RU2704390C2 - Method of three-dimensional reconstruction of surface of sample using images obtained using raster electronic microscope - Google Patents
Method of three-dimensional reconstruction of surface of sample using images obtained using raster electronic microscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2704390C2 RU2704390C2 RU2016149374A RU2016149374A RU2704390C2 RU 2704390 C2 RU2704390 C2 RU 2704390C2 RU 2016149374 A RU2016149374 A RU 2016149374A RU 2016149374 A RU2016149374 A RU 2016149374A RU 2704390 C2 RU2704390 C2 RU 2704390C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sample
- sem
- images
- islands
- island
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length-Measuring Devices Using Wave Or Particle Radiation (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области растровой электронной микроскопии и может быть использовано для контроля трехмерных размерных параметров изделий микро- и наноэлектроники, микросистемной техники, измерении шероховатости поверхности, в материаловедении.The invention relates to the field of scanning electron microscopy and can be used to control three-dimensional dimensional parameters of products of micro- and nanoelectronics, microsystem technology, measuring surface roughness, in materials science.
Растровый электронный микроскоп (РЭМ) традиционно используется для получения изображений поверхностей исследуемых образцов в широком диапазоне увеличений. Удобство эксплуатации РЭМ объясняется высокой скоростью получения изображений.A scanning electron microscope (SEM) is traditionally used to obtain images of the surfaces of the studied samples in a wide range of magnifications. Convenience of operation of SEM is explained by the high speed of image acquisition.
Изображения, получаемые в РЭМ (РЭМ-изображения) являются двумерными и дают лишь качественную информацию о Z-координате, поскольку уровень видеосигнала для каждой точки изображения является сложной функцией композиционных и топографических особенностей поверхности образца, а также коэффициента сбора вторичных электронов. Тем не менее, на практике часто бывает необходимым проведение трехмерной реконструкции объектов, например, с высоким аспектным соотношением, для которых восстановление трехмерного профиля традиционными методами, используя атомно-силовую микроскопию, может быть затруднительно.Images obtained in SEM (SEM images) are two-dimensional and provide only qualitative information about the Z coordinate, since the video signal level for each image point is a complex function of the compositional and topographic features of the sample surface, as well as the collection coefficient of secondary electrons. However, in practice it is often necessary to carry out three-dimensional reconstruction of objects, for example, with a high aspect ratio, for which it may be difficult to reconstruct a three-dimensional profile by traditional methods using atomic force microscopy.
Известен способ [1] количественной трехмерной реконструкции объектов по стереоизображениям, получаемым в растровом электронном микроскопе при наклоне столика объектов на углы ±Δϕ относительно его горизонтального положения. Данный способ использует принципы фотограмметрической обработки изображений, определяя перепад высот между двумя точками А и В (точка В находится в начале координат) на поверхности объекта на основании математических вычислений по формуле (при условии, что наклон столика объектов осуществляется вокруг оси Y)The known method [1] for quantitative three-dimensional reconstruction of objects from stereo images obtained in a scanning electron microscope when the table of objects is tilted at angles ± Δϕ relative to its horizontal position. This method uses the principles of photogrammetric image processing, determining the height difference between two points A and B (point B is at the origin) on the surface of the object based on mathematical calculations by the formula (provided that the tilt of the object’s table is carried out around the Y axis)
где индексы 1 и 2 относятся соответственно к Х- координатам точки А на 1-м изображении (при наклоне объекта на угол -Δϕ) и 2-м изображении (при наклоне объекта на угол +Δϕ), значение x1 - x2 - изменение расстояния вдоль оси X между двумя точками А и В (так называемый параллакс) при наклоне объекта на угол 2Δϕ вокруг оси Y, d - проекционное расстояние, определяемое как расстояние между точкой, в которой происходит отклонение электронного луча при развертке в растр, и плоскостью образца.where
Если наклон столика объектов РЭМ происходит из углового положения ϕ1 в угловое положение ϕ2(ϕ2>ϕ1) то перепад высот между точками А и В вычисляется по формуле (1), где Δϕ=(ϕ2-ϕ1)/2, причем указанный перепад высот относится к углу наклона столика объектов ϕ=(ϕ2+ϕ1)/2.If the slope of the table of SEM objects comes from the angular position ϕ 1 to the angular position ϕ 2 (ϕ 2 > ϕ 1 ) then the height difference between points A and B is calculated by the formula (1), where Δϕ = (ϕ 2 -ϕ 1 ) / 2 and the indicated height difference refers to the angle of inclination of the table of objects ϕ = (ϕ 2 + ϕ 1 ) / 2.
Процесс фотограмметрической обработки стереоизображений (получаемых при наклоне объекта на углы +Δϕ и -Δϕ) включает несколько этапов:The process of photogrammetric processing of stereo images (obtained when the object is tilted at angles + Δϕ and -Δϕ) includes several stages:
- нахождение массива контрастных элементов для каждого из стереоизображений;- finding an array of contrasting elements for each of the stereo images;
- определение массива пар гомологических точек, где внутри каждой пары гомологические точки, представляющие контрастные элементы из разных изображений, соответствуют одному местоположению на поверхности объекта, данная процедура также называется процедурой стереосовмещения;- definition of an array of pairs of homologous points, where inside each pair, homologous points representing contrasting elements from different images correspond to one location on the surface of an object, this procedure is also called a stereo alignment procedure;
- определение трехмерных координат точек поверхности исследуемого объекта в соответствии с формулой (1).- determination of the three-dimensional coordinates of the surface points of the investigated object in accordance with the formula (1).
Для облегчения процедуры стереосовмещения наклон образца производится симметрично относительно горизонтального расположения его поверхности, поскольку в этом случае два изображения будут наиболее совпадающими. В частности, для образца с плоской поверхностью, расположенной горизонтально, при наклоне на углы ±ϕ, два изображения будут практически идентичны.To facilitate the stereo alignment procedure, the tilt of the sample is made symmetrically relative to the horizontal location of its surface, since in this case the two images will be the most coincident. In particular, for a sample with a flat surface located horizontally, when tilted at angles ± ϕ, the two images will be almost identical.
Данный способ обладает следующими недостатками, которые влияют на точность результатов количественной трехмерной реконструкции:This method has the following disadvantages that affect the accuracy of the results of quantitative three-dimensional reconstruction:
- не всегда удается выделить на поверхности исследуемого объекта достаточное множество контрастных элементов, которые можно однозначно идентифицировать на каждом из стереоизображений, при этом размытость указанных точек или их недостаточный контраст на фоне шумов видеосигнала (обуславливая погрешность идентификации гомологических точек) будут ухудшать показатели точности результатов количественной трехмерной реконструкции;- it is not always possible to isolate a sufficient number of contrasting elements on the surface of the object under study that can be unambiguously identified on each stereo image, while the blurriness of these points or their insufficient contrast against the background of video noise (causing an error in the identification of homological points) will degrade the accuracy of the results of quantitative three-dimensional reconstruction;
- дисторсия изображения в растровом электронном микроскопе, приводящая к искажению двумерных координат, влияет на погрешность результатов трехмерной реконструкции;- image distortion in a scanning electron microscope, leading to a distortion of two-dimensional coordinates, affects the error of the results of three-dimensional reconstruction;
В патенте [2] изложен способ получения стереоизображений в РЭМ при неподвижном столике объектов посредством изменения угла, под которым электронный зонд падает на объект. Данное предложение может быть реализовано при введении дополнительных отклоняющих элементов в электронно-оптическую колонну, формирующих двойное отклонение электронного пучка, при этом место падения электронного зонда на образец должно оставаться неизменным. Хотя данное усовершенствование ускоряет процесс трехмерной реконструкции поверхности исследуемого объекта, но при этом ухудшается пространственное разрешение РЭМ из-за введения дополнительных отклоняющих элементов в колонну РЭМ, а значит, снижается точность результатов трехмерной реконструкции.In the patent [2], a method is described for obtaining stereo images in a SEM with a stationary table of objects by changing the angle at which the electron probe falls on the object. This proposal can be implemented by introducing additional deflecting elements into the electron-optical column, forming a double deflection of the electron beam, while the place of incidence of the electron probe on the sample should remain unchanged. Although this improvement accelerates the process of three-dimensional reconstruction of the surface of the object under study, the spatial resolution of the SEM is deteriorating due to the introduction of additional deflecting elements into the SEM column, which means that the accuracy of the results of three-dimensional reconstruction is reduced.
В способе трехмерной реконструкции поверхности объекта при помощи РЭМ, изложенном в патенте [3], предлагается использовать серию детекторов вторичной эмиссии, расположенных под разными углами по отношению к колонне РЭМ. При этом предполагается, что исследуемый объект может быть неоднородным по элементному составу, и чтобы компенсировать зависимость коэффициента выхода вторичных электронов от материала образца, вводятся корректирующие коэффициенты. Данные коэффициенты вычисляются в рамках заданной модели для плоских горизонтальных участков для каждого материала и впоследствии используются для определения локального наклона участка поверхности образца по сигналам с детекторов вторичной эмиссии. После интегрирования по всему образцу производится восстановление трехмерного профиля поверхности образца. Данный подход работает даже для гладких поверхностей, когда нет возможности выделить характерные детали (или точки) на поверхности исследуемого объекта, чтобы определить параллакс и произвести трехмерную реконструкцию поверхности. Но он имеет следующие недостатки:In the method of three-dimensional reconstruction of the surface of an object using the SEM described in the patent [3], it is proposed to use a series of secondary emission detectors located at different angles with respect to the SEM column. It is assumed that the object under study may be heterogeneous in elemental composition, and in order to compensate for the dependence of the secondary electron yield coefficient on the sample material, correction coefficients are introduced. These coefficients are calculated within the framework of a given model for flat horizontal sections for each material and are subsequently used to determine the local slope of the sample surface section using signals from secondary emission detectors. After integration over the entire sample, the three-dimensional profile of the surface of the sample is restored. This approach works even for smooth surfaces, when it is not possible to distinguish characteristic details (or points) on the surface of the object under study in order to determine parallax and perform three-dimensional reconstruction of the surface. But it has the following disadvantages:
- для рельефной поверхности наблюдаются эффекты переотражения электронов первичного пучка от соседних участков образца, что вносит дополнительную неучтенную погрешность в результаты трехмерной реконструкции поверхности;- for a relief surface, the effects of re-reflection of the primary beam electrons from neighboring sections of the sample are observed, which introduces an additional unaccounted error in the results of a three-dimensional surface reconstruction;
- данный подход может быть применен только для объектов, для которых размеры характерных деталей элементов рельефа превышают значения размера области взаимодействия электронов пучка с образцом, то есть порядка 1 мкм, поэтому указанный подход не может быть применен для нанострутур.- this approach can only be applied to objects for which the dimensions of the characteristic details of the relief elements exceed the size of the interaction region of the beam electrons with the sample, that is, about 1 μm, so this approach cannot be applied to nanostructures.
Недостатки, присущие способу трехмерной реконструкции поверхности объекта в РЭМ, описанному в [1], частично решаются в патенте [4], который может быть выбран в качестве прототипа. В данном патенте описан способ трехмерной реконструкции поверхности в растровом электронном микроскопе, включающий регистрацию сигнала электронов, эмитируемых образцом при сканировании электронным пучком исследуемого объекта для двух его угловых положений. Для облегчения процедуры стереосовмещения РЭМ-изображений, получаемых при двух углах наклона образца, на поверхности исследуемого образца формируют референтные маркеры, а необходимость их формирования оценивается компьютерной программой после предварительного сканирования образца в РЭМ и определения наличия необходимого количества характерных деталей на изображении. В случае обнаружения участков образца, где отсутствуют характерные детали изображения, необходимые для выполнения процедуры стереосовмещения изображений, на таких участках формируются референтные маркеры.The disadvantages inherent in the method of three-dimensional reconstruction of the surface of an object in the SEM described in [1] are partially solved in the patent [4], which can be selected as a prototype. This patent describes a three-dimensional surface reconstruction method in a scanning electron microscope, which includes recording the signal of the electrons emitted by the sample when the electron beam is scanned by the object under study for its two angular positions. To facilitate the stereo-alignment of SEM images obtained at two angles of inclination of the sample, reference markers are formed on the surface of the test sample, and the need for their formation is evaluated by a computer program after preliminary scanning of the sample in the SEM and determining the presence of the required number of characteristic details in the image. In case of detection of sample areas where there are no characteristic image details necessary for performing the stereo image alignment procedure, reference markers are formed in such areas.
Кроме того, для устранения погрешностей трехмерной реконструкции, связанной с дисторсией изображения, в патенте [4] предлагается использовать референтные пластины, на которых в заданных точках сформированы референтные маркеры. РЭМ-изображения референтных пластин при двух значениях наклона столика объектов РЭМ позволяют определить корректирующие коэффициенты, связанные с дисторсией изображения. Полученные корректирующие коэффициенты используются в дальнейшем для преобразования изображений от исследуемого объекта при двух углах наклона для компенсации дисторсии изображения.In addition, to eliminate the errors of three-dimensional reconstruction associated with image distortion, the patent [4] proposes to use reference plates on which reference markers are formed at given points. SEM images of reference plates at two tilt values of the SEM objects table allow you to determine the correction factors associated with image distortion. The resulting correction coefficients are used in the future to convert images from the object under study at two tilt angles to compensate for image distortion.
Однако на практике очень часто основной вклад в погрешность трехмерной реконструкции дает не дисторсия изображения, а процедура совмещения характерных точек на стереоизображениях [5]. Например, для образца, участок поверхности которого имеет плавно меняющийся рельеф, контраст изображения будет отсутствовать на этом участке, поскольку указанный контраст не будет превышать величины шума тракта видеоизображения и совмещение характерных точек на стереоизображениях невозможно ввиду их отсутствия на изображениях. В патенте [4] предложено формировать на поверхности исследуемого образца референтные маркеры, которые обеспечат контраст на изображении в точках расположения маркеров. Референтные маркеры должны иметь конечные размеры, чтобы обеспечить контраст на изображении, поэтому реконструкция поверхностного рельефа происходит с учетом высоты самих маркеров.However, in practice, very often the main contribution to the error of three-dimensional reconstruction is not the distortion of the image, but the procedure of combining characteristic points on stereo images [5]. For example, for a sample, the surface portion of which has a smoothly varying relief, the image contrast will be absent in this region, since the specified contrast will not exceed the noise value of the video path and the combination of the characteristic points in stereo images is impossible due to their absence in the images. In the patent [4], it is proposed to form reference markers on the surface of the test sample that will provide contrast in the image at the points where the markers are located. Reference markers must have finite dimensions in order to provide contrast in the image, therefore, reconstruction of the surface relief takes into account the height of the markers themselves.
В описываемом изобретении [4] предлагается, что референтными маркерами могут быть контаминационные образования конусной формы, возникающие при фиксации электронного зонда в заданной точке в течение определенного промежутка времени. Механизм роста таких контаминационных образований обусловлен [6]:In the described invention [4] it is proposed that the reference markers can be conical contamination formations that occur when the electron probe is fixed at a given point for a certain period of time. The growth mechanism of such contamination formations is due to [6]:
- полимеризацией на поверхности образца под действием электронного пучка углеводородных соединений, которые входят в состав остаточной атмосферы камеры образцов РЭМ;- polymerization on the surface of the sample under the influence of an electron beam of hydrocarbon compounds, which are part of the residual atmosphere of the chamber of the SEM samples;
- поверхностной диффузией и полимеризацией под электронным пучком углеводородных соединений, адсорбированных на поверхности образца.- surface diffusion and polymerization under an electron beam of hydrocarbon compounds adsorbed on the surface of the sample.
Из имеющихся в наличии литературных данных по скорости роста контаминационных образований конусной формы [7] известно, что время необходимое для формирования одного указанного контаминационного образования составляет примерно 1 минуту. Поэтому является проблематичным формирование за разумное время референтных маркеров в количестве, достаточном для построение трехмерной карты поверхностного рельефа. Кроме того, на наклонных участках поверхностного рельефа такой референтный маркер будет иметь другие размеры по сравнению с плоскими участками поверхности в силу увеличения выхода вторичных электронов с наклонной поверхности. При изменении состава образца на отдельных участках поверхности также будут изменяться условия роста контаминационных образований. Неодинаковость габаритных размеров референтных маркеров создает дополнительную систематическую погрешность трехмерной реконструкции.From the available literature data on the growth rate of cone-shaped contamination formations [7] it is known that the time required for the formation of one specified contamination formation is approximately 1 minute. Therefore, the formation of reference markers in a quantity sufficient for constructing a three-dimensional map of the surface relief is problematic. In addition, on inclined sections of the surface relief, such a reference marker will have different sizes compared to flat sections of the surface due to an increase in the yield of secondary electrons from the inclined surface. With a change in the composition of the sample on individual surface areas, the growth conditions of contamination formations will also change. The uneven overall dimensions of the reference markers creates an additional systematic error of three-dimensional reconstruction.
Таким образом, недостатком способа, изложенного в [4], следует считать недостаточную точность трехмерной реконструкции исследуемого образца.Thus, the disadvantage of the method described in [4] is the insufficient accuracy of the three-dimensional reconstruction of the test sample.
Задачей изобретения является повышение точности результатов трехмерной реконструкции поверхности образцов по изображениям, полученным в растровом электронном микроскопе. Указанная задача решается путем формирования на поверхности исследуемого образца островковой пленки, островки которой создают контраст на РЭМ-изображениях и учете высоты указанных островков для определения истинной формы поверхности исследуемого образца.The objective of the invention is to improve the accuracy of the results of three-dimensional reconstruction of the surface of the samples from images obtained in a scanning electron microscope. This problem is solved by forming an island film on the surface of the test sample, the islands of which create contrast on SEM images and taking into account the height of these islands to determine the true surface shape of the test sample.
Поставленная задача решается с помощью способа трехмерной реконструкции поверхности образца, который включает в себя: установку образца на предметном столике РЭМ с возможностью его наклона в два угловых положения относительно электронно-оптической оси, облучение образца сфокусированным пучком ускоренных электронов, детектирование сигнала вторичных электронов, эмиттируемых образцом, получение двух изображений при сканировании электронным пучком образца в двух угловых положениях предметного столика.The problem is solved using the method of three-dimensional reconstruction of the surface of the sample, which includes: installing the sample on the SEM stage with the possibility of tilting it into two angular positions relative to the electron-optical axis, irradiating the sample with a focused beam of accelerated electrons, detecting the signal of secondary electrons emitted by the sample , obtaining two images when scanning an electron beam of a sample in two angular positions of the stage.
Особенностью заявляемого способа является то, что перед установкой в РЭМ на поверхности образца и поверхности тест-объекта с плоским и примерно горизонтальным участком поверхности формируют островковую пленку, островки которой создают контраст на РЭМ-изображениях, размещают тест-объект на предметном столике РЭМ и получают два изображения при сканировании электронным пучком тест-объекта в двух угловых положениях предметного столика РЭМ, производят фотограмметрическую обработку изображений для образца и тест-объекта, используя координаты центров островков в плоскости изображений и определяют размер d каждого островка, вычисляют зависимость h=ƒ[d) эффективной высоты h островков от их размера d, используя данные фотограмметрической обработки изображений для плоского участка тест-объекта, результат трехмерной реконструкции поверхности исследуемого образца представляют в виде совокупности трехмерных координат точек поверхности образца, соответствующих центрам островков, где латеральные координаты точек поверхности определяют на основе измеренных координат центров островков на изображениях образца, а Z-координату в каждой точке образца определяют как результат фотограмметрической обработки изображений образца в виде Z-координаты соответствующего островка, уменьшенной на значение эффективной высоты островка h=ƒ(d) для данной точки.A feature of the proposed method is that before installation in the SEM, an island film is formed on the sample surface and the surface of the test object with a flat and approximately horizontal surface portion, the islands of which create contrast on the SEM images, place the test object on the SEM stage and get two images when scanning an electron beam of a test object in two angular positions of the SEM stage, photogrammetric image processing for the sample and test object is performed using the coordinate the centers of the islands in the image plane determine the size d of each island, calculate the dependence h = ƒ [d) of the effective height h of the islands on their size d using the data of photogrammetric image processing for a flat portion of the test object, the result of three-dimensional reconstruction of the surface of the test sample is presented in in the form of a set of three-dimensional coordinates of the surface points of the sample corresponding to the centers of the islands, where the lateral coordinates of the surface points are determined based on the measured coordinates of the centers islands in the images of the sample, and the Z-coordinate at each point of the sample is determined as the result of photogrammetric processing of the images of the sample in the form of the Z-coordinate of the corresponding island, reduced by the value of the effective island height h = ƒ (d) for this point.
Островковая пленка может быть сформирована путем нанесения на поверхность образца пленки золота толщиной 2 нм методом магнетронного распыления и последующего нагрева в вакууме до температуры 300°С в течение 30 минут.An island film can be formed by depositing a 2 nm thick gold film on the sample surface by magnetron sputtering and subsequent heating in vacuum to a temperature of 300 ° C for 30 minutes.
На фиг. 1 представлено РЭМ-изображение рельефной структуры на поверхности монокристаллического кремния, на поверхности которой сформирована островковая пленка золота.In FIG. Figure 1 shows a SEM image of a relief structure on the surface of single-crystal silicon, on the surface of which an island gold film is formed.
На фиг. 2 представлено схематическое изображение двух островков на плоском участке поверхности, имеющем наклон на угол β относительно горизонтального положения, демонстрирующее принцип измерений зависимости h=ƒ(d) эффективной высоты островка h от его размера в плоскости изображения d. Стереоизображения получают для углов наклона поверхности β+ϕ и β-ϕ относительно горизонтального уровня.In FIG. Figure 2 shows a schematic representation of two islands on a flat surface area, inclined at an angle β relative to the horizontal position, demonstrating the principle of measuring the dependence h = ƒ (d) of the effective island height h on its size in the image plane d. Stereo images are obtained for surface tilt angles β + ϕ and β-ϕ relative to the horizontal level.
На фиг. 3 представлен профиль видеосигнала от островка островковой пленки золота на кремниевой подложке, полученный вдоль линии, проходящей через центр островка, где показан принцип измерения размера d островка в зависимости от выбранного порогового значения видеосигнала Iпор.In FIG. Figure 3 shows the profile of a video signal from an island of an island gold film on a silicon substrate, obtained along a line passing through the center of the island, which shows the principle of measuring the size d of an island depending on the selected threshold value of the video signal I pore .
Фиг. 4 иллюстрирует принцип коррекции результатов фотограмметрической обработки изображений для учета высоты островков.FIG. 4 illustrates the principle of correcting the results of photogrammetric image processing to account for the height of the islands.
Фиг. 5 представляет экспериментально полученную зависимость эффективной высоты островков от их размера d на РЭМ-изображении.FIG. 5 represents the experimentally obtained dependence of the effective height of the islands on their size d in the SEM image.
Принцип трехмерной реконструкции поверхности исследуемого образца в РЭМ состоит в получении изображений исследуемого образца в РЭМ при двух различных углах наклона относительно электронно-оптической оси микроскопа и последующей обработки изображений. Однако во многих практически важных случаях часть поверхности образца, которая подлежит трехмерной реконструкции, не имеет характерных деталей на РЭМ-изображениях, обычно обусловленных различными дефектами на поверхности в виде микровключений или шероховатостью поверхности.The principle of three-dimensional reconstruction of the surface of the test sample in the SEM consists in obtaining images of the test sample in the SEM at two different angles of inclination relative to the electron-optical axis of the microscope and subsequent image processing. However, in many practically important cases, the part of the sample surface that is subject to three-dimensional reconstruction does not have characteristic details on SEM images, usually caused by various defects on the surface in the form of microinclusions or surface roughness.
К таким образцам могут относиться, например, различные наноструктуры, изделия микроэлектроники и микросистемной техники, обладающие, как правило, высоким качеством обработки поверхности. Физическая причина отсутствия указанных характерных деталей на РЭМ-изображениях состоит в том, что интенсивность видеосигнала I в режиме вторичной эмиссии зависит от локального угла а наклона поверхности образца по законуSuch samples may include, for example, various nanostructures, products of microelectronics and microsystem engineering, which usually have high quality surface treatment. The physical reason for the absence of these characteristic details in SEM images is that the intensity of the video signal I in the secondary emission mode depends on the local angle a and the slope of the surface of the sample according to the law
Режим вторичной эмиссии является основным режимом работы РЭМ, поскольку обеспечивает пространственное разрешение в диапазоне 1-3 нм, в отличие от режима регистрации обратно-рассеянных электронов, который характеризуется разрешением порядка 1 мкм. В соответствии с формулой (2), плавные небольшие изменения угла наклона α поверхности образца не будут создавать контраст на изображении, поскольку cosα ≈1, но при этом будет присутствовать поверхностный рельеф, который будет невозможно реконструировать с использованием стандартного подхода, основанного на фотограмметрической обработке изображений.The secondary emission mode is the main mode of operation of the SEM, since it provides spatial resolution in the range of 1-3 nm, in contrast to the mode of registration of back-scattered electrons, which is characterized by a resolution of the order of 1 μm. In accordance with formula (2), smooth small changes in the angle of inclination α of the surface of the sample will not create contrast in the image, since cosα ≈ 1, but there will be a surface relief that cannot be reconstructed using the standard approach based on photogrammetric image processing .
Заявляемый принцип трехмерной реконструкции в РЭМ основан на искусственном формировании на поверхности исследуемого образца контрастных элементов и учете их размерных параметров. Такие контрастные элементы могут быть созданы путем формирования на поверхности островковой пленки, например пленки золота толщиной 2 нм при последующем нагреве образца до температуры 300°С в течение 30 минут. Пример формирования островковой пленки золота на поверхности рельефной кремниевой структуры представлен в виде РЭМ-изображения на фиг. 1.The inventive principle of three-dimensional reconstruction in SEM is based on the artificial formation of contrasting elements on the surface of the investigated sample and taking into account their dimensional parameters. Such contrasting elements can be created by forming an island film on the surface, for example, a 2 nm thick gold film with subsequent heating of the sample to a temperature of 300 ° C for 30 minutes. An example of the formation of an island gold film on the surface of a relief silicon structure is presented in the form of a SEM image in FIG. one.
Рассмотрим на поверхности исследуемого образца два островка, как показано на фиг. 4, где представлено сечение по плоскости XZ, проходящей через центры островков. Для получения стереоизображений образец может подвергаться наклону вокруг оси Y на углы ±α, а значение α=0 соответствует конфигурации, представленной на фиг. 4. При фотограмметрической обработке стереоизображений координаты центров островков на изображениях будут задаваться центрами островков, показанными на фиг. 4. Указанные центры островков отстоят от поверхности образца на значение эффективной высоты островка h, являющегося функцией его размера d: h=ƒ(d). Поэтому, например, для островка №1 с Х-координатой центра X1 результат фотограмметрической обработки изображений в виде Z-координаты, равной Z1 должен быть уменьшен на значение эффективной высоты островка ƒ(d1). Аналогичная процедура должна производиться для всех остальных островков.Consider two islands on the surface of the test sample, as shown in FIG. 4, which shows a section along the XZ plane passing through the centers of the islands. To obtain stereo images, the sample can be tilted around the Y axis by angles ± α, and the value α = 0 corresponds to the configuration shown in FIG. 4. During photogrammetric processing of stereo images, the coordinates of the centers of the islands in the images will be set by the centers of the islands shown in FIG. 4. The indicated centers of the islands are separated from the sample surface by the value of the effective height of the island h, which is a function of its size d: h = ƒ (d). Therefore, for example, for island No. 1 with the X-coordinate of the center X 1, the result of photogrammetric image processing in the form of a Z-coordinate equal to Z 1 should be reduced by the value of the island’s effective height ƒ (d 1 ). A similar procedure should be carried out for all other islands.
Принцип нахождения зависимости h=ƒ(d) состоит в том, что фотограмметрическая обработка стереоизображений островковой пленки на плоской поверхности с учетом коррекции на эффективную высоту островков h должна иметь результатом совокупность точек, лежащих в одной плоскости. Для реализации данного принципа используют тест-объект с плоской горизонтально расположенной поверхностью, при этом допускается некоторое отклонение поверхности тест-объекта от горизонтального положения, например, при фиксации на столике образцов, поскольку указанное отклонение будет учитываться в дальнейшем. Если известно, что исследуемый образец в области анализа имеет плоский и примерно горизонтально расположенный участок, данный участок может использоваться взамен тест-объекта.The principle of finding the dependence h = ƒ (d) is that the photogrammetric processing of stereo images of the island film on a flat surface, taking into account the correction for the effective height of the islands h, should result in a set of points lying in the same plane. To implement this principle, a test object with a flat horizontal surface is used, while some deviation of the surface of the test object from a horizontal position is allowed, for example, when fixing samples on the table, since this deviation will be taken into account in the future. If it is known that the test sample in the analysis area has a flat and approximately horizontally located area, this area can be used instead of the test object.
Получают два РЭМ-изображения плоского участка тест-объекта с островковой пленкой при двух углах наклона ϕ1 и ϕ2 столика образцов РЭМ, причем значения углов наклона выбираются такими же, как и для исследуемого образца. После фотограмметрической обработки изображений, используя координаты центров островков на изображениях, получают значения Z-координат эффективных центров островков, соответствующих углу наклона столика образцов (ϕ1+ϕ2)/2.Two SEM images of a flat portion of the test object with an island film are obtained at two tilt angles ϕ 1 and ϕ 2 of the SEM sample table, and the tilt angles are chosen to be the same as for the test sample. After photogrammetric image processing, using the coordinates of the centers of the islands in the images, we obtain the Z-coordinates of the effective centers of the islands corresponding to the angle of inclination of the sample table (ϕ 1 + ϕ 2 ) / 2.
Рассмотрим совокупность островков, расположенных на изображении вдоль линии, параллельной оси X (при условии что наклон осуществляется вокруг оси Y), с координатами Х1, Х2, …, Xi, …, Xn, два из которых показаны на фиг. 2 в виде сечения по плоскости XZ для угла наклона столика образцов (ϕ1+ϕ2)/2. Для этих двух островков с Х-координатами X1 и Xi можно записать на основании фиг. 2:Consider a set of islands located in the image along a line parallel to the X axis (provided that the slope is around the Y axis), with coordinates X 1 , X 2 , ..., X i , ..., X n , two of which are shown in FIG. 2 in the form of a section along the XZ plane for the tilt angle of the sample table (ϕ 1 + ϕ 2 ) / 2. For these two islands with X-coordinates X 1 and X i can be written based on FIG. 2:
Для определения угла наклона β рассматривают два крайних (наиболее удаленных друг от друга) островка с координатами Х1, Z1 и Xn, Zn, для которых пренебрегая вкладом ƒ(d), справедливоTo determine the angle of inclination β, we consider two extreme (farthest from each other) islands with coordinates X 1 , Z 1 and X n , Z n , for which neglecting the contribution ƒ (d), it is valid
и таким образом определяют значениеand thus determine the value
Подставляя (5) в (3) получаемSubstituting (5) into (3) we obtain
Относительная погрешность определения значения ƒ(di) из-за неточного определения значения tgβ по (5) не будет превышать величины 
Таким образом, выбирая для определения зависимости ƒ(di) островки, расположенные таким образом, чтобы выполнялось условие 
Трехмерная реконструкция поверхности исследуемого образца осуществляется путем нахождения трехмерных координат точек поверхности образца, причем каждая из указанных точек поверхности образца соответствует центру определенного островка, прошедшего процедуру фотограмметрической обработки. Для нахождения латеральных (в плоскости XY) координат указанных точек поверхности необходимо использовать результаты измерений координат центров островков в плоскости изображений и стандартные методы проекционной геометрии, также приведенные, например, в [8]. При условии, что наклон образца осуществляется вокруг оси Y на углы ±α, для латеральных координат i-й точки поверхности (Xi, Yi) имеем:Three-dimensional reconstruction of the surface of the test sample is carried out by finding the three-dimensional coordinates of the points on the surface of the sample, each of these points on the surface of the sample corresponding to the center of a certain island that has undergone the photogrammetric processing procedure. To find the lateral (in the XY plane) coordinates of the indicated surface points, it is necessary to use the results of measurements of the coordinates of the centers of islands in the image plane and standard projection geometry methods, also given, for example, in [8]. Provided that the sample is tilted around the Y axis by angles ± α, for the lateral coordinates of the i-th point of the surface (X i , Y i ) we have:
где 
Z-координата i-й точки поверхности определяется по формуле:The z-coordinate of the i-th point of the surface is determined by the formula:
где
В частности, для микро- и наноструктур, когда высота рельефа не превышает 10 мкм, а размер области сканирования на образце менее нескольких десятков микрон, для нахождения координат точек поверхности образца в плоскости XY вместо формул (7)-(10) могут использоваться упрощенные формулы, которые вносят дополнительную относительную погрешность менее 0,1% (данная погрешность меньше погрешности калибровки увеличения РЭМ и поэтому ею можно пренебречь):In particular, for micro- and nanostructures, when the relief height does not exceed 10 μm, and the size of the scanning region on the sample is less than several tens of microns, simplified formulas can be used instead of formulas (7) - (10) to find the coordinates of the surface points of the sample in the XY plane which introduce an additional relative error of less than 0.1% (this error is less than the error in calibrating the increase in SEM, and therefore it can be neglected):
Для проверки правильности предложенного способа трехмерной реконструкции, исследовался образец, представляющий собой рельефную структуру в виде канавки, сформированной на поверхности (100) кремниевой пластины методом фотолитографии и анизотропного травления в растворе КОН. Боковые стенки рельефной структуры совпадали с кристаллографическими плоскостями {111} Si и поэтому составляли угол 54,7° относительно плоскости (100), а дно канавки, совпадающее с плоскостью (100), имело ширину около 5 мкм.To verify the correctness of the proposed method of three-dimensional reconstruction, we studied a sample, which is a relief structure in the form of a groove formed on the surface of a (100) silicon wafer by photolithography and anisotropic etching in a KOH solution. The side walls of the relief structure coincided with the crystallographic {111} Si planes and therefore made an angle of 54.7 ° relative to the (100) plane, and the bottom of the groove, which coincided with the (100) plane, had a width of about 5 μm.
Цель проводимых исследований образца - определение высоты ступеньки. Для этого на поверхности образца была сформирована островковая пленка золота. Пленка Au средней толщиной 2 нм наносилась методом магнетронного распыления на установке Q150T ES (фирма Quorum Technologies), далее образец подвергался нагреву в вакууме до температуры 300°С в течение 30 мин. РЭМ-изображение исследуемого участка образца в виде ступеньки со сформированной островковой пленкой золота представлено на фиг. 1.The purpose of the research of the sample is to determine the height of the step. For this, an island gold film was formed on the surface of the sample. An Au film with an average thickness of 2 nm was deposited by magnetron sputtering on a Q150T ES setup (Quorum Technologies), and then the sample was heated in vacuum to a temperature of 300 ° C for 30 min. A SEM image of the studied portion of the sample in the form of a step with a formed island gold film is shown in FIG. one.
Трехмерная реконструкция рельефной поверхности образца проводилась в РЭМ S-4800 (фирма Hitachi), для чего были получены два изображения образца при углах наклона поверхности образца ±15° по отношению к горизонтальной плоскости. Для этого образец размещался на держателе с углом наклона 10°, а наклон гониометрического столика РЭМ производился из углового положения -5° в угловое положение +25°.Three-dimensional reconstruction of the relief surface of the sample was carried out in a S-4800 SEM (Hitachi), for which two images of the sample were obtained at angles of inclination of the sample surface of ± 15 ° with respect to the horizontal plane. For this, the sample was placed on a holder with an inclination angle of 10 °, and the goniometric stage of the SEM was tilted from an angular position of -5 ° to an angular position of + 25 °.
По полученным двум изображениям для плоского участка образца, совпадающего с кристаллографической плоскостью (100) (правая часть изображения фиг. 1) была измерена зависимость ƒ(di) в диапазоне значений di от 4 до 25 нм, используя фотограмметрическую обработку двух изображений по формуле (1), а также формулы (5) и (6). Размер островков d определяли исходя из значения порогового уровня Iпор=0,5 по фиг. 3. Для обработки была разработана специальная программа анализа стереоизображений, которая позволяла производить стереосовмещение изображений, а также выполнять фотограмметрическую обработку изображений в соответствии с формулой (1), используя координаты центров островков, а также производить вычисления в соответствии с формулами (5) и (6). Полученная зависимость ƒ(di) представлена на фиг. 5, где минимальное значение ƒ(di) было положено равным ƒ(di)min=0.Using the obtained two images, for the flat portion of the sample coinciding with the crystallographic plane (100) (the right side of the image of Fig. 1), the dependence ƒ (d i ) was measured in the range of d i from 4 to 25 nm using photogrammetric processing of two images using the formula (1), as well as formulas (5) and (6). The size of the islands d was determined based on the value of the threshold level I pore = 0.5 in FIG. 3. For processing, a special program for analyzing stereo images was developed, which made it possible to perform stereo image alignment, as well as perform photogrammetric processing of images in accordance with formula (1) using the coordinates of the centers of islands, as well as perform calculations in accordance with formulas (5) and (6 ) The obtained dependence ƒ (d i ) is presented in FIG. 5, where the minimum value of ƒ (d i ) was set equal to ƒ (d i ) min = 0.
По результатам измерений 50 пар островков, где островки в каждой паре принадлежали разным уровням на поверхности образца, получено значение высоты ступеньки 458±3 нм. Данное значение сопоставлялось с результатами измерений на стилусном профилометре AlphaStep D-600 (фирма KLA Tencor), который калибровался используя меру высоты ступени KTS-4500 QS с паспортным значением 451,2±2,9 нм (фирма VLSI Inc.). Результат измерений на профилометре 457±3 нм совпадает с данными трехмерной реконструкции (458±3 нм) в пределах ошибки измерений, что подтверждает правильность заявляемого способа трехмерной реконструкции поверхности образца по изображениям, полученным в растровом электронном микроскопе.According to the measurement results of 50 pairs of islands, where the islands in each pair belonged to different levels on the surface of the sample, a step height of 458 ± 3 nm was obtained. This value was compared with measurements on an AlphaStep D-600 stylus profilometer (KLA Tencor), which was calibrated using a KTS-4500 QS step height measure with a certified value of 451.2 ± 2.9 nm (VLSI Inc.). The measurement result on the profilometer 457 ± 3 nm coincides with the data of three-dimensional reconstruction (458 ± 3 nm) within the measurement error, which confirms the accuracy of the proposed method for three-dimensional reconstruction of the surface of the sample from images obtained using a scanning electron microscope.
ЛитератураLiterature
1. Piazzesi G. Photogrammetry with the scanning electron microscope // J. Phys. E: Sci. Instrum. 1973. V. 6. №4. PP. 392-396.1. Piazzesi G. Photogrammetry with the scanning electron microscope // J. Phys. E: Sci. Instrum. 1973. V. 6. No. 4. PP 392-396.
2. G.F. Lorusso, R.A. Watts, A.J. Gubbens, L.S. Hordon. SEM Profile and Surface Reconstruction using multiple data sets. US Patent №US 6930308 B1.2. G.F. Lorusso, R.A. Watts, A.J. Gubbens, L.S. Hordon. SEM Profile and Surface Reconstruction using multiple data sets. US Patent No.US 6930308 B1.
3.1. Schwarzband, Y. Weinberg. Three-dimensional mapping using scanning electron microscope images. US Patent №US 8604427 B2.3.1. Schwarzband, Y. Weinberg. Three-dimensional mapping using scanning electron microscope images. US Patent No. US 8604427 B2.
4. N. Kochi, H. Koike. Electron beam device and method for stereoscopic measurements. US Patent №US 6852974 B2.4. N. Kochi, H. Koike. Electron beam device and method for stereoscopic measurements. US Patent No.US 6852974 B2.
5. Кузин А.Ю., Васильев А.Л., Митюхляев В.Б., Михуткин А.А., Тодуа П.А., Филиппов М.Н. Анализ факторов, влияющих на погрешность трехмерной реконструкции поверхности объектов с субмикронным рельефом, по полученным в РЭМ стереоизображениям// Измерительная техника. 2016. №3, с. 20-23.5. Kuzin A.Yu., Vasiliev A. L., Mityukhlyaev V. B., Mikhutkin A. A., Todua P. A., Filippov M. N. Analysis of factors affecting the error of three-dimensional reconstruction of the surface of objects with a submicron relief, according to stereo images obtained in SEM // Measuring technique. 2016. No3, p. 20-23.
6. Жданов Г.С. О скорости углеводородного загрязнения объектов в микрозондовых системах// Поверхность. 1983, №1. С. 65-72.6. Zhdanov G.S. On the rate of hydrocarbon pollution of objects in microprobe systems // Surface. 1983, No. 1. S. 65-72.
7. N. Yoshimura. Vacuum Technology. Practice for Scientific Instruments. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2008. P. p. 175-203.7. N. Yoshimura. Vacuum Technology. Practice for Scientific Instruments. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2008. P. p. 175-203.
8. Carli L., Genta G., Cantatore A., Barbato G., Chiffre L., Levi R. Uncertainty evaluation for three-dimensional scanning electron microscope reconstructions based on the stereo-pair technique // Measurement Science and Technology. 2011. V. 22. №3.035103 (11 pp).8. Carli L., Genta G., Cantatore A., Barbato G., Chiffre L., Levi R. Uncertainty evaluation for three-dimensional scanning electron microscope reconstructions based on the stereo-pair technique // Measurement Science and Technology. 2011. V. 22. No. 3.035103 (11 pp).
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016149374A RU2704390C2 (en) | 2016-12-15 | 2016-12-15 | Method of three-dimensional reconstruction of surface of sample using images obtained using raster electronic microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016149374A RU2704390C2 (en) | 2016-12-15 | 2016-12-15 | Method of three-dimensional reconstruction of surface of sample using images obtained using raster electronic microscope |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016149374A RU2016149374A (en) | 2018-06-15 |
| RU2016149374A3 RU2016149374A3 (en) | 2018-06-15 |
| RU2704390C2 true RU2704390C2 (en) | 2019-10-28 |
Family
ID=62619397
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016149374A RU2704390C2 (en) | 2016-12-15 | 2016-12-15 | Method of three-dimensional reconstruction of surface of sample using images obtained using raster electronic microscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2704390C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2743231C1 (en) * | 2020-08-17 | 2021-02-16 | Шлюмберже Текнолоджи Б.В. | Method and system for aligning images of sample layers obtained using a scanning electron microscope with a focused ion beam |
| RU2791416C1 (en) * | 2021-11-12 | 2023-03-07 | Цзянсуская корпорация по ядерной энергетике | Method for three-dimensional reconstruction of the thread of the holes for the studs of the main connector of the reactor pressure vessel and automatic identification of defects |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5179280A (en) * | 1990-10-12 | 1993-01-12 | Chi & Associated Inc. | Computer control of the electron microscope sample stage |
| US20070114398A1 (en) * | 2003-11-25 | 2007-05-24 | Atsushi Miyamoto | Method and apparatus for observing a specimen |
| US8227752B1 (en) * | 2011-02-17 | 2012-07-24 | Carl Zeiss Nts Gmbh | Method of operating a scanning electron microscope |
-
2016
- 2016-12-15 RU RU2016149374A patent/RU2704390C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5179280A (en) * | 1990-10-12 | 1993-01-12 | Chi & Associated Inc. | Computer control of the electron microscope sample stage |
| US20070114398A1 (en) * | 2003-11-25 | 2007-05-24 | Atsushi Miyamoto | Method and apparatus for observing a specimen |
| US8227752B1 (en) * | 2011-02-17 | 2012-07-24 | Carl Zeiss Nts Gmbh | Method of operating a scanning electron microscope |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2743231C1 (en) * | 2020-08-17 | 2021-02-16 | Шлюмберже Текнолоджи Б.В. | Method and system for aligning images of sample layers obtained using a scanning electron microscope with a focused ion beam |
| RU2791416C1 (en) * | 2021-11-12 | 2023-03-07 | Цзянсуская корпорация по ядерной энергетике | Method for three-dimensional reconstruction of the thread of the holes for the studs of the main connector of the reactor pressure vessel and automatic identification of defects |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016149374A (en) | 2018-06-15 |
| RU2016149374A3 (en) | 2018-06-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI806285B (en) | Metrology systems and methods | |
| Marinello et al. | Critical factors in SEM 3D stereo microscopy | |
| JP3287858B2 (en) | Electron microscope device and electron microscope method | |
| JP5302595B2 (en) | Inclination observation method and observation apparatus | |
| KR101568945B1 (en) | Method for estimating shape before shrink, and cd-sem apparatus | |
| US5569392A (en) | Method and apparatus for repairing defect on plane surface of phase shift mask | |
| JP2013069693A (en) | Method of observing specimen | |
| JPH0555802B2 (en) | ||
| JP2022109320A (en) | Apparatus and method for determining position of element on photolithographic mask | |
| JP4791333B2 (en) | Pattern dimension measuring method and scanning transmission charged particle microscope | |
| Drzazga et al. | Three-dimensional characterization of microstructures in a SEM | |
| KR102540084B1 (en) | A method for automatically aligning a scanning transmission electron microscope for precession electron diffraction data mapping | |
| RU2704390C2 (en) | Method of three-dimensional reconstruction of surface of sample using images obtained using raster electronic microscope | |
| JP6685996B2 (en) | Method for measuring mass thickness of target sample for electron microscope | |
| Paluszyński et al. | Measurements of the surface microroughness with the scanning electron microscope | |
| US20140312224A1 (en) | Pattern inspection method and pattern inspection apparatus | |
| Tortonese et al. | Sub-50-nm isolated line and trench width artifacts for CD metrology | |
| Tan et al. | Calibrate the non-orthogonal error of AFM with two-dimensional self-traceable grating | |
| US10541108B2 (en) | Method and apparatus for transmission electron microscopy | |
| RU2657000C1 (en) | Method of quantitative three-dimensional reconstruction of a sample surface in a scanning- electron microscope | |
| JP4238072B2 (en) | Charged particle beam equipment | |
| Neggers et al. | Principal image decomposition for multi-detector backscatter electron topography reconstruction | |
| Thong et al. | In situ topography measurement in the SEM | |
| Faber et al. | Calibration-free quantitative surface topography reconstruction in scanning electron microscopy | |
| JP2625787B2 (en) | Scanning electron microscope stereo measurement calibration method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20181216 |