[發明專利]掃描速度動態變化的SEM引導的AFM形貌掃描方法

在審

• 申請號: 201880095092.2
• 申請日: 2018-06-29
• 公開（公告）號: CN112955996A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 孫鈺;陳俊;陳科綸;王天驄
• 申請（專利權）人: 江蘇集萃微納自動化系統與裝備技術研究所有限公司
• 主分類號: H01J37/26
• 分類號: H01J37/26
• 代理公司: 蘇州市中南偉業知識產權代理事務所(普通合伙) 32257
• 代理人: 楊慧林

本發明公開了一種利用從掃描電子顯微鏡(SEM)圖像中提取的形貌信息來確定原子力顯微鏡(AFM)圖像在樣品上每個采樣點或每個區域的掃描速度的方法。該方法包括對掃描電鏡圖像進行處理，提取可能的形貌特征并生成特征度量圖，將特征度量圖轉換為AFM掃描速度圖，并根據掃描速度圖進行AFM掃描。該方法可使AFM掃描在形貌特征較少的區域具有較高的掃描速度，而在形貌特征豐富的區域具有較低的掃描速度。

背景技術

掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscopy，簡稱SEM)和掃描探針顯微鏡(scanning probe microscopy，簡稱SPM)是用于納米和亞納米成像的平臺。SPM，例如原子力顯微鏡(atomic force microscopy，簡稱AFM)，使用尖銳的懸臂梁尖端通過閉環位置和力控制掃描樣品表面，以獲取樣品的3D形貌。與SPM不同，SEM通過聚焦電子束掃描樣品表面從而生成樣品圖像。電子與樣品中的原子相互作用，產生包含有關樣品表面形貌(主要是二維)和成分信息的信號。

基于不同的物理成像原理，SPM和SEM代表兩種互補的成像技術。由于它們通常是大型的，不兼容的儀器，因此通常通過SEM和SPM分別對樣品進行成像，并且圖像相互關聯以獲取更多的樣品綜合信息。但是，在SPM和SEM儀器之間來回傳輸樣本并在樣本上重新定位相同的感興趣區域(region of interest，簡稱ROI)是一項艱巨而富有挑戰的任務。美國專利US 5081353、US5229607、US5256876和U.Mickel，(IEEE ICRA，第4088-4093頁，2010)(即混合式SEM-SPM系統)公開了一種可以通過在SEM的真空腔室內安裝一個小型SPM從而解決上述問題。這種混合方法提供了在獨立系統中無法實現的強大功能(例如，原位掃描探針掃描電鏡互補成像，原位納米壓痕，測量過程中的SPM尖端監測，以及視覺引導的納米操作)。

在SEM可以達到20Hz的高幀頻的同時，SPM通常需要幾分鐘才能生成圖像。SPM成像的低帶寬本質上受SPM懸臂梁和壓電掃描儀的機械響應限制。因此，在SEM-SPM混合成像中，SPM成像效率低是一個瓶頸。簡單地設置一個高的SPM掃描速度會犧牲成像精度并潛在損壞SPM懸臂梁尖端。在SPM掃描過程中，樣品的表面形貌變化會導致尖端樣品距離發生變化。SPM控制器需要一定的穩定時間才能達到穩定狀態。當XY壓電掃描器以較高的速度移動時，SPM控制器無法使樣品上的每個采樣點達到穩定狀態。例如，在樣品的陡峭下降邊緣，SPM尖端可能會完全失去對樣品形貌的跟蹤(也稱為跳傘)，從而導致樣品信息的丟失以及形貌成像誤差大。在樣品的陡峭上升邊緣，SPM尖端可能會撞上樣品，導致SPM尖端和樣品損壞。因此，在SPM掃描速度和成像精度之間存在權衡。

在實踐中，樣本在某些區域中包含形貌特征，而在其它許多區域中則具有最小或沒有形貌特征。因此，不需要使用恒定的速度來掃描包含特征的區域和沒有特征的區域。為了提高掃描效率，目前已經提出了幾種策略。如美國專利US5204531和J.-W.Wuel(IEEETrans.納米技術14，pp.810-819，2015)公開了一種執行快速AFM粗略掃描的方法，用以識別包含特征的區域，然后對包含特征的區域進行慢速AFM掃描以獲取高分辨率的圖像。同樣，在美國專利中也公開了雙向掃描，如美國專利US9645169和Y.Wetal(IEEE3M-NANO，第171-176頁，2014年)，其中采用了快速的AFM正向掃描來引導緩慢的AFM反向掃描。X.Ren等(IEEE3M-NANO，第245-250頁，2015年)對ROI進行了高速完整的AFM掃描，以獲取近似的形貌信息，然后以不同的掃描速度對同一個ROI進行再次掃描，從而在特征豐富的區域收集更多的細節信息。上述方法都有一個共同的特點，就是先快速掃描獲取初步的形貌信息，再通過慢掃描獲取精細的細節信息。由于SPM掃描的連續性質，這些技術不能顯著減少掃描時間。而使用快速掃描來獲得初步的形貌信息也有由于樣本碰撞而損壞SPM尖端的風險。