一种光电子能谱分析设备及使用该设备的方法

专利名称：一种光电子能谱分析设备及使用该设备的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于处理半导体衬底的方法、设备以及系统，具体地涉 及一种在半导体衬底处理过程中使用的计量工具。
背景技术：
集成电路被形成在例如晶片的半导体衬底上。该集成电路的形成可以包 括多个处理步骤，例如不同层的沉积、蚀刻某些层以及多重热处理。之后， 集成电路被分成单独的微电子芯片，所述微电子芯片被封装并附于电路板 上。在涉及集成电路的制造的多个处理步骤中，由不同材料制成的各种层， 例如导体、绝缘体以及半导体被形成在晶片的表面，集成电路形成在所述晶 片的表面上。集成电路的制造商常常测试各种层的成分以保证在衬底上沉积 适当的材料。用于测试层的成分的机器通常被称为"计量工具"。该计量工具发射电磁放射线，例如来自x-射线源的x-射线，所述x-射线被引至被测试的衬底的特定区域。计量工具使用分析技术，例如X-射线光电子能谱(XPS)、全 反射X-射线荧光(TXRF)以及椭圆偏光法来测量衬底的特定特性。例如， 如果使用XPS，那么光电子或电子从衬底中被发射出来并被计量分析器捕 获，所述计量分析器可以是例如电子能谱仪或半球形分析器。分析器以及相 关的处理算法通过分析光电子的动能或速度来确定衬底区域的成分。为了相对于电磁放射源合适地放置衬底尤其是衬底上的垫板，可以使用 应用图形识别软件的视觉系统。但是，典型地，视觉系统只能以一个角度来观察垫板，因此图像并不理想。另外，当测试特定的垫板时，所述系统不能观察该特定的垫板。而且， 视觉系统通常包括多个传动装置和其他的运动部件，这会在工具中产生污 染。通常，磁场发生器或磁透镜被用于将光电子从衬底引入至分析器。但是, 计量工具通常包括用于将衬底传送到该工具的自动机械，以及在分析器下方 并在磁透镜上方用于支撑衬底的单独的台。该单独的台占据所述工具中相当 多的空间，并且磁透镜必须位于所述台的下方，这有损磁透镜的效果。此外，计量工具的容纳物，包括磁透镜，通常被保持在真空室内。如果 磁透镜需要一些维护，就必须破坏真空，这会增加工具内部被污染的可能性。一个用在计量工具中的电磁放射源的普通实施例为电子枪、阳极和单色仪的组合。电子枪发射电子到阳极的相对小的目标部分，且x-射线被从阳 极发射到单色仪上，单色仪将x-射线偏转并集中到衬底上。发明内容本发明的实施方式提供一种衬底处理系统。该系统可以包括被室壁围绕的室，在该室中放置衬底或样品支架以支撑衬底或样品；电磁放射源，用于 发射电磁放射线到衬底支架上的衬底上，所述电磁放射线使光电子从衬底表 面被发射出来；分析器，用于捕获从半导体衬底上的材料发射出来的光电子； 以及磁场发生器，用于在室中产生磁场并将光电子从衬底引到分析器。在本 发明的一个实施方式中，衬底或样品支架、电磁放射源、分析器以及磁场发 生器均与室壁连接。本发明的实施方式还提供一种衬底处理系统，该系统可以包括围绕真空 室的室壁，在该真空室中放置衬底或样品支架以支撑衬底；电磁放射源，用 于发射电磁放射线到衬底支架上的衬底上，所述电磁放射线使光电子从衬底 被发射出来；分析器，用于捕获从衬底发射出来的光电子；以及磁场发生器，用于在真空室中产生磁场并将光电子从半导体衬底引到分析器，所述磁场发 生器被设置在真空室的外面。本发明还提供一种半导体衬底处理设备，该设备可以包括围绕室的室壁，该室具有装载部分和测试部分；机械台，该机械台具有连接到室壁的机 械臂且衬底或样品支架连接在该机械臂上，该机械臂能在室的装载部分和测 试部分之间移动衬底支架；电磁放射源，用于在衬底支架位于所述室的测试 部分时发射电磁放射线到衬底支架上的衬底上，所述电磁放射线使光电子从 衬底被发射出来；分析器，用于捕获从衬底发射出来的光电子；以及磁场发 生器，用于在室中产生磁场并将光电子从衬底引到分析器，所述磁场发生器 在衬底支架位于所述室的测试部分时被设置在衬底支架的下方。本发明的实施方式还提供一种衬底处理设备，该设备可以包括围绕室的 室壁，在该室中放置衬底支架以支撑半导体衬底；电磁放射源，用于发射电 磁放射线到衬底支架上的衬底的一部分，所述电磁放射线使光电子从衬底的 所述部分被发射出来；分析器，用于捕获从衬底的所述部分上的材料中发射 出来的光电子；以及与室壁连接的照相机子系统，用以收集被反射以离开衬 底的所述部分的可见光并捕获半导体衬底的所述部分的图像。本发明的实施方式还提供一种衬底处理设备，该设备可以包括围绕室的 室壁，在该室中放置衬底支架以支撑衬底；电磁放射源，电磁放射源，该电 磁放射源被连接以发射电磁放射线到衬底支架上的衬底的一部分，所述电磁 放射线使光电子从衬底的所述部分上的材料中被发射出来；与室壁连接的分 析器，用以捕获从衬底的所述部分上的材料中发射出来的光电子；磁场发生 器，用于在室中产生磁场并将光电子从衬底引到分析器；以及照相机子系统， 用于收集被反射以离开衬底的所述部分的可见光并捕获半导体衬底的所述 部分的图像。本发明的实施方式还提供一种衬底处理设备，该设备可以包括衬底支架，用于支撑具有上表面的衬底；以及照相机子系统，用于收集被反射以离 开衬底的一部分的可见光并捕获衬底的所述部分的图像，所述可见光从衬底 的所述部分以一个方向传播，该方向与衬底表面的上表面基本垂直。斗、汉w口、j大乂JiB乂j工ViXi:wi^ rr亇'j/^9CL枉K贫，改议货w ^vt^:r。ra^S至HM 室壁，在该室中放置衬底支架以支撑衬底；电磁放射源，该电磁放射源被连 接以发射电子放射线到衬底的一部分，所述电磁放射线使光电子从半导体衬 底的所述部分被发射出来；以及分析器，该分析器被连接以捕获从衬底上的 材料中发射出来的光电子。在本发明的一个实施方式中，电磁放射源包括电子源，用于提供电子波 束以用电子照射阳极从而产生电磁放射线，例如X-射线；以及单色仪，用 于将被发射的电磁放射线集中到衬底或样品上。在本发明的一个实施方式 中，电子源包括成形装置，例如八极遮光器或窗孔遮光器，该成形装置用于 将电子波朿成形为期望的形状或轮廓。所述电子波束可以被成形为期望的轮 廓，例如但不局限于圆形、拉长的椭圆形、正方形以及矩形。在本发明的一 个实施方式中，电子波束被成形为拉长的椭圆形或长比宽大1至3倍的矩形。 此外，在本发明的一个实施方式中，使用具有大立体角的大面积单色仪来提 高该单色仪的收集效率。具有大立体角的大面积单色仪能使电子波束的形状 被变换成X-射线的轮廓图形，该轮廓图形与阳极上的电子波束形状极度相 关。


参照附图，本发明通过实施例的方式描述，其中 图1A是包括计量室的半导体衬底处理设备的俯视平面示意图; 图1B、 1C和1D是图1所示的计量室的剖面侧视示意图； 图2是在图1所示的计量室中的电子源的剖面侧视图；图3是在图2所示的电子源中的波束成形器沿图2中3-3的剖面图；图4是在图1所示的计量室中的阳极的透视图；图5是在图1所示的计量室中聚焦物镜的透视图；图6是类似图i的半导体衬底处理设备的俯视平面示意图；图7是半导体衬底的俯视平面图；图8A是类似图1C的计量室的剖面侧视示意图；图8B是类似图3的波束成形器的剖面图；图8C是类似图4的阳极的透视图；图8D是类似图7的半导体衬底的俯视平面图；图9A是在图1所示的计量室中的显示半导体衬底运动的半导体衬底的 俯视平面图；图9B是类似图3和图8B的波束成形器的剖面图； 图9C是类似图4和图8C的阳极的透视图； 图9D是类似图7和图8D的半导体衬底的俯视平面图；以及 图10A-10C是图1所示的计量室的剖面侧视示意图。
具体实施方式
在以下描述中，出于解释的目的，多个细节被提出以提供对本发明的全 面理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，采用本发明的某些 或全部特征可以实施本发明，不需要某些特定细节也可以实施本发明。在其 他情况下，删除或简化公知特征以明确本发明。应当理解，图1A至图IOC仅仅是示意性的并且可以不按比例绘制。 本发明的一个实施方式提供本领域技术人员所公知的"计量工具"。该 计量工具可以包括加载锁定室(load-lock chamber)和计量室，该计量室围 绕真空室，且具有装载部分和测试部分。机械台可以位于计量室的装载部分以将半导体衬底从加载锁定室传送到计量室的测试部分。所述计量工具还可 以包括磁透镜，该磁透镜被设置在计量室的测试部分的下方以及真空室的外 面。计量工具还可以包括电磁放射源，该电磁放射源能将电磁放射波束以特 定的形状和大小发射到衬底上的结构元件上。此外，所述计量工具可以包括 查看或照相机子系统，该子系统能在电磁放射线被引到结构元件上时以衬底 的法向角的角度(即，垂直于衬底)査看衬底上的结构元件。计量工具还可以包括分析器，用于捕获并分析从结构元件发射出来的光 电子以确定该结构元件的成分。根据本发明的一个实施方式，图1A示出一种衬底处理系统或计量工具 20。计量工具20可以包括框架22、晶片盒24、传输子系统26、加载锁定室 28、被室壁38围绕的计量室30以及计算机控制台32。框架22可以基本为 正方形且在其第一端附有晶片盒14。传输子系统26可以邻近晶片盒24。晶片盒24可以位于框架22的一端且可以为本领域技术人员公知的前开 式晶圆盒(FOUP)。可以改变晶片盒24的大小和形状以支撑多个半导体衬 底，例如晶片，该晶片具有例如200或300毫米的直径。传输子系统26可以包括传输路径34和传输机构36。传输路径34可以 连接至框架22并且在邻近晶片盒24的框架22的相对两侧之间延伸。传输 机构36可以支撑半导体衬底，该半导体衬底可以例如是具有例如200或300 毫米的直径的晶片，且传输机构36可以在每一个晶片盒24和加载锁定室28 之间传送衬底。加载锁定室28可以连接至传输子系统26和计量室30之间的框架22。 如本领域技术人员所公知的，加载锁定室28可以包括邻近传输子系统26的 第一门和邻近计量室30的第二门。两个门都可以从计量室30中密封传输子 系统26。结合图1B参照图1A，计量室30、机械台40、电磁放射源子系统42、 查看或照相机子系统44、磁透镜46以及计量分析器48。室壁38可以具有 内表面，当从上面看时，该内表面具有如图1A所示的"沙漏"形状。室壁 38的内表面可以将计量室30分成第一部分52和第二部分54。如图所示， 第一部分52可以位于比第二部分54更接近加载锁定室28的位置。计量室 30也可以被密封以形成如图1B所示的真空室50。机械台40可以位于计量室30的第一部分52中并直接连接到室壁38。 机械台40可以包括基座56、机械臂58以及衬底支架60。机械臂58可以可 旋转地连接至基座56，且机械臂58包括直接连接至基座56的第一段62和 连接至第一段62的一端的第二段64。衬底支架60或"叶片"，可以连接在 机械臂58第二段64中的与第一段62相对的一端上。如所述的机械臂58的 结构，机械臂58可以在具有至少一个延伸过计量室30的第一部分52的旋 转轴的极坐标系统(R， 0)中移动衬底支架60。此外，机械臂58可以在计 量室30中垂直移动(在z轴方向移动)衬底支架60。可以改变衬底支架60 的大小和形状以支撑例如半导体晶片的衬底，该半导体晶片具有例如200或 300毫米的直径。机械台40可以将衬底支架60延伸到计量室30的第二部分 65中，也可以延伸到加载锁定室28中。应当注意到由于机械台40的基座56的位置(即，在计量室30的第一 部分52中)，当机械臂58将衬底支架60延伸到计量室30的第二部分54中 时，机械台40的部件的位置都不低于衬底支架60。如图1B明确所示，除了机械台40的基座56和磁透镜46，计量室30 中的所有部件都可以位于真空室50中，机械台40的基座56和磁透镜46可 以位于真空室50的下方。依旧参照图1B，尽管没有详细示出，但是磁透镜46或磁场发生器可以 连接至室壁38并位于计量室30的第二部分54的下方。磁透镜用于将从衬底或样品发射出来的电子集中到分析器48中。所述磁透镜产生磁场，该磁 场具有关于中心轴99的旋转对称性。磁透镜46可以包括线圈并能在计量室 30中产生磁场。在本发明的一个实施方式中，磁透镜为单极片透镜，有时被 称为"喷嘴式透镜(snorkel lens)"。图1C更详细地示出了电磁放射源子系统42和査看子系统44。电磁放 射源子系统42可以包括电子源66、阳极68和单色仪70。先看图2和图3，电子源66可以包括电子枪72和波束成形器74，这两 者都被控制于罩壳76中。在横截面上，罩壳76可以基本为矩形，电子枪72 安装在罩壳76的第一端。罩壳76可以具有开口 78，该开口78通过罩壳76 的与电子枪72相对的一端。如图2所示，电子枪72可以具有中心轴80，该 中心轴80贯穿罩壳76中的开口 78。图3更详细地示出了波束成形器74。在横截面上，波束成形器74可以 基本为圆形，包括多个极(pole) 82，并具有延伸过波束成形器74的波束成 形器开口84。在图3所示的实施方式中，波束成形器74可以具有均匀分布 在波束成形器开口 84周围的八个极82。如图2所示，电子枪72的中心轴 80可以延伸过波束成形器开口 84。如本领域技术人员所公知，极82在波束 成形器74中可以形成"八极"，每一个极82能保持正电荷或负电荷。在本 发明的一个实施方式中，可使用窗孔或遮光器来机械地改变并控制电子波束 的形状，而不是使用"八极"来成形电子波束。图4更详细地示出了阳极68。阳极68可以基本为正方形且可以由例如 铝制成，在阳极68的上侧具有目标表面86。尽管未详细示出，但是阳极68 可以移动地连接至计量室30中的室体22以能在x/y/z坐标系统中移动。再参照图1C，査看子系统44可以包括照相机88、照明装置90以及反 射子系统92。反射子系统92可以包括局部反射镜94、聚焦物镜96以及偏 转或转向镜98。照相机88可以被直接设置在局部反射镜94的上方并被指向或瞄向局部反射镜94的中心部分。照明装置90可以为被设置在局部反射镜 94的一侧的光学光源，并被指向或瞄向局部反射镜94的中心部分。聚焦物 镜96可以被设置在局部反射镜94的与照明装置90相对的一侧。偏转镜98 可以被设置在聚焦物镜96的与局部反射镜94相对的一侧，且偏转镜98可 以被直接设置在磁透镜46的上方。偏转镜98可以基本为在中心部分具有开 口的圆形。如图1C所示，磁透镜46的中心轴99可以贯穿主镜98中的开口。 中心轴99可以被定义为由磁透镜46产生的具有旋转对称性的磁场的旋转对 称轴。参照图1C，结合图5，聚焦物镜96可以包括透镜100、主镜102以及 次镜106。具体参照图5，透镜100、主镜102和次镜106可以基本为圆形且 中心共轴。现在参照图1C和图5，主镜102可以具有凹进的反射面104以 及在其中心部分的开口。如图1C具体所示，次镜106可以具有凸起的反射 面亂应当注意到查看子系统44以及其所有的组件可以不具有任何移动的机 械部件且以固定的位置连接到室壁38。如图1D所示，计量室30还可以包括衬底高度检测子系统110，该子系 统110包括激光器112、激光检测器114以及固定附在室壁38上的透镜组 116。激光器112和激光检测器114可以被设置在计量分析器48的相对侧并 指向磁透镜46的中心轴99。类似地，如图4所示，阳极68可以包括阳极高度检测子系统210，该子 系统210包括激光器212、激光检测器214以及透镜组216以确定并精确控 制阳极68的高度。激光器212和激光检测器214可以被固定地附于室壁38 并对准阳极68上的单色仪70的焦点。再参照图1B，计量分析器48可以包括直接设置在磁透镜46的上方的 孔，由此磁透镜46的中心轴99通过该孔。尽管未详细示出，但是计量分析器46还可以包括为本领域技术人员公知的检测器和电子能谱仪或半球形分 析器。尽管未详细示出，但是应当理解计量工具的所有组件均可以连接到框架 并可以包括多种传动装置和电源以执行上述的各种功能。在本发明的一个实 施方式中，使用例如聚酰亚胺柔性电路的柔性电缆来将电信号和能量传递至 真空室中的各个组件和在所述各个组件之间传递。再参照图1A，计算机控制台32可以为本领域技术人员公知的具有用于 存储指令组的存储器和连接至所述存储器以执行所述指令的处理器的计算 机形式。存储在计算机控制台32中的指令可以包括方法和过程，以及执行 该方法和过程的各种算法，所述方法和过程用于如上所述的衬底的移动和校 准以及计量工具20的操作。所述指令还可以包括公知的"图形识别"软件 以及用于在笛卡尔坐标与极坐标之间转换的软件。而且，所述指令可以包括 分析软件，该分析软件使用计量工具20的组件来确定成分，该成分包括衬 底各层的浓度，以及确定各层的厚度和层中的不同化学物种的外形、深度分 布以及深度分布质心。计算机控制台32可以电连接到传输子系统26、加载锁定室28以及计量 室30，也可以电连接到计量室30中的所有组件。如图6所示，在使用中，衬底118可以被插入到衬底或晶片盒24中的 一者。用于本发明目的的衬底是任意的样本、样品或物品，在设备20中对 所述样本、样品或物品执行光电子能谱分析。衬底可以包括但不局限于半导 体晶片，例如单晶硅衬底、绝缘体上硅衬底或其它类型的用于集成电路、光 模、平板显示器或光学元件的制造的衬底。此外，所述衬底可以包括一个或 多个薄膜或薄层，例如金属层、半导体层以及用于制造结构元件的电介质层， 例如但不局限于栅极电介质层、栅极电极、阻挡层、互连、接触、钝化层以 及微型机器。在本发明的具体实施方式
中，所述衬底是具有栅极电介质层的单晶硅晶片，该栅极电解质层例如是氮氧化硅电介质或金属氧化物电介质， 例如形成在该层上的铪氧化物或铝氧化物。在本发明的一个实施方式中，设备20被用于确定栅极电介质层的厚度、成分以及掺杂物外形。传输机构36 可以从盒24取回衬底118并将衬底118传送到加载锁定室28中。然后机械 台40可以从加载锁定室取回衬底118并将衬底118从计量室30的第一部分 或装载部分52传送到计量室30的第二部分或测试部分54。图7更详细地示出了衬底118。衬底118可以为本领域技术人员公知的 晶片，该晶片具有例如200或300毫米的直径。衬底118可以具有多个形成 在其上并被分成多个芯片的集成电路120。集成电路120的形成可以只被局 部完成。衬底118还可以包括为本领域技术人员公知的多个计量垫板122， 位于集成电路120之间。计量垫板122可以基本为例如具有120微米长、50 微米宽的矩形。 一边比另一边大的矩形计量垫板是理想的，因为它们能使大 面积的垫板被设置在成品芯片之间的"划线"中。大面积垫板在测试过程中 能增加从计量垫板中被提取的电子的数量并由此提供关于衬底表面的更多 信息。集成电路120和计量垫板122可以被形成在衬底118的上表面124上。如图6所示并结合图8A，机械台可以在磁透镜46和偏转镜98之间放 置衬底118，由此磁透镜46和计量分析器48位于衬底支架60的相对两侧。 计算机控制台32可以以这样一种方式控制机械台40:当机械臂58被移动， 衬底支架60、机械臂58的第一段62以及机械臂58的第二段64不接触室壁 38。如图8A具体所示，机械台40可以在偏转镜98和磁透镜46之间放置衬 底118。应当注意，当衬底支架60在计量室30的第二部分54中支撑衬底118 时，由于机械台40的基座56位于计量室30的第一部分52中且没有妨碍磁 透镜46的位置，因此衬底支架60和磁透镜46之间的距离可以特别小。磁 透镜46的上表面和衬底支架60的下表面之间的距离可以小于5毫米，例如在2毫米和4毫米之间。而且，衬底118的上表面124与磁透镜46的距离 可以小于8毫米。依旧参照图8A，机械台40可以放置衬底118，由此如图7所示， 一个 特定计量垫板122与磁透镜46的中心轴99相交(即，第一测试位置)。如 图1A所示的计算机控制台可以使用图8A所示的査看子系统44来检验衬底 118被合适地放置。参照图5和图8A，光学光线可以被照明装置90引导以通过局部反射镜 94并进入聚焦物镜96。该光线可以穿过透镜100和主镜102中的开口。接 着，该光线可以被从次镜106的反射面108向主镜102反射。如图8A所示， 主镜的凹进的反射面104可以将次镜外部边缘周围的光线反射向偏转镜98。接着，所述光线可以通过偏转镜98被反射到衬底的一部分上(g卩，第 一测试位置中的所述特定计量垫板122)，衬底的所述部分与磁透镜46的中 心轴99相交。从偏转镜98被反射到衬底118上的光线可以被认为是具有与 磁透镜46的中心轴99同轴的中心轴的一束光线。然后该光线可以被反射以 离开衬底118，通过反射系统92并进入到照相机88。使用上述的图形识别 软件，如图1A所示的计算机控制台32可以确定如图7所示的计量垫板122 是否合适地位于测试位置。当进行测试时，查看子系统44能以衬底118的法向角或直接向下的角 度査看衬底118的所述部分。依旧参照图8A，电磁放射源子系统42之后可以被激发以将X-射线引 到衬底118上。现在参照图2，电子源66中的电子枪72可以被激发以发射 电子波束126，该电子波束126通过波束成形器74并通过开口 78从罩壳76 中出来。图8B示出了电子波束126穿过波束成形器74。可以给波束成形器中的 极82提供多个正电荷和负电荷，由此在波束成形器开口 84中产生特定的电场。如图8B具体所示，当电子波束126穿过波束成形器幵口 84时，波束 126可以以一个特定的方向被成形或被散焦。在所示的实施例中，波束126 被成形为具有基本为矩形的横截面或具有长128和宽130的形状。长128可 以充分地以第一长度方向132延伸，而宽130可以充分地以第一宽度方向134 延伸。再次参照图8A，波束可以离开电子源66并被引到阳极68上。图8C示出了当图8B所示的电子波束126撞击阳极目标面86时的阳极 68。如图所示，波束126仍然可以具有基本为矩形的形状，其长128以第一 长度方向132延伸而其宽130以第一宽度方向134延伸。尽管未详细示出， 但是在阳极的目标面，例如，波束126的长128可以近似为84微米，而波 束126的宽可以近似为45微米。波束126的功率可以是例如大于100瓦特， 例如近似200瓦特。在本发明的一个实施方式中，电子波束被成形以产生拉 长的电子波束外形，该外形的纵横比(长宽)大于l: l且优选大于2: 1， 在某些实施方式中大于3: 1。在本发明的一个实施方式中，形成长和宽在20到200微米之间的电子波束外形。此外，在本发明的一个实施方式中，电 子波束的功率在4瓦特到200瓦特之间。如本领域技术人员所公知的，电子 撞击阳极68可以使阳极68的材料发射X-射线。应当理解，阳极只能在单 位面积内经受一定的电子波束功率等级而不受到损害。通过形成拉长的电子 波束并增加电子波束的面积，在电子波束上能施加更大的功率，由此在不损 坏阳极的情况下产生更多的X-射线。加倍电子波束的面积能加倍施加在阳 极上的功率而不损坏阳极。反过来参照图8A， X-射线波束127可以从阳极68传播到单色仪70上， 该单色仪70只将选定频率的X-射线重新引到并集中到衬底118上。图8D示出了当X-射线波束127撞击衬底118的上表面124时的衬底 118。如图所示，X-射线波束127可以在衬底118上保持与在阳极68上的电 子波束的形状、大小和方向相同的相对形状和方向。但是，X-射线波束127可以具有比电子波束126稍微大的大小。使用具有大收集角的大面积单色仪 能使衬底118上的X-射线波束127的形状与阳极68上的电子波束126的形 状和方向极度相关。在本发明的一个实施方式中，X-射线波束具有拉长的椭圆或矩形形状，该矩形形状的纵横比(长宽)至少为1: 1，优选为大于2:1，且在某些实施方式中大于3: 1。在具体的实施方式中，X-射线127可以 具有大于100微米的长，尤其如实施例中所示，该长近似为110微米且宽近 似为40微米以与计量垫板122的尺寸相匹配。出于举例说明的目的，尽管事实上电子波束126和X-射线波束127在 某些表面上被引导，但是由该波束形成的图形仍然可以被认为具有以第一长 度方向132延伸的长以及以第一宽度方向134延伸的宽。如本领域技术人员所公知的，参照图8A并结合图1B,当X-射线127 轰击衬底118上的材料时，在原子等级，计量垫板122上的材料中的电子可 以被激励并从衬底118的计量垫板上的材料中的各自的原子轨道上脱离出 来。如本领域技术人员所理解的，磁透镜46可以被激发以在计量室30中创 建磁场，该磁场具有关于磁透镜46的中心轴99的旋转对称性。因此，电子 或光电子200可以由磁场沿着中心轴99直接引导，穿过偏转镜98中的开口 ， 并进入计量分析器48的电子能谱仪或半球形分析器的孔和检测器。当光电 子从衬底118传播到分析器48，该光电子可以被排列为具有中心轴的束，该 中心轴与可见光束的中心轴以及磁透镜46的中心轴99共轴。因此，从查看 子系统44传播到衬底118上的可见光的方向可以与从衬底118传播到分析 器48中的光电子的方向基本平行。应当注意，由于磁透镜46和衬底118非常接近，因此磁场引导光电子 的效果被最大化。此外，如图1B中所示，由于磁透镜没有在真空室50中被 放置，所以，如果磁透镜需要任何维护，可以在不将真空室中的组件暴露给外部空气的情况下就能接近磁透镜46。电子能谱仪或半球形分析器可以基于电子的动能或速度确定衬底118上 的计量垫板上的材料成分。此外，如前所述，计量工具20还可以确定各层的厚度以及衬底118上 的层中的不同化学物种的外形、分布以及深度分布质心。如图8A和图9A中所示，之后可以移动衬底支架60以在磁透镜46的 中心轴99之上放置不同的计量垫板122 (即，第二测试位置)。如上所述， 由于机械台40的结构，衬底支架60可以在极坐标系统(R， 0)中移动衬 底118。因此，当移动衬底118以测试不同的计量垫板122时，衬底118可 以经过旋转，由此与第一测试位置相比，计量垫板122关于计量室30的其 他的组件被定以不同的方位。再次参照图8A，电子源66可以再次被激发以将电子引到阳极68上。图9B示出当衬底被定以如图9A所示的方位时电子源66中的波束成形 器74。如图9B所示，通过极82可以产生不同的电场以匹配衬底的被旋转 的方位。如图所示，波束126仍然可以基本为矩形形状，但是，波束126的 长128和宽130可以相对于图8B所示的波束126而旋转。如图9B所示， 长128可以以第二长度方向136延伸且宽130可以以第二宽度方向138延伸。图9C示出了当图9B所示的的波束126撞击阳极目标面86时的阳极68。 如图所示，在阳极目标面86上所指示的波束126可以相对于在图8C所指示 的阳极目标面86上的波束126而旋转。此外，为了将阳极68上的"新鲜的"材料暴露，可以在x/y平面移动 阳极68使得可以使用波束126撞击阳极68的目标面86的第二部分。因此， 可以最小化从阳极68传播的X-射线的数量。用波束撞击的阳极的第二部分 可以至少部分地与波束126初始撞击的部分重叠。如上所述，并如图8A所示，X-射线127可以从阳极68传播并通过单色仪70被重新引到衬底118上。图9D示出了当波束127撞击衬底118的上 表面124时具有如图9A所示的角定向的衬底118。如图所示，波束127被 旋转以匹配计量垫板122的角定向。因此，尽管计量垫板122被旋转，但是 波束127基本能覆盖整个计量垫板122。再次参照图8A并结合图1B，电子可以通过计量垫板122上的材料被发 射，通过主镜98中的开口并进入如上所述的计量分析器48中。上述的旋转或成形、电子波束的性质增加了衬底被测试的速度，特别是 当机械台在极坐标系统中移动衬底时。随着最大化撞击衬底的X-射线的数 量和由计量分析器收集的光电子的数量，通过在阳极的目标面上移动电子波 束可以提高测试的效率和精确性。此外，应当理解当使用自动机械40作为测试衬底118的平台时，波束成形系统和查看系统的结合能快速且精确地获得越过衬底118的表面的计量 目标。衬底118上的多个计量垫板122的位置在计算机32中被预先编程。 接着，该计算机指导衬底支架60的移动以将计量垫板122放置在分析波束 位置的下方。但是，由于衬垫可能被误放置在支架上从而导致衬底"脱离中 心"，因此计量垫板的精确位置可能未知。此外，机械台的移动可能有些不 可预料且不精确，并因此增加难度，因为衬底的精确位置可能未知。因此， 计量垫板的被预先编程的位置可以不将计量垫板直接精确地或准确放置在 X-射线波束的下方。因此，在本发明的一个实施方式中，具有图形识别软件 的查看系统可以用于移动衬底支架并由此计量垫板更接近其合适的位置。在 本发明的一个实施方式中， 一旦计量垫板被移动到接近其合适位置，电子波 束126可以在阳极上被精确地控制且直接将X-射线波束精确定位在待检测 的计量垫板上。在本发明的一个实施方式中，自动机械和査看系统用于将待 检测的计量垫板移动到距离合适位置的大约10-50微米之内且之后电子波束 126被成形并被移动以将X-射线波束127在计量垫板上精确定位。以这种方式，稍微不精确的自动机械能用于提供非常精确的平台，该平台用于在x-射线波束127下放置衬底计量区域。图10A-10C示出了衬底118相对于图1B所示的查看子系统44和电磁 放射源子系统42的高度修正。如图10A所示，激光器112可以引导激光波 束穿过透镜116阵列从衬底118的上表面离开。然后该激光可以撞击激光检 测器114并被激光检测器114检测到。如图10B所示，当机械臂58在计量 室30中的多个位置之间移动衬底118时，由于机械臂的移动的非理想性以 及衬底118非理想性，例如厚度的变化和由于弯曲或翘起导致上表面124的 高度改变，从衬底118的上表面124反射的激光可能不能在相同的位置进入 激光检测器114。因此，激光检测器结合图1A所示的计算机控制台可以检测衬底118的 上表面124的高度变化。如图10C所示，机械臂58之后可以调节衬底支架 60的高度，从而衬底118的上表面124可以保持与如图1B所示计量室30 中其它组件恒定的距离。此外，如图4所示，阳极68连接到平台，这使得 阳极68能在xy平面以及垂直方向(z方向)上移动。高度检测器子系统210 能使阳极68的高度更精确。高度检测器子系统210包括激光波束212和透 镜阵列216，透镜阵列216用于将激光照射到阳极68的上表面。然后该激光 可以被激光检测器214检测到。激光和检测器能使阳极的高度被精确测量及 控制。在垂直方向(z方向)上对阳极的精确控制能使阳极的表面即使在其可 能为非平面时也能被精确定位在单色仪的焦点。釆用这种方式，可以在xy 平面移动阳极以及通过调节阳极的高度来补偿该阳极表面的任何非平面性。 类似地，在垂直方向(z方向)上对衬底支架的精确控制能使衬底的表面即 使在其高度由于衬底非平面性、扭曲或自动机械不精确而导致可能发生变化 时也能被精确定位在单色仪的焦点。一个优点是机械台可以被用于从加载锁定室中取回衬底，也可以在电磁 放射源子系统下放置衬底。因此，不需要单独的机器来从加载锁定室中移走 衬底，这能减少计量工具的成本。另 一个优点是，由于单个机器被用于从加载锁定室中移走衬底并将衬底 放置在测试位置，因此当处于测试位置时，用于移动衬底所必需的所有硬件 立即在衬底支架的下方空出空间。因此，磁透镜可以被放置在更接近衬底支 架的位置，这能增加将电子从衬底引到计量分析器中的由磁透镜产生的磁场 的效果和/或降低将电子有效引到计量分析器中所必需的磁场的强度。还一个优点是衬底的待检测的部分可以通过查看子系统沿衬底的上表 面的法线方向进行查看。此外，衬底的已被检测的部分可以在检测发生的时 候被査看。再一个优点是，由于磁透镜位于真空室的外部，任何磁透镜所需的维修 可以在不需要将计量室的部件暴露在外部空气中的情况下被执行。因此，减 少了计量室中污染的可能性。还一个优点是查看子系统不包括移动部件。其它的实施方式可以只使用上述系统的某些方面。例如，不需要所述特 定查看系统就可以使用所述被设置在真空室外部的磁透镜。尽管本发明以特定实施方式进行描述并以附图显示，应当理解的是，所 述实施方式只为示例性而非限制性，且尽管本发明限于所描述及示出的特定 结构和配置，本领域普通技术人员仍可对其作出修改。
权利要求
1.一种光电子能谱分析系统，该系统包括围绕室的室壁；被设置在所述室中的衬底支架，用于支撑半导体衬底；电磁放射源，用于发射电磁放射线到所述衬底支架上的所述衬底上，所述电磁放射线使光电子从所述衬底发射出来；分析器，用于捕获发射自所述衬底上的材料的所述光电子；以及磁场发生器，用于在所述室中产生磁场并将所述光电子从所述衬底引到所述分析器，其中所述分析器和所述磁场发生器被设置在所述衬底支架的相对的两侧。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中所述磁场发生器被设置在所述衬 底支架的下方。
3. 根据权利要求2所述的系统，其中所述室包括第一部分和第二部分。
4. 根据权利要求3所述的系统，该系统还包括-邻近所述室的所述第一部分的加载锁定室；以及具有基座和机械臂的机械台，所述衬底支架与所述机械臂连接，所述机 械臂与所述基座可旋转地连接，所述基座与所述室壁连接。
5. 根据权利要求4所述的系统，其中当所述衬底支架在所述室的所述 第二部分中时，所述分析器和所述磁场发生器被设置在所述衬底支架的相对 的两侧。
6. 根据权利要求5所述的系统，其中当所述衬底支架在所述室的所述第二部分中时，所述磁场发生器被设置在所述衬底支架的下方。
7. 根据权利要求6所述的系统，其中所述室为真空室且所述磁场发生 器未被设置在所述真空室中。
8. —种光电子能谱分析系统，该系统包括 围绕真空室的室壁；被设置在所述真空室中的衬底支架，用于支撑衬底；电磁放射源，用于发射电磁放射线到所述衬底支架上的所述衬底上，所 述电磁放射线使光电子从所述衬底发射出来；分析器，用于捕获发射自所述衬底的所述光电子；以及磁场发生器，用于在所述真空室中产生磁场并将所述光电子从所述衬底 引到所述分析器，所述磁场发生器被设置在所述真空室的外部。
9. 根据权利要求8所述的系统，其中所述分析器和所述磁场发生器被 设置在所述衬底支架的相对的两侧。
10. 根据权利要求9所述的系统，其中所述磁场发生器被设置在所述衬 底支架的下方。
11. 根据权利要求8所述的系统，其中所述室包括第一部分和第二部分。
12. 根据权利要求ll所述的系统，该系统还包括-临近所述室的所述第一部分的加载锁定室；以及具有基座和机械臂的机械台，所述衬底支架与所述机械臂连接，所述机 械臂与所述基座可旋转地连接以用于将所述衬底支架从所述加载锁定室传送到所述室的所述第二部分。
13. 根据权利要求12所述的系统，其中当所述衬底支架在所述室的所 述第二部分中时，所述分析器和所述磁场发生器被设置在所述衬底支架的相 对的两侧。
14. 根据权利要求13所述的系统，其中当所述衬底支架在所述室的所 述第二部分中时，所述磁场发生器被设置在所述衬底支架的下方。
15. —种光电子能谱分析系统，该系统包括 围绕室的室壁，所述室具有装载部分和测试部分； 具有机械臂和衬底支架的机械台，所述机械臂能在所述室的所述装载部分和所述测试部分之间移动所述衬底支架；电磁放射源，用于当所述衬底支架在所述室的所述测试部分中时发射电磁放射线到所述衬底支架上的衬底上，所述电磁放射线使光电子从所述衬底的材料发射出来；分析器，用于捕获发射自所述衬底的所述光电子；以及磁场发生器，用于在所述室中产生磁场并将所述光电子从所述衬底引到所述分析器，当所述衬底支架在所述室的所述测试部分中时，所述磁场发生器被设置在所述衬底支架的下方。
16. 根据权利要求15所述的系统，其中所述室为真空室，且磁透镜未 被设置在所述真空室中。
17. 根据权利要求16所述的系统，其中当所述衬底支架在所述室的所 述测试部分中时，所述磁透镜位于距所述衬底支架的下方少于5毫米处。
18. 根据权利要求17所述的系统，其中所述机械臂的至少一部分关于 旋转轴旋转，所述旋转轴穿过所述室的进入部分。
19. 一种光电子能谱分析系统，该系统包括 围绕室的室壁；被设置在所述室中的衬底支架，用于支撑衬底；电磁放射源，用于发射电磁放射线到所述衬底支架上的所述衬底的一部分上，所述电磁放射线使光电子从所述衬底发射出来；分析器，用于捕获发射自所述衬底的所述部分的所述光电子；以及 照相机子系统，用于收集被反射离开所述衬底的所述部分的可见光并捕获所述衬底的所述部分的图像。
20. 根据权利要求19所述的系统，其中所述可见光从所述衬底的所述 部分垂直地传播到所述衬底的上表面。
21. 根据权利要求19所述的系统，其中被所述分析器捕获的光电子从 所述衬底的所述部分以第一方向发射出来，并且由所述照相机子系统收集的 可见光从所述衬底的所述部分以第二方向传播，所述第一方向和所述第二方 向基本平行。
22. 根据权利要求21所述的系统，其中被所述分析器捕获的所述光电 子与由所述照相机子系统收集的所述可见光至少部分相交。
23. 根据权利要求22所述的系统，其中被所述分析器捕获的所述光电 子被排列成具有中心轴的光电子束，由所述照相机子系统收集的所述可见光 被排列成具有中心轴的可见光束，且所述光电子束的中心轴与所述可见光束的中心轴共轴。
24. 根据权利要求23所述的系统，其中所述照相机子系统还包括照相 机和反射镜，所述反射镜被设置在所述衬底的所述部分的上方且具有反射面 和贯穿该反射面的开口 ，所述光电子穿过所述开口并进入到所述分析器中， 而所述可见光被反射以离开所述反射面并进入到所述照相机中。
25. 根据权利要求24所述的系统，其中所述反射镜被设置在所述分析 器和所述衬底支架之间。
26. 根据权利要求25所述的系统，其中所述室包括第一部分和第二部分。
27. 根据权利要求26所述的系统，该系统还包括 与所述室的所述第一部分耦合的加载锁定室；以及 具有基座和机械臂的机械台，所述衬底支架与所述机械臂连接，所述机械臂与所述基座可旋转地连接以用于将所述衬底支架从所述加载锁定室传 送到所述室的所述第二部分。
28. 根据权利要求27所述的系统，该系统还包括磁场发生器，用于在 所述室中产生磁场并将所述光电子从所述衬底引到所述分析器。
29. 根据权利要求28所述的系统，其中当所述衬底支架在所述室的所 述第二部分中时，所述分析器和所述磁场发生器被设置在所述衬底支架的相 对的两侧。
30. 根据权利要求29所述的系统，其中所述磁场发生器创建具有旋转 对称性的磁场，该磁场与所述光电子束的中心轴以及所述可见光束的中心轴 共轴。
31. 根据权利要求24所述的系统，其中所述照相机和所述反射镜在相 对于彼此的固定的位置与所述室壁连接。
32. 根据权利要求31所述的系统，其中所述照相机和所述反射镜在固 定的位置与所述室壁连接。
33. —种光电子能谱分析系统，该系统包括 围绕室的室壁；被设置在所述室中的衬底支架，用于支撑衬底；电磁放射源，用于发射电磁放射线到所述衬底支架上的所述衬底的一部 分上，所述电磁放射线使光电子从所述衬底的所述部分发射出来；分析器，用于捕获发射自所述衬底的所述部分的所述光电子；磁场发生器，用于在所述室中产生磁场并将所述光电子从所述衬底引到 所述分析器；以及照相机子系统，用于收集被反射以离开所述衬底的所述部分的可见光并 捕获所述衬底的所述部分的图像。
34. 根据权利要求33所述的系统，其中所述可见光从所述衬底的所述 部分垂直地传播到所述衬底的上表面。
35. 根据权利要求33所述的系统，其中被所述分析器捕获的光电子从 所述衬底的所述部分以第一方向发射出来，并且由所述照相机子系统收集的可见光从所述衬底的所述部分以第二方向传播，所述第一方向和所述第二方 向基本平行。
36. 根据权利要求35所述的系统，其中被所述分析器捕获的所述光电 子与由所述照相机子系统收集的所述可见光至少部分相交。
37. 根据权利要求36所述的系统，其中被所述分析器捕获的所述光电 子被排列成具有中心轴的光电子束，由所述照相机子系统收集的所述可见光 被排列成具有中心轴的可见光束，且所述光电子束的中心轴与所述可见光束 的中心轴共轴。
38. 根据权利要求37所述的系统，其中所述磁场发生器创建具有旋转 对称性的磁场，该磁场与所述光电子束的中心轴以及所述可见光束的中心轴 共轴。
39. 根据权利要求38所述的系统，其中所述照相机子系统还包括照相 机和反射镜，所述反射镜被设置在所述衬底的所述部分的上方且具有反射面 和贯穿该反射面的开口 ，所述光电子穿过所述开口并进入到所述分析器中， 而所述可见光被反射以离开所述反射面并进入到所述照相机中。
40. 根据权利要求39所述的系统，其中所述反射镜被设置在所述分析 器和所述衬底支架之间。
41. 根据权利要求40所述的系统，其中所述室包括第一部分和第二部分。
42. 根据权利要求41所述的系统，该系统还包括加载锁定室，该加载锁定室与框架连接且邻近所述室的所述第一部分；以及具有基座和机械臂的机械台，所述衬底支架与所述机械臂连接，所述机 械臂与所述基座可旋转地连接以将所述衬底支架从所述加载锁定室传送到 所述室的所述第二部分。
43. 根据权利要求42所述的系统，其中当所述衬底支架在所述室的所 述第二部分中时，所述分析器和所述磁场发生器被设置在所述衬底支架的相 对的两侧。
44. 根据权利要求43所述的系统，其中所述照相机和所述反射镜在相 对于彼此的固定的位置与所述室壁连接。
45. 根据权利要求44所述的系统，其中所述照相机和所述反射镜在相 对于所述框架的固定的位置与所述室壁连接。
46. —种光电子能谱分析系统，该系统包括 衬底支架，用于支撑具有上表面的衬底；以及照相机子系统，用于收集被反射离开所述衬底的一部分的可见光并捕获 所述衬底的所述部分的图像，所述可见光从所述衬底的所述部分以基本垂直 于所述衬底上表面的所述上表面的方向传播。
47. 根据权利要求46所述的系统，其中所述照相机子系统还包括照相 机和反射镜，所述反射镜被设置在所述衬底的所述部分的上方且具有反射面 以及贯穿该反射面的开口。
48. 根据权利要求47所述的系统，其中所述照相机和所述反射镜在相 对于彼此的固定的位置连接。
49. 根据权利要求48所述的系统，其中所述照相机和所述反射镜与围 绕室的室壁连接，其中所述衬底支架在所述室中。
50. 根据权利要求49所述的系统，其中所述反射镜被设置在所述衬底 的上方，且所述衬底支架能将所述衬底移向以及远离所述照相机子系统。
51. —种光电子能谱分析系统，该系统包括 衬底支架，用于支撑衬底；阳极；电子枪，用于将电子波束引到所述阳极上，所述电子使电磁放射线从所 述阳极发射出来；波束成形器，用于在所述阳极的第一部分上使所述电子波束成形为第一 波束形状以及在所述阳极的第二部分上使所述电子波束成形为第二波束形 状；以及单色仪，用于将发射自所述阳极的所述电磁放射线重新引到所述衬底 上，其中当具有所述第一波束形状的电子被引到所述阳极的所述第一部分上时，所述电磁放射线以所述第一波束形状撞击所述衬底的第一目标部分，并 且其中所述第二电子波束被引到所述阳极的所述第二部分上，所述电磁放射 线以所述第二波束形状撞击所述衬底的第二目标部分。
52. 跟据权利要求51所述的系统，其中所述第一波束形状为拉长的椭 圆形或矩形。
53. 根据权利要求52所述的系统，其中所述拉长的椭圆形或矩形具有 长和宽，其中所述长至少是所述宽的两倍。
54. 根据权利要求51所述的系统，其中所述第一波束形状和所述第二 波束形状均为拉长的椭圆形或矩形。
55. 根据权利要求51所述的系统，其中所述阳极的所述第二部分至少 部分与所述阳极的所述第一部分重叠。
56. 根据权利要求51所述的系统，其中在所述阳极的所述第一部分上 的所述第一波束形状被旋转到所述阳极的所述第二部分以形成所述第二波 束形状。
57. 根据权利要求56所述的系统，其中所述衬底支架与自动机械耦合， 该自动机械在极坐标(R， 0)系统中移动所述衬底支架。
58. 根据权利要求51所述的系统，其中所述电子波束具有大于100瓦 特的额定功率。
59. 根据权利要求52所述的系统，其中所述第一形状具有400至40000 平方微米之间的面积。
60. —种实施光电子能谱分析的方法，该方法包括 将具有计量垫板的衬底置于衬底支架上，其中所述衬底支架与自动机械连接；将所述衬底支架移动到测试位置；以及产生电磁放射波束并使该电磁放射波束成形以将该电磁放射波束置于 所述衬底的所述计量垫板上。
61. 根据权利要求60所述的方法，其中所述自动机械使用已预先编程 的坐标来将所述衬底支架移动到所述测试位置。
62. 根据权利要求60所述的方法，其中所述自动机械使用极坐标(R， 0)来移动所述衬底支架。
63. 根据权利要求60所述的方法，该方法还包括在将所述衬底支架移 动到所述测试位置之后，使用光学查看系统来确定所述计量垫板的位置。
64. 根据权利要求60所述的方法，其中所述查看系统接收反射自所述 计量垫板的被集中在垂直于所述衬底的方向周围的光。
65. 根据权利要求60所述的方法，该方法还包括将所述衬底支架移动 到第二测试位置，其中将所述衬底支架从所述第一测试位置移动到所述第二 测试位置包括旋转所述衬底支架。
66. 根据权利要求60所述的方法，该方法还包括使所述电磁放射成形 为第二波束形状以将所述第二电磁放射波束置于所述衬底的第二计量垫板 上。
全文摘要
根据本发明的一个方面，提供一种衬底处理系统。该系统可以包括围绕室的室壁；被设置在所述室中的衬底支架，用于支撑衬底；电磁放射源，用于发射电磁放射线至衬底支架上的衬底上，所述电磁放射线使光电子从所述衬底上的材料被发射出来；分析器，用于捕获从衬底发射出来的光电子；以及磁场发生器，用于在所述室中创建磁场并将所述光电子从所述衬底引到所述分析器。
文档编号G01N21/62GK101273251SQ200680035806
公开日2008年9月24日 申请日期2006年9月8日 优先权日2005年9月27日
发明者B·W·许勒尔, D·A·雷德 申请人:瑞沃瑞公司