CN111051985A - 具有高分辨率的电子束设备 - Google Patents

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Abstract

磁枪透镜及静电枪透镜可用于电子束设备且可有助于在扫描电子显微镜、检查及/或检验使用中为所有可用电子束电流提供高分辨率。提取射束可使用所述磁枪透镜通过射束限制孔径而导引在晶片处。所述电子束还可在所述电子束通过所述射束限制孔径之后通过静电枪透镜。

Description

具有高分辨率的电子束设备
技术领域
本发明涉及一种电子束设备。
背景技术
半导体制造行业的演进对于合格率管理且尤其是对于计量及检验系统提出了甚至更大的要求。当晶片大小增加时临界尺寸收缩。经济因素正驱动行业减少用于实现高合格率、高价值的产品的时间。因此，最小化从检测到合格率问题至解决所述问题的总时间决定了半导体制造商的投资回报率。
微米及纳米级工艺控制、检验或结构化常常使用电子束来进行，所述电子束是在电子束设备中产生及聚焦，所述电子束设备是例如电子显微镜或电子束图案产生器。电子或其它带电粒子束与光子束相比较由于其短波长而提供优良空间分辨率。
可使用扫描电子显微镜(SEM)来检验晶片。图1展示SEM中的常规电子束设备100，其具有电子源101、电子束光学管柱102(以虚线展示)及样本103。电子源101可为热场发射(TFE)源。样本103可为半导体晶片。电子束光学管柱102通常具有多个静电及/或磁透镜及多个孔径。电子束设备100的性能最佳由在样本处的电子束斑点大小(d)对递送至样本的光束电流表征，这是因为电子束斑点大小影响分辨率且光束电流影响输送量。性能(d对光束电流或d＝f(光束电流))是由电子源101及电子束光学管柱102两者决定。
为覆盖SEM检查及检验的广泛应用，光束电流在微微安培(pA)至数百毫微安培(nA)间变化。对于每一光束电流，在样本处的光学斑点大小(d)应减至最小以达到最高分辨率。出于这些原因，图1中射束限制孔径104用以产生原始光束电流(例如至样本103的最高可能光束电流)，且管柱孔径106用以通过改变枪透镜强度以移动第一交叉点109(XO1)位置而从原始光束电流选择光束电流。光束电流由源的发射角α界定或表征，运用发射角α，源以光学方式与管柱相关。给定所选择光束电流，聚光器透镜107用以选择穿过物镜108的最佳数值孔径(NA)，从而将射束聚焦至样本103。运用最佳NA(或图1中的β)，管柱透镜像差及电子之间的库仑相互作用被平衡，且总的斑点大小减至最小。聚光器透镜107与物镜108之间的电子束轮廓可具有交叉点110(XO2)或不具有交叉点。
用于发射并聚焦电子束的静电枪可由电子源101(例如发射尖端、抑制器及提取器)及静电枪透镜105组成。静电枪透镜105可包含接地电极及接地电极之间的聚焦电极。聚焦电压被施加于聚焦电极上。可包含可接地的射束限制孔径104。
从应用观点来看，电子束设备可在低于亚毫微安培的低射束电流的情况下用作SEM平台、在亚nA至nA中的中射束电流的情况下用作检查平台，或在nA至数百nA中的高射束电流的情况下用作检验平台。这可覆盖物理缺陷检验、热点检验、电压对比度检验或其它技术。
常规电子束设备的缺点是光学性能在具有狭窄射束电流范围的应用中的一者中被优化或限制。举例来说，SEM检查工具可在低射束电流或中射束电流的情况下提供具有高分辨率的可接受的性能，但在高射束电流的情况下提供不良性能。在另一实例中，检验工具可在高射束电流的情况下提供可接受的性能，但在低射束电流或中射束电流的情况下提供不良性能。图2展现图1中的电子束设备100的模拟性能，其展示斑点大小如何随射束电流的完整范围变化。图1中的TFE电子源101及静电枪透镜(EGL)105用于图2的模拟。比如SEM的低射束电流电子束平台可在运用图1的电子束设备100的情况下具有良好性能，但比如检验的高射束电流电子束平台可具有不良性能。
运用从微微安培至数百毫微安培的不同电子束电流，电子束设备可广泛用于半导体晶片临界尺寸扫描电子显微法、检查及/或检验。电子束仪器开发者已设法将所有这些应用组合至对于每一使用具有高分辨率的一个机器中。然而，这具有挑战性，这是因为电子束分辨率随电子束电流变化。因此，需要改进的电子束设备。
发明内容
在第一实例中，提供一种电子束设备。所述电子束设备包括电子源、第一静电阳极、安置于所述静电阳极与所述电子源之间的射束限制孔径、包含多个极片及线圈的磁枪透镜、安置于所述射束限制孔径与所述第一静电阳极的相对侧的静电枪透镜，及第二静电阳极。所述电子源包含经配置以发射电子的尖端、抑制器及提取器。所述第一静电阳极接地。所述磁枪透镜安置于所述电子源、第一静电阳极及射束限制孔径的任一侧。所述第二静电阳极接地且安置于所述静电枪透镜与所述第一静电阳极的相对侧。一种扫描电子显微镜可包含此电子束设备。
所述电子束设备可进一步包含经配置以固持晶片的卡盘、聚光器透镜、安置于所述卡盘与所述聚光器透镜之间的物镜，及安置于所述第二静电阳极与所述聚光器透镜之间的管柱孔径。所述电子束设备可经配置以使所述电子束成形以具有在所述静电枪透镜与所述管柱孔径之间的第一交叉点及在所述聚光器透镜与所述物镜之间的第二交叉点。
所述电子源可为冷场发射源或热场发射源。
在第二实施例中，提供一种方法。在所述方法中，运用电子源产生电子束。运用提取器提取所述电子束。使用磁枪透镜通过射束限制孔径将所述电子束是导引在晶片处，所述磁枪透镜包含多个极片及线圈且安置于所述射束限制孔径的任一侧。在所述电子束通过所述射束限制孔径之后所述电子束通过静电枪透镜。
所述电子束可用以产生所述晶片的图像。
在一实例中，所述磁枪透镜被激活且所述静电枪透镜未被激活。
所述磁枪透镜可经配置以运用射束电流切换速度选择射束电流。
所述电子束可在所述电子束到达所述晶片之前通过管柱孔径、聚光器透镜及物镜。所述电子束可经配置以具有在所述射束限制孔径与所述管柱孔径之间的第一交叉点及在所述聚光器透镜与所述物镜之间的第二交叉点。
所述静电枪透镜可经配置以运用射束电流切换速度选择射束电流。
所述磁枪透镜及所述静电枪透镜可经配置以运用射束电流切换速度选择射束电流。所述电子源可为冷场发射源。
所述电子束的射束电流可为从0.001nA至500nA且所述电子束的分辨率可为从20nm至80nm。切换射束电流可发生在一秒或少于一秒内。
附图说明
为更全面理解本发明的性质及目标，应结合附图参考以下具体实施方式，在附图中：
图1为电子束设备中的光学件的图解；
图2为在具有图1的热场发射器电子源及电子枪的电子束设备中斑点大小对射束电流的图表；
图3为根据本发明的具有电子源、静电阳极(接地电极)及磁枪透镜的磁枪的实施例的框图；
图4为具有图3的磁枪的电子束设备的实施例的框图，其中磁枪透镜经配置以选择射束电流；
图5为针对在电子束光学管柱中独立地使用静电枪透镜及磁枪透镜的斑点大小对射束电流的图表；
图6为其中具有较高亮度的冷场发射源与磁枪透镜一起使用的图4的电子束设备的实施例的光学性能的图表；
图7为图4的电子束设备的实施例的框图，展示运用冷场发射源的情况下电子之间的库仑相互作用的影响的减小；
图8为根据本发明的具有磁及静电透镜的装备冷场发射源的混合枪的实施例的框图；
图9为具有图8的装备冷场发射源的混合枪的电子束设备的实施例的框图；
图10为展示图8及9的实施例的斑点大小对射束电流性能及比较的图表；
图11为展示在混合光学操作的情况下图8及9的实施例的斑点大小对射束电流性能及比较的图表；
图12为根据本发明的方法的实施例的流程图；且
图13为根据本发明的扫描电子显微镜系统的实施例。
具体实施方式
尽管就某些实施例来说将描述所主张的主题，但其它实施例，包含不提供本文中所阐述的所有益处及特征的实施例，也在本发明的范围内。可改变各种结构、逻辑、过程步骤及电子件而不背离本发明的范围。因此，仅参考随附权利要求书界定本发明的范围。
本文中所揭示的实施例可在SEM、检查及/或检验使用中对于所有可用射束电流实现高分辨率。本文中所揭示的实施例的光学性能提供优于先前设计的优点。
电子束设备的样本处的斑点大小(d)通常包含五个斑点大小分量。这些为方程式1中的源图像dg、方程式2中的衍射像差模糊dλ、方程式3中的色像差模糊dc、方程式4中的球面像差模糊ds，及电子之间的库仑相互作用的模糊dCI。稍后将在本发明内描述模糊dCI。
Figure BDA0002379652170000041
Figure BDA0002379652170000042
dc∝Cc*ΔE*β 方程式3
ds∝Cs*β3 方程式4
在方程式1至4中，BC为射束电流，β为在样本处的射束会聚角(即，数值孔径NA)，Br为源亮度，ΔE为源能量扩展度，且Cc及Cs分别为总色像差系数及总球面像差系数。在方程式5及6中界定，Cc及Cs分别包含枪及物镜色像差系数及球面像差系数。
Cc＝CcOL-sp+Ccgun-sp 方程式5
Cs＝CsOL-sp+Csgun-sp 方程式6
在方程式5及6中，CcOL-sp(CsOL-sp)及Ccgun-sp(Csgun-sp)分别为物镜及枪透镜的色(球面)像差系数。这些变量可在最终图像(例如样本)侧处计算。
电子枪的性能分别由枪透镜的色像差系数及球面像差系数(即，Ccgun-objt及Csgun-objt)表征。这些变量可在枪透镜的物体侧(例如源侧)处计算。因此，从枪透镜像差信息(Ccgun-objt及Csgun-objt)至最终图像(样本)侧的变换在方程式7及8中通过管柱光学放大率M相关。
Ccgun-sp∝M2*Ccgun-objt 方程式7
Csgun-sp∝M4*Csgun-objt 方程式8
Figure BDA0002379652170000051
在方程式7至9中，给定具有固定角强度Ja(或固定源亮度Br)的电子源，光学放大率M随射束电流BC变化。应注意，射束电流可通过电子束应用的需求而选择。如使用方程式7至9所显示，升高射束电流(或升高机器输送量)的代价是放大枪透镜像差至最终图像(或失去机器分辨率)。这可应用于本文中所揭示的实施例中。
在基于TFE的电子源中，方程式9中的角强度Ja可为大约0.3至0.6毫安/sr。在运用TFE源的情况下管柱中的光学放大率(例如图1中)可分成：M<<0.05，对于运用低于亚毫微安培的射束电流的SEM使用；0.01<M<0.2，对于运用从亚毫微安培至毫微安培的射束电流的检查使用；及0.1<M<1.0，对于运用从毫微安培至数百毫微安培的射束电流的检验使用。
在电子束光学管柱中，每一斑点大小分量dg、dλ、dc及ds对总斑点大小d的贡献在不同射束电流范围中是相当不同的。在不包含电子之间的库仑相互作用的情况下，总斑点大小d可在方程式10中被界定。
Figure BDA0002379652170000052
在图2中的低射束电流方案(LBC)中，衍射模糊dλ及色模糊dc相比于其它占主导，如此低射束电流方案中的减至最小总斑点大小dLB由方程式11给出。
Figure BDA0002379652170000061
在方程式11中，ΔE为能量扩展度。由于射束电流对于SEM是较低的(低于亚nA)，所以方程式9中的光学放大率也可较小(M<<0.05)。因此，在方程式5及7中，枪色像差对于最终图像(样本)的贡献可为可忽略的，且方程式5及11中的总色像差系数Cc可由物镜决定(即，Cc≈CcOL-sp)。
因此，在低射束电流方案中，斑点大小可大约与射束电流、枪透镜像差及电子源亮度无关。
在图2中的中射束电流方案(MBC)中，源图像dg及彩色模糊dc相比于其它占主导，如此中射束电流方案中的减至最小总斑点大小dMB由方程式12给出。
Figure BDA0002379652170000062
因此，中射束电流方案中的最佳斑点大小可与射束电流及能量扩展度对亮度的源比率(ΔE/√Br)同时增加。总色像差系数Cc可包含枪贡献及物镜贡献两者。在增加射束电流(或方程式9中的光学放大率)的情况下，枪色像差Ccgun-objt可或可不经充分放大以可忽略地影响及/或加权总Cc。其可取决于枪设计及枪透镜像差Ccgun-objt。
在图2中的高射束电流方案(HBC)中，源图像dg及球面模糊ds相比于其它占主导，如此高射束电流方案中的减至最小总斑点大小dHB由方程式13给出。
Figure BDA0002379652170000063
因此，高射束电流方案中的最佳斑点大小可随射束电流增加并同时随亮度减小。总球面像差系数Cs可包含枪贡献及物镜贡献两者。在增加射束电流(或方程式9中的M)的情况下，枪球面像差Csgun-objt可或可不经充分放大以可忽略地影响及/或加权总Cs。其可取决于枪设计及枪透镜像差Csgun-objt。
如图3中所示，用于发射及聚焦电子束的磁枪200可包含磁枪透镜(MGL)207及具有发射尖端202、抑制器203及提取器204的电子源201(以虚线展示)。射束限制孔径(BLA)205可安置于接地电极206(即，阳极电极)侧或接近于所述接地电极侧而安置以运用太小的孔来避免污染。磁枪透镜207可包含极片208及线圈209。尖端202可对于给定光束能量相对于接地电极206被加负偏压。与尖端202相比，抑制器203可被加更多负偏压以用于使电子发射射束210成形。与尖端202相比，提取器204可被加更少负偏压以用于强烈泵吸电子。电子源201与接地电极206的阳极电极之间的间隙距离L可分隔开足以避免高射束能量下的电弧。
极片208可经设计以使沿着光轴的磁通量分配变窄并形成提取器204与射束限制孔径205之间的磁透镜，如稍后图4中所示。提取器204与射束限制孔径205之间的虚拟磁枪透镜位置可经优化以在磁枪透镜太靠近提取器204的情况下避免磁饱和并最小化枪透镜像差系数Ccgun-objt及Csgun-objt。与射束限制孔径205越接近，系数可越大。冷却板或冷却环可包夹在磁线圈209中以当激励安培匝在高射束能量下向上时避免过热。线圈209及极片208可密封在空气中以避免高真空的污染。为了最大化在聚焦射束时磁通量的使用效率，线圈环的平均直径可减至最小以适应真空密封系统。
图4展示在具有图3中所展示的磁枪200的电子束设备211中的光学图像形成关系，其中磁枪透镜207用以选择射束电流。电子束设备211可包含样本103，其可为半导体晶片。样本103可固持于卡盘221上。电子束设备211还可包含聚光器透镜213、安置于具有样本103的卡盘221与聚光器透镜213之间的物镜214，及安置于电子源201与聚光器透镜213之间的管柱孔径212。电子束可经成形以具有在管柱孔径212上游的第一交叉点215(XO1)及在聚光器透镜213与物镜214之间的第二交叉点216(XO2)。
电子枪的光学性能由枪透镜的色像差系数及球面像差系数(即，分别为Ccgun-objt及Csgun-objt)表征。枪透镜的色像差系数及球面像差系数可在枪透镜的物体侧(源侧)处计算。
磁枪性能大体上比静电枪性能更佳。在图3中所展示的磁枪中的色像差系数Ccgun-objt及球面像差系数Csgun-objt分别为大约10×至30×及大约50×至300×，其小于静电枪中的那些系数。这些显著光学性能差可由以下两个机制中的一或多者所引起，但其它机制是可能的。
第一，图3及图4中的磁枪透镜中的物体距离比图1中的静电枪透镜中的物体距离短，这是因为磁透镜中的磁聚焦场形成于图3中的提取器与阳极之间的加速度区中且静电透镜中的静电聚焦场是在阳极之后形成。因此，磁聚焦场可重叠在加速度区上方，而静电聚焦场不能重叠在另一静电场(即，加速度场)上方。根据电子光学理论，物体距离越长，像差将越大。
第二，磁枪透镜中的孔大小比静电枪透镜中的孔大小大得多。因此，在磁聚焦场中移动的电子与在静电聚焦场中移动的电子相比相对更近轴，如此根据电子光学理论，在前者中的第三及更高几何像差比在后者中的那些像差小得多。
图5展现使用用于图1中的电子束光学管柱的静电枪透镜及用于图4中的相同管柱的磁枪透镜的斑点大小对射束电流比较。运用相同TFE源的情况下，源能量扩展度ΔE、亮度Br及角强度Ja在图1及图4光学管柱中全部相同。运用图4中的磁枪透镜的大分辨率改进可由于枪透镜像差的减小，如表1中所示。表1展示相同TFE源，但枪透镜及射束电流可使总Cc及Cs(分辨率)不同。
表1
Figure BDA0002379652170000081
在表1中，在图4中的管柱中在运用磁枪透镜(MGL)的情况下，总Cc及Cs可忽略地随射束电流增加。物镜像差(CcOL-sp及CsOL-sp)可对于所有射束电流(或对于所有光学放大率M)相比于枪透镜像差(Ccgun-sp及Csgun-sp)占主导，这是因为运用磁透镜的情况下的枪透镜像差(Ccgun-objt及Csgun-objt)可极大地减少。电子束设备中的光学放大率可在SEM、检查及检验的所有应用中在M≈0.01至1.0范围内。
在表1中，在图1中的管柱中的静电枪透镜(EGL)的情况下，如果在低射束电流(LBC)处，那么小放大率(M<<0.05)导致Ccgun-sp<<CcOL-sp及Csgun-sp<<CsOL-sp，使得图5中的斑点大小在使用静电枪透镜(EGL)与磁枪透镜(MGL)之间的没有显著差别，这是因为最终总Cc及Cs分别约等于物镜CcOL-sp及CsOL-sp。
在表1中，在图1中的管柱中的静电枪透镜(EGL)的情况下，如果在中射束电流(MBC)处，那么增加的放大率(M＝0.02～0.2)导致Ccgun-sp～CcOL-sp及Csgun-sp～CsOL-sp，或总Cc>CcOL-sp及Cs>CsOL-sp，使得图5中的斑点大小展示在使用静电枪透镜(EGL)与磁枪透镜(MGL)之间的增加的差别。
在表1中，在图1中的管柱中的静电枪透镜(EGL)的情况下，如果在高射束电流处，那么大放大率(M≈0.1至1.0)导致Ccgun-sp>>CcOL-sp及Csgun-sp>>CsOL-sp，或总Cc>>CcOL-sp及Cs>>CsOL-sp，使得图5中的斑点大小展示在使用静电枪透镜(EGL)与磁枪透镜(MGL)之间的大差别。
使用基于TFE源的电子束设备中的磁枪透镜(MGL)可并不能够改进低射束电流中的分辨率，但其改进高射束电流中的分辨率，如图5中可见。为改进涵盖SEM、检查及检验(例如物理缺陷检验、热点检验及电压对比度检验)的所有使用的完整射束电流范围中的分辨率，具有较高亮度的新的电子源可与图4中的基于磁枪透镜的光学管柱一起使用。所述电子源可为冷场发射(CFE)源。
图3中的TFE源为所谓的肖特基发射源。肖特基发射阴极可属于具有大约0.2至1.0微米的尖端半径的ZrO/W(100)类型。通过涂布于W上的ZrO可降低功函数，这可允许电子在1800K的温度下克服功函数。当提取器电压增加以在尖端上达到1.0E+7伏/毫米量级的静电场强度时，电子被发射且电子束轮廓由图3中的抑制器电压成形。方程式1中的源亮度及/或方程式9中的源角强度可由提取器电压调制。
CFE源是基于波机械穿隧效应。在不需要涂布于W上的ZrO的情况下，当尖端静电场强度由提取器电压增加至大于1.0E+8伏/毫米时，电子可从具有大约0.1微米的半径的尖锐钨尖端发射。此高场将在阴极前方的势壁的宽度减少至几个纳米以使得来自费米能阶的电子可通过波机械穿隧效应穿透势垒。另外，抑制器电压可用以使电子束轮廓成形，且提取器电压可用以调制亮度及/或角强度。
图4展示第一实施例，其中电子源为高亮度源，例如CFE源，且磁枪透镜是在图3中配置。与TFE源相比较，CFE源可具有较窄源能量扩展度、较高亮度及较低角强度，如表2中所见。由于运用CFE源的情况下的较低Ja，光学放大率可根据方程式9在相同射束电流下是大约大√5X。运用CFE源的情况下的源能量扩展度与亮度的比率(ΔE/√Br)还小√2/8X。
表2
源 ΔE Br Ja ΔE/√Br M@相同BC
TFE源 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
CFE源 1/4× 2.0× 0.2× √2/8× √5×(方程式9)
由于第一实施例中运用CFE的情况下的较低角强度Ja，图4中光学管柱中的光学放大率可大大约√5×，意味着磁枪透镜像差CcOL-objt及CsOL-objt可经更多放大至样本侧，如可在表3中概述。
表3
Figure BDA0002379652170000091
对于基于磁枪透镜的电子束设备中的TFE源，总Cc及Cs可随射束电流可忽略地增加。因此，物镜像差(CcOL-sp及CsOL-sp)可对于所有射束电流(或对于所有光学放大率M)相比于枪透镜像差(Ccgun-sp及Csgun-sp)占主导，如表1中所概述。
对于基于磁枪透镜的电子束设备中的CFE源，如果在低射束电流(LBC)处，那么小放大率(M<<0.05)导致Ccgun-sp<<CcOL-sp及Csgun-sp<<CsOL-sp，使得总Cc及Cs可约等于物镜CcOL-sp及CsOL-sp。甚至基于CFE源的管柱中的光学放大率可分别大大约√5×。
对于基于磁枪透镜的电子束设备中的CFE源，如果在中射束电流(MBC)处，那么由于射束电流增加及角强度减少两者的增加的放大率可导致大于基于TFE的管柱中的那些的Ccgun-sp及Csgun-sp。然而，这些仍小于CcOL-sp及CsOL-sp，这是因为基于磁枪透镜的管柱中的Ccgun-objt及Csgun-objt已经减少。这可分别导致稍微大于CcOL-sp及CsOL-sp大约1.05×至1.15×的总Cc及Cs。
对于基于磁枪透镜的电子束设备中的CFE源，如果在高射束电流(HBC)处，那么由于射束电流增加及角强度减少两者的较大放大率可导致大于基于TFE的管柱中的那些的Ccgun-sp及Csgun-sp。然而，这些可仍小于CcOL-sp及CsOL-sp，这是因为基于磁枪透镜的管柱中的Ccgun-objt及Csgun-objt已经减少。这可分别导致显著大于CcOL-sp及CsOL-sp大约1.15×至1.5×的总Cc及Cs。
运用在图4中的第一实施例光学管柱中的CFE源及磁枪透镜(MGL)，完整射束电流范围中的分辨率得以改进，如图6中可见。
在低射束电流(LBC)中，方程式11中给出的斑点大小dLB是由总色像差系数Cc及源能量扩展度ΔE决定。运用CFE源的情况下的ΔE可比运用TFE源的情况下的ΔE低大约0.25×。运用CFE源的情况下的总Cc可与运用TFE源的情况下的总Cc相同，约等于表3中的物镜CcOL-sp。因此，运用CFE源的情况下的分辨率可比运用TFE源的情况下的分辨率更佳。
在中射束电流(MBC)中，方程式12中给出的斑点大小dMB由总色像差系数Cc及源能量扩展度与亮度的比率(ΔE/√Br)决定。根据表3，Cc可仅仅可忽略地大于CcOL-sp，(几乎与运用TFE源的情况下的Cc相同)。然而，运用CFE源的情况下的比率ΔE/√Br可比运用TFE源的情况下的比率小大约√2/8×。作为方程式12中的组合结果，运用CFE源的情况下的分辨率可比运用TFE源的情况下的分辨率更佳。
在高射束电流(HBC)中，方程式13中给出的斑点大小dHB是由表示为Cs1/4的总球面像差系数及表示为1/Br3/8的源亮度决定。根据表2及表3，运用CFE源的情况下的Br可比运用TFE源的情况下的Br大大约2×，但运用CFE源的情况下的Cs可比运用TFE源的情况下的Cs大最大1.5×。然而，作为方程式13中的组合结果，运用CFE源的情况下的Cs1/4/Br3/8仍可比运用TFE源的情况下的Cs1/4/Br3/8小大约15％。因此，运用CFE源的情况下的分辨率可比运用TFE源的情况下的分辨率更佳。
除了基于CFE的管柱中的几何像差小于图4中的基于TFE的管柱中的那些像差之外，在前者管柱中电子之间的库仑相互作用的模糊dCI小于后者管柱中的那些，这是因为前者管柱中的电子束体积较大或电子体积密度小于后者管柱中的那些电子体积密度，如图7中可见。假定相同的射束电流，运用CFE的情况下的发射角(αC)可大于运用TFE的情况下的发射角(αT)，这是因为前者中的角强度低于后者中的角强度大约5×(如表2中所示)。
在图3及4的第一实施例中，运用基于CFE的磁枪透镜的光学性能与基于TFE的磁枪透镜管柱相比在电流密度(给定相同斑点大小、射束电流差)及分辨率(给定相同射束电流、斑点大小差)两者方面得以改进。然而，用以选择及/或改变射束电流的快速切换可得以改进。
举例来说，在从高分辨率模式至高输送量模式的缺陷检查应用中，或在从物理缺陷检验至电压对比度检验的电子束检验应用中，射束电流需要以不同方式被快速改变及/或选择。在图3及图4中的第一实施例中的磁枪透镜可难以在改变及/或选择射束电流时用作快速切换器。
图8展示第二实施例，其中说明具有磁及静电透镜以及CFE源的混合枪217。图9中展示用于CFE-MGL/EGL混合枪的图像形成光学件。
在图8及图9中的第二实施例配置及光学件中，磁枪透镜可首先用以将电子束聚焦成远心状射束并利用磁透镜中的低枪像差。静电枪透镜可接着用以运用快速速度选择射束电流。
如图8及9中所见，电子束设备220可包含电子源201、第一静电阳极206(接地电极)、射束限制孔径205、磁枪透镜207、静电枪透镜218及第二静电阳极219(接地电极)。电子源201可包含经配置以发射电子的尖端202；抑制器203；及提取器204。电子源201可为冷场发射(CFE)源或热场发射(TFE)源。所述第一静电阳极206可接地。射束限制孔径205可安置于第一静电阳极206与电子源201之间。磁枪透镜207可包含多个极片207及线圈209。磁枪透镜207可具有比如图3中的设计的设计。磁枪透镜207可安置于电子源201、第一静电阳极206及射束限制孔径205的任一侧。静电枪透镜218可安置于射束限制孔径205与第一静电阳极206的相对侧。第二静电阳极219可接地且可安置于静电枪透镜218与第一静电阳极206的相对侧。
静电枪透镜218可为如图8中所示的Einzel透镜或单电位透镜，或加速透镜或减速透镜(两电位透镜)。静电枪透镜218可相对于电子束路径在射束限制孔径205之后安置，使得射束限制孔径205包夹在磁枪透镜207与静电枪透镜218之间以控制原始射束电流。射束限制孔径205可为在接地中的第一静电阳极206的一部分。射束限制孔径205可充分远离提取器204安置以允许使用高射束能量。除极片208及线圈209以外，图8中从尖端202至第二静电阳极219的所有静电组件可密封于高真空中。
电子束设备220可进一步包含：卡盘221，其经配置以固持样本103，例如半导体晶片；聚光器透镜213；物镜214，其安置于固持样本103的卡盘221与聚光器透镜213之间；及管柱孔径212，其安置于第二静电阳极219与聚光器透镜213之间。电子束设备220可经配置以使电子束成形以具有在静电枪透镜218与管柱孔径212之间的第一交叉点215(XO1)及在聚光器透镜213与物镜214之间的第二交叉点216(XO2)。
扫描电子显微镜可包含本文中所揭示的电子束设备(例如图8及9中的电子束设备)的实施例。
虽然说明为磁枪透镜(MGL)及静电枪透镜(EGL)MGL/EGL，但其它双透镜混合枪是可能的。举例来说，MGL/MGL、EGL/MGL或EGL/EGL。任何这些双透镜组合可并入于图9中的光学件中。这些其它双透镜组合可涉及运用所需透镜对替换如图9中所说明的MGL及EGL。每一双透镜混合枪实施例可经配置以为一或多个应用提供可接受的性能。
图10展示在图8及图9中的第二实施例光学件中的斑点大小对射束电流性能及比较。运用磁枪透镜/静电枪透镜混合枪中的CFE源，大射束电流范围(从低射束电流中的SEM、中射束电流中的检查至高射束电流的低端中的热点/物理缺陷检验)中的光学性能与快速射束电流切换能力一起得以改进。在用于正常电压对比度检验的非常高射束电流方案中，分辨率可比基于TFE静电枪透镜的光学件更佳。
图11展示第三实施例。在第三实施例中的光学操作为第一及第二实施例中的混合光学操作。完整射束电流方案可根据应用需求分成相对低射束电流范围及相对高射束电流范围。在相对低射束电流范围中，可需要射束电流快速切换，且在相对高射束电流范围中，可并不需要射束电流快速切换。因此，在第二实施例中的磁枪透镜/静电枪透镜混合操作可用于相对低射束电流，从而利用高分辨率及射束电流快速切换两者。仅仅磁枪透镜操作(断开静电枪透镜)可用于相对高射束电流，从而获取运用高射束电流的情况下的高分辨率的益处。
比较图11与图10，第三实施例在大相对低射束电流范围中改进射束电流中的分辨率而不损失快速射束电流切换能力。
图12为方法300的实施例的流程图。在301处，运用电子源产生电子束。在302处，运用提取器提取电子束。在303处，使用磁枪透镜通过射束限制孔径将电子束导引在晶片处。磁枪透镜包含多个极片及线圈且安置于射束限制孔径的任一侧。在304处，在电子束通过射束限制孔径之后电子束通过静电枪透镜。所述电子束可用以产生所述晶片的图像。
所述电子束可在所述电子束到达所述晶片之前通过管柱孔径、聚光器透镜及物镜。在一实例中，所述电子束经配置以具有在所述射束限制孔径与所述管柱孔径之间的第一交叉点及在所述聚光器透镜与所述物镜之间的第二交叉点。
虽然磁枪透镜及静电枪透镜两者可在操作期间被激活，但静电枪透镜还可在操作期间未被激活(即，仅仅磁枪透镜可在操作期间被激活)。
磁枪透镜可经配置以运用射束电流切换速度选择射束电流。所述静电枪透镜还可经配置以运用射束电流切换速度选择射束电流。所述磁枪透镜及所述静电枪透镜可经配置以运用射束电流切换速度选择射束电流。不管磁枪透镜及/或静电枪透镜是否经配置以运用射束电流切换速度选择射束电流，电子源均可为冷场发射源。
电子束设备可在低于亚毫微安培(例如大约0.001nA至0.1nA)的低射束电流的情况下用作SEM平台、在亚nA至nA(例如大约0.05nA至5nA)中的中射束电流的情况下用作检查平台，或在nA至数百nA(例如大约1nA至500nA)中的高射束电流的情况下用作检验平台。这可覆盖物理缺陷检验、热点检验、电压对比度检验或其它技术。
电子束的射束电流可为从0.001nA至500nA。用于SEM应用的斑点大小可为从35nm至65nm。使用本文中所揭示的实施例，电子束的分辨率是大约20nm至80nm。
在示范性检查应用中，高分辨率模式可使用大约0.05nA至0.2nA的射束电流，且高输送量模式可使用大约0.5nA至5nA的射束电流。在示范性晶片检验应用中，热点或物理缺陷检验可使用大约1nA至20nA的射束电流，且电压对比度检验有时可使用50nA至500nA的射束电流。在这些应用中射束电流切换可需要与秒级或少于秒级一样快地切换。
由电子之间的库仑相互作用诱发的模糊可与携载给定射束电流的电子束的体积的大小直接相关。假设r(z)为沿着光轴z的电子束的半径，电子体积密度n(z)由方程式14给出。
Figure BDA0002379652170000131
电子的平均分隔距离d(z)由方程式15给出。
Figure BDA0002379652170000132
电子分隔距离d(z)越大，电子之间的库仑力将越弱，这是因为其与间距d(z)的平方成反比。如图7中所示，运用基于CFE的光学件的情况下的电子分隔距离大于运用基于TFE的光学件的情况下的电子分隔距离。因此，与基于TFE的光学件相比较，减少了在基于CFE的光学件中的库仑相互作用模糊。减少百分比可随射束电流变化。射束电流越高，可减少库仑效应模糊越多。在所有斑点大小对射束电流曲线中，包含电子之间的库仑相互作用。
本文中所描述的实施例可包含系统(例如图13的系统400)或在所述系统中执行。系统400包含输出获取子系统，其至少包含能源及检测器。输出获取子系统可为基于电子束的输出获取子系统。举例来说，在一个实施例中，导引至晶片404的能量包含电子，且从晶片404检测的能量包含电子。以此方式，能源可为电子束源402。在图13中所展示的一个此类实施例中，输出获取子系统包含电子光学管柱401，其耦合至控制单元407。控制单元407可包含一或多个处理器408及一或多个存储器409。每一处理器408可与存储器409中的一或多者电子通信。在实施例中，一或多个处理器408以通信方式耦合。就此来说，一或多个处理器408可接收晶片404的图像并将图像存储在控制单元407的存储器409中。控制单元407还可包含与至少一个处理器408电子通信的通信端口410。
还如图13中所展示，电子光学管柱401包含经配置以产生由一或多个元件403聚焦至晶片404的电子的电子束源402。电子束源402可包含发射器且一或多个元件403可包含例如枪透镜(例如磁枪透镜及/或静电枪透镜)、阳极、射束限制孔径、闸阀、射束电流选择孔径、物镜及/或扫描子系统。电子管柱401可包含所属领域中已知的任何其它合适元件。虽然仅仅说明一个电子束源402，但系统400可包含多个电子束源402。
电子束源402及元件403可为或可包含图3及4中或图8及9中所说明的实施例的组件。
从晶片404返回的电子(例如二次电子)可由一或多个元件405聚焦至检测器406。一或多个元件405可包含例如扫描子系统，其可为包含于一或多个元件403中的相同扫描子系统。电子管柱401可包含所属领域中已知的任何其它合适元件。
尽管电子管柱401在图13中展示为经配置使得电子以倾斜入射角导引至晶片404并以另一倾斜角从晶片散射，但应理解，电子束可以任何合适角导引至晶片并从晶片散射。另外，基于电子束的输出获取子系统可经配置以使用多个模式以产生晶片404的图像(例如运用不同照明角、收集角等)。基于电子束的输出获取子系统的多个模式可在输出获取子系统的任何图像产生参数方面不同。
控制单元407可与检测器406或系统400的其它组件电子通信。检测器406可检测从晶片404的表面返回的电子，由此形成晶片404的电子束图像。电子束图像可包含任何合适电子束图像。控制单元407可根据本文中所描述的实施例中的任一者而配置。控制单元407还可经配置以使用检测器406的输出及/或电子束图像执行其它功能或额外步骤。
应了解，控制单元407可实际上由硬件、软件及固件的任何组合实施。另外，如本文中所描述的其功能可由一个单元执行，或在不同组件之间分割，所述组件中的每一者可随后由硬件、软件及固件的任何组合实施。供控制单元407实施各种方法及功能的程序代码或指令可存储在控制器可读存储媒体(例如存储器409)中、控制单元407内、在控制单元407外部，或其组合。
应注意，本文中提供图13以大体上说明基于电子束的输出获取子系统的配置。当设计商业输出获取系统时，本文中所描述的基于电子束的输出获取子系统配置可经改变以在正常执行时优化输出获取子系统的性能。另外，本文中所描述的系统或其组件可使用现有系统(例如通过将本文中所描述的功能性添加至现有系统)而实施。对于一些此类系统，本文中所描述的方法可经提供为系统的任选功能性(例如外加系统的其它功能性)。
虽然揭示为缺陷检查系统的部分，但控制单元407或本文中所描述的方法可经配置与检验系统一起使用。在另一实施例中，控制单元407或本文中所描述的方法可经配置与计量系统一起使用。因此，如本文中所揭示的实施例描述可以若干方式适应于具有不同成像能力的系统的用于分类的一些配置，所述成像能力或多或少适合于不同应用。
具体地说，本文中所描述的实施例可安装于计算机节点或计算机群集上，所述计算机节点或计算机群集为检测器406的组件或耦合至检测器406的组件，或为缺陷检查工具、掩模检验器、虚拟检验器或其它装置的另一组件。以此方式，本文中所描述的实施例可产生可用于多种应用的输出，所述应用包含但不限于晶片检验、掩模检验、电子束检验及检查、计量或其它应用。图13中所展示的系统400的特性可如上文所描述基于其将产生输出所针对的试样而修改。
本文中所描述的控制单元407、一或多个其它系统或一或多个其它子系统可采取各种形式，包含个人计算机系统、工作站、图像计算机、大型主机计算机系统、工作站、网络设备、互联网设备、并行处理器或其它装置。一般来说，术语“控制单元”可经广泛地界定以涵盖具有执行来自存储器媒体的指令的一或多个处理器的任何装置。一或多个子系统或一或多个系统还可包含所属领域中已知的任何合适处理器，例如并行处理器。另外，一或多个子系统或一或多个系统可包含具有高速处理及软件的平台，作为独立或网络连接工具。
如果系统包含多于一个子系统，那么不同子系统可彼此耦合，使得图像、数据、信息、指令等可在所述子系统之间发送。举例来说，一个子系统可由任何合适传输媒体耦合至一或多个额外子系统，所述传输媒体可包含所属领域中已知的任何合适有线及/或无线传输媒体。这些子系统中的两者或多于两者还可由共享计算机可读存储媒体(未展示)有效地耦合。
在另一实施例中，控制单元407可以所属领域中已知的任何方式通信耦合至系统400的各个组件或子系统中的任一者。此外，控制单元407可经配置以由可包含有线及/或无线部分的传输媒体从其它系统接收及/或获取数据或信息(例如来自检验系统(例如宽频带等离子体(BBP)工具)的检验结果、远程数据库(包含设计数据)等)。以此方式，传输媒体可充当控制单元407与系统400的其它子系统或在系统400外部的系统之间的数据链路。
控制单元407可以任何合适方式(例如由一或多个传输媒体，其可包含“有线”及/或“无线”传输媒体)耦合至系统400的组件，使得控制单元407可接收由系统400产生的输出。控制单元407可经配置以使用输出执行若干功能。在另一实例中，控制单元407可经配置以将输出发送至存储器409或另一存储媒体而不对输出执行缺陷检查。控制单元407可如本文中所描述而被进一步配置。
额外实施例涉及存储可在控制器上执行以执行计算机实施方法的程序指令的非暂时性计算机可读媒体。具体地说，如图13中所示，控制单元407可包含存储器409或具有非暂时性计算机可读媒体的其它电子数据存储媒体，所述非暂时性计算机可读媒体包含可在控制单元407上执行的程序指令。计算机实施方法可包含本文中所描述的任何一或多种方法的任何一或多个步骤。存储器409或其它电子数据存储媒体可为存储媒体，例如磁盘或光盘、磁带或所属领域中已知的任何其它合适非暂时性计算机可读媒体。
程序指令可以各种方式中的任一者实施，所述方式包含基于过程的技术、基于组件的技术及/或面向对象的技术，外加其它。举例来说，程序指令可视需要而使用ActiveX控件、C++对象、JavaBeans、微软基础类(MFC)、流式处理SIMD扩展(SSE)或其它技术或方法来实施。
在一些实施例中，系统400及本文中所揭示的方法的各种步骤、功能及/或操作由以下中的一或多者实施：电子电路、逻辑门、多路复用器、可编程逻辑装置、ASIC、模拟或数字控制器/开关、微控制器或计算系统。实施例如本文中所描述的那些方法的方法的程序指令可经由载体媒体传输或存储于载体媒体上。载体媒体可包含存储媒体，例如只读存储器、随机存取存储器、磁盘或光盘、非易失性存储器、固态存储器、磁带等。载体媒体可包含传输媒体，例如电线、电缆或无线传输链路。举例来说，贯穿本发明所描述的各种步骤可由单一控制单元407(或计算机系统)或替代地由多个控制单元407(或多个计算机系统)实施。此外，系统400的不同子系统可包含一或多个计算或逻辑系统。因此，上述描述不应被解释为对本发明的限制而仅为说明。
方法的步骤中的每一者可如本文中所描述而执行。方法还可包含可由本文中所描述的控制器及/或一或多个计算机子系统或一或多个系统执行的任何一或多个其它步骤。所述步骤可由一或多个计算机系统执行，所述计算机系统可根据本文中所描述的实施例中的任一者而配置。另外，上文所描述的方法可由本文中所描述的系统实施例中任一者执行。
尽管已关于一或多个特定实施例描述了本发明，但应理解，可在不背离本发明的范围的情况下进行本发明的其它实施例。因此，本发明被视为仅仅由所附权利要求书及其合理解释限制。

Claims (18)

1.一种电子束设备，其包括：
电子源，其中所述电子源包含：
尖端，其经配置以发射电子；
抑制器；及
提取器；
第一静电阳极，其中所述第一静电阳极接地；
射束限制孔径，其安置于所述静电阳极与所述电子源之间；
磁枪透镜，其包含多个极片及线圈，其中所述磁枪透镜安置于所述电子源、第一静电阳极及射束限制孔径的任一侧；
静电枪透镜，其安置于所述射束限制孔径与所述第一静电阳极的相对侧；及
第二静电阳极，其中所述第二静电阳极接地且安置于所述静电枪透镜与所述第一静电阳极的相对侧。
2.根据权利要求1所述的电子束设备，其进一步包括：
卡盘，其经配置以固持晶片；
聚光器透镜；
物镜，其安置于所述卡盘与所述聚光器透镜之间；及
管柱孔径，其安置于所述第二静电阳极与所述聚光器透镜之间。
3.根据权利要求2所述的电子束设备，其中所述电子束设备经配置以使所述电子束成形以具有在所述静电枪透镜与所述管柱孔径之间的第一交叉点及在所述聚光器透镜与所述物镜之间的第二交叉点。
4.根据权利要求1所述的电子束源，其中所述电子源为冷场发射源。
5.根据权利要求1所述的电子束源，其中所述电子源为热场发射源。
6.一种扫描电子显微镜，其包含根据权利要求1所述的电子束设备。
7.一种方法，其包括：
运用电子源产生电子束；
运用提取器提取所述电子束；
使用磁枪透镜通过射束限制孔将所述电子束导引在晶片处，所述磁枪透镜包含多个极片及线圈且安置于所述射束限制孔径的任一侧；及
在所述电子束通过所述射束限制孔径之后使所述电子束通过静电枪透镜。
8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括使用所述电子束以产生所述晶片的图像。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述磁枪透镜被激活且所述静电枪透镜未被激活。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述磁枪透镜经配置以运用射束电流切换速度选择射束电流。
11.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括在所述电子束到达所述晶片之前使所述电子束通过管柱孔径、聚光器透镜及物镜。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述电子束经配置以具有在所述射束限制孔径与所述管柱孔径之间的第一交叉点及在所述聚光器透镜与所述物镜之间的第二交叉点。
13.根据权利要求7所述的方法，其中所述静电枪透镜经配置以运用射束电流切换速度选择射束电流。
14.根据权利要求7所述的方法，其中所述磁枪透镜及所述静电枪透镜经配置以运用射束电流切换速度选择射束电流。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述电子源为冷场发射源。
16.根据权利要求7所述的方法，其中所述电子束的射束电流是从0.001nA至500nA。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述电子束的分辨率是从20nm至80nm。
18.根据权利要求7所述的方法，其中切换射束电流发生在一秒或少于一秒内。
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