专利名称：一种同轴双远心成像光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及半导体光刻设备中一种同轴双远心成像光学系统。
背景技术：
在半导体封装光刻设备及平板显示光刻中，位置对准装置是非常重要的装置之一，从结构上讲可将位置对准装置分为同轴位置对准装置和离轴位置对准装置两大类。采用离轴位置对准装置可降低对光学投影系统的设计、加工及装校要求，其对准方式经常采用基于机器视觉技术的测量方法实现，其中成像镜头是机器视觉系统的核心部件之一，其光学性能的优劣将直接决定最终对准测量精度的高低。一般地，高精度的测量光学系统需要在保证其图像锐利度和较大的放大倍率以外，其照明均勻性需要小于5%而畸变最好小于0. 1%，当然如果该系统同时又是双远心系统的话，那么最后的测量精度将更能得到保证。在美国专利US5689602中，提出了一种同轴照明的光学系统结构，该结构的优点是照明光路结构简单、能量利用率高，缺点是该结构的照明视场大小不可控制，成像系统中容易进入杂散光，对相应的机械结构消杂光要求和装配要求会比较高。在美国专利US5715050中，提出了一种同轴照明双远心光学测量系统，这种系统的优点是物象面位置误差对测量精度影响低，但该系统的放大倍率低，照明面积大小不能控制，因此不能得到高的测量精度；并且它在双远心成像系统后面还需要额外的光学系统来保证好的对比图像，增加了设计成本和装校难度。在美国专利US6639653B2中，提出了一种双远心物镜光学结构，该结构当运用到小视场高倍率的系统中时，结构会显得过于复杂，增加了系统成本和装校难度。
发明内容
本发明的目的在于提出一种同轴高倍率双远心成像光学系统，使光学系统的结构更加简单，在保证测量精度的同时，减少系统的成本和实现难度。本发明的目的是这样实现的。一种同轴双远心成像光学系统，包括同轴照明系统、 成像系统和挡光元件，所述同轴照明系统从光源至物面方向沿光轴依次包括光源、照明物镜组、分束元件和前组物镜组，所述成像系统从物面至像面方向沿光轴依次包括所述前组物镜组、所述分束元件和后组物镜组，所述挡光元件用于限制所述同轴照明系统和所述成像系统光束的大小，所述同轴照明系统和所述挡光元件构成柯勒照明系统，所述成像系统和所述挡光元件构成双远心成像系统。其中，所述挡光元件为第一孔径光阑，设置于所述前组物镜组和所述分束元件之间。其中，所述挡光元件包括第一孔径光阑和第二孔径光阑，所述第一孔径光阑设置于所述照明物镜组和所述分束元件之间，所述第二孔径光阑设置于所述分束元件和所述后组物镜组之间。优选地，所述前组物镜组从物面至像面方向沿光轴依次包括正光焦度的第一透镜、负光焦度的第二透镜、正光焦度的第三透镜、正光焦度的第四透镜、负光焦度的第五透镜，满足如下条件0. 5 ^ f2/f4 ^ 1. 5,0. 5 ^ f3/f4 ^ 1. 5,0. 5 ^ f5/f4 ^ 1. 5,0. 5 ^ f6/ f4 ( 1. 5.n3-n2 > 0. 1, n3_n4 > 0. 1, n3_n5 > 0. 1 ；n6-n2 > 0. 1, n6_n4 > 0. 1, n6_n5 > 0. 1 ；其中f2，f3，f4，f5，f6分别对应第一到第五透镜的焦距，n2, n3, n4, n5, n6分别对应第一到第五透镜所使用材料的折射率。其中，所述第一透镜为平凸透镜，所述第二透镜为凸凹透镜，所述第三透镜为双凸透镜，所述第四透镜为平凸透镜，所述第五透镜为双凹透镜。其中，所述分束元件由两个直角棱镜胶合组成。其中，上述两个直角棱镜之一的斜面上镀有用于对50%的光束进行反射，对50% 的光束进行透射的薄膜。优选地，所述后组物镜组从物面至像面方向沿光轴依次包括负光焦度的第六透镜和正光焦度的第七透镜。其中，所述第六透镜为双凹透镜，第七透镜为凹凸透镜。优选地，所述照明物镜组从光源至物面方向沿光轴依次包括第八透镜、第九透镜、 第三孔径光阑、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜。其中，所述光源和所述第一孔径光阑共轭，所述第三孔径光阑和所述物面共轭。其中，所述第三孔径光阑是一可变光阑，控制照明面积的大小。其中，所述第八透镜为正光焦度，第九透镜为负光焦度，第十透镜为负光焦度，第十一透镜为正光焦度，第十二透镜为正光焦度。其中，所述第八透镜为平凸透镜，第九透镜为双凹透镜，第十透镜为平凹透镜，第十一透镜为平凸透镜，第十二透镜为平凸透镜。其中，所述第八透镜为正光焦度，第九透镜为负光焦度，第十透镜为正光焦度，第十一透镜为正光焦度，第十二透镜为负光焦度。其中，所述第八透镜为双凸透镜，第九透镜为平凹透镜，第十透镜为凹凸透镜，第十一透镜为平凸透镜，第十二透镜为凸凹透镜。其中，所述光源是卤素灯或者LED或者引导卤素灯或者LED光能的光纤。其中，所述照明物镜组还包括用于改变光线传播方向的棱镜或反射镜。其中，在物面和前组物镜组之间还设置有改变光束传播方向的棱镜或反射镜。其中，所述物面为近红外散射面或硅片前表面。其中，像面接收器为电荷耦合器件CCD或者互补金属氧化物半导体CMOS摄像机。本发明光学系统的照明方式采用的是同轴柯勒照明，而成像系统采用的是高倍率双远心成像系统，优点如下1)采用同轴柯勒照明方式，可以得到很高的照明均勻性，使成像图像有好的对比度，最终提高整个系统的测量精度。
2)采用同轴柯勒照明方式，在柯勒照明系统中的视场光阑上放置可变光阑，可以控制被照物面的照明面积大小，以达到控制整个系统的杂散光，保证测量精度的作用；这样，对机械结构的消杂光要求会比较低，可以减小光学系统的装校难度。3)成像系统采用高倍率双远心光学系统，可以提供高的测量精度。4)成像系统的畸变小于0. 1%，可以提供高的测量精度。5)结构简单，减少了系统的成本和实现难度。6)成像系统采用了一种适用于高倍率小视场的全新的非对称型的双远心光学结构，可以减小镜片数量，节约成本。
图1为本发明光学系统实施图2为本发明光学系统实施图3为本发明光学系统实施图4为本发明光学系统实施图5为本发明光学系统实施图6为本发明光学系统实施
J1的同轴双远心成像光学系统的结构示意图； J1中同轴照明系统的照明均勻性； J1中成像系统的畸变图； J2的同轴双远心成像光学系统的结构示意图； J3的同轴双远心成像光学系统的结构示意图； J4的同轴双远心成像光学系统的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。本发明一种同轴双远心成像光学系统，照明系统采用了照明均勻性好且更容易控制杂散光的柯勒照明系统，而成像系统采用了非对称型的小畸变高倍率双远心系统。基于此，本发明提供的同轴双远心成像光学系统可以得到比背景技术高的测量精度和较低的机械设计装配难度，并且能减少成像系统的成本。如图1所示，本发明的成像光学系统包括同轴照明系统、成像系统和挡光元件，其中前组物镜组G1、孔径光阑AS和分束元件L7为同轴照明系统和成像系统所共用，光源、照明物镜组G2、分束元件L7、孔径光阑AS和前组物镜组Gl组成柯勒照明系统为物面提供均勻性很好的照明，孔径光阑ID可控制物面被照明的面积；而前组物镜组G1、孔径光阑AS、分束元件L7和后组物镜组G3组成小畸变高倍率双远心成像系统。实施例1如图1所示，本实施例一种同轴双远心成像光学系统包括同轴照明系统、成像系统和挡光元件，所述的同轴照明系统从光源至物面方向沿光轴依次包括光源、照明物镜组 G2，分束元件L7和前组物镜组G1，对物面进行均勻照明。所述挡光元件在该实施例中为孔径光阑AS，位于所述分束元件L7和前组物镜组Gl之间，为所述同轴照明系统和所述成像系统所共用。所述的光源可以为卤素灯、LED、传导卤素灯或LED光能的光纤。本实施例中采用的照明光源为近红外光源，有效波长为IOOOnm到1300nm。所述的照明物镜组G2从光源至物面方向沿光轴依次包括平凸透镜L15、双凹透镜L14、孔径光阑ID和平凹透镜L13、平凸透镜L11、平凸透镜LlO组成，平凸透镜L15为正光焦度、双凹透镜L14为负光焦度、平凹透镜L13为负光焦度、平凸透镜Lll为正光焦度、平凸透镜LlO为正光焦度。该同轴照明系统和孔径光阑AS构成柯勒照明系统，光源和孔径光阑AS共轭，孔径光阑ID和物面(被照明面)共轭。而孔径光阑ID可以是可变光阑，可以根据需要用可变光阑控制柯勒照明系统照明面积大小，从而达到控制系统杂散光的目的。所述的分束元件L7由两个直角棱镜胶合组成，在其中一个直角棱镜斜面上镀有用于对50 %的光束进行反射，50 %的光束进行透射的薄膜，进行反射和投射的光束比例可以选择其他数值，比如40%和60%等，这可以通过选择合适的薄膜来实现。所述的孔径光阑AS，用于限制光路中光束的大小，具体是限制接收光源出射光线的发散角度，以及限制用于成像的光束发散角度。所述的前组物镜组Gl从物面至光源方向沿光轴依次包括平凸透镜L2、凸凹透镜L3、双凸透镜L4、平凸透镜L5和双凹透镜L6，采用的光焦度依次为正光焦度、负光焦度、正光焦度、正光焦度、负光焦度，该前组物镜组Gl主要校正系统中的球差和轴上色差，用于对照明光束进行会聚以及对成像光束进行会聚。所述的前组物镜Gl满足如下条件0. 5 ^ f2/f4 ^ 1. 5,0. 5 ^ f3/f4 ^ 1. 5,0. 5 ^ f5/f4 ^ 1. 5,0. 5 ^ f6/ f4 ( 1. 5.n3-n2 > 0. 1, n3_n4 > 0. 1, n3_n5 > 0. 1 ；n6-n2 > 0. 1, n6_n4 > 0. 1, n6_n5 > 0. 1 ；其中f2，f3, f4, f5, f6 分别对应着透镜 L2，L3，L4，L5，L6 的焦距；n2，n3，n4，n5，n6 分别对应着透镜L2，L3，L4，L5，L6所使用材料的折射率(Nd)。所述的成像系统从物面至像面方向沿光轴依次包括前组物镜组G1、分束元件L7 和后组物镜组G3。前组物镜组G1、孔径光阑AS、分束元件L7和后组物镜组G3组成小畸变高倍率双远心成像系统。其中，所述成像系统和所述同轴照明系统共用所述前组物镜组G1、 所述孔径光阑AS、所述分束棱镜L7。所述后组物镜组G3从物面至像面方向沿光轴依次包括双凹透镜L8和凹凸透镜L9，光焦度依次为负光焦度、正光焦度，该后组物镜组G3用于对前组物镜组Gl会聚的光线进行扩大，其光焦度的分配由系统的放大倍率决定，并校正放大过程中产生的畸变。像面接收器一般为电荷耦合器件CCD或者互补金属氧化物半导体CMOS 摄像机。本实施例1中，上述各透镜表面的曲率半径，透镜的中心厚度，透镜所采用的材料及透镜有效口径均列在表1中。表1中的具体数据是按照一个照明光纤端面直径为4mm，放大倍率为-1倍和物面照明均勻性小于5%的设计所得到的结果。最终设计得到的照明系统的照明均勻性如图2所示，经计算得到该系统的照明均勻性为1. 2%，满足照明均勻性小于 5%的设计要求。在表1中，朝向光源一侧的为光学元件前表面，朝向被照明面(物面)的为光学元件的后表面，从光源沿光轴至物面，曲率半径中心朝向物面一侧的曲率半径为正， 曲率半径中心朝向光源一侧的曲率半径为负。
权利要求
1.一种同轴双远心成像光学系统，包括同轴照明系统、成像系统和挡光元件，其特征在于所述同轴照明系统从光源至物面方向沿光轴依次包括光源、照明物镜组、分束元件和前组物镜组，所述成像系统从物面至像面方向沿光轴依次包括所述前组物镜组、所述分束元件和后组物镜组，所述挡光元件用于限制所述同轴照明系统和所述成像系统光束的大小， 所述同轴照明系统和所述挡光元件构成柯勒照明系统，所述成像系统和所述挡光元件构成双远心成像系统。
2.如权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述挡光元件为第一孔径光阑，设置于所述前组物镜组和所述分束元件之间。
3.如权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述挡光元件包括第一孔径光阑和第二孔径光阑，所述第一孔径光阑设置于所述照明物镜组和所述分束元件之间，所述第二孔径光阑设置于所述分束元件和所述后组物镜组之间。
4.如权利要求1至3之一所述的成像光学系统，其特征在于所述前组物镜组从物面至像面方向沿光轴依次包括正光焦度的第一透镜、负光焦度的第二透镜、正光焦度的第三透镜、正光焦度的第四透镜、负光焦度的第五透镜，满足如下条件0. 5^ I f2/f4 ^ 1. 5,0. 5^ I f3/f4 ^ 1. 5,0. 5^ | f5/f4 ^ 1. 5,0. 5^ | f6/f41 ^ 1. 5.n3_n2 > 0. 1, n3_n4 > 0. 1, n3_n5 > 0. 1 ；n6-n2 > 0. 1, n6-n4 > 0. 1, n6_n5 > 0. 1 ；其中f2，f3，f4，f5，f6分别对应第一到第五透镜的焦距，n2, n3, n4, n5, n6分别对应第一到第五透镜所使用材料的折射率。
5.如权利要求4所述的成像光学系统，其特征在于所述第一透镜为平凸透镜，所述第二透镜为凸凹透镜，所述第三透镜为双凸透镜，所述第四透镜为平凸透镜，所述第五透镜为双凹透镜。
6.如权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于所述分束元件由两个直角棱镜胶合组成。
7.如权利要求6所述的成像光学系统，其特征在于，上述两个直角棱镜之一的斜面上镀有用于对50%的光束进行反射，对50%的光束进行透射的薄膜。
8.如权利要求1至3之一所述的成像光学系统，其特征在于所述后组物镜组从物面至像面方向沿光轴依次包括负光焦度的第六透镜和正光焦度的第七透镜。
9.如权利要求8所述的成像光学系统，其特征在于，所述第六透镜为双凹透镜，第七透镜为凹凸透镜。
10.如权利要求2或3所述的成像光学系统，其特征在于，所述照明物镜组从光源至物面方向沿光轴依次包括第八透镜、第九透镜、第三孔径光阑、第十透镜、第十一透镜和第十二透镜。
11.如权利要求10所述的成像光学系统，其特征在于所述光源和所述第一孔径光阑共轭，所述第三孔径光阑和所述物面共轭。
12.如权利要求10所述的成像光学系统，其特征在于所述第三孔径光阑是一可变光阑，控制照明面积的大小。
13.如权利要求12所述的成像光学系统，其特征在于所述第八透镜为正光焦度，第九透镜为负光焦度，第十透镜为负光焦度，第十一透镜为正光焦度，第十二透镜为正光焦度。
14.如权利要求13所述的成像光学系统，其特征在于所述第八透镜为平凸透镜，第九透镜为双凹透镜，第十透镜为平凹透镜，第十一透镜为平凸透镜，第十二透镜为平凸透镜。
15.如权利要求12所述的成像光学系统，其特征在于所述第八透镜为正光焦度，第九透镜为负光焦度，第十透镜为正光焦度，第十一透镜为正光焦度，第十二透镜为负光焦度。
16.如权利要求15所述的成像光学系统，其特征在于所述第八透镜为双凸透镜，第九透镜为平凹透镜，第十透镜为凹凸透镜，第十一透镜为平凸透镜，第十二透镜为凸凹透镜。
17.如权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于所述光源是卤素灯或者LED或者引导卤素灯或者LED光能的光纤。
18.如权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于所述照明物镜组还包括用于改变光线传播方向的棱镜或反射镜。
19.如权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于在物面和前组物镜组之间还设置有改变光束传播方向的棱镜或反射镜。
20.如权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于所述物面为近红外散射面或硅片前表面。
21.如权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于像面接收器为电荷耦合器件CCD或者互补金属氧化物半导体CMOS摄像机。
全文摘要
一种同轴双远心成像光学系统，包括同轴照明系统、成像系统和挡光元件，前组物镜组和分束元件为同轴照明系统和成像系统所共用，光源、照明物镜组、分束元件和前组物镜组组成同轴照明系统，上述同轴照明系统和挡光元件构成柯勒照明系统，为物面提供均匀性很好的照明；前组物镜组、分束元件、后组物镜组和挡光元件构成小畸变高倍率双远心成像系统。本发明可以得到很高的照明均匀性，使成像图像有好的对比度，最终提高整个系统的测量精度。同时结构简单，减少了系统的成本和实现难度。
文档编号G02B13/22GK102346291SQ20101024268
公开日2012年2月8日 申请日期2010年8月2日 优先权日2010年8月2日
发明者徐兵, 杨晓青, 蔡巍, 陈跃飞 申请人:上海微电子装备有限公司