TW201602568A - Ｘ射線散射儀裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一裝置，其包含在具有一軸之平面中固持樣本之樣本支撐件，該平面界定藉由其分離之第一及第二區域。第一區域中之射線源架座圍繞該軸旋轉，且該射線源架座上之X射線源引導X射線之第一及第二入射射束以第一及第二角度沿與該軸正交之射束軸照射於樣本上。第二區域中之偵測器架座在與軸正交之一平面中移動，且該偵測器架座上之X射線偵測器回應於第一及第二入射射束而接收透射通過樣本之X射線之第一及第二繞射射束，且回應於所接收之第一及第二繞射射束而分別輸出第一及第二信號。處理器分析該等第一及第二信號，以判定樣本之表面之輪廓。

Description

X射線散射儀裝置 [申請案之交叉參考]
本發明主張2014年6月22日申請之美國臨時專利申請案62/015,451，該案之全文以引用之方式併入本文中。
本發明大體上係關於X射線度量衡，且特定言之，本發明係關於小結構之X射線度量衡。
精確測量小特徵之形狀及空間尺寸(大小)在半導體產業中係至關重要。由於諸如特徵寬度之臨界尺寸(CD)急劇縮小為100nm以下至10nm及以下，測量製造處理控制所需之關鍵參數之習知方法面臨重大挑戰。此等技術包含光學散射儀，亦被稱為光學臨界尺寸(OCD)度量衡，其通過通常當從特徵之一週期陣列中散射時紅外線(IR)至紫外線(UV)範圍中之光之幅度、強度及/或極性之改變而測量特徵之形狀及大小。尺寸分析之另一技術係掃描電子顯微技術(SEM)且尤其係形成掃描區域內之特徵之一上下影像且因此可提供個別特徵之截面尺寸之CD-SEM。此等兩種技術係用於當今半導體製造中之尺寸分析之最常用做法。
由於半導體產業朝著更小之特徵及高深寬比(HAR)特徵發展，甚至最先進之OCD及CD-SEM工具亦歸因於待測量之特徵之小面內尺寸及此等特徵之相關深度而具有問題。在具有此高深寬比之小特徵之 OCD技術之情況中存在有關於得到進入且離開該等結構之相對長波長光之問題，而在CD-SEM中，僅探測特徵之頂部且不提供較深深度處之資訊。
諸如原子力顯微鏡(AFM)之其他技術亦已經引入以提供小個別特徵之尺寸分析，但其等仍不能夠將探針***至所關注特徵中。
X射線技術亦經發展以用於尺寸分析，且以下將描述一部分此等技術之態樣。
頒予給Yokhin等人之美國專利6,680,996描述用於測試一樣本之一表面之一方法，該案之全文以引用之方式併入本文中。該方法包含為從第一及第二波長處之表面之一區域之輻射之全部外部反射找到各自第一及第二臨界角度。
頒予給Mazor等人之美國專利7,110,491描述引導X射線之一射束照射於一樣本之一表面上之一週期特徵之一區域上，該案之全文以引用之方式併入本文中。以一反射模式從表面上散射之X射線用於偵測根據方位角而變化散射X射線中之繞射之一光譜。分析繞射之光譜以判定特徵之一尺寸。
頒予給Yokhin等人之美國專利7,551,719中描述用於分析一樣本之裝置，該案之全文以引用之方式併入本文中。該裝置包含一輻射源，其適用於引導X射線之一第一聚光射束朝向樣本之一表面且引導X射線之一第二準直射束朝向該樣本之表面。一運動總成在其中X射線以一掠射角引導朝向樣本之表面之第一射線源位置與其中X射線在布拉格角(Bragg angle)附近引導朝向樣本之表面之第二射線源位置之間移動輻射源。
在Applied Physics Letters 83：19(2003)，頁數4059-4061之「Small Angle X-ray Scattering for Sub-100nm Pattern Characterization」中由Jones等人描述運用基於CD測量之於X射線，該 案之全文以引用之方式併入本文中。作者使用具有一同步加速器X射線源之透射模式小角度X射線散射(SAXS)來特性化形成於一基板上之一系列多聚物光阻劑光柵。X射線射束通過光柵及基板，且使用一二維CCD偵測器測量SAXS圖案。
以引用之方式併入本專利申請案之文件被視為本申請案之一整合部分，除了界定於此等經併入之文件中之任何術語之定義在本說明書中明確表示或暗示有矛盾，僅應考慮本說明書中之定義。
本發明之一實施例提供裝置，其包含：一樣本支撐件，其經組態以在具有一軸之一平面中固定地固持一樣本，該平面在空間中界定藉由該平面分離之第一及第二區域；一射線源架座，其定位於該第一區域中，且經組態以圍繞軸旋轉；一X射線源，其定位於該射線源架座上之第一區域中且經組態以引導X射線之第一及第二入射射束以各自第一及第二角度沿與該軸正交之各自射束軸照射於樣本上；一偵測器架座，其定位於第二區域中且經組態以在與軸正交之一平面中移動；一X射線偵測器，其定位於偵測器架座之第二區域中且經組態以回應於第一及第二入射射束而接收透射通過樣本之X射線之第一及第二繞射射束，且回應於所接收之第一及第二繞射射束而分別輸出第一及第二信號；及一處理器，其經組態以分析該等第一及第二信號而判定樣本之一表面之一輪廓。
在一所揭示之實施例中，X射線源包含經組態以同時產生第一及第二入射射束之一單一X射線源。
在一替代之所揭示之實施例中，X射線源包含經組態以產生第一入射射束之一第一X射線源及經組態以與第一入射射束同時產生第二入射射束之一第二X射線源。
在一進一步替代之所揭示之實施例中，X射線源包含經組態以按順序產生第一及第二入射射束之一單一X射線源。
X射線偵測器可由位於偵測器架座上之一第一位置處以接收第一繞射射束之一第一偵測器及位於偵測器架座上之一第二位置處以接收第二繞射射束之一第二偵測器組成。
在一替代實施例中，偵測器架座經組態以移動而維持X射線偵測器與在射線源架座上圍繞軸旋轉之第一及第二繞射射束之對準。偵測器架座通常經組態以圍繞軸旋轉。
在一進一步替代實施例中，處理器經組態以回應於表面之一理論輪廓而針對X射線偵測器公式化一預期第一信號及一預期第二信號，且使用一成本函數比較預期第一及第二信號與輸出之第一及第二信號以判定該輪廓。處理器可經組態以最小化套用至輸出之第一信號及預期第一信號之成本函數之一第一結果與套用至輸出之第二信號及預期第二信號之成本函數之一第二結果之總和而判定該輪廓。
在第一區域可在樣本下方且第二區域可在樣本上方之情況中，平面可為水平的。
根據本發明之一實施例進一步提供一種方法，其包含：組態一樣本支撐件以在具有一軸之一平面中固定地固持一樣本，該平面在空間中界定藉由該平面分離之第一及第二區域；將經組態以圍繞軸旋轉之一射線源架座定位於第一區域中；將一X射線源定位於該射線源架座上之第一區域中；引導X射線之第一及第二入射射束以各自第一及第二角度沿與該軸正交之各自射束軸從X射線源照射於樣本上； 將經組態以在與軸正交之一平面中移動之一偵測器架座定位於第二區域中；將經組態以回應於第一及第二入射射束而接收透射通過樣本之X射線之第一及第二繞射射束之一X射線偵測器定位於偵測器架座上之第二區域中；回應於所接收之第一及第二繞射射束而分別輸出第一及第二信號；且分析該等第一及第二信號而判定樣本之一表面之一輪廓。
從本發明之實施例之以下詳細描述以及圖式中將更全面地理解本發明，其中：
20‧‧‧X射線散射儀系統
24‧‧‧處理單元(PU)
26‧‧‧樣本
28‧‧‧微聚焦X射線源
32‧‧‧光閥/狹縫總成
36‧‧‧射束調節總成
42‧‧‧射束調節總成
100‧‧‧X射線射束調節總成
102‧‧‧多層鏡
104‧‧‧多層鏡
106‧‧‧傳入X射線射束
108‧‧‧射線源
120‧‧‧替代X射線射束調節總成
122‧‧‧多毛細管準直光學器件
124‧‧‧發散X射線射束
126‧‧‧射線源
128‧‧‧準平行射束
130‧‧‧第一光學晶體元件
132‧‧‧第二光學晶體元件
150‧‧‧射束
160‧‧‧射束
170‧‧‧共同點
174‧‧‧繞射射束
178‧‧‧第一偵測器
180‧‧‧射束阻擋器
184‧‧‧繞射射束
188‧‧‧第二偵測器
190‧‧‧射束阻擋器
194‧‧‧射線源架座；置物台
198‧‧‧偵測器架座；置物台
202‧‧‧抽空腔室
206‧‧‧樣本支撐件；卡盤
210‧‧‧xyφ台
320‧‧‧X射線散射儀系統
322‧‧‧分離X射線源
324‧‧‧分離X射線源
328‧‧‧光閥/狹縫總成
330‧‧‧射束調節總成
334‧‧‧光閥/狹縫總成
336‧‧‧射束調節總成
420‧‧‧X射線散射儀系統
422‧‧‧單一X射線源
424‧‧‧光閥/狹縫總成
426‧‧‧射束調節總成
500‧‧‧一維(1D)溝渠
502‧‧‧材料
504‧‧‧基板
550‧‧‧入射X射線射束
552‧‧‧繞射射束
554‧‧‧第一射線
556‧‧‧第二射線
558‧‧‧第三射線
600‧‧‧二維(2D)圓錐
620‧‧‧入射X射線射束
622‧‧‧繞射射束
700‧‧‧步驟
702‧‧‧步驟
704‧‧‧步驟
706‧‧‧步驟
708‧‧‧步驟
710‧‧‧步驟
712‧‧‧步驟
h‧‧‧高度
w‧‧‧寬度
p‧‧‧間距
2R‧‧‧直徑
β‧‧‧側壁角度(SWA)
θx‧‧‧角度
θy‧‧‧角度
x‧‧‧方向
y‧‧‧方向
z‧‧‧方向
圖1係根據本發明之一實施例之一X射線散射儀系統之一示意圖；圖2係繪示根據本發明之一實施例之一X射線射束調節總成之一示意圖；圖3係繪示根據本發明之一實施例之一替代X射線射束調節總成之一示意圖；圖4係根據本發明之一替代實施例之一X射線散射儀系統之一示意圖；圖5係根據本發明之一進一步替代實施例之一X射線散射儀系統之一示意圖；圖6A係根據本發明之一實施例之在一X射線散射儀系統中研究之一樣本之一部分之一示意截面；圖6B係根據本發明之一實施例之根據圖6A之樣本之X射線之繞射之一示意繪示；圖7A係根據本發明之一替代實施例之在一X射線散射儀系統中研 究之一替代樣本之一部分之一示意截面；圖7B係根據本發明之一實施例之根據圖7A之樣本之X射線之繞射之一示意繪示；及圖8係根據本發明之一實施例之在操作一X射線散射儀系統中執行之步驟之一流程圖。
概述
X射線散射儀，亦被稱為臨界尺寸小角度X射線散射(CD-SAXS)或僅僅稱為X射線臨界尺寸(XCD)度量衡，係已經證實能夠測量配置成一週期陣列之小、高深寬比(HAR)特徵之截面形狀之一技術。
在X射線散射儀中，X射線之一射束照明待測量其尺寸之一樣本目標之特徵之一週期陣列。該目標使得入射X射線相對於入射射束方向在角度範圍之一些度數上待散射，此係由於週期性及大小僅為X射線(~0.1nm)之波長之數倍。散射可被觀察為散射強度中之一系列峰值，其等位置及分離與週期結構之一週期成反比。此等峰值之強度取決於散射特徵之形狀且因此提供判定該等特徵之形狀及大小之一手段。
本發明之實施例提供使用透射幾何形狀之一X射線散射儀。在透射幾何形狀中，X射線入射於樣本之一側上且透射通過該樣本，且接著在對立側上測量經散射之X射線。由於X射線穿透整個樣本深度，在半導體製造中所使用之一300mm Si晶圓之情況中為大約700μm，所以得到所關注之特徵中/外之輻射係無問題的。同時，由於入射射束通常接近樣本之表面之法線，或在法線之一些度數內，所以不存在十分嚴重之X射線點伸長問題，此不同於一反射幾何形狀中之小角度X射線散射儀。
在本發明之一實施例中，一樣本支撐件經組態以在一平面中固 定地固持待分析之一樣本。該平面可處於任何合適之定向，包含垂直、水平，或垂直與水平之間之一定向。該平面亦包括下文將參考之一軸。至於樣本之平面，該平面內之軸可處於任何合適之定向，即垂直、水平，或垂直與水平之間之一定向。為了簡化下列描述，平面及軸皆假定為係水平的，且彼等熟習技術者將能夠改變描述以適合平面及/或軸之其他定向。
平面界定空間中之兩個區域，一區域在平面上方且一區域在平面下方。
一射線源架座經定位於由平面界定之區域之一者中，通常在平面下方，且射線源架座經組態以圍繞水平軸旋轉。在一些實施例中，一X射線源係兩個分離射線源，其經定位於射線源架座上，且其經組態以引導X射線之第一及第二入射射束以各自第一及第二角度沿與水平軸正交之各自射束軸照射於樣本上。
一偵測器架座經定位於由該平面界定之其他區域中。該偵測器架座經組態以在與水平軸正交之一平面中移動，且在一些實施例中可經組態以圍繞軸旋轉。通常為兩個分離偵測器之一X射線偵測器係定位於偵測器架座上，且經組態以回應於第一及第二入射射束而接收透射通過樣本之X射線之第一及第二繞射射束。該偵測器回應於所接收之第一及第二繞射射束而分別輸出第一及第二信號。系統藉由使得偵測器架座可移動而能夠維持偵測器與繞射射束之對準，而無關於X射線源在其之射線源架座上之旋轉。
一處理器通常藉由最小化比較實際第一及第二信號與預期信號之一成本函數來分析該等第一及第二信號，以判定樣本之一表面之一輪廓。
藉由具有使用通常同時操作之兩個分離X射線入射射束之一系統，判定樣本輪廓表面之效率得到改良。此外，藉由具有能夠相對於 固定樣本而旋轉及/或移動之X射線源及偵測器，可快速引起多次讀取該樣本，改良輪廓判定之精確性，以及在具有HAR特徵之樣本上延伸測量之有效範圍。
系統描述
現在參考圖1，其係根據本發明之一實施例之一X射線散射儀系統20之一示意圖。藉由一處理單元(PU)24來操作系統20，處理單元(PU)24充當一系統處理器，且使用儲存於單元之一記憶體之軟體來操作系統20。該軟體可以一電子形式透過一網路上下載至PU 24，(例如)此外或替代地，或其可經提供及/或儲存於非暫時性有形媒體中，諸如磁性，光學或電子記憶體。PU 24通常使用用於處理單元之一圖形使用者介面(GUI)及一輸入裝置，諸如一鍵盤或一指標裝置。系統20之一使用者可提供輸入(諸如系統之操作參數之值)至該系統，以及經由GUI及該輸入裝置接收來自該系統之結果。
使用系統20來分析一宏觀平面樣本26(諸如具有微影圖案特徵之一矽晶圓)之實體特性。以下詳細描述樣本26，且為明確本文之描述，假定平面樣本界定軸之一三維集合，該樣本橫臥於軸之一xy平面中且界定垂直於該樣本之一z軸。xy平面通常係水平的，使得樣本通常係水平的。然而，應瞭解，xy平面及樣本可處於任何合適之定向，且該水平定向僅供例示。假定紙面之平面落於一xz平面中。
系統20包括經組態以產生具有小於0.1nm之波長之X射線之射束之一微聚焦X射線源28。為了產生此等射束，射線源通常使用一鉬、銀或其他適合陽極來在大約50kv下操作。該射線源可使用一商業微聚焦X射線管實施，諸如可購自(例如)Scotts Valley,Ca.之Oxford X-ray Technology Group或德國柏林之rtw RONTGEN-TECHNIK DR.WARRIKHOFF GmbH & Co.KG。
來自射線源28之射束穿過包括一光閥及由X射線不透明材料形成 之一或多個狹縫之一光閥/狹縫總成32，其完全受控於PU 24。總成32之光閥防止射線源28中之X射線射出總成，除非被系統20之操作需要。PU 24組態總成32之一或多個狹縫使得兩個射束從該總成中射出。該等狹縫引導射束之各者至射束調節總成36及42，且該等狹縫經配置以調整射束之各者之一各自擴散及空間範圍而與射束調節總成之需求對應。
圖2係繪示根據本發明之一實施例之一X射線射束調節總成100之一示意圖。總成100包括具有作為橢圓或拋物線圓柱之部分之反射表面之兩個多層鏡102、104。該兩個鏡並排安裝且彼此正交。被稱為Montel光學器件之此一配置可經組態以聚焦來自一射線源108之一傳入X射線射束106，或準直該射束，或產生部分經聚焦且部分經準直之一射束。Montel光學器件總成購自德國Dresden之Axo Dresden GmbH。諸如購自法國Sassenage之Xenocs之FOX 3D之具有較高效率之替代多層鏡亦適合。
圖3係繪示根據本發明之一實施例之一替代X射線射束調節總成120之一示意圖。總成120包括一多毛細管準直光學器件122，其從一射線源126收集一發散X射線射束124且將該射束轉換為一準平行射束128。諸如光學器件120之毛細管光學器件購自紐約東格林布什之XOS公司及德國柏林之Institute for Scientific Instruments GmbH。來自光學器件122之準平行射束被引導至一第一光學晶體元件130且從中變第一光學晶體元件130引導至一第二光學晶體元件132。兩個元件共同形成一複合單色儀及壓縮光學器件。藉由從不平行於晶體面之晶體中之不對稱平面之繞射而獲取壓縮。元件130及132充當一分散元件，其將不同波長展開至不同角度且該等波長可經選擇在下游具有選擇所分散之波長之一窄範圍之一狹縫。元件130及元件132可從矽或鍺單一晶體中經組態，如在先前技術中所已知。
返回系統20(圖1)，射束調節總成36及42可組態為總成100或為總成120，或係先前技術中已知之任何其他適合射束調節總成。總成36及42產生各自射束150及160，且該等總成經組態以各自界定射出角度範圍(即準直之程度)、射出波長範圍(即單色之程度)及其等各自射出射束之空間範圍。通常可由系統20之一使用者根據該系統之一預定用途而調整調節總成以設定射出射束特性，即準直、單色及射出射束之範圍。例如，若系統將檢測一小區域，則射出射束可經組態以經準直且具有小空間範圍。替代地，若將檢測一大區域，則該射出射束可經組態以經聚焦且具有一相對大空間範圍(將該射束聚焦於一系統偵測器上可增加系統解析度，以下將詳細描述)。
調節總成36及42以及光閥/狹縫總成32經組態使得射束150及射束160以不同入射角度入射於一樣本26上之一共同點170上。
藉由樣本26之一表面172之特徵而使射束150繞射。為明確起見，假定表面172包括樣本26之一頂部表面，但應瞭解，表面172可為樣本之頂部或底部表面。樣本26之其他表面通常平坦。在繞射射束之一模型中考量表面26中之繞射，於下文描述。一第一偵測器178經組態以接收繞射射束174，且一射束阻擋器180定位於該偵測器前方以直接阻礙來自射束150之透射X射線。即，當對著點170時，射束阻擋器180經組態以實質上具有與入射射束150相同之角度範圍，從而阻礙來自樣本26之未繞射之X射線。
亦藉由表面172之特徵使射束160繞射以形成一繞射射束184。一第二偵測器188經組態以接收繞射射束184，且具有與入射射束160相同之角度範圍之一射束阻擋器190定位於偵測器之前以直接阻礙來自射束160之透射X射線。
射束阻擋器180及190應經組態以(例如)藉由從單一晶體矽之具有已經不對稱切割、磨薄、拋光及蝕刻之表面之薄板片中形成而產生最 小散射。
射束偵測器178及188可在適當位置交錯使得儘管只存在兩個繞射射束之一小分離，該等偵測器仍能夠完全獲得射束。該等射束偵測器可係二維(2D)或一維(1D)，且應能夠光子計數。偵測器之元件通常應足夠小以提供小於大約0.1mrad之一集光角(angular acceptance)，使得其等能夠測量樣本26中之具有優良角度解析度之小角度散射強度分布。
適合射束偵測器之實例包含但不限制於市售電荷耦合設備(CCD)及互補金屬氧化物半導體(CMOS)相機。替代地，射束偵測器可包括矽PIN二極體陣列偵測器，諸如瑞士巴登之DECTRIS Ltd製造之Pilatus或Eiger系列設備之一者。
在一些實施例中，樣本26與偵測器178及188之間之區域可包含一抽空腔室202，通常為在其兩端處具有X射線透明窗之一管道腔室。該腔室內之抽空空間藉由樣本與偵測器之間之空氣來消除X射線之散射。
射線源28、總成32、及調節總成36及42安裝於一可旋轉射線源架座194(在本文中亦稱為置物台194)上。該置物台具有平行於y軸之一旋轉軸，其經組態以圍繞點170旋轉，且其之旋轉藉由PU 34控制。因此，置物台之旋轉使射束150及160圍繞通過點170且平行於y軸之一線旋轉。
射束偵測器178及188以及射束阻擋器180及190安裝於一電動偵測器架座198(在本文中亦稱為一置物台198)上。置物台198之運動亦受控於PU 34，使得對於置物台194之任何旋轉，射束阻擋器180及190繼續阻礙引導X射線射束，而偵測器178及188繼續能夠獲得繞射射束，此係由於置物台198之移動經組態以維持偵測器178及188與繞射射束之對準。在一些實施例中，置物台198經組態以使射束阻擋器及 偵測器圍繞平行於y軸且通過點170之一軸旋轉。
樣本26安裝於一樣本支撐件206(在本文中亦稱為卡盤206)上，其允許X射線實質上在樣本之表面上透射。卡盤206通常包括一環狀樣本支撐件，但其他設計亦可，諸如該樣本之一三點動態架座。卡盤206安裝於用於相對於入射X射線射束而設置xy平面上之樣本之空間位置之一xyφ台210上。台210亦經組態以設置圍繞垂直於樣本之表面之一軸之樣本26之方位角旋轉φ。
圖4係根據本發明之一替代實施例之一X射線散射儀系統320之一示意圖。除了以下描述之差異，系統320之操作大體上類似於系統20(圖1、圖2及圖3)之操作，且系統20及320中之由相同元件符號指示之元件通常在建構及操作上係類似的。與其中射束150及160藉由一單一射線源產生之系統20相比而言，在系統320中存在大體上類似於X射線源28之兩個分離X射線源322、324。各射線源經組態以發射經由一光閥/狹縫總成引導至一射束調節器之一單一射束。因此，射線源322經由一光閥/狹縫總成328將其之射束引導至一射束調節總成330，從而產生射束150。類似地，射線源324經由一光閥/狹縫總成334將其之射束引導至一射束調節總成336(大體上類似於總成36)，從而產生射束160。
射線源322、324、總成328、330及總成334、336都安裝於可旋轉置物台194上。至於系統20，在系統320中，射束150及160經組態以在樣本26上之點170處會合，且置物台之旋轉圍繞通過點170且平行於y軸之一線旋轉射束。
儘管射線源322及324係分離的，但該兩個射線源可經組態以同時操作。因此，至於系統20，射束150及170同時入射於點170上。
圖5係根據本發明之一替代實施例之一X射線散射儀系統420之一示意圖。除了以下描述之差異，系統420之操作大體上類似於系統20 及320(圖1至圖4)之操作，且由系統420、320及20中之相同元件符號指示之元件通常在建構及操作上係類似的。與系統20及320相比而言，在系統420中，在任何給定時間產生僅一單一射束，即射束150。藉由一單一X射線源422產生單一射束。射線源422經由一光閥/狹縫總成424將其之射束引導至一射束調節總成426(大體上類似於總成36)，從而產生射束150。射線源422及總成424、426都安裝於可旋轉置物台194上。
圖6A係根據本發明之一實施例之樣本26之一部分之一示意截面。在本文中(例如)假定樣本26經形成具有與y軸平行之一維(1D)溝渠500之一陣列。假定溝渠500形成於一材料502(諸如SiO2)中，或覆蓋一基板504之材料(通常為矽)中，或該等溝渠可蝕刻至基板504本身內。假定各溝渠具有一高度h、頂部之一寬度w、一側壁角度(SWA)β，即相對於z軸測量之壁之角度。該等溝渠藉由一間距p在x方向上分離。
圖6B係根據本發明之一實施例之由圖6A之樣本之X射線之繞射之一示意繪示。一入射X射線射束550照射於樣本26上，且該樣本繞射該入射射束。例如，繪示一繞射射束552之三個射線：未從射束550偏斜之一第一射線554；在x方向上以一角度θx從射束550偏斜之一第二射線556；及在y方向上以一角度θy從射束550偏斜之一第三射線558。一般而言，繞射射束552中存在多重射線，該等射線之各者具有界定該射線之偏斜之一對值(θx,θy)。
繞射射束552入射於一X射線偵測器上，在圖式中未展示但在本文中假定該偵測器為包括諸如偵測器178或188之像素偵測器之一二維陣列之一偵測器。本發明之實施例積分由沿y軸之像素產生之信號的值，在本文中將積分信號之集合稱為I1，各積分信號對應於偵測器之一不同x值。
本發明之實施例使用qx及qy之值而非使用x及y值來界定偵測器上之繞射射束之一位置，其等係定義如下：q x =(2π/λ)sin(2θ x ),q y =(2π/λ)sin(2θ y )其中λ為X射線波長，且θx,θy為x及y方向上之散射角度。
圖6B示意地展示溝渠之一1D集合之積分信號I1對qx之一理論圖表。
圖7A係根據本發明之一替代實施例之樣本26之一部分之一示意截面。假定樣本26現在係(例如)由形成於覆蓋基板504之材料502中之二維(2D)圓錐600之一陣列所形成。本文描述且在圖7B中繪示之實例展示一矩形洞陣列，但熟習技術者將能夠概括其他配置之陣列，諸如六邊形封裝。假定各圓錐具有一高度h、頂部之一直徑2R、一側壁角度(SWA)β(對應於圓錐之半角度)，且該等圓錐係藉由一間距p在x方向上分離。
圖7B係根據本發明之一實施例之根據圖7A之樣本之X射線之繞射之一示意繪示。一入射X射線射束620照射於樣本26上，且該樣本將入射射束繞射至一繞射射束622。
繞射射束622入射於一X射線偵測器上，該偵測器在本文中假定為實質上類似於參考圖6B之以上描述之像素偵測器之一二維陣列。積分由沿y軸之像素產生之信號的值，將積分信號之集合稱為I1，各積分信號對應於偵測器之一不同x值。
圖7B示意地展示圓錐之一2D集合之積分信號I1對qx之一理論圖表。(表達式qx如參考圖6B之以上描述)。
圖8係根據本發明之一實施例之在操作一X射線散射儀系統中執行之步驟之一流程圖。為明確起見，描述係針對操作系統20，且利用該系統來分析樣本26之特徵，且熟習技術者能夠將該描述改變以適合 於其他散射儀系統，諸如系統320及420。
在一模型公式化步驟700中，公式化包括向量元素之一向量，該等向量元素對應於包含預期影響偵測器上之X射線之強度之表面172之幾何特性之樣本26的變數。偵測器178、188上之預期強度的模型係從影響該強度之四個分量建立，且以下四個區塊之各者描述該等分量之一者。
1.一偵測器處之理論X射線強度
表面172之幾何特徵使得傳入X射線射束經繞射。本文考慮幾何特徵之兩個實例。
a)在一第一實例中，表面172由一維(1D)溝渠之一集合形成，如參考圖6A、圖6B之以上描述，且該等溝渠具有一高度h、頂部之一寬度w及一側壁角度(SWA)β。在藉由PU 24執行之分析中，藉由考慮在m個不同位置處之溝渠之高度及寬度而概算溝渠之輪廓，其中m為概算中所使用之步驟數目。在此情況中，第i步驟中之平均高度hi給出為：
其中
第i步驟之平均寬度wi給出為：
該等溝渠內之m個不同位置充當線性狹縫之m個設置，各設置使傳入X射線射束繞射以提供一多狹縫繞射圖案，此藉由狹縫之各者產生之單一狹縫繞射圖案予以調變。如以上關於圖6A及圖6B之陳述，偵測器178及188上之信號沿其等各自y軸予以積分。以下方程式(3)給出藉由偵測器之一者之各行(即，以一給定y值)獲得之積分信號之一 表達式：
其中參考圖6A及圖6B界定以上p、w、h及qx、qy；N為照明溝渠之數目，使得pN為照明樣本之寬度；cb為指示溝渠中與其等周圍之材料之間之散射對比之一對比因數；i=1,2,...m；及qz=ω．qx，其中ω為入射X射線射束與樣本之表面之法線之間之角度。
b)在一第二實例中，表面172由二維(2D)圓錐之一集合形成，如參考圖7A、圖7B之以上描述，且該等圓錐具有一高度h、頂部之一直徑2R、一側壁角度(SWA)β，且該等圓錐藉由X方向上之一間距p而分離。PU 24藉由考慮m個不同位置處之圓錐而執行與以上描述之溝渠相同類型之概算。
以上方程式(1)給出概算之第i步驟中之圓錐之平均高度hi。以下方程式(4)給出第i步驟中之圓錐之平均半徑Ri：R i =R-h i ．tan β (4)
該等圓錐內之m個不同位置充當2D洞之m個陣列，各陣列繞射傳入X射線射束以提供一多洞繞射圖案，此藉由洞之各者產生之單一洞繞射圖案來調變。如以上所解釋，偵測器178及188上之信號沿其等各自y軸予以積分。以下方程式(5)給出藉由偵測器之一者之各「y行」獲得之積分信號之一表達式：
其中
方程式(5)及(5B)中之變數係如以上方程式(3)且參考圖7A、圖7B所界定；此外； cc為指示洞中與其等周圍之材料之間之散射對比之一對比因數；且J1()為一Bessel函數。
2.藉由繞射特徵之粗糙度修改X射線強度
如以上所陳述，且如方程式(3)及(5)所展示，偵測器178及188上之信號沿偵測器之y軸予以積分。對應於以上實例中之由方程式(3)及(5)所產生之總體之積分信號係一積分強度(沿y軸)，且在本文中再寫為I1。
樣本26上之特徵之粗糙度使得此強度根據方程式(6)修改至一強度I2。
I 2=I 1．exp(-q x 2 σ r 2) (6)
其中σr對應於特徵化形狀之粗糙度及其他隨機瑕疵之一Debye-Waller因數。
3.藉由模糊修改X射線強度
強度I2之表達式亦適用於一入射平行X射線射束。實務上，該入射射束具有一有限角散度，此引起偵測器上之模糊，其依據射束之一角散度、樣本26之射束之一截面及該偵測器之像素之一有限尺寸而變化。一偵測器處之模糊強度I3(q)之一表達式藉由方程式(7)給出：
在方程式(7)中，B(q)係一迴旋，其由下列給出：
其中σ為射束之角散度之一標準偏差， 其中sbeam為射束之大小，spixel為偵 測器上之像素之大小且f為樣本與偵測器之間之距離。
在方程式(7)中，b=Br.B
其中Br為一整數，通常為5， ，其中Div=2.35σ；且 △q為一數字積分步驟。
4.藉由背景輻射修改X射線強度
方程式(7)之強度I3(q)不考慮背景輻射。相加至強度I3(q)之背景強度Bg之一表達式藉由方程式(8)給出：
其中Bgn(n=0，...，3)為描述緩慢變化之q函數之擬合常數。
因此，一偵測器之像素之一y軸行上之積分強度I之一表達式藉由方程式(9)給出：I=I3(q)+Bg(q) (9)
應瞭解，表達式I之值取決於樣本26之表面特性之值，例如，圖6A及圖6B之實例之溝渠之h、w及β之值，及圖7A及圖7B之實例之圓錐之h、R及β之值。I之值亦取決於其他參數，例如區塊(1)至(4)中所使用之參數。
在以下描述中，I之表達式再寫為：
其中qx、qy係如以上參考圖6A及圖6B及方程式(3)所界定；及係具有對應於影響If值之參數之向量元素之一多維度向量。
I之表達式用於一成本函數中，如以下所描述。
返回流程圖，在一對準步驟702中，通常藉由最初定位一校準目標於卡盤206上而使系統20之元件彼此對準，且操作射線源28，同時 調整系統元件之位置直至偵測器178及188獲得可接受信號。校準目標可為具有通常藉由(例如)掃描電子顯微技術而非使用系統20之一方法特徵化之週期特徵之一樣本。替代地，校準目標可包括先前已藉由系統20分析之一樣本。
在一初始操作步驟704中，待分析之一樣本(通常為一製造設備中之一半導體晶圓)定位於卡盤上，且一旦已對準樣本，則用具有X射線之兩個射束輻照樣本。若使用系統20或系統320，則來自射線源28或射線源322、324之兩個射束通常同時發生。若使用系統420，則來自射線源422之兩個射束按順序發生。該兩個射束以不同角度輻照該樣本。
在一信號擷取步驟706中，由藉由偵測器獲得兩個射束產生之強度，且PU 24記錄由該等偵測器產生之對應信號。
在一初始分析步驟708中，PU 24根據以下方程式評估樣本26之優質數FOM：
其中針對兩個測量之典型相等加權，w為等於0.5之一加權因數，N為第一偵測器中之受輻照像素之數目，假定具有一指數1，其中輻照射束處於一第一角度，且M為第二偵測器中之受輻照像素之數目，假定具有一指數2，其中輻照射束處於一第二角度。
在方程式(11)中，Ii、Ik為藉由第一及第二偵測器分別測量之實 際強度且為一所選擇之 向量之預期強度。
在步驟708中，提供對應於樣本26之表面特性之預期強度的表達式中之向量元素通常被選擇為與特性之標稱值對應。例如，在以上所描述之1D溝渠之實例中，尤其，預期強度係針對具有溝渠之標稱高度、溝渠之標稱間距及溝渠之頂部之標稱寬度之值之樣本26。
PU 24記錄步驟708中找到之FOM之值。
應瞭解，兩組值之記錄之間之差異在方程式(11)中充當為一成本函數。
在一進一步分析及比較步驟710中，PU 24迭代地改變向量元素之一或多個值，再評估FOM，且記錄新FOM值。該等迭代將持續下去直至FOM最小化。
在一最終步驟712中，當向量處於FOM係最小值時，PU 24輸出對應於樣本26之表面特性之向量元素之值。
在一些實施例中，在最終步驟712之前，在已旋轉射線源架座194之後重複步驟704至710，且偵測器架座198已經移動而維持偵測器之對準。在此情況中，PU 24使用在步驟706中獲得之新信號來再評估FOM。
以上描述(例如)已經考慮具有1D溝渠及2D圓錐之樣本。應瞭解，本發明之實施例不限制於判定包括諸如以上描述之溝渠及/或圓錐之樣本表面之輪廓。例如，該樣本表面可包括支柱，及/或溝渠或具有弧形邊緣之截面之圓錐。此等實施例可藉由產生一合適向量來分析。一般而言，藉由產生一對應向量實質上可判定任何輪廓。
儘管以上描述大體上已假定以上參考之樣本具有一水平定向，且射線源架座之旋轉軸為水平的，但應瞭解此等定向僅供例示，且該樣本及/或定向軸可為包含非水平定向之任何合適定向。
因此應瞭解，以上描述之實施例藉由實例之方式提及，且本發明不限制於特定展示及以上描述之內容。而是，本發明之範疇包含以 上描述之各種特徵之組合及子組合，且熟習技術者通過閱讀上述描述將明白先前技術中未揭示之本發明之變動及修改。
20‧‧‧X射線散射儀系統
24‧‧‧處理單元(PU)
26‧‧‧樣本
28‧‧‧微聚焦X射線源
32‧‧‧光閥/狹縫總成
36‧‧‧射束調節總成
42‧‧‧射束調節總成
150‧‧‧射束
160‧‧‧射束
170‧‧‧共同點
174‧‧‧繞射射束
178‧‧‧第一偵測器
180‧‧‧射束阻擋器
184‧‧‧繞射射束
188‧‧‧第二偵測器
190‧‧‧射束阻擋器
194‧‧‧射線源架座；置物台
198‧‧‧偵測器架座；置物台
202‧‧‧抽空腔室
206‧‧‧樣本支撐件
210‧‧‧xyφ表
x‧‧‧方向
y‧‧‧方向
z‧‧‧方向

Claims (22)

  1. 一種裝置，其包括：一樣本支撐件，其經組態以在包括一軸之一平面中固定地固持一樣本，該平面在空間中界定由該平面分離之第一及第二區域；一射線源架座，其經定位於該第一區域中，且經組態以圍繞該軸旋轉；一X射線源，其經定位於該射線源架座上之該第一區域中，且經組態以引導X射線之第一及第二入射射束以各自第一及第二角度沿與該軸正交之各自射束軸照射於該樣本上；一偵測器架座，其經定位於該第二區域中，且經組態以在與該軸正交之一平面中移動；一X射線偵測器，其經定位於該偵測器架座之該第二區域中，且經組態以回應於該等第一及第二入射射束而接收透射通過該樣本之X射線之第一及第二繞射射束，且回應於該等所接收之第一及第二繞射射束而分別輸出第一及第二信號；及一處理器，其經組態以分析該等第一及第二信號來判定該樣本之一表面之一輪廓。
  2. 如請求項1之裝置，其中該X射線源包括經組態以同時產生該等第一及第二入射射束之一單一X射線源。
  3. 如請求項1之裝置，其中該X射線源包括經組態以產生該第一入射射束之一第一X射線源，及經組態以與該第一入射射束同時產生該第二入射射束之一第二X射線源。
  4. 如請求項1之裝置，其中該X射線源包括經組態以按順序產生該等第一及第二入射射束之一單一X射線源。
  5. 如請求項1之裝置，其中該X射線偵測器包括經定位於該偵測器架座上之一第一位置處以接收該第一繞射射束之一第一偵測器，及經定位於該偵測器架座上之一第二位置處以接收該第二繞射射束之一第二偵測器。
  6. 如請求項1之裝置，其中該偵測器架座經組態以移動以便於維持該X射線偵測器與在該射線源架座上圍繞該軸旋轉之該等第一及第二繞射射束的對準。
  7. 如請求項6之裝置，其中該偵測器架座經組態以圍繞該軸旋轉。
  8. 如請求項1之裝置，其中該處理器經組態以回應於該表面之一理論輪廓而針對該X射線偵測器公式化一預期第一信號及一預期第二信號，且使用一成本函數來比較該等預期第一及第二信號與該等輸出之第一及第二信號，以判定該輪廓。
  9. 如請求項8之裝置，其中該處理器經組態以最小化套用至該輸出之第一信號及該預期第一信號之該成本函數之一第一結果與套用至該輸出之第二信號及該預期第二信號之該成本函數之一第二結果的總和來判定該輪廓。
  10. 如請求項1之裝置，其中該平面係水平的。
  11. 如請求項10之裝置，其中該第一區域係在該樣本下方，且其中該第二區域係在該樣本上方。
  12. 一種方法，其包括：組態一樣本支撐件，以在包括一軸之一平面中固定地固持一樣本，該平面在空間中界定由該平面分離之第一及第二區域；將經組態以圍繞該軸旋轉之一射線源架座定位於該第一區域中；將一X射線源定位於該射線源架座上之該第一區域中；引導X射線之第一及第二入射射束以各自第一及第二角度沿與 該軸正交之各自射束軸從該X射線源照射於該樣本上；將經組態以在與該軸正交之一平面中移動之一偵測器架座定位於該第二區域中；將經組態以回應於該等第一及第二入射射束而接收透射通過該樣本之X射線之第一及第二繞射射束之一X射線偵測器定位於該偵測器架座上之該第二區域中；回應於該等所接收之第一及第二繞射射束而分別輸出第一及第二信號；且分析該等第一及第二信號以判定該樣本之一表面之一輪廓。
  13. 如請求項12之方法，其中該X射線源包括經組態以同時產生該等第一及第二入射射束之一單一X射線源。
  14. 如請求項12之方法，其中該X射線源包括經組態以產生該第一入射射束之一第一X射線源，及經組態以與該第一入射射束同時產生該第二入射射束之一第二X射線源。
  15. 如請求項12之方法，其中該X射線源包括經組態以按順序產生該等第一及第二入射射束之一單一X射線源。
  16. 如請求項12之方法，其中該X射線偵測器包括經定位於該偵測器架座上之一第一位置處以接收該第一繞射射束之一第一偵測器，及經定位於該偵測器架座上之一第二位置處以接收該第二繞射射束之一第二偵測器。
  17. 如請求項12之方法，其中該偵測器架座經組態以移動以便於維持該X射線偵測器與在該射線源架座上圍繞該軸旋轉之該等第一及第二繞射射束的對準。
  18. 如請求項17之方法，其中該偵測器架座經組態以圍繞該軸旋轉。
  19. 如請求項12之方法，其中分析該等第一及第二信號包括回應於 該表面之一理論輪廓而針對該X射線偵測器公式化一預期第一信號及一預期第二信號，且使用一成本函數來比較該等預期第一及第二信號與該等輸出之第一及第二信號，以判定該輪廓。
  20. 如請求項19之方法，且包括最小化套用至該輸出之第一信號及該預期第一信號之該成本函數之一第一結果與套用至該輸出之第二信號及該預期第二信號之該成本函數之一第二結果的總和以判定該輪廓。
  21. 如請求項12之方法，其中該平面係水平的。
  22. 如請求項21之方法，其中該第一區域係在該樣本下方，且其中該第二區域係在該樣本上方。
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