專利名稱：借助于粒子束中的像散在粒子光學設備中執(zhí)行聚焦的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種在具有成像物鏡的粒子光學設備中使帶電粒子束聚焦的方法。
背景技術(shù)：
這種方法可以從SCANNING，Vol.19，(1997)，第553-563頁中公開的題目為“用于掃描電子顯微鏡的魯棒聚焦和像散校正方法(A Robust Focusing andAstigmatism Correction Method for the Scanning Electron Microscope)”中獲知。這篇文章描述了一種用于使帶電粒子束聚焦的方法，其中該帶電粒子是電子。實現(xiàn)了這種方法的具有成像物鏡的粒子光學設備是掃描電子顯微鏡(SEM)。依照該文章中所述的方法，在成像物鏡的兩個不同設定時，形成該粒子光學設備中樣本的圖像；其后，對于每幅圖像，根據(jù)該圖像中出現(xiàn)的空間頻率確定光譜能量含量。最后提到的這個處理過程是利用所謂的快速傅立葉變換(FFT)完成的。
在形成兩幅圖像之前，首先確定該物鏡的額定折射率；也就是說，對于該折射率值，電子束大致聚焦到該樣本上。然后利用與這個額定設定值的偏差以生成“過焦”的設定；另外，利用與該額定設定值的偏差以生成“弱焦”的設定。因此，在成像物鏡的兩個不同設定時形成的兩幅圖像包括一幅“過焦”圖像和一幅“弱焦”圖像。為了自動地使電子束聚焦，確定這兩幅圖像的總光譜能量含量，同樣還確定“過焦”圖像和“弱焦”圖像的光譜能量含量之差。這個差值與總光譜能量含量之比R給出了對電子束散焦的測量方法。如果R是正的，那么“過焦”圖像比“弱焦”圖像更明顯，因此必須縮短焦距；如果R是負的，那么“弱焦”圖像比“過焦”圖像更明顯，因此必須延長焦距。
連同這種用于使電子束聚焦的方法一起，還描述了一種用于使電子束的像散最小化的方法。在最后提到的這種方法中，對于兩幅圖像中的每一幅，確定了該圖像多個扇區(qū)的光譜能量含量，并且基于各個光譜能量含量之差，為了獲得實質(zhì)上沒有像散的射束，確定關于像散在哪個方向上必須增加或降低。
在前述文章中從第558頁公式(2)到第559頁的“實施”的段落中，特別地描述了用于使電子束聚焦以及使該電子束的像散最小化的方法。應該清楚，為了自動地使電子束聚焦，僅僅利用兩幅圖像的光譜能量含量之比，而不利用電子束的像散程度。換句話說，利用這種已知的方法，可以實現(xiàn)在要被聚焦的射束中無像散出現(xiàn)的聚焦方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在具有成像物鏡的粒子光學設備中使帶電粒子束聚焦的可選方法。在根據(jù)本發(fā)明方法的多種普通形式中，采取以下步驟(a)根據(jù)前述射束(即，在該粒子光學設備中，要被聚焦的帶電粒子束)，對于物鏡的第一設定，形成具有伴生像散方向的第一像散射束；(b)利用第一像散射束，形成該粒子光學設備中樣本的圖像；(c)確定步驟(b)中形成的圖像中像散模糊(彌散)的方向；(d)為物鏡提供不同設定；(e)根據(jù)前述射束，對于物鏡的其它設定，形成第二像散射束，該射束具有伴生像散方向；(f)利用第二像散射束形成樣本的圖像；(g)確定步驟(f)中形成的圖像中像散模糊的方向；(h)比較步驟(b)中形成的圖像中像散模糊的方向與步驟(f)中形成的圖像中像散模糊的方向。
(i)在前述的方向相同的情況下，重復步驟(d)到(h)，在前述的方向不相同的情況下，在物鏡的第一設定和物鏡的最后獲得的設定之間實施插值處理，從而確定當帶電粒子束達到其最佳聚焦時該物鏡的設定。
在根據(jù)本發(fā)明的這種方法中，故意使將被聚焦的射束像散，并將該射束中的像散用于聚焦該射束。從而利用其本身已知的作用，即當該射束的聚焦從過焦變?yōu)槿踅箷r，或反之時，該圖像中由像散引起的模糊的方向變化90°。因此，使樣本的第一幅圖像具有射束的像散的已知方向，并且確定了這幅圖像中由于像散引起的模糊(步驟a到c)。然后，在物鏡的不同設定時，使樣本的第二幅圖像同樣具有該射束的像散的已知方向，并且確定了這幅圖像中由于該像散引起的模糊(步驟d到g)。如果第一幅圖像中的像散方向與第二幅圖像中的像散方向相同，那么是非常方便的，然而這并不是必要的?，F(xiàn)在假設在兩種情況中的射束像散方向是相同的。依據(jù)第一幅圖像中像散模糊方向與第二幅圖像中像散模糊方向的比較，如果表現(xiàn)出這兩個方向是不同的，那么必達到以下結(jié)論，即形成第一幅圖像時，設置為弱焦，而形成第二幅圖像時，則設置為過焦。因此，最佳焦點應位于這兩個設定之間的某個位置，由此可以借助于物鏡的這兩個設定之間的插值處理，可確定該設定是處于哪種情況。依據(jù)第一幅圖像中像散模糊方向與第二幅圖像中像散模糊方向的比較，如果表現(xiàn)出這些方向?qū)嶋H上是相同的，那么必達到以下結(jié)論，即形成這兩幅圖像的同時，僅出現(xiàn)弱焦或者過焦?，F(xiàn)在，必須給予物鏡一個新的設定，直到兩個模糊的方向不同為止，于是可以采取前面提到的插值處理。根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點在于，利用這種方法找到了零交叉點(即，在物鏡的第一設定和該物鏡的最后獲得的設定之間的插值中，從而確定了帶電粒子束獲得其最佳焦點時的物鏡的設定)，與在粒子光學設備中用于自動聚焦的普通方法相比，該方法通常提供了用于該方法的算法的更快收斂，其中所采用的算法尋找最小值或最大值。如所已知的一樣，末端附近的曲線走向比較平，而零交叉點附近的曲線走向則不平得多。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，通過確定所討論的圖像中具有第一方向的第一光譜區(qū)域的光譜能量含量，和該圖像中具有第二方向的第二光譜區(qū)域的光譜能量含量，并且至少確定第一區(qū)域中的光譜能量含量與第二區(qū)域中的光譜能量含量之差的符號，來確定圖像中像散模糊的方向，其中第二方向橫截第一方向。在這個實施例中，在光譜能量含量的二維圖形表示中選擇一個扇區(qū)(所討論的圖像中具有第一方向的第一光譜區(qū)域)，并且確定所述扇區(qū)中的能量含量；同樣，對于橫截(優(yōu)選垂直)該扇區(qū)的扇區(qū)(該圖像中具有橫截第一方向的第二方向的第二光譜區(qū)域)也進行相同的處理。對于圖像中的某個像散模糊方向，光譜能量含量將會彼此不同，根據(jù)這個差值的符號可以確定模糊的方向。
在本發(fā)明的另一實施例中，通過比較各幅圖像的第一區(qū)域與第二區(qū)域的光譜能量含量之差的符號，來比較步驟(b)中形成的圖像中的像散模糊方向與步驟(f)中形成的圖像中的像散模糊方向。在這個實施例中，將先前的段落中提到的處理方法用于兩幅圖像中的每一幅，從而確定像散模糊的方向。根據(jù)這兩個方向之差的符號，可以確定像散模糊具有相同的方向還是彼此橫截的方向。
在本發(fā)明另一優(yōu)選實施例中，采取以下步驟(j)對于物鏡的第一設定，形成具有已知像散方向的第一其他像散射束，該方向橫截第一像散射束的像散方向，利用該第一像散射束形成樣本的第一幅圖像，利用該第一其他像散射束形成樣本的第一其他圖像；(k)對于物鏡的第二設定，形成具有已知像散方向的第二其他像散射束，該方向橫截第二像散射束的像散方向，利用該第二像散射束形成樣本的第二幅圖像，利用該第二其他像散射束形成樣本的第二其他圖像；(l)在由此形成的四幅圖像中，通過確定所討論的圖像中具有第一方向的第一光譜區(qū)域的光譜能量含量，和該圖像中具有第二方向的第二光譜區(qū)域的光譜能量，來確定像散模糊的方向，其中第二方向橫截第一方向，由此在每幅圖像中至少確定了第一區(qū)域的波譜能量含量和第二區(qū)域的波譜能量含量之差的符號。
本發(fā)明的這個實施例對于具有很大程度方向優(yōu)先性的結(jié)構(gòu)的樣本具有特別的優(yōu)點，例如具有集成電路的情況。在物鏡的第一設定時，形成具有橫截設置(優(yōu)選相互垂直)的像散的兩幅圖像。在物鏡的第二設定時同樣如此?，F(xiàn)在，對于由此形成的四幅圖像中的每一幅，再次在(二維圖形表示的)光譜能量含量中選擇兩個不同的扇區(qū)(這些扇區(qū)優(yōu)選具有相互垂直方向的中心軸)，并確定這兩個扇區(qū)中各個扇區(qū)的光譜能量含量之差，該差值此處應是指扇區(qū)差。這個差值提供了一種對所討論的圖像中存在的各向異性的大小和方向的測量方法。因此，樣本的方向優(yōu)先性和射束中的像散都有助于這種各向異性。
對本實施例中提到的四幅圖像中的每一幅，確定前面提到的扇區(qū)差。在物鏡的相同設定時形成的兩幅圖像中，樣本中具有強烈方向優(yōu)先性的結(jié)構(gòu)在各個扇區(qū)差中的作用都相同；因此當確定了這兩個扇區(qū)差之差時(最終的差)，這種作用將被消除。由于這一點，最終的差幾乎專門地反映了像散模糊的作用。這對于在物鏡的第一設定時形成的圖像的最終的差和在物鏡的第二設定時形成的圖像的最終的差都是可以應用的。
現(xiàn)在，可以對由此形成的兩個最終的差進行相互比較，基于這種比較，可以確定在物鏡的第一設定時形成的圖像是否表現(xiàn)出與在物鏡的第二設定時形成的圖像相同的像散模糊方向。然后，可以采取先前提到的該方法的延續(xù)步驟一也就是說，在像散模糊方向相同的情況下，重復步驟(k)和(l)，在像散模糊方向不同的情況下，在物鏡的第一設定和物鏡最后獲得的設定之間執(zhí)行插值處理，從而確定帶電粒子束達到其最佳聚焦所需的物鏡設定。
在本發(fā)明的又一實施例中，在物鏡的第一設定和物鏡最后獲得的設定之間執(zhí)行插值處理出現(xiàn)在(m)確定各幅伴生圖像中第一區(qū)域的光譜能量含量和第二區(qū)域的光譜能量含量之差的大小(n)通過這些值之間的插值，獲得了對帶電粒子束達到其最佳聚焦所需的物鏡設定值的估計(o)在由此估計到的設定時形成新的圖像，隨之執(zhí)行步驟(m)，此后，獲得了在新的設定時的一組值，將其用作再次執(zhí)行插值的新值(p)重復最后提到的步驟，直到物鏡設定的兩個連續(xù)值之差小于預先規(guī)定的值為止，此后，將最后獲得的值保持為帶電粒子束達到其最佳聚焦所需的物鏡設定。
通過確定各幅圖像中兩個區(qū)域的光譜能量含量之差，就獲得了對物鏡的設定偏離各幅圖像最佳聚焦的程度的測量方法。已知的是插值點附近的最佳焦點將位于前面提到的兩個點之間；通過利用這個估計執(zhí)行新的插值，將獲得對最佳焦點的更佳近似值，并且連續(xù)進行這個過程，直到充分接近最佳焦點為止。
在本發(fā)明的另一實施例中，為伴隨步驟(o)形成的圖像另外設定不同的像散值。這是因為這些測量方法中，像散射束的橢圓橫截面的形式(橢圓度)可以用于提高該算法結(jié)果的敏感度。由于使該算法的作用盡可能的小，因此優(yōu)選使該敏感度最大化。通過使長軸和短軸之比(橢圓度)適合該算法接近最佳焦點的程度，可以提高圖像光譜含量的影響。
在本發(fā)明的又一實施例中，出現(xiàn)數(shù)字形式的圖像處理并且形成了所討論的圖像的子幀，從而確定了前面提到的光譜區(qū)域的光譜能量含量。以這種方式實現(xiàn)了該算法計算負擔的實質(zhì)縮減，由此獲得了該射束的更快聚焦。通過選擇該圖像中具有正確信息含量的區(qū)域并且利用這個子區(qū)域執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的進一步處理過程，可以形成子幀。


根據(jù)附圖將進一步說明本發(fā)明，其中相應的元件用相同的附圖標記表示。

如下
圖1像散電子束的示意圖；圖2a利用非像散射束成像的各向異性樣本的能量光譜的圖形表示；圖2b利用具有第一像散方向的像散射束成像的根據(jù)圖2a的樣本的能量光譜的圖形表示；圖2c利用具有垂直于圖2b中像散射束的像散方向的像散射束成像的根據(jù)圖2a的樣本的能量光譜的圖形表示；圖3a和3b用于確定利用像散射束形成的圖像的能量光譜中像散模糊的兩個掩模圖；圖4表示了作為聚焦射束透鏡光焦度的函數(shù)的，以不同伴生像散形成的兩幅圖像之間光譜能量含量之差的數(shù)量變化過程的圖形表示；圖5表示了用于確定將射束聚焦為最佳焦點時的透鏡設定的迭代算法過程的圖形表示。
具體實施例方式
圖1示意性地表示了像散電子束2。在這個射束中電子的方向是從頂部到底部。該射束中的額定焦點位于橫截面4處，在該位置的橫截面是圓形的。在額定焦點以上和以下，該射束具有橢圓的橫截面，如橢圓6和8所示的一樣。因此，橢圓6的長(短)軸與橢圓8的對應的軸相互垂直。反之，可以設想當電子束的兩個橢圓形橫截面中對應的軸彼此垂直時，這個射束的額定焦點一定位于這些橫截面之間，還可以設想當這兩個橢圓形橫截面中對應的軸相互平行時，這些橫截面一定位于額定焦點的同側(cè)上。當前的發(fā)明利用了這一點。分別在前述的橢圓橫截面6和8與額定焦點4之間的某個位置處，該射束的橫截面分別具有線10和12的形狀。如果理解了為了應用本發(fā)明，起初故意地使該射束像散，并且根據(jù)本發(fā)明的方法，通常首先利用電子束的像散橫截面照亮樣本，那么現(xiàn)在就可以利用所示的像散射束照亮電子顯微鏡中的樣本，并且就能夠以該顯微鏡通常的方式形成圖像。在形成圖像過程中，利用這種照明方法的結(jié)果是每個圖像點將在橢圓長軸的方向上伸長，而不是圓形的(也就是說，近似地對像點定形)，因此像點近似為條帶狀，由此在圖像的長軸方向上出現(xiàn)“模糊”。通過使該圖像經(jīng)過公知的用于對圖像中出現(xiàn)的空間頻率進行光譜分析的方法處理，就可以量化該模糊的程度，該方法例如所謂的快速傅立葉變換(FFT)。如所知的一樣，F(xiàn)FT提供了圖像中出現(xiàn)的作為空間頻率函數(shù)的光譜能量(能量光譜)分布的表達式；如果是二維圖像，那么該表達式將作為x和y兩個方向上的空間頻率的函數(shù)，用于電子顯微鏡圖像的這種FFT的結(jié)果的圖形表示如圖2a、2b和2c所示。
在圖2a、2b和2c中，圖2a表示了利用非像散射束成像的各向異性樣本的能量光譜的圖形表示，圖2b表示了利用具有第一像散方向的像散射束成像的根據(jù)圖2a的樣本的能量光譜的圖形表示，圖2c表示了利用具有垂直于圖2b中像散射束的像散方向的像散射束成像的根據(jù)圖2a的樣本的能量光譜的圖形表示。盡管在二維平面內(nèi)可以以灰度級分布的形式圖形表示能量光譜，但是為了清楚表示起見，優(yōu)選以等能量密度線的方式表示能量光譜。在圖2a-2c中，通過這種方式選擇等能量密度線的位置，即圖的中心(從而為x-y軸交叉的原點)對應的空間頻率值為零。
圖2a中的能量光譜是以利用非像散射束所成的圖像為基礎的。因此可以期望具有圓形等相對能量線18-1到18-5(概括為18-i)的能量光譜，這是因為這種射束不會表現(xiàn)出在像散方向上的任何模糊。所示的線18-i仍然不是圓形的情況是由樣本的各向異性引起的，也就是說該樣本自身在一個方向上表現(xiàn)出的空間頻率與其它方向不同。在圖2a的情況中，該樣本在虛線14的方向上所具有的高空間頻率比虛線16的方向上更多；這可能是由于例如該樣本包含許多長方形部分，而其縱向位于虛線16的方向上引起的。
在圖2b中，能量光譜也是以如圖2a中的相同樣本的圖像為基礎的，不同是利用像散射束進行照明而得到的圖像。因此，等相對能量線18-i在由樣本的各向異性和射束中的像散結(jié)合而確定的方向上表現(xiàn)出模糊。如果所示的樣本與根據(jù)圖2a的圖像中具有相同的方向，那么可以假設照亮樣本的射束的橢圓橫截面的長軸方向與樣本中長方形部分的縱向方向相同。
在圖2c中，能量光譜也是以如圖2a和2b中的相同樣本的圖像為基礎的，不同是利用像散方向垂直于圖2b中像散射束的像散方向的像散射束進行照明而得到的圖像。因此，等相對能量線18-i如圖2b中一樣，在由樣本的各向異性和射束中的像散確定的方向上表現(xiàn)出模糊。因為圖2c中的高頻目前主要出現(xiàn)在虛線14的方向上(從而為橫截于線16的方向)，所以可以假設，照亮樣本的射束的橢圓橫截面的長軸方向垂直于樣本中長方形部分的縱向方向，并且該射束橢圓度的影響顯著地大于樣本各向異性的影響。
圖3表示了應用于利用像散射束形成的圖像的能量光譜的兩個掩模，從而確定了像散模糊。如先前以上所述的，圖像的FFT反映了圖像中作為空間頻率函數(shù)的光譜能量分布；因此在二維圖像的情況下，該分布則作為x和y方向上空間頻率的函數(shù)。為了描述掩模處理，假設以二維平面中的灰度級分布形式圖形表示前述的能量光譜，而不是像圖2中那樣，以等相對能量密度線的形式表示。關于圖3，以這種方式選擇二維平面中灰度級分布的位置，使得灰度級分布圖的中心對應的空間頻率為零，該中心與圖3的中心一致。
以這種方式可以想象這些掩模的用途，即該掩模的圖形完全被圖像的能量光譜覆蓋，該圖像的像散模糊是將要確定的。當應用了這些掩模時，被掩模的光柵區(qū)域20a、22a、20b、22b覆蓋的、表示為二維灰度級分布的能量光譜區(qū)域不會影響將要確定的光譜能量含量，而被掩模的非光柵區(qū)域24a、26a、24b、26b覆蓋的、表示為二維灰度級分布的能量光譜區(qū)域均影響將要確定的光譜能量含量。因此，作為應用了根據(jù)圖3a的掩模的結(jié)果，主要在箭頭28a所表示的方向上確定了光譜能量，作為應用了根據(jù)圖3b的掩模的結(jié)果，主要在箭頭28b所表示的方向上也因此確定了光譜能量。目前，當利用具有給定像散方向(即在樣本位置的橢圓射束橫截面的長軸方向)的像散射束形成樣本的圖像時，那么在這個像散方向?qū)⒊霈F(xiàn)較少的高空間頻率，而在垂直于該方向的方向上將出現(xiàn)較多的高空間頻率。當像散方向位于箭頭28a(圖3a)的方向上時，那么在根據(jù)圖3a遮蔽的這個圖像的能量光譜中，將觀察到較低的光譜能量含量，在根據(jù)圖3b遮蔽的相同圖像的能量光譜中，將觀察到較高的能量光譜含量。
在根據(jù)本發(fā)明方法的多數(shù)簡化實施例中，假設該樣本其整體完全是各向同性的，也就是說該樣本中不具有對空間頻率的方向優(yōu)先性。在這種情況下，形成了該樣本的兩幅圖像。當形成第一幅圖像時，利用在聚焦透鏡(物鏡)的第一焦度設定時獲得的射束照亮該樣本，由此在照明射束中引入了一定程度的像散。然后，當形成第二幅圖像時，選擇物鏡的不同焦度設定，其它所有設定(特別是像散)保持不變。其后，準備好這兩幅圖像的能量光譜，使這些能量光譜中的每一個經(jīng)過兩個掩模(一個根據(jù)圖3a和另一個根據(jù)圖3b的掩模)的處理?，F(xiàn)在，為了確定像散模糊的方向，定義一個數(shù)量V，其表示圖像的能量光譜中出現(xiàn)最高空間頻率的方向。對于上述的情況，數(shù)量V具有以下形式
在以上表達式中，第一個求和式對遍布圖3a的區(qū)域24a和24b求和，第二個求和式對遍布圖3b的區(qū)域24b和26b求和；此外，P1是頻率區(qū)域i的光譜功率，并且求和式是在遍布以上求和符號顯示的掩模區(qū)域中對所有實際重要頻率i的。表達式(1)的分母中所示的求和式表示了所討論的圖像中的總光譜功率?，F(xiàn)在，為兩幅圖像中的每一幅確定數(shù)量V。如果第一圖像中的像散方向與箭頭28a(圖3)的方向相同，那么區(qū)域24a、26a的光譜能量含量將低于區(qū)域24b、26b的光譜能量含量；繼而V的符號將具有第一值(例如正值)。如果第二圖像中的像散方向?qū)⑴c第一圖像中的像散方向相同，那么在這種情況下，數(shù)量V的符號將和第一圖像時該數(shù)量的符號相同。繼而可以獲知，伴隨物鏡光焦度設定的改變，射束的最佳焦點沒有通過該樣本。在這種情況下，必須形成另一幅圖像，這必須在V的符號反向之前重復地進行。繼而可以獲知，兩個最近形成的圖像的像散方向彼此垂直，最佳焦點一定位于物鏡的最后兩個設定之間。經(jīng)過即將描述的插值處理，可以確定物鏡光焦度設定的值，由此最佳焦點位于該樣本上。于是，已經(jīng)達到了希望的電子束聚焦。
在根據(jù)本發(fā)明的方法的另一實施例中，假設該樣本不是各向同性的，也就是說在該樣本中對于空間頻率具有方向優(yōu)先性。在這種情況下，形成該樣本的四幅圖像。在物鏡的第一光焦度設定時形成第一幅圖像，由此將一定程度的像散引入照明射束中，從而利用第一像散射束形成了第一幅圖像。然后，利用物鏡的相同光焦度設定，形成了第一其他圖像(從而為整個四幅圖像的第二幅)，由此以這種方式將不同的像散引入了照明射束中，從而生成了具有已知像散方向的第一其他像散射束，該方向橫截第一像散射束的像散方向。在形成了這兩幅圖像之后，再形成另兩幅圖像，即在物鏡的第二光焦度設定時形成另一幅圖像(從而為整個四幅圖像的第三幅)，由此將一定程度的像散引入了照明射束中，從而利用第二像散射束制成了最后提到的這幅圖像。然后，利用該物鏡的相同光焦度設定，形成了第二其他圖像(從而為整個四幅圖像的第四幅)，由此以這種方式將不同的像散引入照明射束中，從而生成了具有已知像散方向的第二其他像散射束，該方向橫截形成第三幅圖像時射束中出現(xiàn)的像散方向?，F(xiàn)在，為四幅圖像中的每一幅形成能量光譜，并且使這四個能量光譜中的每一個兩次受到遮蔽，一次是利用根據(jù)圖3a的掩模，另一次是利用根據(jù)圖3b的掩模。這意味著對于四幅圖像中的每一幅來講，為區(qū)域24a和26a共同構(gòu)成的區(qū)域和區(qū)域24b和26b共同構(gòu)成的區(qū)域確定總光譜能量。對于這里所討論的情況，由此要被成像的樣本是各向異性的，現(xiàn)在可以再次定義一個數(shù)量V，其表示圖像的能量光譜中出現(xiàn)最高空間頻率的方向。對于上述的情況，數(shù)量V具有以下形式 這個表達式(2)一次用于在物鏡的第一光焦度設定時形成的兩幅圖像，然后，還有一次用于在物鏡的第二光焦度設定時形成的兩幅圖像。在表達式(2)中，最左邊的項用標注“圖像1”加以注釋，其涉及利用第一像散射束形成的圖像(從而為整個四幅圖像的第一幅)，最右邊的項用標注“圖像2”加以注釋，其涉及利用第一其他像散射束形成的圖像(從而為整個四幅圖像的第二幅)?，F(xiàn)在通過利用根據(jù)圖3a的掩模遮蔽第一圖像來獲得最左邊項的分子中的第一求和式，并且通過利用根據(jù)圖3b的掩模遮蔽第一圖像來獲得最左邊項的分子中的第二求和式。最左邊項的分母中的總和表示第一幅圖像中的總光譜能量。這樣，表達式(2)的最左邊項反映出像散模糊的程度，該像散模糊包括兩部分，即來源于樣本各向異性的成分以及來源于引入電子束的像散的成分。表達式(2)最右邊項是近似地構(gòu)成的，由此可歸因于樣本各向異性的成分當然與最左邊項中的成分相同。因為根據(jù)表達式(2)，采用了這兩項之差，所以就消除了表達式(2)中的這個成分。因此，根據(jù)在物鏡的一種光焦度設定時形成的兩幅圖像，就獲得了數(shù)量V的值，并且在上述的方式中，這個數(shù)量的符號表示僅表示該圖像中由于電子束像散引起的模糊的方向。
如用于在物鏡第一光焦度設定時形成的圖像的上述方法，也可以用于在物鏡的第二光焦度設定時形成的圖像。因而，由此確定的數(shù)量V的符號也僅表示該圖像中由于電子束像散引起的模糊的方向。如果當物鏡從第一光焦度設定轉(zhuǎn)變?yōu)榈诙饨苟仍O定時，射束的最佳焦點變?yōu)槲挥跇颖镜牧硪粋?cè)上(從而意味著從弱焦變?yōu)檫^焦，或者反之亦然)，那么通過數(shù)量V的符號反向這將是顯而易見的。相反地，如果V的符號不改變，那么可以得出結(jié)論，即還沒有通過最佳焦點的條件。在此情況下，有必要制作其它的圖像對，這個過程一直重復到V的符號值發(fā)生變化為止，于是經(jīng)過前面提到的插值過程，確定物鏡光焦度設定的最佳值。
作為根據(jù)表達式(1)或(2)的數(shù)量V與物鏡的光焦度設定之間對應關系的表示，在圖4中圖形表示了作為物鏡光焦度設定ΔF(任意單位)函數(shù)的數(shù)量V(任意單位)的實測變化過程。這個變化過程是在曲線的零交叉點附近記錄下來的；也就是說，在最佳焦點附近記錄下來的。在圖形中的各個測量點是以上述方式獲得的，由此對于物鏡光焦度的每個設定，根據(jù)表達式(1)或(2)計算數(shù)量V。現(xiàn)在，從圖4中可以看出數(shù)量V從正值到負值的變化，由此數(shù)量V從而通過零值；對于物鏡最佳焦點的設定就是位于這個零交叉處。為了在實際情況中找到這個點，可以利用以下進一步描述的迭代過程。
迭代算法的目的是找到連續(xù)的工作距離(物鏡的光焦度設定)，使最佳焦點逐漸接近樣本。這里所要描述的迭代算法是基于線性插值法的。借助于圖5解釋該算法，其中曲線30表示作為樣本到最佳焦點Fopt的距離F(焦距)函數(shù)的數(shù)量V的變化過程。與圖4相反，圖5是在該曲線零交叉點的更寬闊的附近區(qū)域中記錄了曲線30的變化過程；也就是說，曲線30的起始點和終點位于距離最佳焦點較大距離處。該算法從假設物鏡的初始光焦度設定開始，由此將焦距表示為Fi-1。根據(jù)在第一光焦度設定(Vi-1)時確定的數(shù)量V的符號，以這種方式對新的焦距Fi進行估計，從而新的焦距Fi比原先的焦距Fi-1使最佳焦點更接近樣本。在這個新的焦距Fi處，如果伴生數(shù)量Vi的符號與先前的值Vi-1的符號相同，那么重復相同的過程，直到V的符號反向為止。然后，在兩個測量點(Fi-1，Vi-1)和(Fi，Vi)之間進行線性插值，如這兩個測量點之間的直線32所示。線32與水平軸相交，由此的焦距是Fi+1；在這個焦距值處，伴生的數(shù)量V的值確定為(Vi+1)。根據(jù)Vi+1的符號，現(xiàn)在選出先前的測量點，利用該點繼續(xù)插值；如果表現(xiàn)出V的直接先前的值(從而為Vi)與Vi+1的方向相反，那么利用測量點對(Fi，Vi)和(Fi+1，Vi+1)或者測量點對(Fi-1，Vi-1)和(Fi，Vi)繼續(xù)進行插值。然后，重復這個反復過程，直到兩個連續(xù)散焦值之差下降到預先規(guī)定的值以下為止。伴生的焦距被認為是最佳焦點。
應當注意，利用圖像數(shù)據(jù)集的子幀，而不是利用整個數(shù)據(jù)集，就可以很大程度地縮短這個算法所需的計算時間。從而可以很大程度地減少該算法的計算負擔，由此可以獲得更快速的射束聚焦。通過選擇圖像中具有高信息含量的區(qū)域，就可以形成子幀；也就是說，在該區(qū)域中可以分辨圖像中的許多細節(jié)，這意味著其中出現(xiàn)了高光譜能量含量。那么，利用該子區(qū)域，可以對根據(jù)本發(fā)明的方法進行進一步處理。
權(quán)利要求
1.一種用于在具有成像物鏡的粒子光學設備中使帶電粒子束聚焦的方法，包括以下步驟(a)對于物鏡的第一設定，從前述射束(即，在該粒子光學設備中要被聚焦的帶電粒子束)形成具有伴生像散方向的第一像散射束；(b)在該粒子光學設備中利用第一像散射束形成樣本的圖像；(c)確定步驟(b)中形成的圖像中的像散模糊(彌散)的方向；(d)為物鏡提供不同的設定；(e)對于物鏡的其它設定，從前述射束形成具有伴生像散方向的第二像散射束；(f)利用第二像散射束形成樣本的圖像；(g)確定步驟(f)中形成的圖像中的像散模糊的方向；(h)比較步驟(b)中形成的圖像中像散模糊的方向與步驟(f)中形成的圖像中像散模糊的方向；(i)在前述的方向相同的情況下，重復步驟(d)到(h)，在前述的方向不相同的情況下，在物鏡的第一設定和物鏡的最后獲得的設定之間實施插值處理，從而確定當帶電粒子束達到其最佳聚焦時該物鏡的設定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中通過確定所討論的圖像中具有第一方向的第一光譜區(qū)域的光譜能量含量，和該圖像中具有第二方向的第二光譜區(qū)域的光譜能量含量，并且至少確定第一區(qū)域中的光譜能量含量與第二區(qū)域中的光譜能量含量之差的符號，來確定圖像中像散模糊的方向，其中第二方向橫截第一方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中通過比較各幅圖像的第一區(qū)域與第二區(qū)域的光譜能量含量之差的符號，來比較步驟(b)中形成的圖像中的像散模糊方向與步驟(f)中形成的圖像中的像散模糊方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中(j)對于物鏡的第一設定，形成具有已知像散方向的第一其他像散射束，該方向橫截第一像散射束的像散方向，利用該第一像散射束形成樣本的第一幅圖像，以及利用該第一其他像散射束形成樣本的第一其他圖像；(k)對于物鏡的第二設定，形成具有已知像散方向的第二其他像散射束，該方向橫截第二像散射束的像散方向，利用該第二像散射束形成樣本的第二幅圖像，以及利用該第二其他像散射束形成樣本的第二其他圖像；(l)在由此形成的四幅圖像中，通過確定所討論的圖像中具有第一方向的第一光譜區(qū)域的光譜能量含量，和該圖像中具有第二方向的第二光譜區(qū)域的光譜能量含量，來確定像散模糊的方向，其中第二方向橫截第一方向，由此在每幅圖像中至少確定了第一區(qū)域的波譜能量含量和第二區(qū)域的波譜能量含量之差的符號。
5.根據(jù)權(quán)利要求2到4中任一項所述的方法，其中在物鏡的第一設定和物鏡最后獲得的設定之間執(zhí)行插值處理出現(xiàn)在(m)確定各幅伴隨的圖像中第一區(qū)域的光譜能量含量和第二區(qū)域的光譜能量含量之差的大小，(n)通過這些值之間的插值，獲得了對于帶電粒子束達到其最佳聚焦所需的物鏡設定值的估計，(o)在由此估計到的設定時形成新的圖像，隨之執(zhí)行步驟(m)，此后，獲得了在新的設定時的一組值，將其用作再次執(zhí)行插值的新值，(p)重復最后提到的步驟，直到物鏡設定的兩個連續(xù)值之差小于預先規(guī)定的值為止，此后，將最后獲得的值保持為帶電粒子束達到其最佳聚焦所需的物鏡設定。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中為伴隨步驟(o)形成的圖像另外設定不同的像散值。
7.根據(jù)權(quán)利要求2到6中任一項所述的方法，其中以數(shù)字形式進行圖像處理，并且其中形成所討論的圖像的子幀，從而確定前面提到的光譜區(qū)域的光譜能量含量。
全文摘要
在例如電子顯微鏡之類的粒子光學設備中，自動地執(zhí)行聚焦過程是有利的。根據(jù)本發(fā)明，故意使要被聚焦的電子束像散到一定程度。利用這個像散射束，在物鏡的不同設定時形成兩幅樣本的圖像，此后確定每幅圖像中的像散模糊方向，例如，借助于二維傅立葉變換(FFT)。如果在從物鏡的第一設定到第二設定的變化中通過了最佳焦點，那么像散模糊的方向彼此垂直。通過這兩個設定之間的插值(該過程可以是迭代的)，現(xiàn)在可以確定最佳焦點。通過在物鏡的兩個設定時形成兩幅圖像并且從彼此中減去FFT，就可以消除樣本自身中的各向異性。
文檔編號H01J37/04GK1591761SQ20041008327
公開日2005年3月9日 申請日期2004年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月29日
發(fā)明者W·H·米斯, R·J·M·烏徹, H·P·M·斯特肯 申請人:Fei公司