用于具有高空间分辨率的x射线束的特性化的方法及系统
阅读说明：本技术 用于具有高空间分辨率的x射线束的特性化的方法及系统 (Method and system for characterization of an X-ray beam with high spatial resolution ) 是由 A·毕卡诺维 N·亚提湄夫 J·A·迪雷戈洛 A·吉里纽 A·库兹涅佐夫 A·韦尔德曼 于 2018-05-10 设计创作，主要内容包括：本文中描述用于在透射小角度X射线散射测量T-SAXS计量系统中定位样品及特性化入射到所述样品上的x射线束的方法及系统。样品定位系统垂直地定位晶片且使所述晶片在六个自由度中相对于所述x射线照明束主动地定位而不衰减透射辐射。在一些实施例中,在测量透射通量的经检测强度时跨所述照明束扫描圆柱形遮挡元件以精确定位射束中心。在一些其它实施例中,采用周期性校准目标以精确定位所述射束中心。所述周期性校准目标包含具有将X射线照明光衍射成相异、可测量衍射图案的不同周期性结构的一或多个空间界定区。(Methods and systems for locating a sample and characterizing an X-ray beam incident on the sample in a transmission small angle X-ray scatterometry T-SAXS metrology system are described herein. A sample positioning system positions a wafer vertically and actively positions the wafer in six degrees of freedom relative to the x-ray illumination beam without attenuating transmitted radiation. In some embodiments, a cylindrical shading element is scanned across the illumination beam to pinpoint a beam center when measuring the detected intensity of the transmitted flux. In some other embodiments, a periodic calibration target is employed to precisely locate the beam center. The periodic calibration target includes one or more spatially defined regions having different periodic structures that diffract X-ray illumination light into distinct, measurable diffraction patterns.)
相关申请案的交叉参考
本专利申请案根据35U.S.C.§119规定主张在2017年5月11日申请的序列号为62/505,014的美国临时专利申请案的优先权，所述案的标的物以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
所描述实施例涉及x射线计量系统及方法，且更特定来说，涉及用于改进测量精确度的方法及系统。
背景技术
通常通过应用到样品的一系列处理步骤制造半导体装置(例如逻辑及存储器装置)。通过这些处理步骤形成半导体装置的各种特征及多个结构层级。例如，光刻尤其是涉及在半导体晶片上产生图案的一个半导体制工艺。半导体制造工艺的额外实例包含(但不限于)化学机械抛光、蚀刻、沉积及离子植入。多个半导体装置可制造在单个半导体晶片上且接着分离成个别半导体装置。
在半导体制造过程期间的各个步骤使用计量过程来检测晶片上的缺陷以促进更高良率。通常使用数种基于计量的技术(包含散射测量与反射测量实施方案以及相关联的分析算法)来特性化纳米级结构的临界尺寸、膜厚度、组合物及其它参数。
传统上，对由薄膜及/或重复周期性结构组成的目标执行散射测量临界尺寸测量。在装置制造期间，这些膜及周期性结构通常表示实际装置几何形状及材料结构或中间设计。随着装置(例如，逻辑及存储器装置)迈向较小纳米级尺寸，特性化变得更加困难。并入复杂三维几何形状及具有多种物理性质的材料的装置造成特性化困难。例如，现代存储器结构通常是使光学辐射难以穿透到底层的高纵横比的三维结构。利用红外光到可见光的光学计量工具可穿透许多半透明材料层，但提供良好穿透深度的较长波长不提供对小异常的足够敏感度。另外，特性化复杂结构(例如，FinFET)所需的参数数目增大导致参数相关性增大。因此，特性化目标的参数通常无法可靠地脱离可用测量。
在一个实例中，已尝试采用较长波长(例如，近红外)来克服利用多晶硅作为堆叠中的交替材料中的一者的3D FLASH装置的穿透问题。然而，随着照明更深地传播到膜堆叠中，3D FLASH的镜状结构本质上导致光强度减小。此导致深度下的敏感度损失及相关性问题。在此案例中，SCD仅能够成功提取具有高敏感度及低相关性的精简组的计量尺寸。
在另一实例中，在现代半导体结构中越来越多地采用不透明高k材料。光学辐射通常无法穿透由这些材料构造的层。因此，使用例如椭圆偏光仪或反射计的薄膜散射测量工具进行的测量变得越来越具挑战性。
响应于这些挑战，已开发更复杂光学计量工具。例如，已开发具有多个照明角度、较短照明波长、较宽照明波长范围及从反射信号的更完整信息获取的工具(例如，除较常规反射率或椭偏测量信号以外还测量多个穆勒(Mueller)矩阵元素)。然而，这些途径未可靠地克服与许多先进目标(例如，复杂3D结构、小于10nm的结构、采用不透明材料的结构)的测量及测量应用(例如，线边缘粗糙度及线宽粗糙度测量)相关联的根本挑战。
原子力显微镜(AFM)及扫描穿隧显微镜(STM)能够实现原子分辨率，但其仅可探测样品的表面。另外，AFM及STM显微镜需要长扫描时间。扫描电子显微镜(SEM)实现中间分辨率水平，但无法穿透结构到足够深度。因此，未良好地特性化高高宽比的孔。另外，样品所需的充电对成像性能具有不利影响。X射线反射计还遭受当测量高高宽比结构时限制其有效性的穿透问题。
为了克服穿透深度问题，结合破坏性样本制备技术(例如聚焦离子束(FIB)加工、离子铣削、毯覆式或选择性蚀刻等)采用传统成像技术(例如TEM、SEM等)。例如，透射电子显微镜(TEM)实现高分辨率水平且能够探测任意深度，但TEM技术需要样品的破坏性分段。材料移除及测量的若干反复通常提供遍及三维结构测量的关键计量参数所需的信息。然而，这些技术需要样本破坏及冗长过程时间。完成这些类型的测量的复杂性及时间归因于蚀刻及计量步骤的漂移而引入大不精确度。另外，这些技术需要引入配准误差的数个反复。
采用硬X射线能级(>15keV)的光子的透射小角度X射线散射测量(T-SAXS)系统已展示出有希望解决挑战性测量应用。在下列各案中描述将SAXS技术应用到临界尺寸(CD-SAXS)及叠加(OVL-SAXS)的测量的各种方面：1)庄(Zhuang)及菲尔登(Fielden)的标题为“高亮度X射线计量(High-brightness X-ray metrology)”的第7,929,667号美国专利；2)裴克曼(Bakeman)、谢德(Shchegrov)、赵(Zhao)及谭(Tan)的标题为“用于组合X射线及光学计量的模型建构及分析引擎(Model Building And Analysis Engine For Combined X-Ray And Optical Metrology)”的第2014/0019097号美国专利公开案；3)维德曼(Veldman)、裴克曼(Bakeman)、谢德(Shchegrov)及弥赫(Mieher)的标题为“用于使用X射线计量测量半导体装置叠加的方法及设备(Methods and Apparatus For MeasuringSemiconductor Device Overlay Using X-Ray Metrology)”的第2015/0117610号美国专利公开案；4)亨奇(Hench)、谢德(Shchegrov)及裴克曼(Bakeman)的标题为“基于X射线的计量的测量系统优化(Measurement System Optimization For X-Ray Based Metrology)”的第2016/0202193号美国专利公开案；5)得兹(Dziura)、盖琳(Gellineau)及谢德(Shchegrov)的标题为“高高宽比结构的X射线计量(X-ray Metrology For High AspectRatio Structures)”的第2017/0167862号美国专利公开案；及6)盖琳(Gellineau)、得兹(Dziura)、亨奇(Hench)、维德曼(Veldman)及扎列(Zalubovsky)的标题为“X射线散射测量系统的全束计量(Full Beam Metrology for X-Ray Scatterometry Systems)”的第2018/0106735号美国专利公开案。前述专利文献让渡给(美国)加利福尼亚州，米尔皮塔斯市(Milpitas)的科磊公司(KLA-Tencor Corporation)。
SAXS还已应用到材料的特性化及其它非半导体相关应用。示范性系统已由若干公司商业化，包含Xenocs SAS(www.xenocs.com)、布鲁克公司(Bruker Corporation)(www.bruker.com)及理学公司(Rigaku Corporation)(www.rigaku.com/en)。
在科学文献中还描述对半导体结构的CD-SAXS计量的研究。大多数研究团队已采用归因于其巨大的大小、成本等而不适合用于半导体制造设施中的高亮度X射线同步加速器源。在勒迈尔(Lemaillet)、杰默(Germer)、克莱恩(Kline)等人的标题为“FinFET结构的光学与x射线散射测量测量之间的相互比较(Intercomparison between optical and x-ray scatterometry measurements of FinFET structures)”的文章，《国际光学工程学会学报(Proc.SPIE)》，第8681卷，第86810Q页(2013)中描述此系统的一个实例。最近，美国国家标准与技术研究院(NIST)的团队已开始采用类似于第7,929,667号美国专利中描述的紧致且亮X射线源的研究。在标题为“使用下一代半导体装置的紧凑x射线源的x射线散射临界尺寸计量(X-ray scattering critical dimensional metrology using a compact x-ray source for next generation semiconductor devices)”的文章，《微/纳米光刻杂志(J.Micro/Nanolith.)》MEMS MOEMS 16(1),014001(2017年1月到3月)中描述此研究。
必须使用计量系统校准及对准X射线束与目标的相互作用以确保有效测量。示范性特性化包含：将X射线束的峰值强度精确地定位于目标上；测量X射线束强度分布；识别X射线束的边界，使得特定百分比的束通量位于边界外部。示范性对准包含X射线束与光学视觉系统的对准、X射线束与工具的特定机械特征(例如，晶片旋转轴等)的对准等。
一般来说，基于通过光学显微镜对遍及晶片安置的对准标记的光学测量而在X射线束的路径中导航所述晶片。为了确保相对于X射线束精确地导航特定目标，需要在测量标记所采用的光学显微镜的坐标中测量射束轮廓。
在一些实例中，光学显微镜与刀口对准且刀口与X射线束对准。具有传统刀口的X射线束的特性化归因于通过刀口的边缘附近的X射线辐射照明的刀材料的半透明度而是复杂的。例如，钨在通过具有20keV的能级的光子照明时具有约8.4微米的射束衰减长度。在此长度，透射率下降到～1/e(e＝2.718)。对于以30度的角度塑形的刀口，对应于8.4微米的高度的楔形的长度是约14.5微米。在X射线束扫描期间对刀口位置的不确定性的此简单估计说明当所需对准精确度小于几微米(例如，小于10微米)时，刀口的半透明度是有限的。
在一些其它实例中，通过定位于相对于X射线束的某点(例如，聚焦光学器件的焦点)处的高分辨率X射线相机特性化X射线束轮廓。在这些实例中，使用高分辨率X射线相机测量射束轮廓，且将射束的经测量坐标传送到在X射线束的路径中导航晶片所采用的光学显微镜。不幸地，与将来自X射线相机的经测量坐标传送到光学显微镜相关联的误差是显著的且超过所需导航精确度。
此外，通过X射线相机或刀口对X射线束的特性化本质上是间接的且不提供关于入射于目标上的光子通量以及相邻区的光子污染的定量数据。
未来计量应用归因于越来越小的分辨率要求、多参数相关性、越来越复杂的几何结构(包含高高宽比结构)及不透明材料的越来越多的使用而存在计量挑战。X射线工具对准及目标导航的现存方法限于约10微米到20微米的精确度。这些方法无法凭借半导体计量应用的足够精确度定位及测量X射线束中的具有小大小(～50微米)的计量目标。因此，期望用于SAXS系统中的X射线束的改进对准及校准的方法及系统以满足先进制造节点的放置要求。
发明内容
本文中描述用于在透射小角度X射线散射测量(T-SAXS)计量系统中定位样品及特性化入射到所述样品上的x射线束的方法及系统。半导体制造环境中的实际T-SAXS测量需要在相对于具有小射束点大小(例如，跨有效照明点小于50微米)的样品(例如，半导体晶片)的表面的大入射角及方位角范围内的测量。需要所述晶片的准确定位及所述射束大小及形状的特性化以实现小测量盒大小。另外，本文中呈现在入射角及方位角的全范围内将照明束准确地定位于半导体晶片的表面上的所要目标区域上的校准。
在一个方面中，计量工具包含样品定位系统，其经配置以垂直地定位晶片(即，晶片表面的平面与重力向量大致对准)且使所述晶片在六个自由度中相对于照明束主动地定位。所述样品定位系统在边缘处支撑所述晶片，从而允许所述照明束在所述晶片的主动区域内的任何位置处透射穿过所述晶片而无需重新安装。通过在晶片边缘处垂直地支撑所述晶片，有效缓和所述晶片的重力诱导凹陷。
在另一方面中，平衡器静态地平衡所述样品定位系统的旋转质量，使得所述旋转质量的重心与其旋转轴大致对准。
在一些实施例中，三个传感器经安置于所述样品定位系统上以测量所述晶片的背侧相对于所述样品定位系统的距离。以此方式，通过使用翻转-倾斜(tip-tilt)-Z载物台移动所述晶片而测量及补偿晶片翘曲。
在另一方面中，SAXS计量系统采用至少一个射束遮挡校准目标以相对于样品定位系统定位x射线照明束。所述射束遮挡校准目标包含至少一个标记及圆柱形遮挡元件。采用对准相机以将所述标记定位于所述样品定位系统的坐标中。所述标记相对于所述圆柱形遮挡元件的位置是预先已知的(例如，具有小于200纳米的精确度)。因此，通过直接坐标变换容易地确定所述圆柱形遮挡元件在所述样品定位系统的坐标中的位置。在测量透射通量的经检测强度时跨照明束扫描所述圆柱形遮挡元件。所述照明束的中心基于所述经测量强度而相对于所述圆柱形遮挡元件精确地定位。由于所述圆柱形遮挡元件在所述样品定位系统的坐标中的位置是已知的，所以通过简单坐标变换精确地定位照明束的中心在所述样品定位系统的坐标中的位置。
在一些实例中，采用射束遮挡校准目标以校准所述照明束相对于所述样品定位系统的入射位置。在一些其它实例中，采用射束遮挡校准目标以在照明束与晶片的入射点处使载物台参考框架的旋转轴相对于所述照明束对准。
在另一方面中，SAXS计量系统采用至少一个周期性校准目标以相对于所述样品定位系统定位x射线照明束。每一周期性校准目标包含具有将X射线照明光衍射成可通过本文中描述的SAXS计量系统测量的相异衍射图案的不同周期性结构的一或多个空间界定区。另外，每一周期性校准目标包含一或多个标记，其可通过光学显微镜读取以凭借高对准精确度(例如，0.5微米或更小的对准精确度)相对于所述样品定位系统定位所述周期性校准目标。每一空间界定区具有空间良好界定的边界线。所述边界线相对于所述标记的位置已知具有一或多个维度中的高精确度(例如，0.2微米或更小的精确度)。
在另一方面中，基于照明束与如通过x射线检测器测量的两个或两个以上射束遮挡校准目标的相互作用确定旋转轴与晶片的表面的平面中的照明束的精确对准。
在另一方面中，基于通过安装到横向对准载物台的对准相机收集的标记的图像确定所述旋转轴与所述晶片的所述表面的所述平面中的校准目标的标记的精确对准。
在另一方面中，使用所述对准相机、光学近接传感器、电容式近接传感器、基于干涉测量的传感器或任何其它适合近接传感器中的任一者映射所述晶片的所述表面在Z方向上的形状。在一些实例中，所述晶片表面经映射于所述晶片的前侧(即，图案化侧)上。在一些其它实例中，如果所述晶片的厚度足够均匀、经良好建模或原位测量或预先测量，那么所述晶片表面经映射于所述晶片的背侧(即，未图案化侧)上。
前文是发明内容且因此必需含有细节的简化、一般化及省略；因此，所属领域的技术人员将了解发明内容仅是说明性的且绝不限制。本文中所述的装置及/或过程的其它方面、发明特征及优点将在本文中所陈述的非限制性详细描述中变得显而易见。
附图说明
图1是说明经配置以根据本文中描述的方法执行各种系统参数的校准的计量系统100的图式。
图2描绘一个配置中的射束塑形狭缝机构120的端视图。
图3描绘另一配置中的射束塑形狭缝机构120的端视图。
图4描绘以由角度φ及θ描述的特定定向入射于晶片101上的x射线照明束116。
图5是说明样品定位系统140的图式，其中晶片载物台移动到照明束116入射于晶片101上的位置。
图6是说明具有额外细节的样品定位系统140的图式。
图7描绘一个实施例中的射束遮挡校准目标190。
图8A描绘如图5中描绘的入射于晶片101上的照明束116的俯视图，其中旋转轴153在照明束116与晶片101的入射点处与照明束116相交。
图8B描绘如图5中描绘的入射于晶片101上的照明束116的俯视图，其中旋转轴153在Z方向上与晶片101的表面错位。
图8C描绘如图5中描绘的入射于晶片101上的照明束116的俯视图，其中旋转轴153在X方向上从照明束116偏移。
图9是说明样品定位系统140的图式，其中晶片载物台移动到照明束116被圆柱形销元件151遮挡的位置。
图10描绘说明依据圆柱形销相对于照明束116的相配准置而变化的经测量通量的曲线图170。
图11描绘包含定位于晶片101上的周期性校准目标171的样品定位系统140的另一说明。
图12描绘周期性校准目标210的实施例。
图13描绘周期性校准目标220的实施例。
图14描绘周期性校准目标230的实施例。
图15描绘周期性校准目标240的实施例。
图16描绘周期性校准目标250的实施例。
图17描绘周期性校准目标260的实施例。
图18描绘周期性校准目标270的实施例。
图19A到19B描绘一组周期性校准目标290及295，其各自适合于在一个方向上相对于周期性校准目标定位照明束。
图20描绘包含标记288及289以及布置成六边形图案的七个不同周期性区281到287的周期性校准目标280。
图21是说明与样品101分离的真空环境中所含有的计量系统100的元件的图式。
图22是说明经配置以根据本文中描述的方法基于T-SAXS数据解析样品参数值的模型建构及分析引擎180的图式。
图23描绘说明基于如本文中描述的以多个入射角及方位角的T-SAXS测量校准入射角偏移值的示范性方法300的流程图。
具体实施方式
现将详细参考本发明的背景实例及一些实施例，其实例在附图中加以说明。
本文中描述用于在透射小角度X射线散射测量(T-SAXS)计量系统中定位样品及特性化入射到所述样品上的x射线束的方法及系统。半导体制造环境中的实际T-SAXS测量需要在相对于具有小射束点大小(例如，跨有效照明点小于50微米)的样品(例如，半导体晶片)的表面的大入射角及方位角范围内的测量。需要晶片的准确定位及射束大小及形状的特性化以实现小测量盒大小。另外，本文中呈现在入射角及方位角的全范围内将照明束准确地定位于半导体晶片的表面上的所要目标区域上的校准。
本文中呈现六个自由度的样品定位系统。另外，本文中描述的专用校准目标实现x射线束轮廓的高精确度特性化及X射线束相对于校准目标的高精确度对准。此实现测量小盒大小计量目标(例如，定位于具有100微米或更小尺寸的划线道中的计量目标)所需的晶片的精确导航。
图1说明在至少一个新颖方面中用于测量样品的特性的T-SAXS计量工具100的实施例。如图1中展示，系统100可用于在通过照明光束点照明的样品101的检验区域102上方执行T-SAXS测量。
在所描绘实施例中，计量工具100包含x射线照明子系统125，x射线照明子系统125包含x射线照明源110、聚焦光学器件111、射束发散控制狭缝112、中间狭缝113及射束塑形狭缝机构120。x射线照明源110经配置以产生适合于T-SAXS测量的x射线辐射。在一些实施例中，x射线照明源110经配置以产生介于0.01纳米与1纳米之间的波长。一般来说，可设想能够按足以实现高处理量、线内计量的通量级产生高亮度x射线的任何适合高亮度x射线照明源以供应用于T-SAXS测量的x射线照明。在一些实施例中，x射线源包含使x射线源能够以不同可选择波长递送x射线辐射的可调谐单色器。
在一些实施例中，采用发射具有大于15keV的光子能量的辐射的一或多个x射线源以确保x射线源以允许穿过整个装置以及晶片衬底的充分透射的波长供应光。通过非限制性实例，粒子加速器源、液体阳极源、旋转阳极源、固定固体阳极源、微聚焦源、微聚焦旋转阳极源、基于等离子的源及逆康普顿(Compton)源中的任何者可用作x射线照明源110。在一个实例中，可设想可购自(美国)加利福尼亚州，帕洛阿尔托市(Palo Alto)的Lyncean技术有限公司的逆康普顿源。逆康普顿源具有能够在光子能量的范围内产生x射线，借此使x射线源能够以不同可选择波长递送x射线辐射的额外优点。
示范性x射线源包含经配置以轰击固体或液体目标以刺激x射线辐射的电子束源。在2011年4月19日颁予科磊公司(KLA-Tencor Corporation)的第7,929,667号美国专利中描述用于产生高亮度、液体金属x射线照明的方法及系统，所述专利的全文以引用的方式并入本文中。
X射线照明源110在具有有限横向尺寸(即，与射束轴正交的非零尺寸)的源区域上方产生x射线发射。聚焦光学器件111将源辐射聚焦到定位于样品101上的计量目标上。有限横向源尺寸导致在目标上通过来自源的边缘的射线117界定的有限点大小102。在一些实施例中，聚焦光学器件111包含椭圆形聚焦光学元件。
射束发散控制狭缝112在射束路径中经定位于聚焦光学器件111与射束塑形狭缝机构120之间。射束发散控制狭缝112限制提供到待测量样品的照明的发散。额外中间狭缝113在射束路径中经定位于射束发散控制狭缝112与射束塑形狭缝机构120之间。中间狭缝113提供额外射束塑形。然而，一般来说，中间狭缝113是任选的。
射束塑形狭缝机构120经定位于紧接在样品101之前的射束路径中。在一个方面中，射束塑形狭缝机构120的狭缝经定位以紧密接近于样品101以最小化归因于射束发散的通过有限源大小界定的入射束点大小的扩大。在一个实例中，针对10微米x射线源大小及射束塑形狭缝与样品101之间的25毫米的距离，归因于阴影的由有限源大小产生的射束点大小的扩展是近似1微米。
在一些实施例中，射束塑形狭缝机构120包含多个独立致动的射束塑形狭缝。在一个实施例中，射束塑形狭缝机构120包含四个独立致动的射束塑形狭缝。此四个射束塑形狭缝有效地阻挡传入射束115的一部分且产生具有盒状照明横截面的照明束116。
图2及3以两个不同配置描绘在图1中描绘的射束塑形狭缝机构120的端视图。如图2及3中说明，射束轴垂直于图式页。如图2中描绘，传入射束115具有大横截面。在一些实施例中，传入射束115具有近似1毫米的直径。此外，传入射束115在射束塑形狭缝126到129内的位置可归因于射束指向误差而具有近似3毫米的不确定性。为了适应传入射束的大小及射束位置的不确定性，每一狭缝具有近似6毫米的长度L。如图2中描绘，每一狭缝可在垂直于射束轴的方向上移动。在图2的说明中，狭缝126到129定位于距射束轴的最大距离处(即，狭缝完全敞开且其不限制光穿过射束塑形狭缝机构120)。
图3描绘在阻挡传入射束115的一部分使得经递送到待测量样品的传出射束116具有减小的大小及良好界定的形状的位置中的射束塑形狭缝机构120的狭缝126到129。如图3中描绘，狭缝126到129中的每一者已朝向射束轴向内移动以实现所要输出射束形状。
狭缝126到129由最小化散射且有效地阻挡入射辐射的材料构造。示范性材料包含单晶体材料，例如锗、砷化镓、磷化铟等。通常，沿着结晶方向***而非锯切狭缝材料以最小化跨结构边界的散射。另外，狭缝相对于传入射束定向使得传入辐射与狭缝材料的内部结构之间的相互作用产生最小量的散射。晶体附接到由高密度材料(例如，钨)制成的每一狭缝固持器以用于完全阻挡狭缝的一个侧上的x射线束。在一些实施例中，每一狭缝具有具备近似0.5毫米的宽度及近似1到2毫米的高度的矩形横截面。如图2中描绘，狭缝的长度L是近似6毫米。
一般来说，x射线光学器件塑形x射线辐射且将x射线辐射引导到样品101。在一些实例中，x射线光学器件包含x射线单色器以使入射于样品101上的x射线束单色化。在一些实例中，x射线光学器件使用多层x射线光学器件将x射线束准直或聚焦到样品101的测量区域102上到小于1毫弧度发散。在这些实例中，多层x射线光学器件还用作射束单色器。在一些实施例中，x射线光学器件包含一或多个x射线准直镜、x射线孔径、x射线束光阑、折射x射线光学器件、衍射光学器件(例如波带片)、蒙特尔(Montel)光学器件、镜面x射线光学器件(例如掠入射椭球面镜)、多毛细管光学器件(例如中空毛细管x射线波导)、多层光学器件或系统或其任何组合。在第2015/0110249号美国专利公开案中描述另外细节，所述案的内容以全文引用的方式并入本文中。
X射线检测器119收集从样品101散射的x射线辐射114且根据T-SAXS测量模态产生指示对入射x射线辐射敏感的样品101的性质的输出信号135。在一些实施例中，由x射线检测器119收集经散射x射线114，同时样品定位系统140定位且定向样品101以产生角度分辨的经散射x射线。
在一些实施例中，T-SAXS系统包含具有高动态范围(例如，大于105)的一或多个光子计数检测器。在一些实施例中，单光子计数检测器检测所检测光子的位置及数目。
在一些实施例中，x射线检测器分辨一或多个x射线光子能且针对每一x射线能量分量产生指示样品的性质的信号。在一些实施例中，x射线检测器119包含CCD阵列、微通道板、光电二极管阵列、微带比例计数器、充气比例计数器、闪烁器或荧光材料的任一者。
以此方式，除像素位置及计数以外，还通过能量辨别检测器内的x射线光子相互作用。在一些实施例中，通过比较X射线光子相互作用的能量与经预先确定上阈值及经预先确定下阈值而辨别X射线光子相互作用。在一个实施例中，经由输出信号135将此信息传达到计算系统130以供进一步处理及存储。
在另一方面中，采用T-SAXS系统以基于散射光的一或多个衍射级确定样品的性质(例如，结构参数值)。如图1中描绘，计量工具100包含经采用以获取由检测器119产生的信号135且至少部分基于所获取信号确定样品性质的计算系统130。
在一些实例中，基于T-SAXS的计量涉及通过使用经测量数据反解经预先确定测量模型而确定样本的尺寸。测量模型包含数个(大约十个)可调整参数且表示样品的几何形状及光学性质以及测量系统的光学性质。反解法包含(但不限于)基于模型的回归、层析成像、机器学习或其任何组合。以此方式，通过对最小化经测量的散射x射线强度与经建模结果之间的误差的参数化测量模型的值求解而估计目标轮廓参数。
可期望以入射角及方位角的大范围执行测量以增加经测量参数值的精确度及准确度。此方法通过扩展可用于分析的数据集的数目及多样性以包含各种大角度、平面外定向来减少参数之间的相关性。举例来说，在垂直定向中，T-SAXS能够分辨特征的临界尺寸，但对于特征的侧壁角及高度在很大程度上不敏感。然而，通过收集在平面外角定向的广范围内的测量数据，可分辨特征的侧壁角及高度。在其它实例中，以入射角及方位角的大范围执行的测量提供充分分辨率及穿透深度以通过其整个深度特性化高高宽比结构。
收集依据相对于晶片表面法线的x射线入射角而变化的衍射辐射的强度的测量。在多个衍射级中含有的信息在所考虑的每一模型参数之间通常是独特的。因此，x射线散射产生具有小误差及减小的参数相关性的对于所关注参数的值的估计结果。
通过半导体晶片101相对于x射线照明束115的任何两个角旋转来描述照明x射线束116相对于晶片101的表面法线的每一定向，或反之亦然。在一个实例中，可关于固定到晶片的坐标系统描述定向。图4描绘以由入射角θ及方位角φ描述的特定定向入射于晶片101上的x射线照明束116。坐标是XYZ经固定到计量系统(例如，照明束116)且坐标系X'Y'Z'经固定到晶片101。Y轴在平面中与晶片101的表面对准。X及Z未与晶片101的表面对准。Z'与垂直于晶片101的表面的轴对准，且X'及Y'在与晶片101的表面对准的平面中。如图4中描绘，x射线照明束116与Z轴对准且因此位于XZ平面内。入射角θ描述x射线照明束116相对于XZ平面中的晶片的表面法线的定向。此外，方位角φ描述XZ平面相对于X'Z'平面的定向。θ及φ一起独有地定义x射线照明束116相对于晶片101的表面的定向。在此实例中，通过围绕垂直于晶片101的表面的轴(即，Z'轴)的旋转及围绕与晶片101的表面对准的轴(即，Y轴)的旋转来描述x射线照明束相对于晶片101的表面的定向。在一些其它实例中，通过围绕与晶片101的表面对准的第一轴及与晶片101的表面对准且垂直于第一轴的另一轴的旋转来描述x射线照明束相对于晶片101的表面的定向。
在一个方面中，计量工具100包含样品定位系统140，样品定位系统140经配置以垂直地定位晶片(即，晶片表面的平面与重力向量大致对准)且使样品101在六个自由度中相对于照明束116主动地定位。另外，样品定位系统101经配置以对准样品101且在相对于照明束116的大入射角(例如，至少70度)及方位角(例如，至少190度)范围内定向样品101。在一些实施例中，样品定位系统140经配置以使样品101在与样品101的表面平面内对准的大旋转角范围(例如，至少70度)内旋转。以此方式，通过计量系统100在样品101的表面上的任何数目个位置及定向内收集样品101的角度分辨测量。在一个实例中，计算系统130将指示样品101的所要位置的命令信号(未展示)传达到样品定位系统140。作为响应，样品定位系统140产生命令信号到样品定位系统140的各种致动器以实现样品101的所要定位。
图5描绘一个实施例中的样品定位系统140。在一个方面中，样品定位系统140在所有六个自由度中提供晶片101相对于照明束116的位置的主动控制，同时相对于重力向量垂直地支撑晶片101(即，重力向量与晶片表面大致在同一平面内)。样品定位系统140在晶片101的边缘处支撑晶片101，从而允许照明束116在晶片101的主动区域的任何部分内透射穿过晶片101而无需重新安装晶片101。通过在晶片101的边缘处垂直地支撑晶片101，有效缓和晶片101的重力诱导凹陷。
如图5中描绘，样品定位系统140包含基底框架141、横向对准载物台142、载物台参考框架143及安装到载物台参考框架143的晶片载物台144。出于参考目的，{XBF,YBF,ZBF}坐标系经附接到基底框架141，{XNF,YNF,ZNF}坐标系经附接到横向对准载物台142，{XRF,YRF,ZRF}坐标系经附接到载物台参考框架143，且{XSF,YSF,ZSF}坐标系经附接到晶片载物台144。通过包含致动器150A到C的翻转-倾斜-Z载物台156将晶片101支撑于晶片载物台144上。安装到翻转-倾斜-Z载物台156的旋转载物台158使晶片101在方位角φ范围内相对于照明束116定向。在所描绘实施例中，三个线性致动器150A到C经安装到晶片载物台144且支撑旋转载物台158，旋转载物台158又支撑晶片101。
致动器145使横向对准载物台142沿着XBF轴相对于基底框架141平移。旋转致动器146使载物台参考框架143围绕与YNF轴对准的旋转轴153相对于横向对准载物台142旋转。旋转致动器146使晶片101在入射角θ范围内相对于照明束116定向。晶片载物台致动器147及148使晶片载物台144分别沿着XRF轴及YRF轴相对于载物台参考框架143平移。
在一个方面中，晶片载物台144是敞开孔径、双轴(XY)线性堆叠载物台。敞开孔径允许测量射束透射穿过整个晶片(例如，300毫米晶片)的任何部分。晶片载物台144经布置使得Y轴载物台在大致平行于旋转轴153的方向上延伸。此外，Y轴载物台在与重力向量大致对准的方向上延伸。
致动器150A到C协调操作以使旋转载物台158及晶片101在ZSF方向上相对于晶片载物台144平移且使旋转载物台158及晶片101围绕与XSF-YSF平面共面的轴相对于晶片载物台144翻转及倾斜。旋转载物台158使晶片101围绕垂直于晶片101的表面的轴旋转。在另一方面中，通过分别包含运动安装元件157A到C的运动安装系统将旋转载物台158的框架耦合到致动器150A到C。在一个实例中，每一运动安装元件157A到C包含附接到对应致动器的球体及附接到旋转载物台158的V形狭槽。每一球体与对应V形狭槽形成两点接触。每一运动安装元件在两个自由度中约束旋转载物台158相对于致动器150A到C的运动，且三个运动安装元件157A到C在六个自由度中共同约束旋转载物台158相对于致动器150A到C的运动。每一运动耦合元件经预负载以确保球体始终保持与对应V形狭槽接触。在一些实施例中，由重力、机械弹簧机构或其组合提供所述预负载。
在又另一方面中，旋转载物台158是敞开孔径、旋转载物台。敞开孔径允许测量射束透射穿过整个晶片(例如，300毫米晶片)的任何部分。旋转载物台158经布置使得其旋转轴大致垂直于旋转轴153。此外，旋转载物台158的旋转轴大致垂直于重力向量。晶片101经由边缘夹持器固定到旋转载物台158以提供具有最小边缘排除的完全晶片覆盖。
总而言之，样品定位系统140能够在六个自由度中主动地控制晶片101相对于照明束116的位置，使得照明束116可入射于晶片101的表面上的任何位置处(即，在XFR及YRF方向上的至少300毫米范围)。旋转致动器146能够使载物台参考框架143相对于照明束116旋转，使得照明束116可以大入射角范围中的任一者(例如，大于两度)入射于晶片101的表面处。在一个实施例中，旋转致动器146经配置以使载物台参考框架143在至少六十度的范围内旋转。安装到晶片载物台144的旋转致动器158能够使晶片101相对于照明束116旋转，使得照明束116可以大方位角范围(例如，至少九十度旋转范围)中的任一者入射于晶片101的表面处。在一些实施例中，方位角范围是至少一百九十度旋转范围。
在一些其它实施例中，移除横向对准载物台142且通过旋转致动器146使载物台参考框架143相对于基底框架141旋转。在这些实施例中，x射线照明系统包含一或多个致动器，其移动x射线照明系统的一或多个光学元件以导致x射线照明束116例如在XBF方向上相对于基底框架141移动。在这些实施例中，例如，载物台参考载物台143的移动(出于如本文中描述的校准目的而被x射线照明系统的一或多个光学元件的移动取代)将x射线照明束相对于旋转轴153移动到所要位置。在图1及图21中描绘的实施例中，计算系统130将命令信号138传达到致动器子系统111'以通过移动x射线照明子系统125的一或多个元件而相对于基底框架141重新引导x射线发射以实现所要射束方向。在所描绘实施例中，致动器子系统111'移动聚焦光学器件111以相对于基底框架141重新引导x射线发射，且因此使x射线发射相对于旋转轴153重新定位。
图6更详细描绘样品定位系统140的另一说明。图6中描绘的相同编号元件类似于参考图5描述的元件。如图5中描绘，旋转致动器146使包含载物台参考框架143、晶片载物台144、翻转-倾斜-Z载物台156及旋转载物台158的大块体围绕旋转轴153旋转。如图6中描绘，晶片载物台144、翻转-倾斜-Z载物台156及旋转载物台158从旋转轴153偏移显著距离。
在另一方面中，平衡器159经安装到载物台参考框架143以使晶片载物台144、翻转-倾斜-Z载物台156及旋转载物台158等平衡，使得载物台参考框架143及所有安装元件的旋转质量的重心与旋转轴153大致对准。以此方式，由致动器146施加的力产生具有最小寄生线性力的围绕旋转轴153的扭矩。
如图6中描绘，采用空气轴承172以导引横向对准载物台142相对于基底框架141的移动。类似地，采用空气轴承171以导引载物台参考框架143相对于横向对准载物台142的移动。在精密花岗岩表面上操作的空气轴承最小化静摩擦且提供轴稳定性。此改进定位性能(即，高重复性及小稳定时间)，同时支撑大负载。
为确保照明束116与晶片101的表面的相交位置不在大入射角范围内改变，旋转轴153必须具有非常小同步及异步误差。另外，必须最小化任何阿贝误差(Abbe error)。为最小化阿贝误差，空气轴承171围绕旋转轴153径向等距隔开。轴承圈足够大以防止大角度误差。通过横向对准载物台142的表面垂直地约束轴承。在一些实施例中，横向对准载物台142的表面垂直于旋转轴153的精密研磨花岗岩表面。
一般来说，样品定位系统在六个自由度中提供半导体晶片的自动定位。另外，样品定位系统包含旋转载物台上的边缘夹持特征及致动器以与晶片处置机器人协调地在垂直位置中有效地装载及卸除晶片。
在一些实施例中，三个传感器经安置于样品定位系统上以测量晶片的背侧相对于样品定位系统的距离。以此方式，通过使用翻转-倾斜-Z载物台移动晶片而测量及补偿晶片翘曲。
在另一方面中，SAXS计量系统采用至少一个射束遮挡校准目标以相对于样品定位系统定位x射线照明束。射束遮挡校准目标包含至少一个标记及圆柱形遮挡元件。采用对准相机以将标记定位于样品定位系统的坐标中。所述标记相对于所述圆柱形遮挡元件的位置是预先已知的(例如，具有小于200纳米的精确度)。因此，通过直接坐标变换容易地确定圆柱形遮挡元件在样品定位系统的坐标中的位置。在测量透射通量的经检测强度时跨照明束扫描圆柱形遮挡元件。照明束的中心基于经测量强度而相对于圆柱形遮挡元件精确地定位。由于圆柱形遮挡元件在样品定位系统的坐标中的位置是已知的，所以通过简单坐标变换精确地定位照明束的中心在样品定位系统的坐标中的位置。
在一些实例中，采用射束遮挡校准目标以校准照明束相对于样品定位系统的入射位置。在一些其它实例中，采用射束遮挡校准目标以在照明束与晶片的入射点处使载物台参考框架的旋转轴相对于照明束对准。
图7描绘一个实施例中的射束遮挡校准目标190。在图7中描绘的实施例中，射束遮挡校准目标190包含精确塑形的圆柱形销192及支撑圆柱形销192的框架191。圆柱形销192经制造具有高表面质量及目标不确定性量级的精确尺寸(例如，小于0.5微米的容差)。
在一些实施例中，框架191可为安装到样品定位系统(例如样品定位系统140)的结构。在这些实施例中，射束遮挡校准目标190经安装到样品定位系统140而非校准晶片。在一些其它实施例中，框架191可为包含附接到晶片本身的一或多个圆柱形销的专用校准晶片。在这些实施例中，射束遮挡校准目标190经安装到校准晶片。射束遮挡校准目标190还包含圆柱形销192的一或两个侧上的开口193。开口193经定大小，使得照明束(例如，照明束197)能够穿过射束遮挡校准目标190而不无遮挡(例如，至少2毫米乘2毫米)。射束遮挡校准目标190还包含可通过安装到样品定位系统的光学显微镜读取的一或多个标记(例如，标记195及196)。标记195及196相对于圆柱形销的边缘198及199的位置是精确已知的。以此方式，通过简单坐标变换从任一标记195及196或两者的位置确定圆柱形销192的边缘的位置。
圆柱形销状遮挡元件在很大程度上消除在采用刀口作为对准目标时所产生的有限透明度问题。通过圆柱体的半径R及射束路径相对于圆柱形销的边缘的照射深度S界定通过圆柱形销的射束路径。当R显著大于S时，由方程式(1)近似计算通过圆柱形销的射束路径的长度L。
当采用具有约2毫米直径的碳化钨圆柱形销时，归因于半透明度的硬X射线的边缘位置不确定性小于一微米。一般来说，圆柱形销192可由任何适合密集、高原子序数材料制成。通过非限制性实例，圆柱形销192可由碳化钨、钨、铂等构造。圆柱形销的直径应足够大，使得归因于材料的半透明度的边缘位置的经诱导不确定性完全在总对准误差预算内。通常，2毫米到3毫米的直径足以使归因于材料的半透明度的边缘位置的经诱导不确定性维持低于一微米到两微米。
如图7中描绘，射束遮挡校准目标190包含与圆柱形销192的轴准确对准的一或多个平坦表面(例如，平坦表面194)。在一些实例中，表面194是用于通过距离传感器(例如，电容式探针、感应式探针等)在与X射线束共线的方向上测量目标位置的参考表面。另外，在一些实施例中，一或多个标记经定位于平坦表面上。例如，如图7中描绘，标记195经定位于平坦表面194上。
在图5中描绘的实施例中，射束遮挡校准目标151及152经安装到旋转载物台158的框架，使得圆柱形销的中心轴与晶片101的表面大致共面。如图5中描绘，圆柱形销151包含与YNF轴大致平行对准的中心轴且圆柱形销152包含与XRF轴大致平行对准的中心轴。每一圆柱形销通过吸收任何照射x射线的大部分而遮挡射束。
样品定位系统140还包含安装到载物台参考框架143的对准相机154。在所描绘实施例中，对准相机经安装到载物台参考框架且因此随着载物台参考框架旋转。对准相机154经配置以产生其视场中的对象(例如晶片101)的高分辨率图像。在一些实施例中，对准相机154还包含通过将相机的焦点精确移动经测量距离而维持清晰图像聚焦的自动聚焦机构。在部分这些实施例中，对准相机154可用于通过监测相机的焦点的z位移而测量相机主体所安装到的载物台参考框架与由相机成像的晶片101或标记151A及152A之间的相对距离。
在一些其它实施例中，对准相机经安装到横向对准载物台142。在部分这些实施例中，对准相机用于通过在对准相机的视场内监测安装到晶片101或标记151A及152A的光学标记的位置而测量相机主体所安装到的{XNF,YNF,ZNF}坐标系与由相机成像的晶片101或标记151A及152A之间的相对距离。
在一个另一方面中，基于照明束与两个或两个以上射束遮挡校准目标的相互作用确定照明束在晶片的表面的平面中的两个维度中的精确入射位置。
图9是说明样品定位系统140的图式，其中晶片载物台经移动到照明束116被圆柱形销元件151遮挡的位置。基于通过检测器119测量的依据圆柱形销151相对于照明束116(例如，基底框架141)的x位置而变化的透射通量确定照明束相对于圆柱形销151的精确入射位置。如图9中描绘，随着圆柱形销151在正X方向上(在XBF方向上)移动，越来越多的照明束116被圆柱形销151遮挡。因此，较少光子到达检测器119。然而，随着圆柱形销151在负X方向(与XBF相反)上移动，越来越少的照明束116被圆柱形销151遮挡。检测器119产生指示依据X位置而变化的经测量通量的信号155且结果经分析以识别对应于照明束116的中心的圆柱形销的位置。
图10描绘说明依据圆柱形销相对于照明束116的相配准置而变化的经测量通量的曲线图170。经测量通量155与相配准置之间的所描绘关系是S型函数(例如，取决于射束轮廓的逻辑或其它误差函数)。
在一些实例中，将射束中心确定为圆柱形销相对于照明束的相配准置，其中经测量通量在最小通量值FMIN与最大通量值FMAX或导数dF/dx的最大值中间。然而，在一些其它实例中，可在与经测量通量的范围的中值不同的另一通量值下确定射束中心。在一些实例中，通过建模射束与圆柱形销的材料及几何形状的相互作用而确定更精确关系。在这些实例中，比较经建模相互作用与经测量透射通量，且使用拟合算法以基于经测量结果与模型的拟合而确定圆柱形销相对于照明束的相对位置(其与射束中心对准)。
在一个实例中，圆柱形销151相对于照明束116的中心的当前位置与和射束中心重合的圆柱形销151的位置之间的距离的估计ΔX是基于依据圆柱形销位置而变化的经测量通量FMEAS、通量中点FMID及经测量通量的导数的倒数，如由方程式(2)描述
且FMID由方程式(3)描述。
可通过在测量透射通量的同时扫描晶片载物台而测量经测量通量的最大值及最小值。此外，还可估计中点处的斜率。基于这些量，通过测量一个位置处的通量而仅根据方程式(2)确定圆柱形销的中心位置改变的估计。中心位置改变可视需要经反复地确定以收敛于中心位置。
由于射束具有两个方向(例如，X方向及Y方向)上的质心分量，所以测量每一定向成垂直于质心分量的方向的两个圆柱形销。在图9中描绘的实施例中，采用圆柱形销151以使射束中心在X方向上相对于载物台参考框架定位且采用圆柱形销152以使射束中心在Y方向上相对于载物台参考框架定位。一般来说，可利用两个以上圆柱形销以产生冗余且增大射束位置的校准的精确度。
如图9中描绘，照明束116的中心与如上文中描述的垂直及水平定向的圆柱形销151及152的边缘对准。在图9中描绘的实施例中，基准标记151A经定位成与圆柱形销151的中心轴共面。类似地，基准标记152A经定位成与圆柱形销152的中心轴共面。在射束中心与圆柱形销151对准的位置处，通过对准相机154记录照明束116相对于圆柱形销151或圆柱形销处或附近的基准151A的位置。此使照明束的相配准置相对于对准相机的视场中的精确位置配准(假设聚焦位置不改变)。如图5中描绘，晶片101在对准相机154的视场内移动。晶片101经移动使得晶片上的所要位置(例如，基准标记)在对准相机154的视场内成像。通过对准相机154基于先前配准来确定照明束116相对于所要位置的位置。以此方式，基于通过对准相机154收集的图像快速地估计在X方向及Y方向上照明束116在晶片101上的位置。在一些实施例中，通过改变对准相机154的聚焦位置直到晶片101的表面上的光刻特征到达精确聚焦而测量晶片在Z方向上相对于圆柱形销151的Z位置的位置。聚焦位置的改变指示圆柱形销与晶片上的成像位置之间的Z位置差异。在一些其它实施例中，通过一或多个光学近接传感器、电容式近接传感器、基于干涉测量的传感器或其它适合近接传感器测量晶片在Z方向上相对于圆柱形销151的Z位置的位置。可采用致动器150A到C以在Z方向上重新定位晶片101以将成像位置重新定位成与圆柱形销(例如，基准151A)在同一平面内。
在另一方面中，基于晶片载物台坐标而在晶片的任何位置处确定照明束的入射位置。一旦照明束的中心与垂直及水平圆柱形销对准，且通过如上文中描述的对准相机记录照明束相对于圆柱形销的位置，便可将照明束的入射位置传送到载物台坐标。如图5中描绘，晶片101在对准相机154的视场内移动。通过晶片载物台144的位置测量系统(例如，线性编码器等)测量晶片101的移动。通过使晶片101移动到在对准相机154的视场内成像的晶片上的三个或三个以上所要位置(例如，基准标记)，在每一所要位置处确定照明束相对于所要位置的位置以及晶片在载物台坐标中的位置。基于照明束的已知位置及三个或三个以上位置处的载物台坐标，产生使载物台坐标与照明束的入射位置相关的映射。
在将圆柱形销151定位于照明束116的中心处(在X方向上)之后，对准相机154使圆柱形销本身或定位于圆柱形销上或附近的基准标记的位置成像以在对准相机154的视场内建立射束位置与图像位置之间的关系。由于对准相机154经定位于相对于载物台参考框架143的固定或可重复位置中，所以图像使照明束的位置相对于载物台参考框架143配准且因此充当X方向上的射束位置的参考。此外，对准相机154建立基准标记的精确聚焦位置以建立圆柱形销相对于载物台参考框架143的精确Z位置。对于其中对准相机154随着载物台参考框架旋转的实施例，对准相机154的聚焦位置充当圆柱形销相对于载物台参考框架的Z位置的参考。
由于利用经遮挡通量来估计射束入射位置，所以存在照明束中的通量改变将被解释为位置偏移的风险。在一些实施例中，紧接在遮挡测量之前、之后或在遮挡测量的同时测量照明束的通量。在经测量通量155的分析中补偿照明通量的变化以消除其对测量的影响。
在另一方面中，基于照明束与如通过x射线检测器119测量的两个或两个以上射束遮挡校准目标的相互作用确定旋转轴153与晶片的表面的平面中的照明束的精确对准。
为确保测量完整性，照明束116在晶片101的表面上的入射位置应在测量期间在大入射角及方位角范围内保持固定。为实现此目标，载物台参考框架143的旋转轴153必须在测量位置处与晶片101的表面大致共面。此外，旋转轴153必须在XBF方向上与照明束116对准，使得旋转轴153在测量位置处在照明束116与晶片101的入射点处与照明束116相交。
图8A描绘如图5中描绘的入射于晶片101上的照明束116的俯视图。图8A描绘在对准状态中的旋转轴153的端视图，其中旋转轴153在晶片101上的位置103处在照明束116与晶片101的入射点处与照明束116相交。如图8A中描绘，随着晶片101在大入射角内围绕旋转轴153旋转，照明束116保持入射于位置103处。因此，在此案例中，照明束116在晶片101的表面上的入射位置在测量期间在大入射角范围内保持固定。
图8B描绘如图5中描绘的入射于晶片101上的照明束116的俯视图。图8B描绘在对准状态中的旋转轴153的端视图，其中旋转轴153与晶片101的表面错位距离如图8B中描绘，随着晶片101在大入射角θ范围内围绕旋转轴153旋转，位置103的一部分不再被照明(即，代替地照明晶片101的一些其它部分)。因此，在此案例中，照明束116在晶片101的表面上的入射位置在测量期间在大入射角范围内漂移，这是非常不合意的。
图8C描绘如图5中描绘的入射于晶片101上的照明束116的俯视图。图8C描绘在对准状态中的旋转轴153的端视图，其中旋转轴153与晶片101的表面共面但从照明束116偏移距离如图8C中描绘，随着晶片101在大入射角θ范围内围绕旋转轴153旋转，位置103的一部分不再被照明(即，代替地照明晶片101的某个其它部分)。因此，在此案例中，照明束116在晶片101的表面上的入射位置在测量期间在大入射角范围内漂移，这是非常不合意的。
在一些实施例中，通过将照明束的中心与X方向圆柱形销151对准且测量载物台参考框架的多个不同旋转位置θ处的通量而实现载物台参考框架的旋转轴的校准。基于如上文中描述的选定遮挡模型(例如，图1中描绘的S型函数或另一模型)确定圆柱形销在X方向上的表观运动(ΔX)。另外，圆柱形销在X方向上的表观运动是下列各者的函数：1)圆柱形销在x方向上距旋转轴的距离及在z方向上距旋转轴的距离2)在x方向上距射束中心及旋转轴153的距离及3)围绕载物台参考框架的旋转轴153的旋转角θ。在方程式(4)中描述关系。
在一个实例中，以三个入射角{-Θ,0,+Θ}测量透射通量。由方程式(5)描述的线性方程组源自方程式(4)。
通过逆算方程式(5)而获得方程式(6)。方程式(6)从圆柱形销在X方向上的表观运动求解及的值。
方程式(6)与方程式(3)组合地从由经测量通量确定的圆柱形销在X方向上的表观运动求解及的值。在一些实例中，如通过方程式(7)描述那样迭代地获得及值的解。
其中k是迭代指数且w是在X方向及Z方向上对准旋转轴153与刀口151所需的样品定位系统140的致动器的位移值的向量通过致动器145使整个载物台参考框架143在X方向上相对于照明束116移动而实现位移通过致动器147将圆柱形销151移动回到与射束对准而实现位移通过致动器150A到C使圆柱形销在Z方向上移动以使旋转轴153在Z方向上与圆柱形销的中心轴平面内对准而实现位移开始于初始估计w0，方程式(7)的递归将收敛于其中旋转轴153对准到圆柱形销151的点。
一般来说，无需准确地应用方程式(7)。可用数字近似计算AΘ及的值。在其它实例中，可使用其它矩阵，只要迭代稳定且收敛于正确值。
一般来说，可以任何三个或三个以上不同入射角测量透射通量以确定在X方向及Z方向上对准旋转轴153与圆柱形销151所需的位移值。任何三个不同入射角的选择导致可直接逆算的线性方程组。四个或四个以上不同入射角的选择导致可用伪逆算法求解以确定在X方向及Z方向上对准旋转轴153与圆柱形销151所需的位移值的超定线性方程组。方程式(5)及(6)中说明的矩阵项取决于所选择入射角。因此，在其中选择不同入射角的实例中，项将不同于方程式(5)及(6)。
在另一方面中，基于通过安装到横向对准载物台142的对准相机收集的标记的图像确定旋转轴153与晶片的表面的平面中的校准目标的标记(例如，射束遮挡校准目标151的标记151A、定位于晶片101上的标记等)的精确对准。
标记在X方向上在对准相机的视场内的表观运动(ΔX)系标记在x方向上距旋转轴的距离及在z方向上距旋转轴的距离以及围绕载物台参考框架的旋转轴153的旋转角θ的函数。对于安装到横向对准载物台142的对准相机，在方程式(8)中描述关系。
在一些实例中，以任何三个不同入射角测量标记(例如，标记151A)的X位置以确定在X方向及Z方向上对准旋转轴153与圆柱形销151所需的位移值。任何三个不同入射角的选择导致可直接逆算以求解标记在x方向上距旋转轴的距离及在z方向上距旋转轴的距离的线性方程组。
对于理想化射束遮挡校准目标及旋转轴，具有用于射束校准的仅一个射束遮挡校准目标将是足够的。然而，取决于系统的要求，可需要多个射束遮挡校准目标。通过对准多个遮挡元件的边缘，可推断旋转轴与标称YNF轴的任何偏差。而且，多个相同遮挡元件允许从右侧及左侧或上侧及下侧校准边缘，从而帮助消除成像边缘(即，由对准相机154成像)及由所遮挡通量改变推断的表观边缘中的系统误差。
在另一方面中，SAXS计量系统采用至少一个周期性校准目标以相对于样品定位系统定位x射线照明束。每一周期性校准目标包含具有将X射线照明光衍射成可通过本文中描述的SAXS计量系统测量的相异衍射图案的不同周期性结构的一或多个空间界定区。另外，每一周期性校准目标包含可通过光学显微镜读取以凭借高对准精确度(例如，0.5微米或更小的对准精确度)相对于样品定位系统定位周期性校准目标的一或多个标记。每一空间界定区具有空间良好界定的边界线。所述边界线相对于所述标记的位置已知具有一或多个维度中的高精确度(例如，0.2微米或更小的精确度)。
在一些实施例中，每一周期性区的大小经设计成大于照明束到周期性校准目标上的投影。以此方式，可通过使照明束跨每一经定大小成大于照明束的两个不同周期性区之间的界面扫描而特性化射束轮廓。在一些实施例中，照明束116具有小于200微米的射束宽度。在一些实施例中，照明束116具有小于100微米的射束宽度。在一些实施例中，照明束116具有小于50微米的射束宽度。另外，在一些实例中，以大入射角执行校准测量。在这些实例中，照明束到周期性校准目标上的投影在一个方向上伸长，且每一周期性区经定大小而大于所投影照明区域。
在一些实施例中，每一周期性区的尺寸取决于相对于照明束的方向而不同。例如，周期性区可在垂直于旋转轴153的方向上较大以适应大入射角。在另一实例中，照明束在一个方向上可比在另一方向上大(例如，矩形照明束形状)且周期性区可在伸长方向上较大。
在一些实施例中，周期性区中的一或多者的尺寸经定大小以匹配所需测量盒大小。在一个实例中，周期性区中的一者经定大小以匹配照明束大小(例如，50平方微米或100平方微米)或用于校准旋转轴153相对于照明束116的对准的某个其它数目。在此实例中，在照明束116未在大AOI范围内相对于周期性校准目标移动时实现完美对准。在此实例中，如果照明束随着AOI改变而相对于周期性校准目标移动，那么照明束将从经定大小以匹配照明束大小的周期性移动到相邻周期性区。通过检测器119检测照明束跨区之间的边界的此移动。
一般来说，一组周期性校准目标或周期性校准目标的一组区包含用于特性化射束轮廓及大小的不同大小区。一般来说，一或多个区可已经定大小而大于、小于或相同于照明束的大小。
一般来说，周期性校准目标的周期性经优化以增强x射线散射对比度。每一周期性结构的间距足够小以确保检测器处的所检测级的充分空间分离。每一衍射级的角度应显著大于射束发散以确保充分空间分离，且每一衍射级的角度随着间距减小而增大。在一些实施例中，每一周期性结构的间距应为约0.1微米(例如，小于200纳米)以确保充分空间分离及测量精确度。
每一周期性结构由具有与硬X射线的高对比度度及大原子序数的材料(例如，钨、碳化钨、铂等)制成。
另外，每一周期性结构经制造具有足够高度以在合理曝光时间内产生可测量衍射图案。在一些实例中，具有0.5毫米或更大的高度的周期性结构是有利的。
在一些实施例中，本文中描述的周期性校准目标中的任一者经安装到样品定位系统(例如样品定位系统140)。在一些其它实施例中，本文中描述的周期性校准目标中的任一者经安装到待测量的校准晶片或生产晶片。
图11更详细描绘样品定位系统140的另一说明。图11中描绘的相同编号元件类似于参考图5描述的元件。在图11中描绘的实施例中，周期性校准目标171经定位于晶片101上。
周期性校准目标171包含至少一个标记及多个周期性结构(例如，光栅)。如果照明束116入射于两个或两个以上不同衍射图案上，那么与不同周期性结构相关联的级的经测量强度之比提供关于照明束相对于所照明图案的位置的信息。采用对准相机154以将标记定位于样品定位系统的坐标中。标记相对于周期性结构的位置是预先已知的。因此，通过直接坐标变换容易地确定周期性结构在样品定位系统的坐标中的位置。在通过检测器119测量衍射级的所检测强度时，跨照明束116扫描周期性校准目标171。照明束116的中心基于经测量强度而相对于周期性校准目标171精确地定位。由于周期性校准目标171在样品定位系统的坐标中的位置是已知的，所以通过简单坐标变换精确地定位照明束的中心在样品定位系统的坐标中的位置。
在一些实例中，采用周期性校准目标以校准照明束相对于样品定位系统的入射位置。在一些其它实例中，采用周期性校准目标以在照明束与晶片的入射点处使载物台参考框架的旋转轴相对于照明束对准。在一些其它实例中，跨照明束以许多方位角扫描周期性校准目标。以此方式，除校准照明束相对于目标的位置以外，还特性化射束轮廓。
在一些实施例中，周期性校准目标包含中央周期性区及围绕中央周期性区的一或多个周期性区。每一周期性区包含不同间距、不同间距定向或其组合。
图12描绘周期性校准目标210的实施例。如图12中描绘，周期性校准目标210包含可通过安装到样品定位系统的光学显微镜读取的标记211及212、定位于中央区214中的小间距周期性结构215及在中央区214周围的***区中的较大间距周期性结构213。标记211及212与周期性校准目标的周期性结构定位于同一平面内。另外，标记211及212相对于中央区214的边界的位置是精确已知的。以此方式，通过简单坐标变换从任一标记211及212或两者的位置确定边界的位置。
通过照明束116照明中央区214(即，周期性结构215)导致在水平方向上具有相对大间隔(例如，100微米)的跨检测器119的多级衍射。通过照明束116照明***区(即，周期性结构213)导致归因于光栅213的较大间距而在水平方向上具有较小间隔的跨检测器119的多级衍射。光栅215与光栅213的经测量级之间的强度比指示照明束116相对于中央区214与***区之间的边界线的位置。
图13描绘周期性校准目标220的实施例。如图13中描绘，周期性校准目标220包含可通过安装到样品定位系统的光学显微镜读取的标记221及222、定位于中央区224中的垂直安置周期性结构225及在中央区224周围的***区中的水平安置周期性结构223。标记221及222与周期性校准目标的周期性结构定位于同一平面内。另外，标记221及222相对于中央区224的边界的位置是精确已知的。以此方式，通过简单坐标变换从任一标记221及222或两者的位置确定边界的位置。
通过照明束116照明中央区224(即，周期性结构225)导致在水平方向上跨检测器119的多级衍射。通过照明束116照明***区(即，周期性结构223)导致在垂直方向上跨检测器119的多级衍射。光栅225与光栅223的经测量级之间的强度比指示照明束116相对于中央区224与***区之间的边界线的位置。
图14描绘周期性校准目标230的实施例。如图14中描绘，周期性校准目标230包含可通过安装到样品定位系统的光学显微镜读取的标记231及232、在完全不具有周期性结构的中央区234周围的***区中的水平安置周期性结构233。标记231及232与周期性校准目标的周期性结构定位于同一平面内。另外，标记231及232相对于中央区234的边界的位置是精确已知的。以此方式，通过简单坐标变换从任一标记231及232或两者的位置确定边界的位置。
通过照明束116照明中央区234不导致衍射；仅检测到零级。通过照明束116照明***区(即，周期性结构233)导致在垂直方向上跨检测器119的多级衍射。光栅233的经测量级与零级强度之间的强度比指示照明束116相对于中央区234与***区之间的边界线的位置。
在一些实施例中，周期性校准目标包含在共同点处相交的任何数目个周期性区。以此方式，X射线照明束与由周期性区中的每一者共享的共同点对准。每一周期性区包含不同间距、不同间距定向或其组合。
图15描绘周期性校准目标240的实施例。如图15中描绘，周期性校准目标240包含可通过安装到样品定位系统的光学显微镜读取的标记241及242以及定位于正交布置中的四个周期性区。如图15中描绘，垂直安置周期性结构243经定位于第一象限中，水平安置周期性结构244经定位于第二象限中，垂直安置周期性结构245经定位于第三象限中，且水平安置周期性结构246经定位于第四象限中。标记241及242与周期性校准目标的周期性结构定位于同一平面内。另外，标记241及242相对于正交布置的中心中的共同点的位置是精确已知的。以此方式，通过简单坐标变换从任一标记241及242或两者的位置确定共同点的位置。
通过照明束116照明结构243及245导致在水平方向上跨检测器119的多级衍射。通过照明束116照明结构244及246导致在垂直方向上跨检测器119的多级衍射。经测量级之间的强度比指示照明束116相对于由结构243到246共享的共同点的位置。
图16描绘周期性校准目标250的实施例。如图16中描绘，周期性校准目标250包含可通过安装到样品定位系统的光学显微镜读取的标记251及252以及定位于正交布置中的四个周期性区。如图16中描绘，相对于垂直定向成-45度的周期性结构253经定位于第一象限中，相对于垂直定向成45度的周期性结构254经定位于第二象限中，水平安置周期性结构255经定位于第三象限中，且垂直安置周期性结构256经定位于第四象限中。标记251及252与周期性校准目标的周期性结构定位于同一平面内。另外，标记251及252相对于正交布置的中心中的共同点的位置是精确已知的。以此方式，通过简单坐标变换从任一标记251及252或两者的位置确定共同点的位置。
通过照明束116照明结构253及254导致分别以+45度及-45度跨检测器119的多级衍射。通过照明束116照明结构255及256导致分别在垂直方向及水平方向上跨检测器119的多级衍射。经测量级之间的强度比指示照明束116相对于由结构253到256共享的共同点的位置。
图17描绘周期性校准目标260的实施例。如图17中描绘，周期性校准目标260包含可通过安装到样品定位系统的光学显微镜读取的标记261及262以及定位于正交布置中的四个周期性区。如图17中描绘，具有相对小间距的垂直安置周期性结构263经定位于第一象限中，具有相对大间距的水平安置周期性结构264经定位于第二象限中，具有相对大间距的垂直安置周期性结构265经定位于第三象限中，且具有相对小间距的水平安置周期性结构266经定位于第四象限中。标记261及262与周期性校准目标的周期性结构定位于同一平面内。另外，标记261及262相对于正交布置的中心中的共同点的位置是精确已知的。以此方式，通过简单坐标变换从任一标记261及262或两者的位置确定共同点的位置。
通过照明束116照明结构263及265导致在水平方向上跨检测器119的多级衍射。通过照明束116照明结构264及266导致在垂直方向上跨检测器119的多级衍射。与结构263及266相关联的级和与结构264及265相关联的级不同地隔开。经测量级之间的强度比指示照明束116相对于由结构263到266共享的共同点的位置。
图18描绘周期性校准目标270的实施例。如图18中描绘，周期性校准目标270包含可通过安装到样品定位系统的光学显微镜读取的标记271及272以及定位于正交布置中的四个周期性区。如图18中描绘，具有相对小间距的垂直安置周期性结构273经定位于第一象限中，具有相对大间距的水平安置周期性结构274经定位于第二象限中，具有相对小间距的垂直安置周期性结构275经定位于第三象限中，且具有相对大间距的水平安置周期性结构276经定位于第四象限中。标记271及272与周期性校准目标的周期性结构定位于同一平面内。另外，标记271及272相对于正交布置的中心中的共同点的位置是精确已知的。以此方式，通过简单坐标变换从任一标记271及272或两者的位置确定共同点的位置。
通过照明束116照明结构273及275导致在水平方向上跨检测器119的多级衍射。通过照明束116照明结构274及276导致在垂直方向上跨检测器119的多级衍射。与结构273及275相关联的级和与结构274及276相关联的级不同地隔开。经测量衍射级之间的强度比指示照明束116相对于由结构273到276共享的共同点的位置。
图19A到B描绘一组周期性校准目标290及295，其各自适合于在一个方向上相对于周期性校准目标定位照明束。当采用目标290及295两者来校准SAXS计量系统时，在两个正交维度中确定照明束相对于样品定位系统的位置。如图19A中描绘，周期性校准目标290包含可通过安装到样品定位系统的光学显微镜读取的标记291及292以及沿着边界线定位成彼此相邻的两个周期性区。如图19A中描绘，水平安置周期性结构293经定位与垂直安置周期性结构294并排。标记291及292与周期性校准目标的周期性结构定位于同一平面内。另外，标记291及292相对于结构293与294之间的边界的位置是精确已知的。以此方式，通过简单坐标变换从任一标记291及292或两者的位置确定边界线的位置。
通过照明束116照明结构293及294导致分别在垂直方向及水平方向上跨检测器119的多级衍射。经测量级之间的强度比指示照明束116相对于由结构293及294共享的边界线的位置。
类似地，如图19B中描绘，周期性校准目标295包含可通过安装到样品定位系统的光学显微镜读取的标记296及297以及沿着边界线定位成彼此相邻的两个周期性区。如图19B中描绘，目标295的边界线正交于目标290的边界线。如图19B中描绘，水平安置周期性结构298经定位与垂直安置周期性结构299并排。标记296及297与周期性校准目标的周期性结构定位于同一平面内。另外，标记296及297相对于结构298与299之间的边界的位置是精确已知的。以此方式，通过简单坐标变换从任一标记296及297或两者的位置确定边界线的位置。
通过照明束116照明结构298及299导致分别在垂直方向及水平方向上跨检测器119的多级衍射。经测量级之间的强度比指示照明束116相对于由结构298及299共享的边界线的位置。
一般来说，周期性校准目标可包含呈任何适合配置的多个不同周期性区。在一些实施例中，周期性区经布置成笛卡耳图案。然而，可设想周期性区的其它图案。
图20描绘包含标记288及289以及布置成六边形图案的七个不同周期性区281到287的周期性校准目标280。每一周期性区包含不同间距、不同间距定向或其组合。
在另一方面中，使用对准相机、光学近接传感器、电容式近接传感器、基于干涉测量的传感器或任何其它适合近接传感器中的任一者映射晶片的表面在Z方向上的形状。在一些实例中，晶片表面经映射于晶片的前侧(即，图案化侧)上。在一些其它实例中，如果所述晶片的厚度足够均匀、经良好建模或原位测量或预先测量，那么所述晶片表面经映射于所述晶片的背侧(即，未图案化侧)上。在一些实施例中，由于许多传感器技术可用于准确地测量未图案化表面的位置，所以采用背侧传感器来测量晶片翘曲。在部分这些实施例中，仅采用背侧传感器来测量跨晶片的背侧的晶片翘曲且基于由预先执行的厚度测量产生的厚度模型或厚度映射估计跨前侧的晶片翘曲。在一些其它实施例中，采用背侧传感器及前侧传感器两者来测量晶片翘曲。在部分这些实施例中，采用背侧传感器来测量跨晶片的背侧的晶片翘曲且基于至少部分由自前侧及背侧测量导出的晶片厚度估计产生的厚度模型或厚度映射估计跨前侧的晶片翘曲。在一些实例中，使用数个标准内插器(例如，多项式基本函数、有理函数、神经网络等)对晶片图进行建模。此外，可使用晶片的分析或数值弯曲模型耦合横向位移与高度位移。
在另一方面中，Z致动器150A到C经控制以响应于晶片的表面在照明束116的入射位置处的形状而调整Z位置、Rx定向、Ry定向或其任何组合。在一个实例中，通过Z致动器150A到C校正晶片的倾斜。倾斜校正可是基于晶片倾斜图或局部测量的倾斜值。此还可使用基于光学的倾斜传感器实现，所述传感器在晶片的背表面处监测Rx定向及Ry定向(即，翻转及倾斜)。
在又另一方面中，Z致动器150A到C经控制以调整Z位置、Rx定向、Ry定向或其任何组合以使方位角中的旋转轴与载物台参考框架143对准。在一个实例中，Z致动器150A到C经调整，使得特定目标在方位角范围内保持在对准相机154的焦点上。为执行此校准，晶片载物台使晶片101在X方向及Y方向上平移以针对所有方位角将目标维持在对准相机154的视场中。
一般来说，无法校准所有偏移效应。通常选择用以移除最大偏差的校准且忽略或由解决晶片及载物台中的非理想性的载物台图处置剩余偏移。
另外，温度及气压或任何其它周围条件的改变可具有对照明束的定位的影响。在一些实施例中，射束运动与这些变量相互关联且基于经测量温度及压力以及相关模型调整射束的位置。
一般来说，样品定位系统140可包含机械元件的任何适合组合以实现所要线性及角度定位性能，包含(但不限于)测角器载物台、六足载物台、角度载物台及线性载物台。
在一些实施例中，将x射线照明源110、聚焦光学器件111、狭缝112及113或其任何组合维持在与样品101相同的大气环境(例如，气体清除环境)中。然而，在一些实施例中，这些元件中的任何者之间及内的光学路径长度是长的且空气中的x射线散射造成检测器上的图像的噪声。因此，在一些实施例中，将x射线照明源110、聚焦光学器件111以及狭缝112及113中的任一者维持在局部化真空环境中。在图1中描绘的实施例中，将聚焦光学器件111、狭缝112及113以及射束塑形狭缝机构120维持在经抽空飞行管118内的受控环境(例如，真空)中。照明束116在入射于样品101上之前穿过飞行管118的端部处的窗口121。
在一些实施例中，将x射线照明源110、聚焦光学器件111以及狭缝112及113中的任一者维持在通过真空窗彼此分离且与样品(例如，样品101)分离的局部化真空环境中。图21是说明含有x射线照明源110的真空腔室160、含有聚焦光学器件111的真空腔室162及含有狭缝112及113的真空腔室163的图式。每一真空腔室的开口被真空窗覆盖。例如，真空腔室160的开口被真空窗161覆盖。类似地，真空腔室163的开口被真空窗164覆盖。真空窗可由对x射线辐射基本上透明的任何适合材料(例如，聚酰亚胺、铍等)构造。在每一真空腔室内维持适合真空环境以最小化照明束的散射。适合真空环境可包含任何适合真空度、任何适合清除环境(包含具有小原子序数的气体(例如，氦))或其任何组合。以此方式，尽可能多的照明束路径经定位于真空中以最大化通量且最小化散射。
类似地，在一些实施例中，样品101与检测器119之间的光学路径(即，收集射束路径)长度是长的且空气中的x射线散射造成检测器上的图像的噪声。因此，在优选实施例中，将样品101与检测器119之间的收集射束路径长度的显著部分维持在通过真空窗(例如，真空窗124)而与样品(例如，样品101)分离的局部化真空环境中。在一些实施例中，将x射线检测器119维持在与样品101与检测器119之间的射束路径长度相同的局部化真空环境中。例如，如图1及21中描绘，真空腔室123维持围绕检测器119及样品与检测器119之间的射束路径长度的显著部分的局部化真空环境。
在一些其它实施例中，将x射线检测器119维持在与样品101相同的大气环境(例如，气体清除环境)中。此对于从检测器119移除热可为有利的。然而，在这些实施例中，将样品101与检测器119之间的射束路径长度的显著部分维持在真空腔室内的局部化真空环境中可为优选的。
在一些实施例中，将整个光学系统(包含样品101)维持在真空中。然而，一般来说，与将样品101维持在真空中相关联的成本归因于与样品定位系统140的构造相关联的复杂性而为高的。
在又另一方面中，射束塑形狭缝机构120与真空腔室163机械地集成以最小化经受大气环境的射束路径长度。一般来说，可期望在射束入射于样品101上之前将尽可能多的射束囊封于真空中。在一些实施例中，真空射束线延伸到射束塑形狭缝机构120的输入处的中空、圆柱形腔中。真空窗164经定位于射束塑形狭缝机构120内真空腔室163的输出处，使得传入射束115保持在射束塑形狭缝机构120的一部分内的真空中，接着在与狭缝126到129及样品101中的任一者相互作用之前穿过真空窗164。
在又另一方面中，计算系统130经配置以：产生样品的经测量结构的结构模型(例如，几何模型、材料模型或经组合几何及材料模型)；从结构模型产生包含至少一个几何参数的T-SAXS响应模型；及通过用T-SAXS响应模型执行T-SAXS测量数据的拟合分析而解析至少一个样品参数值。使用分析引擎以比较模拟T-SAXS信号与经测量数据，借此允许样本的几何形状以及材料性质(例如电子密度)的确定。在图1中描绘的实施例中，计算系统130经配置为模型建构及分析引擎，其经配置以如本文中描述那样实施模型建构及分析功能性。
图22是说明通过计算系统130实施的示范性模型建构及分析引擎180的图式。如图22中描绘，模型建构及分析引擎180包含产生样品的经测量结构的结构模型182的结构模型建构模块181。在一些实施例中，结构模型182还包含样品的材料性质。接收结构模型182作为到T-SAXS响应函数建构模块183的输入。T-SAXS响应函数建构模块183至少部分基于结构模型182产生T-SAXS响应函数模型184。在一些实例中，T-SAXS响应函数模型184是基于x射线形状因子，
其中F是形状因子，q是散射向量，且ρ(r)是球面坐标中的样品的电子密度。接着通过以下方程式给出x射线散射强度
接收T-SAXS响应函数模型184作为到拟合分析模块185的输入。拟合分析模块185比较建模T-SAXS响应与对应经测量数据以确定样品的几何形状以及材料性质。
在一些实例中，通过最小化卡方值而实现建模数据到实验数据的拟合。例如，对于T-SAXS测量，可将卡方值定义为：
其中是“通道”j中的经测量T-SAXS信号126，其中指数j描述一组系统参数，例如衍射级、能量、角度坐标等。是针对一组结构(目标)参数v1,…,vL评估的“通道”j的建模T-SAXS信号Sj，其中这些参数描述几何形状(CD、侧壁角、叠加等)及材料(电子密度等)。σSAXS,j是与第j个通道相关联的不确定性。NSAXS是x射线计量中的通道总数目。L是特性化计量目标的参数数目。
方程式(11)假设与不同通道相关联的不确定性不相关。在其中与不同通道相关联的不确定性是相关的实例中，可计算不确定性之间的协方差。在这些实例中，用于T-SAXS测量的卡方值可表达为
其中VSAXS是SAXS通道不确定性的协方差矩阵，且T表示转置。
在一些实例中，拟合分析模块185通过用T-SAXS响应模型184对T-SAXS测量数据135执行拟合分析而解析至少一个样品参数值。在一些实例中，优化
如上文中描述，通过最小化卡方值而实现T-SAXS数据的拟合。然而，一般来说，可通过其它函数实现T-SAXS数据的拟合。
T-SAXS计量数据的拟合对于提供对所关注几何及/或材料参数的敏感度的任何类型的T-SAXS技术是有利的。只要使用描述与样品的T-SAXS射束相互作用的适当模型，样品参数便可为确定性(例如，CD、SWA等)或统计性(例如，侧壁粗糙度的均方根高度、粗糙度相关长度等)。
一般来说，计算系统130经配置以采用实时临界尺寸(RTCD)实时存取模型参数，或其可存取预计算模型库以确定与样品101相关联的至少一个样品参数值的值。一般来说，可使用某个形式的CD引擎以评估样品的经指派CD参数同与经测量样品相关联的CD参数之间的差异。在2010年11月2日颁予科磊公司(KLA-Tencor Corporation)的第7,826,071号美国专利中描述用于计算样品参数值的示范性方法及系统，所述专利的全文以引用的方式并入本文中。
在一些实例中，模型建构及分析引擎180通过侧馈(feed sideways)分析、前馈分析及平行分析的任何组合而改进经测量参数的精确度。侧馈分析是指在相同样品的不同区域上获取多个数据集且将从第一数据集确定的共同参数传递到第二数据集上以用于分析。前馈分析是指在不同样品上获取数据集且使用逐步复制精确参数前馈方法将共同参数正向传递到后续分析。平行分析是指将非线性拟合方法平行或同时应用到多个数据集，其中在拟合期间耦合至少一个共同参数。
多工具及结构分析是指基于回归、查找表(即，“库”匹配)或多个数据集的另一拟合程序的前馈、侧馈或平行分析。在2009年1月13日颁予科磊公司(KLA-Tencor Corp.)的第7,478,019号美国专利中描述用于多工具及结构分析的示范性方法及系统，所述专利的全文以引用的方式并入本文中。
在又另一方面中，基于以相对于测量目标的入射x射线束的单个定向执行的T-SAXS测量确定一或多个所关注参数的初始估计值。初始估计值经实施为针对使用从以多个定向的T-SAXS测量收集的测量数据的测量模型的回归的所关注参数的起始值。以此方式，使用相对少量的计算工作量确定所关注参数的接近估计，且通过将此接近估计实施为针对大得多的数据集内的回归的起始点，使用较少总体计算工作量获得所关注参数的细化估计。
在另一方面中，计量工具100包含经配置以实施如本文中描述的射束控制功能性的计算系统(例如，计算系统130)。在图1中描绘的实施例中，计算系统130经配置为射束控制器，其可操作以控制照明性质中的任一者，例如入射照明束116的强度、发散、点大小、偏光、光谱及定位。
如图1中说明，计算系统130经通信地耦合到检测器119。计算系统130经配置以从检测器119接收测量数据135。在一个实例中，测量数据135包含样品的经测量响应(即，衍射级的强度)的指示。基于经测量响应在检测器119的表面上的分布，通过计算系统130确定照明束116入射在样品101上的位置及区域。在一个实例中，通过计算系统130应用图案辨识技术以基于测量数据135确定照明束116入射在样品101上的位置及区域。在一些实例中，计算系统130将命令信号137传达到x射线照明源110以选择所要照明波长。在一些实例中，计算系统130将命令信号138传达到致动器子系统111'以相对于基底框架141重新引导x射线发射以实现所要射束方向。在一些实例中，计算系统130将命令信号136传达到射束塑形狭缝机构120以改变射束点大小，使得入射照明束116以所要射束点大小及定向到达样本101。在一个实例中，命令信号136导致图5中描绘的旋转致动器122将射束塑形狭缝机构120旋转到相对于样品101的所要定向。在另一实例中，命令信号136导致与狭缝126到129中的每一者相关联的致动器改变位置以将入射束116重新塑形成所要形状及大小。在一些其它实例中，计算系统130将命令信号传达到晶片定位系统140以使样品101定位及定向，使得入射照明束116到达相对于样品101的所要位置及角度定向。
在另一方面中，使用T-SAXS测量数据以基于所检测衍射级的经测量强度产生经测量结构的图像。在一些实施例中，一般化T-SAXS响应函数模型以描述从通用电子密度网的散射。将此模型匹配到经测量信号，同时约束此网中的建模电子密度以实施连续性及稀疏边缘提供样本的三维图像。
尽管基于模型的几何参数反演对于基于T-SAXS测量的临界尺寸(CD)计量是优选的，但由T-SAXS测量数据产生的样品的图可用于当经测量样品偏离几何模型的假设时识别且校正模型误差。
在一些实例中，比较图像与由相同散射测量测量数据的基于模型的几何参数反演估计的结构特性。使用差异以更新经测量结构的几何模型且改进测量性能。收敛于准确参数测量模型的能力在测量集成电路以控制、监测且故障查找其制造过程时尤其重要。
在一些实例中，图像是电子密度、吸收率、复杂折射率或这些材料特性的组合的二维(2-D)图。在一些实例中，图像是电子密度、吸收率、复杂折射率或这些材料特性的组合的三维(3-D)图。使用相对少物理约束产生图。在一些实例中，直接由所得图估计一或多个所关注参数，例如临界尺寸(CD)、侧壁角(SWA)、叠加、边缘放置误差、间距游动(pitch walk)等。在一些其它实例中，图可用于当样本几何形状或材料偏离到由用于基于模型的CD测量的参数结构模型所设想的预期值的范围之外时对晶片工艺除错。在一个实例中，使用图与由参数结构模型根据其经测量参数预测的结构的演现之间的差异，以更新参数结构模型且改进其测量性能。在第2015/0300965号美国专利公开案中描述另外细节，所述案的内容以全文引用的方式并入本文中。在第2015/0117610号美国专利公开案中描述额外细节，所述案的内容以全文引用的方式并入本文中。
在另一方面中，采用模型建构及分析引擎180以产生经组合x射线及光学测量分析的模型。在一些实例中，光学模拟是基于例如严格耦合波分析(RCWA)，其中求解麦克斯尔方程式(Maxwell's equation)以计算光学信号，例如针对不同偏光的反射率、椭偏参数、相位变化等。
基于使用一组合的几何参数化响应模型的以多个不同入射角的x射线衍射级的经检测强度及经检测光学强度的组合拟合分析来确定一或多个所关注参数的值。通过可与或可未与x射线计量系统(例如图1中描绘的系统100)机械集成的光学计量工具测量光学强度。在第2014/0019097号美国专利公开案及第2013/0304424号美国专利公开案中描述另外细节，所述案中的每一者的内容以全文引用的方式并入本文中。
一般来说，计量目标通过定义为计量目标的最大高度尺寸(即，垂直于晶片表面的尺寸)除以最大横向范围尺寸(即，与晶片表面对准的尺寸)的高宽比特性化。在一些实施例中，待测量计量目标具有至少20的高宽比。在一些实施例中，计量目标具有至少40的高宽比。
应认知，可由单个计算机系统130或替代地多计算机系统130实行贯穿本发明描述的各种步骤。此外，系统100的不同子系统(例如样品定位系统140)可包含适合于实行本文中描述的步骤的至少一部分的计算机系统。因此，不应将前述描述解译为对本发明的限制，而仅为说明。此外，一或多个计算系统130可经配置以执行本文中描述的任何方法实施例的任何(若干)其它步骤。
另外，计算机系统130可以所属领域中已知的任何方式通信地耦合到x射线照明源110、射束塑形狭缝机构120、样品定位系统140及检测器119。例如，一或多个计算计算机130可经耦合到分别与x射线照明源110、射束塑形狭缝机构120、样品定位系统140及检测器119相关联的计算系统。在另一实例中，可通过耦合到计算机系统130的单个计算机系统直接控制x射线照明源110、射束塑形狭缝机构120、样品定位系统140及检测器119中的任一者。
计算机系统130可经配置以通过可包含有线及/或无线部分的传输媒体从系统的子系统(例如，x射线照明源110、射束塑形狭缝机构120、样品定位系统140、检测器119及类似物)接收及/或获取数据或信息。以此方式，传输媒体可充当计算机系统130与系统100的其它子系统之间的数据链路。
计量系统100的计算机系统130可经配置以通过可包含有线及/或无线部分的传输媒体从其它系统接收及/或获取数据或信息(例如，测量结果、建模输入、建模结果等)。以此方式，传输媒体可充当计算机系统130与其它系统(例如，存储器板上计量系统100、外部存储器或外部系统)之间的数据链路。例如，计算系统130可经配置以经由数据链路从存储媒体(即，存储器132或190)接收测量数据(例如，信号135)。例如，使用检测器119获得的光谱结果可存储于永久或半永久存储器装置(例如，存储器132或190)中。在此方面，可从板上存储器或从外部存储器系统导入测量结果。此外，计算机系统130可经由传输媒体而将数据发送到其它系统。举例来说，由计算机系统130确定的样品参数值186可存储于永久或半永久存储器装置(例如，存储器190)中。在此方面，可将测量结果导出到另一系统。
计算系统130可包含(但不限于)个人计算机系统、主计算机系统、工作站、图像计算机、平行处理器或所属领域中已知的任何其它装置。一般来说，术语“计算系统”可广泛地定义为涵盖具有执行来自存储器媒体的指令的一或多个处理器的任何装置。
可经由例如导线、电缆或无线传输链路的传输媒体传输实施例如本文中描述的方法的方法的程序指令134。举例来说，如图1中说明，经由总线133而将存储于存储器132中的程序指令传输到处理器131。程序指令134存储于计算机可读媒体(例如，存储器132)中。示范性计算机可读媒体包含只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘或磁带。
图23说明适合于通过本发明的计量系统100实施的方法300。在一个方面中，应认知，可经由由计算系统130的一或多个处理器执行的预编程算法实行方法300的数据处理块。虽然在计量系统100的上下文中提出以下描述，但本文中应认知，计量系统100的特定结构方面不表示限制且应仅解译为说明性。
在框301中，通过x射线照明子系统产生x射线照明束。
在框302中，相对于x射线照明束定位样品，使得x射线照明束在样品的表面上的任何位置处入射于样品的表面上。
在框303中，使样品围绕旋转轴相对于x射线照明束旋转，使得x射线照明束以多个入射角在任何位置处入射于样品的表面上。
在框304中，使样品围绕方位旋转轴旋转，使得x射线照明束以多个方位角在任何位置处入射于样品的表面上。
在框305中，使用x射线照明束照明校准目标。校准目标包含一或多个标记。
在框306中，在样品定位系统的位置范围内检测透射通量的量，其中x射线照明束的至少一部分在位置范围内入射于校准目标上。
在框307中，基于透射通量的所检测量相对于样品定位系统确定x射线照明束的入射位置。
在一些实施例中，实施如本文中描述的散射测量测量作为制造过程工具的部分。制造过程工具的实例包含(但不限于)光刻曝光工具、膜沉积工具、植入工具及蚀刻工具。以此方式，使用T-SAXS分析的结果以控制制造工艺。在一个实例中，将从一或多个目标收集的T-SAXS测量数据发送到制造工艺工具。如本文中描述那样分析T-SAXS测量数据且使用结果以调整制造工艺工具的操作。
可使用如本文中描述的散射测量测量以确定多种半导体结构的特性。示范性结构包含(但不限于)FinFET、低维结构(例如纳米线或石墨烯)、亚10nm结构、光刻结构、穿过衬底的通孔(TSV)、存储器结构(例如DRAM、DRAM 4F2、FLASH、MRAM及高高宽比存储器结构)。示范性结构特性包含(但不限于)几何参数(例如线边缘粗糙度、线宽粗糙度、孔大小、孔密度、侧壁角、轮廓、临界尺寸、间距、厚度、叠加)及材料参数(例如电子密度、组合物、晶粒结构、形态、应力、应变及元素识别)。在一些实施例中，计量目标是周期性结构。在一些其它实施例中，计量目标是非周期性的。
在一些实例中，使用如本文中描述的T-SAXS测量系统执行高高宽比半导体结构(包含(但不限于)自旋转移扭矩随机存取存储器(STT-RAM)、三维NAND存储器(3D-NAND)或垂直NAND存储器(V-NAND)、动态随机存取存储器(DRAM)、三维FLASH存储器(3D-FLASH)、电阻式随机存取存储器(Re-RAM)及相变随机存取存储器(PC-RAM))的临界尺寸、厚度、叠加及材料性质的测量。
如本文中描述，术语“临界尺寸”包含结构的任何临界尺寸(例如，底部临界尺寸、中间临界尺寸、顶部临界尺寸、侧壁角、光栅高度等)、任何两个或两个以上结构之间的临界尺寸(例如，两个结构之间的距离)及两个或两个以上结构之间的位移(例如，叠加光栅结构之间的叠加位移等)。结构可包含三维结构、图案化结构、叠加结构等。
如本文中描述，术语“临界尺寸应用”或“临界尺寸测量应用”包含任何临界尺寸测量。
如本文中描述，术语“计量系统”包含至少部分采用以在任何方面中特性化样品的任何系统，包含临界尺寸应用及叠加计量应用。然而，此类技术术语不限制如本文中描述的术语“计量系统”的范围。另外，本文中描述的计量系统可经配置以测量图案化晶片及/或未经图案化晶片。计量系统可配置为LED检验工具、边缘检验工具、背侧检验工具、宏检验工具或多模式检验工具(涉及同时来自一或多个平台的数据)及受益于本文中描述的测量技术的任何其它计量或检验工具。
本文中针对可用于处理样品的半导体处理系统(例如，检验系统或光刻系统)描述各个实施例。术语“样品”在本文中用以指晶片、光罩或可通过所属领域中已知的构件处理(例如，印刷或检验缺陷)的任何其它样本。
如本文中使用，术语“晶片”大体上是指由半导体或非半导体材料形成的衬底。实例包含(但不限于)单晶硅、砷化镓及磷化铟。此类衬底通常可在半导体制造厂中找到及/或处理。在一些情况中，晶片可仅包含衬底(即，裸晶片)。替代地，晶片可包含形成于衬底上的一或多个不同材料层。形成于晶片上的一或多个层可“经图案化”或“未经图案化”。举例来说，晶片可包含具有可重复图案特征的多个裸片。
“光罩”可为处于光罩装置工艺的任何阶段的光罩，或为可能或可能未经释放以于半导体制造厂中使用的完成光罩。光罩或“掩模”大体上定义为具有形成于其上且以图案配置的基本上不透明区域的基本上透射衬底。衬底可包含(例如)玻璃材料，例如非晶SiO2。可在光刻工艺的曝光步骤期间将光罩安置于覆盖有抗蚀剂的晶片上方，使得可将光罩上的图案转印到抗蚀剂。
形成于晶片上的一或多个层可经图案化或未经图案化。例如，晶片可包含各自具有可重复图案特征的多个裸片。此类材料层的形成及处理最终可导致完成装置。许多不同类型的装置可形成于晶片上，且如本文中使用的术语晶片希望涵盖其上制造所属领域中已知的任何类型的装置的晶片。
在一或多个示范性实施例中，所描述的功能可实施于硬件、软件、固件或其任何组合中。如果在软件中实施，那么功能可作为一或多个指令或代码存储于计算机可读媒体上或经由所述计算机可读媒体传输。计算机可读媒体包含计算机存储媒体及通信媒体两者，包含促进计算机程序从一个位置到另一位置的传送的任何媒体。存储媒体可为可通过通用计算机或专用计算机存取的任何可用媒体。举例来说(且非限制)，此计算机可读媒体可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储器、磁盘存储器或其它磁性存储装置或可用于载送或存储呈指令或数据结构的形式的所要程序代码构件且可通过通用计算机或专用计算机或通用或专用处理器存取的任何其它媒体。而且，任何连接可被适当地称为计算机可读媒体。例如，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或无线技术(例如红外线、无线电及微波)从网站、服务器或其它远程源传输软件，那么同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或无线技术(例如红外线、无线电及微波)包含于媒体的定义中。如本文中使用，磁盘及光盘包含光盘(CD)、激光光盘、XRF碟、数字多功能光盘(DVD)、软盘及蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地重现数据而光盘用激光光学地重现数据。上述组合也应包含于计算机可读媒体的范围内。
尽管上文出于指导目的而描述某些特定实施例，但本专利文献的教示具有一般适用性且不限于上文中描述的特定实施例。因此，在不脱离如权利要求书中陈述的本发明的范围的情况下，可实践所描述的实施例的各种特征的各种修改、调适及组合。
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