CN1685220A - 暗场检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明是有关于一种暗场检测系统，用于检测样品的装置，其包括一发射源，该发射源用来把光射线引导到样品表面的一个区域上；以及多数个影像传感器。每一个影像传感器被配置用来接收从该区域散射的不同的，各自角度范围内的射线，从而形成该区域各自的影像。一个影像处理器用来处理至少一个相应的影像来检测该表面的缺陷。

Description

暗场检测系统

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6,538,730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。

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。可以选择地，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改进的用于样品表面的暗场检测方法和装置，如半导体晶圆片，比现有技术具有更高的分辨率和更高的数据收集率来检测该表面。

在本发明的实施例中，一个检测系统包括一个用来照射待检表面区域的高强度光发射源，典型为一脉冲激光束。多个检测器阵列被配置来在暗场汇聚模式下接收表面同一区域散射的射线并各自成像。每一个阵列被配置来汇聚不同角度范围内散射自该表面的射线。通过综合不同检测阵列的影像，系统能够同时为多个表面上的点确定以为散射角度为函数的暗场散射模型。典型地，发射束和检测器阵列扫描到整个表面，来以高分辨率确定整个样品的散射特性。

散射的光线可以通过独立的汇聚光学装置汇聚并聚焦到每一个检测器阵列，每个光学单元被定位定向来汇聚来自不同角度范围的散射光线。可以选择地，可以用一个单一的高数值孔径(NA)的物镜装置实现光线汇聚，其引导不同角度范围内的散射光线到相应的阵列。

因此，根据本发明的一个实施例，一个样品的检测装置包括：一个光发射源，用于把光射线导引至样品表面的一区域；多数个影像传感器，其被配置来接收从该区域以各自不同的角度范围散射的光射线，以形成该区域的各个影像；以及一个影像处理器，用于处理这些影像中的至少一个影像以检测该表面上的缺陷。

在一些实施例中，该装置包括一个单一的物镜，它被配置用来捕获来自该表面的包括了所有影像传感器角度范围的散射光线，并把不同角度范围内的光线输送到相应的影像传感器。典型地，此物镜的数值孔径(NA)至少为0.95左右。

在其它的实施例中，该装置包括具有多数个物镜的汇聚光学装置，每一个物镜分别与一个影像传感器相关联，以捕获从所述表面相应角度范围内散射的光射线，并把捕获的光射线传送给其中一个影像传感器。

典型地，该物镜具有各自的光轴，物镜各自的光轴以不同的倾斜角与所述表面相交，并且所述的汇聚光学装置进一步包含：多数个倾斜校正单元，其分别与所述的物镜相关联，用于校正各自的倾斜角以产生充分不失真的中间影像；以及多数个聚焦光学装置，光学耦接以把所述的中间影像聚焦在影像传感器上。在一公开的实施例中，至少有两个倾斜角度相对于所述表面的仰角是各自不同的，并且其中所述的倾斜校正单元被用于对不同的仰角进行校正，以使仰角不同的中间影像充分不失真，而与视角无关，并且物镜包括远焦的、具有单元放大的远心中继光学装置。还有，汇聚光学装置包括与每一个影像传感器相关联的多个透镜，所述的透镜是选择的来改变由传感器阵列形成的影像的放大倍数。

在一些实施例中，该装置包括多数个影像增强器，每一影像增强器各自关联于一个影像传感器，来接收各个角度范围内的表面散射的光射线，作为对接收到的光作出的反应，给其中一个影像传感器提供一增强光。典型地，该光源适于产生脉冲光，影像增强器与脉冲光同步开关。另外或可选地，由影像增强器接收到的光具有一第一频率，并且该影像增强器适于以一第二频率提供该增强的光，该第二频率比第一频率低。

典型地，该装置包括一个或多个滤光器，其连接于每一个影像传感器，以便过滤由该阵列接收到的光射线，该些滤光器包括至少一个偏振光滤光器、一波长滤光器以及一空间滤光器。在一实施例中，射线光包括一第一波长的光射线；以及散射光包括根据第一波长的光射线由样品在第二波长上产生的荧光射线，选用该波长滤光器以允许至少一个影像传感器捕获第二波长上的荧光射线，同时过阻止第一波长的光射线。

在一些实施例中，光源包括：一光学开关，其适用于选择至少其中的某一波长以一定的入射角指向该表面。典型地，光光发射源用于发射在第一、第二波长范围内的光，该光学开关用于导向至少第一或者第二波长范围其中之一的光射线射在表面上。该光学开关可以被配置，以便在第一波长范围内的射线光正常地入射表面，同时第二波长范围内的射线光倾斜地入射表面。另外或可选地，该光光发射源包括一些中继光学装置，它们被连接以引导射线光到表面上，以便该第一和第二波长范围的射线光以不同的入射角入射到表面上，并且以几乎相同的几何形状照射到表面的区域。

典型地，该光光发射源包括一远心放大光学装置，其具有第一放大倍数以改变被光光发射源照射的区域的尺寸，并且该装置包括关联于每个影像传感器的多个透镜，其中该些透镜被用于改变根据第一放大倍数由传感器阵列形成的影像的第二放大倍数。

在一些实施例中，光光发射源被用于发射脉冲光射线，该影像传感器被用于与脉冲射线同步形成各自的影像。该光发射源可以包括一脉冲激光器，其被用于发射持续时间小于一微秒的脉冲激光；一光斑消弱模块，其用于脱除光射线，以便减少在该区域上形成的斑点的对比度低于10％。较佳的，该光斑消弱模块用于减少该斑点的对比度不超过大约1％。在一公开的实施例中，该光斑消弱模块包括一个或多个光纤束。在另一实施例中，该光斑消弱模块包括一光电转换器，其用于在每一脉冲期间内扫描一靶平面上的一束射线光的入射角，以便脱除光射线。典型地，该激光器被用于在多横向振荡模式(multiple transverse modes)下同时产生激光，且该光斑消弱模块用于混合横向振荡模式(transverse modes)，以便减小斑点对比度。

典型地，该装置包括一扫描器，其用于平移一个或多个样品、光发射源和影像传感器以便扫描样品表面的由传感器阵列影像化的区域。在一个公开的实施例中，样品包括一具有芯片图样的半导体晶圆片(dice)，该影像传感器用于与扫描器同步操作，以使相应的影像和芯片对齐。典型地，该芯片具有边界，每一影像传感器包括多排检测器单元，可配置许多排形成影像以便以使所述影像与芯片的边界对齐。另外或者可选地，该扫描器用于扫描被传感器阵列影像的区域，以便该传感器阵列捕获沿扫描线上连续的第一和第二芯片上的预先设定区域的第一和第二影像，其中的影像处理器用于对比第一和第二影像以检测缺陷。

在一些实施例中，影像处理器包括多数个影像处理通道(channel)，每一个通道用于处理由传感器阵列中的每一传感器形成的影像并产生相应的输出信号，和一多角度处理器(multi-perspective processor)，其用于处理来自于两个或者更多个影像处理通道的输出信号以便生成一样品上的缺陷列表。典型地，该多角度处理器通过对比自于两个或者更多个影像处理通道的输出信号来检测缺陷。该装置也可以包括一能量计，其被用于感测光发射源所发出的射线的强度的变化，其中根据能量计感测到的变化，影像处理通道用于规格化相应的影像。

典型地，每一影像处理通道用于校正由传感器阵列形成的影像象素坐标，以便补偿由于散射光各自的角度而发生的光学失真。每一影像处理通道可以用于检测相对于预设参照的由传感器阵列中各自传感器形成的影像的偏移位置，并偏移位置上校正象素坐标被用于该多角度处理器的输出信号，至少一些其他的影像象素的坐标不用校正。

另外或可选地，每一影像通道用于检测相对于预设的参照由影像传感器阵列中各自的传感器形成的影像的偏差。在一公开的实施例中，样品包括一具有芯片图样的半导体晶圆片，和影像处理通道关联于每一个在芯片上具有各自位置的由传感器阵列中的各自的传感器形成的影像，并将每一影像与在另一芯片上的相应位置上形成的每一影像进行对比。

进一步提供了，根据本发明的一个具体实施例，一种样品检测方法，其包括：引导光射线照射在样品表面的一区域内；使用多数个影像传感器接收从该区域散射的射线光，以便形成该区域各自的影像，每一影像传感器被配置用于接收被散射到不同的各自角度范围内的光射线，以及处理至少一个影像以检测表面上的缺陷。

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。

24：照射模块                  42：自动聚焦模块

40：自动聚焦照射器            32：控制器

34：图像处理器                38：主计算机

54：光斑消弱模块              50：激光头

52：谐波分离模块              50：激光器

66：驱动器                       240：图像处理通道

242：能量标准化                  246：图像补偿

252：延时线缓冲器                255：失真校正

250：芯片到芯片比较              254：坐标差异输入

246：参考输入                    66：能量计

36：主计算机                     256：多角度决策

258：缺陷列表报告

具体实施方式

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1微秒，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个脉冲的重多率工作时，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。

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1微秒(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。

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)的激光射线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(first order)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。

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M_x ²M_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M_x ²＝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(M_x ²M_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(NM_x ²M_y ²)^1/2，这里N使光纤束中光纤的条数。对于N＝100且M_x ²＝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。

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。

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多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次脉冲的重多频率下，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，闸控操作，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。增强器可闸控，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。

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：0.10

    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.

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，所以不产生梯形失真且对区域148影像的放大相同。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：-89.75；

    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图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把当前图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的图像中的每个象素和芯片A的图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闸限，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闸限。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。闸限和/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闸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闸涉及到了系统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 (70)

1、一种样品检测装置，其特征在于其包含：

一个发射源，用于把光射线导引至样品表面的一区域；

多数个影像传感器，其被配置来接收从该区域以各自不同的角度范围散射的光射线，以形成该区域的各个影像；以及

一个影像处理器，用于处理这些影像中的至少一个影像以检测该表面上的缺陷。

2、根据权利要求1所述的样品检测装置，其特征在于其还包含一个单一物镜，它被配置来捕获在一个孔径内的从该表面散射的光射线，该孔径包括所有影像传感器的角度范围，并把被捕获的每个角度范围内的射线传送给相应的影像传感器。

3、根据权利要求2所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的物镜具有至少0.95左右的数值孔径(NA)。

4、根据权利要求1所述的装置，其特征在于其还包含汇聚光学装置，它包含多数个物镜，每一个物镜分别与一个影像传感器相关联，以捕获从所述表面相应角度范围内散射的光射线，并把捕获的光射线传送给其中一个影像传感器。

5、根据权利要求4所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的物镜各自的光轴以不同的倾斜角与所述表面相交，并且所述的汇聚光学装置进一步包含：

多数个倾斜校正单元，其分别与所述的物镜相关联，用于校正各自的倾斜角以产生充分不失真的中间影像；以及

多数个聚焦光学装置，光学耦接以把所述的中间影像聚焦在影像传感器上。

6、根据权利要求5所述的样品检测装置，其特征在于其中至少有两个倾斜角度相对于所述表面的仰角是各自不同的，并且其中所述的倾斜校正单元被用于对不同的仰角进行校正，以使仰角不同的中间影像充分不失真。

7、根据权利要求5所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的物镜包含无焦点的，具有单元放大倍数的远心中继光学装置。

8、根据权利要求4所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的汇聚光学装置包含与每个影像传感器关联的多个透镜，所述的透镜是选择的来改变传感器阵列形成的影像的放大倍数。

9、根据权利要求1所述的样品检测装置，其特征在于其还包含多数个影像增强器，每个影像增强器与一个影像传感器相关联，来接收各个角度范围内的表面散射的光射线，并为其中一个影像传感器提供相应于接收光射线的增强过的光射线。

10、根据权利要求9所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的光发射源产生脉冲光射线，所述的影像增强器被闸控为与脉冲光射线同步。

11、根据权利要求9所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的影像增强器接收的光射线具有第一频率，影像增强器提供增强的光射线具有低于第一频率的第二频率。

12、根据权利要求1所述的样品检测装置，其特征在于其还包含一个或多个与每个影像传感器关联的滤光器，用于过滤阵列接收的光射线，该滤光器包含至少一个偏振滤光器，一个波长滤光器以及一个空间滤光器。

13、根据权利要求12所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的光射线包含第一波长的光射线，其中所述的散射的光射线包含样品产生的与第一波长射线相对应的第二波长的荧光射线，其中所述的波长滤光器用于允许至少一个影像传感器捕获第二波长的荧光射线而阻止第一波长射线。

14、根据权利要求1所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的光发射源包含一个光学开关，其被用于选择被导引至所述表面的至少一个波长的光射线以及所述表面上该光射线的入射角度。

15、根据权利要求14所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的光发射源至少发射第一波段和第二波段的光射线，且所述的光学开关用于导引每个波段的光射线到所述表面。

16、根据权利要求15所述的样品检测装置，其特征在于配置所述的光学开关使得第一波段的光射线以法线方向入射到所述表面，而第二波段的光射线以倾斜方向入射到所述表面。

17、根据权利要求14所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的光发射源用于发射至少第一和第二波段的光射线，并且进一步包含导引光射线到所述表面的中继光学装置，其使第一波段和第二波段的光射线以不同入射角度入射到所述表面，并且以充分相同的几何剖面照射所述表面的所述区域。

18、根据权利要求1所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的光发射源包含具有第一放大倍数的远心放大光学装置，此放大光学装置选择的来改变光发射源照射区域的尺寸，还包含与每个影像传感器相关联的多个透镜，这些透镜选择的来改变影像传感器阵列所形成影像的相对于第一放大倍数的第二放大倍数。

19、根据权利要求1所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的光发射源用于发射脉冲光射线，其中所述的影像传感器用于形成各自的且与脉冲光射线同步的影像。

20、根据权利要求18所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的光发射源包含：

一个脉冲激光，用于发射持续时间小于1微秒的脉冲光射线；以及

一个光斑消弱模块，用于去相关光射线以把所述区域上形成的光斑对比减小到少于10％。

21、根据权利要求20所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的光斑消弱模块用于减小光斑对比到不超过1％。

22、根据权利要求20所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的光斑消弱模块包含一个或多个光纤束。

23、根据权利要求20所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的光斑消弱模块包含一个光电转换器，用于在每个脉冲的持续期间扫描目标平面上光射线的入射角来对光射线去相关。

24、根据权利要求20所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的光发射源包含一个脉冲激光器，其用于同时以多个横向震荡模式发射激光，且其中所述的光斑消弱模块用于混合横向震荡模式以减弱光斑对比。

25、根据权利要求1所述的样品检测装置，其特征在于其中还包含一个扫描器，其用于移动一个或多个样品、光发射源以及影像传感器来扫描样品表面被传感器阵列成像的区域。

26、根据权利要求25所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的样品包含一个具有芯片图样的半导体晶圆片，且所述的影像传感器和扫描器同步工作，以使相应的影像和芯片对齐。

27、根据权利要求26所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的芯片有边界，所述的每一个影像传感器都包含多行的检测元件，且可以配置来选择一定数量的行来形成影像，以使所述影像与芯片的边界对齐。

28、根据权利要求26所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的扫描器用于扫描传感器阵列成像的区域，使传感器阵列沿着一个扫描线方向在连续的第一和第二个芯片上捕获第一和第二个在预定区域相应的影像，所述的影像处理器用于比较第一个影像和第二个影像以检测缺陷。

29、根据权利要求1所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的图象处理器包含：

多数个影像处理通道，每一个用于处理各自传感器阵列形成的影像和产生相应的输出；以及

一个多角度处理器，用于处理两个或多个影像处理通道的输出来产生样品缺陷列表。

30、根据权利要求29所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的多角度处理器通过比较两个或多个影像处理通道的输出来检测缺陷。

31、根据权利要求29所述的样品检测装置，其特征在于其中还包含一个能量计，用于感应光发射源所发光射线强度的变化，所述的影像处理通道根据能量计感应的变化把影像规范化。

32、根据权利要求29所述的样品检测装置，其特征在于其中每一个影像处理通道校正相应传感器阵列所成影像中的象素坐标，以补偿由各自散射光射线角度范围引起的影像中的光学失真。

33、根据权利要求32所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的每个影像处理通道用于检测相应的传感器阵列所形成的影像相对于预先设定的参考值出现偏差的位置，并校正偏差位置上象素的坐标然后输出到多角度处理器，影像中至少有其它的一些象素的坐标不用校正。

34、根据权利要求29所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的每个影像处理通道用于检测相应的传感器阵列形成的影像相对于一个预先设定的参考值所表现出的偏差。

35、根据权利要求34所述的样品检测装置，其特征在于其中所述的样品包含一个具有芯片图样的半导体晶圆片，所述的影像处理通道把每个传感器阵列形成的影像与一个芯片上相应的位置联系起来，并把每个影像与形成在另一个芯片相应位置的参考影像相比较。

36、一种检测样品的方法，其特征在于其包含：

导引光射线到样品的表面的一个区域；

用多数个影像传感器接收从该区域散射的光射线来形成该区域各个的影像，每个影像传感器被配置来接收各自不同角度范围散射的光射线；以及

处理这些相应的影像中的至少一个影像以检测出该表面上的缺陷。

37、根据权利要求36所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的接收光射线包含用一个孔径涵盖所有影像传感器角度范围的单一透镜捕获从该表面散射的光射线，并把每个角度范围内捕获的光射线从单一物镜传送给相应的影像传感器。

38、根据权利要求37所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的物镜具有至少0.95左右的数值孔径(NA)。

39、根据权利要求36所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的接收光射线包含用多数个物镜捕获从表面散射的光射线，每一个物镜分别与一个影像传感器相关联，以捕获从所述表面相应角度范围内散射的光射线，并把捕获的光射线从每个物镜传送给相关联的影像传感器。

40、根据权利要求39所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的物镜各自的光轴以不同的倾斜角与所述表面相交，并且所述的接收光射线进一步包含：

用多数个与物镜相关联的倾斜校正单元校正各自的倾斜角，来产生充分不失真的中间影像；以及

把此中间影像聚焦在相应的影像传感器上。

41、根据权利要求40所述的检测样品的方法，其特征在于其中至少有两个倾斜角度相对于所述表面的仰角是不相同的，并且其中所述的倾斜角度校正包含用倾斜校正单元来对不同的仰角进行校正，使仰角不同的中间影像充分不失真。

42、根据权利要求40所述的检测样品的方法，其特征在于其中光射线捕获包含把这些物镜配置为远焦的，具有单元放大倍数的远心中继光学装置。

43、根据权利要求39所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的被捕获光射线的传送包含从多个透镜中选择一个来改变影像传感器形成的影像的放大倍数。

44、根据权利要求36所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的光射线接收包含给每个影像传感器连接一个相应的影像增强器，并且用该影像增强器增强每个影像传感器接收的光射线。

45、根据权利要求44所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的光射线导引包含用脉冲光射线照射所述样品，且其中所述的光射线增强包含闸控该影像增强器使其与脉冲光射线同步。

46、根据权利要求44所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的影像增强器接收的光射线具有第一频率，且其中的光射线增强包含为影像传感器提供增强过的光射线，其具有低于第一频率的第二频率。

47、根据权利要求36所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的光射线的接收包含用一个或多个滤光器来过滤每个影像传感器接收的光射线，该滤光器包含至少一个偏振滤光器，一个波长滤光器以及一个空间滤光器。

48、根据权利要求47所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的光射线包含第一波长的光射线，其中所述的散射的光射线包含样品产生的与第一波长光射线相对应的第二波长的荧光光射线，其中所述的应用一个或多个滤光器包含用波长滤光器来允许至少一个影像传感器捕获第二波长的荧光光射线而阻止第一波长光射线。

49、根据权利要求36所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的导引光射线包含开动一个光学开关来选择被导引至所述表面的至少一种波长的光射线，以及选择所述表面上该光射线的入射角度。

50、根据权利要求49所述的检测样品的装置，其特征在于其中所述的导引光射线包含产生至少在第一波段和第二波段的光射线，且所述的开动光学开关包含配置该光学开关以导引每个波段的光射线到所述表面。

51、根据权利要求50所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的配置该光学开关包含导引第一波段的光射线以法线方向入射到所述表面，而导引第二波段的光射线以倾斜方向入射到所述表面。

52、根据权利要求49所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的光射线导引包含产生至少第一和第二波段的光射线，并且用中继光学装置导引光射线到所述表面，以使第一波段和第二波段的光射线以不同的入射角度入射到所述表面，并且以充分相同的几何剖面照射所述表面的所述区域。

53、根据权利要求36所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的光射线的导引包含设置远心放大光学装置到可选的第一放大倍数，来改变光发射源照射区域的尺寸，以及所述的光射线的接收包含改变传感器阵列形成的影像的与第一放大倍数相对的第二放大倍数。

54、根据权利要求36所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的光射线的导引包含用脉冲光射线照射所述表面，且所述光射线的接收包含使影像传感器与相应的脉冲光射线同步来形成影像。

55、根据权利要求54所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的照射所述表面包含：产生发射持续时间小于1微秒的相干光射线脉冲；并且对相干光射线进行消斑，来把由相干光射线引发的所述区域上的光斑对比减小到少于10％。

56、根据权利要求55所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的相干光射线消斑包含减小光斑对比到不超过1％。

57、根据权利要求55所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的相干光射线消斑包含使光射线通过一个或多个光纤束。

58、根据权利要求55所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的相干光射线消斑包含在每个脉冲的持续期间光电扫描目标平面上光射线的入射角来对光射线去相关。

59、根据权利要求55所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的产生的脉冲包含控制一个脉冲激光器同时以多个横向震荡模式发射激光，且其中所述的相干光射线消斑包含把横向震荡模式相混合。

60、根据权利要求36所述的检测样品的方法，其特征在于其还包含在样品表面扫描所述的传感器阵列的成像区域。

61、根据权利要求60所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的样品包含一个具有成型芯片形态的半导体晶圆片，且所述的光射线接收包含使影像传感器和扫描器同步工作，以使相应的影像和芯片对齐。

62、根据权利要求61所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的芯片有边界，所述的每一个影像传感器都包含多行的检测元件，且所述的影像传感器操作包含选择一定数量的行来形成影像，以使所述影像与芯片的边界对齐。

63、根据权利要求61所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的区域扫描包含沿着一个扫描线方向在连续的第一和第二个芯片上捕获第一和第二个在预定区域相应的影像，所述的处理这些影像中的至少一个包含把第一个影像和第二个影像相比较来检测缺陷。

64、根据权利要求36所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的影像比较包含处理各自影像处理通道内的传感器阵列形成的影像，来产生相应的输出，以及汇集处理两个或多个影像处理通道的输出来产生样品缺陷列表。

65、根据权利要求64所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的汇集输出包含比较两个或多个影像处理通道的输出来检测缺陷。

66、根据权利要求64所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的影像处理包含感应发射到所述区域上的光射线强度的变化，根据此变化把影像规范化。

67、根据权利要求64所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的影像处理包含校正相应传感器阵列所成影像中的象素坐标，以补偿由各自散射光射线角度范围引起的影像中的光学失真。

68、根据权利要求67所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的影像处理包含在每个影像处理通道内检测传感器阵列所形成的各个影像相对于预先设定的参考值出现偏差的位置，并校正偏差位置上象素的坐标，以便汇集这些输出来产生缺陷列表，影像中至少有其它的一些象素的坐标不用校正。

69、根据权利要求64所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的影像处理包含在每个影像处理通道内检测传感器阵列所形成的影像相对于一个预先设定的参考值所表现出的偏差。

70、根据权利要求69所述的检测样品的方法，其特征在于其中所述的样品包含一个具有芯片图样的半导体晶圆片，所述的偏差检测包含把每个传感器阵列形成的影像和一个芯片上相应的位置联系起来，并把每个影像与形成在另一个芯片相应位置的参考影像相比较。

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