改善的用于电子显微镜的导引制造技术

公开了用于在显微镜中分析样品的方法和系统。所述方法包括：使用第一检测器和与第一检测器不同的第二检测器来获取一系列复合图像帧，其中，获取复合图像帧包括：使带电粒子束撞击样品区域内的多个位置，所述区域与显微镜的配置视场对应，所述显微镜被配置为具有一组显微镜条件，根据经配置的显微镜条件，使用第一检测器监控在样品内在所述多个位置生成的第一组所得粒子以获得第一图像帧，根据经配置的显微镜条件，使用第二检测器监控在样品内在所述多个位置生成的第二组所得粒子以获得第二图像帧，其中，每个图像帧包括多个像素，所述多个像素与所述区域内的多个位置对应，并且从在所述区域内的多个位置生成的监控的粒子得到，针对第二图像帧的每个像素，如果配置的显微镜条件与在该系列中紧接的前一个获取的复合帧的存储的第二图像帧的配置的显微镜条件相同，并且如果各个像素对应于与所述存储的第二图像帧包括的存储的像素对应的区域内的位置，则将所述存储的像素与所述像素组合以提高所述像素的信噪比，并将第一图像帧与第二图像帧组合以生成复合图像帧，使得复合图像帧针对多个像素中的每一个提供从所述区域内的对应位置生成并通过第一检测器和第二检测器中的每一个监控的粒子得到的数据；以及在视觉显示器上实时显示一系列复合图像帧。

Improved guidance for electron microscopy

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改善的用于电子显微镜的导引
本专利技术涉及一种用于在显微镜中分析样品的方法，并涉及一种用于分析样品的系统。具体地，本专利技术可以为用户提供在样品周围的改善的导引/导览(navigation)，并且可以通过组合来自多个信号(甚至是信噪比较差的信号)的信息并提供允许用户与信息源进行交互的显示器来帮助用户，以有效地且高效地进行大面积的探查。
技术介绍
图1示出了用于探查样品表面的扫描电子显微镜(SEM)中采用的典型的系统。在真空室内部生成电子束，并且通常用磁透镜或静电透镜对电子束进行聚焦。当电子束轰击样品时，一些电子从样品散射回(反向散射的电子或BSE)，或者与样品相互作用以生成二次电子(SE)和诸如X射线的许多其它发射物。通常被设计为响应来自样品的SE或BSE的强度的电子检测器连接到信号处理电子装置，并生成与样品的被聚焦的束轰击的部分对应的信号。从样品的所述部分发射的X射线光子也将轰击X射线检测器，并且利用相关联的信号处理，可以测量单个光子能量，并生成与束下存在的化学元素的特征发射线对应的信号。使用电子束检测器在样品的网格点上通常以光栅方式逐行(但可以以任意次序，甚至是随机选择的点)扫描聚焦的电子束，并且在每个点处测量电子信号，并将该电子信号存储在通常显示在与计算机接口的视频显示器单元上的数字图像的对应的像素中。当已经访问网格中的所有点时，已经获取图像数据的一个完整的“帧”。通常，网格点覆盖“视场”尺寸至1cm，但其可以更大或明显更小，并且如果图像显示在固定尺寸的监控器上，则视场的尺寸有效地确定放大倍率，使得较小的视场表示较高的放大倍率。要检查的样品的尺寸通常比可通过电子束的偏转达到的最大视场大得多，并且为了探查整个样品表面，通常必须使用控制器来移动支撑样品的支撑架或载物台，并且其通常可以将扫描的视场移动很多cm。在电子显微镜中使用了类似的系统，在该系统中，样品足够薄以使束透射过样品(扫描透射电子显微镜或STEM)。在此情况下，束偏转和载物台移动的范围通常小于SEM中的束偏转和载物台移动的范围。当电子束轰击样品时，从样品中发射的电子数量通常比生成的X射线光子数量高几个数量级。因此，X射线图像通常比电子图像具有差的多的信噪(S/N)比，并且期望使用最佳的可用方法来改善X射线图像。由检测器收集的X射线数量由在电子束轰击样品的点处X射线检测器所包夹(subtend)的立体角决定。对于如图1中所示的X射线检测器位于电子束一侧的布置，通过使用大面积检测器或将检测器设置为非常靠近样品来使收集立体角最大化。在不同的布置中，X射线检测器使用被设置为围绕入射电子束的多个传感器以使总收集立体角最大化。在这种“同轴”布置中，X射线检测器位于最终的透镜光圈与样品之间，并且电子束行进穿过传感器之间的间隙。即使当收集立体角被最大化时，单个帧的X射线图像的信噪比通常也比电子图像差得多，这使用户难以在每像素的停留时间很短时看到在数据的单个帧中的细节。如果延长停留时间以改善信噪比，则完成图像帧的时间增加，并且用户必须等待更长的时间才能看到覆盖整个视场的图像。X射线成像的重大创新是以下技术：记录单个光子的扫描位置和能量两者，使得可以对存储的数据进行处理以从任意所需的特征化学元素发射中生成X射线图像(Mott和Friel，1999，JournalofMicroscopy，第193卷，第1期，1999年1月，第2-14页)。Mott和Friel并没有针对单次扫描使用大的每像素的停留时间，而是使用了较少的停留时间并在不断累积数据的同时重复扫描相同的视场。他们的系统经过编程，以使用累积的数据重复地准备X射线图像以进行显示，使得在添加新的数据帧时，X射线元素图出现逐渐减少的粒子感(grainy)，并且开始出现细节和阴影。现在这种获取和显示X射线元素图并观察所得图像随时间而改善的方法已经普遍使用了近二十年。当用户需要探查样品以找到感兴趣的区域时，他们通常使用与对电子图像快速交互已经优化的SEM显示器。SEM通常显示高信噪比的电子图像，该电子图像每帧刷新并使用快速的帧速率，使得如果焦距或放大倍率发生变化或视场移位(例如，通过移动支撑样品的支撑架或载物台或向扫描偏转添加偏移)，则用户以足够快的速率看到新图像，以有效地进行交互。即使帧速率可能低于50Hz，足以跟踪移动特征的高更新速率通常也被称为类似于家用电视的“TV速率”。在设定电子图像的放大倍率使得由电子束扫描覆盖的视场适合在样品表面上显示感兴趣的特征类型之后，用户将在观察电子图像的同时移动载物台以找到可能包含感兴趣的化学元素或化合物的区域。当可能的区域出现在视场中时，用户将停止载物台移动，然后调整扫描速率并开始X射线采集，并对随着逐帧改善的S/N来观察元素图，如由Mott和Friel描述的。如果很快就发现视场中的元素或化合物的分布不合适，则用户将返回使用快速帧速率电子图像的交互式探查，并移动载物台以找到更合适的区域来获取X射线数据。返回电子图像以进行探查、周期性地停止以获取足够的X射线数据以检查视场是否具有所需元素的适当分布以及如果不具有所需元素的适当分布则返回电子图像以进行探查的循环是低效的，并且用户也会在其尝试在样品上的较大面积上导引的同时错过样品上包含感兴趣的材料的区域。当用户的任务是寻找包含具有某些特性的特定化学元素或化合物或材料的区域时，问题是电子图像无法提供足够的信息。SE信号很好地示出了形貌，并且BSE信号可以指示材料的平均原子序数，但是没有一个信号提供了关于化学元素含量或材料性质的特定信息，因此用户必须猜测某个区域是否可能值得获取额外的数据以提供这样的信息。X射线图像可以提供关于化学元素含量的信息，但信噪比(S/N)较差，并且不提供任何形貌细节，因此不足以给出视觉线索来帮助用户获知它们在样品上的位置。因此，需要一种改善的方法供用户在样品上的大面积地导引以找到感兴趣的材料。
技术实现思路
根据专利技术的第一方面，提供了一种用于在显微镜中分析样品的方法，所述方法包括：使用第一检测器和与第一检测器不同的第二检测器来获取一系列复合图像帧，其中，获取复合图像帧包括：a)使带电粒子束撞击样品区域内的多个位置，该区域与显微镜的配置视场对应，该显微镜配置有一组显微镜条件，b)根据经配置的显微镜条件，使用所述第一检测器监控在所述样品内在所述多个位置生成的第一组所得粒子，以获得第一图像帧；c)根据经配置的显微镜条件，使用所述第二检测器监控在所述样品内在所述多个位置生成的第二组所得粒子，以获得第二图像帧，其中，每个图像帧包括多个像素，其与该区域内的多个位置对应，并且具有从该区域内的多个位置处生成的被监控的粒子得到的值，d)针对第二图像帧的每个像素，如果经配置的显微镜条件与该系列中紧接的前一个获取的复合帧的存储的第二图像帧的显微镜条件相同，并且如果各个像素对应于与所存储的第二图像帧包括的存储的像素对应的区域内的位置，则将所存储的像素的值与该像素的值组合，以提高针对该像素的信噪比，以及e)将第一图像帧与第二图像帧组合以生成复合图像帧，使得该复合图像帧针对多个像素中的每一个提供从该区域内的对应位置处生成并通过第一检本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在显微镜中分析样品的方法，所述方法包括：/n使用第一检测器和与所述第一检测器不同的第二检测器来获取一系列复合图像帧，其中，获取复合图像帧包括：/na)使带电粒子束撞击样品的区域内的多个位置，所述区域与所述显微镜的配置的视场对应，所述显微镜被配置为具有一组显微镜条件，/nb)根据经配置的显微镜条件，使用所述第一检测器监控在所述样品内在所述多个位置生成的第一组所得粒子，以获得第一图像帧，/nc)根据经配置的显微镜条件，使用所述第二检测器监控在所述样品内在所述多个位置生成的第二组所得粒子，以获得第二图像帧，其中，每个图像帧包括多个像素，所述多个像素与所述区域内的多个位置对应，并具有从在所述区域内的所述多个位置处生成的被监控的粒子得到的值，/nd)针对所述第二图像帧的每个像素，如果经配置的显微镜条件与该系列中紧接的前一个获取的复合帧的存储的第二图像帧的显微镜条件相同，并且如果各个像素对应于与所述存储的第二图像帧包括的存储的像素对应的区域内的位置，则将所述存储的像素的值与所述像素的值组合，以提高针对所述像素的信噪比，以及/ne)将所述第一图像帧与所述第二图像帧组合以生成所述复合图像帧，使得所述复合图像帧针对所述多个像素中的每一个提供从所述区域内的对应位置处生成并通过所述第一检测器和所述第二检测器中的每一个监控的粒子得到的数据；以及/n在视觉显示器上实时显示该系列复合图像帧。/n...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170719 GB 1711621.11.一种用于在显微镜中分析样品的方法，所述方法包括：
使用第一检测器和与所述第一检测器不同的第二检测器来获取一系列复合图像帧，其中，获取复合图像帧包括：
a)使带电粒子束撞击样品的区域内的多个位置，所述区域与所述显微镜的配置的视场对应，所述显微镜被配置为具有一组显微镜条件，
b)根据经配置的显微镜条件，使用所述第一检测器监控在所述样品内在所述多个位置生成的第一组所得粒子，以获得第一图像帧，
c)根据经配置的显微镜条件，使用所述第二检测器监控在所述样品内在所述多个位置生成的第二组所得粒子，以获得第二图像帧，其中，每个图像帧包括多个像素，所述多个像素与所述区域内的多个位置对应，并具有从在所述区域内的所述多个位置处生成的被监控的粒子得到的值，
d)针对所述第二图像帧的每个像素，如果经配置的显微镜条件与该系列中紧接的前一个获取的复合帧的存储的第二图像帧的显微镜条件相同，并且如果各个像素对应于与所述存储的第二图像帧包括的存储的像素对应的区域内的位置，则将所述存储的像素的值与所述像素的值组合，以提高针对所述像素的信噪比，以及
e)将所述第一图像帧与所述第二图像帧组合以生成所述复合图像帧，使得所述复合图像帧针对所述多个像素中的每一个提供从所述区域内的对应位置处生成并通过所述第一检测器和所述第二检测器中的每一个监控的粒子得到的数据；以及
在视觉显示器上实时显示该系列复合图像帧。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一检测器是电子检测器。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，所述第一检测器适用于监控所得粒子，所述所得粒子提供包括关于所述样品的区域的形貌信息以及样品材料原子数信息中的一者或两者的数据。


4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第二检测器是X射线光谱仪、电子衍射图案照相机、电子能量损失光谱仪或阴极发光检测器中的任意一种。


5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，监控所述第二组粒子以获得所述第二图像帧包括：从所述第二检测器获得两个或更多个不同类型的信号，以获得与所述信号中的每一个对应的子图像帧，其中，将所述第一图像帧与所述第二图像帧组合包括将所述第一图像帧与所述子图像帧中的一个或多个组合。


6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，监控所述第二组粒子以获得所述第二图像帧包括：
监控所述第二组粒子的两个或多个子组，以获得与所述子组中的每一个对应的子图像帧，所述子组中的每一个与不同的粒子能量范围对应，
其中，每个子图像帧包括多个像素，所述多个像素与所述区域内的多个位置对应，并且从对应的子组包括的并在所述区域内的多个位置处生成的被监控到的粒子得到，并且
将所述子图像帧组合在一起以生成所述第二图像帧，使得所述第二图像帧针对所述多个像素中的每一个提供数据，所述数据从所述区域内的对应位置生成并包括所述子组中的每一个的粒子得到。


7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，实时显示该系列复合图像帧包括：针对每个复合图像帧，在获得对应的第一图像帧和第二图像帧与所述复合图像在所述视觉显示器上显示之间的逝去时间少于1秒，优选地，少于0.3秒，更优选地，少于0.05秒。


8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述第一图像帧与所述第二图像帧组合以生成所述复合图像帧包括：将所述第一图像帧与所述第二图像帧重叠，使得所述复合图像帧包括多个像素，所述多个像素中的每一个与所述区域内的多个位置中的一个对应，并提供从所述第一组和所述第二组两者包括的并在各个位置生成的粒子得到的数据。


9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将所述第一图像帧与所述第二图像帧组合以生成所述复合图像帧包括：将所述第一图像帧的每个像素与所述第二图像帧的与所述区域内的位置对应的像素组合，所述区域与所述第一图像帧的各个像素对应。


10.根据权利要求0或权利要求0所述的方法，其中，将所述第一图像帧与所述第二图像帧组合包括：计算基于所述第一图像帧和所述第二图像帧中的对应的像素的强度的复合图像像素的颜色。


11.根据权利要求0至0中任一项所述的方法，其中，将所述第一图像帧与所述第二图像帧组合包括：将第一颜色分配给所述第一图像帧，并将与所述第一颜色不同的第二颜色分配给所述第二图像帧，使得所述复合图像帧包括彩色图像，其中，所述第一颜色和所述第二颜色的每个像素处的相对强度代表分别在所述区域内的对应位置处生成的第一组被监控的粒子和第二组被监控的粒子包括的粒子。


12.根据权利要求1至0中任一项所述的方法，其中，将所述第一图像帧与所述第二图像帧组合以生成所述复合图像帧包括将所述第一图像帧与所述第二图像帧并置。


13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述显微镜条件包括针对所述带电粒子束配置的放大倍率、焦距、像散、加速电压、束电流和扫描偏转、针对所述样品配置的位置和取向以及针对所述第一检测器和所述第二检测器中的每一个配置的亮度和对比度中的任意一个。


14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，获取并显示该系列复合图像帧的速率为每秒至少1帧，优选地，每秒至少3帧，更优选地，每秒至少20帧。


15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤d)，通过信号平均化或信号累积的方式来执行将所述存储的像素与所述像素组合以提高所述像素的所述信噪比。


16.根据前...

【专利技术属性】
技术研发人员：安东尼·海德，詹姆斯·霍兰，西蒙·布格斯，彼得·斯泰瑟姆，菲利普·皮纳尔，詹姆士·科林，
申请(专利权)人：牛津仪器纳米技术工具有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB