TWI780109B - 用於半導體計量及檢驗之系統及方法 - Google Patents

用於半導體計量及檢驗之系統及方法 Download PDF

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約翰 費爾登
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Abstract

本發明揭示用於使用寬帶紅外線輻射量測或檢驗半導體結構之系統及方法。該系統可包含一照明源，該照明源包括經組態以產生泵浦光之一泵浦源及經組態以回應於該泵浦光而產生寬帶IR輻射之一非線性光學(NLO)總成。該系統亦可包含一偵測器總成及經組態以將該IR輻射引導至一樣本上且將自該樣本反射及/或散射之該IR輻射之一部分引導至該偵測器總成之一組光學器件。

Description

用於半導體計量及檢驗之系統及方法
本發明大體上係關於適用於半導體製造或類似程序之計量及檢驗系統及方法。更特定言之，本發明係關於適用於計量及檢驗工具之寬帶近紅外線及短波長紅外線光源。
隨著記憶體裝置(NAND及DRAM兩者)之密度增大，半導體製造商愈來愈多地使用較厚膜堆疊以每單位面積堆積更多電晶體及位元。較高膜堆疊需要使較深通道、通孔、溝槽及類似結構蝕刻至其等中。需要具有較強抗蝕刻性之較厚硬遮罩及材料，以便蝕刻所要形狀及深度。然而，硬遮罩材料(例如多晶矽、非晶矽、TiN、非晶碳及類似物)強烈吸收可見光及UV波長光。
當前檢驗及計量技術不足以量測或檢驗在可為大於100nm厚且使用強烈吸收UV光及可見光之一材料製成之一硬遮罩下方之多微米高結構。
電子顯微鏡可用於檢驗一通道、通孔、溝槽或類似物之內部，但隨著孔變深，較少回散射或二次電子可退出一深窄孔，從而導致對實質上在表面下方之任何事物之低敏感度。在孔周圍，大部分二次電子來自材料之表面，且因此幾乎未提供來自材料內之深結構或缺陷之資訊。
具有適當波長之X射線(若自晶圓之背側照明，則可為硬X射線，否則幾keV之X射線能量可足夠)可穿透幾微米或更多之常見半導體材料。然而，x射線源具有低輻射率且被大部分半導體材料弱散射。此外，x射線光學器件係不可撓的且相較於用於可見光及IR光之光學器件具有不良品質。即使一高輻射率x射線源變得可用，一半導體晶圓之任何經檢驗或量測區域將仍需曝露至一高輻射劑量，此係因為不同材料之間的弱對比度需要一高x射線通量以產生一強信號。此一高劑量可藉由例如在半導體材料中產生捕獲電荷而容易地損壞晶圓上之半導體裝置。
此項技術中已知紅外線輻射(IR)源。黑體輻射體(諸如發光條)之輻射率受發光條之溫度限制。過高的溫度將熔化或燃燒發光條。電漿光源(諸如弧光燈及雷射泵浦源)可具有擁有遠高於一發光條之一溫度(可能高至約10,000K至15,000K)之一發射區，但在不使用非常高電流或大雷射之情況下難以使電漿足夠大以在光學上不透明。另外，電漿必須被較冷氣體包圍，其可吸收來自電漿之熱核心之一些發射且在一較低黑體溫度下重新發射輻射。所有此等源將光發射成來自一相對大發射體積之4π球面度(尺寸通常為幾百微米至毫米)。此一大展光量無法有效耦合至一光學計量或檢驗儀器中，且浪費多數發射功率。
現有IR量測及檢驗系統具有用於在前導邊緣半導體製程期間在大多數圖案化晶圓上量測之一過大量測點大小。此等系統亦太緩慢而難以在線用於高容量半導體製造。現有IR源之低輻射率將導致具有一低信號位準之任何小點(例如小於約25μm之點或像素尺寸)量測或檢驗系統，此意謂高敏感度量測及檢驗將非常緩慢(可能每晶圓數分鐘或更長)。在一高容量半導體製程中不期望緩慢量測及檢驗。
因此，需要產生NIR及SWIR範圍中之一廣波長範圍之一高輻射率IR源以解決上文識別之缺點之一或多者。亦需要併入一高輻射率IR源之計量及檢驗系統。
根據本發明之一或多項實施例，揭示一種用於產生用於半導體計量及/或檢驗中之寬帶紅外線(IR)輻射之系統。在一項實施例中，該系統包含一照明源。在另一實施例中，該照明源包括一寬帶光源總成。在另一實施例中，該寬帶光源總成包含經組態以產生具有一選定波長之光之一泵浦源及經組態以回應於由該泵浦源產生之泵浦光而產生寬帶IR輻射之一非線性光學(NLO)總成。在另一實施例中，該系統包含一偵測器總成。在另一實施例中，該系統包含經組態以將該IR輻射引導至一樣本上之一組光學器件，其中該組光學器件經進一步組態以將來自該樣本之該IR輻射之一部分引導至該偵測器總成。
根據本發明之一或多項實施例，揭示一種用於在半導體計量及/或檢驗中產生及使用寬帶IR輻射之方法。在一項實施例中，該方法包含產生具有一選定波長之泵浦光且將該泵浦光引導至一非線性光學(NLO)總成，該非線性光學(NLO)總成經組態以回應於該泵浦光而產生寬帶IR輻射。在另一實施例中，該方法包含將該IR輻射引導至一物鏡。在另一實施例中，該方法包含將該IR輻射聚焦至一樣本上。在另一實施例中，該方法包含將自該樣本反射或散射之該IR輻射之一部分引導至一偵測器總成。在另一實施例中，該方法包含自藉由該偵測器總成偵測之IR輻射之部分判定該樣本之一特性。
應理解，前述一般描述及下列詳細描述兩者皆僅為例示性及說明性 且未必限制所主張之本發明。併入本說明書中且構成本說明書之一部分之附圖繪示本發明之實施例且與一般描述共同用於說明本發明之原理。
100:單元胞/堆疊半導體結構
101:泵浦光
102:泵浦源
103:寬帶紅外線(IR)輻射
104:非線性光學(NLO)總成
105:光學腔
106:光學元件
107:再循環泵浦光
108:非線性光學(NLO)元件
110:濾波器
112:光學元件
114:第一鏡
116:第二鏡
118:第三鏡
120:第四鏡
121:泵浦光
122:二向色鏡
123:光
124:壓電傳感器(PZT)
125:光學腔
126:雷射
128:光學元件
130:非線性光學(NLO)元件
132:濾波器
134:光學元件
136:第一鏡
138:第二鏡
140:第三鏡
142:第四鏡
144:轉向元件
148:非線性光學(NLO)元件
150:雷射
151:泵浦光
152:光學元件
154:第一鏡
156:第二鏡
158:第三鏡
160:第四鏡
162:非線性光學(NLO)元件
165:光學腔
166:濾波器
168:光學元件
170:第一鏡
172:第二鏡
174:第三鏡
176:第四鏡
178:轉向元件
180:非線性光學(NLO)元件
200:照明源/系統
204:模式匹配望遠鏡
206:第一鏡
208:第二鏡
210:輸入耦合器
212:第一拋物面鏡
214:第二拋物面鏡
216:輸出耦合器
218:非線性光學(NLO)元件
220:第一調諧鏡
222:第二調諧鏡
224:組件
226:組件
300:圖表
301:曲線
302:曲線
303:曲線
304:曲線
305:曲線
306:曲線
307:曲線
308:曲線
310:圖表
320:圖表
400:檢驗及/或計量系統
401:照明
402:光學元件
403:照明臂
404:光束分裂器
405:集光臂
406:物鏡
408:樣本
410:光學元件
412:載物台總成
414:偵測器/偵測器總成
416:感測器
418:控制器
420:處理器
422:記憶體/非暫時性記憶體媒體
500:檢驗及/或計量系統
501:電馬達
502:參考橢偏儀
503:檢偏鏡
504:樣本
505:偵測器
506:基板
507:準單色探測光束
508:薄膜層/膜
510:光束輪廓橢偏儀(BPE)
512:光束輪廓反射儀(BPR)
514:寬帶反射光譜儀(BRS)
518:寬帶光譜橢偏儀(BSE)
520:雷射
524:探測光束
526:探測光束
528:透鏡
529:鏡
530:鏡
532:透鏡
533:透鏡
534:四分之一波板
536:偏光器
538:透鏡
540:四象限感測器
542:鏡
544:鏡
546:鏡
548:處理器
550:透鏡
552:光束分裂器
554:感測器陣列
556:感測器陣列
558:寬帶光譜儀
560:透鏡
562:孔徑
564:色散元件
566:感測器陣列
570:偏光器
572:聚焦鏡
574:準直鏡
576:旋轉補償器
578:電馬達
580:檢偏鏡
582:鏡
584:鏡
586:偵測器
590:雷射/光源
592:偏光器
594:透鏡
596:透鏡
598:旋轉補償器
600:方法
602:步驟
604:步驟
606:步驟
608:步驟
610:步驟
612:步驟
藉由參考附圖可使熟習此項技術者更好理解本發明之數個優點，其中：圖1繪示根據本發明之一或多項實施例之一堆疊半導體結構之一單元胞之一概念圖。
圖2A至圖2F繪示根據本發明之一或多項實施例之用於產生寬帶紅外線輻射之一系統之簡化示意圖。
圖3A繪示根據本發明之一或多項實施例之使用砷化鎵(GaAs)光學參數振盪器(OPO)之所產生波長輸出之一圖表。
圖3B繪示根據本發明之一或多項實施例之使用鈮酸鋰(LN)光學參數振盪器(OPO)之所產生波長輸出之一圖表。
圖3C繪示根據本發明之一或多項實施例之處於各種泵浦波長之使用一週期性極化鈮酸鋰(PPLN)光學參數振盪器(OPO)之所產生波長輸出之一圖表。
圖4繪示根據本發明之一或多項實施例之一檢驗及/或計量系統之一簡化示意圖。
圖5繪示根據本發明之一或多項實施例之一檢驗及/或計量系統之一簡化示意圖。
圖6繪示根據本發明之一或多項實施例之用於產生寬帶紅外線輻射之一方法之一流程圖。
相關申請案之交叉參考
本申請案根據35 U.S.C.§ 119(e)規定主張2017年2月5日申請之以Yung-Ho Alex Chuang、John Fielden及Baigang Zhang為發明者之標題為INFRARED SPECTROSCOPIC ELLIPSOMETER AND AN INFRARED REFLECTOMETER之美國臨時申請案第62/454,805號之權利，該案之全部內容以引用的方式併入本文中。
現在將詳細參考附圖中繪示之所揭示標的物。
本發明係關於用於半導體計量及檢驗系統之改良方法及系統。呈現下列描述以使一般技術者能夠製成及使用如在一特定應用及其要求之內容脈絡中提供之本發明之實施例。如本文中使用，諸如「頂部」、「底部」、「在...上方」、「在...下方」、「上」、「向上」、「下」、「朝下」、「向下」及類似物之方向術語旨在為描述之目的提供相對位置，且不旨在指定一絕對參考系。熟習此項技術者將明白對所描述實施例之各種修改，且本文中定義之一般原理可應用於其他實施例。因此，本發明並不旨在限於所展示及描述之特定實施例，而應符合與本文中揭示之原理及新穎特徵一致之最廣泛範疇。
大體上參考圖1至圖6，根據本發明之一或多項實施例描述用於產生寬帶近紅外線(NIR)及短波長紅外線(SWIR)照明之一系統及方法。本發明之實施例係關於產生及/或使用寬帶IR輻射以便檢驗及/或量測一堆疊半導體結構內深處之缺陷或特徵。
圖1繪示根據本發明之一或多項實施例之一堆疊半導體結構之一單元胞100之一概念圖。單元胞100繪示可使用本文中描述之系統或方法之任一者進行量測或檢驗之一半導體晶圓上之一例示性結構之部分。單元胞 100可在一或兩個維度上重複多次，以便組成一較大堆疊半導體結構。在一項實施例中，單元胞100可包含多個層。例如，單元胞100可包含50對以上層或100對以上層。雖然在圖1中僅展示六對重複層，但應注意，圖1僅為闡釋性目的而提供且不應被解釋為對本發明之範疇之一限制。就此而言，額外層可存在於單元胞100中展示之諸對重複層上方及下方。例如，一硬遮罩可存在於重複層之頂部上，如在圖1中展示。
在一項實施例中，單元胞100可包含在貫穿單元胞100之各個深度處之一或多個所關注尺寸。所關注尺寸可包含各種寬度或臨界尺寸。例如，單元胞100可包含一頂部臨界尺寸(TCD)、一中間臨界尺寸(MCD)及一底部臨界尺寸(BCD)。藉由另一實例，其他所關注結構尺寸可包含在相對於上下層之重複層之一者處之所關注尺寸。
如先前在本文中提及，當前不存在足以量測或檢驗在厚度可大於100nm且使用強烈吸收UV光及可見光之一材料製成之一硬遮罩下方之多微米高結構(例如單元胞100)之技術。例如，不存在可用於量測或檢驗圖1中之BCD之良好現有技術，其中硬遮罩強烈吸收UV光及可見光。
厚硬遮罩可取決於遮罩之材料及厚度而對近紅外線(NIR)或短波長紅外線(SWIR)透明。然而，現有IR半導體計量系統具有大量測點(例如約1mm)且主要用於量測未圖案化晶圓。此等量測點大小過大而難以在前導邊緣半導體製程期間在大多數圖案化晶圓上量測。該等儀器亦太緩慢而難以在線用於高容量半導體製造。現有IR源之低輻射率將導致具有一低信號位準之任何小點(例如小於約25μm之點或像素尺寸)量測或檢驗系統，此意謂高敏感度量測及檢驗將非常緩慢(可能每晶圓數分鐘或更長)。在一高容量半導體製程中不期望緩慢量測及檢驗。
鑑於當前檢驗及計量系統之缺點，本發明之實施例係關於能夠產生NIR及SWIR範圍中之一廣波長範圍之一高輻射率IR源。可進一步期望，此等源可延伸至中波長IR，諸如長約5μm之波長。本文中應注意，一寬帶IR輻射之產生可提供如在圖1中展示之堆疊半導體結構中之增大檢驗及/或量測能力。例如，應注意，寬帶IR輻射可能夠以較大效率穿透硬遮罩及/或堆疊半導體結構。就此而言，由本發明之系統及方法產生之寬帶IR輻射可能夠檢驗及/或量測堆疊半導體結構之表面下方之缺陷或特徵(例如MCD、BCD及類似物)。
相較於超連續光譜源，本發明之實施例係有利的，因為其等係基於χ2非線性而非χ3非線性。本文中應注意，χ2非線性歸因於非線性係數大得多之事實而遠比x3非線性有效。此外，一些超連續光譜源產生被非線性材料強烈吸收之波長(諸如近UV波長)，此導致非線性材料之光暗化及損壞。由於非線性材料(諸如光子晶體光纖或其他特殊光纖)需要頻繁更換，故此等超連續光譜源每天操作24小時可為昂貴的。超連續光譜源通常非常嘈雜，其等具有脈衝間的顯著(多個百分比)輸出強度波動。應注意，本發明之照明源比超連續光譜源安靜。
圖2A繪示根據本發明之一或多項實施例之用於產生寬帶IR輻射103之照明源200之一簡化示意圖。
在一項實施例中，照明源200包含經組態以產生泵浦光101之一泵浦源102及經組態以回應於泵浦光101而產生寬帶IR輻射103之一非線性光學(NLO)總成104。
應注意，NLO總成104可包含此項技術中已知的任何數目及類型之光學元件及組件。例如，NLO總成104可包含(但不限於)一或多個NLO元 件。例如，NLO總成104可包含一或多個NLO晶體。
圖2B繪示根據本發明之一或多項實施例之用於產生寬帶IR輻射103之照明源200之一簡化示意圖。
在一項實施例中，如在圖2B中描繪，照明源200包含一泵浦源102及一非線性光學(NLO)總成104。此外，NLO總成104可包含(但不限於)一或多個光學元件106、一NLO元件108(例如NLO晶體)及/或一或多個濾波器110。在另一實施例中，NLO總成104之NLO元件108回應於泵浦光101之吸收而產生寬帶IR輻射103。
泵浦源102可經組態以產生具有各種波長之泵浦光101，包含(但不限於)近800nm波長之泵浦光101(例如Ti-藍寶石雷射)、近1μm波長之泵浦光101(例如Nd：YAG、ND-釩酸鹽、YLF或Yb摻雜光纖雷射)、近1.5μm波長之泵浦光101(例如Er摻雜光纖雷射)、近2μm波長之泵浦光101(例如Tm摻雜光纖雷射)及類似物。在另一實施例中，泵浦源102可包含一雷射。在另一實施例中，泵浦源102可包含一脈衝雷射。例如，泵浦源102可產生具有約5ps或更短之半峰全寬(FWHM)之脈衝。
在另一實施例中，藉由一或多個光學元件106修改泵浦光101。一或多個光學元件可包含此項技術中已知的任何光學元件，包含(但不限於)一或多個透鏡、一或多個鏡、一或多個光束分裂器、一或多個偏光器及類似物。在另一實施例中，一或多個光學元件106經組態以將泵浦光101引導至NLO元件108。例如，可藉由一或多個透鏡(例如一或多個光學元件106)將泵浦光101聚焦至NLO元件108中或其附近之一圓形或橢圓形光束腰。
在另一實施例中，NLO元件108包含一週期性極化非線性光學晶體。例如，NLO元件108可包含(但不限於)週期性極化鈮酸鋰(PPLN)、週期性 極化理想配比鉭酸鋰(SLT)、週期性極化鎂摻雜SLT或定向圖案化砷化鎵。在另一實施例中，NLO元件108之週期性極化或定向圖案化可經組態，使得接近於泵浦光101之波長之兩倍之波長存在一準相位匹配條件。在一項實施例中，針對接近於IR泵浦光101之波長之兩倍之波長，NLO元件108可具有約零群速色散。本文中應注意，此實施例可最大化由NLO元件108產生之寬帶IR輻射103之帶寬。
在另一實施例中，系統200包含一或多個濾波器110。一或多個濾波器110可修改寬帶IR輻射103之一或多個特性。例如，一或多個濾波器110可自寬帶IR輻射103濾除任何未耗盡泵浦光101。藉由另一實例，一或多個濾波器110可阻擋任何非所要波長或修改寬帶IR輻射103之光譜之形狀。
圖2C繪示根據本發明之一或多項替代及/或額外實施例之用於產生寬帶IR輻射103之系統200之一簡化示意圖。應注意，除非另外提及，否則在圖2A至圖2B中描繪且在其等相關聯描述中描述之系統200之各種實施例及組件應被解釋為延伸至圖2C。
在此實施例中，NLO總成104包含一或多個光學元件112、一NLO元件108及一組鏡。例如，該組鏡可包含(但不限於)一第一鏡114、一第二鏡116、一第三鏡118及一第四鏡120。應注意，NLO總成104可經組態為一光學參數振盪器(OPO)。就此而言，泵浦光101可經引導至OPO之一光學腔(例如光學腔105)中。在另一實施例中，NLO總成104包含用於利用所產生寬帶IR輻射103之一或多個轉向元件(例如二向色鏡122)。
雖然本發明之大部分論述包括四個鏡之一光學腔105，但此不應被視為對本發明之範疇之一限制。此項技術中已知且可在不脫離本發明之精神 及範疇之情況下使用具有各種數目個鏡之光學腔。在一項實施例中，光學腔105可包含一或多個曲面鏡或透鏡(例如第三曲面鏡118、第四曲面鏡120)以在泵浦光107在光學腔105內再循環時重新聚焦再循環泵浦光107。
在另一實施例中，一或多個光學元件112(例如一或多個透鏡)可將泵浦光101聚焦至光學腔105中以匹配一光學腔105模式，使得泵浦光101經聚焦至NLO元件108中或其附近之一圓形或橢圓形光束腰。應注意，除非另外提及，否則關於在圖2B中描繪之NLO元件108之先前論述亦可被視為應用於在圖2C中描繪之NLO元件108。就此而言，在圖2C中描繪之NLO元件108可類似於圖2B中之NLO元件108般組態，以便對泵浦光101簡併地降頻轉換。此外，NLO元件108可回應於泵浦光101之吸收而產生寬帶IR輻射103。
在另一實施例中，泵浦光101可在光學腔105內作為再循環泵浦光107再循環通過NLO元件108，以便增大NLO元件108中之泵浦波長(例如泵浦波長ω)之光之功率密度。本文中應注意，增大泵浦波長ω之光之功率密度可增大NLO元件108內之轉換效率。在一較佳實施例中，光學腔105亦可再循環由NLO元件108產生之寬帶IR輻射103之一部分。應注意，再循環由NLO元件108產生之寬帶IR輻射103之一部分可藉由NLO元件108中之信號及閒頻信號波長之刺激發射而進一步增大轉換效率且導致寬帶IR輻射103變得更穩定。
本文中應注意，泵浦光101可為連續波(CW)或脈衝光。在具有脈衝泵浦光101之實施例中，光學腔105之光學長度可匹配連續脈衝之間的分離。在另一實施例中，一壓電傳感器(PZT)124可經組態以調整光學腔105之長度，以便維持再循環泵浦光107與輸入泵浦光101之鎖定。例如，如 在圖2C中展示，PZT 124可經附接至一鏡(例如第二鏡116)，以便調整光學腔105之長度。應注意，可在不脫離本發明之精神及範疇之情況下使用此項技術中已知的任何鎖定方案。應進一步注意，當泵浦光101之輸入脈衝相對長(例如幾ps)時，若以高機械及熱穩定性設計光學腔105，則光學腔105長度之即時調整可為不必要的。相反地，應進一步注意，對於具有短於幾ps之脈衝之CW泵浦光101及脈衝泵浦光101，光學腔105之即時鎖定可為較佳的，以便維持NLO元件108中之一高功率密度。
在另一實施例中，如在圖2C中展示，系統200包含一或多個轉向元件122。一或多個轉向元件122可包含(但不限於)一或多個取樣鏡(pickoff mirror)、一或多個光束分裂器、一或多個二向色鏡或類似物。在一項實施例中，轉向元件122將在NLO元件108中產生之全部或大部分寬帶IR輻射103作為寬帶IR輻射103引導出光學腔105。例如，二向色鏡可用於將寬帶IR輻射103之約85%引導出光學腔105，從而留下光之一小分率以作為再循環泵浦光107再循環遍及光學腔105。藉由另一實例，二向色鏡可將寬帶IR輻射103之約70%引導出光學腔105。藉由另一實例，二向色鏡可將寬帶IR輻射103之約95%引導出光學腔105。
圖2D繪示根據本發明之一或多項替代及/或額外實施例之用於產生寬帶IR輻射103之替代系統200之一簡化示意圖。
在一項實施例中，如在圖2D中展示，系統200可包含一泵浦源102及一NLO總成104。在一項實施例中，泵浦源102可包含(但不要求包含)經組態以產生泵浦光121之一雷射126、一或多個光學元件128、一NLO元件130及/或一或多個濾波器132。在另一實施例中，NLO總成104包含(但不要求包含)一或多個光學元件134、一NLO元件148、一或多個轉向元件 144及/或一組鏡。該組鏡可包含(但不限於)一第一鏡136、一第二鏡138、一第三鏡140及一第四鏡142。應注意，NLO總成104可包括一OPO總成。本文中應注意，除非本文中另外提及，否則關於在圖2A至圖2C中描繪且在其等相關聯描述中描述之系統200之各種元件之論述亦可被視為應用於在圖2D中描繪之系統200之各種元件。
在一項實施例中，如在圖2D中描繪，泵浦源102包括經組態以產生泵浦光121之一雷射126、一或多個光學元件128、一NLO元件130及一或多個濾波器132。在一項實施例中，一或多個光學元件128將泵浦光121引導至NLO元件130。在另一實施例中，NLO元件130回應於泵浦光121之吸收而產生光123，其中光123包含兩種或兩種以上不同頻率。例如，NLO元件130可將具有一第一頻率之泵浦光121轉換成包含一第二頻率及一第三頻率之光123。藉由另一實例，NLO元件130可將具有一第一頻率之泵浦光121轉換成寬帶光123。
在另一實施例中，一或多個濾波器132修改光123之一或多個特性以產生泵浦光101。例如，一或多個濾波器132可阻擋光123之任何非所要波長。藉由另一實例，一或多個濾波器132可修改寬帶光123之光譜之形狀。
本文中應注意，包括一雷射126、一或多個光學元件128、一NLO元件130及一或多個濾波器132之泵浦源102可允許泵浦光101之增大調諧。本文中應進一步注意，進入NLO總成104之光學腔125之泵浦光101之一增大調諧能力可允許寬帶IR輻射103之增大調諧能力。
在另一實施例中，泵浦源102將泵浦光101引導至NLO總成104。在另一實施例中，NLO總成104包含(但不要求包含)一或多個光學元件134、 一NLO元件148、一或多個轉向元件144及/或一組鏡。該組鏡可包含(但不要求包含)一第一鏡136、一第二鏡138、一第三鏡140及一第四鏡142。此外，一或多個轉向元件144可包含(但不限於)一或多個取樣鏡、一或多個光束分裂器、一或多個二向色鏡或類似物。應注意，NLO總成104可包括一OPO。
圖2E繪示根據本發明之一或多項替代及/或額外實施例之用於產生寬帶IR輻射103之替代系統200之一簡化示意圖。
如在圖2E中展示，系統200可包含一泵浦源102及一NLO總成104。在另一實施例中，泵浦源102包含(但不要求包含)經組態以產生泵浦光151之一雷射150、一或多個光學元件152、一NLO元件162、一或多個濾波器166及/或一組鏡。該組鏡可包含(但不要求包含)一第一鏡154、一第二鏡156、一第三鏡158及一第四鏡160。應注意，系統200之泵浦源102可包括一第一OPO總成。
在另一實施例中，系統200可包含一NLO總成104。NLO總成104可包含(但不要求包含)一或多個光學元件168、一NLO元件180、一或多個轉向元件178及/或一組鏡。該組鏡可包含(但不要求包含)一第一鏡170、一第二鏡172、一第三鏡174及一第四鏡176。應注意，在圖2E中描繪之NLO總成104可包括一第二OPO總成。
本文中應進一步注意，除非本文中另外提及，否則關於在圖2A至圖2D中描繪且在其等相關聯描述中描述之系統200之各種元件之論述亦可被視為應用於在圖2D中描繪之系統200之各種元件。
如先前在本文中提及，在圖2E中描繪之泵浦源102可提供引導至NLO總成104(例如第二OPO總成)之光學腔165中之泵浦光101之增大調諧 能力，藉此增大所得寬帶IR輻射103之調諧能力。
圖2F繪示根據本發明之一或多項替代及/或額外實施例之用於產生寬帶IR輻射之照明源200之一簡化示意圖。本文中應注意，除非另外提及，否則關於在圖2A至圖2E中描繪且在其等相關聯描述中描述之照明源200之各種元件之論述應被解釋為延伸至圖2F之實施例。
在一項實施例中，照明源200包含一泵浦源102及一NLO總成104。在本文中應注意，泵浦源102可包含此項技術中已知的任何泵浦源。例如，泵浦源102可包含(但不限於)一雷射源。例如，泵浦源102可包含一脈衝雷射(例如以分別33 nJ之選定脈衝能量、70 fs脈衝長度之持續時間及90MHz之頻率操作之1055nm Yb雷射)。
NLO總成104可包含(但不限於)一模式匹配望遠鏡204、一輸入耦合器210、一NLO元件218及一組鏡。例如，該組鏡可包含(但不要求包含)一第一鏡206、一第二鏡208、一第一拋物面鏡212及一第二拋物面鏡214。在另一實施例中，NLO總成可包含經組態以調整光學腔之長度之一或多個組件224、226。例如，一或多個組件224、226可包含(但不限於)一或多個壓電傳感器(PZT)。在另一實施例中，NLO總成104包含一輸出耦合器216。在另一實施例中，NLO總成104包含一第一調諧鏡220及一第二調諧鏡222。
在一項實施例中，泵浦源102經組態以產生以1055nm為中心(例如約1μm)之脈衝。在另一實施例中，來自泵浦源102之照明經引導至模式匹配望遠鏡204。在另一實施例中，照明經引導至輸入耦合器210。在一項實施例中，如在圖2F中展示，輸入耦合器210接收來自泵浦源102之照明(例如1μm)且產生1μm及2μm輸出光束。在另一實施例中，輸入耦合器 210之輸出光束經引導通過光學腔，其中輸出光束之一部分經由第一拋物面鏡212及第二拋物面鏡214引導至一NLO元件218。在另一實施例中，1μm及2μm輸出光束經組合且透過輸出耦合器216離開。
Wolf等人之標題為「19-nJ Five-Cycle Pulses from a 2-μm Degenerate Optical Parametric Oscillator」之光學學會之會議出版物更詳細描述圖2F之實施例。此出版物之全部內容以引用的方式併入本文中。
圖3A繪示根據本發明之一或多項實施例之使用GaAs光學參數振盪器(OPO)之所產生波長輸出之一圖表300。圖表300顯示在使用具有3300nm之一泵浦波長之照明泵激時GaAs OPO之所產生輸出波長(以μm為單位)對GaAs OPO之輪詢週期(以μm為單位)。
如在圖3A中展示，具有3300nm之一泵浦波長之照明經引導至GaAs光學參數振盪器(OPO)。曲線301、302、303及304描繪GaAs OPO之所產生波長輸出，其中曲線301描繪在350℃下之GaAs OPO之所產生波長輸出，曲線302描繪在250℃下之GaAs OPO之所產生波長輸出，曲線303描繪在150℃下之GaAs OPO之所產生波長輸出，且曲線304描繪在50℃下之GaAs OPO之所產生波長輸出。就此而言，應注意，輪詢週期與溫度成反比。此外，歸因於所產生波長根據溫度而變化之事實，可藉由改變溫度來調諧照明源200。
應進一步注意，對於大部分輪詢週期，在一特定溫度下之一單一輪詢週期可產生兩個或兩個以上輸出波長。例如，參考曲線303，對於166μm之一輪詢週期，GaAs OPO產生兩個波長：5.0μm及約9.8μm。相反地，再次參考曲線303，在約167μm之一輪詢週期下，GaAs OPO產生介於約5.5μm至約8.5μm之間的輸出波長之一寬光譜。因此，在150℃下引 導一GaAs OPO處之具有3300nm之一泵浦波長之照明將產生具有自約5.5μm至約8.5μm之波長範圍之寬帶照明。就此而言，具有最長平坦垂直部分之曲線(例如曲線301、302、303、304)能夠產生輸出寬帶照明之最寬光譜。例如，歸因於曲線303具有曲線301、302、303、304中之最長平坦垂直部分之事實，當使用3300nm之一泵浦波長泵激時，GaAs OPO在150℃下產生輸出寬帶照明之最寬光譜。
圖3B繪示根據本發明之一或多項實施例之使用鈮酸鋰(LN)光學參數振盪器(OPO)之所產生波長輸出之一圖表310。圖表310顯示在使用960nm之一泵浦波長泵激時LN OPO之所產生輸出波長(以μm為單位)對LN OPO之輪詢週期(以μm為單位)。
如在圖3B中展示，具有960nm之一泵浦波長之照明經引導至一LN光學參數振盪器(OPO)。曲線305、306、307及308描繪GaAs OPO之所產生波長輸出，其中曲線305描繪在350℃下之LN OPO之所產生波長輸出，曲線306描繪在250℃下之LN OPO之所產生波長輸出，曲線307描繪在150℃下之LN OPO之所產生波長輸出，且曲線308描繪在50℃下之LN OPO之所產生波長輸出。就此而言，應注意，輪詢週期與溫度成反比。此外，應注意，可使用溫度調諧寬帶照明之產生。
類似於圖表300，圖表310中之具有最長平坦垂直部分之曲線(例如曲線305、306、307、308)能夠產生輸出寬帶照明之最寬光譜。參考圖表310，曲線306具有最長平坦垂直部分。因此，當使用960nm之一泵浦波長泵激時，LN OPO在250℃下產生輸出寬帶照明之最寬光譜。
圖3C繪示根據本發明之一或多項實施例之處於各種泵浦波長之所產生波長輸出之一圖表320。圖表320顯示在使用各種泵浦波長(以μm為單 位)泵激時在250℃下PPLN OPO之所產生輸出波長(以μm為單位)。
如先前參考圖3A及圖3B中之圖表300、310陳述，圖表320中之具有平坦垂直部分之曲線指示所產生寬帶輸出照明。就此而言，圖表320之具有最長平坦垂直部分之曲線能夠產生輸出寬帶照明之最寬光譜。參考圖表320，應注意，使用具有960nm之一泵浦波長之泵照明產生一曲線之最長平坦垂直部分且因此產生輸出寬帶照明之最寬光譜。
圖4繪示根據本發明之一或多項實施例之一檢驗及/或計量系統400之一簡化示意圖。應注意，系統400可併入貫穿本發明描述之照明源200之各種實施例之一或多者。在一項實施例中，系統400包含照明源200、一照明臂403、一集光臂405、一偵測器414及包含一或多個處理器420及記憶體422之一控制器418。
在一項實施例中，系統400經組態以檢驗及/或量測一樣本408。樣本408可包含此項技術中已知的任何樣本，包含(但不限於)一晶圓、一倍縮光罩、一光罩及類似物。在另一實施例中，樣本408經安置於一載物台總成412上以促進樣本408之移動。載物台412可包含此項技術中已知的任何載物台總成412，包含(但不限於)X-Y載物台或R-θ載物台。在另一實施例中，載物台總成412能夠在檢驗期間調整樣本408之高度以維持樣本408上之聚焦。
在一項實施例中，照明源200可包含系統200，如本文中描述。本文中應注意，照明源200可包含此項技術中已知的任何照明源，包含(但不限於)藉由一連續波(CW)雷射泵激之一寬帶IR輻射源。藉由另一實例，照明源200可包含藉由一脈衝雷射泵激之一寬帶IR輻射源。
在另一實施例中，系統400可包含經組態以將照明401引導至樣本408 之一照明臂403。應注意，系統400之照明源200可經組態為此項技術中已知的任何定向，包含(但不限於)暗場定向、光場定向及類似物。
照明臂403可包含此項技術中已知的任何數目及類型之光學組件。在一項實施例中，照明臂403包含一或多個光學元件402、一光束分裂器404及一物鏡406。就此而言，照明臂403可經組態以將來自照明源200之照明401聚焦至樣本408之表面上。一或多個光學元件402可包含此項技術中已知的任何光學元件，包含(但不限於)一或多個鏡、一或多個透鏡、一或多個偏光器、一或多個光束分裂器及類似物。
在另一實施例中，系統400包含經組態以收集自樣本408反射或散射之光之一集光臂405。在另一實施例中，集光臂405可將反射及散射光引導及/或聚焦至一偵測器總成414之一感測器416。應注意，感測器416及偵測器總成414可包含此項技術中已知的任何感測器及偵測器總成。例如，感測器416可包含一線感測器或一電子撞擊線感測器。
在另一實施例中，偵測器總成414經通信地耦合至包含一或多個處理器420及記憶體422之一控制器418。在另一實施例中，一或多個處理器420可經通信地耦合至記憶體422，其中一或多個處理器420經組態以執行儲存於記憶體422上之一組程式指令。在一項實施例中，一或多個處理器420可經組態以分析偵測器總成414之輸出。在一項實施例中，該組程式指令經組態以導致一或多個處理器420分析樣本408之一或多個特性。在另一實施例中，該組程式指令經組態以導致一或多個處理器420修改系統400之一或多個特性，以便維持樣本408及/或感測器416上之聚焦。例如，一或多個處理器420可經組態以調整物鏡406或一或多個光學元件402，以便將來自照明源200之照明聚焦至樣本408之表面上。藉由另一實例，一 或多個處理器420可經組態以調整物鏡406及/或一或多個光學元件410，以便收集自樣本408之表面散射及/或反射之照明且將所收集照明聚焦於感測器416上。
在另一實施例中，系統400可包含一使用者介面(未展示)。在另一實施例中，使用者介面可包含一顯示器。
在一項實施例中，系統400可經組態以提供用於一高結構內之檢驗或量測之深度解析度。例如，系統400可包含集光臂405或偵測器總成414中之一共焦孔徑。在此實施例中，共焦孔徑可經通信地耦合至一或多個處理器420，使得一或多個處理器420可調整共焦孔徑之一或多個特性。Chuang等人在2016年5月12日申請之標題為「Sensor With Electrically Controllable Aperture For Inspection And Metrology」之美國專利申請案15/153,543(組合P4728及P4751)及Wang等人在2015年4月21日申請之標題為「CONFOCAL LINE INSPECTION OPTICAL SYSTEM」之14/691,966 P4440(公開申請案第2015/0369750號)描述共焦檢驗及計量系統之更多細節。此等申請案以引用的方式併入本文中。
在以下各者中描述檢驗或計量系統400之各種實施例之額外細節：2012年7月9日申請之標題為「Wafer inspection system」之美國專利申請案13/554,954、2009年7月16日公佈之標題為「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日公佈之標題為「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日發佈之標題為「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日發佈之標題為「Surface inspection system using laser line illumination with two dimensional imaging」之美國專利案7,525,649、Zhuang等人之美國臨時專利申請案62/111,421(代理人檔案編號P4381)、Wang等人在2013年5月9日公佈之標題為「Dynamically Adjustable Semiconductor Metrology System」之美國公開專利申請案2013/0114085、Piwonka-Corle等人在1997年3月4日發佈之標題為「Focused Beam Spectroscopic Ellipsometry Method and System」之美國專利5,608,526及Rosencwaig等人在2001年10月2日發佈之標題為「Apparatus for Analysing Multi-Layer Thin Film Stacks on Semiconductors」之美國專利6,297,880。所有此等專利及專利申請案以引用的方式併入本文中。
圖5繪示根據本發明之一或多項實施例之一檢驗及/或計量系統500之一簡化示意圖。在一項實施例中，系統500可包含多個量測及/或檢驗子系統，其等經組態以實施本文中描述之系統200或方法之一或多者。
在一項實施例中，系統500可包含一光束輪廓橢偏儀(BPE)510、一光束輪廓反射儀(BPR)512、一寬帶反射光譜儀(BRS)514、一寬帶光譜橢偏儀(BSE)518及一參考橢偏儀502。在一項實施例中，此六個光學量測裝置可利用少至三個光學源，包含(但不限於)雷射520、590及如先前在本文中描述之照明源200。
在另一實施例中，照明源200可包含一寬帶雷射泵浦電漿燈及一寬帶IR源，使得該組合產生覆蓋約200nm至約2.5μm或更寬之一光譜之一多色光束。在一項實施例中，寬帶光源包含一寬帶IR光源且產生覆蓋約1μm至約3μm或更長之一光譜之一多色光束。探測光束524、526由鏡530 反射，且穿過鏡542至一樣本504。
在另一實施例中，雷射520可產生一探測光束524，且照明源102可產生探測光束526(其藉由透鏡528準直且藉由鏡529沿著相同於探測光束524之路徑引導)。在一較佳實施例中，雷射520可為一固態雷射二極體，其發射一可見或近IR波長(諸如近670nm之一波長)之一線性偏光3mW光束。
在一項實施例中，探測光束524、526經由一或多個透鏡532、533聚焦至樣本504之表面上。在較佳實施例中，透鏡532、533經安裝於一轉座(未展示)中且可交替地移動至探測光束524、526之路徑中。透鏡532、533可包含此項技術中已知的任何透鏡。例如，透鏡532可為具有一高數值孔徑(約0.90NA)之一顯微鏡物鏡以產生相對於樣本表面之入射角之一大展開度且產生具有約一微米直徑之一點大小。藉由另一實例，透鏡533可為具有一較低數值孔徑(約0.1NA至0.4NA)且能夠將寬帶光聚焦至約5μm至20μm之一點大小之一反射透鏡。本文中應注意，本發明中之術語「透鏡」之使用可包含曲面鏡及包括鏡與透鏡之一組合之光學器件。應進一步注意，由於本發明之一些實施例併入發射自UV至IR之一光譜內之波長之光源，故曲面鏡可方便地用於以最小色像差聚焦光。
在1993年1月19日發佈之美國專利5,181,080中論述光束輪廓橢偏儀(BPE)，該案以引用的方式併入本文中。在一項實施例中，BPE 510可包含四分之一波板534、偏光器536、透鏡538及四象限感測器540。在另一實施例中，可藉由透鏡532將線性偏光探測光束524聚焦至樣本504上。在另一實施例中，自樣本504之表面反射之光可向上穿過透鏡532、鏡542、530、544且藉由鏡546引導至BPE 510中。反射探測光束內之射線之位置對應於相對於樣本504之表面之特定入射角。在一項實施例中，四分之一 波板534可使光束之偏光狀態之一者之相位延緩90度。在另一實施例中，線性偏光器536可導致光束之兩個偏光狀態彼此干擾。對於最大信號，偏光器536之軸可定向成相對於四分之一波板534之快軸及慢軸之45度角。在另一實施例中，感測器540可為具有四個徑向安置之象限之四元感測器。就此而言，四個徑向安置之象限之各者可各攔截探測光束的四分之一且產生與照射該象限之探測光束之部分之功率成比例之一單獨輸出信號。在一項實施例中，來自各象限之輸出信號經發送至一或多個處理器548。如在美國專利5,181,080中論述，藉由監測光束之偏光狀態之改變，可判定橢偏資訊(諸如Ψ及△)。
在一項實施例中，系統500可包含一光束輪廓反射儀(BPR)512。在1991年3月12日發佈之美國專利第4,999,014號中論述光束輪廓反射儀(BPR)，該案以引用的方式併入本文中。在一項實施例中，BPR 512可包含一透鏡550、光束分裂器552及兩個線性感測器陣列554及556以量測樣本504之反射比。在一項實施例中，可藉由透鏡532將線性偏光探測光束524聚焦至樣本504上，其中光束內之各種射線依一入射角範圍照射樣本504之表面。在另一實施例中，自樣本504表面反射之光可向上穿過透鏡532、鏡542及530且藉由鏡544引導至BPR 512中。反射探測光束內之射線之位置對應於相對於樣本504之表面之特定入射角。在一項實施例中，透鏡550使光束在空間上二維地展開。在另一實施例中，光束分裂器552可分離光束之s分量及p分量。在另一實施例中，感測器陣列554及556可定向成彼此正交以隔離關於s及p偏光之資訊。應注意，較高入射角射線將落於更接近陣列之相對端。應進一步注意，來自感測器陣列554、556中之各元件之輸出將對應於不同入射角。
在另一實施例中，感測器陣列554、556可依據相對於樣本504表面之入射角量測跨反射探測光束之強度。本文中應注意，感測器陣列554、556可包括一或多個線感測器。在另一實施例中，一或多個處理器548可接收感測器陣列554、556之輸出且藉由利用各種類型之模型化演算法而基於此等角相依強度量測導出薄膜層508之厚度及折射率。通常採用使用迭代程序之最佳化常式，諸如最小平方擬合常式。在1993年應用物理雜誌第73卷第11期第7035頁之Fanton等人之「Multiparameter Measurements of Thin Films Using Beam-Profile Reflectivity」中描述此類型之最佳化常式之一個實例。另一實例出現在1997年應用物理雜誌第81卷第8期第3570頁之Leng等人之「Simultaneous Measurement of Six Layers in a Silicon on Insulator Film Stack Using Spectrophotometry and Beam Profile Reflectometry」中。此等公開案之兩者以引用的方式併入本文中。
在另一實施例中，系統500可包含一寬帶反射光譜儀(BRS)514。在一項實施例中，BRS 514可同時使用多個光波長探測樣本504。在另一實施例中，BRS 514可使用透鏡532、533以將光引導至樣本504之表面。在另一實施例中，BRS 514可包含一寬帶光譜儀558。應注意，寬帶光譜儀558可包含此項技術中已知的任何寬帶光譜儀。在一項實施例中，寬帶光譜儀558可包含一透鏡560、孔徑562、色散元件564及感測器陣列566。在一項實施例中，可藉由透鏡532將來自照明源200之探測光束526聚焦至樣本504上。自樣本504之表面反射之光可向上穿過透鏡532且藉由鏡542(穿過鏡584)引導至寬帶光譜儀558。在一項實施例中，透鏡560可聚焦探測光束穿過孔徑562(其界定樣本504表面上之視場中之一點以進行分析)。
在一項實施例中，色散元件564(例如繞射光柵、稜鏡、全像板及類似物)依據波長將光束成角度地分散至感測器陣列566中含有之個別感測器元件。不同感測器元件可量測探測光束中含有之不同光波長之光學強度。在一較佳實施例中，感測器陣列566包括一線感測器。在另一實施例中，色散元件564亦可經組態以在一個方向上依據波長且在一正交方向上依據相對於樣本504表面之入射角而分散光，使得依據波長及入射角兩者之同時量測係可行的。在此一實施例中，感測器陣列566可包括一線感測器，其經組態以同時收集2個或3個光譜，各光譜對應於一不同入射角範圍。在另一實施例中，一或多個處理器548可處理藉由感測器陣列566量測之強度資訊。應注意，當一特定量測僅需一波長子集時(例如若僅需可見波長)，可使用一折射透鏡進行量測。應進一步注意，當一特定量測需要IR及/或UV時，可使用反射透鏡533而非聚焦透鏡532。在一項實施例中，含有透鏡532、533之一轉座(未展示)可經旋轉，使得反射透鏡533在探測光束526中對準。本文中應注意，反射透鏡533可為必要的，因為折射透鏡無法在不具有實質色像差之情況下將廣泛範圍之波長聚焦至樣本上。
在一項實施例中，系統500可包含寬帶光譜橢偏儀(BSE)518。在Aspnes等人於1999年3月2日發佈之美國專利5,877,859中論述寬帶光譜橢偏儀(BSE)，該案以引用的方式併入本文中。在一項實施例中，BSE 518可包含一偏光器570、聚焦鏡572、準直鏡574、旋轉補償器576及檢偏鏡580。在一項實施例中，鏡582可將探測光束526之至少部分引導至偏光器570，此產生探測光束526之一已知偏光狀態。在一較佳實施例中，探測光束526之偏光狀態係一線性偏光。在另一實施例中，鏡572將光束依一傾斜角聚焦至樣本504表面上，理想地與樣本504表面之法線成約70度。基 於熟知橢偏原理，基於樣本504之膜508及基板506之組合物及厚度，反射光束在與樣本504相互作用之後將大體上具有一混合線性及圓形偏光狀態。在另一實施例中，藉由鏡574準直反射光束，鏡574將光束引導至旋轉補償器576。
在另一實施例中，補償器576在一對相互正交偏光光束分量之間引入一相對相位延遲δ(相位延緩)。在另一實施例中，較佳藉由一電馬達578使補償器576依一角速度ω圍繞實質上平行於光束之傳播方向之一軸旋轉。在另一實施例中，檢偏鏡580混合入射於其上之偏光狀態。在一較佳實施例中，檢偏鏡580係另一線性偏光器。藉由量測由檢偏鏡580透射之光，可判定反射探測光束526之偏光狀態。在另一實施例中，鏡584將光束引導至光譜儀558，光譜儀558同時在感測器566上量測穿過補償器/檢偏鏡組合之反射探測光束中之不同光波長之強度。在一較佳實施例中，感測器566包括一線感測器。在另一實施例中，為解答樣本特性(諸如橢偏值Ψ及△(如在美國專利中描述5,877,859))，一或多個處理器548接收感測器566之輸出且依據波長及補償器576圍繞其旋轉軸之方位(旋轉)角處理由感測器566量測之強度資訊。
在一項實施例中，偵測器586可經定位於鏡546上方且可用於觀察自樣本504反射之光束以用於對準及聚焦目的。本文中應注意，偵測器586可包含此項技術中已知的任何偵測器總成。
在一項實施例中，為校準BPE 510、BPR 512、BRS 514及BSE 518，系統500可包含可與一參考樣本504結合使用之波長穩定校準參考橢偏儀502。在一項實施例中，橢偏儀502可包含一光源590、偏光器592、透鏡594、596、旋轉補償器598、檢偏鏡503及偵測器505。
在一項實施例中，光源590產生具有一已知穩定波長及穩定強度之一準單色探測光束507。光束507之波長(其係已知常數或量測值)經提供至一或多個處理器548，使得橢偏儀502可精確校準系統500中之光學量測裝置。
在另一實施例中，光束507與偏光器592相互作用以產生一已知偏光狀態。在一較佳實施例中，偏光器592係由石英羅歇稜鏡(Rochon prism)製成之一線性偏光器。然而，應注意，一般言之，偏光不一定為線性或甚至不係完整的。偏光器592亦可由方解石或MgF2製成。在一項實施例中，偏光器592之方位角經定向，使得與自偏光器592離開之線性偏光光束相關聯之電向量之平面相對於(藉由光束507之傳播方向及樣本504之表面之法線界定之)入射平面成一已知角度。方位角較佳經選擇為約30度，因為當P及S偏光分量之反射強度近似平衡時，敏感度係最佳的。本文中應注意，若光源590發射具有所要已知偏光狀態之光，則可省略偏光器592。
在一項實施例中，藉由透鏡594將光束507依一傾斜角聚焦至樣本504上。在一較佳實施例中，光束507依與樣本504表面之法線成約70度之一角度入射於樣本504上。本文中應注意，在一材料之布魯斯特或偽布魯斯特角附近最大化對樣本504性質之敏感度。基於熟知橢偏原理，相較於傳入光束507之線性偏光狀態，反射光束在與樣本504相互作用之後通常將具有一混合線性及圓形偏光狀態。
在另一實施例中，透鏡596在光束507自樣本504反射之後準直光束507。在另一實施例中，光束507接著穿過旋轉補償器(延緩器)598，補償器598在一對相互正交偏光光束分量之間引入一相對相位延遲δr(相位延緩)。相位延緩量係依據波長、用於形成補償器之材料之色散特性及補償 器之厚度而變化。在一項實施例中，較佳藉由一電馬達501使補償器598依一角速度ωr圍繞實質上平行於光束507之傳播方向之一軸旋轉。應注意，補償器598可包含此項技術中已知的任何習知波板補償器。例如，補償器可包含由晶體石英製成之一波板補償器。補償器598之厚度及材料可經選擇，使得引發光束之一所要相位延緩。通常，約90°之一相位延緩係方便的。
在另一實施例中，光束507與檢偏鏡503相互作用，檢偏鏡503用於混合入射於其上之偏光狀態。在此實施例中，檢偏鏡503係較佳地定向成相對於入射平面之一45度方位角之另一線性偏光器。然而，應注意，用於大致混合傳入偏光狀態之任何光學裝置可被用作一檢偏鏡503。在一較佳實施例中，檢偏鏡503係一石英羅歇或渥拉斯頓稜鏡(Wollaston prism)。
本文中應注意，補償器598可定位於樣本504與檢偏鏡503之間(如在圖5中展示)。替代地，補償器598可定位於樣本504與偏光器592之間。應進一步注意，可針對由光源590產生之特定光波長最佳化所有偏光器592、透鏡594、596、補償器598及分析器503之構造，此最大化橢偏儀502之精確性。
在另一實施例中，光束507可進入偵測器505，偵測器505量測穿過補償器/檢偏鏡組合之光束之強度。在另一實施例中，一或多個處理器548處理藉由偵測器505量測之強度資訊以判定光在與檢偏鏡503相互作用之後之偏光狀態及因此樣本504之橢偏參數。此資訊處理可包含依據補償器圍繞其旋轉軸之方位(旋轉)角量測光束強度。由於補償器角速度通常係已知且恆定的，故依據補償器旋轉角之此強度量測實際上係依據時間量測光束507之一強度。
Rosencwaig等人在2001年10月2日發佈且以引用的方式併入本文中之美國專利6,297,880進一步詳細描述計量系統500。Opsal等人在2002年8月6日發佈且以引用的方式併入本文中之美國專利6,429,943描述計量系統500可如何用於散射量測。Piwonka-Corle等人在1997年3月4日發佈且以引用的方式併入本文中之美國專利5,608,526描述併入一光譜橢偏儀及一光譜儀之計量系統500之一替代實施例。光譜橢偏儀及光譜儀之任一者或兩者可併入本文中描述之寬帶IR光源且可用於本文中描述之量測一樣本之方法中。
可如本文中描述般進一步組態在圖2A至圖2E、圖4及圖5中繪示之系統200、400、500之實施例。另外，系統200、400、500可經組態以執行本文中描述之(若干)方法實施例之任一者之任何(若干)其他步驟。
圖6繪示根據本發明之一或多項實施例之用於產生寬帶紅外線輻射之一方法600之一流程圖。本文中應注意，可由系統200、400、500完全或部分實施方法600之步驟。然而，應進一步認識到，方法600不限於系統200、400、500，額外或替代系統級實施例可實行方法600之全部或部分步驟。
在步驟602中，產生具有一選定波長之泵浦光。在一項實施例中，一泵浦源102經組態以產生具有各種波長之泵浦光101，包含(但不限於)近800nm波長之泵浦光101(例如Ti-藍寶石雷射)、近1μm波長之泵浦光101(例如Nd：YAG、ND-釩酸鹽、YLF或Yb摻雜光纖雷射)、近1.5μm波長之泵浦光101(例如Er摻雜光纖雷射)、近2μm波長之泵浦光101(例如Tm摻雜光纖雷射)及類似物。
在步驟604中，將泵浦光引導至一非線性光學(NLO)總成，該非線性 光學(NLO)總成經組態以回應於泵浦光而產生寬帶IR輻射。例如，NLO總成104可包括一或多個光學元件106、一NLO元件108及一或多個濾波器110。藉由另一實例，NLO總成104可包括一NLO元件108、一或多個光學元件112、一光束分離器120及一組鏡。就此而言，NLO總成104可包括一OPO。應注意，給出實例不應被視為限制本發明之實施例。
在步驟606中，將IR輻射引導至一物鏡。在步驟608中，將IR輻射聚焦至一樣本上。樣本408可包含此項技術中已知的任何樣本，包含(但不限於)一晶圓、一倍縮光罩、一光罩及類似物。藉由另一實例，樣本408可包含一堆疊半導體結構100。在另一實施例中，樣本408可經安置於一載物台總成412上以促進樣本408之移動。載物台412可包含此項技術中已知的任何載物台總成412，包含(但不限於)X-Y載物台或R-θ載物台。在另一實施例中，載物台總成412可能夠在檢驗期間調整樣本408之高度以維持樣本408上之聚焦。
在步驟610中，將自樣本反射或散射之IR輻射之一部分引導至一偵測器總成。例如，一集光臂405可包含經組態以將反射及/或散射IR輻射引導至一偵測器總成414之一感測器416之一或多個光學元件。應注意，感測器416及偵測器總成414可包含此項技術中已知的任何感測器及偵測器總成。例如，感測器416可包含一線感測器或一電子撞擊線感測器。
在步驟612中，自藉由偵測器總成偵測之IR輻射之部分判定樣本之一特性。
本發明之一或多個處理器420、548可包含此項技術中已知的任何一或多個處理元件。在此意義上，一或多個處理器420、548可包含經組態以執行軟體演算法及/或指令之任何微處理器型裝置。在一項實施例中， 一或多個處理器420、548可由經組態以執行經組態以操作系統200、400、500之一程式之一桌上型電腦、主機電腦系統、工作站、影像電腦、平行處理器或其他電腦系統(例如，網路電腦)構成，如貫穿本發明描述。應認識到，可由一單一電腦系統或(替代地)多個電腦系統執行貫穿本發明描述之步驟。一般言之，術語「處理器」可經廣泛定義以涵蓋具有一或多個處理元件之任何裝置，其執行來自一非暫時性記憶體媒體422之程式指令。再者，所揭示之各種系統之不同子系統可包含適於實行貫穿本發明描述之步驟之至少一部分之處理器或邏輯元件。因此，上文描述不應被解釋為對本發明之一限制而僅為一圖解。
記憶體媒體422可包含此項技術中已知的適於儲存可藉由相關聯一或多個處理器420執行之程式指令之任何儲存媒體。例如，記憶體媒體422可包含一非暫時性記憶體媒體。例如，記憶體媒體422可包含(但不限於)一唯讀記憶體、一隨機存取記憶體、一磁性或光學記憶體裝置(例如光碟)、一磁帶、一固態硬碟及類似物。在另一實施例中，記憶體422經組態以儲存本文中描述之各種步驟之一或多個結果及/或輸出。應進一步注意，記憶體422可與一或多個處理器420容置於一共同控制器外殼中。在一替代實施例中，記憶體422可相對於處理器420之實體位置而遠端地定位。例如，一或多個處理器420可存取可透過一網路(例如網際網路、內部網路及類似物)存取之一遠端記憶體(例如伺服器)。在另一實施例中，記憶體媒體422維持用於導致一或多個處理器420實行透過本發明描述之各種步驟之程式指令。
在另一實施例中，系統200、400、500可包含一使用者介面(未展示)。在一項實施例中，使用者介面經通信地耦合至一或多個處理器420、 548。在另一實施例中，可利用使用者介面裝置以接受來自一使用者之選擇及/或指令。在本文中進一步描述之一些實施例中，一顯示器可用於向一使用者顯示資料。繼而，一使用者可回應於經由顯示裝置向使用者顯示之資料而輸入選擇及/或指令(例如濾箱之選擇、定大小及/或位置)。
使用者介面裝置可包含此項技術中已知的任何使用者介面。例如，使用者介面可包含(但不限於)鍵盤、小鍵盤、觸控螢幕、槓桿、旋鈕、捲輪、軌跡球、開關、刻度盤、滑桿、捲棒、滑件、把手、觸控墊、踏板、方向盤、操縱桿、面板安裝輸入裝置或類似物。在一觸控螢幕介面裝置之情況中，熟習此項技術者應認識到，較大數目個觸控螢幕介面裝置可適於在本發明中實施。例如，顯示裝置可與一觸控螢幕介面整合，諸如(但不限於)電容式觸控螢幕、電阻式觸控螢幕、基於表面聲波之觸控螢幕、基於紅外線之觸控螢幕或類似物。在一般意義上，能夠與一顯示裝置之顯示部分整合之任何觸控螢幕介面適於在本發明中實施。
顯示裝置可包含此項技術中已知的任何顯示裝置。在一項實施例中，顯示裝置可包含(但不限於)液晶顯示器(LCD)、基於有機發光二極體(OLED)之顯示器或CRT顯示器。熟習此項技術者應認識到，各種顯示裝置可適於在本發明中實施且顯示裝置之特定選擇可取決於各種因素，包含(但不限於)外觀尺寸、成本及類似物。在一般意義上，能夠與一使用者介面裝置(例如，觸控螢幕、面板安裝介面、鍵盤、滑鼠、軌跡墊及類似物)整合之任何顯示裝置適於在本發明中實施。
在一些實施例中，如本文中描述之系統200、400、500可經組態為一「獨立工具」或未實體耦合至一程序工具之一工具。在其他實施例中，此一檢驗或計量系統可藉由一傳輸媒體耦合至一程序工具(未展示)，傳輸媒 體可包含有線及/或無線部分。程序工具可包含此項技術中已知的任何程序工具，諸如微影術工具、蝕刻工具、沈積工具、拋光工具、電鍍工具、清潔工具或離子植入工具。藉由本文中描述之系統執行之檢驗或量測之結果可用於使用一回饋控制技術、一前饋控制技術及/或一原位控制技術更改一程序或一程序工具之一參數。可手動或自動更改程序或程序工具之參數。
本文中描述之標的物有時繪示包含於其他組件內或與其他組件連接之不同組件。應理解，此等所描繪之架構僅為例示性的，且事實上可實施達成相同功能性之許多其他架構。在概念意義上，達成相同功能性之組件之任何配置有效地「相關聯」，使得達成所要功能性。因此，在不考慮架構或中間組件之情況下，經組合以達成一特定功能性之本文中之任何兩個組件可被視為彼此「相關聯」，使得達成所要功能性。同樣地，如此相關聯之任何兩個組件亦可被視為彼此「連接」或「耦合」以達成所要功能性，且能夠如此相關聯之任何兩個組件亦可被視為「可耦合」至彼此以達成所要功能性。可耦合之特定實例包含(但不限於)可實體配接及/或實體相互作用之組件及/或可無線相互作用及/或無線相互作用之組件及/或邏輯相互作用及/或可邏輯相互作用之組件。
此外，應理解，藉由隨附發明申請專利範圍定義本發明。熟習此項技術者將理解，一般言之，在本文中使用且尤其在隨附發明申請專利範圍(例如隨附發明申請專利範圍之主體)中使用之術語一般旨在為「開放性」術語(例如術語「包含」應被解釋為「包含但不限於」，術語「具有」應被解釋為「至少具有」，術語「包含」應被解釋為「包含但不限於」等)。熟習此項技術者將進一步理解，若預期特定數目個引入請求項敘 述，則此一意圖明確敘述於請求項中，且在不存在此敘述之情況下，不存在此意圖。舉例而言，為幫助理解，下列隨附發明申請專利範圍可包含介紹性片語「至少一個」及「一或多個」之使用以引入請求項敘述。然而，此等片語之使用不應視為暗示由不定冠詞「一」或「一個」引入一請求項敘述將包含此引入請求項敘述之任意特定請求項限於僅包含此一敘述之發明，即使相同請求項包含介紹性片語「一或多個」或「至少一個」及不定冠詞(諸如「一」或「一個」)(例如，「一」及/或「一個」通常應解釋成意謂「至少一個」或「一或多個」)；對於使用用於引入請求項敘述之定冠詞亦如此。此外，即使明確敘述一引入之請求項敘述之一特定數目，熟習此項技術者亦將認識到，此敘述應通常解釋為意謂至少經敘述之數目(例如，不具有其他修飾語之「兩個敘述」之裸敘述通常意謂至少兩個敘述或兩個或兩個以上敘述)。此外，在其中使用類似於「A、B及C等之至少一者」之一慣例之該等例項中，一般而言在熟習此項技術者將理解該慣例(例如，「具有A、B及C之至少一者之一系統」將包含(但不限於)僅具有A、僅具有B、僅具有C、具有A及B、具有A及C、具有B及C及/或具有A、B及C等之系統)之意義上期望此一構造。在其中使用類似於「A、B或C等之至少一者」之一慣例之該等例項中，一般而言在熟習此項技術者將理解該慣例(例如，「具有A、B或C之至少一者之一系統」將包含(但不限於)僅具有A、僅具有B、僅具有C、具有A及B、具有A及C、具有B及C及/或具有A、B及C等之系統)之意義上期望此一構造。此項技術者將進一步理解，事實上呈現兩個或兩個以上替代術語之轉折性字詞及/或片語(不管在描述、發明申請專利範圍或圖式中)應理解為預期包含術語之一者、術語之任一者或兩個術語之可能性。舉例而言，片語「A或B」通常將理解 為包含「A」或「B」或「A及B」之可能性。
據信，將藉由前述描述理解本發明及其許多伴隨優勢，且將明白，在不脫離所揭示之標的物或不犧牲所有其材料優勢之情況下可對組件之形式、構造及配置做出各種改變。所描述形式僅為說明性的，且下列發明申請專利範圍之意圖係涵蓋及包含此等改變。此外，應理解，藉由隨附發明申請專利範圍定義本發明。
200:照明源/系統
400:檢驗及/或計量系統
401:照明
402:光學元件
403:照明臂
404:光束分裂器
405:集光臂
406:物鏡
408:樣本
410:光學元件
412:載物台總成
414:偵測器/偵測器總成
416:感測器
418:控制器
420:處理器
422:記憶體

Claims (23)

  1. 一種用於半導體計量及檢驗之系統，其包括：一照明源，其中該照明源包括一寬帶光源總成，其中該寬帶光源總成包括：一泵浦源，其經組態以產生具有一選定波長之泵浦光；及一非線性光學(NLO)總成，其經組態以回應於由該泵浦源產生之該泵浦光而產生寬帶紅外線(IR)輻射，其中該NLO總成包含一非線性光學晶體，該非線性光學晶體經組態以產生包含至少1.5μm之一半峰全寬(FWHM)帶寬之寬帶IR輻射；一偵測器總成；及一組光學器件，其經組態以將該IR輻射引導至一堆疊半導體結構之一頂部硬遮罩表面下，其中該組光學器件經進一步組態以將來自該堆疊半導體結構之該頂部硬遮罩表面下之該堆疊半導體結構之一或多個部分之該IR輻射之一部分引導至該偵測器總成之一或多個感測器，其中該組光學器件包含一或多個共焦孔徑，其經定位於一照明臂或該組光學器件之集光臂的至少一者內，其中該一或多個共焦孔徑係經組態以提供在該堆疊半導體結構內之深度解析度；及一控制器，其經通信地耦合至該偵測器總成之該一或多個感測器及該一或多個共焦孔徑，該控制器包括一或多個處理器，其經組態以執行儲存於記憶體中之一組程式指令，該組程式指令經組態以導致該一或多個處理器以：接收來自該偵測器總成之該一或多個感測器之一或多個信號，其指 示來自該堆疊半導體結構之該頂部硬遮罩表面下之該堆疊半導體結構之一或多個部分之IR輻射；調整該一或多個共焦孔徑；及基於該經接收之一或多個信號以特徵化定位於該堆疊半導體結構之該頂部硬遮罩表面下方數個微米之一特徵。
  2. 如請求項1之系統，其中該泵浦源包括一雷射，且其中該NLO總成包括一NLO晶體及一或多個光學元件。
  3. 如請求項1之系統，其中該泵浦源包括一雷射，且其中該NLO總成包括一光學參數振盪器(OPO)總成。
  4. 如請求項1之系統，其中該泵浦源包括一雷射、一NLO晶體及一或多個光學元件，且其中該NLO總成包括一光學參數振盪器(OPO)總成。
  5. 如請求項1之系統，其中該泵浦源包括一雷射及一第一光學參數振盪器(OPO)總成，且其中該NLO總成包括一第二OPO總成。
  6. 如請求項1之系統，其中該NLO總成經組態以產生以該泵浦源之一基本波長之約兩倍之一波長為中心之寬帶IR輻射。
  7. 如請求項1之系統，其中該NLO總成經組態以產生包含自約1μm至約3μm之一波長範圍之寬帶IR輻射。
  8. 如請求項1之系統，其中該NLO總成經組態以產生包含自約2μm至約5μm之一波長範圍之寬帶IR輻射。
  9. 如請求項1之系統，其中該NLO總成經組態以產生包含至少3μm之一FWHM帶寬之寬帶IR輻射。
  10. 如請求項1之系統，其中該NLO總成包括週期性極化鈮酸鋰(PPLN)、理想配比鉭酸鋰(SLT)、鎂摻雜SLT及定向圖案化砷化鎵之一者。
  11. 如請求項1之系統，其中該組光學器件經進一步組態以將偏光IR輻射引導至該樣本。
  12. 如請求項1之系統，其中該泵浦源經組態以產生具有3.3μm之一波長之泵浦光，且其中該NLO總成包括一GaAs光學參數振盪器(OPO)總成。
  13. 如請求項1之系統，其中該泵浦源經組態以產生具有960nm之一波長之泵浦光，且其中該NLO總成包括一PPLN光學參數振盪器(OPO)總成。
  14. 如請求項1之系統，其中該組光學器件經進一步組態以收集及分析自該樣本反射或散射之IR輻射之一偏光狀態。
  15. 一種用於半導體計量及檢驗之方法，其包括：產生具有一選定波長之泵浦光；將該泵浦光引導至一非線性光學(NLO)總成，該非線性光學(NLO)總成經組態以回應於該泵浦光而產生寬帶IR輻射，其中該NLO總成包含一非線性光學晶體，該非線性光學晶體經組態以產生包含至少1.5μm之一半峰全寬(FWHM)帶寬之寬帶IR輻射；引導並聚焦一堆疊半導體結構之一頂部硬遮罩表面下之該IR輻射；將自該堆疊半導體結構之該頂部硬遮罩表面下之該堆疊半導體結構之一或多個部分反射或散射之該IR輻射之一部分引導至一偵測器總成；調整經定位於一照明臂或一集光臂的至少一者內的一或多個共焦孔徑之一或多個特徵以提供在該堆疊半導體結構內之深度解析度；及基於自該堆疊半導體結構之該頂部硬遮罩表面下之該堆疊半導體結構之該一或多個部分反射或散射之該IR輻射，以特徵化定位於該堆疊半導體結構之該頂部硬遮罩表面下方數個微米之一特徵。
  16. 如請求項15之方法，其中該產生寬帶IR輻射產生具有自約1μm至約3μm之一光譜範圍之輻射。
  17. 如請求項15之方法，其中該產生寬帶IR輻射產生具有自約2μm至約5μm之一光譜範圍之輻射。
  18. 如請求項15之方法，其中該NLO總成經組態以產生包含至少3μm之一FWHM帶寬之寬帶IR輻射。
  19. 如請求項15之方法，其中該NLO總成包含一NLO晶體，其中該NLO晶體包括週期性極化鈮酸鋰(PPLN)、理想配比鉭酸鋰(SLT)、鎂摻雜SLT及定向圖案化砷化鎵之一者。
  20. 如請求項15之方法，其中該聚焦將偏光IR輻射聚焦至該樣本。
  21. 如請求項15之方法，其中自藉由該偵測器總成偵測之IR輻射之該部分計算該樣本之一特性包括分析該IR輻射之一偏光狀態。
  22. 如請求項15之方法，其中產生具有一選定波長之泵浦光包括：產生具有3.3μm之一波長之泵浦光，且其中該NLO總成包括一GaAs光學參數振盪器(OPO)總成。
  23. 如請求項15之方法，其中該產生具有一選定波長之泵浦光包括：產生具有960nm之一波長之泵浦光，且其中該NLO總成包括一PPLN光學參數振盪器(OPO)總成。
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