CN106164618B - 通过x射线反射散射测量来测量样本的方法和系统 - Google Patents

通过x射线反射散射测量来测量样本的方法和系统 Download PDF

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Abstract

公开了使用多角度X射线反射散射测量(XRS)用于测量周期结构的方法和系统。例如，通过X射线反射散射测量以测量样本的方法包括，使入射X射线束撞击具有周期结构的样本以生成散射X射线束，入射X射线束同时提供多个入射角和多个方位角。该方法还包括收集散射X射线束中的至少部分。

Description

通过X射线反射散射测量来测量样本的方法和系统
技术领域
本发明的实施方式在X射线反射散射测量(XRS)的领域内，并且具体地，是使用多角度XRS测量周期结构的方法和系统。
背景技术
由于集成电路(IC)特征不断缩小到越来越小的尺寸，用于测量这种特征的计量上的约束成为压倒性的。例如，伴随每个新一代IC技术，临界尺寸扫描电子显微镜(CD-SEM)计量的几个缺点变得更加显著。缺点可以包括：(1)已公知的充电问题，限制IC计量应用可到达的分辨率，(2)辐射损伤引起的抵抗的尺寸收缩，(3)与一些低k电介质的不相容，以及(4)CD-SEM实质上是表面技术，使得难以测量三维(3D)分布。
类似地，光学临界尺寸(OCD)计量面临若干基础困难，包括：(1)使用的相对长的波长通常显著大于器件特征尺寸，并因此不能提供简单和直接的测量，以及(2)OCD需要大量的建模和内插，因此使测量灵敏度妥协。此外，在上个十年中，通过减小电路特征尺寸，使用越来越短的波长已成为必需。当前大多数先进的OCD系统使用深紫外(DUV)波长。由于更短波长辐射在固体中或者即使在低真空中的极低透射，进一步增加的波长减少是不实际的。许多的问题会因此出现，包括低探测深度、缺乏合适的光学器件以及严格的真空要求。这种基础限制使得实际上不可能扩展这些现有技术来满足下一代IC制备的临界尺寸控制要求。
掠入射小角度散射(GISAS)是用于研究纳米结构的表面和薄膜的散射技术。散射的探头是光子(掠入射小角度X射线散射，GISAXS)或者中子(掠入射小角度中子散射，GISANS)两者之一。在两者之中任一情况下，入射束在接近总外部X射线反射的临界角的小角度下击中样本。强反射束以及在入射平面上的强散射通过棒形束阑(beam stop)衰减。来自样本的漫散射通常利用面检测器记录。然而，由于在GISAS技术中使用的入射角通常低于几度，并且甚至小至几分之一度。因此，当用于测量3D结构时，由于入射束方向大多仅沿着这种3D结构的上表面，通过GISAS获得的信息会受到限制。
因此，在3D结构的计量中需要改进。
发明内容
本发明的实施方式涉及使用多角度X射线反射散射测量(XRS)用于测量周期结构的方法和系统。
在实施方式中，通过X射线反射散射测量用于测量样本的方法包括：使入射X射线束撞击具有周期结构的样本以生成散射X射线束，入射X射线束同时提供多个入射角和多个方位角。该方法还包括收集散射X射线束中的至少部分。
在另一个实施方式中，通过X射线反射散射测量用于测量样本的系统包括用于生成具有近似1keV或更低能量的X射线束的X射线源。系统还包括用于定位具有周期结构的样本的样本架。系统还包括放置在X射线源与样本架之间的单色器，单色器用于聚焦X射线束以将入射X射线束提供至样本架，入射X射线束同时具有多个入射角和多个方位角。系统还包括用于收集来自样本的散射X射线束中的至少部分的检测器。
附图说明
图1示出经使用具有单个入射角的入射束的常规散射测量的周期结构的截面图。
图2示出根据本发明的实施方式，经使用具有多个入射角的入射束的散射测量的周期结构的截面图。
图3示出经使用具有单个方位角的入射束的常规散射测量的周期结构的俯视图。
图4A示出根据本发明的实施方式，经使用具有多个方位角的入射束的散射测量的周期结构的俯视图，其中中心轴具有零方位角。
图4B示出根据本发明的实施方式，经使用具有多个方位角的入射束的散射测量的周期结构的俯视图，其中中心轴具有非零方位角。
图5示出根据本发明的实施方式，适合于低能量X射线反射散射测量的示例性翼片式FET器件的方面。
图6包括根据本发明的实施方式，具有10nm/20nm线/间隔比的周期结构的硅(Si)翼片的第0阶反射率对比散射角的绘图和相应的结构。
图7包括根据本发明的实施方式，具有10nm/20nm线/间隔比的周期结构的硅(Si)翼片的第1阶反射率对比散射角的绘图和相应的结构。
图8是表示根据本发明的实施方式，具有X射线反射散射测量(XRS)能力的周期结构测量系统的示图。
图9示出根据本发明的实施方式的示例性计算机系统的框图。
具体实施方式
描述了使用多角度X射线反射散射测量(XRS)用于测量周期结构的方法和系统。在以下描述中，阐述了许多的具体细节，诸如X射线束参数和能量，以便提供对本发明的实施方式的详尽理解。对于本领域内的普通技术人员将很明显，本发明的实施方式无需这些具体细节而可以实践。在其他实例中，没有详细描述众所周知的特征诸如整个半导体器件堆，以便不会不必要地模糊本发明的实施方式。此外，应当理解，图中示出的各种实施方式是说明性的表示，并且没有必要按比例绘制。
本文中描述的一个或多个实施方式指向使用以如下方式配置的X射线源：利用同时的多个入射束角度入射到周期(格栅)结构上，用于X射线反射散射测量。实施方式可以使能够在两个角度方向上检测散射光，并且使用反射的X射线强度推断周期结构的形状和间距。实施方式可以提供在生产制造半导体环境下复杂的二维(2D)和三维(3D)周期结构的形状和大小的合适的精度与稳定性测量。这种测量可以包括周期结构的形状分布，以及周期结构的尺寸诸如宽度、高度还有侧壁角度。
为提供上下文，最新水平的形状计量方案利用具有波长标称大于150纳米的单波长源或者频谱源两者之一的光学技术。频谱方案通常是固定波长，并且单波长源可以使入射角度变化。这种方案是在λ>d的波长/能量状态下，其中λ是入射光源，并且d是周期结构的基础尺寸。然而，光学散射测量接近其基础灵敏度限制。
根据本发明的实施方式，通过使用λ/d<1的波长的光，更高阶的散射阶可用于检测，并且对于参数d提供直接灵敏度。更具体地，通过使用波长小于被测量的结构的宽度和高度的光，多个周期的干涉条纹可用，并且对于高度、宽度以及线形状提供灵敏度。在实施方式中，通过使用多个入射角还有多个方位角(例如，相对于结构对称的方向)，获得三维信息，提供三维形状灵敏度。获得的关于尺寸的信息能够精密地影响器件性能，并且需要将该尺寸的信息控制到非常严格的容差。
为了帮助本构想文中涉及的概念，图1示出经使用具有单个入射角的入射束的常规散射测量的周期结构的截面图。参考图1，周期结构100(也称为格栅结构)经光束102照射。光束102相对于周期结构100的最外表面的水平面104具有入射角Φi。散射束106从格栅结构100生成。散射束106可以包括散射角不同的束，每一个束提供格栅结构100的不同阶的信息。例如，如图1所示，示出三阶n＝1、n＝0、n＝-1，其中n＝-1阶的散射角相对于周期结构100的最外表面的水平面104具有θ角度。图1的设置示出常规的OCD或者GISAS散射测量办法。
应当理解，贯穿全文使用的术语“周期”或者“格栅”结构指非平面结构，并且在一些上下文中可以全部视为三维结构。例如，再次参考图1，周期结构100具有在z方向突出高度h的特征108。每一个特征108也具有沿x轴的宽度w和沿y轴(即进入纸内)的长度。然而，在一些上下文中，保留术语“三维”以描述具有与宽度w相同量级的沿y轴的长度的周期结构或者格栅结构。在这种上下文中，保留术语“二维”以描述具有比宽度w长得多(例如，长过几个量级)的沿y轴的长度的周期结构或者格栅结构。在任何情况下，周期结构或者格栅结构是在测量的区域(例如半导体晶片或者基板)内具有非平面形貌的结构。
与图1相比较，图2示出根据本发明的实施方式，经使用具有多个入射角的入射束的散射测量的周期结构的截面图。参考图2，周期结构100经锥形X射线束202照射。锥形X射线束202的中心轴203相对于周期结构100的最外表面的水平面104具有入射角Φi。因而，锥形X射线束202包括具有入射角Φi的部分A。锥形束202具有在锥形束202的最外层部分B和最外层C之间所取的会聚角Φcone。由于锥形束202具有会聚角Φcone，锥形束202中靠近锥体的外部的部分与锥形束202中沿中心轴202取向的部分相比，在结构100上具有不同的入射角。因此，当相对于水平面104所取时，锥形束202同时提供撞击结构100的多个入射角。散射束206从格栅结构100生成。散射束206可以包括可归属于格栅结构100的不同阶的信息的部分，其实例在下方更详细地描述。
除了具有入射角之外，入射光束还可以相对于周期结构具有方位角。再次用于概念的目的，图3示出经使用具有单个方位角的入射束的常规散射测量的周期结构的俯视图。参考图3，从突出部108之上示出周期结构100。尽管在图1中不可视，入射光束102可以进一步相对于与周期结构100的突起108正交的方向x，具有方位角θg。如图3中所示，在一些情况下θg是非零的。在θg是零的情况下，相对于俯视图，束102的方向沿着x方向。然而，在应用常规OCD或者GISAS散射测量办法的情况下，束102仅具有一个角度θg。因此，结合图1和图3一起，通常使用具有单个入射角Φi和单个方位角θg的光束执行散射测量。
与图3相比较，图4A和图4B示出根据本发明的实施方式，经使用具有多个方位角的入射束的散射测量的周期结构的俯视图。参考图4A和图4B两者，如与图2相关联所描述，周期结构100经具有中心轴203的锥形X射线束202照射。尽管从图2中不可视，但是锥形X射线束202还具有沿y方向的维度。就是说，在锥形束202的最外层部分B和最外层部分C之间所取的会聚角Φcone，还提供沿y方向的多个入射角，例如以提供入射的非零方位角。
仅参考图4A，相对于俯视图，锥形X射线束202的中心轴具有沿x方向的零角度θg。因而，锥形X射线束202的部分A具有零方位角。然而，即使锥形X射线束202的中心轴203与周期结构100正交，锥形X射线束202的部分B和部分C都具有非零方位角。
仅参考图4B，相对于俯视图，锥形X射线束202的中心轴具有沿x方向的非零角度θg。因而，锥形X射线束202的部分A具有非零方位角。另外，锥形X射线束202的部分B和部分C具有不同于束202的部分A的方位角的非零方位角。
在图4A和图4B中示出的两者情况下，由于锥形束202具有会聚角Φcone，锥形束202中靠近锥体的外部的部分与锥形束202中沿中心轴202取向的部分相比，入射到结构100上具有不同的方位角。因此，当相对于x方向所取时，锥形束202同时提供多个方位角撞击结构100。
因此，将图2与图4A或图4B中的之一结合到一起，根据本发明的实施方式，通过X射线反射散射测量以测量样本的方法包括使入射X射线束撞击具有周期结构的样本。当入射到周期结构上时，X射线束具有锥形以同时提供多个入射角Φi和多个方位角θg。撞击生成散射X射线束，其中的一部分(如果不是所有)可以收集以便查明有关周期结构的信息。
在实施方式中，入射X射线束是具有近似在20-40度范围内的会聚角Φcone的会聚X射线束。在一个这种实施方式中，如与图4A相关联所描述，会聚X射线束的中心轴相对于样本具有固定的非零入射角Φi和零方位角θg。在另一个这种实施方式中，如与图4B相关联所描述，会聚X射线束的中心轴相对于样本具有固定的非零入射角Φi和非零方位角θg。在两者之中任一情况下，在具体实施方式中，会聚X射线束的中心轴与水平面具有近似在10-15度范围内的固定的非零入射角。在另一个具体实施方式中，束的锥形的最外层部分并且最接近周期结构的部分(例如，如图2所示部分C)，相对于周期结构的水平面具有近似5度的角度。
在其他实施方式中，其实例在下方更详细地描述，优选地可以使用更窄的锥形。例如，在实施方式中，入射X射线束是具有近似在2-10度范围内的会聚角的会聚X射线束。在一个这种实施方式中，如与图4A相关联所描述，会聚X射线束的中心轴相对于样本具有固定的非零入射角Φi和零方位角θg。在另一个这种实施方式中，如与图4B相关联所描述，会聚X射线束的中心轴相对于样本具有固定的非零入射角Φi和非零方位角θg。
在实施方式中，低能量X射线束撞击周期结构。例如，在一个这种实施方式中，低能量X射线束具有近似1keV或更低能量。使用这种低能量源可以允许更大的入射角与更小的可实现的束斑大小。在一个实施方式中，低能量X射线束是从源诸如但不限于碳(C)、钼(Mo)或者铑(Rh)生成的Kα束。
在实施方式中，在撞击周期结构之前，使用环形多层单色器聚焦低能量X射线束。在一个这种实施方式中，单色器提供在近似+/-30度范围内的入射角和在近似+/-10度范围内的方位角。在具体的这种实施方式中，环形多层单色器提供在近似+/-20度范围内的入射角。应当理解，本文中描述的锥形X射线束可以不或者不需要校准。例如，在一个实施方式中，在上述单色器处聚焦束与使聚焦的束撞击周期样本之间，束没有经过校准。在一个实施方式中，聚焦的低能量X射线束以小于在零度的标称第一阶角的角度的入射角范围撞击样本。
再次参考图2，在实施方式中，使用检测器250收集散射X射线束206中的至少部分。在一个这种实施方式中，二维检测器用于同时对从多个入射角和多个方位角散射的散射X射线束206中的部分的散射信号强度进行采样。然后收集的信号可以经过散射测量分析，例如，其中散射数据的反演与理论进行比较以确定周期结构100的结构细节。在一个这种实施方式中，通过散射解(scattering solution)相对于采样的散射信号强度的反演(例如，通过对周期结构上的Maxwell方程的精确解)，估计样本的周期结构的形状。在实施方式中，撞击样本的X射线束的波长小于周期结构100的周期。因此，探测波长与基础结构尺寸相当或者小于基础结构尺寸，与OCD散射测量相比，从散射束206提供更丰富的数据集。
如上所述，在实施方式中，用于XRS的入射锥形X射线束是具有近似在20-40度范围内的会聚角Φcone的会聚X射线束。这种相对宽的锥角可以生成除了零阶反射数据之外，还包括更高阶衍射数据的散射束。因此，在一个实施方式中，伴随单个撞击操作同时获得零阶信息和更高阶信息两者。
在其他情形下，可期望将零阶反射数据与更高阶衍射数据分离。在一个这种实施方式中，可以使用相对更窄的锥角，例如，入射X射线束是具有近似在2-10度范围内的会聚角的会聚X射线束。可以使用相对更窄的锥角执行超过一个的单个测量。例如，在一个实施方式中，如与图4A相关联所描述，在会聚束的中心轴具有零方位角的情况下作第一测量。然后如与图4B相关联所描述，在会聚束的中心轴具有非零方位角的情况下作第二测量。在具体实施方式中，以顺序的方式，对具有周期结构的样本执行第一测量以收集第0阶数据而不是第1阶衍射数据。对具有周期结构的样本执行第二测量以收集第1阶数据而不是第0阶衍射数据。以这种方式，在生成散射束的时候，可以将0阶数据与更高阶数据分离。
根据本文中描述的实施方式，再次关于同时的办法和顺序的办法两者，X射线反射散射测量用于通过非零方位角在阵列检测器上分离不同的阶。在许多情况下，越高阶越有用。在一种情况下，通过同时干净地获得所有阶，可以增强吞吐量。然而，也可以使用顺序的办法。此外，极聚焦的束用于在各种入射角而不是在单个入射角下探测。在一个实施方式中，由于对于校准束，伴随连续取得数据样本将需要旋转，因此不对束进行校准。通过捕获更高阶，不需要使用非常小的入射角以获得强反射束。通过对比，在实施方式中，例如，即使在镜面(0阶)反射束相对弱但是例如-1阶非常强的情况下，可以使用10度到15度的入射角。
在上述同时收集还是顺序收集的两者之中任一情况下，本文中描述的实施方式可用于从零阶(镜面)反射和从衍射(更高)阶两者获取数据。常规解法强调使用零阶或者衍射(更高)阶两者之一而不是两者。本文中描述的实施方式可以进一步与之前公开的散射测量办法区分开，其一对实例在下方描述。
在先前描述的第一办法中，Yun等的美国专利7920676描述了CD-GISAXS系统和方法。所描述的办法包括分析从校准束生成的散射X射线的衍射图案，并且分析多阶衍射光。因为衍射阶间隔很远，更低的能量用于提供更高的会聚束。然而，阶依然间隔相当接近并且描述的会聚角是微弧度的。此外，对于大量入射角没有收集衍射。
通过对比，根据本文中描述的一个或多个实施方式，在单个束中使用宽范围的入射角。在本办法中，衍射阶(除零阶以外)实际上没有必要获取来使用。然而，+/-1阶对于格栅特性(具体地是间距)可以具有不同的灵敏度，因此在一个实施方式中，当可能时捕获至少一个额外的阶。即使如此，大多数信息是以信号随入射角变化的方式来包含。通过对比，在美国专利7920676中，实质上使用一个入射角并且通过查找多个衍射阶收集信息。
此外，根据本文中描述的一个或多个实施方式，通过将第一阶束移动到第零阶束侧，可以将第一阶束与第零阶束分离。在一个这种实施方式中，以非零方位角接近周期结构或者格栅结构。以这种方式，可以使用高度会聚束而依然实现阶分离。在示例性实施方式中，通过以45°方位角(对于会聚束的中心轴)接近格栅，将+/-1阶衍射束偏转最小10度到第零阶束侧，并且当入射角增加时偏转甚至更多。在这种情况下，可以使用高达近似10度的会聚束而避免数据重叠。应当理解，根据具体的格栅间距和X射线能量，可使得阶之间的分离更大或者更小。总之，在实施方式中，与发射单个校准束相比，通过同时收集多个入射角和方位角，获得更多有用的信息。
在先前描述的第二个办法中，Mazor等的美国专利6556652描述了使用X射线的临界尺寸的测量。所描述的办法实际上根本不基于X射线束的衍射。而是在校准束中建立的“影子”。影子反射图案(例如线性格栅结构)。影子的对比机制是格栅间隙的底部的Si区域之间反射X射线的临界角与当穿过第一通过脊材料(光致抗蚀剂)时的临界角中的差异。通过对比，根据本文中描述的实施方式，大多数信息来自远大于临界角的角度的信号。
如以上简要提到并且在下方举例说明，当应用到二维和三维周期结构或者格栅结构时，X射线反射散射测量(XRS)可以视为一种X射线反射法(XRR)。传统的XRR测量包括使用单个源X射线在角度范围内探测样本。伴随角度的各种光学路径长度差提供可以识别的干涉条纹，以搜集膜性能信息诸如膜厚度和膜密度。然而，在XRR中，在更高源能量与物质相互作用的X射线的物理，将角度范围限制为相对于样本水平面通常小于近似三度的掠入射。因此，XRR具有受限制的产出/内联可行性。通过对比，根据本文中描述的实施方式，由于随能量改变光学膜特性得到信号灵敏度的更大的角度，应用低能量XRR/XRS使能够使用更大的角度。
在低能量XRS的示例性应用中，可以测量和分析基础半导体晶体管构建块。例如，半导体器件的临界尺寸(CD)指对器件性能或者其制造产量具有直接影响的特征。因此，必须制造或者控制CD为严格的规格。更常规的CD的实例包括栅长、栅宽、互联线宽、线距以及线宽粗糙度(LWR)。半导体器件对这种尺寸是非常敏感的，小的变化可能导致对性能、器件故障或者制造产量的显著影响。随着半导体器件的集成电路(IC)特征尺寸继续收缩，制造商面临越来越小的处理窗口和越来越严格的容差。这大大提高了对于CD计量工具的精确度和灵敏度要求，以及在制造周期早期对于非破坏性测量采样的需求，其中采样对制造厂或者制造设施的半导体器件的产量具有最小影响。
非平面半导体器件制备甚至更复杂的问题。例如，在隆起的通道上制备的具有非平面形貌的半导体器件通常称为翼片，进一步包括翼片尺寸作为必须考虑的额外CD。这种翼片式场效应晶体管(翼片式FET)或者多栅极器件具有高深宽比特征，并且关键的是需要关于器件结构的翼片的三维(3D)分布信息，包括侧壁角度和顶部尺寸以及底部尺寸。因此，能够测量3D分布能提供比常规二维线宽和线距CD信息有价值得多的信息。
图5示出根据本发明的实施方式，适合于低能量X射线反射散射测量的示例性翼片式FET器件的方面。参考图5，结构A示出其上布置有栅电极堆504的半导体翼片502的成角度的截面图。半导体翼片502从基板506突出，基板506由浅沟槽隔离(STI)区域508隔离。栅电极堆504包括栅极介电层510和栅电极512。结构B示出从STI区域524之间的基板522突出的半导体翼片520的截面图。通过XRS测量可以提供重要信息的结构B的方面，包括翼片拐角圆化(CR)、翼片侧壁角度(SWA)、翼片高度(H)、翼片凹口(NOTCH)以及STI厚度(T)，全部绘制在图5的结构B中。结构C示出从STI区域534之间的基板532突出，并且其上具有多层膜堆层536的半导体翼片530的截面图。多层膜堆层536的层可以包括材料层，诸如但不限于碳化钛铝(TiAlC)、氮化钽(TaN)或者氮化钛(TiN)。比较结构B和结构C，可以在裸露的翼片诸如裸露的硅翼片(结构B)上或者在其上布置有不同材料层的翼片上，执行XRS测量。
图6包括根据本发明的实施方式，具有10nm/20nm线/间隔比的周期结构的硅(Si)翼片的第0阶反射率对比散射角的绘图600和相应的结构(A)-(E)。参考图6，低能量XRS测量可以用于区分标称翼片结构(结构A)、翼片高度增加的结构(结构B)、翼片宽度减少的结构(结构C)、翼片底部CD比翼片顶部CD更宽的结构(结构D)以及翼片底部CD比翼片顶部CD更窄的结构(结构E)。在该示例性情况下，利用与周期结构呈45度的第0阶锥形衍射分析硅翼片。应当理解，与光学数据相比，利用短波长结果下的绘图600中所见的数据中的条纹，实现减小的最高信号的区域。
图7包括根据本发明的实施方式，具有10nm/20nm线/间隔比的周期结构的硅(Si)翼片的第1阶反射率对比散射角的绘图600和相应的结构(A)-(E)。参考图7，低能量XRS测量可以用于区分标称翼片结构(结构A)、增加了翼片高度的结构(结构B)、减少了翼片宽度的结构(结构C)、翼片底部CD相比翼片顶部CD更宽的结构(结构D)以及翼片底部CD相比翼片顶部CD更窄的结构(结构E)。在该示例性情况下，利用与周期结构呈45度的第1阶锥形衍射分析硅翼片。另外，不同间距的结构包括在绘图700内。如绘图700所示，第1阶数据对于翼片厚度非常敏感(注意到结构B与来自结构A及结构C到结构E的信号显著分离)。同样，第1阶数据对于周期结构内的间距变化非常敏感，应注意不同间距的频谱也可从其他频谱中显著辨识。
在另一个方面，描述了用于执行X射线反射散射测量的装置。通常，在实施方式中，这种装置包括通用X射线源以及沿二维延伸的聚焦单色器。聚焦单色器允许入射光射线在两个不同的入射角撞击周期样本，(i)入射到周期结构的平面，以及(ii)方相对于结构的对称性(并且在固定的入射角)的方位。散射光的检测通过二维(2D)检测器实现，其同时在两个角度方向在整个散射角范围内对散射信号强度进行采样。在一个实施方式中，确保检测的信号没有散射阶重叠的单色器的约束需要入射角范围小于在0度的标称第一阶角的角度，即θ＝sin-1(1-λ/d)。因此，使用特征波长小于格栅的周期的光，可获得更高阶的衍射阶，并且提供与格栅结构有关的额外信息。此外，多个厚度周期的干涉条纹可用于确定线高、线宽以及线形状。与2D干涉/散射数据相比，周期结构的形状和结构的最终估计经由散射解的反演实现。
作为更具体的实例，图8是表示根据本发明的实施方式，具有XRS能力的周期结构测量系统的示图。
参考图8，用于通过X射线反射散射测量以测量样本802的系统800包括，用于生成具有近似1keV或更低能量的X射线束806的X射线源804。设置样本架808用于定位样本802，样本具有周期结构。单色器810放置在X射线源804与样本架802之间，由于X射线束806从X射线源804行进至单色器810并且然后到达样本架808。单色器810用于聚焦X射线束806以将入射X射线束812提供至样本架808。入射X射线束812同时具有多个入射角和多个方位角。系统800还包括检测器814用于收集来自样本802的散射X射线束816中的至少部分。
再次参考图8，在实施方式中，X射线源804、样本架808、单色器810以及检测器814全部封装在腔818中。在实施方式中，系统800还包括电子枪820。在一个这种实施方式中，X射线源804是阳极并且电子枪指向阳极。在具体实施方式中，阳极用于生成低能量X射线并且包括材料诸如但不限于碳(C)、钼(Mo)或者铑(Rh)。在一个实施方式中，电子枪820是近似IkeV电子枪。再次参考图8，在X射线源804和单色器810之间包括磁电子抑制器件822。
在实施方式中，单色器810是提供在近似+/-30度范围内的入射角和在近似+/-10度范围内的方位角的环形多层单色器。在一个这种实施方式中，环形多层单色器提供在近似+/-20度范围内的入射角。在实施方式中，如上所述，在单色器810与样本架808之间没有介入其中的校准器。单色器810可以放置为提供期望的入射束用于XRS测量。例如，在第一实施方式中，单色器810相对于样本架808放置，以提供中心轴相对于样本802的周期结构具有固定的非零入射角和零方位角的会聚X射线束。在第二实施方式中，单色器810相对于样本架808放置，以提供中心轴相对于样本802的周期结构具有固定的非零入射角和非零方位角的会聚X射线束。在实施方式中，单色器810包括布置在玻璃基板上的交替的金属(M)层和碳(C)层，其中M是金属，诸如但不限于钴(Co)或者铬(Cr)。在具体的这种实施方式中，设置多层单色器用于反射碳(C)基Kα辐射，并且多层单色器包括近似会是100个重复的周期约4纳米的Co/C层或者Cr/C层，即周期稍小于近似5纳米的反射束的波长。在一个这种实施方式中，Co层或者Cr层比C层更薄。
样本架808可以是可移动样本架。例如，在实施方式中，样本架808能旋转以改变X射线束812的中心轴相对于样本802的周期结构的方位角。在实施方式中，样本架808能旋转以提供伴随同心旋转的正交操作，每次测量使能两个或更多样本旋转。在实施方式中，如图8所示，导航视觉检查装置824允许视觉检查样本架808。在一个这种实施方式中，包括内翻式(flip-in)物镜用于基于视觉的检查系统。
在实施方式中，检测器814是二维检测器。二维检测器可被配置为同时对从入射束812的多个入射角和多个方位角散射的散射X射线束816中的部分的散射信号强度进行采样。在实施方式中，系统800还包括耦接至二维检测器的处理器或者计算系统899。在一个这种实施方式中，处理器899用于通过散射解相对于采样的散射信号强度的反演估计样本802的周期结构的形状。代替二维检测器，在另一个实施方式中，可以实现扫描狭缝。在两者之中任一情况下，检测器814可以被配置为在整个扩散范围获得近似1000个数据收集的像素。
本发明的实施方式可以设置为可包括其上存储有指令的机器可读介质的计算机程序产品或者软件，指令可以用于对计算机系统(或者其他电子设备)进行编程以执行根据本发明的处理。机器可读介质包括用于以机器(例如计算机)可读的形式存储或者传输信息的任何机构。例如，机器可读(例如计算机可读)介质包括机器(例如计算机)可读存储介质(例如，只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、磁盘存储介质、光学存储介质、闪存设备等)、机器(例如计算机)可读传输介质(电的、光的、声的或者其他形式传播信号(例如红外信号、数字信号等))等。
图9以计算机系统900的示例性形式示出机器的示意图，在计算机系统900内可以执行指令集，用于促使机器执行本文中论述的任一个或多个操作法。在可替换的实施方式中，机器可以连接(例如网络地)到局域网(LAN)、内网、外联网或者互联网中的其他机器。机器可以在客户端服务器网络环境中的服务器或者客户端机器的容量下操作，或者作为对等(或者分布式)网络环境中的对等机器操作。机器可以是个人计算机(PC)、平板电脑、机顶盒(STB)、个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、网络设备、服务器、网络路由器、交换机或者电桥或者能够执行指定由该机器采取的动作的指令集(顺序的或者以另外方式)的任何机器。进一步，虽然仅示出单个机器，术语“机器”还将取为包括单独或者联合执行一个(或多个)指令集以执行本文中论述的任何一个或多个操作法的机器(例如计算机)的任何集合。例如，在实施方式中，机器被配置为执行一个或多个指令集用于通过X射线反射散射测量以测量样本。在一个实例中，计算机系统900可以适合于使用上述XRS装置800中的计算机系统899。
示例性计算机系统900包括经由总线930互相通信的处理器902、主存储器904(例如，只读存储器(ROM)、闪存、动态随机存取存储器(DRAM)诸如同步DRAM(SDRAM)或者RambusDRAM(RDRAM)等)、静态存储器906(例如闪存、静态随机存取存储器(SRAM)等)以及辅助存储器918(例如数据存储设备)。
处理器902表示一个或多个通用处理设备，诸如微处理器、中央处理单元等。更具体地，处理器902可以是复杂指令集计算(CISC)微处理器、减小指令集计算(RISC)微处理器、超长指令字(VLIW)微处理器、执行其他指令集的处理器或者执行指令集的组合的处理器。处理器902也可以是一个或多个专用处理设备，诸如专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、网络处理器等。处理器902被配置为执行处理逻辑926用于执行本文中论述的操作。
计算机系统900可以进一步包括网络接口设备908。计算机系统900还可以包括视频显示单元910(例如，液晶显示器(LCD)或者阴极射线管(CRT))、字母数字输入设备912(例如键盘)、光标控制设备914(例如鼠标)以及信号生成设备916(例如扬声器)。
辅助存储器918可以包括其上存储有一个或多个指令集(例如软件922)的机器可访问存储介质(或者具体地计算机可读存储介质)931，指令集实现本文中描述的任一个或多个操作法或者功能。在通过计算机系统900执行软件期间，软件922也可以全部或者至少部分地驻留在主存储器904内和/或在处理器902内，主存储器904和处理器902还构成机器可读存储介质。软件922还可以经由网络接口设备908在网络920上传输或者接收。
虽然示例性实施方式中示出的机器可访问存储介质931是单个介质，但是术语“机器可读存储介质”应该取为包括存储一个或多个指令集的单个介质或者多个介质(例如，集中式或者分布式数据库，和/或相关联的缓存和服务器)。术语“机器可读存储介质”还将取为包括能够存储或者编码用于由机器执行的指令集的任何介质，并且促使机器执行本发明的任一个或多个操作法。术语“机器可读存储介质”因此将取为包括但不限于固态存储器以及光学介质和磁性介质。
根据本发明的实施方式，在非瞬时性机器可访问存储介质上存储有指令用于执行通过X射线反射散射测量以测量样本的方法。该方法包括：使入射X射线束撞击具有周期结构的样本以生成散射X射线束。入射X射线束同时提供多个入射角和多个方位角。该方法还包括收集散射X射线束中的至少部分。
因此，描述了使用多角度X射线反射散射测量(XRS)用于测量周期结构的方法和系统。

Claims (30)

1.一种通过X射线反射散射测量来测量样本的方法，所述方法包括：
聚焦具有1keV或更低能量的低能量X射线束，生成会聚入射低能量X射线束，使所述会聚入射低能量X射线束撞击具有周期结构的样本以生成第一散射X射线束，其中，所述会聚入射低能量X射线束在所述聚焦与所述撞击之间不校准，其中，所述会聚入射低能量X射线束会聚在入射和方位平面内，从而同时提供多个入射角和多个方位角，并且入射角的范围大于方位角的范围；以及
收集所述第一散射X射线束中的至少部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述会聚入射低能量X射线束是具有在20-40度范围内的会聚角的会聚X射线束。
3.根据权利要求2的所述方法，其中，所述会聚X射线束的中心轴相对于所述样本具有固定的非零入射角和零方位角。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述会聚X射线束的中心轴与水平面有在10-15度范围内的固定的非零入射角。
5.根据权利要求2的所述方法，其中，所述会聚X射线束的中心轴相对于所述样本具有固定的非零入射角和非零方位角。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述会聚X射线束的中心轴与水平面有在10-15度范围内的固定的非零入射角。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述会聚入射低能量X射线束是具有在2-10度范围内的会聚角的会聚X射线束。
8.根据权利要求7的所述方法，其中，所述会聚X射线束的中心轴相对于所述样本具有固定的非零入射角和零方位角。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述会聚X射线束的中心轴相对于所述样本具有固定的非零入射角和非零方位角。
10.根据权利要求8所述的方法，所述方法进一步包括：
将所述会聚X射线束的中心轴定位为相对于所述样本在固定的非零入射角下的非零方位角；并且，随后，
使所述会聚X射线束撞击所述样本以生成第二散射X射线束；以及
收集所述第二散射X射线束中的至少部分。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，收集所述第一散射X射线束中的部分包括对于所述样本收集第0阶而不是第1阶衍射数据，并且其中，收集所述第二散射X射线束中的部分包括对于所述样本收集第1阶而不是第0阶衍射数据。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述会聚入射低能量X射线束撞击包括从由碳C、钼Mo以及铑Rh组成的组合中选择的源生成所述会聚入射低能量X射线束。
13.根据权利要求2所述的方法，
其中，通过环形多层单色器来实现聚焦所述低能量X射线束，以生成所述会聚X射线束，所述环形多层单色器提供±30度的入射角范围和±10度的方位角范围。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，聚焦所述低能量X射线束包括使所述低能量X射线束以小于在零度的标称第一阶角的角度的入射角范围撞击所述样本。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述环形多层单色器提供±20度的入射角范围。
16.根据权利要求1所述的方法，其中，收集所述第一散射X射线束中的部分包括使用二维检测器同时对从所述多个入射角和所述多个方位角散射的所述第一散射X射线束中的部分的散射信号强度进行采样。
17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
通过散射解相对于采样的所述散射信号强度的反演，估计所述样本的周期结构的形状。
18.根据权利要求1所述的方法，其中，使所述会聚入射低能量X射线束撞击所述样本包括使波长小于所述周期结构的周期的X射线束撞击。
19.一种用于通过X射线反射散射测量以测量样本的系统，所述系统包括：
X射线源，用于生成具有1keV或更低能量的X射线束；
样本架，用于定位具有周期结构的样本；
单色器，放置在所述X射线源与所述样本架之间，所述单色器用于聚焦所述X射线束以使入射低能量X射线束撞击所述样本，以生成散射X射线束，其中，所述入射低能量X射线束在所述聚焦与所述撞击之间不校准，其中，所述入射低能量X射线束会聚在入射和方位平面内，从而同时具有多个入射角和多个方位角，并且入射角的范围大于方位角的范围；以及
2-D检测器，用于收集来自所述样本的散射X射线束中的至少部分。
20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述X射线源包括指向阳极的电子枪，所述阳极包括从由碳C、钼Mo以及铑Rh组成的组合中选择的材料。
21.根据权利要求19所述的系统，其中，所述单色器是提供±30度的入射角范围和±10度的方位角范围的环形多层单色器。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述环形多层单色器提供±20度的入射角范围。
23.根据权利要求19所述的系统，其中，在所述单色器与所述样本架之间没有介入其间的校准器。
24.根据权利要求19所述的系统，其中，所述单色器相对于所述样本架放置，以提供具有中心轴相对于所述样本的周期结构具有固定的非零入射角和零方位角的会聚X射线束。
25.根据权利要求19所述的系统，其中，所述单色器相对于所述样本架放置，以提供具有中心轴相对于所述样本的周期结构具有固定的非零入射角和非零方位角的会聚X射线束。
26.根据权利要求19所述的系统，其中，所述样本架能旋转以改变所述X射线束的中心轴相对于所述样本的周期结构的方位角。
27.根据权利要求19所述的系统，其中，所述样本架能旋转以提供伴随同心旋转的正交操作，每次测量使能两个或更多样本旋转。
28.根据权利要求19所述的系统，其中，所述2-D检测器是二维检测器，用于同时对从所述多个入射角和所述多个方位角散射的所述散射X射线束中的部分的散射信号强度进行采样。
29.根据权利要求28所述的系统，进一步包括：
耦接至所述二维检测器的处理器，所述处理器用于通过散射解相对于采样的所述散射信号强度的反演估计所述周期结构的形状。
30.根据权利要求19所述的系统，其中，所述单色器包括布置在玻璃基板上的交替的金属的层和碳C层，其中所述金属是从钴Co和铬Cr组成的组合中选择的。
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