检测样品表面的装置和方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明涉及一种用于检测样品表面的装置和方法。特别地，本发明涉及一种使用多个带电的粒子束检测样品表面的装置，例如多波束扫描电子显微镜。本发明可用于任何类型的带电粒子，如电子、正电子、离子和其它粒子。
[0002]本发明涉及一种用于探测背散射带电粒子，如电子的装置。这些背散射的带电粒子具有与初级带电粒子几乎相同的能量。通常假设这些带电粒子再次出来之前，在样品内损失多达几百电子伏的能量。这些背散射的带电粒子的角分布明显大于初级带电粒子束的角分布。那些靠近相应的初级带电粒子束的轴运动的背散射带电粒子将通过带电粒子光学系统，沿着非常类似初级带电粒子的路径行进回来，并且它们将被聚焦在与初级带电粒子束大致相同的平面。
[0003]这样的装置例如公开在美国专利7，732，762中。该美国专利公开了一种电子显微镜，包括电子发射器，用于发射朝向样本表面的多个初级电子束。该装置包括用于将电子束聚焦到位于电子发射器和样本表面之间的中间平面上的分离的光斑(spot)的第一阵列的第一透镜系统。该装置进一步包括第二透镜系统，用于将初级电子束从中间平面导向至样本表面，并且用于将所有的初级电子束聚焦到样本表面上个别的点的第二阵列。特别地，该第二透镜系统包括级联透镜，更特别地包括微透镜阵列，所述微透镜阵列包括用于每个单独的电子束的单独的微透镜。
[0004]在中间平面，设置有包括荧光材料的薄的片状板。该薄板包括孔，从而初级电子束被允许通过。该板收集背散射电子，并且将收集的电子转换为光子。光子至少部分地通过光学透镜系统被导向至光探测器阵列。
[0005]该系统的一个缺点是，由于针对每个电子束使用一个物镜微透镜，样本表面上单独的点之间的距离相对比较大。因此已知的系统很少适合用于探测小的样品。
[0006]本发明的目的是提供一种用于探测样品表面的多带电粒子束装置，其为探测背散射电子提供新的探测布置。
【发明内容】
[0007]根据第一方面，本发明提供了一种用于检测样品表面的装置，其中该装置包括用于产生初级带电粒子束的阵列的多束带电粒子发生器，和具有光轴的带电粒子光学系统，包括:
[0008]第一透镜系统，用于将初级带电粒子束聚焦成中间平面上分离的点的第一阵列，以及
[0009]第二透镜系统，用于将初级带电粒子束从中间平面导向至样品的表面，并且其包括电磁的或者静电的物镜，其至少对于初级带电粒子束来说是公共的，用于将全部初级带电粒子束聚焦成样品表面上单独的点的第二阵列，
[0010]其中该装置包括位于中间平面中或者其附近的对位置敏感的背散射带电粒子探测器，其中所述探测器包括一个或者多个通孔，用于使所述初级带电粒子束通过，并且其中所述第二透镜系统布置成将背散射带电粒子从样品表面上单独的点的第二阵列投射至探测器上背散射带电粒子点的阵列。
[0011]采用至少对初级带电粒子束来说是公共的单个物镜，由于采用共同的透镜用于将所有的初级带电粒子束聚焦成样品表面上个体的点组成的第二阵列，样品表面上个体的点可布置成互相非常接近。这使得本发明的多束装置更适合用于探测较小的样品，例如，具有Imm2甚至更小的表面积的样品。
[0012]值得注意的是，在该申请的说明书中，样品的表面包围样品的顶层，其中顶层包括正好位于样品的边界平面之下的材料。
[0013]还应该注意的是，在该申请的上下文中，用于使初级带电粒子束通过的一个或者多个通孔，可包括一个或者多个位于探测器中的孔，并且还可以包括临近探测器的开口。
[0014]优选地，初级束在其上为最小的中间平面与背散射带电粒子所聚焦的平面接近，探测器优选布置在该平面。
[0015]在一个实施例中，一个或多个通孔包括孔的阵列，其中孔的阵列中每个孔布置成用于使所述初级带电粒子束阵列中的一个从其通过。在一个实施例中，孔的阵列中的孔的直径基本上小于孔之间的间距。由于探测器布置为至少基本上位于初级带电粒子束所聚焦的中间平面内或者其附近，初级带电粒子束充分地穿过探测器内的小孔，从而探测器内有足够的表面面积以允许有效探测。
[0016]然而，根据本发明，在样品表面上彼此更加接近地布置各个点，使得分离和区分来自样品表面不同的点的背散射带电粒子变得更加困难。例如，如US7，732，762中公开的装置所示出的，背散射电子在荧光材料板上聚焦的初级束的位置或者其周围成像。在该装置中，一部分背散射电子通过荧光材料板上的孔，并且没有被探测到。在现有技术的装置中，只有不聚焦在与初级束相同的点并且在荧光材料板上形成模糊的斑点的背散射电子才能被探测。
[0017]一方面，该进一步的问题可通过一个实施例解决，其中第二透镜系统布置成从中间平面到样品表面，以0.01至0.2的范围的放大倍数成像分离的点的第一阵列。这样，探测器上相邻的点之间的距离就比样品表面上相邻点放大至100倍。
[0018]另一方面，该进一步的问题可通过本发明的一个实施例解决，其中第二透镜系统包括一个或者多个磁透镜，其布置成从所述中间平面朝向样品的方向，在其通路上围绕光轴旋转初级带电粒子束的阵列，从而在围绕光轴大于O度并且优选小于180度的角度相对于第一阵列定位第二阵列。在一个实施例中，一个或者多个磁透镜布置成以围绕光轴大于O度并且优选小于360度的角度相对于第一阵列旋转背散射的带电粒子点阵列。值得注意的是，也可能结合后两个实施例。
[0019]通过使用磁透镜，第二阵列的位置以O到180度之间的一个角度，相对于第一阵列旋转。背散射带电粒子，其优选也穿过相同的磁透镜，同样以基本上相同的O到180度之间的一个角度相对于第二阵列旋转。值得注意的是，背散射带电粒子的旋转是与初级带电粒子束的旋转相同的旋转方向。在中间平面处的位置敏感探测器上的背散射带电粒子的点阵列因此相对于第一阵列以大于O度并且小于360度的一个角度，围绕光轴旋转。该旋转提供了背散射带电粒子的点阵列之间相对于初级束的分离的点的第一阵列在中间平面或者其附近的空间分离，这允许布置背散射带电粒子的点的阵列至这样的位置，它们至少可基本上从第一阵列的位置偏离。因此通过仔细地选择旋转，背散射带电粒子在中间平面内或者其附近的探测，至少基本上不影响初级带电粒子束的通过。在根据本发明的装置中，同样，至少基本上聚焦在中间平面内的背散射带电粒子可以被探测。
[0020]与US7，732，762中的装置相反，本发明的装置中的第二透镜系统和/或探测器的位置可被这样布置，从而至少基本上减少背散射带电粒子的点的模糊，或者将背散射带电粒子聚焦在小的点上，这样增强本发明中检测布置的分辨率。
[0021]在一个实施例中，第二透镜系统布置成将背散射带电粒子从样品表面上单独的点，通过背散射带电粒子的共同的交叉点，投射到位置敏感的背散射带电粒子探测器上基本上单独的点上。在一个实施例中，孔布置在包括背散射带电粒子的共同交叉点的平面中或者附近。位于样品和探测器之间的这样的背散射束限制孔限制背散射带电粒子的接受角度，可用于影响背散射粒子在探测器上的图像的对比度。孔还可用于控制和限制背散射粒子在探测器上的光斑的大小。在一个实施例中，所述孔包括开口部分以允许特定角度方向的背散射带电粒子通过，同时还阻隔其它角度方向的粒子。
[0022]在一个实施例中，一个或者多个磁透镜布置成用于围绕光轴，以基本上180度的角度相对于第一阵列旋转背散射带电粒子的光斑阵列。在一个实施例中，探测器包括一个用于使所述初级带电粒子束通过的通孔。优选地，这样的通孔布置成靠近探测器或者探测器的敏感表面。
[0023]在一个实施例中，位置敏感背散射带电粒子探测器针对每个背散射带电粒子束包括多于一个的像素。当使用具有比背散射光斑多得多的像素的位置敏感背散射带电粒子探测器时，通过读取探测器的像素获得背散射信号。不需要预先确定探测器平面内背散射光斑将要结束的位置。
[0024]在一个实施例中，位置敏感背散射带电粒子探测器是直接从背散射带电粒子获得信号的CCD相机、CMOS相机、雪崩光电二极管阵列、光电倍增管或者PN结半导体探测器。
[0025]在一个实施例中，位置敏感的背散射带电粒子探测器包括至少基本上布置在中间平面内或者其附近的荧光屏，以及用于将来自荧光屏的光子传送至CCD相机、CMOS相机、雪崩光电二极管阵列或者光电倍增管的光学布置。
[0026]在一个实施例中，CCD相机、CMOS相机、雪崩光电二极管阵列或者光电倍增管定位成探测器像素的阵列与单独的背散射束的图像阵列一致。
[0027]在一个实施例中，样品表面上分离的光斑的第二阵列中的点之间的间距在0.3至30微米之间。
[0028]在一个实施例中，第二透镜系统包括用于扫描样品上方的初级带电粒子的磁的和/或静电的带电粒子偏转器。在一个实施例中，磁的和/或静电的带电粒子偏转器布置成和/或可控地用于获