CN103837974B

CN103837974B - 筒长无限的显微物镜光学系统

Info

Publication number: CN103837974B
Application number: CN201410067677.7A
Authority: CN
Inventors: 蔡燕民; 王向朝; 黄惠杰
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: CN103837974A

Abstract

一种筒长无限的显微物镜光学系统，是一种折反射式光学系统，沿其光轴方向依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜，第一透镜、第二透镜和第三透镜具有负光焦度，并弯向物面；第四透镜和第五透镜是双凹负透镜；第六透镜是双凸正透镜；第七透镜具有正光焦度，并弯向物面；孔径光阑位于第三透镜的前表面位置，物面位于所述筒长无限的显微物镜的后焦面位置。本发明采用折反射式结构，实现最大数值孔径为0.93，最短焦距为2.15mm，而且成像质量接近完善成像；透镜数量少，结构紧凑，体积小，重量轻；完全满足用于深紫外检测显微镜的技术要求。

Description

筒长无限的显微物镜光学系统

技术领域

本发明涉及显微物镜光学系统，特别涉及一种用于深紫外检测显微镜的筒长无限的显微物镜光学系统。

背景技术

深紫外检测显微镜在物理、化学、材料科学、生命科学等各领域具有重大的应用价值，尤其在半导体工业和光电子工业领域，深紫外检测显微镜是一种十分重要的检测装备，它可以用于硅片（或掩模版）上的光刻图形在曝光、显影、刻蚀等之后的检测，可以用于快速观测硅片（或掩模版）上光刻图形的整体效果，可以用于测量光刻图形线宽（CD）以及缺陷检测等。

例如，根据国际半导体技术路线图（ITRS），90nm结点技术的掩模版的关键指标是：邻近效应校正（OPC）掩模版上铬线的特征宽度为106nm，缺陷的特征尺寸为72nm。90nm结点技术的硅片上曝光图形的关键指标是：密集线的线宽为90nm，密集接触孔的宽度为115nm。为了掌握硅片（或掩模版）上的光刻图形的曝光效果，需要一种具有高分辨率的深紫外检测光学显微镜。奥林巴斯公司的深紫外检测系统（U-UVF248）就是此类显微镜，其最高分辨率为80nm，采用248nm波长光源，其显微物镜的放大倍率为100倍，数值孔径NA为0.9，工作距为0.2mm。

随着市场需求的持续引导，半导体技术取得不断的进步，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，为此需要一种最高分辨率为70nm的深紫外检测显微镜，其显微物镜的放大倍率β为100倍，数值孔径NA为0.93，工作波长为248nm。

传统技术上，显微物镜有2种形式：其一是共轭距有限的物镜，我国规定显微物镜的共轭距标准为195mm，其二是共轭距无限的物镜，或称为筒长无限的物镜。筒长无限的显微物镜，与镜筒物镜（Tubelens，又称为补偿物镜，或辅助物镜）组合，前者将物体成像到无限远，后者将无限远处的像再次成像在镜筒物镜的焦平面位置，两者之间为平行光路，可以灵活地插入分光器件、滤波器件、偏振器件等而不产生像差，光路设计布局非常方便，而且不影响检测系统的测量精度。

申请号为201310010338.0的中国专利（申请日2013年1月11日，申请人为哈尔滨工业大学），公开一种无限远像距显微物镜光学系统，根据其主权利要求，数值孔径NA仅达到0.8，最短焦距才达到6mm，最大倍率达到250/6=41.7倍，工作波长为632.8nm，可以推算其最高分辨率约200nm。对于半导体工业和光电子工业领域中检测显微镜的指标要求，相去甚远。而且，其实施方式中表1和表2中提供的透镜数据，公开不充分。

发明内容

本发明的目的在于提供一种筒长无限的显微物镜光学系统。一种深紫外检测显微镜的最高分辨率为70nm，可以用于光刻图形曝光、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。所述深紫外检测显微镜要求其显微物镜的放大倍率β为100倍，数值孔径NA为0.93，工作波长为248.35nm。

本发明的目的是这样实现的：

一种筒长无限的显微物镜，是一种折反射式物镜，沿其光轴方向，依次包括第一透镜，第二透镜，第三透镜，第四透镜，第五透镜，第六透镜，第七透镜；所述的第一透镜、第二透镜和第三透镜具有负光焦度，并弯向物面；第四透镜和第五透镜是双凹负透镜；第六透镜是双凸正透镜；第七透镜具有正光焦度，并弯向物面；孔径光阑位于第三透镜的前表面位置，物面位于所述筒长无限的显微物镜的后焦面位置；

按照反向光路设计，光从左侧无限远的像面向右传播，依次经过第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的折射，在第四透镜的后表面上镀有反射膜，将光向左侧反射，依次经过第四透镜、第三透镜和第二透镜的折射，在第二透镜的前表面上镀有反射膜，将光向右侧反射，依次经过第二透镜、第三透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜的折射，到物面上成像；第五透镜是圆环形透镜，中心有一个圆形通孔，可以嵌入第四透镜；

所述的筒长无限的显微物镜，所有七块透镜全部采用高透过率的熔石英材料，可选康宁公司7980牌号的熔石英材料，也可以选肖特公司的Lithosil^TMQ0/1-E248熔石英材料。

本发明筒长无限的显微物镜光学系统与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、本发明的筒长无限的显微物镜光学系统采用折反射式结构，以尽量少的透镜数量实现很大的数值孔径，而且成像质量接近完善成像；

2、本发明的筒长无限的显微物镜光学系统光学透镜少，结构紧凑，体积小，重量轻；

3、本发明的筒长无限的显微物镜光学系统完全满足用于深紫外检测显微镜的技术要求和应用要求。

附图说明

图1为本发明筒长无限的显微物镜光学系统的结构及光路图；

图2为本发明筒长无限的显微物镜光学系统的第四透镜的结构图；

图3为本发明筒长无限的显微物镜光学系统的第二透镜的结构图；

图4为本发明筒长无限的显微物镜光学系统的第五透镜的结构图；

图5为本发明筒长无限的显微物镜光学系统的调制传递函数MTF图；

图6为本发明筒长无限的显微物镜光学系统的RMS波像差分布图；

图7为本发明筒长无限的显微物镜光学系统球差、象散、场曲、畸变分布图。

具体实施方式

以下将对本发明的筒长无限的显微物镜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。

本发明的目的在于提供一种用于深紫外检测显微镜的筒长无限的显微物镜光学系统。所述深紫外检测显微镜的最高分辨率为70nm，可以用于光刻图形曝光、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。所述深紫外检测显微镜要求其显微物镜的放大倍率β为100倍，数值孔径NA为0.93，工作波长为248.35nm，因此所有透镜全部采用高透过率的熔石英材料，可选康宁公司7980牌号的熔石英材料，也可以选肖特公司的Lithosil^TMQ0/1-E248熔石英材料。

筒长无限的显微物镜（焦距为f₁），与镜筒物镜（Tubelens，又称为补偿物镜，或辅助物镜，焦距为f₂）组合，前者将物体成像到无限远，后者将无限远处的像再次成像在镜筒物镜的焦平面位置，两者之间为平行光路，可以灵活地插入分光器件、滤波器件、偏振器件等而不产生像差，光路设计布局非常方便，而且不影响检测系统的测量精度。二者组合实现放大倍率β为100倍的要求，其关系如下：

β = - \frac{f_{2}}{f_{1}}

所述深紫外检测显微镜要求筒长无限的显微物镜的入瞳直径D为4mm，数值孔径NA为0.93，根据下式确定筒长无限的显微物镜的焦距f₁为：

NA = \frac{D}{2 * f_{1}} &DoubleRightArrow; f_{1} = \frac{D}{2 * NA} = 2.1505 mm

通常，高倍显微物镜的视场较小，当物镜视场不超过物镜焦距的二十分之一时，可得到满意的成像质量，即物镜线视场2y为：

2 y \leq \frac{f_{1}}{20}

根据上式及显微物镜的焦距f₁选定物镜线视场2y为0.1mm。本发明的筒长无限的显微物镜光学系统的约束参数如表1所示。

表1筒长无限的显微物镜光学系统约束参数

约束项目	参数
		工作波长	248.35nm
物镜线视场	0.1mm
		数值孔径	0.93
焦距	2.1505mm
		入瞳直径	4mm
物镜工作距	>2.5mm
		波像差RMS值	<71mλ（即17.6nm）

本发明筒长无限的显微物镜一个实施例，如图1所示，是一种折反射式物镜，物面101位于右侧，像面位于左侧无限远，按照反方向设计，光从左侧的像面向右侧的物面101传播。所述的筒长无限的显微物镜沿其光轴方向，依次包括第一透镜L1，第二透镜L2，第三透镜L3，第四透镜L4，第五透镜L5，第六透镜L6，第七透镜L7。所述的第一透镜L1、第二透镜L2和第三透镜L3具有负光焦度，并弯向物面101；第四透镜L4和第五透镜L5是双凹负透镜；第六透镜L6是双凸正透镜；第七透镜L7具有正光焦度，并弯向物面101。孔径光阑位于第三透镜L3的前表面303位置，物面101位于所述筒长无限的显微物镜的后焦面位置。

如图1所示，光从左侧无限远的像面向右传播，依次经过第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4的折射，在第四透镜L4的后表面402上镀有反射膜，将光向左侧反射，依次经过第四透镜L4、第三透镜L3和第二透镜L2的折射，在第二透镜L2的前表面201上镀有反射膜，将光向右侧反射，依次经过第二透镜L2、第三透镜L3、第五透镜L5、第六透镜L6和第七透镜L7的折射，到物面101上成像。

第四透镜L4如图2所示，其后表面402上镀有反射膜，将光向左侧反射，前表面401和后表面402都是凹面。

第二透镜L2如图3所示，其前表面201上镀有反射膜，将光向右侧反射，前表面201是凸面，后表面202是凹面。

第五透镜L5如图4所示，其前表面501和后表面502都是凹面，是圆环形透镜，中心有一个圆形通孔，可以嵌入第四透镜L4。

根据前面表1中筒长无限的显微物镜光学系统约束参数，本发明公开的筒长无限的显微物镜光学系统的设计数据如表2所示，表2给出了本实施例的筒长无限的显微物镜光学系统的每一片透镜的具体设计参数值。

表2本发明的筒长无限的显微物镜光学系统的设计参数

当在表1中工作波长、视场、数值孔径等参数条件下，根据专业光学设计软件CODE_V的分析计算可知，其像差校正程度如下。

图5显示了本实施例的筒长无限的显微物镜光学系统的调制传递函数MTF，接近衍射极限。图6是本实施例的筒长无限的显微物镜光学系统的RMS波像差的分布，最大值为6.73nm。这反映了本发明的筒长无限的显微物镜光学系统的成像质量接近完善成像。

图7是本实施例的筒长无限的显微物镜光学系统的球差、象散、场曲、畸变图。

采用本发明的筒长无限的显微物镜光学系统，完全满足用于深紫外检测显微镜的技术要求，成像质量优良，并且达到实际深紫外检测显微镜的应用要求。

Claims

1.一种筒长无限的显微物镜光学系统，沿其光轴方向依次包括第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜，其特征在于，所述的第一透镜、第二透镜和第三透镜具有负光焦度，并弯向物面；第四透镜和第五透镜是双凹负透镜；第六透镜是双凸正透镜；第七透镜具有正光焦度，并弯向物面；孔径光阑位于第三透镜的前表面位置，物面位于所述筒长无限的显微物镜的后焦面位置。

2.如权利要求1所述的筒长无限的显微物镜光学系统，其特征在于，所述的第一至第七透镜构成一种折反射式光学系统。

3.如权利要求2所述的筒长无限的显微物镜光学系统，其特征在于，按照反向光路设计，光从左侧无限远的像面向右传播，依次经过第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的折射，在第四透镜的后表面上镀有反射膜，将光向左侧反射，依次经过第四透镜、第三透镜和第二透镜的折射，在第二透镜的前表面上镀有反射膜，将光向右侧反射，依次经过第二透镜、第三透镜、第五透镜、第六透镜和第七透镜的折射，到物面上成像。

4.如权利要求1所述的筒长无限的显微物镜光学系统，其特征在于，所述第五透镜是圆环形透镜，中心有一个圆形通孔，可以嵌入所述第四透镜。

5.如权利要求1所述的筒长无限的显微物镜光学系统，其特征在于，所有七块透镜均采用高透过率的熔石英材料制成。