类迈克尔逊干涉仪结构的晶粒相邻面等光程成像检测装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种类迈克尔逊干涉仪结构的晶粒相邻面等光程成像检测装置。


背景技术：

2.半导体制冷器件晶粒双面成像检测光路的完全等光程共焦成像是获得双面同时缺陷检测的主要核心技术问题之一。基于不同检测装置与方法，目前半导体晶粒相邻双面同时缺陷成像检测技术研究已有相关专利申请：
3.如图1所示：实用新型专利申请号202010171706.0x，专利申请名称：半导体晶粒相邻面同时准等光程共焦成像检测的新装置与方法，提出的光学检测装置与方法很好地解决了半导体晶粒相邻面“准”共焦成像检测，但是相邻双面成像光路之间仍然存在一个光程差。为了获得相邻面同时共焦成像，需要通过选择足够大景深的远心成像镜头来补偿这个小光程差。因此寻找晶粒相邻面完全等光程共焦成像检测的新途径具有必要性。
4.如图2所示：实用新型专利申请号为202010191734.8，专利申请名称：基于时间差分辨的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的新方法，提出一种基于时间差分辨成像法，使用单组成像系统实现半导体晶粒相邻面完全等光程共焦成像检测的新方法。
5.如图3所示：专利申请名称：基于双色分离成像法的晶粒双面同时等光程共焦成像检测的装置与方法，实用新型专利申请号为202010203153.1，提出一种基于双色分离成像法的半导体晶粒相邻面同时完全等光程共焦成像检测的新方法。
6.如图4所示：实用新型专利申请号为202010250856.x，专利申请名称：基于偏振分离成像法的晶粒双面同时完全等光程共焦成像检测的装置与方法，使用偏振分束器，获得偏振方向互相垂直的两束照明光束，分别照明待测半导体晶粒的相邻双面。进一步提出一种基于偏振光分离成像（简称“偏振分像”）的方法，利用偏振相机来实现半导体晶粒相邻面同时完全等光程共焦成像检测的装置与方法。
7.如图5所示：实用新型专利申请号为202010296134.8，专利名称为使用偏振分像法实现晶粒双面同时等光程共焦检测的装置及方法，提出一种仍然基于偏振光分离成像（简称“偏振分像”）的原理，结合“偏振分像棱镜组件”并使用普通cmos或ccd相机来实现半导体晶粒相邻面同时完全等光程共焦成像检测的又一新方法。
8.上述各种检测装置中通常需要通过使用偏振光学元件或偏振cmos传感器，结构或使用略为复杂、成本较高且同时实现等光程与双面分离成像检测的误差补偿能力不足。


技术实现要素：

9.本实用新型对上述问题进行了改进，即本实用新型要解决的技术问题是目前设计的完全等光程共焦成像检测成本较高，误差补偿能力不足。
10.本实用新型的具体实施方案是：类迈克尔逊干涉仪结构的晶粒相邻面等光程成像检测装置，包括在光路方向上依次设置的cmos或ccd相机、远心成像镜头、半透半反射平行平板合像器以及玻璃载物转盘、置于玻璃载物转盘上的半导体晶粒，在半导体晶粒与半透
半反射平行平板合像器之间的光路上分别依次设有天面直角转像棱镜、平行平板补偿器和侧面直角转向棱镜，侧面直角转像棱镜和天面直角转像棱镜分别位于半导体晶粒的正侧部和天面正上方，所述天面直角转向棱镜与平行平板补偿器、半透半反射平行平板合像器位于同一水平高度，侧面直角转像棱镜与半透半反射平行平板合像器位于远心成像镜头的光轴上，同时侧面直角转像棱镜的第一直角面与半透半反射平行平板合像器的第一面相对，侧面直角转像棱镜的第二直角面与半导体晶粒侧面相对，侧面直角转像棱镜的斜面与远心成像镜头光轴倾斜设置；
11.天面直角转像棱镜的两个直角面分别与半导体晶粒的天面和半透半反射平行平板合像器的第二面相对；半透半反射平行平板合像器背离第二面旁侧设有同轴外置照明光源；
12.所述光源经半透半反射平行平板合像器分离为水平第一光路及纵向的第二光路，第一光路经第一直角转像棱镜后照明位于玻璃载物转盘半导体晶粒的天面；第二光路经第二直角转像棱镜后照明待测半导体晶粒的侧面；
13.半导体晶粒天面的成像光束经第一直角转像棱镜入射到平行平板补偿器上，再经过平行平板补偿器平行出射的产生了一个s的位移，然后经半透半反射平行平板合像器反射抵达参考输出面上；
14.半导体晶粒侧面的成像光束经第二直角转像棱镜反射转向，再经半透半反射平行平板合像器透射抵达参考输出面上；相机获得双面各自独立的像。
15.进一步的，所述天面直角转向棱镜与侧面直角转向棱镜的棱镜直角边长d相同，半导体晶粒位于玻璃载物转盘中心，半透半反射平行平板合像器中心、天面直角转向棱镜与侧面直角转向棱镜的反射面中心及半导体晶粒中心相连形成一个边长为d/2+d的方形对称光路结构，d为透明玻璃载物台宽度玻璃载物转盘中心。
16.进一步的，半透半反射平行平板合像器中心与侧面直角转向棱镜斜面中心距离d/2+d，半导体晶粒侧面的成像光路工作距wd=d/2+d/2, 半透半反射平行平板合像器与天面直角转向棱镜斜面在同一水平高度上，二者距离d/2+d，半导体晶粒天面成像光路工作距离wd=d/2+d/2。
17.进一步的，天面直角转像棱镜的尺寸为15*15*15mm，侧面直角转像棱镜的尺寸15*15*15mm。
18.进一步的，平行平板补偿器产生的双像分离s= 1.5mm，焦距f=51.5mm，wd=110 mm。
19.进一步的，平行平板补偿器厚度为6.5mm，其法线与光轴夹角为12
°
，平行平板补偿器的材料为k9玻璃。
20.进一步的，所述同轴外置照明光源是单色光，或是具有一定光谱带宽的准单色光源或白光。
21.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：本专利申请提出一种基于类迈克尔逊干涉仪结构的相邻面完全等光程共焦成像检测的新装置与方法，在相邻双面成像光路中采用双玻璃平行平板来实现相邻双面成像的空间分离。该新装置可以获得半导体晶粒相邻双面同时完全等光程共焦成像检测，也无需使用偏振光学元件与偏振cmos传感器（相机），有效降低了检测装置的成本。
22.1)本装置是基于类迈克尔逊干涉仪结构的双平行平板结构，可实现半导体晶粒相
邻双面同时完全等光程共焦成像检测，且结构简单，易于安装调整；
23.2)本装置成像光路中可以通过调节平行平板补偿器与光轴的夹角来增大或减小双像分离间距s，且对光程差的影响很小；产生的微小光程差可以通过远心成像镜头的景深来补偿。
24.3)本装置成像光路中可以通过更换不同厚度的平行平板补偿器来补偿改变平行平板补偿器7与光轴夹角和机构原有的微小光程差，从而实现半导体晶粒相邻双面同时完全等光程共焦成像检测。
25.4)本装置亦可以通过调节平行平板补偿器与光轴的夹角来校正补偿由于半透半反射平行平板合像器或直角转像棱镜的角度制造误差及装配误差而导致的微小光程差。
26.5)本装置采用普通的平行平板补偿器、平行平板合像器与cmos或ccd相机，无需使用偏振光学元件与偏振cmos传感器（相机），且同时具有更强的双面分像与制造误差补偿的功能。本装置可有效降低检测装置的成本，提高检测装置的性价比。
27.6)半导体晶粒相邻双面同时成像检测装置结构简单紧凑，装配调试容易，可靠性佳。
附图说明
28.图1
‑
5是现有半导体晶粒相邻面检测光学装置；
29.上述图中1为黑白相机、2为远心成像镜头、3为立方分束器、4为半导体晶粒、5为透明玻璃载物台、6或6a或6b为转像棱镜、7或7a或7b光源、8、9为滤光片；8a为偏振棱镜；8b为屋脊棱镜；8c为触发信号控制器。
30.图6为本专利申请的检测装置。
31.图7为本专利平行平板补偿器旋转示意图。
32.图8为本专利申请的设计实施例。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。
34.如图6～8所示，类迈克尔逊干涉仪结构的晶粒相邻面等光程成像检测装置，包括在光路方向上依次设置的cmos或ccd相机1、远心成像镜头2、半透半反射平行平板合像器3以及玻璃载物转盘5、置于玻璃载物转盘上的半导体晶粒6，在半导体晶粒6与半透半反射平行平板合像器之间的光路上分别依次设有天面直角转像棱镜4a、平行平板补偿器7和侧面直角转向棱镜4b，侧面直角转像棱镜和天面直角转像棱镜分别位于半导体晶粒的正侧部和天面正上方，所述天面直角转向棱镜与平行平板补偿器7、半透半反射平行平板合像器位于同一水平高度，侧面直角转像棱镜与半透半反射平行平板合像器位于远心成像镜头2的光轴上，同时侧面直角转像棱镜的第一直角面401b与半透半反射平行平板合像器的第一面301相对，侧面直角转像棱镜的第二直角面402b与半导体晶粒侧面相对，侧面直角转像棱镜的斜面403b与远心成像镜头光轴倾斜设置；
35.天面直角转像棱镜的两个直角面分别与半导体晶粒的天面和半透半反射平行平板合像器的第二面302相对；半透半反射平行平板合像器背离第二面302即第一面301的旁侧设有同轴外置照明光源8；
36.所述照明光源8经半透半反射平行平板合像器3时被分离为水平第一光路及纵向的第二光路，第一光路经平行平板补偿器7及第一直角转像棱镜后照明位于玻璃载物转盘半导体晶粒6的天面；第二光路经第二直角转像棱镜后照明待测半导体晶粒6的侧面，两束照明光束分别照明半导体晶粒6相邻的两个面，给予晶粒双面同时成像足够的光照条件；
37.成像检测光路：
38.被光源照明的半导体晶粒6相邻的两个面产生漫射光，半导体晶粒天面的成像光束经天面直角转像棱镜4a入射到厚度为的平行平板补偿器7上，再经过平行平板补偿器7平行出射的产生了一个s的位移，然后经半透半反射平行平板合像器 3反射抵达参考输出面上；而半导体晶粒侧面的成像光束经侧直角转像棱镜4b反射转向，再经半透半反射平行平板合像器3透射抵达参考输出面上； cmos或ccd相机便可分别获得双面各自独立的像。
39.在半透半反射平行平板合像器3右侧面平行光束入射的照明光源8，或在天面与侧面的直角转像棱镜4a，4b之前端设置的照明光源8可以是单色光，也可以是具有一定光谱带宽的准单色光源或白光。
40.所述天面直角转向棱镜与侧面直角转向棱镜的棱镜直角边长d相同，玻璃载物转盘为圆形，半导体晶粒位于玻璃载物转盘中心，半透半反射平行平板合像器中心、天面直角转向棱镜与侧面直角转向棱镜的反射面中心及半导体晶粒中心相连形成一个边长为d/2+d的方形对称光路结构，d为透明玻璃载物台宽度玻璃载物转盘中心。
41.半透半反射平行平板合像器中心与侧面直角转向棱镜斜面中心距离d/2+d，半导体晶粒侧面的成像光路工作距wd=d/2+d/2, 半透半反射平行平板合像器与天面直角转向棱镜斜面在同一水平高度上，二者距离d/2+d，半导体晶粒天面成像光路工作距wd=d/2+d/2。
42.平行平板补偿器7使半导体晶粒6天面成像光束产生了一段平行位移s，其s的大小取决于平行平板补偿器7的厚度t，半透半反射平行平板合像器3厚度为玻璃折射率n1以及平行平板补偿器7表面法线与光轴之间的夹角θ1。
43.使用普通cmos或ccd相机，分别获得半导体晶粒天面与侧面分离的完全等光程共焦成像检测。
44.本实施例中，本实用新型专利提出的半导体晶粒相邻面同时完全等光程共焦成像检测装置前置棱镜转像子系统的设计实施例。
45.1)本实施例中，半导体晶粒天面检测光路直角转像棱镜长宽厚度为15*15*15mm，半导体晶粒侧面检测光路直角转像棱镜长宽厚度15*15*15mm，透明玻璃载物台宽度为45mm。
46.2)半透半反射平行平板合像器3中心，直角转像棱镜4a和4b的反射面中心，半导体晶粒中心相连形成一个边长为d/2+d=37.5mm的方形对称光路结构。
47.3)半透半反射平行平板合像器3边长为15mm，厚度为6mm，与天面直角转像棱镜及侧面直角转像棱镜斜边平行。
48.4)半导体晶粒侧面成像光路工作距wd=d/2+d/2=30mm，半导体晶粒天面成像光路工作距wd= d/2+d/2=30mm。
49.如图7所示，平行平板补偿器7的厚度为t，其法线与入射光光轴夹角为θ，与出射光光轴夹角为θ’；θ1为平行平板补偿器法线和半透半反平行平板合像器法线与入射光光轴夹
角，大小为45
°
时为类迈克尔逊干涉仪结构的初始状态，θ1’为平行平板补偿器法线和半透半反平行平板合像器法线与出射光光轴夹角；θ2为装置中平行平板补偿器旋转后的法线与入射光光轴夹角，为类迈克尔逊干涉仪结构稍加变化的状态，θ2’为装置中平行平板补偿器旋转后的法线与出射光光轴夹角。
50.在平行平板补偿器7与光轴的夹角为45
°
时，成像分离距离和光程差的绝对值都为0，当偏转角度越偏离45
°
，则成像分离距离和光程差的绝对值越大。若要满足成像分离距离大于1.5mm，则入射角大约在<14
°
或者>64
°
；通过观察可得知，当平行平板补偿器7偏转角向小于45
°
的方向偏转时，相较于向入射角大于45
°
的方向偏转，光程差的绝对值变化较为缓慢，故选取平行平板补偿器7偏转角<14
°
的方案较为合理，此时光程差为
‑
0.65mm。该系统既能满足双面成像分离，又能使光程差不大，适用于双面检测同时成像的光学装置。
51.平行平板补偿器厚度与光程差关系：
52.以平行平板补偿器7的入射角为45
°
为设计基准，保证装置的机构位置等光程（o点与o’点重合），改变平行平板补偿器7厚度t为t’：
53.若只改变平行平板补偿器7的厚度而入射角度不变，且出射角只与入射角和折射率有关
54.θ1=θ2=45
°
，θ1’=θ2’，n1*sinθ1’=n*sinθ1（n=1）
55.此时两个清晰像的中心点距离s：
56.s = t4
‑
t2 =t’*sin(θ2
‑
θ2’)/cosθ2
’ꢀ‑ꢀ
t*sin(θ1
‑
θ1’)/cosθ1’57.=(t
’‑
t)*sin(θ1
‑
θ1’)/cosθ1’58.光程差可表示为：
59.原平行平板补偿器厚度t光路光程：δ1=ij*n1+jp+po
60.现平行平板补偿器厚度t’光路光程：δ2=ij’*n1+j’o’+o’p
61.δ1
‑
δ2=ij*n1+jp+po
ꢀ‑
(ij’*n1+j’o’+o’p)
62.其中，x1=ij，x2=ij’，j’o’=t3
‑
t1+jp，o’p=op=t4
‑
t2
63.=x1*n1+(t4
‑
t2)
‑
x2*n1
‑
(t3
‑
t1)
‑ꢀ
(t4
‑
t2)
64.=x1*n1
ꢀ–ꢀ
x2*n1
‑
(t3
‑
t1)
65.=t*n1/cosθ1
’–
(t
’‑
t)*cos(θ1
‑
θ1’)/cosθ1’66.其中参数t1,t2,t3,t4如图7所示，可以根据几何关系计算得出。
67.由上可知，当改变平行平板补偿器7的厚度时，成像分离距离和光程差的变化是成负关系的。当改变平行平板补偿器7厚度越大，则天面的像向左侧分离越多，光程差向负方向线性增加；当改变平行平板补偿器7厚度越小，则天面的像向右侧分离越多，光程差向正方向线性增加。
68.综上，改变平行平板补偿器7的入射角来增大分离距离的结论，当平行平板补偿器7偏转角向小于45
°
的方向偏转时，可以减小平行平板补偿器7厚度，而偏转角向大于45
°
的方向偏转时，可以增加平行平板补偿器7厚度，来达到减小光程差并且增大成像分离距离的目的。
69.要使双像分离距离足够大，并且使光程差尽量小，本实施例提供以下三种满足条件的平行平板补偿器放置方案：
70.a)平行平板补偿器7的厚度为6mm，其法线与光轴夹角为14
°
，平行平板补偿器材料
为k9玻璃，该方案的双像存在0.65mm的光程差。
71.b)平行平板补偿器7的厚度为6.2mm，其法线与光轴夹角为19
°
，平行平板补偿器材料为k9玻璃，并且需要天面机构的转向棱镜向下调整0.26mm，该方案的双像的光程差为零。
72.c)平行平板补偿器7厚度为6.5mm，其法线与光轴夹角为12
°
，平行平板补偿器材料为k9玻璃，该方案的双像的光程差为零。
73.5)半透半反射平行平板合像器3、平行平板补偿器7和直角转像棱镜的角度公差（≤30弧秒）产生的双像角位移误差应该控制在2弧分以内。
74.上述本实用新型所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本实用新型才公开部分数值以举例说明本实用新型的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本实用新型创造保护范围的限制。
75.如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。
76.另外，上述本实用新型公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
77.本实用新型提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
78.最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。