CN111289775A

CN111289775A - 一种扫描电子显微镜成像缺陷判定方法

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Publication number: CN111289775A
Application number: CN202010169099.3A
Authority: CN
Inventors: 李万国; 杜畅
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2040-03-12
Also published as: CN111289775B

Abstract

本发明提供一种扫描电子显微镜成像缺陷判定方法，用于对受机械振动影响的扫描电子显微图像成像质量进行评价，属于电子显微领域。本发明通过以下技术方案实现：(1)扫描电子显微镜成像缺陷的定义；(2)选取扫描电子显微镜在机械振动方面的关键部位；(3)利用所选取关键部位的机械振动测量数据进行电子束参数的传递计算，预测电子束在被观察样品表面的实际照射位置相对理想照射位置的偏离量；(4)绘制照射位置对照图将电子束照射位置偏离量的预测结果可视化；(5)根据照射位置对照图判定成像缺陷的性质和程度。

Description

一种扫描电子显微镜成像缺陷判定方法

技术领域

本发明提供一种扫描电子显微镜成像缺陷判定方法，它具体涉及对机械振动影响的扫描电子显微图像成像质量进行评价，属于电子显微领域。

背景技术

扫描电子显微镜以其易用性、高分辨率和高放大倍数的特点被广泛用于观察和拍摄亚微米、纳米量级的物质表面微观结构。但是，其独特的成像原理也使其成像更容易受到机械振动的影响，即使是低于人类感知阈值的细微振动也可以干扰扫描电子显微镜的成像，使其成像质量恶化。尽管现有隔振系统可以满足静态观察的需要，使机械振动的影响可以被忽略，但在样品需要大行程运动的场合，如大面积晶圆的连续观察，机械振动对扫描电子显微镜成像的影响尚缺乏评价方法，降低了扫描电子显微图像的可信度。

发明内容

针对上述的不足，本发明提供了一种扫描电子显微镜成像缺陷判定方法，用于对受机械振动影响的扫描电子显微图像成像质量进行评价。

本发明是通过以下技术方案实现的：

(1)扫描电子显微镜成像缺陷的定义；

(2)选取扫描电子显微镜在机械振动方面的关键部位；

(3)利用所选取关键部位的机械振动测量数据进行电子束参数的传递计算，预测电子束在被观察样品表面的实际照射位置相对理想照射位置的偏离量；

(4)绘制照射位置对照图将电子束照射位置偏离量的预测结果可视化；

(5)根据照射位置对照图判定成像缺陷的性质和程度。

该发明的特征在于：

(1)使用扫描电子显微镜发出的电子束照射在被观察样品表面的电子束斑的实际位置与理想位置的对照情况定义扫描电子显微镜的成像缺陷；

(2)选取参与扫描电子显微镜成像的少量部位作为测量机械振动的关键部位；

(3)使用扫描电子显微镜在少量关键部位的机械振动测量信号，运用坐标变换的方法结合现有的电子束参数传递计算方法预测电子束斑实际照射位置在机械振动影响下与理想照射位置的偏差；

(4)使用照射位置对照图可视化电子束实际照射位置与理想照射位置偏差的预测结果；

(5)使用照射位置对照图判定扫描电子显微镜成像缺陷的性质和程度。

该发明的有益之处在于：

(1)补充了机械振动存在场合扫描电子显微镜成像质量的评价方法，有利于对该种场合所得扫描电子显微图像的正确理解。

(2)基于现有的振动测量方法和设备进行；

(3)引入坐标变换的方法解决了在振动条件下进行电子束参数传递计算的问题；

(4)方法简单易行，图解直观明了。

附图说明

图1为扫描电子显微镜电子束照射位置分布图及成像缺陷的定义。

图2为扫描电子显微镜在机械振动方面的关键部位示意图，关键部位由粗实线突出表示。

图3为预测电子束在样品表面实际照射位置时所使用的优选坐标系配置，及所需的参数定义。

图4为绘制照射位置对照图所用辅助图样。

图5为照射位置对照图在所述成像缺陷定义下的典型图样。

图6为本发明一种扫描电子显微镜成像缺陷判定方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。本发明采用的机械振动测量方法和设备为机械振动测试领域可满足微米级以下位移振幅、毫米级尺度结构振动测量要求的方法和设备。

(1)扫描电子显微镜成像缺陷的定义

图1描述了电子束斑，即扫描电子显微镜电子束在被观察样品表面的照射区其被机械振动干扰时位置的分布。作为参照，不受任何干扰的电子束斑位置就是图1中由行号和列号标识的所有位置。每个位置灰度值在0(黑色)到255(白色)之间，越接近黑色的区域，实际被照射的次数越多。理想的情况是所有位置均被照射1次，但受振动影响，部分区域无法被照射，部分区域被重复照射，就造成了所述的扫描电子显微镜成像缺陷，包括：

1.1)扫描遗漏，以下简称漏扫，被观察样品表面本应被电子束照射的位置受振动影响实际并未被照射；

1.2)扫描重复，以下简称复扫，被测样品表面本应只被电子束照射1次的位置受振动影响实际多次被照射。

电子束在被观察样品表面的实际照射位置可以通过测量扫描电子显微镜少量关键部位的振动进行预测。

(2)选取扫描电子显微镜在机械振动方面的关键部位

如图2所示，一台典型的扫描电子显微镜其成像系统至少包括样品室、样品台、镜筒、电子枪、聚光镜线圈、扫描线圈和物镜线圈，其中，在扫描电子显微镜成像过程中发挥主要作用从而可以用于预测电子束在样品表面实际照射位置的关键部位是：

2.1)电子枪；

2.2)聚光镜线圈、扫描线圈和物镜线圈；

2.3)样品台。

优选地，如图3所示，使描述电子束参数的坐标系E与被测样品固连，而起点设置在不受振动影响时电子枪形成初级电子束斑的位置，z_E轴由电子枪指向被测样品，x_E轴指向电子束行扫描方向，y_E轴指向电子束行步进方向，这种坐标系配置下所得到的电子束斑照射位置就已将样品台的位移包括在内了，并且各坐标轴的方向符合电子显微领域的惯例。

优选地，在图3所示坐标系下，电子束初始参数p₀只需要包括振动造成的电子枪位移信息(Δx₀,Δy₀)和相对z_E轴的斜率信息(x₀’,y₀’)，在小变形的条件下，斜率信息可直接由振动造成的电子枪绕x_E轴和y_E轴的转角信息(β₀,γ₀)代替。并可将位移信息和斜率信息组合为电子束初始参数列向量{p₀}＝(Δx₀Δy₀ x₀’y₀’)^T。

(3)利用所选取关键部位的机械振动测量数据进行电子束参数的传递计算，预测电子束在被观察样品表面的实际照射位置相对理想照射位置的偏离量

为除电子枪和被观察样品外的其余关键部位指定局部坐标系S_i，S_i的初始位置就是各关键部位在不受振动影响时的位置，但随着关键部位的振动而相对E出现偏离，偏离量D_i可通过振动测量得到，用于将电子束参数在E系和S_i系间变换，只有在每个S_i系中才能使用现有的电子显微领域的电子束参数传递计算方法预测电子束在被测样品表面的照射位置。

优选地，在不受振动影响时，每个局部坐标系S_i的z_Si轴与E系的z_E轴重合，x_SiO_Siy_Si平面与E系的x_EO_Ey_E平面平行，原点O_Si定于每个关键部位的符合电子显微领域惯例的参考平面与E的z_E轴交点处。

优选地，偏离量D_i由各关键部位在E系的振动位移信息和相对z_E轴的斜率信息组合成偏离量向量{D_i}＝(-Δx_i-Δy_i-x_i’y_i’)^T。

优选地，使用矩阵光学的方法进行电子束参数传递计算，最终到达样品表面的电子束参数{p_s}的计算公式为：

其中，矩阵[M_i]描述了各关键部位的偏离量对电子束到达被测样品时照射位置偏离量的贡献，n为减去电子枪和被测样品后剩余的关键部位个数，即2.2)所述的各种线圈的总数。

优选地，关键部位的编号顺序从电子枪开始为0，沿z_E轴正向递增编号，不计被测样品。

矩阵[M_i]的计算公式为：

[M_n]＝[N_n]([L_n]-E)。

并且，连乘符号Π为矩阵的左乘运算：

矩阵[N_j]描述了第j关键部位与第j+1关键部位之间的无场空间的贡献：

其中，d_j即为第j关键部位与第j+1关键部位在不受振动影响时它们的参考平面沿z_E轴的距离。

矩阵[L_j]描述了第j关键部位的贡献，优选地，所有线圈使用共同形式的[L_j]：

其中，θ_j为第j线圈的绕z_Si轴的像转角，f_j为第j线圈沿z_Si轴的焦距。

(4)绘制照射位置对照图将电子束照射位置偏离量的预测结果可视化

解如下不等式，求得实际照射位置在时间轴上的分布：

其中，x_j和y_i分别为行号i，列号j的照射点的理想位置其E系横、纵坐标；x(t)和y(t)分别为行扫描和行步进信号，即照射点的E系横、纵坐标在不受振动影响时其随时间变化的情况；R_x和R_y分别为扫描电子显微镜在x_E方向和y_E方向的成像分辨率(μm或nm)；Δx(t)与Δy(t)即为电子束照射位置偏离量的预测结果。

而解集是分段的，优选地，在稳幅、单一频率横向机械振动的场合，预测的电子束照射位置偏离量具有如下形式：

其中A_x和A_y分别为机械振动在x_E和y_E方向的振幅(μm或nm)，f为机械振动的频率(Hz)，

和

分别为机械振动在x_E和y_E方向的初相位(rad)。则在四分之一振动周期内，x_E和y_E方向各自的分段数I_x和I_y分别为：

A_x/R_x+0.5≤I_x＜A_x/R_x+1.5，取整；

A_y/R_y+0.5≤I_y＜A_y/R_y+1.5，取整；

在四分之一振动周期内各自产生I_x-1和I_y-1个分界点(不含0和π/2相位对应的序数)，分段依据是偏离量大小。

优选地，可使所有横、纵坐标和相应方向上的偏离量、振幅分别除以R_x、R_y并向下取整，即直接使用像素计量位置关系，同时用采样序数k代替时间t，并忽略对缺陷性质和程度无影响的初相位，则区分偏离量大小为m-1(n-1)和m(n)个像素的采样序数分界点在前四分之一振动周期内为：

剩余四分之三周期的解集情况可依据三角函数性质得到。这个过程是对偏离量的离散化过程，所得结果即为辅助图样如图4所示。

按照如下表达式将离散后的偏离量附加到采样序数k以将辅助图样转化为照射位置对照图，如图5所示：

k_rx＝k+m(kt_s)；

k_ry＝k+n(kt_s)·N_r；

其中，k_rx和k_ry分别为k表示的在仅受x_E或y_E振动分量影响时的实际照射位置，它是由采样序数k，即理想照射位置，加上以像素计量的x_E方向偏离量或以行数计量的y_E方向偏离量得到；N_r即为每行的像素总数；m(kt_s)和n(kt_s)为所得的离散后的偏离量；t_s即为扫描电子显微镜的采样时间(s)。

优选地，在稳幅、单一频率横向机械振动的场合，可以只绘制1个或数个的振动周期内的照射位置对照图，如图5所示。k_rx与k_ry各自需要绘制的振动周期数为：

1；

向上取整；

在照射位置对照图中，横轴表示采样序数k，水平实线连接了所解出的k_rx或k_ry，垂直虚线指示分段的分界点，水平实线的高度为偏离量，正高度表示偏离量为使k增加的分段，负高度表示偏离量使k减少的分段。

(5)使用照射位置对照图判定扫描电子显微镜成像缺陷的性质和程度

如图5所示，在照射位置对照图中将能观察到没有水平实线或者有多段水平实线对应的序数分段，其中：

5.1)没有水平实线对应的序数，属于本应被照射却未被照射的序数，因而为漏扫缺陷发生的位置；

5.2)有多段水平实线对应的序数，属于被多次重复照射的序数，因而为复扫缺陷发生的位置；

5.3)缺陷程度，即以k计量的长度，可以直接从照射位置对照图中读取，越长则缺陷程度越严重。

Claims

1.一种扫描电子显微镜成像缺陷的判定方法，通过以下技术方案实现：(1)扫描电子显微镜成像缺陷的定义；(2)选取扫描电子显微镜在机械振动方面的关键部位；(3)利用所选取关键部位的机械振动测量数据进行电子束参数的传递计算，预测电子束在被观察样品表面的实际照射位置相对理想照射位置的偏离量；(4)绘制照射位置对照图将电子束照射位置偏离量的预测结果可视化；(5)根据照射位置对照图判定成像缺陷的性质和程度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：(1)使用扫描电子显微镜发出的电子束照射在被观察样品表面的电子束斑的实际位置与理想位置的对照情况定义扫描电子显微镜的成像缺陷；(2)选取参与扫描电子显微镜成像的少量部位作为测量机械振动的关键部位；(3)使用扫描电子显微镜在少量关键部位的机械振动测量信号，运用坐标变换的方法结合现有的电子束参数传递计算方法预测电子束斑实际照射位置在机械振动影响下与理想照射位置的偏差；(4)使用照射位置对照图可视化电子束实际照射位置与理想照射位置偏差的预测结果；(5)使用照射位置对照图判定扫描电子显微镜成像缺陷的性质和程度。