一种测量扫描电子显微镜电子束斑尺寸的方法
【专利摘要】该发明一种测量扫描电子显微镜电子束斑尺寸的方法，涉及电子【技术领域】，具体涉及一种测量扫描电镜电子束斑尺寸的测量方法。首先通过扫描电子显微镜照射放置于法拉第杯杯口上的金属刀片，得到清晰的金属刀片图像；然后截取部分刀口边缘的图像，采用图像数据处理软件获取截取图像的RGB值，得到R、G、B三个灰度矩阵；再求出这三个矩阵的平均值，得到一个平均矩阵；将平均矩阵的每一列求和，得到一个一维矩阵，按照该一维矩阵各单元的数值绘制成二维曲线，该曲线上升沿的宽度即为电子束的束斑直径，从而实现发明目的。从而具有操作简单，精度高，实用性强的效果。
【专利说明】—种测量扫描电子显微镜电子束斑尺寸的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子【技术领域】，具体涉及一种测量扫描电镜电子束斑尺寸的测量方法。
【背景技术】
[0002]在高分辨率扫描电子显微镜的相关应用中，扫描电子显微镜电子束的参数指标对于表征扫描电子显微镜的工作性能具有重要意义，特别是电子束的电流大小和束斑尺寸。电子束的电流值将影响电子束的亮度，电子束的束斑尺寸将决定扫描电镜的成像分辨率。因此准确测量电子束束斑尺寸是十分有必要的。准确测量扫描电镜电子束电流值已经可以用法拉第杯得以实现，目前用于测量电子束斑尺寸的方法主要通过电子束曝光胶或者是用测电子束电流的方法来实现，在微米级的束斑测量中，电子束曝光胶因为制片工艺复杂、显影定影工序繁琐以及成像不精准测量误差偏大等不足，难于应用；而用测电流的方法测束斑由于存在电子束散射等问题容易产生测量误差，且需要使用微电流计测电流，同时还需改造扫描电镜的样品室，这又带来了许多测量误差和操作工序上的麻烦。
【发明内容】
[0003]本发明针对【背景技术】存在不足之处，所要解决的技术问题是提供一种操作简单，精度高，实用性强的测量扫描电子显微镜电子束斑尺寸的方法。
[0004]本发明的技术方案是一种测量扫描电子显微镜电子束斑尺寸的方法，该方法首先通过扫描电子显微镜照射放置于法拉第杯杯口上的金属刀片，得到清晰的金属刀片图像；然后截取部分刀口边缘的图像，采用图像数据处理软件获取截取图像的RGB值，得到R、G、B三个灰度矩阵；再求出这三个矩阵的平均值，得到一个平均矩阵；将平均矩阵的每一列求和，得到一个一维矩阵，按照该一维矩阵各单元的数值绘制成二维曲线，该曲线上升沿的宽度即为电子束的束斑直径，从而实现发明目的。因而本发明方法包括:
[0005]步骤1:将一宽度小于法拉第杯直径的长方形金属薄片设置于法拉第杯的杯口，保证两者有良好的电接触，将法拉第杯放置于扫描电子显微镜的样品室，同时保证长方形金属薄片的一边与电子显微镜扫描方向垂直，开启扫描电子显微镜，得到一张清晰的长方形金属薄片的电子显微图像；
[0006]步骤2:选取长方形金属薄片与电子显微镜扫描方向垂直的一条边缘，截取该边缘部分图像，截取图像中包含该边缘沿电子显微镜扫描方向全部灰度变化过程；
[0007]步骤3:使用数据处理软件读取截取图片的RGB值，分别得到R、G、B三个二维灰度值矩阵；
[0008]步骤4:将步骤3中得到的三个矩阵求平均，得到一个平均矩阵，再对该平均矩阵的每一列求和，最后得到一个一维灰度值矩阵；
[0009]步骤5:根据步骤4得到的一维矩阵各元素数值绘制成二维曲线，曲线高度表示数值大小，定义该曲线为电子束积分曲线，该积分曲线的上升沿宽度即为电子束的束斑直径。
[0010]所述步骤I中长方形金属薄片在扫描电子显微镜扫描方向的截面为梯形，放置时将该梯形的上底面与法拉第杯紧密贴合，保证两者有良好的点接触。
[0011 ] 对步骤5得到的电子束积分曲线进行微分，得到电子束微分曲线，将电子束微分曲线与直线y = 0.1的两交点的距离定为电子束的束斑直径。
[0012]本发明为一种测量扫描电子显微镜电子束斑尺寸的方法，在拍摄图片时采用法拉第杯为图片背景，极大的提高了拍摄金属薄片的对比度；采用微分曲线计算束斑的尺寸更加准确，可靠，从而具有操作简单，精度高，实用性强的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为扫描电子显微镜结构示意图；
[0014]图2为法拉第杯结构示意图；
[0015]图3为金属薄片截面示意图；
[0016]图4为测量装置与样品摆放示意图；
[0017]图5为实际计算得到的束斑积分曲线图；
[0018]图6为实际计算得到的束斑微分曲线图。
[0019]图中:1.第一层金属栅网层，2.第二层金属栅网层，3金属电极层，4.绝缘层，5.法拉第杯，6.刀片，7.电子束。
【具体实施方式】
[0020]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。
[0021]参照图2所示的法拉第杯结构示意图，设计制作带有栅网的法拉第杯，加入栅网目的在于拦截电子束因为打在法拉第杯内极板上而产生的二次电子，从而有效增强刀片样品刀口处的对比度。
[0022]参照图3所示的金属薄片为一金属刀片，该刀片样品截面上宽下窄，截面为梯形，刀口角度为Θ，刀片厚度为t，我们希望Θ和t越小越好。同时，需要保证刀片样品表面平滑度和光洁度要尽可能高。
[0023]参照图4所示的测量装置与样品摆放示意图放置法拉第杯与刀片样品，固定好样品后将样品台朝扫描电镜的二次电子收集装置的反方向水平转动10°左右，其目的在于增大刀片样品刀口处的对比度，从而减少计算误差。
[0024]使用扫描电子显微镜对样品成像，并将刀片样品的刀口位置呈现在显示窗口的视图中心位置，在保证图像清晰的情况下尽可能调高放大倍数，反复调整扫描电镜的聚焦镜和物镜，使电子束聚焦清晰，因为这些参数是控制电子束束斑的关键因素。
[0025]看到清晰的刀片样品刀口处的像之后，使用低扫描速率同步拍照，以保证获得高清晰度的样品照片。
[0026]将得到的样品照片进行图像数字处理，其方法如下:
[0027](I)使用数据处理软件读取样品照片的RGB值；
[0028](2)此RGB值为三个[0，255]的二维灰度值矩阵；
[0029](3)将这三个RGB 二维灰度值矩阵求和再取平均得到一个二维灰度值矩阵A ；
[0030](4)将矩阵A的每一列求和得到一个一维灰度值矩阵；
[0031](5)根据矩阵A的值绘制成二维曲线，此曲线为电子束的积分曲线，其上升沿的宽度即为电子束的束斑直径；
[0032](6)由于我们不好确定积分曲线的上升沿的起点和端点，对矩阵A做一次数值微分并绘制二维曲线，可以得到电子束的微分曲线；
[0033](7)电子束微分曲线中的脉冲宽度即为电子束的束斑直径；
[0034](8)在用扫描电子显微镜观测样品时存在电子束的牵引问题，我们需要拟定一个置信度区间，本例中将y = 0.1作为“零点”；
[0035]图5和图6分别给出了实际计算电子束的到的束斑积分曲线和束斑微分曲线，从图6中可以很容易的读出电子束束斑大小约为20um。
[0036]这种测量扫描电镜电子束束斑尺寸的方法简单并且易于实现，其关键点在于样品刀口的成像，这里要十分注意扫描电镜聚光镜和物镜的调谐，因为最终测得的束斑大小是由聚光镜和物镜的值决定的；其难点在于用扫描电镜获得样品图片后对样品灰度值数据的处理和分析。
[0037]这种测量放法的优点在于，其一，有效减少了采用直接方法测量所带来的测量误差；其二，避免制作复杂的测量设备；其三，充分利用扫描电镜的成像特点，测量方便快捷，可重复性好，特别适合大量的测量和重复性计算，测量准确且效率较高。
[0038]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种测量扫描电子显微镜电子束斑尺寸的方法，该方法包括: 步骤1:将一宽度小于法拉第杯直径的长方形金属薄片设置于法拉第杯的杯口，保证两者有良好的电接触，将法拉第杯放置于扫描电子显微镜的样品室，同时保证长方形金属薄片的一边与电子显微镜扫描方向垂直，开启扫描电子显微镜，得到一张清晰的长方形金属薄片的电子显微图像； 步骤2:选取长方形金属薄片与电子显微镜扫描方向垂直的一条边缘，截取该边缘部分图像，截取图像中包含该边缘沿电子显微镜扫描方向全部灰度变化过程； 步骤3:使用数据处理软件读取截取图片的RGB值，分别得到R、G、B三个二维灰度值矩阵； 步骤4:将步骤3中得到的三个矩阵求平均，得到一个平均矩阵，再对该平均矩阵的每一列求和，最后得到一个一维灰度值矩阵； 步骤5:根据步骤4得到的一维矩阵各元素数值绘制成二维曲线，曲线高度表示数值大小，定义该曲线为电子束积分曲线，该积分曲线的上升沿宽度即为电子束的束斑直径。
2.如权利要求1所述的一种测量扫描电子显微镜电子束斑尺寸的方法，其特征在于所述步骤1中长方形金属薄片在扫描电子显微镜扫描方向的截面为梯形，放置时将该梯形的上底面与法拉第杯紧密贴合，保证两者有良好的点接触。
3.如权利要求1所述的一种测量扫描电子显微镜电子束斑尺寸的方法，其特征在于对步骤5得到的电子束积分曲线进行微分，得到电子束微分曲线，将电子束微分曲线与直线y=0.1的两交点的距离定为电子束的束斑直径。
【文档编号】G01B7/00GK104266572SQ201410474731
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2014年9月16日
【发明者】胡旻, 丁德成, 刘盛纲 申请人:电子科技大学