[发明专利]扫描电子显微镜

说明书

技术领域

本发明应用于快速扫描电子显微镜设备。尤其涉及用于低能观察高阻样品和集成电路样品的扫描电子显微镜技术。

背景技术

扫描电子显微镜的典型结构包括：一个电子源；一个镜筒，包括电子束调节装置和一个聚焦偏转系统；以及探测器系统。近些年来，扫描电子显微镜广泛的应用于半导体的器件制造；而随着半导体制造技术工艺要求的不断提高，必然要对扫描电子显微镜的性能提出更高的要求。

在扫描电子显微镜中，电子源的性能对于扫描电子显微镜的分辨率有最直接的影响。目前，具有较高分辨率的扫描电子显微镜多采用肖特基型热场发射电子源。对于这种电子源，抽取电压为其性能的主要决定因素，目前使用的抽取电压一般小于8000V。

磁透镜的色差大小反比于电子束的能量大小，在电子束能量低的时候，色差就会非常大。传统的扫描电子显微镜采用很高的加速电压(大于20000v)，才能达到纳米级的分辨率。但是高能电子束会导致高阻样品上电荷积累、破坏某些样品的结构等问题。为了解决这些问题，目前一种做法，如美国专利4926054和6194729所述，是在电子束进入一个高压管时将其加速，在此高压管内维持较高的恒定速度，在到达样品前，通过减速装置调节到所需的着陆能量。

目前的扫描电子显微镜中普遍使用的偏转系统由一个磁偏转器或者多个磁偏转器组成，磁偏转器与静电偏转器相比，其偏转像差要小于后者，但由于线圈电感和铁芯涡流的影响，磁偏转器的扫描速度要远远小于后者，不能实现快速扫描样品。而采用静电偏转器可以大大提高成像效率。

在Klaus D.Manzke等人的美国专利4330707中描述了一种扫描电子显微镜。此专利中的扫描电子显微镜使用了一个高压管来维持电子高速，轴向物镜(axial gap lens)和磁偏转系统进行聚焦和偏转。这种扫描电子显微镜结构具有诸多不利，例如，着陆能量可调范围比较小，轴向物镜的像差系数偏大，所得到的偏转视场小，扫描速度慢，并且由于减速电极与样品始终保持相同电势，导致初始电子束与样品所产生的二次电子和背散射电子不易区分，从而不易单独观测背散射电子的图像。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种可以快速获得低色差、高分辨、大视场样品图像的扫描电子显微镜。

根据本发明，扫描电子显微镜具有：一个电子源，包括一个阴极，以产生一次电子，一个阳极以加速所述阴极发出的所述一次电子至所述阳极电势；一个高压管系统，包括上高压管和下高压管两个部分，二者由不同的电源供电；一个光阑选择装置，以选择不同的一次电子束电流；一个闪烁体探测器系统，以探测样品在所述一次电子束照射下发出的二次电子及背散射电子；一个物镜聚焦系统，以会聚所述一次电子到所述样品上；一个电磁复合的偏转扫描系统，以偏转所述一次电子；一个屏蔽电极，位于物镜和所述样品之间；一个样品台。

本发明提供了一个氧化锆/钨热场发射电子源，所述氧化锆/钨热场发射电子源在结构上只有阴极和阳极；所述阴极和所述阳极之间电势差恒定，其为电子抽取电势差，由一个固定高压电源17提供，其值为10000～30000V之间的某个恒定值，此恒定电子抽取电势差远远大于目前其它仪器中氧化锆/钨热场发射电子源的使用值(一般小于8000V)；而所述阴极电势，根据所述样品所需着陆能量的大小，通过设置一个可调高压电源18来实现，所述可调高压电源18的范围为0～30000V。

本发明中的电子源与以往氧化锆/钨热场发射电子源区别在于，以往普遍使用的氧化锆/钨热场发射电子源结构包括一个阴极，一个吸取极和一个阳极，一次电子是在阴极与吸取极之间强电场的作用下发射出来的，二者的电势差一般为2000～5000V；当一次电子从阴极发射出来以后，再通过阳极将一次电子加速到所需电势。

本发明中电子源在结构上以及抽取电压的变化，使得所用的氧化锆/钨热场发射电子源与以往氧化锆/钨热场发射电子源相比具有这样的优点：使发射出来的一次电子束具有更高的亮度和更小的能量散布。

本发明提供了一个高压管系统，所述高压管系统包括上高压管和下高压管两个部分，分别由独立高压电源供电。所述一次电子束在所述高压管系统内保持较高的能量，这样可以有效减小电子间相互作用，减小所述一次电子束的能量分散。所述上高压管电势和所述阳极电势一样，由所述固定高压电源17和所述可调高压电源18决定，所述下高压管电势由一个可调高压电源19决定，所述可调高压电源19的变化范围是0～15000V。