具有液膜喷射标靶的激光产生等离子体照明器的制作方法

具有液膜喷射标靶的激光产生等离子体照明器
1.相关申请案的交叉参考
2.本专利申请案根据35u.s.c.
§
119主张于2019年11月1日提出申请的美国临时专利申请案第62/929,560号的优先权，所述美国临时专利申请案的标的物以其全文引用方式并入本文中。
技术领域
3.所描述实施例涉及x射线度量系统及方法，且更特定来说涉及用于经改进测量准确度的方法及系统。


背景技术：

4.通常通过适用于样品的处理步骤序列而制作例如逻辑及存储器装置等半导体装置。通过这些处理步骤来形成半导体装置的各种特征及多个结构层级。举例来说，其它处理步骤中的光刻是涉及在半导体晶片上产生图案的一种半导体制作工艺。半导体制作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。可在单个半导体晶片上制作多个半导体装置，且然后将其分离成个别半导体装置。
5.在半导体制造过程期间，在各个步骤处使用度量工艺来检测晶片上的缺陷以促成较高合格率。通常使用若干种基于度量的技术(包含散射测量、衍射测量及反射测量实施方案)及相关联分析算法来表征临界尺寸、薄膜厚度、组合物及纳米尺度结构的其它参数。
6.传统上，对由薄膜及/或重复周期性结构组成的标靶执行散射测量临界尺寸测量。在装置制作期间，这些薄膜及周期性结构通常表示实际装置几何结构及材料结构或中间设计。随着装置(例如，逻辑及存储器装置)朝向较小纳米尺度尺寸进展，表征变得更困难。并入有复杂三维几何结构以及具有多种物理性质的材料的装置加剧表征难度。
7.在前沿前端半导体制作设施的工艺开发环境中，关于纳米结构的材料组合物及形状的准确信息受到限制。散射测量光学度量系统依赖于准确几何及分散模型来避免测量偏差。在具有先验可用的纳米结构的材料组合物及形状的有限知识的情况下，测量变因开发及验证是缓慢且冗长的过程。举例来说，使用横截面透射电子显微镜法(tem)图像来指导光学散射测量模型开发，但tem成像缓慢且具破坏性。
8.利用红外线到可见光的散射测量光学度量工具测量来自亚波长结构的零阶衍射信号。随着装置临界尺寸不断缩小，散射测量光学度量敏感度及能力也不断降低。此外，当吸收材料存在于被测量结构中时，照明光在光学区(例如，0.5到10ev)中的穿透及散射限制了常规光学度量系统的效用。
9.类似地，由于照明、次级背向散射及次级发射电子的吸收及散射，基于电子束的度量系统难以穿透半导体结构。
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显微镜需要较长扫描时间，这使得这些技术在高容量制造(hvm)设定中不切实际。
11.扫描电子显微镜(sem)实现了中等分辨率水平，但不能穿透结构达到充足深度。因此，未很好地表征高纵横比孔。另外，样品的所需充电对成像性能具有不利影响。
12.基于x射线的散射测量系统已展示出有希望解决具有挑战性的测量应用。举例来说，采用处于硬x射线能阶(》15kev)的光子的透射小角度x射线散射测量(t-saxs)系统、以高于8kev的光子能量接近反射临界角度而进行操作的掠入射小角度x射线散射测量(gi-saxs)系统以及采用处于软x射线(sxr)区(80到5,000ev)中的光子的反射小角度x射线散射测量(rsaxs)系统已展现出解决半导体工业内的不同度量应用的可能性。
13.在一些实施例中，rsaxs系统提供敏感度与速度的独特组合。处于5度与20度之间的范围中的标称掠入射角度提供选择最优入射角度的灵活性以实现到被测量结构中的所期望穿透且以小束光斑大小(例如，小于50μm)来使测量信息内容最大化。
14.尽管基于x射线的度量系统提供对当前及未来半导体测量应用的有吸引力的解决方案，但可靠且具成本效益的x射线照明源的开发是具挑战性的。已花费了显著量的精力来开发激光产生等离子体(lpp)x射线照明源的各种版本。在lpp x射线照明源中，标靶材料由真空室中的激发源辐照以产生等离子体。在一些实例中，激发源是脉冲激光束。
15.一般来说，在极紫外线(euv)及软x射线(sxr)光谱区中的相对高原子序数(高z)元素的光学薄等离子体中观察到的峰值发射遵循准莫塞莱(quasi-moseley)定律，如由h.ohashi等人的appl.phys.lett.106,169903,2015(其内容以其全文引用方式并入本文中)所描述。在方程式(1)中图解说明峰值波长λ
peak
，其中r
∞
是里德伯(rydberg)常数且z是经历受激发射的元素的原子序数。
[0016][0017]
当原子序数z从z＝50(锡)增加到z＝83(铋)时，发射峰值从13.5nm移位到4.0nm。基于锡的lpp照明源在13.5纳米下提供euv光刻的最优转换效率。另外，由基于锡的lpp照明源产生的光由钼/硅多层镜(mlm)高效地反射。因此，通常选择具有相对高原子序数的lpp标靶元素来用于euv应用。基于锡的照明源当前由euv光刻工具(asml)的领先制造商采用。
[0018]
在一些实施例中，针对euv光刻或euv/sxr度量应用，euv或sxr辐射由锡的放电产生。在放电空间中的至少两个电极之间的气体介质中点燃等离子体。气体介质是通过由来自放电空间中的旋转盘的表面的激光束使锡部分汽化而产生的。在美国专利第7,427,766号中提供额外说明，所述美国专利的内容以其全文引用方式并入本文中。
[0019]
遗憾地，与碎屑减轻及标靶补给(与锡相关联)相关联的难度显著地限制euv工具可用性且产生极高工具成本。室壁以及euv工具的光学元件上的锡碎屑沉积是显著的。在一些实例中，采用氢气缓冲气体来保护及清洁由锡碎屑污染的光学器件。然而，氢气缓冲气体的实施导致解决安全问题的高成本。
[0020]
为了避免与锡标靶的使用相关联的挑战，已将氙(z＝54)视为适合lpp标靶。用作lpp标靶的惰性低温氙冰是化学上无活性的且在室温下立即汽化。因此，由氙lpp标靶产生的碎屑并不沉积于光学组件上。氙具有在euv及sxr光谱范围中处于数种电荷状态中的一系列未解析跃迁阵列(uta)。因此，氙具有产生用于光刻及度量应用的有用发射的可能性。
[0021]
在一些实施例中，固体氙冰标靶材料形成于由液体氮冷却的桶的表面上。激光脉冲辐照沉积于所述桶上的固体氙标靶材料的较小区域。将所述桶旋转、平移或进行这两者，
以阻止辐照位点处的新固体氙标靶材料。每一激光脉冲在固体氙标靶材料的层中产生凹坑。凹坑由向桶表面提供新氙标靶材料的补给系统重新填充。在美国专利第6,320,937、8,963,110、9,422,978、9,544,984、9,918,375及10,021,773号中提供额外说明，所述美国专利的内容以其全文引用方式并入本文中。
[0022]
在一些实施例中，液体氙标靶材料流用作lpp标靶。在一个实施例中，氙液化器单元连接到真空室内的氙质量流(气体)系统以及氙回收单元。氙回收单元经由毛细管而连接到氙液化器单元。液体氙流透过毛细管从氙液化器单元流动到氙回收单元。毛细管包含孔口，所述孔口将液体氙流暴露于诱导发射等离子体的euv/sxr辐射的经聚焦激光束。在美国专利第8,258,485号中提供额外说明，所述美国专利以其全文引用方式并入本文中。
[0023]
在一些其它实施例中，液体氙标靶材料液滴用作lpp标靶。在一个实施例中，氙被加压及冷却，使得其液化。液体氙作为喷射透过喷嘴而泵送。当喷射从喷嘴出射时，所述喷射开始衰减。随着喷射衰减，氙液滴形成。取决于条件，所述液滴可为液体或固体。液滴行进到真空环境中的位点，在所述位点处，液滴由激光束辐照以产生发射等离子体的euv/sxr。在美国专利第9,295,147号及美国专利公开案第2017/0131129a1号中提供额外说明，所述美国专利的内容以其全文引用方式并入本文中。
[0024]
遗憾地，基于液滴的lpp标靶(例如锡或氙液滴)的实施引入额外挑战。为可靠地刺激等离子体，液滴位置稳定性至关重要。为实现适合转换效率，液滴必须准确地到达辐照位置以确保标靶材料液滴与经聚焦激光束之间的充分耦合。从喷嘴到辐照位点的环境显著地影响位置稳定性。重要因素包含路径长度、沿着路径的温度及压力条件以及沿着路径的任何气体流。这些因素中的许多因素难以控制，这导致次优lpp照明源性能。
[0025]
另外，当氙液体喷射或一系列液滴行进时，氙的一部分蒸发并产生围绕发射位点的氙气体云。氙气体强烈吸收euv/sxr光，从而导致从lpp光源对可用euv/sxr光的非常低效的提取。
[0026]
而且，氙供应是有限且昂贵的。氙是大气中的痕量组分(十亿分之八十七)。需要进行复杂且昂贵的空气分离工艺以从大气提取氙。作为响应，需要昂贵再循环设备以从lpp照明源环境重新捕获尽可能多的氙以使氙损失最小化。
[0027]
作为lpp标靶材料，氙原子在电子冲击或激光场下被高度电离并激发成各种高能离子状态。采用一或多种缓冲气体(例如氩气、氖气、氧气、氮气及氢气)来使高能氙离子减速并最终停止以防止对室及光学元件进行蚀刻。为回收由缓冲气体扫除的氙，通过真空泵将lpp室内的气体连续抽出并发送到稀有气体回收单元。气体回收单元使用一或多种气体分离技术将氙与缓冲气体分离且将所回收氙纯化。
[0028]
遗憾地，氙气体回收单元极昂贵且并未达到100％再循环效率。利用氙气体回收系统的工具的长期拥有成本(coo)可能极显著。图1描绘针对处于连续操作中的工具归因于损失的氙的年度拥有成本随氙的标称流动速率而变的图解说明。如图1中所图解说明，针对不同回收效率而标绘年度成本。标示线11、12、13及14描绘分别与回收效率98％、98.5％、99％及99.5％相关联的年度成本。这些回收效率中的每一者在实践中极难实现，但年度成本仍然相当高。
[0029]
最后，氙的sxr发射光谱是宽带的，类似于其它高原子序数元素。用于从lpp照明源提取sxr照明且将sxr照明递送到半导体晶片的递送光学器件在其维持光谱纯度及最小化
光子通量损失的能力方面是有限的，这是因为sxr光学元件通常权衡光子通量以获得光谱纯度。
[0030]
总之，半导体工业继续缩小装置尺寸且增加其复杂性。为实现工艺最优及合格率提升，需要新线上度量工具以快速且非破坏性方式为工艺开发者提供准确结构信息。基于x射线的度量系统展示出希望，但期望对用于将x射线提供到被测量结构的lpp照明源进行改进。


技术实现要素：

[0031]
本文中呈现用于从采用液膜喷射标靶的激光产生等离子体产生x射线照明的方法及系统。另外，还呈现用于基于所述所产生x射线照明而测量与不同半导体制作工艺相关联的半导体结构的结构特性及材料特性(例如，结构及薄膜的材料组合物、尺寸特性等)的方法及系统。
[0032]
在一些实施例中，液膜喷射lpp光源将经高度聚焦短持续时间激光源引导到包含一或多种低原子序数元素的液膜喷射标靶。所述经聚焦激光脉冲与所述膜喷射标靶的相互作用点燃等离子体。在一些实施例中，所述液膜喷射lpp光源产生在软x射线(sxr)光谱范围(例如，10到5,000电子伏特)中的多谱线照明或宽带x射线照明。
[0033]
在一些实施例中，液膜喷射lpp喷嘴是会聚毛细管喷嘴，其包含用以将液体标靶材料输送到所述喷嘴的出口孔口的毛细管。在一些其它实施例中，液膜喷射lpp喷嘴是会聚喷嘴，所述会聚喷嘴使用开放式平面腔将所述液体标靶材料输送到所述喷嘴的所述出口孔口。
[0034]
所述液膜喷射lpp光源是不具有移动部分(例如，不具有旋转或平移标靶)的紧凑型x射线源。这使到所述度量系统中的振动引入最小化。液膜喷射标靶是具有相对大的横向范围区域(例如，在两个横向方向上几百毫米)的极薄(例如，小于10微米厚)膜。所述大的横向区域使对标靶定位的横向稳定性要求最小化，这是因为所述标靶区域与基于液滴的标靶相比如此之大。类似地，通过简单地控制泵激激光束的目标以将入射点重新定位到膜的另一位置而容易地实现等离子体光源的位置的重新定位。另外，与基于液滴的标靶相比，所述极薄膜使等离子体碎屑产生最小化。最后，将低原子序数材料用作发射材料使成本最小化，这是因为存在可在环境中大量获得的许多低原子序数材料(例如，碳、氧气、氮气等)。因此，不需要采用昂贵稀有气体再循环系统。这些材料可被液化且以其纯形式被用作膜喷射标靶或者被溶解于溶剂中且以经稀释形式被用作膜喷射标靶。
[0035]
在一个方面中，利用由液膜喷射lpp照明源产生的x射线辐射执行rsaxs测量。从液膜喷射lpp光源发射的x射线照明辐射通过束线且被聚焦到被测量半导体晶片上。
[0036]
在又一方面中，液膜喷射lpp光源包含碎屑管理系统，所述碎屑管理系统包含等离子体室中的经引导缓冲气体流以及用以抽出缓冲气体及任何污染物的真空泵。
[0037]
在又一方面中，液膜喷射lpp光源包含跨越等离子体室的一部分以朝向等离子体室内的缓冲气体流驱动动态离子的磁场源。以此方式，磁场通过在缓冲气体穿过等离子体室朝向用于从等离子体室排出缓冲气体的真空泵流动时将动态离子驱动到缓冲气体流中而促进动态离子的移除。
[0038]
在另一方面中，液膜喷射lpp光源包含捕获并再循环液体标靶材料的再循环系统。
[0039]
在另一方面中，基于x射线的度量系统包含用以单独检测零衍射阶及较高衍射阶的多个检测器。一般来说，可考虑多个检测器的任一组合来检测零衍射阶及较高衍射阶。
[0040]
在另一方面中，基于x射线的度量系统包含位于照明路径中的多层衍射光学结构以对x射线照明光进行滤波。以此方式，消除对于照明路径中的真空窗的需要。
[0041]
在另一方面中，基于x射线的度量系统包含位于照明路径中的波带片结构以将激发光重新聚焦回到激光产生等离子体源。以此方式，使用原本可被丢弃的辐射来激发等离子体。
[0042]
前述内容是发明内容且因此必然含有细节的简化、概述及省略；因此，所属领域的技术人员者将了解，发明内容仅为说明性的且不以任何方式为限制性的。在本文中所陈述的非限制性详细说明中，本文中所描述的装置及/或工艺的其它方面、发明性特征及优点将变得显而易见。
附图说明
[0043]
图1是图解说明在激光产生等离子体(lpp)照明源的连续操作期间与损失的氙相关联的成本的简化图。
[0044]
图2是图解说明在至少一个新颖方面中的度量系统的实施例的简化图式，所述度量系统包含用于测量样品的特性的液膜喷射lpp x射线照明源。
[0045]
图3a是图解说明在一个实施例中的液膜喷射喷嘴的前视图的简化图式。
[0046]
图3b是图解说明在一个实施例中的液膜喷射喷嘴的侧视图的简化图式。
[0047]
图3c是图解说明在一个实施例中的液膜喷射喷嘴的仰视图的简化图式。
[0048]
图4是图解说明氮气(n2)气体中的氧离子的停止范围随氧离子的能量而变的模拟的曲线图150。
[0049]
图5描绘与采用碳作为液膜喷射标靶的lpp x射线照明源相关联的经模拟发射光谱的曲线图170。
[0050]
图6描绘与采用氮气作为液膜喷射标靶的lpp x射线照明源相关联的经模拟发射光谱的曲线图173。
[0051]
图7描绘与采用氧气作为液膜喷射标靶的lpp x射线照明源相关联的经模拟发射光谱的曲线图176。
[0052]
图8是图解说明示范性模型构建与分析引擎的简化图式。
[0053]
图9是图解说明在至少一个新颖方面中的度量系统的另一实施例的简化图式，所述度量系统包含用于测量样品的特性的液膜喷射lpp x射线照明源。
[0054]
图10是图解说明在至少一个新颖方面中的度量系统的仍另一实施例的简化图式，所述度量系统包含用于测量样品的特性的液膜喷射lpp x射线照明源。
[0055]
图11是图解说明在至少一个新颖方面中的度量系统的仍另一实施例的简化图式，所述度量系统包含用于测量样品的特性的液膜喷射lpp x射线照明源。
[0056]
图12是根据本文中所描述的方法的利用度量系统执行半导体晶片的测量的方法的流程图，所述度量系统采用液膜喷射lpp x射线照明源。
[0057]
图13a是图解说明在另一实施例中的液膜喷射喷嘴的前视图的简化图式。
[0058]
图13b是图解说明在另一实施例中的液膜喷射喷嘴的侧视图的简化图式。
[0059]
图13c是图解说明在另一实施例中的液膜喷射喷嘴的仰视图的简化图式。
具体实施方式
[0060]
现将详细参考背景技术实例及本发明的一些实施例，在附图中图解说明本发明的实例。
[0061]
本文中呈现用于从采用液膜喷射标靶的激光产生等离子体产生x射线照明的方法及系统。另外，还呈现用于基于所产生x射线照明而测量与不同半导体制作工艺相关联的半导体结构的结构特性及材料特性(例如，结构及薄膜的材料组合物、尺寸特性等)的方法及系统。
[0062]
在一些实施例中，激光产生等离子体(lpp)光源产生高亮度(即，大于10
13
光子/(秒.mm2.mrad2.1％带宽))x射线照明。为实现此种高亮度，lpp光源将经高度聚焦短持续时间激光源引导到包含一或多种低原子序数元素的液膜喷射标靶。经聚焦激光脉冲与膜喷射标靶的相互作用点燃等离子体。来自等离子体的辐射由收集光学器件收集且被引导到被测量样品。
[0063]
在一些实施例中，液膜喷射lpp光源产生在软x射线(sxr)光谱范围(例如，10到5,000电子伏特)内的多谱线照明或宽带x射线照明。如本文中所界定的sxr光谱范围可包含如在其它文献中所界定的真空紫外线(vuv)光谱范围、极紫外线(euv)光谱范围、软x射线范围及硬x射线范围的全部或部分。在一些实施例中，液膜喷射标靶包含相对低原子序数材料，例如，z《55、z《37或z《19。
[0064]
液膜喷射lpp光源是不具有移动部分(例如，不具有旋转或平移标靶)的紧凑型x射线源。这使到度量系统中的振动引入最小化。液膜喷射标靶是具有相对大的横向范围区域(例如，在两个横向方向上几百毫米)的极薄(例如，小于10微米厚)膜。大的横向区域使对标靶定位的横向稳定性要求最小化，这是因为标靶区域与基于液滴的标靶相比如此之大。类似地，通过简单地控制泵激激光束的目标以将入射点重新定位到膜的另一位置而容易地实现等离子体光源的位置的重新定位。另外，与基于液滴的标靶相比，极薄膜使等离子体碎屑产生最小化。最后，将低原子序数材料用作发射材料使成本最小化，这是因为存在可在环境中大量获得的许多低原子序数材料(例如，碳、氧气、氮气等)。因此，不需要采用昂贵稀有气体再循环系统。这些材料可被液化且以其纯形式被用作膜喷射标靶或者被溶解于溶剂中且以经稀释形式被用作膜喷射标靶。
[0065]
图2描绘一个实施例中的基于x射线的度量系统100。通过非限制性实例方式，将基于x射线的度量系统100配置为反射小角度x射线散射测量(rsaxs)系统。在一些实施例中，以1到45度的范围中的标称掠入射角在软x射线(sxr)区(例如，10到5000ev)内的一或多个波长下执行rsaxs测量。特定测量应用的掠射角经选择以实现到被测量结构中的所期望穿透且以小束光斑大小(例如，小于50微米)来使测量信息内容最大化。rsaxs系统(例如度量系统100)实现对包含临界尺寸、叠对及边缘放置误差的所关注参数的测量。sxr照明实现在设计规则标靶上的叠对测量，这是因为照明波长短于所测量结构的周期。这提供优于现有技术的显著益处，在所述现有技术中，叠对是在大于设计规则的标靶上测量的。使用sxr波长准许以工艺设计规则进行标靶设计，即，不具有“非零偏移”。在一些实施例中，针对rsaxs测量的叠对度量标靶可用于测量叠对及临界尺寸两者。这还实现了对边缘放置误差(epe)
(例如端线缩短、线到触点距离等)的测量。
[0066]
在一个方面中，利用由液膜喷射lpp照明源产生的x射线辐射执行rsaxs测量。如图2中所描绘，基于x射线的度量系统100包含液膜喷射lpp光源101、束线200及晶片度量子系统300。从液膜喷射lpp光源101发射的x射线照明辐射通过束线200且被聚焦到半导体晶片306上。响应于入射x射线照明辐射从半导体晶片306收集x射线辐射并对其进行检测。基于所检测x射线辐射而对表征安置于半导体晶片306上的一或多个结构307的一或多个所关注参数的值做出估计。
[0067]
如图2中所描绘，液膜喷射lpp光源101包含在等离子体室125内进行操作的液膜喷射喷嘴102。将标靶材料的流124供应到液膜喷射喷嘴102。在液膜喷射喷嘴的输出处维持标靶材料的若干个叶状膜。脉冲激光照明源114发射朝向通过液膜喷射维持的标靶材料膜引导的一系列激发(泵激)光脉冲。如图2中所描绘，激发光通过束扩展器115、一或多个聚焦光学元件116及光学窗117以到达由喷嘴102发射的膜喷射。激发光脉冲与标靶材料膜的相互作用致使膜电离以形成等离子体103，所述等离子体发射具有极高亮度的x射线照明光。在优选实施例中，等离子体103的亮度大于10
13
光子/(秒).(mm2).(mrad2)
·
(1％带宽)。
[0068]
聚焦光学元件116将激发光在极小光斑大小内聚焦到标靶材料膜上。在一些实施例中，激发光以小于100微米的光斑大小聚焦到标靶材料膜上。在一些实施例中，激发光以小于20微米的光斑大小聚焦到标靶材料膜上。在优选实施例中，激发光以小于10微米的光斑大小聚焦到标靶材料膜上。随着激发光的光斑大小减小，所诱导等离子体的光斑大小减小。在一些实施例中，等离子体103的光斑大小小于400微米。在一些实施例中，等离子体103的光斑大小小于100微米。在一些实施例中，等离子体103的光斑大小小于20微米。
[0069]
在一些实施例中，脉冲激光照明源114是基于镱(yb)的固态激光器。在一些其它实施例中，脉冲激光照明源114是基于钕(nb)的固态激光器。在一些实施例中，脉冲激光照明源114是(举例来说)以ir范围(例如，1微米)中的波长进行操作的皮秒激光器。在一些实施例中，激发光具有束品质因子m2《2.0、处于从5皮秒到500皮秒的范围中的脉冲持续时间、处于从10毫焦耳到500毫焦耳的范围中的脉冲能量、处于从50百万瓦到1,000百万瓦的范围中的峰值功率、维持处于10
13
w/cm2下或更高的聚焦激光强度以及大于200的对比率。
[0070]
在一些实施例中，液膜喷射lpp喷嘴是包含毛细管的会聚毛细管喷嘴，所述毛细管用以将液体标靶材料输送到喷嘴的出口孔口。图3a描绘液膜喷射喷嘴102的前视图，其中x方向跨越图式页是水平的、z方向沿图式页上下垂直，且y方向垂直于图式页并正向进入图式页中。如图3a中所描绘，液膜喷射喷嘴102包含喷嘴主体143、入口孔146以及两个单独毛细管通道140a及140b。液体标靶材料接纳于入口孔146处且流动到毛细管通道140a及140b两者中。毛细管通道140a及140b远离彼此而布线且然后以会聚角θ朝向彼此返回。毛细管通道140a及140b的终端(即，尖端)位于液膜喷射喷嘴102的出口孔口145处。毛细管通道140a的终端与毛细管通道140b的终端在x方向上间隔开小距离s。
[0071]
图3b描绘液膜喷射喷嘴102的侧视图，其中y方向跨越图式页是水平的、z方向沿图式页上下垂直，且x方向垂直于图式页并正向离开图式页。图3c描绘液膜喷射喷嘴102的仰视图，其中x方向跨越图式页是水平的、y方向沿图式页上下垂直，且z方向垂直于图式页并正向进入图式页中。如图3c中所描绘，出口孔口145包含毛细管140a及140b两者的终端，所述终端各自具有直径d且在x方向上间隔开距离s。
[0072]
当液体标靶材料在出口孔口145处离开毛细管通道140a及140b时，穿过每一毛细管通道的流越过出口孔口(即，在喷嘴102外部)进行合并以产生一系列级联叶状膜141，所述级联叶状膜最后分解成一系列液滴142。图3a及3b经提供以用于图解说明，这是因为叶状膜的数目及尺度取决于液体标靶材料的性质、流动条件、毛细管通道140a及140b的几何形状以及出口孔145的几何形状。如图3a及3b中所图解说明，穿过每一毛细管通道的流进行合并以产生定向于yz平面中的液体标靶材料的叶状膜141a，如图3a及3b中所描绘。在叶状膜141a之后，所述流过渡到垂直于叶状膜141a的定向于xz平面中的另一较小叶状膜141b。在叶状膜141b之后，所述流过渡到垂直于叶状膜141b的定向于yz平面中的仍另一较小叶状膜141c。在叶状膜141c之后，所述流过渡到垂直于叶状膜141c的定向于xz平面中的仍另一较小叶状膜141d。在叶状膜141d之后，所述流过渡到垂直于叶状膜141d的定向于yz平面中的仍另一较小叶状膜141e。在叶状膜141e之后，所述流过渡到一系列液滴142，所述一系列液滴最后收集于液体阱105中，如参考图2所描述。如图3a及3b中所描绘，激发光147聚焦到标靶材料的第一叶状膜141a上，距出口孔口145距离b。在一些其它实施例中，激发光147聚焦到标靶材料的第二叶状膜141b上以增加等离子体位置与出口孔口145之间的距离，从而防止沾污出口孔口145。一般来说，激发光147可在任何适合叶状膜处聚焦于距出口孔口145的任何距离b处。另外，优选地在垂直于激发光147的入射平面的方向上定向被照明叶状膜的平面。
[0073]
一般来说，当激发光脉冲入射时，叶状结构破裂。在激光脉冲到达之后的数微秒(例如，10微秒)内，叶状结构得以重建，而锥形膜及液滴喷雾遮挡来自脉冲激光激发源及膜喷射的视线。在经过另一时间周期(例如，50微秒到500微秒)之后，液滴喷雾清除且新形成的叶结构可用于由另一激发光脉冲激发。
[0074]
较薄膜喷射使等离子体碎屑最小化，然而较薄膜喷射在实践中较难产生及保持。较厚膜喷射提供较高转换效率，但随着厚度增加，喷射对产生于喷射内的x射线照明变得较不透明。当厚度变为大于几微米(例如，大于10微米)时，这些损失超过了转换效率优点。
[0075]
一般来说，在出口孔口处进行合并的两个流之间的重叠最后界定膜的最小厚度。所述流的一部分联合以在叶状流结构的中间形成薄膜，而所述流的并未联合的部分形成叶状流结构的周界。叶形状结构的边缘与叶状结构的中心处的薄膜相比相对厚。后续次级及更高阶叶状结构在初级膜下方形成。与第一叶状结构相比，这些膜在中间逐渐变厚且在横向范围上逐渐变小。最后，在普拉托-瑞利(plateau-rayleigh)不稳定性开始时，所述膜崩解成液滴喷雾。
[0076]
在一些其它实施例中，液膜喷射lpp喷嘴是会聚喷嘴，所述会聚喷嘴使用开放式平面腔将液体标靶材料输送到喷嘴的出口孔口。图13a描绘液膜喷射喷嘴102的前视图，其中x方向跨越图式页是水平的、z方向沿图式页上下垂直，且y方向垂直于图式页并正向进入图式页中。如图13a中所描绘，液膜喷射喷嘴102包含喷嘴主体163、入口孔166及薄平面腔，即，具有两个相对大横向尺寸及正交于两个横向尺寸的相对小厚度尺寸的室。液体标靶材料接纳于入口孔166处且流动到腔160中。腔经塑形使得在使横向尺寸中的一者变宽之后，所述腔以会聚角θ朝向腔的底部会聚。腔160终止于出口孔165处，所述出口孔在喷嘴102的底部处具有矩形形状。
[0077]
图13b描绘液膜喷射喷嘴102的侧视图，其中y方向跨越图式页是水平的、z方向沿
图式页上下垂直，且x方向垂直于图式页并正向离开图式页。图13c描绘液膜喷射喷嘴102的仰视图，其中x方向跨越图式页是水平的、y方向沿图式页上下垂直，且z方向垂直于图式页并正向进入图式页中。如图13c中所描绘，出口孔口165在y方向上具有宽度w，且在x方向上具有长度l。在一些实施例中，腔160的厚度与孔口宽度w大约相同。
[0078]
离开出口孔口145的液体标靶材料的会聚流产生一系列叶状膜161，所述一系列叶状膜最后分解成一系列液滴162。图13a及13b经提供以用于图解说明，这是因为叶状膜的数目及尺度取决于液体标靶材料的性质、流动条件、腔160的几何形状以及出口孔口165的几何形状。如图13a及13b中所图解说明，穿过出口孔口165的流产生定向于yz平面中的液体标靶材料的叶状膜161a，如图13a及13b中所描绘。在叶状膜161a之后，所述流过渡到垂直于叶状膜161a的定向于xz平面中的另一较小叶状膜161b。在叶状膜161b之后，所述流过渡到垂直于叶状膜161b的定向于yz平面中的仍另一较小叶状膜161c。在叶状膜161c之后，所述流过渡到垂直于叶状膜161c的定向于xz平面中的仍另一较小叶状膜161d。在叶状膜161d之后，所述流过渡到垂直于叶状膜161d的定向于yz平面中的仍另一较小叶状膜161e。在叶状膜161e之后，所述流过渡到一系列液滴162，所述一系列液滴最后收集于液体阱105中，如参考图2所描述。如图13a及13b中所描绘，激发光147聚焦到标靶材料的第一叶状膜161a上，距出口孔口165距离b。在一些其它实施例中，激发光147聚焦到标靶材料的第二叶状膜161b上以增加等离子体位置与出口孔口165之间的距离从而防止沾污出口孔口165。一般来说，激发光147可在任何适合叶状膜处聚焦于距出口孔口165的任何距离b处。另外，优选地，在垂直于激发光147的入射平面的方向上定向被照明叶状膜的平面。
[0079]
针对给定标靶材料，液膜喷射lpp x射线源的性能取决于数个物理参数。较高喷射速度实现利用激光源的更频繁激发及更多光输出。然而，喷射速度受在高流动速率下诱导的湍流限制。在横向尺寸上的较大膜喷射使热及等离子体对喷嘴的损坏最小化。较薄膜喷射使真空泵吸负荷及由等离子体产生的碎屑最小化。在一些实施例中，膜喷射的线性流动速率处于5米/秒与50米/秒之间的范围中，出口孔口与激发光入射之间的距离处于从1厘米到10厘米的范围中，且激发光入射的位置处的液膜的厚度处于从1微米到5微米的范围中。经调整以实现这些性能目标的参数包含前级压力、喷嘴几何形状及流体性质。针对给定标靶材料，通过将液体的温度控制在从-100摄氏度到40摄氏度的范围中来调整标靶材料的流体性质(例如，黏度)。在给出如本文中所描述的合理流体性质及尺寸的情况下，处于从0.1巴到20巴的范围中的喷射前级压力驱动处于从10毫升/分钟到100毫升/分钟的范围中的喷射体积流动速率。类似地，针对会聚腔喷嘴，会聚角介于从90度到140度的范围中且出口孔口的宽度及长度介于从20微米到140微米的范围中，并且针对会聚毛细管喷嘴，会聚角介于从90度到140度的范围中且毛细管直径及间隔介于从20微米到140微米的范围中。
[0080]
一般来说，液膜喷射lpp x射线照明源可采用任何适合材料或材料组合作为液膜喷射标靶。然而，优选地采用包括具有相对低原子序数的元素的材料。在一些实施例中，液膜喷射标靶包含一或多种材料，每一材料包括各自具有小于19(z《19)的原子序数的一或多种元素。在一些实施例中，液膜喷射标靶包含氪、氙或这两者。通过提供适合压力及温度条件来将液膜喷射标靶维持于液相中。在一些实施例中，液膜喷射标靶包含液体溶剂，所述液体溶剂将另一材料维持于溶液中。在这些实施例中的一些实施例中，溶剂包含一或多种材料，每一材料包括各自具有小于19(z《19)的原子序数的一或多种元素。通过非限制性实例
方式，适合膜喷射标靶材料包含氦、氖、氩、氪、氙、乙醇、水、烃类、co2、co、n2、o2、f2、h2o2、尿素、氢氧化铵、氢氧化钠、氢氧化镁、氢氧化铝、氢氧化硅(例如，呈苏打形式的氢氧化物，例如naoh(苛性苏打)、na2co3(洗涤苏打)、nahco3(小苏打))、盐类(例如，可溶解于液体溶剂中的氟化盐、氯化盐)，以及可溶于液体溶剂中的任何低原子序数材料(z《19)。
[0081]
图5描绘与碳对从lpp x射线照明源发射的辐射的光谱贡献相关联的经模拟发射光谱的曲线图170，所述lpp x射线照明源采用包含碳作为组分(例如，co2)的标靶材料。标示线171描绘与100电子伏特的等离子体温度相关联的发射光谱。标示线172描绘与500电子伏特的等离子体温度相关联的发射光谱。
[0082]
图6描绘与氮对从lpp x射线照明源发射的辐射的光谱贡献相关联的经模拟发射光谱的曲线图173，所述lpp x射线照明源采用包含氮作为组分的标靶材料。标示线174描绘与100电子伏特的等离子体温度相关联的发射光谱。标示线175描绘与500电子伏特的等离子体温度相关联的发射光谱。
[0083]
图7描绘与氧对从lpp x射线照明源发射的辐射的光谱贡献相关联的经模拟发射光谱的曲线图176，所述lpp x射线照明源采用包含氧作为组分(例如，co2)的标靶材料。标示线177描绘与100电子伏特的等离子体温度相关联的发射光谱。标示线178描绘与500电子伏特的等离子体温度相关联的发射光谱。
[0084]
如图5到7中所图解说明，针对所有这些低原子序数材料，均存在宽广等离子体温度范围内的强发射谱线。另外，发射谱线完全在mlm光学器件的反射率带宽内。因此，期望与采用基于锡或基于氙的标靶材料的lpp光源相比，低原子序数液膜喷射lpp光源的光谱纯度应是显著优选的。
[0085]
在又一方面中，液膜喷射lpp光源包含碎屑管理系统，所述碎屑管理系统包含等离子体室中的经引导缓冲气体流以及用以抽出缓冲气体及任何污染物的真空泵。如图2中所描绘，等离子体室125包含一或多个壁，所述一或多个壁将缓冲气体流121围阻于等离子体室内。缓冲气体阻止高动能离子及中性粒子沉积在接近于等离子体103的敏感光学元件上。如图2中所描绘，缓冲气体流119通过一或多个气体锥120而分布于等离子体室125内。在一些实施例中，每一气体锥120朝向碎屑的源(即，等离子体103)引导高速度纵向气体流，以防止碎屑到达一或多个光学元件。在一些实施例中，一或多个气体锥放置于窗117、束线200及通量监测器118之前。在一些实施例中，在等离子体103的位置周围提供缓冲气体流以促进污染物流远离等离子体103的紧附近处。在美国专利第10,101,664号中提供包含气体锥的碎屑减轻技术的额外说明，所述美国专利的内容以其全文引用方式并入本文中。如图2中所描绘，采用真空泵122以从等离子体室125抽出被污染缓冲气体流121。经抽出材料123从系统排出，而无需使由真空泵122抽出的缓冲气体材料或标靶材料再循环，这是因为这些材料是低成本的。
[0086]
图4描绘图解说明氮气(n2)气体中的氧离子的停止范围随氧离子的能量而变的曲线图150。标示线151描绘与在每一离子能量下停止氧离子集合中的每一氧离子相关联的平均停止范围。
[0087]
如图4中所图解说明，具有30千电子伏特的初始动能(即，离子能量)的氧离子在氮气缓冲气体中需要30毫巴-厘米的停止范围。举例来说，维持3毫巴下的氮气缓冲气体将很大机率在10厘米的路径长度内停止具有多达30千电子伏特的初始动能的氧离子。在一些实
施例中，等离子体室125的窗与等离子体103之间的距离是至少10厘米。
[0088]
在又一方面中，液膜喷射lpp光源包含跨越等离子体室的一部分以朝向等离子体室内的缓冲气体流驱动动态离子的磁场源。以此方式，磁场通过在缓冲气体穿过等离子体室朝向用于从等离子体室排出缓冲气体的真空泵流动时将动态离子驱动到缓冲气体流中而促进动态离子的移除。在一些实例中，跨越缓冲气体流的场而安置一组永久磁体、电磁体等以产生磁场，所述磁场在缓冲气体流抽出之前将离子驱动到缓冲气体流中。
[0089]
在另一方面中，液膜喷射lpp光源包含捕获并再循环液体标靶材料的再循环系统。图2描绘位于等离子体室125的底部处的液体阱105。液体阱105包含入口孔104。在液膜喷射分解成液体流或一系列液滴之后，液体标靶材料透过入口孔104进入液体阱105。液体阱105由真空泵106(例如，涡轮泵)泵吸，以排出通过从液体标靶材料蒸发而产生的蒸汽107。真空泵106防止压力构建于液体阱105内，这可以防止液体标靶材料进入入口孔104。低温冷却器126位于液体阱105的底部附近以冷激液体标靶材料且使蒸发损失最小化。冷却剂108流动到低温冷却器125中，在所述低温冷却器处，所述冷却剂吸收热且作为处于较高温度的冷却剂流109离开冷却器。在一些实例中，低温冷却器125将液体标靶材料维持在比室温低至少100摄氏度的温度下。经阱获液体标靶材料110集中于液体阱105的底部处，其中所述经阱获液体标靶材料从液体阱105的底部被汲取出。液体标靶材料通过过滤器111且由高性能液相层析(hplc)泵112加压。脉冲阻尼器113位于hplc泵112的输出处以移除可由hplc泵112引入的任何高频率压力涟波。然后在液膜喷射喷嘴102的输入处递送经加压液体标靶材料流124。
[0090]
如图2中所描绘，由等离子体103发射的x射线照明光离开等离子体室125，通过束线200且进入晶片度量子系统300。一般来说，从等离子体103到晶片306的x射线照明路径包含用以对x射线照明光进行塑形、引导及滤波的许多照明控制元件。在一些实施例中，能量滤波器包含于照明路径中以选择所期望束能量。在一些实施例中，一或多个光学元件位于照明路径中以控制束发散、入射角、方位角或其任一组合。在一些实施例中，真空窗位于照明路径中以将等离子体室125的环境与晶片度量子系统300的环境分离。在这些实施例中的一些实施例中，真空窗材料、沉积于真空窗上的一或多个薄膜或者这两者经选择以对通过真空窗的x射线照明光的能量进行滤波。在一些实施例中，一或多个光学元件位于照明路径中以放大或缩小x射线照明光束。在一些实施例中，在一或多个照明光学元件的表面上制作衍射光栅结构以增强x射线照明光的光谱纯度。
[0091]
在图2中所描绘的实施例中，由等离子体103发射的x射线照明光进入束线200且通过气动闸阀201a、真空窗202、孔口系统203、真空窗监测与安全装置204及气动闸阀201b。气动闸阀201a及201b位于束线200的两端上。在度量系统操作期间，气动闸阀201a及201b保持打开。然而，在其中期望等离子体室125与度量室311之间的隔离的情形中，气动闸阀201a及201b中的一或多者关闭。当两个气动闸阀201a及201b关闭时，形成与等离子体室125及度量室311两者环境上隔离的束线室。
[0092]
在图2中所描绘的实施例中，真空窗202位于气动闸阀201a与201b之间的照明路径中以将等离子体室125的真空环境与度量室311分离。在一个实施例中，真空窗202包含用以阻止由脉冲激光照明源114产生的红外线波长到达度量子系统300的薄涂层。
[0093]
孔口系统203控制晶片306处的x射线照明束数值孔径、标称掠入射角(aoi)及方位
角。在一些实施例中，孔口系统203是四叶片可编程孔口装置。在一些实施例中，计算系统130将控制命令(未展示)传递到孔口系统203以控制四个叶片中的每一者相对于x射线照明束的位置从而实现晶片306处的所期望束数值孔径、标称掠入射角(aoi)及方位角。
[0094]
一般来说，rsax度量系统(例如，度量系统100)包含一或多个束狭缝或孔口，所述一或多个束狭缝或孔口用以对入射于晶片306上的x射线照明束进行塑形且选择性地阻挡照明光中原本将照明被测量度量标靶的一部分。一或多个束狭缝界定束大小及形状，使得x射线照明光斑适合于被测量度量标靶的区域内。另外，一或多个束狭缝界定照明束发散以使检测器上的衍射阶的重叠最小化。
[0095]
如图2中所图解说明，真空窗监测与安全装置204在真空窗202与度量室300之间跨越束线200而定位。真空窗监测与安全装置204监测真空窗202的完整性。如果真空窗202有机械故障(即，破碎或以其它方式破裂成一或多片)，那么真空窗监测与安全装置204迅速关闭跨越束线200的空间以捕获真空窗202的任何碎片且防止碎片污染度量室300。在一些实施例中，真空窗监测与安全装置204包含快速机械快门或气动致动器以迅速关闭跨越束线200的任何空间。在一些实施例中，真空窗监测与安全装置204的启动还触发气动闸阀201a及201b关闭以提供额外保护。然而，由于相对大的质量，因此可需要较多时间来使气动闸阀201a及201b完全关闭并隔离束线室。
[0096]
在图2中所描绘的实施例中，从束线200进入度量子系统300的x射线照明光入射于椭球面镜303上。在一些实施例中，椭球面镜303将x射线照明源光斑以从0.5到0.1的范围中的缩小因子成像到安置于晶片306上的度量标靶307上(即，将源的图像投影到源大小的1/2到1/10的晶片上)。在一个实施例中，如本文中所描述的rsaxs系统采用具有由20微米或更小的横向尺寸表征的源区域(即，源大小为20微米或更小)的x射线照明源以及具有0.1的缩小因子的聚焦镜。在此实施例中，聚焦镜以两微米或更小的入射照明光斑大小将照明投影到晶片306上。
[0097]
x射线照明源光斑位于椭球面镜303的一个焦点处且度量标靶307位于椭球面镜303的另一焦点处。椭球面镜303包含膜镜光调变器(mlm)，所述mlm具有渐变厚度以补偿跨越椭球面镜303的表面的掠入射角变化。椭球面镜303的通光孔径界定来自x射线照明源光斑的最大数值孔径(na)301及到晶片306的最大na 305。通过控制孔口系统203，可在最大na锥305内扫描到晶片306的掠aoi、na及方位角。举例来说，图2图解说明最大na锥305内的na 304。
[0098]
一般来说，聚焦光学器件(例如椭圆镜303)收集源发射且选择一或多个离散波长或光谱带，并且将所选择光以1度到45度的范围中的标称掠入射角聚焦到晶片306上。
[0099]
在一些实施例中，聚焦光学器件包含渐变多层，所述渐变多层选择所期望波长或波长范围以用于投影到晶片306上。在一些实例中，聚焦光学器件包含渐变多层结构(例如，层或涂层)，所述渐变多层结构选择一个波长且将所选择波长以一定范围的入射角投影到晶片306上。在一些实例中，聚焦光学器件包含渐变多层结构，所述渐变多层结构选择波长范围且将所选择波长在一个入射角内投影到晶片306上。在一些实例中，聚焦光学器件包含渐变多层结构，所述渐变多层结构选择波长范围且将所选择波长以一定范围的入射角投影到晶片306上。
[0100]
渐变多层光学器件优选地使在单层光栅结构过深时所发生的光损失最小化。一般
来说，多层光学器件选择经反射波长。所选择波长的光谱带宽将被提供到晶片306的通量、所测量衍射阶中的信息内容优化，且透过检测器处的角度分散及衍射峰值重叠来防止信号降级。另外，渐变多层光学器件用于控制发散。每一波长下的角度发散经优化以实现检测器处的通量及最小空间重叠。
[0101]
在一些实例中，渐变多层光学器件选择波长以增强来自特定材料界面或结构尺寸的衍射信号的对比度及信息内容。举例来说，所选择波长可经选择以横跨元素特定的共振区(例如，硅k边缘、氮气、氧气k边缘等)。另外，在这些实例中，照明源还可经调谐以使所选择光谱区中的通量最大化(例如，hhg光谱调谐、lpp激光调谐等)。
[0102]
在图2中所描绘的实施例中，基于x射线的度量系统100包含相对于入射x射线照明而对晶片306进行定位及定向的晶片定位系统320。在一些实施例中，晶片定位系统320经配置以旋转晶片306从而在晶片306的表面上的任何数目个位置上执行晶片306的角度分辨测量。在一个实例中，计算系统130将命令信号(未展示)传递到晶片定位系统320的运动控制器，所述命令信号指示晶片306的所期望位置及定向。作为响应，运动控制器产生去往晶片定位系统320的各种致动器的命令信号以实现晶片306的所期望位置及定向。
[0103]
在一些实施例中，度量系统100包含一或多个收集光学元件，所述一或多个收集光学元件收集来自晶片306的光且将所收集光的至少一部分引导到检测器310。在一些实施例中，一或多个孔口元件(例如，狭缝)位于x射线收集路径中以阻挡一些经反射光、一或多个衍射阶。在一些实施例中，一或多个空间衰减器位于收集路径中以选择性地使一些经反射光衰减(即，减小强度)，例如，选择性地减小一或多个衍射阶的强度。在图2中所描绘的实施例中，空间衰减器309位于收集路径的与零阶相关联的一部分中。以此方式，在由检测器310进行检测之前，空间衰减器309使零衍射阶的强度与较高衍射阶的强度相等。相对于较高衍射阶使零阶的强度衰减可为有利的，以避免在零阶的强度显著大于较高衍射阶中的任一者时使检测器310饱和。在其它实施例中，采用束阻挡件来阻挡零阶以防止由强烈零阶反射导致的跨越检测器的光敏表面的不合意耀斑。
[0104]
度量系统100还包含用以测量与衍射阶相关联的强度、能量、波长等的一或多个检测器。在一些实施例中，检测器310检测以多个波长及入射角的经衍射光。在一些实施例中，检测器310的位置、定向或这两者经控制以捕获来自度量标靶307的经衍射光。
[0105]
如图2中所描绘，x射线检测器310根据rsaxs测量模态检测从晶片306散射的x射线辐射且产生指示对入射x射线辐射敏感的晶片306的性质的输出信号135。在一些实施例中，由x射线检测器310收集经散射x射线，而样品定位系统320将晶片306定位及定向以产生经角度分辨的经散射x射线。
[0106]
在一些实施例中，rsaxs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光子的位置及数目。
[0107]
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310包含以下各项中的任一者：ccd阵列、微通道板、光电二极管阵列、微带比例计数器、以气体填充的比例计数器、闪烁器或荧光材料。
[0108]
以此方式，除像素位置及计数数目之外，还通过能量来区分检测器内的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临限值及预定下
临限值来区分x射线光子相互作用。在一个实施例中，经由输出信号135将此信息传递到计算系统130以进行进一步处理及存储。
[0109]
由于衍射中的角度分散，因此由利用多个照明波长同时照明周期性标靶所产生的衍射型样在检测器平面处分离。在这些实施例中，采用积分检测器。使用面积检测器(例如，真空兼容背面ccd或混合像素阵列检测器)来测量衍射型样。针对布拉格(bragg)峰值积分而优化角度采样。如果采用像素级模型拟合，那么就针对信号信息内容而优化角度采样。采样速率经选择以防止零阶信号的饱和。
[0110]
在另一方面中，采用rsaxs系统基于经散射光的一或多个衍射阶而确定样品的性质(例如，结构参数值)。如图2中所描绘，度量系统100包含计算系统130，所述计算系统用于获取由检测器310产生的信号135且至少部分地基于所获取信号135而确定晶片306的性质。
[0111]
在一些实例中，基于rsaxs的度量涉及通过具有所测量数据的预定测量模型的反解而确定样本的尺寸。所述测量模型包含几个(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、机器学习或其任一组合。以此方式，通过对参数化测量模型的值进行求解来估计标靶轮廓参数，所述值使所测量经散射x射线强度与经建模结果之间的误差最小化。
[0112]
在一些实例中，期望以大范围的波长、入射角及方位角执行测量以增加所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而减少参数当中的相关性。
[0113]
收集衍射辐射的强度随相对于晶片表面法线的照明波长及x射线入射角而变的测量。含纳于多个衍射阶中的信息在考虑中的每一模型参数之间通常是唯一的。因此，x射线散射以小误差及经减少参数相关性产生所关注参数值的估计结果。
[0114]
在又一方面中，计算系统130经配置以：产生样品的所测量结构的结构模型(例如，几何模型、材料模型或经组合的几何与材料模型)；产生包含来自结构模型的至少一个几何参数的x射线散射测量响应模型；及通过利用x射线散射测量响应模型执行x射线散射测量数据的拟合分析而分辨至少一个样品参数值。使用分析引擎来比较所模拟x射线散射测量信号与所测量数据，由此允许确定样本的例如电子密度等几何性质以及材料性质。在图2中所描绘的实施例中，将计算系统130配置为如本文中所描述的经配置以实施模型构建与分析功能性的模型构建与分析引擎。
[0115]
图8是图解说明通过计算系统130实施的示范性模型构建与分析引擎180的图式。如图8中所描绘，模型构建与分析引擎180包含产生样品的所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作为到rsaxs响应函数构建模块183的输入而被接收。rsaxs响应函数构建模块183至少部分地基于结构模型182而产生rsaxs响应函数模型184。在一些实例中，rsaxs响应函数模型184是基于x射线形式因子，也称为结构因子，
[0116][0117]
其中f是形式因子，q是散射矢量，且ρ(r)是球面座标中的样品的电子密度。然后，x射线散射强度由以下方程式给出
[0118][0119]
将rsaxs响应函数模型184作为到拟合分析模块185的输入而接收。拟合分析模块185比较经建模rsaxs响应与对应所测量数据以确定样品的几何性质以及材料性质。
[0120]
在一些实例中，通过使卡方值最小化而实现经建模数据到实验数据的拟合。举例来说，针对rsaxs测量，可将卡方值定义为
[0121][0122]
其中，是“通道
””
j中的所测量rsaxs信号126，其中指数j描述一组系统参数(例如衍射阶、能量、角度座标等)。是针对一组结构(标靶)参数v1，...，v
l
而评估的“通道”j的经建模rsaxs信号sj，其中这些参数描述几何(cd、侧壁角度、叠对等)及材料(电子密度等)。σ
saxs，j
是与第j通道相关联的不确定因素。n
saxs
是x射线度量中通道的总数目。l是表征度量标靶的参数的数目。
[0123]
方程式(4)假定与不同通道相关联的不确定因素不相关。在其中与不同通道相关联的不确定因素相关的实例中，可计算不确定因素之间的协方差。在这些实例中，可将rsaxs测量的卡方值表达为
[0124][0125]
其中v
saxs
是saxs通道不确定因素的协方差矩阵，且t表示转置。
[0126]
在一些实例中，拟合分析模块185通过对rsaxs测量数据135与rsaxs响应模型184执行拟合分析而分辨至少一个样品参数值。在一些实例中，将优化。
[0127]
如上文中所描述，通过使卡方值最小化来实现rsaxs数据的拟合。然而，一般来说，可通过其它函数来实现rsaxs数据的拟合。
[0128]
rsaxs度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rsaxs技术有利。样品参数可为确定性的(例如，cd、swa等)或统计的(例如，侧壁粗糙度的rms高度、粗糙度相关长度等)，只要使用描述与样品的rsaxs束相互作用的恰当模型即可。
[0129]
一般来说，计算系统130经配置以采用即时临界尺寸标示(rtcd)即时地存取模型参数，或其可存取预计算模型的库以确定与样品101相关联的至少一个样品参数值的值。一般来说，可使用某种形式的cd引擎来评估样品的经指派cd参数与和所测量样品相关联的cd参数之间的差。用于计算样品参数值的示范性方法及系统描述于2010年11月2日颁予kla-tencor公司的美国专利第7,826,071号中，所述美国专利的全文以引用方式并入本文中。
[0130]
在一些实例中，模型构建与分析引擎180通过侧馈分析、前馈分析及平行分析的任一组合而改进所测量参数的准确度。侧馈分析指代采取关于同一样品的不同区域的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供分析。前馈分析指代采取关于不同样品的数据集且使用逐步复制准确参数前馈方法将共同参数前向传递到后续分
析。平行分析指代将非线性拟合方法并行或同时应用于多个数据集，其中在拟合期间耦合至少一个共同参数。
[0131]
多重工具与结构分析指代基于回归、查找表(即，“库”匹配)或者多个数据集的另一拟合程序的前馈、侧馈或平行分析。用于多重工具与结构分析的示范性方法及系统描述于2009年1月13日颁予kla-tencor公司的美国专利第7,478,019号中，所述美国专利的全文以引用方式并入本文中。
[0132]
在又一方面中，基于在入射x射线束相对于测量标靶的单个定向处执行的rsaxs测量而确定一或多个所关注参数的值的初始估计。将初始经估计值实施为所关注参数的起始值以用于利用从多个定向处的rsaxs测量所收集的测量数据对测量模型进行回归。以此方式，以相对小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在大得多的数据集上进行回归的起始点，以较少整体计算工作获得所关注参数的精确估计。
[0133]
在另一方面中，使用rsaxs测量数据基于所检测衍射阶的所测量强度而产生所测量结构的图像。在一些实施例中，使rsaxs响应函数模型一般化以描述来自通用电子密度网格的散射。在约束此网格中的经建模电子密度以增强连续性及稀疏边缘的同时将此模型与所测量信号匹配提供了样本的三维图像。
[0134]
尽管对于基于rsaxs测量的临界尺寸(cd)度量来说几何基于模型的参数反演是优选的，但当所测量样品偏离几何模型的假设时，从相同rsaxs测量数据产生的样品的图谱可用于识别及校正模型误差。
[0135]
在一些实例中，将所述图像与通过相同散射测量数据的几何基于模型的参数反演而估计的结构特性进行比较。使用差异来更新所测量结构的几何模型且改进测量性能。当测量集成电路以对其制造工艺进行控制、监测及疑难排解时，收敛于准确参数测量模型上的能力尤其重要。
[0136]
在一些实例中，所述图像是电子密度、吸收率、复折射率或这些材料特性的组合的二维(2-d)图谱。在一些实例中，所述图像是电子密度、吸收率、复折射率或这些材料特性的组合的三维(3-d)图谱。所述图谱是使用相对少的物理约束而产生。在一些实例中，依据所得图谱直接估计一或多个所关注参数(例如临界尺寸(cd)、侧壁角度(swa)、叠对、边缘放置误差、节距游动(pitch walk)等)。在一些其它实例中，当样本几何形状或材料偏离出由基于模型的cd测量所采用的参数结构模型考虑的期望值范围时，所述图谱可用于对晶片工艺进行除错。在一个实例中，使用图谱与通过参数结构模型根据其所测量参数而预测的结构的再现之间的差来更新参数结构模型且改进其测量性能。在美国专利公开案第2015/0300965号中描述其它细节，所述美国专利公开案的内容以其全文引用方式并入本文中。在美国专利公开案第2015/0117610号中描述额外细节，所述美国专利公开案的内容以其全文引用方式并入本文中。
[0137]
在另一方面中，采用模型构建与分析引擎180以产生用于经组合x射线与光学测量分析的模型。在一些实例中，光学模拟基于(例如)严格耦合波分析(rcwa)，其中对麦克斯韦(maxwell)方程式进行求解以计算光学信号，例如不同偏振的反射率、椭偏参数、相变等。
[0138]
利用经组合几何参数化响应模型基于对多个不同入射角下的x射线衍射阶的所检测强度与所检测光学强度的经组合拟合分析而确定一或多个所关注参数的值。通过光学度量工具而测量光学强度，所述光学度量工具可或可不与x射线度量系统(例如图2中所描绘
的系统100)机械集成在一起。在美国专利公开案第2014/0019097号及美国专利公开案第2013/0304424号中描述其它细节，每一美国专利公开案的内容以其全文引用方式并入本文中。
[0139]
在另一方面中，基于x射线的度量系统包含用以单独地检测零衍射阶及较高衍射阶的多个检测器。图9描绘另一实施例中的基于x射线的度量系统400。图9中所描绘的相同编号的元件与参考图2所描述的那些元件类似。
[0140]
如图9中所描绘，晶片度量子系统300包含检测器310a及310b。检测器310a位于大于零的衍射阶的收集路径中。检测器310b位于零衍射阶的收集路径中。以此方式，使从零阶的信号溢出对较高阶测量造成污染的风险最小化。在一些其它实施例中，可采用三个检测器：一个检测器用以检测零阶，另一检测器用以收集正的非零阶，且另一检测器用以收集负的非零阶。一般来说，可考虑多个检测器的任一组合来检测零衍射阶及较高衍射阶。
[0141]
参考图2所描述的实施例包含真空窗202，所述真空窗用以对x射线照明进行滤波且将等离子体室125的真空环境与晶片度量室311的真空环境分离。真空窗202必须由极薄材料层制作而成以使对合意x射线照明光的吸收最小化且使对来自脉冲激光照明源(泵激发源)114的不合意红外线光的吸收最大化。由辐射吸收所致的真空窗202上的热负荷是显著的。另外，真空窗202还必须是机械强度高且稳定的以耐受等离子体室125与晶片度量室311之间的压力差。真空窗202的机械故障威胁等离子体室125及晶片度量室311两者的完整性。在实践中，可能难以实现满足滤波、x射线透射及机械稳定性的系统要求的真空窗。
[0142]
在另一方面中，基于x射线的度量系统包含位于照明路径中的多层衍射光学结构以对x射线照明光进行滤波。以此方式，消除对于照明路径中的真空窗的需要。图10描绘另一实施例中的基于x射线的度量系统500。图10中所描绘的相同编号的元件与参考图2所描述的那些元件类似。
[0143]
如图10中所描绘，椭球面镜501涂布有三维多层衍射光学结构502。在一些实施例中，3d多层结构502是闪耀式光栅。在其它实施例中，3d多层结构502是层状光栅。来自三维多层衍射光学结构502的不同波长的角度分散从x射线照明光滤除不想要的辐射，从而增强光谱纯度。来自脉冲激光照明源114的光(例如，ir光)及由等离子体103产生的不想要的波长(例如，uv、euv或这两者)以与由等离子体103产生的光(例如，sxr光)不同的角度进行衍射。不合意ir光被引导到束捕集器504且合意srx光传播到晶片306。
[0144]
为维持真空等离子体室125与晶片度量室311的差异，所述两个室在孔口系统203处被差动泵吸。在图10中所描绘的实施例中，孔口系统203围绕孔口的外部相对于束线200进行密封。因此，等离子体室125与晶片度量室311之间的仅有通光路径是穿过孔口系统203的极小孔口。差动泵吸足以维持等离子体室125及晶片度量室311中的单独真空水平。
[0145]
在另一方面中，基于x射线的度量系统包含位于照明路径中的波带片结构以将激发光重新聚焦回到激光产生等离子体源。图11描绘另一实施例中的基于x射线的度量系统600。图11中所描绘的相同编号的元件与参考图2所描述的那些元件类似。
[0146]
如图11中所描绘，波带片结构603制作于椭球面镜601上。继而，三维多层衍射光学结构602沉积于波带片结构603及椭球面镜601上。在一些实施例中，3d多层结构602是闪耀式光栅。在其它实施例中，3d多层结构602是层状光栅。来自脉冲激光照明源114的入射红外线光由波带片结构603散射到椭球面镜601的反射表面上，所述反射表面将经散射红外线光
重新聚焦回到等离子体103。由等离子体103产生的额外不想要的波长605(例如，uv、euv或这两者)由3d多层结构602衍射到束捕集器604，且合意srx光传播到晶片306。
[0147]
为维持真空等离子体室125与晶片度量室311的差异，所述两个室在孔口系统203处被差动泵吸。在图11中所描绘的实施例中，孔口系统203围绕孔口的外部相对于束线200进行密封。因此，等离子体室125与晶片度量室311之间的仅有通光路径是穿过孔口系统203的极小孔口。差动泵吸足以维持等离子体室125及晶片度量室311中的单独真空水平。
[0148]
在另一方面中，监测并控制由液膜喷射lpp照明源产生的x射线照明光的通量。图2描绘位于束线200的入口附近的通量传感器118。将x射线通量的所测量值传递到计算系统130。作为响应，计算系统130比较所测量通量与所期望通量且将控制命令136传递到脉冲激光照明源114以调整脉冲激光照明源114的输出从而减少所测量通量与所期望通量之间的差异。
[0149]
在一些实施例中，由等离子体103发射的波长是可选择的。在一些实施例中，脉冲激光照明源114由计算系统130控制以使由一或多个所选择光谱区中的等离子体103产生的通量最大化。标靶材料处的泵激激光峰值强度控制等离子体温度且因此控制经发射辐射的光谱区。通过调整脉冲能量、脉冲宽度或这两者来使泵激激光峰值强度变化。在一个实例中，100皮秒脉冲宽度适合于产生sxr辐射。如图2中所描绘，计算系统130将命令信号136传递到脉冲激光照明源114，所述命令信号致使脉冲激光照明源114调整从等离子体103发射的波长的光谱范围。
[0150]
应认识到，本发明通篇所描述的各种步骤可由单计算机系统130或(另一选择是)多计算机系统130执行。另外，系统100的不同子系统(例如样品定位系统320)可包含适合于执行本文中所描述的步骤的至少一部分的计算机系统。因此，前述说明不应解释为对本发明的限制而仅为图解说明。另外，一或多个计算系统130可经配置以执行本文中所描述的方法实施例中的任一者的任一(任何)其它步骤。
[0151]
另外，计算机系统130可以本领域中已知的任何方式通信地耦合到脉冲激光照明源114、孔口系统203、样品定位系统320及检测器310。举例来说，一或多个计算系统130可耦合到分别与脉冲激光照明源114、孔口系统203、样品定位系统320及检测器310相关联的计算系统。在另一实例中，脉冲激光照明源114、孔口系统203、样品定位系统320及检测器310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。
[0152]
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所述系统的子系统(例如，脉冲激光照明源114、孔口系统203、样品定位系统320及检测器310等等)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的其它子系统之间的数据链路。
[0153]
度量系统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，存储器板上度量系统100、外部存储器或外部系统)之间的数据链路。举例来说，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)。举例来说，使用检测器310获得的强度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。就此来说，可从板上存储器或从外部存储器系统导入测量结果。另外，计算机系统130可经由传输媒体将
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。就此来说，测量结果可传出到另一系统。
[0154]
计算系统130可包含但不限于个人计算机系统、大型计算机系统、工作站、图像计算机、平行处理器、基于云端的计算系统或本领域中已知的任何其它装置。一般来说，术语“计算系统”可广义地定义为囊括具有执行来自存储器媒体的指令的一个或多个处理器的任何装置。
[0155]
实施例如本文中所描述的那些方法的方法的程序指令134可经由传输媒体(例如导线、电缆或无线传输链路)传输。举例来说，如图2中所图解说明，存储于存储器132中的程序指令经由总线133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、磁盘或光盘或者磁带。
[0156]
图12图解说明适合于通过本发明的度量系统100、400、500及600实施的方法700。在一个方面中，应认识到，方法700的数据处理区块可经由由计算系统130的一或多个处理器执行的预编程算法执行。尽管在度量系统100、400、500及600的上下文中呈现以下说明，但在本文中认识到，度量系统100、400、500及600的特定结构方面不表示限制且应仅解释为说明性的。
[0157]
在框701中，将呈液体状态的至少一种非金属馈送材料的级联的一或多个膜喷射施配到等离子体室中。等离子体室具有至少一个壁，所述至少一个壁可部分地操作以将缓冲气体流围阻于等离子体室内。
[0158]
在框702中，产生激发光脉冲并将其引导到等离子体室中的一或多个膜喷射中的一者。激发光脉冲与馈送材料的膜喷射的相互作用致使膜喷射电离以形成发射照明光的等离子体。照明光包括从10电子伏特到5,000电子伏特的光谱区中的一或多个发射谱线。
[0159]
在框703中，响应于照明光而检测来自样品的光量。
[0160]
在框704中，基于所检测光量而确定被测量样品的至少一个所关注参数的值。
[0161]
在一些实施例中，将如本文中所描述的散射测量实施为制作工艺工具的一部分。制作工艺工具的实例包含但不限于光刻曝光工具、薄膜沉积工具、植入工具及蚀刻工具。以此方式，使用rsaxs分析的结果来控制制作过程。在一个实例中，将从一或多个标靶收集的rsaxs测量数据发送到制作工艺工具。如本文中所描述地分析rsaxs测量数据且使用结果来调整制作工艺工具的操作以减少半导体结构制造中的误差。
[0162]
可使用如本文中所描述的散射测量来确定多种半导体结构的特性。示范性结构包含但不限于finfet、低尺寸结构(例如纳米线或石墨烯)、小于10nm的结构、光刻结构、穿衬底通孔(tsv)、存储器结构(例如dram、dram 4f2、快闪、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、线宽度粗糙度、孔大小、孔密度、侧壁角度、轮廓、临界尺寸、节距、厚度、叠对)及材料参数(例如电子密度、组合物、颗粒结构、形态、应力、应变及元素识别)。在一些实施例中，所述度量标靶是周期性结构。在一些其它实施例中，所述度量标靶是非周期性的。
[0163]
在一些实例中，利用如本文中所描述的rsaxs测量系统执行高纵横比半导体结构的临界尺寸、厚度、叠对及材料性质的测量，所述高纵横比半导体结构包含但不限于自旋转矩随机存取存储器(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快闪)、电阻式随机存取存储器(re-ram)及
相变随机存取存储器(pc-ram)。
[0164]
如本文中所描述，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、侧壁角度、光栅高度等)、任何两个或更多个结构之间的临界尺寸(例如，两个结构之间的距离)及两个或更多个结构之间的位移(例如，叠对光栅结构之间的叠对位移等)。结构可包含三维结构、经图案化结构、叠对结构等。
[0165]
如本文中所描述，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。
[0166]
如本文中所描述，术语“度量系统”包含至少部分地用于表征任何方面(包含临界尺寸应用及叠对度量应用)中的样品的任何系统。然而，这类术语并不限制如本文中所描述的术语“度量系统”的范围。另外，本文中所描述的度量系统可经配置以用于测量经图案化晶片及/或未图案化晶片。可将度量系统配置为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式检验工具(涉及同时来自一或多个平台的数据)，以及从本文中所描述的测量技术获益的任何其它度量或检验工具。
[0167]
本文中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。本文中使用术语“样品”来指代可通过本领域中已知的手段处理(例如，印刷或检验缺陷)的晶片、光罩或任何其它样本。
[0168]
如本文中所使用，术语“晶片”通常指代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。这些衬底通常可发现于及/或处理于半导体制作设施中。在一些情形中，晶片可仅包含衬底(即，裸晶片)。另一选择是，晶片可包含形成于衬底上的一个或多个不同材料层。形成于晶片上的一或多个层可为“经图案化的”或“未经图案化的”。举例来说，晶片可包含具有可重复图案特征的多个裸片。
[0169]“光罩”可为在光罩制作工艺的任何阶段的光罩或者可或可不被释放以供在半导体制作设施中使用的已完成光罩。光罩或“掩模”通常被定义为其上大致形成有且被配置成图案的不透明区的大致透明衬底。衬底可包含(举例来说)例如非晶sio2的玻璃材料。光罩可在光刻工艺的曝光步骤期间沉积于抗蚀剂覆盖的晶片上面，使得可将光罩上的图案转印到抗蚀剂。
[0170]
形成于晶片上的一或多个层可为经图案化或未经图案化的。举例来说，晶片可包含各自具有可重复图案特征的多个裸片。这些材料层的形成及处理可最终产生已完成装置。可在晶片上形成许多不同类型的装置，且如本文中所使用的术语晶片旨在囊括上面制作有本领域中已知的任何类型的装置的晶片。
[0171]
在一或多个示范性实施例中，所描述的功能可以硬件、软件、固件或其任一组合而实施。如果以软件实施，那么所述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者经由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，包含促进将计算机程序从一个地方传送到另一地方的任何媒体。存储媒体可为可由一般用途或特殊用途计算机存取的任何可用媒体。通过实例而非限制方式，这些计算机可读媒体可包括：ram、rom、eeprom、cd-rom或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置或者可用于以指令或数据结构的形式载运或存储所期望程序代码构件且可由一般用途或特殊用途计算机或者一般用途或特殊用途处理器存取的任何其它媒体。并且，可将任何连接恰当地称为计算机可读媒体。举例来说，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字
订户线(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，那么所述同轴电缆、光纤电缆、双绞线、dsl或无线技术(例如红外线、无线电及微波)都包含于媒体的定义中。如本文中所使用，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)、软磁盘及蓝光光盘，其中磁盘通常以磁性方式复制数据而光盘利用激光以光学方式复制数据。上文的组合还应包含于计算机可读取媒体的范围内。
[0172]
尽管上文中出于指导性目的而描述某些特定实施例，但本专利文件的教示内容具有一般适用性且不限于上文所描述的特定实施例。因此，可在不脱离如权利要求书中所陈述的本发明的范围的情况下实践对所描述实施例的各种特征的各种修改、改动及组合。