KR20170141806A - 검사 및 계측 시스템을 위한 전기적으로 제어 가능한 애퍼처를 갖춘 센서 - Google Patents
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Abstract
선형 센서의 픽셀 애퍼처 크기 조정은, 픽셀의 저항성 제어 게이트의 중심 영역에 더 네거티브한 제어 전압을 인가하고 게이트의 단부에 더 포지티브한 제어 전압을 인가함으로써 달성된다. 이러한 제어 전압은 저항성 제어 게이트가 픽셀의 광 감응 영역의 선택된 부분에서 생성된 광전자를 후속 측정을 위한 전하 축적 영역 내로 드라이브하고, 픽셀의 광 감응 영역의 다른 부분에서 생성된 광전자를 후속 폐기 또는 동시 판독을 위해 전하 축적 영역으로부터 멀리 드라이브하는 전기장을 생성하게 한다. 시스템은 광학 기기를 이용하여 샘플로부터의 상이한 각도 또는 위치에서 수신된 광을 각 픽셀의 광 감응 영역의 대응하는 상이한 부분 내로 지향시킨다. 다수의 애퍼처 제어 전극이 선택적으로 작동되어, 좁은 범위 또는 넓은 범위의 각도 또는 위치로부터 수신된 광을 수집/측정함으로써 신속한 이미지 데이터 조정을 가능하게 한다.
Description
본 출원은 2015년 5월 14일자로 출원된 미국 가출원 번호 제62/161,450호 및 2015년 6월 8일자로 출원된 미국 가출원 번호 제62/172,242호에 대해 우선권을 주장하고, 이들은 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 출원은 공동 소유 및 공동 계류 중인 2015년 4월 21일에 출원된 "CONFOCAL LINE INSPECTION OPTICAL SYSTEM(공초점 선형 검사 광학 시스템)"라는 명칭의 미국 특허출원 번호 제14/691,966호(공개 번호 제2015/0369750호) 및 2007년 5월 25일에 출원된 "INSPECTION SYSTEM USING BACK SIDE ILLUMINATED LINEAR SENSOR(후면 조명된 선형 센서를 사용하는 검사 시스템)"이라는 명칭의 미국 특허출원 번호 제11/805,907호(공개 번호 제2011/0073982호)와 관련되어 있으며, 이들은 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 출원은 가시광선, 자외선(ultraviolet, UV), DUV(deep UV), VUV(vacuum UV), EUV(extreme UV) 및 X선 파장에서의 방사선을 감지하고 전자 또는 다른 대전 입자를 감지하기에 적합한 라인 센서 및 관련 전자 회로, 및 그와 같은 라인 센서를 작동시키는 방법에 관한 것이다. 센서 및 회로는 포토마스크, 레티클 및 반도체 웨이퍼 상의 피처를 검사 및/또는 측정하는 데 사용되는 것을 포함하여 검사 및 계측 시스템에 사용하기에 특히 적합하다.
집적 회로 산업은 보다 작은 결함 및 입자를 검출하기 위해 점점 더 높은 감도를 갖는 검사 툴을 요구하며, 반도체 웨이퍼 상의 작은 피처의 치수를 정확하게 측정하기 위한 고정밀 계측 툴을 필요로 한다. 반도체 산업은 현재 약 20nm 이하의 피처 치수를 갖는 반도체 디바이스를 제조하고 있다. 몇 년 안에 이 산업은 약 5nm의 피처 치수를 가진 디바이스를 제조하게 될 것이다. 크기가 단지 수 nm인 입자 및 결함은 웨이퍼 수율을 감소시킬 수 있고, 1nm 이하의 수십 분의 1 피처 치수의 변화는 트랜지스터 또는 메모리 디바이스의 전기적 성능의 상당한 변화 또는 고장을 야기할 수 있다.
반도체 검사 및 계측 툴은 CMOS 제조에 사용되는 상이한 재료 및 구조 모두 또는 대부분을 검사하거나 측정할 수 있다면 가장 유용하다. 상이한 재료와 구조는 서로 매우 상이한 반사율을 가지고 있다. 유연성을 가지기 위해 반도체 검사 및 계측 툴은 다중 파장 및/또는 광 조명 및 광 수집의 다중 각도를 사용할 수 있다. 어느 각도를 사용할지 선택하는 것은 검사되고 있거나 측정되고 있는 것에 따라 광 경로의 올바른 위치로 적절한 모양 및 크기의 애퍼처를 스위칭하는 것을 전형적으로 포함한다.
본 발명과 관련된 유형의 다양한 검사 및 계측 툴은 예를 들어 2014년 5월 8일에 출원된 "A Low-Noise Sensor And An Inspection System Using A Low-Noise Sensor(저잡음 센서 및 저잡음 센서를 사용하는 검사 시스템)"라는 명칭의 미국 특허 출원 제14/273,424호, 2012년 2월 1일에 출원된 "High-density digitizer(고밀도 디지타이저)"라는 명칭의 미국 특허출원 제13/364,308호, 2013년 12월 4일에 출원된 "Method and apparatus for high speed acquisition of moving images using pulsed illumination(펄스된 조명을 사용하여 움직이는 이미지를 고속으로 획득하기 위한 방법 및 장치)"라는 명칭의 미국 특허출원 제14/096,911호, 2012년 12월 10일에 출원된 "Electron-bombarded charge-coupled device and inspection systems using EBCCD detectors(EBCCD 및 EBCCD 검출기를 사용하는 검사 시스템)"라는 명칭의 미국 특허출원 제13/710,315호, 2013년 3월 10일에 출원된 "Back-illuminated sensor with boron layer(붕소 층이 있는 역광 센서)"라는 명칭의 미국 특허출원 제13/792,166호, 2013년 7월 22일에 출원된 "Photocathode including silicon substrate with boron layer(붕소 층을 갖는 실리콘 기판을 포함하는 광전 음극)"라는 명칭의 미국 특허 출원 제13/947,975호, 2009년 10월 7일에 출원된 "TDI sensor modules with localized driving and signal processing circuitry for high speed inspection(국부 구동을 갖는 TDI 센서 모듈 및 고속 검사를 위한 신호 처리 회로)"라는 명칭의 미국 공개 특허출원 제2010/0188655호, 2009년 6월 1일에 출원된 "Anti-reflective coating for sensors suitable for high throughput inspection systems(고 처리량 검사 시스템에 적합한 센서용 반사 방지 코팅)"라는 명칭의 미국 공개 특허출원 제2010/0301437호, 2009년 10월 27일에 발행된 "Continuous clocking of TDI sensors(TDI 센서의 지속적인 클로킹)"라는 명칭의 미국 특허 제7,609,309호, 및 2011년 5월 31일에 발행된 "Apparatus for continuous clocking of TDI sensors(TDI 센서의 연속 클로킹을 위한 장치)"라는 명칭의 미국 특허 제7,952,633호에 개시되어 있다. 이들 출원 및 특허는 본 명세서에 참조로 포함된다.
애퍼처는 상당한 공간을 차지할 수 있는 기계적 디바이스이다. 애퍼처의 기계적 모션에는 수십 밀리 초 또는 수백 밀리 초가 걸릴 수 있으므로, 하나보다 많은 애퍼처로 데이터를 수집해야 하는 검사 또는 측정이 느려진다. 새롭거나 향상된 기능을 제공하기 위하여 기존의 검사 또는 계측 시스템 상에 애퍼처를 추가하거나 교체하는 것은 공간 제한 때문에 어려울 수 있다.
따라서, 종래의 방식과 관련된 전술한 단점의 전부 또는 일부를 극복하는 방식으로 기존의 검사 또는 계측 시스템의 작동 중에 각 픽셀의 광 감응 영역의 크기를 신속하고 신뢰성 있게 조정하는 것을 가능하게 하는 조정 가능한 애퍼처를 갖는 선형 센서에 대한 필요성이 생긴다.
본 발명은 각 픽셀에 의한 측정을 위해 광전자들이 수집되는 유효 광 감응 영역을 제어 가능하게 조정(감소 또는 확장)하는 비단조적(non-monotonic) 전압 프로파일을 생성함으로써, 선형 센서에서 픽셀 애퍼처 크기를 전기적으로 제어하는 것에 관한 것이다. 각 픽셀은 길쭉한(elongated) 저항성 제어 게이트를 포함하고, 각 픽셀의 최대 광 감응 영역은 픽셀의 저항성 제어 게이트 아래에(인접하여) 배치된 반도체 기판의 일부에 의해 정의된다. 종래의 센서와 유사하게, 단부 전극에 의해 각 픽셀의 저항성 제어 게이트의 대향 단부에 각각 인가되는 제어 전압은, 픽셀의 광 감응 영역 내에 관련된 전기장을 생성하고, 이에 의해 픽셀의 광 감응 영역에 들어오는 입사광에 의해 생성된 광전자가 관련된 전기장에 의해 하나 이상의 전하 축적 영역으로 드라이브된다. 본 발명에 따르면, 하나 이상의 중심에 위치한 애퍼처 제어 전극이 2개의 저항성 제어 게이트 단부 사이의 각 픽셀의 저항성 제어 게이트에 걸쳐 배치되고, 관련된 제어 회로는 2개의 단부 전극에 인가된 것보다 선택된 중심 전극에 더 네거티브한(more negative) 제어 전압을 인가함으로써 비단조적(예를 들어, 2개 부분) 전압 프로파일을 선택적으로 생성하도록 구성된다. 즉, 비단조적 전압 프로파일은, 중심 애퍼처 제어 전극의 제1 면에 위치한 픽셀의 광 감응 영역의 제1 부분에 생성된 광전자들이 저항성 제어 게이트의 제1 단부 쪽으로 드라이브되고, 중심 애퍼처 제어 전극의 제2 면에 위치한 픽셀의 광 감응 영역의 제2 부분에 생성된 광전자들이 저항성 제어 게이트의 반대(제2) 단부 쪽으로 드라이브되도록, 픽셀에 전기장을 생성한다. 이에 의해, 각 픽셀의 광 감응 영역의 유효 크기는 비단조적 전압 프로파일을 생성하고 그 뒤에 저항 제어 게이트의 제1 단부로부터만 수집된 광전자 전하를 측정함으로써, 픽셀의 광 감응 영역의 제1 부분만을 포함하도록 제어 가능하게 조정된다.
샘플을 고속으로 검사하거나 측정하는 방법이 또한 기재되어 있다. 이 방법은 샘플 상으로 방사선을 지향 및 집속시키고, 샘플로부터 방사선을 수신하고 수신된 방사선을 라인 센서(line sensor)로 지향시키는 것을 포함한다. 수신된 방사선은 산란된 방사선 또는 반사된 방사선일 수 있다. 라인 센서는 전극에 의해 그 길이에 걸쳐 생성된 전위 기울기(potential gradient)를 갖는 저항성 제어 게이트를 포함함으로써, 저항성 제어 게이트는 센서 내의 광전자를 하나 이상의 축적 영역으로 지향시키는 전기장을 생성한다. 제어 회로는 더 네거티브한 전압을 하나 이상의 중심에 위치한 전극에, 더 포지티브한 전압을 저항성 제어 게이트의 단부에 배치된 전극에 인가하도록 구성되고, 이에 의해 센서의 하나의 영역에서 생성되는 광전자들을 축적 영역으로 바이어스(드라이브)하면서, 센서의 다른 영역들에서 생성되는 다른 광전자들이 축적 영역에 도달하는 것을 방지하는 전기장을 생성한다.
검사 방법은 행해진 검사 또는 측정에 따라 저항성 게이트에 부착된 전극에 전압을 설정하는 것을 더 포함할 수 있다. 일 실시 예에서, 전압은 광 수집 프로세스를 최적화하기 위해 검사 또는 측정 중에 변경될 수 있거나, 사전 검사(pre-inspection) 캘리브레이션 기간 동안 각 개별 픽셀의 유효 애퍼처 크기를 센서의 모든 픽셀이 균일한 애퍼처 크기를 가지도록 조정하기 위하여 사용될 수 있다.
샘플을 검사하는 시스템이 또한 기재되어 있다. 이 시스템은 조명원, 광 검출을 수행하도록 구성된 디바이스, 조명원으로부터 샘플로 광을 지향시키고 샘플로부터 디바이스로 광 출력 또는 반사를 지향시키도록 구성된 광학 기기(optics), 및 드라이브 회로(driving circuit)를 포함한다. 라인 센서는 센서의 광전자들을 축적 영역으로 지향시키는 전위 기울기를 가진 저항성 게이트를 라인 센서를 가로질러 포함한다. 라인 센서는 저항성 게이트에 부착된 다수의 전극을 포함하여, 광전자들을 센서의 일 영역으로부터 축적 영역으로 지향시키면서 다른 광전자들이 축적 영역에 도달하는 것을 방지하도록 전위 기울기를 조정할 수 있게 한다. 드라이브 회로는 센서의 어느 영역으로부터 광전자들이 축적 영역으로 지향되는지를 제어하기 위해 다수의 전극 중 하나 이상에 전압을 설정한다.
일 실시 예에서, 라인 센서는 반도체 멤브레인을 더 포함할 수 있다. 다른 실시 예에서, 반도체 멤브레인은 반도체 멤브레인의 제1 표면 상에 형성된 회로 요소들(circuit elements) 및 반도체 멤브레인의 제2 표면 상에 증착된 순수한 붕소 층을 포함할 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 라인 센서는 전자 폭격(electron bombarded) 라인 센서를 포함할 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 시스템은 다수의 라인 센서를 포함할 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 라인 센서는 광학 나이프 에지(optical knife edge) 또는 다른 기계적 애퍼처 구조를 포함할 수 있으며, 전기적 애퍼처 조정은 기계적 애퍼처 구조의 오정렬을 보정하는데 이용되어, 정렬을 단순화하고 제조 비용을 감소시킬 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 나이프 에지 또는 다른 기계적 애퍼처는 컴퓨터 제어 하에 움직일 수 있어서, 컴퓨터는 라인 센서의 저항성 게이트의 전극 상에 전압을 설정하는 것과 결합하여 나이프 에지 또는 애퍼처의 적절한 위치 설정에 의해 상이한 검사 모드를 선택할 수 있다.
샘플은 검사 중에 광학 기기에 대해 이동하는 스테이지에 의해 지지될 수 있다. 전하는 스테이지의 모션과 동기하여 센서로부터 판독될 수 있다.
예시적인 검사 시스템은 상이한 입사각 및/또는 상이한 방위각 및/또는 상이한 파장 및/또는 편광 상태로부터 샘플을 조명하는 하나 이상의 조명 경로를 포함할 수 있다. 예시적인 검사 시스템은 상이한 방향으로 샘플에 의해 반사되거나 산란된 광을 수집하고/하거나 상이한 파장 및/또는 상이한 편광 상태에 민감한 하나 이상의 수집 경로를 포함할 수 있다.
도 1은 예시적인 검사 또는 계측 시스템을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 라인 조명 및 하나 이상의 수집 채널을 갖는 예시적인 검사 시스템을 도시한다.
도 3a는 정상(normal) 및 경사 조명을 갖는 예시적인 검사 시스템을 도시한다.
도 3b는 다수의 측정 서브 시스템을 갖는 예시적인 계측 시스템을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단순화된 라인 센서를 포함하는 예시적인 검사 시스템을 도시한다.
도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d는 본 발명의 대안적인 실시 예들에 따른 저항성 제어 게이트에 인가될 수 있는 예시적인 전압 프로파일을 도시한다.
도 6은 본 발명의 다른 특정한 실시 예에 따른 예시적인 라인 센서의 픽셀을 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 특정한 실시 예에 따른 예시적인 라인 센서의 단순화된 픽셀을 도시한 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 라인 조명 및 하나 이상의 수집 채널을 갖는 예시적인 검사 시스템을 도시한다.
도 3a는 정상(normal) 및 경사 조명을 갖는 예시적인 검사 시스템을 도시한다.
도 3b는 다수의 측정 서브 시스템을 갖는 예시적인 계측 시스템을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 단순화된 라인 센서를 포함하는 예시적인 검사 시스템을 도시한다.
도 5a, 도 5b, 도 5c 및 도 5d는 본 발명의 대안적인 실시 예들에 따른 저항성 제어 게이트에 인가될 수 있는 예시적인 전압 프로파일을 도시한다.
도 6은 본 발명의 다른 특정한 실시 예에 따른 예시적인 라인 센서의 픽셀을 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 특정한 실시 예에 따른 예시적인 라인 센서의 단순화된 픽셀을 도시한 단면도이다.
반도체 검사 및 계측 시스템을 위한 개선된 센서가 여기에 설명된다. 다음 설명은 당업자가 특정 애플리케이션 및 그 요구 사항의 맥락에서 제공된 바와 같이 본 발명을 제작하고 사용할 수 있게 하도록 제시된다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "상부(top)", "하부(bottom)", "위(over)", "아래(under)", "상부(upper)", "위쪽으로(upward)", "하부(lower)", "아래(down)" 및 "아래쪽으로(downward)"와 같은 방향 용어는 설명의 목적으로 상대적 위치를 제공하는 의도이며 절대적인 기준 프레임을 지정하려는 의도가 아니다. 설명된 실시 예들에 대한 다양한 수정들이 당업자에게 명백할 것이며, 본 명세서에서 정의된 일반적인 원리들은 다른 실시 예들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 도시되고 설명된 특정 실시 예들에 한정되는 것으로 의도되지 않고, 여기에 개시된 원리들 및 신규한 특징들에 부합하는 가장 넓은 범위에 따라야 한다.
도 1은 웨이퍼, 레티클 또는 포토마스크와 같은 샘플(108)을 검사 또는 측정하도록 구성된 예시적인 검사 또는 계측 시스템(100)을 도시한다. 샘플(108)은 광학 기기(optics) 아래의 샘플(108)의 상이한 영역들로의 이동을 용이하게 하기 위해 스테이지(112) 상에 배치된다. 스테이지(112)는 X-Y 스테이지 또는 R-θ 스테이지를 포함할 수 있다. 일부 실시 예에서, 스테이지(112)는 포커스를 유지하기 위해 검사 동안 샘플(108)의 높이를 조정할 수 있다. 다른 실시 예들에서, 초점을 유지하도록 대물 렌즈(105)가 조정될 수 있다.
조명원(102)은 하나 이상의 레이저 및/또는 광대역 광원을 포함할 수 있다. 조명원(102)은 DUV 및/또는 VUV 방사선을 방출할 수 있다. 대물 렌즈(105)를 포함하는 광학 기기(103)는 그 방사선을 샘플(108) 방향으로 지향시켜, 샘플(108) 상에 집속시킨다. 광학 기기(103)는 또한 거울, 렌즈, 편광기 및/또는 빔 스플리터(간략화를 위해 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 샘플(108)로부터 반사 또는 산란된 광은 검출기 어셈블리(104) 내에 있는 센서(106) 상에 광학 기기(103)에 의해 수집, 지향 및 집속된다.
검출기 어셈블리(104)는 본 명세서에 기재된 센서들 중 적어도 하나를 포함한다. 일 실시 예에서, 센서(106)의 출력은 출력을 분석하는 컴퓨팅 시스템(114)에 제공된다. 컴퓨팅 시스템(114)은 캐리어 매체(116) 상에 저장될 수 있는 프로그램 명령어들(118)에 의해 구성된다. 일 실시 예에서, 컴퓨팅 시스템(114)은 검사 또는 계측 시스템(100) 및 센서(106)를 제어하여 본 명세서에 개시된 방법에 따라 샘플(108) 상의 구조를 검사 또는 측정한다.
일 실시 예에서, 조명원(102)은 아크 램프(arc lamp), 레이저 펌핑 플라즈마 광원(laser-pumped light source) 또는 CW 레이저와 같은 연속 광원일 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 조명원(102)은 모드 고정 레이저(mode-locked laser), Q 스위치 레이저(Q-switched laser), 또는 Q 스위치 레이저에 의해 펌핑되는 플라즈마 광원과 같은 펄스 소스(pulsed source)일 수 있다. Q 스위치 레이저를 포함하는 검사 또는 계측 시스템(100)의 일 실시 예에서, 검출기 어셈블리(104) 내의 라인 센서 또는 센서들은 레이저 펄스와 동기화된다.
검사 또는 계측 시스템(100)의 일 실시 예는 샘플(108) 상의 라인을 조명하고, 하나 이상의 암시야(dark-field) 및/또는 명시야(bright-field) 수집 채널에서 산란 및/또는 반사된 광을 수집한다. 이 실시 예에서, 검출기 어셈블리(104)는 라인 센서 또는 전자 포격 라인 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템(100)의 이러한 실시 예에서, 본 명세서에 설명된 저항성 게이트 구조는 수집할 산란 및/또는 반사된 광의 부분을 선택하는데 사용될 수 있다.
검사 또는 계측 시스템(100)의 다양한 실시 예의 추가 세부 사항은 2012년 7월 9일에 출원된 "Wafer inspection system(웨이퍼 검사 시스템)"이라는 명칭의 미국 특허출원 제13/554,954호, 2009년 7월 16일에 공개된 "Split field inspection system using small catadioptric objectives(작은 반사 굴절 대물 렌즈를 사용하여 분할 필드 검사 시스템)"라는 명칭의 미국 공개 특허출원 제2009/0180176호, 2007년 1월 4일에 공개된 "Beam delivery system for laser dark-field illumination in a catadioptric optical system(반사 굴절 광학 시스템에서 레이저 암시야 조명을 위한 빔 전달 시스템)"라는 명칭의 미국 공개 특허출원 제2007/0002465호, 1999년 12월 7일에 발행된 "Ultra-broadband UV microscope imaging system with wide range zoom capability(넓은 범위의 줌 기능을 갖춘 초 광대역 UV 현미경 이미징 시스템)"라는 명칭의 미국 특허 제5,999,310호, 2009년 4월 28일에 발행된 "Surface inspection system using laser line illumination with two dimensional imaging(2 차원 이미징을 이용한 레이저 라인 조명을 이용한 표면 검사 시스템)"라는 명칭의 미국 특허 제7,525,649호, 2013년 5월 9일에 공개된 Wang 등에 의한 "Dynamically Adjustable Semiconductor Metrology System(동적으로 조정 가능한 반도체 계측 시스템)"라는 명칭의 미국 공개 특허출원 제2013/0114085호, 1997년 3월 4일에 발행된 Piwonka-Corle 등에 의한 "Focused Beam Spectroscopic Ellipsometry Method and System(집속된 빔 분광 엘립소메트리 방법 및 시스템)"라는 명칭의 미국 특허 제5,608,526호, 및 2001년 10월 2일에 발행된 Rosencwaig 등에 의한 "Apparatus for Analysing Multi-Layer Thin Film Stacks on Semiconductors(반도체의 다층 박막 스택 분석 장치)"라는 명칭의 미국 특허 제6,297,880호에 기재되어 있다. 이들 특허 및 특허 출원은 본 명세서에 참조로 포함된다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 다른 예시적인 실시 예에 따라 여기에 기술된 센서 및/또는 방법을 통합하는 암시야 검사 시스템의 양상을 도시한다. 도 2a에서, 조명 광학 기기(201)는 검사되는 웨이퍼 또는 포토마스크(샘플)(211)의 표면 상의 라인(205) 내로 거울 또는 렌즈(203)에 의해 집속되는 광(202)을 생성하는 레이저 시스템(220)을 포함한다. 수집 광학 기기(210)는 렌즈 및/또는 거울(212 및 213)을 사용하여 라인(205)으로부터 산란되는 광을 센서(215)로 지향시킨다. 수집 광학 기기(210)의 광축(214)은 라인(205)의 조명 면에 있지 않다. 일부 실시 예들에서, 광축(214)은 라인(205)에 대략 수직이다. 센서(215)는 선형 어레이 센서와 같은 어레이 센서를 포함한다. 센서(215)는 본 명세서에 기재된 바와 같은 센서를 포함할 수 있고/있거나 본 명세서에 기재된 방법들 중 하나는 샘플(211)을 검사하는데 사용될 수 있다.
도 2b는 다수의 암시야 수집 시스템(231, 232 및 233)의 일 실시 예를 도시하며, 각 수집 시스템은 도 2a의 수집 광학 기기(210)와 실질적으로 유사하다. 수집 시스템(231, 232 및 233)은 도 2a의 조명 광학 기기(201)와 실질적으로 유사한 조명 기기와 결합하여 사용될 수 있다. 각각의 수집 시스템(231, 232 및 233)은 여기에 기술된 하나 이상의 센서를 포함한다. 샘플(211)은 스테이지(221) 상에 지지되고, 스테이지(221)는 광학 기기 아래에서 검사될 영역을 이동시킨다. 스테이지(221)는 X-Y 스테이지 또는 R-θ 스테이지를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 검사 동안 실질적으로 연속적으로 이동하여 최소 데드 타임(dead time)으로 샘플의 넓은 영역을 검사한다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 실시 예에 따른 검사 시스템의 더 상세한 내용은 위에서 언급한 공동 계류 중인 2015년 4월 21일에 출원된 Wang 등의 "Confocal line inspection optical system(공초점 선형 검사 광학 시스템)"라는 명칭의 미국 특허출원 제14/691,966호, 2009년 4월 28일에 발행된 "Surface inspection system using laser line illumination with two dimensional imaging(2차원 이미징을 이용한 레이저 라인 조명을 이용한 표면 검사 시스템)"라는 명칭의 미국 특허 제7,525,649호 및 2003년 8월 19일에 발행된 "System for detecting anomalies and/or features of a surface(표면의 이상 및/또는 피처 검출 시스템)"라는 명칭의 미국 특허 제6,608,676호에 기재되어 있다. 이들 특허 및 특허 출원 모두는 본 명세서에 참고로 포함된다.
도 3a는 정상 및 경사 조명 빔 모두를 사용하여 샘플 상의 입자 또는 결함을 검출하도록 구성된 검사 시스템(300)을 도시한다. 이 구성에서, 레이저 시스템(330)은 레이저 빔(301)을 제공한다. 렌즈(302)는 공간 필터(303)를 통해 빔(301)을 집속시킨다. 렌즈(304)는 빔을 콜리메이트(collimate)하고 이를 편광 빔 스플리터(305)로 전달한다. 빔 스플리터(305)는 제1 편광 성분을 정상 조명 채널로, 제2 편광 성분을 경사 조명 채널로 전달하며, 제1 및 제2 성분은 직교한다. 정상 조명 채널(306)에서, 제1 편광 성분은 광학 기기(307)에 의해 집속되고, 거울(308)에 의해 샘플(309)의 표면 쪽으로 반사된다. (웨이퍼 또는 포토마스크와 같은) 샘플(309)에 의해 산란된 방사선은 포물면 거울(310)에 의해 센서(311)로 수집 및 집속된다.
경사 조명 채널(312)에서, 제2 편광 성분은 빔 스플리터(305)에 의해 반파장판(half-wave plate)(314)을 통해 그러한 빔을 반사시키는 거울(313)로 반사되고, 광학 기기(315)에 의해 샘플(309)로 집속된다. 경사 채널(312)에서 경사 조명 빔으로부터 나오고 샘플(309)에 의해 산란된 방사선은 포물면 거울(310)에 의해 수집되고 센서(311)로 집속된다. 센서(311) 및 (정상 및 경사 조명 채널로부터 샘플(309) 상에) 조명된 영역은 바람직하게는 포물면 거울(310)의 초점에 있다.
포물면 거울(310)은 샘플(309)로부터의 산란된 방사선을 콜리메이트된 빔(316)으로 콜리메이트한다. 콜리메이트된 빔(316)은 그 후 대물 렌즈(317)에 의해 분석기(318)를 통해 센서(311)로 집속된다. 포물면 형상 이외의 다른 형상을 갖는 곡면 거울 표면이 또한 사용될 수 있다. 기구(instrument)(320)는 스폿(spot)이 샘플(309)의 표면을 가로 질러 스캐닝되도록 빔과 샘플(309) 사이의 상대적 모션을 제공할 수 있다. 센서(311)는 여기에 설명된 센서들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 2001년 3월 13일에 발행된 "Sample inspection system(샘플 검사 시스템)"이라는 명칭의 미국 특허 제6,201,601호 및 Romanovsky 등에 의해 출원된 "Wafer Inspection(웨이퍼 검사)"라는 명칭의 미국 공개 특허출원 제2013/16346호가 검사 시스템(300)의 추가 양상 및 세부 사항을 기술한다. 이러한 문서들은 본 명세서에 참조로 포함된다.
도 3b는 본 명세서에 개시된 하나 이상의 센서를 포함하는 다수의 측정 서브 시스템을 갖는 예시적인 계측 시스템(350)을 도시한다. 계측 시스템(350)은 BPE(Beam Profile Ellipsometer)(10), BPR(Beam Profile Reflectometer)(12), BRS(Broadband Reflective Spectrometer)(14), DUV(Deep Ultra Violet Reflective Spectrometer)(16), BSE(Broadband Spectroscopic Ellipsometer)(18) 및 참조 엘립소미터(reference ellipsometer)(2)를 포함한다. 이러한 6개의 광학 측정 디바이스는 겨우 3개의 광원, 레이저(20 및 90), 백색 광원(22)을 이용할 수 있다. 레이저(20)는 프로브 빔(24)을 생성하고, 백색 광원(22)은 (렌즈(28)에 의해 콜리메이트되고, 프로브 빔(24)과 동일한 경로를 따라 거울(29)에 의해 지향되는) 프로브 빔(26)을 생성한다. 레이저(20)는 이상적으로 670nm 근처의 파장과 같은 가시광 또는 근적외선 파장에서 선형으로 편광된 3mW 빔을 방출하는 솔리드 스테이트 레이저 다이오드이다. 백색 광원(22)은 이상적으로 약 200nm 내지 800nm 또는 더 넓은 스펙트럼을 커버하는 다색 빔을 생성하는 광대역, 레이저 펌핑 플라즈마 램프이다. 프로브 빔(24/26)은 거울(30)에 의해 반사되고, 거울(42)을 통과하여 샘플(4)로 나아간다.
프로브 빔(24/26)은 렌즈(32) 또는 렌즈(33)로 샘플의 표면 상으로 집속된다. 바람직한 실시 예에서, 2개의 렌즈(32/33)는 터릿(turret)(도시되지 않음)에 장착되고, 대안적으로는 프로브 빔(24/26)의 경로 내로 이동 가능하다. 렌즈(32)는 샘플 표면에 대한 입사각의 넓은 확산을 생성하고 직경이 약 1 미크론인 스폿 크기를 생성하기 위해 높은 개구수(numerical aperture)(대략 0.90 NA)를 갖는 현미경 대물 렌즈이다. 렌즈(33)는 더 낮은 개구수(대략 0.1 내지 0.4NA)를 갖고, 약 10~15 미크론의 스폿 크기로 깊은 자외선을 집속할 수 있는 반사 렌즈이다.
BPE(beam profile ellipsometry)는 1993년 1월 19일에 발행된 미국 특허 제5,181,080호에 논의되어 있으며, 이는 본 명세서에 참조로 포함된다. BPE(10)는 1/4 파장판(34), 편광기(34), 렌즈(38) 및 쿼드(quad) 검출기(40)를 포함한다. 작동시, 선형으로 편광된 프로브 빔(24)은 렌즈(32)에 의해 샘플(4) 상에 집속된다. 샘플 표면으로부터 반사된 광은 렌즈(32)를 통해 위로 통과하고, 거울(42, 30, 44)을 통과하여 거울(46)에 의해 BPE(10)로 지향된다. 반사된 프로브 빔 내의 광선들의 위치는 샘플의 표면에 대한 특정 입사각에 대응한다. 1/4 파장판(34)은 빔의 편광 상태들 중 하나의 위상을 90도만큼 지연시킨다. 선형 편광기(36)는 빔의 2개의 편광 상태가 서로 간섭하도록 한다. 최대 신호의 경우, 편광기(36)의 축은 1/4 파장판(34)의 고속 및 저속 축에 대해 45도의 각도로 배향되어야 한다. 검출기(40)는 4개의 방사상으로 배치된 사분면을 갖는 4 셀(quad-cell) 검출기이며, 각 사분면은 프로브 빔의 1/4을 인터셉트(intercept)하고 그 사분면에 부딪히는 프로브 빔의 부분의 전력에 비례하는 개별 출력 신호를 생성한다. 각각의 사분면으로부터의 출력 신호는 프로세서(48)로 보내진다. 미국 특허 제5,181,080호에서 논의된 바와 같이, 빔의 편광 상태의 변화를 모니터링함으로써, Ψ 및 Δ와 같은 엘립소메트리 정보가 결정될 수 있다.
BPR(beam profile reflectometry)은 1991년 3월 12일에 발행된 미국 특허 제4,999,014호에 기재되어 있는데, 이는 본 명세서에 참조로 포함된다. BPR(12)은 렌즈(50), 빔 스플리터(52) 및 샘플의 반사율을 측정하기 위한 2개의 선형 검출기 어레이(54 및 56)를 포함한다. 작동시, 선형으로 편광된 프로브 빔(24)은 입사각 범위에서 샘플 표면에 부딪치는 빔 내의 다양한 광선과 함께 렌즈(32)에 의해 샘플(4) 상에 집속된다. 샘플 표면에서 반사된 광은 렌즈(32)를 통해 위로 통과하여, 거울(42 및 30)을 통과하고, 거울(44)에 의해 BPR(12)로 지향된다. 반사된 프로브 빔 내의 광선들의 위치는 샘플의 표면에 대한 특정 입사각에 대응한다. 렌즈(50)는 빔을 2차원적으로 공간적으로 확산시킨다. 빔 스플리터(52)는 빔의 s 및 p 성분을 분리하고, 검출기 어레이(54 및 56)는 s 및 p 편광된 광에 관한 정보를 분리하기 위해 서로 직교하도록 배향된다. 입사 광선의 더 높은 각도는 어레이의 반대쪽 끝에 더 가깝게 떨어질 것이다. 검출기 어레이 내의 각 요소로부터의 출력은 상이한 입사각에 대응할 것이다. 검출기 어레이(54/56)는 샘플 표면에 대한 입사각의 함수로서 반사된 프로브 빔에 걸친 세기를 측정한다. 검출기 어레이(54/56)는 여기에 설명된 저항성 게이트를 갖는 하나 이상의 라인 센서를 포함할 수 있다. 프로세서(48)는 검출기 어레이(54/56)의 출력을 수신하고, 다양한 유형의 모델링 알고리즘을 이용함으로써 이들 각도 의존성 세기 측정치에 기초하여 박막 층(8)의 두께 및 굴절률을 도출한다. 최소 제곱 피팅(least square fitting) 루틴과 같은 반복 프로세스를 사용하는 최적화 루틴이 일반적으로 사용된다. 이러한 유형의 최적화 루틴의 일례는 Fanton 등에 의한 "Multiparameter Measurements of Thin Films Using Beam-Profile Reflectivity(빔 프로파일 반사율을 이용한 박막의 다중 파라미터 측정)"(Journal of Applied Physics, Vol. 73, No. 11, p. 7035, 1993)에 기재되어 있다. 또 다른 예는 Leng 등에 의한 "Simultaneous Measurement of Six Layers in a Silicon on Insulator Film Stack Using Spectrophotometry and Beam Profile Reflectometry(분광 광도계 및 빔 프로파일 반사 측정법을 이용한 절연체 필름 스택상의 실리콘에서의 6개 층의 동시 측정)"(Journal of Applied Physics, Vol. 81, No. 8, p. 3570, 1997)에 나타난다.
BRS(14)는 다수의 파장의 광으로 샘플(4)을 동시에 프로브한다. BRS(14)는 렌즈(32)를 사용하고 종래 기술에서 일반적으로 공지되고 사용되는 임의의 유형일 수 있는 광대역 분광기(58)를 포함한다. 분광기(58)는 렌즈(60), 애퍼처(62), 분산 요소(64) 및 검출기 어레이(66)를 포함한다. 작동 중에, 백색 광원(22)으로부터의 프로브 빔(26)은 렌즈(32)에 의해 샘플(4) 상에 집속된다. 샘플의 표면으로부터 반사된 광은 렌즈(32)를 통해 위로 통과하고, 거울(42)에 의해 (거울(84)을 통과하여) 분광기(58)로 지향된다. 렌즈(60)는 프로브 빔을 애퍼처(62)를 통과하여 집속시키고, 이는 분석할 샘플 표면 상의 시야 내에 스폿을 정의한다. 회절 격자, 프리즘 또는 홀로그램 판과 같은 분산 요소(64)는 검출기 어레이(66)에 포함된 개별 검출기 요소에 파장의 함수로서 빔을 각으로(angularly) 분산시킨다. 상이한 검출기 요소는 프로브 빔에 포함된 광의 상이한 파장의 광학 세기를 바람직하게는 동시에 측정한다. 바람직한 실시 예에서, 검출기 어레이(66)는 본 명세서에 설명된 라인 센서를 포함한다. 또한, 분산 요소(64)는 파장의 함수로서 일 방향으로, 그리고 직교 방향으로 샘플 표면에 대한 입사각의 함수로서 광을 분산시키도록 구성될 수 있어서, 파장과 입사각 모두의 함수로서 동시 측정이 가능하다. 이러한 실시 예에서, 검출기 어레이(66)는 2개 또는 3개의 스펙트럼을 동시에 수집하기 위해 본 명세서에 기재된 바와 같이 구성된 저항성 게이트를 갖는 라인 센서를 포함할 수 있으며, 각각의 스펙트럼은 상이한 범위의 입사각 범위에 대응한다. 프로세서(48)는 검출기 어레이(66)에 의해 측정된 세기 정보를 처리한다.
DUV(Deep ultra violet reflective spectrometry)는 다중 파장의 자외선으로 샘플을 동시에 조사한다. DUV(16)가 집속 렌즈(32) 대신에 반사 렌즈(33)를 사용한다는 것을 제외하고는 DUV(16)가 프로브 빔(26)을 분석하기 위해 BRS(14)와 동일한 분광기(58)를 사용한다. DUV(16)를 작동시키기 위하여, 렌즈(32/33)를 포함하는 터릿이 반사 렌즈(33)가 프로브 빔(26)에 정렬되도록 회전된다. 견고한(solid) 대물 렌즈는 샘플에 UV 광을 충분히 집속시킬 수 없기 때문에 반사 렌즈(33)가 필요하다.
BSE(Broadband spectroscopic ellipsometry)는 1999년 3월 2일에 Aspnes 등에 발행된 계류 중인 미국 특허 제5,877,859호에 논의되어 있으며, 이는 본 명세서에 참조로 포함된다. BSE(18)는 편광기(70), 집속 거울(72), 콜리메이트 거울(74), 회전 보상기(76) 및 분석기(80)를 포함한다. 작동시에, 거울(82)은 프로브 빔(26)의 적어도 일부를 편광기(70)로 지향시키고, 편광기(70)는 프로브 빔에 대한 공지된 편광 상태, 바람직하게는 선형 편광을 생성한다. 거울(72)은 샘플 표면의 수직선에 대해 이상적으로는 70도 정도의 경사각으로 빔을 샘플 표면 상에 집속시킨다. 잘 알려진 엘립소메트리 원리에 기초하여, 반사된 빔은 일반적으로 샘플의 막(8) 및 기판(6)의 조성 및 두께에 기초하여 샘플과 상호 작용한 후에 혼합된 선형 및 원형 편광 상태를 가질 것이다. 반사된 빔은 거울(74)에 의해 콜리메이트되고, 거울(74)은 빔을 회전 보상기(76)로 지향시킨다. 보상기(76)는 상호 직교한 한 쌍의 편광된 광 빔 성분들 사이에 상대 위상 지연(relative phase delay) δ(위상 지연(phase retardation))을 도입한다. 보상기(76)는 빔의 전파 방향에 실질적으로 평행한 축을 중심으로, 바람직하게는 전기 모터(78)에 의해 각속도 ω로 회전된다. 분석기(80), 바람직하게는 다른 선형 편광기는 그것에 입사하는 편광 상태를 혼합한다. 분석기(80)에 의해 투과된 광을 측정함으로써, 반사된 프로브 빔의 편광 상태가 결정될 수 있다. 거울(84)은 빔을 분광기(58)로 지향시키고, 분광기(58)는 보상기/분석기 조합을 통과하는 반사된 프로브 빔의 광의 상이한 파장의 세기를 검출기(66)에서 동시에 측정한다. 전술한 바와 같이, 검출기(66)는 바람직하게는 본 명세서에 기술된 저항성 게이트를 갖는 라인 센서를 포함한다. 프로세서(48)는 검출기(66)의 출력을 수신하고, 검출기(66)에 의해 측정된 세기 정보를 파장의 함수로서, 및 회전축에 대한 보상기(76)의 방위(회전) 각의 함수로서 처리하여, 미국 특허 제5,877,859호에 기술된 바와 같이 엘립소메트리 값 Ψ 및 Δ와 같은 샘플 특성을 해결한다.
검출기/카메라(86)는 거울(46) 위에 위치되고, 정렬 및 집속 목적을 위해 샘플(4)로부터의 반사된 빔을 보는데 사용될 수 있다.
BPE(10), BPR(12), BRS(14), DUV(16) 및 BSE(18)를 캘리브레이션하기 위해, 계측 시스템(350)은 기준 샘플(4)과 함께 사용될 수 있는 파장 안정 캘리브레이션 기준 엘립소미터(2)를 포함한다. 엘립소미터(2)는 광원(90), 편광기(92), 렌즈(94 및 96), 회전 보상기(98), 분석기(352) 및 검출기(354)를 포함한다.
광원(90)은 공지된 안정된 파장 및 안정한 세기를 갖는 준 단색 프로브 빔(356)을 생성한다. 알려진 정수 또는 측정된 값인 빔(356)의 파장은 엘립소미터(2)가 시스템(350) 내의 광학 측정 디바이스를 정확하게 캘리브레이션할수 있도록 프로세서(48)에 제공된다.
빔(356)은 편광기(92)와 상호 작용하여 알려진 편광 상태를 생성한다. 바람직한 실시 예에서, 편광기(92)는 석영 로숀(Rochon) 프리즘으로 제조된 선형 편광기이지만, 일반적으로 편광은 반드시 선형일 필요도 없고 심지어 완전하지 않아도 된다. 편광기(92)는 또한 방해석(calcite)으로 제조될 수 있다. 편광기(92)의 방위각은 편광기(92)로부터 나오는 선형 편광된 빔과 관련된 전기 벡터의 평면이 (빔(356)의 전파 방향 및 샘플(4) 표면의 법선에 의해 정의되는) 입사면에 대해 알려진 각에 있도록 배향된다. P 및 S 편광 성분의 반사 세기가 대략 균형을 이룰 때 감도가 최적화되기 때문에 방위각은 바람직하게는 약 30도 정도로 선택된다. 광원(90)이 원하는 공지된 편광 상태로 광을 방출하는 경우, 편광기(92)는 생략될 수 있음을 주목해야 한다.
빔(356)은 렌즈(94)에 의해 경사각으로 샘플(4) 상에 집속된다. 샘플 특성에 대한 감도가 재료의 브루스터(Brewster) 또는 의사 브루스터(pseudo-Brewster) 각의 부근에서 최대가 되기 때문에, 빔(356)은 샘플 표면의 법선에 대해 대략 70도의 각도로 샘플(4)에 이상적으로 입사한다. 잘 알려진 엘립소메트리 원리에 기초하여, 반사된 빔은 입사하는 빔의 선형 편광 상태와 비교하여 샘플과 상호 작용한 후에 일반적으로 혼합 선형 및 원형 편광 상태를 가질 것이다. 렌즈(96)는 샘플(4)로부터의 반사 후에 빔(356)을 콜리메이트한다.
그 다음, 빔(356)은 회전 보상기(지연기(retarder))(98)를 통과하고, 회전 보상기(지연기(retarder))(98)는 한 쌍의 상호 직교한 편광 광학 빔 성분들 사이에 상대 위상 지연 δr(위상 지연)을 도입한다. 위상 지연의 양은 파장, 보상기를 형성하기 위해 사용되는 재료의 분산 특성, 및 보상기의 두께의 함수이다. 보상기(98)는 빔(356)의 전파 방향에 실질적으로 평행한 축을 중심으로, 바람직하게는 전기 모터(351)에 의해 각속도 ωr로 회전된다. 보상기(98)는 예를 들어 수정 석영(crystal quartz)으로 만들어진 임의의 종래의 파장판 보상기일 수 있다. 보상기(98)의 두께 및 재료는 빔의 원하는 위상 지연이 유도되도록 선택된다. 전형적으로 약 90°의 위상 지연이 편리하다.
그 후, 빔(356)은 분석기(352)와 상호 작용하며, 분석기(352)는 그것에 입사하는 편광 상태를 혼합하는 역할을 한다. 이 실시 예에서, 분석기(352)는 또 다른 선형 편광기이며, 바람직하게는 입사면에 대해 45도의 방위각으로 배향된다. 그러나, 들어오는 편광 상태를 적절하게 혼합시키는 역할을 하는 임의의 광학 디바이스가 분석기로서 사용될 수 있다. 분석기(352)는 바람직하게는 석영 로숀(Rochon) 또는 월라스톤(Wollaston) 프리즘이다.
보상기(98)는 (도 6에 도시된 바와 같이) 샘플(4)과 분석기(352) 사이, 또는 샘플(4)과 편광기(92) 사이에 위치할 수 있음을 주목해야 한다. 편광기(70), 렌즈(94/96), 보상기(98) 및 분석기(352)는 모두 엘립소미터(2)의 정확도를 최대화하는 광원(90)에 의해 생성된 특정 파장의 광에 대한 구성에서 최적화되어 있다는 것을 또한 주목해야 한다.
빔(356)은 그 후 보상기/분석기 조합을 통과하는 빔의 세기를 측정하는 검출기(354)로 들어간다. 프로세서(48)는 검출기(354)에 의해 측정된 세기 정보를 처리하여 분석기와 상호 작용한 후의 광의 편광 상태를 결정하고, 따라서 샘플의 엘립소메트리 파라미터를 결정한다. 이러한 정보 처리는 보상기의 회전축을 중심으로 한 보상기의 방위(회전) 각의 함수로서 빔 세기를 측정하는 것을 포함한다. 보상기 각속도가 일반적으로 알려져 있고 상수이기 때문에, 보상기 회전 각의 함수로서의 이러한 세기의 측정은 사실상 시간의 함수로서 빔(356)의 세기의 측정이다.
2001년 10월 2일에 Rosencwaig 등에게 발행된 미국 특허 제6,297,880호는, 본 명세서에 참조로서 포함되며, 계측 시스템(350)을 보다 상세하게 설명한다. 2002년 8월 6일에 Opsal 등에게 발행된 미국 특허 제6,429,943호는, 본 명세서에 참조로 포함되며, 계측 시스템(350)이 스캐터로메트리(scatterometry) 측정에 어떻게 사용될 수 있는지를 설명한다. 1997년 3월 4일에 Piwonka-Corle 등에게 발행된 미국 특허 제5,608,526호는 본 명세서에 참조로 포함되며, 분광 엘립소미터 및 분광 광도계(spectrophotometer)를 포함하는 계측 시스템(350)의 대안적인 실시 예를 기술한다. 분광 엘립소미터 및 분광 광도계 중 어느 하나 또는 둘다는 여기에 설명된 저항성 게이트를 갖는 라인 센서를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시 예에 따라 샘플(401)을 검사 또는 측정하기 위한 단순화된 시스템(400)을 도시한다. 시스템(400)은 일반적으로 방사선(예를 들어, 광) L을 생성하도록 구성된 조명원(402), 조명원(402)로부터 방사선 L을 샘플(401)로 지향시키고 샘플(401)로부터 출력되거나 반사된 방사선을 센서(410)로 지향시키도록 구성된 광학 시스템(광학 기기)(405)를 포함한다. 시스템(400)은 또한 센서(410) 상에(즉, 일부) 통합되거나 센서(410)와 별도로 제조될 수 있는 제어 회로(450)를 포함한다.
라인 센서(410)는 반도체 기판(411)(예를 들어, p 도핑된 에피택셜 실리콘)의 상부 표면(412) 상에 제조되며, 일반적으로 상부 표면(412) 위에(over) 형성된 4개의 광 감응 픽셀들(420-1 내지 420-4), 적어도 3개의 길쭉한 애퍼처 제어 전극(430A, 430B 및 431) 및 하나 이상의 판독(readout) 회로(440A 및 440B)를 포함한다. 당업자는 도시된 센서가 본 발명과 관련된 신규한 특징을 설명하기 위해 크게 단순화되고, 실용적인 라인 센서가 추가적인 회로 구조를 포함하고 실질적으로 더 많은 수의 픽셀을 이용한다는 것을 인식할 것이다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 픽셀들(420-1 내지 420-4)은 형태가 직사각형 또는 정사각형이고, 일렬로 배열된다. 픽셀들(420-1 내지 420-4)은 각각 저항성 폴리 실리콘 제어 게이트들(421-1 내지 421-4) 및 버퍼/전송 게이트들(423A 및 423B)을 포함한다. 저항성 제어 게이트들(421-1 내지 421-4)은 개재된 유전체 층(도시되지 않음)에 의해 상부 표면(412)에 부착되고, 대향 단부들 사이에 길이 방향으로 연장되는(즉, X축 방향으로 측정됨), 일반적으로 길쭉한 낮게 도핑된(lightly doped) 폴리실리콘 구조이다. 예를 들어, 픽셀(420-1)의 저항성 제어 게이트(421-1)는 길이 방향(X축) 방향으로 제1 단부(421-1A)와 제2 단부(421-1B) 사이에 연장된다. 저항성 제어 게이트(421-1 내지 421-4)는 일반적으로 폭 방향으로 접합되지만(즉, 제어 게이트는 도 4에 도시된 Y축 방향으로 연장되는 인접하는 폴리실리콘 층의 부분에 의해 형성됨), 다른 실시 예에서, 이들은 갭에 의해 분리된다. 각각의 저항성 제어 게이트(421-1 내지 421-4)는 일반적으로 각각의 저항성 제어 게이트 아래에 배치된 기판(411)의 부분들에 의해 형성되는, 픽셀의 관련된 총(최대) 광 감응 영역을 정의한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 픽셀(420-1)의 관련 광 감응 영역(415420-1)은 저항성 제어 게이트(421-1) 아래에 위치한 기판(411)의 대응 부분에 의해 형성된다. 버퍼/전송 게이트들(423A 및 423B)은 저항성 제어 게이트들(421-1 내지 421-4)의 단부들에 인접하여 배치되고, 공지된 기술들을 사용하여 기판(411) 상에 제조되고 센서(410)의 동작 동안 픽셀들(420-1 내지 420-4)에 의해 수집된 전하들의 저장 및 전송을 용이하게 하도록 구성된다. 예를 들어, 픽셀(420-1)의 버퍼/전송 게이트(423-1A)는 센서 동작의 통합 기간 동안에 전하 수집을 위해 제어 게이트(421-1)의 단부(421-1A) 아래에 전하 축적 영역(417420-1A)을 생성하도록 구성되고, 센서 동작의 판독 기간 동안 전하 축적 영역(417420-1A)으로부터 판독 영역(419420-1A)으로 (예를 들어, 전송 영역(418420-1A)에 의해) 수집된 전하를 전송하는 것을 용이하게 하도록 구성된다 .
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제어 회로(450)는 저항성 제어 게이트(421-1 내지 421-4)가 픽셀들(420-1 내지 420-4)의 광 감응 영역에 전기장을 생성하도록. 애퍼처 제어 전극(430A, 430B 및 431)을 거쳐 애퍼처 제어 신호를 저항성 제어 게이트들(421-1 내지 421-4)에 인가하도록 구성된다. 애퍼처 제어 전극(430A, 430B 및 431)은 픽셀들(420-1 내지 420-4)을 가로 질러 평행하게 연장되고 저항성 제어 게이트(421-1 내지 421-4)의 대응하는 영역에 전기적으로 접속되는 길쭉한(예를 들면, 금속) 구조이다. 예를 들어, 제1 단부 전극(430A)은 저항성 제어 게이트(421-1)의 제1 단부(421-1A)와 접촉하고, 제2 단부 전극(430B)은 각각의 상기 저항성 제어 게이트(예를 들어, 421-1)의 제2 단부 전극(421-1B)과 접촉하고, 중심 전극(431)은 제1 단부 전극(430A)과 제2 단부 전극(430B) 사이에 배치되어 제어 게이트(421-1)의 중심 영역과 접촉한다. 센서 동작 동안, 제어 회로(450)는 제1 단부 전극(430A) 상에 제1 애퍼처 제어 신호(V430A), 제2 단부 전극(430B) 상에 제2 애퍼처 제어 신호(V430B), 및 중심 전극(431) 상에 제3 애퍼처 제어 신호(V431)를 인가한다. 비단조적 전압 프로파일이 요구되는 동작 기간 동안, 제어 회로(450)는 애퍼처 제어 신호(V430A 및 V430B)가 애퍼처 제어 신호(V431)보다 더 포지티브하도록(즉, 더 포지티브한 전압 레벨을 갖도록), 애퍼처 제어 신호(V430A, V430B 및 V431)를 동시에 생성하여 애퍼처 제어 전극(430A, 430B 및 431)에 인가한다. 예를 들어, 애퍼처 제어 신호(V430A 및 V430B)는 0V 전압 레벨로 생성되고, 애퍼처 제어 신호(V431)는 -5V 전압 레벨로 생성된다. 각각의 저항성 제어 게이트의 단부에 더 포지티브한 전압 레벨을 인가하고, 각각의 저항성 제어 게이트의 중심 영역에 더 네거티브한 전압 레벨을 인가함으로써, 각각의 저항성 제어 게이트는 관련 광 감응 영역에서 생성된 광전자가 전기장에 의해 2개 이상의 상이한 전하 축적 영역들 중 하나에 드라이브되도록, 전기장을 생성하도록 야기된다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 애퍼처 제어 신호(V430A, V431 및 V430B)는 저항성 제어 게이트(421-1)에 ("V" 형상의 전위 다이어그램으로 표시된) 비단조적 전압 프로파일(E420-1)을 생성하고, 저항성 제어 게이트(421-1)는 관련 광 감응 영역(415420-1)을 비단조적 전압 프로파일(E420-1)의 네거티브 피크 값의 대향 면에 일반적으로 배치되는 2개의 부분(415420-1A 및 415420-1B)으로 효과적으로 분리시키는 전기장을 생성한다. 센서(410)가 비단조적 전압 프로파일(E420-1)로 동작될 때, 광 감응 부분(415420-1A)에서 생성된 광전자(예를 들어, 광전자 P1)는 그 비단조적 전압 프로파일(E420-1)에 의해 생성된 전기장에 의해 전하 수집 영역(417420-1A)으로 드라이브되고, 광 감응 부분(415420-1B)에서 생성된 광전자(예를 들어, 광전자 P2)는 전기장에 의해 전하 수집 영역(417420-1B)으로 드라이브된다. 따라서, 픽셀들(420-1 내지 420-4)의 애퍼처 크기는, 한 세트의 전하 수집 영역들(예를 들어, 전하 수집 영역(417420-1A))에서 수집된 전하들만을 그 후에 판독 및 측정하고, 다른 세트의 전하 수집 영역들(예를 들어, 전하 수집 영역(417420-1B))에서 수집된 전하들을 무시(예를 들어, 폐기)함으로써, 광 감응 부분(415420-1A)의 애퍼처 크기로 효과적으로 감소된다. 따라서, 본 발명은 전위 기울기(전기장)의 생성을 용이하게 하기 위하여 각 저항성 게이트 상의 상이한 위치에 접촉하는 길쭉한 전기 접속(전극)(430A, 430B 및 431)을 통해 픽셀들(420-1 내지 420-4)의 애퍼처 크기를 전기적으로 제어하는 것을 용이하게 한다. 저항성 게이트에서 비단조적 전압 프로파일을 생성하기 위해 2개보다 많은 전기 접속이 요구된다.
픽셀들(420-1 내지 420-4)에 바로 인접하여, 전하 결합 소자(charge-coupled device, CCD) 판독 레지스터들(444A)을 포함하는 적어도 하나의 판독 회로(440A)가 있다. 각각의 판독 레지스터(444A)는 전하 변환 증폭기(446A) 및 출력 신호(458)를 생성하는 버퍼(447A)에 접속된다. 판독 레지스터들(444A)은 버퍼 게이트 및 전송 게이트 제어 신호와 같이 다른 제어 신호(도시되지 않음)와 함께 제어 회로(450)에 의해 생성된 다수의 클록 신호들(454 및 455)에 의해 제어된다. 클록 신호들(454 및 455)에 의해 생성된 2 상(two phase) 클록이 도시되어 있지만, 3 상 및 4 상 클록을 사용하는 판독 레지스터가 당업계에 공지되어 있고 사용될 수 있다.
도 4를 다시 참조하면, 작동 중에 조명원(402)에 의해 생성된 광(L)은 광학 시스템(광학 기기)(405)을 통하여 샘플(401) 상으로 지향되고, 샘플(401)로부터 출력 또는 반사된 방향 전환된 광(redirected light)은 또한 광학 기기(405)에 의해 센서(410)로 지향되며, 하부(lower)(바닥(bottom)) 표면(413)을 통하여 센서(410)로 들어간다. 본 실시 예의 일 양상에 따르면, 광학 기기(405)는 샘플(401)로부터의 방사선(광) L을 공초점(confocal) 이미지의 형태로 센서(410)로 지향시키도록 구성된다. 하나의 특정 실시 예에서, 유사한 구조적 위치 또는 각도로부터 송신된 광이 각 픽셀의 광 감응 영역의 유사한 부분으로 지향되도록, 광학 기기(405)는 대응 각도 범위 내에 배치된 방사선을 샘플(401)로부터 센서(410)까지 지향시키도록 구성된다. 예를 들어, 광학 기기(405)는 제1 각도 범위(α1) 내에서 샘플(401)로부터 센서(410)까지 지향된 제1 광 부분(L1)이 픽셀(420-1)의 관련 광 감응 영역(415420-1)의 제1 광 감응 부분(415420-1A)으로 지향되고, 제2 각도 범위(α2) 내에서 샘플(401)로부터 센서(410)까지 지향된 제2 광 부분(L2)이 광 감응 영역(415420-1)의 제2 광 감응 부분(415420-1B)으로 지향되도록 구성된다. 제1 광 감응 부분(415420-1A)는 제2 광 감응 부분(415420-1B)보다 저항성 제어 게이트(421-1)의 제1 단부(421-1A)에 더 가깝고, 제2 광 감응 부분(415420-1B)은 제1 광 감응 부분(415420-1A)보다 제2 단부(421-1B)에 더 가깝게 위치된다는 것을 유의해야 한다. 각 광 감응 부분에 입사하는 방사선(광)(L)은 흡수되어, 집적 기간 동안 수집된 광전자를 생성한 후, 후속하는 판독 기간 동안 순차적으로 측정된다. 예를 들어, 도 4는 광 부분(L1)에 응답하여 광 감응 영역(415420-1)의 제1 광 감응 부분(415420-1A)에서 생성된 제1 광전자(P1)를 도시하며, 광 부분(L2)에 응답하여 제2 광 감응 부분(415420-1B)에서 생성된 제2 광전자(P2)를 도시한다. 저항성 제어 게이트들(421-1 내지 421-4) 상에 생성된 전압 프로파일은 각각의 픽셀(420-1 내지 420-4) 내의 어느 위치에서 어느 광전자가 축적되는지를 제어한다. 예를 들어, 0V 값을 갖는 애퍼처 제어 신호(V430A 및 V430B) 및 네거티브 5V(-5V) 값을 갖는 애퍼처 제어 신호(V431)를 통해 저항성 제어 게이트(421-1)가 드라이브될 때, 저항성 제어 게이트(421-1)는 제1 광 감응 부분(415420-1A) 내의 제1 광 부분(L1)에 의해 생성된 제1 광전자(P1)를 제1 전하 축적 영역(417420-1A) 내로 드라이브하고, 동시에 제2 광 감응 부분(415420-1B) 내의 제2 광 부분(L2)에 의해 생성된 제2 광전자(P2)를 제2 전하 축적 영역(417420-1B)으로 드라이브하는, 관련 광 감응 영역(415420-1)에 비단조적 전압 프로파일(E420-1)을 생성한다. 집적 기간의 끝에서, 버퍼/전송 게이트들(423A-1)은 전하 축적 영역(417420-1A)으로부터 전송 영역(418420-1A)으로 그 후 판독 레지스터(444A-1)의 대응 영역(419420-1A)으로 축적된 광전자 전하의 전송을 제어한다. 제어 회로(450)에 의해 생성된 클록 신호들(454 및 455)은 그 후 하나의 레지스터(444A)에서 다음 레지스터로 그리고 마지막 레지스터로부터 전하 변환 증폭기(446A) 및 버퍼(447A)로 순차적으로 전하들의 전송을 제어하는데 이용된다. 따라서, 전술한 방식으로 각 픽셀(420-1 내지 420-4)에 의해 포착된 전하는 결국 전압 또는 전류 출력 신호(458)로서 제어 회로(450)에 출력된다.
대안적인 실시 예에서, 제2 광 감응 부분(예를 들어, 도 4의 광 감응 부분(415420-1B))에 들어가는 광전자에 의해 생성된 전하들은 폐기되거나(즉, 접지에 결합되거나 그렇지 않으면 소거됨), 선택된 광 감응 부분(예를 들어, 도 4의 광 감응 부분(415420-1A))에 들어가는 광전자에 의해 생성된 전하로 동시에 판독된다. 센서(410)는 제2 광 감응 부분으로부터의 전하의 판독을 용이하게 하기 위해, 전송 게이트들(423B)에 결합된 레지스터들, 증폭기들 및 버퍼들을 포함하는 픽셀들(420-1 내지 420-4)의 제2 단부 상에 배치된 선택적인 제2 판독 회로(440B)를 포함하고, 판독 회로(440A)를 참조하여 전술한 방식으로 기능한다.
도 4는 대안적인 실시 예에서, 애퍼처 제어 전극들(430A, 430B 및 431)이 샘플(401)로부터의 상이한 방사선 각도를 선택하는 데 어떻게 사용될 수 있는지를 도시하지만, 제어 전극들(430A, 430B 및 431)이 샘플(401)의 상이한 위치로부터 방사선을 선택하는데 사용되도록 광학 기기(405)가 구성된다.
도 5a 내지 도 5d는 3개보다 많은 애퍼처 제어 전극을 사용하여 저항성 제어 게이트에서 상이한 전압 프로파일을 생성함으로써 상이한 비단조적 전압 프로파일이 어떻게 생성될 수 있는지를 나타내는 단순화된 다이어그램이다.
도 5a는 4개의 애퍼처 제어 전극들(즉, 저항성 제어 게이트(521)의 길이를 따라 위치 A 및 D에서의 단부 전극들(525A 및 525D) 및 저항성 제어 게이트(521)의 길이를 따라 위치 B 및 C에서의 2개의 중심 전극(525B 및 525C))을 통해 (참조용 점선으로 도시된 바와 같이) 저항성 제어 게이트(521)에 인가될 수 있는 상이한 전압 방식을 도시한다. 도 4를 참조하여 전술한 것과 유사한 방식으로, 저항성 제어 게이트(521) 내의 상이한 위치들 사이의 전위차를 생성하기 위해 전극들(525A 내지 525D)에 상이한 전압들이 인가될 수 있고, 이에 의해 저항성 제어 게이트(521)가 상이한 전기장을 발생시키도록 함으로써 유효한 픽셀 애퍼처 크기를 조정한다. 저항성 제어 게이트(521)에 인가될 수 있는 상이한 전위의 예는 도 5a의 라인(501, 503 및 505)에 의해 표시된다. 일 실시 예에서, 샘플의 검사(예를 들어, 샘플의 피처의 검출 및/또는 측정) 공정 동안, 저항성 제어 게이트(521)에 의해 생성된 전기장은 전극들(525A 내지 525D)에 (예를 들어, 라인(501, 503 및 505)으로 도시된 것들 사이에) 인가된 애퍼처 제어 신호(전압)를 변경함으로써 각각의 시간주기 동안 변경된다.
도 5a에서 라인(501)에 의해 표시된 전압 프로파일은 (단부 전극(525D)의 위치에 대응하는) 위치 D에서의 -5V와 (단부 전극(525A)의 위치에 대응하는) 위치 A에서의 0V 사이의 대략 선형인 전압 기울기를 나타낸다. (중심 전극(525B 및 525C)의 위치에 대응하는) 위치 B 및 C는 0 내지 -5V 사이의 값의 중간인 전압에 있다. 위치 A 및 D에서 인가된 전압이 저항성 제어 게이트(521)를 따라 대략 선형인 전압 기울기를 생성하기 때문에, 대략 선형인 전압 기울기(501)가 요구될 때 위치 B 및 C에서의 중심 전극(525B 및 525C)은 드라이브될 필요가 없을 수 있다. 저항성 제어 게이트(521) 상의 전압은 제어 게이트(521) 바로 아래의 광 감응 영역의 표면 부근의 기판에 전하를 유도하고, 따라서 기판에 전위 기울기(전기장)를 생성한다. 전자가 네거티브로 하전되므로, 각 광전자는 그 부근에서 가장 포지티브한 전위 쪽으로 빠르게 이동할 것이다. 따라서, 도 5a의 라인(501)에 의해 도시된 것과 같은 대략 선형 기울기로 광전자는 위치 A 근처에만 축적될 것이다. 위치 A는 접촉(525A)의 위치에 대응하기 때문에, 이러한 대략 선형의 전위 기울기는 대응 픽셀의 광 감응 영역에서 생성된 거의 모든 광전자가 전극(525A) 아래의 전하 축적 영역에 축적되도록 하고, 이에 의해 축적된 전하는 위에서 도 4를 참조하여 전술한 방식으로 판독 레지스터에 추후 전송될 수 있다.
도 5a의 라인(503)은 본 발명의 예시적인 실시 예에 따라 저항성 제어 게이트(521) 상에 생성된 제2 전압 프로파일을 도시한다. 위치 B는 중심 전극(525B)에 인가된 관련 애퍼처 제어 신호를 통해 -5V로 유지되는 반면, 위치 A 및 D는 단부 전극(525A 및 525D)을 통해 0V로 유지된다. 위치 C는 전극(525C)을 통해 약 -2.5V와 같은 -5V와 0V 사이의 중간 전압으로 드라이브되거나, 부동 상태(floating)로 유지될 수 있다. 이 상태에서 유효 픽셀 애퍼처 크기는 위치 A와 B 사이에서 정의된다. 즉, 위치 A와 B 사이의 저항성 제어 게이트(521) 아래의 기판에 생성된 광전자는 위치 A가 그 영역에서 가장 포지티브한 전위이기 때문에 위치 A 아래에서 신속하게 이동할 것이다. 위치 B와 D 사이의 저항성 제어 게이트(521) 아래의 기판에 생성된 광전자는, 위치 D가 픽셀의 그 영역에서 가장 포지티브한 전위이기 때문에 위치 D에 인접하여(예를 들어, 전극(525D) 아래에) 위치된 전하 축적 영역으로 신속하게 이동할 것이다. 위치 A 부근의 축적된 전하는 픽셀로부터 도 4에 도시된 레지스터(444A-1)와 같은 판독 레지스터로 판독될 수 있다. 위치 D 근처의 축적된 전하는 예를 들어 위치 D 근처에 위치한 오버플로우 드레인 또는 배수 드레인(scupper drain)으로 수집함으로써 폐기되거나, 대안적으로 도 4에 도시된 바와 같이 픽셀로부터 회로(440B)와 같은 제2 판독 회로로 판독될 수 있다. 이러한 전압 기울기는 센서가 위치 A와 B 사이에서 센서에 도달하는 광에 대응하는 신호를 수집하게 하면서, 위치 B와 D 사이에서 센서에 도달하는 광에 대응하는 신호를 분리 또는 폐기하게 하기 때문에, 사실상 전압 기울기는 위치 B 및 D 사이에서 센서에 도달하는 빛을 차단 또는 분리하면서, 위치 A 및 B 사이에서 센서에 도달하는 광을 도 4의 출력 신호(458)와 같은 출력 신호로 송신하는 애퍼처 또는 빔 분배기(beam divider)로서 작용한다. 기계적 애퍼처와 달리, 이 애퍼처를 수용하기 위하여 센서 앞에는 여분의 물리적 공간이 필요하지 않다. 또한, 전압 기울기가 전기적으로 제어되기 때문에, 전압 기울기는 매우 빨리, 예를 들어, 기계적 애퍼처가 변하는 것보다 훨씬 빠른 몇 마이크로 초 이내에 변할 수 있다.
도 5a의 라인(505)은 저항성 제어 게이트(521) 상의 또 다른 예시적인 전압 프로파일을 도시하고, 저항성 제어 게이트(521)에 인가된 전압을 변화시킴으로써 픽셀 애퍼처 크기가 어떻게 조정될 수 있는지를 도시한다. 이 경우에, 위치 C는 전극(525C)에 인가되는 관련된 애퍼처 제어 신호를 통하여 -5V로 유지되는 반면, 위치 A 및 D는 단부 전극(525A 및 525D)을 통해 0V로 유지된다(위치 B는 플로팅되거나 중간 전압으로 유지됨). 이 상태에서 유효 픽셀 애퍼처 크기는 위치 A 및 C 사이에 있다. 즉, 전극(525A 및 525C) 사이의 저항성 제어 게이트(521) 아래의 기판에서 생성된 광전자는 전극(525A) 아래의 전하 축적 영역으로 신속하게 이동할 것인데, 그것이 그 영역에서 가장 포지티브한 전위이기 때문이다. 전극(525C 및 525D) 사이의 저항성 제어 게이트(521) 아래의 기판에서 생성된 광전자는 전극(525D) 아래의 전하 축적 영역으로 신속하게 이동할 것인데, 그것이 그 픽셀의 그 영역에서 가장 포지티브한 전위이기 때문이다. 위치 A 부근의 축적된 전하는 픽셀로부터 도 4에 도시된 레지스터(444A-1)와 같은 판독 레지스터로 판독될 수 있고, 위치 D 근처의 축적된 전하는 폐기되거나 도 4에 도시된 회로(440A)와 같은 판독 회로로 판독될 수 있다.
도 5a의 예가 4개의 접촉(전극)(525A, 525B, 525C, 525D)을 통해 저항성 제어 게이트(521)에 인가된 전압 기울기를 제어하기 위해 4개의 위치 A, B, C 및 D를 사용하지만, (도 4의 예시적인 실시 예에서와 같이) 3개의 접촉이 사용되거나, (후술되는 실시 예들에서 예시되는 바와 같이) 4개보다 많은 접촉이 사용될 수 있다. 3개의 접촉을 통해 전체(full) 픽셀을 선택하여 출력으로 보내거나 픽셀을 두 부분(하나의 "애퍼처")으로 나눌 수 있다. 4개의 접촉을 통해 2개의 상이한 "애퍼처"크기 또는 전체 픽셀에 추가하여 픽셀의 2개의 상이한 부분(division)을 선택할 수 있다. 4개보다 많은 접촉은 2개보다 많은 상이한 "애퍼처" 크기를 허용할 것이다.
도 5b는 저항성 제어 게이트(531)의 길이를 따라 5개의 상이한 위치 A, B, C, D 및 E에 각각 배치된 5개의 애퍼처 제어 전극들(즉, 참조를 위해 모두 점선으로 도시된 단부 전극들(535A 및 535E) 및 3개의 중심 전극(535B, 535C 및 535D))을 통해 저항성 제어 게이트(531)에 인가될 수 있는 상이한 전압 계획을 도시한다. 도 4 및 도 5a를 참조하여 위에서 언급된 것과 유사한 방식으로, 저항성 제어 게이트(531) 내의 상이한 위치들 사이에 전위차를 생성하기 위해 상이한 전압이 제어 회로(도시되지 않음)에 의해 전극(535A 내지 535E)에 인가됨으로써, 저항성 제어 게이트(531)가 관련 전기장을 생성하게 함으로써 유효 픽셀 애퍼처 크기를 조정한다. 도 5b의 라인(510 및 513)은 도 4의 라인 센서(410)와 유사한 라인 센서의 대응 픽셀의 일부를 형성하는 저항성 제어 게이트(531)에 인가되는 2개의 예시적인 비단조적 전압 프로파일을 도시한다.
도 5b의 라인(510)은 제1 기간(time period) 동안 생성되고 위치 C(중심 전극(535C))에서 -5V와 위치 A 및 E(단부 전극(535A 및 535E))에서 0V 사이의 2개의 대략 선형인 전압 기울기를 포함하는 전압 프로파일을 도시한다. 이 기간 동안, 위치 B 및 D에서의 중심 전극(535B 및 535D)은 플로팅되거나, 아니면 0 내지 -5V 사이의 중간 값 전압에서 유지된다. 위치 A와 C 사이의 저항성 제어 게이트(531) 아래의 기판에 생성된 광전자는 위치 A 근처의 전하 축적 영역(단부 전극(535A) 아래)으로 빠르게 이동할 것인데, 그 이유는 위치 A가 그 영역에서 가장 포지티브한 전위이기 때문이다. 위치 C와 E 사이의 저항성 제어 게이트(531) 아래의 기판에서 생성된 광전자는 위치 E 아래로 신속하게 이동할 것인데, 그 이유는 위치 E가 픽셀의 그 영역에서 가장 포지티브한 전위이기 때문이다. 그 기간의 끝에서, 위치 A 부근의 축적된 전하가 픽셀로부터 도 4에 도시된 레지스터(444A-1)와 같은 판독 레지스터 내로 판독될 수 있다. 위치 E 근처의 축적된 전하는 예를 들어, 위치 E 근처에 위치한 오버플로우 드레인 또는 배수 드레인으로 수집함으로써 폐기되거나, 대안적으로, 전하는 픽셀로부터 도 4에 도시된 회로(440B)와 같은 제2 판독 회로 내로 판독될 수 있다.
도 5b의 라인(513)은 제2 기간 동안(예를 들어, 제1 기간 후에 또는 그 이전에) 생성되고, 더 네거티브한 전압(예를 들어, -5V)을 위치 B 및 D에서 전극(535B 및 535D)에 인가함으로써 그리고 동시에 위치 A, C 및 E에서 전극(535A, 535C, 535E)에 동시에 인가함으로써, 4개의 대략 선형인 전압 기울기를 포함하는 제2 전압 프로파일을 도시한다. 위치 A 및 B 사이에서 저항성 게이트(531) 아래의 기판에 생성된 광전자는 위치 A 아래로 신속히 이동할 것인데, 그 이유는 위치 A가 그 영역에서 가장 포지티브한 전위이기 때문이다. 위치 D 및 E 사이에서 저항성 제어 게이트(531) 아래의 기판에 생성된 광전자는 위치 E 아래로 신속히 이동할 것인데, 그 이유는 위치 E가 픽셀의 그 영역에서 가장 포지티브한 전위이기 때문이다. 위치 B 및 D 사이에서 저항성 게이트(531) 아래의 기판에 생성된 광전자는 위치 C 아래로 신속히 이동할 것인데, 그 이유는 위치 C가 그 영역에서 가장 포지티브한 전위이기 때문이다. 위치 A 부근의 축적된 전하는 픽셀로부터 도 4에 도시된 레지스터(444A-1)와 같은 판독 레지스터로 판독될 수 있다. 위치 E 부근의 축적된 전하는 픽셀로부터 도 4에 도시된 회로(440B)와 같은 제 판독 회로로 판독될 수 있다. 위치 C 부근의 축적된 전하는, 위치 C에서 축적된 전하가 하나 또는 둘의 단부 위치 A 및/또는 E로 드라이브되도록, 예를 들어, 저항성 제어 게이트(531) 상의 전압 프로파일을 (예를 들어, 도 5a에 도시된 501 또는 도 5b에 도시된 510과 같은 프로파일로) 먼저 변경함으로써, 픽셀로부터 나중에 판독될 수 있다. 일단 전하가 픽셀의 일측 또는 양측으로 이동된 후에, 도 4에 도시된 회로(440A 또는 440B)와 같은 판독 회로로 전송될 수 있다. 그러한 방식으로, 센서가 단지 두개의 판독 회로(즉, 도 4에 도시된 회로(440A 또는 440B))만을 가질지라도, 센서는 3개의 이미지 데이터 값을 동시에 수집하도록 구성될 수 있다.
도 5c는 저항성 제어 게이트(541)의 길이를 따라 5개의 상이한 위치 A, B, C, D 및 E에 각각 배치된 5개의 애퍼처 제어 전극(즉, 단부 전극(545A 및 545E) 및 3개의 중심 전극(545B, 545C 및 545D))을 통해, 도 4의 라인 센서(410)와 유사한 라인 센서의 대응 픽셀의 일부를 형성하는 저항성 제어 게이트(541)에 인가될 수 있는 상이한 전압 구조를 도시한다. 이 예에서, 중심 전극(545B, 545C 및 545D)은 위치 E의 방향으로 오프셋되어 각 픽셀의 유효 애퍼처 크기에 대한 증분 미세 조정(incremental fine adjustment)을 용이하게 한다. 구체적으로는, 도 4 및 도 5a를 참조하여 상술한 것과 유사한 방식으로, 저항성 제어 게이트(541) 내의 상이한 위치들 사이에 전위차를 생성하기 위해 제어 회로(도시되지 않음)에 의해 상이한 전압이 전극들(545A 내지 545E)에 인가되고, 이에 의해 저항성 제어 게이트(541)가 관련 전기장을 생성하게 함으로써 각 픽셀의 유효 픽셀 애퍼처 크기를 조정한다. 도 5c의 라인(514, 515 및 516)은 상대적으로 포지티브한 전압(예를 들어, 0V)을 단부 전극(545A 및 545E)에 인가하고 대응하는 대안적인 상대적으로 네거티브 전압(예를 들어, -5V)을 중심 전극(545B, 545C, 545D)에 인가함으로써 생성된 3개의 예시적인 비단조적 전압 프로파일을 도시하고, 이에 의해 상대적으로 작은 애퍼처 크기(즉, 위치 A와 B 사이), 중간 애퍼처 크기(즉, 위치 A와 C 사이), 및 상대적으로 큰 애퍼처 크기(즉, 위치 A와 D 사이)를 생성한다. 이전 예에서 설명한 바와 같이, 위치 A에 누적된 전하는 각 기간이 끝날 때마다 나중에 판독된다. 도 5c에 도시된 접근법은 집광을 최적화하기 위해 센서의 모든 픽셀의 유효 애퍼처 크기를 미세하게 조정하는데 사용될 수 있거나, 센서의 모든 픽셀이 균일한 애퍼처 크기를 가지도록 캘리브레이션 주기 동안 각 개별 픽셀의 유효 애퍼처 크기를 조정하는데 사용될 수 있다.
도 5d는 저항성 제어 게이트(551)의 길이를 따라 5개의 상이한 위치 A, B, C, D 및 E에 각각 배치된 5개의 애퍼처 제어 전극(즉, 단부 전극(555A 및 555E) 및 3개의 중심 전극(555B, 555C 및 555D))을 통해 도 4의 라인 센서(410)와 유사한 라인 센서의 대응 픽셀의 일부를 형성하는 저항성 제어 게이트(551)에 인가될 수 있는 상이한 전압 방식을 도시한다. 이 예에서, 중심 전극(555B 및 555D)은 프린징 필드(fringing field)를 생성함으로써 각 픽셀의 유효 애퍼처에 대한 추가 증분 미세 조정을 용이하게 하기 위해, 중심 전극(555C)(중심 위치 C)에 더 가깝게 배치된다. 구체적으로는, 도 4 및 도 5a를 참조하여 상술한 것과 유사한 방식으로, 라인(517)에 의해 도시된 대칭 "V" 형상의 비단조적 전압 프로파일은 중심 전극(555C)에 네거티브 전압(예를 들어, -5V)을, 단부 전극(555A 및 555E)에 더 포지티브한 전압(예를 들어, 0V)을 인가함으로써 생성된다(중심 전극(555B, 555D)은 플로팅 상태임). 유효 픽셀 애퍼처 에지를 우측으로(즉, 위치 E를 향해) 시프트하기 위해, 중간 조정 전압(예를 들어, -2.5V)이 중심 전극(555B)에 인가되고, 이에 의해 저항성 게이트 전극(541)이 위치 E 쪽으로 시프트된 대응 비대칭 전기장을 생성하게 하는 라인(518)에 의해 도시된 전압 프로파일을 생성한다. 반대로, 유효 픽셀 애퍼처 에지를 좌측으로(즉, 위치 A를 향해) 시프트하기 위해, 중간 조정 전압(예를 들어, -2.5V)이 중심 전극(555D)에 인가되고, 이에 의해 저항성 게이트 전극(541)이 위치 A 쪽으로 시프트된 대응 비대칭 전기장을 생성하게 하는 라인(519)에 의해 도시된 전압 프로파일을 생성한다. 도 5d에 도시된 접근법은 중심 전극(555B 및 555D)에 인가된 조정 전압을 변화시킴으로써 동작 동안 픽셀 에지 위치를 연속적으로 조정하는데 사용될 수 있다.
도 5a 내지 도 5d의 예가 -5V와 0V 사이의 전압 기울기를 나타내지만, 이것은 유용할 수 있는 전압 범위의 예에 불과하다. 예를 들어, 약 -6V와 -1V 또는 약 -4V와 + 1V 사이의 전압 기울기는 -5V와 0V 사이의 기울기와 실질적으로 유사한 효과를 가지며 대신 사용될 수 있다. 약 5V의 전압 차가 약 100μm 길이인 픽셀에 대해 편리한 값이지만, 특히 픽셀이 약 100μm보다 짧으면 더 작은 전압 차가 사용될 수 있다. 전압 차는 5V보다 클 수 있다. 더 큰 전압 차이는 픽셀이 약 150μm보다 길면 특히 유용할 수 있다. 또한, 전압 값은 필연적으로 제로 볼트 기준의 임의의 선택과 관련이 있다는 것을 유의해야 한다. 접지가 제로 볼트 기준으로서 가장 일반적으로 선택되지만, 전자 또는 기타 대전 입자의 검출과 같은 일부 응용 분야에서는 전체 센서가 접지로부터 떨어진 전위에서 플로팅될 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 예시적인 전압의 경우, 달리 언급하지 않는 한, 광(또는 대전 입자)이 입사하는 센서의 표면은 제로 볼트의 몇 볼트 내에 있다고 가정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 특정 실시 예에 따른 단면의 예시적인 라인 센서(600)를 도시한다. 센서(600)는 실리콘 웨이퍼(도시되지 않음) 상에 성장된 후, 후면으로부터 폴리싱 또는 에칭에 의해 노출된 반도체 멤브레인(601)(예를 들어, 가볍게 p 도핑된 에피택셜 실리콘의 층)에서 제조된다. 에피택셜 실리콘(601)의 도펀트 농도는 약 2×1013 원자 cm-3 이하가 바람직하다.
광(699)은 아래로부터 센서(600)에 입사한다. 일 실시 예에서, 에피택셜 실리콘(601)의 (조명된) 저면 상에 수 nm 두께(예를 들어, 약 2nm와 약 6nm 사이의 두께)의 순수 붕소 층(602)이 증착되어, 산화를 방지하고 센서(600)가 DUV 복사 및 대전 입자에 대한 노출로부터의 손상에 회복력이 있게 한다. DUV 광은 특히 반도체 웨이퍼 상의 작은 피처의 검사 및 측정에 유용하기 때문에, DUV 방사선에 연속적으로 노출되는 다년간의 수명을 갖는 센서는 반도체 검사 및 계측 시스템에서 특히 유용하다. 다른 실시 예에서, 순수 붕소 층(602)은 생략된다. 이러한 실시 예는 센서(600) 상에 입사하는 평균 DUV 전력 밀도가 약 20μWcm-2 미만의 DUV 전력 밀도와 같이 센서 열화가 최소일 정도로 충분히 낮은 경우 유용할 수 있다(일반적으로 더 짧은 파장의 광이 더 손상을 일으키므로, 매우 짧은 파장 및 더 낮은 전력 밀도를 사용하는 시스템은 순수한 붕소 층(602)으로부터 이익을 얻을 수 있는 반면, 더 긴 파장 및 더 높은 전력 밀도를 사용하는 다른 시스템은 붕소 층(602) 없이 수용 가능한 센서 수명을 가질 수 있다).
저면 상에 순수 붕소 층(602)을 증착하는 동안, 순수 붕소 층(602)에 인접한 단지 수 nm 두께의 고도로 p 도핑된 실리콘 층(603)을 형성하는 실리콘 내로 일부 붕소가 확산된다. 일 실시 예에서, 이는 순수 붕소 층(602)의 증착 직후 수 분 동안 약 800℃와 약 900℃ 사이의 온도와 같은 상승된 온도에서 센서(600)를 포함하는 웨이퍼를 유지함으로써 달성된다. 고도로 p 도핑된 실리콘 층(603)은 실리콘의 후면 근처에서 생성된 임의의 광전자를 그 저면으로부터 멀리 드라이브하는 내장된(built-in) 전기장을 생성한다. 대부분의 DUV 방사선이 실리콘 표면의 10 내지 15 nm 내에 흡수되므로 이 내장 필드는 매우 중요하다. 임의의 광전자가 표면에 도달하면, 재결합되고 손실되어 센서(600)의 양자 효율(quantum efficiency, QE)을 감소시킬 확률이 높다. DUV 파장에서 높은 QE를 가지기 위해 광전자를 실리콘 표면으로부터 멀리 매우 신속하게 드라이브하기 위해 강력한 내장 필드가 필요하다. 순수 붕소 층(602)이 존재하지 않는 센서에서, 고도로 p 도핑된 실리콘 층(603)을 생성하기 위해 이온 주입 또는 다른 도핑 기술이 이용되어야 한다.
바람직한 실시 예에서 반사 방지 코팅(680)은 하부 표면(613) 위에(over) 형성된다(예를 들어, 순수한 붕소 코팅(602)이 존재하지 않는 실시 예에서 붕소 코팅(602) 상에 또는 직접 에피택셜 실리콘(601)의 하부 표면(613) 상에 증착된다). 붕소와 실리콘은 모두 DUV 광에 대해 높은 흡수 계수를 가지므로 광을 강하게 반사한다. 센서(600)의 QE는 반사 방지 층(680)을 사용함으로써 상당히 개선될 수 있다. 반사 방지 코팅(680)은 이산화규소, 산화알루미늄 및 불화 마그네슘과 같은 유전체 재료의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 센서가 DUV 파장에서 작동할 필요가 없다면, 방금 언급된 것들 이외에, 하프늄 디옥사이드(hafnium dioxide) 및 실리콘 나이트라이드를 포함하여, 반사 방지 코팅(680)을 위해 더 광범위한 재료가 사용될 수 있다.
대전 입자 센서는 전형적으로 반사 방지 코팅을 필요로 하지 않는다. 이러한 센서에서, 층(680)은 생략되거나, 내화성(refractory) 금속의 수 nm 두께의 층과 같은 얇은 전도성 코팅을 포함할 수 있다.
유전체 층(608)은 에피택셜 실리콘(601)의 상부 표면 상에 증착되거나 성장된다. 유전체 층(608)은 실리콘 디옥사이드 층을 포함할 수 있거나, 실리콘 디옥사이드 상에 실리콘 나이트라이드, 또는 실리콘 디옥사이드 상에 실리콘 나이트라이드 상에 실리콘 디옥사이드과 같은 2개 또는 3개의 층을 포함할 수 있다. 전형적으로 유전체 층(608)의 두께는 약 50nm 내지 약 200nm의 범위 내에 있다. n 형 실리콘 층(604)은 광전자를 수집하기 위한 매설(buried) 채널로서 전면(front surface) 아래에 형성된다.
630, 635 및 640과 같은 다수의 게이트 전극이 유전체 층(608)의 상부에 증착되고 패터닝된다. 게이트 전극은 일반적으로 폴리실리콘 또는 알루미늄으로 만들어지지만, 다른 금속 및 (TiN과 같은) 반 금속(semi-metal) 화합물을 포함하는 다른 도전성 물질이 사용될 수 있다. 631, 636 및 641과 같은 전기적 접속이 게이트 전극으로 만들어질 수 있다. 도 6은 저항성 게이트(620)의 좌측에만 630, 635 및 640과 같은 게이트 전극을 도시하고 있지만, 도 4의 판독 회로들(440A 및 440B)에 의해 도시된 바와 같이 픽셀의 양 측면으로부터 판독을 가능하게 하기 위해 저항성 게이트(620)의 우측에 유사한 구조가 또한 존재할 수 있다.
바람직한 실시 예에서, 게이트 전극은 전극의 에지 근방의 프린지 전기장을 최소화하고 제어하기 위해, 예를 들어 632에 도시된 바와 같이 서로 중첩된다. 게이트 전극은 유전체 재료(도시하지 않음)에 의해 분리되어 있다.
바람직하게는 도핑되지 않거나 낮게 도핑된 다결정 실리콘(폴리실리콘)을 포함하는 저항성 게이트(620)가 광 감응 픽셀을 오버레이(overlay)한다. 다수의 전기 접속이 저항성 게이트 상의 상이한 위치로 만들어진다. 이러한 접속(또는 접촉)은 621A, 621B, 621C 및 621D로 개략적으로 도시된다. 4개의 전기 접속이 도시되어 있지만, 얼마나 많은 상이한 집광 모드가 필요한지에 따라 3개, 4개, 또는 그보다 많은 것이 사용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 전압 기울기는 그에 연결된 상이한 접촉(621A, 621B, 621C, 621D)에 상이한 전압을 인가함으로써 저항성 게이트(620)에서 생성된다. 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 상이한 전압을 접촉에 인가한 결과로서, 저항성 게이트의 길이를 따라 상이한 위치는 상이한 전압에 있다. 에피택셜 실리콘(601)의 표면의 전위는 저항성 게이트(620) 상의 대응하는 위치에서의 전압에 따라 위치에 따라 변한다. 이 변화하는 전위는 광전자가 수집하는 곳을 제어하는 에피택셜 층(601)에서 전기장을 생성한다. 에피택셜 층(601)은 낮게 도핑되기 때문에, 이들은 자유 캐리어가 거의 없으며, 표면 근처의 전하로부터의 전기장은 에피택셜 층(601)의 전부 또는 거의 전부에 걸쳐 연장될 것이다.
예를 들어, 접촉(621D)과 접촉(621A)의 위치 사이의 저항성 게이트(620)에 대략 선형 전압 기울기가 존재하도록, 접촉(621A)이 접촉(621D)보다 더 포지티브하고 접촉(621B 및 621C)이 중간 전압에 있다면, 에피택셜 실리콘(601) 내의 전기장은 광전자를 접촉(621A) 아래의 위치로 드라이브할 것이다.
버퍼 게이트(630)가 621A보다 더 네거티브한 전압으로 유지되면, 전자는 버퍼 게이트(630) 아래로 이동하지 않을 것이다. 축적된 전하를 판독하기 위해, 버퍼 게이트(630) 상의 전압은 예를 들어 접촉(621A)에 인가된 전압보다 더 포지티브한 전압을 접촉(631)에 인가함으로써, 상승될 수 있다. 접촉(636)에 적절한 전압을 인가함으로써 전송 게이트(635) 상의 전위를 상승시키는 것은, 전자들을 버퍼 게이트(630) 아래로부터 전송 게이트(635) 아래로 이동시킬 수 있다. 전송 게이트(635) 아래의 픽셀로부터의 전자의 직접 전송을 차단하기 위하여 전송 게이트(635) 상의 전위가 상승됨과 동시에 또는 약간 늦게 버퍼 게이트(630) 상의 전위가 하강될 수 있다. 선택적인 추가 전송 게이트, 버퍼 게이트 또는 판독 레지스터(예를 들어, 640)가 필요에 따라 포함될 수 있다. 궁극적으로, 전자들은 플로팅 확산 영역(도시되지 않음)으로 전송되고, 플로팅 확산 영역은 결국 출력 증폭기에 접속된다.
버퍼 게이트들, 전송 게이트들, 판독 레지스터들, 플로팅 확산 영역들 및 출력 증폭기들은 CCD들에서 잘 알려져 있고 여기에서 더 상세히 설명되지 않을 것이다. 도 6에 도시된 구성은 단지 라인 센서의 동작을 설명하기 위한 예시에 불과하다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 판독 구조의 상이한 구성이 가능하다. 예시적인 일 실시 예에서, 어떤 버퍼 게이트도 없는 단일 전송 게이트가 사용될 수 있다. 다른 예시적인 실시 예에서 다수의 버퍼 게이트가 사용될 수 있다. 또 다른 예시적인 실시 예에서, 판독 레지스터는 사용될 수 없고 개별 픽셀 또는 픽셀의 쌍이 버퍼 및 전송 게이트를 통해 개별적인 출력에 접속될 수 있다. 본 발명과 직접 관련이 없는 일반적으로 사용되는 반도체 제조 공정의 세부 사항은 설명을 복잡하게 하는 것을 피하기 위해 포함되지 않는다.
도 7은 샘플로부터 반사되거나 그렇지 않으면 센서(700)로 지향되는 광의 일부가 광학 나이프 에지(760)에 의해 차단되도록, 기판(701)의 배면 상에 또는 그 위에 배치된 쐐기형(wedge-shaped) 광학 나이프 에지(기계적 애퍼처 구조)(760)를 포함하는 선형 센서(700)의 픽셀을 도시한 단순화된 단면도이다. 이전 실시 예에서와 같이, 저항성 제어 게이트(721)는 기판(701)의 전면 위의 유전체층(708) 상에 형성되고, 다수의 애퍼처 제어 전극들(725A 내지 725F)은 저항성 제어 게이트(721)의 상부 표면 상에 배치된다. 일 실시 예에서, 광학 나이프 에지(760)는 공동 소유 및 공동 계류중인 2015년 4월 21일에 출원된 CONFOCAL LINE INSPECTION OPTICAL SYSTEM(공초점 라인 검사 광학 시스템)이라는 명칭의 미국 특허출원 제14/691,966호에 개시된 슬릿 애퍼처 필터(slit aperture filter)를 사용하여 구현되는데, 이 출원은 그 전체가 여기에 참조로 포함된다. 본 실시 예에 따르면, 시스템(700)의 제어 회로(도시되지 않음)는 저항성 제어 게이트(721)에서 생성된 비단조적 전압 프로파일(E720)이 애퍼처를 조정하여 광학 나이프 에지(760)의 오정렬을 보정하도록, 전극(725A 내지 725F)에 인가된 애퍼처 제어 전압의 조정을 용이하게 하도록 구성됨으로써, 정렬 공정을 크게 단순화시킨다.
전술한 본 발명의 구조 및 방법의 다양한 실시 예는 본 발명의 원리만을 예시하고 본 발명의 범위를 설명된 특정 실시 예로 한정하고자 하는 것은 아니다. 예를 들어 저항성 게이트에 4개보다 많거나 적은 수의 접속을 만들 수 있다. 샘플을 검사하거나 측정하는 방법의 일 실시 예에서, 한 세트의 전압이 샘플상의 검사 또는 측정의 전체 지속 기간 동안 센서 상의 저항성 게이트의 접촉에 인가될 수 있다. 샘플을 검사하거나 측정하는 방법의 다른 실시 예에서, 저항성 게이트의 접촉에 인가된 전압은 단일 샘플의 검사 또는 측정 중에 조정되어 그 샘플 상의 상이한 위치의 상이한 패턴에 적응할 수 있다.
또한, 센서 또는 방법이 광을 검출하는 것으로 설명되는 경우, 이들 설명은 적외선, 가시광, 자외선, 극 자외선 및 X선을 포함하는 상이한 파장의 전자기 방사선을 검출하는 것, 및 전자와 같은 대전 입자를 검출하는 것에도 적용될 수 있음이 이해되어야 한다.
따라서, 본 발명은 다음 청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.
Claims (23)
- 샘플을 검사하는 방법에 있어서,
상기 샘플 상으로 방사선을 지향시키고 집속시키는 단계;
상기 샘플로부터 수신된 방사선을 라인 센서에 지향시키는 단계로서, 상기 라인 센서는 기판 상에 배치된 복수의 픽셀들을 포함하고, 각 픽셀은 상기 기판의 상부 표면에 부착되고 상기 픽셀의 관련된 광 감응(light sensitive) 영역 위(over)에 배치된 저항성 제어 게이트(resistive control gate)를 포함하며, 상기 수신된 방사선 지향 단계는 상기 지향된 광이 상기 복수의 픽셀들 각각의 관련된 광 감응 영역으로 들어가게 하는 단계를 포함하는 것인, 상기 수신된 방사선 지향 단계; 및
상기 저항성 제어 게이트가 각 상기 픽셀의 제1 광 감응 부분에서 제1 광 부분들에 의해 생성된 제1 광전자들을 각 상기 저항성 제어 게이트의 제1 단부에 인접하여 위치한 제1 전하 축적 영역 내로 드라이브(drive)하고, 각 상기 픽셀의 제2 광 감응 부분에서 제2 광 부분들에 의해 생성된 제2 광전자들을 각 상기 저항성 제어 게이트의 제2 단부에 인접하여 위치한 제2 전하 축적 영역 내로 드라이브하는, 상기 관련된 광 감응 영역 내에 전기장을 생성하도록, 미리 결정된 애퍼처 제어 신호들을 사용하여 각 상기 픽셀의 저항성 제어 게이트를 드라이브하는 단계를 포함하는 것인 샘플 검사 방법. - 제1항에 있어서, 미리 결정된 기간 동안 상기 제1 전하 축적 영역 내에 축적된 상기 제1 광전자들을 측정하는 단계를 더 포함하는 것인 샘플 검사 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 방사선을 지향시키는 단계는,
상기 샘플로부터 각 상기 픽셀의 상기 관련된 광 감응 영역의 제1 광 감응 부분 내로 지향되는 제1 공초점(confocal) 이미지 부분들, 및 상기 샘플로부터 각 상기 픽셀의 상기 관련된 광 감응 영역의 제2 광 감응 부분 내로 지향되는 제1 공초점 이미지 부분들을 포함하는 공초점 이미지를 생성하는 단계를 더 포함하는 것인 샘플 검사 방법. - 제2항에 있어서, 상기 방사선을 지향시키는 단계는,
상기 샘플로부터 제1 각도 범위 내에 배치된 제1 방사선 부분들을 각 상기 픽셀의 상기 관련된 광 감응 영역의 제1 광 감응 부분 내로 지향시키는 단계, 및 상기 샘플로부터 제2 각도 범위 내에 배치된 제2 방사선 부분들을 각 상기 픽셀의 상기 관련된 광 감응 영역의 제2 광 감응 부분 내로 지향시키는 단계를 더 포함하는 것인 샘플 검사 방법. - 제1항에 있어서, 각 상기 픽셀의 상기 저항성 제어 게이트를 드라이브하는 단계는,
각 상기 저항성 제어 게이트의 대향 단부들과 접촉하는 제1 및 제2 단부 전극 상에 제1 및 제2 애퍼처 제어 신호를 생성하는 단계, 및 각 상기 저항성 제어 게이트의 중심 부분과 접촉하는 적어도 하나의 중심 전극 상에 제3 애퍼처 제어 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는 것인 샘플 검사 방법. - 제5항에 있어서, 상기 저항성 제어 게이트를 드라이브하는 단계는,
제1 기간 동안, 상기 제1 및 제2 애퍼처 제어 신호가 상기 제3 애퍼처 제어 신호보다 더 포지티브하도록 상기 제1, 제2, 제3 제어 신호를 생성하는 단계; 및
제2 기간 동안, 상기 제1 제어 신호가 상기 제2 및 제3 제어 신호보다 더 포지티브하도록 상기 제1, 제2, 제3 제어 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는 것인 샘플 검사 방법. - 제1항에 있어서, 각 상기 픽셀의 저항성 제어 게이트를 드라이브하는 단계는,
각 상기 저항성 제어 게이트의 대응 단부에 각각 접촉하는 제1 및 제2 단부 전극 상에 제1 및 제2 애퍼처 제어 신호를 생성하는 단계, 및
각 상기 저항성 제어 게이트의 대응 중심 부분에 각각 접촉하는 제1, 제2 및 제3 중심 전극 상에 각각 제3, 제4, 제5 애퍼처 제어 신호를 생성하는 단계를 포함하고,
상기 제1, 제2 및 제4 애퍼처 제어 신호는 상기 제3 및 제5 애퍼처 제어 신호보다 더 포지티브하고, 이에 의해, 각 상기 픽셀의 상기 저항성 제어 게이트는, 상기 제1 광전자들을 상기 제1 전자 축적 영역 내로 드라이브하고, 상기 제2 광전자들을 상기 제2 전하 축적 영역 내로 드라이브하고, 각 상기 픽셀의 제3 광 감응 부분에서 제3 광 부분에 의해 생성된 제3 광전자들을 상기 제1 및 제2 전하 축적 영역 사이에 위치한 제3 전하 축적 영역 내로 드라이브하는 상기 관련된 광 감응 영역 내에 전기장을 생성하는 것인 샘플 검사 방법. - 제7항에 있어서, 상기 방사선을 지향시키는 단계는,
제1 각도 범위 내에 배치된 제1 방사선 부분을 상기 샘플로부터 각 상기 픽셀의 상기 관련된 광 감응 영역의 상기 제1 광 감응 부분 내로 지향시키는 단계,
제2 각도 범위 내에 배치된 제2 방사선 부분을 상기 샘플로부터 각 상기 픽셀의 상기 관련된 광 감응 영역의 상기 제2 광 감응 부분 내로 지향시키는 단계, 및
제3 각도 범위 내에 배치된 제3 방사선 부분을 상기 샘플로부터 각 상기 픽셀의 상기 관련된 광 감응 영역의 상기 제3 광 감응 부분 내로 지향시키는 단계를 포함하는 것인 샘플 검사 방법. - 제1항에 있어서,
상기 라인 센서는 상기 기판의 하부 표면(lower surface)과 상기 샘플 사이에 배치된 기계적 애퍼처 구조를 포함하고,
상기 저항성 제어 게이트를 드라이브하는 단계는, 상기 전기장을 조정하여 상기 기계적 애퍼처 구조의 오정렬을 보정하는 단계를 포함하는 것인 샘플 검사 방법. - 센서에 있어서,
상부 표면(upper surface) 및 대향하는 하부 표면을 갖는 기판;
상기 기판 상에 배치된 복수의 픽셀들로서, 각 픽셀은 상기 상부 표면에 부착되고 상기 픽셀의 관련된 광 감응 영역 위에 배치된 저항성 제어 게이트, 상기 저항성 제어 게이트의 제1 단부에 인접하여 배치된 제1 전송 게이트(transfer gate), 및 상기 저항성 제어 게이트의 제2 단부에 인접하여 배치된 제2 전송 게이트를 포함하는, 상기 복수의 픽셀들;
상기 복수의 픽셀들의 상기 저항성 제어 게이트들을 가로질러 평행하게 연장되고, 각 상기 저항성 제어 게이트의 상기 제1 단부에 접촉하는 제1 단부 전극, 각 상기 저항성 제어 게이트의 상기 제2 단부에 접촉하는 제2 단부 전극, 및 상기 제1 및 제2 단부 전극 사이에 배치되고, 각 상기 저항성 제어 게이트에 접촉하는 하나 이상의 중심 전극을 포함하는, 복수의 길쭉한(elongated) 애퍼처 제어 전극들; 및
상기 제1 및 제2 단부 전극에 인가되는 제1 및 제2 애퍼처 제어 신호가 상기 적어도 하나의 중심 전극에 인가되는 제3 애퍼처 제어 신호보다 더 포지티브하도록, 상기 복수의 애퍼처 제어 전극들을 통하여 상기 복수의 픽셀들의 상기 저항성 제어 게이트들에 애퍼처 제어 신호들을 동시에 인가하도록 구성된 제어 회로로서, 이에 의해 각 상기 픽셀의 제1 광 감응 부분에서 상기 제1 광 부분에 의해 생성되는 제1 광전자들이 각 상기 저항성 제어 게이트의 상기 제1 단부에 인접하여 위치한 제1 전하 축적 영역 내로 상기 전기장에 의해 드라이브되도록 그리고 각 상기 픽셀의 상기 제2 광 감응 부분에서 제2 광 부분에 의해 생성되는 제2 광전자들이 각 상기 저항성 제어 게이트의 상기 제2 단부에 인접하여 위치한 제2 전하 축적 영역 내로 상기 전기장에 의해 드라이브되도록, 각 상기 저항성 제어 게이트가 상기 관련된 광 감응 영역 내에 전기장을 생성하게 하는 상기 제어 회로를 포함하는 것인 센서. - 제10항에 있어서,
복수의 판독(readout) 레지스터들을 포함하는 판독 회로를 더 포함하고,
각 상기 판독 회로는 상기 복수의 픽셀들 중 관련된 픽셀의 상기 제1 전송 게이트에 동작 가능하게 결합되고,
상기 제어 회로는 또한, 판독 동작 동안 상기 제1 광전자들이 상기 복수의 픽셀들의 상기 제1 전송 게이트들을 통하여 상기 제1 전하 축적 영역들로부터 상기 복수의 판독 레지스터들로 전송되도록, 상기 복수의 픽셀들 및 상기 판독 회로를 작동시키도록(actuate) 구성되는 것인 센서. - 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 중심 전극은 적어도 3개의 중심 전극을 포함하고,
상기 제어 회로는 또한, 각 상기 픽셀의 제3 광 감응 부분에서 제3 광 부분에 의해 생성되는 제3 광전자들이 상기 전기장에 의해 상기 제1 및 제2 전하 축적 영역 사이에 위치한 제3 전하 축적 영역 내로 드라이브되도록 상기 애퍼처 제어 신호들을 생성하도록 구성되는 것인 센서. - 제10항에 있어서, 상기 기판은 에피택셜 실리콘 층을 포함하고, 상기 센서는 상기 에피택셜 실리콘 층의 하부 표면 위에(over) 형성된 순수한 붕소 층을 더 포함하는 것인 센서.
- 제10항에 있어서, 상기 기판은 에피택셜 실리콘 층을 포함하고, 상기 센서는 상기 에피택셜 실리콘 층의 하부 표면 위에(over) 형성된 반사 방지층(anti-reflection layer)을 더 포함하는 것인 센서.
- 샘플을 검사 또는 측정하기 위한 시스템에 있어서,
광을 생성하도록 구성된 조명원;
상기 조명원으로부터 상기 샘플로 상기 광을 지향시키고, 상기 샘플로부터의 광을 센서로 지향시키는 광학 기기(optics); 및
센서를 포함하고,
상기 센서는,
상부 표면 및 대향하는 하부 표면을 갖는 기판;
상기 기판 상에 배치된 복수의 픽셀들로서, 각 픽셀이 상기 상부 표면에 부착되고 상기 픽셀의 관련된 광 감응 영역 위에 배치된 저항성 제어 게이트를 포함하는, 상기 복수의 픽셀들;
상기 복수의 픽셀들의 각각의 상기 저항성 제어 게이트를 가로질러 연장되고, 상기 저항성 제어 게이트에 전기적으로 접속되고, 각 상기 저항성 제어 게이트의 대향하는 제1 및 제2 단부를 가로질러 각각 연장되는 제1 및 제2 단부 전극, 및 상기 제1 및 제2 단부 전극 사이에 배치되는 하나 이상의 중심 전극을 포함하는, 적어도 3개의 애퍼처 제어 전극들; 및
각 상기 저항성 제어 게이트가 상기 관련된 광 감응 영역으로 들어오는 광에 의해 생성되는 광전자들을 적어도 2개의 부분으로 분리하는 상기 관련된 광 감응 영역 내에 전기장을 생성하도록, 상기 적어도 3개의 애퍼처 제어 전극을 통하여 상기 복수의 픽셀들의 상기 저항성 제어 게이트 위로 애퍼처 제어 신호들을 동시에 인가하도록 구성된 제어 회로를 포함하는 것인,
샘플 검사 또는 측정 시스템. - 제15항에 있어서, 상기 센서는 상기 복수의 픽셀들의 대향 측면들 상에 각각 배치된 제1 및 제2 판독 회로를 포함하는 것인, 샘플 검사 또는 측정 시스템.
- 제16항에 있어서,
상기 하나 이상의 중심 전극은 복수의 중심 전극들을 포함하고,
상기 제어 회로는 상기 애퍼처 제어 신호들의 다수의 조합을 생성하여, 하나의 상기 조합으로부터 다른 상기 조합으로 변경됨으로써 상기 전기장이 조정 가능하도록 구성되는 것인, 샘플 검사 또는 측정 시스템. - 제16항에 있어서,
상기 하나 이상의 중심 전극은 적어도 3개의 중심 전극을 포함하고,
상기 제어 회로는 상기 광전자들이 적어도 3개의 부분으로 분할(divide)되도록 상기 애퍼처 제어 신호들을 생성하도록 구성되는 것인 샘플 검사 또는 측정 시스템. - 제18항에 있어서,
상기 광학 기기는 또한, 제1 각도 범위 내에서 상기 샘플로부터 상기 센서로 지향된 제1 광 부분이 각 상기 픽셀의 상기 관련된 광 감응 영역의 제1 광 감응 부분 내로 지향되도록, 그리고 제2 각도 범위 내에서 상기 샘플로부터 상기 센서로 지향된 제2 광 부분이 각 상기 픽셀의 상기 관련된 광 감응 영역의 제2 광 감응 부분 내로 지향되도록 구성되고,
상기 저항성 제어 게이트는, 각 상기 픽셀의 상기 제1 광 감응 부분에서 상기 제1 광 부분에 의해 생성되는 제1 광전자들이 각 상기 저항성 제어 게이트의 상기 제1 단부에 인접하여 위치한 제1 전하 축적 영역 내로 상기 전기장에 의해 드라이브되도록 그리고 각 상기 픽셀의 상기 제2 광 감응 부분에서 상기 제2 광 부분에 의해 생성되는 제2 광전자들이 각 상기 저항성 제어 게이트의 상기 제2 단부에 인접하여 위치한 제2 전하 축적 영역 내로 상기 전기장에 의해 바이어스되도록, 상기 전기장을 생성하는 것인 샘플 검사 또는 측정 시스템. - 제15항에 있어서, 상기 기판은 반도체 멤브레인을 포함하고, 상기 센서는 상기 반도체 멤브레인의 하부 표면 상에 증착된 순수 붕소 층을 더 포함하는 것인 샘플 검사 또는 측정 시스템.
- 제15항에 있어서, 상기 기판은 반도체 멤브레인을 포함하고, 상기 센서는 상기 반도체 멤브레인의 하부 표면 상에 증착된 반사 방지층을 더 포함하는 것인 샘플 검사 또는 측정 시스템.
- 제15항에 있어서, 상기 시스템은 상기 샘플로부터 광을 수신하도록 구성된 적어도 2개의 센서를 포함하는 것인 샘플 검사 또는 측정 시스템.
- 제15항에 있어서, 기계적 애퍼처 구조를 더 포함하고,
상기 기계적 애퍼처 구조는 상기 샘플로부터의 광의 일부가 상기 기계적 애퍼처 구조에 의해 차단되도록 상기 기판의 하부 표면에 인접하여 배치되고,
상기 제어 회로는 또한, 상기 센서에 대한 상기 기계적 애퍼처 구조의 오정렬에 따라 상기 전기장을 조정하도록 구성되는 것인 샘플 검사 또는 측정 시스템.
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