CN1996547A - 回转减速浸没式物镜电子光学聚焦、偏转和信号的收集方法 - Google Patents

Abstract

一种回转减速浸没式物简方法，它提供具有大束电流的低电压电子束，相当高的空间分辨率，相当大的扫描范围，和高的信号收集效率。该物镜包括用于在样品附近产生磁场的磁透镜，以把粒子束的粒子聚焦到样品上；具有用于在靠近样品处提供减速场到粒子束的电位的电极，当该束与样品碰撞时来减少粒子束的能量；包括沿该束轴设置的多个偏转单元的偏转系统，用于偏转该粒子束以使在具有大区域的样品上扫描成为可能，偏转单元中的至少一个放在该束的减速场中，其余的偏转单元放在磁透镜的中央腔内；以及具有相当小的孔径的环形探测单元，放在限定主束的孔径下面，以俘获二次电子(SE)和背散衬电子(BSE)。

Description

回转减速浸没式物镜电子光学聚焦、偏转和信号的收集方法

本申请是申请日为“2002年3月21日”、申请号为“02828993.5”、题为“回转减速浸没式物镜电子光学聚焦，偏转和信号的收集系统及方法”的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及扫描电子显微镜，具体地说，涉及一种回转减速浸没式的物镜电子光学的聚焦和偏转系统及方法，该方法能提供大电流低电压主电子束，高分辨率扫描，大扫描范围，和高的信号俘获效率。

背景技术

扫描电子显微镜用于许多需要非常详细地检验物体非常小的结构的应用中。这些应用中的某些应用包括诸如对超大规模集成(VLSI)电路，或芯片，或其它物件样品的缺陷查看和检验，在这些样品中细节关键尺寸的决定，还有样品的设计和工艺过程的鉴定。由于帮扫描电子显微镜产生的班点尺寸的短波长，所在在普遍约为0.2μm或更小(1μm＝10^-6m)的亚微未尺度内，观察细节，扫描电子显微镜被认为是优于光学显微镜的。通常，扫描电子显微镜使用一种把电子束聚焦到在检测中的样品上的物镜系统。

通常，一台扫描电子显微镜包括主电子束源，加速阳极，用于把电子束聚焦到样品上的物镜，能使生电子束在样品上定位和扫描运动的多个偏转单元，用于俘获来自样品的二次电子(SE)或背散射电子(BSE)来产生样品图像的探测系统。在某些例子中，采用会聚透镜系统来为物镜系统提供已聚焦的电子束。正如在适当的领域中的技术人员所熟知的，电子束源产生主电子束的电子供给。如果采用会聚透镜系统，则它形成用于物镜的该主电子束源的象，而该物镜把会聚透镜的象聚焦在样品上。偏转系统把已聚焦的电子束以扫描运动在一部分样品上移动，而从样品材料上释放出二次和背散射的电子。这些电子被探测、放大，而最后得到的信号用来调制与扫描电子束同步操作的成象系统的电子束。其结果是根据来自样品发射或散射电子的所扫描范围的一幅象。

现有技术中的电子显微镜有几个缺点。首先，为了使现有技术中的物镜取得高分辨离，主电子束源需要相当大的束能量，例如15Kev或更多。但是，人们不希望把如此较高能量的电子束直接施加到样品，这是因为它会造成对样品的损伤，而这种损伤必然在集成电路的工艺技术，制造和生产上造成可靠性的问题。采用低能量的主电子束源虽可避免这可靠性问题，但是由于物镜的色象差以及通过在电子束内电子—电子互作用限制了空间分辨率。物镜的色象差是由在同一透镜经受不同焦点的不同速度的电子而引起的。这效应在样品的象平面处形成模糊的轮圈，并限制了系统的分辨率。电子—电子互作用(空间电荷效应)和色象差这两者都可通过采用较高能量电子束未减少。其次，要用低能量主电子束源来获得高的二次和背散射电子俘获效率是困难的。如果采用多沟道板，则由于在板的槽(沟道)中聚集了污染物，所以存在着严重的可靠性问题。

正如上述，现有低电压扫描电子显微镜的空间分辨率基本上受到物镜的色象差和电子—电子互作用，即Boersch效应的限制。一个改进空间分辨率的方法是通过遭受减速场的高能量主电子束来减少电子—电子互作用。另一个改进空间分辨率的方法是采用通气管(中央磁极)磁透镜，来减少由于色象差和球面象差的在分辨率上的损失。

装备有通气管磁透镜，减速静电板以及前置透镜双偏转单元的常规减速场扫描电子显微镜是目前在VLSI(超大规模集成)芯片制造中作对严格的尺寸测量、查看缺陷和检验缺陷的系统。这些常规的单元仍有几个缺陷。

首先，用这些单元来产生大的偏转范围是困难的。偏转范围是该主电子束可被偏转系统移动而能在样品平面上达到的范围。结果，在不重新定位样品的情况下，只能在相当小的样品部分上同时作检测。其次，因为固有小的偏转范围，所以，用于检验，查看和测量样品的所需时间基本上是长的。这不仅导致增加集成电路周转时间，而且还增加工艺，测试，检验，排除故障和生产的成本。

于是，为此存在着对用于电子扫描显微镜的，在样品上提供大的主电子束电流，较低能量的电子束，相当高的分辨率，相当大的扫描范围，以及高的信号俘获效率的物镜及方法的需要。

发明内容

本文揭示一种具有回转减速浸没式物镜的电子光学聚焦、偏转和信号俘获系统的扫描电子显微镜，它克服了上面讨论的关于现有技术物镜的缺点。明确地说，本发明的物镜系统把在样品上的高能量主电子束改变为较低能量电子束以把对样品的损伤减到最小。它还具有对亚微米特性作清晰检验的相对高的分辨率。而且，一种根据本发明的扫描电子显微镜提供相当大的偏转范围以减少全部检验样品的时间，并包括更有效地俘获来自样品的二次电子(SE)和背散射电子(BSE)的探测单元。

本发明包括用于在样品上提高物镜系统扫描范围的方法，该方法的步骤有：在样品的附近产生一磁场以把粒子束的粒子聚焦到样品上；提供减速电场以在粒子束与样品碰撞之前减少粒子束的能量；在样品的偏转场之内的待扫描的区域上，定位已聚焦的粒子束，通过在减速电场之内偏转粒子束，来增加在样品上的偏转范围，发生了定位的最后阶段。另外，本方法包括在样品的范围上快速扫描已聚焦的粒子束以产生该范围的象；并加速由已聚焦的主电子束与样品样碰撞而产生的SE和BSE，通过环形探测器被俘获并形成扫描区域的象。这样一种系统的优点是具有这种透镜系统的低能量(从250eV到1500eV)电子显微镜能扫描较大的范围(约500μm到1000μm)而又保持小的班点尺寸(从直径0.05μm到0.1μm)，以及因为已增加的样品细节的分辨本领，所以具有对二次电子SE和背散射电子BSE的约85％到95％的近似范围的收集效率。

这样一种系统的另一优点是大电流主束是与在样品位置处的较低能量主束一起提供的。这改进了在它的扫描期间从样品发射的信号质量。

根据下面的描述，所附的权利要求书，和附图可更好地理解本发明的这些和其它特性，诸方面和诸优点。

附图说明

图1示出根据本发明扫描电子显微镜一实施例的横截面示意图；

图2是示出根据本发明用于扫描电子显微镜的物镜系统一实施例的横截面示意图；

图3示出该物镜系统偏转单元的透视图；

图4示出在样品上代表的偏转范围和扫描范围的区域；

图5示出用于透镜系统操作中的各种控制电压的示意图；

图6A示出用于在扫描范围内束班点偏转的X-方向的尺寸；

图6B示出用于在扫描范围内束班点偏置的Y-方向的尺寸，以及

图7示出从样品中心发出、并由探测器收集的二次电子SE和背散射电子BSE的轨迹。

具体实施方式

图1示出根据本发明扫描电子显微镜100的一实施例。在这实施例中，扫描电子显微镜100包括具有虚源点104(即，用于粒子的有效源点)的粒子束源102，阳极106，在其内具有磁透镜和多个偏转单元120a-120e的物镜系统112。为了参考的目的，一根束轴109被定义为连接粒子束源102到样品122的直线，并被指定为Z-轴，定义一个与Z-轴横截的平面的X和Y-轴。

磁透镜包括材料110和激励线圈115，它用于提供磁动力到具有经过磁材料和在磁极面116和114之间场线的磁回路。磁透镜的中央腔具有圆形水桶的形状，它相对于Z-轴是轴对称的。在主粒子束进入该透镜系统的地方，材料117形成限定束的孔径125。这孔径决定能进入该物镜系统的束的大小，且在一实施例中，限制该束的直径到约20μm到200μm的范围内。在主粒子束离开磁透镜点处的透镜孔径是通过磁极面116被限定的。

紧接在限定粒子束的孔径下面是环状探测器单元124，它在下面讨论的扫描工作期间收集从样品发射的二次电子SE和背散射电子BSE。探测器124具有比限定粒子束的孔径较大的孔径，所以，来自主束的粒子当它们经限定粒子来的孔径通过时不会受到影响。

存在于中心腔中的是偏转单元120a-120d。这些单元是呈盘状的圈，且相对Z-轴是轴对称的。放在中央腔外面的是偏转单元120e，它与Z轴共轴，且在结构上类似于中央腔内的偏转单元。

物镜112把粒子束聚焦成一小班点，它在待研究的样品122上被扫描。通常，样品是具有细节尺寸约为0.05μm到0.20μm或较大的半导体芯片。

图2示出物镜112的横截面视图。磁性材料110和激励线圈115形成一种称之为侧磁极透镜的磁透镜类型。因为侧磁极磁透镜在减少通常与其它类型物镜有关的色象差和球面象差方面具有改进的性能，所以它是较佳的，且在该透镜孔径下面并经过样品122延伸它的场是较佳的。在这侧磁极磁透镜中，材料110被做成形成环形磁极面114和圆形磁极面116的形状，在这两磁极面之间磁场线128连接磁极面114和116以完成磁回路。这样就产生磁场128，这个场被设计成在到磁极面114的它的路径中经偏转单元120e和样品122而延伸，如图2所示。因此，样品122被认为是浸没在透镜的磁场中。材料110较佳的是铁，铁合金或其它用于为由激励线圈115产生的磁场提供低磁阻路径的高磁导率材料。磁透镜110的目的是产生具有与Z轴垂直的大分量的磁场，用于在样品之上的会聚透镜作用并在样品处具有与Z轴基本平行的磁场。

如参考图2在上面所讨论的，把材料110做成形成水桶状的中央腔，它相对于Z轴是轴对称的，且提供在磁透镜内放置偏转单元120a-120d的地方。每个偏转单元具有不同的直径，且在水桶形空间之内沿着Z轴固定在一特定的位置上。对于在磁透镜内的诸偏转，偏转单元120a在直径上是最大的，而偏转120d在直径上是最小的。偏转120e是放在圆形磁极构件116之下，且处在来自磁透镜磁场的影响内。偏转单元120a-120e一起工作，如在下面所讨论的，来偏转粒子束以便能让样品122被扫描。在某些实施例中，实际的水桶形结构118固定了偏转120a-120d，并把该结构插入到透镜系统的水桶形空间中，因此使组装较容易。

在偏转120e的下面是样品122，它被仔细地放在偏转单元120e的下面，且要在透镜的聚焦距离之内。通过改变在激励线圈115中的电流，使磁透镜聚焦以在样品上产生一小班点。电流的一个增加，在孔径中引起更强的场，它使粒子束在靠近磁极构件116的一个位置处会聚成一个班点。减少这电流使粒子束在离磁极构件116较远的一个距离处会聚成一个班点。样品122不仅浸没在磁场透镜的磁场之内，而且还被充电到一个电位，它使粒子束在与样品碰撞之前减少它的能量。从已充电的样品产生的场被称为减速场，且在下面讨论。

偏转单元120a-120e被设计来偏转粒子束，这样，样品可被已聚焦的束扫描。参考图3，每个偏转单元120被做成象平的环形圆柱体的形状，它有环形的开口，围着这开口有导电区段126a-126c。隔开每个区段的是绝缘的径向挡壁127，它是用盘的衬底材料形成的。在一实施例中，导电区段是由诸如铜或铜铍合金的导电金属制成，而衬底是由诸如约为95％到98％的氧化铝的陶瓷材料制成。在较佳的实施例中，偏转单元环包括12个隔开的导电区段。各个区段被组合在一起，而该组被结合到可变电压驱动器。在这实施例中，有4组，每组包括3个区段。两个组在X方向控制偏转，两个组在Y方向控制偏转。通过控制这些区段的电压，以使粒子束有准确偏转可能的精确方式，把它们偏离开某些区段和偏向另一些区段。这3区段的4个优于其它的配置，诸如2区段的4个组(8个区段)和5区段的4个组(20个区段)。这2区段的4个组的第一替代方案具有不利的地方，即需要8个驱动点，这造成该单元难以控制高速运作。这5区段的4个组的第二替代方案也有不利的地方，即在太多的个别区段，这使得单元的构筑困难，因为每区段的最后尺寸小。

根据本发明，偏转单元120a，120d和120e的第一集合或“回转组致力于对在透镜偏转场内样品上的一精确点上准确地但相对缓慢地定位已聚焦的粒子束。参考图4，在本发明的一方案中，偏转单元的回转组可偏束班点一个约为600μm的偏转范围距离D。偏转单元120b和120c，的第二集合致力于产生较快速的束的扫描运动来覆盖区域132，S×S，此外，S约为50μm，而该区域放在由偏转单元第一集合所决定的位置中央。扫描是在一点上停留一段时间(在几十纳秒的量级)来完的，移到点子排的下一点，然后对下一排重复这扫描操作直至覆盖该区域的所有点座标都被扫描时为止。在本发明的一方案中，用于这扫描的点即象素尺寸约为0.1μm(100nm)，它意味着在每50μm的扫描线中有约500个像素，并在总的偏转场D的X或Y方向中约有6000个像素。如果束班点在样品的位置上停留10nS，那么，50μm直线的单次扫描约需5μs而整个区域S×S的扫描至少要2.5ms。在实践中，在每个相继的扫描之间，用于回扫该粒子束，需要附加的时间(约1μs/扫描线)，造成扫描S×S范围的总时间约为3ms(2.5ms+500×1μs)。

因为偏转单元120e最靠近样品且在由样品产生的减速范围内，所以它对改进在样品上偏转范围的图4中尺寸D尤为重要。因为偏转单元102e偏转具有比偏转单元102a-102d低得多的能量的粒子束，且它是最靠近在样品上粒子束降落点的偏转单元，因此偏转单元102e将在粒子束的位置上有大的作用。

图5给出根据本发明的一台具有物镜系统的电子显微镜示意图。在显微镜相对的两端部是代表来自粒子源的电子虚源点的照明平面130和样品平面122。在这两个端部之间，并按顺序从照明板开始是加速阳极106，粒子束消隐板108，探测器124，偏转单元120a，120b，120c，120d，磁场极116和偏转单元120e。

在一实施例中，较佳的是，把照明平面充电到约为-12kV的电位。最接近照明平面的是阳极平面106，把它充电到地电位。在照明平面和阳极平面之间的电压差为从该源发射的电子提供加速电位，一旦电子被加速就获得约12K电子伏特(12KeV)的能量，形成约0.01纳米(1nm＝10^-9m)的电子波长。在图5中的场Ea指出该加速电场。

把在样品平面位置处的样品充电到约-11kV以形成减速场Er，就是说，一个与加速场Ea相反方向的场，使主束在与样品碰撞之前降低它的能量。

在加速阳极106和探测器124之间是粒子束消隐板108，它被用来接通和断开主束。最接近于消隐板108的是用于收集二次和背散衬电子的环形探测器，这些电子是当主束与样品碰撞时产生的。该环形探测器获得来自这些被收集到的电子的电子信号，放大这信号并把这已放大的信号送到成像装置，为操作人员作最后的观察。

在探测器和样品平面之间是偏转单元120a-120e。在本发明的一方案中，这四个偏转单元120a-120d的每个的平均电位为地，它在主束经过偏转单元传输时，帮助维持初始的束能量。为偏转粒子束，这环形区段如上面讨论的那样组合起来，且每组由一驱动器来驱动。在较佳实施例中，有四个驱动器136，138，140，142，一个对四组中的每一组。两个驱动器控制X方向的偏转，两个驱动器控制Y方向的偏转。在本发明的一方案中，驱动器差动地驱动X组合和Y组合。通过在平均的地电位之上和之下来改变这些组合的电位，在一特定的方向上把粒子束偏转一精确的量，而把单元的平均电位保持在地。在偏转单元中场的图形是复杂的，并当偏转主束时，计算到把引入到粒子束的象差减到最小。

最靠近样品平面且在减速场Er中的偏转单元120e被充电到基本上不改变这场Er的电位。在本发明的一方案中，偏转单元120e被充电到相对于样品平面是负的平均电位，且相对于样品平面在约-200V到-3000V的范围内。

当电子到达样品平面时，它们的能量在约250eV到1500eV的范围内，而典型值是1Kev。在这范围内的能量避免了对样品的损伤，但在样品处，在波长上造成的0.03到0.07nm范围内的增加。

因为主束能量已被减小到约1Kev，所以在减速场中放置偏转单元120e，赋于偏转单元120e关于主束轨迹的许多影响。而且，因为它最接近样品，所以，在迅速扫描该区域之前，它能协助粒子束精确地定位在所选的样品区域上。在参考了由于减速场和所有其它象差(色象散和彗形象差)引起的粒子束变宽，最后班点的尺寸约为10nm，这个尺寸用于在约20nm到200nm范围内观看特性细节尺寸是充分的。

图5还示出来自磁透镜的磁场线出现在由样品平面引起的减速场Er中。当决定把粒子聚焦的样品上所需的磁场强度时，必需考虑到主束被减少的能量。

图6A示出通过偏转单元120a，120d和120e，在偏转范围内对粒子束偏转的X方向的尺寸；而图6B则示出通过这些相同的偏转单元，在偏振范围内对粒子束偏转的Y方向的尺寸。因此，这此图示出当通过偏转单元120a，120d和120e偏转时，主电子束的轨迹分量Xm(z)，Ym(z)。

作为获得大的偏转范围的开始点，较佳的是，用于每个偏转单元的电压强度Ed和偏转距离r(z)满足一阶四转浸没式物镜(SORIL)的判据：

Ed＝K[1/2B’(z)r(z)+B(z)r(z)/z)+(1/2)φ″Z(r)r(z)+φ′(z)r(z)/z

其中，Ed是在该偏转单元内的电场强度并与光轴(z轴垂直)，以产生给定的偏转，r(z)是离z轴的径向偏转距离，是沿该轴距离的函数，B(z)是沿透镜光轴的磁力线密度，φ(z)是在光轴上的电位，φ′(z)是相对于z的一阶导数，φ″(z)是相对于z的二阶导数，B′(z)是相对于z的一阶导数，以及k是为完成单位变换所需的常数。

因为从方程1规定的判据的偏转场强度只包括一阶项，它用于为决定一给定的偏转所需的场强的开始点。不过，即使方程1被满足，仍然会有由偏转单元引起的对主束的三阶和五阶的象差。为把这些较高阶象差减为最小或消除它们，就需要最佳选配。一般，这种优化是通过在数字计算机上的数值计算法并设法离在z轴的最大偏转处维持粒子束圆的形状。满足方程1的每个偏转单元120a，120d，120e作为第一近似，一起作用以产生用于在等扫描区域S×S上的偏转范围D×D之内定位粒子束的一个给定的偏转量(图4)。对每个单元来说，从每个单元提供的偏转量可能是不同的，而每个单元是分开被优化的。每个满足方程1的偏转单元120b和120c作为第一近似，一起作用以产生用于在区域S×S(图4)上扫描粒子束所需的偏转。偏转单元120b和120c被设计来使得在S×S的区域上的快速扫描成为可能，而偏转单元120a，120d和120e维持在D×D范围中束的位置。定位(或较慢移动)偏转单元和从定位单位分离的快速扫描单元使我们得出大的偏转范围(D×D)，而仍能保持偏转范围的亚区域中快速扫描的能力不变。

图7示出通过主电子与样品碰撞而产生的二次电子SE的轨迹。因为减速电场Er，二次电子被加速到约11KeV的能量。这些电子的大部分被采用PIN两极管或其它电子俘获器件的环形探测器收集。环形探测器的孔径大小是有决定性的。太小的孔径易受污染而有害地影响主束。太大的孔径降低了对二次和背散射电子的收集效率。在一实施例中，把探测器孔径限于直径为0.3mm到2.0mm之间。在一实施例中，在整个扫描区上的二次电子SE的俘获效率是在约85％到95％的范围内。

虽然本发明已根据专门的实施例作了描述，但对本领域的技术人员来说，无疑会明白，其中的替代和修改是预期到的。所以，意图把下面的权利要求书理解来覆盖所有这种替代和修改，因为属于本发明的真实精神和范围。

Claims (11)

1.一种用于物镜系统在样品上增加扫描场的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

在样品的附近产生磁场，以在该样品上聚焦粒子束的粒子；

提供减速电场以在该束与该样品碰撞之前减小粒子束的能量；

在待扫描的区域上定位该已聚焦的粒子束，该区是在样品的偏转范围之内，定位的最后阶段，通过偏转该束以在减速电场内在样品上增加偏转范围而发生。

2.如权利要求1所述的方法，

其中一偏转单元具有孔径，该主束经过该孔径而通过；以及

其中该偏转单元跨越该孔径具有电压强度(Ed)以及满足一阶回转减速浸没式物镜判据的偏转距离(r(z))：

Ed＝K[1/2B’(z)r(z)+B(z)r(z)/2)+(1/2)φ″Z(r)r(z)+φ′(z)r(z)/z

其中，Ed是在偏转单元内的电场强度，且与光轴(z轴)垂直，以产生给定的偏转，r(z)是离z轴的径向偏转距离，是沿该轴距离的函数，B(z)是沿透镜光轴的磁力线密度，φ(z)是在光轴上的电位，φ′(z)是相对于z的一阶导数，φ″(z)是相对于z的二阶导数，B′(z)是相对于z的一阶导数，而k是为完成单位转换所需的常数。

3.如权利要求2所述的物镜系统，其特征在于，所述偏转单元具有电压强度和被最优化的偏转距离来基本上减少三阶和五阶象差。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粒子束是电子束。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产生磁场的步骤包括从磁透镜产生该磁场的步骤。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述磁透镜是侧磁极磁透镜型。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述侧磁极磁透镜包括形成在其内的中央腔，该中央腔相对于所述束轴是轴对称的。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于在等扫描区域上定位该已聚焦粒子束的步骤是通过第一组的偏转单元来完成的，该第一组包括放在减束场中的一偏转单元。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括当该束被固定在被扫描区的位置上时，扫描该区域的步骤，该束的扫描运动比该束的定位运动更快速。

10.如权利要求8所述的方法，

所述在待扫描区域上定位已聚焦粒子束的步骤是第一组偏转单元来完成的，该第一组包括放在减速场中的一偏转单元；以及

其中扫描该区域的步骤是与该第一组分开的第二组偏转单元来完成的。

11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括在该区的扫描期间收集从样品发射的二次电子和背散射电子的步骤。

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