Способ количественной трехмерной реконструкции поверхности образца в растровом электронном микроскопе

Изобретение относится к области растровой электронной микроскопии. В изобретении используется принцип фотограмметрической обработки изображений, полученных в растровом электронном микроскопе при различных углах наклона исследуемого образца. На поверхности исследуемого образца предварительно формируются структурные элементы сферической формы, создающие контраст на изображении, результаты фотограмметрической обработки изображений корректируются на значения индивидуальной высоты структурных элементов, определяемых по изображениям. Технический результат - повышение точности результатов трехмерной реконструкции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области растровой электронной микроскопии и может быть использовано для контроля размерных параметров изделий микро- и наноэлектроники, микросистемной техники, в материаловедении.

Растровый электронный микроскоп (РЭМ), обладающий высоким пространственным разрешением и большой глубиной фокуса, является наиболее часто используемым прибором для получения изображений поверхностей микро- и нанообъектов. Удобство эксплуатации РЭМ объясняется высокой скоростью получения изображений и широким диапазоном увеличений.

Однако сами по себе 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, в том числе кремниевых, с высоким аспектным соотношением, к которым относятся многие изделия микро- и наноэлектроники и микросистемной техники. При этом восстановление трехмерного профиля указанных объектов традиционными методами, например атомно-силовой микроскопии, может быть затруднительно.

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 X)

где индексы 1 и 2 относятся соответственно к Y- координатам точки А на 1-м изображении (при наклоне объекта на угол -Δϕ) и 2-м изображении (при наклоне объекта на угол +Δϕ), значение у12 - изменение расстояния вдоль оси Y между двумя точками А и В (так называемый параллакс) при наклоне объекта на угол 2Δϕ вокруг оси X.

Процесс фотограмметрической обработки стереоизображений (получаемых при наклоне объекта на углы +Δϕ и -Δϕ) включает несколько этапов:

- нахождение массива контрастных элементов для каждого из стереоизображений;

- определение массива пар гомологических точек, где внутри каждой пары гомологические точки, представляющие контрастные элементы из разных изображений, соответствуют одному местоположению на поверхности объекта;

- определение трехмерных координат точек поверхности исследуемого объекта в соответствии с формулой (1).

Данный способ обладает следующими недостатками, которые влияют на точность результатов количественной трехмерной реконструкции:

- 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;

- дисторсия изображения в растровом электронном микроскопе, приводящая к искажению двумерных координат, влияет на погрешность результатов трехмерной реконструкции.

В патенте [2] изложен способ реконструкции поверхности исследуемого объекта в РЭМ, реализуемый при неподвижном столике объектов посредством изменения угла, под которым электронный зонд падает на объект для трех или более значений указанного угла. 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. Регистрация информативного сигнала от электронов, испускаемых исследуемым образцом как результат воздействия на образец первичного электронного зонда, осуществляется набором детекторов электронов, расположенных в различных угловых положениях по отношению к электронно-оптической оси. 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.

Недостатки, присущие способу трехмерной реконструкции поверхности объекта в РЭМ, описанному в [1], частично решаются в патенте [3], 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.

Кроме того, для устранения погрешностей трехмерной реконструкции, связанной с дисторсией изображения, в патенте [3] 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.

Однако на практике очень часто основной вклад в погрешность трехмерной реконструкции дает не дисторсия изображения, а процедура совмещения характерных точек на стереоизображениях [4]. 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 [3] 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.

В описываемом изобретении [3] 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 [5]:

- полимеризацией на поверхности образца под действием электронного пучка углеводородных соединений, которые входят в состав остаточной атмосферы камеры образцов РЭМ;

- поверхностной диффузией и полимеризацией под электронным пучком углеводородных соединений, адсорбированных на поверхности образца.

Из имеющихся в наличии литературных данных по скорости роста контаминационных образований конусной формы [6] 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.

Задачей изобретения является повышение точности результатов количественной трехмерной реконструкции поверхности образца в растровом электронном микроскопе. Указанная задача решается путем формирования на поверхности исследуемого образца структурных элементов, которые создают контраст на РЭМ-изображениях и учете размеров указанных структурных элементов для определения истинной формы поверхности исследуемого образца.

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.

Особенностью заявляемого способа является то, что предварительно на образце формируют структурные элементы сферической формы, которые создают контраст на РЭМ-изображениях, трехмерная реконструкция осуществляется в 2 этапа посредством фотограмметрической обработки полученных изображений, используя координаты центров структурных элементов на изображениях, причем на первом этапе производят предварительную трехмерную реконструкцию, для чего результаты фотограмметрической обработки в виде Z-координаты для центра каждого структурного элемента уменьшаются на параметр, равный диаметра D структурного элемента, который определяют по изображению для каждого структурного элемента и по результатам предварительной трехмерной реконструкции определяют угол локального наклона поверхности α относительно горизонтальной плоскости в месте расположения каждого структурного элемента;

на втором этапе трехмерной реконструкции результаты фотограмметрической обработки в виде Z-координаты для центра каждого структурного элемента уменьшаются на параметр, равный D/(2⋅cosα).

Вариантом реализации заявляемого способа может быть использование в качестве структурных элементов на поверхности исследуемого образца элементов сферической формы из олова.

Предложенный способ иллюстрируется микрофотографиями и чертежами.

На фиг. 1 приведено изображение структурного элемента сферической формы на участке поверхности исследуемого образца, имеющего локальный наклон α относительно горизонтальной плоскости.

Показаны положения электронного пучка , соответствующие краям сферического структурного элемента на РЭМ-изображении - точки С и D. На фиг. 2 приведена микрофотография структурных элементов сферической формы из олова на графитовой подложке.

Из фиг. 1 следует, что в результате определения краев сферического элемента - точек С и D, центр сферического элемента, определяемый в плоскости изображения - точка О будет иметь высоту относительно поверхности образца, равную длине отрезка OA. Из геометрических построений фиг. 1 следует, что , где D=CD - диаметр сферического элемента.

Поэтому при использовании для трехмерной реконструкции координат центров сферических элементов на РЭМ-изображениях результаты указанной реконструкции в виде Z-координат точек, соответствующих центрам сферических элементов, должны корректироваться на значение . Данная коррекция заключается в уменьшении значения Z-координаты (при условии, что ось Z направлена вверх) на величину . Поскольку в общем случае в каждой точке значение угла наклона α неизвестно, на первом этапе производится предварительная трехмерная реконструкция, где коррекция результатов заключается в уменьшении значения Z-координаты на величину D/2, полагая что угол α мал и cosα≈1.

В результате предварительной трехмерной реконструкции получают совокупность XiYiZi примерных координат точек поверхности исследуемого образца в местах расположения структурных элементов. Погрешность определения Z-координаты для наклонных участков исследуемого образца на первом этапе обусловлена тем, что при расчете корректирующего фактора полагают cosα=1.

Локальный наклон α поверхности образца в точке XiYiZi, может быть определен, используя дополнительно координаты двух ближайших точек Xi-1Yi-1Zi-1, и Xi+1Yi+1Zi+1 таких, чтобы указанные 3 точки не лежали на одной прямой. Используя формулы аналитической геометрии, для локального наклона α справедливо

где

Литература

1. Piazzesi G. Photogrammetry with the scanning electron microscope // J. Phys. E: Sci. Instrum. 1973. V. 6. №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.

3. N. Kochi, H. Koike. Electron beam device and method for stereoscopic measurements. US Patent № US 6852974 B2.

4. 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. Жданов Г.С. О скорости углеводородного загрязнения объектов в микрозондовых системах // Поверхность. 1983, №1. С. 65-72.

6. N. Yoshimura. Vacuum Technology. Practice for Scientific Instruments. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2008. P.p. 175-203.

1. Способ количественной трехмерной реконструкции поверхности образца в растровом электронном микроскопе (РЭМ), включающий 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,

отличающийся тем, что с целью повышения точности трехмерной реконструкции, предварительно на образце формируют структурные элементы сферической формы, которые создают контраст на РЭМ-изображениях, трехмерная реконструкция осуществляется в 2 этапа посредством фотограмметрической обработки полученных изображений, используя координаты центров структурных элементов на изображениях, причем на первом этапе производят предварительную трехмерную реконструкцию, для чего результаты фотограмметрической обработки в виде Z-координаты для центра каждого структурного элемента уменьшаются на параметр, равный диаметра D структурного элемента, который определяют по изображению для каждого структурного элемента и по результатам предварительной трехмерной реконструкции определяют угол локального наклона поверхности α относительно горизонтальной плоскости в месте расположения каждого структурного элемента;

на втором этапе трехмерной реконструкции результаты фотограмметрической обработки в виде Z-координаты для центра каждого структурного элемента уменьшаются на параметр, равный D/(2⋅cosα).

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве структурных элементов на поверхности исследуемого образца формируют сферические структурные элементы из олова.



 

Похожие патенты:

Изобретение направлено на создание электрохимического цифрового сканирующего туннельного микроскопа. Технический результат - повышение точности, производительности и надежности измерений, а также расширение функциональных возможностей при исследовании электрохимических процессов.

Изобретение относится к точной механике и может быть использовано для сближения зонда и образца в сканирующей зондовой микроскопии. Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве механического перемещения для сканирующего зондового микроскопа, содержащем основание 1, СЗМ головку 2, оснащенную первой опорой 3, второй опорой 4, третьей опорой 5, при этом первая опора 3 сопряжена с основанием 1 и снабжена первым приводом 6, установленным на СЗМ головке 2, а вторая опора 4 и третья опора 5 также сопряжены с основанием, вторая опора 4 снабжена вторым приводом 7, установленным на СЗМ головке 2, и третья опора 5 снабжена третьим приводом 8, установленным на СЗМ головке 2.

Изобретение относится к области растровой электронной микроскопии. В изобретении используется принцип фотограмметрической обработки изображений, полученных в растровом электронном микроскопе при различных углах наклона исследуемого объекта.

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к области приборостроения. .

Изобретение относится к растровой электронной микроскопии и может быть использовано для неразрушающего послойного тестирования образцов, в частности изделий микро- и наноэлектроники.

Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к измерению температуры одной проводящей (металлической или полупроводниковой) наночастицы с помощью сканирующего туннельного микроскопа, работающего в режиме наноконтакта и использование эффекта Зеебека в наноразмерной контактной области.

Изобретение относится к исследованию микрорельефа как проводящих, так и непроводящих поверхностей образцов твердых тел. .

Изобретение относится к растровой электронной микроскопии и, в частности, к электромагнитным фильтрам, предназначенным для пространственного разделения пучков первичных и вторичных электронов.

Использование: для контроля транспортных средств. Сущность изобретения заключается в том, что система контроля транспортных средств содержит: источник радиоактивного излучения, предназначенный для обеспечения рентгеновских лучей для сканирования транспортного средства; детектор для приема рентгеновских лучей, испускаемых источником радиоактивного излучения; коридор контроля, предназначенный для обеспечения прохождения транспортного средства, причем в коридоре контроля расположена рамная конструкция со средствами сканирования, источник радиоактивного излучения расположен сверху указанной рамной конструкции со средствами сканирования для сканирования транспортного средства, проходящего по коридору контроля, а детектор расположен напротив источника радиоактивного излучения; систему перетаскивания, содержащую первое средство перетаскивания и второе средство перетаскивания, которые последовательно расположены в направлении перетаскивания транспортных средств, причем в направлении перетаскивания транспортных средств первое средство перетаскивания расположено перед вторым средством перетаскивания и между первым средством перетаскивания и вторым средством перетаскивания расположена разделяющая секция, так что первое средство перетаскивания и второе средство перетаскивания разделены на заданное расстояние в направлении перетаскивания транспортных средств; при этом траектории по меньшей мере части лучей от системы лучевого контроля проходят через разделяющую секцию между первым средством перетаскивания и вторым средством перетаскивания; и каждое из средств перетаскивания - первое средство перетаскивания и второе средство перетаскивания - содержит опорную плиту, удлиненный тяговый элемент и толкающий элемент, соединенный с удлиненным тяговым элементом, причем удлиненные тяговые элементы и толкающие элементы первого и второго средств перетаскивания являются непрерывными и цельными и удлиненные тяговые элементы и толкающие элементы первого и второго средств перетаскивания продолжаются в разделяющей секции; опорные плиты первого и второго средств перетаскивания разделены и являются двумя отдельными элементами, причем в разделяющей секции не предусмотрено никаких опорных плит.

Использование: для рентгеноденситометрии. Сущность изобретения заключается в том, что эталонный объект для рентгеноденситометрии содержит набор элементов различной калибровочной степени ослабления рентгеновского излучения, причем элементы эталонного объекта выполнены в виде металлических оболочек сферической формы, имеющих одинаковый наружный диаметр и различную толщину, а также центрально расположенную полость, которая заполнена однородной смесью из металлического порошка того же металла, что и металл оболочек, и рентгенопрозрачного наполнителя, при этом калибровочную степень ослабления рентгеновского излучения каждого элемента эталонного объекта определяют через эквивалентную толщину этого элемента, которую вычисляют с помощью заданных формул.

Использование: для контроля швов трубопровода. Сущность изобретения заключается в том, что первоначально включают плоскопанельный рентгеновский детектор с автономным источником питания в режим калибровки и переводят детектор после окончания режима калибровки в режим ожидания.

Изобретение относится к области геологии и может быть использовано для прогнозирования добычи углеводородов из продуктивного пласта. Предложен способ, который позволяет осуществлять определение смачиваемости с пространственным разрешением для пористых или других материалов.

Группа изобретений относится к области исследования материалов радиографическими методами с применением ударных нагружений и воздействием магнитного поля. Сущность изобретений заключается в том, что пучок протонов направляют под углом к силовым линиям магнитного поля, после облучения области исследования получают три изображения отклоненного магнитным полем протонного пучка путем его поочередной фокусировки с помощью трех магнитооптических линзовых систем на трех конверторах систем регистрации, первое из которых формируют без изменения интенсивности пучка, а следующие - с последовательным изменением интенсивности пучка путем его ослабления в зависимости от его отклонения магнитным полем во взаимно перпендикулярных направлениях, обработку осуществляют путем деления полученных изображений отклоненного магнитным полем пучка между собой и на изображение пучка до пропуска его через область исследования с учетом обратного преобразования функции ошибок с вычислением углов рассеяния пучка протонов под действием магнитного поля и последующей реконструкцией изображения компонентов вектора магнитной индукции во взаимно перпендикулярных направлениях, по которому определяют поля деформации области исследования.

Группа изобретений относится к области исследования материалов радиографическими методами с применением ударных нагружений и воздействием магнитного поля. Сущность изобретений заключается в том, что пучок протонов направляют под углом к силовым линиям магнитного поля, после облучения области исследования получают три изображения отклоненного магнитным полем протонного пучка путем его поочередной фокусировки с помощью трех магнитооптических линзовых систем на трех конверторах систем регистрации, первое из которых формируют без изменения интенсивности пучка, а следующие - с последовательным изменением интенсивности пучка путем его ослабления в зависимости от его отклонения магнитным полем во взаимно перпендикулярных направлениях, обработку осуществляют путем деления полученных изображений отклоненного магнитным полем пучка между собой и на изображение пучка до пропуска его через область исследования с учетом обратного преобразования функции ошибок с вычислением углов рассеяния пучка протонов под действием магнитного поля и последующей реконструкцией изображения компонентов вектора магнитной индукции во взаимно перпендикулярных направлениях, по которому определяют поля деформации области исследования.

Использование: для досмотра тела человека. Сущность изобретения заключается в том, что система для досмотра тела человека в целях безопасности включает в себя: источник рентгеновских лучей, выполненный с возможностью подачи рентгеновского излучения для сканирования тела подлежащего досмотру человека; детектор, выполненный с возможностью приема рентгеновского излучения, пропускаемого через тело подлежащего досмотру человека, и генерирования сигнала пропускания; датчик, выполненный с возможностью получения веса тела подлежащего досмотру человека; несущее устройство, выполненное с возможностью нести и перемещать тело подлежащего досмотру человека в некотором направлении, так что тело человека сканируется; и контроллер, выполненный с возможностью приема сигнала из датчика, определения веса тела подлежащего досмотру человека на основании сигнала из датчика и определения и управления напряжением или током, приложенным к источнику рентгеновских лучей, и скоростью перемещения несущего устройства в соответствии с весом.

Изобретение относится к области геологии и может быть использовано для моделирования многофазного потока текучей среды. Структура пор горных пород и других материалов может быть определена посредством микроскопии и подвержена цифровому моделированию для определения свойств потоков текучей среды, проходящих сквозь материал.

Использование: для неразрушающего контроля композитных структур. Сущность изобретения заключается в том, что система для неразрушающего контроля структур, имеющих внедренные частицы, содержит структуру, включающую частицы, внедренные на некотором уровне внутри структуры, устройство получения рентгеновских изображений для получения изображений частиц на указанном уровне и компьютер, запрограммированный для анализа указанных изображений с целью определения напряжений в разных местах на указанном уровне.

Изобретение относится к медицине, а именно к педиатрии при диагностике врожденных заболеваний, и может быть использовано для ранней диагностики синдрома Алажилля у детей.

Изобретение относится к области растровой электронной микроскопии. В изобретении используется принцип фотограмметрической обработки изображений, полученных в растровом электронном микроскопе при различных углах наклона исследуемого образца. На поверхности исследуемого образца предварительно формируются структурные элементы сферической формы, создающие контраст на изображении, результаты фотограмметрической обработки изображений корректируются на значения индивидуальной высоты структурных элементов, определяемых по изображениям. Технический результат - повышение точности результатов трехмерной реконструкции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх