TWI814579B - 用以量測平整基板上之三維奈米結構的x射線反射儀設備及方法 - Google Patents

用以量測平整基板上之三維奈米結構的x射線反射儀設備及方法 Download PDF

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Abstract

用以量測平整基板上的三維奈米結構的X射線反射儀設備及方法。X射線反射儀設備包括X射線源、X射線反射器、二維X射線偵測器以及二軸移動裝置。X射線源用以發射X射線。X射線反射器配置以反射X射線至樣品表面上。二維X射線偵測器配置以收集來自樣品表面之反射X射線訊號。二軸移動裝置配置以與X射線相對於樣品表面的入射角度有關的式子控制二維X射線偵測器的二軸方向來移動在x軸和z軸的至少其中之一上以收集反射的X射線訊號。

Description

用以量測平整基板上之三維奈米結構的X射線反射儀設備及方法
本發明是有關於一種量測裝置，且是有關於一種用以量測平整基板上之三維奈米結構的X射線反射儀設備及方法。
X射線反射儀(X-ray reflectometry；XRR)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，奈米壓印製造的週期性光柵橫截面。
根據一實施例，提供一種用以量測平整基板上之三維奈米結構的X射線反射儀設備。X射線反射儀設備包括X射線源、X射線反射器、二維X射線偵測器以及二軸移動裝置。X射線源用以發射X射線。X射線反射器配置以反射X射線至樣品表面上。二維X射線偵測器配置以收集來自樣品表面反射的X射線訊號。二軸移動裝置配置以與X射線相對於樣品表面的入射角度有關的式子控制二維X射線偵測器的二軸方向來移動在x軸和z軸的至少其中之一上以收集反射的X射線訊號。
根據另一實施例，提供一種用以量測平整基板上的三維奈米結構的方法。方法包括以下步驟。藉由X射線源發射X射線。藉由X射線反射器將X射線反射至樣品表面上。藉由二維X射線偵測器收集來自樣品表面的反射的X射線訊號。藉由二軸移動裝置以與X射線相對於樣品表面的入射角度有關的式子控制二維X射線偵測器的二軸方向移動在x軸和z軸的至少其中之一上以收集反射的X射線訊號。
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：可互相垂直的x軸、y軸、z軸，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。
第1圖繪示根據一實施例之用以量測平整基板上的三維奈米結構的X射線反射儀設備及方法。X射線反射儀設備包括X射線源102、X射線反射器104、二維X射線偵測器106和二軸移動裝置108。X射線源102是用以發射X射線350。X射線反射器104是配置以將來自X射線源102的X射線350反射至設置在平台上的樣品232的樣品表面230上。樣品232例舉為半導體基板。量測方法可用以量測樣品232的樣品表面230的奈米半導體結構，諸如線寬、線距等。X射線350的波長不超過樣品232的結構沿表面法向的特徵長度的兩倍。特徵長度是選自由樣品232的樣品表面230的膜厚度與奈米結構的高度所構成的群組。X射線源102可用以發射0.154nm至20nm的多波長範圍中的一波長的X射線。於一實施例中，X射線源102包含準確聚焦的鋁陽極。X射線反射器104能用以將X射線350點聚焦在樣品表面230上。X射線反射器104可選自由單晶單光器及多層反射鏡所構成的群組。對於多層反射鏡，X射線反射器104的波長色散是小於0.01。二維X射線偵測器106是配置以收集來自樣品表面230的反射的X射線訊號352。X射線350相對於樣品表面230的入射角度是等於反射的X射線訊號352相對於樣品表面230的出射角度。二維X射線偵測器106可包含在真空腔體中的二維X射線感測器和在真空腔體外的分析器，且二維X射線感測器的感測器尺寸可完全收集反射的X射線訊號352。二維X射線偵測器106具有高的像素解析度以收集反射的X射線訊號352(例如由樣品表面230所反射的X射線)。
二軸移動裝置108是配置以與X射線350相對於樣品表面230的入射角度有關的式子控制二維X射線偵測器106的二軸方向移動在x軸和z軸的至少其中之一上以收集反射的X射線訊號352。
二軸移動裝置108包括x軸移動裝置112及z軸移動裝置114。z軸移動裝置114耦接在二維X射線偵測器106與x軸移動裝置112之間。x軸移動裝置112是配置以與X射線350相對於樣品表面230的入射角度有關的式子控制二維X射線偵測器106在x軸上移動以收集反射的X射線訊號352。z軸移動裝置114是配置以與X射線350相對於樣品表面230的入射角度有關的式子控制二維X射線偵測器106在z軸上移動以收集反射的X射線訊號352。
轉動裝置116可耦接在z軸移動裝置114與二維X射線偵測器106之間。轉動裝置116可配置以轉動二維X射線偵測器106在y軸上及z軸上進行旋轉。
當X射線350相對於樣品表面230的入射角度θ是設定為從θ′至θ′ + Δθ的範圍時，二軸移動裝置108的x軸移動裝置112以式子W ＜ 控制二維X射線偵測器106沿x軸移動，並且同時二軸移動裝置108的z軸移動裝置114以式子H = W · tanθ′ + 控制二維X射線偵測器106沿z軸移動，從而在入射角度θ為從θ′至θ′ + Δθ的範圍而未移動二軸移動裝置108的情況下，反射的X射線訊號352可完全被二維X射線偵測器106收集。Δθ表示入射角度的改變量。
於本揭露中，W為樣品表面230上的X射線反射點261與二維X射線偵測器106的表面107在x軸上的距離。L為二維X射線偵測器106沿z軸的尺寸(例如高度)。H為樣品表面230與二維X射線偵測器106的中心在z軸上的距離。
第2A圖與第2B圖繪示根據另一實施例之用以量測平整基板上的三維奈米結構的X射線反射儀設備及方法。於此實施例中，在量測期間，二維X射線偵測器106的x軸位置可藉由固定x軸移動裝置112而不被移動。在量測期間，樣品表面230上的X射線反射點261與二維X射線偵測器106的表面107在x軸上的距離W固定並且沒有改變。
請參照第2A圖。當X射線350相對於樣品表面230的入射角度為θ時，二軸移動裝置108的z軸移動裝置114以式子：H = W · tanθ控制二維X射線偵測器106沿z軸移動。藉此，反射的X射線訊號352能到達二維X射線偵測器106在z軸方向上的中心，從而被二維X射線偵測器106收集。在量測期間，二維X射線偵測器106在z軸方向上自二維X射線偵測器106的中心的移動偏差在± 時，二維X射線偵測器106仍能收集到反射的X射線訊號352。
請參照第2B圖。當X射線350相對於樣品表面230的入射角度從θ(第2A圖)改變至θ+Δθ (第2B圖)時，二軸移動裝置108的z軸移動裝置114以式子：H+ΔH = tan(θ + Δθ)控制二維X射線偵測器106沿z軸移動。換句話說，z軸移動裝置114以式子：ΔH = W · tan(θ + Δθ) – W · tanθ控制二維X射線偵測器106沿z軸從距離H移動距離ΔH。藉此，反射的X射線訊號352能到達二維X射線偵測器106在z軸方向上的中心，從而被二維X射線偵測器106收集。在量測期間，二維X射線偵測器106在z軸方向上自二維X射線偵測器106的中心的移動偏差在± 時，二維X射線偵測器106仍能收集到反射的X射線訊號352。
第3A圖至第3F圖繪示根據又另一實施例之用以量測平整基板上的三維奈米結構的X射線反射儀設備及方法。於此實施例中，在量測期間，二維X射線偵測器106的z軸位置可藉由固定z軸移動裝置114而不被移動。在量測期間，樣品表面230與二維X射線偵測器106的中心在z軸上的距離H固定並且沒有改變。
請參照第3A圖。當X射線350相對於樣品表面230的入射角度為θ時，二軸移動裝置108的x軸移動裝置112以式子：W = H · cotθ控制二維X射線偵測器106沿x軸移動。藉此，反射的X射線訊號352能到達二維X射線偵測器106在z軸方向上的中心，從而被二維X射線偵測器106收集。在量測期間，二維X射線偵測器106在z軸方向上自二維X射線偵測器106的中心的移動偏差在± 時，二維X射線偵測器106仍能收集到反射的X射線訊號352。在量測期間，二維X射線偵測器106藉由x軸移動裝置112控制距離在(H + ) · cot θ (第3B圖)至(H - ) · cot θ (第3C圖)的範圍以內時，二維X射線偵測器106仍能收集到反射的X射線訊號352。
請參照第3B圖。式子“(H + ) · cot θ”為反射的X射線訊號352能到達二維X射線偵測器106的頂端從而被二維X射線偵測器106收集的前提下，樣品表面230上的X射線反射點261與二維X射線偵測器106的表面107在x軸上之間的最大距離W。二維X射線偵測器106的頂端與樣品表面230在z軸上的距離是等於H＋ 。
請參照第3C圖。式子“(H - ) · cot θ”為反射的X射線訊號352能到達二維X射線偵測器106的底端從而被二維X射線偵測器106收集的前提下，樣品表面230上的X射線反射點261與二維X射線偵測器106的表面107在x軸上之間的最小距離W。二維X射線偵測器106的底端與樣品表面230之間在z軸上的距離是等於H - 。
請參照第3D圖。當X射線350相對於樣品表面230的入射角度從θ(第3A圖)改變至θ+Δθ (第3D圖)時，二軸移動裝置108的x軸移動裝置112以式子：W′=W+ΔW = H · cot (θ + Δθ)控制二維X射線偵測器106沿x軸移動。換句話說，x軸移動裝置112以式子：ΔW = H · cot (θ + Δθ)– H · cotθ控制二維X射線偵測器106沿x軸從W (第3A圖)移動距離ΔW。藉此，反射的X射線訊號352能到達二維X射線偵測器106在z軸方向上的中心，從而被二維X射線偵測器106收集。在量測期間，二維X射線偵測器106在z軸方向上自二維X射線偵測器106的中心的移動偏差在± 時，二維X射線偵測器106仍能收集到反射的X射線訊號352。在量測期間，二維X射線偵測器106 在距離從(H - ) · cot (θ + Δθ) (第3F圖)至(H + ) · cot (θ + Δθ) (第3E圖)的範圍以內仍能收集到反射的X射線訊號352。
請參照第3E圖。式子“(H + ) · cot (θ + Δθ)”為反射的X射線訊號352能到達二維X射線偵測器106的頂端從而被二維X射線偵測器106收集的前提下，樣品表面230上的X射線反射點261與二維X射線偵測器106的表面107在x軸上之間的最大距離W′。二維X射線偵測器106的頂端與樣品表面230之間在z軸上的距離是等於H＋ 。
請參照第3F圖。式子“(H- ) · cot (θ + Δθ)”為反射的X射線訊號352能到達二維X射線偵測器106的底端從而被二維X射線偵測器106收集的前提下，樣品表面230上的X射線反射點261與二維X射線偵測器106的表面107在x軸上之間的最小距離W′。二維X射線偵測器106的底端與樣品表面230之間在z軸上的距離是等於H- 。
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。
102:X射線源 104:X射線反射器 106:二維X射線偵測器 107:二維X射線偵測器表面 108:二軸移動裝置 112:x軸移動裝置 114:z軸移動裝置 116:轉動裝置 230:樣品表面 232:樣品 350:X射線 352:X射線訊號 H,L,W:距離 x:x軸 y:y軸 z:z軸 θ,θ+Δθ:入射角度
第1圖繪示根據一實施例之用以量測平整基板上的三維奈米結構的X射線反射儀設備及方法。 第2A圖與第2B圖繪示根據另一實施例之用以量測平整基板上的三維奈米結構的X射線反射儀設備及方法。 第3A圖至第3F圖繪示根據又另一實施例之用以量測平整基板上的三維奈米結構的X射線反射儀設備及方法。
102:X射線源
104:X射線反射器
106:二維X射線偵測器
107:二維X射線偵測器表面
108:二軸移動裝置
112:x軸移動裝置
114:z軸移動裝置
116:轉動裝置
230:樣品表面
232:樣品
350:X射線
352:X射線之反射訊號
H,L,W:距離
x:x軸
y:y軸
z:z軸
θ:入射角度

Claims (28)

  1. 一種用以量測平整基板上的三維奈米結構的X射線反射儀設備，包括： 一X射線源，用以發射X射線； 一X射線反射器，配置以反射該X射線至一樣品表面上； 一二維X射線偵測器，配置以收集來自該樣品表面的反射的X射線訊號；以及 一二軸移動裝置，配置以與該X射線相對於該樣品表面的入射角度有關的一式子控制該二維X射線偵測器的二軸方向來移動在x軸和z軸的至少其中之一上以收集該反射的X射線訊號。
  2. 如請求項1所述的X射線反射儀設備，其中該二軸移動裝置包括一x軸移動裝置及一z軸移動裝置，其中該x軸移動裝置配置以控制該二維X射線偵測器沿該x軸移動，該z軸移動裝置配置以控制該二維X射線偵測器沿該z軸移動。
  3. 如請求項1所述的X射線反射儀設備，更包括一轉動裝置，配置以在y軸上及z軸上轉動該二維X射線偵測器。
  4. 如請求項1所述的X射線反射儀設備，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度是設定為從θ′至θ′ + Δθ的範圍時，該二軸移動裝置以式子：W ＜ 來控制該二維X射線偵測器沿該x軸移動，其中W為該樣品表面上的一X射線反射點與該二維X射線偵測器的一表面在該x軸上的距離，L為該二維X射線偵測器在該z軸上的尺寸。
  5. 如請求項1所述的X射線反射儀設備，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度是設定為從θ′至θ′ + Δθ的範圍時，該二軸移動裝置以式子：H = W · tanθ′ + 來控制該二維X射線偵測器沿該z軸移動，其中W為該樣品表面上的一X射線反射點與該二維X射線偵測器的一表面在該x軸上的距離，H為該樣品表面與該二維X射線偵測器的中心在該z軸上的距離，L為該二維X射線偵測器在該z軸上的尺寸。
  6. 如請求項1所述的X射線反射儀設備，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度是設定為從θ′至θ′ + Δθ的範圍時，該二軸移動裝置以式子：W ＜ 來控制該二維X射線偵測器沿該x軸移動，並同時以式子：H = W · tanθ′ + 來控制該二維X射線偵測器沿該z軸移動，其中W為該樣品表面上的一X射線反射點與該二維X射線偵測器的一表面在該x軸上的距離，L為該二維X射線偵測器在該z軸上的尺寸，H為該樣品表面與該二維X射線偵測器的中心在該z軸上的距離。
  7. 如請求項1所述的X射線反射儀設備，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度為θ時，該二軸移動裝置以式子：H = W · tanθ來控制該二維X射線偵測器沿該z軸移動，其中W為該樣品表面上的一X射線反射點與該二維X射線偵測器的一表面在該x軸上的距離，H為該樣品表面與該二維X射線偵測器的中心在該z軸上的距離。
  8. 如請求項7所述的X射線反射儀設備，其中該二維X射線偵測器在該z軸上的移動偏差是在± 以內，其中L為該二維X射線偵測器在該z軸上的尺寸。
  9. 如請求項7所述的X射線反射儀設備，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度從θ改變至θ+Δθ時，該二軸移動裝置以式子：ΔH = W · tan(θ + Δθ) – W · tanθ控制該二維X射線偵測器在該z軸上移動距離ΔH。
  10. 如請求項9所述的X射線反射儀設備，其中該二維X射線偵測器在該z軸上的移動偏差是在± 以內，其中L為該二維X射線偵測器在該z軸上的尺寸。
  11. 如請求項1所述的X射線反射儀設備，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度為θ時，該二軸移動裝置以式子：W = H · cotθ來控制該二維X射線偵測器沿該x軸移動，其中W為該樣品表面上的一X射線反射點與該二維X射線偵測器的一表面在該x軸上的距離，H為該樣品表面與該二維X射線偵測器的中心在該z軸上的距離。
  12. 如請求項11所述的X射線反射儀設備，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度從θ改變至θ+Δθ時，該二軸移動裝置以式子：W = H · cot (θ + Δθ)控制該二維X射線偵測器移動在該x軸上。
  13. 如請求項1所述的X射線反射儀設備，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度為θ時，該二軸移動裝置以式子：W = H · cotθ來控制該二維X射線偵測器沿該x軸移動，該二軸移動裝置控制該二維X射線偵測器沿該x軸移動範圍從(H - ) · cot θ至(H + ) · cot θ以內的距離，其中L為該二維X射線偵測器在該z軸上的尺寸，H為該樣品表面與該二維X射線偵測器的中心在該z軸上的距離，(H + ) · cot θ為該反射的X射線訊號能達到該二維X射線偵測器的該樣品表面上的一X射線反射點與該二維X射線偵測器的一表面之間的沿該x軸的最大距離，(H - ) · cot θ為該反射的X射線訊號能達到該二維X射線偵測器的該樣品表面上的該X射線反射點與該二維X射線偵測器的該表面之間的沿該x軸的最小距離。
  14. 如請求項13所述的X射線反射儀設備，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度從θ改變至θ+Δθ時，該二軸移動裝置控制該二維X射線偵測器在該x軸上移動從(H - ) · cot (θ + Δθ)至(H + ) · cot (θ + Δθ)範圍以內的距離，其中(H + ) · cot (θ + Δθ)為該反射的X射線訊號能達到該二維X射線偵測器的該樣品表面上的一X射線反射點與該二維X射線偵測器的一表面之間的沿該x軸的最大距離，(H - ) · cot (θ + Δθ)為該反射的X射線訊號能達到該二維X射線偵測器的該樣品表面上的該X射線反射點與該二維X射線偵測器的該表面之間的沿該x軸的最小距離。
  15. 一種用以量測平整基板上的三維奈米結構的方法，包括： 藉由一X射線源發射X射線； 藉由一X射線反射器將該X射線反射至一樣品表面上； 藉由一二維X射線偵測器收集來自該樣品表面的反射的X射線訊號；以及 藉由一二軸移動裝置以與該X射線相對於該樣品表面的入射角度有關的一式子控制該二維X射線偵測器的二軸方向移動在x軸和z軸的至少其中之一上以收集該反射的X射線訊號。
  16. 如請求項15所述的方法，其中該二軸移動裝置包括一x軸移動裝置以及一z軸移動裝置，其中該x軸移動裝置是配置以控制該二維X射線偵測器沿該x軸移動，該z軸移動裝置是配置以控制該二維X射線偵測器沿該z軸移動。
  17. 如請求項15所述的方法，更包括藉由一轉動裝置在y軸上及z軸上轉動該二維X射線偵測器。
  18. 如請求項15所述的方法，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度是設定為從θ′至θ′ + Δθ的範圍時，該二軸移動裝置以式子：W ＜ 來控制該二維X射線偵測器沿該x軸移動，其中W為該樣品表面上的一X射線反射點與該二維X射線偵測器的一表面在該x軸上的距離，L為該二維X射線偵測器在該z軸上的尺寸。
  19. 如請求項15所述的方法，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度是設定為從θ′至θ′ + Δθ的範圍時，該二軸移動裝置以式子：H = W · tanθ′ + 來控制該二維X射線偵測器沿該z軸移動，其中W為該樣品表面上的一X射線反射點與該二維X射線偵測器的一表面在該x軸上的距離，H為該樣品表面與該二維X射線偵測器的中心在該z軸上的距離，L為該二維X射線偵測器在該z軸上的尺寸。
  20. 如請求項15所述的方法，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度是設定為從θ′至θ′ + Δθ的範圍時，該二軸移動裝置以式子：W ＜ 來控制該二維X射線偵測器沿該x軸移動，並同時以式子：H = W · tanθ′ + 來控制該二維X射線偵測器沿該z軸移動，其中W為該樣品表面上的一X射線反射點與該二維X射線偵測器的一表面在該x軸上的距離，L為該二維X射線偵測器在該z軸上的尺寸，H為該樣品表面與該二維X射線偵測器的中心在該z軸上的距離。
  21. 如請求項15所述的方法，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度為θ時，該二軸移動裝置以式子：H = W · tanθ來控制該二維X射線偵測器沿該z軸移動，其中W為該樣品表面上的一X射線反射點與該二維X射線偵測器的一表面在該x軸上的距離，H為該樣品表面與該二維X射線偵測器的中心在該z軸上的距離。
  22. 如請求項21所述的方法，其中該二維X射線偵測器在該z軸上的移動偏差是在± 以內，其中L為該二維X射線偵測器在該z軸上的尺寸。
  23. 如請求項21所述的方法，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度從θ改變至θ+Δθ時，該二軸移動裝置以式子：ΔH = W · tan(θ + Δθ) – W · tanθ控制該二維X射線偵測器在該z軸上移動距離ΔH。
  24. 如請求項23所述的方法，其中該二維X射線偵測器在該z軸上的移動偏差是在± 以內，其中L為該二維X射線偵測器在該z軸上的尺寸。
  25. 如請求項15所述的方法，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度為θ時，該二軸移動裝置以式子：W=H·cotθ來控制該二維X射線偵測器沿該x軸移動，其中W為該樣品表面上的一X射線反射點與該二維X射線偵測器的一表面在該x軸上的距離，H為該樣品表面與該二維X射線偵測器的中心在該z軸上的距離。
  26. 如請求項25所述的方法，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度從θ改變至θ+Δθ時，該二軸移動裝置以式子：W = H · cot (θ + Δθ)控制該二維X射線偵測器移動在該x軸上。
  27. 如請求項15所述的方法，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度設定為θ時，該二軸移動裝置控制該二維X射線偵測器沿該x軸移動範圍從(H - ) · cot θ至(H + ) · cot θ以內的距離，其中L為該二維X射線偵測器在該z軸上的尺寸，H為該樣品表面與該二維X射線偵測器的中心在該z軸上的距離，(H + ) · cot θ為該反射的X射線訊號能達到該二維X射線偵測器的該樣品表面上的一X射線反射點與該二維X射線偵測器的一表面之間的沿該x軸的最大距離，(H - ) · cot θ為該反射的X射線訊號能達到該二維X射線偵測器的該樣品表面上的該X射線反射點與該二維X射線偵測器的該表面之間的沿該x軸的最小距離。
  28. 如請求項27所述的方法，其中當該X射線相對於該樣品表面的該入射角度從θ改變至θ+Δθ時，該二軸移動裝置控制該二維X射線偵測器在該x軸上移動範圍從(H - ) · cot (θ + Δθ)至(H + ) · cot (θ + Δθ)以內的距離，其中(H + ) · cot (θ + Δθ)為該反射的X射線訊號能達到該二維X射線偵測器的該樣品表面上的一X射線反射點與該二維X射線偵測器的一表面之間的沿該x軸的最大距離，(H - ) · cot (θ + Δθ)為該反射的X射線訊號能達到該二維X射線偵測器的該樣品表面上的該X射線反射點與該二維X射線偵測器的該表面之間的沿該x軸的最小距離。
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