CN108292583A - 多个带电粒子束的装置 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于以高分辨率和高生产量来观察样品的多射束装置。在该装置中，源转换单元将单个电子源改变为虚拟多源阵列，主投影成像***对该阵列进行投影以在样品上形成多个探测点，并且聚束透镜调节多个探测点的电流。在源转换单元中，图像形成装置在子束限制装置的上游，并且从而生成较少散射的电子。图像形成装置不仅形成虚拟多源阵列，而且还补偿多个探测点的离轴像差。

Description

多个带电粒子束的装置

优先权声明

本申请要求于2015年3月10日提交的题为“Apparatus of Plural Charged-Particle Beams”的属于Ren等人的美国临时申请No.62/130,819的优先权的权益，其全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及具有多个带电粒子束的带电粒子装置。更具体地，本发明涉及采用多个带电粒子束来同时获取样品表面上的观察区域的多个扫描区域的图像的装置。因此，该装置可以用于在半导体制造业中以高分辨率和高生产量来检查和/或评估晶片/掩模上的缺陷。

背景技术

为了制造半导体IC芯片，在制造过程中，晶片/掩模的表面上不可避免地会出现图案缺陷和/或不受欢迎的颗粒(残留物)，这在很大程度上降低了产量。为了满足对IC芯片性能的越来越高的要求，采用了具有越来越小的关键特征尺寸的图案。因此，传统的具有射束的良率管理工具由于衍射效应而逐渐变得不胜任，并且具有电子束的良率管理工具越来越多地被采用。与光子束相比，电子束具有较短的波长，并且从而可能提供优异的空间分辨率。目前，具有电子束的良率管理工具采用具有单个电子束的扫描电子显微镜(SEM)的原理，其因此可以提供更高的分辨率，但是不能提供胜任大规模生产的生产量。虽然可以使用越来越高的束电流来提高生产量，但是库仑效应将会从根本上降低优异的空间分辨率。

为了减轻对生产量的限制，代替使用具有大电流的单个电子束，一种有希望的解决方案是使用每个具有小电流的多个电子束。多个电子束在样品的一个被检查或观察表面上形成多个探测点。对于样品表面，多个探测点可以分别并且同时扫描在样品表面上的大的观察区域内的多个小扫描区域。每个探测点的电子从它们着陆的样品表面生成二次电子。二次电子包括慢二次电子(能量≤50eV)和反向散射电子(接近电子的着陆能量的能量)。来自多个小扫描区域的二次电子可以分别并且同时被多个电子检测器收集。因此，与利用单个射束扫描大的观察区域相比，可以更快地获得包括所有小扫描区域的大的观察区域的图像。

多个电子束可以分别来自多个电子源，或者来自单个电子源。对于前者，多个电子束通常分别通过多个列被聚焦到多个小扫描区域并且扫描多个小扫描区域，并且来自每个扫描区域的二次电子被相应列内的一个电子检测器检测。因此，该装置通常被称为多列装置。多个列可以是独立的或共享多轴磁性或电磁复合物镜(诸如US 8,294,095)。在样品表面上，两个相邻射束之间的射束间隔通常大到30到50mm。

对于后者，源转换单元用于将单个电子源虚拟地改变成多个子源。源转换单元包括一个子束形成装置和一个图像形成装置。子束形成装置基本上包括多个射束限制开口，其将由单个电子源生成的一次电子束分别分成多个子射束或子束。图像形成装置基本上包括多个电子光学元件，其聚焦或偏转多个子束以分别形成电子源的多个平行图像。多个平行图像中的每一个可以被视为发射相应的一个子束的一个子源。子束间隔，即，射束限制开口间隔是微米级，以便使更多的子束可用，并且因此源转换单元可以通过半导体制造工艺或MEMS(微机电***)工艺来制造。当然，一个单列内的一个主投影成像***和一个偏转扫描单元用于将多个平行图像分别投影到多个小扫描区域并且扫描多个小扫描区域，并且来自多个小扫描区域的多个二次电子束分别由单个列内的一个电子检测设备的多个检测元件来被检测。多个检测元件可以是并排放置的多个电子检测器或一个电子检测器的多个像素。因此，该装置通常被称为多射束装置。

在图1A中的源转换单元20-1中，图像形成装置22-1由多个透镜(22_1L至22_3L)构成。来自一个单个电子源的实质上平行的一次电子束2被子束形成装置21的多个射束限制开口(21_1至21_3)分成多个子束(2_1至2_3)，并且多个透镜分别聚焦多个子束以形成单个电子源的多个平行图像(2_1r至2_3r)。多个平行图像通常是实像，但是在多个透镜中的每一个是孔透镜的情况下在特定条件下可以是虚像。US7,244,949和US7,880,143分别提出了具有这种类型的一个图像形成装置的多射束装置。在图1B中的源转换单元20-2中，图像形成装置22-2由多个偏转器(22_2D和22_3D)构成。来自一个单个电子源的发散的一次电子束2被子束形成装置21的多个射束限制开口(21_2和21_3)分成多个子束(2_2和2_3)，并且多个偏转器分别偏转多个子束以形成单个电子源的多个平行虚像(2_2v和2_3v)。

早在20世纪50年代，在著名的双缝电子干涉实验中使用了使用偏转器来形成电子源的虚像的概念，其中采用电子双棱镜来形成如图2所示的两个虚像(Rodolfo Rosa在“Physics in Perspective,14(2012)178-195”中发表的文章“The Merli-Missiroli-Pozzi Two-Slit Electron-Interference Experiment”的图1)。电子双棱镜基本上包括位于接地电位的两个平行的板和在它们之间的非常细的线F。当不等于接地电位的电位被施加到线F时，电子双棱镜变为具有彼此相反的偏转方向的两个偏转器。来自电子源S的一次电子束通过两个偏转器，并且变成形成电子源S的虚像S1和S2的两个偏转子束。如果电位为正，则两个子束彼此交叠，并且在交叠区域中出现干涉条纹。

从那时起，上述概念以多种方式在多射束装置中被采用。JP-A-10-339711和US8,378,299直接使用一个传统的电子双棱镜来在样品表面上形成两个探测点。US6,943,349使用一个环形偏转器(其图5)或相应的一个偏转器阵列(其图12)来在样品表面上形成两个以上的探测点，并且因此可以提供更高的生产量。环形偏转器包括内部环形电极和外部环形电极。如果两个环形电极的电位彼此不相等，则在在它们之间的环形间隙内将出现在局部径向方向上的一个电场，并且因此环形偏转器可以在不同的方向上将两个以上的子束一起偏转。此外，环形偏转器的偏转功能可以由具有沿着环形间隙布置的多个多极型偏转器的一个相应偏转器阵列来执行。

在图1B中的传统的源转换单元20-2中，由于一次电子束2的发散，多个子束以不同的入射角穿过多个射束限制开口，并且因此受到强烈的和不同的电子散射。每个子束中的散射电子将扩大探测点和/或变成背景噪声，并且因此使相应的扫描区域的图像分辨率恶化。

在US6,943,349中，多个子束的电流只能通过改变单个电子源的发射或射束限制开口的尺寸来被改变。单个电子源在其发射变化时需要很长时间才能变得稳定。子束形成装置需要具有多于一组的开口，并且该组中的开口的尺寸与其他组的不同。改变使用中的组是非常耗时的。此外，在物镜的某些特定操作条件下，二次电子束只能被聚焦到透镜内检测器的多个检测元件上。因此可用的应用受到限制。

因此，需要提供一种能够以高图像分辨率和高生产量来同时获取样品表面上的大观察区域内的多个小扫描区域的图像的多射束装置。特别地，需要一种能够以高分辨率和高生产量来检查和/或评估晶片/掩模上的缺陷的多射束装置以匹配半导体制造业的路线图。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的多射束装置，其能够针对观察样品提供高分辨率和高生产量，并且特别地用作良率管理工具来检查和/或评估半导体制造业中的晶片/掩模上的缺陷。多射束装置采用新的源转换单元来首先形成单个电子源的多个平行虚像并且其次限制相应的多个子束的电流，多射束装置采用聚束透镜来调节多个子束的电流，多射束装置采用主投影成像***来投影多个平行虚像以在样品的被观察表面上形成多个探测点，多射束装置采用射束分离器来偏转来自被观察表面的多个二次电子束以使其远离多个子束的路径，并且多射束装置采用辅投影成像***来聚焦分别要由电子检测设备的多个检测元件来检测的多个二次电子束。

相应地，本发明因此提供了一种源转换单元，其包括图像形成装置和子束限制装置，图像形成装置包括具有多个上部4极结构的上层和具有多个下部4极结构的下层，子束限制装置在图像形成装置下方并且包括多个射束限制开口。每个上部4极结构在相应的一个下部4极结构上方并且与其对准，并且两者都具有大约45°的方位角差并且形成一对4极结构。因此，多个上部4极结构和多个下部4极结构形成多对4极结构。多个射束限制开口分别与多对4极结构对准。一对4极结构用作微偏转器以偏转由电子源生成的电子束的一个子束以形成其虚像，用作微透镜以将一个子束聚焦到期望的程度，以及/或者用作微消像散器以将期望的量的像散像差加到一个子束。

本发明还提供了一种用于观察样品表面的多射束装置，其包括电子源、在电子源下方的聚束透镜、在聚束透镜下方的源转换单元、在源转换单元下方并且包括物镜的主投影成像***、在主投影成像***内部的偏转扫描单元、在主投影成像***下方的样品台、在物镜上方的射束分离器、在射束分离器上方的辅投影成像***、以及具有多个检测元件的电子检测设备。源转换单元包括具有多个微偏转器的图像形成装置和具有多个射束限制开口的子束限制装置，其中图像形成装置在子束限制装置上方。电子源、聚束透镜、源转换单元、主投影成像***、偏转扫描单元和射束分离器与该装置的主光轴对准。样品台维持样品使得表面面向物镜。辅投影成像***和电子检测设备与该装置的辅光轴对准，辅光轴不平行于主光轴。电子源沿着主光轴生成一次电子束，并且多个微偏转器偏转一次电子束以形成电子源的多个平行虚像。因此，虚拟多源阵列从电子源被转换而成，并且包括虚拟多源阵列的多个子束分别穿过多个射束限制开口。因此，每个子束的电流受到相应的一个射束限制开口的限制，并且多个子束的电流可以通过调节聚束透镜来被改变。主投影成像***将虚拟多源阵列成像到表面上，并且多个探测点因此形成在该表面上。偏转扫描单元偏转多个子束以在表面上的观察区域内的多个扫描区域上方分别扫描多个探测点。多个二次电子束分别由来自多个扫描区域的多个探测点生成，并且在经过时被物镜聚焦。然后，射束分离器将多个二次电子束偏转到辅投影成像***，并且辅投影成像***聚焦多个二次电子束并且保持多个二次电子束分别通过多个检测元件来被检测。因此，每个检测元件提供相应的一个扫描区域的图像信号。

多射束装置还可以包括在电子源下方的主孔板，主孔板具有与主光轴对准的主开口并且用作一次电子束的射束限制孔。主投影成像***还可以包括在物镜上方的转移透镜，转移透镜聚焦多个子束以垂直地着陆在表面上。多个微偏转器中的每一个具有可以在任何径向方向上生成偏转场的4极结构。多射束装置还可以包括在射束分离器上方的单射束电子检测器，单射束电子检测器可以在单射束模式中使用。多射束装置还可以包括具有与主光轴对准的子束通过孔的透镜内电子检测器，透镜内电子检测器在射束分离器下方并且可以在单射束模式中使用。

本发明还提供了一种用于观察样品表面的多射束装置，其包括电子源、在电子源下方的聚束透镜、在聚束透镜下方的源转换单元、在源转换单元下方并且包括物镜的主投影成像***、在主投影成像***内部的偏转扫描单元、在主投影成像***下方的样品台、在物镜上方的射束分离器、在射束分离器上方的辅投影成像***、以及具有多个检测元件的电子检测设备。源转换单元包括具有多个微偏转器和补偿器元件的图像形成装置以及具有多个射束限制开口的子束限制装置，并且每个微偏转器和补偿器元件包括一个微偏转器和一个微补偿器，其具有一个微透镜和一个微消像散器。图像形成装置在子束限制装置上方。电子源、聚束透镜、源转换单元、主投影成像***、偏转扫描单元和射束分离器与该装置的主光轴对准。样品台维持样品使得表面面向物镜。辅投影成像***和电子检测设备与该装置的辅光轴对准，辅光轴不平行于主光轴。电子源沿着主光轴生成一次电子束，并且多个微偏转器偏转一次电子束以形成电子源的多个平行虚像。因此，虚拟多源阵列从电子源被转换而成。包括虚拟多源阵列的多个子束分别穿过多个射束限制开口，因此每个子束的电流受到相应的一个射束限制开口的限制。多个子束的电流可以通过调节聚束透镜来被改变。主投影成像***将虚拟多源阵列成像到表面上，因此多个探测点形成在该表面上。一个微补偿器的一个微透镜和一个微消像散器分别补偿相应的一个探测点的像场弯曲和像散像差，并且偏转扫描单元偏转多个子束以在表面上的观察区域内的多个扫描区域上方分别扫过多个探测点。多个二次电子束分别由来自多个扫描区域的多个探测点生成，并且在经过时被物镜聚焦，然后射束分离器使多个二次电子束偏转以进入辅投影成像***。辅投影成像***聚焦多个二次电子束并且保持多个二次电子束分别通过多个检测元件来被检测，因此每个检测元件提供相应的一个扫描区域的图像信号。

多射束装置还可以包括在电子源下方的主孔板，主孔板具有与主光轴对准的主开口，并且用作一次电子束的射束限制孔。多个微偏转器和补偿器元件中的每一个可以具有8极结构，8极结构通过生成期望的偏转场来用作一个微偏转器，并且通过生成期望的四极场和期望的圆形透镜场来用作一个微补偿器。多个微偏转器和补偿器元件中的每一个包括分别在上层和下层中的上部4极结构和下部4极结构，上层在下层上方，上部4极结构和下部4极结构彼此对准并且具有45°的方位角差。上部4极结构和下部4极结构可以通过生成期望的偏转场来用作一个微偏转器，并且通过生成期望的四极场和期望的圆形透镜场来用作一个微补偿器。主投影成像***还可以包括在物镜上方的转移透镜，转移透镜聚焦多个子束以垂直地着陆在表面上。多射束装置还可以包括在射束分离器上方的单射束电子检测器，单射束电子检测器可以在单射束模式中使用。多射束装置还可以包括具有与主光轴对准的子束通过孔的透镜内电子检测器，透镜内电子检测器在射束分离器下方并且可以在单射束模式中使用。

本发明还提供了一种用于将源转换单元配置为用于从电子源形成虚拟多源阵列的方法，其包括以下步骤：提供包括具有多个上部4极结构的上层和具有多个下部4极结构的下层的图像形成装置，以及提供在图像形成装置下方并且包括多个射束限制开口的子束限制装置。每个上部4极结构在相应的一个下部4极结构上方并且与其对准，并且它们都具有45°的方位角差并且形成一对4极结构。因此，多个上部4极结构和多个下部4极结构形成多对4极结构。多个射束限制开口分别与多对4极结构对准。一对4极结构用作微偏转以偏转由电子源生成的电子束的一个子束以形成其虚像，用作微透镜以将一个子束聚焦到期望的程度，以及/或者用作微消像散器以将期望的量的像散像差添加到一个子束。

源转换单元可以包括具有分别与多对4极结构对准的多个上部通孔的上部导电板。源转换单元还可以包括具有分别与多对4极结构对准的多个下部通孔的下部导电板。

本发明还提供了一种用于从电子源形成虚拟多源阵列的方法，其包括以下步骤：通过使用具有多个上部4极结构的上层和具有多个下部4极结构的下层来将来自电子源的电子束偏转为多个子束，以及通过使用多个开口来限制多个子束。每个上部4极结构在相应的一个下部4极结构上方并且与其对准，并且两者都具有45°的方位角差并且形成一对4极结构。

本发明还提供了一种带电粒子束装置，其包括用于提供一次射束的单个带电粒子源、用于将一次射束转换成多个子束的部件，用于从多个子束在样本上形成多个探测点的第一投影***、用于扫描样本上的多个探测点的偏转扫描单元、用于分离多个信号电子束以远离多个子束的部件、用于接收多个信号电子束的检测设备、以及用于分别在检测设备的多个电子检测元件上根据多个信号电子束来形成多个信号点的第二投影***。转换部件包括用于偏转多个子束的多个偏转器和多个偏转器下方的多个射束限制开口。多个信号电子束分别是由于多个子束轰击样本而生成的。

带电粒子束装置还可以包括用于调节多个探测点的电流的聚束透镜。转换部件包括分别用于补偿多个探测点的像差的多个补偿器。

通过结合附图给出的以下描述，本发明的其他优点将变得显而易见，在附图中，通过说明和示例阐述了本发明的某些实施例。

附图说明

通过结合附图给出的以下详细描述将容易理解本发明，在附图中，相同的附图标记表示相同的结构元件，并且在附图中：

图1A和图1B分别是传统的源转换单元的示意图。

图2是具有电子双棱镜的电子干涉实验的示意图。

图3A是根据本发明的一个实施例的新的多射束装置的一个配置的示意图。

图3B至图3D分别是图3A中的新的多射束装置的操作模式的示意图。

图4是根据本发明的另一实施例的新的多射束装置的另一配置的示意图。

图5A至图5C分别是根据本发明的另一实施例的图3A中的图像形成装置的配置的示意图。

图6A至图6D分别是根据本发明的另一实施例的图3A中的图像形成装置的配置的示意图。

图7是根据本发明的另一实施例的图4中的先进图像形成装置的配置的示意图。

图8A至图8D是根据本发明的另一实施例的图4中的先进图像形成装置的配置的示意图。

图9A是根据本发明的另一实施例的新的多射束装置的另一配置的示意图。

图9B和图9C分别是图9A中新的多射束装置的操作模式的示意图。

图10是图4中新的多射束装置的一种操作模式的示意图。

图11A是根据本发明的另一实施例的新的多射束装置的另一配置及其一种操作模式的示意图。

图11B是根据本发明的另一实施例的新的多射束装置的另一配置及其一种操作模式的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更充分地描述本发明的各种示例实施例，附图中示出了本发明的一些示例实施例。在不限制本发明的保护范围的情况下，实施例的所有描述和附图将参考电子束。然而，这些实施例不用于将本发明限制于特定带电粒子。

在附图中，为了清楚起见，每个部件和在每个部件中的相对尺寸可能被夸大。在附图的以下描述中，相同或相似的附图标记指代相同或相似的部件或实体，并且仅描述了关于各个实施例的不同之处。为了清楚起见，附图中仅有三个子束可用，但是子束的数目可以是任何一个。

因此，虽然本发明的示例实施例能够具有各种修改和替代形式，但是其实施例通过示例的方式在附图中示出，并且将在本文中详细描述。然而，应当理解，并不意图将本发明的示例实施例限制为所公开的特定形式，相反，本发明的示例实施例将覆盖落在本发明的范围内的所有修改、等同和替代方案。

在本发明中，“轴向”表示“在透镜(圆或多极)、成像***或装置的光轴方向上”，“径向”表示“在垂直于光轴的方向上”，“轴上”表示“在光轴上或与光轴对准”，“离轴”表示“不在光轴上或与光轴未对准”。

在本发明中，“成像***与光轴对准”表示“所有电子光学元件(诸如圆形透镜和多极透镜)与光轴对准”。

在本发明中，X、Y和Z轴形成笛卡尔坐标。主投影成像***的光轴在Z轴上，并且一次电子束沿着Z轴行进。

在本发明中，“一次电子”表示“从电子源发射并且入射到样品的被观察或检查的表面上的电子”，并且“二次电子”表示“通过一次电子从该表面生成的电子”。

在本发明中，“信号电子”表示“通过一次带电粒子束从样品的被观察或检查的表面生成的电子”。

在本发明中，“单射束模式”表示正在使用仅一个子束。

在本发明中，涉及通孔、开口和孔口的所有术语表示穿过一个板的开口或孔。

接下来，本发明将提供新的多射束装置的一些实施例。多射束装置采用新的源转换单元来首先形成单个电子源的多个平行虚像以及其次限制多个子束的电流，多射束装置采用聚束透镜来调节多个子束的电流，多射束装置采用主投影成像***来投影多个平行虚像以在样品的被观察表面上形成多个探测点，多射束装置采用射束分离器来偏转来自该表面的多个二次电子束以使其远离多个子束的路径，并且多射束装置采用辅投影成像***来聚焦分别要由电子检测设备的多个检测元件检测的多个二次电子束。

新的源转换单元包括具有多个微偏转器的图像形成装置和具有多个射束限制开口的子束限制装置，并且图像形成装置在子束限制装置的上游。来自单个电子源的一次电子束首先被多个微偏转器偏转以形成单个电子源的多个平行虚像，并且形成多个平行虚像的多个子束将垂直或实质上垂直地穿过多个射束限制。以这种方式，多个射束限制开口将不仅生成与现有技术相比更少的散射电子，而且还切断在上游生成的散射电子，并且从而消除由于电子散射而引起的图像分辨率恶化。图像形成装置还可以包括多个微补偿器，以分别补偿多个探测点的离轴像差(像场弯曲和像散)，并且从而进一步提高被观察表面的图像分辨率。

图3A中示出了新的多射束装置的一个实施例100A。单个电子源101在主光轴100_1上。公共聚束透镜110、主孔板171、新的源转换单元120、主投影成像***130、偏转扫描单元132和射束分离器160沿着主光轴100_1放置并且与主光轴100_1对准。辅投影成像***150和电子检测设备140沿着辅光轴150_1放置并且与辅光轴150_1对准。

主孔板171可以放置在公共聚束透镜9上方，或者在新的源转换单元120正上方，如这里所示。新的源转换单元120包括具有两个微偏转器122_2和122_3的微偏转器阵列122以及具有三个射束限制开口121_1、121_2和121_3的子束限制板121，其中射束限制开口121_1与主光轴100_1对准。如果射束限制开口121_1不与主光轴100_1对准，则将存在另一个微偏转器122_1(如图5C所示)。主投影成像***130包括转移透镜133和物镜131。偏转扫描单元132包括至少一个偏转器。射束分离器160是一个维恩滤波器。辅投影成像***150包括防扫描偏转器151、变焦透镜152(包括至少两个透镜152_1和152_2)和防旋转磁透镜154。电子检测设备140包括三个检测元件140_1、140_2和140_3。上述透镜中的每一个可以是静电透镜、磁透镜或电磁复合透镜。

图3B至图3D示出了新的多射束装置100A的三种操作模式。单个电子源101包括阴极、提取和/或阳极，其中一次电子从阴极发射并且被提取和/或加速以形成一次电子束102，一次电子束102具有高能量(诸如8到20keV)、高角度强度(诸如0.5到5mA/sr)以及这里用轴上椭圆形标记示出的交叉(crossover)(虚拟或实际)101s。因此，方便地认为一次电子束102从交叉101s发出，并且单个电子源101被简化为交叉101s。

在图3B中，聚束透镜110关闭。一次电子束102穿过聚束透镜110而没有聚焦影响，并且其***电子被主孔板171的主开口切断。微偏转器122_2和122_3分别偏转一次电子束102的子束102_2和102_3。偏转后的子束102_2和102_3分别形成单个电子源101的交叉101s的离轴虚像102_2v和102_3v。偏转后的子束102_2和102_3平行或实质上平行于主光轴100_1，并且因此垂直地入射到子束限制板121上。射束限制开口121_1、121_2和121_3分别切断一次电子束102的中央部分102_1的***电子以及偏转后的子束102_2和102_3的***电子，并且从而限制其电流。因此，形成了一个虚拟多源阵列101v，其包括交叉101s及其两个平行的离轴虚像102_2v和102_3v。一个虚像可以避免图1A中的一个实像处的库仑效应。为了进一步减少库仑效应，主孔板171可以放置在聚束透镜110上方，以尽早切断***电子。

接下来，交叉101s及其两个平行的离轴虚像102_2v和102_3v通过转移透镜133和物镜131被成像到被观察表面7上，并且它们的图像在被观察表面7上形成三个探测点102_1S、102_2S和102_3S。为了使两个离轴子束102_2和102_3垂直地着陆在被观察表面7上，转移透镜133聚焦它们以使其穿过物镜131的前焦点。如果物镜131包括一个磁透镜，则两个离轴子束102_2和102_3由于磁旋转的影响而可能不会精确地穿过前焦点，并且这对于减小子束交叉CS处的库仑效应是非常有帮助的。偏转扫描单元132偏转三个子束102_1至102_3，并且因此三个探测点102_1S至102_3S扫描被观察表面7上的三个单独区域。

从三个扫描区域发射的二次电子束102_1se、102_2se和102_3se被物镜131聚焦，并且被射束分离器160偏转，以沿着辅光轴150_1进入辅投影成像***150。透镜152和153将二次电子束分别聚焦到三个检测元件140_1至140_3上。因此，每个检测元件将提供相应的一个扫描区域的图像信号。如果来自一个扫描区域的二次电子束的一些二次电子进入相邻检测元件，则相邻检测元件的图像信号也将包括来自该扫描区域的外部信息，并且对于该相邻检测元件，该外来信息是来自这个扫描区域的串扰。为了避免检测元件之间的串扰，变焦透镜152使得每个二次电子束的点尺寸小于相应的检测元件，并且防扫描偏转器151将同步地偏转二次电子束102_1se至102_3se以在偏转扫描单元132偏转子束102_1至102_3期间将它们保持在相应的检测元件内。

不同的样品通常需要不同的观察条件，诸如子束的着陆能量和电流。对于半导体制造业中的晶片/掩模上的缺陷的检查和/或评估尤其如此。物镜131的聚焦能量将随着着陆能量而变化，这将影响二次电子束在电子检测设备140上的位置并且引发串扰。在这种情况下，变焦透镜152将被调节以消除二次电子束的径向位移。如果物镜131包括一个磁透镜，则防旋转磁透镜154将被调节以消除二次电子束的旋转。

两个离轴探测点102_2S和102_3S中的每一个包括由物镜131、转移透镜133和聚束透镜在被开启时生成的离轴像差。每个离轴探测点的离轴像差可以通过单独地优化相应子束的轨迹来减小。离轴像差的静态部分可以通过调节相应微偏转器的偏转能力来减小。离轴像差的动态部分可以通过优化偏转扫描单元132的性能来减小，偏转扫描单元132因此可以包括多于一个的偏转器。

与图3B不同，图3C中的聚束透镜110开启，其聚焦一次电子束102以形成单个电子源101的交叉101s的轴上虚像101sv。微偏转器122_2和122_3分别偏转聚焦后的一次电子束102的子束102_2和102_3，并且形成交叉101s的两个离轴虚像102_2v和102_3v。偏转后的子束102_2和102_3平行或实质上平行于主光轴100_1并且因此垂直地入射到子束限制板121上。射束限制开口121_1、121_2和121_3分别切断聚焦后的一次电子束102的中央部分102_1的***电子以及偏转后的子束102_2和102_3的***电子，并且从而限制其电流。聚束透镜110的聚焦功能增加聚焦后的一次电子束102的电流密度，并且从而增加子束102_1至102_3的电流使其高于图3B中的电流。因此，所有子束的电流可以通过聚束透镜110被连续地调节。

与传统的SEM类似，通过平衡几何和衍射像差、高斯图像尺寸和库仑效应，可以使每个探测点的尺寸最小化。聚束透镜110的聚焦功能改变从交叉101s到被观察表面7的成像倍率，这影响平衡并且因此可以增加每个探测点的尺寸。为了避免当子束的电流发生很大变化时探测点的尺寸增加太多，可以相应地改变射束限制开口121_1至121_3的尺寸。因此，子束限制板121优选地具有多组射束限制开口。一个组中的射束限制开口的尺寸与另一个组中的尺寸不同。可替代地，可以改变转移透镜133的聚焦能力以减小成像倍率的变化。离轴子束102_2和102_3的轨迹将受到转移透镜133的聚焦能力变化的影响，并且微偏转器122_2和122_3的偏转能力可以相应地被调节以保持轨迹。以这种方式，子束102_2和102_3可以略微不平行于主光轴100_1，如图3D所示。

图4中示出了新的多射束装置的另一实施例110A。与实施例100A不同，新的源转换单元120-1包括具有三个微偏转器和补偿器元件122_1dc、122_2dc和122_3dc的一个微偏转器和补偿器阵列122-1。每个微偏转器和补偿器元件包括一个微偏转器和一个微补偿器，一个微补偿器具有一个微透镜和一个微消像散器。微偏转器用于形成一个虚拟多源阵列，与图3B至图3D所示的微偏转器122_2和122_3的功能相同。众所周知，聚束透镜110、转移透镜133和物镜131将生成离轴像差。如上所述，离轴像差对探测点尺寸的影响可以通过单独地优化子束的轨迹来减小。因此，微透镜和微消像散器将用于分别补偿探测点的剩余像场弯曲和像散像差。与图3A中的微偏转器阵列122相比，微偏转器和补偿器阵列122-1是先进图像形成装置。

图3A中的微偏转器122_2和122_3中的每一个可以简单地包括与相应子束的所需要的偏转方向垂直的两个平行电极，如图5A所示。例如，微偏转器122_2具有垂直于X轴的两个平行电极122_2_e1和122_2_e2，并且从而使子束102_2在X轴方向上偏转。图5B示出了微偏转器阵列122偏转8个子束的一个实施例。由于每个微偏转器具有特殊的取向，因此难以制造包括大量微偏转器的一个微偏转器阵列122。从制造的角度来看，所有的微偏转器优选地在几何形状方面具有相同的构造和相同的取向。因此，具有四极或4极配置的微偏转器可以满足这一要求，如图5C所示。每个微偏转器的四个电极可以形成两个偏转器，其可以在任何方向上偏转一个电子子束。如果相应的射束限制开口121_1没有与主光轴101正确地对准，则可以使用微偏转器122_1。

为了操作一个微偏转器，驱动电路需要将每个电极与其连接。为了防止驱动电路被一次电子束102损坏，最好在图5A至图5C中的所有微偏转器的电极上方放置一个导电板。以图5C为例，在图6A中，具有多个上部通孔的上部导电板122-CL1和具有多个上部孔口的上部绝缘板122-IL1被放置在微偏转器122_1至122_3的电极上方。微偏转器122_1至122_3的电极可以附接到上部绝缘板122-IL1。上部通孔和上部孔口分别与微偏转器的光轴对准，诸如上部通孔CL1_2和上部孔口IL1_2在微偏转器122_2的光轴122_2_1上。每个上部通孔的径向尺寸等于或小于相应的微偏转器的电极的内部径向尺寸，以用于保护其驱动电路，而每个上部孔口的径向尺寸大于相应的上部通孔的径向尺寸，以避免在其内侧壁上充电。以这种方式，所有微偏转器的偏转场将在上侧具有短的边缘范围，这将减小其偏转像差。

基于图6A，图6B中的微偏转器阵列122还包括具有多个下部通孔的下部导电板122-CL2。每个下部通孔与一个微偏转器的光轴对准，诸如下部通孔CL2_2在微偏转器122_2的光轴122_2_1上。以这种方式，所有微偏转器的偏转场将在上侧和下侧二者都具有短的边缘范围，这将减小其偏转像差。与图6B不同，图6C中的微偏转器阵列122采用具有多个下部孔口的下部绝缘板122-IL2以支撑微偏转器122_1至122_3的电极。每个下部孔口与一个微偏转器的光轴对准，诸如下部孔口IL2_2在微偏转器122_2的光轴122_2_1上。每个下部孔口的径向尺寸大于相应的微偏转器的电极的内部径向尺寸。图6D中的微偏转器阵列122是图6B和图6C的组合，其在配置方面更稳定。

图7示出了图4中的微偏转器和补偿器阵列122-1的微偏转器和补偿器元件122_2dc的一个实施例，其具有8极配置。八个电极122_2dc_e1至122_2dc_e8可以被驱动以生成任何方向上的具有用于生成电子源1的虚像的基本量和用于补偿失真的附加量的偶极场(偏转场)、任何方向上的用于补偿像散的四极场(像散场)、以及用于补偿像场弯曲的圆形透镜场。

图8A示出了图4中的微偏转器和补偿器阵列122-1的另一实施例。每个微偏转器和补偿器元件包括一对4极透镜，它们被放置成两层，彼此对准，并且具有45°的方位角差或方位差。微偏转器和补偿器元件122_1dc、122_2dc和122_3dc分别由一对上部和下部4极透镜122_1dc-1和122_1dc-2、一对上部和下部4极透镜122_2dc-1和122_2dc-2、以及一对上部和下部4极透镜122_3dc-1和122_3dc-2组成。上部4极透镜122_1dc-1、122_2dc-1和122_3dc-1放置在上层122-1-1中，并且下部4极透镜122_1dc-2、122_2dc-2和122_3dc-2放置在下层122-1-2中并且分别与上部4极透镜122_1dc-1、122_2dc-1和122_3dc-1对准。作为示例，关于X轴，上部4极透镜122_1dc-1、122_2dc-1和122_3dc-1的方位角为0°，如图8B所示，并且下部4极透镜122_1dc-2、122_2dc-2和122_3dc-2的方位角为45°，如图8C所示。在图8D中，类似于图6D，上层和下层被上部和下部导电板122-CL1和122-CL2屏蔽，并且由上部和下部绝缘板122-IL1和122-IL2和具有多个中间孔口的中间绝缘板122-IL3支撑。对于每个微偏转器和补偿器元件，任何期望方向上的偏转场、以及圆形透镜场都可以由上部和下部4极透镜中的任一者或两者生成，并且任何方向上的四极场可以由上部和下部4极透镜生成。

图9A中示出了新的多射束装置的另一实施例200A。与图4中的实施例110A相比，转移透镜133从主投影成像***去除。图9B示出了一种操作模式，其中离轴子束102_2和102_3分别通过微偏转器和补偿器元件122_2dc和122_3dc平行于主光轴200_1而被偏转，并且倾斜地着陆在被观察表面7上。该模式可以用于对子束的入射情况没有严格要求或需要立体成像的观测应用。微偏转器和补偿器元件122_2dc和122_3dc可以补偿两个离轴子束102_2和102_3由于以大的径向偏移穿过物镜131而导致的大的离轴像差。图9C示出了另一种操作模式，其中离轴子束102_2和102_3分别进一步通过微偏转器和补偿器元件102_2dc和102_3dc朝向主光轴200_1而被偏转，并且因此较少倾斜地着陆在被观察表面7上。如果微偏转器和补偿器元件122_2dc和122_3dc分别偏转离轴子束102_2和102_3以使其穿过物镜131的前焦点，则离轴子束102_2和102_3将正常地入射到被观察表面7上。为了避免离轴子束102_2和102_3以大的入射角穿过射束限制开口，优选的是在物镜131的前焦点与微偏转器和补偿器阵列122-1之间保持较长的距离。

众所周知，扫描被观察表面7的子束越多，在被观察表面7上构建的电荷可能越多。因此，对于具体的观察应用，可能不需要其中一些子束。在这种情况下，这些子束可以被引导以被子束限制板遮掩。图10示出了图4中的实施例110A的这种操作模式，其中微偏转器和补偿器122_2dc关闭，并且子束102_2被子束限制板121切断。微偏转器和补偿器122_2dc可能需要被开启以引导子束102_2被子束限制板121切断，这取决于源转换单元120-1的详细结构。

基于图4中的实施例110A，在图11A中提出了新的多射束装置的另一实施例111A，其中添加了单射束电子检测器141。当由于某些原因(诸如搜索用于观察应用的乐观成像条件(着陆能量和探头电流))而仅需要一个子束时，则该装置将以单射束模式工作。在这种情况下，射束分离器160可以将相应的二次电子束偏转到单射束电子检测器141。在此，使用子束102_1作为使用中的子束。由子束102_1生成的二次电子束102_1se被偏转以由单射束电子检测器141来被检测。使用单射束电子检测器141可以避免关于物镜131的聚焦能力的变化来调节辅投影成像***150的过程。如上所述，当使用中的子束的着陆能量和/或电流改变时，物镜131的聚焦能力将改变。此外，图11B示出了新的多射束装置的另一实施例112A，其中具有子束通过孔的透镜内电子检测器142被放置在射束分离器160下方。当装置以单射束模式工作时，在关于使用中的子束的二次电子束内，具有大发射角的二次电子可以由透镜内电子检测器142来被检测，并且具有小发射角的二次电子将穿过子束通过孔并且由电子检测设备140的相应检测元件来被检测。这里，使用子束102_1作为使用中的子束。在由子束102_1生成的二次电子束102_1se内，具有大发射角的二次电子102_1se_2撞击透镜内电子检测器142，并且具有小发射角的二次电子102_1se_1被偏转以由电子检测设备140来被检测。单射束电子检测器141和透镜内电子检测器142可以组合使用。在这种情况下，具有大发射角的二次电子102_1se_2可以由透镜内电子检测器142来被检测，并且具有小发射角的二次电子102_1se_1可以被射束分离器160偏转以由单射束电子检测器141来被检测。虽然这里未示出，但是透镜内电子检测器142也可以放置在射束分离器160上方。在这种情况下，当射束分离器关闭时，透镜内电子检测器142可以检测二次电子束102_1se的外部部分。

总之，本发明提出了一种用于以高分辨率和高生产量观察样品的新的多射束装置。新的多射束装置可以用作良率管理工具来检查和/或评估半导体制造业中的晶片/掩模上的缺陷。多射束装置采用新的源转换单元来形成单个电子源的多个平行虚像，采用聚束透镜来调节多个子束的电流，采用主投影成像***来投影多个平行虚像以在样品的被观察表面上形成多个探测点，采用射束分离器来使多个二次电子束从其偏转以远离多个子束的路径，以及采用辅投影成像***来聚焦分别要由电子检测设备的多个检测元件来检测的多个二次电子束。在新的源转换单元中，图像形成装置在子束限制装置的上游，并且从而减轻了由于电子散射而引起的图像分辨率恶化。图像形成装置包括用于形成多个平行虚像的多个微偏转器、或者用于形成多个平行虚像并且补偿多个探测点的离轴像差的多个微偏转器和补偿器元件。

虽然已经关于本发明的优选实施例解释了本发明，但是应当理解，在不脱离如下文中要求保护的本发明的精神和范围的情况下，可以进行其他修改和变化。

Claims (24)

1.一种用于观察样品的表面的多射束装置，包括：

电子源；

聚束透镜，在所述电子源下方；

源转换单元，在所述聚束透镜下方；

主投影成像***，在所述源转换单元下方并且包括物镜；

偏转扫描单元，在所述主投影成像***内部；

样品台，在所述主投影成像***下方；

射束分离器，在所述物镜上方；

辅投影成像***，在所述射束分离器上方；以及

电子检测设备，具有多个检测元件，

其中所述源转换单元包括具有多个微偏转器的图像形成装置和具有多个射束限制开口的子束限制装置，并且所述图像形成装置在所述子束限制装置上方，

其中所述电子源、所述聚束透镜、所述源转换单元、所述主投影成像***、所述偏转扫描单元和所述射束分离器与所述装置的主光轴对准，所述样品台维持所述样品使得所述表面面向所述物镜，所述辅投影成像***和所述电子检测设备与所述装置的辅光轴对准，并且所述辅光轴不平行于所述主光轴，

其中所述电子源沿着所述主光轴生成一次电子束，所述多个微偏转器偏转所述一次电子束以形成所述电子源的多个平行虚像并且因此虚拟多源阵列从所述电子源被转换而成，包括所述虚拟多源阵列的多个子束分别穿过所述多个射束限制开口，每个子束的电流因此受到相应的一个射束限制开口的限制，并且所述多个子束的电流能够通过调节所述聚束透镜来被改变，

其中所述主投影成像***将所述虚拟多源阵列成像到所述表面上，多个探测点因此形成在所述表面上，并且所述偏转扫描单元偏转所述多个子束以在所述表面上的观察区域内的多个扫描区域上方分别扫描所述多个探测点，

其中多个二次电子束分别由来自所述多个扫描区域的所述多个探测点生成并且在经过时被所述物镜聚焦，所述射束分离器然后将所述多个二次电子束偏转到所述辅投影成像***，所述辅投影成像***聚焦所述多个二次电子束并且保持所述多个二次电子束分别通过所述多个检测元件来被检测，并且每个检测元件因此提供相应的一个扫描区域的图像信号。

2.根据权利要求1所述的多射束装置，还包括在所述电子源下方的主孔板，所述主孔板具有与所述主光轴对准的主开口并且用作所述一次电子束的射束限制孔。

3.根据权利要求2所述的多射束装置，其中所述主投影成像***包括在所述物镜上方的转移透镜，所述转移透镜聚焦所述多个子束以垂直地着陆在所述表面上。

4.根据权利要求3所述的多射束装置，其中所述多个微偏转器中的每个微偏转器具有4极结构，所述4极结构能够在任何径向方向上生成偏转场。

5.根据权利要求4所述的多射束装置，还包括在所述射束分离器上方的单射束电子检测器，所述单射束电子检测器能够在单射束模式中使用。

6.根据权利要求4所述的多射束装置，还包括具有与所述主光轴对准的子束通过孔的透镜内电子检测器，所述透镜内电子检测器能够在单射束模式中使用。

7.根据权利要求5所述的多射束装置，还包括具有与所述主光轴对准的子束通过孔的透镜内电子检测器，所述透镜内电子检测器在所述射束分离器下方并且能够在所述单射束模式中使用。

8.一种用于观察样品的表面的多射束装置，包括：

电子源；

聚束透镜，在所述电子源下方；

源转换单元，在所述聚束透镜下方；

主投影成像***，在所述源转换单元下方并且包括物镜；

偏转扫描单元，在所述主投影成像***内部；

样品台，在所述主投影成像***下方；

射束分离器，在所述物镜上方；

辅投影成像***，在所述射束分离器上方；以及

电子检测设备，具有多个检测元件，

其中所述源转换单元包括具有多个微偏转器和补偿器元件的图像形成装置以及具有多个射束限制开口的子束限制装置，每个微偏转器和补偿器元件包括一个微偏转器和一个微补偿器，所述一个微补偿器具有一个微透镜和一个微消像散器，并且所述图像形成装置在所述子束限制装置上方，

其中所述电子源、所述聚束透镜、所述源转换单元、所述主投影成像***、所述偏转扫描单元和所述射束分离器与所述装置的主光轴对准，所述样品台维持所述样品使得所述表面面向所述物镜，所述辅投影成像***和所述电子检测设备与所述装置的辅光轴对准，并且所述辅光轴不平行于所述主光轴，

其中所述电子源沿着所述主光轴生成一次电子束，所述多个微偏转器偏转所述一次电子束以形成所述电子源的多个平行虚像并且因此虚拟多源阵列从所述电子源被转换而成，包括所述虚拟多源阵列的多个子束分别穿过所述多个射束限制开口，每个子束的电流因此受到相应的一个射束限制开口的限制，并且所述多个子束的电流能够通过调节所述聚束透镜来被改变，

其中所述主投影成像***将所述虚拟多源阵列成像到所述表面上并且多个探测点因此形成在所述表面上，所述一个微补偿器的所述一个微透镜和所述一个微消像散器分别补偿相应的一个探测点的像场弯曲和像散像差，并且所述偏转扫描单元偏转所述多个子束以在所述表面上的观察区域内的多个扫描区域上方分别扫描所述多个探测点，

其中多个二次电子束分别由来自所述多个扫描区域的所述多个探测点生成并且在经过时被所述物镜聚焦，所述射束分离器然后使所述多个二次电子束偏转以进入所述辅投影成像***，所述辅投影成像***聚焦所述多个二次电子束并且保持所述多个二次电子束分别通过所述多个检测元件来被检测，并且每个检测元件因此提供相应的一个扫描区域的图像信号。

9.根据权利要求8所述的多射束装置，还包括在所述电子源下方的主孔板，所述主孔板具有与所述主光轴对准的主开口并且用作所述一次电子束的射束限制孔。

10.根据权利要求9所述的多射束装置，其中所述多个微偏转器和补偿器元件中的每个微偏转器和补偿器元件具有8极结构，所述8极结构通过生成期望的偏转场来用作所述一个微偏转器，并且通过生成期望的四极场和期望的圆形透镜场来用作所述一个微补偿器。

11.根据权利要求9所述的多射束装置，其中所述多个微偏转器和补偿器元件中的每个微偏转器和补偿器元件包括分别在上层和下层中的上部4极结构和下部4极结构，所述上层在所述下层上方，并且所述上部4极结构和所述下部4极结构彼此对准并且具有45°的方位角差。

12.根据权利要求11所述的多射束装置，其中所述上部4极结构和所述下部4极结构通过生成期望的偏转场来用作所述一个微偏转器，并且通过生成期望的四极场和期望的圆形透镜场来用作所述一个微补偿器。

13.根据权利要求12所述的多射束装置，其中所述主投影成像***包括在所述物镜上方的转移透镜，所述转移透镜聚焦所述多个子束以垂直地着陆在所述表面上。

14.根据权利要求13所述的多射束装置，还包括在所述射束分离器上方的单射束电子检测器，所述单射束电子检测器能够在单射束模式中使用。

15.根据权利要求13所述的多射束装置，还包括具有与所述主光轴对准的子束通过孔的透镜内电子检测器，所述透镜内电子检测器能够在单射束模式中使用。

16.根据权利要求14所述的多射束装置，还包括具有与所述主光轴对准的子束通过孔的透镜内电子检测器，所述透镜内电子检测器在所述射束分离器下方并且能够在所述单射束模式中使用。

17.一种用于将源转换单元配置为用于从电子源形成虚拟多源阵列的方法，包括：

提供图像形成装置，所述图像形成装置包括具有多个上部4极结构的上层和具有多个下部4极结构的下层；以及

提供子束限制装置，所述子束限制装置在所述图像形成装置下方并且包括多个射束限制开口，

其中每个上部4极结构在相应的一个下部4极结构上方并且与所述相应的一个下部4极结构对准，每个上部4极结构和相应的一个下部4极结构二者具有45°的方位角差并且形成一对4极结构，并且因此所述多个上部4极结构和所述多个下部4极结构形成多对4极结构，

其中所述多个射束限制开口分别与所述多对4极结构对准，

其中一对4极结构用作微偏转器以偏转由所述电子源生成的电子束的一个子束以形成所述电子源的虚像，用作微透镜以将所述一个子束聚焦到期望的程度，以及/或者用作微消像散器以将期望的量的像散像差添加到所述一个子束。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述源转换单元包括具有分别与所述多对4极结构对准的多个上部通孔的上部导电板。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述源转换单元包括具有分别与所述多对4极结构对准的多个下部通孔的下部导电板。

20.一种用于从电子源形成虚拟多源阵列的方法，包括：

通过使用具有多个上部4极结构的上层和具有多个下部4极结构的下层来将来自所述电子源的电子束偏转为多个子束，其中每个上部4极结构在相应的一个下部4极结构上方并且与所述相应的一个下部4极结构对准，并且每个上部4极结构和相应的一个下部4极结构二者具有大约45°的方位角差并且形成一对4极结构；以及

通过使用多个开口来限制所述多个子束。

21.一种带电粒子束装置，包括：

单个带电粒子源，用于提供一次射束；

用于将所述一次射束转换成多个子束的部件，所述转换部件包括用于偏转所述多个子束的多个偏转器和在所述多个偏转器下方的多个射束限制开口；

第一投影***，用于从所述多个子束在样本上形成多个探测点；

偏转扫描单元，用于扫描所述样本上的所述多个探测点；

用于分离分别由于所述多个子束轰击所述样本而生成的多个信号电子束以远离所述多个子束的部件；

检测设备，用于接收所述多个信号电子束；以及

第二投影***，用于分别在所述检测设备的多个电子检测元件上根据所述多个信号电子束来形成多个信号点。

22.根据权利要求21所述的带电粒子束装置，还包括用于调节所述多个探测点的电流的聚束透镜。

23.根据权利要求22所述的带电粒子束装置，其中所述转换部件包括分别用于补偿所述多个探测点的像差的多个补偿器。

24.一种源转换单元，包括：

图像形成装置，包括具有多个上部4极结构的上层和具有多个下部4极结构的下层；以及

子束限制装置，在所述图像形成装置下方并且包括多个射束限制开口，

其中每个上部4极结构在相应的一个下部4极结构上方并且与所述相应的一个下部4极结构对准，每个上部4极结构和相应的一个下部4极结构二者具有大约45°的方位角差并且形成一对4极结构，并且因此所述多个上部4极结构和所述多个下部4极结构形成多对4极结构，

其中所述多个射束限制开口分别与所述多对4极结构对准，

其中一对4极结构用作微偏转器以偏转由所述电子源生成的电子束的一个子束以形成所述电子源的虚像，用作微透镜以将所述一个子束聚焦到期望的程度，以及/或者用作微消像散器以将期望的量的像散像差添加到所述一个子束。