结合X射线计量数据集合以改进参数评估的方法及系统与流程

结合x射线计量数据集合以改进参数评估的方法及系统
1.相关申请案的交叉参考
2.本专利申请案根据35u.s.c.
§
119规定主张2019年4月19日申请的标题为“结合x射线计量数据集合以更高效提取关键参数(combining x
‑
ray metrology data sets to extract critical parameters more efficiently)”的序列号为62/836,261的美国临时专利申请案的优先权，所述案的标的物以其全文引用的方式并入本文中。
技术领域
3.所描述的实施例涉及计量系统及方法且更特定来说，涉及用于特性化半导体结构的尺寸的参数的经改进测量的方法及系统。


背景技术：

4.例如逻辑及存储器装置的半导体装置通常是由应用于样品的一系列处理步骤制造。半导体装置的各种特征及多个结构层级是由这些处理步骤形成。例如，其中光刻是涉及在半导体晶片上产生图案的一个半导体制造过程。半导体制造过程的额外实例包含(但不限于)化学机械抛光、蚀刻、沉积及离子植入。多个半导体装置可在单个半导体晶片上制造且接着分离成个别半导体装置。
5.在半导体制造过程期间的各个步骤使用计量程序以检测晶片上的缺陷以促进较高良率。通常使用包含散射测量及反射测量实施方案以及相关联的分析算法的若干基于计量的技术以特性化临界尺寸、膜厚度、组合物及纳米级结构的其它参数。
6.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(scr)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)迈向更小纳米级尺寸，特性化变得更困难。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高高宽比三维结构，此使得光学辐射难以穿透到底层。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，但提供良好的穿透深度的较长波长不提供对小异常的足够灵敏度。另外，特性化复杂结构(例如，finfet)所需的增大数目个参数导致增大的参数相关性。因此，特性化目标的参数通常无法可靠地与可用测量解耦。
7.在一个实例中，已采用较长波长(例如，近红外)以试图克服利用多晶硅作为堆叠中的一个替代材料的3d flash装置的穿透问题。然而，3d flash的镜状结构随着照明更深地传播到膜堆叠中而固有地引起减小的光强度。此引起深度下的灵敏度损耗及相关性问题。在此案例中，scd仅能够依高灵敏度及低相关性成功提取一精简组的计量尺寸。
8.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介电系数材料。光学辐射通常无法穿透由这些材料构成的层。因此，使用薄膜散射测量工具(例如椭偏仪或反射计)的测量变得越来越具挑战性。
9.响应于这些挑战，已开发更复杂的光学计量工具。例如，已开发具有多个照明角度、较短照明波长、较广照明波长范围及从反射信号的更完整信息获取(例如，除了较常规
的反射率或椭偏测量信号之外，还测量多个穆勒(mueller)矩阵元素)的工具。然而，这些方法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度粗糙计测量)相关联的根本挑战。
10.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)实现中间分辨率级，但无法穿透结构到足够深度。因此，未良好特性化高高宽比孔。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。
11.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)实现高分辨率级且能够探测任意深度，但tem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贯穿三维结构测量临界计量参数所需的信息。然而，这些技术需要样本破坏及长程序时间。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的不准确度。另外，这些技术需要引入配准误差的若干反复。
12.x射线散射测量系统已展示出有希望解决具挑战性的测量应用。散射级的测量提供用于确定一些所关注样品性质的信号信息。通常来说，在关键过程步骤之后从晶片的测量收集小角度x射线散射测量(saxs)数据集合。数据集合包含具有以一或多个入射角的衍射图案的图像。目标结构的整个单元胞的几何模型经产生且并入测量模型中。基于物理学的解算器产生测量模型的几何及系统参数值的给定值集合的经模拟衍射图案。测量模型的数个参数在回归分析中浮动以寻找最小化经测量衍射图案与经模拟衍射图案之间的残差的参数值。导致最佳拟合的几何参数值被视为与晶片上的测量相关联的经测量参数值。
13.随着晶片前进通过半导体晶片制造过程流程，在晶片上制造的结构变得日益复杂。因此，随着施加到晶片的过程的数目增加，在晶片上制造的周期性结构的整个单元胞的几何模型变得日益复杂。
14.通常来说，必须同时拟合许多参数以解析复杂几何模型。在一些情况中，此使测量程序计算上昂贵或计算上难处理。大且复杂单元胞需要许多衍射级的测量以考虑衍射图案中的全部信号信息。再次，许多衍射级的处理计算上昂贵。最终，尽管进行最大努力，代表复杂结构的几何模型可归因于过程变动而遗漏细微特征，或其可未能完整描述标称结构。几何模型中的缺陷可使拟合难处理或驱动拟合例程以评估非常不准确的参数值以补偿模型不足。
15.为了进一步改进装置性能，半导体产业继续关注于垂直集成而非横向按比例调整。因此，复杂、完全三维结构的准确测量对于确保可行性及持续按比例调整改进至关重要。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提出计量挑战。因此，期望用于经改进x射线散射测量的方法及系统。


技术实现要素：

16.呈现用于在关键过程步骤之后测量复杂半导体结构的方法及系统。一或多个所关注几何参数的评估是基于在关键过程步骤之前及之后与复杂半导体结构相关联的测量数
据。在关键过程步骤之前及之后两者的测量数据的使用以减少的计算努力实现更快模型产生及模型拟合。在一些实例中，简化测量模型实现所关注参数的比传统复杂模型产生及拟合更准确的评估。
17.在一个方面中，在关键过程步骤之后对复杂半导体结构的测量是基于在关键过程步骤之前及之后两者与复杂半导体结构相关联的x射线散射测量数据。在单元胞内的不同形状与足以最小化相干效应的距离空间上分离的假定下，将经测量衍射图案近似表示为各自与不同形状相关联的傅立叶(fourier)分量的线性结合。由关键过程步骤改变的所关注几何参数的评估是基于将经结合测量数据拟合到经测量结构的简化几何模型。在一些实施例中，经结合测量数据是基于关键过程步骤之前的衍射图案从关键过程步骤之后的经测量衍射图案的减法确定。在一些实施例中，经测量结构的简化几何模型仅包含受关键过程步骤影响的特征。因此，相较于在关键过程步骤之后执行的测量中捕获的结构的完整几何模型，简化几何模型包含更小数目个经浮动几何参数。
18.在另一方面中，基于经结合x射线散射测量数据的计量涉及基于经结合数据集合及经训练信号响应计量(srm)模型确定样本的尺寸。在这些实例中，在不使用几何模型的情况下，临界尺寸与经结合数据集合直接相关。在另一方面中，采用经训练信号响应计量模型以基于经结合测量信号评估具有未知值的所关注结构参数的值。
19.在另一方面中，在关键过程步骤之后对复杂半导体结构的一或多个所关注几何参数的评估是基于在关键过程步骤之后与复杂半导体结构相关联的实际x射线散射测量数据及在关键过程步骤之前与复杂半导体结构相关联的经模拟x射线散射测量数据。
20.前述是发明内容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将了解，发明内容仅是说明性且不以任何方式限制。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
21.图1是说明根据本文中呈现的示范性方法的用于测量样品的特性的计量工具的实施例的简化图式。
22.图2是说明用于基于在关键过程步骤之前及之后两者的x射线散射测量数据来评估特性化复杂半导体结构的一或多个几何参数的值的模型建立及分析引擎的实施例的图式。
23.图3是说明srm模型训练引擎的图式。
24.图4是说明srm模型引擎的图式。
25.图5是说明用于基于在关键过程步骤之前及之后两者的x射线散射测量数据来评估特性化复杂半导体结构的一或多个几何参数的值的模型建立及分析引擎的另一实施例的图式。
26.图6是说明在一个实施例中在关键过程步骤之前的半导体结构的横截面图的简化图式。
27.图7是说明在关键过程步骤之后的图6中描绘的多层结构的横截面图的简化图式。
28.图8是说明图7中描绘的衬层结构的横截面图的图式。
29.图9是说明在另一实施例中在关键过程步骤之前的半导体结构的横截面图的图
technologies,inc.)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射线源能够依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态或液态目标以模拟x射线辐射的电子束源。在一些实施例中，x射线照明源110是基于液态金属的x射线照明系统。产生包含一或多个元素的液态金属喷流。通过非限制性实例，液态金属喷流包含铝、镓、铟、锡、铊及铋中的任何者。电子束源(例如，电子枪)产生由电子光学器件引导到液态金属喷流的电子流。适合电子光学器件包含用于聚焦电子束且将光束引导到液态金属喷流处的电磁体、永久磁体或电磁体及永久磁体的结合。液态金属喷流与电子流的重合产生入射于样品101的检验区域102上的x射线光束117。以此方式，液态金属喷流产生对应于其成分元素的x射线。在一个实施例中，液态金属喷流包含镓及铟合金。
46.在2011年4月19日颁予kla
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tencor公司(kla
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tencor corp.)的第7,929,667号美国专利中描述用于产生高亮度、液态金属x射线照明的方法及系统，所述专利以全文引用的方式并入本文中。
47.在一个实施例中，入射x射线光束117是在24.2kev的铟kα线处。使用用于x射线散射测量的多层x射线光学器件将x射线光束向下准直到小于1毫弧度发散。
48.在一些实施例中，本文中描述的x射线散射测量在不使用定位于x射线源与经测量样品之间的屏幕的情况下实现。在这些实施例中，在一系列入射角、多个波长或两者的结合内的光束的经测量强度提供足以解析经测量结构的所要材料性质(例如，复折射率、电子密度或吸收率)的分布图(例如，图像)的信息。然而，在一些其它实例中，针孔或另一孔隙定位于另外不透明屏幕(其定位于x射线源与经测量样品之间)上以改进x射线光束的准直。针对孔隙的若干位置测量衍射图案的强度。在一些其它实施例中，使用具有伪随机孔隙图案的屏幕，且针对多个屏幕测量衍射图案。还可预期这些方法以提供用于解析经测量结构的所要材料性质的三维分布的额外信息。
49.在一些实施例中，入射x射线光束的轮廓由两个或两个以上孔隙、狭缝或其结合控制。在另一实施例中，孔隙、狭缝或两者经配置以与样品的定向协调旋转以针对每一入射角、方位角或两者优化入射光束的轮廓。
50.如图1中描绘，x射线光学器件115将入射x射线光束117塑形且引导到样品101。在一些实例中，x射线光学器件115包含x射线单色器以使入射于样品101上的x射线光束单色化。在一个实例中，采用晶体单色器(例如loxley
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tanner
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bowen单色器)以使x射线辐射的光束单色化。在一些实例中，x射线光学器件115使用多层x射线光学器件将x射线光束117准直或聚焦到样品101的检验区域102上到小于1毫弧度发散。在一些实施例中，x射线光学器件115包含一或多个x射线准直镜、x射线孔隙、x射线光束光阑、折射x射线光学器件、衍射光学器件(例如波带片)、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结合。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。
51.一般来说，针对每一测量应用优化照明光学器件系统的焦平面。以此方式，系统100经配置以取决于测量应用而将焦平面定位于样品内的各种深度处。
52.x射线检测器116收集从样品101散射的x射线辐射125且产生指示对入射x射线辐射灵敏的样品101的性质的输出信号126。在一些实施例中，由x射线检测器116收集经散射x
射线125，同时样品定位系统140定位且定向样品101以产生角解析的经散射x射线。
53.计量系统100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及吸收直接光束(即，零级光束)而无损害且具有最小寄生反向散射的厚、高度吸收晶体衬底。适用于全光束x射线散射测量的示范性检测器材料包含碲化镉(cdte)、锗(ge)及砷化镓(gaas)晶体及其它材料。在一些实施例中，选择检测器材料以提供在对应于源能量的窄能带中的高转换效率。
54.在一些实施例中，单光子计数检测器检测经检测光子的位置及数目。在一些实施例中，采用双阈值检测器以改进snr。
55.x射线检测器116解析一或多个x射线光子能量且针对每一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116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、闪烁器或荧光材料中的任何者。
56.以此方式，除了像素位置及计数的数目之外，还通过能量鉴别检测器内的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预定上阈值及预定下阈值而鉴别x射线光子相互作用。在一个实施例中，经由输出信号126将此信息传达到计算系统130用于进一步处理及存储。
57.高高宽比、经垂直制造结构将准直x射线光束衍射到几个衍射级。每一衍射级在特定可预测方向上行进。衍射级的角间距与样品的晶格常数除以波长成反比。衍射级由放置于距晶片某个距离处的检测器阵列检测。检测器的每一像素输出指示命中像素的光子的数目的信号。
58.衍射级的强度具有i(m,n,θ,λ)形式，其中{m,n}是衍射级的整数指数，{θ,}是入射光束的仰角及方位角(即，入射主射线相对于固定到晶片的坐标系统的极坐标)，且λ是入射x射线的波长。
59.若干噪声源在照明光离开照明且传播朝向样品时扰动所述照明光。示范性干扰包含电子束电流波动、温度引发的光学器件漂移等。将受扰动入射通量表示为f0(1 n1)。
60.目标以取决于入射光束的方位角及仰角的方式散射入射辐射。可将光散射成级(m,n)的效率定义为s
mn
(θ,φ)。随着衍射光从样品传播到检测器，光束穿过类似地影响全部级(具有某一变动(1 n2)及寄生噪声(n3))的其它散射介质。以此方式，在时间t测量的每一级的总强度i
mn
可由方程式(1)表达。
61.i
mn
＝s
mn
(θ，φ)(1 n2)(1 n1)f0t n3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
62.可以许多方式提取每一级的强度。在一些实施例中，衍射级在检测器处空间分离。在这些实施例中，由检测器阵列个别地检测衍射级，且结合(即，添加)与相同衍射级相关联的像素的输出。以此方式，通过积累与每一特定衍射级相关联的像素的光子计数而鉴别经检测衍射级。此案例更有可能在测量相对小间距特征时或在使用具有相对小发散的光束测量时发生。
63.在一些其它实施例中，衍射级在检测器处空间上重叠，且无法简单地结合像素输出以确定与特定衍射级相关联的强度。在这些实施例中，采用测量模型以解卷积衍射级以鉴别每一经检测衍射级的经测量强度。此案例更有可能在测量相对大间距特征时或在使用具有相对大发散的光束测量时发生。
64.如图1中描绘，计量系统100包含经采用以获取由检测器116产生的信号126且至少
部分基于经获取信号确定所关注结构的性质的计算系统130。
65.在一个方面中，在关键过程步骤之后对复杂半导体结构的一或多个所关注几何参数的评估是基于在关键过程步骤之前及之后两者与复杂半导体结构相关联的x射线散射测量数据。在x射线散射的最简单物理模型中，衍射图案强度与单元胞内的形状的平方外观尺寸或等效地单元胞的平方傅立叶变换成线性比例。在单元胞内的不同形状与足以最小化相干效应的距离空间上分离的假定下，可将经测量衍射图案近似表示为各自与不同形状相关联的傅立叶分量的线性结合。因此，在关键过程步骤之后的经测量衍射图案是在关键过程步骤之前的衍射图案及源自由关键过程步骤改变的形状的衍射图案的总和。以此方式，可基于在关键过程步骤之前的衍射图案从关键过程步骤之后的经测量衍射图案的减法进行由关键过程步骤改变的所关注几何参数的评估。
66.图2描绘用于基于在关键过程步骤之前及之后两者的与复杂半导体结构相关联的x射线散射测量数据来评估特性化复杂半导体结构的一或多个几何参数的值的模型建立及分析引擎150的实施例的说明。在一些实施例中，通过x射线散射测量系统(例如图1中描绘的计量系统100)从晶片收集x射线散射测量数据126及127。在对晶片101执行关键过程步骤之后收集x射线散射测量数据126，且在对晶片101执行关键过程步骤之前收集x射线散射测量数据127。
67.图6描绘在一个实施例中在关键过程步骤之前的半导体结构的横截面图。图6描绘包含穿过经重复氧化物层221a到c及氮化物层222a到b的通道孔223的多层结构220。
68.图7描绘在关键过程步骤之后的图6中描绘的多层结构的横截面图。在图7中描绘的实施例中，关键过程步骤是将衬层226及衬层227沉积到通道孔223的侧壁以产生多层结构225。
69.图8描绘图7中描绘的衬层226及227的横截面图。在图6到8中描绘的实施例中，衬层226的厚度cd1及衬层227的厚度cd2是所关注临界尺寸。
70.从收集自图7中描绘的多层结构225的x射线散射测量数据的cd1及cd2的测量由多层结构220的存在复杂化。理想地，我们将单独从收集自衬层结构226及227的x射线散射测量数据测量cd1及cd2。然而，衬层结构226及227从未单独存在于实际晶片上，这是因为衬层沉积过程在穿过多个层221及222的孔过程之后发生。如本文中描述，从收集自多层结构225的x射线散射测量数据减去收集自多层结构220的x射线散射测量数据。以此方式，从与多层结构225相关联的经测量衍射减去多个层221及222以及孔223对经测量衍射的影响。所得衍射图案紧密表示衬层226及227的散射响应而不影响多个层221及222以及孔223。所得衍射图案的分析以减少的计算努力产生cd1及cd2的更准确评估。
71.图9描绘在另一实施例中在关键过程步骤之前的半导体结构的横截面图。图9描绘包含垂直图案化(交替氧化物层201a到c及钨层209a到b)、通道孔207及使用钨填充的字线切割结构208的多层结构210a。
72.图10描绘在钨凹入过程步骤之后的图9中描绘的多层结构的横截面图。在图10中描绘的实施例中，蚀刻钨使得每一钨板片相对于氧化物板片凹入一小距离。
73.图11描绘已通过钨凹入过程从多层结构210移除的钨凹入结构211的横截面图。在图9到11中描绘的实施例中，凹入距离cd是所关注临界尺寸。
74.从收集自图10中描绘的多层结构210b的x射线散射测量数据的cd的测量由多层结
构210a的存在复杂化。理想地，我们将单独从收集自钨凹入结构211的x射线散射测量数据测量cd。然而，钨凹入结构211从未单独存在于实际晶片上，这是因为钨凹入过程在垂直图案化过程、孔过程及字切割过程之后发生。如本文中描述，从收集自多层结构210b的x射线散射测量数据减去收集自多层结构210a的x射线散射测量数据。以此方式，从与多层结构210b相关联的经测量衍射减去多个层201及209、孔207及字切割208对经测量衍射的影响。所得衍射图案紧密表示钨凹入结构211的散射响应而不影响多个层201及209、孔207及字切割208。所得衍射图案的分析以减少的计算努力产生cd的更准确评估。
75.图12描绘在另一实施例中在关键过程步骤之前的半导体结构的俯视图。图12描绘包含孔图案203的结构205。
76.图13描绘说明来自由x射线散射计(例如，计量系统100)测量的结构205的衍射图案的图像206。
77.图14描绘在狭缝移除过程步骤之后的图12中描绘的结构的俯视图。在图14中描绘的实施例中，蚀刻结构205使得形成狭缝204，从而导致结构215a。
78.图15描绘说明来自由用于测量图12中描绘的结构205的x射线散射计(例如，计量系统100)测量的结构215a的衍射图案的图像212。
79.图16描绘包含狭缝204的无孔图案203的结构215b的俯视图。在图14及16中描绘的实施例中，狭缝204的宽度w是所关注临界尺寸。
80.从收集自图14中描绘的多层结构215a的x射线散射测量数据的w的测量由多孔图案203的存在复杂化。理想地，我们将单独从收集自结构215b的x射线散射测量数据测量w。然而，狭缝204从未单独存在于实际晶片上，这是因为狭缝移除过程在孔过程之后发生。如本文中描述，从收集自多层结构215a的x射线散射测量数据减去收集自多层结构205的x射线散射测量数据。以此方式，从与多层结构215a相关联的经测量衍射减去孔图案203对经测量衍射的影响。所得衍射图案紧密表示狭缝结构203的散射响应而不影响孔图案203。所得衍射图案的分析以减少的计算努力产生w的更准确评估。
81.图17描绘说明图13中描绘的经测量衍射图案206从图15中描绘的经测量衍射图案212的逐像素减法的图像216。所得衍射图案代表x射线散射计(例如，计量系统100)对理想结构215b的测量响应。
82.图18描绘说明来自由用于测量结构205及215a的x射线散射计(例如，计量系统100)测量的结构215b的衍射图案的模拟的图像217。如图17及18中说明，结构215b对通过x射线散射计的测量的经模拟响应由图13中描绘的经测量衍射图案206从图15中描绘的经测量衍射图案212的逐像素减法非常紧密地近似表示。
83.在一些实施例中，x射线散射测量数据126、x射线散射测量数据127或两者是相对于与每一数据集合相关联的计量系统100的系统参数值正规化。一般来说，在关键过程步骤之前及之后收集的数据集合可能具有一或多个系统参数(例如，光束强度、光束中心、光束线定向等)的不同值。为了可靠地结合数据集合，校正一个或两个数据集合以匹配与两个数据集合相关联的系统参数值。
84.在一些实例中，为了正规化目的依赖于从计量系统自身可用的标称系统参数值。然而，在许多测量案例中，由计量系统报告的标称系统参数值不充分准确。在许多这些实例中，在使系统参数值浮动时基于测量数据的基于模型的拟合确定与每一数据集合相关联的
系统参数值。
85.如图2中描绘，正规化模块155接收在关键过程步骤之前收集的x射线散射测量数据127、在关键过程步骤之后收集的x射线散射测量数据126及与在关键过程步骤之前收集x射线散射测量数据127相关联的测量模型128。在使一或多个系统参数值浮动时执行x射线散射测量数据127的基于模型的拟合及由测量模型128预测的测量数据。将经确定系统参数值视为与x射线散射测量数据127相关联的实际系统参数值。如先前描述，与由关键过程步骤制造的复杂半导体结构相关联的测量模型通常难以准确地建模。在使一或多个系统参数值浮动时执行x射线散射测量数据126的子集的基于模型的拟合及由测量模型128预测的测量数据，而非尝试在关键过程步骤之后准确地建模复杂半导体结构的经测量响应。使用由复杂半导体结构的存在最小地影响的x射线散射测量数据126的子集执行基于模型的拟合。在一个实例中，x射线散射测量数据126是来自由计量系统100测量的结构215a的经测量衍射图案。经测量衍射图案由图15的图像212说明。此外，在图18中描绘来自如由计量系统100测量的结构215b的经模拟衍射图案。在此实例中，识别图18中描绘的具有非零值(例如，具有高于零的强度值的像素)或相对小值(例如，具有大于预定阈值的强度值的像素)的图像217的像素。接着，图15中描绘的图像212的对应像素被指派零值。在使一或多个系统参数值浮动时执行所得图像(即，x射线散射测量数据126)及由测量模型128预测的测量数据的拟合以识别与数据集合126相关联的系统参数值。
86.校正数据集合126、127或两者以匹配与两个数据集合相关联的系统参数值。在一个实例中，校正数据集合126以匹配与数据集合127相关联的系统参数值。在另一实例中，校正数据集合127以匹配与数据集合126相关联的系统参数值。在又一实例中，校正数据集合126及127两者以匹配系统参数值的预定集合。
87.如图2中描绘，将从数据集合126导出的正规化数据集合156及从数据集合127导出的正规化数据集合157传达到数据差分模块158。数据差分模块结合正规化数据集合156及157以产生经传达到拟合分析模块160的经结合数据集合159。在一个实例中，数据差分模块确定数据集合156及157之间的逐像素差作为经结合数据集合159。
88.虽然正规化与关键过程步骤之前及之后的所关注结构的测量相关联的x射线散射测量数据是优选的，但一般来说，其并不需要。在此意义上，正规化块155是任选的。
89.在一些实施例中，在关键过程步骤之前及之后两者从x射线散射测量系统(例如，计量系统100)收集实际x射线散射测量数据。然而，在一些其它实施例中，基于在关键过程步骤之后从x射线散射计系统(例如，计量系统100)收集的实际散射测量数据合成地产生在关键过程步骤之前的x射线散射测量数据。例如，在一些实施例中，基于在关键过程步骤之后从x射线散射测量系统(例如，计量系统100)收集的x射线散射测量数据126合成地产生x射线散射测量数据127。在这些实施例中，在关键过程步骤之前采用图案辨识算法(例如图块匹配算法)以产生经模拟x射线散射测量数据集合。评估实际x射线散射测量数据(例如，x射线散射测量数据126)以识别与所关注结构(即，由关键过程改变的结构)相关联的一或多个区域(例如，图像像素的群组)。一或多个区域内的经测量值由通过产生与在一或多个所关注区域外部的经测量图案连续的衍射图案的图块匹配算法识别的值替换。在一个实例中，图15说明来自由x射线散射计(例如，计量系统100)测量的结构215a的经测量衍射图案的图像212。如图14中描绘，结构215a包含孔结构203及所关注结构(狭缝结构204)两者。图
18描绘说明仅包含由x射线散射计(例如，计量系统100)测量的狭缝结构204的衍射图案的模拟的图像217。所关注区域包含具有可测量信号值的图像217的像素(例如，具有显著大于x射线散射测量系统的噪声底限的值的像素)。来自图像217的经识别像素在图15中描绘的图像212中由图块匹配算法替换。替换值产生与所关注区域外部的图案连续的衍射图案。此外，所得衍射图案代表仅具有孔结构且不具有狭缝结构的结构的经测量响应。从数据集合126减去所得数据集合以通过数据差分模块158产生经传达到拟合分析模块160的经结合数据集合159。在这些实施例中，不需要正规化，这是因为基于从x射线散射计系统收集的实际散射测量数据合成地产生在关键过程步骤之前的x射线散射测量数据。在巴恩斯(barnes)等人的标题为“图块匹配：一种用于结构图像编辑的随机对应算法(patchmatch:a randomized correspondence algorithm for structural image editing)”的文章中描述适合图块匹配算法的额外描述，且所述文章可在https://gfx.cs.princeton.edu/pubs/barnes_2009_par/patchmatch.pdf处在线获得。
90.在另一方面中，模型建立及分析引擎150包含简化结构模型建立模块151。简化结构模型建立模块151产生包含在关键过程步骤之后测量的结构的几何特征的子集的简化几何模型152。在一些实施例中，仅受关键过程步骤影响的一或多个特征包含于简化几何模型152中。因此，相较于在关键过程步骤之后执行的测量中捕获的结构的完整几何模型，简化几何模型152包含更小数目个经浮动几何参数。
91.在一个实例中，图8描绘仅捕获衬层226及227的简化几何模型。在另一实例中，图11描绘仅捕获钨凹入结构211的简化几何模型。在又一实例中，图16描绘仅捕获狭缝结构204的简化几何模型。
92.将简化几何模型152传达到x射线散射测量响应函数模型建立模块153。x射线散射测量响应函数模型建立模块153基于简化几何模型152产生简化测量响应模型154。简化测量响应模型154模拟简化几何结构对通过x射线散射测量系统(例如，计量系统100)的测量的响应。将简化测量响应模型154传达到拟合分析模块160。
93.通过仅建模受关键过程步骤影响的一或多个特征，几何模型及x射线测量响应模型更易于产生。此外，所得简化测量响应模型比捕获在关键过程步骤之后通过测量捕获的经测量结构的全部几何特征的复杂得多的测量模型拟合起来容易得多。
94.在一些实例中，基于经结合x射线散射测量数据的计量涉及通过使用经结合数据(例如，经结合数据集合159)的简化测量模型(例如，简化测量响应模型154)的反解确定样本的尺寸。测量模型包含数个(大约十个)可调整参数且代表所关注结构的几何形状及光学性质以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、机器学习或其任何结合。以此方式，通过解算最小化经结合数据与建模结果之间的误差的参数化测量模型的值而评估目标轮廓参数。
95.拟合分析模块160使用简化测量响应模型154对经结合数据集合159执行回归以评估一或多个临界尺寸的值161。将经评估值161存储于存储器135中。使所关注几何参数浮动。在一些实施例中，还使额外参数(例如每一独立级的强度)浮动以考虑未受关键过程步骤影响的特征的不完美移除。在一些实施例中，使用简化测量响应模型154对经结合数据集合159执行最小平方回归以评估一或多个临界尺寸的值。
96.∑
pixels
(changedstruct
sim
‑
(subsequentstruct
meas
‑
priorstruct
meas
))2ꢀꢀ
(1)
97.方程式(1)说明在一个非限制性实例中的最小平方回归的示范性目标函数。如方程式(1)中说明，项changedstruct
sim
是简化测量响应模型的输出。这些是基于仅聚焦于由关键过程步骤改变的经测量结构的特征的简化几何模型的经模拟衍射信号。项subsequentstruct
meas
表示在关键过程步骤之后通过x射线散射计系统测量的衍射信号，且项priorstruct
meas
表示在关键过程步骤之前通过x射线散射计系统测量的衍射信号。差项(subsequentstruct
meas
‑
priorstruct
meas
)是经结合数据集合。
98.在另一方面中，基于经结合x射线散射测量数据的计量涉及基于经结合数据集合及经训练信号响应计量(srm)模型确定样本的尺寸。在这些实例中，在不使用几何模型的情况下，使临界尺寸与经结合数据集合直接相关。
99.图3描绘说明srm模型训练引擎170的图式。如图3中描绘，训练数据包含在关键过程步骤之后收集的x射线散射测量数据172及在关键过程步骤之前收集的x射线散射测量数据171。数据集合171及172对应于具有一或多个所关注参数179的已知值的结构。数据集合171及172由如前文描述的正规化模块155正规化且将经正规化数据集合173及174传达到数据差分模块158。经结合数据集合175由数据差分模块158从正规化数据集合173及174产生，如前文描述。将经结合数据集合175及一或多个所关注参数179的对应已知值传达到srm训练模块176。srm训练模块基于经结合数据集合175及一或多个所关注参数179的对应已知值产生经训练srm模型177。将经训练srm模型177存储于存储器135中。
100.一或多个所关注参数179的已知值由受信任测量系统(例如扫描电子显微镜(sem)、穿隧电子显微镜(tem)、原子力显微镜(afm))或能够准确地测量参数值的x射线测量系统(例如小角度x射线散射计(saxs)或x射线荧光(xrf)系统)测量。然而，通常来说，例如，归因于低处理能力、个别位点的测量的高测量不准确性等，参考计量系统通常缺乏用于作为线内计量系统操作的能力。
101.在优选实施例中，srm测量模型经实施为神经网络模型。在其它实例中，srm测量模型可实施为线性模型、多项式模型、响应表面模型、确定树模型、随机森林模型、支持向量机器模型或其它类型的模型。
102.在一些实例中，同步地产生训练数据集合171及172。例如，可采用过程模拟器，例如可购自加利福尼亚州(美国)，米尔皮塔斯(milpitas)的kla
‑
tencor公司(kla
‑
tencor corporation)的正抗蚀剂光学光刻(prolith)模拟软件。一般来说，可预期在本专利档案的范围内的任何过程建模技术或工具(例如，可购自美国，北卡罗来纳州(north carolina)，凯里(cary)的coventor公司(coventor,inc.)的coventor模拟软件)。在这些实施例中，经结合数据集合175是经结合合成衍射图案且一或多个所关注参数179的已知值仅是用于同步衍射图案的临界尺寸。
103.在另一方面中，采用经训练信号响应计量模型以基于经结合测量信号评估具有未知值的所关注结构参数的值。
104.图4描绘说明srm模型引擎180的图式。如图4中描绘，在关键过程步骤之后收集的x射线散射测量数据126及在关键过程步骤之前收集的x射线散射测量数据127由正规化模块155正规化，如前文描述。将正规化数据集合156及157传达到数据差分模块158。经结合数据集合159由数据差分模块158从正规化数据集合156及157产生，如前文描述。将经结合数据集合159传达到经训练srm信号响应模型177。srm信号响应模型177产生一或多个所关注参
数178的经评估值。将经评估值178存储于存储器135中。
105.在另一方面中，在关键过程步骤之后对复杂半导体结构的一或多个所关注几何参数的评估是基于在关键过程步骤之后与复杂半导体结构相关联的实际x射线散射测量数据及在关键过程步骤之前与复杂半导体结构相关联的经模拟x射线散射测量数据。
106.图5描绘用于基于在关键过程步骤之前及之后两者的与复杂半导体结构相关联的x射线散射测量数据来评估特性化复杂半导体结构的一或多个几何参数的值的模型建立及分析引擎200的实施例的说明。
107.如图5中描绘，先前结构模型建立模型190在关键过程步骤之前产生经测量结构的几何模型191。将几何模型191传达到基于几何模型191产生先前测量响应模型193的先前x射线散射测量响应函数建立模块192。先前测量响应模型193模拟经测量结构对在关键过程步骤之前通过x射线散射测量系统(例如，计量系统100)的测量的响应。将先前测量响应模型193传达到拟合分析模块198。
108.类似地，后续结构模型建立模型194在关键过程步骤之后产生经测量结构的几何模型195。将几何模型194传达到基于几何模型195产生后续测量响应模型197的后续x射线散射测量响应函数建立模块196。后续测量响应模型197模拟经测量结构对在关键过程步骤之后通过x射线散射测量系统(例如，计量系统100)的测量的响应。将后续测量响应模型197传达到拟合分析模块198。
109.通过x射线散射测量系统(例如图1中描绘的计量系统100)从晶片收集x射线散射测量数据126。在对晶片101执行关键过程步骤之后收集x射线散射测量数据126且将x射线散射测量数据126传达到拟合分析模块198。
110.拟合分析模块198使用后续测量响应模型197及先前测量响应模型193对经测量数据集合126执行回归以评估一或多个临界尺寸的值199。将经评估值199存储于存储器135中。使所关注几何参数浮动。在一些实施例中，还使额外参数(例如各独立级的强度)浮动以考虑未受关键过程步骤影响的特征的不完美移除。在一些实施例中，通过拟合分析模块198执行的最小平方回归的目标函数包含如由方程式(2)说明的误差项及正则项两者。
111.∑
pixels
((subsequentstruct
sim
‑
subsequentstruct
meas
))2 (λ
·
priorstruct
sim
)2112.ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
113.如方程式(2)中说明，项subsequentstruct
sim
是后续测量响应模型197的输出，且项subsequentstuct
meas
是经测量数据126。这些项之间的差是驱动优化的误差项。项priorstruct
sim
是先前测量响应模型193的输出。系数λ是有效地设置正则项的加权的纯量值正则因子。在此优化中，正则项惩罚先前结构的强度贡献。因此，强调归因于由关键过程步骤改变的结构的部分(即，所关注几何参数)的强度贡献。
114.一般来说，可对一或多个晶片执行在关键过程步骤之前与经测量结构的例子相关联的测量。类似地，可对一或多个晶片执行在关键过程步骤之后与经测量结构的例子相关联的测量。在一些实施例中，优选地在一个晶片(例如，“标准”晶片)上的关键过程步骤之前测量结构的例子且对许多不同测试晶片执行在关键过程步骤之后与经测量结构的例子相关联的测量。
115.在本文中描述，在关键过程步骤之后对复杂半导体结构的一或多个所关注几何参数的评估是基于在关键过程步骤之前及之后两者与复杂半导体结构相关联的x射线散射测
量数据。一般来说，在关键过程步骤之后对复杂半导体结构的一或多个所关注几何参数的评估可是基于在任何数目个过程步骤(关键及非关键两者)之前及所述数个过程步骤之后与复杂半导体结构相关联的x射线散射测量数据。
116.例如，除在凹槽蚀刻之后收集的测量数据之外，钨凹入的测量还可是基于在字线切割之前，在字线切割之后，或在使用钨替换氮化物之后收集的测量数据。
117.在另一实施例中，系统100包含用于执行如本文中描述的x射线散射测量的一或多个计算系统130。一或多个计算系统130通信地耦合到检测器116。在一个方面中，一或多个计算系统130经配置以接收与样品101的结构的测量相关联的测量数据126。在另一方面中，一或多个计算系统130经配置以接收在任何先前过程步骤处与经测量结构的例子相关联的测量数据。
118.应认识到，可由单计算机系统130或替代地多计算机系统130实行贯穿本发明描述的各个步骤。此外，系统100的不同子系统(例如检测器116或x射线源110)可包含适用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其它步骤。
119.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检测器116。例如，一或多个计算系统130可耦合到与检测器116相关联的计算系统。在另一实例中，检测器116可由耦合到计算机系统130的单个计算机系统直接控制。
120.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系统的子系统(例如，检测器116及类似者)接收及/或获取数据或信息。以此方式，传输媒体可用作计算机系统130与系统100的其它系统或子系统之间的数据链路。
121.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，传输媒体可用作计算机系统130与其它系统(例如，板上存储器计量系统100、外部存储器、过程工具、参考测量源或其它外部系统)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或外部存储器)接收测量数据。例如，可将使用检测器116获得的测量结果存储于永久或半永久存储器装置(例如，存储器132或外部存储器)中。在此方面，可从板上存储器或从外部存储器系统汇入光谱结果。此外，计算机系统130可经由传输媒体将数据发送到其它系统。例如，测量模型或由计算机系统130确定的结构参数值可经传达且存储于外部存储器(例如，存储器135)中。在此方面，可将测量结果导出到另一系统。
122.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、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。
123.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。例如，如图1中说明，经由总线133将存储于存储器132中的程序指令134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。
124.图19说明适合于通过计量系统(例如本发明的图1中说明的计量系统100)实施的
方法300。在一个方面中，应认识到，可经由由计算系统130的一或多个处理器或任何其它通用计算系统执行的预编程算法实行方法300的数据处理块。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应仅解译为说明性。
125.在框301中，在半导体制造过程流程的关键过程步骤之后将第一量的照明辐射提供到复杂半导体结构的一或多个后续例子。
126.在框302中，检测响应于第一量的照明辐射而来自复杂半导体结构的一或多个后续例子的第一量的辐射。
127.在框303中，响应于第一量的经检测辐射而产生第一量的测量数据。
128.在框304中，基于第一量的测量数据及指示复杂半导体结构的一或多个先前例子在制造过程流程的关键过程步骤之前通过x射线散射计的测量的第二量的测量数据来评估复杂半导体结构的一或多个后续例子的所关注结构参数的值。
129.一般来说，可预期在本专利档案的范围内的任何散射测量技术，或两个或两个以上散射测量技术的结合。示范性测量技术包含(但不限于)光谱椭偏测量，包含穆勒矩阵椭偏测量、光谱反射测量、光谱散射测量、散射测量叠加、光束轮廓反射测量、角度解析及偏光解析两者的光束轮廓椭偏测量、单或多离散波长椭偏测量、透射小角度x射线散射计(tsaxs)、小角度x射线散射(saxs)、掠入射小角度x射线散射(gisaxs)、广角x射线散射(waxs)、x射线反射率(xrr)、x射线衍射(xrd)、掠入射x射线衍射(gixrd)、高分辨率x射线衍射(hrxrd)、x射线光电子光谱法(xps)、x射线荧光(xrf)、掠入射x射线荧光(gixrf)、低能电子引发的x射线辐射散射测量(lexes)、x射线断层扫描及x射线椭偏测量。一般来说，可预期适用于半导体结构的特性化的任何计量技术，包含基于图像的计量技术。额外传感器选项包含电传感器，例如加偏压于装置且使用光学传感器(或相反)或辅助光学技术(例如xrd、xrf、xps、lexes、saxs及泵探测技术)检测所得偏压的非接触式电容/电压或电流/电压传感器。在一个实施例中，二维光束轮廓反射计(光瞳成像器)可用于收集呈小光点大小的角度解析及/或多光谱数据两者。uv linnik干涉计还可用作穆勒矩阵光谱光瞳成像器。
130.在一些实例中，本文中描述的模型建立、训练及测量方法经实施为可购自美国加利福尼亚州，米尔皮塔斯(milpitas)的kla
‑
tencor公司(kla
‑
tencor corporation)的光学临界尺寸计量系统的元件。以此方式，模型经产生且准备好紧接在doe晶片光谱由系统收集之后使用。
131.在一些其它实例中，本文中描述的模型建立及训练方法(例如)通过实施可购自美国加利福尼亚州的米尔皮塔斯(milpitas)的kla
‑
tencor公司(kla
‑
tencor corporation)的软件的计算系统脱机实施。所得经训练模型可作为可通过执行测量的计量系统存取的链接库的元件并入。
132.一般来说，用于执行本文中呈现的半导体计量的方法及系统可直接应用到实际装置结构或到定位于裸片中或刻划道内的专属计量目标(例如，代理服务器结构)。
133.在又一方面中，本文中描述的测量技术可用于将主动反馈提供到过程工具(例如，光刻工具、蚀刻工具、沉积工具等)。例如，可将使用本文中描述的方法确定的结构参数的值传达到光刻工具以调整光刻系统以实现所要输出。以类似方式，蚀刻参数(例如，蚀刻时间、扩散率等)或沉积参数(例如，时间、浓度等)可包含于测量模型中以将主动反馈分别提供到
蚀刻工具或沉积工具。
134.一般来说，本文中描述的系统及方法可实施为专属计量工具的部分，或替代地实施为过程工具(例如，光刻工具、蚀刻工具等)的部分。
135.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。
136.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。
137.如本文中描述，术语“计量系统”包含至少部分用以在任何方面中特性化样品的任何系统，包含例如临界尺寸计量、叠加计量、焦点/剂量计量及组合物计量的测量应用。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，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。
138.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、分划板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。
139.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”。例如，晶片可包含具有可重复图案特征的多个裸片。
[0140]“分划板”可为处于分划板制造过程的任何阶段的分划板，或可为可或可未经释放以于半导体制造厂中使用的完成分划板。分划板或“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。可在光刻过程的曝光步骤期间将分划板安置于覆盖有抗蚀剂的晶片上方，使得可将分划板上的图案转印到抗蚀剂。
[0141]
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。
[0142]
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。例如(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。此外，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、光盘、数字多功能光盘(dvd)、软盘及蓝光光盘，其中磁盘通常磁性地重现数据而光盘用激光光学地重现数据。上述组合还应包含于计算机可读媒体的范围内。
[0143]
尽管上文为指导目的而描述某些特定实施例，但本专利档案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。