專利名稱：X射線形貌測(cè)繪系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在檢測(cè)晶體結(jié)構(gòu)，例如檢測(cè)用于半導(dǎo)體生產(chǎn)的硅單晶晶片或芯棒(boule)的過(guò)程中所使用的X射線形貌測(cè)繪(topographic)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通過(guò)X射線裝置來(lái)檢測(cè)缺陷，例如在快速熱退火過(guò)程中成核的滑移帶，這一點(diǎn)是公知的。到目前為止，這種檢測(cè)是通過(guò)采用蘭氏照相機(jī)(Lang camera)在膠片上實(shí)施曝光來(lái)實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)有技術(shù)的工序面臨著很多的不利因素，包括照相機(jī)系統(tǒng)的巨大尺寸，能夠檢測(cè)的晶片的尺寸方面的限制，以及較長(zhǎng)的處理時(shí)間(典型的是對(duì)于8″或者200mm的晶片大約要一小時(shí))。
本發(fā)明的目的之一是提供一種能用來(lái)檢測(cè)較大樣本的X射線形貌測(cè)繪系統(tǒng)，典型的是直徑最大到300mm，并且可以快速執(zhí)行檢測(cè)，典型的是5-15分鐘。

發(fā)明內(nèi)容
相應(yīng)地，本發(fā)明提供一種X射線形貌測(cè)繪系統(tǒng)，包括X射線發(fā)生器，用于產(chǎn)生被引導(dǎo)向樣本位置的X射線的射束；及檢測(cè)器，該檢測(cè)器被定位以用于接收由在樣本位置上的樣本所偏轉(zhuǎn)的X射線，該檢測(cè)器包括電子X(jué)射線檢測(cè)器，該檢測(cè)器具有與射束區(qū)域相對(duì)應(yīng)的象素陣列。
該X射線的射束可以具有高達(dá)20毫弧度的相對(duì)較大的散度。
在本發(fā)明的一種形式中，一X射線光學(xué)元件被放入X射線發(fā)生器和樣本位置之間，并被設(shè)置以接收所述的射束，并將X射線作為基本上平行的射線束進(jìn)行傳輸。
在一可替換的及更高分辨率的形式中，不使用X射線光學(xué)元件，并且通過(guò)軟件來(lái)去除或者補(bǔ)償圖像的任何不能接受的重疊。
檢測(cè)器可以被定位以接收被偏轉(zhuǎn)的透射穿過(guò)樣本的X射線。可替換的，檢測(cè)器可以被定位以接收被偏轉(zhuǎn)的從樣本反射的X射線。
X射線發(fā)生器優(yōu)選地適于產(chǎn)生100μm或更小的源點(diǎn)尺寸，并且優(yōu)選地具有距離靶小于20mm的出射窗。
系統(tǒng)的分辨率最好是大約25μm或更高，并且檢測(cè)器設(shè)置在距離樣本位置5-10mm的位置上。
X射線的光學(xué)元件最好是包括多個(gè)X射線反射板的龍蝦眼型(lobster eye)光學(xué)元件，這些反射板相互之間設(shè)置成微小的角度以使得輸出射束為基本上平行。通常這些板的厚度大約為150μm并且被涂以金。
檢測(cè)器適合為電荷耦合器件，最優(yōu)選的是數(shù)字式CCD。
本發(fā)明還提供X射線形貌測(cè)繪設(shè)備，該設(shè)備包括上面所描述的X射線形貌測(cè)繪系統(tǒng)，并包括步進(jìn)裝置，該步進(jìn)裝置用來(lái)在系統(tǒng)和待檢查的樣本之間產(chǎn)生相對(duì)的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)的大小是射束面積和頻譜輪廓的函數(shù)，以及還包括圖像處理裝置，該圖像處理裝置用于在連續(xù)步進(jìn)之間讀出檢測(cè)器件的象素?cái)?shù)據(jù)。
本發(fā)明其他的特征及優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)下面的描述及所附的權(quán)利要求變得更明顯。


下面將參照附圖，僅以示例的方式來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施例，其中圖1所示為示例說(shuō)明實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖；
圖2示例說(shuō)明了圖1中系統(tǒng)的操作；圖3更詳細(xì)地顯示了圖1中的一個(gè)部件；圖4示例說(shuō)明本發(fā)明的設(shè)備中可能遇到的幾何放大效果；圖5所示為結(jié)合圖1中系統(tǒng)的設(shè)備的示意圖；圖6示例說(shuō)明了該設(shè)備的可替換形式；圖7示例說(shuō)明了不具有X射線光學(xué)元件的修改后的系統(tǒng)；圖8所示為由實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)所得到的圖像的例子；圖9所示為本發(fā)明的一形式中所使用的算法的流程圖；圖10示例說(shuō)明了合成圖像中所使用的幾何坐標(biāo)；圖11所示為在合成圖像中所使用的算法的流程圖；及圖12和13所示為合成圖像的實(shí)例。
晶片檢查系統(tǒng)的實(shí)施例圖1至3中的實(shí)施例特別適合于直徑達(dá)到300mm的硅晶片中的滑移帶的檢測(cè)。
參考圖1，一硅晶片10通過(guò)形貌測(cè)繪系統(tǒng)而被檢測(cè)，該形貌測(cè)繪系統(tǒng)包括X射線發(fā)生器12，X射線光學(xué)元件14，及總體上由16來(lái)表示的檢測(cè)器。
X射線發(fā)生器12最適合采用來(lái)自Bowburn，Co.Durham的Bedeplc的MicrosourceX射線發(fā)生器，這是國(guó)際專利申請(qǐng)WO 98/13853的主題。簡(jiǎn)單的說(shuō)，Microsource發(fā)生器包括具有外部聚焦線圈的抽空的X射線管，其被配置以在100μm或更小的靶上產(chǎn)生X射線的點(diǎn)，以及還包括X射線出射窗位于靶的5-10mm之內(nèi)的結(jié)構(gòu)。因?yàn)镸icrosource發(fā)生器能使X射線光學(xué)元件被設(shè)置成靠近較小的靶點(diǎn)同時(shí)向該光學(xué)元件發(fā)出狹窄發(fā)散的射束，因此其特別適合用于本發(fā)明中。
X射線光學(xué)元件14可以是任何能接收來(lái)自發(fā)生器12的輕微散射的射線，并提供一定范圍的平行的X射線作為輸出的合適的元件。如在本實(shí)施例中所使用的優(yōu)選的元件是“龍蝦眼型”光學(xué)元件；這種類型的X射線光學(xué)元件在現(xiàn)有技術(shù)中已有所描述，但是僅僅涉及應(yīng)用于X射線天文學(xué)中。
如圖3所示，龍蝦眼型的光學(xué)元件14包括一系列平板18，該平板18充當(dāng)鏡面反射器，并被安裝以從點(diǎn)源每一反射器中點(diǎn)之間一半處的一點(diǎn)形成精確的徑向發(fā)散。在優(yōu)選實(shí)施例中，X射線是銅K輻射，平板18為被涂以金并且厚度大約為150μm并具有6×30mm的面積，另外還具有80％的平均反射率。一共使用14塊平板，這也是通過(guò)上文所給厚度能容納的實(shí)際最大值，其理論的增益大約為1+14×0.8＝12。
再看圖1，來(lái)自龍蝦眼型的光學(xué)元件14的輸出是基本上為平行的射束20，該射束20入射到晶片10上。未經(jīng)偏轉(zhuǎn)的射束20a由射束擋板22阻擋。發(fā)生偏轉(zhuǎn)的射束20b入射到電子檢測(cè)元件24上，該電子檢測(cè)元件24將在下文中予以描述。
更具體地說(shuō)，射束20具有大約2mr的散度并分成多個(gè)大約30mm長(zhǎng)的帶。每一個(gè)帶都是多色的并導(dǎo)致在圖像上的kα1，kα2條紋(見(jiàn)圖2)。因此來(lái)自一個(gè)帶的圖像將被重疊。
在通常的蘭氏形貌測(cè)繪方法中，樣品和照相板一起平移穿過(guò)射線束。缺陷被看見(jiàn)兩次，一次是通過(guò)kα1射束，隨后是在板平移過(guò)之后通過(guò)kα2射束。因?yàn)閺臉悠分聊z片之間的距離對(duì)較大的晶片來(lái)說(shuō)至少是50mm，并且kα1和kα2之間的散度大約是2.5×10-3，因此圖像被重疊(50×2.5×10-3＝0.125mm)，使用狹縫而不是僅僅只是塊擋板來(lái)唯一地選擇kα1射束。
在該裝置中，當(dāng)晶片10為靜止的時(shí)候圖像是不重疊的；kα2和kβ具有弱的強(qiáng)度，并且來(lái)自韌致輻射的其它成分在此處也沒(méi)有任何圖像倍增(multiplication)。這實(shí)際上是白光X射線物相照片減少頻譜(spectrally-reduced)的段。
如果現(xiàn)在我們移動(dòng)晶片10一步，我們將得到現(xiàn)在射束所照射的樣品的部分的正確圖像。由于膠片檢測(cè)器該圖像當(dāng)然被疊加在第一張圖像上。然而，通過(guò)使用電子檢測(cè)元件24就可能以電子的方式存儲(chǔ)來(lái)自連續(xù)的步的圖像，以產(chǎn)生用于整個(gè)晶片10的圖像。
只要整個(gè)的晶片10由所有的射束均勻地掃描過(guò)，射束中強(qiáng)度的分布形式就是無(wú)關(guān)緊要的。對(duì)光學(xué)元件14的基本要求是盡可能高密度地平行于初試引導(dǎo)射束進(jìn)行反射/散射。發(fā)生器12提供“點(diǎn)”源(如下文所述)這一點(diǎn)是特別理想的。垂直于圖2中所示的板的線源將在同一方向給出慧形相差，平行于圖2中所示的板并且平行于晶片的線源將由kα1，kα2分量給出重疊圖像。
轉(zhuǎn)到分辨率和源尺寸的問(wèn)題上來(lái)，通常對(duì)于分辨率，d，引用下列方程式d＝hb/a這里的a和b在圖2中定義，h是與圖面垂直的源的尺寸。在圖1所示的裝置中，MicrosourceX射線源確定a為不小于75mm，b為15mm是合適的。
X射線形貌測(cè)繪器通常要盡量達(dá)到分辨率為1μm的目標(biāo)，這對(duì)理論研究是理想的，但是要包括非常長(zhǎng)的(數(shù)天)曝光和處理時(shí)間。因?yàn)闈撛诘钠毓鈺r(shí)間隨分辨率的平方而減少，因此通過(guò)降低目標(biāo)分辨率可以得到巨大的增益。對(duì)用于半導(dǎo)體材料的檢查和質(zhì)量控制來(lái)說(shuō)，就必須看到其單獨(dú)的位錯(cuò)而不是它們相互作用的細(xì)節(jié)。我們對(duì)此已經(jīng)得出結(jié)論25μm的分辨率是足夠的，而高達(dá)100μm的分辨率也的確可能是有用的。
可替換地，在X射線源和樣品兩者之間可以使用大約205mm的較大距離，在這種情況下幾何分辨率大約增加至1μm，并僅僅受到電子檢測(cè)器的象素尺寸的限制。
實(shí)現(xiàn)25μm的分辨率意味著125μm的X射線的源點(diǎn)。對(duì)耦合連接光學(xué)元件的考慮可能限定點(diǎn)的尺寸為100μm，這在Microsource發(fā)生器中可能以100W運(yùn)行，并在檢測(cè)器的屏幕上給出20μm的分辨率。
仍然存在來(lái)自不同的射束kα1，kα2和kβ的多重圖像的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗鼈儗⒁耘c樣本略微不同的角度衍射。然而，如果檢測(cè)器在晶片的10mm之內(nèi)，則其模糊量?jī)H僅在25μm，這是可以接受的，并且將有可能使樣本和檢測(cè)器兩者之間的距離達(dá)到2-5mm。
對(duì)于樣本和檢測(cè)器兩者之間更大的距離來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的幾何圖形引起樣本中的目標(biāo)圖像在檢測(cè)器中被放大。參考圖4，對(duì)于反射的幾何圖形來(lái)說(shuō)(見(jiàn)圖4a)，系統(tǒng)入射面上的幾何放大率m1由下列表達(dá)式給出m1＝(a+b)/a這里的a是源與樣本之間的距離，b是樣本與檢測(cè)器之間的距離。放大率大于1，即，對(duì)所有的樣本與檢測(cè)器之間的距離來(lái)說(shuō)，目標(biāo)的圖像都要大于目標(biāo)本身。
對(duì)透射的幾何圖形來(lái)說(shuō)(見(jiàn)圖4b)，在入射面上的放大率為m1＝(a-b)/a在這個(gè)幾何圖形中，只有當(dāng)樣本與檢測(cè)器兩者之間的距離大于源與樣本兩者之間的距離的兩倍，即b＞2a時(shí)，放大率才大于1。當(dāng)b＞a時(shí)，放大率的符號(hào)是負(fù)的，這只是意味著目標(biāo)的圖像為鏡像。
對(duì)反射和透射幾何圖形兩者來(lái)說(shuō)，垂直于入射面的放大率m2為m2＝(a+b)/a因此，通過(guò)相對(duì)于源至樣本之間距離調(diào)整樣本到檢測(cè)器之間的距離，可以在上面所描述的由源的尺寸所施加的放大率限制之內(nèi)改變系統(tǒng)的放大率。
對(duì)于上面所描述的實(shí)施例及基準(zhǔn)測(cè)量，我們已經(jīng)計(jì)算出使用銅靶上的100W檢測(cè)8″(200mm)的硅晶片的曝光時(shí)間將在5-10分鐘的范圍內(nèi)。相比而言，已知的系統(tǒng)使用源與晶片之間的距離為2.5m，在膠片上獲得圖像，15kW源功率，以及1小時(shí)的曝光時(shí)間。其還要求處理照相膠片。
現(xiàn)在考慮檢測(cè)器16，對(duì)檢測(cè)器的基本的要求是給出在象素陣列上接收到的X射線強(qiáng)度的電子信號(hào)輸出。優(yōu)選的檢測(cè)器是舉行結(jié)構(gòu)的數(shù)字CCD檢測(cè)器例如2000乘200像素。這樣的檢測(cè)器在從24μm至大約7.5μm的分辨率下是可用的。使用這樣長(zhǎng)寬比的檢測(cè)器允許將檢測(cè)器放置得與晶片非常靠近。不象這樣復(fù)雜精密的替換是PhotonicScience Hires檢測(cè)器，該檢測(cè)器能被配置成在大約12×15mm上給出30μm的分辨率，或者在6×7.5mm上能給出15μm的分辨率。
晶片檢查設(shè)備的實(shí)施例現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖5上來(lái)，圖中示意性描繪了一種結(jié)合前面所述的系統(tǒng)的用于檢查晶片的設(shè)備。設(shè)備40包括由伺服馬達(dá)(沒(méi)有示出)以已知的方式沿正交的軸驅(qū)動(dòng)的XY工作臺(tái)42，Microsource控制器44，聯(lián)鎖控制器46和伺服馬達(dá)控制器48。設(shè)備40具有緊湊的外形尺寸，典型的是大約寬650mm，高750mm。
通過(guò)反射檢查芯棒的實(shí)施例迄今為止主要根據(jù)透射中的操作對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述。本發(fā)明可以同樣地應(yīng)用于反射模式，或者是利用晶片或者是如圖6中所示的利用芯棒50。硅芯棒典型的直徑是300mm，長(zhǎng)大約1m。整個(gè)的芯棒或者選擇出的部分芯棒僅能通過(guò)提供伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，以產(chǎn)生在芯棒50和檢查系統(tǒng)10，12，14之間在旋轉(zhuǎn)和軸向方面的步進(jìn)式的相對(duì)移動(dòng)而被檢查。同樣，要求是通過(guò)步進(jìn)檢測(cè)器穿過(guò)感興趣的區(qū)域獲得數(shù)字式的表示。應(yīng)該理解的是圖像數(shù)據(jù)在每一步被讀出并用來(lái)形成被檢查的整個(gè)區(qū)域的圖像。典型地，每一個(gè)象素值將被存儲(chǔ)在相應(yīng)的存儲(chǔ)位置中，直到整個(gè)的圖像能在顯示屏上顯示或者打印?？赡苡斜匾氖?，使用市面上的圖像處理軟件來(lái)規(guī)格化圖像的強(qiáng)度，將來(lái)自分開(kāi)的步驟的圖像合并在一起。
不具有X光學(xué)元件的實(shí)施例現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖7，將討論本發(fā)明的修改形式。圖7與圖1是相似的，且相似的部分由相同的參考數(shù)字表示。然而在圖7中，省略了例如龍蝦眼型的光學(xué)元件14的X射線光學(xué)元件。其結(jié)果是X射線束20到達(dá)樣本10要比前面的實(shí)施例中更為發(fā)散，并且由樣本所偏轉(zhuǎn)的輻射具有更寬的頻譜范圍。當(dāng)使用光學(xué)元件時(shí)，散度實(shí)際上被限定在大約2mr。當(dāng)不使用光學(xué)元件的時(shí)候，散度取決于X射線源的性質(zhì)和工作的條件，但通?？梢允褂酶哌_(dá)20mr的相對(duì)較大的散度。
在這樣的裝置的一個(gè)例子中，Microsource發(fā)生器與銅陽(yáng)極一起使用。X射線成像系統(tǒng)是具有每額定尺寸30×30μm上具有512×512象素的Photonic Science成像器。該成像系統(tǒng)連接至具有128兆字節(jié)RAM并使用PCVision幀接收器的700MHz的基于奔騰III的計(jì)算機(jī)上。
圖8所示為由圖7中的裝置檢測(cè)硅晶片的邊緣區(qū)域所獲得的一個(gè)圖像。這里示出了從115粗略入射的來(lái)自硅(001)樣本布拉格(Bragg)反射的兩條衍射條紋。左邊和右邊的條紋分別是kα1和kα2的衍射條紋。由于樣本的邊緣是彎曲的因此條紋在底部是彎曲的。從kα1的條紋的頂端向下延伸大約2/3處存在作為亮白區(qū)域而可被看得見(jiàn)的缺陷。
在圖1至圖6的實(shí)施例中，由于光學(xué)元件的存在，kα1和kα2的衍射條紋充分地靠在一起，對(duì)于多數(shù)目的來(lái)說(shuō)可以作為單一的圖像來(lái)處理。在該實(shí)施例中，對(duì)一些不苛刻要求的應(yīng)用這是有可能的，但若并非如此則可以通過(guò)軟件來(lái)處理檢測(cè)器所產(chǎn)生的圖像。
對(duì)于任何已知的樣本與檢測(cè)器之間的距離來(lái)說(shuō)，如同上文所描述的那樣，存在著已知的放大率m。因此，不同的射束kα1、kα2和kβ在檢測(cè)器上的分開(kāi)與在樣本上的分開(kāi)是不同的。未經(jīng)修正時(shí)，這將導(dǎo)致圖像的頻譜模糊。然而，在是平面樣本的情況下，這種影響可以通過(guò)將在一個(gè)維度上(在入射面)的圖像縮小一因子1/m而得以完全修正。
作為可以替換的情況，或者此處樣品是彎曲或者扭曲時(shí)，kα1和kα2圖像可以在軟件中分開(kāi)，并如同下文中所描述的被處理以保持分辨率和強(qiáng)度。
前面的描述是假設(shè)在樣本的每一步上有一次單獨(dú)的曝光。然而，目前可用的電子X(jué)射線檢測(cè)器并不是足夠敏感以允許這樣的操作，這將導(dǎo)致不能接受的信噪比。使用例如是CCD的檢測(cè)器并在60Hz下525線或者在50Hz下625線這樣常規(guī)的光柵掃描下運(yùn)行是方便的。在這種情況下，在同樣的樣本區(qū)域的大量幀必須被合成，對(duì)每一個(gè)象素取累積和。使用可用的技術(shù)，在步進(jìn)到樣本的下一個(gè)區(qū)域之前可能必須要合成10到2000個(gè)幀。
軟件的例子下面是軟件的實(shí)例，通過(guò)該軟件更寬格式的大量的幀可以被合成。
合成圖像這個(gè)例子中使用了如圖9中所示的算法，并在下文對(duì)該算法作進(jìn)一步的描述(粗體字的文字是指程序源代碼所定義的變量)1、通過(guò)創(chuàng)建32位浮點(diǎn)圖像(im_expose)和8位(字節(jié))圖像(im_temp)來(lái)初始化程序。假設(shè)連接到PCVision卡的0信道的X射線成像系統(tǒng)被選作視頻源。
2、從X射線成像系統(tǒng)得到(快拍)單個(gè)的幀轉(zhuǎn)換為字節(jié)圖像，im_temp。
3、如果選擇灰度曝光類型則繼續(xù)到步驟4。如果選擇二進(jìn)制閾值的曝光類型，則轉(zhuǎn)換當(dāng)前幀im_temp為雙極(bi-level)(二進(jìn)制)圖像。在im_temp中低于規(guī)定的閾值的象素值被設(shè)置為0(黑)，而高于該閾值的象素值則被設(shè)置為255(白)。
4、把當(dāng)前幀im_temp增加到合成圖像im_expose中。32位浮點(diǎn)圖像被用于存儲(chǔ)合成的圖像，以避免溢出的問(wèn)題。在一個(gè)象素一個(gè)象素的基礎(chǔ)上將im_temp圖像增加到im_expose圖像中。得到的圖像被乘以換算因子，在這種情況下?lián)Q算因子被設(shè)置等于1.0。
5、重復(fù)步驟2-4直到由Frames變量指定的規(guī)定數(shù)量的幀被合成。
6、最后，把32位浮點(diǎn)圖像im_expose轉(zhuǎn)換為8位字節(jié)圖像。為了在32位和8位圖像格式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，象素值被換算以映射為0到255的范圍內(nèi)的值。有三種方法可以來(lái)完成該換算a)通過(guò)將im_expose除以所合成的幀的數(shù)量。b)基于最小和最大象素值來(lái)自動(dòng)進(jìn)行以及c)通過(guò)增加偏移并乘以一換算因子。在后一種情況下，仍在0到255范圍之外的值被刪去。小于0的象素值被設(shè)置為等于0，而那些大于255的值被設(shè)置為值255。
7、以規(guī)定的名稱將最終的8位合成圖像保存為磁盤(pán)文件。
8、在主程序窗口中顯示該合成圖像。
合并合成圖像根據(jù)前面部分中所描述的算法而得到的合成圖像，包含分別來(lái)自樣本上的位置(χ1，γ1)和(χ2，γ2)的kα1和kα2衍射條紋。拼接(Tile)命令合并在延伸區(qū)域上的分布。(“拼接”還稱之為“縫合”(Stitch))為了理解拼接算法，我們必須定義坐標(biāo)空間，用來(lái)描述圖像中象素的位置，以及圖像中感興趣的矩形區(qū)域(RROI)的位置和大小。定義將樣本上的空間坐標(biāo)(χ，γ)映射為圖像或RROI中的象素坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換也是很重要的。
參考圖10，圖像的原點(diǎn)具有坐標(biāo)(0，0)，其指的是圖像的左上角的象素。圖像的水平邊由X表示，圖像的垂直邊由Y表示。因此，主圖像的右下角的象素具有坐標(biāo)(X，Y)。
RROI的原點(diǎn)具有相對(duì)于其母圖像的原點(diǎn)的坐標(biāo)(x，y)。RROI的水平寬度由dx表示，RROI的垂直寬度由dy表示。因此，RROI的右下角的象素具有相對(duì)于其母圖像的坐標(biāo)(x+dx，y+dy)。
圖10中所示為圖像的坐標(biāo)和RROI的坐標(biāo)兩者之間的關(guān)系。用于在圖像中在全局坐標(biāo)(x，y)和RROI的坐標(biāo)(x，y)兩者之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換的公式如下x＝(x-x0)/dxy＝(y-y0)/dy其中(x0，y0)是用全局坐標(biāo)表示的原點(diǎn)，dx和dy是X射線成像照相機(jī)分別在x方向(水平方向)和y方向(垂直方向)的象素的尺寸。這里我們假設(shè)x方向和y方向的指向與圖像中的相同。用于圖像和RROI的兩者的象素坐標(biāo)被設(shè)定為使得x軸坐標(biāo)從左到右(水平方向)增加。y坐標(biāo)從上至下(垂直方向)增加。
拼接命令所使用的算法在圖11中示出，在下文中對(duì)該算法做進(jìn)一步的描述(粗體文字是指程序源代碼中所定義的變量)1、通過(guò)創(chuàng)建32位浮點(diǎn)圖像(im_tile)及該圖像中感興趣的矩形區(qū)域(RROI)(rroi_tile)來(lái)初始化程序。假定連接到PCVision卡的0信道的X射線成像系統(tǒng)被選作視頻源。
2、由用戶選擇的.ini文件，讀出原點(diǎn)(OriginX，OriginY)和分別以全局坐標(biāo)由ScaleX和ScaleY設(shè)定尺寸、表示的水平和垂直象素。
3、從.ini文件中分別讀出位置(x，y)和由dx和dy表示的水平和垂直尺寸。這些值采用國(guó)際單位(典型為mm)。另外讀出與該全局位置相關(guān)聯(lián)的合成圖像文件的名稱。
4、創(chuàng)建一個(gè)臨時(shí)的8位圖像im_temp，并將在步驟3中得到的文件讀入到該圖像中。
5、在臨時(shí)圖像中創(chuàng)建RROI，rroi_temp。選擇rroi_temp的起始位置和尺寸以包括衍射條紋中的一個(gè)或者兩個(gè)。
6、在一個(gè)象素一個(gè)象素的基礎(chǔ)上從im_temp中減去一常值，該常值是遠(yuǎn)離衍射條紋中任何一條的區(qū)域中平均象素值，即背景象素值。
7、依照等式1.1移動(dòng)RROI rroi-tile。調(diào)整rrol.tile的尺寸使其與rroi-temp的尺寸相匹配。
9、將RROI，rroi_temp加到X射線物相照片RROI，rroi_tile上。32位浮點(diǎn)圖像被用來(lái)存儲(chǔ)物相照片以消除溢出的問(wèn)題。在一個(gè)象素一個(gè)象素的基礎(chǔ)上將圖像rroi_temp加到圖像rroi_tile上。得到的圖像被乘以一換算因子，在這種情況下該換算因子被設(shè)置為等于1.0。
10、刪除臨時(shí)圖像，im_temp和RROI，rroi_temp。
11、重復(fù)步驟3-9直到用戶所選擇的.ini文件中的所有合成圖像都已經(jīng)處理過(guò)。
12、把32位浮點(diǎn)圖像im_tile轉(zhuǎn)換為8位字節(jié)圖像。為了在32位和8位圖像之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，象素的值被換算為映射成數(shù)值范圍0到255。這種換算可以通過(guò)三種方式完成a)通過(guò)將im_expose除以所合成的幀的數(shù)量。b)基于最小和最大象素值自動(dòng)地進(jìn)行以及c)通過(guò)加上一個(gè)偏移并乘以一個(gè)換算因子。在后一種情況下，仍然超出0到255范圍的像素值被刪去。小于0的象素值被設(shè)置為等于0而大于255的象素值則被設(shè)置為值255。
13、用指定的名稱將最終的8位合成圖像存為磁盤(pán)文件。
14、刪除圖像im_tile及相關(guān)的RROI，rroi_tile。
15、最后，在主程序窗中顯示合成圖像。
曝光與拼接的實(shí)例圖12和圖13所示為使用上文所描述的曝光(Expose)和拼接(Tile)命令生成的選定的反射X射線物相照片。所有的物相照片已被反轉(zhuǎn)，以便易于與常規(guī)的X射線物相照片相比較。白色區(qū)域是衍射X射線較弱的區(qū)域，而黑色區(qū)域則是衍射X射線較強(qiáng)的區(qū)域。
圖12和圖13所示為使用kα1和kα2兩個(gè)衍射條紋產(chǎn)生的反射X射線物相照片。合成圖像以0.1mm的水平間隔被聚集，每個(gè)圖像中合成了250個(gè)幀(這與每個(gè)圖像大約12秒的獲取時(shí)間相對(duì)應(yīng))。使用0.28mm的象素尺寸代替額定值0.30mm，因?yàn)檫@將產(chǎn)生最清晰的物相照片。
當(dāng)獲得了用于產(chǎn)生圖12中所示的物相照片的合成圖像時(shí)，樣本被精確地排列使得衍射條紋是垂直的。這并不是圖13中所示的合成圖像的那種情況。在這種情況中，我們能直接看出衍射條紋從垂直方向傾斜了幾度。這是由于相對(duì)于入射的x射線束，不正確地調(diào)整了樣本的傾斜(χ軸)。對(duì)平整的樣本來(lái)說(shuō)，對(duì)準(zhǔn)樣本使得衍射條紋垂直是較容易的。然而肉眼可見(jiàn)地彎曲或變形的樣本可能導(dǎo)致衍射條紋與垂直方向傾斜。如果確實(shí)是這種情況，則由于kα1和kα2輻射并不重疊，最終的物相照片將變得模糊或包含重影(ghost image)。圖13中所示為這種影響的有些人為的實(shí)例。該物相照片由kα1和kα2的衍射條紋共同生成，χ軸被調(diào)整以使得這些條紋偏離垂直方向幾度。
當(dāng)然，為了從對(duì)準(zhǔn)很差的或者肉眼可見(jiàn)彎曲的樣本中去除物相照片的模糊，可以通過(guò)實(shí)施金屬過(guò)濾器，僅使用kα1衍射條紋來(lái)生成物相照片，其中金屬過(guò)濾器阻擋了強(qiáng)度較小的成分。例如，金屬鎳用來(lái)去除在X射線發(fā)生器中使用銅靶所產(chǎn)生的輻射中的kβ成分。該過(guò)濾器將安裝在X射線發(fā)生器和龍蝦眼型光學(xué)元件之間。然而，在這其中我們將忽略掉可用強(qiáng)度的1/3，即在kα2衍射條紋中的所獲得的強(qiáng)度。此外，該過(guò)程并不能校正物相照片的幾何扭曲(傾斜)，這在圖13中也可以看得出。
kα1和kα2圖像相加為了使用所有可用強(qiáng)度來(lái)生成物相照片，而沒(méi)有任何模糊或幾何扭曲，我們建議對(duì)上述的基本的拼接算法作如下修改。
1、在定義每一個(gè)合成圖像中的RROI以便僅包括kα1衍射條紋的情況下，使用基本的拼接算法生成物相圖像。
2、重復(fù)步驟1，但是定義RROI以便僅包括kα2衍射條紋。
3、對(duì)步驟1和步驟2中生成的物相照片實(shí)行仿射(affine)轉(zhuǎn)換，以將kα1和kα2圖像映射在彼此的頂部。
4、將轉(zhuǎn)換后的kα1和kα2的物相照片加在一起。
這里仿射轉(zhuǎn)換是概括性的名稱，用于尚未具體規(guī)定的平移、旋轉(zhuǎn)和剪切圖像處理操作。
為了確定并校正衍射條紋與垂直方向傾斜的角α，建議下列簡(jiǎn)單的方案。首先在合成圖像頂端和末端的百分之幾處定義兩個(gè)RROI。隨后將這些RROI投射到水平軸上，就是說(shuō)象素值沿圖像中的水平線相加。在圖像頂端和圖像末端的最大象素值(通過(guò)將投射與峰值函數(shù)相配合以獲得子象素精度)的x位置可以適合于線性方程式(通過(guò)兩點(diǎn)的直線)來(lái)確定α。對(duì)所有包含最終物相照片的合成圖像重復(fù)這一過(guò)程。隨后，在執(zhí)行逐步的合成之前，通過(guò)另一個(gè)將α值校正為0的仿射轉(zhuǎn)換將對(duì)圖像進(jìn)行剪切。
變型可以對(duì)上文的實(shí)施例做出變型。
可以使用除龍蝦眼型的光學(xué)元件以外的X射線光學(xué)元件，假設(shè)可以得到基本上平行的輸出。例如可以使用拋物線形鏡面或多層光學(xué)元件，特別是拋物線梯度變化多層元件，但是這些可能比龍蝦眼型光學(xué)元件更昂貴。
在光學(xué)元件任一面上的孔徑可以通過(guò)使用非梯度變化的多層板來(lái)延伸，或者通過(guò)使用諸如云母這樣的晶體反射器進(jìn)一步延伸。
就目前來(lái)說(shuō)30mm的寬度被認(rèn)為是實(shí)際中龍蝦眼型的光學(xué)元件的限制。Microsource發(fā)生器可以在50mm的距離上提供總共為40-45mm的孔徑，所以如果可以制成更寬的光學(xué)元件，就可以使曝光成比例地減少。
與所描述的相比沒(méi)那么復(fù)雜精密的光學(xué)元件也能給出有用的、盡管是略差的性能。即使僅僅是兩塊板的龍蝦眼型的光學(xué)元件都能給出2.6x的增益，和對(duì)8″的板來(lái)說(shuō)20-25分鐘的處理時(shí)間。
優(yōu)選使用MicrosourceX射線發(fā)生器有兩個(gè)原因。其一是，將光學(xué)元件放置在靠近X射線源的能力。另一個(gè)原因是，功率及源的尺寸可以被電子控制，以便根據(jù)測(cè)量的需要改變分辨率和通過(guò)量之間的權(quán)衡，而無(wú)需經(jīng)過(guò)機(jī)械改變。后一個(gè)因素還使得以相對(duì)低的分辨率掃描樣本以檢測(cè)具有一些差異的區(qū)域，隨后更詳細(xì)地檢查這些區(qū)域成為可能。
然而，本發(fā)明并沒(méi)有限定為使用Microsource發(fā)生器，其他的產(chǎn)生X射線的裝置也是可以使用的。
盡管是參照檢測(cè)硅中的滑移帶描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明對(duì)于其他材料，例如，在諸如CaF2的EUV光學(xué)材料中，以及SiC和III-V晶體中的缺陷檢測(cè)也是有用的。
在本發(fā)明的范圍之內(nèi)還可以對(duì)本發(fā)明做出其他的一些修改及改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種X射線形貌測(cè)繪系統(tǒng)，包括X射線發(fā)生器，用來(lái)產(chǎn)生被引導(dǎo)向一樣本位置的X射線的射束；以及檢測(cè)器，該檢測(cè)器被定位以接收由所述樣本位置處的樣本所偏轉(zhuǎn)的X射線，該檢測(cè)器包括具有對(duì)應(yīng)于檢測(cè)器處的射束區(qū)域的象素陣列的電子X(jué)射線檢測(cè)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述射束具有最高達(dá)20毫弧度的散度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的系統(tǒng)，包括置于所述X射線發(fā)生器和所述樣本位置之間的X射線光學(xué)元件，該X射線光學(xué)元件被配置以接收所述射束以及以基本上平行的射束來(lái)發(fā)射X射線。
4.根據(jù)在先權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的系統(tǒng)，其中所述檢測(cè)器被定位以接收透射穿過(guò)所述樣本的被偏轉(zhuǎn)的X射線。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任何一個(gè)所述的系統(tǒng)，其中所述檢測(cè)器被定位以接收從所述樣本反射的被偏轉(zhuǎn)的X射線。
6.根據(jù)在先權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的系統(tǒng)，其中檢測(cè)器處的幾何放大率可通過(guò)調(diào)整樣本至檢測(cè)器的距離與源至樣本的距離之間的關(guān)系是進(jìn)行調(diào)整。
7.根據(jù)在先權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的系統(tǒng)，其中所述X射線發(fā)生器適于產(chǎn)生100μm或更小的源點(diǎn)尺寸，并具有距靶小于20mm的出射窗。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)的分辨率大約為15-100μm，優(yōu)選的是大約為25μm，并且所述檢測(cè)器被定位距離所述樣本位置5-30mm，優(yōu)選的是5-10mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述X射線光學(xué)元件是包括多個(gè)平行的X射線反射板的龍蝦眼型光學(xué)元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述板的厚度大約為150μm并且所述板被涂以金。
11.根據(jù)在先權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的系統(tǒng)，其中所述檢測(cè)器為電荷耦合器件。
12.一種X射線形貌測(cè)繪設(shè)備，包括根據(jù)在先權(quán)利要求中任何一個(gè)所述的X射線形貌測(cè)繪系統(tǒng)，用于在系統(tǒng)和待檢查樣本之間產(chǎn)生相對(duì)的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)裝置，其中步的大小是射束面積的函數(shù)，以及圖像處理裝置，用于在連續(xù)的步之間讀出所述檢測(cè)器的象素?cái)?shù)據(jù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述步進(jìn)裝置包括相對(duì)于所述X射線發(fā)生器和所述檢測(cè)器可移動(dòng)的XY工作臺(tái)，以及被配置以在正交方向上使所述XY工作臺(tái)步進(jìn)的一對(duì)伺服馬達(dá)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述步進(jìn)裝置包括芯棒傳送器件，該芯棒傳送裝置被配置以相對(duì)于所述X射線發(fā)生器和所述檢測(cè)器旋轉(zhuǎn)并軸向地平移一芯棒，以及被配置以使所述芯棒傳送器件在旋轉(zhuǎn)和平移方面步進(jìn)的一對(duì)伺服馬達(dá)。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任何一個(gè)所述的設(shè)備，其中所述圖像處理裝置包括用于存儲(chǔ)從每一步輸出的像素?cái)?shù)據(jù)的裝置，以及用于合并來(lái)自連續(xù)步的數(shù)據(jù)以形成合成圖像的裝置。
16.根據(jù)權(quán)利要求12至15中任何一個(gè)所述的設(shè)備，其中所述檢測(cè)器在光柵掃描中運(yùn)行，并且所述每一步的圖像通過(guò)合成多個(gè)掃描幀而得到。
17.根據(jù)權(quán)利要求12至16中任何一個(gè)所述的設(shè)備，其中所述X射線的射束具有足夠的散度以在所述檢測(cè)器處產(chǎn)生圖像的重疊，其中所述圖像處理裝置可操作用于消除所述圖像重疊的影響。
全文摘要
一種X射線形貌測(cè)繪系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括X射線發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生X射線射束，并照射在樣本例如是硅晶片的有限的區(qū)域上。固態(tài)檢測(cè)器被設(shè)置以截?cái)嘣谕干浯┻^(guò)樣本或者從樣本反射來(lái)的射束。該檢測(cè)器具有與射束區(qū)域相匹配的像素陣列以產(chǎn)生所述有限區(qū)域的數(shù)字圖像。在X射線發(fā)生器和樣本之間的相對(duì)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生一系列被合并在一起的數(shù)字圖像。在任選實(shí)施例中，置入一X射線光學(xué)元件以產(chǎn)生平行射束，以避免圖像重疊，或者通過(guò)軟件來(lái)消除圖像重疊的影響。
文檔編號(hào)G01N23/20GK1628245SQ02827902
公開(kāi)日2005年6月15日 申請(qǐng)日期2002年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月7日
發(fā)明者戴維·基思·鮑恩, 馬修·沃明頓, 拉吉斯拉夫·皮納, 彼得拉勒·佩什廷蓋爾 申請(qǐng)人:比德科學(xué)儀器有限公司