TW201907155A - 用於具有高空間解析度之ｘ射線束之特徵化之方法及系統 - Google Patents

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Abstract

本文中描述用於在一透射小角度X射線散射測量(Transmission, Small-Angle X-ray Scatterometry；T-SAXS)計量系統中定位一樣品及特徵化入射至該樣品上之一x射線束之方法及系統。一樣品定位系統垂直地定位一晶圓且使該晶圓在六個自由度中相對於該x射線照明束主動地定位而不衰減透射輻射。在一些實施例中，在量測透射通量之經偵測強度時跨該照明束掃描一圓柱形遮擋元件以精確定位射束中心。在一些其他實施例中，採用一週期性校準目標以精確定位該射束中心。該週期性校準目標包含具有將X射線照明光繞射成相異、可量測繞射圖案之不同週期性結構之一或多個空間界定區。

Description

用於具有高空間解析度之Ｘ射線束之特徵化之方法及系統
所描述實施例係關於x射線計量系統及方法，且更特定言之係關於用於改良量測精確度之方法及系統。
通常藉由應用至一樣品之一系列處理步驟製造半導體裝置(諸如邏輯及記憶體裝置)。藉由此等處理步驟形成半導體裝置之各種特徵及多個結構層級。例如，微影術尤其係涉及在一半導體晶圓上產生一圖案之一個半導體製程。半導體製程之額外實例包含(但不限於)化學機械拋光、蝕刻、沈積及離子植入。多個半導體裝置可製造在一單一半導體晶圓上且接著分離成個別半導體裝置。
在一半導體製程期間之各個步驟使用計量程序來偵測晶圓上之缺陷以促進更高良率。通常使用數種基於計量之技術(包含散射測量與反射測量實施方案以及相關聯之分析演算法)來特性化奈米級結構之臨界尺寸、膜厚度、組合物及其他參數。
傳統上，對由薄膜及/或重複週期性結構組成之目標執行散射測量臨界尺寸量測。在裝置製造期間，此等膜及週期性結構通常表示實際裝置幾何形狀及材料結構或一中間設計。隨著裝置(例如，邏輯及記憶體裝置)邁向較小奈米級尺寸，特徵化變得更加困難。併入複雜三維幾何形狀及具有多種物理性質之材料之裝置造成特徵化困難。例如，現代記憶體結構通常係使光學輻射難以穿透至底層之高縱橫比的三維結構。利用紅外光至可見光之光學計量工具可穿透許多半透明材料層，但提供良好穿透深度之較長波長不提供對小異常之足夠敏感度。另外，特徵化複雜結構(例如，FinFET)所需的參數數目增大導致參數相關性增大。因此，特徵化目標之參數通常無法可靠地脫離可用量測。
在一個實例中，已嘗試採用較長波長(例如，近紅外)來克服利用多晶矽作為堆疊中之交替材料之一者之3D FLASH裝置的穿透問題。然而，隨著照明更深地傳播至膜堆疊中，3D FLASH之鏡狀結構本質上導致光強度減小。此導致深度下之敏感度損失及相關性問題。在此案例中，SCD僅能夠成功提取具有高敏感度及低相關性之一精簡組之計量尺寸。
在另一實例中，在現代半導體結構中愈來愈多地採用不透明高k材料。光學輻射通常無法穿透由此等材料建構之層。因此，使用諸如橢圓偏光儀或反射計之薄膜散射測量工具進行的量測變得愈來愈具挑戰性。
回應於此等挑戰，已開發更複雜光學計量工具。例如，已開發具有多個照明角度、較短照明波長、較寬照明波長範圍及自反射信號之更完整資訊擷取之工具(例如，除較習知反射率或橢偏量測信號以外亦量測多個穆勒(Mueller)矩陣元素)。然而，此等途徑未可靠地克服與許多先進目標(例如，複雜3D結構、小於10 nm之結構、採用不透明材料之結構)之量測及量測應用(例如，線邊緣粗糙度及線寬粗糙度量測)相關聯之根本挑戰。
原子力顯微鏡(AFM)及掃描穿隧顯微鏡(STM)能夠達成原子解析度，但其等僅可探測樣品之表面。另外，AFM及STM顯微鏡需要長掃描時間。掃描電子顯微鏡(SEM)達成中間解析度位準，但無法穿透結構至足夠深度。因此，未良好地特徵化高高寬比的孔。另外，樣品所需之充電對成像效能具有一不利影響。X射線反射計亦遭受當量測高高寬比結構時限制其等有效性之穿透問題。
為了克服穿透深度問題，結合破壞性樣本製備技術(諸如聚焦離子束(FIB)加工、離子銑削、毯覆式或選擇性蝕刻等)採用傳統成像技術(諸如TEM、SEM等)。例如，透射電子顯微鏡(TEM)達成高解析度位準且能夠探測任意深度，但TEM技術需要樣品之破壞性分段。材料移除及量測之若干反覆通常提供遍及三維結構量測之關鍵計量參數所需之資訊。然而，此等技術需要樣本破壞及冗長程序時間。完成此等類型之量測之複雜性及時間歸因於蝕刻及計量步驟之漂移而引入大不精確度。另外，此等技術需要引入對位誤差之數個反覆。
採用一硬X射線能階(＞15 keV)之光子之透射小角度X射線散射測量(T-SAXS)系統已展示出有希望解決挑戰性量測應用。在下列各案中描述將SAXS技術應用至臨界尺寸(CD-SAXS)及疊對(OVL-SAXS)之量測之各種態樣：1) Zhuang及Fielden之標題為「High-brightness X-ray metrology」之美國專利第7,929,667號；2) Bakeman、Shchegrov、Zhao及Tan之標題為「Model Building And Analysis Engine For Combined X-Ray And Optical Metrology」之美國專利公開案第2014/0019097號；3) Veldman、Bakeman、Shchegrov及Mieher之標題為「Methods and Apparatus For Measuring Semiconductor Device Overlay Using X-Ray Metrology」之美國專利公開案第2015/0117610號；4) Hench、Shchegrov及Bakeman之標題為「Measurement System Optimization For X-Ray Based Metrology」之美國專利公開案第2016/0202193號；5) Dziura、Gellineau及Shchegrov之標題為「X-ray Metrology For High Aspect Ratio Structures」之美國專利公開案第2017/0167862號；及6) Gellineau、Dziura、Hench、Veldman及Zalubovsky之標題為「Full Beam Metrology for X-Ray Scatterometry Systems」之美國專利公開案第2018/0106735號。前述專利文件讓渡給(美國)加利福尼亞州，米爾皮塔斯市(Milpitas)之KLA-Tencor Corporation。
SAXS亦已應用至材料之特徵化及其他非半導體相關應用。例示性系統已由若干公司商業化，包含Xenocs SAS (www.xenocs.com)、Bruker Corporation (www.bruker.com)及Rigaku Corporation (www.rigaku.com/en)。
在科學文獻中亦描述對半導體結構之CD-SAXS計量之研究。大多數研究團隊已採用歸因於其等巨大的大小、成本等而不適合用於一半導體製造設施中之高亮度X射線同步加速器源。在Lemaillet、Germer、Kline等人之標題為「Intercomparison between optical and x-ray scatterometry measurements of FinFET structures」之文章, Proc.SPIE,第8681卷，第86810Q頁(2013)中描述此一系統之一個實例。最近，美國國家標準與技術研究院(NIST)之一團隊已開始採用類似於美國專利第7,929,667號中描述之緊緻且亮X射線源之研究。在標題為「X-ray scattering critical dimensional metrology using a compact x-ray source for next generation semiconductor devices」之一文章, J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 16(1), 014001 (2017年1月至3月)中描述此研究。
必須使用計量系統校準及對準X射線束與目標之相互作用以確保有效量測。例示性特徵化包含：將X射線束之峰值強度精確地定位於目標上；量測X射線束強度分佈；識別X射線束之邊界，使得一特定百分比之束通量位於邊界外部。例示性對準包含X射線束與一光學視覺系統之對準、X射線束與工具之特定機械特徵(例如，晶圓旋轉軸等)之對準等。
一般言之，基於藉由一光學顯微鏡對遍及一晶圓安置之對準標記之光學量測而在X射線束之路徑中導航該晶圓。為了確保相對於X射線束精確地導航一特定目標，需要在量測標記所採用之光學顯微鏡之座標中量測射束輪廓。
在一些實例中，光學顯微鏡與一刀口對準且刀口與X射線束對準。具有傳統刀口之一X射線束之特徵化歸因於藉由刀口之邊緣附近之X射線輻射照明之刀材料之半透明度而係複雜的。例如，鎢在藉由具有20 KeV之一能階之光子照明時具有約8.4微米之一射束衰減長度。在此長度，透射率下降達~1/e (e=2.718)。對於依30度之一角度塑形之一刀口，對應於8.4微米之一高度之楔形之長度係約14.5微米。在一X射線束掃描期間對一刀口位置之不確定性之此簡單估計繪示當所需對準精確度小於幾微米(例如，小於10微米)時，刀口之半透明度係有限的。
在一些其他實例中，藉由定位於相對於X射線束之某點(例如，聚焦光學器件之一焦點)處之一高解析度X射線相機特徵化X射線束輪廓。在此等實例中，使用高解析度X射線相機量測射束輪廓，且將射束之經量測座標傳送至在X射線束之路徑中導航晶圓所採用之光學顯微鏡。不幸地，與將來自X射線相機之經量測座標傳送至光學顯微鏡相關聯之誤差係顯著的且超過所需導航精確度。
此外，藉由一X射線相機或刀口對X射線束之特徵化本質上係間接的且不提供關於入射於目標上之光子通量以及相鄰區之光子污染之定量資料。
未來計量應用歸因於愈來愈小的解析度要求、多參數相關性、愈來愈複雜的幾何結構(包含高高寬比結構)及不透明材料之愈來愈多的使用而存在計量挑戰。X射線工具對準及目標導航之現有方法限於約10微米至20微米之一精確度。此等方法無法憑藉半導體計量應用之足夠精確度定位及量測一X射線束中之具有小大小(~50微米)之計量目標。因此，期望用於SAXS系統中之X射線束之改良對準及校準之方法及系統以滿足先進製造節點之放置要求。
本文中描述用於在一透射小角度X射線散射測量(T-SAXS)計量系統中定位一樣品及特徵化入射至該樣品上之一x射線束之方法及系統。一半導體製造環境中之實際T-SAXS量測需要在相對於具有一小射束點大小(例如，跨有效照明點小於50微米)之一樣品(例如，半導體晶圓)之表面之一大入射角及方位角範圍內之量測。需要該晶圓之準確定位及該射束大小及形狀之特徵化以達成小量測盒大小。另外，本文中呈現在入射角及方位角之全範圍內將照明束準確地定位於一半導體晶圓之表面上之所要目標區域上之校準。
在一個態樣中，一計量工具包含一樣品定位系統，其經組態以垂直地定位一晶圓(即，晶圓表面之平面與重力向量大致對準)且使該晶圓在六個自由度中相對於照明束主動地定位。該樣品定位系統在邊緣處支撐該晶圓，從而允許該照明束在該晶圓之主動區域內之任何位置處透射穿過該晶圓而無需重新安裝。藉由在晶圓邊緣處垂直地支撐該晶圓，有效緩和該晶圓之重力誘導凹陷。
在一進一步態樣中，一平衡器靜態地平衡該樣品定位系統之旋轉質量，使得該旋轉質量之重心與其旋轉軸大致對準。
在一些實施例中，三個感測器經安置於該樣品定位系統上以量測該晶圓之背側相對於該樣品定位系統之距離。以此方式，藉由使用一翻轉-傾斜(tip-tilt)-Z載物台移動該晶圓而量測及補償晶圓翹曲。
在另一態樣中，一SAXS計量系統採用至少一個射束遮擋校準目標以相對於樣品定位系統定位一x射線照明束。該射束遮擋校準目標包含至少一個標記及一圓柱形遮擋元件。採用一對準相機以將該標記定位於該樣品定位系統之座標中。該標記相對於該圓柱形遮擋元件之位置係預先已知的(例如，具有小於200奈米之一精確度)。因此，藉由一直接座標變換容易地判定該圓柱形遮擋元件在該樣品定位系統之座標中之位置。在量測透射通量之經偵測強度時跨照明束掃描該圓柱形遮擋元件。該照明束之中心基於該經量測強度而相對於該圓柱形遮擋元件精確地定位。由於該圓柱形遮擋元件在該樣品定位系統之座標中之位置係已知的，所以藉由簡單座標變換精確地定位照明束之中心在該樣品定位系統之座標中之位置。
在一些實例中，採用一射束遮擋校準目標以校準該照明束相對於該樣品定位系統之入射位置。在一些其他實例中，採用一射束遮擋校準目標以在照明束與一晶圓之入射點處使載物台參考框架之旋轉軸相對於該照明束對準。
在另一態樣中，一SAXS計量系統採用至少一個週期性校準目標以相對於該樣品定位系統定位一x射線照明束。各週期性校準目標包含具有將X射線照明光繞射成可藉由本文中描述之一SAXS計量系統量測之相異繞射圖案之不同週期性結構之一或多個空間界定區。另外，各週期性校準目標包含一或多個標記，其可藉由一光學顯微鏡讀取以憑藉高對準精確度(例如，0.5微米或更小之對準精確度)相對於該樣品定位系統定位該週期性校準目標。各空間界定區具有空間良好界定之邊界線。該等邊界線相對於該等標記之位置已知具有一或多個維度中之高精確度(例如，0.2微米或更小之精確度)。
在另一態樣中，基於照明束與如藉由x射線偵測器量測之兩個或兩個以上射束遮擋校準目標之相互作用判定旋轉軸與晶圓之表面之平面中之照明束之精確對準。
在另一態樣中，基於藉由安裝至一橫向對準載物台之一對準相機收集之標記之影像判定該旋轉軸與該晶圓之該表面之該平面中之一校準目標之一標記之精確對準。
在另一態樣中，使用該對準相機、一光學近接感測器、一電容式近接感測器、一基於干涉量測之感測器或任何其他適合近接感測器之任一者映射該晶圓之該表面在Z方向上之形狀。在一些實例中，該晶圓表面經映射於該晶圓之前側(即，圖案化側)上。在一些其他實例中，若該晶圓之厚度足夠均勻、經良好模型化或原位量測或預先量測，則該晶圓表面經映射於該晶圓之背側(即，未圖案化側)上。
前文係發明內容且因此必需含有細節之簡化、一般化及省略；因此，熟習此項技術者將瞭解發明內容僅係闡釋性的且絕不限制。本文中所述之裝置及/或程序之其他態樣、發明特徵及優點將在本文中所闡述之非限制性詳細描述中變得顯而易見。
相關申請案之交叉參考
本專利申請案根據35 U.S.C. §119規定主張在2017年5月11日申請之美國臨時專利申請案第62/505,014號之優先權，該案標的物之全部內容以引用的方式併入本文中。
現將詳細參考本發明之背景實例及一些實施例，其等之實例在隨附圖式中加以繪示。
本文中描述用於在一透射小角度X射線散射測量(T-SAXS)計量系統中定位一樣品及特徵化入射至該樣品上之一x射線束之方法及系統。一半導體製造環境中之實際T-SAXS量測需要在相對於具有一小射束點大小(例如，跨有效照明點小於50微米)之一樣品(例如，半導體晶圓)之表面之一大入射角及方位角範圍內之量測。需要晶圓之準確定位及射束大小及形狀之特徵化以達成小量測盒大小。另外，本文中呈現在入射角及方位角之全範圍內將照明束準確地定位於一半導體晶圓之表面上之所要目標區域上之校準。
本文中呈現六個自由度之樣品定位系統。另外，本文中描述之專用校準目標實現x射線束輪廓之高精確度特徵化及X射線束相對於校準目標之高精確度對準。此實現量測小盒大小計量目標(例如，定位於具有100微米或更小尺寸之劃線道中之計量目標)所需之晶圓之精確導航。
圖1繪示在至少一個新穎態樣中用於量測一樣品之特性之一T-SAXS計量工具100之一實施例。如圖1中展示，系統100可用於在藉由一照明光束點照明之一樣品101之一檢測區域102上方執行T-SAXS量測。
在所描繪實施例中，計量工具100包含一x射線照明子系統125，x射線照明子系統125包含一x射線照明源110、聚焦光學器件111、射束發散控制狹縫112、中間狹縫113及射束塑形狹縫機構120。x射線照明源110經組態以產生適合於T-SAXS量測之x射線輻射。在一些實施例中，x射線照明源110經組態以產生介於0.01奈米與1奈米之間的波長。一般言之，可設想能夠按足以實現高處理量、線內計量之通量位準產生高亮度x射線之任何適合高亮度x射線照明源以供應用於T-SAXS量測之x射線照明。在一些實施例中，一x射線源包含使x射線源能夠能夠依不同可選擇波長遞送x射線輻射之一可調諧單色器。
在一些實施例中，採用發射具有大於15 keV之光子能量之輻射之一或多個x射線源以確保x射線源依容許穿過整個裝置以及晶圓基板的充分透射之波長供應光。藉由非限制性實例，一粒子加速器源、一液體陽極源、一旋轉陽極源、一固定固體陽極源、一微聚焦源、一微聚焦旋轉陽極源、一基於電漿之源及一逆康普頓(Compton)源之任何者可用作x射線照明源110。在一個實例中，可設想可購自(美國)加利福尼亞州，帕洛阿爾托市(Palo Alto)之Lyncean Technologies, Inc.之一逆康普頓源。逆康普頓源具有能夠在光子能量之一範圍內產生x射線，藉此使x射線源能夠依不同可選擇波長遞送x射線輻射之一額外優點。
例示性x射線源包含經組態以轟擊固體或液體目標以刺激x射線輻射之電子束源。在2011年4月19日頒予KLA-Tencor Corp.之美國專利第7,929,667號中描述用於產生高亮度、液體金屬x射線照明之方法及系統，該專利之全文以引用的方式併入本文中。
x射線照明源110在具有有限橫向尺寸(即，與射束軸正交之非零尺寸)之一源區域上方產生x射線發射。聚焦光學器件111將源輻射聚焦至定位於樣品101上之一計量目標上。有限橫向源尺寸導致在目標上藉由來自源之邊緣之射線117界定之有限點大小102。在一些實施例中，聚焦光學器件111包含橢圓形聚焦光學元件。
一射束發散控制狹縫112經定位於聚焦光學器件111與射束塑形狹縫機構120之間的射束路徑中。射束發散控制狹縫112限制提供至待量測樣品之照明之發散。一額外中間狹縫113經定位於射束發散控制狹縫112與射束塑形狹縫機構120之間的射束路徑中。中間狹縫113提供額外射束塑形。然而，一般言之，中間狹縫113係選用的。
射束塑形狹縫機構120經定位於緊接在樣品101之前的射束路徑中。在一個態樣中，射束塑形狹縫機構120之狹縫經定位以緊密接近於樣品101以最小化歸因於射束發散之藉由有限源大小界定之入射束點大小之擴大。在一個實例中，針對一10微米x射線源大小及射束塑形狹縫與樣品101之間之25毫米之一距離，歸因於陰影之由有限源大小產生之射束點大小之擴展係近似1微米。
在一些實施例中，射束塑形狹縫機構120包含多個獨立致動之射束塑形狹縫。在一項實施例中，射束塑形狹縫機構120包含四個獨立致動之射束塑形狹縫。此四個射束塑形狹縫有效地阻擋傳入射束115之一部分且產生具有一盒狀照明橫截面之一照明束116。
圖2及圖3以兩個不同組態描繪在圖1中描繪之射束塑形狹縫機構120之一端視圖。如圖2及圖3中繪示，射束軸垂直於圖式頁。如圖2中描繪，傳入射束115具有一大橫截面。在一些實施例中，傳入射束115具有近似1毫米之一直徑。此外，傳入射束115在射束塑形狹縫126至129內之位置可歸因於射束指向誤差而具有近似3毫米之一不確定性。為了適應傳入射束之大小及射束位置之不確定性，各狹縫具有近似6毫米之一長度L。如圖2中描繪，各狹縫可在垂直於射束軸之一方向上移動。在圖2之圖解中，狹縫126至129定位於距射束軸之一最大距離處(即，狹縫完全敞開且其等不限制光穿過射束塑形狹縫機構120)。
圖3描繪在阻擋傳入射束115之一部分使得經遞送至待量測樣品之傳出射束116具有減小之大小及良好界定之形狀的位置中之射束塑形狹縫機構120之狹縫126至129。如圖3中描繪，狹縫126至129之各者已朝向射束軸向內移動以達成所要輸出射束形狀。
狹縫126至129由最小化散射且有效地阻擋入射輻射之材料建構。例示性材料包含單晶體材料，諸如鍺、砷化鎵、磷化銦等。通常，沿著一結晶方向分裂而非鋸切狹縫材料以最小化跨結構邊界之散射。另外，狹縫相對於傳入射束定向使得傳入輻射與狹縫材料之內部結構之間之相互作用產生最小量之散射。晶體附接至由高密度材料(例如，鎢)製成之各狹縫固持器以用於完全阻擋狹縫之一個側上之x射線束。在一些實施例中，各狹縫具有具備近似0.5毫米之一寬度及近似1至2毫米之一高度之一矩形橫截面。如圖2中描繪，一狹縫之長度L係近似6毫米。
一般言之，x射線光學器件塑形x射線輻射且將x射線輻射引導至樣品101。在一些實例中，x射線光學器件包含一x射線單色器以使入射於樣品101上之x射線束單色化。在一些實例中，x射線光學器件使用多層x射線光學器件將x射線束準直或聚焦至樣品101之量測區域102上至小於1毫弧度發散。在此等實例中，多層x射線光學器件亦用作一射束單色器。在一些實施例中，x射線光學器件包含一或多個x射線準直鏡、x射線孔徑、x射線束光闌、折射x射線光學器件、繞射光學器件(諸如波帶片)、蒙特爾(Montel)光學器件、鏡面x射線光學器件(諸如掠入射橢球面鏡)、多毛細管光學器件(諸如中空毛細管x射線波導)、多層光學器件或系統或其等之任何組合。在美國專利公開案第2015/0110249號中描述進一步細節，該案之內容以全文引用的方式併入本文中。
X射線偵測器119收集自樣品101散射之x射線輻射114且根據一T-SAXS量測模態產生指示對入射x射線輻射敏感之樣品101之性質之一輸出信號135。在一些實施例中，由x射線偵測器119收集經散射x射線114，同時樣品定位系統140定位且定向樣品101以產生角度解析之經散射x射線。
在一些實施例中，一T-SAXS系統包含具有高動態範圍(例如，大於105 )之一或多個光子計數偵測器。在一些實施例中，一單光子計數偵測器偵測所偵測光子之位置及數目。
在一些實施例中，x射線偵測器解析一或多個x射線光子能且針對各x射線能量分量產生指示樣品之性質之信號。在一些實施例中，x射線偵測器119包含一CCD陣列、一微通道板、一光電二極體陣列、一微帶比例計數器、一充氣比例計數器、一閃爍器或一螢光材料之任一者。
以此方式，除像素位置及計數以外，亦藉由能量辨別偵測器內之X射線光子互動。在一些實施例中，藉由比較X射線光子互動之能量與一預定上臨限值及一預定下臨限值而辨別X射線光子互動。在一項實施例中，經由輸出信號135將此資訊傳達至運算系統130以供進一步處理及儲存。
在一進一步態樣中，採用一T-SAXS系統以基於散射光之一或多個繞射級判定一樣品之性質(例如，結構參數值)。如圖1中描繪，計量工具100包含經採用以擷取由偵測器119產生之信號135且至少部分基於所擷取信號判定樣品性質之一運算系統130。
在一些實例中，基於T-SAXS之計量涉及藉由使用經量測資料反解一預定量測模型而判定樣本之尺寸。量測模型包含數個(大約十個)可調整參數且表示樣品之幾何形狀及光學性質以及量測系統之光學性質。反解法包含(但不限於)基於模型之迴歸、層析成像、機器學習或其等任何組合。以此方式，藉由對最小化經量測之散射x射線強度與經模型化結果之間的誤差之一參數化量測模型的值求解而估計目標輪廓參數。
可期望依入射角及方位角之大範圍執行量測以增加經量測參數值之精確度及準確度。此方法藉由擴展可用於分析之資料集之數目及多樣性以包含各種大角度、平面外定向來減少參數之間的相關性。舉例而言，在一法向定向中，T-SAXS能夠解析一特徵之臨界尺寸，但對於一特徵之側壁角及高度在很大程度上不敏感。然而，藉由收集在平面外角定向之一廣範圍內之量測資料，可解析一特徵之側壁角及高度。在其他實例中，依入射角及方位角之大範圍執行之量測提供充分解析度及穿透深度以透過其等整個深度特性化高高寬比結構。
收集依據相對於晶圓表面法線之x射線入射角而變化之繞射輻射之強度之量測。在多個繞射級中含有之資訊在所考量之各模型參數之間通常係獨特的。因此，x射線散射產生具有小誤差及減小之參數相關性之對於所關注參數之值之估計結果。
藉由一半導體晶圓101相對於x射線照明束115之任何兩個角旋轉來描述照明x射線束116相對於晶圓101之表面法線之各定向，或反之亦然。在一個實例中，可關於固定至晶圓之一座標系統描述定向。圖4描繪依由一入射角θ及一方位角ϕ描述之一特定定向入射於晶圓101上之x射線照明束116。座標系XYZ經固定至計量系統(例如，照明束116)且座標系X'Y'Z'經固定至晶圓101。Y軸在平面中與晶圓101之表面對準。X及Z未與晶圓101之表面對準。Z'與法向於晶圓101之表面之一軸對準，且X'及Y'在與晶圓101之表面對準之一平面中。如圖4中描繪，x射線照明束116與Z軸對準且因此位於XZ平面內。入射角θ描述x射線照明束116相對於XZ平面中之晶圓之表面法線之定向。此外，方位角ϕ描述XZ平面相對於X'Z'平面之定向。θ及ϕ一起獨有地定義x射線照明束116相對於晶圓101之表面之定向。在此實例中，藉由圍繞法向於晶圓101之表面之一軸(即，Z'軸)之一旋轉及圍繞與晶圓101之表面對準之一軸(即，Y軸)之一旋轉來描述x射線照明束相對於晶圓101之表面之定向。在一些其他實例中，藉由圍繞與晶圓101之表面對準之一第一軸及與晶圓101之表面對準且垂直於第一軸之另一軸之一旋轉來描述x射線照明束相對於晶圓101之表面之定向。
在一個態樣中，計量工具100包含一樣品定位系統140，樣品定位系統140經組態以垂直地定位一晶圓(即，晶圓表面之平面與重力向量大致對準)且使樣品101在六個自由度中相對於照明束116主動地定位。另外，樣品定位系統140經組態以對準樣品101且在相對於照明束116之一大入射角(例如，至少70度)及方位角(例如，至少190度)範圍內定向樣品101。在一些實施例中，樣品定位系統140經組態以使樣品101在與樣品101之表面平面內對準之大旋轉角範圍(例如，至少70度)內旋轉。以此方式，藉由計量系統100在樣品101之表面上之任何數目個位置及定向內收集樣品101之角度解析量測。在一個實例中，運算系統130將指示樣品101之所要位置之命令信號(未展示)傳達至樣品定位系統140。作為回應，樣品定位系統140產生命令信號至樣品定位系統140之各種致動器以達成樣品101之所要定位。
圖5描繪一項實施例中之一樣品定位系統140。在一個態樣中，樣品定位系統140在所有六個自由度中提供晶圓101相對於照明束116之位置之主動控制，同時相對於重力向量垂直地支撐晶圓101(即，重力向量與晶圓表面大致在同一平面內)。樣品定位系統140在晶圓101之邊緣處支撐晶圓101，從而允許照明束116在晶圓101之主動區域之任何部分內透射穿過晶圓101而無需重新安裝晶圓101。藉由在晶圓101之邊緣處垂直地支撐晶圓101，有效緩和晶圓101之重力誘導凹陷。
如圖5中描繪，樣品定位系統140包含一基底框架141、一橫向對準載物台142、一載物台參考框架143及安裝至載物台參考框架143之一晶圓載物台144。為參考目的，{XBF , YBF , ZBF }座標系經附接至基底框架141，{XNF , YNF , ZNF }座標系經附接至橫向對準載物台142，{XRF , YRF , ZRF }座標系經附接至載物台參考框架143，且{XSF , YSF , ZSF }座標系經附接至晶圓載物台144。藉由包含致動器150A至150C之一翻轉-傾斜-Z載物台156將晶圓101支撐於晶圓載物台144上。安裝至翻轉-傾斜-Z載物台156之一旋轉載物台158使晶圓101在一方位角ϕ範圍內相對於照明束116定向。在所描繪實施例中，三個線性致動器150A至150C經安裝至晶圓載物台144且支撐旋轉載物台158，旋轉載物台158繼而支撐晶圓101。
致動器145使橫向對準載物台142沿著XBF 軸相對於基底框架141平移。旋轉致動器146使載物台參考框架143圍繞與YNF 軸對準之一旋轉軸153相對於橫向對準載物台142旋轉。旋轉致動器146使晶圓101在一入射角θ範圍內相對於照明束116定向。晶圓載物台致動器147及148使晶圓載物台144分別沿著XRF 軸及YRF 軸相對於載物台參考框架143平移。
在一個態樣中，晶圓載物台144係一敞開孔徑、雙軸(XY)線性堆疊載物台。敞開孔徑允許量測射束透射穿過整個晶圓(例如，300毫米晶圓)之任何部分。晶圓載物台144經配置使得Y軸載物台在大致平行於旋轉軸153之一方向上延伸。此外，Y軸載物台在與重力向量大致對準之一方向上延伸。
致動器150A至150C協調操作以使旋轉載物台158及晶圓101在ZSF 方向上相對於晶圓載物台144平移且使旋轉載物台158及晶圓101圍繞與XSF -YSF 平面共面之軸相對於晶圓載物台144翻轉及傾斜。旋轉載物台158使晶圓101圍繞法向於晶圓101之表面之一軸旋轉。在一進一步態樣中，藉由分別包含運動安裝元件157A至157C之一運動安裝系統將旋轉載物台158之一框架耦合至致動器150A至150C。在一個實例中，各運動安裝元件157A至157C包含附接至一對應致動器之一球體及附接至旋轉載物台158之一V形狹槽。各球體與一對應V形狹槽形成兩點接觸。各運動安裝元件在兩個自由度中約束旋轉載物台158相對於致動器150A至150C之運動且三個運動安裝元件157A至157C在六個自由度中共同約束旋轉載物台158相對於致動器150A至150C之運動。各運動耦合元件經預負載以確保球體始終保持與對應V形狹槽接觸。在一些實施例中，由重力、一機械彈簧機構或其等之一組合提供該預負載。
在另一進一步態樣中，旋轉載物台158係一敞開孔徑、旋轉載物台。敞開孔徑允許量測射束透射穿過整個晶圓(例如，300毫米晶圓)之任何部分。旋轉載物台158經配置使得其旋轉軸大致垂直於旋轉軸153。此外，旋轉載物台158之旋轉軸大致垂直於重力向量。晶圓101經由邊緣夾持器固定至旋轉載物台158以提供具有最小邊緣排除之完全晶圓覆蓋。
總而言之，樣品定位系統140能夠在六個自由度中主動地控制晶圓101相對於照明束116之位置，使得照明束116可入射於晶圓101之表面上之任何位置處(即，在XFR 及YRF 方向上之至少300毫米範圍)。旋轉致動器146能夠使載物台參考框架143相對於照明束116旋轉，使得照明束116可依大入射角範圍之任一者(例如，大於兩度)入射於晶圓101之表面處。在一項實施例中，旋轉致動器146經組態以使載物台參考框架143在至少六十度之一範圍內旋轉。安裝至晶圓載物台144之旋轉致動器158能夠使晶圓101相對於照明束116旋轉，使得照明束116可依大方位角範圍(例如，至少九十度旋轉範圍)之任一者入射於晶圓101之表面處。在一些實施例中，方位角範圍係至少一百九十度旋轉範圍。
在一些其他實施例中，移除橫向對準載物台142且藉由旋轉致動器146使載物台參考框架143相對於基底框架141旋轉。在此等實施例中，x射線照明系統包含一或多個致動器，其等移動x射線照明系統之一或多個光學元件以導致x射線照明束116例如在XBF 方向上相對於基底框架141移動。在此等實施例中，例如，載物台參考框架143之移動(出於如本文中描述之校準目的而被x射線照明系統之一或多個光學元件之移動取代)將x射線照明束相對於旋轉軸153移動至所要位置。在圖1及圖21中描繪之實施例中，運算系統130將命令信號138傳達至致動器子系統111'以藉由移動x射線照明子系統125之一或多個元件而相對於基底框架141重導引x射線發射以達成一所要射束方向。在所描繪實施例中，致動器子系統111'移動聚焦光學器件111以相對於基底框架141重導引x射線發射，且因此使x射線發射相對於旋轉軸153重新定位。
圖6更詳細描繪樣品定位系統140之另一圖解。圖6中描繪之相同編號元件類似於參考圖5描述之元件。如圖5中描繪，旋轉致動器146使包含載物台參考框架143、晶圓載物台144、翻轉-傾斜-Z載物台156及旋轉載物台158之一大塊體圍繞旋轉軸153旋轉。如圖6中描繪，晶圓載物台144、翻轉-傾斜-Z載物台156及旋轉載物台158從旋轉軸153偏移一顯著距離。
在一進一步態樣中，平衡器159經安裝至載物台參考框架143以使晶圓載物台144、翻轉-傾斜-Z載物台156及旋轉載物台158等平衡，使得載物台參考框架143及所有安裝組件之旋轉質量之重心與旋轉軸153大致對準。以此方式，由致動器146施加之力產生具有一最小寄生線性力之圍繞旋轉軸153之一扭矩。
如圖6中描繪，採用空氣軸承172以導引橫向對準載物台142相對於基底框架141之移動。類似地，採用空氣軸承171以導引載物台參考框架143相對於橫向對準載物台142之移動。在精密花崗岩表面上操作之空氣軸承最小化靜摩擦且提供軸穩定性。此改良定位效能(即，高重複性及小安定時間)，同時支撐大負載。
為確保照明束116與晶圓101之表面之相交位置不在一大入射角範圍內改變，旋轉軸153必須具有非常小同步及非同步誤差。另外，必須最小化任何阿貝誤差(Abbe error)。為最小化阿貝誤差，空氣軸承171圍繞旋轉軸153徑向等距隔開。軸承圈足夠大以防止大角度誤差。藉由橫向對準載物台142之表面垂直地約束軸承。在一些實施例中，橫向對準載物台142之表面係垂直於旋轉軸153之一精密研磨花崗岩表面。
一般言之，樣品定位系統在六個自由度中提供半導體晶圓之自動定位。另外，樣品定位系統包含旋轉載物台上之邊緣夾持特徵及致動器以與一晶圓處置機器人協調地在垂直位置中有效地裝載及卸載晶圓。
在一些實施例中，三個感測器經安置於樣品定位系統上以量測晶圓之背側相對於樣品定位系統之距離。以此方式，藉由使用翻轉-傾斜-Z載物台移動晶圓而量測及補償晶圓翹曲。
在另一態樣中，一SAXS計量系統採用至少一個射束遮擋校準目標以相對於樣品定位系統定位一x射線照明束。射束遮擋校準目標包含至少一個標記及一圓柱形遮擋元件。採用一對準相機以將標記定位於樣品定位系統之座標中。該標記相對於該圓柱形遮擋元件之位置係預先已知的(例如，具有小於200奈米之一精確度)。因此，藉由一直接座標變換容易地判定圓柱形遮擋元件在樣品定位系統之座標中之位置。在量測透射通量之經偵測強度時跨照明束掃描圓柱形遮擋元件。照明束之中心基於經量測強度而相對於圓柱形遮擋元件精確地定位。由於圓柱形遮擋元件在樣品定位系統之座標中之位置係已知的，所以藉由簡單座標變換精確地定位照明束之中心在樣品定位系統之座標中之位置。
在一些實例中，採用一射束遮擋校準目標以校準照明束相對於樣品定位系統之入射位置。在一些其他實例中，採用一射束遮擋校準目標以在照明束與一晶圓之入射點處使載物台參考框架之旋轉軸相對於照明束對準。
圖7描繪一項實施例中之一射束遮擋校準目標190。在圖7中描繪之實施例中，射束遮擋校準目標190包含一精確塑形之圓柱形銷192及支撐圓柱形銷192之一框架191。圓柱形銷192經製造具有高表面品質及目標不確定性量級之精確尺寸(例如，小於0.5微米之容差)。
在一些實施例中，框架191可為安裝至一樣品定位系統(諸如樣品定位系統140)之一結構。在此等實施例中，射束遮擋校準目標190經安裝至樣品定位系統140而非一校準晶圓。在一些其他實施例中，框架191可為包含附接至晶圓本身之一或多個圓柱形銷之一專用校準晶圓。在此等實施例中，射束遮擋校準目標190經安裝至一校準晶圓。射束遮擋校準目標190亦包含圓柱形銷192之一或兩個側上之開口193。開口193經定大小，使得照明束(例如，照明束197)能夠穿過射束遮擋校準目標190而不無遮擋(例如，至少2毫米乘2毫米)。射束遮擋校準目標190亦包含可藉由安裝至樣品定位系統之一光學顯微鏡讀取之一或多個標記(例如，標記195及196)。標記195及196相對於圓柱形銷之邊緣198及199之位置係精確已知的。以此方式，藉由簡單座標變換從任一標記195及196或兩者之位置判定圓柱形銷192之邊緣之位置。
一圓柱形銷狀遮擋元件在很大程度上消除在採用一刀口作為一對準目標時所產生之有限透明度問題。藉由圓柱體之半徑R及射束路徑相對於圓柱形銷之邊緣之照射深度S界定通過圓柱形銷之射束路徑。當R顯著大於S時，由方程式(1)近似計算通過圓柱形銷之射束路徑之長度L。
當採用具有約2毫米直徑之碳化鎢圓柱形銷時，歸因於半透明度之硬X射線之邊緣位置不確定性小於一微米。一般言之，圓柱形銷192可由任何適合密集、高原子序數材料製成。藉由非限制性實例，圓柱形銷192可由碳化鎢、鎢、鉑等建構。圓柱形銷之直徑應足夠大，使得歸因於材料之半透明度之邊緣位置之經誘導不確定性完全在總對準誤差預算內。通常，2毫米至3毫米之一直徑足以使歸因於材料之半透明度之邊緣位置之經誘導不確定性維持低於一微米至兩微米。
如圖7中描繪，射束遮擋校準目標190包含與圓柱形銷192之軸準確對準之一或多個平坦表面(例如，平坦表面194)。在一些實例中，表面194係用於藉由一距離感測器(例如，電容式探針、感應式探針等)在與X射線束共線之方向上量測目標位置之一參考表面。另外，在一些實施例中，一或多個標記經定位於平坦表面上。例如，如圖7中描繪，標記195經定位於平坦表面194上。
在圖5中描繪之實施例中，射束遮擋校準目標151及152經安裝至旋轉載物台158之框架，使得圓柱形銷之中心軸與晶圓101之表面大致共面。如圖5中描繪，圓柱形銷151包含與YNF 軸大致平行對準之一中心軸且圓柱形銷152包含與XRF 軸大致平行對準之一中心軸。各圓柱形銷藉由吸收任何照射x射線之一大部分而遮擋射束。
樣品定位系統140亦包含安裝至載物台參考框架143之一對準相機154。在所描繪實施例中，對準相機經安裝至載物台參考框架且因此隨著載物台參考框架旋轉。對準相機154經組態以產生其視場中之物件(諸如晶圓101)之高解析度影像。在一些實施例中，對準相機154亦包含藉由將相機之焦點精確移動一經量測距離而維持一清晰影像聚焦之一自動聚焦機構。在一些此等實施例中，對準相機154可用於藉由監測相機之焦點之z位移而量測相機主體所安裝至之載物台參考框架與由相機成像之晶圓101或標記151A及152A之間的相對距離。
在一些其他實施例中，一對準相機經安裝至橫向對準載物台142。在一些此等實施例中，對準相機用於藉由在對準相機之視場內監測安裝至晶圓101或標記151A及152A之光學標記之位置而量測相機主體所安裝至之{XNF , YNF , ZNF }座標系與由相機成像之晶圓101或標記151A及152A之間的相對距離。
在一個進一步態樣中，基於照明束與兩個或兩個以上射束遮擋校準目標之相互作用判定照明束在晶圓之表面之平面中之兩個維度中之精確入射位置。
圖9係繪示樣品定位系統140之一圖式，其中晶圓載物台經移動至照明束116被圓柱形銷元件151遮擋之一位置。基於藉由偵測器119量測之依據圓柱形銷151相對於照明束116 (例如，基底框架141)之X位置而變化之透射通量判定照明束相對於圓柱形銷151之精確入射位置。如圖9中描繪，隨著圓柱形銷151在正X方向上(在XBF 方向上)移動，愈來愈多的照明束116被圓柱形銷151遮擋。因此，較少光子到達偵測器119。然而，隨著圓柱形銷151在負X方向(與XBF 相反)上移動，愈來愈少的照明束116被圓柱形銷151遮擋。偵測器119產生指示依據X位置而變化之經量測通量之信號155且結果經分析以識別對應於照明束116之中心之圓柱形銷之位置。
圖10描繪繪示依據一圓柱形銷相對於照明束116之相對位置而變化之經量測通量之一曲線圖170。經量測通量155與相對位置之間的所描繪關係一S型函數(例如，取決於射束輪廓之邏輯或其他誤差函數)。
在一些實例中，將射束中心判定為圓柱形銷相對於照明束之相對位置，其中經量測通量在最小通量值FMIN 與最大通量值FMAX 或導數dF/dx之最大值中間。然而，在一些其他實例中，可在與經量測通量之範圍之中值不同之另一通量值下判定射束中心。在一些實例中，藉由模型化射束與圓柱形銷之材料及幾何形狀之相互作用而判定一更精確關係。在此等實例中，比較經模型化相互作用與經量測透射通量，且使用一擬合演算法以基於經量測結果與模型之擬合而判定圓柱形銷相對於照明束之相對位置(其與射束中心對準)。
在一個實例中，圓柱形銷151相對於照明束116之中心之一當前位置與和射束中心重合之圓柱形銷151之一位置之間的距離之一估計ΔX係基於依據圓柱形銷位置而變化之經量測通量FMEAS 、通量中點FMID 及經量測通量之導數之倒數，如由方程式(2)描述且FMID 由方程式(3)描述。
可藉由在量測透射通量的同時掃描晶圓載物台而量測經量測通量之最大值及最小值。此外，亦可估計中點處之斜率。基於此等量，藉由量測一個位置處之通量而僅根據方程式(2)判定圓柱形銷之中心位置改變之一估計。中心位置改變可視需要經反覆地判定以收斂於一中心位置。
由於射束具有兩個方向(例如，X方向及Y方向)上之一形心分量，所以量測各定向成垂直於形心分量之方向之兩個圓柱形銷。在圖9中描繪之實施例中，採用圓柱形銷151以使射束中心在X方向上相對於載物台參考框架定位且採用圓柱形銷152以使射束中心在Y方向上相對於載物台參考框架定位。一般言之，可利用兩個以上圓柱形銷以產生冗餘且增大射束位置之校準之精確度。
如圖9中描繪，照明束116之中心與如上文中描述之垂直及水平定向之圓柱形銷151及152之邊緣對準。在圖9中描繪之實施例中，一基準標記151A經定位成與圓柱形銷151之中心軸共面。類似地，一基準標記152A經定位成與圓柱形銷152之中心軸共面。在射束中心與圓柱形銷151對準之位置處，藉由對準相機154記錄照明束116相對於圓柱形銷151或圓柱形銷處或附近之基準標記151A之位置。此使照明束之相對位置相對於對準相機之視場中之一精確位置配準(假定聚焦位置不改變)。如圖5中描繪，晶圓101在對準相機154之視場內移動。晶圓101經移動使得晶圓上之一所要位置(例如，一基準標記)在對準相機154之視場內成像。藉由對準相機154基於先前配準來判定照明束116相對於所要位置之位置。以此方式，基於藉由對準相機154收集之一影像快速地估計在X方向及Y方向上照明束116在晶圓101上之位置。在一些實施例中，藉由改變對準相機154之聚焦位置直至晶圓101之表面上之微影特徵到達精確聚焦而量測晶圓在Z方向上相對於圓柱形銷151之Z位置之位置。聚焦位置之改變指示圓柱形銷與晶圓上之成像位置之間的Z位置差異。在一些其他實施例中，藉由一或多個光學近接感測器、電容式近接感測器、基於干涉量測之感測器或其他適合近接感測器量測晶圓在Z方向上相對於圓柱形銷151之Z位置之位置。可採用致動器150A至150C以在Z方向上重新定位晶圓101以將成像位置重新定位成與圓柱形銷(例如，基準標記151A)在同一平面內。
在一進一步態樣中，基於晶圓載物台座標而在晶圓之任何位置處判定照明束之入射位置。一旦照明束之中心與垂直及水平圓柱形銷對準，且藉由如上文中描述之一對準相機記錄照明束相對於圓柱形銷之位置，便可將照明束之入射位置傳送至載物台座標。如圖5中描繪，晶圓101在對準相機154之視場內移動。藉由晶圓載物台144之位置量測系統(例如，線性編碼器等)量測晶圓101之移動。藉由使晶圓101移動至在對準相機154之視場內成像之晶圓上之三個或三個以上所要位置(例如，一基準標記)，在各所要位置處判定照明束相對於所要位置之位置以及晶圓在載物台座標中之位置。基於照明束之已知位置及三個或三個以上位置處之載物台座標，產生使載物台座標與照明束之入射位置相關之一映射。
在將圓柱形銷151定位於照明束116之中心處(在X方向上)之後，對準相機154使圓柱形銷本身或定位於圓柱形銷上或附近之一基準標記之位置成像以在對準相機154之視場內建立射束位置與影像位置之間的一關係。由於對準相機154經定位於相對於載物台參考框架143之一固定或可重複位置中，故影像使照明束之位置相對於載物台參考框架143配準且因此充當X方向上之射束位置之一參考。再者，對準相機154建立基準標記之一精確聚焦位置以建立圓柱形銷相對於載物台參考框架143之一精確Z位置。對於其中對準相機154隨著載物台參考框架旋轉之實施例，對準相機154之聚焦位置充當圓柱形銷相對於載物台參考框架之Z位置之一參考。
由於利用經遮擋通量來估計射束入射位置，所以存在照明束中之通量改變將被解釋為一位置偏移之一風險。在一些實施例中，緊接在遮擋量測之前、之後或在遮擋量測之同時量測照明束之通量。在經量測通量155之分析中補償照明通量之變動以消除其等對量測之影響。
在另一態樣中，基於照明束與如藉由x射線偵測器119量測之兩個或兩個以上射束遮擋校準目標之相互作用判定旋轉軸153與晶圓之表面之平面中之照明束之精確對準。
為確保量測完整性，照明束116在晶圓101之表面上之入射位置應在量測期間在一大入射角及方位角範圍內保持固定。為達成此目標，載物台參考框架143之旋轉軸153必須在量測位置處與晶圓101之表面大致共面。此外，旋轉軸153必須在XBF 方向上與照明束116對準，使得旋轉軸153在量測位置處在照明束116與晶圓101之入射點處與照明束116相交。
圖8A描繪如圖5中描繪之入射於晶圓101上之照明束116之一俯視圖。圖8A描繪在一對準狀態中之旋轉軸153之一端視圖，其中旋轉軸153在晶圓101上之位置103處在照明束116與晶圓101之入射點處與照明束116相交。如圖8A中描繪，隨著晶圓101在一大入射角內圍繞旋轉軸153旋轉，照明束116保持入射於位置103處。因此，在此案例中，照明束116在晶圓101之表面上之入射位置在量測期間在一大入射角範圍內保持固定。
圖8B描繪如圖5中描繪之入射於晶圓101上之照明束116之一俯視圖。圖8B描繪在一對準狀態中之旋轉軸153之一端視圖，其中旋轉軸153與晶圓101之表面錯位一距離∂z。如圖8B中描繪，隨著晶圓101在一大入射角θ範圍內圍繞旋轉軸153旋轉，位置103之一部分不再被照明(即，代替地照明晶圓101之某其他部分)。因此，在此案例中，照明束116在晶圓101之表面上之入射位置在量測期間在一大入射角範圍內漂移，此係非常不期望的。
圖8C描繪如圖5中描繪之入射於晶圓101上之照明束116之一俯視圖。圖8C描繪在一對準狀態中之旋轉軸153之一端視圖，其中旋轉軸153與晶圓101之表面共面但從照明束116偏移一距離∂x。如圖8C中描繪，隨著晶圓101在一大入射角θ範圍內圍繞旋轉軸153旋轉，位置103之一部分不再被照明(即，代替地照明晶圓101之某其他部分)。因此，在此案例中，照明束116在晶圓101之表面上之入射位置在量測期間在一大入射角範圍內漂移，此係非常不期望的。
在一些實施例中，藉由將照明束之中心與X方向圓柱形銷151對準且量測載物台參考框架之複數個不同旋轉位置θ處之通量而達成載物台參考框架之旋轉軸之校準。基於如上文中描述之選定遮擋模型(例如，圖1中描繪之S型函數或另一模型)判定圓柱形銷在X方向上之表觀運動(∆X)。另外，圓柱形銷在X方向上之表觀運動係下列各者之一函數：1)圓柱形銷在x方向上距旋轉軸之距離∂x及在z方向上距旋轉軸之距離∂z；2)在x方向上距射束中心及旋轉軸153之距離∂n；及3)圍繞載物台參考框架之旋轉軸153之旋轉角θ。在方程式(4)中描述關係。
在一個實例中，依三個入射角量測透射通量。由方程式(5)描述之一線性方程組源自方程式(4)。
藉由逆算方程式(5)而獲得方程式(6)。方程式(6)從圓柱形銷在X方向上之表觀運動求解∂n、∂x及∂z之值。
方程式(6)與方程式(3)組合地從由經量測通量判定之圓柱形銷在X方向上之表觀運動求解∂n、∂x及∂z之值。在一些實例中，如藉由方程式(7)描述般迭代地獲得∂n、∂x及∂z值之解。，其中 (7) 其中k係迭代指數且w係在X方向及Z方向上對準旋轉軸153與刀口151所需之樣品定位系統140之致動器之位移值之向量[∂n、∂x及∂z]。藉由致動器145使整個載物台參考框架143在X方向上相對於照明束116移動而實現位移∂n。藉由致動器147將圓柱形銷151移動回至與射束對準而實現位移∂x。藉由致動器150A至150C使圓柱形銷在Z方向上移動以使旋轉軸153在Z方向上與圓柱形銷之中心軸平面內對準而實現位移∂z。開始於一初始估計w0 ，方程式(7)之遞歸將收斂於其中旋轉軸153對準至圓柱形銷151之一點。
一般言之，無需準確地應用方程式(7)。可用數字近似計算AQ 及∂X/∂F之值。在其他實例中，可使用其他矩陣，只要迭代穩定且收斂於正確值。
一般言之，可依任何三個或三個以上不同入射角量測透射通量以判定在X方向及Z方向上對準旋轉軸153與圓柱形銷151所需之位移值。任何三個不同入射角之選擇導致可直接逆算之一線性方程組。四個或四個以上不同入射角之選擇導致可用一偽逆演算法求解以判定在X方向及Z方向上對準旋轉軸153與圓柱形銷151所需之位移值之一超定線性方程組。方程式(5)及(6)中繪示之矩陣項取決於選定入射角。因此，在其中選擇不同入射角之實例中，項將不同於方程式(5)及(6)。
在另一態樣中，基於藉由安裝至橫向對準載物台142之一對準相機收集之標記之影像判定旋轉軸153與晶圓之表面之平面中之一校準目標之一標記(例如，射束遮擋校準目標151之標記151A、定位於晶圓101上之標記等)之精確對準。
標記在X方向上在對準相機之視場內之表觀運動(∆X)係標記在x方向上距旋轉軸之距離∂x及在z方向上距旋轉軸之距離∂z以及圍繞載物台參考框架之旋轉軸153之旋轉角θ之一函數。對於安裝至橫向對準載物台142之一對準相機，在方程式(8)中描述關係。
在一些實例中，依任何三個不同入射角量測一標記(例如，標記151A)之X位置以判定在X方向及Z方向上對準旋轉軸153與圓柱形銷151所需之位移值。任何三個不同入射角之選擇導致可直接逆算以求解標記在x方向上距旋轉軸之距離∂x及在z方向上距旋轉軸之距離∂z之一線性方程組。
對於一理想化射束遮擋校準目標及旋轉軸，具有用於射束校準之僅一個射束遮擋校準目標將係足夠的。然而，取決於系統之要求，可需要多個射束遮擋校準目標。藉由對準多個遮擋元件之邊緣，可推斷旋轉軸與標稱YNF 軸之任何偏差。而且，多個相同遮擋元件允許從右側及左側或上側及下側校準一邊緣，從而幫助消除成像邊緣(即，由對準相機154成像)及由所遮擋通量改變推斷之表觀邊緣中之系統誤差。
在另一態樣中，一SAXS計量系統採用至少一個週期性校準目標以相對於樣品定位系統定位一x射線照明束。各週期性校準目標包含具有將X射線照明光繞射成可藉由本文中描述之一SAXS計量系統量測之相異繞射圖案之不同週期性結構之一或多個空間界定區。另外，各週期性校準目標包含可藉由一光學顯微鏡讀取以憑藉高對準精確度(例如，0.5微米或更小之對準精確度)相對於樣品定位系統定位週期性校準目標之一或多個標記。各空間界定區具有空間良好界定之邊界線。該等邊界線相對於該等標記之位置已知具有一或多個維度中之高精確度(例如，0.2微米或更小之精確度)。
在一些實施例中，各週期性區之大小經設計成大於照明束至週期性校準目標上之投射。以此方式，可藉由使照明束跨各經定大小成大於照明束之兩個不同週期性區之間的一介面掃描而特徵化射束輪廓。在一些實施例中，照明束116具有小於200微米之一射束寬度。在一些實施例中，照明束116具有小於100微米之一射束寬度。在一些實施例中，照明束116具有小於50微米之一射束寬度。另外，在一些實例中，依大入射角執行校準量測。在此等實例中，照明束至週期性校準目標上之投射在一個方向上伸長，且各週期性區經定大小而大於所投射照明區域。
在一些實施例中，各週期性區之尺寸取決於相對於照明束之方向而不同。例如，一週期性區可在垂直於旋轉軸153之一方向上較大以適應一大入射角。在另一實例中，照明束在一個方向上可比在另一方向上大(例如，一矩形照明束形狀)且一週期性區可在伸長方向上較大。
在一些實施例中，週期性區之一或多者之尺寸經定大小以匹配所需量測盒大小。在一個實例中，週期性區之一者經定大小以匹配照明束大小(例如，50平方微米或100平方微米)或用於校準旋轉軸153相對於照明束116之對準之某其他數目。在此實例中，在照明束116未在一大AOI範圍內相對於週期性校準目標移動時達成完美對準。在此實例中，若照明束隨著AOI改變而相對於週期性校準目標移動，則照明束將從經定大小以匹配照明束大小之週期性區移動至一相鄰週期性區。藉由偵測器119偵測照明束跨區之間的邊界之此移動。
一般言之，一組週期性校準目標或一週期性校準目標之一組區包含用於特徵化射束輪廓及大小之不同大小區。一般言之，一或多個區可已經定大小而大於、小於或相同於照明束之大小。
一般言之，一週期性校準目標之週期性經最佳化以增強x射線散射對比度。各週期性結構之間距足夠小以確保偵測器處之所偵測級之充分空間分離。各繞射級之角度應顯著大於射束發散以確保充分空間分離，且各繞射級之角度隨著間距減小而增大。在一些實施例中，各週期性結構之間距應為約0.1微米(例如，小於200奈米)以確保充分空間分離及量測精確度。
各週期性結構由具有與硬X射線之高對比度及大原子序數之一材料(例如，鎢、碳化鎢、鉑等)製成。
另外，各週期性結構經製造具有足夠高度以在一合理曝光時間內產生一可量測繞射圖案。在一些實例中，具有0.5毫米或更大之一高度之一週期性結構係有利的。
在一些實施例中，本文中描述之週期性校準目標之任一者經安裝至一樣品定位系統(諸如樣品定位系統140)。在一些其他實施例中，本文中描述之週期性校準目標之任一者經安裝至待量測之一校準晶圓或一生產晶圓。
圖11更詳細描繪樣品定位系統140之另一圖解。圖11中描繪之相同編號元件類似於參考圖5描述之元件。在圖11中描繪之實施例中，一週期性校準目標171經定位於晶圓101上。
週期性校準目標171包含至少一個標記及多個週期性結構(例如，光柵)。若照明束116入射於兩個或兩個以上不同繞射圖案上，則與不同週期性結構相關聯之級之經量測強度之比提供關於照明束相對於所照明圖案之位置之資訊。採用對準相機154以將標記定位於樣品定位系統之座標中。標記相對於週期性結構之位置係預先已知的。因此，藉由一直接座標變換容易地判定週期性結構在樣品定位系統之座標中之位置。在藉由偵測器119量測繞射級之所偵測強度時，跨照明束116掃描週期性校準目標171。照明束116之中心基於經量測強度而相對於週期性校準目標171精確地定位。由於週期性校準目標171在樣品定位系統之座標中之位置係已知的，所以藉由簡單座標變換精確地定位照明束之中心在樣品定位系統之座標中之位置。
在一些實例中，採用一週期性校準目標以校準照明束相對於樣品定位系統之入射位置。在一些其他實例中，採用一週期性校準目標以在照明束與一晶圓之入射點處使載物台參考框架之旋轉軸相對於照明束對準。在一些其他實例中，跨照明束依許多方位角掃描一週期性校準目標。以此方式，除校準照明束相對於目標之位置以外，亦特徵化射束輪廓。
在一些實施例中，一週期性校準目標包含一中央週期性區及圍繞中央週期性區之一或多個週期性區。各週期性區包含一不同間距、一不同間距定向或其等之一組合。
圖12描繪一週期性校準目標210之一實施例。如圖12中描繪，週期性校準目標210包含可藉由安裝至樣品定位系統之一光學顯微鏡讀取之標記211及212、定位於一中央區214中之一小間距週期性結構215及在中央區214周圍之一周邊區中之一較大間距週期性結構213。標記211及212與週期性校準目標之週期性結構定位於同一平面內。另外，標記211及212相對於中央區214之邊界之位置係精確已知的。以此方式，藉由簡單座標變換從任一標記211及212或兩者之位置判定邊界之位置。
藉由照明束116照明中央區214 (即，週期性結構215)導致在一水平方向上具有相對大間隔(例如，100微米)之跨偵測器119之多級繞射。藉由照明束116照明周邊區(即，週期性結構213)導致歸因於光柵213之較大間距而在一水平方向上具有一較小間隔之跨偵測器119之多級繞射。光柵215與光柵213之經量測級之間的強度比指示照明束116相對於中央區214與周邊區之間的邊界線之位置。
圖13描繪一週期性校準目標220之一實施例。如圖13中描繪，週期性校準目標220包含可藉由安裝至樣品定位系統之一光學顯微鏡讀取之標記221及222、定位於一中央區224中之一垂直安置週期性結構225及在中央區224周圍之一周邊區中之一水平安置週期性結構223。標記221及222與週期性校準目標之週期性結構定位於同一平面內。另外，標記221及222相對於中央區224之邊界之位置係精確已知的。以此方式，藉由簡單座標變換從任一標記221及222或兩者之位置判定邊界之位置。
藉由照明束116照明中央區224 (即，週期性結構225)導致在一水平方向上跨偵測器119之多級繞射。藉由照明束116照明周邊區(即，週期性結構223)導致在一垂直方向上跨偵測器119之多級繞射。光柵225與光柵223之經量測級之間的強度比指示照明束116相對於中央區224與周邊區之間的邊界線之位置。
圖14描繪一週期性校準目標230之一實施例。如圖14中描繪，週期性校準目標230包含可藉由安裝至樣品定位系統之一光學顯微鏡讀取之標記231及232、在完全不具有週期性結構之一中央區234周圍之一周邊區中之一水平安置週期性結構233。標記231及232與週期性校準目標之週期性結構定位於同一平面內。另外，標記231及232相對於中央區234之邊界之位置係精確已知的。以此方式，藉由簡單座標變換從任一標記231及232或兩者之位置判定邊界之位置。
藉由照明束116照明中央區234不導致繞射；僅偵測到零級。藉由照明束116照明周邊區(即，週期性結構233)導致在一垂直方向上跨偵測器119之多級繞射。光柵233之經量測級與零級強度之間的強度比指示照明束116相對於中央區234與周邊區之間的邊界線之位置。
在一些實施例中，一週期性校準目標包含在一共同點處相交之任何數目個週期性區。以此方式，X射線照明束與由週期性區之各者共用之共同點對準。各週期性區包含一不同間距、一不同間距定向或其等之一組合。
圖15描繪一週期性校準目標240之一實施例。如圖15中描繪，週期性校準目標240包含可藉由安裝至樣品定位系統之一光學顯微鏡讀取之標記241及242以及定位於一正交配置中之四個週期性區。如圖15中描繪，一垂直安置週期性結構243經定位於一第一象限中，一水平安置週期性結構244經定位於一第二象限中，一垂直安置週期性結構245經定位於一第三象限中，且一水平安置週期性結構246經定位於一第四象限中。標記241及242與週期性校準目標之週期性結構定位於同一平面內。另外，標記241及242相對於正交配置之中心中之共同點之位置係精確已知的。以此方式，藉由簡單座標變換從任一標記241及242或兩者之位置判定共同點之位置。
藉由照明束116照明結構243及245導致在一水平方向上跨偵測器119之多級繞射。藉由照明束116照明結構244及246導致在一垂直方向上跨偵測器119之多級繞射。經量測級之間的強度比指示照明束116相對於由結構243至246共用之共同點之位置。
圖16描繪一週期性校準目標250之一實施例。如圖16中描繪，週期性校準目標250包含可藉由安裝至樣品定位系統之一光學顯微鏡讀取之標記251及252以及定位於一正交配置中之四個週期性區。如圖16中描繪，相對於垂直定向成-45度之一週期性結構253經定位於一第一象限中，相對於垂直定向成45度之一週期性結構254經定位於一第二象限中，一水平安置週期性結構255經定位於一第三象限中，且一垂直安置週期性結構256經定位於一第四象限中。標記251及252與週期性校準目標之週期性結構定位於同一平面內。另外，標記251及252相對於正交配置之中心中之共同點之位置係精確已知的。以此方式，藉由簡單座標變換從任一標記251及252或兩者之位置判定共同點之位置。
藉由照明束116照明結構253及254導致分別依+45度及-45度跨偵測器119之多級繞射。藉由照明束116照明結構255及256導致分別在一垂直方向及水平方向上跨偵測器119之多級繞射。經量測級之間的強度比指示照明束116相對於由結構253至256共用之共同點之位置。
圖17描繪一週期性校準目標260之一實施例。如圖17中描繪，週期性校準目標260包含可藉由安裝至樣品定位系統之一光學顯微鏡讀取之標記261及262以及定位於一正交配置中之四個週期性區。如圖17中描繪，具有一相對小間距之一垂直安置週期性結構263經定位於一第一象限中，具有一相對大間距之一水平安置週期性結構264經定位於一第二象限中，具有一相對大間距之一垂直安置週期性結構265經定位於一第三象限中，且具有一相對小間距之一水平安置週期性結構266經定位於一第四象限中。標記261及262與週期性校準目標之週期性結構定位於同一平面內。另外，標記261及262相對於正交配置之中心中之共同點之位置係精確已知的。以此方式，藉由簡單座標變換從任一標記261及262或兩者之位置判定共同點之位置。
藉由照明束116照明結構263及265導致在一水平方向上跨偵測器119之多級繞射。藉由照明束116照明結構264及266導致在一垂直方向上跨偵測器119之多級繞射。與結構263及266相關聯之級和與結構264及265相關聯之級不同地隔開。經量測級之間的強度比指示照明束116相對於由結構263至266共用之共同點之位置。
圖18描繪一週期性校準目標270之一實施例。如圖18中描繪，週期性校準目標270包含可藉由安裝至樣品定位系統之一光學顯微鏡讀取之標記271及272以及定位於一正交配置中之四個週期性區。如圖18中描繪，具有一相對小間距之一垂直安置週期性結構273經定位於一第一象限中，具有一相對大間距之一水平安置週期性結構274經定位於一第二象限中，具有一相對小間距之一垂直安置週期性結構275經定位於一第三象限中，且具有一相對大間距之一水平安置週期性結構276經定位於一第四象限中。標記271及272與週期性校準目標之週期性結構定位於同一平面內。另外，標記271及272相對於正交配置之中心中之共同點之位置係精確已知的。以此方式，藉由簡單座標變換從任一標記271及272或兩者之位置判定共同點之位置。
藉由照明束116照明結構273及275導致在一水平方向上跨偵測器119之多級繞射。藉由照明束116照明結構274及276導致在一垂直方向上跨偵測器119之多級繞射。與結構273及275相關聯之級和與結構274及276相關聯之級不同地隔開。經量測繞射級之間的強度比指示照明束116相對於由結構273至276共用之共同點之位置。
圖19A至圖19B描繪一組週期性校準目標290及295，其等各適合於在一個方向上相對於週期性校準目標定位一照明束。當採用目標290及295兩者來校準一SAXS計量系統時，在兩個正交維度中判定照明束相對於樣品定位系統之位置。如圖19A中描繪，週期性校準目標290包含可藉由安裝至樣品定位系統之一光學顯微鏡讀取之標記291及292以及沿著一邊界線定位成彼此相鄰之兩個週期性區。如圖19A中描繪，一水平安置週期性結構293經定位與一垂直安置週期性結構294並排。標記291及292與週期性校準目標之週期性結構定位於同一平面內。另外，標記291及292相對於結構293與294之間的邊界之位置係精確已知的。以此方式，藉由簡單座標變換從任一標記291及292或兩者之位置判定邊界線之位置。
藉由照明束116照明結構293及294導致分別在一垂直方向及水平方向上跨偵測器119之多級繞射。經量測級之間的強度比指示照明束116相對於由結構293及294共用之邊界線之位置。
類似地，如圖19B中描繪，週期性校準目標295包含可藉由安裝至樣品定位系統之一光學顯微鏡讀取之標記296及297以及沿著一邊界線定位成彼此相鄰之兩個週期性區。如圖19B中描繪，目標295之邊界線正交於目標290之邊界線。如圖19B中描繪，一水平安置週期性結構298經定位與一垂直安置週期性結構299並排。標記296及297與週期性校準目標之週期性結構定位於同一平面內。另外，標記296及297相對於結構298與299之間的邊界之位置係精確已知的。以此方式，藉由簡單座標變換從任一標記296及297或兩者之位置判定邊界線之位置。
藉由照明束116照明結構298及299導致分別在一垂直方向及水平方向上跨偵測器119之多級繞射。經量測級之間的強度比指示照明束116相對於由結構298及299共用之邊界線之位置。
一般言之，一週期性校準目標可包含呈任何適合組態之多個不同週期性區。在一些實施例中，週期性區經配置成一笛卡耳圖案。然而，可設想週期性區之其他圖案。
圖20描繪包含標記288及289以及配置成六邊形圖案之七個不同週期性區281至287之一週期性校準目標280。各週期性區包含一不同間距、一不同間距定向或其等之一組合。
在另一態樣中，使用對準相機、一光學近接感測器、一電容式近接感測器、一基於干涉量測之感測器或任何其他適合近接感測器之任一者映射晶圓之表面在Z方向上之形狀。在一些實例中，晶圓表面經映射於晶圓之前側(即，圖案化側)上。在一些其他實例中，若該晶圓之厚度足夠均勻、經良好模型化或原位量測或預先量測，則該晶圓表面經映射於該晶圓之背側(即，未圖案化側)上。在一些實施例中，由於許多感測器技術可用於準確地量測未圖案化表面之位置，所以採用背側感測器來量測晶圓翹曲。在一些此等實施例中，僅採用背側感測器來量測跨晶圓之背側之晶圓翹曲且基於由預先執行之厚度量測產生之一厚度模型或一厚度映射估計跨前側之晶圓翹曲。在一些其他實施例中，採用背側感測器及前側感測器兩者來量測晶圓翹曲。在一些此等實施例中，採用背側感測器來量測跨晶圓之背側之晶圓翹曲且基於至少部分由自前側及背側量測導出之晶圓厚度估計產生之一厚度模型或一厚度映射估計跨前側之晶圓翹曲。在一些實例中，使用數個標準內插器(例如，多項式基本函數、有理函數、神經網路等)模型化晶圓圖。此外，可使用晶圓之一分析或數值彎曲模型耦合橫向位移與高度位移。
在一進一步態樣中，Z致動器150A至150C經控制以回應於晶圓之表面在照明束116之入射位置處之形狀而調整Z位置、Rx定向、Ry定向或其等之任何組合。在一個實例中，藉由Z致動器150A至150C校正晶圓之傾斜。傾斜校正可係基於一晶圓傾斜圖或局部量測之一傾斜值。此亦可使用一基於光學之傾斜感測器達成，該感測器在晶圓之背表面處監測Rx定向及Ry定向(即，翻轉及傾斜)。
在另一進一步態樣中，Z致動器150A至150C經控制以調整Z位置、Rx定向、Ry定向或其等之任何組合以使方位角中之旋轉軸與載物台參考框架143對準。在一個實例中，Z致動器150A至150C經調整，使得一特定目標在一方位角範圍內保持在對準相機154之焦點上。為執行此校準，晶圓載物台使晶圓101在X方向及Y方向上平移以針對所有方位角將目標維持在對準相機154之視場中。
一般言之，無法校準所有偏移效應。通常選擇用以移除最大偏差之校準且忽略或由解決晶圓及載物台中之非理想性之載物台圖處置其餘偏移。
另外，溫度及氣壓或任何其他周圍條件之改變可具有對照明束之定位之一影響。在一些實施例中，射束運動與此等變量相互關聯且基於經量測溫度及壓力以及相關模型調整射束之位置。
一般言之，樣品定位系統140可包含機械元件之任何適合組合以達成所要線性及角度定位效能，包含(但不限於)測角器載物台、六足載物台、角度載物台及線性載物台。
在一些實施例中，將x射線照明源110、聚焦光學器件111、狹縫112及113或其等之任何組合維持在與樣品101相同之大氣環境(例如，氣體清除環境)中。然而，在一些實施例中，此等元件之任何者之間及內之光學路徑長度係長的且空氣中之x射線散射造成偵測器上之影像之雜訊。因此，在一些實施例中，將x射線照明源110、聚焦光學器件111以及狹縫112及113之任一者維持在一局部化真空環境中。在圖1中描繪之實施例中，將聚焦光學器件111、狹縫112及113以及射束塑形狹縫機構120維持在一抽空飛行管118內之一受控環境(例如，真空)中。照明束116在入射於樣品101上之前穿過飛行管118之端部處之窗口121。
在一些實施例中，將x射線照明源110、聚焦光學器件111以及狹縫112及113之任一者維持在藉由真空窗彼此分離且與樣品(例如，樣品101)分離之一局部化真空環境中。圖21係繪示含有x射線照明源110之一真空腔室160、含有聚焦光學器件111之真空腔室162及含有狹縫112及113之真空腔室163之一圖式。各真空腔室之開口被真空窗覆蓋。例如，真空腔室160之開口被真空窗161覆蓋。類似地，真空腔室163之開口被真空窗164覆蓋。真空窗可由對x射線輻射實質上透明之任何適合材料(例如，聚醯亞胺、鈹等)建構。在各真空腔室內維持一適合真空環境以最小化照明束之散射。一適合真空環境可包含任何適合真空位準、任何適合清除環境(包含具有一小原子序數之一氣體(例如，氦))或其等之任何組合。以此方式，儘可能多的照明束路徑經定位於真空中以最大化通量且最小化散射。
類似地，在一些實施例中，樣品101與偵測器119之間的光學路徑(即，收集射束路徑)長度係長的且空氣中之x射線散射造成偵測器上之影像之雜訊。因此，在較佳實施例中，將樣品101與偵測器119之間的收集射束路徑長度之一顯著部分維持在藉由一真空窗(例如，真空窗124)而與樣品(例如，樣品101)分離之一局部化真空環境中。在一些實施例中，將x射線偵測器119維持在與樣品101與偵測器119之間的射束路徑長度相同之局部化真空環境中。例如，如圖1及圖21中描繪，真空腔室123維持圍繞偵測器119及樣品與偵測器119之間的射束路徑長度之一顯著部分之一局部化真空環境。
在一些其他實施例中，將x射線偵測器119維持在與樣品101相同之大氣環境(例如，氣體清除環境)中。此對於從偵測器119移除熱可為有利的。然而，在此等實施例中，將樣品101與偵測器119之間的射束路徑長度之一顯著部分維持在一真空腔室內之一局部化真空環境中可為較佳的。
在一些實施例中，將整個光學系統(包含樣品101)維持在真空中。然而，一般言之，與將樣品101維持在真空中相關聯之成本歸因於與樣品定位系統140之構造相關聯之複雜性而係高的。
在另一進一步態樣中，射束塑形狹縫機構120與真空腔室163機械地整合以最小化經受大氣環境之射束路徑長度。一般言之，可期望在射束入射於樣品101上之前將儘可能多的射束囊封於真空中。在一些實施例中，真空射束線延伸至射束塑形狹縫機構120之輸入處之一中空、圓柱形腔中。真空窗164經定位於射束塑形狹縫機構120內真空腔室163之輸出處，使得傳入射束115保持在射束塑形狹縫機構120之一部分內之真空中，接著在與狹縫126至129及樣品101之任一者相互作用之前穿過真空窗164。
在另一進一步態樣中，運算系統130經組態以：產生一樣品之一經量測結構之一結構模型(例如，幾何模型、材料模型或經組合幾何及材料模型)；從結構模型產生包含至少一個幾何參數之一T-SAXS回應模型；及藉由用T-SAXS回應模型執行T-SAXS量測資料之一擬合分析而解析至少一個樣品參數值。使用分析引擎以比較模擬T-SAXS信號與經量測資料，藉此允許樣本之幾何形狀以及材料性質(諸如電子密度)之判定。在圖1中描繪之實施例中，運算系統130經組態為一模型建立及分析引擎，其經組態以如本文中描述般實施模型建立及分析功能性。
圖22係繪示藉由運算系統130實施之一例示性模型建立及分析引擎180之一圖式。如圖22中描繪，模型建立及分析引擎180包含產生一樣品之一經量測結構之一結構模型182之一結構模型建立模組181。在一些實施例中，結構模型182亦包含樣品之材料性質。接收結構模型182作為至T-SAXS回應函數建立模組183之輸入。T-SAXS回應函數建立模組183至少部分基於結構模型182產生一T-SAXS回應函數模型184。在一些實例中，T-SAXS回應函數模型184係基於x射線形狀因數，其中F係形狀因數，q係散射向量，且ρ(r)係球面座標中之樣品之電子密度。接著藉由以下方程式給出x射線散射強度接收T-SAXS回應函數模型184作為至擬合分析模組185之輸入。擬合分析模組185比較模型化T-SAXS回應與對應經量測資料以判定樣品之幾何形狀以及材料性質。
在一些實例中，藉由最小化一卡方值而達成模型化資料至實驗資料之擬合。例如，對於T-SAXS量測，可將一卡方值定義為：
其中係「通道」j中之經量測T-SAXS信號126，其中指數j描述一組系統參數，諸如繞射級、能量、角度座標等。係針對一組結構(目標)參數評估之「通道」j之模型化T-SAXS信號Sj ，其中此等參數描述幾何形狀(CD、側壁角、疊對等)及材料(電子密度等)。係與第j個通道相關聯之不確定性。NSAXS 係x射線計量中之通道總數目。L係特徵化計量目標之參數數目。
方程式(11)假定與不同通道相關聯之不確定性不相關。在其中與不同通道相關聯之不確定性係相關之實例中，可計算不確定性之間的協方差。在此等實例中，用於T-SAXS量測之一卡方值可表達為
其中VSAXS 係SAXS通道不確定性之協方差矩陣，且T表示轉置。
在一些實例中，擬合分析模組185藉由用T-SAXS回應模型184對T-SAXS量測資料135執行一擬合分析而解析至少一個樣品參數值。在一些實例中，最佳化。
如上文中描述，藉由最小化卡方值而達成T-SAXS資料之擬合。然而，一般言之，可藉由其他函數達成T-SAXS資料之擬合。
T-SAXS計量資料之擬合對於提供對所關注幾何及/或材料參數的敏感度之任何類型的T-SAXS技術係有利的。只要使用描述與樣品之T-SAXS射束互動之適當模型，樣品參數便可係確定性(例如，CD、SWA等)或統計性(例如，側壁粗糙度之均方根高度、粗糙度相關長度等)。
運算系統130經組態以採用即時臨界尺寸(RTCD)即時存取模型參數，或其可存取預運算模型庫以判定與樣品101相關聯之至少一個樣品參數值之一值。一般言之，可使用某個形式之CD引擎以評估一樣品之經指派CD參數同與經量測樣品相關聯之CD參數之間之差異。在2010年11月2日頒予KLA-Tencor Corp.之美國專利第7,826,071號中描述用於運算樣品參數值之例示性方法及系統，該專利之全文以引用的方式併入本文中。
在一些實例中，模型建立及分析引擎180藉由側饋(feed sideways)分析、前饋分析及平行分析之任何組合而改良經量測參數之精確度。側饋分析係指在相同樣品之不同區域上獲取多個資料集且將自第一資料集判定之共同參數傳遞至第二資料集上以用於分析。前饋分析係指在不同樣品上獲取資料集且使用一逐步複製精確參數前饋方法將共同參數正向傳遞至後續分析。平行分析係指將一非線性擬合方法平行或同時應用至多個資料集，其中在擬合期間耦合至少一個共同參數。
多工具及結構分析係指基於迴歸、一查找表(即，「庫」匹配)或多個資料集之另一擬合程序之一前饋、側饋或平行分析。在2009年1月13日頒予KLA-Tencor Corp.之美國專利第7,478,019號中描述用於多工具及結構分析之例示性方法及系統，該專利之全文以引用的方式併入本文中。
在另一進一步態樣中，基於依相對於量測目標之入射x射線束之一單一定向執行之T-SAXS量測判定一或多個所關注參數之一初始估計值。初始估計值經實施為針對使用從依多個定向之T-SAXS量測收集之量測資料之量測模型之一迴歸之所關注參數之起始值。以此方式，使用相對少量之運算工作量判定一所關注參數之一接近估計，且藉由將此接近估計實施為針對一大得多的資料集內之一迴歸之起始點，使用較少總體運算工作量獲得所關注參數之一細化估計。
在另一態樣中，計量工具100包含經組態以實施如本文中描述之射束控制功能性之一運算系統(例如，運算系統130)。在圖1中描繪之實施例中，運算系統130經組態為一射束控制器，其可操作以控制照明性質之任一者，諸如入射照明束116之強度、發散、點大小、偏光、光譜及定位。
如圖1中繪示，運算系統130經通信地耦合至偵測器119。運算系統130經組態以從偵測器119接收量測資料135。在一個實例中，量測資料135包含樣品之經量測回應(即，繞射級之強度)之一指示。基於經量測回應在偵測器119之表面上的分佈，藉由運算系統130判定照明束116入射在樣品101上之位置及區域。在一個實例中，藉由運算系統130應用圖案辨識技術以基於量測資料135判定照明束116入射在樣品101上之位置及區域。在一些實例中，運算系統130將命令信號137傳達至x射線照明源110以選擇所要照明波長。在一些實例中，運算系統130將命令信號138傳達至致動器子系統111'以相對於基底框架141重導引x射線發射以達成一所要射束方向。在一些實例中，運算系統130將命令信號136傳達至射束塑形狹縫機構120以改變射束點大小，使得入射照明束116依所要射束點大小及定向到達樣本101。在一個實例中，命令信號136導致圖5中描繪之旋轉致動器122將射束塑形狹縫機構120旋轉至相對於樣品101之一所要定向。在另一實例中，命令信號136導致與狹縫126至129之各者相關聯之致動器改變位置以將入射束116重新塑形成一所要形狀及大小。在一些其他實例中，運算系統130將一命令信號傳達至晶圓定位系統140以使樣品101定位及定向，使得入射照明束116到達相對於樣品101之所要位置及角度定向。
在一進一步態樣中，使用T-SAXS量測資料以基於所偵測繞射級之經量測強度產生一經量測結構之一影像。在一些實施例中，一般化一T-SAXS回應函數模型以描述自一通用電子密度網之散射。將此模型匹配至經量測信號，同時約束此網中之模型化電子密度以實施連續性及稀疏邊緣提供樣本之三維影像。
儘管基於模型之幾何參數反演對於基於T-SAXS量測之臨界尺寸(CD)計量係較佳的，但由T-SAXS量測資料產生之樣品之一圖可用於當經量測樣品偏離幾何模型之假定時識別且校正模型誤差。
在一些實例中，比較影像與由相同散射測量量測資料之一基於模型之幾何參數反演估計之結構特性。使用差異以更新經量測結構之幾何模型且改良量測效能。收斂於一準確參數量測模型之能力在量測積體電路以控制、監測且故障查找其等之製程時尤其重要。
在一些實例中，影像係電子密度、吸收率、複雜折射率或此等材料特性之一組合之二維(2-D)圖。在一些實例中，影像係電子密度、吸收率、複雜折射率或此等材料特性之一組合之三維(3-D)圖。使用相對少實體約束產生圖。在一些實例中，直接由所得圖估計一或多個所關注參數，諸如臨界尺寸(CD)、側壁角(SWA)、疊對、邊緣放置誤差、間距游動(pitch walk)等。在一些其他實例中，圖可用於當樣本幾何形狀或材料偏離至由用於基於模型之CD量測之一參數結構模型所設想之預期值之範圍之外時對晶圓程序除錯。在一個實例中，使用圖與由參數結構模型根據其之經量測參數預測之結構之一演現之間之差異，以更新參數結構模型且改良其之量測效能。在美國專利公開案第2015/0300965號中描述進一步細節，該案之內容以全文引用的方式併入本文中。在美國專利公開案第2015/0117610號中描述額外細節，該案之內容以全文引用的方式併入本文中。
在一進一步態樣中，採用模型建立及分析引擎180以產生經組合x射線及光學量測分析之模型。在一些實例中，光學模擬係基於例如嚴格耦合波分析(RCWA)，其中求解麥克斯爾方程式(Maxwell's equation)以計算光學信號，諸如針對不同偏光之反射率、橢偏參數、相位變化等。
基於使用一組合的幾何參數化回應模型之依複數個不同入射角之x射線繞射級之經偵測強度及經偵測光學強度之一組合擬合分析來判定一或多個所關注參數之值。藉由可與或可未與一x射線計量系統(諸如圖1中描繪之系統100)機械整合的一光學計量工具量測光學強度。在美國專利公開案第2014/0019097號及美國專利公開案第2013/0304424號中描述進一步細節，該等案之各者之內容以全文引用的方式併入本文中。
一般言之，一計量目標藉由定義為計量目標之一最大高度尺寸(即，法向於晶圓表面之尺寸)除以一最大橫向範圍尺寸(即，與晶圓表面對準之尺寸)之一高寬比特徵化。在一些實施例中，待量測計量目標具有至少20之一高寬比。在一些實施例中，計量目標具有至少40之一高寬比。
應認知，可由一單一電腦系統130或替代地一多電腦系統130實行貫穿本發明描述之各種步驟。再者，系統100之不同子系統(諸如樣品定位系統140)可包含適合於實行本文中描述之步驟之至少一部分之一電腦系統。因此，不應將前述描述解譯為對本發明之一限制，而僅為一圖解。此外，一或多個運算系統130可經組態以執行本文中描述之任何方法實施例之任何(若干)其他步驟。
另外，電腦系統130可以此項技術中已知的任何方式通信地耦合至x射線照明源110、射束塑形狹縫機構120、樣品定位系統140及偵測器119。例如，一或多個計算電腦130可經耦合至分別與x射線照明源110、射束塑形狹縫機構120、樣品定位系統140及偵測器119相關聯之運算系統。在另一實例中，可藉由耦合至電腦系統130之一單一電腦系統直接控制x射線照明源110、射束塑形狹縫機構120、樣品定位系統140及偵測器119之任一者。
電腦系統130可經組態以藉由可包含有線及/或無線部分之一傳輸媒體從系統之子系統(例如，x射線照明源110、射束塑形狹縫機構120、樣品定位系統140、偵測器119及類似物)接收及/或擷取資料或資訊。以此方式，傳輸媒體可充當電腦系統130與系統100之其他子系統之間的一資料鏈路。
計量系統100之電腦系統130可經組態以藉由可包含有線及/或無線部分之一傳輸媒體從其他系統接收及/或擷取資料或資訊(例如，量測結果、模型化輸入、模型化結果等)。以此方式，傳輸媒體可充當電腦系統130與其他系統(例如，記憶體板上計量系統100、外部記憶體或外部系統)之間的一資料鏈路。例如，運算系統130可經組態以經由一資料鏈路從一儲存媒體(即，記憶體132或187)接收量測資料(例如，信號135)。例如，使用偵測器119獲得之光譜結果可儲存於一永久或半永久記憶體裝置(例如，記憶體132或187)中。在此方面，可自板上記憶體或自一外部記憶體系統匯入量測結果。再者，電腦系統130可經由一傳輸媒體而將資料發送至其他系統。舉例而言，由電腦系統130判定之樣品參數值186可儲存於一永久或半永久記憶體裝置(例如，記憶體187)中。在此方面，可將量測結果匯出至另一系統。
運算系統130可包含(但不限於)一個人電腦系統、主機電腦系統、工作站、影像電腦、平行處理器或此項技術中已知的任何其他裝置。一般言之，術語「運算系統」可廣泛定義為涵蓋具有執行來自一記憶媒體之指令之一或多個處理器之任何裝置。
可經由諸如一導線、電纜或無線傳輸鏈路之一傳輸媒體傳輸實施諸如本文中描述之方法之方法之程式指令134。舉例而言，如圖1中繪示，經由匯流排133而將儲存於記憶體132中之程式指令傳輸至處理器131。程式指令134儲存於一電腦可讀媒體(例如，記憶體132)中。例示性電腦可讀媒體包含唯讀記憶體、一隨機存取記憶體、一磁碟或光碟或一磁帶。
圖23繪示適合於藉由本發明之計量系統100實施之一方法300。在一個態樣中，應認知，可經由由運算系統130之一或多個處理器執行之一預程式化演算法實行方法300之資料處理方塊。雖然在計量系統100之背景內容中提出以下描述，但本文中應認知，計量系統100之特定結構態樣不表示限制且應僅解譯為闡釋性。
在方塊301中，藉由一x射線照明子系統產生一x射線照明束。
在方塊302中，相對於x射線照明束定位一樣品，使得x射線照明束在樣品之表面上之任何位置處入射於樣品之表面上。
在方塊303中，使樣品圍繞一旋轉軸相對於x射線照明束旋轉，使得x射線照明束依複數個入射角在任何位置處入射於樣品之表面上。
在方塊304中，使樣品圍繞一方位旋轉軸旋轉，使得x射線照明束依複數個方位角在任何位置處入射於樣品之表面上。
在方塊305中，使用x射線照明束照明一校準目標。校準目標包含一或多個標記。
在方塊306中，在樣品定位系統之一位置範圍內偵測透射通量之一量，其中x射線照明束之至少一部分在位置範圍內入射於校準目標上。
在方塊307中，基於透射通量之所偵測量相對於樣品定位系統判定x射線照明束之一入射位置。
在一些實施例中，實施如本文中描述之一散射測量量測作為一製程工具之部分。製程工具之實例包含(但不限於)微影曝光工具、膜沈積工具、植入工具及蝕刻工具。以此方式，使用一T-SAXS分析之結果以控制一製程。在一個實例中，將自一或多個目標收集之T-SAXS量測資料發送至一製程工具。如本文中描述般分析T-SAXS量測資料且使用結果以調整製程工具之操作。
可使用如本文中描述之散射測量量測以判定多種半導體結構之特性。例示性結構包含(但不限於) FinFET、低維結構(諸如奈米線或石墨烯)、亞10 nm結構、微影結構、穿過基板之通孔(TSV)、記憶體結構(諸如DRAM、DRAM 4F2、FLASH、MRAM及高高寬比記憶體結構)。例示性結構特性包含(但不限於)幾何參數(諸如線邊緣粗糙度、線寬粗糙度、孔大小、孔密度、側壁角、輪廓、臨界尺寸、間距、厚度、疊對)及材料參數(諸如電子密度、組合物、晶粒結構、形態、應力、應變及元素識別)。在一些實施例中，計量目標係一週期性結構。在一些其他實施例中，計量目標係非週期性的。
在一些實例中，使用如本文中描述之T-SAXS量測系統執行高高寬比半導體結構(包含(但不限於)自旋轉移扭矩隨機存取記憶體(STT-RAM)、三維NAND記憶體(3D-NAND)或垂直NAND記憶體(V-NAND)、動態隨機存取記憶體(DRAM)、三維FLASH記憶體(3D-FLASH)、電阻式隨機存取記憶體(Re-RAM)及相變隨機存取記憶體(PC-RAM))之臨界尺寸、厚度、疊對及材料性質之量測。
如本文中描述，術語「臨界尺寸」包含一結構之任何臨界尺寸(例如，底部臨界尺寸、中間臨界尺寸、頂部臨界尺寸、側壁角、光柵高度等)、任何兩個或兩個以上結構之間之一臨界尺寸(例如，兩個結構之間之距離)及兩個或兩個以上結構之間之一位移(例如，疊對光柵結構之間之疊對位移等)。結構可包含三維結構、圖案化結構、疊對結構等。
如本文中描述，術語「臨界尺寸應用」或「臨界尺寸量測應用」包含任何臨界尺寸量測。
如本文中描述，術語「計量系統」包含至少部分採用以在任何態樣中特徵化一樣品之任何系統，包含臨界尺寸應用及疊對計量應用。然而，此等技術術語不限制如本文中描述之術語「計量系統」之範疇。另外，本文中描述之計量系統可經組態以量測圖案化晶圓及/或未經圖案化晶圓。計量系統可組態為一LED檢測工具、邊緣檢測工具、背側檢測工具、巨集檢測工具或多模式檢測工具(涉及同時來自一或多個平台之資料)及受益於本文中描述之量測技術之任何其他計量或檢測工具。
本文中針對可用於處理一樣品之一半導體處理系統(例如，一檢測系統或一微影系統)描述各項實施例。術語「樣品」在本文中用以指一晶圓、一倍縮光罩或可藉由此項技術中已知之構件處理(例如，印刷或檢測缺陷)之任何其他樣本。
如本文中使用，術語「晶圓」大體上係指由一半導體或非半導體材料形成之基板。實例包含(但不限於)單晶矽、砷化鎵及磷化銦。此等基板通常可在半導體製造廠中找到及/或處理。在一些情況中，一晶圓可僅包含基板(即，裸晶圓)。替代地，一晶圓可包含形成於一基板上之一或多個不同材料層。形成於一晶圓上之一或多個層可「經圖案化」或「未經圖案化」。舉例而言，一晶圓可包含具有可重複圖案特徵之複數個晶粒。
一「倍縮光罩」可為處於一倍縮光罩製程之任何階段之一倍縮光罩，或為可或可未經釋放以於一半導體製造廠中使用之一完成倍縮光罩。一倍縮光罩或一「遮罩」大體上定義為具有形成於其上且以一圖案組態之實質上不透明區域之一實質上透明基板。基板可包含(例如)一玻璃材料，諸如非晶SiO2 。可在一微影程序之一曝光步驟期間將一倍縮光罩安置於一覆蓋有光阻劑之晶圓上方，使得可將倍縮光罩上之圖案轉印至光阻劑。
形成於一晶圓上之一或多個層可經圖案化或未經圖案化。例如，一晶圓可包含各具有可重複圖案特徵之複數個晶粒。此等材料層之形成及處理最終可導致完成裝置。許多不同類型的裝置可形成於一晶圓上，且如本文中使用之術語晶圓意欲涵蓋其上製造此項技術中已知之任何類型的裝置之一晶圓。
在一或多項例示性實施例中，所描述之功能可實施於硬體、軟體、韌體或其等之任何組合中。若在軟體中實施，則功能可作為一或多個指令或程式碼儲存於一電腦可讀媒體上或經由該電腦可讀媒體傳輸。電腦可讀媒體包含電腦儲存媒體及通信媒體兩者，包含促進一電腦程式自一位置至另一位置之傳送之任何媒體。一儲存媒體可為可藉由一通用電腦或專用電腦存取之任何可用媒體。舉例而言(且非限制)，此電腦可讀媒體可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光碟儲存器、磁碟儲存器或其他磁性儲存裝置或可用於載送或儲存呈指令或資料結構之形式之所要程式碼構件且可藉由一通用電腦或專用電腦或一通用或專用處理器存取之任何其他媒體。再者，任何連接可被適當地稱為一電腦可讀媒體。例如，若使用一同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、數位用戶線(DSL)或無線技術(諸如紅外線、無線電及微波)自一網站、伺服器或其他遠端源傳輸軟體，則同軸電纜、光纖電纜、雙絞線、DSL或無線技術(諸如紅外線、無線電及微波)包含於媒體之定義中。如本文中使用，磁碟及光碟包含光碟(CD)、雷射光碟、XRF碟、數位多功能光碟(DVD)、軟碟及藍光光碟，其中磁碟通常磁性地重現資料而光碟用雷射光學地重現資料。上述組合亦應包含於電腦可讀媒體之範疇內。
儘管為指導目的在上文描述某些特定實施例，但本專利文件之教示具有一般適用性且不限於上文描述之特定實施例。因此，在不脫離如在發明申請專利範圍中闡述之本發明之範疇的情況下可實踐所描述實施例之各種特徵之各種修改、調適及組合。
100‧‧‧計量系統
101‧‧‧晶圓/樣品/樣本
102‧‧‧檢測區域/有限點大小/量測區域
103‧‧‧位置
110‧‧‧x射線照明源
111‧‧‧聚焦光學器件
111'‧‧‧致動器子系統
112‧‧‧射束發散控制狹縫
113‧‧‧中間狹縫
114‧‧‧x射線輻射
115‧‧‧傳入射束
116‧‧‧照明束
117‧‧‧射線
118‧‧‧飛行管
119‧‧‧x射線偵測器
120‧‧‧射束塑形狹縫機構
121‧‧‧窗口
122‧‧‧旋轉致動器
123‧‧‧真空腔室
124‧‧‧真空窗
125‧‧‧x射線照明子系統
126‧‧‧射束塑形狹縫
127‧‧‧射束塑形狹縫
128‧‧‧射束塑形狹縫
129‧‧‧射束塑形狹縫
130‧‧‧運算系統
131‧‧‧處理器
132‧‧‧記憶體
133‧‧‧匯流排
134‧‧‧程式指令
135‧‧‧輸出信號/T-SAXS量測資料
136‧‧‧命令信號
137‧‧‧命令信號
138‧‧‧命令信號
140‧‧‧樣品定位系統
141‧‧‧基底框架
142‧‧‧橫向對準載物台
143‧‧‧載物台參考框架
144‧‧‧晶圓載物台
145‧‧‧致動器
146‧‧‧旋轉致動器
147‧‧‧晶圓載物台致動器
148‧‧‧晶圓載物台致動器
150A‧‧‧致動器
150B‧‧‧致動器
150C‧‧‧致動器
151‧‧‧圓柱形銷元件/射束遮擋校準目標
151A‧‧‧標記
152‧‧‧射束遮擋校準目標/圓柱形銷
152A‧‧‧標記
153‧‧‧旋轉軸
154‧‧‧對準相機
155‧‧‧信號/經量測通量
156‧‧‧翻轉-傾斜-Z載物台
157A‧‧‧運動安裝元件
157B‧‧‧運動安裝元件
157C‧‧‧運動安裝元件
158‧‧‧旋轉載物台
159‧‧‧平衡器
160‧‧‧真空腔室
161‧‧‧真空窗
162‧‧‧真空腔室
163‧‧‧真空腔室
164‧‧‧真空窗
170‧‧‧曲線圖
171‧‧‧週期性校準目標/空氣軸承
172‧‧‧空氣軸承
180‧‧‧模型建立及分析引擎
181‧‧‧結構模型建立模組
182‧‧‧結構模型
183‧‧‧T-SAXS回應函數建立模組
184‧‧‧T-SAXS回應函數模型
185‧‧‧擬合分析模組
186‧‧‧樣品參數值
190‧‧‧射束遮擋校準目標/記憶體
191‧‧‧框架
192‧‧‧圓柱形銷
193‧‧‧開口
194‧‧‧平坦表面
195‧‧‧標記
196‧‧‧標記
197‧‧‧照明束
198‧‧‧邊緣
199‧‧‧邊緣
210‧‧‧週期性校準目標
211‧‧‧標記
212‧‧‧標記
213‧‧‧較大間距週期性結構/光柵
214‧‧‧中央區
215‧‧‧小間距週期性結構/光柵
220‧‧‧週期性校準目標
221‧‧‧標記
222‧‧‧標記
223‧‧‧水平安置週期性結構/光柵
224‧‧‧中央區
225‧‧‧垂直安置週期性結構/光柵
230‧‧‧週期性校準目標
231‧‧‧標記
232‧‧‧標記
233‧‧‧水平安置週期性結構/光柵
234‧‧‧中央區
240‧‧‧週期性校準目標
241‧‧‧標記
242‧‧‧標記
243‧‧‧垂直安置週期性結構
244‧‧‧水平安置週期性結構
245‧‧‧垂直安置週期性結構
246‧‧‧水平安置週期性結構
250‧‧‧週期性校準目標
251‧‧‧標記
252‧‧‧標記
253‧‧‧週期性結構
254‧‧‧週期性結構
255‧‧‧水平安置週期性結構
256‧‧‧垂直安置週期性結構
260‧‧‧週期性校準目標
261‧‧‧標記
262‧‧‧標記
263‧‧‧垂直安置週期性結構
264‧‧‧水平安置週期性結構
265‧‧‧垂直安置週期性結構
266‧‧‧水平安置週期性結構
270‧‧‧週期性校準目標
271‧‧‧標記
272‧‧‧標記
273‧‧‧垂直安置週期性結構
274‧‧‧水平安置週期性結構
275‧‧‧垂直安置週期性結構
276‧‧‧水平安置週期性結構
280‧‧‧週期性校準目標
281‧‧‧週期性區
282‧‧‧週期性區
283‧‧‧週期性區
284‧‧‧週期性區
285‧‧‧週期性區
286‧‧‧週期性區
287‧‧‧週期性區
288‧‧‧標記
289‧‧‧標記
290‧‧‧週期性校準目標
291‧‧‧標記
292‧‧‧標記
293‧‧‧水平安置週期性結構
294‧‧‧垂直安置週期性結構
295‧‧‧週期性校準目標
296‧‧‧標記
297‧‧‧標記
298‧‧‧水平安置週期性結構
299‧‧‧垂直安置週期性結構
300‧‧‧方法
301‧‧‧方塊
302‧‧‧方塊
303‧‧‧方塊
304‧‧‧方塊
305‧‧‧方塊
306‧‧‧方塊
307‧‧‧方塊
q‧‧‧入射角
f‧‧‧方位角
∂n‧‧‧距離
∂x‧‧‧距離
∂z‧‧‧距離
圖1係繪示經組態以根據本文中描述之方法執行各種系統參數之校準之一計量系統100之一圖式。
圖2描繪一個組態中之射束塑形狹縫機構120之一端視圖。
圖3描繪另一組態中之射束塑形狹縫機構120之一端視圖。
圖4描繪依由角度f及q描述之一特定定向入射於晶圓101上之x射線照明束116。
圖5係繪示一樣品定位系統140之一圖式，其中晶圓載物台移動至照明束116入射於晶圓101上之一位置。
圖6係繪示具有額外細節之樣品定位系統140之一圖式。
圖7描繪一項實施例中之一射束遮擋校準目標190。
圖8A描繪如圖5中描繪之入射於晶圓101上之照明束116之一俯視圖，其中旋轉軸153在照明束116與晶圓101之入射點處與照明束116相交。
圖8B描繪如圖5中描繪之入射於晶圓101上之照明束116之一俯視圖，其中旋轉軸153在Z方向上與晶圓101之表面錯位。
圖8C描繪如圖5中描繪之入射於晶圓101上之照明束116之一俯視圖，其中旋轉軸153在X方向上從照明束116偏移。
圖9係繪示樣品定位系統140之一圖式，其中晶圓載物台移動至照明束116被一圓柱形銷元件151遮擋之一位置。
圖10描繪繪示依據一圓柱形銷相對於照明束116之相對位置而變化之經量測通量之一曲線圖170。
圖11描繪包含定位於晶圓101上之一週期性校準目標171之樣品定位系統140之另一圖解。
圖12描繪一週期性校準目標210之一實施例。
圖13描繪一週期性校準目標220之一實施例。
圖14描繪一週期性校準目標230之一實施例。
圖15描繪一週期性校準目標240之一實施例。
圖16描繪一週期性校準目標250之一實施例。
圖17描繪一週期性校準目標260之一實施例。
圖18描繪一週期性校準目標270之一實施例。
圖19A至圖19B描繪一組週期性校準目標290及295，其等各適合於在一個方向上相對於週期性校準目標定位一照明束。
圖20描繪包含標記288及289以及配置成六邊形圖案之七個不同週期性區281至287之一週期性校準目標280。
圖21係繪示與樣品101分離之真空環境中所含有之計量系統100之元件之一圖式。
圖22係繪示經組態以根據本文中描述之方法基於T-SAXS資料解析樣品參數值之一模型建立及分析引擎180之一圖式。
圖23描繪繪示基於如本文中描述之依多個入射角及方位角之T-SAXS量測校準一入射角偏移值之一例示性方法300之一流程圖。

Claims (38)

  1. 一種計量系統，其包括： 一x射線照明源，其經組態以產生入射於一半導體晶圓上之一x射線照明束； 一樣品定位系統，其經組態以在六個自由度中相對於該x射線照明束主動地控制該半導體晶圓之一位置，其中法向於該晶圓之一表面之一向量大致垂直於在藉由該計量系統量測該半導體晶圓期間藉由重力加諸於該半導體晶圓上之一重力之一方向； 一x射線偵測器，其經組態以回應於該入射x射線照明束而偵測來自該半導體晶圓之一第一量之x射線輻射；及 一運算系統，其經組態以判定特徵化安置於該半導體晶圓上之一結構之一所關注參數之一值。
  2. 如請求項1之計量系統，該樣品定位系統包括： 一基底框架； 一載物台參考框架，其經組態以圍繞垂直於該照明束且大致平行於該晶圓表面之一旋轉軸相對於該基底框架旋轉； 一晶圓載物台，其經安裝至載物台參考框架，該晶圓載物台經組態以使該晶圓相對於該入射照明束定位於該半導體晶圓之一主動區域內之任何所要位置處； 一三軸載物台，其經安裝至該晶圓載物台，該三軸載物台經組態以使該半導體晶圓在與該照明束大致對準之一方向上移動且使該半導體晶圓圍繞同樣大致垂直於該照明束之兩個正交旋轉軸旋轉；及 一旋轉載物台，其經安裝至該三軸載物台，該旋轉載物台經組態以使該晶圓圍繞大致法向於該晶圓表面之一軸旋轉。
  3. 如請求項2之計量系統，其中藉由配置成一運動耦合件之六個機械接觸點機械地耦合該晶圓載物台及該三軸載物台。
  4. 如請求項1之計量系統，該樣品定位系統包括：一或多個感測器，其等經組態以在大致法向於該晶圓表面之一方向上量測該半導體晶圓之一背側表面相對於該樣品定位系統之一位置；一或多個感測器，其等經組態以在大致法向於該晶圓表面之一方向上量測該半導體晶圓之一前側表面相對於該樣品定位系統之一位置；或其等之一組合。
  5. 如請求項2之計量系統，該樣品定位系統包括一或多個邊緣夾持器裝置，其等經組態以在該半導體晶圓之邊緣處將該半導體晶圓機械地耦合至該旋轉載物台。
  6. 如請求項1之計量系統，該樣品定位系統包括安置於該載物台參考框架上之一旋轉平衡器，其中經組態以圍繞該旋轉軸相對於該基底框架旋轉之該載物台參考框架之一質心與該旋轉軸大致對準。
  7. 如請求項1之計量系統，其進一步包括： 一第一真空腔室，其包封該x射線照明源與該半導體晶圓之間的一照明束路徑之一顯著部分。
  8. 如請求項1之計量系統，其進一步包括： 一第一真空腔室，其包封該半導體晶圓與該x射線偵測器之間的一集光束路徑之一顯著部分。
  9. 一種計量系統，其包括： 一x射線照明子系統，其經組態以產生一x射線照明束； 一樣品定位系統，其經組態以相對於該x射線照明束定位一樣品使得該x射線照明束在該樣品之表面上之任何位置處入射於該樣品之該表面上且使該樣品圍繞一旋轉軸相對於該x射線照明束旋轉使得該x射線照明束依複數個入射角在任何位置處入射於該樣品之該表面上且使該樣品圍繞一方位旋轉軸旋轉使得該x射線照明束依複數個方位角在任何位置處入射於該樣品之該表面上； 一射束遮擋校準目標，其包含一圓柱形銷及安置在與該圓柱形銷之一中心軸對準之一平面中之一或多個標記； 一x射線偵測器，其經組態以在該樣品定位系統之一位置範圍內偵測透射通量之一量，其中該x射線照明束之至少一部分在該位置範圍內入射於該圓柱形銷上；及 一運算系統，其經組態以基於透射通量之該所偵測量判定該x射線照明束相對於該樣品定位系統之一入射位置。
  10. 如請求項9之計量系統，其中該位置範圍包含一入射角範圍，且其中該運算系統經進一步組態以判定該旋轉軸相對於該x射線照明束之一位置之一調整以對準該旋轉軸與該x射線照明束。
  11. 如請求項10之計量系統，其中該旋轉軸相對於該x射線照明束之該位置之該調整之該判定係基於透射通量之該所偵測量。
  12. 如請求項10之計量系統，其進一步包括： 一對準相機，其依複數個不同入射角產生該一或多個標記或安置於該樣品上之一或多個標記之至少一部分之複數個影像，且其中基於在該複數個影像中量測之該一或多個標記或安置於該樣品上之該一或多個標記之一位移而判定該旋轉軸相對於該一或多個標記或安置於該樣品上之該一或多個標記之位置之一錯位。
  13. 如請求項10之計量系統，其進一步包括： 一或多個致動器，其等經組態以調整該x射線照明子系統之一或多個元件之一位置以調整該旋轉軸相對於該x射線照明束之該位置。
  14. 如請求項10之計量系統，其進一步包括： 一或多個致動器，其經組態以調整樣品定位系統相對於該x射線照明束之該位置以對準該旋轉軸與該x射線照明束。
  15. 如請求項9之計量系統，其中該x射線照明束相對於該樣品定位系統之該入射位置之該判定係基於依據該圓柱形銷相對於該x射線照明束之位置而變化之一透射通量模型。
  16. 如請求項9之計量系統，其進一步包括： 一對準相機，其產生該標記之至少一部分之一影像，其中該運算系統經進一步組態以基於該影像而將該標記定位於該樣品定位系統之座標系統中且基於該標記之位置及該標記與該圓柱形銷之間的一已知距離而估計該x射線照明束在該樣品定位系統之該座標系統中之一入射位置。
  17. 如請求項16之計量系統，其中該對準相機產生安置於該樣品上之至少一個基準標記之一影像，且其中該運算系統經進一步組態以基於該影像而將該基準標記定位於該樣品定位系統之該座標系統中。
  18. 如請求項17之計量系統，其中該對準相機圍繞該旋轉軸相對於該樣品旋轉。
  19. 如請求項9之計量系統，其進一步包括： 一或多個感測器，其等經組態以在大致法向於該晶圓表面之一方向上量測該樣品之一背側表面相對於該樣品定位系統之一位置；一或多個感測器，其等經組態以在大致法向於該晶圓表面之一方向上量測該樣品之一前側表面相對於該樣品定位系統之一位置；或其等之一組合。
  20. 如請求項9之計量系統，其中該射束遮擋校準目標經安置於該樣品定位系統或該樣品上。
  21. 如請求項9之計量系統，其進一步包括： 一第一真空腔室，其包封該x射線照明源與該樣品之間的一照明束路徑之一顯著部分。
  22. 如請求項9之計量系統，其進一步包括： 一第一真空腔室，其包封該樣品與該x射線偵測器之間的一集光束路徑之一顯著部分。
  23. 一種計量系統，其包括： 一x射線照明源，其經組態以產生一x射線照明束； 一樣品定位系統，其經組態以相對於該x射線照明束定位一樣品使得該x射線照明束在該樣品之表面上之任何位置處入射於該樣品之該表面上且使該樣品圍繞一旋轉軸相對於該x射線照明束旋轉使得該x射線照明束依複數個入射角在任何位置處入射於該樣品之該表面上且使該樣品圍繞一方位旋轉軸旋轉使得該x射線照明束依複數個方位角在任何位置處入射於該樣品之該表面上； 一週期性校準目標，其包含具有該週期性校準目標上之已知範圍之一或多個週期性結構及安置在與該一或多個週期性結構對準之一平面中之一或多個標記； 一x射線偵測器，其經組態以在該樣品定位系統之一位置範圍內偵測透射通量之一量，其中該x射線照明束之至少一部分在該位置範圍內入射於該一或多個週期性結構上；及 一運算系統，其經組態以基於透射通量之該所偵測量判定該x射線照明束相對於該樣品定位系統之一入射位置。
  24. 如請求項23之計量系統，其中該位置範圍包含一入射角範圍，且其中該運算系統經進一步組態以基於透射通量之該所偵測量而判定該旋轉軸相對於該x射線照明束之一位置之一調整。
  25. 如請求項23之計量系統，其中該週期性校準目標包含在週期性、定向或兩者上不同之兩個週期性結構之間的一邊界線，且其中該邊界線相對於該一或多個標記之一位置已知具有小於200奈米之一精確度。
  26. 如請求項23之計量系統，其中該週期性校準目標包含在週期性、定向或兩者上不同之更多週期性結構之三者中的一相交點，且其中該相交點相對於該一或多個標記之一位置已知具有小於200奈米之一精確度。
  27. 如請求項23之計量系統，其中該一或多個週期性結構之各者之一高度係至少500微米。
  28. 如請求項23之計量系統，其中該一或多個週期性結構之一間距係小於200奈米。
  29. 如請求項23之計量系統，其中該一或多個週期性結構由鎢、碳化鎢或鉑製成。
  30. 如請求項23之計量系統，其中該週期性校準目標經安置於該樣品定位系統或該樣品上。
  31. 一種方法，其包括： 藉由一x射線照明子系統產生一x射線照明束； 使一樣品相對於該x射線照明束定位，使得該x射線照明束在該樣品之表面上之任何位置處入射於該樣品之該表面上； 使該樣品圍繞一旋轉軸相對於該x射線照明束旋轉，使得該x射線照明束依複數個入射角在任何位置處入射於該樣品之該表面上； 使該樣品圍繞一方位旋轉軸旋轉，使得該x射線照明束依複數個方位角在任何位置處入射於該樣品之該表面上； 用該x射線照明束照明一校準目標，該校準目標包含一或多個標記； 在樣品定位系統之一位置範圍內偵測透射通量之一量，其中該x射線照明束之至少一部分在該位置範圍內入射於該校準目標上；及 基於透射通量之該所偵測量判定該x射線照明束相對於該樣品定位系統之一入射位置。
  32. 如請求項31之方法，其進一步包括： 判定該旋轉軸相對於該x射線照明束之一位置之一調整以對準該旋轉軸與該x射線照明束，其中該位置範圍包含一入射角範圍。
  33. 如請求項32之方法，其中該旋轉軸相對於該x射線照明束之該位置之該調整之該判定係基於透射通量之該所偵測量。
  34. 如請求項32之方法，其進一步包括： 依複數個不同入射角產生該一或多個標記或安置於該樣品上之一或多個標記之至少一部分之複數個影像，其中基於在該複數個影像中量測之該一或多個標記或安置於該樣品上之該一或多個標記之一位移而判定該旋轉軸相對於該一或多個標記或安置於該樣品上之該一或多個標記之位置之一錯位。
  35. 如請求項32之方法，其進一步包括： 調整該x射線照明子系統之一或多個元件之一位置以調整該旋轉軸相對於該x射線照明束之該位置。
  36. 如請求項32之方法，其進一步包括： 調整樣品定位系統相對於該x射線照明束之該位置以對準該旋轉軸與該x射線照明束。
  37. 如請求項31之方法，其中該校準目標包含具有已知範圍之一或多個週期性結構，且其中該一或多個標記經安置在與該一或多個週期性結構對準之一平面中。
  38. 如請求項31之方法，其中該校準目標包含一圓柱形銷，其中該一或多個標記經安置在與該圓柱形銷之一中心軸對準之一平面中。
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