DE102021200799B3

DE102021200799B3 - Verfahren mit verbesserter Fokuseinstellung unter Berücksichtigung eines Bildebenenkipps in einem Vielzahl-Teilchenstrahlmikroskop

Info

Publication number: DE102021200799B3
Application number: DE102021200799.6A
Authority: DE
Inventors: Nicole Rauwolf; Nico Kämmer; Michael Behnke; Ingo Müller; Dirk Zeidler; Arne Thoma; Christof Riedesel; Gunther Scheunert
Original assignee: Carl Zeiss Multisem GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Multisem GmbH
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2022-03-31
Anticipated expiration: 2041-01-30
Also published as: TW202238653A; NL2030761B1; JP2022117446A; NL2030761A; US20220246388A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Vielzahl-Teilchenstrahlmikroskop und ein zugehöriges Verfahren zur Einstellung einer optimale Fokusebene mit optimaler Auflösung sowie der Einstellung einer telezentrischen Bestrahlung mit der Vielzahl der Primärstrahlen. Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Bestimmung einer optimalen Einstellebene, in die eine Objektoberfläche gebracht wird. Ferner werden Mittel vorgeschlagen, die eine verbesserte Auflösung und telezentrischer Bestrahlung für eine große Anzahl von Primärstrahlen ermöglichen. Die Mittel umfassen eine gezielte Auswahl und eine gezielte individuelle Beeinflussung einzelner Primärstrahlen und / oder Mittel zur Beeinflussung der Vielzahl von Primärstrahlen in kollektiver Weise.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Vielzahl-Teilchenstrahlmikroskope zur Inspektion von Halbleiterwafern mit HV-Strukturen.
Hintergrund der Erfindung
Mit der kontinuierlichen Entwicklung immer kleinerer und komplexerer Mikrostrukturen wie Halbleiterbauelementen besteht ein Bedarf an der Weiterentwicklung und Optimierung von planaren Herstellungstechniken und von Inspektionssystemen zur Herstellung und Inspektion kleiner Abmessungen der Mikrostrukturen. Die Entwicklung und Herstellung der Halbleiterbauelemente erfordert beispielsweise eine Überprüfung des Designs von Wafern, und die planaren Herstellungstechniken benötigen eine Prozessüberwachung und Prozessoptimierung für eine zuverlässige Herstellung mit hohem Durchsatz. Darüber hinaus wird neuerdings eine Analyse von Halbleiterwafern für das Reverse Engineering und eine kundenspezifische, individuelle Konfiguration von Halbleiterbauelementen gefordert. Es besteht deshalb ein Bedarf an Inspektionsmitteln, die mit hohem Durchsatz zur Untersuchung der Mikrostrukturen auf Wafern mit hoher Genauigkeit eingesetzt werden können.
Typische Siliziumwafer, die bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet werden, haben Durchmesser von bis zu 300 mm. Jeder Wafer ist in 30 bis 60 sich wiederholende Bereiche („Dies“) mit einer Größe von bis zu 800 mm² unterteilt. Eine Halbleitervorrichtung umfasst mehrere Halbleiterstrukturen, die durch planare Integrationstechniken in Schichten auf einer Oberfläche des Wafers hergestellt sind. Aufgrund der Herstellungsprozesse weisen Halbleiterwafer typischerweise eine ebene Oberfläche auf. Die Strukturgröße der integrierten Halbleiterstrukturen erstreckt sich dabei von wenigen µm bis zu den kritischen Abmessungen (engl. „critical dimensions“, CD) von 5 nm, wobei in naher Zukunft die Strukturgrößen noch kleiner werden; man rechnet zukünftig mit Strukturgrößen oder kritische Abmessungen (CD) unter 3 nm, beispielsweise 2 nm, oder sogar unter 1nm. Bei den kleinen Strukturgrößen müssen Defekte in der Größe der kritischen Abmessungen in kurzer Zeit auf einer sehr großen Fläche identifiziert werden. Für mehrere Anwendungen ist die Spezifikationsanforderung für die Genauigkeit einer von einem Inspektionsgerät bereitgestellten Messung sogar noch höher, beispielsweise um den Faktor zwei oder eine Größenordnung. Beispielsweise muss eine Breite eines Halbleitermerkmals mit einer Genauigkeit unter 1 nm, beispielsweise 0,3 nm oder sogar weniger, gemessen werden, und eine relative Position von Halbleiterstrukturen muss mit einer Überlagerungsgenauigkeit von unter 1nm, beispielsweise 0,3nm oder sogar weniger bestimmt werden.
Daher ist es eine generelle Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Vielzahl-Teilchenstrahlsystem, das mit geladenen Teilchen arbeitet, und ein zugehöriges Verfahren zum Betreiben desselben mit hohem Durchsatz bereitzustellen, das eine hochpräzise Messung von Halbleitermerkmalen mit einer Auflösung von unter 4nm, unter 3nm oder sogar unter 2nm ermöglicht.
Eine neuere Entwicklung auf dem Gebiet der geladenen Teilchensysteme (engl. „charged particle microscopes“, CPM) ist das MSEM, ein Mehrstrahl-Rasterelektronenmikroskop. Ein Mehrstrahl-Rasterelektronenmikroskop ist beispielsweise in US 7 244 949 B2 und in US 2019/0355544 A1 offenbart. In einem Mehrstrahl-Elektronenmikroskop oder MSEM wird eine Probe mit einer Vielzahl von Einzel-Elektronenstrahlen, die in einem Feld oder Raster angeordnet sind, gleichzeitig bestrahlt. Es können beispielsweise 4 bis 10000 Einzel-Elektronenstrahlen als Primärstrahlung vorgesehen sein, wobei jeder Einzel-Elektronenstrahl durch einen Abstand von 1 bis 200 Mikrometern von einem benachbarten Einzel-Elektronenstrahl getrennt ist. Zum Beispiel hat ein MSEM ungefähr J=100 getrennte Einzel-Elektronenstrahlen (engl. „beamlets“), die beispielsweise in einem hexagonalen Raster angeordnet sind, wobei die Einzel-Elektronenstrahlen durch einen Abstand von ungefähr 10 µm getrennt sind. Die Vielzahl von J geladenen Einzel-Teilchenstrahlen (Primärstrahlen) wird durch eine gemeinsame Objektivlinse auf eine Oberfläche einer zu untersuchenden Probe fokussiert. Die Probe kann zum Beispiel ein Halbleiterwafer sein, der an einem Waferhalter befestigt ist, der auf einem beweglichen Tisch montiert ist. Während der Beleuchtung der Waferoberfläche mit den primären Einzel-Teilchenstrahlen gehen Wechselwirkungsprodukte, z.B. Sekundärelektronen oder Rückstreuelektronen, von der Oberfläche des Wafers aus. Ihre Startpunkte entsprechen den Orten auf der Probe, auf die die Vielzahl von J primären Einzel-Teilchenstrahlen jeweils fokussiert ist. Die Menge und Energie der Wechselwirkungsprodukte hängt von der Materialzusammensetzung und der Topographie der Waferoberfläche ab. Die Wechselwirkungsprodukte bilden mehrere sekundäre Einzel-Teilchenstrahlen (Sekundärstrahlen), die von der gemeinsamen Objektivlinse gesammelt und durch ein Projektionsabbildungssystem des Mehrstrahlinspektionssystems auf einen Detektor gelenkt werden, der in einer Detektionsebene angeordnet ist. Der Detektor umfasst mehrere Detektionsbereiche, von denen jeder mehrere Detektionspixel umfasst, und der Detektor erfasst eine Intensitätsverteilung für jeden der J sekundären Einzel-Teilchenstrahlen. Dabei wird ein digitales Bild eines Bildfelds von beispielsweise 100 µm × 100 µm erhalten.
Das Mehrstrahl-Elektronenmikroskop des Standes der Technik umfasst eine Folge von elektrostatischen und magnetischen Elementen. Zumindest einige der elektrostatischen und magnetischen Elemente sind einstellbar, um die Fokusposition und die Stigmation der Vielzahl von geladenen Einzel-Teilchenstrahlen anzupassen. Das Mehrstrahl-System mit geladenen Teilchen des Standes der Technik umfasst zudem mindestens eine Überkreuzungsebene der primären oder der sekundären geladenen Einzel-Teilchenstrahlen. Des Weiteren umfasst das System des Standes der Technik Detektionssysteme, um die Einstellung zu erleichtern. Das Mehrstrahl-Teilchenmikroskop des Standes der Technik umfasst mindestens einen Strahlablenker (engl. „deflection scanner“) zum kollektiven Abtasten eines Bereiches der Probenoberfläche mittels der Vielzahl von primären Einzel-Teilchenstrahlen, um das Bildfeld der Probenoberfläche mit der Vielzahl der Primärstrahlen vollständig zu überstreichen. Des Weiteren umfasst das System des Standes der Technik eine Strahlteileranordnung, die derart konfiguriert ist, dass das Bündel der Primärstrahlen von der Erzeugungseinrichtung des Bündels der Primärstrahlen zur Objektivlinse geleitet wird, und das Bündel der Sekundärstrahlen von der Objektivlinse zum Detektionssystem.
Aus der DE 10 2014 008 383 A1 ist ferner bekannt, dass eine Veränderung nur einer teilchenoptischen Eigenschaft eines Mehrstrahl-Elektronenmikroskops über einen komplexen Wirkungszusammenhang der Einstellparameter mehrerer teilchenoptischer Komponenten erreicht werden kann. Insbesondere bei einer größeren Änderung von beispielsweise des Abbildungsmaßstabs des Mehrstrahl-Elektronenmikroskops müssen die Einstellparameter (beispielsweise Ströme) mehrerer teilchenoptischer Komponenten verändert werden, um gleichzeitig mit der Änderung des Abbildungsmaßstabs andere Eigenschaften wie Lage der Bildebene, Bildrotation und Telezentrie oder Konvergenz der Einzelstrahlbüschel konstant zu halten. Hierfür wird eine Matrix A bestimmt, die die Wirkungen der Veränderung der Einstellparameters auf die teilchenoptischen Eigenschaften des Mehrstrahl-Elektronenmikroskops beschreibt. Diese auch Sensitivitätsmatrix genannte Matrix A kann beispielsweise durch Messungen bestimmt werden. Hierfür beschreibt die DE 10 2014 008 383 A1 eine Reihe von geeigneten Testmustern. Ähnliche Testmuster sind auch in der WO 2013/ 032 949 A1 beschrieben.
Bei Rasterelektronenmikroskopen zur Wafer-Inspektion ist es gewünscht, die Bildgebungsbedingungen stabil zu halten, so dass die Bildgebung mit hoher Zuverlässigkeit und hoher Wiederholbarkeit durchgeführt werden kann. Der Durchsatz hängt von mehreren Parametern ab, z. B. der Geschwindigkeit des Tisches und der Neuausrichtung an neuen Messstellen sowie der gemessenen Fläche pro Erfassungszeit. Letzteres wird unter anderem durch die Verweilzeit auf einem Pixel, die Pixelgröße und die Anzahl der Einzel-Teilchenstrahlen bestimmt. Zusätzlich ist gegebenenfalls für ein Mehrstrahl-Elektronenmikroskop eine zeitaufwendige Bildnachbearbeitung erforderlich; beispielsweise muss das vom Detektionssystem des Mehrstrahl-Systems mit geladenen Teilchen erzeugte Signal digital korrigiert werden, bevor das Bildfeld aus mehreren Bildunterfeldern oder Subfeldern zusammengefügt wird (engl. „stitching“).
Mit den steigenden Anforderungen an Auflösung und Durchsatz sind herkömmliche Systeme geladener Teilchenstrahlsysteme an ihre Grenzen gestoßen. Beispielsweise wirkt sich die bisherige Methode zur Ermittlung und Einstellung einer besten Fokusebene der Vielzahl der Primärstrahlen negativ auf den Durchsatz aus. Beispielsweise die US 10 388 487 B2 beschriebt eine Bestimmung von Objekt-Eigenschaften in einer ersten Messung mit ersten Einstellparametern, und einer daraus resultierenden Ableitung zweiter Einstellparameter, um das Objekt damit in einer zweiten Messung zu vermessen. Aus den Objekt-Eigenschaften werden Strahleigenschaften wie beispielsweise die Fokusposition und Stigmation bestimmt. Diese Methode verringert jedoch den Durchsatz, da einer zweiten, verbesserten Messung mit höherer Auflösung eine erste Messung vorausgehen muss. Die US 9 099 282 B2 schlägt dagegen vor, eine ideale Fokusebene mittels zusätzlicher astigmatischer Primärstrahlen einzustellen. Auch diese Methode kann insbesondere bei einer größeren Vielzahl von Primärstrahlen eine ideale Einstellung der besten Fokusebene nicht mehr gewährleisten, da am Rand des Bildfeldes, an dem die zusätzlichen Strahlen angeordnet sind, Aberrationen der strahlenoptischen Systems eine präzise Messung der besten Fokuslage verhindern.
Bisherige Methode zur Ermittlung und Einstellung einer besten Fokusebene der Vielzahl der Primärstrahlen wirken sich negativ auf die erzielbare Auflösung aus, und führen insbesondere zu einer ungünstigen Verteilung der Auflösung über das Bildfeld der Vielzahl der Primärstrahlen. Mit optimaler Fokusebene ist dabei diejenige erste Ebene gemeint, in die ein Objekt mittels des Objektträgers verbracht wird. So geht beispielsweise die obengenannte US 10 388 487 B2 von einer einfachen Bildschale aus. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, dass die alleinige Berücksichtigung der Bildschale nicht mehr ausreichend ist, um die höheren Anforderungen mit Auflösungsanforderungen unterhalb von 5nm, beispielsweise unterhalb von 4nm oder sogar von 3nm, zuverlässig zu erreichen. Neben einem Bildschalenfehler limitiert beispielsweise ein Bildebenenkipp die erreichbare Auflösung, insbesondere bei einer größeren Anzahl von Primärstrahlen für einen höheren Durchsatz. Zusätzlich zu einem Bildebenenkipp muss ein Telezentriefehler oder ein Fehler durch eine Winkelabweichung der Vielzahl der Primärstrahlen von der Senkrechten zu einer Objektoberfläche berücksichtigt werden.
Die bestehenden Systeme sind vor dem oben beschriebenen Hintergrund und den steigenden Anforderungen an Durchsatz / Schnelligkeit und an die präzise Vermessung immer kleinerer Strukturen somit verbesserungswürdig. Dies gilt insbesondere bei der Inspektion von polierten Waferoberflächen mit HV-Strukturen. Es reicht also - selbst unter der nur bedingt realistischen Annahme von fehlenden Systemdriften und Ähnlichem - nicht mehr aus, das Vielzahl-Elektronenmikroskop an einem vordefinierten Arbeitspunkt mit zugeordnetem Arbeitsabstand mit den Methoden des Standes der Technik einzustellen. Stattdessen muss die optimale Fokusebene für eine Vielzahl von Primärstrahlen mit höherer Präzision eingestellt werden, da kleinste Veränderungen der optimalen Fokusebene bei einem Vielstrahlmikroskop mit großem Bildfeld von etwa 100µm zu einem Auflösungsverlust führen.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Vielzahl-Teilchenstrahlsystem für die Inspektion von Halbleiterwafern mit HV-Strukturen und ein zugehöriges Verfahren zum Betreiben desselben bereitzustellen. Dieses soll schnell und hochpräzise über ein großes Bildfeld arbeiten.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Vielzahl-Teilchenstrahlsystem für die Inspektion von Halbleiterwafern mit HV-Strukturen und ein zugehöriges Verfahren zum Betreiben desselben bereitzustellen, das eine verbesserte Einstellung einer Fokusebene und damit eine verbesserte Auflösung ermöglicht. Dabei sollen andere teilchenoptische Parameter wie die Vergrößerung, die Telezentrie und die Rotation mit hoher Präzision konstant gehalten werden. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Vielzahl-Teilchenstrahlsystem bereitzustellen, das eine hochpräzise und hochauflösende Bildaufnahme mit Auflösung von weniger als 5nm, bevorzugt weniger als 4nm, und besonders bevorzugt von weniger als 3nm und darunter und mit hohem Durchsatz mit einem großen Bildfeld ermöglicht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Kontrollsystem eines Vielzahlmikroskops zur Verfügung zu stellen, welches die präzisere Einstellung der Fokusebene ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes strahlenoptisches System eines Vielzahlmikroskops zur Verfügung zu stellen, welches eine verbesserte gleichbleibende Auflösung einer Messung einer ebenen Probe mit einer Auflösung von weniger als 5nm oder sogar weniger als 3nm ermöglicht.
Bei der Einstellung der Fokusebene stellt sich die weitere Aufgabe, weitere Bedingungen und Spezifikationen für eine möglichst gleichmäßige hohe Auflösung von weniger als 5nm, weniger als 4nm oder sogar weniger als 3nm einzuhalten. Beispielsweise muss der Landewinkel der Einzel-Teilchenstrahlen auf der Probe nahezu senkrecht zur Probe erfolgen. Ferner muss die Orientierung der Rasteranordnung der Primärstrahlen auf der Probenoberfläche exakt gehalten werden, da Halbleiterwafern systematische und sich wiederholende Strukturen aufweisen, für die ein Messergebnis mit immer gleicher Qualität erzielt werden soll. Und schließlich muss für eine exzellente Bildgebung auch die Optik im Sekundärpfad berücksichtigt werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, Mittel und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um durch Fabrikationstoleranzen hervorgerufene Abweichungen der Strahlrichtungen der Vielzahl von Primärstrahlen eines Vielstrahlmikroskops zu bestimmen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, Mittel und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um eine mittlere Strahlrichtung der Vielzahl von Primärstrahlen eines Vielstrahlmikroskops bezüglich einer mechanischen Referenz festzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, Mittel und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, um einen Verfahrtisch zur Aufnahme der Probe oder des Wafers relativ zu der mittleren Strahlrichtung der Vielzahl von Primärstrahlen des Vielstrahlmikroskops auszurichten.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird gelöst durch die unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor. Die Verbesserung von Präzision und Auflösung wird erreicht durch eine verbesserte Methode und verbesserte Mittel zu einer noch präziseren Einstellung einer Fokusebene, so dass eine möglichst gleichbleibende Auflösung einer Messung einer ebenen Probe mit einer Auflösung von weniger als 5nm, weniger als 4nm oder sogar weniger als 3nm innerhalb eines großen Bildfeldes von großer als 100µm ermöglicht wird.
Gemäß einer ersten Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf eine Methode zur Einstellung einer besten Fokusebene für ein Mehrstrahl-Teilchenmikroskop mit einer Vielzahl von J Primärstrahlen, wobei die Vielzahl von J Primärstrahlen in einer Rasteranordnung angeordnet sind und jeder Primärstrahl jeweils über ein zugeordnetes Subfeld in einem Bildfeld mit einem Scanablenker ablenkt werden kann, umfassend den Schritt A der Positionierung einer Oberfläche eines Objektes mit einem Verfahrtisch oder einer Positioniereinrichtung in einer ersten Einstellebene mit einer ersten z-Position z(i) = z1.
Die Methode umfasst ferner den Schritt B der Bestimmung geeigneter Parameter für eine Fokusserie, wobei der Schritt B folgende Elemente umfassen kann:

- die Bestimmung eines geeigneten Bildausschnitts innerhalb jedes der J Subfelder;
- die Auswahl von L ausgewählten Bildausschnitten aus den Bildausschnitten für jedes der J Subfelder, wobei L <= J gewählt wird; und wobei jedem der L ausgewählten Bildausschnitte ein ausgewählter Primärstrahl zugeordnet ist;
- die Festlegung von Parametern für eine Erfassung der digitalen Bilddaten und für die Erfassung von Kontrastmaßen der innerhalb der ausgewählten Bildausschnitte angeordneten Ausschnitte der Oberfläche des Objekts; und ferner
- die Festlegung einer Serie von P Schrittweiten dz(i) mit i = 2 bis P, dz(i) = dz(2) bis dz(P).

Mit Schritt B ist sichergestellt, dass die Bestimmung der optimalen Einstellebene an eine Oberflächenbeschaffenheit bzw. an Strukturen auf der Oberfläche eines Objektes wie beispielsweise einem Wafer angepasst werden kann. Beispielsweise bei einer Waferinspektionsaufgabe können die Strukturen auf der Oberfläche des Wafers durch CAD-Informationen oder Designinformationen oder vorhergehende Messungen bekannt sein und die Parameter für die Fokusserie zur Bestimmung der optimalen Einstellebene können an die vorbekannten Informationen angepasst werden.
Die Methode umfasst ferner den Schritt C der Erfassung von L Kontrastmaßen K1 (i) bis KL(i) für jede der i = 1 bis P z-Positionen. Schritt C umfasst dabei die Elemente

- Erfassung von J digitalen Bilddaten der J Bildausschnitte 37 innerhalb jedes der J Subfelder 31 gemäß den in Schritt d festgelegten Parametern;
- Auswertung der L ausgewählten Bildausschnitte 39.1 bis 39.L und Ermittlung von I = 1 bis L Kontrastmaßen K1 (i), ... KL(i), gemäß den in Schritt B ausgewählten Parameter;
- Übermittlung der L Kontrastmaße K1 (i) bis KL(i) an eine Kontrolleinheit 10 und Speicherung der L Kontrastmaßen K1(i) bis KL(i);

Die Erfassung von L Kontrastmaße kann dabei auf kleineren Bildausschnitten und nur für ausgewählte Bildausschnitte in kurzer Zeit erfolgen und somit kann der Durchsatz beispielsweise einer Waferinspektionsaufgabe erhöht werden.
Die Methode umfasst ferner den Schritt D der Veränderung der ersten Einstellebene in eine zweite oder weitere Einstellebene an einer zweiten oder weiteren z-Position z(i+1) = z(i) + dz(i). In einem Beispiel sind die Schrittweiten dz(i) zwischen zwei z-Positionen gleich oder identisch, die Schrittweiten dz(i) zwischen zwei z-Positionen können aber auch unterschiedlich gewählt werden.
Die Methode umfasst ferner den Schritt E der Wiederholung der Schritte C und D, bis eine Mindestzahl der Fokusserie von Schrittweiten erreicht ist und mindestens P Kontrastwerte KI(1) ... KI(P) für jeden der L ausgewählten Bildausschnitte ermittelt sind. Insgesamt wird eine Anzahl von L × P Kontrastmaßen für L ausgewählte Bildausschnitte an P verschiedenen z-Positionen ermittelt.
In Schritt E kann dabei geprüft werden, ob die Kontrastmaße ausreichend sind und eine Bestimmung der optimalen Fokusebene gemäß der nachfolgenden Schritte erlauben, oder ob eine weitere Bestimmung von Kontrastmaßen an einer weiteren z-Position erfolgen muss. In diesem Fall kann die Serie der z-Positionen um mindestens eine erhöht werden auf P1 = P + 1.
Die Methode umfasst ferner einen Schritt F der Bestimmung einer besten Fokusposition für jeden der L Primärstrahlen, die einem der ausgewählten Bildausschnitte zugeordnet sind, und Bestimmung eines Bildschalenfehler und eines Bildebenenkipps aus den L besten Fokuspositionen.
Die Methode umfasst ferner einen Schritt G der Ermittlung einer optimalen Fokusebene, so dass für eine möglichst große Anzahl der Vielzahl von J Primärstrahlen ein vordefiniertes Auflösungskriterium eingehalten wird.
Die Methode umfasst ferner einen Schritt H der Veränderung und Speicherung der optimalen Fokusebene als neue erste Einstellebene des Mehrstrahl-Teilchenmikroskop, so dass die Oberfläche eines Objektes erneut in der ersten Einstellebene zum Liegen kommt.
Ein Beispiel der ersten Ausführungsform enthält ferner die Bestimmung der oberen bzw. unteren zulässigen Fokusabweichungen der L ausgewählten Primärstrahlen, wobei die oberen bzw. unteren zulässigen Fokusabweichungen aufgrund von Aberrationen für verschiedene Primärstrahlen unterschiedlich sein können. Somit ist sichergestellt, dass für die Berechnung der optimalen Fokusebene eine vordefiniertes Auflösungskriterium möglichst gut für eine möglichst große Anzahl von Primärstrahlen eingehalten wird.
In einem Beispiel der ersten Ausführungsform umfassen die Parameter für die Erfassung von Kontrastmaßen eine Auswahl der Methode zur Bestimmung eines Kontrastmaßes. Eine Methode zur Bestimmung eines Kontrastmaßes kann eine der folgenden Methoden sein: eine Spektralmethode, einem Bildkontrast, einer Histogramm-Methode, ein Kantenfilter, eine Methode der relativen Verwaschung, oder eine Gradientenmethode. Gegebenenfalls können auch verschiedene Methoden miteinander kombiniert werden. Die Auswahl kann beispielsweise aufgrund von a-priori Informationen über die in den ausgewählten Bildausschnitten liegenden Strukturen des Objektes oder des Wafers erfolgen.
In einem Beispiel beträgt die Anzahl L der ausgewählten Bildausschnitte mindestens vier, jedoch nicht mehr als J/2. In einem Beispiel beinhaltet die Anzahl L der ausgewählten Ausschnitte vier bis sieben ausgewählte Ausschnitte und vier bis sieben zugeordnete Primärstrahlen. Damit ist sichergestellt, dass ein Bildschalenfehler und ein Bildebenekipp zuverlässig bestimmt werden kann, beispielsweise durch eine Approximation einer dezentrierten Kugelschale an die vier bis sieben idealen Fokuspositionen der vier bis sieben zugeordneten Primärstrahlen. In einem Beispiel liegt die Anzahl P der Kontrastwerte in einem Bereich zwischen P = 3 und P = 7, oder 2 < P < 8. Damit ist sichergestellt, dass ein parabolischer oder hyperbolischer Verlauf einer Auflösung über eine z-Position erfasst werden kann und eine optimale Fokusposition für jeden Primärstrahl beispielsweise durch Parabelapproximation ermittelt werden kann.
Die Serie von P Schrittweiten dz(i) kann unterschiedliche oder identische Schrittweiten dz(i) umfassen und mit Vorinformationen ausgewählt werden. Wird beispielsweise vermutet, dass eine beste Fokusebene nur wenig entfernt von der aktuellen z-Position der Substratoberfläche ist, kann eine kleinere Serie mit kleineren und konstanten Schrittweiten dz(i) = dz gewählt werden, mit beispielsweise P = 3 bis 5. Ist die z-Position der besten Fokusebene unbekannt, kann eine größerer Serie gewählt werden, mit beispielsweise P => 5. und die Schrittweiten können größer und unterschiedlich gewählt werden, beispielsweise mit P = 7 kann eine mittleren Schrittweite dz(4) kleiner als eine äußere Schrittweite dz(1) oder dz(7) gewählt werden.
In einem Beispiel ist die Anzahl L der ausgewählten Bildausschnitte entsprechend einer verfügbaren Rechenleistung einer Datenerfassungseinrichtung 280 des Vielstrahlmikroskops 1 begrenzt. Die Datenerfassung der Vielzahl der J Sekundärstrahlen erfolgt beispielsweise mit einer parallelen Rechnerarchitektur, beispielsweise mit R parallel geschalteten Bilddigitalisierern 285.1 bis 285.5, wobei jeder der Bilddigitalisierer 285 die Daten von mehreren zugeordneten Sekundärstrahlen erfasst. In einem Beispiel ist J = 100 und R = 10, und die Anzahl L der ausgewählten Bildausschnitte wird mit L <= 10 kleiner oder gleich R = 10 gewählt. In anderen Beispielen beträgt die Anzahl R ein bestimmtes Teilungsverhältnis zur Anzahl J der Primärstrahlen, beispielsweise R > J/U, wobei U die maximale Anzahl der einem Bilddigitalisierer 285 zugeordneten Sekundärstrahlen entspricht, die von einem der Bilddigitalisierer 285.1 bis 285.R erfasst werden können. Bevorzugt ist U = 10 oder weniger, beispielsweise 8 oder 6.
In einem Beispiel erfolgt die Veränderung der ersten Einstellebene in Schritt D durch eine Veränderung der Ansteuerung einer Objektivlinse. In einem Beispiel erfolgt die Veränderung der ersten Einstellebene in Schritt D durch eine Veränderung der z-Position der Oberfläche des Objektes über den Verfahrtisch, der mit einem Aktuator bewegt wird. In einem Beispiel erfolgt die Veränderung der ersten Einstellebene in Schritt D durch eine Veränderung der Ansteuerung einer Objektivlinse und durch eine Veränderung der Position der Oberfläche des Objektes über den Verfahrtisch.
In einem Beispiel besteht die Veränderung der Ansteuerung einer Objektivlinse aus der Veränderung zweier Ansteuersignale, so dass die Summe der Quadrate eines ersten und eines zweiten Stroms konstant bleibt und die Differenz der Quadrate des ersten und des zweiten Stroms verändert wird. Somit ist eine konstante Wärmeleistung der Objektivlinse gewährleistet und eine besonders präzise Einstellung einer optimalen Fokusebene ermöglicht.
In einem Beispiel wird aus dem in Schritt F ermittelten Bildebenenkipp ein Ansteuersignal für einen Kompensator für einen Bildebenenkipp ermittelt und einem Kompensator für einen Bildebenenkipp zugeführt. In einem Beispiel wird aus dem in Schritt F bestimmten Bildschalenfehler ein Ansteuersignal für einen Kompensator für einen Bildschalenfehler ermittelt und dem Kompensator für einen Bildschalenfehler zugeführt.
In einem Beispiel wird in Schritt G ein Verschiebevektor bestimmt, um den die Rasteranordnung der Primärstrahlen versetzt werden muss, um die Anzahl der Primärstrahlen, die ein vordefiniertes Auflösungskriterium einhalten, zu erhöhen. In einem Beispiel entspricht die Anzahl der Primärstrahlen der Vielzahl J > 90, und alle J > 90 Primärstrahlen halten ein vordefiniertes Auflösungskriterium von beispielsweise weniger als 4nm, bevorzugt weniger als 3nm, ein.
In einer zweiten Ausführungsform wird ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop offenbart, welches konfiguriert ist, in einem ersten Betriebsmodus ein digitales Bild eines in einem Bildfeld des Vielstrahl-Teilchenmikroskop angeordneten Ausschnitts einer Objektoberfläche zu ermitteln und in einem zweiten Betriebsmodus dazu konfiguriert ist, eine der in der ersten Ausführungsform beschriebene Methode zur Einstellung einer besten Fokusebene auszuführen. Das Vielstrahl-Teilchenmikroskop umfasst eine Datenerfassungseinrichtung und einen Scanablenker, die dazu konfiguriert sind, von dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus umgeschaltet werden zu können. Über die parallele Umschaltung der Datenerfassungseinrichtung und des Scanablenkers von einem ersten in einen zweiten Betriebsmodus ist das Vielstrahl-Teilchenmikroskop dazu konfiguriert, entweder im ersten Betriebsmodus eine Bildaufnahme durchzuführen oder im zweiten Betriebsmodus eine optimale Einstellebene zu bestimmen. Das Messsystem zur Bestimmung der optimalen Einstellebene entspricht dem Bildaufnahmesystem bestehend aus Detektor und Datenerfassungseinrichtung. Das Vielstrahl-Teilchenmikroskop umfasst ferner ein Stellsystem, welches mindestens einen Verfahrtisch und eine Objektivlinse umfasst. In einem Beispiel umfasst das Vielstrahl-Teilchenmikroskop ferner mindestens einen Kompensator für einen Bildebenenkipp oder einem Kompensator für einen Bildschalenfehler. In einem Beispiel umfasst das Vielstrahl-Teilchenmikroskop ferner mindestens einen Kompensator für eine Verkippung der Primärstrahlen bzw. einen Telezentriefehler, oder eine Kippeinrichtung für einen Verfahrtisch.
In einer dritten Ausführungsform wird ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop mit einer Vielstrahlerzeugungseinrichtung, einer Strahlweiche und einer Objektivlinse mit einer Symmetrieachse der Objektivlinse zur Verfügung gestellt, wobei die Vielstrahlerzeugungseinrichtung eine Vielzahl von J Primärstrahlen in einer Rasteranordnung erzeugt, und wobei die Durchstoßpunkte der Rasteranordnung der Vielzahl von J Primärstrahlen in einer ersten Einstellebene gegenüber der Symmetrieachse um einen Verschiebevektor versetzt sind. In einem Beispiel der dritten Ausführungsform verfügt die Vielstrahlerzeugungseinrichtung mindestens eine Multi-Aperturplatte mit einer Vielzahl von Öffnungen zur Erzeugung der Vielzahl von J Primärstrahlen, wobei die mindestens eine Multi-Aperturplatte lateral versetzt angeordnet ist, so daß die Durchstoßpunkte der Rasteranordnung der Vielzahl von J Primärstrahlen in einer ersten Einstellebene gegenüber der Symmetrieachse um den Verschiebevektor versetzt sind. In einem Beispiel verfügt das Vielstrahl-Teilchenmikroskop über mindestens einen ersten Deflektor, der dazu konfiguriert ist, während des Betriebs die Vielzahl von J Primärstrahlen kollektiv lateral um den Verschiebevektor in der ersten Einstellebene zu versetzen. Durch die Verschiebung der Rasteranordnung der Primärstrahlen wird ein Effekt eines Bildebenenkipps auf die Auflösung der Vielzahl der Primärstrahlen reduziert.
In einer vierten Ausführungsform wird ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop mit einer Vielstrahlerzeugungseinrichtung, einer Strahlweiche und einer Objektivlinse mit einer Symmetrieachse der Objektivlinse, und einer Positioniereinrichtung zur Positionierung eines Objektes zur Verfügung gestellt, wobei die Positioniereinrichtung über eine veränderbare Kippeinrichtung verfügt und das Vielstrahl-Teilchenmikroskop ferner einen zweiten Deflektor in der Nähe einer Zwischenbildebene einer Vielzahl von J Primärstrahlen verfügt, der dazu konfiguriert ist, während des Betriebs ein Auftreffwinkel der Vielzahl der J Primärstrahlen mit einer Oberfläche eines auf der Positioniereinrichtung befindlichen Objektes so zu verändern, so dass der Auftreffwinkel der Primärstrahlen auf die Probenoberfläche bei Verkippung der Positioniereinrichtung mit der Kippeinrichtung nahezu senkrecht ist. Damit ist sichergestellt, dass auch bei einer variablen Kompensation eines veränderlichen Bildebenenkipps durch eine Verkippung des Verfahrtisches eine telezentrische bzw. senkrechte Beleuchtung der Objektoberfläche mit der Vielzahl der Primärstrahlen eingehalten werden kann.
Gemäß einer fünften Ausführungsform stellt die Erfindung einen veränderlichen Kompensator für einen Bildebenenkipp zur Verfügung, der eine Vielzahl von J Öffnungen in einer Rasterkonfiguration in einer x-y-Ebene umfasst, die dazu konfiguriert sind, während des Betriebs eine Vielzahl von J Primärstrahlen in der Rasterkonfiguration zu beeinflussen, wobei jede der Vielzahl der J Öffnungen mit mindestens einer Elektrode versehen ist, die dazu konfiguriert ist, während des Betriebs eine Fokusposition eines die Öffnung in z-Richtung transmittierenden Primärstrahls zu verändern. Die Vielzahl der Elektroden ist derart ausgelegt und miteinander verbunden, dass für jeden Primärstrahl eine Fokusebenenänderung in linearer Abhängigkeit von beispielsweise einer y-Position des jeweiligen Primärstrahls erfolgt, und wobei die Fokusebenenänderung in der dazu transversalen x-Richtung konstant ist. Somit kann einfach und effektiv mit nur einem Ansteuersignal eine Verkippung einer Bildebene in der Erzeugungseinrichtung der Primärstrahlen vorgehalten werden und beispielsweise an eine Änderung des Bildebenenkipps angepasst werden.
Ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop gemäß der fünften Ausführungsform umfasst daher eine Vielstrahlerzeugungseinrichtung, eine Strahlweiche und eine Objektivlinse, wobei die Vielstrahlerzeugungseinrichtung ferner einen Kompensator für Bildebenenkipp umfasst, der eine Vielzahl von J Öffnungen in einer Rasterkonfiguration in einer x-y-Ebene aufweist, die dazu konfiguriert sind, während des Betriebs eine Vielzahl von J Primärstrahlen in der Rasterkonfiguration zu beeinflussen, wobei jede der Vielzahl der J Öffnungen mit mindestens einer Elektrode versehen ist, die dazu konfiguriert ist, während des Betriebs eine Fokusebene eines die Öffnung in z-Richtung transmittierenden Primärstrahls zu verändern, wobei die Vielzahl der Elektroden derart ausgelegt sind, dass für jeden Primärstrahl eine Fokusebenenänderung in linearer Abhängigkeit in einer ersten transversalen Richtung des jeweiligen Primärstrahls erfolgt, und wobei die Fokusebenenänderung in einer zweiten transversalen Richtung, die zur ersten transversalen Richtung senkrecht verläuft, konstant ist. Die Orientierung des x-y-Ebene des Kompensators für Bildebenenkipp ist dabei so ausgelegt, um eine vorbestimmte Rotation der Rasterkonfiguration der Primärstrahlen während des Betriebes durch die Objektivlinse 102 vorgehalten wird. In einem Beispiel erfolgt die Einstellung des Bildebenenkipps mit dem Kompensator in Abhängigkeit der Spannung oder kinetischen Energie, mit der die Vielzahl der Primärstrahlen die Strahlweiche passieren. Dabei wird ein durch die Strahlweiche induzierter und von der kinetischen Energie der Vielzahl der Primärstrahlen abhängiger Bildebenenkipp kompensiert.
Ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 gemäß der sechsten Ausführungsform umfasst eine Objektivlinse zur präzisen Fokussierung einer Vielzahl von J Primärstrahlen mit einer passiven Kühlung, wobei die Objektivlinse über eine erste Spule mit einem ersten Widerstand R1 und eine zweite Spule mit einem zweiten Widerstand R2 verfügt, wobei die Objektivlinse dazu konfiguriert ist, während des Betriebs mit einem ersten Strom I1 und einem zweiten Strom I2 betrieben zu werden, wobei die Wärmeleistungen Q = I1^2 * R1 + I2^2 * R2 konstant ist. Eine Änderung der Fokusebene wird über die Differenz der beiden Ströme I1 und I2 und den dadurch in den Spulen erzeugten magnetischen Flüsse eingestellt. Der magnetische Fluss der zweiten Spule verläuft dabei gegen die Richtung des magnetischen Flusses der ersten Spule. In einem Beispiel verläuft die zweite Spule gegenläufig zur ersten Spule. In einem Beispiel verfügt die Objektivlinse ferner eine Wärmesenke in Form eines Kontakts zu einer Kühlung oder einem Kühlmittel. Dabei wird sichergestellt, dass eine fokussierende Wirkung der Objektivlinse präzise eingestellt werden kann und insbesondere nicht thermischen Veränderungen oder Schwankungen unterliegt.
Gemäß einer siebten Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf eine Kalibriermethode zur Kalibrierung eines Mehrstrahl-Teilchenmikroskops mit einer Vielzahl von J Primärstrahlen. In der siebten Ausführungsform wird ein Kalibrierverfahren zur Verfügung gestellt, mit dem die Abweichung von einem telezentrischen Büschel und der mittlere Strahlwinkel bestimmt werden, umfassend den Schritt A der Positionierung einer Oberfläche eines Objektes mit einem Verfahrtisch oder einer Positioniereinrichtung in einer ersten Einstellebene mit einer ersten z-Position z(i) = z1. In einem Beispiel ist das Objekt ein Kalibrierobjekt, welches beispielsweise auf dem Verfahrtisch angeordnet ist. In einem anderen Beispiel ist das Objekt eine zu untersuchende Probe, beispielsweise ein Wafer.
In einem Beispiel enthält das Kalibrierverfahren zusätzliche die Elemente der Schritte B bis H ähnlich den Schritten der ersten Ausführungsform und es wird auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen.
Die Kalibriermethode umfasst ferner in Schritt B der Bestimmung geeigneter Parameter für eine Fokusserie, wobei der Schritt B folgende Elemente umfasst:

- die Bestimmung eines geeigneten Bildausschnitts innerhalb jedes von J Subfeldern;
- die Auswahl von L ausgewählten Bildausschnitten aus den Bildausschnitten für jedes der J Subfelder, wobei L <= J gewählt wird; und wobei jedem der L ausgewählten Bildausschnitte ein ausgewählter Primärstrahl zugeordnet ist;
- die Festlegung von Parametern für eine Erfassung der digitalen Bilddaten, und ferner
- die Festlegung einer Serie von P Schrittweiten dz(i) mit i = 1 bis P, dz(i) = dz(1) bis dz(P-1).

Mit Schritt B ist sichergestellt, dass die Bestimmung eines Telezentriefehlers angepasst werden kann. Beispielsweise bei einer Waferinspektionsaufgabe können die Strukturen auf der Oberfläche des Wafers durch CAD-Informationen oder Designinformationen oder vorhergehende Messungen bekannt sein und die Parameter für die Fokusserie zur Bestimmung des Telezentriefehlers können an die vorbekannten Informationen angepasst werden. Beispielsweise bei der Kalibrierung anhand eines Kalibrierobjekts sind die CAD-Informationen oder Designinformationen des Kalibrierobjekts bekannt und Bildausschnitte können entsprechend ausgewählt werden.
Die Methode umfasst ferner in Schritt C die Erfassung von L digitalen Bilddaten für jede der i = 1 bis P z-Positionen. Schritt C umfasst dabei die Elemente

- Erfassung von J digitalen Bilddaten der J Bildausschnitte 37 innerhalb jedes der J Subfelder 31 gemäß den in Schritt B festgelegten Parametern;
- Speichern der digitalen Bilddaten in einer Speichereinheit.

Die Kalibriermethode umfasst ferner einen Schritt T, umfassend die Ermittlung eines relativen lateralen Versatz aus den gespeicherten Bilddaten eines I-ten ausgewählten Bildausschnitts über mindestens zwei unterschiedliche Fokus- oder z-Positionen und die Ermittlung eines I-ten Strahlwinkel eines zu dem I-ten ausgewählten Bildausschnitt zugeordneten I-ten Primärstrahl aus dem relativen lateralen Versatz und dem Abstand der Fokus- bzw z-Positionen. In einem Beispiel wird der relative laterale Versatz zwischen zwei digitalen Bilddaten eines ausgewählten Bildausschnitts über eine Korrelation ermittelt.
Die Kalibriermethode umfasst ferner einen Schritt Y, umfassend eine Auswertung der Strahlwinkel der Vielzahl der Primärstrahlen und Bestimmung eines Telezentriefehlers des Mehrstrahl-Teilchenmikroskops. Mit der Kalibriermethode gemäß der siebten Ausführungsform wird eine besonders präzise und schnelle Methode zur Bestimmung des Telezentriefehlers erreicht. Es ist aber auch möglich, weiterer Strahlaberrationen zu bestimmen.
In einem Beispiel wird ein mittlerer Strahlwinkel der Primärstrahlen bestimmt, und die relativen Abweichungen der Strahlwinkel mindestens ausgewählter Primärstrahlen zu einem mittleren Strahlwinkel wird bestimmt.
In einem Beispiel werden aus dem ermittelten Telezentriefehler Informationen abgeleitet und einer Kontrolleinheit des Vielstrahlmikroskops zugeführt. In einem Beispiel umfassen die Informationen Steuergrößen zur zumindest teilweisen Kompensation eines Telezentriefehlers. In einem Beispiel umfasst eine Steuergrößen mindestens ein Steuersignal für eine Objektivlinse, einen Strahlteiler, einen Deflektor, oder für einen Verfahrtisch.
In einem Beispiel umfasst das Kalibrierverfahren zusätzlich einen Schritt W, umfassend mindestens eine Veränderung der relativen Position der Probenoberfläche oder der Einstellebene zur Bestimmung einer Ursache beispielsweise für einen Telezentriefehler. Ein Telezentriefehler kann beispielsweise folgende Ursachen haben: Eine Verkippung der optischen Achse der Objektivlinse, eine Verkippung einer Komponente der Objektivlinse, ein dezentraler Verlauf des Strahlbüschels durch elektromagnetische Elemente des Mehrstrahl-Teilchenmikroskops, ein Keilwinkel in einer Probe oder einem Wafer, eine Verkippung des Verfahrtisches bzw. einer z-Achse des Verfahrtisches.
In einem Beispiel umfasst Schritt W weitere Veränderungen, um optische Komponenten des Vielstrahlmikroskops zu kalibrieren. In einem Beispiel werden die Ansteuersignale eines statischen Deflektors verändert. Damit kann beispielsweise die Wirkung eines statischen Deflektors kalibriert werden.
In einem Beispiel erfolgt ein erstes Kalibrierverfahren gemäß der siebten Ausführungsform an einem Kalibrierobjekt, gefolgt von einem zweiten Kalibrierverfahren gemäß der siebten Ausführungsform an einer Probe oder einem Wafer. Damit kann beispielsweise ein Keilwinkel einer Probe erfasst und berücksichtigt werden.
In einem Beispiel umfasst das Kalibrierverfahren ferner die Bestimmung eines z-Verlaufs von ausgewählten Primärstrahlen, umfassend mindestens einer Bestimmung einer Größe ausgewählt aus einer optimalen Fokusposition eines ausgewählten Primärstrahls, einer z-Ausdehnung eines Fokusbereichs eines ausgewählten Primärstrahls, einer minimale Spotausdehnung, oder einer oberen bzw. unteren z-Position eines Fokusbereichs eines ausgewählten Primärstrahls. Das Verfahren umfasst die Speicherung der bestimmten Größen in der Kontrolleinheit des Vielstrahlmikroskops. In einem Beispiel umfasst das Kalibrierverfahren die Bestimmung eines Bildschalenfehlers und eines Bildebenenkipps. Damit können beispielsweise die Fokusbereich der ausgewählten Primärstrahlen erfasst und für eine spätere, modellbasierte Berechnung einer besten Einstellebene gemäß dem Verfahren der ersten Ausführungsform verwendet werden.
Ein Mehrstrahl-Teilchenmikroskop mit einer Vielzahl von J Primärstrahlen gemäß einer der Ausführungsformen enthält eine Steuerung beziehungsweise ein Computersystem, dass dazu konfiguriert ist, das Mehrstrahl-Teilchenmikroskop in einem ersten oder in einem zweiten Betriebsmodus zu betreiben. Das Mehrstrahl-Teilchenmikroskop verfügt dabei über eine Datenerfassungseinrichtung, bestehend aus einer ersten Vielzahl J von Detektoren, die mit einer zweiten Vielzahl von R parallel geschalteten Bilddigitalisierern gekoppelt sind und einen kollektiven Scanablenker, bestehend aus elektromagnetischen Ablenkelementen und einer Scan-Elektronik. Im ersten Betriebsmodus steuert die Steuerung eine Bilddatenerfassung mit der Datenerfassungseinrichtung und dem kollektiven Scanablenker zur Erfassung eines digitalen Bildes eines zusammenhängenden Ausschnitts einer Substratoberfläche. Im zweiten Betriebsmodus steuert die Steuerung ein Messglied bestehend aus der Datenerfassungseinrichtung und dem kollektivem Scanablenker. Ferner steuert die Steuerung ein Stellglied für die Positionierung der ersten Einstellebene. Das Computersystem der Steuerung beinhaltet Prozessoren und Speicher, die zur Ausführung eines Algorithmus zur Bestimmung der optimalen Fokusebene geeignet sind. Im Speicher der Steuerung ist entsprechender Softwarecode zur Ausführung des zweiten Betriebsmodus gemäß Beispielen der ersten oder siebten Ausführungsform gespeichert. In einem konkreten Beispiel wird ein Stellglied durch die Objektivlinse bereitgestellt. Zusätzliche Stellglieder, beispielsweise ein erster, statischer Deflektor, ein zweiter, statischer Deflektor oder ein Kompensator für einen Bildebenenkipp, können ebenfalls vorgesehen sein.
In einem Beispiel ist Datenerfassungseinrichtung mit der zweiten Vielzahl von R parallel geschalteten Bilddigitalisierern konfiguriert, um von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus umgeschaltet werden zu können. Im ersten Betriebsmodus ist die Datenerfassungseinrichtung mit der zweiten Vielzahl von R parallel geschalteten Bilddigitalisierern dazu konfiguriert, eine Vielzahl von Bilddatenpunkten zur Erfassung des digitalen Bildes des zusammenhängenden Ausschnitts der Substratoberfläche zu erfassen und zu speichern, wobei das digitale Bild aus J aneinander angrenzenden und zumindest teilweise überlappenden Subfeldern besteht, wobei jedes der J Subfelder einem der J Primärstrahlen zugeordnet ist. Im zweiten Betriebsmodus ist die Datenerfassungseinrichtung mit der zweiten Vielzahl von R parallel geschalteten Bilddigitalisierern dazu konfiguriert, Bilddatenpunkte von L ausgewählten Ausschnitten der zu erfassen und Kontrastmaße aus den Bilddatenpunkten der L ausgewählten Ausschnitte zu berechnen.
Die Ausführungsformen gemäß der Erfindung haben den Vorteil, dass kein zusätzliches Messglied erforderlich ist. Über die umschaltbare Konfiguration der Steuerung, der Datenerfassungseinrichtung und dem kollektiven Scanablenker kann die Datenerfassungseinrichtung und der kollektive Scanablenker sowohl ein Element zur Erfassung des digitalen Bildes eines Ausschnitts einer Substratoberfläche als auch ein Element des Messglieds sein. Das Messglied ist konfiguriert, um Messdaten zum Ermitteln einer idealen oder optimalen Fokusebene zu erzeugen. Gegenüber dem Stand der Technik werden jedoch keine astigmatischen Hilfsstrahlen zur Fokuseinstellung eingesetzt. Damit ist eine optimale Einstellung der Fokusebene für eine Abbildung mit der erforderlichen Auflösung von beispielsweise weniger als 5nm, bevorzugt weniger als 4nm oder sogar noch weniger einzustellen.
Zusätzlich wird neben dem Bildschalenfehler der Bildebenenkipp eines Mehrstrahl-Teilchenmikroskops mit einer Strahlweiche in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen des Mehrstrahl-Teilchenmikroskops erfasst. Die Betriebsbedingungen können dabei umfassen die kinetische Energie der Primärstrahlen, die Einstellung des Abbildungsmaßstabs oder der numerischen Apertur des Mehrstrahl-Teilchenmikroskops, oder den Teilchenstrom.
Der Autofokus-Algorithmus ist je nach Auswertungsweise eingerichtet, um aus den Messdaten eine optimale Fokusebene zu berechnen und basierend auf der optimalen Fokusebene ein Fokus-Korrekturelemente-Steuerungssignal zu erzeugen, um beispielsweise die Objektivlinse oder den Verfahrtisch anzusteuern. Dadurch wird die Lage der ersten Einstellebene verändert, in der die Oberfläche des Wafers mit dem Verfahrtisch positioniert wird. Die Ansteuerung der Objektivlinse kann derart ausgeführt sein, dass eine Fokusänderung bei konstanter Wärmeerzeugungsleistung in der Objektivlinse erreicht wird. Die Positionierung des Verfahrtisches kann eine Verkippung des Verfahrtisches umfassen. Sind diese Einstellungen für den Primärpfad erfolgt, wird optional der Sekundärpfad nachgestellt.
Durch jede der Ausführungsformen und Beispiele der Erfindung ist gewährleistet, dass eine Bildebene oder erste Einstellebene optimal ermittelt und eingestellt wird, so dass mit einer Vielzahl von Primärstrahlen eine vordefinierte Auflösung von besser als 5nm, bevorzugt besser als 4nm, bevorzugt besser als 3nm für eine große Anzahl J > 90 von Primärstrahlen erreicht werden kann. Durch eine Kombination der Ausführungsformen, insbesondere der ersten Ausführungsform mit der fünften Ausführungsform, ist insbesondere eine Erhöhung der Vielzahl der Primärstrahlen mit J > 90 ermöglicht, wobei gleichzeitig eine gleichmäßige Auflösung von besser als 4nm oder sogar besser als 3nm über alle J > 90 Primärstrahlen erreicht wird.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können ganz oder teilweise miteinander kombiniert werden, sofern dadurch keine technischen Widersprüche entstehen.
Die Erfindung wird noch besser verstanden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Dabei zeigen:

1 zeigt ein Mehrstrahl-Teilchenmikroskop in schematischer Darstellung;
2 zeigt ein Mehrstrahl-Teilchenmikroskop in schematischer Darstellung;
3 zeigt eine Inspektionsstelle auf einem Wafer und mehrere Bildfelder mit Subfelden eines Mehrstrahl-Teilchenmikroskops;
4 zeigt einen Fokusverlauf eines primären Teilchenstrahls durch eine Fokusebene;
5 illustriert eine Methode zur Einstellung einer besten oder optimalen Fokusebene
6 zeigt ausgewählte Bildausschnitte in einem Bildfeld;
7 zeigt das Ergebnis der Bestimmung und Einstellung einer optimalen Fokusebene nach einem ersten Beispiel;
8 zeigt das Ergebnis der Einstellung einer optimalen Fokusebene nach einem zweiten Beispiel, bei dem die Vielzahl der Primärstrahlen seitlich versetzt ist;
9 zeigt das Ergebnis der Einstellung einer optimalen Fokusebene nach einem dritten Beispiel, bei dem eine Bildebene verkippt wird;
10 zeigt ein Mehrstrahl-Teilchenmikroskop einer Ausführungsform in schematischer Darstellung;
11 zeigt einen Schnitt durch einen Kompensator zum Vorhalt eines Bildebenenkipps;
12 zeigt eine Objektivlinse mit veränderlicher Fokusleistung bei gleichbleibender Wärmeleistung.
13 illustriert ein Kalibrierverfahren zur Bestimmung eines Telezentriefehlers

Im Folgenden bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Merkmale, auch dann, wenn diese im Text nicht explizit erwähnt werden.
1 ist eine schematische Darstellung eines Teilchenstrahlsystems 1 in Form eines Mehrstrahl-Teilchenstrahlsystems 1, welches eine Vielzahl von Teilchenstrahlen einsetzt. Das Teilchenstrahlsystem 1 erzeugt eine Vielzahl von J Teilchenstrahlen 3, welche auf ein zu untersuchendes Objekt 7 treffen, um dort Wechselwirkungsprodukte, bspw. Sekundärelektronen, zu generieren, welche von dem Objekt 7 ausgehen und nachfolgend detektiert werden. Das Teilchenstrahlsystem 1 ist vom Rasterelektronensystem-Typ („scanning electron microscope“, SEM), welches mehrere primäre Teilchenstrahlen 3 einsetzt, die an mehreren Orten auf eine Oberfläche des Objekts 7 auftreffen und dort mehrere räumlich voneinander getrennte Elektronenstrahlflecken oder Spots 5 erzeugen. Das zu untersuchende Objekt 7 kann von einer beliebigen Art sein, bspw. ein Halbleiterwafer, insbesondere ein Halbleiterwafer mit HV-Strukturen (also mit horizontalen und / oder vertikalen Strukturen), oder eine biologische Probe, und eine Anordnung miniaturisierter Elemente oder dergleichen umfassen. Die Oberfläche des Objekts 7 ist in einer ersten Ebene 101 (Objektebene) einer Objektivlinse 102 eines Objektivlinsensystems 100 angeordnet.
Der vergrößerte Ausschnitt I₁ der 1 zeigt eine Draufsicht auf die Einstellebene oder Objektebene 101 mit einem regelmäßigen rechtwinkligen Feld oder Rasteranordnung 103 von Auftrefforten 5, welche in der ersten Ebene 101 gebildet werden. In 1 beträgt die Zahl der Auftrefforte fünfundzwanzig, welche ein 5 × 5-Feld 103 bilden. Die Zahl J=25 an Auftrefforten ist eine aus Gründen der vereinfachten Darstellung gewählte Zahl. In der Praxis kann die Zahl an Strahlen J, und damit die Zahl der Auftrefforte, wesentlich größer gewählt werden, wie bspw. J = 10 × 10, J = 20 ×30 oder J = 100 × 100.
In der dargestellten Ausführungsform ist das Feld 103 von Auftrefforten oder Fokuspunkten 5 ein im Wesentlichen regelmäßiges rechtwinkliges Feld mit einem konstanten Abstand P₁ zwischen benachbarten Auftrefforten. Beispielhafte Werte des Abstands P₁ sind 1 Mikrometer, 10 Mikrometer und 40 Mikrometer. Es ist jedoch auch möglich, dass die Rasteranordnung 103 andere Symmetrien aufweist, wie bspw. eine hexagonale Symmetrie oder eine Anordnung der Einzelstrahlen in einer radialen Anordnung.
Ein Durchmesser der in der ersten Ebene 101 geformten minimalen Strahlflecken oder Fokuspunkte 5 kann klein sein. Beispielhafte Werte dieses Durchmessers betragen weniger als 4 Nanometer, beispielsweise 3nm oder weniger. Das Fokussieren der Partikelstrahlen 3 zur Formung der Strahlflecken 5 erfolgt beispielsweise durch das Objektivlinsensystem 100. Dabei kann das Objektivlinsensystem 100 zum Beispiel eine magnetische Immersionslinse 102 umfassen. Weitere Beispiele von Mitteln zu Fokussierung sind beschrieben im deutschen Patent DE 10 2020 125 534 B3 , welches hiermit vollumfänglich mit in die Offenbarung aufgenommen ist.
Die auf das Objekt 7 treffenden Primärteilchen 3 generieren Wechselwirkungsprodukte, bspw. Sekundärelektronen, Rückstreuelektronen oder Primärteilchen, die aus anderweitigen Gründen eine Bewegungsumkehr erfahren haben, welche von der Oberfläche des Objekts 7 ausgehen. Die von der Oberfläche des Objekts 7 ausgehenden Wechselwirkungsprodukte werden durch die Objektivlinse 102 zu sekundären Teilchenstrahlen 9 geformt. Das Teilchenstrahlsystem 1 stellt einen Teilchenstrahlengang 11 bereit, um die Vielzahl sekundärer Teilchenstrahlen 9 einem Detektorsystem 200 zuzuführen. Das Detektorsystem 200 umfasst eine Teilchenoptik mit mindestens einer Projektionslinse 205, um die sekundären Teilchenstrahlen 9 auf einen Teilchen-Multi-Detektor 209 zu richten.
Der Ausschnitt I₂ in 1 zeigt eine Draufsicht auf die Ebene 211, in welcher einzelne Detektionsbereiche des Teilchen-Multi-Detektors 209 liegen, auf welche die sekundären Teilchenstrahlen 9 an Orten 213 auftreffen. Die Auftrefforte 213 liegen in einem Feld 217 mit einem regelmäßigen Abstand P₂ zueinander. Beispielhafte Werte des Abstands P₂ sind 10 Mikrometer, 100 Mikrometer oder 200 Mikrometer.
Die primären Teilchenstrahlen 3 werden in einer Strahlerzeugungsvorrichtung 300 erzeugt, welche wenigstens eine Teilchenquelle 301 (z.B. eine Elektronenquelle), wenigstens eine Kollimationslinse 303, eine Multiaperturanordnung 305 und eine Feldlinse 307, oder ein Feldlinsensystem aus mehreren Feldlinsen, umfasst. Die Teilchenquelle 301 erzeugt mindestens einen divergierenden Teilchenstrahl 309, welcher durch die wenigstens eine Kollimationslinse 303 kollimiert oder zumindest weitgehend kollimiert wird, um einen Strahl 311 zu formen, welcher die Multiaperturanordnung 305 beleuchtet.
Der Ausschnitt I₃ in 1 zeigt eine Draufsicht auf die Multiaperturanordnung 305. Die Multiaperturanordnung 305 umfasst mindestens eine Multiaperturplatte 313, welche eine Mehrzahl von darin ausgebildeten Öffnungen bzw. Aperturen 315 in der Rasteranordnung 319 aufweist. Mittelpunkte 317 der Öffnungen 315 sind in der Rasteranordnung 319 angeordnet, welches auf das Feld 103 abgebildet wird, welches durch die Fokuspunkte 5 in der Objektebene 101 gebildet wird. Ein Abstand P₃ der Mittelpunkte 317 der Aperturen 315 voneinander kann beispielhafte Werte von 5 Mikrometer, 100 Mikrometer oder 200 Mikrometer aufweisen. Die Durchmesser D der Aperturen 315 sind kleiner als der Abstand P₃der Mittelpunkte der Aperturen. Beispielhafte Werte der Durchmesser D sind 0,2 × P₃, 0,4 × P₃ oder 0,8 × P₃.
Teilchen des beleuchtenden Teilchenstrahles 311 durchsetzen die J Aperturen 315 und bilden die Vielzahl J der Primärstrahlen 3. Teilchen des beleuchtenden Strahles 311, welche auf die Platte 313 treffen, werden durch diese abgefangen und tragen nicht zur Bildung der Primärstrahlen 3 bei.
Die Multiaperturanordnung 305 fokussiert aufgrund eines angelegten elektrostatischen Felds jeden der Primärstrahlen 3 derart, dass in einer Zwischenbildebene 325 Strahlfokuspunkte 323 gebildet werden. Alternativ können die Strahlfoki 323 virtuell sein. Ein Durchmesser der Strahlfoki 323 kann bspw. 10 Nanometer, 100 Nanometer und 1 Mikrometer betragen.
Die Feldlinse 307 und die Objektivlinse 102 stellen eine erste abbildende Teilchenoptik bereit, um die Ebene 325, in der die Strahlfoki 323 gebildet werden, auf die erste Ebene 101 abzubilden, so dass dort ein Feld 103 von Auftrefforten oder Fokuspunkten 5 entsteht. Soweit in der ersten Ebene 101 eine Oberfläche 15 des Objekts 7 angeordnet ist, werden die Fokuspunkte 5 entsprechend auf der Objektoberfläche 15 gebildet (siehe auch 3).
Die Objektivlinse 102 und die Projektionslinsenanordnung 205 stellen eine zweite abbildende Teilchenoptik bereit, um die erste Ebene 101 auf die Detektionsebene 211 abzubilden. Die Objektivlinse 102 ist somit eine Linse bzw. ein Linsensystem, welche sowohl Teil der ersten als auch der zweiten Teilchenoptik ist, während die Feldlinse 307 nur der ersten Teilchenoptik und die Projektionslinse 205 nur der zweiten Teilchenoptik angehören.
Eine Strahlweiche 400 ist in dem Strahlengang der ersten Teilchenoptik zwischen der Feldlinse 307 und dem Objektivlinsensystem 100 angeordnet. Die Strahlweiche 400 ist auch Teil der zweiten Optik im Strahlengang zwischen dem Objektivlinsensystem 100 und dem Detektorsystem 200.
Weitergehende Informationen zu solchen Vielstrahl-Teilchenstrahlsystemen und darin eingesetzten Komponenten, wie etwa Teilchenquellen, Multiaperturplatte und Linsen, kann aus den internationalen Patentanmeldungen WO 2005/ 024 881 A2 , WO 2007/ 028 595 A2 , WO 2007/ 028 596 A1 , WO 2011/ 124 352 A1 und WO 2007/ 060 017 A2 und den deutschen Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungsnummern DE 10 2013 016 113 A1 und DE 10 2013 014 976 A1 erhalten werden, deren Offenbarung vollumfänglich durch in Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird.
Das Vielzahl-Teilchenstrahlsystem weist weiterhin ein Computersystem oder Kontrollsystem 10 auf, das sowohl zur Steuerung der einzelnen teilchenoptischen Komponenten des Vielzahl-Teilchenstrahlsystems ausgebildet ist, als auch zur Auswertung und Analyse der mit dem Multi-Detektor 209 gewonnenen Signale. Das Kontroll- oder Steuerungssystem 10 kann dabei aus mehreren Einzelcomputern oder Komponenten aufgebaut sein.
2 zeigt schematisch an einen Schnitt durch ein Mehrstrahl-Teilchenmikroskop 1 weitere Aspekte des Mehrstrahl-Teilchenmikroskops 1, insbesondere Aspekte der Strahlweiche 400 und einen Scanablenker 500. Ein teilchenoptischer Strahlengang der Primärstrahlen ist in 2 schematisch durch die gestrichelte Linie mit dem Bezugszeichen 3 dargestellt. Der Teilchenstrahl durchläuft die Strahlerzeugungsvorrichtung mit dem magneto-optischen Kondensor-Linsensystem 303 und trifft anschließend auf die Multiaperturanordnung 305. Die von der Multiaperturanordnung 305 ausgehende Vielzahl der Primärstrahlen 3 durchlaufen sodann ein magneto-optisches Feldlinsensystem 307 und treten dann in die magnetooptische Strahlweiche 400 ein. Diese Strahlweiche 400 umfasst eine Strahlrohranordnung 460, die im gezeigten Beispiel Y-förmig ausgebildet ist und drei Schenkel 461, 462 und 463 umfasst. Die Strahlweiche 400 weist dabei neben zwei flachen, miteinander verbundenen Strukturen zur Halterung der Magnetsektoren 410, 420 die darin enthaltenen oder daran fixierten ersten und zweiten Magnetsektoren 410 und 420 auf. Nach dem Durchsetzen der Strahlweiche 400 durchsetzen die ersten Teilchenstrahlen einen Scanablenker 500 und sodann die teilchenoptische Objektivlinse 102, bevor die primären Teilchenstrahlen 3 auf die Oberfläche 15 eines Objekt 7, hier einen Halbleiterwafer mit HV-Strukturen, auftreffen. Mit HV-Strukturen wird dabei der vorwiegen horizontale bzw. vertikale Verlauf von Halbleiterstrukturen bezeichnet. Der Halbleiterwafer 7 wird dabei von einem Verfahrtisch 600 unterhalb der Objektivlinse positioniert. Der Verfahrtisch kann ein 6-Achs-Verfahrtisch sein, der in 6 Freiheitsgraden die Oberfläche 15 der Probe 7 in der Objektebene oder ersten Ebene 101 positionieren kann. Die Positionsgenauigkeit in z-Richtung ist dabei weniger als 50 nm, beispielsweise besser als 30nm.
Durch dieses Auftreffen der Primärstrahlen 3 werden aus dem Objekt 7 Sekundärpartikel, z.B. Sekundärelektronen, herausgelöst. Diese Sekundärpartikel bilden zweite Teilchenstrahlen 9, denen der zweite teilchenoptische Strahlengang 9 zugeordnet ist. Die zweiten Teilchenstrahlen 9 durchsetzen nach dem Austreten aus dem Objekt 7 zunächst die teilchenoptische Objektivlinse 102 und anschließend die Scanablenker 500, bevor sie in die Strahlweiche 400 eintreten. Anschließend treten die zweiten Teilchenstrahlen 9 aus der Strahlweiche 400 aus, durchsetzen ein Projektionslinsensystem 205 (stark vereinfacht dargestellt), durchsetzen ein elektrostatisches Element 260 und treffen dann auf eine teilchenoptische Detektionseinheit 209 auf. Das elektrostatisches Element 260 beschreibt hier den sogenannten Antiscan, der die ansonsten auftretende Scanbewegung der Sekundärstrahlen 9 beim Auftreffen auf die Detektionseinheit 209 kompensiert.
Die Detektionseinheit 109 ist mit einer Datenerfassungseinrichtung 280 verbunden. Die Datenerfassung der Vielzahl der J Sekundärstrahlen erfolgt beispielsweise mit einer parallelen Rechnerarchitektur. Die Datenerfassungseinrichtung 280 enthält R parallel geschaltete Bilddigitalisierer 285.1 bis 285.R, die beispielsweise als R parallel geschaltete ASICs ausgelegt sein können. Jeder Bilddigitalisierer 285.1 bis 285.R erfasst die analogen Bilddaten von mehreren zugeordneten Sekundärstrahlen, die mit der Detektionseinheit 209 detektiert werden und transformiert diese in digitale Bilddaten. In einem Beispiel ist J = 100 und R = 10, und jedem Bilddigitalisierer sind Signale von 10 Sekundärstrahlen zugeordnet.
Die Probe 7 liegt bei einem Mehrstrahl-Teilchenstrahlsystem 1 gemäß 2 auf einem Potential, mit dem zum Einen die Primärteilchen abgebremst und zum Anderen die Sekundärteilchen aus der Probe heraus beschleunigt werden. Zur Einstellung des Probenpotentials 605 ist der Aufnahmetisch für die Probe bzw. den Wafer 7 mit der Kontrolleinheit 10 verbunden.
Eine Methode der Waferinspektion ist anhand 3 beschrieben. Ein Wafer wird mit seiner Oberseite 15 in die erste Ebene oder Objektebene 101 des Vielstrahlmikroskops 1 angeordnet. Gemäß der Erfindung wird der Wafer dabei in der optimalen Fokusebene der Vielzahl der Primärstrahlen 3 angeordnet. Die Vielzahl der Primärstrahlen 3 weisen in diesem Beispiel ein rechteckiges Strahlraster auf. Das Zentrum 21.1 des von der Vielzahl von Primärstrahlen 3 abgetasteten ersten Bildfeldes 17.1 dabei näherungsweise mit der Symmetrieachse der Objektivlinse 102 ausgerichtet. Die Bildfelder 17.1 bis 17.k korrespondieren zu verschiedenen Inspektionsstellen einer Waferinspektionaufgabe. Beispielsweise wird eine vordefinierten erste Inspektionsstelle 33 und zweite Inspektionsstelle 35 von einem Steuerfile gelesen. Die erste Inspektionsstelle 33 ist in diesem Beispiel in mehrere Bildfelder 17.1 und 17.2 aufgeteilt, mit einer ersten Zentrumsposition 21.1 und einer zweiten Zentrumsposition 21.2. Die erste Zentrumsposition 21.1 des ersten Bildfeldes 17.1 wird dann zunächst unter der Achse der Objektivlinse 102 ausgerichtet. Methoden zur Erfassung eines Koordinatensystems eines Wafers und zur Ausrichtung eines Wafers sind dabei aus dem Stand der Technik bekannt.
Die Vielzahl J von Primärstrahlen 3 wird dann mit dem Scanablenker 500 gemeinsam über jeweils kleine Subfelder 31.11 bis 31.MN abgelenkt und dabei wird mit jedem Strahl ein anderes Subfeld, beispielsweise Subfeld 31.mn oder Subfeld 31m(n+1), abgerastert. Beispielhafte Scanmuster 27.11 und 27.MN sind im ersten Subfeld 31.11 und im letzten Subfeld 31.MN schematisch dargestellt. Beispielhaft sind ferner die Fokuspunkte 5.11 ... 5.MN der jeweiligen unterschiedlichen Primärstrahlen am jeweils linken oberen Eck eines zugeordneten Subfeldes dargestellt. Subfelder 31 weisen ferner jeweils ein Zentrum auf, beispielhaft ist das Zentrum 29.mn des Subfeldes 31.mn mit einem Kreuz gekennzeichnet.
Mit der Vielzahl der J Primärstrahlen mit Fokuspunkten 5.11 bis 5.MN wird dabei jeweils eine Vielzahl von Subfeldern 31.11 ... 31.MN parallel abgetastet und für jedes der J Subfelder 31.11 bis 31.MN wird ein digitaler Bilddatensatz erfasst, der jeweils beispielsweise 8000 × 8000 Bildpunkte umfassen kann. Die Pixelgröße kann dabei festgelegt werden und beispielweise 2nm × 2nm betragen. Es sind aber auch andere Anzahlen von Bildpunkten zwischen 4000 × 4000 bis über 10000 × 10000 Bildpunkt möglich, und es können andere Pixelgrößen von beispielsweise 3nm, 1 nm oder weniger eingestellt werden. Nachdem die digitalen Bilddaten des ersten Bildfeldes 17.1 erfasst sind, werden die Bilddaten der einzelnen Subfelder 31.1 bis 31.MN des ersten Bildfeldes 17.1 zu einem Bilddatensatz zusammengefügt. Anschließend wird das zweite Bildfeld 17.2 unter der Achse des Objektives 102 positioniert und die digitalen Bilddaten des zweiten Bildfeldes 17.2 werden erfasst. Der Vorgang wird fortgesetzt beispielsweise mit der Inspektionsstelle 35 mit dem Bildfeld 17.k. Selbstverständlich ist die Rasteranordnung der Primärstrahlen nicht auf rechteckige Rasteranordnungen beschränkt, andere Rasteranordnungen sind beispielsweise hexagonale Raster oder eine Anordnung der Primärstrahlen auf konzentrischen Ringen oder einem Ring. Die laterale Auflösung der digitalen Bilddaten wird dabei im Wesentlichen durch den Durchmesser der Fokuspunkte 5 der Primärstrahlen 3 an der Objektoberfläche 15 bestimmt.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung stellt die Erfindung eine Methode der Einstellung einer besten Fokusebene für ein Mehrstrahl-Teilchenmikroskop 1 zur Verfügung. Im Mehrstrahl-Teilchenmikroskop 1 kann es für jeden einzelnen Primärstrahl der Rasteranordnung zu einem räumlichen Unterschied entlang der optischen Achse zwischen der jeweiligen Strahltaille eines einzelnen Primärstrahls und der abzubildenden Probenoberfläche 15 kommen. Gemäß der ersten Ausführungsform regelt die Autofokus-Methode diesen Abstand so, dass das erzeugte Bild optimal wird. Unter optimaler Bilderzeugung wird verstanden, dass ein vordefiniertes Kriterium beispielsweise bezüglich der Auflösung erreicht wird. Es sind jedoch auch andere applikationsrelevante Bildparameter denkbar, wie beispielsweise eine Abbildungstreue (engl. image fidelity) oder minimale Verzeichnung. 4 illustriert diesen Sachverhalt an einem vereinfachten Beispiel. Ein einzelner Primärstrahl 3.j der Vielzahl der J Primärstrahlen propagiert entgegen der positiven z- Richtung bzw. der z-Achse. Zusätzlich kann der Primärstrahl 3.j gegenüber einer z-Achse um einen Strahlwinkel 78 geneigt sein. Der Strahlwinkel 78 wird dabei durch den Winkel zwischen einem Schwerstrahl 80 und der z-Achse bestimmt.
Durch die Objektivlinse 102 wird der Strahl fokussiert in eine beste Fokusebene 68 des j-ten Primärstrahls 3.j. Typischerweise haben Elektronenstrahlen im Mehrstrahl-Teilchenmikroskop 1 einen halben Öffnungswinkel 64 zwischen 8 - 14 mrad, beispielsweise einen mittleren halben Öffnungswinkel von 10 mrad. Ein Einzelstrahl verbreitert sich daher im Fernfeld in Richtung der z-Achse ausgehend von der besten Fokusebene ungefähr um 2nm pro 100 nm Abstand. Das Strahlenbüschel verhält sich jedoch nicht exakt konisch, sondern hat eine Einhüllende 62 mit einem annähernd hyperbolischen Verlauf, der bezüglich der besten Fokusebene 68 zusätzlich asymmetrisch sein kann. Ausgehen von einer besten Fokusebene 68 mit einem minimalen Strahldurchmesser 74 von beispielsweise 3nm erhält man daher einen Fokusbereich 73, innerhalb dem ein Fokusdurchmesser unterhalb einer vorgegebenen Schwelle 76 von beispielsweise 4nm oder 5nm bleibt. Der minimalen Strahldurchmesser 74 wird auch als Strahltaille bezeichnet. Im Beispiel von 4 erstreckt sich der Fokusbereich von Ebene 70.1 mit Abstand 72.1 zur besten Fokusebene 68 bis zur oberen Ebene 70.2 mit Abstand 72.2 zur besten Fokusebene 68. Die Strahlbüschel 76.1 und 76.2 in der unteren bzw. oberen Ebene 70.1, 70.2 weisen einen Durchmesser entsprechend der vorgegebenen Schwelle von beispielsweise 4nm oder 5nm auf. Gemäß der Erfindung wird ein Autofokussystem zur Verfügung gestellt, dass eine Einstellung der Objektebene 101, in der die Oberfläche 15 eines Wafers 7 angeordnet ist, innerhalb des Fokusbereichs 73 für eine Vielzahl von Primärstrahlen ermöglicht wird und somit eine Auflösung innerhalb der Auflösungsanforderung für eine Vielzahl von Strahlen ermöglicht.
Üblicherweise weisen Mehrstrahl-Teilchenmikroskope 1 Aberrationen auf. Ein Mehrstrahl-Teilchenmikroskop 1 gemäß 1 weist beispielsweise typischerweise einen gekrümmte Bildschale auf. Zusätzlich weist ein Mehrstrahl-Teilchenmikroskop 1 gemäß 2 zusätzlich einen Bildebenenkipp auf. Entsprechend der Aberrationen sind die Strahltaillen 74 der jeweiligen Primärstrahlen 3.1 bis 3.J an unterschiedlichen z-Positionen. Die erfindungsgemäße Autofokus-Methode der ersten Ausführungsform beinhaltet hierbei verschiedene Methoden, um ein Optimum der besten Einstellebene eines Wafers über eine Vielzahl von J Primärstrahlen 3 zu wählen.
Gemäß der ersten Ausführungsform ist ein Verfahren zur Einstellung einer optimalen Fokusebene für ein Mehrstrahl-Teilchenmikroskop 1 vorgesehen. Das Mehrstrahl-Teilchenmikroskop 1 ist dabei durch eine Vielstrahlerzeugungseinrichtung 305 und ein Detektorsystem 200 mit einem Teilchen-Multi-Detektor 209 und einer Datenerfassungseinrichtung 280 gekennzeichnet, wobei die Vielstrahlerzeugungseinrichtung 305 zur Erzeugung einer ersten Vielzahl von J Primärstrahlen 3 in einer Rasteranordnung konfiguriert ist und jeder Primärstrahl jeweils über ein zugeordnetes Subfeld 31 in einem Bildfeld 17 mit einem Scanablenker 500 ablenkt werden kann. Das Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform umfasst die Schritte:

A. Positionierung einer Oberfläche 15 eines Objektes 7 mit einem Verfahrtisch oder einer Positioniereinrichtung 600 in einer ersten Einstellebene 101 mit einer ersten z-Position z1;
B. Bestimmung geeigneter Parameter für eine Fokusserie mit z-Positionen zi mit i = 1 bis P;
C. Erfassung von L Kontrastmaßen K1(i=1) bis KL(i=1) für L <= J ausgewählte Primärstrahlen 3;
D. Verlagerung der ersten Einstellebene 101 in eine zweite oder weitere Einstellebene an einer zweiten oder weiteren z-Position z2 bis zP;
E. Wiederholung der Schritte C und D, bis für jede der z-Positionen z1 bis zP Kontrastmaße K1(i) bis KL(i) mit i = 1 bis P erfasst sind;
F. Bestimmung einer besten Fokusposition 68 für jeden der L ausgewählten Primärstrahlen 3;
G. Bestimmung eines Bildschalenfehler und eines Bildebenenkipps aus den L besten Fokuspositionen 68, und Ermittlung einer optimalen Fokusebene des Mehrstrahl-Teilchenmikroskop 1, so dass für eine zweite Vielzahl von J2 Primärstrahlen ein vordefiniertes Auflösungskriterium eingehalten wird;
H. Speicherung der optimalen Fokusebene als neue erste Einstellebene 101 des Mehrstrahl-Teilchenmikroskop 1.

Die Methode der Einstellung einer besten Fokusebene für ein Mehrstrahl-Teilchenmikroskop 1 mit einer Vielzahl von J Primärstrahlen gemäß der ersten Ausführungsform ist in 5 dargestellt. Die Anzahl J der Primärstrahlen kann wie oben ausgeführt dabei beispielsweise J=60, J=90 oder mehr Strahlen umfassen. Während einer vorangehenden Kalibrierung werden die J Primärstrahlen 3 so zu einer ersten Ebene 101 eingestellt, dass sie näherungsweise senkrecht auf die Probe treffen. Der Einfallswinkel der Strahlen beträgt typischerweise weniger als < 10mrad. Gleichzeitig wird die erste Ebene 101 bestimmt, so dass sie idealerweise mit einer vorbestimmten besten Fokusebene übereinstimmt. Die Methode für ein Mehrstrahl-Teilchenmikroskop 1 erlaubt die Ermittlung einer besten Fokusebene für eine Vielzahl von Primärstrahlen. Das beinhaltet die Erfassung von Daten von mehreren, ausgewählten Strahlen. Die ausgewählten Strahlen werden in einem Beispiel so gewählt, dass eine Bildfeldwölbung und ein Bildebenenkipp berücksichtigt sind. In einem Beispiel umfasst die zweite Vielzahl J2 der Primärstrahlen, mit denen eine vordefinierte Auflösung erreicht werden kann, möglichst viele Primärstrahlen, beispielsweise mindestens 90% der ersten Vielzahl J, oder J2 >= 0.9 x J. Bevorzugt ist ein Verfahren, mit dem eine vordefinierte Auflösung für alle Primärstrahlen erreicht werden kann, so dass die zweite Vielzahl J2 gleich der ersten Vielzahl J ist (J2 = J).
In einem ersten Schritt A der Methode wird die Oberfläche des Wafer 7 mittels des Verfahrtisches 600 in die erste Ebene 101 gebracht und dabei senkrecht zu den Primärstrahlen ausgerichtet.
In einem zweiten Schritt B werden eine Reihe von Parametern für die Durchführung der Methode ermittelt oder ausgewählt.
In Schritt B1 wird ein Bildausschnitt 37 für eine Schärfebestimmung für jeden Primärstrahl ausgewählt. Dies ist in 6 anhand eines Bildfeldes 17.k dargestellt. Jeder Bildausschnitt 37 kann dabei wesentlich kleiner als ein Subfeld 31 gewählt werden, beispielsweise kann der Bildausschnitt 37 nur jeweils 256 x 256 Pixel mit einer Pixelgröße von beispielsweise 1.5nm betragen. Es sind auch größere Bildausschnitte denkbar, beispielsweise bis zu 512 × 512 Pixel. Somit ist gewährleistet, dass die Datenaufnahme der digitalen Daten zur Fokusebenenbestimmung möglichst schnell erfolgen kann. Wie in 6 dargestellt, wird somit in jedem Subfeld 31.11 bis 31.MN ein gleicher Bildausschnitt 37.11 bis 37.MN festgelegt (nicht alle Subfelder und Bildausschnitte sind beziffert). Weiter wird aus der Vielzahl der J Bildausschnitte eine vorbestimmte Anzahl von L ausgewählten Bildausschnitten 39 ausgewählt. Die Anzahl L der ausgewählten Bildausschnitte kann dabei mindestens 3, 5, 9 oder 12 Bildausschnitte betragen. In 6 ist ein Beispiel mit L = 4 dargestellt, mit ausgewählten Bildausschnitte 39.1 bis 39.4. In besonderen Fällen kann auch eine größere Anzahl L von ausgewählten Bildausschnitten gewählt werden, beispielsweise kann L = J gewählt werden. Es ist jedoch auch möglich, mit L = 1 nur einen einzigen Bildausschnitt zu wählen.
Im Beispiel der 6 erfolgt die Auswahl der ausgewählten Bildausschnitte dabei in einer Weise, in der eine Bildfeldwölbung und ein Bildebenenkipp mit einer möglichen geringen Anzahl von ausgewählten Bildausschnitten berücksichtigt sind. Ein erster ausgewählter Bildausschnitt 39.1 ist nahe dem Zentrum des Bildfeldes 17.k. Ein zweiter ausgewählter Bildausschnitt 39.2 ist an einer maximalen Position des Bildfeldes 17.k. Ein dritter ausgewählter Bildausschnitt 39.3 ist innerhalb des Bildfeldes 17.k an einer gegenüberliegenden Seite des zweiten Bildausschnitts 39.2. Ein vierter ausgewählter Bildausschnitt 39.4 ist in einer Zone zwischen Zentrum und maximaler Position in einem Sektor des Bildfeldes gegenüber dem zweiten Bildausschnitt 39.2 und dem dritten Bildausschnitt 39.3. Zur Veranschaulichung sind in 6 3 Achsen 41 durch drei nicht dargestellte Sektoren eingezeichnet. Auf den drei Achsen 41 liegen näherungsweise die ausgewählten Bildausschnitte, wobei in diesem Beispiel die Achsen zueinander jeweils einen Winkel von näherungsweise 60° aufweisen. Alternativ können statt drei Achsen 41 auch nur zwei Achsen gewählt werden, die aufeinander senkrecht stehen. Generell gilt, dass ausgewählte Bildausschnitte auf mindestens zwei Achsen durch das Bildfeld liegen, wobei mindestens ein erster ausgewählte Bildausschnitt 39.1 auf dem Kreuzungspunkt der mindestens zwei Achsen liegt, mindestens ein zweiter ausgewählter Bildausschnitt 39.2 bei der maximalen Ausdehnung der Bildfeldes in Richtung der ersten Achse liegt, und mindestens ein dritter ausgewählter Bildausschnitt 39.4 auf halber bis zu 2/3 der Strecke zwischen dem ersten ausgewählten Bildausschnitt 39.1 und der maximalen Ausdehnung des Bildfeldes in Richtung der zweiten Achse liegt, wobei die erste und die zweite Achse zueinander einen Winkel zwischen 70° und 150° aufweisen. Über diese Auswahl ist sichergestellt, dass Bildschale und Bildebenenkipp erfasst werden.
In einem Beispiel befinden sich unter einzelnen Primärstrahlen keine Strukturen, die eine Auswertung ermöglichen. Die zugeordneten Bildausschnitte werden dann nicht ausgewählt, oder der Bildausschnitt wird verändert. Ein über alle ausgewählten Bildausschnitte 39 auswertbarer Bildausschnitt kann entweder durch eine vorangehende Messung ermittelt werden, oder durch a priori Information wie beispielsweise Design-Information oder CAD Daten des zu messenden Wafers ermittelt werden. In einem Beispiel erfolgt die Bestimmung des Bildausschnitts 37 innerhalb jedes der J Subfelder 31 aufgrund einer Oberflächenbeschaffenheit bzw. aufgrund von Strukturen auf der Oberfläche 15 des Objektes 7.
Die Auswahl der ausgewählten Bildausschnitte und zugeordneten Primärstrahlen kann umfassen:

- alle J Bildausschnitte aller J Subfelder;
- jeden 2. Bildausschnitt, beispielsweise in einem Schachbrettmuster angeordnet
- für jedes von beispielsweise fünf oder sieben Radienintervallen vom Zentrum 21.k ausgehend ein ausgewählter Bildausschnitt, beispielsweise in einer hexagonalen Rasteranordnung;
- pro Ring in einer zirkularen Rasteranordnung;
- mindestens drei Strahlen, um die Bildschale zu erfassen (Mitte, Zone, Rand)
- mindestens vier Strahlen, um Bildschale und Kipp zu erfassen (Mitte, 1 × Zone, 2 × Rand, jeweils zwischen 70° und 150° zueinander versetzt)
- entsprechend einer Anzahl R von parallelen Bilddigitalisierern, mit L <= R.

In einem Beispiel beträgt die Anzahl L der ausgewählten Bildausschnitte mindestens vier (L >= 4). In einem Beispiel weist die Datenerfassungseinrichtung 280 eine Anzahl R parallel angeordneter Bilddigitalisierer 285.1 bis 285.R auf, und die Anzahl der ausgewählten Ausschnitte L ist kleiner gleich R gewählt.
In Schritt B2 wird die Anzahl der Bildpunkte S der Bildausschnitte für die Fokusbestimmung und der Pixelsabstand ds innerhalb der Bildausschnitte festgelegt. Die Pixelgröße oder Pixelabstand ds kann beispielsweise vom Benutzer über eine Benutzeroberfläche eingestellt werden. In einem anderen Beispiel erfolgt die Bestimmung der Pixelgröße aus der Strukturgröße innerhalb der ausgewählten Bildausschnitte, beispielsweise aus a priori Information wie Design-Information oder CAD Daten des zu messenden Wafers. Beispielsweise kann eine Pixelgröße ds entsprechend dem halben Wert der Strukturgröße bestimmt werden, oder kleiner, jedoch nicht kleiner als ein Viertel der Strukturgröße. Zusätzlich kann die Verweilzeit (engl. Dwell-Time) eingestellt werden, um das Rauschen zu verringern. Beispielsweise bei Proben mit sehr schlechtem Probenkontrast kann eine längere Dwell-Time eingestellt werden. Beispielsweise kann die Dwell-Time automatisch eingestellt werden bzw. das Kontrollsystem kann in Schritt K eine Dwell-Time aus einer vorhergehenden Messungen oder a priori-Informationen über den zu erwartenden Probenkontrast bestimmen.
Für die weiter unten beschriebene Bestimmung der Kontrastmaße in Schritt C2 ist die Anzahl der Bildpunkte für einen Bildausschnitt von 2 hoch N, beispielsweise 2 hoch 8 Bildpunkten (256 Pixel oder Bildpunkte) in einer Dimension bevorzugt, um Auswertungen mit FFT-Methoden zu ermöglichen. Es sind jedoch auch kleinere Bildausschnitte von beispielsweise 200 × 200 Bildpunkten denkbar. In diesem Fall kann ein Bildausschnitt für die Bestimmung des Kontrastmaßes auf beispielsweise 256 × 256 durch hinzufügen von Nullen erhöht werden (engl. Zero-padding).
In Schritt B3 werden P Schrittweiten dz1, dz2, ... dzP für eine Fokusserie festgelegt und es wird eine Mindestzahl von zu bestimmenden Kontrastmaßen festgelegt. Es hat sich gezeigt, dass hierfür P = drei z-Positionen besonders geeignet sind, es können aber auch P = fünf oder mehr verschiedene z-Ebenen angefahren werden, so dass beispielsweise Kontrastmaße an fünf verschiedenen z-Positionen für jeden ausgewählten Bildausschnitt bestimmt werden.
In einem ersten Beispiel wird nur eine kleine Abweichungen von einer idealen Fokusebene erwartet und es werden entsprechend engere Abstände oder Schrittweiten dz1,... dzP gewählt. Bei größeren Fokusabweichungen wird ein größerer Messbereich gewählt und die Anzahl der z-Positionen P der Fokusserie werden erhöht, beispielsweise auf fünf oder sieben oder mehr.
Die Fokusserie erstreckt sich in einem Beispiel über einen z-Bereich von bis zu 2µm, bevorzugt werden jedoch kleinere z-Bereiche und kleinere Schrittweiten gewählt. In einem Beispiel hat eine Fokusserie P=5 Schritte mit gleichen Schrittweiten dz =125nm. Der addierte z-Bereich überdeckt in diesem Beispiel insgesamt 625nm. Für eine zuverlässige Auswertung der weiter unten beschriebenen Kontrastmaße darf die Schrittweite dz bzw. der abgetastete z-Bereich jedoch nicht zu klein gewählt werden. Der z-Bereich sollte daher über mindestens 200nm erstrecken, bzw. eine Schrittweite dz bei nur P=3 Messpunkten der Fokusserie sollte nicht kleiner als beispielsweise 200nm sein. In einem Beispiel hat eine Fokusserie mindestens 3 Schritte mit dz = 250nm Schrittweite und erstreckt sich über einen z-Bereich von insgesamt 750nm. Für eine höhere Genauigkeit können geringere Schrittweiten dz1, dz2, ... dzP ausgewählt werden und eine größere Anzahl P von z-Positionen gewählt werden, beispielsweise P > 6, wobei gleichzeitig die dwell-time erhöht wird, um das Rauschverhalten der in Schritt C2 beschriebenen Bestimmung der Kontrastmaße zu verbessern. In einem Beispiel ist die Anzahl P der z-Positionen in einem Bereich zwischen P = 3 und P = 7 festgelegt.
In einem Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform umfasst der Schritt B daher folgende Elemente:

- die Bestimmung eines Bildausschnitts 37 innerhalb jedes der J Subfelder 31;
- die Auswahl von L ausgewählten Bildausschnitten 39.1 bis 39.L aus den Bildausschnitten 37 für jedes der J Subfelder 31, wobei L <= J gewählt wird; und wobei jedem der L ausgewählten Bildausschnitte 39 ein ausgewählter Primärstrahl 3 zugeordnet ist;
- die Festlegung von Parametern für eine Erfassung der digitalen Bilddaten der innerhalb der Bildausschnitte 39 angeordneten Ausschnitte der Oberfläche 15 des Objekts 7;
- die Festlegung der Serie von P z-Positionen z1 bis zP mit (P-1) Schrittweiten dz(2) bis dz(P) zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden z-Positionen z1 bis zP.

In Schritt B4 wird ein bevorzugtes Kontrastmaß oder eine bevorzugte Sequenz von Kontrastmaßen definiert. Es hat sich gezeigt, dass sich für unterschiedliche Strukturen verschiedene Kontrastmaße besonders eignen. Die Auswahl der Kontrastmaße kann daher beispielsweise automatisch aus a priori-Informationen erfolgen, wie beispielsweise CAD-Daten des zu messenden Wafers. Als Kontrastmaß können auch mehrere Filteroperationen ausgewählt werden.
In einem ersten Beispiel wird als Kontrastmaß eine Spektralmethode verwendet, in der das Signalspektrum (FFT) verwendet wird. Hier wird die Ausdehnung des Spektrums im Fourierraum oder spatialen Frequenzraum bewertet. Beispielsweise wird das Spektrum mit dem Spektrum einer Kante verglichen. Das Spektrum einer Kante ist eine 1/f-Linie im spatialen Frequenzraum (mit Frequenzen f) quer zu der Kante. In einem Beispiel ist die Lage einer Kante bekannt und ein Kontrastmaß wird durch eine eindimensionale Fouriertransformation senkrecht zur Kante ermittelt. In einem Beispiel wird die normierte Summe über die hohen spatialen Frequenzenanteile gebildet. Je höher das Ergebnis, desto höher ist das Kontrastmaß.
In einem zweiten Beispiel wird ein der Bildkontrast selbst bestimmt. Hierzu wird beispielsweise eine 2D Bildinformation aus einem Bildausschnitt zunächst tiefpassgefiltert bzw. geglättet. Dann werden die Quotienten aus zwei Intensitätswerten von Bildpunkten in jeweils einem vordefinierten Abstand gebildet, wobei der vordefinierte Abstand an eine Strukturgröße des Objektes angepasst ist. Das normierte Maximum der Quotienten liefert das Kontrastmaß. In einem ähnlichen Verfahren wird mit Hilfe einer Sequenz von Hoch- und Tiefpassfilterungen ein Kontrastmaß bestimmt. Eine 2D Bildinformation aus einem Bildausschnitt wird in zwei Bildrichtungen jeweils in einer Richtung tiefpassgefiltert und danach in derselben Richtung hochpassgefiltert. Die Maximalwerte beider gefilterter Bilder werden aufsummiert und normiert. Je größer das Ergebnis ist, desto höher ist das Kontrastmaß.
In einem dritten Beispiel wird als Kontrastmaß eine Histogramm-Methode mit einer Grauwertverteilung verwendet. Hierzu wird ein Histogramm aus der Grauwertverteilung von jedem der ausgewählten Bildausschnitte erstellt. In der idealen Einstellebene besteht ein Histogramm an einer scharfen Kante aus zwei beabstandeten Häufungspunkten bei zwei verschiedenen Grauwerten. Beispielsweise wird das Verhältnis der Summe der Histogrammwerte an den Häufungspunkten zur Gesamtsumme der Histogrammwerte gesetzt und normiert. Je größer das Ergebnis, desto höher ist das Kontrastmaß.
In einem vierten Beispiel wird als Kontrastmaß ein Kantenfilter eingesetzt. Dies kann durch morphologische Operationen erfolgen, die beispielsweise Pixelwerte benachbarter Pixel vergleichen. In einem Beispiel werden die Differenzen jedes Paares zweier benachbarter Pixelwerte mit einen Schwellwert verglichen. Solange eine Differenz zu einem benachbarten Pixelwerte unterhalt der Schwelle bleibt, werden der Pixelwerte auf Null gesetzt. Die normierte Summe über alle ermittelten Pixelwerte wird bestimmt und das Ergebnis entspricht dem Kontrastmaß.
In einem fünften Beispiel wird als Kontrastmaß eine Gradientenmethode verwendet. Es wird über alle Bildpunkte ein skalarer Wert eines lokalen Gradienten bestimmt, beispielsweise werden die Differenzen der beiden Nachbarpixel in zwei Richtungen gebildet und aus diesen durch Vektoraddition der skalare lokale Gradient bestimmt. Das Kontrastmaß kann entweder aus der normierten Summe aller skalaren Gradienten oder dem normierten Maximalwert der lokalen Gradienten gebildet werden.
In einem sechsten Beispiel wird eine Methode der sogenannten relativen Verwaschung verwendet. Hierbei wird in einem ersten Schritt eine erste Ableitung D1 der digitalen Bilddaten aus einem ausgewählten Bildausschnitt gebildet. Danach werden die digitalen Bilddaten des ausgewählten Bildausschnitts mit einer konstanten Verwaschungsfunktion gefaltet, und es wird eine zweite Ableitung D2 der verwaschenen digitalen Bilddaten berechnet. Aus dem Verhältnis der beiden Ableitungen D1/D2 kann ermittelt werden, wie weit die z-Position eines ausgewählten Bildausschnitts von einer optimalen Einstellebene entfernt ist. Je kleiner der Quotient D1 / D2, desto geringer ist der Kontrastunterschied und desto weiter entfernt von einer optimalen Fokusebene erfolgte die Bildaufnahme.
In einem Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform beinhaltet der Schritt B daher ferner die Festlegung einer Methode zur Bestimmung eines Kontrastmaßes, umfassend mindestens eine der folgenden Methoden: eine Spektralmethode, einem Bildkontrast, einer Histogramm-Methode, ein Kantenfilter, eine Methode der relativen Verwaschung, oder eine Gradientenmethode. Neben den genannten Kontrastmaßen sind aber auch weitere Kontrastmaße und Variationen zu den oben beschriebenen Kontrastmaßen in äquivalenter Weise möglich. Um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, können auch mehrere Kontrastmaße verwendet werden. Dies ist insbesondere erforderlich, wenn ein Rauschmaß über einem bestimmten Schwellwert ist oder eine große Fokusabweichung vorliegt. Bei der Auswahl der Parameter in den Schritten B1 bis B4 werden zwei Aspekte berücksichtigt: Schnelligkeit und Genauigkeit. Die Methode der Bestimmung der besten Fokusebene ist dann möglichst schnell, wenn nur wenige Primärstrahlen bzw. nur wenige Bildausschnitte ausgewählt sind, beispielweise weniger als R, mit der Anzahl R der parallel angeordneten Bilderfassungseinrichtungen der Datenerfassungseinrichtung 280.
Die Methode der Bestimmung der besten Fokusebene ist andernfalls dann möglichst genau, wenn bei der Auswahl der ausgewählten Bildausschnitte die Bildfeldwölbung und insbesondere der Bildfeldkipp mit in Betracht gezogen wird. Abhängig vom Status des Mehrstrahl-Teilchenmikroskops 1 kann die Kontrolleinheit 10 in Schritt K einer Steuergröße festlegen, der für die Schritte B1 bis B4 die Auswahl der Parameter beeinflusst. Über die Kontrolleinheit können auch a priori-Informationen wie beispielsweise CAD-Informationen bereitgestellt werden. Über die Kontrolleinheit können auch andere Informationen erfasst und berücksichtig werden, z.B. die eines z-Höhensensors. Aus verschiedenen Zustandsbeobachtungen des Mehrstrahl-Teilchenmikroskops 1 in Schritt K kann die Kontrolleinheit eine zu erwartende Fokusänderung vorhersagen. Bei einer vorhergesagten geringen Änderung kann eine schnelle Methode zur Bestimmung der besten Fokusebene mit beispielsweise nur einem ausgewählten Bildausschnitt erfolgen. Bei einer vorhergesagten großen Änderung kann eine genaue Methode zur Bestimmung der besten Fokusebene mit beispielsweise fünf ausgewählten Bildausschnitten und drei benachbarten z-Positionen erfolgen. Bei einer vorhergesagten unbestimmten Änderung kann eine genaue Methode zur Bestimmung der besten Fokusebene mit einem iterativen Verfahren mit zunächst sehr großer Schrittweite in z-Richtung erfolgen.
Die Schritte B1 bis B4 müssen nicht in einer bestimmten Reihenfolge erfolgen, sondern können in beliebiger Reihenfolge oder auch parallel erfolgen. Die Schritte können auch voneinander abhängen. Wählt man beispielsweise in Schritt B2 die Pixelgröße zu groß, wird beispielsweise die Verteilung der Grauwerte ausgemittelt und das Spektrum bzw. das Histogramm wird schmalbandiger und eine Bestimmung der Kontrastmaße wird verschlechtert; wählt man die Pixelgröße zu gering, hat man beispielsweise im Signalspektrum nur sehr niedrige Frequenzen oder einen hohen Rauschanteil. Daher kann die Bestimmung der Pixelgröße in Schritt B2 von mehreren Parametern abhängen, beispielsweise von der Strukturgröße in den ausgewählten Bildausschnitten, vom Probenkontrast, und von der vordefinierten Methode der Bestimmung der Kontrastmaße in Schritt B4. In einem Beispiel kann die Pixelgröße oder die Ausdehnung der Bildausschnitte adaptiv gewählt werden, d.h. für verschiedene z-Positionen können verschiedene Pixelgrößen ausgewählt werden, beispielsweise kann mit geringer werdendem z-Abstand zu einer vermuteten idealen Fokusebene die Pixelgröße verringert werden.
In Schritt C werden die Kontrastmaße in einer z-Position für die L ausgewählten Bildausschnitte ermittelt. In einem Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform umfasst der Schritt C daher folgende Elemente:

- Erfassung von L digitalen Bilddaten der L ausgewählten Bildausschnitte 37 innerhalb der L ausgewählten Subfelder 31 mit dem Detektorsystem 200 gemäß den in Schritt B festgelegten Parametern;
- Auswertung der L ausgewählten Bildausschnitte 39.1 bis 39.L und Ermittlung von L Kontrastmaßen K1 (i), ... KL(i) mit der Datenerfassungseinrichtung 280;
- Übermittlung der L Kontrastmaße K1 (i) bis KL(i) an eine Kontrolleinheit 10 und Speicherung der L Kontrastmaßen K1 (i) bis KL(i).

In einem Schritt C1 werden L digitale Bilddaten der Vielzahl von L ausgewählten Bildausschnitten aufgenommen. Hierfür wird ein Steuersignal an die Kontrolleinheit des Strahlablenksystems 500 zur Verfügung gestellt, welches Parameter enthält, die den Bildausschnitt beschreiben, wie Startposition, Pixelgröße und Endposition des Bildausschnittes. Mit jeweils einem der J Primärstrahlen 3 wird in jedem zugeordneten Subfeld 31 über den zugeordneten Bildausschnitt verfahren und die digitalen Daten zu der Vielzahl von nur L ausgewählten Bildausschnitten werden erfasst. Zur Bestimmung der besten Einstellebene wird die Bilderfassung innerhalb eines Bildfeldes umgestellt auf kleinere Bildausschnitte mit beispielsweise nur 256 x 256 Pixel.
In Schritt C2 werden die Bilddaten der L ausgewählten Bildausschnitte ausgewertet und für jeden I-ten Bildausschnitt wird ein erstes Kontrastmaß KI(z1) mit I = 1 bis L bestimmt. Die Kontrastmaße werden an eine Steuereinheit 10 übermittelt und dort temporär gespeichert.
In einem Beispiel können verschiedene Kontrastmaße bestimmt werden, die die Genauigkeit der Kontrastbestimmung zu erhöhen. Dadurch wird das Verfahren besonders robust gegenüber Fehlern oder Rauschen.
In Schritt E wird geprüft, ob bereits eine vordefinierte Mindestzahl von Kontrastmaßen erfasst ist. Falls dies nicht der Fall ist, beispielsweise wenn weniger als drei Kontrastmaße für jeden ausgewählten Bildausschnitt erfasst sind, verfährt die Methode mit Schritt D fort.
In Schritt D wird die Position der ersten Ebene 101 in z-Richtung verändert und in eine z-Position z2 bezüglich der ersten Ebene 101 mit z-Position z1 verlagert. Die Veränderung erfolgt dabei im ersten Schritt um die erste Abstandsänderung dz1.
Die Schritte C1 und C2 werden anschließend wiederholt, und zweite bzw. weitere Kontrastmaße KI(z2) werden bestimmt. Danach folgt beispielsweise eine weitere Wiederholung des Schrittes D mit einer zweiten oder weiteren Abstandsänderung dz2 und dritte oder weitere Kontrastmaße KI(z3) werden in einer Wiederholung der Schritte C1 und C2 bestimmt. Die jeweilige Veränderung der Z-Positionen in den wiederholten Schritten D entsprechen dabei den in Schritt B3 festgelegten Schrittweiten dz1, dz2, ... dzP der Fokusserie.
In Schritt E werden die Kontrastmaße geprüft, und die Schritte D, C1 und C2 werden solange wiederholt, bis eine ausreichende Anzahl von Kontrastmaßen an einer ausreichenden Anzahl P von verschiedenen z-Positionen für jeden ausgewählten Bildausschnitt bestimmt ist. In einem Beispiel werden bei der Prüfung neben der Anzahl der z-Positionen auch die Kontrastmaße selbst geprüft. Beispielsweise werden hier die Kontrastmaße gegenüber einen Schwellwert geprüft. In einem ersten Beispiel sind alle Kontrastmaße zu gering. In diesem Fall wird aus den Kontrastmaßen eine neue z-Position für eine neue Fokusserie bestimmt und mit Schritt D eingestellt und die Fokusserie wird beginnend mit Schritt C wiederholt. In einem zweiten Beispiel ist mindestens ein Kontrastmaß für einen ausgewählten Bildausschnitt zu gering. In diesem Fall wird in einem wiederholten Schritt B ein neuer Bildausschnitt gewählt und die Messung wird wiederholt.
In einem Beispiel werden die Kontrastmaße gegeneinander verglichen. Wenn die Kontrastwerte einen zu geringen Unterschied von beispielsweise weniger als 10% aufweisen, oder die Kontrastwerte einen zu großen Unterschied von mehr als 70% aufweisen, verfährt die Methode mit Schritt D fort. In einem Beispiel werden hierbei die in Schritt B vordefinierten Änderungen der Einstellebene eingesetzt. Alternativ kann auch in Schritt E die für eine weitere Bestimmung eines weiteren Kontrastmaßes erforderliche Abstandsänderung dz für eine weitere Einstellebene bestimmt werden. Weisen beispielsweise die Kontrastwerte einen zu geringen Unterschied von beispielsweise weniger als 10% auf, so kann eine größere Schrittweite dz in eine z-Richtung bestimmt werden. Weisen beispielsweise die Kontrastwerte einen zu großen Unterschied von beispielsweise größer als 70% auf, so kann eine weitere z-Position für eine weitere Kontrastmessung zwischen zwei z-Positionen zweier bereits erfasster Kontrastmaße bestimmt werden.
In einem Beispiel wird bei den Schwellwerten bzw. bei den erforderlichen maximalen oder minimalen Differenzen der Kontrastmaße das Rauschverhalten der Kontrastmaße berücksichtigt. Das Rauschverhalten der Bestimmung der Kontrastmaße ist dabei abhängig von der Verweilzeit (engl. dwell-time) eines jeden Primärstrahls auf einem Bildpunkt, von der Pixelgröße, und von dem Probenkontrast. Der Probenkontrast ist dabei definiert durch das Verhältnis der Ausbeute an Sekundärelektronen an verschiedenen Probenstrukturen. Bei einem größeren Rauschverhalten wird beispielsweise die Messung beginnend mit Schritt B widerholt und es wird eine längere dwell-time oder eine größere Anzahl von Kontrastmaßen an einer größeren Anzahl vom z-Positionen in Schritt B festgelegt.
In einem Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform umfasst der Schritt E daher ferner eine Prüfung, ob jedes der ermittelten Kontrastmaße ein Kriterium erfüllt, und bei Nichterfüllung des Kriteriums eine Ermittlung mindestens einer weiteren z-Position z(P+1) erfolgt, gefolgt von einer Wiederholung des Schrittes D mit einer Verlagerung der ersten Einstellebene 101 in die weitere z-Position z(P+1) und von einer Wiederholung des Schritts c an der weiteren z-Position z(P+1) zur Ermittlung weiterer Kontrastmaße K1 bis KL(P+1). In Schitt F erfolgt die Auswertung der Kontrastmaße für jeden ausgewählten Bildausschnitt. Die Kontrastmaße für einen ausgewählten Bildausschnitt als Funktion des Fokus ergeben Parabeln oder Hyperbeln mit jeweils einem Scheitelpunkt und aus mindestens drei Kontrastmaßen in unterschiedlichen z-Positionen wird ein parabolischer oder hyperbolischer Verlauf der Kontrastmaße der verschiedenen ausgewählten Bildausschnitte über die z-Position approximiert und ein Minimum des parabolischen oder hyperbolischen Verlaufs wird ermittelt. Für jeden ausgewählten I-ten Primärstrahl erhält man eine beste Fokusposition zl mit einer minimalen Strahltaille 74 eines Primärstrahls (vgl. 4).
Beispielsweise wird für die Kontrastmaße Kl(i=1) ... Kl(i=5) für einen I-ten Primärstrahl bzw. den I-ten ausgewählten Bildausschnitt eine quadratische Abhängigkeit bzw. ein Parabelverlauf des Kontrastmaßes über die z-Koordinate bestimmt. Aus der Bestimmung des Maximums des Kontrastmaßes kann somit für jeden I-ten Primärstrahl eine ideale Fokusposition zl bestimmt werden. Die idealen Fokuspositionen zl entsprechen für jeden Primärstrahl jeweils der Ebene 68 entsprechend dem minimalen Strahlquerschnitt 74 in 4. Auf diese Weise wird für die L ausgewählten Primärstrahlen die jeweils beste Fokusposition z1, z2, ... zL bestimmt.
Die Berechnung der idealen Fokuspositionen zl für jeden ausgewählten Primärstrahl kann zu einem Abbruch und Neustart der Methode führen. Beispielsweise kann eine ideale Fokusposition zu weit entfernt sein von der ersten Ebene 101, so dass statt einem parabolischen Verlauf näherungsweise ein linearer Verlauf der Kontrastmaße ermittelt wird.
Aus dem linearen Verlauf wird dann eine neue erste Einstellebene 101 berechnet und die Methode beginnend mit Schritt C von dieser neuen ersten Einstellebene 101 neu gestartet.
In einem weiteren Beispiel können die parabolischen Verläufe der Kontrastmaße für ausgewählte Primärstrahlen sich zu sehr voneinander unterscheiden. Dies kann auf Aberrationen wie Astigmatismus hinweisen und eine Autostigmation wird gestartet, in der das Mehrstrahl-Teilchenmikroskop 1 nach üblichen Verfahren neu kalibriert wird. Ein Verfahren zur Bestimmung von Aberrationen kann beispielsweise ein abgewandeltes Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform sein, beispielsweise ein Verfahren gemäß der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Weitere Verfahren zur Autostigmation sind dem Fachmann bekannt. Nach erfolgter Kalibrierung und Korrektur von Aberrationen wie beispielsweise Astigmatismus oder sphärischer Aberration wird die Methode zur Bestimmung einer optimalen Einstellebene mit Schritt C neu gestartet.
In einem Beispiel verläuft der Schritt F parallel zum Schritt E. Nach jeder Einstellung einer neuen Fokusebene in Schritt D und Bestimmung der Kontrastmaße in Schritt C wird aus den verfügbaren Kontrastmaßen ein Fokusmodell erstellt. Bei der Bestimmung des Fokusmodells wird aus den bisherigen Messungen der Kontrastmaße beispielsweise durch Parabelfit eine optimale Fokusposition für jeden ausgewählten Bildausschnitt bestimmt und zusätzlich ein Gütemaß der Fokusberechnung. Das Gütemaß kann beispielsweise durch ein Rauschverhalten bestimmt sein und prinzipiell die Genauigkeit der Bestimmung der optimale Fokusposition für jeden ausgewählten Bildausschnitt beschreiben. Die Schleife bestehend aus Schritten C und D wird solange wiederholt, bis ein ausreichendes Gütemaß erreicht ist. Sobald das Gütemaß besser als ein vordefinierter Wert ist, kann die Schleife bestehend aus Schritten C und D abgebrochen werden und die optimale Fokusebene im folgenden Schritt G berechnet werden
In Schritt G erfolgt eine Ermittlung der besten oder optimalen Fokusebene. Aus den besten Einstellpositionen der ausgewählten Bildausschnitte 39 der zugeordneten ausgewählten Primärstrahlen wird die optimale Fokusebene für die Vielzahl der Primärstrahlen ermittelt. In 7a ist an einem vereinfachten Beispiel der Fokusverlauf von fünf Primärstrahlen entlang einer y-Achse illustriert. Die Fokuspositionen 74.1 bis 74.5 der fünf Primarstrahlverläufe 62.1 bis 62.5 liegen dabei näherungsweise auf einer Sphäre mit Radius R, deren Mittelpunkt 43 entsprechend einem Bildebenenkipp 45 von der z-Achse beabstandet ist. Die y-Achse 41 entspricht der Position der besten Fokusebene etwas oberhalb der Fokusposition 74.3 des axialen Primärstrahls 62.3. Die Fokuspositionen 74.1 bis 74.5 liegen zwischen einer maximalen z-Position bzw. oberen Fokusebene 47 und einer minimalen z-Position bzw. unteren Fokusebene 49 und haben eine z-Ausdehnung bzw. ein Interval 51. Gemäß der erfindungsgemäßen Methode zur Bestimmung einer optimalen Einstellebene sind verschiedene Methoden für die Ermittlung der optimalen Einstellebene in Schritt G möglich. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass man den Wafer nicht einfach verkippt parallel zu einer Ebene 45 anordnen kann, da in diesem Fall die Primärstrahlen nicht mehr senkrecht auf den Wafer treffen würden. Der Einfallswinkel der Primärstrahlen darf beispielsweise nicht mehr als 10mrad von der senkrechten zu einer Waferoberfläche abweichen.
Die Ermittlung der optimalen Einstellebene erfolgt dabei in einem ersten Beispiel nur über die zu den ausgewählten Bildausschnitten zugeordneten Primärstrahlen. Über die in Schritt B beschriebene Auswahl der ausgewählten Bildausschnitte und zugeordneter Primärstrahlen kann eine Bildschale und Bildebenenkipp ermittelt werden. Sowohl Bildschalenfehler als auch Bildebenenkipp können bei der Ermittlung der optimalen Einstellebene berücksichtigt werden, wie in 7a dargestellt, wobei die Fokuspositionen der Vielzahl der Primärstrahlen auf einer Bildschale mit Radius R zu liegen kommen, wobei das Zentrum der Bildschale 43 von der z-Achse um den Betrag dy versetzt ist. Über diesen Versatz ist der Bildebenenkipp berücksichtigt.
In einem zweiten Beispiel wird in einem optionalen Schritt G2 aus den Fokuspositionen z1, z2, ..., zL der den L ausgewählten Bildausschnitten zugeordneten Primärstrahlen die Fokuspositionen weiterer oder sogar sämtlicher Primärstrahlen entsprechend einem Modell berechnet. Das Modell berücksichtigt dabei Bildschale und Bildebenenkipp und wird beispielsweise durch einen vordefinierten Fokusverlauf für jeden der J Primärstrahlen gebildet, wie in 4 für einen Primärstrahl dargestellt, wobei die Fokuspositionen der Vielzahl der J Primärstrahlen auf einer Bildschale mit Radius R zu liegen kommen, wobei das Zentrum der Bildschale 43 von der z-Achse um den Betrag dy versetzt ist. Über diesen Versatz wird der Bildebenenkipp berücksichtigt.
Dem Modell können weitere Modellparameter zugrunde liegen. Beispielsweise können für jeden Primärstrahl die oberen bzw. unteren zulässigen Fokusabweichungen aus einer Auflösungsanforderung berechnet werden und in dem Modell berücksichtigt werden. Die oberen bzw. unteren zulässigen Fokusabweichungen können aufgrund von Aberrationen für verschiedene Primärstrahlen auch unterschiedlich sein.
In Schritt G2 wird dann aus den ermittelten Fokuspositionen z1, z2, ..., zL ausgewählter Primärstrahlen bzw. aus den in Schritt G1 bestimmten sämtlichen Fokuspositionen aller Primärstrahlen eine optimale Einstellebene 41 berechnet. Hierfür sind verschiedene Methoden möglich:

- es wird das Interval 51 zwischen einer oberen Fokusebene 47 und einer unteren Fokusebene 49 halbiert.
- es wird ein Mittelwert über alle z-Positionen gebildet.
- es wird ein Wert gewählt, an der die schlechteste Auflösung eines Primärstrahls minimal wird (engl. „Disk of least confusion“)
- es wird eine Einstellebene bestimmt, die zwischen den oberen und unteren zulässigen Fokusabweichungen möglichst vieler Primärstrahlen liegt, so dass für möglichst viele Primärstrahlen das Auflösungsziel erreicht wird (siehe 7b).

Sämtliche Methoden erlauben, dass einzelne Primärstrahlen gegebenenfalls das Auflösungsziel nicht einhalten. Die Primärstrahlen, ein vordefiniertes Auflösungsziel nicht einhalten, werden im optionalen Schritt G3 ermittelt und dem Kontrollzentrum 10 über den Kontrollschritt K übermittelt. Die übermittelten Primärstrahlen können gegebenenfalls von einer Waferinspektionaufgabe ausgenommen werden oder die mit diesen Primärstrahlen erfassten digitalen Bilddaten der zugeordneten Subfelder können gekennzeichnet und beispielsweise mit einem schlechteren Gütemaß versehen werden.
In einem Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform umfasst der Schritt G ferner eine Bestimmung einer oberen bzw. unteren zulässigen Fokusabweichung der L ausgewählten Primärstrahlen 3 (siehe 4).
In Schritt H wird schließlich die Oberseite des Wafers in die in Schritt G ermittelte optimale Fokusebene verbracht. Bei kleinen Abweichungen der besten Fokusebene von der ersten Ebene 101 kann die Einstellung mit dem Objektivlinsensystem 100 erfolgen. Bei größeren Abweichungen kann die Einstellung mit dem Verfahrtisch 600 erfolgen. Ferner kann zur Veränderung der Fokusebene der Vielzahl der Primärstrahlen 3 das Probenpotential 605 verändert werden. Anschließend wird die beste Fokusposition 41 als neue erste Ebene 101 gespeichert, so dass diese mit der gemäß dem Schritt G ermittelten optimalen Fokusebene übereinstimmt.
Um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, kann die Methode mit den Schritten B bis H mehrmals hintereinander ausgeführt werden, wobei in Schritt B die Parameter für die Fokusserie verändert oder angepasst werden können.
7b veranschaulicht das Ergebnis der Methode gemäß der ersten Ausführungsform. In diesem Beispiel weist die Vielzahl der Primärstrahlen 3 eine hexagonale Rasteranordnung auf. Der Kreuzungspunkt der x-Achse und der y-Achse entspricht der optischen Achse oder z-Achse 60. Die Kreise beschreiben jeweils die Strahlquerschnitte 5 eines jeden Primärstrahls durch die optimale Fokusebene 41, wie sie nach der oben beschriebenen Methode ermittelt wurde. Die Bezugsziffer 55 bezeichnet den Primärstrahl, dessen Fokuspunkt z die untere Fokusebene 49 bestimmt. Die optimale Einstellebene befindet sich oberhalb der unteren Fokusebene 49, so dass der Strahlquerschnitt des Primärstrahls mit der Bezugsziffer 55 nicht minimal ist. Um den Primärstrahl mit der Bezugsziffer 55 sind Primärstrahlen in nahezu konzentrischen Ringen 53 angeordnet, von denen nur einige zur Verdeutlichung eingezeichnet sind, wie beispielsweise Ring 53.3 und ein Segment von Ring 53.6. Die Primärstrahlen, die auf dem nahezu konzentrischem Ring 53.3 haben ihre minimalen Strahlquerschnitte am nächsten zur optimalen Einstellebene. Die Primärstrahlen, die auf dem Segment des nahezu konzentrischem Rings 53.6 haben ihre minimalen Strahlquerschnitte am weitesten zur optimalen Einstellebene und die Strahlquerschnitte in der optimalen Einstellebene weisen den größten Durchmesser auf. In diesem Beispiel ist die optimale Einstellebene 41 so gebildet, dass für möglichst viele Primärstrahlen ein Auflösungsziel erreicht wird. Für drei Primärstrahlen 57.1, 57.2, 57.3, die den größten Abstand zum Strahl 55 aufweisen, übersteigt der Strahlquerschnitt jedoch die Auflösungsgrenze. Diese Strahlen werden in Schritt F3 markiert und in der Auswertung durch die Kontrolleinheit 10 besonders berücksichtigt. Beispielsweise werden aus der ersten Vielzahl von J1 Primärstrahlen in diesem Beispiel dann nur eine geringere, zweite Vielzahl von J2 Primärstrahlen zur Inspektionsaufgabe eingesetzt, wobei J2 <= J1.
In einem Beispiel erfolgt die Veränderung der ersten Einstellebene 101 in Schritt D durch eine Veränderung der Anregung mindestens eines elektromagnetischen Elements, beispielsweise dem Objektivlinsensystem 102. Aufgrund der Hysterese einer magnetodynamischen Objektivlinse 102 wird mit dieser die Abstandsänderung einer Fokusserie im Idealfall nur in einer z-Richtung durchgeführt. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn die erste z-Position der Fokusserie oberhalb der erwarteten idealen Fokusebene startet und in diesem Fall in negativer Richtung der Z-Achse (siehe 2) fortgesetzt wird. In einem weiteren Beispiel erfolgt die Veränderung durch eine Veränderung der Probenspannung bzw. des Probenpotentials 605 (siehe 2). Eine Veränderung die Probenspannung 605 bewirkt eine Veränderung der Fokusebene der Vielzahl der Primärstrahlen 3. Wird die Probenspannung 605 beispielsweise erhöht, werden die Primärelektronen stärker abgebremst und die Fokusebene 68 eines Primärstrahls 3 verändert sich in Richtung des Objektivlinsensystems 102 (in 2 in positive z-Richtung).
Alternativ erfolgt die Veränderung der ersten Einstellebene 101 in Schritt D durch eine Veränderung der Position der Oberfläche 15 des Objektes 7 mit dem Verfahrtisch 600. Es ist aber auch möglich, dass die Veränderung der ersten Einstellebene 101 in Schritt D zugleich durch eine Veränderung der Ansteuerung einer Objektivlinse 102, durch eine Veränderung der Position der Oberfläche 15 des Objektes 7 mit dem Verfahrtisch 600, oder durch eine Veränderung der Probenspannung 605 erfolgt.
Wie in der sechsten Ausführungsform ausgeführt, kann die Veränderung der Ansteuerung einer Objektivlinse 102 aus der Veränderung zweier Ansteuersignale bestehen, so dass die Summe eines ersten und eines zweiten Stroms konstant bleibt und die Differenz des ersten und des zweiten Stroms verändert wird. Auf diese Weise kann eine optimale Fokusebene 41 bzw. ersten Einstellebene 101 mit der Objektivlinse 102 besonders genau eingestellt und stabil gehalten werden.
In einem Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform umfasst der Schritt D daher ferner die Verlagerung der ersten Einstellebene 101 durch eine Veränderung der Ansteuerung einer Objektivlinse 102, oder durch eine Veränderung der z-Position der Oberfläche 15 des Objektes 7 über den Verfahrtisch 600, oder durch Veränderung einer Probenspannung 605 oder durch eine Kombination aus mindestens zwei der obengenannten Veränderungen. In einem Beispiel besteht die Veränderung der Ansteuerung einer Objektivlinse 102 aus der Veränderung zweier Ansteuersignale, so dass die Summe der Quadrate eines ersten und eines zweiten Stroms konstant bleibt und die Differenz der Quadrate des ersten und des zweiten Stroms verändert wird.
Wie in der fünften Ausführungsform ausgeführt, wird in einem Beispiel aus dem in Schritt F bestimmten Bildebenenkipp ein Ansteuersignal für einen Kompensator für einen Bildebenenkipp ermittelt und einem Kompensator für einen Bildebenenkipp zugeführt. Ein Kompensator für einen Bildebenenkipp gemäß der fünften Ausführungsform ist in der Vielstrahlerzeugungseinrichtung 305 angeordnet.
In einem Beispiel wird aus dem in Schritt F bestimmten Bildschalenfehler ein Ansteuersignal für einen Kompensator für einen Bildschalenfehler ermittelt und einem Kompensator für einen Bildschalenfehler zugeführt. Wie weiter unten näher ausgeführte, erfährt eine Bildebene in einem Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 mit einer Strahlweiche 400 einen Bildebenenkipp 45 beispielsweise um eine Kippachse, wie beispielsweise in 7a der x-Achse, die durch die Objektivlinse 102 um eine z-Achse verdreht werden kann. Neben der Bestimmung des Bildebenenkipps 45 um den Betrag des Kippwinkels um die Kippachse wird in Schritt F zusätzlich die Orientierung der Verkippung, die durch die Bildrotation durch die Objektivlinse entsteht, festgestellt. In einem Beispiel wird die Objektivlinse 102 mit nahezu konstanten Parametern betrieben, so dass die Bildrotation der Objektivlinse 102 vorher bestimmt und in der Systemauslegung berücksichtigt werden kann.
Wie in der dritten Ausführungsform ausgeführt, wird in einem Beispiel in Schritt G ein Verschiebevektor bestimmt, um den die Rasteranordnung der Primärstrahlen versetzt werden muss, um die Anzahl der Vielzahl von J Primärstrahlen 3, die ein Auflösungskriterium einhalten, zu erhöhen. Der Verschiebevektor kann beispielsweise aus dem Primärstrahl mit der Bezugsziffer 55 bestimmt werden, zu dem der Fokusverlauf der anderen Primärstrahlen nahezu konzentrisch angeordnet ist. Aus dem Verschiebevektor kann ein Steuersignal für einen ersten Deflektor ermittelt werden, der dazu ausgelegt ist, die Rasteranordnung der Primärstrahlen 3 während des Betriebs um den Verschiebevektor zu versetzen. Damit kann erreicht werden, dass die Anzahl J1 der Primärstrahlen, mit denen eine Bildgenerierung unter Einhaltung einer Anforderung an die Auflösung erreicht werden kann, vergrößert wird. Im günstigsten Fall ist es möglich, eine strengere Anforderung an einen Fokusdurchmesser von beispielsweise weniger als 4nm oder weniger als 3nm mit Sämtlichen der J Primärstrahlen zu erreichen.
Ein zweite Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1, dass dazu konfiguriert ist, eine ideale Fokusebene für eine beste Auflösung mit einer Vielzahl von J Primärstrahlen über ein Bildfeld einzustellen. 2 zeigt Details des Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1. Das Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 verfügt über ein Steuerungssystem 10, welches mit einer Datenerfassungseinrichtung 280 kommuniziert. Die Datenerfassungseinrichtung 280 ist für den Betrieb in einem ersten und in einem zweiten Betriebsmodus ausgelegt. Die Datenerfassungseinrichtung 280 ist dazu konfiguriert, von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus umgeschaltet werden zu können. Steuerungssystem 10 kommuniziert ferner mit einem Verfahrtisch 600, einer Objektivlinse 102 und einem Probenhalter des Verfahrtisches 600. Der Verfahrtisch 600 verfügt über Aktuatoren und Sensoren und ist dazu konfiguriert, eine Oberfläche 15 eines Wafer 7 in einer ersten Einstellebene 101 zu positionieren. Das Steuerungssystem 10 des Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 ist ferner verbunden mit dem Scanablenker 500 zur kollektiven Ablenkung der Vielzahl von Primärstrahlen 3.
Das Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 der zweiten Ausführungsform verfügt über einen ersten Betriebsmodus, in dem das Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 dazu konfiguriert ist, digitale Bilddaten einer Objektoberfläche 15 zu erfassen. Im ersten Betriebsmodus ist der Scanablenker 500 dazu konfiguriert, die Vielzahl J der primären Teilchenstrahlen 3 über die Vielzahl der jeweils zugeordneten J Subfelder 31 zu scannen und Bilddaten eines Bildfeldes 17 mit dem Teilchen-Multi-Detektor 209 und der Datenerfassungseinrichtung 280 zu erfassen. Die Datenerfassungseinrichtung 280 ist dazu konfiguriert, während dem Betrieb im ersten Betriebsmodus die Bilddaten in einen Speicher 290 zu schreiben. Die Kontrolleinheit 10 ist dazu konfiguriert, während dem Betrieb im ersten Betriebsmodus die Bilddaten aus dem Speicher 290 auszulesen.
Das Steuerungssystem 10 ist dazu konfiguriert, während des Betriebs des Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 von einem ersten Betriebsmodus in einen zweiten Betriebsmodus umzuschalten. Während des zweiten Betriebsmodus ist der Scanablenker 500 dazu konfiguriert, die Vielzahl der Primärstrahlen 3 über eine Vielzahl von Bildausschnitten 37 innerhalb der Vielzahl der Subfelder 31 zu scannen (siehe 6). Die Datenerfassungseinrichtung 280 ist dazu konfiguriert, in den zweiten Betriebsmodus umgeschaltet zu werden. Der Teilchen-Multi-Detektor 209 ist dazu konfiguriert, während des zweiten Betriebsmodus Bildsignale von Sekondärelektronen 9 zu empfangen und an die Datenerfassungseinrichtung 280 weiterzuleiten. Während des zweiten Betriebsmodus ist die Datenerfassungseinrichtung 280 dazu konfiguriert, aus den Bildsignalen für L <= J ausgewählte Bildausschnitte 39 (siehe 6) eine Vielzahl von L Kontrastmaßen zu berechnen und die L Kontrastmaße der Steuereinheit 10 zu übermitteln.
Die Steuereinheit 10 ist während des zweiten Betriebsmodus dazu konfiguriert, aus den mindestens L Kontrastmaßen eine optimale Einstellebene für die Oberfläche 15 des Wafers 7 zu ermitteln. Die Steuereinheit 10 ist ferner verbunden mit einer Objektivlinse 102 und ist dazu konfiguriert, während dem Betrieb die Objektivlinse 102 mit einem Steuersignal anzusteuern. Im zweiten Betriebsmodus ist die Kontrolleinheit 10 dazu konfiguriert, eine Änderung des Steuersignals zu bestimmen und die Objektivlinse 102 mit dem geänderten Steuersignal zur Veränderung der Position der ersten Ebene 101 anzusteuern. Das Steuerungssystem 10 ist ferner verbunden mit dem Verfahrtisch 600 und ist dazu konfiguriert, die Position der Oberfläche 15 des Wafers 7 mittels der Aktuatoren des Verfahrtisches 600 zu verändern. Das Steuerungssystem 10 ist ferner Verbunden mit der Probenaufnahme des Verfahrtisches 600 und ist dazu konfiguriert, eine Probenspannung 605 zu verändern.
Über die parallele Umschaltung der Datenerfassungseinrichtung 280 und des Scanablenkers 500 von einem ersten in einen zweiten Betriebsmodus ist das Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 dazu konfiguriert, entweder im ersten Betriebsmodus eine Bildaufnahme durchzuführen oder im zweiten Betriebsmodus eine optimale Einstellebene zu bestimmen. Das Messsystem zur Bestimmung der optimalen Einstellebene entspricht also dem Bildaufnahmesystem, welches den Detektor 209 und Datenerfassungseinrichtung 280 enthält. Der Detektor 209 enthält mindestens einen Detektor für jeden der J Primärstrahlen.
Die Datenerfassungseinrichtung 280 verfügt beispielsweise über eine Vielzahl von parallel angeordneten Prozessoren, beispielsweise FPGAs, die von einem ersten Betriebsmodus und in einen zweiten Betriebsmodus umgeschaltet werden können. Weitere Details einer Datenerfassungseinrichtung sind in der deutschen Patentanmeldung 102020213952.0 , angemeldet am 6. November 2020, und in der WO 2020151904 A2 , angemeldet am 14. Januar 2020 enthalten, die hiermit vollumfänglich in die Offenbarung mit aufgenommen sind. Die Vielzahl der parallel angeordneten Prozessoren ist im zweiten Betriebsmodus dazu konfiguriert, eine Vielzahl von Kontrastmaßen parallel zu berechnen, und ist im ersten Betriebsmodus dazu konfiguriert, Adressdaten von Bilddaten zu berechnen und die Bilddaten an den Adressdaten in den Speicher 290 zu schreiben.
Das Stellsystem des Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 umfasst mindestens einen Verfahrtisch 600 und eine Objektivlinse 102. Zusätzlich können weitere, schnelle Zusatzlinsen vorgesehen sein, wie beispielsweise beschrieben im deutschen Patent DE 10 2020 125 534 B3 , angemeldet am 30. September 2020, die hiermit vollumfänglich in die Offenbarung mit aufgenommen sind. Die Anforderung an die z-Positionsgenauigkeit der ersten Einstellebene 101 ist weniger als 125nm, beispielsweise weniger als 100nm oder weniger als 50nm. Bevorzugt werden kleine Änderungen der Einstellebene 101 von weniger als 500nm mit der Objektivlinse 102 eingestellt.
Die Oberfläche 15 eines Wafers 7 wird mit der Positioniereinrichtung 600 in der ersten Einstellebene 101 des Mehrstrahl-Teilchenstrahlsystem 1 positioniert, wobei die z-Position und ein Winkel der ersten Einstellebene 101 im zweiten Betriebsmodus gemäß einer Methode nach der ersten Ausführungsform bestimmt wird. Position und Winkel der ersten Einstellebene 101 werden in der Steuereinheit 10 gespeichert und die Position der Substratoberfläche 15 wird beispielsweise zusätzlich durch Sensoren der Positioniereinrichtung 600 überwacht. Es können auch weitere Sensoren angeordnet sein, die die Position der Oberfläche 15 des Substrats oder Wafers 7 gegenüber einer Referenzfläche messen, beispielsweise interferometrische Sensoren oder konfokale Sensoren, die Abstände der zwischen Oberfläche 15 des Substrats oder Wafers 7 gegenüber einer Referenzfläche an mehreren Stellen messen. Eine Referenzfläche kann fest mit der Objektivlinse 102 verbunden sein.
Die Umschaltung in den zweiten Betriebsmodus erfolgt beispielsweise, wenn ein neuer Wafer 7 für eine neue Waferinspektionsaufgabe auf den Verfahrtisch 600 geladen wird oder eine längere Pause des Betriebs des Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 eingetreten ist. Insbesondere kann eine Umschaltung in den zweiten Betriebsmodus auch erfolgen, wenn eine Änderung der Dicke eines Objektes oder Wafers 7 erwartet wird oder erwartet wird, dass die Oberfläche 15 eines Objekts 7 nicht perfekt parallel zu einer Objektaufnahmefläche der Positioniereinrichtung 600 ist. Eine Umschaltung in den zweiten Betriebsmodus kann auch erfolgen, wenn die Auswertung der Daten einer Inspektionsaufgabe eine Abweichung der ersten Einstellebene 101 von der Objektoberfläche 15 ergeben.
In einer dritten Ausführungsform eines Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 wird eine weitere Verbesserung einer Auflösung durch eine noch präzisere Einstellung einer optimalen Einstellebene erreicht. Wie oben ausgeführt, weist ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 eine Strahlweiche 400 auf. Über die Strahlweiche 400 entsteht ein Bildebenenkipp einer vorgegebenen Größe von beispielsweise bis zu einigen 10mrad, beispielsweise bis zu 50mrad oder mehr. Der Bildebenenkipp hängt dabei üblicherweise von der veränderlichen kinetischen Energie der Vielzahl der Primärteilchen 3 ab. In einer dritten Ausführungsform eines Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 wird der negative Effekt des Bildebenenkipps auf die Einstellung einer optimalen Fokusebene und auf die erreichbare Auflösung für die Vielzahl der Primärstrahlen 3 reduziert. Der Verbesserung der Auflösung wird in einem Beispiel erreicht durch eine gezielte Auswahl der Vielzahl der Primärstrahlen. Ein erstes Beispiel der dritten Ausführungsform ist durch die oben beschriebene Aussortierung bestimmter Primärstrahlen 57 gegenem, für die ein Auflösungskriterium nicht erreicht werden kann, so dass die zweite Vielzahl J2 von Primärstrahlen geringer ist als die erste Vielzahl J mit J2 < J. Dieses erste Ausführungsbeispiel hat den Nachteil, dass ein vordefiniertes Bildfeld nicht mehr vollständig gemäß einer Anforderung an eine Auflösung von beispielsweise besser als 5nm, besser als 4nm oder sogar noch weniger, erfasst werden kann. Ein vorteilhaftes, zweites Beispiel ist dagegen in 8 dargestellt. Gegenüber 7b ist in 8 die Rasteranordnung der Vielzahl der Primärstrahlen 3 mit Fokuspunkten 5 in der ersten Einstellebene 101 gegenüber einer optischen oder z-Achse (senkrechte Achse durch den Schnittpunkt aus x- und y-Achse) um einen Verschiebungsvektor 59 versetzt angeordnet. Der Fokuspunkt 61 des Mittenstrahls oder des zentralen Strahls der Vielzahl der Primärstrahlen 3 liegt daher versetzt zur Z-Achse, die mit der Symmetrieachse 105 der Objektivlinse 102 zusammenfällt (siehe auch 10). Über diesen Versatz 59 ist im Zusammenhang mit einer Bildfeldwölbung ein Bildebenenkipp kompensiert. Der Versatz 59kann beispielsweise erreicht werden über einen Versatz der Erzeugungseinrichtung 300 oder der Multiaperturanordnung 305 für die Erzeugung der Vielzahl der Primärstrahlen 3. In einem anderen Beispiel verfügt das Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 zwischen der Erzeugungseinrichtung 300 und der Strahlweiche 400 mindestens einen ersten Deflektor 701, mit dem die Rasteranordnung der Vielzahl der Primärstrahlen lateral versetzt werden kann. Der erste Deflektor 701 ist hierzu bevorzugt entfernt von einer Zwischenbildebene (siehe 10). Der Versatz 59 kann in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Primärstrahlen 3 eingestellt oder veränderlich sein, beispielsweise durch Aktuatoren zur lateralen Verschiebung der Multiaperturanordnung 305 oder durch statische Ablenkung mit dem ersten Deflektor 701. Das Zentrum 21 eines Bildfeldes 17 fällt in dieser Ausführungsform nicht mehr mit der Symmetrieachse der Objektivlinse 105 zusammen. Diese Abweichung kann in dem Kontrollsystem 10 bei der Positionierung des Wafers 7 für eine Inspektionsaufgabe vorgehalten werden.
Die dritte Ausführungsform ist daher beschrieben durch ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1, umfassend

a. einer Vielstrahlerzeugungseinrichtung 300 zur Erzeugung einer Vielzahl von J Primärstrahlen 3 in einer Rasteranordnung,
b. einer Strahlweiche 400 und
c. einer Objektivlinse 102 mit einer Symmetrieachse 105 der Objektivlinse 102,

In einem Beispiel enthält die Vielstrahlerzeugungseinrichtung 300 mindestens eine Multi-Aperturplatte 306 mit einer Vielzahl von Öffnungen zur Erzeugung der Vielzahl von J Primärstrahlen 3, wobei die mindestens eine Multi-Aperturplatte 306 lateral versetzt angeordnet ist.
In einem Beispiel umfasst das Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 mindestens einen ersten variablen Deflektor 701, der dazu konfiguriert ist, während des Betriebs die Vielzahl von J Primärstrahlen 3 kollektiv lateral um den Verschiebevektor 59 in der ersten Einstellebene 101 zu versetzen.
In einer vierten Ausführungsform wird eine Verkippung des Verfahrtisches 600 eingestellt, um einen Bildebenenkipp zu kompensieren. In dieser Ausführungsform enthält der Verfahrtisch 600 eine Kippeinrichtung 610 für den Verfahrtisch 600. Kompensatoren zur Korrektur eines Bildschalenfehlers sind beispielsweise in der Erzeugungseinrichtung 300 vorgesehene zusätzliche elektrostatische Elemente, die einen Bildschalenfehler vorhalten können. Als Abbildungsfehler verbleibt dann ein dominanter Anteil eines Bildebenenkipps. Ein Bildebenenkipp kann durch eine Verkippung des Verfahrtisches 600 ausgeglichen werden. Eine reine Verkippung des Verfahrtisches 600 führt jedoch wie oben ausgeführt dazu, dass die Vielzahl der Primärstrahlen 3 nicht mehr senkrecht auf die Oberfläche 15 des Wafers 7 auftreffen, sondern unter einem Winkel. Zum Ausgleich des verkippten Auftreffwinkels der Vielzahl der Primärstrahlen 3 ist daher in dem Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 zwischen der Erzeugungseinrichtung 300 und der Strahlweiche 400 mindestens ein zweiter, statischer Deflektor 703 angeordnet (siehe 10), der eine Ablenkung der Vielzahl der Primärstrahlen 3 bewirkt und somit einen Auftreffwinkel der Vielzahl der Primärstrahlen 3 auf eine Probenoberfläche 15 verändert. Der zweite statische Deflektor befindet sich bevorzugt in der Näher einer Zwischenbildebene 325 der Primärstrahlen 3. 9 illustriert das Ergebnis der vierten Ausführungsform an einem ähnlichen Beispiel wie in 7a mit ähnlichen Bezugsziffern wir in 7a. Verglichen mit 7a ist ein Bildschalenfehler zumindest teilweise kompensiert, schematisch dargestellt durch einen größeren Radius R2. Idealerweise ist ein Bildschalenfehler vollständig kompensiert und R2 wird sehr groß, beispielsweise unendlich. Die Oberfläche 15 des Wafers 7 kann nun in der verkippten Bildebene 45 angeordnet werden und die Vielzahl der Primärstrahlen 82.1 bis 82.5 ist durch den zweiten Deflektor verkippt zur z-Achse, so dass sie die verkippte Bildebene 45 nahezu senkrecht durchstoßen. Die vierte Ausführungsform ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Bildschalenfehler durch andere Kompensatoren kompensiert wird.
Die vierte Ausführungsform entspricht einem Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 mit einer Vielstrahlerzeugungseinrichtung 305, einer Strahlweiche 400 und einer Objektivlinse 102 mit einer Symmetrieachse 105 der Objektivlinse 102, und einer Positioniereinrichtung 600 zur Positionierung eines Objektes 7, wobei die Positioniereinrichtung 600 über eine Kippeinrichtung 610 verfügt und das Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 ferner über einen zweiten Deflektor 703 in der Nähe einer Zwischenbildebene 325 einer Vielzahl von J Primärstrahlen 3 verfügt, der dazu konfiguriert ist, während des Betriebs ein Auftreffwinkel der Vielzahl der J Primärstrahlen 3 mit einer Oberfläche 15 eines auf der Positioniereinrichtung 600 befindlichen Objektes 7 so zu verändern, so dass der Auftreffwinkel der Vielzahl der Primärstrahlen 3 bei Verkippung der Positioniereinrichtung 600 mit der Kippeinrichtung 610 nahezu senkrecht bzw. 90° ist.
Gemäß der vierten Ausführungsform ist die Kontrolleinheit 10 ferner mit der Stage 600 verbunden und bewirkt mit der Stage oder Positioniereinrichtung 600 eine Verkippung der Waferoberfläche 15 mit der Verkippungsvorrichtung 610, um einen Bildebenenkipp zu kompensieren. Die Kontrolleinheit 10 ist ferner über die Steuereinheit 700 mit dem zweiten statischen Deflektor 703 verbunden, der beispielsweise in der Nähe der Zwischenbildfläche 321 angeordnet ist. Der zweite statische Deflektor 703 ist dazu konfiguriert, im Betrieb die Vielzahl der ersten Primärstrahlen 3 kollektiv in einer Richtung abzulenken, um einen senkrechten Einfall der Primärstrahlen 3 auf der verkippten Waferoberfläche 15 zu gewährleisten.
10 zeigt weitere Aspekte ein Mehrstrahl-Teilchenstrahlsystem 1 gemäß der Ausführungsformen. Das Mehrstrahl-Teilchenstrahlsystem 1 verfügt über eine Strahlerzeugungsvorrichtung 300 mit einer Teilchenquelle 301, beispielsweise einer Elektronenquelle. Ein divergierender Teilchenstrahl wird durch eine Abfolge von Kondensorlinsen 303.1 und 303.2 kollimiert und trifft auf eine Multiaperturanordnung 305. Die Multiaperturanordnung 305 verfügt über mehrere Multiaperturplatten 306 und eine Feldlinse 308. Der Multiaperturanordnung 305 folgt eine weitere Feldlinse 307. Die Multiaperturanordnung 305 und die Feldlinse 307 sind dazu konfiguriert, in einer Fläche 325 eine Vielzahl von Fokuspunkten 323 von Primärstrahlen in einer Rasteranordnung zu erzeugen. Die Fläche 325 muss keine Ebene sein, sondern kann eine sphärisch gekrümmte Fläche sein, um eine Bildfeldwölbung des nachfolgenden teilchenoptischen Systems vorzuhalten. Zwischen der Multiaperturanordnung 305 und der Feldlinse 307 ist ein erster statischer Deflektor 701 angeordnet, der dazu konfiguriert ist, die Rasteranordnung der Strahlfoki 311 in der Fläche 325 lateral in y-Richtung zu verschieben und somit eine Verschiebung 59 in ersten Einstellebene 101 zu bewirken. Somit kann gemäß der dritten Ausführungsform die Wirkung eines Bildebenenkipp zumindest teilweise kompensiert werden. Die Kompensation des Bildebenenkipp gemäß der dritten Ausführungsform ist jedoch nur möglich, wenn der Bildschalenfehler nicht vollständig kompensiert ist und ein Bildebenekipp in Kombination mit einem Bildschalenfehler kompensiert werden kann. Die Vielstrahlerzeugungseinrichtung 305 des Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 gemäß 10 umfasst ferner einem Kompensator für einen Bildebenenkipp 330 gemäß der fünften Ausführungsform, die weiter unten näher beschreiben wird.
Das Mehrstrahl-Teilchenstrahlsystem 1 verfügt weiter über ein System von elektromagnetischen Linsen 103 und eine Objektivlinse 102, die die Strahlfoki 323 aus der Zwischenbildfläche 325 in die erste Einstellebene 101 verkleinert abbilden. Die primären Strahlbüschel 3 passieren dazwischen noch die Strahlweiche 400 und das kollektive Strahlablenksystem 500, mit welchem die Vielzahl der Primärstrahlen 3 im Betrieb abgelenkt wird und das Bildfeld 17 abgescannt wird. Die ersten Ebene 101 ist eine gemäß der ersten Ausführungsform ermittelte optimale Fokusebene. In der ersten Ebene 101 ist die Oberfläche 15 eines Wafers 7 mittels des Verfahrtischs 600 positioniert. Durch Bestrahlung mit der Vielzahl von Primärelektronenstrahlen 3 entstehen an den Fokuspunkten 5 eine Vielzahl von Sekundärstrahlen 9, die durch die Objektivlinse 102 aufgefangen und durch die Strahlweiche 400 dem Projektionssystem 200 zugeführt werden. Das Projektionssystem verfügt über ein Abbildungssystem 205 mit ersten und zweiten Linsen 210 und 220, einen zweiten kollektiven Scanablenker 222 und Multi-Teilchendetektor 209. Der Multi-Teilchendetektor 209 ist mit der Datenerfassungseinrichtung 280 verbunden, welche direkt oder über einen Speicher 290 mit der Kontrolleinheit 10 verbunden ist. Die Kontrolleinheit 10 ist ferner mit einer Steuereinheit 700 verbunden, die den ersten elektrostatischen Deflektor 701 und den zweiten statischen Deflektor 703 und den Kompensator 330 für einen Bildebenenkipp ansteuert.
Ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 gemäß 10 umfasst eine Kontrolleinheit 10, eine Datenerfassungseinrichtung 280, einen Bilddatenspeicher 290 und einen Scanablenker 500, wobei die Kontrolleinheit 10 und die Datenerfassungseinrichtung 280 derart konfiguriert sind, daß sie in einem ersten Betriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus betrieben werden können. Die Kontrolleinheit 10, der Scanablenker 500 und die Datenerfassungseinrichtung 280 sind im ersten Betriebsmodus dazu konfiguriert, ein zusammenhängendes digitales Bild einer in einem Bildfeld 17 des Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 angeordneten Objektoberfläche 15 zu ermitteln und im Bilddatenspeicher 290 zu speichern. Im zweiten Betriebsmodus sind die Kontrolleinheit 10, der Scanablenker 500 und die Datenerfassungseinrichtung 280 dazu konfiguriert, ausgewählte digitale Bilddaten einer in einem Bildfeld 17 des Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 angeordneten Objektoberfläche 15 zu erfassen und auszuwerten. In einem Beispiel sind Kontrolleinheit 10, der Scanablenker 500 und die Datenerfassungseinrichtung 280 im zweiten Betriebsmodus dazu konfiguriert, eine Methode gemäß der ersten oder siebten Ausführungsform auszuführen.
Ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 gemäß 10 umfasst ferner ein Stellsystem, welches mindestens einen Verfahrtisch 600 oder eine Objektivlinse 102 umfasst. Ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 gemäß 10 umfasst ferner eine Vielstrahlerzeugungseinrichtung 305 mit einem Kompensator für einen Bildebenenkipp 330. Ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 gemäß 10 umfasst ferner einen Kompensator für eine Verkippung der Primärstrahlen 703 und eine Kippeinrichtung 610 für den Verfahrtisch 600 gemäß der vierten Ausführungsform. In einem Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 gemäß 10 enthält die Datenerfassungseinrichtung 280 eine Vielzahl von R parallel geschalteten Bilddigitalisierer 285.1 bis 285.R, wobei die Bilddigitalisierer 285.1 bis 285.R im ersten Betriebsmodus dazu konfiguriert sind, Bilddaten von J Subfeldern 17 zu erfassen und in einem digitalen Bilddatenspeicher 290 zu speichern und im zweiten Betriebsmodus dazu konfiguriert sind, Bilddaten von L=R ausgewählten Ausschnitten der zu erfassen und L=R Kontrastmaße aus den Bilddaten der L=R ausgewählten Ausschnitte zu berechnen und der Kontrolleinheit zu übermitteln oder in dem digitalen Bilddatenspeicher 290 zu speichern. In einem Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 gemäß 10 ist die Kontrolleinheit 10 ferner dazu konfiguriert, aus den gespeicherten Kontrastmaßen L=R beste Fokusebenen von L=R ausgewählten Primärstrahlen und daraus einen Bildebenenkipp zu berechnen.
In einer fünften Ausführungsform ist ein Kompensator 330 näher beschrieben, mit dem eine noch bessere Einstellung einer optimalen Fokusebene ermöglicht und eine noch bessere Auflösung von weniger als 5nm, bevorzugt weniger als 4nm oder weniger als 3nm über eine noch größere Vielzahl J von Primärstrahlen 3 ermöglicht wird. Sowohl in der dritten, als auch in der vierten Ausführungsform ist die Anzahl J der Vielzahl der Primärstrahlen 3 limitiert durch die asymmetrische Auswahl von Primärstrahlen beziehungsweise durch die globale Verkippung der Primärstrahlen 3. Der Auflösungsverlust durch einen Bildschalenfehler nimmt näherungsweise quadratisch ab, so dass eine Fokusebeneneinstellung einer planaren Fokusebene mit einer planaren Waferoberfläche 15 die maximal mögliche Anzahl J2 von Primärstrahlen mit einer Auflösung von weniger als 5nm, weniger als 4nm oder weniger als 3nm auf beispielsweise weniger als J2 < 90 Strahlen limitiert. Eine verbesserte Fokusebeneneinstellung und verbesserte Auflösung mit Auflösungen von weniger als 4nm oder weniger als 3nm für eine große Vielzahl von J2 Primärstrahlen mit J2 > 90 wird ermöglicht durch die fünfte Ausführungsform der Erfindung. Mit der fünften Ausführungsform werden Mittel zur Verfügung gestellt, ein Bildebenenkipp vorzuhalten.
Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Kompensatoren einer Bildschale erörtert. Beispielsweise mit der Feldlinse 308, die als integraler Bestandteil einer Multiaperturanordnung 305 gebildet wird, kann eine Bildschale vorgehalten werden, die einen Bildschalenfehler der nachfolgenden Abbildungsoptiken wie beispielsweise der Objektivlinse 102 vorhält. Zusätzlich sind aus dem Stand der Technik Multiaperturplatten 306 bekannt, die mit einer Vielzahl von Mikrolinsen eine Fokusfläche in einer bildschalenförmigen Form vorhalten. In der fünften Ausführungsform ist ferner ein Kompensator für einen Bildebenenkipp 330 enthalten, dessen Elektroden mit einer linearen Widerstandskaskade angesteuert werden. Somit wird ein linearer Fokusverlauf entsprechend einem Bildebenenkipp erzeugt, der den Bildebenenkipp der nachgeordneten Strahlweiche 400 vorhält. 11 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Beispiel für einen Kompensator für einen Bildebenenkipp 330. Der Kompensator für einen Bildebenenkipp 330 ist in diesem Beispiel als Multiaperturplatte ausgeführt, mit einer Vielzahl von Öffnungen 332, die jeweils von einer ringförmigen Elektrode 334 umgeben sind. Im Schnittbild sind von den Ringelektroden 334 jeweils zwei Querschnitte zu sehen. Die ringförmigen Elektroden sind untereinander in y-Richtung über Widerstände verbunden, wobei die Widerstände proportional zu den Abständen der ringförmigen Elektroden 334 in y-Richtung gewählt sind. Eine äußere Spannung V fällt daher über die Vielzahl der Elektroden 334 in y-Richtung linear ab, so dass an jeder Ringelektrode eine Spannung proportional zur y-Position anliegt und jede Ringelektrode 334 während dem Betrieb eine fokussierende Wirkung entfaltet, die von der y-Position linear abhängt. Somit wird während dem Betrieb die Vielzahl der die Öffnungen 332 transmittierenden Teilchenstrahlen 336.1 bis 336.4 in eine geneigte Ebene 338 fokussiert. Die Neigung der verkippten Zwischenbildebene 338 kann dabei über die äußere Spannung verändert werden, so dass der resultierende Bildebenenkipp der Strahlweiche 400 in Abhängigkeit von der kinetischen Energie der Primärstrahlteilchen variabel kompensiert bzw. vorgehalten werden kann. Hierbei ist zu beachten, dass der Bildebenenkipp von den optischen Eigenschaften wie dem Ablenkwinkel und weiteren abbildenden Eigenschaften der Strahlweiche 400 abhängen kann und insbesondere mit der kinetischen Energie der Primärteilchen 3 variieren kann. Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass die Orientierung der verkippten Bildebene 338 sich durch eine Rotation der Rasteranordnung der Vielzahl der Primärstrahlen in einer magneto-optischen Objektivlinse 102 verdrehen kann, so dass bei der Orientierung des Kompensators für einen Bildebenenkipp gegebenenfalls eine Rotation der Rasteranordnung durch die Objektivlinse 102 vorgehalten werden muss. In einem Beispiel wird eine Objektivlinse 102 näherungsweise mit konstanter Abbildungsleistung betrieben, so dass die Rotation der Rasteranordnung durch die Objektivlinse 102 nahezu konstant bleibt und vordefiniert werden kann. In einem weiteren Beispiel verfügt der Kompensator für einen Bildebenenkipp 330 einen ersten Kippkompensator der beschriebenen Form mit einer ersten Widerstandskette in y-Richtung und einen zweiten Kippkompensator der beschriebenen Form, der gegenüber dem ersten Kippkompensator beispielsweise um 90° verdreht ist, und somit eine zweite Widerstandskette in x-Richtung aufweist (x-y-Achsen gemäß 11). Durch Anlegen zweier unterschiedlicher Spannungssignale an den ersten Kompensator in y-Richtung und an den zweiten Kompensator in x-Richtung kann eine verkippte Zwischenbildebene in beliebiger Orientierung eingestellt werden und eine veränderliche Rotation der Objektivlinse 102 vorgehalten werden.
Der Kompensator für einen Bildebenenkipp 330 kann mit weiteren Kompensatoren, beispielsweise mit einem Kompensator für eine Reduktion eines Bildschalenfehlers oder den ersten und zweiten Deflektoren 701 und 703 kombiniert werden, um eine noch präzisere Einstellung einer besten Fokusebene vornehmen zu können und eine noch bessere Auflösung von weniger als 5nm, bevorzugt weniger als 4nm, besonders bevorzugt von weniger als 3nm über eine große Zahl J von Primärstrahlen mit J > 90 zu erreichen.
Ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 der fünften Ausführungsform verfügt über eine Vielstrahlerzeugungseinrichtung 305, einer Strahlweiche 400 und einer Objektivlinse 102 mit einer Symmetrieachse 105 der Objektivlinse 102, und einer Positioniereinrichtung 600 zur Positionierung eines Objektes 7, wobei die Vielstrahlerzeugungseinrichtung 305 ferner einen Kompensator für einen Bildebenenkipp 330 umfasst, der eine Vielzahl von J Öffnungen 332 in einer Rasterkonfiguration in einer Ebene enthält und derart konfiguriert ist, um während des Betriebs eine Vielzahl von J Primärstrahlen 3 zu beeinflussen, wobei jede der Vielzahl der J Öffnungen 332 mit mindestens einer Elektrode 334 versehen ist, die dazu konfiguriert ist, während des Betriebs eine Fokusebene in Ausbreitungsrichtung eines die Öffnung transmittierenden Primärstrahls 336 zu verändern, wobei die Vielzahl der Elektroden 334 derart ausgelegt und miteinander verbunden sind, dass eine Fokusebenenänderung in linearer Abhängigkeit von einer Koordinate in einer ersten Richtung transversal zur Ausbreitungsrichtung des jeweiligen Primärstrahls 336 erfolgt, und wobei die Fokusebenenänderung in einer zweiten Richtung transversal zur ersten Richtung und transversal zur Ausbreitungsrichtung des jeweiligen Primärstrahls 336 konstant ist. Die Ausbreitungsrichtung entspricht dabei der z-Achse und die erste Richtung entspricht der y-Achse in 11.
In einer sechsten Ausführungsform wird eine Objektivlinse angegeben, mit der eine präzisere Einstellung der optimale Fokusebene 101 nach einer der vorangehenden Ausführungsformen ermöglicht wird. Die Objektivlinse 102 der sechsten Ausführungsform ist in 12 dargestellt. Die Objektivlinse 102 der sechsten Ausführungsform weist neben einer ersten Spule 109 eine zweite Spule 114 auf. Beide Spulen werden zueinander in gegenläufiger Stromrichtung durch die Kontrolleinheit 10 betrieben. Die Änderung der Fokusleistung P einer Objektivlinse 102 ist proportional zum Quadrat des Stroms I, P = I^2*R (mit R: Wert des Widerstands; ^2 bedeutet „zum Quadrat“). Mit dem Quadrat zum Strom steigt jedoch auch die Temperatur, bzw. die zum Widerstand R der Spule proportionale Wärmeleistung Q. Mit veränderlicher Wärmeleistung verändern sich Parameter der Objektivlinse 102, beispielsweise ändert sich der Widerstand R der Spule. Eine Lösung ist die Anpassung der Kühlleistung eines Kühlmediums, welches durch die Kühlkanäle 116 geführt wird. Diese Lösung ist jedoch sehr aufwändig. Die sechste Ausführungsform gibt eine Lösung an, die mit konstanter Kühlleistung auskommt, indem eine konstante Wärmeleistung auch bei Änderung der Fokussierleistung der Objektivlinse erreicht wird. In einem Beispiel wird dies erreicht durch eine bifilare Zusatzwicklung oder zweite Spule 114. Die Summe der beiden Spulenleistungen werden durch entsprechende Versorgung mit einem ersten Strom I1 für die erste Spule 109 und einem zweiten Strom I2 für die zweite Spule 114 konstant gehalten mit Q = R1 * I1^2 + R2 * I2^2, während über die Differenz der beiden Spulenleistungen die gewünschte fokussierende Wirkung P der Objektivlinse 102 sehr genau eingestellt werden kann mit P = R1 * I1^2 - R2 * I2^2. Somit kann die Fokusleistung P bzw. die Fokusebene bzw. erste Einstellebene 101 genau eingestellt werden und das Objektiv 102 kann mit passiver oder konstanter Kühlung betrieben werden. Eine konstante oder passive Kühlung wird beispielsweise durch eine konstante Wärmesenke in Form eines konstanten Durchflusses eines Kühlmittels wie beispielsweise Wasser durch die Kühlkanäle 116 mit einer konstanten Vorlauftemperatur erreicht.
Die sechste Ausführungsform ist daher durch ein Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 gegeben, umfassend eine Objektivlinse 102 zur präzisen Fokussierung einer Vielzahl von J Primärstrahlen 3 in eine optimale Fokusebene 101 mit einer passiven Kühlung 116, wobei die Objektivlinse 102 über eine erste Spule 109 mit einem ersten Widerstand R1 und eine zweite Spule 114 mit einem zweiten Widerstand R2 verfügt, wobei die Objektivlinse 102 dazu konfiguriert ist, während des Betriebs mit einem ersten Strom I1 und einem zweiten Strom I2 betrieben zu werden, wobei die Wärmeleistungen Q = I1 * I1 * R1 + I2 * I2 * R2 konstant ist. In einem Beispiel ist das Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 gemäß der sechsten Ausführungsform derart konfiguriert, dass während des Betriebs eine fokussierende Wirkung der Objektivlinse 102 über die Differenz der beiden Ströme I1 und I2 und den dadurch in den Spulen erzeugten magnetischen Flüsse einstellbar ist. Beispielsweise ist eine fokussierende Wirkung P der Objektivlinse 102 einstellbar durch P = R1 * I1^2 - R2 * I2^2. In einem Beispiel ist das Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 gemäß der sechsten Ausführungsform derart konfiguriert, dass während dem Betrieb der magnetische Fluss der zweiten Spule gegen die Richtung des magnetischen Flusses der ersten Spule verläuft. In einem Beispiel des Vielstrahl-Teilchenmikroskops 1 gemäß der sechsten Ausführungsform ist die zweite Spule gegenläufig zur ersten Spule angeordnet ist. In einem Beispiel erfolgt die passiven Kühlung 116 der Objektivlinse 102 des Vielstrahl-Teilchenmikroskop 1 in Form eines Kontakts zu einer Kühlung oder einem Kühlmittel.
In einer siebten Ausführungsform wird ein Kalibrierverfahren zur Verfügung gestellt. Mit dem Kalibrierverfahren der sieben Ausführungsform werden die Strahlwinkel 78 der Primärstrahlen 3 senkrecht zur Oberfläche 15 einer Probe 7 bestimmt. Zusätzlich können mit dem Kalibrierverfahren der sieben Ausführungsform weitere Strahlparameter für eine ausgewählte Anzahl von Primärstrahlen bestimmt werden, wie beispielsweise der z-Verlauf eines Primärstrahles, die z-Ausdehnung des Fokusbereichs 73, die minimale Spotausdehnung und die obere bzw. untere Ebene des Fokusbereichs 70.1 bzw. 70.2 (siehe 4). Weitere Strahlparameter können Aberrationen sein, wie beispielsweise ein Astigmatismus oder eine sphärische Aberration.
Ein Telezentriefehler liegt vor, wenn die Vielzahl der Primärstrahlen 3 nicht parallel zueinander verlaufen und die Strahlwinkel 78 der Primärstrahlen 3 unterschiedlich sind. Zusätzlich kann der mittlere Strahlwinkel sämtlicher Primärstrahlen zur z-Achse geneigt sein. Von einem telezentrischen Büschel spricht man, wenn die Strahlwinkel sämtlicher Primärstrahlen nahezu gleich sind. Auch in diesem Fall kann der mittlere Strahlwinkel sämtlicher Primärstrahlen zu einer z-Achse geneigt sein (siehe Beispiel in 9). Allgemein wird im Folgenden jedoch von einem Telezentriefehler gesprochen, wenn einzelne Strahlwinkel 78 der Primärstrahlen 3 nicht senkrecht zur Oberfläche 15 eines Wafers 7 stehen.
In der siebten Ausführungsform wird ein Kalibrierverfahren zur Verfügung gestellt, mit dem die Abweichung von einem telezentrischen Büschel und der mittlere Strahlwinkel bestimmt werden. 13 illustriert die Schritte des Verfahrens. Das Verfahren enthält die Schritte A bis H ähnlich den Schritten der ersten Ausführungsform (5) und es wird auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform verwiesen. Zusätzlich bzw. abweichend zur ersten Ausführungsform werden die digitalen Bilddaten der L ausgewählten Bildausschnitte in Schritt C erfasst und gespeichert. In einem Schritt T wird für jeden der L ausgewählten Bildausschnitte der relative laterale Versatz der digitalen Bilddaten des jeweiligen ausgewählten Bildausschnitts über die P Fokuspositionen ermittelt. Ein relativer lateraler Versatz zwischen zwei digitalen Bilddaten eines ausgewählten Bildausschnitts kann beispielsweise über Korrelation ermittelt werden. Aus dem relativen lateralen Versatz für jede z-Position kann der I-te Strahlwinkel eines zu dem I-ten ausgewählten Bildausschnitt zugeordneten I-ten Primärstrahls 3 bestimmt werden.
In Schritt Y erfolgt eine Auswertung der Strahlwinkel 78 der Vielzahl der Primärstrahlen und es wird ein Telezentriefehler bestimmt. Beispielsweise wird ein mittlerer Strahlwinkel der Primärstrahlen bestimmt, und eine relative Abweichung der Strahlwinkel jedes Primärstrahls zum mittleren Strahlwinkel. Wie in der ersten Ausführungsform kann die Bestimmung der Strahlwinkel in Schritt T an ausgewählten Primärstrahlen erfolgen und die Strahlwinkel anderer Primärstrahlen können daraus beispielsweise durch Modellannahmen abgeleitet werden. Aus dem ermittelten Telezentriefehler werden dann Informationen abgeleitet, die der Kontrolleinheit 10 des Vielstrahlmikroskops 1 zugeführt werden. Diese Informationen können Steuergrößen für Kompensatoren umfassen wie beispielsweise den ersten oder zweiten Deflektor 701 oder 703 oder weitere aktive Elemente des Vielstrahlmikroskops 1. In einem Beispiel umfasst eine Steuergrößen ein Steuersignal für den Verfahrtisch 600, um eine Verkippung des Verfahrtisches 600 bzw. einen Keilwinkel einer Probe 7 zu kompensieren. In einem Beispiel umfasst eine Steuergrößen ein Steuersignal für die Objektivlinse 102 oder den Strahlteiler 400.
Im Zusammenhang mit einem Bildschalenfehler oder einem Bildebenenkipp führt ein Telezentriefehler entsprechend der Auswahl einer optimalen Einstellebene gemäß der ersten Ausführungsform zu einem Verzeichnungsfehler. Dieser Verzeichnungsfehler kann in Schritt Y mit einfachen geometrischen Berechnungen bestimmt werden und in der Kontrolleinheit 10 gespeichert werden. Bei einer späteren Auswertung der digitalen Bilddaten, beispielsweise beim Zusammenfügen der digitalen Bilddaten aus den einzelnen Subfeldern, kann dieser Verzeichnungsfehler berücksichtigt werden.
Um eine eindeutige Bestimmung eines Telezentriefehlers in Schritt Y zu ermöglichen, kann es vorteilhaft sein, in Schritt W zusätzlich zur Veränderung der Fokuspositionen in Schritt D weitere Veränderungen der relativen Position der Probenoberfläche 15 und der Einstellebene 101 vorzunehmen, beispielsweise durch eine mehrfache z-Verschiebung des Wafers mit dem Verfahrtisch 600, oder eine mehrfache Veränderung des Ansteuersignals der Objektivlinse 102. Die Nutzung verschiedener Elemente in Schritt W hat den Vorteil, verschiedene Ursachen beispielsweise für einen Telezentriefehler zu bestimmen. Ein Telezentriefehler kann beispielsweise folgende Ursachen haben: Eine Verkippung der optischen Achse der Objektivlinse 102, eine Verkippung einer Komponente der Objektivlinse (beispielsweise einer Spule 109 oder 114 relativ zu einem Polschuh, siehe 12), ein dezentraler Verlauf des Strahlbüschels durch elektromagnetische Elemente des Vielstrahlmikroskops 1, ein Keilwinkel in einer Probe oder Wafer 7, oder eine Verkippung des Verfahrtisches 600 bzw. einer z-Achse des Verfahrtisches 600, die nicht parallel zur optischen Achse 105 des Vielstrahlmikroskops 1 steht. Durch Veränderung der Anregung bzw. Einstellung einer dieser Komponenten kann eine Veränderung des Telezentriefehlers bewirkt werden und es kann eine optimale Einstellung der Komponenten für einen minimalen Telezentriefehler abgeleitet werden. Neben der Bestimmung des Strahlwinkels eines Primärstrahls kann in Schritt Y der z-Verlauf eines Primärstrahles ermittelt werden, beispielsweise die minimale Spotausdehnung und die obere bzw. untere Ebene des Fokusbereichs 70.1 bzw. 70.2 (siehe 4). Über die Asymmetrie obere bzw. untere Ebene des Fokusbereichs 70.1 bzw. 70.2 kann eine sphärische Aberration eines Primärstrahls bestimmt werden. Beispielsweise aus Auflösungsmessungen an HV-Strukturen können weitere Strahlaberrationen bestimmt werden, wie beispielsweise ein Astigmatismus oder eine Koma-Fehler.
In Schritt W können zusätzlich zur Veränderung der Fokuspositionen weitere Veränderungen vorgenommen werden, um optische Komponenten des Vielstrahlmikroskops zu kalibrieren. In einem Beispiel werden die Ansteuersignale des ersten statischen Deflektors 701 verändert, um beispielsweise einen lateralen Bildversatz der digitalen Bilddaten der ausgewählten Bildausschnitte zu kalibrieren. In einem Beispiel werden die Ansteuersignale des zweiten statischen Deflektors 703 verändert, um den mittleren Strahlwinkel sämtlicher Primärstrahlen zu verändern und den zweiten statischen Deflektors 703 zu kalibrieren. In einem Beispiel werden die Ansteuersignale des Kompensators 330 für einen Bildebenenkipp verändert, um die Bildebene zu verkippen, um den Kompensators 330 für einen Bildebenenkipp zu kalibrieren.
In einem Beispiel erfolgt ein erstes Kalibrierverfahren gemäß der siebten Ausführungsform an einem Kalibrierobjekt, welches auf dem Verfahrtisch 600 angeordnet sein kann, und das Vielstrahlmikroskop 1 wird mit dem Kalibrierobjekt justiert. In Schritt A erfolgt dann statt der Positionierung der Oberfläche 15 einer Probe 7 die Positionierung der Oberfläche 15 des Kalibrierobjektes in der ersten Ebene 101. In einem Beispiel folgt dem ersten Kalibrierverfahren an einem Kalibrierobjekt ein zweites Kalibrierverfahren gemäß der siebten Ausführungsform an der Probe bzw. dem Wafer 7, und es wird eine Verkippung bzw. ein Keilwinkel der Probe 7 bestimmt. Beispielsweise eine Waferoberfläche 15 kann gegenüber der Oberfläche eines Kalibrierobjekts verkippt sein. In diesem Fall wird eine konstante Strahlverkippung 78 sämtlicher Primärstrahlen erwartet. Weicht der Strahlenkipp einzelner Primärstrahlen 3 signifikant von dem erwarteten konstanten Strahlenkipp ab, liegt ein anderer Fehler vor und die erste Kalibrierung oder eine Korrektur von Strahlaberrationen der Primärstrahlen wird durchgeführt. Die Messung gemäß dem Kalibrierverfahren der siebten Ausführungsform kann hierbei mit weiteren Sensoren unterstützt werden, wie beispielsweise ein Sensorsystem des Verfahrtisches 600 oder einem Abstandssensor zwischen der Probenoberfläche 15 und einer Referenzfläche.
In einem Beispiel wird der z-Verlauf der Primärstrahlen 3 bestimmt, beispielsweise wird für jeden ausgewählten Primärstrahl die z-Ausdehnung des Fokusbereichs 73, die minimale Spotausdehnung und die obere bzw. untere Ebene des Fokusbereichs 70.1 bzw. 70.2 bestimmt (siehe 4). Die ermittelten Größen werden in der Kontrolleinheit 10 des Vielstrahlmikroskops 1 gespeichert und beispielsweise für die Ermittlung der optimalen Einstellebene im Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform genutzt.
Eine Methode gemäß der siebten Ausführungsform zur Kalibrierung eines Mehrstrahl-Teilchenmikroskops 1 mit einer Vielzahl von J Primärstrahlen 3, umfasst die Schritte:

A. Positionierung einer Oberfläche 15 eines Objektes 7 mit einem Verfahrtisch 600 in einer ersten Einstellebene 101 mit einer ersten z-Position z1;
B. Bestimmung geeigneter Parameter für eine Fokusserie mit z-Positionen zi mit i = 1 bis P;
C. Erfassung von digitalen Bilddaten für die erste und jede weitere der i = 1 bis P z-Positionen für eine Vielzahl von L ausgewählten Primärstrahlen und Speicherung der digitalen Bilddaten in einer Speichereinheit 290;
D. Verlagerung der ersten Einstellebene 101 in eine zweite oder weitere Einstellebene an einer zweiten oder weiteren z-Position z2 bis zP;
E. Wiederholung der Schritte C und D, bis für jede der z-Positionen z1 bis zP digitalen Bilddaten erfasst sind;
T. Ermittlung eines relativen lateralen Versatzes aus den digitalen Bilddaten für jeweils jeden I-ten ausgewählten Primärstrahls über mindestens zwei unterschiedliche z-Positionen und die Ermittlung jedes I-ten Strahlwinkels 78 des I-ten ausgewählten Primärstrahls aus dem relativen lateralen Versatz und dem Abstand der zwei unterschiedlichen z-Positionen;
Y. Auswertung der L Strahlwinkel 78 der Vielzahl der L ausgewählten Primärstrahlen und Bestimmung eines Telezentriefehlers des Mehrstrahl-Teilchenmikroskops 1.

In einer Methode gemäß der siebten Ausführungsform umfasst der Schritt Y ferner die Bestimmung eines mittleren Strahlwinkels und einer relativen Abweichung der Strahlwinkel der ausgewählten Primärstrahlen zum mittleren Strahlwinkel.
Eine Methode gemäß der siebten Ausführungsform umfasst ferner die Berechnung von Steuersignalen aus dem Telezentriefehler und Zuführung der Steuersignale zu einer Kontrolleinheit des Vielstrahlmikroskops 1, wobei die Steuersignale mindestens ein Steuersignal für eine Objektivlinse 102, einen Strahlteiler 400, einen Deflektor 703, oder für einen Verfahrtisch 600 enthalten.
Eine Methode gemäß der siebten Ausführungsform umfasst ferner die Bestimmung eines z-Verlaufs von mindestens einem ausgewählten Primärstrahl 3, umfassend mindestens einer Bestimmung und Speicherung einer Größe ausgewählt aus einer optimalen Fokusposition 68 des ausgewählten Primärstrahls, einer z-Ausdehnung 73 eines Fokusbereichs des ausgewählten Primärstrahls, einer minimale Spotausdehnung 74, oder einer oberen bzw. unteren z-Position eines Fokusbereichs 70.1 bzw. 70.2 des ausgewählten Primärstrahls.
Die Schritte der Methoden gemäß der ersten und der siebten Ausführungsform überlappen teilweise bzw. ergänzen sich. Die Methode der siebten Ausführungsform kann daher parallel bzw. gleichzeitig mit der Methode der ersten Ausführungsform durchgeführt werden, wobei die Elemente der Schritte B und C kombiniert werden. 13 illustriert dies durch die Abfolge der Schritte F, G und H gemäß der ersten Ausführungsform parallel zu den Schritten T und Y gemäß der siebten Ausführungsform.
In einem Beispiel wird aus den besten Fokusebenen 68 eines jeden Primärstrahles ein Bildschalenfehler und ein Bildebenenkipp gemäß der ersten Ausführungsform bestimmt und Abweichungen einzelner Primärstrahlen von der mittleren Bildschalen und Bildebenenkipp werden erfasst. In einem Beispiel ist die Abweichung einer besten Fokusebene 68 eines einzelnen Primärstrahls zu dem Bildschalenfehler und ein Bildebenenkipp oder eine Aberration eines einzelnen Primärstrahls größer als ein vordefinierter Schwellwert. Die Abweichung wird von der Kontrolleinheit 10 des Vielstrahlmikroskops 1 erfasst. Die Kontrolleinheit 10 kann dann beispielsweise eine Reinigung oder einen Servicefall des Vielstrahlmikroskops 1 auslösen.
Die dargestellten Ausführungsformen können ganz oder teilweise miteinander kombiniert werden, sofern dadurch keine technischen Widersprüche auftreten. Im Übrigen sind die dargestellten Ausführungsformen nicht einschränkend für die Erfindung zu verstehen.
Bezugszeichenliste

1: Mehrstrahl-Teilchenstrahlsystem
3: primäre Teilchenstrahlen
5: Auftrefforte auf eine Oberfläche eines Objekts
7: Objekt; Wafer
9: sekundären Teilchenstrahlen
10: Steuerungssystem
11: Teilchenstrahlengang für Sekundärteilchen
15: Probenoberfläche
17: Bildfeld
21: Zentrum eines Bildfeldes
27: Scanpfad
31: Subfeld
33: erste Inspektionsstelle
35: zweite Inspektionsstelle
37: Bildausschnitt
39: ausgewählter Bildausschnitt
41: y-Achse durch die Fokusposition des axialen Primärstrahls
43: Mittelpunkt
45: verkippte Bildebene
47: oberen Fokusebene
49: untere Fokusebene
51: z-Ausdehnung bzw. Interval
53: näherungsweise konzentrische Ringe mit Fokuspunkten mit ähnlicher Auflösung
55: Strahl mit tiefstem Fokuspunkt
57: Aussortierte Primärstrahlen, die ein Auflösungskriterium nicht erfüllen.
59: Versatz in y-Richtung
60: optische Achse oder z-Achse
61: Mittenstrahl
62: Strahlenkonus eines Primärstrahls in der Nähe der Fokusebene
64: Aperturwinkel
65: genäherter Strahlverlauf
68: beste Fokusebene
70.1, 70.2: obere bzw. untere Ebene des Fokusbereichs
72: obere bzw. untere zulässige Fokusabweichungen
73: z-Ausdehnung des Fokusbereichs
74: Minimale Spotausdehnung
76.1,76.2: Vordefinierte Auflösungsgrenze bzw. Auflösungskriterium
78: Strahlwinkel zur z-Achse
80: Schwerstrahl
82: Strahlenkonus eines verkippten Primärstrahls in der Nähe der Fokusebene
100: Objektivlinsensystem
101: erste Ebene
102: Objektivlinse
103: Rasteranordnung von Auftrefforten 5
109: Spule oder erste Spule
114: zweite Spule
116: Kühlkanal
200: Detektorsystem
205: Projektionslinse
208: elektrostatisches Element
209: Teilchen-Multi-Detektor
211: Ebene mit Detektionsbereichen
213: Auftrefforte der sekundären Teilchenstrahlen
217: Rasteranordnung von Auftrefforten
222: kollektiver Scanablenker
260: elektrostatisches Element
280: Datenerfassungseinrichtung
285: Bilddigitalisierer
290: Speicher
300: Strahlerzeugungsvorrichtung
301: Teilchenquelle
303: Kollimationslinse oder Kollimationslinsensystem
305: Multiaperturanordnung
306: Multiaperturplatten
307: Feldlinse oder Feldlinsenanordnung
309: divergierender Teilchenstrahl
311: kollimierter Strahl
313: Multiaperturplatte
315: Öffnungen bzw. Aperturen
317: Mittelpunkte der Aperturen
319: Rasteranordnung von Aperturen
323: Strahlfokuspunkte
325: Zwischenbildebene
330: Kompensator für einen Bildebenenkipp
332: Vielzahl von Öffnungen
334: ringförmige Elektroden
336: passierende Teilchenstrahlen
338: verkippte Fokusebene
400: Strahlweiche
460: Strahlrohranordnung
461: erster Schenkel der Strahlrohranordnung
462: zweiter Schenkel der Strahlrohranordnung
463: dritter Schenkel der Strahlrohranordnung
410: erster Magnetsektor
420: zweiter Magnetsektor
500: Scanablenker
600: Verfahrtisch oder Positioniereinrichtung
605: Probenpotential bzw. Zuleitung für Probenpotential
610: Verkippungseinrichtung
701: erster statischer Deflektor
703: zweiter statischer Deflektor

Claims

Verfahren zur Einstellung einer optimalen Fokusebene in einem Mehrstrahl-Teilchenmikroskop 1 mit einer Vielstrahlerzeugungseinrichtung 305 zur Erzeugung einer ersten Vielzahl von J Primärstrahlen 3, wobei die erste Vielzahl von J Primärstrahlen 3 in einer Rasteranordnung angeordnet ist und jeder Primärstrahl jeweils über ein zugeordnetes Subfeld 31 in einem Bildfeld 17 mit einem Scanablenker 500 abgelenkt werden kann, und mit einem Detektorsystem 200 mit einem Teilchen-Multi-Detektor 209 und einer Datenerfassungseinrichtung 280, umfassend: A) Positionierung einer Oberfläche 15 eines Objektes 7 mit einem Verfahrtisch 600 in einer ersten Einstellebene 101 mit einer ersten z-Position z1; B) Bestimmung geeigneter Parameter für eine Fokusserie mit z-Positionen zi mit i = 1 bis P; C) Erfassung von L Kontrastmaßen K1(i) bis KL(i) für L <= J ausgewählte Primärstrahlen 3; D) Verlagerung der ersten Einstellebene 101 in eine zweite oder weitere Einstellebene an einer zweiten oder weiteren z-Position z2 bis zP; E) Wiederholung der Schritte C und D, bis für jede der z-Positionen z1 bis zP Kontrastmaße K1(i) bis KL(i) mit i = 1 bis P erfasst sind; F) Bestimmung von L besten Fokusposition 68 für jeden der L ausgewählten Primärstrahlen 3 aus den Kontrastmaßen KI(i); G) Bestimmung eines Bildschalenfehlers und eines Bildebenenkipps aus den L besten Fokuspositionen 68, und Ermittlung einer optimalen Fokusebene des Mehrstrahl-Teilchenmikroskops 1, so dass für eine zweite Vielzahl von J2 Primärstrahlen mit J2 >= 0.9 x J ein vordefiniertes Auflösungskriterium eingehalten wird; H) Speicherung der optimalen Fokusebene als neue erste Einstellebene 101 des Mehrstrahl-Teilchenmikroskops 1.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Schritt B folgende Elemente umfasst: - die Bestimmung eines Bildausschnitts 37 innerhalb jedes der J Subfelder 31; - die Auswahl von L ausgewählten Bildausschnitten 39.1 bis 39.L aus den Bildausschnitten 37 für jedes der J Subfelder 31, wobei L <= J gewählt wird; und wobei jedem der L ausgewählten Bildausschnitte 39 ein ausgewählter Primärstrahl 3 zugeordnet ist; - die Festlegung von Parametern für eine Erfassung der digitalen Bilddaten der innerhalb der Bildausschnitte 39 angeordneten Ausschnitte der Oberfläche 15 des Objekts 7; - die Festlegung der Serie von P z-Positionen z1 bis zP mit (P-1) Schrittweiten dz(2) bis dz(P) zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden z-Positionen z(1) bis z(P).
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Bestimmung des Bildausschnitts 37 innerhalb der J Subfelder 31 aufgrund einer Oberflächenbeschaffenheit bzw. von Strukturen auf der Oberfläche 15 des Objektes 7 erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Anzahl L der ausgewählten Bildausschnitte mindestens vier beträgt.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei die Datenerfassungseinrichtung 280 eine Anzahl R parallel angeordneter Bilddigitalisierer 285.1 bis 285.R aufweist, und die Anzahl L der ausgewählten Ausschnitte gleich R gewählt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Anzahl P der z-Positionen in einem Bereich zwischen P = 3 und P = 7 festgelegt wird.
Verfahren gemäß einem der der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt B die Festlegung einer Methode zur Bestimmung eines Kontrastmaßes beinhaltet, umfassend mindestens eine der folgenden Methoden: eine Spektralmethode, einem Bildkontrast, einer Histogramm-Methode, ein Kantenfilter, eine Methode der relativen Verwaschung, oder eine Gradientenmethode.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt C folgende Elemente umfasst - Erfassung von L digitalen Bilddaten der L ausgewählten Bildausschnitte 39 innerhalb der J Subfelder 31 mit dem Detektorsystem 200 gemäß den in Schritt B festgelegten Parametern; - Auswertung der L ausgewählten Bildausschnitte 39.1 bis 39.L und Ermittlung von L Kontrastmaßen K1(i), ... KL(i) mit der Datenerfassungseinrichtung 290; - Übermittlung der L Kontrastmaße K1(i) bis KL(i) an eine Kontrolleinheit 10 und Speicherung der L Kontrastmaßen K1(i) bis KL(i).
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schritt E ferner eine Prüfung umfasst, ob jedes der ermittelten Kontrastmaße ein Kriterium erfüllt, und bei Nichterfüllung des Kriteriums eine Ermittlung mindestens einer weiteren z-Position z(P+1) erfolgt, gefolgt von einer Wiederholung des Schrittes D mit einer Verlagerung der ersten Einstellebene 101 in die weitere z-Position z(P+1) und von einer Wiederholung des Schritts C an der weiteren z-Position z(P+1).
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in Schritt G ferner eine Bestimmung einer oberen bzw. unteren zulässigen Fokusabweichung der L ausgewählten Primärstrahlen 3 erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in Schritt D die Verlagerung der ersten Einstellebene 101 durch eine Veränderung der Ansteuerung einer Objektivlinse 102, oder durch eine Veränderung der z-Position der Oberfläche 15 des Objektes 7 über den Verfahrtisch 600, oder durch Veränderung einer Probenspannung 605 oder durch eine Kombination aus mindestens zwei der obengenannten Veränderungen erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Veränderung der Ansteuerung einer Objektivlinse 102 aus der Veränderung zweier Ansteuersignale besteht, so dass die Summe der Quadrate eines ersten und eines zweiten Stroms konstant bleibt und die Differenz der Quadrate des ersten und des zweiten Stroms verändert wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Ermittlung eines Ansteuersignals für einen Kompensator für einen Bildebenenkipp, und Zuführung des Ansteuersignals an den Kompensator für den Bildebenenkipp.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Ansteuersignals ein Fokussiersignal für einen in der Vielstrahlerzeugungseinrichtung 300 angeordneten Kompensator für einen Bildebenenkipp 330 umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend die Ermittlung eines Ansteuersignals für einen Kompensator für einen Bildschalenfehler und Zuführung des Ansteuersignals an den Kompensator für den Bildschalenfehler.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Bestimmung eines Verschiebevektors 59, und wobei aus dem Verschiebevektor 59 ein Ansteuersignal ermittelt wird, welches einer Verschiebeeinrichtung der Rasteranordnung der Vielzahl der J Primärstrahlen 3 zugeführt wird.
Methode zur Kalibrierung eines Mehrstrahl-Teilchenmikroskops 1 mit einer Vielzahl von J Primärstrahlen 3, umfassend die Schritte: A) Positionierung einer Oberfläche 15 eines Objektes 7 mit einem Verfahrtisch 600 in einer ersten Einstellebene 101 mit einer ersten z-Position z1; B) Bestimmung geeigneter Parameter für eine Fokusserie mit z-Positionen zi mit i = 1 bis P; C) Erfassung von digitalen Bilddaten für die erste und jede weitere der i = 1 bis P z-Positionen für eine Vielzahl von L ausgewählten Primärstrahlen und Speicherung der digitalen Bilddaten in einer Speichereinheit 290; D) Verlagerung der ersten Einstellebene 101 in eine zweite oder weitere Einstellebene an einer zweiten oder weiteren z-Position z2 bis zP; E) Wiederholung der Schritte C und D, bis für jede der z-Positionen z1 bis zP digitalen Bilddaten erfasst sind; T) Ermittlung eines relativen lateralen Versatzes aus den digitalen Bilddaten für jeweils jeden I-ten ausgewählten Primärstrahls über mindestens zwei unterschiedliche z-Positionen und die Ermittlung jedes I-ten Strahlwinkels 78 des I-ten ausgewählten Primärstrahls aus dem relativen lateralen Versatz und dem Abstand der zwei unterschiedlichen z-Positionen; Y) Auswertung der L Strahlwinkel 78 der Vielzahl der L ausgewählten Primärstrahlen und Bestimmung eines Telezentriefehlers des Mehrstrahl-Teilchenmikroskops 1.
Methode gemäß Anspruch 17, wobei der Schritt Y die Bestimmung eines mittleren Strahlwinkels und einer relativen Abweichung der Strahlwinkel der ausgewählten Primärstrahlen zum mittleren Strahlwinkel enthält.
Methode gemäß Ansprüchen 17 oder 18, ferner umfassend die Berechnung von Steuersignalen aus dem Telezentriefehler und Zuführung der Steuersignale zu einer Kontrolleinheit des Mehrstrahl-Teilchenmikroskops 1, wobei die Steuersignale mindestens ein Steuersignal für eine Objektivlinse 102, einen Strahlteiler 400, einen Deflektor 703, oder für einen Verfahrtisch 600 enthalten.
Methode gemäß einem der Ansprüchen 17 bis 19, umfassend die Bestimmung eines z-Verlaufs von mindestens einem ausgewählten Primärstrahlen 3, umfassend mindestens eine Bestimmung und Speicherung einer Größe ausgewählt aus einer optimalen Fokusposition 68 eines ausgewählten Primärstrahls, einer z-Ausdehnung 73 eines Fokusbereichs eines ausgewählten Primärstrahls, einer minimale Spotausdehnung 74, oder einer oberen bzw. unteren z-Position eines Fokusbereichs 70.1 bzw. 70.2 eines ausgewählten Primärstrahls.