扫描电子束成像装置、方法与流程

本技术涉及扫描成像，特别是涉及一种扫描电子束成像装置、方法。

背景技术：

1、扫描电子束成像装置，广泛应用于科研领域各种固态物质的表面结构的显微成像和分析；随着现代微细加工和半导体集成电路的产业的发展，扫描电子束成像装置也愈来愈多的用于产线的在线量测和缺陷检测领域，这就要求除了满足很高的成像的质量的外，还必须满足检测过程对样品无损伤，并具备高的测量精度和检测灵敏度。

2、传统上，一种扫描电子束成像装置，如图1所示。装置包括：

3、样品30；

4、电子光学镜筒10，主要实现一次电子束的发射，并在样品表面的聚焦，激发出二次电子和/或背散射电子，以下统称为信号电子；

5、偏转器20，由多个轴向对称的电极或磁极构成的多极场器件，设置在与电子光学镜筒共轴光路上，用于实现电子束的沿互为垂直的两个方向的偏转扫描；

6、探测器模块40，用于收集信号电子，并将之转换为电信号；

7、扫描信号发生器501，输出扫描信号波形，驱动偏转器，实现成像所需要的扫描；

8、成像模块601，实现图像信号的重构，显示，存储；

9、偏转器有电偏转器和磁偏转器两种，故驱动信号也有两种：电压信号和电流信号。以下描述均以电偏转器为例，其基本原理同样适用于磁偏转情。

10、扫描信号发生器501产生图2(a)和(b)所示的两种频率的扫描信号vl和vf,及对偶信号(即极性相反的信号-vl和-vf，未有图示)；为达成与偏转器电极方位成任意角度θ方向的成像扫描，扫描信号发生器还会对信号vl和vf按电极方位角θ作矢量分解，即±vlx＝vl*cosθ、±vly＝vl*sinθ、±vfx＝vf*cos(θ+90)和±vfy＝vf*sin(θ+90)，得到各电极上的分量信号，同一电极上的信号分量叠加，输出到偏转器的互为垂直的两组电极上，称为x偏转电极组和y偏转电极组；偏转器将在与光轴垂直的平面上产生横向电场和/或磁场，对穿过的电子束产生电磁力的作用；电子束在电磁力的作用下，会在样品表面产生图2(c)的扫描轨迹，其形状似光栅，又称光栅扫描；扫描信号中具有较高频率的信号，如图示2(a)的vl，会产生如图示2(c)中l方向的扫描，其中3010段为正程扫描，此期间探测器模块所得到的信号用于成像；3011段为回程扫描，期间信号不参与成像，在图2(c)中以虚线表示；扫描信号中具有较低频率的信号，如图示2(b)的vf，会产生如图示2(c)中f方向的逐行偏置，其中4010段为正程扫描，覆盖n个行扫描的周期；4011段为帧回程扫描，图2(c)中以虚线表示；正程扫描后续也会称之为行或帧扫描时段，扫描信号波形必须满足线性要求；回程扫描也会称之为行或帧扫描准备时段；期间不参与成像，故对波形没有线性要求。

11、在扫描电子束成像的过程中，电子束与样品的相互作用会导致表面电荷电中性失衡。一般来讲，一次电子束扫描样品表面会激发出二次电子及背散射电子，或统称为信号电子。样品表面的电荷积累状况由所激发并逃逸出的信号电子的总数决定；将单位一次电子所能激发出的信号电子总数定义为电子的产率η；若η>1，意味着表面会发生正电荷积累；若η<1，意味着表面负电荷积累；

12、对于非导电或接地不良的样品，电荷积累不会很快释放，必须借助于其它手段。传统的扫描方式下，重复性的光栅扫描会将会导致成像表面电荷积累沿单一方向累积，直到达到相应平衡；表面电荷积累到一定程度会导致图像出现散焦、变形，严重影响图像质量。为克服这一问题，一种方法是通过对样品表面镀金属膜、接地等方式来解决。这种方式与产品的生产工艺需求会冲突，无法满足无损检测的基本要求；

13、为避免破坏样品，另外一种方式是对待测区域以不同于成像目的的扫描波形，进行一次或多次重复的预扫描，在表面电荷达到某种程度的平衡后，再进行最后终的扫描，同时获取最终图像。这种方法的主要缺点有三点：一是偏转波形发生器只能产生一组光栅(行和帧)扫描波形，导致在整个预扫描和成像扫描之间系统需要频繁切换；二是即使不考虑频繁切换导致的时间损失，预扫描方式最快只能以帧的时间间隔或频度来调理表面的荷电积累，所能解决的场景有限。实践中，在有些应用场景，在一帧图像的成像时间内，样品表面的电荷已经积累到影响图像质量的程度，要求更高频度调整表面的电荷积累状况。因此，传统的预扫描方式无法满足特殊场景的应用要求，尤其是集成电路制造领域图形晶圆的在线量测和缺陷检测需求。本发明所提出的装置或方法，就是为解决这一难题。

14、前述信号电子的产率η，除了与样品的表面特征有关之外，还与一次电子束的多种参数有关，包括电子束的特征参数，如能量、束流、光斑大小等，电子束的扫描参数，如扫描时间、扫描范围，等。因此，改变电子束的扫描波形参数，改变电子束的特征参数，都可以改变信号电子的产率η，从而调整电荷积累的方向和水平。这两个方面的对样品表面电荷积累的调理作用，构成了本发明的基础。

技术实现思路

1、基于此，可以基于上述理论基础，发展出一种能够在扫描电子束的成像过程中，更灵活的，更高频度的调整样品表面的电荷积累状况，满足高质量成像的扫描电子成像装置、方法。

2、一种扫描电子束成像装置，所述装置包括：

3、样品台，用于夹持和定位样品；

4、电子光学镜筒，用于向所述样品发射电子束，所述电子束在所述样品表面聚焦；

5、偏转器，用于向所述电子束施加电场和/或磁场以使所述电子束偏转；

6、探测器模块，用于收集所述样品受到所述电子束轰击所发出的信号电子，并将所述信号电子转换为图像信号；

7、成像模块，与所述探测器模块连接，用于根据所述图像信号，生成所述样品表面的图像；

8、扫描成像控制模块，与所述偏转器、所述探测器模块连接，用于向所述偏转器提供扫描信号以使所述偏转器产生所述电场和/或磁场，其中，所述扫描信号包括用于对样品表面进行成像扫描的扫描信号，以及用于调理所述样品表面的电荷累积水平的扫描信号；

9、所述扫描成像控制模块，在向所述偏转器提供所述成像扫描信号的同时，还对所述探测器模块发出采样触发信号，以获取所述图像信号。

10、在其中一个实施例中，所述扫描信号包括：行扫描信号和帧扫描信号，其中，所述行扫描信号一个周期中包括行成像扫描时段以及行调理扫描时段，所述帧扫描信号一个周期中包括帧成像扫描时段，所述帧成像扫描时段的持续时长大于或等于至少一个所述行扫描信号的持续时长，其中，所述行成像扫描时段和所述帧成像扫描时段用于实现样品表面的成像扫描，所述行调理扫描时段用于调整所述样品表面的电荷积累，在所述行调理扫描时段中所述扫描成像控制模块向所述偏转器提供调理信号，所述调理扫信号的波形参数与所述样品表面的电荷积累相关，所述波形参数包括扫描信号的幅值，斜率，时长。

11、在其中一个实施例中，所述扫描成像控制模块，还可控制电子光学镜筒参数，用于在所述调理扫描时段，改变所述电子光学镜筒发射的电子束的参数，以调整所述样品表面的累积电荷水平，其中，所述电子束的参数包括所述电子束的光斑大小、所述电子束的电流、所述电子束的能量中的至少一种。

12、在其中一个实施例中，所述行扫描信号中还包括：行成像扫描准备时段，位于所述行成像扫描时段之前，用于调整所述行成像扫描时段中产生的行成像信号的起始幅值；行调理扫描准备时段，位于所述行调理扫描时段之前，用于调整所述行调理扫描时段中产生的调理信号的起始幅值。

13、在其中一个实施例中，所述行扫描信号包含行成像扫描信号和行调理扫描信号；所述行成像扫描信号和行调理扫描信号依次衔接，其中，所述行调理扫描信号衔接在所述行成像扫描信号的之前和/或之后；其中，所述行成像扫描信号在所述行成像扫描时段中输出，所述行调理扫描信号在所述行调理扫描时段中输出；

14、所述帧扫描信号包含帧成像扫描信号和帧调理扫描信号；所述帧成像扫描信号和帧调理扫描信号依次衔接，其中，所述帧调理扫描信号衔接在所述帧成像扫描信号的之前和/或之后；其中，所述帧成像扫描信号在所述帧成像扫描时段中输出。

15、在其中一个实施例中，所述帧扫描信号中还包括：帧成像扫描准备时段，位于所述帧成像扫描时段之前，用于调整所述帧成像扫描时段中产生的帧成像信号的起始幅值；帧调理扫描准备时段，位于所述帧调理扫描时段之前，用于调整所述帧调理扫描时段中产生的调理信号的起始幅值。

16、在其中一个实施例中，当所述帧扫描信号中包括帧调理扫描信号时，所述行扫描信号外置有与所述帧调理扫描信号对应的外置行扫描信号，所述帧调理扫描信号的时长大于或等于至少一个所述外置行扫描信号的时长。

17、在其中一个实施例中，所述扫描成像控制模块，用于对于所述样品表面的同一位置进行多次重复的成像扫描，即可获取多个初始图像信号，将所述多个初始图像信号取平均值，作为所述图像信号；用于对样品表面进行多次重复的调理扫描，即可加强或加快样品表面的荷电调整。

18、在其中一个实施例中，所述扫描成像控制模块，用于当所述样品表面的累积电荷不满足成像条件时，调整所述调理扫描信号的波形参数，直到所述样品表面的累积电荷满足成像条件，其中，所述调理扫描信号的波形参数包括所述调理扫描信号的时长、所述调理扫描信号的幅值、所述调理扫描信号的变化速度中的至少一种。

19、在其中一个实施例中，所述扫描成像控制模块，还用于当所述样品表面的累积电荷不满足成像条件时，调整所述调理控制信号的参数，作用到所述电子光学镜筒的相应部件上，改变电子束的参数，直到所述样品表面的累积电荷满足成像条件，其中，所述调理控制信号可控制的电子束特征参数包括电子束能量，电流，束斑大小。

20、一种扫描电子束成像方法，所述方法应用于扫描电子束成像装置，所述方法包括：

21、向样品表面发射电子束，所述电子束在所述样品表面聚焦；

22、向所述偏转器施加行扫描信号和帧扫描信号，以使所述电子束发生偏转，其中，所述扫描信号包括用于调整所述样品表面的累积电荷的调理扫描信号，以及用于样品表面成像的成像扫描信号；

23、在所述行成像扫描时段中，获取所述样品表面接收所述电子束时所激发的信号电子，得到图像信号；

24、根据所述图像信号，生成所述样品表面的图像。

25、在其中一个实施例中，所述行扫描信号的一个周期中包括行成像扫描时段以及调理扫描时段，所述帧扫描信号中包括帧成像扫描时段，其中，所述调理扫描时段用于平衡所述样品表面的累积电荷，所述行成像扫描时段和所述帧成像扫描时段用于扫描成像，所述帧成像扫描时段的持续时长大于或等于至少一个所述行扫描信号的持续时长；

26、所述方法还包括：调整所述调理扫描信号的信号参数，以使所述样品表面的累积电荷满足成像条件。

27、在其中一个实施例中，所述帧扫描信号的一个周期包括帧成像扫描时段和帧调理扫描时段，其中，当所述帧扫描信号中包括所述帧调理扫描时段时，所述行扫描信号外置有与所述帧调理扫描时段对应的外置行扫描时段，所述帧调理扫描时段的时长大于或等于至少一个所述外置行扫描时段的时长；

28、所述方法还包括：调整所述帧调理扫描时段中的调理扫描信号的信号参数，以使所述样品表面的累积电荷满足成像条件。

29、在其中一个实施例中，所述方法还包括：调整所述电子束的参数，以使所述样品表面的累积电荷满足成像条件，其中，所述电子束的参数包括所述电子束的光斑大小、所述电子束的电流、所述电子束的能量中的至少一种。

30、在其中一个实施例中，所述方法还包括：

31、判断所述样品图像质量；

32、若所述样品图像质量达标，则判断样品图像质量合格；

33、若所述样品图像质量不达标，则获取图像优化迭代次数；

34、若图像优化迭代次数超过最大允许次数，则判断样品图像质量不合格；

35、若图像优化迭代次数未超过最大允许次数，改变驱动所述偏转器的行调理扫描信号和帧调理扫描信号的波形参数，以调整样品表面积累电荷；

36、调整所述电子束的参数，以调整表面积累电荷；

37、重复执行调整所述行扫描信号和帧扫描信号波形参数，以调整样品表面积累电荷的步骤，以及调整所述电子束的参数，以调整表面积累电荷的步骤，直到样品图像质量合格，或重复执行上述步骤的次数超过最大允许次数，其中，所述图像优化迭代次数即为重复执行上述步骤的次数。

38、上述扫描电子成像装置、方法，通过设置电子光学镜筒，能够向样品表面发射和聚焦电子束。通过向偏转器输出行和帧的扫描信号，控制电子束在样品表面进行光栅扫描。通过配置所述行和帧扫描信号的成像扫描时段和调理扫描时段的波形参数，及相应时段的电子束参数，实现所述电子束对样品表面的成像扫描和调理扫描；成像扫描时段同步采集图像信号，用于实现成像。调理扫描时段不采样图像信号，仅用于样品表面电荷积累的水平，满足高质量的电子束成像。通过设置采样模块，能够采集样品表面在接收到电子束后激发出的激发电子束，采样模块仅在行成像扫描时段中才采样，保证采样到的激发电子束均是基于成像信号得到的。通过设置成像模块，能够基于激发电子束生成图像，从而完成了完整的成像过程。通过本技术的方案，将调理扫描信号引入扫描信号的行扫描信号时段和帧扫描时段中，可以实现对样品表面不同频度表面荷电状态调理。将调理扫描信号设置在帧扫描信号中，即以帧扫描时长为最高频度来切换成像扫描和调理扫描，对样品表面的荷电状态进行调理，此方法比传统的预扫描更为快捷有效；将调理扫描信号设置在行扫描信号中，即以行扫描时长为最高频度来切换成像扫描和调理扫描，从而能够在一帧图像的成像过程中，以行为单位更频繁的来切换成像扫描和调理扫描，更及时的将样品表面的荷电水平调整到预期状态，从而使得一帧图像中每一行的成像扫描时，样品表面都维持在相同的状态，从而保证图像信号的稳定。本方案的所引入的行调理扫描和帧调理扫描，行成像扫描和成像扫描，还可以各自独立的多次重复，构成完整的扫描信号，满足以行和帧为单位的重复调理扫描和重复成像扫描。重复成像扫描的最终图像可以取相应位置图像信号的平均值，以进一步提高图像信噪比。