CN105829873A - 低噪声传感器及使用低噪声传感器的检验系统 - Google Patents

低噪声传感器及使用低噪声传感器的检验系统 Download PDF

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Abstract

本发明揭示一种高速检验样本的方法，所述方法包含：将辐射引导且聚焦到样本上；及接收来自所述样本的辐射且将所接收到的辐射引导到图像传感器。所述方法尤其包含使用预定信号驱动所述图像传感器。所述预定信号最小化所述图像传感器的输出信号的安定时间。所述预定信号由用于选择查找值的相位累加器控制。所述驱动可进一步包含加载初始相位值，选择所述相位累加器的最高有效位及将所述查找值转换为模拟信号。在一个实施例中，针对相位时钟的每一循环，可将相位增量添加到所述相位累加器。所述驱动可由定制波形产生器执行。

Description

低噪声传感器及使用低噪声传感器的检验系统
相关申请案
本申请案主张标题为“用于为低噪声传感器计时的系统及方法以及使用低噪声传感器的检验系统及方法(SystemAndMethodForClockingALow-NoiseSensorAndAnInspectionSystemAndMethodUsingALow-NoiseSensor)”且在2013年12月19日申请的第61/918,108号美国临时专利申请案的优先权。此申请案以引用方式并入本文中。
本申请案与以下申请案及专利案相关：在2012年2月1日申请的标题为“高密度数字化器(High-densitydigitizer)”的第13/364,308号美国专利申请案、2012年12月10日申请的标题为“使用脉冲照明高速获取移动图像的方法及设备(Methodandapparatusforhighspeedacquisitionofmovingimagesusingpulsedillumination)”的第61/735,427号美国临时申请案、2012年12月10日申请的标题为“使用EBCCD检测器的电子轰击电荷耦合装置及检验系统(Electron-bombardedcharge-coupleddeviceandinspectionsystemsusingEBCCDdetectors)”的第13/710,315号美国专利申请案、2013年3月10日申请的标题为“具有硼层的背侧照明传感器(Back-illuminatedsensorwithboronlayer)”的第13/792,166号美国专利申请案、2013年7月22日申请的标题为“包含具有硼层的硅衬底的光电阴极(Photocathodeincludingsiliconsubstratewithboronlayer)”的第13/947,975号美国专利申请案、2009年10月7日申请的标题为“具有用于高速检验的局部驱动及信号处理电路的TDI传感器(TDIsensormoduleswithlocalizeddrivingandsignalprocessingcircuitryforhighspeedinspection)”的第2010/0188655号美国公开专利申请案、2009年6月1日申请的标题为“用于适用于高通量检验系统的传感器的抗反射涂层(Anti-reflectivecoatingforsensorssuitableforhighthroughputinspectionsystems)”的第2010/0301437号美国公开专利申请案、2007年5月25日申请的标题为“使用背侧照明线性传感器的检验系统(Inspectionsystemusingbacksideilluminatedlinearsensor)”的第2011/0073982号美国公开专利申请案、2009年10月27日发布的标题为“TDI传感器的连续计时(ContinuousclockingofTDIsensors)”的第7,609,309号美国专利案及2011年5月31日发布的标题为“用于TDI传感器的连续计时的设备(ApparatusforcontinuousclockingofTDIsensors)”的第7,952,633号美国专利案。这些申请案及专利案以引用方式并入本文中。
技术领域
本申请案涉及适用于感测可见、UV、深UV(DUV)、真空UV(VUV)及极UV(EUV)波长的辐射的图像传感器及相关联电子电路，且涉及用于操作此类图像传感器的方法。传感器及电路尤其适合用于检验系统中，所述系统包含用于检验光掩模、掩膜原版(reticle)及半导体晶片的检验系统。
背景技术
集成电路产业需要具有越来越高的灵敏度的检验工具来检测越来越小的缺陷及颗粒，所述缺陷及颗粒的大小可小于20nm。那些相同检验工具需要能够检测大缺陷，例如可具有在小于1μm到多个mm的范围中的尺寸的刮痕及水痕，且能够测量可具有几nm或小于1nm的峰谷振幅的表面粗糙度或雾度。检验工具还必须能够检测在高反射率及低反射率图案及薄膜上或其内的缺陷及颗粒。
小颗粒、小缺陷、低对比缺陷及低振幅粗糙度仅非常微弱地散射光。为检测光掩模、掩膜原版及半导体晶片上的小缺陷或颗粒，需要具有低噪声驱动的低噪声传感器及读出电子器件。信号的噪声电平取决于传感器的固有噪声电平、读出电子器件的噪声电平及耦合到来自内部及外部源的信号中的噪声量，所述信号包含驱动传感器及相关联电子器件的时钟信号。
在2009年10月27日发布的标题为“TDI传感器的连续计时(ContinuousclockingofTDIsensors)”的第7,609,309号美国专利案及在2011年5月31日发布的标题为“用于TDI传感器的连续计时的设备(ApparatusforcontinuousclockingofTDIsensors)”的第7,952,633号美国专利案描述对驱动低噪声CCD传感器的时钟有用的波形。‘633专利案进一步描述使用FPGA、数/模转换器(DAC)、滤波器及电力驱动器或缓冲器以用于产生那些波形且驱动CCD传感器的电路。需要多个集成电路来实施此类电路。针对具有一百万或超过一百万个像素及数十或数百输出通道的CCD传感器，将需要许多集成电路及大电路板面积来实施此类电路。此实施方案将导致一些信号必须长(例如，多个cm)距离行进到传感器，由此使得难以足够良好地控制噪声、串扰及大地返回电流以能够从传感器检测低电平信号。
可通过参考图11了解现有技术CCD传感器及驱动电路的重要限制，图11说明从CCD的信号读出的时序。图11展示输出电压1110的波形及复位时钟1101的波形，两者均随时间变化。复位时钟在一个像素后复位输出电压，使得可输出下一个像素。当复位时钟1101如由箭头1102处所指示为高(正)时，来自现有像素的输出电荷经放电使得输出信号安定到由箭头1115处的波形所指示的复位电平。
输出电压1110说明若干实际问题，所述问题尤其在如半导体及相关产业中的检验及计量应用所要求那样以高速操作传感器时降低CCD图像传感器的输出信号的信噪比及准确度。当如由箭头1103处的波形展示，复位时钟1101从低电压切换到高电压时，因为复位晶体管必要地在物理上被定位于与输出感测节点相邻的CCD上，一些电压摆动耦合到输出电压。如由箭头1112处的波形指示，此耦合使输出电压1110不稳定。
此外，如由箭头1104处的波形指示，当复位时钟1101下降时，所述高到低转变类似地耦合到输出电压且如箭头1114处的波形所指示而使所述电压不稳定。片刻后，输出电压1110在如由1115处的波形所指示的复位电平下安定且稳定。当来自像素的信号被转移到输出时，因为信号包括电子且因此为负电荷，所以输出电压从复位电平降低到较低电平，例如由箭头1117所指示的电平。在图11中，由箭头1117指示的电平表示对应于饱和像素的输出电压，即，最大信号，且由箭头1119指示的另一电平表示对应于远小于最大值的信号的输出电压。尽管未展示，但通常在从由箭头1115指示的波形的复位电平转变到由箭头1117或1119指示的波形的信号电平后将存在一些安定时间。
在图11中，第一像素中的信号与在箭头1117与1115处的输出电压之间的差值成比例，且第二像素中的信号与在箭头1115与1119处的输出电压之间的差值成比例。通常使用相关双取样测量在箭头1115的复位电压与(例如)在箭头1117及1119处的输出电压之间的差值。相关双取样是众所周知的技术，且(例如)由J.R.简(J.R.Janesick)所著的“科学电荷耦合装置(ScientificCharge-CoupledDevices)”(SPIE出版社(SPIEPress)，2001年，第556到561页)描述。
如可从图11了解，当需要高速(例如约25MHz或更高的速度)读出信号时，输出电压1110在短时间内安定到箭头1115处的复位电压及(例如)在箭头1117及1119处的信号电压。例如按50MHz，一个像素的总时间是20ns。复位时钟脉冲必须必要地远远短于此时间，其中上升及下降时间最多为1到2ns。具有快速上升及下降时间的此类短脉冲必要地致使输出电压显著不稳定。仅几ns可供输出电压用于安定。在一些情况中，信号无法具有足够时间来完全稳定，从而导致噪声图像数据。
因此，需要能够高速获取具有低噪声的图像数据而又克服一些或全部上述缺点的图像传感器及相关联电子器件。
发明内容
描述一种高速检验样本的方法。此方法包含：将辐射引导且聚焦到样本上；及接收来自样本的辐射且将所接收到的辐射引导到图像传感器。所接收到的辐射可为散射辐射或反射辐射。所述方法尤其包含使用预定信号驱动图像传感器。预定信号最小化图像传感器的输出信号的安定时间。预定信号从查找值产生。查找值的序列由相位累加器确定。
驱动可进一步包含：加载初始相位值；将相位累加器的最高有效位选择作为查找表中的地址；及将对应查找值转换为模拟信号。在一个实施例中，针对相位时钟的每一循环，可将相位增量添加到相位累加器。
驱动可进一步包含确定是否超过最大相位累加器值。当未超过最大相位累加器值时，那么可选择相位累加器的最高有效位(例如，16位)，且可将相位增量添加到相位累加器。当超过最大相位累加器值时，那么可使循环计数递增。驱动可进一步包含确定是否超过最大计数循环值。当未超过最大计数循环值时，那么可重复将最高有效位选择作为查找表中的地址及将相位增量添加到相位累加器。当超过最大计数循环值时，那么可停止驱动。
还描述一种用于检验样本的系统。此系统包含：照明源；装置，其经配置以执行光检测；光学器件，其经配置以将来自照明源的光引导到样本且将来自样本的光输出、反射或透射引导到装置；及驱动电路。驱动装置的驱动电路尤其包含定制波形产生器。
定制波形产生器最小化装置的输出信号的安定时间。定制波形产生器包含：相位累加器，其用于接收时钟及控制信号；查找表，其耦合到相位累加器的输出；及数/模转换器，其耦合到查找表的输出。
在一个实施例中，光学器件包含第一及第二通道图像模式继电器。当光输出、反射或透射对应于第一通道时使用第一通道图像模式继电器。当光输出、反射或透射对应于第二通道时使用第二通道图像模式继电器。装置可为经配置以接收第一通道图像模式继电器及第二通道图像模式继电器的继电器输出的图像传感器。
在一个实施例中，装置可包括半导体膜。在另一实施例中，半导体膜可包含形成于半导体膜的第一表面上的电路元件及沉积于半导体膜的第二表面上的纯硼层。在又另一实施例中，装置可包括电子轰击图像传感器。在又另一实施例中，装置可包含一或多个图像传感器，例如时间延迟积分(TDI)传感器。TDI传感器可具有在两个侧上的读出电路，使用所述电路同时读出两个不同信号。
样本可由载物台支撑，载物台在检验期间相对于光学器件移动。当装置是TDI传感器时，TDI传感器可将检测到的光转换为电荷。电荷可在TDI传感器内与载物台的运动同步移位。
示范性检验系统可包含一个或多个照明路径，所述路径从不同入射角及/或不同方位角及/或按不同波长及/或偏振状态照明样本。示范性检验系统可包含一或多个收集路径，所述路径收集由样本以不同方向反射或散射的光及/或对不同波长及/或不同偏振状态敏感。
附图说明
图1说明示范性检验系统。
图2A及2B说明具有线照明及一或多个收集通道的示范性检验系统。
图3说明具有法线及倾斜照明的示范性检验系统。
图4说明具有亮场及暗场照明通道的示范性检验系统。
图5A说明示范性分离读出图像传感器，其包含可结合本文描述的系统、电路及方法一起使用的两组读出电路。
图5B说明分离读出图像传感器(例如在图5A中展示的分离读出图像传感器)的操作。
图6说明用于在本文描述的系统、电路及方法中的各种信号的示范性驱动波形。
图7A说明根据本文描述的实施例由定制波形产生器产生以改进CCD输出信号的安定时间的示范性复位时钟波形。图7B、7C及7D说明其它波形，所述波形可由定制波形产生器产生以最优化安定时间或降低CCD或其它传感器输出信号的噪声电平。
图8说明可结合本文描述的系统、电路及方法一起使用的示范性定制波形产生器。
图9说明可结合本文描述的系统、电路及方法一起使用的产生定制波形的示范性方法。
图10说明并入本文描述的电路的示范性检测器组合件。
图11说明用于现有技术传感器及电子器件的典型复位时钟及输出电压波形。
具体实施方式
本文描述用于半导体检验系统的改进传感器。呈现下列描述以使所属领域的一般技术人员能够如特定应用及其需要的上下文中所提供那样制造且使用本发明。如本文使用，方向术语，例如“顶部”、“底部”、“上方”、“下方”、“上”、“朝上”、“下”、“向下”及“朝下”希望出于描述的目的提供相对位置，且不希望指定绝对参考系。所属领域的技术人员将了解对所描述的实施例的各种修改，且可将本文界定的一般原理应用到其它实施例。因此，本发明并不希望限于所展示及描述的特定实施例，而应被赋予与本文所揭示的原理及新颖特征一致的最广范围。
图1说明示范性检验系统100，其经配置以检验或测量样本108，例如晶片、掩膜原版或光掩模。样本108被放置于载物台112上以促进移动到光学器件下方的样本108的不同区域。载物台112可包括X-Y载物台或R-θ载物台。在一些实施例中，载物台112可在检验期间调整样本108的高度以维持聚焦。在其它实施例中，物镜105可经调整以维持聚焦。
照明源102可包括一或多个激光及/或宽带光源。照明源102可发射DUV及/或VUV辐射。包含物镜105的光学器件103将所述辐射引导朝向样本108，且将其聚焦于样本108上。光学器件103还可包括镜、透镜及/或光束分离器(为简明起见未展示)。从样本108反射或散射的光由光学器件103收集、引导且聚焦于在检测器组合件104内的检测器106上。
检测器组合件104包含本文描述的至少一个电路或实施本文描述的至少一个方法以用于驱动及/或控制检测器106。检测器106可包含二维阵列传感器或一维线传感器。在一个实施例中，检测器106的输出被提供到计算系统114，计算系统114分析输出。计算系统114由程序指令118配置，程序指令118可被存储于载体媒体116上。
在一个实施例中，照明源102可为连续源，例如弧光灯、激光泵浦等离子光源或CW激光。在另一实施例中，照明源102可为脉冲源，例如锁模激光、Q切换激光或由Q切换激光泵浦的等离子光源。在并入Q切换激光的检验系统100的一个实施例中，检测器106内的图像传感器与激光脉冲同步。在此实施例中，图像传感器可在激光脉冲期间在TDI模式中操作，且接着可通过在激光脉冲之间的传感器的两个侧上的多个输出读出数据。
检验系统100的一个实施例照明样本108上的线，且收集一或多个暗场及/或亮场收集通道中的散射及/或反射光。在此实施例中，检测器106可包含线传感器或电子轰击线传感器。
检验系统100的另一实施例照明样本108上的多个点，且收集一或多个暗场及/或亮场收集通道中的散射及/或反射光。在此实施例中，检测器106可包含二维阵列传感器或电子轰击二维阵列传感器。
在2012年7月9日申请的标题为“晶片检验系统(Waferinspectionsystem)”的第13/554,954号美国专利申请案、2009年7月16日公布的标题为“使用小折反射式物镜的分离场检验系统(Splitfieldinspectionsystemusingsmallcatadioptricobjectives)”的第2009/0180176号美国公开专利申请案、2007年1月4日公布的标题为“用于折反射式光学系统中的激光暗场照明的光束传送系统(Beamdeliverysystemforlaserdark-fieldilluminationinacatadioptricopticalsystem)”的第2007/0002465号美国公开专利申请案、1999年12月7日发布的标题为“具有广泛范围变焦能力的超宽带UV显微镜成像系统(Ultra-broadbandUVmicroscopeimagingsystemwithwiderangezoomcapability)”的第5,999,310号美国专利案及2009年4月28日发布的标题为“使用具有二维成像的激光线照明的表面检验系统(Surfaceinspectionsystemusinglaserlineilluminationwithtwodimensionalimaging)”的第7,525,649号美国专利案中描述检验系统100的各种实施例的额外细节。所有这些专利案及专利申请案以引用方式并入本文中。
图2A及2B说明暗场检验系统的方面，所述系统并入本文根据本发明的其它示范性实施例所描述的电路及/或方法。在图2A中，照明光学器件201包括激光系统220，激光系统220产生由镜或透镜203聚焦于正受检验的晶片或光掩模(样本)211的表面上的线205的光202。收集光学器件210使用透镜及/或镜212及213将从线205散射的光引导到传感器215。收集光学器件210的光学轴214并不在线205的照明平面中。在一些实施例中，光学轴214大约垂直于线205。传感器215包括阵列传感器，例如线性阵列传感器。使用本文描述的电路及/或方法的一或多者驱动或控制传感器215。
图2B说明多个暗场收集系统231、232及233的一个实施例，每一收集系统大体上类似于图2A的收集光学器件210。收集系统231、232及233可结合大体上类似于图2A的照明光学器件201的照明光学器件而使用。每一收集系统231、232及233并入本文描述的电路及/或方法的一或多者以驱动及/或控制其传感器。样本211支撑于载物台221上，载物台221移动待在光学器件下方检验的区域。载物台221可包括X-Y载物台或R-θ载物台，其优选地在检验期间大体上连续移动以检验样本的大区域而具有最小的死区时间(deadtime)。
在2009年4月28日发布的标题为“使用具有二维成像的激光线照明的表面检验系统(Surfaceinspectionsystemusinglaserlineilluminationwithtwodimensionalimaging)”的第7,525,649号美国专利案中描述根据图2A及2B中说明的实施例的检验系统的更多细节。2003年8月19日发布且以引用的方式并入本文中的标题为“用于检测表面的异常及/或特征的系统(Systemfordetectinganomaliesand/orfeaturesofasurface)”的第6,608,676号美国专利案也描述适用于检验未图案化或图案化晶片的线照明系统。
图3说明检验系统300，其经配置以使用法线及倾斜照明光束两者检测样本上的颗粒或缺陷。在此配置中，激光系统330提供激光束301。透镜302将光束301聚焦穿过空间滤波器303。透镜304准直光束且将其输送到偏振光束分离器305。光束分离器305将第一偏振分量传递到法线照明通道且将第二偏振分量传递到倾斜照明通道，其中第一偏振分量垂直于第二偏振分量。在法线照明通道306中，第一偏振分量由光学器件307聚焦且由镜308朝向样本309的表面反射。由样本309(例如晶片或光掩模)散射的辐射由抛物面镜310收集且聚焦到传感器311。
在倾斜照明通道312中，第二偏振分量由光束分离器305反射到镜313，镜313将此类光束反射穿过半波板314且由光学器件315聚焦到样本309。源自倾斜通道312中的倾斜照明光束且由样本309散射的辐射由抛物面镜310收集且聚焦到传感器311。传感器311及照明区域(来自样本309上的法线及倾斜照明通道)优选地在抛物面镜310的焦点处。
抛物面镜310将来自样本309的散射辐射准直为准直光束316。接着，准直光束316由物镜317聚焦且穿过分析器318到传感器311。应注意，也可使用具有除抛物面形状外的形状的曲面镜表面。仪器320可提供光束与样本309之间的相对运动，使得跨越样本309的表面扫描点。使用本文描述的电路及/或方法的一或多者驱动或控制传感器311。2001年3月13日发布且以引用方式并入本文中的标题为“样本检验系统(Sampleinspectionsystem)”的第6,201,601号美国专利案进一步详细描述检验系统300。
图4说明示范性折反射式成像系统400，其经配置作为具有亮场及暗场检验模式的检验系统。系统400可并入两个照明源：激光401及宽带光照明模块420。
在暗场模式中，调适光学器件402控制在正被检验的表面上激光照明光束的大小及轮廓。机械外壳404包含孔径及窗403，及沿着光学轴将激光以法线入射重新引导到样本408的表面的棱镜405。棱镜405也将来自样本408的表面特征部的镜面反射引导出物镜406。物镜406收集由样本408散射的光，且将其聚焦到传感器409上。物镜406的透镜可被提供为呈折反射式物镜412、聚焦透镜组413及镜筒透镜区段414的一般形式，任选地，所述透镜可包含变焦能力。激光401可为高重复率脉冲激光，例如锁模激光，或CW激光。
在亮场模式中，宽带照明模块420将宽带光引导到光束分离器410，光束分离器410将所述光朝聚焦透镜组413及折反射式物镜412反射。折反射式物镜412使用宽带光照明样本408。从样本反射或散射的光由物镜406收集且聚焦于传感器409上。宽带照明模块420包括(例如)激光泵浦等离子光源或弧光灯。宽带照明模块420也可包含自动聚焦系统来提供信号以控制样本408相对于折反射式物镜412的高度。
使用本文描述的电路及/或方法中的一或多者驱动或控制传感器409。2007年1月4日公布且以引用方式并入本文中的标题为“用于折反射式光学系统中的激光暗场照明的光束传送系统(Beamdeliverysystemforlaserdark-fieldilluminationinacatadioptricopticalsystem)”的第2007/0002465号公开专利申请案进一步详细描述系统400。
图5A说明示范性分离读出图像传感器500，所述传感器用于本文揭示的本发明的一些实施例中。图像传感器500包含被定位于图像区域503的相对侧上的两组读出电路501A及501B。图像区域503可包含其光敏表面上的纯硼层。读出电路501A及501B可包含串联寄存器502A及502B及读出放大器504A及504B，以及其它组件，例如转移栅极。在2009年10月27日发布的标题为“TDI传感器的连续计时(ContinuousClockingofTDISensors)”的第7,609,309号美国专利案中描述读出电路501A及501B以及传感器500的其它组件的示范性实施例，所述美国专利案以引用的方式并入本文中。图像区域503包括二维(2D)像素阵列，二维(2D)像素阵列被布置成列使得区域503A中的列中的像素可以读出方向A转移，且区域503B中的列中的像素可以读出方向B转移。区域503A的顶行及区域503B的底行可同时分别被读出到串联寄存器502A及502B中。接着，在最简单的情况下，每一行每次读出一个像素。在优选实施例中，串联寄存器502A及502B可被划分为多个寄存器段(例如，图5A展示每一串行寄存器被划分为六个段)，由此允许使用多个放大器504A及504B并行读出。
读出电路501A及501B尤其可独立操作，由此允许图像传感器500提供两个读出方向A及B。在分离读出模式中，图像区域503的每一侧(即，侧503A及503B)可同步计时以将一个图像行读出到其相应输出通道中。在一个实施例中，图像区域503可具有1000个行，每一行由多个像素形成。因此，在分离读出模式期间，500个行可以方向A读出，且同时500个行可以方向B读出。
此分离读出模式基于图像传感器中的电荷耦合装置(CCD)驱动器的定时激活是可能的。举例来说，可使用多个CCD时钟信号P1a、P2a、P3a、P1b、P2b及P3b控制图像区域503内电荷的转移。尽管在此示范性传感器中展示每像素3个时钟信号，但所属领域中已知的CCD设计具有2、3及4个相位时钟。2或4个相位时钟可用于本发明的替代性实施例中。如在图5B中展示，CCD时钟P1a、P2a、P3a、P1b、P2b及P3b的特征在于栅电极(下文称为栅极)的驱动集。在图像传感器的一个优选实施例中，为每一像素提供三个栅极以提供三个相位。在图5B中，展示两个像素510及511，其中栅极531、532及533被定位于像素510上方，且栅极534、535及536被定位于像素511上方。在图像传感器中，像素510及511沿读出轴对准以形成形成图像区域503的2D像素阵列的列的部分。
图像区域503可被实施为光学传感器或带电粒子传感器。在一个光学传感器实施例中，图像区域503可包含光敏p型硅衬底514及n型隐埋沟道513。由按时钟输入信号(例如，时钟信号P1a、P2a、P3a、P1b、P2b及P3b中的一者)施加到特定栅极的电压电平确定硅衬底514中的静电力。高电压引发在栅极下方形成势“阱”，而低电压形成对电子移动的势垒。为确保来自一个像素的电荷不与其它像素混合，当将相邻栅极电压驱动为低时将栅极电压驱动为高。在时间570处的初始状态处，像素510及511的栅极531及534分别具有形成收集且保持积分电荷(即，电子)的势阱的高电平电压，且(像素510的)栅极532、533及(像素511的)栅极535、536具有形成势垒的低电平电压。在随后时间571处，像素510及511的栅极532及535分别具有形成收集且保持积分电荷的势阱的高电平电压，且(像素510的)栅极531、533及(像素511的)栅极534、536具有形成势垒的低电平电压。在又随后时间572处，像素510及511的栅极533及536分别具有形成具有积分电荷(即，电子)的势阱的高电平电压，且(像素510的)栅极531、532及(像素511的)栅极534、535具有形成势垒的低电平电压。应注意，相邻栅极在移位电荷时优选地两者都在较短时间内具有高电平电压以促进电荷转移。因此，从时间570到时间571，电荷从左移位到右，即，从像素510移位到像素511。从时间571到时间572发生类似方向的电荷移位。通过在图5A的区域503A及503B中使用单独时钟，可在两个区域中独立控制转移方向。
在2013年12月4日申请且以引用方式并入本文中的标题为“用于使用脉冲照明高速获取移动图像的方法及设备(Methodandapparatusforhighspeedacquisitionofmovingimagesusingpulsedillumination)”的第14/096,911号美国专利申请案提供分离读出图像传感器500的额外细节。在2009年5月5日发布且以引用方式并入本文中的标题为“用于同时高速获取多个图像的方法及设备(Methodandapparatusforsimultaneoushigh-speedacquisitionofmultipleimages)”的第7,528,943号美国专利案中提供关于其它示范性图像传感器的额外细节。
图6说明CCD图像传感器的时钟信号的示范性驱动电压。此类时钟信号可由本文描述的电路及方法产生。在CCD中，电荷需要从一个存储元件转移到另一存储元件，直到电荷到达输出放大器。如上文解释，需要多个时钟信号来转移电荷。不包含分离读出图像传感器的实施例以及包含分离读出图像传感器的那些实施例都需要此类时钟。取决于CCD的设计，通常需要2、3或4个时钟信号(或可能地，分离读出CCD需要那些数目的两倍)。在优选实施例中，那些时钟信号是正弦或大体上正弦的。使用正弦波形的优点在于，因为在基频的二次及较高次谐波中存在最小能量且因为大地返回电流被最小化，电荷转移较平滑(这在允许TDI传感器较准确地跟踪图像运动方面尤其有利)及时钟信号产生较少电噪声及热量。
图6说明3相位CCD的时钟电压。时钟信号601展示第一时钟信号上的电压随时间变化。时钟信号601大体上是正弦波形。第二时钟信号602也具有随时间的大体上正弦变化的电压，但第二时钟信号602相对于时钟信号601大体上120°相位延迟。第三时钟信号603的电压也随时间大体上正弦变化，但相对于时钟信号602大体上120°相位延迟，且因此，相对于时钟信号601大体上240°相位延迟。线604说明三个时钟信号601、602及603的和，所述和大体上始终为零。大体上零总和电压意味着，来自时钟信号的少量电流流入由这些时钟驱动的图像传感器的接地信号中，由此导致较低电噪声电平。这与三个异相方波时钟信号的总和相反，所述信号本质上将始终具有非零和电压。
在包含2相位CCD(未展示)的图像传感器中，两个时钟信号将与彼此大体上180°异相。在4相位CCD(未展示)中，第二时钟信号相对于第一时钟信号将大体上90°相位延迟，第三时钟信号相对于第一时钟信号将大体上180°相位延迟，且第四时钟信号相对于第一时钟信号将大体上270°相位延迟。
应注意，所有上述相位值是图像传感器中时钟信号之间的最优相位差。根据本发明的实施例，可产生具有不同于上述值的相对相位的时钟以便补偿电路导体的不同路径长度或阻抗及在驱动电子器件与图像传感器之间的连接，使得时钟信号以所需相对相位关系达到图像传感器的有源电路。
用于驱动CCD图像传感器的正弦及其它时钟信号的使用的更多细节可在上文引用的美国专利案‘633及‘309中找到。
图7A说明可用于复位时钟的示范性电压波形701。如上文解释，当CCD被高速读出(例如以约50MHz或更高的速度)时，信号可能不具有足够的时间来完全安定。在本发明的一个实施例中，可使用定制波形产生器产生复位时钟脉冲，复位时钟脉冲具有改进CCD的输出电压的安定时间的形状。如在图7A中展示，复位时钟脉冲可以如由箭头702指示的具有短上升时间的电压骤增开始。因为CCD信号具有更多时间来相对于上升边缘稳定(参见图11及其上述解释)，从脉冲的上升边缘到CCD信号的馈通比从下降边缘的馈通较不重要。因此，在一些实施例中，上升时间可为几ns或更少。接着，复位时钟电压在如由箭头703指示的高电平(例如约+6V到+8V)处相对不变达足够长时间以允许复位晶体管从先前像素放电信号。复位时钟的下降边缘(如由箭头704、705及706指示)可经调整以减少安定时间。在图7A的实例实施例中，时钟的下降边缘首先降低到由箭头705指示的电压电平，接着暂停达短时间，之后降低返回到其由箭头707指示的低状态。由箭头707指示的低状态可对应于约为零的电压或略负(例如约-1V或-2V的电压)的电压。由箭头705指示的电压电平及在所述电压电平下所花时间经选择使得由箭头706指示的下降边缘的最后一部分造成的振荡或不稳定约与由箭头704指示的下降边缘的第一部分造成的振荡或不稳定180°异相，但具有类似量级，使得下降边缘的两个部分造成的不稳定大约相消。
应注意，波形701说明可改进不稳定(类似于图11中由箭头1114指示的不稳定)的安定时间的复位时钟脉冲的一个可能形状。下文描述的定制波形产生器能够产生不同脉冲形状来允许优化传感器输出信号的安定时间。所属领域的技术人员应理解，通过测量传感器输出信号对阶梯函数或短脉冲的响应，复位时钟脉冲可经设计以减少不稳定且相较于简单矩形或梯形脉冲提供传感器信号的更快安定。举例来说，图7B、7C及7D说明其它波形710到712，所述波形可由定制波形产生器产生以优化传感器输出信号的安定时间或降低传感器输出信号上的噪声电平。特定来说，图7B说明时钟信号，其可用于输出栅极，或可用于其中每个输出存在仅两个列的实施例中。图7C及7D说明复位时钟波形，所述波形可减少噪声且改进安定时间，尽管其优化程度可能稍逊于图7A的复位时钟波形。
图8说明示范性定制波形产生器800的关键方面的框图，所述产生器可产生本文描述的波形的任一者。举例来说，定制波形产生器800的输出829可为参考图6或7A到7F所描述的波形。用于操作图像传感器的这些波形可包含时钟波形及复位波形。数字时钟输入801被用作主时钟以控制定制波形产生器800的内部操作的时序且控制产生定制波形的时序。数字时钟输入801可任选地由固定或可编程时钟分频器802划分以产生可在与输入时钟801相同或小于输入时钟801的频率的相位时钟806。在一些实施例中，时钟分频器802可包含产生大于输入时钟频率的相位时钟806的频率的锁相回路。相位时钟806控制相位累加器809，其一起确定所产生的定制波形的频率。
对应于所需定制波形的数位值被加载到查找表(LUT)815中。查找表815可包括可从计算机(未展示)加载的读写存储器，及/或可包括可预加载有对应于一或多个波形的数字值的只读或非易失性存储器。示范性查找表815可包括256、1024或65536个存储器元件。尽管查找表815中存储器元件的数目等于2的次方(例如28、210或216)是方便的，但查找表815可具有任何大小。相位累加器809的最高有效位被用作确定查找表815中哪个条目输出为数字波形817的地址。由查找表的大小确定用作地址的位数目。举例来说，如果查找表815的大小为65536个存储器元件，那么累加器的最高有效的16个位将被用作查找表的地址。
数/模转换器(DAC)825将数字波形817转换为模拟信号。来自数/模转换器825的输出电压由滤波器826过滤以产生较平滑波形，且接着，由放大器827放大以产生具有所需电压摆动(例如约±6V或±8V)的输出829。放大器827具有驱动图像传感器的足够电流驱动及将输出829连接到图像传感器的任何互连件或电路板信号迹线。如上文指示，输出829可包含波形，例如参考图6及7A到7D所描述的波形。示范性波形可包含正弦波、略变形正弦波、半正弦波、脉冲及经调整脉冲。
相位累加器809优选地具有比地址查找表815所需要的位更多的位，使得可使用额外最低有效位811实施每一时钟循环中的分数相位改变以允许更准确合成在并非时钟输入801的简单整数分数的频率的波形。除每个时钟循环累加分数相位移位外，定制波形产生器800中的别处都不需要使用最低有效位811。在一个实施例中，相位累加器809可包括24个位，其中16个最高有效位被用作查找表815的地址。在另一实施例中，相位累加器809可包括32个位，其中16个最高有效位被用作查找表815的地址。
当需要产生新波形时，初始值804被加载到相位累加器809中且循环计数器819被设置为零。如上文解释，相位累加器809的最高有效位810通过选择查找表815中的特定条目而确定输出829的电压。相位时钟806的每一循环使相位累加器809将相位增量805与相位累加器809中的当前值相加。以相位累加器809可保存的最大值为模进行相位增量805与相位累加器809中的值的加法。举例来说，如果相位累加器809为24位累加器，那么以16,777,216(224)为模进行加法。每次当相位增量805的加法使相位累加器809溢出时，循环计数器819累加。举例来说，如果相位累加器809为24位累加器，那么每次相位增量805与相位累加器809中的值的加法将导致16,777,216或更大值时，循环计数器819将递增。可使用循环计数器819的输出在已产生波形循环的所需数目后停止定制波形产生器800。举例来说，如果使用定制波形产生器800产生CCD输出串联寄存器的一个段的时钟波形且那个串联寄存器段为16个像素长，那么定制波形产生器800可经编程以在16个循环后停止。控制块820将循环计数器819的输出与所需最大计数比较，且当达到所需最大计数时产生适当控制信号以停止输出波形。当需要不停止的连续波形时，计数器819可被停用，或控制块820可忽略循环计数器819的输出值以允许波形连续延展。
外部控制件821可提供定制波形产生器800的总控制，总控制包含以下功能，例如将值加载到查找表815中，设置时钟分频器802，设置初始值804，设置相位增量805，加载控制块820，及控制滤波器826及放大器827。外部控制件821可执行其它控制功能。外部控制件821可通过I2C总线、USB接口或任何其它适当数字接口介接计算机。
在一个实施例中，可在单一集成电路(例如专用集成电路(ASIC))中实施定制波形产生器800的所有功能。在一个实施例中，可在单一集成电路中实施两个或两个以上定制波形产生器。在另一实施例中，可在一个集成电路中实施数字功能(例如，除DAC825、滤波器826及放大器827的功能外的所有功能)，且可在另一集成电路中实施模拟功能(例如DAC825、滤波器826及放大器827)。在两个集成电路中实施定制波形产生器的一个关键优点在于，此使靠近图像传感器放置多个定制波形产生器成为可能，从而易于确保控制那个传感器所需的多个时钟信号在具有最小失真及与其它信号的最小交叉耦合的情况下到达所述传感器。这对于需要高速(例如每秒数十亿像素)运行且具有低噪声的半导体检验及计量系统中的传感器是尤其重要的。将两个或两个以上定制波形产生器集成于单一集成电路中允许更有效的封装。
图9说明用于产生定制波形的方法900的流程图。在步骤902处，将初始相位值加载到累加器中。在步骤903处，将累加器的最高有效位输出到查找表，查找表又如上文描述输出定制波形的所需数字值。
在步骤904中，在相位时钟的每一循环上，可将相位增量添加到累加器。如在步骤905中所检查，如果累加器未超过其最大值，那么方法将重复输出最高有效位(步骤903)且将相位增量添加到累加器(步骤904)。如果已超过最大值(步骤905)，那么计数器的溢出将不会影响计数器的值(即，以计数器的最大值加一为模执行算术)，且在步骤906中，可使循环计数递增。举例来说，如果相位累加器具有24个位，那么累加器的最大值将为16,777,215，且将以16,777,216为模执行将相位增量添加到累加器的算术。
在步骤907处，检查循环计数。如果循环计数已达其最大值(例如，最大值16)，那么在步骤908中，停止产生定制波形。否则，过程从步骤903重复。应注意，如果需要连续波形，那么步骤907应循环返回到步骤903而不进行任何检查。在此类情况中，定制波形产生器将连续运行，直到某个外部停止信号送达。
如上文解释，针对图8的定制波形产生器800，方法900可被实施于含有数字及模拟电路两者的单一专用集成电路或两个集成电路(一个用于数字电路且另一个用于模拟电路)中。
图10说明根据本发明的某些实施例并入图像传感器1004、插入器1002、驱动器电路1006(其可包含定制波形产生器)及其它电子器件的示范性检测器组合件1000。
在本发明的一个方面中，检测器组合件1000可包含被安置于插入器1002的表面上的一或多个光敏传感器1004。在一些实施例中，检测器组合件1000的插入器1002可包含(但不限于)一或多个硅插入器。在本发明的另一方面中，检测器组合件1000的一或多个光敏传感器1004被背部薄化且从背部表面被照明(即，正面向下安装于插入器1002上)。在一个实施例中，一或多个光敏传感器1004可经配置以通过包含沉积于背部表面上的硼层在深UV波长或EUV波长下操作。
在本发明的另一方面中，检测器组合件1000的各种电路元件被安置于插入器1002上或内建于其中。在一个实施例中，一或多个放大电路(例如，电荷转换放大器)(未展示)可被安置于插入器1002上或内建于其中。在另一实施例中，一或多个转换电路1008(例如，模数转换电路，或数字化器)(未展示)可被安置于插入器1002上或内建于其中。在另一实施例中，一或多个驱动器电路1006可被安置于插入器1002上或内建于其中。举例来说，一或多个驱动器电路1006可包含如本文描述的定制波形产生器。在另一实施例中，一或多个去耦电容器(未展示)可被安置于插入器1002上或内建于其中。在另一实施例中，一或多个串联发射器(在图10中未展示)可被安置于插入器1002上或内建于其中。
在本发明的另一方面中，一或多个支撑结构可被安置于光敏阵列传感器1004的底部表面与插入器1002的顶部表面之间以提供对传感器1004的物理支撑。在一个实施例中，多个焊料球1016可被安置于光敏阵列传感器1004的底部表面与插入器1002的顶部表面的间以提供对传感器1004的物理支撑。在本文中应认识到，虽然传感器1004的成像区域可不包含外部电连接，但传感器1004的背部薄化使传感器1004变得越来越灵活。因而，可以加固传感器1004的成像部分的方式利用焊料球1016将传感器1004连接到插入器1002。在替代性实施例中，底部填充材料可被安置于光敏阵列传感器1004的底部表面与插入器1002的顶部表面之间以提供对传感器1004的物理支撑。举例来说，环氧树脂可被安置于光敏阵列传感器1004的底部表面与插入器1002的顶部表面之间。
在本发明的另一方面中，插入器1002及各种额外电路(例如，放大电路、驱动器电路1006、数字化器电路1008及类似物)被安置于衬底1010的表面上。在另一方面中，衬底1010可包含具有高导热性的衬底(例如，陶瓷衬底)。就此而言，衬底1010可经配置以提供对传感器1004及插入器1002的物理支撑，同时也为检测器组合件1000提供将热量有效率地导出成像传感器1004及各种其它电路(例如，数字化器1008、驱动器电路1006、放大器及类似物)的构件。应注意，衬底1010可包含所属领域中已知的任何刚性高度导热衬底材料。举例来说，衬底1010可包含(但不限于)陶瓷衬底。例如，衬底1010可包含(但不限于)氮化铝。插入器1002可由焊料球、引线接合或其它构件电连接到衬底1010上的导体。
在另一实施例中，衬底1010可经配置以将接口提供到插座或下伏印刷电路板(PCB)。举例来说，如在图10中展示，衬底1010可经由互连件1012在插入器1002与插座或PCB之间提供互连。所属领域的技术人员将认识到，衬底1010可以多种方式(所有方式都被解释在本发明的范围内)操作性耦合到下伏PCB且进一步电耦合到插座或PCB。
可在2012年9月18日申请且以引用方式并入本文中的标题为“用于高速图像获取及检验系统的基于插入器的成像传感器(Interposerbasedimagingsensorforhigh-speedimageacquisitionandinspectionsystems)”的第13/622,155号美国专利申请案中找到并入图像传感器、插入器、驱动器电路及其它电子器件的检测器组合件的更多细节。
上文描述的本发明的结构及方法的各种实施例仅说明本发明的原理，且不希望将本发明的范围限制于所描述的特定实施例。举例来说，可将额外步骤添加到图9中描绘的流程图，或所展示的一些步骤可以不同于所展示的序列进行。在另一实例中，不同于图6及7A到7D中描绘的定制波形的定制波形可由本文描述的系统及方法产生以便降低噪声电平或减少来自图像传感器的信号的安定时间。因此，本发明仅由所附权利要求书及其等效物限制。

Claims (20)

1.一种高速检验样本的方法，所述方法包括：
将辐射引导且聚焦于所述样本上；
接收来自所述样本的辐射且将所接收到的辐射引导到图像传感器；及
使用预定信号驱动所述图像传感器，所述预定信号最小化所述图像传感器的输出信号的安定时间，所述预定信号由相位累加器控制，所述相位累加器用于选择查找值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述驱动包含将初始相位值加载到所述相位累加器中。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述查找值由所述相位累加器的最高有效位选择。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述驱动包含将所述查找值转换为模拟信号。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述驱动包含在相位时钟的每一循环上，将相位增量添加到所述相位累加器。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述驱动包含确定是否超过最大相位累加器值。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述驱动包含：
当未超过所述最大相位累加器值时，选择所述相位累加器的所述最高有效位，及所述将所述相位增量添加到所述相位累加器。[依据与权利要求5的从属性]
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述驱动包含：
当超过所述最大相位累加器值时，那么使循环计数递增。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述驱动包含确定是否超过最大计数循环值。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述驱动包含：
当未超过所述最大计数循环值时，那么重复所述选择所述相位累加器的所述最高有效位及所述将所述相位增量添加到所述相位累加器。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述驱动包含：
当超过所述最大计数循环值时，那么停止所述驱动。
12.根据权利要求3所述的方法，其中所述最高有效位为16个位。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述接收到的辐射是散射辐射。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述接收到的辐射是反射辐射。
15.一种用于检验样本的系统，所述系统包括：
照明源；
装置，其经配置以执行光检测；
光学器件，其经配置以将来自所述照明源的光引导到所述样本，且将来自所述样本的光输出、反射或透射引导到所述装置；
驱动电路，其用于驱动所述装置，所述驱动电路包括最小化所述装置的输出信号的安定时间的定制波形产生器，所述定制波形产生器包含用于接收时钟及控制信号的相位累加器、耦合到所述相位累加器的输出的查找表，及耦合到所述查找表的输出的数/模转换器。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述光学器件包含：
当所述光输出、反射或透射对应于第一通道时的第一通道图像模式继电器；及
当所述光输出、反射或透射对应于第二通道时的第二通道图像模式继电器，
其中所述装置为经配置以接收所述第一通道图像模式继电器及所述第二通道图像模式继电器的继电器输出的图像传感器。
17.根据权利要求15所述的系统，其中所述装置包括半导体膜，所述半导体膜包含形成于所述半导体膜的第一表面上的电路元件及沉积于所述半导体膜的第二表面上的纯硼层。
18.根据权利要求15所述的系统，其中所述装置包括定位于图像区域的任一侧上的两组读出电路。
19.根据权利要求15所述的系统，其中所述装置包括电子轰击图像传感器。
20.根据权利要求15所述的系统，其中所述装置包含一或多个图像传感器。
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