CN118150568A - 用于检查对象的表面的设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于检查对象的表面的设备。在使用对象内的二次谐波产生的半导体检查中以高灵敏度检测弱的二次谐波。在将具有非常短的脉冲宽度的脉冲激光照射到作为对象的半导体装置的表面上并测量在半导体装置内产生的二次谐波的半导体检查设备中，二次谐波产生元件设置在光源和对象间以产生第一二次谐波。此外，该装置使用电光晶体仅调制第一二次谐波的相位，然后将基波照射到对象上。当基波照射到半导体装置上时，从其产生第二二次谐波。第一二次谐波在检测器上与第二二次谐波干涉，并且通过干涉获得的光的强度以与第一二次谐波的相位调制的周期相同的周期被调制。第二二次谐波的振幅可从其调制振幅获得且第二二次谐波的相位可从其调制相位测量。

Description

用于检查对象的表面的设备
相关申请
要求于2022年12月5日在日本知识产权局提交的日本专利申请No.2022-193881的优先权及该日本专利申请产生的所有权益，该日本专利申请的公开以引用方式整体并入本文中。
技术领域
本公开涉及以下技术：在半导体装置的制造处理期间，为了测量半导体表面的污染和半导体内的掺杂剂的量或者半导体中的内部扭曲，对半导体装置照射脉冲激光并测量在半导体表面或边界表面附近产生的二次谐波。
背景技术
在半导体装置制造领域中，直到最近，电路图案的小型化才成为发展的焦点。这种小型化同时引起操作速度提高和功耗降低，以及成本降低。然而，随着进一步小型化的技术障碍的增加，以及装置是三维结构的，发展的焦点已经转移到新材料(诸如高K/低K材料)的引入，转移到通过在外延生长期间有意添加扭曲来改善电子迁移率，并且转移到通过控制各种物理性质来实现的性能提高。因此，高精度和高吞吐量的物理性质测量已经成为研发中的工艺建立和大规模生产中的产品产量的提高所期望的。例如，物理性质测量可以包括测量离子注入工艺中的掺杂剂的量和空间分布、退火之后的再激活状态、以及例如SiGe的选择性外延生长工艺中的内部扭曲的量。
然而，无法使用物理测量设备(诸如OCD(光学临界尺寸)或CD-SEM(临界尺寸扫描电子显微镜))来评估这些物理性质。可以使用利用荧光X射线或质谱分析法的化学测量方法以精确的方式但以低吞吐量并且在一些情况下以破坏性的方式来评估它们。与此相反，使用电特性检查作为另一种方法，可能难以检查具有MOS(金属-氧化物-硅)结构作为基本部件的晶体管。该方法通过将探针电连接到晶体管来评估诸如C-V(电容-电压)特性的电特性。上述检查方案涉及半导体装置的直接性能评估。LADA(激光辅助装置改造)和OBIRCH(光束诱导电阻变化)可以将光照射到半导体装置以识别缺陷，以及识别与缺陷相关的边限或装置内的高电阻的位置。
然而，LADA和OBIRCH是接触型测量方案，因此，除非已经执行了其中形成布线层或焊盘的半导体后处理，否则不能采用LADA和OBIRCH。当在半导体前处理中能够以非接触方式识别这些电特性时，作为结果，可以精确地分析形成在半导体内部的耗尽层或反转区的扩散，这可以向诸如离子注入或退火的工艺提供快速反馈，并且可以非常有效地缩短开发时段或制造周期时间。然而，仍然没有满足这种需要的已建立的测量技术。
具有满足上述需要的潜力的非接触电特性测量技术之一是基于测量目标的非线性光学特性的使用二次谐波产生的检查。非线性光学特性可以表示为磁化率和电场的乘积(如下面的方程式(1)所示)，并且可以基于二次谐波的强度获知磁化率。此外，从磁化率张量的每个元素获得材料中的带结构。构成半导体衬底的主要材料(诸如硅)具有反向对称的晶体结构，并且通常不会在体状态下产生二次谐波：
方程式(1)
然而，在非专利文献1中，Bloembergen等人对在材料的边界表面处对称性消失时的二次谐波产生进行了理论回顾。随着脉冲激光器的后续发展，这以定量实验方式进行评估。
此外，在非专利文献2中，Guidotti等人通过实验评估了在具有反向对称结构的硅表面上的二次谐波的产生。在专利文献1中，关于半导体工艺设备内的工艺的进展，提出了使用二次谐波的测量方案。在专利文献2中，提出了基于在多波长的光照射下产生的二次谐波的观测结果和频率之和来评估半导体衬底的表面上的污染物的存在的方法。
此外，在专利文献3中，提出了使用由于在光照下产生的光电子的屏蔽和充电导致二次谐波随时间变化的过程的带结构分析方法及其测量结果。在专利文献4中，基于半导体检查设备中的基波和二次谐波两者的观测结果，提出了一种对基波不敏感的检测缺陷的方法。
这样，在半导体制造中已经有了几个重要的技术进步。另外，更实用的是如ViktorKodie(等人)在专利文献5中描述的发明，在该发明中，在与基波分离的UV(紫外线)照明光下，在测量之前屏蔽和充电饱和，然后在短时间内完成二次谐波的测量。
专利文献6进一步改进了该技术，并且使用延迟机制提高了二次谐波的基于时间的变化测量的分辨率，然后在晶片保持器上安装电场附加功能，并向晶片施加外部电场。此外，专利文献7使用多波长的基波照射对象，并测量包括四波混合的三阶非线性现象。此外，专利文献8对从晶片产生的二次谐波的偏振状态进行分析，并且在将电特性的影响与扭曲或结晶状态的影响分离的同时进行测量。此外，专利文献9提出了一种考虑实际半导体制造工艺的用于测量的实用测试图案结构。
图8是表示当激光入射到硅和SiO2薄膜时的相互作用的图。如图8所示，硅价带中的电子被激发产生二次谐波，并且，发生以下四个过程：如在(i)中，在硅中产生电子-空穴对；如在(ii)中，光电子填充硅和SiO2薄膜之间边界处的陷阱；如在(ii)中，光电子填充SiO2薄膜中的缺陷位点；如在(ii)中，电子跃迁到SiO2表面的氧导带。这些过程改变内部电场Edc，从而引起二次谐波强度的时间变化。
图9是示出使用相关二次谐波产生的半导体检查设备的光学系统的配置的图。半导体检查设备900包括：隔离器903、强度调制元件904、镜910、偏振器911、第一聚光透镜912、对象913、第二聚光透镜914、偏振器916、短路径过滤器917和检测器918。半导体检查设备900将飞秒激光器901的基波902投射到样品上，并测量从对象913产生的二次谐波915的光量。
下面标识上面引用的文献编号。
非专利文献1：BLOEMBERGEN,N.et.al.,非线性媒介的边界处的光波(Light Wavesat the Boundary of Nonlinear Media),Phys.Rev.128,606(1962)
非专利文献2：Guidotti,D.et.al,中心对称半导体中的二次谐波产生(Secondharmonic generation in centro-symmetricsemiconductors),固态通信(Solid statecommunications)
46.4(1983):337-340
专利文献1：日本专利申请公开No.1992-340404
专利文献2：美国专利No.6,788,405
专利文献3：美国专利No.6,856,159
专利文献4：日本专利申请公开No.2004-529327
专利文献5：美国专利申请公开No.2018/0127193
专利文献6：美国专利No.11,293,965
专利文献7：日本专利申请公开No.2021-522686
专利文献8：日本专利申请公开No.2021-530670
专利文献9：日本专利申请公开No.2021-531641
发明内容
但是，在诸如硅的具有反向对称结构的结晶或非晶材料中，原则上，二次谐波仅在材料表面或边界表面的少量原子层中产生。因此，使用诸如光电倍增器的光子计数装置检测二次谐波是必要的。因此，在一个位置上的测量需要几秒的时间，并且在半导体制造中的原位检查和测量设备的性能完全不足。因此，尝试通过提高作为基波的照明光的脉冲激光的峰值输出或平均输出来增加检测光量。然而，这可能对作为测量目标的硅造成损坏。因此，为了缩短测量时间，有必要不改变照明光的峰值输出或平均输出，而是提高检测灵敏度。
使用基波的照射光，在除了作为测量目标的半导体晶片之外的位置产生第一二次谐波，并且还对其添加相位调制。当从半导体晶片产生的第二二次谐波与第一二次谐波干涉而得到干涉光时，以与添加至第一二次谐波的相位调制相同的频率在干涉光上发生强度调制。可以测量强度调制的幅度，并且基于该测量获得二次谐波的幅度。
下面的方程式(2)、(3)和(4)分别表示基波的电场EF、第一二次谐波的电场ES1和第二二次谐波的电场ES2。下面的方程式(5)表示基波、第一二次谐波和第二二次谐波的强度IF、IS1和IS2中的每一个。强度是幅度的平方。表示第二二次谐波的电场ES2的方程式(4)包括与相位变化对应的项，即φ(t)，其是时间的函数。
方程式(2)
EF＝|EF|·exp{i(wt-kr)} (2)
方程式(3)
Es1＝|Es1|·exp{i(wt-kr)} (3)
方程式(4)
方程式(5)
IF＝|EF|2，IS1＝|Es1|2，IS2＝|ES2|2 (5)
下面的方程式(6)表示通过使第一二次谐波和第二二次谐波彼此干涉获得的干涉光的强度。第一项和第二项是没有时间依赖性的DC分量，第三项是如φ(t)所示随时间变化的AC分量。所观察到的AC分量的振幅表示为2·|ES1||ES2|。|ES1|可以通过校准等预测量，并且可以由此计算|ES2|。
方程式(6)
在这点上，在传统测量技术中观察到IS2＝|ES2|2。然而，IS2＝|ES2|2是小的，因为电场ES2较弱。另一方面，通过将干涉光的AC分量(即)和电场ES1设定得大，能够观察到适当的光量。
图1是示出通过根据本公开的方法检测的信号的改进示例的图。
如图1所示，假设IF＝1，IS1＝0.8，IS2＝0.02，检测的信号是IS2，其在传统方法中非常小。根据本公开，检测的信号变为IS1+S2，其AC分量为0.25，并且可以获得至少大10倍的信号强度。
IS1的强度可以任意设置，因此可以基于IS2的强度适当地被设置。因此，在任何情况下，都能够获得IS1+S2，其为IS2的很多倍。
根据本公开，在使用对象内的二次谐波产生的半导体检查中，可以以高灵敏度检测弱二次谐波。
附图说明
通过参考附图详细描述本公开的说明性实施例，本公开的上述和其他方面和特征将变得更加明显，在附图中：
图1是示出通过根据本公开的方法检测的信号的改进示例的图；
图2是示出根据实施例1的半导体检查设备的光学系统的构造的图；
图3是示出根据实施例1的半导体检查设备的构造的示意图；
图4是示出根据实施例2的半导体检查设备的光学系统的配置的图；
图5是示出根据实施例3的半导体检查设备的光学系统的构造的图；
图6是示出根据实施例4的半导体检查设备的光学系统的构造的图；
图7是示出根据实施例5的半导体检查设备的光学系统的构造的图；
图8是示出当激光入射到硅和SiO2薄膜上时的相互作用的图；以及
图9是示出使用相关二次谐波产生的半导体检查设备的光学系统的构造的图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明构思的实施例(编号为1至5)。然而，本发明构思不限于以下实施例。此外，不是所有在实施例中描述的部件都应该被认为是实现本发明构思的目的的必要手段。在所有附图中，相同的元件由相同的符号标识，并且在可能的情况下省略了对先前描述的元件的冗余描述。
图2是示出根据实施例1的半导体检查设备的光学系统的配置的图。图3是示出根据实施例1的半导体检查设备的构造的示意图。参照图2和图3，描述根据实施例1的半导体检查设备。
如图2所示，根据实施例1的半导体检查设备的光学系统100包括光源、二次谐波产生元件106、相位调制元件107、对象113、照明光学系统、收光光学系统和检测器118。
光源被实施为例如具有1皮秒或更小的脉冲宽度的飞秒范围中的飞秒激光器101。飞秒激光器可以使用Ti：蓝宝石激光器。
可以使用具有纳秒范围中的脉冲宽度的纳秒激光器和具有皮秒范围中的脉冲宽度的皮秒激光器。但是，为了高效地产生二次谐波，优选脉冲宽度较短。例如，飞秒激光器101发射具有660nm至1100nm范围内的预定波长的脉冲激光102的基波。
脉冲激光102的基波通过二次谐波产生元件106，二次谐波产生元件106相应地产生具有基波频率的两倍(即，具有基波波长的一半)的第一二次谐波109。二次谐波产生元件106优选地实施为满足类型I的相位匹配条件的非线性光学晶体，满足类型I的相位匹配条件的非线性光学晶体可以包括例如LBO(三硼酸锂)、BBO(β硼酸钡)和KTP(钛酸钾磷酸盐)。
相位调制元件107以预定频率调制第一二次谐波109的相位。相位调制元件107通常被实施为基于泡克尔斯(Pockels)效应的原理的EOM(电光调制器(电光元件))。在这种情况下，仅一侧偏振光的相位被调制。相位调制元件107可以是使用例如LiNbO3(铌酸锂)的元件。在这点上，相位调制元件107可以进行定向，使经受相位调制的偏振方向成为第一二次谐波的偏振方向，使得不对基波的相位进行调制，而仅对第一二次谐波109的相位进行调制。
对象113例如是在其表面上形成有SiO2膜的半导体衬底。可替代地，对象113是制造处理中的半导体元件。当脉冲激光102照射到对象113时，由于对象113内的非线性光学效应，从对象113产生第二二次谐波115。可根据作为对象113的半导体衬底的SiO2膜的厚度、SiO2的金属污染、SiO2膜和衬底主体之间的边界处的缺陷的数量、半导体衬底中的掺杂剂(杂质)的量以及半导体衬底的再结晶状态产生第二二次谐波115。
照明光学系统将脉冲激光102照射到对象113的表面上的预定位置。
照明光学系统包括例如第三线性偏振器111和第一聚光透镜112。
照明光学系统将脉冲激光102照射到对象113的表面上的预定位置。第三线性偏振器111改变脉冲激光102的基波，使得通过作为测定目标的半导体元件实现具有高灵敏度的照明光的偏振状态。第一聚光透镜112将脉冲激光102的基波聚集到对象113的测量点处。聚光光学元件位于照明光学系统中，使得脉冲激光102聚焦在对象113的表面上。
收光光学系统在第一二次谐波109和第二二次谐波115彼此同轴时允许第一二次谐波109和第二二次谐波115入射到检测器118上。收光光学系统包括第二聚光透镜114和第四线性偏振器116。第二聚光透镜114将第一二次谐波109和第二二次谐波115转换成彼此平行的光。第四线性偏振器116允许第一二次谐波109的偏振方向和第二二次谐波115的偏振方向彼此相同。作为结果，第一二次谐波109和第二二次谐波115具有相同的波长，并且彼此相干，因此彼此干涉。
检测器118接收第一二次谐波109和第二二次谐波115，并将第一二次谐波109和第二二次谐波115转换成电信号。检测器118可以被实施为例如半导体检测器光电二极管(PD)、雪崩光电二极管(APD)或光电倍增器(PM)。
半导体检查设备的光学系统100包括光学元件。特别地，二次谐波产生元件106和相位调制元件107被布置在照明光学系统中。然而，可以如实施例2至5所示改变部件的布置顺序。
参照图2，描述了基于根据实施例1的半导体检查设备的光学系统100的脉冲激光102的行为。首先，从光源射出的脉冲激光102通过被配置为去除返回光的隔离器103。然后，脉冲激光102通过强度调制元件104。该强度调制元件104可以被实施为光学斩波器、线性偏振器和EOM的组合、液晶快门、或声光调制器(AOM)。强度调制元件104可以采用改变脉冲激光102的强度的任何元件。
然后，脉冲激光102通过第一线性偏振器105，因此被线性偏振。接着，脉冲激光102通过随后产生二次谐波的二次谐波产生元件106。
在已经通过了二次谐波产生元件106的脉冲激光102中，如I中所示，基波的偏振方向和第一二次谐波109的偏振方向彼此垂直。随后，脉冲激光102的基波和第一二次谐波109通过相位调制元件107。在这点上，经受相位调制的偏振方向变为第一二次谐波109的偏振方向。因此，基波的相位未被调制，而仅第一二次谐波109的相位被调制。
此外，脉冲激光102的基波与第一二次谐波109通过第二线性偏振器108。因此，如II中所示，基波的偏振方向和第一二次谐波109的偏振方向彼此一致。第二线性偏振器108的透射轴的方向被设定成使得基波强度与第一二次谐波109的强度的比率为最佳。
随后，基波和第一二次谐波109从镜110反射，然后通过第三线性偏振器111。随后，基波和第一二次谐波109通过第一聚光透镜112，从而聚焦在对象113上。当脉冲激光102的基波照射到对象113上时，产生第二二次谐波115，第二二次谐波115的强度和相位取决于作为对象113的半导体装置中的材料、结构和电场状态。此外，脉冲激光102的基波的相当大的部分和第一二次谐波109从对象113的表面反射。
产生的第二二次谐波115通过与从对象113反射的脉冲激光102的基波和第一二次谐波109所通过的光学路径相同的光学路径。然后，当产生的第二二次谐波115、脉冲激光102的基波以及第一二次谐波109通过第二聚光透镜114时，它们被转换成平行光。第二二次谐波115和第一二次谐波109通过第四线性偏振器116，使得第二二次谐波115的偏振方向和第一二次谐波109的偏振方向彼此一致。作为结果，第一二次谐波109和第二二次谐波115具有相同的波长并且彼此相干，因此彼此干涉。此外，脉冲激光102的基波、第一二次谐波109和第二二次谐波115被照射到短路径过滤器117，在短路径过滤器117处，基波被去除。最后，当第一二次谐波109和第二二次谐波115彼此干涉时获得的干涉光入射到检测器118。
以与第一二次谐波109的相位调制的周期相同的周期调制获得的干涉光的强度。从其调制后的振幅，可以获得第二二次谐波115的振幅。从其调制后的相位，可以测量第二二次谐波115的相位。在这点上，虽然第二二次谐波115的振幅非常微弱，但适当地设置第一二次谐波109的电信号强度可以允许干涉光的强度调制较大，使得能够以良好的灵敏度测量第二二次谐波115。
脉冲激光102和第一二次谐波109行进所沿着的从光源到检测器118的光学距离可等于脉冲激光102和第二二次谐波115行进所沿着的从光源到检测器118的光学距离。
由于相位调制元件107，从检测器118获得的信号总计为IS1+IS2。检测器118将第一二次谐波109和第二二次谐波115中的每一个转换成与其光量成比例的模拟电信号。该模拟电信号由检测器118以相位调制元件107的调制频率被锁定检测。
如图3所示，半导体检测设备300包括半导体检测设备的光学系统100、信息处理装置301、飞秒激光器控制器302、强度调制元件控制器303、相位调制元件控制器304、AD转换板305和台控制器306。
半导体检查设备的光学系统100被安装在振动消除板上。振动消除板包括光学表面板309和隔离器310。
信息处理装置301包括CPU(中央处理单元)、存储器、存储装置等。信息处理装置301的CPU执行存储在存储装置和存储器中的程序，以控制飞秒激光器控制器302、强度调制元件控制器303、相位调制元件控制器304、AD转换板305和台控制器306。
飞秒激光器控制器302连接到飞秒激光器101，并控制飞秒激光器101。飞秒激光器控制器302控制脉冲激光102，即，其脉冲宽度、振荡波长和振荡周期，以及与检测器118同步的振荡。
强度调制元件控制器303连接到强度调制元件104。强度调制元件控制器303控制强度调制元件104，以调制脉冲激光102的强度。
相位调制元件控制器304连接到相位调制元件107。相位调制元件控制器304控制相位调制元件107，以调制第一二次谐波109的相位。相位调制元件控制器304使相位调制元件107与检测器118同步，以控制检测器118执行锁定检测。
AD转换板305连接到检测器118。AD转换板305将从检测器118接收的模拟信号转换为数字信号。在信息处理装置301上分析波形以获得IS1+S2的振幅，将其应用于上述方程式6以获得|ES2|。
台控制器306连接到其上放置对象113的晶片台311。台控制器306控制晶片台311以改变对象113上的聚集位置。对象113可以利用真空吸盘固定到晶片保持器上，并且晶片保持器可以使用晶片台311移动测量点。
基于二次谐波的强度的分析结果，计算作为对象113的半导体衬底的半导体表面的SiO2膜的厚度、SiO2的金属污染、SiO2和衬底之间的边界处的缺陷的量、半导体衬底中的掺杂剂(杂质)的量和半导体衬底的再结晶状态。
这样，在利用了对象内的二次谐波发生的半导体检查中，能够高灵敏度地检测微弱的二次谐波。在能够测量半导体装置制造期间的表面污染和内部掺杂剂量的二次谐波测量中，检测信号的强度已经显著提高。测量时间可以从传统时间(即，一点测量所用的1到10秒)减少一个到几个数量级。因此，在相同的单位时间内可以测量更多的半导体晶片。此外，当将这种高生产量应用于晶片表面中的分布时，在整个曝光照射中，通常在相同的持续时间内测量的晶片内的几个测量点可以增加到大约100个测量点。进一步地，大大提高了工艺的反馈精度。
图4是示出根据实施例2的半导体检查设备的光学系统的构造的图。参照图4，描述根据实施例2的半导体检查设备的光学系统。
如图4所示，根据实施例2的半导体检查设备的光学系统400与根据实施例1的半导体检查设备的光学系统100的不同之处在于，在脉冲激光102的基波被投射到对象113上之前，通过分束器401将第一二次谐波109与基波分离。第一二次谐波109通过分束器401与脉冲激光102的基波分离，然后入射到相位调制元件107上，并且通过半反射镜402与第二二次谐波115合成。
根据实施例2的半导体检查设备的光学系统400包括飞秒激光器101、隔离器103、强度调制元件104、第一线性偏振器105、二次谐波产生元件106、分束器401、第三线性偏振器111、第一聚光透镜112、对象113、第二聚光透镜114、短路径过滤器117、半反射镜402、第四线性偏振器116和检测器118。省略了与实施例1的光学系统的部件相同的光学系统的部件的描述。
分束器401是将脉冲激光102的基波和第一二次谐波109彼此分离的偏振分束器。分束器401可以是分色镜。
半反射镜402将第一二次谐波109和第二二次谐波115彼此组合。半反射镜402具有超过50％的透射率，并且不会引起弱第二二次谐波115的损耗。
由于仅第一二次谐波109入射到相位调制元件107上，所以相位调制元件107可以被实施为不具有偏振依赖性的MEMS(微机电系统)。
如图4所示，在已经产生第一二次谐波109的时间点I，基波的偏振方向和第一二次谐波109的偏振方向彼此垂直。在第一二次谐波109和第二二次谐波115已经彼此合成的时间点II，第二二次谐波115的偏振方向取决于调节或对象113。在第一二次谐波109和第二二次谐波115已经通过第四线性偏振器116的时间点III，第一二次谐波109的偏振方向和第二二次谐波115的偏振方向彼此对齐。作为结果，第一二次谐波109和第二二次谐波115具有相同的波长，并且彼此相干，因此彼此干涉。
在根据实施例2的半导体检查设备的光学系统400中，二次谐波产生元件106设置在照明光学系统中。由二次谐波产生元件106产生的第一二次谐波109通过分束器401与预定波长的脉冲激光102的基波分离。分离的预定波长的脉冲激光102的基波照射到对象113的表面。
分离的第一二次谐波109通过相位调制元件107。已经通过相位调制元件107的第一二次谐波109与通过分束器(半反射镜402)从对象113的表面产生的第二二次谐波115同轴，然后这两者都入射到检测器118上。
使用根据实施例2的半导体检查设备的光学系统400，可以避免第一二次谐波109改变作为对象113的半导体装置的电场状态而使结果的解释复杂化的缺点。
图5是示出根据实施例3的半导体检查设备的光学系统的构造的图。参照图5，描述根据实施例3的半导体检查设备的光学系统。
如图5所示，根据实施例3的半导体检查设备的光学系统500与根据实施例1的半导体检查设备的光学系统100的不同之处在于，仅基波照射到对象113，并且使用从对象113反射的基波产生第一二次谐波109。
实施例3的半导体检查设备的光学系统500包括飞秒激光器101、隔离器103、强度调制元件104、镜110、第三线性偏振器111、第一聚光透镜112、对象113、第二聚光透镜114、第五线性偏振器501、镜502、第六线性偏振器503、二次谐波产生元件106、相位调制元件107、短路径过滤器117、第四线性偏振器116和检测器118。省略了与实施例1的光学系统的部件相同的光学系统的部件的描述。
通过第五线性偏振器501仅透射脉冲激光102的基波和第二二次谐波115的测量目标偏振方向分量。
镜502反射脉冲激光102的基波和来自基波的第二二次谐波115。镜502将脉冲激光102的基波和第二二次谐波115引导到适当的光学路径。
第六线性偏振器503将脉冲激光102的基波的偏振方向改变为与第五线性偏振器501的透射轴平行，使得二次谐波产生元件106基于基波高效地产生第一二次谐波109。
如图5所示，在脉冲激光102的基波与第二二次谐波115已经通过第六线性偏振器503的时间点I，脉冲激光102的基波的偏振方向和第二二次谐波115的偏振方向彼此对齐。在已经产生第一二次谐波109的时间点II，第一二次谐波109的偏振方向垂直于脉冲激光102的基波和第二二次谐波115中的每一个的偏振方向。在第一二次谐波109和第二二次谐波115已经通过第四线性偏振器116的时间点III，第一二次谐波109的偏振方向和第二二次谐波115的偏振方向彼此对齐。作为结果，第一二次谐波109和第二二次谐波115具有相同的波长，并且彼此相干，因此彼此干涉。
在根据实施例3的半导体检查设备的光学系统500中，二次谐波产生元件106设置在光接收光学系统中。相位调制元件107被布置在二次谐波产生元件106和检测器118之间。
使用根据实施例3的半导体检查设备的光学系统500，可以避免第一二次谐波109改变作为对象113的半导体装置的电场状态而使结果的解释复杂化的缺点。
图6是示出根据实施例4的半导体检查设备的光学系统的构造的图。参照图6，描述根据实施例4的半导体检查设备的光学系统。
如图6所示，根据实施例4的半导体检查设备的光学系统600与根据实施例1的半导体检查设备的光学系统100的不同之处在于，脉冲激光102的基波被分成两个光路。
根据实施例4的半导体检查设备的光学系统600包括飞秒激光器101、隔离器103、强度调制元件104、第一线性偏振器105和分束器601。半导体检查设备的光学系统600的测量光路包括物镜602和对象113。半导体检查设备的光学系统600的参考光路包括二次谐波产生元件106、短路径过滤器117a、相位调制元件107、物镜603和内部镜604。半导体检查设备的光学系统600还包括短路径过滤器117b、第四线性偏振器116和用于检测测量目标光的检测器118。省略了与实施例1的光学系统的部件相同的光学系统的部件的描述。
分束器601将脉冲激光102的基波振幅分割为测量光路和参考光路。此外，分束器601将从参考光路返回的第一二次谐波109和从测量光路返回的第二二次谐波115彼此组合，并将组合后的光传输到检测器118。
物镜602将脉冲激光102的基波聚焦到对象113的测量点。此外，物镜602将从对象113产生的第二二次谐波115转换成平行光。
短路径过滤器117a阻挡参考光路的基波，并且仅通过其透射第一二次谐波109。
物镜603是用于将第一二次谐波109聚焦在内部镜604的表面上并将反射的第一二次谐波109转换回平行光的透镜。
短路径过滤器117b阻挡测量光路的基波，并通过其透射第一二次谐波109和第二二次谐波115。短路径过滤器117b防止基波入射到检测器118上。
如图6所示，在第一二次谐波109和第二二次谐波115通过分束器彼此合成的时间点I，脉冲激光102的第二二次谐波115的偏振方向取决于调节和对象113，因此是不清楚的。在第一二次谐波109和第二二次谐波115通过第四线性偏振器116的时间点II，第一二次谐波109的偏振方向与第二二次谐波115的偏振方向彼此对齐。作为结果，第一二次谐波109和第二二次谐波115具有相同的波长并且彼此相干，因此彼此干涉。
如图6所示，根据该实施例4的半导体检查设备的光学系统600被构造成以与对象113垂直的方式将光照射到对象113上。光学系统600的分束器601将基波分成指向对象113的分量和指向右侧的内部镜604的分量。光学系统600使用被指向内部镜604的基波分量来产生第一二次谐波109。从对象113产生的第二二次谐波115和第一二次谐波109被分束器601再次引入具有相同的光学路径，然后在检测器118上彼此干涉。
在根据实施例4的半导体检查设备的光学系统600中，分束器601设置在作为光源的飞秒激光器101和二次谐波产生元件106之间。脉冲激光102被振幅分割为朝向对象113的表面的测量光路和参考光路。二次谐波产生元件106和相位调制元件107被设置在参考光路中，并且从脉冲激光102产生第一二次谐波109。从对象113的表面产生的第二二次谐波115透射通过测量光路，并且通过分束器601被变为与第一二次谐波109同轴，然后，两者都入射到检测器118上。
根据实施例4的半导体检查设备的光学系统600可以以与对象113垂直的方向将光照射到对象113。此外，由于二分法，第一二次谐波109不照射对象113。因此，可以避免第一二次谐波109改变作为对象113的半导体装置的电场状态以使结果的解释复杂化的缺点。
图7是示出根据实施例5的半导体检查设备的光学系统的构造的图。参照图7，描述根据实施例5的半导体检查设备的光学系统。
根据实施例5的半导体检查设备的光学系统700具有与根据实施例4的半导体检查设备的光学系统600基本相同的构造，除了检测器118被实施为图像检测器并且测量束中的强度分布之外。
实施例5的半导体检查设备的光学系统700包括飞秒激光器101、隔离器103、强度调制元件104、第一线性偏振器105和分束器601。半导体检查设备的光学系统700的测量光路包括物镜602和对象113。半导体检查设备的光学系统700的参考光路包括二次谐波产生元件106、短路径过滤器117a、相位调制元件107、物镜603和内部镜604。半导体检查设备的光学系统700还包括诺马斯基(Nomarski)棱镜701、第八线性偏振器702和用于检测测量目标光的检测器118。省略了与实施例1和4中的每一个的光学系统的组件相同的光学系统的组件的描述。
Nomarski棱镜701和第八线性偏振器702可以是用于进行干涉椭圆偏振测量的光学元件，如日本专利申请公开No.2021-85698中所公开的。Nomarski棱镜可以用沃拉斯顿(Wollaston)棱镜代替。在入射到Nomarski棱镜或Wollaston棱镜之前，测量在彼此垂直的方向上偏振的光束之间的干涉图案。
如图7所示，在脉冲激光102的基波、第一二次谐波109和第二二次谐波115通过分束器彼此合成的时间点I，脉冲激光102的基波和第二二次谐波115中的每一个的偏振方向取决于调节和对象113，因此是不清楚的。在脉冲激光102的基波、第一二次谐波109以及第二二次谐波115通过第四线性偏振器116的时间点II，脉冲激光102的基波的偏振方向、第一二次谐波109的偏振方向以及第二二次谐波115的偏振方向彼此对齐。作为结果，第一二次谐波109和第二二次谐波115具有相同的波长并且彼此相干，因此彼此干涉。
在实施例5的半导体检查设备的光学系统700中，去除了设置在分束器601与第四线性偏振器116之间的短路径过滤器117b，使得基波入射到检测器118上。根据实施例5的半导体检查设备的光学系统700还包括位于图像检测器118前方的Nomarski棱镜701和第八线性偏振器702。
由于根据实施例5的半导体检查设备的光学系统700不具有短路径过滤器117b，所以光学系统700能够获得具有高强度的信号。
在根据实施例2至5的光学系统中，脉冲激光102和第一二次谐波109行进所沿着的从光源到检测器118的光学距离可以与脉冲激光102和第二二次谐波115行进所沿着的从光源到检测器118的光学距离相等。
本公开涉及使用二次谐波的半导体检查和测量技术，其显著地提高了测量半导体装置表面上的金属污染、晶体管中的掺杂剂的量或退火之后的结晶状态的性能。根据本公开的使用二次谐波的测量设备被期望将吞吐量提高一个数量级以上，并且被期望通过商业化而在半导体装置的研究和开发以及其大规模生产的监控中被有效地利用，从而有助于缩短开发周期并提高产品产量。
此外，本公开不限于上述实施例，并且可以在不脱离目的情况下进行适当的修改。在实施例1至5中，可以提供第二光源，其发射具有大于构成对象113的材料的最小电离能的光子能的光。该第二光源的光照射向包含对象113的表面的被照射脉冲激光的位置的区域。这样，可以观察到对象113的表面激发态。此外，对象113的表面的充电可以是饱和的，使得可以在相对短的时间内测量二次谐波。
尽管已经参考附图描述了本公开的实施例，但是本公开不限于上述实施例，而是可以以各种不同的形式实现。本领域技术人员可以理解，在不改变本公开的技术精神或必要特征的情况下，可以以其它具体形式实践本公开。因此，应当理解，上述实施例在所有方面都不是限制性的而是说明性的。

Claims (20)

1.一种用于检查对象的表面的设备，所述设备包括：
光源，其用于发出预定波长的脉冲激光；
二次谐波产生元件，其被配置为产生所述脉冲激光的第一二次谐波；
相位调制元件，其被配置为以预定频率调制所述第一二次谐波的相位；
照明光学系统，其被配置为将所述脉冲激光和所述第一二次谐波照射到所述对象的所述表面上，所述对象接收向其照射的所述脉冲激光以产生第二二次谐波；
收光光学系统，其被配置为在所述第一二次谐波和所述第二二次谐波彼此同轴时允许所述第一二次谐波和所述第二二次谐波入射到检测器上；以及
所述检测器，其被配置为接收所述第一二次谐波和所述第二二次谐波并且将所述第一二次谐波和所述第二二次谐波转换成电信号，
其中，所述第二二次谐波的强度是从具有调制强度的所述电信号的振幅获得的。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，偏振器被设置在所述检测器前方，
其中，所述偏振器允许所述第一二次谐波的偏振状态和所述第二二次谐波的偏振状态彼此相同。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述脉冲激光和使用所述脉冲激光产生的所述第一二次谐波行进所沿着的从所述光源到所述检测器的光学距离等于所述脉冲激光和使用所述脉冲激光产生的所述第二二次谐波行进所沿着的从所述光源到所述检测器的光学距离。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述脉冲激光具有1皮秒或更小的脉冲宽度。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述电信号由所述检测器在所述相位调制元件的调制频率处被锁定检测。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，聚光光学元件被设置在所述照明光学系统中，使得所述脉冲激光被聚焦在所述对象的所述表面上。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述对象是经历制造处理的半导体元件。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，被配置为去除所述预定波长的所述脉冲激光的短路径过滤器被设置在所述检测器和所述对象之间。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述二次谐波产生元件包括用于产生具有线性偏振的所述第一二次谐波的满足类型I的相位匹配条件的非线性光学晶体，
其中，所述相位调制元件包括电光元件，所述电光元件被配置为仅调制所述第一二次谐波的相位。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述二次谐波产生元件和所述相位调制元件被设置在所述照明光学系统中，
其中，所述第一二次谐波从所述对象的所述表面被反射。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述二次谐波产生元件被设置在所述照明光学系统中，
其中，从所述二次谐波产生元件产生的所述第一二次谐波通过分束器与所述预定波长的所述脉冲激光分离，
其中，分离的预定波长的所述脉冲激光照射到所述对象的所述表面上，
其中，分离的第一二次谐波通过所述相位调制元件，
其中，通过分束器使已经通过所述相位调制元件的所述第一二次谐波与从所述对象的所述表面产生的所述第二二次谐波同轴，然后所述第一二次谐波和所述第二二次谐波入射到所述检测器上。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述二次谐波产生元件被设置在所述收光光学系统中，
其中，所述相位调制元件被设置在所述二次谐波产生元件和所述检测器之间。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，分束器被设置在所述光源和所述二次谐波产生件之间，
其中，所述脉冲激光被振幅分割为参考光路和朝向所述对象的所述表面的测量光路，
其中，所述二次谐波产生元件和所述相位调制元件被设置在所述参考光路中，并且所述第一二次谐波是从所述脉冲激光产生的，
其中，从所述对象的所述表面产生的所述第二二次谐波透射通过所述测量光路，并且通过所述分束器与所述第一二次谐波同轴，然后，所述第二二次谐波和所述第一二次谐波入射到所述检测器上。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述检测器包括图像检测器，
其中，在所述图像检测器的前方设置有一组诺马斯基棱镜或沃拉斯顿棱镜和线性偏振器，
其中，测量在入射到所述诺马斯基棱镜或所述沃拉斯顿棱镜之前以彼此垂直的方式偏振的光束之间的干涉图案。
15.根据权利要求1所述的设备，还包括第二光源，所述第二光源用于发出具有大于构成所述对象的材料的最小电离能的光子能的光，
其中，来自所述第二光源的光照射到包含所述对象的所述表面上的被照射所述脉冲激光的位置的区域上。
16.根据权利要求1所述的设备，其中，基于所述第二二次谐波的强度来计算半导体表面上的SiO2膜的厚度、SiO2的金属污染、SiO2与半导体衬底之间的边界处的缺陷的量、所述半导体衬底中的掺杂杂质的量、和所述半导体衬底的再结晶状态中的至少一者。
17.一种用于检查对象的表面的设备，所述设备包括：
光源，其发出预定波长的脉冲激光；
二次谐波产生元件，其被配置为产生所述脉冲激光的第一二次谐波；
相位调制元件，其被配置为以预定频率调制所述第一二次谐波的相位；
照明光学系统，其被配置为将所述脉冲激光和所述第一二次谐波照射到所述对象的所述表面上，所述对象接收向其照射的所述脉冲激光以产生第二二次谐波；以及
收光光学系统，其包括检测器和短路径过滤器，并且被配置为当所述第一二次谐波和所述第二二次谐波彼此同轴时允许所述第一二次谐波和所述第二二次谐波入射到所述检测器上，
其中，所述检测器被配置为接收所述第一二次谐波和所述第二二次谐波并且将所述第一二次谐波和所述第二二次谐波转换成电信号，以及
其中，所述短路径过滤器被配置为去除所述预定波长的所述脉冲激光。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述第二二次谐波的强度是从具有调制强度的所述电信号的振幅获得的。
19.根据权利要求17所述的设备，还包括：
偏振器，其设置在所述检测器前方，
其中，所述偏振器允许所述第一二次谐波的偏振状态和所述第二二次谐波的偏振状态彼此相同。
20.一种用于检查对象的表面的设备，所述设备包括：
光源，其用于通过隔离器发出预定波长的脉冲激光；
强度调制器，其被配置为改变所述脉冲激光的强度；
二次谐波产生元件，其被配置为基于所述强度调制器的输出产生所述脉冲激光的第一二次谐波；
相位调制元件，其被配置为以预定频率调制所述第一二次谐波的相位；
照明光学系统，其将所述脉冲激光和所述第一二次谐波照射到所述对象的所述表面上，所述对象接收向其照射的所述脉冲激光以产生第二二次谐波；以及
收光光学系统，其包括检测器和偏振器，并且被配置为当所述第一二次谐波和所述第二二次谐波彼此同轴时允许所述第一二次谐波和所述第二二次谐波入射到所述检测器上，
其中，所述检测器被配置为接收所述第一二次谐波和所述第二二次谐波并且将所述第一二次谐波和所述第二二次谐波转换成电信号，以及
所述偏振器允许所述第一二次谐波的偏振状态和所述第二二次谐波的偏振状态彼此相同。
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