CN110398505A - 用于小角x射线散射测量的晶片对准 - Google Patents

用于小角x射线散射测量的晶片对准 Download PDF

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Abstract

本申请涉及用于小角X射线散射测量的晶片对准。X射线装置包括支架、X射线源、检测器、光学测量仪器和电机。支架被配置为保持具有光滑的第一侧和与第一侧相对且图案在其上被形成的第二侧的平面样本。X射线源被配置成朝着样本的第一侧引导X射线的第一波束。检测器被定位于样本的第二侧上，以便接收透射穿过样本并从图案散射的X射线的至少一部分。光学测量仪器被配置成朝着样本的第一侧引导光辐射的第二波束，感测从样本的第一侧反射的光辐射，并响应于感测到的光辐射而输出指示样本的定位的信号。电机被配置成响应于信号而调整在检测器和样本之间的对准。

Description

用于小角X射线散射测量的晶片对准
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年4月23日提交的美国临时专利申请62/661,133的权益，该美国临时专利申请的公开内容通过引用被并入本文。
发明领域
本发明总体上涉及X射线分析，且具体地涉及用于使用X射线散射测量(scatterometry)来测量半导体设备的几何结构的方法和系统。
发明背景
X射线散射测量技术被用于测量半导体设备的几何结构。
例如，美国专利7,481,579描述了一种用于检查的方法，该方法包括引导X射线的波束射到包含分别在被覆盖在样本的表面上的第一薄膜层和第二薄膜层中形成的第一特征和第二特征的样本的区域上。从第一特征和第二特征衍射的X射线的图案被检测和分析，以便评估第一特征和第二特征的对准。
美国专利9,606,073描述了包括将样本保持在具有轴的平面中的样本支持架的装置，该平面限定由该平面分离的第一区域和第二区域。在第一区域中的源支架(source-mount)绕轴旋转，以及在源支架上的X射线源引导X射线的第一入射波束和第二入射波束沿着与轴正交的波束轴以第一角度和第二角度射到样本上。在第二区域中的检测器支架在与轴正交的平面内移动，并且在检测器支架上的X射线检测器响应于第一入射波束和第二入射波束而接收通过样本透射的X射线的第一衍射波束和第二衍射波束，并且分别响应于接收到的第一衍射波束和第二衍射波束而输出第一信号和第二信号。处理器分析第一信号和第二信号，以便确定样本的表面的轮廓。
美国专利6,895,075描述了一种用于检查样本的装置，该装置包括辐射源和检测器元件的阵列，检测器元件的阵列被布置成接收由于由辐射源对样本的表面的区域的照射而引起的来自该表面的辐射。
美国专利7,551,719描述了一种用于分析样本的装置，该装置包括辐射源，该辐射源适于朝着样本的表面引导X射线的第一会聚波束，并朝着样本的表面引导X射线的第二准直波束。运动组件在第一源位置和第二源位置之间移动辐射源，在第一源位置上X射线在掠射角下朝着样本的表面被引导，以及在第二源位置上X射线在样本的布拉格角附近朝着表面被引导。
美国专利8,243,878描述了一种用于分析的方法，该方法包括朝着其上形成有外延层的样本的表面引导X射线的会聚波束，并且感测从样本衍射的X射线，同时根据角度来解析感测到的X射线，以便生成包括由于外延层而引起的衍射峰和条纹的衍射光谱。
发明概述
本文描述的本发明的实施例提供了一种X射线装置，该X射线装置包括支架、X射线源、检测器和限束器。支架被配置为保持平面样本。该X射线源被配置成朝着样本的第一侧引导X射线的波束。检测器被定位于样本的与第一侧相对的第二侧上，以便接收透射穿过样本的X射线的至少一部分。限束器被定位于样本的第一侧上，以便拦截(intercept)X射线的波束。限束器包括第一叶片和第二叶片以及第一致动器和第二致动器。第一叶片和第二叶片具有被定位成相互靠近的相应的第一边缘和第二边缘，以便在与样本的第一侧相距小于25毫米的距离处限定狭缝，X射线的波束将穿过该狭缝。第一致动器和第二致动器被配置成沿着相应的第一平移轴和第二平移轴移位(shift)第一叶片和第二叶片，以便调整狭缝的宽度。
在一些实施例中，支架被配置成围绕在样本的平面中的倾斜轴使样本倾斜，并且狭缝被定向成平行于倾斜轴。在其他实施例中，第一叶片和第二叶片包括由单晶材料或多晶材料制成的材料。在另外的其他实施例中，第一叶片和第二叶片彼此不平行。
在一个实施例中，第一平移轴和第二平移轴彼此不平行。在另一个实施例中，限束器被配置成控制选自包括下列项的列表的至少一个波束参数：(i)波束的位置、(ii)波束的光斑尺寸、(iii)在样本的第一侧上的波束的光斑形状、以及(iv)波束的会聚角或发散角。在又一实施例中，限束器被安装在被配置为相对于波束和样本中的至少一个移动限束器的平台上。
在一些实施例中，该平台包括至少一个旋转平台。在其他实施例中，第一致动器和第二致动器中的至少一个包括一个或更多个压电线性电机。在另外的其他实施例中，该装置包括具有相应的第一板边缘和第二板边缘的第一可移动板和第二可移动板，第一板边缘和第二板边缘被定位成相互靠近，以便限定附加狭缝，X射线的波束在穿过所述狭缝之前或之后将穿过该附加狭缝。
在实施例中，该装置包括第三致动器，该第三致动器被配置为沿着第三平移轴移位第一可移动板和第二可移动板中的至少一个，以便调整附加狭缝的尺寸。在另一个实施例中，该装置包括处理器，该处理器被配置为通过将狭缝和附加狭缝的位置相对于彼此对准来使X射线的波束成形。
根据本发明的实施例，另外提供了一种方法，该方法包括将平面样本保持在支架上的方法。朝着样本的第一侧从X射线源引导X射线的波束。从被定位于样本的与第一侧相对的第二侧上的检测器接收被透射穿过样本的X射线的至少一部分。限束器被定位于样本的第一侧上，以便拦截X射线的波束。限束器包括具有相应的第一边缘和第二边缘的第一叶片和第二叶片以及第一致动器和第二致动器，第一边缘和第二边缘被定位成相互靠近，以便在与样本的第一侧相距小于25毫米的距离处限定狭缝，X射线的波束将穿过该狭缝。通过使用第一致动器和第二致动器来沿着相应的第一平移轴和第二平移轴移位第一叶片和第二叶片来调整狭缝的宽度。
根据本发明的实施例，另外还提供了一种X射线光学设备，该X射线光学设备包括晶体、X射线反射镜和一个或更多个狭缝。该晶体包含通道，该通道具有入口孔径(aperture)、出口孔径、和布置成使得通道从入口孔径到出口孔径逐渐变细的相对的内部面。该X射线反射镜包括具有多层涂层的弯曲基底，该弯曲基底被配置成收集从源发射的X射线的波束并将X射线的波束引导到具有第一波束直径的通道的入口孔径内，使得波束从具有小于第一波束直径的第二波束直径的出口孔径发射。一个或更多个狭缝插在X射线反射镜和晶体之间，使得波束在进入通道的入口孔径之前穿过狭缝。
在一些实施例中，X射线反射镜被配置成调整波束的发散度和强度。在其他实施例中，该设备包括叶片和/或致动器。叶片具有穿过其中的不同的相应尺寸的孔径的阵列。致动器被配置成将叶片定位在从晶体的出口孔径发射的波束的路径中，并且平移叶片以便将孔径中的不同孔径定位在路径中。
在一个实施例中，晶体包括由锗制成的单晶体。在另一个实施例中，相对的内部面彼此不平行。
根据本发明的实施例，还提供了一种X射线装置，该X射线装置包括支架、X射线源、检测器、光学测量仪器和电机。支架被配置为保持具有第一侧(其是光滑的)和第二侧的平面样本，第二侧与第一侧相对以及图案在第二侧上被形成。X射线源被配置成朝着样本的第一侧引导X射线的第一波束。检测器被定位于样本的第二侧上，以便接收透射穿过样本并从图案散射的X射线的至少一部分。光学测量仪器被配置成朝着样本的第一侧引导光辐射的第二波束，感测从样本的第一侧反射的光辐射，并响应于感测到的光辐射而输出指示样本的位置的信号。电机被配置成响应于信号而调整在检测器和样本之间的对准。
在一些实施例中，该信号指示选自包括下列项的一组位置参数中的至少一个位置参数：在样本和检测器之间的距离以及样本相对于检测器的定向。在其他实施例中，样本的定向包括样本相对于检测器的表面的倾斜角(inclination angle)。在另外的其他实施例中，样本包括单晶材料，并且X射线装置包括被配置为测量从单晶材料的晶格平面衍射的X射线的至少一部分的强度的附加检测器，并且X射线装置还包括控制器，该控制器被配置为响应于所测量的强度来校准X射线的第一波束相对于晶格平面的定向。
在一个实施例中，X射线装置包括处理器，该处理器被配置为指示光学测量仪器朝着在样本的第一侧上的多个位置引导第二波束，以便输出指示从多个位置反射的多个相应光辐射的多个相应信号。处理器还被配置为基于多个信号来显示指示样品至少在多个位置处的位置的三维(3D)地图。在另一个实施例中，处理器被配置为基于多个位置来估计样本在第一侧上的另外一个或更多个相应位置中的一个或更多个另外的位置，并且在3D地图上显示另外的位置。
在一些实施例中，X射线装置包括能量分散X射线(EDX)检测器组件，其被配置为测量从在样本的位置处的图案发射的X射线荧光，并输出指示在该位置处测量的X射线荧光的强度的电信号。在其他实施例中，EDX检测器组件包括基于硅或基于锗的固态EDX检测器。
根据本发明的实施例，还提供了一种方法，该方法包括在支架上保持具有第一侧(其是光滑的)和第二侧的平面样本，第二侧与第一侧相对以及图案在第二侧上被形成。朝着样本的第一侧引导X射线的第一波束。从被定位于样本的第二侧上的检测器接收透射穿过样本并从图案散射的X射线的至少一部分。朝着样本的第一侧引导光辐射的第二波束，以用于感测从样本的第一侧反射的光辐射，以及响应于感测到的光辐射而输出指示样本的位置的信号。在检测器和样本之间的对准响应于该信号而被调整。
根据本发明的实施例，还提供了一种X射线装置，其包括支架、X射线源、检测器、电机和控制器。支架被配置为保持包括单晶材料并且具有第一侧和与第一侧相对的第二侧的样本。该X射线源被配置成朝着样本的第一侧引导X射线的波束。检测器被定位于样本的第二侧上，并且被配置为接收从单晶材料的晶格平面衍射的X射线的至少一部分。电机被配置成调整在检测器和样本之间的对准。控制器被配置为基于衍射的X射线来测量样本相对于检测器的定向，并驱动电机以响应于所测量的定向来调整对准。
根据本发明的实施例，还提供了一种X射线装置，其包括支架、X射线源、检测器、致动器和控制器。支架被配置为保持样本。该X射线源被配置成朝着样本的第一侧引导X射线的波束。检测器被定位于样本的与第一侧相对的第二侧上，以便接收透射穿过样本的X射线的至少一部分，并输出指示接收到的X射线的强度的信号。致动器被配置成在样本的第二侧上的一定范围的位置上扫描检测器，以便根据散射角来测量透射的X射线。控制器被耦合以接收由检测器输出的信号，并响应于信号而控制致动器，以便相对于检测器在接收到的X射线的强度是强的第二位置处的获取时间来增加检测器在接收到的X射线的强度是弱的第一位置处的获取时间。
在一些实施例中，检测器包括具有预定间距的传感器元件的阵列，并且致动器被配置成以比预定间距更精细的分辨率使检测器在整个所述范围的位置上步进。在其他实施例中，阵列包括传感器元件的二维矩阵，并且致动器被配置成以比沿着矩阵的高度和宽度轴的间距更精细的分辨率使检测器步进。
在一个实施例中，样本包括具有大于10的纵横比的一个或更多个高纵横比(HAR)特征，并且致动器被配置为在所述范围的位置上扫描检测器，以便测量从HAR特征散射的透射的X射线。在另一个实施例中，控制器被配置成控制获取时间，使得检测器在第一位置和第二位置处接收预定强度范围。
根据本发明的实施例，还提供了一种方法，其包括将样本保持在支架上。朝着样本的第一侧引导X射线的波束。从被定位于样本的与第一侧相对的第二侧上的检测器接收透射穿过样本的X射线的至少一部分，并且指示接收到的X射线的强度的信号被输出。由致动器在样本的第二侧上的一定范围的位置上扫描检测器，以便根据散射角来测量透射的X射线。输出的信号被检测器接收，以及致动器响应于信号而被控制，以便相对于检测器在接收到的X射线的强度是强的第二位置处的获取时间来增加检测器在接收到的X射线的强度是弱的第一位置处的获取时间。
根据本发明的实施例，还提供一种X射线装置，其包括第一支架、X射线源、检测器和波束阻挡器。第一支架被配置为保持样本。该X射线源被配置成朝着样本引导X射线的波束。检测器被定位成接收透射穿过样本的X射线，所透射的波束的至少一部分在一定范围的角度上从样本散射。波束阻挡器包括由对X射线透明(transparent)的材料制成的第二支架和被保持在第二支架内的一片或更多片X射线不透明材料，并且可定位成使得X射线不透明材料阻挡在所述范围的角度的一部分中的X射线，同时X射线在围绕所述范围的被阻挡部分的角度下穿过支架到达检测器。
在一些实施例中，X射线不透明材料的至少一个片是椭圆形的。在其他实施例中，支架包括聚合物。在另外的其他的实施例中，支架包括金刚石(diamond)。
在一个实施例中，被阻挡的X射线的至少一部分包括透射穿过样本而未被散射的X射线。在另一个实施例中，X射线装置包括处理器，该处理器被配置成测量由检测器接收的X射线的强度，并响应于所测量的强度相对于所透射的波束来定位波束阻挡器。在又一个实施例中，X射线不透明材料的片中的至少一片被保持在支架的凹部内。
在一些实施例中，支架包括由(i)双轴定向的聚对苯二甲酸乙二酯(BoPET)聚酯、或(ii)聚(4,4'-氧二亚苯基-均苯四甲酰亚胺)聚酰亚胺制成的片材。在其他实施例中，X射线不透明材料的片材中的至少一片包括金、钽或钨。在另外的其他实施例中，X射线不透明材料的片至少包括具有不同的尺寸并且以相对于彼此预定的距离在阵列中进行布置的第一片和第二片。
从下面连同附图一起进行的本发明的实施例的详细描述，本发明将被更充分理解，其中：
附图说明
图1-3是根据本发明的实施例的小角X射线散射(SAXS)系统的示意图；
图4是根据本发明的实施例的波束调节组件的示意图；
图5和图6是根据本发明的实施例的狭缝组件的示意图；
图7A和图7B是根据本发明的实施例的波束阻挡组件的示意图；
图8A是根据本发明的另一个实施例的指示在没有波束阻挡器的情况下由检测器感测的X射线波束的强度的图像的示意图；
图8B是根据本发明的一个实施例的指示在存在波束阻挡器的情况下由检测器感测的X射线波束的强度的图像的示意图；
图9A是根据本发明的另一个实施例的指示在没有波束阻挡器的情况下由检测器感测的散射的X射线波束的强度的图像的示意图；
图9B是根据本发明的一个实施例的指示在存在波束阻挡器的情况下由检测器感测的散射的X射线波束的强度的图像的示意图；以及
图10是根据本发明的实施例的扫描方案的示意图，其中包括传感器的阵列的X射线检测器为了提高的角分辨率而以小于传感器的间距离(inter-distance)的步长移动。
具体实施方式
概述
下文描述的本发明的实施例提供了用于分析在各种类型的半导体设备和测试结构中形成的几何特征的改进的方法和系统。用于分析特征的X射线散射测量技术(例如小角X射线散射(SAXS)方法)通常应用波长大约为一埃的X射线。这种波长适合于测量高纵横比(HAR)特征，例如在半导体晶片中制造的HAR孔或沟槽。基于分析在不同角度下从晶片散射的X射线的强度来执行对特征的几何和其他特性的测量。
在一些实施例中，SAXS系统包括电动平台，该电动平台被配置为移动平面样本，例如具有面向彼此的前表面和后表面的晶片，其中，前表面包括各种类型的特征，例如HAR特征。此外或可选地，晶片的后表面可以用类似类型和/或其他类型的特征进行图案化。
在一些实施例中，SAXS系统包括X射线源，其被配置成朝着晶片的后表面引导X射线的波束。SAXS系统还包括面向晶片的前表面的至少一个检测器，该检测器被配置为感测从晶片散射的和/或透射穿过晶片的X射线的至少一部分。检测器被配置成产生指示从晶片的前表面中的HAR特征散射的并由检测器接收的X射线的强度的电信号。
在一些实施例中，SAXS系统包括处理器，其被配置为基于从检测器接收的电信号来测量所提及的HAR特征的特性。
在一些实施例中，SAXS系统包括被定位于X射线源和晶片的后表面之间并被配置为调整X射线波束的特性的波束调节组件。波束调节组件包括包含v形通道的晶体，该v形通道具有入口孔径、出口孔径和被布置成使得通道从入口孔径到出口孔径逐渐变细的相对的内部面。波束调节组件还包括X射线反射镜，其具有带有多层涂层的弯曲基底。反射镜被配置成收集波束，并将所收集的波束引导到具有第一波束直径的通道的入口孔径中，使得从出口孔径发射的波束具有小于第一波束直径的第二波束直径。
在一些实施例中，SAXS系统包括第一狭缝，该第一狭缝被定位于X射线源和晶片的后表面之间，以便拦截波束并调整所拦截的波束的空间特性。第一狭缝包括通常彼此不平行的第一可移动叶片和第二可移动叶片。第一叶片和第二叶片的边缘被定位成极接近彼此，以便限定狭缝。在一些实施例中，处理器被配置成移动第一叶片和第二叶片的边缘，以便通过调整狭缝的宽度来控制波束的空间特性。
在可选的实施例中，SAXS系统包括被定位于X射线源和晶片的后表面之间的第二狭缝。第二狭缝包括具有多个无散射针孔(scatterless-pinholes)的可移动叶片，每个无散射针孔具有不同的宽度。处理器被配置为定位选定的无散射针孔以通过移动可移动叶片来拦截波束，以便控制波束的空间特性。
在一些实施例中，SAXS系统包括光学测量仪器，该光学测量仪器被配置为朝着晶片的后表面引导光束，以使用检测器来感测从其反射的光辐射，并且响应于感测到的光辐射而由检测器输出指示晶片的位置的信号。基于该信号，处理器被配置为估计位置参数，例如在晶片和检测器之间的距离、以及晶片相对于检测器的定向。SAXS系统还包括由处理器控制的电机，以便响应于信号来对准在X射线波束和晶片之间的定向。
在一些实施例中，晶片包括单晶材料，并且检测器被配置为测量从单晶体的晶格平面衍射的一个或更多个波束。SAXS系统还包括控制器，该控制器被配置为响应于所测量的衍射而校准光学测量仪器相对于晶格平面的位置。基于衍射的X射线，控制器还被配置为测量晶片相对于检测器的定向，并驱动至少一个电机以基于所测量的定向来对准在晶片和入射X射线波束之间的定向。在其他实施例中，代替控制器，处理器可以执行上述操作中的至少一些。
在一些实施例中，SAXS系统包括被安装在一个或更多个致动器上的检测器，该一个或更多个致动器被配置为在晶片的前表面上的一定范围的位置上相对于散射的X射线移动检测器，以便根据散射角来测量透射的X射线的强度。这个配置允许测量透射的X射线的强度，与由检测器元件的固有分辨率可能达到的相比，角分辨率增加。在一些实施例中，处理器被配置成响应于由检测器产生的电信号来控制致动器，使得检测器的获取时间成反比地依赖于感测到的X射线的强度。
在一些实施例中，检测器包括具有沿着矩阵的高度和宽度轴的预定间距的传感器元件的二维阵列(也被称为矩阵)。致动器被配置成以比沿高度轴和宽度轴的预定间距更精细的分辨率使检测器在整个所述范围的位置上步进。
在一些实施例中，SAXS系统包括具有一个或更多个波束阻塞器(stopper)的波束阻挡器。波束阻挡器包括由对X射线透明的材料制成的支架。一个或更多个波束阻塞器被保持在支架内，并且由对X射线波束至少部分地不透明的材料制成。波束阻挡器可以被定位成使得一个或更多个波束阻塞器阻挡在该角度范围的一部分中的X射线，而在围绕波束的被阻挡部分的角度下的X射线穿过支架到达检测器。在一个实施例中，至少一个波束阻塞器具有带有光滑边缘的椭圆形形状，以便防止波束从波束阻塞器散射。
所公开的技术通过提高从HAR特征散射的X射线波束由检测器感测时的角分辨率来提高SAXS系统检测在HAR特征中的微小几何变化的灵敏度。此外，所公开的技术可以用于减少SAXS系统的覆盖区(footprint)，同时保持高灵敏度和高分辨率的测量。
系统描述
图1是根据本发明的实施例的小角X射线散射(SAXS)系统10的示意图。在一些实施例中，SAXS系统10，为了简洁起见在本文也被称为“系统10”，被配置为使用散射测量技术来测量在样本(在本示例中为晶片190)上的特征，如下文将描述的。
在一些实施例中，晶片190可以包括任何合适的微结构或材料，例如单晶、多晶、非晶形微结构或其任何合适的组合，例如在晶片190的不同位置处的不同微结构或材料。
在一些实施例中，系统10包括由高压电源单元(PSU)26驱动的X射线激发源，其在本文被称为源100。在一些实施例中，源100被配置成发射具有合适能量以穿过晶片190的X射线波束130，其为了简洁起见在本文也被称为“入射波束130”或“波束130”。
在一些实施例中，源100被配置成生成具有等于或小于0.1纳米的波长的强X射线发射，其具有约150微米或更小的有效光斑尺寸。
在一些实施例中，源100可以包括任何合适类型的高亮度X射线源，例如但不限于(a)固定实心阳极(anode)、(b)旋转实心阳极、(c)液态金属、或(d)同步加速器(synchrotron)。
在一些实施例中，基于固定实心阳极的源包括具有钼(Mo)或银(Ag)阳极或任何其他合适的金属元素或合金的微聚焦X射线管，其中高能电子(>＝50keV)在真空下入射。这种微聚焦X射线管由多个供应商(例如但不限于Incoatec GmbH(德国汉堡)或rtw-TECHNIK DR.WARRIKHOFF GmbH&Co.(德国柏林))提供。
在一些实施例中，旋转实心阳极微聚焦X射线源可以包括Mo或Ag阳极或任何其他合适的金属元素或合金。合适的旋转阳极X射线源由多个供应商(例如Bruker AXS GmbH(德国卡尔斯鲁厄))提供。
在一些实施例中，液态金属X射线源包括在熔融状态下的阳极。阳极可以包括任何合适的一种或更多种元素或合金，例如镓(Ga)和铟(In)的合金。合适的液态金属X射线源可以选自例如由eXcillum AB(瑞典，希斯塔)提供的一种或更多种MetalJet产品。
在一些实施例中，基于同步加速器的源包括紧凑的基于电子加速器的X射线源，例如由Lyncean Technologies(加利福尼亚州弗里蒙特市，94539，美国)提供的X射线源和由科学界正在开发的其他X射线源。
在一些实施例中，晶片190可以包括具有表面191和192的半导体晶片。在一些实施例中，表面191包括使用任何合适的半导体工艺(例如沉积、光刻和蚀刻)来在表面191上和/或在晶片190的大部分或其上沉积的材料中产生的高纵横比(HAR)特征。注意，在这些实施例中，表面192通常保持平坦和光滑，并且不包括HAR结构或通过光刻和蚀刻产生的另一图案。将理解的是，在表面191上特征的产生期间，一些层可以作为覆盖层(blanket)例如使用化学气相沉积(CVD)工艺来沉积在表面192的一些位置上，并且可在表面192上造成一些没有预期到的形貌。
在其他实施例中，表面192的至少一部分可以用前面提到的HAR特征和/或任何其他合适类型的特征进行图案化。在可选的实施例中，只有表面192可以包括前面提到的HAR特征。
在本公开的上下文中、以及在权利要求中，术语“纵横比”指在晶片190中形成的给定特征的深度和宽度之间(例如，在圆孔的情况下的直径)或者高度和宽度之间的算术比。此外，术语“高纵横比(HAR)”通常指大于10的纵横比。在本文也被称为HAR特征的HAR结构可以包括例如在逻辑设备(例如微处理器)、或NAND闪存设备、或动态随机存取存储器(DRAM)设备上、或在任何其他设备上形成的各种类型的三维(3D)结构。
在一些实施例中，HAR特征可以包括一个或更多个鳍式场效应晶体管(FET)、环栅式(GAA)FET、互补金属氧化物半导体(CMOS)设备的纳米线FET、DRAM设备的存取晶体管、3DNAND闪存设备的一个或更多个沟道、DRAM设备的一个或更多个3D电容器、或任何其他类型的HAR特征。
在一些实施例中，系统10包括计算机20，计算机20包括处理器22、接口24和显示器(未示出)。处理器22被配置成控制下面描述的系统10的各种部件和组件，并处理从在本文被称为检测器240的可移动检测器组件接收的电信号。接口24被配置成在处理器22和系统10的相应部件和组件之间交换电信号。
一般，处理器22包括具有合适的前端和接口电路的通用处理器，该通用处理器用软件被编程以执行本文描述的功能。软件可以例如通过网络以电子形式被下载到处理器，或者它可以可选地或另外被提供和/或存储在非暂时性有形介质(例如磁性、光学或电子存储器)上。
在一些实施例中，波束130从源100发射，并穿过由对X射线不透明的任何合适的材料制成的系统10的快门和狭缝组件，在本文被称为“组件110”。在一些实施例中，处理器22被配置成使用一个或更多个受控致动器(例如电机或基于压电的驱动器(未示出))来设置组件110的位置。
在一些实施例中，组件110被配置成通过阻挡从波束130的所设计的光路偏转的任何X射线辐射来提高系统10的用户安全性。在一些实施例中，处理器22被配置成调整狭缝的位置和尺寸，以便控制波束130的发散度和空间形状。
在一些实施例中，系统10包括由处理器22控制的附加狭缝，其用于调整波束130的发散度、强度和光斑尺寸并用于阻挡不希望的散射辐射。
在一些实施例中，系统10包括在本文被称为“组件165”的波束调节组件，其结构在下面的图4中被详细描述。在一些实施例中，组件165包括光学元件，例如反射镜120和狭缝125。反射镜120被配置成收集来自源100和组件110的波束130，并使波束130的光学特性成形。例如，反射镜120被配置成产生准直波束或聚焦波束或其组合(例如，在x方向上准直并在y方向上聚焦)。狭缝125被配置成调整波束130的特性，例如离开反射镜120的波束的发散角和光斑尺寸。
在一些实施例中，波束调节组件165可以包括真空室，以便防止由在空气和在光学元件的表面上的电离辐射之间的相互作用引起一个或更多个前面提到的光学元件的退化。
在一些实施例中，波束调节组件165可以具有多种配置，其中一些将在下面的图4中被详细描述。例如，处理器22可以指示波束调节组件165以将第一波束130成形为具有小空间范围(即光斑尺寸)的准直波束。处理器22可以使用这个波束配置来测量布置在小尺寸测试焊盘上的特征，正如逻辑应用的情况，其中在晶片190的相邻管芯之间的刻划线中布置的测试结构上执行计量。
在另一个示例中，晶片190可以包括具有重复特征的大阵列(例如，在存储器块中)的存储设备(例如，DRAM、NAND闪存)、或者具有存储器部分的逻辑设备。在一些实施例中，处理器22可以将与第一波束130相比具有更大光斑尺寸和更高强度的第二波束130施加到管芯的选择的存储器块。处理器22可以交换反射镜122以将波束130聚焦在检测器240的有效表面上，以便增加相应SAXS系统(例如，上述系统10、30或40)的分辨率。
在一些实施例中，系统10包括在本文也被称为狭缝组件140的限束器，其包括在下面的图5和图6中详细描述的一个或更多个狭缝和/或可移动叶片。狭缝组件140被配置成控制和/或细化在晶片190的表面192上的入射波束130的位置和/或光斑尺寸和/或形状和/或会聚或发散角。
在一些实施例中，系统10包括具有围绕y轴并在表面191处位于中心的旋转轴的电动旋转平台(未示出)。在一些实施例中，源100、波束调节组件165、以及狭缝组件110和140中的一个或更多个被安装在由运动控制器和/或由处理器22控制的旋转平台上。
在一些实施例中，处理器22可以调整或校准在入射波束130与晶片190的表面192的法线之间的角度，以便改善系统10的测量条件。
在一些实施例中，系统10包括卡盘200，其具有在其上安装的晶片190。卡盘200被配置成机械地支撑晶片190，并允许将波束130引导到区域的大部分(例如，不包括晶片190的斜面的至少某些部分，如图1所示)或者在表面192的整个区域上。
在一些实施例中，卡盘200可以包括环形晶片支持架，但是此外或可选地，卡盘200可以包括任何其他合适的设计，例如三点运动支架。
在一些实施例中，系统10包括支架，例如在本文被称为“平台210”的电动-平台，其具有在其上安装的卡盘200。平台210在系统10的xyz坐标系中由处理器22控制，并被设计为开放框架(即，在中心没有材料)，以便允许入射波束130直接射在晶片190的表面192上。
在一些实施例中，平台210被配置为在x和y方向上相对于波束130移动晶片190，以便设置晶片190相对于入射波束130的期望空间位置。平台210还被配置为沿着z轴移动晶片190，以便提高波束130在表面192上的期望位置处或在晶片190上的任何其他合适的位置处的聚焦。平台210还被配置成绕着平行于晶片190的表面192的相应x轴和y轴施加旋转χ和/或ω，并绕着垂直于晶片190的表面192的z轴施加方位角旋转
在一些实施例中，处理器22被配置为选择预定方位角以便将波束130与在待测量的结构中的选择的特征对准。例如，处理器22可以选择第一方位角(未示出)，以便相对于在晶片190上以一维(1D)布置的线结构来对准波束130。此外，处理器22可以选择第二方位角(未示出)，以便相对于在晶片190上以二维(2D)图案(例如矩形或六边形晶格)布置的孔或通孔的图案或阵列来对准波束130。
在可选的实施例中，晶片190被安装在合适的静止固定装置(而不是平台210)上，使得处理器22可以移动源100和前面提到的组件(例如狭缝组件110、以及组件165和140)，使得X射线波束被引导到晶片190的任何一个或更多个期望位置。在其他实施例中，系统10可以包括任何其他合适的支架组，例如一组平台(例如，用于晶片190的-平台，以及用于上述组件的xyz-平台)，并且处理器22被配置为通过控制该组平台来相对于波束130移动表面191和192。
在一些实施例中，入射波束130射在表面192上，穿过晶片190，并从在晶片190的表面191中形成的前面提到的HAR特征被散射。在晶片190的可选配置中，除了或代替如上所述在表面191中图案化的HAR特征，表面192还可以包括HAR特征。在该晶片配置中，入射波束130也可以从在表面192上图案化的HAR特征被散射。在一些实施例中，如将在下面详细描述的，系统10的检测器240被配置成检测从表面191和192二者的HAR特征散射的X射线光子。
在一些实施例中，入射波束130可以垂直于晶片190的表面192或者以相对于晶片190的任何其他合适的角度射在点111处。在实施例中，入射波束130中的一些在它横穿晶片190时被吸收，且透射波束220在与入射波束130相同的方向上离开晶片190的表面191。从前面提到的一个或更多个HAR特征散射的附加波束222相对于晶片190的表面191在与透射波束130成不同的角度下离开。
在一些实施例中，检测器240被配置成检测射在检测器240的表面224上的一个或更多个区域226处的波束222的X射线光子。检测器240可以包括任何合适类型的一个或更多个检测器，例如但不限于电荷耦合设备(CCD)、由多个供应商提供的CMOS相机、或者由供应1D Mythen检测器和2D Pilatus和Eiger系列的检测器的DECTRIS有限公司(瑞士巴登)制造的由硅(Si)或碲化镉(CdTe)检测层制成的阵列检测器。
在一些实施例中，检测器240可以被安装在高精度机动平移和/或旋转平台(未示出)上，该高精度机动平移和/或旋转平台被配置为基于预定的运动轮廓(profile)移动和/或旋转检测器240，以便提高其感测效率。检测器240的平台和运动控制的示例实现方式在下面的图10中被详细描述。
在一些实施例中，上述检测器被配置成检测从晶片190散射的在本文被称为波束222的X射线波束，并且包括足够小尺寸的敏感元件，以便提供必要的角分辨率来用于测量来自晶片190的HAR特征的小角散射强度分布。
在一些实施例中，系统10包括在校准和设置系统10时使用的一个或更多个校准测量仪器215，以便准确地测量在晶片190中图案化的前面提到的特征中的特性。校准测量仪器215中的至少一个被配置为产生指示在晶片190处的给定位置相对于预定参考的高度和倾斜度的电信号，如将在下面详细描述的。电信号经由接口24被发送到处理器22以用于分析。
在一些实施例中，系统10可包括两个校准测量仪器215。面向表面192的第一校准测量仪器215通常是平坦的并且没有HAR特征或其他类型的图案，而面向表面191的第二校准测量仪器215通常被图案化并且也可以具有上面所述的HAR特征。在图1的示例配置中，第二校准测量仪器是可选的，且因此以虚线矩形示出。
在其他实施例中，系统10可以包括校准测量仪器215的任何其他合适的配置，例如仅仅面向表面191的第二校准测量仪器，或者具有分别面向表面192和191的前面提到的第一校准测量仪器和第二校准测量仪器215。
在一些情况下，校准测量仪器215可以不同地对晶片190的图案化表面(例如，在表面191上)和平坦表面(例如，非图案化或覆盖层表面192)的高度和倾斜度做出响应，且因此可能需要之前的校准步骤，以便提高高度和倾斜度测量的准确度。
在一些实施例中，处理器22可以从前面提到的第二校准测量仪器215接收指示被图案化的表面191的高度和倾斜度的信号。图案可能影响由第二校准测量仪器执行的测量(例如，引起在测量中的移位)。在这些实施例中，处理器22被配置成调整或校准在入射波束130和晶片190的表面192的法线之间的角度，以便补偿图案引起的移位，并因此提高由系统10执行的测量的质量。
注意，当校准测量仪器215测量表面192或任何其他非图案化表面的高度和倾斜度时，通常在测量中没有移位。
在一些实施例中，在本文也被称为光学测量仪器的校准测量仪器215可以包括光源和传感器(未示出)、或者任何其他合适的配置。校准测量仪器215被配置成在x轴和y轴的选择的坐标处测量表面192的局部高度(例如，沿z轴的距离)和倾斜度(例如，相对于xyz坐标系的x-y平面)。在这些实施例中，光源和传感器被配置成在任何合适的波长(例如可见光、红外光(IR)、或紫外光(UV))中但通常不在X射线范围内操作。
在一些实施例中，基于从校准测量仪器215接收的电信号，处理器22被配置为计算并在系统10的显示器上显示指示表面191和192或晶片10的任何其他选择的平面相对于任何合适的参考(例如xyz坐标系的x-y平面)的高度和倾斜度的3D地图。处理器22可以基于在表面192上测量的位置以及在所测量的位置之间计算的附加位置(例如通过在两个或更多个所测量的位置之间插入高度和倾斜度)来计算3D地图。
在一些实施例中，处理器22还被配置为对任何基于X射线的对准过程确定一个或更多个开始位置。对准过程用于由系统10确定波束130相对于所提及的一个或更多个散射结构的零度角，在本文被称为ω0和χ0。
在一些实施例中，通过独立地测量晶片190的(a)表面191和192、和(b)所提及的散射特征(例如，HAR结构)相对于入射波束130的定向，处理器22被配置为计算散射特征相对于晶片190的表面191的定向。该计算的定向对于测量HAR结构(例如3D NAND闪存的沟道孔)特别重要。
在一些实施例中，晶片190通常在具有包括晶体的原子的规则布置的晶体上生长。随后，从晶体切下晶片190，使得表面在本文被称为晶片定向的若干相对方向中的一个方向上被对准。这也被称为晶体硅的生长平面。该定向对于晶片190的电特性很重要。不同的平面具有原子和晶格的不同布置，这影响电流在晶片中产生的电路中流动的方式。硅晶片的定向通常使用密勒指数(例如(100)、(111)、(001)和(110))进行分类。
在一些实施例中，系统10可以包括可以集成光学显微镜50，其用于导航和图案识别，以及用在各种其他应用(例如光学检查和/或计量)中，和/或用于复查在晶片190上的图案和其他特征。
在一些实施例中，光学显微镜50电气地耦合到计算机20，并且被配置为产生指示所提及的图案的信号，使得处理器22能够执行图案识别或任何其他前面提到的应用。
此外或可选地，系统10可以包括被配置为给系统10提供互补的计量或检查能力的其他合适类型的集成传感器(未示出)。
在一些实施例中，系统10包括被配置为检测从基本上垂直于晶片190的表面191和192的平面衍射的X射线光子的一个或更多个X射线衍射(XRD)检测器，例如XRD检测器54和56。
现在参考插图52，其为系统10的俯视图。在一些实施例中，XRD检测器54和56被布置成产生衍射信号，其如将在下面所述的可用于基于从晶格的一些平面衍射的X射线光子的晶片对准。从XRD检测器54和56中的至少一个接收的信号也可以用于其他应用。
在插图52中所示的XRD检测器54和56、光学显微镜50和校准测量仪器215(可选的)的配置为了概念清楚起见而被简化并作为示例被提供。在其他实施例中，系统10可以包括传感器、检测器、显微镜和其他合适的部件和子系统的任何其他合适的配置和布置。
现在回来参考图1的侧视图。在一些实施例中，处理器22可以从XRD检测器54和56接收指示来自基本上垂直于晶片190的表面191和192的平面的劳厄衍射(Lauediffraction)的强度的信号。例如，结晶平面(555)垂直于具有密勒指数(001)的硅晶片的表面(在本文被称为硅(001))。此外或可选地，处理器22可以从检测器54、56和240中的至少一个接收指示从晶片240的任何其他晶格平面衍射的波束222的第一部分的强度的信号。这些信号在本文也被称为衍射信号。
在一些实施例中，处理器22被配置成使用从基本上垂直于表面191的晶体平面衍射并由XRD检测器54和56感测的X射线，以便确定入射波束和/或直射波束(direct beam)相对于单晶晶片的晶格平面的定向。
在其他实施例中，检测器240还被配置为感测由于前面提到的劳厄衍射而被衍射的X射线光子，并产生指示感测到的X射线光子的强度的信号。
在一些实施例中，处理器22可以从检测器240接收指示透射通过表面192并从表面191的HAR特征散射的波束222的一部分的强度的信号，其在本文也被称为散射信号。
在可选的实施例中，校准测量仪器215可以包括一个或更多个X射线检测器，其被定位成测量来自基本上垂直于晶片190的表面191和192的平面的劳厄衍射，并产生指示所测量的劳厄衍射的强度的信号，其在本文被称为替代衍射信号。
在一些实施例中，基于上面所述的一个或更多个衍射信号，处理器22被配置成指示平台210将ω和χ旋转施加到晶片190。处理器22可以使用与由检测器240检测到的衍射X射线的最大强度相对应的晶片190的位置，用于建立波束130相对于晶片190中的晶格的倾斜角。
在这些实施例中，处理器22被配置成通过使用在满足衍射条件的两个或更多个方位角下的测量来建立在晶格平面与晶片190的表面之间的倾斜角。此外，处理器22可以向波束130应用用于确定表面191和192的定向的X射线衍射(XRD)方法，作为基于非X射线的测量仪器的校准技术。例如，在晶格和表面191和192之间有已知的倾斜角的情况下，可以通过测量参考晶片或在载体晶片上或在工具上安装的任何合适的参考结构来执行校准。
在这些实施例中，检测器240可以包括各种合适类型的检测元件，例如但不限于(a)由硅、锗或CdTe或其他合适的材料制成的1D二极管的阵列、和(b)基于CCD、CMOS传感器、PIN二极管或混合像素检测器技术的2D X射线直接或间接检测相机。
在可选的实施例中，除了校准测量仪器215之外，系统10还可以包括能量分散X射线(EDX)检测器组件(未示出)。EDX检测器组件包括基于硅或基于锗的固态EDX检测器、以及具有单通道或多个通道的电子分析仪。EDX检测器组件被配置成测量例如从晶片190的点111或者从用于校准系统10的参考晶片的预定位置发射的X射线荧光，并且产生指示在点111处测量的X射线荧光的强度的电信号。
基于电信号，处理器22被配置成确定点111的第一位置以及在由校准测量仪器215同时获取的第一位置和第二位置之间的偏移(offset)。
在一些实施例中，X射线源100和在源100和晶片190之间的至少一些X射线光学器件被安装在第一平台上，晶片190被安装在第二平台(例如，平台210)上，以及光学显微镜50和光学测量仪器215中的至少一个被安装在第三平台上。通过比较基于XRF的信号和基于光学的信号，处理器22被配置成识别例如在光学显微镜50的光学图案识别相机与X射线波束130之间的空间偏移，并识别在系统10的前面提到的平台之间的任何未对准。
在一些实施例中，处理器22被配置为基于接收到的电信号来估计在平台210中的运动误差，例如在平台210的x轴和y轴之间的丝杠误差(leadscrew errors)和非正交性。此外，基于X射线荧光信号，处理器22被配置成通过估计在系统10的坐标系中的一个或更多个点和在平台210上的相应点的实际位置之间的偏移来校准平台210，该校准在本文也被称为平台映射。
在一些实施例中，除了或代替上述EDX组件，系统10还可以包括基于穿过合适的参考晶片(未示出)的X射线波束(在本文也被称为直射波束)的衰减的校准方案。合适的参考晶片可以包括适于使直射波束强度衰减百分之几十的图案化特征，使得检测器240可以感测直射波束的光子而不被影响(例如，饱和)。在示例性实施例中，参考晶片可以包括各种合适元素或合金的具有任何合适厚度(例如约50微米)的各种图案，这些元素或合金例如但不限于钨(W)、钽(Ta)、金(Au)或银(Ag)。
在一些实施例中，处理器22可以使用校准测量仪器215，用于在对产品晶片(例如晶片190)上的结构进行测量期间在波束130和晶片190之间对准，或者用于例如在执行维护操作之后校准系统10，以便使系统10为在生产中使用做准备。
在上述可选的实施例中，系统10可以包括被安装在晶片190的相对侧处的至少一个校准测量仪器215，以便基于从表面191感测的信号来测量晶片190的倾斜度。在实施例中，处理器22被配置成校准在覆盖层上测量的倾斜角和晶片的图案化区域之间的偏移。
在该实施例中，处理器22定位校准测量仪器215以将光束引导到定位成相邻于表面191(其一般是覆盖层(即，没有图案))的边缘的第一点上，并且测量晶片在x轴和y轴上的倾斜度。随后，处理器22定位校准测量仪器215以将光束引导到最接近(例如，10毫米-20毫米)第一点的图案上的第二点处，并测量晶片在x轴和y轴上的倾斜度。
在一些实施例中，基于在第一点和第二点处的倾斜度测量，处理器22计算在覆盖层和图案化表面之间的偏移。注意，晶片通常是刚性的，使得实际倾斜角在10毫米或20毫米的距离内不改变。该偏移可以用作在晶片190或任何其他类型的被测晶片的覆盖层和图案化表面上的倾斜度测量之间的校准因子。在一些实施例中，处理器22可以将光束的光斑尺寸设置为足够小以仅照射在晶片边缘附近的覆盖层表面，但是足够大以对在图案的各种特征上的倾斜度测量取平均。
在一些实施例中，晶片190包括单晶材料，并且XRD检测器54和56中的至少一个被配置为测量波束220从单晶材料的晶格平面的衍射。在一些实施例中，响应于所测量的衍射，处理器22被配置为相对于晶格平面来对校准测量仪器215的合适参数(例如，定向)进行校准。
校准测量仪器215的特定配置在图1中被示意性地示出，以便展示用于改善由系统10执行的晶片190的特征(例如HAR结构)的测量的校准技术。然而，本发明的实施例决不限于这种特定类型的示例配置，并且上述校准测量仪器215的原理可以使用任何合适的配置来实现。
在实施例中，系统10包括由X射线不透明或部分不透明材料制成的波束阻挡组件，其在本文被称为波束阻挡器230。
波束阻挡器230被安装在系统10中在晶片190和检测器240之间，并且被配置为阻止波束220的至少一部分照射检测器240。在一些情况下，入射波束130的至少一部分可以直接透射穿过晶片190。
在一些实施例中，波束阻挡器230可以被定位成在与入射波束130的空间范围可比较的角度范围内部分地阻挡直接透射的入射波束。
波束阻挡器的示例实现方式在下面的图7A和图7B中被详细描述。
在一些实施例中，如下面在图8A、图8B、图9A和图9B中所描绘的，波束阻挡器230的不透明度水平和形状影响由检测器240产生的信号。
在一些实施例中，检测器组件可以包括单个检测器或者围绕区域226布置的检测器的阵列。波束检测器可以具有2D配置(即面积检测器)或1D配置(即线性检测器)，并且能够对X射线光子计数。检测器240可以是平坦的，或者可以具有任何合适的形状，例如朝着波束222和220成角度的弧形。响应于所捕获的光子，240被配置成生成经由接口24被传送到处理器22的电信号。检测器240的一个示例实现方式在下面的图10中被详细描述。
在一些实施例中，系统10包括真空室280，真空室280被安装在晶片190和检测器240之间并且被配置为减少波束220由于空气而发生的不期望的散射。在一些实施例中，真空室280包括具有在每一端处对X射线透明的窗口的金属管，使得波束220和222可以在晶片190和检测器240之间通过。
在一些实施例中，系统10包括合适的真空泵，例如由处理器22控制的低真空泵(roughing pump)，以便控制在真空室280中的真空水平，从而提高射在检测器240的有效表面上的X射线光子的信号背景(SBR)比。
在一些实施例中，系统10被配置成测量关于晶片190的前面提到的特征的结构(例如，尺寸和形状)以及形态参数。例如，基于从检测器240接收的电信号，处理器22被配置成测量大量的参数，例如但不限于图案化结构的高度、深度、宽度和侧壁角度、以及在整个晶片190上的任何位置处的膜的厚度和密度。
在一些实施例中，处理器22包括用于分析从检测器240接收的电信号的基于模型的软件。处理器22使用单个结构模型，以便对具有公共强度归一化因子的所有入射角模拟X射线散射。随后，处理器22例如基于拟合优度(GOF)参数的数值分析来比较在所测量的强度分布和所模拟的强度分布之间的相关性。
在一些实施例中，处理器22被配置成例如通过使用诸如差分进化(DE)的算法来迭代地调整模型的参数，以便最小化GOF参数并获得最佳拟合模型参数。
在一些实施例中，处理器22可以通过将由互补技术测量的参数值(例如在由临界尺寸扫描电子显微镜(CD-SEM)测量的所提及的特征的上层处的宽度)引入到模型中来减少在模型参数之间的相关性。
在一些实施例中，系统10可以包括一个或更多个校准目标，其具有使用除SAXS以外的任何合适的参考技术(例如原子力显微镜(AFM))来在外部表征的周期性特征的阵列。处理器22可以使用校准目标作为用于校准系统10的前面提到的组件以及用于(a)在波束130和晶片190之间以及(b)在波束222和检测器240之间的对准的参考。
在一些实施例中，基于上面所述的SAXS配置和软件算法，系统10被配置为检测在整个晶片190上的所提及的特征中的无序参数。例如，侧壁的水平和垂直粗糙度以及间距变化(例如间距游走误差)可能出现在例如多重图案化光刻工艺或者由于在3D NAND存储器中的蚀刻工艺而引起的沟道孔的倾斜和扭曲中。
在本公开的上下文中和在权利要求中，术语“小角”和SAXS的“小角”指相对于直射波束的小于10度的角。
系统10的配置作为示例示出，以便说明由本公开的实施例解决的某些问题，并展示这些实施例在增强这种系统的性能中的应用。然而，本发明的实施例决不限于这个特定类型的示例系统，并且本文描述的原理可以类似地应用于用于测量在任何合适类型的电子设备中的特征的其他类型的X射线系统。
图2是根据本发明的另一实施例的SAXS系统30的示意图。在一些实施例中，为了简洁起见在本文也被称为“系统30”的SAXS系统30的配置类似于晶片190相对于入射波束130在任何合适的角度(例如，45度)下倾斜(在本文也被称为旋转)的系统10的配置。
在一些实施例中，处理器22被配置成指示平台210在晶片190的平面中围绕倾斜轴倾斜晶片190，例如围绕y轴方位角旋转ω，并且平行于倾斜轴定向至少一个前面提到的狭缝组件。
在一些实施例中，系统30被配置成测量具有低纵横比(例如，高宽比小于10)的晶片190的结构。如上所述，处理器22被配置为相对于入射波束130旋转晶片190，或者可选地，相对于晶片190旋转入射波束130。处理器22被配置成围绕y轴在几十度的范围上执行旋转，其在本文被称为ω旋转。
在一些实施例中，旋转角度的范围可以是对称的，例如相对于例如在上面的图1中所示的晶片190的表面成±50度。在可选的实施例中，处理器22可以例如通过指示平台210将晶片190旋转到在前面提到的范围内的期望角度来执行不对称旋转(例如-10度至+60度)。
在一些实施例中，处理器22被配置成例如通过相对于波束130旋转晶片190的方位角来测量在多于一个平面中的结构的轮廓。在本公开的上下文中和在权利要求中，术语“轮廓”指所测量的特征的单个侧壁的形状，或者在两个相邻侧壁之间的宽度沿其深度或高度的变化，或者孔的中心根据深度的移位。孔的额外不对称性，例如椭圆形而不是圆形横截面，通常需要在不同的方位角和X轴处的测量。
例如，处理器22可以使用在不同方位角下执行的一系列强度测量来测量在选择的xy平面中的特征的轮廓。在一些实施例中，处理器22可以实现这种技术来用于测量在3DNAND存储器设备中的沟道孔的直径或者逻辑设备的局部互连结构的通孔和/或金属线的宽度。
在实施例中，波束阻挡器230被定位成极接近检测器240。在另一个实施例中，波束阻挡器230可以被定位成极接近晶片190。
图3是根据本发明的另一实施例的SAXS系统40的示意图。在一些实施例中，为简洁起见在本文也被称为“系统40”的SAXS系统40的配置类似于波束阻挡器230被定位成极接近晶片190的系统10的配置。
在一些实施例中，处理器22被配置成控制在沿着波束220的路径的任何合适位置处的波束阻挡器230的位置，以便降低由检测器240感测的不希望的背景和杂散散射的水平。
在一些实施例中，处理器22可以在沿着波束220的路径的一个或更多个预定安装位置处设置波束阻挡器230的位置。此外或可选地，处理器22可以通过控制被配置为将波束阻挡器230移动和保持在晶片190和检测器240之间的任何合适位置处的机动平台(未示出)来调整波束阻挡器230的位置。
例如，波束阻挡器230和相关组件(例如前面提到的平台)的结构在下面的图7A中被详细描述。此外，在下面的图8B和图9B中详细描述了在测量晶片190的所提及的特征时与波束阻挡器230的功能和应用相关的实施例。
系统10、30和40的配置作为示例被提供。然而，本发明的实施例决不限于这种特定类型的示例系统，并且本文描述的原理可以类似地应用于其他类型的计量系统，例如但不限于具有位于晶片的同一侧处的X射线源和检测器组件的基于反射的X射线计量系统。
图4是根据本发明的实施例的波束调节组件165的示意图。波束调节组件165可以用在上述系统10、30和40中的任何一个中，或者用在应用X射线波束来测量在晶片190或任何其他类型的晶片中产生的特征的计量系统的任何其他合适的配置中。
在一些实施例中，波束调节组件165包括在本文被称为组件110、300和320的多组狭缝组件。注意，如图1-3所示，组件110可以在波束调节组件165的外部，或者如图4所示被合并在其中。类似地，组件320可以是波束调节组件165的一部分或者在波束调节组件165的外部。
如上图1所述，波束调节组件165的狭缝组件被配置成阻挡相对于波束130的所设计的光路偏转的不希望的散射的X射线辐射，和/或调整波束130的发散度、强度和光斑尺寸。
在一些实施例中，波束调节组件165包括反射镜120，反射镜120被配置成在波束穿过组件110之后使波束130的光学特性成形，如在上面的图1中所述。
在一些实施例中，反射镜120包括涂覆有多个层124(例如重元素(例如W、Mo或镍(Ni))与轻元素(例如碳或硅)的交替薄(例如，大约一微米)层)的弯曲基底122。X射线光学器件的这种反射镜由若干供应商(例如Incoatec GmbH(德国汉堡)、AXO DRESDEN GmbH(德国德累斯顿)或Xenocs(法国萨桑纳日))提供。在一些实施例中，反射镜120的配置适于在两个方向(x，y)上提供准直波束。在其他实施例中，反射镜120被配置成在一个方向(例如，x方向)上准直波束130，并且在正交方向(例如，y方向)上聚焦波束130。
在一些实施例中，反射镜120被配置成将波束130聚焦在表面191上，以便获得最小的光斑尺寸。在其他实施例中，将X射线波束聚焦在检测器240上可以给系统10提供例如在HAR结构的成像中由检测器240感测的X射线波束的提高的角分辨率。
在2D准直波束的情况下，波束调节组件165可以包括面向彼此的两个光学器件，例如两个反射镜120，以便增加从源100收集的立体角(即二维角)并增加波束130的X射线通量。
在一些实施例中，波束调节组件165可以包括安装在由处理器22控制的一个或更多个机动致动器上的多个多层反射镜(例如反射镜120)的任何合适配置。处理器22可以布置波束调节组件165的每个反射镜120的配置，以便通过调整波束130的光学特性来获得最合适的测量条件。
在一些实施例中，波束调节组件165包括由锗(Ge)的单晶体或任何其他合适的材料制成的晶体310。晶体310具有v形通道312，该通道312包括入口孔径316、出口孔径318和布置成使得通道312从入口孔径316到出口孔径318逐渐变细的相对的内部面314和315，出口孔径318小于孔径316。
在一些实施例中，波束130穿过狭缝组件110进入反射镜120内，且随后穿过狭缝组件300和入口孔径316。随后，波束130射在内部面314上，且其后射在内部面316上并通过出口孔径318离开晶体310。
在一些实施例中，波束调节组件165用作分散元件，并且另外用作被配置成在离开组件165的狭缝组件320之后减小波束130的光斑尺寸的波束压缩光学器件。波束调节组件165的配置使波束压缩成为可能，并且与替代技术(例如有具有平行面的通道的晶体或者使用具有一个或更多个窄孔径的一个或更多个狭缝的晶体)相比仍然减少通量的损失。
在图4的示例配置中，狭缝组件110、300和320被安装在反射镜120和晶体310之前和之后，以便改善波束130沿着上述光路的成形。在其他实施例中，波束调节组件165可以包括插在源100和反射镜120之间和/或在反射镜120和晶体310之间和/或在晶体310和狭缝组件140或系统10、30和40中任何一个系统的任何其他部件或组件之间的狭缝组件的任何其他合适的配置。例如，狭缝组件320可以从组件165的配置中移除，并且可以从系统10、30和40中的任何一个的配置中排除。
图5是根据本发明的实施例的狭缝组件140的示意图。如图1-3所示，在本文也被称为限束器的狭缝组件140被定位于源100与晶片190的表面192之间，以便拦截波束130。
在一些实施例中，狭缝组件140包括两个或更多个可移动板520，该两个或更多个可移动板520沿着平移轴522以离彼此的预定距离被定位，以便限定狭缝512。在板520之间的距离可以是由处理器22例如使用用于沿着平移轴522移动一个或更多个板520的一个或更多个致动器(未示出)可控制的。可选地，例如通过不使板520相对于彼此移动，或者通过选择具有被定位于离彼此的期望距离处的静止板的合适类型的狭缝512，在板520之间的距离可以是恒定的。
在一些实施例中，狭缝组件140包括两个或更多个可移动叶片510A和510B，其不平行于彼此并且具有被定位成极接近彼此的相应边缘514A和514B，以便限定微狭缝515。
在一些实施例中，微狭缝515被配置成阻挡射在叶片510A和510B上的波束130的一部分而不产生散射波束，因此叶片510A和510B在本文中也被称为“抗散射叶片”。在一些实施例中，叶片510A和510B由单晶材料(例如钽(Ta)、Ge、磷化铟(InP))或者由多晶材料(例如碳化钨)制成，并且具有大约1毫米的厚度或任何其他合适的厚度。
在本公开的上下文中以及在权利要求中，术语“单晶体(single-crystal)”和“单晶(mono-crystal)”可互换地被使用，并且指具有由一种晶体制成的结构的材料。
在一些实施例中，狭缝组件140包括致动器500A和500B，其被配置为沿着相应的平移轴516A和516B移动相应的叶片510A和510B，以便调节微狭缝515的宽度。在一个实施例中，平移轴516A和516B中的至少一个基本上正交于在x-y平面中的平移轴522。
在一些实施例中，致动器500A和500B包括一个或更多个压电线性电机，例如由PiezoMotor(瑞典乌普萨拉)提供的Piezo LEGS Linear 6G系列或来自其他买方例如Physik Instrumente(德国卡尔斯鲁厄)的类似产品。这些电机可以被供应有集成的高分辨率位置传感器。
在一些实施例中，处理器22被配置成将狭缝组件140定位在晶片190的表面192的任何合适的接近度内。微狭缝515的设计允许处理器22将狭缝组件140定位成使得边缘514A和514B中的至少一个被定位于离表面192的小于10毫米(10mm)的距离处。在其他实施例中，处理器22可以将微狭缝515定位在离表面192的任何选择的距离处，例如在100毫米和几毫米之间。
在一些实施例中，微狭缝515的配置允许处理器22将狭缝组件140定位成即使在晶片190倾斜时也极接近(例如，低至几毫米)表面192，如在上面的图2中所示。
在一些实施例中，处理器22被配置成将在(a)微狭缝515和表面192、(b)边缘514A和514B以及(c)板520之间的距离设置成在波束130射到表面192上并与晶片190的结构和大部分相互作用之前获得波束130的期望光学特性。
现在参考插图502，其是在狭缝组件140和波束130之间的被截取部分的俯视图。在插图502的示例中，处理器22被配置成通过沿着相应的平移轴516A和516B移动(a)叶片510A和510B、以及沿着平移轴522移动(b)板520来将波束130的空间形状从圆524的圆形形状改变为由虚线矩形526所示的矩形形状。注意，在该示例中，只有在虚线矩形526的区域内的波束130的部分射在表面192上，而波束130的位于圆524和虚线矩形526的边缘之间的剩余部分被狭缝组件140阻挡。如上所述且如插图502所示，平移轴516A和516B中的至少一个正交于平移轴522。
狭缝组件140的配置为了概念清楚而被简化，并且作为示例被提供。在其他实施例中，狭缝组件140可以包括多于两个叶片510A和510B和/或多于两个板520。此外，板520的边缘和/或边缘514A和514B可以具有任何合适的形状，例如，板520和边缘514A和514B都可以具有突入到相应板520和叶片510A和510B的区域内的弧，以便形成从狭缝组件140离开的波束130的圆形形状，而不是前面提到的矩形形状。
在其他实施例中，平移轴516A和516B可以彼此平行或不平行，并且平移轴516A和516B中的至少一个可以不正交于平移轴522。
图6是根据本发明的实施例的狭缝组件150的示意图。狭缝组件150可以代替例如图1-3所示的狭缝组件140。
在一些实施例中，狭缝组件150包括沿着可移动叶片550的平移轴610布置的3-针孔准直系统，其在本文也被称为孔径604、606和608。
在一些实施例中，狭缝组件150包括被配置为沿着平移轴610移动叶片550的致动器600。
现在参考插图602，其是在波束130和叶片550之间的被截取部分的俯视图。
在一些实施例中，每个孔径604、606和608包括固定尺寸的孔径，例如由IncoatecGmbH(德国汉堡)生产的SCATEX无散射针孔。在叶片550的示例中，孔径604、606和608具有圆形形状，并且每个孔径具有例如在大约20μm和500μm之间的不同的直径。
在一些实施例中，用作无散射针孔的框架的叶片550由Ge制成，用于具有光子的低能量的X射线波束，或者由Ta制成，用于有具有较高能量的光子的波束。
在一些实施例中，孔径604、606和608的配置适于减少当X射线波束穿过其他类型的孔径时通常出现的不希望有的寄生散射。
在一些实施例中，致动器600可以包括耦合到驱动杆620的任何合适类型的电机，驱动杆620被配置为沿着平移轴610移动叶片550。
在其他实施例中，致动器600的配置可以类似于在上面的图5中描述的致动器500A和500B的配置。
在一些实施例中，处理器22被配置成通过指示致动器600定位叶片550的选择的孔径以拦截波束130来确定波束130的光学特性。在图6的示例中，致动器600将孔径606定位成使得波束130穿过它，并且波束130的超出在孔径606内的区域的部分将被阻挡。
图7A是根据本发明的实施例的波束阻挡器230的示意图。在一些情况下，射到表面192上的入射波束130的至少一部分直接透射穿过晶片190，并作为波束220的一部分从表面191离开而不被散射。波束220的直接透射部分在本文被称为“直射波束”。
在一些实施例中，波束阻挡器230被定位成通常在波束220的中心处使直射波束的X射线辐射衰减。这个衰减是必要的，例如以防止对检测器240的损坏和/或防止检测器饱和和在非线性区域操作。另一方面，太大的衰减将消除可由处理器22用来跟踪波束220的中心的角位置和强度的基本信号的检测。因此，通常选择波束阻挡器230的衰减，使得透射波束的强度在检测器240处衰减到每秒数百或数千光子。
在一些实施例中，波束阻挡器230包括通常具有椭圆形状或任何其他合适的形状的一个或更多个波束阻挡元件，例如波束阻塞器232。在一些实施例中，波束阻塞器232由也被称为高Z材料的X射线部分不透明材料制成，该材料通常包括金属元素(例如钽或钨)和/或任何合适的金属合金。
如上所述，波束阻塞器232的衰减被选择成使波束220的角位置和强度的可靠测量成为可能，以及同时防止在检测器240的感测中的损坏和非线性失真。
在一些实施例中，波束阻塞器232还被配置成最小化来自源的背景强度(例如由于空气或荧光的散射以及由于在检测器240的有源区或表面后面的电子器件的其他散射)。注意，由于检测器材料(例如450μm的硅)的有限厚度或低吸收，检测器240的有源区可以用具有10keV或更高的能量的高能X射线部分地照射。
在一些实施例中，波束阻塞器232具有弯曲和/或平滑的边缘，以便降低直射波束的散射强度。
在一些实施例中，波束阻挡器230包括在本文也被称为支架的基体(matrix)236。基体236由适于不散射X射线的材料块制成，例如是但不限于金刚石或聚合物，例如在本文也被称为MylarTM的双轴定向的聚对苯二甲酸乙二酯(BoPET)聚酯或在本文也被称为的聚(4,4'-氧二亚苯基-均苯四甲酰亚胺)聚酰亚胺的薄的片材。
在一些实施例中，波束阻塞器232被安装在形成于基体236中的凹部(未示出)中，并且由基体材料机械地支撑而不使用可能散射X射线的粘合剂，且因此可以对测量增加背景信号水平。因为粘合剂可能在X射线照射下随着时间退化，可以使用用于电子器件制造的技术(例如沉积具有适当金属化的薄粘合层和种子层且然后电镀厚的X射线吸收材料(例如金(Au))或者通过使用加性印刷技术(其使用合并高浓度的金属纳米颗粒的油墨，接着是退火过程))来制造吸收特征。
在其他实施例中，波束阻塞器232可以使用任何其他合适的技术(例如不散射X射线的粘合剂)耦合到基体236。注意，波束阻塞器232适于使直射波束衰减，使得在图1中被示为波束222的周围散射波束不衰减，因为支撑结构对于波束222的散射X射线是透明的。
在一些实施例中，波束阻塞器232的材料允许足够强度的直射波束被部分地透射，使得处理器22可以确定由检测器240感测的直射波束的强度和位置，而不移动波束阻塞器232远离直射波束。
在一些实施例中，波束阻挡器230包括在本文也被称为高精度机动平台233的支架，其由处理器22控制并被配置为沿着一个或更多个轴移动。例如在上面的图1和图2中分别示出的系统10和30的配置中的平移x轴和y轴。
在一些实施例中，基体236被安装在平台233上，使得处理器22设置波束阻塞器232相对于通过晶片190透射的直射波束的位置。在其他实施例中，平台233可以包括旋转轴(未示出)，以便改善波束阻塞器232与波束220且特别是与其直射波束的对准。在另一个实施例中，平台233还被配置成在z轴上移动，以便使在上面的图3中所示的系统40的配置成为可能，或者进一步提高直射波束的衰减水平。
在一些情况下，直射波束的衰减通过晶片190或系统10的任何其他元件可能是足够高的。因此，在其他实施例中，处理器22被配置成远离波束220的路径移动波束阻挡器230。在这些实施例中，波束阻塞器232不拦截波束220，使得处理器22可以基于由检测器240感测的直射波束的方向和强度来监测直射X射线波束的强度和位置。
波束阻挡器230的配置为了概念清楚起见而被简化，并且作为示例被提供。在其他实施例中，波束阻挡器230可以包括布置在任何其他合适的配置中的任何其他合适的部件和/或组件，以用于使直射波束的强度衰减和/或用于管理对从晶片190散射的一个或更多个波束222的感测。例如，波束阻挡器可以包括多个射束阻塞器232或者两根窄电线，其间距可以被调整以改变阻挡器的有效宽度。
图7B是根据本发明的实施例的波束阻挡器330的示意图。波束阻挡器可以代替例如上面的图1的波束阻挡器230。在一些实施例中，波束阻挡器330包括由合成金刚石或上述基体236的材料或适于不散射波束220的X射线的任何其他合适的材料制成的基体333。
在一些实施例中，波束阻挡器330包括多种类型的波束阻塞器，每个波束阻塞器由合适的材料制成。例如，具有大约50微米的厚度或任何其他合适厚度的基于金的波束阻塞器或具有在50微米和100微米之间的典型厚度或任何其他合适厚度的基于钨的波束阻塞器。可以例如通过对合适的钨箔的激光切割来制造基于钨的波束阻塞器。
在一些实施例中，可以使用任何合适的技术例如使基体凹进并将波束阻塞器布置到凹进的图案内或者任何其他合适的方法(例如在上面的图7A中描述的方法)来将波束阻塞器耦合到基体333。例如，金或钽可以沉积到凹进的图案中或者使用化学和/或物理技术沉积在基体的表面上，并且上面所述的激光切割的钨片可以附着到凹进的图案。
在一些实施例中，波束阻挡器330包括波束阻塞器的多种几何形状和布置。在图7B的示例中，波束阻挡器330包括以离彼此5毫米的距离布置在沿着X轴的一行中并且具有大约10毫米的相似长度(沿着Y轴测量)的五个条形波束阻塞器。条形波束阻塞器具有例如在0.1毫米和0.5毫米之间的不同的宽度。例如，波束阻塞器332和334分别具有大约0.5毫米和0.3毫米的宽度(沿着X轴测量)，并且在波束阻塞器332和334之间的条状物具有大约0.4毫米的宽度。
在一些实施例中，波束阻挡器330包括具有沿着上述条形波束阻塞器的X轴(例如，宽度和距离)的相同布置的五个方形波束阻塞器。例如，波束阻塞器336和338分别具有0.4毫米和0.2毫米的宽度，并且布置在它们之间的方形波束阻塞器具有0.3毫米的宽度。
在一些实施例中，波束阻挡器330可以包括其他形状的波束阻塞器，例如矩形、椭圆形状。波束阻挡器330可以包括协助阻挡器的对准的附加标记，例如标记337和339。
波束阻挡器330的配置作为示例被提供。在其他实施例中，波束阻挡器330可以包括具有任何合适的形状和尺寸并且布置在任何合适的布局中的任何其他的波束阻塞器组。
图8A是根据本发明的另一实施例的指示在没有波束阻挡器230的情况下由检测器240感测的波束220的强度的图像402的示意图。在图8A的示例中，在x轴和y轴上都被准直的入射波束130射到晶片190上，晶片190包括特征(例如DRAM设备的HAR电容器)的六边形阵列。
在一些实施例中，图像402包括指示由检测器240感测的直射波束的强度的光斑420。图像402还包括指示从DRAM设备的六边形阵列散射的相应波束222的多个光斑410。在一些实施例中，光斑410和420的灰度级指示由检测器240感测的波束220的强度(例如光子的通量及其相应的能量)。在本示例中，白色指示高强度，以及较暗的颜色指示由检测器240感测到的较低强度。
在一些实施例中，图像402包括位于也在上面的图1中示出的检测器240的区域226内的光斑410和光斑420之间的位置404。图像402还包括位于检测器240的区域226之外的区域400，其在本文被称为背景。
在一些实施例中，处理器22被配置成设置波束130的特性，使得(a)光斑410具有相干散射，且因此看起来是明亮的，(b)在光斑410之间的位置404具有非相干散射，且因此看起来比位于围绕极接近光斑420的区域的虚拟圆405内的光斑410暗，并且(c)区域400没有散射或者具有低于预定阈值的散射水平，且因此看起来呈黑色。
在一些实施例中，在没有波束阻挡器230的情况下，直射波束的高强度导致在光斑420的区域处的检测器240的饱和，并因此导致在整个区域226上的非线性感测。因此，光斑420以白色出现，并且在圆405内的区域看起来比区域226的外围区域明显更亮。
如上所述，由于相干散射，光斑410看起来比在圆405的区域内的位置404更亮。然而，由于在来自检测器240的非相干背景中的增加，光斑410看起来比在区域226的周边处的位置404更暗。因此，检测器240的可靠感测区域被限制到在圆405内的区域，受到由来自检测器240的增加的背景(不相干的X射线强度)引起的有限对比度。
图8B是根据本发明的实施例的指示在存在波束阻挡器230的情况下由检测器240感测的波束220的强度的图像406的示意图。类似于图8A的例子，在x轴和y轴上都被准直的入射波束130射在包括前面提到的DRAM设备的HAR电容器的六边形阵列的晶片190上。
在一些实施例中，图像406包括指示由检测器240感测的直射波束的强度的光斑430。图像406还包括指示从DRAM设备的六边形阵列散射的相应波束222的多个光斑440。
在一些实施例中，波束阻挡器230使由检测器240感测的直射波束的强度衰减，因此，光斑430以暗灰色出现，并且检测器240不引入例如在上面的图8A中所示的明显的背景强度。
在一些实施例中，与区域226的周边相比，来自HAR特征的相干散射的感测到的强度在圆405内显得更强。然而，检测器240的线性感测将从位置404检测到的强度降低到区域400的背景水平。因此在区域226内，在所有光斑440和区域404之间的对比度足够高，以在高准确度和精度下进行测量。术语“准确度”指测量所提及的特征的实际尺寸，以及术语“精度”指对所提及的给定特征执行的多次测量的可重复性。
在一些实施例中，波束阻挡器230的存在允许处理器22监测部分地衰减的直射波束(例如，在HAR结构的测量期间)，以便控制指示波束130和220的特性的参数，例如波束130和220在晶片190和检测器240上的相应位置处的入射通量。
图9A是根据本发明的另一个实施例的指示在没有波束阻挡器230的情况下由检测器240感测的波束220的强度的图像502的示意图。在图9A的示例中，在x轴上被准直并且在y轴上聚焦在晶片190上(例如，在表面191上)的入射波束130射在晶片190上，晶片190包括1D(线)或长和窄的2D特征的阵列，例如在设备中的线或沟槽或者在刻划线中或管芯上的其他地方的专用计量焊盘。
在一些实施例中，图像502包括指示由检测器240感测的直射波束的强度的光斑520。图像502还包括指示从阵列散射的相应波束222的多个特征510。在一些实施例中，特征510和光斑520的灰度级指示由检测器240感测的波束220的强度。如上图8A所述，白色指示高强度，以及较暗的颜色指示由检测器240感测到的较低强度。
在一些实施例中，图像502包括被定位于在检测器240的区域226内的特征510和光斑520之间的位置504。图像502还包括位于检测器240的区域226之外的区域400。
在一些实施例中，处理器22被配置成设置波束130的特性，使得特征510具有相干散射，位置504具有非相干散射，并且区域400没有散射。
在一些实施例中，在没有波束阻挡器230的情况下，直射波束的高强度导致足够高的背景强度和在整个区域226上的对比度的损失。因此，光斑526以白色出现，并且在虚拟矩形505内的区域看起来比在区域226的外围区域明显更亮。
如上所述，由于相干散射，特征410看起来比在圆405的区域内的位置504更亮。然而，来自检测器240的增加的背景导致在区域226的周边处的对比度的损失。因此，检测器240的可靠感测区域被限制到在矩形505内的区域。注意，在没有波束阻挡器230的情况下，检测器240的可靠感测区域的形状和尺寸取决于所测量的特征的类型(例如，几何形状)(例如，图8A中的圆形和图9A中的线性)、波束130的特性、和系统的其他参数，例如在上面的图2的系统30中示出的晶片190的倾斜角。
图9B是根据本发明的实施例的指示在存在波束阻挡器230的情况下由检测器240感测的波束220的强度的图像506的示意图。在一些实施例中，处理器22以与在上面的图9A中描述的设置类似的方式设置入射波束130。因此，在x轴上准直并在y轴上聚焦的波束130射到包括线或沟槽的前面提到的布局的晶片190上。
在一些实施例中，图像506包括指示由检测器240感测的直射波束的强度的光斑530。图像506还包括指示从NAND闪存设备的阵列散射的相应波束222的多个特征540。
在一些实施例中，波束阻挡器230使由检测器240感测的直射波束的强度衰减，因此光斑530以暗灰色出现，并且检测器240没有被过度的强度饱和。
在一些实施例中，与区域226的周边相比，来自线或沟槽的相干散射的感测到的强度在矩形505内看起来更强。然而，检测器240的线性感测将从位置504检测到的强度降低到区域400的背景水平。因此在区域226内，在所有特征540和区域504之间的对比度足够高，以在高准确度和精度下进行测量。
如在上面的图8B中所述的，波束阻挡器230的存在允许处理器22监测部分地衰减的直射波束，以便控制指示波束130和220的特性的参数。
图10是根据本发明的实施例的扫描方案的示意图，其中包括传感器243的阵列的检测器240为了提高的角分辨率而以小于传感器的间距的步长移动。在一些实施例中，检测器240包括在本文被称为传感器243的1D或2D传感器元件的阵列。在图10的示例中，检测器240包括2D传感器243，每个传感器在x轴上和在y轴上具有预定的间距，其在本文分别被称为Px和Py。
在本公开的上下文中以及在权利要求中，术语“Px”和“宽度轴”可互换地被使用，以及术语“Py”和“高度轴”也可互换地被使用。在一些实施例中，每个传感器243被配置成产生指示直射波束和射在其有效表面上的波束222的强度的电信号。在一些实施例中，处理器22被配置为基于从每个传感器243接收的电信号来产生在本文被称为像素的图像。因此，在x轴和y轴上的每个像素的大小通常分别是大约Px和Py。
在一些实施例中，检测器240被安装在包括平移和旋转电机(未示出)的机动平台246上。在一些实施例中，平移电机被配置成为了在x-y平面中扫描而在x轴和y轴上以及为了改善波束222在传感器243的有效表面上的聚焦而在z轴上移动检测器240。在一些实施例中，平移电机被配置成例如围绕z轴旋转检测器240，用于将传感器243与波束222的散射的X射线光子的方向对准。
在一些实施例中，平台246包括被配置成以预定频率测量平台246的相应轴的平移和旋转位置的高精度编码器和/或干涉仪(未示出)。
在一些实施例中，系统10可以包括由处理器22控制的运动控制组件(未示出)。运动控制组件包括被配置为针对每个电机确定相应的运动轮廓(例如，速度、加速度和减速度)的控制器(未示出)。运动控制组件还包括一个或更多个驱动器，其由前面提到的控制器控制并被配置成驱动平台246的电机以根据相应的运动轮廓并基于由每个轴的相应编码器或干涉仪测量的当前位置来移动。
在其他实施例中，处理器22还被配置成控制平台246的运动，并且除了控制器之外或者代替控制器，处理器22也可以用于这个目的。
在一些实施例中，平台246被配置成以在本文被称为Dx和Dy的选择的相应步长沿x轴和y轴移动检测器240，所述Dx和Dy通常显著小于相应的Px和Py。因此，平台246被配置成以等于上述像素尺寸的一部分的步长移动检测器240。
下面的等式1和2分别提供了用于估计Dx和Dy的大小的显式表达式：
(1)Dx＝px/m
(2)Dy＝py/n
其中n和m通常是分别指示在x轴和y轴上的选择的步长的整数。
在一些实施例中，处理器22被配置成接收由给定传感器243产生的电信号，并响应于接收到的信号而设置晶片190的旋转速度。注意，传感器243的获取时间成反比地依赖于感测到的X射线的强度。例如，如果在晶片190的给定区域处接收的电信号指示感测到的X射线的相对低的强度，则处理器22可以指示控制器使在给定区域处的检测器240的运动减速，以便增加光子的通量并从而增加在给定区域处感测到的SBR。
类似地，在晶片190的不同旋转角度处的感测到的X射线的相对高的强度的情况下，处理器22可以指示控制器使在不同区域处的检测器240的运动加速，以便增加测量吞吐量(throughput)。
在一些实施例中，处理器22或检测器240的控制器被配置成控制获取时间，使得检测器240接收跨越在晶片190上的所测量的位置的预定强度范围。预定强度范围使足够的强度能够获得高SBR，并且仍然防止在检测器240的相应传感器中的饱和和非线性感测。
在一些实施例中，处理器22被配置为在获取时间t从给定传感器243获取基于波束222的散射光子的强度的图像。因此，在n乘以m个子像素的阵列中，处理器22为每个子像素分配t/(m x n)的一致的时间间隔，以便在获取时间t内获取n x m个子图像。
在一些实施例中，处理器22被配置为使用相应的步长Dx和Dy沿着x和y轴在光栅图案中移动检测器240，以便测量在跨越单个像素的总面积的检测器240的不同位置处的每个时间间隔的强度分布。
在一些实施例中，处理器22被配置成将从相应传感器243接收的n乘以m个子图像组合成单个像素。处理器22可以将任何合适的方法(例如但不限于简单的算术插值或任何合适的图像处理算法)应用于接收到的子图像，以便增加所组合的图像的分辨率(例如，角分辨率)。
在一些实施例中，通过应用子像素步进并组合n x m个子图像以形成具有提高的角分辨率的单个图像，处理器22克服了由相应检测器组件的可用像素尺寸引起的SAXS系统的分辨率限制。
下面的等式(3)提供了用于计算位于离所提及的晶片一段距离d处的具有像素尺寸p的检测器的角分辨率Δθ的表达式：
(3)Δθ＝p/d
基于172μm的典型像素尺寸，需要大约5-6米的距离来获得大约0.3mrad-0.5mrad的角分辨率。
在一些实施例中，如上所述，通过使用子像素步进并组合n x m个子图像，在检测器240和晶片190之间的所设计的距离可以减小例如三倍到例如小于两米，同时保持所需的角分辨率。
在一些实施例中，处理器22被配置为通过将检测器240的速度增加到使在足够高的SBR下获取子图像成为可能的最大水平来减少测量晶片190的所提及的特征的总循环时间，如将在下文中详细描述的。
散射波束222的强度通常取决于散射物体的电子密度分布ρ(r)的傅立叶变换。对于弱散射，可以使用等式(4)来计算散射振幅“A”：
(4)A(Q)∝∫Vρe(r)exp(-iQ·r)dr
其中，Q是散射矢量，并且由X射线波长λ以及入射波束130和散射波束222相对于晶片190的相应角度确定。
下面的等式(5)提供了用于计算在运动学近似中的散射强度的众所周知的表达式：
(5)I(Q)＝(|A(Q)|)2+Ib(Q)
其中Ib(Q)是任何起源(例如来自在晶片中的在辐射的相干长度或工具的零部件(即狭缝或波束阻挡器)之外的结构的荧光或散射)的非相干“背景”强度贡献系统。
电子密度ρe与晶片190的散射物体的折射率“n”相关。下面的等式(6)提供了用于计算折射率n的表达式：
(6)n＝1-δ-iβ
其中δ和β分别是波-物质相互作用的分散分量和吸收分量。
注意，对于在硬性X射线的范围内的所有材料，折射率值接近于1，其中δ的值是大约10-6。
因此，下面的等式(7)可用于计算电子密度ρe：
(7)
其中re是经典电子半径的值，等于2.818x 10-15米。
在一些实施例中，处理器22被配置成计算包括上面所提及的特征的形貌和材料的物理模型。处理器22被配置为使用任何合适的参数(例如数值拟合优度(GOF))来比较所计算的强度和所测量的强度，并且调整模型参数以最小化在所计算的数据和所测量的数据之间的差异。
由处理器22拟合的数据集可以包括一个或更多个1D数据集，例如对于波束130和/或检测器240相对于晶片190的不同定向的沿着或越过衍射峰积分的强度分布，或者散射强度图案的一系列2D图像或其组合。
如上所述，处理器22被配置成通过在整个晶片190上的不同位置处使用不同的获取时间获取数据来减少所提及的特征的测量时间。在一些实施例中，处理器22可以在各种条件中通过检测器240应用不同的获取时间。例如，当测量不同类型的特征(例如，几何结构和/或材料)和/或布局(例如，单个特征、或特征的密集阵列)和/或在波束130和晶片190的表面192之间的角度、和/或在波束222和检测器240的有效表面之间的角度时。
在一些实施例中，处理器22被配置成调整信号获取时间，以便获得使从检测器240接收的电信号的足够高的SBR成为可能的足够的强度。具有基于N个计数的平均强度的散射X射线的测量不确定性通常由泊松计数统计指示，使得标准误差由√N给出，以及分数误差由1/(√N)给出。因此，处理器22可以通过增加计数的数量来减少测量不确定性。
如上所述，处理器22可以在由检测器240感测到的波束222的强度是高的一些位置处减少获取时间，并在感测到的X射线的强度较低的其他位置处增加获取时间，以便获得足够但不过多的X射线光子计数统计数据。
在可选的实施例中，处理器22可以将预处理(例如下采样和主成分分析(PCA))应用于从检测器240接收的原始电信号，例如关于一个或更多个旋转角度的1D强度分布图和/或2D图像。随后，处理器22可以将一个或更多个机器学习算法应用于经预处理的数据和可用于评估数据的值的补充数据，例如(例如，所提及的特征的)电测试数据。
在这些实施例中，处理器22可以使用任何合适类型的机器学习算法，例如最初由谷歌(加利福尼亚州的山景城)开发的TensorFlow开放源机器学习框架，作为使用神经网络进行深度学习的训练平台。
处理器22随后可以将基于先前数据集获得的训练模型应用于在后续晶片190上测量的数据，以便预测相应的设备在测试下的电气性能，或者基于在后续晶片190上测量的数据向系统10、30和40的用户提供其他有用的属性。注意，使用这种机器学习算法的实施例可能需要高采样，以便开发可靠的基于回归的模型。
在一些实施例中，检测器240包括被配置为区分波束220的低能光子和高能光子的电子电路(未示出)。在一些实施例中，处理器22被配置成降低例如由X射线荧光和高能宇宙射线引起的背景强度。
在其他实施例中，处理器22被配置为使用基于软件的滤波器结合上述子像素分辨率增强来移除许多高能宇宙射线。在这些实施例中，检测器240可以不包括上面所述的基于硬件的宇宙射线鉴别。
尽管本文描述的实施例主要处理单晶、多晶或非晶形样本(例如半导体晶片)的X射线分析，但是本文描述的方法和系统也可以用在纳米结构的阵列的应用的其他技术中。
因此将认识到，上面描述的实施例作为示例被引用，并且本发明并不限于在上文中特别示出和描述的内容。更确切地，本发明的范围包括在上文中所描述的各种特征的组合及子组合以及本领域中的技术人员在阅读上述描述时将想到的且在现有技术中未被公开的其变形和修改。通过引用并入本专利申请中的文件应被视为本申请的不可或缺的一部分，除了到任何术语在这些并入的文件中以与在本说明书中明确地或隐含地作出的定义冲突的方式被定义的情形，只考虑在本说明书中进行的定义。

Claims (16)

1.一种X射线装置，包括：
支架，其被配置为保持具有第一侧和第二侧的平面样本，所述第一侧是光滑的，所述第二侧与所述第一侧相对并且图案在所述第二侧上被形成；
X射线源，其被配置成朝着所述样本的所述第一侧引导X射线的第一波束；
检测器，其被定位于所述样本的所述第二侧上，以便接收透射穿过所述样本并从所述图案散射的所述X射线的至少一部分；
光学测量仪器，其被配置成朝着所述样本的所述第一侧引导光辐射的第二波束，感测从所述样本的所述第一侧反射的所述光辐射，并响应于所感测到的光辐射而输出指示所述样本的定位的信号；以及
电机，其被配置成响应于所述信号而调整在所述检测器和所述样本之间的对准。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述信号指示选自包括下列项的一组定位参数的至少一个定位参数：在所述样本和所述检测器之间的距离，以及所述样本相对于所述检测器的定向。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述样本的所述定向包括所述样本相对于所述检测器的表面的倾斜角。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述样本包括单晶材料，并且所述装置包括被配置为测量从所述单晶材料的晶格平面衍射的所述X射线的至少一部分的强度的附加检测器，并且所述装置包括控制器，所述控制器被配置为响应于所测量的强度来校准X射线的所述第一波束相对于所述晶格平面的定向。
5.根据权利要求1所述的装置，且包括处理器，所述处理器被配置为指示所述光学测量仪器朝着在所述样本的所述第一侧上的多个位置引导第二波束，以便输出指示从所述多个位置反射的多个相应光辐射的多个相应信号，其中，所述处理器还被配置为基于所述多个信号来显示指示至少在所述多个位置处所述样本的定位的三维(3D)地图。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述处理器被配置为基于所述多个位置来估计在所述第一侧上的另外一个或更多个相应位置处所述样本的一个或更多个另外的定位，并且在所述3D地图上显示所述另外的位置。
7.根据权利要求1所述的装置，且包括能量分散X射线(EDX)检测器组件，所述能量分散X射线(EDX)检测器组件被配置为测量从在所述样本的所述定位处的所述图案发射的X射线荧光，并输出指示在所述定位处测量的所述X射线荧光的强度的电信号。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述EDX检测器组件包括基于硅或基于锗的固态EDX检测器。
9.一种方法，包括：
在支架上保持具有第一侧和第二侧的平面样本，所述第一侧是光滑的，所述第二侧与所述第一侧相对且图案在所述第二侧上被形成；
朝着所述样本的所述第一侧引导X射线的第一波束；
从被定位于所述样本的所述第二侧上的检测器接收透射穿过所述样本并从所述图案散射的所述X射线的至少一部分；
朝着所述样本的所述第一侧引导光辐射的第二波束，以用于感测从所述样本的所述第一侧反射的所述光辐射，以及响应于所感测到的光辐射而输出指示所述样本的定位的信号；以及
响应于所述信号而调整在所述检测器和所述样本之间的对准。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述信号指示选自包括下列项的一组定位参数的至少一个定位参数：在所述样本和所述检测器之间的距离，以及所述样本相对于所述检测器的定向。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述样本的所述定向包括所述样本相对于所述检测器的表面的倾斜角。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述样本包括单晶材料，并且所述方法包括测量从所述单晶材料的晶格平面衍射的所述X射线的至少一部分的强度，以及响应于所测量的强度来校准X射线的所述第一波束相对于所述晶格平面的定向。
13.根据权利要求9所述的方法，且包括指示所述光学测量仪器朝着在所述样本的所述第一侧上的多个位置引导所述第二波束，以便输出指示从所述多个位置反射的多个相应光辐射的多个相应信号，以及基于所述多个信号来显示指示至少在所述多个位置处所述样本的定位的三维(3D)地图。
14.根据权利要求13所述的方法，且包括基于所述多个位置来估计在所述第一侧上的另外一个或更多个相应位置处所述样本的一个或更多个另外的定位，并且在所述3D地图上显示所述另外的位置。
15.根据权利要求9所述的方法，且包括测量从在所述样本的所述定位处的所述图案发射的X射线荧光，并输出指示在所述样本的所述定位处测量的所述X射线荧光的强度的电信号。
16.一种X射线装置，包括：
支架，其被配置为保持包括单晶材料并且具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧的样本；
X射线源，其被配置成朝着所述样本的所述第一侧引导X射线的波束；
检测器，其被定位于所述样本的所述第二侧上，并且被配置为接收从所述单晶材料的晶格平面衍射的所述X射线的至少一部分；
电机，其被配置成调整在所述检测器和所述样本之间的对准；以及
控制器，其被配置为基于衍射的X射线来测量所述样本相对于所述检测器的定向，并驱动所述电机以响应于所测量的定向来调整所述对准。
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