CN1497656A - 射束调节样品、射束调节方法及射束调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了射束调节样品、射束调节方法及射束调节装置。采用的射束调节样品具有板状平坦表面并具有彼此正交的两个边缘。射束施加到射束调节样品上，以检测通过射束调节样品的射束量。射束垂直地扫描两个边缘。

Description

射束调节样品、射束调节方法 及射束调节装置

技术领域

本发明涉及射束调节样品、射束调节方法及样品调节装置。

背景技术

通常，用于将电子束施加到物体上并且检测物体形状的电子束照射装置是众所周知的。作为这类电子束照射装置，扫描电子显微镜(SEM)从JP-A-5-159735(第2页，图5)的公开内容中可以得知。

在扫描电子显微镜中，预定电压施加到阴极和阳极之间，飞出阴极的电子由校准线圈轴向调节，由聚焦透镜会聚，并且经由共点线圈(stigmacoil)、交变线圈和物镜聚焦到样品的预定位置，样品产生的二次电子由二次电子检测器检测。

将在下文参照图1和2描述这类电子束照射装置中的电子束调节方法。

首先，电子束100施加到微观结构上，该微观结构包括多个搁置于台架上并已粗略调节的具有已知尺寸的乳胶球(latex ball)，如图1所示。这时，通过改变电子束照射装置中的物镜的放大倍数使得电子束100大致聚焦在微观结构上，同时看见基于被检测到的二次电子所产生的图像。

如果电子束100的焦点大致调节于乳胶球110上，则x和y方向的电子束的直径调节至使得电子束的束斑形状几乎为圆形的。图2和3是说明使用十字形金属丝的射束直径调节的视图。图2中，示出了交叉成直角的两根金属丝120和130，以及放在金属丝120和130正下方的法拉第杯(Faradaycup)140。

金属丝120和130由钨丝制成，例如，厚度大约为30微米。金属丝120和130在互相正交的x和y方向上延伸。在使用该十字形金属丝的调节过程中，电子束100沿着x和y方向扫描跨过金属丝120和130，而且入射到设置于十字形金属丝下方的法拉第杯140上的电子束的数量被转换成电子信号。该电子信号由放大器150放大，并通过用于波形处理的低通滤波器160，显示于示波器170上。

图4A至4C是入射到法拉第杯140上的电子束100与金属丝120和130之间关系的典型视图。为了简化，在此以金属丝120作为示例。如图4A所示，如果电子束100完全施加到金属丝120上，则电子束100被金属丝120阻隔，而不能进入法拉第杯。该状态定义为状态A。接着，如果电子束100施加到金属丝120边缘附近，则部分电子束101从金属丝120旁边通过而进入法拉第杯，同时剩下的电子束102被金属丝120散射形成散射电子103。该状态定位为状态B。此外，当电子束100没有施加到金属丝120上，而是完全通过金属丝120，则所有的电子束100入射到法拉第杯140上。该状态定义为状态C。

图5是当利用电子束100连续扫描金属丝120和130中的一个时，法拉第杯140的输出波形的曲线图。在图5的曲线图中，横坐标轴是电子束扫描位置，而纵坐标轴是法拉第杯140的输出量，其中横坐标轴上的“A”、“B”和“C”对应于图4A至图4C所示的状态。如图5所示，从状态A至状态C法拉第杯140的输出量快速上升。调节过程中，假定电子束的分布图为高斯分布，法拉第杯140的输出量为12％处的射束位置和法拉第杯140的输出量为88％处的射束位置之间的宽度定义为射束直径。在x和y方向上均进行调节，使射束直径最小，并且使射束直径几乎能够以高精度形成几乎圆形束斑的电子束。

但是，采用上述方法，当使用乳胶球的粗略调节不够时，需要反复多次调节以使操作持续，直到获得极好的射束直径为止，这样需要大量时间。而且，这种调节需要一些经验，不能简单对待。

采用十字形金属丝方法，尽管采用两根金属丝来测量x和y方向的射束直径，但是在x和y方向的调节过程中，测量高度是不同的，由于金属丝具有宽度，其相差一金属丝宽度的量，如图3所示。因而，十字形金属丝的正确高度位置不能得到精确测量，导致测量精度的误差。

而且，在状态B中，部分电子束100被散射成为散射电子103，但是散射电子103一部分被金属丝120散射进入法拉第杯140，如图4B所示。因而，如图5所示的法拉第杯的输出量曲线由于部分散射电子而升高，不能精确表现出射束分布。因而，难以进行高精度测量。

而且，金属丝120和130形状有局部变化，z轴方向的高度根据位置可能有所不同，由此测量精度因为该高度误差而下降。

发明内容

鉴于上述问题而实现本发明，本发明的一个目的是解决用十字形金属丝方法进行高精度测量时的困难。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种射束调节方法，包括：将射束施加到射束调节样品上，该射束调节样品具有板状平坦表面并具有彼此正交的两个边缘；和检测通过射束调节样品的射束量，其中射束垂直地扫描两个边缘。

根据本发明另一个方面，提供了一种射束调节样品，其具有板状平坦表面并具有彼此正交的两个边缘。

根据本发明的再一个方面，提供了一种射束调节装置，包括：台架，用于搁置具有板状平坦表面并具有彼此正交的两个边缘的射束调节样品；射束发生器，用于将射束施加到射束调节样品上；二次电子检测器，用于检测由于施加射束产生的二次电子；位置检测器，用于检测射束调节样品的位置；和设置于台架下面的射束检测器，其中射束检测器检测通过射束调节样品的电子束的量。

附图说明

从以下结合附图的详细说明中，本发明的这些和其他目的及优点将变得更加全面和清楚，附图中：

图1是说明电子束的粗略控制的视图。

图2是说明使用十字形金属丝方法测量电子束射束直径的方法的视图。

图3是示出十字形金属丝之间位置关系的视图。

图4A至4C是示出入射到法拉第杯上的电子束和金属丝之间关系的典型视图。

图5是示出射束扫描位置和法拉第杯的输出量之间关系的曲线图。

图6是示出根据本发明实施例的射束调节装置的剖视图。

图7是示出搁置于法拉第杯上的样品的透视图。

图8A和8B是沿图7的线VIII-VIII截取的剖视图。

图9A和9B是示出施加到样品上的电子束的扫描图形的视图。

图10A至10C是示出施加到样品上的电子束和通过通孔的电子束之间关系的典型视图。

图11是示出射束扫描位置和法拉第杯的输出量之间关系的曲线图。

图12是示出根据实施例的射束调节方法的流程图。

图13A至13C是示出实施例的一个变化的视图。

图14A至14C是示出实施例的另一个变化的视图。

具体实施方式

参照图6至12，示出了根据本发明的射束调节样品、射束调节方法和射束调节装置。

图6是示出根据本发明实施例的射束调节装置的剖视图。该实施例的射束调节装置1包括用于将样品50搁置于其上的真空容器3和用于向样品50照射电子束的圆柱形电子束照射部分2，其中圆柱形电子束照射部份2安装在真空容器3上。

电子束照射部分2包括用于生成电子束的电子束源10、校准线圈20、聚焦透镜21、共点线圈22、偏转线圈23和物镜24。这些线圈或透镜20至24包括所生成的电子束通过其中的圆柱形线圈。

电子束源10包括：设置在电子束照射部分2的轴线上的阴极11；覆盖阴极11侧面并距离该侧面一定距离的控制电极(Wehnelt)12；以及设置在真空容器3的侧部而非阴极11的侧部的阳极13。如果预定电压施加到阴极11、控制电极12和阳极13上，则电子自阴极11飞出。飞出的电子轴向对准移动至真空容器3。

聚焦透镜21聚焦由校准线圈20轴向对准的电子束并将其会聚成具有预定直径的电子束。

共点线圈22调节通过线圈的电子束的像散现象，使得电子束可以关于轴线对称。当像散现象由于改变各种透镜或线圈的参数而发生时，调节共点线圈22以校正像散现象。该调节方法将在下面描述。

偏转线圈23在垂直于电子束入射方向的x和y方向上偏转电子束。随着施加到偏转线圈23的电压改变，通过偏转线圈23的电子束在其行进方向上在线圈生成的磁场的影响下而改变。矩形或三角形波形的连续变化的交流电流施加至偏转线圈23，以根据所施加的交流电流的波形连续改变电子束的方向。

物镜24会聚电子束并且沿着电子束的入射方向(z方向)调节焦点。调节物镜24，将电子束聚焦在搁置于真空容器3中的样品50上。

真空容器3由排气管和真空泵(未示出)抽真空。在真空容器3中，台架33和法拉第杯34沿着电子束的入射方向设置。台架33的上表面上搁置有法拉第杯34或者样品50，可以在x、y和z方向上移动，并且提供测量的基准平面。

法拉第杯34和搁置于法拉第杯34上的样品50固定在台架33上。法拉第杯34是射束检测器，用于检测穿过样品50的电子束并根据所接收的射束量将其转换成电子信号。法拉第杯34的构成要使得样品50平行于台架33。

用于测量样品上表面位置的激光照射单元30和激光接收单元31安装在真空容器3的上表面上。激光照射单元30将激光束照射到搁置于法拉第杯34上的样品50上表面。激光接收单元31接收样品50反射的激光束，检测样品50的高度位置。

此外，二次电子检测器32设置在真空容器3中。二次电子检测器32捕获由激光束照射的样品50的每个点所发出的二次电子。二次电子的发射量根据样品表面的形状(如，样品表面的倾斜度或边缘)而可以增加或减少。捕获的二次电子被放大并且二维显示每个被捕获的点，由此获得样品50的表面形状的图像。

图7是示出搁置于法拉第杯34上的样品50的透视图，图8A和8B是沿图7中的线VIII-VIII截取的剖视图。样品50是具有平坦表面的板状硅晶片，且具有在硅晶片中心部分附近开孔的通孔51。而且，具有已知尺寸并包括乳胶球53a的微观结构53连接到通孔51附近的样品50的表面上。样品50优选地具有与位置无关的均匀平坦的表面以提高测量精度，或者相反地，可以采用具有平坦表面的元件替代硅晶片。

在此，优选地具有高的电子阻止能力(electron stopping power)的元素的薄膜涂覆在样品50的微观结构53的表面上。由于样品50的表面被电子束反复照射，所施加的电子束从表面嵌入于样品50中，从而使表面充电，这可能对二次电子的发射量具有不利影响。因此，为了防止表面充电，优选地具有高的电子阻止能力的高原子序数的元素W、Ta、Mo或Pt的薄膜被涂覆在表面上。该薄膜的厚度优选为100nm或更厚。

从上方看，通孔51为正方形或矩形形状，相邻边缘52是正交的。通孔51的内侧表面形成得与样品50的表面成直角，如图8A所示。此外，通孔51的内侧表面与样品50表面的角度可以小于90度，如图8B所示。

在该实施例中，利用该样品50中的通孔51的边缘52来替代采用十字形金属丝方法中的两根金属丝。图9A和9B是示出施加到样品50上的电子束的扫描图形的视图。在该实施例中，电子束从样品50表面垂直越过边缘52照射至通孔51中，然后垂直越过相邻边缘52再次照射到样品50。

在图9A中，在通孔51上方，电子束的照射方向转动90度，然后朝向相邻边缘52移动。此外，在图9B中，照射电子束，以围绕预定的转动中心绘出圆形轨迹。在图9B中，电子束的轨迹与边缘52垂直交叉。

图10A至图10C是显示照射到样品50上的电子束和通过通孔51的电子束之间关系的典型视图。首先，电子束200向着样品50的表面照射。这时，电子束200受阻于样品50表面上，而未进入位于样品之下的法拉第杯34。该状态定义为状态D。

接着，如果靠近通孔51的边缘52照射电子束200，则部分电子束201从边缘52经过入射到法拉利杯34上，而剩下的电子束202受阻于靠近边缘52的样品50的表面上并被散射成为散射电子203。由于散射电子203于样品50表面上被散射，所以几乎没有散射电子通过通孔51进入法拉第杯34。该状态定义为状态E。

此外，如果电子束移动至完全通过通孔52的位置，则法拉第杯34接收全部电子束200。该状态定义为状态F。无论电子束200在x方向还是y方向上移动，上述状态D至F是相同的。

图11是示出当采用电子束200沿着图9A所示的扫描路径扫描样品50表面时法拉第杯的输出量的曲线图。在该曲线图中，横坐标轴是射束扫描位置，纵坐标轴是法拉第杯140的输出量，其中横坐标轴上标明的“D”、“E”和“F”分别对应于图10A至10C所示的状态。

在电子束200照射到样品50表面上的状态D中，入射到法拉第杯34上的电子束量为零。如果电子束200在x方向上移动至通孔51边缘52上的位置(状态E)，则通过通孔51并进入法拉第杯34的电子束量增加。在电子束200完全通过通孔51的位置(状态F)，电子束的入射量不再增加，保持在某一数值。

如果电子束200的移动方向变化到y方向，使电子束200再次经由样品50表面上的边缘52，法拉第杯34的输出量降至零，如图11的曲线右侧所示。

在该实施例的调节过程中，假定射束分布为高斯分布，并且射束直径定义为法拉第杯的输出量为12％处的射束位置和法拉第杯的输出量为88％处的射束位置之间的宽度。调节的进行要使得射束直径最小，并且在x和y方向上几乎相等，由此以高精度产生几乎圆形束斑的电子束。在此，为了确保x和y方向上的射束直径几乎相等，要求图11中的法拉第杯的输出量曲线的变化程度对称。

参照图12，考虑到上述说明，将在下文详细描述该实施例的射束调节方法的流程。

首先，法拉第杯34和样品50被搁置于真空容器中的台架33上。此时，台架33的高度位置粗略调整成与记录(绘图)板齐平。此时，采用用于测量上表面位置的激光照射单元30和激光接收单元31精确测量样品50的表面高度(步骤S1)。

接着，电子束200照射到包括连接在样品50上的乳胶球53a的微观结构53上，以便通过基于二次电子所产生的图像将电子束聚焦在z轴方向上而进行粗略调节(步骤S2)。

然后，台架33在x和y方向上移动，使得电子束200可以定位在样品50的通孔51附近。电子束从样品50表面经由边缘52扫描并照射到通孔51中。此时，电子束移动并垂直横跨边缘52(步骤S3)。如果电子束200接近通孔51的中心并且到达其完全通过样品50的位置，则电子束200的扫描方向转动90度(步骤S4)。电子束在y方向上通过通孔51经由先前经过的边缘附近的相邻边缘52扫描并照射到样品50表面上(步骤S5)。步骤S3至步骤S5的操作可以在某一时刻结束或者在同一路径上重复两次或者多次。

然后，确认法拉第杯的输出量，以检查调节是否结束。如果调节还不够，则调节共点线圈22，以改变射束参数，并且操作回到步骤S3。如果没有问题，则测量结束。

简而言之，本实施例的射束调节方法包括：将电子束照射至用于射束调节的样品50的步骤，该样品具有板状的平坦表面并且形成有在厚度方向开孔的通孔52；以及检测通过通孔52穿透用于射束调节的样品50的射束量的步骤，其中，电子束是通过改变通孔52上方的扫描方向照射的。

根据本实施例，可以采用单个样品50，以在z方向上进行射束的粗略调节并在x和y方向进行射束直径的调节。因而，用于调节射束的操作得到简化，用于射束调节的时间得以缩短。

而且，通过射束扫描进行一次x和y方向的射束直径调节。由于x和y方向的基准平面是样品50的相同的表面，因此当在x和y方向上进行调节时没有高度误差。

样品50由硅晶片制成，几乎没有高度误差。此外，由于采用激光照射单元30和激光接收单元31精确测量样品50表面的高度位置，所以掌握了正确的射束测量位置。

而且，由具有高电子阻止能力的元素制成的薄膜涂覆在微观结构上，得以防止充电，并且使二次电子发射量的误差变小。而且，该薄膜降低了由于电子充电引起的样品50的损坏，由此样品可具有较高的耐用性。

该实施例的射束测量装置、射束测量方法和射束测量样品适用于扫描型电子显微镜，以及用于使用电子束在碟片上记录信息的记录装置。由于电子束是以高精度调节的，所以该实施例的射束测量装置、射束测量方法和射束测量样品适用于需要形成微小图形的高密度记录装置。

在上述实施例中，样品50具有接近中心部分的通孔。此外，电子束可以垂直横跨两个正交的端部。

图13A是示出作为样品50的一个变化的搁置于法拉第杯34上的样品60的透视图，图13B和13C是示出电子束的扫描图形的视图。样品60是具有平坦表面并且为板状的硅晶片。包括乳胶球63a的具有已知尺寸的微观结构63连接在样品60的表面上。样品60优选地在整个区域具有均匀平坦的表面，以增加测量精度，或者相反，可以使用具有平坦表面的元件代替硅晶片。

在此，优选地具有高电子阻止能力的高原子序数的元素W、Ta、Mo或Pt薄膜被涂覆在样品60的微观结构63的表面上，以防止充电。该薄膜厚度优选为10nm或更厚。

从上方看，样品60具有正交的两个相邻边缘61和62。边缘61和62可以如图8A所示垂直于表面或者可以如图8B所示形成小于90度的角度。

在该变化中，电子束垂直穿过边缘61从样品60外侧照射到样品60的表面上，然后垂直穿过相邻边缘再次照射到样品60外侧。

在图13B中，电子束照射在样品60上的方向转动90度，然后移动到相邻边缘。而且，在图13C中，电子束被照射并围绕预定转动中心绘出圆形轨迹。在图13C中，电子束的轨迹垂直跨过边缘61和62。在该变化中，法拉第杯34接收没有被样品60阻碍并穿过样品60的电子束，并且测量电子束的量。该变化中构造的样品60可以提供与样品50相同的效果。

图14A是示出作为样品50另一变化的搁置于法拉第杯34上的样品70的透视图，图14B和14C是示出电子束的扫描图形的视图。样品70是具有平坦表面并且为板状的硅晶片。包括乳胶球75a的具有已知尺寸的微观结构75连接到样品70的表面上。优选地样品70在整个区域上具有均匀平坦的表面以增加测量精度，或者相反，可以使用具有平坦表面的元件代替硅晶片。

在此，优选地具有高电子阻止能力的高原子序数的元素W、Ta、Mo或Pt薄膜被涂覆在样品70的微观结构75的表面上，以防止充电。该薄膜厚度优选为10nm或更厚。

样品70具有由两个相邻边缘71和72交叉切掉的角部，并且形成有两个彼此正交的边缘73和74。边缘73和74可以如图8A所示与表面成直角，或者可以如图8B所示成小于90度的角度。

在该变化中，电子束垂直穿过边缘73从样品70表面照射到样品70外侧，然后垂直穿过相邻边缘74再次照射到样品70的表面。

在图14B中，电子束照射在样品70外侧上的方向转动90度，然后移动到相邻边缘。而且，图14C中，电子束被照射围绕预定转动中心绘出圆形轨迹。图14C中，电子束的轨迹垂直跨过边缘73和74。在该变化中，法拉第杯34接收没有被样品70阻碍并穿过样品70的电子束，并且测量电子束的量。该变化中构造的样品70可以提供与样品50和60相同的效果。

本发明优选实施例的上述说明是出于阐述和说明的目的。其并非用来穷举或者限制本发明于所公开的确切形式，改型和变化根据上述所授内容是可行的或者可以从本发明实践中获得。为了解释本发明的原理和其实际应用以使得本领域的技术人员能在各种实施例和各种变型中利用本发明，选择并描述了所述实施例。本发明的范围应由在此所附的权利要求书及其等同物所限定。

Claims (16)

1.一种射束调节方法，包括：

将射束施加到射束调节样品上，该射束调节样品具有板状平坦表面并具有彼此正交的两个边缘；和

检测通过射束调节样品的射束量；

其中射束垂直地扫描所述两个边缘。

2.如权利要求1所述的射束调节方法，其中射束调节样品由两个边缘限定，具有穿透于厚度方向的通孔，射束的扫描方向在通孔上方可改变。

3.如权利要求1所述的射束调节方法，其中射束调节样品的所述两个边缘为射束调节样品的端部的两个边缘，而且射束的扫描方向在射束调节样品上方和射束调节样品外侧改变。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的方法，其中射束根据射束的施加位置和射束量而调节。

5.如权利要求1至4中任意一项所述的方法，还包括施加射束到置于射束调节样品上的微观结构上，以调节射束施加方向。

6.如权利要求1至5中任意一项所述的方法，还包括检测射束调节样品的高度位置。

7.一种射束调节样品，包括板状平坦表面并具有彼此正交的两个边缘。

8.如权利要求7所述的射束调节样品，其中射束调节样品由所述两个边缘限定，并具有穿透于厚度方向的通孔。

9.如权利要求7所述的射束调节样品，其中所述两个边缘为位于射束调节样品端部的两个边缘。

10.如权利要求6至9中任意一项所述的射束调节样品，其中一微观结构被附着在射束调节样品的表面上。

11.如权利要求10所述的射束调节样品，其中具有高电子阻止能力的元素的薄膜被覆在所述微观结构的表面上。

12.一种射束调节装置，包括：

台架，用于搁置具有板状平坦表面并具有彼此正交的两个边缘的射束调节样品；

射束发生器，用于将射束施加到射束调节样品上；

二次电子检测器，用于检测通过施加射束所产生的二次电子；

位置检测器，用于检测射束调节样品的位置；和

设置于台架下面的射束检测器，

其中射束检测器检测通过射束调节样品的电子束的量。

13.如权利要求12所述的射束调节装置，其中射束调节样品由两个边缘限定并具有穿透于厚度方向的通孔，射束发生器施加电子束，以在通孔上方改变扫描方向。

14.如权利要求12所述的射束调节装置，其中射束调节样品的两个边缘为射束调节样品端部的两个边缘，而且射束发生器施加射束，以在射束调节样品上方或射束调节样品外侧改变扫描方向。

15.如权利要求12至14中任意一项所述的射束调节装置，其中射束发生器施加射束到置于射束调节样品表面上的微观结构上。

16.如权利要求15所述的射束调节装置，其中具有高电子阻止能力的元素的薄膜被覆在所述微观结构的表面上。

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