CN103597336B - 多光斑收集光学器件 - Google Patents

Abstract

一种用于检测从物体上的光斑阵列发射的光辐射的装置。装置包括数个光导，所述光导具有各个输入端和输出端，其中输入端以几何形状排序。

Description

多光斑收集光学器件

相关申请

本申请主张申请于2011年5月3日提交的第61/481,886号美国临时申请的优先权。

技术领域

本发明通常涉及光学传感，且本发明具体地说涉及收集和传感来自光斑阵列的光学发射。

背景技术

在本领域已知的一些检查方法和系统中，引入样品以从光斑阵列发射辐射。例如，多个激发光束可以预定几何图案朝向样品导向，且来自光束在其上入射的每个光斑的所得发射可随后被收集和测量。因为并行地检查了多个位置，所以所述多光斑配置可有助于增加检查产量。

作为这种系统的一个实例，其公开内容通过引用并入本文的第6,465,783号美国专利描述了用于使用诸如电子束的平行带电粒子束检查半导体晶片及其他类型的样品的装置和方法。发射器阵列产生沿着各个电子束轴传播的多个电子束。电子束同时通过投影透镜和偏转器以便引起电子束同时地聚焦到样品表面上的各个位置上，从而引起每一位置发射二次电子。二次电子通过包括多个二次电子(secondary-electron;SE)检测器单元的二次电子阵列来检测。每一SE检测器单元接收和检测从各个位置发射出的二次电子。

作为另一实例，其公开内容通过引用并入本文的第WO2003/041109号PCT国际公开案描述了高数据速率电子束的光斑栅格阵列成像系统。实施方式包括包含电子束发生器的成像系统，所述电子束发生器用于将彼此间隔开的光斑阵列同时照射在将成像的物体表面上。检测器收集作为光斑与物体表面相互作用的结果发射的反向散射电子和/或二次电子，以形成物体表面的照射部分的图像。机械系统以和光斑阵列的轴几乎平行的方向移动基板以使得当基板在扫描方向跨光斑阵列移动时，光斑追踪在机械交叉扫描方向上不留间隙的路径。

使用带电粒子或光激发光束的其他光斑栅格阵列系统在第WO2005/024881号PCT国际公开案和第2006/0261261号美国专利申请公开案中描述，所述案件的公开内容同样通过引用并入本文。

发明内容

在下文中描述的本发明的实施方式提供用于有效地收集和检测来自物体上的光斑阵列的光辐射的装置和方法。

因此，根据本发明的实施方式提供了用于检测从物体上的光斑阵列发射的光辐射的装置。装置包括具有各个输入端和输出端的数个光导，其中输入端以对应于光斑阵列的几何布置排序。中继光学器件被配置以收集来自物体的光辐射并将所述光辐射聚焦到输入端上，以使得每一输入端接收来自相应一个光斑的光辐射。多个检测器各自耦合以接收来自光导的分别一个光导的输出端的光辐射。

在一些实施方式中，几何布置包括可以是六角形的二维栅格。通常，光导包括光纤，所述光纤的输入端可紧密地包装在一起以形成几何布置的光纤束。替代地或另外地，中继光学器件包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括布置在光导的几何布置中的多个微透镜，以便各个微透镜将光辐射聚焦到一个相应的光导的输入端上。

在公开的实施方式中，中继光学器件包括变焦距透镜，所述变焦距透镜具有可变的放大率以便适应于光斑阵列的间隔的变化。另外地或替代地，输入端的几何布置可旋转以便适应于光斑阵列的旋转。

在一个实施方式中，装置包括对准单元，所述对准单元被配置以形成叠加有光辐射的所述物体上光斑阵列的图像，所述光辐射通过至少一些所述光导从所述各个输出端传输到所述各个输入端且通过所述中继光学器件投射到所述物体上。

在另一实施方式中，装置包括对准单元，所述对准单元包括与光导集成的光纤束。光纤束包括一个或多个光纤且光纤束具有被布置以接收来自一个光斑的光辐射的输入端。对准检测器被耦合以接收从光纤束的输出端发射出的光辐射并且产生指示光纤束与一个光斑对准的信号。控制器被配置以响应地针对信号调整中继光学器件。通常，对准检测器包括多个检测器元件，所述检测器元件输出各个信号，且光纤束包括多个光纤，所述多个光纤被布置以便光纤束与一个光斑对准的偏差引起指示偏差的各个信号中的变化。

另外地或替代地，对准单元包括多个光纤束和多个对准检测器，各光纤束和对准检测器被耦合以接收来自光纤束的分别一个光纤束的光辐射并且提供信号至控制器。

在公开的实施方式中，物体包括闪烁体，所述闪烁体被配置以响应于相应的二次电子束发射来自光斑的光辐射，所述相应的二次电子束从样品上的各个位置处发射出且被聚焦到闪烁体上。装置也可包括电子源，所述电子源被配置以将多个一次电子束朝向样品上的各个位置导向，以便引起样品发射二次电子。

根据本发明的实施方式还提供了一种用于检测从物体上的光斑阵列发射的光辐射的方法。方法包括布置具有各个输入端和输出端的数个光导，以便输入端以对应于光斑阵列的几何布置排序。光辐射从物体被收集且被聚焦到输入端上，以便各输入端接收来自一个相应的光斑的光辐射。使用耦合至每个光导的输出端的各个检测器来检测通过光导传输的光辐射。

本发明将结合附图从本发明的实施方式的以下详细描述中更加完全地理解。

附图说明

本发明在附图的诸图中举例而言且并非限制地说明，在所述诸图中：

图1是示意地示出根据本发明的实施方式的用于检查样品的系统的框图；

图2是根据本发明的实施方式的光斑栅格阵列的示意主视图；

图3是根据本发明的实施方式的光学模块的简化示意图；

图4是根据本发明的实施方式的光学模块和检测器的示意侧视图；

图5是根据本发明的替代实施方式的光学模块的简化示意图；

图6是示出根据本发明的替代实施方式的光学模块的细节的示意侧视图；

图7是根据本发明的实施方式的由对准单元形成的图像的示意图；和

图8是根据本发明的实施方式的导向光斑监测元件的示意图。

具体实施方式

在使用光斑栅格阵列的检查系统（诸如在上文背景技术部分中描述的那些系统）中，必须有效地收集和测量从多个光斑并行地发射的光辐射。（在本专利申请的上下文和在权利要求书中的术语“光学辐射”代表在可见光、紫外线或红外线光谱范围中的电磁辐射。）所发射的辐射通常较弱，且因此需要使用诸如光电倍增管(photomultipliertube;PMT)的个别灵敏检测器来检测每一光斑。

在下文中描述的本发明的实施方式提供在本上下文中有用的光学系统，用于有效地收集来自物体上的光斑阵列的辐射且将来自每一光斑的辐射传送到所述光斑的各个检测器。这些实施方式使用诸如光纤的光导束，所述光纤的输入端以和光斑阵列的几何形状相对应的几何布置排序。通常，几何形状是二维栅格，意谓其中光斑是沿着明确的线条间隔开的有序阵列（包括但不限于矩形栅格）。或者，可以使用光斑和光导的其他一维和二维有序布置。中继光学器件收集来自每个光斑的辐射并将辐射和聚焦到相应光导上，且各个检测器被耦合以接收且测量通过每个光导的输出端传输的光辐射。

此类光学装置尤其有助于响应于通过样品（诸如电子束激发的半导体晶片）发射且聚焦到闪烁体上的相应的二次电子束，收集从闪烁体上的光斑阵列发射的光。或者，这种光学布置可用于收集来自样品自身上的光斑的光辐射，所述样品可通过例如粒子或电磁辐射的入射光束照射。或者进一步，本发明的原理可适用于收集且检测从大体上任何适当排序的位置阵列发射的光辐射。在本专利申请且在本权利要求书的上下文中，术语“光斑”因此应被理解为代表无论通过荧光（如在闪烁体的情况下）、反射、散射还是任何其他发射机制发射光辐射的任何预定义的位置组。

图1是示意地示出根据本发明的实施方式的用于检查样品34的系统20的框图。系统包含电子束模块22，所述电子束模块22在闪烁体38上产生多光斑图像。光学模块24收集来自每个光斑的光子且将所述光子传送到各个检测器26。图像获取和处理单元28（通常是具有适当输入电路的计算机）接收和处理检测器信号以提取关于物体的信息。例如，样品34可包含半导体晶片，且单元28可分析检测器输出以识别晶片中的缺陷。

模块22的操作超出本专利申请的范围。这种模块在如例如在上文的背景技术部分中引用的参考中描述的本领域中已知。简要地说，电子源30被耦合至扫描子系统32以产生多个电子束，所述电子束跨物体34的表面同时被扫描。通常，电子束能量可根据应用需求而变化。入射光束引起物体发射二次电子，所述二次电子通过电子光学收集子系统36收集且被成像到闪烁体38上。在其中电子撞击闪烁体的每一光斑处，闪烁体发射具有与局部电子通量成正比的强度的光。模块22的元件通常被包含于真空腔室中，所述真空腔室具有邻近于闪烁体的窗体。

图2是根据本发明的实施方式的形成在闪烁体38上的光斑栅格阵列的示意主视图。在此实例中，阵列包含以六角形栅格图案布置的光斑40。可使用六角形和其他几何图案两者的较大或较小栅格。（为了表示的方便，图2是实际图像的相反图像，即，亮光斑在图2中显示为暗色，而暗背景显示为白色。）期望收集子系统36将二次电子足够锐利地聚焦到闪烁体上以便光斑40明显地分离，其中每一光斑的大部分能量被限制在比阵列间距小的直径的范围内。通常，在图1的系统中，在闪烁体38上的光斑40的间距是大约100μm至200μm。当入射在物体34上的电子束的能量变化时，光斑栅格的间距和旋转角两者可变化。

现返回到图1中的光学模块24的元件，光学中继42将从闪烁体38上的光斑阵列发射出的光子聚焦到光纤传递子系统44中的相应光纤中。光纤将光子传递到各个检测器26。中继42和传递子系统44是可调整的（如在下文中详细描述），以适应在闪烁体38上的光斑栅格的间距和旋转角的可能变化。光束品质和对准单元58监控这些变化且光束品质和对准单元58可向光学中继提供调整信号，如在下文中更加详细地描述。

图3是根据本发明的实施方式的光学模块24的示意侧视图。光纤传递子系统44包含光纤46，所述光纤46在所述光纤46的输入端紧密包装在一起，以便相邻光纤包层物理接触以形成具有有序布置（在本实例中为六边形栅格）的光纤束48，所述有序布置与闪烁体38上的光斑40的布置匹配。通常，玻璃或熔融硅石纤维（而非塑料）被用于此类实施方式以确保光纤束的间距精确且均匀。光纤束48中的光纤例如可具有在0.8mm和1.0mm之间的间距和在0.1和0.2之间的输入数值孔径(numericalaperture;NA)。因此，中继42具有在约4倍（4X）和10倍（10X）之间的放大率，以将闪烁体38上的光斑40的间距与光纤束48的间距匹配。

图4是示出根据本发明的实施方式的光学模块24的进一步细节的示意侧视图。中继光学器件42包含物体50，物体50收集来自闪烁体38的光。折叠式反射镜52将收集的光束导向通过变焦距透镜54。变焦距透镜根据需要改变中继光学器件的放大率。旋转平台56或其他适当的旋转机构旋转光纤束48以适应闪烁体38上的光斑阵列的阵列旋转。各光纤46的输出端被耦合至各个检测器26。如前所述，光学模块还包括光束品质/对准单元58，所述光束品质/对准单元58在下文中更加详细地描述。

现对图5和图6进行参考，图5和图6示意地示出根据本发明的替代实施方式的光学模块24的元件。图5是模块的简化侧视图，而图6示出光学器件的细节。在此实施方式中，光纤传递子系统44包含微透镜阵列(microlensarray;MLA)72，所述微透镜阵列72包含与光纤46和光斑40以相同几何栅格图案布置的微透镜76。各微透镜将来自一个光斑的光聚焦到相应一个光纤的输入端上，所述输入端是通过板材74保持就位。在此实施方式中使用板材以将光纤以等于MLA的间距的间距保持就位，所述间距通常是约2mm。

因为光纤之间的相对较大间距，中继42必须通常比图3和图4的实施方式中的中继具有更高的放大率（取决于电子能量，所述放大率通常大约10倍（10X）-20倍（20X））。此外，因为微透镜76的短焦距，光纤46应通常具有大约0.3至0.4的大的NA，以匹配微透镜的输出NA。

另一方面，图5和图6的实施方式具有能够与闪烁体38上的光斑图案的任何已知几何失真相匹配的优点。例如，系统20中的电子光学器件的像差可引起光斑栅格的桶形或枕形失真。在所述情况下，MLA72和板材74可以与光斑栅格相同的变形制造：例如，MLA72可使用光刻技术适当地生产在玻璃毛坯上，而板材74通过在金属或陶瓷基板中精密钻孔（诸如激光钻孔）而制造。当栅格包含大量光斑时，将MLA和板材与光斑图案匹配的能力尤为重要。使用板材74以保持光纤46同时放宽光纤自身的尺寸公差，以便可使用塑料光纤而不是在图3和图4的实施方式中的玻璃光纤。

现在返回图4，将光纤束48中的光纤46与闪烁体38上的光斑对准的一种方式是使分光镜60将从闪烁体发射的光导向到对准单元58中。（分光镜可以是固定式或可伸缩式。）成像光学器件62在诸如电荷耦合器件(charge-coupleddevice;CCD)的图像传感器64上形成闪烁体表面的图像。选择性地，光也可经由分光镜68被导向到PMT66或其他灵敏辐射检测器上，如果需要整体功率测量，且具体地说如果当对准系统时单个光斑“开启”，那么可使用PMT66或其他灵敏辐射检测器。

同时，对准光源67可被操作以反向照明一些或所有光纤46（通过将光源耦合到这些光纤的各个输出端）或照明专用的背照明光纤69，如图4中所示。通常，至少三个光纤被以此方式反向照明。光被反向传输到光纤束48的输入端且光通过中继光学器件42被投射到闪烁体表面上。

图7是根据本发明的实施方式的使用如上所述的技术的由图像传感器64形成的对准图像80的示意图。（类似于图2，此图像是实际图像的相反图像。）虽然在本实例中使用的光斑图案不同于在图2中所示的光斑图案，但是光斑82是通过电子入射在闪烁体38上形成且光斑82对应于在如上所述的实施方式中的光斑40的位置。较大光斑84通过已经由光纤束48反向传输的光形成在闪烁体上。光斑84和相应光斑82之间的重叠表明光纤束48与光斑栅格阵列适当地对准。在未对准的情况下，可以调整变焦距透镜54和/或旋转平台56，直到光斑84适当地位于对准图像中为止。可以不同电子能量重复此对准工艺以决定对光斑栅格的间距和角度的适当补偿。

鉴于如上所述的方法是尤其有助于光学模块24的初始对准，可另外地或替代地使用品质监测光纤束70和对准检测器71（图4），以检测和补偿可能同时在系统20的操作之前或操作期间发生的对准偏差。光纤束70通常与光纤束48中的光纤46集成。由于例如光学、机械或电的不稳定性（所述不稳定性可引起光纤46与所述光纤46的在闪烁体38上的各个光斑40失去对准），可能在操作期间出现偏差。检测器71通过调整多个因素来提供快速反馈以便使中继光学器件42稳定（具有在1kHz和100kHz之间的典型环路带宽），所述多个因素包括聚焦到光纤束48上的光束的放大、旋转、移位和像散失真。

为了检测器71的目的，电子束模块22可被操作以不仅在系统20的初始对准阶段期间，而且在系统20的正常操作期间产生额外的导向光斑86（图7）作为闪烁体38上的光斑栅格阵列的一部分。或者，可通过其他方式在闪烁体上产生光斑86。导向光斑86可在样品的测量区域之外且导向光斑86可比光斑40具有小得多的强度。需要的是，以非共线位置在闪烁体38上存在至少三个导向光斑86。在光斑40中的任何移位、旋转或变形将反映在对光斑86的类似变化中，且所述任何移位、旋转或变形可通过调整中继光学器件42而校正以返回光斑86而与光纤束70对准。

在替代实施方式中（未示出在附图中），对准检测器71可经由分光镜60接收来自所述检测器71的各个光斑的光，而不是来自品质监测光纤束70的光。作为进一步替代，可为此使用图像传感器64。

图8是根据本发明的实施方式的导向光斑监测单元的示意图。此单元包含一个光纤束70和相应检测器71，所述光纤束和检测器示出在图4中。如上文所解释，每一所述光纤束70在所述光纤束70的输入端处经由中继光学器件42与各个导向光斑86对准，而光纤束70的输出端馈送检测器71。该检测器通常包含多个检测器元件。因此，在示出的实例中，检测器71是四象限检测器，且光纤束70包含四个光纤90，每个光纤馈送检测器的各个象限。或者，光纤束70可以相干布置包含较大数目的光纤，且检测器71可包含诸如CCD或CMOS传感器的图像传感器，所述传感器从而接收和传感光斑86的图像。

当光学模块24适当对准时，由中继光学器件42形成的光斑86的图像以光纤束70的输入端为中心，且因此检测器71的所有象限接收大致相等的光信号。然而，当发生与对准的偏差时，象限信号将变得不平衡。控制器92检测来自检测器71的信号，且控制器92从而传感已发生的与对准的偏差。通过比较来自不同检测器的信号，控制器可区分是否已发生了旋转、放大率变化或线性移位。控制器92相应地将校正信号输出到中继光学器件的适当元件，所述中继光学器件诸如变焦距透镜54或平台56（图4）。以此方式，在不干扰系统20的正常操作的情况下动态地保持适当对准。

检测器71（为象限或阵列检测器的形式）也可提供关于光斑86，且因此光斑40的像散的信息。所述像散可引起光斑被沿着一个对角线方向椭圆形地延伸。在这种情况下，在对角线上的两个象限将给予较大的信号，而非对角象限将给予较小的信号。此像散可例如通过在电子光学器件或中继光学器件中引入小的正交像散来校正。

在另一实施方式中，各检测器71可包含单个检测器元件（且各光纤束70可随后包含单个光纤或非相干光纤束）。为了检测对准中的变化，可将小的、周期性的偏差通过例如调制电子束而引入光斑40和86的位置中。对准中的变化随后将表现为在由检测器71输出的信号的时间依赖性中的变化。

尽管导向光斑和监测元件的使用是如上文参考系统20的光斑栅格阵列描述，但是本实施方式的原理可类似地适用于保持扫描电子束系统的对准。

此外，虽然上述实例在半导体晶片检查的特定上下文中具体地代表光斑栅格阵列检测系统，但是本发明的原理可类似地应用于任何适合类型的应用，所述应用涉及测量从光斑阵列发射的光辐射。因此，应将理解，如上所述的实施方式是通过举例的方式被引用，且本发明不限于已特定示出且如上所述的内容。确切而言，本发明的范围包括上文所述的各种特征的组合和子组合，以及所述组合和子组合的变化和修改，所述变化和修改将在本技术领域的技术人员阅读上述描述之后考虑到且所述变化和修改没有在现有技术中公开。

Claims (20)

1.一种用于检测从物体上的光斑阵列发射的光辐射的装置，所述装置包含：

数个光导，所述光导具有各个输入端和输出端，其中所述输入端以对应于所述光斑阵列的几何布置排序；

中继光学器件，配置以收集来自所述物体上的所述光斑阵列的所述光辐射并将所述光辐射聚焦到所述输入端上，以使得每一输入端接收来自相应一个光斑的所述光辐射；

多个检测器，各检测器耦合以接收来自光导的分别一个光导的各个输出端的所述光辐射；和

对准单元，所述对准单元被配置以监控所述光斑阵列的间距和旋转角的变化，以及响应于检测到所述变化，产生指示所述数个光导与所述光斑阵列对准的信号。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述几何布置包含六角形栅格。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光导包含光纤。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述输入端被紧密地包装在一起以形成所述几何布置的光纤束。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中继光学器件包含微透镜阵列，所述微透镜阵列具有布置在所述光导的所述几何布置中的多个微透镜，以便各个微透镜将所述光辐射聚焦到相应的一个所述光导的各个输入端上。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述中继光学器件包含变焦距透镜，所述变焦距透镜具有可变的放大率以便适应于所述光斑阵列的间隔的变化。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述输入端的所述几何布置可旋转以便适应于所述光斑阵列的旋转。

8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述对准单元进一步被配置以形成叠加有附加光辐射的从所述物体上光斑阵列发射的所述光辐射的图像，所述附加光辐射通过至少一些所述光导从每个所述光导的各个输出端传输到所述光导的各个输入端且通过所述中继光学器件被投射到所述物体上。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述对准单元包含：

与所述光导集成的光纤束，所述光纤束包含一个或多个光纤，所述光纤具有被布置以接收来自一个所述光斑的所述光辐射的输入端且具有输出端；

对准检测器，所述对准检测器被耦合以接收从所述光纤束的所述输出端发射出的所述光辐射并且产生所述信号，所述信号指示所述光纤束与所述一个光斑对准；和

控制器，所述控制器被配置以响应地针对所述信号调整所述中继光学器件。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述对准检测器包含多个检测器元件，所述检测器元件输出各个信号，且其中所述光纤束包含多个光纤，所述光纤被布置以便所述光纤束与所述一个光斑对准的偏差引起指示所述偏差的所述各个信号中的变化。

11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述对准单元包含多个光纤束和多个对准检测器，各光纤束和对准检测器被耦合以接收来自所述光纤束的分别一个光纤束的所述光辐射并且将所述信号提供至所述控制器。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述物体包含闪烁体，所述闪烁体被配置以响应于相应的二次电子束发射来自所述光斑的所述光辐射，所述相应的二次电子束从样品上的各个位置处发射出且被聚焦到所述闪烁体上。

13.如权利要求12所述的装置，进一步包含电子源，所述电子源被配置以将多个一次电子束朝向所述样品上的所述各个位置导向，以便引起所述样品发射所述二次电子。

14.一种用于检测从物体上的光斑阵列发射的光辐射的方法，所述方法包含：

收集和聚焦来自数个光导的所述物体输入端上的所述光斑阵列的所述光辐射，所述输入端是以对应于所述光斑阵列的几何布置排序，以便每一输入端接收来自相应一个所述光斑的所述光辐射；

使用耦合至每个所述光导的各个输出端的各个检测器检测通过所述光导传输的所述光辐射；和

监控所述光斑阵列的间距和旋转角的变化，以及响应于检测到所述变化，产生指示所述数个光导与所述光斑阵列对准的信号。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，聚焦所述光辐射包含：将所述收集的光辐射导向通过微透镜阵列，所述微透镜阵列包含多个微透镜，所述多个微透镜以所述光导的所述输入端的所述几何布置布置，以便每一微透镜将所述光辐射聚焦到相应一个所述光导的各个输入端上。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，聚焦所述光辐射包含向所述光辐射应用具有可变放大率的变焦距透镜，以便适应于所述光斑阵列的间隔的变化。

17.如权利要求14所述的方法，进一步包含通过旋转所述输入端的所述几何布置来布置所述数个光导以便适应于所述光斑阵列的旋转。

18.如权利要求14所述的方法，进一步包含通过形成叠加有附加光辐射的从所述物体上光斑阵列发射的所述光辐射的图像来对准所述光导，所述附加光辐射通过至少一些所述光导从所述各个输出端传输到所述各个输入端且通过中继光学器件投射到所述物体上。

19.如权利要求14所述的方法，进一步包含通过以下步骤对准所述光导：

布置光纤束的输入端，所述光纤束包含一个或多个光纤且与所述光导集成，以接收来自一个所述光斑的所述光辐射；

将来自所述光纤束的输出端的所述光辐射导向到对准检测器上，所述对准检测器产生指示所述光纤束与所述一个光斑对准的信号；和

响应地针对所述信号调整中继光学器件。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，布置所述光纤束的所述输入端包含布置多个光纤束，所述多个光纤束将所述光辐射导向到多个各个对准检测器上，且其中针对来自所述多个各个对准检测器中的至少三个对准检测器的所述信号响应地调整所述中继光学器件。