用于基于X射线的测量系统的校准及对准的多层目标
相关申请案的交叉参考
本专利申请案根据35 U.S.C.§119规定主张2018年3月28日申请的第62/649,131号美国临时专利申请案的优先权，所述申请案的标的物的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
所描述的实施例涉及X射线计量系统及方法，且更特定来说，所描述的实施例涉及用于提高测量准确度的方法及系统。
背景技术
半导体装置(例如逻辑及存储器装置)通常由施加于样品的处理步骤序列制造。半导体装置的各种特征及多个结构层级由这些处理步骤形成。例如，其中的光刻是涉及在半导体晶片上产生图案的半导体制造工艺。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于单个半导体晶片上且接着分离成个别半导体装置。
在半导体制造工艺期间的各种步骤中，使用计量过程来检测晶片上的缺陷以促成较高良率。包含散射测量及反射测量实施方案的基于计量的许多技术及相关联分析算法常用于表征纳米级结构的临界尺寸、膜厚度、组成及其它参数。
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)走向更小纳米级尺寸，表征变得更困难。并入复杂三维几何形状及具有不同物理性质的材料的装置导致表征困难。例如，现代存储器结构通常为难以使光学辐射穿透到底层的高纵横比三维结构。利用红外线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无法提供对小异常的足够敏感度。另外，表征复杂结构(例如FinFET)所需的越来越多参数导致参数相关性增强。因此，表征目标的参数通常无法与可用测量可靠地解耦合。
在实例中，已试图采用较长波长(例如近红外线)来克服利用多晶硅作为堆叠中交替材料中的一者的3D快闪装置的穿透问题。然而，当照明深入传播到膜堆叠中时，3D快闪的似镜结构本质上引起光强度减弱。此引起深度处的敏感度损失及相关性问题。在此情境中，SCD仅能够以高敏感度及低相关性成功提取一组减少计量尺寸。
在另一实例中，不透明高k材料越来越多用于现代半导体结构中。光学辐射通常无法穿透由这些材料构造的层。因此，使用薄膜散射测量工具(例如椭圆偏光计或反射计)的测量变得越来越有挑战性。
已响应于这些挑战而开发更复杂光学计量工具。例如，已开发具有多个照明角、较短照明波长、较宽照明波长范围及来自反射信号的更完整信息获取(例如测量多个穆勒(Mueller)矩阵元素及更常规反射率或椭偏信号)的工具。然而，这些方法无法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)及测量应用(例如线边缘粗糙度及线宽粗糙度测量)的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)实现中等分辨率等级，但无法穿透结构到足够深度。因此，高纵横比孔无法很好表征。另外，样品的所需充电对成像性能具有负面影响。X射线反射计还面临在测量高纵横比结构时限制其效力的穿透问题。
为克服穿透深度问题，传统成像技术(例如TEM、SEM等等)与破坏性样本制备技术(例如聚焦离子束(FIB)机械加工、离子研磨、毯覆式或选择性蚀刻等等)一起使用。例如，透射电子显微镜(TEM)实现高分辨率等级且能够探测任意深度，但TEM需要破坏性剖切样品。材料移除及测量的数次反复大体上提供测量整个三维结构的临界计量参数所需的信息。然而，这些技术需要破坏样本及漫长处理时间。归因于蚀刻及计量步骤的漂移，完成这些类型的测量的复杂性及时间带来较大不准确度。另外，这些技术需要多次反复，其带来配准误差。
采用硬X射线能级(>15keV)处的光子的透射小角度X射线散射测量(T-SAXS)系统已显示解决挑战性测量应用的希望。以下各者中描述将SAXS技术应用于临界尺寸(CD-SAXS)及叠加(OVL-SAXS)的测量的各种方面：1)庄(Zhuang)及菲尔登(Fielden)的名称为“高亮度X射线计量(High-brightness X-ray metrology)”的第7,929,667号美国专利、2)贝克曼(Bakeman)、什切格罗夫(Shchegrov)、赵(Zhao)及谭(Tan)的名称为“用于组合X射线及光学计量的模型建立及分析引擎(Model Building And Analysis Engine ForCombined X-ray And Optical Metrology)”的第2014/0019097号美国公开专利、3)维尔德曼(Veldman)、贝克曼、什切格罗夫及米赫(Mieher)的名称为“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 Measuring SemiconductorDevice Overlay Using X-ray Metrology)”的第2015/0117610号美国公开专利、4)亨奇(Hench)、什切格罗夫及贝克曼的名称为“用于基于X射线计量的测量系统优化(Measurement System Optimization For X-ray Based Metrology)”的第2016/0202193号美国公开专利、5)孔(Dziura)、格利内瑙(Gellineau)及什切格罗夫的名称为“用于高纵横比结构的X射线计量(X-ray Metrology For High Aspect Ratio Structures)”的第2017/0167862号美国公开专利及6)格利内瑙、孔、亨奇、维尔德曼及扎鲁博夫斯基(Zalubovsky)的名称为“用于X射线散射测量系统的全光束计量(Full Beam Metrologyfor X-ray Scatterometry Systems)”的第2018/0106735号美国公开专利。上述专利文件让与科磊(KLA-Tencor)公司(加州苗必达市(美国))。
SAXS还已应用于材料的表征及其它非半导体相关应用。示范性系统已由包含Xenocs SAS(www.xenocs.com)、布鲁克(Bruker)公司(www.bruker.com)及日本理学电机(Rigaku)公司(www.rigaku.com/en))的几家公司商业化。
科学文献中还描述关于半导体结构的CD-SAXS计量的研究。大多数研究团体已采用归因于其巨大体积、成本等等而不适合用于半导体制造设施中的高亮度X射线同步辐射源。莱梅莱特(Lemaillet)、杰默(Germer)、克莱恩(Kline)等人的名称为“FinFET结构的光学与X射线散射测量之间的相互比较(Intercomparison between optical and X-rayscatterometry measurements of FinFET structures)”的论文(《国际光学工程学会学报》(Proc.SPIE)，v.8681，p.86810Q(2013))中描述此系统的实例。近年来，美国国家标准与技术研究院(NIST)中的团体已开始研究采用类似于第7,929,667号美国专利中描述的X射线源的小型及明亮X射线源。名称为“使用下几代半导体装置的紧凑X射线源的X射线临界尺寸计量(X-ray scattering critical dimensional metrology using a compact X-raysource for next generation semiconductor devices)”的论文(《微米/纳米光刻杂志》(J.Micro/Nanolith).微电子机械系统微光机电系统(MEMS MOEMS)16(1)，014001(2017年1月到3月))中描述此研究。
X射线束与目标的相互作用必须经校准且与计量系统对准以确保有效测量。示范性表征包含：将X射线束的峰值强度精确定位于目标上及识别X射线束的边界，使得仅光束通量的特定百分比位于边界外。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(例如晶片旋转轴线等等)的对准等等。
一般来说，由光学显微镜基于安置于整个晶片中的对准标记的光学测量来在X射线束的路径中导航晶片。为确保相对于X射线束精确导航特定目标，需要在用于测量标记的光学显微镜的坐标中测量束轮廓。
用于SAXS工具的校准及对准的当前技术遭受非常长测量时间且其准确度高度取决于制备目标的准确度。
第2018/0113084号美国公开专利中描述基于刀刃来校准及对准CD-SAXS工具的方法，所述专利的全部内容以引用的方式并入本文中。基于刀刃的校准及对准本质上为样本台与探测束的间接对准方法。如果所需测量反复的次数变得过多，那么对准时间会很漫长。另外，准确度受限于刀刃的半透明度且还高度取决于刀刃的制造准确度。
在一些实例中，光学显微镜与刀刃对准且刀刃与X射线束对准。归因于由X射线辐射在刀刃的边缘附近照射的刀材料的半透明度，使用传统刀刃来表征X射线束被复杂化。例如，当由具有20keV的能级的光子照射时，钨具有约8.4微米的光束衰减长度。在此长度中，透射下降约1/e(e＝2.718)倍。针对以30°角成形的刀刃，对应于8.4微米的高度的楔形的长度是约14.5微米。X射线束扫描期间的刀刃位置的不确定性的简单估计说明，当所需对准准确度小于数微米(例如小于10微米)时，刀刃的半透明度是限制。
在一些其它实例中，X射线束轮廓由位于相对于X射线束的某一点(例如聚焦光学器件的焦点)的高分辨率X射线相机表征。在这些实例中，使用高分辨率X射线相机来测量束轮廓，且将光束的测量坐标转移到用于在X射线束的路径中导航晶片的光学显微镜。不幸地，与将测量坐标从X射线相机转移到光学显微镜相关联的误差很大且超过导航的所需准确度。
此外，由X射线相机或刀刃表征X射线束本质上是间接的且无法提供关于入射于目标上的光子通量及相邻区域的光子污染的量化数据。
第2018/0328868号美国公开专利中描述基于衍射目标来校准及对准CD-SAXS工具的方法，所述专利的全部内容以引用的方式并入本文中。由传统半导体制造技术制造的衍射目标遭受低对比度。另外，制造前置时间通常非常长及昂贵。包含许多目标的晶片非常昂贵，且目标设计或目标参数值的任何改变需要另一昂贵及长前置时间采购。
多层结构已用作为聚焦X射线光学元件。以下各者中描述用于硬X射线聚焦的多层结构的制造及使用方法：第2008/0137810号美国公开专利、第6,389,100号美国专利、第DE102013005845号德国专利及T.盖普(T.Grap)、F.里德雷尔(F.Riederer)、C.古卜达(C.Gupta)及J.诺奇(J.Knoch)的“埋入式多栅极InAs纳米线FET(Buried multi-gateInAs-nanowire FETs)”(2017年第47届欧洲固态装置研究会议(ESSDERC)，勒芬(Leuven)，2017年，第82页到第85页)，这些参考中的每一者的全部内容以引用的方式并入本文中。
独立多层目标还已用于软X射线显微镜的调制转移函数的测量，如V.V.亚什丘克(V.V.Yashchuk)等人的名称为“用于调制传递函数校准及全场透射软X射线显微镜的分辨率表征的二元伪随机图案化结构(Binary pseudo-random patterned structures formodulation transfer function calibration and resolution characterization of afull-field transmission soft X-ray microscope)”的论文(《科学仪器评论》(Reviewof Scientific Instruments)86，123702(2015))中所描述，所述论文的全部内容以引用的方式并入本文中。
以下各者中描述采用散射样本及山萮酸银粉末衍射样本来校准SAXS工具的方法：T.C.黄(T.C.Huang)等人的“山萮酸银的X射线粉末衍射分析，一种可能的低角度衍射标准(X-ray Powder Diffraction analysis of Silver Behenate,a Possible Low-angleDiffraction Standard)”(《应用晶体杂志》(J.Appl.Cryst).26，180-184(1993))及范立新(Lixin Fan)等人的“带有实验室X射线源的小角度散射仪的绝对校准(The AbsoluteCalibration of a Small-Angle Scattering Instrument with a Laboratory X-raySource)”(《物理学杂志：会议系列》(Journal of Physics:Conference Series)247(2010)012005)，这些参考中的每一者的全部内容以引用的方式并入本文中。
不幸地，山萮酸银目标需要非常长曝光时间且仅可用于执行样本到检测器距离测量。为减少曝光时间，必须使用较厚样本，其增加距离测量的不确定性。玻璃碳及其它扩散散射目标也需要非常长曝光时间。此外，测量结果高度取决于样本制备准确度(例如样本的几何尺寸)及样本纯度。
归因于越来越小分辨率要求、多参数相关性、越来越复杂几何结构(其包含高纵横比结构)及越来越多使用不透明材料，未来计量应用面临度量挑战。X射线工具对准及目标导航的现存方法受限于约10微米到约20微米的准确度。这些方法无法以半导体计量应用的足够准确度定位及测量X射线束中的小尺寸(约50微米)的计量目标。因此，期望用于基于X射线的计量系统中的X射线束的改进对准及校准的方法及系统满足先进制造节点的放置要求。
发明内容
本文描述实现基于X射线的测量系统的快速及准确的绝对校准及对准的多层目标。多层校准目标具有非常高衍射效率且使用快速低成本生产技术来制造。
每一目标包含使用成对的X射线透射及X射线吸收材料来构建的多层结构。厚多层目标结构设置成透射布置(即，劳厄(Laue)几何形状)，使得材料层定向为平行于输入X射线束。X射线衍射于目标的周期性结构上。垂直于每一层的方向上的多层结构的总厚度(即，成对的层的数目乘以多层周期)界定目标的高度。目标的宽度可具有高达多层结构制造于其上的衬底的长度的任何大小(例如数厘米)。
本文所描述的多层目标的对准及校准性能不取决于多层目标几何参数(即，高度、宽度、深度)的准确度。此外，本文所描述的多层目标的对准及校准性能不取决于用于从最初施加于衬底的多层涂层提取目标的方法的准确度。目标的外围的可能碎屑及粗糙度不会降低对准及校准准确度。
在一些实施例中，采用多层目标来对准及校准透射小角度X射线散射测量(T-SAXS)计量系统。半导体制造环境中的实际T-SAXS测量需要在相对于样品(例如半导体晶片)的表面的入射角及方位角的大范围内使用小光点大小(例如跨有效照明点小于50微米)来测量。需要准确定位晶片及表征光束大小及形状以实现小测量框大小。另外，本文呈现在入射角及方位角的全范围内将探测光束准确定位于半导体晶片的表面上的所要目标区域上的校准。此实现测量小框大小计量目标(例如位于具有50微米或更小的尺寸的切割道中的计量目标)所需的晶片的精确导航。
通过非限制性实例，本文所描述的多层目标实现SAXS计量工具中的以下对准及校准测量：1)通过测量框的通量的直接测量；2)测量框大小周围的光子泄漏的直接测量；3)所有自由度上的样本与计量台的对准；5)所有自由度上的样本与入射X射线束的对准；6)根据晶片台角对准的入射X射线束校准；及7)从目标到检测器的距离。
在一些实施例中，使用标准光学多层沉积技术及分割技术的组合来制造多层校准目标。此实现针对各种应用的快速及低成本生产。
在其它实施例中，使用标准半导体制造技术来制造多层校准目标。在一些实施例中，将多层堆叠沉积于制造于半导体晶片上的垂直结构的侧上。
在另一方面中，将光学标记制造于垂直于入射X射线束的多层目标的表面上。可通过蚀刻、离子研磨、激光刻划等等来将光学标记制造到多层目标上。光学标记能够使多层目标与进一步用于基于X射线的散射测量工具上的晶片导航的一或多个光学显微镜对准。
在另一方面中，多层目标经定向使得多层目标的层平行于入射X射线束。
在另一方面中，基于衍射级之间的空间间隔来测量多层目标与检测器之间的距离。
在另一方面中，在平行或垂直于多层目标的层且垂直于入射X射线束的方向上平移多层目标以使入射X射线束与多层目标的中心对准。
在另一方面中，围绕垂直于多层目标的层且垂直于入射X射线束的旋转轴线旋转多层目标以相对于入射X射线束及多层目标定位晶片台的旋转轴线。
在另一方面中，提供复合多层目标，其包含至少两个多层结构，布置成沿与入射X射线束对准的方向彼此相邻、沿垂直于入射X射线束的方向彼此相邻或其组合。以此方式，组合多个多层目标以形成以不同衍射角及跨不同衍射平面衍射入射X射线束的不同部分的特殊校准及对准目标。
在一些实施例中，复合多层目标包含在垂直于入射X射线束的共同平面中安装到衬底的两个多层结构。另外，多层结构以间隙距离彼此空间间隔开。这些复合多层目标可用于测量通过复合多层目标的间隙的通量及与入射于间隙外的复合多层目标上的光子相关联的光子损失。
上文是概要且因此必然含有细节的简化、概括及省略；因此，所属领域的技术人员应了解，概要仅供说明且绝非限制。将在本文所陈述的非限制性详细描述中明白本文所描述的装置及/或过程的其它方面、发明特征及优点。
附图说明
图1是说明沉积于超抛光硅衬底上的多层结构的图式。
图2是说明由与图1中所描绘的多层样本分离的多层段组装的多层目标的图式。
图3是说明多层目标的图式，所述多层目标包含保形沉积于垂直定向硅柱的侧壁上的垂直定向多层结构及保形沉积于硅衬底上的水平定向多层结构。
图4是说明包含保形沉积于垂直定向硅柱的侧壁上的垂直定向多层结构的多层目标的图式。
图5是说明实施例中的入射于多层目标上的X射线束的图式。
图6是说明另一实施例中的入射于多层目标上的X射线束的图式。
图7是说明另一实施例中的入射于多层目标上的X射线束的图式。
图8是说明实施例中的入射于复合多层目标上的X射线束的图式。
图9是说明图8中所描绘的复合多层目标的端视图的图式。
图10是说明另一实施例中的复合多层目标的端视图的图式。
图11是说明又一实施例中的入射于复合多层目标上的X射线束的图式。
图12是说明又一实施例中的入射于复合多层目标上的X射线束的图式。
图13是说明又一实施例中的入射于复合多层目标上的X射线束的图式。图13中所描绘的复合多层目标在与入射X射线束对准的方向上组合图11及12中所描绘的复合多层目标。
图14是说明复合多层目标的端视图的图式，所述复合多层目标包含包围等于待测量的半导体目标的测量框大小的空矩形区域的8个多层结构。
图15是说明另一实施例中的包含8个多层结构的复合多层目标的端视图的图式。
图16是说明又一实施例中的复合多层目标的端视图的图式。
图17是说明计量系统100的图式，计量系统100经配置以根据本文所描述的方法使用多层校准目标来执行各种系统参数的校准。
图18描绘配置中的光束成形狭缝机构的端视图。
图19描绘另一配置中的光束成形狭缝机构的端视图。
图20描绘以由角φ及θ描述的特定定向入射于晶片上的X射线照明束。
图21是说明样品定位系统的图式，其中晶片台移动到其中照明束入射于晶片上的位置。
图22A描绘图21中所描绘的入射于晶片上的照明束的俯视图，其中旋转轴线153与照明束相交于照明束与晶片的入射点处。
图22B描绘图21中所描绘的入射于晶片上的照明束的俯视图，其中旋转轴线153在Z方向上与晶片的表面失准。
图22C描绘图21中所描绘的入射于晶片上的照明束的俯视图，其中旋转轴线153在X方向上与晶片的表面失准。
图23是说明样品定向系统的图式，其中晶片台移动到其中X射线束入射于多层校准目标上的位置。
图24是说明经配置以基于X射线散射测量数据来分辨样品参数值的模型构建及分析引擎180的图式。
图25是说明使用本文所描述的多层校准目标来校准基于X射线的散射测量系统的示范性方法的流程图。
具体实施方式
现将详细参考背景实例及本发明的一些实施例，其实例说明于附图中。
本文描述实现基于X射线的计量及检验工具的快速及准确的绝对校准及对准的多层目标。多层校准目标具有非常高衍射效率且使用标准光学多层沉积及分割技术的组合来制造以实现针对各种应用的快速及低成本生产。
每一目标包含使用成对的X射线透射及X射线吸收材料(例如成对的硅钨材料、成对的硅钼材料等等)来构建的多层结构。厚多层目标结构设置成透射布置(即，劳厄几何形状)，使得材料层定向为平行于入射X射线束。因而，多层目标的每一层定向于标称正交于晶片平面的方向上。X射线衍射于目标的周期性结构上。定向为平行于入射X射线束的层的长度(即，由入射X射线束穿透的多层结构的深度)界定衍射效率。原则上，由入射X射线束穿透的多层结构的深度可为任何长度。因此，以此方式制造的多层目标可经设计以具有高达100％的任何所要衍射效率。实际上，此长度在数微米(例如3微米或更大)到多层结构制造于其上的衬底的长度(例如数厘米)的范围内。多层结构的周期界定衍射角。垂直于每一层的方向上的多层结构的总厚度(即，成对的层的数目乘以多层周期)界定目标的高度。目标的宽度可具有高达多层结构制造于其上的衬底的长度的任何大小(例如数厘米)。
基于X射线的计量或检验工具的对准及校准的准确度仅取决于多层结构的初始表征的准确度，其可以非常高精确度(例如1纳米的分率)执行。因此，本文所描述的多层目标能够以数微米的准确度(例如小于5微米的准确度)快速初始及例行校准及对准基于X射线的计量及检验工具(例如临界尺寸小角度X射线散射测量(CD-SAXS))。
本文所描述的多层目标的对准及校准性能不取决于多层目标几何参数(即，高度、宽度、深度)的准确度。此外，本文所描述的多层目标的对准及校准性能不取决于用于从最初施加于衬底的多层涂层提取目标的方法的准确度。目标的外围的可能碎屑及粗糙度不会降低对准及校准准确度。
本文所描述的多层目标的高衍射效率实现非常短测量曝光时间，其又实现基于X射线的计量及检验工具的明显更快校准及对准。
在一些实施例中，多层目标用于对准及校准透射小角度X射线散射测量(T-SAXS)计量系统。半导体制造环境中的实际T-SAXS测量需要在相对于样品(例如半导体晶片)的表面的入射角及方位角的大范围内使用小光点大小(例如跨有效照明点小于50微米)来测量。需要晶片的准确定位及光束大小及形状的表征来实现小测量框大小。另外，本文呈现在入射角及方位角的全范围内将探测光束准确定位于半导体晶片的表面上的所要目标区域上的校准。此实现测量小框大小计量目标(例如位于具有50微米或更小的尺寸的切割道中的计量目标)所需的晶片的精确导航。
通过非限制性实例，本文所描述的多层目标实现SAXS计量工具中的以下对准及校准测量：1)通过测量框的通量的直接测量；2)测量框大小周围的光子泄漏的直接测量；3)所有自由度上的样本与计量台的对准；5)所有自由度上的样本与入射X射线束的对准；6)根据晶片台角对准的入射X射线束校准；及7)从目标到检测器的距离。
在一方面中，使用标准光学多层沉积及分割技术的组合来制造多层校准目标。此实现针对各种应用的快速及低成本生产。快速目标制造(例如数天而非数周)能够快速改进校准目标设计及开发校准及对准方法。此外，可快速实现匹配客户特定应用的不同大小的校准及对准目标。多层涂层制造技术被极好发展。多层参数的稳定性及准确度非常高。因此，本文所描述的多层结构的实际性能完全满足期望。
图1是说明硅衬底201上的多层结构202的图式。硅衬底201是超抛光平坦衬底。多层结构202包含X射线透射材料及X射线吸收材料的交替层(例如成对的硅钨材料、成对的硅钼材料等等)。X射线透射材料层的厚度可相同或不同于X射线吸收材料层的厚度。然而，每一重复堆叠的成对材料基本上尺寸及材料组成相同。换句话来说，堆叠的成对材料中的每一者包含相同厚度的X射线透射材料及相同厚度X射线吸收材料。结构的所得周期性由单个成对材料的厚度Λ表征。多层涂层的总厚度等于目标的高度。多层涂层的周期由所要衍射级间隔及由基于X射线的计量系统采用的入射X射线束的X射线光子能界定。一般来说，多层涂层的周期可小到2.5纳米。然而，实际上，使用从10纳米到100纳米的范围内的多层周期来实现具有典型X射线照明束能量的良好空间间隔的检测器上的合理数目个衍射级。较小周期增大目标的纵横比(即，多层目标的深度与周期之间的比率)。随着纵横比增大，目标与入射束的对准变得越来越难。例如，入射X射线束的轴线与具有10纳米周期及10微米深度的目标的衍射平面之间的1毫弧度角将导致衍射级的强度的相当大损失。因此，可有利地选择尽可能大的多层周期，同时仍实现入射X射线束的给定X射线光子能的所要衍射级间隔。
如图1中所描绘，通过聚焦离子束(FIB)蚀刻来从多层样本切出小多层段205。聚焦离子束工具203将聚焦离子束204传递到多层样本且使具有所要大小(即，所要宽度、深度及高度)的多层段205与多层样本分离。一般来说，目标的高度受限于多层涂层的高度(其通常为100微米或更小)。然而，一般来说，目标的深度(沿光束的长度)及跨光束的目标的宽度可为小于衬底201的直径的任何大小。
图2描绘由与图1中所描绘的多层样本分离的多层段205组装的多层目标210。多层目标210沿入射X射线束的深度D界定衍射效率。多层结构211的高度H是多层结构202的厚度。多层目标210的宽度W是分离目标205的宽度。在实例中，多层结构具有50微米的高度H、50微米的宽度W及5微米的深度D。
在图2所描绘的实施例中，多层目标210包含由母衬底212支撑的多层结构211，母衬底212与多层结构211一起提取为多层段205的部分。另外，多层目标210包含衬底213，其附接到多层结构211以提供额外结构支撑及促进安装到待校准的计量系统。衬底212及213由不衍射X射线的材料(例如硅)制造。在多层目标的一些其它实施例中，不存在衬底212及213中的任一者或两者。在一个实施例中，多层目标仅包含多层结构211。在这些实施例中，多层目标是独立多层结构。预期具有约10的纵横比(即，H/D)的多层目标是稳定独立结构。独立多层结构因不必附接到另一支撑结构而维持其形状。以此方式，多层目标可仅包含多层结构211，无来自另一衬底的支撑。替代地，多层结构211可附接到X射线透射衬底213，可保持附接到其母衬底(即，图1中所描绘的衬底201)的一部分212，或两者，如图2中所描绘。以此方式，多层结构211可脱离其硅衬底或保持附接以便于处置。
如图2中所描绘，入射X射线束216入射于多层结构211的50微米×50微米壁上。X射线束传播穿过多层结构211而通过多层结构211的5微米深度。一般来说，多层目标210的大小可为任何适合大小。在一些实例中，多层目标210小到10微米。在一些实例中，多层目标210经设置大小以适配于标准切割道目标(例如50微米)。
典型超抛光硅衬底(例如图1中所描绘的衬底201)具有1英寸直径且多层结构202制造于整个区域内。如果所提取的多层目标的特征尺寸是50微米到100微米，那么即使在考虑归因于用于目标提取的FIB工艺的每一目标周围的面积损失之后，单个衬底仍将产生数千个目标。
从特定制造样本提取的所有目标将具有基本上相同多层参数，例如周期、材料组成、粗糙度、吸收器周期比及相互扩散层厚度。为初始表征这些性质，仅完全测量从衬底的不同部分提取的数个目标。一般来说，仅完全测量从衬底提取的数个(例如约5个)目标以确定实际多层周期及衍射效率。如果所有测量目标展示相同性能，那么预期多层参数跨衬底稳定且从样本提取的所有其它目标将基本上相同。每一提取目标的壁的质量及FIB过程的碎屑不影响本文所描述的目标性能。
在另一方面中，使用标准半导体制造技术来制造多层校准目标。在一些实施例中，将多层堆叠沉积于制造于半导体晶片上的垂直结构的侧上。
图3描绘多层目标220的说明图，多层目标220包含保形沉积于垂直定向硅柱225的侧壁上的垂直定向多层结构223及在水平方向上保形沉积于硅衬底221及垂直柱225的顶部上的水平定向多层结构222。目标220包含水平多层及垂直多层两者。水平多层及垂直多层两者可用作为衍射目标结构，如本文所描述。
图4描绘多层目标224的说明图，多层目标224包含保形沉积于垂直定向硅柱225的侧壁上的垂直定向多层结构223。多层目标224是经受从硅衬底221移除水平多层结构222的额外定向蚀刻步骤的多层目标220。目标220包含可用作为衍射目标结构的垂直多层，如本文所描述。
使用标准半导体制造技术来制造的多层校准目标(例如目标220及224)可为有利的，因为其可直接制造于半导体制造晶片上而无需额外切割、分割或安装步骤。此外，这些目标是待由基于X射线的散射测量系统测量的相同制造半导体晶片的集成部分。此简化对准及校准过程。特定来说，其它类型的目标(例如用于验证工具性能的目标)及光学对准标记或用于工具对准及校准的其它结构可制造于相同晶片上。
在另一方面中，在垂直于入射X射线束的表面上的多层目标的表面上蚀刻光学标记。图2描绘蚀刻于面向入射X射线束216的衬底212的表面上的光学标记214及214。可通过蚀刻、离子研磨、激光刻划等等来将光学标记蚀刻到多层目标中。一般来说，多层目标可包含正面、背面或两者上的垂直于入射X射线束的表面上的光学标记。光学标记应具有足够用于使用导航显微镜(例如高倍率相机、低倍率相机或两者)来获得的图像的图案辨识的高对比度度。光学标记相对于目标的边缘的位置的准确度应小于1微米。在一些实施例中，当从多层样本提取目标时，光学标记由聚焦离子束(FIB)机械加工工具(例如FIB工具203)离子研磨。一或多个光学标记能够使多层目标与进一步用于基于X射线的散射测量工具上的晶片导航的一或多个光学显微镜对准。以此方式，还经由光学标记多层目标来校准入射X射线束相对于光学导航相机系统的位置。
在另一方面中，多层目标经定向使得多层目标的层平行于入射X射线束。
图5描绘入射于包含安装到衬底233的多层结构232的多层目标上的X射线束234。在检测器235上检测所得衍射级236、237A到B及238A到B。如图5中所描绘，多层结构232的层定向为平行于入射X射线束234(即，平行于与入射X射线束的传播方向对准的X射线束的纵轴线)。此外，层定向为与投影到检测器235上的晶片平面的X轴平行。入射X射线束234衍射成分别入射于检测器235上的测量点236、测量点237A到B及测量点238A到B处的零级光束、+/-1级光束及+/-2级光束。如图5中所描绘，多层结构232沿投影到检测器235上的晶片平面的Y轴衍射入射束234。
多层结构232设计成具有周期以针对入射束的给定光子能实现检测器上的衍射级的所要间隔。另外，多层结构232设计成具有深度D以针对入射束的给定光子能实现所要衍射效率或可在检测器处检测的所要衍射光子数。衍射效率与结构沿光束的长度的平方成比例且衍射光子数与入射束的波长的平方成比例。
在一些实施例中，采用提供具有可选光束能(即，波长)的X射线束的X射线照明源。在实例中，采用多元件阳极X射线照明源。在这些实施例中，选择入射X射线束的波长以实现所要衍射效率及衍射级的空间间隔以按最大速度执行校准及对准。例如，较软光子在检测器处产生具有较大空间间隔的衍射级。
多层结构232的纵横比较大(例如，D/Λ大于50，D/Λ小于500)。因此，多层结构232的衍射效率对多层结构232围绕轴线261的定向非常敏感，轴线261垂直于入射X射线束234且平行于结构层。当多层结构232的结构层与入射X射线束234完全平行时，衍射效率最高。从完全对准围绕轴线261小幅旋转引起衍射效率快速下降。此敏感度用于使多层结构232及因此晶片台与入射X射线束围绕旋转轴线快速及准确对准，所述旋转轴线与投影到检测器235上的晶片的平面中的X轴高准确度对准(例如，多层结构相对于入射X射线束的对准在1毫弧度或更小内)。以此方式，校准围绕晶片的平面中的旋转X轴的零入射角。例如，针对具有100的纵横比(例如100纳米的多层周期与沿X射线束的10微米的目标深度)的多层目标，当目标倾斜10毫弧度时，测量衍射束237A到B及238A到B的强度减弱多倍。
图6描绘入射于包含安装到衬底240的多层结构239的多层目标上的X射线束234。在检测器235上检测所得衍射级243、244A到B及245A到B。如图6中所描绘，多层结构239的层定向为平行于入射X射线束234。此外，层定向为与投影到检测器235上的晶片平面的Y轴平行。入射X射线束234衍射成分别入射于检测器235上的测量点243、测量点244A到B及测量点245A到B处的零级光束、+/-1级光束及+/-2级光束。如图6中所描绘，多层结构239沿投影到检测器235上的晶片平面的X轴衍射入射束234。
如参考多层结构232(参考图5)所描述，多层结构239设计成具有周期以针对入射束的给定光子能实现检测器上的衍射级的所要间隔。另外，多层结构239设计成具有深度D以针对入射束的给定子能实现所要衍射效率或可在检测器处检测的所要衍射光子数。
类似地，多层结构239的纵横比较大(例如，D/Λ大于50，D/Λ小于500)。因此，多层结构239的衍射效率对多层结构239围绕轴线253的定向非常敏感，轴线253垂直于入射X射线束234且平行于结构层。当多层结构239的结构层与入射X射线束234完全平行时，衍射效率最高。从完全对准围绕轴线253小幅旋转引起衍射效率快速下降。此敏感度用于使多层结构239及因此晶片台与与入射X射线束围绕旋转轴线快速及准确对准，所述旋转轴线与投影到检测器235上的晶片的平面中的Y轴高准确度对准(例如，多层结构相对于入射X射线束的对准在1毫弧度或更小内)。以此方式，校准围绕晶片的平面中的旋转Y轴的零入射角。例如，针对具有100的纵横比(例如100纳米的多层周期与沿X射线束的10微米的目标深度)的多层目标，当目标倾斜10毫弧度时，测量衍射束244A到B及245A到B的强度减弱多倍。
在图5及6所描绘的实施例中，两个不同多层目标由计量系统用于校准两个正交方向上的入射角。然而，一般来说，可采用单个多层目标以通过仅在每一校准之间旋转多层目标90°来校准两个正交方向上的入射角。
在另一方面中，基于衍射级之间的空间间隔来测量多层目标与检测器之间的距离。
如参考多层结构232(参考图5)所描述，多层结构239设计成具有空间周期Λ且使用由特定波长λ表征的X射线辐射来照射。如果存在小角度散射，那么每一非零衍射级从零衍射级角位移角度nθ，其中n是衍射级。角位移依据空间周期及照明波长而变化如下：sin(θ)＝λ/Λ。此外，从目标到检测器的距离L依据检测器处的第一衍射级与零衍射级之间的空间间隔S而变化如下：L＝S/sin(θ)。因此，从目标到检测器的距离L可表示为：L＝S*Λ/λ，其中S在检测器处测量且λ及Λ是非常准确的已知系统参数。
以此方式，图17中所描绘的计算系统130经配置以基于检测器处所确定的衍射级之间的空间间隔及λ及Λ的已知系统参数值来估计多层目标与检测器之间的距离。
在另一方面中，在平行于或垂直于多层目标的层且垂直于入射X射线束的方向上平移多层目标以使入射X射线束沿轴线与多层目标的中心对准。
再次参考图5，X射线束234入射于多层结构232上且多层结构232的层定向为平行于入射X射线束234。如图5中所描绘，举例来说，在与投影到检测器235上的晶片平面的X轴平行的方向上(例如沿轴线261)平移多层目标。在另一实例中，在垂直于投影到检测器235上的晶片平面的X轴的方向上平移多层目标。多层结构(例如多层结构232)的物理尺寸确定在一方向或另一方向上有利地平移多层结构。如果多层结构在一方向上基本上长于入射X射线束的光点大小且在另一方向上长度基本上类似或小于入射X射线束的光点大小，那么在其中多层结构的长度范围基本上类似于入射X射线束的光点大小的方向上有利地扫描多层结构。此最大化测量衍射级对多层结构的位置变化的敏感度。如图5中所描绘，入射X射线束234衍射成分别入射于检测器235上的测量点236、测量点237A到B及测量点238A到B处的零级光束、+/-1级光束及+/-2级光束等等。如图5中所描绘，多层结构232沿投影到检测器235上的晶片平面的Y轴衍射入射束234。当入射X射线束234沿X轴定位于多层结构232的结构层的中心上时，衍射效率最高(即，测量衍射强度最高)。从X方向上的完全对准沿轴线261小幅平移引起衍射效率快速下降。此敏感度用于使多层结构232及因此晶片台与入射X射线束在投影到检测器235上的晶片的平面中的X方向上快速及准确对准。
再次参考图6，X射线束234入射于多层结构239上且多层结构239的层定向为平行于入射X射线束234。在图6所描绘的实施例中，在与投影到检测器235上的晶片平面的Y轴平行的方向上(例如沿轴线253)平移多层目标。在另一实例中，在垂直于投影到检测器235上的晶片平面的Y轴的方向上平移多层目标。在一方向或另一方向上有利地平移多层结构取决于上文所描述的多层结构(例如多层结构239)的物理尺寸。入射X射线束234衍射成分别入射于检测器235上的测量点243、测量点244A到B及测量点245A到B处的零级光束、+/-1级光束及+/-2级光束等等。如图6中所描绘，多层结构239沿投影到检测器235上的晶片平面的X轴衍射入射束234。当入射X射线束234沿Y轴定位于多层结构239的结构层的中心上时，衍射效率最高(即，测量衍射强度最高)。从Y方向上的完全对准沿轴线253小幅平移引起衍射效率快速下降。此敏感度用于使多层结构239及因此晶片台与入射X射线束在投影到检测器235上的晶片的平面中的Y方向上快速及准确对准。
在图5及6所描绘的实施例中，两个不同多层目标由计量系统用于校准晶片台相对于入射X射线束的X-Y对准。然而，一般来说，可采用单个多层目标以通过仅在每一校准之间旋转多层目标90°来校准X-Y对准。
在另一方面中，围绕垂直于多层目标的层且垂直于入射X射线束的旋转轴线旋转多层目标以相对于入射X射线束及多层目标定位晶片台的旋转轴线。
图7描绘入射于包含安装到衬底247的多层结构246的多层目标上的X射线束234。在检测器235上检测所得衍射级250、251A到B及252A到B。如图7中所描绘，多层结构246的层定向为平行于入射X射线束234且入射X射线束234相对于多层结构246定位于X方向的中心上。此外，多层结构246的层定向为与投影到检测器235上的晶片平面的X轴平行。入射X射线束234衍射成分别入射于检测器235上的测量点250、测量点251A到B及测量点252A到B处的零级光束、+/-1级光束及+/-2级光束。如图7中所描绘，多层结构246沿投影到检测器235上的晶片平面的Y轴衍射入射束234。
当旋转轴线253相对于多层结构246及入射X射线234定位于正中心上(即，沿X轴及Z轴与入射X射线束234的纵轴线相交于多层结构246的中心处)时，围绕轴线253的旋转不影响测量衍射效率。然而，如果旋转轴线253在X方向及Z方向上不定位于多层目标结构246的中心上，那么多层目标结构246将旋进及旋出入射X射线束以引起衍射束的总信号减少。以此方式，采用衍射通量随多层目标围绕轴线253的旋转的变化来在X方向及Z方向上校准旋转轴线253与入射X射线束234及多层目标结构246的轴线的失准。
在另一方面中，提供复合多层目标，其包含至少两个多层结构，布置成沿与入射X射线束对准的方向彼此相邻、沿垂直于入射X射线束对准的方向彼此相邻或其组合。以此方式，组合多个多层目标以形成以不同衍射角及跨不同衍射平面衍射入射X射线束的不同部分的特殊校准及对准目标。
在一些实施例中，使用基本上相同的重复堆叠的成对材料来制造包括复合多层目标的多层结构。换句话来说，包括复合多层目标的每一多层结构包含具有基本上相同厚度及材料组成的成对材料。然而，在一些其它实施例中，使用不用于包括复合多层目标的多层结构的重复堆叠的成对材料来制造包括复合多层目标的一或多个多层结构。换句话来说，包括复合多层目标的一或多个多层结构包含具有不同于包括复合多层目标的其它多层结构的厚度、材料组成或两者的成对材料。
图8描绘入射于复合多层目标上的X射线束234。复合多层目标包含安装到多层结构263的多层结构262，多层结构263又安装到衬底264。多层结构262及263及衬底264在与入射X射线束对准的方向上彼此安装。多层结构262的层定向为与投影到检测器235上的晶片平面的X轴平行。多层结构263的层定向为与投影到检测器235上的晶片平面的Y轴平行。入射X射线束234由多层结构262衍射成分别入射于检测器235上的测量点267、测量点270A到B及测量点271A到B处的零级光束、+/-1级光束及+/-2级光束等等。入射X射线束234由多层结构263衍射成分别入射于检测器235上的测量点267、测量点268A到B及测量点269A到B处的零级光束、+/-1级光束及+/-2级光束等等。如图8中所描绘，多层结构262及263的层定向为平行于入射X射线束234。
在另一方面中，在平行于多层目标结构262的层的方向(即，X方向)及平行于多层目标结构263的层的方向(即，Y方向)上平移复合多层目标以使入射X射线束与复合多层目标的中心沿两个轴线对准。
当入射X射线束234沿X轴定位于多层结构262的结构层的中心上时，沿Y轴的衍射效率最高(即，测量衍射强度最高)。当入射X射线束234沿Y轴定位于多层结构263的结构层的中心上时，沿X轴的衍射效率最高(即，测量衍射强度最高)。从任一方向上的完全对准小幅平移引起沿对应衍射平面的衍射效率快速下降。此敏感度用于使复合多层结构及因此晶片台与入射X射线束在投影到检测器235上的晶片的平面中的X方向及Y方向上快速及准确对准。
在另一方面中，复合多层目标围绕平行于多层结构262的层的轴线261旋转且还围绕平行于多层结构263的层的轴线253旋转以使多层结构262及263的层与入射X射线束234对准。
多层结构262的衍射效率对多层结构262围绕垂直于入射X射线束234且平行于结构层的轴线261的定向非常敏感。当多层结构262的结构层与入射X射线束234完全对准时，沿投影到检测器235上的晶片的平面中的Y轴的衍射效率最高。从完全对准围绕轴线253小幅旋转引起衍射效率快速下降。此敏感度用于使多层结构262及因此晶片台与入射X射线束围绕与投影到检测器235上的晶片的平面中的X轴对准的旋转轴线快速及准确对准。类似地，多层结构263的衍射效率对多层结构263围绕垂直于入射X射线束234且平行于结构层的轴线253的定向非常敏感。当多层结构263的结构层与入射X射线束234完全平行时，沿投影到检测器235上的晶片的平面中的X轴的衍射效率最高。从完全对准围绕轴线253小幅旋转引起衍射效率快速下降。此敏感度用于使多层结构263及因此晶片台与入射X射线束围绕与投影到检测器235上的晶片的平面中的Y轴对准的旋转轴线快速及准确对准。以此方式，校准围绕晶片的平面中的X及Y旋转轴线的零入射角。
图9描绘图8中所描绘的复合多层目标的端视图的说明图275。如图9中所描绘，复合多层目标包含定向为彼此垂直的两组多层结构。一组多层结构与X方向对准且另一组多层结构与Y方向对准。图8及9中所描绘的复合多层目标特别适配于制备基于X射线的散射计系统来测量由两个正交光栅组成的半导体目标时。
图10描绘另一复合多层目标的端视图的说明图276，所述复合多层目标包含各自安置成沿与入射X射线束对准的方向彼此相邻的三组多层目标。此外，每一多层目标结构以相对于彼此成60°定向，其产生6重对称衍射图像。图10中所描绘的复合多层目标特别适配于制备基于X射线的散射计系统来测量包含VNAND通道孔蚀刻结构的半导体目标时。
一般来说，相同或不同大小、相同或不同周期或两者的两个或两个以上不同多层目标结构可布置成沿与入射X射线束对准的方向彼此相邻。
图11描绘入射于复合多层目标上的X射线束234。复合多层目标包含安装到衬底279的多层结构277及还安装到衬底279的多层结构278。多层结构277及278在垂直于入射X射线束234的共同平面中安装到衬底279。多层结构277及278的层定向为与投影到检测器235上的晶片平面的X轴平行且定向为平行于入射X射线束234。另外，多层结构277及278彼此间隔距离G。入射X射线束234由多层结构277及278衍射成分别入射于检测器235上的测量点282、测量点283A到B及测量点284A到B处的零级光束、+/-1级光束及+/-2级光束等等。
在另一方面中，沿平行于多层结构277及278的层的轴线平移复合多层目标以使多层结构277与278之间的间隙与入射X射线束234对准。测量衍射指示与多层结构277与278之间的间隙的相同大小的测量框内的光子通量、测量框外的光子泄漏及测量框与入射X射线束234的对准。
通过多层结构277与278之间的间隙的入射X射线束234的部分不促成检测器235处的非零级处的衍射信号。因此，测量零级通量指示通过间隙的光子通量。通过多层结构277及278的入射X射线束234的部分经衍射且促成检测器235处的非零级处的衍射信号。检测器235上的总衍射信号(即，非零级处的信号)的测量指示间隙外的光子污染(即，光子损失)的总体程度。
图12描绘入射于复合多层目标上的X射线束234。复合多层目标包含安装到衬底288的多层结构285及还安装到衬底288的多层结构286。多层结构285及286在垂直于入射X射线束234的共同平面中安装到衬底288。多层结构285及286的层定向为与投影到检测器235上的晶片平面的Y轴平行且定向为平行于入射X射线束234。另外，多层结构285及286在Y方向上彼此间隔距离G。入射X射线束234由多层结构285及286衍射成分别入射于检测器235上的测量点290、测量点291A到B及测量点292A到B处的零级光束、+/-1级光束及+/-2级光束。
通过多层结构285与286之间的间隙的入射X射线束234的部分不促成检测器235处的非零级处的衍射信号。因此，测量零级通量指示通过间隙的光子通量。通过多层结构285及286的入射X射线束234的部分经衍射且促成检测器235处的非零级处的衍射信号。检测器235上的总衍射信号(即，非零级处的信号)的测量指示间隙外的光子污染(即，光子损失)的总体程度。衍射信号的不对称性指示复合多层目标在Y方向上相对于入射束234的对准。
图13描绘入射于复合多层目标上的X射线束234。图13中所描绘的复合多层目标在与入射X射线束对准的方向上组合图11及12中所描绘的复合多层目标。复合多层目标包含安装到衬底293的多层结构294及还安装到衬底293的多层结构295。多层结构294及295在垂直于入射X射线束234的共同平面中安装到衬底293。多层结构294及295的层定向为与投影到检测器235上的晶片平面的Y轴平行且定向为平行于入射X射线束234。另外，多层结构294及295在Y方向上彼此间隔距离G。入射X射线束234由多层结构294及295衍射成分别入射于检测器235上的测量点300、测量点303A到B及测量点304A到B处的零级光束、+/-1级光束及+/-2级光束。
另外，复合多层目标包含安装到多层结构294及295的多层结构296及297。多层结构296及297在垂直于入射X射线束234的共同平面中安装到多层结构294及295。多层结构296及297的层定向为与投影到检测器235上的晶片平面的X轴平行且定向为平行于入射X射线束234。另外，多层结构296及297在X方向上彼此间隔距离G。入射X射线束234由多层结构296及297衍射成分别入射于检测器235上的测量点300、测量点301A到B及测量点302A到B处的零级光束、+/-1级光束及+/-2级光束。
通过多层结构293到296之间的间隙的入射X射线束234的部分不促成检测器235处的非零级处的衍射信号。因此，测量零级通量指示通过间隙的光子通量。通过多层结构293到297的入射X射线束234的部分经衍射且促成检测器235处的非零级处的衍射信号。检测器235上的总衍射信号(即，非零级处的信号)的测量指示间隙外的光子污染(即，光子损失)的总体程度。执行对准以最小化X方向、Y方向或两者上的可能光子污染。
一般来说，将间隙大小设置为所要测量框大小以洞察特定测量系统布置预期有多少光子污染。在一个实例中，优化光束成形狭缝位置以最大化光子通量，同时使光子污染维持低于预定等级。
一般来说，由不同周期、定向、布置或其组合的多层结构制造复合多层目标实现入射束的不同部分(例如左、右、顶部、底部)对光子污染的贡献的测量。图13中所描绘的复合多层目标实现目标与入射X射线束同时在X及Y方向上对准及最少光子污染(例如通过优化光束成形狭缝的对准及大小)。此外，使用相同测量来量化总光子污染的等级。
一般来说，可考虑许多其它复合多层目标。图14描绘复合多层目标305的端视图，复合多层目标305包含包围等于待测量的半导体目标的测量框大小的空矩形区域的8个多层结构。此目标可用于使目标与入射X射线束对准且测量框大小周围的总光子污染。此目标可由具有相同或不同周期、彼此相同或不同定向或其组合的多层结构制造。
图15描绘复合多层目标306的端视图，复合多层目标306包含包围等于待测量的半导体目标的测量框大小的空矩形区域的8个多层结构。此目标可用于使目标与入射X射线束对准以最小化框大小周围的总光子污染且同时个别分辨对入射X射线束的水平、垂直、顶部及底部部分中的光子污染的贡献。
图16描绘包含12个多层结构的复合多层目标307的端视图。每一多层结构具有唯一角布置及周期。此实现目标与X射线束的最佳对准及框大小周围的最少可实现光子污染。另外，由于每一多层结构具有唯一角布置及周期，所以复合多层目标307实现入射束的每一部分对光子污染的贡献的同时测量，且因此将辐射衍射成检测器的不同部分，可在检测器中个别分辨不同部分。
图17说明至少一个新颖方面中的用于测量样品的特性的T-SAXS计量系统100的实施例。如图17中所展示，系统100可用于对由照明光点照射的样品101的检验区域102执行T-SAXS测量。
在所描绘的实施例中，计量系统100包含X射线照明子系统125，其包含X射线照明源110、聚焦光学器件111、光束发散控制狭缝112、中间狭缝113及光束成形狭缝机构120。X射线照明源110经配置以产生适配于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0.01纳米到1纳米之间的波长。一般来说，可考虑能够以足以实现高处理量线内计量的通量等级产生高亮度X射线的任何适合高亮度X射线照明源来供应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波长传递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的光子能的辐射的一或多个X射线源来确保X射线源以允许充分透射穿过整个装置及晶片衬底的波长供应光。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、微焦源、微焦旋转阳极源、基于等离子体的源及逆康普顿(Compton)源中的任一者可用作为X射线照明源110。在实例中，可考虑购自美国朗讯科技(Lyncean Technologies)公司(加州帕洛阿尔托市(美国))的逆康普顿源。逆康普顿源具有能够产生光子能范围内的X射线以借此使X射线源能够以不同可选波长传递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激发X射线辐射的电子束源。科磊公司在2011年4月19日发布的第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，所述专利的全部内容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，正交于光束轴的非零尺寸)的源区域上产生X射线辐射。聚焦光学器件111将源辐射聚焦到位于样品101上的计量目标上。有限横向源尺寸导致由来自源的边缘的射线117界定的目标上的有限光点大小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。
光束发散控制狭缝112位于聚焦光学器件111与光束成形狭缝机构120之间的光束路径中。光束发散控制狭缝112限制提供到受测量样品的照明的发散。额外中间狭缝113位于光束发散控制狭缝112与光束成形狭缝机构120之间的光束路径中。中间狭缝113提供额外光束成形。然而，一般来说，中间狭缝113可为任选的。第2017/0307548号美国公开专利中提供示范性光束成形狭缝机构的额外描述，所述专利的目标的全部内容以引用的方式并入本文中。
光束成形狭缝机构120位于紧接于样品101之前的光束路径中。在一方面中，光束成形狭缝机构120的叶片定位为非常接近样品101以最小化归因于由有限源大小界定的光束发散的入射光点大小的扩大。在实例中，针对10微米X射线源大小及光束成形狭缝与样品101之间的25毫米的距离，光点大小在归因于有限源大小而变成由光束成形狭缝120产生的几何阴影时扩张约1微米。
在一些实施例中，光束成形狭缝机构120包含多个独立致动的光束成形狭缝。在一个实施例中，光束成形狭缝机构120包含4个独立致动的光束成形狭缝。这4个光束成形狭缝有效阻挡入射束115的一部分且产生具有框形照明横截面的照明束116。
图18及19描绘两个不同配置中的图17中所描绘的光束成形狭缝机构120的端视图。如图18及19中所描绘，光束轴垂直于图式页面。如图18中所描绘，入射束115具有大横截面。在一些实施例中，入射束115具有约1毫米的直径。此外，光束成形狭缝126到129内的入射束115的位置可归因于光束指向误差而具有约3毫米的不确定性。为适应入射束的大小及光束位置的不确定性，每一狭缝具有约6毫米的长度L。如图18中所描绘，每一狭缝可在垂直于光束轴的方向上移动。在图18的说明图中，狭缝126到129定位成与光束轴相距最大距离(即，狭缝完全敞开且其不限制光通过光束成形狭缝机构120)。
图19描绘若干位置中的光束成形狭缝机构120的狭缝126到129，所述位置阻挡入射束115的一部分，使得传递到受测量样品的出射束116具有减小大小及明确界定形状。如图19中所描绘，狭缝126到129中的每一者已向内朝向光束轴移动以实现所要输出光束形状。
狭缝126到129由最小化散射且有效阻挡入射辐射的材料构造。示范性材料包含例如锗、砷化镓、磷化铟等等的单晶材料。通常，沿晶向劈切而非锯切狭缝材料以最小化跨结构边界的散射。另外，狭缝相对于入射束定向，使得入射辐射与狭缝材料的内部结构之间的相互作用产生最少散射量。晶体附接到由高密度材料(例如钨)制成的每一狭缝保持器以完全阻挡狭缝的一侧上的X射线束。在一些实施例中，每一狭缝具有矩形横截面，其具有约0.5毫米的宽度及约1毫米到约2毫米的高度。如图18中所描绘，狭缝的长度L是约6毫米。
一般来说，X射线光学器件成形及导引X射线辐射到样品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射线光学器件来使X射线束以小于1毫弧度的发散度准直或聚焦到样品101的测量区域102上。在这些实例中，多层X射线光学器件还充当光束单色器。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射线孔隙、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的任何组合。第2015/0110249号美国公开专利中描述另外细节，所述专利的全部内容以引用的方式并入本文中。
根据T-SAXS测量模态，X射线检测器119收集从样品101散射的X射线辐射114且产生指示对入射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，当样品定位系统140定位及定向样品101以产生角分辨散射X射线时，散射X射线114由X射线检测器119收集。
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，单个光子计数检测器检测所检测的光子的位置及数目。
在一些实施例中，X射线检测器分辨一或多个X射线光子能且产生指示样品的性质的每一X射线能量组分的信号。在一些实施例中，X射线检测器119包含CCD阵列、微通道板、光二极管阵列、微带比例计数器、填气比例计数器、闪烁器或荧光材料中的任一者。
以此方式，检测器内的X射线光子相互作用由能量以及像素位置及计数的数目判别。在一些实施例中，通过比较X射线光子相互作用的能量与预定上阈值及预定下阈值来判别X射线光子相互作用。在一个实施例中，使此信息经由输出信号135传送到计算系统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来确定样品的性质(例如结构参数值)。如图17中所描绘，计量工具100包含计算系统130，其用于获取由检测器119产生的信号135且至少部分基于所获取的信号来确定样品的性质。
在一些实例中，基于T-SAXS的计量涉及通过使用测量数据反解预定测量模型来确定样本的尺寸。测量模型包含数个(约10个)可调参数且表示样品的几何及光学性质及测量系统的光学性质。反解的方法包含(但不限于)基于模型的回归、断层扫描、机器学习或其任何组合。以此方式，通过解算使测量散射X射线强度与建模结果之间的误差最小化的参数化测量模型的值来估计目标轮廓参数。
可期望在入射角及方位角的大范围内执行测量以提高测量参数值的精确度及准确度。此方法通过扩充可用于分析的数据组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。例如，在法向定向中，T-SAXS能够分辨特征的临界尺寸，但对特征的侧壁角及高度几乎不敏感。然而，可通过在平面外角定向的广泛范围内收集测量数据来分辨特征的侧壁角及高度。在其它实例中，入射角及方位角的大范围内所执行的测量提供足够分辨率及穿透深度以通过结构的整个深度来表征高纵横比结构。
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。多个衍射级中所含的信息在所考虑的每一模型参数之间通常为唯一的。因此，X射线散射产生具有小误差及减少参数相关性的关注参数的值的估计结果。
照明X射线束116相对于半导体晶片101的表面法线的每一定向由晶片101相对于X射线照明束115的任何两个角旋转描述，或反之亦然。在一个实例中，可相对于固定到晶片的坐标系来描述定向。图20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。坐标轴XYZ固定到计量系统(例如照明束116)且坐标轴X'Y'Z'固定到晶片101。Y轴与晶片101的表面共面对准。X及Z不与晶片101的表面对准。Z'与垂直于晶片101的表面的轴线对准，且X'及Y'与晶片101的表面共面对准。如图4中所描绘，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在XZ平面中相对于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一起唯一界定X射线照明束116相对于晶片101的表面的定向。在此实例中，X射线照明束相对于晶片101的表面的定向由围绕垂直于晶片101的表面的轴线(即，Z'轴)的旋转及围绕与晶片101的表面对准的轴线(即，Y轴)的旋转描述。在一些其它实例中，X射线照明束相对于晶片101的表面的定向由围绕与晶片101的表面对准的第一轴线及与晶片101的表面对准且垂直于第一轴线的另一轴线的旋转描述。
在一些实施例中，计量工具100包含样品定位系统140，其经配置以垂直定位晶片(即，晶片表面的平面大致与重力向量对准)且在相对于照明束116的6个自由度上主动定位样品101。另外，样品定位系统101经配置以对准样品101及在相对于照明束116的入射角(例如至少70°)及方位角(例如至少19°)的大范围内定向样品101。在一些实施例中，样品定位系统140经配置以在与样品101的表面共面对准的旋转角(例如至少70°)的大范围内旋转样品101。以此方式，由计量系统100在样品101的表面上的任何数目个位置及定向上收集样品101的角分辨测量。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(图中未展示)传送到样品定位系统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21描绘一个实施例中的样品定位系统140。样品定位系统140提供在所有6个自由度上主动控制晶片101相对于照明束116的位置，同时相对于重力向量垂直支撑晶片101(即，重力向量大致与晶片表面共面)。样品定位系统140在晶片101的边缘处支撑晶片101以允许照明束116在无需重新安装晶片101的情况下在晶片101的有源区域的任何部分上透射穿过晶片101。通过在晶片101的边缘处垂直支撑晶片101来有效减轻晶片101的重力诱发下垂。
如图21中所描绘，样品定位系统140包含基底框架141、横向对准台142、台参考框架143及安装到台参考框架143的晶片台144。为了参考，{XBF,YBF,ZBF}坐标轴附接到基底框架141，{XNF,YNF,ZNF}坐标轴附接到横向对准台142，{XRF,YRF,ZRF}坐标轴附接到台参考框架143，且{XSF,YSF,ZSF}坐标轴附接到晶片台144。晶片101由包含致动器150A到C的翻转-倾斜-Z轴台156支撑于晶片台144上。安装到翻转-倾斜-Z轴台156的旋转台158在相对于照明束116的方位角φ的范围内定向晶片101。在所描绘的实施例中，3个线性致动器150A到C安装到晶片台144且支撑旋转台158，旋转台158又支撑晶片101。
致动器145使横向对准台142沿XBF轴相对于基底框架141平移。旋转致动器146使台参考框架143围绕与YNF轴对准的旋转轴线153相对于横向对准台142旋转。旋转致动器146在相对于照明束116的入射角θ的范围内定向晶片101。晶片台致动器147及148使晶片台144分别沿XRF轴及YRF轴相对于台参考框架143平移。
在一些实施例中，晶片台144是开孔双轴(XY)线性堆叠台。开孔允许测量束透射穿过整个晶片(例如300毫米晶片)的任何部分。晶片台144经布置使得Y轴台在大致平行于旋转轴线153的方向上延伸。此外，Y轴台在大致与重力向量对准的方向上延伸。
致动器150A到C协同操作以使旋转台158及晶片101在ZSF方向上相对于晶片台144平移且使旋转台158及晶片101围绕与XSF-YSF平面共面的轴线相对于晶片台144翻转及倾斜。旋转台158使晶片101围绕垂直于晶片101的表面的轴线旋转。在另一方面中，旋转台158的框架通过分别包含运动安装元件157A到157C的运动安装系统来耦合到致动器150A到C。在一个实例中，每一运动安装元件157A到157C包含附接到对应致动器的球体及附接到旋转台158的V形槽。每一球体与对应V形槽两点接触。每一运动安装元件在2个自由度上约束旋转台158相对于致动器150A到C的运动且3个运动安装元件157A到157C共同在6个自由度上约束旋转台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总是保持与对应V形槽接触。在一些实施例中，预负载由重力、机械弹簧机构或其组合提供。
在另一方面中，旋转台158是开孔旋转台。开孔允许测量束透射穿过整个晶片(例如300毫米晶片)的任何部分。晶片台158经布置使得其旋转轴线大致垂直于旋转轴线153。此外，旋转台158的旋转轴线大致垂直于重力向量。晶片101经由边缘夹持器来固定到旋转台158以提供具有最小边缘排除的全晶片覆盖。
总而言之，样品定位系统140能够在相对于照明束116的6个自由度上主动控制晶片101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，XRF及YRF方向上的至少300毫米范围)。旋转致动器146能够使台参考框架143相对于照明束116旋转，使得照明束116可以入射角(例如大于2°)的大范围内的任一者入射于晶片101的表面处。在一个实施例中，旋转致动器146经配置以使台参考框架143在至少60°的范围内旋转。安装到晶片台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可以方位角的大范围(例如至少90°旋转范围)的任一者入射于晶片101的表面处。在一些实施例中，方位角的范围是至少190°旋转范围。
在一些其它实施例中，移除横向对准台142且由旋转致动器146使台参考框架143相对于基底框架141旋转。在这些实施例中，X射线照明系统包含移动X射线照明系统的一或多个光学元件(其引起X射线照明束116在(例如)XBF方向上相对于基底框架141移动)的一或多个致动器。在这些实施例中，为了校准的台参考框架143的移动(如本文所描述)替换为X射线照明系统的一或多个光学元件的移动(其使X射线照明束相对于(例如)旋转轴线153移动到所要位置)。在图17及图24所描绘的实施例中，计算系统130将命令信号138传送到致动器子系统111'以相对于基底框架141重新导引X射线发射以通过移动X射线照明子系统125的一或多个元件来实现所要光束方向。在所描绘的实施例中，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重新导引X射线发射且因此相对于旋转轴线153重新定位X射线发射。
一般来说，样品定位系统提供半导体晶片在6个自由度上的自动定位。另外，样品定位系统包含边缘夹持特征及旋转台上的致动器以与晶片处置机器人一起在垂直位置上有效负载及卸除晶片。
在一些实施例中，3个传感器安置于样品定位系统上以测量晶片的背面相对于样品定位系统的距离。以此方式，测量晶片翘曲且通过使用翻转-倾斜-Z轴台移动晶片来补偿晶片翘曲。
在另一方面中，SAXS计量系统采用至少一个高衍射效率多层目标来相对于样品定位系统定位X射线照明束。多层目标包含至少一个标记及至少多层结构。采用对准相机来将标记定位于样品定位系统的坐标中。标记相对于多层结构的位置是先验已知的(例如具有小于200纳米的准确度)。因此，易于通过直接坐标变换来确定样品定位系统的坐标中的多层结构的位置。当测量透射通量的检测强度时，照明束横扫多层结构。基于测量强度来相对于多层结构精确定位照明束的中心，如上文所描述。由于多层结构在样品定位系统的坐标中的位置已知，所以通过简单坐标变换来精确定位样品定位系统的坐标中的照明束的中心位置。
在一些实例中，采用多层目标来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，采用多层目标来使台参考框架的旋转轴线相对于照明束对准于照明束与晶片的入射点处。
图23描绘一个实施例中的多层目标152。在图23所描绘的实施例中，多层目标152包含多层结构152A及标记151。在一些实施例中，多层目标152安装到例如样品定位系统140的样品定位系统。在这些实施例中，多层目标152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，多层目标152可安装到专用校准晶片或制造为专用校准晶片的集成部分，所述专用校准晶片包含一或多个多层目标。多层目标152还包含可由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151)。精确已知标记151相对于多层结构152A的位置。以此方式，通过从标记151的位置的简单坐标变换来确定多层结构152A的位置。
在图23所描绘的实施例中，多层目标152安装到旋转台158的框架，使得多层结构152A的中心大致与晶片101的表面共面。如图23中所描绘，多层结构152A的中心大致与YNF轴及XRF轴平行对准。
样品定位系统140还包含安装到台参考框架143的对准相机154。在所描绘的实施例中，对准相机安装到台参考框架且因此与台参考框架一起旋转。对准相机154经配置以产生其视域中对象(例如晶片101)的高分辨率图像。在一些实施例中，对准相机154还包含通过使相机的焦点精确移动测量距离来维持清晰图像聚焦的自动对焦机构。在一些这些实施例中，对准相机154可用于通过监测相机的焦点的z位移来测量相机本体安装到其的台参考框架与由相机成像的晶片101或标记151之间的相对距离。
在一些其它实施例中，对准相机安装到横向对准台142。在一些这些实施例中，对准相机用于通过监测对准相机的视域内的安装到晶片101的光学标记或标记151的位置来测量相机本体安装到其的{XNF,YNF,ZNF}坐标轴与由相机成像的晶片101或标记151之间的相对距离。
在另一方面中，基于照明束与多层目标的相互作用来确定照明束在晶片的表面的平面的一个维度上的精确入射位置。
图23是说明样品定向系统140的图式，其中晶片台移动到其中照明束116入射于多层目标152的多层结构152A上的位置。基于由检测器119测量的透射通量(其依据多层结构152A相对于照明束116(即，基底框架141)的X位置而变化)来确定照明束相对于多层结构152A的精确入射位置。如图23中所描绘，当多层结构152A在X方向上移动时。检测器119产生指示依据X位置而变化的测量通量的信号155且分析结果以识别与照明束116的中心对应的多层结构152A的位置。
通过根据上述技术测量其它多层目标、重新定向多层目标152或其组合来实现Y方向上的对准及本文所描述的其它对准。一般来说，可利用一个以上多层目标来产生冗余及提高光束位置及定向的校准的准确度。
如图23中所描绘，照明束116的中心与多层目标152对准，如上文所描述。在图23所描绘的实施例中，基准标记151位于具有相对于多层结构152A的已知位置的多层目标152的表面上。在与多层目标152的光束中心对准的位置处，照明束116相对于多层目标152或基准点151的位置由对准相机154记录。此配准照明束相对于对准相机的视域中的精确位置的相对位置(假定焦点位置无改变)。如图21中所描绘，晶片101在对准相机154的视域内移动。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的视域内成像。由对准相机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，基于由对准相机154收集的图像来快速估计X及Y方向上的晶片101上的照明束116的位置。在一些实施例中，通过改变对准相机154的焦点位置直到晶片101的表面上的光刻特征精确聚焦来测量相对于多层目标152的Z位置的Z方向上的晶片的位置。焦点位置的改变指示多层目标152与晶片上的成像位置之间的Z位置差。在一些其它实施例中，相对于多层目标152的Z位置的Z方向上的晶片的位置由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。可采用致动器150A到C来在Z方向上重新定位晶片101以将成像位置重新定位为与多层目标152共面。
在另一方面中，基于晶片台坐标来确定晶片上的任何位置处的照明束的入射位置。一旦照明束的中心与多层目标152对准且照明束相对于多层目标152的位置由对准相机记录(如上文所描述)，照明束的入射位置就可转移到台坐标。如图21中所描绘，晶片101在对准相机154的视域内移动。晶片101的移动由晶片台144的位置测量系统(例如线性编码器等等)测量。通过将晶片101移动到对准相机154的视域内所成像的晶片上的3个或3个以上所要位置(例如基准标记)来确定每一所要位置处照明束相对于所要位置的位置及台坐标中的晶片的位置。基于照明束的已知位置及3个或3个以上位置处的台坐标来产生使台坐标与照明束的入射位置相关的映射。
在将多层目标152定位于照明束116的中心(在X方向上)之后，对准相机154使位于多层目标152上的基准标记151的位置成像以在对准相机154的视域内建立光束位置与图像位置之间的关系。由于对准相机154位于相对于台参考框架143的固定或可重复位置中，所以图像配准照明束相对于台参考框架143的位置且因此充当X方向上的光束位置的参考。此外，对准相机154建立基准标记的精确焦点位置以建立多层目标152相对于台参考框架143的精确Z位置。针对其中对准相机154与台参考框架一起旋转的实施例，对准相机154的焦点位置充当多层目标152相对于台参考框架的Z位置的参考。
在另一方面中，基于由X射线检测器119测量的照明束与多层目标152的相互作用来确定旋转轴线153在晶片的表面的平面中与照明束的精确对准。
为确保测量完整性，晶片101的表面上的照明束116的入射位置应在入射角及方位角的大范围内的测量期间保持固定。为实现此目的，台参考框架143的旋转轴线153必须在测量位置处大致与晶片101的表面共面。此外，旋转轴线153必须在XBF方向上与照明束116对准，使得旋转轴线153在测量位置处与照明束116相交于照明束116与晶片101的入射点处。
图22A描绘图21中所描绘的入射于晶片101上的照明束116的俯视图。图22A描绘对准状态中的旋转轴线153的端视图，其中旋转轴线153在晶片101上的位置103处与照明束116相交于照明束116与晶片101的入射点处。如图22A中所描绘，当晶片101围绕旋转轴线153旋转大入射角θ时，照明束116保持入射于位置103处。因此，在此情境中，晶片101的表面上的照明束116的入射位置在入射角的大范围内的测量期间保持固定。
图22B描绘图21中所描绘的入射于晶片101上的照明束116的俯视图。图22B描绘对准状态中的旋转轴线153的端视图，其中旋转轴线153与晶片101的表面失准距离
图22C描绘图21中所描绘的入射于晶片101上的照明束116的俯视图。图22C描绘对准状态中的旋转轴线153的端视图，其中旋转轴线153与晶片101的表面共面但从照明束116偏移距离
在一些实施例中，通过使照明束的中心与多层目标152对准且测量台参考框架的多个不同旋转位置θ处的通量来实现台参考框架的旋转轴线的校准。
一般来说，可在不同入射角处测量透射通量以确定使旋转轴线153在X及Z方向上与多层目标152对准所需的位移值。
在另一方面中，计算系统130经配置以：产生样品的测量结构的结构模型(例如几何模型、材料模型或组合的几何及材料模型)，产生包含来自结构模型的至少一几何参数的T-SAXS响应模型，及通过执行使用T-SAXS响应模型拟合分析T-SAXS测量数据来分辨至少一个样品参数值。使用分析引擎来比较模拟T-SAXS信号与测量数据以借此允许确定几何及材料性质(例如样本的电子密度)。在图1所描绘的实施例中，计算系统130配置为模型构建及分析引擎，其经配置以实施本文所描述的模型构建及分析功能。
图24是说明由计算系统130实施的示范性模型构建及分析引擎180的图式。如图24中所描绘，模型构建及分析引擎180包含产生样品的测量结构的结构模型182的结构模型构建模块181。在一些实施例中，结构模型182还包含样品的材料性质。结构模型182接收为T-SAXS响应函数构建模块183的输入。T-SAXS响应函数构建模块183至少部分基于结构模型182来产生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，X射线散射强度给出如下：
T-SAXS响应函数模型184接收为拟合分析模块185的输入。拟合分析模块185比较建模T-SAXS响应与对应测量数据以确定样品的几何及材料性质。
在一些实例中，通过最小化卡方值来实现建模数据与实验数据的拟合。例如，针对T-SAXS测量，卡方值可界定为：
其中
方程式(3)假定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，T-SAXS测量的卡方值可表示为：
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通过使用T-SAXS响应模型184对T-SAXS测量数据135执行拟合分析来分辨至少一样品参数值。在一些实例中，优化
如上文所描述，通过最小化卡方值来实现T-SAXS数据的拟合。然而，一般来说，可通过其它函数来实现T-SAXS数据的拟合。
T-SAXS计量数据的拟合有利于任何类型的T-SAXS技术提供对所关注的几何及/或材料参数的敏感度。样品参数可为确定性(例如CD、SWA等等)或统计性(例如侧壁粗糙度的rms高度、粗糙度相关长度等等)，只要使用适当模型来描述与样品的T-SAXS光束相互作用。
一般来说，计算系统130经配置以采用实时临界尺寸标注(RTCD)来实时存取模型参数，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，可使用某一形式的CD引擎来评估样品的指派CD参数与相关联于测量样品的CD参数之间的差。科磊公司在2010年11月2日发布的第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，所述专利的全部内容以引用的方式并入本文中。
在一些实例中，模型构建及分析引擎180通过侧馈分析、前馈分析及并行分析的任何组合来提高测量参数的准确度。侧馈分析是指采取相同样品的不同区域上的多个数据组且将从第一数据组确定的共同参数传递到第二数据组上用于分析。前馈分析是指采取不同样品上的数据组且使用逐步复制精确参数前馈方法来将共同参数正向传递到后续分析。并行分析是指将非线性拟合方法并行或同时应用于多个数据组，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)或多个数据组的另一拟合过程的前馈、侧馈或并行分析。科磊公司在2009年1月13日发布的第7,478,019号美国专利中描述多工具及结构分析的示范性方法及系统，所述专利的全部内容以引用的方式并入本文中。
在另一方面中，基于在入射X射线束相对于测量目标的单个定向处执行的T-SAXS测量来确定所关注的一或多个参数的值的初始估计。初始估计值实施为所关注的参数的起始值以用于测量模型与从多个定向处的T-SAXS测量收集的测量数据的回归。以此方式，使用相对较少计算工作量来确定关注参数的近似估计，且通过将此近似估计实施为大很多的数据组的回归的起始点，使用总体较少计算工作量来获得关注参数的精化估计。
在另一方面中，计量工具100包含经配置以实施本文所描述的光束控制功能的计算系统(例如计算系统130)。在图1所描绘的实施例中，计算系统130配置为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、发散度、光点大小、偏振、光谱及定位)的光束控制器。
如图17中所说明，计算系统130通信耦合到检测器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包含样品的测量响应的指示(例如衍射级的强度)。基于检测器119的表面上的测量响应的分布，由计算系统130确定样品101上的照明束116的入射位置及区域。在一个实例中，由计算系统130应用图案辨识技术以基于测量数据135来确定样品101上的照明束116的入射位置及区域。在一些实例中，计算系统130将命令信号137传送到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传送到致动器子系统111'以相对于基底框架141重新导引X射线发射以实现所要光束方向。在一些实例中，计算系统130将命令信号136传送到光束成形狭缝机构120以改变光点大小，使得入射照明束116以所要光点大小及定向到达样品101。在一个实例中，命令信号136引起图21中所描绘的旋转致动器122旋转光束成形狭缝机构120到相对于样品101的所要定向。在另一实例中，命令信号136引起与狭缝126到129中的每一者相关联的致动器以改变位置以使入射束116重新成形为所要形状及大小。在一些其它实例中，计算系统130将命令信号传送到晶片定位系统140以定位及定向样品101，使得入射照明束116以相对于样品101的所要位置及角定向到达。
在另一方面中，使用T-SAXS测量数据以基于检测衍射级的测量强度来产生测量结构的图像。在一些实施例中，T-SAXS响应函数模型一般化为描述从一般电子密度网散射。使此模型匹配测量信号同时约束此网中的建模电子密度以强制执行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优先用于基于T-SAXS测量的临界尺寸(CD)计量，当测量样品偏离几何模型的假定时，由相同T-SAXS测量数据产生的样品的映射用于识别及校正模型误差。
在一些实例中，比较图像与由相同散射测量数据的基于模型的几何参数反演估计的结构特性。使用差异来更新测量结构的几何模型及提高测量性能。当测量集成电路以控制、监测及故障检修其制造工艺时，会聚于准确参数测量模型上的能力特别重要。
在一些实例中，图像是电子密度、吸收性、复折射率或这些材料特性的组合之二维(2-D)图。在一些实例中，图像系电子密度、吸收性、复折射率或这些材料特性的组合的三维(3-D)图。使用相对较少物理约束来产生图。在一些实例中，从所得图直接估计所关注的一或多个参数(例如临界尺寸(CD)、侧壁角(SWA)、叠加、边缘放置误差、节距游动等等)。在一些其它实例中，当样本几何形状或材料偏出由用于基于模型的CD测量的参数结构模型考虑的预期值范围时，图用于对晶片工艺除错。在一个实例中，使用图与由参数结构模型根据其测量参数来预测的结构的显像之间的差异来更新参数结构模型及提高其测量性能。第2015/0300965号美国公开专利中描述另外细节，所述专利的全部内容以引用的方式并入本文中。第2015/0117610号美国公开专利中描述额外细节，所述专利的全部内容以引用的方式并入本文中。
在另一方面中，采用模型构建及分析引擎180来产生用于组合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)严密耦合波分析(RCWA)，其中解算麦克斯韦(Maxwell)方程式以计算光学信号(例如不同偏振的反射率、椭偏参数、相变等等)。
使用组合几何参数化响应模型，基于多个不同入射角处的X射线衍射级的检测强度及检测光学强度的组合拟合分析来确定所关注的一或多个参数的值。光学强度由光学计量工具测量，所述光学计量工具可或可不与X射线计量系统(例如图17中所描述的系统100)机械集成。第2014/0019097号美国公开专利及第2013/0304424号美国公开专利中描述另外细节，每一专利的全部内容以引用的方式并入本文中。
一般来说，计量目标由界定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)的纵横比表征。在一些实施例中，受测量的计量目标具有至少20的纵横比。在一些实施例中，计量目标具有至少40的纵横比。
应认识到，本发明中所描述的各种步骤可由单个计算机系统130或替代地多计算机系统130实施。此外，系统100的不同子系统(例如样品定位系统140)可包含适合于实施本文所描述的步骤的至少一部分的计算机系统。因此，以上描述不应被解译为本发明的限制，而是仅为说明。此外，一或多个计算系统130可经配置以执行本文所描述的方法实施例中的任一者的(若干)任何其它步骤。
另外，计算机系统130可以所属领域中已知的任何方式通信耦合到X射线照明源110、光束成形狭缝机构120、样品定位系统140及检测器119。例如，一或多个计算系统130可耦合到分别与X射线照明源110、光束成形狭缝机构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，X射线照明源110、光束成形狭缝机构120、样品定位系统140及检测器119中的任一者可由耦合到计算机系统130的单个计算机系统直接控制。
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来自系统的子系统(例如X射线照明源110、光束成形狭缝机构120、样品定位系统140、检测器119及其类似者)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来从其它系统接收及/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(例如板上存储器计量系统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。据此而言，测量结果可从板上存储器或外部存储器系统输入。此外，计算机系统130可经由传输媒体来将数据发送到其它系统。例如，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。就此来说，测量结果可输出到另一系统。
计算系统130可包含(但不限于)个人计算机系统、大型主计算机系统、工作站、图像计算机、并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”可广泛界定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。
实施方法(例如本文所描述的方法)的程序指令134可经由传输媒体(例如导线、电缆或无线传输链路)来传输。例如，如图1中所说明，存储于存储器132中的程序指令经由总线133来传输到处理器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25说明适合于由本发明的计量系统100实施的方法400的流程图。应认识到，在一方面中，方法400的数据处理块可经由计算系统130的一或多个处理器执行的预编程算法来实施。尽管在计量系统100的上下文中呈现以下描述，但本文中应认识到，计量系统100的特定结构方面不表示限制且仅应被解译为说明。
在块401中，由X射线照明子系统产生X射线照明束。
在块402中，由样品定位系统将多层校准目标定位于X射线束的路径中。多层校准目标包含第一多层结构，其包含X射线透射材料及X射线吸收材料的重复层。将多层校准目标定位于X射线束的路径中，使得重复层定向为基本上平行于入射X射线束。
在块403中，在样品定位系统的位置范围内检测由多层校准目标响应于入射X射线束而衍射的X射线光子。
在块404中，基于所检测的衍射X射线光子来确定X射线束相对于多层校准目标的入射位置。
在一些实施例中，将本文所描述的散射测量实施为制造工艺工具的部分。制造工艺工具的实例包含(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分析的结果来控制制造工艺。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。如本文所描述那样分析T-SAXS测量数据且使用结果来调整制造工艺工具的操作。
可使用本文所描述的散射测量来确定各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、贯穿衬底通路(TSV)、存储器结构(例如DRAM、DRAM 4F2、FLASH、MRAM及高纵横比存储器结构)。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、节距、厚度、叠加)及材料参数(例如电子密度、组成、裸片结构、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，使用本文所描述的T-SAXS测量系统来执行高纵横比半导体结构的临界尺寸、厚度、叠加及材料性质的测量，其包含(但不限于)自旋转移力矩随机存取存储器(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)、三维快闪存储器(3D-FLASH)、电阻随机存取存储器(Re-RAM)及相变随机存取存储器(PC-RAM)。
如本文所描述，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等)。结构可包含三维结构、图案化结构、叠加结构等等。
如本文所描述，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。
如本文所描述，术语“计量系统”包含至少部分用于表征样品的任何方面(其包含临界尺寸应用及叠加计量应用)的任何系统。然而，此类术语不限制本文所描述的术语“计量系统”的范围。另外，本文所描述的计量系统可经配置以测量图案化晶片及/或未图案化晶片。计量系统可配置为LED检验工具、边缘检验工具、背面检验工具、宏观检验工具或多模检验工具(其涉及同时来自一或多个平台的数据)及受益于本文所描述的测量技术的任何其它计量或检验工具。
本文描述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)的各种实施例。术语“样品”在本文中用于指代晶片、光罩或可由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。
如本文所使用，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。此类衬底可常见于及/或处理于半导体制造设施中。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层不同材料。可“图案化”或“不图案化”形成于晶片上的一或多个层。例如，晶片可包含具有可重复图案特征的多个裸片。
“光罩”可为光罩制造工艺的任何阶段中的光罩，或可为可或可不被释放以用于半导体制造设施中的完成光罩。光罩或“掩模”大体上界定为具有形成于其上且配置成图案的基本上不透明区域的基本上透明衬底。衬底可包含(例如)玻璃材料，例如非晶SiO2。可在光刻过程的曝光步骤期间将光罩安置于抗蚀剂覆盖的晶片上，使得光罩上的图案可转移到抗蚀剂。
可图案化或不图案化形成于晶片上的一或多个层。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，且本文所使用的术语“晶片”希望涵盖所属领域中已知的任何类型的装置制造于其上的晶片。
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。如果实施于软件中，那么功能可作为一或多个指令或程序代码存储于计算机可读媒体上或作为计算机可读媒体上的一或多个指令或程序代码传输。计算机可读媒体包含计算机存储媒体及通信媒体两者，其包含促进计算机程序从一位置转移到另一位置的任何媒体。存储媒体可为可由通用或专用计算机存取的任何可用媒体。举例来说(但不限于)，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以指令或数据结构的形式载送或存储所要程序代码构件且可由通用或专用计算机或通用或专用处理器存取的任何其它媒体。另外，任何连接被适当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。如本文所使用，磁盘及光盘包含压缩光盘(CD)、激光光盘、XRF光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘及蓝光光盘，其中磁盘通常磁性复制数据，而光盘使用激光来光学复制数据)。上述的组合还应包含于计算机可读媒体的范围内。
尽管上文为了教学而描述特定具体实施例，但本专利文件的教示具有一般适用性且不受限于上述具体实施例。因此，可在不背离权利要求书中所陈述的本发明的范围的情况下实践所描述的实施例的各种特征的各种修改、适应及组合。
