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CN114486971A - 多源设计的x射线分析系统和方法 - Google Patents

多源设计的x射线分析系统和方法 Download PDF

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CN114486971A CN202210103584.XA CN202210103584A CN114486971A CN 114486971 A CN114486971 A CN 114486971A CN 202210103584 A CN202210103584 A CN 202210103584A CN 114486971 A CN114486971 A CN 114486971A
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张雪娜
洪峰
王翠焕
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Shenzhen Aisin Semiconductor Technology Co ltd
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Abstract

公开了一种多源设计的X射线分析系统和方法。根据实施例，X射线分析系统可以包括：射线源，包括被配置为产生射线的多个射线发生装置；探测器，被配置为探测分析对象被来自射线源的射线照射而产生的信号；以及控制器，被配置为控制射线源，使射线源中的两个或更多个射线发生装置同时产生相应的射线，以照射分析对象。

Description

多源设计的X射线分析系统和方法
技术领域
本公开涉及X射线分析技术，更具体地，涉及多源设计的X射线分析系统和方法。
背景技术
X射线分析技术在材料表征方面有着重要应用，例如用于分析和测定元素成分、表面形貌、薄膜厚度、晶体结构等。X射线分析技术包括X射线荧光(XRF)分析、X射线反射(XRR)分析、小角X射线散射(SAX)分析、X射线衍射(XRD)分析等。
X射线的行为依赖于能量，一定能量的射线通常只针对特定元素起作用。因此，现有X射线分析系统中通常仅具有发射选定能量的单一射线源，或者即使配置多个源，也通过选择部件而选择其中一个发射。
发明内容
有鉴于此，本公开的目的至少部分地在于提供一种多源设计的X射线分析系统和方法。
根据本公开的一个方面，提供了一种X射线分析系统，包括：射线源，包括被配置为产生射线的多个射线发生装置；探测器，被配置为探测分析对象被来自射线源的射线照射而产生的信号；以及控制器，被配置为控制射线源，使射线源中的两个或更多个射线发生装置同时产生相应的射线，以照射分析对象。
这种多源设计可同时收集更多信号，并因此可以增强信号以提升吞吐量。
所探测的信号可以包括荧光、反射光、衍射光、散射光等中至少之一。例如，探测器可以包括以下至少之一：荧光探测器，被配置为探测分析对象被来自所述两个或更多个射线发生装置中至少一个射线发生装置的射线照射而发出的荧光，以进行X射线荧光(XRF)分析；反射光探测器，被配置为探测分析对象反射所述两个或更多个射线发生装置中至少一个射线发生装置的射线而得到的反射光，以进行X射线反射(XRR)分析；衍射光探测器，被配置为探测分析对象衍射所述两个或更多个射线发生装置中至少一个射线发生装置的射线而得到的衍射光，以进行X射线衍射(XRD)分析；散射光探测器，被配置为探测分析对象散射所述两个或更多个射线发生装置中至少一个射线发生装置的射线而得到的散射光，以进行小角度X射线散射(SAX)分析。
在XRF分析的情况下，射线源和探测器可以具有以下至少一种配置：所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置中至少之一的射线被配置为以掠入射方式入射到所述分析样品上，以进行掠入射XRF(GIXRF)分析；荧光探测器被配置为接收掠出射的荧光，以进行掠出射XRF(GEXRF)分析；所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置中至少之一的射线被配置为以非掠入射方式入射到分析样品上，荧光探测器被配置为接收非掠出射的荧光，以进行正常XRF分析。
X射线分析系统可以被配置为同时进行GIXRF分析、GEXRF分析、正常XRF分析、XRR分析、XRD分析和SAX分析中至少两项。
不同的测量技术可以组合在同一测量工具中，以同时进行多种分析。另外，不同技术之间可以彼此验证，以进一步改进测量精度。
另外，在XRF分析的情况下，所述两个或更多个射线发生装置可以均被配置为以小于临界角的入射角入射到分析样品上，荧光探测器被配置为正对分析样品，以进行全反射XRF(TXRF)分析。
在TXRF分析的情况下，例如分析样品为晶圆，所述两个或更多个射线发生装置可以均被配置为发射平行束，以在分析样品上形成椭圆形光斑，光斑的长轴可以与晶圆的直径实质上对准，光斑的短轴可以对应于荧光探测器的直径。可以沿直线排列多个荧光探测器，以覆盖晶圆的直径或半径。
X射线分析系统还可以包括：样品台，分析样品被置于样品台上，样品台被配置为平移分析样品，以便来自所述两个或更多个射线发生装置的射线扫描分析样品。
根据本公开的实施例，射线源和探测器也可以不必相对于样品在角向移动，而是可以固定。可以仅平移分析样品，以实现测量扫描。这降低了系统复杂度，并可以有助于将不同分析技术如XRR分析、XRD分析等组合到同一测量工具中。
在XRR分析、SAX分析中，所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置可以被设置为发射的射线以掠入射方式入射到分析样品上。在XRD分析中，所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置可以被设置为发射的射线以布拉格角入射到分析样品上。相应射线发生装置的入射角度至少在同一批次的测量中可以保持固定。
射线源中的所述多个射线发生装置可以沿着样品台的周向分开设置，并可以被配置为各自发出的射线照射到分析样品的相同目标区域上。
在XRF分析中，所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置可以被配置为发射单色光或复色光。在XRR分析、XRD分析或SAX分析中，所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置可以被配置为发射单色光。
在XRR分析、XRD分析或SAX分析中，所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置可以被配置为发射汇聚束。在GIXRF分析中，所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置可以被配置为发射汇聚束。在GEXRF分析和正常XRF中，所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置可以被配置为发射平行束或汇聚束。
控制器可以被配置为根据分析样品的特性选择所述两个或更多个射线发生装置以同时产生射线。
根据本公开的另一方面，提供了一种X射线分析方法，包括：分别从两个或更多个射线发生装置同时产生射线；以所产生的射线照射分析对象；以及探测分析对象被射线照射而产生的信号。
所探测的信号可以包括以下至少之一：分析对象被来自所述两个或更多个射线发生装置中至少一个射线发生装置的射线照射而发出的荧光，用以进行X射线荧光(XRF)分析；分析对象反射所述两个或更多个射线发生装置中至少一个射线发生装置的射线而得到的反射光，用以进行X射线反射(XRR)分析；分析对象衍射所述两个或更多个射线发生装置中至少一个射线发生装置的射线而得到的衍射光，用以进行X射线衍射(XRD)分析；分析对象散射所述两个或更多个射线发生装置中至少一个射线发生装置的射线而得到的散射光，用以进行小角度X射线散射(SAX)分析。
在XRF分析的情况下，该方法还可以包括以下至少之一：使所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置中至少之一的射线以掠入射方式入射到分析样品上，以进行掠入射XRF(GIXRF)分析；接收掠出射的荧光，以进行掠出射XRF(GEXRF)分析；使所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置中至少之一的射线以非掠入射方式入射到分析样品上，并接收非掠出射的荧光，以进行正常XRF分析。
该方法还可以包括：同时进行GIXRF分析、GEXRF分析、正常XRF分析、XRR分析、XRD分析和SAX分析中至少两项。
另外，在XRF分析的情况下，该方法还可以包括：使所述两个或更多个射线发生装置均以小于临界角的入射角入射到分析样品上，以进行全反射XRF(TXRF)分析。
该方法还可以包括：根据分析样品的特性选择所述两个或更多个射线发生装置以同时产生射线。
根据本公开的实施例，两个或更多个射线发生装置可以同时产生射线来照射分析对象，并可以进行多种分析，从而可以改进分析吞吐量。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的X射线分析系统；
图2(a)至2(d)示意性示出了进行X射线荧光(XRF)分析时射线源、样品和探测器之间的相对定位；
图3(a)示意性示出了进行X射线反射(XRR)分析时射线源、样品和探测器之间的相对定位；
图3(b)示意性示出了进行X射线衍射(XRD)分析时射线源、样品和探测器之间的相对定位；
图3(c)示意性示出了作为比较示例的常规XRR/XRD配置；
图4以俯视图示意性示出了根据本公开实施例的3×GIXRF配置；
图5以侧视图示意性示出了根据本公开实施例的GIXRF配置；
图6示意性示出了射线在样品上形成的光斑；
图7(a)至7(c)示意性示出了组合多个探测器以实现覆盖光斑的有效探测区域的示例；
图8(a)至8(f)示意性示出了不同分析技术的组合的示意配置；
图9以俯视图示意性示出了根据本公开实施例的3×GIXRF+XRR配置；
图10示意性示出了根据本公开实施例的单XRR路径配置；
图11示意性示出了根据本公开实施例的单探测器多XRR路径配置。
贯穿附图，相同或相似的附图标记表示相同或相似的部件。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在附图中示出了根据本公开实施例的各种示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
图1示意性示出了根据本公开实施例的X射线分析系统。更具体地，图1以俯视图示意性示出了根据该实施例的X射线分析系统100。
如图1所示，根据该实施例的X射线分析系统100可以包括射线源110、探测器150和控制器170。
射线源110可以产生用于X射线分析的射线，如X射线、伽马射线等中至少一种。在此，射线源110可以包括多个射线发生装置1101-1、1101-2、…、1101-n(n是大于或等于2的整数)。每个射线发生装置可以独立地产生相应的射线，如X射线或伽马射线。例如，每个射线发生装置可以是X射线光管，具有内部为真空或接近真空的壳体以及设于壳体内的电子束发射器和靶材，靶材被电子束发射器所发射的电子束轰击而产生射线。可以通过选择不同的靶材例如铜(Cu)、铁(Fe)钼(Mo)等，来产生不同能量(例如，以KeV为单位)或不同波长(或频率)的射线。各射线发生装置1101-1、1101-2、…、1101-n可以发射单色光或复色光。另外，可以通过控制电子束的功率，来控制所产生射线的强度。
射线源110可以包括分别用于安装各射线发生装置1101-1、1101-2、…、1101-n的安装座。各射线发生装置1101-1、1101-2、…、1101-n可以可拆卸地安装于相应的安装座上。于是，各射线发生装置1101-1、1101-2、…、1101-n可以容易地替换，例如在发生故障时，或者在需要时(例如，根据待分析对象的特性)被替换为不同特性的射线发生装置(例如，发射不同能量射线或者具有不同靶材的X射线光管)。例如，射线发生装置1101-1、1101-2、…、1101-n可以是可从市场获得的商用X射线光管，从而可以容易地按需调整X射线分析系统100的配置。
X射线分析系统100还可以包括源控制部120，用于控制射线源110的操作。例如，源控制部120可以根据来自控制器170的命令，控制各射线发生装置1101-1、1101-2、…、1101-n的开启/关闭(例如，通过下述快门)、发射射线的强度等。又如，源控制部120可以根据来自控制器170的命令，(通过控制下述驱动装置)调节各射线发生装置1101-1、1101-2、…、1101-n的定位。
从各射线发生装置1101-1、1101-2、…、1101-n产生的射线可以(例如，通过下述光学装置)被引导到置于样品台130上的样品S(即，分析对象)上。例如，样品S可以是(其中尚未制造或已经制造了集成电路的)硅晶圆。来自各射线发生装置1101-1、1101-2、…、1101-n的射线可以被聚焦到样品S的相同区域上。当然，射线也可以被聚焦到样品S的不同区域上。X射线分析系统100还可以包括驱动装置(未示出)，以实现射线聚焦到样品S。例如，驱动装置可以驱动光学装置、样品台等中至少之一进行平移、旋转、俯仰等动作，以实现所需的聚焦以及入射和/或出射角度。
X射线分析系统100还可以包括样品台控制部140，用于控制样品台130的操作。例如，样品台控制部140可以根据来自控制器170的命令，(通过控制驱动装置)调节样品台130的定位。
样品S可以反射、散射来自射线源110的射线，反射光和/或散射光可以用来进行X射线反射(XRR)分析和/或小角X射线散射(SAX)分析。例如，当X射线以小角度入射(例如，掠入射)到待测样品的表面上时，XRR分析可以确定(例如，薄膜样品的)薄膜密度、厚度、粗糙度等，SAX分析可以确定(例如，表面周期结构的)粒子/周期结构的尺寸、高度、宽度等。另外或者替代地，样品S可以衍射来自射线源110的射线(特别是以特定入射角例如布拉格角入射的射线)，衍射光可以用来进行X射线衍射(XRD)分析。例如，XRD分析可以确定样品S的晶体结构、晶格常数、应变等。另外或者替代地，样品S被来自射线源110的射线照射，其内轨道电子可以被射线激发，为了填充由此产生的空位，高能级电子可以跃迁到低能级轨道，从而释放相应的能量(也即，发出相应的荧光)。所释放的能量(即，发出的荧光)与样品S的能级结构有关，因此可以反映样品S的材料特性。在此，术语“荧光”可以是指由于吸收特定能量的辐射而发出较低能量的辐射。样品S可以响应于不同能量射线的照射而产生不同能量的荧光。这种荧光可以用来进行X射线荧光(XRF)分析。例如，XRF分析可以确定样品S的元素成分。
探测器150可以探测样品S受到射线照射而产生的信号，例如上述反射光、散射光、衍射光和荧光等中至少之一。在图1中，示意性示出了不同定位的探测器150-1、150-2。探测器150-1被示出为设于样品S上方(例如，相对于样品S设置在法向)，更具体地，设于样品S被射线照射的区域(也即，射线被聚焦到的光斑)上方。这种情况下，探测样品S受到X射线照射而发出的荧光是有利的。因此，探测器150-1可以包括XRF探测器，用以探测样品S发出的荧光。XRF探测器具有能量分辨力，也即，可以接收一定能量范围内的荧光，并测量不同能量处荧光的强度。于是，根据XRF探测器的探测结果，可以得到荧光的光谱。根据得到的光谱，可以分析获知样品S的成分、相应成分的含量等材料特性。例如，XRF探测器可以包括硅漂移探测器(SDD)。另外，探测器150-2被示出为相对于样品S设置在斜向上。这种斜向设置除了可以接收荧光之外，也利于接收反射光、散射光和衍射光，并因此可包括XRR探测器、SAX探测器、XRD探测器中至少之一，这些探测器可以由相同类型的探测器构成。
需要指出的是，尽管图1中示出了两个探测器150-1、150-2，但是本公开不限于此。可以设置单个探测器，或者可以设置更多个探测器，这可以根据以下描述而进一步明了。
X射线分析系统100中的驱动装置还可以驱动探测器150，以便探测器150能够接收上述反射光、散射光、衍射光和荧光等中至少之一。以下，将进一步描述射线源110、样品台130(或者说，置于其上的样品S)和探测器150之间的相对定位。
X射线分析系统100还可以包括探测器控制部160，用于控制探测器150的操作。例如，探测器控制部160可以根据来自控制器170的命令，向探测器150施加合适的偏置，对探测器150的信号进行适当的信号处理(例如，滤波、降噪、转换为适合控制器170处理的信号等)，等等。又如，探测器控制部160可以根据来自控制器170的命令，(通过控制驱动装置)调节探测器150的定位。
源控制部120、样品台控制部140和探测器控制部160各自均可以包括处理器或微处理器、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、单片机等，且可以分别集成到射线源110、样品台130和探测器150中，或者可以实现在控制器170中，或者可以分别部分地集成在射线源110、样品台130和探测器150中且部分地实现在控制器170中。
控制器170可以控制X射线分析系统100的整体操作。控制器170可以(通过源控制部120、样品台控制部140、探测器控制部160)分别控制射线源110、样品台130和探测器150的操作。例如，控制器170可以控制驱动装置，使得射线源110、样品台130和探测器150在光学上对准，也即，从射线源110发出的射线能够入射到置于样品台130上的样品S的目标区域，且来自样品S的反射光、散射光、衍射光和/或荧光能够被探测器150接收。控制器170可以控制射线源110，以选择射线发生装置1101-1、1101-2、…、1101-n中的至少两个(例如，三个或更多个)被同时接通，且被接通的射线发生装置发出的射线均可以入射到样品S的目标区域上。控制器170可以根据预定标准或用户输入，选择不同的射线发生装置来接通(例如，根据样品的特性，或者根据分析的目的)。控制器170还可以控制射线源110，使得被接通的射线发生装置能够产生一定强度的射线，以便探测器150能够得到质量较好(例如，信噪比高于预定阈值)的探测信号。控制器170可以根据探测器150的探测信号，生成分析结果(例如，样品S的成分、各成分的含量、表面膜厚、晶体结构等中至少之一)。控制器170可以将分析结果发生到显示装置(未示出)显示，存储在存储装置中，或者发送到远程服务器。控制器170还可以控制样品台130，使得能够对样品S进行扫描以探测分析样品S的不同区域。
控制器170可以实现为通用或专用计算机。该通用或专用计算机可以执行程序指令，以执行本公开中描述的各种操作。这种程序指令可以存储在本地的存储器中，或者可以经由有线或无线连接从远程存储器中下载。或者，本公开描述的操作可以通过控制器170请求远程服务器来执行，或者其中一些操作可以由控制器170执行而另一些操作可以由与控制器170联网的其他控制器或服务器来执行。
吞吐量是X射线分析技术中的重要指标之一。根据本公开的实施例，射线源110中的两个或更多个射线发生装置可以被同时接通。于是，可以增强所探测的信号(例如，信号强度的提升和/或信号种类的增加等)，以减少测量时间，并因此增加吞吐量。另外，针对不同射线发生装置的测量结果特别是不同分析技术的结果之间可以相互印证，以进一步改进测量精度。
根据本公开的实施例，射线发生装置1101-1、1101-2、…、1101-n中被接通的射线发生装置可以按照单色或复色的方式工作。具体地，被接通的射线发生装置中一个或多个射线发生装置可以产生单色光。或者，被接通的射线发生装置中一个或多个射线发生装置可以产生复色光。或者，一个或多个射线发生装置可以产生复色光或者白光，并结合有滤波器，以选择所产生的复色光或白光中的(一个或多个)选定波长或波段。
控制器170可以控制驱动装置，使得从射线源发出的射线能够以一定的入射角照射样品S，且探测器150能够探测以一定的出射角从样品S出射的荧光/反射射线。根据本公开的实施例，可以在几乎0度(掠入射或掠出射)到90度(正入射或正出射)或几乎90度的大范围内，设置入射角/出射角。
以下，将针对不同分析技术，给出射线源、样品和探测器之间相对定位的示例。
图2(a)至2(d)示意性示出了进行XRF分析时射线源、样品和探测器之间的相对定位。
如图2(a)所示，来自射线源110的射线可以相对于样品S的表面以非常小的角度入射到样品S上，这种情形可以称作掠入射(GI)。来自射线源110的射线可以汇聚方式而聚焦到样品S(的目标区域)上。这种汇聚射线束例如可以通过射线源110中的光学装置对射线发生装置(1101-1、1101-2、…或1101-n)所发射的射线进行聚焦而获得。在GI的情形中，为方便起见，以射线束中的射线相对于样品S表面的最小角度作为入射角度θinc。入射角度θinc可以非常小，例如，只有几度，甚至接近0°，例如约0.1°至1°。另一方面，入射角度θinc可以(稍)大于临界角(θc)，且因此没有发生全反射。临界角θc可以与样品S的材料、入射射线的能量(或波长)等相关。
在GI的情形下，探测器150可以正对样品S(的目标区域)设置，例如设置在样品S的法向上，并可以收集样品S被射线照射而产生的荧光。
这种XRF分析配置可以称作掠入射XRF(GIXRF)。
在图2(a)中，以单个射线发生装置示意性示出了射线源110。但是，如上所述，可以有多于一个射线发生装置(例如，可以发射不同波长或波段的射线，以同时分析不同元素；或者可以发射相同波长或波段的射线，以增强信号强度)被同时接通。这些接通的射线发生装置可以从样品S周向上的不同位置处以GI的方式照射样品S的相同目标区域。可以通过单个探测器150来收集样品S被这些射线发生装置照射而产生的荧光。以下将对此进一步详细说明。
如图2(b)所示，探测器150可以相对于样品S的表面以非常小的角度设置，这种情形可以称作掠出射(GE)。在GE的情形中，可以探测器150的光轴相对于样品S表面的角度作为出射角度θexit。出射角度θexit可以非常小，例如在0°到几度的范围内。
来自射线源110的射线可以相对于样品S的表面以较大的角度θinc(非GI入射角度，甚至可以正入射即90°入射角)入射。在此，角度θinc可以设置为使得处于GE配置的探测器150能够探测到质量较好的信号(例如，信噪比大于一定阈值)。另外，在这种情形下，除了汇聚束之外，入射射线束也可以是平行束(例如可以通过调整光学装置而获得)。
这种XRF分析配置可以称作掠出射XRF(GEXRF)。
类似地，可以有多于一个射线发生装置被同时接通。这些接通的射线发生装置可以从样品S周向上的不同位置处照射样品S的相同目标区域。例如，这些接通的射线发生装置可以接近90°或甚至90°(正入射)的入射角设置，从而靠近样品S的目标区域的法线。可以通过单个探测器150来收集样品S被这些射线发生装置照射而产生的掠出射荧光。
图2(c)示出了GI与GE之间的配置。具体地，来自射线源110的射线可以相对于样品S的表面以较大的角度θinc(非GI入射角度，且小于90°)入射，且探测器150相对于样品S的表面以较大的角度θexit(大于GE出射角度，直至90°)设置。射线源110和探测器150可以相对样品S定位为能够收集到质量较好的信号。类似地，在这种情形下，除了汇聚束之外，入射射线束也可以是平行束
这种XRF分析配置可以称作正常XRF。
类似地，可以有多于一个射线发生装置被同时接通。这些接通的射线发生装置可以从样品S周向上的不同位置处照射样品S的相同目标区域。可以通过单个探测器150来收集样品S被这些射线发生装置照射而产生的荧光。
如图2(d)所示，当入射角度θinc(稍)小于临界角θc时，可以发生全反射现象。这种情形下，入射射线束可以是平行束。探测器150可以设置为正对样品S。
这种XRF配置可以称作TXRF。
类似地，可以有多于一个射线发生装置被同时接通。这些接通的射线发生装置可以从样品S周向上的不同位置处照射样品S的相同目标区域。可以通过单个探测器150来收集样品S被这些射线发生装置照射而产生的荧光。
图3(a)示意性示出了进行XRR分析时射线源、样品和探测器之间的相对定位。
如图3(a)所示，在XRR分析中，收集反射光，故而θexit＝θinc。在此，入射角度θinc可以设置为(稍)小于临界角θc，但不限于此，例如如下所述可以掠入射。入射射线束可以是汇聚束(入射角度θinc可以通过入射射线束中的射线相对于样品S表面的最小角度来定义)，且因此涵盖了一定的角度范围，故而能够通过单次照射来获得更多所需数据，而无需在系统中设置移动部件来使入射角度发生改变以实现角度扫描(同时，也无需移动探测器以应对入射角的变化)。因此，根据本公开实施例的XRR也可以称作快速XRR。
类似地，可以有多于一个射线发生装置被同时接通。这些接通的射线发生装置可以从样品S周向上的不同位置处以不同入射角照射样品S的相同目标区域。可以设置不同的探测器来分别接收不同角度的反射光，或者也可以设置单个探测器来接收所有反射光，这将在以下进一步描述。
上述XRR配置也可以适用于SAX配置，因此针对SAX配置不再单独说明。
图3(b)示意性示出了进行XRD分析时射线源、样品和探测器之间的相对定位。
如图3(b)所示，在XRD分析中，入射角度θinc与样品S的晶体结构等有关，例如可以被设置为样品S的布拉格角θB。布拉格角θB与样品S的材料以及入射射线的能量等相关。探测器150可以设置为θexit＝θinc。入射射线束可以是汇聚束(入射角度θinc可以通过入射射线束中的中心射线相对于样品S表面的角度来定义)，且因此涵盖了一定的角度范围，故而能够通过单次照射来获得更多所需数据，而无需在系统中设置移动部件来使入射角度发生改变以实现角度扫描(同时，也无需移动探测器以应对入射角的变化)。因此，根据本公开实施例的XRD也可以称作快速XRD。
在XRR分析和XRD分析中，探测器150探测反射光或衍射光，因此可以是相同类型的探测器，例如可以探测相应射线的射线探测器。
图3(c)示意性示出了作为比较示例的常规XRR/XRD配置。
如图3(c)所示，在常规XRR/XRD配置中，需要进行角度扫描。具体地，通过移动部件移动射线源，使入射角θ(在一定范围内)改变。同时，通过移动部件移动探测器，使出射角等于入射角，以便接收反射光或衍射光。因此，需要移动部件，一方面这种移动迫使对入射束斑的要求降低，另一方面增加了复杂度，从而限制了使用多个射线发生装置进行组合的可能性。
根据本公开的实施例，射线源中的不同射线发生装置可以设置为针对不同分析。例如，一个射线发生装置可以设置为用于XRF分析，因此其入射角度可以设置为例如稍大于临界角θc(GIXRF的情形)；一个射线发生装置可以设置为用于XRR分析，因此其入射角度可以设置为例如稍小于临界角θc；另一射线发生装置可以设置为用于XRD分析，因此其入射角度可以设置为例如布拉格角θB。这些射线发生装置可以在角度位置上固定，只需通过样品台平移样品来实现对样品的扫描，而无需如图3(c)所示通过移动部件例如测角仪(相对于样品表面的角向移动)来使入射角度发生变更。
根据本公开的实施例，XRF(包括GIXRF、正常XRF、GEXRF)、XRR/SAX、XRD这些技术可以灵活地组合。具体地，射线源110的射线发生装置1101-1、1101-2、…、1101-n中的一个或多个可以被配置为进行XRF(包括GIXRF、正常XRF、GEXRF)、XRR/SAX、XRD中一种分析，而另外一个或多个可以被配置为进行另一种分析。探测器可以根据所要进行的分析技术相应地配置。注意，为应对不同分析技术或者不同角度需要，探测器可以包括不同类型和/或不同定位的多个探测器。
以下，以射线源110中同时接通三个射线发生装置1101-1、1101-2和1101-3为例，描述不同分析技术的组合示例。
这三个射线发生装置可以均用于XRF分析，但各自的入射角度可以不同地设置，并因此可以实现不同的配置。
表1不同XRF技术组合
情形 1101-1 1101-2 1101-3
1 GIXRF GIXRF GIXRF
2 GIXRF GIXRF 正常XRF
3 GIXRF 正常XRF 正常XRF
4 正常XRF 正常XRF 正常XRF
5 GEXRF GIXRF GIXRF
6 GEXRF GEXRF GIXRF
7 GEXRF GEXRF GEXRF
8 GEXRF GEXRF 正常XRF
9 GEXRF 正常XRF 正常XRF
10 TXRF TXRF TXRF
射线发生装置1101-1、1101-2和1101-3中每一个可以产生单色光或复色光，或者白光(如上所述，可以结合滤波器以选择特定波长或波段的光)，并可以如上表所示实现不同XRF技术之间的组合。射线发生装置1101-1、1101-2和1101-3中每一个可以设置为GIXRF配置、GEXRF配置和正常XRF配置之一，并且不同配置的射线发生装置可以如上表所示灵活组合。可以根据需要，设置单个探测器或多个探测器。可以同时收集(例如，通过单个探测器探测到的)根据不同射线发生装置发射的射线而产生的信号，或者可以组合(例如，通过不同探测器探测到的)根据不同射线发生装置发射的射线而产生的信号。
另外，表1还示出了一种特殊的情形，即情形10。如上所述，在TXFR情形中，平行光束以小于临界角θc的入射角入射到样品S上，导致样品S上的光斑较大。因此，一般情况下TXRF不与其他分析技术相组合。
图4以俯视图示意性示出了根据本公开实施例的3×GIXRF配置(即，3个射线发生装置均为GIXRF配置)。
如图4所示，射线发生装置1101-1、1101-2和1101-3沿着样品台130的周向彼此分开定位，并分别发射射线以照射置于样品台130上的样品S。针对各射线发生装置1101-1、1101-2、1101-3，分别设置快门1102-1、1102-2、1102-3以及光学装置1103-1、1103-2、1103-3。(例如在上述源控制部120和/或控制器170的控制下，)快门1102-1、1102-2、1102-3可以控制来自相应射线发生装置1101-1、1101-2和1101-3的射线的通过与否，光学装置1103-1、1103-2、1103-3可以控制来自相应射线发生装置1101-1、1101-2和1101-3的射线的光学行为如偏转、聚焦等。在此，各光学装置1103-1、1103-2、1103-3可以实现不同的工作距离(WD)WD1、WD2、WD3，并可以将相应射线发生装置1101-1、1101-2、1101-3发射的射线汇聚到相同区域。
可以将各射线发生装置1101-1、1101-2和1101-3(结合相应的快门1102-1、1102-2、1102-3以及光学装置1103-1、1103-2、1103-3)定位为实现掠入射(来自各射线发生装置的射线的入射角不必相同)。如上所述，至少在同一批次检测(例如，针对相同类型的分析样品，如同为硅材料的晶圆)中，这种定位可以是固定的。另外，可以移动样品台130，使得置于样品台130上的样品S可以对准于来自各射线发生装置1101-1、1101-2和1101-3的射线所聚焦到的光斑。在图4中，以椭圆形示意性示出了各射线发生装置1101-1、1101-2、1101-3照射到样品S上的光斑。光斑可以呈椭圆形，其长轴可穿过聚焦点。可以通过样品台130平移样品S，从而光斑可以在样品S的表面内扫描。
探测器150可以设置为正对样品S上的光斑。在图中，以圆形示意性示出了探测器150的有效探测区域，该有效探测区域可以覆盖样品S上的光斑。如下所述，这种有效探测区域可以通过单个探测器实现(例如，在光斑较小时)，或者也可以通过多个探测器实现(例如，在光斑较大时)，这将在以下进一步详细描述。当然，探测器150的有效探测区域不限于圆形，也可以是其他形状。
图5以侧视图示意性示出了根据本公开实施例的GIXRF配置。由于侧视图的原因，图中仅示出了一个射线发生装置例如1101以及相应的快门1102和光学装置1103。可以通过底座M，实现一定的入射角度θ。如上所述，这种定位可以在至少一个批次的测量中不改变。
另外，还可以设置Z轴传感器680，以感测样品S表面在Z轴(竖直方向)上的位置。例如，样品S可能存在翘曲等，通过Z轴传感器680，可以保证探测器150以距样品S的表面上的光斑实质上恒定的距离d1来测量来自样品S的荧光。Z轴传感器680可以设置为相比于探测器150更进一步远离样品S有d2的距离。
如上所述，探测器的有效探测区域可以通过多个探测器来组合实现，特别是在光斑尺寸较大时。例如，在TXRF的情形下，平行束以非常小的角度入射到样品上，从而光斑较大。
图6示意性示出了来自三个射线发生装置的射线照射在置于样品台130上的样品S上的光斑。如图6所示，在TXRF的情形下，通过控制相对定位和光学装置，使得样品S上的光斑可以呈椭圆形，其长轴可以与样品S(例如，晶圆)的直径基本上相同，而短轴可以与单个探测器的直径相当(例如，基本上相等，或稍小)。
图7(a)和7(b)示意性示出了组合多个探测器，以实现覆盖光斑的有效探测区域的示例。如图7(a)所示，可以沿直线排列多个探测器，如此排列的探测器可以对准椭圆形光斑的长轴(在TXRF的情形下，对应于晶圆的直径)。可以使探测器与晶圆相对旋转180°，实现对整个晶圆表面的扫描。或者，如图7(b)所示，排列的探测器可以对准椭圆形光斑的长轴的一半(在TXRF的情形下，对应于晶圆的半径)。可以使探测器与晶圆相对旋转360°，实现对整个晶圆表面的扫描。
图7(c)示意性示出了组合多个探测器的另一示例。如图7(c)所示，单个探测器可以具有不同于圆形的探测区域。尽管图中以正六边形为例，但是本公开不限于此，单个探测器的探测区域可以是其他形状，例如方形等。通过紧密排列多个探测器，可以实现所需的有效探测区域，例如图7(c)中的虚线圈所示的大致圆形。
不限于在不同XRF技术之间组合，还可以组合XRF技术与XRR技术、XRD技术等。
表2 XRF与XRR技术组合
情形 1101-1 1101-2 1101-3
1 GIXRF GIXRF GIXRR
2 GIXRF GIXRR GIXRR
3 正常XRF 正常XRF GIXRR
4 正常XRF GIXRR GIXRR
5 GEXRF GEXRF GIXRR
6 GEXRF GIXRR GIXRR
注：(1)GIXRR表示掠入射XRR；(2)(GI)XRR可以替换为(GI)SAX。
表3 XRF与XRD技术组合
情形 1101-1 1101-2 1101-3
1 GIXRF GIXRF XRD
2 GIXRF XRD XRD
3 正常XRF 正常XRF XRD
4 正常XRF XRD XRD
5 GEXRF GEXRF XRD
6 GEXRF XRD XRD
表4 XRF、XRR和XRD技术组合
情形 1101-1 1101-2 1101-3
1 GIXRF GIXRR XRD
2 正常XRF GIXRR XRD
当然，XRR技术与XRD技术也可以灵活组合。
表5 XRR与XRD技术组合
情形 1101-1 1101-2 1101-3
1 GIXRR GIXRR GIXRR
2 GIXRR GIXRR XRD
3 GIXRR XRD XRD
4 XRD XRD XRD
在XRR、XRD的情况下，可以采用单色光，且探测器可以是面探测器。
图8(a)至8(f)示意性示出了一些组合下的示意配置。
图8(a)示意性示出了GEXRF+正常XRF的组合。如图8(a)所示，来自射线源110的射线可以较大角度(非GI入射角度)入射到样品S上，探测器150-1可以配置为探测并非掠出射的荧光(正常XRF，在该示例中，探测器150-1可以正对样品S)，探测器150-2可以配置为接收掠出射的荧光(GEXRF)。
图8(b)示意性示出了GEXRF+XRD的组合。如图8(b)所示，来自射线源110的射线可以布拉格角θB入射到样品S上，探测器150-1可以配置为接收衍射光(XRD，出射角＝入射角＝θB)，探测器150-2可以配置为接收掠出射的荧光(GEXRF)。
图8(c)示意性示出了GIXRF+XRR的组合。如图8(c)所示，来自射线源110的射线可以较小角度θ掠入射到样品S上，探测器150-1可以配置为接收荧光(GIXRF，在该示例中，探测器150-1可以正对样品S)，探测器150-2可以配置为接收反射光(XRR)。
图8(d)示意性示出了XRR+XRD的组合。如图8(d)所示，来自射线发生装置1101-1的射线可以布拉格角θB入射到样品S上，探测器150-1可以配置为接收衍射光(XRD)；来自射线发生装置1101-2的射线可以较小角度θ掠入射(例如，稍小于临界角θc)到样品S上，探测器150-2可以配置为接收反射光(XRR)。如上所述，射线束可以是汇聚束，并可以不需要角度扫描。
图8(e)示意性示出了XRF+XRD的组合。如图8(e)所示，来自射线源110的射线可以布拉格角θB入射到样品S上，探测器150-1可以配置为接收荧光(正常XRF，在该示例中，探测器150-1可以正对样品S)，探测器150-2可以配置为接收衍射光(XRD，出射角θexit＝入射角＝θB)。
图8(f)示意性示出了TXRF+TXRF的组合。如图8(f)所示，不同的射线发生装置1101-1、1101-2可以在从样品S周向上的不同位置处以(稍)小于临界角θc的入射角度θ入射到样品S上，探测器150可以配置为正对样品S，接收荧光。如上所述，由于光斑尺寸较大，一般情况下TXRF只与TXRF相组合。
类似地，在图8(a)至8(c)、8(e)中尽管以单个射线发生装置示意性示出了射线源110，但是可以有多于一个射线发生装置被同时接通。
图9以俯视图示意性示出了根据本公开实施例的3×GIXRF+XRR配置。
如图9所示，各射线发生装置1101-1、1101-2和1101-3可以如以上结合图4所述设置，以实现3×GIXRF。除了如上所述设置正对样品S以收集荧光的探测器105-4之外，还可以与各射线发生装置1101-1、1101-2和1101-3相对，设置探测器150-1、150-2、150-3，收集各射线发生装置1101-1、1101-2和1101-3发射的射线被样品S反射的反射光，以实现XRR分析。在该示例中，针对各射线发生装置1101-1、1101-2和1101-3，均相应地设置了XRR探测器150-1、150-2、150-3。但是，本公开不限于此。例如，可以仅针对射线发生装置1101-1、1101-2和1101-3中的一部分设置XRR探测器。
在图9的配置中，可以将来自至少一个射线发生装置的射线的入射角设置为布拉格角θB，并将相应的探测器设置在对应角度(出射角＝入射角＝θB)，可以实现XRD配置(如上所述，XRR探测器和XRD探测器可以是相同类型的探测器)。
在图9所示的实施例中，具有与XRR/XRD探测器150-1、150-2、150-3相对应的多个XRR/XRD路径。但是，本公开不限于此。
可以仅具有单个XRR/XRD路径。例如，如图10所示，XRR/XRD探测器150可以具有一定的范围(例如，线阵探测器或面阵探测器)，以便接收源自不同射线发生装置的射线。或者，如图11所示，包括单个XRR/XRD探测器但该XRR/XRD探测器可以提供多个XRR/XRD路径。具体地，XRR/XRD探测器150可以包括与射线发生装置1101-1、1101-2、1103相对应的探测区域，相邻探测区域之间可以具有阻挡部1502，以防止区域间相互干扰。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (20)

1.一种X射线分析系统，包括：
射线源，包括被配置为产生射线的多个射线发生装置；
探测器，被配置为探测分析对象被来自所述射线源的射线照射而产生的信号；以及
控制器，被配置为控制所述射线源，使所述射线源中的两个或更多个射线发生装置同时产生相应的射线，以照射所述分析对象。
2.根据权利要求1所述的X射线分析系统，其中，所述探测器包括以下至少之一：
荧光探测器，被配置为探测所述分析对象被来自所述两个或更多个射线发生装置中至少一个射线发生装置的射线照射而发出的荧光，以进行X射线荧光分析即XRF分析；
反射光探测器，被配置为探测所述分析对象反射所述两个或更多个射线发生装置中至少一个射线发生装置的射线而得到的反射光，以进行X射线反射分析即XRR分析；
衍射光探测器，被配置为探测所述分析对象衍射所述两个或更多个射线发生装置中至少一个射线发生装置的射线而得到的衍射光，以进行X射线衍射分析即XRD分析；
散射光探测器，被配置为探测所述分析对象散射所述两个或更多个射线发生装置中至少一个射线发生装置的射线而得到的散射光，以进行小角度X射线散射分析即SAX分析。
3.根据权利要求2所述的X射线分析系统，其中，在所述探测器包括荧光探测器的情况下，所述射线源和所述探测器具有以下至少一种配置：
所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置中至少之一的射线被配置为以掠入射方式入射到所述分析样品上，以进行掠入射XRF分析即GIXRF分析；
所述荧光探测器被配置为接收掠出射的荧光，以进行掠出射XRF分析即GEXRF分析；
所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置中至少之一的射线被配置为以非掠入射方式入射到所述分析样品上，所述荧光探测器被配置为接收非掠出射的荧光，以进行正常XRF分析。
4.根据权利要求3所述的X射线分析系统，其中，所述X射线分析系统被配置为同时进行GIXRF分析、GEXRF分析、正常XRF分析、XRR分析、XRD分析和SAX分析中至少两项。
5.根据权利要求2所述的X射线分析系统，其中，在所述探测器包括荧光探测器的情况下，所述两个或更多个射线发生装置均被配置为以小于临界角的入射角入射到所述分析样品上，所述荧光探测器被配置为正对所述分析样品，以进行全反射XRF分析即TXRF分析。
6.根据权利要求5所述的X射线分析系统，其中，所述分析样品为晶圆，所述两个或更多个射线发生装置均被配置为发射平行束，以在所述分析样品上形成椭圆形光斑，所述光斑的长轴与晶圆的直径实质上对准，所述光斑的短轴对应于所述荧光探测器的直径。
7.根据权利要求6所述的X射线分析系统，其中，沿直线排列多个所述荧光探测器，以覆盖所述晶圆的直径或半径。
8.根据权利要求2所述的X射线分析系统，其中，所述射线源被固定，所述X射线分析系统还包括：
样品台，所述分析样品被置于所述样品台上，所述样品台被配置为平移所述分析样品，以便来自所述两个或更多个射线发生装置的射线扫描所述分析样品。
9.根据权利要求8所述的X分析系统，其中，
在XRR分析、SAX分析中，所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置被设置为发射的射线以掠入射方式入射到所述分析样品上；
在XRD分析中，所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置被设置为发射的射线以布拉格角入射到所述分析样品上。
10.根据权利要求8所述的X射线分析系统，其中，所述射线源中的所述多个射线发生装置沿着所述样品台的周向分开设置，并被配置为各自发出的射线照射到所述分析样品的相同目标区域上。
11.根据权利要求2所述的X射线分析系统，其中，
在XRF分析中，所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置被配置为发射单色光或复色光；
在XRR分析、XRD分析或SAX分析中，所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置被配置为发射单色光。
12.根据权利要求2所述的X射线分析系统，其中，在XRR分析、XRD分析或SAX分析中，所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置被配置为发射汇聚束。
13.根据权利要求3所述的X射线分析系统，其中，
在GIXRF分析中，所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置被配置为发射汇聚束；
在GEXRF分析和正常XRF中，所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置被配置为发射平行束或汇聚束。
14.根据权利要求1所述的X射线分析系统，其中，所述控制器被配置为根据所述分析样品的特性选择所述两个或更多个射线发生装置以同时产生射线。
15.一种X射线分析方法，包括：
分别从两个或更多个射线发生装置同时产生射线；
以所产生的射线照射分析对象；以及
探测所述分析对象被射线照射而产生的信号。
16.根据权利要求15所述的X射线分析方法，其中，所述信号包括以下至少之一：
所述分析对象被来自所述两个或更多个射线发生装置中至少一个射线发生装置的射线照射而发出的荧光，用以进行X射线荧光分析即XRF分析；
所述分析对象反射所述两个或更多个射线发生装置中至少一个射线发生装置的射线而得到的反射光，用以进行X射线反射分析即XRR分析；
所述分析对象衍射所述两个或更多个射线发生装置中至少一个射线发生装置的射线而得到的衍射光，用以进行X射线衍射分析即XRD分析；
所述分析对象散射所述两个或更多个射线发生装置中至少一个射线发生装置的射线而得到的散射光，用以进行小角度X射线散射分析即SAX分析。
17.根据权利要求16所述的X射线分析方法，其中，在探测荧光的情况下，该方法还包括以下至少之一：
使所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置中至少之一的射线以掠入射方式入射到所述分析样品上，以进行掠入射XRF分析即GIXRF分析；
接收掠出射的荧光，以进行掠出射XRF分析即GEXRF分析；
使所述两个或更多个射线发生装置中的所述至少一个射线发生装置中至少之一的射线以非掠入射方式入射到所述分析样品上，并接收非掠出射的荧光，以进行正常XRF分析。
18.根据权利要求17所述的X射线分析方法，还包括：
同时进行GIXRF分析、GEXRF分析、正常XRF分析、XRR分析、XRD分析和SAX分析中至少两项。
19.根据权利要求16所述的X射线分析方法，其中，在探测荧光的情况下，该方法还包括：
使所述两个或更多个射线发生装置均以小于临界角的入射角入射到所述分析样品上，以进行全反射XRF分析即TXRF分析。
20.根据权利要求15所述的X射线分析方法，还包括：
根据所述分析样品的特性选择所述两个或更多个射线发生装置以同时产生射线。
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