TWI650551B - X光刀緣之封閉迴路控制 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示用於X光散射量測之設備，其包含引導一X光射束以按一掠射角入射於一樣本之一表面之一區域上之一X光源，且一X光偵測器量測自該區域散射之X光。一刀緣經配置為在鄰近該區域之一位置中平行於該樣本之該表面以便界定該表面與該刀緣之間之一間隙且阻擋未通過該間隙之該X光射束之一部分。一馬達垂直於該表面移動該刀緣以便控制該間隙之一大小。一光學測距儀接收自該表面反射之光學輻射且輸出指示該刀緣距該表面之一距離之一信號。控制電路回應於該信號而驅動該馬達以便調節該間隙之該大小。

Description

X光刀緣之封閉迴路控制
本發明大體上係關於用於材料及程序分析之儀器，且具體言之係關於用於使用X光分析結構之薄層及陣列之儀器及方法。
在X光散射量測中，一X光射束入射於一樣本上，且藉由一適合偵測器量測自構件陣列散射之X光之強度分佈。一些量測模態以一反射幾何形狀操作，其中一X光射束入射於樣本之一個側上且自樣本之相同側(藉由鏡面反射及/或漫反射)反射。此反射通常僅在X光射束按掠射角(即，低入射角)大體上沿著在表面之4°內且通常低於自表面之1°之一射束軸入射之情況下發生。 由於低入射角，故入射X光射束延伸遍及表面之一長形區域(稱為射束「足跡」)，且散射量測具有對應的低空間解析度且需要大量測區域。為了增強空間解析度，一些散射量測系統使用一刀緣，該刀緣在X光射束入射於表面上之點處放置於樣本上方。刀緣經定位以便形成刀片與樣本之表面之間之一小間隙，X光必須通過該小間隙以便到達偵測器，因此減小足跡之有效長度。在本描述之內容脈絡中且在技術方案中，術語「刀緣」係指靠近一樣本之表面定位以便形成刀緣與表面之間之一小間隙且阻擋間隙外部之X光之任何類型之筆直邊緣(未必非常鋒利)。 舉例而言，在美國專利6,512,814中描述此種類之一配置，該專利之揭示內容以引用的方式併入本文中。此專利描述反射量測設備，其包含：一輻射源，其經調適以使用在相對於樣本之一表面之一角度範圍內之輻射照射一樣本；及一偵測器總成，其經定位以接收在該角度範圍內自樣本鏡面反射之輻射且回應於此而產生一信號。一光閘可調整地定位以攔截輻射。光閘具有一阻擋位置及一無阻礙位置，在該阻擋位置中，該光閘阻擋在角度範圍之一較低部分中的輻射，在該無阻礙位置中，範圍之較低部分中之輻射在實質上無阻擋之情況下到達陣列。一動態刀緣定位於表面上方。較佳地，動態刀緣結合上文提及之動態光閘操作。為了按低入射角量測，將刀緣降低為非常靠近表面，從而攔截入射X光射束且因此減小表面上之光點之橫向尺寸(即，沿著表面之大致上平行於射束軸之方向上之尺寸)。 美國專利7,551,719描述另一多功能X光分析系統，其將X光反射量測(XRR)與小角度X光散射(SAXS)及X光繞射(XRD)量測組合，該專利之揭示內容以引用的方式併入本文中。在本專利之圖5中展示之一項實施例中，一刀緣係由一圓柱形、X光吸收材料(諸如一金屬導線)製成。據稱此配置允許刀之下邊緣非常接近樣本之表面(大約在表面上方3 µm)放置而無損壞樣本之風險。導線可與表面準備地對準且因此提供表面上方之一小間隙，該小間隙之有效高度在整個所關注角度範圍(通常0°至4°)內係均勻的。 美國專利7,406,153描述用於一樣本之分析之設備，該設備包含一輻射源，該輻射源經組態以沿著一射束軸引導輻射之一射束以照射於樣本之一表面上之一目標區域上，該專利之揭示內容以引用的方式併入本文中。一偵測器總成經組態以感測自樣本散射之輻射。一射束控制總成包含一射束阻擋器，該射束阻擋器具有鄰接樣本之表面之一下側，且其含有垂直於下側之一起界定含有射束軸且通過目標區域之一射束平面之前狹縫及後狹縫。在一些實施例中，一射束限制器定位在射束平面中以便阻擋平面之一部分。射束限制器具有一刀緣，該刀緣橫向於射束平面且通常在射束阻擋器之下側下方突出。
下文描述之本發明之實施例提供具有增強之射束控制之用於X光分析之方法及系統。 因此，根據本發明之一實施例提供一種用於X光散射量測之設備，其包含一X光源，該X光源經組態以產生且引導一X光射束以按一掠射角入射於一樣本之一表面之一區域上。一X光偵測器經組態以回應於該入射X光射束量測自該區域散射之X光。一刀緣經配置為在鄰近該X光射束入射於其上之該區域之一位置中平行於該樣本之該表面以便界定該表面與該刀緣之間之一間隙且阻擋未通過該間隙之該X光射束之一部分。一馬達經組態以在垂直於該樣本之該表面之一方向上移動該刀緣以便控制該間隙之一大小。一光學測距儀經組態以接收自該樣本之該表面反射之光學輻射且回應於該經接收光學輻射而輸出指示該刀緣距該樣本之該表面之一距離之一信號。控制電路經組態以回應於由該光學測距儀輸出之該信號而驅動該馬達以便調節該間隙之該大小。 在一些實施例中，該X光偵測器經組態以量測自該區域散射之該等X光之一角譜，且該設備包含經組態以分析該角譜以便評估該樣本之一性質之一處理器。 在一所揭示實施例中，該刀緣包含一半導體或金屬材料之一單晶體。替代地，該刀緣可包括一適合多晶或非晶材料。另外或替代地，該馬達包含一壓電馬達，該壓電馬達經組態以依比1 µm更精細之一解析度設定該間隙之該大小。 在一些實施例中，該光學測距儀經連接以在該馬達之控制下與該刀緣一起移動。在一所揭示實施例中，該光學測距儀包含：一雷射，經組態以引導一光束以接近該刀緣照射於該樣本之該表面上；及一偵測器，其經組態以感測自該表面反射之該光束。該偵測器可包含一位置敏感偵測器，該位置敏感偵測器經配置使得該經反射光束在該偵測器上之一位置隨著該刀緣之移動而變動。 在一所揭示實施例中，該控制電路經組態以回應於由該X光偵測器量測之隨著該間隙之該大小而變動之該等經散射X光之一強度而驅動該馬達以將該間隙之該大小設定為一目標高度，且隨後回應於由該光學測距儀輸出之該信號而將該間隙之該大小維持於該目標高度。 根據本發明之一實施例，亦提供一種用於X光散射量測之方法，其包含引導一X光射束以按一掠射角入射於一樣本之一表面之一區域上，及回應於該入射X光射束而量測自該區域散射之X光。一刀緣經定位為在鄰近該X光射束入射於其上之該區域之一位置中平行於該樣本之該表面以便界定該表面與該刀緣之間之一間隙且阻擋未通過該間隙之該X光射束之一部分。一光學測距儀接收自該樣本之該表面反射之光學輻射且回應於該經接收光學輻射而輸出指示該刀緣距該樣本之該表面之一距離之一信號。該刀緣回應於由該光學測距儀輸出之該信號而在垂直於該樣本之該表面之一方向上移動以便控制該間隙之一大小。 自結合圖式進行之本發明之實施例之以下詳細描述將更完全理解本發明，其中：
在此項技術中已知之反射比-幾何形狀X光散射量測系統中，有時藉由感測傳輸通過刀緣與樣本之表面之間之間隙之X光之強度而設定刀緣之位置。一旦已以此方式將刀緣設定為所要高度，便在後續散射量測期間將其鎖定於適當位置中。實務上，當使用此方法時，刀緣無法被放置成比約10 µm更接近表面。此外，舉例而言，刀緣與表面之間之間隙可歸因於振動而在散射量測期間變動。對刀緣定位之此等限制導致一大且可能可變的射束足跡，因此增大有效足跡及入射強度波動且降級散射量測之準確度及精確度。 本文中描述之本發明之實施例藉由將一光學測距儀用於調節刀緣與樣本表面之間之間隙之大小而解決此等問題。測距儀接收自樣本之表面反射之光學輻射且輸出指示刀緣距表面之距離之信號。(與在散射量測中使用之X光輻射相反，如用於本描述中及發明申請專利範圍中之術語「光學輻射」係指可見、紅外線或紫外線輻射。)在散射量測之前及期間兩者，控制電路回應於由測距儀輸出之信號而驅動一馬達以便設定且維持間隙之所要大小。使用此種類之光學控制，可依比1 µm更精細之一解析度將刀緣與樣本表面之間之間隙設定且保持為低於1 µm之大小，此無法由此項技術中已知之基於X光之量測技術達成。 圖1係根據本發明之一較佳實施例之用於一樣本22之X光散射量測之一系統20之一示意性圖解。在所圖示實施例中，系統20經組態用於X光反射量測。替代地，於適當的修正下(mutatis mutandis)，系統20可經組態用於其他種類之散射量測，包含X光螢光(XRF)，尤其掠入射X光螢光(GIXRF)、小角度X光散射(SAXS)、掠入射SAXS及X光繞射(XRD)量測。 樣本22 (諸如一半導體晶圓)安裝於一運動載物台24上，從而容許其位置在三個維度(X-Y-Z)及定向上之準確調整。為了減小可能振動，載物台24可安裝於(例如)具有用於振動阻尼之襯墊(未展示)之一超大型基底上，如此項技術中已知。 一X光源26 (諸如具有適合單色化光學器件(未展示)之一X光管)產生且引導一X光射束27以按一掠射角入射於樣本22之表面上之一小區域28上。可將射束27準直或聚焦至區域28上。用於系統20中之此種類之反射量測之一典型X光能量係約8.05 keV (CuKα)。替代地，可使用其他能量，諸如5.4 keV (FeKα)或4.5 keV (TiKα)。此等較低能量使得按一較高入射角，且因此結合樣本表面上之一減小之足跡工作可行，但通常需要系統容置於一真空腔室(未展示)中以最小化周圍環境對X光之衰減及散射。 X光來自樣本22之一經反射射束29由一偵測器總成30收集。通常言之，總成30收集在介於約0°與3°之間之一反射角範圍內(低於及高於用於全外反射之樣本之臨界角)之經反射X光。在所圖示實例中，總成30包括一X光敏感偵測器陣列32，但可替代地使用其他種類之偵測器。偵測器陣列32量測自區域28散射之X光之角譜。此譜表示依據一給定能量下或一能量範圍內之角度之自樣本22散射之X光光子之通量。針對樣本22上之一週期性結構之尺寸參數(諸如節距及構件寬度(亦稱為臨界尺寸))之量測，通常(例如)使用一區域(2D)X光敏感偵測器依據在垂直於及平行於樣本之表面之兩個方向上之角度量測經散射X光強度分佈。 一處理器34分析經散射X光之角譜以便評估樣本22之一性質，且將分析之結果輸出至一顯示器36。在XRR之情況中，可分析垂直於樣本表面之角譜之振盪結構以判定樣本22上之一或多個表面層之厚度、密度及表面品質。然而，此等量測之空間解析度及精確度受樣本表面之區域28上之射束27之長形足跡之大小限制。 作為另一實例，在掠入射(grazing-incidence) SAXS量測之情況中，可分析平行於樣本表面散射之X光強度以判定表面上之一散射結構陣列之幾何參數，包含結構之平面內間距、在不同高度處之寬度及粗糙度。在具有鄰近結構之間的次微米平面內間距的情況下，自此種類之一週期性陣列散射之強度實質上集中在一系列「桿」中，其中角度間距與陣列之節距成反比。 為了減小足跡之大小，一刀緣38經配置為在鄰近X光射束27入射於其上之區域28之一位置中平行於樣本22之表面。如上文解釋，刀緣38界定樣本22之表面與刀緣之間之一間隙且阻擋未通過間隙之X光射束27之部分。最佳化刀緣之幾何形狀(寬度、高度及形狀)以便即使在彎曲樣本之情況中，亦不在小間距高度下接觸樣本表面。刀緣38可包括任何適合種類之X光吸收材料，諸如一金屬刀片或導線或替代地，一半導體材料(諸如Si、Ge或InP)或金屬(諸如Ta或W)之一單晶體。此等後者種類之單晶體係有利的，因為其等在特定精確界定方向上(藉由繞射)散射X光。接著，刀緣38可經定向使得X光將不自刀緣自身朝向偵測器陣列32散射。視情況，可結合刀緣38使用其他射束限制元件，諸如一光閘及/或一垂直狹縫，如(例如)在上文引用的專利中描述。 一馬達40在垂直於樣本22之表面之一方向上移動刀緣38以便控制間隙之大小。一控制電路42 (諸如一比例-積分-微分(PID)控制器)回應於來自系統20之其他元件之輸入而驅動馬達。在一項實施例中，馬達40包括一壓電馬達，其能夠依比1 µm更精細之一解析度設定間隙之大小且可靠地達到小於1 µm之間隙大小。替代地，可將如此項技術中已知之其他種類之精密馬達用於定位刀緣38。(在本描述之內容脈絡中且在發明申請專利範圍中使用術語「馬達」來表示將電能轉換為機械運動之任何裝置。) 控制電路42基於指示刀緣38距樣本22之表面之距離之一回饋信號驅動馬達40，該回饋信號係由一光學測距儀44基於自樣本之表面反射之光學輻射輸出。在圖2中展示且在下文參考其描述可用於此目的之一特定類型及組態之光學測距儀之細節。替代地，包含市售及專用儀器兩者之其他種類之光學距離量測裝置可用作用於此目的之測距儀且被視為在本發明之範疇內。 圖2係根據本發明之一實施例之刀緣38及光學測距儀44之一示意性側視圖。此圖中之視圖係相對於圖1繞Z軸經旋轉達90°。在此實施例中，光學測距儀44被放置成與X光射束成直角。然而，在其他實施例中，光學測距儀可被旋轉至其他定向。在所圖示實施例中，使用足夠剛性以確保測距儀之元件與刀緣之間之空間關係保持固定在刀緣之定位容差內之一連接來連接光學測距儀44以在馬達40之控制下與刀緣38一起移動。 光學測距儀44包括一雷射50，該雷射50引導一光束以接近刀緣38照射於樣本22之表面上。一偵測器52感測自表面反射之光束且將指示刀緣38在樣本表面上方之高度之一信號輸出至控制電路42。在本實例中，偵測器52包括一位置敏感偵測器。如圖中展示，雷射50及偵測器52經配置使得雷射射束按一角度照射樣本表面。因此，經反射光束在偵測器52上之位置將與刀緣在表面上方之高度成比例地隨著刀緣38相對於樣本表面之垂直移動而變動(或反之亦然)。控制電路42使用由偵測器輸出之位置變動信號作為用於馬達40的控制之一回饋信號。 圖3係示意性地繪示根據本發明之一實施例之用於X光散射量測之一方法之一流程圖。為了清楚及具體起見，參考在先前圖中展示且在上文描述之系統20及測距儀44之特定元件描述方法。替代地，於適當的修正下，可在其中可將一光學測距儀用於控制一刀緣之位置之其他X光散射量測系統中實施此方法之原理。 為了起始量測，在一樣本運動步驟60，載物台24橫向地(在如圖1中展示之X-Y平面中)移動樣本22，使得樣本上之所要量測點定位於其中X光射束27將入射之區域28中。一旦樣本22在所要X-Y位置中，在一樣本高度調整步驟62，載物台24便調整樣本之垂直(Z)位置以與X光射束27之高度重合。可在此階段使用光學測距儀44來驗證樣本高度近似地正確。取決於由載物台24賦予之調整之精確度，可在此步驟中將樣本高度相對於射束27之最大偏差調整為在射束中心之約5 µm內。 在一刀高度調整步驟64，控制電路42現驅動馬達40以將刀緣38與樣本22之表面之間之間隙之大小設定為一選定目標高度。為了此目的，致動X光源26，且控制電路42接收由X光偵測器總成30量測之自樣本22散射之X光之強度之一讀數。經量測強度與間隙之大小(至多X光射束27之直徑)成比例地變動，且因此提供間隙大小之一準確量測而不管樣本之組合物如何。鑑於刀緣38之高度之控制及經散射X光強度之量測之足夠精確度，在此步驟中可將樣本與刀緣38之間之間隙大小設定為在目標高度之0.3 µm內。 由光學測距儀44輸出之信號現將由控制電路42用於將間隙之大小精確地維持於目標高度。為了此目的，在一敏感度設定步驟66，可設定測距儀44以按高靈敏度，依減小之範圍及增大之解析度操作。 在一散射量測步驟68，系統20現進入其量測模式，其中處理器34獲取樣本22之X光散射譜。控制電路42將來自光學測距儀44之回饋信號用於藉由監測高度改變且相應地調整馬達40而精確地維持間隙大小。可將回饋控制迴路之頻寬設定至(例如) 5 Hz至10 Hz之範圍以便補償在長量測期間系統20中之機械及熱漂移。如先前提及，載物台24可安裝於一大振動隔離及阻尼系統上，而刀總成安裝於一機械剛性框上以便最小化高於回饋控制迴路之回應時間之高頻率振動。因此，來自光學測距儀44之即時回饋之使用使系統20能夠以比先前可達成之更精細的空間解析度及更大的精確度量測樣本22之X光散射性質。 雖然上文描述之實施例使用刀緣與樣本表面之間之距離之光學感測，但可替代地使用能夠精確地量測X光量測期間之樣本表面之次微米位移之其他量規。舉例而言，可使用一電容量規或原子力顯微鏡(AFM)探針來代替光學測距儀。 因此，將瞭解，藉由實例引述上文描述之實施例，且本發明不限於上文特定展示且描述之內容。實情係，本發明之範疇包含上文描述之各種構件之組合及子組合兩者以及熟習此項技術者在閱讀前述描述之後將想到且在先前技術中未揭示之其之變動及修改。
20‧‧‧系統
22‧‧‧樣本
24‧‧‧運動載物台
26‧‧‧X光源
27‧‧‧X光射束
28‧‧‧小區域
29‧‧‧經反射射束
30‧‧‧偵測器總成
32‧‧‧X光敏感偵測器陣列
34‧‧‧處理器
36‧‧‧顯示器
38‧‧‧刀緣
40‧‧‧馬達
42‧‧‧控制電路
44‧‧‧光學測距儀
50‧‧‧雷射
52‧‧‧偵測器
60‧‧‧樣本運動步驟
62‧‧‧樣本高度調整步驟
64‧‧‧刀高度調整步驟
66‧‧‧敏感度設定步驟
68‧‧‧散射量測步驟
圖1係根據本發明之一實施例之用於反射模式中之X光散射量測之一系統之示意性側視圖； 圖2係根據本發明之一實施例之具有光學控制之一刀緣之一示意性側視圖；及 圖3係示意性地繪示根據本發明之一實施例之用於X光散射量測之一方法之一流程圖。

Claims (16)

  1. 一種用於X光散射量測之設備，其包括： 一X光源，其經組態以產生且引導一X光射束以按一掠射角入射於一樣本之一表面之一區域上； 一X光偵測器，其經組態以回應於該入射X光射束而量測自該區域散射之X光； 一刀緣，其經配置為在鄰近該X光射束入射於其上之該區域之一位置中平行於該樣本之該表面以便界定該表面與該刀緣之間之一間隙且阻擋未通過該間隙之該X光射束之一部分； 一馬達，其經組態以在垂直於該樣本之該表面之一方向上移動該刀緣以便控制該間隙之一大小； 一光學測距儀，其經組態以接收自該樣本之該表面反射之光學輻射且回應於該經接收光學輻射而輸出指示該刀緣距該樣本之該表面之一距離之一信號；及 控制電路，其經組態以回應於由該光學測距儀輸出之該信號而驅動該馬達以便調節該間隙之該大小。
  2. 如請求項1之設備，其中該X光偵測器經組態以量測自該區域散射之該等X光之一角譜且包括一處理器，該處理器經組態以分析該角譜以便評估該樣本之一性質。
  3. 如請求項1之設備，其中該刀緣包括一半導體或金屬材料之一單晶體。
  4. 如請求項1之設備，其中該馬達包括一壓電馬達，該壓電馬達經組態以依比1 µm更精細之一解析度設定該間隙之該大小。
  5. 如請求項1之設備，其中該光學測距儀經連接以在該馬達之控制下與該刀緣一起移動。
  6. 如請求項5之設備，其中該光學測距儀包括：一雷射，其經組態以引導一光束以接近該刀緣照射於該樣本之該表面上；及一偵測器，其經組態以感測自該表面反射之該光束。
  7. 如請求項6之設備，其中該偵測器包括一位置敏感偵測器，該位置敏感偵測器經配置使得該經反射光束在該偵測器上之一位置隨著該刀緣之移動而變動。
  8. 如請求項1之設備，其中該控制電路經組態以回應於由該X光偵測器量測之隨著該間隙之該大小而變動之該等經散射X光之一強度而驅動該馬達以將該間隙之該大小設定為一目標高度，且隨後回應於由該光學測距儀輸出之該信號而將該間隙之該大小維持於該目標高度。
  9. 一種用於X光散射量測之方法，其包括： 引導一X光射束以按一掠射角入射於一樣本之一表面之一區域上； 回應於該入射X光射束而量測自該區域散射之X光； 在鄰近該X光射束入射於其上之該區域之一位置中將一刀緣定位為平行於該樣本之該表面以便界定該表面與該刀緣之間之一間隙且阻擋未通過該間隙之該X光射束之一部分； 在一光學測距儀中接收自該樣本之該表面反射之光學輻射且回應於該經接收光學輻射而自該光學測距儀輸出指示該刀緣距該樣本之該表面之一距離之一信號；及 回應於由該光學測距儀輸出之該信號而在垂直於該樣本之該表面之一方向上移動該刀緣以便控制該間隙之一大小。
  10. 如請求項9之方法，其中量測該等X光包括：獲取自該區域散射之該等X光之一角譜，及分析該角譜以便評估該樣本之一性質。
  11. 如請求項9之方法，其中該刀緣包括一半導體或金屬材料之一單晶體。
  12. 如請求項9之方法，其中移動該刀緣包括：依比1 µm更精細之一解析度設定該間隙之該大小。
  13. 如請求項9之方法，其中該光學測距儀經連接以在一馬達之控制下與該刀緣一起移動。
  14. 如請求項13之方法，其中該光學測距儀包括：一雷射，其經組態以引導一光束以接近該刀緣照射於該樣本之該表面上；及一偵測器，其經組態以感測自該表面反射之該光束。
  15. 如請求項14之方法，其中該偵測器包括一位置敏感偵測器，該位置敏感偵測器經配置使得該經反射光束在該偵測器上之一位置隨著該刀緣之移動而變動。
  16. 如請求項9之方法，其中定位該刀緣包括回應於隨著該間隙之該大小而變動之該等經散射X光之一強度之一量測而將該間隙之該大小設定為一目標高度，且其中移動該刀緣包括回應於由該光學測距儀輸出之該信號而將該間隙之該大小維持於該目標高度。
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