點格柵陣列成像系統的製作方法

2023-05-07 06:56:41 1

專利名稱：點格柵陣列成像系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種成像系統。本發明尤其可以應用於對自動缺陷檢驗 優化的光學成像系統。
背景技術：
光學成像包括在圖像平面的對象平面上再現或成像縮放圖像。高分 辨率成像被稱為顯微技術。當利用諸如電荷耦合器件(被稱為"CCD") 的光電子器件釆樣圖像平面上的光信號，並將它變換為電信號時，這 種成像被稱為"電子成像"。自動光學檢驗是一種通過採集對象的圖像並將該圖像與基準(例 如，將晶片模子與光刻掩膜的資料庫進行比較)、與該對象的另一部 分(例如，對半導體晶片進行逐個晶片模子的檢驗)或者與基準圖像 (晶片模子與"金圖像")進行比較，測量對象的完整性的技術。不 利的是，當對大半導體襯底進行高解析度檢驗時，成像系統的FOV 不能覆蓋要檢驗的整個襯底，因此襯底不能在FOV上移動或"步進"， 從而延長了檢驗時間。為了提高產量， 一些傳統的自動檢驗工具在一 個方向連續掃描村底，同時成像正交一維光學FOV。 一旦襯底在掃描
方向來回移動，則它通常在另一個(交叉掃描)方向移動一個FOV 的距離，然後掃描該軌跡，從而產生蛇形運動軌跡。用於檢驗半導體襯底的其他光學成像系統利用"點格柵陣列"實現 大產量。在這些系統中，成像器通常包括二維周期性透鏡陣列，其中 每個透鏡分別成像位於圖像平面上的對象平面上，例如要檢驗的襯底 上的點，以在圖像平面的對象平面上成像二維周期性點陣列。在具有 二維周期性讀出單元陣列的共軛圖像平面上，設置諸如CCD的傳感 器，每個讀出單元分別從對象平面上的點採集信號。機械系統這樣使 襯底移動，使得在襯底在掃描方向(y方向)上在點陣列上移動時， 點跟蹤在機械交叉掃描方向(x方向)不存在間隙的軌跡。因此，利 用分別具有最小FOV的光學元件陣列，而非複雜的大FOV光學器件 的陣列，可以實現非常大FOV的成像。授予Krantz的美國專利 6，248，988、授予Johnson的美國專利6,133,986、授予Wakai的美國 專利5,659,420以及授予Kusnose的美國專利6,043,932對採用點格柵 陣列的光學成像裝備進行了描述。點格柵陣列原理的這些以及其他實現方法均存在一些局限性。為了 利用整個機械工作檯的掃描實現高端檢驗要求的非常高的數據速率， 需要大陣列。例如，在100nm像素和32x32透鏡陣列情況下的10 Gpix/sec的數據速率要求工作檯的速度為100nmx (10 x 109) / ( 32 x32)m/sec，因為工作檯的來回時間、移動精度要求以及工作檯的復 雜性和成本使得這是不現實的。為了將要求的速度降低到更合理的工 作臺速度，需要更大的陣列。例如，320x320陣列要求10mm/sec的 工作檯速度，這是一個非常合理的速度。此外，與32x32陣列10 MHz 相比，幀速率被降低到100KHz。更低的數據速率適合Q開關雷射器 的脈沖速率，這樣可以對短波長採用高效頻率變換，從而實現高分辨 率成像。利用稍許大的陣列(例如1000 x 1000),可以進一步降低幀 速率(脈衝速率)要求(降低到10KHz)，從而可以使用準分子雷射 器(例如157nmF2雷射器)，而且這樣甚至可以獲得更高解析度。然而， 一些主要問題妨礙將現有技術用於大陣列，例如工作檯振動、 相對有限的聚焦能力、成像線性度、介質層幹擾以及有限的故障檢測 和分類能力。現在分別說明這些問題。在相鄰像素之間，隨著時間的流失，工作檯機械振動的振幅增大。該時間等於幀速率乘以陣列中的行數的倒數。關於以上討論的10GPS 和320 x 320陣列的情況，與32x32陣列的3微秒相比，它是3毫秒。 成像過程不能對這些振動進行補償，因為部分圖像可能被丟失，從而 降低了精確度。請注意，由於機械工作檯在真空中移動，所以電子成 像系統對工作檯的機械振動更敏感。現有技術點格柵陣列實現方法的進一步局限性是由利用共焦成像 過程進行檢驗要求非常嚴格的聚焦控制這個事實產生的，利用大數值 孔徑、短波長光學器件，在高掃描速率下，非常難以實現這種非常嚴 格的聚焦控制。為了克服該問題，需要同時進行多高度共焦成像。然 而，儘管象在現有技術中.那樣順序取幾個高度限制圖像適合一幀檢查 模式，但是不適合檢驗系統連續運動的要求。現有技術中的大陣列的另 一個局限性是對透鏡陣列、成像光學器件 以及檢測器陣列的線性度要求。為了利用點格柵陣列系統獲得良好結 果，不僅對於微透鏡陣列，而且對於縮微光學元件，光學器件線性度 的緊公差是重要的。光點必須位於各點之間具有非常精確距離的精確 直線格柵上。這種極高的線性度非常困難，而且實現起來昂貴。現有技術的另一個局限性是需要利用相干雷射光源對高速檢驗實 現足夠功率密度。許多檢驗的襯底被透明或半透明介質層覆蓋，這樣 在介質層的表面之間出現幹擾現象。因為這些層的厚度在整個晶片上 不同，所以從介質層的上部和下部反射的相干光的相位也不同。此外， 幹擾可以是相長幹擾或相消幹擾。即使沒有缺陷或不規則性，這些幹 擾現象仍導致反射功率發生變化，這樣就限制了缺陷檢測的精度，從 而限制了系統識別真實缺陷的能力。現有技術點格柵陣列技術的又一個局限性是由從對象的一個角區 域採集光信號導致的有限故障檢測和有限分類能力產生的。因此，故 障檢測和分析可能需要一個以上的檢驗，這樣就動態增加了可靠檢測、
可靠分類故障需要處理和採集的數據量。為了降低製造成本並提高生產率，需要一種具有大FOV的低成本、 精確、高速成像系統。發明內容本發明提供了 一種可以補償工作檯的振動的高數據速率點格柵陣 列成像系統。本發明進一步提供了一種在相鄰行上的透鏡陣列的透鏡的覆蓋區 之間具有少量重疊，從而克服了現有技術的嚴格線性度要求問題，而 且可以使用成本效益好的微透鏡陣列的高數據速率點格柵陣列成像系 統。本發明進一步提供採用寬帶照射點和寬頻帶照射點克服介質層幹 擾，而不降低成像系統的產量。本發明進一步提供同時從幾個方向採集在襯底上形成的點反射的 反射光，從而提高成像系統的故障分類和故障檢測的能力。本發明進一步提供從距離檢驗襯底一個距離以上的距離同時採集 數據，從而從多個數據集中選擇一個或者多個相關數據集，而不利用 才幾械方法向上或向下移動襯底。在下面的說明中將在某種程度上說明本發明的其他特徵，而且通過 研究以下內容，本技術領域內的普通技術人員可以在某種程度上明白 本發明的其他特徵，或者通過實現本發明得知本發明的其他特徵。正 如所附權利要求所特別指出的那樣，可以實現並獲得本發明的優點。根據本發明，利用具有二維周期性透鏡陣列的成像系統可以在某種 程度上實現上述以及其他特徵，該透鏡陣列中的每個透鏡將諸如要檢 驗的襯底的對象平面上的點成像到圖像平面上，以將圖像平面上的二 維周期性點陣列成像在圖像平面上。利用二維周期性讀出單元陣列， 在共軛圖像平面上設置傳感器，每個讀出單元從對象平面上的點採集 信號。機械系統使襯底在接近平行於點陣列的軸線的方向移動，使得 在襯底在掃描方向在點陣列上移動時，點跟蹤在機械交叉掃描方向不
存在間隙的軌跡。設置補償器用於補償移動工作檯的機械不精確性。根據下面的詳細說明，本技術領域內的熟練技術人員容易理解本發 明的其他特徵，其中通過僅描述為了實現本發明而設想的最佳方式， 只對本發明的優選實施例進行了描述和說明。正如所實現的那樣，本 發明可以有其他不同實施例，而且可以在各顯而易見的方面，對其許 多細節進行修改，這些修改均屬於本發明範圍。因此，附圖和描述均 被認為是說明性的，而非限制性的。


參考附圖，在附圖中，具有同樣參考編號表示的單元表示類似的單元，附圖包括圖la-ll示出根據本發明實施例的成像系統的原理圖。圖2示出圖la-ll所示系統產生的對象平面表面上的點陣列。圖3a和3b示出根據本發明實施例的點陣列。圖4示出根據本發明實施例採用寬帶照射系統的成像系統的原理圖。圖5示出根據本發明實施例其中同時對兩個襯底進行成像的成像 系統的原理圖。
具體實施方式
現在，將參考圖la和2說明本發明實施例。如圖la所示，諸如光 源100的輻射源，例如至少一個雷射器、二極體或燈提供光束。諸如 傳統準直儀的照射光學器件110使該光束準直並使它具有要求的寬 度。準直光學器件110可以包括偏振單元，以確保光線到達偏振射束 分裂器120，該偏振射束分裂器120的偏振作用可以將光束反射到成 像光路(imaging path)。四分之一波長晶片130用於將照射光的偏 振轉動90度。準直光照射透鏡陣列140，在要成像的對象上，例如半 導體襯底上，透鏡陣列140利用各單元將該準直光聚焦為單獨點150 的陣列。透鏡陣列140中的每個單元可以是諸如微透鏡的單個透鏡，
或多個透鏡單元。重定向村底160反射的光以通過透鏡陣列140和四 分之一波長晶片130，併到達偏振射束分裂器120，偏振射束分裂器 120的偏振被轉動90度，或者其波長是照射光束的一半。因此，它通 過偏振射束分裂器120。光學望遠鏡170用於將透鏡陣列140的後光 瞳平面(可以與透鏡陣列140在同一個平面上)成像到與透鏡陣列140 對應的諸如CCD陣列的二維檢測器陣列180上，使得每個CCD陣列 讀取襯底160上的一個點。數據捕獲部分190讀出檢測器陣列180輸 出的信號，它可以將該信號傳送到圖像處理單元191和/或圖像顯示單 元192。可以將望遠鏡170設置在中間圖像平面上，在該中間圖像平 面上，點陣列150反射的光形成尺寸基本與透鏡陣列140相同的中間 圖像，從而在中間圖像到達檢測器陣列180之前，縮微該中間圖像。以接近平行於點陣列150的軸線y之一的方向，將襯底160放置在 以y方向運動的機械工作檯165上。這樣偏離平行性，使得在襯底160 在掃描方向y移動基本等於點陣列的長度L的距離時，點跟蹤在機械 交叉掃描方向(x方向)不存在間隙的軌跡。透鏡陣列140可以使用幾種類型的透鏡，例如折射型或衍射型的標 準透鏡或微透鏡。對於較小NA和較大FOV，可以採用塑料衍射單元。 這樣可以實現幾十釐米寬甚或更寬的FOV。對於大NA應用，可以使 用微透鏡陣列(通常10微米寬)。如果使用衍射透鏡單元，則該透鏡 陣列可以進一步包括光孔陣列(即，針孔陣列)，以截斷衍射單元產 生的高階散射。在結合短波長光線，例如約13nm的遠紫外線(EUV) 使用時，衍射透鏡尤其適合實現本發明。此外，在此所稱微透鏡陣列，例如透鏡陣列140可以是根據傳統光 學技術的一個透鏡陣列，或串行排列的多個陣列，因此單獨陣列中的 各透鏡單元的光程形成複合透鏡。這種排列可以產生其數值孔徑比單 個透鏡的陣列獲得的數值孔徑大的複合透鏡陣列。通過層疊各透鏡陣 列，可以利用機械方法組裝這種複合微透鏡陣列，或者利用例如眾所 周知的MEMS(微電子機械系統)製造技術製造這種複合微透鏡陣列。圖2示出襯底(對象)平面上的點陣列150的原理圖。為了簡潔起
見，圖2示出8寬U-h) x6深(1-6)的點陣列。在實現本發明時， 該陣列通常至少包括幾百個透鏡單元，因此產生相應數量的點。在機 械交叉掃描x方向，相鄰行上各透鏡的透鏡中心之間的偏移確定x方 向上的像素尺寸(即，第一行el上第e個點與第二行e2上第e個點 之間的距離的x軸上的投影px)。像素尺寸反映以多大密度採樣襯底 160。為了連續覆蓋襯底160，列d6上的最後一個點必須掃描只有一 個像素在交叉掃描的x方向離開相鄰列(cl)上的第一個透鏡的切線 的軌跡。利用在檢測器的兩次連續採樣之間，給定點的點中心之間的 橫跨距離，即，時間0時點f4的中心("f4t0")與一個釆樣間隔之 後同一個點的中心("f4tl")之間的距離確定機械掃描y方向py(未 示出)上的像素尺寸。通過將工作檯的速度乘以採樣間隔，可以確定 該另巨離。利用確保精確和線性運動的任何裝置，可以使襯底運動，例如可以 由Anorad Corporation of New York市售的採用線性馬達和空氣軸承 的傳統幹涉儀控制工作檯使襯底運動。為了對殘餘不精確性，例如工 作臺165的機械振動產生的不精確性進行校正，可以包括伺服機構 170，以對用於移動點陣列並對襯底的偏位進行補償的光學元件進行控 制。在圖la所示的實施例中，可運動光學元件可以是透鏡陣列140 本身。在本發明的另一個實施例中，利用光照射光路和/或採集光路上 的可運動反射鏡、電光元件或聲光元件，可以改變透鏡陣列140的後 光瞳上的入射角。為了確保點150聚焦到襯底160上，利用在例如美國專利6,124,924 描述的傳統技術，測量需要進行校正的任何聚焦誤差，在此引用該專 利的全部內容供參考。然後，或者通過在z方向(透鏡陣列140的上 下方向)移動襯底160，通過移動透鏡陣列140，或者利用為了進行補 償移動的光學元件(未示出)，實現校正。如果襯底160不是平面， 則可以使透鏡陣列140或另一個光學元件傾斜以對襯底的局部傾斜 (即，FOV內的)進行補償。在圖la所示的本發明實施例中，可以使用準直的、部分準直的或
者未準直的照射光源100。在照射光源IOO被準直的本發明實施例中， 將透鏡陣列140設置在離開襯底160—個焦距距離的位置，以產生聚 焦點150的陣列。如果透鏡陣列140的透鏡單元在光軸上具有可忽略 偏差，則獲得衍射受限點150的陣列。在這種情況下，釆集光學器件 (參考編號120、 130、 140、 170)的作用是以陣列140內的各透鏡尺 寸確定的解析度要求將透鏡陣列140的後光瞳成像在檢測器陣列180 上。由於各透鏡的尺寸通常在數十微米至幾毫米的範圍內，所以如果 利用微透鏡構成透鏡陣列140，而且點150的尺寸在十分之一微米至 十微米範圍內，則對透鏡陣列140的後光瞳的成像要求比成像整個 FOV的要求簡單得多。由於利用照射光源獲得這種情況下的解析度， 所以照射光源100需要是提供足夠亮度的雷射器光源。本發明的該實 施例實際上是只有掃描單元是機械工作檯165的雷射掃描顯微鏡。如 果如果針孔171設置在望遠鏡170的焦點上，而且與照射光源100對 準，則望遠鏡170變成共焦顯微鏡。在採用部分準直或未準直的照射光源IOO的本發明實施例中，陣列 150上的點不受衍射限制。在這種情況下，將針孔171設置在望遠鏡 170的焦點上可以確保成像衍射受限點。在利用工作檯165的運動連 續覆蓋襯底160的情況下，本發明的該實施例實際上是分別成像一個 點的成像顯微鏡的陣列。在本發明的另 一個實施例中，利用標準射束分裂器代替偏振射束分 裂器120。因此，不需要四分之一波長晶片130。在圖ld所示的本發明的又一個實施例中，照射光路不通過透鏡陣 列140，但是它通過不同光路到達襯底160。該光路或者照射FOV上 的所有區域，或者包括透鏡陣列140a,或者等效於如圖所示用於僅照 射點150的陣列的衍射光學元件。在圖lj-l所示的本發明的又一個實施例中，陣列140的各後光瞳 在照射光路和採集光路方面是不同的。通過在照射光路或採集光路上 或者在它們二者上設置光孔，可以實現這種差別。例如，通過阻斷照 射光路上的光瞳中心，而僅使這些中心在採集光路上通過，可以獲得
暗場顯微鏡。這樣阻斷每個透鏡的中心可以獲得更高解析度。代價是更強的旁瓣，但是如果使用大透鏡陣列(與32 x32相比，例如使用 320 x 320)，可以適應這些旁瓣。現在，參考圖lj，通過在圖la所示的照射光學器件110與射束分 裂器120之間的照射光路上設置平面115，獲得根據本發明的該實施 例的暗場顯微鏡。如圖lk所示，平面115的暗環形115b用於阻斷對 應於透鏡陣列140的各環形光孔115a的中心上的光，從而產生圓環光 孔。如圖lj和11所示，在射束分裂器120與望遠鏡170之間設置另 一個平面125，平面125與平面115相反，即，每個單元125a的中心 125b是透明的，而剩餘部分是不透明的，從而產生中心環形光孔。作 為一種選擇，可以轉換平面115和125 (即，照射光路上的中心環形 光孔和採集光路上的圓環光孔)，然而，仍可以獲得本發明的該實施 例的暗場顯微鏡。關於高解析度成像，最好利用具有大數值孔徑，例如約0.8的透鏡， 產生點陣列150。然而，微透鏡通常具有約0.4或者更小的數值孔徑。 在圖lb所示的本發明的又一個實施例中，利用採用廉價、容易獲得的 低數值孔徑(例如約0.1)微透鏡的微透鏡陣列140a在中間平面IP 上產生較大點陣列，將該陣列縮微為要求的點陣列大小並利用傳統光 學器件145將它投影到襯底160上。該實施例可以使用廉價微透鏡， 因此降低了成像系統的成本。採用微透鏡技術可以產生較平坦光學面，該光學面非常靠近(通常 為幾微米甚或更短)襯底。再參考圖la,在本發明的一個實施例中， 利用具有最佳折射率，例如大於空氣(n>l)的折射率的流體填充透 鏡陣列140與襯底160之間的間隙，這樣可以改善解析度。然而大NA 和大FOV透鏡的曲率大，需要質地好的流體介質，這樣使用透鏡陣 列需要非常少量的流體。本發明的該實施例的優點是有效縮短光波長， 從而獲得更高解析度極限的浸入顯微技術。大FOV浸入顯微技術的 另一個優點是可以在例如化學機械拋光(CMP)過程中在使它們乾燥 之前對在流體環境下處理的襯底進行檢驗。
在圖1C所示的本發明的變換實施例中，將每個雷射器單獨控制的雷射器陣列100a用作光源，以在襯底160上產生點陣列。雷射器陣列 100a可以包括可以從Band Gap Engineering of Colorado獲得的垂直 空腔表面發光雷射器(VCSEL)的陣列。VCSEL是從晶片的頂部、 向上發光的半導體雷射器。雷射器陣列100a發出的光通過透鏡120a 照射襯底160。射束分裂器120a設置在襯底160反射的反射光的共軛 面上，因此雷射器陣列100a發出的光通過該共軛面，而襯底160反射 的反射光照射檢測器陣列180，如圖lc所示。因此，在本發明的該實 施例中不需要透鏡陣列。本發明方法適合光電子發射顯微鏡(PEEM)。在PEEM實現方法 中，系統照射襯底上的點(例如襯底160上的點150),並採集反射 的電子，以進行電子成像，而非進行光子(光學)成像。因此，檢測 器陣列180包括用於檢測光子電子發射的傳統傳感器，例如與CCD 檢測器陣列相連的傳統多路板(MCP)，或者與CCD或MCP相連 的和CCD的閃爍器。使用本發明的離散點照射良好分離的點可以使 對電子成像系統具有低解析度要求的PEEM具有高解析度，這樣僅需 要提供足以防止在各單獨點之間發生串音的解析度。本發明還可以利用工作檯的連續運動實現快速、有效共焦成像。在 本發明的又一個實施例中，將具有要求尺寸而且對應於微透鏡陣列分 離的各針孔的陣列設置在共軛圖像平面上，而且調節它以便各針孔與 各點單元同心。參考圖le，微透鏡陣列141用作聚焦光學器件，以產 生共軛圖像平面141a，而針孔陣列142與透鏡陣列141的微透鏡同心 設置在共輒圖像平面141a上。這種技術相對於現有技術的優點在於共 焦成像系統，因為在照射光路上沒有針孔，而且使用了所有光源亮度。 此外，該技術還適於雷射器和白光照射。此外，微透鏡陣列141的各 單元可以是廉價衍射微透鏡，而且可以有利確定光孔陣列142的光孔 的尺寸，以便僅使衍射微透鏡產生的中心點到達檢測器陣列180，而 阻斷不希望的旁瓣。在圖lf所示的本發明的又一個實施例中， 一個或者多個傳統射束 分裂單元210設置在採集光路上，以分裂透鏡陣列140後光瞳的共軛 面。聚焦光學器件220a-c，例如類似於透鏡陣列140的微透鏡陣列設 置在每個共輒光瞳面上，以形成多個共軛圖像平面221a-c。對於每個 共軛圖像平面221a-c，相對於最佳聚焦平面對針孔陣列230a-c設 置不同橫向偏移；即，透鏡陣列220a與針孔陣列230a之間的距離dl 與透鏡陣列220b與針孔陣列230b之間的距離d2不同，而且透鏡陣 列220c與針孔陣列230c之間的iE巨離d3與dl或d2不同。通過在每個 針孔陣列230a-c後面設置成像陣列(CCD) 180a-c，可以同時產生 多個圖像，每個圖像在襯底上具有不同高度限制。這樣，根據不同高 度，多個成像陣列180a-c可以同時檢驗襯底160上的同一個點。然後， 重新釆樣多個陣列180a-c輸出的數據，以產生最佳聚焦平面圖像。例 如，信號處理器240可以對每個陣列180a-c輸出的、位於襯底160表 面上的給定像素的灰度級信息進行處理，以補償不良聚焦跟蹤。在本發明的又一個實施例中，同時從幾個方向採集襯底上的點反射 的反射光。這種多透視(multi-perspective )成像技術可以以更高精度 進行缺陷檢測和分類，因為某種類型的缺陷在已知特性方向反射光。 因此，在相對於襯底的特定角度反射或者不反射光可以用於確定是否 存在特定類型的缺陷。如圖lg所示，通過在相對於襯底160的不同角度設置幾個光學系 統，例如微透鏡陣列380a、 380b以及相連的檢測器陣列380a、 380b, 可以實現本發明該實施例的多透視成像過程。可以釆用可以以分離點 150的解析度成像襯底160的整個視場的任何傳統光學系統，代替透 鏡陣列340a、 340b。作為一種選擇，如圖lh所示，例如在透鏡1020 之間的間隔內設置包括衍射單元1010的一個透鏡陣列1040。衍射單 元1010改變以不同角度從襯底160到檢測器陣列180的特定區域，或 者到幾個檢測器陣列180、 1080a、 1080b的散射光的方向，如圖II 所示。在圖la和2所示的實施例中，在機械交叉掃描x方向，相鄰行上 各透鏡的透鏡中心之間的偏移確定x方向上的像素尺寸(例如，第一
行el上第e個點與第二行e2上第e個點之間的距離在x軸上的投影 px)。此外，列(d6)上的最後一個點通過一個交叉掃描像素(px) 離開相鄰列(cl)上的第一透鏡產生的點的軌跡的距離。因此，透鏡 列之間的距離或透鏡間距確定陣列內的透鏡行數(nr)。在本發明的變換實施例中，使用大量的行(nr)，該陣列這樣傾斜， 使得相鄰行上各透鏡的光路之間的x軸上的分離是像素尺寸的幾(f) 分之一 (Px/f)。這樣選擇襯底的速度，使得它在y軸上橫跨的距離大 於一個像素的f倍(Py/f)。現在，參考圖3a,在該圖中，對於透鏡 b^產生的給定的像素，示出簡單的掃描圖形，腳註表示寫周期，頂部 的y相鄰透鏡是bl2，左側的x相鄰透鏡是b3n，其中n-s/py(為了產 生矩陣，需要s/py的值為整數)。然而，在圖3b中，產生隔行掃描圖 形(為了簡潔起見，該圖示出f=2)。在這種情況下，bli和bl2被分 離開距離2py，其中bh的相鄰像素是b2n，而且n-s/2py。 1>12在斜率 為1/f的對角線上相對於bh位移。因此，對於大f，分離主要在y方 向上。結果是，通過交錯在兩個軸線上均偏移的f周期性結構可以連 續覆蓋襯底。根據本發明實施例進行交錯的優點是在給定FOV內具有大量的單 獨點。因此，對於同樣的像素速率要求，陣列讀速率("幀速率，，)可 以更低，因為在該陣列中具有更多的單元。在實現本發明時，機械工 作臺運動的線性度以及透鏡間間隔的緊公差是必要的。此外，光源必 須是短脈衝形式的，而非連續波形式的(CW)。為了在實現本發明的點陣列原理時獲得良好效果，電子光學器件線 性度的緊公差是重要的-不僅對於微透鏡陣列，而且對於縮微光學元 件。各光點必須位於各點之間具有非常精確距離的精確直線格柵上。 例如，如果具有格柵1000行深度，則列n的第1000行的點必須精確 從列n-l的第一行的點觀看的位置附近通過。假定要求1/10像素的精 度，則這意味著在FOV長度上有十分之一像素的線性度。如果透鏡 間距等於100像素，則線性度要求是1:106 ( 1000行*100像章間距/0.1 像素公差=106)。如果存在機械振動，則這種極端精確的要求就成為問題。在本發明的又一 個實施例中，通過使相鄰列上各透鏡的覆蓋區之間 產生小重疊，就不需要這種嚴格的線性度要求，從而減小了機械振動對系統的不利影響。這是通過在圖2所示點陣列中設置附加點行，例 如附加行"7"和"8"實現的。此外，在諸如Applied Material's WF-736 的最自動檢驗系統中，在沿襯底掃描方向上的兩個位置之間進行圖像 比較。該實施例的附加像素行可以使各列產生的像素與同 一列產生的 像素進行比較。此外，圖像處理算法通常要求對給定像素的相鄰像素 進行運算。列之間(即，附加像素行)的重疊優先足以提供"備用" 像素(通常1至5個像素)，從而確保用於該算法的相鄰像素均來自 同一列。這樣，點d6就不必與諸如cl的遙遠點進行比較。該實施例 從本質上使每列上的透鏡進入各數據通路。它還適合用於調製圖像處 理方法，例如，將每列送到單獨圖像處理模塊。這種調製方法簡化了 處理過程並提高了處理速度。在本發明的該實施例中，線性度要求降低到在彼此的附近通過的各 列的各行之間的距離。在基於非交織的方法中，該距離是一個透鏡間 距。對於以上描述的情況，線性度要求為1:1000 ( 100像素間距/0.1 像素公差)。如果採用交織(參考圖3b)，則線性度要求乘以交叉因 數，這樣，對於交織因數IO，線性度就變成1:10,000。如上所述，現有技術的局限性在於，為了對高速檢驗提供足夠功率 密度，需要與相干雷射器一起工作。許多檢驗的襯底被透明或半透明 介質層覆蓋，這樣在介質層的表面之間出現幹擾現象。因為這些層的 厚度在整個晶片上不同，所以從每個介質層的上部和下部反射的反射 光的相位也不同，而且產生的幹擾可以是相長幹擾或相消幹擾。即使 沒有缺陷或不規則性，這些幹擾現象仍導致反射功率發生變化，從而 限制了系統識別真實缺陷的能力。為了克服雷射器光源的該局限性， 一些現有技術的檢驗系統使用寬帶燈照射，這樣對平均輸出產生相長 幹擾和相消幹擾作用，使得反射光強不取決於介質層厚度的變化。然而，燈光光源不具有雷射器的亮度，而且當燈光光源發出的光在
到達透鏡陣列之前被準直時，該事實產生問題。透鏡陣列使光越準直， 可用功率就越低。要實現合理信噪比，功率低就要求較長的積分時間， 從而限制了系統的產量。相反，如果不使光準直，則透鏡不將它焦距 為衍射受限點。大照射點將或者降低系統的解析度，或者要求採集光 學器件形式的裝置，例如針孔陣列，以隔開一部分大光點，然後再產 生要求長積分時間的弱信號，因此降低了產量。因此，現有技術寬帶 燈照射解決方案不能使點格柵陣列檢驗系統具有足夠高的性能。圖4示出克服了上面討論的現有技術寬帶照射系統的局限性的本 發明實施例。在該實施例中，使用可以充分照射襯底的燈光光源發出 的部分準直寬帶光，產生比衍射限制大的照射點S。對圖4所示成像 CCD陣列500設計對應於系統要求解析度的像素尺寸。這樣， 一次可 以將每個照射點S成像在一個以上的像素510上。當襯底在該實施例的透鏡陣列500的下方移動(例如沿y軸)時， 利用檢測器陣列500的相應像素510成像同一個襯底位置，因為照射 點S的不同部分照射該襯底位置。與襯底的運動"同步"，疊加像素 行510產生的信號，從而將照射點S的不同部分產生的信號疊加在一 起。利用在傳統CCD陣列上傳送的電荷，或者利用任何眾所周知的 模擬技術或數位技術，可以在檢測器陣列晶片上，或者在檢測器陣列 晶片外，實現本發明的該實施例。此外，還可以將後面的透鏡產生並被檢測器陣列500內的其他像素 510採集的、對應於襯底上的同一個位置的信號與前面的透鏡產生的 信號疊加在一起。圖4所示的例子示出一個透鏡點的IO個連續行上的 各像素的集成以及10個透鏡的集成-總共100像素的集成。使照射光 源的有效亮度增加十倍就可以使用燈光光源，而不使用雷射器，克服 上述幹擾問題，並提供足夠高產量。該實施例的檢測器陣列可以是均勻格柵。在這種情況下，僅使用該 格柵的某些部分。作為一種選擇，它可以由其分離開的區域可以支承 電子器件的、每個透鏡的密集陣列構成。對於圖4所示的例子，可以 具有間距等於100x ioo像素的、每個透鏡的10xlO像素子陣列520。
檢測器陣列500與上述實施例傾斜同樣的角度，以確保整個襯底被覆 蓋並對照射給定區域的順序透鏡產生的信號積分。象在本發明的該實 施例中那樣使用寬帶照射要求使用折射型透鏡單元，而非衍射型透鏡 單元，因為後者的焦距與波長成線性關係。在圖5所示的本發明的又一個實施例中，將兩塊相應襯底640a, 640b，例如同一個晶片上的兩個同樣晶片放置在可運動工作檯650上， 而且一個晶片用作檢驗另一個晶片的基準。輻射源600可以是以上描 述的任何一種照射光源，它提供的光需要通過照射光學器件610和射 束分裂器620a、 620b入射到透鏡陣列630a、 630b，從而照射村底640a 和640b上的同一個點陣列。透鏡陣列630a、 630b可以是上述陣列之 任一。檢測器陣列660a、 660b釆集襯底640a和640b發出的信號，然後， 處理器670對獲得的圖像進行比較，以確定襯底640a、 640b之一上是 否存在缺陷。例如，將兩個圖像上相應像素的灰度級進行比較，如果 它們的差別大於預定閾值數量，則處理器670確定該像素位置存在缺 陷。與在本發明的上述實施例中相同，可運動工作檯650這樣移動， 使得基本分別照射並成像襯底640a、 640b的整個表面。然而，本發明 的該實施例的優點是，由於襯底640a、 640b均承受工作檯650的同樣 振動，所以沒有該振動產生的不希望效果，而且無需象在此描述的其 他實施例中所做的那樣，對它們進行補償。下面的例子說明計算與實現本發明有關的各種參數的過程 定義FOV-襯底上的視場(微米)(假定是正方形)D-襯底上的點之間的間距(微米)p-襯底上的像素尺寸(微米)ny和nx-分別是陣列內的行數和列數N-陣列內的透鏡總數DR-數據速率要求(像素/秒/陣列)FR -幀速率要求(讀的陣列/秒)V-y方向上的工作檯速度(微米/秒)由於FOV-D^x， ny=D/p，所以利用下式計算透鏡總數N: N = nx*ny=(FOV/D)*(D/p)=FOV/p對於給定的數據速率要求(DR)，則要求幀速率(FR)，並因 此要求工作檯速度為FR=DR/N=DR*p/FOV以及V=FR*p=DR*p2/FOV例子1:FOV - 1 mm=1000微米 DR-10吉^象素/秒=101像素/秒 P=100 nm=0,l微米= N=1000/0.1=10，000=104=>100*100陣列 = FR=10ie/104=106=l兆幀/秒 =>V=106*0.1微米=100 mm/秒對於給定的像素尺寸，為了在陣列內獲得大量像素，並因此而降 低幀速率和工作檯速度要求，提高FOV是關鍵(在採用圖3b所示的 交錯時，行數增加，並因此而增加陣列單元數，而幀速率降低，但是 工作檯速度卻保持不變)。在採用直接透鏡陣列進行襯底成像的本發 明實施例中，不限制FOV。然而，在利用傳統光學器件將微透鏡陣列 再成4象到襯底上時，FOV成為問題。例子2:如果像素尺寸減小到10 nm，而FOV增加到10 mm，則陣列的總 點數是N= 10,000/0.01=106。如果保持106幀/秒的幀速率(FR)，則 本發明的數據速率(DR)為1012像素/秒，或者1萬億像素/秒。該DR 情況下的工作檯速度(V)是10mm/秒。根據本發明的該系統比任何 現有技術的系統均快3個數量級。當然，這種系統要求可以處理高數 據速率的傳統圖像捕獲系統和圖像處理系統。例如，利用EU'V(波長 為13-14 nm的擴展UV)光學器件可以獲得根據本發明的該實施例 利用傳統材料、方法和裝置，可以實現本發明。因此，在此不詳細 說明這種材料、裝置和方法的細節。在上面的描述中，為了有助於全 面理解本發明，對許多特定細節進行了說明，例如特定材料、結構、 化學物質、處理過程等。然而，應該認為，不採用以上具體說明的細 節，仍可以實現本發明。在其他例子中，為了不使本發明不必要地模 糊不清，所W未對眾所周知的處理過程進行了詳細描述。了描述。應該明白，本發明可以用於各種其他組合和環境，而且可以 在在此描述的本發明原理範圍內對其進行變更和修改。
權利要求
1、一種成像器，該成像器包括照射光源，包括寬帶燈，用於同時輻照在要成像的對象表面上互相隔離開的點的陣列；檢測器陣列，用於採集從該點與對象表面的相互作用產生的信號，以形成對象表面上的輻照部分的圖像，該檢測器陣列包括多個像素陣列，每個像素陣列對應於一個點；以及可運動工作檯，用於支承對象，並這樣移動對象，使得對象表面上的預定部分可以被輻照並成像；以及其中照射光源這樣照射點陣列，使得每次由像素陣列之一的一個以上的像素採集從每個點產生的信號。
2、 根據權利要求1所述的成像器，其中在工作檯移動對象時， 利用各點之一的多個部分，利用像素陣列之一的相應部分對一部分對 象表面成像。
3、 根據權利要求1所述的成像器，其中確定像素陣列中各像素 的尺寸以提供預定解析度；以及其中照射光源這樣照射點陣列，使得每個點大於成像器的預定衍 射限制。
4、 根據權利要求1所述的成像器，其中檢測器陣列包括電荷耦 合器件。
5、 一種成像器，該成像器包括輻射源，用於同時輻照在要成像的對象表面上互相隔離開的點的 陣列；檢測器陣列，用於採集由點與對象表面的相互作用而產生的信號， 以形成對象表面上的輻照部分的圖像；以及可運動工作檯，用於支承對象，並這樣移動對象，使得該對象表 面上的預定部分可以被輻照並成像；其中可運動工作檯在偏離點陣列的軸線的掃描方向基本上線性地移動對象，使得當對象在掃描方向上的移動距離基本等於點陣列的長度時，該點在機械交叉掃描方向跟蹤對象表面上的基本連續軌跡；以 及其中點陣列包括多個行和列的點，而且輻射源用於輻照預定行數 的點，使得兩個相鄰列上的各點跟蹤對象表面上的連續軌跡時相重疊。
6、 根據權利要求5所述的成像器，其中輻射源這樣輻照附加行 的點，使得點的總行數大於點的預定行數，而且列中的兩個相鄰列重 疊。
7、 根據權利要求6所述的成像器，其中輻射源這樣輻照足夠數 量的附加行的點，使得用於圖像處理算法的相鄰像素全部在一列上。
8、 根據權利要求5所述的成像器，該成像器進一步包括用於對 可運動工作檯的機械不精確性進行補償的補償器。
9、 一種檢驗系統，其中包括輻射源，用於同時輻照要成像的第一對象表面上互相分離的各點 的第一陣列，並用於輻照要成像的第二對象表面上互相分離的各點的 第二陣列，其中第一點陣列和第二點陣列基本相同，而且第一對象的 表面與第二對象的表面互相對應；第一檢測器陣列，用於釆集由點與第一對象的表面的相互作用而 產生的信號，以形成第一對象表面上的輻照部分的圖像；第二檢測器陣列，用於採集由點與第二對象的表面的相互作用而 產生的信號，以形成第二對象表面上的輻照部分的圖像；可運動工作檯，用於支承第一對象和第二對象，並這樣移動各對 象，使得基本上每個對象的整個表面可以被輻照和成像；以及處理器，用於將第一對象的圖像與第二對象的圖像進行比較。
10、 根據權利要求9所述的檢驗系統，其中配置處理器，以根據 對第一對象的圖像與第二對象的圖像所做的比較，確定第二對象表面 上是否存在缺陷。
11、 根據權利要求IO所述的檢驗系統，其中配置處理器，以在第 二對象表面上的圖像的參數值與第一對象表面上的圖像的參數值的差別大於預定閾值量時，確定第二對象的表面上存在缺陷。
12、 根據權利要求9所述的成像器，該成像器進一步包括用於補 償可運動工作檯的機械不精確性的補償器。
13、 一種方法，其中包括步驟同時輻照在要成像的對象表面上互相隔離開的點的陣列； 採集由該點與對象表面的相互作用而產生的信號，以形成對象表面上的輻照部分的圖像；利用透鏡陣列，將光源發出的光聚焦為對象表面上的點陣列； 這樣將具有對應於陣列的各透鏡的針孔陣列的部件設置在對象與檢測器陣列之間的共軛圖像平面上，使得各針孔與點陣列上的點同心；以及這樣移動可運動工作檯上的對象，使得該對象表面上的預定部分 可以被輻照並成像。
14、 根據權利要求13所述的方法，該方法包括設置用於產生共軛 圖像平面的第二透鏡陣列。
15、 一種方法，其中包括步驟同時輻照在要成像的對象表面上互相隔離開的點的陣列； 利用透鏡陣列，將光源發出的光聚焦為對象表面上的點陣列； 在檢測器陣列釆集由該點與對象表面的相互作用而產生的信號， 以形成對象表面上的輻照部分的圖像；將透鏡陣列的後光瞳的共軛面分裂為多個共輒光瞳面； 形成每個光瞳面的共軛圖像平面；這樣設置多個分別具有針孔陣列而且分別與圖像平面之一有關的 部件，使得每個部件具有不同橫向偏移；採集由該點與對象表面的相互作用而產生的信號，以同時產生對 象輻照部分的多個圖像，每個圖像分別與用於從針孔陣列接收光的部 件有關；這樣移動可運動工作檯上的對象，使得該對象表面上的預定部分 可以被輻照並成像；以及補償移動工作檯的機械不精確性。
16、 一種方法，其中包括步驟同時對要成像的對象表面輻照互相隔離開的點的陣列； 釆集由該點與對象表面的相互作用而產生的信號，以形成對象表面上的輻照部分的圖像；利用透鏡陣列，將光源發出的光聚焦為對象表面上的點陣列； 這樣將具有對應於陣列的各透鏡的中心的掩膜陣列的部件設置在對象與檢測器陣列之間的共軛圖像平面上，使得各掩膜與點陣列上的點同心；以及這樣移動可運動工作檯上的對象，使得該對象表面上的預定部分 可以被輻照並成像。
17、 一種方法，其中包括步驟同時對要成像的對象表面輻照互相隔離開的點的陣列；採集由該點與對象表面的相互作用而產生的信號，以形成對象表 面上的輻照部分的圖像；支承對象，並在偏離點陣列的軸線的掃描方向，基本上線性地移 動對象，使得當對象在掃描方向上的移動距離基本等於點陣列的長度 時，該點在機械交叉掃描方向跟蹤襯底表面上的基本連續軌跡，並且 該對象表面上的預定部分被輻照和成^^;其中點陣列包括多個行和列的點，而且輻照步驟包括這樣輻照預 定行數的點，使得兩個相鄰列上的各點在跟蹤對象表面上的連續軌跡 時相重疊。
18、 根據權利要求17所述的方法，其中多個行和列的點對應於一 部分對象表面的區域，該方法包括這樣輻照附加行的點，使得點的總 行數大於預定行數的點，而且列中的兩個相鄰列重疊。
19、 一種方法，該方法包括步驟同時輻照要成像的第一對象表面上互相分離的各點的第一陣列， 並輻照要成像的第二對象表面上互相分離的各點的第二陣列，其中第 一點陣列和第二點陣列基本相同，而且第一對象的表面與第二對象的表面互相對應；採集由該點與第一對象表面的相互作用而產生的信號，以形成第 一對象表面上的輻照部分的圖像；採集由該點與第二對象表面的相互作用而產生的信號，以形成第 二對象表面上的輻照部分的圖像；這樣移動可運動工作檯上的第一對象和第二對象，使得每個對象 表面上的預定部分可以被輻照並成像；以及將第一對象的圖像與第二對象的圖像進行比較。
20、 根據權利要求19所述的方法，該方法包括根據對第一對象的 圖像與第二對象的圖像所做的比較，確定第二對象表面上是否存在缺陷。
21、 根據權利要求20所述的方法，該方法包括在第二對象表面上 的圖像的參數值與第一對象表面上的圖像的參數值的差別大於預定閾 值量時，確定第二對象的表面上存在缺陷。
22、 根據權利要求19所述的方法，其中在執行移動步驟期間，第 一對象與第二對象承受基本相同的機械振動。
23、 根據權利要求19所述的方法，該方法包括對移動工作檯的機 械不精確性進行補償。
24、 根據權利要求19所述的方法，其中輻照步驟包括聚焦光源發 出的光以形成第一點陣列和第二點陣列。
25、 根據權利要求19所述的方法，其中輻照步驟包括引導雷射以 照射第一表面和第二表面，從而形成第一點陣列和第二點陣列。
26、 一種方法，其中包括步驟同時輻照要成像的對象表面上互相隔離開的點的陣列； 採集由該點與對象表面的相互作用而產生的信號，以形成對象表 面上的被輻照部分的圖像；在偏離點陣列的軸線的掃描方向，基本線性移動可運動工作檯上 的對象，使得當該對象在掃描方向上的移動距離基本等於點陣列的長 度時，在機械交叉掃描方向，各點跟蹤對象表面上基本連續的軌跡， 同時在執行輻照和採集步驟時，輻照並成像對象表面上的預定部分；其中點陣列包括多個行和列的點，而且輻照步驟包括這樣輻照預 定行數的點，使得兩個相鄰列上的各點跟蹤對象表面上的連續軌跡時 相重疊。
27、 一種方法，其中包括步驟同時將光源發出的光聚焦為要成像的對象表面上的互相隔離開的 點的陣列；光源產生的光的第一部分以第一角度從點陣列反射到第一檢測器 陣列，該第一檢測器陣列用於採集由該點與對象表面的相互作用而產 生的信號，以形成對象表面上的被輻照部分的第一圖像；以及光源產生的光的第二部分以不同於第一角度的第二角度反射到第 二檢測器陣列，該第二檢測器陣列用於採集由該點與對象表面的相互 作用而產生的信號，以形成對象表面上的被輻照部分的第二圖像；以 及在執行輻照和採集步驟時，移動可運動工作檯上的對象，使得該 對象表面上的預定部分可以被輻照並成像。
28、 一種成像器，其中包括輻射源，用於同時輻照在要成像的對象表面上互相隔離開的點的 陣列；檢測器陣列，用於採集由該點與對象表面的相互作用而產生的信 號，以形成對象表面上的輻照部分的圖像；可運動工作檯，用於支承對象，並這樣移動對象，使得該對象表 面上的預定部分可以被輻照並成像；第一部件，具有對應於陣列的各點的中心的針孔陣列，該第一部 件這樣設置在對象與檢測器陣列之間，使得各針孔與各點同心；以及第二部件，具有對應於陣列的各點的中心的掩膜的陣列，該第二部件這樣設置在輻射源與對象表面之間，使得各掩膜與點陣列的各點 同心。
29、 一種成像器，其中包括 輻射源，用於同時輻照在要成像的對象表面上的互相隔離開的點的陣列；檢測器陣列，用於採集由該點與對象表面的相互作用而產生的信 號，以形成對象表面上的輻照部分的圖像；可運動工作檯，用於支承對象，並這樣移動對象，使得該對象表 面上的預定部分可以被輻照並成像；以及第一部件，具有對應於陣列的各點的中心的掩膜的陣列，該第一 部件這樣設置在對象與檢測器陣列之間，使得各針孔與各點同心。
30、 根據權利要求29所述的成像器，其中進一步包括第二部件， 該第二部件具有對應於陣列的各點的中心的針孔的陣列，該第二部件這樣設置在輻射源與對象表面之間，使得各掩膜與點陣列的各點同心。
31、 一種成像器，其中包括光源，用於同時輻照在要成像的對象表面上的互相隔離開的點的陣列；透鏡陣列，用於將光源發出的光聚焦為點陣列；第一檢測器陣列，用於採集由該點與對象表面的相互作用而產生 的信號，以形成對象表面上的輻照部分的圖像，其中光源產生的光的 第 一部分以第 一 角度從點陣列反射到第 一檢測器陣列，而光源產生的 光的第二部分以不同於第一角度的第二角度反射；第二檢測器陣列，用於採集對應於該光的第二部分的信號；以及 可運動工作檯，用於支承對象，並這樣移動對象，使得該對象表 面上的預定部分可以被輻照並成像。
全文摘要
本發明提供了一種高數據速率點格柵陣列成像系統，它可以補償工作檯的振動，而且可以克服現有技術系統的嚴格線性度要求問題。實施例包括具有二維周期性透鏡陣列的成像系統，透鏡陣列中的每個透鏡將諸如要檢驗的半導體襯底的對象平面上的點成像到圖像平面上，以成像二維周期性點陣列。利用二維周期性讀出單元陣列，在共軛圖像平面上設置傳感器，每個讀出單元從各點之一採集信號。機械系統使襯底在接近平行於點陣列的軸線的方向移動，使得在襯底在掃描方向(y方向)上在點陣列上移動時，點跟蹤在機械交叉掃描方向(x方向)不存在間隙的軌跡。諸如伺服機構或可運動反射鏡的補償器補償移動工作檯的機械不精確性，從而提高成像精度。在其他實施例中，機械系統的運動使相鄰行上的透鏡陣列的透鏡的覆蓋區之間具有少量重疊，從而克服了現有技術的嚴格線性度要求問題，而且可以使用成本效益好的微透鏡陣列。
文檔編號G01N21/95GK101131367SQ200710162490
公開日2008年2月27日 申請日期2002年11月7日 優先權日2001年11月7日
發明者吉拉德·艾茂基, 奧蘭·瑞奇斯 申請人:應用材料有限公司