KR20200058563A

KR20200058563A - 반도체 계측을 위한 액체 금속 회전 애노드 x-선 소스

Info

Publication number: KR20200058563A
Application number: KR1020207013307A
Authority: KR
Inventors: 세르게이 잘루보프스키
Original assignee: 케이엘에이 코포레이션
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2018-10-18
Publication date: 2020-05-27
Anticipated expiration: 2038-10-18
Also published as: CN111164724B; US10748736B2; TW201928339A; US20190115184A1; IL273711B1; WO2019079630A1; IL273711B2; JP7095083B2; JP2021500702A; TWI765109B; CN111164724A; KR102404613B1; IL273711A

Abstract

고처리량 x-선 계측에 적합한 고휘도, 액체 기반 x-선 소스를 실현하기 위한 방법들 및 시스템들이 본 명세서에서 제시된다. 전자들의 스트림으로 회전 액체 금속 애노드 재료에 충격을 가하여 x-선 방사선을 생성함으로써 고휘도 x-선 소스가 생성된다. 회전 애노드 지지 구조체는 일정한 각속도로 회전하는 동안 지지 구조체에 대해 고정된 위치에서 액체 금속 애노드 재료를 지지한다. 다른 양태에서, 액체 금속 애노드를 회전축에 평행한 방향으로 병진시키기 위해 병진 액추에이터가 회전 조립체에 커플링된다. 다른 양태에서, 출력 창이 회전 애노드 지지 구조체에 커플링된다. 방출된 x-선들은 출력 창을 통해 측정 중인 시료를 향해 투과된다. 다른 추가의 양태에서, 격납 창은 회전 각속도와 무관하게 액체 금속 애노드 재료의 형상을 유지한다.

Description

반도체 계측을 위한 액체 금속 회전 애노드 X-선 소스

관련 출원의 상호 참조

본 특허 출원은 2017년 10월 18일자로 출원된 발명의 명칭이 "X-Ray Source with Liquid Metal Rotating Anode (LiMeRa) for Semiconductor Metrology"인 미국 가특허 출원 제62/573,958호를 바탕으로 35 U.S.C. §119에 따른 우선권을 주장하며, 이 미국 가특허 출원의 주제는 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

기술 분야

설명된 실시예들은 계측 시스템들 및 방법들에 관한 것이며, 보다 상세하게는 개선된 조명을 위한 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.

로직 및 메모리 디바이스들과 같은 반도체 디바이스들의 다양한 피처들 및 다수의 구조적 레벨들은 전형적으로 시료에 적용되는 프로세싱 단계들의 시퀀스에 의해 제조된다. 예를 들어, 그 중에서도, 리소그래피는 반도체 웨이퍼 상에 패턴을 생성하는 것을 수반하는 하나의 반도체 제조 프로세스이다. 반도체 제조 프로세스들의 부가의 예들은 화학적 기계적 폴리싱, 에칭, 퇴적, 및 이온 주입을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 다수의 반도체 디바이스들은 단일 반도체 웨이퍼 상에 제조될 수 있고 이어서 개별 반도체 디바이스들로 분리될 수 있다.

계측 프로세스들은 더 높은 수율을 도모하기 위해 반도체 제조 프로세스 동안 다양한 단계들에서 웨이퍼들 상의 결함들을 검출하는 데 사용된다. 광학 계측 기술들은 샘플 파괴의 위험 없이 고처리량의 가능성을 제공한다. 산란측정법(scatterometry) 및 반사측정법(reflectometry) 구현들 및 연관된 분석 알고리즘들을 포함하는 다수의 광학 계측 기반 기술들은 통상적으로 나노스케일 구조체들의 임계 치수들, 막 두께들, 조성 및 다른 파라미터들을 특성화하는 데 사용된다.

디바이스들(예컨대, 로직 및 메모리 디바이스들)이 더 작은 나노미터-스케일 치수들을 향해 감에 따라, 특성화가 더 어려워진다. 복잡한 3차원 기하학적 형태 및 다양한 물리적 속성들을 가진 재료들을 포함하는 디바이스들은 특성화 어려움에 기여한다. 예를 들어, 현대의 메모리 구조체들은, 종종, 광학 방사선(optical radiation)이 하부 층들(bottom layers)까지 침투(penetrate)하는 것을 어렵게 만드는 고 애스팩트비의 3차원 구조체들이다. 그에 부가하여, 복잡한 구조체들(예컨대, FinFET들)을 특성화하는 데 요구되는 파라미터들의 개수의 증가는 파라미터 상관(parameter correlation)의 증가를 가져온다. 그 결과, 타깃을 특성화하는 파라미터들이, 종종, 이용가능한 측정에 의해 확실하게 분리될(decoupled) 수 없다. 다른 예에서, 불투명한 하이-k 재료들이 현대의 반도체 구조체들에 점점 더 많이 이용되고 있다. 광학 방사선은 이러한 재료들로 구성된 층들에 종종 침투할 수 없다. 그 결과, 타원편광 해석기들(ellipsometers) 또는 반사계들(reflectometers)과 같은 박막 산란계측법 툴들을 사용한 측정들이 점점 더 어려워지고 있다.

이에 응답하여, 더 복잡한 광학 툴들이 개발되었다. 예를 들어, 다수의 조명 각도들, 더 짧은 조명 파장들 및 더 넓은 범위들의 조명 파장들, 및 반사된 신호들로부터의 더 완전한 정보 취득을 사용하는(예를 들어, 더 종래의 반사율 또는 타원편광 해석(ellipsometric) 신호들에 부가하여 다수의 뮬러(Mueller) 매트릭스 요소들을 측정하는) 툴들이 개발되었다. 그렇지만, 이러한 접근법들은 많은 고도화된 타깃들(advanced targets)(예를 들어, 복잡한 3D 구조체들, 10 nm보다 작은 구조체들, 불투명한 재료들을 이용하는 구조체들) 및 측정 응용들(예컨대, 라인 에지 조도(line edge roughness) 및 라인 폭 조도(line width roughness) 측정들)과 연관된 근본적인 도전과제들을 확실하게 극복하지 못하였다.

원자력 현미경들(atomic force microscopes; AFM)과 스캐닝 터널링 현미경들(scanning-tunneling microscopes; STM)은 원자 분해능(atomic resolution)을 달성할 수 있지만, 이들은 시료의 표면을 프로빙(probe)할 수 있을 뿐이다. 그에 부가하여, AFM 및 STM 현미경들은 긴 스캐닝 시간들을 요구한다. 스캐닝 전자 현미경들(scanning electron microscopes; SEM)은 중간 분해능 레벨들을 달성하지만, 충분한 깊이까지 구조체들에 침투할 수 없다. 따라서, 고 애스팩트비 홀들은 잘 특성화되지 않는다. 그에 부가하여, 시료의 요구된 대전(charging)은 이미징 성능에 악영향을 미친다.

침투 깊이 이슈들을 극복하기 위해, TEM, SEM 등과 같은 전통적인 이미징 기술들은 집속 이온 빔(focused ion beam; FIB) 머시닝, 이온 밀링, 블랭킷 또는 선택적 에칭 등과 같은 파괴적 샘플 준비(destructive sample preparation) 기술들과 함께 이용된다. 예를 들어, 투과 전자 현미경들(transmission electron microscopes; TEM)은 높은 분해능 레벨들을 달성하고 임의의 깊이들을 프로빙할 수 있지만, TEM은 시료의 파괴적 절편화(destructive sectioning)를 요구한다. 재료 제거 및 측정의 여러 번의 반복들은 일반적으로 3차원 구조체 전반에 걸쳐 중요한 계측 파라미터들을 측정하는 데 요구되는 정보를 제공한다. 그러나, 이러한 기술들은 샘플 파괴 및 긴 프로세스 시간들을 요구한다. 이러한 유형들의 측정들을 완료하기 위한 시간 및 복잡성은 에칭 및 계측 단계들의 드리프트로 인해 큰 부정확성들을 유입시킨다. 그에 부가하여, 이러한 기술들은 레지스트레이션 에러들(registration errors)을 유입시키는 수많은 반복들을 요구한다.

최근의 계측 도전과제들에 대한 다른 대응방안은 막 두께, 조성, 스트레인(strain), 표면 조도, 라인 에지 조도 및 다공성을 포함한 측정들을 위한 x-선 계측의 채택이었다.

소각 X-선 산란측정법(Small-Angle X-Ray Scatterometry; SAXS) 시스템들은 도전적인 측정 응용들을 해결할 수 있는 가능성을 보여주었다. 임계 치수들(CD-SAXS) 및 오버레이(OVL-SAXS)의 측정에 대한 SAXS 기술의 적용의 다양한 양태들이 1) 발명의 명칭이 "High-brightness X-ray metrology"인, Zhuang 및 Fielden의 미국 특허 제7,929,667호, 2) 발명의 명칭이 "Model Building And Analysis Engine For Combined X-Ray And Optical Metrology"인, Bakeman, Shchegrov, Zhao, 및 Tan의 미국 특허 공개 제2014/0019097호, 3) 발명의 명칭이 "Methods and Apparatus For Measuring Semiconductor Device Overlay Using X-Ray Metrology"인, Veldman, Bakeman, Shchegrov, 및 Mieher의 미국 특허 공개 제2015/0117610호, 4) 발명의 명칭이 "Measurement System Optimization For X-Ray Based Metrology"인, Hench, Shchegrov, 및 Bakeman의 미국 특허 공개 제2016/0202193호, 5) 발명의 명칭이 "X-ray Metrology For High Aspect Ratio Structures"인, Dziura, Gellineau, 및 Shchegrov의 미국 특허 공개 제2017/0167862호, 및 6) 발명의 명칭이 "Full Beam Metrology for X-Ray Scatterometry Systems"인, Gellineau, Dziura, Hench, Veldman, 및 Zalubovsky의 미국 특허 공개 제2018/0106735호에 설명되어 있다. 전술한 특허 문서들은 미국 캘리포니아주 밀피타스 소재의 KLA-Tencor Corporation에 양도되었다.

반도체 구조체들의 CD-SAXS 계측에 대한 연구는 과학 문헌에도 설명되어 있다. 대부분의 연구 그룹들은 엄청난 크기, 비용 등으로 인해 반도체 제조 시설에 사용하기에는 적합하지 않은 고휘도 X-선 싱크로트론 소스들(high-brightness X-ray synchrotron sources)을 이용해 왔다. 그러한 시스템의 일 예는 [" Intercomparison between optical and x-ray scatterometry measurements of FinFET structures" by Lemaillet, Germer, Kline et al . , Proc. SPIE, v.8681, p. 86810Q (2013)]이라는 제하의 눈문에 설명되어 있다. 보다 최근에, NIST(National Institute of Standards and Technology)에 있는 한 그룹이 미국 특허 제7,929,667호에 설명된 것들과 유사한 콤팩트하고 밝은 X-선 소스들을 이용하여 연구를 개시하였다. 이 연구는 ["X-ray scattering critical dimensional metrology using a compact x-ray source for next generation semiconductor devices," J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS 16(1), 014001 (Jan-Mar 2017)]이라는 제하의 논문에 설명되어 있다.

SAXS는 재료들 및 다른 비-반도체 관련 응용들의 특성화에 또한 적용되었다. 예시적인 시스템들이, Xenocs SAS(www.xenocs.com), Bruker Corporation(www.bruker.com), 및 Rigaku Corporation(www.rigaku.com/en)을 포함한, 몇 개의 회사에 의해 상용화되었다.

반도체 제조에 사용되는 많은 x-선 계측 기술들은 고휘도 x-선 소스들로부터 이득을 볼 수 있다. 예를 들어, 임계 치수 소각 x-선 산란(CD-SAXS) 측정들은 종종 특정 재료들의 낮은 산란으로 인해 긴 적분 시간들을 요구한다. 고휘도 소스는 CD-SAXS 측정들의 처리량을 개선시킬 수 있다.

극자외선(EUV) 리소그래피 분야에서의 개발 노력은 높은 파워 레벨들(예컨대, 조명기의 중간 초점(intermediate focus)에서 210 와트의 평균 파워)로 13 나노미터(즉, 92.6 전자 볼트)에 중심을 둔 협대역 방사(예컨대, +/- 0.1nm)를 방출하는 광 소스들에 중점을 두고 있다. EUV 리소그래피를 위한 광 소스들은 레이저 용적 플라스마 아키텍처(laser droplet plasma architecture)를 사용하여 개발되었다. 예를 들어, 대략 100kHz의 펄스 반복 주파수들에서 동작하는 크세논, 주석, 및 리튬 용적 타깃들이 CO2 코히런트 소스들에 의해 펌핑된다. 실현된 광은 고파워이다(예컨대, 조명기의 중간 초점에서의 210 와트의 평균 파워가 13 나노미터에서의 리소그래피 툴들에 대한 목표이다). 그렇지만, 결과적인 방사선은 상대적으로 낮은 에너지(92.6 전자 볼트)이며, 이는 계측 응용들에서 이러한 조명 소스들의 유용성을 심각하게 제한한다. 예시적인 시스템은 ASML Netherlands B.V.의 미국 특허 제7,518,134호에 설명되어 있으며, 이 미국 특허의 내용은 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

일부 예들에서, x-선 조명 광은, 회전 애노드(rotating anode) 타깃 재료와 같은, 고체 타깃 재료의 고에너지 전자 빔 충격에 의해 생성된다. 회전 애노드 x-선 소스들은 통상적으로 의료 이미징 및 분석 화학 응용들에 이용된다. 회전 애노드 x-선 소스들의 수많은 버전들은, 단층 촬영, 유방 촬영, 혈관조영술 등과 같은 의료 이미징 응용들을 위해, Philips, General Electric, Siemens 등과 같은 회사들에 의해 제조된다. Rigaku Corporation 및 Bruker Corporation은 X-선 회절(X-Ray diffraction; XRD), X-선 반사측정법(X-Ray Reflectometry; XRR), 소각 X-선 산란측정법(Small X-Ray scatterometry; SAXS), 광각 X-선 산란측정법(wide angle X-Ray scatterometry; WAXS) 등과 같은 분석 화학 응용들을 위한 연속적으로 작동되는 회전 애노드 소스들을 제조한다.

회전 애노드 타깃들은 고정 애노드(stationary anode) 타깃들과 비교하여 애노드 재료로부터의 더 효과적인 열 제거를 가능하게 해준다. 애노드 표면에서의 전자 빔 충돌의 위치를 연속적으로 이동시키는 것은 초점 충격 온도(focal spot impact temperature)를 감소시키고 x-선 튜브 파워 로딩 능력(X-ray tube power loading capability)을 개선시키는 대류 열 소산을 결과한다. 전형적인 회전 애노드 소스는 애노드 재료를 분당 5,000 내지 10,000 회전 또는 그 이상으로 회전시킨다. 초점 위치에서의 애노드 재료의 선속도(linear speed)는 100 미터/초 또는 그 이상일 수 있다.

증가된 애노드 열 소산 및 열 전도율에 대한 개선들이 제안되었다. 예를 들어, Rigaku Corporation(일본)에 의해 제조되는 FR-X 모델 X-선 소스들 및 Bruker AXS GmbH(독일)에 의해 제조되는 MicroMax 모델 X-선 소스들은 애노드에서 생성되는 열을 소산시키기 위해 수냉각(water cooling)을 이용한다.

미국 특허 제9,715,989호는 높은 열 전도율의 다이아몬드 층들을 갖는 회전 애노드 구조체를 설명하고 있다. 미국 특허 제8,243,884호는 열 소산을 개선시키기 위해 다이아몬드-금속 복합 재료들의 사용을 설명하고 있다. 미국 특허 제7,440,549호는 히트 파이프 효과에 의해 열을 소산시키는 회전 애노드 디바이스를 설명하고 있다. 미국 특허 공보 제2015/0092924호는 높은 열 전도율 매트릭스에 매립된(embedded) 고 원자 번호 재료를 포함하는 미세구조 애노드를 설명하고 있다. 미국 특허 제9,159,524호 및 미국 특허 제9,715,989호는 고정 애노드 소스들과 관련하여 유사한 다이아몬드 기반 열 관리 솔루션들을 설명하고 있다. 전술한 미국 특허들 및 미국 특허 공보들의 내용은 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

개선된 파워 로딩 능력들에도 불구하고, 회전 애노드 소스들은 상당한 한계들을 겪고 있다. 실제로, 반복된 열 사이클링으로 인해 초점 트랙(focal track)(즉, e-빔 충돌을 반복하여 겪는 지점들의 궤적)에 위치된고체 애노드 재료의 표면에 미세균열들이 형성된다. 이러한 미세균열들은 증가된 흡수로 인한 손실들을 유발한다. 일부 예들에서, X-선 플럭스의 20 내지 30% 저하는 처음 1,000 시간의 소스 동작 내에 발생한다. 그에 부가하여, 전형적인 회전 애노드는 대략 3,000 시간마다 재폴리싱(re-polishing)(즉, 애노드 재료의 표면의 복원)을 필요로 한다. 그에 부가하여, 일부 예들에서, 높은 회전 속도들은 X-선 스폿 크기 및 X-선 스폿의 공간적 안정성을 제한한다.

일부 다른 예들에서, x-선 조명 광은 고체 애노드 타깃들과 연관된 표면 미세균열들의 형성을 완화시키기 위해 액체 타깃 재료의 고에너지 전자 빔 충격에 의해 생성된다.

이 예들 중 일부에서, 액체 금속 분사 애노드(liquid metal jet anode)가 이용된다. 예시적인 액체 금속 분사 x-선 조명 시스템은 Zhuang 및 Fielden의 미국 특허 제7,929,667호에 설명되어 있으며, 이 미국 특허의 내용은 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 다른 예시적인 액체 금속 분사 x-선 조명 소스는 미국 특허 제6,711,233호에 설명되어 있으며, 이 미국 특허의 내용은 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 액체 금속 분사는 효과적으로 애노드 표면을 연속적으로 시원하게 하여(refreshes) 표면 미세균열들의 형성을 제거한다. 그렇지만, 액체 금속 애노드 재료는 증발하여 x-선 소스 수명을 제한할 수 있는 금속 증기를 형성한다. 일부 예들에서, 금속 증기는 진공 x-선 윈도 상에서 응축되어 부가의 x-선 흡수를 야기한다. 일부 예들에서, 금속 증기는 캐소드 영역 내로 확산되고 캐소드를 오염시켜, 캐소드 수명 및 시스템 출력을 감소시킨다. 일부 예들에서, 금속 증기는 전자 빔 가속 영역 내로 확산되어 고전압 항복(high-voltage breakdown)을 야기한다.

일부 다른 예들에서, 액체 금속 애노드는 고정 구조체(stationary structure) 위에서 유동된다. 미국 특허 제4,953,191호는 고정 금속 표면(stationary metal surface) 위에서 유동하는 액체 금속 애노드 재료를 설명하고 있으며, 이 미국 특허의 내용은 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 미국 특허 제8,629,606호는 x-선 소스 진공 인클로저의 내부 표면들 상에서 유동하는 액체 금속 애노드 재료를 설명하고 있으며, 이 미국 특허의 내용은 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 미국 특허 공보 제2014/0369476호 및 미국 특허 제8,565,381호는 채널 또는 튜브를 통해 유동하는 액체 금속 애노드 재료를 설명하고 있으며, 각각의 내용은 그 전체가 참조에 의해 본 명세서에 포함된다. 빠르게 움직이는 액체 금속은 전자 빔 침투 및 X-선 추출을 가능하게 해주기 위해 적합한 창들에 의해 부분적으로 인클로징되어 있다.

개선된 파워 로딩 능력들에도 불구하고, 액체 애노드 소스들은 상당한 한계들을 겪고 있다. 실제로, 다른 표면들 위로 얇은 액체 금속 층들을 유동시키는 것은 상대적으로 낮은 속도의 유동으로 제한된다. 유동 속도가 증가함에 따라, 난류(turbulence)가 발생하고, 이는 X-선 조명 소스를 불안정화시킨다. 그 결과, 다른 표면 위로 유동하는 액체 애노드 재료를 이용하는 X-선 소스의 애노드 파워 로딩은 상당히 제한된다. 그에 부가하여, 채널들 및 튜브들 내부의 유동하는 액체 금속에 기초한 X-선 조명 소스들에 대한 애노드 파워 로딩은 유동을 격납(contain)하고 전자 빔 침투 및 X-선 추출을 가능하게 해주는 데 이용되는 임의의 창들의 구조적 무결성(structural integrity)에 의해 제한된다.

유사하게, 액체 금속 분사 X-선 조명 소스의 안정된 동작은 층류 액체 금속 분사 유동(laminar liquid metal jet flow)을 필요로 한다. 따라서, 증가된 애노드 파워 로딩을 수용하기 위한 분사 속도의 임의의 증가는 분사 자체의 층류-난류 천이(laminar-turbulent transition) 및 임의의 증가된 분사 속도를 달성하기 위해 요구되는 초고압 분사 복귀 루프(ultra-high-pressure jet return loop)의 실현성에 의해 제한된다.

안타깝게도, X-선 기반 계측 처리량은 애노드에 대한 제한된 파워 로딩에 의해 악화된다. 종래의 고체 금속 애노드 소스의 파워 로딩의 증가는 애노드의 어블레이션(ablation) 및 파괴를 야기한다. 전형적인 액체 금속 소스들의 경우, 파워 로딩의 증가는 X-선 조명 소스를 불안정화시키는 경향이 있다.

미래의 계측 응용들은 점점 더 높은 분해능 요구사항들, 다중 파라미터 상관(multi-parameter correlation), 점점 더 복잡한 기하학적 구조체들, 및 불투명한 재료들의 사용의 증가로 인해 계측에 대한 도전과제들을 제기한다. 반도체 응용들에 대한 x-선 계측의 채택은 가능한 가장 높은 밝기를 갖는 개선된 x-선 소스들을 필요로 한다.

고처리량 x-선 계측에 적합한 고휘도, 액체 기반 x-선 소스를 실현하기 위한 방법들 및 시스템들이 본 명세서에서 제시된다.

일 양태에서, 전자들의 스트림으로 회전 액체 금속 애노드 재료에 충격을 가하여 x-선 방사선을 생성함으로써 고휘도 x-선 소스가 생성된다. 회전 애노드 지지 구조체는 회전 애노드 지지 구조체가 일정한 각속도로 회전하는 동안 회전 애노드 지지 구조체에 대해 고정된 위치에서 액체 금속 애노드 재료를 지지한다. 시료에 대해 x-선 기반 계측을 수행하기 위해 결과적인 x-선 방출이 수집되고 반도체 시료에 제공된다.

액체 금속 재료 표면은 전자들의 스트림에 의한 주기적인 충격에 의해 유도되는 주기적 열 응력(cyclic thermal stress) 하에서 열화(예를 들어, 균열)되지 않는다. 액체 금속 재료 표면은 효과적으로 자가 치유(self-healing)되며, 이는 고체 애노드 재료들에 비해 상당한 장점이다. 그 결과, 회전 애노드, 액체 금속 x-선 소스는 전통적인 회전 고체 애노드 x-선 소스들과 비교하여 밝기 및 신뢰성을 개선시키고, 서비스 사이의 시간 간격을 증가시키며, 다운 시간(down time)을 감소시킨다.

다른 양태에서, x-선 광학장치는 특정 수집 각도들에서 원하는 에너지 대역에서의 x-선 방출을 피크 강도로 포착하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, x-선 광학장치는 x-선 방사선을 측정 타깃에 직접 집속시키도록 설계되어 있다. 일부 실시예들에서, x-선 수집 광학장치는 일정 범위의 수집 각도들에 걸쳐 x-선 방사선을 수집함으로써 x-선 밝기를 최적화하는 방식으로 배향된다.

추가의 양태에서, 회전 조립체로 하여금 또한 회전축에 평행한 방향으로 병진하게 하는 병진 액추에이터가 회전 조립체에 커플링된다.

다른 추가의 양태에서, 출력 창은 회전 애노드 지지 구조체에 커플링되고, 액체 금속 애노드 재료에 의해 방출되는 x-선들은 출력 창을 통해 측정 중인 시료를 향해 투과된다.

다른 추가의 양태에서, 격납 창(containment window)은 회전 애노드 지지 구조체에 커플링되고, 전자들의 입사 스트림은 액체 금속 애노드 재료에의 입사 이전에 격납 창을 통해 투과된다.

전술한 바는 요약이고 따라서, 필요에 따라, 세부사항의 간략화, 일반화 및 생략을 포함하며; 결론적으로, 본 기술분야의 통상의 기술자는 요약이 예시적인 것에 불과하고 어떠한 방식으로도 제한하는 것이 아님을 이해할 것이다. 본 명세서에 설명된 디바이스들 및/또는 프로세스들의 다른 양태들, 발명적 특징들(inventive features), 및 장점들은 본 명세서에 기재된 비제한적인 상세한 설명에서 명백해질 것이다.

도 1은 적어도 하나의 양태에서의 액체 금속 회전 애노드(LiMeRa) x-선 조명 소스를 포함하는 반도체 계측 측정을 수행하기 위한 x-선 계측 시스템(100)을 예시하는 다이어그램이다.
도 2a는 일 실시예에서의 (LiMeRa) x-선 조명 소스의 회전 애노드 조립체의 예를 예시하는 다이어그램이다.
도 2b는 도 2a에 예시된 실시예에서의 (LiMeRa) x-선 조명 소스의 회전 애노드 조립체의 다른 예를 예시하는 다이어그램이다.
도 3은 다른 실시예에서의 LiMeRa x-선 조명 소스의 회전 애노드 조립체를 묘사한다.
도 4는 또 다른 실시예에서의 LiMeRa x-선 조명 소스의 회전 애노드 조립체를 묘사한다.
도 5는 또 다른 실시예에서의 LiMeRa x-선 조명 소스의 회전 애노드 조립체를 묘사한다.
도 6a는 또 다른 실시예에서의 (LiMeRa) x-선 조명 소스의 회전 애노드 조립체의 예를 예시하는 다이어그램이다.
도 6b는 도 6a에 예시된 실시예에서의 (LiMeRa) x-선 조명 소스의 회전 애노드 조립체의 다른 예를 예시하는 다이어그램이다.
도 7은 또 다른 실시예에서의 LiMeRa x-선 조명 소스의 회전 애노드 조립체를 묘사한다.
도 8은 시료(101)로부터 분리된 진공 환경(172)에 격납되는 x-선 계측 시스템(100)의 x-선 검출기(123)를 예시하는 다이어그램이다.
도 9는 LiMeRa x-선 조명 소스를 포함하는 반도체 계측 측정을 수행하기 위한 x-선 계측 시스템(200)을 예시하는 다이어그램이다.
도 10은 LiMeRa x-선 조명 소스로부터 x-선 방출을 생성하기에 적합한 예시적인 방법(300)을 예시하는 플로차트이다.

본 발명의 배경 예들 및 일부 실시예들에 대해 이제 상세히 언급될 것이고, 이들의 예들이 첨부 도면들에 예시된다.

x-선 조명에 기초한 상이한 반도체 제조 프로세스들과 연관된 구조적 및 재료 특성들(예를 들어, 구조체들 및 막들의 재료 조성, 치수적 특성들(dimensional characteristics) 등)을 측정하는 데 이용되는 시스템들이 제시된다. 보다 구체적으로는, 고처리량 x-선 계측에 적합한 고휘도, 액체 기반 x-선 소스를 실현하기 위한 방법들 및 시스템들이 본 명세서에서 제시된다.

일 양태에서, 전자들의 스트림으로 회전 액체 금속 애노드 재료에 충격을 가하여 x-선 방사선을 생성함으로써 고휘도 x-선 소스가 생성된다. 시료에 대해 x-선 기반 계측을 수행하기 위해 결과적인 x-선 방출이 수집되고 반도체 시료에 제공된다.

액체 금속 재료 표면은 전자들의 스트림에 의한 주기적인 충격에 의해 유도되는 주기적 열 응력 하에서 열화(예를 들어, 균열)되지 않는다. 액체 금속 재료 표면은 효과적으로 자가 치유되며, 이는 고체 애노드 재료들에 비해 상당한 장점이다. 그 결과, 회전 애노드, 액체 금속 x-선 소스는 전통적인 회전 고체 애노드 x-선 소스들과 비교하여 밝기 및 신뢰성을 개선시키고, 서비스 사이의 시간 간격을 증가시키며, 다운 시간(down time)을 감소시킨다.

게다가, 표면 열화의 문제를 제거함으로써, 액체 금속 애노드 재료에 대한 전체적인 파워 로딩이 증가될 수 있다. 그에 부가하여, 반도체 계측에 사용가능한 더 밝은 x-선 방출을 산출(yield)하기 위해 입사 전자 빔이 더 큰 강도로 집속될 수 있다.

x-선 방사선의 고에너지 특성은 광학적으로 불투명한 박막들, 매립된 구조체들, 고 애스팩트비 구조체들 및 많은 박막 층들을 포함하는 디바이스들 내로의 x-선들의 침투를 가능하게 해준다. 반도체 제조에 사용되는 많은 x-선 계측 기술들은 고휘도, 신뢰성있는 x-선 소스, 예를 들어 임계 치수 소각 x-선 산란측정법(CD-SAXS)으로부터 이득을 본다.

많은 최신의 반도체 구조체들을 구성하는 재료들의 낮은 산란 효율로 인해 측정들이 종종 긴 적분 시간들을 필요로 한다. 고휘도 고파워 액체 금속 회전 애노드 x-선 소스는 x-선 기반 측정들, 예를 들어, CD-SAXS의 처리량을 개선시킨다.

도 1은 일 실시예에서의 액체 금속 회전 애노드(LiMeRa) x-선 조명 소스를 포함하는 x-선 기반 계측 시스템(100)의 실시예를 예시한다. 비제한적인 예로서, x-선 계측 시스템(100)은 투과 모드에서 동작한다. 도 1에 묘사된 바와 같이, LiMeRa x-선 조명 소스는 전자 빔 소스(103) 및 회전 애노드 조립체(110)를 포함한다.

회전 애노드 조립체(110)는 회전축(A)을 중심으로 각속도(ω)로 회전 애노드 지지 구조체(111)를 회전시키는 회전 액추에이터(112)를 포함한다. 회전 애노드 조립체(110)는 회전 애노드 지지 구조체(111)에 의해 지지되는 액체 금속 애노드 재료(113)를 또한 포함한다. 회전은 액체 금속 애노드 재료(113)를 회전 애노드 지지 구조체(111)의 형상과 부합시키는 액체 금속 애노드 재료(113)에 원심력을 유도하고, 회전 애노드 지지 구조체(111)의 원주부(circumference)를 따라 균일하게 액체 금속 애노드 재료(113)를 분포시킨다. 일정한 각속도에서, 회전 애노드 지지 구조체(111)의 표면 상의 액체 금속 애노드 재료(113)의 정상 상태 분포, 및 액체 금속 애노드 재료(113)가 회전 애노드 지지 구조체(111)에 대해 움직이지 않는다. 환언하면, 액체 금속 애노드 재료(113)와 회전 애노드 지지 구조체(111)는 전자 빔 소스(103)에 대해서는 함께 움직이고 있지만, 서로에 대해서는 그렇지 않다.

도 1에 묘사된 실시예에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 회전 액추에이터(rotary actuator)(112)에 통신가능하게 커플링된다. 일 예에서, 회전 애노드 지지 구조체(111)의 원하는 각속도를 나타내는 커맨드 신호들(136)은 컴퓨팅 시스템(130)으로부터 회전 액추에이터(112)에 전달된다. 이에 응답하여, 회전 액추에이터(112)는 커맨드 신호들(136)에 기초하여 회전 애노드 지지 구조체(111)의 각속도를 조정한다.

도 1에 묘사된 실시예에서, LiMeRa x-선 조명 소스는 검사 영역(102)에 걸쳐 시료(101)에 전달되는 고휘도 x-선 조명을 제공한다. x-선 계측 시스템(100)은, 시료 위치결정 시스템(140)이 샘플과 x-선들의 각도 분해(angularly resolved) 상호작용들을 생성하도록 시료를 위치시키는 동안, 시료(101)와 상호작용하는 x-선들이 검출기(123)에 의해 수집되도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 광전자들, 형광을 통해 생성되는 x-선들, 또는 이온들과 같은 상호작용 동안 생성되는 임의의 다른 입자들이 또한 검출될 수 있다.

도 1에 묘사된 실시예에서, LiMeRa x-선 조명 소스는 캐소드로부터의 전자 방출을 생성하도록 구성된 전자 빔 소스(103)(예를 들어, 전자 총)을 포함한다. 묘사된 실시예에서, 전자 빔 소스(103)는 자유 전자들의 안정된 스트림(105)을 생성한다. 전자들의 스트림(105)은 전자 광학장치(104)에 의해 성형되고 회전 애노드 지지 구조체(111)에 의해 지지되는 액체 금속 애노드 재료(113)에 입사한다. 일부 실시예들에서, 전자 빔 소스(103)는 연속적인 전자 빔을 생성하도록 구성된다. 일부 다른 실시예들에서, 전자 빔 소스(103)는 펄스형 전자 빔을 생성하도록 구성된다.

도 1에 묘사된 실시예에서, 전자 빔 소스(103)는 컴퓨팅 시스템(130)에 통신가능하게 커플링되고, 전자 빔 소스(103)는 컴퓨팅 시스템(130)으로부터 전자 빔 소스(103)에 전달되는 커맨드 신호들(135)에 기초하여 능동적으로 제어된다. 일부 예들에서, 커맨드 신호들(135)은 전자 빔 소스(103)에 의해 공급될 원하는 전자 빔 에너지의 표시를 포함한다. 이에 응답하여, 전자 빔 소스(103)는 전자 빔 에너지 출력을 원하는 값으로 조정한다. 일부 실시예들에서, 전자 빔 소스(103)는 10kV 초과의 전압차(voltage differential)를 사용하여 집속 전자들의 스트림(105)을 가속시킨다.

전자 광학장치(104)는 전자들의 스트림(105)을 액체 금속 애노드 재료(113)를 향해 지향 및/또는 집속시키도록 구성된다. 전자 광학장치(104)는 전자 빔을 집속하고 전자들의 스트림(105)을 지향시키기에 적합한 전자석들, 영구 자석들, 또는 전자석들과 영구 자석들의 임의의 조합을 포함한다. 일부 실시예들에서, 전자 광학장치(104)는 전자 빔을 집속 및 지향시키기 위해 솔레노이드들, Halbach 실린더들와 같은 사중극 렌즈들 또는 Einzel 렌즈들과 같은 정전기 요소들을 포함할 수 있다. 그에 부가하여, 전자 광학장치(104)는 전자 모노크로메이터(electron monochromator)로서 구성될 수 있다. 더욱이, 전자 광학장치(104)는 전자 빔 잡음을 추가로 감소시키기 위해 빔을 집속시키는 데 이용될 수 있다.

그에 부가하여, 전자 광학장치(104)는 컴퓨팅 시스템(130)에 의한 능동 제어를 위해 구성될 수 있다. 일부 실시예들(도시되지 않음)에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 전자 광학장치(104)에 통신가능하게 커플링된다. 일부 예들에서, 전자기 요소들에 공급되는 전류 또는 전압은 컴퓨팅 시스템(130)으로부터 전자 광학장치(104)에 전달되는 커맨드 신호들에 기초하여 능동적으로 제어될 수 있다. 다른 예에서, 자기 요소(예를 들어, 영구 자석)의 위치는 컴퓨팅 시스템(130)으로부터 전자 광학장치(104)에 전달되는 커맨드 신호들에 기초하여 위치결정 시스템(도시되지 않음)에 의해 조작될 수 있다. 이러한 방식으로, 전자들의 스트림(105)을 집속 및 지향시키는 것은 액체 금속 애노드 재료(113)에 입사하는 전자들의 안정된 스트림(105)을 달성하기 위해 컴퓨팅 시스템(130)의 제어 하에서 달성된다.

도 1에 묘사된 바와 같이, x-선 광학장치(106)는 전자들의 스트림(105)의 입사 스폿 및 액체 금속 애노드 재료(113)로부터의 x-선 방출을 수집하고 입사 x-선 빔(108)을 성형하여 시료(101) 쪽으로 지향시키도록 구성된다.

다른 양태에서, x-선 광학장치(106)는 특정 수집 각도들에서 원하는 에너지 대역에서의 x-선 방출을 피크 강도로 포착하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, x-선 광학장치(106)는 x-선 방사선을 측정 타깃에 직접 집속시키도록 설계되어 있다. 고에너지 집속 전자 빔이 액체 금속 애노드 타깃에 충돌할 때, 자극된 x-선 방출은 광대역 Bremsstrahlung 방사선 및 특성 라인 방출(즉, Κα, Κβ, Lα, Lβ 등)을 포함한다. 일부 실시예들에서, x-선 수집 광학장치는 일정 범위의 수집 각도들에 걸쳐 x-선 방사선을 수집함으로써 x-선 밝기를 최적화하는 방식으로 배향된다.

일부 예들에서, x-선 광학장치(106)는 시료(101)에 입사하는 x-선 빔을 단색화(monochromatize)한다. 일부 예들에서, x-선 광학장치(106)는 x-선 빔(108)을 시료(101)의 검사 영역(102) 상으로 콜리메이팅하거나 집속시킨다. 일부 실시예들에서, x-선 광학장치(106)는 하나 이상의 x-선 콜리메이팅 미러, x-선 애퍼처들, x-선 모노크로메이터들, 및 x-선 빔 스톱들, 다층 광학장치, 굴절 x-선 광학장치, 존 플레이트들(zone plates)과 같은 회절 광학장치, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.

일부 실시예들에서, 다중모세관(polycapillary) x-선 광학장치, 거울반사(specular) 광학장치, 또는 Loxley-Tanner-Bowen 구성으로 배열된 광학장치와 같은 첨단 x-선 광학장치는 반도체 시료의 고휘도, 작은 스폿 크기의 조명을 달성하기 위해 이용된다. 예를 들어, 고 강도 x-선 빔들이 스침 입사(grazing incidence) 타원체 미러들과 같은 거울반사 x-선 광학장치, 중공 모세관 x-선 도파관들과 같은 다중모세관 광학장치, 다층 광학장치, 또는 Loxley-Tanner-Bowen 시스템과 같은 결정 광학장치(crystalline optics)를 사용하여 전송되고 40 마이크로미터 미만의 스폿 크기들로 집속될 수 있다.

바람직한 실시예들에서, x-선 광학장치(106)는 다층 광학장치이다. 이 실시예들 중 일부에서, 다층 광학장치는 x-선 빔(108)을 10-1 미만의 스펙트럼 순도(spectral purity)(δλ/λ)로 단색화하기 위해 이용된다. 이 레벨의 스펙트럼 순도는 x-선 반사율(XRR), x-선 회절(XRD), 및 x-선 형광(XRF)과 같은 계측 기술들에 적합하다. 일부 다른 실시예들에서, 결정 모노크로메이터들은 x-선 빔(108)을 10-6 미만의 스펙트럼 순도(δλ/λ)로 단색화하기 위해 이용된다. 이 레벨의 스펙트럼 순도는 고분해능 x-선 회절(high resolution x-ray diffraction; HRXRD)과 같은 계측 기술들에 적합하다.

x-선 광학장치(106)는 컴퓨팅 시스템(130)에 의한 능동 제어를 위해 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 x-선 광학장치(106)에 통신가능하게 커플링된다(도시되지 않음). 일 예에서, 컴퓨팅 시스템(130)으로부터 x-선 광학장치(106)에 전달되는 커맨드 신호들은 광학 요소의 원하는 위치를 나타낸다. 광학 요소의 위치는 커맨드 신호에 기초하여 위치결정 시스템(도시되지 않음)에 의해 조정될 수 있다. 이러한 방식으로, x-선 빔(108)을 집속 및 지향시키는 것은 시료(101)에 입사하는 안정된 조명을 달성하기 위해 컴퓨팅 시스템(130)의 제어 하에서 달성된다. 일부 예들에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 시료(101)에 입사하는 x-선 빔(108)의 위치결정 및 스폿 크기를 제어하도록 구성된다. 일부 예들에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 x-선 빔(108)의 조명 속성들(예를 들어, 강도, 편광, 스펙트럼 등)을 제어하도록 구성된다.

도 1에 묘사된 바와 같이, x-선 검출기(123)는 입사 x-선 조명에 응답하여 시료(101)로부터 산란되는 x-선 방사선(122)을 수집하고 입사 x-선 방사선에 민감한 시료(101)의 속성들을 나타내는 출력 신호(124)를 생성한다. 시료 위치결정 시스템(140)이 각도 분해된 산란된 x-선들(angularly resolved scattered x-rays)을 생성하도록 시료(101)를 위치 및 배향시키는 동안, 산란된 x-선들(122)이 x-선 검출기(123)에 의해 수집된다.

도 1에 묘사된 바와 같이, LiMeRa x-선 소스는 진공 챔버(120) 내에 유지되는 진공 환경에서 유지된다. x-선들이 액체 금속 애노드 재료(113)로부터 x-선 광학장치(106)를 향해 전파될 때 x-선 방출은 진공 창(121)을 통과한다.

도 2a는 일 예에서의 도 1에 묘사된 회전 애노드 조립체(110)를 묘사한다. 도 2a에 묘사된 예에서, 회전 애노드 조립체(110)의 각속도는 제로이다(즉, 정지되어 있음(at rest)). 이 예에서, 액체 금속 애노드 재료(113)에 작용하는 원심력은 없다. 그 결과, 액체 금속 애노드 재료(113)에 작용하는 중력이 동역학적 힘(dynamic force)을 좌우하고, 액체 금속 애노드 재료(113)는 중력 벡터(G)에 수직인 방향으로 회전 애노드 지지 구조체(111)의 형상과 부합한다. 각속도가 제로일 때 액체 금속 애노드 재료(113)가 회전 애노드 지지 구조체(111)와 접촉한 채로 유지되게 제약되도록 회전 애노드 지지 구조체(111)가 성형되어 있다. 환언하면, 각속도가 제로일 때 액체 금속 애노드 재료(113)가 흘러넘치지 않고 손실되지 않도록 회전 애노드 지지 구조체(111)가 성형되어 있다.

도 2b는 다른 예에서의 도 1에 묘사된 회전 애노드 조립체(110)를 묘사한다. 도 2b에 묘사된 예에서, 회전 애노드 조립체(110)의 각속도는 일정한 값(ω)이다. 이 경우에, 액체 금속 애노드 재료(113)에 작용하는 중력에 부가하여, 원심력이 액체 금속 애노드 재료(113)에 작용한다. 그 결과, 액체 금속 애노드 재료(113)는 또한 회전축(A)에 평행한 방향으로 회전 애노드 지지 구조체(111)의 형상과 부합한다. 각속도가 비제로일 때 액체 금속 애노드 재료(113)가 회전 애노드 지지 구조체(111)와 접촉한 채로 유지되게 제약되도록 회전 애노드 지지 구조체(111)가 성형되어 있다. 환언하면, 각속도가 비제로일 때 액체 금속 애노드 재료(113)가 흘러넘치지 않고 손실되지 않도록 회전 애노드 지지 구조체(111)가 성형되어 있다. 추가의 양태에서, 회전 애노드 지지 구조체는 회전 애노드 지지 구조체가 일정한 각속도로 회전하는 동안 회전 애노드 지지 구조체에 대해 고정된 위치에서 액체 금속 애노드 재료를 지지한다. 환언하면, 회전 애노드 지지 구조체가 일정한 각속도로 회전하는 동안, 액체 금속 애노드 재료가 회전 애노드 지지 구조체에 대해 유동하지 않는다.

추가의 양태에서, 회전 조립체로 하여금 또한 회전축(A)에 평행한 방향으로 병진하게 하는 병진 액추에이터가 회전 조립체에 커플링된다.

도 3은 회전 애노드 지지 구조체(111), 회전 액추에이터(112), 액체 금속 애노드 재료(113), 및 병진 액추에이터(114)를 포함하는 회전 조립체(125)를 묘사한다. 도 3에 묘사된 실시예에서, 병진 액추에이터(114)는 회전 액추에이터(112)에 커플링되고 회전축(A)에 평행한 방향으로 진폭(ΔH)으로 회전 조립체를 진동시킨다. 액체 금속 애노드 재료(113)의 회전 운동은 원주상으로(circumferentially) 액체 금속 애노드 재료(113)에 대한 전자들의 스트림(105)의 입사 위치를 효과적으로 변화시킨다. 액체 금속 애노드 재료(113)의 병진 운동은 회전축에 평행한 방향으로 액체 금속 애노드 재료(113)에 대한 전자들의 스트림(105)의 입사 위치를 효과적으로 변화시킨다. 이것은 전자들의 스트림(105)에 의해 액체 금속 애노드 재료(113)에 부과되는 열 부하를 더 큰 영역에 걸쳐 효과적으로 확산시킨다.

도 4는 회전 애노드 지지 구조체(111), 회전 액추에이터(112), 액체 금속 애노드 재료(113), 및 출력 창(115)을 포함하는 회전 조립체(126)를 묘사한다. 도 4에 묘사된 실시예에서, x-선 방사선에 실질적으로 투명한 출력 창(115)은 회전 애노드 지지 구조체(111)에 커플링된다. 액체 금속 애노드 재료(113)로부터 방출되는 x-선들(117)은 출력 창(115)을 통해 투과된다. 계측 시스템(100)과 같은, 계측 시스템은 투과된 x-선 방사선(117)을 수집하고 측정 중인 시료(101)를 향해 지향시키는 x-선 광학 요소들을 포함한다. 이러한 방식으로, x-선 방사선은 또한, 액체 금속 애노드 재료(113)의 노출된 표면으로부터 직접 수집되는 x-선 방사선(예를 들어, x-선 방사선(118)) 대신에 또는 그에 부가하여, 투과 모드로 수집된다.

다른 추가의 양태에서, 격납 창은 회전 애노드 지지 구조체에 커플링되고, 전자들의 입사 스트림(105)은 액체 금속 애노드 재료(113)에의 입사 이전에 격납 창을 통해 투과된다.

도 5는 회전 애노드 지지 구조체(111), 회전 액추에이터(112), 액체 금속 애노드 재료(113), 출력 창(115), 및 격납 창(116)을 포함하는 회전 조립체(127)를 묘사한다. 도 5에 묘사된 실시예에서, 전자들의 스트림(105)에 실질적으로 투명한 격납 창(116)은 회전 애노드 지지 구조체(111)에 커플링되고, 각속도와 무관하게 액체 금속 애노드 재료(113)를 회전 애노드 지지 구조체에 대해 고정된 형태로 효과적으로 구속한다. 도 5에 묘사된 바와 같이, 액체 금속 애노드 재료(113)는 격납 창(116)과 출력 창(115) 사이에 효과적으로 포획된다. 이러한 방식으로, 액체 금속 애노드 재료(113)는 각속도에 관계없이 형상을 변화시키지 않는다. 출력 창을 이용하지 않는 실시예들에서, 액체 금속 애노드 재료(113)는 격납 창(116)과 회전 애노드 지지 구조체(111) 사이에 효과적으로 포획된다. 도 5에 묘사된 실시예에서, 액체 금속 애노드 재료(113)로부터 방출되는 x-선들(117)은 출력 창(115)을 통해 투과되고, x-선 방사선(118)은 또한 액체 금속 애노드 재료(113)의 노출된 표면으로부터 직접 수집된다. 그렇지만, 일반적으로, x-선 방사선은, 출력 창(115)을 통해 투과되는 바와 같이, 액체 금속 애노드 재료(113)의 노출된 표면으로부터 직접로 수집될 수 있거나 또는 둘 다일 수 있다.

도 1 내지 도 4는 회전 애노드 지지 구조체가 상이한 일정한 각속도들로 회전될 때 액체 금속 애노드 재료가 상이한 형상을 취하도록 액체 금속 애노드 재료를 지지하는 회전 애노드 지지 구조체의 실시예들을 묘사한다. 보다 구체적으로, 도 1 내지 도 4에 예시된 액체 금속 애노드 재료(113)의 단면도들은 회전축(A)을 중심으로 회전하는 액체 금속 애노드 재료의 단면을 도시하고, 정확한 단면 형상은 회전 애노드 지지 구조체의 회전의 각속도에 의존한다. 이와 대조적으로, 도 5는 액체 금속 애노드 재료가 회전 애노드 지지 구조체의 각속도와 무관하게 대략 동일한 형상을 취하도록 액체 금속 애노드 재료를 지지하는 회전 애노드 지지 구조체의 실시예를 묘사한다.

일반적으로, 많은 상이한 형상들이 고려될 수 있다. 도 6a 및 6b는 회전 애노드 지지 구조체(151), 회전 액추에이터(152), 및 액체 금속 애노드 재료(153)를 포함하는 회전 조립체(150)의 실시예(150)를 묘사한다. 실시예(150)에서, 회전 애노드 지지 구조체가 일정한 각속도로 회전되는 동안 액체 금속 애노드 재료가 토로이달 형상을 취하도록 회전 지지 구조체(151)가 액체 금속 애노드 재료를 지지한다. 보다 구체적으로, 도 6a 및 도 6b에 예시된 액체 금속 애노드 재료(153)의 단면도들은 회전 애노드 지지 구조체(151)의 반원형 형상과 부합하는 액체 금속 애노드 재료를 도시한다.

도 6a는 일 예에서의 회전 애노드 조립체(150)를 묘사한다. 도 6a에 묘사된 예에서, 회전 애노드 조립체(150)의 각속도는 제로이다(즉, 정지되어 있음). 이 경우에, 액체 금속 애노드 재료(153)에 작용하는 원심력은 없다. 그 결과, 액체 금속 애노드 재료(153)에 작용하는 중력이 동역학적 힘을 좌우하고, 액체 금속 애노드 재료(153)는 중력 벡터(G)에 수직인 방향으로 회전 애노드 지지 구조체(151)의 형상과 부합한다. 각속도가 제로일 때 액체 금속 애노드 재료(153)가 회전 애노드 지지 구조체(151)와 접촉한 채로 유지되게 제약되도록 회전 애노드 지지 구조체(151)가 성형되어 있다. 환언하면, 각속도가 제로일 때 액체 금속 애노드 재료(153)가 흘러넘치지 않고 손실되지 않도록 회전 애노드 지지 구조체(151)가 성형되어 있다.

도 6b는 다른 예에서의 회전 애노드 조립체(150)를 묘사한다. 도 6b에 묘사된 예에서, 회전 애노드 조립체(150)의 각속도는 일정한 값(ω)이다. 이 경우에, 액체 금속 애노드 재료(153)에 작용하는 중력에 부가하여, 원심력이 액체 금속 애노드 재료(153)에 작용한다. 그 결과, 액체 금속 애노드 재료(153)는 또한 회전축(A)에 평행한 방향으로 회전 애노드 지지 구조체(151)의 형상과 부합한다. 각속도가 비제로일 때 액체 금속 애노드 재료(153)가 회전 애노드 지지 구조체(151)와 접촉한 채로 유지되게 제약되도록 회전 애노드 지지 구조체(151)가 성형되어 있다. 환언하면, 각속도가 비제로일 때 액체 금속 애노드 재료(153)가 흘러넘치지 않고 손실되지 않도록 회전 애노드 지지 구조체(111)가 성형되어 있다.

도 7은 회전 애노드 지지 구조체(161), 회전 액추에이터(162), 액체 금속 애노드 재료(163), 및 격납 창(164)을 포함하는 회전 조립체(160)를 묘사한다. 도 7에 묘사된 실시예에서, 전자들의 스트림(105)에 실질적으로 투명한 격납 창(164)은 회전 애노드 지지 구조체(161)에 커플링되고, 각속도와 무관하게 액체 금속 애노드 재료(163)를 회전 애노드 지지 구조체에 대해 고정된 형태로 효과적으로 구속한다. 도 7에 묘사된 바와 같이, 액체 금속 애노드 재료(163)는 격납 창(164)과 회전 애노드 지지 구조체(161) 사이에 효과적으로 포획된다. 이러한 방식으로, 액체 금속 애노드 재료(163)는 각속도에 관계없이 형상을 변화시키지 않는다. 액체 금속 애노드 재료(163)는 격납 창(164)과 회전 애노드 지지 구조체(161) 사이에 효과적으로 포획된다. 도 7에 묘사된 실시예에서, 액체 금속 애노드 재료(163)로부터 방출되는 x-선들(165)은 격납 창(164)을 통해 투과된다.

일반적으로, 회전 애노드 지지 구조체, 격납 창, 및 출력 창은 금속, 흑연, 다이아몬드, 또는 이들의 임의의 조합으로 제조될 수 있다.

일반적으로, x-선 에너지 및 생성 효율은 애노드 재료의 원소 원자 번호(Z)에 따라 스케일링된다. 몇몇 예외는 있지만, 원자 번호가 높을수록, x-선 에너지가 높고(즉, 더 짧은 파장) 수율 효율이 높다. 안타깝게도, 상대적으로 높은 원자 번호를 갖는 많은 재료들은 또한 높은 용융 온도들을 갖는다.

본 명세서에서 설명된 바와 같은 LiMeRa x-선 조명 소스에서 액체 금속 애노드 재료로서 구현하기에 적합한 액체 금속 재료들은 갈륨, 인듐, 주석, 탈륨, 카드뮴, 비스무트, 납, 안티몬, 은, 금, 및 이들의 임의의 조합을 포함한다. 그에 부가하여, 갈륨, 인듐, 주석, 탈륨, 카드뮴, 비스무트, 납, 안티몬, 은, 및 금을 포함하는 액체 금속 애노드 합금들이 또한 본 특허 문서의 범위 내에서 고려될 수 있다. 예시적인 합금은, 대략 70 ℃(158 ℉)의 용융점을 갖는 공융, 가용 합금(eutectic, fusible alloy)인, 우드 메탈(Wood's metal)이다. 이는 50 중량% 비스무트, 26.7 중량% 납, 13.3 중량% 주석, 및 10 중량% 카드뮴을 포함하는 공융 합금이다.

바람직한 예에서, 액체 금속 애노드 재료는 인듐(Z = 49), 또는 인듐을 포함하는 합금이다. 용융된 인듐을 안정적으로 지지하기 위해 종래의 금속들 또는 내화 재료들이 이용될 수 있다. 게다가, 액체 인듐을 156 ℃의 그의 용융점 초과의 온도로 유지하기 위해 종래의 가열 디바이스들이 이용될 수 있다. 유사하게, 용융된 주석(Z = 50)을 안정적으로 지지하기 위해 종래의 금속들 또는 내화 재료들이 이용될 수 있고, 액체 주석을 232 ℃의 그의 용융점 초과의 온도로 유지하기 위해 종래의 가열 디바이스들이 이용될 수 있다.

액체 금속 애노드(113)와 전자들의 스트림(105)의 일치(coincidence)는 시료(101)의 검사 영역(102)에 입사하는 x-선 방출(108)을 생성한다. LiMeRa x-선 조명 소스는 액체 금속 애노드 재료로부터의 K-쉘 방출, L-쉘 방출, 또는 이들의 조합을 수집한다. 일부 실시예들에서, 패터닝된 실리콘 웨이퍼들 상에서의 임계 치수 및 오버레이 계측과 같은 투과 소각 x-선 산란측정법(Transmission Small Angle X-ray Scattering; T-SAXS) 기반 반도체 계측 응용들에 적합한 투과 효율로 실리콘 웨이퍼를 통해 침투하기 위해 10keV 내지 25keV 범위에 있는 x-선 소스 광자 에너지를 갖는 것이 바람직하다.

일부 실시예들에서, 시료(101)와 액체 금속 애노드 재료(113) 사이의 거리는 길다(예를 들어, 1 미터 초과). 이 실시예들에서, 빔 경로에 존재하는 공기는 바람직하지 않은 빔 산란을 유발한다. 따라서, 일부 실시예들에서, LiMeRa 조명 소스로부터 시료(101) 쪽으로 배기된 비행 튜브(flight tube)를 통해 x-선 빔(108)을 전파시키는 것이 바람직하다.

일부 실시예들에서, x-선 검출기(123)는 시료(101)와 동일한 대기 환경(예컨대, 가스 퍼지(gas purge) 환경)에서 유지된다. 그렇지만, 일부 실시예들에서, 시료(101)와 x-선 검출기(123) 사이의 거리는 길다(예를 들어, 1 미터 초과). 이 실시예들에서, 빔 경로에 존재하는 공기는, 특히 LiMeRa 조명 소스가 하드 x-선들(예를 들어, 5keV 초과의 광자 에너지)을 생성하도록 구성될 때, 바람직하지 않은 빔 산란을 유발한다. 따라서, 일부 실시예들에서, x-선 검출기(123)는 진공 창에 의해 시료(예를 들어, 시료(101))으로부터 분리된 국소 진공 환경에서 유지된다. 도 8은 x-선 검출기(123)를 격납하는 진공 챔버를 예시하는 다이어그램이다. 바람직한 실시예에서, 진공 챔버(170)는 시료(101)와 x-선 검출기(123) 사이의 경로의 상당 부분을 포함한다. 진공 챔버(170)의 개구부는 진공 창(171)에 의해 커버된다. 진공 창(171)은 x-선 방사선에 실질적으로 투명한 임의의 적당한 재료(예컨대, 캡톤(Kapton), 베릴륨(Beryllium) 등)로 구성될 수 있다. 산란된 x-선 방사선(122)은 진공 창(171)을 통과하고, 진공 챔버(170)에 들어가며 x-선 검출기(123)에 입사한다. 산란된 x-선 방사선(122)에 대한 외란들을 최소화하기 위해 적합한 진공 환경(172)이 진공 챔버(170) 내에 유지된다.

일부 실시예들에서, x-선들의 흡수를 최소화하기 위해 x-선 조명 빔(108), 시료(101), 수집 빔(122), 및 검출기(123)를 배기된 환경에서 유지하는 것이 바람직하다. 이것은 LiMeRa 조명 소스가 소프트 x-선들(예를 들어, 5keV 미만의 광자 에너지)을 생성하도록 구성된 경우 특히 바람직하다.

도 9는 반도체 계측 측정을 수행하기 위한 x-선 계측 시스템(200)을 예시한다. 비제한적인 예로서, x-선 계측 시스템(200)은 스침 입사 모드에서 동작한다. 보다 구체적으로는, x-선 계측 시스템(200)은 스침 입사 소각 x-선 산란(grazing incidence small-angle x-ray scattering; GISAXS) 측정 시스템으로서 구성된다. 전형적인 입사각과 수집 각도는 시료의 표면으로부터 측정되는 바와 같이 대략 1도이거나, 또는 시료의 표면에 수직인 축으로부터 대략 약 89도이다. x-선 계측 시스템(200)은 도 1을 참조하여 설명된 바와 같은 LiMeRa x-선 조명 소스를 포함한다. 도 9에 예시된 바와 같이, x-선 계측 시스템(200)은 도 1을 참조하여 설명된 유사하고, 비슷한 번호의 요소들을 포함한다. x-선 계측 시스템(200)은 샘플 핸들러(도시되지 않음)가 시료를 위치시키는 동안 시료로부터 산란되는 x-선들이 검출기에 의해 수집되도록 구성된다. 그에 부가하여, 광전자들, 형광을 통해 생성되는 x-선들, 또는 이온들과 같은 상호작용 동안 생성되는 임의의 다른 입자들이 검출될 수 있다. GISAXS 측정을 수행하도록 구성된 계측 시스템들은 작은 각도들로 조명되는 상대적으로 큰 샘플 영역에 걸쳐 충분한 밝기를 유지하기 위해 고휘도 x-선 소스를 필요로 한다. 이러한 이유로, LiMeRa x-선 조명 소스는 GISAXS 측정에 특히 적합하다.

비제한적인 예로서, 도 1에 예시된 x-선 계측 시스템(100)은 투과 소각 x-선 산란계(TSAXS)로서 구성되고, 도 9에 예시된 x-선 계측 시스템(200)은 스침 입사 소각 x-선 산란계(GISAXS)로서 구성된다. 그렇지만, 일반적으로, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 LiMeRa x-선 조명 소스를 이용하는 x-선 계측 시스템은 다음과 같은 계측 기술들: 투과 소각 x-선 산란(TSAXS), 스침 입사 소각 x-선 산란(GISAXS), 광각 x-선 산란(WAXS), x-선 반사측정법(XRR), 스침 입사 x-선 반사측정법(GXR), x-선 회절(XRD), 스침 입사 x-선 회절(GIXRD), 고분해능 x-선 회절(HRXRD), x-선 광전자 분광법(XPS), x-선 형광(XRF), 전반사 x-선 형광(TXRF), 스침 입사 x-선 형광(GIXRF), x-선 단층 촬영, x-선 타원편광 해석법 및 하드 x-선 광방출 분광법(HXPS) 중 임의의 하나 이상을 이용할 수 있다.

x-선 계측 툴(100)은 x-선 검출기(123)에 의해 생성되는 신호들(124)을 취득하고 취득된 신호들에 적어도 부분적으로 기초하여 시료의 속성들을 결정하는 데 이용되는 컴퓨팅 시스템(130)을 또한 포함한다. 도 1에 예시된 바와 같이, 컴퓨팅 시스템(130)은 x-선 검출기(123)에 통신가능하게 커플링된다. 일 예에서, x-선 검출기(123)는 x-선 분광계이며, 측정 데이터(124)는 x-선 분광계에 의해 구현되는 하나 이상의 샘플링 프로세스에 기초하여 시료의 측정된 스펙트럼 응답의 표시를 포함한다. 컴퓨팅 시스템(130)은 시료의 모델들을 구축하고, 모델들에 기초하여 x-선 시뮬레이션들을 생성하며, 샘플의 하나 이상의 특성(예를 들어, 측정 중인 구조체의 관심 파라미터(180)의 파라미터 값)을 결정하기 위해 x-선 검출기(123)로부터 수신되는 시뮬레이션들 및 신호들(124)을 분석하도록 구성된다.

추가의 실시예에서, 컴퓨팅 시스템(130)은, 실시간 임계 치수 기입(Real Time Critical Dimensioning; RTCD)를 이용하여, 실시간으로 모델 파라미터들에 액세스하도록 구성되거나, 또는 시료(101)와 연관된 적어도 하나의 시료 파라미터 값의 값을 결정하기 위해 미리 계산된 모델들의 라이브러리들에 액세스할 수 있다. 일반적으로, 시료의 할당된 CD 파라미터들과 측정된 시료와 연관된 CD 파라미터들 사이의 차이를 평가하기 위해 어떤 형태의 CD-엔진이 사용될 수 있다. 시료 파라미터 값들을 계산하기 위한 예시적인 방법들 및 시스템들은 2010년 11월 2일자로 KLA-Tencor사에 발행된 미국 특허 제7,826,071호에 설명되어 있으며, 이 미국 특허 전체는 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

일 예에서, 측정 데이터(124)는 시료의 측정된 x-선 응답의 표시를 포함한다. 검출기(123)의 표면 상에서의 측정된 x-선 응답의 분포에 기초하여, 시료(101) 상에서의 x-선 빔(108)의 입사의 위치 및 영역은 컴퓨팅 시스템(130)에 의해 결정된다. 일 예에서, 측정 데이터(124)에 기초하여 시료(101) 상에서의 x-선 빔(108)의 입사의 위치 및 영역을 결정하기 위해 패턴 인식 기술들이 컴퓨팅 시스템(130)에 의해 적용된다. 이에 응답하여, 컴퓨팅 시스템(130)은 입사 x-선 조명 빔(108)을 재지향시키고 재성형하기 위해 전자 광학장치(104) 및 x-선 광학장치(109) 중 임의의 것에 대한 커맨드 신호들을 생성한다.

다른 양태에서, 특정의 검사 영역의 x-선 측정들은 다수의 상이한 평면외 배향들에서 수행된다. 이것은 측정된 파라미터들의 정밀도 및 정확도를 증가시키고 다양한 대각 평면외 배향들(large-angle, out of plane orientations)을 포함하도록 분석에 이용가능한 데이터 세트들의 개수 및 다양성을 확장함으로써 파라미터들 간의 상관들을 감소시킨다. 더 깊고 더 다양한 데이터 세트를 사용하여 시료 파라미터들을 측정하는 것은 또한 파라미터들 간의 상관들을 감소시키고 측정 정확도를 개선시킨다.

도 1에 예시된 바와 같이, x-선 계측 툴(100)은 LiMeRa x-선 조명 소스에 대해 큰 범위의 평면외 각도 배향들(out of plane angular orientations)에 걸쳐 시료(101)를 정렬시키도 하고 시료(101)를 배향시키기도 하도록 구성된 시료 위치결정 시스템(140)을 포함한다. 환언하면, 시료 위치결정 시스템(140)은 시료(101)의 표면과 평면 내에 정렬되는 하나 이상의 회전축을 중심으로 큰 각도 범위에 걸쳐 시료(101)를 회전시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 시료 위치결정 시스템(140)은 시료(101)의 표면과 평면 내에 정렬되는 하나 이상의 회전축을 중심으로 적어도 90도의 범위 내에서 시료(101)를 회전시키도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 시료 위치결정 시스템은 시료(101)의 표면과 평면 내에 정렬되는 하나 이상의 회전축을 중심으로 적어도 60도의 범위 내에서 시료(101)를 회전시키도록 구성된다. 일부 다른 실시예들에서, 시료 위치결정 시스템은 시료(101)의 표면과 평면 내에 정렬되는 하나 이상의 회전축을 중심으로 적어도 1도의 범위 내에서 시료(101)를 회전시키도록 구성된다. 이러한 방식으로, 시료(101)의 각도 분해된 측정들이 시료(101)의 표면 상의 임의의 개수의 위치들에 걸쳐 x-선 계측 시스템(100)에 의해 수집된다. 일 예에서, 컴퓨팅 시스템(130)은 시료(101)의 원하는 위치를 나타내는 커맨드 신호들(137)을 시료 위치결정 시스템(140)의 모션 제어기(145)에 전달한다. 이에 응답하여, 모션 제어기(145)는 시료(101)의 원하는 위치결정을 달성하기 위해 시료 위치결정 시스템(140)의 다양한 액추에이터들에 대한 커맨드 신호들을 생성한다. 비제한적인 예로서, 시료 위치결정 시스템은 헥사포드(hexapod) 스테이지, 선형(linear) 스테이지, 및 각형(angular) 스테이지의 임의의 조합을 포함할 수 있다.

비제한적인 예로서, 도 1에 예시된 바와 같이, 시료 위치결정 시스템(140)은 시료(101)를 시료 위치결정 시스템(140)에 고정되게 부착하기 위한 에지 그립 척(edge grip chuck)(141)을 포함한다. 회전 액추에이터(142)는 외주부 프레임(perimeter frame)(143)에 대해 에지 그립 척(141) 및 부착된 시료(101)를 회전시키도록 구성된다. 묘사된 실시예에서, 회전 액추에이터(142)는 도 1에 예시된 좌표계(146)의 x-축을 중심으로 시료(101)를 회전시키도록 구성된다. 도 1에 묘사된 바와 같이, z-축을 중심으로 한 시료(101)의 회전은 시료(101)의 평면내 회전(in plane rotation)이다. x-축 및 y-축(도시되지 않음)을 중심으로 한 회전은 계측 시스템(100)의 계측 요소들에 대해 시료의 표면을 효과적으로 경사지게 하는(tilt) 시료(101)의 평면외 회전이다. 비록 예시되어 있지는 않지만, 제2 회전 액추에이터는 y-축을 중심으로 시료(101)를 회전시키도록 구성된다. 선형 액추에이터(144)는 외주부 프레임(143)을 x-방향으로 병진시키도록 구성된다. 다른 선형 액추에이터(도시되지 않음)는 외주부 프레임(143)을 y-방향으로 병진시키도록 구성된다. 이러한 방식으로, 시료(101)의 표면 상의 모든 위치는 일정 범위의 평면외 각도 위치들에 걸쳐 측정에 이용가능하다. 예를 들어, 일 실시예에서, 시료(101)의 위치는 시료(101)의 법선 배향에 대해 -45도 내지 +45도의 범위 내에서 몇 개의 각도 증분들(angular increments)에 걸쳐 측정된다.

시료 위치결정 시스템(140)의 큰, 평면외, 각도 위치결정 능력은 측정 감도를 확장시키고 파라미터들 사이의 상관들을 감소시킨다. 예를 들어, 법선 배향(normal orientation)에서, SAXS는 피처의 임계 치수를 분해할 수 있지만, 피처의 측벽 각도 및 높이에 대체로 둔감하다. 그렇지만, 넓은 범위의 평면외 각도 위치들에 걸쳐 측정 데이터를 수집하는 것은 다수의 회절 차수들과 연관된 측정 데이터의 수집을 가능하게 해준다. 이것은 피쳐의 측벽 각도 및 높이가 분해될 수 있게 해준다. 그에 부가하여, 고도화된 구조체들과 연관된 라운딩(rounding) 또는 임의의 다른 형상들과 같은 다른 피처들이 분해될 수 있다.

본 명세서에서 설명된 바와 같은 고휘도 액체 금속 용적 x-선 소스를 이용하는 x-선 계측 툴은 소스에 의해 생성되는 고휘도 및 단파장 방사선(예를 들어, 500eV 초과의 광자 에너지)으로 인해 증가된 측정 감도 및 처리량을 가능하게 해준다. 비제한적인 예로서, x-선 계측 툴은 10 나노미터 미만의 구조체들의 기하학적 파라미터들(예를 들어, 피치, 임계 치수(CD), 측벽 각도(SWA), 라인 폭 조도(LWR), 및 라인 에지 조도(LER))을 측정할 수 있다. 그에 부가하여, x-선 방사선의 고에너지 특성은 광학적으로 불투명한 박막들, 매립된 구조체들, 고 애스팩트비 구조체들, 및 많은 박막 층들을 포함하는 디바이스들을 침투한다.

본 명세서에서 설명된 바와 같은 고휘도 LiMeRa x-선 조명 소스를 이용하는 x-선 계측 시스템은 반도체 구조체들의 특성들을 결정하는 데 사용될 수 있다. 예시적인 구조체들은 FinFET들, 나노와이어들 또는 그래핀과 같은 저차원 구조체들, 10 nm 미만(sub 10 nm) 구조체들, 박막들, 리소그래픽 구조체들, 실리콘 관통 비아들(through substrate vias; TSV들), DRAM, DRAM 4F2, FLASH와 같은 메모리 구조체들 및 고 애스펙트비 메모리 구조체들을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 예시적인 구조적 특성들은 라인 에지 조도, 라인 폭 조도, 기공 크기, 기공 밀도, 측벽 각도, 프로파일, 막 두께, 임계 치수, 피치와 같은 기하학적 파라미터들, 및 전자 밀도, 결정립 구조(grain structure), 모폴로지(morphology), 배향, 응력, 및 변형(strain)과 같은 재료 파라미터들을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다.

본 개시내용 전반에 걸쳐 설명된 다양한 단계들이 단일 컴퓨터 시스템(130) 또는, 대안적으로, 다중 컴퓨터 시스템(130)에 의해 수행될 수 있음이 인식되어야 한다. 더욱이, 시료 위치결정 시스템(140)과 같은, 시스템(100)의 상이한 서브시스템들은 본 명세서에서 설명된 단계들의 적어도 일 부분을 수행하기에 적당한 컴퓨터 시스템을 포함할 수 있다. 따라서, 전술한 설명은 본 발명에 대한 제한으로서 해석되어서는 안되며 단지 예시로서 해석되어야 한다. 게다가, 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)은 본 명세서에 설명된 방법 실시예들 중 임의의 방법 실시예의 임의의 다른 단계(들)을 수행하도록 구성될 수 있다.

그에 부가하여, 컴퓨터 시스템(130)은 본 기술분야에서 알려진 임의의 방식으로 x-선 검출기(123), 전자 광학장치(104), x-선 광학장치(106), 전자 빔 소스(103), 회전 액추에이터(112), 병진 액추에이터(114), 및 시료 위치결정 시스템(140)에 통신가능하게 커플링될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 컴퓨팅 시스템(130)은 x-선 검출기(123), 전자 광학장치(104), x-선 광학장치(106), 전자 빔 소스(103), 회전 액추에이터(112), 병진 액추에이터(114), 및 시료 위치결정 시스템(140)과 연관된 컴퓨팅 시스템들에, 각각, 커플링될 수 있다. 다른 예에서, x-선 검출기(123), 전자 광학장치(104), x-선 광학장치(106), 전자 빔 소스(103), 회전 액추에이터(112), 병진 액추에이터(114), 및 시료 위치결정 시스템(140) 중 임의의 것은 컴퓨터 시스템(130)에 커플링된 단일 컴퓨터 시스템에 의해 직접 제어될 수 있다.

x-선 계측 시스템(100)의 컴퓨터 시스템(130)은 유선 및/또는 무선 부분들을 포함할 수 있는 전송 매체에 의해 시스템의 서브시스템들(예를 들어, x-선 검출기(123), 전자 광학장치(104), x-선 광학장치(106), 전자 빔 소스(103), 회전 액추에이터(112), 병진 액추에이터(114), 및 시료 위치결정 시스템(140) 등)로부터 데이터 또는 정보를 수신 및/또는 취득하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 전송 매체는 컴퓨터 시스템(130)과 시스템(100)의 다른 서브시스템들 사이의 데이터 링크로서 역할할 수 있다.

계측 시스템(100 및 200)의 컴퓨터 시스템(130)은 유선 및/또는 무선 부분들을 포함할 수 있는 전송 매체에 의해 다른 시스템들로부터 데이터 또는 정보(예를 들어, 측정 결과들, 모델링 입력들, 모델링 결과들 등)를 수신 및/또는 취득하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 전송 매체는 컴퓨터 시스템(130)과 다른 시스템들(예컨대, 메모리 온-보드 계측 시스템(100), 외부 메모리, 또는 외부 시스템들) 사이의 데이터 링크로서 역할할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 시스템(130)은 데이터 링크를 통해 저장 매체(즉, 메모리(132))로부터 측정 데이터(예컨대, 신호들(124))를 수신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, x-선 검출기(123)의 분광계를 사용하여 획득되는 스펙트럼 결과들은 영구적 또는 반영구적 메모리 디바이스(예컨대, 메모리(132))에 저장될 수 있다. 이 점에서, 스펙트럼 결과들은 온-보드 메모리로부터 또는 외부 메모리 시스템으로부터 임포트(import)될 수 있다. 더욱이, 컴퓨터 시스템(130)은 전송 매체를 통해 데이터를 다른 시스템들에 송신할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 시스템(130)에 의해 결정되는 시료 파라미터 값들(180)은 영구적 또는 반영구적 메모리 디바이스에 저장될 수 있다. 이 점에서, 측정 결과들이 다른 시스템으로 익스포트(export)될 수 있다.

컴퓨팅 시스템(130)은 개인 컴퓨터 시스템, 메인프레임 컴퓨터 시스템, 워크스테이션, 이미지 컴퓨터, 병렬 프로세서, 또는 본 기술분야에서 알려진 임의의 다른 디바이스를 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 일반적으로, 용어 "컴퓨팅 시스템"은 메모리 매체로부터의 명령어들을 실행하는, 하나 이상의 프로세서를 가지는 임의의 디바이스를 포괄하도록 광의적으로 정의될 수 있다.

본 명세서에서 설명된 것들과 같은 방법들을 구현하는 프로그램 명령어들(134)은 와이어, 케이블, 또는 무선 전송 링크와 같은 전송 매체를 통해 전송될 수 있다. 예를 들어, 도 1에 예시된 바와 같이, 메모리(132)에 저장되는 프로그램 명령어들은 버스(133)를 통해 프로세서(131)에 전송된다. 프로그램 명령어들(134)은 컴퓨터 판독가능 매체(예컨대, 메모리(132))에 저장된다. 예시적인 컴퓨터 판독가능 매체들은 판독 전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 자기 또는 광학 디스크, 또는 자기 테이프를 포함한다.

일부 실시예들에서, 본 명세서에서 설명된 바와 같은 x-선 계측은 제조 프로세스 툴의 일부로서 구현된다. 제조 프로세스 툴들의 예들은 리소그래픽 노광 툴들, 막 퇴적 툴들, 주입 툴들, 및 에칭 툴들을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 이러한 방식으로, x-선 측정들의 결과들은 제조 프로세스를 제어하는 데 사용된다. 일 예에서, 하나 이상의 타깃으로부터 수집되는 x-선 측정 데이터는 제조 프로세스 툴에 송신된다. x-선 데이터는 분석되고 결과들은 제조 프로세스 툴의 동작을 조정하는 데 사용된다.

도 10은 본 발명의 x-선 계측 시스템들(100 및 200)에 의한 구현에 적합한 방법(200)을 예시한다. 일 양태에서, 방법(300)의 임의의 데이터 프로세싱 요소들이 컴퓨팅 시스템(130)의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 미리 프로그래밍된 알고리즘을 통해 수행될 수 있다는 것이 인식된다. 이하의 설명이 x-선 계측 시스템들(100 및 200)의 맥락에서 제시되지만, x-선 계측 시스템(100)의 특정의 구조적 양태들이 제한들을 나타내지 않으며 단지 예시적인 것으로 해석되어야 한다는 것이 본 명세서에서 인식된다.

블록(301)에서, 전자들의 스트림이 전자 빔 소스의 캐소드로부터 액체 금속 애노드 재료를 향해 방출된다. 전자들의 스트림과 액체 금속 애노드 재료의 상호작용은 x-선 방출을 야기한다.

블록(302)에서, 회전 애노드 지지 구조체가 회전축을 중심으로 일정한 각속도로 회전한다. 회전 애노드 지지 구조체는 회전 애노드 지지 구조체가 일정한 각속도로 회전하는 동안 회전 애노드 지지 구조체에 대해 고정된 위치에서 액체 금속 애노드 재료를 지지한다.

블록(303)에서, 일정 양의 x-선 방출이 액체 금속 애노드 재료로부터 수집된다.

본 명세서에서 설명된 바와 같이, 용어 "임계 치수"는 구조체의 임의의 임계 치수(예를 들어, 하부 임계 치수, 중간 임계 치수, 상부 임계 치수, 측벽 각도, 격자 높이 등), 임의의 2개 이상의 구조체 사이의 임계 치수(예를 들어, 2개의 구조체 사이의 거리), 및 2개 이상의 구조체 사이의 변위(예를 들어, 오버레이하는 격자 구조체들 사이의 오버레이 변위 등)를 포함한다. 구조체들은 3차원 구조체들, 패터닝된 구조체들, 오버레이 구조체들 등을 포함할 수 있다.

본 명세서에서 설명된 바와 같이, 용어 "임계 치수 응용" 또는 "임계 치수 측정 응용"은 임의의 임계 치수 측정을 포함한다.

본 명세서에서 설명된 바와 같이, 용어 "계측 시스템"은, 임계 치수 응용들 및 오버레이 계측 응용들을 포함한, 임의의 양태에서 시료를 특성화하는 데 적어도 부분적으로 이용되는 임의의 시스템을 포함한다. 그렇지만, 그러한 기술 용어들은 본 명세서에서 설명된 바와 같은 용어 "계측 시스템"의 범위를 제한하지 않는다. 그에 부가하여, 계측 시스템(100)은 패터닝된 웨이퍼들 및/또는 패터닝되지 않은 웨이퍼들의 측정을 위해 구성될 수 있다. 계측 시스템은 LED 검사 툴, 에지 검사 툴, 배면 검사 툴, 매크로 검사 툴, 또는 멀티 모드 검사 툴(하나 이상의 플랫폼으로부터의 데이터를 동시적으로 수반함), 및 액적(liquid droplet) x-선 소스로부터 이득을 보는 임의의 다른 계측 또는 검사 툴로서 구성될 수 있다.

시료를 프로세싱하는 데 사용될 수 있는 반도체 프로세싱 시스템(예를 들어, 검사 시스템 또는 리소그래피 시스템)에 대한 다양한 실시예들이 본 명세서에서 설명된다. 용어 "시료"는 본 기술분야에서 알려진 수단에 의해 프로세싱될(예컨대, 인쇄되거나 결함들이 있는지 검사될) 수 있는 웨이퍼, 레티클, 또는 임의의 다른 샘플을 지칭하기 위해 본 명세서에서 사용된다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "웨이퍼"는 반도체 또는 비-반도체 재료로 형성되는 기판들을 일반적으로 지칭한다. 예들은 단결정 실리콘, 갈륨 비화물, 및 인듐 인화물을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다. 그러한 기판들은 반도체 제조 설비들에서 흔히 발견되고 그리고/또는 프로세싱될 수 있다. 일부 경우들에서, 웨이퍼는 기판만(즉, 베어 웨이퍼(bare wafer))을 포함할 수 있다. 대안적으로, 웨이퍼는 기판 상에 형성되는 상이한 재료들의 하나 이상의 층을 포함할 수 있다. 웨이퍼 상에 형성되는 하나 이상의 층은 "패터닝될" 수 있거나 또는 "패터닝되지 않을" 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼는 반복가능한 패턴 피처들을 갖는 복수의 다이들을 포함할 수 있다.

“레티클"은 레티클 제조 프로세스의 임의의 스테이지에서의 레티클일 수 있거나, 또는 반도체 제조 설비에서 사용하기 위해 개발(release)될 수도 있거나 그 용도로 개발되지 않을 수도 있는 완성된 레티클일 수 있다. 레티클, 또는 "마스크"는, 실질적으로 불투명한 영역들이 상부에 형성되어 어떤 패턴으로 구성되는, 실질적으로 투명한 기판으로서 일반적으로 정의된다. 기판은, 예를 들어, 비정질 SiO₂와 같은 유리 재료를 포함할 수 있다. 레티클은 레티클 상의 패턴이 레지스트에 전사될 수 있도록 리소그래피 프로세스의 노광 단계 동안 레지스트로 피복된 웨이퍼(resist-covered wafer) 위에 배치될 수 있다.

웨이퍼 상에 형성되는 하나 이상의 층은 패터닝될 수 있거나 또는 패터닝되지 않을 수 있다. 예를 들어, 웨이퍼는, 각각이 반복가능한 패턴 피처들을 갖는, 복수의 다이들을 포함할 수 있다. 그러한 재료 층들의 형성 및 프로세싱으로 궁극적으로는 디바이스들이 완성될 수 있다. 많은 상이한 유형들의 디바이스들이 웨이퍼 상에 형성될 수 있으며, 용어 웨이퍼는, 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 본 기술분야에서 알려진 임의의 유형의 디바이스가 상부에 제조되는 웨이퍼를 포괄하도록 의도된다.

하나 이상의 예시적인 실시예에서, 설명되는 기능들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 또는 이들의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현되는 경우, 기능들은 하나 이상의 명령어 또는 코드로서 컴퓨터 판독가능 매체 상에 저장되거나 컴퓨터 판독가능 매체를 통해 전송될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체들은 한 장소로부터 다른 장소로의 컴퓨터 프로그램의 전송을 용이하게 하는 임의의 매체를 포함한 통신 매체들 및 컴퓨터 저장 매체들 둘 다를 포함한다. 저장 매체들은 범용 또는 특수 목적 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용가능한 매체들일 수 있다. 제한이 아닌 예로서, 그러한 컴퓨터 판독가능 매체들은 RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광학 디스크 스토리지, 자기 디스크 스토리지 또는 다른 자기 저장 디바이스들, 또는 원하는 프로그램 코드 수단을 명령어들 또는 데이터 구조들의 형태로 운반하거나 저장하는 데 사용될 수 있고 범용 또는 특수 목적 컴퓨터, 또는 범용 또는 특수 목적 프로세서에 의해 액세스될 수 있는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 또한, 임의의 접속(connection)이 컴퓨터 판독가능 매체라고 적절히 지칭된다. 예를 들어, 소프트웨어가 동축 케이블, 광섬유 케이블, 연선(twisted pair), DSL(digital subscriber line), 또는 적외선, 라디오, 및 마이크로파와 같은 무선 기술들을 사용하여 웹사이트, 서버, 또는 다른 원격 소스로부터 전송되는 경우, 동축 케이블, 광섬유 케이블, 연선, DSL, 또는 적외선, 라디오, 및 마이크로파와 같은 무선 기술들은 매체의 정의에 포함된다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같은, 디스크(disk) 및 디스크(disc)는 CD(compact disc), 레이저 디스크(laser disc), 광학 디스크(optical disc), DVD(digital versatile disc), 플로피 디스크(floppy disk) 및 블루레이 디스크(blu-ray disc)를 포함하고, 여기서 디스크들(disks)은 보통 데이터를 자기적으로 재생하는 반면, 디스크들(discs)은 데이터를 레이저들을 사용하여 광학적으로 재생한다. 상기한 것의 조합들이 컴퓨터 판독가능 매체들의 범위 내에 또한 포함되어야 한다.

비록 소정의 특정 실시예들이 교수적인 목적들을 위해 위에서 설명되었지만, 이 특허 문서의 교시들은 일반적인 적용가능성(general applicability)을 가지며 위에서 설명된 특정 실시예들로 제한되지 않는다. 그에 따라, 설명된 실시예들의 다양한 피처들의 다양한 수정들, 적응들(adaptations), 및 조합들이 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 실시될 수 있다.

Claims

액체 금속 회전 애노드 x-선 조명 소스로서,
전자 빔 소스의 캐소드로부터 액체 금속 애노드 재료를 향해 전자들의 스트림을 방출하도록 구성된 상기 전자 빔 소스―상기 전자들의 스트림과 상기 액체 금속 애노드 재료의 상호작용은 x-선 방출을 야기함―; 및
회전 애노드 조립체
를 포함하고, 상기 회전 애노드 조립체는:
회전축을 중심으로 일정한 각속도로 회전하도록 구성된 회전 애노드 지지 구조체―상기 회전 애노드 지지 구조체는, 상기 회전 애노드 지지 구조체가 상기 일정한 각속도로 회전되는 동안 상기 회전 애노드 지지 구조체에 대해 고정된 위치에서 상기 액체 금속 애노드 재료를 지지함―; 및
상기 회전 애노드 지지 구조체에 커플링된 회전 액추에이터―상기 회전 액추에이터는 상기 회전 애노드 지지 구조체를 상기 일정한 각속도로 회전시킴―를 포함하는, 액체 금속 회전 애노드 x-선 조명 소스.
제1항에 있어서,
상기 액체 금속 애노드 재료로부터의 일정 양의 상기 x-선 방출을 수집하도록 구성된 적어도 하나의 x-선 광학 요소를 더 포함하는, 액체 금속 회전 애노드 x-선 조명 소스.
제2항에 있어서, 상기 수집된 양의 x-선 방출은 상기 회전 애노드 조립체의 일 부분을 통해 상기 액체 금속 애노드 재료로부터 상기 적어도 하나의 x-선 광학 요소 쪽으로 투과되는, 액체 금속 회전 애노드 x-선 조명 소스.
제3항에 있어서, 상기 회전 애노드 조립체는:
상기 회전 애노드 지지 구조체에 커플링된 출력 창을 더 포함하며, 상기 출력 창은 상기 x-선 방출에 투명하고, 상기 수집된 양의 x-선 방출은 상기 출력 창을 통해 상기 액체 금속 애노드 재료로부터 상기 적어도 하나의 x-선 광학 요소 쪽으로 투과되는, 액체 금속 회전 애노드 x-선 조명 소스.
제1항에 있어서, 상기 회전 애노드 조립체는:
상기 회전 애노드 지지 구조체에 커플링된 격납 창(containment window)을 더 포함하며, 상기 격납 창은 상기 회전 애노드 지지 구조체가 상기 일정한 각속도로 회전되는 동안 상기 회전 애노드 지지 구조체에 대해 고정된 위치로 상기 액체 금속 애노드 재료를 격납하고, 상기 격납 창은 상기 전자들의 스트림에 투명하며, 상기 전자들의 스트림은 상기 격납 창을 통해 상기 전자 빔 소스로부터 상기 액체 금속 애노드 재료 쪽으로 투과되는, 액체 금속 회전 애노드 x-선 조명 소스.
제1항에 있어서, 상기 회전 애노드 조립체는:
상기 회전 애노드 지지 구조체에 커플링된 병진 액추에이터를 더 포함하며, 상기 병진 액추에이터는 상기 회전 애노드 지지 구조체를 상기 회전축에 평행한 방향으로 병진시키는, 액체 금속 회전 애노드 x-선 조명 소스.
제1항에 있어서, 상기 회전 애노드 지지 구조체는, 상기 액체 금속 애노드 재료가 상기 회전 애노드 지지 구조체의 회전 각속도에 의존하는 형상을 취하도록 상기 액체 금속 애노드 재료를 지지하는, 액체 금속 회전 애노드 x-선 조명 소스.
제1항에 있어서, 상기 회전 애노드 지지 구조체는, 상기 액체 금속 회전 애노드 x-선 조명 소스의 초점 트랙(focal track)을 따라 임의의 위치에서의 상기 액체 금속 애노드 재료의 단면이 상기 회전 애노드 지지 구조체의 회전 각속도와 무관하게 일정한 형상을 취하도록 상기 액체 금속 애노드 재료를 지지하는, 액체 금속 회전 애노드 x-선 조명 소스.
x-선 기반 계측 시스템으로서,
입사 x-선 빔으로 시료의 검사 영역을 조명하도록 구성된 액체 금속 회전 애노드 x-선 조명 소스―상기 액체 금속 회전 애노드 x-선 조명 소스는,
전자 빔 소스의 캐소드로부터 액체 금속 애노드 재료를 향해 전자들의 스트림을 방출하도록 구성된 상기 전자 빔 소스―상기 전자들의 스트림과 상기 액체 금속 애노드 재료의 상호작용은 x-선 방출을 야기함―;
회전 애노드 조립체―상기 회전 애노드 조립체는:
회전축을 중심으로 일정한 각속도로 회전하도록 구성된 회전 애노드 지지 구조체―상기 회전 애노드 지지 구조체는, 상기 회전 애노드 지지 구조체가 상기 일정한 각속도로 회전되는 동안 상기 회전 애노드 지지 구조체에 대해 고정된 위치에서 상기 액체 금속 애노드 재료를 지지함―; 및
상기 회전 애노드 지지 구조체에 커플링된 회전 액추에이터―상기 회전 액추에이터는 상기 회전 애노드 지지 구조체를 상기 일정한 각속도로 회전시킴―를 포함함―;
상기 액체 금속 애노드 재료로부터의 일정 양의 상기 x-선 방출을 수집하도록 구성된 적어도 하나의 x-선 광학 요소; 및
상기 입사 x-선 빔에 응답하여 상기 시료로부터의 방사선을 수광하고 상기 시료의 제1 속성을 나타내는 신호들을 생성하도록 구성된 x-선 검출기
를 포함하는, x-선 기반 계측 시스템.
제9항에 있어서, 상기 x-선 기반 계측 시스템은 투과 또는 반사 모드에서 측정을 수행하도록 구성된 소각 x-선 산란계(small angle x-ray scatterometer)인, x-선 기반 계측 시스템.
제10항에 있어서, 상기 측정은 임계 치수 측정, 오버레이 측정, 또는 둘 다인, x-선 기반 계측 시스템.
제9항에 있어서, 상기 x-선 기반 계측 시스템은 투과 소각 x-선 산란측정법 시스템, 스침 입사(grazing incidence) 소각 x-선 산란측정법 시스템, 광각(wide angle) x-선 산란측정법 시스템, x-선 반사측정법 시스템, 스침 입사 x-선 반사측정법 시스템, x-선 회절측정법 시스템, 스침 입사 x-선 회절측정법 시스템, 고분해능 x-선 회절측정법 시스템, x-선 광전자 분광측정법 시스템, x-선 형광 계측 시스템, 전반사 x-선 형광 계측 시스템, 스침 입사 x-선 형광 계측 시스템, x-선 단층 촬영 시스템, x-선 타원편광 해석법 시스템, 및 하드 x-선 광방출 분광측정법 시스템 중 임의의 것으로서 구성되는, x-선 기반 계측 시스템.
제9항에 있어서, 상기 수집된 양의 x-선 방출은 상기 회전 애노드 조립체의 일 부분을 통해 상기 액체 금속 애노드 재료로부터 상기 적어도 하나의 x-선 광학 요소 쪽으로 투과되는, x-선 기반 계측 시스템.
제13항에 있어서, 상기 회전 애노드 조립체는:
상기 회전 애노드 지지 구조체에 커플링된 출력 창을 더 포함하며, 상기 출력 창은 상기 x-선 방출에 투명하고, 상기 수집된 양의 x-선 방출은 상기 출력 창을 통해 상기 액체 금속 애노드 재료로부터 상기 적어도 하나의 x-선 광학 요소 쪽으로 투과되는, x-선 기반 계측 시스템.
제9항에 있어서, 상기 회전 애노드 조립체는:
상기 회전 애노드 지지 구조체에 커플링된 격납 창을 더 포함하며, 상기 격납 창은 상기 회전 애노드 지지 구조체가 상기 일정한 각속도로 회전되는 동안 상기 회전 애노드 지지 구조체에 대해 고정된 위치로 상기 액체 금속 애노드 재료를 격납하고, 상기 격납 창은 상기 전자들의 스트림에 투명하며, 상기 전자들의 스트림은 상기 격납 창을 통해 상기 전자 빔 소스로부터 상기 액체 금속 애노드 재료 쪽으로 투과되는, x-선 기반 계측 시스템.
제9항에 있어서, 상기 회전 애노드 지지 구조체는, 상기 액체 금속 애노드 재료가 상기 회전 애노드 지지 구조체의 회전 각속도에 의존하는 형상을 취하도록 상기 액체 금속 애노드 재료를 지지하는, x-선 기반 계측 시스템.
제9항에 있어서, 상기 회전 애노드 지지 구조체는, 상기 액체 금속 회전 애노드 x-선 조명 소스의 초점 트랙을 따라 임의의 위치에서의 상기 액체 금속 애노드 재료의 단면이 상기 회전 애노드 지지 구조체의 회전 각속도와 무관하게 일정한 형상을 취하도록 상기 액체 금속 애노드 재료를 지지하는, x-선 기반 계측 시스템.
방법으로서,
전자 빔 소스의 캐소드로부터 액체 금속 애노드 재료를 향해 전자들의 스트림을 방출하는 단계―상기 전자들의 스트림과 상기 액체 금속 애노드 재료의 상호작용은 x-선 방출을 야기함―;
회전축을 중심으로 일정한 각속도로 회전 애노드 지지 구조체를 회전시키는 단계―상기 회전 애노드 지지 구조체는, 상기 회전 애노드 지지 구조체가 상기 일정한 각속도로 회전하는 동안 상기 회전 애노드 지지 구조체에 대해 고정된 위치에서 상기 액체 금속 애노드 재료를 지지함―; 및
상기 액체 금속 애노드 재료로부터 일정 양의 상기 x-선 방출을 수집하는 단계
를 포함하는, 방법.
제18항에 있어서,
상기 액체 금속 애노드 재료로부터 수집된 양의 x-선 방출을 포함하는 입사 x-선 빔으로 시료의 검사 영역을 조명하는 단계;
상기 입사 x-선 빔에 응답하여 상기 시료로부터의 일정 양의 방사선을 검출하는 단계; 및
상기 검출된 양의 방사선에 기초하여 상기 시료의 제1 속성을 나타내는 신호들을 생성하는 단계
를 더 포함하는, 방법.
제18항에 있어서, 상기 수집된 양의 x-선 방출은 출력 창을 통해 상기 액체 금속 애노드 재료로부터 상기 적어도 하나의 x-선 광학 요소 쪽으로 투과되는, 방법.
제18항에 있어서,
상기 회전 애노드 지지 구조체가 상기 일정한 각속도로 회전되는 동안 격납 창에 의해 상기 회전 애노드 지지 구조체에 대해 고정된 위치로 상기 액체 금속 애노드 재료를 격납하는 단계; 및
상기 전자들의 스트림을 상기 격납 창을 통해 상기 전자 빔 소스로부터 상기 액체 금속 애노드 재료 쪽으로 투과시키는 단계
를 더 포함하는, 방법.