CN1820194B - 具有多检测器的扫描电子显微镜和基于多检测器成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种使用多个检测器(14，40)检测电子的方法和系统，所述方法包括下述步骤：引导原电子束通过一柱(column)以接触被检测对象(晶元)；通过引入强静电场，将由被检测对象(晶元)反射或散射的电子引向多个内部检测器(14，40)，同时至少一些被引导的电子以相对于所述被检测对象(晶元)较小的角度反射或散射；以及接收来自至少一个内部检测器的检测信号。

Description

具有多检测器的扫描电子显微镜和基于多检测器成像方法
相关申请
本申请要求享有在2003年7月30号提交的申请号为60/491,618，名称为“high resolutionmulti perspective SEM imaging”的美国临时专利申请的优先权。
技术领域
本发明涉及一种扫描电子显微镜，尤其涉及一种多个检测器SEM以及基于多个检测器的检测方法。
背景技术
图1示出了现有技术的多视角扫描电子显微镜(MPSI)系统10。系统10包括用于产生原电子束的电子枪(未示出)，以及多个控制和供电单元(未示出)、物镜12、镜内检测器14以及外部检测器16。系统10还包括检测线圈和处理器(未示出)。
在系统10中，原电子束通过镜内检测器14中的孔18，以由物镜12聚焦在被检测的晶元20上。原电子束接触晶元20并且反射或散射各种类型的电子，例如二次电子、背散射电子、俄歇(Auger)电子和X-射线量子。二次电子容易被收集，并且大多数扫描电子显微镜(SEM)主要是检测这些二次电子。
系统10通过镜内检测器14以及通过外部检测器16可以检测一些发射的二次电子。
物镜12包括静电透镜和磁透镜，所述静电透镜和磁透镜将从透镜泄漏出的静电场和磁场引入晶元。二次电子的收集对泄漏出的静电场很敏感，而几乎不受泄漏出的磁场的影响。
泄漏出的静电场将低能二次电子和极低能二次电子吸引到柱内。大部分极低能二次电子直接通过镜内检测器14而不能被检测到。低能二次电子被引向镜内检测器14。如果高能二次电子的初始轨道朝向其中一个检测器，那么就可以检测到高能二次电子。极低能通常是指低于2eV，而低能通常在2eV到15eV的范围内。
在实践中，当工作距离(柱下端和晶元之间)减小(例如，低于0.5mm)，或者当盖电压(cap voltage)(施加在静电透镜下部的电压)增加(例如，大于1kV)时，大部分二次电子根本检测不到。它们将进入镜内检测器14的孔中。这种减小(在工作距离方面)和/或增加(在盖电压方面)还引导了更少的二次电子朝向外部检测器，反之亦然。
有效的缺陷评估工具需要这两种类型的检测器以便能够捕获所有类型的缺陷。镜内检测器14通常用于检测不同材料之间的差别，并且还用于电压约定模式(voltage contractmode)和HAR模式。镜内检测器14对图案边缘也很敏感。外部检测器16对晶元的表面状况非常敏感。这些外部检测器几乎不受晶元充电(charging)的影响，这一点对于成像高抵抗层时很重要。
工作距离和盖电压也影响系统的分辨率。减小工作距离可以降低色像差从而提高分辨率，反之亦然。
如上所述，如果工作距离减小，那么就分辨率提高，但是检测电子的量会减少。
需要提供一种既具有高分辨率又具有多视角能力的系统和方法。
在Suzuki等人的美国专利6555819(在本文中结合该专利以作参考)中描述了一种具有磁泄漏型物镜的多检测器SEM，其中磁场极大地影响发射出的二次电子的轨道。这种SEM具有诸多缺点，例如不能提供倾斜图像。Suzuki的专利中具有包括孔的反射器，原电子束穿过该孔，从而反射电子可以经过该孔并且保持不被检测。
发明内容
本发明提供了用于高分辨率多视角SEM成像的系统和方法，所述系统还提供了包括相对大倾斜角的高质量倾斜图像，其中包含机械倾斜。
本发明提供了用于高深宽比孔(HAR模式)的高分辨率多视角SEM检测的系统和方法。
本发明提供了一种包括多个检测器的系统，所述多个检测器限定多个收集区，其中一些收集区与不同的角度空间有关。
本发明可以对用于改进境内检测以及改进中央透镜检测的系统参数进行优化。所述参数(例如盖电压、晶元电压、工作距离)可以确定各检测器的SNR(信噪比)之间的关系。
本发明提供了一种通过多个检测器检测电子的方法，所述方法包括如下步骤：(i)引导原电子束通过一柱以接触被检测对象；(ii)通过引入强静电场，将由被检测对象反射或散射的电子引向多个内部检测器，同时至少一些被引导的电子以相对于所述被检测对象较小的角度反射或散射；以及(iii)接收来自至少一个内部检测器的检测信号。
本发明提供了一种通过多个检测器检测电子的系统，所述系统包括：用于提供检测信号的多个内部检测器；一柱，电子穿过所述柱行进；以及用于引导原电子束通过所述柱以接触被检测对象的装置，所述装置通过引入强静电场将由所述被检测对象反射或散射的电子引向所述多个内部检测器，同时至少一些所述被引导的电子以相对于所述被检测对象较小的角度反射或散射。
附图说明
为了理解本发明并且了解本发明的实施，现在将参照附图说明优选实施方式以及非限制性实施例。在附图中：
图1所示为现有技术扫描电子显微镜的一部分；
图2所示为根据本发明实施方式的SEM的一部分；
图3所示为根据本发明实施方式的SEM的一部分，其中被检测对象和SEM之间是倾斜的；
图4a-4c所示为根据本发明实施方式的各种检测器结构，并且尤其示出了这些检测器的检测表面；以及
图5所示为根据本发明实施方式用于检测对象的方法。
具体实施方式
图2所示为根据本发明实施方式的多个检测器SEM的一部分。
图2还示出了原电子束路径的示例性路径，以及从诸如但不限于晶元或掩模版(reticle)的被检测对象散射或反射出的电子路径。
原电子束沿光轴行进，并且(i)沿第一方向倾斜；(ii)沿相反的方向倾斜，例如沿与第一光轴平行但与第一光轴分离的第二光轴行进；(iii)沿第二方向朝向光轴倾斜，并且然后(iv)沿与第二方向相反的方向倾斜，例如沿光轴行进。上述的倾斜操作可以由磁偏转线圈32-36产生。在2002年5月13日提交的序列号为10/146,218的美国专利申请中说明了一种用于双倾斜的系统和方法，将该专利申请结合在本申请中以作参考。
注意也可以实施其它倾斜方案，例如仅执行前两次倾斜，从而使得原电子束在沿第二轴行进的同时接触被检测对象。
镜内检测器设置在行进路径的最终部分，并且原电子束沿光轴行进。镜内检测器具有孔，孔的位置例如可以围绕光轴。
一旦在原电子束和被检测对象之间的接触使得电子被忽略/散射，则在强静电场的作用下，电子被引向镜内检测器并且引入到检测器的孔中。静电场的强度确定二次电子被吸引向镜内检测器并且被吸引到镜内检测器的孔内。
通过镜内检测器14的孔行进的二次电子最终以第二方向朝向内部透镜检测器40倾斜。
这种结构能够从高深宽比(HAR)孔中接收信息。当施加强静电场时，与这种HAR孔的底部或者甚至是该孔侧壁的下部接触的电子被吸引以通过该孔向内部透镜检测器行进。
通过使用圆锥形物镜以及强静电场，可以倾斜地观看系统。被检测对象和/或SEM柱还能机械地倾斜。
通过改变盖电压和/或工作距离，可以确定电子在镜内检测器14和内部透镜检测器40之间如何分配。这样，可以改变两检测器的信噪比，以在信号与噪声以及来自采样的方向信息之间得到优化。例如，盖电压的降低可以增加内部透镜检测器的信号，减少来自内部透镜检测器的表面状况信息，并且减小HAR信息的可视性。
通过采用相对强的静电场，内部透镜检测器检测过去未被检测(穿过孔)或者过去由镜内检测器检测的电子，而镜内检测器检测过去由外部检测器检测的电子。
发明人施加500V的盖电压，工作距离为1.4mm、使用直径为2mm的镜内孔并且以镜内检测器检测过去由现在技术的外部检测器检测的电子。
根据本发明另一方面，多个检测器SEM可以包括多个镜内检测器和多个内部透镜检测器，每个检测器用于从一定的收集区收集电子。由于收集区各不相同，所以这种结构能够提供额外的方向信息。收集区可以部分重叠并且一些检测器可以位于彼此的上方。
环形的闪烁器可以用于所述各镜内检测器和/或内部透镜检测器。该环可以被分成段，以增加方向信息量。
如图3所示，即使在电子束和被检测对象之间发生倾斜，系统也能够多视角检测。为了实现大倾斜角，需要机械倾斜或者电倾斜和机械倾斜的组合。2002年5月22日提交的序列号为10/154,530、名称为“charged particle beam column and a method for directing acharged particle beam”的美国专利申请描述了用于组合机械倾斜以及电倾斜的方法，在这里结合该申请作为参考。
图4a-4b所示为镜内检测器和内部透镜检测器的检测表面的各种结构，所述检测表面的结构限定有多个检测表面。图4a所示为包括八个检测表面的镜内检测器14，其中八个检测表面为：围绕孔20形成了内环形区的内右上表面102、内左上表面104、内左下表面106和内右下表面108，以及围绕四个内收集表面并且形成环形区的外右上表面112、外左上表面114、外左下表面116以及外右下表面118。
各表面限定了收集区，所述收集区也取决于柱内的检测器位置并且还对由物镜施加的静电场敏感。
图4b所示为包括四个收集表面的镜内检测器，上述四个收集表面相对于图4a的收集表面旋转45度。所述收集表面包括上表面122、左表面124、下表面126和右表面128。
图4c所示为包括下述八个检测表面的内部透镜检测器：形成内部环形区的内右上表面132、内左上表面134、内左下表面136和内右下表面138以及形成环形区并围绕四个内收集表面的外右上表面142、外左上表面144、外左下表面146和外右下表面148。内部透镜的内部区不围绕孔，从而可以检测到相对于光轴成非常小角度的电子。
本发明的静电场可以由各种形状和排列的多个电极产生。在序列号为10/423,289、名称为“objective lens arrangement for use in a charged particle beam column”的美国专利申请中说明了一些实施例，这里结合该专利申请作为参考。简单地说，上述专利申请说明了具有静电透镜的物镜，其中该静电透镜包括沿透镜结构的光轴以分开的共轴关系排列的上电极和下电极。
该系统可以按照各种方式使用从镜内检测器和内部透镜检测器接收到的检测信号。各检测器可以独立地处理检测，并且响应来自一个或多个检测器的检测信号确定缺陷的存在和/或产生SEM图像。
现有技术中已存在处理来自多个检测器的检测信号的各种方法，Wagner的美国专利5659172中说明了其中之一，这里结合该专利作为参考。
图5所示为根据本发明实施方式的多个检测器检测电子的方法200的流程图。方法200从步骤210开始，步骤210引导原电子束通过柱与被检测对象接触，在步骤210之后是步骤220，步骤220通过引入强静电场，将从被检测对象反射出或散射出的电子引导向多个内部检测器，而至少一些被引导的电子被以相对于被检测对象很小的角度反射或散射。在步骤220之后是步骤230，步骤230从外部检测器至少其中之一接收检测信号。
注意到可以通过相同的单元操纵原电子束以及散射或反射的电子，并且通常步骤210和步骤220几乎同时发生。
步骤220可以包括通过各种方式引入强静电场。例如，可以包括在被检测对象和柱的第一部分之间引入第一电势差，而在柱的第二部分和被检测对象之间引入第二电势差。第一部分通常位于第二部分下方并且第一电势差小于第二电势差。通常，第一部分是位于磁透镜上方的阳极，而第二部分位于磁透镜顶部的下方或者甚至是磁透镜的下方。第二部分的下边缘可以限定SEM和被检测对象之间的工作距离。
步骤210还可以包括原电子束的至少一倾斜。这种倾斜可以由使从被检测对象散射或反射的电子发生偏转的偏转单元产生。步骤210还可以包括引导原电子束沿光轴行进；使原电子束偏离光轴倾斜；以及倾斜原电子束诸如以沿与光轴平行但与光轴分开的第二光轴行进。步骤210还包括倾斜原电子束诸如以向光轴行进以及倾斜原电子束以沿光轴行进。
步骤220还包括在强静电透镜中设置被检测对象的被检测区域。
方法200可以按照各种倾斜状态实施。然而倾斜状态的特征在于原电子束与被检测区域之间的倾斜角(在从大约很小的角度到稍小于90度之间的范围)。
方法200可以包括诸如步骤240的其它步骤，步骤240处理接收到的检测信号以提供关于缺陷或工艺偏差的表示。
还注意到，方法200可以包括通过向静电透镜施加不同电压值限定/改变收集区的步骤。这可以优化系统参数，以优化镜内检测器和/或内部透镜检测器的性能(例如，分辨率、色差等)。
本发明可以通过采用传统工具、方法和部件实现。因此，这里不再详细阐述这些工具、部件和方法。在以前的描述中，为了提供对本发明的全面理解，说明了诸如各种线的截面形状、偏转单元的数量等大量具体细节。然而，可以认识到在不凭借具体阐述的细节情况下也可以实施本发明。
本发明书仅示出了本发明的示例性实施方式以及其各种实施方式中的一些实施例。可以理解本发明能够使用各种其它组合和条件并且能够在这里所表述的本发明概念的范围内进行各种改进和变形。

Claims (16)

1.一种通过多个检测器检测电子的方法，所述方法包括以下步骤：
通过(i)引导原电子束沿光轴行进，(ii)使所述原电子束偏离所述光轴倾斜，以及(iii)倾斜所述原电子束以沿与所述光轴平行但与所述光轴分开的第二光轴行进来引导所述原电子束通过一柱以接触被检测对象；
通过引入强静电场，将由被检测对象反射或散射的电子引向多个内部检测器，其中至少一些被引导的电子以相对于所述被检测对象较小的角度反射或散射；
接收来自至少一个内部检测器的检测信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述引入强静电场的步骤包括在所述被检测对象和所述柱的第一部分之间引入第一电势差，以及在所述柱的第二部分和所述被检测对象之间引入第二电势差。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述柱的第一部分位于所述柱的第二部分下方，并且所述第一电势差小于所述第二电势差。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括处理接收到的检测信号以提供关于缺陷或工艺偏差的指示的步骤。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括改变所述强静电场以改变所述多个内部检测器的收集区的步骤。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述引导原电子束的步骤还包括：(iv)倾斜所述原电子束以向所述光轴行进；以及(v)倾斜所述原电子束以沿所述光轴行进。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：确定所述原电子束和所述被检测对象之间的测量角的初始步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述测量角的范围从锐角到钝角。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，被检测的电子包括来自高深宽比孔下部的电子。
10.一种通过多个检测器检测电子的系统，所述系统包括：
多个内部检测器，用于提供检测信号；
一柱，电子穿过所述柱行进；
用于引导原电子束通过所述柱以接触被检测对象的装置，以及
通过引入强静电场，将由所述被检测对象反射或散射的电子引导向所述多个内部检测器的装置，其中至少一些所述被引导的电子以相对于所述被检测对象较小的角度反射或散射；并且其中所述用于引导原电子束通过所述柱以接触被检测对象的装置包括引导所述原电子束沿光轴行进的装置，使所述原电子束偏离所述光轴倾斜的装置，以及倾斜所述原电子束以沿与所述光轴平行但与所述光轴分开的第二光轴行进的装置。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述柱包括与第一电势差有关的第一部分以及与第二电势差有关的第二部分。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述柱的第一部分位于所述柱的第二部分下方，并且所述第一电势差小于所述第二电势差。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于处理接收到的检测信号以提供关于缺陷或者工艺偏差指示的处理器。
14.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统还适于改变所述强静电场以改变所述多个内部检测器的收集区。
15.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述系统还能够产生所述原电子束和所述被检测对象之间的倾斜。
16.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，被检测的电子包括来自高深宽比孔下部的电子。
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