CN101922910B

CN101922910B - 一种利用云纹对扫描电镜的扫描线间距进行标定的方法

Info

Publication number: CN101922910B
Application number: CN2010102361913A
Authority: CN
Inventors: 谢惠民; 李艳杰; 王怀喜; 唐敏锦
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2030-07-26
Also published as: CN101922910A

Abstract

一种利用云纹对扫描电镜的扫描线间距进行标定的方法，属于光测力学技术领域。本发明以扫描电镜的扫描线为参考栅，以已知栅距的标准光栅为试件栅，通过使两栅发生干涉形成清晰的平行云纹，测量出云纹的像素间距，将其代入推导出的反演公式求解出每个像素所对应的实际物理尺寸即扫描线间距。此方法集成了云纹法测量灵敏度高、视场大等优点，可实现实时原位标定，精度高，操作简单，并且考虑了扫描线数和工作距离等因素的影响，为扫描电镜和扫描电镜云纹法用于微纳米变形测量提供了良好的基础。

Description

一种利用云纹对扫描电镜的扫描线间距进行标定的方法

技术领域

一种利用云纹对扫描电镜的扫描线间距进行标定的方法，属于光测力学技术领域。

背景技术

扫描电镜作为一种微小尺度样品的观测分析手段，由于具有制样简单、放大倍数可调范围宽、图像的分辨率高、景深大等特点，故被广泛地应用于化学、生物、医学、冶金、材料、半导体制造及微电路检查等各个领域。目前绝大多数扫描电镜只在仪器出厂或验收时由生产商的工程师根据厂家提供的栅网或其他样板对仪器进行简单的校准，因此校准精度较低，在测量物体长度时，普遍与准确值之间存在不同程度的偏差，无法满足高精度测量如微纳米尺度测量的要求。除此之外，测量精度也会随工作距离等因素的变化而变化，而传统的标定方法并未考虑工作距离的影响。因此亟待提出一种能够准确地标定扫描电镜的方法。

作为一种高灵敏度的全场位移和应变测量方法，扫描电镜云纹法在微纳米变形测量方面取得了广泛的应用。为了使得测量结果更加准确可靠，需要对扫描电镜进行标定。

利用扫描电镜对物体进行测量，即是利用扫描电镜所拍得的图像进行测量。图像是以像素为单位的，若能得出每个像素所对应的实际物理尺寸即扫描线间距，即可由像素单位推导出试件的物理尺寸。

因此对扫描电镜的扫描线间距进行准确标定不仅对于扫描电镜本身用于尺度测量而且对扫描电镜云纹法用于变形测量具有重要的意义。

发明内容

本发明旨在提出一种能够准确地标定扫描电镜的扫描线间距的方法，该方法操作简单，灵敏度高。即利用标准光栅和云纹法，提供一种能够对扫描电镜的扫描线间距进行快速、高精度标定的方法。

本发明的技术方案如下：一种利用云纹对扫描电镜的扫描线间距进行标定的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

1)对扫描电镜的扫描线间距进行初步标定：取一标定试件放在扫描电镜样品台上，选定扫描线数和工作距离，调焦直至得到清晰的试件形貌图，记录不同放大倍数的试件形貌图和图像标尺，利用图像软件测量不同放大倍数下图像标尺所对应的像素数，得到不同放大倍数对应的扫描线间距，并对扫描线间距和放大倍数进行拟合，得到拟合曲线；

2)令扫描线间距等于标准光栅模板的间距，根据由步骤1)得到的拟合曲线，得出标准光栅形成零场云纹所需的放大倍数M；

3)将标准光栅放在扫描电镜样品台上，调整扫描电镜使其扫描线数和工作距离与初步标定实验时相同，调焦直至得到清晰的标准光栅形貌图，根据由步骤2)得到的放大倍数M调整扫描电镜使标准光栅形成云纹，并记录云纹图像；

4)根据步骤3)得到的云纹图像测量云纹的像素间距，利用下述公式计算出该云纹图像所对应的放大倍数M_c下每个像素所对应的实际物理尺寸p_r ^c：

\{\begin{matrix} {p_{r}}^{c} = p_{s} (1 + \frac{1}{m}) & {p_{r}}^{c} > p_{s} \\ {p_{r}}^{c} = p_{s} (1 - \frac{1}{m}) & {p_{r}}^{c} < p_{s} \end{matrix}

其中m为云纹的像素间距；p_r ^c和p_s分别为扫描线间距和标准光栅的间距，二者的大小关系可根据转角云纹法判定，若云纹旋转方向与参考栅相同，则p_r ^c＜p_s；若云纹旋转方向与参考栅相反，则p_r ^c＞p_s；

(5)计算任意放大倍数M_x下每个像素所对应的实际物理尺寸即扫描线间距p_r ^x，计算公式为：

{p_{r}}^{x} = \frac{{p_{r}}^{c} M_{c}}{M_{x}}

本发明具有以下显著优点及突出性效果：本发明利用云纹对扫描电镜的扫描线间距进行标定的方法，集成了云纹法测量灵敏度高、视场大等优点，可实现实时原位标定，精度高，操作简单，并且考虑了扫描线数和工作距离等因素的影响，为扫描电镜和扫描电镜云纹法用于微纳米变形测量提供了良好的基础。

附图说明

图1为扫描线间距与放大倍数的拟合曲线。

图2为标准光栅在放大倍数为10000倍时的扫描电镜形貌图。

图3为标准光栅在放大倍数为1000倍时的平行云纹图。

具体实施方式

现对本发明的具体实施方式作进一步说明。

首先对扫描电镜的扫描线间距进行初步标定：取一标定试件放在扫描电镜样品台上，选定扫描线数和工作距离，调焦直至得到清晰的试件形貌图，记录不同放大倍数的试件形貌图和图像标尺，利用图像软件测量不同放大倍数下图像标尺所对应的像素数，得到不同放大倍数对应的扫描线间距，并对扫描线间距和放大倍数进行拟合，得到拟合曲线。令扫描线间距等于标准光栅的间距，由上述拟合曲线得出标准光栅形成零场云纹所需的放大倍数M。将标准光栅(可以是平行栅也可以是正交栅)放在扫描电镜样品台上，调整扫描电镜使其扫描线数和工作距离与标定实验时相同，调焦直至得到清晰的标准光栅形貌图，根据放大倍数M调整扫描电镜使标准光栅形成云纹，并记录云纹图像。测量云纹图像的像素间距，利用下述公式计算出该云纹图像所对应的放大倍数M_c下每个像素所对应的实际物理尺寸p_r ^c：

\{\begin{matrix} {p_{r}}^{c} = p_{s} (1 + \frac{1}{m}) & {p_{r}}^{c} > p_{s} \\ {p_{r}}^{c} = p_{s} (1 - \frac{1}{m}) & {p_{r}}^{c} < p_{s} \end{matrix}

其中m为云纹的像素间距；p_r ^c和p_s分别为扫描线间距和标准光栅的间距，二者的大小关系可根据转角云纹法判定，若云纹旋转方向与参考栅相同，则p_r ^c＜p_s；若云纹旋转方向与参考栅相反，则p_r ^c＞p_s。

任意放大倍数M_x下每个像素所对应的实际物理尺寸即扫描线间距p_r ^x的计算公式为：

{p_{r}}^{x} = \frac{{p_{r}}^{c} M_{c}}{M_{x}}

实施例1.

所用扫描电镜型号为FEI Sirion 400NC。首先对扫描电镜的扫描线间距进行初步标定：取一标定试件放在扫描电镜样品台上，选定扫描线数和工作距离：484线和5.1mm，记录不同放大倍数的试件图像和图像标尺，利用图像软件如Photoshop测量不同放大倍数下图像标尺所对应的像素数，得到每个像素所对应的标定物理尺寸即扫描线间距，并对扫描线间距和放大倍数进行拟合，得到拟合曲线及其表达式，如图1所示。本实验中所用的标准光栅为2000线/mm的平行栅，那么当扫描线间距与标准光栅的间距相等时，形成零场云纹，根据前述得出的拟合曲线表达式可得此时放大倍数大概为889×，也就是说在889倍附近能够形成云纹。将标准光栅放在扫描电镜样品台上，抽真空，令扫描线数和工作距离与初步标定实验相同，调焦直至观察到清晰的光栅形貌图，如图2所示。在889倍附近调整放大倍数观察并记录云纹，其中在1000倍下云纹效果最好，如图3所示。利用Photoshop测量云纹图像的间距为：

m＝496/35＝14.2pixels

标准光栅频率为2000线/mm，即标准光栅间距为p_s＝0.5μm。根据转角云纹法判断出p_r＜p_s，故工作距离为5.1mm、扫描线数为484线、放大倍数为1000倍时每个像素所对应的实际物理尺寸即扫描线间距为

因此工作距离为5.1mm、扫描线数为484线、任意放大倍数M_x下每个像素所对应的实际物理尺寸，即扫描线间距p_r ^x的计算公式为：

{p_{r}}^{x} = \frac{{p_{r}}^{c} M_{c}}{M_{x}} = \frac{1000 \times 0.465 μm}{M_{x}} = \frac{465 μm}{M_{x}}

Claims

1.一种利用云纹对扫描电镜的扫描线间距进行标定的方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

2)令扫描线间距等于标准光栅的间距，根据由步骤1)得到的拟合曲线，得出标准光栅形成零场云纹所需的放大倍数M；

4)根据步骤3)得到的云纹图像测量云纹的像素间距，利用下述公式计算出该云纹图像所对应的放大倍数M_c下每个像素所对应的扫描线间距p_r ^c：

\{\begin{matrix} {p_{r}}^{c} = p_{s} (1 + \frac{1}{m}) & {p_{r}}^{c} > p_{s} \\ {p_{r}}^{c} = p_{s} (1 - \frac{1}{m}) & {p_{r}}^{c} < p_{s} \end{matrix}

其中m为云纹的像素间距；p_r ^c和p_s分别为扫描线间距和标准光栅的间距，二者的大小关系根据转角云纹法判定，若云纹旋转方向与参考栅相同，则p_r ^c＜p_s；若云纹旋转方向与参考栅相反，则p_r ^c＞p_s；

(5)计算任意放大倍数M_x下每个像素所对应的扫描线间距p_r ^x，计算公式为：

{p_{r}}^{x} = \frac{{p_{r}}^{c} M_{c}}{M_{x}} .