TW201543028A - 用於檢測半導體晶圓的ｘ射線檢測裝置（二） - Google Patents

用於檢測半導體晶圓的ｘ射線檢測裝置（二） Download PDF

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Abstract

一種x射線檢測系統包含：x射線源；樣本支撐件，其用於支撐將要檢測的樣本；x射線偵測器；樣本定位總成，其用於相對於該x射線源及x射線偵測器定位該樣本支撐件；樣本支撐件定位偵測總成，其包含非接觸定位量測設備，該非接觸定位量測設備鄰接該樣本支撐件定位且經組配以偵測該樣本支撐件之定位或定位變化；以及影像處理器，其連接至該x射線偵測器且連接至該樣本支撐件定位偵測總成。此佈置對於使用層析X射線照相組合來以極高倍放大產生模型為有利的。

Description

用於檢測半導體晶圓的X射線檢測裝置(二) 發明領域
本發明係關於x射線檢測裝置，且尤其係關於適合於在半導體晶圓之處理期間檢測半導體晶圓以生產積體電路的裝置及方法。然而，本發明之態樣一般而言係關於X射線檢測系統，且可應用於用於檢測任何類型之樣本的系統。
發明背景
製造積體電路為光刻及化學處理步驟之多步序列，在該等步驟期間，電子電路逐漸產生於由通常為矽的純半導體製成的晶圓上。整個製造過程自始至終花費六至八個周，且係在被稱為製造工廠的高度專業化設施中執行。製造工廠需要許多昂貴的設備來起作用。據估計，建造新製造工廠之成本超過十億美元，並且高達30億至40億的價值並非罕見。因此，製造工廠中之處理時間為極有價值的。製造工廠不操作例如用於工廠內機器之維護的任何時間為極不合意的。
因此，需要所有晶圓處理步驟為極其可靠的，並 且需要最小維護，且亦需要所有處理步驟盡可能快地進行且佔用盡可能少的空間。
作為使過程可靠之部分且為保證生產的電路適當地操作，希望能夠在各生產階段針對缺陷及故障測試晶圓。雖然可迅速且可靠地達成表面特徵之光學檢測，但是諸如所沉積傳導元件(諸如直通矽通孔、銅柱及凸塊)中之孔隙、裂紋及未對準的內部故障之檢測更加困難。用於偵測此等故障的當前方法需要自製造工廠中取出晶圓及使用聚焦離子束、掃描電子顯微鏡或x射線來測試。然而，一旦晶圓自製造工廠之清潔環境中取出，該晶圓即被有效地毀壞且無法再使用。
希望將能夠以更有效及非破壞性方式針對所沉積傳導元件中之孔隙、裂紋及未對準精確地測試半導體晶圓。亦希望將能夠以並不導致用於半導體晶圓之顯著增加的處理時間的方式針對所沉積傳導元件中之孔隙、裂紋及未對準迅速測試半導體晶圓。
發明概要
在一第一態樣中，提供一種x射線檢測系統，該x射線檢測系統包含：箱，該箱含有x射線源、用於支撐將要檢測的樣本的樣本支撐件，及x射線偵測器；以及空氣推進器，其經組配以經由該樣本支撐件上方的該箱中之空氣入口將空氣推進至該箱中， 其中該空氣推進器及該箱經組配以推進空氣自該空氣入口經過該樣本支撐件至該樣本支撐件下方的該箱中之空氣出口而穿過該箱。
箱可經構造以提供x射線屏蔽，且可經鉛襯以用於此目的。自安全性觀點來看，希望最小化x射線自系統的逸出。
此類型之x射線系統可在清潔室環境中用來檢測諸如半導體晶圓的物品。藉由維持自樣本支撐件上方、經過樣本支撐件至樣本支撐件下方的出口的空氣之流動，可保護樣本以免於任何灰塵及碎片。系統經組配，使得貫穿系統之操作維持空氣之流動，亦即，當樣本經加載、成像、移動且自系統卸載時。系統經組配以提供至少一第4類ISO 14644-1清潔室環境。
x射線源較佳地為密封x射線管。密封x射線管比敞開x射線管需要少得多的維護，且因此更好地適合於在停止工廠之操作以用於維護的任何時間極其昂貴的半導體製造工廠中使用。
x射線源較佳地包含透射靶。透射靶之使用允許極小的光點大小x射線源且允許緊湊系統內之高倍放大，因為可使正成像的樣本靠近靶。密封透射靶式x射線管對於半導體晶圓檢測尤其有利，因為此類型之x射線管可提供高解析度影像、良好可靠性及長維護週期。
系統較佳地經組配以執行透射顯微術。x射線偵測器可經組配以量測來自x射線源的主入射x射線束之減 弱，以提供樣本或樣本之區部之二維影像。
系統可進一步包含高效能空氣過濾器，諸如高效微粒吸收(HEPA)過濾器或超低滲透空氣(ULPA)過濾器，空氣過濾器位於樣本支撐件上方。此類型之空氣過濾器確保經由入口進入箱的空氣流動無灰塵。
在一較佳實施例中，空氣推進器定位在樣本支撐件上方，且在箱內。在此實施例中，空氣過濾器定位在空氣推進器與樣本支撐件之間。在箱內提供空氣推進器允許緊湊系統之產生。然而，將空氣推進器置放在箱外側為可能的。
系統可包含多個空氣推進器及多個空氣過濾器。理想地，系統經組配，使得箱內之空氣流動為一致的及層狀的且在向下方向上，而無空氣之任何再循環。可選擇所使用的空氣推進器之數目以適合箱內之系統組件之幾何形狀以達成層狀流動。在一較佳實施例中，系統包含兩個空氣推進器及兩個相關聯空氣過濾器。
空氣推進器可為風扇。空氣過濾器可耦接至空氣推進器。空氣推進器及空氣過濾器可提供為風扇過濾器單元。風扇過濾器單元可包含：外殼，其具有空氣入口；風扇，其在該外殼內且經組配以經由該空氣入口抽入空氣；空氣出口及過濾板，該過濾板橫跨空氣出口，使得經由空氣出口離開的空氣經推進穿過該過濾板。風扇過濾器單元可經組配以在外殼內提供相較於外殼外部的較高壓力。在風扇過濾器單元內提供較高壓力改良穿過空氣過濾器的空 氣流動之一致性，此對於防止箱內之任何空氣再循環為合意的。
風扇過濾器單元可包含擋板，該擋板耦接至風扇。擋板有利地經組配以提供穿過過濾板的一致空氣流動。風扇可位於外殼之中心，且擋板可經組配以將來自風扇的空氣導引至外殼之極端。外殼可具有外部壁，且擋板可經組配以將來自風扇的空氣朝向外部壁導引。
空氣推進器可包含x射線屏蔽，諸如鉛片，該x射線屏蔽經佈置以防止x射線經由空氣推進器自箱逸出。風扇過濾器單元內之擋板可為x射線屏蔽。自安全觀點來看，希望最小化x射線自系統的逸出。
x射線源有利地位於樣本支撐件上方且相對於箱而固定。將x射線源置放在支撐件上方允許使支撐件之頂部上的樣本，且尤其樣本之頂表面靠近x射線源。此對於在緊湊系統中提供高倍放大影像為有利的。若x射線源位於樣本上方，則亦為有利的是，該x射線源在操作期間為固定的，以防止來自任何移動機構的可損壞樣本的任何灰塵或碎片之產生。亦為有利的是，保持x射線源固定，因為該x射線源為相對笨重及大質量的組件。亦通常需要相對不可撓且難以移動的極大功率電纜。
x射線檢測系統可包含控制器，該控制器包括影像處理器。影像處理器可連接至x射線偵測器以自x射線偵測器接收資料。
x射線檢測系統可包含第一定位總成，該第一定 位總成允許樣本支撐件與x射線源之間的相對移動，其中該定位機構位於樣本支撐件下方。第一定位總成可包含用於在第一水平方向上移動樣本支撐件的第一水平樣本定位機構、用於在第二水平方向上移動樣本支撐件的第二水平樣本定位機構，及用於在垂直方向上移動樣本支撐件的垂直樣本定位機構。
在一較佳實施例中，第一定位總成經組配，使得第一水平定位機構在第一水平方向上移動樣本支撐件及垂直定位機構。垂直定位機構可經組配以在垂直方向上移動第二水平定位機構及樣本支撐件兩者。第一水平定位機構較佳地直接安裝至支撐框架。此佈置對於在水平面中執行樣本之光柵掃描的系統為有利的。光柵掃描之掃瞄線在第二水平方向上延伸，因此需要第二水平定位機構在最長距離上、頻繁地且快速地操作。因此，第二水平定位機構經組配以僅移動樣本支撐件且並不移動其他定位機構中任一者之質量。與垂直定位機構相比，亦需要第一水平定位機構快速地且頻繁地移動。藉由將第一水平定位機構直接安裝至支撐框架，可使在第一水平方向上的移動快速且準確。垂直定位機構改變影像放大，且需要在光柵掃描操作期間相對較少地、在相較於水平定位機構的相對較短距離上且通常完全不移動。可使垂直定位總成相較於水平定位機構質量相對較小。
第一水平定位機構所固定到的支撐框架可安裝至底板。在一較佳實施例中，支撐框架包含：第一剛性子 框架，其經組配以固定至底板；以及第二剛性子框架，其經由減振機構支撐於第一子框架上，並且第一水平定位機構固定至第二剛性子框架。
x射線檢測系統可包含樣本支撐件定位偵測總成，該樣本支撐件定位偵測總成包含非接觸定位量測設備，諸如雷射干涉計，該非接觸定位量測設備鄰接樣本支撐件定位且經組配以偵測樣本支撐件之定位或定位變化。此對於精確地決定樣本在水平面內之定位為尤其有利的，當產生極高倍放大影像且使用該等影像來產生三維模型時需要此舉。在一較佳實施例中，系統包含兩個非接觸定位量測設備，較佳地雷射干涉計。第一非接觸定位量測設備用於偵測樣本支撐件之定位在第一水平方向上的變化且第二非接觸定位量測設備用於偵測樣本支撐件之定位在第二水平方向上的變化。當然，一對非接觸定位量測設備可經佈置以偵測在水平面內於相較於第一水平方向及第二水平方向的不同方向上的定位變化。其他可能的非接觸定位量測設備包括光學線性編碼器、磁編碼器、電容感測器及聲納距離量測設備。
由一或多個非接觸定位量測設備提供的定位資訊可由影像處理器使用。具體而方，由一或多個非接觸定位量測設備提供的因影像不同而不同的樣本之定位變化可用於層析X射線照相組合計算中。當以極高倍放大產生極小特徵諸如半導體晶圓中之孔隙時需要精確定位資訊。樣本之定位資訊愈精確，影像解析度愈好。
x射線檢測系統可包含固定至x射線源的近接感測器，該近接感測器經組配以提供x射線源與樣本支撐件上的樣本之表面之間的距離量測。近接感測器可為雷射定位感測器或共焦感測器。近接感測器可連接至影像處理器以將距離資料提供至影像處理器。影像處理器可在諸如層析X射線照相組合計算的影像處理計算中使用來自近接感測器的距離量測。
控制器可連接至樣本定位總成，且可基於由近接感測器提供的距離量測控制樣本定位總成。近接感測器提供x射線源與樣本之頂表面之間的準確距離量測，該準確距離量測既可用於諸如放大計算的影像處理計算中，又可用來防止樣本及x射線源之任何碰撞。為在緊湊系統中提供半導體晶圓中之小特徵之有用檢測，使樣本極其靠近x射線源，但樣本與x射線源之間的任何碰撞將可能損壞樣本及x射線源兩者。因此，當使樣本極其靠近x射線源時避免此類碰撞為必要的。
樣本定位總成可包含線性編碼器。控制器可經組配以基於由近接感測器提供的距離量測校準線性編碼器。
x射線檢測系統可進一步包含第二定位總成，該第二定位總成允許x射線偵測器與x射線源之間的相對移動，其中該第二定位機構位於樣本支撐件下方。第二定位總成可包含用於在水平面內於至少兩個非平行方向上移動偵測器的水平偵測器定位機構。偵測器定位機構可包含偵測器傾斜機構，該偵測器傾斜機構經組配以允許偵測器繞 至少兩個非平行軸自水平面傾斜。偵測器隨後可傾斜，使得無論偵測器定位於何處，偵測器之成像表面始終與偵測器之中心與x射線源之輸出光點之間的線正交。控制器可連接至第二定位總成。
第一定位總成及第二定位總成有利地定位在樣本支撐件下方。相對於x射線源移動樣本及偵測器之能力允許成像樣本之不同部分及使用檢測之不同角度。相同樣本或樣本之相同部分的一系列影像可在層析X射線照相組合系統中用來產生樣本之三維模型及影像，且準確地定位且量測裂紋、孔隙及其他缺陷。
藉由將固定x射線源定位於樣本上方，及將總成定位在樣本下方，可將系統之所有移動組件定位於樣本下方。在向下導引的氣流的情況下，此降低由移動部分產生的任何碎片到達及損壞樣本之可能性。
系統可包含多孔甲板，該多孔甲板定位在x射線源下方但在第一定位總成及第二定位總成上方。多孔甲板及空氣推進器經組配以提供甲板上主的第一空氣壓力及甲板下方的第二空氣壓力，其中第二空氣壓力低於第一空氣壓力。多孔甲板較佳地定位成與樣本支撐件處於該樣本支撐件之最高定位(該最高定位對應於最大放大)中時的樣本支撐件之高度平齊。即使樣本上方的空間與樣本下方的空間之間的小壓力差亦防止空氣自樣本下方至樣本上方的任何顯著流動。
空氣入口有利地包含錯綜複雜的空氣流動路 徑。此確保來自x射線源的x射線無法經由空氣入口自箱逸出。空氣出口因為相同原因而有利地包含錯綜複雜的空氣流動路徑。空氣出口較佳地為大，以最小化任何空氣再循環。
樣本支撐件經組配以在X射線檢測期間支撐樣本。在一實施例中，樣本支撐件經組配以支撐半導體晶圓。
樣本支撐件可根據本發明之第十一至第十五態樣之一組配，如以下所描述。
在晶圓處理期間以非破壞性方式針對內部特徵檢測半導體晶圓之能力為極合意的。藉由提供空氣流動經導引自晶圓上方至晶圓下方而穿過箱，同時箱仍提供所需要的x射線屏蔽的系統，此狀況變為可能。
諸如見於風扇過濾器單元中之空氣過濾器的空氣過濾器之使用、與樣本支撐件平齊的多孔甲板及x射線源在樣本支撐件上方的固定定位中之定位，確保可滿足清潔室標準。進一步有利特徵諸如密封透射靶x射線管之使用為商業上有吸引力的系統提供所需要的可靠性及影像品質。
在本發明之一第二態樣中，提供一種檢測半導體晶圓之方法，該方法包含：將x射線導引向該晶圓；偵測已通過該晶圓的x射線；以及與導引及偵測之該等步驟同時地導引層狀氣流自該晶圓上方，經過該晶圓至該晶圓下方。
空氣流動較佳地包含HEPA或ULPA過濾空氣。
藉由提供經過晶圓的清潔空氣之連續流動，在無可已帶有來自系統內之機構的灰塵或碎片的空氣之再循環的情況下，檢測系統可滿足清潔室標準且最小化對半導體晶圓之污漬或損壞的風險。
在本發明之一第三態樣中，提供一種x射線檢測系統，該x射線檢測系統包含：x射線源、經組配以支撐將要檢測的半導體晶圓的樣本支撐件，及x射線偵測器；其中該x射線源定位在該樣本支撐件上方。
x射線源較佳地固定至支撐框架且在系統之操作期間不移動。樣本支撐件可定位成極靠近x射線源以允許高倍放大影像之產生。
在此態樣中，x射線檢測系統可包含箱，該箱含有x射線源、樣本支撐件及x射線偵測器；以及空氣推進器，該空氣推進器經組配以經由樣本支撐件上方的該箱中之空氣入口將空氣推進至該箱中，其中該空氣推進器及該箱經組配以推進空氣自空氣入口經過樣本夾持器至樣本夾持器下方的該箱中之空氣出口而穿過該箱。
樣本支撐件可包含在水平面中延伸的支撐表面，且進一步包含用於相對於x射線源或x射線偵測器定位樣本支撐件的樣本支撐件定位總成，該支撐件定位總成定位在樣本支撐件下方。
第一樣本定位總成可包含用於在與水平面正交的垂直方向上移動樣本支撐件的垂直定位機構，及用於在 第一水平方向上移動樣本支撐件及垂直定位機構的第一水平定位機構。x射線檢測系統可進一步包含第二定位總成，該第二定位總成允許x射線偵測器與x射線源之間的移動，其中第二定位機構位於樣本支撐件下方。
在本發明之一第四態樣中，提供一種x射線檢測系統，該x射線檢測系統包含：x射線源、用於支撐將要檢測的樣本的樣本支撐件，其中該樣本支撐件包含支撐表面，該支撐表面在水平面中延伸，x射線偵測器；以及用於相對於該x射線源或x射線偵測器定位該樣本支撐件的樣本支撐件定位總成；其中該樣本定位總成包含用於在與該水平面正交的垂直方向上移動該樣本支撐件的垂直定位機構，及用於在第一水平方向上移動該樣本支撐件及該垂直定位機構的第一水平定位機構。
樣本定位總成可包含第二水平定位機構，該第二水平定位機構經組配以在與第一水平方向不平行的第二水平方向上移動樣本支撐件，其中垂直定位機構經組配以在垂直方向上移動第二水平定位機構及樣本支撐件兩者。
系統可進一步包含控制器，該控制器連接至第一水平定位機構及第二水平定位機構，且經組配以控制該等水平定位機構來相對於x射線源移動樣本支撐件以在水平面中執行光柵掃描。有利地，掃瞄線在第二水平方向上延伸。需要第二水平定位機構在最長距離上、頻繁地且快速地操作。因此，第二水平定位機構經組配以僅移動樣本支 撐件且並不移動其他定位機構中任一者之質量。與垂直定位機構相比，亦需要第一水平定位機構快速地且頻繁地移動。藉由將第一水平定位機構直接安裝至剛性支撐框架，可使在第一水平方向上的移動快速且準確。
系統可經組配，使得垂直定位機構具有相較於第一水平定位機構及第二水平定位機構的較短行進範圍。系統可經組配，使得垂直定位機構操作以比第一水平定位機構及第二水平定位機構更緩慢地移動樣本支撐件。
垂直定位機構改變影像放大，且通常需要在光柵掃描操作期間相對較少地、在相較於水平定位機構的相對較短距離上且通常完全不移動。因為垂直定位總成不需要如水平定位機構一般遠或一般快地移動，所以可使垂直定位總成相較於水平定位機構質量相對較小。
定位總成可包含多個馬達。具體而言，第一水平定位機構及第二水平定位機構可各自包含一或多個線性馬達。垂直定位總成可包含伺服馬達以及導螺桿。系統可有利地經組配以控制定位總成內之機構，以將樣本支撐件移動至多個預定成像定位。
x射線檢測系統有利地進一步包含框架，該框架經組配以固定至底板，其中第一水平定位機構固定至該框架。藉由將第一水平定位總成直接固定至支撐框架，可使第一水平定位總成快速且準確。框架可以二或更多個部分形成，該二或更多個部分經由減振組件彼此連接以減少樣本支撐件之振動。
樣本支撐件可經組配以支撐半導體晶圓。樣本支撐件可根據本發明之第十一至第十五態樣之一組配。
x射線源較佳地位於樣本支撐件上方。x射線源較佳地為具有透射靶的密封x射線管，如關於本發明之第一態樣所描述。
x射線檢測系統可進一步包含樣本支撐件定位偵測總成，該樣本支撐件定位偵測總成包含非接觸定位量測設備，諸如雷射干涉計，該非接觸定位量測設備鄰接樣本支撐件定位且經組配以偵測樣本支撐件之定位或定位變化，如參考本發明之第五態樣更詳細地所描述。
x射線檢測系統可進一步包含近接感測器，該近接感測器固定至x射線源以用於決定x射線源與樣本支撐件上的樣本之表面之間的距離，如參考本發明之第六、第七及第八態樣更詳細地所描述。
系統可經組配以基於由x射線偵測器記錄的影像執行層析X射線照相組合計算。
x射線檢測系統可包含用於相對於x射線源定位x射線偵測器的偵測器定位總成，其中該偵測器定位總成包含用於在水平面內於至少兩個非平行方向上移動偵測器的水平偵測器定位機構，及偵測器傾斜機構，該偵測器傾斜機構經組配以允許偵測器繞至少兩個非平行軸自水平面傾斜。偵測器定位總成之有利特徵參考本發明之第九及第十態樣更詳細地加以描述。
在本發明之一第五態樣中，提供一種x射線檢測 系統，該x射線檢測系統包含：x射線源、用於支撐將要檢測的樣本的樣本支撐件、x射線偵測器；用於相對於該x射線源或x射線偵測器定位該樣本支撐件的樣本定位總成；樣本支撐件定位偵測總成，其包含非接觸定位量測設備，該非接觸定位量測設備鄰接該樣本支撐件定位且經組配以偵測該樣本支撐件之定位或定位變化；以及影像處理器，其連接至該樣本支撐件定位偵測總成。
非接觸定位量測設備可為雷射干涉計。x射線檢測系統可進一步包含反射器，該反射器安裝至樣本支撐件以反射來自干涉計的雷射光。
系統可經組配以自動將樣本定位總成移動至多個成像定位，其中影像處理器經組配以基於來自非接觸定位量測設備的輸出計算樣本支撐件之定位自一成像定位至另一成像定位的變化。影像處理器可經組配以使用來自非接觸定位量測設備的輸出對由x射線偵測器記錄的影像執行層析X射線照相組合計算。
樣本支撐件可包含在水平面中延伸的支撐表面。樣本定位總成可包含用於在第一水平方向上移動樣本支撐件的第一定位機構，及用於在第二水平方向上移動樣本支撐件的第二定位機構。樣本支撐件定位偵測總成隨後可包含用於偵測樣本支撐件在第一水平方向上之定位或定位變化的第一非接觸定位量測設備，及用於偵測樣本支撐件在第二水平方向上之定位或定位變化的第二非接觸定位 量測設備。第二非接觸定位量測設備較佳地為第二雷射干涉計，且x射線檢測系統可進一步包含第二反射器，該第二反射器安裝至樣本支撐件以反射來自第二干涉計的雷射光。
在具有二或更多個干涉計之系統中，可存在二或更多個對應雷射光源。或者，系統可包含一或多個分束器，該一或多個分束器經組配以將雷射光否分裂成兩個次級束，該兩個次級束隨後可與不同干涉計一起使用。
樣本定位總成可包含用於在與水平面正交的垂直方向上移動樣本支撐件的垂直定位機構，且其中樣本支撐件定位偵測總成可包含用於偵測樣本支撐件在垂直方向上的定位或移動的第三非接觸定位量測設備。第三非接觸定位量測設備可經定位以偵測樣本支撐件之垂直定位，可經定位以偵測安裝於樣本支撐件上的樣本之頂表面之垂直定位。控制器可經組配以基於第三非接觸定位量測設備之輸出執行放大計算。
該非接觸定位量測設備或每一非接觸定位量測設備可為零差干涉計或外差干涉計。其他可能的非接觸定位量測設備包括光學線性編碼器、磁編碼器、電容感測器及聲納距離量測設備。
x射線源有利地位於樣本支撐件上方。樣本支撐件可經組配以支撐半導體晶圓。樣本支撐件可根據本發明之第十一至第十五態樣之一組配。
x射線檢測系統可包含近接感測器，該近接感測 器固定至x射線源且經組配以決定x射線源與樣本支撐件上的樣本之表面之間的距離。近接感測器之輸出可連接至控制器。近接感測器可如關於本發明之第六、第七及第八態樣更詳細地所描述。
x射線檢測系統可包含用於相對於x射線源定位x射線偵測器的偵測器定位總成，其中該偵測器定位總成包含用於在水平面內於至少兩個非平行方向上移動偵測器的水平偵測器定位機構，及偵測器傾斜機構，該偵測器傾斜機構經組配以允許偵測器繞至少兩個非平行軸自水平面傾斜。偵測器定位總成之有利特徵參考本發明之第九及第十態樣更詳細地加以描述。
在本發明之一第六態樣中，提供一種x射線檢測系統，該x射線檢測系統包含：x射線源、用於支撐將要檢測的樣本的樣本支撐件，x射線偵測器；樣本定位總成，該樣本定位總成包括用於沿第一軸朝向及遠離x射線源移動樣本支撐件的第一定位機構；固定至x射線源的近接感測器，該近接感測器經組配以提供該x射線源與該樣本支撐件上的樣本之表面之間的距離量測；以及控制器，該控制器連接至該近接感測器。
控制器可連接至樣本定位總成，且基於來自近接感測器的距離量測控制樣本定位總成。控制器可包含影像處理器，且可在影像處理計算中使用來自近接感測器的距離量測。
近接感測器可包含雷射光源，該雷射光源導引與 第一軸平行的雷射束。近接感測器可為共焦感測器。
提供x射線源與樣本之頂表面之間的距離之直接量測出於若干原因而為有益的，尤其在使通常包含感興趣區的樣本之頂表面極其靠近x射線源的高倍放大系統中。第一，距離量測可用來校準第一定位機構，使得可達成準確定位及後續影像處理。第二，距離量測可在放大計算中直接用來提供放大之準確量測。第三，距離量測或多個距離量測可用來防止樣本之頂表面與x射線源之間的任何碰撞，該碰撞將可能嚴重損壞樣本之頂表面及x射線源兩者。
有利地，控制器經組配以基於來自近接感測器的距離量測校準第一定位機構。具體而言，定位總成可包含線性編碼器，該線性編碼器沿第一軸佈置，且控制器可經組配以使用來自近接感測器的一或多個距離量測校準線性編碼器。
控制器可經組配以使用由近接感測器決定的距離執行放大計算。
定位總成可包含第二定位機構，該第二定位機構經組配以在與第一軸正交的平面中移動樣本支撐件，且控制器可經組配以操作第二定位機構，以便相對於近接感測器執行樣本支撐件上的樣本之頂表面之掃描。掃描可為光柵掃描。
有利地，控制器經組配以記錄在掃描期間記錄的樣本之最近點。控制器隨後可經組配以基於最近點計算第一定位機構距x射線源的最近安全定位；且控制第一定位總 成以防止第一定位總成移動得比所計算最近安全定位更靠近x射線源。
x射線源有利地位於樣本支撐件上方。樣本支撐件可經組配以支撐半導體晶圓。樣本支撐件可根據本發明之第十一至第十五態樣之一組配。
x射線源較佳地為具有透射靶的密封x射線管，如關於本發明之第一態樣所描述。
x射線檢測系統可進一步包含樣本支撐件定位偵測總成，該樣本支撐件定位偵測總成包含一或多個雷射干涉計，該一或多個雷射干涉計鄰接樣本支撐件定位且經組配以偵測樣本支撐件之定位或定位變化，如參考本發明之第五態樣更詳細地所描述。
x射線檢測系統可包含用於相對於x射線源定位x射線偵測器的偵測器定位總成，其中該偵測器定位總成包含用於在水平面內於至少兩個非平行方向上移動偵測器的水平偵測器定位機構，及偵測器傾斜機構，該偵測器傾斜機構經組配以允許偵測器繞至少兩個非平行軸自水平面傾斜。偵測器定位總成之有利特徵參考本發明之第九及第十態樣更詳細地加以描述。
系統可經組配以對由x射線偵測器記錄的影像執行層析X射線照相組合計算。
在本發明之一第七態樣中，提供一種控制x射線檢測系統之方法，該x射線檢測系統包含：x射線源；樣本支撐件，其用於支撐將要檢測的樣本，其中該樣本支撐件 包含支撐表面；x射線偵測器；樣本定位總成，其包括用於沿第一軸朝向及遠離該x射線源移動該樣本支撐件的第一定位機構，及第二定位機構，該第二定位機構經組配以與該第一軸正交的平面中移動該樣本支撐件；以及近接感測器，其固定至該x射線源以用於決定該x射線源與該樣本支撐件上的樣本之表面之間的距離，該方法包含：a)將樣本置放於該樣本支撐件上；b)使用該第一定位機構將該樣本支撐件定位在該第一定位機構之第一定位處；c)在與該第一軸正交的平面中移動該樣本支撐件經過該近接感測器，及在該平面中移動該樣本支撐件時在多個定位處記錄該樣本之表面距該x射線源的該距離；d)基於該所記錄距離計算該第一定位機構距該x射線源的最近安全定位；以及e)控制該第一定位總成以防止使第一定位總成移動得比該所計算最近安全定位更靠近該x射線源。
方法可進一步包含基於所記錄距離執行放大計算。
移動樣本支撐件之步驟可包含以光柵掃描組態移動該樣本支撐件。
在本發明之一第八態樣中，提供一種控制x射線檢測系統之方法，該x射線檢測系統包含：x射線源；樣本支撐件，其用於支撐將要檢測的樣本，其中該樣本支撐件包含支撐表面；x射線偵測器；樣本定位總成，其包括用於 沿第一軸朝向及遠離該x射線源移動該樣本支撐件的第一定位機構，及第二定位機構，該第二定位機構經組配以在與該第一軸正交的平面中移動該樣本支撐件；以及近接感測器，其固定至該x射線源以用於決定該x射線源與該樣本支撐件上的樣本之表面之間的距離，該方法包含：a)將樣本置放於該樣本支撐件上；b)使用該第一定位機構將該樣本支撐件定位在該第一定位機構之第一定位處；c)在該第一定位處記錄該樣本之表面距該x射線源之該距離；以及d)基於該所記錄距離執行放大計算。
在此上下文中，「放大計算」為樣本或樣本之一部分在x射線偵測器上的影像之放大之計算。
在本發明之一第九態樣中，提供一種x射線檢測系統，該x射線檢測系統包含：x射線源；用於支撐將要檢測的樣本的樣本支撐件，其中該樣本支撐件包含支撐表面，該支撐表面在第一水平面中延伸；x射線偵測器；用於相對於該x射線源定位該樣本支撐件的樣本定位總成；用於相對於該x射線源定位該x射線偵測器的偵測器定位總成，其中該偵測器定位總成包含用於在第二水平面內於至少兩個非平行方向上移動該偵測器的水平偵測器定位機構；以及偵測器傾斜機構，其經組配以允許該偵測器繞至少兩個非平行軸自該第二水平面傾斜。
偵測器隨後可經定位，使得無論偵測器在第二水平面中之定位如何，偵測器之成像表面始終與偵測器之中心與x射線源之間的線正交。在每一成像定位中使偵測器之成像表面始終直接面向x射線源提供所得影像之最高品質，因為此舉消除發生在x射線以極端斜角進入偵測器時發生的模糊。
有利地，兩個非平行軸共面。x射線偵測器可包含平面成像表面，且兩個非平行軸亦可處於與成像表面相同的平面中。此佈置簡化影像處理計算，尤其在影像將用於層析X射線照相組合演算法中時。
有利地，獨立於水平偵測器定位機構而驅動傾斜機構。此允許偵測器之極精確定向。傾斜機構可包含第一平衡環及第二平衡環。在一較佳實施例中，第一平衡環由第一平衡環馬達驅動，且第二平衡環由第二平衡環馬達驅動。第一平衡環馬達及第二平衡環馬達可由單個控制器自動地控制。控制器可經組配以控制第一平衡環馬達及第二平衡環馬達以將x射線偵測器定位於多個成像定位中以產生多個影像，該等多個影像可在層析X射線照相組合計算中組合。第一平衡環馬達及第二平衡環馬達可包含輸出端上的直接讀取編碼器。
x射線檢測系統可進一步包含控制器，該控制器連接至偵測器定位總成且經組配以控制該偵測器定位總成，該控制器經組配以將偵測器移動至多個成像定位，且控制傾斜機構以確保在該等多個成像定位中每一者中，偵 測器之成像表面與偵測器之中心與x射線源之輸出光點之間的線正交(亦即垂直)。
控制器可經組配以控制水平偵測器定位機構以在水平面中以光柵掃描型樣移動偵測器。
樣本定位總成可包含用於在與水平面正交的垂直方向上移動樣本支撐件的垂直樣本定位機構。
樣本定位總成可包含用於在第一水平方向上移動樣本支撐件的第一水平樣本定位機構，及用於在第二水平方向上移動樣本支撐件的第二水平樣本定位機構。樣本定位總成之有利特徵關於本發明之第四態樣予以描述。具體而方，第二水平樣本定位機構可安裝於垂直樣本定位機構上，且垂直定位機構安裝於第一水平樣本定位機構上。
樣本支撐件可經組配以支撐半導體晶圓。樣本支撐件可根據本發明之第十一至第十五態樣之一組配。
x射線檢測系統可進一步包含框架，樣本定位總成及偵測器定位總成安裝至該框架，其中x射線源固定至該框架。
x射線源有利地定位在樣本支撐件上方。
系統可經組配以對由x射線偵測器記錄的影像執行層析X射線照相組合計算。
x射線源較佳地為具有透射靶的密封x射線管，如關於本發明之第一態樣所描述。
x射線檢測系統可進一步包含樣本支撐件定位偵測總成，該樣本支撐件定位偵測總成包含非接觸定位量測 設備，諸如雷射干涉計，該非接觸定位量測設備鄰接樣本支撐件定位且經組配以偵測樣本支撐件之定位或定位變化，如參考本發明之第五態樣更詳細地所描述。
x射線檢測系統可進一步包含近接感測器，該近接感測器固定至x射線源以用於決定x射線源與樣本支撐件上的樣本之表面之間的距離，如參考本發明之第六、第七及第八態樣更詳細地所描述。
在本發明之一第十態樣中，提供一種控制x射線檢測系統之方法，該系統包含：x射線源；樣本支撐件，其用於支撐將要檢測的樣本，其中該樣本支撐件包含在第一水平面中延伸的支撐表面；x射線偵測器；樣本定位總成，其用於相對於該x射線源定位該樣本支撐件；偵測器定位總成，其用於相對於該x射線源定位該x射線偵測器，其中該偵測器定位總成包含用於在第二水平面內於至少兩個非平行方向移動該偵測器的水平偵測器定位機構，及偵測器傾斜機構，該偵測器傾斜機構經組配以允許該偵測器繞至少兩個非平行軸自該第二水平面傾斜，該方法包含：控制該偵測器定位總成以將該偵測器移動至多個成像定位，且控制該傾斜機構以確保該偵測器在該等多個成像定位中每一者中面向該x射線源。
如所描述，在每一成像定位中使偵測器之成像表面始終直接面向x射線源提供所得影像之最高品質，因為消除由以斜角進入偵測器的x射線引起的模糊。
在本發明之一第十一態樣中，提供一種用於半導 體晶圓之樣本支撐件，該樣本支撐件包含：大體上平面支撐表面，其具有成像區域，該大體上平面支撐表面經組配以支撐半導體晶圓；以及該支撐表面之該成像區域中之至少一凹陷，該至少一凹陷與真空埠流體連通，其中該樣本支撐件具有在與該平面支撐表面正交的方向上之厚度，且其中該樣本支撐件之厚度之變化率具有跨該成像區域的行程之每毫米不超過5%的最大值。
在此上下文中，「真空埠」一詞意味出口，真空源可連接至該出口。真空至真空埠之施加在樣本支撐件上的晶圓下方之該凹陷或該等凹陷中產生低壓力，藉此將晶圓保持在適當位置。此係習知晶圓夾盤如何工作。
凹陷可具有側壁。側壁較佳地在連續曲線中自凹陷之第一側延伸至凹陷之相對側。有利地，側壁具有至少10mm，且更佳地至少15mm之最小曲率半徑。最小曲率半徑較佳地比平面支撐表面下方的凹陷之最大深度大至少一數量級，且較佳地至少兩個數量級。平面支撐表面與凹陷之側壁之間的過渡區部可在連續曲線中延伸，且有利地具有不少於1mm之最小曲率半徑。
較佳地，凹陷之深度相對於平面支撐表面之最大變化率為跨與平面支撐表面平行的凹陷的行程之每毫米不超過0.2mm。
有利地，樣本支撐件之厚度跨成像區域變化不超過最大厚度之10%，且更佳地跨成像區域變化不超過5%。 有利地，自凹陷之第一側至凹陷之相對側的最短距離為凹陷之最大深度之至少10倍，且較佳地凹陷之最大深度之至少20倍。
有利地，樣本支撐件由同質、非晶質材料形成，該同質、非晶質材料不引起樣本支撐件之x射線影像之顯著對比變化，但為機械強健的。較佳地，樣本支撐件具有小於2000kg/m3之密度，且更佳地小於1500kg/m3。適合的材料包括聚醚醚酮(PEEK)、鈹及縮醛。
根據本發明之此態樣的樣本支撐件之效益在於，該樣本支撐件不引起由已通過支撐件的x射線引起的x射線影像之顯著對比變化。有利地，晶圓支撐件之厚度之作為凹陷為漸進之結果的變化與支撐件之整體厚度相比較小，且不包括任何尖銳邊緣。
樣本支撐件可包含成像區域內之多個凹陷。每一凹陷可為大體上環形的。每一凹陷之徑向寬度可介於2mm與10mm之間。每一凹陷在平面支撐表面下方的最大深度可介於0.1mm與0.5mm之間。
真空埠可定位在支撐件之成像區域之外的區域中。
在本發明之一第十二態樣中，提供一種用於半導體晶圓之樣本支撐件，該樣本支撐件包含：大體上平面支撐表面，其具有成像區域，該大體上平面支撐表面經組配以支撐半導體晶圓；以及該支撐表面之該成像區域中之至少一凹陷，該至少一凹陷與真空埠流體連通，其中該凹陷 具有自該凹陷之第一側延伸至該凹陷之相對側的彎曲側壁。
較佳地，側壁在連續曲線中自凹陷之第一側延伸至凹陷之相對側。
有利地，側壁具有至少10mm，且更佳地至少15mm之最小曲率半徑。最小曲率半徑較佳地比平面支撐表面下方的凹陷之最大深度大至少2個數量級。
在本發明之一第十三態樣中，提供一種用於半導體晶圓之樣本支撐件，該樣本支撐件包含：大體上平面支撐表面，其具有成像區域，該大體上平面支撐表面經組配以支撐半導體晶圓；以及該支撐表面之該成像區域中之至少一凹陷，該至少一凹陷與真空埠流體連通，其中凹陷之深度相對於平面支撐表面之最大變化率為跨與平面支撐表面平行的凹陷的行程之每毫米不超過0.2mm。
在本發明之一第十四態樣中，提供一種用於半導體晶圓之樣本支撐件，該樣本支撐件包含：大體上平面支撐表面，其具有成像區域，該大體上平面支撐表面經組配以支撐半導體晶圓；以及該支撐表面之該成像區域中之至少一凹陷，該至少一凹陷與真空埠流體連通，其中該樣本支撐件具有在與該平面支撐表面正交的方向上的厚度，且該樣本支撐件之該厚度跨該成像區域變化 不超過最大厚度之10%，且更佳地跨成像區域變化不超過5%。
在本發明之一第十五態樣中，提供一種用於半導體晶圓之樣本支撐件，該樣本支撐件包含：大體上平面支撐表面，其具有成像區域，該大體上平面支撐表面經組配以支撐半導體晶圓；以及該支撐表面之該成像區域中之至少一凹陷，該至少一凹陷與真空埠流體連通，其中自該凹陷之第一側至該凹陷之相對側的最小距離為該凹陷之最大深度之至少10倍，且較佳地至少20倍。
在本發明之一第十六態樣中，提供一種x射線檢測系統，該x射線檢測系統包含x射線源、x射線偵測器及根據第十一至第十五態樣中任一態樣之樣本支撐件，該樣本支撐件定位在該x射線源與該x射線偵測器之間。
系統可經組配以對由x射線偵測器記錄的影像執行層析X射線照相組合計算。
x射線源可位於樣本支撐件上方。x射線檢測系統可包含箱，該箱含有x射線源、樣本支撐件及x射線偵測器；以及空氣推進器，該空氣推進器經組配以經由樣本支撐件上方的該箱中之空氣入口將空氣推進至該箱中，其中該空氣推進器及該箱經組配以推進空氣自空氣入口經過樣本夾持器至樣本夾持器下方的該箱中之空氣出口而穿過該箱。
關於本發明之一態樣所描述之特徵可應用於本發明之其他特徵。本發明之態樣中之二或更多個之任何組 合涵蓋於本揭示內容內。
A-A‧‧‧平面
A、B、D1、D2、H‧‧‧距離
C‧‧‧偏移
d‧‧‧最大深度
D‧‧‧最大厚度
W‧‧‧寬度
10‧‧‧x射線源
12‧‧‧可動樣本支撐件/樣本支撐件/支撐件
14‧‧‧可動偵測器/偵測器
16‧‧‧區域/區部
20‧‧‧半導體晶圓/晶圓
100‧‧‧x射線管/密封x射線管
101‧‧‧輸出窗
110‧‧‧箱
115‧‧‧x射線管托架/托架
120‧‧‧支撐框架/框架/第一框架
130‧‧‧風扇過濾器單元(FFU)
132‧‧‧空氣入口
134‧‧‧HEPA過濾板/過濾板/HEPA過濾器
136‧‧‧外殼
138‧‧‧風扇
140‧‧‧內部屏蔽/屏蔽
150‧‧‧空氣出口
152‧‧‧出口屏蔽板
154、155‧‧‧鋼塊
160‧‧‧多孔甲板
165‧‧‧擋板
200‧‧‧樣本支撐件/晶圓支撐件
210‧‧‧樣本定位台/樣本定位總成/樣本支撐件定位總成
212‧‧‧搬運梭
214‧‧‧第一框架
216‧‧‧軌道/導軌
218‧‧‧第二框架/板
220‧‧‧線性馬達
222‧‧‧線圈總成
224‧‧‧永久磁鐵軌道
230‧‧‧導螺桿
234‧‧‧旋轉馬達
236‧‧‧線性編碼器
238‧‧‧有角齒輪箱/齒輪箱
240‧‧‧樣本輸入擋閘
242‧‧‧導件
244‧‧‧線性馬達
252‧‧‧鏡/第一鏡
254‧‧‧鏡/第二鏡
256‧‧‧第一干涉計/干涉計
258‧‧‧第二干涉計/干涉計
260、262‧‧‧雷射光源
264、266‧‧‧偵測器
280‧‧‧特徵/晶圓夾盤
281‧‧‧特徵
300‧‧‧偵測器
305‧‧‧主動區域/面
310‧‧‧偵測器定位總成/偵測器定位台
312‧‧‧第一線性馬達/線性馬達
314‧‧‧第一橫樑/第一軌條/水平延伸橫樑
315‧‧‧遠端末端
316‧‧‧第二線性馬達
318‧‧‧軌條
320‧‧‧傾斜機構
321‧‧‧第一旋轉軸
322‧‧‧第一平衡環框架
324‧‧‧第一馬達
326‧‧‧框架/第二平衡環框架
327‧‧‧第二旋轉軸
328‧‧‧馬達/第二馬達
380、381‧‧‧影像
400‧‧‧雷射距離感測器/近接感測器
401‧‧‧箭頭
402‧‧‧讀頭
450~490、700~760‧‧‧步驟
500‧‧‧控制器/中央控制器
510‧‧‧影像處理器
520‧‧‧輸出
530‧‧‧製造工廠介面
540‧‧‧自動晶圓搬運機構/晶圓搬運總成
610‧‧‧同心凹陷或凹槽
612‧‧‧平面上支撐表面/支撐表面/平面支撐表面
614‧‧‧徑向通道
615‧‧‧邊緣
620‧‧‧真空埠/埠
680‧‧‧矩形橫截面凹槽
現將參考隨附圖式僅藉由實例之方式詳細描述本發明之實施例，在隨附圖式中：圖1為x射線檢測系統之基本組件的示意性圖解；圖2為根據本發明之x射線檢測系統的第一示意性橫截面圖解；圖3為圖2之x射線檢測系統的沿圖2中之平面A-A的第二示意性橫截面圖解；圖4為圖2中所示類型的系統的簡化透視圖，其中箱移除；圖5a為圖4之箱之頂部的透視圖；圖5b為圖4中所示之箱之基底的剖視圖；圖5c為穿過如圖2中所示的出口的空氣流動的特寫圖；圖6為圖2之x射線檢測系統中之樣本定位總成之佈置的示意性圖解；圖7為根據本發明之一態樣之樣本定位總成的透視圖；圖8為樣本支撐定位偵測系統的示意性圖解；圖9為例示圖8之定位偵測系統在圖7之樣本定位總成中之位置的透視圖；圖10為樣本近接感測器總成的示意性圖解；圖11為例示近接感測器在圖2中所示類型的x射線檢測系統中之定位的透視圖；圖12為例示在近接計算中及在放大計算中使用的距離 的示意圖；圖13為例示碰撞預防操作的流程圖；圖14為展示用於x射線偵測器之傾斜機構的根據本發明之x射線檢測系統的示意性橫截面圖解；圖15為用以在水平面中移動x射線偵測器的機構的圖解；圖16為偵測器傾斜機構的透視圖；圖17為用於半導體晶圓之樣本支撐件的透視圖；圖18為圖17之樣本支撐件之一部分的示意性橫截面；圖19為根據先前技術之典型晶圓夾盤之一部分的示意性橫截面；圖20為展示x射線檢測系統之控制元件的示意性圖表；以及圖21為例示以連續方式的x射線檢測系統之操作的流程圖。
較佳實施例之詳細說明
x射線檢測系統組件
圖1為x射線成像系統之基本元件的示意性圖解。圖1中之所示之系統包含在此系統中保持固定的x射線源10、可動樣本支撐件12及可動偵測器14。來自x射線源10的x射線通過支撐件及安裝在樣本支撐件上的任何樣本，且衝擊在偵測器14上。圖1例示樣本支撐件上對應於偵測器14之視野的區域16。偵測器之視野由使用者藉由偵測器14、 樣本支撐件12及x射線源10之相對定位來選擇，使得樣本或樣本之區域在偵測器之視野內。偵測器可移動至不同成像定位，使得可經由樣本支撐件上之樣本取得不同投影。在此上下文中，不同投影意味x射線以不同方向通過支撐件上之樣本。
通常，存在2個操作模式。在第一模式中，偵測器保持固定且將樣本支撐件移動至不同位置以獲取不同視野。在第二模式中，偵測器及樣本支撐件以協調方式移動以經由相同視野取得不同角投影。此協調運動允許使用層析X射線照相組合產生三維重建。
支撐件12可在XY平面中移動，以便可將支撐件上之樣本移動至x射線源與偵測器之間的定位。在圖1中所示之實例中，支撐件12亦可在垂直或Z方向上移動。此允許偵測器處之所偵測影像之放大將被調整。換言之，可使支撐件之較大或較小區域落入偵測器之視野內，此取決於x射線源10與支撐件12及x射線源10與偵測器14之間的相對距離。如所解釋，將要成像的樣本之區域必須落入視野內。
通常，x射線源10包括管，該管藉由使來自電子槍的電子加速且使高能電子與金屬靶碰撞來產生x射線束。含於束中的x射線為充分高能的，以穿透樣本支撐件12上的靶物件之厚度，使得減弱x射線到達偵測器14。藉由在正成像的區部內的樣本中之不同密度之材料及該等材料之不同厚度的x射線減弱之差動位準在由偵測器擷取的所得影像中產生對比。
偵測器14可為數位偵測器且具有此項技術中熟知的構造。通常，偵測器包括主動區域、將主動區域上的入射x射線轉換成可量測或成像的另一信號類型的感測器，及用來提升信號之振幅的放大器。信號在偵測器14內自類比形式轉換成數位形式，且自偵測器輸出數位影像。示範性數位偵測器為互補金屬氧化物半導體(CMOS)平板偵測器，該互補金屬氧化物半導體平板偵測器包括構成主動區域的矽光電二極體之二維像素陣列。
層析X射線照相組合(Tomosynthesis)
在圖1中，偵測器14展示於四個不同定位中，且在支撐件上存在四個對應區部16。應理解許多定位為可能的。在層析X射線照相組合系統中，可自任何數目的投影構造正成像的樣本之區域之三維模型，且在實踐中使用介於12個投影與720個投影之間的任何投影。
所得三維模型允許使用者檢測穿過成像區域的任何平面，且檢查三維影像以找到諸如孔隙的缺陷。
各種層析X射線照相組合演算法及處理技術為此項技術中已知的，諸如由Prexion公司(411 Borel Avenue,Suite 550,San Mateo,CA 94402,USA)提供的ReconPro重建解決方案。
使用多個影像來產生三維模型的要求為對用於每一影像的x射線源、感興趣區與偵測器之間的精確空間關係之認識。二維影像在層析X射線照相組合中組合的方式依賴於此幾何資訊，因為在使用的數學公式中需要該幾何資 訊。
清潔室x射線檢測系統
為在生產期間使用如以上所描述之系統來檢測且產生在清潔室環境中生產的諸如半導體晶圓的樣本之模型，x射線檢測系統自身必須滿足清潔室標準。
圖2為根據本發明之一實施例之x射線檢測系統的示意性橫截面。圖3為與圖2之橫截面垂直的沿平面A-A取得的圖2中所示之系統的第二橫截面。圖4為圖2及圖3之系統的部分剖視透視圖。
在圖2、圖3及圖4中所例示之系統在箱110內包含x射線管100、樣本支撐件200及偵測器300。箱110經鉛襯以提供屏蔽以免於由x射線管100產生的x射線。
在箱110內，存在支撐框架120，x射線管100、樣本支撐件200及偵測器全部安裝於該支撐框架上。樣本支撐件200經組配以保持半導體晶圓(在圖2、圖3及圖4中未示出)。
框架包含偵測器定位總成310(在圖3或圖4中不可見)，該偵測器定位總成允許偵測器300在水平面中移動。偵測器定位台310之詳細組件在圖2及圖3中未展示，且任何適合的佈置可用於清潔室相容系統。然而，參考圖14至圖16詳細描述一發明性及有利佈置。在此實施例中，偵測器定位機構包含：第一橫樑314，其沿X軸延伸，偵測器支撐於該第一橫樑上；以及支撐框架120，其具有在Y方向上延伸的軌條318，第一軌條314支撐於該軌條上。提供線 性馬達以允許偵測器沿橫樑314移動且允許橫樑314沿軌條318移動。以此方式，可將偵測器移動至水平面(在框架內)之任何定位。亦提供傾斜機構，該傾斜機構允許偵測器之主動區域定向成在所有成像定位中面向x射線源。傾斜機構展示於圖16中，且稍後將在說明書中更詳細地加以描述。此實施例中之偵測器為CMOS平板偵測器，諸如可得自Dexela有限公司(Wenlock Business Centre,50-52 Wharf Road,London,N1 7EU,United Kingdom)的Dexela 1512 NDT。
樣本定位台210在偵測器定位台310上方提供於支撐框架上。樣本定位台之詳細組件展示於圖6及圖7中且參考圖6及圖7加以描述。然而，具有不同幾何形狀或佈局的樣本支撐件定位佈置可用來提供清潔室相容系統。在此實施例中，樣本定位台包含與用於在水平面中移動樣本支撐件200的偵測器定位台類似的馬達及軌條佈置，並且增添另一馬達以在垂直方向上朝向及遠離x射線管移動樣本支撐件。此允許放大所選定的影像。以下參考圖6及圖7更詳細地描述樣本定位台。
提供如圖3中所示之樣本輸入擋閘240，以允許將諸如半導體晶圓的樣本加載至樣本支撐件200上。擋閘提供於箱中且具有氣動操作機構。擋閘經鉛襯且由鋼曲徑式密封條密封以防止x射線之逸出。當晶圓之檢測完成以允許完成的晶圓之卸載及新晶圓之重新加載時，擋閘自動開啟。晶圓加載/卸載由設備前端模組(EFEM)單元處理，以在將晶 圓自晶圓傳送盒(Front Opening Unified Pod)(FOUP)移動至樣本支撐件時為晶圓提供連續清潔環境。FOUP為經設計以將矽晶圓牢固地且安全地保持於清潔室環境中，且允許晶圓被移除以用於由配備有適當加載埠及機器人搬運系統的工具處理或量測的專用塑膠外殼。在此實施例中使用的EFEM為可得自Brooks Automation公司(15 Elizabeth Drive,Chelmsford,MA 01824,U.S.A)的Brooks JETTM大氣運輸系統單元。
x射線管100固定至x射線管托架115且定位在樣本支撐件200及偵測器300上方。x射線管托架115在樣本定位台上方提供於框架120上。x射線管無法相對於框架120移動。
在此實施例中，x射線管100為密封透射類型之x射線管，諸如來自Dage Holdings有限公司(25 Faraday Road,Rabans Lane Industrial Area,Aylesbury,Buckingham HP198RY United Kingdom)的NT x射線管。此類型之x射線管提供極長服務壽命，在需要維護之前通常超過5000操作小時，以及極高解析度成像。密封透射類型之x射線管包含完全密封真空管及透射靶，該透射靶形成管外部壁之一部分。透射靶經構造，使得衝擊在靶之面朝管之內部的第一側上的電子及所產生x射線中至少一些經由靶之面向外的第二側自管發射。此有時被稱為端窗式透射管。
端窗式透射管允許具有小光點大小的x射線源之產生，且允許使正成像的樣本靠近x射線源。此意味，可獲 得高倍放大及高解析度影像。藉由將x射線管100佈置在樣本支撐件200上方及組配樣本支撐件以將半導體晶圓支撐在樣本支撐件與x射線管之間，可使半導體晶圓之表面極其靠近x射線源，從而允許在緊湊系統內獲得高倍放大影像。
一對風扇過濾器單元(FFU)130在樣本支撐件上方安裝至箱。FFU經組配以經由箱頂板中之個別空氣入口132抽入空氣，且驅使空氣穿過每一FFU中之HEPA過濾板134、向下經過樣本支撐件200至箱底板中之空氣出口150。氣流之方向由圖2及圖3中之箭頭指示。
在此實例中，每一FFU 130包含外殼136、風扇138，該風扇經組配以經由外殼之一面上的空氣入口132將空氣抽入外殼中且經由由HEPA過濾板134覆蓋的出口將空氣抽出。每一FFU經構造，使得當風扇138運轉時，外殼136內之空氣壓力高於外殼外側。此幫助提供穿過過濾板134的一致空氣流動，且最小化局部流動速率變化。
在此實施例中，每一FFU 130亦包含內部屏蔽140，該內部屏蔽定位在風扇與過濾板之間，該內部屏蔽並非標準FFU之特徵。此屏蔽140具有兩個功能。該屏蔽既是x射線吸收器又是氣流擋板。然而，可使用兩個分離組件，一個用於此等功能中每一者。屏蔽140為鉛襯鋼托盤，該鉛襯鋼托盤大於FFU 130之空氣入口132且橫跨FFU 130之空氣入口132，使得來自x射線管100的x射線無法經由空氣入口132逸出。使經過屏蔽140及離開FFU 130的氣流路徑錯綜複雜。屏蔽亦將來自風扇138的空氣推進至外殼136之外邊 緣，如圖2及圖3中清楚地例示。此促進穿過過濾板134的一致空氣流動。
自過濾板134經過樣本支撐件200而穿過箱的空氣流動為層狀的。不存在自樣本支撐件200下方至樣本支撐件上方之定位的空氣再循環。HEPA過濾器134之使用、層狀氣流及確保在過濾板134與樣本支撐件200之間的系統中不存在移動部分意味，存在來自變為空浮，或自樣本支撐件200上之半導體晶圓上方掉落及落在該半導體晶圓上且藉此污染或損壞該半導體晶圓的任何灰塵或其他微粒的最小風險。
為確保不存在自樣本支撐件200下方至樣本支撐件上方的空氣再循環，在樣本支撐件之水平處提供多孔甲板160(在圖4中最佳地看出)。多孔甲板160定位在與樣本支撐件200之最高定位相同高度處，該最高定位對應於系統之最高倍放大。多孔甲板160允許空氣自甲板上方傳遞至甲板以下，但跨甲板產生小壓力差，使得在甲板上方存在比甲板下方較高的空氣壓力。多孔甲板使空氣之空氣流動路徑限制近似50%。此限制增加甲板上方的空氣之壓力。此小壓力差大體上防止空氣至甲板上方的再循環，因為空氣將自然地自高壓力區域流動至低壓力區域。亦提供如圖3中所示之擋板165以促進層狀空氣流動。
箱底板中之空氣出口150與空氣入口132相比相對較大，亦促進層狀氣流且減少任何向上空氣再循環。圖5a展示箱之頂部。可看見空氣入口132，該等空氣入口允許 將空氣抽至FFU中。圖5b為箱底部中之空氣出口的剖視圖。空氣出口150包含四個分離開口。開口由鋼塊154包圍。提供四個出口開口之間的空間以適應用於往返於箱提供功率及資料的電氣佈纜。空氣出口由出口屏蔽板152(在圖5b中展示為透明的且以虛線輪廓展示)覆蓋以防止x射線自箱逸出。出口屏蔽板152之功能最佳地展示於圖5c中。出口屏蔽板152經鉛襯以吸收x射線。鋼塊155亦提供於屏蔽板之下側上，作為至出口的空氣流動路徑內之x射線吸收器。鋼塊154及155吸收x射線且經定位，使得使至出口的空氣流動路徑錯綜複雜。此確保無x射線可經由空氣出口逸出箱。
在操作中，FFU 130連續地推進空氣穿過箱，以確保無由於樣本定位總成及偵測器定位總成之操作產生的灰塵或碎片可到達樣本支撐件200上的樣本。FFU在箱內提供至少一第4類ISO 14644-1清潔室環境。FFU貫穿樣本支撐件200及偵測器300之移動及操作，且隨著樣本經加載及自系統卸載而操作。如參考圖2、圖3及圖4所描述之系統應能夠在無需維護的情況下操作數千小時。
樣本定位
現將參考圖6及圖7詳細地描述示範性樣本定位總成。
樣本定位總成用來相對於x射線源定位樣本，使得可獲得樣本內所要的感興趣區之影像及感興趣區之不同投影。x射線源定位在樣本支撐件上方且為靜態的。因此，希望能夠在為水平面的XY平面中移動樣本支撐件，以提供 樣本之不同區部之不同投影及影像。亦希望在為垂直方向的Z方向上朝向及遠離x射線源移動樣本支撐件，以改變影像之放大。具體而言，對於半導體晶圓，需要使晶圓極其靠近x射線源，使得可產生極高倍放大影像，同時保持系統之總高度在標準頂板高度內且允許系統為相當容易運輸的。
在操作中，當獲得用於層析X射線照相組合計算的一組不同投影時，樣本需要在X方向及Y方向上比在Z方向上更頻繁地移動。一旦針對樣本設定影像放大，隨後樣本僅需要在X方向及Y方向上移動以獲得不同投影。
為使X射線檢測過程不變成晶圓處理工廠內之瓶頸，檢測過程需要為快速的。此意味，用於在X方向及Y方向上移動樣本的機構需要為快速的。機構亦需要為準確的，尤其在極高倍放大下，以便產生高解析度三維模型，如所論述。
在此實施例中，樣本定位總成經組配以在成像定位之間以光柵掃描型樣移動，作為沿平行線的影像之逐行收集，其中此等平行掃描線在X方向上延伸。X方向由圖6及圖7中所示之X箭頭指示。此意味，X方向移動機構將具有最高行程量，且因此應為快速的，以便提高用於收集需要的x射線影像的過程之整體速度。由於此原因，在此實施例中，將X軸驅動機構直接耦接至樣本支撐件，此意味，X軸驅動機構移動僅包含樣本支撐件及x軸驅動機構之移動部分的最小質量。最重要地，X軸驅動機構並不支撐或攜帶 Y軸驅動機構或Z軸驅動機構，且此允許X軸驅動機構更快速地移動。因為Z軸驅動機構相對較少地被使用且不需要如X軸驅動機構及Y軸驅動機構一般快，所以可使Z軸驅動機構具有相較於X軸機構及Y軸的相對較低質量。Z軸驅動機構經定位以支撐X軸驅動機構且在Z軸上移動X軸驅動機構及樣本支撐件兩者。Y軸驅動器支撐Z軸驅動機構，且因此在Y軸方向上移動Z軸驅動機構、X軸驅動機構及樣本支撐件。Y軸驅動機構安裝至支撐框架，x射線源亦安裝至該支撐框架。
此佈置示意性地例示於圖6中。樣本支撐件200安裝於搬運梭212上。搬運梭在第一框架214上於X方向上移動。搬運梭212及框架一起形成X軸驅動機構。第一框架214安裝於軌道216上且可沿軌道216上下移動。軌道216及第一框架214一起形成Z軸驅動機構。軌道216安裝於第二框架218上，且可在Y方向上沿第二框架218移動。
圖7更詳細地例示如圖2、圖3及圖4中所示之系統中的此佈置之一實施例。在圖7中，可看出樣本支撐件200經組配以支撐圓形半導體晶圓。樣本支撐件安裝至第一對線性馬達220。每一線性馬達包含在X方向上延伸的永久磁鐵軌道224及回應於電氣控制信號而沿軌道行進的線圈總成222。此類型之線性馬達可得自Aerotech公司(101 Zeta Drive,Pittsburgh,PA 15238,USA)。線性馬達220安裝於第一框架214上。第一框架上之第一對線性馬達220形成X軸驅動機構之部分。
第一框架214在第一框架214之相對側上安裝於一對導螺桿230上，該對導螺桿中僅一者在圖7中可見。每一導螺桿230由旋轉馬達234經由有角齒輪箱238驅動。導螺桿230各自安裝至板218，且在Z軸方向上相對於板218上下移動第一框架214以及X軸驅動機構。四個導軌216提供於第一框架214之拐角處，以支撐第一框架214且在第一框架由導螺桿230在Z軸方向上移動時保持該第一框架穩定。導螺桿230、相關聯旋轉馬達234、齒輪箱238及導軌216形成Z軸驅動機構之部分。線性編碼器236提供於第一框架214與板218之間，以決定第一框架214及晶圓支撐件200之垂直定位且允許該垂直定位之控制。
板218沿形成於支撐框架120上的導件242滑動。第二對線性馬達244連接在板218與支撐框架120之間，以在Y方向上相對於支撐框架移動板218以及Z軸驅動機構及X軸驅動機構。第二對線性馬達可相較於第一對線性馬達較大且具有較高功率，因為要求該第二對線性馬達移動相較於第一對線性馬達的較大質量。此類型之線性馬達可得自Aerotech公司(101 Zeta Drive,Pittsburgh,PA 15238.USA)。第一框架120上之第二對線性馬達244形成Y軸驅動機構之部分。
應明白，雖然已關於用於在清潔室環境中檢測半導體晶圓的系統描述此佈置，但是該佈置亦可用於無需在清潔室環境中操作且因此不包括所描述之空氣推進器及空氣過濾器的x射線檢測系統中。
樣本定位量測
如所解釋，產生良好品質層析X射線照相組合模型的要求之一為對x射線源、樣本及偵測器之相對定位之極準確認識。具體而言，必須準確地知道自一成像定位至下一個成像定位的相對定位之變化，使得可適當地組合影像。
為提供高倍放大影像，樣本與x射線源之間的距離比偵測器與x射線源之間的距離小得多。此意味，樣本之定位之小變化導致由偵測器記錄的影像之大變化。此亦意味，樣本之定位需要知道得準確度比偵測器之定位高得多。
非接觸定位量測設備可用來準確地決定樣本支撐件之定位。在本發明之一實施例中，基於干涉計的系統用來決定樣本支撐件自一成像定位至下一個成像定位的定位之變化。圖8為基於干涉計的偵測佈置的示意性圖解。提供兩個干涉計。第一干涉計256用來決定樣本支撐件200在X方向上之定位之變化，且第二干涉計258用來決定樣本支撐件在Y方向上之定位之變化。用於X方向及Y方向的總成為相同的。每一總成包含雷射光源260、262，該雷射光源將雷射束提供至相關聯干涉計256、258。干涉計將雷射束之一部分導引至鏡252、254，該鏡安裝至樣本支撐件200。自鏡反射的光經導引回至干涉計，且隨後經導引至偵測器264、266。已行進至樣本支撐件的光與尚未行進至樣本支撐件的光之間的干涉在移動樣本支撐件時的變化在偵測器處經偵測，以提供樣本支撐件在所感測(亦即x或y)方向上之定位之變化的極準確量測。包括雷射光源及鏡的適合的干 涉計系統可得自Renishaw公司(New Mills,Wotton-under-Edge,Gloucestershire,GL12 8JR,United Kingdom)。其他可能的非接觸定位量測設備包括光學線性編碼器、磁編碼器、電容感測器及聲納距離量測設備。
來自偵測器的輸出為樣本支撐件在成像定位之間移動時樣本支撐件在X方向及Y方向上之定位之變化的準確量測。此等量測經提供至如將描述的影像處理器，且用於層析X射線照相組合計算中。來自偵測器的量測亦可用來校準X及Y定位總成。
圖8例示為每一干涉計提供分離雷射光源的佈置。然而，應明白可使用單個雷射光源及分束器。此外，有可能使用相同佈置來決定樣本支撐件在Z方向上之定位之變化，然而樣本支撐件在Z方向上之定位無需以此高準確度程度來決定。
圖9例示如何將如圖8中所例示之佈置整合至圖7中所示之樣本定位總成中。第一鏡252固定至面向X方向的樣本支撐件200，且第二鏡254固定至面向Y方向的樣本支撐件。干涉計256、258固定至支撐框架120。鏡252、254具有充分高度及寬度，以使來自干涉計256、258的光在所有可能成像定位中入射在鏡上。在此實例中，每一鏡之可用區域為320mm寬及20mm高。鏡通常提供為如以上所描述之干涉計系統之部分。然而，適合的鏡亦可作為獨立物品得自光學元件製造商，諸如Gooch及Housego公司(Dowlish Ford,Ilminster,TA19 0PF,UK)。
應明白，雖然已關於用於在清潔室環境中檢測半導體晶圓的系統描述此佈置，但是該佈置亦可用於無需在清潔室環境中操作且因此不包括所描述之空氣推進器及空氣過濾器的x射線檢測系統中。該佈置亦可結合用於定位樣本及偵測器的不同佈置一起使用。
近接量測
如所描述，對於高倍放大影像，必須使樣本極其靠近x射線源。因此，必須可靠地控制樣本在Z方向上之定位。亦必須知道樣本在Z方向上之定位以用於影像處理及資料解釋目的。
雖然樣本支撐件200在Z軸上之定位可自Z軸定位機構或自安裝至Z軸定位機構的線性編碼器決定，但是存在不同樣本具有不同厚度且因此x射線源與樣本之頂表面之間的實際距離無法準確地自樣本支撐件200之定位決定的問題。因此，在本發明之一態樣中，近接感測器用來提供樣本之頂表面與x射線源之間的距離之直接量測。
提供x射線源與樣本之頂表面之間的距離之直接量測由於若干原因而為有益的，尤其在使通常包含感興趣區的樣本之頂表面極其靠近x射線源的高倍放大系統中。第一，距離量測可用來校準Z軸定位機構，使得可達成準確定位及後續影像處理。第二，距離量測可在放大計算中直接用來提供放大之準確量測。第三，距離量測或多個距離量測可用來防止樣本之頂表面與x射線源之間的任何碰撞，該碰撞將可能嚴重損壞樣本之頂表面及x射線源兩者。
圖10為根據本發明之一態樣之近接感測佈置的示意性圖解。半導體晶圓20例示為在樣本支撐件200上，處於密封x射線管100下方。雷射距離感測器400固定至x射線管100。適合的雷射距離感測器可得自Keyence公司(1-3-14,Higashi-Nakajima,Higashi-Yodogawa-ku,Osaka,533-8555,Japan)。作為一替選方案，可使用共焦偵測器。來自距離感測器的雷射束由箭頭401指示。樣本定位總成210經示意性地例示，且包括用於決定樣本支撐件200之Z軸定位的線性編碼器236。樣本定位總成及距離感測器兩者連接至控制器500。
圖11例示在圖2、圖3及圖4中所示類型的系統中雷射距離感測器400至x射線管100的安裝。
雷射距離感測器400提供至樣本之頂表面的直接量測，該樣本在此實例中為半導體晶圓。雷射距離感測器400量測自該雷射距離感測器之輸出末端至樣本的距離，該輸出末端在本文中被稱為面向樣本之頂表面的讀頭。x射線管100自透射靶上之輸出光點產生x射線。透射靶形成x射線管之輸出窗101，使得輸出光點處於x射線管100之輸出窗101之平面中。雷射距離感測器400之讀頭可未安裝在與x射線管100之輸出光點完全相同的高度處。換言之，雷射距離感測器之讀頭可並非與x射線管之輸出窗共面。但是輸出窗與雷射距離感測器之輸出末端之間的高度差(稱為偏移)可在系統設定期間藉由如以下所解釋在不同定位中成像樣本支撐件上的已知大小之特徵或已知間隔之兩個特徵來計 算。
圖12為圖11中所示之佈置的示意性圖解，其展示可如何藉由成像樣本支撐件200上之隔距板上彼此相距已知間隔的一對特徵280、281來計算雷射距離感測器400之讀頭402與x射線管之輸出窗101之間的偏移。
隔距板上之特徵280與特徵281之間的已知距離為D1。兩個特徵280、281在偵測器300上之影像380、381之間的距離為D2。D2可使用標準影像處理技術自偵測器之輸出決定。
在本領域中熟知，比率D1/D2等於比率A/H。自系統說明書知道x射線源之輸出窗與偵測器300之成像表面之間的距離H。因此，可使用以下公式計算A：A=Hx(D1/D2)。
雷射距離感測器之讀頭與樣本支撐件之間的距離B藉由雷射距離感測器400直接量測。因此，雷射距離感測器400之讀頭與x射線管之輸出窗之間的偏移C藉由以下減法決定：C=B-A。
因為A=Hx(D1/D2)，所以C=B-(Hx(D1/D2))。
因此，輸出窗與雷射距離感測器之讀頭之間的高度差或偏移C可在系統設定期間藉由成像已知大小之特徵自公式C=B-Hx(D1/D2)計算。
自雷射距離感測器之讀頭至樣本的距離之後續量測可藉由此偏移C調整，以得到自輸出窗至樣本的距離， 該距離用於如以下所解釋的放大計算中。
雷射距離感測器隨後可用來校準樣本定位總成內之高度感測器。在此實例中，高度感測器為線性編碼器236，該線性編碼器用於Z軸樣本定位機構中，如圖10中所示。若在檢測期間樣本經定位使得該樣本由x射線管自雷射距離感測器隱藏，使得無法直接使用雷射距離感測器量測，則此高度感測器為尤其有益的。當樣本處於並未由x射線管隱藏的定位(在此被稱為開始定位)中時，控制器500自雷射距離感測器400接收距離量測且同時自線性編碼器236接收輸出。樣本之頂部平面與x射線管之輸出窗之間的絕對距離可使用雷射距離感測器400來建立。此藉由自雷射距離感測器400取得絕對量測讀數及減去如所描述地計算的偏移C來進行。樣本之頂部平面與x射線管之輸出窗之間的此距離隨後用作用於線性編碼器之校準，該線性編碼器量測距開始定位之距離的變化。此校準過程可週期性地執行。
另外，雷射距離感測器量測可用來決定在影像處理期間使用的影像放大。影像放大(IM)為物件出現在偵測器300上之影像中時的物件之大小與物件之實際大小的比率。參考圖12，在本領域中已知放大比率等於H/A。A係自所量測距離B減所計算偏移C來決定。H為已知值。因此，影像放大由以下公式給出：IM=H/A=H/(B-C)。
例如，若距離H為350mm，所量測距離B為12mm且偏移值C已計算為2mm，則影像放大將為： IM=H/(B-C)=350/(12-2)=35。
此意味，在偵測器上表現為35mm距離的特徵之間的距離為1mm真實距離之影像。
準確地決定放大之此能力具有兩個效益。首先，可極其準確地建立樣本內之特徵之大小，從而允許諸如晶圓凸塊直徑或孔隙區域的幾何特徵大小之良好定量評估。其次，在層析X射線照相組合期間，單獨投影之角度及位置為熟知的，因此可使所計算三維模型準確。在擷取特定區部或感興趣區之一組影像之前，通常執行使用來自雷射距離感測器的量測的影像放大以作為校準計算。
應明白，雖然已關於用於在清潔室環境中檢測半導體晶圓的系統描述此佈置，但是該佈置亦可用於無需在清潔室環境中操作且因此不包括所描述之空氣推進器及空氣過濾器的x射線檢測系統中。
碰撞預防
圖10、圖11及圖12中所例示之近接感測器或雷射距離感測器400亦可用來防止x射線源與樣本之間的任何碰撞。x射線源與樣本之間的碰撞可能不能修補地損壞樣本，且亦對x射線管造成顯著損壞。因為在此實例中為半導體晶圓的樣本可具不同厚度，所以當試圖獲得極高倍放大影像時，僅依賴來自僅提供關於樣本支撐件之定位之資訊的線性編碼器236之輸出可能無法有效地防止碰撞，該等極高倍放大影像需要將樣本置放成極其靠近x射線管，從而使圖12中之距離A極小。
為防止碰撞，在以高倍放大檢測半導體晶圓之前，由雷射距離感測器在對於所有可能晶圓已知為安全的低倍放大高度處安全地光柵掃描晶圓，以建立晶圓20上之最高特徵距x射線管100之末端的距離。光柵掃描藉由操作樣本定位總成以在XY平面中移動樣本支撐件來達成。此例示於圖10中。線性編碼器標度上之位置對於低倍放大高度記錄為基線值。記錄由雷射高度感測器量測的最短距離，該最短距離對應於晶圓20上之最高特徵。控制器500隨後基於在所量測最短距離處的基線編碼器標度讀數產生虛擬參考平面，該所量測最短距離規定可安全地使晶圓多靠近x射線管之表面。虛擬平面可位於晶圓上之最高特徵上方的預定間隙處。例如，若由雷射距離感測器在低倍放大高度處量測的至樣本之頂部的最短距離為12mm，且雷射距離感測器400之輸出末端與x射線管之輸出窗之間的已知偏移C為2mm，則在光柵掃描期間x射線管之輸出窗與樣本之頂部之間的最短距離為10mm。若希望在操作中樣本之頂表面距x射線管之輸出窗不應小於1mm，以便防止任何碰撞可能性，則可使樣本支撐件移動至距在線性編碼器上記錄為基線的低放大高度不小於9mm。此9mm最大行程可使用線性編碼器讀數加以控制。線性編碼器標度可在晶圓之檢測期間用來確保無碰撞可發生。
圖13為例示用來防止x射線管與晶圓之間的碰撞的控制過程的流程圖。在步驟450中，將半導體晶圓加載至系統中。在步驟460中，使晶圓在雷射距離感測器下方定位 於已知安全高度處，亦即，定位於即使最厚樣本將亦較好地擺脫x射線管的高度處。在步驟470中，雷射距離感測器隨後經啟動，且樣本支撐件由樣本定位總成在XY平面中以光柵掃描型樣移動。記錄至晶圓上之最近特徵的距離。在步驟480中，計算樣本支撐件之最大容許向上行程，該最大容許向上行程對應於樣本支撐件與x射線管之間的最小安全距離或樣本支撐件之最大安全高度。在步驟490中，以高倍放大但在樣本支撐件處於低於或等於樣本支撐件之最大安全高度的定位處的情況下執行晶圓之檢測。
可針對加載至機器中的每一新樣本迅速地且自動地執行此過程。再次，應明白此系統及方法不僅適用於半導體晶圓而且亦適用於需要以高倍放大成像的任何類型之樣本。
偵測器定位
如所描述，x射線偵測器定位於樣本支撐件下方以擷取已通過樣本的x射線。偵測器為平板偵測器，該平板偵測器包括矽光電二極體之二維像素陣列，如先前所描述。
為記錄穿過樣本的不同投影，偵測器必須準確地移動至不同成像定位。投影隨後使用層析X射線照相組合演算法加以組合以產生樣本或樣本之區部之三維模型。如所描述，希望盡可能迅速地記錄多個不同投影。且對於樣本支撐件定位成極其靠近x射線源的高倍放大影像，x射線偵測器必須在成像定位之間移動比樣本支撐件大得多的距離，且因此偵測器必須以相較於樣本支撐件的相對較高速 度移動。
為使偵測器可準確地但以高速移動，使偵測器在剛性軸上於XY平面內移動為有利用的。在已用於先前系統中的可樞轉弓形軌道上移動偵測器的替選方案不允許以高速的此準確移動，因為機構剛性較小。當以高速開始及停止時，此替代性系統將亦遭受過大振動。偵測器及樣本兩者在平行XY平面內之移動而無任何Z軸移動亦具有影像放大對於所有成像定位保持相同的優點，因為放大係由如先前所論述之公式IM=A/H決定。
然而，具有僅在該XY平面內處於XY平面中的偵測器面之偵測器之移動遭受偵測器並非始終面向x射線源的缺點。在偵測器面與x射線自x射線源的發射點之間的極端斜角下，影像之模糊可發生。在本發明之一態樣中，除用於在XY平面中移動偵測器的機構之外，為偵測器提供傾斜機構，此狀況允許偵測器經定向使得該偵測器在所有成像定位中面向x射線源。
圖14為根據本發明之x射線檢測系統的示意性橫截面圖解，該圖解如圖2中所例示但展示用於x射線偵測器的傾斜機構320。偵測器定位總成310允許偵測器300在水平面移動。
圖14中所示之系統之剩餘特徵如參考圖2所描述。箱及FFU經組配用於清潔室操作。樣本定位台210在支撐框架上提供於偵測器定位台上方。樣本定位台之詳細組件展示於圖6及圖7中且參考圖6及圖7加以描述。x射線管 100固定至托架115且定位在樣本支撐件200及偵測器300上方。
為在XY平面中提供高速移動，第一線性馬達及第二線性馬達分別用來在X方向及y方向上移動偵測器。如圖15中所例示，第一線性馬達312安裝於偵測器總成之框架326與水平延伸橫樑314之間。橫樑314在X方向上延伸且經支撐以沿支撐框架120移動。為提供此移動，在Y方向上延伸的一對第二線性馬達316(該對第二線性馬達中僅一者在圖15中可見)安裝於支撐框架120上且驅動橫樑314之遠端末端315。第一線性馬達312之啟動使偵測器總成沿橫樑314在X方向上移動。第二線性馬達316之啟動在Y方向上移動橫樑314及偵測器總成，該Y方向與橫樑314垂直。此機構允許偵測器迅速地且準確地在水平面內移動。第一線性馬達及第二線性馬達可為相同的，且比用於樣本支撐件安置總成的線性馬達較大。此類型之線性馬達可得自Aerotech公司(101 Zeta Drive,Pittsburgh,PA 15238.USA)。
圖16詳細地展示傾斜機構320。用於偵測器之移動之兩個進一步軸由此傾斜機構320提供，使得偵測器300之平面成像表面或面305始終能夠直接面向x射線源。偵測器300安裝至第一平衡環框架322，使得該偵測器可繞第一旋轉軸321傾斜。第一馬達324經組配以使偵測器繞第一旋轉軸旋轉。適合的馬達之一實例為來自Aerotech公司(101 Zeta Drive,Pittsburgh,PA 15238,USA)的APR150DR-135。
第一平衡環框架322可旋轉地安裝至安裝至第二 平衡環框架326的馬達328，以繞第二旋轉軸327旋轉。第二馬達328經組配以使第一平衡環框架322繞第二旋轉軸327旋轉。第二平衡環框架326安裝至線性馬達312之推進器，且線性馬達312之定子安裝至橫樑314，如參考圖15所描述，使得偵測器及傾斜機構可沿橫樑314移動。第一馬達及第二馬達包含輸出端上之直接讀取編碼器，以允許偵測器之定向之極準確決定。
傾斜機構經佈置使得第一旋轉軸321及第二旋轉軸327與偵測器之主動區域或面305共面。此意味，如圖16中所示，第一旋轉軸321及第二旋轉軸327兩者橫過偵測器300之面305，或與面305對準。此簡化所需要的影像處理計算。此亦消除對用以解決影像放大之變化的樣本支撐件或偵測器之任何補償Z軸移動之需求。此係因為偵測器面之中心在所有定位中皆保持在距x射線源的相同Z軸距離處，且因此影像放大保持恆定，而與傾斜機構之定位無關。
第一旋轉馬達及第二旋轉馬達連接至控制器(在圖16中未展示)且由該控制器控制，該控制器亦連接至用於偵測器之XY移動的線性馬達。控制器經組配以確保在偵測器停止以記錄x射線影像的每一成像定位中，偵測器之主動區域305面向x射線源。較佳地，控制器將定向偵測器之主動區域或面305，使得該主動區域或面與自偵測器之面之中心描繪至自x射線源發射x射線所在之點的線垂直。
藉由使偵測器之主動區域305不變地面朝x射線源，避免偵測器面與x射線自x射線源的發射點之間的斜 角，該斜角可引起影像之模糊。此改良影像之品質。
應明白，雖然已關於用於在清潔室環境中檢測半導體晶圓的系統描述此佈置，但是該佈置亦可用於無需在清潔室環境中操作且因此不包括所描述之空氣推進器及空氣過濾器的x射線檢測系統中。亦有可能與用於樣本支撐件定位總成之不同佈置一起且在無至此所描述之定位偵測系統的情況下使用此偵測器定位總成。
晶圓夾盤
用於半導體晶圓20的樣本支撐件200藉由將吸力施加至晶圓之後表面來將每一半導體晶圓保持於適當定位中。此為避免對晶圓之損壞的熟知晶圓搬運技術。圖17為樣本支撐件之平面圖，且展示形成於樣本支撐件之平面上支撐表面612中的多個同心凹陷或凹槽610。凹槽610藉由徑向通道614連接至真空埠620。當晶圓置放至支撐表面612上時，將真空施加至埠620。此保持晶圓穩固地抵靠支撐表面612。樣本支撐件之「成像區域」為樣本支撐件中可出現在半導體晶圓之一部分之x射線影像中的部分。
在如所描述之x射線檢測系統中，來自x射線管100的x射線在到達偵測器300之前不僅通過半導體晶圓，而且必須亦通過樣本支撐件200。因此樣本支撐件必須由並不過大程度地減弱x射線且不具有將使x射線偏轉的結晶結構的材料製成。適合的材料包括聚醚醚酮(PEEK)、鈹及縮醛。
然而，甚至此等材料將亦在某種程度上減弱x射線。減弱之量取決於x射線必須通過的樣本支撐件之厚度。 凹槽610導致樣本支撐件之局部薄化，且因此由凹槽引起的厚度變化之型樣將出現在所得x射線影像中。習知晶圓夾盤之凹槽之橫截面為矩形的，具有平行側壁及平坦底部，如圖19中所示。圖19展示具有矩形橫截面凹槽680的晶圓夾盤280。若x射線影像橫跨凹槽，則通過晶圓夾盤上之凹槽的x射線將比通過晶圓夾盤之剩餘部分的該等x射線減弱得少。矩形橫截面意味，考慮到凹槽之垂直側壁，晶圓夾盤厚度之變化極其突然。此可在x射線影像中產生對比之極其突然的變化，該等極其突然的變化將模糊或混淆影像，尤其晶圓之弱對比特徵之影像。此轉而將使影像之自動分析緩慢或甚至在一些情況下不可能。
為最小化此問題，在本發明中用於將吸力提供至晶圓之後面的凹槽或凹陷經組配以僅提供晶圓夾盤厚度之小及逐漸變化，以在x射線影像中產生將模糊或混淆影像的較少圖案化，而非提供具有矩形橫截面的凹槽。因此，晶圓夾盤之厚度連續地變化，而非具有厚度之突然變化，且使凹槽比較寬且比較淺。
圖18為根據本發明之圖17之凹槽610之一的示意性橫截面。在此實例中，凹槽具有約4.88mm之寬度W及支撐表面下方0.2mm之最大深度。凹槽之側壁在連續曲線中自第一側延伸至凹槽之第二側。曲線為大體上圓形的，且具有約16mm之最大曲率半徑。可看出，曲率半徑大體上比凹槽之最大深度大兩個數量級。此確保晶圓夾盤之厚度之變化率為小。樣本支撐件在成像區域中之最大厚度D為5 mm。
凹槽之大小及形狀必須滿足兩個矛盾的要求。凹槽必須足夠大以在晶圓之背部上提供充分的吸力。但是凹槽必須亦並不模糊或混淆半導體晶圓中或上的感興趣特徵之影像。
在此實例中，凹槽之深度在2.44mm之徑向距離上增加至0.2mm，此對應於晶圓厚度之約4%變化，因為0.2mm/5mm=0.04。晶圓厚度跨凹槽的平均變化率為與平面支撐表面平行的行程之每毫米0.2/2.44=0.8mm厚度變化。晶圓厚度之最大變化率在凹陷之邊緣處，且為與平面支撐表面平行的行程之每毫米近似0.165mm。
凹槽寬度W比半導體晶圓內之感興趣的典型特徵大兩個數量級。因為凹槽跨其寬度連續變化而非具有尖銳邊緣，此意味，在對於檢測適當的放大下，僅將跨凹槽的總厚變化之約1%看作感興趣的特徵之影像背景之變化。
當檢驗矽晶圓上之100μm直徑焊料凸塊時，分析軟體可使用凸塊區域之外的四個點來決定用於調整影像對比的基線。在最壞狀況下，此等點將彼此相距200μm。若焊料凸塊覆蓋夾盤厚度之變化率在該變化率最高處所在的凹槽之邊緣，則樣本支撐件之有效深度將跨成像區域變化約0.66%。此計算為深度之最大變化率x感興趣區之直徑/夾盤之最大厚度0.165 x 0.02/50.066%。與焊料凸塊與該焊料凸塊之周圍區域之間以及焊料凸塊中之任何缺陷之間所提供的對比相比，此並不引起跨影像的影像對比之顯著變 化。
希望在凹槽或凹陷中不具有任何尖銳邊緣。換言之，樣本支撐件之厚度變化的變化率應較低。此將確保不存在可由所使用的影像處理軟體中之邊緣偵測演算法增加的尖銳邊緣。藉由提供在連續曲線中自一側延伸至另一側的凹陷，在凹陷自身內避免尖銳邊緣。凹陷之邊緣亦理想地應為平滑的。如可在圖18中所看出，使凹槽610之邊緣615成圓形以消除任何尖銳過渡。凹槽之側壁與平面支撐表面612之間的過渡區部之曲率半徑具有約2mm之最小曲率半徑。
應明白，此僅為根據本發明之晶圓支撐件之一實例，且可使用提供跨成像區域的支撐件厚度之低最大變化率的凹槽之不同幾何形狀。明顯地，凹槽之所需要的尺寸取決於將要成像的區部之大小及性質，且取決於與正成像的樣本之密度相比的樣本支撐件之材料之密度(該材料之密度與多強烈地減弱x射線密切相關)。
系統操作
至此所描述之x射線檢測系統之各種態樣可經控制以自動地且彼此同步地操作。具體而言，樣本支撐件及偵測器之定位必須藉由來自定位偵測佈置的量測協調且通知。空氣推進器、x射線管及晶圓搬運設備亦必須以定位總成協調。
圖20為例示使用中央控制器500來協調系統之可控制組件中每一者之操作且接收並處理提供層析X射線照 相組合模型所需要的資料的示意性圖表。
中央控制器500包括影像處理器510連接至系統之可控制組件中每一者，並且連接至輸出520及製造工廠介面530。
控制器500控制x射線管100以及FFU 130之操作。控制器操作自動晶圓搬運機構540，該自動晶圓搬運機構延伸穿過擋閘以將晶圓置放至樣本支撐件200上，且亦在晶圓已在系統內經檢測之後自樣本支撐件200移除晶圓。控制器經由樣本支撐件定位總成210定位晶圓且相應地經由偵測器定位總成310控制偵測器。控制器自偵測器接收輸出以構建三維模型。控制器自雷射距離感測器400接收輸入，以相對於x射線源控制晶圓之垂直定位以避免碰撞。來自雷射距離感測器400的輸入亦用於影像放大計算中。控制器亦自干涉計接收輸入，該等輸入指示在樣本支撐件200針對將要收集的影像移動至不同定位時該樣本支撐件之定位之變化。
控制器根據預程式化操作序列協調樣本支撐件及偵測器之移動，並且執行如先前所描述之初始校準。控制器必須控制具有三個移動軸的樣本台及具有四個移動軸的偵測器兩者，該樣本台及該偵測器兩者為旋轉的。
圖21為例示用於圖20中所示類型之x射線檢測系統之操作之示範性週期的流程圖。系統在步驟700中啟動。在此步驟中，控制器接通且FFU接著接通以建立層狀空氣流動。EFU隨後在系統之操作期間連續地運轉。在步驟710 中，晶圓搬運總成540經操作以將半導體晶圓加載至系統中，加載至樣本支撐件上。晶圓搬運總成在此實施例中包含在半導體製造工廠中使用的習知晶圓搬運設備，在此實例中為先前所描述之Brooks JETTM大氣運輸系統。晶圓使用吸力緊固於樣本支撐件上，如所描述。在步驟720中，使用參考圖10至圖12所描述之過程計算樣本支撐件之最大高度。在步驟730中，x射線管100啟動且晶圓上之多個不同感興趣區之投影由偵測器300記錄。在此過程中，將樣本支撐件200及偵測器300移動至多個預定成像定位。此過程可針對晶圓上之不同感興趣區加以重複，如由箭頭735所指示。在步驟740中，特定感興趣區之投影使用層析X射線照相組合演算法加以處理以產生三維模型。影像處理器510使用來自偵測器的所記錄影像以及關於用於每一影像的樣本、樣本支撐件及偵測器之定位的相關聯資訊。此模型在步驟750中連同與影像擷取過程有關的任何其他所收集資料一起輸出至顯示器及/或記憶體。在用於特定晶圓的所有所需要影像已由偵測器300擷取之後，在步驟760中使用晶圓搬運總成540自系統卸載晶圓，且隨後可在步驟710中加載新晶圓。晶圓之卸載及加載可與影像處理操作一起同時執行。
系統可整合至半導體製造工廠中。可使用標準晶圓搬運設備達成在晶圓處理操作中之任何所要點處及/或在已完成晶圓處理之後將半導體晶圓自動加載至樣本支撐件及自樣本支撐件卸載半導體晶圓。用於定位總成、偵測器及x射線管的控制軟體可與用於控制器500之製造工廠控 制系統整合。
200‧‧‧樣本支撐件/晶圓支撐件
252‧‧‧鏡/第一鏡
254‧‧‧鏡/第二鏡
256‧‧‧第一干涉計/干涉計
258‧‧‧第二干涉計/干涉計

Claims (15)

  1. 一種x射線檢測系統，其包含：一x射線源，一樣本支撐件，其用於支撐將要檢測的一樣本，一x射線偵測器；一樣本定位總成，其用於相對於該x射線源及x射線偵測器定位該樣本支撐件；一樣本支撐件定位偵測總成，其包含一非接觸定位量測設備，該非接觸定位量測設備鄰接該樣本支撐件定位且經組配以偵測該樣本支撐件之一定位或一定位變化；以及一影像處理器，其連接至該x射線偵測器且連接至該樣本支撐件定位偵測總成。
  2. 如請求項1之x射線檢測系統，其中該非接觸定位量測設備包含一雷射干涉計且進一步包含一反射器，該反射器安裝至該樣本支撐件以便反射來自該干涉計的雷射光。
  3. 如請求項1之x射線檢測系統，其中該非接觸定位量測設備包含一光學線性編碼器、一磁編碼器、一電容感測器或一聲納距離量測設備。
  4. 如任何前述請求項之x射線檢測系統，其中該系統經組配以自動將該樣本定位總成移動至多個成像定位，其中該影像處理器經組配以基於來自該非接觸定位量測設備的一輸出計算該樣本支撐件之一定位自一成像定位 至另一成像定位的一變化。
  5. 如前述請求項中任一項之x射線檢測系統，其中該影像處理器經組配以使用來自該非接觸定位量測設備的該輸出，對由該x射線偵測器記錄的影像執行一層析X射線照相組合(tomosynthesis)計算。
  6. 如前述請求項中任一項之x射線檢測系統，其中該樣本支撐件包含一支撐表面，該支撐表面在一水平面中延伸，且其中該樣本定位總成包含用於在一第一水平方向上移動該樣本支撐件的一第一定位機構，及用於在一第二水平方向上移動該樣本支撐件的一第二定位機構，且其中該樣本支撐件定位偵測總成包含用於偵測該樣本支撐件在該第一水平方向上的定位或移動的一第一干涉計，及用於偵測該樣本支撐件在該第二水平方向上的定位或移動的一第二干涉計。
  7. 如請求項6之x射線檢測系統，其進一步包含一分束器，該分束器經組配以將來自一雷射光源的光導引至該第一干涉計及該第二干涉計。
  8. 如前述請求項中任一項之x射線檢測系統，其中該x射線源位於該樣本支撐件上方。
  9. 如前述請求項中任一項之x射線檢測系統，其中該樣本支撐件經組配以支撐一半導體晶圓。
  10. 如前述請求項中任一項之x射線檢測系統，其中該樣本定位總成包含用於在一垂直方向上移動該樣本支撐件的一垂直定位機構，該垂直方向與該水平面正交，且其 中該樣本支撐件定位偵測總成包含用於偵測該樣本支撐件在該垂直方向上的定位或移動的一第三非接觸定位量測設備。
  11. 如請求項10之x射線檢測系統，其中該第三非接觸定位量測設備經定位以偵測該樣本支撐件之一垂直定位。
  12. 如請求項10之x射線檢測系統，其中該第三非接觸定位量測設備經定位以偵測安裝於該樣本支撐件上的一樣本之一頂表面之一垂直定位。
  13. 如請求項10、11或12之x射線檢測系統，其中該控制器經組配以基於該第三非接觸定位量測設備之一輸出執行一放大計算。
  14. 如任何前述請求項之x射線檢測系統，其包含一近接感測器，該近接感測器固定至該x射線源且經組配以決定該x射線源與該樣本支撐件上的一樣本之一表面之間的一距離，該近接感測器之一輸出連接至該影像處理器。
  15. 如前述請求項中任一項之x射線檢測系統，其包含用於相對於該x射線源定位該x射線偵測器的一偵測器定位總成，其中該偵測器定位總成包含用於在一水平面內於至少兩個非平行方向上移動該偵測器的一水平偵測器定位機構，及一偵測器傾斜機構，該偵測器傾斜機構經組配以允許該偵測器繞至少兩個非平行軸自該水平面傾斜。
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