气间隔，便于通过隔圈调整轴向间隔，也便于分组装调。

30、本发明具体为一种用于晶圆表面反射光、散射光采集的无限远校正平场显微物镜。该物镜采用全折射式球面结构，设计波段为650～950nm，样品侧数值孔径为0.54，可与明场照明、暗场照明及多波长检测光路配合使用。