JP2020502492A - 反射型および透過型ナノフォトニック装置のための高スループット、高解像度光学計測 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2016年10月26日に出願された米国仮特許出願第62/413,291号明細書に対する利益を主張し、その開示は参照により本明細書に明確に組み込まれる。
本発明は、米国科学財団により授与された助成金番号ECCS1120823およびEEC1160494の下で政府の支援を受けてなされた。政府は本発明において一定の権利を有する。
表A.ナノフォトニック特性およびその定量的定義
*{1}はIntensityの略語である。強度の定義を参照。
**sampleはサンプルビームを表す添え字であり、referenceは基準ビームを表す添え字である。
***ここでのサンプル強度の偏光状態は基準の偏光状態とは異なる。
****CRはp偏光された光およびs偏光された光の透過率から計算することもできる。
1.ナノフォトニック装置を照射する光のスペクトル成分
2.ナノフォトニック装置を照射する光の偏光成分
3.ナノフォトニック装置を照射する光がナノフォトニック装置の表面で作る入射角
4.カメラの視野角
5.カメラの受光角範囲
6.カメラセンサを照射する光のスペクトル成分
7.カメラセンサを照射する光の偏光成分。
欠陥検出−未定義の欠陥の存在を検知すること。
ウエハスケールおよびロールツーロール(R2R)の両方で様々なナノフォトニック装置を製造するための製造ラインが作成されている。高空間解像度および高スループットの両方であるこれらの製造ラインには、小さな欠陥やわずかなエリア間のばらつきを捉える装置で、リアルタイムの特性評価を行うことができるように、計測が必要である。限界寸法(CD)計測は、高スループットナノフォトニクス製造のための優良な候補であるにはスループットがかなり低すぎることが示されている。その代わりに、機能計測、この場合には画像化分光測定は、高解像度および高スループットの両方であるので、高スループットナノフォトニクス製造にとって理想的な計測である。高スループットのための画像化分光光度計システムの構成は、それぞれ独自の計測ニーズを有する様々な特定の種類のナノフォトニック装置製造シナリオについて詳細に論じられる。これらのシステムによって提供される高解像度のスペクトル画像は、欠陥の検出や歩留まり管理を支援する根本原因の分析に利用できる豊富なデータを提供する。
スペクトル画像化[20]を行うには多くの方法があり、適切な方法を選択することはスループットを最大限にするために極めて重要である。これらのシステムの幾つかを以下に説明する。名前は非常に似ているが、今日の業界ではそれらは異なるシステムアーキテクチャを指していることに注意されたい。
従来の分光光度計を使用して、サンプル上の点を連続して、一回に1つのスペクトル帯域で測定する。これらの機器は、単一の光電子増倍管センサを採用しているため、測定点とスペクトル帯域を連続して測定することに限定されている。それらは、2つの空間次元およびスペクトル次元で機器を走査することによってスペクトル画像化に適合させることができ、この方法は非常に低いスループットを有し、スペクトル画像化目的のためには意図されていない。
従来のスペクトロメータはサンプル上の点を順次測定するが、1Dフォトダイオードアレイを使用してスペクトル全体を同時に集める。これらのシステムは、2つの空間次元で走査することによってスペクトル画像化に適合させることができる。これはウィスクブルーム法と呼ばれる。ウィスクブルームシステムは、従来の分光光度計よりはるかに高速であるが、それでも一般的には非常に低速である。
さらに速いのは、スペクトル画像化用に特に設計された画像化スペクトロメータである。これらのシステムは、1ラインの画像を2Dフォトダイオードセンサ上に分散させることができるという事実を利用して、スペクトル全体にわたるラインの同時画像化を可能にする。これはしばしば「プッシュブルーム」方法と呼ばれる。スペクトル画像を形成することができるように、対象を列方向に平行移動させる。プッシュブルームは、ウィスクブルームよりも数千倍も高速になる可能性があるが、依然として、イメージセンサには何千もの列があり、プッシュブルームはそれぞれを露光するために停止しなければならないことを考慮すると、まだ比較的遅い。
理想的には、すべての行と列がすべてのスペクトル帯域で同時に捕捉される。残念ながら、各スペクトル帯域の別個の画像を生成するように2D画像を分散させる方法はない。最終的には、スペクトル画像装置はスペクトル次元または空間次元のいずれかで走査する必要がある。走査がスペクトル次元で行われた場合、走査の反復回数は通常かなり少ないため、スループットははるかに向上し、対処する必要があるピクセル列は通常何千もあるが、通常は数百スペクトル帯域しかなく、ほんの一握りしかない場合もある。それにもかかわらず、プッシュブルームシステムは、広帯域光で照射されているサンプルを処理しなければならないため(地表、星体など)他の用途でよく利用され、これは分散がサンプル照射の後に起きなければならないことを意味し、これにより走査は空間次元で行わなければならない。幸いなことに、ナノフォトニクス計測では、サンプルを照射する「負担」がシステムにあり、サンプルを照射する前に分散を実行して、走査をスペクトル次元に移動させることができる。この状況は、サンプルを狭いスペクトル帯域幅の光で照射する従来の分光光度計に似ている。従って、その画像化相当物は画像化分光光度計と呼ばれる。
画像化分光測定は、他のスペクトル画像化方法と比較して優れたスループットを有するが、依然としてそれ自体のスループットを最大化する必要がある。これは、そのスループットを制御する主な要因を理解することから始まる。
各ナノフォトニック装置には、装置の性能を評価するために測定しなければならない光学機能がある。一般に、光学機能は、透過率と反射率の2つのカテゴリのいずれかに分類される。各光学機能は、サンプルと相互作用した光の測定(サンプル測定)と、サンプルと相互作用する前の光の測定(基準測定)とを必要とする。光学機能の値を決定するのは、サンプル/基準の比率である。光学機能は、様々な異なるスペクトル帯域、偏光、照明角、および視野角で測定できる。特性評価に必要な最小数のスペクトル帯域および偏光状態を使用する必要がある。
以下のリストは、NFMシステムによって実行される測定について説明している。
1.1つまたは複数の光源は光を作り出す。
2.光源からの光は、光学部品によって案内または変調されてもされなくてもよい(この時点では、光源からの光を集束または平行化するためにレンズが使用されることが多い)。
3.光は次にナノフォトニック装置および/または基準と相互作用する。
4.ナノフォトニック装置または基準と相互作用した後の光は、光学部品によって案内または変調されてもされなくてもよい。(通常、この時点でレンズが光をカメラのセンサに集束させる)。
5.次に露光時間中にカメラセンサが光を検出する。
6.カメラセンサの読み取り値がコンピュータに画像として読み出される。
7.画像は強度を計算するために処理される(画像処理というタイトルのセクションを参照)。
8.強度はナノフォトニック特性を計算するのに使用されている。
カメラ取得からの画像は、ナノフォトニック特性を計算するために使用できるように、それらを強度画像に変えるために何らかの処理を受ける必要がある。これを行わなければならない理由が幾つかある。一つには、カメラセンサのダイナミックレンジが比較的小さくなり得る。広範囲の光量を測定するためには、減光(ND)フィルタ、絞り、ならびにカメラの露光時間およびゲイン設定を組み合わせて使用する。基準測定のような非常に明るい測定では、カメラの使用可能な露光時間の範囲内の露光時間を使用できるように、ビームを減衰させるためにNDフィルタおよび/または絞りが必要である。他方、非常に暗い測定は、非常に暗い可能性があり、カメラは長時間の露光および/または高ゲインを使用することによって画像を取得するだけでよく、したがってNDフィルタは必要ではない。ゲイン、露光時間、NDフィルタまたは絞りの存在の違いは、強度の計算において考慮する必要がある。また、カメラのリードノイズおよびダークノイズも考慮する必要がある。画像は次の式に見られる操作を受けて、強度の画像を生成する。
I
強度
DN
デジタル数値(画像内のピクセル値)を表す
Noiseread
カメラのリードノイズ
Noisedark
カメラのダークノイズ
ゲイン
カメラゲイン
texp
カメラ露光時間
TND
NDフィルタの透過率
TIris
絞りの透過率
すべてのシステムに同じ基本部品である、可変波長光源、基準偏光子、ビームスプリッタ、ビーム光学系および2つ以上のカメラが含まれる。可変波長光源は、しばしば回折格子モノクロメータを使用することによって、選択されたスペクトル帯域内に光線を生成する。ビームは円形にされ、レンズによって平行化され、基準偏光子(任意)によって偏光され、次にビームを基準ビームとサンプルビームに分割するビームスプリッタを通過する。基準ビームはカメラによって画像化される。サンプルビームは、異なる視野でサンプルを照射する複数のサンプルビームに分割することができ、次いでカメラによって画像化される。透過率測定および反射率測定の両方の一般的なシステムレイアウトを図1Aおよび図2に示す。
NFMシステムは、光源、光学部品、カメラセンサで構成されている。
1つまたは複数の光源が、ナノフォトニック装置を照射する光を生成するために使用される。光源は、適切なスペクトル特性、強度、およびフォームファクタを持つように選択する必要がある。与えられた状況に対して何が最も理にかなっているかに応じて、任意の数の異なる種類の光源を使用することができる。光源の幾つかの例には、白熱光源、ハロゲンランプ、アークランプ、蛍光灯、LED(発光ダイオード)、白色LED、LEDアレイ、OLED(有機LED)、可変波長光源、レーザ、可変波長レーザ、スーパーコンティニュームレーザが含まれる。
ほとんどのシステムには、光源からサンプル、およびカメラへと進むときに光を導き、変調するための光学部品がある。レンズ、偏光子、ビームスプリッタ、ミラー、半透明ミラー、集束ミラー、回折格子、カラーフィルタ、絞り、アパーチャ、またはスリットを含む様々な光学部品を使用して、特定の結果を得ることができる。
アレイ検出器であるカメラセンサは、空間的に分解された測定値の迅速な同時取得を可能にするので、非アレイ検出器とは対照的に使用される。欠陥を検出できるだけでなく、その空間的特徴の観点からも識別できるように、特性評価を空間的に分解することが重要である。これにより、様々な種類の欠陥(円形、直線、周期的など)を区別することができ、欠陥の発生場所に関する洞察が得られる(根本原因分析)。ほとんどの古典的な分光光度計システムは、空間的に分解されない検出器を使用している[21、22、23、24]。
NFMシステムを設計する場合、1つの目的は、システムが、対象となるナノフォトニック装置上で一般検査、欠陥検出、および欠陥識別を実行できることを確実にすることである。ここで幾つかの主な考慮事項がある。
1.必要な空間分解能
2.測定が必要とされる必要なナノフォトニック特性
3.生産媒体のフォームファクタおよび製造運動の種類(連続ロール、停止/開始)
4.製造ラインの面積スループットまたは直線スループット
必要な空間分解能は最も基本的な考慮事項である。測定する必要がある最小対象空間ピクセルサイズを決定しなければならず、カメラの空間分解能はこれに適切に適合する必要がある。最小対象空間ピクセルサイズは、ナノフォトニック装置内の所望の欠陥を検出するのに必要とされる必要な空間分解能によって決定される。これは、システムが設計されているナノフォトニック装置に欠陥性がどのように現れるかについての知識に由来する。例えば、NFPおよびMMGはディスプレイでの使用を目的としている可能性があるため、最小対象空間のピクセルサイズをディスプレイのピクセルサイズのオーダーのものに設定して、個々のディスプレイピクセルに対応するすべてのエリアが確実に仕様を満たすようにする。個々の欠陥は実際にはNFMの空間分解能よりはるかに小さい場合もあるが、それらの集合的効果は、その欠陥が位置するピクセル内のナノフォトニック特性の差としてNFMによって測定される。センサのフル解像度を利用できるように、カメラレンズの解像能力および画像化特性を考慮する必要がある。一般に、最大のFOVで所望の最小対象空間ピクセルサイズを達成することができるカメラレンズを選択すべきである。
測定する必要があるナノフォトニック特性の種類を考慮する必要がある。これは、反射率および/または透過率のいずれかを測定する能力などのシステム測定アーキテクチャ、ならびに照明の偏光/スペクトル成分、検出器のスペクトル選択性、照明の角度、視野角などのシステム特性を決定する。例えば、NFPは、以下の1.コントラスト比、および2.p偏光された光の透過率の2つのナノフォトニック特性によって特徴付けられ得る。これは、1.p偏光された光を透過するWGP、2.s偏光された光を透過するWGP、3.それらの基準画像、の画像に関係する。このシステムは、透過モードで設定する必要があり、WGPを照射する光を偏光する機能が必要になる。
デュアルビームアーキテクチャを使用する必要がある。デュアルビームシステムでは、基準およびサンプル測定が同時に行われ(図1Bに示す)、これによりビーム強度の変動による測定ノイズが除去される。対照的に、シングルビームシステムではサンプルおよび基準測定を連続して取得する必要があり、これらの変動に対する脆弱性が生じる。基準ビームの光学系は、サンプルビームで使用される光路長を複製すべきであるが、この場合の物体平面が、ビームスプリッタ中心から装置表面と同じ距離である仮想平面(図1Bの点線で示される)であることを除く。これは、基準ビーム経路内の各カメラピクセルが、サンプルビーム経路内の同じピクセルに対応するビームのその部分を見ていることを保証する。3つすべての次元における基準カメラとサンプルカメラとの相対的な位置合わせは重要であり、それによりピクセルは互いによく相関する。
ビニングは、NFMシステムのスループットを向上させるために使用することができる。ビニングは、カメラセンサ内の複数のピクセルを1つにまとめてグループ化することによって行われるダウンサンプリング画像解像度を表すために使用される用語である。これは空間分解能を低下させるが、より速いカメラ読み出し速度を可能にする。これは欠陥検出に適していることが証明される場合があるが、空間的特徴の欠如は欠陥を識別し、それを根本原因に結び付ける能力を減らす場合もある。
可能であれば、測定が必要な光学機能ごとに1つのシステム全体(光源およびカメラ)を使用するのが最も効率的である。これにより、複数の光学機能を連続的にではなく同時に測定することが可能になる。それはまた、偏光状態またはスペクトル帯域を変更するために部品を移動させるのに費やす時間、およびそのようにすることによって生じるアライメントエラーを排除する。例えば、WGPは2つの異なる偏光状態での特性評価を必要とする。スループットを最大にするために、各偏光状態に対して1つのシステムを使用する必要がある。加えて、十分に少ない数の検査するスペクトル帯域がある場合、異なるスペクトル帯域に対して別個のシステムを使用するのに有用であり得る。複数のモノクロメータ射出スリットを使用して、同じ光源から複数のスペクトル帯域を抽出することが可能である。
従来の分光光度計では、回転−停止−回転−停止方式で、モノクロメータ内の回折格子を回転させることが一般的である。異なる方向の回転に費やされる時間は通常約0.1秒かかり、測定するスペクトル帯域が多数ある場合、これはスループットに大きな影響を与える可能性がある。特にスペクトルの広い連続部分を高いスペクトル分解能で走査する必要がある場合は、回折格子を連続的に回転させ、スペクトル帯域をカメラのフレームレートでウィンドウ表示することを推奨する。これにより、式1においてtgratはゼロに等しくなる。これを機能させるには、モノクロメータのスリットサイズを所望のスペクトル帯域より小さくする必要がある。少量の分離されたスペクトル帯域を測定する必要がある場合には、従来の回転−停止−回転−停止が依然として有用である。
可変波長光源では、モノクロメータ内の回折格子を回転−停止−回転方式で回転させることが一般的である。異なる方向間の回転に費やされる時間はかなりの時間がかかる可能性があり、測定するスペクトル帯域が多数ある場合、これはスループットに大きな影響を与える可能性がある。マルチスペクトルやハイパースペクトルの状況では、回折格子を連続的に回転させ、カメラの露光窓を介してスペクトル帯域の幅を定義することは、システムのスループットのために有益である。この設定における格子運動は連続的であるので、異なるスペクトル帯域間を移動するのに時間を費やすことはない。少量の分離されたスペクトル帯域を測定する必要がある場合には、従来の回転−停止−回転−停止方式が依然として有用である。
装置は通常、透過率または反射率のいずれかの測定によって特性評価される。透過システムおよび反射システムの両方のそれぞれのアーキテクチャを図1Aに示す。主な違いは、透過システムではビームスプリッタを透過するビームの一部がサンプルビームとして使用され、一方反射システムでは反射ビームがサンプルビームとして使用されることである。反射の場合、サンプルから反射する垂直入射光を測定するために、ビームスプリッタをこのように使用する必要がある。元のビーム強度の大部分がサンプルビーム内に残るように、90/10ビームスプリッタ(またはそれ以上)を透過の場合に使用することを推奨する。サンプルビームが2回通過するため、反射の場合に最適なオプションは50/50スプリッタである。
多くの場合、1つのカメラのFOVが小さすぎて、適切な量の全装置エリアをカバーできない。この場合、複数の視野を個別に特性評価する必要がある。カメラとビームを一緒にサンプルの他のエリアに移動(走査)することも、複数のカメラとビームを同時に使用(並列化)することもできる。カメラ/ビームを移動する時間を増やす必要がないため、可能な限り並列化を推奨する。これを行うためには、サンプルの複数の領域を照射することができるように、ビームを複数の方向に分割しなければならない。これにより、分割数の係数で各ビームの強度が減少し、各カメラの露光は同じ係数で増加する。走査は、連続露光よりも露光時間を累積するので、総露光時間において同じ増加を必要とするが、さらにカメラ/ビーム移動のための時間を増加させる。
生産媒体を考慮する必要がある。一般に、生産媒体には3つの種類、1.ウエハスケール、2.ロールツーロール(R2R)、および3.シートツーシート(S2S)処理があり、ナノフォトニック装置の製造に使用される。ウエハスケールは、ナノフォトニック装置を個別のウエハ上に製造することを含み、ナノフォトニック装置は通常、製造ラインを移動するにつれて開始および停止する。R2R製造は、ナノフォトニック装置を連続材料ロール上で製造することを含み、連続材料ロール(通常はプラスチック)は、多くの場合運動を止めない直線運動で製造ラインに沿って平行移動する。S2S製造は、個々のパターニング工程中に連続的に移動し得るがシート間の移動を停止させる可能性がある個別の材料シート上で製造が行われる、以前の製造媒体の両方の要素を有する。システム部品は、これらの様々なフォームファクタを考慮して選択する必要がある。例えば、ウエハは通常製造工程間での移動を停止し、1つのカメラが1つのフレーム内でウエハ全体を画像化することができるので、ウエハスケール製造はエリア捕捉カメラに適している。他方、R2R製造およびS2S製造では、装置は常に直線運動で動いている可能性があり、その場合ライン走査カメラは、直線的に平行移動する対象物の画像を撮影するのによく適しているので、おそらくより有用である。しかしながら、R2Rにエリア捕捉カメラを使用し、ウエハスケールにライン走査カメラを使用することは可能であり、ある場合にはより適切であり得る。
製造スループットもまた、面積であれ直線であれ、考慮しなければならない。製造シナリオにもよるが、製造ラインの速度で全装置エリアの100%も検査する必要がある場合がある。他方、より少ない装置エリアをサンプリングすることが適切であり得る。いずれにせよ、各製造ラインは計測から一定のスループットを要求する。計測はこのスループットを満たす必要があり、そうでない場合、製造ラインの妨げになる。
製造スループット(式ではThrumanufacturingとして示されている)を使用して、許容できる特性評価時間(式ではtchar,allowとして示されている)を決定できる。これは、以下の2つの実施形態について示される。
検査が必要な各FOVに対して1つのシステム全体を実施することで、
を完全に排除できる。例えば、1つのカメラをロールの幅に沿って異なる点に移動させる代わりに、回転するときロール全体を検査するために、複数のライン走査カメラをR2Rラインの幅に沿って配置することができる。同様に、特性評価する必要がある状態ごとに1つのシステム全体を実施することによって、
もまた排除できる。
[ウエハスケール]
ウエハスケール計測のための光学機能マップを得ることは一般に簡単である。装置の視野は、特定のスペクトル帯域および偏光状態のビームによって照射され、カメラで画像化される。複数の視野が必要である場合、システムはウエハ上を走査するか、または並列化することができる。
[R2R上のナノ加工偏光子]
幾つかの種類のナノ加工偏光子(NFP)があり得る。例えば、ワイヤグリッド偏光子(WGP)およびメタマテリアル偏光子1は、2種類のNFPである。WGPは、本明細書で詳細に説明される例示的なNFPである。
特性評価時間の合計が十分に短い場合、カメラは静止したまま動いている装置を正常に捕捉できる。この状況は動いている被写体の写真を撮影するのに似ている。これはおそらく、1つのスペクトル帯域と偏光状態で特性評価する必要がある装置に対してのみ発生する状況である。
可能であれば、特性評価を可能にするためにロールを断続的に停止させることができる。インプリント工程のためにロール運動が停止されるインプリントリソグラフィのシナリオのように、この断続的な停止がR2Rラインの固有のフィーチャである場合がある。この停止期間が十分に長い場合、計測はこの時間に装置を特性評価することができる。あるいは、それが工場のスループットにあまり影響を与えないならば、ロールは計測のために特に停止することができる。
ロールまたはシートに沿ったカメラとビームの同期移動。
・ロールを停止することができず、取得時間が、動いている被写体をぼやけることなく捉えるのに十分な速さでない場合、カメラ(1775)およびビーム(1760)をロールと同期して平行移動させて相対運動を排除することができる。これは、透過型と反射型の両方の場合について図17に示されている。カメラは各前進運動の後にリセットすることができる。図17の設定は、上述のビームスプリッタ(1719)、ライン走査カメラ(1725、1775)を含み、両方ともローラにわたって標本の画像を標本化する(1722)ために使用される。
・視野の高さに等しい長さをロールが進むのにかかる時間が、特性評価時間からカメラをその初期位置にリセットするのにかかる時間を差し引いた時間以下である場合、カメラはロールの1列を連続して特性評価できる。
・1台のカメラがロールを十分にカバーできない場合は、ロール上で幅方向に前後に走査するか、ビームを並列化することができる。
・カメラは各前方移動の後に簡単にリセットできるが、この移動には時間がかかるため、排除する必要がある場合がある。この場合、ロールの長さに沿って異なる位置に配置された複数のシステムを利用することが推奨され、これは互い違いに配置され、後者のシステムは、従来のシステムが行わなかったロールの部分を特性評価する。
・この同期運動方法は、ナノフォトニック装置の過渡的挙動が問題となる場合にも使用することができる。この例としては、R2Rシステムに沿って移動しながら、熱サイクルまたは屈曲を受けながら装置を測定する必要がある場合である。これを可能にするためにエリア捕捉カメラは、これらのプロセスを経るとき、ロールと同期して移動させることができる。
ロールの所与のラインについてピクセル値を累積する一連の個別のライン走査カメラとしてカメラが扱われる場合、カメラは累積ライン走査モードで使用することができる。これは次のように仮定でき、ロールの各ストリップ(幅方向)は、最初のピクセル行でカメラの視野に入り、各ピクセル行を通過して進み、最後の行の後に出る。通過中、ロールのそのストリップは、センサ上の各列によって合計数千の個々の露光に対して画像化される。各露光のピクセル値は合計値に向かって累積される。この手法は時間遅延積分とも呼ばれる。
スペクトル画像化を行うための別の方法は、カラーフィルタを使用してスペクトル帯域を選択することによる。広帯域の光がサンプルを照射する場合、ビームは分割され、複数のスペクトル帯域を選択するために異なるカラーフィルタを通過して送信され、同時に複数のカメラに照射され得る。この技術は、観察する必要がある波長が少なく、スペクトル走査時間を排除しなければならない状況において有利であり得る。しかしながら、ビームはフィルタ処理される前に複数の方向に分割されなければならないので、各カメラはより少ない光スループットを受けとり、それは露光時間および/またはゲインの増加をもたらす。あるいは、カラーカメラを使用することもできる。これは基本的に別のフィルタと同じ概念であるが、単一のイメージセンサにモノリシックに組み立てられている。これらのカメラは通常、ベイヤーフィルタパターン(赤、緑、青)を有する。
カメラセンサのダイナミックレンジは比較的小さい(数百)。広範囲の光量を測定するためには、減光(ND)フィルタ、ならびにカメラの露光時間およびゲイン設定を組み合わせて使用する。基準測定のような非常に明るい測定は、ほとんどのカメラの最小露光時間をはるかに下回るマイクロ秒でカメラを飽和させるのに十分明るいので、NDフィルタはカメラの範囲内の露光時間が使用できるようにビームを減衰するために使用される。他方、非常に暗い測定は、非常に暗い可能性があり、カメラは長時間の露光および/または高ゲインを使用することによって、適切なS/Nを有する画像を取得するだけでよく、したがってNDフィルタは必要ではない。測定値を正規化するために、画像中のピクセル値は式Xに見られる演算にかけられて、露光期間中に測定された平均光束に比例する値を生成する。
R2RまたはS2Sシステムでは、ウエブまたはシートは面外方向に上下に揺動するという潜在的な問題もあり、カメラによって撮影された焦点のずれた画像をもたらす可能性がある。これは、余分なローラを使用して、支持されていないロールの長い伸びを排除することによって、ロールをバッキングプレート上でスライドさせることによって、または十分に大きな焦点深度を有するカメラレンズ(例えばテレセントリックレンズ)を使用することによって潜在的に解決することができる。バッキングプレートは、単に滑らかな表面または空気軸受のような軸受表面であり得る。反射型の場合にはバッキングプレートは不透明であり得るが、透過型の場合にはバッキングプレートは透明である必要がある。あるいは、ビームが通過する必要がある除外部を有する部分バッキングプレートを使用することができる。ロールまたはシート上に、任意の瞬間でのロールまたはシートのz位置の測定を可能にする幾つかの位置合わせマークが存在する可能性もあり、位置の変化を考慮するために、これに応じてカメラまたは光学系の位置を移動させることができる。(シートツーシートシステムおよびウエハスケールシステムでは、このような支持を提供するために、真空または静電保持力に基づくチャック装置を使用することができる)。
位置合わせマークをロール上に配置し、カメラまたはレーザシステムで追跡して、リアルタイムで面内ロール移動を追跡することができる。この情報に基づいて、ロールをその公称位置に導く制御フィードバックループを確立することができる。このウェブガイドは、Roll−2−Roll Technologies社(https://www.r2r−tech.com/content/web−guide−systems−overview)によって提供されているようなシステムで行うことができる。
通常のレンズを備えたカメラは、表面から来る角度範囲の光を受け取る。テレセントリックレンズの使用により、角度範囲を、レンズの光軸に平行または平行に非常に近い角度だけに制限するのを助ける。これは特定の視野角を検査するために使用できる。
画像化技術を使用しながら、広く使用されているASTM D1003規格[27]に従ってヘイズ測定を行うことは不可能である。ASTM D1003はヘイズを次のように定義している。
「ヘイズ、n−透過において、それを通して見た対象物のコントラストの減少を担う標本による光の散乱。その方向が入射ビームの方向から特定の角度を超えて逸脱するように散乱される透過光の割合。」[27]
以下の実施例は、開示された主題による装置、方法、および結果を説明するために以下に記載される。これらの実施例は、本明細書に開示されている主題の全ての態様を含むことを意図するものではなく、むしろ代表的な方法および結果を説明することを意図している。これらの実施例は、当業者に明らかである本開示の均等物および変形を排除することを意図していない。
実施例1.特定のナノフォトニック装置製造シナリオに対する画像化分光測定の使用
2つの例示的な装置製造シナリオがさらなる分析のために選択され、ロールツーロール(R2R)上のワイヤグリッド偏光子(WGP)およびウエハスケール上のシリコンナノワイヤ(SiNW)アレイである。計測システムは、これらの各状況に対応している。それぞれの状況には、独自の最小装置要件およびアーキテクチャ上の微妙な違いがあり、適切なスループットを達成するのに役立つ。これら2つの例は、スペクトル帯域の数、システムの数、視野の数、動き方法などの選択のように、特定の装置のためにシステムを設計する場合に行うべき様々な決定を示している。
WGPは、現在液晶ディスプレイ(LCD)に使用されている有機背面フィルム偏光子と競合することを目的としている偏光子の一種である。背面偏光フィルムの目的は、p偏光された光を選択的に通過させながら、バックライトからの光を透過させることである。有機フィルム偏光子はs偏光された光を吸収するが、WGP(300)はそれを反射して戻し(図3Cを参照)、LCDにおいて光をリサイクルして電力効率を改善する機会を生み出す。WGPが業界の偏光子と競合するには、次のような特定の性能測定基準に到達する必要があり、コントラスト比(CR)≧104、およびp偏光された光の透過率≧84%である。このパーセンテージは、約84パーセントよりも大きい場合がある(すなわち、81%、82%、83%を超える)。CRは、p偏光された光の透過率/s偏光された光の透過率の比である(Tp/Ts)。WGP(300)のSEMを図3A〜3Bに示す。
幾つかの種類のナノ加工偏光子(NFP)があり得る。例えば、ワイヤグリッド偏光子(WGP)およびメタマテリアル偏光子1は、2種類のNFPである。WGPは、本明細書で詳細に説明される例示的なNFPである。
SiNWアレイは、様々なガス、生体および光学センサの感度を高めるために使用することができる。形状によっては、SiNWアレイが鮮やかな色を帯びる場合がある(図16を参照)。ナノフォトニック機能のために、SiNWアレイは画像化分光測定で特性評価することができる。
成熟した生産ラインでは、計測は通常製品の100%を特性評価する必要がないことに注意すべきである。ごくわずかなパーセンテージの製品が特性評価され、これを製品の他の部分と関連付けるために統計が使用されているため、この計測は必ずしも100%の対象を達成する必要はない。ただし、まだ資格を受けている工場ラインでは、100%以上のより広範な特性評価が必要であるため、この分析では100%を目標にした。
回折機能を有するナノフォトニック装置は、1)装置に対するカメラの角度方向を変えることによる方法、および2)装置の照明角度を変えることによる方法、の2つの方法のうちの1つまたは両方において機能計測を用いて特性評価することができる。これらの角度方向を変えることにより、入射光を様々な角度に回折させる装置の能力を、システムが特性評価することが可能になる。無論これはスペクトル帯域および偏光状態に関して行うことができる。
装置の機能量のスペクトル画像は、機能量自体だけでなく、それが装置エリアにわたって、また別々の装置(またはロールのエリア)の間でどのように変化するかを含む豊富な情報を提供する。この情報は別々の装置の、および別々の装置間の識別を可能にする。これら3つの欠陥特徴(機能的、空間的、および時間的)は、特定の種類の装置欠陥の識別を可能にし、欠陥を引き起こした原因の決定を可能にする。これは、ナノフォトニック装置製造において効率的な歩留まり管理を実行するために極めて重要である。各装置製造プロセスにおける各潜在的な製造エラーは、しばしば固有の特徴を有するナノフォトニック装置における特定の種類の欠陥として現れる。幾つかの特定の製造プロセスに関連する製造エラーの種類、それらが作り出す欠陥、およびそれらの特徴を表4〜表8に表にする。高い欠陥のあるプロセス実行の一例が図14〜図15Bに示されている。この図には、以下の表4〜表8で説明されている幾つかの欠陥がある。
インプリントプロセス全体のエラーは、液滴吐出中(表4)または実際のインプリント工程(表5)中に発生する可能性がある。これらのエラーは通常、パターンのかけたエリア(除去、空気の閉じ込めなどによる)として現れるか、または残留層厚さ(RLT)[17]の変動を引き起こす。RLTがより薄い領域内のフィーチャが薄くなるインプリント後デスカムエッチングでRLTを除去しなければならないので、RLTの変動はCD変化をもたらす。これらのエラーの多くは、インプリントの品質を単に視覚的に調べることによって、インプリントが行われた直後に識別できることに注意されたい。例えば、接着不良は容易に識別可能であり、テンプレートはさらなる使用の前に清浄しなければならない。
ほとんどのナノフォトニック装置は、マスク構造をその下の基板に転写するためのエッチング工程を必要とする。短すぎる/長すぎるエッチング、エッチングプロファイル、およびブレークスルー問題を含む、表7にまとめられている様々な既知のエラーがエッチングプロセスにおいて発生する可能性がある。
WGPを製造するための1つの重要な製造工程は、金属線を画定する線スペースパターン上へのアルミニウムのGLADである。このプロセスは、エッチングと同様に、短すぎたり長すぎたりする可能性があり、プロファイル効果を有する。
ひとまとまりの装置(すなわちロールの一部)が特性評価されると、光学機能マップを使用してそれらの特徴と共に欠陥を識別することができる。これらの特徴は次に、欠陥をすべての可能性のある根本原因と一致させるのに使用することができる(同じ特徴を持っているいずれか)。プロセスエラーの中には同様の特徴を持つものがあるため、複数の一致が識別され得る。いくつかの実験(清浄なインプリントテンプレート、処理中のウエハの向きの変更)およびさらなる洞察(最近交換されたインクジェット、寿命に到達しているエッチングチャンバなど)を用いて、特定の根本原因を識別し、処理することができる。この一般的なプロセスは、図5Aのフローチャートに概説されている。
図12は、最初に図4に示されているように、中心が550nmの狭いスペクトル帯域のWGPの16×19mm視野(2048×2448ピクセル)におけるCRマップを示している。多くの異なる欠陥(1200、1210、および1220)の存在が、それぞれ独特の機能的および空間的特徴と共に観察される。1つの装置しか観察されていないため、時間的特徴は特定できない。このWGPは以下の、金属蒸着(垂直入射)、インプリント、デスカム、およびエッチングの製造工程を経てきた。
明らかに何らかによって、これらのエリアで欠けているフィーチャが引き起こされた。エッチング中の粒子は、おおよそ粒子サイズの影響を受ける領域を作り出し、これらの影響を受ける領域は、時には幅がほぼ1mmであり、通常の粒子よりもはるかに大きいので、粒子は、図12で識別される点欠陥のためにエッチング中に排除される。ただし、インプリント中の粒子は、粒子自身よりもはるかに大きい影響を受ける領域を作るため、これが根本原因となる可能性がある。気泡も根本原因である可能性があるが、通常は非常に小さい領域(ミクロンスケール)に影響を及ぼし、通常は欠陥を囲む低CRの光のにじみを生成しない。点欠陥もテンプレート欠陥に起因する可能性があるが、通常、これらは実質的に円形ではなく、光のにじみに囲まれてもいない。それにもかかわらず、テンプレートが洗浄され、点欠陥が軽減されない場合、これはテンプレートに恒久的な欠陥がある可能性があることの証拠である。点欠陥は、もちろん、単に不適切な取り扱いによって装置に直接作られた傷である可能性がある。これは、サンプルを細心の注意を払って取り扱うようにすることで除外することができる。この分析に基づくと、点欠陥はインプリント中の粒子に起因する可能性が最も高い。
明確に定義された周期的パターンが画像の上から下に向かって走っているのが見られる。これは、WGP線のCDが異なることを示している。このパターンの線はWGP上の線の方向にあり、方向性の液滴広がりは格子フィーチャの方向に起こるので、この欠陥は高度に異方性の液滴広がりと関係があると推論された。さらに、周期的変動は、使用された液滴パターンによく対応する約0.4mmの明確に定義された周期を有する。したがって、これは、理想的でない液滴パターンによって引き起こされた広がりエラーとして識別された。
両方の斜め方向に走る直線アーチファクトが見られる。各方向に走るアーチファクトの類似性は、それらが関連していることを示唆している。しかしながら、逸脱したノズル、目詰まり、および部分的な目詰まりのような液滴吐出問題に関連する問題を除外できない理由は、これらは直線空間的特徴を有するが、1つの直線方向でしか見られないためである。この空間的特徴を引き起こすことがわかっている唯一のプロセスエラーはテンプレートの欠陥である。テンプレートは電子ビームを使用して製造され、他のホストと共にこのプロセスで直線アーチファクトが作製される可能性がある。テンプレートの欠陥は、個々に定義されていることを保証するのに十分な数である。
単純な閾値設定テストを使用して、特定の種類の欠陥の存在を判断し、異なる種類の欠陥を区別することができる。上記の表は、すべてのナノフォトニック装置を一般化するためのものである。特定の装置については、「非常に低品質」、あるいは「変動」または「目標外」と見なされる機能特性の量は、その特定の装置に基づいて定義される。例えば、WGPでは、「非常に低品質の」機能特性は、1に近いCR(ほとんど偏光効果がない)、または0%に近いTp(透過がない)のいずれかであろう。これらは、パターンが実質的に損なわれている点欠陥などの破壊的な欠陥によって引き起こされると考えられる。閾値設定演算をデータ、例えばCR、を含む行列に適用することができ、ここでは2以下のような小さい数が数えられ、2を超える値は無視される(図13参照)。これは行列を、CRに破壊的に影響を及ぼした欠陥(1310、1320)のみを含む行列に変換する。これらの欠陥は一般に点欠陥であるため、この方法を使用して点欠陥を他の欠陥から分離することができる。「目標外」の値は、装置性能の目標値で閾値設定することによって識別することができる。例えば、WGPは業界標準を満たすためにCR>10,000およびTp>84%を有する必要がある。閾値をこれらの値に設定することができ、これらの値より小さい値は「目標外」として識別される。これは、品質管理検査に合格していない装置のエリアを識別するために使用できる。「変動」とは、ある値付近で量が変動する機能特性を指す。閾値は、ある公称値から著しく変動したと見なされる装置の領域を識別するために、目標値または平均値から離れた何らかの著しい統計的変動である機能特性の値で設定することができる。
データ中の周期的パターンを識別するために、機能特性量を含む2D行列に対してフーリエ解析を行うことができる。これは、特定の種類の欠陥で発生する特定の空間的特徴を識別するのに役立つ。例えば、図12に見られる周期的パターンは識別され得、パターンの周期および方向はフーリエ解析を使用することによって定量化され得る。
本開示の様々な計測アーキテクチャで説明されている各構成要素は、その構成要素に関連付けられたコンピュータへの接続、コンピュータとの動作、コンピュータの組み込み、またはコンピュータの制御のために構成され得る。 コンピュータは、全ての種類のスマート装置、限定されないが、プロセッサ、コンピュータ化メモリ、ソフトウェア、コンピュータ実行命令を含む機械、ならびに非一時的コンピュータ可読媒体に格納されたコンピュータ化命令を使用することによって達成されるあらゆる自動化を含む。
1.大面積機能計測システムであって、
可変波長光源と、
基準光学装置と、
ビームスプリッタと、
ビーム光学系と、
カメラと
を有する大面積機能計測システム。
2.システムが、ナノフォトニック装置のロールツーロール製造に使用される、実施形態1に記載のシステム。
3.連続的に回転する回折格子が、隣接するスペクトル帯域間で回折格子を回転させるのに費やされる時間を実質的に排除するために使用される、実施形態1に記載のシステム。
4.スペクトル帯域の幅が、カメラの露光時間および回折格子の回転速度によって実質的に決まる、実施形態1に記載のシステム。
5.カメラおよびビーム光学系がロールと同期して移動して、カメラとロールとの間の相対運動を実質的に排除する、実施形態2に記載のシステム。
6.スペクトル画像は、空中画像取込で同時に撮影することができる、実施形態2に記載のシステム。
7.カメラが一連の短時間露光画像と、ロールの所与のストリップに対応する各画像の並びを撮影する、実施形態2に記載のシステム。
8.ロールの所与のストリップに対応する画像が、最終累積信号が実質的に高い信号対ノイズ比を有するように累積される、実施形態7に記載のシステム。
9.システムは、ウエブの自由スパンの一部分上の支持体を使用して、支持されていないロールの長さ上の面外変位ならびに焦点ぼけを実質的に排除する、実施形態2に記載のシステム。
10.システムが、ナノフォトニック装置のウエハスケール製造において使用される、実施形態1に記載のシステム。
11.デュアルビームアーキテクチャが使用される、実施形態1に記載のシステム。
12.システムがカラーフィルタを使用して複数のスペクトル帯域を捕捉する、実施形態1に記載のシステム。
13.システムが、必要な視野の数、スペクトル帯域の数および幅、偏光状態の数、または個々のカメラで使用できる最大許容露光時間のうちの1つまたは複数を決定することによって、特定の装置製造シナリオに望ましいスループットを実質的に達成する、実施形態1に記載のシステム。
14.ロールがスループットを実質的に維持するように進行するにつれて、標本化される装置の数が減少する、実施形態13に記載のシステム。
15.前記光学機能マップの集合が、前記装置内の欠陥の特定の種類を実質的に識別するために使用することができる機能的、空間的、または時間的情報を含む、実施形態1に記載のシステム。
16.欠陥が、特定の製造プロセスエラーによる根本原因に実質的に関連している、実施形態15に記載のシステム。
17.装置のフィーチャがまた、装置の他の機能パラメータと相関し得るいくつかのナノフォトニック効果も有する場合、ナノスケール装置を製造するために使用できる、実施形態1に記載のシステム。
18.システムが、ナノ加工プロセスのリアルタイムモニタリングに使用される、実施形態1に記載のシステム。
19.システムがナノスケール装置の真空処理と互換性がある、実施形態1に記載のシステム。
20.システムが、ロールとカメラとの間の相対位置を実質的に安定させるフィードバック制御ループのためにロール上にマーキングするためにトラッキング位置合わせを使用する、実施形態2に記載のシステム。
21.各システムが他のシステムが特性評価しない基板の一部を実質的に特性評価するように複数のシステムが配置される、実施形態1に記載のシステム。
22.前記ナノフォトニック装置がワイヤグリッド偏光子であり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での透過強度である、実施形態1に記載のシステム。
23.ナノフォトニック装置がワイヤグリッド偏光子であり、光学機能が1つまたは複数の波長スペクトル帯域または視野角または照明角でのコントラスト比である、実施形態1に記載のシステム。
24.前記ナノフォトニック装置がナノワイヤアレイからなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での反射強度である、実施形態1に記載のシステム。
25.前記ナノフォトニック装置がナノワイヤアレイからなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での透過強度である、実施形態1に記載のシステム。
26.前記ナノフォトニック装置がナノワイヤアレイからなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での散乱強度である、実施形態1に記載のシステム。
27.前記ナノフォトニック装置がナノ粒子アレイからなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での反射強度である、実施形態1に記載のシステム。
28.前記ナノフォトニック装置がナノ粒子アレイからなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での透過強度である、実施形態1に記載のシステム。
29.前記ナノフォトニック装置がナノ粒子アレイからなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での散乱強度である、実施形態1に記載のシステム。
30.前記ナノフォトニック装置が回折光学系からなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での反射強度である、実施形態1に記載のシステム。
31.前記ナノフォトニック装置が回折光学系からなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での透過強度である、実施形態1に記載のシステム。
32.前記ナノフォトニック装置が回折光学系からなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での散乱強度である、実施形態1に記載のシステム。
33.ナノフォトニック装置の製造における欠陥を検出する方法であって、
実施形態1に記載のシステムを用いて光学機能を測定する工程であって、光学機能は、基板上のナノフォトニック装置のエリア内の1つまたは複数の点で測定され、光学機能は、波長スペクトル帯域、偏光状態、照明角および視野角から選択される、工程と、
装置の光学機能マップを形成するために多次元データセットを編集する工程と
を含む、方法。
34.大面積機能計測システムであって、前記システムは、
ナノフォトニック特性を有するナノフォトニック装置の検査に使用され、
光源、光学部品、カメラセンサのうち1つまたは複数の部品で構成され、
前記ナノフォトニック装置に光を照射し、前記ナノフォトニック装置は前記光と相互作用して1つまたは複数の前記ナノフォトニック特性を提供し、
前記相互作用光を用いて前記カメラセンサに画像を記録し、前記画像は1つまたは複数の状態の関数として撮影される、システム。
前記状態は、以下の、
1.前記ナノフォトニック装置を照射する前記光のスペクトル成分と、
2.前記ナノフォトニック装置を照射する前記光の偏光成分と、
3.前記ナノフォトニック装置を照射する前記光が前記ナノフォトニック装置の表面と共に作る入射角と、
4.前記カメラセンサの視野角と、
5.前記カメラの受光角の範囲と、
6.前記カメラセンサを照射する前記相互作用光のスペクトル成分と、
7.前記カメラセンサを照射する前記相互作用光の偏光成分と
のうちの1つまたは複数である。
前記ナノフォトニック装置は、それに照射される前記光の波長程度の最小フィーチャサイズを有する装置であり、前記フィーチャの形状または材料特性は、出力として1つまたは複数の前記ナノフォトニック特性を提供するように設計される。
基準の前記カメラセンサに画像を記録し、これは、以下の、
1.ミラーからの光と、2.前記光源からの遮られていない光であって、前記カメラ、前記光学部品、および前記光源の位置によって定義される物体平面および画像平面の位置は、前記ナノフォトニック装置と相互作用した後の前記光の前記画像が記録されたときと同じであり、前記基準の前記画像は、既知の状態の関数として撮影される、光
のうちの1つである。
前記ナノフォトニック装置と相互作用した後の前記光を有する前記画像と、前記基準の前記画像とを処理して、前記状態の関数として前記ナノフォトニック装置のエリア内の1つまたは複数の点における前記ナノフォトニック特性を計算する。
前記ナノフォトニック特性は以下の、1.透過率、2.反射率、3.吸収率、4.回折効率、5.散乱効率、6.偏光効率、7.偏光変換効率、8.ヘイズ、9.コントラスト比のうちの1つである。
35.前記システムが、前記ナノフォトニック装置のウエハスケール製造に使用される、実施形態34に記載のシステム。
36.前記システムが、前記ナノフォトニック装置のロールツーロール製造に使用される、実施形態34に記載のシステム。
37.前記システムが、前記ナノフォトニック装置のシートツーシート製造に使用される、実施形態34に記載のシステム。
38.ナノフォトニック装置が、以下の、ナノ加工偏光子、金属メッシュグリッド、反射防止体、実質的な完全吸収体、実質的な完全反射体、ナノワイヤアレイ、ナノワイヤ分散体、ナノ粒子アレイ、ナノ粒子分散体、回折光学系またはナノ構造カラー装置のうちの1つである、実施形態34に記載のシステム。
39.ナノフォトニック装置がナノ加工偏光子であり、ナノフォトニック特性が1つまたは複数の状態での透過率である、実施形態34に記載のシステム。
40.ナノフォトニック装置がナノ加工偏光子であり、ナノフォトニック特性が1つまたは複数の状態でのコントラスト比である、実施形態34に記載のシステム。
41.ナノフォトニック装置が金属メッシュであり、ナノフォトニック特性が1つまたは複数の状態での透過率である、実施形態34に記載のシステム。
42.ナノフォトニック装置が金属メッシュであり、ナノフォトニック特性が1つまたは複数の状態でのヘイズである、実施形態34に記載のシステム。
43.連続的に回転する回折格子が、隣接するスペクトル帯域間で回折格子を回転させるのに費やされる時間を実質的に排除するために使用される、実施形態34に記載のシステム。
44.スペクトル帯域の幅が、カメラの露光時間および回折格子の回転速度によって実質的に決まる、実施形態43に記載のシステム。
45.前記システムの前記部分が移動基板と同期して移動し、前記部分と前記基板との間の相対運動を実質的に排除する、実施形態34に記載のシステム。
46.前記システムの前記部分はカメラセンサであり、さらに前記カメラセンサはハイパースペクトルライン走査カメラセンサである、実施形態34に記載のシステム。
47.前記ナノフォトニック装置が支持を使用して、焦点ぼけを引き起こす面外変位を実質的に排除する、実施形態34に記載のシステム。
48.前記光学部品の前記一部は、基板の面外変位によって引き起こされる焦点ぼけを実質的に排除する焦点深度を有するレンズである、実施形態34に記載のシステム。
49.システムが、基板上の位置合わせマークと、カメラの焦点面を調整するフィードバック制御ループとを使用して、基板の面外変位によって生じる焦点ぼけを実質的に排除する、実施形態34に記載のシステム。
50.前記システムは、基板を実質的に面内に位置合わせするフィードバック制御ループのために、基板上のトラッキング位置合わせマークを使用する、実施形態34に記載のシステム。
51.デュアルビームアーキテクチャが使用される、実施形態34に記載のシステム。
52.システムが、ナノ加工プロセスのリアルタイムモニタリングに使用される、実施形態34に記載のシステム。
53.各システムが他のシステムが特性評価しない基板の一部を実質的に特性評価するように2つのシステムが配置される、実施形態34に記載のシステム。
54.システムが、以下の、必要なシステムの数、必要なカメラセンサの数、ナノフォトニック特性の数、状態の数および最大許容特性評価時間のうちの1つまたは複数を決定することによって、特定の装置製造シナリオに望ましいスループットを実質的に達成する、実施形態34に記載のシステム。
55.実施形態34の機能計測システムを用いてナノフォトニック装置の欠陥を検出する方法であって、
前記欠陥は、前記ナノフォトニック装置の意図された性能からの逸脱であり、前記ナノフォトニック装置のナノフォトニック特性に望ましくない変化を引き起こす、方法。
56.欠陥を根本原因に実質的に関連付けるアプローチをさらに含み、前記根本原因が所望のナノ加工プロセスからの逸脱である、実施形態55に記載の方法。
57.根本原因がJ−FILインクジェットシステムエラーに起因し得る、実施形態55に記載の方法。
58.根本原因がPFILスロットダイプロセスエラーに起因し得る、実施形態55に記載の方法。
59.根本原因がインプリンティングプロセスエラーに起因し得る、実施形態55に記載の方法。
60.根本原因がエッチングプロセスエラーに起因し得る、実施形態55に記載の方法。
61.根本原因が斜め金属蒸着エラーに起因し得る、実施形態55に記載の方法。
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本出願は、2016年10月26日に出願された米国仮特許出願第62/413,291号明細書に対する利益を主張し、その開示は参照により本明細書に明確に組み込まれる。
本発明は、米国科学財団により授与された助成金番号ECCS1120823およびEEC1160494の下で政府の支援を受けてなされた。政府は本発明において一定の権利を有する。
ナノフォトニック機能計測(NFM)−我々がナノフォトニック機能計測(NFM)。NFMは、状態の関数として、また場合によっては既知の状態の基準として、光を透過、反射、回折、偏光、または散乱させるナノフォトニック装置の画像を記録し、次いでこれらの画像を処理して状態の関数としてナノフォトニック特性を計算する。
表A.ナノフォトニック特性およびその定量的定義
*{1}はIntensityの略語である。強度の定義を参照。
**sampleはサンプルビームを表す添え字であり、referenceは基準ビームを表す添え字である。
***ここでのサンプルビームの偏光状態は基準の偏光状態とは異なる。
****CRはp偏光された光およびs偏光された光の透過率から計算することもできる。
1.ナノフォトニック装置を照射する光のスペクトル成分
2.ナノフォトニック装置を照射する光の偏光成分
3.ナノフォトニック装置を照射する光がナノフォトニック装置の表面で作る入射角
4.カメラの視野角
5.カメラの受光角範囲
6.カメラセンサを照射する光のスペクトル成分
7.カメラセンサを照射する光の偏光成分。
欠陥検出−未定義の欠陥の存在を検知すること。
NFMシステムは、光源、光学部品、カメラセンサで構成されている。
1つまたは複数の光源が、ナノフォトニック装置を照射する光を生成するために使用される。光源は、適切なスペクトル特性、強度、およびフォームファクタを持つように選択する必要がある。与えられた状況に対して何が最も理にかなっているかに応じて、任意の数の異なる種類の光源を使用することができる。光源の幾つかの例には、白熱光源、ハロゲンランプ、アークランプ、蛍光灯、LED(発光ダイオード)、白色LED、LEDアレイ、OLED(有機LED)、可変波長光源、レーザ、可変波長レーザ、スーパーコンティニュームレーザが含まれる。
ほとんどのシステムには、光源からサンプル、およびカメラへと進むときに光を導き、変調するための光学部品がある。レンズ、偏光子、ビームスプリッタ、ミラー、半透明ミラー、集束ミラー、回折格子、カラーフィルタ、絞り、アパーチャ、またはスリットを含む様々な光学部品を使用して、特定の結果を得ることができる。
アレイ検出器であるカメラセンサは、空間的に分解された測定値の迅速な同時取得を可能にするので、非アレイ検出器とは対照的に使用される。欠陥を検出できるだけでなく、その空間的特徴の観点からも識別できるように、特性評価を空間的に分解することが重要である。これにより、様々な種類の欠陥(円形、直線、周期的など)を区別することができ、欠陥の発生場所に関する洞察が得られる(根本原因分析)。ほとんどの古典的な分光光度計システムは、空間的に分解されない検出器を使用している[21、22、23、24]。
以下のリストは、NFMシステムによって実行される測定について説明している。
1.1つまたは複数の光源は光を作り出す。
2.光源からの光は、光学部品によって案内または変調されてもされなくてもよい(この時点では、光源からの光を集束または平行化するためにレンズが使用されることが多い)。
3.光は次にナノフォトニック装置および/または基準と相互作用する。
4.ナノフォトニック装置または基準と相互作用した後の光は、光学部品によって案内または変調されてもされなくてもよい(通常、この時点でレンズが光をカメラのセンサに集束させる)。
5.次に露光時間中にカメラセンサが光を検出する。
6.カメラセンサの読み取り値がコンピュータに画像として読み出される。
7.画像は強度を計算するために処理される(画像処理というタイトルのセクションを参照)。
8.強度はナノフォトニック特性を計算するのに使用されている。
[画像処理]
カメラ取得からの画像は、ナノフォトニック特性を計算するために使用できるように、それらを強度画像に変えるために何らかの処理を受ける必要がある。これを行わなければならない理由が幾つかある。一つには、カメラセンサのダイナミックレンジが比較的小さくなり得る。広範囲の光量を測定するためには、減光(ND)フィルタ、絞り、ならびにカメラの露光時間およびゲイン設定を組み合わせて使用する。基準測定のような非常に明るい測定では、カメラの使用可能な露光時間の範囲内の露光時間を使用できるように、ビームを減衰させるためにNDフィルタおよび/または絞りが必要である。他方、非常に暗い測定は、非常に暗い可能性があり、カメラは長時間の露光および/または高ゲインを使用することによって画像を取得するだけでよく、したがってNDフィルタは必要ではない。ゲイン、露光時間、NDフィルタまたは絞りの存在の違いは、強度の計算において考慮する必要がある。また、カメラのリードノイズおよびダークノイズも考慮する必要がある。画像は次の式に見られる操作を受けて、強度の画像を生成する。
ここで、
I
強度
DN
デジタル数値(画像内のピクセル値)を表す
Noiseread
カメラのリードノイズ
Noisedark
カメラのダークノイズ
ゲイン
カメラゲイン
texp
カメラ露光時間
TND
NDフィルタの透過率
TIris
絞りの透過率
次いで、この強度値の画像を他の強度値の画像と直接比較することができ、定義セクションの表1に列挙されているもののようなナノフォトニック特性を計算するために使用することができる。
NFMシステムを設計する場合、1つの目的は、システムが、対象となるナノフォトニック装置上で一般検査、欠陥検出、および欠陥識別を実行できることを確実にすることである。ここで幾つかの主な考慮事項がある。
1.必要な空間分解能
2.測定が必要とされる必要なナノフォトニック特性
3.生産媒体のフォームファクタおよび製造運動の種類(連続ロール、停止/開始)
4.製造ラインの面積または直線製造スループット
必要な空間分解能は最も基本的な考慮事項である。測定する必要がある最小対象空間ピクセルサイズを決定しなければならず、カメラの空間分解能はこれに適切に適合する必要がある。最小対象空間ピクセルサイズは、ナノフォトニック装置内の所望の欠陥を検出するのに必要とされる必要な空間分解能によって決定される。これは、システムが設計されているナノフォトニック装置に欠陥性がどのように現れるかについての知識に由来する。例えば、NFPおよびMMGはディスプレイでの使用を目的としている可能性があるため、最小対象空間のピクセルサイズをディスプレイのピクセルサイズのオーダーのものに設定して、個々のディスプレイピクセルに対応するすべてのエリアが確実に仕様を満たすようにする。個々の欠陥は実際にはNFMの空間分解能よりはるかに小さい場合もあるが、それらの集合的効果は、その欠陥が位置するピクセル内のナノフォトニック特性の差としてNFMによって測定される。センサの実質的な解像度を利用できるように、カメラレンズの解像能力および画像化特性を考慮する必要がある。一般に、最大のFOVで所望の最小対象空間ピクセルサイズを達成することができるカメラレンズを選択すべきである。
測定する必要があるナノフォトニック特性の種類を考慮する必要がある。これは、反射率および/または透過率のいずれかを測定する能力などのシステム測定アーキテクチャ、ならびに照明の偏光/スペクトル成分、検出器のスペクトル選択性、照明の角度、視野角などのシステム特性を決定する。例えば、NFPは、以下の1.コントラスト比、および2.p偏光された光の透過率の2つのナノフォトニック特性によって特徴付けられ得る。これは、1.p偏光された光を透過するWGP、2.s偏光された光を透過するWGP、3.それらの基準画像、の画像に関係する。このシステムは、透過モードで設定する必要があり、WGPを照射する光を偏光する機能が必要になる。
生産媒体を考慮する必要がある。一般に、生産媒体には3つの種類、1.ウエハスケール、2.ロールツーロール(R2R)、および3.シートツーシート(S2S)処理があり、ナノフォトニック装置の製造に使用される。ウエハスケールは、ナノフォトニック装置を個別のウエハ上に製造することを含み、ナノフォトニック装置は通常、製造ラインを移動するにつれて開始および停止する。R2R製造は、ナノフォトニック装置を連続材料ロール上で製造することを含み、連続材料ロール(通常はプラスチック)は、多くの場合運動を止めない直線運動で製造ラインに沿って平行移動する。S2S製造は、個々のパターニング工程中に連続的に移動し得るがシート間の移動を停止させる可能性がある個別の材料シート上で製造が行われる、以前の製造媒体の両方の要素を有する。システム部品は、これらの様々なフォームファクタを考慮して選択する必要がある。例えば、ウエハは通常製造工程間での移動を停止し、1つのカメラが1つのフレーム内でウエハ全体を画像化することができるので、ウエハスケール製造はエリア捕捉カメラに適している。他方、R2R製造およびS2S製造では、装置は常に直線運動で動いている可能性があり、その場合ライン走査カメラは、直線的に平行移動する対象物の画像を撮影するのによく適しているので、おそらくより有用である。しかしながら、R2Rにエリア捕捉カメラを使用し、ウエハスケールにライン走査カメラを使用することは可能であり、ある場合にはより適切であり得る。
製造スループットもまた、面積であれ直線であれ、考慮しなければならない。製造シナリオにもよるが、製造ラインの速度で全装置エリアの100%も検査する必要がある場合がある。他方、より少ない装置エリアをサンプリングすることが適切であり得る。いずれにせよ、各製造ラインは計測から一定のスループットを要求する。計測はこのスループットを満たす必要があり、そうでない場合、製造ラインの妨げになる。
製造スループット(式ではThrumanufacturingとして示されている)を使用して、許容できる特性評価時間(式ではtchar,allowとして示されている)を決定できる。これは、以下の2つの実施形態について示される。
検査が必要な各FOVに対して1つのシステム全体を実施することで、
を完全に排除できる。例えば、1つのカメラをロールの幅に沿って異なる点に移動させる代わりに、回転するときロール全体を検査するために、複数のライン走査カメラをR2Rラインの幅に沿って配置することができる。同様に、特性評価する必要がある状態ごとに1つのシステム全体を実施することによって、
もまた排除できる。
[デュアルビームアーキテクチャ]
2つのカメラ(110A、110B)のデュアルビームアーキテクチャは、システムの特性評価時間を短縮するために使用できる。デュアルビームシステムでは、基準測定とサンプル測定が同時に行われ(図1Bに示す)、これにより、測定を連続して行うことに伴う追加の時間がなくなり、2つの測定間で発生するビーム強度の変動による測定の不正確さもなくなる。デュアルビームシステムでは、ビームスプリッタ(175)を用いて、光源から来る光を2つの異なるビーム、すなわちサンプルビームと基準ビームとに分割する。サンプルビームはナノフォトニック装置を通過し、基準ビームはそれを基準として測定するカメラに進む。基準ビームの光学系は、サンプルビームで使用される光路長を複製すべきであるが、この場合は基準物体平面である物体平面は、仮想平面(図1Bの点線で示される)、またはビームスプリッタの中心から装置表面と同じ距離である基準物体(ミラーのように)であり、基準カメラは、サンプル平面からのサンプルカメラの距離と、基準物体平面から同じ距離であるべきである。これは、基準ビーム経路内の各カメラピクセルが、サンプルビーム経路内の同じピクセルに対応するビームのその部分を見ていることを保証する。これは、ナノフォトニック特性の適切な画像計算を確実にする。図1Bは、透過型NFMシステムと垂直入射反射型NFMシステムの両方に対するデュアルビームアーキテクチャを示す。
ビニングは、NFMシステムのスループットを向上させるために使用することができる。ビニングは、カメラセンサ内の複数のピクセルを1つにまとめてグループ化することによって行われるダウンサンプリング画像解像度を表すために使用される用語である。これは空間分解能を低下させるが、より速いカメラ読み出し速度を可能にする。これは欠陥検出に適していることが証明される場合があるが、空間的特徴の欠如は欠陥を識別し、それを根本原因に結び付ける能力を減らす場合もある。
可変波長光源では、モノクロメータ内の回折格子を回転−停止−回転方式で回転させることが一般的である。異なる方向間の回転に費やされる時間はかなりの時間がかかる可能性があり、測定するスペクトル帯域が多数ある場合、これはスループットに大きな影響を与える可能性がある。マルチスペクトルやハイパースペクトルの状況では、回折格子を連続的に回転させ、カメラの露光窓を介してスペクトル帯域の幅を定義することは、システムのスループットのために有益である。この設定における格子運動は連続的であるので、異なるスペクトル帯域間を移動するのに時間を費やすことはない。少量の分離されたスペクトル帯域を測定する必要がある場合には、従来の回転−停止−回転−停止方式が依然として有用である。
ロールを停止することができず、取得時間が、動いている被写体をぼやけることなく捉えるのに十分な速さでない場合、カメラ(675)およびビームをロールと同期して平行移動させて相対運動を排除することができる。これは、透過型および反射型の両方の場合について図6Cおよび図6Dに示されている。カメラは各前進運動の後にリセットすることができる。図6Cおよび図6Dの構成は、上述のビームスプリッタ(695)、カメラ(675、650)を含み、両方ともローラ(660A、660B)にわたって標本の画像を標本化するために使用される。
視野の高さに等しい長さをロールが進むのにかかる時間が、特性評価時間からカメラをその初期位置にリセットするのにかかる時間を差し引いた時間以下である場合、カメラはロールの1列を連続して特性評価できる。
1台のカメラがロールを十分にカバーできない場合は、ロール上で幅方向に前後に走査するか、ビームを並列化することができる。
カメラは各前方移動の後に簡単にリセットできるが、この移動には時間がかかるため、排除する必要がある場合がある。この場合、ロールの長さに沿って異なる位置に配置された複数のシステムを利用することが推奨され、これは互い違いに配置され、後者のシステムは、従来のシステムが行わなかったロールの部分を特性評価する。
この同期運動方法は、ナノフォトニック装置の過渡的挙動が問題となる場合にも使用することができる。この例としては、R2Rシステムに沿って移動しながら、熱サイクルまたは屈曲を受けながら装置を測定する必要がある場合である。これを可能にするためにエリア捕捉カメラは、これらのプロセスを経るとき、ロールと同期して移動させることができる。
[ロールの面外揺れに対処する]
R2RまたはS2Sシステムでは、ウエブまたはシートは面外方向に上下に揺動するという潜在的な問題もあり、カメラによって撮影された焦点のずれた画像をもたらす可能性がある。これは、余分なローラを使用して、支持されていないロールの長い伸びを排除することによって、ロールをバッキングプレート上でスライドさせることによって、または十分に大きな焦点深度を有するカメラレンズ(例えばテレセントリックレンズ)を使用することによって潜在的に解決することができる。バッキングプレートは、単に滑らかな表面または空気軸受のような軸受表面であり得る。反射型の場合にはバッキングプレートは不透明であり得るが、透過型の場合にはバッキングプレートは透明である必要がある。あるいは、ビームが通過する必要がある除外部を有する部分バッキングプレートを使用することができる。ロールまたはシート上に、任意の瞬間でのロールまたはシートのz位置の測定を可能にする幾つかの位置合わせマークが存在する可能性もあり、位置の変化を考慮するために、これに応じてカメラまたは光学系の位置を移動させることができる。(シートツーシートシステムおよびウエハスケールシステムでは、このような支持を提供するために、真空または静電保持力に基づくチャック装置を使用することができる)。
位置合わせマークをロール上に配置し、カメラまたはレーザシステムで追跡して、リアルタイムで面内ロール移動を追跡することができる。この情報に基づいて、ロールをその公称位置に導く制御フィードバックループを確立することができる。このウェブガイドは、Roll−2−Roll Technologies社(https://www.r2r−tech.com/content/web−guide−systems−overview)によって提供されているようなシステムで行うことができる。
通常のレンズを備えたカメラは、表面から来る角度範囲の光を受け取る。テレセントリックレンズの使用により、角度範囲を、レンズの光軸に平行または平行に非常に近い角度だけに制限するのを助ける。これは特定の視野角を検査するために使用できる。
画像化技術を使用しながら、広く使用されているASTM D1003規格に従ってヘイズ測定を行うことは不可能である。ASTM D1003はヘイズを次のように定義している。
「ヘイズ、η−透過において、それを通して見た対象物のコントラストの減少を担う標本による光の散乱。その方向が入射ビームの方向から特定の角度を超えて逸脱するように散乱される透過光の割合。」
本開示の様々な計測アーキテクチャで説明されている各構成要素は、その構成要素に関連付けられたコンピュータへの接続、コンピュータとの動作、コンピュータの組み込み、またはコンピュータの制御のために構成され得る。 コンピュータは、全ての種類のスマート装置、限定されないが、プロセッサ、コンピュータ化メモリ、ソフトウェア、コンピュータ実行命令を含む機械、ならびに非一時的コンピュータ可読媒体に格納されたコンピュータ化命令を使用することによって達成されるあらゆる自動化を含む。
装置のナノフォトニック特性の画像は、機能量自体だけでなく、それが装置エリアにわたって、また別々の装置(あるいはロールまたはシートのエリア)の間でどのように変化するかを含む豊富な情報を提供する。この情報は、欠陥の検出だけでなく、別々の装置内および装置間の欠陥の識別も可能にする。検出は単に欠陥の存在を知らせるのに対して、識別はシステムがどのタイプの欠陥を検出したかについての知識を追加する。3つの欠陥特徴(機能的、空間的、および時間的)は、特定の種類の装置欠陥の識別を可能にし、欠陥の根本原因の決定を可能にする。これは、ナノフォトニック装置製造において効率的な歩留まり管理を実行するために極めて重要である。幾つかの特定の製造プロセスに関連する製造エラーの種類、それらが作り出す欠陥、およびそれらの特徴を表4〜表8に表にする。
[インプリントエラー]
インプリントプロセス全体のエラーは、液滴吐出中(表4)または実際のインプリント工程(表5)中に発生する可能性がある。これらのエラーは通常、パターンのかけたエリア(除去、空気の閉じ込めなどによる)として現れるか、または残留層厚さ(RLT)[17]の変動を引き起こす。RLTがより薄い領域内のフィーチャが薄くなるインプリント後デスカムエッチングでRLTを除去しなければならないので、RLTの変動はCD変化をもたらす。これらのエラーの多くは、インプリントの品質を単に視覚的に調べることによって、インプリントが行われた直後に識別できることに注意されたい。例えば、接着不良は容易に識別可能であり、テンプレートはさらなる使用の前に清浄しなければならない。
ほとんどのナノフォトニック装置は、マスク構造をその下の基板に転写するためのエッチング工程を必要とする。短すぎる/長すぎるエッチング、エッチングプロファイル、およびブレークスルー問題を含む、表7にまとめられている様々な既知のエラーがエッチングプロセスにおいて発生する可能性がある。
WGPを製造するための1つの重要な製造工程は、金属線を画定する線スペースパターン上へのアルミニウムのGLADである。このプロセスは、エッチングと同様に、短すぎたり長すぎたりする可能性があり、プロファイル効果を有する。
ひとまとまりの装置(すなわちロールの一部)が特性評価されると、ナノフォトニック特性画像を使用して、それらの特徴と共に欠陥を識別することができる。これらの特徴は次に、欠陥をすべての可能性のある根本原因と一致させるのに使用することができる(同じ特徴を持っているいずれか)。プロセスエラーの中には同様の特徴を持つものがあるため、複数の一致が識別され得る。いくつかの実験(清浄なインプリントテンプレート、処理中のウエハの向きの変更)およびさらなる洞察(最近交換されたインクジェット、寿命に到達しているエッチングチャンバなど)を用いて、特定の根本原因を識別し、処理することができる。この一般的なプロセスは、図5Aのフローチャートに概説されている。
単純な閾値設定テストを使用して、特定の種類の欠陥の存在を判断し、異なる種類の欠陥を区別することができる。表4〜8は、すべてのナノフォトニック装置を一般化するためのものである。特定の装置については、「非常に低品質」、あるいは「変動」または「目標外」と見なされる機能特性の量は、その特定の装置に基づいて定義される。例えば、WGPでは、「非常に低品質の」機能特性は、1に近いCR(ほとんど偏光効果がない)、または0%に近いT p (透過がない)のいずれかであろう。これらは、パターンが実質的に損なわれている点欠陥などの破壊的な欠陥によって引き起こされると考えられる。閾値設定演算をデータ、例えばCR、を含む行列に適用することができ、ここでは2以下のような小さい数が数えられ、2を超える値は無視される(図13参照)。これは行列を、CRに破壊的に影響を及ぼした欠陥(1310、1320)のみを含む行列に変換する。これらの欠陥は一般に点欠陥であるため、この方法を使用して点欠陥を他の欠陥から分離することができる。「目標外」の値は、装置性能の目標値で閾値設定することによって識別することができる。例えば、WGPは業界標準を満たすためにCR>10,000およびT p >84%を有する必要がある可能性がある。閾値をこれらの値に設定することができ、これらの値より小さい値は「目標外」として識別される。これは、品質管理検査に合格していない装置のエリアを識別するために使用できる。「変動」とは、ある値付近で量が変動する機能特性を指す。閾値は、ある公称値から著しく変動したと見なされる装置の領域を識別するために、目標値または平均値から離れた何らかの著しい統計的変動である機能特性の値で設定することができる。
データ中の周期的パターンを識別するために、機能特性量を含む2D行列に対してフーリエ解析を行うことができる。これは、特定の種類の欠陥で発生する特定の空間的特徴を識別するのに役立つ。例えば、図12に見られる周期的パターンは識別され得、パターンの周期および方向はフーリエ解析を使用することによって定量化され得る。
以下の実施例は、開示された主題による装置、方法、および結果を説明するために以下に記載される。これらの実施例は、本明細書に開示されている主題の全ての態様を含むことを意図するものではなく、むしろ代表的な方法および結果を説明することを意図している。これらの実施例は、当業者に明らかである本開示の均等物および変形を排除することを意図していない。
2つの例示的な装置製造シナリオがさらなる分析のために選択され、ロールツーロール(R2R)上のワイヤグリッド偏光子(WGP)およびウエハスケール上のシリコンナノワイヤ(SiNW)アレイである。計測システムは、これらの各状況に対応している。それぞれの状況には、独自の最小装置要件およびアーキテクチャ上の微妙な違いがあり、適切なスループットを達成するのに役立つ。これら2つの例は、スペクトル帯域の数、システムの数、視野の数、動き方法などの選択のように、特定の装置のためにシステムを設計する場合に行うべき様々な決定を示している。
幾つかの種類のナノ加工偏光子(NFP)があり得る。例えば、ワイヤグリッド偏光子(WGP)およびメタマテリアル偏光子は、2種類のNFPである。WGPは、本明細書で詳細に説明される例示的なNFPである。
SiNWアレイは、様々なガス、生体および光学センサの感度を高めるために使用することができる。形状によっては、SiNWアレイが鮮やかな色を帯びる場合がある(図16を参照)。ナノフォトニック機能のために、SiNWアレイはNFMで特性評価することができる。
回折機能を有するナノフォトニック装置は、1)装置に対するカメラの角度方向を変えることによる方法、および2)装置の照明角度を変えることによる方法、の2つの方法のうちの1つまたは両方において機能計測を用いて特性評価することができる。これらの角度方向を変えることにより、入射光を様々な角度に回折させる装置の能力を、システムが特性評価することが可能になる。無論これはスペクトル帯域および偏光状態に関して行うことができる。
成熟した生産ラインでは、計測は通常製品の100%を特性評価する必要がないことに注意すべきである。ごくわずかなパーセンテージの製品が特性評価され、これを製品の他の部分と関連付けるために統計が使用されているため、この計測は必ずしも100%の対象を達成する必要はない。ただし、まだ資格を受けている工場ラインでは、100%以上のより広範な特性評価が必要であるため、この分析では100%を目標にした。
図12は、中心が550nmの狭いスペクトル帯域のWGPの16×19mm視野(2048×2448ピクセル)におけるCRマップを示している。このWGPはガラスウエハ上に製造された。それぞれ独特の機能的および空間的特徴を有する多くの異なる欠陥(例えば、1200、1210および1220)の存在に気づくことができる。1枚のウエハだけを観察しているため、時間的特徴を特定することはできない。このWGPは、以下の、金属蒸着(垂直入射)、インプリント、デスカム、エッチング(インプリントから残留層の厚さを突破するため)、およびインプリントされたフィーチャを金属被覆基板に転写するエッチング、の製造工程を経てきた。
明らかに何らかによって、これらのエリアで欠けているフィーチャが引き起こされた。エッチング中の粒子は、おおよそ粒子サイズの影響を受ける領域を作り出し、これらの影響を受ける領域は、時には幅がほぼ1mmであり、通常の粒子よりもはるかに大きいので、粒子は、図12で識別される点欠陥のためにエッチング中に排除される。ただし、インプリント中の粒子は、粒子自身よりもはるかに大きい影響を受ける領域を作るため、これが根本原因となる可能性がある。気泡も根本原因である可能性があるが、通常は非常に小さい領域(ミクロンスケール)に影響を及ぼし、通常は欠陥を囲む低CRの光のにじみを生成しない。点欠陥もテンプレート欠陥に起因する可能性があるが、通常、これらは実質的に円形ではなく、光のにじみに囲まれてもいない。それにもかかわらず、テンプレートが洗浄され、点欠陥が軽減されない場合、これはテンプレートに恒久的な欠陥がある可能性があることの証拠である。点欠陥は、もちろん、単に不適切な取り扱いによって装置に直接作られた傷である可能性がある。これは、サンプルを細心の注意を払って取り扱うようにすることで除外することができる。この分析に基づくと、点欠陥はインプリント中の粒子に起因する可能性が最も高い。
明確に定義された周期的パターンが画像の上から下に向かって走っているのが見られる。これは、WGP線のCDが異なることを示している。このパターンの線はWGP上の線の方向にあり、方向性の液滴広がりは格子フィーチャの方向に起こるので、この欠陥は高度に異方性の液滴広がりと関係があると推論された。さらに、周期的変動は、使用された液滴パターンによく対応する約0.4mmの明確に定義された周期を有する。したがって、これは、理想的でない液滴パターンによって引き起こされた広がりエラーとして識別された。
両方の斜め方向に走る直線アーチファクトが見られる。各方向に走るアーチファクトの類似性は、それらが関連していることを示唆している。しかしながら、逸脱したノズル、目詰まり、および部分的な目詰まりのような液滴吐出問題に関連する問題を除外できない理由は、これらは直線空間的特徴を有するが、1つの直線方向でしか見られないためである。この空間的特徴を引き起こすことがわかっている唯一のプロセスエラーはテンプレートの欠陥である。テンプレートは電子ビームを使用して製造され、他のホストと共にこのプロセスで直線アーチファクトが作製される可能性がある。テンプレートの欠陥は、個々に定義されていることを保証するのに十分な数である。
図6〜図11は、図6Aに示されるような移動装置を説明するためのR2R計測アーキテクチャを示す(すなわち、リーダカメラ575はロール500と共に移動する)。これは、ロール(500)の底部からの透過光(560)またはロール上の反射光(560)にも当てはまる可能性がある。そうでなければ、別の解決策は、図6Bに示すように、時間遅延積分などのライン走査カメラ(585)を使用することである。図7および図8では、カメラ(775)は、良好な信号対ノイズ比を得るのに十分な長さで露光しなければならない。カメラ(775)は、透過光がp偏光(Tp)である場合、ロール(700)を通して透過光(760)のカメラ視野内のロールに関するフレーム毎にピクセルデータを収集し、次に透過光がS偏光(Ts)の場合も同様である。露光は、Tp(図7のp偏光された光の透過)については短いが、Ts(図8のs偏光された光の透過)については長いであろう。図9および図10は、各偏光状態に対して1回の測定のみが必要であるように、CR(CR=Tp/Ts)を計算するためにTpおよびTsを測定することを示す。一例では、TpおよびCRはより長い波長でより高いので、400nmの波長のみを測定する必要がある。図11Aおよび図11Bは、カメラ/リーダが毎秒30フレームでフレームを読み取るためにさらに33msを要し、1msの露光時間を考慮すると34msの総取得時間をもたらし、システムはビームの偏光状態を変更するために約500msを追加し、次いでTsを測定するために184msのより長い取得時間が行われる非限定的な例を示す。これは、ロールの幅をカバーするのに必要な視野にわたって行わなければならない。1つの非限定的な例では、システムは視野間の各移動に対して約500ミリ秒を加える。本明細書では、波長を変更するための時間(例えば500ms)を追加し、再度偏光を変更するための追加的な時間(例えば追加の500ms)を追加することによって2つの波長のCRを測定するなど、システムの変形例が実施される。それに応じて捕捉時間が増加する。図11Cは、2つの専用の並列化されたシステム(1つはTp用、もう1つはTs用)を使用することによって、波長変化を除くすべての動きを排除することができる同じ組み合わせを示す。
1.大面積機能計測システムであって、
可変波長光源と、
基準光学装置と、
ビームスプリッタと、
ビーム光学系と、
カメラと
を有する大面積機能計測システム。
2.システムが、ナノフォトニック装置のロールツーロール製造に使用される、実施形態1に記載のシステム。
3.連続的に回転する回折格子が、隣接するスペクトル帯域間で回折格子を回転させるのに費やされる時間を実質的に排除するために使用される、実施形態1に記載のシステム。
4.スペクトル帯域の幅が、カメラの露光時間および回折格子の回転速度によって実質的に決まる、実施形態1に記載のシステム。
5.カメラおよびビーム光学系がロールと同期して移動して、カメラとロールとの間の相対運動を実質的に排除する、実施形態2に記載のシステム。
6.スペクトル画像は、空中画像取込で同時に撮影することができる、実施形態2に記載のシステム。
7.カメラが一連の短時間露光画像と、ロールの所与のストリップに対応する各画像の並びを撮影する、実施形態2に記載のシステム。
8.ロールの所与のストリップに対応する画像が、最終累積信号が実質的に高い信号対ノイズ比を有するように累積される、実施形態7に記載のシステム。
9.システムは、ウエブの自由スパンの一部分上の支持体を使用して、支持されていないロールの長さ上の面外変位ならびに焦点ぼけを実質的に排除する、実施形態2に記載のシステム。
10.システムが、ナノフォトニック装置のウエハスケール製造において使用される、実施形態1に記載のシステム。
11.デュアルビームアーキテクチャが使用される、実施形態1に記載のシステム。
12.システムがカラーフィルタを使用して複数のスペクトル帯域を捕捉する、実施形態1に記載のシステム。
13.システムが、必要な視野の数、スペクトル帯域の数および幅、偏光状態の数、または個々のカメラで使用できる最大許容露光時間のうちの1つまたは複数を決定することによって、特定の装置製造シナリオに望ましいスループットを実質的に達成する、実施形態1に記載のシステム。
14.ロールがスループットを実質的に維持するように進行するにつれて、標本化される装置の数が減少する、実施形態13に記載のシステム。
15.前記光学機能マップの集合が、前記装置内の欠陥の特定の種類を実質的に識別するために使用することができる機能的、空間的、または時間的情報を含む、実施形態1に記載のシステム。
16.欠陥が、特定の製造プロセスエラーによる根本原因に実質的に関連している、実施形態15に記載のシステム。
17.装置のフィーチャがまた、装置の他の機能パラメータと相関し得るいくつかのナノフォトニック効果も有する場合、ナノスケール装置を製造するために使用できる、実施形態1に記載のシステム。
18.システムが、ナノ加工プロセスのリアルタイムモニタリングに使用される、実施形態1に記載のシステム。
19.システムがナノスケール装置の真空処理と互換性がある、実施形態1に記載のシステム。
20.システムが、ロールとカメラとの間の相対位置を実質的に安定させるフィードバック制御ループのためにロール上にマーキングするためにトラッキング位置合わせを使用する、実施形態2に記載のシステム。
21.各システムが他のシステムが特性評価しない基板の一部を実質的に特性評価するように複数のシステムが配置される、実施形態1に記載のシステム。
22.前記ナノフォトニック装置がワイヤグリッド偏光子であり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での透過強度である、実施形態1に記載のシステム。
23.ナノフォトニック装置がワイヤグリッド偏光子であり、光学機能が1つまたは複数の波長スペクトル帯域または視野角または照明角でのコントラスト比である、実施形態1に記載のシステム。
24.前記ナノフォトニック装置がナノワイヤアレイからなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での反射強度である、実施形態1に記載のシステム。
25.前記ナノフォトニック装置がナノワイヤアレイからなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での透過強度である、実施形態1に記載のシステム。
26.前記ナノフォトニック装置がナノワイヤアレイからなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での散乱強度である、実施形態1に記載のシステム。
27.前記ナノフォトニック装置がナノ粒子アレイからなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での反射強度である、実施形態1に記載のシステム。
28.前記ナノフォトニック装置がナノ粒子アレイからなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での透過強度である、実施形態1に記載のシステム。
29.前記ナノフォトニック装置がナノ粒子アレイからなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での散乱強度である、実施形態1に記載のシステム。
30.前記ナノフォトニック装置が回折光学系からなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での反射強度である、実施形態1に記載のシステム。
31.前記ナノフォトニック装置が回折光学系からなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での透過強度である、実施形態1に記載のシステム。
32.前記ナノフォトニック装置が回折光学系からなり、光学機能が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での散乱強度である、実施形態1に記載のシステム。
33.ナノフォトニック装置の製造における欠陥を検出する方法であって、
実施形態1に記載のシステムを用いて光学機能を測定する工程であって、光学機能は、基板上のナノフォトニック装置のエリア内の1つまたは複数の点で測定され、光学機能は、波長スペクトル帯域、偏光状態、照明角および視野角から選択される、工程と、
装置の光学機能マップを形成するために多次元データセットを編集する工程と
を含む、方法。
34.大面積機能計測システムであって、前記システムは、
ナノフォトニック特性を有するナノフォトニック装置の検査に使用され、
光源、光学部品、カメラセンサのうち1つまたは複数の部品で構成され、
前記ナノフォトニック装置に光を照射し、前記ナノフォトニック装置は前記光と相互作用して1つまたは複数の前記ナノフォトニック特性を提供し、
前記相互作用光を用いて前記カメラセンサに画像を記録し、前記画像は1つまたは複数の状態の関数として撮影される、システム。
前記状態は、以下の、
1.前記ナノフォトニック装置を照射する前記光のスペクトル成分と、
2.前記ナノフォトニック装置を照射する前記光の偏光成分と、
3.前記ナノフォトニック装置を照射する前記光が前記ナノフォトニック装置の表面と共に作る入射角と、
4.前記カメラセンサの視野角と、
5.前記カメラの受光角の範囲と、
6.前記カメラセンサを照射する前記相互作用光のスペクトル成分と、
7.前記カメラセンサを照射する前記相互作用光の偏光成分と
のうちの1つまたは複数である。
前記ナノフォトニック装置は、それに照射される前記光の波長程度の最小フィーチャサイズを有する装置であり、前記フィーチャの形状または材料特性は、出力として1つまたは複数の前記ナノフォトニック特性を提供するように設計される。
基準の前記カメラセンサに画像を記録し、これは、以下の、
1.ミラーからの光と、2.前記光源からの遮られていない光であって、前記カメラ、前記光学部品、および前記光源の位置によって定義される物体平面および画像平面の位置は、前記ナノフォトニック装置と相互作用した後の前記光の前記画像が記録されたときと同じであり、前記基準の前記画像は、既知の状態の関数として撮影される、光
のうちの1つである。
前記ナノフォトニック装置と相互作用した後の前記光を有する前記画像と、前記基準の前記画像とを処理して、前記状態の関数として前記ナノフォトニック装置のエリア内の1つまたは複数の点における前記ナノフォトニック特性を計算する。
前記ナノフォトニック特性は以下の、1.透過率、2.反射率、3.吸収率、4.回折効率、5.散乱効率、6.偏光効率、7.偏光変換効率、8.ヘイズ、9.コントラスト比のうちの1つである。
35.前記システムが、前記ナノフォトニック装置のウエハスケール製造に使用される、実施形態34に記載のシステム。
36.前記システムが、前記ナノフォトニック装置のロールツーロール製造に使用される、実施形態34に記載のシステム。
37.前記システムが、前記ナノフォトニック装置のシートツーシート製造に使用される、実施形態34に記載のシステム。
38.ナノフォトニック装置が、以下の、ナノ加工偏光子、金属メッシュグリッド、反射防止体、実質的な完全吸収体、実質的な完全反射体、ナノワイヤアレイ、ナノワイヤ分散体、ナノ粒子アレイ、ナノ粒子分散体、回折光学系またはナノ構造カラー装置のうちの1つである、実施形態34に記載のシステム。
39.ナノフォトニック装置がナノ加工偏光子であり、ナノフォトニック特性が1つまたは複数の状態での透過率である、実施形態34に記載のシステム。
40.ナノフォトニック装置がナノ加工偏光子であり、ナノフォトニック特性が1つまたは複数の状態でのコントラスト比である、実施形態34に記載のシステム。
41.ナノフォトニック装置が金属メッシュであり、ナノフォトニック特性が1つまたは複数の状態での透過率である、実施形態34に記載のシステム。
42.ナノフォトニック装置が金属メッシュであり、ナノフォトニック特性が1つまたは複数の状態でのヘイズである、実施形態34に記載のシステム。
43.連続的に回転する回折格子が、隣接するスペクトル帯域間で回折格子を回転させるのに費やされる時間を実質的に排除するために使用される、実施形態34に記載のシステム。
44.スペクトル帯域の幅が、カメラの露光時間および回折格子の回転速度によって実質的に決まる、実施形態43に記載のシステム。
45.前記システムの前記部分が移動基板と同期して移動し、前記部分と前記基板との間の相対運動を実質的に排除する、実施形態34に記載のシステム。
46.前記システムの前記部分はカメラセンサであり、さらに前記カメラセンサはハイパースペクトルライン走査カメラセンサである、実施形態34に記載のシステム。
47.前記ナノフォトニック装置が支持を使用して、焦点ぼけを引き起こす面外変位を実質的に排除する、実施形態34に記載のシステム。
48.前記光学部品の前記一部は、基板の面外変位によって引き起こされる焦点ぼけを実質的に排除する焦点深度を有するレンズである、実施形態34に記載のシステム。
49.システムが、基板上の位置合わせマークと、カメラの焦点面を調整するフィードバック制御ループとを使用して、基板の面外変位によって生じる焦点ぼけを実質的に排除する、実施形態34に記載のシステム。
50.前記システムは、基板を実質的に面内に位置合わせするフィードバック制御ループのために、基板上のトラッキング位置合わせマークを使用する、実施形態34に記載のシステム。
51.デュアルビームアーキテクチャが使用される、実施形態34に記載のシステム。
52.システムが、ナノ加工プロセスのリアルタイムモニタリングに使用される、実施形態34に記載のシステム。
53.各システムが他のシステムが特性評価しない基板の一部を実質的に特性評価するように2つのシステムが配置される、実施形態34に記載のシステム。
54.システムが、以下の、必要なシステムの数、必要なカメラセンサの数、ナノフォトニック特性の数、状態の数および最大許容特性評価時間のうちの1つまたは複数を決定することによって、特定の装置製造シナリオに望ましいスループットを実質的に達成する、実施形態34に記載のシステム。
55.実施形態34の機能計測システムを用いてナノフォトニック装置の欠陥を検出する方法であって、
前記欠陥は、前記ナノフォトニック装置の意図された性能からの逸脱であり、前記ナノフォトニック装置のナノフォトニック特性に望ましくない変化を引き起こす、方法。
56.欠陥を根本原因に実質的に関連付けるアプローチをさらに含み、前記根本原因が所望のナノ加工プロセスからの逸脱である、実施形態55に記載の方法。
57.根本原因がJ−FILインクジェットシステムエラーに起因し得る、実施形態55に記載の方法。
58.根本原因がPFILスロットダイプロセスエラーに起因し得る、実施形態55に記載の方法。
59.根本原因がインプリンティングプロセスエラーに起因し得る、実施形態55に記載の方法。
60.根本原因がエッチングプロセスエラーに起因し得る、実施形態55に記載の方法。
61.根本原因が斜め金属蒸着エラーに起因し得る、実施形態55に記載の方法。
Claims (26)
- 計測システムであって、
それぞれコンピュータプロセッサおよびコンピュータ化されたメモリで構成された少なくとも1つのコンピュータに接続されたサンプルカメラおよび基準カメラと、
前記サンプルカメラによる画像化を受けるナノフォトニック装置に関する可変波長光源と、
基準照明パラメータを前記メモリに記録するための前記基準カメラによる画像化を受ける基準光源と、を備え、
前記コンピュータ化されたメモリは、前記サンプルカメラおよび前記基準カメラからそれぞれの組の画像データを収集し、前記それぞれの組の画像データを比較することによって前記ナノフォトニック装置の少なくとも1つのナノフォトニック特性を識別するコンピュータ可読ソフトウェアコマンドを格納する、計測システム。 - 前記画像データは、前記可変波長光源にさらされる前記ナノフォトニック装置から前記サンプルカメラで受信された少なくとも1つのサンプル光ビームに対応するサンプル強度値と、前記基準光源から前記基準カメラで受信された少なくとも1つの基準光ビームに対応する基準強度値とを含み、前記プロセッサは前記サンプル強度値と前記基準強度値とを比較して少なくとも1つのナノフォトニック特性を識別するために利用される、請求項1に記載の計測システム。
- 前記ナノフォトニック装置は前記サンプル光ビームを偏光し、前記コンピュータは、前記基準強度値に対する偏光サンプル光ビームの前記サンプル強度値の比をとることによって偏光変換効率を識別する、請求項2に記載の計測システム。
- 前記コンピュータは、前記サンプル強度値を前記基準サンプル値で除算したもののコントラスト比を計算する、請求項3に記載の計測システム。
- レンズ、ビームスプリッタ、回折格子、およびミラーからなる群から選択された少なくとも1つの光学部品をさらに含み、前記光学部品は、前記可変波長光源および前記基準光源の一方または両方をそれぞれのカメラに向ける、請求項1に記載の計測システム。
- 前記基準カメラに向けられた基準光ビームを偏光する基準偏光子をさらに含む、請求項1に記載の計測システム。
- 基準測定とサンプル測定とが同時に行われるように、前記基準カメラと前記サンプルカメラとが、デュアルビームシステムで構成されている、請求項1に記載の計測システム。
- ビームスプリッタをさらに含み、前記ビームスプリッタがサンプル光ビームを前記ナノフォトニック装置に向け、基準光ビームを前記基準カメラに向けるように、前記可変波長光源および前記基準光源が前記ビームスプリッタと共に光路内に配置される単一光源として構成される、請求項7に記載の計測システム。
- 前記ナノフォトニック装置が前記サンプルカメラに対して位置決めされ、前記画像データが、前記ナノフォトニック装置を透過する前記サンプル光ビームから収集された透過画像データ、または前記ナノフォトニック装置によって反射される前記サンプル光ビームから収集された反射画像データを含む、請求項1に記載の計測システム。
- 前記システムは、前記ナノフォトニック装置の一部に向けられた複数のサンプルカメラを含み、前記サンプル画像データは、前記複数のサンプルカメラからの累積ピクセル値を含む、請求項1に記載の計測システム。
- 前記サンプルカメラおよび前記基準カメラは、前記ナノフォトニック装置が配置されているロールツーロール製造アセンブリ、または前記ナノフォトニック装置が配置されているウエハスケール製造アセンブリからそれぞれの画像データセットを収集するように構成される、請求項1に記載の計測システム。
- 前記ナノフォトニック装置が、84%を超えるコントラスト比を有するワイヤグリッド偏光子である、請求項1に記載の計測システム。
- 前記コンピュータは、p偏光された光の前記透過(Tp)およびs偏光された光の前記透過(Ts)に対応する光学機能を計算し、Tp/Tsの商としてコントラスト比を計算する、請求項1に記載の計測システム。
- 前記サンプル光ビームはp偏光された光およびs偏光された光のうちの一方を有し、前記基準カメラおよび前記サンプルカメラは同時に画像データを収集する、請求項13に記載の計測システム。
- 前記コンピュータ化メモリが、前記画像データを前記光学データ情報と比較することによって、前記ナノフォトニック装置内の特定の種類の欠陥を実質的に識別するために使用できる光学データ情報を含む光学機能マップのデータセットコレクションを含む、請求項1記載の計測システム。
- 前記ナノフォトニック装置がワイヤグリッド偏光子であり、前記ナノフォトニック特性が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での透過強度である、請求項1に記載のシステム。
- 前記ナノフォトニック装置がワイヤグリッド偏光子であり、前記ナノフォトニック特性が1つまたは複数の波長スペクトル帯域または視野角または照明角でのコントラスト比である、請求項1に記載のシステム。
- 前記ナノフォトニック装置がナノワイヤアレイからなり、前記ナノフォトニック特性が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での反射強度である、請求項1に記載のシステム。
- 前記ナノフォトニック装置がナノワイヤアレイからなり、前記ナノフォトニック特性が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での透過強度である、請求項1に記載のシステム。
- 前記ナノフォトニック装置がナノワイヤアレイからなり、前記ナノフォトニック特性が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での散乱強度である、請求項1に記載のシステム。
- 前記ナノフォトニック装置がナノ粒子アレイからなり、前記ナノフォトニック特性が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での反射強度である、請求項1に記載のシステム。
- 前記ナノフォトニック装置がナノ粒子アレイからなり、前記ナノフォトニック特性が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での透過強度である、請求項1に記載のシステム。
- 前記ナノフォトニック装置がナノ粒子アレイからなり、前記ナノフォトニック特性が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での散乱強度である、請求項1に記載のシステム。
- 前記ナノフォトニック装置が回折光学系からなり、前記ナノフォトニック特性が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での反射強度である、請求項1に記載のシステム。
- 前記ナノフォトニック装置が回折光学系からなり、前記ナノフォトニック特性が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での透過強度である、請求項1に記載のシステム。
- 前記ナノフォトニック装置が回折光学系からなり、前記ナノフォトニック特性が1つまたは複数の偏光状態または波長スペクトル帯域または視野角または照明角での散乱強度である、請求項1に記載のシステム。
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