CN112071731B - 一种基于维恩分析器校正二阶像差的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于维恩分析器校正二阶像差的设计方法，针对有偏转系统的存在时，此时沿着光轴附近将场函数做级数展开分析系统电子光学特性，能够分析因偏转带来的二阶像差。利用维恩分析器，通过给圆弧电极施加电压信号激励，让分析器产生所需的四极场，叠加在维恩分析器上。针对整个成像系统或检测系统，计算其光学特性，根据叠加四极场所计算的结果，控制调节加入四极场的方位角和激励强度，从而达到补偿系统因偏转带来的二阶像差。

Description

一种基于维恩分析器校正二阶像差的设计方法
技术领域
本发明涉及半导体检测技术领域和电子束成像领域，具体涉及一种基于维恩分析器校正二阶像差的设计方法。
背景技术
随着半导体技术的发展和工艺技术的进步，器件尺寸不断缩小，那些在以前节点上曾经不太重要的缺陷和颗粒可能会对器件性能造成致命的影响。同时由于新材料的引入、新工艺的研发和新一代光刻技术的使用，带来了许多新的缺陷问题。为了满足物理研究及半导体器件和集成电路生产的需要，要求电子束成像系统和检测设备具有更高的分辨率、更大的扫描场。
之前追求的是在高的放大倍率时有很高的分辨率，即很小的轴上像差，而对轴外像差要求不是很严格，也就是说随着扫描场的增加引起的系统像差的急剧增加。对于电子束成像系统和检测设备，既要求有高的轴上分辨率，又希望在大的扫描场内具有小的轴外像差。因此，系统中都考虑有偏转系统的设计。当偏转系统存在时，实现了较大的扫描场时，边缘上的物点离光轴远，光束倾斜大，随着偏转激励的增大，即视场的增大，主光轴也随之偏离系统轴，此时电子束不能在x和y向很好的聚焦，产生了象散，同时偏转带来的二阶像差也随之增大。
近年来，带电粒子束检测和成像设备在半导体产业中广泛应用，例如扫描电镜，通常被用于芯片等生产对象的缺陷检测。在带电粒子束检测和成像设备中，运用复合的(通常为正交的)电场和磁场对于二次带电粒子进行偏转的维恩分析器是其中的一种关键器件，主要作用在于对二次带电粒子束进行偏转扫描。
在目前的电子束成像系统和检测设备中，往往都是利用给维恩分析器加一个消象散的附加功能，仅仅是去实现整个系统的好的聚焦性质，并没有深入的考虑有偏转系统带来二阶像差，也没有去校正它。
在相关技术领域中，亟需一种基于维恩分析器校正偏转像差的设计方法，便于实现带电粒子束的滤质和分析的同时减小或校正成像设备偏转系统带来的二阶像差。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明对于有聚焦偏转系统的电子束成像系统和电子束检测设备，提供一种基于维恩分析器校正二阶像差的设计方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于维恩分析器校正二阶像差的设计方法，当电子束成像或检测系统有偏转系统的存在时，分析因偏转系统带来的二阶像差；进而利用维恩分析器，引入四极场去补偿电子束成像或检测系统因偏转系统带来的二阶像差。
进一步地，当电子束成像或检测系统有偏转系统的存在时，此时沿着光轴附近将场函数做级数展开分析电子束成像或检测系统电子光学特性，即能够分析因偏转系统带来的二阶像差。
进一步地，利用维恩分析器，通过给圆弧电极施加电压信号激励，使维恩分析器产生所需的四极场，叠加在维恩分析器上，控制调节加入四极场的方位角和激励强度，从而达到补偿电子束成像或检测系统因偏转系统带来的二阶像差。
进一步地，所述维恩分析器为十二极电极和磁极维恩分析器、八极电极和磁极维恩分析器中的一种。
进一步地，当采用十二极电极和磁极维恩分析器时，将十二极电极或磁极按照四极透镜的结构分布分成四个单元，每个单元里有三个圆弧电极，对同一单元中的三个圆弧电极施加同一激励信号，让维恩分析器产生四极透镜所需的四极场，利用有限元软件将四极场计算并导出，将导出的四极场叠加在维恩分析器上，使其同时有二极场和四极场，计算整个电子束成像和检测系统的光学特性；根据所计算的结果，控制调节加入四极场的方位角和激励强度，利用迭代插值方法找到补偿效果最好的计算结果，从而减小或校正因偏转系统带来的二阶像差。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
与传统分析方法相比，本发明沿着偏转后的光轴将场函数做级数展开并分析系统电子光学特性，解决了因偏转场的加入而沿直轴分析级数不收敛的问题，同时也考虑了扫描场的增大，因此能够分析偏转带来的二阶像差；因为静电四极透镜具有优越的电子光学聚焦成像性能，组合静电四极透镜系统拥有点聚焦的能力，因此让维恩分析器在原有滤质和分析的作用基础上，还可以减小大扫描场时产生的二阶像差，不需要在成像系统中单独加入四极透镜，增大了整个系统的空间利用率。
附图说明
图1为本发明实施例的电子束成像或检测系统；
图2为本发明实施例的维恩分析器横切面和纵切面示意图；
图3为本发明实施例的维恩分析器中均匀交叉场系统示意图；
图4为本发明实施例的维恩分析器产生四极场的结构示意图；
图5为本发明实施例在使用维恩分析器叠加四极场之后进行迭代优化与系统二阶像差计算结果图。
图中：1、汇聚透镜，2、汇聚透镜线圈，3、光轴，4、第一偏转器，5、物镜，6、第二偏转器，7、物镜线圈，8、物镜上极靴，9、物镜下极靴，10、第三偏转器，11、样品台，12、维恩分析器，13、电极或磁极，14、屏蔽壳， 15、四极透镜极片。
具体实施方式
以下对本发明进行进一步详细说明。
一种基于维恩分析器校正二阶像差的设计方法，当电子束成像或检测系统有偏转系统的存在时，此时沿着光轴附近将场函数做级数展开分析电子束成像或检测系统电子光学特性，能够分析因偏转系统带来的二阶像差；利用维恩分析器，引入四极场去补偿电子束成像或检测系统因偏转系统带来的二阶像差，具体地，通过给圆弧电极施加电压信号激励，让维恩分析器产生所需的四极场，叠加在维恩分析器上，控制调节加入四极场的方位角和激励强度，从而达到补偿电子束成像或检测系统因偏转系统带来的二阶像差，其中所述的维恩分析器，不仅仅限于十二极电极和磁极，还应包括其他类型的如八极电极和磁极维恩分析器。
在电子光学系统中，当电子主轨迹作为光轴时，有偏转场的存在时，主光轴随之偏离系统轴，此时沿着光轴附近将场函数做级数展开分析系统电子光学特性，能够分析因偏转系统带来的二阶像差；本发明在一种维恩分析器的基础上，引入四极的电场或磁场，去校正大扫描场的偏转系统引起的二阶像差。所述维恩分析器主体包括：静电偏转器和磁偏转器，包括六对对置电极，每个电极包括构造为成圆弧形的电极主体，每个磁极包括构造为成圆弧形的磁极主体，所述维恩分析器中产生的合成电场垂直于由所述维恩分析器中的产生的合成磁场。为此，我们在维恩分析器的结构上，在维恩分析器的电极上施加激励，将维恩分析器电极等效为一个静电四极透镜，通过有限元软件计算出所需要的四极场并导出；将计算出的四极场叠加在偏转器结构上, 计算其系统的光学特性；通过调整叠加的四极场的方向及其强度来达到校正高分辨大扫描场系统的二阶像差的目的。
下面将对本公开的技术方案通过实施例结合附图的方式进行进一步的详细解释。在说明书中，相同或相似的附图标记和字母指示相同或相似的部件。参照附图对本公开实施例的以下说明旨在对本公开的总体发明构思进行解释，不应当理解为对本公开的一种限制。
电子束在线检测设备为了达到精密的聚焦和偏转要求，解决实现小束斑要求的强激励透镜和更大的扫描范围的矛盾，一般都采用旋转对称场与偏转场交叠的复合聚焦偏转系统，如图1，系统包括用于汇聚电子光束的汇聚透镜1及其汇聚透镜线圈2，在系统中起到预偏转的第一偏转器4，还有第二偏转器6，物镜5及其物镜线圈7，还有其重要组成部分物镜上极靴8和物镜下极靴9，第三偏转器10和透镜实现匹配，用于放置样品的样品台11，还有一个电子束能量过滤器维恩分析器12，一种维恩分析器装置，包括八个同等电极或磁极13，还包括一层屏蔽壳14，叠加四极场的等效四极透镜极片15。
由于现有技术分析缺陷，只是沿光轴将场函数做级数展开，虽然二阶像差存在，但是没有客观的分析。本发明在以电子主轨迹作为光轴3研究分析电子光学系统时，考虑到有偏转场的加入，主光轴也会偏离系统轴，可以得知电子束不能在x和y方向有较好的聚焦，此时沿着光轴附近将场函数做级数展开，可以清楚得知偏转带来的二阶像差。在得到系统的二阶像差后，下一个任务就是去校正二阶像差。
作为所述维恩分析器的基础，首先，下面讨论维恩分析器的工作原理：
在图2中，一种维恩分析器装置，包括八个同等电极，还有对应线圈，线圈的轴线垂直于系统的轴线，其中线圈的轴线投影垂直于系统轴线的平面内，装置还包括一层屏蔽壳，将电场和磁场约束在指定范围内。
维恩分析器具有能量或质量分析的作用。在带电粒子束检测和成像系统中应用主要是由于电磁场符合维恩条件，主电子束通过时电、磁场对电子产生的作用力大小相等，方向相反，对电子轨迹不造成影响。而反向发射的二次电子等，电、磁场的作用力同一方向，可将二次电子等偏转至探测器，被收集并通过信号处理形成样品表面的灰度衬度图像。
在图3中，设想在局部空间存在着相互垂直的电场E和磁场B0，电子电荷e,电子速度为υ，电子质量m。细束粒子中心轨迹在轴方向，磁场在x方向，而电场在y方向，则电力在+y轴，磁力方向在-y轴方向。
Fe＝eE (1)
Fm＝eυB0 (2)
当电场力Fe等于洛伦兹力Fm，即
Figure BDA0002598917680000061
则电力与磁力正好平衡，粒子仍保持直线运动。由于加速电位U
Figure BDA0002598917680000062
故平衡时电场为
Figure BDA0002598917680000063
维恩分析器或交叉场分析器具有相互垂直的横向电场和磁场。横向电场和磁场的主体是二极场。如果以直角坐标系的z轴作为系统的光轴,电场在x轴方向(正放置二极场),磁场在y轴方向(斜放置二极场)，则二极场的电位u2及磁标位um2为(忽略高于x，y乘积的三次项)
Figure BDA0002598917680000071
Figure BDA0002598917680000072
式中(r,ψ,z)为圆柱坐标系坐标,φ0为(轴上)加速电位,E1及B1为轴上的电场和磁场,即二极电场及二极磁场函数,μ0为真空磁导率，两撇““”表示对z坐标的二阶导函数，ψ为方位角，η为媒质的波阻抗。横向电场和磁场对大体沿z轴方向运动的粒子束具有相反方向(+x轴与-x轴)的力。当E1(z)与B1(z)有同样分布，电子进入有场空间的初速度υ0，而且满足以下平衡条件时
Figure BDA0002598917680000073
为了去减小由于高分辨率大扫描场系统带来的二阶孔径像差，可以引如四极的电场或磁场，其电位u4及磁标位um4可近似表示为：
Figure BDA0002598917680000074
Figure BDA0002598917680000075
式中E2(z)及B2(z)为四极电场及四极磁场函数。它们通过动态校正，可以减小或校正很多偏转像差，改善系统的性能。
本发明针对的是十二极电极和磁极的维恩分析器。在图4中，我们将十二极电极或磁极按照四极透镜的结构分布分成四个单元，每个单元里有三个圆弧电极，因为其圆弧空间间隙相对小，可以认为电位和磁位分布在两个圆弧电极之间是线性的，这三个圆弧电极施加同一激励信号。让维恩分析器产生四极透镜所需的四极场，利用有限元软件将四极场计算并导出。将导出的四极场叠加在维恩分析器上，使其同时有二极场和四极场，计算整个系统的光学特性。根据所计算的结果，我们控制调节加入四极场的方位角和激励强度，利用迭代插值方法找到最理想的计算结果，从而减小或校正大扫描场起主要作用的二阶像差。
通过本发明设计的方法，可使得系统的二阶像差减小约50％。详细结果见图5。
因为静电四极透镜具有优越的电子光学聚焦成像性能，组合静电四极透镜系统拥有点聚焦的能力，因此在其它实例中如(八极电磁分析器)使用相同的设计方法，产生四极场也可用于去补偿系统中的二阶像差。
电子束的偏转只是在小偏角细束时有理想偏转性质，偏转角较大时将出现偏转像差，而在电子束检测或成像系统中偏转像差主要是二阶像差。当使用维恩分析器叠加四极场去补偿应偏转系统带来的二阶像差时，可以去满足旁轴条件，达到一个理想聚焦成像性质。

Claims (3)

1.一种基于维恩分析器校正二阶像差的设计方法，其特征在于，当电子束成像或检测系统有偏转系统的存在时，沿着光轴附近将场函数做级数展开分析电子束成像或检测系统电子光学特性，分析因偏转系统带来的二阶像差；进而利用维恩分析器，通过给圆弧电极施加电压信号激励，使维恩分析器产生所需的四极场，叠加在维恩分析器上，控制调节加入四极场的方位角和激励强度，从而达到补偿电子束成像或检测系统因偏转系统带来的二阶像差。
2.根据权利要求1所述的一种基于维恩分析器校正二阶像差的设计方法，其特征在于，所述维恩分析器为十二极电极和磁极维恩分析器、八极电极和磁极维恩分析器中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种基于维恩分析器校正二阶像差的设计方法，其特征在于，当采用十二极电极和磁极维恩分析器时，将十二极电极或磁极按照四极透镜的结构分布分成四个单元，每个单元里有三个圆弧电极，对同一单元中的三个圆弧电极施加同一激励信号，让维恩分析器产生四极透镜所需的四极场，利用有限元软件将四极场计算并导出，将导出的四极场叠加在维恩分析器上，使其同时有二极场和四极场，计算整个电子束成像和检测系统的光学特性；根据所计算的结果，控制调节加入四极场的方位角和激励强度，利用迭代插值方法找到补偿效果最好的计算结果，从而减小或校正因偏转系统带来的二阶像差。
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