方法和扫描透射带电粒子显微镜技术

一种根据本公开的处理图像数据的计算机实施的方法包括：接收该图像数据，其中该图像数据是表示在第一焦点深度处获得的扫描透射带电粒子显微镜(STCPM)扫描的STCPM图像数据；以及处理将该图像数据表示为来自样品在多个焦点深度处的多个切片的贡献的总和的方程组，其中该方程组的每个方程使该图像数据的至少一部分与以下各项相关：该STCPM的多个衬度传递函数中的至少一个衬度传递函数，该STCPM的每个衬度传递函数在不同相应焦点深度处被确定；以及该STCPM的至少一个未知对象集合，集合中的每个未知对象处于不同相应焦点深度处。处理步骤包括求解该方程组以获得该STCPM的多个未知对象中的至少一个未知对象。未知对象中的至少一个未知对象。未知对象中的至少一个未知对象。

【技术实现步骤摘要】
方法和扫描透射带电粒子显微镜


[0001]本公开涉及扫描透射带电粒子显微镜(STCPM)、处理STCPM图像数据的方法以及用于处理STCPM图像数据的计算机程序。

技术介绍

[0002]带电粒子显微术，并且特别是电子显微术是一种用于对微观物体进行成像的众所周知且日益重要的技术。在历史上，电子显微镜的基本类属已经演变成许多众所周知的设备种类，诸如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和扫描透射电子显微镜(STEM)。此外，已经开发了各种子种类，诸如所谓的“双束”工具(例如，FIB
‑
SEM)，该工具另外采用“机械加工”聚焦离子束(FIB)，从而允许支持性活动，例如离子束铣削或离子束诱导沉积(IBID)。
[0003]在SEM中，由扫描电子束对样本的照射使得“辅助”辐射以二次电子、背散射电子、X射线和阴极发光(红外、可见和/或紫外光子)的形式从样本发出。然后此发出的辐射的一个或多个分量被探测并用于图像累积目的和/或光谱分析(如在例如EDX(能量色散X射线光谱术)的情况下)。
[0004]在TEM中，用于照射样本的电子束被选择为具有足够高的能量以穿透样本(为此，该样本通常将比SEM样本的情况下更薄)。然后，从样本发出的透射电子流可用于创建图像，或产生光谱(如在电子能量损失光谱术(EELS)的情况下)。如果这种TEM在扫描模式下操作(因此变为STEM)，则所考虑的图像/光谱将在照射电子束的扫描运动期间累积。
[0005]作为使用电子作为照射束的替代方案，也可使用其他种类的带电粒子来执行带电粒子显微术。在这方面，短语“带电粒子”应该广义地解释为涵盖例如电子、正离子(例如，Ga或He离子)、负离子、质子和正电子。
[0006]除了成像和/或光谱术之外，带电粒子显微镜(CPM)还可以具有其他功能，诸如检查衍射图、执行(局部)表面改性(例如，铣削、蚀刻、沉积)等。
[0007]在任何情况下，扫描透射带电粒子显微镜(STCPM)通常包括至少以下部件：
[0008]‑
辐射源，诸如肖特基(Schottky)电子源或离子枪。
[0009]‑
照明器，该照明器操纵来自源的“原始”辐射束，并且对该束执行某些操作，诸如聚焦、像差减轻、裁剪(利用光阑/光圈/聚光孔径)、滤波等。照明器通常将包括一个或多个带电粒子透镜，并且还可以包括其他类型的粒子光学部件。如果需要，照明器可以设有偏转器系统，该偏转器系统可以用于使得其输出束在正在研究的样本上执行扫描运动。
[0010]‑
样本固持器，被研究的样本可以在其上被固持和定位(例如，倾斜、旋转)。如果需要，可以移动固持器，以便实现射束相对于样本的扫描运动。一般来说，这种样本固持器将连接到定位系统，诸如机械台。
[0011]‑
成像系统，该成像系统采集透射通过样本(平面)的带电粒子并将带电粒子引导(聚焦)到分析设备(诸如探测/成像装置、光谱设备等)上。与照明器一样，成像系统还可以执行其他功能，诸如像差减轻、裁剪、滤波等，并且该成像系统通常包括一个或多个带电粒
子透镜和/或其他类型的粒子光学部件。
[0012]‑
探测器，该探测器本质上可以是整体的或复合的/分布式的，并且该探测器可以采取许多不同的形式，这取决于所记录的辐射/实体。这种探测器可以例如用于登记强度值、捕获图像或记录光谱。示例包括光电倍增器(包括固态光电倍增器(SSPM))、光电二极管、(像素化)CMOS探测器、(像素化)CCD探测器、光伏电池等，上述者可以例如与例如闪烁体膜结合使用。对于X射线探测，通常使用例如所谓的硅漂移探测器(SDD)或硅锂(Si(Li))探测器。通常，STCPM将包括不同类型的几个探测器。
[0013]EP
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3,082,150
‑
B1(其与本公开共同转让并且通过引用并入本文)公开了一种执行离焦序列(TFS)因而产生样品的一组深度截面的方法。因此，TFS STEM成像是获得厚样品的3D图像的现有方法。为了实现这一点，使用STEM探测器以不同聚焦值进行一系列STEM扫描。结果是STEM图像的堆叠，该堆叠可以是任何类型(被称为BF
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的明场
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、被称为ABF
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的环形明场
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、被称为(HA)ADF
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的(高角度)环形明场、被称为(i)DPC
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的(积分)差分相位衬度、被称为(i)COM
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的(积分)质心，以及单个任意片段(或片段的组合)图像)。当这些图像彼此适当地对准时，形成3D重建，该3D重建具有由射束张(半)角α限制的z分辨率。
[0014]Bosch，E.G.T.和I.，2019.Analysis of depth
‑
sectioning STEM for thick samples and 3D imaging，Ultramicroscopy，207，第112831页展示，在每个聚焦值处的单个图像可以(假设满足如在该论文中阐述的一些条件)解释为来自厚样品的不同切片的贡献的总和。因此，原则上，需要去卷积步骤来从每个切片获得信息。然而，在实践中，来自射束聚焦的切片之前和之后的切片的贡献通常被忽略。
[0015]当执行TFS时，如果存在样品漂移，则图像堆叠的对准可能是有问题的，因为可能不可能确定缓慢移动的堆叠与倾斜的样品之间的差异。这可能导致难以可靠地识别3D中的结构。此外，执行TFS需要在不同焦点深度处进行扫描，这会增加获得图像所需的时间。因此，虽然TFS成像在许多方面提供了良好的性能，但是本公开的目标是利用已知的成像设备和方法来解决这些和其他问题。

技术实现思路

[0016]在此背景下且根据第一方面，提供了根据权利要求1所述的方法。根据第二方面，提供了一种根据权利要求15所述的扫描透射式带电粒子显微镜(STCPM)。还提供了根据权利要求16和17所述的计算机程序和计算机可读介质。
[0017]本公开的实施方案允许从单次STCPM扫描获得相对厚的样品的切片。本公开的一些实施方案(例如，在明场(BF)中)使用分段STEM探测器和用于厚样品的STEM成像的理论描述来针对分段STEM图像集合的傅立叶变换的每个k向量构造线性方程组。这些方程的解可以提供对应于对象和的图像集合，其中是由样品的第n个(薄)切片引起的相移。对于薄样品，可以解释为投射的静电势。因此，由此可以导出(投射的)电荷分布和/或(投射的)内部电场。因此，本公开的一些实施方案提供对样品的基本结构(例如，物理和/或电子结构)的有价值的洞察。
[0018]这种切片可用于仅根据单次扫描来执行样品的3D重建。这对于对辐射剂量敏感的样品来说可能是特别有利的。本文所述的实施方案的另一优点在于，不需要像常规TFS所需
要的那样对级的漂移进行补偿(在xy方向上或在z方向上)。此外，由本公开提供的重建可以提供来自样品中的不同深本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种处理图像数据的计算机实施的方法，所述方法包括：接收所述图像数据，其中所述图像数据是表示在第一焦点深度处获得的扫描透射带电粒子显微镜(STCPM)扫描的STCPM图像数据；以及处理将所述图像数据表示为来自样品在多个焦点深度处的多个切片的贡献的总和的方程组，其中所述方程组的每个方程使所述图像数据的至少一部分与以下各项相关：所述STCPM的多个衬度传递函数中的至少一个衬度传递函数，所述STCPM的每个衬度传递函数在不同相应焦点深度处被确定；以及所述STCPM的至少一个未知对象集合，集合中的每个未知对象处于不同相应焦点深度处；其中处理步骤包括求解所述方程组以获得所述STCPM的多个未知对象中的至少一个未知对象。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述处理步骤包括求解所述方程组以获得所述STCPM在不同焦点深度处的所述多个未知对象。3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述处理步骤包括通过奇异值分解(SVD)求解所述方程组。4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述处理步骤包括在求解所述方程组之前使所述方程组正则化。5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中：所述未知对象集合中的一个未知对象集合包括并且/或者所述未知对象集合中的一个未知对象集合包括其中r
p
表示所述图像数据的扫描位置，并且表示由所述样品的所述多个切片中的第n个切片引起的相移。6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述方程组具有以下形式Au＝v，其中A是表示所述STCPM的所述多个衬度传递函数的矩阵，u是表示所述STCPM的所述至少一个未知对象集合的向量，并且v是表示所述图像数据的向量。7.根据权利要求6所述的方法，其中所述方程组满足条件(i)、(ii)和/或(iii)中的至少一者：(i)其中CTF
S/C,M,N
是所述STCPM的分别用于所述对象和的衬度传递函数，并且其中r
p
表示所述图像数据的扫描位置，其中所述多个切片包括N个切片，并且所述图像数据是来自具有M个片段的STCPM探测器的分段STCPM图像数据；
(ii)其中对于n＝0，1，...，N，和是所述对象和的傅立叶变换的分量，其中r
p
表示所述图像数据的扫描位置，并且其中所述多个切片包括N个切片；以及/或者(iii)其中对于s＝0，1，...，M，是所述图像数据的傅立叶变换的分量，其中所述图像数据是来自具有M个片段的STCPM探测器的分段STCPM图像数据。8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中求解所述方程组包括获得所述STCPM的所述多个未知对象中的至少一个未知对象的傅立叶变换的分量，以及通过傅立叶逆变换获得所述STCPM的所述多个未知对象中...

【专利技术属性】
技术研发人员：E，
申请(专利权)人：FEI公司，
类型：发明
国别省市：