TWI794587B - 光學系統、用於工件之處理系統、及用於監測半導體製程之方法 - Google Patents

光學系統、用於工件之處理系統、及用於監測半導體製程之方法 Download PDF

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Abstract

本申請案揭示一種具有一OAP鏡準直儀之光學系統，該光學系統具有一外殼、位於該外殼內且具有一光軸、一摺疊平面及一焦點之一OAP鏡。一光纖線纜經耦合至該外殼且具有第一光纖及第二光纖，該第一光纖及該第二光纖各自具有形成該光纖線纜之一共同端面之一出口端，其中該光纖線纜係以旋轉方式及平移方式與該OAP鏡對準，使得共同面垂直於該OAP鏡之該光軸且係以該光軸為中心，且係與該焦點相距一固定距離定位，且其中該第一光纖及該第二光纖之光軸係共同成角度地與該摺疊平面對準，且該第一光纖及該第二光纖之該等光軸偏離與該光軸之平行不超過0.15度。

Description

光學系統、用於工件之處理系統、及用於監測半導體製程之方法
本申請案大體而言是關於半導體晶圓之光學監測，且更具體而言，是關於對角驅動變化靈敏度降低之光學監測。
半導體製程之光學監測是用於控制例如蝕刻、沈積、化學機械拋光及植入之製程之行之有效的方法。光學發射光譜法(「OES」)及干涉量測終點(「IEP」)是收集光學訊號資料之兩種基本方法。在IEP應用中，通常自外部源(例如閃光燈)供應光，且將光引導至工件上。在自工件反射後，依據光之波長及工件之複反射係數性質對來源光進行振幅調變。關於工件狀態之資訊可自反射的經振幅調變來源光獲得。對工件反射係數之提取及模型化准許在半導體製程期間瞭解膜厚度、特徵大小/深度/寬度以及工件的其他性質。
對工件反射係數之提取及模型化通常基於工件是平面的且相對於詢問該工件之光學系統具有固定的對準。然而，在半導體製程期間，工件可能會被擾動，且擾動通常會改變與被引導至工件且自工件反射 之光以及工件本身相關的定向。舉例而言，在半導體製程期間，工件可具有不會改變之某一厚度。然而，由於熱變化導致工件上的應力變化，工件之形狀可能會自平面變為凸形或凹形。即使厚度仍然相同，工件之彎曲表面亦會擾動來自光學系統之詢問光。接著，此種擾動會改變光在反射後的空間及角度性質，且可能藉由影響反射光穿過光學系統以被光學偵測器接收及處理之方式而提供錯誤的結果。
在一個態樣中，本發明提供一種具有離軸抛物面(OAP)鏡準直儀之光學系統。在一個實施例中，該OAP鏡準直儀包括：外殼；OAP鏡，其是在該外殼內且具有光軸、摺疊平面及焦點。光纖線纜耦合至外殼，光纖線纜包含第一光纖及第二光纖，該第一光纖及該第二光纖各自具有形成該光纖線纜之共同端面之出口端，其中該光纖線纜以旋轉方式及平移方式與該OAP鏡對準，使得共同面垂直於該OAP鏡之該光軸且以該光軸為中心，且與該焦點相距固定距離，且其中該第一光纖及第二光纖之光軸共同成角度地與該摺疊平面對準，且該第一光纖及第二光纖之光軸偏離與該光軸之平行不超過0.15度。
在另一態樣中，本發明提供一種用於工件之處理系統。在一個實施例中，該處理系統包括：處理室，其具有帶有視口之頂部以及在處理期間支撐工件之基底。具有準直儀之光學系統定位於該視口上，以在處理期間對該工件進行光學監測。該準直儀包含：外殼；OAP鏡，其是在該外殼內且具有光軸、摺疊平面及焦點；以及光纖線纜，其耦合至該外殼。光纖線纜包含第一光纖及第二光纖，該第一光纖及第二光纖各自具有形成光纖線纜之共同端面的出口端，其中光纖線纜以旋轉方式及平移方式 與該OAP鏡對準，使得共同面垂直於OAP鏡之光軸且以該光軸為中心，且與焦點相距固定距離，且其中該第一光纖及第二光纖的光軸共同成角度地與該摺疊平面對準，且第一光纖及第二光纖之光軸偏離與OAP鏡的光軸之平行不超過0.15度。光譜儀藉由該第一光纖光學連接至該準直儀，且閃光燈藉由第二光纖光學連接至準直儀。
在又一態樣中，本發明提供一種監測半導體製程之方法。在一個實施例中，監測方法包括：將工件定位成與具有準直儀之光學系統光學對準，該光學系統包含外殼、在該外殼內且具有光軸、摺疊平面及焦點之OAP鏡，以及光纖線纜，該光纖線纜耦合至該外殼。該光纖線纜包含第一光纖及第二光纖，第一光纖及第二光纖各自具有形成光纖線纜之共同端面的出口端，其中光纖線纜以旋轉方式及平移方式與該OAP鏡對準，使得共同面垂直於OAP鏡之光軸且以光軸為中心，且與焦點相距固定距離，且其中第一光纖及第二光纖之光軸共同成角度地與該摺疊平面對準，且該第一光纖及第二光纖的光軸偏離與OAP鏡之該光軸之平行不超過0.15度。藉由第二光纖收集之光是來自工件之表面的反射光，且藉由將光學偵測器光學耦合至準直儀之第二光纖將反射光自該準直儀發送至該光學偵測器。
300:干涉量測終點(IEP)光學監測系統
310:閃光燈
310a:參考光纜
320:準直儀
330:光譜儀
340:光纖總成
342:光纖線纜
380:半導體工具
382:外殼
384:基底
386:蓋
388:視口
390:晶圓
400:準直儀
410:連接器埠
420:離軸抛物面(OAP)鏡
425:焦點
430:光學通道
440:外殼
445:尖端/傾斜可調整級
450:基底
490:光纖線纜
490a:第一光纖
490b:第二光纖
491:主體
492:光纖收納器
494:光軸
496:光纖通道
498:對準鍵
510:出口端
515:出口端
520:共同端面
525:對準鍵收納器
525':替代性對準鍵收納器
610:外圓
610a:資料點
610b:指向誤差
615:內圓
615a:資料點
610b:指向誤差
620:跳動
625:指向誤差
630:偏離理論值
700:線上光學監測系統
720:準直儀
790:線上系統
792:支撐件
794:臂
現參考以下結合附圖給出之描述，附圖中：圖1A至圖1B說明展示與光學系統及晶圓之對準之角度變化性相關聯的一系列問題之圖；圖2說明SiO2膜之理論曲線；圖3說明根據本發明之原理構造的IEP系統之實例之示意圖； 圖4說明根據本發明之原理構造的基於離軸抛物面(OAP)鏡之準直儀之實例；圖5說明在光纖收納器(例如圖4之光纖收納器)之光纖通道中使用的光纖線纜實例之端視圖；圖6A至圖6B展示一組圖，其說明與圖1A至圖1B中所展示色度效能相關聯之跳動及指向誤差之變化；以及圖7說明根據本發明之原理構造的線上光學監測系統之實例。
相關申請案之交叉引用
本申請案主張與本申請案共同讓渡且以全文引用的方式併入本文中之2019年2月20日提交之標題為「光纖耦合量測系統以及對自晶圓反射時訊號之角驅動變化之降低的敏感度(FIBEROPTICALLY-COUPLED MEASUREMENT SYSTEM AND REDUCED SENSITIVITY TO ANGULARLY-DRIVEN VARIATION OF SIGNALS UPON REFLECTION FROM A WAFER)」之美國臨時申請案第62/807,992號的權益。
在一些半導體製程中，對工件性質之高準確度及精度量測對於製程控制至關重要，其中幾個原子層之厚度變化可能會使半導體元件自可操作狀態變為故障狀態。有可能在半導體工具中進行線上及就地之高品質量測，但晶圓及工具條件均可能限制此些量測的準確度及精度。
限制準確度及精度之兩個常見問題是工件的可變平面性以及工件相對於詢問光學量測系統之受控軸線的可變定向。設想經均勻塗佈 但為凹面球形彎曲的工件，可很容易地看出，在工件中心附近進行之厚度量測與在工件邊緣處進行之厚度量測將因與工件曲率半徑及直徑成比例的因子而不同。即使很小的曲率亦可能導致數十埃之膜厚度誤差。
設想工件相對於詢問光學量測系統之受控軸的可變定向，可認識到，機械系統通常不會維持完美之對準，且外部影響(例如機械衝擊、溫度、振動及蠕變)將不利地改變對準。因此，在半導體製程期間，工件之原始對準可因各種因素而改變。
圖1A至圖1B中之圖說明與光學系統及晶圓之對準的角度變化性相關聯之一系列問題。每個圖經歸一化以消除整體訊號強度變化所致之影響，因為此種變化可藉由其他訊號處理技術解決，僅留下相對光譜色度變化。理想地，每一曲線皆是平坦的，且處於指示無光譜色度變化之值1.00。每個圖之每一個別曲線指示由光學系統與晶圓之間的相對定向(俯仰、側轉)之0.25度變化引起之相對光譜色度變化。具體而言，每個圖可表示光學系統中使用之準直儀相對於工件之表面法線的一組0.25度正、負俯仰及側轉定向。儘管圖1A至圖1B中之圖展示在200至800nm之波長範圍中的光譜色度變化；但其他波長範圍可表現出相同之變化，尤其是在光譜之UV及DUV區域中，其中已知材料之折射性質更大程度地依賴於波長。
對於每個圖，使用不同之光纖線纜，且光學系統之其他組件保持固定。儘管各圖來自不同之光纜，但光纜中之每一者具有相同之標稱規格。不同光纜之間的變化可歸因於光纜之光纖製造、光纜之組裝及/或光纜與其他光學系統組件之連接。圖1A至圖1B之各圖中使用之四種不同光纖與圖6A至圖6B中之效能資料表示的光纖相同。
儘管四分之一度之變化很小，但所得色度變化可能會在厚度判定中產生數十至數百埃之誤差。此可藉由比較圖1A至圖1B之右下圖與例如圖2之圖中展示之SiO2膜的理論曲線來理解。對於此SiO2膜，4%之色度變化可在膜厚度判定中產生~35埃之誤差。對於例如3D NAND記憶體之半導體產品，此種誤差可造成產品起作用與不起作用的反差。
限制量測工件性質之準確度及精度之第三個問題是光在光學量測系統中之傳播。此問題通常與前兩個問題相伴，因為光學訊號在呈現給光學量測系統時之微小變化可使此類系統的瑕疵顯現。舉例而言，光在經塗佈表面上之入射角之微小變化可導致眾所周知的反射光譜之色度「藍移」。經塗佈表面之實例是OAP準直儀的鏡面。
為了補償例如上文提到之限制量測工件性質之準確度及精度的各種問題，需要設計及組態光學量測系統以減少此些敏感態樣。
因此，本發明提供了減小角度靈敏度以補償工件與詢問光學訊號之間的未對準之系統(例如，準直儀系統、光纖子總成、光學監測系統)及方法。未對準可歸因於工件本身或歸因於例如準直儀之光學監測系統或其組件。該系統提供了組件之特定配置及組態，以實現對幾何變數(例如，當工件傾斜時)之靈敏度降低的量測結果。提供了對光學監測系統之光遞送及光偵測兩者的改良。舉例而言，本文揭示了準直儀與光纖總成之間改良之光遞送界面的細節。
有利的是，所揭示之系統、設備及方法允許在半導體製程之各個階段期間量測工件。當工件處於處理室內(就地)或在半導體製程期間(線上)(例如)自一個處理室移動至另一處理室時，可使用該系統。
系統中光學組件之效能通常被理想化，但實際上包括來自 電介質子組件的折射效應及可能影響色度效能的其他效應，如圖1A至圖1B中所展示。光纖線纜、離軸抛物面(OAP)鏡之塗層及工件，以及光譜儀之內部組件(例如，濾光器、光柵、狹縫)及閃光燈(例如，電弧尺寸及色度變化)皆可影響光之空間及角度傳播，且可影響色度效能。
OAP鏡通常被視為完全無色組件，但保護性外塗層將是電介質材料且具有波長相關效應。光纖線纜最常由玻璃製成，且本質上具有波長相關之數值孔徑(NA)及傳播。典型之光纖經設計具有標稱0.22 NA，但此取決於波長，且在實際使用期間，基於自閃光燈截獲之光場以及自工件反射之光的空間及角度性質，光纖可能經不均勻地填充或填充不足。類似地，由光纖傳輸之光可藉由光譜儀狹縫進行空間二次取樣。
光學監測系統之效能的核心組件是準直儀，其形成且整形詢問晶圓之光的角度及空間性質，且將該光傳遞至光纖線纜及光譜儀/閃光燈/自光纖線纜及光譜儀/閃光燈傳遞該光。圖3說明使用(例如)本文揭示之準直儀的光學監測系統。
圖3說明根據本發明之原理構造的IEP光學監測系統300之實例之示意圖。IEP系統300提供就地環境之實例，其中IEP系統300用於詢問半導體工具380中之工件。通常，如本發明所提供，IEP系統300包括向準直儀320提供用於詢問半導體工具380中之晶圓390的光學訊號之閃光燈310。自晶圓390反射之光隨後由光譜儀330收集。視情況，出於訊號參考目的，閃光燈310可藉由參考光纜310a光學耦合至光譜儀330以將光直接提供至光譜儀330。光學訊號通常藉由光纖總成340在閃光燈310、準直儀320及光譜儀330之間輸送。光纖總成340中之一者被標示為光纖線纜342。
閃光燈310可以是用於半導體製程之光學監測的習知光源。閃光燈310可例如是氙閃光燈，例如來自埃賽力達(Excelitas)之1100系列閃光燈，或是一種連續源或以約微秒光學脈衝產生光之其他脈衝源。閃光燈310經由光纖線纜342將詢問光遞送至準直儀320。
準直儀320耦合至光纖線纜342，且經定位以經由半導體工具380之視口388將詢問光遞送至晶圓390。準直儀320經構造以減小因晶圓390與遞送至且反射自晶圓390之光學訊號(光)之間的光學未對準所致之角度靈敏度。準直儀320可以係基於離軸抛物面(OAP)鏡之準直儀，例如圖4中所揭示。
光譜儀330偵測經由光纖線纜342自準直儀320接收之光學訊號且將其轉換為電訊號。接著，光譜儀330可將電訊號發送至訊號處理器(未展示)。光譜儀330可在將電訊號發送至訊號處理器之前對電訊號進行放大及數位化。訊號處理器可例如是工業PC、PLC或其他電腦或電腦系統，其使用一或多個演算法以產生對應於自半導體工具380內之所觀測晶圓390收集至之光學訊號的輸出。
演算法可以是IEP演算法，其分析預定波長之強度訊號並判定與製程狀態有關且可用於獲取該狀態之趨勢參數，例如終點偵測、蝕刻深度等。來自訊號處理器之輸出可例如是表示特定波長的強度、兩個波長帶之比或厚度值之類比或數位控制值。輸出值可經由通信鏈路(未展示)傳送至半導體工具380，以用於監測及/或修改半導體工具380內發生的生產過程。訊號處理器可與光譜儀330整合，而非作為單獨裝置。光譜儀330可以是用於半導體製程之光學監測之已知光譜儀，例如Verity Instruments公司之SD1024G系列光譜儀。
光纖總成340經組態以經由準直儀320將詢問光引導至晶圓390，且經由準直儀320將自晶圓390收集之反射光引導至光譜儀330。在一個實施例中，光纖線纜342是分叉光纖總成，其在一端(在與準直儀320之交接處)具有兩個並排之光纖，且在另一端具有兩個支腳，其中一個光纖支腳連接至閃光燈310，而另一光纖支腳連接至光譜儀330。
半導體工具380可以是經組態以處理半導體的習知半導體工具。半導體工具380包括外殼382、基底384、蓋386及視口388。半導體工具380之容積由外殼382及蓋386限定。視口388提供視覺開口以用於在半導體工具380內之處理期間監測晶圓390。準直儀320相對於視口388定位，以將來自閃光燈310之光提供至晶圓390上且將來自晶圓390之反射光接收至光譜儀330。準直儀320可經由安裝硬體(未展示)附接至蓋386，以將準直儀320精確地定位以及牢固地固定至半導體工具380。安裝硬體可經構造以在類似半導體工具內提供準直儀320的一致定位，以輔助確保實現所要之量測準確度及一致性。
圖4說明根據本發明之原理構造的基於離軸抛物面(OAP)鏡之準直儀400之實例。準直儀400可與圖3之光學監測系統一起使用。準直儀400包括連接器埠410、OAP鏡420、光學通道430、外殼440及基底450。OAP鏡420及光學通道430位於外殼440內。外殼440例如經由機械連接器附連至基底450，且基底450用於將準直儀400牢固地附連至結構，例如附連至用於輸送工件之臂上方的支撐件，或接近處理室之頂部或蓋上之視口。可將機械連接器(例如螺栓及螺桿)與圖示之貫穿孔一起使用，以將基底450固定至結構。對準機構，例如尖端/傾斜可調整級445，可定位在外殼440與基底450之間以支援對準直儀400相對於工件之光學定向之調 整。鏡420具有定位於接近光纖收納器492及光纖線纜490之光軸494上的焦點425，以及摺疊平面。鏡420之摺疊平面大體上由所指示之點劃線表示，且處於圖4中展示之準直儀400之橫截面平面中。摺疊平面可大體上定義為其中光學元件(例如OAP 420)改變光軸494之方向之平面。
在準直儀400之操作期間，光藉由定位在準直儀400之連接器埠410中的光纖收納器492沿著光軸494離開光纖線纜490之光纖。接著，光自鏡420之表面反射，且可經標稱地準直或聚焦，之後與定位於準直儀400外部且與光學通道430之豎直部分標稱地對準的工件相互作用。光纖線纜490之端部及鏡420相對於鏡420之焦距的相對位置限定準直儀400之(散)焦或準直條件。光纖收納器492或光纖490沿光軸494之特定定位可用於增加一定量之散焦(例如1mm或0至+/- 5mm)以輔助模糊化詢問光、降低準直度，且減少傾斜對訊號損耗之影響。散焦可正可負，此取決於光纖線纜490之端部是比焦距更靠近抑或更遠離鏡420。如圖4所展示，連接器埠410可凹入至外殼440之表面中以提供負散焦。在一個實例中，光纖收納器492之參考表面與焦點425之間的距離經確立以在焦點425與光纖線纜490之出口面之間提供一毫米(1mm)之散焦距離，如下文所論述。散焦距離還可相對於例如光纖收納器492與外殼440之間的界面之其他參考表面來限定。通常，期望將光纖線纜490之出口面定位在焦點425之+/- 3mm左右之範圍內。代替凹入之連接器埠410，可以其他方式獲得散焦，例如自外殼440突出之連接器埠，或藉由改變與光纖收納器492接合之光纖線纜490之部分的長度來實現。
光纖收納器492包括支撐光纖線纜490之一對光纖的光纖通道496。光纖收納器492亦包括對準鍵498，該對準鍵與光纖線纜490相互 作用以維持該一對光纖關於光軸之定向。對準鍵498可與對準鍵收納器或凹口(例如圖5中所說明)協作以用於對準。對準鍵498及對準鍵凹口可以是公/母對。在各種實例中，光纖收納器492可以是習知光纖收納器，例如超小型版本(SMA)連接器。亦可使用其他類型之光纖連接器，包括FC、PC、APC、ST、SC及自定義設計。光纖收納器492可經由例如螺栓之機械連接器附接至連接器埠410。如圖4中所展示，對準鍵498形成為光纖收納器492的部分，且便於SMA連接器對接。然而，可使用對準特徵之其他組態，且可將其與準直儀400之外殼440或其他元件以及光纖線纜490直接整合。
光纖線纜490包括主體491，該一對光纖在該主體中終止。主體491可具有可將光纖保持在適當位置之任何類型的構造，例如套環，其實例是套圈。替代地，主體491可以是將光纖保持在一起之黏合體。光纖中之一者用於將光遞送至準直儀400且接著至工件，而光纖線纜490中之另一光纖用於收集自工件反射回來後之光。光纖線纜490可以是圖3之光纖線纜342。在某些實施例中，光纖線纜490內定位於光纖通道494內之一對光纖可以是不對稱光纖。取決於散焦距離，光纖線纜490之光纖的出口端可與光纖收納器492之與連接器埠410之表面對接之面幾近重合。圖5說明可以是光纖線纜490之光纖線纜實例的端視圖。
圖5說明在光纖收納器(例如圖4之光纖收納器492)之光纖通道中使用之光纖線纜實例之端視圖。在一個實施例中，光纖線纜490包含第一光纖490a及第二光纖490b。在圖5所說明之實施例中，第一光纖490a可以是直徑為200微米之光纖，且第二光纖490b可以是直徑為600微米之光纖。第一光纖490a及第二光纖490b各自具有分別形成共同端面520 的出口端510及515。光纖線纜490可以旋轉方式及平移方式與OAP 420對準，使得共同端面520垂直於光軸494且以光軸為中心，且與焦點425相距固定距離。另外，第一光纖490a及第二光纖490b之光軸可共同成角度地與OAP 420之摺疊平面對準，且第一光纖490a及第二光纖490b之光軸可偏離與光軸494之平行不超過0.15度。在一個實施例中，光纖收納器492之對準鍵498與光纖線纜490的對準鍵收納器525(例如凹口)嚙合，以確保第一光纖490a及第二光纖490b相對於光軸494及/或OAP鏡之摺疊平面的所要角定向。對準鍵498及對準鍵收納器525可位於不同位置以提供所要對準。在圖5中，對準鍵收納器525位於「12點」處。展示在「9點」處之替代性對準鍵收納器525'位置，以說明不同位置是可能的。第二光纖490b可用於自閃光燈引出光，且第一光纖490a可用於收集光並將光傳輸至光譜儀以進行量測。不對稱光纖設計及散焦模糊之組合提供了振幅不敏感度，使得實例四分之一度的未對準可能僅引起10%之訊號損耗，而不是對稱聚焦系統中之90%。給定一般關係y=f * θ，其中f是焦距，θ是晶圓傾斜角，且y是反射光在光纖線纜端部平面中之位移，此表現式指示：對於給定θ，為保持y較小，要減小f。亦即，舉例而言，較短之焦距引起來自第二光纖490b之反射光的較小位移，且更容易被第一光纖490a接收。OAP 420之焦距的合適範圍包括自大約10至40mm之範圍。類似地，光纖490b較大之「源」光纖直徑准許反射光之位移保持覆蓋較小直徑的光纖490a。在一些實例中，第一光纖490a及第二光纖490b之水平位置可切換(圖5中自右至左以及自左至右交換光纖)。光纖收納器492之中心線可與穿過光纖收納器492的光軸494重合。替代地，第二光纖490b可以是包圍或鄰近第一光纖490a之複數個光纖。舉例而言，第一光纖及複數個第二光纖均可具有 200微米之直徑，且光纖可組態為總計7、14或其他總的個別光纖計數之六方密排(hex-packed)同軸束。
在光纖線纜490內部，個別第一光纖490a及第二光纖490b與光軸494之機械對準可能對光傳播施加空間及角度變化且影響色度效能。圖6A至圖6B展示一組圖，其說明與圖1A至圖1B中所展示色度效能相關聯之跳動及指向誤差之變化。圖6A至圖6B說明4個不同光纖線纜之曲線圖結果。光纖1是自本發明涵蓋之光學監測系統及OAP準直儀獲得的結果。外圓610表示200微米光纖的理論跳動，而內圓615表示600微米光纖的理論跳動。應注意，這些相同的光纖大小用於光纖2至4。另外，展示220微米光纖之指向誤差610b，且615b表示600微米光纖之指向誤差。眾所周知，跳動可被定義為在特徵(在此情況下為來自光纖之接近光纖軸的光場質心)繞軸線(在此情況下為共同端面之中心)旋轉時特徵的旋轉不準確度，而指向誤差可定義為光軸與去往/來自光纖的光場之質心之間的角度。在自共同端面至偵測器之投射距離為8.6mm的情況下，量測圖6中展示的跳動。
資料點610a表示第一光纖之跳動，且資料點615a表示第二光纖之跳動，如上文關於本發明之準直儀的實施例所討論。如自資料點610a及615a看出，第一光纖及第二光纖中之每一者的跳動及指向誤差均接近理論值，此藉由減小色度變化之影響來增大量測結果的準確度，如在圖1A至圖1B之相關圖中展示。光纖2至4是由未利用本發明之實施例的光纖及準直儀獲得的結果。如自此些資料圖中看出，跳動620或指向誤差625或此兩者比光纖1之跳動或指向誤差顯著更加偏離理論值630。通常，一個或兩個光纖之跳動或指向誤差的程度越大，觀測到的色度變化就越 大。如藉由比較圖1及圖6A至圖6B之對應圖看出，當使用本發明之準直儀及光纖時，色度變化顯著減小。可理解，在圖6A至圖6B之圖中呈現的跳動及指向誤差並非完全獨立。當與(例如)由對準特徵定義之特定定向相關聯時，指向誤差可被解釋為跳動之特定條件。此外，在某些實施例中，可藉由旋轉光纖線纜來消除指向誤差，且將不使用對準特徵之效用，因為對準特徵會限制旋轉能力。
圖7說明根據本發明之原理構造的線上光學監測系統700之實例。光學監測系統700類似於圖3之光學監測系統300，不同之處在於準直儀720用於線上系統790。另外，光學監測系統700之組件與IEP系統300的相同組件一樣操作。
在所說明之線上系統790中，準直儀720附連至支撐件792上，該支撐件定位於用於輸送半導體工具內之工件之臂794上方。
在不脫離本發明之範圍的情況下，可在本文所描述之光學量測系統及子系統中進行上文所描述的變化等。舉例而言，儘管結合半導體晶圓處理設備描述了某些實例，但可理解，本文描述之光學量測系統可適於其他類型的處理設備，例如卷對卷薄膜處理、太陽能電池製造，或可能需要高精度光學量測之任何應用。此外，儘管在描述本發明之各態樣時在本文中可能使用了術語「晶圓」；但應理解，可使用其他類型之工件，例如石英板、相移光罩、LED基板及其他非半導體處理相關的基板以及工件，包括固體、氣體及液體工件。
選擇且描述本文中所描述之實施例，以便最好地解釋本發明之原理的和實際應用，且使此項技術之其他技術人員能夠理解本發明的具有適合預期之特定用途之各種修改之各種實施例。本文描述之實施例絕 非意在限制本發明之範圍，因為本發明可在不脫離本發明之範圍及意圖的情況下在各種變化及環境中實踐。因此，本發明並非意圖限於展示之實施例，而應被賦予與本文中所描述之原理及特徵一致的最廣泛範圍。
如熟習此項技術者應瞭解，本發明之組件或裝置(例如訊號處理器)或其部分之某些功能可體現為方法、系統或電腦程式產品。因此，本文揭示之特徵或至少一些特徵可呈完全硬體實施例、完全軟體實施例(包括韌體、常駐軟體、微碼等)或組合軟體與硬體態樣的實施例之形式，一般全部在本文中稱為「電路」或「模組」。所揭示之一些特徵可體現在例如數位資料處理器之各種處理器或電腦中或由該處理器或電腦執行，其中電腦經程式化或儲存軟體指令序列之可執行程式以執行方法的一或多個步驟。因此，本文揭示之特徵或至少一些特徵可呈在非暫時性電腦可用儲存媒體上之電腦程式產品的形式，該非暫時性電腦可用儲存媒體具有體現在該媒體中之電腦可用程式代碼。此類程式之軟體指令可表示演算法，且在非暫時性數位資料儲存媒體上以機器可執行形式編碼。
因此，所揭示之實例之部分可是關於具有非暫時性電腦可讀媒體的電腦儲存產品，其上具有用於執行體現設備、裝置之一部分或執行本文中闡述之方法的步驟之各種電腦實施之操作之程式碼。本文使用之非暫時性係指除了暫時之傳播訊號之外的所有電腦可讀媒體。非暫時性電腦可讀媒體之實例包括但不限於：磁性媒體，例如硬碟、軟碟及磁帶；光學媒體，例如CD-ROM碟；磁-光媒體，例如光磁碟；以及經專門組態以儲存及執行程式碼之硬體裝置，例如ROM及RAM裝置。程式碼之實例包括例如由編譯程式產生之機器代碼以及含有可由電腦使用解釋程式執行之高層級代碼的檔案兩者。
本文中所使用之術語僅出於描述特定實施例之目的，且並非意在限制本發明。如本文所使用，除非上下文另作明確指示，否則單數形式「一」及「該」旨在亦包括複數形式。應進一步理解，術語「包含」在用於本說明書中時指定所陳述之特徵、整體、步驟、操作、元件及/或組件之存在，但並不排除一或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、組件及/或其群組之存在或添加。
本申請案所涉及領域之技術人員應瞭解，可對所描述之實施例進行其他及進一步之添加、刪除、取代及修改。
可要求保護本發明之各個態樣，包括如本文中所揭示之系統及方法。本文揭示之態樣包括：
A.一種具有離軸抛物面(OAP)鏡準直儀之光學系統，其包含外殼、在該外殼內且具有光軸、摺疊平面及焦點之OAP鏡。光纖線纜耦合至外殼，該光纖線纜包含第一光纖及第二光纖，光纖各自具有形成光纖線纜之共同端面之出口端，其中該光纖線纜以旋轉方式及平移方式與OAP鏡對準，使得共同面垂直於OAP鏡之光軸且以該光軸為中心，且與焦點相距固定距離，且其中第一光纖及第二光纖之光軸共同成角度地與摺疊平面對準，且第一光纖及第二光纖之光軸偏離與該光軸之平行不超過0.15度。
B.一種用於工件之處理系統，其包含處理室，該處理室具有帶視口之頂部以及在處理期間支撐工件之基底。具有準直儀之光學系統定位於視口上，以在處理期間對工件進行光學監測。該準直儀包含外殼、在該外殼內且具有光軸、摺疊平面及焦點之OAP鏡，以及耦合至該外殼之光纖線纜。光纖線纜包含第一光纖及第二光纖，光纖各自具有形成光纖線纜之共同端面的出口端，其中該光纖線纜以旋轉方式及平移方式與OAP鏡 對準，使得共同面垂直於OAP鏡之光軸且以該光軸為中心，且與焦點相距固定距離，且其中第一光纖及第二光纖之光軸共同成角度地與摺疊平面對準，且第一光纖及第二光纖之光軸偏離與OAP鏡之光軸的平行不超過0.15度。光譜儀藉由第一光纖與準直儀光學連接，且閃光燈藉由第二光纖與準直儀光學連接。
C.一種監測半導體製程之方法，其包含：將工件定位成與具有準直儀之光學系統光學對準，該光學系統包含外殼、在該外殼內且具有光軸、摺疊平面及焦點之OAP鏡，以及耦合至該外殼之光纖線纜。光纖線纜包含第一光纖及第二光纖，該光纖各自具有出口端且其形成光纖線纜之共同端面，其中該光纖線纜以旋轉方式及平移方式與OAP鏡對準，使得共同面垂直於OAP鏡之光軸且以該光軸為中心，且與焦點相距固定距離，且其中第一光纖及第二光纖之光軸共同成角度地與摺疊平面對準，且第一光纖及第二光纖之光軸偏離與OAP鏡之光軸的平行不超過0.15度。藉由將光源與準直儀光學耦合之第一光纖自光源引導光。藉由第二光纖所收集之光是自工件表面反射之光，且藉由將光學偵測器光學耦合至準直儀之第二光纖將所收集之光自準直儀發送至光學偵測器。
態樣A、B、C、D及E中之每一者可結合以下額外要素中之一或多者：
要素1：進一步包含光纖收納器，該光纖收納器耦合至外殼且具有延伸穿過其中且與OAP鏡之光軸對準的光纖通道，且包含主體，該主體具有在其外周中形成之對準凹口，且其中該光纖收納器具有對準鍵，該對準鍵與該主體之對準凹口協作地嚙合，以使第一光纖及第二光纖之光軸共同成角度地與OAP鏡的摺疊平面對準。
要素2：其中該第一光纖及第二光纖是不對稱光纖。
要素3：進一步包含複數個第二光纖。
要素4：其中第一光纖及第二光纖中之每一者之中心不與OAP之光軸重合。
要素5：其中該主體之中心線與OAP之光軸對準。
要素6：其中光纖收納器經組態以收納光纖線纜且將光纖線纜的共同端面定位成沿著OAP鏡之光軸與OAP鏡焦點相距約1mm。
要素7：其中OAP鏡之焦距在自5mm至50mm之範圍內。
要素8：其中第二光纖用於引出光，且具有至少是用於收集及傳輸光之第一光纖之直徑的兩倍大之直徑。
要素9：其中當該光纖線纜位於該光纖收納器內時，第一光纖及第二光纖定位於主體內，使得在投射距離為8.6mm之情況下，第一光纖及第二光纖中之每一者之跳動皆在標稱值之+/- 25微米內且第一光纖及第二光纖中之每一者的指向誤差小於0.15度。
要素10：進一步包含光纖收納器，光纖收納器耦合至外殼且具有延伸穿過其中且與OAP鏡之光軸對準的光纖通道，且包含主體，該主體具有在其外周中形成之對準凹口，且其中該光纖收納器具有對準鍵，該對準鍵與該主體之對準凹口協作地嚙合，以使第一光纖及第二光纖之光軸共同成角度地與OAP鏡的摺疊平面對準。
要素11：其中第一光纖及第二光纖是不對稱光纖。
要素12：其中準直儀經組態以收納光纖線纜且將該光纖線纜之共同端面定位成沿著OAP鏡之光軸與OAP鏡焦點相距約1mm。
要素13：其中當該光纖線纜位於該光纖收納器內時，第一 光纖及第二光纖定位於主體內，使得在投射距離為8.6mm之情況下，第一光纖及第二光纖中之每一者的跳動皆在標稱值之+/- 25微米內，且第一光纖及第二光纖中之每一者的指向誤差小於0.15度。
要素14：其中準直儀亦包含光纖收納器，光纖收納器耦合至殼體且具有延伸穿過其中且與OAP鏡之光軸對準之光纖通道，且包含主體，主體具有在其外周中形成之對準凹口，且其中光纖收納器具有對準鍵，對準鍵與主體之對準凹口協作地嚙合，以使第一光纖及第二光纖的光軸共同成角度地與OAP鏡之摺疊平面對準。
要素15：其中第一光纖及第二光纖是不對稱光纖。
要素16：其中光纖收納器經組態以收納光纖線纜且將光纖線纜之共同端面定位成沿著OAP鏡之光軸與OAP鏡焦點相距約1mm。
要素17：其中當光纖線纜位於光纖收納器內時，第一光纖及第二光纖定位於主體內，使得在投射距離為8.6mm之情況下，第一光纖及第二光纖中之每一者之跳動皆在標稱值之+/- 25微米內，且第一光纖及第二光纖中之每一者的指向誤差小於0.15度。
400:準直儀
410:連接器埠
420:離軸抛物面(OAP)鏡
425:焦點
430:光學通道
440:外殼
445:尖端/傾斜可調整級
450:基底
490:光纖線纜
491:主體
492:光纖收納器
494:光軸
496:光纖通道
498:對準鍵

Claims (17)

  1. 一種具有一離軸抛物面(off-axis parabolic,OAP)鏡準直儀之光學系統，其包含：一外殼；一OAP鏡，其在該外殼內且具有一光軸、一摺疊平面(fold plane)及一焦點；以及一光纖線纜(fiber optical cable)，其經耦合至該外殼，該光纖線纜包含為不對稱(asymmetric)光纖之一第一光纖及一第二光纖，該第一光纖及該第二光纖各自具有形成該光纖線纜之一共同端面(common end face)之一出口端，其中該光纖線纜係以旋轉方式及平移方式與該OAP鏡對準，使得該共同端面垂直於該OAP鏡之該光軸且以該光軸為中心，且與該焦點相距一固定距離，且其中該第一光纖及該第二光纖之光軸係共同成角度地與該摺疊平面對準，且該第一光纖及該第二光纖之該等光軸偏離與該OAP鏡之該光軸之平行不超過0.15度。
  2. 如請求項1之光學系統，進一步包含一光纖收納器，該光纖收納器經耦合至該外殼，且具有延伸穿過其中且與該OAP鏡之該光軸對準之一光纖通道，且包含一主體，該主體具有經形成於其一外周中之一對準凹口，且其中該光纖收納器具有一對準鍵，該對準鍵與該主體之該對準凹口協作地嚙合，以使該第一光纖及該第二光纖之該等光軸共同成角度地與該OAP鏡之該摺疊平面對準。
  3. 如請求項1之光學系統，進一步包含複數個第二光纖。
  4. 如請求項2之光學系統，其中該第一光纖及該第二光纖中之每一者之中心不與該OAP之該光軸重合。
  5. 如請求項2之光學系統，其中該主體之一中心線與該OAP之該光軸對準。
  6. 如請求項2之光學系統，其中該光纖收納器經組態以收納該光纖線纜，且將該光纖線纜之該共同端面定位成沿著該OAP鏡之該光軸與該OAP鏡之該焦點相距約1mm。
  7. 如請求項1之光學系統，其中該OAP鏡之一焦距係在自5mm至50mm之範圍內。
  8. 如請求項1之光學系統，其中該第二光纖用於引出光且具有至少是用於收集及傳輸光之該第一光纖之一直徑之兩倍大的一直徑。
  9. 如請求項2之光學系統，其中當該光纖線纜位於該光纖收納器內時，該第一光纖及該第二光纖係定位於該主體內，使得在一投射距離為8.6mm之情況下，該第一光纖及該第二光纖中之每一者之一跳動皆在標稱值之+/- 25微米內，且該第一光纖及該第二光纖中之每一者之一指向誤差小於0.15度。
  10. 一種用於一工件(workpiece)之處理系統，其包含：一處理室(processing chamber)，其具有帶有一視口(viewport)之一頂部，以及在處理期間支撐一工件之一基底；以及一光學系統，其具有經定位於該視口上之一準直儀(collimator)，以在處理期間對該工件進行光學監測，該光學系統包含：一外殼；一OAP鏡，其在該外殼內，且具有一光軸、一摺疊平面，及一焦點；以及一光纖線纜，其經耦合至該外殼，該光纖線纜包含第一光纖及第二光纖，該第一光纖及該第二光纖各自具有形成該光纖線纜之一共同端面之一出口端，其中該光纖線纜係以旋轉方式及平移方式與該OAP鏡對準，使得該共同端面垂直於該OAP鏡之該光軸且以該光軸為中心，且與該焦點相距一固定距離，且其中該第一光纖及該第二光纖之光軸共同成角度地與該摺疊平面對準，該第一光纖及第二光纖之該等光軸偏離與該OAP鏡之該光軸之平行不超過0.15度，及該第一光纖及該第二光纖是不對稱光纖；一光譜儀(spectrometer)，其藉由該第一光纖光學連接至該準直儀；以及一閃光燈，其藉由該第二光纖光學連接至該準直儀。
  11. 如請求項10之處理系統，準直儀進一步包含一光纖收納器，該光纖收納器經耦合至該外殼，且具有延伸穿過其中且與該OAP鏡之該光軸對準之一光纖通道，且包含一主體，該主體具有經形成於其一外周中之一對準 凹口，且其中該光纖收納器具有一對準鍵，該對準鍵與該主體之該對準凹口協作地嚙合，以使該第一光纖及該第二光纖之該等光軸共同成角度地與該OAP鏡之該摺疊平面對準。
  12. 如請求項11之處理系統，其中該準直儀經組態以接收該光纖線纜，且將該光纖線纜之該共同端面定位成沿著該OAP鏡之該光軸與該OAP鏡之該焦點相距約1mm。
  13. 如請求項11之處理系統，其中當該光纖線纜位於該光纖收納器內時，該第一光纖及該第二光纖係定位於該主體內，使得在一投射距離為8.6mm之情況下，該第一光纖及該第二光纖中之每一者之一跳動皆在標稱值之+/- 25微米內，且該第一光纖及該第二光纖中之每一者之一指向誤差小於0.15度。
  14. 一種監測一半導體製程之方法，其包含：將一工件定位成與具有一準直儀之光學系統光學對準，該光學系統包含：一外殼；一OAP鏡，其在該外殼內，且具有一光軸、一摺疊平面，及一焦點；以及一光纖線纜，其經耦合至該外殼，該光纖線纜包含第一光纖及第二光纖，該第一光纖及該第二光纖各自具有形成該光纖線纜之一共同端面之一出口端，其中該光纖線纜係以旋轉方式及平移方式與該 OAP鏡對準，使得該共同端面垂直於該OAP鏡之該光軸且以該光軸為中心，且與該焦點相距一固定距離，且其中該第一光纖及該第二光纖之光軸共同成角度地與該摺疊平面對準，且該第一光纖及該第二光纖之該等光軸偏離與OAP鏡之該光軸之平行不超過0.15度；經由將一光源與該準直儀光學耦合之一第一光纖自該光源引導光；經由該第二光纖收集來自該工件之表面的反射光；以及藉由將一光學偵測器光學耦合至該準直儀之該第二光纖，將該反射光自該準直儀發送至該光學偵測器，其中該第一光纖及該第二光纖是不對稱光纖。
  15. 如請求項14之方法，其中準直儀進一步包含一光纖收納器，該光纖收納器經耦合至該外殼，且具有延伸穿過其中且與該OAP鏡之該光軸對準之一光纖通道，且包含一主體，該主體具有經形成於其一外周中之一對準凹口，且其中該光纖收納器具有一對準鍵，該對準鍵與該主體之該對準凹口協作地嚙合，以使該第一光纖及該第二光纖之該等光軸共同成角度地與該OAP鏡之該摺疊平面對準。
  16. 如請求項15之方法，其中該光纖收納器經組態以收納該光纖線纜，且將該光纖線纜之該共同端面定位成沿著該OAP鏡之該光軸與該OAP鏡之該焦點相距約1mm。
  17. 如請求項15之方法，其中當該光纖線纜位於該光纖收納器內時，該 第一光纖及該第二光纖係定位於該主體內，使得在一投射距離為8.6mm之情況下，該第一光纖及該第二光纖中之每一者之一跳動皆在標稱值之+/- 25微米內，且該第一光纖及該第二光纖中之每一者之一指向誤差小於0.15度。
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