CN100561204C - 具有倾斜视角的检测系统 - Google Patents

Abstract

沿倾斜于一个表面的视角对该表面的一个区域成像的装置包含一个远焦光学中继装置(192)，其用来通过汇聚该区域沿一个朝向视角的光轴方向的光射线来形成该区域倾斜的初始影像。一倾斜校正单元(194)用于校正初始影像的倾斜，以便形成一个充分不失真的中间影像。一放大模块(198)被连接以将该中间影像聚焦到一影像检测器上。

Description

具有倾斜视角的检测系统

技术领域

本发明涉及一种光学检测，特别地涉及一种用于如半导体晶圆片的固态表面检测，以及固态表面上特征和缺陷检测的方法和装置。

背景技术

在半导体设备制造中光学检测通常被用来检测晶圆片表面的缺陷，如污染颗粒，划伤以及材料层残留物。上述缺陷能导致设备失效，从而切实影响生产收益。因此，在生产过程的不同阶段中为确保清洁和质量，需要对图案化和未图案化的晶圆片进行仔细的检测。

检测半导体晶圆片的一个通常的方法是用一束激光扫描晶圆片表面，测量从每一光束入射点散射回来的光。这样的一种基于暗场散射检测的方法在美国专利6,366,690中由Smilansky等人提出，其阐述在这里被引用。Smilansky等人描述了一个基于光学检测头的晶圆片检测系统。该光学检测头包括一个激光头和许多由围绕激光头排列的光纤聚光器驱动的光传感器。此光学头被置于晶圆片上方，晶圆片被平移和旋转来使光束可以扫描到整个表面。传感器可检测同时从该表面散射到不同角方向的光，并被光纤的位置确定。这样，每次一个象素，沿螺旋路径，整个晶圆片表面被扫描。

另一个在这里被引用的暗场晶圆片检测系统是Marxer等人在美国专利6,271,916中所描述的。在此系统中，一激光束以法线方向射向晶圆片表面并沿螺旋路径扫描表面。一个椭圆形镜子被用来汇聚从表面散射出的远法线方向的激光射线。尤佳地，在第一个角范围内的散射光线被一个检测器汇聚，而在第二个角度范围内的散射光线被另一个检测器所汇聚。不同的检测器信号被用来区分大缺陷和小缺陷。

一更进一步的基于此方法的缺陷检测系统是Vaez-Iravani等在美国专利6,271,916中所描述的。其中，不同的宽/窄角度汇聚通道被采用。通过比较来自窄汇聚通道和宽汇聚通道的信号来区分微划伤和颗粒。前向散射也可以被汇聚并用于此目的。散射强度也可以进一步用具有单极化和多极化发射的顺序照明来测量。

Chuang等在6,392,793号美国专利中描述了一个具有高数值孔径(NA)的成像系统，其阐述被本发明所引用。该系统基于一个用于汇聚一定角度内的反射、衍射、散射光线的反折射平面镜和透镜组。该系统有几种应用，包括用于暗场成像。

括用于暗场成像。

Kinney等在5,909,276号美国专利中描述了一个用于检测颗粒和缺陷的光学检测模块和方法，其阐述被本发明所引用。该模块包括一个光源，其以入射余角照射待检表面。一透镜用于收集由表面缺陷引起的散射到光路外的非预期的反射光线。一个透镜焦平面上的光电检测器阵列来接收这些散射的光线。此阵列上的每一个象素对应表面上的一个区域，而这些大量的象素就构成了一个覆盖整个表面的视场。

由于波束幅度的强自校正，光斑(speckle)效应在使用相干照射(coherent illumination)的成像系统中是人所共知的。在基于等波幅激光照射的典型相干照射系统中，激光束被通过一个旋转的扩散体，此扩散体减小了自校正，从而减小了相应的光斑。可以选择，激光束可以被通过一个不等长的光纤束，正如Suganuma在6,249,381号美国专利中所描述的，其阐述被本发明所引用。可以在光路上设置两束光纤来进一步增强去光斑效果，如Karpol等在美国专利申请发布US 2002/0067478 A1中所述。Karpol等被指定为本专利申请的受让人人，且他的阐述被本发明所引用。

发明内容

本发明的实施例提供了用于例如一个半导体晶圆片的样本表面检测的改进的方法和装置，其使这样的表面可以在倾斜的检测角度上高分辨率地被检测。在这些实施例中，一个或多个检测器阵列被配置来沿倾斜于待检表面的角度接收该表面某区域的不同角度范围内的散射线并分别成像。散射线被一个单独的汇聚光学单元所汇集并聚焦在每一个检测器阵列上。

此汇聚光学装置为每个检测器阵列提供充分不失真的影像，即使在远离表面法线的低检测角度下。所提供的不失真影像对于准确寄存不同阵列形成的影像是有用的，这样表面上任意给定点的散射光线被每个影像中的一个明确的象素所代替。在其中的一个实施例中，每个检测器阵列汇聚光学装置包含一个倾斜于表面的远焦中继光学装置，其处于检测器阵列的汇聚角度，因而形成了一个该区域倾斜的初始影像。一个倾斜校正单元对倾斜进行校正来形成一个不倾斜的中间影像。

一个放大模块然后把倾斜校正后的中间影像聚焦在检测器阵列上。通常的，此远焦中继装置是远心的，关于其中央平面对称的，且充分不失真。因此，一个空间滤光器可以放置在该远焦中继装置的中央光瞳处来阻止不需要的散射线，如由图案化的半导体晶圆片上不同的特点引起的强的，明显的衍射纹。

根据本发明的一个实施例，提供沿倾斜于一个表面的视角对该表面的一个区域进行成像的装置，此光学装置包含：

一个远焦光学中继装置，其通过汇聚该区域沿一个朝向视角的光轴方向的光射线来形成该区域倾斜的初始影像；

一个具有彗差补偿手段的倾斜校正单元，光性连接于所述的远焦光学中继装置，用来校正初始影像的倾斜以形成一个不失真的中间影像，该彗差补偿手段是一对熔融石英柱面透镜，且该彗差补偿手段对倾斜校正单元内的棱镜所产生的彗差进行补偿；以及

一个放大模块，光性连接于所述的倾斜校正单元，用来把所述不失真的中间影像聚焦在一个影像检测器上。

在上述的一个实施例中，所述的远焦光学中继装置是远心的且具有相同的放大倍数。通常，所述的远焦中继装置有一个中央光瞳且包含复数个透镜，这些透镜在中央光瞳周围对称排列，还包括一个在中央光瞳位置处的空间滤光器。

通常地，远焦光学中继装置形成的初始影像是倾斜的，倾斜角度与视角相同。所述的倾斜校正单元可以包含一个入射面平行于所述的远焦光学中继装置的像平面的棱镜，且此棱镜的一个出射面与中间影像的一个面平行。在一个实施例中，所述的中间影像包含一个假想影像。

通常地，所述的放大模块包含多个，可选的具有不同放大倍数的放大组件，其中所有的放大组件具有一个在中间影像处的物平面和一个在影像检测器处的像平面。

根据本发明的一个实施例，还提供了一个沿倾斜于一个表面的视角对该表面的一个区域成像的方法，此方法包含：

利用一个远焦光学中继装置沿朝向视角的光轴方向，汇聚光射线来形成该区域倾斜的初始影像；

利用包含棱镜的倾斜校正单元，来校正初始影像的倾斜以形成一个不失真的中间影像，且利用一对熔融石英柱面透镜来补偿该棱镜所引入的彗差；以及

聚焦前述不失真的中间影像在一个影像检测器上。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是描述本发明的一个实施例的光学检测系统工作原理的方框图；

图2是本发明的一个实施例中的照射模块的示意图；

图3A是本发明一个实施例的激光光斑消弱模块的侧视示意图；

图3B是本发明另一个实施例的激光光斑消弱模块的侧视示意图；

图4是本发明一个实施例中用于照射模块的光学放大和开关元件的侧视示意图；

图5是本发明一个实施例中一个光学汇聚模块的侧视示意图；

图6是本发明个实施例中一个高NA物镜的光学示意图；

图7是本发明的另一个实施例中的光学汇聚模块的侧视示意图；

图8是本发明一个实施例中一个远焦中继镜和倾斜校正单元的光学示意图；

图9描述了本发明一个实施例中用于光学检测系统的光学汇聚通道的示意图；

图10是本发明一个实施例中一个待检半导体晶圆片的俯视图，显示了晶圆片表面上的成像区域。

图11是本发明一个实施例中应用于光学检测系统的信号处理子系统的方框图。

具体实施方式

请参阅图1所示，图1是描述本发明的一个实施例的用于光学检测半导体晶圆片22的系统20的方框图。典型地，晶圆片22被用半导体设备制造领域内通常的方法图案化，且系统20应用暗场光学技术来检测晶圆片表面的缺陷。然而，可选择地是，系统20的原理可以被应用到未图案化的晶圆片和检测其它类型的样本和表面，如掩模和中间掩模。进一步地，尽管系统20用于暗场检测，但本发明的一些方面可以应用于明视场检测，以及其它的照明、检测和成像领域。

系统20包含一个照射模块24，它用脉冲激光射线照射样本22的表面。典型地，模块24可以同时或分时发射两种或多种不同波长的激光射线。任何波长的激光射线可以被模块24引导照射到晶圆片22，沿正常途径或者如下所述间接地到达晶圆片表面。照射模块可以发生可见光、紫外和/或红外光。这里所用的“照射”(illumination)和“光射线”(optical radiation)应该被理解为任意或全部的可见光，紫外和红外光。

从晶圆片散射的大角度范围内的光线被光学汇聚模块26所收集。模块26包含汇聚光学装置28，它把晶圆片22的表面成像在多个相机30上。光学装置28可以包含一个大数值孔径(NA)的物镜或者许多单独的物镜，每个照相机一个。这些可选的光学配置，如相机30，将在后面描述。光学装置28和相机30被合适地安置，以确保所有的相机都是给晶圆片表面的同一区域成像，如被照射模块24照射的区域，这时每个相机捕获不同角度范围内的散射线。每一个相机30包含一个两维的检测元件阵列，如业内所知的CCD或CMOS阵列。阵列中的每一个检测元件对被照射模块24照射区域的相应的点成像。因此，基于不同相机30中的相应的检测元件产生的信号，在晶圆片上任意点的散射特性可以作为角度的函数被确定。

典型的相机30通过一个系统控制器32与照射模块的激光脉冲同步，这样每一个相机产生的图象输出帧与唯一的一个激光脉冲的散射线相对应。每一个相机的输出被接收、数字化并被影像处理器34分析。在后面将详细描述的典型的影像处理器包含附属的硬件信号处理电路和/或可编程数字信号处理器(DSPs)。诸如X-Y-Z三维平台36的机械扫描装置以光栅形式平移晶圆片22，以使发射模块24的每一束激光脉冲都照射晶圆片表面的不同区域，并与前一束脉冲照射的区域相邻(通常也会有一小点重叠)。可选择地或额外地，相对于晶圆片照射和汇聚模块可以被扫描。

影像处理器34处理每一帧相机30输出的图象以分析出可预示出晶圆片表面缺陷的影像特点。此影像特点被传输到一个主控计算机38，通常为一台装有相应软件的多用途计算机，它分析此特点并产生出待检晶圆片的缺陷列表(或缺陷地图)。

被模块24照射并被相机30成像的区域可以使用整个晶圆片表面或表面特定区域上的平台36来扫描。如果模块24发生的脉冲足够的短，例如充分少于1μs，平台36就可以连续地移动晶圆片22而不会引起相机图片明显的模糊。典型的照射区域大约为2×1mm，尽管此区域可以被后面描述的照射模块中的光学放大装置放大或缩小。假定每一个相机30包含一个2000×1000的检测单元阵列，映射到晶圆片表面上每一个象素的尺寸大概是1×1μm。当照射模块24以每秒400个脉冲的重复率工作时，每一个相机30到影像处理器34的数据输出率将是800兆象素/秒(800Mpixels/sec)。以这个速度，一个全部12″的半导体晶圆片可以在不到2分钟内以1μm的分辨率扫描完毕。需要理解的是，这些影像分辨率，尺寸和速度的典型数据只是作为例子来引用，根据不同的系统速度和分辨率要求这些数据可以增大或减小。

控制器32也调整平台36的Z方向数值(高度)来维持相机30的合适的焦点在晶圆片表面上。可选或另外地，控制器可以调整相机的光学装置来达到这个目的。进一步可选或另外地，控制器可以命令影像处理器34和主控计算机38校正不同相机30捕获的影像的比例和配准偏差，从而对高度变化进行补偿。

为了校验和调整焦距，控制32使用了一个自动聚焦照射器40和一个自动聚焦传感器模块42。照射器40通常包含一个激光器(未画出)，如一个CW二极管激光器，它以斜角发射出一个准直射束到被模块24照射的晶圆片表面区域上或其附近，在晶圆片表面上形成一个光斑。晶圆片22Z轴方向上相对于汇聚模块26的变化将会导致光斑的水平位移。通常包含一个检测阵列(也未画出)的传感器模块42捕获晶圆片表面上的光斑影像。通过提供给控制器32一个晶圆片表面相对汇聚模块在Z轴方向上的测量值，光斑的影像被分析以检测光斑的水平位移。控制器驱动平台36直到光斑处于预先校正过的参考点上，这标志着聚焦正确。

照射器40发射的光束在到晶圆片表面的过程中可以通过汇聚光学装置28，且传感器模块42同样地可捕获通过汇聚光学装置的表面光斑的影像。这种情况下，照射器40的工作波长范围就与照射模块24的不同。因而，就可以用适当的滤光器阻止自动聚焦光束进入相机30，同时消除模块24发出的脉冲光束对自动聚焦测量的干扰。

做为选择，可以用其它的领域内的自动聚焦方法。例如，可以使用电容性传感器来确定和调整光学装置和晶圆片表面间的垂直距离。

请参阅图2所示，图2是本发明的一个实施例中的照射模块的示意图。激光头50包含一个脉冲激光器，其被配置为发射单波长光或同时发射两种波长的光。例如，激光头可以包含一个Nd:YLF激光器，如Positive Light公司(Los Gatos，California)制造的的Evolution 15型激光器，它有内部频率转换器，能使激光头以基波的二次谐波(527nm)的频率发射激光。同时可增加外部频率转换器来提供四次谐波(263nm)输出。做为选择，模块24被配置为可同时发射3种或更多波长的激光，进一步做为选择或额外地，模块24可提供一个波长可变的输出。通常地，激光头50被Q开关来发射出短促、高强度的脉冲，如上所述的脉冲持续少于1μs(也可以少至10ns)。更佳的是，激光腔被配置为多横轴模式，这样有助于减小下面所述的晶圆片表面的干射光斑。

一个谐波分离模块52把激光头50发出的激光按不同波长分离成两束光线。在一个实施例中，模块52简单地包含一个本领域熟知的双色光束分离器。被分离的光束被下面详述的光斑消弱模块所处理，以消除干射光斑。可选的望远镜56被用来扩展激光束以在晶圆片22表面上形成理想的照射区域。如图所示，这些望远镜可以被安放在一个旋转的轮子上，以便于选择合适的一个。尽管图2中的实施例包含了与激光头50输出的不同波长光相配套的单独的光斑消弱模块和望远镜，在其它的实施例中，谐波分离模块可以被放置在光路的更下游，以使两种波长的光束公用一个光斑消弱模块和/或一套望远镜。

被望远镜56扩展过的输出光束被准直透镜58传送到可变光强滤光器60。这些可方便地安在旋转滤光轮上的滤光器可以根据需要调节两束照射到晶圆片22上的光束的强度。偏光器62可以同样地被旋转来确定光束的偏振角度。选择光束分离器64使每束光中可知的一小部分偏向能量计66。能量计提供每束光强度的测量值为影像处理器34所用来校正每个脉冲光束的之间的能量差异，或者为激光头50提供反馈控制。能量计66也可以用来为相机30提供同步输入，下面有述。

一个包含中继镜68的光学开关模块70可以控制每一个波长的光束的射束路径，使其以法线方向或斜角方向入射到晶圆片22上。后面会详述的开关模块70为法线输出光学装置72和斜角输出光学装置74提供入射光束。斜角输出光学装置74通常被配置成以和表面成大约5°和50°之间的角度来照射晶圆片表面，尽管更大和更小的角度也是可能的。光学装置72和74通常的数值孔径(NA)范围为大约0.01到0.2。开关模块也可以被设置来阻止其中一种波长的光，使只有一种波长的光入射至晶圆片表面(法线方向或斜角方向)。当同时使用两种波长的光时，可以在一种波长的光路中(实施例中为斜角光束)引入包含合适透镜的色度补偿元件76，以使法线光束和斜角光束以充分相同的几何外形照射晶圆片表面的同一区域。

请参阅图3A所示，图3A是本发明一个实施例中光斑消弱模块54的侧视图。如图所示，该模块可以被应用于其中一种波长，也可以两种波长都应用，只要根据两种波长正确设计模块中的光学元件。

如上所述，在领域内共知的相干照射系统中，基于连续波(CW)的激光射束通过一个旋转散射器，就减小了自相关和相应的光斑对比。但是在系统20中，激光头50发射的激光脉冲持续的时间太短，使这个传统的办法失效了，因为如果要充分的减小光斑对比该散射器必须以不切实际的高速度旋转。

因此，在图3A所示模块54的实施例中，驱动一个声光变换器82高速地扫描目标平面84上激光束的入射角。这样的高速扫描使光束在激光脉冲的持续时间内以足够的角度范围入射到目标平面上(即晶圆片上)来充分地消弱光斑对比。从激光头50输入模块54的光束通常被一个圆柱形的光束散射器86所扩散。与激光脉冲同步的驱动器88驱动变换器82使一部分激光束发生衍射。驱动器88产生被线性调频的驱动电信号，驱动变换器82使在激光脉冲持续时间内发生变化的角度内的激光束的一阶光束(firstorder)90发生衍射。一个影像透镜97使一阶光束90成像在目标平面84上。位于透镜97的傅立叶平面上的控光装置94阻止了光束中不发生偏离的零阶光束(zero order)。另外，为提高效率(模块54输出的强度与输入强度对比)，可以增加第二个声光变换器来同时扫描零阶光束。

做为驱动器88采用频率线性调制的结果，发生衍射的一阶光束在目标平面84上的入射角在激光脉冲期间迅速地变化。对于一个给定的调制带宽Δf和扫描时间T(等于激光脉冲持续时间)，声光扫描的可辨点数(NRP)大概为NRP＝ΔfT。换句话说，激光束被分解为NRP个不相干的不同角度成分。例如，给定一个持续时间为100-300ns的激光脉冲，在400到800MHz范围内的线性调制带宽Δf将减小射束光斑到输入射束光斑的6-16％。输出中会保留输入激光束的偏振。

做为进一步的可选项，可以用领域内共知的其它类型的高速扫描器代替变换器，如旋镜扫描器。然而，光斑的消弱程度依赖于扫描器的旋转速度。

请参阅图3B所示，图3B是本发明另一个实施例中光斑消弱模块54的侧视图。这个实施例使用光纤束100和102来把光束从激光器头50传送到望远镜56。做为选择地，可以只使用一个光纤束，如以后所述。通常，光纤束100和102包含石英和其它的紫外半透明光纤。

光纤束100和102中的每一条光纤的长度都不同，因此就产生了N种不同的被散射器104混合在一起的斑纹图样。因此，输出到望远镜56的光束中的光斑对比的减弱系数为N^1/2。如果在模块54中使用单一的本领域内共知的单模光纤束，减小光斑对比到1％将需要10,000根不同长度的光纤。这个方法实现起来成本很高且有难度。为此，这里使用两个端到端连接的光纤束100和102，产生N＝n×m个不同的斑纹图样，这里n和m分别代表光纤束100和102中单根光纤的数目。因此，如果光纤束100和102各有100根光纤，就可以实现减弱输出对比到1％的目的。另外，通过使用一束后面描述的多模光纤，就能以更低的实际难度得到更好的光斑消弱效果。

一个输入耦合器108把来自激光器50并通过散射器104的光束聚焦到光纤束100。任何合适的散射元件都可以用于此目的，如本领域共知的显微镜阵列或搅模器。假定激光束的相干长度为1mm，光纤束100包含100根按1-2mm步长均匀分度的光纤。一个傅立叶透镜110把光纤束100的输出光束聚焦到光纤束102，以使100中每根光纤的输出充分的分布在102的所有光纤中。102中的光纤也按长度均匀分度。一个输出耦合器112把从102中输出的光束汇聚到望远镜56。尽管图中所示的耦合器108和112以及傅立叶透镜110是简单的透镜，在实际中耦合器和傅立叶透镜可以包含多单元，远心的光学装置。基于端到端光纤束的光斑消弱系统的进一步细节见上面提到的美国专利申请公报US 2002/0067478 A1

在另外的一个实施例中，模块54可包含一个图中未显示出的多模光纤束。除了傅立叶透镜110和光纤束102被移除之外，这个实施例在结构上与图3B所示的相似。这在激光器50产生多个横向振荡模式时非常有用。光纤束100中的每一根多模光纤都支持多种传播波形，并且通过光纤的光学距离不同。发明者发现使用一到两百根多模光纤(取决于光纤的直径、数值孔径以及长度)与多模激光同时作用，能够产生N＝10,000个不同的斑纹图样以减弱输出对比到1％。然而，多模光纤的使用破坏了输入光束偏振。

发射多模激光的横向振荡模式的数量大概用M² _xM_y ²可以确定，这里M²是在X和Y方向上多模激光束相对于相同射束直径的单模激光的角偏差率。例如M² _x＝M_y ²＝30的激光将产生大约1000各不同的横向振荡模式。每一个横向振荡模式是自相干的(在激光的相干长度内)，但和其它的横向振荡模式在空间上却是不重叠和不相干的。利用使光束一个扩散器把这些横向振荡模式混合起来，即使在没有光纤束的情况下也可以减少光斑对比(M² _xM_y ²)^1/2倍，在此例中为30倍。另外，激光束可以通过散射器被傅立叶透镜聚焦到长度不同的多模光纤束中，如前所述。在此这种情况下，光斑消弱模块54把激光的横向振荡模式和纵向模式结合起来，得到的光斑对比消弱率为(NM² _xM_y ²)^1/2，这里N使光纤束中光纤的条数。对于N＝100且M² _x＝M_y ²＝10，光斑对比就被消弱到原来的1％。

可选择地或附加地，光斑消弱模块54可以应用其它的本领域内熟知的消斑方法。模块54也可以用于使激光束均质化(homogenizing)，以使光束区域即晶圆片22表面上的照射区域内的剖面强度充分相同。

请参阅图4所示，图4是本发明一实施例中照射模块24的详细成分的侧视图。此实施例中某些方面和图2中的实施例不同，而图2中别的部分在这里被简化省略。本领域内的熟手能够明白，图2和图4中成分及特点的其它不同的组合也可以用在系统20中。

在图4所示的实施例中，一个包含不同放大倍数望远镜56的望远镜组件120被用于激光头50两个不同波长的输出。另外如图2中所示，也可以每个波长的输出各使用一个单独的望远镜56。通常，望远镜56包含远心的Kohler光学装置，以使物平面124(在光斑消弱模块54的输出处)上的每一点能照射到望远镜后的傅立叶平面上的所有点。所有的望远镜56都具有相同的焦平面，以使物平面124和傅立叶平面126在组件120的放大倍数改变时不会移动。望远镜同时被色彩校正，以使它们在两种激光波长下具有相同的焦平面。望远镜可以安放在一个转轮122上，便于在控制器32的控制下调整放大倍数。

一个双色光束分离器128在实施例中代替了图2中的谐波分离模块52。光束分离器128把一种波长的光传送到第一个光路130，把另一种波长的光传送到第二个光路132。每个光路中都包括如上所述的一个滤光器60和一个偏光器62。一个光学开关134决定哪一种波长的光被传送到法线光学装置72，哪一种被传递到斜角光学装置74。光学开关134包含一个旋转镜136，它可以被放置在两套装置的任意一套上，标号为136a和136b。当旋转镜放在136A时，它使光路132中的光偏转到斜角光学装置74中，同时允许光路130中的光通过它到法线光学装置72中。切换开关134中的旋转镜到136b，可使光路132中的光通过它到法线光学装置72中，同时使光路130中的光偏转到斜角光学装置74中。开关134可以进一步设置成把光路130和132中的光一同传送到法线光学装置72或斜角光学装置74中。一个双色光合成器把一或两个光路中的光按需要导引至法线通道。开光134也可以包含一个光束障碍(未画出)，当只需要一种波长的光照射晶圆片22时阻断光路130或132。

法线和斜角光学装置72和74包含中继镜140，用来把激光束传递到晶圆片22上需要的区域。另外，斜角光学装置74包含一个旋转镜142，它以合适的斜角把激光束导引至表面。通常，72和74是非成像光学装置，调整它们使法线光束和斜角光束照射在晶圆片表面上的区域充分相同。(例如，可以调整斜角光学装置74来使激光束离轴通过，以补偿入射斜角)。由相机30成像的晶圆片上的区域可发生变化且在一些情况下可以是矩形而不是正方形，如后面有述。因此，中继镜140可以包含如一个或多个柱面透镜的变形元件，以使激光束照射的区域与相机30成像的区域相匹配。

请参阅图5所示，图5是本发明一实施例中的汇聚模块26的侧视图。在这个实施例和图1所示实施例中，模块26都包含5个相机30。可选择地，模块26可以包含更多或更少的相机，通常为10个。上面提到，所有的相机对来自晶圆片22表面上公共区域148的散射线成像，但是每个相机被配置为汇聚光轴角度不同的射线(如不同的仰角和/或方位角)。尽管系统20主要用于暗场检测，但有法线入射或斜角入射光束的配合，一个或者多个相机30也可以用于明视场检测。

一个物镜150汇聚并校准从区域148散射的光线。为了汇聚低仰角的散射线，物镜150最好具有较高的NA，高至0.95尤佳。下面的图6中描述了一个使用了多个折射元件的物镜150的设计实例。另外，物镜150可以包含反射元件或反折射元件，这在上面提到的6,392,793号美国专利中有述。如图5所示，每一个相机30被定位，以接收物镜150汇聚的特定角度部分的光。

每一个相机30用一个带通滤光器152(bandpass filter)选择要接收的波长范围。也可以使用双色光束分离器做为滤光器152，使一个相机30接收沿给定角度的一种波长的散射光线，而另一个相机接收沿相同角度的另一种波长的散射光线。进一步可选择地，可以选择滤光器152使另一个波长范围内的射线通过，如晶圆片发荧光的波段。例如，当有机材料如感光树脂被266nm的光照射时，它们会在400nm的范围内发荧光。因此，设置滤光器152允许400nm波段内的光通过，就可用相机30来检测有机材料上的缺陷或残余物。

通过阻止某些范围内校准过的散射光，一个空间滤光器154可以被用来限制每个相机30的汇聚角度。空间滤光器在消除图案化晶圆片上重复特征的背景衍射方面尤其有用。为本领域所熟知的，为增强系统20对于实际缺陷的灵敏度，空间滤光器可以根据晶圆片表面特征衍射图来进行选择。用于此目的的空间滤光器已经在2002年1月15日提交的美国专利申请10/050,890中被描述。该申请与本专利申请的受让人相同，它的阐述被本申请所引用。对应于不同类型晶圆片图案的衍射纹，该专利申请描述了一个制造合适的空间滤光器的方法。此方法可以应用在模块26的滤光器154中。另外为领域内所熟知的，空间滤光器154可以包含固定图形。

一个旋转偏振器156被应用在光路中来选择将被相机30接收的散射光线的偏振方向。偏振器很有用，例如它通过消除粗糙和/或高反射的晶圆片表面结构引起的背景散射可以提高检测灵敏度。可选择地，偏振器156被实现为一光束偏振分离器，它使两个相机30接收沿给定角度的正交偏振的散射光线。

进一步可选择地(图中未显示)，光路中可以包含一个光束分离器，它把沿一定汇聚角度的散射光分给两个或多个不同的相机30。光束分离器可以用来实现前面所述的波长分离，或按预先设定的比例把同波长的光分给两个或更多的相机。在到不同相机的光路中，可以在光束分离器后面应用不同的空间滤光器154，来滤除对应于不同类型晶圆片图案的衍射纹。进一步可选择地，光束分离器可以按不同比例把一定角度的光分给两个或多个相机，如按100∶1的比例。这样就有效的增加了系统20的动态范围，因为在散射光线很强的区域，接收较大部分散射光线的相机已经饱和，但接收较小部分散射光线的相机还可以产生有意义的影像数据。这样的安排在2002年1月5日提交的美国专利申请10/050,889中有描述，该申请与本专利申请的受让人相同，它的阐述被本申请所引用。

聚焦透镜158把经过汇聚和滤波的光聚焦到相机30上。透镜158可以手动或由传动系统调节。可变的放大镜160用来调节相机接收的影像的尺寸。另外，每个相机前的透镜158和放大镜160的功能可以用一个光学单元实现。放大镜决定了相机30捕获影像的分辨率，即与相机输出影像的每一个象素相对应的晶圆片表面区域的尺寸。放大镜160通常与照射模块24中的望远镜56协同工作，因此照射区域的大小与被相机成像的区域的大小基本相同。

每一个相机30包含一个影像增强器162，它的光电阴极在聚焦透镜和放大镜的像平面上。任意合适类型的影像增强管都可以用于此目的，包括第一代和第二代，如Hamamatsu Photonics K.K.(Shizuoka-ken，Japan)生产的C6654影像增强器。在激光头50通常的每秒1000次脉冲的重复频率下，为了在系统20要求的环境中提供最佳的成像，影像增强器162最好具有高带宽和高分辨率，门控操作，大电流和低荧光存储器。影像增强器的可用直径至少为18mm，直径为25-40mm效果更好。

影像增强器162的输出被中继光学装置164聚焦在一个影像传感器166上。中继光学装置可以包含直接连接到影像传感器芯片的中继透镜或光纤显象管。影像传感器166包含一个检测单元的二维矩阵，如CCD或CMOS阵列。例如，影像传感器可以包含一个CMOS数字影像传感器，如MicronTechnology Inc.(Boise，IDAHO)公司生产的MI-MV13。这个传感器具有1280×1025个象素，12μm的水平和垂直间距，以及每秒500全帧的帧频。

与只使用影像传感器166而不用影像增强器的相机相比，在相机30中使用影像增强器162充分增强了相机的灵敏度。增强器可门控，并与来自照射模块24的光脉冲同步，以增强相机的灵敏度和进一步降低噪声电平。通常地，增强器162要根据照射模块发出的波长选择高量子效率的光电阴极，而增强器的荧光体要发射影像传感器166敏感度高的不同波长范围的光。因此，影像增强器除了放大入射光以外，还有助于把散射自晶圆片22的紫外线和蓝色光转化为硅影像传感器更敏感的绿光或红光。另外，增强器162有低通空间滤光器的作用，有利于平滑散射光线中的可引起传感器166输出影像失真的高频成分。

受传感器166分辨率的影响，增强器162最好具有高分辨率。例如，要充分利用上面提到的MV13传感器的分辨率，增强器162应该提供1640个沿对角线的清晰象素。这个分辨率标准也可以用调制传递函数也表现，一个33线对/毫米的测试影像的MTF为30％。一般地，由于在影像增强管内的反射，相机捕获影像中的亮点能导致亮环(bright halo)的形成，这会影响到影像的分辨率。增强器162最好能抑制这种反射，使在任何情况下亮环直径不超过0.2mm。进一步地，为更充分利用传感器166的分辨率，增强器162应该具备高最大输出亮度(MOB)的线性品质，通常到600μw/cm²的水平。

请参阅图6所示，图6是本发明一个实施例中的物镜150的详细光学示意图。在此实施例中，物镜150包含十个元件，全部由熔融石英制成(折射率1.499679)，参数见下面列表。每个元件的第一表面是指更接近物平面(在图的右边)的表面，且曲率中心位于右侧的表面的曲率半径为正。

透镜170

第一表面曲率：-554.32

距物平面距离：0.10

厚度：28.92

第二表面曲率：38.23

透镜172

第一表面曲率：22.17

距透镜172第二表面距离：14.35

厚度：42.86

第二表面曲率：59.97

透镜174

第一表面曲率：116.11

距透镜172第二表面距离：0.10

厚度：28.99

第二表面曲率：90.24

透镜176

第一表面曲率：233.96

距透镜174第二表面距离：0.105

厚度：10.00

第二表面曲率：578.50

透镜178

第一表面曲率：260.16

距透镜176第二表面距离：15.94

厚度：53.07

第二表面曲率：136.10

透镜180

第一表面曲率：446.16

距透镜178第二表面距离：0.10

厚度：10.00

第二表面曲率：-2850.63

透镜182

第一表面曲率：437.81

距透镜180第二表面距离：34.11

厚度：28.54

第二表面曲率：294.90

透镜184

第一表面曲率：701.43

距透镜182第二表面距离：0.10

厚度：10.00

第二表面曲率：-4117.15

透镜186

第一表面曲率：1275.43

距透镜184第二表面距离：21.78

厚度：48.42

第二表面曲率：395.84

透镜188

第一表面曲率：-11047.73

距透镜186第二表面距离：0.10

厚度：132.30

第二表面曲率：313.99

图6所示的物镜150的数据孔径NA＝0.95.

请参阅图7所示，图7是本发明的另一个实施例中的光学汇聚模块26的侧视示意图。在这里，模块26包含多个单独的成像通道，每一个成像通道都有各自的汇聚光学装置，而不是图5和图6中共用一个物镜。通道190用来汇聚以各自不同角度从晶圆片22散射的光线。每个通道包含一个远焦中继镜192和一个倾斜校正单元(TCU)194作为物镜，它们形成了晶圆片表面的中间影像。一个倍数可调的放大模块(MGM)198把中间影像聚焦在相机30的入射面上。如上面所述，系统20中相机的入射面通常为相机中的影像增强器的光电阴极平面。

远焦中继镜192和倾斜校正单元(TCU)194用来解决倾斜表面成像的两个问题：

1.从表面上的点到物镜入射光瞳的物距在物镜视场内会变化。

2.由于表面相对于物镜光轴是倾斜的，物镜的形成的中间影像也是倾斜和弯曲的。远焦中继镜和倾斜校正单元(TCU)解决了这些问题，使得尽管通道190捕获影像的角度不同，但所有通道190的中间影像196都是晶圆片表面同一区域148的平的，无畸变的影像，这一点会在后面详述。同样的光学设计可以用在所有不同视角的远焦中继镜192和所有放大模块198中。根据物平面相对于光轴的倾斜仰角的不同，以各通道190视角的仰角为函数的TCU194的设计也不同。

图8是本发明一实施例中一个远焦中继镜和倾斜校正单元的详细光学示意图；尽管存在物平面的倾斜，但由于远焦中继镜属于等大远心设计且具有单位放大率(unit magnification)，所以不产生梯形失真(keystonedistortion)且均匀地放大区域148的影像。远焦中继镜光学对称于它的光瞳214，且包含下面列出参数(以mm为单位)的元件(图中从左到右)。每个元件的第一表面是指更接近物平面(图中左侧)的表面，且曲率中心位于右侧的表面的曲率半径为正。

透镜200

第一表面曲率：-29.53；

距物面距离：60.48；

厚度：9.99；

第二表面曲率：-36.37。

透镜202

第一表面曲率：469.41；

距透镜200第二表面面距离：32.98；

厚度：14.85；

第二表面曲率：-100.00

透镜204

第一表面曲率：-69.56；

距透镜202第二表面面距离：36.50；

厚度：4.41；

第二表面曲率：-76.35

透镜206

第一表面曲率：61.15；

距透镜204第二表面面距离：10.20；

厚度：11.78；

第二表面曲率：-345.29

透镜208

第一表面曲率：-89.45；

距透镜206第二表面面距离：4.72；

厚度：5.50；

第二表面曲率：54.75

透镜210

第一表面曲率：255.13；

距透镜208第二表面面距离：38.23；

厚度：18.21；

第二表面曲率：-63.34

透镜212

第一表面曲率：-60.74；

距透镜210第二表面面距离：41.26；

厚度：19.39；

第二表面曲率：-165.26

透镜212的第二表面与光瞳214之间的距离是20.00mm。光瞳右侧的元件与上面描述的元件相同，只是方向相反。

图8所示的远焦中继镜192的NA取决于波长在0.25与0.3之间。空间滤光器154和偏光器156(最好还有一个波长过滤器)可以插在位于光瞳214处的中继镜192的傅立叶平面上，如图所示。

TCU194包含一个棱镜216，其入射面218大体上平行于远焦中继镜192的像平面。(上面提到的，此像平面相对于中继镜光轴的角度等于如晶圆片22表面的物平面相对于光轴的角度。在此例中，物平面和像平面相对光轴的倾斜角度为60°)。中继镜192输出的光线的折射产生了中间影像196做为假象影像，它可以大体平行于棱镜216的出射面220。在本实施例中，中继镜192的光轴和晶圆片的法线成60°角，棱镜216的面218和面220的顶角为46.56°。可以看出，作为中继镜192相对于晶圆片表面的倾斜角的函数，棱镜角和方位将会发生变化。

为了补偿棱镜216引入的伪彗差，TCU194包含一对参数熔融石英柱面透镜222和224，参数如下(单位：mm)：

透镜222(平凹的)

第一表面曲率：平的

距透镜200(中继镜192的最后一个透镜)第二表面距离：18.51

厚度：13.78

第二表面曲率：92.90

离心距：5.65

倾斜角度：-4.93°(相对于中继镜192光轴)

·透镜224(平凸的)

第一表面曲率：平的

距透镜200第二表面距离：39.27

厚度：11.38

第二表面曲率：-103.17

离心距：-15.39

倾斜角度：-16.77°

在此配置中，棱镜216的面218距透镜200的第二表面71.27mm，离心距-3.84mm，倾斜角度：-69.69°

图9是本发明实施例中一个成像通道190的侧视图，显示了光学装置和相机30的机械设计。在此实施例中，为了机械上方便，远焦中继镜包括一个旋转镜(未画出)，它把中继镜的光轴弯曲成图中所示。然而在机能上，中继镜192以上面所述的方式工作。中继镜192的中心根据需要装有容纳偏光器156的滤光单元230，波长滤光器152(未画出)以及空间滤光器154。

与图5相比，在此实施例中聚焦透镜158和放大模块198的位置被颠倒了，但是它们的功能实质上是一样的。模块198包含多个放大倍数不同的透镜，它们可以通过旋转图4中的望远镜组件来选择。假定增强器162的分辨率为15μm，而相机30要以0.5μm-4μm之间的分辨率(从物平面处测量)对晶圆片表面成像，模块198应该提供的放大倍数大概在4X到32X之间。放大模块198应该可以在常用物镜和备用物镜之间进行选择，以满足防大倍数的需要，如本例。

图10是本发明一实施例中一个晶圆片的顶视图，显示了被系统20扫描过的影像236的图案。晶圆片22被分成领域内所知的芯片232。平台36(图1)按图10中箭头234的方向以光栅图扫描晶圆片22。可选择地，连续扫描线可以在相反的方向上来回移动。在这个例子中，相机30首先在光栅的一条扫描线上捕获芯片A’B’C’，…，的影像236，然后在后面的一条扫面线上捕获A，B，C，…，的影像。在每条扫描线中，四个贴有标签a，b，c和d的邻近连续的影像236，在宽度上覆盖了每个芯片。通常，选择光栅图使连续的扫描线可以充分覆盖晶圆片22的整个表面。但是为了描述清晰，图10仅仅显示了两条扫描线。

照射模块21和相机30(图1)与平台36同步以使影像236与晶圆片24上的芯片232排列一致。换句话说，如图10所示，通过使每个影像a，b，c和d覆盖芯片一个预定的区域，实现了影像236与芯片232排列一致。每个影像的区域与被前一扫描线同一影像覆盖的区域一致。因此，任意相机30捕获的芯片B的影像与统一相机捕获的芯片A的影像在同一位置应该具有实质上相同的特点。这种对应利于后面的芯片间比较。上面提到的，所有的相机30同时对晶圆片22的同一区域成像。这样图10中的图案特点就是任意或全部相机捕获的影像的特点，尽管由于不同的视角使相机之间可能会有些差异。这种差异通常仅在芯片比较后进行校正，后面有述。

把影像236与芯片232的边界排列整齐是通过调节相机的光学装置和/或调节传感器166(图5)的影像捕获区域来实现的。这是CMOS影像传感器的一个优势，如上面提到过的MV-13，允许在不必减少输出象素的情况下调节影像中的行的数目。换句话说，实际上行的数目可以被增加或减少来提供需要的影像高度，因此每个芯片232被分成固定整数个影像236。为补偿影像高度上的变化，传感器的帧率也因此被增大或减小，以维持需要的象素输出率(以及系统20的处理能力)。

图11是从原理上描述了在本发明一个实施例中影像处理器34和主计算机38的信号处理过程。影像处理器34包含多个处理通道240，通常一个通道对应一个相机30。相机30捕获的每帧影像通常以连续的数字象素值的形式传送到相应的通道240。典型地，相机30输出8位的数字量。传感器166，如上面提到的CMOS MV-13传感器，通常包含板上模拟/数字转换器，可输出高精度的亮度值，如10位。在这里，每个相机30都可包含一个10位/8位转换器(未画出)，它把传感器的输出数值精度调整为8位。此缩放比例可以是线性的，也可以选择为侧重低亮度部分。例如对于后者，此10位/8位转换器可以包含一个以平方根或对数比例进行缩放的10位输入8位输出的查找表(LUT)。

在每个通道240中，一个象素值校正的标准化模块242用来补偿能量传感器66(图2)提供的激光的脉冲间能量差异。接下来是一个象素值校正的影像补偿模块246来处理基准输入提供的特定相机的一致性偏差。基准输入通常是预先校准的，能反应出激光束在相机的成像区域148上的强度分布差异，象素到象素的灵敏度差异以及相机产生的固定模式噪声。模块246的作用是保证所有相机产生的所有影像的所有象素的灵敏度充分一致。

在一定平台36(图1)坐标下，给定相机产生的每个影像帧中每个象素的象素值和晶圆片22上特定芯片上特定区域的一定角度的散射光线的强度有关。一个芯片到芯片(die-to-die)的比较模块250把当前影像帧中每个象素的象素值和同一相机接收的前一扫描过的芯片中相同位置的象素值相比较。因此，关于图10，芯片B的影像中的每个象素和芯片A的影像中相应的象素进行比较，等等。由于这个目的，扫描前一芯片所记录的象素值被存在一个延时线缓冲器252中。模块250利用相互的坐标差异数据254来正确的登记当前芯片和前一芯片。例如，由于平台36的定位错误(这对于不同视角的所有的相机30都是一样的)或晶圆片表面相对于光学焦点的高度变化(各相机之间不同的倾斜汇聚角度会引起坐标差异)等都会产生坐标差异。

只要给定的芯片没有缺陷，当前帧内每个象素的象素值应该和从缓冲器252中读出帧中相应象素的象素值在预定的公差范围内是一样的。令一方面，如果有象素的象素值与被缓存帧中相应象素的象素值的差异超过了一定的门限，这种差异可能就是该象素区域存在缺陷的表现。影像处理通道240把每一个在芯片对芯片(die to die)比较中发现差异的象素报告给主计算机38，然后由它来比较不同通道报告的偏差象素值，如下所述。

然而，在通道240把偏差象素值报告给主计算机以前，利用失真校正器255对象素值进行调节，来校正在不同的相机和处理器通道间的影像失真和重合失调。这种失真通常是由于不同相机的角度和光路不同造成的。这种失真的校正是计算密集型的任务。因此，校正器255可只对那些可疑缺陷区域内的象素进行失真校正，这些象素的象素值被某通道240比较模块250发现与前一芯片相应象素的差异超过了预先设定的门限。对于在任何通道比较模块250都没有发现偏差的象素(应占晶圆片上象素的绝大多数)就不进一步的计算了。门限和/或其它象素挑选标准应被设定为使不超过一定比例如1％的象素需要进行失真校正。

一个主计算机中的多角度决策模块256(通常为软件过程)把从所有通道240读入的失真校正过的偏差象素收集起来。基于从不同通道获取的对于特定偏差象素的数据，模块256能够构建晶圆片22上相应位置散射光线的角度剖面。此散射剖面使模块256能够根据预编程的决策规则和门限确定发生在晶圆片该位置的缺陷并进行分类。例如，这些规则能确定从一给定位置的散射线测量值是否是颗粒或划伤(何颗粒或划伤的尺寸)。当晶圆片22扫描结束时，主计算机发布一个缺陷列表报告258，指出发现的所有缺陷的位置何类型。

另外，在进行芯片对芯片比较或其它的缺陷处理之前，通道240可以被配置来校正所有影像象素的坐标失真。这样，不需要上面实施例中的把影像236和芯片232对齐。在多散射角(如多个相机30捕获的射线)的情况下，接下来可以进行每个象素的芯片对芯片比较。美国专利申请10/097,442与本专利申请的受让人相同，它的阐述被本申请所引用。该申请描述的多检测器缺陷检测方法做必要的修正后可以在本例中应用。可选择地或附加地，通道240可以配置为模块250把当前芯片与另一晶圆片上已记录象素值的的芯片进行比较(晶圆片对晶圆片比较)。

如上所述，尽管这里描述的实施例专门涉及到了系统20中晶圆片22的暗场检测，本发明的原理也可以应用与其它的光学检测领域，以及其它类型的照射和成像系统。上述实施例可以作为示例被引用，且本发明不局限于上文所着重描述的范围。更佳的，本发明的范围包括上述的不同的特点及其结合，以及本领域内的熟手通过阅读前述的描述和现有技术中未阐述的技术后进行的变更和修改。

Claims (14)

1、一种光学装置，沿倾斜于一个表面的视角对该表面的一个区域成像的装置，其特征在于其包括：

远焦光学中继装置，其通过汇聚该区域沿一朝向视角的光轴方向的光射线来形成该区域倾斜的初始影像；

具有彗差补偿手段的倾斜校正单元，光性连接于所述的远焦光学中继装置，用来校正初始影像的倾斜以形成不失真的中间影像，该彗差补偿手段是一对熔融石英柱面透镜，且该彗差补偿手段对倾斜校正单元内的棱镜所产生的彗差进行补偿；以及

放大模块，光性连接于所述的倾斜校正单元，用来把所述不失真的中间影像聚焦在影像检测器上。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于其中所述的远焦光学中继装置是远心的且具有单位放大率。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于其中的远焦光学中继装置具有一个中央光瞳且包含：

多数个透镜，且在中央光瞳周围对称排列；以及

位在中央光瞳处的空间滤光器。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于其中所述的远焦光学中继装置形成的初始影像是倾斜一个倾斜角度，前述倾斜角度与视角相同。

5、根据权利要求4所述的装置，其特征在于其中所述的倾斜校正单元包含入射面平行于所述的远焦光学中继装置的像平面的棱镜，且此棱镜的出射面与中间影像的面平行。

6、根据权利要求5所述的装置，其特征在于其中所述的中间影像包含假想影像。

7、根据权利要求1所述的装置，其特征在于其中所述的放大模块包含多个，可选的具有不同放大倍数的放大组件，其中所有的放大组件具有在前述中间影像处的物平面和在前述影像检测器处的像平面。

8、一种沿倾斜于一个表面的视角对该表面的一个区域成像的方法，其特征在于其包含：

利用远焦光学中继装置沿朝向视角的光轴方向，汇聚光射线来形成该区域倾斜的初始影像；

利用包含棱镜的倾斜校正单元，来校正前述初始影像的倾斜以形成一个不失真的中间影像，且利用一对熔融石英柱面透镜来补偿该棱镜所引入的彗差；以及

聚焦前述不失真的中间影像在影像检测器上。

9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于其中所述的远焦光学中继装置是远心的且有单位放大率。

10、根据权利要求9所述的方法，其特征在于其中所述的形成倾斜的前述初始影像包含利用位于该远焦光学中继装置的中央光瞳处的空间滤光器对汇集的光射线进行空间滤光。

11、根据权利要求10所述的方法，其特征在于其中所述的形成倾斜的初始影像包含形成倾斜角度与视角相同的初始影像。

12、根据权利要求11所述的方法，其特征在于其中所述的倾斜校正包含利用棱镜截取远焦光学中继装置后的光射线，该棱镜的入射面平行于所述的远焦光学中继装置的像平面，出射面与中间影像的一个面平行。

13、根据权利要求12所述的方法，其特征在于其中所述的中间影像包含假想的影像。

14、根据权利要求8所述的方法，其特征在于其中所述的聚焦中间影像包含通过选择多个可选的具有不同放大倍数的放大组件中的一个，设定影像检测器的放大倍数，其中所有的放大组件具有在中间影像处的物平面和在影像检测器处的像平面。

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