CN107548554A - 用于检查的具有电可控制孔径的传感器及计量系统 - Google Patents

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Abstract

通过将更负控制电压施加到像素的电阻式控制栅极的中心区域及将更正控制电压施加到所述栅极的端部分实现线性传感器中的像素孔径大小调整。这些控制电压引起所述电阻式控制栅极产生电场，所述电场将在像素的光敏区域的选定部分中产生的光电子驱动到电荷积累区域中以用于后续测量，且驱动在像素的光敏区域的其它部分中产生的光电子远离所述电荷积累区域以用于后续舍弃或同时读出。系统利用光学器件以将以不同角度或在不同位置接收的光从样本引导到每一像素的光敏区域的对应不同部分中。多个孔径控制电极经选择性地致动以收集/测量从窄或宽角度或者位置范围接收的光，借此实现快速图像数据调整。

Description

用于检查的具有电可控制孔径的传感器及计量系统
相关申请案
本申请案要求2015年5月14日申请的第62/161,450号美国临时申请案及2015年6月8日申请的第62/172,242号美国临时申请案的优先权，所述美国临时申请案以引用方式并入本文中。
本申请案涉及2015年4月21日申请、标题为“共焦线检查光学系统(CONFOCAL LINEINSPECTION OPTICAL SYSTEM)”的共同拥有且同在申请中的第14/691,966号(第2015/0369750号公开申请案)美国专利申请案及2007年5月25日申请、标题为“使用背侧照明的线性传感器的检查系统(INSPECTION SYSTEM USING BACK SIDE ILLUMINATED LINEARSENSOR)”的第11/805,907号(第2011/0073982号公开申请案)美国专利申请案，所述美国专利申请案以引用方式并入本文中。
技术领域
本申请案涉及适于感测可见、UV、深UV(DUV)、真空UV(VUV)、极UV(EUV)及X射线波长的辐射且适于感测电子或其它带电粒子的线传感器及相关联电子电路，且涉及用于操作此类线传感器的方法。所述传感器及电路尤其适用于检查及计量系统，包含用来检查及/或测量光掩模、分划板及半导体晶片上的特征的检查及计量系统。
背景技术
集成电路工业需要具有越来越高灵敏度的检查工具来检测不断变小的缺陷及粒子，且需要高精度计量工具用于准确地测量半导体晶片上的小特征的尺寸。半导体工业当前制造具有约20nm及更小的特征尺寸的半导体装置。在几年之内，所述工业将制造具有约5nm的特征尺寸的半导体装置。大小仅几nm的粒子及缺陷可减小晶片良率，且1nm的十分之几或更小的特征尺寸的变化可引起晶体管或存储器装置的电性能的显著变化或故障。
如果半导体检查及计量工具可检查或测量CMOS制造中使用的所有或多数不同材料及结构，那么所述半导体检查及计量工具是最有用的。不同材料及结构具有彼此极其不同的反射率。为具有灵活性，半导体检查及计量工具可使用光照明及光收集的多个波长及/或多个角度。选择使用哪些角度通常涉及根据所检查或测量的事物将适当塑形且定大小的孔径切换到光学路径中的正确位置中。
举例来说，在以下各者中揭示关于本发明的类型的各种检查及计量工具：标题为“低噪声传感器及使用低噪声传感器的检查系统(A Low-Noise Sensor And AnInspection System Using A Low-Noise Sensor)”且在2014年5月8日申请的第14/273,424号美国专利申请案；2012年2月1日申请、标题为“高密度数字化仪(High-densitydigitizer)”的第13/364,308号美国专利申请案；2013年12月4日申请、标题为“使用脉冲照明移动图像的方法及设备(Method and apparatus for high speed acquisition ofmoving images using pulsed illumination)”的第14/096,911号美国专利申请案；2012年12月10日申请、标题为“使用EBCCD检测器的电子轰击电荷耦合装置及检查系统(Electron-bombarded charge-coupled device and inspection systems using EBCCDdetectors)”的第13/710,315号美国专利申请案；2013年3月10日申请、标题为“具有硼层的背侧照明传感器(Back-illuminated sensor with boron layer)”的第13/792,166号美国专利申请案；2013年7月22日申请、标题为“包含具有硼层的硅衬底的光电阴极(Photocathode including silicon substrate with boron layer)”的第13/947,975号美国专利申请案；2009年10月7日申请、标题为“具有用于高速检查的局部驱动及信号处理电路的TDI传感器模块(TDI sensor modules with localized driving and signalprocessing circuitry for high speed inspection)”的第2010/0188655号美国公开专利申请案；2009年6月1日申请、标题为“适于高吞吐量检查系统的传感器的抗反射涂层(Anti-reflective coating for sensors suitable for high throughput inspectionsystems)”的美国公开专利申请案第2010/0301437号；2009年10月27日发布、标题为“TDI传感器的连续时钟(Continuous clocking of TDI sensors)”的第7,609,309号美国专利；及2011年5月31日发布、标题为“TDI传感器的连续时钟的设备(Apparatus for continuousclocking of TDI sensors)”的第7,609,309号美国专利。这些申请案及专利以引用的方式并入本文中。
孔径是可占据显著空间的机械装置。孔径的机械运动可花费几十或几百毫秒，因此使需要运用多于一个孔径收集数据的检查或测量变慢。归因于空间约束，在现存检查或计量系统上添加或取代孔径以便提供新能力或改进能力可为困难的。
因此，需要具有可调整孔径的线性传感器，所述可调整孔径促进在操作现存检查或计量系统期间以克服与常规方法相关联的一些或所有上述缺点的方式快速且可靠地调整每一像素的光敏区域的大小。
发明内容
本发明涉及通过产生可控制地调整(减小或扩大)有效光敏区域(光电子从所述有效光敏区域收集以由每一像素测量)的非单调电压分布而电控制线性传感器中的像素孔径大小。每一像素包含细长电阻式控制栅极，且每一像素的最大光敏区域是由安置于所述像素的电阻式控制栅极下方(经安置成邻近所述像素的电阻式控制栅极)的半导体衬底的部分界定。类似于常规传感器，分别通过端电极施加到每一像素的电阻式控制栅极的对置端部分的控制电压在所述像素的光敏区域中产生相关联电场，借此由进入所述像素的光敏区域的入射光产生的光电子由所述相关联电场驱动到一或多个电荷积累区域。根据本发明，一或多个中心定位的孔径控制电极跨越每一像素的电阻式控制栅极安置于两个电阻式控制栅极端部分之间，且相关联控制电路经配置以通过将比施加到两个端电极的控制电压更负的控制电压施加到选定中心电极而选择性地产生非单调(例如，两部分)电压分布。即，所述非单调电压分布在像素中产生电场，使得在定位于中心孔径控制电极的第一侧上的像素的光敏区域的第一部分中产生的光电子经驱动朝向所述电阻式控制栅极的第一端，且在定位于中心孔径控制电极的第二侧上的像素的光敏区域的第二部分中产生的光电子经驱动朝向所述电阻式控制栅极的相对(第二)端。借此通过产生所述非单调电压分布且随后测量仅从所述电阻式控制栅极的第一端收集的光电子电荷而可控制地调整每一像素的光敏区域的有效大小以仅包含所述像素的光敏区域的第一部分。
还描述一种高速检查或测量样本的方法。此方法包含将辐射引导且聚焦到所述样本上，及从所述样本接收辐射且将经接收辐射引导到线传感器。所述经接收辐射可为经散射辐射或经反射辐射。所述线传感器并入电阻式控制栅极，所述电阻式控制栅极具有由电极跨越其长度产生的电势梯度，借此所述电阻式控制栅极产生将所述传感器中的光电子引导到一或多个积累区域的电场。控制电路经配置以将更负电压施加到一或多个中心定位的电极且将更正电压施加到安置于所述电阻式控制栅极的端部分处的电极，借此产生使在所述传感器的一个区域中产生的光电子偏压(驱动)到积累区域的电场同时防止在所述传感器的其它区域中产生的其它光电子到达所述积累区域。
所述检查方法可进一步包含根据所进行的检查或测量设置附接到所述电阻式栅极的电极上的电压。在一个实施例中，所述电压可在检查或测量期间改变以优化光收集过程，或可用来在预检查校准周期期间调整各种个别像素的有效孔径大小，使得所述传感器的所有像素具有均匀孔径大小。
还描述一种用于检查样本的系统。此系统包含：照明源；装置，其经配置以执行光检测；光学器件，其经配置以将光从所述照明源引导到所述样本且将来自所述样本的光输出或反射引导到所述装置；及驱动电路。线传感器并入具有跨越其的电势梯度的电阻式栅极，所述电势梯度将所述传感器中的光电子引导到积累区域。所述线传感器包含附接到所述电阻式栅极的多个电极，从而允许调整所述电势梯度以便将光电子从所述传感器的一个区域引导到积累区域同时防止其它光电子到达所述积累区域。所述驱动电路设置所述多个电极中的一或多者上的电压以便控制将光电子从所述传感器的哪些区域引导到所述积累区域。
在一个实施例中，所述线传感器可进一步包括半导体隔膜。在另一实施例中，所述半导体隔膜可包含：电路元件，其形成于所述半导体隔膜的第一表面上；及纯硼层，其沉积于所述半导体隔膜的第二表面上。在又另一实施例中，所述线传感器可包括电子轰击线传感器。在又另一实施例中，所述系统可包含多个线传感器。在又另一实施例中，所述线传感器可包含光学刀口或其它机械孔径结构，且电孔径调整可用来校正所述机械孔径结构的未对准，借此简化对准且降低制造成本。在又另一实施例中，所述刀口或其它机械孔径可在计算机控制下移动，使得通过结合设置所述线传感器的电阻式栅极上的电极上的电压适当地定位所述刀口或孔径，计算机可选择不同检查模式。
所述样本可由载物台支撑，所述载物台在检查期间相对于光学器件移动。可与所述载物台的运动同步地从所述传感器读出电荷。
示范性检查系统可包含从不同入射角及/或不同方位角及/或以不同波长及/或偏光状态照明所述样本的一或多个照明路径。示范性检查系统可包含收集由所述样本沿着不同方向反射或散射的光及/或对不同波长及/或不同偏光状态敏感的一或多个集光路径。
附图说明
图1说明示范性检查或计量系统。
图2A及2B说明具有线照明及一或多个集光通道的示范性检查系统。
图3A说明具有法向照明及倾斜照明的示范性检查系统。
图3B说明具有多个测量子系统的示范性计量系统。
图4说明根据本发明的实施例的包含简化线传感器的示范性检查系统。
图5A、5B、5C及5D说明根据本发明的替代实施例的可施加到电阻式控制栅极的示范性电压分布。
图6是展示根据本发明的另一特定实施例的示范性线传感器的像素的横截面图。
图7是展示根据本发明的另一特定实施例的示范性线传感器的简化像素的横截面图。
具体实施方式
本文中描述用于半导体检查及计量系统的改进传感器。下文描述经提出以使所属领域的一般技术人员能够制造及使用本发明，如特定应用及其要求的上下文中所提供。如本文中所使用，方向术语(例如“顶部”、“底部”、“在…上方”、“在…下方”、“上”、“向上”、“下”、“在…下面”及“向下”)希望提供相对位置以用于描述目的，且并非希望指定绝对参考系。所述实施例的各种修改将对所属领域的技术人员显而易见，且本文中所定义的一般原理可应用于其它实施例。因此，本发明并非希望限于所展示及所描述的特定实施例，但应被赋予与本文中所揭示的原理及新颖特征一致的最广范围。
图1说明经配置以检查或测量样本108(例如晶片、分划板或光掩模)的示范性检查或计量系统100。样本108放置于载物台112上以促进移动到光学器件下方的样本108的不同区域。载物台112可包括X-Y载物台或R-θ载物台。在一些实施例中，载物台112可在检查期间调整样本108的高度以维持聚焦。在其它实施例中，物镜105可经调整以维持聚焦。
照明源102可包括一或多个激光器及/或宽带光源。照明源102可发射DUV及/或VUV辐射。光学器件103(包含物镜105)引导辐射朝向样本108且将所述辐射聚焦于样本108上。光学器件103还可包括镜、透镜、偏光器及/或光束分离器(为简单起见未展示)。从样本108反射或散射的光由光学器件103收集、引导且聚焦到传感器106上，传感器106在检测器组合件104内。
检测器组合件104包含本文中所描述的传感器中的至少一者。在一个实施例中，传感器106的输出经提供到分析输出的计算系统114。计算系统114由程序指令118而配置，程序指令118可存储于载体媒体116上。在一个实施例中，计算系统114控制检查或计量系统100及传感器106以根据本文中所揭示的方法检查或测量样本108上的结构。
在一个实施例中，照明源102可为连续源，例如弧光灯、激光器泵浦等离子光源或CW激光器。在另一实施例中，照明源102可为脉冲源，例如锁模激光器、Q切换激光器或由Q切换激光器泵浦的等离子光源。在并入Q切换激光器的检查或计量系统100的一个实施例中，检测器组合件104内的线传感器或若干线传感器与激光脉冲同步。
检查或计量系统100的一个实施例照明样本108上的线，且将经散射及/或经反射光收集于一或多个暗场及/或亮场集光通道中。在此实施例中，检测器组合件104可包含线传感器或电子轰击线传感器。举例来说，在系统100的此实施例中，本文中所描述的电阻式栅极结构可用来选择待收集的经散射及/或经反射光的部分。
在以下各者中描述检查或计量系统100的各项实施例的额外细节：2012年7月9日申请、标题为“晶片检查系统(Wafer inspection system)”的第13/554,954号美国专利申请案；2009年7月16日发表、标题为“使用小反射折射物镜的分离场检查系统(Split fieldinspection system using small catadioptric objectives)”的第2009/0180176号美国公开专利申请案；2007年1月4日发表、标题为“用于发射折射光学系统中的激光暗场照明的光束递送系统(Beam delivery system for laser dark-field illumination in acatadioptric optical system)”的第2007/0002465号美国公开专利申请案；1999年12月7日发布、标题为“具有宽范围变焦能力的超宽带UV显微镜成像系统(Ultra-broadband UVmicroscope imaging system with wide range zoom capability)”的第5,999,3105号美国专利；2009年4月28日发布、标题为“使用具有二维成像的激光器线照明的表面检查系统(Surface inspection system using laser line illumination with two dimensionalimaging)”的第7,525,649号美国专利；由王(Wang)等人在2013年5月9日发表、标题为“动态可调整半导体计量系统(Dynamically Adjustable Semiconductor Metrology System)”的第2013/0114085号美国公开专利申请案；由皮旺卡-科尔(Piwonka-Corle)等人在1997年3月4日发布、标题为“聚焦光束椭圆偏振测量方法及系统(Focused Beam SpectroscopicEllipsometry Method and System)”的第5,608,526号美国专利；及由罗斯(Rosencwaig)等人在2001年10月2日发布、标题为“用于分析半导体上的多层薄膜堆叠的设备(Apparatusfor Analysing Multi-Layer Thin Film Stacks on Semiconductors)”的第6,297,880号美国专利。所有这些专利及专利申请案以引用方式并入本文中。
图2A及2B说明根据本发明的其它示范性实施例的并入本文中所描述的传感器及/或方法的暗场检查系统的方面。在图2A中，照明光学器件201包括激光器系统220，激光器系统220产生光202，光202由镜或透镜203聚焦到所检查的晶片或光掩模(样本)211的表面上的线205。集光光学器件210使用透镜及/或镜212及213将从线205散射的光引导到传感器215。集光光学器件210的光学轴214不在线205的照明平面中。在一些实施例中，光学轴214近似垂直于线205。传感器215包括阵列传感器，例如线性阵列传感器。传感器215可包括如本文中所描述的传感器，及/或本文中所描述的方法中的一者可用来检查样本211。
图2B说明多个暗场集光系统231、232及233的一个实施例，每一集光系统大体上类似于图2A的集光光学器件210。集光系统231、232及233可结合大体上类似于图2A的照明光学器件201的照明光学器件使用。每一集光系统231、232及233并入本文中所描述的传感器中的一或多者。样本211支撑于载物台221上，载物台221将待检查区域移动于光学器件下方。载物台221可包括X-Y载物台或R-θ载物台，其优选地在检查期间大体上连续移动从而以最小停滞时间检查大样本区域。
在以下各者中描述根据图2A及2B中所说明的实施例的检查系统的更多细节：由Wang等人在2015年4月21日申请、标题为“共焦线检查光学系统(Confocal LineInspection Optical System)”的上文引用的同在申请中的第14/691,966号美国专利申请案；2009年4月28日发布、标题为“使用具有二维成像的激光器线照明的表面检查系统(Surface inspection system using laser line illumination with two dimensionalimaging)”的第7,525,649号美国专利；及2003年8月19日发布、标题为“用于检测表面的模态及/或特征的系统(System for detecting anomalies and/or features of asurface)”的第6,608,676号美国专利。所有这些专利及专利申请案以引用方式并入本文中。
图3A说明经配置以使用法向照明光束及倾斜照明光束检测样本上的粒子或缺陷的检查系统300。在此配置中，激光器系统330提供激光束301。透镜302通过空间滤光器303使光束301聚焦。透镜304准直所述光束并将所述光束递送到偏光光束分离器305。光束分离器305将第一偏光分量传递到法向照明通道且将第二偏光分量传递到倾斜照明通道，其中所述第一分量及所述第二分量是正交的。在法向照明通道306中，所述第一偏光分量由光学器件307聚焦且由镜308反射朝向样本309的表面。由样本309(例如晶片或光掩模)散射的辐射由抛物面镜310收集并聚焦到传感器311。
在倾斜照明通道312中，所述第二偏光分量由光束分离器305反射到镜313，镜313使此光束反射穿过半波板314且由光学器件315聚焦到样本309。源自倾斜通道312中的倾斜照明光束且由样本309散射的辐射由抛物面镜310收集且聚焦到传感器311。传感器311及照明区域(来自样本309上的法向照明通道及倾斜照明通道)优选地在抛物面镜310的焦点处。
抛物面镜310使来自样本309的经散射辐射准直成准直光束316。准直光束316接着由物镜317聚焦且穿过检偏镜318而到传感器311。应注意，也可使用具有除抛物面形状外的形状的弯曲镜表面。仪器320可提供光束与样本309之间的相对运动，使得跨越样本309的表面扫描光点。传感器311可包括本文中所描述的传感器中的一或多者。2001年3月13日发布、标题为“样本检查系统(Sample inspection system)”的第6,201,601号美国专利及由罗马诺夫斯基(Romanovsky)等人申请、标题为“晶片检查(Wafer Inspection)”的第2013/16346号美国公开专利申请案描述检查系统300的额外方面及细节。这些档案以引用方式并入本文中。
图3B说明具有并入本文中所揭示的传感器中的一或多者的多个测量子系统的示范性计量系统350。计量系统350包含光束分布椭圆偏光计(BPE)10、光束分布反射计(BPR)12、宽带反射分光计(BRS)14、深紫外光反射分光计(DUV)16、宽带光谱椭圆偏光计(BSE)18及参考椭圆偏光计2。这六个光学测量装置可利用少到三个光学源：激光器20及90以及白光源22。激光器20产生探测光束24，且白光源22产生探测光束26(其由透镜28准直且由镜29沿着相同于探测光束24的路径引导)。激光器20理想上是发射可见或近IR波长(例如近670nm的波长)的线性偏光3mW光束的固态激光器二极管。白光源22理想上是产生涵盖约200nm到800nm或更广的光谱的多色光束的宽带、激光器泵浦等离子灯。探测光束24/26由镜30反射，且通过镜42到样本4。
探测光束24/26使用透镜32或透镜33聚焦到样本表面上。在优选实施例中，两个透镜32/33经安装于转座(未展示)中且替代地可移动到探测光束24/26的路径中。透镜32是具有高数值孔径(约0.90NA)以产生相对于样本表面的大入射角扩展且产生直径约一微米的光点大小的显微镜物镜。透镜33是具有较低数值孔径(约0.1NA到0.4NA)且能够将深UV光聚焦到约10微米到15微米的光点大小的反射透镜。
在1993年1月19日发布的第5,181,080号美国专利中论述光束分布椭圆偏光计(BPE)，所述专利以引用方式并入本文中。BPE 10包含四分之一波板34、偏光器36、透镜38及四象限检测器(quad detector)40。在操作中，线性偏光探测光束24由透镜32聚焦到样本4上。从样本表面反射的光向上通过透镜32，通过镜42、30及44，且由镜46引导到BPE 10中。经反射探测光束内的射线的位置对应于相对于样本的表面的特定入射角。四分之一波板34使光束的偏光状态中的一者的相位推迟90度。线性偏光器36引起光束的两种偏光状态彼此干扰。对于最大信号，偏光器36的轴应经定向相对于四分之一波板34的快轴及慢轴成45度的角。检测器40是具有四个径向安置象限的四象限单元检测器，每一象限拦截探测光束的四分之一且产生与撞击所述象限的探测光束的部分的功率成比例的单独输出信号。来自每一象限的输出信号经发送到处理器48。如美国专利5,181,080中所论述，通过监测光束的偏光状态的变化，可确定椭偏信息，例如Ψ及Δ。
在1991年3月12日发布的美国专利第4,999,014号中论述光束轮廓反射计(BPR)，所述专利以引用方式并入本文中。BPR 12包含透镜50、光束分离器52以及两个线性检测器阵列54及56以测量样本的反射比。在操作中，线性偏光探测光束24由透镜32聚焦到样本4上，其中所述光束内的各种射线以入射角范围撞击样本表面。从样本表面反射的光向上通过透镜32，通过镜42及30，且由镜44引导到BPR 12中。所述经反射探测光束内的射线的位置对应于相对于样本的表面的特定入射角。透镜50使所述光束在空间上二维扩展。光束分离器52分离所述光束的s分量及p分量，且检测器阵列54及56经定向而彼此正交以隔离关于s偏光及p偏光的信息。更高入射射线角将落于更接近所述阵列的对置端处。来自所述检测器阵列中的每一组件的输出将对应于不同入射角。检测器阵列54/56根据相对于样本表面的入射角测量跨越经反射探测光束的强度。检测器阵列54/56可包括具有如本文中所描述的电阻式栅极的一或多个线传感器。处理器48接收检测器阵列54/56的输出，且基于这些角相依强度测量通过利用各种类型的模型化算法来导出薄膜层8的厚度及反射率。通常采用使用迭代过程的优化例程，例如最小平方拟合例程。在1993年《应用物理杂质(Journal ofApplied Physics)》，第73卷，第11期，第7035页，方东(Fanton)等人的“使用光束轮廓反射率的薄膜的多参数测量(Multiparameter Measurements of Thin Films Using Beam-Profile Reflectivity)”中描述此类型的优化例程的一个实例。另一实例出现于1997年《Journal of Applied Physics》，第81卷，第8期，第3570页，冷(Leng)等人的“使用分光光度及光束轮廓反射计同时测量硅或绝缘体膜堆叠中的六个层(Simultaneous Measurementof Six Layers in a Silicon on Insulator Film Stack Using Spectrophotometryand Beam Profile Reflectometry)”中。
宽带反射分光计(BRS)14同时使用多个光波长探测样本4。BRS 14使用透镜32且包含可为先前技术中普遍已知及使用的任何类型的宽带分光计58。分光计58包含透镜60、孔径62、分散元件64及检测器阵列66。在操作期间，来自白光源22的探测光束26由透镜32聚焦到样本4上。从样本表面反射的光向上通过透镜32，且由镜42引导(通过镜84)到分光计58。透镜60使所述探测光束聚焦穿过孔径62，孔径62将视野中的光点界定于样本表面上以便分析。分散元件64(例如衍射光栅、棱镜或全像板)根据波长使所述光束有角度地分散到检测器阵列66中含有的个别检测器元件。不同检测器组件优选地同时测量所述探测光束中含有的光的不同波长的光学强度。在优选实施例中，检测器阵列66包括如本文中所描述的线传感器。此外，分散元件64也可经配置以根据波长使光沿着一个方向分散，且根据相对于样本表面的入射角使光沿着正交方向分散，使得根据波长及入射角两者的同时测量是可能的。在此实施例中，检测器阵列66可包括其中电阻式栅极如本文中所描述那样配置以便同时收集2个或3个光谱的线传感器，每一光谱对应于不同入射角范围。处理器48处理由检测器阵列66测量的强度信息。
深紫外光反射分光计(DUV)同时使用多个紫外光波长探测样本。DUV 16使用相同于BRS 14的分光计58来分析探测光束26，除DUV 16使用反射透镜33而非聚焦透镜32。为了操作DUV 16，含有透镜32/33的转座经旋转使得反射透镜33对准探测光束26。反射透镜33是必需的，这是因为固体物镜无法使UV光充分聚焦到样本上。
在1999年3月2日颁予阿斯普(Aspnes)等人的待审第5,877,859号美国专利中论述宽带光谱椭圆偏光计(BSE)，所述专利以引用方式并入本文中。BSE(18)包含偏光器70、聚焦镜72、准直镜74、旋转补偿器76及检偏镜80。在操作中，镜82将探测光束26的至少部分引导到偏光器70，偏光器70产生所述探测光束的已知偏光状态(优选地线性偏光)。镜72以与样本表面的法线成倾斜角(理想上约70度)而将所述光束聚焦到样本表面上。基于众所周知的椭偏原理，所述经反射光束在与样本互动之后通常将具有混合线性及圆形偏光状态(基于样本的膜8及衬底6的组合物及厚度)。所述经反射光束由镜74准直，镜74将所述光束引导到旋转补偿器76。补偿器76引入一对相互正交的偏光光束分量之间的相对相位延迟δ(相位推迟)。补偿器76优选地由电动发动机78围绕大体上平行于所述光束的传播方向的轴以角速度ω旋转。检偏镜80(优选地另一线性偏光器)混合入射于其上的偏光状态。通过测量由检偏镜80透射的光，可确定所述经反射探测光束的偏光状态。镜84将所述光束引导到分光计58，分光计58在检测器66上同时测量所述经反射探测光束中通过补偿器/检偏镜组合的不同光波长的强度。如上文所说明，检测器66优选地包括具有如本文中所描述的电阻式栅极的线传感器。处理器48接收检测器66的输出，并根据波长且根据补偿器76围绕其旋转轴的方位(旋转)角处理由检测器66测量的强度信息，以解决如第5,877,859号美国专利中所描述的样本特性，例如椭偏值Ψ及Δ。
出于对准及聚焦目的，检测器/相机86经定位于镜46上方且可用来观看离开样本4的经反射光束。
为了校准BPE 10、BPR 12、BRS 14、DUV 16及BSE 18，计量系统350包含可结合参考样本4使用的波长稳定校准参考椭圆偏光计2。椭圆偏光计2包含光源90、偏光器92、透镜94及96、旋转补偿器98、检偏镜352及检测器354。
光源90产生具有已知稳定波长及稳定强度的拟单色探测光束356。光束356的波长(其是已知常数或测量值)经提供到处理器48使得椭圆偏光计2可准确地校准系统350中的光学测量装置。
光束356与偏光器92互动以产生已知偏光状态。在优选实施例中，偏光器92是由石英罗歇棱镜制成的线性偏光器，但通常偏光未必是线性的，或甚至是不完全的。偏光器92也可由方解石制成。偏光器92的方位角经定向使得与从偏光器92离开的线性偏光光束相关联的电向量的平面相对于入射平面(由光束356的传播方向及样本4的表面的法线界定)成已知角。方位角优选地被选择为约30度，这是因为敏感度在P偏光分量及S偏光分量的经反射强度近似平衡时优化。应注意，如果光源90发射具有所要已知偏光状态的光，那么可省略偏光器92。
光束356由透镜94以倾斜角聚焦到样本4上。光束356理想上与样本表面的法线成约70度的角而入射于样本4上，这是因为对样本性质的敏感度在材料的布鲁斯特或伪布鲁斯特角附近最大化。基于众所周知的椭偏原理，所述经反射光束在与样本互动之后通常将具有混合的线性及圆形偏光(相较于传入光束的线性偏光状态)。透镜96在光束356从样本4反射之后准直光束356。
光束356接着通过旋转补偿器(推迟器)98，旋转补偿器98引入一对相互正交的偏光光束分量之间的相对相位延迟δr(相位推迟)。相位推迟量是根据波长、用来形成所述补偿器的材料的分散特性及所述补偿器的厚度而变化。补偿器98优选地由电动发动机351围绕大体上平行于光束356的传播方向的轴以角速度ωr旋转。补偿器98可为任何常规波板补偿器，例如由结晶石英制成的波板补偿器。补偿器98的厚度及材料经选择使得诱导所述光束的所要相位推迟。通常，约90°的相位推迟是适宜的。
光束356接着与检偏镜352互动，检偏镜352用来混合入射于其上的偏光状态。在此实施例中，检偏镜352是优选地经定向相对于入射平面成45度的方位角的另一线性偏光器。然而，用来近似混合传入偏光状态的任何光学器件可用作检偏镜。检偏镜352优选地是石英罗歇或渥拉斯顿棱镜。
应注意，补偿器98可定位于样本4与检偏镜352之间(如图6中所展示)，或定位于样本4与偏光器92之间。还应注意，偏光器70、透镜94/96、补偿器98及偏振器352皆在其构造方面针对由光源90产生的光的特定波长而优化，此最大化椭圆偏光计2的准确度。
光束356接着进入检测器354，检测器354测量通过补偿器/检偏镜组合的光束的强度。处理器48处理由检测器354测量的强度信息以在光与检偏镜互动之后确定所述光的偏光状态，且因此确定样本的椭偏参数。此信息处理包含根据补偿器围绕其旋转轴的方位(旋转)角测量光束强度。根据补偿器旋转角的此强度测量实际上是根据时间的光束356的强度的测量，这是因为补偿器角速度通常是已知的且是常数。
2001年10月2日颁予Rosencwaig等人且以引用方式并入本文中的第6,297,880号美国专利进一步详细描述计量系统350。2002年8月6日颁予奥普斯(Opsal)等人且以引用方式并入本文中的第6,429,943号美国专利描述计量系统350可如何用于散射测量。1997年3月4日颁予Piwonka-Corle等人且以引用方式并入本文中的第5,608,526号美国专利描述并入光谱椭圆偏光计及分光亮度计的计量系统350的替代实施例。光谱椭圆偏光计及分光亮度计中的任一者或两者可并入具有如本文中所描述的电阻式栅极的线传感器。
图4说明根据本发明的示范性实施例的用于检查或测量样本401的简化系统400。系统400通常包含：照明源402，其经配置以产生辐射(例如，光)L；光学系统(光学器件)405，其经配置以将辐射L从照明源402引导到样本401且将从样本401输出或反射的辐射引导到传感器410。系统400还包含控制电路450，控制电路450可集成到传感器410(即，传感器410的部分)上或制造成与传感器410分离。
线传感器410制造于半导体衬底411(例如，p掺杂外延硅)的上表面412上，且通常包含形成于上表面412上方的四个光敏像素420-1到420-4、至少三个细长孔径控制电极430A、430B及431以及一或多个读出电路440A及440B。所属领域的技术人员将认识到，所描绘传感器经大幅简化以便描述与本发明相关联的新颖特征，并且实际线传感器包含额外电路结构且利用大体上更大数目个像素。
如图4中所指示，像素420-1到420-4在形状上是矩形或正方形，且布置成一行。像素420-1到420-4分别包含电阻式多晶硅控制栅极421-1到421-4以及缓冲/转移栅极423A及423B。电阻式控制栅极421-1到421-4通常是细长轻度掺杂多晶硅结构，其由中电介质介质层(未展示)附接到上表面412且沿着长向方向(即，沿着X轴方向测量)延伸于对置端部分之间。举例来说，像素420-1的电阻式控制栅极421-1沿着所述长向(X轴)方向延伸于第一端部分421-1A与第二端部分421-1B之间。电阻式控制栅极421-1到421-4通常沿着宽向方向结合在一起(即，所述控制栅极是由沿着图4中所指示的Y轴方向延伸的连续多晶硅层的部分形成)，但在替代实施例中，所述控制栅极由间隙而分离。每一电阻式控制栅极421-1到421-4界定其像素的相关联总(最大)光敏区域，所述光敏区域通常由安置于每一电阻式控制栅极下方的衬底411的部分形成。举例来说，如图4中所指示，像素420-1的相关联光敏区域415420-1是由定位于电阻式控制栅极421-1下方的衬底411的对应部分形成。缓冲/转移栅极423A及423B经安置成邻近电阻式控制栅极421-1到421-4的端部分，并且使用已知技术制造于衬底411上且经配置以在传感器410的操作期间促进存储及转移由像素420-1到420-4收集的电荷。举例来说，像素420-1的缓冲/转移栅极423-1A经配置以在传感器操作的集成周期期间于控制栅极421-1的端部分421-1A下方产生电荷积累区域417420-1A以用于收集电荷，且经配置以在传感器操作的读出周期期间促进将经收集电荷从电荷积累区域417420-1A转移到读出区域419420-1A(例如，由转移区域418420-1A)。
根据本发明的一方面，控制电路450经配置以由孔径控制电极430A、430B及431将孔径控制信号施加到电阻式控制栅极421-1到421-4，使得电阻式控制栅极421-1到421-4在像素420-1到420-4的光敏区域中产生电场。孔径控制电极430A、430B及431是跨越像素420-1到420-4平行延伸的细长(例如，金属)结构，且电连接到电阻式控制栅极421-1到421-4的对应区域。举例来说，第一端电极430A接触电阻式控制栅极421-1的第一端部分421-1A，第二端电极430B接触每一所述电阻式控制栅极(例如，421-1)的第二端部分421-1B，且中心电极431安置于第一端电极430A与第二端电极430A、430B之间且接触控制栅极421-1的中心区域。在传感器操作期间，控制电路450将第一孔径控制信号V430A施加到第一端电极430A上，将第二孔径控制信号V430B施加到第二端电极430B上，且将第三孔径控制信号V431施加到中心电极431上。在期望非单调电压分布的操作周期期间，控制电路450同时产生孔径控制信号V430A、V430B及V431并将孔径控制信号V430A、V430B及V431施加到孔径控制电极430A、430B及431上，使得孔径控制信号V430A及V430B比孔径控制信号V431更正(即，具有更正电压电平)。举例来说，产生具有0V电压电平的孔径控制信号V430A及V430B，且产生具有-5V电压电平的孔径控制信号V431。通过将更正电压电平施加到每一电阻式控制栅极的端部分且将更负电压电平施加到每一电阻式控制栅极的中心区域，引起每一电阻式控制栅极产生电场，使得在相关联光敏区域中产生的光电子由所述电场驱动到两个或更多个不同电荷积累区域中的一者中。举例来说，如图4中所指示，孔径控制信号V430A、V431及V430B在电阻式控制栅极421-1中产生非单调电压分布E420-1(由“V”形电势图所描绘)，非单调电压分布E420-1产生将相关联光敏区域415420-1有效地分离成两个部分415420-1A及415420-1B的电场，两个部分415420-1A及415420-1B通常安置于非单调电压分布E420-1的负峰值的相对侧。当传感器410使用非单调电压分布E420-1操作时，在光敏部分415420-1A中产生的光电子(例如，光电子P1)通过由非单调电压分布E420-1产生的电场驱动到电荷收集区域417420-1A中，且在光敏部分415420-1B中产生的光电子(例如，光电子P2)通过所述电场驱动到电荷收集区域417420-1B中。借此，通过以下步骤将像素420-1到420-4的孔径大小有效地减小到光敏部分415420-1A的孔径大小：随后读出及测量仅收集于一组电荷收集区域中的电荷(例如，来自电荷收集区域417420-1A)；及忽视(例如，舍弃)收集于另一组电荷收集区域(例如，电荷收集区域417420-1B)中的电荷。因此，本发明促进由细长电连接件(电极)430A、430B及431电控制像素420-1到420-4的孔径大小，细长电连接件430A、430B及431接触每一电阻式栅极上的不同位置以便促进电势梯度(电场)的产生。需要多于两个此类电连接件以便在所述电阻式栅极中产生非单调电压分布。
包含电荷耦合装置(CCD)读出寄存器444A的至少一个读出电路440A紧邻像素420-1到420-4。每一读出寄存器444A连接到电荷转换放大器446A及产生输出信号458的缓冲器447A。读出寄存器444A由多个时钟信号454及455控制，多个时钟信号454及455连同其它控制信号(未展示)(例如缓冲栅极控制信号及转移栅极控制信号)一起由控制电路450产生。尽管展示由时钟信号454及455产生的两相时钟，但使用三相时钟及四相时钟的读出寄存器在所属领域中是已知的且可被使用。
再次参考图4，在操作期间，由照明源402产生的光L通过光学系统(光学器件)405引导到样本401上，且从样本401输出或反射的经重导引光也通过光学器件405引导到传感器410，且通过下(底部)表面413进入传感器400。根据本实施例的一方面，光学器件405经配置以共焦图像的形式将辐射(光)L从样本401引导到传感器410。在一个特定实施例中，光学器件405经配置以将安置于对应角范围内的辐射从样本401引导到传感器410，使得从类似结构位置或角传输的光被引导到每一像素的光敏区域的类似部分中。举例来说，光学器件405经配置使得在第一角度范围α1内从样本401引导到传感器410的第一光部分L1被引导到像素420-1的相关联光敏区域415420-1的第一光敏部分415420-1A中，且使得在第二角度范围α2内从样本401引导到传感器410的第二光部分L2被引导到光敏区域415420-1的第二光敏部分415420-1B中。应注意，第一光敏部分415420-1A比第二光敏部分415420-1B更接近电阻式控制栅极421-1的第一端部分421-1A，且第二光敏部分415420-1B经定位比第一光敏部分415420-1A更接近第二端部分421-1B。进入每一光敏部分的辐射(光)L被吸收并且产生在集成周期期间收集且接着在后续读出周期期间循序地测量的光电子。举例来说，图4描绘响应于光部分L1在光敏区域415420-1的第一光敏部分415420-1A中产生的第一光电子P1，且描绘响应于光部分L2在第二光敏部分415420-1B中产生的第二光电子P2。在电阻式控制栅极421-1到421-4上产生的电压分布控制将哪些光电子积累于每一像素420-1到420-4内的哪个位置处。举例来说，在通过具有0V值的孔径控制信号V430A及V430B以及具有负5V(-5V)值的孔径控制信号V431驱动电阻式控制栅极421-1时，电阻式控制栅极421-1在相关联光敏区域415420-1中产生非单调电压分布E420-1，非单调电压分布E420-1将由第一光部分L1在第一光敏部分415420-1A中产生的第一光电子P1驱动到第一电荷积累区域417420-1A中，且同时将由第二光部分L2在第二光敏部分415420-1B中产生的第二光电子P2驱动到第二电荷积累区域417420-1B中。在集成周期结束时，缓冲/转移栅极423A-1控制将经积累光电子电荷从电荷积累区域417420-1A转移到转移区域418420-1A中，且接着到读出寄存器444A-1的对应区域419420-1A。接着利用由控制电路450产生的时钟信号454及455来控制将电荷从一个寄存器444A循序地转移到下一寄存器并从最后寄存器转移到电荷转换放大器446A及缓冲器447A。因此，由每一像素420-1到420-4以上文所描述的方式捕获的电荷又作为电压或电流输出信号458输出到控制电路450。
在替代实施例中，同时舍弃(即，耦合到接地或以其它方式擦除)或读出由进入第二光敏部分(例如，图4中的光敏部分415420-1B)的光电子产生的电荷与由进入选定光敏部分(例如，图4中的光敏部分415420-1A)的光电子产生的电荷。为促进从第二光敏部分读出电荷，传感器410包含选用第二读出电路440B，第二读出电路440B安置于像素420-1到420-4的第二端上，包含耦合到转移栅极423B且以上文参考读出电路440A所描述的方式起作用的寄存器、放大器及缓冲器。
尽管图4说明可如何使用孔径控制电极430A、430B及431来选择来自样本401的辐射的不同角度，但在替代实施例中，光学器件405经配置使得可使用控制电极430A、430B及431以选择来自样本401的不同位置的辐射。
图5A到5D是说明可如何通过使用多于三个孔径控制电极在电阻式控制栅极中产生不同电压分布而产生不同非单调电压分布的简化图。
图5A描绘可通过四个孔径控制电极(即，在沿着电阻式控制栅极521的长度的位置A及D处的端电极525A及525D以及在沿着电阻式控制栅极521的长度的位置B及C处的两个中心电极525B及525C)施加到电阻式控制栅极521(为参考起见，以虚线展示)的不同电压方案。以类似于上文参考图4所描述的方式的方式，不同电压可施加到电极525A到525D以产生电阻式控制栅极521内的不同位置之间的电势差，借此通过引起电阻式控制栅极521产生不同电场而调整有效像素孔径大小。由图5A中的线501、503及505指示可施加到电阻式控制栅极521的不同电势的实例。在一个实施例中，在检查样本(例如，检测及/或测量样本的特征)的过程期间，由电阻式控制栅极521产生的电场在相应时间周期期间通过改变施加到电极525A到525D的孔径控制信号(电压)(例如，在由线501、503及505所描绘者之间)而改变。
由图5A中的线501指示的电压分布描绘位置D(其对应于端电极525D的位置)处的-5V与位置A(其对应于端电极525A的位置)处的0V之间的近似线性电压梯度。位置B及C(其对应于中心电极525B及525C的位置)的电压是介于0V与-5V之间的值。由于施加于位置A及D处的电压产生沿着电阻式控制栅极521的近似线性电压梯度，所以无需在期望近似线性电压梯度501时驱动位置B及C处的中心电极525B及525C。电阻式控制栅极521上的电压诱导在衬底中在控制栅极521正下方光敏区域的表面附近的电荷，且因此在衬底中产生电势梯度(电场)。由于电子带负电，所以每一光电子将快速迁移朝向其附近的最正电势。因此，在类似于由图5A的线501所描绘的近似线性梯度的情况下，光电子将仅积累于位置A附近。由于位置A对应于接触件525A的位置，所以此近似线性电势梯度引起在对应像素的光敏区域中产生的大体上所有光电子积累于电极525A下方的电荷积累区域中，借此经积累电荷随后可以上文参考图4所描述的方式转移到读出寄存器。
图5A中的线503说明根据本发明的示范性实施例的产生于电阻式控制栅极521上的第二电压分布。位置B通过施加到中心电极525B的相关联孔径控制信号保持于-5V，而位置A及D通过端电极525A及525D保持于0V。位置C可通过电极525C驱动到介于-5V与0V之间的中间电压(例如约-2.5V)，或位置C可处于浮动。在此状态中，有效像素孔径大小经界定于位置A与B之间。即，在位置A与B之间电阻式控制栅极521下方的衬底中产生的光电子将快速迁移于位置A下方，这是因为位置A是那个区域中的最正电势。在位置B与D之间电阻式控制栅极521下方的衬底中产生的光电子将快速迁移到经定位成邻近位置D(例如，电极525D下方)的电荷积累区域，这是因为位置D是那个像素区域中的最电势。位置A附近的经积累电荷可从像素读出到读出寄存器中，例如图4中所展示的寄存器444A-1。位置D附近的经积累电荷可通过例如运用定位于位置D附近的溢流漏极(overflow drain)或泄流漏极(scupperdrain)收集其予以舍弃，或替代地所述电荷可从像素读出到第二读出电路中，例如如图4中所展示的电路440B。由于此电压梯度引起传感器收集对应于在位置A与B之间命中传感器的光的信号，所以虽然分离或舍弃对应于在位置B与D之间命中传感器的光的信号，但所述电压梯度充当实际上阻挡或分离在位置B与D之间到达传感器的光的孔径或光束分割器，同时使在位置A与B之间到达传感器的光透射到输出信号，例如图4中的输出信号458。不同于机械孔径，在传感器前面无需额外物理空间来容纳所述孔径。此外，由于电控制电压梯度，电压梯度可极快速地(例如，在几微秒内或更少中)改变，此远快于机械孔径可改变的速度。
图5A中的线505说明电阻式控制栅极521上的又另一实例电压分布，且展示可如何通过改变施加到电阻式控制栅极521的电压而调整像素孔径大小。在此情况中，位置C通过施加到电极525C的相关联孔径控制信号保持于-5V，而位置A及D通过端电极525A及525D保持于0V(位置B是浮动的或保持于中间电压)。在此状态中，有效像素孔径大小是在位置A与C之间。即，在电极525A与525C之间电阻式控制栅极521下方的衬底中产生的光电子将快速地迁移到电极525A下方的电荷积累区域，这是因为电极525A是那个区域中的最正电势。在电极525C与525D之间电阻式控制栅极521下方的衬底中产生的光电子将快速地迁移到电极525D下方的电荷积累区域，这是因为电极525D是那个像素区域中的最电势。位置A附近的经积累电荷可从像素读出到读出寄存器中，例如图4中所展示的寄存器444A-1，且位置D附近的经积累电荷可被舍弃或读出到读出电路中，例如图4中所展示的电路440A。
尽管图5A的实例利用四个位置A、B、C及D来控制通过四个接触件(电极)525A、525B、525C及525D施加到电阻式控制栅极521的电压梯度，但可使用三个接触件(如在图4的示范性实施例中)，或可使用多于四个接触件(如以下实施例中所说明)。三个接触件允许全像素被选择及引导到输出，或允许所述像素划分成两个部分(一个“孔径”)。除全像素外，四个接触件也允许两个不同“孔径”大小的选择或像素的两种不同划分。多于四个接触件将允许多于两个不同“孔径”大小。
图5B描绘可通过沿着电阻式控制栅极531的长度分别安置于五个不同位置(A、B、C、D及E)处的五个孔径控制电极(即，端电极535A及535E以及三个中心电极535B、535C及535D，为参考起见都以虚线展示)施加到电阻式控制栅极531的不同电压方案。以类似于上文参考图4及5A所描述的方式的方式，不同电压由控制电路(未展示)施加到电极535A到535E以产生电阻式控制栅极531内的不同位置之间的电势差，借此通过引起电阻式控制栅极531产生相关联电场而调整有效像素孔径大小。图5B中的线510、513描绘施加到电阻式控制栅极531的两个示范性非单调电压分布，所述电阻式控制栅极531形成类似于图4的线传感器410的线传感器的对应像素的部分。
图5B中的线510描绘在第一时间周期期间产生且包括位置C(中心电极535C)处的-5V与位置A及E(端电极535A及535E)处的0V之间的两个近似线性电压梯度的电压分布。在此时间周期期间，位置B及位置D处的中心电极535B及535D浮动或以其它方式维持于介于0V与-5V之间的值的电压。在位置A与C之间电阻式控制栅极531下方的衬底中产生的光电子将快速迁移到位置A附近(端电极535A下方)的电荷积累区域，这是因为位置A是那个区域中的最正电势。在位置C与E之间电阻式控制栅极531下方的衬底中产生的光电子将快速迁移于位置E下方，这是因为位置E是那个像素区域中的最电势。在所述时间周期结束时，位置A附近的经积累电荷可从像素读出到读出寄存器中，例如图4中所展示的寄存器444A-1。位置E附近的经积累电荷可通过例如运用定位于位置E附近的溢流漏极或泄流漏极收集其予以舍弃，或替代地所述电荷可从像素读出到第二读出电路中，例如如图4中所展示的电路440B。
图5B中的线513描绘第二电压分布，所述第二电压分布在第二时间周期期间(例如，在第一时间周期之后或之前)产生且通过以下步骤而包括四个近似线性电压梯度：将更负电压(例如，-5V)施加到位置B及D处的电极535B及535D；及同时将更正电压(例如，0V)施加到位置A、C及E处的电极535A、535C及535E。在位置A与B之间电阻式栅极531下方的衬底中产生的光电子将快速迁移于位置A下方，这是因为位置A是那个区域中的最正电势。在位置D与E之间电阻式控制栅极531下方的衬底中产生的光电子将快速迁移到于位置E下方，这是因为位置E是那个像素区域中的最电势。在位置B与D之间电阻式控制栅极531下方的衬底中产生的光电子将快速迁移于位置C下方，这是因为位置C是那个区域中的最正电势。位置A附近的经积累电荷可从像素读出到读出寄存器中，例如图4中所展示的寄存器444A-1。位置E附近的经积累电荷可从像素读出到第二读出电路中，例如如图4中所展示的电路440B。位置C附近的经积累电荷随后可例如通过以下步骤从像素读出：首先改变电阻式控制栅极531上的电压分布(例如，到例如图5A中所展示的501或图5B中所展示的510的分布)，使得积累于位置C处的电荷经驱动到一或两个端位置A及/或E。一旦电荷已移动到像素的一或两侧，所述电荷便可被转移到读出电路，例如图4中所展示的电路440A或440B。以此方式，传感器可经配置以同时收集三个图像数据值，即使传感器仅具有两个读出电路(即，图4中所展示的电路440A或440B)。
图5C描绘可通过沿着电阻式控制栅极541的长度分别安置于五个不同位置(A、B、C、D及E)处的五个孔径控制电极(即，端电极545A及545E以及三个中心电极545B、545C及545D)施加到电阻式控制栅极541的不同电压方案，所述电阻式控制栅极541形成类似于图4的线传感器410的线传感器的对应像素的部分。在此实例中，中心电极545B、545C及545D沿着位置E的方向偏移以促进每一像素的有效孔径大小的增量精细调整。具体来说，以类似于上文参考图4及5A所描述的方式的方式，不同电压通过控制电路(未展示)施加到电极545A到545E以产生电阻式控制栅极541内的不同位置之间的电势差，借此通过引起电阻式控制栅极541产生相关联电场而调整每一像素的有效像素孔径大小。图5C中的线514、515及516描绘通过以下步骤产生的三个示范性非单调电压分布：将相对正电压(例如，0V)施加到端电极545A及545E且将对应替代相对负电压(例如，-5V)施加到中心电极545B、545C及545D，借此分别产生相对小孔径大小(例如，在位置A与B之间)、中间孔径大小(例如，在位置A与C之间)及相对大孔径大小(例如，在位置A与D之间)。如先前实例中所说明，在每一时间周期结束时，随后读出积累于位置A处的电荷。图5C中所描绘的方法可用来精细调整传感器的所有像素的有效孔径大小以便优化光收集，或可用来在校准周期期间调整每一个别像素的有效孔径大小，使得所述传感器的所有像素具有均匀孔径大小。
图5D描绘可通过沿着电阻式控制栅极551的长度分别安置于五个不同位置(A、B、C、D及E)处的五个孔径控制电极(即，端电极555A及555E以及三个中心电极555B、555C及555D)施加到电阻式控制栅极551的不同电压方案，电阻式控制栅极551形成类似于图4的线传感器410的线传感器的对应像素的部分。在此实例中，中心电极555B及555D经安置更接近中心电极555C(中心位置C)以通过产生边缘场而促进每一像素的有效孔径的进一步增量精细调整。具体来说，以类似于上文参考图4及5A所描述的方式的方式，通过将负电压(例如，-5V)施加到中心电极555C且将更正电压(例如，0V)施加到端电极555A及555E(中心电极555B及555D是浮动的)而产生由线517所描绘的对称“V”形非单调电压分布。为使有效像素孔径边缘移位到右侧(即，朝向位置E)，将中间调整电压(例如，-2.5V)施加到中心电极555B，借此产生由线518所描绘的电压分布，所述电压分布引起电阻式栅极电极521产生朝向位置E移位的对应非对称电场。相反地，为使有效像素孔径边缘移位到左侧(即，朝向位置A)，将中间调整电压(例如，-2.5V)施加到中心电极555D，借此产生由线519所描绘的电压分布，所述电压分布引起电阻式栅极电极521产生朝向位置A移位的对应非对称电场。图5D中所描绘的方法可用来在操作期间通过改变施加到中心电极555B及555D的调整电压而连续调整像素边缘位置。
尽管图5A到5D的实例展示介于-5V与0V之间的电压梯度，但此仅是可有用的电压范围的实例。举例来说，介于约-6V与-1V之间或介于约-4V与+1V之间的电压梯度将具有与介于-5V与0V之间的电压梯度大体上类似的效应且可代替地加以使用。尽管约5V的电压差对于约100μm长的像素来说是适宜值，但尤其在所述像素短于约100μm的情况下，可使用更小电压差。电压差可大于5V。如果所述像素长于约150μm，那么更大电压差可尤其有用。也应注意，电压值必需与零伏特参考的任意选择有关。尽管最常选择接地作为零伏特参考，但在一些应用(例如电子或其它带电粒子的检测)中，整个传感器可浮动于远离接地的电势。对于本文中所使用的示范性电压，除非另有说明，否则可假定光(或带电粒子)入射于其上的传感器表面是在零伏特的几伏特内。
图6以横截面说明根据本发明的另一特定实施例的示范性线传感器600。传感器600制造于半导体隔膜601(例如，轻度p掺杂外延硅层)中，半导体隔膜601生长于硅晶片(未展示)上且接着通过从背侧抛光或蚀刻而曝光。外延硅601中的掺杂剂浓度优选地为约2x1013个原子cm-3或更小。
光699从下方入射于传感器600上。在一个实施例中，几nm厚度(例如介于约2nm与约6nm之间的厚度)的纯硼层602沉积于外延硅601的底部(照明)表面上以防止氧化且使传感器600有弹性地免受曝光于DUV辐射及带电粒子的损害。由于DUV光对检查及测量半导体晶片上的小特征尤其有用，所以在半导体检查及计量系统中，在连续曝光于UDV辐射下具有多年寿命的传感器尤其有用。在替代实施例中，省略纯硼层602。在入射于传感器600上的平均DUV功率密度足够低使得传感器劣化最小(例如小于约20μW cm-2的DUV功率密度)的情况下，此实施例可为有用的(通常较短波长光更具破坏性，因此使用极短波长及较低功率密度的系统可受益于纯硼层602，而在不具有硼层602的情况下，使用较长波长及较高功率密度的另一系统可具有可接受的传感器寿命)。
在将纯硼层602沉积于底部表面上期间，一些硼扩散到形成邻近纯硼层602的仅几nm厚的高度p掺杂硅层603的硅中。在一个实施例中，这是通过紧接在纯硼层602的沉积之后使含有传感器600的晶片保持于高温(例如介于约800℃与约900℃之间的温度)达几分钟而实现。高度p掺杂硅层603产生内建电场，所述内建电场驱动产生于硅的后表面附近的任何光电子远离所述底部表面。此内建场是非常重要的，因为多数DUV辐射被吸收于硅表面的10nm到15nm内。如果任何所述光电子到达所述表面，那么存在所述光电子将重组且丢失因此减小传感器600的量子效率(QE)的高概率。需要强内建场以非常快速地驱动光电子远离所述硅表面以便在DUV波长下具有高QE。在其中不存在纯硼层602的传感器中，必须使用离子植入或其它掺杂技术来产生高度p掺杂硅层603。
在优选实施例中，抗反射涂层680形成于下表面613上方(例如，沉积到硼涂层602上，或在其中不存在纯硼层602的实施例中直接沉积到外延硅601的下表面613上)。由于硼及硅两者具有DUV光的高吸收系数，所以硼及硅强力反射光。传感器600的QE可通过使用抗反射层680而显著改进。抗反射涂层680可包括一或多个电介质材料层，例如二氧化硅、氧化铝及氟化镁。如果传感器无需在DUV波长下操作，那么更广范围的材料可用于抗反射涂层680，除刚列举的材料外，还包含二氧化铪及氮化硅。
带电粒子传感器通常无需抗反射涂层。在此类传感器中，层680可被省略，或可包括薄导电涂层，例如几nm厚耐火金属层。
电介质层608沉积于或生长于外延硅601的顶部表面上。电介质层608可包括二氧化硅层，或电介质层608可包括两个或三个层，例如在二氧化硅上的氮化硅或在二氧化硅上的氮化硅上的二氧化硅。通常，电介质层608的厚度在约50nm到约200nm的范围中。n型硅层604作为埋入式通道产生于前表面下方以收集光电子。
多个栅极电极(例如630、635及640)沉积且图案化于电介质层608的顶部上。所述栅极电极通常由多晶硅或铝制成，但可使用包含其它金属及半金属化合物(例如TiN)的其它导电材料。可制成到所述栅极电极的电连接件(例如631、636及641)。尽管图6描绘仅在电阻式栅极620的左侧上的栅极电极(例如630、635及640)，但在电阻式栅极620的右侧上也可存在类似结构以便允许从像素的两侧读出，如由图4中的读出电路440A及440B所说明。
在优选实施例中，栅极电极彼此重叠(例如，如在632处所展示)以便最小化及控制所述电极的边缘附近的边缘电场。所述栅极电极通过电介质材料(未展示)而分离。
电阻式栅极620(优选地包括未掺杂或轻度掺杂多晶硅(poly-silicon))覆盖光敏像素。制成到电阻式栅极上的不同位置的多个电连接件。由621A、621B、621C及621D示意地展示这些连接件(或接触件)。尽管展示四个电连接件，但取决于需要多少种不同光收集模式，可使用三个、四个或更多个电连接件。如上文所说明，通过将不同电压施加到连接到电阻式栅极620的不同接触件621A、621B、621C、621D，在电阻式栅极620中产生电压梯度。由于施加到所述接触件的不同电压，沿着所述电阻式栅极的长度的不同位置处于不同电压，如图5A及5B中所说明。外延硅601的表面处的电势随位置、根据电阻式栅极620上的对应位置处的电压而变化。此变化电势在外延层601中产生控制将光电子收集于何处的电场。由于轻度掺杂外延层601，所以存在少数自由载流子且来自表面附近的电荷的电场将延伸遍及全部或几乎全部外延层601。
举例来说，如果接触件621A比接触件621D更正且接触件621B及621C处于中间电压，使得在电阻式栅极620上接触件621D的位置与接触件621A的位置之间存在近似线性电压梯度，那么外延硅601内的电场将驱动光电子到接触件621A下方的位置。
如果缓冲栅极630保持于比621A更负的电压，那么电子将不移动于缓冲栅极630下方。为读出经积累电荷，可通过例如将比施加到接触件621A的电压更正的电压施加到接触件631而升高缓冲栅极630上的电压。通过将适当电压施加到接触件636来升高转移栅极635上的电势可使电子从缓冲栅极630下方移动到转移栅极635下方。缓冲栅极630上的电势可在相同于或稍迟于转移栅极635上的电势升高的时间降低以阻挡电子从像素直接转移到转移栅极635下方。根据需要，可包含任选的额外转移栅极、缓冲栅极或读出寄存器，例如640。最终，电子转移到浮动扩散区域(未展示)，所述浮动扩散区域又连接到输出放大器。
缓冲栅极、转移栅极、读出寄存器、浮动扩散及输出放大器在CCD中是众所周知的且在此处将不作更详细描述。图6中所展示的配置仅通过实例来说明线传感器的操作。在不背离本发明的范围的情况下，读出结构的不同配置是可能的。在一个示范性实施例中，可使用单转移栅极而不使用任何缓冲栅极。在另一示范性实施例中，可使用多个缓冲栅极。在又另一示范性实施例中，可不使用读出寄存器且个别像素或像素对可通过缓冲栅极及转移栅极连接到单独输出。未包含与本发明不直接相关的常用半导体制造过程的细节以免使描述变复杂。
图7是展示包含楔形光学刀口(机械孔径结构)760的线性传感器700的像素的简化横截面，楔形光学刀口760安置于衬底701的背侧表面上或上方，使得从样本反射或以其它方式引导到传感器700的光的部分被光学刀口760阻挡。如在先前实施例中，电阻式控制栅极721形成于衬底701的前侧表面上方的电介质层708上，且多个孔径控制电极725A到725E安置于电阻式控制栅极721的上表面上。在一个实施例中，光学刀口760是使用如在2015年4月21日申请且标题为“共焦线检查光学系统(CONFOCAL LINE INSPECTION OPTICALSYSTEM)”的共同拥有且同在申请中的第14/691,966号美国专利申请案中所教示的狭缝孔径滤光器实施，所述案的全文以引用方式并入本文中。根据本实施例，系统700的控制电路(未展示)经配置以促进施加到电极725A到725F的孔径控制电压的调整，使得在电阻式控制栅极721中产生的非单调电压分布E720调整孔径以校正光学刀口760的未对准，借此大幅简化对准过程。
上文所描述的本发明的结构及方法的各种实施例仅说明本发明的原理且并非希望将本发明的范围限于所述特定实施例。举例来说，可制成到电阻式栅极的多于四个或少于四个连接件。在检查或测量样本的方法的一个实施例中，可将一组电压施加到传感器上的电阻式栅极的接触件达对样本的检查或测量的整个持续时间。在检查或测量样本的方法的另一实施例中，可在检查或测量单一样本期间调整施加到电阻式栅极的接触件的电压以便适应于所述样本上的不同位置中的不同图案。
还应理解，在将传感器或方法描述为检测光的情况下，这些描述也可适用于检测不同波长的电磁辐射(包含红外、可见光、紫外、极UV及X射线)，且适用于检测带电粒子，例如电子。
因此，本发明仅受限于以下权利要求书及其等效物。

Claims (23)

1.一种检查样本的方法，所述方法包括：
将辐射引导及聚焦到所述样本上；
将从所述样本接收的辐射引导到线传感器，其中所述线传感器包含安置于衬底上的多个像素，每一像素包含附接到所述衬底的上表面且安置于所述衬底的相关联光敏区域上方的电阻式控制栅极，且其中引导所述接收到的辐射包含引起所述经引导光进入所述多个像素中的每一者的所述相关联光敏区域；
使用预定孔径控制信号驱动每一所述像素的所述电阻式控制栅极，使得所述电阻式控制栅极在所述相关联光敏区域中产生电场，所述电场将由第一光部分在每一所述像素的第一光敏部分中产生的第一光电子驱动到经定位成邻近每一所述电阻式控制栅极的第一端部分的第一电荷积累区域中，且将由第二光部分在每一所述像素的第二光敏部分中产生的第二光电子驱动到经定位成邻近每一所述电阻式控制栅极的第二端部分的第二电荷积累区域中。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：在预定周期期间测量积累于所述第一电荷积累区域中的所述第一光电子。
3.根据权利要求2所述的方法，其中引导所述辐射进一步包括：产生共焦图像，所述共焦图像包含从所述样本引导到每一所述像素的所述相关联光敏区域的第一光敏部分中的第一共焦图像部分；及从所述样本引导到每一所述像素的所述相关联光敏区域的第二光敏部分中的第二共焦图像部分。
4.根据权利要求2所述的方法，其中引导所述辐射进一步包括：将安置于第一角度范围内的第一辐射部分从所述样本引导到每一所述像素的所述相关联光敏区域的第一光敏部分中；及将安置于第二角度范围内的第二辐射部分从所述样本引导到每一所述像素的所述相关联光敏区域的第二光敏部分中。
5.根据权利要求1所述的方法，其中驱动每一所述像素的所述电阻式控制栅极包括：
在接触每一所述电阻式控制栅极的对置端部分的第一端电极及第二端电极上产生第一孔径控制信号及第二孔径控制信号；及在接触每一所述电阻式控制栅极的中心部分的至少一个中心电极上产生第三孔径控制信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其中驱动所述电阻式控制栅极进一步包括：
在第一时间周期期间，产生所述第一控制信号、所述第二控制信号及所述第三控制信号，使得所述第一孔径控制信号及所述第二孔径控制信号比所述第三孔径控制信号更正，及
在第二时间周期期间，产生所述第一控制信号、所述第二控制信号及所述第三控制信号，使得所述第一控制信号比所述第二控制信号及所述第三控制信号更正。
7.根据权利要求1所述的方法，其中驱动每一所述像素的所述电阻式控制栅极包括：
在分别接触每一所述电阻式控制栅极的对应端部分的第一端电极及第二端电极上产生第一孔径控制信号及第二孔径控制信号；及分别在分别接触每一所述电阻式控制栅极的对应中心部分的第一中心电极、第二中心电极及第三中心电极上产生第三孔径控制信号、第四孔径控制信号及第五孔径控制信号，其中所述第一孔径控制信号、所述第二孔径控制信号及所述第四孔径控制信号比所述第三孔径控制信号及所述第五孔径控制信号更正，借此每一所述像素的所述电阻式控制栅极在所述相关联光敏区域中产生电场，所述电场将所述第一光电子驱动到所述第一电荷积累区域中，且将所述第二光电子驱动到所述第二电荷积累区域中，且将由第三光部分在每一所述像素的第三光敏部分中产生的第三光电子驱动到定位于所述第一电荷积累区域与所述第二电荷积累区域之间的第三电荷积累区域中。
8.根据权利要求7所述的方法，其中引导所述辐射进一步包括：将安置于第一角度范围内的第一辐射部分从所述样本引导到每一所述像素的所述相关联光敏区域的所述第一光敏部分中；将安置于第二角度范围内的第二辐射部分从所述样本引导到每一所述像素的所述相关联光敏区域的所述第二光敏部分中；及将安置于第三角度范围内的第三辐射部分从所述样本引导到每一所述像素的所述相关联光敏区域的所述第三光敏部分中。
9.根据权利要求1所述的方法，
其中所述线传感器包含安置于所述衬底的下表面与所述样本之间的机械孔径结构，且
其中驱动所述电阻式控制栅极包括调整所述电场以校正所述机械孔径结构的未对准。
10.一种传感器，其包括：
衬底，其具有上表面及对置下表面；
多个像素，其安置于所述衬底上，每一像素包含：电阻式控制栅极，其附接到所述上表面且安置于所述衬底的相关联光敏区域上方；第一转移栅极，其经安置成邻近所述电阻式控制栅极的第一端部分；及第二转移栅极，其经安置成邻近所述电阻式控制栅极的第二端部分；
多个细长孔径控制电极，其跨越所述多个像素的所述电阻式控制栅极平行延伸，所述多个孔径控制电极包含：第一端电极，其接触每一所述电阻式控制栅极的所述第一端部分；第二端电极，其接触每一所述电阻式控制栅极的所述第二端部分；及一或多个中心电极，其接触每一所述电阻式控制栅极且安置于所述第一端电极与所述第二端电极之间；及
控制电路，其经配置以通过所述多个孔径控制电极将孔径控制信号同时施加到所述多个像素的所述电阻式控制栅极，使得施加到所述第一端电极及所述第二端电极的第一孔径控制信号及第二孔径控制信号比施加到所述至少一个中心电极的第三孔径控制信号更正，借此引起每一所述电阻式控制栅极在所述相关联光敏区域中产生电场，使得由所述第一光部分在每一所述像素的第一光敏部分中产生的第一光电子由所述电场驱动到经定位成邻近每一所述电阻式控制栅极的所述第一端部分的第一电荷积累区域中，且使得由第二光部分在每一所述像素的所述第二光敏部分中产生的第二光电子由所述电场驱动到经定位成邻近每一所述电阻式控制栅极的所述第二端部分的第二电荷积累区域中。
11.根据权利要求10所述的传感器，其进一步包括读出电路，所述读出电路包含多个读出寄存器，每一所述读出寄存器可操作地耦合到所述多个像素的相关联像素的所述第一转移栅极，
其中所述控制电路进一步经配置以致动所述多个像素及所述读出电路，使得在读出操作期间由所述多个像素的所述第一转移栅极将所述第一光电子从所述第一电荷积累区域转移到所述多个读出寄存器。
12.根据权利要求10所述的传感器，
其中所述一或多个中心电极包括至少三个中心电极，且
其中所述控制电路经配置以产生所述孔径控制信号，使得由第三光部分在每一所述像素的第三光敏部分中产生的第三光电子由所述电场驱动到定位于所述第一电荷积累区域与所述第二电荷积累区域之间的第三电荷积累区域中。
13.根据权利要求10所述的传感器，其中所述衬底包括外延硅层，且其中所述传感器进一步包括形成于所述外延硅层的所述下表面上方的纯硼层。
14.根据权利要求10所述的传感器，其中所述衬底包括外延硅层，且其中所述传感器进一步包括形成于所述外延硅层的所述下表面上方的抗反射层。
15.一种用于检查或测量样本的系统，所述系统包括：
照明源，其经配置以产生光；
光学器件，其经配置以将所述光从所述照明源引导到所述样本，且将光从所述样本引导到传感器；
传感器，其包含：
衬底，其具有上表面及对置下表面；
多个像素，其安置于所述衬底上，每一像素包含附接到所述上表面且安置于所述衬底的相关联光敏区域上方的电阻式控制栅极；
至少三个孔径控制电极，其跨越所述多个像素中的每一者的所述电阻式控制栅极延伸且电连接到所述电阻式控制栅极，所述至少三个孔径控制电极包含：第一端电极及第二端电极，其分别跨越每一所述电阻式控制栅极的对置第一端部分及第二端部分延伸；及一或多个中心电极，其安置于所述第一端电极与所述第二端电极之间；及
控制电路，其经配置以由所述至少三个孔径控制电极将孔径控制信号同时施加到所述多个像素的所述电阻式控制栅极，使得每一所述电阻式控制栅极在所述相关联光敏区域中产生电场，所述电场将由进入所述相关联光敏区域的光产生的光电子分离成至少两个部分。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述传感器包括分别安置于所述多个像素的相对侧上的第一读出电路及第二读出电路。
17.根据权利要求16所述的系统，
其中所述一或多个中心电极包括多个中心电极，且
其中所述控制电路经配置以产生所述孔径控制信号的多个组合，使得可通过从一个所述组合改变到另一所述组合调整所述电场。
18.根据权利要求16所述的系统，
其中所述一或多个中心电极包括至少三个中心电极，且
其中所述控制电路经配置以产生所述孔径控制信号，使得所述光电子被划分成至少三个部分。
19.根据权利要求18所述的系统，
其中所述光学器件进一步经配置使得在第一角度范围内从所述样本引导到所述传感器的第一光部分被引导到每一所述像素的所述相关联光敏区域的第一光敏部分中，且使得在第二角度范围内从所述样本引导到所述传感器的第二光部分被引导到每一所述像素的所述相关联光敏区域的第二光敏部分中，且
其中所述电阻式控制栅极产生所述电场，使得由所述第一光部分在每一所述像素的所述第一光敏部分中产生的第一光电子由所述电场驱动到经定位成邻近每一所述电阻式控制栅极的所述第一端部分的第一电荷积累区域中，且使得由所述第二光部分在每一所述像素的所述第二光敏部分中产生的第二光电子由所述电场偏压到经定位成邻近每一所述电阻式控制栅极的所述第二端部分的第二电荷积累区域中。
20.根据权利要求15所述的系统，其中所述衬底包括半导体隔膜，且其中所述传感器进一步包括沉积于所述半导体隔膜的所述下表面上的纯硼层。
21.根据权利要求15所述的系统，其中所述衬底包括半导体隔膜，且其中所述传感器进一步包括沉积于所述半导体隔膜的所述下表面上的抗反射层。
22.根据权利要求15所述的系统，其中所述系统包含经配置以从所述样本接收光的至少两个传感器。
23.根据权利要求15所述的系统，其进一步包括机械孔径结构，所述机械孔径结构经安置成邻近所述衬底的下表面，使得来自所述样本的所述光的部分被所述机械孔径结构阻挡，
其中所述控制电路进一步经配置以根据所述机械孔径结构相对于所述传感器的未对准调整所述电场。
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