TW202113312A - 使用高光譜成像的半導體製程光學診斷 - Google Patents

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Abstract

揭示用於光學診斷半導體製造製程之改進設備及系統其相關方法的實施例。 在電漿處理系統中，高光譜成像系統用於擷取來自電漿之放射光譜解析圖像。所擷取之高光譜圖像可用於確定電漿之化學組成及電漿製程終點。可替代地，高光譜成像系統用於在處理之前、期間或之後擷取基板之光譜解析圖像，以確定基板或基板上所形成之層及特徵部的特性，包括是否已達到製程終點； 或在處理之前或之後檢測基板狀況。

Description

使用高光譜成像的半導體製程光學診斷
本發明係關於用於光學診斷半導體製造製程之狀態的設備與系統及相關方法。更具體地，其係關於高光譜成像用於診斷半導體製造製程及被處理基板之狀態的用途。 [相關申請案之交互參照]
本申請涉及並主張共同未決之美國臨時專利申請案第62/851,756號之優先權，標題為”OPTICAL DIAGNOSTICS OF A SEMICONDUCTOR PROCESS USING HYPERSPECTRAL IMAGING”(參考號181412US01)，於2019年5月23日申請，其全部內容皆併於此作為。此申請案涉及共同未決之美國專利申請案第16/820,032號，標題為” ENHANCED RESOLUTION IN SEMICONDUCTOR FABRICATION DATA ACQUISITION INSTRUMENTS USING MACHINE LEARNING”(參考號181077US02)，於2020年3月16日申請，其全部內容皆併於此作為。
光學診斷已進入主流半導體製造製程，且目前係用於診斷具有或不具電漿之許多不同類型的半導體製造製程。可使用光學診斷來測量製程參數及製程結果的製程包括以黃光微影、蝕刻、沉積、清潔製程等進行之圖案化。
許多光學診斷方法利用測量光學光譜，其通常是使用緊湊工具型(on-tool)光譜儀來擷取。在電漿製程中，例如蝕刻及原子層蝕刻(ALE)，可擷取並分析來自蝕刻電漿之光學放射光譜，用於製程終點偵測(EPD)，並用於確定電漿蝕刻製程的其他參數，例如電漿處理環境之化學組成。一般歸類於術語光學放射光譜法(OES)下之示例技術更詳細地描述於美國專利案第9,330,990號及第10,002,804號中，其標題為 “METHOD OF ENDPOINT DETECTION OF PLASMA ETCHING PROCESS 5 USING MULTIVARIATE ANALYSIS”(參考號TTI- 240_US_ORD_1及TTI-240_US_CON_2)，及美國專利申請案第15/469,303號及第15/469,317號中，其標題為 “CONTROLLING DRY ETCH PROCESS CHARACTERISTICS USING WAFERLESS DRY CLEAN OPTICAL EMISSION SPECTROSCOPY”(參考號Ref. Nos. TEA-136_US_ORD_2 及TEA-136_US_ORD_3)，及美國專利案第10,436,717號中，其標題為 “COMPOSITIONAL OPTICAL EMISSION SPECTROSCOPY FOR DETECTION OF PARTICLE INDUCED ARCS IN AN ETCH PROCESS”(參考號TEA-138_US_ORD_2)，其內容整體併於此作為參考。
光學放射光譜法(OES)終點信號指出蝕刻製程期間特定層已被蝕穿且底層已被顯露，如蝕刻電漿之光學放射光譜變化所呈現。在半導體裝置之特徵部尺寸不斷微縮時，低開口面積電漿蝕刻製程(其中蝕穿條件之電漿光譜特性變得更微弱)對終點偵測(EPD)提出越來越高的要求。此使得需使用逐漸提高訊噪比(SNR)的光譜儀，以能夠準確地補獲蝕刻終點。同時，蝕刻製程本身的要求規定要維持高輸出(throughput)，即光譜儀以足夠快的速率擷取光學光譜以達到精確的終點偵測(EPD)。此些要求及其帶來的抵換(tradeoffs)在循環電漿蝕刻製程中被進一步放大，例如原子層蝕刻(ALE)，其中電漿條件在一循環之步驟間廣大地變化，且每一循環之過渡部分被電漿中快速瞬變現象所支配。
在另一光學診斷方法系列中，製程期間光譜儀係用於測量從工件(例如，晶圓、基板等)表面反射之寬帶束的光譜含量。此些光學診斷方法(歸類為一般已知之散射法及反射法)通常不依賴於電漿光學放射(但可能會)，因此適用於更廣泛範圍之半導體製造製程，即電漿及非電漿兩者。透過反射並繞射來自基板上之結構及特徵部的照射束而產生之擷取的寬帶光學光譜可用於若干不同應用中。示例包括偵測製程的終點，用於測量基板上形成之層的厚度、用於測量基板上形成之結構或特徵部的尺寸、用於測量基板上形成層及特徵部之材料的特性等。所有此些方法的共同點是，光學診斷專門針對要處理之基板上的層及特徵部，以診斷並控制製程。一些示例技術更加詳細描述於美國專利案第9,059,038號中，其標題為“SYSTEM FOR IN-SITU FILM STACK MEASUREMENT DURING ETCHING AND ETCH CONTROL METHOD”(參考號TTI-139_US_ORD_1)，美國專利申請案第15/472,494號中，其標題為“ADVANCED OPTICAL SENSOR, SYSTEM, AND METHODOLOGIES FOR ETCH PROCESS MONITORING”(參考號TTI-15 249_US_PRI_1)，以及美國專利申請案第16/051,082號，其標題為“ NORMALINCIDENT IN-SITU PROCESS MONITOR SENSOR”(參考號180903US01)，其內容整體併於此作為參考。
在具有光柵或其他分散光學件之習知光譜儀中，光譜儀之訊噪比(SNR)一般與其輸出成高度反比。為了達到更高的訊噪比(SNR)，需要在偵測器陣列之每個像素中擷取更強的光信號，偵測器陣列之元件或像素對應於所擷取光學光譜之波長。用於增加信號之傳統方法是(a)增加光譜儀入口狹縫寬度，以及(b)增加擷取時間。前一方法(通常與具有較大數值孔徑(NA)之聚焦透鏡或反射鏡結合使用，且有效地增加到達偵測器陣列之光量，因而改善訊噪比(SNR))有降低光譜解析度之缺點。此會導致光譜儀無法解析緊密間隔的光譜峰。光譜資訊之此缺失可能使所擷取之光譜不適合用於診斷並控制製程。後一方法就降低光譜儀之輸出而言是不佳的，因為增加擷取時間以允許在偵測器陣列像素處收集更多信號會降低擷取光學光譜的速率。此輸出的降低會不利於例如終點偵測(EPD)之方法，在該方法中製程終點之精確定時至關重要。
基於製程診斷(特別是蝕刻診斷)之現今要求，前述抵換對於每一新世代之裝置及製程變得更加嚴峻。因此，需要新的光譜儀設計及光學診斷系統以用於原位半導體製程診斷及控制，其無需犧牲輸出及光譜解析度來提高訊噪比(SNR)，或將抵換降至最低。
為此，本發明提出使用高光譜成像技術代替習知光譜儀以用於半導體製造製程之光學診斷及控制的系統及方法。
因為高光譜成像是成像技術，故其在半導體處理中適用於甚至更廣範圍的光學診斷方法。例如，涉及基板或基板區域之成像以確定基板及其上形成之結構及層狀態(其中高光譜成像所提供之全光譜資訊將有利於診斷)之光學診斷皆是使用此技術之好選項。可採用高光譜成像之光學診斷示例包括諸多光學成像檢測步驟，例如黃光微影圖案化製程中之顯影後檢測(ADI)、諸多成像缺陷檢測步驟、基板上污染之檢測等。
本發明係關於用於高光譜成像之方法以及設備與系統之多個實施例，以在半導體處理期間診斷基板之狀態，及/或光學診斷並控制半導體製造製程本身的狀態。
在一實施例中，提供用於偵測來自半導體處理系統之光信號的光學偵測器。光學偵測器係配置用於偵測傳輸通過窗口之光信號，該窗口安裝於該半導體處理系統之壁中。光學偵測器包括收集光學件，配置用於收集並傳輸透過該窗口所傳輸之光信號；一波長可調濾波器，用於可調地選擇傳輸光信號之波長；一陣列偵測器，用於偵測波長濾出光信號；以及一控制器，用於控制至少該波長可調濾波器及該陣列偵測器，並用於儲存且處理該陣列偵測器所擷取之圖像。光學偵測器可用於偵測包括電漿光放射之光信號，如在光學放射光譜法(OES)應用中，包括例如終點偵測(EPD)。光學偵測器亦可用於偵測繞射光信號，其中該繞射光信號係透過從半導體處理系統中之基板表面反射並繞射照射束而產生。照射束及繞射光信號在基板上可具有法線入射，或光學偵測器可配置用於在基板上傾斜(非法線)入射。收集透鏡、偏轉鏡、光圈、光纖、偏振器等可構成收集光學件。波長可調濾波器可包括，但不限於，可調法布里- 珀羅共振腔、聲光可調濾波器、及液晶可調濾波器。根據應用的需求，陣列偵測器可為一維或二維，並可包括，但不限於，CCD偵測器陣列、CMOS偵測器陣列、光電二極體陣列等。控制器可配置成在光學光譜之深紫外光(DUV)、紫外光(UV)、可見光(VIS)及紅外光(IR)部分中之一波長範圍或多個重疊或未重疊波長範圍內，選擇性調整波長可調濾波器之通帶波長。控制器可進一步配置成擷取圖像立方體，每一圖像立方體係由陣列偵測器所擷取之一組圖像所組成，該組中每一圖像係於波長可調濾波器所調整成之瞬時通帶波長所定義的波長處擷取。在一實施例中，光學偵測器可用於半導體基板檢測系統中，以在處理步驟期間或完成之後檢測(透過成像)基板。檢測系統可為半導體處理系統的一部分，或者檢測系統可為獨立信息亭型(kiosk-type)檢測系統。
進一步實施例包括配有上述光學偵測器之半導體處理系統及半導體基板檢測系統。半導體處理系統可為電漿或非電漿處理系統，或混合腔室型處理系統。半導體基板檢查測系統可為半導體處理系統的一部分，或其可為獨立信息亭型檢測系統。
進一步實施例包括用於診斷電漿處理系統中電漿製程步驟之方法，其包括 : 在電漿處理系統之電漿處理腔室中引燃電漿；通過安裝於電漿處理腔室之壁中的窗口及通過收集光學件，收集電漿光放射信號；將電漿光放射信號從收集光學件引導至波長可調濾波器中，以可調地選擇該收集到之電漿光放射信號的波長；使用陣列偵測器，偵測波長濾出電漿光放射信號；以及在控制器中儲存並處理陣列偵測器所擷取之圖像。該方法可進一步包括在光學光譜之深紫外光(DUV)、紫外光(UV)、可見光(VIS)及紅外光(IR)部分中之一波長範圍或多個重疊或未重疊波長範圍內，選擇性地調整波長可調濾波器之通帶波長。該方法亦可包括形成圖像立方體，圖像立方體係由陣列偵測器所擷取之一組圖像所組成，該組中每一圖像係於波長可調濾波器所調整成之瞬時通帶波長所定義的波長處擷取。該方法可用於從電漿製程步驟期間擷取之一系列圖像立方體所形成之一系列電漿光放射光譜來確定電漿製程步驟之終點。其亦可用於從圖像立方體所形成之電漿光放射光譜來確定電漿之化學組成的相對濃度。
又進一步實施例包括用於測量形成在設置於半導體處理系統中之基板上之層或結構特性的方法，其包括 : 在半導體處理系統中開始製程步驟；用照射束照射基板，該照射束從基板反射且繞射的部分形成繞射光信號；通過安裝於半導體處理系統之壁中的窗口並通過收集光學件，收集繞射光信號；將繞射光信號從收集光學件引導至波長可調濾波器，以可調地選擇所收集到之繞射光信號的波長；使用陣列偵測器，偵測波長濾出繞射光信號；在控制器中儲存並處理陣列偵測器所擷取之圖像。基板上之層或結構的特性可為輪廓頂部臨界尺寸(CD)、輪廓底部臨界尺寸(CD)、輪廓中間臨界尺寸(CD)、輪廓側壁角度、層厚度、層光學特性、或被蝕刻之層的剩餘厚度等。此外，可從製程步驟期間擷取之一系列圖像立方體所取得之一系列繞射光譜來確定該製程步驟之終點。
該方法可進一步包括確定基板上位置與圖像立方體之圖像中像素位置之空間對應關係，以及從圖像立方體取得繞射光譜。繞射光譜可從一或複數圖像立方體中所有圖像或圖像之一子集內的單一選定像素位置取得。繞射光譜亦可從一或複數圖像立方體中所有圖像或圖像之一子集內的至少一選定像素位置區域取得。最後，繞射光譜可從一或複數圖像立方體中所有圖像或圖像之一選定子集內的所有像素位置取得。
在電漿診斷應用中，用於從一或複數圖像立方體中提取繞射光譜之上述相同三個步驟亦可用於從一或複數圖像立方體中提取電漿光放射光譜。在彼情況下，圖像立方體之圖像中像素位置並不是對應於基板上位置，而是對應於電漿處理腔室中之探測體積的區域，其電漿光放射信號是從該區域擷取。
此些相同步驟可進一步用於從基板檢測系統中之一或複數圖像立方體提取光學光譜。
在基板檢測系統中，檢測基板之方法的實施例包括 : 將基板放置於基板檢測系統中之台架上；用照射束照射基板；通過收集光學件，收集照射基板所引起的光信號； 將收集到之光信號從收集光學件引導至波長可調濾波器，以可調地選擇該收集到之光信號的波長；使用陣列偵測器，偵測該波長濾出信號；以及在控制器中儲存並處理該陣列偵測器所擷取之圖像。該方法可進一步包括根據先前所述從圖像中提取光譜的方法，從圖像立方體所取得之至少一光學光譜來確定基板或形成於基板上之層或結構的至少一特性。
在以下描述中，為了促進本發明之透徹理解及為了解釋而非限制之目的而闡述具體細節，例如光學偵測器、電漿處理系統、非電漿半導體處理系統、光學成像檢測系統之特定幾何形狀以及諸多組成件及製程之描述。然而，應理解本發明可在背離此些具體細節之其它實施例中實施。
在此整篇說明書中提及「一實施例」或「實施例」意指相關於該實施例而描述之特定特徵、結構、材料、或特性係包含於本發明之至少一實施例中，但並不意味著其存在於每一實施例中。因此，「在一實施例中」或「在實施例中」之詞語在此整篇說明書中諸多地方之出現未必指本發明之相同實施例。此外，特定特徵、結構、材料、或特性可在一或更多實施例中以任何合適的方式合併。
諸多操作將以最有助於理解本發明之方式而依序描述成多個分開操作。然而，描述的順序不應解讀成暗示此些操作必須依照順序。尤其是，此些操作不須以呈現的順序執行。所述操作可以不同於所述實施例之順序來執行。在額外的實施例中可執行諸多額外之操作及/或省略所述操作。
圖1A及1B示出根據本發明實施例之半導體處理系統。圖1A繪出利用電漿來處理基板之示例性半導體處理系統，例如蝕刻處理系統、原子層蝕刻(ALE)系統、沉積系統等，下稱為電漿處理系統100。電漿處理系統100包括電漿處理腔室110，其可進一步包括感應式電漿源(ICP)、電容式電漿源(CCP)、變壓耦合式電漿源(TCP)、微波電漿源、表面波電漿源(SWP)等(未示出)。與氣體供應系統(未示出)一起，電漿源係用於在電漿處理腔室110內激燃(strike)並保持電漿，其於設置在支撐構件115上之基板120上方。支撐構件115可為靜電吸盤(ESC)、基座等。
光學偵測器140係用於監測電漿處理腔室110內之電漿的狀態。窗口130提供於電漿處理腔室110之側壁中，以允許光信號(在此情況下即電漿光放射信號170)離開電漿處理腔室110並進入光學偵測器140。在可替代實施例中，窗口130可安裝在電漿處理腔室110之頂壁上，且光學偵測器140在其情況下可安裝在電漿處理腔室110上方，或者電漿光放射信號170可使用例如光纖而按路徑發送至遠端光學偵測器140。窗口130可由對光學光譜之深紫外光(DUV)、紫外光(UV)、可見光(VIS)及紅外光(IR)部分呈透光之合適材料製成。例如，窗口130可包括諸多類型的玻璃，例如硼矽酸鹽玻璃、石英、藍寶石等。可提供保護窗口130免於來自電漿之材料過多沉積的設置，例如穿孔的格柵、沖洗氣體注入系統等(未示出)。
光學偵測器140包括收集光學件145、波長可調濾波器150及陣列偵測器160，其一起構成高光譜成像(HSI)系統。光學偵測器及其組成件係由至少與波長可調濾波器150及陣列偵測器160通信的控制器180控制。波長可調濾波器可包括法布里- 珀羅共振腔(Fabry Perot cavity)、聲光可調濾波器、液晶可調濾波器、或任何其他能夠改變通帶(passband)波長之可調窄帶光學濾波器裝置，如控制器180所選擇並控制。取決於應用，陣列偵測器160可為一維陣列偵測器(即線偵測器)或二維陣列偵測器。若應用需要，則陣列偵測器160可包括CCD偵測器陣列、CMOS偵測器陣列、光電二極體陣列或用於陣列偵測器160之不同部分的諸多類型偵測器的組合。例如，由於其固有的波長靈敏度差異等，不同陣列偵測器類型可並排地或堆疊地使用，以用於不同波長範圍。
在操作中，電漿光放射信號170係透過收集光學件145來收集，並引入波長可調濾波器150中作為傳輸光信號172。收集光學件145可包括形成傳輸光信號172所需之收集透鏡、偏轉鏡、光圈、偏振器、光纖等之任何組合。圖1A示出法布里- 珀羅共振腔的示例，其中兩個半反射鏡152以可控間隙Gi 隔開，從而形成光學腔155。當間距Gi 由控制器180變化時，法布里- 珀羅共振腔選擇性地傳輸不同的通帶波長，以形成波長濾出光信號175，其入射至陣列偵測器160上。示例性之合適法布里- 珀羅共振腔是4200型HinaLea高光譜成像儀，其可獲自助泰科技(TruTag Technologies)。此法布里- 珀羅共振腔(其與2.3 MegaPixel陣列偵測器整合)具有200至1000 nm的光譜範圍及最多600個光譜帶。
在操作中，控制器180控制可控間隙Gi 以執行通帶波長的掃描，而陣列偵測器160同時擷取隨後由控制器180接收的圖像，其中圖像可在控制器180中被儲存及/或處理。隨著波長可調濾波器150之通帶波長變化，陣列偵測器160所擷取之每一圖像將在波長可調濾波器150所選定之瞬時通帶波長下進行擷取。以此方式，以下“圖像堆疊”或“圖像立方體”係對波長可調濾波器150之通帶波長的每次掃描進行擷取，並由控制器180接收(見圖5A-C)。可重複通帶波長掃描，以擷取連續圖像立方體。控制器180可程式化為例如執行波長可調濾波器150之通帶波長(從最小到最大通帶波長)的連續掃描。然而，實際上僅有光學光譜的某些部分可能被關注，因此控制器180可程式化成在光學光譜之深紫外光(DUV)、紫外光(UV)、可見光(VIS)及紅外光(IR)部分中之一波長範圍或多個重疊或未重疊波長範圍內選擇性地調整通帶波長。以此方式，由於僅擷取所關注的波長範圍，因而提高了輸出。
對於法布里- 珀羅共振腔，切換及設定通帶波長之典型時間係在0.1 ms附近，因此允許例如在10 ms內選擇100個通帶波長並由陣列偵測器160形成對應圖像。儘管此光譜擷取速度可能低於一些高性能光譜儀的速度，但高光譜成像(HSI)系統之優點是，透過電漿光放射信號170接收之光量不受光譜儀之狹縫寬度及收集光學件之數值孔徑(NA)所限制。甚至，可在收集光學件145中使用大的有效孔徑，從而導致陣列偵測器160檢測到強信號，因而與傳統光譜儀相比其顯著提高了訊噪比(SNR)。由於法布里- 珀羅共振腔之2nm的典型光譜解析度，採用高光譜成像(HSI)系統之單一光學偵測器140中合併有高訊噪比(SNR)及良好光譜解析度。若單一光學偵測器140之輸出不足以用於該應用，則可使用並行操作之多個光學偵測器140，其各自擷取電漿光放射光譜的一部分。
電漿光學診斷依賴於電漿光放射光譜的擷取，如前所述。圖5A-C示出從示例性擷取圖像立方體900、902及905提取電漿光放射光譜的過程。在圖5A中，圖像立方體900係擷取於n個通帶波長處，其從λ1 通過λi 變化到λn 。在此最簡單的實施例中，電漿光放射光譜係透過從圖像立方體900之所有圖像中同一單個選定像素940提取光強度來提取。當提取的光強度以上升波長順序排列時，即獲得圖5A之電漿光放射光譜950，其可以如同傳統光譜儀所獲得之光譜一樣的方式進一步利用。
可替代地，在圖5B中，電漿光放射光譜係透過提取並平均圖像立方體902之所有圖像中至少一選定像素區域940內的光強度來提取。可選擇多個不連續像素區域940並進行平均，此取決於應用，其將指定圖像的哪部分得以保留及哪部分丟棄。對於每一波長λi 處所擷取之每一圖像，可使用像素加權及未加權的諸多平均方法來獲得選定像素區域940內的平均光強度。一旦被平均，平均的提取光強度則以上升波長順序排列，以形成圖5B之電漿光放射光譜950。
又可替代地，在圖5C中，電漿放射光譜係透過提取並平均圖像立方體905之擷取圖像的所有像素940內的光強度來提取。對於每一波長λi 處所擷取之每一圖像，可使用像素加權及未加權的諸多平均方法來獲得像素940內之平均光強度。一旦被平均，平均的提取光強度則以上升波長順序排列，以形成圖5C之電漿光放射光譜950。
當形成如圖5A-C中所述之電漿光放射光譜950時，圖像立方體900、902或905中所有圖像皆可用於形成電漿光放射光譜950。可替代地，可僅使用圖像立方體900、902、905中圖像之子集來形成電漿光放射光譜950，因而除去給定應用不需要的光譜部分。例如，在終點偵測(EPD)應用中，僅有電漿光放射光譜的某些狹窄部分可能被關注。此先減少圖像立方體中所擷取之圖像數量(即，通帶波長數量)並進一步僅選擇圖像立方體中圖像之子集用於電漿光放射光譜提取之作法，可顯著提高終點偵測(EPD)之演算法的計算效率。相同的效率增益可見於其他可能的應用中，例如光量測定(actinometry)應用，其中電漿光放射光譜係用於確定電漿中至少一化學成分之相對濃度。
在電漿光學診斷中，由於圖1A之收集光學件145的配置，圖5A-C之圖像立方體900、902及905中二維圖像中的像素位置一般係對應於電漿中不同的區域，其成像到陣列偵測器160之各個像素上。可有利地選擇圖5A及5B方法之一，以精確地選擇電漿中要被探測的區域，從而例如達到更可靠的終點偵測(EPD)。同時，使用圖5A及5B之方法允許除去電漿光放射中例如干擾(來自電漿處理腔室110中之結構或基板120)強的一部分。此外，若使用一維陣列偵測器160，則電漿光放射光譜提取之上述相同原理則應用於一維圖像的情況中。在不需要於一方向上跨許多像素進行合併(binning)及平均之電漿光學診斷中，一維陣列偵測器160(即線偵測器)可有利地用於降低光學偵測器140的成本並提高處理速度及輸出。
若需要更高的光譜解析度(高於可透過選定類型之波長可調濾波器150所獲得的)，則可使用光譜解析(spectral deconvolution method)方法，以從所擷取之電漿光放射光譜950重建高解析度光譜。示例光譜解析方法揭示於M.Morháč之“Deconvolution methods and their applications in the analysis of gamma-ray spectra”(ACAT2005，5月22-27日，德國Zeuthen)中。或者，可利用揭示於共同未決之美國專利申請案第16 / 820,032號中之機器學習技術(其標題為”ENHANCED RESOLUTION IN SEMICONDUCTOR FABRICATION DATA ACQUISITION INSTRUMENTS USING MACHINE LEARNING”(參考號181077US02)，於2020年3月16日申請)，以從所擷取之電漿光放射光譜950重建更高解析度光譜。
在圖1B中(其中相同參考符號表示與圖1A相同的元件)，其示出不同於圖1A之電漿處理系統100的電漿處理系統200，其不同處僅在於使用光纖135以饋送電漿光放射信號170進入光學偵測器140。光纖135之使用在定位窗口130(其可安裝在電漿處理腔室110之側壁或頂壁上)方面提供額外靈活度。光纖135在遠端定位光學偵測器140方面允予進一步的靈活度。光纖135耦合電漿光放射信號170並將其傳輸至收集光學件145，且可包括耦合光學件、多個光纖束等，以確保電漿光放射信號170之適當耦合，以及沿光纖之最佳傳輸。在所有其他方面，電漿處理系統200之功能及操作相似或相等於如前所述之圖1A的電漿處理系統100。
圖2A及2B示出根據本發明之進一步實施例的半導體處理系統。圖2A繪出示例性半導體處理系統300。半導體處理系統300可利用或可不利用電漿進行處理，並可包括或為黃光微影顯影(photolithographic track)系統、蝕刻系統、原子層蝕刻(ALE)系統、沉積系統、濕式或乾式清潔系統、擴散爐系統或任何其他半導體處理系統之一部分，其中為了確保基板符合規格及製程步驟控制之目的而需監測製程步驟之進度。半導體處理系統300包括製程模組210，其具有在製程步驟期間用於支撐基板220之支撐構件215。支撐構件215可為靜電吸盤(ESC)、基座、可移動台架、平台/基板臂之一部分等。製程步驟係在製程模組210內之基板220上執行，在此期間可在基板220上形成或改變層或特徵部。例如，在蝕刻系統中，可蝕刻基板上之層及特徵部。在黃光微影顯影系統中，可塗佈、烘烤或去除光阻塗層。在沉積系統中，可沉積層於基板上。在濕式或乾式清潔系統中，可從基板上去除特徵部、層、處理液、污染物等。
在製程步驟期間，光學偵測器240使用反射法用於監測半導體處理系統300及製程模組210內基板的狀態。照射束234係由寬帶照射光源232產生，並以法線入射方式(零入射角) 通過半反射鏡233及設置為相對於基板220之窗口230引導至基板220處。一些製程模組210可能不具有壁，即其可不被封閉隔離於其周圍環境，在其情況下，可能不需要窗口230。照射光源可為連續波(CW)或脈衝光源，且其可覆蓋光學光譜之深紫外光(DUV)、紫外光(UV)、可見光(VIS)及紅外光(IR)部分之光波長範圍。照射光源232可包括諸多白熾及氣體放電光源、閃光燈、LED、雷射、雷射驅動的電漿光源(LDLS)等。若將特別寬的光波長範圍用於反射法，則照射光源232可包括多個光源，其每一者覆蓋不同光波長範圍，且使用合適的合束器光學件來合併光束。照射光源232亦可包括快門(未示出)，以調節照射束234，使得來自電漿或所擷取之其他放射的干擾可在快門關閉時從所測得之反射計信號中減去。窗口230可由對光學光譜之深紫外光(DUV)、紫外光(UV)、可見光(VIS)及紅外光(IR)部分呈透光的合適材料製成。例如，窗口230可包括諸多類型的玻璃，例如硼矽酸鹽玻璃、石英、藍寶石等。可提供用於保護窗口230免於來自電漿之材料過度沉積或製程模組210內其他侵蝕性環境的設置，例如穿孔的格柵、沖洗氣體注入系統等(未示出)。
在入射至基板220上時，由於基板220上所形成之層或結構或特徵部的存在，照射束234被反射且繞射，以形成繞射光信號236。繞射光信號236包括從基板220以法線(零)反射角反射的零級繞射光信號。如之前所討論，繞射光信號236之光譜含有可從其確定基板220上之層或結構或特徵部特性的資訊。繞射光信號236穿過窗口230(若存在的話)，且被半反射鏡233反射至光學偵測器240中。
光學偵測器240包括收集光學件245、波長可調濾波器250及陣列偵測器260，其一起構成高光譜成像(HSI)系統。光學偵測器及其組成件係由至少與波長可調濾波器25及陣列偵測器260通信的控制器280控制。波長可調濾波器可包括法布里- 珀羅共振腔、聲光可調濾波器、液晶可調濾波器或任何其他能夠改變通帶(passband)波長之可調窄帶光學濾波器裝置，如控制器180所選擇及控制。取決於應用，陣列偵測器260可為一維陣列偵測器(即線偵測器)或二維陣列偵測器。若應用需要，則陣列偵測器260可包括CCD偵測器陣列、CMOS偵測器陣列、光電二極體陣列或用於陣列偵測器160之不同部分的諸多類型偵測器的組合。例如，由於其固有之波長靈敏度差異等，不同陣列偵測器類型可並排地或堆疊地使用，以用於不同波長範圍。
在操作中，繞射光信號236係透過收集光學件245來收集，並引入波長可調濾波器250中作為傳輸光信號172。收集光學件245可包括形成傳輸光信號272所需之收集透鏡、偏轉鏡、光圈、偏振器、光纖等之任何組合。圖2A示出法布里- 珀羅共振腔的示例，其中兩個半反射鏡252以可控間隙Gi 隔開，從而形成光學腔255。當間距Gi 由控制器280變化時，法布里- 珀羅共振腔選擇性地傳輸不同的通帶波長，以形成波長濾出繞射光信號275，其入射至陣列偵測器260上。
在操作中，控制器280控制可控間隙Gi 以執行通帶波長的掃描，而陣列偵測器260同時擷取隨後由控制器280接收的圖像，圖像可在控制器280中被儲存及/或處理。隨著波長可調濾波器250之通帶波長變化，陣列偵測器260所擷取之每一圖像將在波長可調濾波器250所選定之瞬時通帶波長下進行擷取。以此方式，以下“圖像堆疊”或“圖像立方體”係對波長可調濾波器250之通帶波長的每次掃描進行擷取，並由控制器280接收(見圖5A-C)。可重複通帶波長掃描，以擷取連續圖像立方體。控制器280可程式化為例如執行波長可調濾波器250之通帶波長(從最小到最大通帶波長)的連續掃描。然而，實際上僅有光學光譜的某些部分可能被關注，因此控制器280可程式化成在光學光譜之深紫外光(DUV)、紫外光(UV)、可見光(VIS)及紅外光(IR)部分中之一波長範圍或多個重疊或未重疊波長範圍內選擇性地調整通帶波長。以此方式，由於僅擷取所關注的波長範圍，因而提高了輸出。
對於法布里- 珀羅共振腔，切換及設定通帶波長之典型時間係在0.1 ms附近，因此允許例如在10 ms內選擇100個通帶波長並由陣列偵測器260形成對應圖像。儘管此光譜擷取速度可能低於一些高性能光譜儀的速度，但高光譜成像(HSI)系統之優點是，透過繞射光信號236接收之光量不受光譜儀之狹縫寬度及收集光學件之數值孔徑(NA)所限制。甚至，可在收集光學件245中使用大的有效孔徑，從而導致陣列偵測器260檢測到強信號，因而與傳統光譜儀相比其顯著提高了訊噪比(SNR)。由於法布里- 珀羅共振腔之2nm的典型光譜解析度，採用高光譜成像(HSI)系統之單一光學偵測器240中合併有高訊噪比(SNR)及良好光譜解析度。若單一光學偵測器240之輸出不足以用於該應用，則可使用並行操作之多個光學偵測器240，其各自擷取繞射光信號236(其可預先使用合適的分束器或其他波長選擇光學件來分光)的一部分。
反射法依賴於繞射光譜的擷取，如前所述。圖5A-C示出從示例性擷取圖像立方體900、902及905提取繞射光譜的過程。在圖5A中，圖像立方體900係擷取於n個通帶波長處，其從λ1 通過λi 變化到λn 。在此最簡單的實施例中，繞射光譜係透過從圖像立方體900之所有圖像中同一單個選定像素940提取光強度來提取。當提取的光強度以上升波長順序排列時，即獲得圖5A之繞射光譜950，其可以如同傳統光譜儀所獲得之光譜一樣的方式進一步利用。
可替代地，在圖5B中，繞射光譜係透過提取並平均圖像立方體902之所有圖像中至少一選定像素區域940內的光強度來提取。可選擇多個不連續像素區域940並進行平均，此取決於應用，其將指定圖像的哪部分得以保留及哪部分丟棄。對於每一波長λi 處所擷取之每一圖像，可使用像素加權及未加權的諸多平均方法來獲得選定像素區域940內的平均光強度。一旦被平均，平均的提取光強度則以上升波長順序排列，以形成圖5B之繞射光譜950。
又可替代地，在圖5C中，繞射光譜係透過提取並平均圖像立方體905之擷取圖像的所有像素940內的光強度來提取。對於每一波長λi 處所擷取之每一圖像，可使用像素加權及未加權的諸多平均方法來獲得像素940內之平均光強度。一旦被平均，平均的提取光強度則以上升波長順序排列，以形成圖5C之繞射光譜950。
當形成如圖5A-C中所述之繞射光譜950時，圖像立方體900、902或905中所有圖像皆可用於形成繞射光譜950。可替代地，可僅使用圖像立方體900、902、905中圖像之子集來形成繞射光譜950，因而除去給定應用不需要的光譜部分。例如，在終點偵測(EPD)應用中，僅有繞射光譜的某些狹窄部分可能被關注。此先減少圖像立方體中所擷取之圖像數量(即，通帶波長數量)並進一步僅選擇圖像立方體中圖像之子集用於繞射光譜提取之作法，可顯著提高終點偵測(EPD)之演算法的計算效率。相同的效率增益可見於其他可能的應用中，例如CD測量、特徵部輪廓測量、確定基板上層的光學特性等。
在反射法中，由於收集光學件245、半反射鏡233等相對於基板220的配置及位置，圖5A-C之圖像立方體900、902及905中二維圖像中的像素位置對應於基板220上不同位置，其成像到陣列偵測器260之各個像素上。像素位置與基板220上位置之此空間對應關係可透過光學建模或透過使用擷取圖像以驗證基板720上圖像視場來確定。利用已知的空間對應，可有利地使用圖5A及5B方法之一，以精確地選擇基板220上要被診斷的區域，從而例如達到更可靠的終點偵測(EPD)。此允許將基板表面之一部分除去，若此些部分不會對反射法信號產生有意義影響的話(例如，未蝕刻的區域、具不同層或特徵部及其光學特性的區域、刻線、干擾製程模組結構等)。
在一實施例中，圖像立方體之連續擷取圖像(對於相同的通帶波長λi )可針對連續圖像之間光強度快速變化的像素或像素區域(其表示例如在此些位置處進行蝕刻)進行分析。在一實施例中，可將像素或像素區域之光強度的變化率與預先選定之光強度閾值變化率進行比較，以確定像素或像素區域是否經歷快速的光強度變化，從而進行處理。具有快速光強度變化之此些像素或像素區域可用作提取繞射光譜950之區域940。此方法免去需得知像素位置與基板上位置之空間對應關係，且無須預先選擇用於繞射光譜提取之像素區域。同時，此方法確保僅診斷基板上進行處理的區域，而忽略所有其他區域，因而改善診斷的準確性。
能夠僅選擇圖像立方體之圖像中某些像素區域940的另一個優點是，其允許在基板220上光學偵測器240有相對較大照射點及視場(field of view)得以被使用。此簡化光學設置、放寬尺寸公差、並降低光學偵測器240及整個半導體處理系統300的成本。最後，其放寬基板220在支撐構件215上的定位公差，因為所需像素區域940始終可在圖像立方體的圖像中找到，只要其在光學偵測器240之視場內即可。
若需要更高的光譜解析度(高於可透過選定類型之波長可調濾波器250所獲得的)，則可使用光譜解析方法，以從所擷取之繞射光譜950重建高解析度光譜。示例光譜解析方法揭示於M.Morháč之“Deconvolution methods and their applications in the analysis of gamma-ray spectra”(ACAT2005，5月22-27日，德國Zeuthen)中。或者，可利用揭示於共同未決之美國專利申請案第16 / 820,032號中之機器學習技術(其標題為”ENHANCED RESOLUTION IN SEMICONDUCTOR FABRICATION DATA ACQUISITION INSTRUMENTS USING MACHINE LEARNING”(參考號181077US02)，於2020年3月16日申請)，以從所擷取之繞射光譜950重建更高解析度光譜。
可透過反射法確定的特性包括基板上結構上之膜的剩餘厚度、層厚度、臨界尺寸(CD)(例如頂部、中間及底部臨界尺寸)、輪廓尺寸(例如輪廓高度、側壁角度等) 、基板上層的光學特性等。膜的剩餘厚度是用於確定蝕刻製程終點之測得量。甚至，發明人已證實透過使用具高光譜成像(HSI)系統之反射法，在整個定時蝕刻(timed etch)中，FINFET蝕刻製程中之剩餘厚度控制改善了五倍。
在圖2B中(其中相同參考符號表示與圖2A相同的元件)，其示出不同於圖2A之半導體處理系統300的半導體處理系統400，其不同處僅在於使用光纖235以饋送繞射光信號236進入光學偵測器240。光纖235之使用在定位光學偵測器240方面提供額外靈活度。光纖235耦合繞射光信號236並將其傳輸至收集光學件245，且可包括耦合光學件、多個光纖束等，以確保繞射光信號236之適當耦合，以及沿光纖之最佳傳輸。在所有其他方面，半導體處理系統400之功能及操作相似或相等於如前所述之圖2A的半導體處理系統300。
圖3A及3B示出根據本發明之又進一步實施例的半導體處理系統。圖3A繪出示例性半導體處理系統500。半導體處理系統500可利用或可不利用電漿進行處理，並可包括或為黃光微影顯影(photolithographic track)系統、蝕刻系統、原子層蝕刻(ALE)系統、沉積系統、濕式或乾式清潔系統、擴散爐系統或任何其他半導體處理系統之一部分，其中為了確保基板符合規格及製程步驟控制之目的而需監測製程步驟之進度。半導體處理系統500包括製程模組310，其具有在製程步驟期間用於支撐基板320之支撐構件315。支撐構件315可為靜電吸盤(ESC)、基座、可移動台架、平台/基板臂之一部分等。製程步驟係在製程模組310內之基板320上執行，在此期間可在基板320上形成或改變層或特徵部。例如，在蝕刻系統中，可蝕刻基板上之層及特徵部。在黃光微影顯影系統中，可塗佈、烘烤或去除光阻塗層。在沉積系統中，可沉積層在基板上。在濕式或乾式清潔系統中，可從基板上去除特徵部、層、處理液、污染物等。
在製程步驟期間，光學偵測器340係使用反射法用於監測半導體處理系統500及製程模組310內基板的狀態。照射束334係由寬帶照射光源332產生，並以傾斜入射方式通過照射窗口330引導至基板320處。照射束334之入射角θi 可在0.1°至89°變化，入射角係基於若干因素作選擇，包括反射計對基板320上所形成之特徵部及結構類型及幾何形狀的靈敏度、製程模組310之幾何形狀所施予之限制等。一些製程模組310可能不具有壁，即其可不被封閉隔離於其周圍環境，在其情況下，可能不需要照射窗口330。照射光源可為連續波(CW)或脈衝光源，且其可覆蓋光學光譜之深紫外光(DUV)、紫外光(UV)、可見光(VIS)及紅外光(IR)部分之光波長範圍。照射光源332可包括諸多白熾及氣體放電光源、閃光燈、LED、雷射、雷射驅動的電漿光源(LDLS)等。若將特別寬的光波長範圍用於反射法，則照射光源332可包括多個光源，其每一者覆蓋不同光波長範圍，且使用合適的合束器光學件來合併光束。照射光源332亦可包括快門(未示出)，以調節照射束334，使得來自電漿或所擷取之其他放射的干擾可在快門關閉時從所測得之反射計信號中減去。照射窗口330可由對光學光譜之深紫外光(DUV)、紫外光(UV)、可見光(VIS)及紅外光(IR)部分呈透光的合適材料製成。例如，照射窗口330可包括諸多類型的玻璃，例如硼矽酸鹽玻璃、石英、藍寶石等。可提供用於保護照射窗口330免於來自電漿之材料的過度沉積或製程模組310內其他侵蝕性環境的設置，例如穿孔的格柵、沖洗氣體注入系統等(未示出)。
在傾斜入射至基板320上時，由於基板320上所形成之層或結構或特徵部的存在，照射束334被反射且繞射，以形成繞射光信號336。繞射光信號336係以反射角θr (其等於照射束334之入射角θi ，且可在0.1°至89°變化)從基板320反射。繞射光信號336可包括從基板反射之一或更多繞射級的光信號。如之前所討論，繞射光信號336之光譜含有可從其確定基板320上之層或結構或特徵部特性的資訊。繞射光信號336穿過反射窗口338(若存在的話)，並被引入光學偵測器340中。反射窗口338一般位於相對於照射窗口330之製程模組310的一側上，且其可包括與照射窗口330相同或不同的材料。可提供用於保護反射窗口338免於來自電漿之材料的過度沉積或製程模組310內其他侵蝕性環境的設置，例如穿孔的格柵、沖洗氣體注入系統等(未示出)。
光學偵測器340包括收集光學件345、波長可調濾波器350及陣列偵測器360，其一起構成高光譜成像(HSI)系統。光學偵測器及其組成件係由至少與波長可調濾波器350及陣列偵測器360通信的控制器380控制。波長可調濾波器可包括法布里- 珀羅共振腔、聲光可調濾波器、液晶可調濾波器或任何其他能夠改變通帶(passband)波長之可調窄帶光學濾波器裝置，如控制器380所選擇及控制。取決於應用，陣列偵測器360可為一維陣列偵測器(即線偵測器)或二維陣列偵測器。若應用需要，則陣列偵測器360可包括CCD偵測器陣列、CMOS偵測器陣列、光電二極體陣列或用於陣列偵測器360之不同部分的諸多類型偵測器的組合。例如，由於其固有波長靈敏度差異等，不同陣列偵測器類型可並排地或堆疊地使用，以用於不同波長範圍。
在操作中，繞射光信號336係透過收集光學件345來收集，並引入波長可調濾波器350中作為傳輸光信號372。收集光學件345可包括形成傳輸光信號372所需之收集透鏡、偏轉鏡、光圈、偏振器、光纖等之任何組合。圖3A示出法布里- 珀羅共振腔的示例，其中兩個半反射鏡352以可控間隙Gi 隔開，從而形成光學腔355。當間距Gi 由控制器380變化時，法布里- 珀羅共振腔選擇性地傳輸不同的通帶波長，以形成波長濾出繞射光信號375，其入射至陣列偵測器360上。
在操作中，控制器380控制可控間隙Gi 以執行通帶波長的掃描，而陣列偵測器360同時擷取隨後由控制器380接收的圖像，其中圖像可在控制器380中被儲存及/或處理。隨著波長可調濾波器350之通帶波長變化，陣列偵測器360所擷取之每一圖像將在波長可調濾波器350所選定之瞬時通帶波長下進行擷取。以此方式，以下“圖像堆疊”或“圖像立方體”係對波長可調濾波器350之通帶波長的每次掃描進行擷取，並由控制器380接收(見圖5A-C)。可重複通帶波長掃描，以擷取連續圖像立方體。控制器380可程式化為例如執行波長可調濾波器350之通帶波長(從最小到最大通帶波長)的連續掃描。然而，實際上僅有光學光譜的某些部分可能被關注，因此控制器380可程式化成在光學光譜之深紫外光(DUV)、紫外光(UV)、可見光(VIS)及紅外光(IR)部分中之一波長範圍或多個重疊或未重疊波長範圍內選擇性地調整通帶波長。以此方式，由於僅擷取所關注的波長範圍，因而提高了輸出。
對於法布里- 珀羅共振腔，切換及設定通帶波長之典型時間係在0.1 ms附近，因此允許例如在10 ms內選擇100個通帶波長並由陣列偵測器360形成對應圖像。儘管此光譜擷取速度可能低於一些高性能光譜儀的速度，但高光譜成像(HSI)系統之優點是，透過繞射光信號336接收之光量不受光譜儀之狹縫寬度及收集光學件之數值孔徑(NA)所限制。甚至，可在收集光學件345中使用大的有效孔徑，從而導致陣列偵測器360檢測到強信號，因而與傳統光譜儀相比其顯著提高了訊噪比(SNR)。由於法布里- 珀羅共振腔之2 nm的典型光譜解析度，採用高光譜成像(HSI)系統之單一光學偵測器340中合併有高訊噪比(SNR)及良好光譜解析度。若單一光學偵測器240之輸出不足以用於該應用，則可使用並行操作之多個光學偵測器340，其各自擷取繞射光信號336(其可預先使用合適的分束器或其他波長選擇光學件來分光)的一部分。
若需要更高的光譜解析度(高於可透過選定類型之波長可調濾波器350所獲得的)，則可使用光譜解析方法，以從所擷取之繞射光譜950(圖5A、5B及5C)重建高解析度光譜。示例光譜解析方法揭示於M.Morháč之“Deconvolution methods and their applications in the analysis of gamma-ray spectra”(ACAT2005，5月22-27日，德國Zeuthen)中。或者，可利用揭示於共同未決之美國專利申請案第16 / 820,032號中之機器學習技術(其標題為”ENHANCED RESOLUTION IN SEMICONDUCTOR FABRICATION DATA ACQUISITION INSTRUMENTS USING MACHINE LEARNING”(參考號181077US02)，於2020年3月16日申請)，以從所擷取之繞射光譜950重建更高解析度光譜。
在圖3B中(其中相同參考符號表示與圖3A相同的元件)，其示出不同於圖3A之半導體處理系統500的半導體處理系統600，其不同處在於使用光纖335以饋送繞射光信號336進入光學偵測器340。光纖335之使用在定位光學偵測器340方面提供額外靈活度。光纖335耦合繞射光信號336並將其傳輸至收集光學件345，且可包括耦合光學件、多個光纖束等，以確保繞射光信號336之適當耦合，以及沿光纖之最佳傳輸。在所有其他方面，半導體處理系統600之功能及操作相似或相等於如前所述之圖3A的半導體處理系統500。
半導體處理系統300、400、500及600皆利用反射法來診斷基板上之製程結果，而其差異包括光學設置及入射角與反射角的細節。因此，關於半導體處理系統300及400對用於提取繞射光譜950(圖5A、5B及5C)、建立圖像立方體之圖像中像素位置與基板上位置之空間對應關係、選擇像素區域940(圖5A，5B及5C)以提取繞射光譜950、可被確定之層及特徵部的特性及其附帶的優點之方法的前述討論皆亦應用於使用傾斜入射角反射法之半導體處理系統500及600與相關的光學偵測器340及控制器380中。
除了監測電漿處理腔室中之電漿狀態並使用反射法以監測基板上層及特徵部的處理(在製程期間，即原位且製程完成後)之外，高光譜成像(HSI)系統可用於增強其他具光譜及/或成像性質之光學診斷方法。例如，高光譜成像(HSI)可用於基板之多光譜檢測。基板之多光譜檢測的應用可包括常見的檢測步驟，例如黃光微影及蝕刻中的顯影後檢測(ADI)及CD量測/檢測，以及諸多缺陷偵測技術，例如，污染、圖案塌陷、自組裝(DSA)嵌段共聚物層之不當自組裝等之偵測。所有此些技術的共同點是基板或基板區域之圖像擷取，其使用高光譜成像(HSI)系統可在許多波長下完成，從而大幅增加數據量，其可用於在低訊噪比情況下偵測缺陷。
圖4A及圖4B示出根據本發明又進一步實施例之基板檢測系統。圖4A繪出示例性半導體基板檢測系統700。基板檢測系統700可為半導體處理系統之一部分，或者其可為獨立檢測系統(例如，信息亭(kiosk)類型之檢測系統)之一部分。
基板檢測系統700包括用於在檢測期間支撐基板720之台架715。台架715可為靜電吸盤(ESC)、基座、可移動台架(例如X-Y、X-Y-θ，X-Y-Z或X-Y-Z-θ台架)、平台/基板臂之一部分等。基板檢測系統700可包括其他子系統，例如外殼(未示出)、用於維持基板720周圍受控且清潔環境之沖洗氣體系統(未示出)等。
在檢測步驟或製程期間，光學偵測器740係用於使基板檢測系統700內的基板成像。照射光源(未示出)可用於照射基板720之表面。照射光源可配置用於明場照射(從基板720上方)或用於暗場照明(照射束實質上平行於基板720之表面)。照射光源可為連續波(CW)或脈衝光源，且其可覆蓋光學光譜之深紫外光(DUV)、紫外光(UV)、可見光(VIS)及紅外光(IR)部分之光波長範圍。照射光源可包括諸多白熾及氣體放電光源、閃光燈、LED、雷射、雷射驅動的電漿光源(LDLS)等，並可包括均勻照射基板720表面所需之其他光學件。若將特別寬的光波長範圍用於檢測，則照射光源可包括多個光源，其每一者覆蓋不同光波長範圍，且使用合適的合束器光學件來合併光束。照射光源亦可包括快門(未示出)，以調節照射束，使得來自所擷取之放射的干擾可在快門關閉時從所測得之光信號中減去。
在入射至基板720上時，照射束之一部分從基板720反射，以形成光信號770。如之前所討論，光信號770之光譜含有檢測期間可從其確定基板720上之層或結構或特徵部特性的資訊。光學偵測器240包括收集光學件748、波長可調濾波器750及陣列偵測器760，其一起構成高光譜成像(HSI)系統。光學偵測器及其組成件係由至少與波長可調濾波器750及陣列偵測器760通信的控制器780控制。波長可調濾波器可包括法布里- 珀羅共振腔、聲光可調濾波器、液晶可調濾波器或任何其他能夠改變通帶波長之可調窄帶光學濾波器裝置，如控制器780所選擇及控制。取決於應用，陣列偵測器760可為一維陣列偵測器(即線偵測器)或二維陣列偵測器。若應用需要，則陣列偵測器760可包括CCD偵測器陣列、CMOS偵測器陣列、光電二極體陣列、或用於陣列偵測器760之不同部分的諸多類型偵測器的組合。例如，由於其固有之波長靈敏度差異等，不同陣列偵測器類型可並排地或堆疊地使用，以用於不同波長範圍。
在操作中，光信號770係透過收集光學件748來收集，並引入波長可調濾波器750中作為傳輸光信號772。收集光學件748可包括形成傳輸光信號772所需之收集透鏡、偏轉鏡、光圈、偏振器、光纖等之任何組合。圖4A示出法布里- 珀羅共振腔的示例，其中兩個半反射鏡752以可控間隙Gi 隔開，從而形成光學腔755。當間距Gi 由控制器780變化時，法布里- 珀羅共振腔選擇性地傳輸不同的通帶波長，以形成波長濾出光信號775，其入射至陣列偵測器760上。
在操作中，控制器780控制可控間隙Gi 以執行通帶波長的掃描，而陣列偵測器760同時擷取隨後由控制器780接收的圖像，其中圖像可在控制器780中被儲存及/或處理。隨著波長可調濾波器750之通帶波長變化，陣列偵測器760所擷取之每一圖像將在波長可調濾波器750所選定之瞬時通帶波長下進行擷取。以此方式，以下“圖像堆疊”或“圖像立方體”係對波長可調濾波器750之通帶波長的每次掃描進行擷取，並由控制器780接收(見圖5A-C)。可重複通帶波長掃描，以擷取連續圖像立方體。控制器780可程式化為例如執行波長可調濾波器150之通帶波長(從最小到最大通帶波長)的連續掃描。然而，實際上僅有光學光譜的某些部分可能被關注，因此控制器780可程式化成在光學光譜之深紫外光(DUV)、紫外光(UV)、可見光(VIS)及紅外光(IR)部分中之一波長範圍或多個重疊或未重疊波長範圍內選擇性地調整通帶波長。以此方式，由於僅擷取所關注的波長範圍，因而提高了輸出。
對於法布里- 珀羅共振腔，切換及設定通帶波長之典型時間係在0.1 ms附近，因此允許例如在10 ms內選擇100個通帶波長並由陣列偵測器760形成對應圖像。由於法布里- 珀羅共振腔之2nm的典型光譜解析度，採用高光譜成像(HSI)系統之單一光學偵測器740中合併有高訊噪比(SNR)及良好光譜解析度。若單一光學偵測器740之輸出或通帶波長範圍不足以用於該應用，則可使用並行操作之多個光學偵測器740，其各自擷取光信號770(其可預先使用合適的分束器或其他波長選擇光學件來分光)的一部分。
多光譜基板檢測依賴於光學光譜的擷取，如前所述。圖5A-C示出從示例性擷取圖像立方體900、902及905提取光學光譜的過程。在圖5A中，圖像立方體900係擷取於n個通帶波長處，其從λ1 通過λi 變化到λn 。在此最簡單的實施例中，繞射光譜係透過從圖像立方體900之所有圖像中同一單個選定像素940提取光強度來提取。當提取的光強度以上升波長順序排列時，即獲得圖5A之光學光譜950。
可替代地，在圖5B中，光學光譜係透過提取並平均圖像立方體902之所有圖像中至少一選定像素區域940內的光強度來提取。可選擇多個不連續像素區域940並進行平均，此取決於應用，其將指定圖像的哪部分得以保留及哪部分丟棄。對於每一波長λi 處所擷取之每一圖像，可使用像素加權及未加權的諸多平均方法來獲得選定像素區域940內的平均光強度。一旦被平均，平均的提取光強度則以上升波長順序排列，以形成圖5B之光學光譜950。
又可替代地，在圖5C中，繞射光譜係透過提取並平均圖像立方體905之擷取圖像的所有像素940內的光強度來提取。對於每一波長λi 處所擷取之每一圖像，可使用像素加權及未加權的諸多平均方法來獲得像素940內之平均光強度。一旦被平均，平均的提取光強度則以上升波長順序排列，以形成圖5C之光學光譜950。在多光譜基板檢測之情況下，圖5A及5B之方法最適合，因為其保留最多圖像資訊 : 圖5A之方法保留所有像素，而圖5B之方法保留像素區域。
當如圖5A-C中所述形成光學光譜950時，圖像立方體900、902或905中所有圖像可用於形成光學光譜950。可替代地，可僅使用圖像立方體900、902、905中圖像之子集來形成光學光譜950，因而除去給定應用不需要的光譜部分。此先減少圖像立方體中所擷取之圖像數量(即，通帶波長數量)並進一步僅選擇圖像立方體中圖像之子集用於光學光譜提取之作法，可顯著提高檢測之演算法的計算效率。
在多光譜基板檢測中，由於收集光學件748相對於基板720的配置及位置，圖5A-C之圖像立方體900、902及905中二維圖像中的像素位置對應於基板720上不同位置，其成像到陣列偵測器760之各個像素上。像素位置與基板720上位置之此空間對應關係可透過光學建模或透過使用擷取圖像以驗證基板720上圖像視場來確定。利用已知的空間對應，可有利地使用圖5A及5B方法之一，以精確地選擇基板720上要被診斷的區域。此允許將基板表面之一部分除去，若此些部分不會對檢測結果產生有意義影響的話。
能夠僅選擇圖像立方體之圖像中某些像素區域940的另一個優點是，其允許在基板720上光學偵測器740有相對較大視場得以被使用。此簡化光學設置、放寬尺寸公差、並降低光學偵測器740及整個基板檢測系統700的成本。最後，其放寬基板720在台架715上的定位公差，且若台架715為可移動，其放寬其定位的公差，因為所需之像素區域940始終可在圖像立方體的圖像中找到，只要其在光學偵測器740之視場內即可。
若需要更高的光譜解析度(高於可透過選定類型之波長可調濾波器750所獲得的)，則可使用光譜解析方法，以從所擷取之光學光譜950重建高解析度光譜。示例光譜解析方法揭示於M.Morháč之“Deconvolution methods and their applications in the analysis of gamma-ray spectra”(ACAT2005，5月22-27日，德國Zeuthen)中。或者，可利用揭示於共同未決之美國專利申請案第16 / 820,032號中之機器學習技術(其標題為”ENHANCED RESOLUTION IN SEMICONDUCTOR FABRICATION DATA ACQUISITION INSTRUMENTS USING MACHINE LEARNING”(參考號181077US02)，於2020年3月16日申請)，以從所擷取之光學光譜950重建更高解析度光譜。
在圖4B中(其中相同參考符號表示與圖4A相同的元件)，其示出不同於圖4A之基板檢測系統700的基板檢測系統800，其不同處在於使用光纖束735以饋送光信號770進入光學偵測器740。光纖束735之使用在定位光學偵測器740方面提供額外靈活度。光纖束735耦合繞射光信號770並將其傳輸至光學偵測器740之收集光學件745，且可包括物鏡748、耦合光學件、多個光纖束等，以確保繞射光信號770之適當耦合，以及沿光纖之最佳傳輸。在所有其他方面，基板檢測系統800之功能及操作相似或相等於如前所述之圖4A的基板檢測系統700。
在圖6A中(其中相同參考符號表示與圖2B相同的元件)，示出根據本發明進一步實施例之半導體處理系統1400，其中變化照射束波長來取代在陣列偵測器之前應用波長選擇。半導體處理系統1400與半導體處理系統400的不同處在於，波長可調濾波器250係設置在照射光源232與半反射鏡233之間的照射束234中。在此實施例中，波長可調光學濾波器250之通帶波長的變化導致照射束234的波長變化。因此，隨著波長可調濾波器250之通帶波長的變化，陣列偵測器260所擷取之每一圖像將在波長可調濾波器250所選定之瞬時通帶波長下進行擷取。如同在半導體處理系統400中，半導體處理系統1400之控制器280控制可控間隙Gi 以執行通帶波長的掃描，且類似地，所擷取的圖像係由控制器280接收。在所有其他方面，半導體處理系統1400的操作相同於先前描述之半導體處理系統400的操作，且所擷取的“圖像堆疊”或“圖像立方體”相同。亦可在圖2A之半導體處理系統300中對波長可調濾波器250位置進行相同修改。
在圖6B中(其中相同參考符號表示與圖3B相同的元件)，示出根據本發明進一步實施例之半導體處理系統1600，其中變化照射束波長來取代在陣列偵測器之前應用波長選擇。半導體處理系統1600與半導體處理系統600的不同處在於，波長可調濾波器350係設置在照射光源332與照射窗口330之間的照射束334中。在此實施例中，波長可調光學濾波器350之通帶波長的變化導致照射束334的波長變化。因此，隨著波長可調濾波器350之通帶波長的變化，陣列偵測器360所擷取之每一圖像將在波長可調濾波器350所選定之瞬時通帶波長下進行擷取。如同在半導體處理系統600中，半導體處理系統1600之控制器380控制可控間隙Gi 以執行通帶波長的掃描，且類似地，所擷取的圖像係由控制器380接收。在所有其他方面，半導體處理系統1600的操作相同於先前描述之半導體處理系統600的操作，且所擷取的“圖像堆疊”或“圖像立方體”相同。亦可在圖3A之半導體處理系統500中對波長可調濾波器350位置進行相同修改。
半導體處理系統1400及1600皆利用反射法來診斷基板上之製程結果。因此，關於半導體處理系統300、400、500及600對用於提取繞射光譜950(圖5A、5B及5C)、建立圖像立方體之圖像中像素位置與基板上位置之空間對應關係、選擇像素區域940(圖5A，5B及5C)以提取繞射光譜950、可被確定之層及特徵部的特性及其附帶的優點之方法的前述討論皆亦應用於半導體處理1400及1600中。
前述討論著重於法布里- 珀羅共振腔用於高光譜成像(HSI)，因為其在2 nm範圍內有良好的光譜解析度，且能夠在不犧牲輸出下改善訊噪比(SNR)。具有此些特性，法布里- 珀羅共振腔在許多半導體診斷應用中可用作快速緊湊型光譜儀的替代品。其他濾波器(例如聲光可調濾波器及液晶可調濾波器)亦可用於某些應用中，但其性能有所不同，特別是光譜解析度及通帶波長切換速度。高光譜成像(HSI)亦可能使用薄層帶通濾波器組，如同在一些遠端感測應用(例如軍事應用、及農業與土地管理應用)中所做的那樣。此些濾波器的光譜解析度在1至10 nm範圍內，其對於某些不太關鍵的應用且不需要採樣很多波長或緊密間隔波長時可能非常適合。
用於前述實施例之收集光學件145、245、345、745及物鏡748中的透鏡可為遠心或雙遠心(即在物空間及像空間中皆為遠心)，以確保光線的平行度、無論深度為何之固定圖像放大倍率、或兩者。在圖1A、1B的實施例中，雙遠心透鏡在電漿處理腔室中提供電漿光放射(在整個視場及深度上採樣)之更好平衡。在圖2A、2B、3A、3B、4A、4B、6A、6B的實施例中，雙遠心透鏡確保擷取圖像在不同位置及不同深度之不同部分有相等放大率及相等貢獻。
相關領域之技術人員可領會，鑒於以上教示，許多修改及變化是可能的。本領域技術人員將知悉對於圖中所示之諸多組成件的諸多等效組合及替代。因此，其意指本發明之範圍不受此詳細描述所限制，而是由所附請求項所限制。
100:電漿處理系統 110:電漿處理腔室 115:支撐構件 120:基板 130:窗口 135:光纖 140:光學偵測器 145:收集光學件 150:波長可調濾波器 152:半反射鏡 155:光學腔 160:陣列偵測器 170:電漿光放射信號 172:傳輸光信號 175:波長濾出光信號 180:控制器 200:電漿處理系統 210:製程模組 215:支撐構件 220:基板 230:窗口 232:照射光源 233:半反射鏡 234:照射束 235:光纖 236:繞射光信號 240:光學偵測器 245:收集光學件 250:波長可調濾波器 252:半反射鏡 255:光學腔 260:陣列偵測器 272:傳輸光信號 275:波長濾出繞射光信號 280:控制器 300:半導體處理系統 310:製程模組 315:支撐構件 320:基板 330:照射窗口 332:照射光源 334:照射束 335:光纖 336:繞射光信號 338:反射窗口 340:光學偵測器 345:收集光學件 350:波長可調濾波器 352:反射鏡 355:光學腔 360:陣列偵測器 372:傳輸光信號 375:波長濾出繞射光信號 380:控制器 400:半導體處理系統 500:半導體處理系統 600:半導體處理系統 700:基板檢測系統 715:台架 720:基板 735:光纖束 740:光學偵測器 745:收集光學件 748:收集光學件、物鏡 750:波長可調濾波器 752:半反射鏡 755:光學腔 760:陣列偵測器 770:光信號 772:傳輸光信號 775:波長濾出光信號 780:控制器 800:基板檢測系統 900:圖像立方體 902:圖像立方體 905:圖像立方體 910:圖像 920:圖像 930:圖像 940:像素 950:電漿光放射光譜、繞射光譜 1400:半導體處理系統 1600:半導體處理系統
參考以下詳細描述，尤其是結合附圖考慮時，對於本發明及其許多附帶優點之更完全理解將變得顯而易見。
圖1A為根據本發明實施例之具有光學偵測器之電漿處理系統的示意圖。
圖1B為根據本發明另一實施例之具有光學偵測器之電漿處理系統的示意圖。
圖2A為根據本發明一實施例之具有光學偵測器(配置用於法線入射)之半導體處理系統的示意圖。
圖2B為根據本發明另一實施例之具有光學偵測器(配置用於法線入射)之半導體處理系統的示意圖。
圖3A為根據本發明一實施例之具有光學偵測器(配置用於傾斜入射)之半導體處理系統的示意圖。
圖3B為根據本發明另一實施例之具有光學偵測器(配置用於傾斜入射)之半導體處理系統的示意圖。
圖4A為根據本發明一實施例之具有光學偵測器之基板檢測系統的示意圖。
圖4B為根據本發明另一實施例之具有光學偵測器之基板檢測系統的示意圖。
圖5A-C為根據本發明實施例之用於從擷取圖像立方體提取光譜之步驟的示意圖。
圖6A為根據本發明進一步實施例之具有光學偵測器(配置用於法線入射)之半導體處理系統的示意圖。
圖6B為根據本發明進一步實施例之具有光學偵測器(配置用於傾斜入射)之半導體處理系統的示意圖。
110:電漿處理腔室
115:支撐構件
120:基板
130:窗口
135:光纖
140:光學偵測器
145:收集光學件
150:波長可調濾波器
152:半反射鏡
155:光學腔
160:陣列偵測器
170:電漿光放射信號
172:傳輸光信號
175:波長濾出光信號
180:控制器
200:電漿處理系統

Claims (43)

  1. 一種光學偵測器，其用於偵測來自半導體處理系統之光信號，該光學偵測器係配置用於偵測傳輸通過窗口之光信號，該窗口安裝於該半導體處理系統之一壁中，該光學偵測器包括： 收集光學件，配置用於收集並傳輸透過該窗口所傳輸之該光信號； 一波長可調濾波器，用於可調地選擇所傳輸的光信號之波長； 一陣列偵測器，用於偵測經波長濾出的光信號；以及 一控制器，用於至少控制該波長可調濾波器及該陣列偵測器，並用於儲存且處理該陣列偵測器所擷取之圖像。
  2. 如請求項1所述之光學偵測器，其中該半導體處理系統為一電漿處理系統，且該光信號包括一電漿光放射信號。
  3. 如請求項1所述之光學偵測器，其中該光信號包括一繞射光信號，該繞射光信號係透過從設置於該半導體處理系統中之基板之一表面反射及繞射一照射束而形成。
  4. 如請求項3所述之光學偵測器，其中該波長可調濾波器係設置於該照射束中，用於可調地選擇該照射束之波長。
  5. 如請求項3所述之光學偵測器，其中該照射束在該基板之該表面上具有0度的入射角，且該繞射光信號係在0度反射角處擷取。
  6. 如請求項3所述之光學偵測器，其中該照射束在該基板之該表面上具有0.1度至89度的入射角，且該繞射光信號係在0.1度至89度反射角處擷取。
  7. 如請求項1所述之光學偵測器，其中該收集光學件包括一收集透鏡、一偏轉鏡（steering mirror）、一光圈、一偏振器、一光纖、或其兩者或更多者之組合。
  8. 如請求項1所述之光學偵測器，其中該波長可調濾波器包括一可調的法布里- 珀羅共振腔、一聲光可調濾波器、一液晶可調濾波器、或其兩者或更多者之組合。
  9. 如請求項1所述之光學偵測器，其中該陣列偵測器為一維或二維。
  10. 如請求項1所述之光學偵測器，其中該陣列偵測器包含一CCD偵測器陣列、CMOS偵測器陣列、光電二極體陣列、或其兩者或更多者之組合。
  11. 如請求項1所述之光學偵測器，其中該控制器係配置成在光學光譜之深紫外光(DUV)、紫外光(UV)、可見光(VIS)及紅外光(IR)部分中之一波長範圍或多個重疊或未重疊波長範圍內選擇性調整該波長可調濾波器之通帶波長。
  12. 如請求項11所述之光學偵測器，其中該控制器係配置成擷取一圖像立方體，該圖像立方體係由該陣列偵測器所擷取之一組圖像所組成，該組中每一圖像係於該波長可調濾波器所調整成之瞬時通帶波長所定義的波長處擷取。
  13. 一種光學偵測器，其用於偵測自在一半導體基板檢測系統之中的一基板所反射之光信號，該光學偵測器包括： 收集光學件，配置用於收集並傳輸該光信號； 一波長可調濾波器，用於可調地選擇所傳輸之光信號之波長； 一陣列偵測器，用於偵測經波長濾出的光信號；以及 一控制器，用於至少控制該波長可調濾波器及該陣列偵測器，並用於儲存且處理該陣列偵測器所擷取之圖像。
  14. 一種半導體處理系統，包括： 一窗口，安裝於該半導體處理系統之一壁中； 收集光學件，配置用於收集並傳輸透過來自該半導體處理系統之該窗口所傳輸之一光信號； 一波長可調濾波器，用於可調地選擇所傳輸光信號之波長； 一陣列偵測器，用於偵測經波長濾出的光信號；以及 一控制器，用於至少控制該波長可調濾波器及該陣列偵測器，並用於儲存且處理該陣列偵測器所擷取之圖像。
  15. 如請求項14所述之半導體處理系統，其中該半導體處理系統為一電漿處理系統，且光信號包括一電漿光放射信號。
  16. 如請求項14所述之半導體處理系統，其中光信號包括一繞射光信號，該繞射光信號係透過從設置於該半導體處理系統中之一基板之一表面反射及繞射一照射束而形成。
  17. 如請求項16所述之半導體處理系統，其中該波長可調濾波器係設置於該照射束中，用於可調地選擇該照射束之波長。
  18. 一種基板檢測系統，包括： 一台架，用於接收待檢測之一基板； 一照射光源，用於照射該基板； 收集光學件，配置用於收集並傳輸透過照射該基板所引起的光信號； 一波長可調濾波器，用於可調地選擇所傳輸光信號之波長； 一陣列偵測器，用於偵測經波長濾出的光信號；以及 一控制器，用於至少控制該波長可調濾波器及該陣列偵測器，並用於儲存且處理該陣列偵測器所擷取之圖像。
  19. 一種用於診斷電漿處理系統中之電漿製程步驟的方法，包括： 在該電漿處理系統之一電漿處理腔室中引燃電漿； 通過安裝於該電漿處理腔室之一壁中的一窗口及通過收集光學件，收集電漿光放射信號； 將該電漿光放射信號從該收集光學件引導至一波長可調濾波器中，以可調地選擇該收集到之電漿光放射信號的波長； 使用一陣列偵測器，偵測經波長濾出的電漿光放射信號；以及 在一控制器中儲存並處理該陣列偵測器所擷取之圖像， 其中該控制器係配置用於至少控制該波長可調濾波器及該陣列偵測器。
  20. 如請求項19所述之方法，更包括： 在光學光譜之深紫外光(DUV)、紫外光(UV)、可見光(VIS)及紅外光(IR)部分中之一波長範圍或多個重疊或未重疊波長範圍內選擇性調整該波長可調濾波器之通帶波長。
  21. 如請求項20所述之方法，更包括： 形成一圖像立方體，該圖像立方體係由該陣列偵測器所偵測之一組圖像所組成，該組中每一圖像係於該波長可調濾波器所調整成之瞬時通帶波長所定義的波長處擷取。
  22. 如請求項21所述之方法，更包括： 從該電漿製程步驟期間擷取之一系列圖像立方體所形成之一系列電漿光放射光譜來確定該電漿製程步驟之終點。
  23. 如請求項21所述之方法，更包括： 從至少一圖像立方體所形成之至少一電漿光放射光譜來確定該電漿之至少一化學成分的相對濃度。
  24. 一種用於測量形成於設置在半導體處理系統中之基板上之至少一層或結構的至少一特性的方法，包括： 在該半導體處理系統中開始一製程步驟； 用一照射束照射該基板，從該基板反射及繞射的該照射束的部分形成繞射光信號； 通過安裝於該半導體處理系統之一壁中的一窗口及通過收集光學件，收集該繞射光信號； 分別使用設置於該照射束或該繞射光信號中之一波長可調濾波器，可調地選擇該照射束或該繞射光信號之波長，以形成經波長濾出的繞射光信號； 使用一陣列偵測器，偵測該經波長濾出的繞射光信號；以及 在一控制器中儲存並處理該陣列偵測器所擷取之圖像， 其中該控制器係配置用於至少控制該波長可調濾波器及該陣列偵測器。
  25. 如請求項24所述之方法，更包括： 在光學光譜之深紫外光(DUV)、紫外光(UV)、可見光(VIS)及紅外光(IR)部分中之一波長範圍或多個重疊或未重疊波長範圍內，選擇性調整該波長可調濾波器之通帶波長。
  26. 如請求項25所述之方法，更包括： 形成一圖像立方體，該圖像立方體係由該陣列偵測器所偵測之一組圖像所組成，該組中每一圖像係於該波長可調濾波器所調整成之瞬時通帶波長所定義的波長處擷取。
  27. 如請求項26所述之方法，更包括： 從至少一圖像立方體所取得之至少一繞射光譜來確定形成於該基板上之一層或結構的至少一特性。
  28. 如請求項27所述之方法，其中該基板上之一層或結構的該至少一特性為輪廓頂部臨界尺寸(CD)、輪廓底部臨界尺寸(CD)、輪廓中間臨界尺寸(CD)、輪廓側壁角度、層厚度、層光學特性、或被蝕刻之層的剩餘厚度。
  29. 如請求項26所述之方法，更包括： 從該製程步驟期間擷取之一系列圖像立方體所取得之一系列繞射光譜來確定該製程步驟之終點。
  30. 如請求項26所述之方法，更包括： 確定該基板上位置與至少一選定圖像立方體之圖像中像素位置之空間對應關係；以及 從該至少一選定圖像立方體取得至少一繞射光譜。
  31. 如請求項30所述之方法，其中該至少一繞射光譜係從該至少一選定圖像立方體中所有圖像或圖像之一選定子集內的單一選定像素位置取得。
  32. 如請求項30所述之方法，其中該至少一繞射光譜係從該至少一選定圖像立方體中所有圖像或圖像之一選定子集內的至少一選定像素位置區域取得。
  33. 如請求項30所述之方法，其中該至少一繞射光譜係從該至少一選定圖像立方體中所有圖像或圖像之一選定子集內的所有像素位置取得。
  34. 如請求項26所述之方法，其中至少兩繞射光譜係從至少兩圖像立方體中所有圖像或圖像之一選定子集內的單一像素位置取得，且其中選擇該單一像素位置，使得兩取得之繞射光譜間之至少一光強度的變化率超過一預先選定之光強度閾值變化率。
  35. 如請求項26所述之方法，其中至少兩繞射光譜係從至少兩圖像立方體中所有圖像或圖像之一選定子集內的像素位置區域取得，且其中選擇該像素位置區域，使得兩取得之繞射光譜間之至少一光強度的變化率超過一預先選定之光強度閾值變化率。
  36. 一種用於檢測基板檢測系統中之基板的方法，包括： 將該基板放置於該基板檢測系統中之一台架上； 用一照射光源照射該基板； 通過收集光學件，收集由照射該基板所引起的光信號； 將收集到的光信號從該收集光學件引導至一波長可調濾波器中，以可調地選擇該收集到之光信號的波長； 使用一陣列偵測器，偵測經波長濾出的信號；以及 在一控制器中儲存並處理該陣列偵測器所擷取之圖像， 其中該控制器係配置用於至少控制該波長可調濾波器及該陣列偵測器。
  37. 如請求項36所述之方法，更包括： 在光學光譜之深紫外光(DUV)、紫外光(UV)、可見光(VIS)及紅外光(IR)部分中之一波長範圍或多個重疊或未重疊波長範圍內，選擇性調整該波長可調濾波器之通帶波長。
  38. 如請求項37所述之方法，更包括： 形成一圖像立方體，該圖像立方體係由該陣列偵測器所偵測之一組圖像所組成，該組中每一圖像係於該波長可調濾波器所調整成之瞬時通帶波長所定義的波長處擷取。
  39. 如請求項38所述之方法，更包括： 從至少一圖像立方體所取得之至少一光學光譜來確定該基板或形成於該基板上之一層或結構的至少一特性。
  40. 如請求項38所述之方法，更包括： 確定該基板上位置與至少一選定圖像立方體之圖像中像素位置之空間對應關係；以及 從該至少一選定圖像立方體確定至少一光學光譜。
  41. 如請求項40所述之方法，其中該至少一光學光譜係從該至少一選定圖像立方體中所有圖像或圖像之一選定子集內的單一選定像素位置取得。
  42. 如請求項40所述之方法，其中該至少一光學光譜係從該至少一選定圖像立方體中所有圖像或圖像之一選定子集內的至少一選定像素位置區域取得。
  43. 如請求項40所述之方法，其中該至少一光學光譜係從該至少一選定圖像立方體中所有圖像或圖像之一選定子集內的所有像素位置取得。
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