用于可见-紫外检测显微镜的成像光学系统的制作方法
【专利摘要】一种用于可见-紫外检测显微镜的成像光学系统，沿其光轴方向依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、…、直到第十八透镜，其中第一透镜至第四透镜组成第一镜组G1，其组合焦距为200mm，第五透镜至第十八透镜组成第二镜组G2，其组合焦距为4mm，物面到像面的放大倍率为1/50倍，物方视场半径为10mm，实现像方数值孔径为0.85。本发明全部采用高透过率的i线玻璃，成像质量接近完善成像，并且结构紧凑，完全可满足用于可见-紫外检测显微镜的技术要求。
【专利说明】用于可见-紫外检测显微镜的成像光学系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种成像光学系统，特别是一种用于可见-紫外检测显微镜的成像光 学系统。
【背景技术】
[0002] 在物理、化学、材料科学、生命科学等各个领域，紫外显微镜不断扩大应用范围；尤 其在半导体工业和光电子工业领域，紫外显微镜已经成为一种十分重要的检测装备。紫外 显微镜可以用于硅片（或掩模版）上的光刻图形在曝光、显影、刻蚀等工艺过程之后的检 测，可以快速观测硅片（或掩模版）上光刻图形的整体效果，可以测量光刻图形线宽（CD) 以及缺陷检测等。
[0003] 紫外显微镜还可以用于半导体封装光刻图形、印刷电路板（PCB)光刻图形以及缺 陷等的检测；尤其对于先进封装技术和高密度互连板（HDI板）技术，其光刻图形已经发展 到几个微米量级，其缺陷检测要求已经发展到亚微米量级。为了提高先进封装光刻图形和 HDI板光刻图形的良率，需要一种具有亚微米量级分辨率的紫外检测光学显微镜。另外，为 了提高检测的效率和减轻操作者的劳动强度，基于CCD图像采集技术，可以将显微物镜放 大的图像投射到CCD光敏面上，就可以拍摄成图片或视频进行再分析处理，这样使检测设 备的操作十分方便灵活。显微物镜光学系统是这类检测显微镜的核心装置，例如，视频显微 镜或数码显微镜就是以CCD相机或CMOS相机为接收器件的显微镜，这类显微镜的主要优点 是便于用计算机实现检测和信息处理的自动化。
[0004] 随着市场需求的持续引导，半导体技术、先进封装技术、高密度PCB板技术（如HDI 板）等也不断地取得进步，相应的检测装备也需要不断提高其技术指标以匹配光刻技术的 检测要求。针对先进封装技术和HDI板技术的需求，业界需要提供一种亚微米分辨率的检 测用紫外显微镜，并和图像传感器（如CCD相机）组成紫外显微镜检测装置，而显微物镜光 学系统是检测用紫外显微镜的核心装置，决定了紫外显微镜的主要技术指标。可见-紫外 检测显微镜采用分光系统，既可以和图像传感器（如CCD相机）组合使用，又可以和目镜组 合使用以供操作者观察。
[0005] 申请号为88109146. 4的中国专利（申请日1988年10月13日， 申请人:为国营华 北光学仪器厂），公开了一种大孔径显微投影物镜光学系统，可适用于印刷制版机物镜。其 数值孔径为〇. 417,放大倍率为10倍，工作波长为可见光（用C光、D光、F光代表），由7片 透镜构成，结构简单，放大倍率较低，数值孔径较小。其主要缺点是边缘视场分辨率低、畸变 大，不满足于先进封装和HDI板光刻图形检测显微镜的技术需求。
[0006] 申请号为201210418310.6的中国专利（申请日2012年10月26日），公开了 一种用于视频成像的显微物镜光学系统。该发明专利采用18块透镜实现了宽光谱范围 (360nm?550nm)、大数值孔径（NA = 0. 85)、大视场（0. 3mm)的视频成像，但是对于该专利 所描述的应用，以及潜在的其它方面的应用来讲，还有若干需要完善之处：
[0007] 实施例表一中，共米用了 12种牌号的光学材料，其中1种是HOYA公司产品， 11种是SCHOTT公司产品。所用的部分玻璃材料透过率较低，例如，其第1块透镜采用的是 SCHOTT公司的N-LAF33材料，该材料的透过率代码是39/32,表示对于IOmm厚玻璃材料在 390nm波长的内透过率为80 %，在320nm波长的内透过率为5 %，如图1所示，对于该专利的 工作波长360nm，内透过率一定小于80%;第2块透镜是SCHOTT公司的N-LAK12材料，透过 率代码是37/31，对于该专利的工作波长360nm，内透过率一定小于80% ;另外，N-LAK34材 料透过率代码是37/28, SF5材料的透过率代码是37/33,表明二者对工作波长360nm内透 过率一定小于80% ;N-LAK22和N-KZFSll材料透过率代码都是36/30,表明二者对工作波 长360nm内透过率为80% ;这样，选用大量的低透过率材料，必然导致该光学系统的总透过 率过低。
[0008] 该光学系统的相对畸变为0. 03%，对应于0. 3mm视场，那么可以计算在该视场 的畸变为〇. 03% *0. 3mm = 90nm，对于该专利所描述应用领域的检测要求来讲，该量级的畸 变比较大。
[0009] 根据该专利实施例表1中数据，计算得到该光学系统的共轭距为469. 8mm，表明 该光学系统比较长，结构不紧凑。
[0010] 根据该发明专利的描述，声称采用物方、像方双远心方案设计，但是没有提供远 心度偏差的数据。
[0011] 该光学系统的绝大部分采用胶合透镜组，如果向先进封装光刻、HDI板光刻、印 刷制版光刻等大剂量需求的【技术领域】应用推广，那么该光学系统由于有胶合层将不能应用 于大剂量曝光应用。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的在于提供一种用于可见-紫外检测显微镜的成像光学系统，该可 见-紫外检测显微镜的成像光学系统，可以用于先进封装、HDI板等光刻图形在曝光、显 影、刻蚀之后的检测，可用于快速观测光刻图形的整体效果，可用于测量光刻图形线宽（CD) 等。
[0013] 可见-紫外检测显微镜采用分光系统，既可以和图像传感器（如CXD相机）组合 使用，又可以和目镜组合使用以供操作者观察。
[0014] 所述用于可见-紫外检测显微镜的成像光学系统的放大倍率为1/50倍，像方数值 孔径NA为0. 85,工作波长范围为i线、h线和g线，即高压汞灯的主要三条谱线365. Onm、 404. 7nm、435. 8nm，物方视场半径为10mm，像方视场半径为0· 2mm。
[0015] 本发明的目的是这样实现的：
[0016] 一种用于可见-紫外检测显微镜的成像光学系统，以C⑶光敏面为物面位于上侧， 以被测样品表面为像面位于下侧，由于光路可逆，按照反向光路设计，光从上侧的CCD光敏 面向下侧的被测样品表面传播。所述的成像光学系统从物面到像面沿其光轴方向，依次包 括第一透镜、第二透镜、第三透镜、…、直到第十八透镜和孔径光阑，所述的第一透镜是具有 负光焦度并弯向像面的弯月透镜，所述的第二透镜、第六透镜、第八透镜、第九透镜、第i^一 透镜、第十三透镜、第十五透镜、第十七透镜是双凸正透镜，所述的第三透镜、第五透镜、第 七透镜、第十透镜、第十六透镜是双凹负透镜，所述的第四透镜是具有正光焦度并弯向物面 的弯月透镜，所述的第十二透镜和第十四透镜是具有负光焦度并弯向物面的弯月透镜，所 述的第十八透镜是具有正光焦度并弯向像面的弯月透镜，孔径光阑位于第十二透镜和第 十三透镜之间，所述的成像光学系统，所有十八块透镜全部采用OHARA公司高透过率的i 线玻璃，共选用6种牌号的玻璃材料，其中所述的第四透镜、第八透镜、第九透镜、第十一透 镜、第十五透镜、第十七透镜选用SFPL51Y玻璃材料，所述的第十四透镜选用PBL25Y玻璃材 料，所述的第五透镜选用SFSL5Y玻璃材料，所述的第一透镜、第六透镜、第七透镜、第十三 透镜、第十六透镜采用PBM2Y玻璃材料，所述的第二透镜、第十透镜、第十二透镜、第十八透 镜选用BSM51Y玻璃材料，所述的第三透镜选用BAL15Y玻璃材料。
[0017] 本发明的成像光学系统包括所述的十八块透镜和一个孔径光阑，其中第一透镜至 第四透镜组成第一镜组G1，其组合焦距为200mm，所述的第五透镜至第十八透镜组成第二 镜组G2,其组合焦距为4mm，这样保证所述的成像光学系统的放大倍率为1/50倍。
[0018] 本发明的成像光学系统与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
[0019] 1、本发明的成像光学系统全部采用高透过率的i线玻璃，并且全部透镜都采用分 离的独立透镜结构，无胶合结构，成像质量接近完善成像，既可以用于可见-紫外检测显微 镜，又可以用于印刷制版光刻物镜等领域；
[0020] 2、本发明的成像光学系统采用紧凑结构设计，物像共轭距与在先技术相比有较大 的改善；
[0021] 3、本发明的成像光学系统的相对畸变最大值为0. 01 %，对应为20nm的畸变，完全 满足用于可见-紫外检测显微镜或印刷制版光刻物镜等的技术要求和应用要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为光学玻璃材料的内透过率代码CC含义的示意图；
[0023] 图2为本发明的成像光学系统的结构及光路图；
[0024] 图3为本发明的成像光学系统的衍射调制传递函数MTF图；
[0025] 图4为本发明的成像光学系统的RMS波像差的分布图；
[0026] 图5为本发明的成像光学系统的球差、象散、场曲、畸变分布图；
[0027] 图6为本发明的成像光学系统的远心度误差分布图。
【具体实施方式】
[0028] 以下将对本发明的用于可见-紫外检测显微镜的成像光学系统做进一步的详细 描述，但不应以此限定本发明的保护范围。
[0029] 一种用于可见-紫外检测显微镜的成像光学系统，所述可见-紫外检测显微镜，可 以用于先进封装、HDI板等光刻图形在曝光、显影、刻蚀之后的检测，可用于快速观测光刻图 形的整体效果，可用于测量光刻图形线宽（CD)等。
[0030] 可见-紫外检测显微镜采用分光系统，既可以和图像传感器（如CXD相机）组合 使用，又可以和目镜组合使用以供操作者观察。
[0031] 所述可见-紫外检测显微镜的显微物镜的放大倍率β为1/50倍，像方数值孔 径NA为0. 85,工作波长范围为i线、h线和g线，即高压汞灯的主要三条谱线365. Onm、 404. 7nm、435. 8nm〇
[0032] 为了克服中国专利201210418310. 6透过率低的问题，本发明的成像光学系统还 有一个重要的应用，即用于印刷制版光刻物镜等领域，因此，本发明的所有透镜全部采用高 透过率的i线玻璃，其中透过率最低的PBM2Y玻璃在365nm波长对于每IOmm厚材料的内透 过率大于98. 6%，其它材料内透过率都在99%以上。
[0033] 另外，本发明的成像光学系统不采用胶合结构，全部18个透镜都采用分离的独立 透镜结构。
[0034] 为了克服中国专利201210418310. 6物像共轭距较长（469. 8mm)的问题，本发明的 成像光学系统采用紧凑结构设计，共轭距有较大的压缩。
[0035] 所述可见-紫外检测显微镜所用的探测器为C⑶相机，其像素尺寸为13 X 13 μ m2， 光敏面尺寸为13. 312X13. 312mm2,其对应的直径为18. 826_，将CXD相机光敏面作为本发 明的成像光学系统的物面，并取一定的设计余量，那么确定物方视场半径为l〇mm，由于显微 物镜放大倍率为1/50倍，这样，像方视场半径为0. 2_，一般显微物镜将该位置视为物面， 放大一定倍率后再经过目镜二次成像，由于光路可逆，本发明采用反向光路设计。
[0036] 由于C⑶相机像素尺寸为13 μ m，经过显微物镜50倍缩小之后为260nm，根据瑞利 分辨率公式
【权利要求】
1. 一种用于可见-紫外检测显微镜的成像光学系统，从物面到像面沿其光轴方向依次 包括第一透镜、第二透镜、第H透镜、…、第十二透镜、孔径光阔、第十H透镜、…、第十八透 镜，其特征在于： 所述的第一透镜是具有负光焦度并弯向像面的弯月透镜，所述的第二透镜、第六透镜、 第八透镜、第九透镜、第十一透镜、第十H透镜、第十五透镜、第十走透镜是双凸正透镜，所 述的第H透镜、第五透镜、第走透镜、第十透镜、第十六透镜是双凹负透镜，所述的第四透镜 是具有正光焦度并弯向物面的弯月透镜，所述的第十二透镜和第十四透镜是具有负光焦度 并弯向物面的弯月透镜，所述的第十八透镜是具有正光焦度并弯向像面的弯月透镜， 所有十八块透镜全部采用OHARA公司高透过率的i线玻璃，共选用6种牌号的玻璃 材料，所述的第四透镜、第八透镜、第九透镜、第十一透镜、第十五透镜、第十走透镜选用 SFPL51Y玻璃材料，所述的第十四透镜选用PBL25Y玻璃材料，所述的第五透镜选用SF化5Y 玻璃材料，所述的第一透镜、第六透镜、第走透镜、第十H透镜、第十六透镜采用PBM2Y玻璃 材料，所述的第二透镜、第十透镜、第十二透镜、第十八透镜选用BSM51Y玻璃材料，所述的 第H透镜选用BAL15Y玻璃材料。
2. 根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述的第一透镜至第四透镜组 成第一镜组，其组合焦距为200mm。
3. 根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述的第五透镜至第十八透镜 组成第二镜组，其组合焦距为4mm。
4. 根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，从物面到像面的放大倍率为 1/50。
5. 根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，像方数值孔径大于0. 50。
6. 根据权利要求5所述的成像光学系统，其特征在于，像方数值孔径等于0. 85。
7. 根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，物方视场半径大于1. 00mm。
8. 根据权利要求7所述的成像光学系统，其特征在于，物方视场半径等于10. 00mm。
9. 根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，工作波长范围为i线、h线和g 线，即高压隶灯的主要H条谱线365. 0nm、404. 7nm、435. 8nm。
10. 根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，物像共辆距，即系统总长小于 261mmD
【文档编号】G02B21/02GK104459966SQ201410620550
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】蔡燕民, 王向朝, 张友宝, 步扬, 唐锋, 黄惠杰 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所