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(shí)驗(yàn)室,廣東 佛山 528000；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院,廣東 佛山 528000；3.沈陽(yáng)芯源微電子設(shè)備股份有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110168）

1 引言

自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（AOI）系統(tǒng)[1-6]是半導(dǎo)體檢測(cè)設(shè)備的重要組成部分，可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)涂膠顯影后的12 寸晶圓表面缺陷的全范圍檢測(cè)（Full Scale Scan）。AOI 系統(tǒng)基于光學(xué)原理，通過(guò)設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行照明，一般可分為明場(chǎng)、暗場(chǎng)、透射場(chǎng)等成像方式[7-8]。其中，明場(chǎng)照明成像方式[9]是指照明系統(tǒng)以一定入射角照射到被測(cè)目標(biāo)表面，而成像相機(jī)位于反射光方向并接受絕大多數(shù)光的成像方式。此方式具有較強(qiáng)的光學(xué)響應(yīng)，是AOI 檢測(cè)系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分。

基于線(xiàn)掃描的明場(chǎng)成像技術(shù)[10]，一般是采用傾斜一定角度或垂直照射被測(cè)目標(biāo)表面，依據(jù)反射定律，光線(xiàn)進(jìn)入到放置在反射角度上的成像相機(jī)（光學(xué)鏡頭、線(xiàn)陣探測(cè)器），依靠直線(xiàn)位移平臺(tái)帶動(dòng)被測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)整幅圖像的采集。采用傾斜一定角度照明時(shí)，照明系統(tǒng)和成像相機(jī)需要傾斜布置，這會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)布置容易出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。采用垂直照明時(shí)，通常利用半反半透鏡實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)布置。這不僅會(huì)增加徑向空間尺寸，而且會(huì)損失照明系統(tǒng)至少3/4 的能量。兩種方式都不能滿(mǎn)足半導(dǎo)體檢測(cè)設(shè)備中AOI 系統(tǒng)的裝機(jī)尺寸要求。

基于此，本文提出了一種小角度棱鏡折轉(zhuǎn)光路與超短物像距鏡頭相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了高面形精度的小角度棱鏡進(jìn)行光路折轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)與成像相機(jī)的水平布置，極大降低了整個(gè)系統(tǒng)徑向尺寸。此外，設(shè)計(jì)了純球面系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)混合型光學(xué)系統(tǒng)，極大降低了整個(gè)系統(tǒng)的軸向尺寸，且具有高分辨率、高像面均勻性與低畸變等優(yōu)點(diǎn)。搭建了分辨率成像測(cè)試與像面照度均勻性測(cè)試裝置，獲得了成像鏡頭的實(shí)際成像分辨率與全視場(chǎng)像面照度均勻性。最后結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)成像試驗(yàn)，驗(yàn)證了超薄超短物像距高分辨率檢測(cè)成像系統(tǒng)的有效性，解決了涂膠顯影設(shè)備中AOI 系統(tǒng)的裝機(jī)空間限制難題，并獲得了高分辨率圖像。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)（光源）、高面形精度棱鏡與成像相機(jī)（光學(xué)鏡頭與線(xiàn)陣探測(cè)器）組成。如圖1 所示，光源光線(xiàn)以水平方向照射到棱鏡第一個(gè)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(gè)反射面上，最后水平進(jìn)入光學(xué)鏡頭。工作時(shí)，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)12 寸晶圓沿著水平方向進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，將整個(gè)晶圓成像在線(xiàn)陣探測(cè)器中，形成12 寸晶圓的整幅圖像。定義與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)平行的水平方向?yàn)檩S向；與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)垂直的豎直方向?yàn)閺较?；晶圓表面入射光線(xiàn)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(tǒng)工作原理圖Fig.1 The working principle of the system

采用的探測(cè)器為16 K 彩色探測(cè)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(shè)定物高為310 mm(晶圓尺寸為300 mm)，則光學(xué)鏡頭放大倍率為0.264。

圖2 16K 彩色探測(cè)器Fig.2 The 16K color detector

設(shè)計(jì)時(shí)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(jīng)過(guò)優(yōu)化后，確定入射角為12°，棱鏡夾角為102°。設(shè)計(jì)了純球面系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)混合型光學(xué)系統(tǒng)，物像距僅為392.5 mm。最終整個(gè)系統(tǒng)中晶圓表面到棱鏡上端面的徑向尺寸為80 mm，光源最左側(cè)到成像相機(jī)最右側(cè)的軸向尺寸為580 mm，極大縮減了整個(gè)系統(tǒng)的徑向和軸向尺寸，滿(mǎn)足裝機(jī)空間要求。整體結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示。

圖3 整體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The overall structure

3 棱鏡設(shè)計(jì)

小角度棱鏡是用于折轉(zhuǎn)入射光與出射光的核心部件，既要保證照明系統(tǒng)與成像相機(jī)水平放置的要求，又要保證不影響光學(xué)鏡頭的成像質(zhì)量。設(shè)計(jì)時(shí)主要從材料選擇、支撐方式選擇等方面，確保棱鏡在工作環(huán)境下滿(mǎn)足高面形精度、優(yōu)異力學(xué)性能與熱穩(wěn)定性的要求。

雙反射面結(jié)構(gòu)形式的棱鏡材質(zhì)主要包括微晶玻璃、熔石英、K9 等[11]，材料參數(shù)如表1 所示。為保證成像范圍，棱鏡長(zhǎng)度確定為330 mm。由于徑向方向尺寸限制，導(dǎo)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(mǎn)足力學(xué)性能要求。實(shí)際工作中，光源光線(xiàn)直接照射到棱鏡反射面上，由于光源功率較高（200 W），會(huì)引起棱鏡在短時(shí)間內(nèi)溫度快速變化，這就要求棱鏡材料具有較低的熱膨脹系數(shù)，避免降低棱鏡的面形精度。因此，選用了極低線(xiàn)膨脹系數(shù)、較高彈性模量的微晶玻璃作為棱鏡材料。設(shè)計(jì)的棱鏡如圖4 所示，設(shè)計(jì)參數(shù)如表2 所示。根據(jù)光學(xué)仿真結(jié)果，為不影響光學(xué)鏡頭的成像質(zhì)量，安裝后的棱鏡面形精度RMS 值需優(yōu)于λ/12（λ=632.8 nm）。

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Designed parameters

圖4 棱鏡結(jié)構(gòu)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(diǎn)定位與周邊兩側(cè)粘膠固定的支撐方法，底面約束1 個(gè)自由度，兩側(cè)粘膠固定約束剩余5 個(gè)自由度，如圖5所示。

圖5 棱鏡支撐結(jié)構(gòu)Fig.5 Support structure of the prism

以棱鏡的大底面（330 mm×55 mm）為定位基準(zhǔn)，與棱鏡座接觸面設(shè)計(jì)3 處凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成三點(diǎn)定位。三處凸臺(tái)面通過(guò)研磨工藝滿(mǎn)足3 μm 的平面度要求。在尺寸為330 mm 的棱鏡座腔體內(nèi)側(cè)通過(guò)特殊工藝加工出注膠槽，裝配時(shí)通過(guò)注膠孔注膠固定。利用軟膠墊和壓塊予以保護(hù)，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(xué)性能優(yōu)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(xué)面形測(cè)量系統(tǒng)對(duì)棱鏡的兩個(gè)反射鏡進(jìn)行面形測(cè)量，測(cè)試裝置實(shí)物圖如圖7 所示，面形測(cè)試結(jié)果如圖8（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示。

圖6 棱鏡組件結(jié)構(gòu)圖Fig.6 The structure of prism assembly

圖7 測(cè)試裝置Fig.7 The test device

圖8 棱鏡面形測(cè)試結(jié)果Fig.8 Surface test results of the prism

由圖8 可知，兩個(gè)反射鏡面RMS 值分別為48 nm 和49 nm，均優(yōu)于1/12λ（λ=632.8 nm），滿(mǎn)足研制需求。

4 光學(xué)鏡頭設(shè)計(jì)

光學(xué)鏡頭用于匹配16K 彩色探測(cè)器，像高為81.92 mm，放大倍率為0.264。目前行業(yè)成品鏡頭物像距較大（例：放大倍率為0.33 時(shí)，物像距為486 mm），且邊緣視場(chǎng)光學(xué)傳遞函數(shù)較低，不能滿(mǎn)足空間尺寸與分辨率要求。為此，設(shè)計(jì)了一種焦距為52 mm 的對(duì)稱(chēng)混合型光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全視場(chǎng)范圍內(nèi)光學(xué)像差的平衡，像差校正效果優(yōu)異，且具有純球面系統(tǒng)、系統(tǒng)畸變小、分辨率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，物像距僅為392.5 mm，純球面系統(tǒng)可以有效降低加工成本，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示。

圖9 光學(xué)系統(tǒng)Fig.9 The optical system

基于建模數(shù)據(jù)分析了包括光學(xué)傳遞函數(shù)[12]、畸變[13]與像面照度均勻性等在內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量，傳遞函數(shù)的評(píng)價(jià)波長(zhǎng)區(qū)間為430～650 nm，如圖10～圖12（彩圖見(jiàn)期刊電子版）所示。

圖10 光學(xué)傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)果Fig.10 Design results of the optical transfer function

由圖10 可知，平均光學(xué)傳遞函數(shù)優(yōu)于0.4@100 lp/mm，成像質(zhì)量?jī)?yōu)異。由圖11 可知，系統(tǒng)相對(duì)畸變優(yōu)于0.03%，數(shù)值較小，優(yōu)于0.04%，滿(mǎn)足研制需求。由圖12 可知，全視場(chǎng)像面照度均勻性?xún)?yōu)于50%，數(shù)值較高，滿(mǎn)足研制需求。

圖11 畸變?cè)O(shè)計(jì)結(jié)果Fig.11 Design results of the distortion

圖12 像面照度均勻性設(shè)計(jì)結(jié)果Fig.12 Design results of the image surface illumination

根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果與公差要求，設(shè)計(jì)自定心直裝方法，采用尖點(diǎn)弧面接觸形式，依靠隔圈自旋定心的方式保證光學(xué)偏心誤差在0.01 mm 以?xún)?nèi)，通過(guò)控制隔圈厚度保證光學(xué)間隔誤差在0.02 mm以?xún)?nèi)，最終實(shí)現(xiàn)光學(xué)鏡頭精密快速裝配，光學(xué)鏡頭實(shí)物圖如圖13 所示。

圖13 光學(xué)鏡頭實(shí)物圖Fig.13 Picture of the optical lens

5 試 驗(yàn)

對(duì)光學(xué)鏡頭進(jìn)行分辨率成像試驗(yàn)[14-15]和像面照度均勻性測(cè)試試驗(yàn)，分別搭建試驗(yàn)裝置，驗(yàn)證鏡頭成像分辨率、像面照度均勻性與設(shè)計(jì)值的一致性。最后，進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，驗(yàn)證整體成像效果。

5.1 分辨率成像試驗(yàn)

分辨率成像試驗(yàn)主要利用面陣探測(cè)器對(duì)鑒別率板成像，判讀圖像數(shù)據(jù)后考察光學(xué)鏡頭的成像質(zhì)量。

試驗(yàn)裝置如圖14 所示，首先將鑒別率板放置在工裝固定視場(chǎng)位置，采用高均勻性的面光源提供照明，移動(dòng)光學(xué)鏡頭確保物像距尺寸，后端利用面陣探測(cè)器接收鑒別率板圖像，如圖15 所示，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀。

圖14 分辨率成像試驗(yàn)裝置Fig.14 Imaging resolution test device

圖15 3 號(hào)鑒別率板成像圖Fig.15 The images of 3# resolution chart

由圖15 可知，中心視場(chǎng)和邊緣（41 mm）視場(chǎng)的3 號(hào)鑒別率板圖像可以判讀至少14 組，對(duì)應(yīng)線(xiàn)寬為18.88 μm，優(yōu)于光學(xué)極限分辨率18.94 μm，說(shuō)明光學(xué)鏡頭成像分辨率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，成像質(zhì)量良好。

5.2 像面照度均勻性測(cè)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(dāng)一鏡頭的攝影倍率和光圈為一定值時(shí)，將它正對(duì)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(diǎn)照度E0之比，即KY=EY/E0×100%，測(cè)試目的是驗(yàn)證光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果，得到實(shí)際像面照度均勻性，用于作為后續(xù)圖像灰度級(jí)校正的數(shù)據(jù)支持。像面照度均勻性設(shè)計(jì)值為51%。

利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的光電法進(jìn)行測(cè)試[16]，如圖16 所示。測(cè)試時(shí)，將均勻面光源放置于標(biāo)準(zhǔn)工作距離處，光接收器（照度計(jì)）受光窗放置在與攝影距離刻度相當(dāng)?shù)墓曹椣衩嫔稀Ｆ渲惺芄獯氨仨殲閳A形，其直徑原則上應(yīng)小于靶面對(duì)角線(xiàn)尺寸的1/20，且在測(cè)量過(guò)程中受光窗直徑保持不變。測(cè)試過(guò)程中要注意遮光。

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

整個(gè)測(cè)試裝置主要由高均勻性面光源、光學(xué)鏡頭、照度計(jì)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)等組成，如圖17 所示。照度計(jì)通過(guò)工裝放置在二維平移臺(tái)上，用于改變后截距與像高的大小。測(cè)量誤差為±3%。受光窗設(shè)置為Φ3 mm，滿(mǎn)足光窗直徑小于4.1 mm 的要求。測(cè)試時(shí)，在光學(xué)鏡頭與高均勻性面光源之間布置遮光罩，并嚴(yán)格遮光，避免雜光影響像面照度。測(cè)試結(jié)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(cè)試裝置Fig.17 Test device of the image surface illuminance uniformity

對(duì)表3 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，焦面位置像面照度均勻性測(cè)試值為43.3%，滿(mǎn)足均勻性?xún)?yōu)于40%的研制要求。主要誤差來(lái)自于光學(xué)鍍膜、測(cè)量裝置誤差與測(cè)量誤差等。其中，光學(xué)鍍膜造成的誤差主要是由于光學(xué)系統(tǒng)中入射角過(guò)大，使鍍膜曲線(xiàn)產(chǎn)生漂移，導(dǎo)致邊緣透過(guò)率下降較快，拉大了邊緣與中心視場(chǎng)的照度值。

5.3 整機(jī)成像測(cè)試

整機(jī)成像試驗(yàn)主要是利用16K 線(xiàn)陣探測(cè)，結(jié)合運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，對(duì)晶圓樣品進(jìn)行成像。系統(tǒng)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(xì)節(jié)清晰，可以滿(mǎn)足后續(xù)圖像處理要求。

6 結(jié)論

針對(duì)基于線(xiàn)掃描的明場(chǎng)成像系統(tǒng)空間尺寸大、圖像分辨率低的問(wèn)題，提出了一種小角度棱鏡折轉(zhuǎn)光路與超短物像距鏡頭相結(jié)合的解決方法，設(shè)計(jì)了高面形精度的小角度棱鏡進(jìn)行光路折轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)與成像相機(jī)的水平布置，極大降低整個(gè)系統(tǒng)的徑向尺寸。設(shè)計(jì)了純球面系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)混合型光學(xué)系統(tǒng)，具有超短物像距、高分辨率、高像面均勻性與低畸變等優(yōu)點(diǎn)，極大降低了整個(gè)系統(tǒng)的軸向尺寸。設(shè)計(jì)結(jié)果如下：光學(xué)鏡頭全視場(chǎng)平均光學(xué)傳遞函數(shù)優(yōu)于0.4@100 lp/mm；相對(duì)畸變優(yōu)于0.03%；像面照度均勻性全視場(chǎng)優(yōu)于50%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光學(xué)鏡頭實(shí)際成像分辨率優(yōu)于18.88 μm，像面照度均勻性為43.3%，均滿(mǎn)足研制要求。研究結(jié)果表明，提出的超薄超短物像距高分辨率檢測(cè)成像系統(tǒng)合理、有效，可為后續(xù)近距離大尺寸物體檢測(cè)成像系統(tǒng)的研制提供參考依據(jù)。