一种宽波段的远心照明成像系统和晶圆检测设备的制作方法

1.本发明涉及半导体照明技术领域，具体涉及一种宽波段的远心照明成像系统和晶圆检测设备，可应用于包括半导体、芯片、pcb、fpb等领域。

背景技术：

2.在半导体领域的晶圆的缺陷检测中，不同种类的缺陷对照明波长的敏感度不同，使用多种波段进行检测可获得更为准确、全面的检测结果，然而半导体领域的照明系统多为单波长或少量固定波长照明，不能满足缺陷检测的需要。

技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种宽波段的远心照明成像系统和晶圆检测设备，其能解决上述问题。
4.设计原理：系统功能需求包括照明视场可调、照明模式可调、照明强度可调、兼容多种照明波段、要求远心照明等，为实现这些功能，设计方案包括光源模块、准直模块、滤光模块、匀光模块、光瞳调节模块和照明成像模块。
5.整体方案：一种宽波段的远心照明成像系统，该宽波段的远心照明成像系统包括光源模块、准直模块、滤光模块、匀光模块、光瞳调节模块和照明成像模块。其中，光源模块采用宽波段光源；准直模块采用变焦结构，包括同光轴布置的多个镜片和一个调焦移动单元，调焦移动单元用于驱动多个镜片中的一个沿着光轴移动，实现对不同波段照明光的准直；滤光模块包括并排间隔设置的滤光片模块和衰减片模块，滤光片模块包括多种可选滤光片，衰减片模块包括多种可选衰减片，用于实现不同波长下照明光能量的稳定输出；匀光模块包括依次布置的x向柱透镜阵列、y向柱透镜阵列、匀光镜组和视场光阑模组；视场光阑模组设置于匀光镜组的后焦面上，y向柱透镜阵列的出光面设置于匀光镜组的前焦面，以此保证匀光效果和准直度；光瞳调节模块包括两个光瞳转像镜组和一个光瞳光阑模组，两个光瞳转像镜组同轴对称的设置，光瞳光阑模组设置在两个光瞳转像镜组的对称面处；照明成像模块包括照明筒镜镜组和成像物镜，照明筒镜镜组为补偿镜筒，用于补足成像物镜的残余像差，提升成像质量。
6.进一步的，准直模块采用多片熔石英镜片，调焦移动单元采用机械导轨的结构，机械导轨带动最后一个镜片沿光轴前后移动，实现不同波段下照明光的准直。
7.进一步的，x向柱透镜阵列和y向柱透镜阵列均采用双排柱透镜阵列，两者空间摆放方向互相垂直；双排柱透镜阵列中第二排柱透镜阵列的光学主面均位于第一排柱透镜阵列的焦面上；匀光镜组采用多种玻璃镜片，用于消差，像质达到衍射极限；视场光阑模组包括多种尺寸的光阑，通过切换光阑实现多种照明视场的切换。
8.进一步的，两个光瞳转像镜组与匀光镜组的结构相同；光瞳光阑模组包括多个不同形状、不同尺寸、不同方向的光阑子件，用于对照明光空间频率分布的调制。
9.进一步的，照明筒镜镜组与成像物镜之间设置反射镜，用于成像光路的变向，缩短
成像距离。
10.本发明还提供了一种晶圆检测设备，包括上料站、光学检测台和下料站，光学检测台搭载前述的远心照明成像系统对晶圆进行缺陷检测。
11.光源发出的光经过准直模块后被调制成照度相对均匀的准直光，滤光模块中颜滤光片与光强衰减片可将准直光调制为目标波段下能量适宜的照明光，再经由匀光模块进行光束重构，形成了照度均匀的方形光斑；光瞳调节模块的存在是为了导出匀化光斑的光瞳，并通过光阑的隔离作用对匀化光斑的光瞳进行调制，以产生需要的照明模式，调制好照明模式的匀化光斑在经过照明成像模块后被缩小到目标晶圆上，如此实现对照明光波段、照明视场、照明模式、照明强度的调整。
12.相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明的宽波段的远心照明成像系统具有更多的可选波段，使用变焦设计，保证不同波段下照明光都有较高的能量利用率与较强的能量，系统中核心透镜采用消差设计，保证了不同波段下照明效果的稳定性；使用了高亮光源，相较传统氙灯光源，使用寿命提升了两倍；在保证以上所述的前提下，还能实现多种照明视场可调、多种照明模式可调、多种照明强度可调、照明远心等功能；可以在半导体、芯片等需要高精测量的领域推广应用。
附图说明
13.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本发明宽波段的远心照明成像系统的结构示意图；图2为本发明宽波段的远心照明成像系统的准直滤波示意图；图3为本发明的匀光模块示意图；图4为本发明的y向柱透镜阵列示意图；图5为本发明的光瞳调节模块示意图；图6为本发明的照明成像模块示意图；图7为本发明宽波段的远心照明成像系统仿真结果3d图；图8为本发明宽波段的远心照明成像系统仿真结果截面图；图9为本发明宽波段的远心照明成像系统仿真结果曲线图。
14.图中：10、光源模块；11、准直模块；12、滤光模块；13、匀光模块；14、光瞳调节模块；15、照明成像模块；17、滤光片模块；18、衰减片模块；19、x向柱透镜阵列；20、y向柱透镜阵列；
21、匀光镜组；22、视场光阑模组；23、光瞳转像镜组；24、光瞳光阑模组；25、照明筒镜镜组；26、成像物镜。
具体实施方式
15.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、完整的描述，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。
16.一种宽波段的远心照明成像系统，参见图1-图6，宽波段的远心照明成像系统包括光源模块10、准直模块11、滤光模块12、匀光模块13、光瞳调节模块14和照明成像模块15。
17.光源模块其中，光源模块10采用自带聚光镜的宽波段光源，高亮度的宽波段光源，其寿命是传统氙灯的3倍，光源波段范围大于350nm-500nm，光源na=0.5，等离子发光体的半径小于0.8mm，光源谱线分布曲线平滑，且在短波范围内拥有较高能量。
18.准直模块准直模块11采用变焦结构，包括同光轴布置的多个镜片和一个调焦移动单元，调焦移动单元用于驱动多个镜片中的一个沿着光轴移动，实现对不同波段照明光的准直。
19.参见图2的示例中，准直模块11采用5片玻璃组成，为保证350nm-500nm波长的高透过率，所有玻璃均使用熔石英，设计na=0.5，由于所有玻璃材质相同，差难以校正，故准直模块11设计成为变焦结构，调焦移动单元采用机械导轨的结构，通过机械导轨带动准直模组第5片镜片，使得不同波段的照明光都可较好准直。
20.滤光模块滤光模块12包括并排间隔设置的滤光片模块17和衰减片模块18。图2中，滤光片模块17包括多种可选滤光片，根据设计检测需求进行切换，实现照明光波段的选择；衰减片模块18包括多种可选衰减片，配合滤光片，用于实现不同波长下照明光能量的稳定输出。
21.设计上，准直模块11、光源模块10、匀光模块13的入口面应当形成科勒照明匀光系统，但由于滤光片模块17、衰减片模块18需要更多的装配空间存在，本发明实施例实际采用的是近科勒照明系统，匀光模块13入口面与理论科勒照明位置有些许偏差。但应当了解，将滤光片模块17、衰减片模块18移动到本发明实施例的其他位置，在匀光模块13前形成科勒照明系统，属于技术人员依据本发明原理的轻微修改，依旧在本发明的保护范围内。
22.匀光模块参见图3和图4，匀光模块13包括依次布置的x向柱透镜阵列19、y向柱透镜阵列20、匀光镜组21和视场光阑模组22。其中，图4的a)为y向柱透镜阵列匀光示意图；图4的b)为y向柱透镜阵列的截面视图；图4的c)为y向柱透镜阵列的三维示意图。
23.布置关系：视场光阑模组22设置于匀光镜组21的后焦面上，y向柱透镜阵列20的出
光面设置于匀光镜组21的前焦面，以此保证良好的匀光效果与高准直度的照明光。
24.x向柱透镜阵列19和y向柱透镜阵列20可对入射光进行不同方向上的阵列分割，形成多组光源像。
25.x向柱透镜阵列19和y向柱透镜阵列20均采用双排柱透镜阵列，两者结构形式类似，但空间摆放方向互相垂直，其3d结构见图4，双排柱透镜阵列中第二排柱透镜阵列的光学主面均位于第一排柱透镜阵列的焦面上。此结构可对光源像的主光线进行准直，对比单排柱透镜阵列拥有更高的收光能力，更好的照明准直效果。
26.由于本发明的远心照明成像系统有多波段照明光切换的要求，匀光镜组21采用多种玻璃镜片，在保证目标照明波段高透过率的前提下，用于消差，与滤光片模块17、衰减片模块18组合可产生照度分布均匀的方形光斑。一个示例中，为降低装配精度、加工成本，尽量缩减匀光镜组的镜片数量，采用紧靠型库克3片结构，消除350-600nm波段轴上差的同时，成像质量达到了衍射极限。
27.视场光阑模组22包括多种尺寸的光阑，通过切换光阑实现多种照明视场的切换。
28.双排柱透镜阵列的x向柱透镜阵列19和y向柱透镜阵列20与匀光镜组21结合形成柱透镜阵列匀光系统，匀光镜组21将双排柱透镜阵列产生的准直后的阵列光源像进行空间积分，在匀光镜焦面上形成了照度分布均匀的方形光斑。视场光阑模组22位于匀光镜组21的焦面上，其内包括多种尺寸的可选光阑，通过切换多种尺寸的可选光阑可实现多种照明视场的切换。
29.光瞳调节模块参见图5，光瞳调节模块14包括两个光瞳转像镜组23和一个光瞳光阑模组24，两个光瞳转像镜组23同轴对称的设置，光瞳光阑模组24设置在两个光瞳转像镜组23的对称面处。
30.其中，两组光瞳转像镜组结构设计完全相同，但放置方向相反，共同组成一组4f成像系统，如此对向放置可形成对称形结构设计，能更好的校正部分残余像差。
31.两个光瞳转像镜组23与匀光镜组21的结构相同；本发明在设计之初综合协调了准直模块11、匀光模块13、光瞳调节模块14与照明成像模块15的光学参数，使得光瞳转像镜组23可使用与匀光镜组21完全相同的结构设计，通过统筹系统各模块的参数分配，降低了光学加工成本、光学加工周期与装配难度，使得匀光镜组21在本光瞳调节模块14中也能实现完美的差矫正，成像像质可达衍射极限；同时矫正了正弦差，是标准的傅里叶变换透镜，方便对入射的照明光更好的空间调制。
32.其中，光瞳光阑模组24内有不同尺寸、方向的圆形、环形、偶级、方形等光阑子件，其位于前组光瞳转向镜组的后焦面上，同时也位于后组光瞳转向镜组的前焦面上。前组光瞳转向镜组可将入射的照明光进行空间傅里叶变换，在光瞳光阑模组24上产生照明光的空间频率分布，切换光瞳光阑模组24的内置光阑可实现对照明光空间频率分布的调制，在由后组光瞳转向镜组进行空间变换，便能够形成调制了空间频率分布的照明光，切换光瞳光阑模组24内的光阑，也就实现了对照明光照明模式的切换。
33.照明成像模块参见图6，照明成像模块15包括照明筒镜镜组25和成像物镜26，照明筒镜镜组25为补偿镜筒，依照成像物镜26进行设计优化，用于补足成像物镜26的残余像差，提升成像质
量。
34.进一步的，成像物镜26为成品可切换成像物镜，放大倍率从20x-50x不等，物镜数值孔径na从0.4-0.9不等。
35.照明筒镜镜组25与成像物镜26按照4f系统进行组合，可将光瞳光阑模组24调制后的照明光共轭成像到目标检测面上。即，两者的组合使用可实现对照明光斑的共轭成像。
36.照明筒镜镜组25与成像物镜26之间设置反射镜，用于成像光路的变向，缩短成像距离。
37.在lighttools中构建本发明所有模块的实体模型并进行仿真分析，分析结果见图7至图9所示，本发明的宽波段的远心照明成像系统在照明成像模块前的照明面的相对均匀度在360-380nm波段，积分均匀度优于98.5%，由于该系统设计目标为积分均匀度98%，因此没有更近一步对均匀度进行提升，通过对准直模块11与匀光模块13的修改，该系统积分均匀度还可以再次提升。
38.根据以上系统描述进行光学加工与装配，我们测量得到通过实际系统在照明成像模块15前的积分均匀度在360-380nm波段为》96%，积分均匀度在360-380nm波段为》98%，基本与仿真结果一致，在360-380nm波段的照明光的能量密度不低于125mw/cm
²
，经过照明成像模块后在360-380nm波段的理论最大能量密度约不低于675mw/mm
²
。
39.一种晶圆检测设备，包括上料站、光学检测台和下料站，光学检测台搭载前述的远心照明成像系统对晶圆进行缺陷检测。
40.本发明提出的宽波段的远心照明系统，不仅满足了晶圆缺陷检测的多波段需求，在保证均匀照明的前提下，能够实现多种照明视场、照明模式的切换，系统寿命相较传统氙灯的更长，能够实现能量密度超过600mw/mm
²
的远心照明。
41.按照如上所述，本发明提出的一种宽波段的远心照明成像系统，可实现不同波段照明光的切换，且切换的照明光能量密度较高（》600 mw/mm
²
），各波段照明光的能量分布相对稳定，这是半导体领域照明系统中少有的；除此外，本发明使用的变焦准直镜组可提高不同波长照明光的耦合效率，提高了系统的能量利用率；同时本发明还具有多种照明视场可调、多种照明模式可调、多种能量衰减可调、远心照明的功能，可适用于半导体领域内多种设备的照明，特别适用于半导体晶圆缺陷检测设备的照明系统。
42.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。

技术特征：

1.一种宽波段的远心照明成像系统，其特征在于：所述远心照明成像系统包括光源模块（10）、准直模块（11）、滤光模块（12）、匀光模块（13）、光瞳调节模块（14）和照明成像模块（15）；其中，所述光源模块（10）采用宽波段光源；其中，所述准直模块（11）采用变焦结构，包括同光轴布置的多个镜片和一个调焦移动单元，所述调焦移动单元用于驱动所述多个镜片中的一个沿着光轴移动，实现对不同波段照明光的准直；其中，所述滤光模块（12）包括并排间隔设置的滤光片模块（17）和衰减片模块（18），所述滤光片模块（17）包括多种可选滤光片，所述衰减片模块（18）包括多种可选衰减片，用于实现不同波长下照明光能量的稳定输出；其中，所述匀光模块（13）包括依次布置的x向柱透镜阵列（19）、y向柱透镜阵列（20）、匀光镜组（21）和视场光阑模组（22）；所述视场光阑模组（22）设置于所述匀光镜组（21）的后焦面上，所述y向柱透镜阵列（20）的出光面设置于所述匀光镜组（21）的前焦面，保证匀光效果和准直度；其中，所述光瞳调节模块（14）包括两个光瞳转像镜组（23）和一个光瞳光阑模组（24）；所述两个光瞳转像镜组（23）同轴对称的设置，所述光瞳光阑模组（24）设置在所述两个光瞳转像镜组（23）的对称面处；其中，所述照明成像模块（15）包括照明筒镜镜组（25）和成像物镜（26）；所述照明筒镜镜组（25）为补偿镜筒，用于补足所述成像物镜（26）的残余像差，提升成像质量。2.根据权利要求1所述的宽波段的远心照明成像系统，其特征在于：所述准直模块（11）采用多片熔石英镜片，所述调焦移动单元采用机械导轨的结构，所述机械导轨带动最后一个镜片沿光轴前后移动，实现不同波段下照明光的准直。3.根据权利要求1所述的宽波段的远心照明成像系统，其特征在于：所述x向柱透镜阵列（19）和y向柱透镜阵列（20）均采用双排柱透镜阵列，两者空间摆放方向互相垂直；所述双排柱透镜阵列中第二排柱透镜阵列的光学主面均位于第一排柱透镜阵列的焦面上；匀光镜组（21）采用多种玻璃镜片，用于消差，像质达到衍射极限；视场光阑模组（22）包括多种尺寸的光阑，通过切换所述多种尺寸的光阑实现多种照明视场的切换。4.根据权利要求3所述的宽波段的远心照明成像系统，其特征在于：所述光瞳光阑模组（24）包括多个不同形状、不同尺寸、不同方向的光阑子件，用于对照明光空间频率分布的调制。5.根据权利要求1所述的宽波段的远心照明成像系统，其特征在于：所述照明筒镜镜组（25）与成像物镜（26）之间设置反射镜，用于成像光路的变向，缩短成像距离。6.一种晶圆检测设备，包括上料站、光学检测台和下料站，其特征在于：所述光学检测台搭载权利要求1-5任意一项所述的宽波段的远心照明成像系统，对晶圆进行缺陷检测。

技术总结

本发明涉及半导体照明技术领域，提供的一种宽波段的远心照明成像系统和晶圆检测设备；远心照明成像系统包括光源模块、准直模块、滤光模块、匀光模块、光瞳调节模块和照明成像模块；该系统具有更多的可选波段，使用变焦设计，保证不同波段下照明光都有较高的能量利用率与较强的能量，系统采用消差设计，保证了不同波段下照明效果的稳定性；使用了高亮宽波段光源，相较传统氙灯光源，寿命提升；本发明还能实现多种照明视场可调、多种照明模式可调、多种照明强度可调、照明远心等功能；可以在半导体、芯片等需要高精测量的领域推广应用。芯片等需要高精测量的领域推广应用。芯片等需要高精测量的领域推广应用。