二次谐波产生(SHG)光学检查系统设计技术方案

二次谐波产生(SHG)可用于询问样品(例如层状半导体结构)的表面。基于SHG的样品询问系统可一次同时收集SHG信号的不同偏振分量，以提供不同类型的信息。SHG成像系统可提供更大样品区域上的SHG图像或SHG信号分布图。一些这样的SHG成像系统采用多个光束和多个检测器来捕获样品区域上的SHG信号。一些SHG成像系统采用成像光学器件将样品成像到检测器阵列上，以形成SHG图像。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】二次谐波产生(SHG)光学检查系统设计相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2018年5月15日提交的标题为“SECONDHARMONICGENERATION(SHG)IMAGINGBASEDOPTICALINSPECTIONSYSTEMDESIGN(基于二次谐波产生(SHG)成像的光学检查系统设计)”的第62/671,616号美国临时申请和于2018年5月15日提交的标题为“SYSTEMDESIGNFORHYBRID-POLARIZATIONOPTICALSECONDHARMONICGENERATION(用于混合偏振光学二次谐波产生的系统设计)”的第62/671,611号美国临时申请的权益，这两者均通过引用整体并入本文。
本申请涉及用于基于二次谐波产生(SecondHarmonicGeneration，SHG)的晶片检查、半导体计量、材料表征、表面表征和/或界面分析的系统。
技术介绍
在非线性光学器件中，光束输入被输出为输入的和、差或谐波频率。二次谐波产生(SHG)是一种非线性效应，其中从材料中以一定角度发出频率为入射源光束两倍的光。该过程可以被认为是两个能量为E的光子组合以产生入射辐射的能量为2E的单个光子(即，产生两倍频率(2ω)或一半波长的光)。T.F.Heinz等人发表在由A.C.Tam、J.L.Cole和W.C.Stwalley(1988年，位于纽约的美国物理研究所)编辑的AdvancesinLaserScienceIII《激光科学进展III》第452页的“OpticalSecond-HarmonicGenerationfromSemiconductorSurfaces(来自半导体表面的光学二次谐波产生)”提供了其中采用SHG技术的科学调查的概述。正如所评述的那样，SHG过程不会在具有对称中心的本体材料(即，反演(inversion)或中心对称的材料)中发生。对于这些材料，仅可在本体材料反演对称被破坏的表面和/或界面处才能感知SHG过程。因此，SHG过程对表面和界面特性具有独特的灵敏度。在这样的理解下，在授予Heinz等人的第5,294,289号美国专利中描述了SHG效应。授予Downer等人的第5,557,409号美国专利；授予Hunt的第6,795,175号、第6,781,686号、第6,788,405号、第6,819,844号、第6,882,414号和第7,304,305号美国专利；授予Tolk等人的第6,856,159号美国专利以及授予Alles等人的第7,158,284号美国专利也均描述了可以采用的其他方法或“工具”。然而，这些专利的教导看起来并未克服将SHG作为成熟技术用于半导体制造和计量中所面临的一些主要障碍。
技术实现思路
第一部分描述了一种SHG计量工具，其中，为了实现求和频率生成(SumFrequencyGeneration，SFG)(例如，通常是SHG)的目的，用具有不同功率特性的泵浦(pump)光源和探头(probe)光源各自以不同方式激发层状半导体衬底中的电子。对于这种方法，计量表征工具设有作为“泵浦”操作的“附加”集成光源(例如，紫外线闪光灯或激光器)和作为“探头”光源操作的短或超短脉冲激光器(例如，飞秒固态激光器)，二者一起在层状半导体器件模板诱导跨一个或多个异质界面的电势差。效用是通过将用于不同目的的两种不同光源协同使用或彼此结合(通过进一步描述的多种时间偏移(time-offset)和/或可变泵浦能量方法)而实现的，这与单激光器SHG或双激光器或多激光器SFG系统不同。在一种方法中，将泵浦用作预激发(pre-exciting或pre-excitation)光源，以减少某些材料的总表征时间。在许多这样的实施方式中，时间相关的电场不是主要由探头/探测激光器产生的。在该方法的一种变型中，泵浦被用于对整个晶片进行紫外线闪光，然后使用探头激光器光栅化或以其他方式扫描整个晶片或其部分，每个点花费最少的探测时间(例如，就像硬件尽可能快地移动激光器那样扫描)。在这方面的选择包括逐行扫描，并且通过晶片转移来进行沿(扫描)列的跨步。另一种方法可以采用沿半径的晶片旋转和扫描。在另一种变型中，泵浦允许在样点处对材料界面进行快速充电，然后通过探头结合在于2014年4月17日提交的名称为“WAFERMETROLOGYTECHNOLOGIES(晶片计量技术)”的第61/980,860号美国临时申请的被称为第二节的标题为“CHARGEDECAYMEASUREMENTSYSTEMSANDMETHODS(电荷衰减测量系统和方法)”的部分中进一步描述的快速阻挡和/或光学延迟方法，来观察该带电界面的衰减。无论如何，在多种实施方案中，用于预激发的泵浦的意图是将电荷载流子注入到例如电介质中，其数量足以影响该界面。在另一种方法中，泵浦激光器被用作后激发(post-exciting或post-excitation)光源，以影响探头激光器在样点处已经产生的SHG信号。又一方法采用对由施加泵浦激光器能量前后的探头产生的SHG信号进行的比较/对比。通过在泵浦之前用探头处理样品并测量SHG响应，然后施加来自泵浦光源的辐射，然后再用探头处理，可以用泵浦前后的SHG响应差异来确定另外的材料特性，例如材料电介质中的陷阱密度。在本文讨论的多种方法中，采用时间差(即，在泵浦源相对于探头激光器进行激发之前和/或之后这一方面)来递送询问曲线，该询问曲线表明了关于材料界面的更多信息。在多种方法中，同时使用泵浦源和探头源，并使用该组合来提供SHG信号以确定阈值注入载流子能量。具体而言，在使用探头激光器进行探测时，提高可调谐泵浦激光器的频率。在特定频率下，SHG信号显示出拐点(或不连续区域)。与拐点(或不连续区域)处的泵浦激光器频率相对应的值可与阈值注入载流子能量相关。本专利技术的泵浦和探头系统的多种实施方案也提供了某些基于硬件的优势可能性。在泵浦是闪光灯的示例中，相对于2激光器系统，可以实现高度相关的成本节约。无论是作为闪光灯还是第二激光器提供，本文中设想的泵浦和探头的组合还可以降低对要被询问的衬底造成光学损坏的风险，这是因为如果超过阈值平均功率，太强的照明会降低电介质甚至衬底的质量。可以通过实验校准研究来确定对衬底造成光学损坏的阈值平均功率。为了理解与本专利技术的硬件有关的后一种可能性，提供了一些背景。即，泵浦能量和探头能量都能够单独利用这样的硬件产生SHG信号。尽管泵浦源和探头源不需要一起运行即可产生SHG信号，但是在本专利技术的方法中，相关材料特性主要是由探头产生的SHG强度得出的，这是因为泵浦通常没有峰值功率来适当地驱动掩埋界面SHG。时间相关的SHG强度曲线将基于跨界面(例如电介质层和衬底之间)的电荷载流子分布而变化。跨界面(例如电介质层和半导体衬底之间)注入载流子所需的时间取决于样品的目标平均功率。在一些实施方式中，仅探头就可以跨电介质和衬底之间的界面注入载流子。在这样的实施方式中，由于无法将平均功率与峰值功率解耦，达到这样的目标平均功本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种使用二次谐波产生来表征样品的系统，所述系统包括：/n样品架，被配置为支撑样品；/n光源，被配置为将光束引导至所述样品上，以生成二次谐波产生；/n光学检测系统，被配置为接收来自所述样品的二次谐波产生的光，所述光学检测系统包括第一检测器和第二检测器；/n偏振分束器，被设置在所述样品和所述光学检测系统之间的光路中以接收来自所述样品的二次谐波产生的光，所述偏振分束器被配置为将光分离为第一偏振分量和第二偏振分量并将所述第一偏振分量和所述第二偏振分量分别引导至所述第一检测器和所述第二检测器；以及/n处理电子设备，被配置为基于所述接收到的第一偏振分量和第二偏振分量接收来自所述第一检测器和所述第二检测器的信号。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180515 US 62/671,611;20180515 US 62/671,6161.一种使用二次谐波产生来表征样品的系统，所述系统包括：
样品架，被配置为支撑样品；
光源，被配置为将光束引导至所述样品上，以生成二次谐波产生；
光学检测系统，被配置为接收来自所述样品的二次谐波产生的光，所述光学检测系统包括第一检测器和第二检测器；
偏振分束器，被设置在所述样品和所述光学检测系统之间的光路中以接收来自所述样品的二次谐波产生的光，所述偏振分束器被配置为将光分离为第一偏振分量和第二偏振分量并将所述第一偏振分量和所述第二偏振分量分别引导至所述第一检测器和所述第二检测器；以及
处理电子设备，被配置为基于所述接收到的第一偏振分量和第二偏振分量接收来自所述第一检测器和所述第二检测器的信号。


2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一偏振分量和所述第二偏振分量包括正交的偏振态。


3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述第一偏振分量和所述第二偏振分量包括不同偏振方向上的线性偏振光。


4.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述第一偏振分量和所述第二偏振分量分别是s和p偏振。


5.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述偏振分束器包括偏振分束器立方体。


6.根据上述权利要求中任一项所述的系统，还包括设置在所述光源和所述样品之间的光路中的偏振器，使得偏振光被引导至所述样品。


7.根据权利要求6所述的系统，其中，设置在所述光源和所述样品之间的所述光路中的所述偏振器包括线性偏振器。


8.根据上述权利要求中任一项所述的系统，还包括设置在所述光源和所述样品之间的聚焦透镜，以将来自所述光源的光聚焦到所述样品上。


9.根据上述权利要求中任一项所述的系统，还包括设置在所述样品和所述偏振分束器之间的准直透镜，以准直来自所述样品的二次谐波产生的光。


10.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述样品架包括平移台。


11.一种使用二次谐波产生来表征样品的系统，所述系统包括：
样品架，被配置为支撑样品；
光源，被配置为将光束引导至所述样品上，以生成二次谐波产生；
分束器，设置在所述光源和所述样品之间的光路中，所述分束器被配置为将来自所述光源的所述光分离成多个光束，所述多个光束同时入射到所述样品上的多个位置处，使得所述多个光束生成多个二次谐波产生信号；
光学检测系统，被配置为接收来自所述样品的二次谐波产生的光，所述光学检测系统包括多个检测器，来自所述分束器的所述多个光束中的相应光束被配置为产生被引导至所述多个检测器中的相应检测器的相应SHG信号；以及
处理电子设备，被配置为接收来自所述多个检测器的信号。


12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述分束器包括衍射分束器，所述衍射分束器被配置为接收一个光束并将所述光束分成多个光束。


13.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述分束器包括声光调制器，所述声光调制器被配置为接收一个光束并且将所述光束分成多个光束。


14.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述分束器被配置为将输入光束分离为被引导至所述样品上的至少三个输出光束。


15.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述分束器被配置为将输入光束分离为被引导至所述样品上的至少五个输出光束。


16.根据上述权利要求中任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷鸣，
申请(专利权)人：菲拓梅里克斯公司，
类型：发明
国别省市：美国;US