超薄超短物像距高分辨率檢測成像系統設計與試驗

李延偉，伍雁雄,2 ，陳太喜，魏浩東，謝新旺，董雷崗，李駿馳，李建杰

（1.季華實驗室,廣東 佛山 528000；2.佛山科學技術學院,廣東 佛山 528000；3.沈陽芯源微電子設備股份有限公司,遼寧 沈陽 110168）

1 引言

自動光學檢測（AOI）系統[1-6]是半導體檢測設備的重要組成部分，可用于實現對涂膠顯影后的12 寸晶圓表面缺陷的全范圍檢測（Full Scale Scan）。AOI 系統基于光學原理，通過設計照明系統對被測目標進行照明，一般可分為明場、暗場、透射場等成像方式[7-8]。其中，明場照明成像方式[9]是指照明系統以一定入射角照射到被測目標表面，而成像相機位于反射光方向并接受絕大多數光的成像方式。此方式具有較強的光學響應，是AOI 檢測系統中的關鍵組成部分。

基于線掃描的明場成像技術[10]，一般是采用傾斜一定角度或垂直照射被測目標表面，依據反射定律，光線進入到放置在反射角度上的成像相機（光學鏡頭、線陣探測器），依靠直線位移平臺帶動被測目標運動來實現整幅圖像的采集。采用傾斜一定角度照明時，照明系統和成像相機需要傾斜布置，這會增加整個系統豎直方向上（徑向）的空間尺寸，特別是入射角度越小，所需空間尺寸越大，且結構布置容易出現干涉現象。采用垂直照明時，通常利用半反半透鏡實現系統布置。這不僅會增加徑向空間尺寸，而且會損失照明系統至少3/4 的能量。兩種方式都不能滿足半導體檢測設備中AOI 系統的裝機尺寸要求。

基于此，本文提出了一種小角度棱鏡折轉光路與超短物像距鏡頭相結合的方法，設計了高面形精度的小角度棱鏡進行光路折轉，實現照明系統與成像相機的水平布置，極大降低了整個系統徑向尺寸。此外，設計了純球面系統的對稱混合型光學系統，極大降低了整個系統的軸向尺寸，且具有高分辨率、高像面均勻性與低畸變等優點。搭建了分辨率成像測試與像面照度均勻性測試裝置，獲得了成像鏡頭的實際成像分辨率與全視場像面照度均勻性。最后結合整個系統成像試驗，驗證了超薄超短物像距高分辨率檢測成像系統的有效性，解決了涂膠顯影設備中AOI 系統的裝機空間限制難題，并獲得了高分辨率圖像。

2 系統設計

整個系統主要由照明系統（光源）、高面形精度棱鏡與成像相機（光學鏡頭與線陣探測器）組成。如圖1 所示，光源光線以水平方向照射到棱鏡第一個反射面上，反射照亮12 寸晶圓，再由晶圓表面反射照射到棱鏡的第二個反射面上，最后水平進入光學鏡頭。工作時，運動平臺帶動12 寸晶圓沿著水平方向進行勻速運動，將整個晶圓成像在線陣探測器中，形成12 寸晶圓的整幅圖像。定義與運動平臺平行的水平方向為軸向；與運動平臺垂直的豎直方向為徑向；晶圓表面入射光線與徑向夾角為入射角；徑向與晶圓表面夾角為出射角。

圖1 系統工作原理圖Fig.1 The working principle of the system

采用的探測器為16 K 彩色探測器，如圖2 所示。像元尺寸為5 μm，像高為81.92 mm。為保證成像范圍，設定物高為310 mm(晶圓尺寸為300 mm)，則光學鏡頭放大倍率為0.264。

圖2 16K 彩色探測器Fig.2 The 16K color detector

設計時盡量減小入射角，并考慮棱鏡加工工藝與徑向方向尺寸限制等條件，經過優化后，確定入射角為12°，棱鏡夾角為102°。設計了純球面系統的對稱混合型光學系統，物像距僅為392.5 mm。最終整個系統中晶圓表面到棱鏡上端面的徑向尺寸為80 mm，光源最左側到成像相機最右側的軸向尺寸為580 mm，極大縮減了整個系統的徑向和軸向尺寸，滿足裝機空間要求。整體結構模型如圖3 所示。

圖3 整體結構圖Fig.3 The overall structure

3 棱鏡設計

小角度棱鏡是用于折轉入射光與出射光的核心部件，既要保證照明系統與成像相機水平放置的要求，又要保證不影響光學鏡頭的成像質量。設計時主要從材料選擇、支撐方式選擇等方面，確保棱鏡在工作環境下滿足高面形精度、優異力學性能與熱穩定性的要求。

雙反射面結構形式的棱鏡材質主要包括微晶玻璃、熔石英、K9 等[11]，材料參數如表1 所示。為保證成像范圍，棱鏡長度確定為330 mm。由于徑向方向尺寸限制，導致棱鏡的鏡厚比較大（大于8∶1），這就要求選用的棱鏡材料要具有較高彈性模量，滿足力學性能要求。實際工作中，光源光線直接照射到棱鏡反射面上，由于光源功率較高（200 W），會引起棱鏡在短時間內溫度快速變化，這就要求棱鏡材料具有較低的熱膨脹系數，避免降低棱鏡的面形精度。因此，選用了極低線膨脹系數、較高彈性模量的微晶玻璃作為棱鏡材料。設計的棱鏡如圖4 所示，設計參數如表2 所示。根據光學仿真結果，為不影響光學鏡頭的成像質量，安裝后的棱鏡面形精度RMS 值需優于λ/12（λ=632.8 nm）。

表2 設計參數Tab.2 Designed parameters

圖4 棱鏡結構圖Fig.4 The structure of prism

為保證棱鏡安裝后的面形精度，不損失棱鏡加工后的面形精度，提出底面高精度三點定位與周邊兩側粘膠固定的支撐方法，底面約束1 個自由度，兩側粘膠固定約束剩余5 個自由度，如圖5所示。

圖5 棱鏡支撐結構Fig.5 Support structure of the prism

以棱鏡的大底面（330 mm×55 mm）為定位基準，與棱鏡座接觸面設計3 處凸臺結構，構成三點定位。三處凸臺面通過研磨工藝滿足3 μm 的平面度要求。在尺寸為330 mm 的棱鏡座腔體內側通過特殊工藝加工出注膠槽，裝配時通過注膠孔注膠固定。利用軟膠墊和壓塊予以保護，既保證了棱鏡不受外力影響，又提升了使用安全性。整體模型如圖6 所示。棱鏡座和壓塊均選擇力學性能優異的航空鋁合金材料。最后利用Lupho-Scan 高速非接觸式3D 非球面光學面形測量系統對棱鏡的兩個反射鏡進行面形測量，測試裝置實物圖如圖7 所示，面形測試結果如圖8（彩圖見期刊電子版）所示。

圖6 棱鏡組件結構圖Fig.6 The structure of prism assembly

圖7 測試裝置Fig.7 The test device

圖8 棱鏡面形測試結果Fig.8 Surface test results of the prism

由圖8 可知，兩個反射鏡面RMS 值分別為48 nm 和49 nm，均優于1/12λ（λ=632.8 nm），滿足研制需求。

4 光學鏡頭設計

光學鏡頭用于匹配16K 彩色探測器，像高為81.92 mm，放大倍率為0.264。目前行業成品鏡頭物像距較大（例：放大倍率為0.33 時，物像距為486 mm），且邊緣視場光學傳遞函數較低，不能滿足空間尺寸與分辨率要求。為此，設計了一種焦距為52 mm 的對稱混合型光學系統。該系統實現了全視場范圍內光學像差的平衡，像差校正效果優異，且具有純球面系統、系統畸變小、分辨率高、結構緊湊等優點，物像距僅為392.5 mm，純球面系統可以有效降低加工成本，光學系統結構如圖9（彩圖見期刊電子版）所示。

圖9 光學系統Fig.9 The optical system

基于建模數據分析了包括光學傳遞函數[12]、畸變[13]與像面照度均勻性等在內的光學系統成像質量，傳遞函數的評價波長區間為430～650 nm，如圖10～圖12（彩圖見期刊電子版）所示。

圖10 光學傳遞函數設計結果Fig.10 Design results of the optical transfer function

由圖10 可知，平均光學傳遞函數優于0.4@100 lp/mm，成像質量優異。由圖11 可知，系統相對畸變優于0.03%，數值較小，優于0.04%，滿足研制需求。由圖12 可知，全視場像面照度均勻性優于50%，數值較高，滿足研制需求。

圖11 畸變設計結果Fig.11 Design results of the distortion

圖12 像面照度均勻性設計結果Fig.12 Design results of the image surface illumination

根據光學設計結果與公差要求，設計自定心直裝方法，采用尖點弧面接觸形式，依靠隔圈自旋定心的方式保證光學偏心誤差在0.01 mm 以內，通過控制隔圈厚度保證光學間隔誤差在0.02 mm以內，最終實現光學鏡頭精密快速裝配，光學鏡頭實物圖如圖13 所示。

圖13 光學鏡頭實物圖Fig.13 Picture of the optical lens

5 試 驗

對光學鏡頭進行分辨率成像試驗[14-15]和像面照度均勻性測試試驗，分別搭建試驗裝置，驗證鏡頭成像分辨率、像面照度均勻性與設計值的一致性。最后，進行整機測試，驗證整體成像效果。

5.1 分辨率成像試驗

分辨率成像試驗主要利用面陣探測器對鑒別率板成像，判讀圖像數據后考察光學鏡頭的成像質量。

試驗裝置如圖14 所示，首先將鑒別率板放置在工裝固定視場位置，采用高均勻性的面光源提供照明，移動光學鏡頭確保物像距尺寸，后端利用面陣探測器接收鑒別率板圖像，如圖15 所示，最后進行數據判讀。

圖14 分辨率成像試驗裝置Fig.14 Imaging resolution test device

圖15 3 號鑒別率板成像圖Fig.15 The images of 3# resolution chart

由圖15 可知，中心視場和邊緣（41 mm）視場的3 號鑒別率板圖像可以判讀至少14 組，對應線寬為18.88 μm，優于光學極限分辨率18.94 μm，說明光學鏡頭成像分辨率滿足設計要求，成像質量良好。

5.2 像面照度均勻性測試

像面照度均勻性是指像面上各處照度的不均勻性程度，具體表征為：當一鏡頭的攝影倍率和光圈為一定值時，將它正對著均勻面光源，在其共軛像面上距光軸為Y的像面照度EY與光軸上的像點照度E0之比，即KY=EY/E0×100%，測試目的是驗證光學設計結果，得到實際像面照度均勻性，用于作為后續圖像灰度級校正的數據支持。像面照度均勻性設計值為51%。

利用行業標準規定的光電法進行測試[16]，如圖16 所示。測試時，將均勻面光源放置于標準工作距離處，光接收器（照度計）受光窗放置在與攝影距離刻度相當的共軛像面上。其中受光窗必須為圓形，其直徑原則上應小于靶面對角線尺寸的1/20，且在測量過程中受光窗直徑保持不變。測試過程中要注意遮光。

圖16 像面照度均勻性光電測試法Fig.16 Photoelectric test method for the image surface illumination uniformity

整個測試裝置主要由高均勻性面光源、光學鏡頭、照度計、運動平臺等組成，如圖17 所示。照度計通過工裝放置在二維平移臺上，用于改變后截距與像高的大小。測量誤差為±3%。受光窗設置為Φ3 mm，滿足光窗直徑小于4.1 mm 的要求。測試時，在光學鏡頭與高均勻性面光源之間布置遮光罩，并嚴格遮光，避免雜光影響像面照度。測試結果如表3 所示。

表3 不同照度下的相面照度值Tab.3 Image surface illuminance values under different illuminations

圖17 像面照度均勻性測試裝置Fig.17 Test device of the image surface illuminance uniformity

對表3 數據進行處理后，焦面位置像面照度均勻性測試值為43.3%，滿足均勻性優于40%的研制要求。主要誤差來自于光學鍍膜、測量裝置誤差與測量誤差等。其中，光學鍍膜造成的誤差主要是由于光學系統中入射角過大，使鍍膜曲線產生漂移，導致邊緣透過率下降較快，拉大了邊緣與中心視場的照度值。

5.3 整機成像測試

整機成像試驗主要是利用16K 線陣探測，結合運動平臺，對晶圓樣品進行成像。系統獲取的圖像如圖18 所示。

圖18 晶圓圖像Fig.18 The wafer image

由圖18 可知，整幅圖像成像完整、細節清晰，可以滿足后續圖像處理要求。

6 結論

針對基于線掃描的明場成像系統空間尺寸大、圖像分辨率低的問題，提出了一種小角度棱鏡折轉光路與超短物像距鏡頭相結合的解決方法，設計了高面形精度的小角度棱鏡進行光路折轉，實現照明系統與成像相機的水平布置，極大降低整個系統的徑向尺寸。設計了純球面系統的對稱混合型光學系統，具有超短物像距、高分辨率、高像面均勻性與低畸變等優點，極大降低了整個系統的軸向尺寸。設計結果如下：光學鏡頭全視場平均光學傳遞函數優于0.4@100 lp/mm；相對畸變優于0.03%；像面照度均勻性全視場優于50%。實驗結果表明，光學鏡頭實際成像分辨率優于18.88 μm，像面照度均勻性為43.3%，均滿足研制要求。研究結果表明，提出的超薄超短物像距高分辨率檢測成像系統合理、有效，可為后續近距離大尺寸物體檢測成像系統的研制提供參考依據。