TW202118992A - 用於檢測平面基板上之三維奈米結構的x光反射儀與其方法 - Google Patents

Abstract

本發明裝置與方法為應用X射線反射儀檢測平面基板上之三維奈米結構樣品，其樣品具微區檢測面積和奈米級薄膜厚度。此發明旨在解決X射線反射儀沿三個座標方向檢測都具有複雜奈米結構時所遇到的困難，複雜結構例如為具有奈米尺度之桿或軸陣列。使用長波長聚光X射線，波長大於一般商業銅靶材0.154 nm，且小於沿膜厚度方向的特徵尺寸之兩倍，並在入射光出口加裝適當的准直器，可測量微區和有限散射體積之樣品。

Description

用於檢測平面基板上之三維奈米結構的X光反射儀與其方法

本發明是有關於一種檢測裝置，且特別是有關於一種用於檢測平面基板上之三維奈米結構的X光反射儀（X-ray reflectometry, XRR）與其方法。

X射線反射儀是一可透過電子密度進行深度分析單層和多層奈米樣品之方法，並可研究表面和介面，包括其粗糙度、介面層之擴散以及單層和多層膜的厚度。另外，文獻指出X射線反射儀能夠檢測表面圖案之橫截面輪廓，例如，奈米壓印（nanoimprint）製造的週期性光柵橫截面。  以上X射線反射儀應用於表面圖案之橫截面輪廓為基於有效介質近似（effective medium approximation, EMA）法。EMA之等效概念已用於橢圓偏振或散射的多孔材料，用以估計有效折射率。 EMA對奈米結構的有效性取決於入射X射線的干涉長度（coherence length）；當干涉長度大於奈米結構沿檢測方向的橫向特徵長度時，EMA才變得適用。在此種情況下，可以從X射線反射儀結果推論出在任何給定樣品深度之結構空間比。當入射X射線沿檢測方向具有足夠的有效干涉長度時，X射線反射儀可以用於測量膜厚以及光柵陣列的橫截面形狀。在X射線反射儀之鏡面幾何中，沿y軸的有效干涉長度為微米單位，沿x軸的有效干涉長度為奈米單位。對於光柵而言，沿x軸的結構變化很小，幾乎沒有變化，但並不適於3D奈米結構；本案之3D奈米結構樣品，不存在最佳的方位角方向。因此，除了在平面基板上奈米結構的X射線反射儀測量的橫向干涉長度方面的挑戰外，還存在使用較寬的狹縫寬度設計聚光X射線，將散射光以及非鏡面（off-specular）反射光集中到目標樣品。非鏡面反射強度在高qz區域可以達到相當的強度，可用以量測具有顯著橫向結構（如本文所述的3D奈米結構）的樣品。

NOVA在2018年之發明專利（US 2018/10119925 B2）為使用錐形光源，其散射張角為20至40度，其光源不同於本申請中所使用之光源。此發明專利中的聚焦光束在z方向上受到狹縫限制，使得散射張角小於或等於1度；在x方向上，張角為15到25度，故在該方向上可得到多角度之散射圖。在散射圖上之每個角度執行切線計算 (line cut)，以獲得鏡面反射之強度值。然後，將張角範圍內之光強度全部積分以獲得入射角θ的反射訊號。NOVA所開發的方法只能在整個2D檢測器屏幕上獲得2D散射圖案，許多非鏡面反射訊號會在屏幕上重疊，很難分析和區分。NOVA嘗試提出的一種解決方案是使用不同的方位角來分離混雜的多角度散射圖案。但是，仍缺乏獲得每個xyz方向上的光強度訊號的結果和實用方法，這使得無法分析複雜的3D結構。在NOVA發明專利中，無法根據不同的入射角來分析樣品在z方向上之深度值。

KLA在2019年發布的專利（US 2019/0017946 A1）提出可使用不同的聚焦光學元件產生具有不同波長的聚焦光束，例如，在聚焦光學透鏡上使用多層塗層將不同波長聚焦在樣品上。但是，聚焦光束仍將同時在xyz方向上遇到多重散射，使得無法進行精確分析和區別。在KLA專利中也沒有描述如何精確地將不同波長照射到樣品上。反之，在前案專利發明（US 2016/0341674 A1）中描述的長波長光源可以通過單分光器（monochomator）和在z方向上的狹縫有效地聚焦於樣品上。

此外，KLA專利提到響應函數模型可用於計算和擬合3D結構。但是，由於3D圖案的散射圖案極其複雜，因此在此之前難以構建3D模型。

根據本發明之一實施例，提出一種用於檢測平面基板上之三維奈米結構的X射線反射儀，包括X射線光源、X射線反射器、一入射狹縫以及X射線偵測器。X射線光源用以發出光波長大於0.154奈米之X射線。X射線反射器用於將一扇形X射線聚焦於一樣品的一表面。此入射狹縫位在X射線反射器和樣品之間，此入射狹縫的寬度比其開口大10倍或更大，且其寬度垂直於X射線的反射平面。X射線偵測器具有良好像素解析度，用於收集樣品的表面反射之扇形X射線。其中，扇形X射線具有在預定範圍內可調節之一入射角，扇形X射線的入射張角通過此組狹縫的開口大小來控制，扇形X射線的一發散張角通過此組狹縫的寬度來控制，其中，在X射線偵測器上收集的扇形X射線的每個方位角中，計算非鏡面反射值，並將非鏡面反射值從反射X射線強度中去除。

根據本發明之一實施例，提出一種用於X射線反射儀（XRR）的方法，用以檢測平面基板上之三維奈米結構，包括下列步驟。將一扇形X射線點聚焦到一樣品的一表面上，其中，扇形X射線的入射角在預設的角度範圍內可調整，並且扇形X射線的光波長大於0.154奈米。當入射角改變時，根據入射角調整扇形X射線的入射張角，其中扇形X射線的入射張角通過一入射狹縫的開口大小來控制。通過此入射狹縫的寬度來調節扇形X射線的一發散張角。使用一X射線偵測器收集扇形反射之X射線。在X射線偵測器上收集的扇形X射線的每個方位角中，計算非鏡面反射值，並將非鏡面反射值從反射X射線強度中去除。在每個方位角中剩餘的反射X射線強度的鏡面反射分量，將其積分以獲得每個入射角之鏡面反射強度。在預定的入射角範圍內，收集鏡面反射強度與入射光束的總強度之比，用以分析樣品之表面結構訊息。

根據本發明之一實施例，提出一種用於X射線反射儀（XRR）的方法，用以檢測平面基板上之三維奈米結構，包括下列步驟。使用一X射線偵測器收集鏡面反射和非鏡面反射的一扇形X射線。在X射線偵測器上收集的扇形X射線的每個方位角中，計算非鏡面反射值，並將非鏡面反射值從反射X射線強度中去除。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考所附圖式的方向。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。

本發明係關於如何檢測平面基板上的3D奈米結構特徵。更具體來說，本發明之X射線反射儀適用於具有複雜3D結構並且具有有限的厚度或高度（奈米級）並且同時具有有限的樣品檢測面積。在前案發明專利中（US 2016/0341674 A1），針對微小樣品體積、厚度和面積的樣品，使用聚光的光源和光路來提高入射光通量，從而提高反射訊號的強度，同時就散射向量Qz而言，維持了理想的解析度，其Qz定義為（4π/λ）sinθ； λ代表X射線的波長，θ代表樣品表面和入射X射線之間的入射角。由於前案專利僅涉及鏡面反射（specular reflection），因此入射角θ也是相對於樣品表面的偵測角度。在此前案發明專利中，長波長X射線以嚴格控制的張角δθ聚焦於目標樣品上，同時保持方位角方向之最大張角，以允許足夠的X射線光通量打到樣品 。本發明的目的是擴展上述X射線反射儀以測量在平面基板上的3D奈米結構。

本案使用2D偵測器收集X射線反射儀之鏡面反射和非鏡面反射或散射的X射線，非鏡面反射或散射來自於有限的干涉長度 (coherence length) 和複雜之3D奈米結構造成的有限橫向散射量Qx和Qy，將以上積分去除則可獲得鏡面反射強度。

X射線反射儀用於奈米結構表面分析時，重要可用的訊息皆沿著樣本厚度方向（相對於樣本表面給定的z軸）。X射線反射儀推導出的結構結果為在一特定深度，從干涉長度上之橫向平均值得出的結果。為了從X射線反射儀獲得精確奈米結構的3D長度，需要附加外部特徵長度，從法向入射之穿透式小角度X射線散射（transmission small-angle X-ray scattering, tSAXS）可獲得相關特徵值。故在本文內的分析過程可將tSAXS數據與以上之X射線反射儀數據一起使用。

在本文中所示之聚光光束中，散射向量Qx和Qy為從入射狹縫和偵測器狹縫之開合角度投射在樣品表面或x-y表面上。為了簡化，將入射狹縫和偵測器狹縫之開口大小設為相同，並表示為Φ。從簡單的幾何考慮出發，可列出以下公式； Qx = (π/λ) cos θ [-2Φ, 2Φ] Qy = (π/λ) cos θ [-Φ² , Φ² ]

Φ以弧度為單位且其值通常小於1，當Φ=0.26或15

時，Qx的範圍為

0.52 (π/λ) cos θ，而Qy的範圍為

0.068 (π/λ) cos θ。聚光X射線反射儀設置中，光學設計之的狹縫開口角度通常為15

至 20

，這導致在大多數聚光之X射線反射儀測量中Qx＞Qy的情況。對於薄膜樣品，因為沒有橫向結構變化，有限的散射向量Qx、Qy和橫向干涉長度使得聚光X射線反射儀之應用沒有什麼限制。對於量測光柵樣品，希望將光柵與x軸對齊以減輕X射線反射儀測量中Qx之影響。對於橫向干涉長度而言，沿著x軸對齊也至關緊要，因為其干涉長度相當小。使用高度准直之帶狀入射光束，傳統X射線反射儀測量也可以看到光柵未對齊之結果。

即使不是使用本文聚光的入射光束，討論干涉長度以及散射向量Qx、Qy仍然非常重要，因為使用聚光或帶狀光束唯一的區別為Φ的值，本案使用之聚光入射光束的Φ值介於15

至25

，且對於帶狀光束來說，Φ值約為1

或更小。

對於3D奈米結構樣品，相對於傳統X射線反射儀的軸（例如第2A圖所示的x軸或y軸），通常沒有明顯的橫向方向對齊，用以降低由於有限的干涉長度以及橫向散射向量Qx和Qy而產生之缺失。本發明的目的是解決使用聚光X射線反射儀方法之缺失來測量平面基板上的3D奈米結構。

本發明可以解決習知聚光X射線反射儀的問題。首先，本文中的方法採用不同的入射角θ，可以分析樣品在z方向上的深度值。聚焦光將3D樣品的xy訊號與反射訊號集合在一起。通過分析沿z方向的電子密度對應於不同深度的結構組成，並結合已知外部之線寬或線距值，可成功解析3D材料的成分和大小。

本案所欲解決的問題在於，以往檢測關鍵尺寸之常見方法有原子力顯微鏡(AFM)以及掃描電子顯微鏡(SEM)，但在量測關鍵尺寸皆遇到瓶頸。本發明提出以X射線反射儀長波長聚光檢測平面基板上之3D奈米結構之關鍵尺寸的方法 ，藉由扇形聚光可有效提升光強度、縮小檢測面積，並可同時收到不同平面方位角 (azimuthal angle) 之訊號，藉由積分以及EMA近似法可得到厚度以及密度資訊，配合密度對深度圖進行分析，可用於高精度檢測元件製程圖案(pattern)厚度，以及檢測元件的線寬以及線距之變化且具有高解析度(小於0.1nm)。

請參照第1圖，其繪示依照本發明一實施例之X射線反射儀10的示意圖。X射線反射儀10可包括X射線光源100、X射線反射器102、入射狹縫200、偵測器狹縫201、X射線偵測器300以及至少一個分析儀301。X射線光源100用以發出光波長大於0.154奈米之X射線。X射線反射器102用於將一扇形X射線聚焦於一樣品400的一表面401，此扇形X射線具有在預定範圍內可調節之一入射角θ。在一實施例中，樣品400位於一平面基板410上，並可藉由樣品台500旋轉360度。平面基板410例如是半導體基板。

此外，此入射狹縫200位在X射線反射器102和樣品400之間，且其寬度垂直於X射線的反射平面。此入射狹縫200的寬度比其開口202例如大10倍或更大，但本發明不以此為限。在一實施例中，扇形X射線的入射張角δθ通過入射狹縫200的開口202大小來控制，且扇形X射線的一發散張角

通過入射狹縫200的寬度來控制。另外，偵測器狹縫201位在X射線偵測器300和樣品400之間，用以調整反射X射線的張角。

另外，X射線偵測器300具有良好像素解析度，用於收集樣品400的表面反射之扇形X射線。在一實施例中，在X射線偵測器300上收集的扇形X射線的每個方位角ω中，計算非鏡面反射值，並將非鏡面反射值從反射X射線強度中去除。

請參照第2A圖，其繪示樣品400上反射之扇形入射光束。入射光束與xy平面之間的角度為θ，與反射光束與xy平面之間的角度相同。

請參照第2B圖，其繪示第2A圖的俯視圖。在第2A圖中，

是入射光和反射光的發散張角。i代表被樣品400鏡面反射到i'的光束；j表示被樣品400鏡面反射到j'的光束。圖中的另一個標示為光束m，光束m相對於y軸的角度為

，經由樣品400鏡面反射到m’，ij線和i’j’線分別代表入射光波前和反射光波前。

第3圖表示入射光波前ij被鏡面反射在樣品400表面上，並且反射波前記錄在2D偵測器上畫作線i’j’。線i’j’上的每個點m’表示從入射波面上點m之鏡面反射，如第2B圖所示。鏡面反射線可以解釋為許多鏡面反射點m’之集合。

第4A圖表示來自矽基底上之3D奈米多孔薄膜之2D偵測器之散射圖，其光源為良好准直之筆尖入射光(pencil beam)。第4B圖表示當第2A圖中所示的扇形入射光束打入如第4A圖所述的3D奈米多孔薄膜樣品400時的2D偵測器之散射圖。

第4C圖表示沿第4B圖所示的線m’n’的散射強度分佈。陰影部分代表非鏡面反射的分布，應積分後減去，以獲得在第2A圖中所示的入射角θ下之鏡面反射值。在預設的入射角θ範圍內測量鏡面反射強度可得到XRR訊號之結果。

請參照第1及5圖，其中第5圖繪示依照本發明一實施例之用於X射線反射儀10的方法的流程圖。此方法包括下列步驟，首先，在步驟S210中，將一扇形X射線點聚焦到一樣品400的一表面401上，其中，扇形X射線的入射角θ在預設的角度範圍內可調整，並且扇形X射線的光波長大於0.154奈米。在步驟S220中，當入射角θ改變時，根據入射角θ調整扇形X射線的入射張角δθ，其中扇形X射線的入射張角δθ通過一入射狹縫200的開口202大小來控制，入射張角δθ例如為入射角θ之正切函數。在步驟S230中，通過此入射狹縫200的寬度W（參見第2B圖）來調節扇形X射線的發散張角

。 在步驟S240中，使用一X射線偵測器300收集扇形反射之X射線。在步驟S250中，在X射線偵測器300上收集的扇形X射線的每個方位角ω中，計算非鏡面反射值，並將非鏡面反射值從反射X射線強度中去除，如第4C圖所示。在步驟S260中，在每個方位角ω中剩餘的反射X射線強度的鏡面反射分量，將其積分以獲得每個入射角θ之鏡面反射強度。在步驟S270中，在預定的入射角θ範圍內，收集鏡面反射強度與入射光束的總強度之比，用以分析樣品400之表面結構訊息。

在一實施例中，上述光波長不超過沿樣品400的結構表面法線的特徵長度之兩倍。

在一實施例中，上述特徵長度選自樣品400表面之膜厚度和樣品400表面之奈米結構高度。

在一實施例中，上述X射線反射器102選自單晶單色儀和多層鏡之組合，X射線反射器102之多層鏡波長色散小於0.01。

在一實施例中，上述入射張角δθ是入射角θ之函數。也就是說，入射張角δθ可隨不同入射角θ而改變。

在一實施例中，上述入射張角δθ等於入射角θ之正切函數乘上一個常數K（即δθ=K*tanθ）。

在一實施例中，上述X射線光源100包括良好聚焦之鋁靶材。

在一實施例中，上述分析儀301用於在X射線被X射線偵測器300收集期間，分析儀301包括X射線光電子能譜儀（X-ray photoelectron spectrometer, XPS）和/或X射線螢光光譜儀（X-ray fluorescence spectrometer）。

在上述步驟S230中，樣品台500還可沿著樣品400的表面法線旋轉，使X射線在不同的方位角ω進行，方位角ω為樣品400表面的給定軸線（例如y軸）與X射線之反射平面間之夾角。

在上述步驟S240中，在收集反射之X射線期間，可收集X射線光電子能譜（X-ray photoelectron spectroscopy, XPS）訊號；在收集反射的X射線期間，收集X射線螢光(X-ray fluorescence, XRF)光譜訊號，並從XPS訊號、XRF訊號和XRR訊號分析樣品400之表面結構訊息。

根據本發明上述實施例之X射線反射儀及其方法，藉由採用不同的入射角θ，可以分析樣品在z方向上的關鍵尺寸。由於本發明將樣品的Qx、Qy訊號與反射訊號Qz集合在一起，只取Qz方向之光強度，通過分析沿z方向的電子密度對深度圖，並結合已知外部之線距值可成功分析不同深度之關鍵尺寸。此外，本發明之X射線反射儀使用長波長聚光X射線，其波長大於一般商業銅靶材0.154 nm，且小於沿膜厚度方向的特徵尺寸之兩倍，並在入射光出口加裝適當的准直器，可測量微區和有限散射體積之樣品，例如是平面基板（半導體基板）上之三維奈米結構樣品，以解決X射線反射儀沿三個座標方向檢測都具有複雜奈米結構時所遇到的困難，複雜結構例如為具有奈米尺度之桿或軸陣列。

綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10:X射線反射儀 100:X射線光源 102:X射線反射器 200:入射狹縫 201:偵測器狹縫 202:開口 300:X射線偵測器 301:分析儀 400:樣品 401:表面 410:平面基板 500:樣品台 ω:方位角 δθ:入射張角

:發散張角 θ:入射角 m’:鏡面反射點 ij:入射光波前 i’j’:反射光波前 W:狹縫寬度

第1圖繪示依照本發明一實施例之X射線反射儀的示意圖； 第2A圖繪示樣品上反射之扇形入射光束； 第2B圖繪示第2A圖的俯視圖； 第3圖表示入射波前ij被鏡面反射在樣品表面上； 第4A圖表示來自矽基底上之3D奈米多孔薄膜之2D偵測器之散射圖； 第4B圖表示當第2A圖中所示的扇形入射光束打入如第4A圖所述的3D奈米多孔薄膜樣品時的2D偵測器之散射圖； 第4C圖表示沿第4B圖所示的線m’n’的散射強度分佈；及 第5圖繪示依照本發明一實施例之用於X射線反射儀的方法的流程圖。

10:X射線反射儀

100:X射線光源

102:X射線反射器

200:入射狹縫

201:偵測器狹縫

202:開口

300:X射線偵測器

301:分析儀

400:樣品

401:表面

410:平面基板

500:樣品台

δθ:入射張角

θ:入射角

Claims (19)

1. 一種用於檢測平面基板上之三維奈米結構的X光反射儀，包括： X射線光源，用以發出光波長大於0.154奈米之X射線； X射線反射器，用於將一扇形X射線聚焦於一樣品的一表面； 一入射狹縫，位在該X射線反射器和該樣品之間，該入射狹縫的寬度比其開口大10倍或更大，且其寬度垂直於該X射線的反射平面；以及 X射線偵測器，具有良好像素解析度，用於收集該樣品的該表面反射之該扇形X射線， 其中，該扇形X射線具有在預定範圍內可調節之一入射角， 該扇形X射線的入射張角通過該入射狹縫的開口大小來控制， 該扇形X射線的一發散張角通過該入射狹縫的寬度來控制， 其中，在該X射線偵測器上收集的該扇形X射線的每個方位角中，計算非鏡面反射值，並將該非鏡面反射值從反射X射線強度中去除。
2. 如請求項1所述之X射線反射儀，其中該光波長不超過沿該樣品的結構表面法線的特徵長度之兩倍。
3. 如請求項2所述之X射線反射儀，其中該特徵長度選自該表面之膜厚度和該表面之奈米結構高度。
4. 如請求項1所述之X射線反射儀，其中該X射線反射器選自單晶單色儀和多層鏡之組合，該X射線反射器之多層鏡波長色散小於0.01。
5. 如請求項1所述之X射線反射儀，其中該入射張角是該入射角之函數。
6. 如請求項5所述之X射線反射儀，其中該入射張角等於該入射角的正切函數乘上一常數。
7. 如請求項1所述之X射線反射儀，其中該X射線光源包括良好聚焦之鋁靶材。
8. 如請求項1所述之X射線反射儀，更包括至少一個分析儀用於在該X射線被該X射線偵測器收集期間，該至少一個分析儀包括X射線光電子能譜儀和/或X射線螢光光譜儀。
9. 一種用於X射線反射儀（XRR）的方法，用於檢測平面基板上之三維奈米結構，包括： 將一扇形X射線點聚焦到一樣品的一表面上，其中，該扇形X射線的入射角在預設的角度範圍內可調整，並且該扇形X射線的光波長大於0.154奈米； 當該入射角改變時，根據該入射角調整該扇形X射線的入射張角，其中該扇形X射線的入射張角通過一入射狹縫的開口大小來控制； 通過該入射狹縫的寬度來調節該扇形X射線的一發散張角； 使用一X射線偵測器收集該扇形反射之X射線； 在該X射線偵測器上收集的該扇形X射線的每個方位角中，計算非鏡面反射值，並將該非鏡面反射值從反射X射線強度中去除； 在每個該方位角中剩餘的該反射X射線強度的鏡面反射分量，將其積分以獲得每個入射角之鏡面反射強度；以及 在預定的該入射角範圍內，收集該鏡面反射強度與該入射光束的總強度之比，用以分析該樣品之表面結構訊息。
10. 如請求項9所述之方法，包括沿著該樣本的該表面法線旋轉，使其在不同的該方位角進行，該方位角為該樣品表面的給定軸線與一反射平面間之夾角。
11. 如請求項9所述之方法，其中該光波長不超過沿該樣品的結構表面法線的特徵長度之兩倍。
12. 如請求項11所述之方法，其中該特徵長度選自該表面之膜厚度和該表面之奈米結構高度。
13. 如請求項9所述之方法，其中該入射張角是該入射角之函數。
14. 如請求項13所述之方法，其中該入射張角等於該入射角的正切函數乘上一常數。
15. 如請求項9所述之方法，在收集該反射之X射線期間，收集X射線光電子能譜（XPS）訊號；在收集該反射的X射線期間，收集X射線螢光(XRF)光譜訊號，並從XPS訊號、XRF訊號和XRR訊號分析該樣品之表面結構訊息。
16. 一種用於X射線反射儀（XRR）的方法，用於檢測平面基板上之三維奈米結構，包括： 使用一X射線偵測器收集鏡面反射和非鏡面反射的一扇形X射線；以及 在該X射線偵測器上收集的該扇形X射線的每個方位角中，計算非鏡面反射值，並將該非鏡面反射值從反射X射線強度中去除。
17. 如請求項16所述之方法，更包括在每個方位角中剩餘的該反射X射線強度的鏡面反射分量，將其積分以獲得每個入射角之鏡面反射強度。
18. 如請求項17所述之方法，更包括在預定的該入射角範圍內，收集該鏡面反射強度與該扇形X射線的入射光束的總強度之比，用以分析一樣品之表面結構訊息。
19. 如請求項16所述之方法，在收集該反射之X射線期間，收集X射線光電子能譜（XPS）訊號；在收集該反射的X射線期間，收集X射線螢光(XRF)光譜訊號，並從XPS訊號、XRF訊號和XRR訊號分析一樣品之表面結構訊息。

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