[发明专利]使用衍射图案定向样品的系统

说明书

本发明提供了一种用于对准带电粒子束系统中的样品的方法和装置。将带电粒子束指向所述样品以获得样品衍射图案。将样品衍射图案与已知对准偏差的参考衍射图案相比较以确定哪一个参考图案最接近样品图案。使用最佳匹配参考衍射图案的已知对准度来校正样品的倾斜。比较的“图案”可以是具有相应强度而不是图像的亮斑列表。

技术领域

本发明涉及提高带电粒子显微镜中结晶样品的对准度。

背景技术

带电粒子束显微术用于测量样品的纳米特征是非常有用的。对于精确测量，带电粒子束应当将样本垂直入射到样品表面。如果待测特征相对于粒子束是倾斜的，测量将会不准确。采用带电粒子束对准样品的晶体结构被称为“晶带轴对准”。“晶带轴”是晶体的主要对称轴。

由于电子的波动性质，穿过结晶样品的电子彼此干扰，从而加强一些区域的电子束并消除其他区域的电子束。干涉在位于样品下方的物镜的后聚焦面上形成衍射图案。衍射图案包括亮斑在较暗的背景上的图案。每一个光亮区表示由晶体结构内特定的平面组的衍射引起的电子信号中的峰值。从而不同衍射图案中的斑点的位置可以用于识别样品中材料的类型。识别与特定的斑点对应的这组晶面被称为“索引”斑点。使用晶面和显微镜的几何形状之间的几何关系进行索引。

图1示出了由衍射斑点104组成的电子束衍射图案102的示例。图案的对称性表明电子束平行于晶体的晶带轴。倾斜样本，使电子束不再平行于晶带轴，对衍射图案具有明显的影响。倾斜的样本产生图案，该图案表现为一系列被排列成弧形的衍射斑点，称为劳厄圆(Laue圆)。图2示出了来自相对于电子束倾斜的样品的样品衍射图案202，随后衍射斑点204形成弧形。从衍射图案可以确定样品中的晶带轴相对于电子束的倾斜度。一旦确定了倾斜度，就可以重新调整样品以将其与电子束对准。

Jansen等人在Ultramicroscopy125(2013)59-65.中的文章“Towards automaticalignment of a crystalline sample in an electron microscope along a zoneaxis”描述了一种使用衍射图案将样品与电子束对准的方法。如图3所示，通过将圆302拟合到衍射斑点304的弧形中确定样本对准偏差的程度和方向。在嵌入圆(fitted circle)的圆心308和衍射图案弧形的透射束点之间的半径矢量306的方向和大小对应于样本对准偏差的方向和大小。转换半径矢量使台架倾斜以重新调整晶带轴使其平行于如校正后得到的图4中的衍射图案所示的电子束。重复该方法直到达到所需对准。一旦对准了样品，就可以精确测量样品中的特征。

该方法是基于启发法，而且相对比较慢。将圆拟合到一些衍射图案可能是困难的或者不可能的。例如，在图5的图案中，确定嵌入圆中包括哪些点是困难的。在如图6所示的图案中，从调整电子束以远离样品的晶带轴的样品中可以看出，很多斑点是不可见的，并且可见的斑点看起来根本没有形成圆。此外，图6中的图案似乎出现“双电子束”动态衍射。经典的衍射模型假定粒子(X射线或电子)在其与样本相互作用期间仅散射一次。电子与物质发生强烈的相互作用，因此发生多次散射活动。电子束散射，之后散射的电子束再次散射，等等。这种现象被称为动态衍射。较薄的材料会引起更多的散射。对于厚度小于20nm的硅而言可以安全地忽略动态衍射。动态衍射可能会导致劳厄圆方法失败。此外，如果样品对准偏差小于1度那么该方法是没用的，因为衍射图案没用足够的圆形进行匹配。而且，很难从圆-拟合程序确定倾斜测量的准确性。

这里有使用衍射图案确定晶带轴倾斜度的其他几种方法。例如，使用晶带定律，其中索引图案并且选择两至三个突出的斑点以找到晶带轴。该方法最好仅精确到2-3度，这对于晶体对准来说是不够的。

使用菊池线确定晶带轴倾斜度是一种非常准确且标准的技术。它可以手动和/或计算机辅助完成。菊池线由动态衍射效应导致并且只有厚和/或高Z(原子数)样品是可见的。因此，菊池线技术不可能用于薄样品，例如，在电子工业中使用的，结点尺寸现在接近10nm的样品中。