TWI500924B

TWI500924B - 極化分集成像與對準裝置與方法

Info

Publication number: TWI500924B
Application number: TW101142828A
Authority: TW
Inventors: Keith Serrels; Prasad Sabbineni; James S Vickers
Original assignee: Dcg Systems Inc
Priority date: 2011-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2015-09-21
Also published as: WO2013075038A1; US20130121617A1; KR20140108529A; JP2015500505A; SG11201402336TA; JP6054984B2; US9361533B2; EP2780697A1; KR101821449B1; TW201329438A

Description

極化分集成像與對準裝置與方法

本案主張美國臨時申請案61/560,750號(2011年11月16日申請)的優先權。該案之揭示內容全部供作本案之參考。

本發明是在政府資助下所完成，契約編號FA8650-11-C7104與FA8650-11-C7105號，在情報先進研究計畫專案(The Intelligence Advanced Research Projects Activity-IARPA)下得標。美國政府對本案擁有若干權利。

本發明是關於超高解析度的光學顯微鏡，特別適用在半導體材料內形成的結構的辨識與對準。

有限的光學解析度與不良的CAD套圖精度目前正限制著後製作的特性描述、設計偵錯、缺陷分析，以及完成製作前的良率問題監督。

在半導體裝置的設計與驗證階段中，必須對數種瑕疵或晶片設計內可能導致瑕疵的有問題區域做測試。不過，在執行測試時必須多次以光學系統及/或顯微鏡作探測或觀察。同時，為能辨認成像處的元件結構，必須將影像與其線路的CAD設計做對準。通常，這個步驟包括將測試中IC的兩種不同影像中的相對應特徵對準。其中，第一影像可能是從該真實的線路取像得到的影像。第二影像則是從電腦輔助設計(CAD)影像產生的影像。該CAD影像顯示電路元件的複雜地圖。通常而言，CAD影像乃是該IC的理想化圖示，且通常是以一CAD系統產生。在這種條件下，必須能夠以光學方式解析該真實IC影像中的數種特徵，才能將該特徵對準到該CAD影像。

第1A圖與第1B圖顯示一傳統的IC用繞射極限反射型成像系統(diffraction-limited reflection-based imaging system)。第1A圖所示的實例是使用一電腦系統100，用以控制並接收一照明光源的信號。圖中顯示該照明光源為連續波雷射光源(例如1064nm)。從該照明光源105產生的光線通過光束整形元件110及掃描元件，例如Y-電流計控制反射鏡120與X-電流計控制反射鏡125，兩者共同形成一共軛焦(confocal)雷射掃描顯微鏡(laser scanning microscope-LSM)。該Y反射鏡與X反射鏡將光束分別以一慢速掃描方向及一快速掃描方向做掃描，如圖中的放大圖所示。該光束隨後通過一高數值孔徑物鏡130及一固態浸沒透鏡(solid immersion lens)135，對樣本的欲取像區域作掃描。該樣本例如為一IC線路，以下說明中通稱為待測裝置(device under testing-DUT)140。

第1B圖顯示另一種實例，在此例中是使用一光源160，該光源可為例如LED、超亮發光二極體(superluminescent diode-SLED或SLD)、雷射等。其光束通過開口165與光束整形元件110。分光器150將光束經由物鏡130及SIL 135導向DUT 140。從該DUT 140反射的光線以SIL 135收集，通過物鏡130，最後由照相機155取得。該照相機的信號最後送到電腦100。

以上所述的實例可以對位在該IC的矽基板下方的待觀察結構，得到優化的定位、視覺的特徵描述以及CAD套圖。視基板摻雜與樣本製備條件而異，所能觀察的深度約在10-100微米之間，有時可達到780微米。雖然上述方法可以提供高程度的執行控制，但仍有其極限，因為上述方法均無法滿足最新製程下的節點所面臨的需求。精確的說，上述方法無法達到正確的結構定義與辨認所需的光學解析度，因而無法達成上述的任務。因此目前業界需要有一種新穎的成像系統，以配合製程的發展。

關於上述，讀者可以進一步參考以下文獻：S.B.Ippolito，B.B.Goldberg與M.S.Unlu所著「High spatial resolution subsurface microscopy」，刊於Applied Physics Letters 78,4071-4073(2001)；S.B.Ippolito，B.B.Goldberg與M.S.Unlu所著「Theoretical analysis of numerical aperture increasing lens microscopy」，刊於Applied Physics 97,053105(2005)；K.A.Serrels，E.Ramsay，P.A.Dalgarno，B.D.Gerardot，J.A.O'Connor，R.H.Hadfield，R.J.Warburton與D.T.Reid所著「Solid immersion lens applications for nanophotonic devices」，刊於Journal of Nanophotonics 2,021854(2008)；K.A.Serrels，E.Ramsay，R.J.Warburton與D.T.Reid所著「Nanoscale optical microscopy in the vectorial focusing regime」，刊於Nature Photonics 2,311-314(2008)；K.A.Serrels，E.Ramsay與D.T.Reid所著「70 nm resolution in subsurface optical imaging of silicon integrated-circuits using pupil-function engineering」，刊於Applied Physics Letters 94,073113(2009)；D.A.Pucknell與K.Eshraghian所著「Basic VLSI Design」第3版，Prentice Hall出版(1994)；及美國專利7,659,981、7,616,312、6,848,087與6,252,222。

以下發明內容簡述提供作為對本發明數種面向及技術特徵之基本理解。發明內容並非對本發明之廣泛介紹，也因此並非用來特別指出本發明之關鍵性或是重要元件，也非用來界定本發明之範圍。其唯一目的僅在以簡單之方式展示本發明之數種概念，並作為以下發明詳細說明之前言。

根據本發明之各面向，本發明是透過對聚焦照明(例如雷射)光束的電場作向量的修整，以超越傳統的繞射極限成像方法。使用線性的極化方法對物體取像，使其極化方向對準到物體內朝向一方向排列的元件。並使用一互補的極化方向，對該物體成像，使該互補的極化方向對準到朝向互補方向排列的物體。所得的影像可以經過強調，以產生單一的增強影像，也可個別作利用。

本發明揭示數種實施例，均特別與IC的成像相關。各該實施例可以用來對矽積體電路(IC)內的元件，提供與電腦輔助設計(CAD)作改進的套圖與對準。將該IC的CAD設計與該IC的真實影像作對準後，可提供對該IC的元件找尋與測試及除錯所需的資訊。

本發明所揭示的實施例可以使用連續波1064nm雷射光源，並使用極化感知成像技術以及光瞳函數工程技術等解析度提高技術，應用在一共軛焦反射照相機或InGaAs/MCT照相機成像系統機構以達成線性誘導的超高解析度光學診斷，以及CAD對準，便利積體電路的檢驗與分析。

根據本發明的數面向，乃是提供一種系統與方法，用以對製作在IC內的結構取像。該IC經以2種極化光束2次取像，一種為水平極化光束，另一種為垂直極化光束。其後將該影像結合，以形成一高解析度影像。該影像可以依序取得或同時取得。該光束可得自一雷射、SLED、LED等。該影像偵測器(照相機)可為AsGaAs、MCT、CCD、InSb、CMOS、GaAs、InP等型態。也可使用一環狀開口，置於該光束之光學軸。

本案揭示的實施例包括取得超高解析度的影像的方法，該方法包括：以水平極化光取得一裝置之第一繞射極限影像(diffraction-limited image)；以垂直極化光取得該裝置之第二繞射極限影像；及處理該第一及第二影像，以產生一強調影像，具有兩方向上的超高繞射極限品質。該方法尚可包括使用裝置的CAD資料，以辨認其中主要以該水平方向或該垂直方向排列之結構；使用水平極化光取得影像H，以與水平排列之CAD特徵比較；使用垂直極化光取得影像V，以與水平排列之CAD特徵比較；及優化使用該資料，以提高影像對CAD套圖程序的精確度。該方法另可包括將水平成分加權，以優化所得的對準結果。

根據本發明其他實例，乃是提供一種取得高解析度影像的方法，包括以下步驟：取得2張分別的超高解析度影像，其中第一影像在與該掃描方向平行的方向具有高度的空間內容，且第二影像在與該第一方向垂直的方向具有高度的空間內容；及後處理該第一及第二影像資料，以產生特定欲成像區域的超高解析度二維影像。該第一及第二影像可以依據取得，且該極化可以轉動到90度，以供下次取像之用，但該掃描方向則維持不變。替代性的做法是同時取得該第一及第二影像。該方法可另包括多工化從該第一及第二影像得到的高解析度成分，成為一合成影像。該多工處理可以透過從該第一及第二影像中抽取其高頻成分，並將其結合成單一影像。該第一及第二影像可以下述步驟得到：將一雷射光束分束成第一及第二小光束；將該2小光束的電場向量作預極化，使兩者互成直交；以相同的重複率調制該雷射小光束；及以共線性方式沿一光學軸再結合該2小光束，而將一極化狀態有意的遲延半個重複率周期，以使兩者以相同比率但在不同時間點打擊該樣本。該預極化可以使用置於各光路中的二分之一波片加以達成。該處理步驟可以包括：對各像素逐一計算，以求得該第一影像的曲率與第二影像的曲率的和，其中所稱之曲率定義成該資料的離散二階導數。該處理步驟包括以水平內核(Kernel){-1,+2,-1}強調該第一影像，並加入到以垂直內核{-1,+2,-1}^T 強調後的第二影像；其中上標T代表該矩陣的轉置運算元(transpose operator)。該第一與第二繞射極限影像之一可包括一水平極化影像，而該第一與第二繞射極限影像之一可包括一垂直極化影像，且該方法可另包括：對該水平極化影像中，擴散朝向水平方向的區域作較重的加權，對該垂直極化影像中，擴散朝向垂直方向的區域作較重的加權。可以使用光罩以對該裝置的選定區域取像。該光罩可包括一相位偏移光罩或二元光罩。

100‧‧‧電腦系統

105‧‧‧照明光源

110‧‧‧光束整形元件

120‧‧‧Y-電流計控制反射鏡

125‧‧‧X-電流計控制反射鏡

130‧‧‧物鏡

135‧‧‧固態浸沒透鏡

140‧‧‧待測裝置

150‧‧‧分光器

155‧‧‧照相機

160‧‧‧光源

165‧‧‧開口

260‧‧‧光源

200‧‧‧電腦

202‧‧‧CAD資料庫

210‧‧‧光學元件

230‧‧‧物鏡

235‧‧‧SIL

240‧‧‧DUT

250‧‧‧分光器

255‧‧‧照相機

265‧‧‧開口

270‧‧‧線性極化鏡

275‧‧‧二元調幅環狀開口

280‧‧‧半波片

310‧‧‧光學系統

320、325‧‧‧反射鏡

325‧‧‧雷射光源

370‧‧‧半波片

375‧‧‧環狀開口

405‧‧‧雷射

420、425‧‧‧反射鏡

440‧‧‧DUT

475‧‧‧環狀開口

490‧‧‧PDP光學元件

492‧‧‧方框

502‧‧‧光偵測器

506‧‧‧第二光偵測器

570H‧‧‧水平極化器

570V‧‧‧垂直極化器

572‧‧‧偏光鏡

574‧‧‧偏光鏡

582‧‧‧偏光鏡

11‧‧‧重複結構

12‧‧‧光罩

13‧‧‧孔洞

14‧‧‧光罩

15‧‧‧光罩

本發明其他面向與特徵可由以下詳細說明並參照下列圖式而更形清楚。但須理解，詳細說明的內容與圖式的目的乃在提供本發明實施例的非限定性範例，本發明的範圍應由所附的申請專利範圍限定。

所附的圖式納入本件專利說明書中，並成為其一部份，是用來例示數種實施例，並與本案的說明內容共同用來說明及展示本發明的原理。圖式的目的只在以圖形方式例示本發明實施例的主要特徵。圖式並不是用來顯示實際上的範例的全部特徵，也不是用來表示其中各元件之相對尺寸，或其比例。

第1A圖及第1B圖顯示根據已知技術的成像系統架構示意圖。

第2A圖及第2B圖顯示超高解析度照相機成像系統的實施例示意圖。

第3圖顯示超高解析度共軛焦反射式雷射掃描顯微鏡機構示意圖。

第4圖顯示使用PDP光學系統之超高解析度共軛焦反射式雷射掃描顯微鏡機構另一種方法實施例示意圖。

第5A圖顯示PDP光學系統的一實施例，第5B圖則顯示可取代該PDP光學系統的實施例。

第6圖顯示當光線從低NA延伸到高NA時，其聚焦電場的橫向成分與縱向成分示意圖。

第7圖為一N阱CMOS變頻器的概要圖，顯示在鄰近特徵間的結構直交性。

第8A圖與第8B圖顯示取得直交極化影像的方法流程圖。

第9A到9E圖顯示對一序列交疊線路取像所得的實例影像。

第10圖顯示二元光罩與相位偏移光罩的範例。

本發明的實施例可以提升對位在一樣本內的特徵取像的光學影像品質。從以下說明可以得知，本發明所揭示的實施例特別適合對特徵以直交方式排列的樣本取像，這種樣本有時稱為曼哈頓結構(Manhattan structures)，因為在該地街道是以互相直交方式排列。積體電路通常是以互相呈直交的特徵製得，因此本發明所揭示的實施例特別適用在對製作在IC內的特徵作高解析度的取像。

根據本發明數種實施例，可以使用多種光學裝置與系統架構，來獲得高解析度的成像。此外，本發明也揭示操作程序與方法，以獲得超高解析度的積體電路二維光學與CAD排列影像。將2組分別的反射型影像的高度空間內容作分路後，結合成一影像，可以獲得複合的超高解析度影像。其中該反射型影像的高解析度向量互相成直交。本發明也說明該程序，並介紹數種實施系統，與來執行上述程序。

第2A圖顯示根據本發明一實施例用來取得高解析度影像的光學機構。圖中顯示一光源260用來提供光束，該光束通過開口265與光學元件210，經過分光器250後導向DUT 240。從DUT 240反射的光線則由SIL 235與物鏡230收集。所收集的光線通過分光鏡250後由照相機255偵測到。該照相機產生的信號送到電腦200。在本實施例中有2個元件對於提高解析度具有貢獻。其中之一是位在該物鏡230之前的線性極化鏡270，可用來控制該照明光束與擷取影像的極化方向。由於該線性極化鏡270極化方向可受控制，故可在一方向上得到超高解析度的取像品質，例如與該線性極化器270方向相同的方向。其後可將該極化器加以轉動，以得到在直交方向上具超高解析度的第二影像。第二個元件是二元調幅環狀開口275，用來排除所有的低NA(數值孔徑)的近軸光線，使其不致影響所擷取的影像，故而可使系統的成像能力更形提高。如圖中的放大圖所示，該環狀開口可以阻擋光束中央部分的光線，且所阻擋的光量可以透過擴大或縮小該中央擋光遮罩的直徑，加以控制。

在第2A圖的實施例中，該線性極化鏡是置於該照明光與反射光的光程中。不過，該線性極化器也可只置於該照明光的路徑中。這種實施例的圖式顯示在第2B圖。在第2B圖的實施例中，光束由光源260，例如LED、SLED或雷射光源射出，通過一可切換半波片280。該半波片可使用一可變波片代替。將該半波片280切換入該光束的路徑內可將極化方向轉動90度，用以將極化方向與要成像的元件對準。故可得到2個方向互相垂直的超高解析度影像。

使用第2A圖與第2B圖的系統所得到的影像可用來輔助將線路的成像與CAD影像作對準。該CAD影像是存放在CAD資料庫202中。例如，可將在水平方向具有提高解析度的影像與同區域的CAD影像的垂直結構做對準，而將在垂直方向具有提高解析度的影像與同區域的CAD影像的水平結構做對準。如此即可對該微晶片的取像區域作影像與CAD的對準。

第3圖顯示另一實施例，其中是以光束掃描要取像的區域。第3圖的實施例是使用一雷射光源325與光學系統310來形成一雷射光束。該光束使用反射鏡320與325產生掃描，如此形成一雷射掃描顯微鏡(LSM)。為要提高其在一線性方向的解析度，使用一半波片370，置於其物鏡之前，以重置該入射雷射光束的極化方向。該極化片370可以經過轉動後以產生2張極化方向互相垂直的影像，其中一張具有水平方向的提高解析度，另一張具有垂直方向的提高解析度。一如在對第2A圖與2B圖的說明，在水平方向具有提高解析度的影像可用來與同區域的CAD影像的垂直結構做對準，而在垂直方向具有提高解析度的影像則可用來與同區域的CAD影像的水平結構做對準。

如同前一實施例中所述，使用環狀開口375可以排除任何低NA的近軸光線，使其不會進入所得的影像中，故可進一步提高系統的成像能力。

如上所述的系統，每次對該樣本取得一線性方向的影像。但是可以使用其他的裝置，以一次取得2張互相直交對準的線性極化方向上的影像。這種裝置的實例顯示在第4圖。在第4圖的實施例中，雷射405所發出的光束通過PDP光學元件490，因LSM(即反射鏡420與425)而產生掃描。該掃描光束通過環狀開口475後掃描DUT 440。該PDP偵測機構可使該系統同時取得水平與垂直極化的影像。

該PDP光學元件已經揭示在例如美國專利第7,733,100號中，其內容引為本案之參考。第5A圖也顯示一種標準的PDP光學元件，其中虛線的方框包圍部分即表示第4圖中所示PDP 490所含有的元件。雖然實際上該入射光束與反射光束都沿相同路徑行進，並通過相同的元件。不過，為便利理解起見，在第5A圖中是將兩種光束分別以不同光程表示，故每個元件都出現2次。上方的路徑為該雷射光源所發出的入射光的行進路線。下方的路徑則是反射光束的行進路線。圖中顯示該入射光束由左至右行進。在光束路徑中，垂直方向的箭頭代表垂直方向極化的光束，有點的箭頭則代表水平方向極化的光束。傾斜的箭頭是表示光束經過相對於垂直方向的角度偏轉的線性極化。

由雷射光源發出的光束進入第一極化光束分光鏡PBS1，故該部分的光束會偏轉導向光偵測器502。該偏轉量可設定在5%左右。該偵測器502的輸出是用來監視光束的光量，並非該PDP光學元件的一部份，而是一種可選用的光量監視裝置。該光束的其餘部分通過第一PBS分光稜鏡PBS1，進入第二極化光束分光鏡PBS2，其朝向設成只使垂直朝向的光束通過。該光束的極化狀態經過轉動一預定角度，以產生一轉動後的極化光束，相當於一垂直極化光束與一水平極化光束的重疊。在本實施例中，是使用法拉第轉子(Faraday rotator)將該光束從垂直方向轉動45度，且該第三PBS分光稜鏡PBS3則是朝向可以傳輸該轉動後光束的方向。經此，在此階段中該光束即相當於一垂直極化光束與一水平極化光束的重疊，兩光束的波幅與相位相同。如果兩光束的波幅不應設成相同，則該旋轉的角度應為不同。圖中位於該入射光束光程中，位於PBS3與VR之間，以虛線所示的放大圓圈，是代表一45度極化光束與2條同相、同波幅光束的對等；該2條光束中，一條為垂直極化，另一為水平極化。由此可知，在若干種應用中，該轉動可以異於45度。在這種實例中，所對等的是2條同相光束，一者為垂直極化，另一為水平極化，但波幅不同。

該2光束其後進入可變延遲器VR。該可變延遲器VR的快軸與慢軸是沿上述垂直與水平極化方向對準。因此，在通過該VR之後，該光束將包含2條空間上重合、等波幅、極化方向直交的光束，互相以一小角度(公稱為π/4)作相位偏移(延遲)。在圖中是以位在垂直箭頭後方的有點箭頭表示，代表該水平極化光束相對於該垂直極化光束延遲。該2光束之後以物鏡OL收縮進入該DUT的相同點。該DUT的朝向使得該2光束的極化方向與其電晶體閘的長度方向及寬度方向對準。

當該光束從該DUT反射後(第5A圖，下方光程)，該2條線性極化光束沿其路徑返回到VR。經過該VR後，兩條返回的參考與探針光束間又加入一相位偏移，使其相位偏移成為π/2。達到PBS3後，各光束的一部分經過反射而送入光偵測器504，其餘部分則穿過PBS3。該反射的部分產生反射A信號，而由光偵測器504接收，其輸出由接收器電子元件接收，以供分析。穿過PBS3的光束因為法拉第轉子FR與分光鏡PBS2的作用而偏轉，離開光束路徑，以產生反射B信號，而由第二光偵測器506接收。使用本實施例時，該反射A信號可以用來將影像對準到CAD設計中，元件朝向一方向的區域，而該反射B信號則可以用來將影像對準到CAD設計中，元件朝向方向與該第一區域的元件方向直交的區域。

也可使用其他的設計來取得2張極化方向直交的影像，而不使用PDP光學元件。一種實例顯示在第5B圖，其中第4圖中的PDP光學元件490是以第5B圖中虛線方框492所示的選擇性極化器來取代。該雷射光束從方框492的左側進入該選擇性極化器，由偏光鏡572以交替方式偏向，分別進入上方光學路徑或下方光學路徑。偏光鏡572可為一致動反射鏡、一轉動反射鏡、一聲控光學偏光鏡(AOD)等。該偏光鏡582經過致動後，以一定頻率交替的將光束導引到各光學路徑，故在一時間內，該光束或是行經該上方光學路徑或是該下方光學路徑。例如，如果是使用脈衝雷射，該偏光鏡得以致動成每次脈衝交替偏轉或隔數個脈衝交替偏轉。

在該上方光程中，該光束是通過一水平極化器570H，而在該下方光程中，該光束是通過一垂直極化器570V。該光束之後又經過偏光鏡574偏轉，使兩條光束不論是行經上方路徑或下方路徑，都可以重回同一條光學路徑，朝向掃描裝置(例如LSM反射鏡420與425)。因此，在之後的時間中該光束抵達該掃描裝置時，會交替呈現水平極化與垂直極化。例如，如果是使用脈衝雷射，各脈衝或各個含數個脈衝的群會交替呈現水平極化與垂直極化。只要適當的設定該偏光鏡572的周期，該掃描器的快速掃描方向的速度，以及取樣頻率，即可得到2張極化方向直交，代表欲成像區域的影像。

雖然不欲為任何理論所限制，但以下將參考第6圖，說明本發明所揭示可提高解析度的實施例的操作。在高NA條件下，該焦點平面的光強度分布在空間幾何上已非循環對稱(circularly symmetric)，而是依循一橢圓趨勢，其中該橢圓的橢圓度隨NA的增加而增加。在此所說的是指該照明光點在該焦平面上的空間能量-強度分布，而非指極化狀態。該特性可以通過考慮在該光學焦平面的電場向量(a)而作說明。該焦平面電場分布包括2種成分：一橫向/徑向電場(b)與一縱向/軸向電場(c)。上述成分可以利用仔細考慮該成像系統的聚焦特性後，加以控制(提高或抑制)。實質上，在低NA條件(4)下，在該焦平面的縱向成分如與該橫向成分對比，應可以忽略；反之，隨著NA提高，該縱向成分將逐漸變成主導的成分。該縱向成分可以透過光線通過一高NA透鏡(2)的折射來了解。在極接近該聚焦透鏡之前，整束光束切過一平面波時只包含純橫向成分。但當光波受到透鏡影響後，沿其光軸(1)的近軸成分雖然保持無擾動，但其非近軸光線(3)則折射而向光軸收縮。折射(聚焦)的程度越接近透鏡的邊緣越強，因而使該平面波歪曲到較大的程度。導致以修改後的波前所代表的場此時將會分解成橫向與縱向兩種成分，其中該縱向場成分的強度將隨折射的增加而提高。其結果，只要以波片與雷射掃描方向控制該極化方向，即可在該雷射探測樣品的欲成像區域時，獲得一個維度上超高解析度的成像品質。此外，使用一環狀二元強度濾片置於該取像物鏡之前，即可用來提高該聚焦光點分布的橢圓度，也可用來縮小該聚焦光點的面積。該環狀開口可以排除/阻擋任何低NA的近軸光線，使其不會進入所取得的影像中，故而可以進一步提高該系統的成像能力。

現回到該微晶片的實例。第7圖即顯示一種應用實例，其中已知一裝置的擴散區域(2，3)通常沿其長度維度分布，該維度與位於上層的多晶矽閘(1)的長度方向垂直。如此，只要能將使用水平極化光成像的影像與水平的CAD特徵對準，另外也將使用垂直極化光成像的影像與垂直的CAD特徵對準，就可以產生更為精確的影像對CAD對準，效果將優於現有技術下只使用圓形偏光技術得到的影像。

根據本發明一實施例，乃是揭示一種方法，以該方法取得2張個別的超高解析度影像，其中一者具有高度空間內容，而與該掃描方向平行，另一者則具有高度空間內容，其方向與該第一方向垂直。為取得該2張影像，2影像間的極化方向經過轉動到90度角，以供嗣後取像，但其掃描方向維持固定。經由該取得資料的後處理，可以得到所要取像區域的超高解析度二維影像。該方法包括以影像處理將兩影像的高解析度內容作多工處理(multiplexing)，得到一合成影像。該多工處理包括將該2影像的高頻成分做萃取，並將之結合成一單一影像，而得到多工處理後的影像。該影像的超高解析度成分將會具備高空間頻率，而該非超高解析度成分則不然。

第8A圖顯示上述處理程序的一種實例。在步驟800將該極化器對準。該極化器是對準該照明光束的掃描方向，例如與該掃描方向平行。該掃描與極化方向也與該成像樣本內的線性方向元件的方向對準。如果該樣本為一微晶片，則該掃描與極化方向應與該裝置的方向對準，亦即與該微晶片內的電晶體方向對準。例如，可將該極化器對準到使該線性極化器是平行於該掃描方向，以及該待取像區域內的裝置(例如邏輯閘或擴散區域)的長度方向。必須注意，所稱的掃描方向較佳為對準該照明光束的快速掃描方向，如第1A圖的放大圖中所示。

於步驟805使該光束掃描待取像區域，以取得一影像。所得的影像在極化方向具有提高的解析度，但在與該極化方向直交的方向則具有劣化的解析度。使用一環狀開口來阻擋光束中央部分的光線，可以進一步提高影像品質，因其可以防止光束通過該物鏡的中央，但容許光束通過圍繞該物鏡中央的阻擋區域外的區域。所得的影像可以用來對準對CAD影像內的元件所取得的影像，該CAD影像的長度方向與掃描方向對準。

在步驟810將該極化器轉動90度，以使所得的極化方向與之前的極化方向垂直。此時該掃描方向維持與第一影像同，並於步驟815再度掃描該待取像區域，以得到第二影像。所得到的第二影像在與第一影像的提高解析度方向直交的方向具有提高的解析度。該影像可以用來對準對CAD影像內的元件所取得的影像，該CAD影像的長度方向與掃描方向對準。於步驟820將該2影像合併，使所得的影像在兩個極化方向都具有提高的解析度。

根據本發明另一實施例，是以即時方式同時取得2張以直交方向極化狀態的影像，以縮短影像形成所需時間。根據本發明一實施例，該照明光束是分成2條分別的光路，然後將其電場向量作預先極化(例如在各自的路徑內設置適當朝向的半波片)，使其互相成直交方向。之後即可使用相同的重覆率規制，將雷射光束調制，再使兩者沿該光軸作共線性的再結合，使其一極化狀態有意的遲延半個重複率週期，以使兩者打擊到樣本時是相同比例但時間點不同(或相位不同)。例如，每隔一雷射脈衝或每隔一組雷射脈衝交替做水平或垂直極化。另可將取像軟體建置成，可在掃描樣本同時，以即時方式分別取得並編譯2組影像及/或產生一複合的超高解析度影像。

第8B圖顯示一種取得在2個直交方向上同時提高影像品質的方法流程圖。在此實例中，於步驟800將一雷射光束以一給定頻率調制，以產生一串雷射脈衝。其後於步驟805將該光束分成2光束，例如將其脈衝分成2組分離的光學路徑。於步驟810將各光束以一線性方向極化，使該2光束以互相直交的方向線性極化。於步驟815將光束結合，並通過相同的光學路徑，於步驟820以穿過相同光學路徑的兩光束掃描欲成像的區域。其方式是以一串雷射脈衝掃描待成像區域，其中後一脈衝或脈衝組的極化方向與相鄰的前一脈衝或脈衝組形成直交。收集所反射的光線以產生在2個直交方向具有提高解析度的影像。為進一步提升解析度，可使結合而成的光束通過一環狀開口，以使兩光束的中央部分不會通過該物鏡。

根據本發明另一實施例，提供精密且改良的CAD對準方法。該方法包括將特定特徵在一維度上或在二維度上做提高精度的對準，也可對樣本作超取樣。電場與與觀察中光學特徵對準的光線可產生對比較強烈的影像，其對比度高於以電場垂直於觀察中特徵的光線所取得的影像。使用本發明揭示的實施例時，可以使用經優化極化的光線，以檢驗晶片上特定的特徵，以此產生提高的影像解析度及/或CAD對準。

以下將參照第9A到9E圖，說明本發明所揭示數種實施例的優點。首先對一序列交疊的線路取像，得到如第9A圖所示的影像。其次得到交疊線路的模擬影像。做為底線實例，第9A圖顯示的影像在水平方向與垂直方向具有相同的解析度，與一般使用一圓形極化照明光源所得影像相同。在該影像(以及之後所有的影像)中加入一隨機的雜訊源，以凸顯電子元件成像時都可能出現的雜訊。請注意，影像中水平線與垂直線的解析度看似相同。

第9B圖顯示使用本發明實施例時所可能得到的強調影像。在影像中相同的結構是以水平極化的光線取像，達到使其垂直方向的解析度提高40%，同時其水平方向解析度劣化40%。均為與第9A圖所示，以圓形極化光所得影像比較結果。請注意第9B圖的水平方向特徵解析度高於垂直方向特徵。

第9C圖顯示對相同區域以垂直極化光源取像的模擬結果。例如將該光源的極化方向轉動如上所述的90度，得到垂直極化光。請注意圖中垂直方向特徵解析度高於水平方向特徵。

本實施例的一面向是使用2張影像來分別提高該經成像的裝置的垂直方向特徵與水平方向特徵，其中一張是以經水平極化的光源取像(例如第9B圖所示)，另一張則是以經垂直極化的光源取像(例如第9C圖所示)，並使用具有水平方向提高解析度的影像與該CAD影像中相同區域內的垂直方向結構對準，並使用具有垂直方向提高解析度的影像與該CAD影像中相同區域內的水平方向結構對準，據此獲得影像對CAD的對準，其對準優於只將以圓形極化光所取得的影像，與相同區域的CAD影像對準的結果。

本實施例另一面向是使用類似的影像處理技術結合以直交的光學極化所取得的影像中的最佳特性。達成此種處理的實例之一，是使用第9B圖與第9C圖的影像作為輸入，形成一新影像。第9D圖即顯示將第9B圖的影像由垂直方向取得的影像的曲率，與將第9C圖的影像由水平方向取得的影像的曲率，逐個像素作加總。其中之曲率定義成：資料的離散二階導數(discrete second derivative)。詳言之，第9D圖所示的影像即等於將第9B圖的影像以水平內核{-1,+2,-1}旋積後，將第9C圖的影像以垂直內核{-1,+2,-1}^T 旋積後，兩者相加的結果。上標T表示該矩陣的轉置運算元(transpose operator)。請注意，這種特定的影像處理方式可將水平方向解析度提高後的第9B圖影像，與垂直方向解析度提高後的第9C圖影像結合，以產生一超高解析度影像，其光學解析度高於使用圓形極化光所得影像，即如第9A圖所示的影像。

讀者應可理解，上述特定實例只是一種處理2張影像，已獲得1張改進影像的一種可能方法而已。任何習於影像處理工藝之人士均可開發出類似的程式，以達成其目的。

最後，第9E圖顯示如果發生誤將上述處理方法以相反方式執行，所達到的結果。在此過程使用第9B圖的水平方向解析度與第9C圖的垂直方向解析度結合產生1張影像。圖中顯示在這種情形下所得結果是無論是水平方向或垂直方向，解析度都不佳。

第二種實例可供晶片設計者選用，是在取像所得的裝置含有一擴散區域主要部分是朝單一方向延伸，而其餘的區域(可能只是點綴的區域)內的擴散區域主要部分是朝另一方向延伸的情形。藉由將其水平極化影像內呈水平延伸的擴散區域以較高權重加權，並將其垂直極化影像內呈垂直延伸的擴散區域以較高權重加權，即可獲得較佳的影像對CAD對準。

根據本發明其他實施例，乃是可以將二元光罩及/或相位偏移光罩作優化處理或加以整修，以在物體上就已知圖案取像。須說明是，可以使用光瞳平面工程與極化處理來改變在透鏡的接物面所產生的光學焦點尺寸及形狀，同時，將該光點形狀整修成已知裝置的幾何形狀可以得到提升的影像解析度。舉一例而言，記憶裝置是由相同結構以大面積序列所組成，其中各個結構保持存在該記憶裝置內的一位元資訊。第10圖即顯示一晶片特定區域具有依序列重複結構11的圖形。將一二元寬幅或相位傳輸光罩作整修，可以優化的對此種記憶位元取樣，並得到優於現有技術的影像品質。現有技術是使用圓形對稱的光點，其尺寸與要觀察的下層結構無關。例如，在第10圖中顯示一光罩12，具有多數的孔洞13，其排列方式可用來提供一與該重複結構11相對應的光束。反之，光罩14(顯示其截面)則為一相位偏移光罩，設計成可使該光束的一部份產生相位偏移，以提供一與該重複結構11相對應的光束。此外，光罩15則是一結合二元光罩與相位偏移光罩的結果，其開口安排成可產生與該重複結構11相對應的光束，並可使該光束的一部份產生相位偏移，以提供一與該重複結構11相對應的光束。

為清楚說明起見，特將本案所使用的縮寫說明如下：CAD：電腦輔助設計。InGaAs：砷化銦鎵。MCT：HgCdTe或碲化汞鎘。CCD：電荷耦合元件。InSb：銻化銦。CMOS：互補金-氧-半導體。GaAs：砷化鎵。InP：磷化銦。PDP：極化差動探測(polarization differential probing)。

必須說明的是，以上所述之方法及技術本質上並不限於任何特定之裝置，且可以任何適用之元件組合加以達成。此外，各種態樣之泛用性裝置也可適用在所述之發明中。利用特殊化裝置來實施以上所述的發明方法，也可以提供優異的效果。

本發明既已利用特定之實施例說明如上，上述之說明目的僅在例示本發明。於此行業具有普通知識、技術之人士，不難由以上之說明，以其他不同的硬體、軟體及韌體的組合，而實現本發明之內容。此外，其他實現本發明的方法對於習於斯藝之人士，也可從本案的專利說明書進行考慮，並實施所述的本發明內容，而加以達成。本說明書及其圖式都只能作為例示之用，本發明真正的範圍與精神，只能由以下的申請專利範圍所規範。