CN116013754A - 电子束成像的光栅扫描方法、图像数据重构方法及扫描电子束成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于扫描电子束成像领域，特别涉及电子束成像的光栅扫描方法、图像数据重构方法及扫描电子束成像装置。光栅扫描方法为，电子源发射的电子束以可变幅值的行扫描信号实现与预期图像呈倾斜角度的光栅扫描，帧扫描的起点和终点位于图像的对角线两端或附近，每行行扫描信号的波形峰峰值、时长均随扫描区域大小、图像像素尺寸及斜扫角度呈规律性变化。本发明在图像质量层面，均衡水平和垂直边缘形貌解析度的差异，提高图像量测和检测灵敏度，减少了无效扫描面积，提高了成像速度，适用于大面积区域的连续成像覆盖，避免了无效区域的交叠所造成均匀性影响和损伤。本发明在应用层面，没有改变图像方位的呈现方式，与行业习惯和设备应用透明兼容。

Description

电子束成像的光栅扫描方法、图像数据重构方法及扫描电子束成像装置

技术领域

本发明属于扫描电子束成像领域，特别涉及电子束成像的光栅扫描方法、图像数据重构方法及扫描电子束成像装置。

背景技术

传统实验室扫描电子显微镜，用于观察不规则形状的样品，对于电子束光栅扫描的方向与预期图像的XY方向通常没有特定要求限制。可以通过选取合适的图像XY方向来满足成像分辨率的要求。

而用于IC制造领域的扫描电子束成像量测和检测设备，如图1所示，主要针对的是已经完成图案成形布局的硅片或掩模版，其上已经具有规则的图案布局和走向，来满足图形量测和缺陷检测的要求，需要维持特定的成像方位角，如水平或垂直。传统的电子束成像扫描的方向也与图案走向水平或垂直，分别如图4、图5所示。

电子束成像的光栅扫描由扫描偏转系统完成。如图1所示，扫描偏转系统通常包括偏转器20在偏转信号发生模块的驱动下对电子束进行偏转扫描。偏转器20由光路上与光轴同轴的至少一个多极场器件组成；偏转信号发生模块产生至少一对互为耦合（波形相同，极性相反）的，具有至少一个重复周期的第一偏转信号，施加在多极场器件与过光轴的一个平面对称的一对电极或磁极组（21、22）上，称为第一电极组，实现第一方向的偏转；至少一对互为耦合的，具有至少一个重复周期的第二偏转信号，施加于过光轴的另一个平面对称的另一对电极组（23、24）上，称为第二电极组，实现第二方向的偏转；所述第一对电极组和第二对电极组互为90度夹角，因此第一偏转方向和第二偏转方向互为垂直；第一和第二电极组也可以由多个电极对偶组合而成，如第一电极组由21/24(同极性)与22/23（同极性）组成互为反极性激励的电极对，所述第一偏转信号可视作为矢量信号，按所期望的第一偏转方向与第一电极组的电极所成的夹角作矢量分解，信号分量施加到第一电极组的分电极上，便可实现任意方位角的第一方向的偏转；第二电极组可以共享第一电极组的电极，但作新的配对组合，如21/23(同极性)与22/23(同极性)组成互为反极性激励的电极对，所述第二偏转信号作为矢量信号，按所期望的第二偏转方向与第二电极组的电极所成的夹角作矢量分解，施加在第二电极组的分电极上，便可实现与第一扫描方向成特定角度的第二方向的偏转。

第一偏转信号矢量和第二偏转矢量一般具有不同的频率，其中较高频率的称为行偏转信号矢量（以下简称行偏转信号或行扫描信号）；较低频率的称为帧偏转信号矢量（以下简称帧偏转信号或帧扫描信号），帧扫描信号通常覆盖整数个周期的行扫描，如M行，亦即为数字图像M*N的M；行与行之间的间距即为M方向（垂直方向）的像素尺寸，以Pm表示；所述数字图像的M*N中的N表示图像一行中的像素数目，假设行扫描方向与N方向（水平方向）一致，N也就意味着是行扫描期间，所应采样的信号的点数。两点之间的时间间隔，由像素时间Tp表示，两点之间的距离，即为N方向的像素尺寸，以Pn表示。像素时间TP及像素尺寸Pn决定行扫描信号的线性段的斜率。除非特别说明，M*N图像的垂直像素尺寸Pm和水平像素尺寸Pn通常是相等的，以P表示。

扫描信号通常是对偶（正负极性两组）出现的，并施加在偏转器的与光轴对称的电极（组）上，扫描信号可以认为是矢量，按偏转方位与电极所成角度，分解到电极上得到任意方向的偏转。上述概念及做法为行业内的常识，故后续描述主要集中在波形的基本形态，不再考虑其极性及矢量特征。

图2和图3分别为行偏转信号波形与帧扫描信号波形，其中行偏转信号具有较高频率，在帧扫描信号的一个周期内，可以M个行扫描周期(M为不等于零的整数)。在每个行扫周期的正程线性阶段401，会同步触发外电路完成N个像素点的图像信号的采样；回程阶段402则回到行扫的起点，以此重复；经过一个帧扫周期，可完成M*N个像素点的图像采样。帧扫描信号也有正程阶段403和回程阶段404。

对于待测样品的微观结构边缘，若与行扫描和帧扫描的方向同向或垂直，会表现出解析度方面的差异。一般而言，若行扫描方向为水平方向，对于微细结构的垂直边缘，电子束瞬间掠过，不会长时间停留在同一微观结构单元上发生持续的电荷积累，图像信号不受影响；对于微观结构的水平边缘，行扫描的电子束会在其边缘上维持一段时间，持续对同一个微观结构进行电荷充电，而电荷的积累会反过来作用于成像的信号电子，抑制信号本来应该有的突变，使得边缘突变变得平缓，解析度降低。一般实验室所遇到的样品，其微观形貌比较随机，各个方向走向的边缘比较均衡的存在，所述水平和垂直方向的解析度差异并不明显。若图案的边缘方位刚好群聚在水平扫描方向或垂直扫描方向或两个方向都有，例如半导体集成电路的微观结构，如图4中所示的微结构，两个方向的边缘几乎各占一半，水平分辨率和垂直分辨率的差异就会明显表现出来。图4中，行扫描方向与图像微结构的水平边缘方向一致，所生成图像中水平边缘相对于垂直边缘要明显模糊；若扫描方向旋转90°，如图5所示，所生成图像中垂直方向的边缘变得相对模糊。

为克服水平和垂直边缘分辨率的差异，在不改变传统光栅扫描模式的基础上，还发展出了45°角扫描，如图6所示。通过扫描方向旋转45°，增大有效扫描面积2倍（单边倍），通过图像数据重构，截取中间横平竖直的区域，所得到的图像区域即为目标成像区域，图案的水平或垂直边缘分辨率都得到保证。

但如此会带来的另一个问题是，实际扫描区域及时间要增大约一倍（图6的白框内是成像的目标区域），耗时也增大一倍；另外样品受到的电子束轰击的灼伤面积增大，电荷的积累也会更高。这些副作用既会损伤样品，降低效率，又会对矩形区域的连续成像拼接（如图7所示）造成均匀性和尺寸的一致性的影响。

发明内容

针对现有的技术问题，本发明提供一种电子束成像的光栅扫描方法，提高图案的水平或垂直边缘分辨率，并且提高扫描成像效率，减小对矩形区域的连续成像拼接造成均匀性和尺寸一致性的影响。

为统一清晰，以下发明内容及描述中，对符号和意义做如下统一定义；

M*N表示目标图像的像素阵列，M代表目标图像水平光栅扫描的行数，也是帧扫描方向；Pm表示M（帧）方向的行间距，即帧方向的像素大小；N代表目标图像水平方向的采样像素数，也是行扫描方向；Pn表示N（行）方向的像素大小；若Pm=Pn，则以P表示。

有效扫描区域对对应的偏转信号的峰峰值也以VM,VN表示，单位像素(Pm和Pn)偏转所需要的信号幅度以ΔVm、ΔVn表示，ΔVm=Pm/s,ΔVn=Pn/s，s为偏转器的配置灵敏度，定义为单位偏转信号幅度所能偏转的距离；若实际帧扫描和行扫描区域会相对于有效扫描区域作外延扩展，扩展的程度分别以ΔM（行数）和ΔN（像素数）来表示，ΔN作用在行信号上，反映行扫时间加长，ΔM作用在帧扫描信号上，对应于行数增加；扩展后的偏转信号的峰峰值分别以VM’,VN’表示。

光栅扫描的倾斜角度以θ表示；以示其扫描方向与N和M不同，相应的行扫描方向和帧扫描方向分别以L和F表示，相应方向的单位像素尺寸分别以Pl和Pf表示，二者一般不会相等；相应的帧偏转信号峰峰值以VF表示；行偏转信号峰峰值，因为逐行会变化，以Vl(i)来表示，i为行的索引，i=1，2，…2*X-1，X=MAX(M,N)；对应的有 x=MIN(M,N)；单位像素尺寸Pl和Pf偏转所需要的信号幅度分别以ΔVl，ΔVf表示；若实际行扫描和帧扫描区域会相对于有效扫描区域会作扩展，扩展的程度分别以ΔL(像素)和ΔF（行数）来表示,如无特别说明，取ΔL=ΔN，和ΔF=ΔM，对描述没有影响；扩展后的偏转信号的峰峰值也以VL’(i)和VF’表示。

采样以固定时间间隔Tp进行，有时也称为像素时间或时钟脉冲。本专利的实施例中，倾斜扫描取与常规扫描采样相同的像素时间间隔Tp（采样时钟）, 也可以取不同的采样时钟，属于实施例的一种简单扩展。

本发明提供的一种基于电子显微镜成像的光栅扫描方法如下：

光栅扫描的行扫描矢量信号，具有可变峰峰值和时长，其分量施加在偏转器的正交电极组的相应电极上，实现电子束在样品表面与预期图像的M*N 像素阵列（M，N为不为零的整数）呈倾斜角度的逐行扫描；光栅扫描的帧扫描矢量信号，与所述行扫描矢量信号同步且成某一角度，其分量施加在偏转器的正交电极组相应电极上，实现行与行之间的偏置。帧扫描信号每完成一个周期，行扫描信号也完成一个变化周期，实现所需的从对角线一角（或附近）到对角线另一角（或附近）的多行扫描覆盖，在样品表面形成一幅倾斜，变栅长的扫描光栅。帧扫描信号幅值、时长，所述各行的行扫描信号的幅值、时长，行扫描的行数等，由预期图像大小M*N、像素尺寸P、斜扫角度θ，及偏转器的偏转灵敏度s等参数决定。

优选的，所述光栅扫描的行扫描信号为具有直流偏置的电压信号或者电流信号，行扫描每行信号的峰峰值及时长逐行作规律性的增减，其形态为或类似锯齿波或者三角波；以实现与M*N像素阵列呈特定角度的光栅扫描；

所述光栅扫描的帧扫描信号为具有恒定直流偏置的电压信号或者电流信号，帧扫描信号幅值随行扫描信号连续变化或阶梯变化，整体形态为或类似锯齿波或者三角波。且帧扫描信号与所述行扫描信号的周期相同。

优选的，所述行扫描信号包含正程阶段和回扫阶段，正程阶段的时长至少满足所对应行的像素采样要求；斜率可正（线性上升）可负（线性下降）；每行正程阶段的时长，峰峰值可变，满足倾斜扫描所对应的各行的像素点覆盖扫描，共有至少2X-1行，X取M和N中之大者，即X=MAX(M,N)；回扫阶段时长为方便起见可取定值（实践中也可变）；

所述光栅扫描的帧扫描信号包含正程阶段和回扫阶段；正程阶段满足线性要求，斜率可正（线性上升）可负（线性下降）；正程阶段的时长覆盖至少2X-1行的变峰峰值、变时长的行扫描；峰峰值满足目标图像M*N区域的扫描覆盖；回扫阶段时长为方便起见可取定值，实践中也可随幅值变化；

在光栅扫描期间还产生采样触发信号对图像信号进行采样，采样触发信号与行扫描信号同步，以方波或脉冲信号的形式输出至采样电路，对图像信号采样。 每行采样方波的宽度或采样脉冲数随行扫描幅值和时长而变，满足所在行的像素点的采样要求；保证在整个光栅扫描期间至少采集M*N个像素点的信号。

作为一种可选方案，光栅扫描的倾斜角度取与预期数字图像大小(M*N)相关；取行扫描方向沿某一对角线方向，即；也可取沿另一对角线方向，即；对应的，帧扫描信号矢量的方向，就取沿未被选取的对角线的方向；在此条件下，扫描的起点和终点会落在（M*N）图像的对角线的端点像素上，但不保证原图像（M*N）的所有像素会落在倾斜扫描光栅的每个栅格上。

将预期M*N图像（像素尺寸P）先转化为X*X图像（X可以取M和N中之大者，也可以取其中之小者），但N和M方向上的像素尺寸Pn和Pm就变为不同，以保持图像的物理尺寸不变，即Pn*X=P*N，Pm*X=P*M；

转化为X*X像素阵列的图像后，所述倾斜角度扫描，新的图像的像素点会落在倾斜扫描光栅的格点上；新的行方向（即L方向）的单位像素尺寸Pl=,帧方向上（即F方向上）的单位像素尺寸Pf=Pl/2=。

所述行扫描信号的第X行之前（含第X行），每行信号的峰峰值VL(i)，（i=1…X）以单位像素尺寸Pl对应的偏转幅值ΔVl为单位逐行递增；时长也以单位像素时间Tp逐行递增；行扫描信号的第X行之后，每行信号的峰峰值以单位像素尺寸Pl对应的偏转幅值ΔVl为单位逐行递减，时长也以单位像素时间Tp逐行递减；以帧扫描的一半，即第X行为分界，两侧的行扫描信号对称；整个2X-1行构成一幅光栅扫描的行扫描信号的完整变化周期；

所述帧扫描信号与行扫描同周期，即覆盖2*X-1个行的行扫描时长；帧扫描信号峰峰值VF也满足对X*X像素空间的完全覆盖；对应于行扫描的每一行，帧扫描信号的从行扫描的第一行后，逐行递增（帧扫描正程斜率为正）或递减（帧扫描正程斜率为负）一个帧方向单位像素尺寸Pf所需的偏转幅值ΔVf，直到帧扫描的终点，即第2X-1行的终点；所述帧扫描信号矢量与所述行扫描信号矢量成2*θ角，可保证新的X*X图像与目标M*N图像覆盖相同区域；

将上述光栅扫描期间采样得到的X*X像素空间的图像g(i,j) (i,j=1,X)，按水平或垂直方向的像素位置，作线性插值，映射到M*N像素空间中去，便得到目标G(I,J) (I =1…M,J=1…N)。

另一种可选方案，取斜扫角度θ=45°，且时：

光栅扫描的倾斜角度的选取与预期数字图像大小(M*N)无关。行扫描信号取恒定倾斜角度45°或者 135°；对应的，帧扫描信号也只有唯一的匹配角度：135°或45°；在此情况下，行扫描和帧扫描维持正交；此种角度的倾斜扫描不仅能保证扫描的起点和终点落在（M*N）图像的对角端点的像素上，也能保证原图像（M*N）中的所有像素会落在倾斜扫描光栅的栅格上。目标图像在N和M方向的像素尺寸P(=Pn=Pm)，转化为倾斜的行扫描(L方向）和帧扫描（F方向）有Pl=*P，Pf=P/；

所述行扫描信号一个周期包含三段：第一段即第1至x行，x即取M和N中之小者；行扫描信号的峰峰值VL（i） (i=1…x)以L方向单位像素尺寸Pl偏转所需的幅值ΔVl为单位逐行递增，时长以单位像素时间Tp为单位递增。同时维持直流偏置为（M-N）个像素偏转所需的幅值不变（M-N）*ΔVl，极性由M-N的正负和行扫描正程的爬升方向决定；中间段第x+1至x+2*|M-N|-1行，|M-N|意即取（M-N）之绝对值，保持行扫描信号的峰峰值及时长与第x行相同，直流偏置按如下规律变化：之前若为正，则开始逐行递减一个单位像素尺寸Pl所对应的偏转幅值ΔVl；之前若为负时，则开始逐行递增一个单位像素尺寸Pl所对应的偏转幅值ΔVl；第三段，从第X+|M-N|行至第2*X-1行，X即取M和N中之大者，行扫描信号的峰峰值VL（i）（i=X+|M-N|，…，2X-1）以单位像素尺寸Pl所相应的偏转幅值ΔVl逐行递减，维持直流偏置M-N个像素偏转所需的幅值不变，极性与第1至x行时的极性相反，时长以单位像素时间Tp为单位逐行递减。

所述帧扫描信号与行扫描同周期，覆盖2*X-1行的行扫描；对应于行扫描的每一行，帧扫描信号的幅度从起点开始，逐行递增（帧扫描正程斜率为正时）或递减（帧扫描正程斜率为负时）一个帧方向单位像素尺寸Pf所需的偏转幅值ΔVf，直到帧扫描的终点，即第2*X-1行；

特别的，当M=N时，所述行扫描信号以第M行为基准两边对称，没有直流分量及中间段。

优选的，取斜扫角度θ=45°，且M=N时：

斜扫的行方向单位像素尺寸为Pl=P，帧方向的单位像素尺寸为Pf=P/；

所述帧扫描信号一个周期的前半程即第1至M行，行扫描信号的峰峰值VL（i）(i=1,…M)以Pl所需的偏转幅值ΔVl为单位逐行递增，时长则以像素时间Tp为单位逐行递增，行扫描信号的直流偏置为零；后半程即第M行以后，行扫描信号的峰峰值VL（i）以像素Pl所需的偏转幅值ΔVl为单位逐行递减，时长以像素时间Tp为单位逐行递减，直流偏置为零。行扫描信号波形，以半程第M行为分界，两侧信号对称。

所述帧扫描信号与行扫描同周期，覆盖2*X-1行的行扫描；对应于行扫描的每一行，帧扫描信号的幅度从起点开始，逐行递增（帧扫描正程斜率为正）或递减（帧扫描正程斜率为负）一个帧方向单位像素尺寸Pf所需的偏转幅值ΔVf，直到帧扫描的终点，即第2*X-1行。

进一步的，对探测器端收集到的反映相应光栅位置及时间节点的，被一次电子束所激发产生的二次电子、或者背散射电子，或统称信号电子，在行扫描的正程阶段实施采样；所述采样信号与行扫描同步，波形可以为方波或脉冲信号，触发外电路进行采样；每行的方波宽度或脉冲数目随所在行对应的相应得像素点数决定，得到的时域图像信号g（k）；最后再按空间位置关系，对时间序列的数据结构，按水平、垂直的空间结构重新排序，得到M*N像素的数字图像G（I，J）。

进一步的，所述行扫描信号的扫描时段加长，在采样点前有冗余的像素时钟（ΔN），确保行扫描信号经历回扫后在进入采样前，进入线性扫描阶段，冗余时间的扫描波形要保持扫描正程阶段的斜率。

优选的，所述行扫描信号在采样点前后均预留冗余的信号延伸（ΔN），保持行扫描信号的幅值对称。

优选的，所述帧扫描信号波形在起始端或起始端与结束端预留若干行（ΔM），供帧扫描信号经历回扫后有足够时间进入线性区域，及在连续帧扫描的情况下调整与行扫描信号的同步。

进一步的，所述行扫描信号和帧扫描信号的波形确定方法如下：

a.由M*N像素图像决定覆盖有效成像区域的帧扫描信号有效采样部分的峰峰值VM和行扫描信号有效采样部分的峰峰值VN；其中，VM=M*P/s，VN=N*P/s；

b.考虑到正程行扫描和帧扫描区间分别需要的单边非线性冗余时间ΔN与ΔM，或双边冗余时间2*ΔN与2*ΔM，同时维持正程斜率不变，对实际信号波形作线性外延；线性外延后的行扫描信号峰峰值为VN’，帧扫描信号峰峰值VM’；

c.确定行倾斜扫描角度，取θ或，确定倾斜行扫描信号和帧扫描信号的峰峰值VL’和VF’、Pf、Pl、单位像素偏转的信号幅值ΔVl和ΔVf、并增加行扫描行数2X-1，X=MAX(M，N)；以及确定相应的采样触发信号的时序波形；

d.确定行扫描信号波形和帧扫描信号波形正程的形态（上升还是下降），和采样触发信号；若形态为上升，则ΔVl或ΔVf为“正”；若形态为下降，则ΔVl或ΔVf为“负”；产生并输出倾斜光栅扫描的行扫描信号、帧扫描信号和采样触发信号至偏转器及探测器，启动成像扫描及图像采集。

优选的，步骤b中对实际信号波形作线性外延的公式为：VM'=VM（1+2ΔM/M）；VN'=VN(1+2ΔN/N)；

步骤c中按对角45°的倾斜扫描方式扫描，帧扫描信号的峰峰值需要增大倍，故有帧扫描信号最大峰峰值VF'=VM'；行扫描信号最大峰峰值VL(M)=VN’；行方向单位像素尺寸大小Pl增大倍（Pl=），单位像素偏转幅值ΔVl=/s=；帧方向单位像素缩小倍（Pf=）；单位像素偏转信号幅值ΔVf=Pf/s=P/；行扫描信号每一行的幅值VL（i）和时长，依所需采样的像素点的数目，在到达中心行第M行前逐行递增，过第M行后逐行递减；若扫描信号存在单边或双边为非线性所预留的信号和时间扩张ΔM和ΔN，行扫描信号依据斜率不变，帧扫描信号遵循行数增加的原则，对信号波形进行修正；有效扫描行数从M增加到2M-1，行扫描和帧扫描的单边非线性冗余时间可以维持不变(ΔL=ΔN，ΔF=ΔM)。

优选的，步骤d中，确定行扫描信号波形的步骤为：

以对角45°的倾斜扫描方式,M=N为例：所述有效行扫描信号从采样起点到终点共切分为（2M-1）行，每行的波形按如下规律进行：第一行扫描的峰峰值VL(1)=（1+2ΔN）*ΔVl，第一行扫描时长TL(1)={1+2（ΔN+ΔR）}Tp；以后每行扫信号的峰峰值递增一个像素幅值单位ΔVl，即 VL(i)=VL(i-1)+ΔVl，（i=2,3…M），每行行扫描时长也递增一个单位像素时长Tp，TL（i）=TL(i-1)+Tp（i=2，…M），直到第M行；过第M行后，每行幅值递减一个像素幅值单位ΔVl，即 VL(i)=VL(i-1)- ΔVl，（i=M+1,…2M-1）,每行时长递减一个单位像素时长Tp，TL(i)=TL(i-1)-Tp，（i=M+1，…2M-1）,直到第2M-1行为止。

优选的，步骤d中，确定帧扫描信号波形的步骤为：

所述帧扫描信号由零点起始，在ΔR的时间内（回扫的半程）到达到帧扫描信号的起始幅值；此时帧扫描信号的波形形态为上升形态（ΔVf为正）；也可以为下降形态（ΔVf为负）；考虑到可能的非线性，预留ΔM行的冗余扫描，每行冗余扫描波形同第一行，直到到达第一行行扫描的起点，期间不采样图像信号；进入有效扫描的第一行后，每前进一行，帧扫描信号峰峰值改变一个单位像素Pl的偏转幅值ΔVl（降低或增加由ΔVl的正负决定），以此重复进行到第2M-1行，到达帧扫描信号峰峰值波形的末端；信号经ΔR的回扫时间，回到零点，结束一帧扫描。

优选的，为维持对称性，到达帧扫描信号峰峰值波形幅值的末端后，再重复ΔM行的冗余行扫描，每行扫描波形同最后一行或第2M-1行；完成后经过ΔR的回扫时间，回到零点，即下一帧的扫描起点，完成整个帧扫周期。

优选的，步骤d中，确定采样触发信号的步骤为：

选定采样基准时间，确定第一行的第一个采样时间点，产生第一行第一个像素点的采样触发信号；以后每增加一行，就逐行增加一个采样触发信号，以此进行到第M行；过后每增加一行，就逐行减少一个采样点，直到第（2M-1）行，直完成最后一行最后一个像素点的采样；

每行中的采样点数对称均匀的分布在所属行扫描信号的峰峰值范围内，且相邻采样点的时间间隔均为一个像素时间Tp。

作为可选方案，行扫描信号波形中每行的正程形态由波谷爬升到波峰(即斜率为正)，扫描方向以+L表示；或者由波峰下降到波谷(即斜率为负)，扫描方向以-L表示；帧扫描信号波形的正程形态也可以由波谷爬升到波峰(即斜率为正)，扫描方向以+F表示，或者由波峰下降到波谷(即斜率为负)，扫描方向以-F表示；如此构成四种组合的扫描方向模式：+L-F、+L+F、-L-F、-L+F。

另一方面，本发明还提供一种基于电子显微镜成像的图像数据重构方法，采用上述光栅扫描方法对图像信号采样后，按以下方法进行图像数据重构：

针对M*N阵列像素图像而言，依据采样时序，会依次获得相应行扫描路径上各相应点的时序图像信号g(k)，k=1,2,3,…,M*N，由于是倾斜扫描，此数据的空间顺序并不与目标图像阵列方位或数据格式相一致，故重构转化为相应的二维空间的阵列数据，G(I,J)=g(k)，其中I=1,2,3，…M；J=1,2,3，…N；

k与（I，J）的关系可以一般的表述为。由于所述倾斜扫描的行扫描信号，帧扫描信号矢量的方向、幅值、时长，图像信号的采样时序严格按照空间（I，J）节点的采样时序设计，函数具有唯一性。

示例的，当M=N时，

；

一般的，当行扫描信号矢量的角度方向选取或其补角；行和帧信号的正程波形也可取上升形态（+L，+F），或下降形态（-L，-F），共存在8种模式组合；各模式下所采集到的时序图像信号g(k)（k=1…M*N）与预期的二维图像阵列G（I，J）(I=1…M,J=1…N)间存在唯一的对应关系k=f(I,J)，依据此关系重构后的二维图像序列G（I，J），可以满足数字图像(BMP.JPG,RAW,等等)任一格式的数据格式要求。

本发明的另一个方面是提供一种扫描电子束成像装置，执行上述光栅扫描方法以及图像数据重构方法，包括：

电子光学镜筒10，内含电子源及电子光学透镜，发射并聚焦一次电子束1001；

偏转器20，与所述电子光学镜筒在同一光轴上，并位于一次电子束1001路径上，实现电子束在待成像样品表面30的光栅扫描；

探测器40，接受一次电子束1001扫描样品30表面所激发出的二次电子1002和背散射电子，或其它成像信号。

电子束聚焦控制模块100，用于驱动电子光学镜筒中的电子源及电子光学器件，控制电子源的发射、电子束的聚焦；

扫描成像控制模块200，用于输出周期性交变的电压或电流信号，施加在偏转器的相应的电极/磁极上，实现一次电子束在样品表面的偏转扫描；还用于同步输出采样触发信号，施加在图像信号采样模块400上，实现成像信号的采集和处理；

图像信号采样模块400，分别与所述扫描成像控制模块200和探测器40通信连接；所述图像信号采样模块400与扫描成像控制模块200连接，等候与扫描同步的图像采样信号；所述图像信号采样模块400与探测器40连接，对探测器放大电路输出端的时序信号采集；

优选的，扫描电子束成像装置还包括：

图像合成模块500，与所述图像信号采样模块400通信连接，依据扫描波形形态参数，对时序信号按空间顺序进行重构生成样品表面的图像。也可用于实现光栅扫描区域的连续成像拼接；

处理器800，分别与所述电子束聚焦控制模块、扫描成像控制模块、图像合成模块通信连接，用于协调及设定扫描成像相关的参数及模式，完成倾斜光栅扫描、图像采样和图像重构。

本发明的有益效果为：

本发明的光栅扫描方法采用可变幅度的光栅行扫描波形，配合相应的图像重构技术，在图像质量层面，可以很好的均衡水平和垂直边缘形貌解析度的差异，提高图像量测和检测灵敏度，同时也减少了对非成像区域的无效扫描面积，提高了成像速度，并且所述光栅扫描方法也适用于矩形区域的光栅扫描成像，满足更广泛的场景应用需求。本发明在应用层面，没有改变图像方位的呈现方式，与行业习惯和设备应用透明兼容。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是现有技术的扫描偏转系统结构示意图；

图2是现有技术的行扫描偏转信号波形图；

图3是现有技术的帧扫描信号波形图；

图4是现有技术的行扫描方向与图像微结构的水平边缘方向一致时的扫描轨迹与对应的图像；

图5是现有技术的行扫描方向与图像微结构的竖直边缘方向一致时的扫描轨迹与对应的图像；

图6是现有技术的一种对角扫描轨迹和对应的图像；

图7是图6的对角扫描图像中矩形区域连续拼接的示意图；

图8是本发明实施例1的倾斜扫描光栅轨迹和对应的图像；

图9是图8的光栅扫描轨迹对应的行扫描波形、采样信号以及帧扫描波形示意图；

图10是图9中Q处的放大示意图，图中的序号1-9代表采样信号脉冲；

图11是本发明实施例2A的倾斜扫描光栅轨迹和对应的图像；

图12是图11的扫描光栅轨迹对应的行扫描波形、采样信号以及帧扫描波形示意图；

图13是本发明实施例2B的所对应的图像转换及像素变换的示意图；

图14是本发明实施例3的扫描光栅轨迹对应的行扫描信号波形、采样信号以及帧扫描信号波形示意图；

图15是图14中R处的放大示意图，图中的序号1-9代表采样信号脉冲；

图16是本发明实施例4的扫描光栅轨迹对应的行扫描信号波形、采样信号以及帧扫描信号波形示意图；

图17是图16中的行扫描信号波形起始段的局部放大示意图；

图18是本发明的二维空间排布G(I,J)与时序图像信号g(k)的关系示意图，图中以M=6，N=10为例示意；

图19是本发明的扫描电子束成像装置示意图。

图中：10是电子光学镜筒；100是电子束聚焦控制模块；20是偏转器；21、22、23、24都是电极；200是扫描成像控制模块；30是样品；40是探测器；400是图像信号采样模块；500是图像合成模块；800是处理器；1001是一次电子束；1002是二次电子。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供的一种电子束成像的光栅扫描方法如下：

如图19所示，本实施例的光栅扫描方法中，电子光学镜筒10中的电子源发射一次电子束1001，沿光轴朝样品30运动并聚焦在所述样品表面；所述一次电子束在穿过与光轴同轴配置的偏转器20时，因所述偏转器的相应电极对上施加有变幅值的行扫描矢量信号及帧扫描矢量信号，所产生的交变电场（或磁场）会对通过的电子束产生径向的偏转力（电场力或磁场力），导致所述电子束在样品30表面呈现与预期图像方位呈某一倾斜角度的光栅扫描轨迹；所述特定倾斜角度的偏转可以通过调整相应扫描矢量在偏转电极对（通常互为正交）上的分量来得到；所述光栅扫描的起点位于预期图像的任意一个对角线的一端或附近，终点位于同一对角线的另一端或者附近。

满足上述光栅扫描的行扫描矢量信号和帧扫描矢量信号可以有多种；优选的一种是取行扫描信号矢量方向与预期图像的某一对角线方向平行，相应的，帧扫描信号矢量方向取与另一对角线方向平行，称为对角线非正交扫描。

优选的另一种是行扫描信号矢量方向取45°（或135°），而匹配的帧扫描信号矢量方向取与行扫描信号矢量方向垂直，称之为对角正交扫描。

一旦倾斜角度确定，依据目标图像像素阵列布局（M*N），像素尺寸，可以确定所述倾斜光栅扫描的：行扫描的行数、每行行扫描信号的峰峰值、时长；帧扫描信号的峰峰值，时长；各扫描信号波形的形态及采样信号的时序。

本实施例以实现扫描电子显微镜M*N 像素成像的光栅扫描波形时，斜扫角度=45°，且M=N为例说明：

如图9所示，行扫描信号为具有恒定直流偏置的电压信号或者电流信号；行扫描信号具有交变的锯齿波或者三角波形态；每一个三角波，包含正程阶段和回扫阶段，对应于一行的扫描，正程阶段为线性，其峰峰值和时长至少满足所对应行的扫描宽度和像素采样要求；必须包含至少2M-1行，以实现电子显微镜M*N像素成像的光栅扫描。

光栅扫描的帧扫描信号为具有恒定直流偏置的电压信号或者电流信号；帧扫描信号具有交变的锯齿波或者三角波形态；每个帧扫描对应三角波的一个周期，每个周期包含正程阶段和回扫阶段；帧扫描信号的一个周期包含至少2M-1行变峰峰值行扫描，正扫描信号完成一个周期，行扫描信号的变化也完成一个周期。

光栅扫描的采样信号以设定的像素采样频率，与行扫描信号同步触发脉冲信号输出至采样电路，对图像信号采样。

具体的，选取=45°，可确保行扫描信号导致电子束在图像位置上的轨迹，通过相对应的各像素点。行扫描信号以45度斜角倾斜扫描，扫描行方向（以下或称L方向）上每个像素间的距离尺寸拉宽，变为Pl=*P； 帧扫描所覆盖的行数由M行增加到2M-1行，帧扫描方向上的像素距离被压缩，变为Pf=Pl/2，参考图9。相应的，实现倾斜行方向上单位像素偏转所需的信号为；ΔVl=Pl/s=，帧方向上单位像素偏Pf转所需的信号为；ΔVf=Pf/s=，s是为偏转灵敏度—即单位偏转信号对电子束所能偏转的距离。

帧扫描信号一个周期的前半程，即第M行之前，行扫描信号的峰峰值VL(i),(i=1,M)以像素Pl偏转所需的幅值ΔVl为单位逐行递增，行扫描信号的直流偏置为零，时长以单位像素时间Tp为单位逐行递增；帧扫描信号周期的后半程，即第M行之后，行扫描信号的峰峰值VL(i)以单位像素Pl偏转所需的幅值ΔVl为单位逐行递减，行扫描信号的直流偏置为零，时长以单位像素时间Tp递减；以半程第M行为分界，两侧信号的直流偏置相等，交流信号对称。

帧扫描信号与行扫描信号同步，并以行扫描的行为单位作阶梯状变化，从起始点的幅值开始，逐行递增或递减一个单位像素尺寸Pf偏转所需的幅值ΔVf，直到最后第2M-1行，抵达帧扫描的终止幅值。至此完成一帧图像的45°倾斜扫描。

请参考图9和图10，具体来说，行扫描信号按以下规律进行扫描：

以第一行行扫描信号波形的时长TL(1)为基本时长，其必须满足基本的采样点要求，以像素时间Tp为基本采样时钟，则第一行行扫描信号VL(1)峰峰值为VL(1)＝TL(1)*ΔVl；

之后每行时长递增一个基本时长Tp，第i行的扫描时长TL（i）= TL（i-1）+Tp；每行幅值逐行递增1个ΔVl，即第i行的行扫描信号峰峰值VL（i）= VL（i-1）+ΔVl；直到第M行达到最大；

到达第M行达到最大后，每行的时长依次递减一个基本时长，即TL（i）= TP（i-1）-Tp, 每行扫描波形的峰峰值也逐行递减一个ΔVl，即VL（i）= VL（i-1）-ΔVl，直到第2M-1行的TP(2M-1)时刻，行扫描波形的幅值回到起始值VL(2M-1)= VL(1)。

同步的，帧扫描信号按以下规律进行扫描：

从行扫描信号的第一行的起点开始，与行扫描同步启动，信号幅值维持起始幅值VF（1）=-M*ΔVf，并在本行扫描期间维持不变；

之后每开始新的一行，以i表示，帧扫描信号幅值VF（i）递增1个ΔVf，VF（i）= VF（i-1）+ΔVl，并维持在本行扫描期间不变，直到第2M-1行结束，帧扫描信号的幅值到达终止幅值VF(2M-1)=M*ΔVl，至此完成一个帧扫描周期。

同步的，请参考图10，采样信号按以下规律进行输出：

以第一行为基准，以扫描中间某一时间点为基点（也可以选取行扫描信号正程信号或者回程信号为零时的时间为采样起点），在相应的像素点的扫描时刻，对应于扫描信号的某个幅值，产生第一行第一像素点的采样触发信号；以后每增加一行，就增加一个采样触发脉冲，或增大一个采样时钟长度的采样信号宽度；

若采样点数为偶数，则采样点数对称分布在参考采样电平的两端；若采样点为奇数，则中心采样点落在参考采样电平上，其它点在参考采样电平两侧对称分布；以此进行到第M行；

之后每增加一行则减少一个采样点，采样点的分布仍然保持与基准中心点对称；直到第2M-1行达到最小采样点数1。

按照前述采样信号时序，触发外电路在探测端，对相应时间点被扫描电子束所激发产生的二次电子、背散射电子（以下统称为信号电子）进行采样，构成按时序排列的菱形状的图像数据结构；然后再按空间位置，对菱形空间时间序列的数据结构，按水平、垂直的空间结构重新排序，得到M*N像素的数字图像。转化后的图像，其像素尺寸同时也转化原先的值，即P。

实施例2A

请参考图11和图12，本实施例与实施例1的区别在于，实现扫描电子显微镜M*N 像素成像的光栅扫描波形时，倾斜扫描角度=45°，但：

因为=45°，倾斜光栅扫描模式下，行方向和帧方向的单位像素尺寸Pl和Pf同实施例1，这里不再重复。帧扫描与行扫描的夹角仍然可以维持正交（2*=90°）扫描；所不同的是，因为，图像为非方正图像，行扫描信号不再具有中心零点对称的特性，需要在行扫信号中引入分段的直流偏置部分，用于配置行扫描中心点的位置；行扫描信号的交流部分仍然是具有特定规律，且周期性变化的，近似为锯齿波或三角波的电压或电流信号，满足变行宽、变时长的行扫描及采样要求。

帧扫信号也可以是具有直流偏置的，锯齿波或三角波形态的电压或电流信号，周期与前述行扫描信号周期相同。在本实施例中，帧扫信号的直流偏置信号为零。

采样信号具有特定频率（像素采样频率）的，与行扫描信号同步触发脉冲信号，或方波信号，输出至采样电路，对图像信号采样。脉冲数，或方波的宽度，决定每行采样的点数，故也是随行扫描动态变化的。

具体地，请参考图12，以下以M*N图像，为例，对扫描及采样信号作具体描述，其实施方式可以相应调整满足的情形。

行扫描可以划分为三个阶段；第一个阶段覆盖行扫描的第1至N行，从第一行开始，行扫描信号的峰峰值VL（1）以单位像素Pl偏转所需的幅值ΔVl为单位逐行增加，时长也同步增加一个像素时间Tp, 期间维持直流偏置为N-M个单位像素偏转所需的幅值，即（N-M）*ΔVl，极性由N-M的正负决定；第二阶段为中间第N至2M-N行，行扫描信号的峰峰值不变，扫描时长不变；直流偏置按如下规律变化：若N-M为负时直流逐行递增ΔVl，若N-M为正时逐行递减ΔVl；第三段第2M-N-1至第2M-1行，行扫描信号的峰峰值以单位像素偏转Pl所需的幅值ΔVl逐行递减，时长以单位像素时间Tp为单位逐行递减, 期间维持直流偏置-(N-M)个单位像素偏转所需的幅值，即-(N-M)* ΔVl，直到2M-1行扫描结束。

帧扫描信号与行扫描信号同步，并以行扫描的行为单位作阶梯状增减，从起始点的幅值开始，逐行递增（帧信号正程斜率为正）或递减（帧信号正程斜率为负）一个单位像素尺寸Pf偏转所需的幅值ΔVf，直到最后第2M-1行，抵达帧扫描的终止幅值。至此完成一帧图像的45°倾斜扫描。

采样信号同实施例1，这里不再赘述。

实施例2B

请参考图13，本实施例与实施例2A的区别在于，可实现扫描电子显微镜M*N 像素成像的真正的对角线方向的扫描，若行扫描沿M*N的一个对角线方向扫描，帧扫描就沿另一个对角线方向扫描，两者不必定保持垂直；行扫描的斜扫角度由M和N决定，可以取，或其补角：；帧扫描与行扫描成角；为一般性起见，以下讨论基于，即；对于 M=N，即=45°的情形，就简化为一种对角正交的光栅扫描，实施例1已经作了描述。

在M和N方向的像素尺寸（P）都相同的前提下，目标图像M*N不具有正方形特征，对角扫描的行扫描信号的幅值不具有中心零点对称的特征，且每行的行扫信号的中心点动态变化，不便以直流偏置表示。

本实施例中，参考图13所示的流程，首先将等像素P的非正方M*N像素阵列图像转化为不等像素的正方形X*X像素阵列图像；X取M和N中之大者，可以最大限度的不损失精度；也可以取其中之小者x，表现为x*x。图中示例取x，两种取值都不影响以下模式。变换后，N和M方向的像素尺寸，以Pn和Pm表示，就变为不相同，需满足P*N=X*Pn，P*M=X*Pm。

若对X*X的像素阵列实行倾斜的对角扫描，倾斜扫描行扫描（L方向）取沿对其中一个对角线的方向，则行方向上的单位像素尺寸Pl=；帧扫描方向取沿另一对角线方向， 帧方向（F方向）的单位像素尺寸Pf=。上述单位像素尺寸转换可以图13的几何关系得到。

一旦确定了倾斜光栅扫描的行像素Pl和帧像素Pf尺寸，对应的单位像素所需的偏转增量也就可以由偏转灵敏度s推得；ΔVl=Pl/s，ΔVf=Pf/s。剩下的步骤，包括行和帧扫描信号的波形发生，采样信号发生，均参照实施例1，至此可以获得X*X像素阵列的图像。

下一步是将所得X*X像素阵列的图像，在被压缩或扩展的方向（N或M，视X的取值）进行线性插值，得到预期的像素阵列M*N上的图像信号；同时水平和垂直方向的像素尺寸，也恢复到预定值P。至此，完成M*N阵列图像的对角扫描及成像。

实施例3

上述实施例的波形未考虑回扫的时间因素和其对正扫线性区域的影响：即，可能会导致初始阶段正程扫描出现非线性。请参考图14和图15，本实施例与实施例1的区别在于，考虑到行回扫信号跳变，会影响正程扫描信号起始段的线性，在实施例1的基础上，行扫描信号的正程扫描时段会线性加长，在采样点前预留足够的ΔN时钟的时间供行扫描信号经历回扫后进入线性区域，并保持行扫描波形在有效扫描阶段的斜率不变。

同理，行扫描信号波形在终止端也预留若干行ΔN，供行扫描信号经历回扫后有足够时间进入线性区域。

可选择性地，行正程扫描为避免非线性所预留冗余时间ΔN，可在起始和终止端双边对称预留、或者非对称预留，也可单纯在起始端预留。

扫描信号的回程时间，因为主要由电路特性限制，统一以表示。可以理解为信号从波峰或波谷回到零点的时间，亦即回程的半程时间。

因此，考虑到对称非线性预留的情形，每一行行扫描的时间TL’(i)变为

具体地，行扫描信号和帧扫描信号的波形确定方法如下：

a.由M*N像素图像决定覆盖有效成像区域的帧扫描信号有效采样部分的峰峰值VM=M*P/s和行扫描信号有效采样部分的峰峰值VN=N*P/s；由此得到有效采样部分单位像素对应的信号幅值ΔVf=VM/M和ΔVl=VN/N；再决定倾斜光栅扫描的方式及角度：是对角线扫描还是45°斜角扫描,决定行扫描的最大峰峰值 VL=Vn/Cos，VF=Vm/sin；

b.考虑到正程行扫描需要预留单边非线性冗余时间ΔN，同时维持正程斜率不变，对实际信号波形作线性外延，最终的行信号的最大峰峰值变为：VL’= VL（1+2ΔN/N）；因为行扫描逐行变幅值，各行的峰峰值也依相同规律变化；

c.根据倾斜扫描的角度，调整倾斜行扫描和帧扫描的信号幅值，行扫描的行数，换算出相应扫描方向的像素尺寸，及相应的单位像素所需要的偏置信号；

以M=N的M*M像素图像，按对角45°的倾斜扫描方式扫描，行和帧的扫描幅值需要增大倍；行扫描行数增加到2M+1行；行像素尺寸相对于原始值增大倍，帧像素尺寸相对于原始值减小倍。行扫描和帧扫描的单边非线性冗余时间维持不变。

d.确定行扫描信号波形、帧扫描信号波形和采样触发信号。

其中，确定行扫描信号波形的步骤为：

有效行扫描信号从起点到终点共切分为（2M-1）行，每行的波形按如下规律进行：第一行扫描的峰峰值VL(1)=（1+2ΔN）*ΔVl，第一行扫描时长TL(1)={1+2（ΔN+ΔR）}Tp；以后每行扫信号的峰峰值递增一个像素幅值单位ΔVl，即VL(i)=VL(i-1)+ΔVl，（i=2,3…M），每行行扫描时长也递增一个单位像素时长Tp，TL（i）=TL(i-1)+Tp（i=2，…M），直到第M行；过第M行后，每行幅值递减一个单位像素偏转ΔVl，即 VL(i)=VL（i-1）- ΔVl，（i=M+1,…2M-1），每行时长递减一个单位像素时长Tp，TL(i)=TL(i-1)-Tp，（i=M+1，…2M-1），直到第2M-1行为止，扫描信号的峰峰值VL(2M-1)=（1+2ΔN）*ΔVl。

确定采样触发信号的步骤为：

选定采样基准时间，确定第一行的第一个采样时间点，产生第一行第一个像素点的采样触发信号；以后每增加一行，就顺延增加一个采样触发信号，以此进行到第M行；过后每增加一行，就顺延减少一个采样点，直到第（2M-1）行，达到最后一行一个像素点的采样；

每行中的采样点数对称均匀的分布在所属行扫描信号的峰峰值范围内，且采样点时间间隔均为一个像素时间。

此外，本实施例中，行扫描信号波形中每行的正程形态由波谷爬升到波峰(即斜率为正)，扫描方向以+L表示；或者由波峰下降到波谷(即斜率为负)，扫描方向以-L表示；帧扫描信号波形的正程形态也可以由波谷爬升到波峰(即斜率为正)，扫描方向以+F表示，或者由波峰下降到波谷(即斜率为负)，扫描方向以-F表示；如此构成四种组合的扫描方向模式：+L-F、+L+F、-L-F、-L+F。

实施例4

考虑到帧回扫信号跳变，也会影响正程扫描信号起始段的线性，本实施例在实施例3的基础上，帧扫描也预留出若干行ΔM，供帧扫描信号经历回扫后有足够时间进入线性区域，波形如图16和图17所示。

确定帧扫描信号波形的步骤为：

考虑到帧正程行扫描需要预留单边非线性冗余时间ΔM，同时维持正程斜率不变，对实际帧扫描信号波形作线性外延，公式为：VF’= VM（1+2ΔM/M）；其中VF’为行扫描信号外延峰峰值；

帧扫描信号由零点起始，在ΔR个像素时间内，上升到帧扫描信号的幅值的一端开始正程扫描；考虑到可能的非线性，冗余ΔM行的行扫时间，行的时长同第一行；在完成第一行的行扫描后，在行返程扫描期间，帧扫描信号的幅值增加或减小一个像素单位所对应的偏转幅值，以此每行都以此重复，直到第2M-1行，到达帧扫描信号峰峰值波形的末端，此时行扫描信号也同步完成最后一行。

如帧扫描需要重复连续进行，可以直接进入帧回扫，经过2ΔR的回扫时间到达下一帧的扫描起点。重复下一帧的扫描。为维持对称性，在有效帧扫描信号结束后，也可以再重复ΔM行的冗余行扫描，冗余行的行扫描波形同最后一行或第2M-1行；完成后再经历2ΔR的回扫时间，到达下一帧的扫描起点。

因此，考虑到对称非线性预留的情形，每一帧帧扫描的时间TF变为

本实施例的其他方法与实施例3相同。

实施例5

本实施例提供一种基于电子显微镜成像的图像数据重构方法，采用实施例1-4中任一种光栅扫描方法对图像信号采样后，按以下方法进行图像数据重构：

参考图18，图中以6*10像素整列的图像为例说明图像数据重构方法，可扩展理为M*N阵列。

针对M*N阵列像素图像而言，依据采样时序，会依次获得相应行扫描路径上各相应点的时序图像信号g(k)，k=1,2,3,…M*N，由于是倾斜扫描，此数据的空间顺序并不与目标图像方位或数据格式相一致，故重构转化为二维空间的阵列数据，G(I,J)=g(k)，其中I=1,2,3，…M；J=1,2,3，…N；

k与（I，J）的关系可以一般的表述为k=f(I,J) 。由于所述倾斜扫描的行扫描信号、帧扫描信号的矢量方向、幅值、时长，图像信号的采样，均严格按照空间（I，J）节点的采样时序设计，函数k=f(I,J)具有唯一性。

示例的，当M=N时，

；

关于扫描方向或正程扫描信号的斜率问题，前述所有实施例中，行扫描信号正程时段斜率为正，或信号总是从低往高上行；帧扫描信号的正程时段斜率为负，或信号总是从高往低下行；在更一般的实施例中，行、帧扫描信号可呈任意上行或下行形态，即斜率可正可负，且两者可以独立。故存在四种组合，所述倾斜扫描方式即图像重构方式同样适用。

关于扫描信号在偏转电极或磁极上的分量分解问题，前述所有实施例中，所有信号是实现特定方位成像所需的行扫描和帧扫描的复合信号或矢量信号，如该方向上刚好与两组正交的偏转电极同向，所述矢量信号可直接施加在相应电极上，实现相应方向的偏转；如偏转方向与电极组方向成某一角度，或行偏转与帧偏转成某一特定角度，则必须将相关信号作为矢量分解，得到相应电极上的分量信号，其合成作用将产生相应方向的偏转。

实施例6

请参考图19，本实施例提供一种扫描电子束成像装置，可执行实施例1-4中任一种光栅扫描方法以及实施例5的图像数据重构方法，包括电子光学镜筒10、偏转器20、样品30、探测器40、电子束聚焦控制模块100、扫描成像控制模块200、图像信号采样模块400、图像合成模块500和处理器800。

电子光学镜筒10，包含电子源和透镜，实现一次电子束的发射和聚焦，电子光学镜筒即为传统电子显微镜的镜筒部分，此处不含偏转器；

电子束聚焦控制模块100，用于驱动电子光学镜筒中的电子源及电子光学器件，控制电子源的发射、电子束的聚焦；电子束聚焦控制模块为公知技术。

偏转器20，是一种具有多电极或磁极的多极场器件，电极对或磁极对上以互为反向的电压和电流激励，产生径向电场或磁场对电子束产生偏转。

扫描成像控制模块200通信连接偏转器模块，用于输出周期性交变的电压或电流信号，施加在偏转器的相应的电极/磁极上，实现一次电子束1001在样品表面的光栅扫描。扫描成像控制模块200还同步输出采样触发信号，施加在图像信号采样模块400上，实现成像信号的采集和处理。

探测器40，用于接受一次电子束轰击样品30表面所激发出的二次电子1002或其它成像信号电子，通常会配合有放大电路，对信号作放大处理。

图像信号采样模块400，分别与扫描成像控制模块200和探测器40通信连接；图像信号采样模块400与扫描成像控制模块200连接，等候与扫描同步的图像采样信号；图像信号采样模块400与探测器40连接，对探测器放大电路输出端的时序信号进行采集。

图像合成模块500与图像信号采样模块400通信连接，依据扫描形态，对时序信号给g(k)按空间像素顺序 (I,J)进行重排，实现样品表面的图像G（I，J）。k和（I，J）之间的关系可以表示为 k=f（I，J）。一旦倾斜扫描的角度，波形参数，时长，采样时序确定，此关系也唯一确定信号向空间阵列的重构。另外图像合成模块500还可执行图像的拼接等等。

处理器800（即上位机）分别与电子束聚焦控制模块100、扫描成像控制模块200、图像信号采样模块400、图像合成模块500通信连接，用于按上述实施例中的光栅扫描方法、图像数据重构方法，设定、协调及控制扫描成像相关的参数及模式。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (21)

1.一种电子束成像的光栅扫描方法，其特征在于，

光栅扫描的行扫描信号为具有可变峰峰值和时长的矢量信号，所述行扫描信号的分量施加在偏转器的正交电极组的相应电极上，实现电子束在样品表面与预期图像的M*N 像素阵列呈倾斜角度的逐行扫描，其中M，N为不为零的整数；

光栅扫描的帧扫描信号与所述行扫描信号同步且成一角度，所述帧扫描信号的分量施加在偏转器的正交电极组相应电极上，实现行与行之间的偏置；帧扫描信号每完成一个周期，行扫描信号也完成一个变化周期，实现从预期图像的对角线一角附近到对角线另一角附近的多行扫描覆盖，在样品表面形成一幅倾斜、变栅长的扫描光栅。

2.根据权利要求1所述的光栅扫描方法，其特征在于，

所述光栅扫描的行扫描信号为具有直流偏置的电压信号或者电流信号，行扫描信号的峰峰值及时长逐行作规律性的增减，其形态为或类似锯齿波或者三角波；

所述光栅扫描的帧扫描信号为具有恒定直流偏置的电压信号或者电流信号，帧扫描信号幅值随行扫描信号连续变化或阶梯变化，整体形态为锯齿波或者三角波。

3.根据权利要求1所述的光栅扫描方法，其特征在于，所述光栅扫描的行扫描信号包含正程阶段和回扫阶段；正程阶段满足线性要求，斜率为正或者为负；每行正程阶段的时长、峰峰值可变，满足倾斜扫描所对应的各行的像素点覆盖扫描，共有至少2X-1行，X取M和N中之大者，回扫阶段时长可取定值；

所述光栅扫描的帧扫描信号包含正程阶段和回扫阶段；正程阶段满足线性要求，斜率为正或者为负；正程阶段的时长覆盖至少2X-1行的变峰峰值、变时长的行扫描；峰峰值满足目标图像M*N区域的扫描覆盖；回扫阶段时长可取定值。

4.根据权利要求3所述的光栅扫描方法，其特征在于，在光栅扫描期间还产生采样触发信号对图像信号进行采样，采样触发信号与行扫描信号同步，且每行采样方波的宽度或采样脉冲数随行扫描幅值和时长而变，满足所在行的像素点的采样要求，保证在整个光栅扫描期间至少采集M*N个像素点的信号。

5.根据权利要求1所述的光栅扫描方法，其特征在于，

光栅扫描的倾斜角度的选取与预期图像大小M*N相关，取行扫描方向沿某一对角线方向，即行扫描的倾斜角度；或者取沿另一对角线方向，即；对应的，帧扫描信号矢量的方向，取沿未被选取的对角线的方向；扫描的起点和终点会落在预期图像的对角线的端点像素上；

将预期图像先转化为X*X图像，X可以取M和N中之大者，也可以取其中之小者，P为预期图像的像素尺寸，N和M方向上的像素尺寸Pn和Pm满足Pn*X=P*N，Pm*X=P*M；

倾斜扫描的行扫描方向为L方向，倾斜扫描的帧扫描方向为F方向，L方向单位像素尺寸Pl=，F方向的单位像素尺寸Pf=Pl/2=；

所述行扫描信号的第X行及第X行之前，每行信号的峰峰值VL(i)，（i=1…X）以行扫描方向上的单位像素尺寸Pl偏转所需的幅值ΔVl为单位逐行递增；时长也以单位像素时间Tp逐行递增；行扫描信号的第X行之后，每行信号的峰峰值以单位像素尺寸Pl偏转所需的幅值ΔVl为单位逐行递减，时长也以单位像素时间Tp逐行递减；以帧扫描的一半即第X行为分界，两侧的行扫描信号对称；整个2X-1行构成一幅光栅扫描的行扫描信号的完整变化周期；

所述帧扫描信号与行扫描信号同周期，即覆盖2*X-1个行的行扫描时长；帧扫描信号峰峰值VF也满足对X*X像素空间的完全覆盖；帧扫描正程斜率为正时，对应于行扫描的每一行，帧扫描信号的从行扫描信号的第一行后逐行递增一个帧扫描方向单位像素尺寸Pf所需的偏转幅值ΔVf；帧扫描正程斜率为负时，对应于行扫描的每一行，帧扫描信号的从行扫描信号的第一行后逐行递减偏转幅值ΔVf，直到帧扫描的终点，即第2X-1行的终点；

所述帧扫描信号矢量与所述行扫描信号矢量成2*θ角，可保证新的X*X图像与目标M*N图像覆盖相同区域；

将上述光栅扫描期间采样得到的X*X像素空间的图像g(i,j) (i,j=1,X)，按水平或垂直方向的像素位置，作线性插值，映射到M*N像素空间中去，便得到目标图像G(I,J) (I=1…M,J=1…N)。

6.根据权利要求1所述的光栅扫描方法，其特征在于，

光栅扫描的倾斜角度的选取与预期图像大小M*N无关；行扫描信号取恒定倾斜角度45°或者 135°；对应的，帧扫描信号也有匹配角度：135°或45°；在此情况下，行扫描和帧扫描维持正交；目标图像在N和M方向的像素尺寸P=Pn=Pm，转化为倾斜的行扫描和帧扫描时，相应方向上的单位像素尺寸Pl和Pf分别满足Pl=*P，Pf=P；

当时，所述行扫描信号一个周期包含：

第一段为第1至x行，x取M和N中之小者；行扫描信号的峰峰值VL（i） (i=1…x)以L方向单位像素尺寸Pl偏转所需的幅值ΔVl为单位逐行递增，时长以单位像素时间Tp为单位递增；同时维持直流偏置为M-N个像素偏转所需的幅值不变：（M-N）*ΔVl，极性由M-N的正负和行扫描正程的爬升方向决定；

中间段为第x+1至x+2*|M-N|-1行，|M-N|取（M-N）之绝对值，保持行扫描信号的峰峰值及时长与第x行相同，直流偏置按如下规律变化：之前若为正，则开始逐行递减一个单位像素尺寸Pl所对应的偏转幅值ΔVl；之前若为负时，则开始逐行递增一个单位像素尺寸Pl所对应的偏转幅值ΔVl；

第三段，从第X+|M-N|行至第2*X-1行，X即取M和N中之大者，行扫描信号的峰峰值VL（i）（i=X+|M-N|~2X-1）以单位像素尺寸Pl偏转所相应的偏转幅值ΔVl逐行递减，维持直流偏置M-N个单位像素偏转所需的幅值不变，极性与第1至x行时的极性相反，时长以单位像素时间Tp为单位逐行递减；

所述帧扫描信号与行扫描同周期，覆盖2*X-1行的行扫描；对应于行扫描的每一行，帧扫描信号的幅度从起点开始，逐行递增或递减一个帧方向单位像素尺寸Pf所需的偏转幅值ΔVf，直到帧扫描的终点，即第2*X-1行；

当M=N时，所述行扫描信号以第M行为基准两边对称，没有直流分量及中间段。

7.根据权利要求3所述的光栅扫描方法，其特征在于：对探测端收集到的反映相应光栅位置及时间节点的，被一次电子束所激发产生的二次电子、或者背散射电子统称信号电子，在行扫描的正程阶段实施采样；所述采样信号与行扫描同步，波形可以为方波或脉冲信号，触发外电路进行采样；每行的方波宽度或脉冲数目随所在行对应的相应得像素点数决定，得到的时域图像信号g（k）；最后再按空间位置关系，对时间序列的数据结构，按水平、垂直的空间结构重新排序，得到M*N像素的数字图像。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的光栅扫描方法，其特征在于：所述行扫描信号的扫描时段加长，在采样点前有冗余的像素时钟ΔN，确保行扫描信号经历回扫后再进入采样前，进入线性扫描阶段；冗余时间的扫描波形要保持扫描正程阶段的斜率。

9.根据权利要求8所述的光栅扫描方法，其特征在于：所述行扫描信号在采样点前后均有冗余的信号延伸，提供足够的线性区间窗口，并保持行扫描信号的幅值对称。

10.根据权利要求8所述的光栅扫描方法，其特征在于：所述帧扫描信号波形在起始端或起始端与结束端预留若干行ΔM，供帧扫描信号经历回扫后有足够时间进入线性区域，及在连续帧扫描的情况下调整与行扫描信号的同步。

11.根据权利要求8所述的光栅扫描方法，其特征在于：所述行扫描信号和帧扫描信号的波形确定方法如下：

a.由目标图像的像素数目M*N、像素大小P和偏转扫描的灵敏度s，按照正常光栅扫描的成像要求，决定帧扫描信号有效采样部分的峰峰值VM和行扫描信号有效采样部分的峰峰值VN，其中，VM=M*P/s，VN=N*P/s；

b.考虑到正程行扫描和帧扫描区间分别需要的单边非线性冗余时间ΔN与ΔM，或双边冗余时间2*ΔN与2*ΔM，对实际信号波形作线性外延，以维持正程斜率不变；线性外延后的行扫描信号峰峰值为VN’，帧扫描信号峰峰值VM’，其中，VM'=VM（1+2ΔM/M）；VN'=VN(1+2ΔN/N)；

c.确定倾斜扫描角度θ，并根据倾斜扫描角度，对步骤a、步骤b所得到的常规光栅扫描的行扫描波形和帧扫描波形做转换修正得到：倾斜扫描帧扫描信号的峰峰值VF’、时长；行扫描信号的各行的峰峰值VL’(i)、时长、行数（2X-1）；帧扫描方向和行扫描方向的单位像素尺寸Pf、Pl；Pf、Pl偏转所需的信号幅度ΔVl、ΔVf，以及相应的采样触发信号的时序波形；

d.产生并输出倾斜光栅扫描的行扫描信号、帧扫描信号和采样触发信号至偏转器及探测器，启动成像扫描及图像采集。

12.根据权利要求11所述的光栅扫描方法，其特征在于：

步骤c中，当采用M=N，θ=45°的倾斜扫描方式时，行偏转和帧偏转的扫描的最大幅度增加倍；行扫描方向的单位像素尺寸Pl=P；帧扫描方向因为行数增大到2M-1行，帧扫描方向的单位像素尺寸Pf=P/；行扫描信号每一行的幅值VL（i）和时长，依所需采样的像素点的数目，在到达中心行第M行前逐行递增，过第M行后逐行递减；若扫描信号存在单边或双边为非线性所预留的信号和时间扩张ΔM和ΔN，行扫描信号依据斜率不变，帧扫描信号遵循行数增加的原则，对信号波形进行修正。

13.根据权利要求11所述的光栅扫描方法，其特征在于：步骤d中，确定行扫描信号波形的步骤为，当采用对角45°的倾斜扫描方式，M=N时：

所述行扫描信号有效采样部分从采样起点到终点共切分为（2M-1）行，每行的波形按如下规律进行：第一行扫描的峰峰值VL(1)=（1+2ΔN）*ΔVl，ΔVl为每个倾斜像素所需要的偏转幅值；第一行扫描时长TL(1)={1+2（ΔN+ΔR）}Tp，ΔR为回扫的半程时间，Tp为每个像素所占据的时间；以后每行扫信号的峰峰值递增一个像素所对应的偏转幅值ΔVl，即 VL(i)=VL(i-1)+ΔVl，（i=2,3…M），每行行扫描时长也递增一个单位像素时长Tp，TL（i）=TL(i-1)+Tp（i=2，…M），直到第M行；过第M行后，每行幅值递减一个像素偏转幅值ΔVl，即 VL(i)=VL（M）-(i-M+1)* ΔVl，（i=M+1,…2M-1）,每行时长递减一个单位像素时长Tp，TL(i)=TL(i-1)-Tp，（i=M+1，…2M-1），直到第2M-1行为止。

14.根据权利要求11所述的光栅扫描方法，其特征在于：步骤d中，确定帧扫描信号波形的步骤为：

所述帧扫描信号由零点起始，在回扫的半程时间ΔR内到达到帧扫描信号的起始幅值；此时帧扫描信号的波形形态为上升形态，ΔVf为正；也可以为下降形态，ΔVf为负；考虑到可能的非线性，预留ΔM行的冗余扫描，每行冗余扫描波形同第一行，直到到达第一行行扫的起点，期间不采样图像信号；进入有效扫描的第一行后，每前进一行，帧扫描信号峰峰值改变一个单位像素的偏转幅值ΔVl，帧扫描信号峰峰值降低或增加由ΔVl的正负决定，以此重复进行到第2M-1行，到达帧扫描信号峰峰值波形的末端；信号经ΔR的回扫时间回到零点，结束一帧扫描。

15.根据权利要求14所述的光栅扫描方法，其特征在于：为维持对称性，到达帧扫描信号波形幅值的末端后，再重复ΔM行的冗余行扫描，每行扫描波形同最后一行或第2M-1行；完成后回扫到下一帧的扫描起点，完成整个帧扫周期。

16.根据权利要求11所述的光栅扫描方法，其特征在于：步骤d中，确定采样触发信号的步骤为：

选定采样基准时间，确定第一行的第一个采样时间点，产生第一行第一个像素点的采样触发信号；以后每增加一行，就逐行增加一个采样触发信号，以此进行到第M行；过后每增加一行，就逐行减少一个采样点，直到第（2M-1）行，达到最后一行一个像素点的采样；

每行中的采样点数对称均匀的分布在所属行扫描信号的峰峰值范围内，且相邻采样点的时间间隔均为一个像素时间Tp。

17.根据权利要求11所述的光栅扫描方法，其特征在于：行扫描信号波形中每行的正程斜率若为正，则扫描方向以+L表示；若每行的正程斜率为负，则扫描方向以-L表示；帧扫描信号波形的正程斜率若为正，则扫描方向以+F表示，斜率若为负，扫描方向以-F表示；如此构成四种组合的扫描方向模式：+L-F、+L+F、-L-F、-L+F。

18.一种基于电子显微镜成像的图像数据重构方法，其特征在于：采用权利要求1至7中任一项光栅扫描方法对图像信号采样后，按以下方法进行图像数据重构：

针对M*N阵列像素图像而言，依据采样时序，会依次获得相应行扫描路径上各相应点的时序图像信号g(k)，k=1,2,3,…，M*N；由于是倾斜扫描，此数据的空间顺序并不与目标图像阵列方位或数据格式相一致，需要重新转化为相应的二维空间的阵列数据，G(I,J)=g(k)，其中I=1,2,3，…M；J=1,2,3，…N；k与（I，J）的关系可以函数k=f(I,J)来表示。

19.根据权利要求18所述的图像数据重构方法，其特征在于：行扫描信号矢量的角度方向可以为θ或其补角；行和帧信号的正程波形取上升形态（+L，+F），或下降形态（-L，-F），共存在八种模式组合；各模式下所采集到的时序图像信号g(k)（k=1，…，M*N）与预期的二维图像阵列G（I，J）(I=1…M,J=1…N)间存在唯一的对应关系k=f(I,J)，依据此关系重构后的二维图像序列G（I，J），可得到满足格式要求的数字图像。

20.一种扫描电子束成像装置，执行权利要求1至7中任一项所述的光栅扫描方法以及权利要求18所述的图像数据重构方法，其特征在于，包括：

电子束聚焦控制模块，与电子光学镜筒通信连接，用于驱动所述电子光学镜筒中的电子源及电子光学器件，控制电子源的发射与电子束的聚焦；

扫描成像控制模块，与偏转器电性连接，用于输出周期性交变的电压或电流信号，施加在偏转器的相应的电极/磁极上，实现一次电子束在样品表面的光栅扫描；还用于同步输出采样触发信号，施加在图像信号采样模块上，实现成像信号的采集和处理；

图像信号采样模块，所述图像信号采样模块与扫描成像控制模块通信连接，等候与扫描同步的图像采样信号；所述图像信号采样模块与探测器连接，对探测器输出端的时序信号采集，并依据扫描形态，对时序信号按空间顺序进行重构生成样品表面的图像。

21.根据权利要求20所述的扫描电子束成像装置，其特征在于，还包括：

图像合成模块，与所述图像信号采样模块通信连接，用于对时序信号按空间顺序进行重构生成样品表面的图像，以及实现光栅扫描区域的连续成像拼接；

处理器，分别与所述电子束聚焦控制模块、扫描成像控制模块、图像信号采样模块、图像合成模块通信连接，用于协调及设定扫描成像相关的参数及模式，实现倾斜光栅扫描、图像采样和图像数据重构。

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