TWI444589B - 用於分析樣本之裝置及方法 - Google Patents

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Description

用於分析樣本之裝置及方法
本發明大體而言係關於分析儀器，且具體言之，本發明係關於用於使用X光進行材料分析之儀器及方法。
X光反射量測(XRR)為一種用於量測一基板上所沉積之薄膜層之厚度、密度及表面品質的眾所熟知的技術。該等反射量測儀通常藉由以掠入射(意即，以相對於樣品表面之一小角度，大約為樣品材料之全外反射角)使用X光之光束照射樣品而操作。作為角度之函數的自樣品反射之X光強度之量測給出了干涉條紋之圖案，對其加以分析以判定負責建立該條紋圖案之薄層的特性。美國專利5,619,548、5,923,720、6,512,814、6,639,968及6,771,735中描述了用於XRR之例示性系統及方法，該等專利之揭示內容以引用的方式併入本文。
小角度X光散射(SAXS)為另一種用於表面層特徵化之方法。例如，其描述於Parrill等人之"GISAXS-Glancing Incidence Small Angle X-ray Scattering"，Journal de Physique IV 3(1993年12月)(第411-417頁)，其以引用的方式併入本文。在此方法中，自一表面完全外反射一入射X光光束。表面區域內之漸逝波被該區域內之微觀結構散射。所散射的漸逝波之量測可提供關於此等結構之資訊。例如，可以此方式使用SAXS以用於判定一矽晶圓上所形成的低k介電材料之表面層中孔隙之特徵。
美國專利6,895,075(其揭示內容以引用的方式併入本文)描述了用於對樣品執行組合之XRR及SAXS量測的方法及系統。儘管就其所提供之資訊而言XRR及SAXS係互補的，但是使用單一系統執行兩種類型之量測固有地存在困難。就樣品之照射而言，準直光束係有利於SAXS之精確量測。另一方面，XRR可有利地使用一具有大收斂角之收斂光束，使得可同時在若干個等級之一範圍內進行反射性量測。在美國專利6,895,075中所揭示之實施例中，X光檢測裝置包括一輻射源，其經組態以照射一樣品表面上的一小區域。X光光學器件控制輻射光束以便適當調整用於XRR或SAXS之光束的角寬度及高度。
在偵測方面，在樣品之表面平面內，SAXS通常查看作為方位角之函數的散射，然而XRR係基於量測作為與該表面平面垂直之仰角之函數的反射之X光。在美國專利6,895,075所描述之實施例中，偵測裝配件包括偵測器元件之一陣列，其經定位以接收被自照射之區域反射或散射之輻射。該陣列具有兩種可操作組態：一種組態為其中陣列之元件沿一垂直於樣品平面之軸解析輻射，另一組態為其中元件沿一平行於該平面之軸解析輻射。機械地或電子地選擇用於所執行之量測類型的適當組態。
X光繞射量測(XRD)為一種用於研究物質之結晶結構的眾所熟知的技術。在XRD中，藉由單色X光光束來照射樣品，且量測繞射峰值之位置及強度。特徵散射角及散射強度取決於所研究之樣品的晶格平面及佔據彼等平面之原 子。對於一給定波長λ及晶格平面間隔d 而言，當X光光束以角度θ入射於晶格平面上時將觀測到繞射峰值，該等角度θ滿足布拉格條件：n λ=2d sinθ，其中n 為散射級。將滿足布拉格條件之角度θ通稱為布拉格角。由於應力、固溶體或其它效應而產生之晶格平面中的變形導致XRD光譜中發生可觀測之變化。
XRD已用於(尤其是)量測半導體晶圓上所產生之結晶層的特徵。例如，Bowen等人在"X-Ray metrology by Diffraction and Reflectivity"(Characterization and Metrology for ULSI Technology,2000 International Conference )(美國物理協會，2001)中描述了一種使用高解析度XRD來量測SiGe結構中鍺濃度的方法，該文以引用的方式併入本文。
XRD亦可用於以掠入射方式觀測樣品表面上之結構。例如，Goorsky等人在"Grazing Incidence In-plane Diffraction Measurement of In-plane Mosaic with Microfocus X-ray Tubes"(Crystal Research and Technology 37：7(2002)，第645-653頁)中描述了用於分析半導體晶圓上之磊晶層結構的掠入射XRD之使用，該文以引用的方式併入本文。作者應用該技術以判定非常薄的表面及內埋式半導體層之平面內晶格參數及晶格定向。
在本專利申請案之內容及在申請專利範圍中，術語"散射"用於表示任一及所有過程，藉由其樣品之X光照射可導致自樣品發射X光。因此，在本文中，"散射"包含XRR、 XRD及SAXS之現象，以及此項技術中已知之其它散射現象，諸如X光螢光(XRF)。另一方面，如上所述，特定術語"小角度X光散射"(縮寫為SAXS)係指樣品平面中掠入射散射之特定現象。
上文所提及之美國專利申請案10/946,426描述了一用於對樣品進行快速的基於XRR及XRD的分析之系統。一輻射源將X光之收斂光束朝樣品(諸如半導體晶圓)表面導引。一偵測器陣列同時在仰角範圍內感測作為仰角之函數的自樣品散射之X光。該系統具有XRR及XRD組態。在XRR組態中，定位輻射源及偵測器陣列使得該陣列感測自樣品表面以掠射角反射之X光。在XRD組態中，定位輻射源及偵測器陣列使得該陣列感測以大約樣品之布拉格角自表面所繞射之X光。可提供一運動裝配件以在XRR與XRD組態之間移動輻射源及偵測器陣列。
本發明之一些實施例更進一步採用組合之系統，使得其亦提供SAXS量測能力。為此目的，與輻射源相關之X光光學器件可組態以產生收斂光束或準直光束。將該收斂光束用於XRR及高解析度XRD量測，其中配置偵測器陣列以沿一與樣品之平面垂直的軸解析散射輻射。該準直光束可用於執行快速、低解析度XRD量測以及用於SAXS量測。對於SAXS之目的而言，配置偵測器陣列以沿一與樣品平面平行的軸解析散射輻射。
另外或其它，該系統也可組態以執行掠入射XRD量測。
因此，單一X光源可用於對一給定樣品執行多個不同(且互補)之X光散射量測。為判定薄膜層之密度、厚度、結晶結構、孔隙度及其它特性，此等組合之能力對於薄膜之X光計量尤為有用。其它或另外，本發明之原則可應用於X光分析及計量之其它領域。進一步或者，下文所述之實施例之態樣可用於一種類型之散射量測(諸如SAXS)所專用的系統中，而不必提供多功能能力。
因此，根據本發明之一實施例，提供了用於分析一樣品之裝置，其包含：一輻射源，其被調適成將X光之一第一、收斂光束朝該樣品之一表面導引，且將X光之一第二、準直光束朝該樣品之該表面導引；一運動裝配件，其可操作以在一第一源位置(其中X光被以一掠射角自輻射源朝樣品之表面導引)與一第二源位置(其中X光被以大約該樣品之布拉格角朝該樣品表面導引)之間移動輻射源；一偵測器裝配件，其經配置以當輻射源在第一源組態及第二源組態之任一源組態中且在第一源位置及第二源位置之任一源位置時感測作為角度之函數的自樣品散射之X光，且產生回應於散射X光之輸出訊號；及一訊號處理器，其經耦接以接收及處理輸出訊號，以便判定樣品之一特徵。
在所揭示之實施例中，輻射源包含：一X光管，其可操作以發射X光；一第一鏡面，其經配置以將X光接收並聚 焦成收斂光束；及一第二鏡面，其經配置以將X光接收並聚焦成準直光束。一般地，第一鏡面及第二鏡面包含雙彎曲結構。
在一些實施例中，運動裝配件可操作以在一第一偵測器仰角(偵測器裝配件以該第一偵測器仰角感測自樣品以掠射角散射之X光)與一第二偵測器仰角(偵測器裝配件以該第二偵測器仰角感測自表面以大約布拉格角散射之X光)之間移動偵測器裝配件。運動裝配件亦可操作以在一第一方位角(偵測器裝配件以該第一方位角感測X光之小角度散射)與一第二、更高的方位角(偵測器裝配件以該第二方位角感測自該樣品之表面上的平面內結構繞射之X光)之間以第一偵測器仰角移動偵測器裝配件。
在一所揭示之實施例中，偵測器裝配件包含一偵測器陣列，其具有一用於沿一與樣品表面垂直的第一軸解析散射X光之第一偵測器組態，及一用於沿一與該表面平行的第二軸解析散射X光之第二偵測器組態。一般地，訊號處理器被調適成處理來自呈第一偵測器組態的偵測器裝配件之輸出訊號，以便判定作為相對於該表面的仰角之函數的該表面之反射，且處理來自呈第二偵測器組態的偵測器裝配件之輸出訊號，以便判定作為該表面之平面中的方位角之函數的該表面之散射輪廓。
在一些實施例中，訊號處理器被調適成當輻射源發射第一光束且在第一源位置時處理來自偵測器裝配件之輸出訊號，以便獲得該表面之X光反射(XRR)光譜，且當輻射源 發射第二光束且在第一源位置時處理來自偵測器裝配件之輸出訊號，以便獲得該表面之小角度X光散射(SAXS)光譜及掠入射X光繞射(XRD)光譜中之至少一者，且當輻射源在第二源位置時處理來自偵測器裝配件之輸出訊號，以便獲得該表面之高角度XRD光譜。
在一實施例中，訊號處理器被調適成當輻射源在第二源位置且發射第一光束時獲得高解析度XRD光譜，且當輻射源在第二源位置且發射第二光束時獲得低解析度XRD光譜。一般地，運動感測器被調適成將偵測器裝配件定位於距樣品表面一第一距離處以用於獲得高解析度XRD光譜，且將偵測器裝配件定位於距該表面一第二距離處以用於獲得低解析度XRD光譜，其中該第二距離小於該第一距離。
另外或其它，當樣品包含至少一表面層時，為判定該至少一表面層之特性，可配置訊號處理器以共同分析XRR、SAXS及XRD光譜中之兩者或兩者以上。一般地，該特性包含厚度、密度、表面品質、孔隙度及結晶結構中之至少一者。
在一所揭示之實施例中，該裝置包含一刀口，其被配置為與樣品表面平行且與所選區域相鄰，以便界定該表面與該刀口之間的間隙且阻擋不通過該間隙的一部分光束。該裝置亦可包含一光束擋塊，其經配置以阻擋已通過該間隙且繼續沿光束軸傳播的X光，而不會阻擋一相關角度範圍內的散射X光。
根據本發明之一實施例，亦提供了用於分析一樣品之裝 置，其包含：一輻射源，其可操作以將X光之準直光束沿一光束軸以一掠射角朝樣品之所選區域導引，藉此在一方位角範圍內自該區域散射一些X光；一刀口，其被配置為與樣品之表面平行且與所選區域相鄰，以便界定該表面與該刀口之間的間隙且阻擋不通過該間隙的一部分光束；一光束擋塊，其經配置以阻擋已通過該間隙且繼續沿光束軸傳播的X光，而不會阻擋在方位角範圍之至少一部分中的散射X光；一偵測器裝配件，其經配置以感測作為方位角之函數的散射X光，且產生回應於散射X光之輸出訊號；及一訊號處理器，其經耦接以接收及處理輸出訊號以便判定樣品之一特徵。
在一所揭示之實施例中，該裝置包含至少一隙縫，其垂直於樣品表面且被定位於輻射源與刀口之間，以便當阻擋散射X時通過至少一部分準直光束。該至少一隙縫可包含一接近輻射源而定位的第一隙縫及一接近刀口而定位的第二隙縫。
另外或其它，偵測器裝配件包含：偵測器元件之一陣列，其具有一陣列長度；及一易抽空外殼，其具有被一至少等於該陣列長度之距離分離的一前側及一後側，其中該陣列被定位於外殼之後側處，且該外殼包含一位於其前側處的窗，其被調適成允許輻射通過其中以便衝射至陣列 上。
根據本發明之一實施例，額外提供了用於分析一樣品之裝置，其包含：一輻射源，其可操作以將X光之光束朝樣品之一所選區域導引，藉此自該區域散射一些X光；一刀口，其包含X光吸收材料之一圓柱，其被配置為與樣品之表面平行且與所選區域相鄰，以便界定該表面與該圓柱之間的間隙且阻擋不通過該間隙的一部分光束；一偵測器裝配件，其經配置以感測作為角度之函數的散射X光，且產生回應於散射X光之輸出訊號；及一訊號處理器，其經耦接以接收及處理輸出訊號以便判定樣品之一特徵。
在一所揭示之實施例中，X光吸收材料之圓柱包含一金屬線。
根據本發明之一實施例，進一步提供了用於分析一樣品之裝置，其包含：一安裝裝配件，其用於在分析期間接收及調整樣品之定向；一輻射源，其可操作以將X光之準直光束朝安裝裝配件上之樣品表面上的一所選區域導引，藉此在一方位角範圍內自該區域散射一些X光；一偵測器裝配件，其經配置以感測作為方位角之函數的散射X光，且產生回應於散射X光之輸出訊號；及一訊號處理器，其被調適成接收一指示該表面之特徵傾 斜角的傾斜映射，且基於該傾斜映射判定所選區域之一傾斜角，且導引安裝裝配件以調整回應於所估計之傾斜角的樣品定向，且其經耦接以在調整該定向之後接收及處理輸出訊號以便判定樣品之一特徵。
一般地，輻射源被調適成將X光之收斂光束朝該表面上之複數個位置中的每一位置導引，且偵測器裝配件被調適成感測作為相對於該表面的仰角之函數的自該表面所反射之X光，且訊號處理器被調適成量測回應於所反射之X光的每一位置之X光反射(XRR)光譜，且基於該XRR光譜來判定每一位置處的傾斜角。
根據本發明之一實施例，此外提供了一種用於分析一樣品之方法，其包含：操作一輻射源，以便將X光之第一、收斂光束朝樣品之表面導引，且將X光之第二、準直光束朝樣品之表面導引；在第一源位置(其中X光被以一掠射角自輻射源朝樣品之表面導引)與第二源位置(其中X光被以大約該樣品之布拉格角朝該樣品表面導引)之間移動輻射源；及當輻射源在第一源組態及第二源組態中且在第一源位置及第二源位置時，感測作為角度之函數的自樣品散射之X光，以便判定樣品之一特徵。
根據本發明之一實施例，此外提供了一種用於分析一樣品之方法，其包含：將X光之準直光束沿一光束軸以一掠射角朝樣品之一所 選區域導引，藉此在一方位角範圍內自該區域散射一些X光；定位一刀口以使其與樣品之表面平行且與所選區域相鄰，以便界定該表面與該刀口之間的間隙且阻擋不通過該間隙的一部分光束；定位一光束擋塊以便阻擋已通過該間隙且繼續沿光束軸傳播的X光，而不會阻擋在方位角範圍之至少一部分中的散射X光；及感測作為方位角之函數的散射X光，以便判定樣品之一特徵。
根據本發明之一實施例，亦提供了一種用於分析一樣品之方法，其包含：將X光之光束朝樣品之一所選區域導引，藉此自該區域散射一些X光；定位X光吸收材料之一圓柱以使其與樣品之表面平行且與所選區域相鄰，以便界定該表面與該圓柱之間的間隙且阻擋不通過該間隙的一部分光束；及感測作為角度之一函數的散射X光，以便判定樣品之一特徵。
根據本發明之一實施例，額外提供了一種用於分析一樣品之方法，其包含：產生樣品之一傾斜映射；將X光之準直光束沿一光束軸以一掠射角朝樣品之一所選區域導引，藉此在一方位角範圍內自該區域散射一些X 光；基於該傾斜映射來判定所選區域之傾斜角；調整樣品之定向以補償該傾斜角；及在調整該定向之後感測作為方位角之函數的散射X光，以便判定樣品之一特徵。自其實施例之下列詳細說明連同圖式將更充分地瞭解本發明，其中：
圖1為根據本發明之一實施例之一用於量測及分析自樣品22散射之X光的系統20之示意性側視圖。該系統20能夠以低解析度模式及高解析度模式執行X光反射量測(XRR)、小角度X光散射(SAXS)及X光繞射量測(XRD)。樣品22安裝於一安裝裝配件(諸如運動台24)上，從而允許精確調整樣品之位置及定向。一X光源26照射樣品22上之小區域50。由一偵測器裝配件32集中自樣品散射之X光。
如下文所述，一源運動裝配件28在上部源位置與下部源位置之間移動X光源26以進行不同類型之量測。類似地，一運動裝配件34在上部偵測器位置與下部偵測器位置之間移動偵測器裝配件32。如下文進一步所述，源及偵測器裝配件之下部位置通常用於XRR、SAXS及視情況用於掠入射XRD(GIXRD)，而上部位置用於高角度XRD。如下文所述及圖2所示，對於GIXRD而言，偵測器裝配件亦被橫向移動。
在圖1所示之實例中，運動裝配件包括曲線軌跡30及 36，當將源及偵測器裝配件保持於距區域50一恆定距離處時，分別沿該等曲線軌跡30及36平移X光源26及偵測器裝配件32。其它或另外，運動裝配件34能夠改變偵測器裝配件與區域50之間的距離，藉此改變偵測之有效俘獲角及角解析度。源運動裝配件亦能夠進行此類軸向運動(意即，除由軌跡30及36所提供之橫向垂直運動之外，沿X光光束之軸運動)。進一步另外或其它，如下文所述，偵測器運動裝配件亦能夠旋轉偵測器裝配件及/或在橫向水平方向上移動偵測器裝配件。
曲線軌跡30及36僅為可用於系統20中之運動裝配件的一個實例，且對於熟習此項技術者而言，用於此等目的之其它適當類型的運動裝配件將變得顯而易見。舉例而言，X光源及偵測器裝配件可安裝於各自之板上，其可為傾斜的、升高的及降低的以假定圖1所示之位置。所有該等類型之運動裝配件皆被認為在本發明之範疇內。當將術語"運動裝配件"用於當前專利申請案及申請專利範圍中而無進一步詳盡細節時，應將其視為係指源及偵測器運動裝配件中之任一者或兩者，此視其中使用該術語之內容而定。
或者，可將多個X光源及/或多個偵測器裝配件用於XRR及XRD量測。在該狀況下，可能不需要運動裝配件。進一步或者，當每一位置均具有其自己的固定光學器件時，可在下部位置與上部位置之間移動單一X光管。
如下文參看圖3之詳細描述，X光源26可經組態以產生收斂X光光束或準直光束。圖1展示了用於XRR及高解析度 XRD量測之收斂光束組態，而圖2展示了用於SAXS、GIXRD及習知XRD量測(區別於使用準直光束之高解析度XRD模式，本文中被稱為"低解析度"XRD)之收斂光束及準直光束組態。在本專利申請案之內容及申請專利範圍中，若一光束之發散度(半最大功率之全角寬度(FWHM))小於0.5°，則認為該光束是"準直的"。儘管更好之準直(例如，0.3°之發散度)通常給出更好之結果，但是此準直度對於系統20中所進行之SAXS及低解析度XRD量測的類型而言已足夠。
下表概述了系統20之替代組態：
現轉向系統20之細節，X光源26一般包括一X光管38，其安裝於一源安裝裝配件40上。管38一般具有一小的發射區域以允許在樣品22之表面上進行精確聚焦。例如，管38可包括由Oxford Instrument(Scotts Valley,California)生產的XTF5011 X光管。一用於系統20中之反射量測及散射量測的典型X光能量為約8.05 keV(CuKa1)。或者，可使用其它能量，諸如5.4 keV(CrKa1)。
在圖1所示之XRR組態中，一聚焦光學器件42將由管38 發射之光束聚焦成一收斂光束44，其收斂至區域50中之一焦點。一般地，光學器件42包括一雙彎曲晶體，其亦使光束44單色化。例如，美國專利6,381,303(其揭示內容以引用的方式併入本文)描述了可為此目的而用於系統20之光學器件。光學器件可包括一彎曲之晶體單色儀，諸如由Albany,New York之XOS Inc.生產的雙跨排架聚焦晶體光學器件。上文所提及之美國專利5,619,548及5,923,720中描述了其它合適之光學器件。雙彎曲聚焦晶體致使光束44在水平及垂直方向上收斂，以便近似聚焦至區域50中的一點。或者，可將一圓柱形光學器件用於聚焦光束44，以便光束收斂至樣品表面上之一線。對於熟習此項技術者而言將對進一步可能之光學組態顯而易見。
對於XRR量測而言，收斂光束44以一掠射角照在區域50上，儘管可使用較大或較小之範圍，但是一般在自約0°至4.5°的一入射角範圍內。在此組態中，偵測器裝配件32集中在垂直方向上之一角度範圍內反射之X光的發散光束52，其作為在約0°與至少2°之間(且一般高達3°)之仰角(Φ)的函數。此範圍包含用於全外反射的樣品之臨界角ΦC 以下及以上的角度。(為說明之清楚起見，誇示了圖中所示的角度範圍，如同XRR組態中樣品22之平面上的X光源26及偵測器裝配件32之仰角。為此圖中及下列描述中之方便性及清楚性，將樣品平面任意地視為X-Y平面，其中Y軸平行於樣品表面上X光光束軸之投影。Z軸在垂直方向上，其垂直於樣品平面。)
一動態刀口48及擋板46可用於限制垂直方向(意即，垂直於樣品22之平面)上的X光之入射光束44的角度範圍。在上文所提及之美國專利6,512,814中描述了XRR組態中此等光束限制光學器件之使用。為減少SAXS組態中的背景散射，刀口48亦可與一光束擋塊及光束限制隙縫(圖4中所示，但為簡單起見自圖1中省略了)一起使用。視所進行之量測的類型及相關量測角度之範圍而定，刀口及擋板相對於樣品表面之高度係可調整的。
偵測器裝配件32包括一偵測器陣列54，諸如一CCD陣列。儘管為說明之簡單性，在圖中僅展示了偵測器元件之一單一列，其具有相對較小數目之偵測器元件，但是陣列54一般包含一較大數目之元件，其被配置為一線性陣列或一矩陣(二維)陣列。下文參看圖4描述了偵測器裝配件32及陣列54之進一步態樣。
一訊號處理器56接收及分析偵測器裝配件32之輸出，以便判定一給定能量下或在一能量範圍內作為角度之函數的自樣品22散射之X光光子流量之分佈58。通常，樣品22在區域50處具有一或多個薄表面層，諸如薄膜，且作為角度之函數的分佈58顯示出一結構，其表現歸因於該表面層及該等層之間的介面而產生之干涉、繞射及/或其它散射效應的特徵。使用上文所提及之專利及專利申請案中所描述的分析方法，處理器56分析角度分佈之特徵以便判定樣品之一或多個表面層之特徵，諸如層之厚度、密度、孔隙度、組合物及表面品質。處理器56(或另一電腦)亦可用作 一系統控制器，以設定及調整其它系統組件之位置及組態。
系統20之高解析度XRD組態對於評估樣品22上單晶體膜之特性尤為有用。在此組態中，如上表所註釋，X光源26及偵測器裝配件32可移動至接近樣品22之布拉格角的相對高的角度。X光源26以大約為布拉格角使用收斂光束60來照射區域50，且偵測器裝配件32在大約為布拉格角之一角度範圍內接收一發散光束62。為了此實例，假定產生繞射圖案之晶格平面約略平行於樣品22之表面，使得由光束60及62所界定的相對於該表面之入射及出射角皆等於布拉格角。就半導體基板(諸如矽晶圓)及該等基板上所生長的單晶體薄膜層而言，此假定通常係正確的。另外，為量測自與樣品22之表面不平行的晶格平面之繞射，X光源26及偵測器裝配件32可定位於不同入射及出射角。
圖2為根據本發明之一實施例之系統20的示意性俯視圖。此視圖展示了照在聚焦光學器件42及一準直光學器件72(為說明之清楚起見，其在圖1中被省略了)上的來自管38之X光。源安裝裝配件40定位管38使得來自該管之光束以適當角度照在光學器件42上，從而使光束44收斂至區域50上。來自X光管38之光束亦以一適當角度照在準直光學器件72上以產生一準直光束74，其類似地衝射至區域50上。光學器件72可包括(例如)一具有一多層式塗層之雙彎曲鏡面，其以8 keV反射輻射以產生一具有發散度<0.3°且光斑尺寸<100 μm之光束。此類光學器件可自各種製造者得 到，諸如應用X光光學器件(AXO,Dresden,Germany)。此光學器件亦使X光光束單色化。對於上文所述之聚焦及準直光學器件之類型而言，一般定位X光管及光學器件使得來自該管之X光以約14°之角度衝射至光學器件42上且以近似1°之角度衝射至光學器件72上。
由於X光管38及光學器件42及72之光學配置，使得收斂光束44及準直光束74之方位角發生偏移，意即，光束軸不共軸。由X光管38所產生之光束及光學器件42及72之孔徑可足夠寬，使得該光束可同時照在光學器件42及72上，而不會移動管及光學器件。另外，若使用一較窄光束及/或較窄孔徑，可在XRR位置與SAXS位置之間垂直地平移X光管。在任一狀況下，在任一給定時間一般僅將光束44及74中之一者用於量測。因此，可布署一可移動源光束擋塊75以阻擋來自X光管之部分光束，使得光束44及74中僅一者照在樣品22上。(或者，對於一些應用而言，可同時產生該等兩個光束。)由於方位角偏移，使得XRR模式中所產生之發散光束52在X方向上自SAXS模式中所產生之散射光束70而偏移。為補償此偏移，可視系統20之操作模式而定，在X方向上移動偵測器裝配件32。或者，該偵測器裝配件可包括兩個偵測器陣列，分別定位及定向該等陣列以俘獲光束52及70。
由於源及偵測器裝配件處於其高角度位置，且源裝配件在準直光束組態中，因此系統20可很好地適用於低解析度XRD量測。在評估多晶結構(諸如半導體晶圓上之金屬膜 中的多晶體)之相位及紋理時，此類量測尤為有用。由於此等晶體之未受控制之定向，使得其所產生之XRD圖案的特徵在於德拜環。例如，Kozaczek 等人之"X-ray Diffraction Metrology for 200 mm Process Qualification and Stability Assessment"(Advanced Metallization Conference) (Montreal，Canada，2001年10月8-11日)中描述了此現象，該文以引用的方式併入本文。
在該狀況下，XRD圖案延伸之角度範圍一般約為10-20°。為覆蓋此範圍，可能需要使偵測器裝配件32前進以更接近樣品22上之區域50，從而使得與在高解析度組態中相比，偵測器陣列54覆蓋一相對較大的範圍。移動陣列以使其更接近樣品亦使角解析度降級，但約0.3°之解析度足夠用以區分多晶體相位。為此目的，需要選擇及調整光學器件72使得光束74具有不大於約0.3°之發散度。
對於SAXS而言，將X光源26及偵測器裝配件32配置於其下部位置中。視情況，對於SAXS而言，與XRR相比較，可操作源運動裝配件28以降低X光源26從而使其稍微更接近X-Y平面，使得準直光束74以一適當低的掠射角衝射至區域50上。或者，與光學器件42相比較，光學器件72可由組件40固持於一較低仰角，使得與光束44相比較，光束74沿一較低光束軸自X光源26發射。如下文所述，為在水平(方位角-θ)方向上之一角度範圍內集中及解析散射X光，可針對SAXS而旋轉偵測器陣列54之定向。通常，可在約0°與3°之間的範圍內量測散射光譜。為增強SAXS中之角解析 度，一般將偵測器裝配件32固持於距區域50相對遠的位置處。
對於GIXRD而言，將X光源26定位成約略與SAXS中之情況相同。然而，為俘獲繞射光束77，在樣品22之平面內，通常由偵測器運動裝配件將偵測器裝配件32橫向移動至一較高方位角。藉由負責繞射之樣品表面上的平面內結構之布拉格角來判定繞射光束77相對於入射準直光束74的方位角。運動台24(圖1)可經組態以在X-Y平面中旋轉樣品22，以便相對於入射光束角度對準平面內晶格。
圖3A及3B分別為根據本發明之一實施例之第一及第二可操作組態中的偵測器陣列54之示意性前視圖。將圖3A中所示之第一組態用於XRR及高角度XRD，而將圖3B中所示之第二組態用於SAXS及GIXRD量測。在此等圖中將陣列54展示為包括偵測器元件76之一單一列，其具有一陣列軸，可對準該陣列軸以沿以下兩個軸中之任一者解析入射輻射：Z軸，其垂直於樣品22之平面，其用於XRR及高角度XRD；或X軸，其平行於樣品平面，其用於SAXS及GIXRD。
偵測器元件76具有一高縱橫比，意即，其在橫截陣列軸之方向上的寬度大體上大於其沿該軸之間距。高縱橫比在增強系統20之訊雜比方面係有用的，因為對於沿陣列軸之每一角度增量而言，陣列54可因此能夠在一相對寬的區域內集中X光光子。然而，藉由實例而在該等圖中僅展示了元件76之尺寸，且視應用需要及適當偵測器設備之可用性 而定，可使用較小或較大縱橫比之元件來應用本發明之原則。
偵測器陣列54可包括一線性陣列或一矩陣陣列。在後者狀況下，可以一線分級模式操作陣列，使得該陣列之每一列中的多個偵測器元件可有效地充當一具有高縱橫比之單一元件。在該狀況下，儘管陣列54實體包括偵測器元件之二維矩陣，但是如圖4A及4B所示，視分級之方向而定，該陣列在功能上呈現偵測器元件之一單一線的形式。或者，陣列54可包括一具有適當讀出電路(可能包含整合處理電子設備)的PIN二極體之一陣列，如美國專利6,389,102中所述，其揭示內容以引用的方式併入本文。在上文所提及之美國專利6,895,075中提供了關於可用於系統20的偵測器陣列之類型及用於XRR及SAXS的該等陣列之修改的進一步細節。
運動裝配件34可經組態以在圖3A及3B之定向之間機械地旋轉偵測器裝配件32。或者，偵測器裝配件32可自身包括一用於在圖3A及3B之定向之間旋轉偵測器陣列54的陣列運動設備(未圖示)。在任一狀況下，視所進行之量測的類型而定，該硬體在垂直軸與水平軸之間將陣列旋轉90°。若旋轉點接近陣列54之中心，則對於SAXS量測而言亦有必要將陣列向下移動(更接近樣品22之平面)，對於XRR而言有必要將陣列向上移動。或者，可接近樣品之平面而固定旋轉點，使得不需要陣列之垂直移動。通常，在SAXS組態中，陣列54並不關於入射光束74之軸而居中。因為 SAXS通常關於入射光束軸係對稱的，所以大體上無資訊丟失，且可藉由定位陣列54來增加散射量測之角解析度範圍，以量測軸之一側而非兩側上的散射輻射。
圖4為根據本發明之一實施例之系統20的示意性俯視圖，其展示了用於SAXS量測之系統組態的進一步細節。因為SAXS訊號通常很弱，所以為減少可引起偽X光照在偵測器陣列54上且因此遮蔽真實SAXS訊號的背景散射，系統20使用新穎光束控制光學器件。具體言之，如此圖中所示，該系統包括一反散射隙縫80及一反繞射隙縫82以及刀口48及一光束擋塊84。現將解釋每一此等元件之目的。
準直光學器件72具有一輸出孔徑(圖4中標記為"A")，X光可自該輸出孔徑朝偵測器陣列54繞射及/散射。(例如，在上文所提及之Xenocs鏡面之狀況下，輸出孔徑為1.2x1.2 mm，且準直輸出光束具有近似0.3°之發散度。孔徑A之中心位於樣品平面上之一小距離，通常為約1 mm或更小。)隙縫82阻擋自孔徑散射之輻射以避免直接照在偵測器陣列54上或照在樣品22上且朝偵測器陣列反射。在一例示性實施例中，隙縫82為近似0.4 mm寬且被定位於樣品22上距刀口48前方一短距離(一般<20 mm)處。為得到最佳結果，定位隙縫82之底部以使其盡可能接近樣品之表面，一般為在表面上小於約80 μm。
一般定位隙縫80以接近光學器件72之輸出孔徑且阻擋自此孔徑繞射之X光。在一例示性實施例中，隙縫80為約1 mm寬且設置於距孔徑A小於約10 mm處，其自身距焦點區 域50約略為160 mm。隙縫80一般在樣品22之平面上及之平面下延伸。
刀口48亦定位於樣品22上之一小距離處。該刀口阻擋自光學器件72之孔徑散射且不被隙縫82攔截之輻射以及自隙縫80及82自身散射或自光學器件72與區域50之間的空氣分子散射之輻射。以下參看圖5描述了刀口之一可能組態。
來自光學器件72之經適當準直的X光通過隙縫80及82及刀口48下方且照在樣品22上之區域50上。大多數入射X光沿Y軸自樣品鏡面反射，或直接通過刀口48下方而無反射。接著此等X光可自空氣分子散射，且結果以各種角度照在偵測器陣列54上。為減少此不當散射，定位光束擋塊84以使其緊接在刀口48之後且在樣品22上之一小距離處。在一例示性實施例中，該光束擋塊在刀口之後約30 mm處且在樣品表面上之小於70 μm處。如圖所示，一般偏離中心定位該光束擋塊，且為阻擋直接及鏡面反射之光束，該光束擋塊跨過光束軸延伸一小距離(例如，約250 μm)。結果，偵測器陣列54大體上接收自水平遠離Y軸之區域50散射的X光之全部流量，同時阻擋了來自空氣分子的大多數寄生散射。
為進一步防止寄生散射，偵測器裝配件32可包括一由一種適當X光透明材料(諸如鈹)製成之窗86，其被間隔於偵測器陣列54之前方。該窗界定一與偵測器陣列54相鄰的易抽空外殼88。通常，自陣列54至窗86之距離至少等於陣列之長度(如沿陣列軸(意即圖3B中之X方向)而量測)，且該 距離可為陣列長度之兩至三倍或甚至更長。在操作期間該外殼被抽空。在進一步減少陣列附近之X光的寄生散射方面，立即自偵測器陣列前方之區域移除空氣連同使該窗遠離陣列係有用的。上文所提及之美國專利6,512,814中描述了此類窗結構之進一步細節。
圖5為根據本發明之一實施例之刀口48的示意性詳細視圖。在此實施例中，與樣品22之表面相鄰的刀口下刃由一圓柱形X光吸收材料製成，諸如金屬線90。例如，對於一具有8 keV之光子能量的X光光束而言，線90可包括一段直徑200 μm的鉭線。此配置允許將刀口下刃置放得非常接近樣品之表面(表面上之約3 μm處)，而不用擔心損壞樣品。
線90可精確地對準表面且因此提供表面之上之一小間隙，其有效高度在整個相關角度範圍(一般為0-4°)內係一致的。與使用一平口刀時之情況形成對比，在該線關於其軸旋轉之狀況下對準係不變的。一般而言，刀口與表面之間的間隙之尺寸及一致性界定聚焦於該表面上的X光之尺寸及一致性。因此由線90所提供之小的、一致間隙增強了系統20中所進行的散射量測之空間解析度及角度精確性。基於此實施例，應瞭解，在本專利申請案之內容及申請專利範圍中，術語"刀口"係指為產生此類間隙且將X光阻擋在該間隙之外而被定位於接近樣品表面處的任何類型之直刃(不必非常鋒利)。
圖6為根據本發明之一實施例示意性地說明一種用於在系統20中執行SAXS量測之方法的流程圖。SAXS訊號之強 度強烈地依賴於區域50之表面上光束74(圖4)之平均入射角。該入射角又直接受樣品傾斜的影響。在一典型SAXS應用中，光束74旨在以約0.4°衝射至樣品表面上。若在樣品22之表面上的不同點處進行SAXS量測，且傾斜變化±0.1°，舉例而言，入射角將在表面上在0.3°與0.5°之間變化。此等角度變化將引起在不同點處所量測之SAXS光譜的強度發生大的、偽變化。
例如，在系統20之一典型應用中，樣品22為一半導體晶圓，其藉由經由運動台24之表面中的真空端(未圖示)所運用之抽吸而得以固持在運動台24上之適當位置。在此等情況下，晶圓符合運動台之形狀，由於抽吸之力而存在變形。結果，晶圓之局部傾斜角可隨晶圓表面上之點不同而變化。
圖6之方法提供了一種藉由使用系統20之XRR量測能力解決SAXS中樣品傾斜問題之解決方案。為此目的，在傾斜映射步驟100處，以XRR模式操作系統20以映射樣品22之傾斜。美國專利申請案11/000,044中描述了可用於此目的之傾斜映射的一種例示性方法，該專利申請案被讓渡給本專利申請案之受讓人且其揭示內容以引用的方式併入本文。為產生映射，樣品之表面被劃分成若干區域，且在每一區域中量測表面傾斜以給出一傾斜值。(可使用SAXS樣品自身或使用諸如一裸矽晶圓之參考樣品來產生映射。)任一合適之方法均可用於判定表面傾斜。美國專利申請案US 2004/0109531 A1及US 2004/0131151 A1(其揭示內容以 引用的方式併入本文)以及上文所提及之美國專利6,895,075中描述了使用XRR量測傾斜之例示性方法。另外或其它，光學方法可用於傾斜量測，例如，如美國專利6,643,354中所述，其揭示內容亦以引用的方式併入本文。傾斜映射由系統控制器儲存(如上文所註釋，為一可由處理器56擔負的任務)。
如上所述，在產生傾斜映射後，在模式設定步驟102處，為SAXS量測而設定X光源26及偵測器裝配件32。接著在位點選擇步驟104處，運動台24以移動樣品22，使得X光光束74衝射至一所要測試位點。通常，為此目的而預先選擇樣品22上之多個位點，且運動台24移動樣品，使得每一位點又位於區域50中。在傾斜判定步驟106處，系統控制器查尋傾斜映射上此位點之所儲存的傾斜值。或者，若不存在此精確位點之所儲存的傾斜值，則系統控制器可查尋傾斜映射上相鄰點的傾斜值且藉由內插法找到該測試位點之近似傾斜值。如圖2所示，若XRR及SAXS光束軸互相偏移，則亦可將一旋轉變換應用於傾斜值以說明X-Y平面中的角度偏移。
在傾斜校正步驟108處，系統控制器接著指示運動台24調整樣品22之定向角以便補償當前測試位點處的傾斜。換言之，若已自傾斜映射判定當前測試位點關於X軸傾斜+0.1°，則運動台24將應用-0.1°之傾斜。或者，可調整X光源26之X光光束軸以便補償樣品傾斜。一旦已適當調整該傾斜，則致動源及偵測器裝配件，且在資料收集步驟 110處，處理器56收集及分析測試位點之SAXS光譜。接著在剩餘測試位點處重複此過程。
儘管上述實施例主要處理判定半導體晶圓之表面層特徵，但是本發明之原則可類似地用於基於X光之分析的其它應用，以及不但使用X光而且使用其它離子化輻射帶的其它類型之基於輻射的分析。此外，可修改系統20以併入基於輻射之分析的其它方法，諸如(舉例而言)美國專利6,381,303中所述之X光螢光量測，其揭示內容以引用的方式併入本文。其它或另外，系統20可經組態以執行漫射XRR量測，如2004年7月30日申請之美國專利申請案10/902,177中所述，其被讓渡給本專利申請案之受讓人且其揭示內容亦以引用的方式併入本文。
此外，儘管上文參看組合了多個不同X光分析模式之系統20而描述了本發明之特徵，但是可在僅提供一或兩個操作模式(諸如SAXS，XRD(高角度或掠入射)及/或XRR)之系統中建構一些此等特徵。
本發明之原則亦可應用於用於生產環境中的量測系統或工具。例如，本發明之一替代實施例中(未圖示)，將系統20之元件與一半導體晶圓製造工具整合以提供原位檢測。通常，如在此項技術中所已知，該製造工具包括一含有用於在一晶圓上產生薄膜之沉積裝置的真空腔室。該腔室具有X光窗，舉例而言，如美國專利申請案US 2001/0043668 A1中所述，其揭示內容以引用的方式併入本文。如上所述，在XRR、XRD或SAXS組態之一或多個組態中，X光源 26可接著經由其中一個窗照射晶圓上之區域50，且偵測器裝配件32經由另一窗接收散射X光。在另一替代實施例中，系統20可組態為一叢集工具中的台，其連同其它台可用於執行生產步驟。
因此，應瞭解，以實例形式引用了上述實施例，且本發明並不限於上文已特定展示且描述之內容。相反，本發明之範疇包含上文所述之各種特徵的組合及子組合，以及在閱讀了前述說明後將為熟習此項技術者所想起且在先前技術中並未揭示的其變化及修改。
20‧‧‧X光量測及分析系統
22‧‧‧樣品
24‧‧‧運動台
26‧‧‧X光源
28‧‧‧光源運動裝配件
30、36‧‧‧曲線軌跡
32‧‧‧偵測器裝配件
34‧‧‧運動裝配件
38‧‧‧X光管
40‧‧‧源安裝裝配件
42‧‧‧聚焦光學器件
44‧‧‧收斂光束
46‧‧‧擋板
48‧‧‧刀口
50‧‧‧區域
52‧‧‧發散光束
54‧‧‧偵測器陣列
56‧‧‧訊號處理器
58‧‧‧X光光子流量之分佈
60‧‧‧收斂光束
62‧‧‧發散光束
70‧‧‧散射光束
72‧‧‧準直光學器件
74‧‧‧準直光束
75‧‧‧光束擋塊
76‧‧‧偵測器元件
77‧‧‧繞射光束
80‧‧‧反散射隙縫
82‧‧‧反繞射隙縫
84‧‧‧光束擋塊
86‧‧‧窗
88‧‧‧易抽空外殼
90‧‧‧金屬線
圖1為根據本發明之一實施例之X光計量系統之示意性側視圖；圖2為根據本發明之一實施例之X光計量系統之示意性俯視圖；圖3A及3B為根據本發明之一實施例之分別經組態以用於XRR及SAXS的一偵測器陣列之示意性前視圖；圖4為根據本發明之一實施例之一用於SAXS量測之系統的示意性俯視圖；圖5為根據本發明之一實施例之一用於控制入射於表面上的X光光束之焦點的刀口之示意性詳細視圖；圖6為根據本發明之一實施例一示意性說明一種用於SAXS量測之方法的流程圖。
20‧‧‧X光量測及分析系統
22‧‧‧樣品
24‧‧‧運動台
26‧‧‧X光源
28‧‧‧光源運動裝配件
30、36‧‧‧曲線軌跡
32‧‧‧偵測器裝配件
34‧‧‧運動裝配件
38‧‧‧X光管
40‧‧‧源安裝裝配件
42‧‧‧聚焦光學器件
46‧‧‧擋板
48‧‧‧刀口
50‧‧‧區域
52‧‧‧發散光束
54‧‧‧偵測器陣列
56‧‧‧訊號處理器
58‧‧‧X光光子流量之分佈
60‧‧‧收斂光束
62‧‧‧發散光束

Claims (14)

  1. 一種用於分析一樣品之裝置，其包括：一輻射源，其可操作以將X光之一準直光束沿一光束軸以一掠射角朝該樣品之一所選區域導引，藉此在一方位角範圍內自該區域散射一些該等X光；一刀口，其被配置為與該樣品之一表面平行且與該所選區域相鄰，以便界定該表面與該刀口之間的一間隙且阻擋不通過該間隙的該光束之一部分；一光束擋塊，其經配置以阻擋已通過該間隙且繼續沿該光束軸傳播的該等X光，而不會阻擋在該方位角範圍之至少一部分中的該等散射X光；一偵測器裝配件，其經配置以將該等散射X光感測作為該等方位角之一函數，且產生回應於該等散射X光之輸出訊號；及一訊號處理器，其經耦接以接收及處理該等輸出訊號以便判定該樣品之一特徵。
  2. 如請求項1之裝置，且其包括至少一隙縫，其垂直於該樣品之該表面且被定位於該輻射源與該刀口之間，以便當阻擋散射X光時通過該準直光束之至少一部分。
  3. 如請求項2之裝置，其中該至少一隙縫包含一接近該輻射源而定位的第一隙縫及一接近該刀口而定位的第二隙縫。
  4. 如請求項1之裝置，其中該偵測器裝配件包括：偵測器元件之一陣列，其具有一陣列長度；及 一易抽空外殼，其具有被一至少等於該陣列長度之距離分離的一前側及一後側，其中該陣列被定位於該外殼之該後側處，且該外殼包含一位於其之一前側處的窗，其被調適成允許該輻射通過其中以便衝射至該陣列上。
  5. 如請求項1之裝置，其中該刀口包括X光吸收材料之一圓柱。
  6. 一種用於一樣品之分析的裝置，其包括：一安裝裝配件，其用於在該樣品之該分析的期間接收及調整該樣品之一定向；一輻射源，其可操作以將X光之一準直光束朝該安裝裝配件上之該樣品之一表面上的一所選區域導引，藉此在一方位角範圍內自該區域散射一些該等X光；一偵測器裝配件，其經配置以將該等散射X光感測作為該等方位角之一函數，且產生回應於該等散射X光之輸出訊號；及一訊號處理器，其被調適成接收指示該表面之一特徵傾斜角的一傾斜映射，且基於該傾斜映射判定該所選區域之一傾斜角，且導引該安裝裝配件以調整回應於該所估計之傾斜角的該樣品之該定向，且其經耦接以在調整該定向之後接收及處理該等輸出訊號以便判定該樣品之一特徵。
  7. 如請求項6之裝置，其中該輻射源被調適成將該等X光之一收斂光束朝該表面上之複數個位置中的每一位置導引，且該偵測器裝配件被調適成感測作為相對於該表面 的仰角之一函數的自該表面所反射之該等X光，且其中該訊號處理器被調適成量測回應於該等所反射之X光的該等位置之每一位置的一X光反射(XRR)光譜，且基於該XRR光譜來判定該等位置之每一位置處的該傾斜角。
  8. 一種用於分析一樣品之方法，其包括：將X光之一準直光束沿一光束軸以一掠射角朝該樣品之一所選區域導引，藉此在一方位角範圍內自該區域散射一些該等X光；定位一刀口以使其與該樣品之一表面平行且與該所選區域相鄰，以便在該表面與該刀口之間界定一間隙且阻擋不通過該間隙的該光束之一部分；定位一光束擋塊以便阻擋已通過該間隙且繼續沿該光束軸傳播的該等X光，而不會阻擋在該方位角範圍之至少一部分中的該等散射X光；及將該等散射X光感測作為該等方位角之一函數，以便判定該樣品之一特徵。
  9. 如請求項8之方法，且其包括將垂直於該樣品之該表面的至少一隙縫定位於該等X光之該準直光束的一個源與該刀口之間，使得當阻擋散射X光時該至少一隙縫通過該準直光束之至少一部分。
  10. 如請求項9方法，其中該至少一隙縫包括一接近該源而定位的第一隙縫及一接近該刀口而定位的第二隙縫。
  11. 如請求項8之方法，其中該刀口包括X光吸收材料之一圓柱。
  12. 一種用於分析一樣品之方法，其包括：產生該樣品之一傾斜映射；將X光之一準直光束沿一光束軸以一掠射角朝該樣品之一所選區域導引，藉此在一方位角範圍內自該區域散射一些該等X光；基於該傾斜映射來判定該所選區域之一傾斜角；調整該樣品之一定向以補償該傾斜角；及在調整該定向之後將該等散射X光感測作為該等方位角之一函數，以便判定該樣品之一特徵。
  13. 如請求項12之方法，其中產生該傾斜映射包括量測來自一表面上之複數個位置之每一位置的一X光反射(XRR)光譜，且基於該XRR光譜判定該等位置之每一位置處的該傾斜角。
  14. 如請求項13之方法，其中量測該XRR光譜包括將該等X光之一收斂光束朝該複數個位置之每一位置導引，且偵測作為相對於該表面的仰角之一函數的自該表面反射之該等X光。
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