CN1924553B - 用于确定粒子光学装置中透镜误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定电子扫描显微镜中的透镜误差的方法，更具体地涉及一种使得这种透镜误差能被确定的样品。本发明描述了例如立方体氧化镁晶体的应用，所述氧化镁晶体很容易在硅晶片上被生产成所谓的“自组装”晶体。这样的晶体有几乎完美的角和边。即使在有透镜误差存在的情形下，这也能呈现出如同在不存在透镜误差的情况下的清楚印象。这允许在不同的欠焦和过焦平面上良好地重构光束横截面。在该重建的基础上透镜误差能被确定，于是它们能利用校正器被校正。

Description

用于确定粒子光学装置中透镜误差的方法

技术领域

本发明涉及一种用于确定粒子光学设备中的透镜误差的方法，该设备被设计成用聚焦的粒子束来扫描样品，包括：

提供含有已知形状的部分的样品，

通过用粒子束扫描样品来产生一个或多个样品图像，以及

基于所产生的图像来确定所述束的横截面。

背景技术

从Canemco，(821B McCaffrey St.，St.Laurent，(Montreal)Quebec，加拿大H4T 1N3)，第29页(“Low Voltag Resolution Tinon Carbon”)的目录“Scanning Electron Microscopy Supplies”公开过这样一种方法的例子，这可以从2005年8月25日的因特网(http://www.canemco.com/catalog/sem/Canemco Scanning.pdf)上得到。

该方法结合诸如SEM(扫描电子显微镜)、STEM(扫描透射电子显微镜)和FIB(聚焦离子束)设备的粒子光学设备进行使用。

上述类型的粒子光学设备被应用于例如半导体工业，以对样品进行检测、分析和修正。

SEM和STEM设备被用于检测和分析样品。这里要被检查的样品通过聚焦的粒子束进行扫描。该粒子束是一种电子束，所述电子束利用物镜被聚焦在样品上。所述束在样品上的焦点具有例如1nm的直径。该束在样品上方扫描，由此释放(空间上依赖的)信息，例如以二次电子的形式。该信息被检测，并以样品图像形式被获得。

FIB设备利用一种在样品上方扫描的聚焦离子束。该离子束可以使得样品的材料被蚀刻掉或者使材料仅仅被沉积在样品上。离子束的效果也由样品的成分和允许处于样品附近的气体来决定。另外，(空间上依赖的)信息被释放，例如以二次电子束的形式。该信息被检测，并可以以样品图像形式被获得。

应当指出，电子束可以因为样品周围区域中的气体而导致蚀刻或沉积。

这些设备经常显示出像散(或更准确地说是一级像散)。在一级像散的情况下，所述的束具有两个相互垂直的行聚焦。一个行聚焦可能通过物镜的轻微欠焦而被显示在样品上，而另一个行聚焦可能通过物镜的轻微过焦而被显示在样品上。

恰好在所述的行聚焦之间的束焦点所在的地方，分辨率将会次于没有像散的情况，因为束的直径至少是在那一点处的每个行聚焦的长度的一半。

应当指出，这些设备在大多数情况下均装配有像散校正装置形式的校正器以用于校正像散，其中所述像散校正装置使两个行聚焦聚拢以便形成一个点聚焦。

在现有技术的方法中，所使用的样品是碳基底上的锡球形式，以便确定像散的存在。这种锡球最大程度地接近于理想球状的形状，正如在“An improved standard specimen for alignment of electronmicroscopes”，K.R.Carson等人1967J.Sci.Instrum.44 1036-1037所描述的，在那里讲述了用于制造这种样品的方法。

现有技术的锡球形状使得当其在诸如电子显微镜等粒子光学设备中被观测时，能够容易地发现所述的束是否显示出像散。因锡球的现有技术形状而期望得到锡球的理想圆形图像，其中图像边缘的清晰度普遍是相同的。但是对于行聚焦相切地与锡球圆周相接触的取向，将获得清晰的图像，而当行聚焦与锡球圆周径向地接触时，将会出现清晰度不够，达到行聚焦的长度。清晰图像在该情况下被理解为这样的图像，其具有在没有像散时所获得的分辨率。

通过现在改变像散校正装置的激励，并同时重复地使物镜聚焦和轻微地散焦直到不再显示像散，来校正像散。

现有技术的锡球的一个缺点是，根据已知目录的尺寸不小于10nm，而大多数锡球具有更大的直径。如果需要获得的分辨率为1nm(例如正如目前可以利用SEM来获得一样)，则利用这种样品来消除所有像散是不大可能的。

现有技术的锡球的另一缺点是，其不大适合于确定其它透镜误差，例如三级像散或彗形象差。这些误差导致束的横截面(也即一个垂直于透镜光轴的截面)，其中放大率比一级像散时具有更大的对称程度。具有某种程度欠焦和过焦的三级像散例如导致一种三角形的束横截面，而球面像差和三级像散的组合甚至在焦点对准时具有三角形的横截面。因此锡球在任何方向上都没有清晰的图像，这使得难以确定透镜误差。

在“Erprobung eines sphaerisch und chromatischkorrigierten Elektronenmikroskopes”(球形和色彩校正的电子显微镜的检测)，W.Bernard，Optik 57(1980)，第73-94页，尤其是第83页，给出了由不同透镜误差所导致的束直径的概观。

应当注意，遭受若干误差的束的束直径不一定是每个误差的束直径的总和。球面像差和三级像散分别单独地在焦平面内产生一个旋转对称的束直径。但诸如稍后将要在附图中所示出的一样，球面像差和三级像散在焦平面内的组合例如导致具有三角形横截面的束直径。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法，由此使得样品的形状比现有技术的方法更适合于精确地确定透镜误差。

对于该目的，本发明方法的特征在于，该样品是一个带自由边的晶体样品，所述的边是由单晶体形成。

本发明是基于以下实现：样品的图像是一方面样品的无误差图像和另一方面所述束的实际直径的卷积。通过此时用已知的角和/或清晰边表示样品部分，可以由该图像形成精确的估计，因为该图像应该看起来就像用具有理想聚焦的束来表示的一样。这允许用去卷积来确定束的形状，这又使得能够确定透镜误差。

单晶体通常具有所需要的部分作为清晰边和已知角。

另一个优点是，整个样品的形状和尺寸不太重要，而重要的是仅仅样品各个部分的形状和尺寸，例如样品的角。因此还可能例如用尺寸大于10nm的样品来表示具有小于1nm的半径的部分。

应当注意，可以使用例如位于硅或碳基底上的样品，但也可以使用被部分地嵌入基底内的样品以及样品的一些部分敞露在基底之外的样品。

还应当注意，单晶体(的技术)也被理解成例如纳米管或纳米线，正如例如Guiton等人，J.Am.Chem.Soc.127(2005)，498-499页所讲述的。

在本发明方法的一个实施例中，晶体样品是单晶体。

在该实施例中，整个样品是单晶体，而且所有的边和角都具有表征单晶体的边和角。如果晶体的图像现在被观看，则束的横截面可以被精确地确立。

在本发明方法的另一个实施例中，单晶体具有直角。

在具有直角的形状中，轻微地偏离束直径的圆度将会导致该角的明显区别的图像。非常小地偏离于束直径已经可以被观测到，特别是在垂直于样品平面观看样品的情况下，其中被观测的形状因此是矩形。

应当注意，为了拥有直角的形状，单晶体需要具有这样一种晶格，其中晶格的角度为直角。这种晶格也被称为正方晶系、斜方晶系或立方晶系。但并不是具有这种晶格的每个单晶体都具有直角的形状。立方体单晶体也可以具有例如六边形、四面体或十二面体形状。

在本发明方法的另一个实施例中，单晶体是盐晶体。

粒子束装置的图像通常是基于响应于入射粒子束而被释放的二次电子的数量来产生的。响应于一个入射粒子而被释放的二次电子的平均数量被公知为二次发射系数。当用电子束扫描时，盐晶体经常具有大于2的二次发射系数，例如从小于200eV的低射束能量到大于100keV的高射束能量。常用的基底，例如碳或硅，在这些不同的特定能量时具有低的二次发射系数，因此获得在样品和基底之间的清晰对比度。盐晶体因此可以被用于射束能量的宽范围。

在另一个实施例中，盐晶体由氧化镁组成。

氧化镁是一种容易被形成的盐，由此得到具有直角的晶体。

另一优点是，通过将硅晶片移经燃烧的镁条的火焰，小尺寸的氧化镁单晶体能够容易地被形成在象硅晶片的基底上。在该情形下，形成与晶片表面对齐的镁立方体和条：这是所谓的“自组装结构”。通过选择粒子束的入射垂直于基底，只有一个为直角的平面将会因该对齐而被表示。这允许例如借助于计算机技术来较容易地确定束形状。因此这些样品适合于确定束的各种误差，例如三级像散或慧形像差。

具有这种取向的立方晶的另一优点是，样品的侧面(也即样品的与被观测的平面相邻的平面)根本就不暴露于所述的束，使得可能非常清楚地确立决定上述角度的肋条。

在本发明方法的另一个实施例中，单晶体的最大尺寸为100nm。

例如采用所谓的纳米晶体是有吸引力的，其意味着最大尺寸小于100nm的单晶体，因为这些单晶体的尺寸与扫描该单晶体的束的直径不会相差多个数量级。因此当束直径同时覆盖几个像素时，可以利用当前所采用的例如表示1000*1000像素的显像技术来表示整个样品。后者必须能用足够的精度来确定束形状。

在本发明方法的另一个实施例中，该样品被放置在基底之上，其中基底和样品的二次发射系数相当地不相同。

应清楚的是，基底和样品的二次发射系数必须不同。因为这种基本上的不同，达到在样品和基底之间的高对比度。

在本发明方法的另一个实施例中，样品被放置在一个导电材料上。

除了透镜误差之外，样品的电荷也可能导致图像的失真。于是不清楚该失真是充电的结果还是透镜误差的结果。通过现在将样品放置在导电基底上，尽可能地阻止了充电。

在本发明方法的另一个实施例中，粒子光学设备被提供有透镜误差校正器，所述校正器利用所获得的透镜误差的确定而被放大，使得透镜误差被降低。

附图说明

现在通过参考两个附图来更详细地解释本发明，其中：

图1简略示出了通过用计算机仿真所计算的离(近轴的)焦平面为不同距离处的束的横截面，以及

图2简略示出了一个用于实现本发明方法的设备。

具体实施方式

图1简略示出了通过用计算机仿真所计算的离(近轴的)焦平面为不同距离处的束的横截面。

在该仿真中，所述的束在所有情形下都经受了相同程度的球面像差。行示出了在不同程度散焦时的横截面，而列示出了在三级像散的不同值处的截面。

焦平面在第三行中“散焦＝0”处被示出。第二行示出了在一个平面中的束的横截面，从物镜来看，该平面被放在焦平面之后的某个距离处，而第一行示出了在处于焦平面之后的同样距离处的平面中的束的横截面。类似地，第四和第五行示出了在位于近轴焦平面和物镜之间的平面中的束的横截面。

在第一列的很左边的地方，不存在三级像散，而且束只经受球面像差。在第二列，除了与第一列所示相同的球面像差外还存在某种程度的三级像散。在第三列，除了球面像差外，还存在两倍于第二列那样大的三级像散。在第四列，除了球面像差外还存在三倍于第二列那样大的三级像散。

正如本领域技术人员所公知的，球面像差导致一个相对于透镜轴旋转对称的束直径。但三级像散导致具有三对称的非对称的束直径。清楚地看出，当三级像散增加时，束直径变得越来越不旋转对称。

通过针对不同的散焦距离确定束形状，可以用合适的度量来确定透镜误差。尽管在该实例中球面像差和三级像散被用作为透镜误差，但应清楚，其它透镜误差同样能用这种方法得以确定。

如早先所示的，样品的图像是在用无限小直径的束扫描样品时所形成的图像与束的实际直径的卷积。通过例如根据所获得的图像(该图像是样品和束形状的卷积)确定样品结构的肋条的位置和取向，可以重构样品的形状。

正如本领域技术人员所周知的，然后可以利用被重构的样品形状来执行图像的去卷积，这给出了在离焦点为某个距离处的束直径的重构。

通过执行束直径在不同散焦时的重构，可以确定束形状，由此通过本质上已知的方法可以确定透镜误差。然后可以人工地或用计算机控制来变化校正器的激励，使得降低透镜误差。该过程可以重复例如几次，直到透镜误差小于预定值，或直到焦点内的束直径具有小于预定值的值。

图2图解示出了为实现本发明方法的一种设备。

一个电子柱200(例如扫描电子显微镜SEM)包含一个电子源202，其产生一个电子束204。该电子束204通过例如磁透镜的透镜206和208被聚焦于一个样品位置210。该样品位置210被放置在一个移动工作台212上，以便将样品的被检查的区域移到电子束204的焦点处。通过在中心控制单元216的控制之下的偏转器220，电子束204在被放置在样品位置210处的样品的表面上方扫描。当电子束204在被放置于样品位置210处的样品上方扫描时，释放出利用二次电子检测器(SED)214进行检测的二次电子。因此这些二次电子提供关于样品的在空间上依赖的信息。来自SED 214的信号被传送给中心控制单元216，后者将该在空间上依赖的信号转变成监视器218的信号，用户据此获得样品的图像。SED 214、移动工作台212以及样品位置210位于样品室222内。电子柱200和样品室222在设备的工作期间通过未示出的抽空装置而保持真空。

例如包含有多个电和/或磁多极的校正器224(这对于本领域技术人员是公知的)利用中心控制单元216被放大，以便降低由透镜206导致的透镜误差的影响。

为了确立校正器224的正确激励，氧化镁的单晶体例如被放置在处于样品位置210的碳或硅的基底上。然后通过执行本发明的方法，可以为校正器224找到正确的激励。要被检查的样品然后可以被放至样品位置，据此可以检查该样品。

Claims (9)

1.一种用于确定粒子光学设备中的透镜误差的方法，该设备被设计成用聚焦的粒子束来扫描样品，包括：

提供具有有着已知形状的部分的样品，

通过用粒子束扫描样品来产生一个或多个样品图像，以及

基于所产生的一个或多个图像来确定所述束的横截面，

其特征在于：

该样品是具有自由边的晶体样品，所述边由单晶体的边形成；

确定球面像差和三级像散。

2.依照权利要求1所述的方法，其中晶体样品是单晶体。

3.依照上述权利要求中任一项所述的方法，其中单晶体具有直角。

4.依照权利要求3所述的方法，其中单晶体是盐晶体。

5.依照权利要求4所述的方法，其中盐晶体是氧化镁的单晶体。

6.依照权利要求1或2所述的方法，其中单晶体具有100nm的最大尺寸。

7.依照权利要求1或2所述的方法，其中该样品被放置在基底之上，并且其中基底和样品的二次发射系数不相同。

8.依照权利要求1或2所述的方法，其中样品被放置在导电基底上。

9.依照权利要求1或2所述的方法，其中粒子光学设备被提供有透镜误差的校正器，所述校正器根据所确定的所述束的横截面而被激发，从而使得透镜误差被降低。

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