CN113834427A - 一种热场发射电子枪灯丝圆锥枪尖振动位移激光测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种热场发射电子枪灯丝圆锥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圆锥枪尖的振动位移，并根据振动位移测量结果，计算得到电子枪灯丝圆锥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圆锥枪尖的振动对扫描电子显微镜成像质量的影响，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

一种热场发射电子枪灯丝圆锥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，具体是一种热场发射电子枪灯丝圆锥枪尖振动位移的激光测量方法。

背景技术

在制造业中，产品的质量检测至关重要，而产品质量的好坏需要一套完善的检测系统。在集成电路的观测与扫描中，扫描电子显微镜起主要的作用，其中热场发射电子枪是扫描电子显微镜中的重要组成。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，因此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。工程上能够采用扫描电子显微镜来检查集成电路的缺陷。

扫描电子显微镜在工作时通过热场发射电子枪发射电子，同时利用信号接收模块收集返回信号，并转换成图像信息。在实际操作中，电子枪灯丝圆锥枪尖作为电子束的发射部分，其振动直接影响集成电路的检查结果。因此，削弱电子枪灯丝圆锥枪尖自身振动的影响，精确计算电子枪灯丝尤其是圆锥枪尖的实际振动位移，进而提升集成电路检测准确性，是目前需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种热场发射电子枪圆锥枪尖振动位移测量计算方法，旨在精确测量电子枪灯丝圆锥枪尖的位置变化情况。

本发明的技术方案是：

一种热场发射电子枪灯丝圆锥枪尖振动位移激光测量方法：在扫描电子显微镜工作时，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圆锥枪尖垂直于集成电路表面并发射电子；利用三个多普勒激光测振探头X₁、X₂和X₃向电子枪灯丝圆锥枪尖发射激光，来测量电子枪圆锥枪尖的振动位移并解耦得到其实际位移。

测振探头X₁和X₂与电子枪灯丝枪尖的圆锥端面放置在同一水平面，该平面距离标准水平面XOY的距离Z＝t，且测振探头X₁和X₂测量方向相互垂直如附图1，测振探头X₃在平面XOY下方，X₁、X₃和圆锥面相交于同一点如附图2。较佳地，设定过圆锥顶点且方向与测振探头X₁相平行的方向为X轴，以X₁方向为正；过圆锥顶点且方向测振探头X₂相平行的方向为Y轴，以X₂方向为正；以圆锥的轴线为Z轴，且竖直向上方向为正，整体布置如附图3所示。

电子枪灯丝圆锥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，测振探头X₁和X₂放置在同一水平面，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，X₁、X₃发射的激光和圆锥面相交于同一点，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、X₂和X₃的测量结果计算电子枪灯丝枪尖在X轴、Y轴和Z轴方向的实际位移；

设定电子枪灯丝圆锥枪尖垂直向下方水平放置的集成电路表面发射电子，且圆锥枪尖保持三维平动。具体设定电子枪灯丝圆锥枪尖的底面半径为R，母线与水平面夹角为θ，高为h＝R tanθ。圆锥面的三维方程为：

得到相应的X₁、X₂和X₃所在直线的方程如下：

于是可以分别得到三条激光射线与圆锥面在振动前的起始交点：

将坐标系固连在圆锥面上，现假设振动后圆锥沿原坐标轴方向分别正向移动(x₀,y₀,z₀)，则得到在新坐标系下的激光方程：

将上述三个激光方程分别重新和圆锥面方程联立，得到新坐标系下每道激光与圆锥面的交点分别为：

然后，将得到的交点坐标从新坐标系转换到原本的坐标系中，得到A′、B′、C′三个新交点在原坐标系下的坐标：

将A″与A对应的横坐标做差可得到X₁方向上的位移，即探头X₁的测量值Δx。同理，探头X₂的测量值Δy和探头X₃的测量值Δz分别为：

由此，我们得到了圆锥振动的实际位移(x₀,y₀,z₀)与三个测振探头的测量值(Δx,Δy,Δz)之间的代数关系。

在电子枪灯丝枪尖不断振动的过程中，会出现某一激光测振头的激光打不到枪尖上的情况，此时我们需要对测量数据的合理性进行判断。分析测量值的极限情况，可以得出Δx、Δy和Δz三者的取值范围分别为：r-2R≤Δx≤r；-t≤Δz≤h-t；

有益效果：

本申请通过三个多普勒激光测振探头对电子枪灯丝圆锥枪尖进行了振动位移的测量，其中两个探头X₁、X₂相互垂直并与设定高度的圆锥横截面圆在同一水平面内，第三个测振探头X₃与水平面垂直且打在X₁与圆锥面的交点上。当电子枪灯丝圆锥枪尖三维平动时，通过三个测量头的测量值可以计算出三个坐标轴方向的实际振动位移。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圆锥枪尖的振动位移，并利用测量结果计算电子枪灯丝圆锥枪尖的实际振动位移，从而得到精确的电子枪灯丝圆锥枪尖的振动情况。

说明书附图

图1为Z＝t平面内测振探头X₁、X₂和电子枪灯丝枪尖的位置关系示意图；

图2为XOZ平面测振探头X₁、X₃和电子枪灯丝枪尖的位置关系示意图；

图3为坐标系、测振探头和被测枪尖圆锥的位置关系示意图；

图4为测振探头X₁可以达到极限测量值时被测枪尖圆锥的位置示意图；

图5为测振探头X₂可以达到极限测量值时被测枪尖圆锥的位置示意图。

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圆锥枪尖振动位移激光测量方法，给出进一步的说明。

对于热场发射电子枪灯丝圆锥枪尖的三维平动可以沿坐标轴分解为三个方向的平动，可以由通过三个方向的测振头测量得到的测量值解耦得到实际振动的位移。

设定初始状态电子枪灯丝圆锥枪尖尖端向下垂直于集成电路表面并发射电子，且圆锥枪尖保持三维平动。具体地，设定过圆锥顶点且方向与测振探头X₁相平行的方向为X轴，以X₁方向为正；过圆锥顶点且方向与测振探头X₂相平行的方向为Y轴，以X₂方向为正；以圆锥的轴线为Z轴，且竖直向上方向为正。

设定电子枪灯丝圆锥枪尖为准线半径R，母线与水平面夹角为θ，圆锥高为h＝Rtanθ。圆锥面的三维方程为：

按照下述方式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圆锥枪尖的振动。具体地，测振探头X₁和X₂与电子枪灯丝枪尖圆锥端面放置在同一水平面，该平面距离标准水平面XOY的距离Z＝t，且测振探头X₁和X₂测量方向相互垂直如附图1，测振探头X₃在平面XOY下方，X₁、X₃和圆锥面相交于同一点如附图2，整体布置如附图3所示。

得到相应的X₁、X₂和X₃所在直线的方程如下：

于是可以得到三条激光射线与圆锥面在振动前的起始交点：

将坐标系固连在圆锥面上，现假设振动后圆锥沿原坐标轴方向分别正向移动(x₀,y₀,z₀)，则得到在新坐标系下的激光方程：

将上述三个激光方程分别重新和圆锥面方程联立，得到新坐标系下每道激光与圆锥面的交点分别为：

然后，将得到的交点坐标从新坐标系转换到原本的坐标系中，得到A′、B′、C′三个新交点在原坐标系下的坐标情况：

设定激光测振头的测量值为振动后与振动前的差值。将A″与A的横坐标做差便可得到X₁方向上的位移，即探头X₁的测量值Δx。同理，探头X₂的测量值Δy和探头X₃的测量值Δz分别为：

由此，我们得到了圆锥面振动的位移(x₀,y₀,z₀)与三个测振探头的测量值(Δx,Δy,Δz)之间的代数关系。

现讨论三个测振头测量值的合理范围，用以判断被测圆锥的振动是否已经超出了测振头的激光照射范围。显然，平行于圆锥高线的探头X₃对Δz测量范围的要求为：

-t≤Δz≤h-t

对于探头X₁，要保证其在临界测量范围时其余两探头X₂和X₃的激光也能照射在圆锥面上，如附图4所示，图中虚线圆为圆锥在初始位置上底面对该平面的投影。当探头X₁的测量值达到最小值时，即要求移动后圆柱面与探头X₁的交点在X轴上可以达到的最左端时，即圆锥的底面圆处于X₁、X₂所在平面且圆心在Y轴左侧并与Y轴相切，此时Δx最小值为：Δx＝r-2R；当探头X₁的测量值达到最大值时，即要求移动后圆柱面与探头X₁的交点在X轴上可以达到的最右端时，同时需要满足X₂和X₃与圆锥面交点仍存在，即要求圆锥顶点恰好位于该平面原点O处，X₁和X₂刚好聚焦在圆锥面的顶点上，此时Δx最大值为：Δx＝r。因此，Δx的范围为：r-2R≤Δx≤r。

同理，对于探头X₂，如附图5所示，在保证其余两探头的正常测量的情况下，测量值最小时，即振动后的截面圆与Y轴交点坐标最大时，如图O′位置，此时底面圆刚好通过X₁和X₃的交点且圆心位于Y轴上，得到Δy最小值为：

当测量值最小时，即振动后的截面圆与Y轴交点坐标最小时，如图O″位置，此时圆锥底面与Y轴相切且通过X₁和X₃的交点，得到Δy最大值为：

综上，Δy的范围为：

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 (3)

1.一种热场发射电子枪灯丝圆锥枪尖振动位移激光测量方法，其特征在于，在电子枪工作时，利用三个激光多普勒测振探头X₁、X₂和X₃向电子枪灯丝圆锥枪尖发射激光，测量电子枪灯丝的振动位移，利用振动位移测量结果，计算电子枪灯丝圆锥枪尖的实际振动位移。

2.如权利要求1所述的一种热场发射电子枪灯丝圆锥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，其中测振探头X₁和X₂放置在同一水平面，该平面距离圆锥尖端所在水平面存在一段距离，且测振探头X₁和X₂测量方向相互垂直，测振探头X₃在圆锥尖端所在水平面下方，垂直向上发射激光。

3.如权利要求1所述的一种热场发射电子枪灯丝圆锥枪尖振动位移激光测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)电子枪灯丝尚未开始工作时，测振探头X₁和X₂放置在同一水平面，该平面距离圆锥尖端所在水平面存在一段距离，且测振探头X₁和X₂测量方向相互垂直，测振探头X₃在圆锥尖端所在水平面下方，垂直向上发射激光，X₁、X₃发射的激光和圆锥面相交于同一点，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测量电子枪灯丝圆锥枪尖沿三个方向的振动位移；

3)利用测振探头X₁、X₂和X₃的测量结果计算电子枪灯丝圆锥枪尖在水平面和竖直方向的实际位移。

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