TW201518835A - 低雜訊、高穩定性、深紫外光之連續波雷射 - Google Patents

低雜訊、高穩定性、深紫外光之連續波雷射 Download PDF

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Abstract

一種用於產生深紫外光(DUV)之連續波(CW)光之雷射包含一二次諧波產生器及一四次諧波產生器。該四次諧波產生器包含複數個鏡以及第一及第二非線性光學(NLO)晶體。該第一NLO晶體產生具有四次諧波波長之光，且經放置與該複數個鏡成操作關係。該第二NLO晶體經放置與該第一NLO晶體成操作關係使得具有二次諧波波長之光穿過該第一NLO晶體及該第二NLO晶體。注意，該第二NLO晶體之第二光學軸圍繞該第二NLO晶體內光之一傳播方向相對於該第一NLO晶體之第一光學軸旋轉約90度。該第二NLO晶體並未提供任何波長轉換。

Description

低雜訊、高穩定性、深紫外光之連續波雷射 [相關申請案交叉參考]
本申請案主張2013年9月10日申請之標題為「CW DUV Laser With Improved Stability」之美國臨時專利申請案61/876,201之優先權。
本發明係關於低雜訊、高穩定性、深紫外光(DUV)之連續波(CW)雷射以及包含此等雷射之檢測及度量衡系統。
半導體檢測及度量衡需要非常穩定、低雜訊之光源以偵測小缺陷及/或進行小尺寸之非常精確量測。UV光源係重要的，此係因為較短波長通常給定對小缺陷或尺寸之較佳敏感度。
低雜訊、高穩定性雷射當前可用於可見及近紅外(IR)之波長。然而，存在可用於DUV之波長之非常少CW雷射。即使在可用時，此等雷射亦係昂貴及有雜訊的、具有不良長期穩定性且可能需要頻繁調整及/或維護。此外，此等雷射通常具有小於250mW之功率，而對於大多數工業應用需要較高功率，此係因為其等實現更快及更精確之檢測及量測。
已知DUV CW雷射通常藉由產生一IR基諧波雷射之一四次諧波而操作。通常使用兩個頻率轉換級，其中一第一級自一基諧波頻率產生 一二次諧波頻率(亦稱為一二次諧波)且一第二級使用該二次諧波頻率產生一四次諧波頻率(亦稱為四次諧波)。各倍頻級(即，該第一級及該第二級)使用一非線性光學(NLO)晶體。
倍頻程序取決於電場強度之平方，此為熟習此項技術者所知。因此，若NLO晶體內部之功率密度為低，則轉換程序非常低效。幾瓦特或甚至幾十瓦特功率之一IR雷射在聚焦至一NLO晶體中時由於其低功率密度而產生非常少的二次諧波。相比而言，一脈衝雷射可提供比其平均功率密度高許多倍之一峰值功率密度。因此，具有類似於IR雷射之時間平均功率密度之時間平均功率密度之一脈衝雷射可產生大量二次諧波。例如，在一些脈衝雷射中，一脈衝雷射之大致50%輸入可轉換至二次諧波。
一DUV CW雷射可使用一諧振腔(亦稱為一腔)以增大其NLO晶體中之功率密度，藉此改良其轉換效率。穿過NLO晶體而未轉換至二次諧波之大部分光在腔中再循環以增進功率密度。容許經產生之任何二次諧波穿出腔。最終，功率密度增進至其中作為二次諧波離開該腔之功率加上該腔中之損耗等於輸入功率之一位準且因此達到一穩定狀態。為產生DUV波長，通常可將兩個諧振腔串聯連接。第一腔藉由再循環IR基諧波長而產生二次諧波(例如，一可見波長，諸如532nm)。串聯耦合至該第一腔之第二腔藉由再循環該二次諧波而產生四次諧波(例如，一DUV波長，諸如266nm)。注意，如用於描述腔及/或該等腔之組件之術語「耦合」可或不可包含實體接觸之腔之組件。
圖1繪示使用兩個腔之一例示性已知雷射組態，其中一第一腔實施一二次諧波產生器102A且一第二腔實施一四次諧波產生器102B。該二次諧波產生器102A包含用以產生二次諧波之複數個鏡110、111、112及113以及一NLO晶體115。該四次諧波產生器102B包含用以產生四次諧波之複數個鏡130、131、132及133以及一NLO晶體135。可使 用一振盪器104(產生頻率f1之一信號)、一調變器103、一光電二極體105以及一同步偵測器106來主動控制二次諧波產生器102A。類似地，可使用一振盪器124(產生頻率f2之一信號)、一調變器123、一光電二極體125以及一同步偵測器126來主動控制四次諧波產生器102B。
來自一基諧波雷射101之IR光(例如，1064nm)透過鏡110進入二次諧波產生器102A且在自鏡111及112反射之後進入NLO晶體115。IR光進入NLO晶體115之一部分經轉換至二次諧波(例如，至532nm)。鏡113塗佈有反射IR光但透射二次諧波之一材料。因此，二次諧波光穿過鏡113且經引導至四次諧波產生器102B。
穿過晶體115之大部分IR光在未經轉換之情況下自NLO晶體115出射且因此藉由鏡113反射且引導回至鏡110。鏡110塗佈有對自鏡113以射線之入射角到達之IR光高度反射但對來自基諧波雷射101之傳入IR光高度透射之一材料。
為增進二次諧波產生器102A中之一高功率密度，已在第一腔中循環之IR光應與來自基諧波雷射101之傳入光同相而到達鏡110。為此目的，可使用一伺服控制件以機械移動鏡111以達成一預定腔長度，藉此提供所要相位。在圖1中所展示之組態中，用於二次諧波產生器102A之伺服控制件包含振盪器104、調變器103、光電二極體105、同步偵測器106及一致動器控制件107。類似地，用於四次諧波產生器102B之伺服控制件包含振盪器124、調變器123、光電二極體125、同步偵測器126及一致動器控制件127。一例示性致動器控制件可包含一壓電傳感器或一音圈以維持預定腔長度且因此最大化該腔中之功率密度。
如圖1中所展示，藉由調變器103以(藉由振盪器104提供之)頻率f1調變來自基諧波雷射101之輸入IR光以提供一時變信號。注意，任 何鏡上之塗層係不完美的，藉此容許一些洩漏。因此，光電二極體105接收在第一腔中循環之光之一小部分(即，經由鏡110藉由鏡113反射之該光)以提供一信號至同步偵測器106。同步偵測器106(其可包含一混頻器或一些其他類似組件)比較光電二極體105之輸出與頻率f1之振盪器104之輸出以產生用於致動器控制件107之一控制信號。明確言之，同步偵測器106可判定第一腔之長度是否需要調整且若需要，則判定該長度是否應增加或減小及增加或減小之程度。例示性伺服控制件描述於美國專利5,367,531以及(1998年)Black之LIGO Technical Note LIGO-T980045-00-D中。
一第二調變器123以頻率f2調變(藉由鏡113提供之)至四次諧波產生器102B之輸入光以提供另一時變信號。光電二極體125偵測(經由鏡130自鏡133)循環光之一小部分。同步偵測器106比較光電二極體125之輸出與在頻率f2之振盪器124之輸出以產生用於致動器控制件127之一控制信號。明確言之，同步偵測器126可判定四次諧波產生器102B之長度是否需要調整且若需要，則判定是否應增加或減小該長度。致動器控制件127實體控制鏡131之位置以維持四次諧波產生器102B之適當長度使得來自鏡133之反射光之相位與(經由鏡113)提供至鏡130之相位相同。
因此，四次諧波產生器102B以實質上類似於二次諧波產生器102A之一方式操作，惟進入該四次諧波產生器102B之光之輸入波長係二次諧波(例如，532nm)且輸出波長係四次諧波(例如，266nm)除外。注意，二次及四次諧波產生器組件之塗層及材料係針對其等各自波長而適當地選取。
在一些先前技術裝置(未展示)中，省略第二調變器123，藉此導致兩個伺服控制件在相同調變頻率下操作。在其他先前技術裝置(亦未展示)中，不存在第一調變器103及第二調變器123。例如，IR雷射 101藉由操作雷射使得產生兩個模式來產生一經調變輸出，該兩個模式經選取具有一波長分離及相對振幅使得藉由該兩個模式之衝擊(例如，參見Zanger等人之美國公開專利申請案2006/0176916)產生一適當調變之輸出。此項技術中已知之無需調變雷射之另一諧振腔伺服控制方法係最先藉由Hänsch及Couillaud在Optical Communications，35，第442頁至444頁(1980年)中描述之方法，該方法使用偏光以量測諧振腔中之相變。
在又其他先前技術裝置中，一或多個諧波產生器可包括兩個或三個鏡而非四個鏡。在一些實施例中，兩個腔可具有不同數目個鏡。在又其他先前技術裝置中，可藉由放置於NLO晶體135與鏡133之間之一光束分割器(未展示)將DUV輸出波長與再循環光分離(因此，鏡133可塗佈有僅具有反射性之一材料)。
注意，圖1中所展示之伺服控制件可有效地校正歸因於(例如)溫度改變之腔長度之緩慢改變。其等亦可有效地校正由低振幅、低頻率振動引起之腔長度改變。不幸的是，其他因數可使無法僅藉由調整腔長度而校正之一腔之輸出降級。若未經補償之效應改變，則此等因數可降低轉換程序之效率且導致輸出雷射功率隨時間之一向下傾向。
未經補償之效應可包含歸因於NLO晶體之性質之空間上變化之改變之焦距及像散之改變。此等改變在藉由一位置處之光折射引起時可歸因於該位置處之聚焦光束之功率密度而逆轉，或可歸因於對NLO晶體之材料作出之損壞而不可逆轉。
不幸的是，DUV CW雷射100可僅補償腔長度之改變。因此，DUV CW雷射100不能補償在其第一或第二腔中之NLO晶體之焦點或像散之任何改變。因為在各NLO晶體中之強烈聚焦之雷射光通常引發該NLO晶體中之可逆轉及不可逆轉改變兩者，DUV CW雷射100一般在最佳強度下操作且具有一較短壽命。
因此，需要一種可補償NLO晶體在其構成諧波產生器中之焦點或像散之任何改變之DUV CW雷射。
一種用於產生深紫外光(DUV)之連續波(CW)光之雷射包含一二次諧波產生器及一四次諧波產生器。該二次諧波產生器將具有一基諧波長之光轉換至具有一二次諧波波長之光。可使用一諧振腔或藉由其他構件來達成此轉換。該四次諧波產生器將具有該二次諧波波長之該光轉換至具有一四次諧波波長之光。
在一較佳實施例中，四次諧波產生器包含複數個鏡、一第一非線性光學(NLO)晶體及一第二NLO晶體。該第一NLO晶體產生具有四次諧波波長之光，且經放置與該複數個鏡成操作關係。二次諧波穿過該第一NLO晶體及該第二NLO晶體。注意，該第二NLO晶體之第二光學軸圍繞該第二NLO晶體內具有二次諧波波長之光之一傳播方向相對於該第一NLO晶體之第一光學軸旋轉約90度。該第二NLO晶體並不提供任何波長轉換。
在一實施例中，該第一NLO晶體及該第二NLO晶體之各者經氫退火。在另一實施例中，該第一NLO晶體及該第二NLO晶體之各者包括一氫退火之CLBO(硼酸銫鋰)晶體。具有二次諧波之光可聚焦至該第一NLO晶體中或接近於該第一NLO晶體之一實質上橢圓光束腰，其中橢圓之一長軸實質上處在含有第一e軸之平面中。該第二NLO晶體可保持在實質上與該第一NLO晶體相同之溫度。可選取該第一NLO晶體之相位匹配角及溫度以便降低該第一NLO晶體中由其中之一聚焦光束產生之像散。在一實施例中，至少控制該第一NLO晶體之溫度(例如，控制在約50℃或更低溫度)以降低該第一NLO晶體中由聚焦光束產生之像散。
該四次諧波產生器可進一步包含具有平行表面之一對薄板。該 對薄板可以實質上相等且相反之角度傾斜以便最小化在補償像散時一光束之任何位移。該四次諧波產生器可進一步包含自動調整一像散補償以便實質上消除由該四次諧波產生器引入之像散之一回饋控制迴路。
本發明亦描述一種用於檢測一晶圓、標線片或光罩之系統。此系統可包含DUV CW雷射，該DUV CW雷射包含在四次諧波產生器中之第一及第二NLO晶體，如本文中所描述。
本發明揭示一種在一雷射中產生深紫外光(DUV)之連續波(CW)光之方法。此方法包含：將具有一基諧波長之光轉換至具有一二次諧波波長之光；及使用一第一非線性光學(NLO)晶體及一第二NLO晶體將具有該二次諧波波長之該光轉換至具有一四次諧波波長之光。產生具有該四次諧波波長之該光包含：使二次諧波穿過該第一NLO晶體及該第二NLO晶體；及使該第二NLO晶體之第二光學軸圍繞該第二NLO晶體內具有二次諧波波長之光之一傳播方向相對於該第一NLO晶體之第一光學軸旋轉約90度。注意，僅該第一NLO晶體對該四次諧波波長提供波長轉換。
100‧‧‧深紫外光(DUV)之連續波(CW)雷射
101‧‧‧基諧波雷射/紅外光(IR)雷射
102A‧‧‧二次諧波產生器
102B‧‧‧四次諧波產生器
103‧‧‧調變器/第一調變器
104‧‧‧振盪器
105‧‧‧光電二極體
106‧‧‧同步偵測器
107‧‧‧致動器控制件
110‧‧‧鏡
111‧‧‧鏡
112‧‧‧鏡
113‧‧‧鏡
115‧‧‧非線性光學(NLO)晶體
123‧‧‧調變器/第二調變器
124‧‧‧振盪器
125‧‧‧光電二極體
126‧‧‧同步偵測器
127‧‧‧致動器控制件
130‧‧‧鏡
131‧‧‧鏡
132‧‧‧鏡
133‧‧‧鏡
135‧‧‧非線性光學(NLO)晶體
200‧‧‧深紫外光(DUV)之連續波(CW)雷射
201‧‧‧光/可見光
202B‧‧‧四次諧波產生器
223‧‧‧半波板
224‧‧‧模式匹配透鏡
235‧‧‧第一非線性光學(NLO)晶體
236‧‧‧第二非線性光學(NLO)晶體
237‧‧‧光束分割器
245‧‧‧傾斜板/傾斜薄板
251‧‧‧光束截止器
252‧‧‧光束分割器
253‧‧‧四分之一波板
254‧‧‧偏光光束分割器
255‧‧‧光電二極體
259‧‧‧伺服控制電路
260‧‧‧伺服控制件
303‧‧‧橢圓光點
405‧‧‧方向
408‧‧‧方向
410‧‧‧傳入光
500‧‧‧光學檢測系統/系統
502‧‧‧第二透射透鏡
504‧‧‧四分之一波板
506‧‧‧中心路徑/路徑
508‧‧‧第一反射透鏡
509‧‧‧反射稜鏡/稜鏡
510‧‧‧透射稜鏡/稜鏡
511‧‧‧第二反射透鏡
512‧‧‧基板
514‧‧‧參考集光透鏡
516‧‧‧參考偵測器
551‧‧‧第一光學配置
552‧‧‧光源
554‧‧‧檢測光學器件
556‧‧‧參考光學器件
557‧‧‧第二光學配置
558‧‧‧透射光光學器件
560‧‧‧透射光偵測器/透射光偵測器配置
562‧‧‧反射光光學器件
564‧‧‧反射光偵測器/反射光偵測器配置/偵測器
570‧‧‧聲光裝置
572‧‧‧四分之一波板
574‧‧‧中繼透鏡
576‧‧‧繞射光柵
580‧‧‧孔徑
582‧‧‧光束分割器立方體/光束分割器
588‧‧‧望遠鏡
590‧‧‧物鏡
596‧‧‧第一透射透鏡
598‧‧‧球面像差校正器透鏡/球面像差透鏡
600‧‧‧晶圓檢測系統
609‧‧‧照明源/源
615‧‧‧照明中繼光學器件
620‧‧‧照明中繼光學器件
630‧‧‧受檢測物體
640‧‧‧影像中繼光學器件
655‧‧‧影像中繼光學器件
660‧‧‧影像中繼光學器件
670‧‧‧感測器
680‧‧‧資料
700‧‧‧檢測系統/系統
701‧‧‧雷射源/雷射
702a‧‧‧元件/透鏡
702b‧‧‧元件/透鏡
703a‧‧‧元件/鏡
703b‧‧‧元件/鏡
704a‧‧‧元件/透鏡
704b‧‧‧元件/透鏡
705a‧‧‧元件/照明光瞳平面/第一照明光瞳平面
705b‧‧‧元件/照明光瞳平面/第二照明光瞳平面
706a‧‧‧元件/透鏡
706b‧‧‧元件/透鏡
707‧‧‧照明場平面/照明場/內場平面
709‧‧‧透鏡/中繼光學器件
710‧‧‧光束分割器
711‧‧‧物鏡光瞳平面/光瞳
712‧‧‧物鏡
713‧‧‧物鏡
714‧‧‧樣本
715‧‧‧透鏡/中間影像形成光學器件/影像形成光學器件
716‧‧‧內場/內部影像
717‧‧‧鏡
718a‧‧‧透鏡/影像形成光學器件
718b‧‧‧透鏡/影像形成光學器件
719a‧‧‧成像光瞳/光瞳平面
719b‧‧‧成像光瞳/光瞳平面
720a‧‧‧透鏡/影像形成光學器件
720b‧‧‧透鏡/影像形成光學器件
721a‧‧‧偵測器
721b‧‧‧感測器
800‧‧‧超寬頻紫外光(UV)顯微鏡成像系統/系統
801A‧‧‧光學器件
801B‧‧‧光學器件
801C‧‧‧光學器件
802‧‧‧折反射物鏡區段/折反射物鏡
803‧‧‧變焦管透鏡
804‧‧‧折反射透鏡群組
805‧‧‧場透鏡群組
806‧‧‧聚焦透鏡群組
807‧‧‧光束分割器
808‧‧‧紫外光(UV)光源
809‧‧‧物體/樣本
811‧‧‧折疊鏡群組
812‧‧‧影像平面
813‧‧‧透鏡/低功率透鏡群組
900‧‧‧折反射成像系統/系統
901‧‧‧雷射
902‧‧‧調適光學器件
903‧‧‧孔徑及窗
904‧‧‧機械外殼
905‧‧‧稜鏡
906‧‧‧物鏡
908‧‧‧樣本
909‧‧‧影像平面
1000‧‧‧表面檢測設備
1001‧‧‧照明系統
1002‧‧‧光束
1003‧‧‧透鏡
1004‧‧‧聚焦光束
1005‧‧‧照明線
1010‧‧‧集光系統
1011‧‧‧表面/樣本表面/樣本
1012‧‧‧透鏡
1013‧‧‧透鏡
1014‧‧‧電荷耦合裝置(CCD)
1020‧‧‧雷射光系統
1031‧‧‧集光系統
1032‧‧‧集光系統
1033‧‧‧集光系統
1035‧‧‧平台
1100‧‧‧表面檢測系統/檢測系統
1101‧‧‧表面
1102‧‧‧所得聚焦雷射光束
1103‧‧‧光束折疊組件/光束轉向組件
1104‧‧‧光束偏轉器
1105‧‧‧光束/照明光束
1106‧‧‧鏡
1107‧‧‧孔徑
1108‧‧‧偵測器
1109‧‧‧透鏡
1110‧‧‧孔徑
1111‧‧‧偵測器
1121‧‧‧偏光光學器件
1122‧‧‧光束擴張器及孔徑
1123‧‧‧光束成形光學器件
1130‧‧‧雷射系統
1200‧‧‧檢測系統
1201‧‧‧雷射光束/光束
1202‧‧‧透鏡
1203‧‧‧空間濾光器
1204‧‧‧透鏡
1205‧‧‧偏光光束分割器/光束分割器
1206‧‧‧法線照明通道
1207‧‧‧光學器件
1208‧‧‧鏡
1209‧‧‧樣本/表面
1210‧‧‧抛物面鏡
1211‧‧‧光電倍增管
1212‧‧‧傾斜照明通道/傾斜通道
1213‧‧‧鏡
1214‧‧‧半波板
1215‧‧‧光學器件
1216‧‧‧準直光束
1217‧‧‧物鏡
1218‧‧‧檢偏鏡
1220‧‧‧儀器
1230‧‧‧雷射系統
SR‧‧‧線
圖1繪示包含複數個腔之一先前技術DUV CW雷射，各腔包含複數個鏡及一NLO晶體。
圖2繪示包含複數個腔之一改良之DUV CW雷射，其中第二腔包含相對於彼此成一預定定向之兩個NLO晶體。
圖3繪示可用於圖2中所展示之改良之DUV CW雷射中之一例示性NLO晶體之一端視圖。
圖4繪示用於圖2中所展示之改良之DUV CW雷射中之第一及第二NLO晶體之相對定向。
圖5至圖12繪示可包含所描述之改良之DUV CW雷射之系統。此 等系統可用於光罩、標線片或晶圓檢測應用中。
如下文詳細描述，一改良之DUV CW雷射可包含對四次諧波產生器之若干改良。此等改良可組合或個別地使用。圖2繪示一例示性改良之DUV CW雷射200。注意，圖2中使用與圖1之對應元件相同之數字標記之元件具有與參考圖1所描述之功能相同之功能且可以一實質上類似方式實施此等元件。例如，在此實施例中，DUV CW雷射200包含基諧波雷射101及二次諧波產生器102A，該兩者係參考圖1詳細描述。
參考圖2，藉由二次諧波產生器102A產生之光201藉由模式匹配透鏡224聚焦且透過鏡130進入四次諧波產生器202B。在一實施例中，光201可處於約532nm之一波長(或另一可見波長)。光201藉由自鏡130、131、132及133(參考圖1所描述)反射而圍繞四次諧波產生器202B循環。注意，四次諧波產生器202B之一些實施例可僅具有兩個或三個鏡而非所展示之四個。鏡130、131、132及133經塗佈以便對於循環光之入射角在該可見波長處高度反射。鏡130之塗層亦必須透射以不同於循環光之一入射角到達之光201。
可藉由此項技術中已知之鎖定方案(在上文列出一些鎖定方案)之任一者來控制實施四次諧波產生器202B之腔之長度。在一實施例中，可使用Hänsch-Couillaud鎖定方案(參見上文列出之參考文獻)控制四次諧波產生器202B之腔長度。注意，高可見光功率位準(諸如約10W或更大)可損壞一調變器，或可耐受此等功率之一調變器可為昂貴的。四次諧波產生器202B之Hänsch-Couillaud鎖定方案可使用經定向以便使光201之偏光旋轉一小角度(諸如小於約2°之一角度)之一半波板223。一被動組件(諸如半波板223)可比一主動組件(諸如一調變器)更能耐受一高可見光功率。經由鏡130離開四次諧波產生器202B之循 環光之一小部分連同(藉由半波板223產生)具有正交偏光之輸入光之一反射分量一起被引導至伺服控制件260，該伺服控制件260控制腔長度。明確言之，伺服控制件260可判定四次諧波產生器202B之長度是否需要調整且若需要，則判定該長度是否應增加或減小及增加或減小之程度。致動器控制件127實體控制鏡131之位置以維持第二腔之適當長度使得來自鏡133之反射光之相位相同於到達鏡130之可見光201之相位。若需要，可藉由光束分割器252及光束截止器251視情況使來自腔之光衰減。在任何必要衰減之後，光穿過四分之一波板253，該四分之一波板253經定向使得其軸與腔之偏光方向成實質上45度以使兩個正交偏光彼此干擾。偏光光束分割器254將四分之一波板253之輸出分離成藉由兩個光電二極體255偵測之兩個正交偏光。視情況，若偏光光束分割器254確實提供足夠的偏光鑑別，則線性偏光器(未展示)可放置於光電二極體255前面。伺服控制電路259自來自兩個光電二極體之信號之差產生致動器控制件127。
如上文所提及，DUV CW雷射200包含在四次諧波產生器中之兩個NLO晶體：提供一頻率轉換之一第一NLO晶體235及未提供任何頻率轉換之一第二NLO晶體236。在一實施例中，NLO晶體235可產生四次諧波(例如，自532nm之一輸入波長產生266nm之一波長)。在一較佳實施例中，可藉由一氫退火之NLO晶體實施NLO晶體235。一例示性氫退火之CLBO(硼酸銫鋰)NLO描述於2012年6月5日申請之美國專利申請案13/544,425中，該案主張2011年10月7日申請之美國臨時申請案61/544,425之優先權，該兩個案以引用的方式併入本文中。使用一氫退火之NLO晶體勝過一習知NLO晶體之一優點在於，該氫退火之NLO晶體可在較少或較慢損壞之情況下以較高DUV功率密度操作。因此，包含至少一氫退火之NLO晶體之一DUV CW雷射可提供更穩定輸出，歸因於維護或修復之間之增加之時間間隔而具有較長壽命及較低 操作成本。
在一些較佳實施例中，DUV CW雷射200可將光201聚焦於NLO晶體235內一橢圓焦點中，其中橢圓之長軸經定向實質上平行於NLO晶體含有e軸(異常軸)之平面。此定向展示於圖3中，圖3展示NLO晶體235之一端視圖。如圖3中所展示，光被聚焦至NLO晶體235中或接近於該NLO晶體235之一橢圓光點303。注意，橢圓光點303之長軸實質上平行於NLO晶體235含有e軸之平面(即，如圖3中所描繪之一水平平面)而對準。在一些較佳實施例中，橢圓光點303之較短軸之焦點減小達近似相同於長軸之焦點經增加以便近似維持功率密度及因此轉換效率之因數。可藉由圓柱形彎曲或在兩個不同方向上具有不同曲率半徑之模式匹配透鏡或鏡224之一或多者達成橢圓聚焦。在一些實施例中，二次諧波產生器102A可針對四次諧波產生器202B輸出沿著正確軸未必呈長形或具有所要偏心率之一橢圓光束。在一實施例中，一圓柱形望遠鏡或其他光學器件可用於模式匹配透鏡或鏡224以按所要形狀及大小將橢圓光點重新塑形且重新聚焦至四次諧波產生器202B中。
NLO晶體235內部之聚焦雷射輻射之強電場引起該晶體之材料之折射率之一改變(稱為光折射)。因為電場強度自橢圓光點303之中心至其邊緣降低，所以在橢圓光點303之中心處之折射率改變大於在其邊緣處之折射率改變。此外，光折射效應在含有e軸之方向上更強。
使用具有平行於含有e軸之平面之長軸之橢圓聚焦之一優點在於，輸出光束之離散(walk-off)發生在此方向上。在此方向上之一長形橢圓容許使用一較長NLO晶體同時維持光束品質。由Dribinski等人於2012年3月2日申請且以引用的方式併入本文中之美國專利申請案13/412,564描述光在一NLO晶體中之例示性橢圓聚焦。
注意，光折射將像散引入至四次諧波產生器腔中。控制如藉由 鏡之間之距離量測之腔長度之一習知伺服控制件可僅校正來自平均折射率改變之平均路徑長度改變且未校正由聚焦光束內之不同位置處之不同折射率改變引起之任何像散。第二晶體236在材料組合物上實質上類似於頻率轉換晶體(即，第一晶體235)，惟第二晶體236之晶體軸圍繞平行於光201之傳播方向之一軸旋轉90°且因此第二晶體236並不執行任何頻率轉換除外。在一實施例(經展示)中，第二NLO晶體236放置於第一NLO晶體235之正下游使得四次諧波光及殘餘二次諧波光穿過該第二晶體。因為二次諧波及四次諧波兩者造成NLO晶體中之光折射及其他非理想效應，所以將第二NLO晶體236放置於第一NLO晶體235之下游確保由該第二NLO晶體236產生之像差實質上類似於由該第一NLO晶體235產生之像差，惟由該第二NLO晶體236產生之像差旋轉90°除外。在其他實施例中，第二NLO晶體236係放置於第一NLO晶體235之正上游(未展示)使得該第二NLO晶體236未經受四次諧波(UV)光。因為諧振腔中之二次諧波之功率密度遠大於四次諧波之功率密度，所以大部分光折射效應係由二次諧波產生且因此第二NLO晶體236中之像差可足夠類似於第一NLO晶體235中之像差(除90°旋轉以外)以實質上消除該第一NLO晶體235中產生之像散。將第二NLO晶體236放置於第一NLO晶體235之上游之優點在於，若第二NLO晶體未曝露至可使NLO晶體降級之四次諧波UV輻射，則其將具有一較長壽命。在此一情況中，第二NLO晶體236將需要較不頻繁地更換(或完全不需要更換)且因此多年來雷射之維護成本將為較低。在一些實施例中，若在四次諧波產生器202B中循環之光經重新聚焦於腔中之一特定點處，則第一NLO晶體235可放置於該位置處而非緊鄰於第二NLO晶體236。
在一實施例中，四次諧波產生器202B中之第一及第二NLO晶體使其等輸入及輸出表面以相對於入射可見光成近似布魯斯特角 (Brewster’s angle)切割，其中表面經定向使得入射可見光相對於該表面實質上p偏光。如熟習適當技術者所熟知，一布魯斯特切割表面對於p偏光具有實質上零反射率。使用一布魯斯特切割表面無需NLO晶體之表面上之一抗反射塗層。可耐受四次諧波產生器內部之高功率密度之抗反射塗層可能並不可用。因為四次諧波使其偏光垂直於可見光之偏光，所以四次諧波不會具有來自針對可見光經布魯斯特切割之一表面之低反射率。因此若使用布魯斯特切割晶體，則較佳將第二NLO晶體236放置於第一NLO晶體235之上游以避免四次諧波輻射之損耗。
第二NLO晶體236之目的係實質上消除由第一NLO晶體235引起之像散。為達成此目的，在一實施例中，定向第二NLO晶體236使得其光學軸圍繞光之傳播方向相對於第一NLO晶體235之光學軸旋轉實質上90°。因為由第二NLO晶體236引入之像散相對於第一NLO晶體235實質上旋轉90°，所以兩個像散實質上彼此消除。雖然包含第二NLO晶體236增加DUV CW雷射200之成本，但該成本增加可藉由相較於在四次諧波產生器中使用一單一晶體之一雷射(例如，參見圖1)之較高效能、較長壽命及降低之維護頻率來抵消。NLO晶體235及236之光學軸之相對定向展示於圖4中。第一NLO晶體235之e軸相對於傳入光410(即，二次諧波)之傳播及偏光之方向對準以便達成用於在所要晶體溫度下自二次諧波產生四次諧波之相位匹配。例如，若NLO晶體包括CLBO，該CLBO之所要操作溫度係約50℃且二次諧波處於532nm之一波長，則晶體之e軸應相對於傳入光之傳播方向成實質上61.6°且應垂直於該傳入光之偏光方向。圖4為圖解目的展示位於相對於光之傳播方向成一角度之一實質上水平方向上之e軸。如所展示，第二NLO晶體236經定向使得含有其e軸之平面及光之傳播方向實質上垂直(該e軸在方向408上)，其實質上垂直於第一NLO晶體235之含有e軸之平面之定向及光之傳播方向(該e軸在方向405上)。第二NLO晶體236中之e 軸之方向408與光之傳播方向之間之角度之值實質上等於第一NLO晶體235中之e軸之方向405與光之方向之間之角度之值，但兩個晶體之晶體軸之定向圍繞傳入光410之傳播方向相對於彼此旋轉90°。
若NLO晶體係雙軸雙折射而非如先前實例中般單軸雙折射，則相同原理仍適用。第一NLO晶體235之光學軸必須經定向相對於傳入光410(二次諧波)之傳播及偏光之方向對準以便達成用於在所要晶體溫度下自二次諧波產生四次諧波之相位匹配。第二NLO晶體236必須經定向使得其光學軸圍繞傳入光410之傳播方向旋轉90°。
再次參考圖2，在一些實施例中，鏡130、131、132及133之一或多者係用以將在四次諧波產生器202B中循環之光重新聚焦至實質上在第一NLO晶體235內部或接近於該第一NLO晶體235之一光束腰之一球面鏡。在一些實施例中，鏡130、131、132及133之一或多者係圓柱形的以近似補償第一NLO晶體235之像散。可使用此柱面鏡代替傾斜板245或第二NLO晶體236，或除了使用傾斜板245或第二NLO晶體236之外，亦可使用此柱面鏡。在一些實施例中，一致動器(未展示)可控制柱面鏡之曲率以調整像散補償。在一些實施例中，一致動器(未展示)可改變一球面鏡之一方向上之曲率以補償像散。熟習此項技術者將理解如何選取鏡曲率以將循環光聚焦至一圓形或橢圓焦點中以及如何校正像散。
熟習適當技術者將理解，其他像散控制裝置及方法可替代上文所描述之裝置及方法且將在本發明之範疇內。
在一些較佳實施例中，控制至少NLO晶體235之操作溫度以最小化像散。對於CLBO，此意謂在一低溫(較佳小於約100℃，或在一些實施例中小於約50℃，或小於約30℃)下操作NLO晶體235。由聚焦光引起之CLBO及一些其他NLO晶體材料之折射率之改變在較低溫度下比在較高溫度下要小。
為在實質上小於100℃之一溫度下操作NLO晶體235，在一實施例中，四次諧波產生器202B(其包含其構成鏡及NLO晶體)可包含在一受保護之低濕度環境中。此環境防止水分藉由NLO晶體235及NLO晶體236吸收。水分使大多數NLO晶體材料之效能及壽命降級(尤其在產生DUV波長時)。因此，NLO晶體235及236應保持於近似相同溫度使得在各晶體中產生近似類似之像散量。
在一些實施例中，DUV CW雷射200可包含具有平行表面之兩個傾斜薄板245。放置於光路徑中之一單一傾斜薄板引入像散且亦使光束移位。然而，圍繞平行軸傾斜相等但相反量之兩個板245在不使光束移位之情況下引入像散。因此，傾斜板245可經調整以實質上校正在未使用第二NLO晶體236時由第一NLO晶體245引入之像散或可校正未藉由第二NLO晶體236校正(或過校正)之任何殘餘像散。因此，可使用傾斜板245代替第二NLO晶體236，或除了使用第二NLO晶體236之外亦可使用傾斜板245。
在一實施例中，一布魯斯特切割NLO晶體(對於至少第一NLO晶體235)係與兩個傾斜板245一起使用。NLO晶體之輸入及輸出表面經切割使得輸入光以接近布魯斯特角入射，其中該輸入光之偏光相對於該表面實質上p偏光使得在NLO晶體之任一表面處存在可見光之最小反射。
在一些實施例中，傾斜板245在雷射之操作期間保持以預定傾斜角固定。在其他實施例中，可調整傾斜角以補償由第一NLO晶體235引起之可逆轉像散。在又其他實施例中，藉由一感測器(未展示)監測四次諧波產生器202B中之像散，該感測器產生調整傾斜板245以實質上消除像散之一信號。
在一實施例中，第二腔之DUV輸出可藉由一光束分割器237(如圖2中所展示)或藉由鏡133上之適當塗層與光201分離。因為DUV及可 見光具有實質上彼此正交之偏光，所以光束分割器237可為一偏光光束分割器(舉例而言，諸如經定向相對於光201成一布魯斯特角之一偏光光束分割器)。替代性地，光束分割器237可具有優先反射DUV波長同時透射可見波長之一塗層。
圖5至圖12繪示可包含上述改良之DUV CW雷射(亦稱為在一系統級之一照明或光源)之系統。此等系統可用於光罩、標線片或晶圓檢測應用中。
圖5繪示用於檢測一基板512之表面之一例示性光學檢測系統500。系統500大體上包含一第一光學配置551及一第二光學配置557。如所展示，第一光學配置551包含至少一光源552、檢測光學器件554及參考光學器件556，而該第二光學配置557包含至少透射光光學器件558、透射光偵測器560、反射光光學器件562及反射光偵測器564。在一較佳組態中，光源552包含上述改良之DUV CW照明源。
光源552經組態以發射穿過一聲光裝置570之一光束，該聲光裝置570經配置以使該光束偏轉並聚焦。聲光裝置570可包含一對聲光元件(例如，一聲光預掃描器及一聲光掃描器)，其等使光束在Y方向上偏轉且將其聚焦在Z方向上。例如，大多數聲光裝置藉由發送一RF信號至石英或一晶體(諸如TeO2)而操作。此RF信號引起一聲波行進穿過該晶體。由於正行進的聲波，該晶體變得不對稱，從而引起折射率貫穿該晶體而改變。此改變引起入射光束形成以一振盪方式偏轉之一聚焦行進光點。
當光束自聲光裝置570出射時，該光束接著穿過一對四分之一波板572及一中繼透鏡574。中繼透鏡574經配置以準直光束。接著，經準直之光束繼續在其路徑上直至其到達一繞射光柵576。繞射光柵576經配置以展開(flaring out)該光束且更特定言之將該光束分離成三個相異光束，該等相異光束在空間上可彼此區分(即，空間相異)。在大多 數情況中，該等空間相異光束亦經配置以等距隔開且具有實質上相等之光強度。
在該三個光束離開繞射光柵576之後，其等穿過一孔徑580且接著繼續直至其等到達一光束分割器立方體582。光束分割器立方體582(結合四分之一波板572)經配置以將光束分成兩個路徑，即，一路徑向下引導且另一路徑引導至右側(在圖5中所展示之組態中)。向下引導之路徑係用於將該等光束之一第一光部分分配至基板512，而引導至右側之路徑係用於將該等光束之一第二光部分分配至參考光學器件556。在大多數實施例中，將大部分光分配至基板512且將較小百分比之光分配至參考光學器件556，但百分比比率可根據各光學檢測系統之特定設計而改變。在一實施例中，參考光學器件556可包含一參考集光透鏡514及一參考偵測器516。參考集光透鏡514經配置以收集光束之部分且將光束之部分引導於參考偵測器516上，該參考偵測器516經配置以量測光強度。參考光學器件通常在此項技術中為人所熟知且為簡單起見將不會加以詳細論述。
自光束分割器582向下引導之三個光束係藉由一望遠鏡588接收，該望遠鏡588包含重導引並擴張光之若干透鏡元件。在一實施例中，望遠鏡588係包含圍繞一轉座旋轉之複數個望遠鏡之一望遠鏡系統之部分。例如，可使用三個望遠鏡。此等望遠鏡之目的係改變基板上之掃描光點之大小且藉此容許選擇最小可偵測缺陷大小。更特定言之，望遠鏡之各者大體上表示一不同像素大小。因而，一望遠鏡可產生一較大光點大小，從而使檢測更快且更不敏感(例如，低解析度)，而另一望遠鏡可產生一較小光點大小，從而使檢測更慢且更敏感(例如，高解析度)。
從望遠鏡588觀看，三個光束穿過一物鏡590，該物鏡590經配置以將該等光束聚焦至基板512之表面上。在該等光束與表面交叉為三 個相異光點時，可產生反射光束及透射光束兩者。該等透射光束穿過基板512，而該等反射光束反射離開該表面。例如，該等反射光束可反射離開該基板之不透明表面，且該等透射光束可透射穿過該基板之透明區域。該等透射光束係藉由透射光光學器件558收集且該等反射光束係藉由反射光光學器件562收集。
關於透射光光學器件558，透射光束在穿過基板512之後係藉由一第一透射透鏡596收集且在一球面像差校正器透鏡598的幫助下聚焦至一透射稜鏡510上。稜鏡510可經組態以具有針對該等透射光束之各者之一琢面，琢面經配置以重定位且折曲該等透射光束。在大多數情況中，稜鏡510係用於分離光束使得其等各自落在透射光偵測器配置560(展示為具有三個相異偵測器)中之一單一偵測器上。因此，當光束離開稜鏡510時，其等穿過一第二透射透鏡502，該第二透射透鏡502將分離光束之各者個別地聚焦至該三個偵測器之一者上，該三個偵測器之各者經配置以量測透射光之強度。
關於反射光光學器件562，反射光束在反射離開基板512之後藉由物鏡590收集，接著該物鏡590引導該等光束朝向望遠鏡588。在到達望遠鏡588之前，該等光束亦穿過一四分之一波板504。一般而言，物鏡590及望遠鏡588以在光學上相對於如何操縱入射光束逆轉之一方式操縱收集光束。即，物鏡590重新準直該等光束且望遠鏡588減小其等大小。當該等光束離開望遠鏡588時，其等繼續(向後)直至其等到達光束分割器立方體582。光束分割器582經組態以與四分之一波板504一起運作以將該等光束引導至一中心路徑506上。
接著，藉由一第一反射透鏡508收集繼續在路徑506上之光束，該第一反射透鏡508將該等光束之各者聚焦至一反射稜鏡509上，該反射稜鏡509包含針對該等反射光束之各者之一琢面。反射稜鏡509經配置以重定位且折曲反射光束。類似於透射稜鏡510，反射稜鏡509係用 於分離光束使得其等各自落在反射光偵測器配置564中之一單一偵測器上。如所展示，反射光偵測器配置564包含三個個別相異偵測器。當光束離開反射稜鏡509時，其等穿過一第二反射透鏡511，該第二反射透鏡511將分離光束之各者個別地聚焦至此等偵測器之一者上，此等偵測器之各者經配置以量測反射光之強度。
存在可藉由前述光學總成促進之多個檢測模式。例如，光學總成可促進一透射光檢測模式、一反射光檢測模式及一同時檢測模式。關於透射光檢測模式，透射模式偵測通常用於基板(諸如具有透明區域及不透明區域之習知光學遮罩)上之缺陷偵測。在光束掃描遮罩(或基板512)時，光在透明點處穿透該遮罩且藉由透射光偵測器560偵測，該等透射光偵測器560定位於該遮罩後面且量測藉由包含第一透射透鏡596、第二透射透鏡502、球面像差透鏡598及稜鏡510之透射光光學器件558收集之光束之各者之強度。
關於反射光檢測模式，可對含有呈鉻、顯影光阻劑或其他特徵之形式之影像資訊之透明或不透明基板執行反射光檢測。藉由基板512反射之光沿著與檢測光學器件554相同之光學路徑向後行進，但接著藉由一偏光光束分割器582轉移至偵測器564中。更特定言之，第一反射透鏡508、稜鏡509及第二反射透鏡511將來自經轉向光束之光投影至偵測器564上。反射光檢測亦可用於偵測不透明基板表面之頂部上之污染。
關於同時檢測模式，利用透射光及反射光兩者以判定一缺陷之存在及/或類型。系統之兩個量測值係如藉由透射光偵測器860感測之透射穿過基板512之光束之強度及如藉由反射光偵測器564偵測之反射光束之強度。接著，可處理該兩個量測值以判定基板512上之一對應點處之缺陷(若有)之類型。
更特定言之，同時透射及反射偵測可揭示藉由透射偵測器感測 之一不透明缺陷之存在，而反射偵測器之輸出可用於揭示缺陷之類型。作為一實例，一基板上之一鉻點或一顆粒皆可導致來自透射偵測器之一低透射光指示，但一反射鉻缺陷可導致來自反射光偵測器之一高反射光指示，且一顆粒可導致來自相同反射光偵測器之一較低反射光指示。因此，藉由使用反射及透射偵測兩者，吾人可定位鉻幾何結構之頂部上之一顆粒，若僅檢查缺陷之反射特性或透射特性，則不能進行此定位。此外，吾人可判定特定類型缺陷之訊符，諸如其等反射光強度與透射光強度之比率。接著，可使用此資訊以對缺陷自動分類。於1996年10月8日發佈且以引用的方式併入本文中之美國專利5,563,702描述關於系統500之額外細節。
根據本發明之某些實施例，併有一雷射系統之一檢測系統可同時偵測一單一偵測器上之兩個資料通道。此一檢測系統可用於檢測一基板(諸如一標線片、一光罩或一晶圓)，且可如於2009年5月5日頒予Brown等人且以引用的方式併入本文中之美國專利7,528,943中所描述般操作。
圖6展示同時偵測一感測器670上之影像或信號之兩個通道之一標線片、光罩或晶圓檢測系統600。照明源609併有如本文中所描述之一改良之DUV CW雷射且可進一步包括一相干性降低方案。當一受檢測物體630係透明(例如，一標線片或光罩)時，該兩個通道可包括反射及透射強度，或可包括兩個不同照明模式(諸如入射角、偏光狀態、波長範圍或其等之某個組合)。
如圖6中所展示，照明中繼光學器件615及620將來自源609之照明中繼至受檢測物體630。該受檢測物體630可為一標線片、一光罩、一半導體晶圓或待檢測之其他物品。影像中繼光學器件640、655及660將藉由受檢測物體630反射及/或透射之光中繼至感測器670。對應於該兩個通道之偵測信號或影像之資料係展示為資料680且傳輸至一 電腦(未展示)以進行處理。
圖7繪示包含多個物鏡及上述改良之DUV CW雷射之一者之一例示性檢測系統700。在系統700中，將來自一雷射701(該雷射701併有本文中所描述之UV雷射之一者)之照明發送至照明子系統之多個區段。該照明子系統之一第一區段包含元件702a至706a。透鏡702a聚焦來自雷射701之光。接著，來自透鏡702a之光自鏡703a反射。為圖解目的，鏡703a放置於此位置處且可定位於別處。接著，來自鏡703a之光藉由形成照明光瞳平面705a之透鏡704a收集。可取決於檢測模式之要求而於光瞳平面705a中放置一孔徑、濾光器或修改光之其他裝置。接著，來自光瞳平面705a之光穿過透鏡706a且形成照明場平面707。
照明子系統之一第二區段包含元件702b至706b。透鏡702b聚焦來自雷射701之光。接著，來自透鏡702b之光自鏡703b反射。接著，來自鏡703b之光藉由形成照明光瞳平面705b之透鏡704b收集。可取決於檢測模式之要求而於光瞳平面705b中放置一孔徑、濾光器或用以修改光之其他裝置。接著，來自光瞳平面705b之光穿過透鏡706b且形成照明場平面707。接著，來自該第二區段之光藉由鏡或反射表面重導引使得照明場平面707處之照明場光能包括經組合照明區段。
接著，場平面光在反射離開一光束分割器710之前藉由透鏡709收集。透鏡706a及709在物鏡光瞳平面711處形成第一照明光瞳平面1005a之一影像。同樣地，透鏡706b及709在物鏡光瞳平面711處形成第二照明光瞳平面705b之一影像。接著，一物鏡712(或替代性地713)獲取光瞳光且在樣本714處形成照明場707之一影像。物鏡712或物鏡713可定位成接近於樣本714。樣本714可在一載物台(未展示)上移動，從而將該樣本定位於所要位置中。自樣本714反射及散射之光係藉由高NA折反射物鏡712或物鏡713收集。在物鏡光瞳平面711處形成一反射光光瞳之後，光能在成像子系統中形成一內場716之前通過光 束分割器710及透鏡715。此內部成像場係樣本714及對應照明場707之一影像。此場可在空間上分離成對應於照明場之多個場。此等場之各者可支援一單獨成像模式。
可使用鏡717重導引此等場之一者。接著，重導引之光在形成另一成像光瞳719b之前穿過透鏡718b。此成像光瞳係光瞳711及對應照明光瞳705b之一影像。可取決於檢測模式之要求而於光瞳平面719b中放置一孔徑、濾光器或用以修改光之其他裝置。接著，來自光瞳平面719b之光穿過透鏡720b且在感測器721b上形成一影像。以一類似方式，經過鏡或反射表面717之光係藉由透鏡718a收集且形成成像光瞳719a。接著，來自成像光瞳719a之光在偵測器721a上形成一影像之前藉由透鏡720a收集。成像於偵測器721a上之光可用於不同於成像於感測器721b上之光之一成像模式。
系統700中採用之照明子系統係由雷射源701、集光光學器件702至704、放置成接近於一光瞳平面705之光束塑形組件及中繼光學器件706及709組成。一內場平面707定位於透鏡706與透鏡709之間。在一較佳組態中，雷射源701可包含上述改良之DUV CW雷射之一者。
關於雷射701，雖然繪示為具有兩個透射點或角度之一單一均勻區塊，但實際上此表示能夠提供兩個照明通道(例如，一第一光能通道(諸如在一第一頻率下穿過元件702a至706a之雷射光能)及一第二光能通道(諸如在一第二頻率下穿過元件702b至706b之雷射光能))之一雷射源。可採用不同光能模式，諸如在一通道中採用明場能量且在另一通道中採用一暗場模式。
雖然來自雷射源701之光能係展示為以90度間隔發射且元件702a至706a及元件702b至706b係定向成90度角，但實際上可以各種定向(不一定係二維)發射光，且該等組件可不同於所展示般進行定向。因此，圖7僅係所採用之組件之一表示且所展示之角度或距離並未按比 例繪製亦非設計特定要求。
可在使用孔徑塑形之概念之當前系統中採用放置成接近於光瞳平面705之元件。使用此設計，可實現均勻照明或近似均勻照明以及個別點照明、環狀照明、四極照明或其他所要圖案。
可在一般成像子系統中採用物鏡之各種實施方案。可使用一單一固定物鏡。該單一物鏡可支援全部所要成像及檢測模式。若成像系統支援一相對較大之場大小及相對較高之數值孔徑，則可達成此一設計。可藉由使用放置於光瞳平面705a、705b、719a及719b處之內部孔徑而將數值孔徑減小至一所要值。
亦可如圖7中所展示般使用多個物鏡。例如，儘管展示兩個物鏡712及713，然任何數目個物鏡係可行的。可針對藉由雷射701產生之各波長最佳化此一設計中之各物鏡。此等物鏡712及713可具有固定位置或移動至接近於樣本714之位置中。為使多個物鏡移動而接近於該樣本，可如標準顯微鏡上常見般使用旋轉轉座。可使用用於在一樣本附近移動物鏡之其他設計，該等設計包含(但不限於)在一載物台上橫向平移該等物鏡及使用一測向器在一弧上平移該等物鏡。此外，可根據本系統達成固定物鏡及一轉座上之多個物鏡之任何組合。
此組態之最大數值孔徑可接近或超過0.97，但在某些例項中可更高。此高NA折反射成像系統可能具有之大範圍之照明及收集角結合其大的場大小容許該系統同時支援多個檢測模式。如可從前文段落瞭解，可使用一單一光學系統或結合照明裝置之機器實施多個成像模式。針對照明及收集揭示之高NA允許使用相同光學系統實施成像模式，藉此容許針對不同類型之缺陷或樣本最佳化成像。
成像子系統亦包含中間影像形成光學器件715。該影像形成光學器件715之目的係形成樣本714之一內部影像716。在此內部影像716處，可放置一鏡717以重導引對應於檢測模式之一者之光。可重導引 此位置處之光，此係因為用於成像模式之光在空間上分離。可以若干不同形式(包含可變焦距變焦(varifocal zoom)、具有聚焦光學器件之多個無焦管透鏡或多個影像形成mag管)實施影像形成光學器件718(718a及718b)及720(720a及720b)。於2009年7月16日發表且以引用的方式併入本文中之美國公開申請案2009/0180176描述關於系統700之額外細節。
圖8繪示具有一可調整放大率之一例示性超寬頻UV顯微鏡成像系統800。圖8繪示該顯微鏡之三種不同放大率：在如801A所展示般組態光學器件之情況下為36X；在如801B所展示般組態光學器件之情況下為64X；及在如801C所展示般組態光學器件之情況下為80X。如801C處所展示，光學器件包含一折反射物鏡區段802及一變焦管透鏡803。折反射物鏡區段802包含一折反射透鏡群組804、一場透鏡群組805及一聚焦透鏡群組806。系統800可將一物體/樣本809(例如，正檢測之一晶圓)成像至一影像平面812。
折反射透鏡群組804包含一近似平面(或平面)反射體(其係一反射性塗佈透鏡元件)、一凹凸透鏡(其係一折射表面)及一凹球面反射體。兩個反射元件可具有不具備反射材料之中心光學孔徑以容許來自一中間影像平面之光穿過該凹球面反射體、藉由該近似平面(或平面)反射體反射至該凹球面反射體上，且往回穿過該近似平面(或平面)反射體，從而橫越途中(on the way)之相關聯透鏡元件或若干相關聯透鏡元件。折反射透鏡群組804經定位以形成中間影像之一實像，使得結合變焦管透鏡803在波長帶內實質上校正系統之初級縱向色彩。
場透鏡群組805可由兩個或兩個以上不同折射材料(諸如熔融矽及氟化玻璃)或繞射表面製成。場透鏡群組805可光學耦合在一起或替代性地可在空氣中略微隔開。因為熔融矽及氟化玻璃之色散在深紫外光範圍中並無實質上不同，所以場透鏡群組之若干組件元件之個別功率 必須為高量值以提供不同色散。場透鏡群組805具有沿著接近於中間影像之光學路徑對準之一淨正光焦度。使用此一褪色場透鏡容許在一超寬光譜範圍內完全校正包含至少次級縱向色彩以及初級及次級橫向色彩之色像差。在一實施例中，僅一場透鏡組件需要具有不同於系統之其他透鏡之一折射材料。
聚焦透鏡群組806包含較佳全部由一單一類型之材料形成之多個透鏡元件，其中折射表面具有經選擇以校正單色像差及像差之色變動兩者且將光聚焦至一中間影像之曲率及位置。在聚焦透鏡群組806之一實施例中，具有低功率之透鏡813之一組合校正球面像差、彗形像差(coma)及像散之色變動。一光束分割器807對一UV光源808提供一入口。UV光源808可有利地藉由上述改良之DUV CW雷射之一者實施。
變焦管透鏡803可全部為相同折射材料(諸如熔融矽)且經設計使得在變焦期間不改變初級縱向色彩及初級橫向色彩。此等初級色像差無須校正至零，且在僅使用一玻璃類型之情況下不能校正至零，但其等必須固定，這係可行的。接著，必須修改折反射物鏡區段802之設計以補償變焦管透鏡803之此等未經校正但固定之色像差。變焦管透鏡803(其可變焦或改變放大倍率而不改變其高階色像差)包含沿著系統之一光學路徑安置之透鏡表面。
在一較佳實施例中，首先獨立於使用兩種折射材料(諸如熔融矽及氟化鈣)之折反射物鏡區段802而校正變焦管透鏡803。接著，組合變焦管透鏡803與折反射物鏡區段802，此時可修改折反射物鏡區段802以補償系統800之殘餘高階色像差。由於場透鏡群組805及低功率透鏡群組813，此補償係可行的。接著，最佳化該經組合之系統使得改變全部參數以達成最佳效能。
系統800包含用以提供容許自36X至100X之一變焦之線性變焦運 動之一折疊鏡群組811。該折疊鏡群組之三個不同位置經展示對應於三種不同放大率36X、64X及80X。大範圍變焦提供連續放大率改變，而精細變焦降低頻疊且容許電子影像處理(諸如對於一重複影像陣列之單元間減法)。折疊鏡群組811可特性化為反射元件之一「長號」系統。變焦係藉由以下動作完成：使變焦管透鏡803之群組作為一單元而移動且亦移動如圖8中所展示之長號U型滑管之臂。因為長號運動僅影響焦點且其位置處之f#速度非常低，所以此運動之精確度可極為寬鬆。此長號組態之一優點在於，其顯著地縮短系統。另一優點在於，僅存在涉及主動(非平坦)光學元件之一變焦運動。且該長號U型滑管之另一變焦運動對錯誤並不敏感。於1999年12月7日發佈且以引用的方式併入本文中之美國專利5,999,310進一步詳細描述系統800。
圖9繪示將一法線入射雷射照明(暗場或明場)添加至一折反射成像系統900。系統900之照明區塊包含：一雷射901；調適光學器件902，其等用以控制經檢測表面上之照明光束大小及輪廓；一孔徑及窗903，其在一機械外殼904中；及一稜鏡905，其用以沿著光學軸以法線入射至一樣本908之表面而重導引雷射。稜鏡905亦沿著光學路徑將來自樣本908之表面特徵之鏡面反射及來自一物鏡906之光學表面之反射引導至一影像平面909。可以一折反射物鏡、一聚焦透鏡群組及一變焦管透鏡區段(例如，參見圖8)之一般形式提供用於物鏡906之透鏡。在一較佳實施例中，可藉由上述改良之DUV CW雷射之一者實施雷射901。於2007年1月4日發表且以引用的方式併入本文中之公開專利申請案2007/0002465進一步詳細描述系統900。
圖10A繪示用於檢測表面1011之區域之包含照明系統1001及集光系統1010之一表面檢測設備1000。如圖10A中所展示，一雷射系統1020引導一光束1002穿過一透鏡1003。在一較佳實施例中，該雷射系統1020包含上述改良之DUV CW雷射之一者。第一光束塑形光學器件 可經組態以自雷射接收一光束且將該光束聚焦至晶體中或接近於該晶體之一光束腰處之一橢圓形截面。
透鏡1003經定向使得其主平面實質上平行於一樣本表面1011，且因此在表面1011上於透鏡1003之焦平面中形成照明線1005。此外，以一非正交入射角將光束1002及聚焦光束1004引導至表面1011。特定言之，可以與一法線方向成約1度與約85度之間之一角度將光束1002及聚焦光束1004引導至表面1011。以此方式，照明線1005實質上係在聚焦光束1004之入射平面中。
集光系統1010包含用於收集自照明線1005散射之光之透鏡1012及用於將來自透鏡1012之光聚焦至一裝置(諸如電荷耦合裝置(CCD)1014，包括光敏偵測器之一陣列)上之透鏡1013。在一實施例中，CCD 1014可包含偵測器之一線性陣列。在此等情況中，CCD 1014內之偵測器之線性陣列可定向成平行於照明線1015。在一實施例中，可包含多個集光系統，其中該等集光系統之各者包含類似組件，但定向不同。
例如，圖10B繪示用於一表面檢測設備(其中為簡單起見未展示其照明系統，例如，類似於照明系統1001之照明系統)之集光系統1031、1032及1033之一例示性陣列。集光系統1031中之第一光學器件收集在一第一方向上自樣本1011之表面散射之光。集光系統1032中之第二光學器件收集在一第二方向上自樣本1011之表面散射之光。集光系統1033中之第三光學器件收集在一第三方向上自樣本1011之表面散射之光。注意，第一、第二及第三路徑與樣本1011之該表面成不同反射角。可使用支撐樣本1011之一平台1035以引起光學器件與樣本1011之間之相對運動，使得可掃描樣本1011之整個表面。於2009年4月28日發佈且以引用的方式併入本文中之美國專利7,525,649進一步詳細描述表面檢測設備1000及其他多個集光系統。
圖11繪示可用於檢測一表面1101上之異常之一表面檢測系統1100。在此實施例中，表面1101可藉由包括由上述改良之DUV CW雷射之一者產生之一雷射光束之一雷射系統1130之一實質上固定照明裝置部分照明。雷射系統1130之輸出可連續地穿過偏光光學器件1121、一光束擴張器及孔徑1122以及光束成形光學器件1123以擴張並聚焦光束。
接著，所得聚焦雷射光束1102藉由一光束折疊組件1103及一光束偏轉器1104反射以引導光束1105朝向表面1101以用於照明該表面。在較佳實施例中，光束1105實質上法向或垂直於表面1101，儘管在其他實施例中光束1105可與表面1101成一傾斜角。
在一實施例中，光束1105實質上垂直或法向於表面1101且光束偏轉器1104使來自表面1101之光束之鏡面反射反射朝向光束轉向組件1103，藉此用作防止該鏡面反射到達偵測器之一防護罩。該鏡面反射之方向係沿著線SR，該線SR法向於樣本之表面1101。在光束1105法向於表面1101之一實施例中，此線SR與照明光束1105之方向一致，其中此共同參考線或方向在本文中係稱為檢測系統1100之軸。在光束1105與表面1101成一傾斜角之情況下，鏡面反射之方向SR將不會與光束1105之傳入方向一致；在此例項中，指示表面法線之方向之線SR係稱為檢測系統1100之收集部分之主軸。
由小顆粒散射之光係藉由鏡1106收集且經引導朝向孔徑1107及偵測器1108。由大顆粒散射之光係藉由透鏡1109收集且經引導朝向孔徑1110及偵測器1111。注意，一些大顆粒亦使經收集且引導至偵測器1108之光散射，且類似地，一些小顆粒亦使經收集且引導至偵測器1111之光散射，但此光之強度相對較低於各自偵測器經設計以偵測之散射光強度。在一實施例中，偵測器1111可包含光敏元件之一陣列，其中該光敏元件陣列之各光敏元件經組態以偵測照明線之一放大影像 之一對應部分。在一實施例中，檢測系統可經組態以用於偵測未圖案化晶圓上之缺陷。於2001年8月7日發佈且以引用的方式併入本文中之美國專利6,271,916進一步詳細描述檢測系統1100。
圖12繪示經組態以使用法線照明光束及傾斜照明光束兩者實施異常偵測之一檢測系統1200。在此組態中，包含上述改良之DUV CW雷射之一者之一雷射系統1230可提供一雷射光束1201。一透鏡1202使該光束1201聚焦穿過一空間濾光器1203且透鏡1204準直該光束且將其遞送至一偏光光束分割器1205。光束分割器1205將一第一偏光分量傳遞至法線照明通道且將一第二偏光分量傳遞至傾斜照明通道，其中該等第一及第二分量係正交的。在該法線照明通道1206中，該第一偏光分量係藉由光學器件1207聚焦且藉由鏡1208反射朝向一樣本1209之一表面。藉由樣本1209散射之輻射係藉由一抛物面鏡1210收集且聚焦至一光電倍增管1211。
在傾斜照明通道1212中，第二偏光分量係藉由光束分割器1205反射至一鏡1213(該鏡1213使此光束反射穿過一半波板1214)且藉由光學器件1215聚焦至樣本1209。源自該傾斜通道1212中之傾斜照明光束且藉由樣本1209散射之輻射亦藉由抛物面鏡1210收集且聚焦至光電倍增管1211。注意，光電倍增管1211具有一針孔入口。該針孔及照明光點(來自表面1209上之法線照明通道及傾斜照明通道)較佳處於抛物面鏡1210之焦點處。
抛物面鏡1210將來自樣本1209之散射輻射準直成一準直光束1216。接著，準直光束1216係藉由一物鏡1217聚焦且透過一檢偏鏡1218而至光電倍增管1211。注意，亦可使用具有除抛物面形狀以外之形狀之彎曲鏡表面。一儀器1220可提供光束與樣本1209之間之相對運動使得跨樣本1209之表面掃描光點。於2001年3月13日發佈且以引用的方式併入本文中之美國專利6,201,601進一步詳細描述檢測系統 1200。
其他標線片、光罩或晶圓檢測系統可有利地使用上述改良之DUV CW雷射之一者。例如，其他系統包含美國專利5,563,702、5,999,310、6,201,601、6,271,916、7,352,457、7,525,649及7,528,943中所描述之系統。又進一步系統包含美國公開案2007/0002465及2009/0180176中所描述之系統。此段落中敘述之專利、專利公開案及專利申請案係以引用的方式併入本文中。
儘管本文中已參考附圖詳細描述本發明之闡釋性實施例，然應理解，本發明並不限於該等精確實施例。其等並不意欲為詳盡性或將本發明限於所揭示之精確形式。因而，熟習此項技術之實踐者將明白許多修改及變動。因此，希望藉由以下申請專利範圍及其等效物來定義本發明之範疇。
101‧‧‧基諧波雷射/紅外光(IR)雷射
102A‧‧‧二次諧波產生器
127‧‧‧致動器控制件
130‧‧‧鏡
131‧‧‧鏡
132‧‧‧鏡
133‧‧‧鏡
200‧‧‧深紫外光(DUV)之連續波(CW)雷射
201‧‧‧光/可見光
202B‧‧‧四次諧波產生器
223‧‧‧半波板
224‧‧‧模式匹配透鏡
235‧‧‧第一非線性光學(NLO)晶體
236‧‧‧第二非線性光學(NLO)晶體
237‧‧‧光束分割器
245‧‧‧傾斜板/傾斜薄板
251‧‧‧光束截止器
252‧‧‧光束分割器
253‧‧‧四分之一波板
254‧‧‧偏光光束分割器
255‧‧‧光電二極體
259‧‧‧伺服控制電路
260‧‧‧伺服控制件

Claims (19)

  1. 一種用於產生深紫外光(DUV)之連續波(CW)光之雷射，該雷射包括：一二次諧波產生器，其用於將具有一基諧波長之光轉換至具有一二次諧波波長之光；及一四次諧波產生器，其用於將具有該二次諧波波長之該光轉換至具有一四次諧波波長之光，該四次諧波產生器包含：複數個鏡；一第一非線性光學(NLO)晶體，其用於產生具有該四次諧波波長之該光，該第一NLO晶體與該複數個鏡成操作關係；及一第二NLO晶體，其與該第一NLO晶體成操作關係使得具有該二次諧波波長之該光穿過該第一NLO晶體及該第二NLO晶體兩者，該第二NLO晶體之第二光學軸圍繞該第二NLO晶體內具有該二次諧波波長之該光之一傳播方向相對於該第一NLO晶體之第一光學軸旋轉約90度，該第二NLO晶體並不提供任何波長轉換。
  2. 如請求項1之雷射，其中該第一NLO晶體及該第二NLO晶體之各者經氫退火。
  3. 如請求項1之雷射，其中該第一NLO晶體及該第二NLO晶體之各者包括一氫退火之CLBO(硼酸銫鋰)晶體。
  4. 如請求項1之雷射，其中具有該二次諧波之該光被聚焦至該第一NLO晶體中或接近於該第一NLO晶體之一實質上橢圓光束腰，其中一橢圓之一長軸實質上平行於一第一e軸。
  5. 如請求項1之雷射，其中該第一NLO晶體及該第二NLO晶體之溫度經控制以降低該第一NLO晶體中由其中之一聚焦光束產生之像 散。
  6. 如請求項1之雷射，其中至少該第一NLO晶體之溫度經控制以降低該第一NLO晶體中由其中之一聚焦光束產生之像散。
  7. 如請求項6之雷射，其中一受控溫度係約50℃或更低。
  8. 如請求項1之雷射，該四次諧波產生器進一步包含具有平行表面之一對薄板，該對薄板以實質上相等且相反之角度傾斜以便最小化在補償像散時一光束之任何位移。
  9. 如請求項1之雷射，該四次諧波產生器進一步包含一回饋控制迴路，該回饋控制迴路自動調整一像散補償以便實質上消除藉由該第一NLO晶體引入之像散。
  10. 一種用於檢測一晶圓、標線片或光罩之系統，該系統包括：一深紫外光(DUV)之連續波(CW)雷射，其包含：一二次諧波產生器，其用於將具有一基諧波長之光轉換至具有一二次諧波波長之光；及一四次諧波產生器，其用於將具有該二次諧波波長之該光轉換至具有一四次諧波波長之光，該四次諧波產生器包含：複數個鏡；一第一非線性光學(NLO)晶體，其用於產生具有該四次諧波波長之該光，該第一NLO晶體與該複數個鏡成操作關係；及一第二NLO晶體，其與該第一NLO晶體成操作關係使得具有該二次諧波波長之該光穿過該第一NLO晶體及該第二NLO晶體兩者，該第二NLO晶體之第二光學軸圍繞該第二NLO晶體內具有該二次諧波波長之該光之一傳播方向相對於該第一NLO晶體之第一光學軸旋轉約90度，該第二NLO晶體並不提供任何波長轉換。
  11. 如請求項10之系統，其中該第一NLO晶體及該第二NLO晶體之各者經氫退火。
  12. 如請求項10之系統，其中該第一NLO晶體及該第二NLO晶體之各者包括一氫退火之CLBO(硼酸銫鋰)晶體。
  13. 如請求項10之系統，其中具有該二次諧波之光被聚焦至該第一NLO晶體中或接近於該第一NLO晶體之一實質上橢圓光束腰，其中一橢圓之一長軸實質上平行於一第一e軸。
  14. 如請求項10之系統，其中該第一NLO晶體及該第二NLO晶體之溫度經控制以降低該第一NLO晶體中由其中之一聚焦光束產生之像散。
  15. 如請求項10之系統，其中至少該第一NLO晶體之溫度經控制以降低該第一NLO晶體中由其中之一聚焦光束產生之像散。
  16. 如請求項15之系統，其中一受控溫度係約50℃或更低。
  17. 如請求項10之系統，該四次諧波產生器進一步包含具有平行表面之一對薄板，該對薄板以實質上相等且相反之角度傾斜以便最小化在補償像散時一光束之任何位移。
  18. 如請求項10之系統，該四次諧波產生器進一步包含一回饋控制迴路，該回饋控制迴路自動調整一像散補償以便實質上消除藉由該第一NLO晶體引入之像散。
  19. 一種在一雷射中產生深紫外光(DUV)之連續波(CW)光之方法，該方法包含：將具有一基諧波長之光轉換至具有一二次諧波波長之光；及使用一第一非線性光學(NLO)晶體及一第二NLO晶體將具有該二次諧波波長之該光轉換至具有一四次諧波波長之光，其中該將具有該二次諧波波長之該光轉換至具有該四次諧波波長之該光包含： 放置該第二NLO晶體使其與該第一NLO晶體成操作關係使得具有一二次諧波波長之該光穿過兩個NLO晶體；及使該第二NLO晶體之第二光學軸圍繞該第二NLO晶體內具有該二次諧波波長之該光之一傳播方向相對於該第一NLO晶體之第一光學軸旋轉約90度，其中僅該第一NLO晶體提供具有該四次諧波波長之該光之波長轉換。
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