TW202143282A

TW202143282A - 掃描式電子顯微鏡

Info

Publication number: TW202143282A
Application number: TW109101391A
Authority: TW
Inventors: 郭子毅; 曾有光
Original assignee: 文淵閤智權價值顧問有限公司
Priority date: 2020-01-15
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2021-11-16

Abstract

對於大束流的應用，特別是缺陷檢測，一種浸沒式物鏡位於滑台下，使得數個偵測器可以位於樣品的表面。浸沒式物鏡的中央極靴可以提供類似磁單極的方式應用在電子束。俄歇電子在缺陷檢測的時候也可以用來分析樣品的材料。

Description

掃描式電子顯微鏡

本發明是有關於一種掃描式電子顯微鏡，特別是有關於一種應用在缺陷檢測的掃描式電子顯微鏡。

在半導體元件的製造過程，缺陷的檢測是很重要的。傳統的缺陷檢測，是採用光學系統，使用光學顯微鏡去找出缺陷。但是在半導體製程遵循摩爾定律前進的時候，光學顯微鏡已經沒有辦法看到缺陷，因此使用掃描式電子顯微鏡來找尋缺陷成為另外一種方式。然而，掃描式電子顯微鏡雖然有很高的解析度可以去找出缺陷，但是相較於光學系統速度實在太慢。一般的光學顯微鏡在整個12吋的晶圓找尋缺陷，亮場大概需要30分鐘而案場大致上只需要5分鐘。但是，如果用掃描式電子顯微鏡對整個12吋的晶圓找尋缺陷，大概需要10個月。這個不只是在半導體的製造上是不可以的，即使是在研發階段也是不被接受。

為了增加掃描式電子顯微鏡在缺陷檢測的速度，除了採用取樣的方式來掃描之外，另一種方式就是加大電子的束流。這個有幾個好處，首先是產生的訊號電子一定會比較多，比較容易接收到訊號電子。另外就是束流增加，掃描的平均次數就可以降低，速度就可以加快。更重要的一點是，有關電位反差的缺陷，一定要透過大束流才可以找到缺陷。

然而，為了增加大束流，電子光學就需要有一些特殊的設計。首先是是大束流會造成庫倫斥力的增加，像差會變大。因此，第一種解決方式係採用較高的著陸能量，讓電子束可以快速的從源到達樣品。愈高的著陸能量，庫倫斥力造成的像差也就愈小。另一個方式，大部分的大束流的掃描式電子顯微鏡都會採用浸沒式物鏡，也就是磁透鏡的內極靴與外極靴之間的開口不再是對著電子束，而是對著樣品或是晶圓。並且，也會盡量的讓物鏡接近樣品，也就是工作距離會相當的低，避免磁透鏡的匯聚能力不足。

另外，為了避免高能量的束流對晶圓產生破壞性的影響，目前主流的電子束檢測裝置會採用低壓掃描式電子顯微鏡，其中電子束的著陸能量大約在1500電子伏以內。為了應用在大束流的掃描式電子顯微鏡，為了避免庫倫斥力的影響，不能直接調整電子束的能量。目前的方式是在樣品的表面加上一個減速電極，除了讓電子束的能量降低至可接受的範圍，同時也降低了物鏡與樣品之間的電位差，而這個往往會造成物鏡與樣品之間的電弧放電。另外，減速電極，物鏡，與樣品之間的電位分布可以與磁透鏡之間組合成複合電磁透鏡。

浸沒式透鏡與減速電極讓掃描式電子顯微鏡的工作距離只剩下大約1.5釐米的空間，這個空間是放不下任何的偵測器。因此，一種方式是在磁透鏡的上方安裝偵測器。這種方式會造成收到的訊號電子會以二次電子為主，因此產生的影像會是樣品的表面形態與高低起伏。利用這一些原理，這種大束流的低壓掃描式電子顯微鏡可以將樣品的表面圖案成像，並且藉由不同的圖案找出缺陷。但是，對於樣品表面的材料特性就無法得知。

另一種將掃描式電子顯微鏡應用在半導體的良率控管的方式，是美商應材的複檢式掃描電子顯微鏡。這種設計並不採用大束流，因此可以在樣品的表面附近放置各種可能的偵測器，去接收不同種類的訊號電子，例如背散射電子，以及X射線等。但是，複檢式掃描電子顯微鏡的掃描速度遠比電子束檢測工具慢，永遠無法用在缺陷的檢測上。因此，往往是電子束檢測系統找到的缺陷之後，因為只知道表面圖案有異常，這個時候再透過複檢式掃描電子式顯微鏡來分析異常，確認缺陷並且將其分類。

對於半導體製造商來說，最好的方式，可以將電子束檢測裝置與複檢式掃描電子顯微鏡的功能一起整合，加快產線的製造速度。因此，存在這樣的需求可以將以上的兩種功能予以整合在一起。

本發明的目的是提供一種掃描式電子顯微鏡可同時應用於半導體製程當中缺陷檢測與缺陷複檢。

本發明提供一種帶電粒子束裝置，包含：一帶電粒子源係提供一帶電粒子束；一聚光鏡用以匯聚該帶電粒子束；一掃描祖勇亦將該帶電粒子屬掃描於一樣品上；一滑台用以承載該樣品；一偵測器系統，在該帶電粒子撞擊該樣品後，用以從該樣品接收訊號粒子；以及一物鏡，位於該滑台下方，包含一中央極靴對準該帶電粒子束，用以將該帶電粒子束聚焦於該樣品上。

本發明之帶電粒子束裝置，其中上述之帶電粒子源提供一電子源。

本發明之帶電粒子束裝置，其中上述之滑台為磁浮滑台。

本發明之帶電粒子束裝置，其中上述之中央極靴往該樣品凸起。

本發明之帶電粒子束裝置，其中上述之訊號粒子包含二次電子，背散射電子，以及俄歇電子，而其中上述之偵測系統包含二次電子偵測器，背散射電子偵測器，以及俄歇電子偵測器。

本發明之帶電粒子束裝置，更包含：一加速器位於該聚光鏡內，用以加速該電子；一減速電極位於該樣品上用以減低該電子束的速度；一鐵氧體層位於該減速電極下方與該物鏡的磁場耦合；以及一第一維恩過濾器將該二次電子過濾到該二次電子偵測器，與一第二維恩過濾器將該背散射電子過濾到該背散射電子偵測器。

本發明之帶電粒子束裝置，更包含一變軸偏轉器環繞該中央極靴使得該物鏡成為變軸物鏡透鏡。

本發明之帶電粒子束裝置，更包含偏轉器使得該電子束與該變軸後的物鏡對準。

本發明亦提供一種電子束裝置，包含：一電子源用以提供一電子束；一聚光鏡用以匯聚該電子束；一掃描組用以將該電子束在一樣品上掃描；一第一物鏡位於該樣品上，係用以聚焦該電子束；一偵測系統，在電子束撞擊樣品後，用以接收來自於樣品的訊號電子；以及一第二物鏡，位於該滑台底下，包含一中央極靴對準該電子束並且向該樣品突出，係用以將該電子束聚焦於該樣品上。

本發明之電子束裝置，更包含一減速電極位於該樣品的上方；以及一鐵氧體層位於該減速電極下方用以跟該第二物鏡產生之磁場耦合。

本發明同時提供一種用以組裝複數個複製光罩成一陣列光罩於一網狀支撐件，用以支撐該複數個複製光罩，包含：一可調整平台用以臨時固定該複數個複製光罩的其中一個，位於該網狀支撐件的其中一開口；以及一校正與對準工具用以量測該複數個複製光罩的該其中一個，使得該可調整平台可將該該複數個複製光罩的該其中一個移動到一預定的位置。

1‧‧‧晶圓

10‧‧‧基座

12‧‧‧剖面線

20‧‧‧滑台

21‧‧‧X滑台

22‧‧‧X滑軌

23‧‧‧X平台

24‧‧‧Y滑台

25‧‧‧Y滑軌

26‧‧‧Y平台

27‧‧‧Z滑台

28‧‧‧壓電致動器

29‧‧‧Z平台

50‧‧‧靜電吸盤

100‧‧‧滑台

102‧‧‧剖面線

110‧‧‧具有開孔之基座

121‧‧‧X滑台

122‧‧‧X滑軌

123‧‧‧X平台

124‧‧‧Y滑台

125‧‧‧Y滑軌

126‧‧‧Y平台

127‧‧‧Z滑台

128‧‧‧壓電致動器

129‧‧‧Z平台

130‧‧‧磁浮滑台

132‧‧‧磁浮滑軌

134‧‧‧可移動平台

136‧‧‧軛

138‧‧‧激發線圈

140‧‧‧高磁導平板

142‧‧‧基座

150‧‧‧靜電吸盤

200‧‧‧物鏡

210‧‧‧軛

212‧‧‧中央極靴

220‧‧‧激發線圈

222‧‧‧激發線圈

230‧‧‧永久磁鐵

300‧‧‧俄歇電子偵測器

302‧‧‧磁場

306‧‧‧俄歇電子

310‧‧‧殼體

320‧‧‧電子偵測器

400‧‧‧掃描式電子顯微鏡

402‧‧‧電子束

410‧‧‧電子源

412‧‧‧陽極

414‧‧‧可選擇孔徑平板

420‧‧‧聚光鏡

422‧‧‧束流控制平板

430‧‧‧掃描組

432‧‧‧第一偏轉器

434‧‧‧第二邊轉器

436‧‧‧變軸偏轉器

440‧‧‧二次電子偵測器

442‧‧‧背散射電子偵測器

450‧‧‧物鏡

452‧‧‧減速電極

454‧‧‧Z方向磁場

456‧‧‧Z方向磁場

460‧‧‧維恩過濾器

462‧‧‧維恩過濾器

470‧‧‧加速器

472‧‧‧加速器

480‧‧‧鐵氧體

490‧‧‧移動透鏡

500‧‧‧線圖案

510‧‧‧缺陷

512‧‧‧凸起部分

514‧‧‧粒子

516‧‧‧縮小

518‧‧‧粗糙

第一A圖與第一B圖顯示傳統的滑台結構示意圖。

第二A圖到第二F圖顯示傳統的滑台各部件的俯視結構示意圖。

第三A圖與第三B圖顯示本發明之滑台結構示意圖。

第四圖顯示一種磁浮滑台的滑軌結構示意圖。

第五A圖到第五E圖顯示本發明之滑台固部件的俯視結構示意圖。

第六A圖與第六B圖顯示本發明中滑台以及物鏡安裝在滑台底下剖面結構示意圖。

第七A圖到第七E圖顯示本發明之物鏡在各種不同實施例之結構示意圖。

第八圖顯示一種物鏡位於滑台底下之一種實施例之結構示意圖。

第九圖顯示本發明之俄歇電子偵測器之結構示意圖。

第十A圖到第十C圖顯示本發明中掃描電子顯微鏡不同電子元件之間的搭配的各種實施例之結構示意圖。

第十一圖顯示本發明中掃描電子顯微鏡之一種實施例之結構示意圖。

第十二圖顯示本發明中掃描電子顯微鏡之另一種實施例之結構示意圖。

第十三圖顯示本發明之掃描電子顯微鏡在變軸之後之電子光學示意圖。

第十四A圖到第十四C圖顯示本發明之掃描式電子顯微鏡搭配雙物鏡之各種實施例之結構示意圖。

第十五圖顯示本發明之偵測系統的結構示意圖。

第十六A圖與第十六B圖顯示本發明的掃描式電子顯微鏡搭配傳統物鏡之不同實施例之結構示意圖。

第十七A圖到第十七C圖顯示本發明之掃描式電子顯微鏡在目前缺陷檢測的可能應用。

如本文所用，術語“晶片”通常是指由半導體或非半導體材料形成的基板。這種半導體或非半導體材料的例子包括但不限於單晶矽，碳化矽，砷化鎵和磷化銦。這樣的底材通常可以在半導體製造設備中發現和/或處理。

可以在晶片上形成一層或多層。這種層的許多不同類型在本領域中是已知的，並且本文所用的術語晶片旨在涵蓋可以在其上形成所有類型的此類層的晶片。可以對在晶片上形成的一層或多層進行構圖。例如，晶片可以包括多個晶方，每個晶方具有可重複的圖案化特徵。這樣的材料層的形成和處理可以最終導致完整的半導體元件。這樣，晶片可包括未在其上形成完整半導體元件的所有層的底材或在其上已形成完整半導體元件的所有層的底材。

晶片可以進一步包括積體電路(IC)，薄膜頭晶片，微機電系統(MEMS)裝置，平板顯示器，磁頭，磁和光存儲裝置的至少一部分介質，其他組件可能包括光子學和光電設備，例如雷射，波導以及在晶圓，列印頭上處理的其他被動元件以及在晶圓上處理的生物晶片設備。

帶電粒子是任何帶正電或帶負電的粒子。最常用的帶電粒子是帶負電的粒子，即電子。但是，其他帶電粒子如He核，He，Li，Na，K，Cs，Al，Ga，In，Ag，Be和Se離子，以及Ag，Al，As，Au，B，Be，Bi，Ce，Co，Cr，Cs，Cu，Dy，Er，Ga，Ge，Hg，In，K，Li，Mg，Mn，Na，Nb，Nd，Ni，P，Pb，Pd，Pr，Pt，Rb，Sb可以將Si，Sm，Sn，U，Y和Zn合金離子源應用於本發明。本發明雖然都使用電子束做為實施例，然而熟習這領域者皆知可應用到所有的可能的帶電粒子束。

在本發明中，術語“帶電粒子光學元件”涉及通過使用靜電透鏡或磁透鏡來使帶電粒子成形的光學元件。當帶電粒子的源是電子時，術語“電子光學”是指帶電粒子光學。

術語“靜電透鏡”是指通過使用靜電場來成形，准直或聚焦帶電粒子束。靜電場的產生是通過使用電極或電極。術語“磁透鏡”是指通過使用磁場使帶電粒子束成形，准直或聚焦。通過使用由激發磁線圈纏繞的高導磁材料來產生磁場。

在本發明中，准直一詞是指垂直或基本垂直地使入射到光罩和光阻層的帶電粒子束成形。

現在轉向附圖，注意的是附圖未按比例繪製。特別地，附圖中某些元素的比例被大大放大以強調元件的特徵。還應注意，附圖未按相同比例繪製。在一個以上的圖中顯示出的可以類似地配置的元件已經使用相同的附圖標記表示。

現在將參考示出了本發明的一些示例實施例的附圖來更全面地描述本發明的各種示例實施例。在不限製本發明的保護範圍的情況下，實施例的所有描述和附圖將示例性地稱為電子束。但是，這些實施方式不用於將本發明限制為特定的帶電粒子。

因此，儘管本發明的示例實施例能夠進行各種修改和替代形式，但是在附圖中通過示例示出了本發明的實施例，並且在此將對其進行詳細描述。然而，應當理解，無意將本發明的示例實施例限制為所公開的特定形式，而是相反，本發明的示例實施例將覆蓋落入本發明的範圍內的所有修改，等同形式和替代形式。

電磁透鏡與傳統的光學透鏡不同之處是電磁透鏡只是一種電場與磁場在空間中的分布，並非是實體存在的一種透鏡。如果可以透過另一種方式，讓磁透鏡的分布與傳統的浸沒式透鏡相同，但是實體的物鏡可以移開，這時候的工作距離就可以完全的釋放，這樣的就可以在原本實體物鏡的空間位置放置各種可能的偵測器。

本發明主要是將實體的物鏡放置在滑台的下方，並且將磁透鏡從下往上浸沒到樣品的表面。傳統的浸沒式磁透鏡是由上往下的方式讓磁透鏡浸沒在樣品，而本發明的磁透鏡是由下往上浸沒磁透鏡到樣品的表面。

傳統的滑台，如第一A圖所示，滑台20包含了x滑台21，y滑台24，以及z滑台27。x滑台21與y滑台24是在水平方向移動，而z滑台27是在垂直方向上移動。在z滑台27上方有一靜電吸盤50，而晶圓1就被靜電吸盤50吸附於其上。詳細的滑台結構如第一B圖所示，滑台20架構在一基座10之上，x滑台21包含了一個x方向的滑軌22，以及架在滑軌22上的x平台23。之後，y滑台24包含了一個架在x平台23上的y方向的滑軌25，以及架在y方向滑軌25的y平台26。在y滑台24上的是z滑台27，包含一個架在y平台26的壓電致動器28，以及在壓電致動器28上方的z平台29。最後，靜電吸盤50就架在z平台29上方。

有關傳統的滑台20的俯視圖可以參考第二圖。從第二A圖可以看到底座10以及在底座10上方的x方向滑軌22，另外剖面線12是表示第一B圖的剖面結構。請參閱第二B圖，在x滑軌22上安裝可在x方向移動的x平台23，同時在平台23上安裝y滑軌25。請參閱第二C圖，在y滑軌25上安裝可在y方向移動的y平台26，並且在y平台26的四個角落安裝壓電致動器28。請參閱第二D圖，在壓電致動器28的上方安裝可在z方向移動的z平台29。請參閱第二E圖，在z平台29上安裝靜電吸盤50。請參閱第二F圖，在晶圓1在靜電吸盤50上。在圖示中的靜電吸盤50是方形，然而也有許多的靜電吸盤50是圓形。

由於滑台有諸多的結構，如果只是將掃描式電子顯微鏡的物鏡置放於滑台下方，這一些結構所佔有的空間不容易讓物鏡的磁透鏡往上推到樣品的表面。因此本發明的方式是將滑台給挖空，讓掃描式電子顯微鏡的物鏡可以安裝在裡面，而挖空的方式在滑台的個平台會有一些差異。請參閱第三A圖，所有的基座110，x平台123，y平台126，以及z平台129都是分別挖空，而x滑軌122，y滑軌125，以及壓電致動器129則是維持跟傳統的方式相同。並且在z平台129上安裝靜電吸盤150。請參閱第三B圖，物鏡200安裝於靜電吸盤150的下方。

在第三圖所介紹的xy滑台的滑軌，主要還是使用線性馬達，而這也是目前在半導體設備當中最常見的。然而電子顯微鏡是在真空的環境下運作，線性馬達還是需要潤滑油才能運作，而在真空環境下的潤滑油會逐漸的耗損。並且線性馬達之間動子與定子之間的頓震(cogging)，影像的解析度愈高，對於掃描式電子顯微鏡來說影響也就愈大。一種解決的方式，是採用磁浮式滑台。

請參閱第四圖，係顯示磁浮式滑台130的滑軌132的主要結構，其中滑軌132包含了軛136，激發線圈138，以及高磁導平台140。基座142旁會有一個固接的高磁導平台140，而可移動的平台134會與軛136固接，並且在軛136上有纏繞激發線圈138。當激發線圈138沒有通電時，可移動的平台134就直接躺在基座142上。當激發線圈138有電流通過時，會產生磁力線，而磁力線會透過軛136釋放到高磁導平台138上，從而將可移動平台134抬起，這就是所謂的磁浮。當可移動平台134被抬起之後，透過對激發線圈138控制電流讓可移動平台134沿著滑軌的方向移動。由於可移動平台134是懸浮，與基座142或是任何的構件之間無接觸，也就是完全沒有摩擦力以及線性馬達的頓震，對於掃描式電子顯微鏡來說會有更好的精密度。另外，磁浮滑台本身因為磁力線將可移動平台134推起，本身就可以在z方向調整高度，因此不需要額外的z滑台。相較於傳統使用線性馬達的xy滑台，是一定要搭配一個透過壓電致動器的z滑台。在本發明當中的磁浮滑台的機構可以比較簡單。另外，由於磁力線都在軛136與高磁導平台140之間，會漏出來的磁場小於地磁，因此對於掃描式電子顯微鏡的電子束不會造成任何的影響。相較於傳統的線性馬達使用的定子與動子，磁力線都是開放的，因此還需要一塊鐵板將磁力線給包覆起來避免影響到掃描式電子顯微鏡的電子束的運作。一種傳統的磁浮滑台可參閱美國專利5732636。

採用磁浮方式的滑台的俯視圖，請參閱第五圖。請參閱第五A圖，具有開口的基座110，以及在開口裡面有一物鏡200，其中剖面線102的結構會如之後的第六圖所示。請參閱第五B圖，在基座110上安裝x滑軌122，並且在x滑軌上安裝可在x方向移動的x平台123，其中x滑軌是磁浮式而x平台123具有開口讓物鏡200可以位於其中。由於物鏡200是固定的，只要x平台123的移動不會卡到物鏡200即可。請參閱第五C圖，在x平台123上安裝y滑軌125，以及在y滑軌上安裝可在y方向移動的y平台126。由於考量到物鏡200是往晶圓突出的，一種方式是將y平台126切割成兩半，這樣y平台126就不會跟物鏡200卡到。另一種方式就是y平台126的厚度必須要極薄，並且位置也要高於物鏡200。請參閱第五D圖，將靜電吸盤150安裝在y平台126上。由於靜電吸盤150的位置高於物鏡200，這個時候就不需要擔心靜電吸盤150是否會卡到物鏡200。請參閱第五E圖，將晶圓1安裝在靜電吸盤150上，進行缺陷的檢測。

請參閱第六A圖，是沿著第五圖的剖面線102的結構示意圖，其中基座110具有開口用以容納物鏡200。在本圖當中，不應該出現y滑軌125與y平台126，這會造成靜電吸盤150懸浮在上面。為了顯示滑台的整體結構，仍然畫上y滑軌125與y平台126用以表明滑台的整體結構。由於不需要獨立的z滑台，機構也較為簡單。請參閱第六B圖，其中物鏡200放置在滑台下面。沿著第五圖當中的剖面線102應該是不存在y滑軌125與y平台126，所以並不會存在物鏡200與y滑軌125之間會卡住的問題。

當滑台的結構改良之後，物鏡雖然可以採用傳統的方式，但是在本發明中也可以改善以提供更好的會聚能力。首先，傳統的物鏡，如果需要提供較大的會聚能力，一種方式是提供較大的電流。但是，纏繞的線圈會對這較大的電提供更高的阻抗，也就是運作時間久了以後物鏡就會比較熱。而軛就會因為熱而產生形變，磁場的分布也會跟著改變。這會造成會聚能力出問題使得影像會產生不必要的像差。另一種方式就是提供更多的線圈，這會讓物鏡的體積增加。物鏡的體積增加，接受訊號電子的偵測器可以安裝的空間就會被壓縮。如果可以將物鏡放在滑台的底下，則這個時候物鏡的體積就不會產生上述的不利的影響。因此，可以提供更多的線圈以提供物鏡更多的磁場。另外，在半導體的設備當中，物鏡都是吊掛在設備的殼體上，也容易產生一些晃動等不利的因素，同時在進行維修的時候需要特殊的設備來吊掛沉重的物鏡。而在本發明中，重量相當大的物鏡可以安裝於底座上，除了可以避免可能的晃動的問題，在於設備的維修上也有比較有利的地方，特別是只需要維修滑台的時候。

另外，傳統的物鏡是由軸對稱的高磁導物質的軛，以及內部纏繞的線圈所組成。在軛中心軸的地方會有一個柱狀的開孔讓電子束通過。如果將物鏡放在滑台底下，這個柱狀的開孔就不再需要。因此，中央的極靴就可以提供一個類似磁單極的發射方式對電子束進行會聚能力，並且是對電子束提供軸向的磁力線。相較於傳統的物鏡，在電子束的位置是不可能提供軸向的磁力線。這種方式提供的會聚能力會遠超過傳統的物鏡的會聚能力。

本發明的物鏡200，請參閱第七A圖。物鏡200包含軛210以及一激發線圈220。在軛210的中央有一中央極靴212。中央極靴212，在本發明中可以不像是傳統的內極靴需要一個圓柱狀的穿孔讓電子束可以通過，完全不需要有這個柱狀的穿孔，因此在中央極靴212的頂端，可以做到類似磁單極的磁力線的發射方式，也就是可以有磁力線正對著電子束發射出去。這樣的設計，可以讓在光軸上的電子束一直被強力的磁力線會聚。相較於傳統的上置式的物鏡，是不可能提供沿著光軸的電子束提供磁力線。而本發明的物鏡200可以有不同的設計方式。請參閱第七B圖，中央極靴212可以設計得比較凸起，讓接近磁單極的發射形式更為明顯。另外，請參閱第七C圖，可以在軛210上可以安裝永久磁鐵230，提供固定額外的磁力，這樣可以讓激發線圈提供的磁力少一些。請參閱第七D圖，永久磁鐵230可以安裝在中央極靴212的下面。另外，如果需要更多的磁激力，可以設計兩個激發線圈220與222，提供更強大的磁場，如第七E圖所示。由於物鏡200是安裝在滑台100的底下，製做大一些的物鏡，並不會對樣品上方的空間造成任何的影響。相較於傳統的電子顯微鏡，物鏡的尺寸做太大，會有其他的問題產生。

請參閱第八圖，是將第七E圖的磁透鏡放置在滑台底下的示意圖。如果磁透鏡需要提供更大的磁場，會有不只一組的線圈。底下的線圈可以比較多一些，因此也會佔有比較多的體積。而磁透鏡的上層，線圈可以比較小，而小一點的體積可以讓滑台當中的平台的開口稍微降低一些。有開口的平台，應力會比較差，因此怎樣縮小開口，對平台來說是很重要的。

第九圖，是本發明的一種俄歇(Auger)電子偵測器300。俄歇電子偵測器，主要透過要觀察俄歇電子的譜線，用來偵測樣品的材料。目前應用在缺陷檢測的的掃描式電子顯微鏡，幾乎都只能提供二次電子的偵測，也因此只有提供表面的拓樸形狀的影像資訊。想要知道材料的特性，一種方式是提供背散射電子的影像資訊。但是，背散射電子的影像資訊主要是提供樣品內材料之間的原子序的重量大小，而無法提供精確的材料的資訊。俄歇電子，透過譜線的比對，可以精確的提供材料是屬於哪一種。請參閱第九圖，在殼體310內部提供一電流I，使得在殼體310內提供一磁場302。當大角度的俄歇電子306進入到殼體310後，會被磁場302偏轉並且軌道呈現曲線。曲線的半徑取決於磁場302的強度與俄歇電子306的速度。因此在殼體310內的不同的位置安裝偵測器320，就可以偵測到不同能量的俄歇電子。針對不同能量的俄歇電子繪出譜線，透過譜線的分析與比對就可以判斷可能的材料為何。

第十圖介紹將改良過的物鏡應用到掃描式電子顯微鏡。請參閱第十A圖，是本發明提供的一種掃描式電子顯微鏡系統400示意圖。電子源410本身為陰極，提供電子束。陽極412提供電場讓電子束離開電子源 410。在本發明中，可以使用傳統的熱離子源或是冷場發射源，比較適用的電子源是蕭特基的電子源，也就是在鎢絲上焊接一個鎢針尖，並且用二氧化鋯塗布在鎢針尖上。對鎢絲提供了電流並且加熱時，陽極412同時提供足夠的電場把電子從鎢針尖抽出來。二氧化鋯可以降低鎢的工作函數，讓電子被抽出鎢針尖的能量可以降低。蕭特基發射源同時具有熱離子源與冷場發射的優點，同時排除這兩個的缺點，所以成為現在的掃描式電子顯微鏡的主流。

在陽極412底下有個可選擇孔徑的平板414，用以降低之後的庫倫排斥力。可選擇孔進徑的平板414上面具有許多不同尺寸的孔徑，可以讓不同流量的束流通過。當使用大束流的時候，這個可選擇孔徑的平板414也會使用大孔徑，這對大束流的時候是正常的。但是當需要小束流的時候，如果可以在源頭就可以減低電子的束流，可以降低過多電子所產生的庫倫斥力所造成的像差。

在可選擇孔徑的平板414底下，有一個聚光鏡420用以將電子束會聚。在本發明中，聚光鏡420是磁透鏡，然而也是可以使用靜電透鏡，或是使用電磁複合透鏡。一般使用磁透鏡會有比較好的效果，然而使用電磁複合透鏡會有最好的匯聚效果。對於大束流來說，聚光鏡420不會對電子束形成一交點(crossover)，因為有交點會產生很大的庫倫斥力。因此，聚光鏡往往只會匯聚電子束。在聚光鏡420的底下有一個電流調整板440，用以決定電子束的束流。電流調整板440的結構類似上面的可選擇孔徑的平板414，也是一個平板上有許多的孔徑。在掃描式電子顯微鏡的領域，電子束的束流是在這個地方調整的。

之後成對的掃描器430將電子束在樣品的表面上掃描。掃描器430基本上就是偏轉器，主要就是將電子束偏轉。如果使用單一的偏轉器並且位置不與磁透鏡重疊，容易產生偏軸像差。然而在本發明中磁透鏡是位於樣品的表面，所以不可能只提供一個偏轉器做為掃描器。因此，為了彌補這個偏軸像差，本發明都會設計成對的偏轉器做為掃描器。

在掃描器430的底下有一減速電極452用以將電子束的能量降低。電子束在離開陽極之後會具有較高的能量，尤其是大束流的電子束更需要很高的能量來降低庫倫斥力。減速電極452可以讓電子束先行降低能量然後才讓電子著陸在樣品或是晶圓1的表面。目前應用在半導體缺陷檢測上，都會使用所謂的低電位掃描式電子顯微鏡，而所謂的低電位是指電子束的著陸能量小於一千五百電子伏。之前為了降低大束流電子束的庫倫斥力而增加的電子束的能量，會在讓晶圓1與電子源之間的電位差小於一千五百伏。相較於電子束離開電子源的時候往往是攜帶有一萬多伏特的電位，之間的差異是很大的。當電子源，舉例來說，提供了負一萬五千伏的電位讓電子可以離開電子槍的槍尖，這時候的晶圓1就要提供負至少一萬三千五百多伏的電位。然而，如果沒有減速電極452，提供負高偏壓在晶圓1往往會跟晶圓表面的元件發生電弧放電而破壞晶圓。在本實施例中，就是背散射電子偵測器442會因電弧放電而被破壞。因此，減速電極452同時提供了保護晶圓的重要的功能。

在本發明中，物鏡200位於晶圓1以及靜電吸盤150的下方。為了將物鏡200提供的磁場向上推到晶圓1的表面，位於減速電極452的底下有一個鐵氧體480可以將磁場向上提升，也就是物鏡提供的磁力線會銜接到鐵氧體480，這樣磁透鏡可以更接近晶圓1的表面。鐵氧體是一種陶瓷材料，以氧化鐵為主要成份，且大部份的鐵氧體是磁性材料。在本實施例中，鐵氧體480直接形成在減速電極452的底下。

當晶圓1被電子束打擊後，會產生不同的訊號電子，其中背散射電子的能量比較高，但是數量很少，所以通常背散射電子偵測器442會位於晶圓1的表面附近。在本發明中，背散射電子442位於減速電極452與掃描器430之間。而二次電子，雖然能量比較低，但是數量比較多，所以二次電子偵測器440可以放在比較高的位置。在本發明中，二次電子偵測器440位於電流調整板440與掃描器430之間。在本發明中，不管是背散射電子偵測器442或是二次電子偵測器440，都可以是傳統的埃弗哈特-索恩利偵測器(Everhart-Thornley)，光電倍增管(PMT；Photomultiplier Tube)偵測器，或是半導體二極體偵測器(Semiconductor Diode Detector)。由於晶圓1的表面已經沒有巨大的物鏡來佔用空間，這裡的空間可以完全釋放給各種偵測器來使用。另外，也可以使用X光偵測器用來探測晶圓1表面的材料。

在本發明當中，對於大角度發射的俄歇電子，可以用俄歇電子偵測器300來收集。由於俄歇電子偵測器300需要使用磁場來分析不同能量的俄歇電子，所以體積相較於其他的訊號電子偵測器都比較巨大。因此，在本發明中比較適合的方式是只偵測大角度發射的俄歇電子。由於在本發明中提供了較大的束流，因此訊號電子的強度也可以提升，有助於可能的訊號接收與分析。

收集到的二次電子影像，背散射電子影像，以及俄歇電子的譜線，整合起來之後可以提供更豐富的影像分析。例如，傳統的二次電子的影像，只有灰階值來表示晶圓表面的圖案與可能的拓樸形象(topography)。但是，首先透過背散射電子影像，可以先區別不同的材料，並且可以對不同的材料上色。在這裡，顏色是不具有任何的意義，因為掃描式電子顯微鏡看到的物體尺寸都遠小於可見光的波長。但是透過不同的材料對於不同顏色的灰階值，對於可能的圖案的缺陷，可以有更多的資訊可以分析。另外，在圖案的邊界，往往會釋放較多的二次電子，所以圖案的邊界會特別的亮。這對圖案邊界的分析不是一件的好事情。如果有材料的資訊一起進來，對於圖案的邊界可以很清楚的定義。

另外，俄歇電子偵測器300的外殼一般是接地的，而減速電極452與晶圓1的電位都不相同，三著之間可以構成一個靜電透鏡。與物鏡200的磁透鏡可以組合成一個電磁複合透鏡，來修補物鏡200所產生的像差。如果，沒有俄歇電子偵測器，在減速電極452的上方往往會有其他接地的電子光學元件，可以提供接地的電位。在第十A圖中，背散射電子偵測器442就可以提供這個功能。

除了第十A圖的實施例以外，本發明提供了其他的實施例，因為上訴的電子光學的元件之間的搭配可以調整，以及可以有其他的電子光學的元件，可以降低像差以提升影像的解析度。請參閱第十B圖，背散射電子偵測器442位於減速電極452的底下，主要的目的也是盡可能的接近晶圓1，盡可能地蒐集大部分的背散射電子。可以這樣做是因為晶圓1上方少了巨大的物靜，因此晶圓1上方的電子光學的元件可以較密集的排在一起，電子的行程也比較低。如果不需要提供特別高的能量給電子束，晶圓1也跟著不需要提供較大的電位，則這個時候就有機會將背散射電子偵測器442放在晶圓1的表面。另外，如果採用其他的偵測器，不需要擔心被高壓的晶圓1的放電，則被散射電子偵測器442是可以安裝在晶圓1的表面。

請參閱第十C圖，這個是本發明的電子光學的示意圖，基本上與傳統的浸沒式的掃描式電子顯微鏡類似。電子源410提供的電子束，透過聚光鏡420會聚電子束。掃描器430用以掃描電子束。磁透鏡200位於晶圓1的表面用以會聚電子束。

請參閱第十一圖，在聚光鏡420內安裝加速管(booster)470，讓電子束進入到聚光鏡420的時候可以被加速前進，用以降低庫倫斥力造成的像差。加速管470是一種導電的管子，並且在導電管的兩端施加不同的電位，讓電子進入導電管之後會被加速。這是一種降低庫倫斥力的一種方式，同時電子源的電子槍也不需要提供很大的電位差將電子抽離電子源。二次電子偵測器440與背散射電子偵測器442都位於減速電極452下方。而位於二次電子測器440底下的是成對的掃描器430的第一組，而背散射電子偵測器442底下的是成對的掃描器430的第二組。這個時實施利是考慮到盡可能的讓所有的訊號電子偵測器接近晶圓1。在這個實施例，背散射電子偵測器442較佳的會是用半導體二極體偵測器，因為有較低的厚度。而掃描器430接近晶圓1的表面，產生的偏軸像差也比較小。

請參閱第十二圖，另一個加速器472安裝在電流調整板422與減速電極452之間，提供電子第二階段的加速功能。位於二次電子測器442底下的是Wien過濾器462，以及位於背散射電子偵測器442底下的Wien過濾器460。Wien過濾器460與462，可以提供能量的過濾，可以讓比較多的背散射電子進入到背散射電子偵測器442，以及讓較多的二次電子進入到二次電子偵測器440。Wien過濾器是同時提供電場與磁場的一種電子裝置，並且讓磁場與電場對電子束在某一方向不產生任何的偏轉，但是在返回來的方向會產生偏轉，偏轉的方向與強度受到電場與磁場強度決定，這個就是Wien過濾器的Wien條件。由於二次電子的能量比較低，因此Wien過濾器462的偏轉效果不需要太大就可以偏轉二次電子，並且讓大部分的二次電子進入到二次電子偵測器440。而背散射電子的能量較高，偏轉的效果不明顯，因此可以繼續的往上前進。這時候的Wein過濾器460提供較大的偏轉條件，讓大部分的背散射電子得以進入到背散射電子偵測器442。另外，透過電場與磁場的疊加原理，Wien過濾器460與462同時可以提供掃描器的功能。

在這個實施例當中，物鏡200有一個變軸偏轉器436，用以將物鏡200的光軸偏離電子束。可能的變軸光學可以有移動式物鏡透鏡(MOL；Moving Objective Lens)以及搖擺物鏡(SOL；Swing Objective Lens)。變軸電子光學的最大的好處是可以提供較大的視野(FOV；Field of View)。這是因為掃描的視野太小會造成滑台一直的移動，而滑台的移動是相當的耗時。如果可以透過電子光學直接讓物鏡可以直接變軸而有較大的視野，這樣掃描的速度就可以比較快。由於物鏡的光軸已經偏離，這個時候需要其他的偏轉器將電子束的光軸跟著一起偏向或是轉向。在第十二圖當中，係採用移動式物鏡透鏡，這時候的電子束就需要兩個偏轉器432與434，並且這兩個偏轉器432與434的位置也會比較接近聚光鏡420。由於使用了第二組的加速管472，這兩個偏轉器432與434都必須要使用磁偏轉器。

請參閱第十三圖，係顯示第十二圖的電子光學示意圖。在圖示當中的變軸光學是屬於移動物鏡透鏡490，可以看見的是移動物鏡透鏡 490的中心已經偏離了原本電子源410的光軸。這時候需要兩個偏轉器432與434，先行將電子束偏轉並且對準移動式物鏡透鏡490的光軸。原本的掃描器430繼續提供掃描的功能。

本發明亦可以應用在有傳統物鏡的電子顯微鏡。請參閱第十四A圖，物鏡200具有一個變軸偏轉器436，將物鏡200的磁透鏡變軸成搖擺物鏡(SOL)。而在晶圓1上方同時提供另一個傳統的搖擺物鏡450，同時具有一個變軸偏轉器438，用以將物鏡450的磁場變軸成為另一個搖擺物鏡透鏡。而在掃描器430之前提供一偏轉器432用以配合變軸物鏡450的光軸。在這個實施例當中，兩個物鏡200與450的極靴分別是讓外面的極靴有相同的磁極，而靠近電子束或是光軸的極靴有相同的磁極。另外，這個實施例有兩個物鏡，可以提供更大以及更強的匯聚能力，即使物鏡450提供的會聚能力不足也可以由物鏡200的會聚能力彌補，因此物鏡450的位置可以往電子源410靠近而拉大工作距離。背散射電子偵測器442放置就可以在接近晶圓1的表面，或是放在減速電極452的上方。另外，在本實施例中的會聚透鏡420為靜電透鏡。

請參閱第十四B圖，物鏡450與物鏡200的磁場可以是反對稱，這樣在晶圓的表面上光軸會有一處的磁場為零。搭配電透鏡之後，可以降低像差。電子光學的示意圖請參閱第十四C圖，當物鏡450提供的會聚能力會讓電子束402會聚，但是之後會有磁場為零的位置，這時候的電子束402會擴大。之後在遇到物鏡200後會在表面急速的聚焦成為一個點。這個對於大束流的電子束來說，搭配的靜電透鏡可以提供好的影像解析度，讓像差降低。反對稱的磁場，只會對電子束的旋進方向改變，但是不改變電子束的聚焦行為。

請參閱第十五圖，係顯示有關二次電子偵測器440與背散射電子偵測器442與兩個Wien過濾器460與462之間的搭配。在這個實施例中，最底下的是減速電極452以及減速電極452底下的鐵氧體480。在一般的掃描式電子顯微鏡當中，是透過能量過濾器來區分二次電子與背散射電子。在本發明當中，最簡單的方式，是採用Wien過濾器做為能量過濾器。Wien過濾器可以將訊號電子偏轉，主要是因為Wien條件。當Wien過濾器提供的電場與磁場，對某一方向的帶電粒子或是電子束產生的電力與磁力調整為零，則在這個方向的帶電粒子或是電子束就不會產生任何的偏轉。但是，在返回程的方向，不管是帶電粒子或是電子，電場產生的電力仍然是相同的，可是磁場產生的磁力，根據羅倫茲力，這個時候帶電粒子或是電子束受到的磁力方向會跟電力同方向，因而回程的帶電粒子或是電子束就會被偏轉。所以，應用在本發明當中，對於主要電子束來說，Wien過濾器不產生任何的影響，但是會對回程的訊號電子，不管是二次電子或是背散射電子都會偏轉。偏轉的大小取決於Wien過濾器提供的電場強度與磁場強度。在圖示中，二次電子的能量較低，只要有輕微的偏轉就可以讓大部分的二次電子偏轉。所以Wien過濾器462的偏轉能力較低，只要足以讓大部分的二次電子偏轉到二次電子偵測器440即可，並且讓大部分高能量的背散射電子繼續向上前進。而沒有背偏轉的背散射電子，會被另一個Wien過濾器460偏轉至背散射電子偵測器442，而這個Wien過濾器的偏轉能力會比較強。由於電場與磁場都有所位的疊加原理，使用兩個Wien過濾器的時候，可以同時提供掃描器的功能。

請參閱第十六A圖，可以加裝一加速管472於物鏡450，並且對物鏡450提供一變軸偏轉器438於軛的開口附近。另外，底下的物鏡200也有一個變軸偏轉器436。由於兩個物鏡200與450都是變軸物鏡，所以需要另一個偏轉器將電子束的光軸提前偏轉。由於使用的加速管472，變軸偏轉器438與偏轉器432都只能使用磁偏轉器。

請參閱第十六B圖，所有的偵測器都位於物鏡450的上方，並且因為沒有加速管，偏轉器430跟變軸偏轉器438都可以使用電偏轉器。由於訊號電子在進入所有的偵測器之前，都會經過物鏡450，會被物鏡450的磁透鏡給偏折。

透過本發明的掃描式電子顯微鏡，在半導體製程當中缺陷的檢測有更進一步的優勢與特色。請參閱第十七A圖，這是一般的二次電子偵測器所提供的影像。在圖示中，有三條線的圖案500，中間的圖案有個缺陷510。在目前的金屬氧化物半導體場效電晶體的製程，大部分線的圖案500可以是閘極，鰭，或是上層的內連接線。這個缺陷往往是透過比對，不管是晶方對晶方或是陣列對陣列的比對，總之缺陷510就是其他的線圖案500所沒有的。然而這個缺陷510並不清楚是哪一種缺陷，在之後的缺陷分類上就不能有所區別，也就不能進一步的去分析出原因。在第十七B圖當中，如果缺陷512的材料是跟圖案500相同，這個缺陷的來源就可以比較確定，可能是在微影的製程就發生，並且很可能是系統性的缺陷。如過缺陷514的材料與圖案500不相同，很可能是屬於外來的粒子或是汙染，很可能是隨機的缺陷。如果沒有材料可以區分，這兩個的缺陷只是看圖案在缺陷檢測的時候是無法區分類別，這時候就要將晶圓送到複檢式掃描電子顯微鏡去仔細的分析。然而，將晶圓在不同的掃描式電子顯微鏡之間的傳送，會有經過大氣與真空環境之間的轉換，會是非常的費時。以及，在不同的基台之間，滑台的定位精度也是不同的，並且需要對滑台之間的精度逕行校正。這更加增加了缺陷檢測的時間。所以，如果在缺陷檢測的當下，同時得知材料的資訊，對於而這個對於半導體的良率控管可以大幅的降低時間，而這是很重要的。

請參閱第十七C圖，這是另外的一種缺陷檢測。圖案516的線條比較窄，這種缺陷在二次電子的圖案比較不容易觀察出來。特別是在邊界的區域，二次電子的訊號會有特別亮的地方，除非線條圖案變得特別的窄，才可以找出這類的缺陷。另外，進入到極紫外光微影的世代，線條的邊緣往往是粗糙518的，但是目前也沒有適當的工具可以量測這種粗糙程度。如果在進行缺陷檢測的時候，同時可以有材料的資訊，就可以看的清楚圖案本身的形狀。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。