本發(fā)明屬于非接觸式的光電微納檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種用于飛點(diǎn)掃描干涉儀的大掃描視場(chǎng)大像方數(shù)值孔徑干涉物鏡。

背景技術(shù)：

1、飛點(diǎn)掃描干涉技術(shù)用于測(cè)量半導(dǎo)體晶圓的表面微納檢測(cè)，特別是晶圓的厚度、翹曲、孔洞和表面涂層厚度等參數(shù)測(cè)量。不同于傳統(tǒng)白光干涉技術(shù)的單色條紋測(cè)量，飛點(diǎn)掃描干涉采用頻域光譜干涉技術(shù)，經(jīng)過(guò)光源準(zhǔn)直、棱鏡分光、振鏡掃描、衍射光譜分光等步驟，最終分析光譜干涉信號(hào)確定表面形貌，不需要光軸方向掃描或采用昂貴的高精度位移臺(tái)，就可提高測(cè)量效率和測(cè)量精度。

2、目前，飛點(diǎn)掃描干涉儀中，超輻射發(fā)光二極管(sld光源)發(fā)射的寬光譜白光，通過(guò)光纖耦合器后，由準(zhǔn)直器準(zhǔn)直擴(kuò)束，再入射到分光棱鏡，一束反射光經(jīng)過(guò)干涉物鏡聚焦到反射鏡作為參考臂，另一束透射光入射到xy掃描振鏡，由掃描振鏡反射出具備一定視場(chǎng)角的光線進(jìn)入掃描物鏡，再由掃描物鏡聚焦到樣品完成飛點(diǎn)掃描。由參考臂和樣品臂反射回來(lái)的光發(fā)生干涉，再由透鏡ⅰ準(zhǔn)直入射到衍射光柵，經(jīng)光柵光譜分光后由透鏡ⅱ聚焦到相機(jī)采集光譜干涉信號(hào)。

3、其中，兩束光發(fā)生干涉的三個(gè)條件是：1、頻率相同；2、振動(dòng)方向相同；3、在相遇處兩束光的相位差恒定。為了保證發(fā)生干涉，干涉儀中的兩個(gè)干涉物鏡應(yīng)盡可能相同。這兩個(gè)干涉物鏡，分別是樣品臂的掃描物鏡和參考臂干涉物鏡，都采用了像方遠(yuǎn)心結(jié)構(gòu)，數(shù)值孔徑相同，透鏡片數(shù)相同，每片透鏡的曲率相同，是完全相同的光學(xué)系統(tǒng)。

4、市場(chǎng)上德國(guó)precitec公司的飛點(diǎn)掃描干涉儀，其兩款干涉物鏡數(shù)值孔徑分別為na＝0.0175和na＝0.05，中心波長(zhǎng)為840nm時(shí)分別對(duì)應(yīng)分辨力δ為29.28um和10.25um，允許最大鏡面反射角分別是±1°和±3°，掃描視場(chǎng)是φ80mm。

5、如公開(kāi)號(hào)為cn114185152b的中國(guó)專利，涉及一種用于飛點(diǎn)掃描干涉儀的像方遠(yuǎn)心物鏡。該物鏡是飛點(diǎn)掃描干涉儀干涉鏡，其數(shù)值孔徑較大，na分別為0.4、0.5和0.6；分辨力較高，δ＝1.25um、1um和0.83um；允許最大鏡面反射角也很大，分別是θ＝±23.5°、±30°和±36.87°，但由于數(shù)值孔徑增大，掃描視場(chǎng)僅為φ10mm。

6、所以，在保持掃描視場(chǎng)φ80mm不減小的前提下，針對(duì)性優(yōu)化干涉物鏡光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，擴(kuò)大數(shù)值孔徑，增加允許最大鏡面反射角，增加反射鏡調(diào)節(jié)冗余度，減輕制造和使用設(shè)備的難度，提高性價(jià)比，是在實(shí)際操作中普遍的渴望。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有飛點(diǎn)掃描干涉儀的大掃描視場(chǎng)干涉物鏡的數(shù)值孔徑小，導(dǎo)致參考臂反射鏡的安裝要求高，因?yàn)榭山邮兆畲箸R面反射角過(guò)小，參考臂無(wú)法返回參考光，也不能與樣品光發(fā)生干涉，容易導(dǎo)致測(cè)量失敗的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種用于飛點(diǎn)掃描干涉儀的大掃描視場(chǎng)大像方數(shù)值孔徑干涉物鏡。

2、本發(fā)明的具體技術(shù)方案為：

3、用于飛點(diǎn)掃描干涉儀的大掃描視場(chǎng)大像方數(shù)值孔徑干涉物鏡，包括：第一球面透鏡、第二球面透鏡、第一球面反射鏡、第二球面反射鏡、第三球面透鏡和第四球面透鏡；

4、其中，第一球面透鏡、第二球面透鏡、第一球面反射鏡、第二球面反射鏡、第三球面透鏡和第四球面透鏡沿光線方向從物至像依次設(shè)置。

5、進(jìn)一步地，第一球面透鏡具有負(fù)光焦度，第二球面透鏡具有正光焦度，第一球面反射鏡具有正光焦度，第二球面反射鏡具有負(fù)光焦度，第三球面透鏡具有正光焦度，第四球面透鏡具有負(fù)光焦度。

6、進(jìn)一步地，物鏡的入瞳在第一球面透鏡的一側(cè)；視場(chǎng)主光線經(jīng)過(guò)第四球面透鏡后，被垂直于軸線的鏡面反射時(shí)，沿原路徑返回，備用于飛點(diǎn)干涉儀的樣品臂返回光線干涉；入瞳設(shè)于干涉物鏡物方焦平面的位置，成為像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)；其中，像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)中，光路的孔徑光闌位于光學(xué)系統(tǒng)的物方焦平面上.

7、進(jìn)一步地，第一球面透鏡和第二球面透鏡組成無(wú)焦的擴(kuò)束系統(tǒng)，用于光的擴(kuò)束作用，其中，入射光束直徑和出射光束直徑與第一球面透鏡和第二球面透鏡焦距的關(guān)系如下：

8、

9、其中，d入和d出分別表示入射光束直徑和出射光束直徑，f1和f2分別表示第一球面透鏡和第二球面透鏡焦距。

10、進(jìn)一步地，第二球面反射鏡位于第一球面反射鏡的頂點(diǎn)和焦點(diǎn)之間，組成一種雙反射鏡的光學(xué)系統(tǒng)。

11、進(jìn)一步地，第三球面透鏡和第四球面透鏡組成雙膠合透鏡。

12、進(jìn)一步地，第二球面反射鏡與第二球面透鏡共用第二球面透鏡的第二面，在第二球面透鏡中心區(qū)域鍍反射膜，形成第二球面反射鏡。

13、進(jìn)一步地，第一球面透鏡的焦距f1的取值范圍為-0.5≤f1/f≤-0.1；

14、第二球面透鏡的焦距f2的取值范圍為0.5≤f2/f≤5；

15、第一球面反射鏡的焦距f3的取值范圍為1≤f3/f≤5；

16、第三球面透鏡的焦距f5的取值范圍為0.1≤f5/f≤1；

17、第四球面透鏡的焦距f6的取值范圍為-0.5≤f6/f≤-0.1；

18、其中，f為組合鏡頭的焦距。

19、進(jìn)一步地，物鏡的數(shù)值孔徑na的取值范圍為0.05≤na≤0.0845。相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果如下：

20、1、本發(fā)明在不犧牲掃描視場(chǎng)的前提下，擴(kuò)大了光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，增大了能夠允許的最大鏡面反射角，降低了系統(tǒng)裝調(diào)難度和檢測(cè)儀器的使用難度。

21、2、本發(fā)明采用一個(gè)擴(kuò)束系統(tǒng)和一個(gè)雙反卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)組合優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，縮短干涉臂長(zhǎng)度，就能減小干涉儀的高度和體積，增加其穩(wěn)定性，節(jié)省空間，方便造作人員的操作。

技術(shù)特征：

1.用于飛點(diǎn)掃描干涉儀的大掃描視場(chǎng)大像方數(shù)值孔徑干涉物鏡，其特征在于，包括：第一球面透鏡、第二球面透鏡、第一球面反射鏡、第二球面反射鏡、第三球面透鏡和第四球面透鏡；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于，第一球面透鏡具有負(fù)光焦度，第二球面透鏡具有正光焦度，第一球面反射鏡具有正光焦度，第二球面反射鏡具有負(fù)光焦度，第三球面透鏡具有正光焦度，第四球面透鏡具有負(fù)光焦度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于，物鏡的入瞳在第一球面透鏡的一側(cè)；視場(chǎng)主光線經(jīng)過(guò)第四球面透鏡后，被垂直于軸線的鏡面反射時(shí)，沿原路徑返回，備用于飛點(diǎn)干涉儀的樣品臂返回光線干涉；入瞳設(shè)于干涉物鏡物方焦平面的位置，成為像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)；其中，像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)中，光路的孔徑光闌位于光學(xué)系統(tǒng)的物方焦平面上。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于，第一球面透鏡和第二球面透鏡組成無(wú)焦的擴(kuò)束系統(tǒng)，用于光的擴(kuò)束作用，其中，入射光束直徑和出射光束直徑與第一球面透鏡和第二球面透鏡焦距的關(guān)系如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于，第二球面反射鏡位于第一球面反射鏡的頂點(diǎn)和焦點(diǎn)之間，組成一種雙反射鏡的光學(xué)系統(tǒng)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于，第三球面透鏡和第四球面透鏡組成雙膠合透鏡。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于，第二球面反射鏡與第二球面透鏡共用第二球面透鏡的第二面，在第二球面透鏡中心區(qū)域鍍反射膜，形成第二球面反射鏡。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于，第一球面透鏡的焦距f1的取值范圍為-0.5≤f1/f≤-0.1；

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物鏡，其特征在于，物鏡的數(shù)值孔徑na的取值范圍為0.05≤na≤0.0845。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于飛點(diǎn)掃描干涉儀的大掃描視場(chǎng)大像方數(shù)值孔徑干涉物鏡，包括：第一球面透鏡、第二球面透鏡、第一球面反射鏡、第二球面反射鏡、第三球面透鏡和第四球面透鏡；其中，第一球面透鏡、第二球面透鏡、第一球面反射鏡、第二球面反射鏡、第三球面透鏡和第四球面透鏡沿光軸方向從物至像依次設(shè)置。本發(fā)明發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)，具備合理的光焦度分配，可以有效抑制像差，通過(guò)將擴(kuò)束系統(tǒng)與同軸雙反卡塞格林系統(tǒng)結(jié)合，在維持掃描視場(chǎng)、干涉物鏡鏡片數(shù)量不變的前提下，將物鏡可接收最大鏡面反射角增大，可大大降低反射鏡的裝調(diào)難度。

技術(shù)研發(fā)人員：朱佳麗,陸敏智,汪倩倩,馮渙婷,湯煊琳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19