[发明专利]多模式可配置光谱仪

说明书

本发明提供多模式可配置光谱仪、操作多模式可配置光谱仪的方法及光学监测系统。在一个实施例中，所述多模式可配置光谱仪包含：(1)光学传感器，其经配置以接收光学输入且将所述光学输入转换成电信号，其中所述光学传感器包含用于将所述光学输入转换成所述电信号的多个有源像素区域；及(2)转换电路，其具有多个可选择转换电路，所述转换电路经配置以接收所述电信号且根据所述可选择转换电路中的所选择者将所述电信号转换成数字输出。

相关申请案的交叉参考

本申请案主张由科利斯(Corless)等人在2017年3月31日申请的标题为“多模式可配置光谱仪(Multimode Configurable Spectrometer)”的序列号为62/479,576的美国临时申请案及由科利斯等人在2017年7月10日申请的标题为“多模式可配置光谱仪”的序列号为62/530,388的美国临时申请案的权益，所述美国申请案两者共同经指派有本申请案且以全文引用方式并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及光学光谱学系统及使用方法。一个特定实施例涉及一种在半导体处理期间使用的多模式可配置光谱仪的经改进可配置性及实用性的系统及方法。

背景技术

半导体工艺的光学监测是一种完善的用于控制例如蚀刻、沉积、化学机械抛光及植入的过程的方法。光学发射光谱学(“OES”)及干涉测量端点(“IEP”)是数据收集操作的两种基本类型。在OES应用中，从过程发射的光(通常从等离子发射)经收集及分析以识别及跟踪原子及分子种类的变化，其指示被监测过程的状态或进展。在IEP应用中，光通常从例如闪光灯的外部源供应，且被引导到工件上。一旦从工件反射，有来源的光便载送呈工件的反射率形式的信息，其指示工件的状态。工件的反射率的提取及模型化准许理解膜厚度及特征大小/深度/宽度(除了其它性质之外)。

半导体工艺朝向更快过程、更小特征大小及更复杂结构的不断进步对过程监测技术提出了很高要求。举例来说，需要更高数据取样率(例如，光学信号测量或每秒光谱)来准确地监测对十分薄的层快得多的蚀刻率，其中几埃(几个原子层)的改变是关键的，例如对于鳍式场效应晶体管(FINFET)及三维(3D)NAND结构。对于OES及IEP方法两者，在许多情况中需要更宽光学宽度及更大信噪比以帮助检测反射率及光学发射的小变化。用于监测系统的成本及封装大小随着半导体工艺设备变得更复杂、更深入集成且其本身更贵同样处于恒定压力下。全部这些需求力图推动用于半导体工艺的光学监测系统的性能的进步。合适的光谱仪的能力及适应性是光学监测系统的关键因素。

多年来，半导体产业一直在光谱仪器及系统中调适及应用先进技术。举例来说，参见以引用方式并入本文中的美国专利9,386,241“用于增强基于电荷耦合装置的摄谱仪的动态范围的设备及方法(Apparatus and Method for Enhancing Dynamic Range ofCharge Coupled Device-based Spectrograph)”。在光谱仪内，图像传感器是用于确定数据取样率、光学带宽、光学信号检测灵敏度、光学信噪比性能等的关键元件。区域电荷耦合装置(“CCD”)是最常见的，但具有多个性能限制及约束(除了其它方面之外)、高度期望的操作模式及快速数据率。如美国专利9,386,241中描述，复杂计时、数据移位及读取可经执行以抵消某些性能问题，但例如多个信号混合、交叉污染的效果及较慢的数据取样率保持，这是由于现存装置的物理结构及所需像素移位方案。

发明内容

一方面，本发明提供一种多模式可配置光谱仪。在一个实施例中，所述多模式可配置光谱仪包含：(1)光学传感器，其经配置以接收光学输入且将所述光学输入转换成电信号，其中所述光学传感器包含用于将所述光学输入转换成所述电信号的多个有源像素区域；及(2)转换电路，其具有多个可选择转换电路，所述转换电路经配置以接收所述电信号且根据所述可选择转换电路中的所选择者将所述电信号转换成数字输出。