TWI435362B

TWI435362B - 帶電粒子裝置

Info

Publication number: TWI435362B
Application number: TW100130056A
Authority: TW
Inventors: Weiming Ren
Original assignee: Hermes Microvision Inc
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2011-08-23
Publication date: 2014-04-21
Also published as: TW201209877A; US8319192B2; US20120049064A1

Description

帶電粒子裝置

本發明是有關於一種帶電粒子裝置，特別是一種用於帶電粒子裝置之浸沒電磁複合物鏡。

在半導體生產製程中，圖樣缺陷可發生於光罩或晶圓上，圖樣缺陷可大幅減少良率。缺陷檢查(defect in-spection)與缺陷複查(defect review)被廣泛用於生產管理。判斷其效能時，高空間解析度、高產能以及樣本上的低放射性損傷是主要決定因素。對於具有高空間解析度之缺陷檢測與缺陷複查系統而言，具有場發射源(FES)之低電壓掃描式電子顯微鏡(LVSEM)一直是核心技術，因為低電壓掃描式電子顯微鏡(LVSEM)具有高空間解析度與樣本上的低放射性損傷。

不同於傳統掃描式電子顯微鏡(SEM)，在低電壓掃描式電子顯微鏡(LVSEM)中，樣本表面藉由聚焦之低能量(<5keV)電子束進行掃描，該電子束通常稱為探針(probe)。低能量電子輻射限制探針與樣本之交互作用至樣本表面下的非常小的體積。此特徵可減少樣本上的輻射傷害，例如，在晶圓光阻層之圖樣收縮以及在同一時間，激發之二次電子(secondary electron)之出口區域。二次電子(secondary electron)之出口區域大於入射探針尺寸，因為有些二次電子(secondary elec-tron)是在距離入射位置一些距離的位置，被散射之主要電子激發。因此，導致低電壓掃描式電子顯微鏡(LVSEM )之最大空間解析度幾乎全由探針光斑尺寸(probe spot size)所決定。

在掃描式電子顯微鏡(SEM)中，樣本表面上探針光斑直徑(probe spot diameter)D是由來源幾何圖像之直徑D_i、球面像差圓平面直徑(spherical aberration disc diameter)D_s、色差圓平面直徑(chromatic aberration disc diameter)D_c、繞射圓平面直徑(diffraction disc diameter)D_d以及Coulomb效應圓平面直徑(Coulomb effect disc diameter)D_e所決定。其關係可以簡化為下列公式：每一圓平面的直徑定義為：D _i=M．D ₀ (1.2)

在此，C_SA與C_CA是球面與色像差係數(spherical and chromatic aberration coefficients)，大多來自磁力物鏡。V₀與dV是電子能量與能量差。α是光束半角(beam half angle)。所有從屬定義在位於樣本表面之成像平面。M是成像系統之放大率(magnification)，D₀是場發射源之虛擬源直徑。λ是de Broglie波長(de Broglie wavelength)。V對應由來源至成像平面之電子能量。

顯然，在低能量V時，色像差圓平面、繞射圓平面以及Coulomb效應變大。減少繞射圓平面的唯一方法是使用更大的半角，然而，此時也會增加色差和球面像差圓平面。如果沒有Coulomb相互作用，藉由適當選擇半角與放大率，最小探針光斑尺寸是該等圓平面(1.2)~(1.5)之最佳平衡。為進一步減少探針光斑尺寸，或者，在不增加探針光斑尺寸的狀況下，增加探針電流，必需降低像差係數(aberration coefficients)。

為盡量減少Coulomb作用，廣泛使用的方法是先將電子加速至很高的動能，然後，在撞擊樣本之前，將電子減速至所需的最終低衝擊能量，請參照R.F.W.Pease，標題為『低電壓掃描式電子顯微鏡』，IEEE第九屆電子、離子以及雷射光束技術研討會之記錄，Berkeley，1967年5月9-11日，176-187頁，整個揭露內容納入本發明之參考。電子能量之減速是由樣本前面之減速電場所實現。請參考第一圖，第一圖顯示低電壓掃描式電子顯微鏡(LVSEM)之傳統物鏡130，其中，激發線圈132提供通過磁軛(york)131之磁場，並且電位差位於電極133與樣本170之間，藉以提供減速電場，使得降落於樣本170之主要電子束減速。

減速電場可部分重疊或連接至磁力物鏡之磁場，取決於減速在磁力物鏡之內部開始，請參照美國專利Juergen Frosien et al.標題為『Electrostatic-magnetic Lens for Particle Beam Apparatus』(US 4,785,176，申請於1987/3/27)，相關內容作為本案之參考；或者減速在磁力物鏡之後部開始，請參照美國專利Eugen Weimer標題為『Particle Beam Apparat-us』(US 6,194,729，申請於1998/7/26)，相關內容作為本案之參考；請參照美國專利Dirk Preikszas et al.標題為『Objective lens for an Electron Microscopy System and Electron Microscopy System』(US 6,855,938，申請於2003/7/16)，相關內容作為本案之參考；請參照美國專利Igor Petrov標題為『Objective Lens Arrangement for Use in a Charged Particle Beam Column』(US 6,897,442，申請於2003/4/25)，相關內容作為本案之參考；請參照美國專利Igor Petrov et al.標題為『Charged Particle Beam Column and Method of its Oper-ation』(US 7,067,807，申請於2004/9/8)，相關內容作為本案之參考；請參照美國專利Eugen Weimer et al.標題為『Particle Beam Device』(US 6,498,345，申請於1999/6/23)，相關內容作為本案之參考；兩者實際上是一種電磁複合物鏡。由於減速電場之部分作用如同一負靜電透鏡(negative electro- static lens)，可以部分補償單純磁力物鏡之像差。因此，電子減速實際上提供了一種有效的方法，藉以減少像差係數(aberration coefficients)與Coulomb作用。

對於可以承受較強磁場之樣本，例如，晶圓或光罩檢查，將樣本浸沒於強磁場可以有效減少像差係數。具有朝向樣本之磁迴路間隙(magnetic circuit gap)之磁力物鏡可以提供強大的磁場沉浸至更大尺寸的樣本。然而，這樣的設計將需要一個更大的線圈激磁(線圈匝數與線圈電流之乘積)，因為只有位於樣本表面前方之部分磁場進行粒子束聚焦。較大的線圈激磁將導致熱傳導與冷卻問題，而要解決這個問題則會增加系統的複雜性與不穩定。其他出版品包含：美國專利No.4,785,176(Frosien et al.)；美國專利No.6,897,442(Petrov)；美國專利No.7,067,807(Petrov et al.)；美國專利No.6,194,729(Weimer)；美國專利No.6,855,938(Preikszas et al.)；美國專利6,498,345(Weimer et al.)；『低電壓掃描電子顯微鏡』(R.F.W.Pease，IEEE第九屆電子、離子以及雷射光束技術研討會之記錄，Berkeley，1967年5月9-11日，176-187頁，整個揭露內容納入本發明之參考。

因此，為同時在缺陷檢測與複查實現高空間解析度與高產能，可產生更小像差與低線圈激發操作之低電壓掃描式電子顯微鏡(LVSEM)物鏡是必要的。

本發明之目的是提供一種採用低電壓掃描式電子顯微鏡(LVSEM)技術之電子束裝置。在該裝置中，藉由特別安排電子減速(electron deceleration)、減速電場(retarding field)與磁力物鏡磁場之重疊，電磁複合物鏡具有較低像差與低線圈激發。因此，本發明可提供較高空間解析度與大於傳統之探針電流，可以有益於半導體良率管理之缺陷檢測與複查。

因此，本發明提供一種電磁複合物鏡，該電磁複合物鏡，包含：一磁場浸沒透鏡，該磁場浸沒透鏡包含一內部極靴(inner pole piece)與一外部極靴(outer pole piece)；以及一靜電浸沒透鏡，用以由樣本電性掃描磁場浸沒透鏡，並且提供一減速電場至主要帶電粒子束，其中，內部極靴(inner pole piece)與外部極靴(outer pole piece)形成一徑向磁迴路間隙(radial magnetic circuit gap)，該徑向磁迴路間隙(radial magnetic circuit gap)朝向樣本之檢查表面。

磁場浸沒透鏡包含一樣本台用以固定樣本，該樣本台以磁性物質製作，使得磁場大幅增強，並且磁場之峰值比具有徑向磁迴路間隙之傳統磁力物鏡更接近樣本之表面。內部極靴具有至樣本之一第一軸向距離，該第一軸向距離小於外部極靴至樣本之軸向距離，且內部極靴具有朝向主要帶電粒子束之一圓柱表面。

靜電浸沒透鏡包含一第一電極，該第一電極位於內部極靴之內部；一第二電極，該第二電極低於第一電極，且位於內部極靴之內部；一第三電極，該第三電極低於第二電極與磁場浸沒透鏡之內部極靴；以及一第四電極，該第四電極是樣本，且該第四電極低於第三電極。第一電極、第二電極以及第三電極是圓形電極。第一電極位於地電位，且第四電極位於一負電位。第二電極由主要帶電粒子束掃描內部極靴，且第二電極以一第一徑向距離由內部覆蓋內部極靴，且具有一第二軸向距離，該第二軸向距離小於或等於第一軸向距離。第二電極之電位高於第三電極之電位。第三電極由樣本掃描內部極靴，且第三電極具有一平面內部之部分，該平面內部之部分具有一內直徑等於或小於內部極靴之內徑，而且一圓錐形外部分嵌入徑向磁迴路間隙。第三電極之電位高於第四電極之電位，且第三電極與第四電極之間的電位差用以確保整個樣本之電場強度低於樣本之安全允許值。

第一電極具有一多極結構，並且作為一偏轉裝置(deflector)與/或一散光像差補償器(stigmator)使用。第二電極具有一多極結構，並且作為一偏轉裝置(deflector)與/或一散光像差補償器(stigmator)使用。第一電極與第二電極具有一多極結構，並且第一電極與第二電極之其中之一作為一偏轉裝置(deflector)使用，另一作為一散光像差補償器(stigmator)使用。

本發明也提供一低電壓掃描式電子顯微鏡，該低電壓掃描式電子顯微鏡包含一電子槍，用以提供一主要電子束；一鏡筒，用以在一樣品表面上，聚焦與掃描主要電子束；以及一偵測器，用以偵測二次電子束 (secondary electron beam)。其中，電子槍包含一陰極、一陽極、具有一電子槍孔徑(gun aperture)之一終端電極。其中，鏡筒包含一聚光鏡(condenser)，用以聚集主要電子束；一粒子束限制光圈(beam limit aperture)，用以限制主要電子束之電流；一電磁複合物鏡，用以聚焦主要電子束至樣本；二靜電偏轉裝置，用以在樣品表面上掃描主要電子束；以及一Wien過濾器(Wien filter)，用以偵測由樣本發射至偵測器之二次電子束(secondary electron beam)。其中，電磁複合物鏡包含一磁場浸沒透鏡，該磁場浸沒透鏡包含一內部極靴(inner pole piece)與一外部極靴(outer pole piece)；以及一靜電浸沒透鏡，用以由樣本電性掃描磁場浸沒透鏡，並且提供一減速電場至主要帶電粒子束，其中，內部極靴(inner pole piece)與外部極靴(outer pole piece)形成一徑向磁迴路間隙，該徑向磁迴路間隙朝向樣本之檢查表面。

低電壓掃描式電子顯微鏡之電位配置可以是陰極位於一固定電位，該固定電位約介於-12KV至4kV；終端電極位於地電位；陰極與陽極之間的電位差被用來產生具有所需高亮度之虛擬來源(virtue source)；聚光鏡(condenser)與磁場浸沒透鏡位於地電位；第一電極位於地電位；第二電極之電位高於第三電極之電位；第三電極之電位高於第四電極之電位；以及第四電極之電位高於陰極之電位0.2kV~2.5kV。

藉由後續描述與所附圖式展示範例與特定實施例，本發明之其他優點將可明顯呈現。

本發明之範例或實施例將參照所附圖式詳細描述。在圖式中，為了清楚顯示，每一組件的相對尺寸或組件之間的相對尺寸可能被放大。

本發明之實施例將在此詳細揭露。然而，在此揭露之具體結構與和功能細節僅用以描述本發明之實施例。本發明之實施例可以用很多替代形式實施，不應被理解為僅限於在此揭露之實施例。

因此，本發明之實施例可以用各種修改與很多替代形式實施，圖式顯示之實施例在此詳細揭露，然而，並未用以限制本發明之實施例至所揭露的特殊形式，相反地，本發明之實施例涵蓋所有本發明範圍內之修飾、等效改變以及替代形式。在圖式中，類似元件以類似數字進行標號。

本發明可以應用於任何帶電粒子裝置或帶電粒子束裝置之物鏡，並且可以應用於任何帶電粒子裝置或電子束裝置。下面的實施例將重點放在電子顯微鏡，但該實施例並非用以限定本發明至特定電子顯微鏡領域。

電子束裝置包含一電子源，該電子源通常稱為電子槍；一電子成像與掃描光學系統；一二次電子(secondary electron)收集裝置；以及一樣本台。

電子槍包含作為陰極之一場發射尖端(field emis-sion tip)；一陽極；以及具有電子槍孔徑(gun aper- ture)之一終端電極。陰極與終端電極分別固定在負電位Vc(例如-12KV~-4kV)與地電位。陽極電位Va高於陰極電位Vc。電位差Va-Vc用以產生具有所需高亮度之一虛擬來源，應用於後續電子成像與掃描光學系統(或稱為鏡筒)。電子由電子槍脫離，並且以遠高於樣本衝擊能量(0.2keV~2.5keV)之能量| e-Vc |通過後續之鏡筒。對於大部份以較大探針電流進行操作的狀況，例如，缺陷檢測，Vc需要設於一較大負電位，例如-8~-12KV，藉以獲得較高的電子能量，並且降低Coulomb作用。對於大部份以中等或較小探針電流進行操作的狀況，Vc可以設於一較小負電位，例如-4~-8KV。

電子成像與掃描光學系統主要包含一磁力或靜電聚光鏡、一電磁複合物鏡、一粒子束限制光圈(beam limit aperture)以及二靜電偏轉裝置。聚光鏡與粒子束限制光圈(beam limit aperture)用以控制樣本上的入射粒子束電流(或稱為探針電流)，並且最佳化探針光斑尺寸。電磁複合物鏡降低電子能量，並且將具有所需衝擊能量之電子束聚焦至樣本表面。二靜電偏轉裝置共同偏轉聚焦之電子束，藉以在樣本上掃描該電子束。樣本位於根據衝擊能量之特定負電位。除電子減速部分之外，鏡筒位於地電位，藉以避免鏡筒內的電擊穿問題(electrical breakdown problem)。

二次電子收集裝置包含一Wien過濾器與一偏軸探測器。Wien過濾器偏轉由鏡筒之光軸偏離之二次電子束，使得該二次電子束降落在偏軸探測器，而且對主要電子束幾乎沒有任何影響。為了獲得更高的信號增益，偏軸探測器可以設於遠高於樣本電位之電位，藉以增加二次電子之衝擊能量。在這種情況下，探測器必需藉由位於地電位之電遮蔽箱(electric screen box)覆蓋。

電磁複合物鏡包含一磁場浸沒透鏡與一靜電浸沒透鏡。在磁場浸沒透鏡中，內部極靴(inner pole piece)與外部極靴(outer pole piece)之間的磁迴路間隙朝向樣本表面，例如，磁迴路間隙可以是徑向間隙，該徑向間隙形成樣本之強大浸沒磁場。樣本之浸沒磁場越強，成像像差係數越低。如果樣本台由磁性物質製作，磁場在近軸區域(paraxial region)變得更強。因此，聚焦電子束所需之線圈激發將會降低，使得採用較小工作距離時，不需要冷卻磁力物鏡。

靜電浸沒透鏡具有一四電極配置，位於由磁力物鏡內孔之後面部分至樣本台之間的空間。由電子槍之一側至樣本之一側，第一電極位於磁力物鏡內孔之內部，並且位於鏡筒電位(即地電位)。第二個電極正好由內部插入內部極靴(inner pole piece)且具有一小徑向間隙。第三電極具有一平面內部分(flat inner part)，該平面內部分位於內部極靴(inner pole piece)與樣本之間，而且一圓錐狀外部分(conical outer part)嵌入磁場浸沒透鏡之內部極靴(inner pole piece)與外部極靴(outer pole piece)之間的磁迴路間隙。在樣本台之樣本作為第四電極。

靜電浸沒透鏡將產生一減速電場(retarding field) 。減速電場通常包含負靜電透鏡電場(negative elec-trostatic lens fields)與正靜電透鏡電場(positive electrostatic lens fields)。四個電極之電位配置的目的是盡可能獲得強大的負靜電透鏡電場(negative electrostatic lens fields)，並且盡可能抑制正靜電透鏡電場(positive electrostatic lens fields)，以及獲得在樣本上的所需電子衝擊能量(electron landing energy)。第三電極與第四電極之間的正電位差用以確保整個樣本之電場強度低於樣本之安全允許值。第二電極之電位調整，使得樣本表面前方之負靜電透鏡電場盡可能強大。眾所周知，負靜電透鏡電場(發散透鏡)產生負像差係數(negative aber-ration coefficient)，正靜電透鏡電場(匯聚透鏡)產生正像差係數(positive aberration coeffi-cient)。由於樣本表面前方存在強大負靜電透鏡電場，電磁複合物鏡之像差係數減少至單純磁力物鏡之10~20%。

下面將以圖示描述低電壓掃描式電子顯微鏡(LVSEM)與電磁複合物鏡之詳細結構。第二圖顯示根據本發明之一實施例之低電壓掃描式電子顯微鏡(LVSEM)200之結構。當固定負電位Vc與高於Vc之電位Va分別施加於場發射陰極212與陽極214時，電子或電子束202從陰極212射出。所射出之電子202在陰極212和陽極214之間的空間加速，然後，在陽極214與位於地電位的終端電極216之間的空間減速(在某些情況下，電子加速或保持速度 )。電子槍孔徑(gun aperture)217以較大極性角度切斷電子202，並且限制電子束202之電流至一特定值，該特定值略大於所需的最大探測電流。然後，具有固定能量| e-Vc |、固定亮度以及固定電流之電子束202將進入後續之成像與偏轉系統220。電子束202被稱為主要電子束或主要粒子束。

首先，電子束202通過聚光鏡(condenser lens)222與粒子束限制光圈(beam limit aperture)224。聚光鏡222稍微聚焦電子束202藉以控制電子束202的電流，在通過粒子束限制光圈(beam limit aperture)224之後達到所需的探針電流。然後，電子束202通過Wien過濾器262、第一靜電多極透鏡232與第二靜電多極透鏡，其中，第二靜電多極透鏡可以是第一電極252與第二電極254之其中之一。Wien過濾器262並非用以偏轉主要電子束202。兩個靜電多極透鏡分別作為一偏轉裝置(deflector)使用，且共同偏轉主要電子束202用以掃描具有負電位Vs之樣本270。

然後，偏轉之主要電子束202進入電磁複合物鏡230，其中，電磁複合物鏡230包含靜電浸沒透鏡250(252+254+256+270)與磁場浸沒透鏡240。靜電浸沒透鏡250使得主要電子束202減速(在某些情況下，先加速再減速)，使得主要電子束202以| e*(Vs-Vc)|之能量降落於樣本270。衝擊能量| e*(Vs-Vc)|可通過改變Vs進行調整。磁場浸沒透鏡240聚焦主要電子束202在樣本270之表面，形成一微小探針光斑(probe spot)。由於聚焦主要電子束202主要是由磁力物鏡240完成，探針光斑(probe spot)之像差大部分來自磁力物鏡240之球面像差與色差。

第三圖顯示電磁複合物鏡230之一實施例。為清楚解釋電磁複合物鏡230，第三圖之左半部僅顯示單純磁力物鏡240之結構，第三圖之右半部顯示電磁複合物鏡230之整體結構。磁力物鏡240包含一激發線圈242與一磁軛(york)244，磁力物鏡240具有一間隙(gap)G1，該間隙(gap)G1位於內部極靴(inner pole-piece)244-1與外部極靴(outer pole-piece)244-2之間，該間隙(gap)G1朝向樣本270。內部極靴244-1具有至樣本270之軸向距離G2，該軸向距離G2小於外部極靴244-2至樣本270之軸向距離。內部極靴(inner pole-piece)244-1與外部極靴(outer pole-piece)244-2均具有一突出結構，該突出結構具有朝向光軸之平面。樣本台280可用非磁性材料或磁性材料製成。第四圖顯示相同線圈激發於上述兩種情況之磁場軸向分佈。磁性樣本台280不僅大幅增強磁場，磁性樣本台280也使得磁場之峰值朝向樣本270之表面轉移。第一個作用是降低將電子束202聚焦於樣本270之表面所需之線圈激發，從而減少線圈242所產生的熱量。第二個作用是稍微增加樣本270之表面之磁場，從而降低像差係數至一定程度。

靜電浸沒透鏡250包含四個電極252、254、256以及270。電極252、254以及256是圓形電極，第四電極270是平面電極(例如樣本270)。第一電極252位於地電位，第一電極252位於磁力物鏡240之內孔(bore)231之較低區域。第二電極254位於電位V2，第二電極254以一微小徑向間隙G3由內部覆蓋內部極靴244-1，第二電極254至樣本270之軸向距離G6小於或等於G2。第三電極256位於電位V3，第三電極256位於內部極靴244-1與樣本270之間。第三電極256具有至內部極靴244-1之軸向間隙G4與至樣本270之軸向間隙G5。第三電極256具有一平面內部分，該平面內部分具有一內徑D2等於或小於內部極靴244-1之內徑D1，而且一圓錐狀外部分嵌入間隙G1。

第三電極256與外部極靴244-2之結構與形狀可以允許樣本270在空間以一角度傾斜，或者，可以允許用以測量樣本270之軸向位置之雷射光束斜向射入。如果這兩種情況是不需要的，那麼圓錐狀設計也是不需要的，外部極靴244-2與第三電極256可以是平面的。

藉由將磁場浸沒透鏡盡可能接近樣本270，第三圖所顯示之電磁複合物鏡230可實現較低的成像像差與較弱的Coulomb作用。

對於磁力物鏡240，眾所周知地，當焦距較小時，像差係數也較小。因此，在徑向間隙磁力物鏡240中，採用較小工作距離G2是有利的。然而，在低電壓掃描式電子顯微鏡(LVSEM)中，由於內部極靴244-1與樣本270之間存在電位差，工作距離G2不能獨立地減少。上述電位差在樣本270表面產生一電場，該電場必需低於安全允許值，藉以避免損壞樣本270。因此，上述電位差必需隨著工作距離G2之減少而降低。當為了實際原因，整個鏡筒220位於地電位時，減少上述電位差將使得通過鏡筒220之主要電子202之能量降低，結果造成Coulomb作用提高。

為了避免第三圖之矛盾狀況，電極254與電極256被用來由樣本270隔離內部極靴244-1。在這種情況下，樣本270上的電場與內部極靴244-1無關。外部極靴244-2幾乎不會影響像差，因此，外部極靴244-2可以位於樣本270距離稍遠的位置。由於在空間中，電擊穿門檻值(electrical breakdown threshold)約為5kV/mm(與真空度和電極表面粗糙度有關)，該電擊穿門檻值遠遠大於樣本270之允許限制值(晶圓約為1.5kV/mm，取決於樣本表面上的材料和圖樣)，工作距離G2可以減少到一定程度。除了朝向電極256的內孔之部分，整個樣本270之電場由電位差Vs-V3所決定。因此，V3將隨著Vs而改變。電位V2施加於電極254，用來調節樣本270朝向電極256的內孔之部分之電場，這在補償磁力物鏡之像差上，扮演相當重要重要的角色。

第五A圖至第五C圖顯示具有第三圖之電磁複合物鏡之第二圖之粒子束裝置，電位分佈與電子軌跡之示意圖。如第五A圖所示，電子槍210之陰極212位於-7kV，陽極214位於一正電位，-7kV+△Vac，而且終端電極216是位於地電位。電位差△Vac可使得離開終端電極之電子束具有所需的高亮度，並且形成鄰近陰極212之尖端表面之一虛擬源(virtual source)。從終端電極216至靜電浸沒透鏡250之第一電極252，鏡筒220位於地電位。因此，電子202通過鏡筒，並且以7keV之能量進入電磁複合物鏡230。樣本270設於-6.8~-4.5kV，藉以得到0.2keV~2.5keV之電子衝擊能量。適中的高電壓(<6.8kV)施加至樣本270，而且周圍的電極254與電極256不容易出現放電或損壞樣本270。在這種情況下，要得到衝擊能量範圍內之微小探針光斑(probe spot)，第二電極254之電位V2需在地電位附近的範圍內進行調整。

第五B圖顯示軸向分佈之電位Φ(z)、電場Φ’(z)以及Φ"(z)，Φ"(z)決定靜電透鏡之聚焦功率。負值之Φ"(z)意味著負透鏡250_NL1的出現。上述負靜電透鏡(negative electrostatic lens)所產生之負像差係數(negative aberration coefficients)補償由正磁力物鏡240所產生之正像差係數(positive aberration coefficients)，並且最終降低像差係數至單純磁力物鏡240之像差係數之10~20%。第五C圖顯示通過物鏡230與降落於樣本270之電子軌跡。與第二圖之單純磁力物鏡240之電子軌跡相比，具有明顯之發散偏差(divergent deviation)。

第六A圖至第六C圖顯示具有第三圖之電磁複合物鏡之第二圖之粒子束裝置，另一電位分佈與電子軌跡之示意圖。如第六A圖所示，陰極212之電位Vc提高至-4KV，樣本270之電位Vs設於-3.8kV~-1.5KV，藉以得到0.2keV~2.5keV之電子衝擊能量。與第五A圖相同，正電位差△Vac位於陰極212和陽極214之間，使得離開終端電極216之電子束202具有所需的高亮度，並且形成鄰近陰極212 之尖端表面之一虛擬源。從終端電極216至靜電浸沒透鏡250之第一電極252，鏡筒220位於地電位。電子202通過聚光鏡(condenser)222，並且以4keV之能量進入電磁複合物鏡230。因此，適用於大部分以微小探針電流(probe current)操作之狀況。要得到衝擊能量範圍內之微小探針光斑(probe spot)，第二電極254之電位V2需在3kV附近的正電位範圍內進行調整。施加至樣本270與周圍電極254和電極256之低電壓(<3.8kV)，可以進一步降低放電或損壞樣本270的可能性。

由於第一電極252與第二電極254之間的加速，如第六B圖所示，微弱之正靜電透鏡250_PL1出現在強烈之負靜電透鏡250_NL1之前方。一方面，正靜電透鏡250_PL1額外產生不想要的正像差。另一方面，它聚焦電子202接近光軸，從而減少磁力物鏡240所產生的像差。因此，幾乎具有顯示於第五A圖至第五C圖之相同的像差補償效果。第六C圖顯示通過物鏡230與降落於樣本270之電子軌跡。與第二圖之單純磁力物鏡240之電子軌跡相比，首先具有匯聚偏差(convergent deviation)，然後再具有發散傾向(divergent trend)。

第七A圖至第七C圖顯示具有第三圖之電磁複合物鏡之第二圖之粒子束裝置，另一電位分佈與電子軌跡之示意圖。如第七A圖所示，當使用較大探針電流202時，為避免發生較強Coulomb作用，陰極212之電位Vc降低至-12KV。藉此，當電子穿過鏡筒220並且進入電磁複合物鏡230時，電子之能量提高到12keV。要得到衝擊能量範圍內之微小探針光斑(probe spot)，第二電極254之電位V2需在-4.5kV附近的負電位範圍內進行調整。

為避免樣本270上具有過強電場，第二電極254與第三電極256之間的減速調整為比電極252與電極254之間慢。因此，如第七B圖所示，微弱之正靜電透鏡250_PL1出現在二負靜電透鏡250_NL1、250_NL2之間。一方面，正靜電透鏡額外產生不想要的正像差。另一方面，它聚焦電子202接近光軸，從而減少磁力物鏡240所產生的像差。因此，幾乎具有顯示於第五A圖至第五C圖之相同像差補償效果。第七C圖顯示通過物鏡230與降落於樣本270之電子軌跡。與第二圖之單純磁力物鏡240之電子軌跡相比，首先具有發散偏差(divergent deviation)，然後再具有匯聚傾向(convergent trend)。

在第三圖所示之靜電浸沒透鏡250中，第一電極252與第二電極254之其中之一，或者第一電極252與第二電極254兩者均具有一多極結構，使得第一電極252與第二電極254作為一偏轉裝置(deflector)，或者，進一步作為一散光像差補償器(stigmator)使用。在第二圖中，第二電極254具有多極結構，並且被命名為第二靜電多極透鏡。第二靜電多極透鏡與第一靜電多極透鏡232作為偏轉裝置(deflector)，共同偏轉主要電子束202，藉以在樣本270上掃描。這種透鏡內電場偏轉(in-lens-field deflection)產生較小的離軸像差。其中，第二電極254可額外作為散光像差補償器(stigmator)，藉以補償由於聚光鏡(condenser)222與電磁複合物鏡230製造不完善所導致的散光。

在第八圖中，靜電浸沒透鏡250之第一電極252具有一多極結構，並且被命名為第二靜電多極透鏡。第二靜電多極透鏡與第一靜電多極透鏡232作為偏轉裝置(deflector)，共同偏轉主要電子束202，藉以在樣本270上掃描。這種貼近透鏡電場偏轉(close-to-lens-field deflection)也可以產生較小的離軸像差。其中，第一電極252可額外作為散光像差補償器(stigmator)，藉以補償由於聚光鏡(condenser)222與電磁複合物鏡230製造不完善所導致的散光。

在第九圖中，靜電浸沒透鏡250之第一電極252與第二靜電多極透鏡254具有一多極結構，並且被命名為第二靜電多極透鏡與第三靜電多極透鏡。第二靜電多極透鏡與第三靜電多極透鏡之其中之一與第一靜電多極透鏡232作為偏轉裝置(deflector)，共同偏轉主要電子束202，藉以在樣本270上掃描。另一個則作為散光像差補償器(stigmator)，藉以補償由於聚光鏡(condenser)222與電磁複合物鏡230製造不完善所導致的散光。

本發明提供具有磁性樣本台之磁場浸沒透鏡。因此，僅需要較低的線圈激發就能產生與傳統磁場浸沒透鏡相當之磁場強度。在靜電浸沒透鏡中，多個電極的設計，不僅提供減速電場，甚至當樣本相對於鏡筒的電位，被偏壓至較小負電壓時，多個電極的設計可大幅補償磁場浸沒透鏡之像差。此外，由於靜電浸沒物鏡由內部極靴掃描樣本，可以使用較小之磁場浸沒透鏡之工作距離，使得磁場浸沒透鏡的像差進一步減小。另外，在不降低探測電流(probe current)的狀況下，所有上述優勢可產生尺寸更小的探針光斑(probe spot)，在一定程度上，可以增加缺陷檢查(defect inspection)與缺陷複查系統(defect review system)之產量。

上述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟悉此技藝之人士能了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，即凡其他未脫離本發明所揭示精神所完成之各種等效改變或修飾都涵蓋在本發明所揭露的範圍內，均應包含在下述之申請專利範圍內。

130‧‧‧傳統物鏡

131‧‧‧磁軛(york)

132‧‧‧激發線圈

133‧‧‧電極

170‧‧‧樣本

200‧‧‧低電壓掃描式電子顯微鏡(LVSEM)

202‧‧‧電子

210‧‧‧電子槍

212‧‧‧陰極

214‧‧‧陽極

216‧‧‧終端電極

217‧‧‧電子槍孔徑(gun aperture)

220‧‧‧成像與偏轉系統

222‧‧‧聚光鏡(condenser lens)

224‧‧‧粒子束限制光圈(beam limit aperture)

230‧‧‧電磁複合物鏡

231‧‧‧內孔

232‧‧‧第一靜電多極透鏡

240‧‧‧磁場浸沒透鏡

242‧‧‧激發線圈

244‧‧‧磁軛(york)

244-1‧‧‧內部極靴(inner pole-piece)

244-2‧‧‧外部極靴(outer pole-piece)

250‧‧‧靜電浸沒透鏡

252‧‧‧第一電極

254‧‧‧第二電極

256‧‧‧第三電極

262‧‧‧Wien過濾器

270‧‧‧樣本

280‧‧‧樣本台

第一圖顯示傳統電磁複合物鏡之示意圖。

第二圖顯示根據本發明第一實施例之粒子束裝置之示意圖。

第三圖顯示根據本發明一實施例之電磁複合物鏡之示意圖。

第四圖顯示根據本發明一實施例之電磁複合物鏡產生之磁場之軸向分佈之示意圖。

第五A圖至第五C圖顯示根據本發明一實施例，操作第二圖之粒子束裝置與第三圖之電磁複合物鏡，電位分佈與電子軌跡之示意圖。

第六A圖至第六C圖顯示根據本發明一實施例，操作第二圖之粒子束裝置與第三圖之電磁複合物鏡，電位分佈與電子軌跡之另一示意圖。

第七A圖至第七C圖顯示根據本發明一實施例，操作第二圖之粒子束裝置與第三圖之電磁複合物鏡，電位分佈與電子軌跡之另一示意圖。

第八圖顯示根據本發明第二實施例之粒子束裝置之示意圖。

第九圖顯示根據本發明第三實施例之粒子束裝置之示意圖。