KR101975081B1

KR101975081B1 - 펄스 조명을 사용한 동영상들의 고속 획득을 위한 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101975081B1
Application number: KR1020157017888A
Authority: KR
Inventors: 데이빗 엘 브라운; 융-호 알렉스 추앙; 유리 유디츠키
Original assignee: 케이엘에이 코포레이션
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2019-08-23
Also published as: TW201433165A; JP6129334B2; CN104904194B; CN104904194A; KR20150095737A; TWI597981B; WO2014093341A1; US20140158864A1; US9426400B2; JP2016500493A

Abstract

계속적으로 이동하는 객체로 이미지 센서를 동작하는 방법이 설명된다. 본 방법에서, 시간 지연 적분 모드(TDI-모드) 동작은 연장-시간 조명 펄스 동안 수행될 수 있다. 이러한 TDI-모드 동작 동안, 이미지 센서의 픽셀들에 의해 저장되는 전하들은 제 1 방향에서만 시프트되며, 이미지 모션을 추적한다. 두드러지게, 분리-판독 동작은 비-조명 동안만 수행된다. 이러한 분리-판독 동작 동안, 이미지 센서의 제 1 픽셀들에 의해 저장되는 제 1 전하들은 제 1 방향에서 시프트되며 이미지 센서의 제 2 픽셀들에 의해 저장되는 제 2 전하들은 제 2 방향에서 동시에 시프트되며, 제 2 방향은 제 1 방향에 대해 반대편이다.

Description

펄스 조명을 사용한 동영상들의 고속 획득을 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR HIGH SPEED ACQUISITION OF MOVING IMAGES USING PULSED ILLUMINATION}

본 출원은 2012년 12월 10일에 출원된 "Method And Apparatus For High Speed Acquisition Of Moving Images Using Pulsed Illumination"이란 명칭의 미국 가 특허출원번호 제 61/735,427 호의 우선권을 주장한다.

본 발명은 고속 이미지 스캐닝(high-speed image scanning)을 허용하면서 시간 지연 적분(timed delay integration) 및 펄스 조명(pulsed illumination)을 사용하도록 구성되는 시스템들에 관한 것이다.

시간 지연 적분(TDI)은 이미징 하드웨어(imaging hardware)의 시야보다 훨씬 더 클 수 있는 이동 객체들(moving objects)의 연속 이미지를 생산하는 이미징 프로세스이다. TDI 시스템에서, 이미지 광자들(photons)은 픽셀들의 어레이를 포함하는 센서(sensor)에서 광전하들(photocharges)로 변환된다. 객체가 이동됨에 따라, 광전하들은 이동 축에 평행하게, 센서 아래로 픽셀 사이에서 시프트된다. 광전하 시프트 레이트(shift rate)를 객체의 속도와 동기화함으로써, TDI는 이미지를 발생시키기 위해 동영상 위에 고정 포지션(fixed position)에서 신호 강도를 적분할 수 있다. 총 적분 시간은 이미지 모션(motion)의 속도를 변경함으로써 그리고 이동 방향에서 더 많은/더 적은 픽셀들을 제공함으로써 조절될 수 있다. 종래의 TDI 조사(inspection) 시스템들에서, 적분 신호를 판독해내기 위해 센서의 일 측 상에 판독 회로들이 포지셔닝된다. TDI 조사 시스템들은 웨이퍼들, 마스크들 및/또는 레티클들(reticles)을 조사하기 위해 사용될 수 있다.

연속적인 조명 및 이동 객체를 가지는 시스템에서, TDI는 기록 이미지가 흐릿해지지(blurred) 않도록 이미지 움직임에 정밀하게 동기화되어야 한다. 본 시스템의 일 단점은 센서의 판독이 단지 일 방향, 즉 이미지 모션에 대응하는 방향에 있을 수 있으며, 조명 펄스 동안 객체에서와 동일한 스캔 레이트에서 동작해야 한다. 펄스 조명 및 이동 객체를 가지는 시스템에서, 이미지는 전체 센서 영역에 걸쳐 거의 실시간으로 수집될 수 있다. 이미지는 그 후에 센서의 양쪽 측들을 따라 판독될 수 있으며, 그에 의해 효과적으로 판독 속도를 2배로 한다. 판독 라인 레이트는 또한 판독 속도를 더 증가시킬 수 있는 최종 이미지 품질을 타협하지 않고서 이미지 스캔 레이트보다 더 빠를수 있다. 본 시스템의 중대한 단점은 동영상이 노출 시간 동안 블러(blur)를 생산하지 않도록 조명 펄스가 매우 짧아야 한다는 것이다. 펄스 조명 시간이 센서 라인 주기에 접근함에 따라, 이미지 모션은 상당한 블러를 야기하기 시작할 것이며, 이미지는 그 임계값을 심하게 벗어나 품질저하될 것이다. 매우 짧은 펄스들을 사용하는 본 시스템의 다른 단점은 센서 상의 결함있는 픽셀 위치들에서의 이미지 정보가 복구될 수 없다는 것이다.

따라서, 계속적으로 이동하는 객체, 펄스 조명, 빠른 판독 능력 및 센서 픽셀들이 결함있는 이미지 정보의 복구를 제공하는 방법 및 장치에 대한 필요성이 존재한다.

계속적으로 이동하는 객체를 가지는 이미지 센서를 동작시키는 방법이 설명된다. 본 방법에서, 시간 지연 적분 모드(TDI-모드) 동작이 연장-시간(extended-time) 조명 펄스 동안 수행될 수 있다. 이러한 TDI 모드 동작 동안, 이미지 센서의 픽셀들에 의해 저장되는 모든 전하들은 제 1 방향에서만 시프트되며, 이미지 모션을 추적한다. 두드러지게, 비-조명(non-illumination) 동안만 분리-판독(split-readout) 동작이 수행된다. 이러한 분리-판독 동작 동안, 이미지 센서의 제 1 픽셀들에 의해 저장되는 제 1 전하들이 제 1 방향에서 시프트되며 이미지 센서의 제 2 픽셀들에 의해 저장되는 제 2 전하들이 그와 동시에 제 2 방향에서 시프트되며, 제 2 방향은 제 1 방향에 대해 반대편이다.

TDI-모드 동작은 조명 펄스와 동기화된다. 일 실시예에서, TDI-모드 동작은 전자 또는 광학 동기화를 사용하여 조명 펄스의 일 클록 주기 내에서 시작하도록 트리거된다. TDI-모드 동작의 시간은 펄스 조명의 주기를 포함한다. 분리-판독 동작 동안, 이미지 센서 전하 이동은 이미지 모션과 동기화되지 않는다. 일 실시예에서, 분리-판독 동작을 수행하는 것은 복수의 센서 출력 채널들의 병렬 판독을 포함할 수 있다.

객체 및 센서 판독의 동기화를 용이하게 하기 위해, 또는 검출 시스템의 파워 소모를 감소시키기 위해 TDI-모드 동작 및 분리-판독 동작 전에(그리고 일 실시예에서, 또한 TDI-모드 동작과 분리-판독 동작 사이에) 휴지 동작이 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 조명 간격은 복수의 조명 펄스들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 TDI 라인 주기들에 걸쳐 연장하는 복수의 조명 펄스들에 대응하는 픽셀 출력들을 분석하는 것은 이미지 센서 상의 픽셀 결함들 근처의 이미지 품질을 개선할 수 있다.

조사 또는 계측을 위한 시스템이 또한 설명된다. 본 시스템은 펄스 조명원(pulsed illumination source), 이미지 센서, 광학 컴포넌트들(optical components) 및 프로세서를 포함한다. 조명 펄스는 센서의 라인 주기와 유사하거나 더 길 수 있다. 광학 컴포넌트들은 펄스 조명원으로부터 객체로의 펄스 조명을 지시하도록, 그리고 객체로부터 이미지 센서에 반사 광을 지시하도록 구성되다. 프로세서는 이미지 센서를 동작시키도록 구성된다. 구성은 상술한 바와 같은 TDI-모드 동작 및 분리-판독 동작을 포함하는 프로세스를 수행하는 것을 포함한다.

도 1은 계속적으로 이동하는 객체로 펄스 조명을 사용하는 예시적인 스캐닝 조사 시스템을 예시한다.
도 2a는 독립적으로 동작될 수 있는 2개 측들을 가지는 예시적인 이미지 센서를 예시한다.
도 2b는 이미지 센서를 위해 사용될 수 있는 예시적인 CD 게이트들의 동작을 예시한다.
도 3a는 펄스 조명을 가지는 시스템에서 3-상(three-phase) CCD를 위한, 3개의 별개 동작 모드들을 가지는 예시적인 타이밍도를 예시한다.
도 3b는 CCD 구동 신호들의 시퀀스에 기초하여 센서 이미지 수집 및 스토리지 구역에서 서로 다른 방향들에서 시프트된다.
도 4는 3-상 CCD를 위한 예시적인 구동 신호들 및 상대적 타이밍을 예시한다.

도 1은 웨이퍼, 마스크 또는 레티클과 같은 계속적으로 이동하는 객체(101)를 가지는 펄스 조명원(106)을 사용하도록 구성되는 예시적인 시스템(100)을 예시한다. 유용하게, 펄스 조명(106)은 긴 펄스일 수 있다. 펄스 조명(106)을 위한 예시적인 소스들은 Q-스위치(Q-switched) 레이저 또는 펄스 램프를 포함할 수 있다. Q-스위치 레이저는 극도로 높은 피크 파워를 가지는 광 펄스들을 생산하기 위해 레이저의 광학 공진기(optical resonator) 내의 가변 감쇠기(variable attenuator)를 사용한다. 이들 광 펄스들은 연속 모드에서 동작하는 동일한 레이저에 의해 생산되는 것들보다 훨씬 더 높다. 펄스 램프는 딥 자외선(deep ultraviolet: DUV) 익사이머(excimer) 또는 익스트림 자외선(extreme ultraviolet: EUV) 소스에 의해 구현될 수 있다. 일 바람직한 실시예에서, 펄스 지속기간은 TDI의 라인 주기에 가깝거나 더 길다. 1 마이크로초의 라인 주기 동안, 적합한 조명은 500ns에 근접할 수 있거나, 10 또는 심지어 100 마이크로초를 넘어설 수 있으며, 이것은 본 발명의 설명 방법에서의 상당한 이점이다.

시스템(100)에서, 빔 스플리터(beam splitter)(107)는 펄스 조명원(106)으로부터 대물 렌즈(objective lens)(104)에 조명 펄스들을 지시할 것이며, 대물 렌즈(104)는 그 광을 객체(101)에 포커싱할 것이다. 객체(101)로부터의 반사 광은 그 후에 이미지 센서(110)에 지시될 것이다. 광의 지시 및 포커싱을 위한 다른 잘-알려진 광학 컴포넌트들은 도 1에서 간략성을 위해 도시되지 않음을 주목한다. 예를 들어, 둘 다 본원에 인용에 의해 통합되는 1998년 2월 10일에 발행된 미국 특허번호 제 5,717,518 호 및 2012년 7월 9일에 출원된 미국 특허출원번호 제 13/554,954 호는 시스템(100)에 사용될 수 있는 예시적인 광학 컴포넌트들을 설명한다. 이미지 센서(110)에 커플링되는 프로세서(120)는 이미지 센서(110) 사이의 제어 및 데이터 신호들뿐 아니라 (이하에 상세하게 설명된) 이미지 데이터의 분석과 펄스 조명 소스(106)로부터의 조명 펄스들의 동기화를 제공하도록 구성된다. 상술한 구성에서, 객체(101)는 객체 모션(103)을 가지며 이미지 센서(110)는 이미지 모션(109)을 가진다.

시스템(100)의 일 양상에 따르면, 객체 모션(103) 때문에, 조명 구역은 조명 구역(102a)(예를 들어, 시간 주기(N)), 이전에 조명된 구역(102b)(예를 들어, 시간 주기(N-1)) 및 이전에 조명된 구역(102c)(예를 들어, 시간 주기(N-2))에 의해 표시된 바와 같이 객체(101)에 걸쳐 계속적으로 이동할 것이다. 조명 구역들(102a, 102b 및 102c)의 각각은 얇은 직사각-형상 구역(조망의 편의를 위해 실척으로 도시되지 않음)일 수 있다. 구역들은 명확성을 위해 분리된 것으로 도시되지만, 100% 이미징 커버리지, 또는 결함 검출 동안 추가적인 리던던시(redundancy) 및 수행을 위해 제공하도록 중복할 수 있다.

도 2a는 이미지 구역(203)의 어느 한 쪽 상에 포지셔닝되는 판독 회로들(201A 및 201B)의 2개 세트들을 포함하는 예시적인 분리-판독 이미지 센서(110)를 예시한다. 판독 회로들(201A 및 201B)은 직렬 레지스터들(202A 및 202B) 및 판독 증폭기들(204A 및 204B)뿐 아니라 전달 게이트들과 같은 다른 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 판독 회로들(201A 및 201B)뿐 아니라 센서(110)의 다른 컴포넌트들의 예시적인 실시예들은 본원에 인용에 의해 통합되는 2009년 10월 27일 발행된 "Continuous Clocking of TDI Sensors"란 명칭의 미국 특허번호 제 7,609,309 호에 설명된다. 이미지 구역(203)은 픽셀들의 2-차원(2D) 어레이이며, 이미지의 각 라인은 각 방향(A 및 B)에서 동시에 판독된다. 각 라인은 그 후에 가장 단순한 경우에 한번에 한 픽셀씩 판독된다. 따라서, 바람직한 실시예들에서, 직렬 레지스터들(serial registers)(202A 및 202B)은 복수의 레지스터 세그먼트들로 분할될 수 있다(예를 들어, 도 2A는 각 직렬 레지스터가 6개의 세그먼트들로 분할되는 것을 도시하며, 그에 의해 복수의 증폭기들(204A 및 204B)을 사용한 병렬 판독을 허용한다).

두드러지게, 판독 회로들(201A 및 201B)은 독립적으로 동작될 수 있으며, 그에 의해 이미지 센서(110)가 2개의 판독 방향들(A 및 B)을 제공하게 허용한다. 분리-판독 모드에서, 이미지 구역(203)의 각 측(즉, 측면들(203A 및 203B))은 하나의 이미지 라인을 그들의 각각의 출력 채널들로 판독하기 위해 동기적으로 클로킹될 수 있다. 일 실시예에서, 이미지 구역(203)은 1000개의 라인들을 가질 수 있으며, 각 라인은 픽셀들의 열에 의해 형성된다. 따라서, 분리-판독 모드 동안, 500개 라인들이 방향(A)에서 판독될 수 있으며, 동시에 500개 라인들이 방향(B)에서 판독될 수 있다.

이러한 분리-판독 모드는 이미지 센서(110)에서의 전하-커플링 디바이스(charge-coupled device: CCD) 구동기들의 시간 활성화에 기초하여 가능하다. 예를 들어, 복수의 CCD 구동기들(P1a, P2a, P3a, P1b, P2b 및 P3b)은 위상들(phases)을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, CCD 구동기들(P1a, P2a, P3a, P1b, P2b 및 P3b)은 게이트 전극들(이하에서는 게이트들)의 구동 세트들로서 특성화될 수 있으며, 각 세트는 6개 게이트들을 가진다. 이미지 센서(110)의 하나의 바람직한 실시예에서, 3개의 위상들을 제공하기 위해 각 픽셀에 대해 3개의 게이트들이 제공된다. 도 2b에서, 2개의 픽셀들(210 및 211)이 도시되며, 여기서 게이트들(231, 232 및 233)은 픽셀(210) 위에 포지셔닝되며(positioned) 게이트들(234, 235 및 236)은 픽셀(211) 위에 포지셔닝된다. 이미지 센서(110)에서, 픽셀들(210 및 211)은 이미지 구역(203)을 형성하는 픽셀들의 2D 어레이의 열의 부분을 형성하기 위해 판독 축을 따라 정렬된다.

이미지 구역(203)은 광학 센서 또는 광전음극(photocathode)으로서 구현될 수 있다. 하나의 광학 센서 실시예에서, 이미지 구역(203)은 광감지(photo-sensitive) p-타입 실리콘 기판(214) 및 n-타입 매립 채널(buried channel)(213)을 포함할 수 있다. 실리콘 기판(214)에서의 정전기력들은 클록 입력 신호(예를 들어, CCD 구동기들(P1a, P2a, P3a, P1b, P2b 및 P3b)로부터의 클록 신호들 중 하나)에 의해 특정 게이트에 인가되는 전압 레벨에 의해 결정된다. 하이 레벨(high level) 전압들은 게이트 밑의 포텐셜 "웰"(potential "well")의 형성을 유발하는 한편, 로우 레벨(low level) 전압들은 전자 이동에 대해 포텐셜 배리어(potential barrier)를 형성한다. 한 픽셀로부터의 전하가 다른 픽셀들과 혼합되지 않음을 보장하기 위해, 인접한 게이트 전압이 로우로 구동될 때 게이트 전압이 하이로 구동된다(도 3a 및 3b를 참조하여 더 상세하게 설명된다). 시간(220)에서의 초기 상태에서, 픽셀들(210 및 211)의 게이트들(231 및 234) 각각은 적분된 전하(즉, 전자들)로 포텐셜 웰들을 형성하는 하이 레벨 전압들을 가지며, (픽셀(210)의) 게이트들(232, 233) 및 (픽셀(211))의 게이트들(235, 236)은 포텐셜 배리어들(barriers)을 형성하는 로우 레벨 전압들을 가진다. 후속적인 시간(221)에서, 픽셀들(210 및 211)의 게이트들(232 및 235) 각각은 적분된 전하(즉, 전자들)로 포텐셜 웰들을 형성하는 하이 레벨 전압들을 가지며, (픽셀(210)의) 게이트들(231, 233) 및 (픽셀(211))의 게이트들(234, 236)은 포텐셜 배리어들을 형성하는 로우 레벨 전압들을 가진다. 후속적인 시간(222)에서, 픽셀들(210 및 211)의 게이트들(233 및 236) 각각은 통합된 전하(즉, 전자들)로 포텐셜 웰들을 형성하는 하이 레벨 전압들을 가지며, (픽셀(210)의) 게이트들(231, 232) 및 (픽셀(211)의) 게이트들(234, 235)은 포텐셜 배리어들을 형성하는 로우 레벨 전압들을 가진다. 전하를 시프팅할 때 인접 게이트들은 바람직하게는 둘 다 전하 전달을 용이하게 하기 위해 짧은 시간 동안 하이 레벨 전압을 가지는 것을 주목한다. (이하에 설명되는 도 3a는 이러한 타이밍 중복을 도시한다.) 따라서 시간(220)에서 시간(222)까지, 전하는 왼쪽으로부터 오른쪽으로, 즉 픽셀(210)로부터 픽셀(211)로 시프트된다. 이러한 전하의 방향성 시프팅은 도 3을 참조하여 설명된 바와 같은 조사 시스템의 모드들 동안 유용하게 수정될 수 있다.

도 3a는 CCD 구동기들(P1a, P2a, P3a, P1b, P2b 및 P3b)에 의해 출력된 신호들, 클록 신호들(ck), 외부 동기화 펄스(sync) 및 펄스 조명 시간(pulse)을 표시하는 예시적인 타이밍도(300)를 예시한다. CCD 구동기들에 의해 출력된 각 신호의 전압 천이의 시작 및 중단은 클록 신호들(ck)에 동기화될 수 있음을 주목한다. 외부 동기화 펄스(sync)는 3-모드 사이클을 트리거한다(하나의 완전한 사이클이 도 3a에 도시된다). 도 3a의 예에서, 하나의 레이저 펄스는 각 사이클 동안 제공된다.

3개의 센서 모드들은 "0", "1" 및 "2"로서 도 3a에 표시된다. 센서 모드(1)는 레이저 펄스가 발생하며 따라서 객체의 조명 구역의 이미지가 발생될 수 있는 TDI-모드 동작이다. 일 실시예에서, 펄스 지속기간은 예를 들어, 1 마이크로초일 수 있는 고속 TDI의 라인 주기에 가까울 수 있거나 더 길 수 있다. 조명 펄스가 길 수 있기 때문에(예를 들어, 1 마이크로초보다 더 큼), 이미지 상의 고정 포인트(fixed point)는 하나 이상의 센서 픽셀들에 걸쳐 시프트할 것이다. 따라서, (도 3에 도시되는) CCD 구동기들(P1a/P1b, P2a/P2b, 및 P3a/P3b)의 연속적인 클로킹은 TDI-모드 동작을 제공하며 블러링(blurring) 없음을 보장하기 위해, 이미지 구역에서 발생된 전하가 이미지를 따라 시프팅됨을 보장하도록 수행될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미지의 블러링이 없음을 보장하기 위해 단지 1-2 픽셀들 사이에 전하의 시프팅이 수행될 수 있다. 또한 센서 라인 레이트(sensor line rate)로 칭해지는 이러한 전하 시프팅의 레이트는 이미지의 모션을 정확하게 매칭하기 위해 선택될 수 있다. 동작의 TDI 모드에서의 총 시간은 총 조명 펄스 시간에 따라 단지 하나 또는 약간의 라인 클록 주기들일 수 있다. 그러나, 블러링으로 인한 이미지 품질 손실 및 그 결과로 인한 결함 검출의 저하는 동작의 TDI-모드를 제공하지 않고서 매우 상당할 것이다.

센서 모드(2)는 조명이 오프인(즉, 레이저 펄스가 존재하지 않음) 고속 분리-판독 동작이다. 두드러지게, 조명이 오프이기 때문에, 직렬 레지스터들에 대한 클록 신호들이 허용하는 한 빨리 2개 측면들(예를 들어, 도 2a의 이미지 구역(203)의 측면들(203A 및 203B))로부터 데이터가 판독될 수 있다. 이러한 시간 동안, 이미지 센서(110)는 이미지 모션(109)과 동기화되지 않는다.

도 2a를 다시 참조하면, 일 실시예에서, 실제 조명 구역(205)은 센서 이미지 구역(203)보다 약간 작을 수 있다. 따라서, TDI-모드 동작 동안 전하 시프팅이 발생할 때, 이미지는 광학 시야 밖으로 이동할 것이다. 그러나, 픽셀들에 저장되는 전하 때문에 이미지 구역(203)에 의해 이미지가 여전히 저장된다. 따라서, 고속 분리-판독 모드 동안, 균일하게 조명된 이미지 데이터 전에 먼저 판독되는 일부 블랭크 또는 더 낮은-신호 라인들이 존재할 것이다. 이러한 인공물은 프로세싱 동안 보상될 수 있거나, 프레임 에지들 근처의 리던던시에 대해 허용하는 적합한 이미지 프레임 중복이 선택된다면 무시될 수 있다. 구체적으로, 신호들이 증폭기들로부터 출력될 때, 이미지는 이미지 프레임의 에지 근처의 조명 효과들에 대한 보상으로 복원될 수 있다.

센서 모드(0)는 센서 이미지 전하(객체가 아님)가 정적인(즉, 중단된) 휴지 동작이다. 일 실시예에서, CCD 구동기들(P3a 및 P3b)의 신호들과 같은 신호들의 일 세트는 미리 결정된 픽셀들의 프리-차징(pre-charging)을 제공하기 위해 그리고 필드의 에지에서 신호 전하 또는 이미지 데이터를 잃지 않고서 상태들 사이의 천이를 보장하기 위해 휴지 동작 동안 하이로 유지될 수 있다. 이미지 센서는 1 밀리볼트(millivolt)보다 작은 정확도로 각 픽셀 상에 전하를 급격하게 측정해야 함을 주목한다. 이미지 센서는 기판에서의 전압 잡음의 존재에서 그와 같이 측정하지 못할 수 있다. 이러한 쟁점을 해결하기 위해, 픽셀 간에 전하를 이동시키는 것은 판독 증폭기들이 직렬 레지스터들로부터 신호들을 판독하는 동안 중단될 수 있다. 일 실시예에서, 조명 펄스는 조명원의 타이밍 불확실성들로 인해 발생할 적어도 하나의 전하 전달을 위해 충분한 주기 후에 발생할 수 있다. TDI-모드 동작을 시작하기 위해 센서에 대한 트리거는 카메라 클록으로부터 또는 조명 펄스의 광학 검출에 기초하여 도출될 수 있다. 객체 모션 및 이미지 센서 라인 레이트가 잘 동기화되기 때문에, 소스의 타이밍 안정성은 상당히 열악할 수 있으며 결과에 대해 예리하게 그리고 정확하게 포지셔닝된 이미지를 허용한다. 센서 모드(2)의 종료 후에, 이미지 센서(110)는 센서 모드(0)(휴지 모드)로 리턴하며, 다음의 동기화 신호 및 조명 펄스에 대해 대기한다. 증폭기들(204A 및 204B)로부터 외부 이미지 프로세싱 컴퓨터(도시되지 않음)에 수집 데이터의 프로세싱, 버퍼링(buffering) 및 전송은 모든 센서 모드들 동안 진행할 수 있음을 주목한다.

도 3b는 CCD 구동 신호들의 시퀀스에 기초하여 서로 다른 방향들로 전하가 시프팅되는 방법을 예시한다. 구체적으로, TDI-모드 동작(센서 모드(1))(320) 동안, CCD 구동 신호들은 전하들이 일 방향에서 모두 픽셀들을 통해 시프트될 수 있도록 시퀀싱된다. 반대로, 분리-판독 동작(센서 모드(2))(321) 동안, CCD 구동 신호들은 전하들 중 절반이 일 방향에서 시프팅되며 픽셀의 전하들의 다른 절반은 반대 방향에서 시프팅되도록 시퀀싱된다. 각 CCD 구동 신호는 센서 어레이의 이미지 구역의 하나 이상의 픽셀 열들에서 모든 게이트들에 제공되는 것을 주목한다. 따라서, 시퀀스는 센서의 물리적 배선(wiring)에 기초한다. 18개 열들이 도 3b에 도시되더라도, 센서 어레이의 다른 실시예들은 더 적거나 더 많은 픽셀들의 열들을 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, CCD 구동 신호들은 도 3a에 도시된 바와 같이 정사각형일 수 있다. 다른 실시예들에서, CCD 구동 신호들은 다른 형상들을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 4는 3-상 CCD를 위한 사인 곡선 구동 신호들을 예시한다. 예를 들어, 전압 파형들(401, 402 및 403)은 이미지 구역(203)에서(또한 도 2a를 참조) 각각 게이트들(231 및 234), 게이트들(232 및 235) 및 게이트들(233 및 236)을 구동시킬 수 있다. 두드러지게, 이들 파형 형상들은 접지 상에 그리고 DC 전압 기준 평면들 상의 실질적으로 최소의 순 전압 요동(fluctuation)을 제공하도록 인접 게이트들에서 서로 다른 전압 위상들에서 동작한다. 더욱이, 정사각 파형보다는 오히려, 비-정사각 파형, 예를 들어, 사인곡선을 사용하여 전하를 전달하는 것은 일반적으로 게이트들을 제어하기 위해 더 낮은 피크 전류들을 요구한다. 결과적으로, 기판에서 흐르는 피크 변위(peak displacement) 전류들은 훨씬 더 낮으며, 그에 의해 더 낮은 전압 요동들 및 기판에서 감소된 열 발생을 보장한다.

기판에서의 전압 요동들의 로우 레벨들은 또한 심지어 센서가 이미지 구역에서 전하를 전달할 때도 시스템이 충분한 민감도로 직렬 레지스터에서의 픽셀들의 컨텐츠(contents)를 정확하게 판독하게 할 수 있다. 따라서, 사인곡선의 파형들을 사용함으로써, 판독 증폭기들은 일 픽셀로부터 다른 픽셀로의 이미지 영역에서 전하를 이동하는 동안 동시에 동작할 수 있다. 다른 실시예들에서, CCD 구동 신호들은 또한 사인곡선의 파형들을 위해 논의된 것들에 유사한 이점들을 제공할 수 있는 다른 비-정사각 파형 형상들을 가질 수 있다.

일 실시예에서, 센서 사이클 당 하나의 펄스를 가지는 대신에(즉, 센서 모드들(0, 1, 2)), 다수의 그룹화된 펄스들(예를 들어, 적어도 2개의 펄스들의 스트로브-유사(strobe-like) 세트)이 사용될 수 있다. 판독 후에, 이미지는 다수의, 그룹화된 펄스들을 고려하기 위해 프로세싱될 수 있다. 구체적으로, 객체의 위치 및 조명 타이밍이 알려지기 때문에, 측정 이미지는 정정된 "실제" 이미지로 디컨볼빙될(deconvolved) 수 있다. 적어도 2개의 샘플들이 각 픽셀에 대해 제공되기 때문에 이러한 타입의 펄싱 및 후속적인 프로세싱은 원래 이미지의 민감도를 개선할 수 있다. 구체적으로, (단일 펄스와 비교되는) 적어도 2배 많은 데이터가 (상술한 바와 같은) 작은 추가의 잡음으로 제공되기 때문에 다수의 펄스들은 더 높은 신호 대 잡음 비를 제공한다.

더욱이, 각 픽셀에 대해 2개의 샘플들을 가지는 것은 (예를 들어, 결함들을 표시하는) 적은 밝은 스폿들(bright spots)을 가지는 지배적으로 어두운 이미지가 캡처될 때 유익할 수 있다. 이러한 타입의 이미지에서, 이미지의 다른 부분들과의 최소 간섭이 존재한다. 판독 동안 발생된 2개의 밝은 스폿들은 예를 들어, 2개의 밝은 스폿들이 실제로 하나의 결함인지 여부를 결정하기 위해 디콘볼빙될 수 있다. 이러한 디콘볼빙은 필요한 복원을 제공하기 위해 (이미지가 펄스들 사이를 이동하기 때문에) 시간 및 이미지 이동 속도를 포함하는 정보를 사용할 것이다.

이러한 다수의, 그룹화된 펄스 실시예는 또한 센서 결함 검출을 해결하기 위해 사용될 수 있음을 주목한다. 구체적으로, (이미지 상의 소실(missing) 정보를 발생시킬) 센서 자체 상의 결함이 존재한다면, 그 후에 2개의 샘플들은 그렇지 않다면 비이용가능할 이미지 정보의 포함을 허용한다. 다시 말해, 하나보다 많은 픽셀 위의 이미지들은 결함있는 센서 픽셀 위치에서 이미지 데이터를 복구하기 위해 조명 펄스들 동안 수집될 수 있다. 모든 이미지 정보(또는 2개의 센서 결함들이 다수의 그룹화된 펄스들 동안 이미지 데이터를 캡처하는 픽셀들과 일치하는 것과 달리 실질적으로 모든 이미지 정보)의 수집을 여전히 보장하면서 불완전성의 증가 레벨들이 센서들에서 허용될 수 있기 때문에 이러한 다중 펄스 동작은 센서들의 비용을 감소시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 시스템(100)은 TDI 판독 모드의 특정의 유익한 특성들을 펄스 이미지 아키텍처들(pulsed image architectures)의 빠른 판독 능력과 유용하게 조합할 수 있다. 빠른 판독 속도 때문에, 시스템(100)은 소유 비용을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 추가로, 시스템(100)은 종래의 이미지 센서들로 수집될 때 흐릿한 조명 시간들 동안 이미지의 개선된 해상도를 제공한다. 다시 말해, 종래의 이미지 센서들은 이미지 블러링으로 인한 긴 펄스 광원들을 사용할 수 없다. 두드러지게, 긴 펄스 광원들은 피크 파워 조명을 감소시킴으로써 웨이퍼 손상을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 시스템(100)은 사인곡선의 파형들을 포함하는 다양한 CCD 구동 파형 형상들을 사용할 수 있다. 이들 사인곡선 파형들은 낮은 잡음이 결정적인 고속 조사 및 계측 애플리케이션들에서 효과적으로 사용될 수 있다. 추가로, 연속적인-클로킹 기술(즉, 상술한 3개의 센서 모드들, 여기서 휴지 모드는 정사각형-파 및 사인곡선 파형 동작 둘 다에서 고정 전압들을 사용함)은 열 발생을 감소시킬 수 있으며 제어 및 판독 전자부(electronics)에서의 타이밍 지터(jitter)의 부정적인 영향들을 완화시킬 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들은 첨부하는 도면들을 참조하여 본원에 상세하게 설명되었을지라도, 본 발명은 그 정밀한 실시예들에 제한되지 않음이 이해될 것이다. 이 실시예들은 소모적이거나 본 발명을 개시되는 정밀한 형태들로 제한하지 않는다. 그와 같이, 많은 수정들 및 변화들은 본 기술분야의 당업자들에게 명백할 것이다. 예를 들어, 일 실시예에서, 이미지 센서는 후방-조명된(back-illuminated) 후방-박형(back-thinned) CCD를 포함할 수 있다. 후방-조명의 박형 센서는 UV 광에 대해 양호한 민감도를 보장한다. 일부 실시예들에서, 후방-조명된 후방-박형 CCD는 DUV 또는 진공 UV 방사선으로 이용될 때 디바이스의 수명을 증가시키기 위해 광-감지 후방 표면 상에 얇은 붕소 코팅을 가질 수 있다. 후방-박형 센서들 상의 붕소 코팅들의 사용은 2012년 4월 10일에 출원된 Chern 등에 의해 미국 가 특허출원번호 제 61/622,295 호에 설명된다. 본 가 출원은 본원에 인용에 의해 통합된다. 일부 실시예들에서, 이미지 센서는 전자-충격(electron-bombarded) CCD(EBCCD) 센서를 포함할 수 있다. EBCCD들은 종종 암시야(dark-field) 조사 시스템들에서 조우되는 바와 같은 매우 낮은 광 레벨들에 대한 높은 민감도 및 낮은 잡음을 가진다. EBCCD의 일부 실시예들에서, CCD는 낮은-에너지 전자들에 대한 CCD의 민감도를 개선하고, 따라서, 이미지 센서 잡음 및 공간 해상도를 개선하기 위해 그 후방 표면 상에 붕소 코팅을 가지는 후방-박형 디바이스일 수 있다. EBCCD들에서의 붕소 코팅들의 사용은 또한 본원에 인용에 의해 통합되는 2012년 6월 12일에 출원된 Chuang 등에 의해 미국 가 특허출원번호 제 61/658,758 호에 설명된다. 따라서, 본 발명의 범위는 다음의 청구범위 및 그 등가물들에 의해 정의되도록 의도된다.

Claims

판독 축에 평행한 이동의 축을 따라 이동하는 계속적으로 이동하는 객체의 이미지를 생성하기 위해, 판독 축을 따라 정렬된 복수의 픽셀을 포함하는 이미지 센서를 동작시키는 방법에 있어서,
조명 펄스 동안 시간 지연 적분 모드(timed delay integration mode : TDI-모드) 동작을 수행하는 단계로서, 상기 이미지 센서의 상기 복수의 픽셀에 의해 복수의 전하가 각각 저장되고, 상기 각각의 전하는 상기 계속적으로 이동하는 객체 상의 대응하는 고정 포인트로부터 반사된 상기 펄스 조명에 의해 생성되는 이미지 영역을 형성하고, 상기 복수의 전하는 흐릿해지는(blurring) 것을 방지하는 방식으로 상기 대응하는 고정 포인트를 따라 상기 각각의 전하가 시프트되도록, 상기 TDI-모드 동작 동안 상기 판독 축을 따라 제1 방향으로만 픽셀로부터 픽셀로 시프트되는 것인, 상기 조명 펄스 동안 TDI-모드 동작을 수행하는 단계; 및
상기 TDI-모드 동작에 후속하는 비-조명(non-illumination) 기간 동안 분리-판독(split-readout) 동작을 수행하는 단계로서, 상기 이미지 센서의 제1 픽셀에 의해 저장된 제1 전하는 상기 판독 축을 따라 상기 제1 방향으로 픽셀로부터 픽셀로 시프트되고, 상기 이미지 센서의 제2 픽셀에 의해 저장된 제2 전하는 상기 분리-판독 동작 중에 상기 판독 축을 따라 제2 방향으로 픽셀로부터 픽셀로 동시에 시프트되고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 반대인 것인, 상기 비-조명 기간 동안 분리-판독 동작을 수행하는 단계
를 포함하는, 계속적으로 이동하는 객체의 이미지를 생성하기 위해 이미지 센서를 동작시키는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 TDI-모드 동작은 상기 조명 펄스와 동기화되는 것인, 계속적으로 이동하는 객체의 이미지를 생성하기 위해 이미지 센서를 동작시키는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 TDI-모드 동작은 전자 또는 광학 동기화를 사용하여 상기 조명 펄스의 일 클록 주기(one clock period) 내에서 시작하도록 트리거되는 것인, 계속적으로 이동하는 객체의 이미지를 생성하기 위해 이미지 센서를 동작시키는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 TDI-모드 동작의 시간은 상기 펄스 조명의 주기를 포함하는 것인, 계속적으로 이동하는 객체의 이미지를 생성하기 위해 이미지 센서를 동작시키는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 분리-판독 동작 동안, 상기 이미지 센서는 이미지 모션(image motion)과 동기화되지 않는 것인, 계속적으로 이동하는 객체의 이미지를 생성하기 위해 이미지 센서를 동작시키는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 분리-판독 동작을 수행하는 단계는 복수의 직렬 레지스터(serial register)들의 병렬 판독을 포함하는 것인, 계속적으로 이동하는 객체의 이미지를 생성하기 위해 이미지 센서를 동작시키는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 TDI-모드 동작과 상기 분리-판독 동작 사이에 휴지 동작(idle operation)을 제공하는 단계를 더 포함하는, 계속적으로 이동하는 객체의 이미지를 생성하기 위해 이미지 센서를 동작시키는 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 휴지 동작을 제공하는 단계는 상기 이미지 센서의 상기 TDI-모드 동작 전에 수행되는 것인, 계속적으로 이동하는 객체의 이미지를 생성하기 위해 이미지 센서를 동작시키는 방법.
제 1 항에 있어서,
조명 간격은 하나 이상의 TDI 라인 주기(TDI line period)에 걸쳐 연장하는 복수의 조명 펄스들을 포함하는 것인, 계속적으로 이동하는 객체의 이미지를 생성하기 위해 이미지 센서를 동작시키는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 복수의 조명 펄스들에 대응하는 픽셀 출력들을 분석하는 것에 기초하여 상기 이미지 센서의 픽셀 결함으로부터 복구시키는 단계를 더 포함하는, 계속적으로 이동하는 객체의 이미지를 생성하기 위해 이미지 센서를 동작시키는 방법.
시스템에 있어서,
펄스 조명원;
판독 축을 따라 정렬된 복수의 픽셀을 포함하는 이미지 센서;
상기 펄스 조명원으로부터의 펄스 조명을, 상기 판독 축에 평행한 이동의 축을 따라 계속적으로 이동하는 객체에 지향시키도록, 그리고 상기 객체로부터 상기 이미지 센서로 반사 광을 지향시키도록 구성된 광학 콤포넌트들; 및
상기 이미지 센서를 동작시키고 프로세스를 수행하도록 구성된 프로세서
를 포함하고,
상기 프로세스는,
조명 펄스 동안 시간 지연 적분 모드 동작을 수행하는 단계로서, 상기 이미지 센서의 상기 복수의 픽셀에 의해 복수의 전하가 각각 저장되고, 상기 각각의 전하는 상기 계속적으로 이동하는 객체 상의 대응하는 고정 포인트로부터 반사된 상기 펄스 조명에 의해 생성되는 이미지 영역을 형성하고, 상기 복수의 전하는 흐릿해지는 것을 방지하는 방식으로 상기 대응하는 고정 포인트를 따라 상기 각각의 전하가 시프트되도록, TDI-모드 동작 동안 상기 판독 축을 따라 제1 방향으로만 픽셀로부터 픽셀로 시프트되는 것인, 상기 조명 펄스 동안 TDI-모드 동작을 수행하는 것; 및
상기 TDI-모드 동작에 후속하는 비-조명 기간 동안 분리-판독 동작을 수행하는 단계로서, 상기 이미지 센서의 제1 픽셀에 의해 저장된 제1 전하는 상기 판독 축을 따라 상기 제1 방향으로 픽셀로부터 픽셀로 시프트되고, 상기 이미지 센서의 제2 픽셀에 의해 저장된 제2 전하는 상기 분리-판독 동작 중에 상기 판독 축을 따라 제2 방향으로 픽셀로부터 픽셀로 동시에 시프트되고, 상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 반대인 것인, 상기 비-조명 기간 동안 분리-판독 동작을 수행하는 것
을 포함하는 것인, 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 TDI-모드 동작은 상기 조명 펄스와 동기화되는 것인, 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 TDI-모드 동작은 전자 또는 광학 동기화를 사용하여 상기 조명 펄스의 일 클록 주기 내에서 시작하도록 트리거되는 것인, 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 TDI-모드 동작의 시간은 상기 펄스 조명의 주기를 포함하는 것인, 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 분리-판독 동작 동안, 상기 이미지 센서는 이미지 모션과 동기화되지 않는 것인, 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 분리-판독 동작을 수행하는 단계는 복수의 직렬 레지스터들의 병렬 판독을 포함하는 것인, 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 TDI-모드 동작과 상기 분리-판독 동작 사이의 휴지 동작을 제공하는 단계를 더 포함하는 것인, 시스템.
제 17 항에 있어서,
상기 휴지 동작을 제공하는 단계는 상기 이미지 센서의 TDI-모드 동작 전에 수행되는 것인, 시스템.
제 11 항에 있어서,
조명 간격은 하나 이상의 TDI 라인 주기들에 걸쳐 연장하는 복수의 조명 펄스들을 포함하는 것인, 시스템.
제 19 항에 있어서,
상기 복수의 조명 펄스들에 대응하는 픽셀 출력들을 분석하는 것에 기초하여 상기 이미지 센서의 픽셀 결함으로부터 복구하는 단계를 더 포함하는, 시스템.