CN105612611B - 用于提高检测灵敏度的多点照明 - Google Patents

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Abstract

本发明呈现用于最小化从非均匀照明源产生的多个照明光束之间的干涉以在检验系统的视域上提供有效均匀照明分布的方法及系统。在一些实例中,将脉冲光束分割成多个照明光束,使得所述光束中的每一者在待检验的样本的表面处在时间上分离。在一些实例中,将从非均匀照明源产生的多个照明光束投射到所述样本的所述表面上的空间分离的区域上。将由每一区域照明的所关注的点目标成像到时间延迟积分TDI检测器的表面上。对所述图像求积分使得所述照明区域沿着所关注的所述点目标的运动方向的相对位置不影响在所述视域上的照明效率分布。

Description

用于提高检测灵敏度的多点照明
相关申请案的交叉参考
本专利申请案依据35U.S.C.§119主张2013年8月9日申请的标题为“用于表面扫描系统的分割高斯光束与多点平顶照明(Split Gaussian Beams and Multi-Spot Flat-TopIllumination for Surface Scanning Systems)”的第61/864,024号美国临时专利申请案的优先权,所述申请案的标的物以引用方式并入本文中。
技术领域
所描述的实施例涉及用于表面检验的系统,且更特定来说,涉及半导体晶片检验模态。
背景技术
半导体装置(例如逻辑及存储器装置)通常由施加到衬底或晶片的处理步骤序列来制造。半导体装置的各种特征及多个结构层级是由这些处理步骤形成。举例来说,除其它以外,光刻是涉及在半导体晶片上产生图案的一种半导体制造工艺。半导体制造工艺的额外实例包含(但不限于)化学机械抛光、蚀刻、沉积及离子植入。可在单个半导体晶片上制造多个半导体装置且接着可将多个半导体装置分成个别半导体装置。
在半导体制造过程期间在各种步骤处使用检验过程以检测晶片上的缺陷以促进较高良率。随着设计规则及过程窗在大小上继续收缩,需要检验系统捕获未经图案化晶片表面及经图案化晶片表面两者上的更广泛范围的物理缺陷同时维持高产量。类似地,需要检验系统捕获光罩表面上的更广泛范围的物理缺陷。
一种此类检验系统是照明及检验晶片表面的扫描表面检验系统。在照明点下扫描晶片直到检验所述晶片表面的所要部分为止。通常,高功率、基于激光的照明源产生具有非均匀(例如,高斯)光束强度分布的照明光。然而,通常可期望,将在检验系统的视域上具有尽可能均匀的强度分布的照明光投射到待检验的样本上。
举例来说,在高功率、基于激光的检验系统中,入射激光光束的功率密度能够损坏晶片表面。对于运用短脉冲激光照明源的检验系统,衬底损坏主要与峰值功率密度有关。通过入射光学辐射与晶片表面的交互产生过量热,尤其是在经受具有峰值功率密度的入射光的入射区域中。
在另一实例中,成像系统一般依靠具有在视域上尽可能均匀的强度分布的照明光来有效地对样本的表面进行成像。
从非均匀(例如,高斯)光束源产生均匀强度分布的一种方法是,仅使用光束轮廓的中心部分。虽然稳健且简单,但在显著系统成本下会浪费显著量的光。此外,必须注意适当倾出未使用的光同时避免杂散光问题。
另一方法涉及对接收非均匀输入光束且产生多个次级光束的衍射光学元件(DOE)的使用。通过控制次级光束的相对相位及位置,DOE可产生在晶片表面处近似均匀强度分布的复合照明光。
不幸地,DOE元件对照明光束轮廓中的周期相位及强度波动(波前误差)高度灵敏,且也对输入光束相对于DOE的位置高度灵敏。此外,制造的DOE是通常不可经调适以适应最终照明分布的要求的改变的固定光学结构。类似地,制造的DOE不可经有效地变更以响应于输入光束的相位或强度分布的改变。此外,DOE与标准光学组件(例如,球面透镜及平面镜)相比,对于设计及制造两者也相对较昂贵。
产生均匀分布的另一方法涉及对漫射器的使用。然而,漫射器也有上文相对于DOE描述的许多相同问题。此外,在涉及相干照明的应用中,漫射器可引起非所要斑纹。
产生均匀分布的另一方法涉及对非球状光学器件的使用。然而,非球状光学器件也有上文相对于DOE描述的许多相同问题。
在一些实例中,可运用多个独立光源来产生均匀分布。然而,额外系统成本是不合意的。
一般来说,现有光束整形系统的缺点包含低效率、对像差的灵敏度、复杂性及较差的灵活性。通常,设计用于从单个高斯光束产生均匀分布而无光倾出的系统以将输入光束分成多个复本且单独操纵每一复本。此类操纵包含衰减、相位延迟,或空间复位。然而,此类操纵显著地受复本之间的干涉影响,尤其是在考虑输入光束的真实世界像差时。
因此,期望对扫描检验系统的改进以减轻用于照明待检验的样本的多个照明光束之间的干涉。
发明内容
本发明呈现用于最小化从非均匀照明源产生的多个照明光束之间的干涉以在检验系统的视域上提供有效均匀照明分布的方法及系统。
一方面,通过运用从具有非均匀强度分布的脉冲照明源产生多个照明光束的光学子系统有效地减轻多个照明光束之间的干涉。光学子系统在待检验的样本的表面处引入多个照明光束之间的光学延迟。由于照明表面的多个光束是时间分离的,所以检测器处的照明光束之间的干涉被最小化。
另一方面,通过运用时间延迟积分(TDI)检测器及从具有非均匀强度分布的照明源产生多个照明光束的光学子系统有效地减轻多个照明光束之间的干涉。光学子系统将多个照明光束中的每一者引导到待检验的样本的表面,使得由每一光束照明的样本的表面的每一区域与其它区域空间分离。TDI检测器接收从由照明光束中的每一者照明的样本的每一区域收集的大量光。由光学系统成像到TDI检测器上的点目标使用与电荷通过检测器的传送速度相同的速度跨越检测器表面移动。由于每一照明区域是空间分离的,所以所关注的点目标移动通过点目标的运动轨迹的路径中的任何照明区域而无干涉。由其路径中的每一照明区域照明的点目标的图像随着相关联的电荷耦合装置(CCD)电荷跨越检测器传送而跨越TDI检测器移动。因此,所关注的点目标将与来自其运动轨迹中的每一照明点的照明光交互,且所述交互将被传递到TDI检测器且被积分。以此方式,照明点沿着所关注的点目标的运动方向的相对位置不影响在视域上的照明效率分布。
通过非限制性实例呈现经配置以从具有非均匀强度分布的照明源产生多个照明光束的光学子系统的若干实施例。所呈现的实施例在待检验的样本的表面处产生多个照明光束,使得由每一光束照明的样本的表面的每一区域从其它区域中的至少一者时间延迟、从其它区域中的至少一者空间移位,或两者。
在一些实施例中,运用光学子系统产生具有大约相同强度的非均匀照明光束的复本。在一些实例中,在有多个照明光束之间的光学延迟下,将这些复本引导到待检验的样本的表面。在一些实例中,将复本引导到待检验的样本的表面,使得由每一光束照明的样本表面的区域空间分离。在一些实例中,在有多个照明光束之间的光学延迟下且在空间分离下,将复本引导到待检验的样本的表面。
在一些实施例中,运用光学子系统将非均匀照明光束空间分割成至少两个半光束。在一些实例中,将脉冲照明光束空间分割成至少两个半光束,且在长于脉冲长度的时间内延迟任何空间重叠的半光束以避免干涉。在这些实例中,稍微空间移位半光束使得总强度分布在中心周围具有平坦顶部。在一些实例中,此导致对照明光的更有效使用。此外,每一脉冲的峰值强度被减小且光学器件及传感器的寿命被提高。
在一些实施例中,将照明光束以非零入射角入射在平行光束板上且将其从中心分割成两半。光束的一部分直接从板的前表面反射且光束的另一部分通过前表面且从后表面反射。来自后表面的经反射光束的一部分通过前表面且另一部分再次从前表面反射。增加的路径长度引起任何两个重叠光束之间的空间移位以及时间延迟。由于时间延迟,所以光束之间不存在干涉且积分在适当周期内的强度分布大约等于个别强度分布的总和。
在一些实施例中,将照明光束入射在空间分割传入光束且产生各自具有有效均匀分布的两个输出通道的平行光束板上。将传入光束以非零入射角入射在平行光束板上,且将其从中心分割成两半。一半光束(50%)从板的前表面反射,且另外50%通过前表面及后表面两者。另一半光束通过前表面且从后表面反射。随后,此半光束的强度的50%透射穿过前表面且另外50%从前表面再次反射且透射穿过后表面。半光束之间的路径长度差异引起光束之间的空间移位以及时间延迟。
前述内容是概述且因此必然含有细节的简化、一般化及省略;因此,所属领域的技术人员应了解,所述概述仅仅是说明性的且绝无任何限制。在本文中陈述的非限制性实施方式中将明白本文所描述的装置及/或过程的其它方面、发明特征及优点。
附图说明
图1是说明经配置以将传入照明光束分割成在待检验的样本的表面处时间分离的次级照明光束的光学子系统的实施例的简化图。
图2是说明由图1中说明的光学子系统照明的样本的一部分的简化图。
图3是说明对由多个光束照明的样本的不同区域求平均值的照明强度的代表性标绘图。
图4是说明样本的表面处的多个照明光束的照明分布及整体时间平均照明分布的代表性标绘图。
图5是说明另一实施例中经配置以将传入照明光束分割成在待检验的样本的表面处时间分离的次级照明光束的光学子系统的简化图。
图6是说明由图5中说明的光学子系统照明的样本的表面的一部分的简化图。
图7是说明又另一实施例中经配置以将传入照明光束分割成在待检验的样本的表面处时间分离的次级照明光束的光学子系统的简化图。
图8是说明由图7中说明的光学子系统照明的样本的表面的一部分的简化图。
图9是说明所关注的点目标跨越时间延迟积分(TDI)检测器的视域的轨迹的简化图。
图10是说明一个实施例中经配置以将传入照明光束分割成在待检验的样本的表面处空间分离的次级照明光束的光学子系统的简化图。
图11是说明由图10中说明的光学子系统照明的样本的表面的一部分的简化图。
图12是说明一个实施例中经配置以在有空间位移及时间延迟下将传入照明光束空间分割成两半的光学子系统的简化图。
图13是说明由图12中说明的光学子系统产生的整体时间平均照明分布的代表性标绘图。
图14是说明一个实施例中的经配置以将传入照明光束空间分割成多个半光束的光学子系统的简化图。
图15是说明由图14中说明的光学子系统产生的整体时间平均照明分布的代表性标绘图。
图16是说明另一实施例中经配置以将传入照明光束空间分割成多个半光束的光学子系统的简化图。
图17是说明可根据本文中呈现的方法及系统配置的检验系统500的简化图。
图18是说明具有多个收集路径的检验系统500的实施例的简化图。
图19是说明可根据本文中呈现的方法及系统配置的检验系统600的简化图。
图20是说明最小化多个照明光束之间的干涉的方法700的流程图。
图21是说明最小化多个照明光束之间的干涉的方法800的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的背景实例及一些实施例,在附图中说明本发明的实例。
一方面,通过运用从具有非均匀强度分布的脉冲照明源产生多个照明光束的光学子系统有效地减轻多个照明光束之间的干涉。光学子系统在待检验的样本的表面处引入多个照明光束之间的光学延迟。由于照明表面的多个光束是时间分离的,所以检测器处的照明光束之间的干涉被最小化。
图1描绘经配置以将传入照明光束分割成在待检验的样本的表面处时间分离的次级照明光束的光学子系统25的实施例。光学子系统25接收由脉冲照明源(未展示)产生的大量照明光10。通过非限制性实例,照明源可包含锁模或Q切换激光。一般来说,照明子系统经配置以将具有相对较窄波长带的光引导到光学子系统25。照明光10的强度分布是非均匀的。通常,由激光照明系统产生的照明光10的强度分布近似为高斯分布。如图1中所描绘,光学子系统25包含使照明光10的一部分11通过且朝向镜元件40反射剩余照明光12的分束器30。镜元件40朝向待检验的样本20重新引导照明光12。在高数值孔径(NA)照明系统中,镜40可经弯曲或由足够光学功率镜的一或多个透镜元件补充以将两个光束聚焦在相同平面上。如图1中所描绘,照明光束11与12到样本20的表面的路径长度不同。因此,在样本20的表面处,在照明光束11与12之间引入光学延迟。
检测器(未展示)接收从由照明光束11照明的样本20的表面收集的大量光,且接着一短时间之后接收从由照明光束12照明的样本20的表面收集的另一大量光。由于两个实例的经收集光之间的时间分离,所以干涉被最小化。因此,即使由照明光束11与12照明的样本20的区域是空间重叠的,光束仍不干涉。
图2说明检测器的视域内的样本20的表面的一部分21。由照明光束11照明区域13且由照明光束12照明区域14。如图2中所描绘,在由检测器可见的照明光束11及12照明的区域之间存在重叠。通常,此将导致非所要干涉。然而,由于区域13与14的照明在时间上分离,所以干涉被最小化。
图3说明对区域13求平均值的照明强度的时间迹线15及对区域14求平均值的照明强度的时间迹线16的表示。如图3中所描绘,照明光的每一脉冲的特征在于:脉冲宽度或脉冲持续时间TP。此外,激光光源的特征还在于:重复周期TR。为最小化干涉,次级照明光束11与12之间引入的光学延迟TD必须大于照明光10的脉冲宽度。此外,光学延迟必须小于脉冲之间的周期。在一些实施例中,每一次级光束之间的路径长度的差值为大约10毫米。此导致大约30皮秒的光学延迟。此大于对半导体检验应用有用的典型锁模激光的脉冲持续时间(例如,10到12皮秒),但完全在这些激光的脉冲重复速率内(例如,50到200MHz)。一般来说,无论次级照明光束的数目及脉冲照明源的特定性能规格如何,都应满足本文中所描述的条件。此外,传感器积分时间应大于第一与最后脉冲加上脉冲宽度之间的延迟。在实践中,常常可期望长于此最小值的传感器积分时间以便对照明源的许多脉冲求平均值。
图4描绘跨越图2中描绘的视域21内的照明区域13的长轴的照明分布17的表示。类似地,图4还描绘跨越图2中描绘的视域21内的照明区域14的长轴的照明分布18的表示。最终,图4还描绘归因于由光束11及12的照明的跨越视域21的长轴的有效时间平均照明分布19。以此方式,使用具有最小浪费光及两个光束之间的最小干涉的两个高斯光束实现平坦顶部照明光束的有效代理。
通过非限制性实例提供图1中描绘的实施例。举例来说,输入照明光10可具有任何强度分布。在一些实例中,所述分布可近似为高斯。然而,在一些其它实例中,可在将照明光束分割成多个次级光束之前运用额外光学元件进一步塑形由照明源产生的照明光束的强度分布。在另一实例中,参考图1描述的光学子系统25产生传入光束10的强度分布的复本。然而,一般来说,光学子系统可包含产生已经衰减、经受相位延迟或空间复位的多个次级光束的光学元件的布置。一般来说,可在此专利文件的范围内预期从输入照明光束产生多个照明光束且在待检验的样本的表面处引入多个照明光束之间的光学延迟的任何光学子系统。
图5描绘另一实施例中经配置以将传入照明光束分割成在待检验的样本的表面处时间分离的次级照明光束的光学子系统26。光学子系统26接收由脉冲照明源(未展示)产生的大量照明光52。如图5中所描绘,光学子系统26包含产生五个次级照明光束55A到55E的一系列分束器50A到50D及一镜51。折射光学元件54以所要图案朝向样本20的表面引导照明光束55A到55E中的每一者。如图5中所描绘,照明光束55A到55E中的每一者的路径长度不同。举例来说,每一分束器之间的距离可为大约10毫米以在每一照明光束之间产生大约30皮秒的光学延迟。
图6说明检测器(未展示)的视域内的样本20的表面的一部分22。分别由照明光束55A到E照明区域56A到E。如图5中所描绘,在由检测器可见的照明光束55A到E中的每一者照明的区域之间存在重叠。通常,此将导致非所要干涉。然而,由于区域56A到E的照明在时间上是分离的,所以干涉被最小化。
图7描绘又另一实施例中经配置以将传入照明光束分割成在待检验的样本的表面处时间分离的次级照明光束的光学子系统27。光学子系统27接收由脉冲照明源(未展示)产生的大量照明光62。如图7中所描绘,光学子系统27包含产生大约相等的照明功率的四个次级照明光束65A到65D的具有固定定向及适当分割因子的一系列分束器60A到60D及镜61。在所描绘的实施例中,分束器60A到60D经单独对准以将每一照明光束直接引导到样本20的表面上的所要位置。如图7中所描绘,照明光束65A到65D中的每一者的路径长度不同。举例来说,每一分束器之间的距离可为大约10毫米以在每一照明光束之间产生大约30皮秒的光学延迟。
图8说明检测器(未展示)的视域内的样本20的表面的一部分23。分别由照明光束65A到D照明区域66A到D。由于区域66A到D中的每一者的照明在时间上是分离的,所以无论具有任何空间重叠,干涉均被最小化。
一般来说,可根据本文中描述的实施例或通过任何其它光学布置在样本的表面上产生且以任何图案布置任何数目的照明光束。只要光学子系统经配置以在时间上分离地照明每一区域,则无论由次级照明光束中的每一者照明的样本的表面的区域之间具有任何空间重叠,干涉均被最小化。
另一方面,通过运用时间延迟积分(TDI)检测器及从具有非均匀强度分布的照明源产生多个照明光束的光学子系统有效地减轻多个照明光束之间的干涉。光学子系统将多个照明光束中的每一者引导到待检验的样本的表面,使得由每一光束照明的样本的表面中的每一区域与其它区域空间分离。TDI检测器接收从由照明光束中的每一者照明的样本中的每一区域收集的大量光。由光学系统成像到TDI检测器上的点目标使用与电荷通过检测器的传送速度相同的速度跨越检测器表面移动。由于每一照明区域是空间分离的,所以所关注的点目标移动通过点目标的运动轨迹的路径中的任何照明区域而无干涉。由其路径中的每一照明区域照明的点目标的图像随着相关联电荷耦合装置(CCD)电荷跨越检测器传送而跨越TDI检测器移动。因此,所关注的点目标将与来自其运动轨迹中的每一照明点的照明光交互,且所述交互将被传递到TDI检测器且被积分。以此方式,照明点沿着所关注的点目标的运动方向的相对位置不影响在视域上的照明效率分布。
图9说明跨越TDI检测器70的视域的所关注的点目标74的轨迹75。由成像到TDI检测器70上的两个空间分离的照明区域76及77照明所关注的点目标74。在跨越图9的水平方向上移位TDI检测器70的像素。以此方式,在跨越图9的垂直方向上实现均匀照明。入射光的总量,且因此由所关注的点目标74反射或散射的光的总量基本上类似而与其在视域内的垂直位置无关。因此,检验系统的灵敏度基本上与所关注的点目标74的垂直位置无关。
可由本文中描述的光学子系统实施例中的任何者的设计实现照明区域之间的空间分离。
图10描绘另一实施例中的经配置以将传入照明光束分割成在待检验的样本的表面处空间分离的次级照明光束的光学子系统28。光学子系统28接收由脉冲照明源(未展示)产生的大量照明光71。如图10中所描绘,光学子系统28包含经配置以产生具有大约相等的照明功率的四个次级照明光束73且将每一照明光束直接引导到样本20的表面上的所要位置的衍射光学元件72。
图11说明TDI检测器的视域内的样本20的表面的一部分79。由照明光束73照明区域78A到D。由于区域78A到D中的每一者的照明跨越TDI检测器是空间分离的,所以干涉被最小化。因此,组合照明分布对光束与波前误差之间的相对相位改变不敏感。如关于图9所描述,在跨越图11的水平方向上移位TDI检测器的像素。以此方式,在所关注的点目标的图像在水平方向上跨越传感器移动时,在跨越图11的垂直方向上实现均匀照明。
一般来说,可在此专利文件的范围内预期任何数目的照明点。原理上,成像效率及非均匀性随着照明点的数目增大而提高。然而,应通过可引起较大量的点的工程学考虑平衡此类改进。
如上文中所描述,通过运用脉冲照明源及在待检验的样本的表面处在多个照明光束之间引入时间延迟的光学子系统有效地减轻多个照明光束之间的干涉。不管由光束照明的区域是空间分离的还是空间重叠的,此方法均是有效的。
此外,如上文中所描述,通过运用时间延迟积分(TDI)检测器及产生多个照明光束且将多个照明光束中的每一者引导到空间分离的样本的表面的区域的光学子系统有效地减轻多个照明光束之间的干涉。不管是否运用脉冲或连续照明源且不管是否在样本的表面处在多个照明光束之间引入时间延迟,此方法均是有效的。
因此,运用上文中所描述方法的任何组合的检验系统有效地减轻多个照明光束之间的干涉。举例来说,运用脉冲照明源及在待检验的样本的表面处在多个照明光束之间引入时间延迟的光学子系统的检验系统也可运用TDI检测器。在另一实例中,运用时间延迟积分(TDI)检测器及将多个照明光束引导到样本的表面的空间分离区域的光学子系统的检验系统也可运用脉冲激光源、在样本的表面处在多个照明光束之间引入时间延迟的光学子系统,或两者。
又另一方面,运用光学子系统将脉冲高斯光束空间分割成具有空间位移及时间延迟的至少两半。在长于脉冲长度的时间内延迟任何两个空间重叠的半高斯光束以避免干涉。稍微空间位移半高斯光束使得总强度分布在中心周围具有平坦顶部。在一些实例中,此导致对照明光的更有效使用。在一些实例中,每一脉冲的峰值强度减小且光学器件及传感器的寿命得到提高。
图12描绘一个实施例中经配置以将传入照明光束空间分割成具有空间位移及时间延迟的两半的光学子系统100。脉冲照明源产生圆形或接近圆形的高斯光束。通过合适光学器件(未展示)使光束呈椭圆形。光学子系统100接收椭圆形光束101。光学子系统100包含经布置以将光束101沿着短轴分割成两半的两个平行镜102及104。椭圆形高斯光束101入射在平行镜102及104上。镜102的下边缘大约与传入高斯光束101的中心处的光学射线排成列,使得镜102仅反射高斯光束的上半部。图12中使用正规线的粗细描绘经反射的半高斯光束103。传入高斯光束101的下半部进一步稍微行进且由镜104以相同入射角反射。图12中使用粗的线的粗细描绘经反射的半高斯光束105。翻转镜102及104使其偏离图12的平面以防止镜102阻挡光束105及在平行于两个光束的短轴的方向上稍微移位两个光束。应选择两个光束的空间位移,使得将两者都成像到传感器上。如从传播方向观看且如重新成像到传感器平面上,在图12中以阴影图描绘经反射的光束103及105(即,晶片平面上的光束轮廓)。在一些实施例中,可将镜102的下部边缘附接的射线变迹或滤除以减小衍射及/或散射。
两个半高斯光束103及105都相对于彼此空间移位且时间延迟。时间延迟大于脉冲持续时间以避免干涉。在优选实施例中,两个光束在平行于其长轴的方向上的相对位移β应在大约1w0与1.1w0之间,其中w0是高斯光束腰宽。以此方式,重叠区域中的最小强度约为峰值强度的95%或更多。对于此类重叠,激光光束的能量的大约95%在重叠区域中。
在一些实施例中,TDI传感器沿着光束103及105的短轴扫描信号且在有限时间段内对信号求积分。积分时间应为连续激光脉冲之间的时间的至少五倍长。以此方式,由TDI传感器测量的强度分布本质上是两个半高斯光束轮廓的总和。两个光束的组合产生基本上均匀光场。大部分能量被基本上均匀分布在顶部周围且因此可直接用于检验目的。
在时间上积分的如由TDI传感器收集的照明强度具有基本上平坦顶部轮廓。图13说明1.02w0的相对位移β的强度分布110,其中w0是高斯光束腰宽。信号的基本上平坦部分的全宽是β。因此,大部分光束的能量(大约95%)在照明强度分布的基本上平坦部分内。
在一些实施例中,镜上的入射角是45度。然而,一般来说,考虑传感器大小、积分时间,及光学器件布置的限制,可选择任何入射角以在时间及空间上优化光束分离。
图14描绘一个实施例中经配置以将传入照明光束空间分割成各自具有大约相等的强度且各自具有相对于彼此的时间延迟的四个半部的光学子系统300。此外,四个半部中的两者与另两个半部空间分离。
脉冲照明源产生圆形或接近圆形的高斯光束。通过合适光学器件(未展示)使光束呈成椭圆形。光学子系统300接收椭圆形光束301。光学子系统300包含平行光束板结构325。传入光束301入射在平行光束板325上且最终完全从平行光束板结构325反射。经反射光束的平均强度分布具有基本上平坦顶部,所述平坦顶部具有减小的峰值强度。
平行光束板325在前表面上的不同区域中具有不同涂层性质且在后表面上具有高反射性涂层。理想地,光不透射穿过平行光束板325的后表面。在一些实施例中,从熔融硅石构造平行光束板325。
在图14中标示若干不同位置处的射线用以参考。射线303在传入高斯光束301的中心处。射线302在左侧上离中心的距离是Δ,且射线304沿着椭圆的长轴在右侧上离中心的距离是Δ。射线302、303及304分别在点305、306及307处入射在板的前表面上。前表面上的点305与点306之间的区域310经涂覆用于高透射。射线302与303之间的射线透射到光束板中且从后表面314反射。点306与307之间的区域311经涂覆用于大约50%透射及大约50%反射。射线303与304之间的射线50%直接从前表面反射且50%透射穿过前表面。透射穿过前表面的射线行进到其朝向前表面反射回的后表面314。点308对应于射线304在从后表面314反射之后撞击前表面的点。点307与308之间的前表面上的区域312也经涂覆用于高透射,类似于区域310。点305的左侧的区域309及点308的右侧的区域313被涂覆为变迹器。板的厚度T经选择使得射线302在从后表面反射之后基本上在射线303从前表面反射的点306处透射穿过前表面。这些射线标示为320。射线303在从后表面反射之后穿过前表面的透射基本上也与射线304从前表面的反射对准(在点307处)且标示为321。射线304在从后表面的反射及穿过前表面的随后透射之后标示为322。
有效地将高斯光束在其中心处空间分割成两半。一半相对于另一半空间移位且时间延迟。每一半高斯光束因50/50光束分割涂层而强度分割且移位相同距离Δ。
为相对于另一半高斯空间移位一半高斯光束距离Δ且重叠,厚度T、折射率n、入射角θ,及入射高斯光束的光束腰宽w0必须满足等式(1)。
t=Δ*(n2-sin2θ)1/2/(2*sinθ*cosθ) (1)
如果入射角为45度,那么等式(1)简化成t=Δ*(n2-0.5)1/2。在一些实施例中,可在设计平行光束板之后稍微调整光束腰宽w0及入射角θ以优化经反射的光束轮廓。
图15说明Δ=1.02w0的情况下来自平行光束板的经反射光束的强度分布。其基本上类似于图13中所示,但图13中描绘的平坦区域有两个是并排放置的。在此实例中,从平行光束板325反射的光的基本上平坦部分的全宽是2Δ,其是图13中说明的宽度的两倍。此外,针对相同值Δ,平坦顶部处的强度约为由图12的实施例产生的强度的一半。
在优选实施例中,Δ应在大约1w0与1.1w0之间(其中w0是高斯光束腰宽),使得重叠区域中的最小强度约是峰值强度的95%或更多。对于此类重叠,激光光束的能量的大约95%在重叠区域中。如果系统在重叠区域内可容许大于5%的强度变化,那么位移Δ的范围可扩大。
图15说明分布的尾部的一个示范性形状。尾部的形状取决于变迹器的设计。在一些实施例中,可根据需要将尾部完全滤除。
两个半高斯之间的时间延迟是2*n2*t*(n2-sin2θ)-1/2c-1,其中c是真空中的光速。举例来说,如果入射角是45°且光束板材料的折射率是1.5(例如,具有接近266nm的波长的熔融硅石),那么5mm的光束板厚度T将导致57ps的时间延迟。如果脉冲长度小于57ps,那么此延迟将足以避免一半高斯与另一者的干涉。此类光束板将一半高斯相对于另一者移位3.8mm;且如果光束板处的椭圆形高斯光束腰宽的长轴大约为3.6mm,那么其将是适当的。
在另一实施例中,平行光束板经配置以将传入照明光束分割成四个半光束。此外,平行光束板经配置以从平行光束板的前表面发射四个半光束中的两者且从相对前表面的后表面发射剩余的两个半光束。以此方式,平行光束板经配置以产生各自具有有效均匀强度分布的照明光的两个通道。在一些实施例中,可运用两个通道同时在两个不同位置以两个不同入射角等等照明待检验的样本的表面。
图16描绘一个实施例中经配置以将传入照明光束空间分割成在两个输出通道上具有空间位移及时间延迟的四个半部的光学子系统400。
脉冲照明源产生圆形或接近圆形的高斯光束。通过合适的光学器件(未展示)使光束呈椭圆形。光学子系统400接收椭圆形光束401。光学子系统400包含平行光束板结构425。传入光束401入射在平行光束板425上且最终都从平行光束板结构425反射且透射穿过平行光束板结构425。经反射光束及透射光束的平均强度分布具有基本上平坦顶部,所述平坦顶部具有减小的峰值强度。平行光束板425在前表面及后表面上的不同区域中具有不同涂层性质。在一些实施例中,平行光束板425由熔融硅石构造。
在图16中标示若干不同位置处的射线以用于参考。射线403在传入高斯光束401的中心处。射线402在左侧上离中心的距离为Δ,且射线404沿着椭圆状光束401的长轴在右侧上离中心的距离为Δ。射线402、403及404分别在点405、406及407处入射在板的前表面上。区域410包含如图16中描绘的位于点406的左侧上的前表面的部分。区域410经涂覆用于高透射。区域411包含如图16中描绘的位于点406的右侧上的前表面的部分。区域411经涂覆用于50%透射及50%反射。在点408处射线403入射在后表面上。区域412包含如图16中描绘的点408的左侧的后表面的部分。区域412经涂覆用于高反射。区域413包含如图16中描绘的点408的右侧的后表面的部分。区域413经涂覆用于高透射。因此,左半高斯光束在透射穿过前表面之后从后表面反射且接着强度的50%透射穿过前表面上的区域411且另50%从前表面反射且透射穿过后表面的区域413。右半高斯光束50%在区域411上从前表面反射且50%透射穿过区域411及区域413两者。平行板425的厚度经选择使得射线402在从后表面反射之后在基本上点406处透射穿过前表面。在此相同点处,射线403从前表面反射。这些射线标示为420。此外,射线403在从后表面反射之后的穿过前表面的透射基本上也与射线404从前表面的反射对准(在点407处)。这些射线标示为421。同时,射线402在从区域412上的后表面反射及从区域411上的前表面反射之后的穿过后表面的透射基本上与射线403穿过两个表面的透射对准(在点408处)。此射线标示为422。类似地,射线403在从后表面及前表面反射之后的穿过后表面的透射基本上与射线404穿过两个表面的透射(在点409处)。此射线标示为423。有效地将高斯光束在中心处在两个输出通道上空间分割成两半。一半高斯光束相对于另一半高斯光束空间移位且时间延迟。此外,整体光束的强度在两个通道之间分割。强度的50%从平行光束板425反射且另50%透射穿过平行光束板425。因此,两个输出具有基本上类似于如图13中所示的具有Δ的宽度的平坦顶部,且每一输出含有输入光束的大约一半的功率。
为相对于另一半高斯空间移位一半高斯光束距离Δ且重叠,厚度T、折射率n、入射角θ,及入射高斯光束的光束腰宽w0必须满足等式(1)。
在一些实施例中,可在设计平行光束板之后稍微调整光束腰宽w0及入射角θ以优化经反射的光束轮廓。
在优选实施例中,Δ应在大约1w0与1.1w0之间(其中w0是高斯光束腰宽),使得重叠区域中的最小强度约为峰值强度的95%或更多。对于此类重叠,激光光束能量的大约95%在重叠区域中。如果系统在重叠区域内可容许大于5%的强度变化,那么位移Δ的范围可扩大。
两个半高斯之间的时间延迟是2*n2*t*(n2-sin2θ)-1/2c-1,其中c是真空中的光速。举例来说,如果入射角是45°且光束板材料的折射率是1.5(例如,266nm附近的波长处的熔融硅石),那么5mm的光束板厚度T将导致57ps的时间延迟。如果脉冲长度小于57ps,那么此延迟将足以避免一半高斯与另一者的干涉。此类光束板将一半高斯相对于另一者移位3.8mm,且如果光束板处的椭圆形高斯光束腰宽的长轴为大约3.6mm,那么其将是适当的。
在优选实施例中,分割边缘周围的涂层经锥状化或轮廓化使得衍射及/或散射减小。
可在具有如图17中描绘的斜线照明的暗场检验系统中运用本文中描述的检验及光束整形技术。检验系统可包括如图18中所描绘的包含离轴及靠近标准收集的多个收集系统。
图17是可如本文中所描述般配置的检验系统500的一个实施例的简化示意图。出于简化目的,已省略所述系统的一些光学组件。通过实例,也可包含折叠镜、偏光器、光束整形光学器件、额外光源、额外收集器及额外检测器。全部此类变化在本文中所描述的本发明的范围内。本文中所描述的检验系统可用于检验经图案化以及未经图案化的晶片。
检验系统500包含用于检验表面511的区域的照明系统501及收集系统510。如图17中所示,激光系统520引导光束502穿过光束整形光学器件503。在优选实施例中,照明系统501包含经配置以最小化如本文中所描述的多个照明光束之间的干涉的光学子系统。在一些实施例中,光束整形光学器件503经配置以从激光系统接收光束,将其聚焦成椭圆形轮廓,及应用本文中所描述的技术以产生具有有效均匀强度分布的聚焦到表面511上的光束。
光束整形光学器件503经定向使得其主平面基本上平行于样本表面511且因此在表面511上在光束整形光学器件503的焦平面中形成照明线505。此外,以非正交入射角将光束502及聚焦光束504引导到表面511。特定来说,可以与法线方向成约1度与约85度之间的角度将光束502及聚焦光束504引导到表面511。以此方式,照明线505基本上在聚焦光束504的入射平面中。通过对上文所描述技术的使用,沿着线505的长轴的强度分布基本上是平坦的。
收集系统510包含用于收集从照明线505散射的光的透镜512及用于将由透镜512产生的光聚焦到装置(例如电荷耦合装置(CCD)514,包括光敏检测器阵列)上的透镜513。在一个实施例中,CCD 514可包含线性检测器阵列。在此类情况中,CCD 514内的线性检测器阵列可定向成平行于照明线505。在一个实施例中,可包含多个收集系统,其中所述收集系统中的每一者包含类似组件,但定向不同。
尽管图17中所描绘的收集系统510说明单个收集通道,但(一般来说)可预期任何数目的收集通道。举例来说,图18说明用于表面检验设备的收集系统531、532及533的示范性阵列(其中为简单起见未展示其照明系统,例如,类似于照明系统501的照明系统)。收集系统531中的第一光学器件收集在第一方向上从样本511的表面散射的光。收集系统532中的第二光学器件收集在第二方向上从样本511的表面散射的光。收集系统533中的第三光学器件收集在第三方向上从样本511的表面散射的光。注意,第一、第二及第三路径与样本511的所述表面成不同的反射角。可使用支撑样本511的平台512以引起所述光学器件与样本511之间的相对运动,使得可扫描样本511的整个表面。在2009年4月28日颁布且以引用方式并入本文的7,525,649美国专利进一步详细描述表面检验设备500及其它多个收集系统。
可在针对未经图案化晶片的检验系统(例如,图19中所描绘的系统600)中运用本文中所描述的检验及光束整形技术。此类检验系统可并入倾斜及/或法线入射照明及针对散射光的大的收集立体角。
检验系统600经配置以使用法线及倾斜照明光束两者来实施异常检测。在此配置中,激光系统630提供激光光束601。透镜602将光束601聚焦穿过空间滤光器603且透镜604准直所述光束且将其递送到分束器605。在优选实施例中,照明系统600包含本文中所描述的检验及光束整形技术中的任何者。举例来说,分束器605可为图16的光束板且透镜602及604可包含圆柱形透镜,所述圆柱形透镜经配置使光束呈椭圆形轮廓,使得605之后的两个光束都具有含有与具有空间滤光器603的宽高斯轮廓的截断相比高得多的百分比的激光光的平坦照明分布。
分束器605将第一组分传递到法线照明通道且将第二组分传递到倾斜照明通道。在法线照明通道606中,第一组分由光学器件607聚焦且由镜608朝向样本609的表面反射。由抛物面镜610以图17中所示的类似方式将由样本609散射的辐射收集且聚焦到经定向平行于照明线的线传感器611。
在倾斜照明通道612中,第二组分由分束器605反射到镜613(其使此类光束反射穿过半波板614)且由光学器件615聚焦到样本609。源自倾斜通道612中的倾斜照明光束且由样本609散射的辐射也由抛物面镜610收集且聚焦到线传感器611。注意,线传感器611可具有狭缝入口。所述狭缝及照明线(来自表面609上的法线及倾斜照明通道)优选地处于抛物面镜610的焦点处。
抛物面镜610将来自样本609的散射辐射准直成准直光束616。接着,准直光束616由物镜617聚焦且透过检偏镜618而到线传感器611。注意,也可使用具有除抛物面形状以外的形状的弯曲镜表面。仪器620可提供光束与样本609之间的相对运动使得跨越样本609的表面扫描点。2001年3月13日颁布且以引用方式并入本文的6,201,601美国专利案进一步详细描述检验系统600。
一般来说,本文中所描述的方法及光学子系统不仅有益于成像系统,而且有益于非成像系统。此类非成像系统通常依靠小的光点照明。在这些系统中,根据本文中所描述的方法及子系统实现的多点照明提供脉冲长度或有效激光脉冲重复速率的有效增大以及照明点上的减小峰值功率。因此,在热损害限制应用中,可引起对光剂量的限制。同时,可提高表面上的功率递送的均匀性。在一些实施例中,可仅根据需要而选择性地将分束镜移动到光束中。
在一些实施例中,运用本文中所描述的方法的任何组合以有效减轻多个照明光束之间的干涉的检验系统可运用Q切换激光或在UV或深UV范围中操作的锁模激光。来自此类激光系统的输出通常是具有良好光束质量的高斯光束。在一些实施例中,可从经配置以产生基频的基本红外激光的高次谐波产生激光。举例来说,如果基本激光产生1064nm的波长,那么第四次谐波频率将对应于266nm的波长,且第五次谐波频率将对应于大约213nm的波长。
又另一方面,可在TDI检测器上迅速扫描照明光以使如成像到TDI检测器上的照明光的强度分布有效地变平。在一些实施例中,可使用安装在压电元件上的电光学晶体或镜来扫描TDI检测器上的光束。如果扫描时间小于TDI积分时间,那么可实现检测器上的有效均匀分布。
图20说明对最小化多个照明光束之间的干涉有用的示范性方法700的流程图。在一个非限制性实例中,参考图17描述的检验系统500经配置以实施方法700。然而,一般来说,方法700的实施可由所描述的子系统及系统中的任何者实施,且此外不受本文中所描述的特定实施例限制。
在框701中,由脉冲照明源产生脉冲照明光束。
在框702中,将脉冲照明光束分割成两个或两个以上的次级照明光束,使得在两个或两个以上的次级光束照明待检验的样本的表面时在两个或两个以上次级照明光束之间存在时间延迟。
在框703中,(例如)由检测器接收从由两个或两个以上的次级照明光束中的第一者照明的样本的表面收集的第一量的光。
在框704中,(例如)由检测器接收从由两个或两个以上的次级照明光束中的第二者照明的样本的表面收集的第二量的光。
在框705中,基于第一及第二量的经收集光产生输出值。
图21说明对最小化多个照明光束之间的干涉有用的另一示范性方法800的流程图。在一个非限制性实例中,参考图17描述的检验系统500经配置以实施方法800。然而,一般来说,方法800的实施可由所描述的子系统及系统中的任何者实施,且此外不受本文中所描述的特定实施例限制。
在框801中,由照明源产生照明光束。
在框802中,将照明光束分割成两个或两个以上的次级照明光束,其中由两个或两个以上的次级照明光束中的每一者照明的样本的表面中的每一区域是空间分离的。
在框803中,(例如)由检测器接收从由两个或两个以上的次级照明光束中的第一者照明的样本的表面收集的第一量的光。
在框804中,(例如)由检测器接收从由两个或两个以上的次级照明光束中的第二者照明的样本的表面收集的第二量的光。
在框805中,基于第一及第二量的经收集光的时间延迟积分产生输出值。
对于可用于检验样本的检验系统或工具在本文中描述各种实施例。在本文中使用术“样本”是指所属领域中已知的晶片、光罩或可针对缺陷、特征或其它信息(例如,大量雾或膜性质)而检验的任何其它样本。
如本文中使用,术语“晶片”大体上是指由半导体或非半导体材料形成的衬底。实例包含(但不限于)单晶硅、砷化镓、氮化镓及磷化铟。此类衬底通常可在半导体制造设施中找到及/或处理。在一些情况中,晶片可仅包含衬底(即,裸晶片)。或者,晶片可包含形成于衬底上的一或多个不同材料层。形成于晶片上的一或多个层可“被图案化”或“未被图案化”。举例来说,晶片可包含具有可重复图案特征的多个裸片。
“光罩”可为在光罩制造工艺的任何阶段的光罩,或可或不一定经释放以用于半导体制造设施中的完整光罩。光罩或“掩模”大体上被定义为具有形成于其上且被配置成图案的基本上不透明区域的基本上透明衬底。衬底可包含(例如)玻璃材料,例如石英。光罩可在光刻工艺的曝光步骤期间安置于覆盖抗蚀剂的晶片上,使得光罩上的图案可转移到抗蚀剂。
在一或多个示范性实施例中,可在硬件、软件、固件或其任何组合中实施所描述的功能。如果在软件中实施,那么功能可作为一或多个指令或程序代码存储于计算机可读媒体上或经由计算机可读媒体传输。计算机可读媒体包含计算机存储媒体及通信媒体(其包含促进计算机程序从一个地方传送到另一地方的任何媒体)两者。存储媒体可为可由通用或专用计算机存取的任何可用媒体。举例来说(且无限制),此类计算机可读媒体可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置,或可用以载运或存储呈指令或数据结构形式的所要程序代码构件及可由通用或专用计算机或通用或专用处理器存取的任何其它媒体。此外,任何连接可适当地称为计算机可读媒体。举例来说,如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或例如红外、无线电及微波的无线技术从网站、服务器或其它远程源传输软件,那么同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或例如红外、无线电及微波的无线技术包含于媒体的定义中。如本文中使用,磁盘及光盘包含压缩光盘(CD)、激光光盘、光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘及蓝光光盘,其中磁盘通常磁性地重现数据而光盘使用激光光学地重现数据。上述组合应也包含于计算机可读媒体的范围内。
尽管上文出于指导目的描述某些特定实施例,但本专利文件的教示具有一般适用性且不限于上文描述的特定实施例。因此,在不背离如权利要求书中陈述的本发明的范围的情况下,可实践所描述的实施例的各种特征的各种修改、调适及组合。

Claims (19)

1.一种光学检验系统,其包括:
脉冲激光照明源,其经配置以产生照明光束;
光学子系统,其接收所述照明光束且将所述照明光束分割成两个或两个以上的次级照明光束,其中所述光学子系统在所述两个或两个以上次级照明光束待检验的样本的表面时在所述两个或两个以上的次级照明光束之间引入时间延迟;及
检测器,其可操作以接收从由所述两个或两个以上的次级照明光束中的第一者照明的所述样本的所述表面收集的第一量的光,接收从由所述两个或两个以上的次级照明光束中的第二者照明的所述样本的所述表面收集的第二量的光,并基于一段时间的所述第一量的光及所述第二量的光的积分产生输出值,所述时间超过所述照明光束的脉冲持续时间及时间延迟之和。
2.根据权利要求1所述的光学检验系统,其中所述时间延迟超过由所述脉冲激光照明源产生的所述照明光束的脉冲持续时间。
3.根据权利要求2所述的光学检验系统,其中所述时间延迟小于由所述脉冲激光照明源产生的所述照明光束的连续脉冲之间的周期。
4.根据权利要求1所述的光学检验系统,其中所述光学子系统包含经配置以将所述照明光束空间分割成两个半光束的两个平行镜,其中一个半光束相对于另一者空间移位且在时间上延迟。
5.根据权利要求1所述的光学检验系统,其中所述光学子系统包含经配置以从所述照明光束产生两个或两个以上的次级照明光束的至少一个分束器及一镜,其中所述次级照明光束中的每一者相对于所述次级照明光束中的任何其它者在时间上延迟。
6.根据权利要求1所述的光学检验系统,其中所述光学子系统包含经配置以将所述照明光束空间分割成大约相等强度的四个半光束的平行光束板,其中所述四个半光束中的每一者相对于其它者中的至少一者在时间上延迟。
7.根据权利要求6所述的光学检验系统,其中所述平行光束板进一步经配置以从所述平行光束板的第一表面发射所述四个半光束中的第一及第二者且从所述平行光束板的第二表面发射所述四个半光束中的第三及第四者。
8.根据权利要求1所述的光学检验系统,其中所述检测器是时间延迟积分TDI检测器。
9.一种光学检验系统,其包括:
照明源,其经配置以产生脉冲照明光束;
光学子系统,其接收所述脉冲照明光束且将所述脉冲照明光束分割成两个或两个以上的次级照明光束,其中所述光学子系统在所述两个或两个以上的次级照明光束待检验的样本的表面时在所述两个或两个以上的次级照明光束之间引入空间分离;
时间延迟积分TDI检测器,其可操作以接收从由所述两个或两个以上的次级照明光束中的第一者照明的所述样本的所述表面收集的第一量的光,接收从由所述两个或两个以上的次级照明光束中的第二者照明的所述样本的所述表面收集的第二量的光,并基于所述第一量的经收集光及所述第二量的经收集光的时间延迟积分产生输出值,其中与所述时间延迟积分相关联的积分时间是连续脉冲之间的时间的至少五倍长。
10.根据权利要求9所述的光学检验系统,其中所述光学子系统包含经配置以将所述照明光束空间分割成两个半光束的两个平行镜,其中一个半光束相对于另一者空间移位。
11.根据权利要求9所述的光学检验系统,其中所述光学子系统包含经配置以从所述照明光束产生两个或两个以上的次级照明光束的至少一个分束器及一镜,其中所述次级照明光束中的每一者相对于所述次级照明光束中的任何其它者空间位移。
12.根据权利要求9所述的光学检验系统,其中所述光学子系统包含经配置以将所述照明光束空间分割成大约相等强度的四个半光束的平行光束板,其中所述四个半光束中的每一者相对于其它光束中的至少一者空间移位。
13.根据权利要求12所述的光学检验系统,其中所述平行光束板进一步经配置以从所述平行光束板的第一表面发射所述四个半光束中的第一及第二者且从所述平行光束板的第二表面发射所述四个半光束中的第三及第四者。
14.一种光学检验方法,其包括:
产生脉冲照明光束;
将所述脉冲照明光束分割成两个或两个以上的次级照明光束,其中在所述两个或两个以上的次级照明光束待检验的样本的表面时所述两个或两个以上的次级照明光束之间具有时间延迟;
接收从由所述两个或两个以上的次级照明光束中的第一者照明的所述样本的所述表面收集的第一量的光;
接收从由所述两个或两个以上的次级照明光束中的第二者照明的所述样本的所述表面收集的第二量的光;及
基于一段时间的所述第一量的经收集光及所述第二量的经收集光的积分产生输出值,所述时间是所述脉冲照明光束的连续脉冲之间的时间至少五倍长。
15.根据权利要求14所述的光学检验方法,其中所述将所述脉冲照明光束分割成所述两个或两个以上的次级照明光束涉及将所述照明光束空间分割成两个半光束,其中一个半光束相对于另一者在时间上延迟。
16.根据权利要求14所述的光学检验方法,其中所述时间延迟超过所述脉冲照明光束的脉冲持续时间。
17.根据权利要求16所述的光学检验方法,其中所述时间延迟短于所述脉冲照明光束的连续脉冲之间的周期。
18.一种光学检验方法,其包括:
产生脉冲照明光束;
将所述脉冲照明光束分割成两个或两个以上的次级照明光束,其中由所述两个或两个以上的次级照明光束中的每一者照明的样本的表面中的每一区域是空间分离的;
接收从由所述两个或两个以上的次级照明光束中的第一者照明的所述样本的所述表面收集的第一量的光;
接收从由所述两个或两个以上的次级照明光束中的第二者照明的所述样本的所述表面收集的第二量的光;及
基于所述第一量的经收集光及所述第二量的经收集光的时间延迟积分产生输出值,其中与所述时间延迟积分相关联的积分时间是连续脉冲之间的时间的至少五倍长。
19.根据权利要求18所述的光学检验方法,其中所述将所述脉冲照明光束分割成两个或两个以上的次级照明光束涉及衍射光学元件。
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