CN113916967A - 一种次表面成像和检测的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种次表面成像和检测的方法，包括以下步骤：获取探针与待测样品之间的静电力分布图，待测样品内埋藏有埋藏颗粒；根据静电力分布图确定埋藏颗粒的次表面图像，次表面图像用于表征埋藏颗粒的几何形状；根据次表面图像和预先建立的参数确定模型确定埋藏颗粒的埋藏颗粒参数，埋藏颗粒参数包括埋藏深度和介电常数。本发明通过获取探针与待测样品之间的静电力分布图，来确定埋藏颗粒的次表面图像，从而达到对取待测样品纳米尺度下的位置扫描成像的目的，并根据次表面图像和参数确定模型来确定埋藏颗粒的埋藏颗粒参数，获取的次表面成像结果和埋藏颗粒参数受待测样品的表面形貌的影响较小。本发明可广泛应用于材料检测技术领域内。

Description

一种次表面成像和检测的方法
技术领域
本发明涉及一种次表面成像和检测的技术领域，尤其是一种次表面成像和检测的方法。
背景技术
生物样品检测、集成电路中缺陷的检测活动等，需要对样品纳米尺度表面下(一般在50nm以下)的埋藏颗粒进行次表面结构进行扫描成像和检测。
次表面成像技术必须排除样品表面形貌的影响，将体杂质，也即是埋藏颗粒区分出来。通常的扫描探针显微镜技术只能获取样品表面的物化特性。纳米级次表面成像通常使用X-射线、电子全息技术、接触共振原子力显微镜技术等，但这些技术存在一定局限，如存在无法直接获得介电特性或受形貌影响较大等缺点。
发明内容
本发明的目的在于至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明实施例的目的在于提供一种次表面成像和检测的方法。
为了达到上述技术目的，本发明实施例所采取的技术方案包括：
一种次表面成像和检测的方法，包括以下步骤：
获取探针与待测样品之间的静电力分布图，所述待测样品内埋藏有埋藏颗粒；
根据所述静电力分布图确定所述埋藏颗粒的次表面图像，所述次表面图像用于表征所述埋藏颗粒的几何形状；
根据所述次表面图像和预先建立的参数确定模型确定所述埋藏颗粒的埋藏颗粒参数，所述埋藏颗粒参数包括埋藏深度和介电常数，所述参数确定模型用于表征埋藏颗粒静电力随着所述埋藏参数变化的曲线模型。
进一步，所述静电力分布图包括位置和静电力数值，每一个位置均对应一个静电力数值，所述根据所述静电力分布图确定所述埋藏颗粒的次表面图像这一步骤，包括以下步骤：
确定所述静电力分布图中所述静电力数值变化率最大的所述位置，连接若干个所述位置构成所述次表面图像。
进一步，所述一种次表面成像和检测的方法还包括以下步骤：
在静电力分布图中采用颜色来表征静电力数值。
进一步，所述一种次表面成像和检测的方法还包括构建所述参数确定模型的步骤，所述构建参数确定模型这一步骤，包括以下步骤：
确定所述探针的探针参数、所述样品的样品参数和所述埋藏颗粒的埋藏颗粒参数；
根据所述探针参数、所述样品参数和所述埋藏颗粒参数构建第一曲线模型和第二曲线模型，其中，所述第一曲线模型用于表征在所述探针参数和所述样品参数确定时，所述埋藏颗粒的中心点处的静电力随着所述埋藏颗粒参数变化的静电力曲线；
所述第二曲线模型用于表征在所述探针参数和所述样品参数确定时，所述埋藏颗粒的边缘处的静电力随着所述埋藏颗粒参数变化的静电力曲线。
进一步，所述根据所述次表面图像和预先建立的参数确定模型确定所述埋藏颗粒的埋藏颗粒参数这一步骤，包括以下步骤：
确定所述埋藏颗粒的中心点处的第一静电力数值；
确定所述埋藏颗粒的边缘处的第二静电力数值；
根据所述第一静电力数值在所述第一曲线模型中确定出第一静电力曲线；
根据所述第二静电力数值在所述第二曲线模型中确定出第二静电力曲线；
确定第一静电力曲线和第二静电力曲线的交点，所述交点包括所述埋藏颗粒的埋藏颗粒参数。
进一步，所述次表面成像和检测的方法还包括获取所述埋藏颗粒的尺寸的步骤，所述获取所述埋藏颗粒的尺寸这一步骤，包括以下步骤：
对所述埋藏颗粒的边缘处的若干个静电力点进行静电力仿真，得到静电力仿真值与静电力轮廓值的误差曲线；
确定所述误差曲线中最小误差值对应的位置，由此确定埋藏颗粒的尺寸。
具体地，在前面的步骤中，也仅仅是获取了埋藏颗粒的次表面图像，也即是埋藏颗粒的几何形状及埋藏颗粒的尺寸。
本发明的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到：
本发明实施例能够通过获取探针与待测样品之间的静电力分布图，来确定埋藏颗粒的次表面图像，从而达到对取待测样品纳米尺度下的位置扫描成像的目的，并根据次表面图像和参数确定模型来确定埋藏颗粒的埋藏颗粒参数，获取的次表面成像结果和埋藏颗粒参数受待测样品的表面形貌的影响较小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术
中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员来说，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1为本发明一种次表面成像和检测的方法具体实施例的流程示意图；
图2为本发明的探针-样品-埋藏颗粒体系模型示意图；
图3为本发明的静电力分布图；
图4为本发明的y＝0，x＝(-150～+150nm)的静电力轮廓线图；
图5为本发明的第一静电力曲线和第二静电力曲线的相交示意图；
图6为本发明的静电力仿真值与已知静电力轮廓值的误差曲线示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
下面参照附图详细描述根据本发明实施例提出的一种次表面成像和检测的方法。
参照图1，本发明实施例中的一种次表面成像和检测的方法主要包括以下步骤：
S1：获取探针与待测样品之间的静电力分布图，待测样品内埋藏有埋藏颗粒；
S2：根据静电力分布图确定埋藏颗粒的次表面图像，次表面图像用于表征埋藏颗粒的几何形状；
S3：根据静电力分布图和预先建立的参数确定模型确定埋藏颗粒的埋藏颗粒参数，埋藏颗粒参数包括埋藏深度和介电常数，参数确定模型用于表征埋藏颗粒在确定位置的特定静电力与埋藏参数的曲线模型。
具体地，本申请是基于静电力显微镜进行的，静电力显微镜包括探针，加上偏置电压的探针针尖在待测样品表面进行扫描时，其针尖与待测样品之间产生静电力。
基于上述原理，通过控制探针针尖在待测样本的上表面进行非接触式二维扫描，从而获取待测样本的上表面的每一个位置所对应的静电力，其中，利用二维坐标来描述待测样品上表面的每一个位置，非接触式扫描是指，探针针尖与待测样本的上表面不接触，例如，探针针尖与待测样品的上表面保持5nm的距离，来逐行或者逐列地扫描待测样品的上表面。
由于待测样品内包含有埋藏颗粒，而且埋藏颗粒的介电常数与待测样品的介电常数通常不同，并且埋藏颗粒的埋藏深度也不同，因此，当探针针尖在待测样品的上表面进行扫描时，会由于埋藏深度和介电常数等原因，使得获取到的探针针尖与埋藏颗粒之间的静电力数值与探针针尖和待测样品之间的静电力是不同的，例如，当待测样品的上表面的某一片区域下方埋藏有该埋藏颗粒时，则该片区域所测得的静电力数值通常与上表面的下方没有该埋藏颗粒的其他区域测得的静电力数值不同。
因此，静电力分布图用于表征待测样品的上表面的每一个位置上的静电力的分布状况。
由于静电力分布图中能够清楚地显示待测样品上表面的每一个位置的静电力的大小，而且埋藏颗粒所对应的上表面部分，埋藏颗粒所对应的上表面部分以外的区域，两个区域内的静电力数值通常是不同的，找到两片区域的交界处，交界处所包围的上表面的区域，即为埋藏颗粒的几何形状，也即是本申请的次表面图像，该次表面图像用于表征待测样品的表面以下的埋藏颗粒的形状及埋藏颗粒的尺寸。
当确定出埋藏颗粒的次表面图像后，也即是确定了埋藏颗粒的几何形状及埋藏颗粒的尺寸，确定该次表面中心点处(对应待测样品的上表面中的一个坐标值)的静电力数值和边缘处(对应待测样品的上表面的一个坐标值)的静电力数值。
预先构建的参数确定模型用于表征埋藏颗粒在确定位置的特定静电力与埋藏参数的曲线模型，因此，本申请通过输入确定位置的确定静电力数值(埋藏颗粒的中心点处和边缘处)，来确定对应的埋藏参数，也即是埋藏颗粒的埋藏深度和介电常数。
综上所述，通过获取探针与待测样品之间的静电力分布图，来确定埋藏颗粒的次表面图像，从而达到对取待测样品纳米尺度下的位置扫描成像的目的，并根据次表面图像和参数确定模型来确定埋藏颗粒的埋藏颗粒参数，获取的次表面成像结果和埋藏颗粒参数受待测样品的表面形貌的影响较小。
进一步作为可选的实施方式，静电力分布图包括位置和静电力数值，每一个位置均对应一个静电力数值，步骤S2包括以下步骤：
确定静电力分布图中静电力数值变化率最大的位置，连接若干个位置构成次表面图像。
具体地，由于待测样品中埋藏有埋藏颗粒，当探针在待测样品的上表面进行扫描时得到的静电力分布图，在某些位置会发生静电力数值骤变，因此，本申请通过检测静电力数值变化率最大的位置，将这些位置依次连接，即可在确定埋藏颗粒的几何形状及埋藏颗粒的尺寸。
进一步作为可选的实施例，一种次表面成像和检测的方法还包括以下步骤：
S4、在静电力分布图中采用颜色来表征静电力数值。
具体地，用逐渐变化的颜色来表示静电力分布图中逐渐变化的静电力数值，使得每一中颜色对应确定数值的静电力数值，或者对应特定范围内的静电力数值。当静电力分布图中有在待测样品的上表面某一片区域为相同的颜色，则表明该区域为埋藏颗粒所在的区域。因此，通过将静电力数值进行颜色化展示，从而能够较好地展示埋藏颗粒的次表面图像所包含的区域范围。
进一步作为可选的实施例，一种次表面成像和检测的方法还包括构建参数确定模型的步骤S5，步骤S5包括以下步骤：
S51、确定探针的探针参数、样品的样品参数和埋藏颗粒的埋藏颗粒参数；
S52、根据探针参数、样品参数和埋藏颗粒参数构建第一曲线模型和第二曲线模型，其中，第一曲线模型用于表征在探针参数和样品参数确定时，埋藏颗粒的中心点处的静电力随着埋藏颗粒参数变化的静电力曲线；
第二曲线模型用于表征在探针参数和样品参数确定时，埋藏颗粒的边缘处的静电力随着埋藏颗粒参数变化的静电力曲线。
其中，探针参数可由包括探针的曲率半径、半锥角、抬起的高度等，其中，抬起的高度可以设置为探针针尖与待测样品的上表面保持5nm的距离；样品参数，包括样品尺寸和介电常数等；埋藏颗粒参数，包括埋藏深度和介电常数等。
利用上述参数来构建在确定位置处的以埋藏参数为自变量、以静电力数值为变量的参数确定曲线模型。
对于埋藏颗粒而言，不同的埋藏深度和介电常数，所采集到的静电力数值也不同。
在本申请实施例中，该参数确定模型包括两个曲线模型，其中，第一曲线模型是埋藏颗粒的中心点处的静电力随着埋藏颗粒参数变化的曲线模型，因此，第一曲线模型包括了若干条曲线，每一条曲线代表的含义为，在该条曲线上，无论埋藏颗粒在中心点处的埋藏颗粒参数如何变化，该埋藏颗粒参数所对应的静电力数值是一个定值。
第二曲线模型是埋藏颗粒的边缘处的静电力随着埋藏颗粒参数变化的曲线模型，第二曲线模型同样包括了若干条曲线，第二曲线模型中的每一条曲线代表的含义为，无论埋藏颗粒在边缘处的埋藏颗粒参数如何变化，该埋藏颗粒参数所对应的静电力数值是一个定值。
进一步作为可选的实施例，步骤S3包括以下步骤S31-S35：
S31、确定埋藏颗粒的中心点处的第一静电力数值；
S32、确定埋藏颗粒的边缘处的第二静电力数值；
S33、根据第一静电力数值在第一曲线模型中确定出第一静电力曲线；
S34、根据第二静电力数值在第二曲线模型中确定出第二静电力曲线；
S35、确定第一静电力曲线和第二静电力曲线的交点，交点包括埋藏颗粒的埋藏颗粒参数。
本实施例中，介绍了如何利用预先建立的第一曲线模型和第二曲线模型来获取特定埋藏颗粒的埋藏颗粒参数。
因此，根据已知的次表面图像，确定埋藏颗粒的中心点位置和边缘处位置，确定埋藏颗粒的中心点处的静电力数值，也即是第一静电力数值，和边缘处的静电力数值，也即是第二静电力数值。
利用第一静电力数值在第一曲线模型中确定静电力数值为第一静电力数值的曲线，也即是第一静电力曲线，在该第一静电力曲线上，不同的埋藏颗粒参数对应的静电力数值均为第一静电数值，同理，利用第二静电力数值在第二曲线模型中确定出第二静电力曲线，在该第二静电力曲线上，不同的埋藏颗粒参数对应的静电力数值均为第二静电力数值。
确定第一静电力曲线和第二静电力曲线的交点，该交点所对应的埋藏颗粒参数，既能够满足埋藏颗粒在中心点处产生的静电力数值为第一静电力数值，也能够满足埋藏颗粒在边缘处产生的静电力数值为第二静电力数值，因此，确定该交点对应的埋藏颗粒参数为所求取的埋藏颗粒参数。
进一步作为可选的实施方式，次表面成像和检测的方法还包括获取埋藏颗粒的尺寸的步骤S6，步骤S6包括以下步骤S61-S62：
S61、对埋藏颗粒的边缘处的若干个静电力点进行静电力仿真，得到静电力仿真值与静电力轮廓值的误差曲线；
S62、确定误差曲线中最小误差值对应的位置。
具体地，在前面的步骤中，也仅仅是获取了埋藏颗粒的次表面图像，也即是埋藏颗粒的几何形状及埋藏颗粒的尺寸。
在本实施例中，为了获取更加精确的埋藏颗粒的尺寸，在埋藏颗粒的边缘处取几个固定的静电力点，进行静电力仿真，从而获取静电力仿真值与已知静电力轮廓至的误差曲线，最小误差值所对应的位置，即确定为准确的边缘位置，同理，还可以确定埋藏颗粒的其他边界位置，由此确定埋藏颗粒的尺寸。
为了更加清楚地说明上述步骤实现的原理，本申请还提供了另外一个实施例。
参照图2，基于有限元工具COMSOL建立探针-样品-埋藏颗粒体系模型，在该模型中，设定探针针尖、样品和颗粒为轴对称(也即是埋藏颗粒的中心点坐标在坐标原点处)，探针近似一个尖端为球形的锥体，悬臂梁则以圆盘结构进行近似。令探针针尖半径R＝20nm，半锥角θ＝25°，锥体部分的长度H＝12.5μm，悬臂半径长L＝3μm，悬臂厚度W＝2μm。
探针的正下方设置一个半导体待测样品，待测样品为直径D＝1μm，厚度h＝100nm，相对介电常数εr,p＝11.5的薄圆柱体，整个样品置于金属基底上。
在样品内部埋藏了一颗厚度为t＝10nm、埋藏深度d未知、介电常数εr,p未知和边长l未知的正方形埋藏颗粒。
首先，令探针针尖距离待测样品表面的距离为z＝5nm，利用探针针尖对待测样品进行非接触式二维扫描，在待测样品上表面的扫描范围为：x∈(-150nm,150nm)，y∈(-150nm,150nm)，该扫描范围是超过埋藏颗粒的边长的，得到如图3所示的静电力分布图，在绘制该静电力二维图像时，利用相同的颜色来代表相同的静电力数值，由于不同位置的静电不同，因此，该静电力二维图像中不同位置的颜色分布，可以表征不同位置的静电力数值的大小。
由于样品的静电力通常是一个固定的值，对应一个颜色，在该二维图像中，埋藏颗粒的次表面图像为红色区域，埋藏颗粒的边缘处(埋藏颗粒与待测样品的交界处)为黄色，待测样品的上表面的其他区域为绿色和蓝色区域。由图2中可知，该埋藏颗粒的次表面图形所在的区域近似在x∈[-100，100]和y∈[-100，100]之间的区域，也即是红色区域。
接着，确定y＝0处的静电力轮廓线如图4所示，当然也可以其他位置的轮廓线，根据该静电力轮廓线确定埋藏颗粒在边缘处B点的静电力为FB＝37.55pN，确定埋藏颗粒的中心点处(x＝0，y＝0)A点的静电力FA＝46.93pN，将FA＝46.93pN与参数确定模型中的第一曲线模型中的多条曲线进行比较，从而确定出静电力数值为46.93pN第一静电力曲线，将FB＝37.55pN与第二曲线模型中的多条曲线进行比较，从而确定出静电力数值为37.55pN的第二静电力曲线，如图5所示，由这两条静力线曲线的交点可以得到埋藏颗粒的埋藏深度d＝10.0nm和相对介电常数εr,p＝100.0。
最后，为了得到埋藏颗粒的准确尺寸，在B点附近个几个静电力点(点数增加可以减小边界位置的误差)，进行静电力仿真，得到静电力仿真值与已知静电力轮廓值的误差曲线，误差最小对应的就是颗粒的边界，如图6所示，从而确定颗粒的边界在100nm处，同样的方法确定其他边界，得到埋藏颗粒准确的的长宽为200×200nm。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种次表面成像和检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取探针与待测样品之间的静电力分布图，所述待测样品内埋藏有埋藏颗粒；
根据所述静电力分布图确定所述埋藏颗粒的次表面图像，所述次表面图像用于表征所述埋藏颗粒的几何形状；
根据所述次表面图像和预先建立的参数确定模型确定所述埋藏颗粒的埋藏颗粒参数，所述埋藏颗粒参数包括埋藏深度和介电常数，所述参数确定模型用于表征埋藏颗粒静电力随着所述埋藏参数变化的曲线模型。
2.根据权利要求1所述的一种次表面成像和检测的方法，其特征在于，所述静电力分布图包括位置和静电力数值，每一个位置均对应一个静电力数值，所述根据所述静电力分布图确定所述埋藏颗粒的次表面图像这一步骤，包括以下步骤：
确定所述静电力分布图中所述静电力数值变化率最大的所述位置，连接若干个所述位置构成所述次表面图像。
3.根据权利要求2所述的一种次表面成像和检测的方法，其特征在于，所述一种次表面成像和检测的方法还包括以下步骤：
在静电力分布图中采用颜色来表征静电力数值。
4.根据权利要求1所述的一种次表面成像和检测的方法，其特征在于，所述一种次表面成像和检测的方法还包括构建所述参数确定模型的步骤，所述构建参数确定模型这一步骤，包括以下步骤：
确定所述探针的探针参数、所述样品的样品参数和所述埋藏颗粒的埋藏颗粒参数；
根据所述探针参数、所述样品参数和所述埋藏颗粒参数构建第一曲线模型和第二曲线模型，其中，所述第一曲线模型用于表征在所述探针参数和所述样品参数确定时，所述埋藏颗粒的中心点处的静电力随着所述埋藏颗粒参数变化的静电力曲线；
所述第二曲线模型用于表征在所述探针参数和所述样品参数确定时，所述埋藏颗粒的边缘处的静电力随着所述埋藏颗粒参数变化的静电力曲线。
5.根据权利要求4所述的一种次表面成像和检测的方法，其特征在于，所述根据所述次表面图像和预先建立的参数确定模型确定所述埋藏颗粒的埋藏颗粒参数这一步骤，包括以下步骤：
确定所述埋藏颗粒的中心点处的第一静电力数值；
确定所述埋藏颗粒的边缘处的第二静电力数值；
根据所述第一静电力数值在所述第一曲线模型中确定出第一静电力曲线；
根据所述第二静电力数值在所述第二曲线模型中确定出第二静电力曲线；
确定所述第一静电力曲线和所述第二静电力曲线的交点，所述交点包括所述埋藏颗粒的埋藏颗粒参数。
6.根据权利要求4所述的一种次表面成像和检测的方法，其特征在于，所述次表面成像和检测的方法还包括获取所述埋藏颗粒的尺寸的步骤，所述获取所述埋藏颗粒的尺寸这一步骤，包括以下步骤：
对所述埋藏颗粒的边缘处的若干个静电力点进行静电力仿真，得到静电力仿真值与静电力轮廓值的误差曲线；
确定所述误差曲线中最小误差值对应的位置。
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熊晓洋: "基于开尔文探针力显微镜的纳米复合材料次表面成像分析", 《纳米技术与精密工程》, vol. 4, no. 6, 18 September 2016 (2016-09-18), pages 405 - 408 *

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