使用激光脉冲倍增器的半导体检验及计量系统的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请秦
[0002] 本申请案主张2012年12月5日申请的名为"使用激光脉冲倍增器的半导体检 验及计量系统（SemiconductorInspectionAndMetrologySystemUsingLaserPulse Multiplier)"的美国临时专利申请案61/733, 858的优先权，且与2011年6月13日申请 的名为"激光脉冲的光学峰值功率降低及使用激光脉冲的光学峰值功率降低的半导体检 验及计量系统（(OpticalPeakPowerReductionOfLaserPulsesAndSemiconductor InspectionAndMetrologySystemsUsingSame)"的美国临时专利申请案 61/496, 446 及2012年6月1日申请的名为"使用激光脉冲倍增器的半导体检验及计量系统 (SemiconductorInspectionAndMetrologySystemUsingLaserPulseMultiplier)" 的美国申请案13/487, 075有关。全部该些申请案W引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明设及使用激光脉冲的光学峰值功率降低W用于半导体检验及计量系统，且 特别设及使用分束器及一或多个镜W产生优化脉冲倍增器。
【背景技术】
[0004] 针对检验及计量的照明需要通常是由连续波（CW)光源最佳地满足。CW光源具有 允许连续地获取图像或数据的恒定功率电平。然而，在许多关注波长（尤其是紫外线扣V) 波长）下，具有足够福射率（每单位立体角每单位面积的功率）的CW光源是不可用的、昂 贵的或不可靠的。
[000引脉冲式光源具有比CW光源的时间平均功率电平高得多的瞬时峰值功率电平。然 而，如果脉冲式激光为在关注波长下具有足够时间平均福射率的唯一可用或具成本效益的 光源，那么使用具有高重复速率及宽脉冲宽度的激光是最佳的。脉冲重复速率越高，对于相 同时间平均功率电平的每脉冲的瞬时峰值功率越低。激光脉冲的较低峰值功率引起对光学 器件及经测量的样本或晶片的较少损坏，该是因为大多数损坏机制是非线性的且更强烈地 取决于峰值功率而非取决于平均功率。
[0006] 在一些应用中，增加的重复速率的额外优点在于：每数据获取或每像素收集更多 脉冲，从而导致脉冲到脉冲变化的较佳平均化及较佳信噪比。此外，对于快速移动样本，较 高脉冲速率可导致样本位置随时间而变的较佳取样，该是因为在每一脉冲之间移动的距离 较小。
[0007] 可通过改善激光介质、累系统及/或其驱动电子器件而增加激光子系统的重复速 率。不幸的是，修改已经W预定重复速率操作的UV激光可需要显著的时间及金钱投入W 改善其构成元件中的一或多者，且仅可将重复速率改善达一小增量。此外，增加UV激光中 的基本激光的重复速率会降低基波的峰值功率。该会降低频率转换（其必然地为非线性过 程）的效率且因此使较难W产生高平均UV功率电平。
[0008] 因此，需要实用的花费不多的技术来改善UV激光的对所述激光的输出起作用的 重复速率。
【发明内容】
[0009] -般而言，描述一种产生用于系统的优化脉冲的方法。在该种方法中，可使用分束 器及环形腔将输入激光脉冲光学上分裂成多个脉冲。由分束器将外来脉冲分裂成两个。所 述脉冲的部分继续行进，且所述脉冲的部分进入环形腔。在所述脉冲围绕所述环形腔行进 一次之后，其重新遇到所述分束器且再次被分裂成两个。一部分离开所述环形腔，且另一部 分围绕所述环形腔再次行进。
[0010] 如果激光产生在时间上实质上相等地分离的脉冲流（即，W实质上恒定重复速率 产生所述脉冲），那么可设置环形腔长度，使得已围绕所述腔行进一次的脉冲将到达外来激 光脉冲之间。例如，可设置环形腔长度，使得脉冲W两个外来脉冲之间的时间间隔的大致一 半围绕所述环形腔行进一次。
[0011] 所述分束器确定每一入射脉冲的能量的哪一分数进入所述环形腔。所述分束器还 确定已围绕所述腔行进的脉冲的能量的哪一分数将离开所述腔。通过适当地选取分束器， 可控制所述脉冲的相对振幅。在一个实施例中，选取环形腔长度，使得脉冲W两个外来脉冲 之间的时间间隔的大致一半围绕所述环形腔行进，且选取所述分束器，使得离开所述环形 腔的所述脉冲在能量上彼此大致相等，由此有效地使所述激光的重复速率加倍。
[0012] 一种脉冲倍增器可包含分束器及一组镜。所述分束器接收输入激光脉冲。所述组 镜形成所述环形腔。在一些实施例中，所述环形腔包含棱镜，使得所述棱镜及镜一起形成所 述腔。所述分束器有利地反射（或透射）第一组脉冲作为所述脉冲倍增器的输出且将第二 组脉冲透射（或反射）回到所述环形腔中。
[0013] 腔中的所述镜中的一或多者可为曲面的，W使所述脉冲在所述环形腔中重新聚 焦。在一些实施例中，一或多个透镜可并入到所述腔中W使所述脉冲重新聚焦。
[0014] 在一个实施例中，可将一个腔的输出引导到另一腔的输入。在一个实施例中，所述 第一环形腔可W所述激光的重复速率的两倍的速率产生脉冲流，且所述第二环形腔可使所 述重复速率再次加倍，由此使所述激光重复速率倍增4。在一些实施例中，=个环形腔可用 于使所述重复速率倍增8,或四个环形腔可用于使所述重复速率倍增16。
[0015] 上述脉冲倍增器中的任一者可并入到晶片检验系统、图案化晶片系统、掩模检验 系统或计量系统中。所述脉冲倍增器可花费不多地降低每脉冲的峰值功率，同时在具有最 小总功率损耗的情况下增加每秒的脉冲数目。所述脉冲倍增器可有利地使用现有激光来启 用高速检验及计量。
【附图说明】
[0016] 图1A说明经配置W产生重复速率为输入脉冲串的速率的整数倍的脉冲串的示范 性脉冲倍增器。
[0017] 图1B说明从两个腔配置W产生重复速率高于可从单一腔获得的重复速率的脉冲 串的示范性脉冲倍增器。
[0018]图1C说明经配置W产生重复速率为输入脉冲串的速率的整数倍的脉冲串的替代 示范性脉冲倍增器。
[0019] 图ID说明图1C所展示的腔中的两者可经禪合w产生重复速率高于可从单一腔获 得的重复速率的脉冲串的一种方式。
[0020] 图1E说明图1C所展示的脉冲倍增器的一个实施例的更多细节。
[0021] 图2A说明由图1A、1B、1C、1D、1E、3A、3B、4A及4B的脉冲倍增器中的一者输出的示 范性能量包络。每一能量包络包含一输出脉冲串。
[0022] 图2B说明脉冲倍增器可使原始重复脉冲速率加倍，同时降低峰值功率且在每一 脉冲中确保实质上相等能量。
[0023] 图3A及3B说明分别包括单一蝶式环形腔及两个蝶式环形腔的替代示范性脉冲倍 增器。
[0024] 图4A说明基于赫里奥特池化erriottcell)的替代示范性脉冲倍增器。
[00巧]图4B说明基于赫里奥特池的一半的替代示范性脉冲倍增器。
[0026]图5说明并有脉冲倍增器的示范性未图案化晶片检验系统。
[0027] 图6说明并有脉冲倍增器的示范性图案化晶片检验系统。
[0028] 图7说明可与脉冲倍增器组合的示范性相干性降低及/或脉冲塑形方案。
[0029] 图8说明并有脉冲倍增器的示范性光掩模、分划板或晶片检验系统。
【具体实施方式】
[0030] 根据改善型脉冲倍增器的一个方面，可将每一激光脉冲光学上分裂成多个脉冲。 在一个实施例中，该些脉冲可具有大致相等能量且可在时间上大致相等地间隔。所述激光 脉冲的该种分裂可在具有最小能量损耗的情况下对上述问题提供实用且花费不多的解决 方案。
[0031] 图1A说明经配置W从每一输入脉冲产生脉冲串的示范性脉冲倍增器100。输入脉 冲从方向101到达且照射在分束器103上，分束器103使每一脉冲的部分在输出方向102 上透射且使部分反射到镜106。所述输入脉冲及输出脉冲在平行于箭头104的方向上实质 上偏振。因此，输出偏振实质上平行于输入偏振。
[0032] 镜106将输入脉冲的光引导到棱镜108。将离开棱镜108的光引导到镜107,镜 107将所述光引导回到分束器103。因此，两个镜106及107、棱镜108及分束器103形成环 形腔。从镜107到达分束器103的每一脉冲的部分反射离开所述环形腔，且部分透射通过 分束器103且围绕所述环形腔再循环。稍后更详细地描述分束器103。
[0033] 镜106及107具有经选取使得其使光在腔内重新聚焦W对于围绕环形腔的至少数 个往返实质上或部分地保持激光束腰大小及形状的曲率半径（且因此，焦距）。例如，但并 非作为限制，可实质上准直输入激光脉冲，镜106可使每一激光脉冲聚焦到棱镜108的中屯、 附近的束腰，且镜107可实质上重新准直每一激光脉冲。该种布置具有在分束器103上或 附近不具有束腰且因此不使分束器103经受最高功率密度的优点。所属领域的技术人员将 理解，许多其它聚焦布置是可能的。
[0034] 优选地切割棱镜108的输入面109,使得光W实质上或大致等于所述棱镜的材料 的布鲁斯特角炬rewster'sangle)的角度入射，由此最小化归因于从输入面109的反射的 光损耗。优选地，输出面（未标记）也W布鲁斯特角定向W最小化输出面处的光损耗。因 为输入光脉冲在方向104上实质上偏振，所W针对两个棱镜面使用布鲁斯特角会实质上消 除归因于棱镜108的光损耗。在一些优选实施例中，棱镜108可包括紫外线扣V)级或准分 子级烙融娃石、氣化巧（CaFs)或氣化儀（MgFs)。
[0035] 在优选实施例中，将环形腔的光学路径长度设置为实质上或大致等于相继外来脉 冲之间的距离的单分数，其中两个脉冲之间的距离等于光速乘W那些脉冲之间的时间间 隔。例如，在一些实施例中，可将所述腔的光学路径长度设置为外来脉冲之间的距离的实质 上或大致一半、=分之一或四分之一。对于此类环形腔，每二个、每=个或每四个脉冲将分 别与到达输入脉冲实质上或大致重合。作为实例而非限制，如果外来激光脉冲具有125MHz 的重复速率，那么1. 199m的环形腔光学路径长度将产生替代地实质上处于两个外来脉冲 之间的中途且与外来脉冲大致重合的脉冲，由此W250MHz的重复速率产生输出脉冲。
[0036] 在一些实施例中，可将腔光学路径长度设置为相继外来脉冲之间的距离的单分数 的适当倍数。例如，在脉冲加倍器中，可将环形腔光学路径长度设置为相继外来脉冲之间的 距离的实质上或大致3/2倍或5/2倍，而非所述距离的一半。该种长度可在输出重复速率为 高（例如约IGHz或更高）时为有利的，该是因为所需物理腔长度将仅为15cm或更短（取 决于重复速率及从镜的反射的数目）。此类短环形腔长度可难W对准，或可需要在曲面镜中 的一或多者上的非常大的入射角W适应1mm或数mm的激光束腰。一般而言，优选的是使曲 面镜上的入射角保持为小W使光学像差保持为小。
[0037] 环形腔光学路径长度可略大于或略小于依据脉冲间隔除W倍增因数直接计算的 标称长度。该种长度引起脉冲不会在完全相同时间到达分束器且略加宽输出脉冲。例如，但 并非作为限制，当输入脉冲重复速率为125MHz且输入脉冲宽度为大致loops时，标称环形 腔延迟对于2倍频率倍增将为4ns(即，约1. 199m的腔光学路径长度）。在一个实施例中， 可使用对应于4. 05ns的环形腔光学路径长度（即，约1. 214m的环形腔光学路径长度），