CN111982266B - 一种扫描电子显微镜电子枪灯丝枪尖振动位移激光测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种扫描电子显微镜电子枪灯丝枪尖振动位移激光测量方法，利用三个多普勒激光测振探头测量电子枪灯丝枪尖的振动位移，并根据振动位移测量结果，计算得到电子枪灯丝枪尖的实际振动位移；实际位移的计算结果能够用于削弱电子枪灯丝枪尖自身振动的影响，进而提升利用扫描电子显微镜进行集成电路检测的准确性。

Description

一种扫描电子显微镜电子枪灯丝枪尖振动位移激光测量方法

技术领域

本申请涉及利用扫描电子显微镜检查集成电路缺陷的工作精度分析领域，具体是一种扫描电子显微镜电子枪灯丝枪尖振动位移测量方法。

背景技术

扫描电子显微镜已广泛应用于材料学、矿物学、冶金学、生命科学、电子学等领域。扫描电子显微镜具有高分辨率、大景深等特点，对于观察粗糙不平的试样表面是十分有利的。工程上能够采用扫描电子显微镜来检查集成电路的缺陷。

在扫描电子显微镜观察集成电路时，向电路表面发射高能量的电子束，同时利用信号接收模块收集返回的信号，并转换成图像信息。在实际操作中，电子枪灯丝枪尖振动的位移直接影响集成电路的表面分析结果。因此，削弱电子枪灯丝枪尖自身振动的影响，精确计算电子枪灯丝尤其是枪尖部分的实际振动位移，进而提升集成电路检测准确性，是目前亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种扫描电子显微镜电子枪灯丝枪尖振动位移测量计算方法，旨在精确测量电子枪灯丝枪尖的位置变化情况。

本发明的技术方案是：

一种扫描电子显微镜电子枪灯丝枪尖振动位移测量方法：在扫描电子显微镜工作时，利用三个激光多普勒测振探头向电子枪灯丝枪尖发射激光，测量电子枪灯丝枪尖的振动位移，利用振动位移测量结果，计算得到电子枪灯丝枪尖的实际位移；

具体地，当扫描电子显微镜在工作时，集成电路板水平安装在操作台上，扫描电子显微镜电子枪的灯丝枪尖垂直于集成电路表面并发射电子；

其中，电子枪灯丝枪尖为截面半径为R的圆柱，等效长度为l；

三个多普勒激光测振探头X₁、X₂和X₃，其中测振探头X₁和X₂与电子枪灯丝枪尖端面放置在同一水平面XOY，且测振探头X₁和X₂测量方向相互垂直，测振探头X₃在平面XOY下方，与平面XOY之间存在夹角α，且测振探头X₃、X₂与电子枪灯丝枪尖圆柱的轴线在同一竖直平面YOZ内；

较佳地，测振探头X₁与电子枪灯丝枪尖端面圆心的连线为x轴，且沿X₁方向为正；测振探头X₂与电子枪灯丝枪尖端面圆心的连线为y轴，且沿X₂方向为正；初始电子枪灯丝枪尖圆柱的轴线为z轴，且竖直向上方向为正，如附图1所示；

具体地，电子枪灯丝枪尖振动位移测量方法具体包括：

1)电子枪灯丝尚未开始工作时，使测振探头X₁、X₂和X₃发射的激光汇聚于电子枪灯丝枪尖的端面圆心位置，并设定此时的位移为零；

2)电子枪灯丝工作时，测振探头X₁、X₂和X₃测量电子枪灯丝枪尖沿三个方向的振动位移；

3)利用测振探头X₁和X₂的测量结果计算电子枪灯丝枪尖在x轴和y轴方向的实际位移；

4)利用测振探头X₁、X₂和X₃的测量结果计算电子枪灯丝枪尖在z方向的实际位移；

较佳地，方案中所述的利用测振探头X₁和X₂的测量结果计算电子枪灯丝枪尖在x轴和y轴方向的实际位移的方法为：测振探头X₁和X₂测得电子枪灯丝枪尖发生振动时沿x轴和y轴两个方向的位移分别为Δx和Δy，设电子枪灯丝枪尖端面圆心最初坐标为(0，0)，沿x轴和y轴两个方向的实际位移分别为X′和Y′，即移动后端面圆心(X′，Y′)，如附图2所示；

振动后的端面圆心满足方程组：

进而得到振动后的端面圆心(X′，Y′)，两组解分别为：

其中

进一步地，利用测振探头X₁和X₂的测量结果Δx和Δy对X′₁，Y′₁和X′₂，Y′₂进行取舍，确定电子枪灯丝枪尖实际的振动位移；

具体地，为保证测振探头X₁和X₂发射的两束激光均能打在圆周上，则Δx和Δy的范围是：

Δx＝{x|-R＜x＜2R}

Δy＝{y|-R＜y＜2R}

进一步地，得到在区域I内，X′，Y′仅存在一组解，在区域II内，X′，Y′存在两组解，在其余区域内无解，如附图3所示，带入电子枪灯丝枪尖端面圆心最初坐标(0，0)，舍去另一组不满足条件的X′，Y′解，得到的唯一解为实际振动后的电子枪灯丝枪尖端面圆心位置；

较佳地，由于电子枪灯丝枪尖z方向的振动值绝大部分来自于电子枪绕根部的摆动，方案中所述的利用测振探头X₁、X₂和X₃的测量结果计算电子枪灯丝枪尖在z方向的实际位移Z′的方法为：测振探头X₃测得电子枪灯丝枪尖沿X₃方向的振动值为x₃，依据所述的X′，Y′的结果，测振探头X₂测得的x轴方向耦合量x_x2为

x_x2＝Δy-Y′

相应地，测振探头X₃测得的x轴方向耦合量x_x3为

进而得到测振探头X₃测得YOZ平面内除去x轴方向耦合的振动(相当于电子枪只有YOZ平面内的振动)为

此时，YOZ平面内Z方向的实际位移Z′如附图4所示，θ为振动后的电子枪灯丝枪尖与初始位置的夹角，此时电子枪灯丝枪尖向测振探头X₃的对侧振动，则有

Z′＝l(1-cosθ)

且

x″₃＝x′₃sinα

可解得实际位移Z′与测量结果x₃、夹角α及等效长度l之间的关系；

同样的，当电子枪灯丝枪尖向测振探头X₃的同侧振动时，如附图5，则有

同理可解得实际位移Z′；

有益效果：

本申请通过布置三个多普勒激光测振探头，对电子枪灯丝枪尖发射激光，得到电子枪灯丝枪尖在各测振探头测量方向上的振动位移，其中两个测振探头X₁和X₂与电子枪灯丝枪尖的端面圆在同一水平面内，第三个测振探头X₃在水平面下方，且与前述测振探头X₂、电子枪灯丝枪尖圆柱中心轴在同一个竖直面内；利用与电子枪灯丝枪尖端面在同一水平面内的两个测振探头X₁和X₂的测量结果，计算电子枪灯丝枪尖在水平面的实际振动位移；再结合第三个测振探头X₃的测量结果，计算电子枪灯丝枪尖在竖直方向的实际位移；与现有技术相比，本发明所示的技术方案利用不同位置的测振探头测量电子枪灯丝枪尖的振动位移，并利用测量结果计算电子枪灯丝枪尖的实际振动位移，从而得到精确的电子枪灯丝枪尖的振动情况。

说明书附图

图1为测振探头X₁、X₂、X₃和电子枪灯丝枪尖的位置关系示意图；

图2为测振探头X₁和X₂的测量结果示意图；

图3为移动后的电子枪灯丝枪尖端面圆分布位置；

图4为电子枪灯丝枪尖向测振探头X₃的对侧振动示意图；

图5为电子枪灯丝枪尖向测振探头X₃的同侧振动示意图；

图6为电子枪灯丝枪尖振动位移测量计算步骤示意图；

图7为电子枪灯丝枪尖振动后，Δx和Δy在D₀区域位置示意图；

图8为电子枪灯丝枪尖振动后，Δx和Δy在D₁和D₂区域位置示意图；

图9为电子枪灯丝枪尖振动后，Δx和Δy在D₃区域位置示意图。

具体实施方式

以下分别结合附图，就本技术中涉及的一种扫描电子显微镜电子枪灯丝枪尖振动位移测量方法，给出进一步的说明；

一种扫描电子显微镜电子枪灯丝枪尖振动位移测量方法，涉及的具体操作如下：

本实施例为电子枪在工作过程时，电子枪灯丝枪尖向水平放置的集成电路表面发射电子，电子枪灯丝枪尖垂直于集成电路表面，在工作时自身振动；

具体地，电子枪灯丝枪尖为长度为l、截面半径为R的圆柱；

在本实施例中，布置三个多普勒激光测振探头X₁、X₂和X₃，用于测量电子枪灯丝枪尖的振动；

具体地，所述的三个多普勒激光测振探头的位置为：测振探头X₁和X₂与电子枪灯丝枪尖端面圆在同一水平面XOY，测振探头X₁和X₂的测量方向相互垂直，设定测振探头X₁与电子枪灯丝枪尖端面圆心的连线为x轴，且沿X₁方向为正，设定测振探头X₂与电子枪灯丝枪尖端面圆心的连线为y轴，且沿X₂方向为正；测振探头X₃不在平面XOY内，与平面XOY之间夹角为α，测振探头X₃、X₂与电子枪灯丝枪尖圆柱的中心轴线在同一竖直平面YOZ内，设定初始电子枪灯丝枪尖圆柱的中心轴线为z轴，且竖直向上方向为正；如附图1所示；

进一步地，电子枪灯丝枪尖振动位移的测量计算步骤如附图6所示；

步骤S1为测振探头测量振动位移；

在本实施例中，所述的测振探头X₁、X₂和X₃，向电子枪灯丝枪尖发射激光，依据激光多普勒效应的基本原理，测得沿测振探头X₁、X₂和X₃方向的振动位移；其中，测振探头X₁与电子枪灯丝枪尖端面圆心的连线为x轴，则沿测振探头X₁方向的振动为x轴方向振动，同理，测振探头X₂与电子枪灯丝枪尖端面圆心的连线为y轴，则沿测振探头X₂方向的振动为y轴方向振动；

步骤S2为XOY平面实际振动位移计算；

在本实施例中，利用测振探头X₁和X₂的测量结果计算电子枪灯丝枪尖在x轴和y轴方向的实际位移；

具体地，设定测振探头X₁和X₂测得电子枪灯丝枪尖发生振动时沿x轴和y轴两个方向的位移分别为Δx和Δy，设电子枪灯丝枪尖端面圆心最初坐标为(0，0)，沿x轴和y轴两个方向的实际位移分别为X′和Y′，即移动后端面圆心(X′，Y′)，如附图2所示；

振动后的端面圆心满足方程组：

得到振动后的端面圆心(X′，Y′)的两组解分别为：

其中

进一步地，利用测振探头X₁和X₂的测量结果Δx和Δy对X′₁，Y′₁和X′₂，Y′₂进行取舍，确定电子枪灯丝枪尖实际的振动位移；

具体地，为保证测振探头X₁和X₂发射的两束激光均能打在圆周上，则Δx和Δy的范围满足：

Δx＝{x|-R＜x＜2R，x≠R}

Δy＝{y|-R＜y＜2R，y≠R}

记为

D＝{(Δx，Δy)|-R＜Δx＜2R，-R＜Δy＜2R}

较佳地，依据振动后的端面圆位置确定X′和Y′解的唯一性；

假设A点为电子枪灯丝枪尖端面圆心的初始位置(0，0)，C点、D点为测振探头X₁和X₂发射的两束激光与实际圆的交点，F点和E点为振动后的端面圆心的可能位置(X′，Y′)，以上各个圆半径均为R；C点坐标为(-R+Δx，0)，D点坐标为(0，-R+Δy)，如附图7所示；

进一步地，X′，Y′解的情况包含以下三种：1)两组解都不存在；2)有且只有一组解；3)有两组解；

两组解都不存在时：

当满足CD＞2R时，两圆均不存在，解得

(Δx-R)²+(Δy-R)²＞4R²

记为D′＝{(Δx，Δy)|(Δx-R)²+(Δy-R)²＞4R²}，则有一组解和有两组解的情况均在D-D′的范围内；

较佳地，将所求范围分割成四个区域，分别为

D₀＝{(Δx，Δy)|-R＜Δx＜R，-R＜Δy＜R}

D₁＝{(Δx，Δy)|R＜Δx＜2R，-R＜Δy＜R}

D₂＝{(Δx，Δy)|-R＜Δx＜R，R＜Δy＜2R}

D₃＝{(Δx，Δy)|R＜Δx＜2R，R＜Δy＜2R}

具体地，对D₀区域，如附图7所示，∠FCD为菱形CEDF的内角的一半，由菱形性质，恒有

由(Δx，Δy)∈D₀，有：

-2R＜-R+Δx＜0，-2R＜-R+Δy＜0

即C点恒在x轴负半轴，D点恒在y轴负半轴，恒有

由于测振探头发射的激光和圆E交点具有物理意义，C点必须在圆的左半周上，D点必须在圆的下半周上；对C点，CE与x轴正半轴的夹角∠CEA＝∠FCD-∠DCA，需满足：

即

cos(∠FCD-∠DCA)＞0

记

有

该不等式恒成立；

同理，对D点不等式恒成立，即D₀范围内，圆E恒存在；

同样地，对圆F，由于测振探头发射的激光和圆F交点具有物理意义，对C点，考虑CF与x轴正半轴的夹角∠ECF＝-∠DCA-∠FCD，需满足：

即

cos(-∠DCA-∠FCD)＞0

即

化简得

(Δx-R)²+(Δy)²＞R²

同理对D点，有

(Δx)²+(Δy-R)²＞R²

在D₀范围内，(Δx，Δy)满足

时，有两个圆满足条件，即X′和Y′有两组解；当

(Δx-R)²+(Δy)²＜R²或(Δx)²+(Δy-R)²＜R²

时，有一个圆满足条件；

进一步地，对D₁区域，如附图8所示，由(Δx，Δy)∈D₁，有：

-2R＜-R+Δx＜0，0＜-R+Δy＜R

即C点恒在x轴负半轴上移动，D点恒在y轴正半轴上移动，恒有

对圆E，测振探头发射的激光和圆E交点应具有物理意义，对C点，CE与x轴正半轴的夹角∠ECA＝∠ECD+∠DCA，需满足：

即

cos(∠ECD+∠DCA)＞0

化简得

解得：

(Δx-R)²+(Δy-2R)²＞R²

对D点，DE与y轴正半轴的夹角∠EDA＝∠DCA+∠ECD需满足：

0＜∠DCA+∠ECD＜π

由∠DCA和∠ECD的范围知，该不等式恒成立；

则圆E存在的条件为：

(Δx-R)²+(Δy-2R)²＞R²

对圆F，DF与y轴负半轴的夹角∠ADF＝∠CDA-∠FCD需满足：

或

由∠CDA和∠FCD的范围知，该不等式恒不成立；

故对D₁区域，有唯一解的区域为：

(Δx-R)²+(Δy-2R)²＞R²

其余区域均为无解；

类似地，对D₂区域，如附图8所示，由Δx和Δy的对称性可得存在唯一解区域为：

(Δx-2R)²+(Δy-R)²＞R²

其余区域均为无解；

进一步地，对D₃区域，如附图9所示，有：

0＜-R+Δx＜R，0＜-R+Δy＜R

即C点恒在x轴负半轴上移动，D点恒在y轴正半轴上移动，恒有

对圆E，测振探头发射的激光和圆E交点应具有物理意义，对C点，CE与x轴负半轴的夹角∠ECA＝∠ECD+∠DCA需满足：

cos(∠ECD+∠DCA)＜0

即

解得：

(Δx-R)²+(Δy-2R)²＜R²

对D点，DE与x轴负半轴的夹角∠EDA＝∠CDA+∠ECD需满足：

cos(∠CDA+∠ECD)＜0

即

解得：

(Δx-2R)²+(Δy-R)²＜R²

则圆E存在的条件为：

对圆F，测振探头发射的激光和圆F交点应具有物理意义，对C点，考虑CF与x轴负半轴的夹角∠FCA＝∠DCA-∠ECD需满足：

或

由∠DCA和∠ECD的范围知，该不等式恒不成立；

故对D₃区域，有唯一解的区域为：

其余均为无解区域；

如上所述，有一个圆满足条件，即X′，Y′有且只有一组解的条件为：

或

或

或

类似地，有两个圆满足条件，即X′和Y′有两组解的条件为：

具体地，以区域I表示X′，Y′仅存在一组解，区域II内表示X′，Y′存在两组解，如附图3所示；

进一步地，带入电子枪灯丝枪尖端面圆心最初坐标(0，0)，在本实施例中，

根据两个测量值和两个实际坐标可以得出是X′₂，Y′₂满足方程，舍去另一个不满足的解，以X′₂，Y′₂来计算圆心即可；

步骤S3为z轴方向实际振动位移计算；

在本实施例中，利用测振探头X₁、X₂和X₃的测量结果计算电子枪灯丝枪尖在z方向的实际位移Z′；

具体地测振探头X₃测得电子枪灯丝枪尖沿X₃方向的振动为x₃，步骤s2求得的X′，Y′的结果以X′₂，Y′₂表示，测振探头X2测得的x轴方向耦合量x_x2为

x_x2＝Δy-Y′

相应地，测振探头X₃测得的x轴方向耦合量x_x3为

进而得到测振探头X₃测得YOZ平面内除去x轴方向耦合的振动(相当于电子枪只有YOZ平面内的振动)为

此时，YOZ平面内Z方向的实际位移Z′如附图4所示，θ为振动后的电子枪灯丝枪尖与初始位置的夹角，此时电子枪灯丝枪尖向测振探头X₃的对侧振动，则有

Z′＝l(1-cosθ)

且

x″₃＝x′₃sinα

可解得实际位移Z′与测量结果x₃、夹角α及等效长度l之间的关系；

同样的，当电子枪灯丝枪尖向测振探头X₃的同侧振动时，如附图5，则有

同理可解得实际位移Z′；

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种扫描电子显微镜电子枪灯丝枪尖振动位移激光测量方法，其特征在于，在扫描电子显微镜工作时，利用三个激光多普勒测振探头X₁、X₂和X₃向电子枪灯丝枪尖发射激光，测量电子枪灯丝的振动位移，利用振动位移测量结果，计算电子枪灯丝的实际振动位移；具体包括：

1)电子枪灯丝尚未开始工作时，使测振探头X₁、X₂和X₃发射的激光汇聚于电子枪灯丝枪尖的端面圆心位置，并设定此时的位移为零；

2)电子枪灯丝工作时，测振探头X₁、X₂和X₃测量电子枪灯丝枪尖沿三个方向的振动位移；

3)利用测振探头X₁和X₂的测量结果计算电子枪灯丝枪尖在水平面的实际位移；所述的利用测振探头X₁和X₂的测量结果计算电子枪灯丝枪尖在水平面的实际位移的方法为：测振探头X₁和X₂测得电子枪灯丝枪尖发生振动时沿x轴和y轴两个方向的位移分别为Δx和Δy，设电子枪灯丝枪尖端面圆心最初坐标为(0，0)，沿x轴和y轴两个方向的实际位移分别为X′和Y′，即移动后端面圆心(X′，Y′)；

振动后的端面圆心满足方程组：

进而得到振动后的端面圆心(X′，Y′)，两组解分别为：

其中

利用测振探头X₁和X₂的测量结果Δx和Δy对(X′₁，Y′₁)和(X′₂，Y′₂)进行取舍，确定电子枪灯丝枪尖实际的振动位移；

为保证测振探头X₁和X₂发射的两束激光均能打在圆周上，则Δx和Δy的范围是：

ΔX＝{X|-R＜X＜2R}

Δy＝{y|-R＜y＜2R}

得到在区域I内，(X′，Y′)仅存在一组解，在区域II内，(X′，Y′)存在两组解，在其余区域内无解，带入电子枪灯丝枪尖端面圆心最初坐标(0，0)，舍去另一组不满足条件的(X′，Y′)解，得到的唯一解为实际振动后的电子枪灯丝枪尖端面圆心位置；

4)利用测振探头X₁、X₂和X₃的测量结果计算电子枪灯丝枪尖在竖直方向的实际位移；

所述的利用测振探头X₁、X₂和X₃的测量结果计算电子枪灯丝枪尖在竖直方向的实际位移Z′的方法为：测振探头X₃测得电子枪灯丝枪尖沿X₃方向的振动值为x₃，依据所述的(X′，Y′)的结果，测振探头X₂测得的x轴方向耦合量x_x2为：

x_x2＝Δy-Y′

测振探头X₃测得的x轴方向耦合量x_x3为：

进而得到测振探头X₃测得YOZ平面内除去x轴方向耦合的振动为：

电子枪灯丝枪尖向测振探头X₃的对侧振动，θ为振动后的电子枪灯丝枪尖与初始位置的夹角，则有：

Z′＝1(1-cosθ)

且

x″₃＝x′₃sinα

可解得实际位移Z′与测量结果x₃、夹角α及等效长度1之间的关系；

当电子枪灯丝枪尖向测振探头X₃的同侧振动时，则有：

同理可解得实际位移Z′。

2.如权利要求1所述的一种扫描电子显微镜电子枪灯丝枪尖振动位移激光测量方法，其特征在于，所述的三个激光多普勒测振探头X₁、X₂和X₃，其中X₁和X₂与电子枪灯丝枪尖端面放置在同一水平面内，测振探头X₃与X₂和电子枪灯丝枪尖的中心轴线在同一竖直面内。

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