CN113748481B - 聚焦带电粒子束的方法、计算图像的锐度值的收敛集合的方法、及带电粒子束装置 - Google Patents

聚焦带电粒子束的方法、计算图像的锐度值的收敛集合的方法、及带电粒子束装置 Download PDF

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Abstract

提供一种在样本的表面区域上自动聚焦带电粒子束的方法。方法包含针对对应的多个聚焦强度值取得多个图像；基于该多个图像计算多个锐度值，该多个锐度值是基于该多个图像并利用锐度函数计算的，该锐度函数被提供为频率空间中的总和；以及利用基于计算得到的这些锐度值的黄金比例搜索算法确定多个聚焦强度值的多个后续聚焦强度值。

Description

聚焦带电粒子束的方法、计算图像的锐度值的收敛集合的方 法、及带电粒子束装置
技术领域
本公开内容有关于在样本上的带电粒子束的自动聚焦，例如在样本上的电子束的自动聚焦。具体而言，本公开内容有关于聚焦扫描带电粒子束装置(例如举例来说扫描电子显微镜)的带电粒子束。再者，本公开内容有关于利用带电粒子束装置检验样本的方法。具体而言，检验用于显示器制造的可具有非平坦的表面的大面积的基板，或检验可具有一定程度的弹性或可为非完全平行的基板。更具体而言，本文所述的实施方式有关于用于利用聚焦的带电粒子束检验样本的方法及设备，尤其用于对样本进行成像、检查、缺陷检验、及计量中的至少一者。进一步的，描述了用于检验样本的带电粒子束装置。
背景技术
在许多应用中，薄层沉积在基板上，例如沉积在玻璃上，或沉积在例如或为非导电基板的基板上。基板是通常在涂布设备的真空腔室中被涂布。对于一些应用，使用气相沉积技术在真空腔室中涂布基板。在近几年，电子装置且尤其是光电装置的价格已显著降低。再者，显示器中的像素密度已提高。对于TFT显示器，高密度TFT整合是有利的。尽管装置中的薄膜晶体管(thin-film transistor,TFT)的数量增加，产量仍将增加且制造成本仍将进一步减少。
一个或多个结构或层可沉积在基板上，例如玻璃基板上，以在基板上形成电子或光电装置(例如TFT)的阵列。其上形成有电子或光电结构的基板在本文也称为“样本”。在TFT显示器及其它样本的制造期间，检验沉积在样本上的一个或多个结构以监控样本的质量可为有利的。
举例而言，可通过光学系统执行样本的检验。然而，要识别的样本的一些特征的尺寸或缺陷的大小可能低于光学分辨率，使得一些缺陷对于光学系统而言是不可解析的。可利用带电粒子(例如电子)来检验样本的表面，相较于光学系统，其可提供更佳的分辨率。
对于检验及其它成像应用，尤其在显示器工业中，并对于半导体工业，产量是重要的考量。样本上的收敛的电子束的适当聚焦提高成像及检验的质量。系统提供半自动化的聚焦，其中工具的操作者协助聚焦程序。对于在样本上的束的完全自动化的聚焦，一些自动聚焦概念已经被描述。用于自动聚焦带电粒子束的时间被加在用于对样本上的区域进行成像的总时间中，且由此降低了产量。这可特别有关于在大面积的基板上利用带电粒子束成像，用于基于半导体晶片及玻璃的多个TFT上的高产量应用，比方例如多束检验工具，其多个小射束聚焦在样本上。
因此，期望带电粒子束装置的改良的聚焦，尤其是带电粒子束装置的改良的自动聚焦。
发明内容
鉴于以上，是提供一种在样本的表面区域上自动聚焦带电粒子束的方法、一种计算带电粒子束装置的图像的锐度值的收敛集合的方法、一种用以对样本进行成像的带电粒子束装置，尤其是根据独立权利要求。进一步的概念、优点及特征是显见于从属权利要求、说明书及附图。
根据一个实施方式，提供一种在样本的表面区域上自动聚焦带电粒子束的方法。方法包含取得第一聚焦强度值的第一图像；基于第一图像计算第一锐度值，第一锐度值是利用锐度函数计算的；以及利用黄金比例搜索算法基于计算得到的第一锐度值确定第二聚焦强度值。
根据一个实施方式，提供一种在样本的表面区域上自动聚焦带电粒子束的方法。方法包含针对对应的多个聚焦强度值取得多个图像；基于多个图像计算多个锐度值，多个锐度值是利用锐度函数计算的；以及利用黄金比例搜索算法基于计算得到的这些锐度值确定多个聚焦强度值的多个后续的聚焦强度值。
根据一个实施方式，提供一种计算带电粒子束装置的图像的锐度值的收敛集合的方法。该方法包含提供第一聚焦强度值及第二聚焦强度值，第一聚焦强度值及第二聚焦强度值提供第一聚焦强度范围，并且提供聚焦强度精确度，以作为收敛算法的多个输入参数；基于黄金比例或数个斐波那契数(Fibonacci numbers)且根据该第一聚焦强度值与该第二聚焦强度值的计算第三聚焦强度值及第四聚焦强度值；利用该第三聚焦强度值与该第四聚焦强度值对样本成像，以获得多个图像；利用锐度函数从这些图像计算多个锐度值；通过迭代地将该第一聚焦强度值或该第二聚焦强度值替换为从该第三聚焦强度值或该第四聚焦强度值选择的邻近的聚焦强度值，并变更该第三聚焦强度值或该第四聚焦强度值，从而基于这些锐度值确定窄于该第一聚焦强度范围的第二聚焦强度范围；以及迭代地对该样本进行成像以获得多个另外的图像，并从这些另外的图像计算多个锐度值。
根据一个实施方式，提供一种用以对样本进行成像的带电粒子束装置。该装置包含带电粒子源，经构造以射出带电粒子束；物镜，经构造用于利用聚焦强度值将沿光轴传播的该带电粒子束聚焦至该样本上；以及一控制器，经构造以根据本公开内容的实施方式中的方法调节该聚焦强度值。
附图说明
在包括参照附图的本说明书的剩余部份中阐述了对于本领域技术人员而言完整且可行的公开内容，其中：
图1显示构造为操作根据本文所述的方法的带电粒子束装置；
图2A至图2C显示在不同聚焦条件中的带电粒子束装置，以绘示本公开内容的实施方式；
图3A至图3C显示在不同工作距离条件中的电粒子束装置，以绘示本公开内容的实施方式；
图4A为绘示根据本公开内容的实施方式的收敛算法的示意图；
图4B显示了可对应图4A的示意图的示例的锐度函数；
图5显示绘示根据本公开内容的收敛算法的实施方式的流程图；以及
图6显示绘示根据本文所述的实施方式的自动聚焦带电粒子束的方法的流程图。
具体实施方式
将详细参照示例实施方式，示例实施方式的一个或多个示例绘示于附图中。各示例通过说明的方式提供且不意味为限制。举例而言，所作为一个实施方式的一部份说明或描述的特征可用于其他实施方式或与其他实施方式结合，以获得进一步的其他实施方式。本公开内容意欲包括此些调整及变化。
在下方附图的说明中，相同的附图标记意指相同的元件。仅说明有关于个别实施方式的相异处。显示在图式中的结构不需以真实比例描绘，而是为了更好的理解实施方式。
图1示出带电粒子束装置100，其经构造以根据本文所述的方法操作。带电粒子束装置100可包含具有束源110的扫描电子显微镜102，束源110经构造以产生带电粒子束101，尤其是电子束。带电粒子束101可沿着穿过扫描电子显微镜102的柱103的光轴A定向。柱103的内部容积可被抽空。扫描电子显微镜102可包含多个束影响元件，例如一个或多个束偏转器、扫描偏转器(scan deflectors)140、加速器115、减速器、透镜元件120、或其它聚焦或散焦元件、束校正器、束分离器、检测器、和/或为了影响沿光轴A传播的带电粒子束101而提供的另外元件。
带电粒子束装置100包含平台20及物镜150，平台20用以在其上布置待检验的样本10，物镜150经构造以在设置在平台20上的样本10上聚焦带电粒子束。
平台20可设置在样本检验腔室105中，在一些实施方式中样本检验腔室105可被抽空。在一些实施方式中，平台20可为可移动的平台。尤其，平台20在垂直于带电粒子束装置100的光轴A的平面(本文可称作为X-Y平面)中是可移动的。通过在X-Y平面中移动平台20，样本10的特定的表面区域移动至扫描电子显微镜102下方的区域中，使得可通过在特定的表面区域上聚焦带电粒子束101来检验特定的表面区域。举例而言，在图1中，样本10的第一表面区域11与扫描电子显微镜102的光轴A相交，从而能检验第一表面区域11。如下将要更详细的说明，平台20在Z方向中(即在光轴A的方向中)也是可移动的。
根据本文所述的实施方式，样本10的一个或多个表面区域由带电粒子束装置100检验。本文使用的用语“样本”可相关于其上形成有一个或多个层或特征的基板。样本可被检验以用于以下中的一者或多者：(i)对样本的表面进行成像，(ii)测量样本的一个或多个特征的尺寸，例如在横方向(即在X-Y平面)上的尺寸，(iii)进行临界尺寸测量和/或计量，(iv)检测缺陷，和/或(v)探查样本的质量。
图1进一步示出样本在相较于第一表面区域的不同高度处的表面区域。从而，相较于第一表面区域，物镜与待成像的表面区域之间的工作距离(working distance,WD)对于第二表面区域是不相同。类似的作用可发生在平台20未精确垂直于光轴A的事件中。特别对于几平方米的表面面积的大面积的基板而言，原本小的偏差可能造成待成像的表面在不同样本位置处的不同高度。在显示器工业中，平台与玻璃的公差导致的高度差异可能造成待检验的表面区域在高度上可能与预定的工作距离相差高达几百微米。因此，广范围的聚焦可考虑自动聚焦。进一步的，可更常使用自动聚焦程序。
本公开内容的实施方式提供一种在样本的表面区域上聚焦带电粒子束(例如电子束)的方法。由于本共开内容的自动聚焦的提升的速度，可减少用于聚焦的时间，例如在某些情况中减少用于聚焦的时间50％至70％。因此，可显著提高自动扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)的产量，例如双倍产量。额外地或选择性地，可提高自动聚焦的成功率。可提供具有改善的可靠度(举例而言也具有改善的噪音图像)的扫描电子显微镜的操作。
本公开内容的实施方式提供一种自动聚焦，其中多个聚焦条件下的图像被测量。从一个测量的图像计算一个锐度参数。利用收敛算法最佳化锐度参数。锐度参数包含取得的图像的变换与滤波。黄金比例收敛算法，举例而言，斐波那契收敛算法(Fibonacciconvergence algorithm)被应用。
对于扫描电子显微镜的自动聚焦，鉴于用以提供快速收敛的选项，在过去已经讨论了黄金比例收敛算法(golden ratio convergence algorithms)。然而，在缺乏适当的锐度函数的情况下，收敛算法可能相当频繁的失败，即自动聚焦的成功率是低的。在先进的制造技术中，尤其对于半导体及显示器制造，扫描电子显微镜有利地自主进行聚焦操作以支持检验系统，例如电子束检验(Electron Beam Inspection,EBI)工具、计量系统或检查系统，举例而言，对于电子束检查(Electron Beam Review,EBR)，在1天24小时、1周7天具有高成效且另一方面速度也很快。用以聚焦束的时间是用以提升上述系统的产量的参数。因此，提供具有良好的成功率且具有短的聚焦时间的自动聚焦是有利的。本公开内容的实施方式提供锐度函数与收敛算法的组合，且因此可提供两者的优点。
如图1中示意描绘，样本10可包含提供在第一高度处的第一表面区域11，及提供在第二高度处的第二表面区域12，第二表面区域12与第一表面区域11横向间隔。换句话说，相对于物镜150的平面，第一表面区域11的高度不同于第二表面区域12的高度。一些实施方式中，样本(其可具有平坦的或非平坦的样本表面)可设置在平台20上，其中平台20具有公差或非平坦的平台表面。因此，当样本10设置在平台上时，样本也可具有布置在不同高度处的第一表面区域11及第二表面区域12。设置在平台上的样本的表面区域的“高度”可指表面区域在光轴A的方向上的高度，即相对于物镜150的平面的高度。
为了利用带电粒子束101对样本进行成像，带电粒子束通常利用物镜150聚焦在样本表面上。当带电粒子束101打在样本表面上时产生二次电子或背向散射电子(皆可称为“信号电子”)。信号电子提供尤其样本表面的特征的空间特性及尺寸的信息，且被检测器130检测。通过例如利用扫描偏转器140在样本表面上方扫描带电粒子束101，并检测作为信号电子的产生位置的函数的信号电子，能对样本表面或其一部分进行成像。在一些实施方式中，可提供一个或多个扫描偏转器140以(例如在X方向和/或Y方向上)在样本的表面上扫描带电粒子束101。
样本表面上的聚焦的带电粒子束的光点尺寸的缩减提高可得到的图像分辨率。因此，在检验期间，样本表面有利地设置在物镜的聚焦平面中。物镜150的下游端与样本表面所要被设置的带电粒子束的聚焦平面之间的距离通常被称为带电粒子束装置100的“工作距离”。
根据本公开内容的实施方式，带电粒子束装置在样本上的聚焦被调节。根据本文所述的实施方式，物镜可包含具有一个或多个线圈的磁透镜组件151。聚焦强度能通过改变一个或多个线圈中的聚焦电流而被调适。额外地或选择性地，物镜可包含静电透镜组件。因此，聚焦强度能另外地通过改变柱中的相对电位而被调适。举例而言，静电透镜组件的电极可被偏置以改变电位，从而改变聚焦作用，和/或样本可被偏置以改变电位，从而改变聚焦强度。再者，柱中的束能量能例如通过偏置源和/或电极以改变电位而被调适。束能量也可影响样本上的物镜的聚焦强度。再者，额外地或选择性地，平台能被移动以改变与物镜的距离。因此，待成像的表面区域能在高度(Z方向)上进行改变以对焦(in focus)或失焦(outof focus)。然而，如以下更详细的解释，工作距离也影响其它成像特性，使得能与本文所述的其它实施方式组合的本公开内容的实施方式有利地调节聚焦强度及工作距离(workingdistance,WD)。
图2A显示在工作距离d处的物镜150与样本10，其中带电粒子束是过焦的(overfocused)。物镜的聚焦强度可依据待成像的表面区域的局部高度(local height)而被调适。举例而言，可通过降低供应至一个或多个线圈的聚焦电流FC(提高聚焦距离)降低物镜的聚焦强度。图2C显示在工作距离d处的物镜150与样本10，其中带电粒子束是欠焦的(underfocused)。可通过提高供应至磁透镜组件151的一个或多个线圈的聚焦电流(降低聚焦距离)提高物镜的聚焦强度。作为聚焦电流的补充或替代，可改变其它上述参数中的一个或多个以调节聚焦强度。图2B示意显示具有于工作距离D的最佳聚焦的物镜与样本。
图3A显具有第一WD的情况，其中束是过焦的，即样本的表面区域是过低的。图3C显示具有WD的情况，其中束是欠焦的，即表面区域是过高的。图3B显示具有WD的情况，其中示意示出最佳聚焦。
在带电粒子束装置100的启动或保养期间进行的校准只对特定范围的聚焦强度有效。由于未在适当的距离处的样本表面造成物镜的聚焦强度的强烈变化，因此负面影响测量精确度。校准典型地在预定的聚焦平面中进行。向扫描偏转器140提供给定的扫描电流以成像具有已知的尺寸的校准物体。使用与位于在预定的工作距离处的已知的校准物体的大小的相关性，允许计算对应于给定大小的图像的扫描电流，也被称为“视角(field ofview,FOV)”。因此，能确定用于任何给定的FOV的适当的扫描电流。当样本的高度改变已知的值，且选择FOV以对样本成像时，误差发生。尤其，所使用的扫描电流产生的FOV并不是未放置在进行了校准的预定聚焦平面中的样本区域的真实FOV。
在本文中，应注意，对于在样本上具有高着陆能量的带电粒子束，上述测量误差可相当低。然而，当使用具有低的着陆能量的带电粒子束，例如在具有1keV或更低的着陆能量的电子束的情况中时，测量误差可变得显著。因此，在包含低电压扫描电子显微镜(LV-SEM)的带电粒子束装置的情况中，测量误差可变得显著。
低能量电子束有利于玻璃样本或其它非导电样本的检验。然而，低能量电子束对样本表面的高度变化更为敏感。
因此，控制带电粒子束装置的聚焦的点，使得待探查的样本表面紧靠先前进行了校准测量的预定聚焦平面是有利的。因此带电粒子束装置能以高的精确度与降低的测量误差操作。
本文所述的对样本10进行成像的方法(见例如图1)包含在平台20上设置样本10。样本10包含第一表面区域11，其将由带电粒子束装置100检验。第一表面区域11设置在距离物镜150(初始未知的)第一距离处。由于从物镜150至第一表面区域11的第一距离D1并非初始已知的，第一表面区域11可能未放置在物镜的聚焦平面中。此外，第一表面区域11可能未放置在距离物镜150预定的工作距离处。物镜的第一聚焦强度被确定，其中第一聚焦强度被调适以在样本的第一表面区域11上聚焦带电粒子束101。通过以第一聚焦强度在第一表面区域11上聚焦带电粒子束101，可以获得第一表面区域11的清晰图像。然而，第一表面区域11可能未设置在先前进行了校准测量的预定的工作距离处。第一距离与预定的工作距离之间的差异可基于确定的第一聚焦强度计算。然后第一表面区域11与物镜150之间的距离可通过计算的差异进行调节。在调节距离之后，第一表面区域11实质上设置在先前进行了校准测量的距离物镜150预定的工作距离WD的位置处。因此，能进行样本表面的尺寸的精确测量。图1示意显示了调节单元180，调节单元180接收计算的差异，且例如通过在光轴A的方向上移动平台20以调节第一表面区域11与物镜150之间的距离。
根据本公开内容的实施方式，样本10可包含非柔性的基板，例如，玻璃基板、玻璃板、或半导体晶片，或柔性的基板，例如柔性玻璃、或卷材、或箔。样本可为涂布基板，其中一个或多个薄材料层或其它特征例如通过物理气相沉积(PVD)工艺或化学气相沉积(CVD)工艺沉积在基板上。尤其，样本可为其上形成有多个电子光电装置的用于显示器制造的基板。用于显示器制造的大面积的基板，由于大面积的基板的更大的放置公差，可得益于本文所述的实施方式的自动聚焦。形成在基板上的电子或光电装置典型地为包含薄层的堆叠的薄膜装置。举例而言，样本可为其上形成有薄膜晶体管(TFT)的阵列的基板，例如基于薄膜晶体管的基板。再者，样本可为半导体晶片。举例而言，对于检验应用，高的产量是有利的且，举例而言，尤其多束应用也可得益于本文所述的实施方式的自动聚焦。
根据一些实施方式，样本可包含具有至少1平方米的尺寸的大面积基板。此尺寸可以从约1.375平方米(1100毫米×1250毫米-第5代(GEN 5))至约9平方米，更具体地从约2平方米至约9平方米或甚至高达12平方米。举例而言，基板可以是第7.5代(GEN 7.5)，其对应于约4.39平方米(1.95米×2.25米)的基板面积；第8.5代(GEN 8.5)，其对应于至约5.7平方米(2.2米×2.5米)的基板面积；或者甚至第10代(GEN10)，其对应于约9平方米(2.88米×3130米)的基板面积。甚至更高世代，如第11代(GEN 11)和第12代(GEN 12)可以被实施。
根据本公开内容的实施方式，对于带电粒子束装置，物镜的聚焦强度尤其控制样本的表面上的带电粒子束的收敛。对于本文所述的实施方式，带电粒子束可以是电子束，例如扫描电子显微镜的电子束。聚焦条件由带电粒子束装置的聚焦强度与工作距离限定。举例而言，工作距离与聚焦强度两者皆可以被调节。尤其，第一聚焦强度可被调节以用于第一工作距离调节。第二聚焦强度与第二工作距离可以基于第一聚焦强度确定。根据可以与本文所述的其它实施方式组合的一些实施方式，第二工作距离是带电粒子束装置的先前的校准所使用的工作距离。
本公开内容的实施方式提供一种自动聚焦方法，其是完全自动化的(即，操作者的水平无关)，以针对给定的工作距离确定带电粒子束装置的聚焦强度。聚焦强度可由物镜激发或由上述的其它参数调节，并提供改良的成像，例如样本的表面区域上的最佳聚焦。
调适带电粒子束装置的聚焦强度的方法包含以第一聚焦强度取得第一图像。根据可以与本文所述的其它实施方式组合的本公开内容的一些实施方式，图像可包含在样本的表面区域处的一个或多个框。利用锐度函数从第一图像计算第一锐度值。以第二聚焦强度取得第二图像。利用锐度函数从第二图像计算第二锐度值。可以利用进一步的聚焦强度可迭代地取得另外的图像。至少取得产生至少第三锐度值的第三图像。进一步的聚焦强度从先前的锐度值计算出，尤其是从最后一个锐度值或从最后二个锐度值计算出，其中利用收敛算法。
根据本公开内容的实施方式，收敛算法可以是黄金比例搜索函数。确定单峰函数(即作为聚焦强度的函数的锐度值)的最大值。黄金比例搜索确定其中最大值位于第一聚焦强度值与第二聚焦强度值之间的范围，且选择后续的聚焦强度值，即第三聚焦强度值，从而三个一组(triplet)的聚焦强度值具有黄金比例的差异(1.61803)。再次利用第四聚焦强度值探测提供黄金比例的三个一组的聚焦强度值。依据第四锐度值，可以确定聚焦强度值的范围的哪个部分可以被抛弃，即用于确定最大值的聚焦强度值的范围是窄的。
这可从图4A与图4B中看出。图4A显示较低的聚焦强度值F1与较高的聚焦强度值F2。第三聚焦强度值F3在F1与F2之间，其中为F1与F3的差异及F2与F3的差异提供黄金比例。聚焦强度值各自具有对应的锐度值S1至S3。第四聚焦强度值F4为F3与F4之间的差异及F4与F2之间的差异提供了黄金比例。在探测聚焦强度值F4会造成图4A中所示的锐度值S4a的事件中，很清楚的是，单峰函数的最大值会在F3与F2之间。在探测聚焦强度值F4会造成图4A中所示的锐度值S4b的事件中，很清楚的是，单峰函数的最大值会在F1与F4之间。因此，在两种情况中，搜索间距会被缩窄，且收敛算法能提供再次提供黄金比例的进一步的聚焦强度值而继续。示例的锐度函数是显示于图4B中。通过评估连续取得的图像的锐度，算法朝趋向收敛的方向前进。
根据可以与本文所述的其它实施方式组合的进一步实施方式，可以提供类似的搜索，如斐波那契搜索(Fibonacci search)，其中间距的长度(例如F1-F2或F2-F3)是由基于多个斐波那契数的计算提供的。
此收敛算法可以提供快速收敛。然而，对于大多数的锐度函数，成功率是低的，因为当在一个探测步骤错误地抛弃正确的间距(即包含最大值的间距被抛弃)的事件中，将没有算法的正确的收敛锐度值。本公开内容的实施方式利用黄金比例搜索或黄金区间搜索，例如斐波那契搜索，以用于带电粒子束装置的自动化的聚焦。例如相较于光线光学系统，带电粒子束装置的信号对噪音的比例是较低的。因此，相较于光线光学系统，带电粒子束装置的成功率可显著为低的。
本公开内容的实施方式提供黄金比例搜索与锐度函数的组合，其中锐度函数是适用以提供良好的成功率与快速的收敛这两者。根据可以与本文所述的其它实施方式组合的一些实施方式，锐度函数是不对称的。在显示于图4A中的例子中，间距的锐度值的其中一个(即S1与S2)高于其它的锐度值。锐度函数的不对称，尤其是起始聚焦值的不对称提高成功率。根据可以与本文所述的其它实施方式组合的进一步的实施方式，只有在锐度函数的最大值附近的窄范围中，锐度函数的斜率是高的且接近零。
自动聚焦的收敛的速度取决于锐度函数与收敛算法两者。实施方式提供灵活的自动聚焦，其中具有上述特性的黄金比例搜索与锐度函数进行了组合。提供自动聚焦机构以用于带电粒子束系统。这可为带电粒子束系统例如低电压扫描电子显微镜。
根据可以与本文所述的其它实施方式组合的一些实施方式，锐度函数可以为图像微分锐度函数。多个图像可以为灰阶图像fi,j。锐度S可计算自：
Figure GDA0004096898120000111
对于锐度函数S，p与q为≥1的有理数。k与l为间距[0,1]内的有理数。v与u为图像fi,j中的水平及垂直位移。
根据可以与本文所述的其它实施方式组合的进一步的实施方式，锐度函数可以基于索贝尔算子边缘检测(Sobel operator edge detection)。举例而言，图像中的边缘可以检测且锐度函数S可计算自：
Figure GDA0004096898120000112
其中S1与S2为以下的索贝尔算子：
Figure GDA0004096898120000113
且/>
Figure GDA0004096898120000114
且“*”表示离散卷积(discrete convolution)。
根据进一步的实施方式，锐度函数可基于傅里叶变换(Fourier transform)。傅里叶变换锐度函数可利用具有良好的聚焦的图像中的特定频率的幅度高于具有不太好的聚焦的图像中的特定频率的幅度。
举例而言，锐度值可基于傅里叶变换，傅里叶变换评估变换至频率空间中的图像的频率。根据一些实施方式，锐度函数可定义为图像的滤波后的傅里叶变换的函数的总和，尤其是图像的带通滤波后的离散傅里叶变换G(k,l)的函数的总和。
Figure GDA0004096898120000115
根据可以与本文所述的其它实施方式组合的一些实施方式，总和所应用的函数可以为滤波的傅里叶变换的绝对值的总和、滤波傅里叶变换的平方值的总和、或滤波变换值的其它函数，例如距离频率空间的原点的距离函数。作为其它例子，可使用滤波的傅里叶变换的模数的平均总和，即可应用于滤波函数的值的计数函数。
一些实施方式中，基于傅里叶变换的锐度函数可以通过使用有限范围的离散傅里叶变换运算。举例而言，可省略带通滤波器，其中傅里叶变换G(k,l)是在分别沿傅里叶空间的两轴从k1与l1处开始跨越Δk与Δl的预定范围中运算。
Figure GDA0004096898120000121
根据进一步的实施方式，锐度函数可基于夏尔算子边缘检测(Scharr operatoredge detection)。夏尔算子边缘检测器的锐度可以为：
Figure GDA0004096898120000122
其中Sch1与Sch2为如下的夏尔算子：
Figure GDA0004096898120000123
且/>
Figure GDA0004096898120000124
且“*”表示离散卷积。
上述的锐度函数与黄金比例搜索算法组合允许具有高成功率的快速自动聚焦。根据一些实施方式，提供一种在样本的表面区域上自动聚焦带电粒子束的方法。方法包含针对对应多个聚焦强度值取得多个图像；基于多个图像计算多个锐度值，多个锐度值是利用锐度函数计算的；以及利用黄金比例搜索算法基于计算得到的这些锐度值确定多个聚焦强度值的多个后续的聚焦强度值。锐度函数可以从由以下所构成的群组选择：基于根据多个图像的图像微分锐度的锐度函数、基于例如有限范围离散傅里叶变换频率空间中的总和的锐度函数、基于索贝尔算子边缘检测器的锐度函数、及基于夏尔算子边缘检测器的锐度函数。
图5示出了流程图，其绘示计算锐度函数尤其是上述的锐度函数的收敛算法的方法的。聚焦强度的下限a、聚焦强度的上限b及聚焦强度的精确度级别ACC被提供以用于该算法。举例而言，聚焦强度可以是物镜激发(objective lens excitation)。这些输入参数a、b及ACC可以基于操作带电粒子束装置(例如扫描电子显微镜)的应用的条件而被提供。
由于收敛算法是黄金比例搜索，例如斐波那契搜索的事实，迭代步骤的数量被预先确定。黄金比例确定在给定的起始间距[a,b]内达到ACC的迭代步骤的数量。举例而言，迭代步骤的数量基于小于2(b-a)/ACC的最小斐波那契数的阶数。在操作501，基于黄金比例，例如基于斐波那契数，在a与b之间计算两个聚焦强度值f1与f2。在操作502，从具有聚焦强度值f1与f2的图像计算锐度值S2与S2。如图5中所示在操作503所示并如参照图4A所大体描述的，提供缩窄聚焦强度值之间的范围的迭代。在聚焦强度值的范围(即两个聚焦强度值之间的间距)已经被缩窄到低于聚焦强度值的预定的精确度ACC之后，报告提供更高数值的锐度函数的聚焦强度值。
在使用斐波那契的实施方式中，如图5中所示的黄金比例的数量m可以是在迭代步骤的斐波那契数的最高阶，使得m会在3与(S-1)之间，其中(S-1)是迭代步骤的数量。
根据本公开内容的一个实施方式，提供一种计算带电粒子束装置的图像的锐度值的收敛集合的方法。该方法包含提供第一聚焦强度值及第二聚焦强度值(第一聚焦强度值及第二聚焦强度值提供第一聚焦强度范围)并提供聚焦强度精确度，以作为收敛算法的多个输入参数。该方法更包含基于黄金比例或多个斐波那契数，并根据该第一聚焦强度值与该第二聚焦强度值，计算第三聚焦强度值及第四聚焦强度值，并利用该第三聚焦强度值与该第四聚焦强度值对样本进行成像以获得多个图像。利用锐度函数从这些图像计算多个锐度值，该锐度函数提供为频率空间中的总和。通过迭代地将该第一聚焦强度值或该第二聚焦强度值替换为从该第三聚焦强度值或该第四聚焦强度值选择的邻近的聚焦强度值并变更该第三聚焦强度值或该第四聚焦强度值，以基于这些锐度值确定窄于该第一聚焦强度范围的第二聚焦强度范围。该方法更包含迭代地对该样本进行成像以获得多个另外的图像，并从这些另外的图像计算多个锐度值。举例而言，在预定数量的多个迭代之后，可基于多个锐度值将第一聚焦强度值或第二聚焦强度值提供为输出。
图6是出了流程图，其绘示了在样本的表面区域上自动聚焦带电粒子束的方法的实施方式。在操作601，针对多个聚焦强度值取得多个图像。在操作602，基于多个图像计算多个锐度值，多个锐度值是利用例如提供为频率空间中的总和的锐度函数计算的。在操作603，利用黄金比例搜索算法基于计算得到的锐度值确定多个聚焦强度值的多个后续的聚焦强度值。在操作604，例如处理单元160的扫描启动单元和/或控制单元确定并启动扫描以在预定的时间取得下个图像。
如上所述，根据一些实施方式，锐度函数可基于图像的傅里叶变换计算锐度值。举例而言，锐度值可基于图像的离散傅里叶变换。再者，傅里叶变换可特别在频率空间中利用滤波器(例如带通滤波器)进行滤波。
如上所述，黄金比例搜索算法与锐度函数的组合可提供改善的成功率与改善的速度，特别其中在靠近锐度函数的最大值的边上的锐度函数的斜率很高。根据可以与本文所述的其它实施方式组合的一些实施方式，收敛算法可包含通过聚焦强度值的起始范围与聚焦强度精确度预先确定的迭代数量。再者，本文所述的实施方式的额外或替代的更改包含多个聚焦强度值，其是通过带电粒子束装置的一个或多个参数来提供的，例如磁透镜组件的激发电流、静电透镜组件的电位、带电粒子束源的发射体尖端的电位、样本的电位、带电粒子束柱的其它部分的电位、其它透镜例如聚光透镜的激发、和/或工作距离。
鉴于以上，可以提供灵活的自动聚焦于电子显微镜。举例而言，一些实施方式提供基于使用黄金比例的收敛的带通滤波的离散傅里叶变换。实施方式一般可提供以用于电子显微镜，尤其是扫描电子显微镜。自动聚焦束的时间显著减少，例如减少50％。因此，产量可以提高且例如显示器及半导体制造中所使用的基于自动化扫描电子显微镜的检验工具、基于扫描电子显微镜的检查工具、或基于扫描电子显微镜的计量工具的节拍时间可以减少。
再者，如上参照图3A至图3C所述，工作距离与聚焦可以适用于适当的成像条件。可以例如在适当的测试位置并设定特定的工作点，并例如提供利用具有设置在已知高度上的多个区的校准物体来改变步骤中的聚焦距离，来事先确定聚焦强度与聚焦距离之间的关系。可建立表格或函数，其将多个聚焦强度分配给对应的聚焦距离。通过插值，可以在特定的工作点处获得作为聚焦电流的单调函数的聚焦距离(或其它聚焦强度值)。调节工作距离对低能量扫描电子显微镜，即具有低的电子的着陆能量的扫描电子显微镜尤其有帮助。
在可与本文所述的其它实施方式组合的一些实施方式中，带电粒子束101以5keV或更少的着陆能量，尤其为1keV或更少的着陆能量，打在样本上。举例而言，物镜150可包含阻滞电场组件152，其经构造以减速带电粒子束101至5keV或更少的着陆能量。阻滞电场组件可包含阻滞电极。尤其，带电粒子束装置100可包含低电压扫描电子显微镜(LV-SEM)。
低能量带电粒子束，特别是低能量的电子束，不会深入地穿透至样本中，且因此可提供关于在样本表面上的特征的优异高质量的信息。特别是，跟高能量电子束相比，具有5keV或更低的着陆能量，尤其2keV或更低的着陆能量的优点是打在样本上的电子束产生更强的信号。由于沉积在基板上的层(例如低温多晶硅(low temperature polycrystallinesilicon,LTPS)层)是薄的，且由于高能量电子更深入地穿透至样本中(即穿透至在层的下方)，只有少许高能量电子可产生含有与表面层相关的信息的检测器信号。与此相比，低能量电子，例如具有2keV或1keV或更低的着陆能量的电子，只穿透至样本的浅区，且因此提供更多有关表面层的信息。因此，即使当没有执行基板的表面蚀刻时，可提供例如晶界的改良的图像，如本文所述的实施方式所提供的那样。
根据可与本文所述的其它实施方式组合的实施方式，可依次对样本10的多个表面区域进行成像。举例而言，首先检验图1的样本10的第一表面区域11，且然后检验样本10的具有更高高度的第二表面区域12。样本10的表面轮廓可以是非事先已知的，从而，为了获得高精确度的测量，在多个表面区域的每一者的检验之前，在部分或全自动化的测量程序期间，平台位置和/或聚焦强度值可能需要实时调节。本文所述的自动聚焦(自动化聚焦)的实施方式(其中特别是该方法无操作者操作)可减少聚焦的时间，且因此可提高产量(特别是在高成功率下)。
图1以示意图示出了根据本文所述的实施方式用以检验样本的带电粒子束装置100。带电粒子束装置包含用以设置待检验的样本的平台20，及经构造将沿光轴A传播的带电粒子束101聚焦在样本10上的物镜150。带电粒子束装置100更包含处理单元160、计算单元170、及调节单元180。
处理单元160和/或控制单元经构造以确定，举例来说，例如物镜150的聚焦强度值，物镜150适用将带电粒子束101聚焦在样本10的第一表面区域11上。在一些实施方式中，处理单元160可包含图像获取及分析单元。处理单元160可连接至带电粒子束装置100的物镜150、检测器130、及扫描偏转器140。因此，例如物镜的聚焦电流FC可被控制。处理单元160可通过在适当的预定时间使用扫描偏转器140启动扫描，并改变带电粒子束装置例如物镜150的聚焦强度值来获得第一表面区域11的图像，且可分析获得的图像。扫描之间的等待时间或扫描的启动时间可改善自动聚焦速度及质量，并可通过例如操作者调试来改善自动聚焦。
计算单元170可经构造以计算根据本公开内容的实施方式的收敛算法。计算单元也可包含在处理单元内。
调节单元180可经构造以调节样本的表面区域与物镜之间的距离。一些实施方式中，调节单元180包含平台移动控制器181，台移动控制器181经构造以在光轴A的方向上(即在Z方向上)移动平台20。一些实施方式中，平台20可进一步在X-Y平面上(即垂直于光轴A)是可移动的。
平台20可经构造以支撑用于显示器制造的大面积基板，特别是具有1平方米或更大的尺寸。特别是，平台20可具有平台表面用以支撑具有1平方米或更大的表面面积的样本。大的平台表面通常是非完全平坦的。举例而言，平台表面可与完全平坦的表面存在几十微米的范围内的局部偏离。当大面积样本放置在平台表面上时，基板支持表面的非平坦性可能影响样本表面的高度结构。举例而言，通过将样本放置在平台上，样本的非平坦都可能提高。根据本文所述的方法，即使样本被放置在平台20的非完全平坦的平台表面上，仍然可对平坦的或非平坦的样本进行精确的尺寸的测量。
具有1平方米或以上，特别是2平方米或以上的表面面积的大面积样本可以通过本文所述的带电粒子束装置100检验。
可检验样本的表面区域，例如用于进行样本的特征的缺陷检查、计量及检验中的其中一或更多者，和/或测量，例如临界尺寸测量。
常规的工艺控制可有利于生产平板、显示器、OLED装置例如OLED屏幕，基于TFT的基板及包含其上形成有多个电子或光电装置的其它样本，包含但不限于LTPS检查。工艺控制可包含常规的监控、成像和/或特定临界尺寸的检验与缺陷检测。
根据本文所述的实施方式，提供用以检验样本的带电粒子束装置。带电粒子束装置包含带电粒子源，带电粒子源经构造以射出带电粒子束，及物镜，经构造以利用聚焦强度值将沿光轴传播的带电粒子束聚焦在样本上。提供经构造以操作带电粒子束装置的控制器。举例而言，控制器可以根据权利要求1至12中任一项的方法调节聚焦强度值。控制器可包含处理单元、计算单元和/或调节单元。这些单元中的一个或多个可彼此整合。
控制器可包含中央处理单元(CPU)、存储器及例如支援电路。为了促进带电粒子束装置的控制，CPU可以是可用于工业环境中以控制各种元件及子处理器的任何形式的通用计算机处理器之一。存储器耦接至CPU。存储器或计算机可读取介质可为一种或多种易于取得的存储器装置，如随机存取存储器、只读存储器、软盘、硬盘，或本地或远端的任何其它形式的数字储存器。支援电路可耦接至CPU，以通过已知的方式支援处理器。这些电路包括高速缓存、电源、时钟电路、输入/输出电路及次系统等。检验程序指令和/或用以在提供在基板上的电子装置中产生凹口的指令探测作为软件例程(通常被称为配方)储存在存储器中。软件例程也可通过第二CPU储存和/或执行，第二CPU位于由CPU控制的硬件的远端。当软件例程由CPU执行时，软件例程将通用目的计算机转换为特定目的计算机(控制器)，所述特定目的计算机控制带电粒子束装置可以操作根据本公开内容的任一实施方式的聚焦电子束(带电粒子束，一般而言)的自动化的聚焦例程。虽然本公开内容的方法和/或例程被讨论为作为软件例程实施，但本文公开的一些方法操作可在硬件中以及通过软件控制器执行。如此，实施方式可实施为在计算机系统上所执行的软件，且以硬件的形式实施为专用集成电路的或其它种类的硬件实施，或实施为软件及硬件的组合。控制器可进行或执行根据本公开内容的实施方式的在(例如，用于显示器制造的)样本的表面区域上聚焦带电粒子束的方法，和/或进行或执行计算带电粒子束装置的图像的锐度值的收敛集合的方法。
根据本文所述的实施方式，本公开内容的方法可以通过使用计算机程序、软件、计算机软件产品及相关的控制器实施，所述控制器可以具有与设备的对应组件通信的CPU、存储器、用户接口、及输入与输出装置。
本公开内容的实施方式允许扫描电子显微镜中自动聚焦的改良，其中为自动聚焦提供了高成功率及减少的时间。
尽管前述内容涉及一些实施方式，但在不脱离本公开内容的基本范围的情况下，可设计其他与更多的实施方式，且本公开内容的范围由随附的权利要求书所确定。

Claims (21)

1.一种在样本的表面区域上自动聚焦带电粒子束的方法，包括：
针对第一聚焦强度值取得第一图像；
基于所述第一图像计算第一锐度值，所述第一锐度值是基于所述第一图像的傅里叶变换利用锐度函数计算的；以及
利用黄金比例搜索算法基于计算得到的所述第一锐度值确定第二聚焦强度值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一图像是多个图像中的图像，所述第一聚焦强度值与所述第二聚焦强度值是多个聚焦强度值中的聚焦强度值，且所述第一锐度值是多个锐度值中的锐度值，且其中所述多个聚焦强度值的后续聚焦强度值是基于所述多个锐度值中的四个先前锐度值。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述多个聚焦强度值由带电粒子束装置的一个或多个参数来提供。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述锐度函数基于图像的离散傅里叶变换计算所述锐度值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述傅里叶变换在频率空间利用滤波器进行滤波。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述滤波器是带通滤波器。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述锐度函数包含频率空间中的总和。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述锐度函数是基于有限范围的离散傅里叶变换。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在确定所述第二聚焦强度值之后且针对所述第二聚焦强度值取得第二图像之前的预定的起始时间，控制多个扫描偏转器的启动。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述预定的起始时间被改变以用于取得至少一个另外的图像。
11.一种计算带电粒子束装置的多个图像的多个锐度值的收敛集合的方法，包括：
提供第一聚焦强度值及第二聚焦强度值，所述第一聚焦强度值及所述第二聚焦强度值提供第一聚焦强度范围，以及提供聚焦强度精确度，以作为收敛算法的多个输入参数；
基于黄金比例或多个斐波那契数，并根据所述第一聚焦强度值与所述第二聚焦强度值，计算第三聚焦强度值；
基于黄金比例或多个斐波那契数，并根据所述第二聚焦强度值和所述第三聚焦强度值，计算第四聚焦强度值；
利用所述第三聚焦强度值与所述第四聚焦强度值对样本进行成像，以获得多个图像；
利用锐度函数从所述多个图像计算多个锐度值，所述锐度函数被提供为频率空间中的总和；
通过迭代地将所述第一聚焦强度值或所述第二聚焦强度值替换为从所述第三聚焦强度值或所述第四聚焦强度值选择的邻近聚焦强度值，并变更所述第三聚焦强度值或所述第四聚焦强度值，以基于所述多个锐度值确定窄于所述第一聚焦强度范围的第二聚焦强度范围；以及
迭代地对所述样本进行成像以获得多个另外的图像，并从所述多个另外的图像计算多个锐度值。
12.根据权利要求11所述的方法，其中迭代的数量由多个聚焦强度值的起始范围与聚焦强度精确度来预先确定。
13.根据权利要求11所述的方法，在预定数量的多个迭代之后，基于所述多个锐度值提供所述第一聚焦强度值或所述第二聚焦强度值以作为输出。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述第四聚焦强度值是根据所述第二聚焦强度值与所述第三聚焦强度值计算的。
15.一种用以对样本进行成像的带电粒子束装置，包括：
带电粒子源，经构造以射出带电粒子束；
物镜，经构造以利用聚焦强度值将沿光轴传播的所述带电粒子束聚焦在所述样本上；以及
控制器，经构造以根据在样本的表面区域上自动聚焦带电粒子束的方法调节所述聚焦强度值，包括：
针对第一聚焦强度值取得第一图像；
基于所述第一图像计算第一锐度值，所述第一锐度值是基于所述第一图像的傅里叶变换利用锐度函数计算的；以及
利用黄金比例搜索算法基于计算得到的所述第一锐度值确定第二聚焦强度值。
16.根据权利要求15所述的带电粒子束装置，其中所述样本提供在大面积的基板上。
17.根据权利要求16所述的带电粒子束装置，其中所述样本提供在所述大面积基板上以用于在显示器制造期间的样本的表面部分的电子束检查。
18.根据权利要求15所述的带电粒子束装置，其中所述样本是用于半导体制造的晶片。
19.根据权利要求18所述的带电粒子束装置，其中所述带电粒子束装置是具有两个或更多个带电粒子束的电子束检验工具。
20.根据权利要求15所述的带电粒子束装置，其中所述带电粒子束装置经构造以覆盖高达几百微米的焦距范围。
21.一种用以对样本进行成像的带电粒子束装置，包括：
带电粒子源，经构造以射出带电粒子束；
物镜，经构造以利用聚焦强度值将沿光轴传播的所述带电粒子束聚焦在所述样本上；以及
控制器，经构造以根据计算带电粒子束装置的多个图像的多个锐度值的收敛集合的方法调节所述聚焦强度值，包括：
提供第一聚焦强度值及第二聚焦强度值，所述第一聚焦强度值及所述第二聚焦强度值提供第一聚焦强度范围，以及提供聚焦强度精确度，以作为收敛算法的多个输入参数；
基于黄金比例或多个斐波那契数，并根据所述第一聚焦强度值与所述第二聚焦强度值，计算第三聚焦强度值；
基于黄金比例或多个斐波那契数，并根据所述第二聚焦强度值和所述第三聚焦强度值，计算第四聚焦强度值；
利用所述第三聚焦强度值与所述第四聚焦强度值对样本进行成像，以获得多个图像；
利用锐度函数从所述多个图像计算多个锐度值，所述锐度函数被提供为频率空间中的总和；
通过迭代地将所述第一聚焦强度值或所述第二聚焦强度值替换为从所述第三聚焦强度值或所述第四聚焦强度值选择的邻近聚焦强度值，并变更所述第三聚焦强度值或所述第四聚焦强度值，以基于所述多个锐度值确定窄于所述第一聚焦强度范围的第二聚焦强度范围；以及
迭代地对所述样本进行成像以获得多个另外的图像，并从所述多个另外的图像计算多个锐度值。
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