TWI509653B

TWI509653B - 多帶電粒子束裝置與建構具有觀測試片之表面所需複數個功能之裝置的方法

Info

Publication number: TWI509653B
Application number: TW103129772A
Authority: TW
Inventors: Zhong-Wei Chen; Wei-Ming Ren; xue-rang Hu; xue-dong Liu
Original assignee: Hermes Microvision Inc
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2015-11-21
Also published as: US20150060662A1; US9105440B2; TW201511065A

Description

多帶電粒子束裝置與建構具有觀測試片之表面所需複數個功能之裝置的方法

本發明是有關於一種多光軸磁透鏡及可同時分別使多個帶電粒子束聚焦的類似裝置，特別是有關於一種帶電粒子束裝置，其可同時或以一程式化序列執行多個觀測試片表面功能。

在半導體積體電路晶片製造過程中，圖案缺陷及/或不想要的粒子(殘留物)在製造過程中會出現在晶圓/光罩表面，此圖案缺陷及/或殘留粒子會大幅降低製程良率。當晶圓/光罩上所需圖案臨界尺寸越趨微小，用於缺陷/粒子檢測與缺陷/粒子再檢查的電子束工具由於其相較於對應的光學工具具有較高成像解析度，因此被廣泛應用於良率管理。

缺陷/粒子檢測與缺陷/粒子再檢查在產出率(決定在單位時間內可偵測出多少缺陷)與成像解析度(決定最小可偵測缺限尺寸)方面的要求非常不同。電子束工具基本上以掃描式電子顯微鏡的原理運作。由於幾何像差與電子交互作用(庫倫效應)，使得以單一電子束工具同時進行檢測與再檢查變得十分困難或甚至不可能。最先進的技術是將缺陷/粒子檢測與缺陷/粒子再檢查分別由不同工具執行；換言之，每一工具僅能執行一種功能。一用於缺陷/粒子檢測的工具首先偵測圖案缺陷與製程引發的顆粒，接著將檢測結果輸入用於缺陷/粒子再檢查工具。用於缺陷/粒子再檢查工具以高於缺陷/粒子檢測工具的成像解析度顯示缺陷/粒子，以提供進一步分析引起缺陷/粒子根本原因的資訊。因此，為了監測一晶圓或一光罩的品質，晶圓或光罩必須在缺陷/粒子檢測工具與缺陷/粒子再檢查工具之間轉移一或多次。工具之間一或多次轉移將減低檢測速度並增加檢測成本。

為了解決前述問題，一有效解決方案是將缺陷/粒子再檢查工具與缺陷/粒子檢測工具整合進入一裝置。如此在不同工具之間轉移會在一共同真空空間與一有限距離範圍中進行。許多移動與保護晶圓或光罩的程序可被移除。因此與傳統良率管理的方式比較，一具有多重功能的單一裝置可以較低成本提供較高產出率。

前述的每一電子束工具基本上包含一提供一單一電子束的電子槍單元以及一包含一單光軸磁透物鏡的一成像系統。若簡單將這些工具置入一裝置中，每二相鄰工具之間的空間間隔必須大到足以實際上容納二單光軸磁透物鏡。因此可用於一晶圓或一光罩的工具數量對於大量生產而言仍將不足，且工具之間的轉移距離將會較大。另一種方式是使用一多光軸磁透鏡取代所有工具的單光軸磁透物鏡，其可減少50%的空間距離因此幾乎使可用工具數量倍增。

使用多光軸磁透鏡以分別將彼此平行的複數電子束聚焦的概念最早於西元1973年授予Maekawa et al.的專利US 3,715,580中提出。第一A圖與第一B圖分別顯示多光軸磁透鏡的結構與磁場分布。多光軸磁透鏡包含一共同激發線圈44、一磁軛43、二具有複數個成對貫孔的平行導磁板41與42。當電流通過線圈44，在每一對同軸貫孔之間，一軸向對稱磁場(又稱為圓透鏡磁場round lens field)將沿其中心軸形成(例如第一B圖中之31)，因此一子透鏡例如30將形成於同軸貫孔之間。導磁板41與42構成分別將對應帶電粒子束1、2與3聚焦的子透鏡10、20與30的極靴。

如第一B圖所示，就傅立葉分析而論，每一組子透鏡的磁場不只包含軸向對稱部分或稱為圓透鏡磁場，同時包含許多非軸向對稱之橫向磁場成份或稱為高階諧波磁場，例如雙極磁場(dipole field)及四極磁場(quadrupole field)。聚焦一電子束僅需要圓透鏡磁場，因會產生額外像差而不須使用其他部分。為了補償每一高階諧波磁場的影響，至少需要使用一能產生相同種類磁場的額外元件。但額外元件明顯增加多光軸磁透鏡的體積與複雜性。

Chen於美國專利US 8003953,US8294095與US8445862及其相關參考資料中揭露一種方法，其可基本上減輕或甚至消除高階諧波磁場。如第二A圖所示，此方法包含三步驟。第一步驟係將一磁環(例如12)置入每一子透鏡(例如10)的每一貫孔並具有一徑向間隔(例如14)。徑向間隔可為真空或填入非磁性或弱磁性材料。徑向間隔弱化磁環內磁量勢(magnetic scalar potential)的非軸向對稱分布，並因此減少高階諧波磁場。第二步驟係將每一子透鏡之二磁環其中之一沿伸至另一磁環內以近一步減少子透鏡內的高階諧波磁場。若延伸的磁環完全通過其他磁環置入的貫孔，在某些情況下其他磁環可被移除以簡化製造程序，例如第二C圖所示。第三步驟係分別於平行導磁板上方與下方使用二磁屏蔽板以減少每一子透鏡外之高階諧波磁場。

對於每一子透鏡而言，位於上與下貫孔內的磁環作用如同極靴而磁場則形成於通過上下貫孔之間的磁路間隔(magnetic-circuit gap)(如第二A圖中15)。沿子透鏡光軸(例如11)的磁場分布係由磁路間隔決定。由於使用磁環，磁路間隔可以任何形狀與任何方位形成以形成某一應用所須的磁場分布。於第二A圖中，每一子透鏡具有一軸向磁路間隔且可被用作為非浸沒物鏡或聚光鏡子透鏡。在第二B圖與第二C圖中，子透鏡具有徑向磁路間隔並可作為浸沒物鏡子透鏡。

前述Chen提出之多光軸磁透鏡主要用於執行單一觀察試片表面功能具有高產出率的的裝置，例如一晶圓或一光罩的缺陷/粒子檢測與缺陷/粒子再檢查。如一開始所述，半導體製造的良率管理特別需要一種具備多功能可觀測試片的裝置。因此本發明將提出此種可同時或以一程式化序列執行多種用於觀測試片表面之獨立功能的裝置以實現具備高產出率及低成本之試片表面全面觀測。

本發明的目的在於提供一種具有觀測一試片表面所需多種功能的帶電粒子束裝置，例如試片表面特徵的高產出率檢測與高解析度再檢查等功能。此裝置使用複數帶電粒子束與一多光軸磁物鏡以構成複數個分別執行多個功能之一的複數個子光軸。例如在半導體製程中，此裝置可執行缺陷/粒子檢測與缺陷/粒子再檢查功能以進行晶圓或光罩的良率管理。與傳統使用個別單一功能裝置分別逐一執行多個功能的良率管理方式相比，具有多種功能的單一裝置能以遠低於傳統的成本提供遠高於傳統的產出率。

因此本發明提出一種多帶電粒子束裝置的實施例。此裝置包含一試片載台以承載一試片、複數個置於該試片之一觀察表面上方並分別執行複數個功能之一以觀察該觀察表面的子光軸。複數個功能之第一功能為觀察表面上之欲觀察特徵的高產出檢測，及複數個功能之第二功能為觀察表面上之欲觀察特徵的高解析度再檢查。

每一複數個子光軸包含一電子槍單元與一成像系統。電子槍單元包含一帶電粒子源與一聚光鏡以提供一沿子光軸之一光軸的主帶電粒子束。成像系統包含一粒子束限制孔徑、一物鏡、一偏向掃描元件與一第一帶電粒子偵測器。粒子束限制孔徑及物鏡與光軸對齊，粒子束限制孔徑限制主帶電粒子束的一電流至一所需值，且物鏡將主帶電粒子束聚焦至觀察表面。第一帶電粒子偵測器偵測自主帶電粒子束撞擊之觀察表面放射之第二帶電粒子，且偏向掃描元件將主帶電粒子束偏折以掃描觀察表面以獲得該觀察表面之一影像。物鏡包含一磁物鏡。複數個子光軸之磁物鏡係由一多光軸磁物鏡構成，多光軸磁物鏡包含一具有複數個上貫孔之上導磁板及一具有複數個下貫圓孔之下導磁板、複數個上磁環與一共同激發線圈。上導磁板與下導磁板彼此平行。每一上貫孔與一下貫圓孔對齊，且均與複數個子光軸之一的光軸對齊以形成一對貫孔。複數個上磁環分別置入該對貫孔之上貫孔內其間具有第一徑向間隔，並與上貫孔對齊，同時向下延伸穿過該對貫孔之下貫圓孔內以形成第一非磁間隔於其間。第一徑向間隔可為真空或以非磁性或弱磁性材料填滿。共同激發線圈位於上導磁板及下導磁板之間以提供共同磁通量。藉此形成分別由複數對貫孔與其內之上磁環構成之複數個磁子物鏡。第一非磁間隔分別作用如同複數個磁子物鏡之磁路間隔。每一磁子物鏡之一磁場則由共同磁通量通過磁路間隔產生。每一磁物鏡為複數個磁子物鏡之一，且子光軸內之執行不同功能之磁子物鏡的幾何形狀不同。

每一帶電粒子源可為一場發射之電子源。主帶電粒子束因此為電子源發射之電子構成的一主電子束，第二帶電粒子為二次電子(能量<50eV)與背向散射電子，二者均為主電子束自試片之觀察表面形成。在一子光軸之內，磁子物鏡更包含一纏繞上磁環之第一子線圈，使磁子物鏡的磁場可分別被調整。在一子光軸之內，成像系統更包含一位於上磁環之下並與光軸對齊之控制電極以控制觀察表面上之一靜電場。在一子光軸之內，控制電極亦作為一第二訊號電子偵測器以偵測具有大放射角度的背向散射電子。

在一子光軸之內，磁子物鏡更包含一下磁環，下磁環置入下貫圓孔內並與下貫圓孔對齊，其間具有一第二徑向間隔。下磁環環繞上磁環以形成一第二非磁間隔於其間，其作用如同磁子物鏡之磁路間隔。第二徑向間隔可為真空或以非磁性或弱磁性材料填滿。子光軸之光軸可傾斜於觀察表面之法線。在一子光軸之內，控制電極亦作為一第三訊號電子偵測器以偵測具有大放射角度的背向散射電子。此處子光軸之光軸傾斜於觀察表面之法線。在前述子光軸之內，第二非磁間隔的形狀為使磁子物鏡之一磁場深度浸沒觀察表面。第一帶電粒子偵測器係置於偏離子光軸之光軸的位置。此處子光軸更包含一能量分析器與一維恩過濾器(Wien filter)。能量分析器位於第一帶電粒子偵測器前方以使僅有能量高於一所需值的第二帶電粒子可以由第一帶電粒子偵測器偵測到。維恩過濾器偏轉第二帶電粒子以使具有所須入射角之第二帶電粒子進入能量分析器，而不會偏轉主帶電子束。

多帶電粒子束裝置更包含一用於電荷累積控制的子光軸以執行一觀察表面之電荷累積控制功能，以強化當執行第一功能及/或第二功能時的影像對比或解析度。電荷累積控制的子光軸包含一電荷累積控制電子槍單元與一電荷累積控制成像系統。電荷累積控制電子槍單元包含一電荷累積控制帶電粒子源與一電荷累積控制聚光鏡以提供一沿電荷累積控制的子光軸之一光軸的電荷累積控制主帶電粒子束。電荷累積控制成像系統包含與電荷累積控制子光軸之光軸對齊之一電荷累積控制粒子束限制孔徑與一電荷累積控制磁物鏡以聚焦電荷累積控制主帶電粒子束並照射觀察表面。電荷累積控制磁物鏡係由多光軸磁物鏡之磁子物鏡之一與一第二子線圈構成。第二子線圈纏繞磁子物鏡之上磁環使得其一磁場可被個別調整。電荷累積控制成像系統更包含一將電荷累積控制主帶電粒子束偏向以掃描觀察表面的電荷累積控制偏向掃描裝置。磁子物鏡更包含一下磁環，下磁環置入下貫圓孔內並與下貫圓孔對齊，其間具有一第三徑向間隔，其中下磁環環繞上磁環以形成一第三非磁間隔於其間，其作用為磁子物鏡之磁路間隔。

本發明同時提出一種建構具有觀測一試片之一表面所需複數個功能之裝置的方法。此方法包含提供一載台以承載一試片以及提供複數個帶電粒子束與一多光軸磁物鏡以形成複數個子光軸，子光軸朝向試片之表面以執行複數個功能之一。其中複數個功能之一第一功能為觀察表面上之欲觀察特徵的高產出檢測，而複數個功能之一第二功能為觀察表面上之欲觀察特徵的高解析度再檢查。多光軸磁物鏡包含一對具有複數個成對貫孔彼此平行之導磁板、複數個分別位於複數對貫孔內且具有徑向間隔以形成磁路間隔於其間之成對磁環、複數個纏繞該對磁環的子線圈以及一位於該對導磁板之間的共同激發線圈。多光軸磁物鏡因此形成複數個可各自調整的磁子物鏡，藉此可分別作為複數個子光軸之磁物鏡。位於子光軸內執行不同功能之磁子物鏡的幾何形狀不同。徑向間隔可為真空或以非磁性或弱磁性材料填滿。

在此方法中，複數個子光軸的其中之一可實施垂直照射。此外，複數個子光軸的其中之一可實施傾斜照射。此方法更提供一電荷累積控制帶電粒子束以形成一具有多光軸磁物鏡之電荷累積控制子光軸。電荷累積控制子光軸執行表面之一電荷累積控制功能以強化當執行第一功能及第二功能時的影像對比或解析度。複數個子光軸可同時或以一程式化序列運作。

本發明的其他優點將因以下敘述配合相關圖示而更能被突顯，其中係以本發明的圖解、範例及一些實施例進行說明。

A1‧‧‧裝置

A1-S1‧‧‧子光軸

A1-S2‧‧‧子光軸

A1-Sn‧‧‧子光軸

A1-S1-0‧‧‧光軸

A1-S1-1‧‧‧電子槍單元

A1-S1-2‧‧‧成像系統

A1-S2-0‧‧‧光軸

A1-S2-1‧‧‧電子槍單元

A1-S2-2‧‧‧成像系統

A1-Sn-0‧‧‧光軸

A1-Sn-1‧‧‧電子槍單元

A1-Sn-2‧‧‧成像系統

A2‧‧‧裝置

A2-S1‧‧‧子光軸

A2-S2‧‧‧子光軸

A2-Sn‧‧‧子光軸

A2-S1-0‧‧‧光軸

A2-S1-1‧‧‧電子槍單元

A2-S1-2‧‧‧成像系統

A2-S2-0‧‧‧光軸

A2-S2-1‧‧‧電子槍單元

A2-S2-2‧‧‧成像系統

A2-Sn-0‧‧‧光軸

A2-Sn-1‧‧‧電子槍單元

A2-Sn-2‧‧‧成像系統

M1‧‧‧多光軸磁物鏡

M2‧‧‧多光軸磁物鏡

S1‧‧‧試片

S2‧‧‧試片載台

S11‧‧‧觀察表面

1‧‧‧帶電粒子束

10‧‧‧子透鏡

11‧‧‧子透鏡中心軸

12‧‧‧磁環

14‧‧‧徑向間隔

15‧‧‧磁路間隔

1000-1‧‧‧裝置A1實施例

1000-2‧‧‧裝置A1實施例

1000-3‧‧‧裝置A1實施例

1100‧‧‧子光軸

1101‧‧‧電子源

1102‧‧‧聚光鏡

1111‧‧‧真空閘閥

1121‧‧‧粒子束限制孔徑

1131‧‧‧訊號電子偵測器

1141‧‧‧上極靴

1142‧‧‧下極靴

1151‧‧‧控制電極

1161‧‧‧偏向器

1162‧‧‧偏向器

1171-1173‧‧‧磁屏蔽管

1181‧‧‧子線圈

1200‧‧‧子光軸

1241‧‧‧上極靴

1242‧‧‧下極靴

1251‧‧‧控制電極

1282‧‧‧子線圈

1290‧‧‧光軸

1300‧‧‧子光軸

1332‧‧‧訊號電子偵測器

1341‧‧‧極靴

1400‧‧‧子光軸

1441‧‧‧上極靴

1442‧‧‧下極靴

1443‧‧‧磁路間隔

1473‧‧‧磁屏蔽管

1474‧‧‧磁屏蔽管

1500‧‧‧子光軸

1531‧‧‧訊號電子偵測器

1531EF‧‧‧能量分析器

1533‧‧‧二次電子偵測器

1563‧‧‧維恩過濾器

1590‧‧‧光軸

1592‧‧‧訊號電子束

1600‧‧‧子光軸

1601_3‧‧‧槍孔徑

1602‧‧‧聚光鏡

1621‧‧‧粒子束限制孔徑

1661‧‧‧掃描偏向器

1700‧‧‧子光軸

2‧‧‧帶電粒子束

20‧‧‧子透鏡

21‧‧‧子透鏡中心軸

2000-1‧‧‧裝置A2實施例

2000-2‧‧‧裝置A2實施例

2000-3‧‧‧裝置A2實施例

2100‧‧‧子光軸

2200‧‧‧子光軸

2300‧‧‧子光軸

2400‧‧‧子光軸

2431‧‧‧上訊號電子偵測器

2432‧‧‧下訊號電子偵測器

3‧‧‧帶電粒子束

30‧‧‧子透鏡

31‧‧‧子透鏡中心軸

41‧‧‧導磁板

42‧‧‧導磁板

43‧‧‧磁軛

44‧‧‧線圈

53‧‧‧外磁屏蔽管

54‧‧‧上磁屏蔽板

本發明將以詳細說明伴隨圖示進行說明，其中代表符號標示結構元件。

第一A圖與第一B圖為早期多光軸磁透鏡的結構與磁通量分布概要示意圖。

第二A圖至第二C圖為三種改良的多光軸磁透鏡的結構概要示意圖。

第三圖為根據本發明一實施例之具有觀測一試片表面之多種功能的裝置概要示意圖。

第四A圖至第四E圖為第三圖中所示裝置的子光軸的實施例概要示意圖。

第五A圖為根據本發明另一實施例之具有觀測一試片表面之多種功能的裝置概要示意圖。

第五B圖為根據本發明另一實施例之具有觀測一試片表面之多種功能的裝置概要示意圖。

第六A圖與第六C圖分別為第五A圖中所示裝置的子光軸的實施例概要示意圖。

第六B圖為第五B圖中所示裝置的子光軸的實施例概要示意圖。

本發明的各實施例的範例將伴隨具有指定符號的圖示進行說明，這些圖示顯示其中一些實施例。在未限制本發明的保護範圍的情況下，實施例之所有敘述與圖示係以電子束為例。但這些實施例並非將本發明限定在特定帶電粒子。

於圖示中，每一個元件與元件中的相對尺寸可能被誇大以更能清楚明瞭。在以下的圖示的敘述中，相同或相似的指定符號對應相同或相似的元件或實體，而其中僅敘述個別實施例之間的差異。

因此當本發明的實施例可有各種修改與替換的形式，其中實施例係以圖示顯示且在此將詳細描述。應了解的是此並非用於將本發明的實施例限制在所揭露的特定形式，相反地，本發明的實施例可涵蓋所有本發明範圍內的修改、等效與替換實施例

在所有的圖示中，X、Y與Z軸構成笛卡兒座標系。一試片的觀察面係垂直於Z軸。

本發明中軸向意指在一透鏡或一子透鏡的光軸方向上，而徑向意指垂直一透鏡或一子透鏡光軸的方向。

本發明中每一多光軸磁透鏡具有類似於第一A圖與第一B圖中所顯示傳統多光軸磁透鏡的基本結構。因此所有關於貫孔的用語意指穿過一平板的開孔或孔洞。對於每一磁透鏡而言，上與下貫孔分別指上與下導磁板上的貫孔，而上與下極靴分別指原先屬於上與下貫孔的極靴。

本發明中多光軸磁透鏡中的弱磁性材料意指磁料的導磁率遠小於上與下導磁板的導磁率。

本發明中磁透鏡或子透鏡中之磁路間隔意指磁透鏡或子透鏡磁場沿光軸分布的主要路徑。

在以下的圖示中一些帶電粒子束裝置中為必要但在本發明中並非特徵的單元，例如粒子束阻擋與真空裝置，則未顯示。

本發明的目的是提出一種具有觀測一試片表面所需多種功能的帶電粒子束裝置。這些功能包含至少兼具試片表面特徵的高產出率檢測與高解析度再檢查。此裝置使用複數電子束與一多光軸磁物鏡以構成多於一個分別用於執行多功能其中之一的子透鏡。一些子透鏡可執行相同或類似的功能。

因此本發明於第三圖、第五A圖與第五B圖中顯示二種此一裝置。第三圖中顯示的裝置A1為第一種裝置，其包含多個子光軸(例如A1-S1、A1-S2至A1-Sn)且所有子光軸均施加具有高影像解析度用於觀察的垂直照射。眾所週知的是子光軸垂直照射產生的幾何像差比傾斜照射少。第五A圖與第五B圖中顯示的裝置A2為第二種裝置，其包含多個子光軸(例如A2-S1、A2-S2至A2-Sn)且至少一子光軸(例如A2-Sn)施加具有高影像對比用於觀察的傾斜照射。為了觀察一試片表面的某些特徵，例如圖案化晶圓上的顆粒或一溝槽中之一缺陷，須要使用傾斜照射以獲得一具有高對比的影像。對於裝置A1與A2而言，其每一子透鏡可個別工作；因此所有子光軸可同時或以程式化序列工作。

於裝置A1中，每一子光軸的光軸，例如子光軸A1-S1的光軸A1-S1-0，係垂直於由試片載台S2支撐的試片S1觀察表面。至少一子光軸可執行試片表面特徵的高產出率檢測，且至少一子光軸可執行試片表面特徵的高解析度再檢查。一傳統用於觀察試片表面的單粒子束工具通常包含一泛射式電子槍(flood gun)以執行稱為電荷累積控制(charge-up control)的輔助功能。其用於控制試片表面局部區域觀測前或觀測後電荷累積情況，以獲得較佳的影像對比或解析度。因此較佳的是至少一子光軸特別用於執行此輔助功能(電荷累積控制功能)。

每一子光軸均以掃描式電子顯微鏡的基本原理上運作，因此基本包含一電子槍單元(例如A1-S1中A1-S1-1)以及一成像系統(例如A1-S1中A1-S1-2)，二者均對齊光軸(例如A1-S1中A1-S1-0)。電子槍單元包含一電子源與一聚光鏡以提供成像系統一適當的主電子束。成像系統包含一粒子束限制孔徑、一物鏡、一偏向掃描元件與一訊號電子偵測器。粒子束限制孔徑限制主電子束的電流至一所需值，且主電子束接著由物鏡聚焦至試片S1之被觀察表面S11。訊號電子偵測器偵測因聚焦訊號電子照射而自試片表面放射之訊號電子，這些訊號電子包含二次電子(能量<50eV)及/或背向散射電子，並且與表面S11的表面形態、材料與電荷累積情況。偏向掃描元件將聚焦主電子束偏折以掃描表面S11因此可獲得被觀察表面S11的一影像。聚焦主電子束掃描時為垂直或大致垂直於被觀察表面。此影像可同時或分別包含表面形態對比、材料對比與電壓對比(由於電荷累積)。因此欲察覺表面上的特徵(例如實體與電缺陷及外來顆粒)可在影像中觀察到。

在每一子光軸的成像系統中，物鏡可為純磁物鏡或一電磁複合物鏡(包含一磁物鏡與一靜電物鏡)。所有子光軸的磁物鏡係由多光軸磁物鏡M1構成。換句話說，每一子光軸的磁物鏡為多光軸磁物鏡M1之一磁子透鏡。對於每一子光軸而言，磁物鏡的結構係由子光軸所需執行的功能決定。對於執行相同或類似功能的子光軸而言，其磁物鏡將相同或相似；當子光軸執行不同功能時，其磁物鏡將明顯不同。因此與美國專利US 8003953,US8294095與US8445862及其相關參考資料中提出的多光軸磁透鏡不同，多光軸磁物鏡M1之所有磁子透鏡不會相同。一些磁子透鏡可能相同或彼此相似而其他磁子透鏡可能不同。例如子光軸A1-S1與A1-Sn執行高產出率檢測，子光軸A1-S2執行高解析度再檢查，且因此子光軸A1-S1與A1-Sn的對應磁子透鏡會相同或彼此相似而與子光軸A1-S2的磁子透鏡不同。

第四A圖與第四C圖至第四E圖分別顯示裝置A1的一實施例。為了清楚表示起見，每一實施例中僅顯示二子光軸。但必須了解的是裝置A1可具有超過二個子光軸，且第四A圖與第四C圖至第四E圖中所示的子光軸可同時存在於裝置A1。此外，多光軸磁物鏡M1可包含超過二個具有相同或不同結構的磁子透鏡。雖然子透鏡的數量可自由增加，設置每一新子透鏡以最少量增加多光軸磁物鏡M1的幾何結構不對稱性為佳。

裝置A1的實施例1000-1，如第四A圖所示，包含二用於二類似功能的子光軸1100與1200。二子光軸均高產出率檢測，但子光軸1100更側重產出率而子光軸1200更側重解析度。因此子光軸1100與1200均包含一類似於一傳統單粒子束檢測工具的基本結構。例如在子光軸1100中，電子槍單元包含一電子源1101與一聚光鏡1102。電子源1101至少包含一陰極、一陽極與一電子槍孔徑。聚光鏡1102可為一靜電透鏡或一多光軸磁透鏡的磁子透鏡。成像系統與電子槍單元係由真空閘閥1111隔開。成像系統包含五個部分，其中第一部分為成像系統1121，第二部分為訊號電子偵測器1131，第三部分為由偏向器1161與1162構成的偏向掃描元件，第四部分為上極靴1141與下極靴1142構成的磁子透鏡，第五部分為由下極靴1142、控制電極1151與試片S1之被觀察表面S11構成的靜電物鏡。控制電極1151相對於被觀察表面S11被施加偏壓以控制其上的靜電場。磁屏蔽管1171-1173減少陰極與上極靴之間主電子束上的磁場，而外磁屏蔽管53與上磁屏蔽板54進一步減少經磁屏蔽管之間空間間隔進入主電子束的磁場。

由於功能的不同，子光軸1100與1200之磁物鏡結構與偏向掃描元件的設計則不相同。為了強調產出率，子光軸1100須提供一大視野範圍(FOV)但不犧牲解析度至一定程度。因此，上極靴1141與下極靴1142構成的磁路間隔僅稍微偏離光軸1190以形成一多光軸磁物鏡M1內輕微浸沒磁子透鏡，而下偏向器1162位於磁路間隔內已形成擺動偏向(參考Chen於美國專利US 6,392,231)。為了強調解析度，子光軸1200須提供一高解析度但不犧牲視野範圍至一定程度。因此上極靴1141與下極靴1142構成的磁路間隔明顯偏離光軸1290，並接近試片S1以形成一多光軸磁物鏡M1內深度浸沒磁子透鏡，且下偏向器1162位於鄰近磁路間隔的位置已儘可能形成擺動偏向。為了儘可能浸沒試片S1以減少幾何像差，控制電極1251係置於下極靴1242內以使磁路間隔更靠近試片S1。子光軸1100與1200內的磁子透鏡所需的激發將不會一直相同。例如，子光軸1100與1200內的磁子透鏡分別需要1001安培-匝(Ampere-Turn)與1010安培-匝。此時，共同線圈可設定為提供1000安培-匝，而其餘部分可分別由纏繞上極靴1141與1241的子線圈1181與1282提供。

由於一開孔與一磁環之間的徑向間隔可戲劇化地削弱磁環內磁量勢的非軸向分布，多光軸磁物鏡M1的形狀無須為圓環型而可為任何形狀。不過多光軸磁物鏡M1的形狀仍應儘可能維持n級旋轉對稱性及/或n重對稱性。第四B圖顯示第四A圖中A-A截面，多光軸磁物鏡M1的形狀為具有二半圓邊的長方形。與圓形的多光軸磁物鏡M1相比，由於線圈44的長度較短使長方形的多光軸磁物鏡M1佔據較小空間並產生較少熱能。

裝置A1的實施例1000-2，如第四C圖所示，子光軸1300可執行具有非常大的粒子束電流與非常大的視野範圍之高產出率檢測，例如執行大尺寸範圍的特徵檢測。此時平衡離軸像差與電子交互作用的衝擊是一主要問題。因此，磁子透鏡遠離試片S1。極靴1341與試片S1的長距離使期間可放置多一個訊號電子偵測器1332以有效偵測來自試片表面S11的背向散射電子。毫無疑問地訊號電子偵測器1332亦可用來控制試片表面S11的靜電場。此外，由於殘留非軸向對稱橫向磁場部分並不決定性降低影像解析度，下方孔洞內的磁環可移除以簡化製程。

第四D圖顯示裝置A1的另一實施例。於第四D圖中，實施例1000-3包含二用於高解析度再檢查的子光軸。為了獲得在子光軸1400中的高成像解析度，上極靴1441與下極靴1442構成一非常接近試片S1的徑向磁路間隔1443。穿過徑向磁路間隔1443的磁場深度浸沒試片S1。磁場浸沒越深，幾何像差就越小。此外，多一個磁屏蔽管1474設置自磁屏蔽管1473內部與磁屏蔽管1473頂端重疊，此為特別設計以完全覆蓋陰極。由鄰近電子源區域殘留二極磁場造成的一電子軌跡的小幅偏離會被以下系統放大至試片表面一大降落位置偏移與大的額外離軸像差。在子光軸1700中，下方孔洞內的磁環可移除以簡化製程。由於殘留非軸向對稱橫向磁場部分會大於子光軸1400，子光軸1700的影像解析度會低於子光軸1400的影像解析度。

觀測一試片表面的某些特徵可能需要一子光軸以提供具有高於一特定值之能量的訊號電子所形成的影像。為了此一應用，需要一具有一能量區別偵測能力的子光軸。第四E圖顯示具有此子光軸的裝置A1的另一實施例。於第四E圖中，與用於傳統高解析度再檢查的子光軸1400相比，子光軸1500額外包含一位於訊號電子偵測器1531前方的能量分析器1531EF與一位於能量分析器1531EF與試片S1之間的維恩過濾器1563(或稱為電場x磁場ExB過濾器)。訊號電子偵測器1531係位於遠離光軸1590的位置。維恩過濾器1563偏轉訊號電子束1592以進入能量分析器1531EF。能量分析器1531EF調整為僅有能量高於一所需值的訊號電子可以通過能量分析器1531EF，並可由訊號電子偵測器1531偵測到。當能量分析器1531EF關閉，訊號電子偵測器1531可提供用於傳統高解析度再檢查的成像訊號。不過由於能量分析器1531EF的過濾閘會阻斷部分訊號電子，使影像訊號會有一些微弱。為了解決此問題，子光軸1500可包含多一個訊號電子偵測器1533。此時當不需要能量區別時，偵測維恩過濾器1563二次電子束1592以進入二次電子偵測器1533。

回到第四C圖，裝置A1的實施例1000-2同時包含一用於電荷累積控制的子光軸1600。於子光軸1600中，槍孔徑1601_3被設定為提供主電子束的一大電流。聚光鏡1602調整主電子束使得通過粒子束限制孔徑1621的粒子束電流可大範圍地改變。試片表面電荷累積控制可藉由一寬主電子束的照射(此例中所示之掃描偏向器1661可移除)或由一聚焦主電子束的偏向掃描達成(如此處所示)。掃描偏向器1661可位於磁路間隔(如圖中所示)內或上方。主電子束位於試片表面S11上的降落能量可藉由改變陰極的電壓或試片S1的電壓來改變。

如同裝置A1，裝置A2中之每一子光軸係於掃描式電子顯微鏡的基礎上運作，因此具有一與裝置A1之子光軸相同之結構。與裝置A1不同的是，裝置A2中之至少一子光軸使用傾斜照射。於第五A圖與第五B圖中，每一子光軸(A2-S1、A2-S2至A2-Sn)均包含一電子槍單元(例如A2-S1-1)以及一成像系統(例如A2-S1-2)。每一成像系統的磁物鏡係由多光軸磁物鏡M2之一磁子透鏡構成。其中有二個可垂直照射的子光軸A2-S1與A2-S2及一可傾斜照射的子光軸A2-Sn。於第五A圖與第五B圖中，子光軸A2-Sn的光軸A2-Sn-0分別於YZ平面與XZ平面傾斜以形成相對於由試片載台S2承載的試片S1的觀察表面S11法線的角度α1與α2。

因此，在裝置A2中，至少一子光軸可執行試片表面特徵的高產出率檢測，且至少一子光軸可執行試片表面特徵的高解析度再檢查。此外，較佳的是至少一子光軸特別用於執行輔助功能，也就是上述的電荷累積控制功能，以控制試片表面局部區域觀測前或觀測後電荷累積情況，以獲得較佳的影像對比或解析度。用於執行高產出率檢測、高解析度再檢查與電荷累積控制的子光軸可為垂直照射或傾斜照射。

第六A圖至第六C圖分別顯示裝置A2的一實施例。為了清楚表示起見，每一實施例中僅顯示二子光軸。但必須了解的是裝置A2可具有超過二個子光軸。任何第四A圖與第四C圖至第四F圖中所示裝置A1的子光軸亦可用於裝置A2，以作為可垂直照射或傾斜照射的子光軸。此外，多光軸磁物鏡M2可包含超過二個具有相同或不同結構的磁子透鏡。雖然子透鏡的數量可自由增加，設置每一新子透鏡以最少量增加多光軸磁物鏡M2的幾何結構不對稱性為佳。

在裝置A2的實施例2000-1中，如第六A圖所示，二用於高產出率檢測的子光軸2100與2200分別用於垂直照射與傾斜照射。子光軸2100與第四A圖中之子光軸1100相同，子光軸2200類似子光軸2100但在YZ平面上相對於Z軸傾斜一角度。在裝置A2的實施例2000-2中，如第六B圖所示，用於高產出率檢測傾斜照射的子光軸2300與子光軸2100類似，但在XZ平面上相對於Z軸傾斜一角度。在裝置A2的實施例2000-3中，如第六C圖所示，子光軸2400具有一與第四C圖中之子光軸1300類似的功能，但為傾斜照射。此功能為執行具有非常大的粒子束電流與非常大的視野範圍之高產出率檢測，例如執行大尺寸範圍的特徵檢測。於子光軸2400中，上訊號電子偵測器2431與下訊號電子偵測器2432係分別用於偵測二次電子(能量<50eV)及背向散射電子。

總結上述本發明提供一種具有觀測一試片表面所需多種功能的帶電粒子束裝置，例如試片表面特徵的高產出率檢測與高解析度再檢查等功能。此裝置使用複數帶電粒子束與一多光軸磁物鏡以構成複數個分別執行多個功能之一的複數個子光軸。一些子光軸可執行相同或相似的功能。每一子光軸係於掃描式電子顯微鏡的基礎上運作。一些子光軸可以垂直照明方式工作，而其他子光軸可分別以傾斜照明方式工作。在半導體製程中，此裝置可執行缺陷/粒子檢測與缺陷/粒子再檢查功能以進行晶圓或光罩的良率管理。與傳統使用個別單一功能裝置分別逐一執行多個功能的良率管理方式相比，具有多種功能的單一裝置能以遠低於傳統的成本提供遠高於傳統的產出率。

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，當不能據以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。