CN113471042A - 扫描电子显微镜装置和电子束检测设备 - Google Patents

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Abstract

提供扫描电子显微镜装置和电子束检测设备，扫描电子显微镜装置被配置成向待测样品的表面投射电子束，包括：电子束源；偏转机构；和物镜组件。偏转机构包括：第一偏转器，位于电子束源的下游；和第二偏转器，位于第一偏转器的下游。物镜组件包括：励磁线圈；和磁轭，由导磁材料形成为朝待测样品敞开的壳体，包括限定内部腔室的中空主体、和从中空主体成角度地向内朝光轴延伸的至少一个倾斜部分，所述至少一个倾斜部分的末端形成为极靴，所述励磁线圈容纳于所述内部腔室中。所述偏转机构还包括位于所述极靴与所述待测样品的表面之间的补偿电极，所述补偿电极被配置成在被施加电压激励情况下通过调整所述电压来调整所述电子束的聚焦位置。

Description

扫描电子显微镜装置和电子束检测设备
技术领域
本公开涉及扫描电子显微镜技术领域，尤其涉及一种扫描电子显微镜装置和一种电子束检测设备。
背景技术
在半导体制造中，在晶片上制造微芯片或集成电路(IC)。制造IC的过程涉及几个阶段，包括例如设计阶段、制造阶段和检查阶段。设计阶段涉及为IC设计电路元件的结构和布置。制造阶段可包括多个操作，例如光刻、蚀刻、沉积或化学机械平坦化(CMP)。在制造阶段，在“图案化”过程期间，掩模或掩膜版(reticle)上的几何特征(例如，图案)能够被转移到晶片的表面。具有所转移的几何特征的晶片可以称为“图案化的晶片”。在检查阶段，能够检查所制造的IC以进行质量控制。
在制造阶段期间，可能发生缺陷。例如，晶片表面可以包括缺陷，或者掩模可以包括能够转移到晶片的缺陷。因此，在检查阶段检查晶片和/或掩模(例如，在适当的处理操作中)的潜在缺陷是有利的。检查结果能够用于改进或调整设计、制造、检查阶段或它们的任何组合。一般地，“图案化衬底”(或上下文中简称为“衬底”而没有混淆)能够用于表示晶片、掩模、掩模版或其上具有图案的任何结构。随着近年来半导体器件的小型化，针对衬底(例如，晶片或掩模或掩模版(reticle))等对象的检测与关键尺寸测量的重要性不断增加。
在针对半导体的电子束检测(EBI)领域，对检测的速度和吞吐量有很高的要求，单帧扫描图像的可用视场(FOV)大小决定了设备的最高检测效率。随着IC的制造工艺中预期实现更小尺寸的元件以实现更高的性能密度，检测小尺寸的缺陷成为半导体制造中的挑战。成像技术通常用于检查图案化衬底上的缺陷。当设计规则缩小(例如，低于20nm)时，高吞吐量检查系统(例如，光学检查系统)可能面临对发现缺陷(例如，物理缺陷)的灵敏度不足的挑战。另外，光学检查系统对检测埋藏在表面下方的电缺陷可能能力不足。
因此，高分辨率检查系统，例如电子束检测(EBI)系统或带电粒子束成像系统，在缺陷检查中变得更加重要，特别是对于电缺陷和微小的物理缺陷。电子束检测设备通常用于半导体器件生产过程中的缺陷检测，其主要原理是利用高能电子束轰击被测物体表面，探测被轰击区域产生的二次电子(SE)、背散射电子(BSE)等获取被测样品本身的各种物理、化学信息，如形貌、成分等。电子束检测装置的应用通常例如，基于真空中电子束对半导体硅片与掩模版上的微观图形进行检测与关键尺寸的测量。包括诸如扫描电子显微镜等的电子束检测设备通常用于及半导体电子束硅片图形缺陷检测等应用场景。由此，但是随着半导体工艺的不断精细，光学检测已经逐渐无法满足检测要求，电子束检测获得越来越多的应用。
然而，电子束检测也存在固有缺陷，例如，虽然通过提高电子束的能量(例如从10KV到100KV等)有助于分辨率优化，但是带来了一些其他问题，耐高压问题、电源稳定性问题等，最主要在是半导体领域，高能量的电子束容易对晶片产生不可恢复的破坏，这是不允许的，所以在半导体检测领域，电子束的能量通常不会很高。并且，典型地采用样品减速模式来有效地控制电子束入射击打在晶片上的着陆(landing)能量，目前被广泛的应用在半导体领域，减速模式的缺点是因为减速电场的存在，会导致电子束的轴外像差变大，降低了大视场的分辨率，从而影响电子束检测设备的工作效率。
并且，在对电子束进行偏转的过程中，如果例如采用电磁线圈作为偏转器，由于磁偏转器产生的磁偏转场的轴外像差比较小，所以同样视场大小情况下，磁偏转器比电偏转器的轴外分辨率高，但是缺点是由于磁滞现象的存在，导致磁偏转器的扫描速度比较慢，不适合半导体电子束硅片图形缺陷检测领域。
由此，作为示例，通常采用电子束偏转机构之后布置电磁透镜充当物镜；具体地，在一种典型的电子束检测设备例如扫描电子显微镜(SEM)中，电子束偏转机构中设置有两个偏转器，第一个偏转器配置成将从电子束源出射的电子束离轴偏转，而下游的第二偏转器则将电子束往回朝向近轴位置偏转，随后经偏转电子束行进至物镜并且在物镜的极靴附近聚焦成像。借助于所述偏转器，能使生电子束在待测样品上定位和扫描的运动，用于产生和采集来自样品的二次电子或背散射电子进而用于生成样品图像。这种典型的扫描方式得到的图像，受制于入射至待测样品的表面上的电子束轴外像差比较大的事实，所以其可用视场比较小，影响电子束检测设备的工作效率。
进而，考虑偏转器特别地为静电偏转器的情况，针对改善视场大小的需求，通过改变电偏转器的形状尺寸来提高视场大小，例如4极偏转器、8极偏转器、12极偏转器等形式，其中，8极偏转器加工工艺比较简单，但是电控相对比较复杂，12极偏转器的电控比较简单，但是加工工艺比较复杂。或者替代地，针对改善视场大小的需求，例如采用分区域扫描的方式对晶片进行图像采集，这种工作模式对电子束的驱动波形有很高的要求，设计难度比较大；并且这种扫描方式对图像发生器的要求比较高，数据处理比较繁琐。在另外的替代实施例中，针对改善视场大小的需求，还可选地通过改变电子束的光轴来增大可用视场，利用额外设置的两个偏转器用来平移电子束的光轴，但是加工和安装工艺很复杂，其安装误差对电子束的像差影响很大。
因此，亟需一种改进的扫描电子显微镜和电子束检测设备，其能够改善电子束扫描图像的最大可用视场、提升图像整体分辨能力、减小轴外束斑大小、提高电子束检测设备吞吐量的方式。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面，本发明提供了扫描电子显微镜装置和电子束检测设备。所述技术方案如下：
为实现上述目的，根据本公开的第一方面，提供了一种扫描电子显微镜装置，其被配置成向待测样品的表面投射电子束，包括：电子束源；偏转机构；和物镜组件。偏转机构包括：第一偏转器，位于电子束源的下游；和第二偏转器，位于第一偏转器的下游。物镜组件包括：励磁线圈；和磁轭，由导磁材料形成为朝待测样品敞开的壳体，包括限定内部腔室的中空主体、和从中空主体成角度地向内朝光轴延伸的至少一个倾斜部分，所述至少一个倾斜部分的末端形成为极靴，所述励磁线圈容纳于所述内部腔室中。所述偏转机构还包括位于所述极靴与所述待测样品的表面之间的补偿电极，所述补偿电极被配置成在被施加电压激励情况下通过调整所述电压来调整所述电子束的聚焦位置。
根据本公开的实施例，所述电压的数值大小随着电子束的扫描位置而实时变化，使得所述电子束中的偏离光轴的部分所处的电场将所述电子束聚焦成遍及待测样品的表面上始终呈正焦状态。
根据本公开的实施例，所述电压浮动于与待测样品的表面处的电压相比更高的电压。
根据本公开的实施例，所述补偿电极呈相对于所述光轴成中心对称的中心镂空的闭合形状。
根据本公开的实施例，所述补偿电极呈平面环形。
根据本公开的实施例，所述补偿电极呈中心镂空的曲面形状，且它的较接近于极靴的表面被构造呈具备均一半径的圆弧面。
根据本公开的实施例，所述圆弧面与所述光轴的交点位于所述待测样品的表面处。
根据本公开的实施例，所述扫描电子显微镜装置，还包括位于第二偏转器与物镜组件之间、且布置于由所述极靴限定的开口内的第三偏转器，第一、第二和第三偏转器中每个是静电偏转器。
根据本公开的实施例，所述第一偏转器和所述第二偏转器中每个偏转器包括相对于所述光轴对称设置的对置的一对电极，且每个偏转器上施加的电激励是可调节的以调节经过的所述电子束的方向和角度。
根据本公开的实施例，所述第一偏转器和所述第二偏转器每个偏转器呈8极或12极静电偏转器的形式，且每个偏转器上施加的电激励是可调节的以调节经过的所述电子束的方向和角度。
根据本公开的实施例，所述第一偏转器、所述第二偏转器和所述第三偏转器中每个偏转器包括相对于所述光轴对称设置的对置的一对电极，且每个偏转器上施加的电激励是可调节的以调节经过的所述电子束的方向和角度。
根据本公开的实施例，所述第一偏转器、所述第二偏转器和所述第三偏转器中每个偏转器呈8极或12极静电偏转器的形式，且每个偏转器上施加的电激励是可调节的以调节经过的所述电子束的方向和角度。
根据本公开的实施例，所述极靴是所述磁轭的倾斜部分的与所述光轴实质上平行设置的末端，且所述第三偏转器的每个电极的长度与所述极靴的厚度是同一量级的且大于或等于所述极靴的厚度，优选地是相等的。
根据本公开的实施例，所述第一偏转器、所述第二偏转器和所述第三偏转器中沿光轴彼此共轴地设置。
根据本公开的实施例，所述第三偏转器的电极布置成相对于所述第一偏转器的电极呈预定角度，所述预定角度设置为使得经第三偏转器的偏转作用后的所述电子束的轴外像差最小化。
根据本公开的实施例，所述第三偏转器由非导磁的导电材料形成。
根据本公开的实施例，所述物镜组件的所述倾斜部分限定朝向所述待测样品收缩的电子束通道，且所述电子束通道的位于所述第三偏转器处的部分是在直径方向上限定于所述第三偏转器的电极之间的空隙。
另外，根据本公开的另一方面，提供了一种电子束检测设备，包括：根据前述的扫描电子显微镜装置；第一检测器，位于所述待测样品下游，且配置成用以检测所述电子束入射到所述待测样品的表面上之后所产生的背散射电子；和第二检测器，位于所述待测样品下游，且配置成用以检测所述电子束入射到所述待测样品的表面上之后所产生的二次电子。
附图说明
现在参照随附的示意性附图，仅以举例的方式，描述本公开的实施例，其中，在附图中相应的附图标记表示相应的部件。附图的简要描述如下：
图1是示出相关技术中的扫描电子显微镜装置的结构示意图；
图2A是示出如图1所示的相关技术中的扫描电子显微镜装置在工作状态下，其所产生磁场对电子束的聚焦的示意图；且图2B是示出如图1所示的相关技术中的扫描电子显微镜装置在工作状态下，其电子束受偏转器偏转以及受物镜组件的聚焦的示意性路径。
图3A是示出根据本公开的一种实施例的扫描电子显微镜装置、以及包括所述扫描电子显微镜装置的示例性电子束检测设备的结构示意图；
图3B是示出基于图3A的根据本公开的另一种实施例的扫描电子显微镜装置的结构示意图，其具备额外的第三偏转器；
图3C是如图3A和3B所示的本公开不同实施例的扫描电子显微镜装置与图1所示的相关技术中扫描电子显微镜装置的电子束成像效果的对比的列表。
图4是示出根据本公开的替代实施例的扫描电子显微镜装置中的物镜组件的结构示意图。
具体实施方式
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。
附图被用于说明本公开的内容。附图中各部件尺寸和形状不反映电子束检测设备及待测目标的真实比例。
在本公开的实施例中，表述“下游”是指沿着或者顺着电子束发射离开电子源的行进方向的方向，表述“上游”是指与电子束发射离开电子源的行进方向相对或相反的方向。
并且，在本公开的实施例中，表述“径向”、“直径方向”、“轴向”均以电子束源的光轴方向为参照物。
图1是示出相关技术中的扫描电子显微镜装置的结构示意图。
作为示例，如图1所示，描绘了相关技术中的扫描电子显微镜装置的一种偏转器工作方式。第一偏转器111和第二偏转器112相继对电子束进行一定角度的偏转，例如图示为第一偏转器111将电子束偏离其初始状态的光轴(例如，也即发射所述电子束的电子束源的光轴)向外偏转，继而第二偏转器112将已向外偏转的电子束往回朝向光轴偏转，即电子束经第二偏转器112的作用而发生与在第一偏转器111处的偏转相比的反向偏转以朝向光轴附近前进，最终在物镜组件处(更具体地例如在其极靴附近)实现聚焦成像。这种扫描方式得到的图像会受制于电子束的较大轴外像差从而导致相对较受限制的可用视场。
图2A是示出如图1所示的相关技术中的扫描电子显微镜装置在工作状态下，其所产生磁场对电子束的聚焦的示意图；且图2B是示出如图1所示的相关技术中的扫描电子显微镜装置在工作状态下，其电子束受偏转器偏转以及受物镜组件的聚焦的示意性路径。
如图2A所示，在图1所示的相关技术中的扫描电子显微镜装置正常扫描成像时，电子束在物镜组件的。磁场的作用下进行聚焦，轴上电子束(即电子束的位于光轴上(on-axis)部分)在样品面正焦，即此时待测样品表面处的轴上束斑最小。基于图1中的扫描电子显微镜装置的励磁线圈布置方式，励磁线圈形成的磁场越靠近线圈本体则聚焦能力越强(反之，磁场越靠近光轴则聚焦能力逐渐减弱)；换言之，线圈在轴外且所形成的电磁体也在轴外(并且它们例如如图所示均为沿周向布置成关于光轴成中心对称的)，由此轴外磁场比轴上磁场具备更强的聚焦能力，导致如图2B所示轴外电子束(即电子束的偏离光轴(off-axis)部分，也称为离轴电子束)在待测样品表面处之前已被聚焦，由此在入射到待测样品表面上时已呈过焦状态。如此，实质上，电子束的众多实际聚焦点所限定的实际焦面如图2A所示，例如呈朝向待测样品表面的轴上束斑位置凸起的虚拟曲面。由此，基于图1所示的相关技术中的扫描电子显微镜装置，实质上，所得到的轴外电子束在入射到待测样品表面上时已呈过焦状态，由此导致所得到的束斑大小变大，而最大可用视场降低。
图3A是示出根据本公开的一种实施例的扫描电子显微镜装置1、以及包括所述扫描电子显微镜装置1的示例性电子束检测设备100的结构示意图。
根据本公开的总体技术构思，如图3A所示，在本公开的实施例的第一方面中提供一种扫描电子显微镜装置1，被配置成向待测样品14的表面投射电子束以产生背散射电子和二次电子以供对待测样品14的性质进行检测，所述扫描电子显微镜装置1至少包括电子束源10、位于电子束源10下游的针对电子束的偏转机构11、以及位于所述偏转机构11下游的物镜组件12。例如，所述电子束源10被配置成沿其光轴O发射电子束。作为示例，具体地，所述电子束源10例如是热电子发射器、冷场发射器或热电子场发射器(例如，肖特基型发射器)。所述电子束源10例如包括单个发射器或多个发射器。并且例如，所述偏转机构11至少包括：第一偏转器111，位于电子束源10的下游；和第二偏转器112，位于第一偏转器111的下游。并且例如，所述物镜组件12包括励磁线圈121和磁轭122，所述磁轭122例如是由导磁材料形成为朝待测样品14敞开的壳体，包括限定内部腔室1222的中空主体1221、和从中空主体1221的向内朝光轴O延伸的至少一个倾斜部分1223。例如，如图所示，所述至少一个倾斜部分1223包括从中空主体1221的径向内侧壁成角度地(以及继而例如与所述光轴O成角度地)向内朝光轴O延伸的倾斜部分1223，所述至少一个倾斜部分1223(例如所述倾斜部分1223)的末端形成为极靴1224(pole piece)，所述励磁线圈121容纳于所述内部腔室1222中。如此，极靴1224开口方向实质上朝向待测样品14。
作为示例，形成所述磁轭122的导磁材料例如为软磁材料，例如，铁磁材料，优选地是铁，铁合金或其它用于为由激励线圈所产生的磁场提供低磁阻路径的相对较高磁导率材料。由此，在极靴1224之间的磁场线导致完成磁回路，并且由于极靴1224开口方向实质上朝向待测样品14，则待测样品14被认为是浸没在由此产生的磁透镜的磁场中。换言之，所述物镜组件12实质上是由电流线圈激励的浸没式磁透镜，例如金属导线绕成其激励线圈，该激励线圈外部为诸如铁磁材料形成的磁轭122壳体，磁轭122壳体的开口处为磁透镜的极靴1224，由此待测样品14的例如表面浸没于磁透镜的磁场中。
并且，在本公开的实施例中，如图3A所示，例如，所述偏转机构11还包括位于所述极靴1224与所述待测样品14的表面之间的补偿电极13，例如由金属材料制成，所述补偿电极13被配置成在被施加电压激励情况下通过调整所述电压来调整所述电子束的聚焦位置。具体地，作为示例，基于如图1所示的相关技术中的扫描电子显微镜装置，在物镜组件12的极靴1224与待测样品14表面之间额外地设置电极来充当补偿电极13，并且施加至该补偿电极13的电压是可变的；更进一步地，所述电压的数值大小随着电子束的扫描位置而实时变化，具体地例如随着扫描位置的不同进行动态补偿，由此可以改变轴外电子束所处的电场，使得电子束可以被恰好聚焦于待测样品14的表面上，形成正焦状态。如此，有效地降低轴外束斑大小，达到提升最大可用视场的目的。
作为示例，所述补偿电极由金属材料诸如合金材料制成，更具体地，例如铁镍合金或镀金铝板，其中铁镍合金具备导磁性，对磁透镜的磁场会产生影响；而镀金铝板是具备相对较低磁导率的导电材料，其在起到对减速电场的减弱即屏蔽作用的同时，由于相对较低的磁导率，其起到磁路旁路的作用较小，并且其较有利于杂散电子的处理。
在具体的实施例中，如图3A所示，当电子束被偏转到轴外进行成像时，通过改变所述补偿电极13的电压，可以将电子束的聚焦点位置后移一定距离，当选择一个合适的电压值时，最佳聚焦点刚好在待测样品14的表面上，以实现对于过焦的补偿。电子束被偏转到不同位置时，所需要的所述补偿电极13的电压是不一样的，即电压是实时变化的，使得所述电子束中的偏离光轴O的部分所处的电场将所述电子束聚焦成遍及待测样品14的表面上始终呈正焦状态，以实现对于过焦的实时动态补偿。更具体地，电子束离光轴O的距离越远，所述补偿电极13上所施加的电压越大，称为动态补偿电压。
根据本公开的实施例，例如，所述电压浮动于与待测样品14的表面处的电压(例如，该电压命名为Vo)相比更高的电压V上，该电压相对于待测样品14的表面处的电压是正电压，此时的补偿电极13在对电子束完成动态补偿的同时，可以对散射出来的二次电子进行反向加速，使单位时间内更多的二次电子可以打到探测器上，提高了二次电子收集率，也提升图像的信噪比。
这里，在所述补偿电极13与待测样品14的表面之间可以生成电场，其例如充当减速场或阻滞场，称为减速静电场。由此，所述减速静电场与所述物镜组件12产生的磁场(例如浸没式磁场，或者也可为半浸没式磁场，在后文定义)共同构成一复合式浸没减速吸收透镜场；所述复合式浸没减速吸收透镜场的作用主要包括三方面：第一方面，能够对入射至所述待测样品14的电子束进行聚焦，以使所述电子束聚焦至所述待测样品14的表面从而确保电子束入射到所述待测样品14的表面上的部位处均保持正焦状态；第二方面，能够对入射至所述待测样品14的电子束进行减速，通过调整供电，所述补偿电极13与待测样品14共同限定了一个减速装置，此减速装置可将一次电子束降到待测样品14的表面处的所需要的着陆能量，从而确保所述电子束以相对于相关技术较低的能量落到所述待测样品14上，减小诸如非导电样品的电荷效应并且减少电子束的一次电子着陆于待测样品14表面时对该处的冲击；第三方面，对所述待测样品14的表面产生的信号电子(包括背散射电子和二次电子)进行加速，以提高针对这些背散射电子和二次电子的各自探测器的收集效率，提高诸如二次电子检测的吞吐量。
并且，因为可以通过电子显微镜系统生成并形成的电子束的一次电子仅恰好在待测样品14表面上方近处减速至希望的动能，所以这种排布结构允许获取例如利用上述物镜组件12排布结构的电子显微镜系统的有利光学特性。
在本公开实施例中，例如，所述补偿电极13呈相对于所述光轴O成中心对称的中心镂空的闭合形状，诸如呈中心开孔(以便电子束通过)的环状或中心孔板。在更具体的实施例中，例如，所述补偿电极13呈平面环形(具备均一的孔内径)。在替代的更具体的实施例中，例如，所述补偿电极13呈中心镂空的曲面形状(诸如朝向待测样品14表面凸起的碗状)，且它的较接近于极靴1224的表面被构造呈具备均一半径的圆弧面，例如更具体地，其曲率设置成与如图2A所示的在缺乏补偿电极13的现有技术扫描电子显微镜装置方案情况下电子束的众多实际聚焦点所限定的呈朝向待测样品14表面的轴上束斑位置凸起的虚拟曲面的曲率相近似或实质上相同。并且，作为示例，所述圆弧面与所述光轴O的交点位于所述待测样品14的表面处，即轴上电子束的着陆位置。
在本公开的实施例中，例如，如图3A所示，所述第一偏转器111和所述第二偏转器112中每个偏转器包括相对于所述光轴O对称设置的对置的一对电极，且每个偏转器上施加的电激励是可调节的以调节经过的所述电子束的方向和角度。
并且，在本公开的实施例中，例如，如图3A所示，所述第一偏转器111和所述第二偏转器112每个偏转器呈8极或12极静电偏转器的形式，且每个偏转器上施加的电激励是可调节的以调节经过的所述电子束的方向和角度。
基于上述实施例，可以实现具有修改和变型的其它实施例。
图3B是示出基于图3A的根据本公开的另一种实施例的扫描电子显微镜装置1的结构示意图，其具备额外的第三偏转器。
作为基于图3A的本公开实施例的基础上的拓展实施例，如图3B所示，在本公开的另一实施例中提供一种扫描电子显微镜装置1，其除了如上设置外，例如，所述扫描电子显微镜装置1还包括第二偏转器112与物镜组件12之间、且布置于由所述极靴1224限定的开口内的第三偏转器113。作为示例，所述第一偏转器111、所述第二偏转器112和所述第三偏转器113中每个是静电偏转器。
图3B是如图3A所示的扫描电子显微镜的示意性电子束轨迹。如图3所示是本公开所提出的进一步的提升最大可用视场的方案，其具体地将上述补偿电极13的动态聚焦作用与第三偏转器113的作用相组合。
通过以上设置，例如，如图3B所示，其中的细密虚线显示了没有第三偏转器113的仅两个偏转器情况下的电子束行进路径，其中的粗间距虚线显示了具备第三偏转器113的三偏转器情况下的电子束行进路径。源自电子束源10的电子束经过所述第一偏转器111之后方向发生了偏转；在经过所述第二偏转器112之后，电子束传播方向再次发生朝向光轴O的往回的相比于第一偏转器111偏转作用的反向偏转；然后电子束经过物镜和第三偏转器113二者共同形成的组合电磁场，最终电子束聚焦在样品面上。
通过以上设置，本公开实施例中的偏转机构11中，采用三个静电偏转器，其中所述第一偏转器111用来将电子束偏离光轴O，所述第二偏转器112再次反向将电子束的方向进行偏转，这两个偏转器的目的是改变电子束的前进方向。并且，作为示例，将所述第三偏转器113安装在物镜组件12的磁场和电场中心处，利用静电场的分布来减小轴外电子束的轴外像差，从而提高可用视场的大小。本公开实施例的方案主要针对半导体电子束缺陷检测领域。
作为示例，所述第一偏转器111、所述第二偏转器112和所述第三偏转器113中沿光轴O彼此共轴地设置。
并且在本公开的实施例中，所述偏转机构11中的所述第一偏转器111、所述第二偏转器112和所述第三偏转器113中每个偏转器包括相对于所述光轴O对称设置的对置的至少一对电极，且每个偏转器上施加的电激励是可调节的以调节经过的所述电子束的方向和角度。
更具体地，所述第三偏转器113和所述第一偏转器111、所述第二偏转器112之间的电压激励是有比例关系的，如果采用不同的电压配比则得到的电子束扫描图像的分辨率是不一样的。根据所需的不同的加速能量，调节三个偏转器的激励大小，可以保证所产生的电子束图像的最大可用视场。
在一种更具体实施例中，例如，所述第一偏转器111、所述第二偏转器112和所述第三偏转器113中每个偏转器包括相对于所述光轴O对称设置的对置的一对电极，且每个偏转器上施加的电激励是可调节的以调节经过的所述电子束的方向和角度。
在替代的另一种更具体实施例中，例如，所述第一偏转器111、所述第二偏转器112和所述第三偏转器113中每个偏转器呈多极型静电偏转器，例如包括四个、六个、八个、十个、十二个或任何数量的极。每个多极型静电偏转器可以分别用不同的电压或电流“激励”以控制称为“激励强度”的参数。激励强度表示延伸或抑制电子束横截面(称为“束斑”)的能力。在本公开中，“激发”是指分别使用施加电压生成偏转场的过程。典型地，所述多极型静电偏转器呈八极或十二极静电偏转器的形式，且每个偏转器上施加的电激励是可调节的以调节经过的所述电子束的方向和角度。具体地，八极或十二极静电偏转器的形式都可以用于降低电子束的轴外像差，区别在于：八极静电偏转器需要相对较为复杂的电控模块，但是容易加工，易于确保加工精度；而十二极静电偏转器的电控模块比较简单，但是加工较为繁琐，不易于确保精度。
电子束经过三个偏转器的方向角度是可以调节的，这是通过改变三个偏转器的激励大小而实现。经过所述第二偏转器112的电子束可以是以平行于光轴O的方向进入第三偏转器113，也可以是以相对于光轴O成一定的角度进入第三偏转器113，如图3B所示。
基于图1的设置，轴外电子束在经过前两个偏转器之后，在继续经过物镜组件12的磁场时，轴外电子束会产生像差，降低轴外电子束的分辨率，从而影响最大可用视场。进一步基于图3B的进一步设置，本公开实施例在物镜组件12的极靴1224附近增加一个第三偏转器113，用于修正轴外电子束经过物镜组件12的磁场时的轴外像差，使电子束的轴外色差、场曲和畸变大幅降低，尤其是场曲和畸变，保证电子束的束斑大小不至于过大。由于物镜磁场轴外聚焦能力比轴上强，导致轴外最佳聚焦点不在样品面上，同样影响了最大可用视场，为此本公开实施例如图3B所示在物镜组件12与待测样品14表面之间再放置上述补偿电极13，通过改变补偿电极13上的电压，将轴外电子束聚焦在样品面上，再次减小了轴外电子束的束斑大小，进一步提升扫描图像的最大可用视场。
图3C是如图3A和3B所示的本公开不同实施例的扫描电子显微镜装置1与图1所示的相关技术中扫描电子显微镜装置的电子束成像效果的对比的列表。通过以上设置，与如图1所示的相关技术中的扫描电子显微镜装置相比，在如图3B所示的本公开实施例的扫描电子显微镜中，示出了不同条件下轴外束斑大小的对比，可以看出通过增加起到动态补偿聚焦以实现在待测样品14表面处的始终正焦状态的补偿电极13和额外设置的第三偏转器113，会明显的降低轴外电子束的像差，例如，100um视场的情况下3，图3B所示装置的方式比现有技术装置方式的轴外束斑大小降低了63.7％；200um视场的情况下，图3B所示装置的方式比现有技术装置方式的轴外束斑大小降低了79％。如此，图像整体分辨率提升，从而大幅提高了扫描图像的最大可用视场。需注意，图3C中的“磁动态聚焦”是指在利用电磁体在通电激励的情况下进行的借助于所形成磁场的对于电子束的动态聚焦(通过实时地改变线圈励磁电流)。“电动态聚焦”即本公开实施例中所披露的利用补偿电极进行的借助于所形成电场的对于电子束的动态聚焦，其相比于“磁动态聚焦”的优点例如在于不需占用大量额外线圈空间。
由此，改变第二偏转器112偏转激励可以控制电子束的进入物镜组件12的入射角度，之后通过改变第三偏转器113的激励可以保证电子束图像有最大的可用视场，扩展了偏转器的使用条件。
在本公开的示例性实施例中，具体地，例如，所述中空主体1221例如是限定呈环状的所述内部腔室1222的环形中空主体1221，所述内部腔室1222用于容置所述励磁线圈121。
并且，如图3A所示，具体地，例如，所述倾斜部分1223例如呈朝向样品收缩的锥形环。
在本公开的示例性实施例中，例如，所述物镜组件12的所述倾斜部分1223限定朝向所述待测样品14收缩的电子束通道15，且所述电子束通道15的位于所述第三偏转器113处的部分是在直径方向上限定于所述第三偏转器113的电极之间的空隙。
并且，额外设置于所述物镜组件12的所述极靴1224的开口内的所述第三偏转器113的安装位置、大小和安装角度对传播穿过该处的电子束的轴外像差影响很大；并且第三偏转器113的材料也会影响电子束的电磁性质。因此，需要对所述第三偏转器113的材料、具体安装设置(包括安装位置、和安装取向、角度等)、大小进行适当设置。
在本公开的示例性实施例中，如图3A所示，例如，所述极靴1224是所述磁轭122的倾斜部分1223的与所述光轴O实质上平行设置的末端，且所述第三偏转器113的每个电极的长度与所述极靴1224的厚度是同一量级的且大于或等于所述极靴1224的厚度，优选地是相等的。由此，所述第三偏转器113的尺寸(例如特别是沿其电极延伸方向的长度)和极靴1224的尺寸(特别是厚度)的选择实质上是基于电子光学仿真软件MEBS的仿真分析结果，针对得到最小化的(或近似于最小化的)轴外像差的两者的尺寸组合而折算得到的。
额外地或替代地，在本公开的其它示例性实施例中，例如，所述第三偏转器113的电极的取向被布置成相对于所述第一偏转器111的电极呈预定角度，所述预定角度设置为使得经第三偏转器113的偏转作用后的所述电子束的轴外像差最小化。这个预定角度对成像效果有重要影响。由此，所述第三偏转器113的电极相对于所述第一偏转器111的电极的取向(即预定角度)的选择实质上是基于电子光学仿真软件MEBS的仿真分析结果，针对得到最小化的(或近似于最小化的)轴外像差的角度设置而折算得到的。
在本公开的实施例中，例如，选择将第三偏转器113安装在物镜极靴1224内部，并且所述第三偏转器113由非导磁的导电材料形成。这样不会影响物镜组件12的磁场的分布。
图3A和3B也是示出包括根据本公开的一种实施例的所述扫描电子显微镜装置1的示例性电子束检测设备100的结构示意图。
根据本公开的总体技术构思，如图3A和3B所示，在本公开的实施例的第二方面中提供一种电子束检测设备100，包括：根据前述实施例的扫描电子显微镜装置1(具备补偿电极13，或可选地还额外具备第三偏转器113)；第一检测器2，位于所述待测样品14下游(例如介于所述物镜组件12与所述待测样品14之间)，且配置成用以检测所述电子束入射到所述待测样品14的表面上之后所产生的背散射电子；和第二检测器3，位于所述待测样品14下游，且配置成用以检测所述电子束入射到所述待测样品14的表面上之后所产生的二次电子。
作为示例，所述第一检测器2充当背散射电子检测器，其例如对称地布置在位于电子束通道15两侧的物镜组件12的磁透镜的极靴1224上，用于收集聚焦电子束与待测样品14相互作用产生的背散射电子信号。
在本公开的实施例中，例如，所述电子束检测设备100还包括：位移平台模块，包括重叠安置的以下器件：水平位移平台；Z向位移平台；安置于所述Z向位移平台上方的静电吸盘，所述静电吸盘被配置成在其上表面处吸附保持待测样品14；以及用于感测所述位移平台模块的水平和竖直位置的位置感测装置。
作为示例，所述第二检测器3充当二次电子检测器，其例如固定在位移平台模块与物镜组件12的磁透镜的极靴1224之间，其前端的栅网加正偏压，由此被配置用于收集电子束与待测样品14相互作用产生的二次电子信号。
并且，在本公开的示例性实施例中，例如，在存在前述补偿电极13的情况下，所述第一探测器和/或所述第二探测器限定了复合式探测组件，所述复合式探测组件位于磁透镜下方，且所述复合式探测组件与所述补偿电极13、所述待测样品14三者各自具有不同的电压，由此也可形成减速静电透镜，其也形成减速电场且该电场与浸没式磁透镜的磁场有一定重合，二者的复合聚焦作用会进一步降低物镜组件12的像差，获得比纯浸没式磁透镜更小的像差。换言之，基于对所述复合式探测组件、所述补偿电极13、和所述待测样品14的电势的分立控制，使得它们三者共同限定一个静电透镜减速电场，且所述静电透镜减速电场与所述磁透镜产生的浸没式磁场共同构成一个复合式减速浸没物镜场，其可以产生至少如下三种复合作用，第一，能够对入射至待测样品14的电子束进行聚焦；第二，能够对入射至待测样品14的电子束进行减速并且降低能量，减小对样品的冲击；第三，对待测样品14表面产生的信号电子(包括背散射电子BSE和二次电子SE)进行加速，以提高探测器处的信号电子收集率。继而由此获得更小的聚焦束斑，实现更高的分辨率。
并且，在本公开的进一步实施例中，例如，额外地在物镜组件12与待测样品14表面设置附加的偏转控制机构，更具体例如包括至少一对对置电极和其间的用于通过扫描电子束的空隙，所述偏转控制机构的电极由不具备导磁性的导电材料制成，并且所述偏转控制机构被施加一扫描电压之后，产生扫描电场，所述扫描电场进一步与所述复合式减速浸没物镜场耦合，使得所述物镜组件12的所述复合式减速浸没物镜场的中心轴线发生摇摆或平移，均能够进一步减少轴外像差。
图4是示出根据本公开的替代实施例的扫描电子显微镜装置1中的物镜组件的结构示意图。根据本公开的替代实施例中，不同于如图3A、图3B所示的仅具备从磁轭的中空主体的径向内侧壁朝向光轴O成角度的单一倾斜部分的末端所当的极靴的作为浸没式磁透镜的物镜组件，如图4所示的物镜组件例如是由电流线圈激励的半浸没式磁透镜，或者替代地是非浸没式磁透镜，且图4中的所述物镜组件包括由导线绕成的励磁线圈和由导磁材料形成的壳体(即磁轭)，其壳体朝光轴O成角度的倾斜部分(即分别从壳体的径向内侧壁和径向外侧壁成角度地向内朝光轴O延伸的两种倾斜部分)各自的末端分别形成为上极靴和下极靴，且沿光轴O方向，所述上极靴位于所述下极靴的上方且定位成比所述下极靴更靠近于光轴O。并且，所述励磁线圈中的电流激励导致在上下极靴之间形成磁场。所述上极靴的内径为Φ1，所述下极靴的内径为Φ2，在Φ1≥Φ2的情况下，磁场集中在上极靴与下极靴之间，为非浸没式磁透镜；在Φ1≤Φ2的情况下，磁场会向待测样品泄露一部分，形成半浸没式透镜。
本公开实施例所提供的技术方案具备以下优点中至少一个：
通过引入动态聚焦作用的补偿电极和可选的第三偏转器的方式，配合第一偏转器和第二偏转器的使用可以在修正轴外聚焦场分布的同时有效地降低电子束的轴外像差，扩大电子束扫描图像的可以视场，从而提高电子束检测的效率。并且，动态聚焦的补偿电极的极板，其电压是可以浮在高压上的，在实现调整轴外聚焦场的同时，还可以提升二次电子的收集率。并且，通过改变前两个偏转器的电压，实现电子束以不同角度进入透镜磁场，改变第三偏转器和动态聚焦的激励，可以得到以不同角度入射且有较大可用视场的图像。
另外，根据前述的本公开实施例可以理解，经由任意两种或两种以上的组合的任何技术方案，也落入本公开的保护范围内。
需要理解的是，本公开的说明书中方位术语，例如“上”、“下”、“左”、“右”等，是用来解释附图所示的方位关系。这些方位术语不应解释为对本公开保护范围的限制。
本公开的实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种扫描电子显微镜装置，被配置成向待测样品的表面投射电子束以产生背散射电子和二次电子，包括：
电子束源，被配置成沿其光轴发射电子束；
偏转机构，包括：
第一偏转器，位于电子束源的下游；
第二偏转器，位于第一偏转器的下游，和
物镜组件，包括：
励磁线圈；和
磁轭，由导磁材料形成为朝待测样品敞开的壳体，包括限定内部腔室的中空主体、和从中空主体成角度地向内朝光轴延伸的至少一个倾斜部分，所述至少一个倾斜部分的末端形成为极靴，所述励磁线圈容纳于所述内部腔室中，
其中，所述偏转机构还包括位于所述极靴与所述待测样品的表面之间的补偿电极，所述补偿电极被配置成在被施加电压激励情况下通过调整所述电压来调整所述电子束的聚焦位置。
2.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜装置，其中，所述电压的数值大小随着电子束的扫描位置而实时变化，使得所述电子束中的偏离光轴的部分所处的电场将所述电子束聚焦成遍及待测样品的表面上始终呈正焦状态。
3.根据权利要求2所述的扫描电子显微镜装置，其中，所述电压浮动于与待测样品的表面处的电压相比更高的电压。
4.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜装置，其中，所述补偿电极呈相对于所述光轴成中心对称的中心镂空的闭合形状。
5.根据权利要求4所述的扫描电子显微镜装置，其中，所述补偿电极呈平面环形。
6.根据权利要求4所述的扫描电子显微镜装置，其中所述补偿电极呈中心镂空的曲面形状，且它的较接近于极靴的表面被构造呈具备均一半径的圆弧面。
7.根据权利要求6所述的扫描电子显微镜装置，其中所述圆弧面与所述光轴的交点位于所述待测样品的表面处。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的扫描电子显微镜装置，还包括位于第二偏转器与物镜组件之间、且布置于由所述极靴限定的开口内的第三偏转器，第一偏转器、第二偏转器和第三偏转器中每个是静电偏转器。
9.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜装置，其中，所述第一偏转器和所述第二偏转器中每个偏转器包括相对于所述光轴对称设置的对置的一对电极，且每个偏转器上施加的电激励是可调节的以调节经过的所述电子束的方向和角度。
10.根据权利要求1所述的扫描电子显微镜装置，其中，所述第一偏转器和所述第二偏转器每个偏转器呈8极或12极静电偏转器的形式，且每个偏转器上施加的电激励是可调节的以调节经过的所述电子束的方向和角度。
11.根据权利要求8所述的扫描电子显微镜装置，其中，所述第一偏转器、所述第二偏转器和所述第三偏转器中每个偏转器包括相对于所述光轴对称设置的对置的一对电极，且每个偏转器上施加的电激励是可调节的以调节经过的所述电子束的方向和角度。
12.根据权利要求8所述的扫描电子显微镜装置，其中，所述第一偏转器、所述第二偏转器和所述第三偏转器中每个偏转器呈8极或12极静电偏转器的形式，且每个偏转器上施加的电激励是可调节的以调节经过的所述电子束的方向和角度。
13.根据权利要求12所述的扫描电子显微镜装置，其中，所述极靴是所述磁轭的倾斜部分的与所述光轴实质上平行设置的末端，且所述第三偏转器的每个电极的长度与所述极靴的厚度是同一量级的且大于或等于所述极靴的厚度，优选地是相等的。
14.根据权利要求8所述的扫描电子显微镜装置，其中，所述第一偏转器、所述第二偏转器和所述第三偏转器中沿光轴彼此共轴地设置。
15.根据权利要求12或13所述的扫描电子显微镜装置，其中，所述第三偏转器的电极布置成相对于所述第一偏转器的电极呈预定角度，所述预定角度设置为使得经第三偏转器的偏转作用后的所述电子束的轴外像差最小化。
16.根据权利要求8所述的扫描电子显微镜装置，其中，所述第三偏转器由非导磁的导电材料形成。
17.根据权利要求8所述的扫描电子显微镜装置，其中，所述物镜组件的所述倾斜部分限定朝向所述待测样品收缩的电子束通道，且所述电子束通道的位于所述第三偏转器处的部分是在直径方向上限定于所述第三偏转器的电极之间的空隙。
18.一种电子束检测设备，包括：
根据前述权利要求1至17中任一项所述的扫描电子显微镜装置；
第一检测器，位于所述待测样品下游，且配置成用以检测所述电子束入射到所述待测样品的表面上之后所产生的背散射电子；和
第二检测器，位于所述待测样品下游，且配置成用以检测所述电子束入射到所述待测样品的表面上之后所产生的二次电子。
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