生成样品表面部分的晶体取向图的方法和计算机程序产品

技术领域

本发明涉及一种生成样品的表面部分的晶体取向图的方法。晶体取向图表示在表面部分的多个样品位置处的晶体取向。晶体取向图可以使用带电粒子束系统(比如具有数据处理设备的电子束显微镜)获得，该数据处理设备用于处理使用带电粒子束系统记录的图像数据。

背景技术

在常规的晶体取向绘图中，在样品的网格点上扫描电子束，并且在网格的每个点处检测衍射图像并对其存储。分析给定点的衍射图像以确定给定点处的晶体取向。在网格点处确定的晶体取向可以显示为晶体取向图，并被处理以提供关于样品微观结构的各种信息，比如晶界、晶粒尺寸、晶粒尺寸分布等。

然而，这种常规方法既耗时又耗内存，因为必须针对网格的每个点检测衍射图像(例如，二维空间分布)并将其存储在存储器中。进一步地，用于检测衍射图像的检测器是昂贵的设备。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于获得样品的表面部分的晶体取向图的更快且耗内存更小的方法。

本发明的目的通过下文所述的主题来解决。在下文中还定义了本发明的有利实施例。

本发明的实施例涉及一种生成样品的表面部分的晶体取向图的方法，其中，该表面部分包括中心位置。该方法包括：对于多个不同取向设置中的每一个，使用被引导到表面部分并从表面部分进行反向散射的带电粒子束的粒子来记录表面部分的图像，其中，这些取向设置中的每一个由方位角和仰角定义，在记录相应图像期间，带电粒子束在方位角和仰角下入射到中心位置上；以及基于所记录的图像生成晶体取向图，其中，该晶体取向图表示在表面部分的多个样品位置处的晶体取向。

优选地，在所述方法中，记录这些图像中的每一个包括：在这些取向设置中选择先前未用于记录这些图像中的任何一个的相应取向设置；将该带电粒子束相继引导到该表面部分上的多个扫描位置，同时保持所选的相应取向设置；以及存储该多个扫描位置中的每一个的检测值，其中，该检测值基于在将该带电粒子束引导到该相应扫描位置期间检测到的这些反向散射粒子的量或检测速率或能量。

优选地，在所述方法中，选择该取向设置包括使该带电粒子束偏转。

优选地，在所述方法中，选择该取向设置包括改变固持该样品的样品台的取向。

优选地，在所述方法中，这些不同的取向设置满足一组约束中的至少一个约束，该组约束包括：(I)这些取向设置的仰角彼此不同，(II)这些取向设置的方位角彼此不同，并且(III)这些取向设置具有不同于90°的不同方位角和仰角。

优选地，在所述方法中，这些取向设置的仰角被限制为大于80°的值。

优选地，在所述方法中，该晶体取向图是用颜色表示这些晶体取向的彩色图像。

优选地，在所述方法中，生成该晶体取向图包括：确定该多个样品位置中的每一个的颜色值，其中，使用这些图像的相应样品位置处的值来确定相应样品位置处的该颜色值。

优选地，在所述方法中，生成该晶体取向图包括以下各项中的至少一项：补偿这些图像之间的失真，在记录这些图像期间跟踪这些图像中的特征，以便确定这些图像中的相同样品位置，以及将这些图像进行关联，以便确定这些图像中的相同样品位置。

优选地，所述方法进一步包括：将所生成的晶体取向图显示为图像。

例如，当使用扫描电子显微镜执行该方法时，带电粒子束是电子束，并且主要由反向散射电子记录这些图像。然而，该方法也可以使用离子束显微镜来执行。

图像是样品的表面部分的简单图像。这意味着图像的每个图像位置表示样品的表面部分的样品位置，并且当将带电粒子束引导到由相应图像位置表示的样品位置时，基于检测到的反向散射粒子的量或检测速率或能量，为每个图像位置分配(单个)检测值。例如，这些图像中的每一个表示在多个扫描位置(即，带电粒子束被引导到的样品位置)处的晶体取向。与常规晶体取向绘图相比，可以快速记录图像，并且需要较少的内存来存储。

本发明进一步涉及一种计算机程序产品。该计算机程序产品包括计算机指令，当由计算机执行时，使得该计算机执行本文所披露的方法。该计算机程序产品可以是数据存储装置，比如光盘、数字通用磁盘等，该数据存储装置可以由计算机读取。计算机程序产品可以是数字数据。数字数据可以由计算机下载。

附图说明

在下文中，参考附图描述本发明的实施例。

图1示出了粒子束系统的示意性展示。

图2示出了生成样品的表面部分的晶体取向图的方法的流程图。

图3示出了取向设置的示意性展示。

图4示意性地示出了用于选择取向设置的两种方式。

图5A至图5C示出了不同取向设置的示例和使用不同取向设置获得的示例性图像。

图6示出了由图5A至图5C所示的图像生成的示例性晶体取向图的图像。

具体实施方式

图1示出了适用于执行本文所描述的方法的粒子束系统1的示意性展示。特别地，粒子束系统1可以用于分析样品3、特别是确定样品3的晶体取向图。

粒子束系统1包括带电粒子束柱10。带电粒子束柱10包括带电粒子源11，该带电粒子源被配置为生成带电粒子(例如，电子或离子)的带电粒子束2。

带电粒子束柱10进一步包括加速电极13。可以对加速电极13施加可选择的电势，以将带电粒子束2的带电粒子加速到所选的动能。

带电粒子束柱10进一步包括设置在加速电极13下游的束管15。由加速电极13加速的带电粒子束2的带电粒子在束管15内部传播，并且通过开口17离开束管15和带电粒子束柱10。可以对束管15施加可选择的电势。

带电粒子束柱10进一步包括物镜19，该物镜被配置为将带电粒子束2聚焦在样品3上。例如，物镜19可以是磁透镜和/或静电透镜。

带电粒子束柱10进一步包括束偏转系统21，该束偏转系统被配置为使带电粒子束2偏转，使得带电粒子束2可以被引导到样品3的多个样品位置。束偏转系统21可以被配置为使带电粒子束2沿着两个方向偏转，这两个方向基本上彼此垂直并且垂直于物镜19的光轴。在图1中，物镜19的光轴平行于图1的竖直轴，并且位于物镜19的中心。为此目的，束偏转系统21可以包括多对电极，每对电极被配置为使带电粒子束2偏转。

进一步地，束偏转系统21可以被配置为在垂直于物镜19的光轴的一个或两个方向上使带电粒子束2移位。为此目的，多对电极沿着带电粒子束2的传播路径分布。如图1所示，多对电极沿着物镜19的光轴分布，以便提供用于在垂直于物镜19的光轴的方向上使带电粒子束2移位的装置。

粒子束系统1进一步包括真空室25。真空室25具有界定真空室25的室壁27。可以在真空室25内部产生真空。真空室25在开口17处连接到带电粒子束柱10，使得带电粒子束2可以通过开口17进入真空室25。

粒子束系统1进一步包括固持样品3的样品台4。样品台4可以被配置为在多个方向上使样品3移位。样品台4可以被配置为使样品3围绕多个旋转轴旋转。例如，样品台4可以被配置为使样品3围绕两个或三个旋转轴旋转。特别地，旋转轴可以彼此正交。样品台4位于真空室25内部。

粒子束系统1进一步包括控制器30，该控制器被配置为控制粒子束系统1的所有部件。特别地，控制器30可以控制带电粒子束柱10和样品台4。具体地，控制器30可以控制带电粒子源11、对加速电极13施加的电势、对束管15施加的电势、物镜19、和束偏转系统21。

粒子束系统1进一步包括被配置为存储数据的数据存储器31。控制器30可以从数据存储器31读取数据并将数据写入数据存储器31。

粒子束系统1进一步包括被配置为输出信息的输出设备32。例如，输出设备32可以是用于显示由控制器30提供的信息的显示设备。

粒子束系统1进一步包括用于向控制器30提供用户指令的输入设备33。例如，输入设备33可以包括鼠标、键盘等。

粒子束系统1进一步包括检测系统40A，该检测系统被配置为检测由于带电粒子束2与样品3的相互作用而从样品3中出射的反向散射粒子41。例如，从样品3中出射的反向散射粒子41可以是反向散射电子或反向散射离子。为了检测反向散射粒子41，检测系统40A包括具有检测区域43A的检测器42A。检测区域43A被布置为面向样品3。检测器42A位于加速电极13与物镜19之间的束管15内部。检测器42A与入射带电粒子束2位于样品3的同一侧。检测器42A被配置为输出表示入射到检测区域43A上的反向散射粒子41的量或检测速率或能量的检测信号。检测器42A可以是简单的计数器，该计数器对入射到检测区域43A上的反向散射粒子41的量进行计数，而不考虑入射到检测区域43A上的具体位置。也就是说，检测器42A不必是提供空间分辨信息的图像传感器。控制器30接收检测信号用于进一步处理和评估。

检测器42A可以是具有多个检测段的分段检测器，其中，每个段输出表示入射到相应检测段上的反向散射粒子41的量或检测速率或能量的检测信号。例如，检测器42A可以具有多达10个检测段。然而，出于本发明的目的，既不需要也不使用由多个检测信号提供的空间分辨信息。

粒子束系统1可以包括另一个或不同的检测系统，该检测系统用于检测由于带电粒子束2与样品3的相互作用而从样品3中出射的反向散射粒子41。例如，粒子束系统1可以包括检测系统40B，该检测系统被配置为检测由于带电粒子束2与样品3的相互作用而从样品3中出射的反向散射粒子41。为了检测反向散射粒子41，检测系统40B包括具有检测区域43B的检测器42B。检测区域43B被布置为面向样品3。检测系统40B可以在物镜19的下游(即，在物镜19与样品3之间)移位或在该物镜的下游是可移位的。检测系统40B与入射带电粒子束2位于样品3的同一侧。检测系统40B被配置为输出表示入射到检测区域43B上的反向散射粒子41的量或检测速率或能量的检测信号。

图2示出了生成样品3的表面部分S的晶体取向图的方法的流程图。在步骤S1中，使用不同的取向设置OS

图3示出了示例性取向设置的示意性展示。取向设置由方位角

方位角

仰角θ描述了入射到中心位置M上的带电粒子束2与表面部分S的水平面x-y之间的角。也就是说，仰角θ描述了在中心位置M处的带电粒子束2的传播方向与方向r之间的角，其中，方向r位于表面部分S的水平面x-y中，并且表示在中心位置M处的带电粒子束2的传播方向在表面部分S的水平面x-y上的投影。仰角θ的范围从0°至90°，其中，90°的仰角意味着带电粒子束2垂直入射到表面部分S的中心位置M上。

在图3所示的示例中，仅出于说明目的，θ＝60°并且

取向设置满足一组约束中的至少一个约束。该组约束包括：取向设置的仰角彼此不同。该组约束进一步包括：取向设置的方位角彼此不同。该组约束进一步包括：取向设置具有不同于90°的不同方位角和仰角。如果方位角之间的差至少为0.1°、或者至少为0.5°、或者至少为1°，则被定义为不同的方位角。如果仰角之间的差至少为0.1°、或者至少为0.5°、或者至少为1°，则被定义为不同的仰角。

图4示意性地示出了用于选择取向设置的两种方式。如图4的左侧所示，可以通过使带电粒子束2(双)偏转来选择取向设置。例如，参考图1和图4左侧所示的粒子束系统1，带电粒子束2的偏转可以由控制偏转系统21的控制器30来执行。

如图4的右侧所示，附加地或可替代地，可以通过改变样品台4的取向来选择取向设置。例如，参考图1和图4右侧所示的粒子束系统1，带电粒子束2的偏转可以由控制样品台4倾斜和/或旋转的控制器30来执行。

图像可以在带电粒子束2基本垂直入射到表面部分S以进行成像上时被记录。例如，用于记录所有图像的取向设置的仰角可以被限制为大于80°的值。

记录这些图像中的每一个可以包括：在取向设置中选择先前未用于记录图像中的任何一个的相应取向设置；将带电粒子束相继引导到表面部分上的多个扫描位置，同时保持所选的相应取向设置；以及存储多个扫描位置中的每一个的检测值，其中，该检测值基于在将带电粒子束引导到相应扫描位置期间检测到的反向散射粒子的量或检测速率或能量。

也就是说，通过将带电粒子束2引导到多个扫描位置来记录每个单个图像。在将带电粒子束2引导到多个扫描位置中的给定扫描位置期间，例如使用图1所示的检测器42A、42B来检测从样品3反向散射的粒子41。检测器42A、42B输出表示与给定扫描位置相关联的检测到的反向散射粒子41的量或检测速率或能量的检测信号。控制器30将与给定扫描位置(x，y)相关联的检测值I存储到数据存储器31中，其中，检测值表示由检测信号提供的信息，例如，检测值表示检测到的反向散射粒子41的量或检测速率或能量。N个图像中的每一个都是检测值I与其相关扫描位置(x，y)的集合。因此，扫描位置(x，y)处的检测值被称为I(x，y)；并且图像n(范围从1至N，其中，N是大于一的整数)被存储为数据I

图5A至图5C示出了不同取向设置的示例和使用不同取向设置获得的示例性图像。

图5A示出了使用θ＝90°和

θ＝90°和

图5B示出了使用θ＝87°和

图5C示出了使用θ＝88°和

虽然示出了相同样品3的同一表面部分S，但是图像51至53示出了对比度的差异。特别地，可以观察到，当在稍微不同的取向设置下观察样品时，对比度可能显著不同。在一个图像(即，一个取向设置)中示出均匀灰度级的一些区域将在另一个图像(即，另一个取向设置)中示出显著变化的灰度级。在一个图像中可以清晰观察到的特征在另一个图像中可能观察不到。这种效应是由于带电粒子束2的粒子的“沟道效应”导致的。这种效应发生在粒子束2的传播方向与样品3的局部晶体取向之间的狭窄的角度配置范围内。根据这种效应，带电粒子束2的粒子可以深入渗透到样品3中，因此具有导致图像中的暗区的较小的反向散射截面。

为了利用取向设置的这种影响，根据图2所示方法的步骤S2，使用多个所记录的图像51至53来生成晶体取向图54。

图6示出了由图5A至图5C所示的图像51至53生成的示例性晶体取向图54的彩色图像的灰度表示。由于法律限制，在本专利申请的申请日，专利申请中不允许使用彩色图像。因此，图6示出了彩色图像的灰度表示。

示例性晶体取向图54的彩色图像由多个彩色区域组成，其中，相邻区域具有不同的颜色。每个区域表示具有均匀晶体取向的样品区域，该晶体取向由该样品区域的所记录的图像51至53的检测值的组合来定义。晶体取向图54的彩色图像通过颜色表示晶体取向。也就是说，不同的颜色表示不同的晶体取向。由“D”指示的样品位置与图像51至53中指示为“A”、“B”、“C”的样品位置相同。

彩色图像的每个图像位置表示样品3的表面部分S的样品位置。每个图像位置被分配一个颜色值，该颜色值表示样品在由相应图像位置表示的样品位置处的晶体取向。可以使用与给定样品位置相关联的所记录的图像51至53的值来确定表示给定样品位置的给定图像位置处的颜色值。也就是说，例如，可以使用给定相同样品位置(x，y)处的N个图像的检测值In(x，y)来确定表示给定样品位置(x，y)的给定图像位置处的颜色值。例如，可以使用相同样品位置“A”至“C”处的图像51至53的检测值来确定样品位置D处的颜色值。

晶体取向图54作为彩色图像的表示是如何合成图像51至53的示例。基于图像51至53的多种表示可以用于表示晶体取向图54。该表示应该通过相似的表示特征(例如，颜色、亮度、饱和度、阴影或如数字、字符、字符串等符号)来表示相似的晶体取向。

可以应用任何种类的绘图，该绘图将所记录的图像的检测值唯一地映射到表示特征。在下文中，描述了将图像51至53的检测值映射到表示特征的示例。

作为示例，晶体取向图54被表示为包括多个像素的彩色图像，并且每个像素的颜色值由三元组定义，比如RGB三元组，其中，“R”表示对颜色值的红色贡献，“G”表示对颜色值的绿色贡献，以及“B”表示对颜色值的蓝色贡献。将三个图像51至53的检测值映射到晶体取向图54的颜色值可以如下所示：“R”贡献由图像51的检测值提供；“G”贡献由图像52的检测值提供；并且“B”贡献由图像53的检测值提供。因此，(由RGB三元组定义的)每个颜色值是基于图像51至53的检测值。

根据另一示例，将三个图像51至53的检测值映射到晶体取向图54的表示特征可以如下所示：表示相同样品位置处的检测值的每个组合(例如，样品位置“A”至“C”处的图像51到53的检测值)被分配唯一的表示特征。

根据本发明的上述方法可以比常规晶体取向绘图更快地执行。根据本发明的方法，必须记录由晶体取向图表示的样品区的多个简单图像；根据开篇描述的常规晶体取向绘图，必须为晶体取向图的每个像素记录多个衍射图像。因此，与开篇描述的常规晶体取向绘图相比，根据本发明的方法需要较少的图像记录，从而减少了获得晶体取向图的总持续时间。然而，由常规晶体取向绘图提供的晶体取向图提供了定量结果，而根据本发明的方法仅提供了定性结果。定性信息可用于根据晶粒数量、晶粒尺寸等来分析样品。

为了生成晶体取向图54，可能有必要在所记录的图像中识别相同的样品位置，因为这些图像可能具有不同的对比度并且可能失真(由于它们使用不同的取向设置进行记录)，或者因为如样品台漂移等其他影响。因此，生成晶体取向图可以包括在所记录的图像中识别相同的样品位置。

可以通过从数据存储器31中读取相应的数据来执行在相同样品位置处提供所记录的图像值。在相同的样品位置处提供所记录的图像值可以包括对图像的检测值进行插值，以获得在期望的样品位置处所计算的检测值。如果扫描位置与晶体取向图的期望样品位置不够一致，则这可能是必要的。

因为图像是使用不同的取向设置记录的，所以图像可能会稍微失真。为了简化对所记录的图像中相同样品位置的识别，生成晶体取向图可以包括补偿图像之间的失真。可以基于取向设置(即，基于记录图像的不同角以及由此导致的理论失真)来执行补偿。

进一步地，为了简化对图像中相同样品位置的识别，生成晶体取向图可以包括在记录图像期间跟踪图像中的特征和/或将图像关联。

在上面的示例中，三个图像51至53被记录并用于生成晶体取向图54。然而，也可以使用两个图像来生成晶体取向图。此外，可以使用四个或更多个图像来生成晶体取向图。

所生成的晶体取向图54可以显示给用户，例如使用图1所示的输出设备32。

在一些实施方式中，控制器30可以包括用于处理数据的一个或多个数据处理器、用于存储数据的一个或多个存储设备、和/或包括指令的一个或多个计算机程序，当由控制器30执行时，这些指令使得控制器30执行上述过程。

在一些实施方式中，控制器30可以包括数字电子电路系统、计算机硬件、固件、软件或上述的任何组合。与数据处理相关的特征可以在计算机程序产品中实施，该计算机程序产品有形地在信息载体中(例如在机器可读存储设备中)实现，由可编程处理器执行；并且方法步骤可以由执行指令程序的可编程处理器来执行，以通过操作输入数据并生成输出来执行所描述的实施方式的功能。替代性地或另外，程序指令可以编码在传播信号上，该传播信号是人工生成的信号，例如，机器生成的电信号、光信号或电磁信号，该传播信号被生成用于对信息进行编码，以传输到合适的接收器装置供可编程处理器执行。

在一些实施方式中，与本文档中描述的数据处理相关联的操作可以由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器执行，以执行本文档中描述的功能。

适用于实现计算机程序指令和数据的机器可读存储介质包括各种形式的非易失性存储区域，举例来说，包括：半导体存储设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动磁盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM光盘。