TWI590286B - 用於高解析度電子束成像之裝置及方法 - Google Patents

用於高解析度電子束成像之裝置及方法 Download PDF

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Description

用於高解析度電子束成像之裝置及方法
本發明係關於用於電子束成像之裝置及方法。
電子束成像系統通常使用一電子束柱以跨一基板表面之一區域掃描一電子束以獲得影像資料。本發明提供用於高解析度電子束成像之新穎且具發明性裝置及方法。
一實施例係關於一種用於高解析度電子束成像之裝置。該裝置包含經組態以限制入射電子束中之電子之能量擴散之一能量濾波器。該能量濾波器可使用一像散Wien濾波器及一濾波器孔隙而形成。
另一實施例係關於一種形成用於一高解析度電子束裝置之一入射電子束之方法。該方法包含使用一能量濾波器限制入射電子束中之電子之能量擴散。
其他實施例係關於一種像散Wien濾波器。在一實施例中，該像散Wien濾波器包含兩對磁芯及兩對彎曲電極。在另一實施例中，該像散Wien濾波器可包含兩對磁軛及一多極偏轉器。
本發明亦揭示其他實施例、態樣及特徵。
100‧‧‧電子束柱
102‧‧‧電子源
104‧‧‧限束孔隙(BLA)
106‧‧‧槍透鏡
108‧‧‧入射電子束能量濾波器
110‧‧‧像散維恩(Wien)濾波器(SWF)
112‧‧‧能量濾波器孔隙
114‧‧‧電子
116‧‧‧電子
118‧‧‧第一聚光透鏡
119‧‧‧電子束像散校正器
120‧‧‧柱孔隙
122‧‧‧第二聚光透鏡
124‧‧‧物鏡
126‧‧‧目標基板
128‧‧‧可移動載物台
130‧‧‧靜電透鏡
132‧‧‧維恩(Wien)濾波器
134‧‧‧偵測系統
200‧‧‧像散Wien濾波器
202‧‧‧磁芯/磁極片
204‧‧‧維恩(Wien)線圈
206‧‧‧導電板/偏轉板
208‧‧‧絕緣體
300‧‧‧像散維恩(Wien)濾波器
302‧‧‧磁鞍軛
312‧‧‧電極
320‧‧‧絕緣體材料
502‧‧‧虛線矩形
圖1係描繪根據本發明之一實施例之一電子束柱之一實施方案之 一截面圖。
圖2係根據本發明之一實施例之一像散Wien濾波器之一第一實施方案之一俯視圖。
圖3係根據本發明之一實施例之具有兩對磁鞍軛之一像散Wien濾波器之一第二實施方案之一俯視圖。
圖4展示有關於根據本發明之一實施例之第二實施方案之該兩對磁鞍軛之所關注角度。
圖5係根據本發明之一實施例之一對磁鞍軛之一透視圖。
圖6係在參考條件下總光斑大小及促成光斑大小之因數依據一電腦模擬電子束柱之會聚角之一圖表。
圖7係總光斑大小及促成光斑大小之因數依據使用根據本發明之一實施例之一像散Wien濾波器過濾入射電子束能量之一電腦模擬電子束柱之會聚角之一圖表。
圖1係描繪根據本發明之一實施例之一電子束柱100之一實施方案之一截面圖。該電子束柱100之組件可容置在一或多個真空腔室中。
如圖1中所示，該電子束柱100除其他組件以外亦可包含一電子槍系統，該電子槍系統包含一電子源102、一槍透鏡106及一限束孔隙(BLA)104。該電子源102可包含發射加速通過陽極中之一開口之電子之一陰極。該BLA 104將所發射電子之角度限於源發射角α，且該槍透鏡106聚焦通過該BLA 104之發射電子以形成入射電子束。該槍透鏡106大體上組態於該限束孔隙104下方且通常係一靜電透鏡，但是其在替代實施例中可為一磁性透鏡。在一實施例中，由電子槍系統產生之電子束係經遠心照明的電子束。
根據本發明之一實施例，該電子束柱100可進一步包含一入射電 子束能量濾波器108。如下文進一步所述，此一入射電子束能量濾波器108可有利地用以實質上減小目標基板上之電子束之總光斑大小。
在一實施例中，如圖1中所示，該入射電子束能量濾波器108可使用一像散Wien濾波器(SWF)110結合一能量濾波器孔隙(濾波器孔隙)112而實施。來自該電子槍系統之電子束藉由該SWF 110聚焦至該濾波器孔隙112上。能量在小的能量擴散內(例如，△E<50 meV)之電子藉由該SWF 110之靜電力及磁力而以一平衡方式作用，使得該等電子沿該柱100之光學軸行進。然而，能量在該小能量擴散外(例如，來自電子束之平均能量大於50 meV)之電子歸因於不同電子束能量之靜電力與磁力之間之偏轉能力之差而藉由該SWF 110偏轉。能量在該小能量擴散外之偏轉電子藉由該能量濾波器孔隙112阻擋。換言之，該SWF 110可經組態以偏轉能量在小能量範圍外之電子114，使得該等電子藉由該能量濾波器孔隙112阻擋，同時容許能量在該小的能量範圍內之電子116通過該能量濾波器孔隙112。
該能量濾波器孔隙112處的電子束交叉(由該SWF 110形成)變為一第一聚光透鏡118之目標。可藉由柱孔隙120進一步選擇該能量濾波器孔隙112之後的電子束電流。接著可藉由一第二聚光透鏡122聚焦通過該柱孔隙120之電子束。物鏡124接著可進一步聚焦該電子束以依一會聚角β會聚能量經過濾之電子束以在目標基板126上形成一電子束光斑。圖1中之柱100及一習知柱之影像形成之間之一實質區別在於：歸因於相同或類似體積中電子束電流較小，該濾波器孔隙112下方之電子密度實質上減小。
此外，一電子束像散校正器119可經組態以補償或修正可藉由該SWF 110引入之像散。該補償較佳地在該目標基板126處產生一散光(例如，圓形)電子束光斑。在一實施方案中，該像散校正器119可組態於該第一聚光透鏡118與該柱孔隙120之間。此外，可在該物鏡124 與該目標基板126之間組態一靜電透鏡130，且可在該物鏡124內組態一Wien濾波器132。
該目標基板126可藉由一可移動載物台128固持。該目標基板126可為所製造之一半導體晶圓或用於微影術之一主光罩。該可移動載物台128可用以在(例如)自動檢驗或檢視過程期間將該目標基板126平移至柱下方。
入射電子束碰撞在該目標基板126之表面上導致發射次級電子及/或反向散射電子。此等次級電子及/或反向散射電子在本文可被稱為散射電子。散射電子可藉由靜電透鏡130擷取且反向向上通過該柱。該Wien濾波器132可偏轉散射電子使得該等散射電子的軌道相對於該柱之光學軸成一角度。離軸散射電子可行進至可基於所偵測電子產生一偵測信號之偵測系統134。
圖2係根據本發明之一實施例之一像散Wien濾波器200之一第一實施方案之一俯視圖。該像散Wien濾波器200可用於上文關於圖1所述之電子束柱100。
該像散Wien濾波器200可包含兩對磁芯(磁極片)202。第一對磁芯202可在x軸上對準，且第二對磁芯202可在y軸上對準，其中z軸係該電子束柱100之光學軸。可在每一磁芯202周圍纏繞導電Wien線圈204。在該Wien濾波器200中沿x及y軸之磁場可藉由調整流過該等線圈204之電流而加以可控制地調整。
此外，該像散Wien濾波器200可包含兩對呈圓柱彎曲導電板206。一第一呈圓柱彎曲導電板206可在x軸上對準，且第二對呈圓柱彎曲導電板206可在y軸上對準，其中z軸係該電子束柱100之光學軸。如圖2中所示，該等板206可呈圓柱彎曲且經定位以圍繞該柱之光學軸界定一空的圓柱形空間。
如圖2中進一步所示，絕緣體208可使該等板206與該等磁芯202 分離。該等絕緣體208可具有對應於該等板206之圓柱形曲率之一曲率。該等磁芯202毗鄰該等絕緣體208之表面亦可具有對應於該等板206之圓柱形曲率之一圓柱形曲率。
在一實施方案中，該等板206可為該等絕緣體208上之金屬塗層或固定至該等絕緣體208上之薄圓柱形彎曲片。此外，該等磁極片202在z方向上之高度較佳地經組態以與該等靜電偏振板206之高度相同。因此，若該等絕緣體208及該等偏轉板206之厚度足夠小，則靜電場沿z軸之分佈可經組態以匹配或近似匹配磁場沿z軸之分佈。該等偏轉板206之間的間隙大小並不重要，但是該間隙應足夠大以避免該等板206之間出現電弧效應。
可藉由調整施加於該等板206之電壓可控制地調整該Wien濾波器200中沿x及y軸之靜電場。如所示，可施加+Vx伏特於配置在正x軸上之板206，可施加-Vx伏特於配置在負x軸上之板206。類似地，可施加+Vy伏特於配置在正y軸上之板206，可施加-Vy伏特於配置在負y軸上之板206。
根據本發明之一實施例，該Wien濾波器200內之極角周圍之靜電場及磁場並不相同，使得該Wien濾波器200具有像散。此不同於一Wien濾波器之一習知應用，該Wien濾波器僅在一方向上平衡靜電場強度與磁場強度以(例如)分離次級電子與初級電子。
圖3係根據本發明之一實施例之具有兩對磁鞍軛之一像散Wien濾波器之一第二實施方案之一俯視圖。像散Wien濾波器300可用於上文關於圖1所述之電子束柱100。
該像散Wien濾波器300可包含兩對磁鞍軛302。第一對磁鞍軛302可在x軸上對準，且第二對磁鞍軛302可在y軸上對準，其中z軸係該電子束柱100之光學軸。
導電線圈可在該等磁鞍軛302周圍纏繞N次以實施安培匝數 NIx+、NIx-、NIy+及NIy-，其中N係線圈匝數，且電流強度由Ix+、Ix-、Iy+及Iy-表示。在該Wien濾波器300內沿x及y軸之磁場可藉由調整流過該等線圈之電流而可控制地調整。
此外，該像散Wien濾波器300可包含用於產生一均勻偏轉場之一多極靜電偏轉器。例如，如圖3中圖解說明，該多極靜電偏轉器可為八極偏轉器，其中一均勻偏轉場係藉由施加經特殊定義之電壓於該偏轉器之板而產生。替代性實施例可使用12極或20極偏轉器，其中一均勻偏轉場係藉由該等偏轉器板之經特殊定義之角度而產生。圖3中所繪之八極偏轉器包含四對電極(或板)。第一對電極312(具有施加電壓Vx+及Vx-)可在x軸上對準，且第二對電極312(具有施加電壓Vy+及Vy-)可在y軸上對準，其中z軸係該電子束柱100之光學軸。此外，第三對電極312(具有施加電壓Vx+y+及Vx-y-)可以透過第一象限(介於正x軸與正y軸之間)及第三象限(介於正x軸與負y軸之間)剪開之45度角線居中，且第四對電極312(具有施加電壓Vx-y+及Vx+y-)可以透過第二象限(介於負x軸與正y軸之間)剪開之135度角線居中。絕緣體材料320可使該等電極312與該等磁鞍軛302分開。
在一實施例中，用於施加電壓於該等電極之控制電路可經組態以實施兩個偏轉器：控制x方向上之偏轉量之一第一偏轉器；及控制y方向上之偏轉量之一第二偏轉器。施加於該第一(x方向)偏轉器之八極之板上之電壓之相對強度在下文表1中加以展示。
運用表1中之板上之電壓，x軸對準之偏轉場Ex之一電腦模擬等勢線在圖3中加以展示，其中顯示中心區域中之偏轉之一極均勻場。施 加於該第二(y方向)偏轉器之八極之板上之電壓之相對強度在下文表2中加以展示。
注意，表1及表2分別給定達成x偏轉及y偏轉所施加之電壓之相對強度。為在x方向上達成一特定偏轉，表1中之相對強度將藉由一第一電壓位準換算(倍乘)，其中該第一電壓位準之量值判定x軸方向上之偏轉之量值。為在y方向上達成一特定偏轉，表2中之相對強度將藉由一第二電壓位準換算(倍乘)，其中該第二電壓位準之量值判定y方向上之偏轉之量值。施加於八極中之一特定電極之實際電壓係該第一電壓位準乘以表1中之電極之相對強度加上該第二電壓位準乘以表2中之電極之相對強度之一線性組合。藉由控制該第一電壓位準及該第二電壓位準，一使用者可控制靜電偏轉之量值及方向。
根據本發明之一實施例，該Wien濾波器300內之極角周圍之靜電場及磁場之強度經組態並不相同，使得該Wien濾波器300有目的地具有像散。此不同於一Wien濾波器之一習知應用，該Wien濾波器僅在一方向上平衡靜電場強度與磁場強度以(例如)分離次級電子與初級電子。
圖4展示有關根據本發明之一實施例之第二實施方案之兩對磁鞍軛之受關注角度之一像散Wien濾波器。如所示，每一軛302可橫跨大於90度之一角度2θ以使磁性偏轉場之分佈更均勻，使得相鄰軛之間可存在角度φ之一重疊(一方位重疊)。
圖5係根據本發明之一實施例之一對磁鞍軛302之一透視圖。在此圖解中，該對磁鞍軛302經配置以具有對像散Wien濾波器100在y方 向(By)上提供磁性偏轉場之線圈繞組。為清楚起見，藉由虛線矩形502描繪一線圈之一繞組在頂部磁鞍軛302上之定向。
在一例示性實施例中，圖1之電子束柱100可經組態以用於具有相對較低電子束電流之應用。例如，小於1,000皮安(pA)之電子束電流可用於諸如臨界尺寸掃描電子顯微鏡(CD-SEM)、電子束檢視及/或熱斑晶圓檢驗之應用。在以一低電子束電流操作之一電子束柱中，電子間互動在判定總光斑斑點時較不佔優勢。而是，透鏡像差在限制該柱之解析度時起很大作用。
電子束柱之解析度通常可以在目標基板之平面中促成電子束光斑斑點而分解或表達。此等斑點包含一源影像dg、波長相依繞射斑點dλ、球面像差ds及色像差dc。此等斑點之各者可以FW50之一量測(包含50%的電子之全寬度直徑)而定義。可用以特徵化解析度之總光斑大小dtot可藉由平方和之一平方根而給定。此以下文方程式形式加以陳述。
dtot=(dg 2+dλ 2+ds 2+dc 2)1/2 (方程式1)
在一實施方案中，該入射電子束能量濾波器108可經組態以自該電子源102選擇一小能量擴散△E內之電子。期望色像差之減小與能量過濾比ρ成比例。例如，過濾之前的能量擴散可為△E=1電子伏特(eV)，且過濾之後的能量擴散可為△E=50毫電子伏特(meV)以達成一能量過濾比ρ=1 eV/50 meV=20。期望此導致色像差(dc)減小20倍。
同時，期望源影像歸因於損失源亮度而與該能量過濾比ρ之平方根成比例增加。例如，若ρ=20，則期望該源影像dg增加20之平方根。雖然該源影像dg之大小非所期地增加，但是申請人判定此藉由減小色像差抵消。因此，組合結果使解析度實質上增加。
注意，為平衡斑點，當繞射斑點dλ為小時，最佳會聚角β變得更大。此外，對於能量過濾之後之一給定電子束電流，電子間互動由於 電子密度減小而變得相當弱且因此可被忽略。亦注意球面像差ds在具備能量過濾及不具備能量過濾之情況下未改變，且可保持為小以可被忽略。
如下文關於圖6及圖7所述，與不具備能量過濾之總光斑大小dtot相比，dtot在亞奈安培(小於一奈安培)之一電子束電流下減小約一半之一因數。換言之，解析度可改良約2倍之一因數。對於具有一甚至更低的電子束電流之應用，解析度改良甚至可更大(例如，大於3倍)，此係因為源影像在能量過濾之後仍不佔優勢。此外，除能量過濾以外尤其可對相對較高的電子束電流使用一高亮度搶進一步改良解析度。
圖6係在參考條件下總光斑大小及促成光斑大小之因數依據一電腦模擬電子束柱之會聚角之一圖表。該等參考條件的習知之處在於：不存在所使用的入射電子束能量濾波器。換言之，在圖1中，不具有該入射電子束能量濾波器108(包含該像散Wien濾波器110及該濾波器孔隙112)及該補償像散修正器119或其等不活動。
如上所述，促成該總光斑大小之因數包含繞射、色像差、源影像大小(源影像)及球面像差。如圖6中所示，在參考條件下，繞射及色像差係該總光斑大小之主要促成因數。
圖7係總光斑大小及促成光斑大小之因數依據使用根據本發明之一實施例之一像散Wien濾波器過濾入射電子束能量之一電腦模擬電子束柱之會聚角之一圖表。在此情況中，一入射電子束能量濾波器108如圖1中所示般組態且活動地使用。
再者，促成該總光斑大小之因數包含繞射、色像差、源影像大小(源影像)及球面像差。如圖7中所示，歸因於源影像大小之比重實質上增加。此係使用入射電子束能量過濾之一習知原因。然而，如吾人之模擬展示，歸因於色像差之比重降低一相對較大的量以超過抵消源影像大小的增加。因此，至少對於低電子束電流應用，在根據本發 明之入射電子束能量過濾下，最小的總光斑大小實質上較低。圖6及圖7之換算相同。因此，可知與按照圖6之參考條件之最小總光斑大小相比，按照圖7在入射電子束能量過濾下最小總光斑大小實質上減小。
本文揭示之裝置及方法提供優於習知裝置及方法之各種實質優點。首先，對CD-SEM、檢視及/或檢驗中之應用達成約2倍至3倍或更大地突破性改良解析度。
其次，對入射電子束創新使用一基於Wien濾波器之能量濾波器容許該電子束沿柱之光學軸在一直立路徑中行進。相比而言，諸如具有一靜電鏡分析器之一磁稜鏡或具有一靜電場或一磁場之一扇區分析器之其他能量濾波器組態使電子束之路徑彎折或彎曲以選擇一低能量擴散內之電子。運用由該基於Wien濾波器之能量濾波器提供之直立軸組態，避免許多技術風險及問題(諸如例如對準)。
第三，不同於一遲滯能量濾波器，為選擇所要能量範圍中之電子，基於Wien濾波器之能量濾波器無需使電子束中之電子減速。此避免增加由此一遲滯場引起的電子間互動，且因此避免由Boersch效應引起的額外能量擴散。
第四，有利地減小該柱在能量濾波器孔隙下方之較低部分中之電子間互動。此係歸因於在入射電子束能量濾波器之後的電子密度減小。
在上文描述中，給定數種特定細節以提供對本發明之實施例之完整理解。然而，本發明之所圖解說明之實施例之上文描述不旨在詳盡性或將本發明限於所揭示之精確形式。熟習此相關技術者將認知，本發明可在不具備該等特定細節之一或多者之情況下或以其他方法、組件等等實踐。在其他例項中，並未詳細展示或描述熟習的結構或操作以避免混淆本發明之態樣。雖然本文以闡釋性目的描述本發明之特 定實施例及實例，但是如熟習此相關技術者將認知，各種等效修改在本發明之範疇內係可行的。
鑑於上文實施方式可對本發明作出此等修改。以下申請專利範圍中使用之術語不應被解釋為將本發明限於說明書及申請專利範圍中揭示之特定實施例。而是，本發明之範疇係藉由根據申請專利範圍解譯之所建立的學說而解釋之以下申請專利範圍加以判定。
100‧‧‧電子束柱
102‧‧‧電子源
104‧‧‧限束孔隙(BLA)
106‧‧‧槍透鏡
108‧‧‧入射電子束能量濾波器
110‧‧‧像散維恩(Wien)濾波器(SWF)
112‧‧‧能量濾波器孔隙
114‧‧‧電子
116‧‧‧電子
118‧‧‧第一聚光透鏡
119‧‧‧電子束像散校正器
120‧‧‧柱孔隙
122‧‧‧第二聚光透鏡
124‧‧‧物鏡
126‧‧‧目標基板
128‧‧‧可移動載物台
130‧‧‧靜電透鏡
132‧‧‧維恩(Wien)濾波器
134‧‧‧偵測系統

Claims (14)

  1. 一種用於高解析度電子束成像之裝置，該裝置包括：一源，其經組態以發射電子；一槍透鏡，其經組態以將來自該源之電子聚焦至一電子束中；一限束孔隙，其經組態以限制該電子束中之電子之一源發射角；一能量濾波器，其經組態以限制該電子束中之該等電子之一能量擴散；一物鏡，其經組態以將能量經過濾之電子束聚焦至一目標基板之一表面上之一光斑；及一偵測器，其經組態以偵測來自該目標基板之該表面之散射電子，其中該能量濾波器包括一能量相依偏轉器，該能量相依偏轉器包括一像散Wien濾波器，且該像散Wien濾波器進一步包括沿一第一軸之一第一對呈圓柱彎曲導電板及沿一第二軸之一第二對呈圓柱彎曲導電板。
  2. 如請求項1之裝置，其中該能量濾波器進一步包括一濾波器孔隙以將電子阻擋在該受限能量擴散以外。
  3. 如請求項1之裝置，其中該像散Wien濾波器包括由導電線圈纏繞且沿該第一軸組態之一第一對磁芯及由導電線圈纏繞且沿該第二軸組態之一第二對磁芯，其中該第一軸與該第二軸係彼此垂直且垂直於該裝置之一光學軸。
  4. 如請求項1之裝置，其中該像散Wien濾波器包括藉由導電線圈纏繞且沿該第一軸組態之一第一對磁軛及藉由導電線圈纏繞且沿 該第二軸組態之一第二對磁軛，其中該第一軸與該第二軸係彼此垂直且垂直於該裝置之一光學軸。
  5. 如請求項4之裝置，其中該第一對磁軛及該第二對磁軛係組態為一方位重疊。
  6. 如請求項4之裝置，其中該像散Wien濾波器進一步包括一多極偏轉器。
  7. 如請求項6之裝置，其中該多極偏轉器係由一個八極偏轉器、一個12極偏轉器及一個20極偏轉器組成之一群組之一者。
  8. 如請求項1之裝置，其中該能量濾波器包括一像散Wien濾波器及一濾波器孔隙，該能量濾波器進一步包括一像散校正器以補償藉由該像散Wien濾波器引入之散光。
  9. 如請求項8之裝置，其中該像散校正器係組態於該濾波器孔隙與一柱孔隙之間。
  10. 一種形成用於一高解析度電子束裝置之一入射電子束之方法，該方法包括：自一源發射電子；將來自該源之電子聚焦至一電子束中；使用一限束孔隙限制該電子束中之電子之一源發射角；使用一能量濾波器限制該電子束中之該等電子之一能量擴散以形成一能量經過濾之電子束；及使用一物鏡將該能量經過濾之電子束聚焦至一目標基板之一表面上之一光斑，其中該能量濾波器包括一像散Wien濾波器，且該像散Wien濾波器包括由導電線圈纏繞且沿一第一軸之一第一對磁芯、由導電線圈纏繞且沿一第二軸之一第二對磁芯、沿該第一軸之一第一對呈圓柱彎曲導電板及沿該第二軸之一第二對呈圓柱彎曲導 電板，其中該第一軸與該第二軸係彼此垂直且垂直於該裝置之一光學軸。
  11. 如請求項10之方法，其中該能量濾波器進一步包括一濾波器孔隙以將電子阻擋在該受限能量擴散以外。
  12. 如請求項10之方法，其中該像散Wien濾波器包括由導電線圈纏繞且沿一第一軸組態之一第一對磁軛及由導電線圈纏繞且沿一第二軸組態之一第二對磁軛，其中該第一軸與該第二軸係彼此垂直且垂直於該裝置之一光學軸，且其中該第一對磁軛及該第二對磁軛組態為一重疊。
  13. 如請求項12之方法，其中該像散Wien濾波器進一步包括一多極偏轉器，其中該多極偏轉器係由一個八極偏轉器、一個12極偏轉器及一個20極偏轉器組成之一群組之一者。
  14. 如請求項10之方法，其進一步包括在將該能量經過濾之電子束聚焦至該目標基板之該表面上之該光斑之前修正藉由該像散Wien濾波器引入之像散。
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