TWI637163B - 檢測樣本之方法及系統 - Google Patents

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TWI637163B
TWI637163B TW103144651A TW103144651A TWI637163B TW I637163 B TWI637163 B TW I637163B TW 103144651 A TW103144651 A TW 103144651A TW 103144651 A TW103144651 A TW 103144651A TW I637163 B TWI637163 B TW I637163B
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勇何 莊
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美商克萊譚克公司
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Abstract

一種高速檢測一樣本之方法，該方法包含將輻射引導且聚焦至一樣本上，且接收來自該樣本之輻射且將接收之輻射引導至一影像感測器。該方法尤其包含用預定信號驅動該影像感測器。該等預定信號最小化該影像感測器之一輸出信號之一安定時間。該等預定信號由用來選定查詢值之一相位累加器控制。該驅動可進一步包含載入一初始相位值，選定該相位累加器之最高有效位元及將該等查詢值轉換為一類比信號。在一項實施例中，針對一相位時脈之各週期，可將一相位增量加至該相位累加器。該驅動可由一客製波形產生器執行。

Description

檢測樣本之方法及系統 [相關申請案]
本申請案主張題為「System And Method For Clocking A Low-Noise Sensor And An Inspection System And Method Using A Low-Noise Sensor」且在2013年12月19日申請之美國臨時專利申請案61/918,108之優先權。此申請案以引用之方式併入本文中。
本申請案係關於在2012年2月1日申請之題為「High-density digitizer」之美國專利申請案13/364,308、在2012年12月10日申請之題為「Method and apparatus for high speed acquisition of moving images using pulsed illumination」之美國臨時申請案61/735,427、在2012年12月10日申請之題為「Electron-bombarded charge-coupled device and inspection systems using EBCCD detectors」之美國專利申請案13/710,315、在2013年3月10日申請之題為「Back-illuminated sensor with boron layer」之美國專利申請案13/792,166、在2013年7月22日申請之題為「Photocathode including silicon substrate with boron layer」之美國專利申請案13/947,975、在2009年10月7日申請之題為「TDI sensor modules with localized driving and signal processing circuitry for high speed inspection」之美國公開專利申請案2010/0188655、在2009年6月1日申請之題為「Anti-reflective coating for sensors suitable for high throughput inspection systems」之美國公開專利申請案 2010/0301437、在2007年5月25日申請之題為「Inspection system using back side illuminated linear sensor」之美國公開專利申請案2011/0073982、在2009年10月27日發佈之題為「Continuous clocking of TDI sensors」之美國專利案7,609,309及在2011年5月31日發佈之題為「Apparatus for continuous clocking of TDI sensors」之美國專利案7,952,633。此等申請案及專利案以引用之方式併入本文中。
本申請案係關於適用於感測可見光、UV、深UV(DUV)、真空UV(VUV)及極UV(EUV)波長之輻射之影像感測器及相關聯電子電路，且係關於用於操作此等影像感測器之方法。感測器及電路尤其適合用於檢測系統中，該等系統包含用於檢測光罩、倍縮光罩(reticle)及半導體晶圓之檢測系統。
積體電路產業需要具有愈發高之敏感度之檢測工具來偵測愈發小之缺陷及顆粒，該等缺陷及顆粒之大小可係小於20nm。該等上述檢測工具需要能夠偵測大缺陷，諸如可具有在小於1μm至多個mm之範圍中之尺寸之刮痕及水痕，且能夠量測可具有幾nm或小於1nm之峰谷振幅之表面粗糙度或霧度。檢測工具亦必須能夠偵測在高反射率及低反射率圖案及薄膜上或其內之缺陷及顆粒。
小顆粒、小缺陷、低反差缺陷及低振幅粗糙度僅非常微弱地散射光。為偵測光罩、倍縮光罩及半導體晶圓上之小缺陷或顆粒，需要具有低雜訊驅動之低雜訊感測器及讀出電子器件。信號之雜訊位準取決於感測器之固有雜訊位準、讀出電子器件之雜訊位準及耦合為來自內部及外部源之信號之雜訊量，該等信號包含驅動感測器及相關聯電子器件之時脈信號。
在2009年10月27日發佈之題為「Continuous clocking of TDI sensors」之美國專利案7,609,309及在2011年5月31日發佈之題為「Apparatus for continuous clocking of TDI sensors」之美國專利案7,952,633描述有用於驅動低雜訊CCD感測器之時脈之波形。‘633專利案進一步描述使用FPGA、數位類比轉換器(DAC)、濾波器及功率驅動器或緩衝器之一電路以用於產生該等波形且驅動一CCD感測器。需要多個積體電路來實施此一電路。針對具有一百萬或超過一百萬個像素及數十或數百輸出通道之CCD感測器，將需要許多積體電路及一大電路板面積來實施此一電路。此實施方案將導致一些信號必須長(例如，多個cm)距離行進至感測器，從而難以足夠良好地控制雜訊、串音及大地回路電流以能夠自感測器偵測低位準信號。
可藉由參考圖11瞭解先前技術之CCD感測器及驅動電路之一重要限制，圖11繪示自一CCD之一信號讀出之時序。圖11展示輸出電壓1110之波形及重設時脈1101之波形，兩者均作為時間之一函數。重設時脈在一個像素後重設輸出電壓，使得可輸出下一個像素。當重設時脈1101如由箭頭1102指示為高(正)時，來自先前像素之輸出電荷放電使得輸出信號安定至由箭頭1115之波形指示之一重設位準。
輸出電壓1110繪示若干實際問題，該等問題可尤其當如半導體及相關產業中之檢測及量測應用所需高速操作感測器時降低CCD影像感測器之輸出信號之信雜比及準確度。當如由箭頭1103之波形展示，重設時脈1101自一低電壓切換至一高電壓時，因為重設電晶體必要地實體定位於與輸出感測節點相鄰之CCD上，一些電壓擺動經耦合至輸出電壓。如箭頭1112之波形指示，此耦合使輸出電壓1110不穩定。
此外，如箭頭1104之波形指示，當重設時脈1101下降時，彼高至低轉變經類似耦合至輸出電壓且如箭頭1114之波形指示使該電壓不穩定。頃刻後，輸出電壓1110在1115之波形指示之重設位準處安定且穩定。當來自一像素之信號轉移至輸出時，因為信號包括電子且因此係 一負電荷，輸出電壓自重設位準降低至一較低位準，諸如由箭頭1117指示之位準。在圖11中，由箭頭1117指示之位準表示對應於一飽和像素之輸出電壓，即，一最大信號，且由箭頭1119指示之另一位準表示對應於遠小於最大值之一信號之輸出電壓。儘管未展示，通常在自由箭頭1115指示之波形之重設位準轉變至由箭頭1117或1119指示之波形之信號位準後將存在一些安定時間。
在圖11中，第一像素中之信號係與在箭頭1117與1115之輸出電壓之間的差成比例，且第二像素中之信號係與在箭頭1115與1119之輸出電壓之間的差成比例。通常相關雙重取樣係用於量測在箭頭1115之重設電壓與諸如在箭頭1117及1119之輸出電壓之間的差。相關雙重取樣係一習知技術，且例如由J.R.Janesick所著之「Scientific Charge-Coupled Devices」(SPIE Press，2001年，第556至561頁)描述。
如自圖11可瞭解，當需要高速讀出信號時，諸如約25MHz或更高之一速度，輸出電壓1110安定至箭頭1115之重設電壓及諸如在箭頭1117及1119之信號電壓僅存在一短時間。例如按50MHz，一個像素之總時間係20ns。重設時脈脈衝必須必要地遠短於此時間，其中上升及下降時間至多為1至2ns。具有快速上升及下降時間之此等短脈衝必要地使輸出電壓顯著不穩定。僅幾ns可供輸出電壓用於安定。在一些情況中，信號無法具有足夠時間來完全穩定而導致雜訊影像資料。
因此，產生一需要：一影像感測器及相關聯電子器件能夠高速獲取具有低雜訊之影像資料而又克服上述缺點之一些或全部。
描述一種高速檢測一樣本之方法。此方法包含將輻射引導且聚焦至樣本上，且接收來自樣本之輻射且將接收之輻射引導至一影像感測器。接收之輻射可係散射輻射或反射輻射。方法尤其包含用預定信 號驅動影像感測器。預定信號最小化影像感測器之一輸出信號之一安定時間。預定信號自查詢值產生。查詢值之序列係由一相位累加器判定。
驅動可進一步包含載入一初始相位值，將相位累加器之最高有效位元選定為一查詢表中之一位址且將對應查詢值轉換為一類比信號。在一項實施例中，針對一相位時脈之各週期，可將一相位增量加至相位累加器。
驅動可進一步包含判定是否超過一最大相位累加器值。當未超過最大相位累加器值時，則可選定相位累加器之最高有效位元(例如，16位元)，且可將相位增量加至相位累加器。當超過最大相位累加器值時，則可累加一週期計數。驅動可進一步包含判定是否超過一最大計數週期值。當未超過最大計數週期值時，則可重複將最高有效位元選定為一查詢表中之一位址及將相位增量加至相位累加器。當超過最大計數週期值時，則可停止驅動。
亦描述一種用於檢測一樣本之系統。此系統包含：一照明源；一裝置，其經組態以執行光偵測；光學器件，其經組態以將來自照明源之光引導至樣本且將來自樣本之光輸出、反射或透射引導至裝置；及一驅動電路。驅動裝置之驅動電路尤其包含一客製波形產生器。
客製波形產生器最小化裝置之一輸出信號之一安定時間。客製波形產生器包含：一相位累加器，其用於接收時脈及控制信號；一查詢表，其經耦合至相位累加器之一輸出；及一數位類比轉換器，其經耦合至查詢表之一輸出。
在一項實施例中，光學器件包含第一通道影像模式繼電器及第二通道影像模式繼電器。當光輸出、反射或透射對應於一第一通道時使用第一通道影像模式繼電器。當光輸出、反射或透射對應於一第二通道時使用第二通道影像模式繼電器。裝置可係經組態以接收第一通 道影像模式繼電器及第二通道影像模式繼電器之繼電器輸出之一影像感測器。
在一項實施例中，裝置可包括一半導體膜。在另一實施例中，半導體膜可包含形成於半導體膜之一第一表面上之電路元件及沈積於半導體膜之一第二表面上之一純硼層。在又一實施例中，裝置可包括一電子轟擊之影像感測器。在又一實施例中，裝置可包含一或多個影像感測器，諸如時間延遲積分(TDI)感測器。一TDI感測器可具有在兩個側上之讀出電路，該等電路用來同時讀出兩個不同信號。
樣本可由一台支撐，台在檢測期間相對於光學器件移動。當裝置係一TDI感測器時，TDI感測器可將偵測之光轉換為一電荷。電荷可在TDI感測器內與台之運動同步位移。
例示性檢測系統可包含一個或多個照明路徑，該等路徑自不同入射角及/或不同方位角及/或按不同波長及/或偏振狀態照明樣本。例示性檢測系統可包含一或多個收集路徑，該等路徑收集樣本以不同方向反射或散射之光及/或對於不同波長及/或不同偏振狀態敏感。
100‧‧‧檢測系統
102‧‧‧照明源
103‧‧‧光學器件
104‧‧‧偵測器總成
105‧‧‧物鏡透鏡
106‧‧‧偵測器
108‧‧‧樣本
112‧‧‧台
114‧‧‧計算系統
116‧‧‧載體媒體
118‧‧‧程式指令
201‧‧‧照明光學器件
202‧‧‧光
203‧‧‧鏡或透鏡
205‧‧‧線
210‧‧‧收集光學器件
211‧‧‧晶圓或光罩/樣本
212‧‧‧鏡/透鏡
213‧‧‧鏡/透鏡
214‧‧‧光學軸
215‧‧‧感測器
220‧‧‧雷射系統
221‧‧‧台
231‧‧‧暗場收集系統
232‧‧‧暗場收集系統
233‧‧‧暗場收集系統
300‧‧‧檢測系統
301‧‧‧雷射光束
302‧‧‧透鏡
303‧‧‧空間濾波器
304‧‧‧透鏡
305‧‧‧光束分離器
306‧‧‧法線照明通道
307‧‧‧光學器件
308‧‧‧鏡
309‧‧‧樣本
310‧‧‧拋物面鏡
311‧‧‧感測器
312‧‧‧傾斜照明通道
313‧‧‧鏡
314‧‧‧半波板
315‧‧‧光學器件
316‧‧‧準直光束
317‧‧‧物鏡
318‧‧‧分析器
320‧‧‧儀器
330‧‧‧雷射系統
400‧‧‧折反射成像系統
401‧‧‧雷射
402‧‧‧調適光學器件
403‧‧‧孔隙及窗
404‧‧‧機械外殼
405‧‧‧棱鏡
406‧‧‧物鏡
408‧‧‧樣本
409‧‧‧感測器
410‧‧‧光束分離器
412‧‧‧折反射物鏡
413‧‧‧聚焦透鏡組
414‧‧‧鏡筒透鏡區段
500‧‧‧分離讀出影像感測器
501A‧‧‧讀出電路
501B‧‧‧讀出電路
502A‧‧‧串列暫存器
502B‧‧‧串列暫存器
503‧‧‧影像區域
503A‧‧‧影像區域
503B‧‧‧影像區域
504A‧‧‧讀出放大器
504B‧‧‧讀出放大器
510‧‧‧像素
511‧‧‧像素
513‧‧‧n型埋設通道
514‧‧‧光敏p型矽基板
531‧‧‧閘極
532‧‧‧閘極
533‧‧‧閘極
534‧‧‧閘極
535‧‧‧閘極
536‧‧‧閘極
570‧‧‧時間
571‧‧‧時間
572‧‧‧時間
601‧‧‧時脈信號
602‧‧‧第二時脈信號
603‧‧‧第三時脈信號
604‧‧‧線
701‧‧‧電壓波形
702‧‧‧箭頭
703‧‧‧箭頭
704‧‧‧箭頭
705‧‧‧箭頭
706‧‧‧箭頭
707‧‧‧箭頭
710‧‧‧波形
711‧‧‧波形
712‧‧‧波形
800‧‧‧客製波形產生器
801‧‧‧數位時脈輸入
802‧‧‧可程式化時脈除法器
804‧‧‧初始值
805‧‧‧相位增量
806‧‧‧相位時脈
809‧‧‧相位累加器
810‧‧‧最高有效位元
811‧‧‧最低有效位元
815‧‧‧查詢表
817‧‧‧數位波形
820‧‧‧控制塊
821‧‧‧外部控制
825‧‧‧數位類比轉換器
826‧‧‧濾波器
827‧‧‧放大器
829‧‧‧輸出
900‧‧‧方法
901‧‧‧步驟
902‧‧‧步驟
903‧‧‧步驟
904‧‧‧步驟
905‧‧‧步驟
906‧‧‧步驟
907‧‧‧步驟
908‧‧‧步驟
1000‧‧‧偵測器總成
1002‧‧‧插入器
1004‧‧‧影像感測器/光敏陣列感測器
1006‧‧‧驅動器電路
1008‧‧‧轉換電路/數化器/數化器電路
1010‧‧‧基板
1012‧‧‧互連線
1101‧‧‧重設時脈
1102‧‧‧箭頭
1103‧‧‧箭頭
1104‧‧‧箭頭
1110‧‧‧輸出電壓
1112‧‧‧箭頭
1114‧‧‧箭頭
1115‧‧‧箭頭
1117‧‧‧箭頭
1119‧‧‧箭頭
A‧‧‧讀出方向
B‧‧‧讀出方向
P1a‧‧‧時脈信號
P2a‧‧‧時脈信號
P3a‧‧‧時脈信號
P1b‧‧‧時脈信號
P2b‧‧‧時脈信號
P3b‧‧‧時脈信號
圖1繪示一例示性檢測系統。
圖2A及圖2B繪示具有線照明及一或多個收集通道之一例示性檢測系統。
圖3繪示具有法線及傾斜照明之一例示性檢測系統。
圖4繪示具有亮場及暗場照明通道之一例示性檢測系統。
圖5A繪示一例示性分離讀出影像感測器，其包含可與本文描述之系統、電路及方法一起使用之兩組讀出電路。
圖5B繪示一分離讀出影像感測器(諸如在圖5A中展示之分離讀出影像感測器)之操作。
圖6繪示用於在本文描述之系統、電路及方法中之各種信號之例 示性驅動波形。
圖7A繪示根據本文描述之一實施例由一客製波形產生器產生以改良一CCD輸出信號之安定時間之一例示性重設時脈波形。圖7B、圖7C及圖7D繪示其他波形，該等波形可由客製波形產生器產生以最佳化安定時間或降低一CCD或其他感測器輸出信號之雜訊位準。
圖8繪示可與本文描述之系統、電路及方法一起使用之一例示性客製波形產生器。
圖9繪示可與本文描述之系統、電路及方法一起使用之產生一客製波形之一例示性方法。
圖10繪示併入本文描述之電路之一例示性偵測器總成。
圖11繪示用於先前技術感測器及電子器件之典型重設時脈及輸出電壓波形。
本文描述用於半導體檢測系統之改良感測器。呈現下列描述以使一般技術者能夠如一特定應用及其需要之背景內容所提供完成且使用本發明。如本文使用，指向性術語，諸如「頂部」、「底部」、「上方」、「下方」、「上」、「朝上」、「下」、「向下」及「朝下」意在為描述之目的提供相對位置，且不意在指定一絕對參考架構。熟習此項技術者將瞭解對所描述之實施例之各種修改，且本文界定之一般原理可應用至其他實施例。因此，本發明並不意在限於所展示及描述之特定實施例，而將符合與本文所揭示之原理及新穎特徵一致的最廣範疇。
圖1繪示一例示性檢測系統100，其經組態以檢測或量測一樣本108，諸如一晶圓、倍縮光罩或光罩。樣本108放置於一台112上以促進移動至光學器件下方之樣本108之不同區域。台112可包括一X-Y台或一R-θ台。在一些實施例中，台112可在檢測期間調整樣本108之高度以維持焦點。在其他實施例中，一物鏡透鏡105可經調整以維持焦 點。
一照明源102可包括一或多個雷射及/或一寬頻光源。照明源102可發射DUV及/或VUV輻射。包含一物鏡透鏡105之光學器件103將該輻射引導朝向樣本108，且將其聚焦於樣本108上。光學器件103亦可包括鏡、透鏡及/或光束分離器(為簡明起見未展示)。自樣本108反射或散射之光為光學器件103收集、引導且聚焦於在一偵測器總成104內之一偵測器106上。
偵測器總成104包含本文描述之至少一個電路或實施本文描述之至少一個方法以用於驅動及/或控制偵測器106。偵測器106可包含一二維陣列感測器或一一維線感測器。在一項實施例中，偵測器106之輸出經提供至一計算系統114，計算系統114分析輸出。計算系統114藉由程式指令118組態，程式指令118可儲存於一載體媒體116上。
在一項實施例中，照明源102可係一連續源，諸如一弧光燈、一雷射激發電漿光源或一CW雷射。在另一實施例中，照明源102可係一脈衝源，諸如一鎖模雷射、一Q切換雷射或由一Q切換雷射激發之一電漿光源。在併入一Q切換雷射之檢測系統100之一項實施例中，偵測器106內之一或多個感測器係與雷射脈衝同步。在此實施例中，影像感測器可在雷射脈衝期間在一TDI模式中操作，且接著可透過在雷射脈衝之間的感測器之兩個側上之多個輸出讀出資料。
檢測系統100之一項實施例照明樣本108上之一線，且收集一或多個暗場及/或亮場收集通道中之散射及/或反射光。在此實施例中，偵測器106可包含一線感測器或一電子轟擊線感測器。
檢測系統100之另一實施例照明樣本108上之多個點，且收集一或多個暗場及/或亮場收集通道中之散射及/或反射光。在此實施例中，偵測器106可包含一二維陣列感測器或一電子轟擊二維陣列感測器。
檢測系統100之各種實施例之額外細節係在2012年7月9日申請之題為「Wafer inspection system」之美國專利申請案13/554,954、2009年7月16日公佈之題為「Split field inspection system using small catadioptric objectives」之美國公開專利申請案2009/0180176、2007年1月4日公佈之題為「Beam delivery system for laser dark-field illumination in a catadioptric optical system」之美國公開專利申請案2007/0002465、1999年12月7日發佈之題為「Ultra-broadband UV microscope imaging system with wide range zoom capability」之美國專利案5,999,310及2009年4月28日發佈之題為「Surface inspection system using laser line illumination with two dimensional imaging」之美國專利案7,525,649中描述。所有此等專利案及專利申請案以引用之方式併入本文中。
圖2A及圖2B繪示暗場檢測系統之態樣，該等系統併入本文根據本發明之其他例示性實施例所描述之電路及/或方法。在圖2A中，照明光學器件201包括一雷射系統220，雷射系統220產生由一鏡或透鏡203聚焦於正受檢測之一晶圓或光罩(樣本)211之表面上之一線205之光202。收集光學器件210使用透鏡及/或鏡212及213將自線205散射之光引導至一感測器215。收集光學器件210之一光學軸214並不在線205之照明平面中。在一些實施例中，光學軸214大約垂直於線205。感測器215包括一陣列感測器，諸如一線性陣列感測器。本文描述之電路及/或方法之一或多者用於驅動或控制感測器215。
圖2B繪示多個暗場收集系統231、232及233之一項實施例，各收集系統實質上類似於圖2A之收集光學器件210。收集系統231、232及233可與實質上類似於圖2A之照明光學器件201之照明光學器件組合使用。各收集系統231、232及233併入本文描述之電路及/或方法之一或多者以驅動及/或控制其感測器。樣本211支撐於台221上，台221移 動在光學器件下方待檢測之區域。台221可包括一X-Y台或一R-θ台，其較佳地在檢測期間實質上連續移動以檢測樣本之大區域而具有最小之滯定時間(dead time)。
根據在圖2A及圖2B中繪示之實施例之檢測系統之更多細節係在2009年4月28日發佈之題為「Surface inspection system using laser line illumination with two dimensional imaging」之美國專利案7,525,649中描述。2003年8月19日發佈且以引用之方式併入本文中之題為「System for detecting anomalies and/or features of a surface」之美國專利案6,608,676亦描述適用於檢測未圖案化或圖案化晶圓之線照明系統。
圖3繪示一檢測系統300，其經組態以使用法線及傾斜照明光束兩者偵測一樣本上之顆粒或缺陷。在此組態中，一雷射系統330提供一雷射光束301。一透鏡302將光束301聚焦穿過一空間濾波器303。透鏡304準直光束且將其輸送至一偏振光束分離器305。光束分離器305將一第一偏振分量傳遞至法線照明通道且將一第二偏振分量傳遞至傾斜照明通道，其中第一偏振分量垂直於第二偏振分量。在一法線照明通道306中，第一偏振分量由光學器件307聚焦且由一鏡308朝向一樣本309之一表面反射。由樣本309(諸如一晶圓或光罩)散射之輻射由一拋物面鏡310收集且聚焦至一感測器311。
在一傾斜照明通道312中，第二偏振分量由一光束分離器305反射至一鏡313，鏡313將此光束反射穿過一半波板314且由光學器件315聚焦至樣本309。源自傾斜通道312中之傾斜照明光束且由樣本309散射之輻射由拋物面鏡310收集且聚焦至感測器311。感測器311及照明區域(自樣本309上法線及傾斜照明通道)較佳地在拋物面鏡310之焦點處。
拋物面鏡310將來自樣本309之散射輻射準直為一準直光束316。 接著，準直光束316由一物鏡317聚焦且穿過一分析器318至感測器311。應注意，亦可使用具有除拋物面形狀外之形狀之曲面鏡表面。一儀器320可提供光束與樣本309之間的相對運動，使得跨樣本309之表面掃描點。本文描述之電路及/或方法之一或多者用於驅動或控制感測器311。2001年3月13日發佈且以引用之方式併入本文中之題為「Sample inspection system」之美國專利案6,201,601進一步詳細描述檢測系統300。
圖4繪示一例示性折反射成像系統400，其經組態為具有亮場及暗場檢測模式之一檢測系統。系統400可併入兩個照明源：一雷射401及一寬頻光照明模組420。
在一暗場模式中，調適光學器件402控制在正被檢測之表面上雷射照明光束之大小及輪廓。一機械外殼404包含一孔隙及窗403，及沿光學軸將雷射以法線入射再引導至一樣本408之表面之一棱鏡405。一棱鏡405亦將來自樣本408之表面特徵部之鏡面反射引導出一物鏡406。物鏡406收集由樣本408散射之光，且將其聚焦至一感測器409上。物鏡406之透鏡可提供為呈一折反射物鏡412、一聚焦透鏡組413及一鏡筒透鏡區段414之一般形式，視情況而言，該等透鏡可包含一變焦性能。雷射401可係一高重複率脈衝雷射，諸如一鎖模雷射，或一CW雷射。
在一亮場模式中，一寬頻照明模組420將寬頻光引導至一光束分離器410，光束分離器410將該光朝聚焦透鏡組413及折反射物鏡412反射。折反射物鏡412用寬頻光照明樣本408。自樣本反射或散射之光由物鏡406收集且聚焦於感測器409上。寬頻照明模組420包括(例如)一雷射激發電漿光源或一弧光燈。寬頻照明模組420亦可包含一自動聚焦系統來提供一信號以控制樣本408相對於折反射物鏡412之高度。
本文描述之電路及/或方法之一或多者用於驅動或控制感測器 409。2007年1月4日公佈且以引用之方式併入本文中之題為「Beam delivery system for laser dark-field illumination in a catadioptric optical system」之公開專利申請案2007/0002465進一步詳細描述系統400。
圖5A繪示一例示性分離讀出影像感測器500，該感測器用於本文揭示之本發明之一些實施例中。影像感測器500包含定位於一影像區域503之相對側上之兩組讀出電路501A及501B。影像區域503可包含在其光敏表面上之一純硼層。讀出電路501A及501B可包含串列暫存器502A及502B及讀出放大器504A及504B，以及其他組件，諸如轉移閘極。讀出電路501A及501B以及感測器500之其他組件之例示性實施例在2009年10月27日發佈之題為「Continuous Clocking of TDI Sensors」之美國專利案7,609,309中描述，該案以引用之方式併入本文中。影像區域503包括一二維(2D)像素陣列，二維(2D)像素陣列經配置成行使得區域503A中之行中之像素可以讀出方向A轉移，且區域503B中之行中之像素可以讀出方向B轉移。區域503A之頂列及區域503B之底列可同時分別讀出至串列暫存器502A及502B中。接著，在最簡單的情況下，各列每次讀出一個像素。在較佳實施例中，串列暫存器502A及502B可劃分為複數個暫存器段(例如，圖5A展示各串列暫存器劃分為六個段)，從而容許使用複數個放大器504A及504B並行讀出。
讀出電路501A及501B尤其可獨立操作，從而容許影像感測器500提供兩個讀出方向A及B。在一分離讀出模式中，影像區域503之各側(即，側503A及503B)可同步計時以將一個影像列讀出至其等各自輸出通道中。在一項實施例中，影像區域503可具有1000個列，各列由多個像素形成。因此，在分離讀出模式期間，500個列可以方向A讀出，且同時500個列可以方向B讀出。
此分離讀出模式基於影像感測器中之電荷耦合裝置(CCD)驅動器 之定時啟動係可能的。舉例而言，複數個CCD時脈信號P1a、P2a、P3a、P1b、P2b及P3b可用於控制影像區域503內電荷之轉移。儘管在此例示性感測器中展示每像素3個時脈信號，但本技術中已知CCD設計具有2、3及4個相位時脈。2或4個相位時脈可用於本發明之替代實施例中。如在圖5B中展示，CCD時脈P1a、P2a、P3a、P1b、P2b及P3b之特徵在於閘電極(下文稱為閘極)之驅動組。在影像感測器之一項較佳實施例中，為各像素提供三個閘極以提供三個相位。在圖5B中，展示兩個像素510及511，其中閘極531、532及533定位於像素510上方，且閘極534、535及536定位於像素511上方。在影像感測器中，像素510及511沿讀出軸對準以形成形成影像區域503之2D像素陣列之一行之部分。
影像區域503可經實施為一光學感測器或一電荷顆粒感測器。在一項光學感測器實施例中，影像區域503可包含一光敏p型矽基板514及一n型埋設通道513。藉由依據一時脈輸入信號(例如，時脈信號P1a、P2a、P3a、P1b、P2b及P3b之一者)施加至一特定閘極之電壓位準判定矽基板514中之靜電力。高電壓引發在閘極下方一電位「井」之形成，而低電壓形成對電子移動之一電位障。為確保來自一個像素之電荷不與其他像素混合，當將一相鄰閘極電壓驅動低時將一閘極電壓驅動高。在時間570之一初始狀態處，像素510及511之閘極531及534各自具有形成收集且保持積分電荷(即，電子)之電位井之高位準電壓，且(像素510之)閘極532、533及(像素511之)閘極535、536具有形成電位障之低位準電壓。在一後續時間571處，像素510及511之閘極532及535各自具有形成收集且保持積分電荷之電位井之高位準電壓，且(像素510之)閘極531、533及(像素511之)閘極534、536具有形成電位障之低位準電壓。在又一後續時間572處，像素510及511之閘極533及536各自具有形成具有積分電荷(即，電子)之電位井之高位準 電壓，且(像素510之)閘極531、532及(像素511之)閘極534、535具有形成電位障之低位準電壓。注意，相鄰閘極當位移電荷時較佳地兩者皆具有一高位準電壓達一短時間以促進電荷轉移。因此，自時間570至時間571，電荷自左位移至右，即，自像素510位移至像素511。自時間571至時間572發生一類似方向之電荷位移。藉由在圖5A之區域503A及503B中使用個別時脈，轉移方向可在兩個區域中獨立受控。
在2013年12月4日申請且以引用之方式併入本文中之題為「Method and apparatus for high speed acquisition of moving images using pulsed illumination」之美國專利申請案14/096,911提供分離讀出影像感測器500之額外細節。在2009年5月5日發佈且以引用之方式併入本文中之題為「Method and apparatus for simultaneous high-speed acquisition of multiple images」之美國專利案7,528,943提供關於其他例示性影像感測器之額外細節。
圖6繪示CCD影像感測器之時脈信號之例示性驅動電壓。此等時脈信號可由本文描述之電路及方法產生。在一CCD中，電荷需要自一個儲存元件轉移至另一儲存元件，直至電荷到達輸出放大器。如上文解釋，需要多個時脈信號來轉移電荷。不包含分離讀出影像感測器之實施例以及包含分離讀出影像感測器之該等實施例需要此等時脈。取決於CCD之設計，通常需要2、3或4個時脈信號(或可能地此等數量之兩倍用於分離讀出CCD)。在較佳實施例中，此等時脈信號係正弦或實質上正弦的。使用正弦波形之優點在於，因為在基本頻率之二次及較高諧波中存在最小能量且因為大地回路電流被最小化，電荷轉移較平滑(此在容許TDI感測器較準確地追蹤影像運動中尤其係一優點)及時脈信號產生較少電雜訊及熱量。
圖6繪示一3相位CCD之時脈電壓。時脈信號601展示作為時間之一函數之第一時脈信號上之電壓。時脈信號601係一實質上正弦波 形。第二時脈信號602亦具有隨時間之一實質上正弦函數變化之一電壓，但第二時脈信號602相對於時脈信號601係實質上120°相位延遲。第三時脈信號603之電壓亦隨時間之一實質上正弦函數變化，但相對於時脈信號602係實質上120°相位延遲，且因此，相對於時脈信號601係實質上240°相位延遲。線604繪示三個時脈信號601、602及603之和，該和實質上始終為零。實質上零和電壓意謂，來自時脈信號之少量電流流至由此等時脈驅動之影像感測器之接地信號中，從而導致較低電雜訊位準。此係與三個異相方波時脈信號之和相反，該等信號本質上將始終具有一非零和電壓。
在包含一2相位CCD(未展示)之一影像感測器中，兩個時脈信號將與彼此實質上180°異相。在一4相位CCD(未展示)中，第二時脈信號相對於第一時脈信號將係實質上90°相位延遲，第三時脈信號相對於第一時脈信號將係實質上180°相位延遲，且第四時脈信號相對於第一時脈信號將係實質上270°相位延遲。
應注意，所有上述相位值係影像感測器中時脈信號之間的最佳相位差。根據本發明之實施例，時脈可產生具有不同於上述值之相對相位以補償電路導體之不同路徑長度或阻抗及在驅動電子器件與影像感測器之間的連接，使得時脈信號以所需相對相位關係達到影像感測器之有效電路。
用於驅動CCD影像感測器之正弦及其他時脈信號之使用之更多細節可在上文引用之美國專利案‘633及‘309中找到。
圖7A繪示可用於一重設時脈之一例示性電壓波形701。如上文解釋，當一CCD高速讀出(諸如約50MHz或更高之一速度)時，信號無法擁有足夠時間來完全安定。在本發明之一項實施例，一客製波形產生器可用於產生一重設時脈脈衝，重設時脈脈衝具有改良CCD之輸出電壓之安定時間之一形狀。如在圖7A中展示，重設時脈脈衝可以如箭 頭702指示之一短上升時間之一電壓驟增開始。因為CCD信號具有更多時間來相對於上升邊緣穩定(見圖11及其上述解釋)，自脈衝之上升邊緣至CCD信號之饋通比自下降邊緣之饋通較不重要。因此，在一些實施例中，上升時間可係幾ns或更少。接著，重設時脈電壓在如由箭頭703指示之一高位準(諸如約+6V至+8V)處相對不變達足夠長時間以容許重設電晶體自先前像素放電信號。重設時脈之下降邊緣(如由箭頭704、705及706指示)可經調整以減少安定時間。在圖7A之例示性實施例中，時脈之下降邊緣首先降低至由箭頭705指示之電壓位準，接著暫停達一短時間後，降低返回至其由箭頭707指示之低狀態。箭頭707指示之低狀態可對應於約為零之一電壓或略負(諸如約-1V或-2V之一電壓)之一電壓。由箭頭705指示之電壓位準及在該電壓位準所花時間經選定使得由箭頭706指示之下降邊緣之最後一部分造成之振盪或不穩定約與由箭頭704指示之下降邊緣之第一部分造成之振盪或不穩定180°異相，但具有類似量級，使得下降邊緣之兩個部分造成之不穩定大約相消。
應注意，波形701繪示可改良不穩定(類似於圖11中由箭頭1114指示之不穩定)之安定時間之一重設時脈脈衝之一個可能形狀。下文描述之客製波形產生器能夠產生不同脈衝形狀來容許最佳化感測器輸出信號之安定時間。熟習此項技術者將理解，藉由量測感測器輸出信號對一階梯函數或一短脈衝之回應，一重設時脈脈衝可經設計以減少不穩定且相較於一簡單矩形或梯形脈衝提供感測器信號之更快安定。舉例而言，圖7B、圖7C及圖7D繪示其他波形710至712，該等波形可由客製波形產生器產生以最佳化感測器輸出信號之安定時間或降低感測器輸出信號上之雜訊位準。特定言之，圖7B繪示一時脈信號，其可用於一輸出閘極，或可用於每個輸出存在僅兩個行之一實施例中。圖7C及圖7D繪示重設時脈波形，該等波形可減少雜訊且改良安定時 間，儘管其等可能比圖7A之重設時脈波形的最佳化程度稍遜。
圖8繪示一例示性客製波形產生器800之關鍵態樣之一方塊圖，該產生器可產生本文描述之波形之任一者。舉例而言，客製波形產生器800之一輸出829可係參考圖6A或圖7A至圖7D描述之波形。用於操作一影像感測器之此等波形可包含時脈波形及重設波形。一數位時脈輸入801用作一主時脈以控制客製波形產生器800之內部操作之時序且控制產生之客製波形之時序。數位時脈輸入801可視情況藉由一固定或可程式化時脈除法器802劃分以產生可在與輸入時脈801相同或小於輸入時脈801之頻率之一相位時脈806。在一些實施例中，時脈除法器802可包含產生大於輸入時脈頻率之相位時脈806之一頻率之一鎖相迴路。相位時脈806控制一相位累加器809，其等一起判定所產生之客製波形之頻率。
對應於所需客製波形之數位值載入一查詢表(LUT)815中。查詢表815可包括可自一電腦(未展示)載入之讀寫記憶體，及/或可包括可預載有對應於一或多個波形之數位值之唯讀或非揮發性記憶體。一例示性查詢表815可包括256、1024或65536個記憶體元件。儘管查詢表815中記憶體元件之數量等於2的次方(諸如28、210或216)係方便的，但查詢表815可具有任何大小。相位累加器809之最高有效位元用作判定查詢表815中哪個項目輸出為一數位波形817之一位址。藉由查詢表之大小判定用作位址之位元數量。舉例而言，若查詢表815大小為65536個記憶體單元，則累加器之最高有效之16個位元將用作查詢表之位址。
一數位類比轉換器(DAC)825將數位波形817轉換為一類比信號。來自數位類比轉換器825之輸出電壓由一濾波器826過濾以產生一較平滑波形，且接著，由一放大器827放大以產生具有所需電壓擺動(諸如約±6V或±8V)之一輸出829。放大器827具有驅動影像感測器之 足夠電流驅動及將輸出829連接至影像感測器之任何互連或電路板信號跡線。如上文指示，輸出829可包含波形，諸如參考圖6及圖7A至圖7D描述之波形。例示性波形可包含正弦波、略變形正弦波、半正弦波、脈衝及經調整脈衝。
相位累加器809較佳地比定址查詢表815所需具有更多位元，使得額外最低有效位元811可用於實施各時脈週期中之分式相位改變以容許更準確合成在並非時脈輸入801之簡單整數分式之頻率之波形。除每個時脈週期累加一分式相位位移外，客製波形產生器800中別處皆不需要使用最低有效位元811。在一項實施例中，相位累加器809可包括24個位元，其中16個最高有效位元用作查詢表815之位址。在另一實施例中，相位累加器809可包括32個位元，其中16個最高有效位元用作查詢表815之位址。
當需要產生一新波形時，一初始值804載入相位累加器809中且一週期計數器819設定為零。如上文解釋，相位累加器809之最高有效位元810藉由選擇查詢表815中之一特定項目而判定輸出829之電壓。相位時脈806之各週期使相位累加器809將一相位增量805與相位累加器809中之當前值相加。以相位累加器809可保存之最大值為模進行相位增量805與相位累加器809中之值之加法。舉例而言，若相位累加器809係一24位元累加器，則以16,777,216(224)為模進行加法。每次當相位增量805之加法使相位累加器809溢出時，一週期計數器819累加。舉例而言，若相位累加器809係一24位元累加器，則每次當相位增量805與相位累加器809中之值之加法導致16,777,216或更大之一值時，週期計數器819將累加。週期計數器819之輸出可用於在已產生波形週期之一所需數量後停止客製波形產生器800。舉例而言，若客製波形產生器800用於產生一CCD輸出串列暫存器之一個段之一時脈波形且該串列暫存器段係16個像素長，則客製波形產生器800可經程式 化在16個週期後停止。一控制塊820將週期計數器819之輸出與所需最大計數比較，且當達到所需最大計數時產生適當控制信號以停止輸出波形。當不停止之一連續波形係為所需時，計數器819可停用或控制塊820可忽略週期計數器819之輸出值以容許波形連續延展。
一外部控制821可提供客製波形產生器800之總控制，總控制包含此等功能，諸如將值載入至查詢表815中，設定時脈除法器802，設定初始值804，設定相位增量805，載入控制塊820，及控制濾波器826及放大器827。外部控制821可執行其他控制功能。外部控制821可透過一I2C匯流排、USB介面或任何其他適當數位介面介接一電腦。
在一項實施例中，客製波形產生器800之所有功能可在一單一積體電路中實施，諸如一特定應用積體電路(ASIC)。在一項實施例中，兩個或兩個以上客製波形產生器可在一單一積體電路中實施。在另一實施例中，數位功能(例如，除DAC 825、濾波器826及放大器827之功能外之所有功能)可在一個積體電路中實施，且類比功能(諸如DAC 825、濾波器826及放大器827)可在另一積體電路中實施。在兩個積體電路中實施客製波形產生器之一個關鍵優點在於，此使靠近一影像感測器放置多個客製波形產生器成為可能，從而易於確保控制該感測器所需之多個時脈信號到達該感測器而具有最小失真及與其他信號之最小交叉耦合。此對於需要高速(諸如每秒數十億像素)運行而具有低雜訊之半導體檢測及量測系統中之感測器係尤其重要的。將兩個或兩個以上客製波形產生器整合於一單一積體電路中容許益發更有效率之封裝。
圖9繪示用於產生一客製波形之一方法900之一流程圖。在步驟902，一初始相位值載入至累加器中。在步驟903，累加器之最高有效位元輸出至查詢表，查詢表繼而如上文描述輸出客製波形之所需數位值。
在步驟904中，在相位時脈之各週期上，可將相位增量加至累加器。如在步驟905中檢查，若累加器未超過其最大值，則方法將重複輸出最高有效位元(步驟903)且將相位增量加至累加器(步驟904)。若已超過最大值(步驟905)，則計數器之溢出將不會影響計數器之值(即，以計數器之最大值加一為模執行算術)，且在步驟906中，週期計數可累加。舉例而言，若相位累加器具有24個位元，則累加器之最大值將係16,777,215，且將以16,777,215為模執行將相位增量加至累加器之算術。
在步驟907，檢查週期計數。若週期計數已達其最大值(例如，一最大值16)，則在步驟908中，停止產生客製波形。否則，程序自步驟903重複。應注意，若需要一連續波形，則步驟907應循環返回步驟903而不進行任何檢查。在此一情況中，客製波形產生器將連續運行，直至某個外部停止信號送達。
如上文描述，針對圖8之客製波形產生器800，方法900可在含有數位電路及類比電路兩者之一單一特定應用積體電路或兩個積體電路(一個用於數位電路且另一個用於類比電路)中實施。
圖10繪示根據本發明之特定實施例併入一影像感測器1004、一插入器1002、一驅動器電路1006(其可包含一客製波形產生器)及其他電子器件之一例示性偵測器總成1000。
在本發明之一個態樣中，偵測器總成1000可包含安置於插入器1002之表面上之一或多個光敏感測器1004。在一些實施例中，偵測器總成1000之插入器1002可包含(但不限於)一或多個矽插入器。在本發明之一進一步態樣中，偵測器總成1000之一或多個光敏感測器1004係背部薄型化且自背部表面被照明(即，正面向下安裝於插入器1002上)。在一項實施例中，一或多個光敏感測器1004可經組態以藉由包含沈積於背部表面上之一硼層用於在深UV波長或EUV波長操作。
在本發明之另一態樣中，偵測器總成1000之各種電路元件安置於插入器1002上或內建於其中。在一項實施例中，一或多個放大電路(例如，電荷轉換放大器)(未展示)可安置於插入器1002上或內建於其中。在另一實施例中，一或多個轉換電路1008(例如，類比數位轉換電路，或數化器)(未展示)可安置於插入器1002上或內建於其中。在另一實施例中，一或多個驅動器電路1006可安置於插入器1002上或內建於其中。舉例而言，一或多個驅動器電路1006可包含如本文描述之一客製波形產生器。在另一實施例中，一或多個去耦電容器(未展示)可安置於插入器1002上或內建於其中。在另一實施例中，一或多個串列傳輸器(在圖10中未展示)可安置於插入器1002上或內建於其中。
在本發明之另一態樣中，一或多個支撐結構可安置於光敏陣列感測器1004之底部表面與插入器1002之頂部表面之間以提供對感測器1004之實體支撐。在一項實施例中，複數個焊球1016可安置於光敏陣列感測器1004之底部表面與插入器1002之頂部表面之間以提供對感測器1004之實體支撐。在本文中認識到，雖然感測器1004之成像區域可不包含外部電連接，但感測器1004之背部薄型化使感測器1004變得愈加可撓。如此，焊球1016可用來以加固感測器1004之成像部分之一方式將感測器1004連接至插入器1002。在一替代實施例中，一下填材料可安置於光敏陣列感測器1004之底部表面與插入器1002之頂部表面之間以提供對感測器1004之實體支撐。舉例而言，一環氧樹脂可安置於光敏陣列感測器1004之底部表面與插入器1002之頂部表面之間。
在本發明之另一態樣中，插入器1002及各種額外電路(例如，放大電路、驅動器電路1006、數化器電路1008及類似物)安置於一基板1010之一表面上。在另一態樣中，基板1010可包含具有高導熱性之一基板(例如，一陶瓷基板)。就此而言，基板1010可經組態以提供對感測器1004及插入器1002之實體支撐，同時亦為偵測器總成1000提供將 熱量有效率地導出成像感測器1004及各種其他電路(例如，數化器1008、驅動器電路1006、放大器及類似物)之一構件。應注意，基板1010可包含本技術已知之任何剛性高度導熱基板材料。舉例而言，基板1010可包含(但不限於)一陶瓷基板。舉例而言，基板1010可包含(但不限於)氮化鋁。插入器1002可藉由焊球、打線或其他構件電連接至基板1010上之導體。
在另一實施例中，基板1010可經組態以提供至一插座或一下伏印刷電路板(PCB)之一介面。舉例而言，如在圖10中展示，基板1010可經由互連線1012提供插入器1002與一插座或一PCB之間的互連。熟習此項技術者將認識，基板1010可以各種方式操作性耦合至一下伏PCB且進一步電耦合至一插座或PCB，所有方式皆解釋為在本發明之範疇內。
併入影像感測器、插入器、驅動器電路及其他其他電子器件之偵測器總成之更多細節可在2012年9月18日申請且以引用之方式併入本文中之題為「Interposer based imaging sensor for high-speed image acquisition and inspection systems」之美國專利申請案13/622,155中找到。
上文描述之本發明之結構及方法之各種實施例僅繪示本發明之原理，且不意在將本發明之範疇限制於所描述之特定實施例。舉例而言，額外步驟可添加至圖9中描繪之流程圖，或所展示之一些步驟可以不同於所展示之序列進行。在另一實例中，不同於圖6及圖7A至圖7D中描繪之客製波形之客製波形可由本文描述之系統及方法產生以降低雜訊位準或減少來自一影像感測器之信號之安定時間。因此，本發明僅藉由下列申請專利範圍及其等效物限制。

Claims (20)

  1. 一種高速檢測一樣本之方法，該方法包括：將輻射引導且聚焦於該樣本上；接收來自該樣本之輻射且將所接收之輻射引導至一影像感測器；及用預定信號驅動該影像感測器，該等預定信號最小化該影像感測器之一輸出信號之一安定時間，該等預定信號藉由一相位累加器控制，該相位累加器用於選定查詢值。
  2. 如請求項1之方法，其中該驅動包含將一初始相位值載入至該相位累加器中。
  3. 如請求項2之方法，其中該等查詢值藉由該相位累加器之最高有效位元選定。
  4. 如請求項3之方法，其中該驅動包含將該等查詢值轉換為一類比信號。
  5. 如請求項4之方法，其中該驅動包含在一相位時脈之各週期上，將一相位增量加至該相位累加器。
  6. 如請求項5之方法，其中該驅動包含判定是否超過一最大相位累加器值。
  7. 如請求項6之方法，其中該驅動包含：當未超過該最大相位累加器值時，選定該相位累加器之該等最高有效位元，且可將該相位增量加至該相位累加器。
  8. 如請求項7之方法，其中該驅動包含：當超過該最大相位累加器值時，則累加一週期計數。
  9. 如請求項8之方法，其中該驅動包含判定是否超過一最大計數週期值。
  10. 如請求項9之方法，其中該驅動包含：當未超過該最大計數週期值時，則重複該選定該相位累加器之該等最高有效位元及該將該相位增量加至該相位累加器。
  11. 如請求項10之方法，其中該驅動包含：當超過該最大計數週期值時，則停止該驅動。
  12. 如請求項3之方法，其中該等最高有效位元係16個位元。
  13. 如請求項1之方法，其中該接收之輻射係散射輻射。
  14. 如請求項1之方法，其中該接收之輻射係反射輻射。
  15. 一種用於檢測一樣本之系統，該系統包括：一照明源；一裝置，其經組態以執行光偵測；光學器件，其經組態以將來自該照明源之光引導至該樣本且將來自該樣本之光輸出、反射或透射引導至該裝置；一驅動電路，其用於驅動該裝置，該驅動電路包括最小化該裝置之一輸出信號之一安定時間之一客製波形產生器，該客製波形產生器包含用於接收時脈及控制信號之一相位累加器、耦合至該相位累加器之一輸出之一查詢表及耦合至該查詢表之一輸出之一數位類比轉換器。
  16. 如請求項15之系統，其中該光學器件包含：當該等光輸出、反射或透射對應於一第一通道時之一第一通道影像模式繼電器；及當該等光輸出、反射或透射對應於一第二通道時之一第二通道影像模式繼電器，其中該裝置係經組態以接收該第一通道影像模式繼電器及該第二通道影像模式繼電器之繼電器輸出之一影像感測器。
  17. 如請求項15之系統，其中該裝置包含一半導體膜，該半導體膜 包含形成於該半導體膜之一第一表面上之電路元件及沈積於該半導體膜之一第二表面上之一純硼層。
  18. 如請求項15之系統，其中該裝置包括定位於一影像區域之任一側上之兩組讀出電路。
  19. 如請求項15之系統，其中該裝置包括一電子轟擊影像感測器。
  20. 如請求項15之系統，其中該裝置包含一或多個影像感測器。
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