多模式可配置光谱仪

摘要

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。

权利要求

1.一种多模式可配置光谱仪，其包括：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；

用于所述多个有源像素区域中的每一者的单独且独立的移位寄存器；以及转换电路，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，其中所述单独且独立的移位寄存器中的每一者具有耦合至其的所述可选择转换电路中的至少两个不同的可选择转换电路。

2.根据权利要求1所述的多模式可配置光谱仪，其进一步包括传感器控制器，所述传感器控制器经配置以引导所述光学传感器的操作及选择所述可选择转换电路中的至少一者来提供所述数字输出。

3.根据权利要求2所述的多模式可配置光谱仪，其中所述传感器控制器经配置以设置所述光学传感器的操作模式以引导其操作且经配置以基于所述操作模式选择所述可选择转换电路中的所述至少一者。

4.根据权利要求3所述的多模式可配置光谱仪，其中所述传感器控制器经配置以动态地设置所述操作模式及动态地选择所述可选择转换电路中的所述至少一者。

5.根据权利要求4所述的多模式可配置光谱仪，其中所述传感器控制器经配置以动态地设置所述操作模式及基于由所述光学传感器接收到的所述光学输入动态地选择所述可选择转换电路中的所述至少一者。

6.根据权利要求3所述的多模式可配置光谱仪，其中所述传感器控制器包含可编程集成电路，所述可编程集成电路经配置以设置所述光学传感器的所述操作模式。

7.根据权利要求3所述的多模式可配置光谱仪，其中所述传感器控制器包含经配置以处理所述数字输出的处理器。

8.根据权利要求1所述的多模式可配置光谱仪，其中所述可选择转换电路中的至少一者是耦合到所述单独且独立的移位寄存器中的每一者的组合电路，且所述组合电路经配置以从所述多个有源像素区域中的至少两者接收信号且将所述信号转换成所述数字输出。

9.根据权利要求8所述的多模式可配置光谱仪，其中所述组合电路包含加法电路、差分电路、除法电路、乘法电路或交错电路。

10.根据权利要求1所述的多模式可配置光谱仪，其中，所述单独且独立的移位寄存器中的每一者具有第一输出和第二输出，所述第一输出耦合到所述可选择转换电路中的所述至少两个不同的可选择转换电路中的第一者，所述第二输出耦合到所述可选择转换电路中的所述至少两个不同的可选择转换电路中的第二者。

11.根据权利要求10所述的多模式可配置光谱仪，其中所述可选择转换电路中的所述至少两个不同的可选择转换电路中的所述第一者包含具有高速模/数转换器的可选择转换电路及所述可选择转换电路中的所述至少两个不同的可选择转换电路中的所述第二者包含具有低速模/数转换器的可选择转换电路。

12.根据权利要求1所述的多模式可配置光谱仪，其中所述多个有源像素区域中的至少一者具有多个行，所述多个行独立地经处理以确定所述数字输出。

13.根据权利要求1所述的多模式可配置光谱仪，其中所述光学输入包含多个光学信号。

14.根据权利要求13所述的多模式可配置光谱仪，其中所述多个光学信号包含不同类型的光学信号。

15.根据权利要求14所述的多模式可配置光谱仪，其中所述光学信号是从由以下各者组成的列表中选出的某一类型的光学信号：连续光学信号、脉冲光学信号、光学发射光谱学OES信号、干涉测量端点IEP信号、组合OES与IEP信号及组合连续与脉冲光学信号。

16.根据权利要求3所述的多模式可配置光谱仪，其中所述光学输入包含多个光学信号，且所述传感器控制器经配置以基于所述多个光学信号中的至少一者的类型设置所述操作模式。

17.根据权利要求3所述的多模式可配置光谱仪，其中所述光学输入包含多个光学信号，且所述传感器控制器经配置以基于所述多个光学信号中的至少一者的特性设置所述操作模式。

18.根据权利要求17所述的多模式可配置光谱仪，其中所述特性包含信号电平、信噪比、取样率、脉冲率或波长区域。

19.根据权利要求3所述的多模式可配置光谱仪，其中所述光学输入包含多个光学信号，且所述传感器控制器经配置以基于所述多个光学信号中的一者的类型是OES设置所述操作模式。

20.根据权利要求3所述的多模式可配置光谱仪，其中所述光学输入包含多个光学信号，且所述传感器控制器经配置以基于所述多个光学信号中的一者的类型是IEP设置所述操作模式。

21.根据权利要求3所述的多模式可配置光谱仪，其中所述光学输入包含多个光学信号，且所述传感器控制器经配置以基于所述多个光学信号中的一者的类型是OES与IEP的组合设置所述操作模式。

22.根据权利要求1所述的多模式可配置光谱仪，其中所述光学传感器进一步包含用于所述多个有源像素区域中的每一者的多个输出。

23.根据权利要求1所述的多模式可配置光谱仪，其中所述数字输出包含多个数字信号。

24.根据权利要求2所述的多模式可配置光谱仪，其中所述传感器控制器经配置以通过针对所述有源像素区域中的一者的至少一部分采用电子快门来引导所述光学传感器的操作。

25.一种操作多模式可配置光谱仪的方法，其包括：采用光学传感器的多个有源像素区域中的至少一者将光学输入转换成电信号，其中所述多个有源像素区域中的每一者具有单独且独立的移位寄存器；

经由所述单独且独立的移位寄存器中的一者将所述电信号提供到转换电路，其中所述转换电路具有多个可选择转换电路且所述单独且独立的移位寄存器中的每一者具有耦合至其的所述可选择转换电路中的至少两个不同的可选择转换电路；及经由所述可选择转换电路中的一者将所述电信号转换成数字输出。

26.根据权利要求25所述的方法，其进一步包括从受监测的半导体工艺接收所述光学输入及从与所述受监测的半导体工艺相关联的外部系统接收操作模式的选择。

27.根据权利要求26所述的方法，其中接收所述操作模式的所述选择发生于所述受监测的半导体工艺开始之前。

28.根据权利要求25所述的方法，其进一步包括为所述光学传感器选择操作模式及选择所述可选择转换电路中的所述一者。

29.根据权利要求28所述的方法，其中动态地执行所述选择所述模式及所述选择所述一者中的至少一者。

30.根据权利要求28所述的方法，其中用于选择所述模式及用于选择所述一者的基础从由以下各物组成的列表中选择：光学输入的类型，

所述光学输入的特性，

数字输出的信噪比值，及

数据率。

31.根据权利要求30所述的方法，其中所述光学输入的类型包含连续光学信号、脉冲光学信号、光学发射光谱学OES信号、干涉测量端点IEP信号、组合OES与IEP信号及组合连续与脉冲光学信号。

32.根据权利要求28所述的方法，其中所述选择所述可选择转换电路中的所述一者包含从由以下各物组成的列表选择电路：具有高速模/数转换器的电路，

具有低速模/数转换器的电路，及组合电路。

33.一种光学监测系统，其包括：光学接口，其经配置以传递从处理腔室观测到的光；

多模式可配置光谱仪，其经配置以从所述光学接口接收所述光作为光学输入，所述多模式可配置光谱仪包含：

光学传感器，其经配置以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；

用于所述多个有源像素区域中的每一者的单独且独立的移位寄存器；

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；及传感器控制器，其经配置以基于所述光学输入设置所述光学传感器的操作模式及选择所述可选择转换电路中的一者以提供所述数字输出，其中所述单独且独立的移位寄存器中的每一者具有耦合至其的所述可选择转换电路中的至少两个不同的可选择转换电路。

34.根据权利要求33所述的光学监测系统，其中所述传感器控制器经配置以从与所述处理腔室相关联的外部系统接收所述操作模式的选择及所述可选择转换电路中的所述一者的选择。

35.根据权利要求34所述的光学监测系统，其中所述传感器控制器根据生成所述光的所述处理腔室中的半导体工艺选择所述操作模式及所述可选择转换电路。

36.根据权利要求35所述的光学监测系统，其中所述传感器控制器在所述半导体工艺期间动态地选择不同操作模式及所述可选择转换电路中的不同者。

37.根据权利要求34所述的光学监测系统，其中根据在所述处理腔室中观测到的所述光的类型选择所述操作模式及所述可选择转换电路。

38.根据权利要求37所述的光学监测系统，其中所述光的所述类型从由以下各物组成的列表中选择：

连续光学信号、脉冲光学信号、光学发射光谱学OES信号、干涉测量端点IEP信号、组合OES与IEP信号及组合连续与脉冲光学信号。

39.根据权利要求33所述的光学监测系统，其中所述单独且独立的移位寄存器中的每一者具有第一输出和第二输出，所述第一输出耦合到所述可选择转换电路中的所述至少两个不同的可选择转换电路中的第一者，所述第二输出耦合到所述可选择转换电路中的所述至少两个不同的可选择转换电路中的第二者。

40.根据权利要求39所述的光学监测系统，其中所述可选择转换电路中的所述至少两个不同的可选择转换电路中的所述第一者包含具有高速模/数转换器的可选择转换电路及所述可选择转换电路中的所述至少两个不同的可选择转换电路中的所述第二者包含具有低速模/数转换器的可选择转换电路。

41.根据权利要求40所述的光学监测系统，其中所述可选择转换电路进一步包含耦合到所述单独且独立的移位寄存器中的至少两者的组合电路。

42.一种多模式可配置光谱仪，其包括：光学传感器，其包含用于将光学输入转换成电信号的多个有源像素区域及用于所述多个有源像素区域中的每一者的单独且独立的移位寄存器，其中所述有源像素区域中的每一者为可独立受控的；

转换电路，其包含可选择转换电路，所述转换电路经配置以接收所述电信号及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，其中至少三个不同可选择转换电路的唯一组合连接到所述单独且独立的移位寄存器中的每一者，且所述至少三个不同可选择转换电路包含具有高速模/数转换器的电路、具有低速模/数转换器的电路以及组合电路；及

传感器控制器，其经配置以基于所述光学输入的类型改变所述光学传感器的操作模式及所述可选择转换电路中的所选择者以提供所述数字输出。

说明书

多模式可配置光谱仪

[0001] 相关申请案的交叉参考

[0002] 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

[0003] 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

[0004] 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)。

[0005] 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。

[0006] 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 of 
Charge 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

[0007] 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。

[0008] 另一方面，本发明提供一种操作多模式可配置光谱仪的方法。在一个实施例中，所述方法包含：(1)采用光学传感器的多个有源像素区域中的至少一者将光学输入转换成电
信号；(2)将所述电信号提供到具有多个可选择转换电路的转换电路；及(3)经由所述可选
择转换电路中的一者将所述电信号转换成数字输出。

[0009] 另一方面，本发明提供一种光学监测系统。在一个实施例中，所述光学监测系统包含：(1)光学接口，其经配置以传递从处理腔室观测到的光；(2)多模式可配置光谱仪，其经
配置以从所述光学接口接收所述光作为光学输入。所述多模式可配置光谱仪包含：(2A)光
学传感器，其经配置以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；(2B)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；及(2C)传感器控制器，其经配置以基于所述光学输入设置
所述光学传感器的操作模式及选择所述可选择转换电路中的一者以提供所述数字输出。

[0010] 本发明还提供一种多模式可配置光谱仪的另一实施例，所述多模式可配置光谱仪包含：(1)光学传感器，其包含用于将光学输入转换成电信号的多个有源像素区域及用于所
述多个有源像素区域中的每一者的移位寄存器，其中所述有源像素区域中的每一者为可独
立受控的；(2)转换电路，其包含可选择转换电路，所述转换电路经配置以接收所述电信号
及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，其中一组唯一至
少四个不同可选择转换电路连接到所述移位寄存器中的每一者，且所述至少四个不同可选
择转换电路包含具有高速模/数转换器的电路、具有低速模/数转换器的电路及组合电路；
及(3)传感器控制器，其经配置以基于所述光学输入的类型改变所述光学传感器的操作模
式及所述可选择转换电路中的所选择者以提供所述数字输出。

附图说明

[0011] 在所附权利要求书中陈述据信是新颖的本发明的特征特性。然而，当连同附图阅读时，通过参考说明性实施例的以下详细描述将最佳理解本发明本身以及其使用模式、另
外目的及优点，其中：

[0012] 图1是根据本发明的原理的包含多模式可配置光谱仪的系统的框图，所述系统用于采用OES及/或IEP监测及/或控制半导体工艺工具内过程的状态；

[0013] 图2是根据本发明的原理构造的多模式可配置光谱仪及具体相关系统的框图；

[0014] 图3是根据本发明的原理的示意图，其大体上描绘新颖光学传感器的功能元件及结合多模式可配置光谱仪使用的相关联电子器件；

[0015] 图4是根据本发明的原理实施的从包含例如图3中展示的新颖光学传感器的多模式可配置光谱仪读取光学数据的方法的流程图；

[0016] 图5是根据本发明的原理实施的从包含例如图3中展示的新颖光学传感器的多模式可配置光谱仪读取光学数据的方法的第二流程图；

[0017] 图6A是代表性IEP光学信号(光谱)的绘图；

[0018] 图6B是多个代表性OES光学信号(光谱)的绘图；

[0019] 图7A是与第一OES光学信号组合的代表性IEP光学信号的绘图；

[0020] 图7B是与第二OES光学信号组合的代表性IEP光学信号的绘图；及

[0021] 图7C是与第二OES光学信号组合的第一代表性OES光学信号的绘图。

具体实施方式

[0022] 在以下描述中，参考形成本发明的一部分且通过说明展示的附图、本发明的特征可实践于其中的具体实施例。足够详细地描述这些实施例以使所属领域的技术人员能够实
践本发明的特征，且应理解，可利用其它实施例。还应理解，可在不背离本发明的精神及范
围的情况下，作出结构、程序及系统改变。因此，不应以限制意义理解以下描述。为了清晰地
阐述，附图中展示的相似特征使用相似元件符号指示，且图中替代实施例中所展示的类似
特征使用类似元件符号指示。从附图及以下详细描述，本发明的其它特征将是显而易见的。
应注意，为了清晰地说明的目的，图中的某些元件可能并非是按比例绘制的。

[0023] 关于监测及评估过程工具内半导体工艺的状态，图1说明利用OES及/或IEP监测及/或控制过程工具内等离子或非等离子过程的状态的过程系统100的框图。半导体过程工
具105通常将晶片110及(可能地)过程等离子115围封在可包含各种工艺气体的通常是部分
真空的体积中。过程工具105可包含准许在各个位置及以各种定向观测腔室的一个或多个
光学接口120、121及122。光学接口120、121及122可包含多种类型光学元件，例如(但不限
于)光学过滤器、透镜、窗、孔径、光纤器件等。

[0024] 对于IEP应用，光源130可直接与光学接口120连接或经由光纤电缆组合件133与光学接口120连接。如此配置中所展示，光学接口120经定向垂直于晶片110的表面且通常相对
于晶片110的表面居中。来自光源130的光可以经准直束135的形式进入过程工具105的内部
体积。经准直束135一旦从晶片反射，就可再次由光学接口120接收。在常见应用中，光学接
口120可为光学准直器，或替代地可为聚焦系统且接着经准直束135被聚焦而非被准直。在
由光学接口120接收之后，光可经由光纤电缆组合件137传送到多模式可配置光谱仪140以
供由光学传感器142检测及转换。光源130可例如是产生在从DUV到NIR的波长范围内的光的
闪光灯，且所关注波长可从其中的任何波长区域选择。对于较大衬底或其中理解晶片不均
匀是一种问题的情况，可使用额外正常定向接口(未展示)。

[0025] 对于OES应用，光学接口122可经定向以从等离子115收集光发射。光学接口122可仅仅是视口或可另外包含其它光学元件，例如透镜、镜及光学波长过滤器。光纤电缆组合件
139可将收集到的任何光引导到多模式可配置光谱仪140及其中的光学传感器142。可单独
或并行使用多个接口收集OES相关光学信号。举例来说，光学接口121可经定位以从晶片110
的表面附近收集发射，而光学接口122可经定位以观察等离子的体积，如图1中所展示。其它
光学接口(未展示)可经定位在等离子/晶片接口上游/下游。多个接口可耦合到个别光纤电
缆组合件且将多个光学信号作为组合光学输入引导到多模式可配置光谱仪140及光学传感
器142。光学接口也可从图1中展示的光学接口简化，且通过将多模式可配置光谱仪140直接
安装到过程工具105而基本上移除。

[0026] 在许多半导体处理应用中，通常的做法是收集OES及IEP光学信号两者及将其提供到光谱仪。一般来说，除其它因素外，对于每一信号类型，由于信号时序同步、校准及封装的
成本、复杂性、不便，支持多个光谱仪是不利的。然而，对于单个光谱仪，接收及处理这些光
学信号类型两者可提供多种问题。通常，OES信号在时间上是连续的，而IEP信号可在时间上
是连续或离散的。这些信号的混合导致若干困难，这是因为过程控制通常需要检测OES及
IEP信号两者中的小变化，且任一信号中的固有变化可遮蔽对另一者中变化的观测。下文结
合图6A到7C论述光学信号检测困难的另一论述及通过本发明来缓解所述检测困难。

[0027] 有利地，经由光纤电缆组合件137及139传送的OES及IEP光学信号分别可由光学传感器142接收作为多模式可配置光谱仪140处的光学输入。一般来说，光学输入可包含一或
多个光学信号，例如前面提及的OES及IEP信号及其它连续或不连续光学信号。此外，应注
意，光学信号中的任何信号可独立于其它光学信号或与其它光学信号组合。光学传感器142
包含用于将光学输入转换成电信号的多个有源像素区域。因此，每一有源像素区域可接收
一或多个光学信号。应理解，光学传感器142内的电信号可取决于光学传感器142的精确配
置为电荷信号、电流信号及/或电压信号中的任何者。通常，光学输入首先被转换成电荷，接
着，电荷被转换成电压，且随后经由输出放大器使其对光学传感器142外部的装置可用。

[0028] 多模式可配置光谱仪140还可包含具有多个可选择转换电路的转换电路144，其经配置以接收电信号146且根据可选择转换电路中的所选择一或多者将电信号146转换成数
字输出148。多模式可配置光谱仪140可进一步包含传感器控制器150，其可经配置以引导光
学传感器142的操作及选择转换电路144的可选择转换电路中的至少一者以提供数字输出
148。数字输出148可经路由到传感器控制器150以供进一步处理、存储等，及/或还可直接/
间接被传送到外部系统160以供进一步使用。

[0029] 外部系统160可例如为工业PC、PLC或其它系统，所述其它系统采用一或多种算法产生输出170，例如(举例来说)表示具体波长的强度、两个波长带的比率或膜厚度值的模拟
或数字控制值。外部系统160可替代地与多模式可配置光谱仪140集成以提供更紧凑总体系
统。OES算法分析以经预先确定波长的发射强度信号，且确定与过程的状态相关且可用于存
取那个状态的控制值，例如端点检测、蚀刻深度等。对于IEP应用，算法可分析整个光谱以确
定膜厚度控制值。举例来说，参见以引用方式并入本文中的美国专利7,049,156“用于膜厚
度及沟槽深度的原位监测及控制的系统及方法(System and Method for In‑situ 
Monitor and Control of Film Thickness and Trench Depth)”。输出170可经由用于监
测及/或修改过程工具105内发生的生产过程的数字或模拟通信链路(例如以太网)传送到
过程工具105。尽管图1具体描绘单个过程工具105的单个处理腔室，但应理解，多模式可配
置光谱仪140可有利地结合单个过程工具105的多个处理腔室或不同过程工具的一或多个
处理腔室使用。

[0030] 图2说明根据本发明的原理的包含多模式可配置光谱仪210的系统200的实施例的框图。多模式可配置光谱仪210可并入本文揭示的、根据图3中说明的一个实施例描述的光
学传感器，这对从半导体工艺测量光学信号有利。多模式可配置光谱仪210可从外部光学器
件230(例如图1的光纤电缆组合件137及139)接收一或多个光学信号，且可在光学信号的集
成及转换之后将数字输出发送到外部系统220。外部系统220还可通过例如选择操作模式或
控制操作模式的细节(例如集成时序)而用于控制多模式可配置光谱仪210，如本文所定义。

[0031] 多模式可配置光谱仪210可包含光学接口240，例如SMA或FC光纤连接器或其它光机接口。另外光学组件245(例如狭缝、透镜、滤波器及光栅)可用于形成、引导及色谱分离接
收到的光学信号且将其引导到光学传感器250以供集成及转换。光学传感器250的低级功能
可由共同地可与图1的传感器控制器150相关联或作为其部件的元件(例如可编程集成电路
260及处理器270)控制。可编程集成电路260可为现场可编程门阵列(FPGA)且此后在本发明
及图中将称为FPGA 260。FPGA 260可生成用于A/D转换器电路280的转换器控制信号及生成
用于光学传感器250的光学传感器计时信号。处理器270也可生成转换器控制信号及光学传
感器计时信号。处理器270可为各种类型的处理器，包含具有精简指令集计算架构的计算机
处理器。可采用的其它处理器实例包含因特尔(Intel)处理器及数字信号处理器(DSP)(例
如来自黑鳍(BlackFin))。在光学传感器250内进行光学到电转换之后，信号可被引导到A/D
转换器电路280且从电转换成数字信号。A/D转换器电路280可经包含作为图1的转换电路
144内的若干转换电路中的一者且下文结合图3的转换电路更详细地论述。

[0032] 接着，来自A/D转换器电路280的数字信号可被存储在存储器290中以供立即或稍后使用且被传输到外部系统220(例如图1的外部系统160)。多模式可配置光谱仪210进一步
包含电力供应器295，其提供多模式可配置光谱仪210内的元件进行操作必需的电压。系统
200的组件与多模式可配置光谱仪210之间的连接可为常规连接。尽管某些接口及关系由箭
头指示，但多模式可配置光谱仪210可包含额外交互及控制关系。数字信号可包含表示包含
于到光学传感器250的光学输入内的一或多个光学信号的一或多个值。一般来说，对于光谱
仪，数字信号通常包含光谱的数字表示。举例来说，光谱可包含1024个元素，各自具有某一
数字类型，例如无符号16位整数。

[0033] 为了解决现有技术的光谱仪及集成成像光学传感器的限制，光学传感器需要新的配置。图3是根据本发明的原理的示意图，其大体上描绘新颖光学传感器300及对光谱学及
半导体过程控制有用的相关联转换电路399的实施例的功能元件。光学传感器300通常包含
可依赖地或独立地受控的多个有源像素区域。如图3中所展示，为了清晰起见仅展示及论述
两个区域，但为了本文描述的优点可使用更大数目个区域。

[0034] 在本文，术语“水平”及“垂直”行用于描述光学传感器300的内部几何结构。应理解，这是转换问题，其中光学传感器的“较长”或较高元件计数轴通常标示为“水平”方向。在
光谱学应用中，常见的是光学传感器的长/水平轴与波长色散的定向对准。光学传感器300
的有源像素区域310及311在单个水平行中可各自包含若干(例如，～3000个)高像素(～
2000微米)。此配置不同于其中利用许多行较短像素(例如具有24微米高的128行像素)的典
型现有技术光学传感器。大约1000到4000微米的高像素适用于成像光谱仪系统中，且良好
匹配到接近统一的狭缝高度及成像系统放大率。可替代地使用有限数目个行(例如，2到10
行)的像素，但可进一步需要额外垂直计时操作，这可使光学传感器300的操作变慢。额外行
为每一有源像素区域添加空间细分的能力，且可为将光学信号额外多路复用(每有源像素
区域两个或两个以上光学信号)及控制(读取每一有源像素区域的像素行的全部或任何部
分的能力)到每一有源像素区上提供支持。

[0035] 尽管不是必需的，但额外像素区域或物理间隙315可有利地经定位在光学传感器300的有源像素区域310与311之间以在区域310与311之间提供光学及电隔离。物理间隙315
的宽度可为大约10's到100微米以确保区域310与311的光学隔离。有源像素区域310及311
还可包含光学不透明区域312及313，其分别可用于暗电流/信号及DC偏移补偿。因为通过可
透射NIR波长的厚硅层可使此类区域光学不透明，所以区域312及313最有效地被放置在光
学传感器300的端附近，其中UV波长期望被照明。区域312及313可包含支持平均电偏移电平
的确定的例如两到四个或四个以上像素。在图3中，展示在与到转换电路的连接相对的有源
像素区域的端处的区域312及313。这些不透明区域的位置及到转换电路的连接的定向可按
照需求改变，例如光学传感器300的实际半导体设计的引脚输出设计。

[0036] 在其中区域310及311各自包含单行像素的情况中，单个垂直移位如由箭头330及331所指示那样将集成电信号从有源像素区域310及311传送到其相应水平移位寄存器320
及321。一个区域“向上”及另一区域“向下”的移位是图及(可能地)实际半导体架构的简化。
为了提供在一个方向上移位所有区域的能力，信号路由将更复杂。在三个区域的情况中，来
自中心区域的信号将必须被路由到两个其它区域下方或周围。此外，如果每一/任何区域
310及311具有一行以上像素，那么需要多个移位。另外，可使多个有源像素区域或其个别行
中的每一者的垂直移位同步、交错或同时。与现存CCD相比，光学传感器配置导致更快且更
简单计时，且无需在重叠集成区域之间移位电荷，借此避免光学信号污染的主要来源。在一
个实例中，有源像素区域与光学传感器300的水平移位寄存器的组合支持30到40万个电子
的全井容量、5％或更少的信号线性及大于14,000的信号动态范围。

[0037] 在垂直移位后，水平移位寄存器320及321中的电信号可经水平移位(如分别由箭头340及341所指示)到定位在相关联转换电路399上的相应高速A/D转换器350及351及/或
相应低速A/D转换器352及353。包含低速及高速A/D转换器及在低速与高速A/D转换器之间
作出选择的能力准许选择快速读出速度(高速A/D)或低噪声(低速A/D)。多种时钟速度及像
素取样技术可用于高速及低速A/D转换器中的每一者。此外，时钟速度可动态地经改变以针
对特定操作模式优化来自光学传感器300的电信号的转换。一般来说，光学传感器300与转
换器电路399的组合提供支持数据率(例如，光谱/秒)、额外数字分辨率与信噪比性能之间
的平衡的操作模式。具体来说，转换电路399可经配置以从移位寄存器多取样或过取样通常
被定义为“DC/参考电平”及“信号电平”的区域中的电信号波形，以取决于A/D转换器时钟速
度、所期望信噪比性能及数据取样率(每光谱)产生差分数字信号。

[0038] 结合高速A/D转换器350及351及/或相应低速A/D转换器352及353，光学传感器300可包含用于每一水平移位寄存器的双重输出。具体来说，输出324可为与移位寄存器320相
关联的低速且低噪声输出且连接到转换器352；且输出325可为与移位寄存器321相关联的
低速且低噪声输出且连接到转换器353。此外，输出326可为与移位寄存器320相关联的高速
输出且连接到转换器350；且输出327可为与移位寄存器321相关联的高速且高噪声输出且
连接到转换器351。尽管展示与输出326及327连接的组合功能370，但输出324及325可被代
替。水平移位寄存器320及321及转换电路399的相关联元件可同步或异步计时，且每一转换
器可以独立可选择的时钟速度操作。同步计时从每一有源像素区域提供同时并行信号，而
异步计时可用于支持来自有源像素区域的信号的交错。光学传感器300及转换电路399可使
用合适的18位A/D转换器实现每有源像素区域每光谱一毫秒的高速操作且产生具有高动态
范围(例如，100dB)的数字信号。为了支持此类高数据取样率(例如，光谱/秒)，图2的FPGA 
260及处理器270可提供数据压缩及其它高速信号处理；此可在数据被传输以供由例如外部
系统220进行进一步处理之前执行。代表性地，高速操作允许测量十分强的光学信号，且低
噪声(慢速)操作允许测量十分弱的光学信号，且因此，组合会增强总体系统动态范围。

[0039] 转换之后，数字信号可在端口360、361、362及363处可用，且被传输到图2中描述的元件，例如存储器290、处理器270及FPGA 260。替代地，来自水平移位寄存器的信号可被引
导到组合功能，例如，组合电路370，且接着由A/D转换器375进行转换，且使其在端口380处
可用。A/D转换器375可为低速或高速类型，或转换电路399可包含针对由组合电路370引起
的信号的可选择低速/高速A/D转换器。组合电路370可包含加法电路、差分电路、除法电路、
乘法电路或交错电路，且可为经配置以执行这些组合电路中的一者的功能的单个元件。

[0040] 从水平移位寄存器320及321到相应A/D转换器的任何信号路径可根据需要通过由例如FPGA 260或处理器270提供的所生成的转换器控制信号及光学传感器计时信号来选
择。经由转换器控制信号的选择可为通过例如电启用或停用电路或断开/闭合开关。光学传
感器300及转换电路399的可配置性准许传感器的多模式可调适使用，例如针对经增加动态
范围的信号加总或平均化、针对共同模式校正及变化检测的信号差分及并行独立信号。尽
管图3中展示作为转换电路399的部件，但描绘的各种A/D转换器中的任何者及组合电路370
可与光学传感器300集成。举例来说，组合电路370可执行于光学传感器300内或转换电路
399内的模拟域中。通过在光学传感器300上进行组合可预期最佳信号性能。此外，组合电路
370可执行于例如图1的传感器控制器150内的数字域中，但接着经受A/D量化及数字数学错
误。尽管在图3中，将所有转换器及输出展示为连接在光学传感器水平移位寄存器320及321
的单个端处，但应理解，转换器及输出可方便地置于移位寄存器的任一端/两个端处。在某
些布局中，在移位寄存器320及321的每一端处具有不同输出可提供益处，即在光学传感器
内部无需切换组件，且电信号输出可简单地通过改变到光学传感器300的计时信号的相位
来引导。转换电路399可如同图1的转换电路144那样由多模式可配置光谱仪的子系统(例如
图1的传感器控制器150)引导。传感器控制器150可基于例如可从外部系统220接收的所选
择的操作模式生成转换器控制信号及光学传感器计时信号。举例来说，FPGA 260或处理器
270可经编程以生成转换器控制信号及光学传感器计时信号以启用及停用光学传感器300
及转换电路399的不同操作模式及配置。

[0041] 光学传感器300的有源像素区域310及311可进一步包含高速(以毫秒计)电子快门功能的集成。此功能390在图3中经由有源像素区域310之上显示的点线“X”表示。电子快门
功能390可展现/准许电荷集成，这是由于传感器曝光于光学传感器300的任何整个或部分
有源像素区域中。举例来说，快门控制可沿着光学传感器300的水平轴独立地改变。作为光
学传感器300及相关联光谱仪(例如多模式可配置光谱仪140)的操作模式的部分的快门功
能390的空间及时间控制可例如针对脉冲等离子支持从外部控制件、移动或瞬态系统收集
的光学信号的经增强动态范围、增益平坦、高速同步，以及支持监测高频经调制或快速变化
源发射而不会频叠的能力。电子快门功能390可例如经由控制器控制，例如图1的多模式可
配置光谱仪140的传感器控制器150。

[0042] 图4是从包含例如图3中展示的光学传感器及转换电路的多模式可配置光谱仪读取光学数据的过程400的实例的流程图。在本文中，光学数据可与到光谱仪的光学输入(包
含光学信号及经转换电/数字信号)的多个状态中的任何者相关联。过程400以准备步骤410
开始，其中可预先确定操作模式、半导体工艺类型、积分时间及其它初始参数。接着，在步骤
420中，可作出光谱仪、包含的光学传感器及转换电路的经预先确定操作模式的选择。操作
模式可包含例如转换电路选择、组合功能选择的设置及参数、有源区光学信号积分时间、用
于最大化动态范围的数字化方案及快门功能时序。操作模式可经定义于外部系统(例如图1
的外部系统160)内，被传达到多模式可配置控制器(例如图1的多模式可配置光谱仪140的
传感器控制器150)，且接着具体由控制器控制(例如，由图2的FPGA 260及处理器270控制)。
操作模式可关于具体半导体工艺及数据需求的状况及需求而定义，如下文结合表1所论述。
举例来说，操作模式可包含基于光学连接类型、光学信号类型(OES/IEP)、电平(亮/暗)及时
间变化(连续/脉冲式)的设置及参数。操作模式也可为基于处理系统优化，例如用于支持来
自分离源的光学数据，分离源导致每一源的独立且异步的数字信号。

[0043] 接着，在步骤430中，可从光学传感器、转换电路及多模式可配置光谱仪读取数据，如结合图1到3所论述，如由操作模式定义。步骤420及430可重复多次(1…N)以向光学数据
提供对过程应用有用的特性。举例来说，某一操作模式可指导读取光学数据以提供OES数据
的两个数字信号的数字输出，其中第一数字信号可从有源像素区域310收集，且第二数字信
号可从有源像素区域311收集。操作模式的额外参数可包含选择组合电路370作为加法电路
且针对经改进信噪比性能选择低速A/D转换器。在经稍微修改的操作模式中，其中到有源像
素区域310的光学输入比有源像素区域311的光学输入大得多，快门功能或其它时序控制可
在积分周期的一部分内应用到有源像素区域310以减少经积累电信号的量。步骤430可在过
程400返回到步骤420之前执行多次。此外，在步骤420期间操作模式的选择可在半导体工艺
期间实时地动态调适，其基于数字信号的某些参数或基于外部供应的命令生成光学输入。
举例来说，如果数字信号指示光学传感器饱和，那么操作模式可经调整以减少由相关联有
源像素区接收的光学信号的积分时间。所述减少可通过直接更改有源像素区域的积分时间
或调整相关联快门功能的时间来执行。操作模式调整可由例如图2的处理器270或图1的外
部系统160引导。此外，操作模式的动态调整在发生调整之前可能需要过程400的步骤420到
470的至少一个循环。

[0044] 其次，在步骤440中，收集到的光学数据可根据多模式可配置光谱仪及光学传感器的操作模式处理。举例来说，如果多模式可配置光谱仪用于其中使用交替照明的闪光灯的
操作模式中，那么处理可包含当光学数据照明打开与关闭时之间的差异的确定。处理可由
例如图3的组合电路370、图2的处理器270或图1的外部系统160执行。随后，在步骤450中，光
学数据可经处理用于在步骤460中可被传递到过程工具的控制值输出的减少及提取。控制
值输出的确定可由例如图2的处理器270或图1的外部系统160执行。在步骤450中生成且由
过程工具(例如图1的过程工具105)接收的输出可在步骤470中用于调适工具内发生且对晶
片起作用的过程的操作。过程400在步骤480中终止，且其中光学数据及计算得到的值可经
存储以供稍后检索等。过程400可将光学数据定义为覆盖监测到的/经控制过程的长度的时
间序列(其通常可从几秒到几十分钟)中的点或光谱，且包含像一毫秒那么频繁且像几分钟
间隔那么长地收集到的光学数据。

[0045] 图5是根据本发明的一个实施例的从包含例如图3中展示的光学传感器的多模式可配置光谱仪读取经转换光学数据的过程500的第二流程图。过程500向过程400添加有关
多模式可配置光谱仪、光学传感器及转换电路的内部操作的另外细节。过程500以准备步骤
510开始，其中可定义或设置例如控制FPGA功能的动作，或可执行多模式可配置光谱仪的初
始化检查。在步骤520中，可选择光学传感器的多个输出的组合模式的选择。在步骤530中，
可选择用于光学传感器的快门的状态及时序。快门功能可例如个别地应用到有源像素区域
中的任何者以控制不同亮度源之间的曝光，同时允许来自每一有源像素区域的总体光谱
(数字信号)/数据率的一致使用。在快门状态选择之后，在步骤540中，可在经预先确定的时
间量内求光学信号的积分。光学传感器的每一有源像素区域的积分时间可相同或不同。此
外，在一些操作模式下，每一有源像素区域的积分时间及信号处理可为异步的以如在多模
式可配置光谱仪及光学传感器结合多个独立过程工具或处理腔室使用时所需要那样支持
交错或完全独立的光学数据收集。

[0046] 接着，在步骤550中，积分电荷可经垂直移位到邻近独立水平移位寄存器。接着，在步骤560中，水平移位寄存器中的电信号可根据经预先选择的组合模式及操作模式的数据
取样率设置水平移位及转换。在步骤570中，电信号可经转换成数字信号，其根据转换电路
中所选择的转换电路及转换器取样率及过取样定义收集到的光谱。过程500以步骤580结
束，其中光学数据可被存储或应用，例如，如结合过程400及/或图1所描述。

[0047] 表1强调根据本发明的原理的光学传感器、转换电路及多模式可配置光谱仪的某些操作模式的基于信号类型的益处。多模式可配置光谱仪的操作模式可紧密地与待监测的
半导体信号类型相关联。具体来说，先前所提及的这些信号类型是OES及IEP信号。结合图6A
到7C展示及描述其实例。考虑具有两个有源像素区域的光学传感器，例如图3的传感器300，
且另外考虑从有源像素区域独立并行读取及加总/差分读取光学数据的操作模式；可观测
优于现存光谱仪系统的具体益处。

[0048] 现转到OES及IEP光学数据的代表性绘图，图6A是来自从晶片反射的氙闪光灯的典型的IEP光学信号(光谱)620的绘图600。尽管如本文所论述，IEP信号被视为例如由闪光灯
产生的脉冲或离散光学信号，但应理解，IEP信号可为时间连续或离散的。脉冲光学信号可
以经定义脉冲率及工作循环(例如，在50％工作循环下每秒10次)在光水平的两个或两个以
上水平之间改变。本文的重点是提供与在所关注时间周期内维持大体上恒定光学信号电平
的典型时间连续OES光学信号的对比。然而，从闪光灯产生的脉冲光学信号通常具有十分短
的工作循环或持续时间(通常是几微秒)且通常具有100％调制深度；从脉冲等离子产生的
脉冲光学信号更多变且光学信号通常不具有100％调制深度。IEP的闪光灯信号还在波长方
面通常是宽带的，且在波长范围内可相当不同。图6B是多个典型的OES光学信号(光谱)630
及640的绘图610。光谱630展示典型的分子(接近400nm的宽带结构)及原子(自始至终都是
窄峰值)发射两者的特征。光谱640展示更排他地具有原子发射的特征，且观测到根据波长
变化的信号电平从接近零计数变到接近70,000。

[0049] 在光谱仪内的光学传感器的单个有源像素区域的多个区域中收集的IEP或OES光谱的振幅可极大地不同，可为来自不同腔室或相同腔室中的不同位置的结果。对于许多当
前半导体处理应用，小信号(或小信号变化)检测是关键的，且重要的光学信号特征可能在
读取现存光谱仪时隐藏，这是因为当前光学传感器及光谱仪技术存在污染、串扰、有限动态
范围及其它问题。

[0050] 如先前引用的美国专利9,386,241中所提及，现存的这些光学传感器及光谱仪的使用存在多种问题。主要问题是有源像素区用作圆形缓冲器，且在有源像素区的各个部分
中积分的信号通常必须穿过可能在移位期间保持被曝光且变得被污染的其它部分。所得光
学信号是基于移位率等以各种比例入射于不同部分上的信号的组合。另外，因为行从一个
部分移位到另一部分，所以传感器的原始部分可继续被曝光，且可求非所要信号的积分。再
次如先前引用的美国专利9,386,241中所提及，在添加更多复杂性及提供更低数据率及额
外信号读取的代价下，已付出相当大的努力来解决这些问题及其它问题。给予美国专利9,
386,241的图12特别关注，其中为了避免多个积分信号的某些污染，光学传感器的有源区域
的一部分被掩盖，且可执行行移位及水平读取的复杂布置来适应现存成像光谱仪的限制。

[0051] 可通过审查半导体处理应用来表示前面提及的问题，其中IEP及OES信号可在观测时组合。图7A是与OES光学信号640组合的典型的IEP光学信号620的绘图700。此处展示所期
望IEP信号受来自OES信号的污染的影响，但IEP的总体特性形状是明显的。图7B是与第二
OES光学信号630组合的典型的相同IEP光学信号620的绘图710。此处展示所期望IEP光学信
号的大得多的污染及辨别于原始信号之间的能力由于动态范围划分的总体降低。显著地，
OES信号中边缘状波长强度图案的外观在被污染的IEP信号中可被解译为指示来自材料层
的反射率。

[0052] 闪光灯可用于“双重读取”模式中，其中闪光灯脉冲交替地打开且接着关闭(例如，参见以引用方式包含于本文中的美国专利6,160,621)以移除相当大量的信号污染，但此操
作模式假定使OES信号足够缓慢地变化。如果OES信号不够稳定，那么使用现存系统对未被
污染的IEP信号的确定是不可能的。利用本发明的光学传感器及光谱仪，接收脉冲IEP闪光
灯信号的有源像素区域可使用快门功能或其它操作模式设置进行门控以排除从某一时间
周期(而非光学脉冲的几毫秒持续时间)接收到的光学输入的积分。

[0053] 图7C是与第二OES光学信号640组合的第一典型OES光学信号630的绘图。这些信号可来自例如图1的光学接口121及122。此处展示信号640的特性大部分由信号630的存在所
掩盖。因为OES信号通常在时间上是连续的，所以现存光谱仪及光学传感器的物理读出结构
的限制总是会对信号产生污染。再低于百分之一的污染水平足以使某些过程不可操作，这
是因为过程的开放区非常低。举例来说，具有百分之一开放区的半导体蚀刻过程可能需要
百分之一的端点检测准确度。这些组合需求建议需要检测大约1:10,000的变化，且任何光
学信号污染都需要小于此量。本发明的光学传感器及多模式可配置光谱仪的操作极大地降
低或完全移除读取组合OES信号的污染，且准许光学信号630及640的个别确定。

[0054] 本发明的多模式可配置光谱仪提供有关光学信号观测位置、单个/多个腔室集成、单个/多个处理工具集成、单个/多个过程变化、单个类型变化及前面提及的任何者的相对
时序/同步的操作的灵活性。在表1中描述几个具体实例。表1中列出的模式及益处的描述并
不意味着是详尽的，且与任何特定操作模式或信号类型相关联的益处也可与其它操作模式
或信号类型相关联。

[0055]

[0056] 表1。

[0057] 表1中描述的信号类型及益处可与本发明的光学传感器及多模式可配置光谱仪的具体结构及功能性相关联。举例来说，在双重OES模式(表1的第一行)中，低信号串扰及污染
通过双重移位寄存器及分离电信号输出及转换电路的存在而实现。可从本文中的描述得出
其它关联性，且下文更详细地描述几个关联性。

[0058] 在另一实例中，本发明的多模式可配置光谱仪在其中一或多个OES、IEP或组合IEP与OES信号被监测且总体光水平极高时的操作模式中提供经改进性能。现行方法是使用与
从光学传感器读取信号兼容的最短积分时间，及细分有源像素区域的行的读取使得一部分
有源像素区域很小。这导致光谱仪的复杂且更慢操作，其中执行信号的多次读取，且可导致
信号被读取但接着由于饱和而并不使用。本发明的多模式可配置光谱仪允许快门功能使电
荷积累时间短到足以不发生饱和。同时，数据取样率可保持低到足以允许数据的高质量数
字化，借此增加总体信噪比并增强小信号可检测性。

[0059] 与此相关地，当期望两种不同光学信号能够具有不同积分时间时，快门功能与有源像素区域的独立读出的组合是有益的。在OES的一个实例中，氩及卤素发射产生在700到
800nm光谱范围内的高强度信号；而来自副产品的发射通常较弱且落在UV到VIS范围内。多
模式可配置光谱仪可针对不同有源像素区域中的统一数据取样率(例如每秒光谱)但独立
积分时间经配置以为所有所期望信号提供合适的振幅信号。这些信号中的每一者的部分可
经组合以为过程控制应用提供所关注各种独立波长的经增加实用性及动态范围的复合光
谱。此外，通过设置每一独立有源像素区域的积分时间而准许自动及独立增益控制。

[0060] 另外，所揭示的多模式可配置光谱仪的设计强调低光检测。高像素与长传感器尺寸的组合在当前光学传感器的波长色散方向中准许使用具有相等波长分辨率的更宽光学
狭缝。当连同本发明的多模式可配置光谱仪使用时，光学传感器的高像素准许使用高狭缝
且因此准许更大总体光收集。在另一组合中，针对有源像素区域及有源像素区域高度使用
快门功能允许十分广的动态范围光收集。在包含可变宽度狭缝的多模式可配置光谱仪的情
况中，狭缝宽度可经控制作为多模式可配置光谱仪的操作模式的部分。

[0061] 当应用到脉冲等离子腔室时，本发明的光学传感器及多模式可配置光谱仪的额外操作模式是有益的。这些模式包含(但不限于)：a)光学信号收集与脉冲等离子的同步；b)使
用快门的同步；以及c)脉冲等离子OES的时间解析光谱学。对于同步化操作模式，将数据间
隔维持在某一方便的数字(例如，20Hz)是方便的，即使脉冲频率与那个间隔不相当。脉冲等
离子频率可经锁定到电子快门或光学传感器或转换电路的其它功能而非数据间隔。可能不
存在频叠，且无需预先确定不寻常的积分时间或使用与数据间隔不相当的积分时间。此操
作模式可例如通过图1的半导体过程工具105与传感器控制器150之间的低延时通信支持。

[0062] 对于脉冲等离子OES的时间解析光谱学，电子快门可用于将曝光时间保持为比脉冲周期短，且脉冲循环的各个部分可使用等离子的脉冲发生器与电子快门的激活之间的经
适当计时的延迟来取样。举例来说，如果有源像素区域的曝光时间是等离子脉冲周期的1/
10，那么光学信号的10次相对暂时位移读取可用于表示周期的不同部分期间的OES趋势。光
学数据可通过以1/10周期的步长在所述周期内重复地扫描曝光时间的位置来收集。

[0063] 在其中十分短的持续时间闪光灯光脉冲用于询问工件的IEP过程中，光谱仪系统通常利用减法测量对以在存在OES光时隔离IEP信号。通常，IEP光脉冲可为几微秒，且典型
的积分时间最小地是多个微秒，从而导致相当大的IEP及OES信号污染。通过由本发明的多
模式可配置光谱仪提供的每有源像素区域的选择性时序及积分，电子快门功能可经同步到
IEP光脉冲，且具有十分短持续时间而不影响总体数据间隔。门控IEP光脉冲可导致十分显
著的组合IEP及OES信号减少且无需成对减法测量。此变化随后准许2倍更大测量取样率。

[0064] 来自本发明的多模式可配置光谱仪的光学传感器的独立有源像素区域的电信号的独立数字化准许波长分辨率的相对调整与信噪比的相关改进。举例来说，来自有源像素
区域的第一光学信号可经配置以用于读取光谱(200到800nm，0.5nm分辨率)的1201个波长
值，但来自有源像素区域的第二光学信号可通过在数字化之前改进分级多个邻近像素(电
信号加总)及提供所得较低分辨率光谱来改进信噪比。此外，独立数字化可用于得到具有全
光谱数据的来自有源像素区域的第一光学信号，而来自有源像素区域的第二光学信号具有
仅少数值保持且其它值经移除以避免额外非所要数据的处置及存储。

[0065] 可在本文描述的光学测量系统及子系统中作出改变而不背离其范围。举例来说，尽管结合半导体晶片处理设备描述某些实例，但应理解，本文描述的光学测量系统可适于
其它类型的处理设备，例如卷到卷薄膜处理、太阳能电池制造或其中可能需要高精度光学
测量的任何应用。此外，尽管本文在描述本发明的方面时已使用术语“晶片”，但应理解，可
使用其它类型的工件，例如石英片、相移掩模、LED衬底及其它非半导体处理相关衬底及包
含固态、气态及液态工件的工件。

[0066] 选择及描述本文描述的实施例以便最佳解释本发明的原理及实践应用，且使所属领域的一般技术人员能够理解如适合于预期的特定使用的本发明的各种实施例的各种修
改。本文描述的特定实施例决不希望限制本发明的范围，因为其可实践于多种变化及环境
中而不背离本发明的范围及目的。因此，本发明不希望限于所展示的实施例，但应符合与本
文描述的原理及特征一致的最宽范围。

[0067] 图中的流程图及框图说明根据本发明的各种实施例的系统、方法及计算机程序产品的可能实施方案的架构、功能性及操作。在这方面，流程图或框图中的每一框可表示模
块、片段或代码的部分，所述代码包括用于实施指定逻辑功能的一或多个可执行指令。还应
注意，在一些替代实施方案中，框中注释的功能可不按图中注释的次序发生。举例来说，连
续展示的两个框可实际上基本上同时执行，或所述框可能有时以倒序执行，这取决于所涉
及的功能性。还应注意，框图及/或流程图说明中的每一框及框图及/或流程图说明中框的
组合可由执行指定功能或动作的专用的基于硬件的系统或专用硬件与计算机指令的组合
实施。

[0068] 如所属领域的技术人员应了解，本发明或其部分可体现为方法、系统或计算机程序产品。因此，本文揭示的特征或至少部分特征可采用完全硬件实施例的形式、完全软件实
施例(包含固件、常驻软件、微代码等)的形式或组合软件与硬件方面的实施例的形式，在本
文中大体上全都称为“电路”或“模块”。所揭示的部分特征可体现于各种处理器中或由各种
处理器执行，例如数字数据处理器或计算机，其中计算机经编程或存储软件指令序列的可
执行程序以执行方法的步骤中的一或多者。因此，本文揭示的特征或至少部分所述特征可
采用具有体现于媒体中的计算机可用程序代码的非暂时性计算机可用存储媒体上的计算
机程序产品的形式。此类程序的软件指令可表示算法且可以机器可执行形式被编码于非暂
时性数字数据存储媒体上。

[0069] 因此，所揭示的实例的部分可涉及具有非暂时性计算机可读媒体的计算机存储产品，其具有其上的程序代码以用于执行体现设备、装置的一部分或实施本文陈述的方法步
骤的各种计算机实施操作。本文使用的非暂时性是指除了暂时性传播信号之外的所有计算
机可读媒体。非暂时性计算机可读媒体的实例包含(但不限于)磁性媒体(例如硬盘、软盘及
磁带)、光学媒体(例如CD‑ROM磁盘)、磁光媒体(例如软式磁盘)及具体经配置以存储及执行
程序代码的硬件装置(例如ROM及RAM装置)。程序代码的实例包含例如由编译器产生的机器
代码及含有可由计算机使用解释程序执行的更高级代码的文件两者。

[0070] 本文使用的术语仅是出于描述特定实施例的目的且不希望限制本发明。如本文所使用，单数形式“一(a/an)”及“所述”希望同样也包含复数形式，除非上下文另外明确地指
示。应进一步理解，当术语“包括(comprises/comprising)”用于本说明书中时，其指定所述
特征、整数、步骤、操作、元件及/或组件的存在，但不排除一或多个其它特征、整数、步骤、操
作、元件、组件及/或其群组的存在或添加。

[0071] 本申请案所涉及的所属领域的技术人员应了解，可对所描述的实施例作出其它及另外添加、删除、替代及修改。

[0072] 可主张本发明的各种方面，包含本文所揭示的设备、系统及方法。本文揭示的方面包含：

[0073] A.一种多模式可配置光谱仪，其包含：(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。

[0074] B.一种操作多模式可配置光谱仪的方法。在一个实施例中，所述方法包含：(1)采用光学传感器的多个有源像素区域中的至少一者将光学输入转换成电信号；(2)将所述电
信号提供到具有多个可选择转换电路的转换电路；及(3)经由所述可选择转换电路中的一
者将所述电信号转换成数字输出。

[0075] C.一种光学监测系统，其包含：(1)光学接口，其经配置以传递从处理腔室观测到的光；(2)多模式可配置光谱仪，其经配置以从所述光学接口接收所述光作为光学输入。所
述多模式可配置光谱仪包含：(2A)光学传感器，其经配置以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；
(2B)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；及(2C)传感器控制
器，其经配置以基于所述光学输入设置所述光学传感器的操作模式及选择所述可选择转换
电路中的一者以提供所述数字输出。

[0076] D.一种多模式可配置光谱仪，其包含：(1)光学传感器，其包含用于将光学输入转换成电信号的多个有源像素区域及用于所述多个有源像素区域中的每一者的移位寄存器，
其中所述有源像素区域中的每一者为可独立受控的；(2)转换电路，其包含可选择转换电
路，所述转换电路经配置以接收所述电信号及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，其中一组唯一至少四个不同可选择转换电路连接到所述移位寄
存器中的每一者，且所述至少四个不同可选择转换电路包含具有高速模/数转换器的电路、
具有低速模/数转换器的电路及组合电路；及(3)传感器控制器，其经配置以基于所述光学
输入的类型改变所述光学传感器的操作模式及所述可选择转换电路中的所选择者以提供
所述数字输出。

[0077] 所述A、B、C及D方面中的每一者可组合有以下额外元素中的一或多者：

[0078] 元素1：进一步包括传感器控制器，其经配置以引导所述光学传感器的操作及选择所述可选择转换电路中的至少一者来提供所述数字输出。元素2：其中所述传感器控制器经
配置以设置所述光学传感器的操作模式以引导其操作且经配置以基于所述操作模式选择
所述可选择转换电路中的所述至少一者。元素3：其中所述传感器控制器经配置以动态地设
置所述操作模式及动态地选择所述可选择转换电路中的所述至少一者。元素4：其中所述传
感器控制器经配置以动态地设置所述操作模式及基于由所述光学传感器接收到的所述光
学输入动态地选择所述可选择转换电路中的所述至少一者。元素5：其中所述传感器控制器
包含可编程集成电路，所述可编程集成电路经配置以设置所述光学传感器的所述操作模
式。元素6：其中所述传感器控制器包含经配置以处理所述数字数据的处理器。元素7：其中
所述可选择转换电路中的至少一者是组合电路，所述组合电路经配置以从所述多个有源像
素区域中的至少两者接收信号且将所述信号转换成所述数字输出。元素8：其中所述组合电
路包含加法电路、差分电路、除法电路、乘法电路或交错电路。元素9：其进一步包括用于所
述多个有源像素区域中的每一者的移位寄存器，其中每一移位寄存器具有耦合到其的所述
可选择转换电路中的至少两个不同可选择转换电路。元素10：其中所述可选择转换电路中
的所述至少两个不同可选择转换电路包含具有高速模/数转换器的可选择转换电路及具有
低速模/数转换器的可选择转换电路。元素11：其中所述多个有源像素区域中的至少一者具
有多个行，所述多个行独立地经处理以确定所述数字输出。元素12：其中所述光学输入包含
多个光学信号。元素13：其中所述多个光学信号包含不同类型的光学信号。元素14：其中所
述光学信号是从由以下各者组成的列表中选出的某一类型的光学信号：连续光学信号、脉
冲光学信号、光学发射光谱学(OES)信号、干涉测量端点(IEP)信号、组合OES与IEP信号及组
合连续与脉冲光学信号。元素15：其中所述光学输入包含多个光学信号，且所述传感器控制
器经配置以基于所述多个光学信号中的至少一者的类型设置所述操作模式。元素16：其中
所述光学输入包含多个光学信号，且所述传感器控制器经配置以基于所述多个光学信号中
的至少一者的特性设置所述操作模式。元素17：其中所述特性包含信号电平、信噪比、取样
率、脉冲率或波长区域。元素18：其中所述光学输入包含多个光学信号，且所述传感器控制
器经配置以基于所述多个光学信号中的一者的类型是OES设置所述操作模式。元素19：其中
所述光学输入包含多个光学信号，且所述传感器控制器经配置以基于所述多个光学信号中
的一者的类型是IEP设置所述操作模式。元素20：其中所述光学输入包含多个光学信号，且
所述传感器控制器经配置以基于所述多个光学信号中的一者的类型是OES与IEP的组合设
置所述操作模式。元素21：其中所述光学传感器进一步包含用于所述多个有源像素区域中
的每一者的多个输出。元素22：其中所述数字输出包含多个数字信号。元素23：其中所述传
感器控制器经配置以通过针对所述有源像素区域中的一者的至少一部分采用电子快门来
引导所述光学传感器的操作。元素24：其进一步包括从受监测的半导体工艺接收所述光学
输入及从与所述受监测的半导体工艺相关联的外部系统接收操作模式的选择。元素25：其
中接收所述操作模式的所述选择发生于所述受监测的半导体工艺开始之前。元素26：其进
一步包括为所述光学传感器选择操作模式及选择所述可选择转换电路中的所述一者。元素
27：其中动态地执行所述选择所述模式及所述选择所述一者中的至少一者。元素28：其中用
于选择所述模式及用于选择所述一者的基础从由以下各物组成的列表中选择：光学输入的
类型，所述光学输入的特性，数字输出的信噪比值，及数据率。元素29：其中所述光学输入的
类型包含连续光学信号、脉冲光学信号、光学发射光谱学(OES)信号、干涉测量端点(IEP)信
号、组合OES与IEP信号及组合连续与脉冲光学信号。元素30：其中所述选择所述可选择转换
电路中的所述一者包含从由以下各物组成的列表选择电路：具有高速模/数转换器的电路，
具有低速模/数转换器的电路，及组合电路。元素31：其中所述传感器控制器经配置以从与
所述处理腔室相关联的外部系统接收所述操作模式的选择及所述可选择转换电路中的所
述一者的选择。元素32：其中所述传感器控制器根据生成所述光的所述处理腔室中的半导
体工艺选择所述操作模式及所述可选择转换电路。元素33：其中所述传感器控制器在所述
半导体工艺期间动态地选择不同操作模式及所述可选择转换电路中的不同者。元素34：其
中根据在所述处理腔室中观测到的所述光的类型选择所述操作模式及所述可选择转换电
路。元素35：其中所述光的所述类型从由以下各物组成的列表中选择：连续光学信号、脉冲
光学信号、光学发射光谱学(OES)信号、干涉测量端点(IEP)信号、组合OES与IEP信号及组合
连续与脉冲光学信号。元素36：其中所述多模式可配置光谱仪进一步包括用于所述多个有
源像素区域中的每一者的移位寄存器，其中所述移位寄存器中的每一者具有耦合到其的所
述可选择转换电路中的至少两个不同可选择转换电路。元素37：其中所述可选择转换电路
中的所述至少两个不同可选择转换电路包含具有高速模/数转换器的可选择转换电路及具
有低速模/数转换器的可选择转换电路。元素38：其中所述可选择转换电路进一步包含耦合
到所述移位寄存器中的至少两者的组合电路。