CN111477530B - 利用多束粒子显微镜对3d样本成像的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种利用多束粒子显微镜对3D样本成像的快速方法。该方法包括以下步骤：提供该3D样本的层；确定包括在所述层中的特征的特征大小；基于所述层中的所确定的特征大小来确定像素大小；基于所确定的像素大小来确定所述层中的各个束之间的束间距大小；以及基于所确定的像素大小并且基于所确定的束间距大小，利用该多束粒子显微镜的设置对该3D样本的所述层成像。

Description

利用多束粒子显微镜对3D样本成像的方法
技术领域
本发明涉及带电粒子束系统和方法。更具体地，本发明涉及一种利用多束粒子显微镜、对应的系统和对应的计算机程序产品对3D样本成像的方法。本发明特别适用于集成电路的逆向工程。
背景技术
单束粒子显微镜早已为人所知。其中，单个束经由粒子光学器件聚焦到要检查物体上并在该物体上进行扫描。粒子束可以是离子束或电子束。从粒子束入射的位置发射的次级粒子(例如电子)被检测到，并且所检测到的粒子强度被分配给扫描粒子束当前所指向的物体的位置。因此，可以生成物体的粒子光学图像。用粒子束扫描粒子显微镜的视场需要时间。视场范围是有限的。如果要对物体的较大部分进行扫描，则必须将物体相对于粒子显微镜移动，以扫描更远的视场。这又需要时间。需要能够在较短时间内扫描许多物体和相对大的物体的粒子显微镜。可以设想为此类问题提供更多数量的单束粒子显微镜，这些显微镜并行操作以同时扫描多个物体。然而，这是非常昂贵的解决方案，因为必须为每个单独的粒子束提供带有粒子光学器件的专用粒子显微镜。
在此，多束粒子显微镜形成了有前途的方法，因为多个粒子束被共同引导通过单个粒子光学装置，以便用一束粒子束同时扫描要检查的物体。例如在WO 2005/024881 A2和WO 2016/124648 A1中公开了多束带电粒子束系统。
单束粒子显微镜以及多束粒子显微镜的可能应用是3D样本(尤其是逆向工程)的结构分析。逆向工程也称为反向工程，是对人造物体进行解构以揭示其设计、体系结构或从物体中提取知识的过程。对于3D样本的结构分析、成像过程和分层过程可以结合在工作流程中。然后逐层完成对3D样本的成像。通过对整个层堆叠体成像而获得的数据允许重建3D样本的3D数据集。
然而，当在成像中需要高分辨率时，要达到例如纳米量级的体素大小，则必须收集大量数据。当单束粒子显微镜用于成像时，集成电路的逆向工程可能需要几个月的时间。即使利用多束粒子显微镜，重建所需的时间仍然比较长且通常仍需要数周时间。因此，一般的挑战是加速成像，因此加速3D样本重建。
然而，对于集成电路，集成电路内的特征大小通常随3D样本内的深度而变化：需要最高分辨率扫描的最小特征位于芯片的底层，其中上面的层的特征大小通常逐渐增加。
在这种背景下，使用单束粒子显微镜加速成像过程的方法可以是将扫描像素大小调整到适合于对当前扫描的层中的预期最小特征大小成像的值。然而，用于3D样本的3D重建的总体速度仍然太低。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种利用多束粒子显微镜对3D样本成像的更快的方法。该方法特别适用于3D样本的逆向工程，尤其适用于集成电路的逆向工程。
该目的通过下文所述的方法、产品、系统解决。下文还涉及有利的实施例。
根据本发明的第一方面，本发明涉及一种利用多束粒子显微镜对3D样本成像的方法，该方法包括以下步骤：
提供该3D样本的层；
确定包括在所述层中的特征的特征大小；
基于所述层中的所确定的特征大小来确定像素大小；
基于所确定的像素大小来确定所述层中的各个束之间的束间距大小；以及
基于所确定的像素大小并且基于所确定的束间距大小，利用该多束粒子显微镜的设置对该3D样本的所述层成像。
使用单束粒子显微镜调节成像过程的像素大小是加速所述成像过程的关键特征。然而，发明人的研究表明，将该构思简单地转移到多束粒子显微镜并不能直接转化为所期望的加速。如果每个视场的像素数量变小，则这个相应视场的图像采集时间变小。然而，包含多个视场的图像的数据采集时间将由每次视场成像后所需的级移动的开销时间主导。利用校准的速度数据进行的生产量计算表明，当使用低速级时，通过将像素大小增加到超过特定极限，几乎没有速度提高。解决方案是提供一个更快的级，但这非常昂贵。因此，本发明提供了一种解决方案，该解决方案即使利用低速级也可以提供更高的生产量，而利用高速级甚至可以提供更高的生产量：
根据本发明，基于确定的像素大小来确定多束粒子显微镜的各个束之间在要成像的层的平面中的束间距大小。此后，将多束粒子显微镜的各个束之间在要成像的层的平面中的束间距大小调节为确定的束间距大小，并且利用各个束之间的束间距大小被调节后的多束粒子显微镜记录层的图像。这样的效果是，可以保持通过选择适当的像素大小、特别是减少要采集的像素数量而实现的加速。
在下文中，将更详细地描述本发明。
优选地，对3D样本成像需要收集样本的3D数据集。样本本身的尺寸仍然可以很小，例如在微米量级内。优选地，可以将3D样本切成或分成多个层。这样的3D样本可以属于任何类型。实例为神经生物学样本或集成电路。在两个实例中，都需要高分辨率成像，因为作为3D数据“点”大小的体素大小通常处于纳米量级内。
多束粒子显微镜操作所用的带电粒子可以是例如电子、正电子、μ介子、离子或其他带电粒子。
根据本发明的方法包括提供3D样本的层。这意味着3D样本的层以这样的方式提供，即可以使用多束粒子显微镜对其表面成像。可以采用两种通用方法来提供3D样本的层：根据第一方法，3D样本以非破坏性方式分层。在此，例如可以将3D样本切割或切成多个层，其中每个层都放置在基质上，然后可以利用多束粒子显微镜进行单独研究。第二方法是3D样本的破坏性分层。根据这种方法，首先对3D样本的表面成像。之后，例如通过离子束铣削、离子束溅射或带电粒子束诱导气体蚀刻来去除这个表面，使得通过分层产生的新表面体现可以成像的下一个层。3D样本分层的技术实例将在本申请下文中给出。
根据本发明，确定包括在要成像的层中的特征的特征大小。确定特征大小例如可以通过测量包括在感兴趣层中的特征的特征大小来实现。替代性地，已经存在关于包括在要成像的层中的特征的特征大小的先验知识，例如设计数据或其他信息。根据本发明的优选实施例，所确定的特征大小是要成像的层中的最小特征大小。在成像过程中，最小特征大小要求最高分辨率。因此，最小特征大小限制整体像素大小，从而限制3D样本的这一层的成像速度。替代性地，如果不需要最高分辨率的成像，则所确定的特征大小可以是平均特征大小。用多束粒子显微镜对3D样本成像需要在两个不同方向(尤其是正交方向)上用所有束进行扫描。根据实施例，针对每个成像方向分开确定感兴趣层中的特征大小。在这些方向中的每一个上充分扫描最小特征所需的像素大小可以在两个方向上不同。因此，以分开的方式确定两个方向上的特征大小有助于找到最佳像素大小，从而有助于图像采集速度。根据另一个实施例，独立于成像方向来确定最小特征大小。
根据本发明，基于要成像的层中的确定的特征大小来确定像素大小。像素大小限定了成像的分辨率。像素大小可能会在不同的成像方向上不同，但是两个成像方向上的像素大小也可能相同。根据优选实施例，用于对相应层成像的确定的像素大小是最佳像素大小。这意味着像素大小被确定为仍然足够小以用足够数量的像素覆盖要测量的特征，并且同时足够大以允许最大生产量。根据优选实施例，最小特征大小fsmin与最佳像素大小psopt之间的关系是psopt≤0.5fsmin。利用足够小的设置，可以如实地成像最小的特征。优选地，上述关系对于所有方向上的特征大小和像素大小成立。优选地，满足以下关系中的至少一个：0.1fsmin psopt≤0.5fsmin，或0.2fsmin≤psopt≤0.5fsmin，或0.3fsmin≤psopt≤0.5fsmin，或0.4fsmin psopt≤0.5fsmin。
根据优选实施例，可以针对每个成像方向分开确定各个束之间的束间距大小。这意味着在第一方向上的各个束之间的束间距大小可以不同于在第二方向上的各个束之间的束间距大小。当然，在两个成像方向上，各个束之间的束间距大小可以相同。
根据优选实施例，用于对相应层成像的确定的束间距大小是最佳束间距大小。对于这个最佳束间距大小，对3D样本的层成像的总时间可以被最小化。也有可能此外考虑其他成像约束，并且在这些约束下，束间距大小是最佳束间距大小。
根据本发明，基于所确定的像素大小和基于所确定的束间距大小，利用多束粒子显微镜的设置对3D样本的层成像。根据优选实施例，多束粒子显微镜的设置恰好是所确定的像素大小和恰好是所确定的间距大小。然而，情况并不一定如此。在任何情况下，所确定的像素大小和所确定的束间距大小都是用于计算多束粒子显微镜的设置的初始值。例如，可以采用甚至更小的像素大小用于设置，例如为了安全起见，用必要的分辨率成像，或出于其他原因。另一方面，使用大于所确定的像素大小的像素大小可能是有利的，例如，因为在数据评估中仅仅某些特征大小是感兴趣的。类似的考虑对于多束粒子显微镜在束间距大小方面的设置也适用。
根据本发明的优选实施例，单个视场中的像素数量保持恒定来对多个层成像。必须强调的是，如果用于对相应层成像的分辨率改变，则这也适用。换句话说，基于相应层中的特征大小确定的像素大小可以改变，但是由单独带电粒子束扫描的单个视场中的像素数量仍然保持恒定。根据优选实施例，单个视场中的像素数量保持恒定来对3D样本的所有层成像。单个视场中的典型像素数量为3.000×2000＝6.000.000像素。典型像素大小ps在以下范围内：0.5nm至20nm。然后，假设在这个实例中，像素数量保持在3000×2000像素，则对应的束间距大小bps在以下范围内：0.5μm至60μm。优选地，在相邻的单视场之间创建小的重叠区域，这有利于整个图像的重建，特别是拼接。有利地，在每个扫描维度中，单个视场的大小的5％至10％与相邻的单个视场重叠。
可以根据所确定的像素大小和由单独带电粒子束扫描的每个单个视场中所选择的像素数量来确定最佳束间距大小，使得相邻的单视场在每个扫描方向上具有期望的重叠，优选地在单个视场的大小的5％至10％的范围内。
根据本发明的优选实施例，从一组离散值中选择在多束粒子显微镜的设置中的束间距值。这有助于多束粒子显微镜的校准。根据另一个优选实施例，所确定的束间距大小然后被向下舍入到束间距大小的下一个离散值。
根据本发明的优选实施例，基于先验知识确定相应层中的特征大小。例如，3D样本的结构可能已经从其设计中得知。此知识可以用来作出有根据的猜测。一批相同样本中的基本相同的3D样本之前也可能被测量过。
根据本发明的优选实施例，确定预定层中的特征大小包括用光学显微镜对这个层成像。从光学显微镜概览图像中，可以推断出这个层的结构大小。光学显微镜的分辨率低于粒子显微镜的分辨率，并且通常无法准确确定用光学显微镜拍摄的图像中的最小结构大小；然而，可以对最小特征大小进行有根据的猜测。用光学显微镜可以只对要扫描的层的某些区域成像。也可以借助光学显微镜拍摄完整的图像，其中完整的图像可以可选地由多个单独的光学显微图像构成。
根据另一个优选实施例，确定相应层中的特征大小包括用多束粒子显微镜拍摄一个或多个测试图像。可以拍摄具有不同像素大小并因此具有不同分辨率的测试图像。然后可以确定是否可以以必要的精度/分辨率对测试区域中的最小特征大小成像。例如，可以在特别感兴趣的区域中拍摄测试图像。然而，测试图像的数量应限制在不会将对3D样本的成像的总体过程整体减慢到不可接受的程度。
根据本发明的替代性实施例，确定相应层中的特征大小包括分别对在3D样本的表面处散射的散射光或散射粒子进行分析。光或粒子的散射特性与作为散射原点的特征的特征大小有关。
还可以将上述方法中的两种或更多种方法结合起来进行特征大小分析。前提条件是，与用多束粒子显微镜对完整3D样本成像的总体过程相比，特征大小分析可以进行得比较快地、尤其是足够快。优选地，用于特征大小确定的时间是用多束粒子显微镜对3D样本成像所需的时间的≤10％、更优选地≤1％。
根据本发明的优选实施例，该方法还进一步包括以下步骤：
基于这些区域中的特征大小将相应层分类为多个区域。
当特征大小在与一个层的不同区域比较时示出了相当显著的变化时，这种分类特别有意义。例如，层中可能存在仅包括具有大特征大小的特征的区域，存在特征大小为中等特征大小的另一个区域，以及存在特征大小显著小于其他区域的第三区域。因此，充分扫描相应层所需的分辨率在相应层中的区域之间不同。优选地，分类包括确定层中的特征大小并将该层分成具有相似特征大小的区域。确定每个区域的特征大小、优选地最小特征大小。
单个视场(sFOV)是用单独束扫描(成像)的样本区域。多视场(mFOV)是同时用多个单独束成像的区域，并且可以包括例如20、50、100或61或91个sFOV(根据通式3n(n-1)+1，其中n是自然数)或更多个sFOV。优选地，区域由多个mFOV建立，其中，每个mFOV中的最小特征大小是相似的，例如在指定范围内。优选地，形成区域的多个mFOV彼此相邻，使得所建立的区域在数学上连接。取决于区域中的最小特征大小，为相应区域设置成像参数。通常，根据分配给区域的特征大小，不同分类区域的成像参数会彼此不同。
可以将层分类为的区域的数量可以不同。可以在要扫描的层中识别出1、2、3、4、5、10、50或100个区域，甚至更多个区域。也可能对相应层中的特定区域不感兴趣，因此根本不会扫描这个区域。另外，有可能多个区域基本上表现出相同的特征大小，但是这些区域彼此不连接。还可能的是，这些区域相对于相应层中的特征大小示出了特定的图案。
根据优选实施例，该方法的特征在于：
对每个区域确定包括在相应层中的特征的特征大小；
基于所述相应层中的确定的特征大小，对每个区域确定像素大小；
基于所确定的像素大小，对每个区域确定所述相应层中的各个束之间的束间距大小；以及
基于所确定的每个区域的像素大小并且基于所确定的每个区域的束间距大小，利用每个区域该多束粒子显微镜的设置来对该3D样本的相应层成像。
在此，多束粒子显微镜的设定不仅是每层设置，而是相应个层中的每个区域设置。由于基于特征大小对区域进行分类，并且特征大小影响所需的分辨率，因此会影响像素大小，因此在相应层中对每个区域的显微镜设置可以更好地加快和优化整个成像过程。
根据本发明的优选实施例，对于多个层，相应层内的区域的数量和/或相应层内的区域的位置在层与层之间不同。替代性地，根据另一个优选实施例，对于多个层，相应层内的区域的数量和/或相应层内的位置或区域是恒定的。当相应层内的区域数量和/或区域位置在层与层之间不同时，可以在每个层中以非常详细的方式调节像素大小和束间距大小。然而，这需要关于要以高精度成像的每个层的每个区域中的特征大小的具体知识。还存在先验知识导致区域的数量和位置在层之间不变的情况，例如因为3D样本具有原则上已知的非常规则的结构。然后，选择定义区域一次，并在3D样本的整个成像过程中为每个层保留此定义。这样，区域的数量及其位置在每一层中都是相同的。
根据本发明的另一个优选实施例，该方法包括3D样本的准非破坏性分层。优选地，用超薄切片机产生一系列超薄部分并将其置于固体基质上。随后对一系列部分成像。原则上，其他非破坏性分层技术也是可能的。从这个意义上说，非破坏性意味着样本在切割后几乎完全可以物理获得，忽略很小的切割损耗。
根据本发明的另一个优选实施例，该方法包括3D样本的破坏性分层。根据这个实施例，对3D样本的表面成像，然后通常用例如离子束去除几纳米表面，然后新暴露的表面提供下一个层并再次用多束粒子显微镜成像。这个破坏性的分层过程可以重复很多次，直到获得3D样本的完整3D数据集为止。根据优选实施例，分层包括离子束铣削。当3D样本是集成电路时，这种分层方法特别有用。
根据本发明的第二方面，本发明涉及一种利用多束粒子显微镜对2D样本成像的方法，该方法包括：
提供2D样本；
基于多个区域中的特征大小将2D样本分类为这些区域；
确定每个区域的特征大小、特别是最小特征大小；
基于所确定的每个区域的特征大小来确定像素大小；
基于所确定的每个区域的像素大小来确定各个束之间的束间距大小；以及
基于所确定的每个区域的像素大小并且基于所确定的每个区域的束间距大小，利用每个区域该多束粒子显微镜的设置对2D样本成像。
与本发明的第一方面相比，根据这个第二方面的本发明的基本区别在于该样本是2D样本而不是3D样本。2D样本只有一层，并且对2D样本的表面成像。除了这个区别之外，已经结合本发明的第一方面描述了根据这个第二方面的方法步骤。关于本发明的第一方面给出的定义、实例和解释也适用于本发明的第二方面；优选的实施例也可以直接从本发明的第一方面转移到本发明的第二方面，只要没有对样本的几个层成像的前提条件即可。
根据本发明的第三方面，本发明涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品具有用于执行根据上述实施例中的任一个的方法的程序代码。该代码可以用任何可能的编程语言编写，并且可以在控制计算机系统上执行。这样的控制计算机系统可以包括一个或多个计算机或处理系统。
根据本发明的第四方面，本发明涉及一种系统，该系统包括：
-多束粒子显微镜，包括：
带电粒子源，该带电粒子源被配置为产生第一带电粒子束；
多束发生器，该多束发生器被配置为由入射的第一带电粒子束产生多个带电粒子小束，其中，该多个带电粒子小束中的每个单独小束与该多个带电粒子小束中的其他小束在空间上分离开；
物镜，该物镜被配置为以如下方式将入射的带电粒子小束聚焦在第一平面中：该多个带电粒子小束中的第一单独小束撞击在第一平面中的第一区域与该多个带电粒子小束中的第二单独小束撞击在该第一平面中的第二区域在空间上分离开；
投射系统以及包括多个单独检测器的检测器系统，其中，该投射系统被配置为将由于撞击的带电粒子而离开该第一平面内的该第一区域的交互产物成像到该多个单独检测器中的第一检测器上，并且将由于撞击的带电粒子而离开该第一平面中的该第二区域的交互产物成像到该多个单独检测器中的第二检测器上；以及
-用于控制多束粒子显微镜的计算机系统；
其中，包括多束粒子显微镜的系统和计算机系统适于实施根据上述实施例中的任一个的方法。
多束粒子显微镜可以是例如扫描多束电子显微镜(mSEM)。
只要不发生技术上的矛盾，可以将本发明的所描述的实施例彼此组合。
附图说明
参考附图，将更全面地理解本发明。由此示出了：
图1：多束带电粒子系统的实施例的略图；
图2：集成电路的横截面略图；
图3：图示了生产量与像素大小之间的关系的图；
图4：图示了像素大小和束间距的定义的略图；
图5：根据本发明实施例的对3D样本成像的方法的流程图；
图6：根据本发明的另一个实施例的对3D样本成像的方法的流程图；以及
图7：图示了根据不同特征大小分类的层中的区域的略图。
具体实施方式
图1是采用多个粒子束的粒子束系统1的略图。粒子束系统1产生多个粒子束，这些粒子束入射到要检查的物体上，以便使电子从物体发出并随后对电子进行检测。粒子束系统1是扫描电子显微镜类型(SEM)，其采用多个初级电子束3，这些初级电子束入射在物体7的表面上的位置5处，在这些位置处它们产成多个电子束斑。要检查的物体7可以是任何期望的种类，例如包括半导体晶圆、生物样本或材料样本以及小型化元件等的布置。物体7的表面被布置在物镜系统100的物镜102的物平面101中。
图1的放大部分11示出了物平面101的俯视图，在平面101中形成有入射位置5的规则矩形阵列103。图1中的入射位置的数量为25，并且它们形成5×5阵列103。入射位置的数量25是出于简化表示的原因而选择的小数目。实际上，举例来说，束的数量和/或入射位置可以被选择为大得多：20×30、100×100等。
在所表示的实施例中，入射位置5的阵列103是基本规则的矩形阵列，其中在相邻入射位置之间具有恒定的距离P1。这个距离P1还图示了束间距大小，这将在下面更详细地描述。距离P1的示例性值为1微米、10微米和40微米。然而，阵列103也可以具有其他对称性，例如六边形对称性。
在物平面101中形成的束斑的直径可以较小。直径的值的实例是1纳米、5纳米、100纳米和200纳米。用于形成束斑的粒子束3通过物镜系统100聚焦。
入射到物体上的粒子产生从物体7的表面发出的电子。从物体7的表面发出的电子通过物镜102形成电子束9。检查系统1提供电子束路径11以用于将多个电子束9提供到检测系统200。检测系统200包括具有投影透镜205的电子光学器件，该投影透镜用于将电子束9引导到电子多探测器209上。
图1中的部分I2示出了平面211的俯视图，其中各个检测区域平铺，电子束9入射到这些检测区域上的某些位置213。入射位置213位于阵列217中，彼此之间具有规则距离P2。距离P2的示例性值是10微米、100微米和200微米。
这些初级粒子射束3产生于束发成装置300中，该束发生装置包括至少一个电子源301、至少一个准直透镜303、多孔装置305和场镜307。电子源301产生发散电子束309，发散电子束通过准直透镜303变准直，以便形成照射多孔装置305的束311。
图1中的部分I3示出了多孔装置305的俯视图。多孔装置305包括多孔板313，该多孔板中形成有多个开口或孔315。开口315的中心317布置成阵列319，该阵列对应于由物平面101中的束斑5形成的阵列103。孔315的中心317彼此之间的距离P3可以具有例如5微米、100微米和200微米的值。孔315的直径D小于孔的中心的距离P3。直径D的示例性值为0.2×P3、0.4×P3和0.8×P3。
照射束311的电子穿透孔315并形成电子束3。入射到板313上的照射束311的电子被该板捕获，并且不会有助于形成电子束3。
由于施加的静电场，多孔装置305以这样的方式使电子束3聚焦，使得束焦点323形成在平面325中。例如，焦点323的直径可以是10纳米、100纳米和1微米。场镜307和物镜102提供第一成像粒子光学器件，用于将形成焦点的平面325成像到物平面101上，从而形成入射位置5的阵列103或物体7表面上的束斑。物镜102和投影透镜205提供用于将物平面101成像到检测平面211上的第二成像粒子光学器件。因此，物镜102是既是第一粒子光学器件的一部分又是第二粒子光学器件的一部分的透镜，而场镜307仅属于第一粒子光学器件，投射透镜205仅属于第二粒子光学器件。
束开关400被布置在多孔装置305与物镜系统100之间的第一粒子光学器件的粒子束路径中。束开关400也是第二光学粒子器件的在物镜系统100与检测系统200之间的粒子束路径中的部分。
可以从国际专利申请WO 2005/024881，WO 2007/028595，WO 2007/028596和WO2007/060017以及申请号为DE 10 2013 016 113.4和DE 10 2013 014 976.2的德国专利申请中获得关于这类多束检测系统和其中采用的部件(例如，粒子源、多孔板、以及透镜)的其他信息，这些专利申请的公开内容以其全部内容通过援引并入在本申请中。
所描绘的示例性粒子束系统1还包括计算机系统10。这个计算机系统10可以包括若干个计算机和/或子计算机系统。该计算机系统可以包括例如用于控制粒子束系统1、一个或多个图像采集系统和用户界面的控制计算机系统。其他配置也是可能的。
计算机系统10、或计算机系统10的用于将检测到的数据汇编成图像的部件包括至少一个帧捕获器。帧捕获器还获得关于入射在物体7上的粒子束3的扫描偏转已经前进多远的信息。举例来说，此信息可以经由时钟信号被提供给帧捕获器，该时钟信号由计算机系统10或一个不同的时钟发生器输出，并且同样用于控制粒子束3的扫描偏转。然后，帧捕获器通过集成在物体上扫描一定距离时检测到的粒子强度，分别产生图像信息，并且将图像信息转换为图像的灰度值，并且将这些灰度值分配给图像中的位置。然后将像素大小定义和调节为在物体上的距离，在该距离上粒子强度被集成并且被分配图像中的单个位置(像素)。
图2是集成电路的横截面略图。当今的集成电路可以包含多达15个或更多具有结构的层。图2示出的集成电路以非常简化的方式表示集成电路的示意性实例。所描绘的集成电路在z方向上包括五个层。顶部的第一层示出了比较大的特征。与顶层相比，沿z方向计数的第二层包含较小的特征。从沿z方向的顶部开始计数的第三层包含的特征与第二层等中包含的特征相比具有较小的特征大小。一般而言，特征大小在z方向上在层之间逐渐减小。集成电路的底层包括最小的特征。
当对具有多个层的集成电路成像时，对中间层也成像以确保关于通过成像获得的结构的信息完整是有用的。例如，如果集成电路包括15个结构层，则对30个层成像可能是有利的。当然，也可以对甚至更多的层/中间层成像。
为了对包括在层中的小特征成像，需要以比较高的分辨率来执行成像。因此，在扫描期间必须选择比较小的像素大小。有利地，可以基于相应层中存在的最小特征大小来选择最佳像素大小。有利地，在最小特征大小fsmin与最佳像素大小psopt之间保持以下关系：
psopt≤0.5fsmin。优选地，满足以下关系中的至少一个：0.1fsmin psopt≤0.5fsmin，或0.2fsmin≤psopt≤0.5fsmin，或0.3fsmin≤psopt≤0.5fsmin，或0.4fsmin psopt≤0.5fsmin。
图3是图示了生产量与像素大小之间的关系的图，但是没有调节束间距大小。生产量以任意单位表示，且像素大小以纳米为单位。图3中包括的三个曲线图示出了低速级(直线)、中速级(折线)和快速级(虚线)的像素大小与生产量之间的关系。如果像素大小被放大，则生产量通常会增加。这种效应通常从单束粒子显微镜中得知。然而，当达到某个像素大小时(在所示实例中，像素大小约为3到4纳米已经是这种情况)，总数据采集时间(比如自动聚焦时间/自动消像散时间和不随像素大小按比例调节的级移动时间等)开始由开销时间控制。所示的生产量计算清楚地示出了只有通过快速级才能实现高生产量。本发明提供了一种能达到高生产量的解决方案，该解决方案也适用于中速级，甚至适用于低速级。
该解决方案的关键特征还在于基于确定的像素大小调整相应层中的各个束之间的束间距大小。优选地，束间距大小被优化。
图4是图示了根据本发明的像素大小和束间距大小的定义的略图。为了简单起见，在图4中仅示出了三个束b1、b2和b3。当今的多束带电粒子显微镜通常包含更多的单独束，例如超过50个、超过80个或超过100个束。这样的束可以例如布置成矩形图案。其他布置也是可能的。优选地，根据六边形结构布置各个束，例如具有61各或91个单独束(根据通式3n(n-1)+1，其中n是自然数)。
在图4中，每个单独束b1、b2和b3扫描其特定的单个视场(sFOV)。这个sFOV包括特定数量的像素，这些像素针对单独束b1以虚线的矩形图案指示。注意，原则上，用相应的单独束b1、b2和b3对完整的sFOV进行扫描，但为简单起见，图1仅示出了所有像素的节选。像素大小ps指示在成像过程中图像的两个相邻像素之间的束位置的横向增量，换句话说，像素大小ps指示在多个单独带电粒子束扫描样本层期间束位置的横向增量。在所描绘的实例中，像素大小ps在方向x和y上相等。然而，在x方向上的像素大小ps也可以与在y方向上的像素大小ps不同。
束间距大小bps指示在通过多个单独带电粒子束扫描样本层期间单独束之间的距离。在图4中，束间距大小bps被图示为束b1与束b2的sFOV的中心之间的距离。图4中的束间距大小bps是针对x方向指示的。束间距大小bps在y方向上可以具有相同的值或不同的值。优选地，所有相邻对的单独束的束间距大小bps都是相同的，这例如可以利用单独束的六边形或二次布置来实现。对于其他布置，例如矩形布置，束间距大小可以在不同方向上不同。一般而言，不同的成像方向可以彼此正交，但这不是必须的。
图5是根据本发明的实施例的对3D样本成像的方法的流程图。根据方法步骤S1，提供3D样本的层n。原则上，3D样本可以以破坏性或非破坏性的方式分层。如果使用非破坏性方法，则可以将3D样本切割或切成多层，将每一层都放在基质上，然后可以使用多束粒子显微镜进行单独研究。如果应用破坏性分层方法，则优选首先对3D样本的表面成像，然后再去除这个表面，使得分层产生的新表面体现可以扫描的下一个层。一种可能的技术实现是例如离子束铣削。
在步骤S2中，确定包括在层n中的特征的特征大小。优选地，确定存在于这个层n中的最小特征大小。有利地，将快速方法应用于确定特征大小。在此，与用多束粒子显微镜对3D样本的完整层成像所需的成像时间相比，快速是指比较快。优选地，快速方法需要用多束粒子显微镜对样本成像所需的时间的≤10％、更优选地≤1％。替代性地，例如，如果特征大小是设计已知的，则还可以基于有根据的猜测来确定相应层n中的最小特征大小。用于确定相应层中的特征大小、特别是最小特征大小的快速方法包括但不限于以下测量方法：利用光学显微镜对层n成像，利用多束粒子显微镜拍摄一个或多个测试图像，并对散射光或散射粒子进行分析。确定的特征大小、特别是最小特征大小可以被确定为绝对值。
然后，在步骤S3中，基于层n中的确定的特征大小来确定像素大小。优选地，确定的像素大小是最佳像素大小。然后，所选择的像素大小仍然足够小，足以充分对包括在层中的最小特征成像。优选地，最佳像素大小等于或小于相应层中最小特征大小的一半。
在步骤S4中，基于确定的像素大小来确定层n中的多束带电粒子显微镜的各个束之间的束间距大小。优选地，束间距大小是最佳束间距大小。对于给定的档速度，以最佳像素大小和最佳束间距大小实现的生产量优选地尽可能高。优选地，单个视场中的像素数量保持尽可能大，这也产生大的mFOV。然而，随着mFOV的大小增加，粒子束显微镜中的电子光学系统的像差也将增加，并引起样本上的束斑5的较大尺寸。束斑大小决定了多束粒子显微镜可以得到的分辨率，并且应优选地应小于像素大小。因此，mFOV的大小不能被任意选择为大，并且这也限制了可以适当使用的像素数量。根据替代性实施例，利用单独束获取的像素的数量保持恒定。就校准而言，有利的是从一组离散值(例如12μm、15μm等)中束间距大小。然后，优选地，将确定的束间距大小向下舍入到集合中的下一个离散值。另外，优选地，选择束间距大小，使得在相邻的sFOV之间存在小的重叠，以确保充分的整体图像重建(拼接)。实际上，sFOV的总面积的1％至15％与相邻的sFOV重叠。当然，可以为sFOV之间的重叠选择其他值。
在下一步骤S5中，调节多束带电粒子显微镜的带电粒子光学部件，以获得多束带电粒子显微镜的各个束之间的确定的束间距大小。在图1所示的实施例中，可以通过调节场镜307和物镜102的组合激励来实现这个调节，即，通过调节平面325(其中聚焦了各个小束323)成像到平面101中的放大率或成像比例。此外，扫描偏转器(图1中未示出)的扫描范围以如下方式调整，即每个单个视场在两个扫描方向上都具有期望的尺寸。
如以上参考图1所描述，计算机系统10或计算机系统10的用于将检测到的数据汇编到图像上的部件包括至少一个帧捕获器。像素大小被定义和调节为在物体上的距离，在该距离上物体粒子强度被帧捕获器集成并且被分配图像中的单个位置(像素)。
此后，基于确定的像素大小并且基于确定的束间距大小，利用多束粒子显微镜的设置对3D样本的层n成像。随后，提供下一层n+1(或者已经准备好，或者通过以破坏性方式对3D样本分层)。然后，再次执行方法步骤S2、S3、S4和S5。可以重复执行整个方法，直到扫描到感兴趣的3D样本的每一层为止。
图6示出了根据本发明的另一个实施例的成像方法的流程图。与图5所示的实施例相比，图6所描绘的实施例之间的区别在于，在步骤S1中提供了层n之后，在步骤S6中将层n分类为区域。基于这些区域中的特征大小进行此分类。如果层中的特征大小发生明显变化，则可以分类为区域对单独调整成像参数有意义。这意味着，例如，确定区域的最小特征大小，随后基于这个区域中的确定的最小特征大小来确定最佳像素大小，并且另外每个区域还确定束间距大小。以这种方式，针对每个区域或者至少针对每个感兴趣的区域进行多束粒子显微镜的设置参数的调节。如果区域不包括感兴趣的特征，则无需为这个区域设置测量参数，或者甚至无需利用多束粒子显微镜测量这个区域。
一般而言，具有小特征大小的区域需要将相对较小的像素大小还有比较小的束间距大小作为设置。具有中等特征大小的区域基本上需要中等像素大小和中等束间距大小作为。具有大特征大小的区域基本上需要大像素大小和比较大的束间距大小作为设置。如果区域不包括任何相关特征，则无需执行成像。
在对层n成像(全部或仅部分)之后，通过对3D样本的非破坏性分层或破坏性分层，例如通过离子束铣削来提供下一层n+1。
图7是图示了按照不同特征大小分类的层中的区域的略图。在所描绘的实例中，示出了具有不同特征大小的三个不同区域(区域A、区域B和区域C)。在定义区域A、B和C时，可以参考典型特征大小范围。可以先利用快速方法确定层中的特征大小，然后再分别基于典型特征大小定义区域。也可以预先定义特征大小范围，然后将相应层中的区域分配给这个特征大小范围。
区域A包括比较大的特征，因此这个区域可以利用以比较大的像素大小以及比较大的束间距大小为特征的设置来成像。在所描绘的实例中，使用了由大六边形表示的七个mFOV。六边形结构是根据优选实施例的多束粒子显微镜的多个束的六边形布置的结果。然而，其他束布置，例如矩形布置，也是可能的。区域B包括比较小的特征，因此此处选择的分辨率比较高。换句话说，像素大小比较小，并且束间距大小也比较小。小六角形图示了这一点。区域C包括在中等特征大小范围中的特征。在此，用于成像的设置参数包括中等像素大小以及中等束间距大小。在图7中，这由中等大小的六边形表示。
调节用于每一层的多束粒子显微镜的设置以及另外相应层中特定区域的设置可以实现非常准确和快速的成像过程。具体地，可以显著减少完全分析3D样本所需的时间。

Claims (23)

1.一种利用多束粒子显微镜对3D样本成像的方法，该方法包括：
提供该3D样本的层；
确定包括在所述层中的特征的特征大小；
基于所述层中的所确定的特征大小来确定像素大小；
基于所确定的像素大小来确定所述层中的各个束之间的束间距大小；
基于所确定的像素大小并且基于所确定的束间距大小，利用该多束粒子显微镜的设置对该3D样本的所述层成像。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对于多个层，重复地执行这些方法步骤中的至少一个。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所确定的特征大小是相应层中的最小特征大小。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，用于对相应层成像的所确定的像素大小和/或束间距大小是最佳像素大小和/或最佳束间距大小。
5.根据前一项权利要求所述的方法，其中，该最小特征大小fsmin与该最佳像素大小psopt之间的关系为psopt≤0.5fsmin。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，单个视场中的像素数量对于对多个层成像而言保持恒定。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，从该多束粒子显微镜的一组离散值中选择该束间距大小。
8.根据前一项权利要求所述的方法，其中，所确定的束间距大小被向下舍入到该束间距大小的下一个离散值。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，基于先验知识确定相应层中的特征大小。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，确定相应层中的特征大小包括利用光学显微镜对该相应层成像。
11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，确定相应层中的特征大小包括利用该多束粒子显微镜拍摄一个或多个测试图像。
12.根据权利要求1或2所述的方法，其中，确定相应层中的特征大小包括对散射光或散射粒子进行分析。
13.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括：
基于这些区域中的特征大小将相应层分类为多个区域。
14.根据前一项权利要求所述的方法，其中，
对每个区域确定包括在相应层中的特征的特征大小；
基于所述相应层中的确定的特征大小，对每个区域确定像素大小；
基于所确定的像素大小，对每个区域确定所述相应层中的各个束之间的束间距大小；以及
基于所确定的每个区域的像素大小并且基于所确定的每个区域的束间距大小，利用每个区域该多束粒子显微镜的设置来对该3D样本的相应层成像。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，相应层内的区域的数量和/或相应层内的区域的位置
a)对于多个层，层与层之间不同；或者
b)对于多个层是恒定的。
16.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括：
该3D样本的非破坏性分层。
17.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括：
该3D样本的破坏性分层。
18.根据前一项权利要求所述的方法，其中，该分层包括离子束铣削、离子束溅射或带电粒子束诱导气体蚀刻。
19.根据权利要求1或2所述的方法，其中，该3D样本是集成电路。
20.一种利用多束粒子显微镜对2D样本成像的方法，该方法包括：
提供2D样本；
基于多个区域中的特征大小将2D样本分类为这些区域；
确定每个区域的特征大小；
基于所确定的每个区域的特征大小来确定像素大小；
基于所确定的每个区域的像素大小来确定各个束之间的束间距大小；以及
基于所确定的每个区域的像素大小并且基于所确定的每个区域的束间距大小，利用每个区域该多束粒子显微镜的设置对2D样本成像。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述特征大小是最小特征大小。
22.一种计算机程序产品，具有用于执行根据权利要求1至21中任一项所述的方法的程序代码。
23.一种利用多束粒子显微镜对样本成像的系统，包括：
多束粒子显微镜，包括：
带电粒子源，该带电粒子源被配置为产生第一带电粒子束；
多束发生器，该多束发生器被配置为由入射的第一带电粒子束产生多个带电粒子小束，其中，该多个带电粒子小束中的每个单独小束与该多个带电粒子小束中的其他小束在空间上分离开，
物镜，该物镜被配置为以如下方式将入射的带电粒子小束聚焦在第一平面中：该多个带电粒子小束中的第一单独小束撞击在第一平面中的第一区域与该多个带电粒子小束中的第二单独小束撞击在该第一平面中的第二区域在空间上分离开；
投射系统以及包括多个单独检测器的检测器系统，其中，该投射系统被配置为将由于撞击的带电粒子而离开该第一平面内的该第一区域的交互产物成像到该多个单独检测器中的第一检测器上，并且将由于撞击的带电粒子而离开该第一平面中的该第二区域的交互产物成像到该多个单独检测器中的第二检测器上；以及
用于控制该多束粒子显微镜的计算机系统；
其中，包括该多束粒子显微镜和该计算机系统的该系统适于实施根据权利要求1至21中任一项所述的方法。
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