专利名称：光学检验系统及方法
技术领域：
本发明涉及光学检验系统及方法。受检验的对象大体上可为任何类型的对象；而且，特别地，可以是半导体晶 片。在半导体晶片应用中，本发明针对所谓的宏缺陷检验。
背景技术：
半导体电路是通过在平坦的半导体晶片基板上使用微影法形成微图案化结构而 制成的。晶片基板的直径可以约为300毫米，其中，数百个电路会被排列在通常直径为 数毫米至数十毫米量级的单个染料(dye)上，其中，半导体电路的该结构可以具有0.1微 米以下的尺寸。希望在半导体制造的早期阶段检测出已制造的图案中的缺陷以及制造工 艺的缺失。已知有数种技术用来检验半导体基板。图1为旨在检测0.1微米及以下尺寸的最小图案化结构中的缺陷的微缺陷检验系 统的示意性示意图。图1示意性地显示了晶片1，其具有形成在其表面上的矩形染料3的 阵列。晶片1被安装在晶片平台5上，该晶片平台5被配置为相对于显微镜9的物镜7 来平移与旋转该晶片。该显微镜包括图像传感器11、光源13以及分束器15。由该光源 所产生的测量光束17的一部分从该分束器15处被反射，穿过物镜7，并由该物镜进行聚 焦，用于照射晶片1的表面的一小部分。该晶片的被照射的这一小部分会进一步被成像 在图像传感器11上，使得该晶片的表面的该一小部分的放大显微图像能够被检测到。将 检测到的图像和该一小部分的所希望的图像相比较，便可检测该晶片上已制造的结构的 缺陷或缺失。通过相对于该光学系统来平移该晶片，便可以检测该晶片表面的其它部分 的图像。微缺陷检验方法(例如上面参考图1所示出的微缺陷检验方法)具有检测该已 制造的半导体的小结构中的缺陷与缺失的优点；但是，由于要花费大量的时间来获得该 晶片表面所有部分的图像，它们具有处理量低的缺点。其它已知的微缺陷检验方法包含 激光扫描方法以及电子显微方法。图2示出了宏缺陷检验系统，其中，晶片1表面上的包含多个染料3的较大部分 或整个晶片表面被成像在图像传感器11上。由于可用图像传感器的大小通常小于该晶片 上被成像区域的大�。裕�19示意性示出的成像光学系统通常是缩小用光学系统。 暗场光源21用来产生暗场照射光束22，其以锐角被导向该晶片表面，使得该入射的暗场 照射光束的主要部分从该晶片表面处被反射，而被捕获到射束收集器23中。晶片表面上 的缺陷(例如小颗粒或刮痕)会散射入射的暗场照射光，使得入射的暗场照射光被成像光 学系统19收集并且可由图像传感器11检测到。另选地，或附加地，可以提供亮场光源 25，用于产生入射到晶片表面上的亮场照射光束26，使得从晶片表面反射的亮场照射光 束26的主要部分也由成像光学系统19收集并且由图像传感器11检测到。如上所示参照 图2所解释的宏缺陷检验方法由于可以在短时间内获得晶片表面较大部分的图像，因此 具有处理量高的优点；但是，由于可用图像传感器的有限的分辨率，它们具有无法检测 晶片上的小的缺陷的缺点。再者，宏缺陷检验方法还能够检测在半导体晶片制造期间出现的大量可能的缺陷与缺失。所以，需要一种可实现高处理量与高成像质量的光学宏缺陷检验系统及方法。
发明内容
本发明已经将上面的问题纳入考虑。本发明的目的是提供一种可实现高处理量与高成像质量的光学检验系统与方 法。本发明的实施方式提供可实现高处理量与高成像质量的检验系统与方法。本发明的特定实施方式提供用于光学检验已图案化和未图案化晶片的宏缺陷检 验系统与方法。本发明的实施方式提供了一种检验系统，其包括光学系统与图像检测器，该图 像检测器具有设置在该光学系统的像平面的区域中的辐射敏感基板，其中，该光学系统 与图像检测器被配置为使得相对较大的物场被成像在辐射敏感基板上，其中，被成像 在辐射敏感基板上的物场的直径大于晶片直径的0.6倍，其中，该晶片直径可以为300毫 米或更大，如400毫米。在本文的其它实施方式中，该物场的直径可以大于晶片直径的 0.7或0.8倍，或者相当于完整的晶片直径。根据其它实施方式，物场的直径可以大于200毫米，大于250毫米，或是大于 300毫米；而且从物平面到像平面的成像射束路径的总延伸长度小于1500毫米，小于 1300毫米，小于1100毫米，或小于900毫米。根据其它实施方式，从物平面到像平面的 成像射束路径的总延伸长度除以物场直径后可以小于6.0，尤其是，会小于5.0，而根据 其它示例性实施方式，会小于4.0。利用此种配置，可以使用沿其光轴具有较短纵向延伸长度的光学系统而获得晶 片表面中大部分或完整晶片表面的图像。因而可以将该检验系统中的必要光学系统并 入相对较小的体积之中，使得该系统能够轻易地被整合在半导体制造设施的既有工具链 中。根据本发明的实施方式，从晶片到检测器的成像是放大倍数小于1.0的缩小成像 或缩减成像。在具体实施方式
中，该放大倍数小于0.25或小于0.20。根据检验系统的某些实施方式，该系统包括亮场光源，而该光学系统包括被排 列成用于提供成像射束路径与亮场照射射束路径的物镜与分束器。为此，这些组件会被 排列成使得该物平面、物镜、分束器以及辐射敏感基板依此顺序被排列在该成像射束路 径中，以及使得该分束器、物镜以及物平面依此顺序被排列在该亮场照射射束路径中。利用此种设计，可以整合亮场照射光学系统或成像光学系统而不会显著增加被 该系统占据的总体积；而且与整合了大型场成像与亮场照射的常规排列(例如图2中所 示)相比，被该系统占据的总体积也不会显著增加。在本申请所使用的术语“亮场照 射”表示这样的结构，其中，入射到平坦的基板表面上并且以相对于其镜面反射方向小 于20°的角度在该表面处被散射的照射光线可以由该成像光学系统收集。另一方面，在 本申请所使用的术语“暗场照射”表示这样的结构，其中，入射照射光线则必须以相对 于它们的镜面反射方向大于30°被散射，以便由该成像光学系统收集。
根据本发明的实施方式，该检验系统包括成像光学系统，用于将物场成像在 图像检测器的辐射敏感基板上，且其中，该成像光学系统由具有正屈光力的物镜、具有 负屈光力的第一透镜组、以及具有正屈光力的第二透镜组所组成，其中，该物镜、第一 透镜组、以及第二透镜组依此顺序被排列在共同光轴中，且其中，该成像射束路径的光 瞳平面位于第一透镜组和第二透镜组之间。根据本文的实施方式，该物镜为具有两个透镜表面的单个非接合式透镜元件， 其中，具有较大表面曲率的表面符合下面关系透镜的自由直径除以具有较大曲率的表 面的曲率半径后大于0.5，大于0.7，或大于0.9。此物镜具有高屈光力。需要高成像质量 的常规成像应用会使用包括二个或多个透镜元件及/或接合式透镜元件的物镜来减少透 镜的高屈光力所产生的色差和球面误差。根据本发明的该实施方式，大直径与高功率非 接合式透镜元件产生的相对高的色差和非常高的球面误差由第一透镜组补偿。利用此种 配置，可以保持高成像质量，同时让物镜有简易的结构。尤其是，在物场直径很大(例 如300毫米及更大)以及物镜的直径必须略大于物场的直径的应用中，具有该尺寸的接合 式透镜元件可能非常昂贵。由于物镜引入的色差及/或球面误差获得补偿，可以使用重 量轻且廉价的单个透镜元件作为物镜。根据本文的示例性实施方式，单个非接合式透镜元件具有球形透镜表面，并 且，根据具体实施方式
，其具有一个球形表面与一个平坦表面(具有无限大的曲率半 径)。根据本文的具体实施方式
，该单个透镜元件的弯曲表面朝向对象，而该平坦表面朝 向图像检测器。根据本发明的实施方式，该检验系统包括对象支撑体，用于安装具有预定外 周形状的对象；图像检测器与光学系统，用于将包含其外周的对象成像在图像检测器的 辐射敏感基板上。该检验系统进一步包括亮场光源，用于供应入射在对象上的亮场照射 光束，使得该对象的外周接收亮场照射光。该光学系统包括物镜；第一透镜组、第 二透镜组、以及第三透镜组；以及场开口。下面的元件会依照顺序被排列在成像射束路 径中物平面、物镜、第二透镜组、以及该图像检测器的辐射敏感基板。被成像在该辐 射敏感基板上的物场具有大于300毫米的直径。进一步地，下面的元件会依照顺序被排 列在亮场照射射束路径中亮场光源、第三透镜组、第一场开口、第二透镜组、物镜、 以及物平面。该亮场照射射束路径中的元件会被排列成让该对象的外周会接收低强度的 亮场照射光，而该对象表面的内部则会接收高强度的亮场照射光。利用此种配置，还可 以让该对象的外周在被检测的图像中非常明显，使得能够精确地决定该对象在该图像内 的位置。接着，还可以建立该图像里面的位置和被附接至该对象的坐标系统中的对应位 置之间精确的对应关系或转换。不过，对象外周通常会产生非常高的反射辐射强度，所 以，本发明希望防止亮场照射光入射在对象的外周，用于避免过多的光强度入射在检测 器上并且避免可能会劣化该对象表面的内部部分的图像质量的高杂散光强度。根据本发 明此实施方式，外周会接收实质上很低的光强度，其足以在该被检测图像里面决定该对 象的外周，而且光强度会在与该外周相隔一经过谨慎选择的距离内上升至其完全强度。根据本发明的示例性实施方式，在3毫米至6毫米长度内，照射光强度会从被照 射场外周处介于最大照射强度0.001与0.010倍之间的数值上升至大于最大照射强度0.900 倍的数值。
根据本发明的实施方式，该检验系统提供成像射束路径与暗场照射射束路径， 其中，该成像射束路径与该暗场照射射束路径会被设计成让物平面上的各射束路径的光 线的角度变化非常低。这意味着，在该物平面上的给定位置处，入射暗场照射光会看来 好像来自比较狭窄的锥体，而该锥体对该物平面里面的所有位置来说具有基本上相同的 定向。同样地，在给定位置处从物平面发出的所有光线中，仅比较狭窄的锥体会被用来 将物平面成像于检测器上，对物平面上的所有可能位置来说，对该锥体的定向基本上相 同。根据本文的示例性实施方式，整个物场的照射射束路径的主要光线的方向的变 化小于5°。如本文中所使用的，主要光线代表射束路径中穿越其光轴上各个光学系统的 光瞳平面的那些光线。根据进一步的示例性实施方式，成像射束路径中主要光线的方向变化小于5°。根据进一步的示例性实施方式，成像射束路径在物平面一侧上的数值孔径小于 0.1，小于0.08，小于0.06，小于0.04，或小于0.02。本文所使用的术语“数值孔径”表 示入射在所考虑的平面或从所考虑的平面处发出并且穿越各个光学系统的光线的最大锥 体的顶角的正弦。根据进一步的示例性实施方式，照射射束路径在物平面的一侧上的数值孔径小 于0.1，小于0.08，小于0.06，小于0.04，或小于0.02。具有远心暗场光源照射与远心成像射束路径的检验系统的优点是适合检验承载 周期性结构的大型对象表面。该周期性结构可能会形成入射暗场照射光的布拉格光栅， 使得入射光被衍射到成像光学系统所接收的方向中。该对象的多个区域会相对于照射射 束路径满足布拉格条件，而成像射束路径接着会显示为亮度超过受检对象的特征的多个 超广区域。这意味着位于满足布拉格条件的位置处的受检对象的特征元件并无法被检 测。由于远心照射与成像射束路径，对于受检对象的整个表面，在入射光和用于成像的 光之间实行基本上相同的角度调整。所以，实质上整个受检表面会符合或不符合布拉格 条件。接着，绕着成像射束路径的光轴来旋转对象便可以改变该暗场照射光所看见的周 期性结构的晶格周期，使得能够避免整个受检对象符合布拉格条件。因此，便能够检测 到该受检对象的暗场图像，而不会因布拉格衍射遭到破坏。根据本发明的示例性实施方式，该暗场照射射束路径包含射束收集器，用于吸 收从该对象表面处被反射的暗场照射光。根据本文的具体实施方式
，该射束收集器包括第一光吸收部分与第二光吸收部 分，其中，该第一光吸收部分被设置成在其表面上接收从受检对象处被反射的照射射束 的一部分。射束收集器的第二光吸收部分则会被设置成使其会(在其表面上)接收从该 第一光吸收部分的表面处被反射的照射光的一部分。该第一光吸收部分由透明的光吸收 材料(例如暗玻璃)所制成。根据本发明的示例性实施方式，该吸收材料被配置成当强 度Itl的光入射在厚度为ι毫米的平板上时，在200毫米至800毫米的波长范围内，透射过 该平板的光的强度It满足下面的关系1 · 10-7<It/I0<0.8o根据进一步的示例性实施方式，第二光吸收部分同样由光吸收材料制成。根据 进一步的示例性实施方式，第一光吸收部分及/或第二光吸收部分的光接收表面会承载 抗反射涂层。
利用这种射束收集器，可以有效地吸收从对象处被反射的暗场照射光并且防止 该检验系统的隔室里面有杂散光。入射在该第一光吸收部分上的光的主要部份会在该吸 收材料的本体内被吸收，而且这些光中仅有一小部分从第一光吸收部分的表面处被反射 并且接着由第二光吸收部分吸收。根据本发明的进一步的实施方式，光学系统提供成像射束路径、亮场照射射束 路径、以及暗场照射射束路径，其中，一个或更多个折叠式反射镜表面被设置在每一条 射束路径中，用于实现整个系统占据小的总体积的目的。根据示例性实施方式，成像射束路径包含物平面、物镜、第一折叠式反射镜、 分束器、以及检测器的辐射敏感表面；亮场照射射束路径包含亮场光源、分束器、第一 折叠式反射镜、物镜、以及物平面；而暗场照射射束路径包含暗场光源、投射透镜、第 二折叠式反射镜、物平面、以及射束收集器。根据本文的示例性实施方式，当被投射在 平行于物平面的平面来看时，在位于第一反射镜与分束器之间的部分中的成像射束路径 的光轴和位于第二反射镜与射束收集器之间的部分中的暗场照射射束路径的光轴之间的 角度小于70°。根据本文的示例性实施方式，分束器位于离投射透镜比离射束收集器更近的位 置。根据本文的进一步示例性实施方式，暗场光源位于离射束收集器比离分束器更近的 位置。根据进一步示例性实施方式，该系统包括对象供应设备，用于将对象加载到该 系统中。此供应设备被配置成用于在装载方向平移该对象，其中，当从被投射在平行于 物平面的平面看时，该装载方向和暗场照射射束路径中位于第三反射镜与射束收集器之 间的部分之间的角度小于装载方向和成像射束路径中位于第一折叠式反射镜与分束器之 间的部分之间的角度。根据本发明的进一步实施方式，该检验系统在存在可能由该检验系统本身的组 件诱发或是由该检验系统外部的振动源诱发的振动的情况下仍会保持高成像质量。根据本文的实施方式，该检验系统包括用于支撑该系统所有组件的共同基底结 构，其中，光学系统会提供包含物平面、物镜、第一折叠式反射镜、分束器、以及检测 器的辐射敏感表面的成像射束路径，以及包括亮场光源、分束器、第一折叠式反射镜、 物镜、以及物平面的亮场照射射束路径，且其中，物镜的框架与第一折叠式反射镜的框 架中至少之一会被安装于第一光学系统载体并且由其承载，该第一光学系统载体则会被 安装于该基底并且由其承载。根据本文的示例性实施方式，该图像检测器会被安装于该物镜的框架及/或该 第一反射镜的框架并且由其承载。其优点是可以形成坚固的支撑链，用于支撑从该物镜 与该第一折叠式反射镜经过该分束器至该检测器的成像射束路径中的器件的结构。根据进一步示例性实施方式，光学系统会提供包含暗场光源的暗场照射射束路 径，该暗场光源会被安装于第二光学系统载体并且由其承载，该第二光学系统载体则会 被安装于该基底并且由其承载。该第一载体与第二载体会被共同安装于该基底上，但却 是不会彼此连接的分离机械式结构。此种排列的优点可以是源自于该暗场光源的冷却系 统的振动将不会直接诱发物镜及/或第一折叠式反射镜的振动。根据进一步示例性实施方式，被排列成用于安装待检验对象的对象支撑体会被安装于该共同基底并且由其承载，而不会进一步机械连接至第一载体或第二载体。
本发明的前述和其它有益地特征将从如下参照附图对本发明示例性实施方式的 详细说明中变得更加明显。应该注意的是，并非本发明的所有可能的实施方式都必须呈 现经本文确定的每一项优点或某一项优点。图1为常规的微缺陷检验系统的示意性示意图；图2为常规的宏缺陷检验系统的示意性示意图；图3为根据本发明实施方式的宏缺陷检验系统的示意性示意图；图4为图3中示意性示出的实施方式的成像射束路径的示意图；图5为图3中示意性示出了实施方式中的亮场照射射束路径的示意图；图6为利用图5中所示的射束路径所实现的亮场光强度的示意性示意图；图7为图3中示意性示出的系统中的暗场照射射束路径的示意图；图8为图3中示意性示出的系统中的成像射束路径与暗场照射射束路径的特性的 示意性示意图；图9为可利用常规的检验系统得到的暗场图像；图10为利用根据本发明实施方式的检验系统得到的暗场图像；图11为图3中示意性示出的系统的示意性侧视图；图12为图3中示意性示出的系统的示意性立视图(elevational view)；以及图13为图3中示意性示出的系统的示意性透视图。
具体实施例方式在下面描述的示例性实施方式中，具有相同功能与结构的组件会尽可能以相同 的参考标号的表示。所以，为了解特定实施方式中单个组件的特征，应该参考本发明其 它实施方式和发明内容的说明。图3为根据本发明实施方式的宏缺陷检验系统的示意性示意图。系统31被设计为获得半导体晶片35表面33的图像。在该实施方式中，晶片35 为当前半导体制造中所使用的、直径约300毫米的晶片。不过，本发明并不受限于这样 的晶片直径，可以应用其它晶片直径，例如未来可能使用的400毫米或更大。并且，本 发明通�？捎糜诩煅槠渌韵螅闷渌韵罂梢圆煌诎氲继寰⒖砂ㄈ缡菰� 体、生物样本、化学处理系统等的对象。晶片35被安装在对象支撑体36上，使得其表面33被设置在系统31的成像射 束路径39的物平面37中。该成像射束路径39被配置且被设计成将晶片35的整个表面 33成像在图像检测器43的辐射敏感基板41上。为此目的，成像射束路径39包括物 镜45 ；折射镜(folding mirror) 47 ；以49总括表示的第一透镜组；分束器51 ；以53总括 表示的第二透镜组以及图像检测器43的辐射敏感表面41。成像射束路径39在物平面37 侧上为远心的，而且在其与辐射敏感表面41 一致的像平面侧上同样为远心的。由于物平 面37侧上的远心特性，物镜45的直径会大于晶片表面33的直径。但是，在不需要物平 面37侧上的远心特性的实施方式中，则可以使用直径减小的物镜。进一步地，在图3中示意性示出的实施方式中，物镜45被表示为单个的非接合式透镜元件，其具有朝向物平 面37的凸表面55以及朝向像平面41的大致平坦的表面57。应该注意的是，本发明的其 它实施方式可以包括其它类型物镜，所述其它类型物镜可以包括具有两个弯曲表面的单 个透镜元件并可能包括接合式透镜元件；而且其它物镜还可以包括二个或更多个透镜元 件。虽然物镜45具有正屈光力，透镜组49却具有负屈光力，透镜组53则具有正屈 光力，而分束器51则被设置在第一透镜组49与第二透镜组53之间的空间中。分束器51具有将成像射束路径39与亮场照射射束路径59分开的功能。该亮场 照射射束路径59包括亮场光源61，可以包括一个或更多个单独的透镜元件的准直透镜 63，以及反射镜65。该示例性实施方式中的光源61为氙弧灯，其具有35瓦的功率并且 会发出宽光谱范围的光。灯61具有窗口，该窗口具有IR滤镜功能，使得波长在800纳 米以上的光基本上不会朝着晶片35透射。从反射镜65反射后的光被耦合至光纤67中， 光纤67是挠性的并且允许安装亮场照射光源61，使得由光源61的冷却系统所诱发的振动 从亮场照射系统的其余部分与成像系统中消除。从光纤67发出的亮场照射光在其进入光学元件组73之前先由透镜组69进行准 直，并从两个反射镜70、71处反射。光学元件组73具有对亮场照射光束进行成形的功 能，使得开口(aperture)75会被均勻地照射。为此目的，透镜组73包括透镜以及一个或 更多个光学积分器，该一个或更多个光学积分器可以包括复眼透镜(fly eye lens)和/或玻 璃棒。开口 75为场开口，限定了物平面37的用亮场照射光照射的部分。为此目的，亮 场照射光学系统被配置成使得场开口 75在晶片表面33 (晶片表面33与成像射束路径的物 平面37相一致)上成像。已经穿过场开口 75的亮场照射光由透镜组77进行操纵，从反 射镜79被反射，穿过分束器51与透镜组49，并且从反射镜47反射且穿过物镜45，以入 射到物平面37上。在图3中所示的实施方式中，亮场照射射束路径59穿过分束器51，而成像射束 路径39从分束器51被反射。并且，分束器51由具有两个光学表面的平板制成，其中， 一个表面载有半反射涂层，用于反射成像射束路径。这样确定分束器51的平板的方向 使得反射表面朝向物平面37。这样的优点是成像射束路径从分束器被反射，而不穿越或 进入分束器51的平板，使得平板的透明介质或在其表面处的折射不损害成像质量。但是，在本发明的其它实施方式中，可以将亮场照射射束路径与成像射束路径 排列成让成像射束路径穿越分束器，而亮场照射射束路径从分束器处被反射。检验系统31的光学系统进一步提供了暗场照射射束路径81。该暗场照射射束路 径包括高功率宽波段光源83，在本实施方式中，该高功率宽波段光源83为具有1500瓦 电功率的氙弧灯。从光源83处发出的光由一个或更多个透镜85准直并且从反射镜87和 88处被反射，反射镜87与88具有下面两项功能折叠射束路径，以及通过使频谱中的 长波长成分(例如红外光)穿过反射镜87使得它们不再包含在提供给对象表面33的暗场 照射光中来对暗场照射光的频谱进行成形。暗场照射射束路径81还包括光操纵光学系统89以及反射镜91与92，用于均勻 地照射开口 93。为此目的，光学系统89包括透镜以及诸如复眼透镜及玻璃棒的光学积分 器。开口 93限定了物平面37的用暗场照射光照射的部分。为此目的，使用透镜组95与投射透镜97将开口 93成像在靠近晶片表面33的区域内，其中，该射束路径再次由反 射镜99、101、以及103折叠。从图3可以明显看出，当暗场照射射束入射到物平面37上时，晶片表面33或成 像射束路径的物平面37被定向成相对于暗场照射射束路径的光轴形成锐角。此外，晶片 表面33的由最大强度的暗场照射射束照射的部分应该不包含晶片的外周，因为这会产生 可观的量的杂散光，该杂散光可能会进入图像检测器43并且劣化由该图像检测器检测的 暗场图像。因此，虽然希望晶片的内部表面被均勻地照射，但是，却应该避免高强度的 暗场照射光入射在晶片的外周。这可以通过使开口 93的形状最优化使其具有非圆形的弯 曲形状来实现。进行此最优化的细节在US2005/0146719A1中作过解释，本文以引用的 方式将其完整公开并入。由于暗场照射射束路径81的光学系统被设计成使以约30°的角度α入射在该晶 片35的圆形表面33上的暗场照射光基本上均勻地照射晶片35的圆形表面33，所以，显 见的是，穿过投射透镜97的暗场照射光束具有椭圆形的剖面。该投射透镜97也具有非 圆形的形状，其中，对暗场照射光束的成形没有作用的部分已经从原来圆形的透镜中切 除，以避免不必要的重量和对可用空间的浪费。本示例中，暗场照射射束路径81的投射透镜97和成像射束路径39的物镜45具 有相同的光学数据。具体地说，透镜97的朝向物平面37的表面105和物镜45的表面55 具有相同的曲率半径，透镜97的朝向暗场光源83的表面106则具有平坦的表面。在暗 场照射射束路径与成像射束路径中使用相同类型的透镜非常适合节省该检验系统的制造 成本。图4为成像射束路径39的详细示意图，其中，图4中并未显示分束器51，但由 附图标记51来指示该分束器的位置。很明显的是，分束器51被设置在成像射束路径39 中的、形成有物平面37到像平面41的成像的光瞳面(pupil plane)的区域。成像射束路径39中的组件的光学数据显示在下面的表1中，其中，“玻璃” 一 列表示根据SCHOTT与OHARA命名的光学材料。表权利要求
1.一种晶片检验系统，所述晶片检验系统包括 光学系统；晶片支撑体，其用于将具有预定晶片直径的晶片安装在所述光学系统的物平面的区 域中；亮场光源；以及图像检测器，所述图像检测器具有设置在所述光学系统的像平面的区域中的辐射敏 感基板；其中，所述光学系统提供成像射束路径和亮场照射射束路径，并且包括物镜以及分 束器，所述物镜以及所述分束器被设置成a)使得如下元件按以下顺序设置在所述成像射束路径中所述物平面、所述物镜、 所述分束器和所述辐射敏感基板，以及b)使得如下元件按以下顺序设置在所述亮场照射射束路径中所述亮场光源、所述 分束器、所述物镜和所述物平面；以及其中，满足如下关系中的至少一个i)被成像到所述辐射敏感基板上的物场的直径大于200毫米，而且从所述物平面到所 述像平面的成像射束路径的总延伸长度小于1100毫米；ii)从所述物平面到所述像平面的成像射束路径的总延伸长度除以所述物场直径后小 于6.0;以及iii)所述物场直径大于所述晶片直径的0.6倍。
2.—种检验系统，所述检验系统包括 光学系统；对象支撑体，用于将对象安装在所述光学系统的物平面的区域中；以及 亮场光源；以及图像检测器，其具有设置在所述光学系统的像平面的区域中的辐射敏感基板；以及 其中，所述光学系统提供成像射束路径和亮场照射射束路径，并且包括物镜以及分 束器，所述物镜以及所述分束器被设置成a)使得如下元件按以下顺序设置在所述成像射束路径中所述物平面、所述物镜、 所述分束器和所述辐射敏感基板，其中，所述物平面成像至所述像平面的放大倍数的绝 对值小于0.25，以及b)使得如下元件按以下顺序设置在所述亮场照射射束路径中所述亮场光源、所述 分束器、所述物镜和所述物平面。
3.—种检验系统，所述检验系统包括 光学系统；对象支撑体，用于将对象安装在所述光学系统的物平面的区域中； 暗场照射光源；以及图像检测器，其具有设置在所述光学系统的像平面的区域中的辐射敏感基板；以及 其中，所述光学系统提供成像射束路径和暗场照射射束路径，并且包括物镜以及投 射透镜，所述物镜以及所述投射透镜被设置成a)使得如下元件按以下顺序设置在所述成像射束路径中所述物平面、所述物镜和所述辐射敏感基板，以及C)使得如下元件按以下顺序设置在所述暗场照射射束路径中所述暗场光源、所述 投射透镜和所述物平面，其中，所述照射射束路径的主要光线的方向跨越被成像在所述辐射敏感基板上的物 场的变化小于5° ；其中，所述成像射束路径的主要光线的方向跨越所述物场的变化小于5° ； 其中，所述成像射束路径在所述物平面一侧上的数值孔径小于0.1 ； 其中，所述照射射束路径在所述物平面一侧上的数值孔径小于0.1 ；以及 其中，满足如下关系中的至少一个i)所述物场直径大于200毫米，而且从所述物平面到所述像平面的成像射束路径的总 延伸长度小于1100毫米；ii)从所述物平面到所述像平面的成像射束路径的总延伸长度除以所述物场直径后小 于6.0;以及iii)所述物场的直径大于所述晶片直径的0.6倍。
4.一种暗场成像系统，所述暗场成像系统包括成像光学系统，用于将物平面成像至像平面中；以及图像检测器，其具有位于所述像平面中的像素的阵列，所述像素具有像素直径， 其中，所述成像光学系统被配置成用于将所述物平面上的斑点成像为所述像平面中 对应的�：撸约捌渲校魉瞿：叩闹本毒∮谒鱿袼刂本兜乃谋丁�
5.—种检验系统，所述检验系统包括成像光学系统，其用于将物平面成像到像平面中并且包括沿共同光轴的、依照以 下顺序排列的具有正屈光力的物镜、具有负屈光力的第一透镜组、以及具有正屈光力的 第二透镜组，其中，所述成像光学系统的光瞳平面位于所述第一透镜组和第二透镜组之 间；其中，所述成像光学系统被配置成满足如下关系中的至少一个i)其中，沿着所述光轴测得的从所述物镜的最靠近所述像平面的透镜表面到所述第 一透镜组的最靠近所述物平面的透镜表面的第一长度比沿着所述光轴所测得的从所述第 一透镜组的最靠近所述物平面的透镜表面到所述第二透镜组的最靠近所述像平面的透镜 表面的第二长度大1倍、或大3倍、或大5倍；ii)其中，沿着所述光轴测得的从所述物镜的最靠近所述像平面的透镜表面到所述第 一透镜组的最靠近所述物平面的透镜表面的所述第一长度比被成像到所述像平面中的物 场的直径大1倍或是大1.4倍；以及iii)其中，沿着所述光轴测得的从所述物镜的最靠近所述像平面的透镜表面到所述第 一透镜组的最靠近所述物平面的透镜表面的所述第一长度比沿着所述光轴测得的从所述 物平面至所述物镜的最靠近所述物平面的透镜表面的第三长度大1倍、大2.0倍、或是大 2.5 倍。
6.—种检验系统，所述检验系统包括 光学系统；对象支撑体，用于将具有预定外周形状的对象安装在所述光学系统的物平面的区域中；亮场光源；以及图像检测器，其具有设置在所述光学系统的像平面的区域中的辐射敏感基板； 其中，所述光学系统提供成像射束路径和亮场照射射束路径，并且包括物镜、第一 透镜组、第二透镜组和第三透镜组以及第一场开口，所述物镜、所述第一透镜组、所述 第二透镜组和所述第三透镜组以及所述第一场开口被设置成a)使得如下元件按以下顺序设置在所述成像射束路径中所述物平面、所述物镜、 所述第二透镜组、以及所述辐射敏感基板，其中，直径大于300毫米的物场被成像到所 述辐射敏感基板上，以及b)使得如下元件按以下顺序设置在所述亮场照射射束路径中所述亮场光源、所述 第三透镜组、所述第一场开口、所述第二透镜组、所述物镜、以及所述物平面，其中， 所述亮场照射射束路径的照射场位于所述物场内并具有大于290毫米的直径，其中，在 所述照射场的外周，在3毫米至6毫米的长度内，照射强度从介于所述物场内最大照射光 强度的0.0005与0.010倍之间的数值上升到所述最大照射光强度的0.800倍以上、0.900倍 以上、或是0.950倍以上的数值。
7.—种检验系统，所述检验系统包括 光学系统；对象支撑体，用于将具有预定外周形状的对象安装在所述光学系统的物平面的区域 中；以及暗场照射光源；图像检测器，其具有设置在所述光学系统的像平面的区域中的辐射敏感基板； 其中，所述光学系统提供成像射束路径和暗场照射射束路径，并且包括物镜、投射 透镜、第四透镜组与第五透镜组、以及第二场开口，并被排列成a)使得如下元件按以下顺序设置在所述成像射束路径中所述物平面、所述物镜以 及所述辐射敏感基板，其中，具有预定直径的物场被成像在所述辐射敏感基板上，以及b)使得如下元件按以下顺序设置在所述暗场照射射束路径中所述暗场光源、所述 第四透镜组、所述第二场开口、所述第五透镜组、所述投射透镜、以及所述物平面，其 中，所述第二场开口的图像形成在所述物平面的区域中；其中，满足下面的关系dl/d2 < 0.2其中，dl代表所述物平面中的沿所述暗场照射射束路径最靠近所述暗场光源的被照射点与 所述第二场开口的所述图像的相隔距离，以及d2代表所述物平面中的沿所述照射射束路径最远离所述暗场光源的被照射点与所述 第二场开口的所述图像的相隔距离。
8.—种检验系统，所述检验系统包括 光学系统；对象支撑体，用于将对象安装在所述光学系统的物平面的区域中；暗场照射光源； 射束收集器；以及图像检测器，其具有设置在所述光学系统的像平面的区域中的辐射敏感基板； 其中，所述光学系统提供成像射束路径和暗场照射射束路径，并且包括物镜以及投 射透镜，所述物镜以及投射透镜被设置为a)使得如下元件按以下顺序设置在所述成像射束路径中所述物平面、所述物镜、 以及所述辐射敏感基板，以及b)使得如下元件按以下顺序设置在所述暗场照射射束路径中所述暗场光源、所述 投射透镜、所述物平面、以及所述射束收集器，其中，照射射束以锐角入射在所述物平 面上，且其中，所述照射射束的、从所述对象处被反射的部分由所述射束收集器接收，其中，所述射束收集器包括第一光吸收部分与第二光吸收部分， 其中，所述射束收集器的第一光吸收部分由1毫米厚度提供1 · 10_7至0.8范围内的 入射光透射系数的吸收材料制成，并且被设置成用于在一表面上接收从所述对象处被反 射的照射射束部分，该表面的形状被成形成使得在分隔位置处与所述表面相交的多对表 面法线会聚，以及其中，所述射束收集器的第二光吸收部分被设置成用于接收从所述第一组件处被反 射的照射射束部分。
9.一种检验系统，所述检验系统包括 光学系统；对象支撑体，用于将对象安装在所述光学系统的物平面的区域中； 亮场光源； 暗场光源；图像检测器，其具有设置在所述光学系统的像平面的区域中的辐射敏感基板；以及 射束收集器；其中，所述光学系统包括提供成像射束路径、亮场照射射束路径以及暗场照射射束 路径的物镜、投射透镜、第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜以及分束器，并被设置 成a)使得如下组件按以下顺序设置在所述成像射束路径中所述物平面、所述物镜、 所述第一反射镜、所述分束器以及所述辐射敏感表面，b)使得如下组件按以下顺序设置在所述亮场照射射束路径中所述亮场光源、所述 分束器、所述第一反射镜、所述物镜以及所述物平面，以及c)使得如下组件按以下顺序设置在所述暗场照射射束路径中所述暗场光源、第二 反射镜、投射透镜、第三反射镜、所述物平面以及所述射束收集器，其中，当被投射在平行于所述物平面的平面来看时，在成像射束路径的位于所述第 一反射镜与所述分束器之间的部分的光轴和暗场照射射束路径的位于所述第三反射镜与 所述射束收集器之间的部分的光轴之间的角度小于70°，小于60°，或小于50°。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，当被投射在所述平行于所述物平面的平面来 看时，所述分束器位于离所述投射透镜比离所述射束收集器更近的位置。
11.根据权利要求9或10所述的系统，其中，当被投射在所述平行于所述物平面的平面看时，所述暗场光源位于离所述射束收集器比离所述分束器更近的位置。
12.根据权利要求9到11任一项所述的系统，该系统还包括对象供应设备，所述对 象供应设备用于向着所述物平面与远离所述物平面移动所述对象，并且被配置成在被投 射在所述平行于所述物平面的平面来看时，用于在装载方向平移对应于至少为所述物场 的直径的距离，所述装载方向被定向成与所述暗场照射射束路径的部分形成一角度，所 述角度小于所述成像射束路径的所述部分与所述暗场照射射束路径的所述部分之间的角 度。
13.一种检验系统，所述检验系统包括基底；光学系统；对象支撑体，用于将对象安装在所述光学系统的物平面的区域中；亮场光源；图像检测器，其具有设置在所述光学系统的像平面的区域中的辐射敏感基板；以及其中，所述光学系统提供成像射束路径和亮场照射射束路径，并且包括物镜、投射 透镜、第一反射镜以及分束器，所述物镜、所述投射透镜、所述第一反射镜以及所述分 束器被设置成a)使得如下组件按以下顺序设置在所述成像射束路径中所述物平面、所述物镜、 所述第一反射镜、所述分束器、以及所述辐射敏感表面，以及b)使得如下组件按以下顺序设置在所述亮场照射射束路径中所述亮场光源、所述 分束器、所述第一反射镜、所述物镜以及所述物平面，以及其还包括第一光学系统载体，所述第一光学系统载体被安装到所述基底并且由所述 基底承载；其中，所述物镜的框架和所述第一反射镜的框架中的至少一个被安装到所述第一载 体并且由所述第一载体承载；以及其中，所述分束器被安装到所述物镜的框架和所述第一反射镜的框架中至少一个并 且由该至少一个承载。
14.根据权利要求13所述的系统，所述系统还包括暗场光源以及射束收集器，其中， 所述光学系统还包括第二反射镜、投射透镜以及第三反射镜，所述第二反射镜、投射透 镜以及第三反射镜被排列成用于使得如下组件按以下顺序设置在所述暗场照射射束路径 中所述暗场光源、所述第二反射镜、所述投射透镜、所述第三反射镜、所述物平面、 以及所述射束收集器。
15.根据权利要求14所述的系统，所述系统还包括第二载体，所述第二载体被安装到 所述基底并且由所述基底承载，其中，所述暗场光源被安装到所述第二载体并且由所述 第二载体承载。
16.根据权利要求14或15所述的系统，其中，所述第二反射镜、所述投射透镜、以 及所述第三反射镜被安装到所述物镜的框架和所述第一反射镜的框架中的至少一个并且 受所述至少一个支撑。
17.根据权利要求13至16中任意一项所述的系统，其中，所述图像检测器被安装到 所述物镜的框架和所述第一反射镜的框架中的至少一个并且受所述至少一个支撑。
18.根据权利要求13至17中任意一项所述的系统，其中，所述物镜的框架和所述第 一反射镜的框架由一体成形的主体提供。
19.根据权利要求13至18中任意一项所述的系统，其中，对象支撑体被安装到所述 基底并且受该基底支撑。
20.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述分束器包括在其一个表面 上具有反射性涂层的透明基板并且被排列成用于使得所述亮场照射射束路径穿过所述基 板，而所述成像射束路径从所述反射性涂层处被反射而不穿过所述基板。
21.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述分束器位于所述成像射束 路径的光瞳平面的区域中。
22.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述分束器与所述成像射束路 径的光瞳平面交叉。
23.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述第二场开口包括包含钻孔 的平板，所述钻孔具有用于界定所述开口的外周，其中，所述平板的表面为弯曲表面， 其具有至少一个小于4米的曲率半径。
24.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述射束收集器的第一结构的 材料的表面承载抗反射性涂层。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，所述射束收集器的第一结构的材料的表面的 反射系数小于0.01。
26.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述投射透镜为具有两个表面 的单个非接合式透镜元件，其中，具有较大表面曲率的表面满足下面关系透镜的自由 直径除以所述等透镜表面的曲率半径后大于0.5。
27.根据前述权利要求中任意一项所述系统，其中，最靠近所述物平面的投射透镜的 透镜表面为凹表面，其具有小于2米的曲率半径。
28.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，最靠近所述暗场光源的投射透 镜的透镜表面为基本上平坦的表面，其具有大于10米的曲率半径。
29.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述物镜的第一表面和所述投 射透镜的第一表面具有相同的曲率半径，并且其中，所述物镜的第二表面和所述投射透 镜的第二表面具有相同的曲率半径。
30.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述投射透镜的透镜表面具有 旋转对称性。
31.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述投射透镜具有穿过所述暗 场照射射束路径的第一方向上的延伸长度，其为所述投射透镜穿过所述暗场照射射束路 径且正交于所述第一方向的第二方向上的延伸长度的1.5倍以上。
32.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述暗场照射射束路径在所述 第二反射镜处偏离小于80°的角度。
33.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述第二反射镜具有平坦的反 射镜表面。
34.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述第三反射镜具有平坦的反 射镜表面。
35.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述光学系统包括光导纤维， 该光导纤维被设置在所述亮场光源与所述分束器之间的亮场照射射束路径中。
36.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述光学系统包括光导纤维， 所述光导纤维被设置在所述亮场光源与所述第三透镜组之间的亮场照射射束路径中。
37.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述暗场照射射束入射在所述 物平面上的方向和所述物平面的表面法线之间的角度大于40°。
38.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述射束收集器的第二部分由 1毫米厚度提供1 · 10_7至0.8范围内的入射光透射系数的材料制成。
39.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述射束收集器的第二部分被 排列成用于接收从所述射束收集器的第一部分处被反射的照射射束部分。
40.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述射束收集器包括第三部 分，所述第三部分由1毫米厚度提供1 · 10_7至0.8范围内的入射光透射系数的材料制 成，并且被排列成用于接收从所述射束收集器的第二部分处被反射的一部分照射射束。
41.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述射束收集器的第一部分包 括具有由所述吸收材料制成的平坦表面的多个平板，其中，所述多个平板被排列成用于 让多对不同平板的表面法线会聚。
42.根据权利要求41所述的系统，其中，多对直接相邻的平板被排列在所述暗场照射 射束路径中，以使得边缘面向所述表面的物平面，每一对的第一平板被该对的第二平板 的表面遮蔽。
43.根据前述权利要求中任意一项所述的系统，其中，所述物镜的自由直径大于所述 晶片的直径。
44.一种检验对象的方法，所述对象具有由外周所限定的基本上平坦的表面，所述方 法包括将所述对象的表面及其外周成像在检测器上；利用亮场照射光照射所述对象的表面及其外周，其中，在所述外周的至少一部分处 的照射光强度大于所述表面内的最大照射光强度的0.001倍且小于所述表面内的最大照射 光强度的0.01倍，且其中，在与所述外周的所述部分相隔2毫米至7毫米距离处的照射光 强度大于所述最大照射光强度的0.900倍。
45.根据权利要求44所述的方法，其中，所述外周的所述部分包含所述对象全部外周 的90%以上。
46.—种检验对象的方法，所述对象具有基本上平坦的表面，所述表面的直径大于 250毫米并且承载周期性结构，所述方法包括将所述对象放置在检验设备的测量位置处；利用暗场照射光来照射所述对象的表面，使得所述暗场照射光的单条光线的入射方 向跨越所述对象的表面的变化小于5° ；利用跨越所述对象的表面的变化小于5°的方向的从所述对象的表面处发出的成像光 来对所述对象的表面进行成像。
47.根据权利要求46所述的方法，所述方法还包括以对所述表面的图像的分析为基础 旋转在所述测量位置处的所述对象。
48.根据权利要求46所述的方法，其中，将所述对象放置在所述测量位置处包括将所 述表面旋转至预定的旋转位置。
49.一种检验对象的方法，所述方法包括利用权利要求1至43中任意一项的检验系统 来取得所述对象的至少一个图像。
全文摘要
本发明提供一种晶片检验系统，其具有亮场成像射束路径与暗场成像射束路径，用于获得完整300毫米晶片的亮场图像与暗场图像。该光学系统可用于进行远心成像并且具有低光学像差。所述亮场射束路径与暗场射束路径折叠，使得该系统能够被整合而用于占据具有小覆盖范围的小体积。
文档编号G01N21/94GK102016554SQ200980116093
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月3日 优先权日2008年4月4日
发明者克劳斯·�？死�, 拉吉斯瓦·切贝尔, 拉尔斯·马克沃特, 诺伯特·哈伦特 申请人:南达技术公司
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