[发明专利]二次谐波产生(SHG)光学检查系统设计

说明书

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。

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“SECONDHARMONIC GENERATION(SHG)IMAGING BASED OPTICAL INSPECTION SYSTEM DESIGN(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“SYSTEM DESIGN FOR HYBRID-POLARIZATION OPTICAL SECONDHARMONIC GENERATION(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。

技术领域

本申请涉及用于基于二次谐波产生(Second Harmonic Generation，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。

背景技术

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Advances in Laser Science III《激光科学进展III》第452页的“Optical Second-Harmonic Generation from Semiconductor Surfaces(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。

发明内容

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(Sum FrequencyGeneration，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。