一种可编码阵列式静电偏转器、聚焦偏转系统及设计方法与流程

本发明属于半导体加工领域，具体涉及一种可编码阵列式静电偏转器、聚焦偏转系统及设计方法。

背景技术：

半导体加工过程中不可避免地存在着一些加工缺陷，这些缺陷严重影响了产品的质量，随着科学技术的不断发展，对半导体缺陷检测提出了更高的要求。一方面，随着半导体器件尺寸不断缩小，缺陷的特征尺寸也会不断缩小，同时多层结构半导体制造工艺的出现以及新材料、新工艺的研发也会带来一些新的隐藏缺陷，这些都对缺陷检测的分辨率的提高提出了新的要求。另一方面，随着晶圆尺寸的增大，加工和检测效率需要得到提升，因此需要尽量大的偏转场。然而，随着偏转场的增大，在偏转场边角区域偏转像差也会增大，严重降低了偏转场边角区域的检测分辨率。因此要求电子束在线缺陷检测设备在大偏转场下依然有高的分辨率。专利文献us7759653b2公开了一种采用两种工作模式的电子束缺陷检测系统，一种模式是大的偏转场和大的电子束，具有高的扫描速度和低的分辨率，用来识别出缺陷所在区域，另一种模式是小的偏转场和小的电子束，具有很高的分辨率，用来深入检测缺陷，通过选用不同的偏转器和透镜激励来实现两种工作方式的切换，从而实现大偏转场高分辨率的缺陷检测。但是由于其用于大偏转场的偏转器的存在，使得束斑尺寸会变大，同时由于其偏转灵敏度高，容易产生噪声，对二次电子的信号产生影响。

技术实现要素：

针对目前半导体制造过程中，对于样品缺陷检测的电子束在线检测系统要满足大偏转场和高分辨率的要求，本发明提供一种可编码阵列式静电偏转器、聚焦偏转系统及设计方法，本发明能够改善聚焦偏转系统变轴条件的匹配程度，从而降低偏转像差，提高分辨率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可编码阵列式静电偏转器，包括可编码阵列式静电偏转器本体，可编码阵列式静电偏转器本体通过导线连接至控制器，控制器通过数据线连接至驱动器，所述可编码阵列式静电偏转器本体由若干偏转器子单元沿轴向阵列组成。

进一步地，所述若干偏转器子单元为整体加工或单独加工后沿轴向阵列安装。

进一步地，当若干偏转器子单元为整体加工时，先加工一体化的偏转器支架，然后在偏转器支架上安装固定偏转器子单元的电极及电极引线，最终对安装有电极的偏转器支架内壁进行磨削加工以保证所有偏转器子单元的同轴度。

进一步地，所述偏转器支架的内壁沿轴向和周向设置有用于固定安装电极的安装槽，安装槽的中心沿径向开有用于安装接线柱的通孔，所述接线柱用于连接电极引线。

进一步地，所述电极采用薄片金属，薄片金属通过粘接方式固定在安装槽中；或所述电极采用在安装槽内涂覆导电银浆材料，待导电银浆固化后即作为电极。

进一步地，当若干偏转器子单元为单独加工后沿轴向阵列安装时，所述偏转器子单元包括子单元固定支架和子单元电极，子单元电极固定在子单元固定支架的内沿上侧，相邻的偏转器子单元采用工装夹具固定，且相邻的偏转器子单元纸件沿轴向预留有便于子单元电极引线的空间。

一种基于可编码阵列式静电偏转器的聚焦偏转系统，包括阴极，阴极的下部依次设置由抑制极、加速极、聚光镜、光阑、二次电子收集器、预偏转器以及磁聚焦透镜，磁聚焦透镜的内侧设置有可编码阵列式静电偏转器，且可编码阵列式静电偏转器本体与磁聚焦透镜同轴设置，所述抑制极、加速极、聚光镜、光阑、二次电子收集器、预偏转器以及磁聚焦透镜同轴设置，磁聚焦透镜的下部设置有样品台。

一种可编码阵列式静电偏转器设计方法，根据磁聚焦透镜的轴上磁场分布特点，求得轴上磁场对z轴的一阶导数，在磁场区采用多个偏转器子单元沿轴向进行拟合，使得可编码阵列式静电偏转器本体轴上二极场函数与磁场一阶导数满足可变光轴条件。

进一步地，首先通过数值计算得到各个偏转器子单元的轴上二极场离散值，利用高斯拟合将各个偏转器子单元的轴上二极场离散值拟合成二极场函数表达式，最后采用最小二乘法将各个偏转器子单元轴上二极场函数与磁场对z轴的一阶导数进性拟合，以确定各个偏转器子单元的激励大小。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1.可编码阵列式静电偏转器由若干个偏转器子单元沿轴向阵列组成，每个子单元的结构尺寸和激励大小可以单独设计与调节，因此可以在聚焦偏转系统中根据磁聚焦透镜磁场区的零部件实际位置情况来设计可编码阵列式静电偏转器，能够有效利用磁聚焦透镜磁场区的空间位置来满足变轴条件；

2.对于给定磁聚焦透镜的轴上磁场分布特点，通过设计可编码阵列式静电偏转器，首先采用高斯拟合得到每个偏转器子单元的轴上二极场函数，再利用最小二乘法对所有偏转器子单元轴上二极场函数与磁场的一阶导数进行拟合来确定每个偏转器子单元的激励大小，因此可以使得变轴条件得到满足，由变轴条件理论可知，偏转聚焦系统的偏转像差会降低，从而分辨率得到提高。

附图说明

图1是包含可编码阵列式静电偏转器的电子束聚焦偏转系统原理图；

图2是可编码阵列式静电偏转器的工作原理图；

图3是本发明一个实例中单独加工可编码阵列式静电偏转器结构原理图；

图4是本发明一个实例中整体加工可编码阵列式静电偏转器结构原理图；

图5是拟合得到的可编码阵列式静电偏转器本体轴上二极场函数与磁聚焦透镜轴上磁场对z轴的一阶导数对比图；

图6是采用不同数量的偏转器子单元进性拟合的拟合程度对比图；

图7是采用不同数量的偏转器子单元进性拟合计算得到的偏转聚焦系统在边角区域的像差系数绝对值对比图；

图8是采用不同数量的偏转器子单元进性拟合计算得到的偏转聚焦系统在边角区域的像差对比图；

图9是采用不同数量的偏转器子单元进性拟合计算得到的偏转聚焦系统在边角区域的分辨率对比图。

图中：111、阴极；112、抑制极；113、加速极；120、聚光镜；130、光阑；140、二次电子收集器；150、预偏转器；160、可编码阵列式静电偏转器本体；170、磁聚焦透镜；180、样品台；161、子单元固定支架；162、子单元电极；163、偏转器支架；164、安装槽；165、通孔；166、接线柱；1601、控制器；1602、驱动器。

具体实施方式

以下对本发明进行进一步详细说明。

本发明的可编码阵列式静电偏转器包括可编码阵列式静电偏转器本体160，可编码阵列式静电偏转器本体160通过导线连接至控制器1601，控制器1601通过数据线连接至驱动器1602，所述可编码阵列式静电偏转器本体160由若干偏转器子单元沿轴向阵列组成，本发明设计方法在磁聚焦透镜轴上磁场分布给定后，采用高斯拟合与最小二乘法确定可编码阵列式静电偏转器每个子单元的激励权重系数，根据权重系数调节每个偏转器子单元的实际激励大小，使聚焦偏转系统满足变轴条件，降低偏转像差，从而更好地解决大偏转场和高分辨率的矛盾问题。

在复合聚焦偏转系统中，旋转对称场与偏转场叠加时的旁轴轨迹方程为：

式中w为旁轴轨迹，η＝-e/m为荷质比，-为电子电荷量，m为电子质量，i为虚数单位，v为偏转电压，i为偏转电流，为轴上旋转对称场电位分布，b为轴上旋转对称场磁感应强度分布，f1和d1分别是电偏转场的轴上二极场函数和磁偏转场的轴上二极场函数，单撇号表示该变量对z轴的一阶导数，双撇号表示该变量对z轴的一阶导数。假设带电粒子在进入复合聚焦偏转区域之前其轨迹为直线，即满足：

w(z)＝k(z-zo)+wo,(zo≤z≤zi)

其中zo为物平面位置，zi为像平面位置，k为轨迹斜率，wo为进入变轴区域的位置，z表示z轴，w(z)表示旁轴轨迹是z坐标的函数，在复合聚焦偏转区域内，对于磁聚焦电偏转系统，变轴条件为：

即静电偏转器的轴上二极场函数要与磁透镜轴上磁感应强度的一阶导数存在上述关系。

基于此，本发明公开了一种满足变轴条件的可编码阵列式静电偏转器结构，其中可编码阵列式静电偏转器本体160由偏转器子单元沿轴向阵列组成。

可编码阵列式静电偏转器可以采用单个偏转器子单元单独加工安装后再沿轴向阵列而成，所述偏转器子单元包括子单元固定支架161、子单元电极162，子单元固定支架和子单元电极之间采用粘接方式固定，所有偏转器子单元采用专用工装夹具沿轴向阵列组装固定，以保证所有偏转器子单元的同轴度，各个偏转器子单元之间沿轴向留有一定空间，便于子单元电极引线。

可编码阵列式静电偏转器还可以先加工整体偏转器支架163，然后在偏转器支架163上安装固定偏转器子单元电极及电极引线，最终对整体结构内壁进行磨削加工以保证所有偏转器子单元的同轴度，所述的偏转器支架163，内壁侧沿轴向和周向有安装槽164，安装槽中心沿径向开有通孔165，通孔165用来安装接线柱166，通过接线柱166给电极引线，电极安装固定至安装槽164内，所述的电极可以采用薄片金属作为电极，通过粘接方式固定至安装槽164内，所述的电极也可以采用在安装槽164内涂覆导电银浆材料，待导电银浆固化后即可作为电极。

该可编码阵列式静电偏转器结构与其他电子光学部件一起组成聚焦偏转系统进而实现大偏转场高分辨率的缺陷检测，所述聚焦偏转系统由阴极111、抑制极112、加速极113、聚光镜120、光阑130、二次电子收集器140、预偏转器150、可编码阵列式静电偏转器、磁聚焦透镜170、样品台180等组成。

阴极111发射的电子经加速极113加速后再经过聚光镜120汇聚成电子束，通过光阑130挡掉斜率大离轴远的电子从而得到满足旁轴条件的电子束，通过抑制极112可以调节电子发射电流大小。旁轴区电子束通过预偏转器150、可编码阵列式静电偏转器以及磁聚焦透镜170的作用后入射到样品台280上样品表面，形成二次电子。二次电子经过透镜电场区加速和偏转器偏转后被二次电子收集器140收集，最终用来成像。

在本发明中，为了降低偏转器扫描偏转导致的偏转像差，对于给定的磁聚焦透镜轴上磁场分布特点，在透镜磁场区域采用可编码阵列式静电偏转器进行分段组合设计，利用高斯拟合与最小二乘法确定每个偏转器子单元的激励权重系数，根据权重系数调节每个子单元的实际激励大小，使得各个子单元的轴上二极场分布的叠加与磁透镜轴上磁场的一阶导数满足变轴条件，从而降低偏转像差提高分辨率。

下面结合附图和具体的实例对本发明进行进一步的说明。

如图1所示，本发明包含可编码阵列式静电偏转器的电子束聚焦偏转系统包括阴极111、抑制极112、加速极113、聚光镜120、光阑130、二次电子收集器140、预偏转器150、可编码阵列式静电偏转器、磁聚焦透镜170、样品台180；

所述阴极111、抑制极112、加速极113、聚光镜120用来产生平行电子束；

所述光阑130用来获得满足旁轴条件的电子束；

所述预偏转器150使电子束进入透镜区前预偏转；

所述可编码阵列式静电偏转器、磁聚焦透镜170用来满足变轴条件；

所述二次电子收集器140用来收集二次电子。

在一个实例中，可编码阵列式静电偏转器由若干个偏转器子单元沿轴向阵列组成，在透镜磁场区，先利用高斯拟合确定每个子单元的轴上二极场函数，再利用最小二乘法将所有子单元轴上二极场函数与磁透镜轴上磁场一阶导数进行拟合以确定每个子单元的激励大小，最终得到轴上二极场拟合结果，如图5所示。以均方根作为拟合结果的评价指标，如图6所示，认为均方根小于5即满足变轴条件。

在一个实例中，如图1所示，阴极111发射的电子经加速极113加速后再经过聚光镜120的作用汇聚成平行电子束，通过抑制极112可以调节电子发射电流大小，光阑130滤掉离轴远斜率大的电子束以获得满足旁轴条件的主电子束，主电子束在预偏转器150的作用下实现预偏转，可编码阵列式静电偏转器处于断开状态(即无变轴条件)，主电子束通过磁聚焦透镜170聚焦后直接入射到样品表面，通过数值计算得到偏转场为150um且无变轴条件下的电子光学特性，如图7至图9所示。

在一个实例中，如图2所示，可编码阵列式静电偏转器处于导通状态，通过控制器1601和驱动器1602对可编码阵列式静电偏转器激励进行控制，即驱动器1602将驱动信号以编码的形式发送给控制器1601，控制器1601将编码的驱动信号解码后分配至每个偏转器子单元，偏转器由8个偏转器子单元沿轴向阵列组成，在透镜磁场区，先利用高斯拟合先确定每个子单元的轴上二极场函数，再利用最小二乘法将所有子单元轴上二极场函数与磁透镜轴上磁场一阶导数进行拟合以确定每个子单元的激励大小。主电子束在预偏转器150的作用下实现预偏转后，再经过可编码阵列式静电偏转器160和磁聚焦透镜170的共同作用后入射到样品表面，通过数值计算得到偏转场为150um且满足变轴条件下的电子光学特性，如图7至图9所示，偏转像差系数比无变轴条件下有明显降低。

在一个实例中，如图3所示，可编码阵列式静电偏转器160的结构可以采用多个偏转器子单元沿轴向阵列的方式，每个子单元先单独进行加工安装，并保证电极内壁的加工精度，最后通过专用工装夹具以电极内壁为定位面将所有子单元沿轴向阵列安装以保证同轴度，各个子单元固定支架161之间沿轴向留有一定空间以便于各个子单元电极162单独引线。

在一个实例中，如图4所示，可编码阵列式静电偏转器160的结构可以采用整体结构的方式，偏转器支架163内壁侧沿轴向和周向加工有安装槽164，安装槽中心沿径向开有通孔165，安装时，先将接线柱166固定在通孔165内，然后将电极安装固定至安装槽164内，最终对偏转器内壁整体进行磨削以保证各个偏转器子单元的同轴度，电极可采用导电银浆涂覆后固化也可以采用薄片电极粘接等方式。

在一个实例中，可编码阵列式静电偏转器采用更多的偏转器子单元来阵列，例如10个和15个，采用高斯拟合与最小二乘法拟合确定每个子单元的激励大小。通过数值计算得到偏转场为150um且满足变轴条件下的电子光学特性，如图7至图9所示，偏转像差系数比采用8个子偏转器单元时略有降低。