經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 A7 B7 五、發明説明（1 ) 發明領域 本發明乃有關於光學探針顯微鏡及使用他們來測量表 面的方法。 發明背景 光學探針顯微鏡對於位在樣品本體表面的微小特徵間 之高度及側面範圍之量測應用是極爲有用的。這些樣品本 體（以後我們將簡稱爲、樣品# )—般爲半導體晶圓的形 狀（由此再切成多個小晶圓）。它們也可能爲石版遮罩的 形狀以便在晶圓上定義出其特徵，包括了電晶體之間電氣 連接線的特性。典型之接線的寬度幾乎小於0 . 5 //m， 然而晶圓或石版遮罩的表面寬度可能大到約2 0 cm。由 於這樣的表面並不需要是完全的平滑（平面）但卻有我們 所需的特徵及不需要的碰撞，吾人可以決定此特徵的高度 和寛度，及由於碰撞使得此表面和完美平面的差異程度。 此外，於製造的過程中製程參數不可避免的變化將使得此 特徵的尺寸產生不需要的變化。因此，吾人也希望能夠決 定特徵中的期望値和實際値的差異程度。也就是說，吾人 希望能夠精確的決定樣品表面的形狀。此外也希望能以非 破壞性的方式一也就是不破壞特徴表面的方式來達到此目 的〇 這些樣品本體的表面通常爲樣品的 ''主要表面〃，因 爲考慮中的樣品一般有一組相反的兩個表面，其線性尺寸 —般要超過2 0 cmX 2 0 cm，並由相當小的固定距離 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（210X297公釐） in —1 -- 1 —I— -- II 1 I - - -I - -I I - (請先閱讀背面之注意事項存填窵本萸) 訂 A7 B7 ^80028 五、發明説明（2 ) 立_分隔開來。典型的固定分隔距離選擇的範圍大約在 0 1 m m 到 1 〇 m m 之間。 爲了定義上的方便，平行於此主平面的方向稱爲 '側 面的'方向，、切線的*方向，或、水平的，方向：而垂 直於此主平面的方向則稱爲、正常的〃方向或、垂直的， 方向。 包含有剪力感測能力（S F S )的探針式裝置可用來 決定樣品表面的特徵和碰撞。此裝置將探針的軸心轉向垂 直於樣品表面。此外，裝置將快速的水平前後（抖動）力 量及較慢速的水平光柵掃瞄移動傳給探針頭。此抖動力的 頻率位於或靠近於探針頭的機械共振頻率。探針頭抖動運 動產生的振幅使得由探針頭上得到有關樣品表面之距離的 訊息。而且從抖動運動相對於抖動力產生的相位也會得到 這樣的訊息。因此，當探針頭掃瞄樣品表面時，此裝置會 測量抖動運動的振幅或者相位，或是二者一齊測量。 用於S F S裝置的實際情形是，由於（水平的）抖動 運動，探針頭產生的剪力平行的（而非垂直的）作用於樣 品表面。這樣的剪力可因靜摩擦或動摩擦而產生，或者由 位於探針頭和樣品表面間之空氣的（或其它的流體介質） 黏滯力而產生。當探針頭相當靠近樣品表面時，這些力量 會改變振動的探針頭之振動振幅和相位。振動振幅或相位 改變的結果，或者振幡和相位二者改變的結果會產生一個 回饋信號使得掃瞄過程中探針頭和樣品表面維持固定的距 離。此固定的探針頭到樣品表面的距離可避免探針和樣品 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝- 訂 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 ^80028 A7 B7 五、發明説明（3 ) 間不必要的碰撞，因爲這樣的碰撞可能破壞樣品表面的特 徵。 S F S探針裝置有全方位的力置偵測能力，也就是說 ，偵測力量的能力不只在垂直的方向，也在水平方向的吸 引力及相斥力。因此，當探針頭歷經抖動運動時，它可以 偵測到由特徵邊緣產生的吸引力及相斥力。以此方式，當 S F S裝置的探針頭掃瞄樣品表面時，裝置可以偵測到樣 品表面突然的高度變化。 經濟部中央標準局負工消费合作社印製
In —I- s m. I -Is In . n^i I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) S F S探頭裝置可以藉由位於靠近樣品表面之探頭旁 聚焦的光束來監控探針頭的抖動運動。檢測從探頭發散出 的光强度產生了代表抖動運動的信號。例如，有一種偵測 發散光强度的技術將發散的光源通過針孔狀的開口照到如 光加乘管（PMT)的光感測器。另一個偵測發散光强度 的技術則藉由區域的光二極體位置感測器，其位置則在抖 動運動存在之前探頭聚焦的影像位置。這二種技術都可偵 測到探針頭的抖動運動。然而，抖動運動需要放大到相當 的程度以適合感測器的偵測範圍，並對抖動運動有適當的 偵測。這些大的光學放大排除了掃瞄過程中所需要的相當 大的探針頭的機械式轉換：相當大的針頭轉換（也就是典 型的數微米的影像掃瞄範圍）會使得發散光到達偵測器時 跑到光偵測範圍之外，因此光線就無法偵測到。所以除了 抖動運動外探針頭必須保持固定，且樣品（比較探針頭來 說）在取像時必須以光柵掃瞄。而在掃瞄時固定探針頭會 給能夠檢驗的樣品表面大小定出嚴厲的上限。因此如全尺 本紙張尺度逋用中國國家棣率（CNS ) A4洗格（2丨OX297公釐） ' " 經濟部中央揉準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（4 ) 寸的晶圓或遮罩必須切成小片以符合掃瞄器（一般< 1 〇 m m X 1 Omm)，而此掃瞄器爲精細小壓力的掃瞄器。 當然半導體工業並不希望這項對樣品大小的限制，因爲整 個半導體晶圆或整個石版遮罩的形狀必須以非接觸式的方 式來決定。 美國專利號碼5 ，2 5 4 ，8 5 4中的技術藉由剪力 光學顯微裝置（S FOM)減輕了這些問題。此裝置利用 探針頭發出光的輻射。然而由S F OM檢驗樣品表面部分 仍有所限制。 另一個技術上的改進是包含近場掃瞄光學顯微鏡（ NSOM)裝置。它可以如前面專利所提到的和SFOM 結合。N S OM裝置會限制光纖頭所發射出的光輻射位於 光纖頂端的極小區域。在這樣的裝置中，除了光纖頂點上 極小的區域之外，有一層不透明層會鍍在整個光纖頭上， 因此裝置只容許光纖頭做近場幅射。N S OM之方式的優 點是同時在樣品表面的形狀資料及樣品本體的近場光學影 像二者得到千分之一微米（〇 . 〇 Ο 1 #m)的解析度。 雖然先前專利提到N S OM的方式可以和S F OM結合， 但是樣品表面可以檢驗的部分依然受到限制。 發明概述 爲了要改善先前提到的問題，依照本發明的一個具體 實施例一檢驗本髓的主表面之光學探針顯微鏡包括： (a )光纖頭（1 4 . 1 )位於非常靠近本體的表面 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) Α4说格（210Χ 297公釐） 裝-- Μ (請先閱1*背面之注意事項再填寫本頁) 訂 280028 A7 經濟部中央標準局員工消費合作社印袈 B7五、發明説明（5 ) » (b) 第一個機械電子裝置（31，32，33， 3 4 )接合到光纖頭，並使光纖頭抖動運動： (c) 第二個機械電子裝置（2 1 ，2.2，23， 2 4 )接合到第一個裝置，並使光織頭掃瞄運動，掃瞄運 動的週期至少比抖動運動大1 0 0倍以上； (d )顯微鏡（3 0 0 )接收由於光纖頭發射出光輻 射照在表面上使得物體表面產生的光輻射：並且 (e )光學影像位置偵測器（4 2 )用來接收由於顯 微鏡接收的光輻射而產生的光輻射，光學影像位置偵測器 具有連續的光電表面區（圖5 : 4 6 . 3 )，由顯微鏡聚 焦的光輻射在光電表面區上形成影像點（4 0 )，此像點 的側面尺寸比光電表面區的側面尺寸小了大約十分之一， 由是因爲顯微鏡所接收到的光輻射使得光學影像位置偵測 器輸出電流以表示影像點的位置。 更爲有利的是，光學探針顯微鏡更包括了可接收由於 探針頭發出光輻射並照在表面上使得表面發出之光輻射的 顯微鏡。 另外的優點是，光學探針顯微鏡更包含了光學影像位 置偵測器，並安排接收由於顯微鏡接收到光輻射後來自顯 微鏡的光輻射，並輸出電流，以反應來自顯微鏡的光輻射 並代表了從顯微鏡收到之光輻射的位B。 而另一個優點是光學探針顯微鏡更包含了電子處理電 路以接收光學影像位置偵測器的輸出信號並且轉換成输出 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) A4規格（210 X297公釐） A7 經濟部中央橾準局員工消费合作杜印製 _ B7五、發明説明（6 ) 信號以代表光纖的掃瞄位置和探頭的抖動運動。 另一個優點是光學探針顯微鏡更包含了回饋電路以接 收來自電子處理電路的輸出信號並送出回饋信號給第三個 機械電子裝置，於是光纖的探頭和物體的主表面之間就可 維持一固定的距離。 還有一個優點是，光學探針顯微鏡也包括了可將水平 位移傳給物體的機構。 在第二個具體實施例中，本發明包括了使用有探頭的 光纖檢驗物體主平面的量測方法，包含的步驟有： (a )將探頭放在靠近主表面的地方並直接將光輻射 導入光纖到達末梢的探頭，於是光輻射就直接照在物體的 主表面。 (b )在步驟（a )之間給第一個機械電子裝置加上 抖動電壓，並接合到探頭，於是探頭就會感應出抖動運動 (c )在步驟（c )之間給第二個機械電子裝e加上 掃瞄電壓，並接合到第一個機械電子裝置，於是由於掃瞄 電壓的加入感應出探頭的掃瞄運動，掃瞄運動的週期至少 是抖動運動的一千倍大；且 (d )將來自物體由於第一個光輻射所產生的第二個 光輻射聚焦，並聚焦在連績的光電表面上之光學影像點， 其側面的尺寸至少是光學影像點側面尺寸的10倍左右。 有利的是此方法更包含了在步驟（a) ，（b)，( c )和（d )中藉著第三個機械電子裝置將垂直運動傳給 1^1 tt^— - - I - I 1 --- m J1 y Is- —^n i nn ml ^^^1 l 0i ••'桑 'v'e (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙浪尺度遑用中國國家標率（CNS > A4規格（210X297公釐） A7 A7 經濟部中央標準局員工消費合作社印袈 __B7___ 五、發明説明（7 ) 探頭。 另外的優點是，此方法更包含了 (e )由於步驟（a )而偵測來自物體主表面之光輻 位置的步驟；及 (f )送出電流以代表其位置。 另一個優點是此方法更包含了電性上處理步驟（f ) 的電子輸出並送出電流以代表光纖頭的掃瞄位置和抖動位 置。 還有一個優點是此方法包含了送出及回饋電子的回嫌 信號給第三個機械電子裝置，代表了探頭和主表面之間的 距離和固定値的偏差，於是探針頭和主表面之間的距離會 恢復到固定値。 附圇簡述 圖1爲依照本發明的特定具體實施例之光學探頭顯微 鏡的立視圖，部分並爲截面圖，光學探頭顯微鏡包括精細 掃瞄及粗略定位的裝置； 圖2爲圖1中所顯示的顯微鏡之水平精細掃瞄裝置詳 細的描述立視圖，部分並爲截面圚； 圖3爲圚2中之裝置水平截面圖的部分： 圖4爲包含探頭之光纖的末端部分之截面視圖； 圖5爲連續位置偵測器之立視截面圖，在本發明的實 際應用上很有用處： 圓6爲依照本發明之實際應用的特定具體實施例中所 本紙張尺度適用中國國家梂準（CNS ) A4规格（210X297公釐）~~~ -10 - ^^1- —t^^i i 11 - - n « —^ϋ - - - i nn km ^ r I, 0¾ i (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央梂準局負工消费合作社印製 2 8 G S 2 8 a7 _ B7_五、發明説明（8 ) 使用的電子處理電路的方塊圖：且 圖7爲依照本發明之實際應用的特定具髖實施例中所 使用的電子回饋電路的方塊圖。 詳細說明 如圖1中所指示的，光學探頭顯微鏡1 〇 〇包括了樣 品承載系統2 0 0 ，並如下面所詳述的，可以水平的將樣 品3 5從一個固定位置移往另一個固定位置。探頭顯微鏡 配置1 0 0更包含了光學顯微鏡3 0 0和光學影像位置偵 測器4 0 0。此光學影像位置偵測器4 0 0能夠偵測光學 影像的位置，由顯微鏡3 0 0形成於偵測器4 0 0的偵測 面上。光學顯微鏡3 0 0和光學影像位置偵測器4 0 0形 成了光學位置偵測系統5 0 0。在此系統中遵循著垂直方 向的通常標爲Z方向，而水平方向則爲X方向和Y方向， 就如同圖1中所顯示的XYZ直角座標系統。 樣品承載系統2 0 0包含一精細掃瞄裝置2 0 ，可在 X方向或Y方向移動光纖14的探頭14 ·1，且垂直的 推動器15可在Z方向移動光纖14的探頭14 .1。例 如，垂直推動器1 5包含Newport垂直推動器以將樣品 3 5做Z軸的粗定位，加上Burleigh壓電微米調節器將樣 品3 5做Z軸的細定位。光纖1 4的探頭1 4 · 1在下面 圖4中的敘述襄會描述得更爲詳細。 樣品承載系統2 0 0更包括了一般的光學顯微鏡基座 和樣品台。例如，樣品承載系統2 0 0包含了支撑基座 - -I — -II Ϊ - . I I - Μ I - - —^1 . » - - ----- 1^— - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國困家梂準（CNS>A4規格（210Χ297公釐） 11 A7 -_—_B7_ 五、發明説明（9 ) 1 2 ’通常是Newport的光學麵包板，有著大約0 . 7 m · 7m的水平截面。支撑基座12放置於振動絕緣座 1 1之上，一般爲數層的減振材料，例如由數片其間夾著 金屬片的塑膠所形成。 XY位置的粗略定位裝置以下列方式形成。承載板 3 5 . 4以支架3 9支撑，上面則爲極小摩擦力的球狀軸 承3 5 . 3，承載板以石英或鋼材製成。球狀軸承 3 5 _ 3 —般由紅寶石製成，但也可使用技術上可行的其 它材料。球狀軸承3 5 . 3放置於球狀軸承支架3 5 . 2 內’此支架一般由石英製成。球狀軸承支架3 5 . 2則依 序以黏著層（未顯示出來）固定在放置樣品3 5的樣品支 撑板3 5 · 1下。此樣品支撑板3 5 . 1—般也由石英製 成°金屬的位置編碼臂3 6控制樣品支撑座3 5的XY位 置’當然也包括樣品3 5本身。此金屬臂3 6以大約 〇 · 1 "m的增量在X方向和γ方向移動樣品支撑板3 5
• 1 °輔助臂3 7機械式的在預定編碼增量的X方向和Y 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 方向移動金屬位置編碼臂3 6。結實的側臂3 8則依序將 輔助臂3 7固定起來。支架3 9將承載板3 5 . 4以固定 的距離支撑於支撑基座1 2之上。由輔助臂3 7驅動的金 屬位置編碼臂3 6則形成了樣品3 5粗略定位的基礎。更 明確的說，位置編碼臂3 6移動樣品支撑板3 5 . 1及樣 品3 5於水平的X方向和Y方向，於每次（光柵）掃瞄樣 品表面的極小面積完成的時間中，從一個（固定的）位置 到另一個位置。更詳細的說，在這樣的掃瞄中它可以在X 本紙张尺度適用中國困家橾準（CNS > A4規格（210X297公釐) -12 - A7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 _____B7五、發明説明（) 方向或Y方向以大約2 0 的距離將樣品支撑板 3 5 . 1從一個位置移到另一個位置。如此則樣品3 5有 相當大的面積可以被檢測到：樣品表面可以大到2 0 c m X2 0 cm，或更大。 在探頭測量操作及下面較詳細的敘述中，雷射1 3經 過光學耦合器（未顯示出來）將光輻射送入光織1 4。有 利的是傳輸於光纖中的光輻射爲單一模式TE 〇 〇，其目 的是使光纖14的探頭14.1射出的光有穩定的强度。 如圖2中所顯示的，頂端中空圓柱3 1由壓電材料製 成並藉由黏著層1 8接合到圓盤2 5的頂端。絕緣画盤 2 7藉由黏著層1 9接合到頂端圓柱3 1的上面。此圓盤 2 7 —般由瓷或陶瓷材料製成。 圓盤2 7有一圓形開口，就如同圖3中所詳述的。在 此開口中光纖1 4黏著到玻璃板2 9的表面。光纖探頭 1 4 . 1的位置由玻璃板2 9另外一面的設定螺絲2 8所 推入固定。圖解中所示的配置目的是爲了提供光纖1 4非 破壞性的精確定位。 如圖2中所詳述的，精密掃瞄裝置2 0包括位於由壓 電材料製成的底部中空圓柱21的外表面二邊的外部電極 2 2和2 3。內部電極2 4位於底部中空圓柱2 1內表面 的各處。此圓柱2 1藉由黏著厝1 6接合到垂直推進器 1 5的上表面。光纖1 4經由外部馑極2 3中的開口，底 部園柱2 1 ，及內部電極2 4進入圆柱的中空部分。電性 絕緣圊盤（或方型）藉由另一黏著潑1 7接合到園柱2 1 -13 - 本紙張尺度速用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） H _ - - _ - I ! nn ^ In - - 1. I m. (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 _ B7 五、發明説明（11 ) 的頂端。此圓盤2 5通常由瓷或陶瓷材料製成。圓盤2 5 具有光纖1 4可放入的開口 2 6。底部中空圓柱2 1要比 頂端中空圓柱3 1來得長（軸向方向），通常是大約5到 1 〇倍以上的比例。 例如’底部圓柱2 1的長度約爲2 . 5 cm，而頂端 圓柱的長度則大約爲0 . 5 cm。道二個頂端和底部圓柱 的半徑大約是1 3 mm。所有Μ電層的材料爲p z T — 5 Η，而所有壓電層的厚度大約是〇 . 5mm。 每個外部電極2 2和2 3正對的角度只有大約9 0。 (=;r/2徑度）或更小，此乃爲了影響光纖1 4之探頭 1 4 . 1的X方向。外部電極2 2和2 3和內部電極2 4 一起作用，可以控制頂端的中空圓柱21(自然也包括光 纖探頭1 4 . 1 )在X方向的（光柵）掃瞄移動，此乃由 於（光柵）掃瞄電壓dVx和rfVx加成到這些電極的反 應。一般說來，（JVx+ = -<iVx —，且這些電壓的週 期大約是1秒。而且相當於〇偏壓（接壓）的電壓則加到 內部電極2 4。 經濟部中央榡牟局員工消費合作杜印袈 「^-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 另一對外部電極（未顯示出來）位於中空圓柱2 1的 外部表面的空間中未被電極2 2和2 3佔據的地方。以此 方式這些外部電極（未顯示出來）在交流電壓（光柵）掃 瞄電壓y +和4乂父一（未顯示出來）加上時，可以 控制頂端的中空圓柱2 1 (自然包括光嫌探頭1 4 . 1 ) 於Y方向的（光柵）掃瞄運動。於是位於底部中空園柱 2 1之外表面的外部電極共有四個。一般電壓V y +和 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） -14 - A7 B7 經濟部中央標準局負工消費合作杜印製 五 、發明説明 ( 12 ) 1 | S V y —的 週 期大 約 是 2 0 0 秒 0 而 一 般 由 於 電 壓 1 1 δ V X +和 S V X 一 使 得底 部 圓 柱 2 1 移 動 最 大 的 位 移 大 1 約 是 2 0 μ m 。於 是 由 光纖 探 頭 1 4 . 1 的 掃 睹 運 動 所 產 S 1 I 的 請 1 生 X方向 和 Υ方 向 的 最大 水 平 移 動 被 限 制 在 大 約 2 0 先 閱 I 1 在另 讀 1 μ m 。然而 ί —— 方 面， 電 壓 δ V X + 和 ά V X — 由 光 背 ώ 1 I 纖 探 頭1 4 • 1影 響 到 樣品 表 面 的 每 個 掃 瞄 過 程 時 > 樣 品 之 注 意 1 1 I 會 以 預定的 X 方向 或 Y 方向 位 移 藉 著 位 置 編 碼 臂 3 6 水 平 事 項 再 1 1 的 移 動（平 行 於本 身 的 方向 ) 0 此 外 可 以 檢 測 到 的 樣 品 填 寫 本 裝 3 5 的整個 線 性表 面 尺 寸（ 由 位 置 編 碼 臂 3 6 所 增 加 的 ) 頁 — 1 1 和 樣 品單一 掃 猫線 性 尺 寸（ 由 所 加 的 電 壓 S V X 和 s V X 1 1 > 或 d V y + 和ci V y -所 影 響 ) 的 比 例 大 約 等 於 2 0 1 I C m + 2 0 τη 二 1 0 0 0 0 0 訂 I 改變加 到 內部 電 極 2 4 的 直 流 電 壓 會 使 得 中 空 圓 柱 1 1 I 2 1 的頂端 區 域的 垂 直 位置 改 變 且 如 果 有 需 要 的 話 改 變 1 1 此 直 流偏壓 也 會改 變 光 纖探 頭 1 4 1 的 垂 直 位 置 0 1 J 外部電 極 3 2 和 3 3位 於 中 空 圓 柱 3 1 外 表 面 的 另 — 、· Γ 邊 0 內部電 極 3 4 則 位 於圓 柱 3 1 之 內 表 面 的 各 處 0 每 個 1 | 電 極 3 2和 3 3正 對 的 角度 只 有 大 約 9 0 0 ( — π / 2 徑 1 度 ) 甚至更 小 ，此 乃 爲 了只 影 響 光 纖 1 4 之 探 頭 1 4 1 1 1 的 X 方向抖 動 運動 0 如圖2 中 近一 步 所 指示 的 9 在 外 部 電 極 3 2 和 3 3 分 1 別 加 上d V X +和 d V X — 的 電 壓 會 產 生 此 抖 動 運 動 0 由 " 1 1 於 只 有需要 X 方向 的 抖 動運 動 > 位 於 頂 端 中 空 圓 柱 2 1 之 1 I 外 表 面的另 一 對外 部 電 極就 不 m 要 了 0 外 部 m 極 3 2 和 1 1 本紙張尺度適用中國國家橾隼（CNS ) A4洗格（210乂297公釐） -15 - 2S〇〇28 A7 經濟部中央標準局員工消費合作社印裂 五 、發明説明 ( 13 ) 1 | 3 2 與內 部 電 極 3 4 — 起 作 用 可 控 制 光 纖 探 頭 1 4 • 1 1 1 1 d X 方向 的 抖 動 移 動 9 就 如 同 上 述 連 接 此 光 纖 探 頭 之 光 柵 1 掃 Sm 類似 的 方 式 0 然 而 ， 由 電 壓 d V X + — _ d Vx — 所 產 1 I 請 1 生 的 抖動 週 期 — 般 要 比 加 上 S V X + 和 S V X — 之 電 壓 所 先 閲 1 I 讀 1 產 生 的掃 睡 週 期 低 得 多 〇 背 1 I 一般 電 壓 d V X + ZZ — d .V X 一 的 頻 率 大 約 在 2 0 之 注 1 ζ到 事 1 K Η 1 0 0 K Η Z 的 範 圍 一 也 就 是 說 9 抖 動 週 期 大 約 項 再 1 在 填 0 .0 0 0 0 5 秒 到 0 * 0 0 0 0 1 秒 的 範 圍 內 〇 在 任 寫 本 裝 I 何 狀 況下 9 電 壓 d V X + = — d V X — 及 電 壓 δ V y + 和 頁 1 1 ά V y 一 之 頻 率 的 選 擇 在 於 避 免 上 圓 柱 及 下 圓 柱 的 機 械 共 1 1 振 0 抖動 運 動 的 合 成 振 幅 — 般 大 約 爲 0 0 5 μ m 〇 1 1 如圖 2 中 所 顯 示 的 樣 品 3 5 放 置 於 光 纖 1 4 的 探 頭 訂 | 1 4 .1 和 顯 微 鏡 3 0 0 之 間 〇 此 顯 微 鏡 3 0 0 包 含 一 個 1 I 或 多 個透 鏡 其 配 置 可 接 收 來 白 樣 品 3 5 的 光 學 幅 射 並 在 1 1 | 位 於 光學 影 像 位 置 偵 測 器 4 0 0 之 內 的 光 影 像 感 測 器 的 光 1 1 偵 測 表面 上 產 生 放 大 的 影 像 9 就 如 下 面 所 詳 述 的 0 光 學 影 1 像 位 置偵 測 器 4 0 0 有 一 對 輸 出 端 子 4 1 和 4 2 Ο 操 作 期 1 1 間 來自 輸 出 端 子 4 1 和 4 2 的 信 號 產 生 有 關 於 光 纖 探 頭 1 1 4 .1 之 即 時 X 座 標 値 的 訊 息 9 下 面 也 會 詳 加 敘 述 〇 類 1 I 似 的 是， 光 學 影 像 位 置 偵 測 器 4 0 0 也 有 另 一 對 輸 出 端 子 | 4 3 和4 4 ( 未 於 圖 2 或 圖 3 中 顯 示 出 來 9 但 顯 示 於 圖 5 1 1 中 ) 可以 適 當 的 產 生 有 關 於 光 纖 探 頭 1 4 • 1 之 即 時 Y 座 1 1 標 値 的訊 息 9 下 面 也 會 加 以 詳 述 0 1 1 圖4 詳 述 了 光 /JUh 級 探 針 1 4 的 探 頭 1 4 • 1 0 光 嫌 1 4 1 1 本紙張尺度逍用中國國家梂準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） -16 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 ________B7__ 五、發明説明（14 ) 的直徑A —般約爲1 2 5αιπ。它的軸心區域1 4 · 2的 直徑a大約等於3 //m。光纖1 4的探頭1 4 . 1逐渐變 細成直徑徑b大約等於〇 . 2 //m。此變細的一端其軸心 區域1 4 . 2和光纖探頭1 4 . 1表面的交點1 4 . 3和 光纖探頭1 4 · 1之表面頂點1 4 . 4的距離爲高度h。 一般高度h大約等於5 。. 於操作期間，表面頂點1 4 . 4和樣品3 5表面頂端 最接近的點維持固定距離S，如下面所詳述的。一般此距 離S大約等於0 . 0 5；«m。 顯微鏡3 (3 0最簡單的形式（未顯示出來）可以是一 個物鏡加上一個目鏡，此配置可在連續的位置感測器4 5 (圖5)的表面上產生實像。另外的具體實施例顯微鏡則 有4個透鏡（未顯示出來）：物鏡在平行透鏡的聚焦面上 形成實像，輔助透鏡從其發出的光線形成實像，而另一個 平行透鏡的聚焦面則位於輔助透鏡所形成的實像上——於 是從顯微鏡射出的光線變成平行光束。一般顯微鏡3 0 0 中此透鏡系統的放大倍率大約是1 〇 〇 0 。 如圖5和圖6中所示的，光學影像位置偵測器4 0 0 包含連續的位置感測器4 5 (圚5 )加上適當的電子處理 電路5 0 (圖6 )以轉換連續的位置感測器4 5之輸出電 '流成爲輸出電壓，做爲光纖1 4之探頭1 4 . 1的X和Y 座檩（位B)之正常値位置。這裹的、正常"的意思是X 和Y値的決定並不會被光源13 (圖1)產生的光强度變 異或是由光孅14之探頭14 .1所發出的光强度變動所 本紙浪尺度遑用中國囷家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐〉 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝·
、1T -17 - A7 2S〇〇28 ____ B7 五、發明説明（15 ) 影響。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 舉例來說，此連續的位置感測器4 5包含半導體 P IN導體形式結構4 6。此結構4 6由半導體的多矽區 4 6 · 1所形成，爲N型式的導體，而其中的底部表面擴 散的是N+型式的導體區4 6 . 2且其中的頂端表面擴散 的是P+型式的導體區4 6 . 3。通常爲氧化矽的保護層 4 7位於結構4 6的頂端表面。此保護層4 7爲電性絕緣 並有一孔洞。於是光可以照射到P+擴散區4 6 . 3的頂 端表面，就如同大家所知的技術。此孔洞一般爲方型，就 如圖5中所顯示的。 電導層4 8位於結構4 6的底部表面並和N+型式導 體區4 6 . 2有電性的接觸，就如同半導體光檢測器的技 術。端子4 1 ，4 2 ，4 3 (圖5中未顯示出來）和4 4 位於P+區4 6 . 3之頂端表面的四個不同區域，因此也 靠近（圖5 )保護層4 7中之孔洞的邊緣。 如圖5中所顯示的，來自顯微鏡3 0 0的光線照射在 P+擴散區4 6 . 3的頂端表面並通過保護層中的孔洞在 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 上面形成影像點4 9。有利的是，此像點的側面尺寸比那 些在保護層4 7中的孔洞要小得多。例如，保護厝4 7中 的孔洞其形狀是方形且面積大約是1 OmmX 1 Omm， 然而影像點4 9的線性尺寸在任何方向都約在Ο . 1mm 到1 · Omm的範圍。因此孔洞的任何線性尺寸和像點 4 9的比例大約至少，是1 〇到1 〇 〇的範圍。 一般由連縝的位置感測器4 5偵測影像點4 9的期間 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4洗格（210X297公釐） * -18 - A7 ^80028 _B7____ 五、發明説明（16 ) ，負偏壓加到P+擴散區4 6 . 3和N —大量區4 6 . 1 之間。結果分別在線上4 1 . 1 ，4 2 . 1 ，4 3 . 1 ( (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 圖5中未顯示出來）和4 4 . 1產生的電流I x +， lx —，Iy+和Iy —分別接到端子41 ，42，43 和4 4 ，產生有關在P+擴散區4 6 . 3之頂端表面上之 影像點的XY位置的訊息，就如同已知的技術。特別的是 ，電流I x+和I X —之間的差（I x+— I x_)和像 點4 9從保護層4 7中之方形開口的中央量得的X座標成 比例。因此，I X — I X - = C^X，其中ΛΧ代表 βΧ+dX，爲本發明中實際的需要。類似的，Iy+和 I y —之間的差和像點4 9從保護層4 7中方形開口的中 央量得的Y座標成比例。於是I y+ — I y — = CAY， 其中ΛΥ代表dY + dY，也是本發明中實際的需要。這 些比例關係當然假設方形開口關於結構4 6之主動光偵測 區是對稱放置的。吾人也該記得在Υ方向中不裔要有抖動 運動，也就是dY=0。 經濟部中央標準局貞工消費合作社印聚 如圖6中所顯示的，由連續的位置感測器4 5所產生 的41 . 1 ，42 . 1 ，43 · 1和44 . 1的四個輸出 都先經過前放大器51。結果此前放大器51之四個輸出 電壓中的二個——5 1 . 1和5 1 · 2 ，且分別和lx — 和Ix+成比例一—被供給到加成放大器52 (棋示爲Σ )和減項放大器5 3 (標示爲ΛΧ)。此前放大器5 1之 四個输出電壓的另二個——5 1 · 3和5 1 _ 4 ，分別和 I y+和I y —成比例——被供給到一個減項放大器5 4 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） -19 - 經濟部中央樣準局負工消費合作社印家 A7 _B7_五、發明説明（17 ) (標示爲ΛΥ)。在此所用的 ' 供給〃意思是一個裝置的 輸出端連接到另一個裝置的輸入端，因此一個裝置發出的 輸出信號便構成了另一個裝置的输入信號。 減項放大器5 4產生的輸出竃壓和I y+ — I y —及 CAY成比例，且此輸出電壓供給到低通過濾器5 5 (檩 示爲LPFY)的輸入端。此低通過濾器5 5的輸出只比 例於輸入信號中的低頻成份，一般只有那些ΛΥ中的頻率 成份約小於1 Q 0 Hz的。此低通過濾器5 5的輸出供給 到分壓器5 6的分子端點。另外一方面，加成放大器5 2 的輸出則供給到分壓器56 (標示爲△EL/S)的分母 端點。因此供給到電子處理電路之輸出端點57 .2的分 壓器5 6的輸出和AEL/S成比例，此爲所需光纖1 4 之探頭1 4 . 1低頻（也就是掃瞄）成分的正常Y位置。 —般在探頭1 4 . 1之位置的Y座標中並沒有抖動分量， 就如同上面所斜述的。即使在Y方向中有抖動的分量，對 於出現在輸出端點57. 2的信號並沒有影響：低通過濾 器5 5並不准許任何抖動（高）頻率之成份通過。 光纖1 4的探頭1 4 . 1之掃瞄的正常X位置也以類 似的方式來決定。更明確的說，減項放大器5 3的輸出經 由另一個低通濾波器5 8 (標示爲LPFX)供給到另一 個分壓器5 9的分子輸入端子。此低通過濾器5 8的頻率 通過特性和上述的低通過濾器5 5相同。此低通過濾器 5 8的輸出供給到另一個分懕器5 9 (標示爲AXL/S )的分子輸入端，加成放大器5 2則將輸出供給到分母輸 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐^ -il. I ?1 1 - — — I'-·III n ------ -II - -- -I ------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -20 - 經濟部中央榡隼局負工消費合作.社印製 A7 _B7_ 五、發明説明（18 ) 入端。分壓器5 9的輸出供給到電子處理電路5 0的另一 個輸出端點5 7 . 1。由於高頻分置無法通過低通過濾器 5 8 ，光纖1 4的探頭1 4 . 1之抖動運動對於分壓器 5 9的輸出並沒有影響。因此出現在電子處理電路5 0之 二個輸出端子5 7 . 1和5 7 . 2的電子信號分別和光纖 1 4的探頭1 4 . 1的X和Y掃瞄位置（不被抖動運動所 影響）成比例，就如發明的實際需要。
爲了監視及控制光纖1 4的探頭的抖動運動，減項放 大器5 3的輸出也供給到高通過濾器6 0 (標示爲HPF )的輸入端。此高通過濾器6 Q的輸出只和其輸入的高頻 分量成比例，一般是範例中大約大於1 〇 KH z的分量， 而抖動運動的頻率大約在2 0 KHz到1 0 0 KHz的範 圍內。此高通過濾器6 0的輸出被供給到另一個分壓器 6 1 (標不爲ΛΧΗ/Σ)的分子输入端，而其分母輸入 端則連接到加成放大器5 2的输出端。於是分壓器6 1的 輸出就和光纖14之探頭14.1在X方向運動的正常的 高（抖動）頻分量成比例。此分壓器6 1的输出則依序供 給到另一個分壓器6 2 (標示爲AXH/AXL)的分子 輸入端，其分母輸入端則由分壓器5 9的輸出來供給。所 以分壓器6 2的輸出信號比例於△ΧΗ/Σ+ΛΧί/Σ = AXHH-AXL--也就是說比例於抖動位置除以掃瞄 位置。分壓器6 2除式的目的是爲了將抖動位置和掃瞄位 置加以正常化，以修正連績的位置感測器4 5 (圖5 )之 結構4 6表面偵測感應的不一致性。此比例維持在預定的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ~~' -21 - — II 叫裝 訂 1 飞 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 經濟部中央樣準局員工消費合作杜印製 B7 __- I 五、發明説明（19 ) 1 1 常數値， 以維持光織 1 4的 頂 端 表 面 1 4 • 4 和 樣 品 3 5 1 1 頂端表面 上最接近的 點 兩者 之 間 的 分 開 距 離 S 爲 不 變 的 常 數預定値 。圖7中顯 示 的回 饋 電 路 7 0 即 設 計 成 能 夠 完 成 请 J. 1 此工作。 无 閱 I η 1 I 如圖 7中所顯示 的 ，正 常 的 抖 動 信 號 5 7 • 3 被 供 給 背 面 1 I 之 1 到鎖扣放 大器6 3 ( 標 示爲 L ) 的 输 入 端 以 轉 換 正 常 的 抖 注 意 1 1 動信號5 7 . 3成爲 相 當的 直 流 位 階 0 更 明 確 的 說 9 鎖 扣 項 I 放大器6 再 填 •Ή 3的輸出m 壓 信號 6 3 1 爲 直 流 位 階 A 9 並 且 寫 本 装 和抖動運 動的振幅除 以 光柵 運 動 的 振 幅 成 比 例 0 另 外 > 鎖 頁 1 1 扣放大器 6 3被安排 成 輸出 的 電 壓 比 例 於 由 抖 動 運 動 相 對 1 1 於加到外 部電極3 2 和 3 3 ( 圖 2 ) 之 電 壓 d V X + 和 1 I d V X - 所產生的相 位 移屮 的 正 弦 函 數 ( 也 就 是 S 1 η 訂 1 )。另外 一點是，鎖 扣 放大 器 6 3 被 安 排 成 輸 出 電 壓 比 例 1 1 於A s i n cp。不管 是 哪一 個 比 率 輸 出 電 壓 信 號 1 1 6 3.1 接著供給到 另 一個 減 項 放 大 器 7 1 的 輸 入 端 1 1 7 1.1 。此減項放 大 器7 1 的 另 一 個 輸 入 端 是 在 操 作 時 飞 1 所加的參 考電壓V RE F 。此 參 考 電 壓 V R Ε F 的 選 擇 是 爲 了 1 1 維持光纖 1 4之探頭 1 4 . 1 的 抖 動 振 幅 爲 需 要 的 値 〇 減 1 I 項放大器 7 1的輸出 組 成錯 誤 信 號 ( 標 示 爲 ε ) 並 供 給 到 1 1 增益放大 器7 2 (檩 示 爲G ) 的 輸 入 端 0 此 增 益 放 大 器 •1 7 2的输 出供給到積 分 器7 3 ( 標 示 爲 ί ) 0 此 稹 分 器 1 7 3有利 的是積分時 間 常數 大 約 等 於 — 微 秒 9 此 時 間 常 數 一 1 1 比掃瞄週 期大得多但 卻 比抖 動 週 期 要 小 — 些 0 最 後 9 積 分 1 1 器7 3的 輸出供給到 垂 直推 進 器 1 5 9 因 此 垂 直 推 進 器 1 1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） -22 - 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（20 ) 1 5將光纖1 4在Z方向移動，使得錯誤信號ε降到0。 以此方式，回饋電路7 0和由電子處理電路5 0產生的信 號5 7 . 3合作以維持常數値的抖動振幅且同時維持光纖 1 4之頂端表面和樣品3 5頂端表面上最接近的點二者的 分開距離爲常數。 本發明的光學顯微鏡100可以應用到製造裝置的領 域，例如藉由處理包含基底的表面的製造裝置領域。如此 的基底可爲半導體晶圓。基底上形成的一般樣本爲金屬導 體的樣本。此金屬導體的樣本以沈積一金屬層及阻抗層而 形成，選擇性的將阻抗層暴露於酸性輻射，並將阻抗層發 展成樣本阻抗層，且腐蝕暴露的金屬層（未鍍上樣本電阻 層）以形成加長的金屬導體。如此的過程和參數特性有關 ，且必須經由不斷的嘗試錯誤以找出最佳化。爲了嘗試的 目的故一般會處理多個基底。依照最初的製程參數在基底 的主要表面上形成的樣本用本發明的光學探針顯微鏡加以 檢驗。檢驗過程中，基底和金屬導體的樣本取代了上述的 樣品3 5 (圖1和2)。以此方式可量測基底主表面的— 或多個特徵尺寸，例如金屬導體的線寬。假如特徼値和預 定的規格不同，則可改變其製程參數以便後續處理的基底 能符合規格。 雖然本發明已由明確的具雔實施例加以詳述，在不偏 離本發明的範圍下仍有許多的修改空間。例如，除了在頂 端或底部園柱（或二者）的壓電感應運動外，其它形式的 感應運動如由磁場感應激勵器也可使用，道也是爲人所熟 本紙張適用中國國家梂準（CNS ) A4*ys· ( 210X297公釐） ·—~— -- -23 - 裝 訂 飞 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) ΑΊ Β7 五、發明説明（21 ) 知的技術之一。除了使用光由光纖1 4之探頭1 4 . 1傳 輸通過樣品3 5到顯微鏡3 0 0外，光纖也可放®於使得 由樣本3 5頂端表面反射的光到達顯微鏡3 0 0。 - --I - - - - - - - n m. 11-- - - - ml ------- f 牙 、νβ -- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐）