CN111213219B - 带电粒子束装置以及操作该装置的系统和方法 - Google Patents

带电粒子束装置以及操作该装置的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种带电粒子束装置包括子束形成单元，该子束形成单元被配置为在样品(440)上形成子束阵列(410)并且对其进行扫描。子束阵列的第一部分被聚焦到焦平面(430)上，并且子束阵列的第二部分具有至少一个子束，该至少一个子束相对于焦平面具有离焦水平(490)。该带电粒子束装置还包括检测器，其被配置为检测由子束阵列形成的样品的图像；以及处理器，其被配置为基于检测的图像来估计焦平面与样品之间的分隔水平，并且然后基于估计水平来减小分隔水平。

Description

带电粒子束装置以及操作该装置的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年9月19日提交的美国申请62/560,622的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及带电粒子束装置以及操作该装置的系统和方法。
背景技术
在集成电路(IC)的制造过程中，对未完成或已完成的电路部件进行检查以确保它们根据设计制造并且没有缺陷。利用光学显微镜的检查系统通常具有低至几百纳米的图像分辨率；并且图像分辨率受到光波长的限制。随着IC部件的物理尺寸不断降低到小于100纳米或甚至小于10纳米，需要具有能够比利用光学显微镜的系统更高图像分辨率的检查系统。
能够将图像分辨率降低到小于纳米的基于电子束的显微镜(诸如扫描式电子显微镜(SEM)或透射式电子显微镜(TEM))用作检查特征尺寸小于100纳米的IC部件的实用工具。
为了提高基于电子束的显微镜的吞吐量，采用了各自具有相对较小电流的多个电子束。多个电子束可以分别并且同时扫描样品表面上的多个扫描区域。为了确保多个电子束在检查期间提供高图像分辨率，期望将多个电子束保持聚焦在样品表面上。
发明内容
根据本公开的一些实施例，提供了一种带电粒子束装置。该带电粒子束装置包括子束形成单元，该子束形成单元被配置为在样品上形成子束阵列并且对其进行扫描。子束阵列的第一部分聚焦到焦平面上，并且子束阵列的第二部分具有至少一个子束，该至少一个子束相对于焦平面具有离焦水平。带电粒子束装置还包括检测器，其被配置为检测由子束阵列形成的样品的图像；以及处理器，其被配置为基于检测的图像来估计焦平面和样品之间的分隔水平，然后基于估计水平来减小分隔水平。
根据本公开的一些实施例，提供了一种带电粒子束装置的控制方法。该方法包括：在样品上形成子束阵列。子束阵列的第一部分被聚焦到焦平面上，并且子束阵列的第二部分具有至少一个子束，该至少一个子束相对于焦平面具有离焦水平。该方法还包括：检测由子束阵列形成的样品的图像；基于检测的图像来估计焦平面和样品之间的分隔水平；以及基于估计水平来减小分隔水平。
根据本公开的一些实施例，提供了一种由控制器执行的用于控制带电粒子束系统的方法。该方法包括：基于由子束阵列形成的样品的图像来估计焦平面和样品之间的分隔水平。子束阵列的第一部分被聚焦到焦平面上，并且子束阵列的第二部分具有至少一个子束，该至少一个子束相对于焦平面具有离焦水平。该方法还包括：基于估计分隔水平来调整分隔水平。
根据本公开的一些实施例，提供了一种非暂态计算机可读介质。该非暂态计算机可读介质存储指令集，该指令集可由控制器的至少一个处理器执行，以使得控制器执行用于控制带电粒子束系统的方法。该方法包括：基于由子束阵列形成的样品的图像来估计焦平面和样品之间的分隔水平。子束阵列的第一部分被聚焦到焦平面上，并且子束阵列的第二部分具有至少一个子束，该至少一个子束相对于焦平面具有离焦水平。该方法还包括：基于估计分隔水平来调整分隔水平。
附图说明
被并入本说明书并且构成本说明书一部分的附图图示了几个实施例。
图1是图示了其中可以实现与所公开的实施例一致的控制方法的示例性带电粒子束装置的图。
图2(a)是图示了由带电粒子束装置在被检查的样品上生成的子束可用范围和多个子束的扫描区域的平面视图的图。
图2(b)至图2(d)是图示了在三种不同的检查模式下由带电粒子束装置在被检查的样品上生成的多个子束的扫描区域的平面视图的图。
图3是图示了与所公开的实施例一致的由带电粒子束装置在被检查的样品上形成的子束可用范围、多个检查子束和多个聚焦感测子束的平面视图的图。
图4(a)至图4(d)图示了与一些公开实施例一致的用于估计样品表面相对于由带电粒子束装置形成的多个检查子束的焦平面的位置的示例性方法。
图5图示了与一些公开实施例一致的用于控制带电粒子束装置的示例性控制系统。
图6图示了与一些公开实施例一致的通过使用带电粒子束装置检查样品的示例性过程。
具体实施方式
现在将详细参考在附图中图示的示例实施例。尽管在利用电子束的上下文中对以下实施例进行了描述，但是本公开不会就此被限制。同样，可以施加其他类型的带电粒子束。
一些公开的实施例提供一种带电粒子束(例如，电子束)装置。该带电粒子束装置包括子束形成单元，该子束形成单元被配置为在样品上形成子束阵列并且对其进行扫描。子束阵列的第一部分(以下称为“检查子束”)被配置为聚焦到焦平面上。子束阵列的第二部分(以下称为“聚焦感测子束”)具有至少一个子束，该至少一个子束相对于焦平面具有离焦水平。焦平面和样品之间的分隔水平可以基于由子束阵列形成的样品的图像来检测。可以减小分隔水平，以确保子束阵列的第一部分聚焦在样品上。
如本文中所使用的，除非另有明确说明，否则术语“或”涵盖所有可能的组合，除非不可行。例如，如果声明数据库可以包括A或B，则除非另有明确说明或不可行，否则数据库可以包括A、或B、或A和B。作为第二示例，如果声明数据库可以包括A、B或C，则除非另有说明或不可行，否则数据库可以包括A、或B、或C、或A和B、或A和C、或B和C、或A和B和C。
图1是图示了其中可以实现与所公开的实施例一致的控制方法的示例性带电粒子束装置100的图。参照图1，带电粒子束装置100包括电子源101、汇聚透镜110、主孔板171、源转换单元120、主投影成像系统130、偏转扫描单元132、以及光束分离器160，其沿着主光轴100_1放置并且与之对准。带电粒子束装置100还包括次投影成像系统150和电子检测设备140，其沿着不平行于主光轴100_1的次光轴150_1放置并且与其对准。带电粒子束装置100还包括样品台180，其用于维持由带电粒子束装置100检查的样品8。电子源101、汇聚透镜110、主孔板171、源转换单元120、主投影成像系统130、以及偏转扫描单元132一起构成子束形成单元。
电子源101被配置为发射在主光轴100_1上具有交叉101s的主电子束102。源转换单元120被配置为形成电子源101的多个虚像102_2v和102_3v。源转换单元120包括具有多个微偏转器122_2和122_3的微偏转器阵列122、具有多个微透镜123_1，123_2和123_3的微补偿器阵列123、以及包括多个子束限制开口121_1，121_2和121_3的子束限制板121。微偏转器122_2和122_3分别使主电子束102的子束102_2和102_3偏转以形成虚像102_2v和102_3v并且垂直入射到子束限制板121上。子束限制开口121_1，121_2和121_3分别截止主电子束102的中心部分102_1的外围电子以及偏转的子束102_2和102_3，并且由此限制子束102_1，102_2和102_3的电流。
汇聚透镜110被配置为聚焦主电子束102。可以控制汇聚透镜110的聚焦力以调整主电子束102的电流密度，从而调整子束102_1，102_2和102_3的电流密度。
主投影成像系统130被配置为将由子束102_1，102_2和102_3形成的电子源101的图像投影到样品8的表面7上，以形成多个探针斑102_1S，102_2S和102_3S。主投影成像系统130包括传递透镜133和物镜131。物镜131被配置为将子束102_1，102_2和102_3聚焦到样品8的表面7上。物镜131可以包括具有前焦点的磁透镜。传递透镜133被配置为聚焦两个离轴子束102_2和102_3以通过物镜131的前焦点，从而使它们垂直入射在样品8的表面7上。汇聚透镜110和主投影成像系统130的场曲像差使得多个子束102_1至102_3聚焦在曲面而非平坦表面或平面上。源转换单元120中的多个微透镜123_1至123_3中的每个微透镜可以各自聚焦多个子束102_1至102_3中的对应子束。因此，多个微透镜可以被设置为使得所有子束都聚焦在焦平面上，或者使得子束中的一些子束聚焦在焦平面上，而其他子束从焦平面离焦。期望焦平面与样品表面重合。
偏转扫描单元132被配置为使子束102_1，102_2和102_3偏转，以扫描样品8的表面7上的各个扫描区域中的探针斑102_1S，102_2S和102_3S。结果，次电子束102_1se，102_2se和102_3se由来自相应扫描区域的探针斑102_1S，102_2S和102_3S生成。次电子束102_1se，102_2se和102_3se通过物镜131聚焦，然后通过光束分离器160偏转以与子束102_1，102_2和102_3分离，并且进入与次光轴150_1对准的次投影成像系统150。
次投影成像系统150被配置为将次电子束102_1se，102_2se和102_3se聚焦到电子检测设备140的多个检测元件140_1，140_2和140_3上。检测元件140_1，140_2和140_3中的每个检测元件被配置为提供对应扫描区域的图像信号。次投影成像系统150包括防扫描偏转器151、包括至少两个透镜152_1和152_2的变焦透镜152、以及防旋转磁透镜154。变焦透镜152被配置为使电子检测设备140上的次电子束102_1se，102_2se和102_3se的节距与检测元件140_1，140_2和140_3的节距匹配。防扫描偏转器151被配置为使次电子束102_1se，102_2se和102_3se同步偏转，以将它们保持在对应检测元件140_1，140_2和140_3内，而偏转扫描单元132使子束102_1，102_2和102_3偏转。防旋转磁透镜154被配置为消除电子检测设备140上的次电子束102_1se，102_2se和102_3se相对于检测元件140_1，140_2和140_3的旋转，其中该旋转通过包括在物镜131中的磁透镜引入。
图1所图示的带电粒子束装置100是其中可以实现与所公开的实施例一致的控制方法的带电粒子束装置的示例。与所公开的实施例一致的控制方法可以应用于其他带电粒子束装置，该其他带电粒子束装置包括或更多或更少的图1所图示的带电粒子束装置100中的部件，和/或与之不同的布置。例如，在一些带电粒子束装置中，可以不包括汇聚透镜110。作为另一示例，在一些带电粒子束装置中，主孔板171可以放置在汇聚透镜110上方。
图2(a)是图示了由带电粒子束装置(例如，图1的带电粒子束装置100)在被检查的样品(例如，图1中的样品8)上生成的子束可用范围200和多个子束210(例如，图1中的102_1s至102_3s)的平面视图的图。在正常扫描或检查扫描中，每个子束210由偏转单元(例如，图1的偏转扫描单元132)偏转以扫描样品上的对应扫描区域220。多个子束210可以共同地扫描样品的较大扫描区域230以获得样品的扫描区域230的图像。在多个子束210扫描了扫描区域230之后，样品可以由样品台(例如，图1的样品台180)沿带电粒子束装置的Z方向在垂直于主光轴(例如，图1的主光轴100_1)的X-Y平面中移动，从而在下一正常扫描中，多个子束210可以扫描样品的下一扫描区域。为了清楚起见，每个正常扫描可以标记为序列号第(i)，并且扫描区域230(i)意指处于第(i)扫描的扫描区域230。第(i+1)正常扫描是第(i)正常扫描的下一正常扫描。下一扫描区域230(i+1)与图2(b)中的当前扫描区域230(i)相邻，靠近图2(c)中的当前扫描区域230(i)，并且远离图2(d)中的当前扫描区域230(i)。图2(b)至图2(d)中的检查模式分别称为连续跳跃扫描模式、短跳跃扫描模式、以及长跳跃扫描模式。带电粒子束装置可以在三个模式中的一个模式上操作，或者在三个模式中的一个模式上操作，然后改变为在三个模式中的另一模式上操作。
由带电粒子束装置产生的图像的质量与多个子束在样品上的聚焦情况紧密相关(即，多个子束是否聚焦在样品上，或多个子束的焦平面有多接近样品)。控制带电粒子束装置使得多个子束可以聚焦在样品表面上将是有利的。然而，当样品在X-Y平面中移动以将下一扫描区域与多个子束对准时，几个因素可能会影响其聚焦情况。一方面，由于例如样品表面的局部平坦度或Z方向上的台位置的变化，样品表面可能远离焦平面移动。另一方面，由于例如聚焦透镜(例如，图1中的汇聚透镜110、传递透镜133或物镜133)的聚焦力的漂移，焦平面可能移位远离样品表面，该聚焦透镜将多个子束或充电(charging up)聚焦在样品表面上。
一种用于控制多个子束的聚焦情况的技术是使用光学聚焦传感器来感测样品表面的位置变化，并且将感测的位置变化反馈给控制器，使得控制器可以控制样品台以在Z方向上移动，以消除样品表面的位置变化或调整聚焦透镜中的至少一个聚焦透镜的聚焦力，以移动焦平面与样品表面重合。聚焦透镜中的一个或多个参数可能影响其聚焦力。因此，可以通过变化参数中的至少一个参数来调整聚焦力。因此，必须提前校准调整后的参数与样品表面的位置变化之间的关系。
提出了一种可以直接感测焦平面和样品表面之间的分隔水平的方法。在所公开的实施例中，带电粒子束装置在样品上形成子束阵列，并且该阵列包括多个检查子束和围绕检查子束的多个聚焦感测子束。多个检查子束聚焦在焦平面上，该焦平面在正常扫描中与样品表面的扫描区域保持重合。聚焦感测子束被配置为相对于焦平面具有不同的离焦水平。聚焦感测子束所形成的图像可以用于估计焦平面和样品表面之间的真实分隔水平。可以在正常扫描或快速扫描中获得图像。在快速扫描中，聚焦感测子束或加上一个或几个检查子束扫描样品。在正常扫描中，聚焦感测子束与检查子束一起扫描样品。在两个正常扫描之间可能存在一个或多个快速扫描。
如本文中所使用，焦平面是指多个子束的聚焦点所在的虚拟平面。子束的离焦水平是指平行于带电粒子束装置的主光轴的Z方向上子束的聚焦点和参考点(例如，参考子束的聚焦点)或参考平面(例如，多个检查子束的焦平面)之间的距离。
图3是图示了与根据本公开的实施例相一致的由带电粒子束装置在被检查的样品上形成的子束可用范围300、多个检查子束310和多个聚焦感测子束350的平面图的图。聚焦感测子束350被布置在多个检查子束的外部并且在子束可用范围300内。在一些实施例中，聚焦感测子束接近多个检查子束310并且包围多个检查子束310。检查子束310和聚焦感测子束350均属于由带电粒子束装置(例如，图1的装置100)形成的子束阵列。在正常扫描中，每个检查子束310由偏转单元(例如，图1的偏转扫描单元132)偏转，以扫描样品的对应检查扫描区域320。多个检查子束310可以一起扫描检查扫描区域330。每个聚焦感测子束350由偏转单元偏转以扫描样品的聚焦感测扫描区域360。因此，由带电粒子束装置获得的图像包括检查扫描区域330和聚焦感测扫描区域360的图像。
图4(a)至图4(d)图示了检查扫描区域330和聚焦感测扫描区域360的图像如何可以用于感测焦平面和样品表面之间的分隔水平。在第(i)正常扫描中，如图4(a)所示，子束410_1，410_2，410_3，410_4和410_5相对于焦平面430具有离焦水平-2，-1，0，1和2，多个检查子束310分别聚焦在该焦平面430上。焦平面430和样品表面440之间存在分离间隙490。子束410_1，410_2，410_4和410_5是多个聚焦感测子束350中的四个聚焦感测子束。子束410_3可以是多个检查子束310中的一个检测子束，或可以是多个聚焦感测子束350中的一个聚焦感测子束。子束410_1的聚焦点420_1位于焦平面430下方，并且聚焦点420_1和焦平面430之间的距离为负的两个任意单位(例如，-100nm)；子束410_2的聚焦点420_2位于焦平面430下方，并且聚焦点420_2和焦平面430之间的距离为负的一个任意单位(例如，-50nm)；子束410_3的聚焦点420_3位于焦平面430上方；子束410_4的聚焦点420_4位于焦平面430上方，并且聚焦点420_4和焦平面430之间的距离为正的一个任意单位(例如，50nm)；并且子束410_5的聚焦点420_5位于焦平面430上方，并且聚焦点420_5和焦平面430之间的距离为正的两个任意单位(例如，100nm)。可以通过调整分别对应于子束410_1至410_5的微透镜(例如，图1中的微透镜123_1至123_3)的聚焦力来实现子束410_1至410_5的各种离焦水平。
图4(b)图示了由焦平面430上的子束410_1，410_2，410_3，410_4和410_5形成的探针斑450_1，450_2，450_3，450_4和450_5的图像。如果子束410_1，410_2，410_4和410_5也聚焦在焦平面430上，则探针斑450_1至450_5的尺寸相同。探针斑410_1，410_2，410_4和410_5的尺寸分别随着其离焦水平的绝对值而增加。如图4(b)所示，探针斑450_3是探针斑450_1至450_5中最小的，探针斑450_2和450_4基本相同并且大于探针斑450_3，并且探针斑450_1和450_5基本相同并且大于探针斑450_2和450_4。
图4(c)图示了由样品表面440上的子束410_1，410_2，410_3，410_4和410_5形成的探针斑460_1，460_2，460_3，460_4和460_5的图像。如图4(c)所示，探针斑450_1至450_5中的每个探针斑的尺寸与子束410_1至410_5中的对应子束的离焦水平以及样品表面440和焦平面430之间的分隔间隙490的组合有关。聚焦点420_2与样品表面440重合，聚焦点420_1比焦平面430更靠近样品表面440，并且聚焦点420_3-420_5比样品表面440更靠近焦平面430。因此，探针斑460_1和460_2分别小于探针斑450_1和450_2，并且探针斑460_3，460_4和460_5分别大于探针斑450_3，450_4和450_5。因此，探针斑460_2在探针斑460_1至460_5中变为最小。
图4(d)图示了焦平面430和样品表面440上的子束410_1至410_5的子束测量。具体地，曲线470表示子束410_1至410_5在焦平面430上以子束编号的次序(即，从子束410_1到子束410_5)形成的探针斑450_1至450_5的尺寸。曲线480表示子束410_1至410_5在样品表面440上形成的探针斑460_1至460_5的尺寸。如果焦平面430与样品表面440重合，则样品表面440上的分布形状将与曲线470相同。由于已知子束410_1至410_5相对于焦平面430的离焦水平，所以曲线470的形状也是已知的。通过比较曲线470和480，可以确定曲线480的形状与曲线470的形状不同，因此样品表面440不会与焦平面430重合。另外，由于曲线480的最小值与曲线470相比较向左移位一个子束，则可以确定样品表面440以一个任意单位的分隔水平(例如，间隙490)设置在焦平面430下方。探针斑460_1至460_5的尺寸不能在由子束410_1至410_5扫描的扫描区域的图像中直接测量，而是可以通过分析图像来间接测量。例如，对扫描区域进行扫描的子束的探针斑尺寸越小，扫描区域的图像越清晰。因此，探针斑的尺寸可以通过图像的清晰度来表示，因而，图4(d)中的每个子束测量可以是对应图像的清晰度。可以通过使用傅里叶分析对图像进行分析来测量清晰度。
为了准确并且快速估计分隔水平，检查子束310和聚焦感测子束350可以在性质和扫描条件上不同。例如，每个聚焦感测子束350的电流可以与每个检查子束310的电流不同(例如，低于)，以便控制样品上的充电。每个聚焦感测子束350的扫描区域的尺寸、扫描频率或扫描方向可以与每个检查310的不同，以控制样品上的充电和吞吐量。例如，每个聚焦感测子束350的扫描区域可以小于每个检查子束310的扫描区域，以降低由于聚焦感测子束引起的充电的影响。另外，可以在使用时关于检查模式和样品特征选择聚焦感测子束350。
如果带电粒子束装置在图2(b)和图2(c)所示的连续跳跃扫描模式或短跳跃扫描模式下操作，则下一检查扫描区域230(i+1)非常靠近当前检查扫描区域230(i)，并且当前第(i)正常扫描与下一第(i+1)正常扫描之间的时间间隔非常小。因此，可以合理地假设，当样品从当前检查扫描区域230(i)移动到下一检查扫描区域230(i+1)时，样品表面440和焦平面430的位置基本不发生改变。换句话说，在当前第(i)正常扫描中，焦平面430与样品表面440之间的分隔水平在下一第(i+1)扫描中保持相同。当前第(i)正常扫描中的估计分隔水平是对下一第(i+1)正常扫描中焦平面430和样品表面440之间的分隔水平的合理估计。在开始下一第(i+1)正常扫描之前，基于图4(d)中获得的估计分隔水平，可以调整检查子束的样品表面440和焦平面430之间的分隔间隙490，使得检查子束可以在下一第(i+1)正常扫描中聚焦在样品表面440上。在一些实施例中，可以通过例如将样品台(例如，图1的样品台180)升高一个任意单位来减小分隔间隙490，使得样品表面440也升高一个任意单位以与焦平面430重合。在一些备选实施例中，可以通过调整带电粒子束装置中的一个或多个聚焦透镜(例如，图1中的物镜131、传递透镜133或汇聚透镜110)的聚焦力来减小分隔间隙490，使得焦平面430降低一个任意单位以与表面平面430重合。聚焦透镜中的一个或多个参数可以影响其聚焦力。因此，可以通过变化参数中的至少一个参数来调整聚焦力。在一些备选实施例中，可以通过升高样品表面440和降低焦平面430来减小分隔间隙490。
如果带电粒子束装置如图2(d)所示在长跳跃扫描模式下运行，则下一检查扫描区域230(i+1)没有靠近当前检查扫描区域230(i)，并且当前第(i)正常扫描与下一第(i+1)正常扫描之间的时间间隔不是很小。因此，可以合理地假设当样品从当前检查扫描区域230(i)移动到下一检查扫描区域230(i+1)时，样品表面440和焦平面430的位置可能发生实质性改变。换句话说，下一第(i+1)正常扫描中的焦平面430和样品表面440之间的分隔水平可以与当前第(i)正常扫描中的分隔水平实质上不同。在这种情况下，存在以下三种方式来估计下一第(i+1)正常扫描中的焦平面430和样品表面440之间的分隔水平。在第一方式中，上述技术用于通过使用光学聚焦传感器获得样品表面440的位置变化，并且可以估计下一第(i+1)正常扫描中的分隔水平等于当前第(i)正常扫描中的估计分隔水平和样品表面440的估计的位置变化之和。在第二方式中，第一步是根据在第一方式中获得的估计分隔水平减小样品表面440和焦平面430之间的分隔间隙490，并且第二步骤是在快速扫描中通过多个聚焦感测子束检测分隔间隙490。在第二步骤中，仅多个聚焦感测子束的全部或部分扫描对应的聚焦感测扫描区域，并且如图4(a)至图4(d)所示的方法用于估计分隔水平。在第二步骤中获得的估计分隔水平用作下一第(i+1)正常扫描中的分隔水平。在第三步骤中，仅多个聚焦感测子束的全部或部分在快速扫描中扫描对应的聚焦感测扫描区域，并且如图4(a)至图4(d)所示的方法用于估计分隔水平。估计分隔水平用作下一第(i+1)正常扫描中的分隔水平。基于通过三种方式中的一种方式获得的下一第(i+1)正常扫描中的估计分隔水平，可以在开始下一第(i+1)正常扫描之前调整样品表面440和焦平面430之间的分隔间隙490，以便检查子束在下一第(i+1)正常扫描中聚焦在样品表面440上。如上文所提及的，可以通过在Z方向上移动样品表面440和/或焦平面430来减小分隔间隙490。
在连续跳跃扫描模式下，下一检查扫描区域230(i+1)与当前检查扫描区域230(i)相邻。第(i+1)扫描的检查扫描区域中的一个或多个检查扫描区域已经由第(i)正常扫描的对应的一个或多个聚焦感测子束进行了扫描，第(i+1)正常扫描的聚焦感测区域中的一个或多个聚焦感测扫描区域已经通过第(i)正常扫描的对应一个或多个检查子束进行了扫描。一些电荷可能已经积聚在扫描的检查扫描区域和聚焦感测扫描区域上，并且这些电荷可能会影响第(i+1)正常扫描中检查子束和聚焦感测子束的聚焦情况。为了减少电荷量，每个聚焦感测子束的电流可以设置为小于每个检查子束的电流(例如，对应于聚焦感测子束的每个光束限制开口的尺寸小于与图1中的检查子束相对应的每个光束限制开口的尺寸)。为了减少电荷的影响，可以相对于检查子束310非对称地布置聚焦感测子束350。例如，如图3所示，三个聚焦感测子束350和两个聚焦感测子束350分别布置在检查扫描区域330的左侧和右侧处。为了避免当下一检查扫描区域230(i+1)的左侧与当前检查扫描区域230(i)相邻时，在第(i+1)正常扫描的检查扫描区域中积聚电荷，检查扫描区域330的右侧的聚焦感测子束350不能被使用(例如，被对应的微偏转器偏转，以被图1中的子束限制板121阻挡)。同样，当下一检查扫描区域230(i+1)的右侧与当前检查扫描区域230(i)相邻时，不能使用检查扫描区域330的左侧的聚焦感测子束350。
在短跳跃扫描模式下，下一检查扫描区域230(i+1)靠近当前检查扫描区域230(i)。因此，在连续跳跃扫描模式下发生的情况可能在短跳跃扫描模式下发生。前述解决方案还可以在短跳跃扫描模式下使用。在长跳跃扫描模式下，下一检查扫描区域230(i+1)远离当前检查扫描区域230(i)。因此，在连续跳跃扫描模式下发生的情况不会在长跳跃扫描模式下发生。然而，如果第二方式和第三方式被用于估计图4(a)至图4(d)中样品表面440和聚焦430之间的分隔水平，则一些电荷可能会在聚焦感测扫描区域中积聚。电荷可能会影响拥有靠近聚焦感测扫描区域的检查扫描区域的检查子束的聚焦情况。为了减少电荷，每个聚焦感测子束的电流可以设置为小于每个检查子束的电流，或者仅使用聚焦感测子束中的一些聚焦感测子束。另外，每个聚焦感测扫描区域可以设置为小于每个检查扫描区域。例如，当使用第三方式来估计分隔水平时，偏转扫描单元132以小于第(i+1)扫描中的幅度的幅度使每个使用中的聚焦感测子束偏转。此外，在第(i+1)正常扫描中，每个聚焦感测扫描区域可以被扫描地比每个检查扫描区域更快。例如，当使用第三方式估计分隔水平时，偏转扫描单元132以高于第(i+1)正常扫描中的扫描频率的频率使每个使用中的聚焦感测子束偏转。更进一步地，可以在与在第(i+1)正常扫描中扫描每个检查扫描区域的方向不同的方向上扫描每个聚焦感测扫描区域。
图5图示了根据一些公开实施例的用于控制带电粒子束装置(例如，图1的带电粒子束装置100)的示例性控制系统500。控制系统500可以包括在带电粒子束装置中。可替代地，控制系统500可以经由有线或无线通信接口连接到带电粒子束装置。
如图5所示，控制系统500包括处理器510和存储器520。处理器510可以包括各种类型的处理设备。例如，处理器510可以包括微处理器、预处理器(诸如图像预处理器)、图形处理器、中央处理单元(CPU)、支持电路、数字信号处理器、集成电路、场可编程门阵列(FPGA)、或适合运行用于控制带电粒子束装置的应用的任何其他类型的设备。在一些实施例中，处理器510可以包括任何类型的单核处理器或多核处理器。
存储器520可以包括任何类型的非暂态存储设备或计算机可读介质。例如，存储器520可以包括非暂态计算机可读介质。非暂态介质的常见形式包括例如硬盘驱动器、光盘、固态驱动器、磁带、或任何其他磁数据存储介质、CD-ROM、任何其他光学数据存储介质、具有孔图案的任何物理介质、RAM、PROM、以及EPROM、FLASH-EPROM、或任何其他闪存、NVRAM、高速缓存、寄存器、任何其他存储器芯片或盒带、以及其联网版本。存储器520可以存储各种模块，这些模块在由处理器510执行时，可以使得处理器510执行与公开实施例一致的各种方法。在图5所示的示例性实施例中，存储器520包括台控制模块522、子束控制模块524、图像处理模块526、以及分隔调整模块528。
一般而言，模块可以是封装的功能硬件单元，其被设计为用于与其他部件(例如，集成电路的部分)或执行相关功能中的特定功能的程序的一部分(存储在计算机可读介质上)一起使用。该模块可以具有入口点和出口点，并且可以以诸如例如Java、Lua、C或C++之类的编程语言来编写。软件模块可以被编译并且链接到可执行程序中、安装在动态链接库中、或者以诸如例如BASIC、Perl或Python之类的解释性编程语言编写。将会理解，软件模块可以从其他模块或从其自身被调用，和/或可以响应于检测的事件或中断而被调用。被配置为用于在计算设备上执行的软件模块可以在计算机可读介质(诸如光盘、数字视频盘、闪存驱动器、磁盘或任何其他非暂态介质)上提供，或者作为数字下载(并且可以最初以压缩或可安装的格式存储，该格式需要在执行之前进行安装、解压缩或解密)提供。这种软件代码可以部分地或全部地存储在执行中的计算设备的存储器设备上，以供计算设备执行。软件指令可以嵌入到固件中，诸如EPROM。进一步地，将会理解，硬件模块可以由连接的逻辑单元(诸如门和触发器)组成，和/或可以由可编程单元(诸如可编程门阵列或处理器)组成。本文中所描述的模块或计算设备功能优选地被实现为软件模块，但是可以以硬件或固件来表示。通常，本文中所描述的模块是指不管其物理组织或存储也可以与其他模块组合或被划分为子模块的逻辑模块。
台控制模块522可以在由处理器510执行时使得处理器510控制样品台(例如，图1的样品台180)沿X，Y和Z方向中的一个或多个方向移动到目标位置。目标位置可以由用户经由用户输入设备输入，或者可以由控制系统500中的其他部件(诸如图像处理模块526)确定。在一些实施例中，台控制模块522可以控制样品台以依序移动到多个目标位置，使得多个扫描区域可以通过带电粒子束装置来检查。在一些实施例中，目标位置可以是由图像处理模块526(其在下文进行解释)确定的Z方向上的位置，以实现优化的聚焦条件。
子束控制模块524可以在由处理器510执行时使得处理器510通过控制带电粒子束装置中的各种部件来控制由带电粒子束装置形成的多个子束的各种特性。例如，子束控制模块524可以控制多个微偏转器(例如，图1的微偏转器122_2或122_3)和/或多个子束开口(例如，图1的子束限制开口121_1，121_2或121_3)和/或多个微透镜(例如，图1的微透镜123_1，123_2或123_3)以形成聚焦到焦平面上的多个检查子束以及相对于焦平面具有各种离焦水平的一个或多个聚焦传感子束。子束控制模块524可以通过控制一个或多个聚焦透镜(例如，图1中的物镜131、传递透镜133或汇聚透镜110)的聚焦力来控制焦平面的位置，该聚焦透镜对带电粒子束装置中的子束阵列进行聚焦。聚焦透镜中的每个聚焦透镜中的一个或多个参数可以影响其聚焦力。因此，子束控制模块524可以通过变化参数中的至少一个参数来控制聚焦力。子束控制模块524还可以通过控制子束开口(例如，子束限制开口121_1，121_2或121_3)的孔径来控制子束的尺寸和/或电流。子束控制模块524还可以控制微偏转器(例如，微偏转器122_2或122_3)以使被子束限制板(例如，子束限制板121)阻挡的子束偏转。子束控制模块524还可以通过控制偏转扫描单元(例如，偏转扫描单元132)来进一步控制子束的扫描区域、扫描方向或扫描频率。
图像处理模块526可以在由处理器510执行时使得处理器510处理由子束在样品上形成并且由检测单元(例如，电子检测设备140)收集的图像，并且估计样品表面相对于检查子束的焦平面的位置(例如，样品表面和焦平面之间的分隔水平)。例如，图像处理模块526可以通过使用关于图4(a)至图4(d)所描述的方法来分析检查和/或聚焦感测子束在样品上形成的探针斑的尺寸，以估计分隔水平。作为另一示例，图像处理模块526可以对图像执行傅立叶分析以估计分隔水平。
分隔调整模块528可以在由处理器510执行时使得处理器510控制带电粒子束装置以基于由图像处理模块526获得的结果来调整样品表面和检查子束的焦平面之间的分隔水平。在一些实施例中，分隔调整模块528可以向台控制模块522发送信号以控制台在Z方向上的位置，使得样品表面可以与检查子束的焦平面重合。在一些备选实施例中，分隔调整模块528可以向子束控制模块524发送信号以控制检查子束的焦平面的位置，使得样品表面可以与检查子束的焦平面重合。
图6图示了根据一些公开实施例的通过使用带电粒子束装置(例如，图1的带电粒子束装置100)检查样品的示例性过程600。带电粒子束装置可以在要检查的样品(例如，图1的样品8)上形成子束阵列并且对其进行扫描。子束阵列包括聚焦到焦平面上的多个检查子束650、以及相对于焦平面具有各种离焦水平的多个聚焦感测子束660。过程600可以通过由控制系统(例如，图5的控制系统500)控制的带电粒子束装置执行。
首先，在步骤610处，带电粒子束装置执行长移动以将维持样品的样品台(例如，图1的样品台180)移动到目标位置，在该目标位置处，样品的第一扫描区域位于多个主子束650下方并且与多个主子束650垂直对准。例如，控制系统500的台控制模块522可以控制样品台，以在X-Y平面上移动到目标位置。
然后，在步骤612处，带电粒子束装置对样品表面的第一扫描区域执行快速扫描，以检测第一扫描区域和主子束650的焦平面之间的分隔水平。通过使用由带电粒子束装置形成的第一子束子集来执行该快速扫描。在图6所示的示例中，第一子束子集仅包括聚焦感测子束660的子集。换句话说，步骤612处的快速扫描通过使用聚焦感测子束660的子集来执行，同时检查子束650和剩余聚焦感测子束(未示出)不会扫描样品表面。这可以通过例如由控制系统500的子束控制模块524控制微偏转器(例如，微偏转器122_2和122_3)以使检查子束650和剩余聚焦感测子束偏转向除样品表面之外的方向来实现，使得这些子束不会入射在样品表面上。在一些备选实施例中，用于快速扫描的第一子束子集包括检查子束650的子集和聚焦感测子束660的子集。另外，在步骤612处的快速扫描期间，每个子束可以扫描相对较小的子束扫描区域或样品表面上的单条线。在图6所示的示例中，每个聚焦感测子束660扫描样品表面上的单条线670。
在执行快速扫描之后，在步骤614处，控制系统(例如，控制系统500的图像处理模块526)分析由第一子束子集在样品表面上形成的图像，以估计第一扫描区域中的样品表面和主子束650的焦平面之间的分隔水平。在一些实施例中，图4(a)至图4(d)所示的方法可以被实现为估计分隔水平。
一旦确定了分隔水平，则在步骤614处，控制系统(例如，控制系统500的分隔调整模块528)调整第一扫描区域处的样品表面相对于检查子束的焦平面之间的分隔水平，使得第一扫描区域处的样品表面可以与焦平面重合。在一些实施例中，控制系统(例如，台控制模块522)可以在Z方向上移动样品台，从而调整样品在Z方向上的位置，以减小第一扫描区域处的样品表面和主子束的焦平面之间的分隔水平。在一些备选实施例中，控制系统(例如，子束控制模块524)可以调整一个或多个透镜(例如，物镜131和/或传递透镜133)的聚焦力以移动检查子束的焦平面的位置，使得样品表面与焦平面重合。
在步骤616处，带电粒子束装置对样品表面的第二扫描区域执行正常扫描。在一些实施例中，第二扫描区域可以与在其上执行步骤612的快速扫描的第一扫描区域重叠。在一些备选实施例中，第二扫描区域可以紧邻第一扫描区域。这可以通过例如由控制系统500的台控制模块522控制样品台以将样品移动到第二扫描区域位于多个主子束650下方并且与之垂直对准的位置来实现。
步骤616处的正常扫描可以通过由带电粒子束装置形成的至少第二子束子集执行。在图6所示的实施例中，通过使用所有检查子束650和聚焦感测子束660来执行正常扫描。在一些备选实施例中，第二子束子集包括检查子束550的子集和聚焦感测子束560的子集。在一些备选实施例中，第二子束子集仅包括检查子束550的子集或全部检查子束。在先前步骤614中，当执行正常扫描时，样品表面和焦平面之间的分隔水平已减小到最小。因此，与尚未调整分隔水平的情况相比较，正常扫描中获得的图像质量得以提高。
在执行正常扫描之后，在步骤618处，控制系统分析由第二子束子集在样品表面上形成的图像，以估计第二扫描区域中的样品表面与检查子束650的焦平面之间的分隔水平。然后，控制系统调整分隔水平，以使样品表面与焦平面重合。执行步骤618的方式与步骤614的方式相似，因此不再重复步骤618的详细描述。在完成步骤618之后，可以迭代地执行步骤616和618以检查样品表面的其他区域。
在一些实施例中，带电粒子束装置使用在步骤614已经进行了调整的分隔水平以进行任何未来扫描。也就是说，可以省略步骤618。取而代之的是，带电粒子束装置基于在步骤614处已经进行了调整的相同分隔水平来在步骤616处迭代地执行正常扫描，以检查样品表面的其他区域。由于不需要在正常扫描之后对图像进行分析并且对分隔水平进行重新调整，可以提高检查的吞吐量。然而，将会理解，仅当假设整个样品表面相对平坦并且因此分隔水平没有实质性变化时，才可以实施这些实施例。
可以使用以下条款对实施例进行进一步描述：
1.一种带电粒子束装置，包括：
子束形成单元，其被配置为在样品上形成子束阵列并且对其进行扫描，该子束阵列的第一部分被聚焦到焦平面上，并且子束阵列的第二部分具有至少一个子束，至少一个子束相对于焦平面具有离焦水平；
检测器，其被配置为检测由子束阵列形成的样品的图像；以及
处理器，其被配置为基于检测的图像来估计焦平面和样品之间的分隔水平，并且然后基于估计水平来减小分隔水平。
2.根据条款1所述的装置，其中检测器包括检测元件阵列，该检测元件阵列分别检测由子束阵列形成的图像的信号。
3.根据条款1所述的装置，其中处理器还被配置为调整子束形成单元中的聚焦元件的聚焦力以减小分隔水平。
4.根据条款1所述的系统，其中处理器还被配置为移动样品以减小分隔水平。
5.根据条款1至4中任一项所述的装置，其中子束阵列的第二部分的一个子束被聚焦在焦平面上。
6.根据条款1至5中任一项所述的装置，其中处理器还被配置为：
控制子束形成单元，以使用子束阵列中的至少第一子束子集执行样品的第一扫描，来形成样品的图像；
基于样品的图像来减小分隔水平；以及
控制子束形成单元，以使用子束阵列中的至少第二子束子集执行样品的第二扫描。
7.根据条款6所述的装置，其中第一子束子集包括第二部分中的子束子集。
8.根据条款6所述的装置，其中第一子束子集包括第一部分中的子束和第二部分中的子束子集。
9.根据条款6和8中任一项所述的装置，其中第二子束子集包括第一部分中的子束。
10.根据条款6，7和8中任一项所述的装置，其中第二子束子集包括第一部分中的子束和第二部分中的子束子集。
11.根据条款7所述的装置，其中第二子束子集包括第一部分中的子束。
12.根据条款11所述的装置，其中第二部分的每个子束的扫描条件不同于第一部分的每个子束的扫描条件。
13.根据条款12所述的装置，其中扫描条件是扫描区域。
14.根据条款13所述的装置，其中第二部分的每个子束的扫描区域小于第一部分的每个子束的扫描区域。
15.根据条款12所述的装置，其中扫描条件是扫描频率。
16.根据条款15所述的装置，其中第二部分的每个子束的扫描频率高于第一部分的每个子束的扫描频率。
17.根据条款12所述的装置，其中扫描条件是扫描方向。
18.根据条款1至17中任一项所述的装置，其中第二部分接近并且包围第一部分。
19.根据条款18所述的装置，其中第二部分关于第一部分非对称地布置。
20.根据条款1至19中任一项所述的装置，其中第二部分的每个子束的电流不同于第一部分的每个子束的电流。
21.根据条款20所述的装置，其中第二部分的每个子束的电流低于第一部分的每个子束的电流。
22.根据条款6至21中任一项所述的装置，还包括第一扫描中的样品的扫描区域，其不同于第二扫描中的样品的扫描区域。
23.根据条款1至22中任一项所述的装置，其中带电粒子束是电子束装置。
24.一种带电粒子束装置的控制方法，包括：
在样品上形成子束阵列，该子束阵列的第一部分被聚焦到焦平面上，并且子束阵列的第二部分具有至少一个子束，至少一个子束相对于焦平面具有离焦水平；
检测由子束阵列形成的样品的图像；
基于检测的图像来估计焦平面和样品之间的分隔水平；以及
基于估计水平来减小分隔水平。
25.根据条款24所述的方法，还包括：
调整子束形成单元中的聚焦元件的聚焦力以减小分隔水平。
26.根据条款24所述的方法，还包括：
移动样品以减小分隔水平。
27.根据条款24所述的方法，还包括：
使用子束阵列中的至少第一子束子集，来执行样品的第一扫描，以形成样品的图像；
基于由第一子束子集形成的样品的图像来减小分隔水平；以及
使用子束阵列中的至少第二子束子集执行样品的第二扫描。
28.根据条款27所述的方法，其中第一子束子集包括第二部分中的子束子集。
29.根据条款27所述的方法，其中第一子束子集包括第一部分中的子束和第二部分中的子束子集。
30.根据条款27所述的方法，其中第二子束子集包括第一部分中的子束。
31.根据条款27所述的方法，其中第二子束子集包括第一部分中的子束和第二部分中的子束子集。
32.根据条款27所述的方法，其中第一扫描的每个子束的扫描条件不同于第二扫描的每个子束的扫描条件。
33.根据条款32所述的方法，其中扫描条件是扫描区域。
34.根据条款33所述的方法，其中第一扫描的每个子束的扫描区域小于第二扫描的每个子束的扫描区域。
35.根据条款32所述的方法，其中扫描条件是扫描频率。
36.根据条款35所述的方法，其中第一扫描的每个子束的扫描频率高于第二扫描的每个子束的扫描频率。
37.根据条款32所述的方法，其中扫描条件是扫描方向。
38.根据条款24所述的方法，其中第二部分的每个子束的电流不同于第一部分的每个子束的电流。
39.根据条款38所述的方法，其中第二部分的每个子束的电流低于第一部分的每个子束的电流。
40.一种由控制器执行的用于控制带电粒子束系统的方法，包括：
基于由子束阵列形成的样品的图像来估计焦平面和样品之间的分隔水平，该子束阵列的第一部分聚焦到焦平面上，以及子束阵列的第二部分具有至少一个子束，该至少一个子束相对于焦平面具有离焦水平；以及
基于估计水平来调整分隔水平。
41.一种非暂态计算机可读介质，其存储指令集，该指令集可由控制器的至少一个处理器执行以使得控制器执行用于控制带电粒子束系统的方法，该方法包括：
基于由子束阵列形成的样品的图像来估计焦平面和样品之间的分隔水平，该子束阵列的第一部分聚焦到焦平面上，以及子束阵列的第二部分具有至少一个子束，该至少一个子束相对于焦平面具有离焦水平；以及
基于估计水平来调整分隔水平。
所公开的实施例的带电粒子束装置使用相对于多个检查子束的焦平面具有各种离焦水平的多个聚焦感测子束，以检测样品表面和焦平面之间的分隔水平。与仅使用光学聚焦传感器的系统相比较，所公开的实施例的带电粒子束装置提供了改进的聚焦性能、更好的图像分辨率和稳定性。
虽然已经结合各种实施例对本发明进行了描述，但是通过考虑本文中所公开的发明的说明书和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。旨在说明书和实施例被认为是仅示例性的，其中本发明的真实范围和精神由所附权利要求书指示。

Claims (15)

1.一种带电粒子束装置，包括：
子束形成单元，其被配置为在样品上形成子束阵列并且对其进行扫描，所述子束阵列的第一部分被聚焦到焦平面上，并且所述子束阵列的第二部分具有至少一个子束，所述至少一个子束相对于所述焦平面具有离焦水平；
检测器，其被配置为检测由所述子束阵列形成的所述样品的图像；以及
处理器，其被配置为基于所检测的图像来估计所述焦平面和所述样品之间的分隔水平，并且然后基于所估计的水平来减小所述分隔水平；
其中所述第二部分的每个子束的扫描条件不同于所述第一部分的每个子束的扫描条件。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述检测器包括检测元件阵列，所述检测元件阵列分别检测由所述子束阵列形成的所述图像的信号。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述处理器还被配置为调整所述子束形成单元中的聚焦元件的聚焦力，以减小所述分隔水平。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述处理器还被配置为移动所述样品，以减小所述分隔水平。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述子束阵列的所述第二部分的一个子束被聚焦在所述焦平面上。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述处理器还被配置为：
控制所述子束形成单元以使用所述子束阵列中的至少第一子束子集执行所述样品的第一扫描，以形成所述样品的图像；
基于所述样品的所述图像来减小分隔水平；以及
控制所述子束形成单元以使用所述子束阵列中的至少第二子束子集执行所述样品的第二扫描。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一子束子集包括所述第二部分中的子束子集，
其中所述第一子束子集包括所述第一部分中的子束和所述第二部分中的子束子集，
其中所述第二子束子集包括所述第一部分中的所述子束，
其中所述第二子束子集包括所述第一部分中的所述子束和所述第二部分中的子束子集，或
其中所述第二子束子集包括所述第一部分中的所述子束。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述扫描条件是扫描区域。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述第二部分的每个子束的所述扫描区域小于所述第一部分的每个子束的所述扫描区域。
10.根据权利要求1所述的装置，其中所述扫描条件是扫描频率。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述第二部分的每个子束的所述扫描频率高于所述第一部分的每个子束的所述扫描频率。
12.根据权利要求1所述的装置，其中所述扫描条件是扫描方向。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的装置，其中所述第二部分的每个子束的电流不同于所述第一部分的每个子束的电流。
14.一种由控制器执行的用于控制带电粒子束系统的方法，包括：
基于由子束阵列形成的样品的图像来估计焦平面和所述样品之间的分隔水平，所述子束阵列的第一部分聚焦到所述焦平面上，所述子束阵列的第二部分具有至少一个子束，所述至少一个子束相对于所述焦平面具有离焦水平；以及
基于所估计的水平来调整所述分隔水平；
其中所述第二部分的每个子束的扫描条件不同于所述第一部分的每个子束的扫描条件。
15.一种非暂态计算机可读介质，其存储指令集，所述指令集能够由控制器的至少一个处理器执行，以使得所述控制器执行用于控制带电粒子束系统的方法，所述方法包括：
基于由子束阵列形成的样品的图像来估计焦平面和所述样品之间的分隔水平，所述子束阵列的第一部分聚焦到所述焦平面上，所述子束阵列的第二部分具有至少一个子束，所述至少一个子束相对于所述焦平面具有离焦水平；以及
基于所估计的水平来调整所述分隔水平；
其中所述第二部分的每个子束的扫描条件不同于所述第一部分的每个子束的扫描条件。
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