点格栅阵列成像系统的制作方法

专利名称：点格栅阵列成像系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种成像系统。本发明尤其可以应用于对自动缺陷检验 优化的光学成像系统。
背景技术：
光学成像包括在图像平面的对象平面上再现或成像缩放图像。高分 辨率成像被称为显微技术。当利用诸如电荷耦合器件(被称为"CCD") 的光电子器件釆样图像平面上的光信号，并将它变换为电信号时，这 种成像被称为"电子成像"。自动光学检验是一种通过采集对象的图像并将该图像与基准(例 如，将芯片模子与光刻掩膜的数据库进行比较)、与该对象的另一部 分(例如，对半导体晶片进行逐个芯片模子的检验)或者与基准图像 (芯片模子与"金图像")进行比较，测量对象的完整性的技术。不 利的是，当对大半导体衬底进行高分辨率检验时，成像系统的FOV 不能覆盖要检验的整个衬底，因此衬底不能在FOV上移动或"步进"， 从而延长了检验时间。为了提高产量， 一些传统的自动检验工具在一 个方向连续扫描村底，同时成像正交一维光学FOV。 一旦衬底在扫描
方向来回移动，则它通常在另一个(交叉扫描)方向移动一个FOV 的距离，然后扫描该轨迹，从而产生蛇形运动轨迹。用于检验半导体衬底的其他光学成像系统利用"点格栅阵列"实现 大产量。在这些系统中，成像器通常包括二维周期性透镜阵列，其中 每个透镜分别成像位于图像平面上的对象平面上，例如要检验的衬底 上的点，以在图像平面的对象平面上成像二维周期性点阵列。在具有 二维周期性读出单元阵列的共轭图像平面上，设置诸如CCD的传感 器，每个读出单元分别从对象平面上的点采集信号。机械系统这样使 衬底移动，使得在衬底在扫描方向(y方向)上在点阵列上移动时， 点跟踪在机械交叉扫描方向(x方向)不存在间隙的轨迹。因此，利 用分别具有最小FOV的光学元件阵列，而非复杂的大FOV光学器件 的阵列，可以实现非常大FOV的成像。授予Krantz的美国专利 6，248，988、授予Johnson的美国专利6,133,986、授予Wakai的美国 专利5,659,420以及授予Kusnose的美国专利6,043,932对采用点格栅 阵列的光学成像装备进行了描述。点格栅阵列原理的这些以及其他实现方法均存在一些局限性。为了 利用整个机械工作台的扫描实现高端检验要求的非常高的数据速率， 需要大阵列。例如，在100nm像素和32x32透镜阵列情况下的10 Gpix/sec的数据速率要求工作台的速度为100nmx (10 x 109) / ( 32 x32)m/sec，因为工作台的来回时间、移动精度要求以及工作台的复 杂性和成本使得这是不现实的。为了将要求的速度降低到更合理的工 作台速度，需要更大的阵列。例如，320x320阵列要求10mm/sec的 工作台速度，这是一个非常合理的速度。此外，与32x32阵列10 MHz 相比，帧速率被降低到100KHz。更低的数据速率适合Q开关激光器 的脉沖速率，这样可以对短波长采用高效频率变换，从而实现高分辨 率成像。利用稍许大的阵列(例如1000 x 1000),可以进一步降低帧 速率(脉冲速率)要求(降低到10KHz)，从而可以使用准分子激光 器(例如157nmF2激光器)，而且这样甚至可以获得更高分辨率。然而， 一些主要问题妨碍将现有技术用于大阵列，例如工作台振动、 相对有限的聚焦能力、成像线性度、介质层干扰以及有限的故障检测 和分类能力。现在分别说明这些问题。在相邻像素之间，随着时间的流失，工作台机械振动的振幅增大。该时间等于帧速率乘以阵列中的行数的倒数。关于以上讨论的10GPS 和320 x 320阵列的情况，与32x32阵列的3微秒相比，它是3毫秒。 成像过程不能对这些振动进行补偿，因为部分图像可能被丟失，从而 降低了精确度。请注意，由于机械工作台在真空中移动，所以电子成 像系统对工作台的机械振动更敏感。现有技术点格栅阵列实现方法的进一步局限性是由利用共焦成像 过程进行检验要求非常严格的聚焦控制这个事实产生的，利用大数值 孔径、短波长光学器件，在高扫描速率下，非常难以实现这种非常严 格的聚焦控制。为了克服该问题，需要同时进行多高度共焦成像。然 而，尽管象在现有技术中.那样顺序取几个高度限制图像适合一帧检查 模式，但是不适合检验系统连续运动的要求。现有技术中的大阵列的另 一个局限性是对透镜阵列、成像光学器件 以及检测器阵列的线性度要求。为了利用点格栅阵列系统获得良好结 果，不仅对于微透镜阵列，而且对于缩微光学元件，光学器件线性度 的紧公差是重要的。光点必须位于各点之间具有非常精确距离的精确 直线格栅上。这种极高的线性度非常困难，而且实现起来昂贵。现有技术的另一个局限性是需要利用相干激光光源对高速检验实 现足够功率密度。许多检验的衬底被透明或半透明介质层覆盖，这样 在介质层的表面之间出现干扰现象。因为这些层的厚度在整个晶片上 不同，所以从介质层的上部和下部反射的相干光的相位也不同。此外， 干扰可以是相长干扰或相消干扰。即使没有缺陷或不规则性，这些干 扰现象仍导致反射功率发生变化，这样就限制了缺陷检测的精度，从 而限制了系统识别真实缺陷的能力。现有技术点格栅阵列技术的又一个局限性是由从对象的一个角区 域采集光信号导致的有限故障检测和有限分类能力产生的。因此，故 障检测和分析可能需要一个以上的检验，这样就动态增加了可靠检测、
可靠分类故障需要处理和采集的数据量。为了降低制造成本并提高生产率，需要一种具有大FOV的低成本、 精确、高速成像系统。发明内容本发明提供了 一种可以补偿工作台的振动的高数据速率点格栅阵 列成像系统。本发明进一步提供了一种在相邻行上的透镜阵列的透镜的覆盖区 之间具有少量重叠，从而克服了现有技术的严格线性度要求问题，而 且可以使用成本效益好的微透镜阵列的高数据速率点格栅阵列成像系 统。本发明进一步提供采用宽带照射点和宽频带照射点克服介质层干 扰，而不降低成像系统的产量。本发明进一步提供同时从几个方向采集在衬底上形成的点反射的 反射光，从而提高成像系统的故障分类和故障检测的能力。本发明进一步提供从距离检验衬底一个距离以上的距离同时采集 数据，从而从多个数据集中选择一个或者多个相关数据集，而不利用 才几械方法向上或向下移动衬底。在下面的说明中将在某种程度上说明本发明的其他特征，而且通过 研究以下内容，本技术领域内的普通技术人员可以在某种程度上明白 本发明的其他特征，或者通过实现本发明得知本发明的其他特征。正 如所附权利要求所特别指出的那样，可以实现并获得本发明的优点。根据本发明，利用具有二维周期性透镜阵列的成像系统可以在某种 程度上实现上述以及其他特征，该透镜阵列中的每个透镜将诸如要检 验的衬底的对象平面上的点成像到图像平面上，以将图像平面上的二 维周期性点阵列成像在图像平面上。利用二维周期性读出单元阵列， 在共轭图像平面上设置传感器，每个读出单元从对象平面上的点采集 信号。机械系统使衬底在接近平行于点阵列的轴线的方向移动，使得 在衬底在扫描方向在点阵列上移动时，点跟踪在机械交叉扫描方向不
存在间隙的轨迹。设置补偿器用于补偿移动工作台的机械不精确性。根据下面的详细说明，本技术领域内的熟练技术人员容易理解本发 明的其他特征，其中通过仅描述为了实现本发明而设想的最佳方式， 只对本发明的优选实施例进行了描述和说明。正如所实现的那样，本 发明可以有其他不同实施例，而且可以在各显而易见的方面，对其许 多细节进行修改，这些修改均属于本发明范围。因此，附图和描述均 被认为是说明性的，而非限制性的。


参考附图，在附图中，具有同样参考编号表示的单元表示类似的单元，附图包括图la-ll示出根据本发明实施例的成像系统的原理图。图2示出图la-ll所示系统产生的对象平面表面上的点阵列。图3a和3b示出根据本发明实施例的点阵列。图4示出根据本发明实施例采用宽带照射系统的成像系统的原理图。图5示出根据本发明实施例其中同时对两个衬底进行成像的成像 系统的原理图。
具体实施方式
现在，将参考图la和2说明本发明实施例。如图la所示，诸如光 源100的辐射源，例如至少一个激光器、二极管或灯提供光束。诸如 传统准直仪的照射光学器件110使该光束准直并使它具有要求的宽 度。准直光学器件110可以包括偏振单元，以确保光线到达偏振射束 分裂器120，该偏振射束分裂器120的偏振作用可以将光束反射到成 像光路(imaging path)。四分之一波长晶片130用于将照射光的偏 振转动90度。准直光照射透镜阵列140，在要成像的对象上，例如半 导体衬底上，透镜阵列140利用各单元将该准直光聚焦为单独点150 的阵列。透镜阵列140中的每个单元可以是诸如微透镜的单个透镜，
或多个透镜单元。重定向村底160反射的光以通过透镜阵列140和四 分之一波长晶片130，并到达偏振射束分裂器120，偏振射束分裂器 120的偏振被转动90度，或者其波长是照射光束的一半。因此，它通 过偏振射束分裂器120。光学望远镜170用于将透镜阵列140的后光 瞳平面(可以与透镜阵列140在同一个平面上)成像到与透镜阵列140 对应的诸如CCD阵列的二维检测器阵列180上，使得每个CCD阵列 读取衬底160上的一个点。数据捕获部分190读出检测器阵列180输 出的信号，它可以将该信号传送到图像处理单元191和/或图像显示单 元192。可以将望远镜170设置在中间图像平面上，在该中间图像平 面上，点阵列150反射的光形成尺寸基本与透镜阵列140相同的中间 图像，从而在中间图像到达检测器阵列180之前，缩微该中间图像。以接近平行于点阵列150的轴线y之一的方向，将衬底160放置在 以y方向运动的机械工作台165上。这样偏离平行性，使得在衬底160 在扫描方向y移动基本等于点阵列的长度L的距离时，点跟踪在机械 交叉扫描方向(x方向)不存在间隙的轨迹。透镜阵列140可以使用几种类型的透镜，例如折射型或衍射型的标 准透镜或微透镜。对于较小NA和较大FOV，可以采用塑料衍射单元。 这样可以实现几十厘米宽甚或更宽的FOV。对于大NA应用，可以使 用微透镜阵列(通常10微米宽)。如果使用衍射透镜单元，则该透镜 阵列可以进一步包括光孔阵列(即，针孔阵列)，以截断衍射单元产 生的高阶散射。在结合短波长光线，例如约13nm的远紫外线(EUV) 使用时，衍射透镜尤其适合实现本发明。此外，在此所称微透镜阵列，例如透镜阵列140可以是根据传统光 学技术的一个透镜阵列，或串行排列的多个阵列，因此单独阵列中的 各透镜单元的光程形成复合透镜。这种排列可以产生其数值孔径比单 个透镜的阵列获得的数值孔径大的复合透镜阵列。通过层叠各透镜阵 列，可以利用机械方法组装这种复合微透镜阵列，或者利用例如众所 周知的MEMS(微电子机械系统)制造技术制造这种复合微透镜阵列。图2示出衬底(对象)平面上的点阵列150的原理图。为了简洁起
见，图2示出8宽U-h) x6深(1-6)的点阵列。在实现本发明时， 该阵列通常至少包括几百个透镜单元，因此产生相应数量的点。在机 械交叉扫描x方向，相邻行上各透镜的透镜中心之间的偏移确定x方 向上的像素尺寸(即，第一行el上第e个点与第二行e2上第e个点 之间的距离的x轴上的投影px)。像素尺寸反映以多大密度采样衬底 160。为了连续覆盖衬底160，列d6上的最后一个点必须扫描只有一 个像素在交叉扫描的x方向离开相邻列(cl)上的第一个透镜的切线 的轨迹。利用在检测器的两次连续采样之间，给定点的点中心之间的 横跨距离，即，时间0时点f4的中心("f4t0")与一个釆样间隔之 后同一个点的中心("f4tl")之间的距离确定机械扫描y方向py(未 示出)上的像素尺寸。通过将工作台的速度乘以采样间隔，可以确定 该另巨离。利用确保精确和线性运动的任何装置，可以使衬底运动，例如可以 由Anorad Corporation of New York市售的采用线性马达和空气轴承 的传统干涉仪控制工作台使衬底运动。为了对残余不精确性，例如工 作台165的机械振动产生的不精确性进行校正，可以包括伺服机构 170，以对用于移动点阵列并对衬底的偏位进行补偿的光学元件进行控 制。在图la所示的实施例中，可运动光学元件可以是透镜阵列140 本身。在本发明的另一个实施例中，利用光照射光路和/或采集光路上 的可运动反射镜、电光元件或声光元件，可以改变透镜阵列140的后 光瞳上的入射角。为了确保点150聚焦到衬底160上，利用在例如美国专利6,124,924 描述的传统技术，测量需要进行校正的任何聚焦误差，在此引用该专 利的全部内容供参考。然后，或者通过在z方向(透镜阵列140的上 下方向)移动衬底160，通过移动透镜阵列140，或者利用为了进行补 偿移动的光学元件(未示出)，实现校正。如果衬底160不是平面， 则可以使透镜阵列140或另一个光学元件倾斜以对衬底的局部倾斜 (即，FOV内的)进行补偿。在图la所示的本发明实施例中，可以使用准直的、部分准直的或
者未准直的照射光源100。在照射光源IOO被准直的本发明实施例中， 将透镜阵列140设置在离开衬底160—个焦距距离的位置，以产生聚 焦点150的阵列。如果透镜阵列140的透镜单元在光轴上具有可忽略 偏差，则获得衍射受限点150的阵列。在这种情况下，釆集光学器件 (参考编号120、 130、 140、 170)的作用是以阵列140内的各透镜尺 寸确定的分辨率要求将透镜阵列140的后光瞳成像在检测器阵列180 上。由于各透镜的尺寸通常在数十微米至几毫米的范围内，所以如果 利用微透镜构成透镜阵列140，而且点150的尺寸在十分之一微米至 十微米范围内，则对透镜阵列140的后光瞳的成像要求比成像整个 FOV的要求简单得多。由于利用照射光源获得这种情况下的分辨率， 所以照射光源100需要是提供足够亮度的激光器光源。本发明的该实 施例实际上是只有扫描单元是机械工作台165的激光扫描显微镜。如 果如果针孔171设置在望远镜170的焦点上，而且与照射光源100对 准，则望远镜170变成共焦显微镜。在采用部分准直或未准直的照射光源IOO的本发明实施例中，阵列 150上的点不受衍射限制。在这种情况下，将针孔171设置在望远镜 170的焦点上可以确保成像衍射受限点。在利用工作台165的运动连 续覆盖衬底160的情况下，本发明的该实施例实际上是分别成像一个 点的成像显微镜的阵列。在本发明的另 一个实施例中，利用标准射束分裂器代替偏振射束分 裂器120。因此，不需要四分之一波长晶片130。在图ld所示的本发明的又一个实施例中，照射光路不通过透镜阵 列140，但是它通过不同光路到达衬底160。该光路或者照射FOV上 的所有区域，或者包括透镜阵列140a,或者等效于如图所示用于仅照 射点150的阵列的衍射光学元件。在图lj-l所示的本发明的又一个实施例中，阵列140的各后光瞳 在照射光路和采集光路方面是不同的。通过在照射光路或采集光路上 或者在它们二者上设置光孔，可以实现这种差别。例如，通过阻断照 射光路上的光瞳中心，而仅使这些中心在采集光路上通过，可以获得
暗场显微镜。这样阻断每个透镜的中心可以获得更高分辨率。代价是更强的旁瓣，但是如果使用大透镜阵列(与32 x32相比，例如使用 320 x 320)，可以适应这些旁瓣。现在，参考图lj，通过在图la所示的照射光学器件110与射束分 裂器120之间的照射光路上设置平面115，获得根据本发明的该实施 例的暗场显微镜。如图lk所示，平面115的暗环形115b用于阻断对 应于透镜阵列140的各环形光孔115a的中心上的光，从而产生圆环光 孔。如图lj和11所示，在射束分裂器120与望远镜170之间设置另 一个平面125，平面125与平面115相反，即，每个单元125a的中心 125b是透明的，而剩余部分是不透明的，从而产生中心环形光孔。作 为一种选择，可以转换平面115和125 (即，照射光路上的中心环形 光孔和采集光路上的圓环光孔)，然而，仍可以获得本发明的该实施 例的暗场显微镜。关于高分辨率成像，最好利用具有大数值孔径，例如约0.8的透镜， 产生点阵列150。然而，微透镜通常具有约0.4或者更小的数值孔径。 在图lb所示的本发明的又一个实施例中，利用采用廉价、容易获得的 低数值孔径(例如约0.1)微透镜的微透镜阵列140a在中间平面IP 上产生较大点阵列，将该阵列缩微为要求的点阵列大小并利用传统光 学器件145将它投影到衬底160上。该实施例可以使用廉价微透镜， 因此降低了成像系统的成本。采用微透镜技术可以产生较平坦光学面，该光学面非常靠近(通常 为几微米甚或更短)衬底。再参考图la,在本发明的一个实施例中， 利用具有最佳折射率，例如大于空气(n>l)的折射率的流体填充透 镜阵列140与衬底160之间的间隙，这样可以改善分辨率。然而大NA 和大FOV透镜的曲率大，需要质地好的流体介质，这样使用透镜阵 列需要非常少量的流体。本发明的该实施例的优点是有效缩短光波长， 从而获得更高分辨率极限的浸入显微技术。大FOV浸入显微技术的 另一个优点是可以在例如化学机械抛光(CMP)过程中在使它们干燥 之前对在流体环境下处理的衬底进行检验。
在图1C所示的本发明的变换实施例中，将每个激光器单独控制的激光器阵列100a用作光源，以在衬底160上产生点阵列。激光器阵列 100a可以包括可以从Band Gap Engineering of Colorado获得的垂直 空腔表面发光激光器(VCSEL)的阵列。VCSEL是从芯片的顶部、 向上发光的半导体激光器。激光器阵列100a发出的光通过透镜120a 照射衬底160。射束分裂器120a设置在衬底160反射的反射光的共轭 面上，因此激光器阵列100a发出的光通过该共轭面，而衬底160反射 的反射光照射检测器阵列180，如图lc所示。因此，在本发明的该实 施例中不需要透镜阵列。本发明方法适合光电子发射显微镜(PEEM)。在PEEM实现方法 中，系统照射衬底上的点(例如衬底160上的点150),并采集反射 的电子，以进行电子成像，而非进行光子(光学)成像。因此，检测 器阵列180包括用于检测光子电子发射的传统传感器，例如与CCD 检测器阵列相连的传统多路板(MCP)，或者与CCD或MCP相连 的和CCD的闪烁器。使用本发明的离散点照射良好分离的点可以使 对电子成像系统具有低分辨率要求的PEEM具有高分辨率，这样仅需 要提供足以防止在各单独点之间发生串音的分辨率。本发明还可以利用工作台的连续运动实现快速、有效共焦成像。在 本发明的又一个实施例中，将具有要求尺寸而且对应于微透镜阵列分 离的各针孔的阵列设置在共轭图像平面上，而且调节它以便各针孔与 各点单元同心。参考图le，微透镜阵列141用作聚焦光学器件，以产 生共轭图像平面141a，而针孔阵列142与透镜阵列141的微透镜同心 设置在共辄图像平面141a上。这种技术相对于现有技术的优点在于共 焦成像系统，因为在照射光路上没有针孔，而且使用了所有光源亮度。 此外，该技术还适于激光器和白光照射。此外，微透镜阵列141的各 单元可以是廉价衍射微透镜，而且可以有利确定光孔阵列142的光孔 的尺寸，以便仅使衍射微透镜产生的中心点到达检测器阵列180，而 阻断不希望的旁瓣。在图lf所示的本发明的又一个实施例中， 一个或者多个传统射束 分裂单元210设置在采集光路上，以分裂透镜阵列140后光瞳的共轭 面。聚焦光学器件220a-c，例如类似于透镜阵列140的微透镜阵列设 置在每个共辄光瞳面上，以形成多个共轭图像平面221a-c。对于每个 共轭图像平面221a-c，相对于最佳聚焦平面对针孔阵列230a-c设 置不同横向偏移；即，透镜阵列220a与针孔阵列230a之间的距离dl 与透镜阵列220b与针孔阵列230b之间的距离d2不同，而且透镜阵 列220c与针孔阵列230c之间的iE巨离d3与dl或d2不同。通过在每个 针孔阵列230a-c后面设置成像阵列(CCD) 180a-c，可以同时产生 多个图像，每个图像在衬底上具有不同高度限制。这样，根据不同高 度，多个成像阵列180a-c可以同时检验衬底160上的同一个点。然后， 重新釆样多个阵列180a-c输出的数据，以产生最佳聚焦平面图像。例 如，信号处理器240可以对每个阵列180a-c输出的、位于衬底160表 面上的给定像素的灰度级信息进行处理，以补偿不良聚焦跟踪。在本发明的又一个实施例中，同时从几个方向采集衬底上的点反射 的反射光。这种多透视(multi-perspective )成像技术可以以更高精度 进行缺陷检测和分类，因为某种类型的缺陷在已知特性方向反射光。 因此，在相对于衬底的特定角度反射或者不反射光可以用于确定是否 存在特定类型的缺陷。如图lg所示，通过在相对于衬底160的不同角度设置几个光学系 统，例如微透镜阵列380a、 380b以及相连的检测器阵列380a、 380b, 可以实现本发明该实施例的多透视成像过程。可以釆用可以以分离点 150的分辨率成像衬底160的整个视场的任何传统光学系统，代替透 镜阵列340a、 340b。作为一种选择，如图lh所示，例如在透镜1020 之间的间隔内设置包括衍射单元1010的一个透镜阵列1040。衍射单 元1010改变以不同角度从衬底160到检测器阵列180的特定区域，或 者到几个检测器阵列180、 1080a、 1080b的散射光的方向，如图II 所示。在图la和2所示的实施例中，在机械交叉扫描x方向，相邻行上 各透镜的透镜中心之间的偏移确定x方向上的像素尺寸(例如，第一
行el上第e个点与第二行e2上第e个点之间的距离在x轴上的投影 px)。此外，列(d6)上的最后一个点通过一个交叉扫描像素(px) 离开相邻列(cl)上的第一透镜产生的点的轨迹的距离。因此，透镜 列之间的距离或透镜间距确定阵列内的透镜行数(nr)。在本发明的变换实施例中，使用大量的行(nr)，该阵列这样倾斜， 使得相邻行上各透镜的光路之间的x轴上的分离是像素尺寸的几(f) 分之一 (Px/f)。这样选择衬底的速度，使得它在y轴上横跨的距离大 于一个像素的f倍(Py/f)。现在，参考图3a,在该图中，对于透镜 b^产生的给定的像素，示出简单的扫描图形，脚注表示写周期，顶部 的y相邻透镜是bl2，左侧的x相邻透镜是b3n，其中n-s/py(为了产 生矩阵，需要s/py的值为整数)。然而，在图3b中，产生隔行扫描图 形(为了简洁起见，该图示出f=2)。在这种情况下，bli和bl2被分 离开距离2py，其中bh的相邻像素是b2n，而且n-s/2py。 1>12在斜率 为1/f的对角线上相对于bh位移。因此，对于大f，分离主要在y方 向上。结果是，通过交错在两个轴线上均偏移的f周期性结构可以连 续覆盖衬底。根据本发明实施例进行交错的优点是在给定FOV内具有大量的单 独点。因此，对于同样的像素速率要求，阵列读速率("帧速率，，)可 以更低，因为在该阵列中具有更多的单元。在实现本发明时，机械工 作台运动的线性度以及透镜间间隔的紧公差是必要的。此外，光源必 须是短脉冲形式的，而非连续波形式的(CW)。为了在实现本发明的点阵列原理时获得良好效果，电子光学器件线 性度的紧公差是重要的-不仅对于微透镜阵列，而且对于缩微光学元 件。各光点必须位于各点之间具有非常精确距离的精确直线格栅上。 例如，如果具有格栅1000行深度，则列n的第1000行的点必须精确 从列n-l的第一行的点观看的位置附近通过。假定要求1/10像素的精 度，则这意味着在FOV长度上有十分之一像素的线性度。如果透镜 间距等于100像素，则线性度要求是1:106 ( 1000行*100像章间距/0.1 像素公差=106)。如果存在机械振动，则这种极端精确的要求就成为问题。在本发明的又一 个实施例中，通过使相邻列上各透镜的覆盖区之间 产生小重叠，就不需要这种严格的线性度要求，从而减小了机械振动对系统的不利影响。这是通过在图2所示点阵列中设置附加点行，例 如附加行"7"和"8"实现的。此外，在诸如Applied Material's WF-736 的最自动检验系统中，在沿衬底扫描方向上的两个位置之间进行图像 比较。该实施例的附加像素行可以使各列产生的像素与同 一列产生的 像素进行比较。此外，图像处理算法通常要求对给定像素的相邻像素 进行运算。列之间(即，附加像素行)的重叠优先足以提供"备用" 像素(通常1至5个像素)，从而确保用于该算法的相邻像素均来自 同一列。这样，点d6就不必与诸如cl的遥远点进行比较。该实施例 从本质上使每列上的透镜进入各数据通路。它还适合用于调制图像处 理方法，例如，将每列送到单独图像处理模块。这种调制方法简化了 处理过程并提高了处理速度。在本发明的该实施例中，线性度要求降低到在彼此的附近通过的各 列的各行之间的距离。在基于非交织的方法中，该距离是一个透镜间 距。对于以上描述的情况，线性度要求为1:1000 ( 100像素间距/0.1 像素公差)。如果采用交织(参考图3b)，则线性度要求乘以交叉因 数，这样，对于交织因数IO，线性度就变成1:10,000。如上所述，现有技术的局限性在于，为了对高速检验提供足够功率 密度，需要与相干激光器一起工作。许多检验的衬底被透明或半透明 介质层覆盖，这样在介质层的表面之间出现干扰现象。因为这些层的 厚度在整个晶片上不同，所以从每个介质层的上部和下部反射的反射 光的相位也不同，而且产生的干扰可以是相长干扰或相消干扰。即使 没有缺陷或不规则性，这些干扰现象仍导致反射功率发生变化，从而 限制了系统识别真实缺陷的能力。为了克服激光器光源的该局限性， 一些现有技术的检验系统使用宽带灯照射，这样对平均输出产生相长 干扰和相消干扰作用，使得反射光强不取决于介质层厚度的变化。然而，灯光光源不具有激光器的亮度，而且当灯光光源发出的光在
到达透镜阵列之前被准直时，该事实产生问题。透镜阵列使光越准直， 可用功率就越低。要实现合理信噪比，功率低就要求较长的积分时间， 从而限制了系统的产量。相反，如果不使光准直，则透镜不将它焦距 为衍射受限点。大照射点将或者降低系统的分辨率，或者要求采集光 学器件形式的装置，例如针孔阵列，以隔开一部分大光点，然后再产 生要求长积分时间的弱信号，因此降低了产量。因此，现有技术宽带 灯照射解决方案不能使点格栅阵列检验系统具有足够高的性能。图4示出克服了上面讨论的现有技术宽带照射系统的局限性的本 发明实施例。在该实施例中，使用可以充分照射衬底的灯光光源发出 的部分准直宽带光，产生比衍射限制大的照射点S。对图4所示成像 CCD阵列500设计对应于系统要求分辨率的像素尺寸。这样， 一次可 以将每个照射点S成像在一个以上的像素510上。当衬底在该实施例的透镜阵列500的下方移动(例如沿y轴)时， 利用检测器阵列500的相应像素510成像同一个衬底位置，因为照射 点S的不同部分照射该衬底位置。与衬底的运动"同步"，叠加像素 行510产生的信号，从而将照射点S的不同部分产生的信号叠加在一 起。利用在传统CCD阵列上传送的电荷，或者利用任何众所周知的 模拟技术或数字技术，可以在检测器阵列芯片上，或者在检测器阵列 芯片外，实现本发明的该实施例。此外，还可以将后面的透镜产生并被检测器阵列500内的其他像素 510采集的、对应于衬底上的同一个位置的信号与前面的透镜产生的 信号叠加在一起。图4所示的例子示出一个透镜点的IO个连续行上的 各像素的集成以及10个透镜的集成-总共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灯光光源，而不使用激光器，克服 上述干扰问题，并提供足够高产量。该实施例的检测器阵列可以是均匀格栅。在这种情况下，仅使用该 格栅的某些部分。作为一种选择，它可以由其分离开的区域可以支承 电子器件的、每个透镜的密集阵列构成。对于图4所示的例子，可以 具有间距等于100x ioo像素的、每个透镜的10xlO像素子阵列520。
检测器阵列500与上述实施例倾斜同样的角度，以确保整个衬底被覆 盖并对照射给定区域的顺序透镜产生的信号积分。象在本发明的该实 施例中那样使用宽带照射要求使用折射型透镜单元，而非衍射型透镜 单元，因为后者的焦距与波长成线性关系。在图5所示的本发明的又一个实施例中，将两块相应衬底640a, 640b，例如同一个晶片上的两个同样晶片放置在可运动工作台650上， 而且一个晶片用作检验另一个晶片的基准。辐射源600可以是以上描 述的任何一种照射光源，它提供的光需要通过照射光学器件610和射 束分裂器620a、 620b入射到透镜阵列630a、 630b，从而照射村底640a 和640b上的同一个点阵列。透镜阵列630a、 630b可以是上述阵列之 任一。检测器阵列660a、 660b釆集衬底640a和640b发出的信号，然后， 处理器670对获得的图像进行比较，以确定衬底640a、 640b之一上是 否存在缺陷。例如，将两个图像上相应像素的灰度级进行比较，如果 它们的差别大于预定阈值数量，则处理器670确定该像素位置存在缺 陷。与在本发明的上述实施例中相同，可运动工作台650这样移动， 使得基本分别照射并成像衬底640a、 640b的整个表面。然而，本发明 的该实施例的优点是，由于衬底640a、 640b均承受工作台650的同样 振动，所以没有该振动产生的不希望效果，而且无需象在此描述的其 他实施例中所做的那样，对它们进行补偿。下面的例子说明计算与实现本发明有关的各种参数的过程 定义FOV-衬底上的视场(微米)(假定是正方形)D-衬底上的点之间的间距(微米)p-衬底上的像素尺寸(微米)ny和nx-分别是阵列内的行数和列数N-阵列内的透镜总数DR-数据速率要求(像素/秒/阵列)FR -帧速率要求(读的阵列/秒)V-y方向上的工作台速度(微米/秒)由于FOV-D^x， ny=D/p，所以利用下式计算透镜总数N: N = nx*ny=(FOV/D)*(D/p)=FOV/p对于给定的数据速率要求(DR)，则要求帧速率(FR)，并因 此要求工作台速度为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阵列 = FR=10ie/104=106=l兆帧/秒 =>V=106*0.1微米=100 mm/秒对于给定的像素尺寸，为了在阵列内获得大量像素，并因此而降 低帧速率和工作台速度要求，提高FOV是关键(在采用图3b所示的 交错时，行数增加，并因此而增加阵列单元数，而帧速率降低，但是 工作台速度却保持不变)。在采用直接透镜阵列进行衬底成像的本发 明实施例中，不限制FOV。然而，在利用传统光学器件将微透镜阵列 再成4象到衬底上时，FOV成为问题。例子2:如果像素尺寸减小到10 nm，而FOV增加到10 mm，则阵列的总 点数是N= 10,000/0.01=106。如果保持106帧/秒的帧速率(FR)，则 本发明的数据速率(DR)为1012像素/秒，或者1万亿像素/秒。该DR 情况下的工作台速度(V)是10mm/秒。根据本发明的该系统比任何 现有技术的系统均快3个数量级。当然，这种系统要求可以处理高数 据速率的传统图像捕获系统和图像处理系统。例如，利用EU'V(波长 为13-14 nm的扩展UV)光学器件可以获得根据本发明的该实施例 利用传统材料、方法和装置，可以实现本发明。因此，在此不详细 说明这种材料、装置和方法的细节。在上面的描述中，为了有助于全 面理解本发明，对许多特定细节进行了说明，例如特定材料、结构、 化学物质、处理过程等。然而，应该认为，不采用以上具体说明的细 节，仍可以实现本发明。在其他例子中，为了不使本发明不必要地模 糊不清，所W未对众所周知的处理过程进行了详细描述。了描述。应该明白，本发明可以用于各种其他组合和环境，而且可以 在在此描述的本发明原理范围内对其进行变更和修改。
权利要求
1、一种成像器，该成像器包括照射光源，包括宽带灯，用于同时辐照在要成像的对象表面上互相隔离开的点的阵列；检测器阵列，用于采集从该点与对象表面的相互作用产生的信号，以形成对象表面上的辐照部分的图像，该检测器阵列包括多个像素阵列，每个像素阵列对应于一个点；以及可运动工作台，用于支承对象，并这样移动对象，使得对象表面上的预定部分可以被辐照并成像；以及其中照射光源这样照射点阵列，使得每次由像素阵列之一的一个以上的像素采集从每个点产生的信号。
2、 根据权利要求1所述的成像器，其中在工作台移动对象时， 利用各点之一的多个部分，利用像素阵列之一的相应部分对一部分对 象表面成像。
3、 根据权利要求1所述的成像器，其中确定像素阵列中各像素 的尺寸以提供预定分辨率；以及其中照射光源这样照射点阵列，使得每个点大于成像器的预定衍 射限制。
4、 根据权利要求1所述的成像器，其中检测器阵列包括电荷耦 合器件。
5、 一种成像器，该成像器包括辐射源，用于同时辐照在要成像的对象表面上互相隔离开的点的 阵列；检测器阵列，用于采集由点与对象表面的相互作用而产生的信号， 以形成对象表面上的辐照部分的图像；以及可运动工作台，用于支承对象，并这样移动对象，使得该对象表 面上的预定部分可以被辐照并成像；其中可运动工作台在偏离点阵列的轴线的扫描方向基本上线性地移动对象，使得当对象在扫描方向上的移动距离基本等于点阵列的长度时，该点在机械交叉扫描方向跟踪对象表面上的基本连续轨迹；以 及其中点阵列包括多个行和列的点，而且辐射源用于辐照预定行数 的点，使得两个相邻列上的各点跟踪对象表面上的连续轨迹时相重叠。
6、 根据权利要求5所述的成像器，其中辐射源这样辐照附加行 的点，使得点的总行数大于点的预定行数，而且列中的两个相邻列重 叠。
7、 根据权利要求6所述的成像器，其中辐射源这样辐照足够数 量的附加行的点，使得用于图像处理算法的相邻像素全部在一列上。
8、 根据权利要求5所述的成像器，该成像器进一步包括用于对 可运动工作台的机械不精确性进行补偿的补偿器。
9、 一种检验系统，其中包括辐射源，用于同时辐照要成像的第一对象表面上互相分离的各点 的第一阵列，并用于辐照要成像的第二对象表面上互相分离的各点的 第二阵列，其中第一点阵列和第二点阵列基本相同，而且第一对象的 表面与第二对象的表面互相对应；第一检测器阵列，用于釆集由点与第一对象的表面的相互作用而 产生的信号，以形成第一对象表面上的辐照部分的图像；第二检测器阵列，用于采集由点与第二对象的表面的相互作用而 产生的信号，以形成第二对象表面上的辐照部分的图像；可运动工作台，用于支承第一对象和第二对象，并这样移动各对 象，使得基本上每个对象的整个表面可以被辐照和成像；以及处理器，用于将第一对象的图像与第二对象的图像进行比较。
10、 根据权利要求9所述的检验系统，其中配置处理器，以根据 对第一对象的图像与第二对象的图像所做的比较，确定第二对象表面 上是否存在缺陷。
11、 根据权利要求IO所述的检验系统，其中配置处理器，以在第 二对象表面上的图像的参数值与第一对象表面上的图像的参数值的差别大于预定阈值量时，确定第二对象的表面上存在缺陷。
12、 根据权利要求9所述的成像器，该成像器进一步包括用于补 偿可运动工作台的机械不精确性的补偿器。
13、 一种方法，其中包括步骤同时辐照在要成像的对象表面上互相隔离开的点的阵列； 采集由该点与对象表面的相互作用而产生的信号，以形成对象表面上的辐照部分的图像；利用透镜阵列，将光源发出的光聚焦为对象表面上的点阵列； 这样将具有对应于阵列的各透镜的针孔阵列的部件设置在对象与检测器阵列之间的共轭图像平面上，使得各针孔与点阵列上的点同心；以及这样移动可运动工作台上的对象，使得该对象表面上的预定部分 可以被辐照并成像。
14、 根据权利要求13所述的方法，该方法包括设置用于产生共轭 图像平面的第二透镜阵列。
15、 一种方法，其中包括步骤同时辐照在要成像的对象表面上互相隔离开的点的阵列； 利用透镜阵列，将光源发出的光聚焦为对象表面上的点阵列； 在检测器阵列釆集由该点与对象表面的相互作用而产生的信号， 以形成对象表面上的辐照部分的图像；将透镜阵列的后光瞳的共轭面分裂为多个共辄光瞳面； 形成每个光瞳面的共轭图像平面；这样设置多个分别具有针孔阵列而且分别与图像平面之一有关的 部件，使得每个部件具有不同横向偏移；采集由该点与对象表面的相互作用而产生的信号，以同时产生对 象辐照部分的多个图像，每个图像分別与用于从针孔阵列接收光的部 件有关；这样移动可运动工作台上的对象，使得该对象表面上的预定部分 可以被辐照并成像；以及补偿移动工作台的机械不精确性。
16、 一种方法，其中包括步骤同时对要成像的对象表面辐照互相隔离开的点的阵列； 釆集由该点与对象表面的相互作用而产生的信号，以形成对象表面上的辐照部分的图像；利用透镜阵列，将光源发出的光聚焦为对象表面上的点阵列； 这样将具有对应于阵列的各透镜的中心的掩膜阵列的部件设置在对象与检测器阵列之间的共轭图像平面上，使得各掩膜与点阵列上的点同心；以及这样移动可运动工作台上的对象，使得该对象表面上的预定部分 可以被辐照并成像。
17、 一种方法，其中包括步骤同时对要成像的对象表面辐照互相隔离开的点的阵列；采集由该点与对象表面的相互作用而产生的信号，以形成对象表 面上的辐照部分的图像；支承对象，并在偏离点阵列的轴线的扫描方向，基本上线性地移 动对象，使得当对象在扫描方向上的移动距离基本等于点阵列的长度 时，该点在机械交叉扫描方向跟踪衬底表面上的基本连续轨迹，并且 该对象表面上的预定部分被辐照和成^^;其中点阵列包括多个行和列的点，而且辐照步骤包括这样辐照预 定行数的点，使得两个相邻列上的各点在跟踪对象表面上的连续轨迹 时相重叠。
18、 根据权利要求17所述的方法，其中多个行和列的点对应于一 部分对象表面的区域，该方法包括这样辐照附加行的点，使得点的总 行数大于预定行数的点，而且列中的两个相邻列重叠。
19、 一种方法，该方法包括步骤同时辐照要成像的第一对象表面上互相分离的各点的第一阵列， 并辐照要成像的第二对象表面上互相分离的各点的第二阵列，其中第 一点阵列和第二点阵列基本相同，而且第一对象的表面与第二对象的表面互相对应；采集由该点与第一对象表面的相互作用而产生的信号，以形成第 一对象表面上的辐照部分的图像；采集由该点与第二对象表面的相互作用而产生的信号，以形成第 二对象表面上的辐照部分的图像；这样移动可运动工作台上的第一对象和第二对象，使得每个对象 表面上的预定部分可以被辐照并成像；以及将第一对象的图像与第二对象的图像进行比较。
20、 根据权利要求19所述的方法，该方法包括根据对第一对象的 图像与第二对象的图像所做的比较，确定第二对象表面上是否存在缺陷。
21、 根据权利要求20所述的方法，该方法包括在第二对象表面上 的图像的参数值与第一对象表面上的图像的参数值的差别大于预定阈 值量时，确定第二对象的表面上存在缺陷。
22、 根据权利要求19所述的方法，其中在执行移动步骤期间，第 一对象与第二对象承受基本相同的机械振动。
23、 根据权利要求19所述的方法，该方法包括对移动工作台的机 械不精确性进行补偿。
24、 根据权利要求19所述的方法，其中辐照步骤包括聚焦光源发 出的光以形成第一点阵列和第二点阵列。
25、 根据权利要求19所述的方法，其中辐照步骤包括引导激光以 照射第一表面和第二表面，从而形成第一点阵列和第二点阵列。
26、 一种方法，其中包括步骤同时辐照要成像的对象表面上互相隔离开的点的阵列； 采集由该点与对象表面的相互作用而产生的信号，以形成对象表 面上的被辐照部分的图像；在偏离点阵列的轴线的扫描方向，基本线性移动可运动工作台上 的对象，使得当该对象在扫描方向上的移动距离基本等于点阵列的长 度时，在机械交叉扫描方向，各点跟踪对象表面上基本连续的轨迹， 同时在执行辐照和采集步骤时，辐照并成像对象表面上的预定部分；其中点阵列包括多个行和列的点，而且辐照步骤包括这样辐照预 定行数的点，使得两个相邻列上的各点跟踪对象表面上的连续轨迹时 相重叠。
27、 一种方法，其中包括步骤同时将光源发出的光聚焦为要成像的对象表面上的互相隔离开的 点的阵列；光源产生的光的第一部分以第一角度从点阵列反射到第一检测器 阵列，该第一检测器阵列用于采集由该点与对象表面的相互作用而产 生的信号，以形成对象表面上的被辐照部分的第一图像；以及光源产生的光的第二部分以不同于第一角度的第二角度反射到第 二检测器阵列，该第二检测器阵列用于采集由该点与对象表面的相互 作用而产生的信号，以形成对象表面上的被辐照部分的第二图像；以 及在执行辐照和采集步骤时，移动可运动工作台上的对象，使得该 对象表面上的预定部分可以被辐照并成像。
28、 一种成像器，其中包括辐射源，用于同时辐照在要成像的对象表面上互相隔离开的点的 阵列；检测器阵列，用于采集由该点与对象表面的相互作用而产生的信 号，以形成对象表面上的辐照部分的图像；可运动工作台，用于支承对象，并这样移动对象，使得该对象表 面上的预定部分可以被辐照并成像；第一部件，具有对应于阵列的各点的中心的针孔阵列，该第一部 件这样设置在对象与检测器阵列之间，使得各针孔与各点同心；以及第二部件，具有对应于阵列的各点的中心的掩膜的阵列，该第二部件这样设置在辐射源与对象表面之间，使得各掩膜与点阵列的各点 同心。
29、 一种成像器，其中包括 辐射源，用于同时辐照在要成像的对象表面上的互相隔离开的点的阵列；检测器阵列，用于采集由该点与对象表面的相互作用而产生的信 号，以形成对象表面上的辐照部分的图像；可运动工作台，用于支承对象，并这样移动对象，使得该对象表 面上的预定部分可以被辐照并成像；以及第一部件，具有对应于阵列的各点的中心的掩膜的阵列，该第一 部件这样设置在对象与检测器阵列之间，使得各针孔与各点同心。
30、 根据权利要求29所述的成像器，其中进一步包括第二部件， 该第二部件具有对应于阵列的各点的中心的针孔的阵列，该第二部件这样设置在辐射源与对象表面之间，使得各掩膜与点阵列的各点同心。
31、 一种成像器，其中包括光源，用于同时辐照在要成像的对象表面上的互相隔离开的点的阵列；透镜阵列，用于将光源发出的光聚焦为点阵列；第一检测器阵列，用于采集由该点与对象表面的相互作用而产生 的信号，以形成对象表面上的辐照部分的图像，其中光源产生的光的 第 一部分以第 一 角度从点阵列反射到第 一检测器阵列，而光源产生的 光的第二部分以不同于第一角度的第二角度反射；第二检测器阵列，用于采集对应于该光的第二部分的信号；以及 可运动工作台，用于支承对象，并这样移动对象，使得该对象表 面上的预定部分可以被辐照并成像。
全文摘要
本发明提供了一种高数据速率点格栅阵列成像系统，它可以补偿工作台的振动，而且可以克服现有技术系统的严格线性度要求问题。实施例包括具有二维周期性透镜阵列的成像系统，透镜阵列中的每个透镜将诸如要检验的半导体衬底的对象平面上的点成像到图像平面上，以成像二维周期性点阵列。利用二维周期性读出单元阵列，在共轭图像平面上设置传感器，每个读出单元从各点之一采集信号。机械系统使衬底在接近平行于点阵列的轴线的方向移动，使得在衬底在扫描方向(y方向)上在点阵列上移动时，点跟踪在机械交叉扫描方向(x方向)不存在间隙的轨迹。诸如伺服机构或可运动反射镜的补偿器补偿移动工作台的机械不精确性，从而提高成像精度。在其他实施例中，机械系统的运动使相邻行上的透镜阵列的透镜的覆盖区之间具有少量重叠，从而克服了现有技术的严格线性度要求问题，而且可以使用成本效益好的微透镜阵列。
文档编号G01N21/95GK101131367SQ200710162490
公开日2008年2月27日 申请日期2002年11月7日 优先权日2001年11月7日
发明者吉拉德·艾茂基, 奥兰·瑞奇斯 申请人:应用材料有限公司