JP4472931B2 - 光ビームに試料全体を走査させるためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に光ビームに試料全体を走査させるためのシステムおよび方法に関する。特定の実施態様は、光ビームを様々な角度で偏向させるように構成された音響光学偏向器を備えたシステムおよび方法に関する。

論理デバイスおよびメモリ・デバイスなどの半導体デバイスの製造には、通常、様々なフィーチャおよび多重レベルの半導体デバイスを形成すべく、半導体ウェハなどの試料を多くの半導体製造プロセスを使用して処理するステップが含まれている。例えば、リソグラフィは、通常、半導体ウェハ上に配置されたレジストへのパターンの転写を必要とする半導体製造プロセスである。半導体製造プロセスのその他の例としては、それらに限定されないが、化学機械研磨やエッチング、堆積、イオン注入などがある。複数の半導体デバイスを一定の配列で半導体ウェハ上に製造し、それらを個々の半導体デバイスに分割することもできる。

各半導体デバイス製造プロセスの間に、パーティクル汚染およびパターン欠陥などの欠陥が半導体デバイス中に導入される。このような欠陥は、数百個の半導体デバイスを含んだ半導体ウェハ上の１個の半導体デバイスに隔離されている。例えば、隔離された欠陥は、製造環境におけるパーティクル汚染の不測の増加あるいは半導体デバイスの製造に使用される化学薬品の処理中における汚染の不測の増加などのランダムな事象によるものである。あるいは、欠陥は、半導体ウェハ全体にわたって形成される各半導体デバイスに繰り返される。一例として、レチクル上の汚染あるいは欠陥による反復欠陥は系統的である。レチクルすなわちマスクは、レジストに転写される一定のパターンで配列された実質的に透明な領域および実質的に不透明な領域を有しており、半導体ウェハの上に配置される。したがって、レチクル上の汚染あるいは欠陥は、レジストに転写されるパターン中に再現し、後続する処理において半導体ウェハ全体にわたって形成される各半導体デバイスのフィーチャに望ましくない影響を及ぼしている。

リソグラフィ・プロセスの間に生成される欠陥の多くは裸眼で見ることができるため、通常、半導体ウェハ上の欠陥は、とりわけリソグラフィ・プロセスの中で目視検査によって手動でモニタされている。このような欠陥には、リソグラフィ・プロセス時における不良処理に起因するマクロ欠陥も含まれている。人間の目で見ることができる欠陥は、通常、約１００μｍ以上の幅を有しているが、半導体ウェハの非パターン化領域では約１０μｍ程度の幅の欠陥も目視可能である。参照によりそのすべてを示したものとして本明細書に組み込まれている、Ａｄｄｉｅｇｏに対する米国特許第５，９１７，５８８号およびＲｏｓｅｎｇａｕｓらに対する米国特許第６，０２０，９５７号に示されているシステムなどの自動欠陥検査システムが市販される以前は、手動検査が最も一般的であり、手動検査は依然としてリソグラフィ技術者が使用している最も優勢な検査方法である。

半導体ウェハを手動検査するための方法には、明るい光の下で半導体ウェハを半自動傾斜テーブル上に配置し、かつ、半導体ウェハを様々な角度で回転させるステップが含まれている。半自動傾斜テーブルは、半導体ウェハを中心軸に対して直角をなす平面に対して異なる傾きで位置決めしつつ、半導体ウェハを中心軸の周りに回転させている。この方法によれば、オペレータは、半導体ウェハの回転に応じて半導体ウェハの欠陥を目視検査し、半導体ウェハ上に存在している欠陥が、半導体ウェハ上の欠陥の許容限度内であるかどうかを決定することができる。参照によりそのすべてを示したものとして本明細書に組み込まれている、Ｓｃｏｔｔに対する米国特許第５，０９６，２９１号に、目視検査方法の一例が示されている。

自動検査システムは、ウェハ表面の検査に要する時間を短縮するために開発されたものである。通常、自動検査システムには、照明システムおよび収集−検出システムなどの２つの主要なコンポーネントが含まれている。照明システムには、光ビームを生成するレーザなどの光源および光ビームを集束させ、かつ、走査させるための装置が含まれている。ウェハ表面に存在する欠陥によって入射光が散乱する。検出システムは、散乱した光を検出し、かつ、測定し、カウントし、オシロスコープまたは他のモニタに表示することができる電気信号にその検出した光を変換する。検出された信号は、ウェハ上の欠陥の位置を特定し、かつ、識別すべく、コンピュータ・プログラムによって解析される。すべて参照によりそのすべてを示したものとして本明細書に組み込まれている、Ｓｔｅｉｇｍｅｉｅｒらに対する米国特許第４，３９１，５２４号、Ｈｅｅｂｎｅｒらに対する米国特許第４，４４１，１２４号、Ｋｏｉｚｕｍｉらに対する米国特許第４，６１４，４２７号、Ｈａｙａｎｏらに対する米国特許第４，８８９，９９８号、およびＡｌｌｅｍａｎｄに対する米国特許第５，３１７，３８０号に、このような検査システムの例が示されている。

音響光学偏向は、一般に、固体材料を通して音波を伝搬させる、光ビームの光路を変化させるための技法とされている。固体材料を通って伝搬する音波によって、その固体材料の屈折率などの特性が変化する。固体材料を通して音波を伝搬させることにより、結果として、固体材料を通過する光ビームを様々な角度で偏向させることができる。技術的応用例においては、一般に音響光学スキャナとも呼ばれている音響光学偏向器（「ＡＯＤ」）を集束光学系と共に使用して、試料の表面を横切って集束した光のスポットを走査させることができる。このような技術応用には、例えば半導体ウェハなどの試料の検査が含まれている。

参照によりそのすべてを示したものとして本明細書に組み込まれている、Ｐｏｒｔｅｒらに対する米国特許第４，９１２，４８７号に、ＡＯＤを備えたシステムの一例が示されている。このシステムには、試料の表面を照射するアルゴン・イオン・レーザ・ビームが含まれている。音響光学偏向器は、チャープ信号を使用して駆動され、ビームにラスタ走査線を掃引させるように、ビームの光路に置かれている。ターゲットは、双方向に移動することができるＸＹ移行ステージ上に置かれている。ビームの入射角は、ターゲットおよびステージの移動に対して直角をなしており、したがってビームは、隣接する同一幅の連続ストリップに沿って走査される。参照によりそのすべてを示したものとして本明細書に組み込まれている、Ｎｉｋｏｏｎａｈａｄに対する米国特許第５，６３３，７４７号、Ｎｉｋｏｏｎａｈａｄらに対する米国特許第５，８３３，７１０号、Ｊｏｒｄａｎ，ＩＩＩらに対する米国特許第５，８６４，３９４号、およびＬｅｓｌｉｅらに対する米国特許第６，０８１，３２５号に、ＡＯＤを備えたシステムの他の例が示されている。

半導体デバイスの製造における、より高いスループットおよびより低いコストに対する要求の増加は、偏に、現在市販されているシステムより精度が高く、かつ、速度の速い処理および検査システムが必要であることを意味している。このような検査システムにはＡＯＤが含まれている。リーディング・エッジＡＯＤ走査検査システムには、実質的により単純なＸＹ移行ステージを備えた、実質的にスループットがより高いシステムを提供すべく、帯域幅が広く、かつ、音響伝搬時間の長いＡＯＤが含まれている。また、このシステムは、全走査にわたって実質的に一定の感度を維持するために、サイズが実質的に一様なスポット・サイズ及び走査線の両端間で実質的に一様な輝度を生成することが必要である。このようなシステムの感度が走査線の両端間で一致しない場合、多重マシン・システム・応用と同様のシステム間整合および環境が問題になる。また、より長い走査線の両端間でサイズが実質的に一定のスポットを生成することにより、試料のより広い部分を１回の走査で走査することができるため、システムのデータ収集速度が速くなる。この方法によれば、さらに、このようなシステムのスループットが向上する。

一実施態様では、システムは、集束した光のスポットが試料の表面全体を走査するように構成されている。このシステムには、光ビームを微小スポットに集束させ、かつ、集束した微小スポットに、このスポットのサイズより著しく長い線の両端間を走査させるように構成されたＡＯＤおよび光学系が含まれている。ＡＯＤは、その全体が、ほぼ一定の角度でビームを偏向させるほぼ一定の周波数の音波で満たされた「偏向モード」で動作している。このモードでは、ＡＯＤの周波数を時間の関数として変化させることによって走査線が生成される。別法としては、ビームを微小スポットに集束させる、周波数が急激に変化する音波（チャープ・パケット）でＡＯＤの一部が満たされた「チャープ・モード」でＡＯＤを動作させることもできる。このモードでは、チャープ・パケットをＡＯＤの長さの両端間で伝搬させることによって走査線が生成される。

また、このシステムにはリレー・レンズが含まれている。リレー・レンズは、チャープ・モードで動作しているＡＯＤによって生成される走査線からの光を平行にするように構成されている。リレー・レンズの光軸は、ＡＯＤによって生成される走査線に実質的に芯合わせされている。また、リレー・レンズの光軸は、ＡＯＤによって生成される走査線に対して実質的に直角をなしているが、ＡＯＤによって生成される主光線に対して平行ではない。また、このシステムには対物レンズが含まれている。対物レンズの光軸は、リレー・レンズの光軸と実質的に平行であるが、リレー・レンズの光軸に対して実質的に偏心している。しかし、平行光線は、実質的に対物レンズに芯合わせされている。

また、このシステムには、リレー・レンズと対物レンズの間に配置されたプリズム・アセンブリまたはミラー・アセンブリが含まれている。プリズム・アセンブリまたはミラー・アセンブリは、対物レンズをリレー・レンズの軸から偏心させる必要性を回避すべく、平行光線を再び対物レンズに向けるように構成されている。

対物レンズは、平行光線を焦点面に集束させるように構成されている。対物レンズは、焦点面に実質的に平行に向けられている。また、対物レンズの光軸は、実質的に焦点面に芯合わせされ、かつ、焦点面に対して直角をなしている。焦点面は、試料の表面に実質的に平行である。したがって、このようなシステムは、システムの視野傾斜を小さくし、さらには実質的に除去している。視野傾斜は、一般に、システムの焦点面が試料の表面に対して配置される角度とされている。このような視野傾斜は、例えば、リレー光学系が中央に置かれたＡＯＤをチャープ・モードで使用することによるものである。

視野傾斜は、視野のサイズが視野内の光のスポット・サイズに対して大きくない場合は問題にはならないが、比較的小さいサイズの視野にはいくつかの欠点がある。例えば、視野のサイズが比較的小さいシステムは、視野のサイズが比較的大きいシステムと比較すると、スループットが比較的小さく、また、複雑な高性能ＸＹ移行ステージが必要である。しかしながら視野のサイズが大きくなると、視野傾斜のために、視野全体にわたるスポット・サイズの一様性が損なわれることになる。例えば、焦点面が傾斜しているため、視野の中心から遠ざかるほどスポット・サイズが大きくなり、焦点がぼけることになる。視野が傾斜したシステムの焦点外れの量は、走査線の中心からの距離の二乗として測定される。この方法の場合、このようなシステムの感度も視野全体にわたって変化することになる。また、システムの感度が変化すると、複数のこのようなシステムの性能がシステム毎に変化することになり、したがって視野傾斜は、リーディング・エッジ検査システムではますます問題になる。

本明細書において説明するシステムの視野傾斜は小さく、さらには実質的に除去されているため、試料表面の光ビームのスポット・サイズとその位置は、実質的に互いに独立している。したがって、このようなシステムは比較的視野サイズが大きくなっている。その結果、システムは、スループットが比較的高く、かつ、単純で、ＸＹ移行ステージが比較的安価になっている。また、スポットは、このようなシステムの実質的に視野全体を通してそのサイズおよび焦点が実質的に一定になっている。したがって、システムの感度と試料表面の光ビームの位置は、実質的に互いに独立している。この方法の場合、システムの感度が実質的に一様であるため、複数のこのようなシステムの性能がシステム毎に実質的に一様であり、それによりシステム間の整合の改善を可能にしている。

一実施態様では、システムは、光ビームが試料の表面全体を走査するように構成されている。このシステムには、第１のＡＯＤおよび第２のＡＯＤが含まれている。第１のＡＯＤは、光学系を通して様々な角度で光ビームを第２のＡＯＤに導くように構成されている。第１のＡＯＤによって生成される光ビームの輝度は、実質的に一様な散乱特性を使用して較正される。

第１のＡＯＤは、駆動信号の持続期間が、光ビームを横切る音波の伝搬時間より長い偏向モードで動作している。また、このシステムには、第１のＡＯＤによって生成される光ビームを拡大し、かつ、角度走査を実質的に平行走査に変換するように構成されたレンズが含まれている。第２のＡＯＤは、駆動信号の持続期間と光ビームを横切る音波の伝搬時間がほぼ等しいチャープ・モードで動作している。第２のＡＯＤは、走査ビームを集束させるためのトラベリング・レンズとして機能するように構成されている。第２のＡＯＤ内を移動するチャープ・パケットの長さは、第２のＡＯＤの長さよりはるかに短くなっている。この方法によれば、第２のＡＯＤによって導かれる光に試料の表面を走査させることができる。

第１のＡＯＤに印加される駆動信号の振幅は偏向したビームの輝度を制御するために変調される。この強度変調を使用して、第２のＡＯＤの長さ全体または検査システム全体にわたる伝送損失が補償される。ＡＯＤの「伝送損失」は、一般に、ＡＯＤによって偏向される光の強度変化とされている。伝送損失は、チャープ・パケットがＡＯＤの固体媒体を通って伝搬する際の音響チャープ・パケットの減衰によるものである。「チャープ・パケット」は、一般に、変換器を介してＡＯＤに結合された発生器からの無線周波数信号などの励起によって生成される、ＡＯＤを通って伝搬する音波と呼ばれている。伝送損失により、ＡＯＤによってＡＯＤの長さ全体にわたって偏向される光の強度が変化する。また、偏向した光の強度は、ＡＯＤの長さが長くなるほど、その一様性が損なわれる。

一実施態様では、第１のＡＯＤに印加される駆動信号の振幅は、第２のＡＯＤの長さ全体にわたる伝送損失の増加に伴って、第１のＡＯＤの走査線全体の光の強度が増加するように変調されている。したがって、このようなシステムは、第２のＡＯＤの長さ全体にわたる音響減衰を補償している。また、このメカニズムを使用して、光学系における他の損失が補償されている。この方法の場合、第２のＡＯＤによって導かれる光の強度と試料の表面に導かれる光ビームの位置は、実質的に互いに独立している。したがって、システムの感度と試料の表面に導かれる光ビームの位置は、実質的に互いに独立している。したがって、上で説明したように、複数のこのようなシステムの性能は、システム毎に実質的に一様であり、それによりシステム間の整合を可能にしている。

他の実施態様では、システムは、光ビームに試料の表面全体を走査させるように構成されている。このシステムには、チャープ・モードで動作するＡＯＤが含まれている。ＡＯＤには、複数のチャープ・パケットが同時に含まれている。第１のチャープ・パケットがＡＯＤを通って伝搬して照射され、それにより走査線を形成している間、次の走査線を開始すべく第２のチャープ・パケットが準備される。「予備充填」と呼ばれるこの構造は、各走査線の開始時におけるチャープ・パケットの充填に関わる逸失時間を除去している。

また、このシステムには視野絞りが含まれている。視野絞りは、一回につき１つのチャープ・パケットにのみ試料の走査を可能にするように構成されている。例えば、第１のチャープ・パケットが試料を走査している間、視野絞りは、第２のチャープ・パケットから偏向した光をブロックし、逆に、第２のチャープ・パケットの準備が完了して試料の走査を開始すると、視野絞りは、第１のチャープ・パケットからの光をブロックしている。

このようなシステムの平均データ転送速度は、システムのピーク・データ転送速度にほぼ等しくなっている。この方法でＡＯＤに予備充填を施すことにより、音響セルの充填に要する時間をシステムの処理時間から実質的に除去することができる。また、このようなシステムは、光に試料の表面全体を実質的に連続的に走査させている。例えば、このようなシステムの処理時間には、試料の走査に要する時間、前置スキャナＡＯＤの充填時間およびエレクトロニクスのリセット時間しか含まれていない。したがって、このようなシステムのデータ転送速度は、前置スキャナの充填時間およびエレクトロニクスのリセット時間によってのみ制限されている。また、このようなシステムのスループットは、システムのデータ転送速度に依存しているため、このようなシステムのスループットも向上している。

本発明のその他の利点については、好ましい実施形態についての以下の詳細な説明および添付の図面を参照することにより、当分野の技術者には明らかになるであろう。

本発明には様々な改変および代替形態が可能であるが、本発明の特定の実施形態について、実施例として図面に示し、かつ、本明細書において詳細に説明する。図面の尺度はスケール通りではないが、図面および図面についての詳細な説明が、開示する特定の形態に本発明を制限することを意図したものではなく、それどころか、その意図が、特許請求の範囲の各請求項によって定義される本発明の精神および範囲に帰するすべての改変、等価物および代替物を包含することにあることを理解すべきである。

図１を参照すると、光ビームに試料の表面全体を走査させるように構成されたシステムの一実施形態が示されている。このシステムは、ＡＯＤ８を備えている。また、このシステムは、光１６をＡＯＤ８に導くように構成された光源（図示せず）を備えている。適切な光源には、それらに限定されないが、例えばヘリウム・ネオン・レーザ、アルゴン・イオン・レーザ、固体レーザ・ダイオード、キセノン・アーク燈、白熱電球、発光ダイオード、光ファイバ光源、または当分野で知られている他の光源がある。この方法の場合、光１６には、単色光または多重波長の光が含まれている。単一波長または多重波長の光１６には、紫外波長、可視波長および／または赤外波長が含まれている。

ＡＯＤ８は、固体媒体１０でできている。固体媒体１０には、それらに限定されないが、ＴｅＯ₂、石英、石英ガラス、サファイアなどの結晶材料、他のガラス状材料、または当分野で知られている他の任意の適切な材料がある。音響変換器１２は固体媒体１０の表面に結合されている。変換器１２は、固体媒体１０を介したチャープ・パケット１４の伝搬を開始させるように構成されている。例えば、信号発生器（図示せず）は、無線周波数信号を発生し、かつ、変換器１２に提供するように構成されている。このような信号は、一般に「駆動信号」と呼ばれている。音波の波長は、駆動信号の周波数および固体媒体１０中の音速によって決まる。また、駆動信号の持続期間は、固体媒体１０を通って移動するチャープ・パケットの移動時間より短くなっている。したがって、図１に示すように、多重音波チャープ・パケット１４はＡＯＤ８を通って実質的に同時に伝搬している。上で説明したように、このようなＡＯＤ駆動構成は、一般に「チャープ・モード」と呼ばれている。

固体媒体１０を通って伝搬するチャープ・パケット１４は、超音波領域の周波数を有している。固体媒体１０を通って伝搬するチャープ・パケット１４により、結晶の格子構造あるいは屈折率などの固体媒体１０の特性が変化する。この方法の場合、固体媒体１０に入射した光ビーム１６は、固体媒体を通って伝搬し、超音波チャープ・パケットが結晶を通って伝搬する際に、その超音波チャープ・パケットによって変化した結晶格子の一部によって回折する。そのために、固体媒体１０を出る光１６の一部には、偏向したビーム１８が含まれているが、固体媒体１０を出る光１６の一部には、実質的に偏向されないビーム１７も含まれている。チャープ・パケット１４には、一般に「周波数ランプ」と呼ばれている、パケットの開始からチャープ・パケットの終了まで直線的に変化する複数の周波数が含まれている。

ビーム１８が偏向する角度は、固体媒体１０内部の光と超音波の相対波長にのみ依存している。この方法によれば、固体媒体１０を出るビームの偏向角度は、固体媒体１０に入射する光の波長および固体媒体１０の内部に誘導される超音波の波長によって決定され、かつ、制御される。駆動周波数がチャープ・パケット１４全体にわたって直線的に変化するチャープ・モードの場合、入射ビーム１６は、チャープ・パケット内の周波数に比例した異なる角度で回折する。周波数を低周波数から高周波数へランプさせることにより、チャープ・パケット１４の部分２０の周波数は、部分２２の周波数より高くなる。部分２０の方が周波数が高いため、回折ビーム２１で示すように、入射する光ビーム１６の一部が部分２０によってより鋭い角度で回折する。また、部分２２の周波数が比較的低いため、回折ビーム２３で示すように、入射する光ビーム１６の一部が部分２２によってより浅い角度で回折する。この方法によれば、チャープ・パケット１４を使用して、走査線３０で示すように、ビーム１６を平面内に集束させることができる。チャープ・パケット１４は、媒体１０を通って伝搬する際に、トラベリング円柱レンズとして作用している。追加円柱レンズ３７を使用して、ビーム１６を反対側の平面に集束させることができる。チャープ・パケット１４が変換器１２から媒体１０を通ってベクトル方向２５に沿って伝搬する際に、チャープ・パケット１４を追跡し、あるいはチャープ・パケット１４に追従するように光ビーム１６を掃引させるように光源および光学系（図示せず）を構成させることができる。この方法によれば、走査スポットは、走査線３０に生成される。

チャープ・モードに構成されたＡＯＤは、上で定義したように、約１オクターブ未満の帯域幅すなわち周波数領域を有するように制限されている。このような帯域幅制限により、ＡＯＤによって偏向される２次光ビームが最小化され、あるいはＡＯＤによって偏向される１次光ビームによる試料表面の走査の際の、２次光ビームによる試料表面の同時走査が実質的に除去される。しかしながら、このようなＡＯＤ構成により、ＡＯＤ８によって生成される走査線３０に直角でない主光線２８が生成される。

図１に示すように、システムは、走査線３０に生成される走査スポットを試料２７の表面２４に中継するための光学系をさらに備えている。この光学系には、リレー・レンズ３６が含まれている。リレー・レンズ３６は、ＡＯＤ８および円柱レンズ３７によって集束した光を平行にするように構成されている。リレー・レンズ３６は、当分野で知られている適切な任意のレンズを備えることができる。リレー・レンズ３６の光軸３５は、ＡＯＤ８によって生成される走査線３０に芯合わせされている。光軸３５はＡＯＤ８の主光線２８に平行している。また、システムは、対物レンズ２６を備えている。対物レンズ２６は、リレー・レンズ３６によって平行にされた光を焦点面３４に集束させるように構成されている。対物レンズ２６は、当分野で知られている任意の集光レンズとすることができる。図１に示すように、対物レンズ２６の光軸３３は、リレー・レンズ３６の光軸３５と一致している。このような構造の場合、対物レンズ２６と焦点面３４は平行ではない。例えば、焦点面３４は、試料２７の表面２４に対して角度３２をなして配置されている。上で説明したように、焦点面が試料の表面に対して配向される角度３２は、一般に「視野傾斜」と呼ばれている。システムの焦点面と試料の表面が実質的に平行でない場合、試料２７の表面２４の光ビームのサイズ（スポット・サイズ）が、表面全体にわたって変化する。また、光の輝度が表面３４全体にわたって変化するため、システムの感度も表面３４全体にわたって変化する。

図２は、あるシステムの好ましい一実施形態を示したもので、リレー・レンズの光軸は、チャープ・モードで動作しているＡＯＤによって生成される走査線に芯合わせされているが、リレー・レンズと対物レンズの光軸は、チャープ・モードで動作しているＡＯＤによって生成される主光線に対して平行でない。また、リレー・レンズは、対物レンズに対して実質的に偏心している。このシステムは、視野傾斜のないテレセントリック走査スポットを生成している点で、図１に示すシステムと異なっている。

このシステムもＡＯＤ８を備えており、ＡＯＤ８は、本明細書において説明するすべての実施形態と同様に構成されている。例えば、ＡＯＤ８は、変換器１２によってＡＯＤ８に供給される駆動信号が、ＡＯＤの固体媒体１０を通してチャープ・パケット１４を伝搬させるように構成されている。光１６は、光源（図示せず）からＡＯＤ８に導かれている。光源は、本明細書において説明するすべての実施形態と同様に構成されている。ＡＯＤ８によって様々な角度で偏向した光１６は、本明細書において説明するように、走査線３０に集束する。また、このシステムもリレー・レンズ３６を備えている。リレー・レンズ３６は、ＡＯＤ８と円柱レンズ３７によって偏向し、かつ、集束した光を平行にするように構成されている。図２に示すように、リレー・レンズ３６の光軸３８は、ＡＯＤ８によって生成される走査線３０に芯合わせされている。また、リレー・レンズ３６の光軸３８は、ＡＯＤ８によって生成される走査線３０に対して直角をなしている。リレー・レンズ３６の光軸３８とＡＯＤ８によって生成される主光線２８は、実質的に平行ではない。

また、このシステムも対物レンズ２６を備えている。対物レンズ２６は、リレー・レンズ３６によって平行にされた光を焦点面４４に集束させるように構成されている。対物レンズ２６の光軸４０は、リレー・レンズ３６の光軸３８に対して実質的に偏心している。対物レンズ２６の光軸４０とリレー・レンズ３６の光軸３８は実質的に平行であるが、リレー・レンズ３６によって平行にされ、かつ、形成される光のひとみは、実質的に対物レンズ２６に芯合わせされている。また、対物レンズ２６と焦点面４４は実質的に平行である。この方法によれば、対物レンズ２６は、実質的に焦点面４４に向けることができる。したがって、この光学系により、図２に示すように、ＡＯＤ８によって偏向した主光線２８を、焦点面４４に対して実質的に直角をなす角度で中継することができる。また、焦点面４４と試料２７の表面２４は、実質的に平行である。この方法によれば、焦点面が試料の表面に対して配置される角度をほぼ０度にすることができる。したがって、対物レンズの光軸とリレー・レンズの光軸がオフセットしたシステムによって、ＡＯＤのチャープ・モードに関連する視野傾斜を修正することができる。

また、図２に示すシステムは、追加光コンポーネント（図示せず）を備えている。追加光コンポーネントには、それらに限定されないが、例えばビーム・スプリッタ、４分の１波長板、線形偏光子および円形偏光子などの偏光子、回転偏光子、回転検光子、コリメータ、集光レンズ、ミラー、ダイクロイック・ミラー、部分透過ミラー、スペクトル・フィルタまたは偏光フィルタなどのフィルタ、空間フィルタ、反射板および変調器がある。これらの追加光コンポーネントの各々は、システムの内部に配置し、あるいは本明細書において説明するシステムの任意のコンポーネントに結合することができる。

一代替実施形態では、リレー・レンズ３６の光軸３８は、上で説明したように、ＡＯＤ８によって生成される走査線３０に芯合わせされている。ＡＯＤ８によって生成される主光線２８と光軸３８は、実質的に平行でない。リレー・レンズ３６の光軸３８は、ＡＯＤ８によって生成される走査線３０に対して直角である。リレー・レンズ３６は、前述の実施形態で説明したように、ＡＯＤおよび円柱レンズによって偏向し、かつ、集束した光を平行にするように構成されている。したがって、このような実施形態では、リレー・レンズ３６によって平行にされた光は、対物レンズ２６には芯合わせされていない。図２ａに示す他の実施形態では、システムは、さらに、リレー・レンズと対物レンズの間に配置されたプリズム・アセンブリあるいはミラー系などの光学機構３９を備えている。ミラー系またはプリズム・アセンブリは、リレー・レンズ３６によって平行にされた光のひとみを再び対物レンズ２６に集中させるように構成されている。図２ａに示す、図２に関連して説明した構成と同様に構成されている他のエレメントは、同じ参照数表示で示されている。

平らな視野を有するシステムの場合、試料表面のスポット・サイズは、視野傾斜が修正されていないシステムのスポット・サイズより、実質的に視野全体にわたってより一様である。レーザ走査システムの感度は、システムのスポット・サイズに逆比例している。スポット・サイズが走査線の位置を関数として変化すると、システムの感度も走査線の位置を関数として変化する。したがって、上で説明したシステムのスポット・サイズは実質的に一定であり、したがって光ビームの強度は、このようなシステムの焦点面の長さの両端間で一定である。したがって、本明細書において説明するシステムの感度は、視野傾斜が修正されていないシステムより良好である。この方法によれば、このようなシステムのシステム間整合も、視野傾斜が修正されていないシステムより良好である。

また、例えば本明細書において説明する偏心レンズを使用して視野傾斜を修正することにより、より長いＡＯＤ（すなわち、音響伝搬距離がより長いＡＯＤ）を利用することができる。より長いＡＯＤを利用したシステムにより、所与のスポット・サイズに対して、より長い走査線が生成される。所与のスポット・サイズに対する走査線の長さを長くすることにより、高精度ＸＹ移行ステージの必要性が実質的に除去される。このようなステージは本質的に高価であるため、本明細書において説明するシステムのコストが実質的に低減される。逆に、走査線の長さがより短い場合、より高速のステージが必要であり、また、走査中におけるより多くの反転が必要である。さらに、ステージを振動からより良好に分離しなければならない。また、このようなステージに対する動的直線性の要求は、その達成がより困難であり、また、オン・ザ・フライ電子位置決めが必要である。

チャープ・モードで動作するＡＯＤは、ＡＯＤを通って伝搬する際のチャープ・パケットの減衰による相当な伝送損失を有している。音波の振幅が小さくなるとチャープ・パケットの偏向能率が低下し、それによりチャープ・パケットがＡＯＤを通って移動する際の偏向ビームの輝度が低下する。このような伝送損失により、試料の表面全体を走査する際のビームの輝度が大きく変化し、このような輝度変化が、システムの一様性の低下をもたらし、かつ、システム間の整合を困難にしている。

ＡＯＤ内の音波の強度をモニタし、かつ、このモニタ信号を使用して、試料から検出した信号を正規化することは可能であるが、この種の修正は、走査線の両端間の輝度変化を部分的に補償するに過ぎない。検査システムの総合感度は、とりわけ試料から検出した信号が小さい場合、ビームの輝度によって依然として変化するため、光子統計が重要になってくる。したがって、試料全体を走査する際のビームの実際の輝度が等しくなることが好ましい。

図３は、ＡＯＤを通って伝搬する短チャープ・パケットに関連する伝送損失が実質的に修正される一実施形態を示したものである。図３に示すように、光ビームに試料全体を走査させるように構成されたシステムは、第１のＡＯＤ４４を備えている。第１のＡＯＤ４４は偏向モードで動作し、本明細書においては「予備走査」ＡＯＤと呼んでいる。ＡＯＤ４４に取り付けられた変換器４６は、ＡＯＤ４４に音波を充填する駆動信号を発生するように構成されている。音波の周波数は、音波がＡＯＤ４４を通って伝搬する時間と比較すると、穏やかに変化している。ＡＯＤ４４内の音波の周波数を変化させることにより、偏向したビームが位置６２から位置６４へ走査される。

また、このシステムは、ビームを拡大し、かつ、ＡＯＤ４４からの微小角度走査を、ＡＯＤ５４部分における長い線形走査に変換するように構成されたレンズ５２を備えている。このレンズは、本明細書におけるすべての実施形態で説明したように構成されている。例えば、このレンズは、望遠鏡、リレー・レンズ、集光レンズ、対物レンズ、ミラー、または当分野で知られている他の任意の適切な光コンポーネントを備えることができる。

また、このシステムは、チャープ・モードで動作する第２のＡＯＤ５４を備えている。ＡＯＤ５４に取り付けられた変換器５８は、ＡＯＤ５４の全長さを位置５９から位置６０へ伝搬するチャープ・パケットを生成する駆動信号を発生するように構成されている。ＡＯＤ５４を通って伝搬するチャープ・パケットは、走査ビームを集束させるためのトラベリング・レンズとして機能するように構成されている。チャープ・パケットの長さは、光ビーム６３および６５のサイズにほぼ等しく、第２のＡＯＤ５４の長さよりはるかに短くなっている。

チャープ・パケット５９は、第２のＡＯＤ５４を通って変換器５８から遠ざかる方向５６に伝搬すると、その振幅が減衰する。したがって、位置５４のチャープ・パケットによって走査線上に集束する光は、位置６０のチャープ・パケットによって走査線上に集束する光より明るい。走査線におけるこの非一様な輝度は、検査システムの性能あるいは多重システムの整合に有害な影響を及ぼしている。

第２のＡＯＤ５４を通って伝搬する際のチャープ・パケットの減衰を補償するために、チャープ・パケットを照射するビームの輝度を変化させることができる。この輝度の変化は、変換器４６によって第１のＡＯＤ４４に印加される駆動信号の振幅を変化させることによって達成される。ビーム掃引の開始時点では、明るさに欠けるビーム６２を生成すべく、ＡＯＤ４４はより小さい振幅信号で駆動され、その明るさに欠けるビーム６２が、変換器５８に近い第２のＡＯＤ５４内のチャープ・パケット５９に照射される。また、ビーム掃引の終了時点では、より明るいビーム６４を生成すべく、ＡＯＤ４４はより大きい振幅信号で駆動され、そのより明るいビーム６４が、ＡＯＤ５４の末端のチャープ・パケット６０に照射される。したがって、このＡＯＤ４４の振幅変調によってＡＯＤ５４内の減衰が補償され、実質的に一様な輝度の最終走査線が生成される。

上で記述したように、システムによって生成される走査線の輝度は、反射率が一様な試料を走査することによって較正される。最終走査線に沿った異なる位置で散乱する光が収集され、測定される。次に、その試料で測定した一様な輝度の走査線を生成する必要がある場合は、第１のＡＯＤに印加される駆動信号の振幅が変調される。この較正により、第２のＡＯＤ内の減衰が補償されるだけでなく、走査システムにおける他のあらゆる非一様性が補償される。

図４ａおよび４ｂは、光ビームに試料の表面全体を、１つの掃引の終了と次の掃引の開始の間にほとんど遅延のない、あるいは全く遅延のない多重掃引で走査させるように構成されたシステムの実施形態を示したものである。このシステムは、チャープ・モードで動作するように構成されたＡＯＤ６６を備えている。ＡＯＤ６６は、複数のチャープ・パケットを同時に備えている。チャープ・パケットの各々は、ＡＯＤの長さより実質的に短くなっている。例えば、ＡＯＤ６６は、第１のチャープ・パケット６８および第２のチャープ・パケット７０を備えている。

光源（図示せず）は、図４ａに示すように、ＡＯＤ６６を通って伝搬する単一チャープ・パケットを照射すべく、光７２を導くように構成されている。本明細書においては、光源およびＡＯＤのこのような構成を「予備走査」構成と呼んでいる。このような構成の実施形態については、図３に示し、かつ、説明した通りである。

光源は、別法として、図４ｂに示すように、実質的にＡＯＤ６６の長さ全体にわたって光７２を導くように構成することもできる。本明細書においては、光源およびＡＯＤのこのような構成を「フラッド・モード」構成と呼んでいる。この方法によれば、ＡＯＤの長さに沿って、第１のチャープ・パケット６８および第２のチャープ・パケット７０、あるいは任意の数のチャープ・パケットに、実質的に同時に光を導くことができる。

ＡＯＤ６６は変換器７４に結合されている。変換器７４は、ＡＯＤ６６を通って伝搬するチャープ・パケットを生成する駆動信号を発生するように構成されている。チャープ・パケットの形成には、チャープ・パケットの所望の長さおよびＡＯＤ内の音響速度で決まる有限の時間が必要である。本明細書においては、このチャープ・パケット生成時間を「充填時間」と呼んでいる。

図４ａに示すように、変換器７４を使用してチャープ・パケット６８が充填されている。一定の時間が経過すると、このチャープ・パケットは、ＡＯＤを通って第２のチャープ・パケット７０で示す位置に向かって伝搬する。その間に、変換器は、新しいチャープ・パケット６８に再び充填し、両方のチャープ・パケットがＡＯＤを通って同時に伝搬する。したがって、両方のチャープ・パケットが、フラッド・モードで動作している光源によってＡＯＤ６６に提供される光７２を偏向させている。

また、このシステムは、ＡＯＤ６６の焦点面に配置された視野絞り７６を備えている。視野絞り７６には、開口、シャッタ、空間フィルタすなわち格子、あるいは当分野で知られている他の任意の視野絞りが含まれている。視野絞り７６は、視野絞り７６に入射するほとんどすべての光７２を吸収する光学特性を有する材料でできている。例えば光７２に可視光が含まれている場合、視野絞り７６は、実質的に不透明な材料を使用して構築される。

チャープ・パケットのタイミングおよび視野絞りのサイズは、一度に１つのチャープ・パケットからの光のみを試料に照射するように構成されている。例えば、図４ａに示すように、視野絞り７６は、第１のチャープ・パケット６８によって偏向した光がブロックされている間、第２のチャープ・パケット７０によって偏向した光が試料を走査するように構成されている。この構成により、第２のチャープ・パケット７０が試料を走査している間に、第１のチャープ・パケット６８を充填することができる。充填が完了したチャープ・パケット６８は、チャープ・パケット７０が視野絞りに当たって試料の走査を停止すると、直ちに視野絞りを通過して伝搬し、試料の走査を開始する。本明細書において記述したように、一方のチャープ・パケットを使用して走査している間にもう一方のチャープ・パケットを充填することを、一般に「予備充填」と呼んでいる。

本明細書において説明したチャープＡＯＤの予備充填を使用したシステムは、連続するビーム掃引間の時間遅延をほとんど、あるいは全く伴うことなく、光に試料の表面全体を実質的に連続的に走査させている。予備走査ＡＯＤ構成の場合、予備走査ＡＯＤを充填している間、掃引間に遅延が存在しているが、この充填時間は、走査ＡＯＤにおけるチャープ・パケットの充填時間より短くすることができるため、システムのスループットが向上している。

以上の説明に鑑みて、当分野の技術者には、本発明の様々な態様に対する他の改変および代替実施形態が明らかであろう。例えば、光ビームに試料の表面全体を走査させるように構成されたシステムは、システムの視野傾斜を小さくするように構成された偏心レンズ、偏向モードＡＯＤに提供される光の強度を減衰させるように構成された変調ＡＯＤ、および／または偏向モードＡＯＤの音響セルを予備充填するように構成された前置スキャナを備えることができる。したがって、以上の説明は、単に例証を目的とし、かつ、本発明を実践するための一般的な方法を当分野の技術者に教示することを目的としたものとして解釈すべきである。現時点における好ましい実施形態として、本明細書において示し、かつ、説明した本発明の形態を捕らえるべきであることを理解されたい。本発明についての以上の説明の利点を知り得た当分野の技術者にはすべて明らかであると思われるが、エレメントおよび材料は、本明細書において示し、かつ、説明したエレメントおよび材料以外のものを代用することができ、また、部品およびプロセスは逆にすることが可能である。また、本発明の特定の特徴は、個々に利用することができる。特許請求の範囲の各請求項に記述されている本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本明細書において記述したエレメントに変更を加えることができる。

実質的に対物レンズに向けられたリレー・レンズを備えたシステムの一実施形態の略図である。 実質的に対物レンズから偏心したリレー・レンズを備えたシステムの一実施形態の略図である。 リレー・レンズによって平行にされた光のひとみを再び対物レンズに向けるべく、リレー・レンズと対物レンズの間に配置された光学機構を備えたシステムの一実施形態の略図である。 偏向モードで動作する第１のＡＯＤ前置スキャナおよびチャープ・モードで動作する第２のＡＯＤスキャナを備えたシステムの一実施形態の略図である。 予備走査モード構成およびフラッド・モード構成におけるＡＯＤの視野絞りおよび予備充填を備えたシステムの実施形態の略図である。

Claims (2)

1. 光ビームに試料の表面全体を走査させるように構成されたシステムであって、
   光ビームを角度走査に沿って様々な角度で導くように構成された第１の音響光学偏向器と、
   導かれる光ビームを拡大し、かつ、角度走査を線形走査に変換するように構成されたレンズと、
   前記レンズにより線形走査に変換された光ビームを走査線上に集束させるように構成された第２の音響光学偏向器と
   を備え、
   第２のチャープ・パケットが前記第２の音響光学偏向器を通って伝搬し、光ビームを走査線上に集束させている間、第１の音響光学偏向器の第１のチャープ・パケットを音響信号で充填することができ、前記第１の音響光学偏向器に印加される駆動信号の振幅の変化により、前記第２の音響光学偏向器を通って伝搬する第２のチャープ・パケットの減衰が補償されることを特徴とするシステム。
2. 光ビームに試料の表面全体を走査させる方法であって、
   第１の音響光学偏向器を使用して、光ビームを角度走査に沿って様々な角度で導くステップと、
   導かれるビームを拡大し、かつ、レンズを使用して、角度走査を線形走査に変換するステップと、
   第２の音響光学偏向器を使用して、前記レンズにより線形走査に変換されたビームを走査線に集束させるステップとを含み、
   第２の音響光学偏向器を通って伝搬している第２のチャープ・パケットを使用して光ビームを走査線上に集束させている間、第１の音響光学偏向器の第１のチャープ・パケットに音響信号を充填するステップを含み、前記第１の音響光学偏向器に印加される駆動信号の振幅の変化により、前記第２の音響光学偏向器を通って伝搬する第２のチャープ・パケットの減衰が補償されることを特徴とする方法。

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