阅读说明：本技术 确定质量粒子束的波前的方法和设备 (Method and device for determining the wave front of a mass particle beam ) 是由 J.韦尔特 M.鲍尔 于 2020-04-01 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种用于确定质量粒子束(225、510、1910)的波前(550)的方法(3300)和设备(200),其包括下列步骤：(a)在不同记录条件(315、325)下使用质量粒子束(225、510)记录(3320)参考结构(130)的两个或多个图像(310-390)；(b)以参考结构(130)的修改的参考图像(480)产生(3330)两个或多个记录的图像(310-390)的点扩散函数(1750)；以及(c)为了确定所述波前(550),基于产生的点扩散函数(1750)和不同记录条件(315、325)执行(3340)质量粒子束(225、510)的相位重建。(The application relates to a method (3300) and a device (200) for determining a wavefront (550) of a mass particle beam (225, 510, 1910), comprising the following steps: (a) recording (3320) two or more images (310-390) of the reference structure (130) using the mass particle beam (225, 510) under different recording conditions (315, 325); (b) generating (3330) a point spread function (1750) for two or more recorded images (310) with the modified reference image (480) of the reference structure (130); and (c) performing (3340) a phase reconstruction of the mass particle beam (225, 510) based on the generated point spread function (1750) and the different recording conditions (315, 325) for determining the wavefront (550).)

确定质量粒子束的波前的方法和设备

相关申请的交叉引用

本专利申请案主张在2019年4月1日向德国专利商标局提出申请的德国专利申请案DE 10 2019 204 575.8的优先权，其全部内容通过引用并入本申请案。

技术领域

本发明涉及用于确定例如电子束的质量粒子束的波前的方法和设备。

背景技术

纳米技术的进步使得可生产结构元件越来越小的部件。为了处理并显示纳米结构，需要能对这些结构成像的工具，如此便能从测量数据中产生此类结构的真实图像。

显微镜是用于成像纳米结构的有力工具。在显微镜中，粒子束通常与要分析或处理的样品相互作用。显微镜可分为两类。光学或光学显微镜利用光子对样品成像。这类型的显微镜以多种不同方式用来成像微观结构。光学显微镜的分辨率受限于用于暴露所要检查样品的光源的波长以及由于衍射效应而使样品成像的光学元件的数值孔径。在深紫外波长的范围，特别是对于甚至更短的波长，光源的产生非常复杂。

鉴于因为用于成像目的的电子的短德布罗意波长(de Broglie wavelength)而分辨率超过光学显微镜，因此使用质量粒子束对纳米结构成像的显微镜(如电子显微镜)具有明显优势。类似于光学显微镜的状况，例如，电子显微镜的衍射极限与电子的德布罗意波长成线性比例并与所用电子束的孔径角成反比。因此，可通过将电子束的电子加速到更大动能来降低电子束的衍射极限。

然而，随着入射到样品上的电子的能量增加，电子或更广泛地质量粒子引入样品中的能量也增加。然而，考虑到可能损坏敏感样品，通常不希望由高速电子或质量粒子造成的大量能量注入要被检查的样品中。减少电子的动能以最小化其的损害可能，而不是尽可能增加入射在样品上的质量粒子束的孔径角可解决这个难题。

通常，产生低像差电子束，或更广泛地，质量粒子束比产生低像差光束更困难。当电子束的孔径角增加时，该像差问题以指数比例增加，特别是由于球面像差大幅增加，因此存在着电子束显微镜的可用分辨率不是由电子束的衍射极限决定而是由后者(电子束)的波前像差决定的风险。

本发明因此解决指定一方法和一设备以至少部分避免上述困境的问题。

发明内容

根据本发明的一个示例性实施例，本申请的独立权利要求的逐日至少部分解决此问题。示例性实施例被描述于从属权利要求中。

在一个实施例中，一种确定质量粒子束波前的方法包括下列步骤：(a)在不同记录条件下用质量粒子束记录参考结构的两个或多个图像；(b)以参考结构的修改的参考图像，产生两个或多个记录的图像的点扩散函数；且(c)为了确定波前，根据所产生的点扩散函数和不同记录条件进行质量粒子束的相位重建。

为了产生参考结构的图像的点扩散函数，使用修改的参考图像代替参考图像。这可大幅防止从记录的图像产生的点扩散函数包含假影，所述假影被包含在通过质量粒子束产生的参考结构的图像中。因此，从记录图像中反映出来的质量粒子束或其检测过程的特性，实质上不影响从点扩散函数确定的波前。

因此，能以系统方式校正质量粒子束的确定的波前与特定波前(例如球形波前)的偏差。因此，可在其衍射受限分辨率不受所述粒子束的波前像差限制的情况下，以质量粒子的低动能、且同时该质量粒子束的大孔径角以操作使用质量粒子束的显微镜。

在本说明书中，以系统方式意味着就一定数量而言，质量粒子束的波前呈现的像差在现象上并未得到优化，例如图像对比度，但是被系统性校正到尽可能的程度，即包含了所有已知的像差。

在本申请案中，质量粒子代表其静止质量大于零(m₀＞0)的粒子。

在此及本说明书的其他地方，如果使用根据先前技术的测量装置来测量对应量，则用词“实质上”代表在测量不确定度内的测量量的指示。

不同记录条件可包含质量粒子束的来源和/或成像系统的不同参数设置和/或用于记录图像的检测设备的不同参数设定。

来源和/或成像系统的不同参数设定可包含：质量粒子束的动能、质量粒子束焦点的直径、质量粒子束的孔径角、和像散补偿器(Stigmator)设定。该检测设备的不同参数设置可包括：检测器的加速电压、检测器的能量滤波器和检测器类型。

当记录两个或多个图像时，不同记录条件可包含质量粒子束的不同聚焦设定。两个或多个记录的图像可包括参考结构的至少一个聚焦堆栈的图像。聚焦堆栈可包括两个或多个图像。如果可非常精确地定出与记录图像所在焦点之间的距离，一单个记录图像可能已经提供用于校正假影的有用或有帮助的信息。然而，通常记录多个图像以在确定焦点位置时，由此可定出和校正可能的误差。

此外，不同记录条件可包括以质量粒子束在参考结构上的不同入射角记录两个或多个图像。作为记录聚焦堆栈的一种替代方法，可从不同视角记录参考结构的图像，且能以这些图像为基础产生点扩散函数，该函数然后被使用以进而执行相位重建(相位复原)。为此，必需针对从不同视角或不同角度记录的参考结构计算修改的参考图像。可从截面图中确定的波前重建整个待确定的波前。

在光学中，聚焦堆栈的图像通常用作重建粒子束相位或波前的输入量，例如光子束。对于质量粒子束，此原理可同样用于重建其波前。

不同记录条件可包括不同类型的参考结构。该参考结构可具有不同几何形式。举例来说，参考结构可包括立方体、长方体、棱锥体和圆柱体。一个或多个参考结构可包括与参考结构被应用于的基底的材料不同的材料组成。由于材料组成的不同，在记录图像时，除了拓扑对比外，还会产生材料对比。这最大化了参考结构的记录的图像的对比。

该质量粒子束可具有一特定能量。此外，该质量粒子束可具有一预定宽度的能量分布。通常，(例如电子束)能量分布的宽度由电子源可实现的能量分辨率确定，且目前处在大约0.5eV(电子伏特)。因而，该量值与电子为了加速而通过的电势极度无关，且因此与束电子的能量极度无关。

参考结构的参考图像可表示使用质量粒子束的参考结构的至少一个记录，其中参考结构配置在质量粒子束的焦点中。该参考图像还可包括用质量粒子束记录在焦点中的多个图像的组合，例如在平均值的意义内。此外，可在假影方面校正参考结构的参考图像。

当记录参考结构的两个或多个图像时，参考结构的修正的参考图像可实质上校正假影。

当产生用于两个或多个记录图像的点扩散函数时，参考结构的修正的参考图像可实质校正两个或多个记录的图像中的假影。这使得实质防止这些假影对所产生的点扩散函数的影响。这防止了这些假影能对质量粒子束波前的确定产生影响。

假影可能由以下原因造成：当用质量粒子对参考结构进行成像时，参考结构受到质量粒子束的静电充电和/或在两个或多个记录的图像中参考结构的至少一个边缘的至少一个边缘效应。

通常，源自样品上的一半部空间的质量粒子具有一定的横向尺寸，其在检测过程中用于与样品相互作用的质量粒子束。如果样品具有锐利边缘，则可增加或减少用于检测目的的质量粒子所源自的样品上方的空间。此以沿着参考结构的边缘检测到的信号的增加(一边缘会增加一半部空间且显得比周围明亮)或减少(一角落会减少一半部空间且显得比周围更暗)表示。

当使用质量粒子束记录图像时，如果参考结构或参考结构的一部分带静电，则粒子束会以变形的方式对参考结构成像或对参考结构的一部分成像。如果在参考图像(借助于其产生点扩散函数)中质量粒子束或其检测过程的这些效应未被校正，在从记录的图像产生点扩散函数之前，所述效应反映在产生的点扩散函数中，且因此最终反映在为质量粒子束而确定的波前中。

校正至少一个假影可包括：确定参考结构的静电充电的效应和/或两个或多个记录的图像中的至少一个边缘效应的效应。

确定参考结构的静电充电的效应和/或至少一个边缘效应的效应可包括：仿真参考结构的静电充电和/或至少一个边缘效应。可通过模型实现仿真参考结构的静电充电和/或至少一个边缘效应，该模型通过质量粒子束和参考结构仿真质量粒子束与参考结构之间和/或在参考结构中产生的质量粒子之间的相互作用。校正至少一个假影可包括：从参考图像中去除静电充电的确定的效应和/或至少一个边缘效应的确定的效应。

校正至少一个假影可包括修改参考结构的参考图像。修改参考结构的参考图像可包括参考图像的图像处理。图像处理可基于参考结构的静电充电的仿真数据和/或基于至少一个边缘效应的仿真数据来实施。

产生点扩散函数可包括：用参考结构的修改的参考图像对两个或多个记录的图像进行反卷积。所产生的点扩散函数可包括两个或多个图像的平面中的质量粒子束的强度分布。

修改的参考图像可对应于未修改的参考图像。

根据本发明的方法也可用未修改的参考图像来执行。举例来说，如果在参考结构的表面上实质上没有静电电荷和/或如果质量粒子束仅在参考结构的边缘处引起小规模的边缘效应，则这可能是有利的。

在替代实施例中，两个或多个记录的图像可用于产生校正图像，其因质量粒子束而在包含在两个或多个记录的图像中的假影方面进行校正。为此，可使用测量过的点扩散函数来校正两个或多个记录的图像。可通过从校正的图像中的计算来删除假影。

确定质量粒子束的波前的方法还可更包括下列步骤：提供参考结构和/或使用质量粒子束表征参考结构。提供参考结构可包括参考结构设计数据的提供。表征参考结构可包括根据从设计数据确定参考结构的参考图像。表征参考结构可包括使用质量粒子束来记录参考图像。参考结构的表征可包括用质量粒子束以记录参考结构的至少一个图像，其中参考结构被配置在质量粒子束的焦点中。

可在非易失性存储器中提供设计数据、参考结构的参考图像和/或参考结构修正的参考图像。

参考结构可包括至少一个针状的材料配置，其被配置在基板上，且该针状材料配置与基板应具有不同材料组成。针状材料配置可包括金属或金属化合物，且基板可包含石英或碳。参考结构和参考结构被施加于其上的基板应具有相同的材料成分，参考结构只在记录的图像中产生较弱的拓扑对比度，因此，在记录的图像中，参考结构只从基板微微突出，或根本不突出。

针状材料配置可具有范围在0.1nm至10μm的横向尺寸，较好为0.2nm至500nm，更好为0.5nm至100nm，而最好为1nm至50nm。针状材料配置可具有范围在1nm至1000nm的高度，较好为2nm至200nm，更好为3nm至100nm，最好为4nm至20nm。针状材料配置可包括圆柱形结构。

参考结构可包括至少一个锐利边缘和/或至少一个限定的侧壁角。锐利边缘可具有一小于10^-3mm的曲率半径，较佳小于10^-4mm，更佳小于10^-5mm，最佳小于10^-6mm。侧壁角可具有大于45°的角度，较佳大于80°，更佳大于85°，而最好为大于89°。举例来说，如果二次电子在记录两个或多个图像时用于检测质量粒子束，则薄的参考结构(即具有低高度的参考结构)可减少拓朴效应。参考结构高度的下边界由以下事实提供：当使用质量粒子束照射参考结构时，基本上没有位于参考结构下方的基板的二次粒子应到达检测系统，上述检测系统用于记录参考结构的图像，从而避免去窜改参考结构的测量。

产生修改的参考图像可包括：在尽可能最佳的记录条件下以质量粒子束的不同动能来记录两个或多个参考图像，并用在不同能量下记录的参考图像的组合来取代修改的参考图像。

若有可能使用尽可能接近于理想成像系统的成像系统以质量粒子束的不同动能记录多个参考图像，修改的参考图像(通常会计算其校正量)则可以良好近似用由测量产生的测量图像替换。

此外，可从计算的参考图像和一个或多个测量的参考图像的组合中产生修改的参考图像。

根据本发明的方法可更包括下列步骤：修改确定的质量粒子束的波前，使得改变的波前实质上对应于指定的波前。

质量粒子束波前像差的校正并非通过相对于一所选参数的像差的“盲目”减少并因此通过最大化特定度量来实现。相反地，在本申请案中描述的方法允许在校正确定的波前时考虑各种已知成像像差的影响。因此，可显著提高像差的校正程度和质量粒子束的波前的校正效率。波前校正的高效率意味着，只需几次迭代即可获得在限定偏差内与指定波前相对应的波前。

在一个实施例中，一种用于确定质量粒子束波前的设备包括：(a)记录构件，用于在不同记录条件下使用质量粒子束记录参考结构的两个或多个图像；(b)产生构件，用于以参考结构的修改的参考图像产生两个或多个记录的图像的点扩散函数；及(c)执行构件，为了确定波前，基于所产生的点扩散函数和不同记录条件执行质量粒子束的相位重建。

该设备可被实施为记录参考结构的参考图像。

该设备可包括用于使质量粒子束的确定的波前适配于指定波前的调整选项。

质量粒子束的孔径角可在范围0.1mrad至1000mrad内，较好为0.2mrad至700mrad，更好为0.5mrad至500mrad，且最好为1mrad至200mrad。在本说明书中，缩写“mrad”代表毫弧度。

计算机程序可包括指令，当上述设备的计算机系统执行计算机程序时，指令可驱使该计算机系统执行上述方法之一的方法步骤。

附图说明

参考附图，以下详细描述描述了本发明当前优选的示例性实施例，图中：

图1描述具有光斑直径及其孔径角的聚焦粒子束的示意图；

图2显示用于确定质量粒子束的波前的设备的一些重要部件的示意性截面图；

图3示意性重现一参考结构的图像的聚焦堆栈，其是以图2所示设备的质量粒子束来记录的；

图4在上部局部图像中表示一参考结构的参考图像的示意性平面图，并在下部局部图像中显示上部局部图像的假影的校正后的该参考结构的修改的参考图像；

图5示意性示出穿过聚焦电子束的截面，其具有导致像差的波前；

图6显示在校正波前后的图5的聚焦电子束；

图7示意说明一圆柱形参考结构的仿真图像的示意性平面图；

图8呈现用于仿真电子束核的示意性平面图，其在焦点处的强度分布为圆形且是均匀的，且直径为4nm。

图9呈现图7所示图像与图8所示核的卷积。

图10显示图7的圆柱形参考结构的仿真参考图像的示意性平面图。

图11示意性重现核或点扩散函数，其通过将图9的图像与图10的参考图像进行反卷积而产生；

图12重现图11所示核的示意性截面图；

图13重现图7；

图14重复图8；

图15再次重现图9；

图16显示图7和图13的圆柱形参考结构的修改的仿真参考图像的示意性平面图；

图17示意性表示通过以图16的修改的参考图像对图15或图9的图像进行反卷积而产生的点扩散函数；

图18显示图17的点扩散函数的示意性截面图；

图19显示具有波前像差的电子束的波前；

图20显示图19所示电子束强度分布的聚焦堆栈；

图21重现圆柱形参考元素的卷积核，其因边缘效应而具有明亮边缘；

图22重现图19和20的电子束与图21的卷积核的卷积的聚焦堆栈图像，其中噪声被添加到圆柱参考结构的图像中；

图23显示不考虑边缘效应的反卷积核；

图24重现使用图23的反卷积核的圆柱参考结构的聚焦堆栈图像的反卷积；

图25显示相位重建后的图24所示重建的聚焦堆栈的图像；

图26说明图19所示电子束的重建波前；

图27以五倍的放大倍率重现图19的波前和图26的重建波前之间的差异；

图28显示在记录圆柱参考结构时考虑边缘效应的反卷积核；

图29重现使用图28的反卷积核的图22的圆柱参考结构的聚焦堆栈图像的反卷积；

图30显示相位重建后的图24的重建的聚焦堆栈图像；

图31说明基于图30所示电子束的点扩散函数而确定的图19所示电子束的重建波前；

图32以五倍的放大倍数显示图19的波前和图31的重建波前之间的差异；以及

图33指定用于确定质量粒子束的波前的方法的流程图。

具体实施方式

下面解释根据本发明的方法和根据本发明的设备的目前较佳实施例。以扫描电子显微镜(SEM)为例说明根据本发明的设备。然而，根据本发明的方法和根据本发明的设备不限于电子束形式的质量粒子束。相反地，这可用于任何粒子束，其粒子具有不同于零的静止质量。而且，这可用于使用扫描聚焦的质量粒子束来记录图像的显微镜，或用于宽场显微镜。质量粒子束和粒子束在下文中以同样意思被使用。

可在说明书的第五部分的前段找到一些有关扫描电子显微镜的分辨率的解释。电子以及电子束的德布罗意波长由下式得出：

其中λ代表波长，h代表普朗克常数，e代表基本电荷，U代表电子通过的加速电压且m代表电子的质量。在显微镜中用于使电子加速的电压，电子的质量可约等于其静止质量m₀(m＝m₀)。

以下数学关系式摘自出版物J.E.Barth、P.Kruit的“对带电粒子探针尺寸增加不同贡献(Addition of different contributions to the charged particle probesize)，Optik，第101卷，第101-109页(1996)”。电子束的衍射极限由以下方程近似描述：

在此，R_D代表其焦点处的电子束或带电粒子束的光斑直径D的半径。角度α表征相对于光束轴测得的电子束的孔径角。图1阐明这些关系。电子束通常具有对应于高斯分布或至少与后者相似的束分布或强度分布。焦点R_D的光斑半径的50％的规格意味着孔径角α指定电子束强度降到最大值的一半(HWHM，宽度一半最大值一半)的角度。如同在引言部分中的解释，质量粒子的德布罗意波长随着其能量的增加而减小，因此，衍射极限被移至较小的半径或光斑直径。如从等式(2)可得，质量粒子束的孔径角α以反比的方式影响衍射极限。因此，当其粒子的动能保持不变时，增加孔径角α允许增加电子束的分辨率，或更普遍是，增加质量粒子束的分辨率。

除了电子束(或更一般的，质量粒子束)的衍射外，电子束的有限亮度B和光束源的有限区域也对电子束或质量粒子束的分辨率有影响。此贡献可用以下公式表示：

其中I描述着电子束的电流，B描述其亮度而E描述电子的动能。有限亮度或其在焦点中的光斑半径的贡献随着粒子束电流I的增加而增加。粒子或电子的较高动能减小此贡献。类似于衍射极限R_D，有限亮度R_I的光斑半径与电子束，或更普遍，与质量粒子束的孔径角α成反比改变。

如同在引言部分中所示，质量粒子束成像系统的部件的像差可能同样对质量粒子束的分辨率具有重大影响。原因在于粒子束内的粒子的有限能量分布ΔE的色差效应可通过以下公式表示：

其中ΔE代表质量粒子束的粒子的能量分布的半峰全宽(Full Width at HalfMaximum，FWHM)，且C_C是一设计特定的常数。如前述，电子束能量分布的宽度主要是由源产生的电子的能量分布确定。目前可用的电子源通常具有0.5eV至0.7eV的能量分布AE。首先，通过使质量粒子束的粒子的能量分布变窄，或在能量分布不变的情况下，通过增加粒子束的平均能量，可减小由色差引起的成像像差。然而，其次，色差的贡献随着粒子束的孔径角α增加而线性地增加。

球面像差是由远离轴的光束光学单元的组件或元件的区域中像差引起的成像造成的。球面像差对以使用质量粒子束为基础的显微镜的分辨率的贡献可表示如下：

R_S(50％)≈0.0884·C_S·α³， (5)

其中，C_S再次是设计特定的常数。由球面像差引起的粒子束R_S的焦点处的光斑直径与电子束孔径角α的三次方成正比。因此，在增加粒子束的孔径角时，球面像差很快变得愈加重要，且在分析使用质量粒子束的以粒子束为基础的显微镜的分辨率时，必须将其考虑在内，如传统光学系统的情况。

在考虑分辨率时，如果需要，还可将其他成像像差，如散光、彗形像差、粒子束的颤动、使用质量粒子束的显微镜的振动纳入考虑。以下示例中忽略了这些作用。

以粒子束为基础的显微镜的分辨率R_total是通过影响粒子束分辨率极限的各种作用的平方值的总和来确定：

图2以截面图示意性显示用于确定质量粒子束波前的设备200的一些部件。图2的示例性设备200采用扫描电子显微镜(SEM)210的形式实施。后者设置在真空室202中。扫描粒子显微镜210由粒子发射器205和柱体215构成，其中设置有例如SEM 210的电子光学单元220形式的束光学单元220。该粒子发射器205产生质量粒子束225，且电子或束光学单元220聚焦粒子束225，并将后者引导到柱体215的输出处的样品110上。

样品110可包括参考结构130设置于其表面115上的基板120。基板120可包括多个参考结构130，其可用各种几何图形(图2中未显示)的形式实施。基板120可包括石英基板和/或具有低热膨胀系数(LTE，Low Thermal Expansion)的基板。然而，基板120也可包括碳基板或含碳基板。通常，在基板和参考结构130之间产生良好的材料对比的任何材料都可用作参考结构的基板。

参考结构130可包括金属或金属化合物。举例来说，参考结构130可包括铬或钽或含铬或含钽的化合物。参考结构130可包含一个或多个几何图形。因此，参考结构可以例如立方体，长方体或圆柱体的形式实施。此外，参考结构130可包括至少一个锐利边缘和/或至少一个陡峭的侧壁角。由于基板120和参考结构130具有不同材料组成，参考结构130除其拓扑对比之外，还通过由质量粒子束记录的图像中的材料对比而特别凸显出来。

举例来说，在设备200中，基板120可包括光刻掩模的基板或来自纳米压印光刻的模板的基板。光刻掩模可包括透射式光掩模或反射式光掩模。该光刻掩模可包括任何掩模类型，例如二元掩模、相位偏移掩模、硅化钼(MoSi，molybdenum silicide)掩模、或用于两次或多次曝光的掩模。可将一个或多个参考结构130配置在光刻掩模上或用于纳米压印光刻的模板上。

样品110被放置在样品台230或样品架230上。样品台230在本领域中也称为“台”。如图2中的箭头所指，样品台230可相对于SEM 210的柱体215在三个空间方向上移动，例如通过未在图2中示出的微操纵器。粒子束225在测量点235处撞击样品110。因此，通过其沿粒子束225的束轴线的位移，即沿z方向的位移，样品台230使记录参考结构130的图像聚焦堆栈变得容易。此外，六轴样品台230通过其倾斜和/或旋转允许从各种角度或视角记录参考结构130。样品台230各个轴的各个位置通过干涉法测量(未在图2中重现)。在替代实施例中，可借助于SEM 210的电子光学单元220来设定或改变粒子束225的焦点设定。通过移动样品台230和设定电子光学单元220的组合调节也是可能的。

如前述，在图2中阐明的示例性实施例中的设备200包括SEM 210。电子束225作为质量粒子束225的优点在于，后者可相对容易地产生和形成。然而，也可在设备200中使用离子束、原子束或分子束(图2中未示出)。一般而言，设备200可使用粒子束225，其粒子具有不等于零的静止质量。

此外，图2的设备200可包括一个或多个扫描探针显微镜，例如原子力显微镜(AFM)的形式(图2中未示出)，其可用于分析和/或处理样品110。

配置在扫描粒子显微镜210的柱体215中的检测器230将由电子束225在测量点235处产生的二次电子和/或从样品110反向散射电子转换成电测量信号，并将后者向前发送到设备200的计算机系统250的评估单元265。该检测器230可包含过滤器或过滤系统，以依据能量和/或立体角来区别电子(图2中未再现)。

设备200的SEM 210可还包含第二检测器240，用于检测由入射电子束225在测量点235处产生的二次电子和/或反向散射电子。举例来说，检测器240可包括埃弗哈特-索恩利检测器(Everhart-Thornley detector)。

此外，对于样品110和/或参考结构130是电绝缘的或具有电绝缘表面层115的情况，扫描粒子显微镜210可包括在第一测量点235区域中提供低能离子的离子源245。

设备200包含计算机系统250。计算机系统250包括扫描单元255，其在样品110上方且至少部分在参考结构130上方扫描电子束225。

此外，计算机系统250包括设定单元260，该设定单元260用于设定和控制设备200的扫描粒子显微镜210的各种参数。SEM 250的参数可包括：粒子束225或电子束225的能量、粒子束225的孔径角、粒子束225的束光学单元220的像散补偿器(Stigmator)设定、用于更改球差和/或色差、彗形像差和像散的调整选项。此外，设备200的SEM 210包括用于校正高阶像差的调整选项。因此，SEM 210可校正由前两阶的Zernike多项式所描述的像差。为了进行高阶校正，需要可产生具有三极或高阶极性质场的调整选项。

再者，SEM 210的设定单元260设定检测器230和240的参数。此外，SEM 210的计算机系统250的设定单元260控制样品台230的六个轴。

此外，计算机系统250包括评估单元265，其分析来自检测器230和240的测量信号并从中产生图像，所述图像能够显示在SEM 210的显示器280上。扫描单元255在样品110和/或参考结构130上扫描电子束225或质量粒子束225的区域被显示在计算机系统250的显示器280上，并因此被指定为扫描粒子显微镜210的视场或FOV。特别是，评估单元265被设计成从检测器230或检测器230、240的测量数据中产生参考结构130的图像。如果粒子束225的焦点对准参考结构130，如果质量粒子束225扫描过参考结构130，则评估单元265可从检测器230、240的测量数据产生参考结构130的参考图像。然而，当粒子束225扫描焦点中的参考结构130时，由评估单元265从测量数据产生的图像可能仍是参考结构130的聚焦堆栈的图像的一部分。

评估单元265同样处理样品台230一个或多个干涉仪的距离测量装置的测量信号，并可同样在显示器280上使用图形和/或数字方式呈现这些。

此外，评估单元265被设计成，当在显示器280上示出扫描区域，并因此当产生参考结构130的参考图像时，考虑样品110或参考结构130的静电充电。此外，评估单元265可指示扫描单元255在进行参考结构130的扫描时考虑其静电充电。此外，评估单元265可驱使计算机系统250通过用离子源245的低能量离子的局部照射参考结构，以至少部分补偿参考结构130的静电充电。

为了记录参考结构130的聚焦堆栈的图像，设定单元260沿着粒子束225的束轴，即在z方向上移动样品台230。图3示意性显示参考结构130的聚焦堆栈300的图像310至390。图3的示例性参考结构130具有圆形表面和圆柱结构。在图3所示出的示例中，聚焦堆栈包括参考结构130的九个图像310至390。聚焦堆栈300从具有过聚焦(over-focusing)(+散焦)的图像310开始，即焦点位于参考结构130的上方或前面，然后超过焦点中的图像350朝向欠聚焦(under-focusing)(-散焦)进展，其中焦点位于参考结构130中。评估单元265从在各自的散焦位置315和325处的至少一个检测器230、240的测量数据来产生参考结构130的聚焦堆栈300的图像。评估单元265可以硬件，软件，固体和/或其组合的形式实施。

重新参考图2，SEM 210的计算机系统250更包括仿真单元270。仿真单元270被设计成通过计算来确定由质量粒子束225产生的二次粒子的特定检测过程而结合一个或多个检测器230、240产生的粒子束225的效应。如同本说明书第三部分中已解释，参考结构130的静电充电可能导致参考图像的显示失真。

在上部局部图像410中，图4示意性显示在焦点内的参考结构130的图像450的平面图，所述参考结构设置在基板120上。基板120可包括样品110的基板120。这表示图4的上部局部图像410中的图像450是参考结构130的参考图像450。图4的示例性参考结构130具矩形形式。在静电充电420的影响下，参考图像450具有相对于参考结构130的设计数据的失真430和位移440。

图2的计算机系统250的仿真单元270可包含例如一模型，其基于参考结构130的材料组成和粒子束225的电子或粒子入射到参考结构130上所具有的动能来描述静电充电420和从而引起的图像失真。

此外，计算机系统250的仿真单元270可被设计成由于参考结构130的特定几何形状，基于参考结构130的几何形状和粒子束225的能量，通过计算来确定产生图像的二次粒子所源自的半空间变化的效应。图4的上部局部图像410阐明了由参考结构130引起的边缘效应460，所述边缘效应由参考结构130的参考图像450中的粗界线445来说明。

图2的设备200的计算机系统250的评估单元265包含一个或多个算法，其允许由仿真单元270确定的粒子束特定的图像记录过程的特定效果430、440和460在参考结构130的参考图像450中被校正。因此，评估单元265可从参考图像450产生修改的参考图像480。这在图4的下部局部图像460中得到阐明。在参考结构130的修改的参考图像480中基本上校正了由参考结构130的静电充电及锐利边缘470处的边缘效应460导致的假影。

仿真单元270的算法可用硬件、软件或其组合来实施。举例来说，作者S.Babin等人在J.Vac.Sci.Technol.B 24(6)，pp.2056-2959(2006年11月/12月)的“自动测量电子束直径和像散的技术：BEAMETER”中描述了一种通过自动化过程确定电子束束尺寸的方法。对应的仿真程序BEAMETR可从eBeam Technologies公司获得。

此外，仿真单元270被设计成通过进行反卷积操作从参考结构130的聚焦堆栈300的图像310-390和参考结构130的修改的参考图像480确定参考结构130的聚焦堆栈300的图像310-390的卷积核或点扩散函数。最后，基于聚焦堆栈300的点扩散函数，仿真单元270通过执行相位重建可用来确定当记录参考结构130的聚焦堆栈300的图像310-390时的粒子束225的质量粒子动能及各个散焦位置315、325、当记录聚焦堆栈300的图像310-390时的粒子束225的波前。

仿真单元270可通过使用一已知的算法来执行相位重建，例如Gerchberg-Saxton算法，NLSQ(非线性最小平方)算法，Yang-Gu算法，ping-pong算法或Ferweda算法。

计算机系统250，评估单元265和/或仿真单元270中的每一个可包含存储器，最好是非易失性存储器(图2中未示出)，其包含用于各种参考结构130的电荷充电的一个或多个模型和/或边缘效应460的各种模型，其由当使用质量粒子束225扫描参考结构时的检测过程所引起。

如图2所示，评估单元265和/或仿真单元270可整合到计算机系统250中。然而，也可将评估单元265和/或仿真单元270实施为设备200内部或外部的专属单元(图2中未示出)。特别是，计算机系统250的评估单元265和/或仿真单元270可被设计成利用专属硬件实施来执行它的一些任务。

计算机系统250可被整合到设备200中或被实施为独立装置(图2中未显示)。计算机系统250可采用硬件、软件、固体或其组合来配置。

不像图2所示那样，设备200的扫描粒子显微镜210可包括多束扫描粒子显微镜，其能够同时在样品110上引导多个粒子束(图2中未示出)。多光束扫描粒子显微镜包括检测器或检测器配置，其可并行检测由单独粒子束所产生的二次粒子。此外，多束扫描粒子显微镜的评估单元265可被设计成将由单独粒子束的二次粒子产生的部分图像组合以形成整体图像。

图5的示图500示意性显示相对于束轴线520具有孔径角α的聚焦的质量粒子束510的截面。粒子束510聚焦到焦点560内的光斑直径530上。如前述，波前550是从聚焦堆栈300的图像310-390和修改的参考图像480中反卷积的并借助于相位重建算法确定的，并且相对于入射球面波的波前540具有相对较大的偏差或像差560。像差560防止质量粒子束510的分辨率能被完全利用，所述分辨率在无像差时受到粒子束510的衍射极限的限制。这通过质量粒子束510的波前550的像差560来避免。

确定的波前550允许其像差560被系统性校正。图2的设备200的SEM210具有用于校正波前550的所有实质像差的调节选项。波前能以数种方式来校正。首先，对于SEM 210的各种可能调整选项，可以测量SEM 210的调整选项的灵敏度，如束光学单元220中的线圈电流。再者，波前可通过计算进行校正。为此，有必要有适用于SEM 210各种调整选项的效果的模型。此外，若SEM 210具高生产精确度，会是有帮助的。

通常，SEM 210的调整选项不只作用在单个像差上，即，线性独立的泽尼克(Zernike)多项式。因此，所谓的交互矩阵在较佳的过程中被制定。交互矩阵是从适应光学得知的。可通过计算(即基于SEM 210的设计，或从实验结果)来制定交互矩阵。当根据实验结果制定交互矩阵时，对SEM 210的每个调整选项都会测量对每个线性独立像差的影响。产生的交互矩阵因而将调整选项的向量转换成像差的向量。因此，矩阵反转允许一矩阵的产生，后者允许将波前像差(以像差表示)转换成校正目的所需的SEM 210的调整选项的向量。

图6显示在校正像差560之后的图5的波前550。从图6能看出，校正后的波前650实质上具有球面波的波前540。因此，确定的波前550的系统性校正允许使用具有大孔径角α的质量粒子束510的SEM 210获得由粒子束510的衍射极限所限制的分辨率作为可用的分辨率。

图7至图12显示用于为电子束225、510产生点扩散函数的第一示例。在图7至12中描述的第一示例及下面介绍的其他示例是基于模拟实行的。在最先示出的两个示例中，参考结构130以直径10nm的圆柱体的形式实施。例如，圆柱体可通过在石英基板上沉积铬来制造。

图7显示当圆柱形参考结构130被电子束225、510照射时，所述圆柱形参考结构的仿真图像，该电子束的电子具有600eV的动能。较亮的外部边缘750代表圆柱形参考结构130的边缘效应460。

图8显示模糊核850，其用于阐明直径4nm的电子束225、510对图7的圆柱形参考结构130的图像记录的影响。所采用的核850在焦点处有具有完美平面的圆形光束。在图8中，这由强度的标准偏差σ与平均强度ave的比率(σ/ave＝0)具体说明。

图9重现了图7的圆柱形参考结构130与4nm宽的电子束225、510或图8的核850的卷积。图7的图像的明亮边缘750如在图9的模糊卷积图像900中的明亮边缘950一样清楚可见。图9呈现了当参考结构130被电子束225、510扫描时在SEM 210的显示器280上可见的参考结构130的图像。

图10显示圆柱形参考结构130的参考图像450，其用于对图9的图像900进行反卷积。参考图像450在圆柱参考结构130的平面表面上具有均匀的强度分布。参考图像450用于通过反卷积从模糊卷积图像900中产生卷积核850或电子束225、510的点扩散函数850。

图11表示从图9和10的图像900、1000产生的卷积核1150或点扩散函数1150。从标准偏差σ与平均强度ave的比率可明显看出，点扩散函数1150在整个表面上2.5％的区域内变化。这与图8的理想点扩散函数850冲突。

图12显示图11的点扩散函数1150的截面。不像对图8的卷积核850所假设的，点扩散函数1150无平表面。此外，点扩散函数1150的强度分布呈现明显的圆形边缘1250。

图13至图18呈现用于针对电子束225、510产生点扩散函数的第二示例。如前述，第二示例同样基于模拟而实行。第二示例的图13、14和15对应于第一示例的图7、8和9。

不像第一示例，在图13至18的第二示例中，图15的图像900的反卷积不是用图10的圆柱形参考结构130的参考图像450来实行的。相反地，图16呈现修改的参考图像480。当通过电子束225、510成像或记录圆柱参考结构130的参考图像450时，修改的参考图像480将边缘效应460纳入考虑，其通过核850表示。这通过明亮边缘1650而在修改的参考图像480中可见。因此，修改的参考图像480在圆柱参考结构130的平表面上有不均匀强度分布。前面图4所示的情况已解释从测量的参考图像450产生修改的参考图像480。

修改的参考图像480用于对卷积核进行反卷积或从图15的模糊卷积图像900产生点扩散函数。图17显示从图15和16的图像480、900产生的卷积核1750或点扩散函数1750。所产生的卷积核1750没有重现图17的完美点扩散函数的整体。但是，与完美卷积核850的偏差(σ/ave比率为0.4％)比基于参考图像450产生的点扩散函数1150较好约六倍。

类似于图12，图18显示图17的点扩散函数1750的截面图。如图14所推定的，图17的点扩散函数1750非常接近电子束的圆柱强度分布。如在第二示例中说明那样产生的点扩散函数1750可在用于确定电子束225、510的波前550的相位重建过程中用作输入量。

下面的图19至图32呈现用于重建波前不完美的电子束的波前550的两个示例。类似于上述两个示例，以下讨论的数据是通过仿真产生的。对于下面描述的两个示例，相位重建作为另一步骤被额外实行，使得能决定确定的波前与特定波前的偏差。

在该模拟中，以下两个示例均假设电子束的动能为400eV。此外，以下假设电子束1910的波前550相对于波前的平均值(RMS，均方根)受到半个波长的随机变化。此外，以下示例指定电子束1910具有0.04或40毫弧度的数值孔径(NA)。在该两个示例中，参考结构130再次以圆柱体的形式实施，其现在具有16nm的直径。

图19重现电子束1910的波前，其在以下模拟中用于对圆柱参考结构130成像。如前述，电子束1910的波前550具有半德布罗意波长(Broglie wavelength)的随机变化。以下模拟的目的是从具有波前像差1920的电子束1910产生电子束1910的点扩散函数，所述点扩散函数有助于以最小可能的波前像差进行相位重建。

图20呈现了电子束1910的五个强度分布，其对应于电子束1910的五个不同聚焦设定。在图20的五个图像中，如从上到下考虑的，焦点相对于参考结构130的表面具以下位置：-125nm、-62.5nm、0nm、62.5nm和125nm。图20的图像显示图19的电子束1910的点扩散函数，其在进一步的模拟过程中用作输入量。图19的电子束1910的波前像差1920在强度分布的聚焦堆栈中明显突出。

图21显示圆柱形参考结构130的卷积核2100。圆柱形参考结构130的卷积核2100具有如前述的边缘效应460，其通过明亮边缘2150在参考结构130的卷积核2100中凸显出来。

图22重现了图21的圆柱形参考结构130与电子束1910的强度分布的卷积，在图20的聚焦堆栈的图像中明确指出该强度分布。另外，噪声加入参考结构130的图像。因此，图22的图像显示参考结构130的聚焦堆栈的图像，当通过电子束1910扫描参考结构130时，设备200的SEM 210将产生该聚焦堆栈的图像，并且其显示在显示器280上。

图23显示反卷积核2350，其在所阐述的第三示例中用于对图22的参考结构130的聚焦堆栈的图像进行反卷积。反卷积核2350代表参考结构130没有假影的理想图像。这表示，在图23的示例中，参考结构130的参考图像在圆柱形参考元件的边界或边缘区域中无额外亮度。

图24重现由图23的反卷积核2350反卷积的图22的参考结构130的聚焦堆栈的图像。相位重建在下一步骤中被执行。相位重建通过更改图24聚焦堆栈的测量图像的波前(其产生聚焦堆栈)来实施。图25的图像重现基于图24的图像执行的相位重建的结果。

图26显示最接近图25的聚焦堆栈的电子束1910的重建的波前2620。该电子束1910的重建的波前2620借助于最小平方拟合(Least squares fit)来调适。

为了检查电子束1910的波前重建的精确度，在电子束1910的限定波前1920(输入或参考波前)与重建的波前2620之间形成差异。图27显示放大五倍的差异波前。电子束1910的重建的波前2620相对于平面波前具有0.133个波长的偏差。其余的波前像差2620主要是由电子束1910的其余像散所造成。

在马瑞契拉近似法(Marechal approximation)中，电子束1910的输入波前1920具有以下的Strehl因子：S＝exp[-(2π·0.500)²]＝5.17·10^-5。在相同的近似法中，重建的波前2620具有Strehl因子：S＝exp[-(2π-0.133)²]＝0.497。这代表图22的聚焦堆栈的图像与图23的卷积核2350的反卷积导致电子束1910的重建的波前的明显改善，并因此提高所记录图像的图像质量。

下面基于图28至32说明的第四示例是基于以图19至22为基础所描述的初始情况。取代以图23的反卷积核2350进行的反卷积，图22的参考结构130的图像的聚焦堆栈的反卷积是以图28的卷积核2850进行，其通过过量的边缘高度2860考虑边缘效应460。

图29呈现以图28的反卷积核2850反卷积的图像，该图像是图22的参考结构130的聚焦堆栈的图像。

图30的聚焦堆栈的图像呈现通过相位重建从图22参考结构130的聚焦堆栈的图像重建的图29的聚焦堆栈。

类似图26，图31显示电子束1910的重建的波前3120，其在最大可能程度上对应于图30的聚焦堆栈，其则对应于图29的测量的聚焦堆栈。

为了检查电子束1910的波前重建的精确度，在电子束1910的限定波前1920(输入或参考波前)与重建的波前2620之间形成差异。图27显示放大五倍的差异波前。电子束1910的重建的波前2620相对于平面波前具有0.133个波长的偏差。其余的波前像差2620主要是由电子束1910的其余像散所造成。

如上文在图27的情况下中已解释的，在Marechal近似法中，电子束的输入波前1920具有以下的Strehl因子：S＝exp[-(2π·0.500)²]＝5.17·10^-5。在同样的近似法中，重建的波前2620具有Strehl因子：S＝exp[-(2π·0.072)²]＝0.815。通过用图28的反卷积核2850(其考虑了边缘效应460)对图22的聚焦堆栈的参考结构的图像进行反卷积，则相较于图26和27可再次显著提高图像质量。

最后两个示例中描述的方法可被连续(迭代地)执行多次，以在确定波前550时最小化其余的残留误差。当使用考虑边缘效应460的反卷积核2850时，相较于图23的反卷积核2350，迭代执行的所述方法收敛到较小的残留误差。在本申请案中解释的方法可处理参考结构130的记录的图像中的噪声。然而，在一定水平的噪声上，后者会损害进行校正的效率。

最后，图33的流程图3300再次总结了用于确定质量粒子束225、510、1910的波前550的所描述方法的必要步骤。该方法开始于步骤3110。在下一步骤3320中，在不同记录条件315、325下使用质量粒子束225、510、1910记录参考结构130的两个或多个图像310-390。两个或多个图像310-390可为聚焦堆栈300的一部分。可使用设备200的SEM 210的扫描单元255来进行图像310-390的记录。该设置单元260可通过调整样品台230来实现不同记录条件315、325。

在步骤3330中，利用参考结构130的修改的参考图像480产生用于两个或多个记录的图像310-390的点扩散函数1750。参考结构130的参考图像450可在计算机系统250的扫描单元255的控制下用质量粒子束225、510、1910记录。可借助于仿真单元270来确定要在参考图像中进行的改变。计算机系统250的评估单元265可在参考图像450中执行由仿真单元270所确定的改变，因而能产生修改的参考图像480。该评估单元265用修改的参考图像480对记录的图像310-390进行反卷积，以产生图像310-390的点扩散函数1750。

在步骤3340中，为了确定波前550，基于所产生的点扩散函数1750和不同记录条件315、325来执行质量粒子束225、510的相位重建。该相位重建可由计算机系统250的仿真单元270执行。该方法结束于步骤3350。