执行带电粒子显微镜中的样本的断层成像的方法
【专利摘要】一种执行带电粒子显微镜中的样本的断层成像的方法，包括下面的步骤：提供带电粒子束；在能够相对于所述束被倾斜的样本夹持器上提供所述样本；导向所述束通过所述样本并且以便在图像检测器处形成所述样本的图像；在第一系列的样本倾斜角的每一个处重复此过程以便获得对应的图像集合；数学地组合来自所述集合的图像以便构造合成图像，所述方法包括下面的步骤：选择第二系列的样本倾斜角；在所述第二系列的样本倾斜角的每一个处，使用频谱检测器来生成所述样本的频谱图，从而获得频谱图的集合；分析所述频谱图以得到与所述样本有关的合成数据；在构造所述合成图像中采用所述合成数据，所述频谱图例如可以使用从包括EDX、EELS、EFTEM及其组合的组中选择的技术而被获得。
【专利说明】执行带电粒子显微镜中的样本的断层成像的方法
[0001]本发明涉及执行带电粒子显微镜中的样本的断层成像的方法，包括下面的步骤:
-提供带电粒子束；
-在能够相对于所述束倾斜的样本夹持器上提供所述样本；
-导向所述束通过所述样本并且以致在图像检测器处形成所述样本的图像；
-在第一系列的样本倾斜角中的每一个处重复此过程以便获得相应的图像集合；
-数学地组合来自所述集合的图像以便构造合成图像。
本发明也涉及带电粒子显微镜，其包括:
-带电粒子源，用于产生带电粒子束；
-样本夹持器，用于支持并且定位样本；
-带电粒子透镜系统，用于导向所述束通过所述样本以便形成所述样本的图像；
-图像检测器，用于检测所述图像；
-频谱检测器，用于检测所述样本的频谱。
[0002]为了清楚和一致性的目的，如遍及此文本和所附的权利要求所使用的下面的术语应当被解释如下:
-术语“带电粒子”涵盖电子或离子(一般是正离子，诸如例如镓离子或氦离子，尽管负离子也是可能的)。例如，其也可以是质子。
[0003]-术语“带电粒子显微镜”(CPM)指的是使用带电粒子束来创建对象、特征或成分的放大的图像的装置，所述对象、特征或成分通常太小以致不能用人的裸眼看到满意的细节。除了具有成像功能性以外，这样的装置也可以具有加工功能性；例如，其可以被用于通过从样本中去除材料(“研磨”或“烧蚀”)或者向样本添加材料(“沉积”)来局部地修整样本。所述成像功能性和加工功能性可以由相同类型的带电粒子来提供，或者可以由不同类型的带电粒子来提供；例如，聚焦离子束(FIB)显微镜可以采用(聚焦的)离子束来用于加工目的并且采用电子束来用于成像目的(所谓的“双束”显微镜)，或者其可以用相对高能量的离子束来执行加工并且用相对低能量的离子束来执行成像。
[0004]-术语“样本夹持器”指的是可在其上将样本安装并保持在适当的位置的任何类型的桌、平台、臂等等。通常，这样的样本夹持器将被包括在载物台组件中，通过所述载物台组件其可以在若干自由度上被准确地定位，例如通过电致动器的帮助。
[0005]-术语“带电粒子透镜系统”指的是一个或多个静电和/或磁透镜的系统，所述一个或多个静电和/或磁透镜可以被用于操纵带电粒子束，用来向其提供一定的聚焦或偏转，例如和/或以缓和其中的一个或多个像差。除了(各种类型的)常规透镜元件之外，所述带电粒子透镜系统(粒子-光柱)也可以包括诸如偏转器、象散校正器、多极、光圈(瞳孔)挡板等等兀件。
[0006]-此处提及的“一系列不同的样本倾斜角”可以采用不同的形式。特别地，这样的一系列中的连续的成员之间的倾斜增量可以是相等的或不相等的(或这些的混合)。具有不相等的倾斜增量的场景的例子包括EST (等斜率断层摄影)(在其中所述斜率(倾斜角的正切)经历相等的增量)以及所谓的Saxton倾斜增量方案(在其中在朝向越来越大的倾斜角值(相对于所述样本表面测量的)前进时使用越来越小的倾斜增量)。除了指示带电粒子束和样本表面的平面之间的角度(仰角)之外，术语“倾斜角”也可以指示方位角，即所述样本绕与其交叉的粒子-光轴的旋转姿态。倾斜角值的变化因此可以包含所述样本绕该轴的一个或多个分立的旋转(例如，如在所谓的“双轴”、“多轴”和“锥形倾斜角”断层摄影的情况下)。倾斜角系列中的增量的数量一般是可自由选择的。
[0007]这样的概念对本领域技术人员而言将是熟悉的。
[0008]在下文中，经由实例，常常将以电子显微镜的特定的上下文来阐述本发明。然而，这样的简化仅意在清楚/说明的目的，并且不应当被解释为限制。
[0009]电子显微术是用于成像微观对象的公知的技术。电子显微镜的基本种类已经历进化而成若干公知的装置品种，诸如透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)以及扫描透射电子显微镜(STEM)，并且还进化成各种亚种，诸如所谓的“双束”工具(例如，FIB-SEM)，其附加地采用“加工”离子束，允许支持性的活动，诸如例如离子束研磨或离子束诱导的沉积。在传统的电子显微镜中，成像束对于在给定的成像会话期间的延长的时间段是“开启”的；然而，也可获得如下这样的电子显微镜:在其中成像在电子的相对短的“闪烁”或“突发”的基础上发生，这样的方法在试图例如成像移动的样本或辐射敏感的标本时具有潜在的益处。应被注意的是=STEM可以是专用工具，或者其可以是在所谓的“扫描模式”(例如，通过使用某些(专用)偏转器/检测器/软件而被启用)中使用的TEM。
[0010]本发明涉及CPMs，在其中所采用的带电粒子束通过所述样本，如在例如TCM或STEM的情况下。为了对所述束是(足够)透射的，所述样本必须是相对薄的(例如，在大约十分之一微米到几微米的量级，取决于所涉及的材料)并且所采用的带电粒子通常被加速到相对高的能量(例如，在大约l_500keV的量级，或者甚至在MeV范围中的能量)。这样的薄的样本的制备、运输和存储存在巨大的技术挑战，尤其在软样本(例如，生物组织)和/或(例如，包括结晶材料的)脆弱样本的情况下。然而，尽管目前这些挑战是困难的，它们在不太远的将来注定变得甚至更加困难，因为诸如半导体制造、矿物学和微生物学的领域中的技术进步将不可避免地要求非常更薄的样本被研究。例如，针对未来五年的半导体路线图预见:随着新的技术和器件开始变得更加主流(例如，如在所谓的FINFETs和三门晶体管、堆叠的存储器、纳米线路等等的情况下)，集成电路中的(一些)关键尺寸从28nm减小到和IOnm同样小以及更小。在这样的结构上执行满意的透射显微可能通常要求IOnm或更小的量级的样本厚度(以便确保仅结构的单个层正被成像，因为ICs通常包括这样的结构的堆叠的层，并且随着所述结构变得更小，所述层的厚度也是如此)。这样的样本厚度的制造和处理可能伴随着严重的问题。
[0011]作为使用非常薄的样本的替代，人们可以构想在较厚的样本上执行断层透射显微。在此方法中，因为所采用的样本是相对厚的，透射通过其的带电粒子将包含来自所述样本内的各种深度的对比度信息，以致所得到的图像将在其深度信息方面被卷积。为了将此图像去卷积，将需要某些形式的视差数据，以便能够在所述样本中的前景和背景特征之间区分。这样的视差数据可以通过在相对于入射的带电粒子束的各种不同倾斜角处成像所述样本(这等同于沿着各种不同的视线来观看所述样本)而被提供。为了进行将此倾斜角有区别的图像集合实际去卷积成深度-解析的合成图像，需要相对高级的数学处理。这样的处理典型地是困难的并且(非常)耗时。当除了首先获得该图像集合所需的可观的时间(记住:典型的断层成像会话可能需要使用例如100个不同的倾斜角值的量级)之外考虑这一点时，则这样的断层方法可能开始看上去非常不吸引人。
[0012]本发明的目的是解决这些问题。更特别地，本发明的目的是提供能够被用于更有效率地在包括相对薄的结构的样本上执行透射带电粒子显微的方法。特别地，本发明的目的是:这样的方法(一般)不应当必须准备格外薄的样本。此外，本发明的目的是:所述方法应当比常规的断层透射显微更快和/或更准确。
[0013]在如在开头的段落中所指定的方法中实现了这些和其他目的，其特征在于下面的步骤:
-选择第二系列的样本倾斜角；
-在所述第二系列的样本倾斜角的每一个处，使用频谱检测器来生成所述样本的频谱图，从而获得频谱图的集合；
-分析所述频谱图来得到与所述样本有关的合成数据；
-在构造所述合成图像中采用所述合成数据。
[0014]关于此处所使用的术语，以下应当被注意:
-所述第二系列(S2)的样本倾斜角可以与所述第一系列(S1)的样本倾斜角相同或不同。S2可以是子集。S2的成员可以(部分地)与S1的成员交错。S2的确切的形式和大小是任意的，并且可以被裁剪至特定的测量设置和/或测量会话。
[0015]-术语“频谱图”应当被解释为指的是所述样本的“图”，在其中所测量的一些与合成相关的频谱(例如，粒子能量、粒子计数、峰高、波长)被表示为所述样本上的坐标位置的函数。
[0016]-图像的形成和频谱图的生成可以并行地或连续地发生(或者例如以交错的方式)。并行的频谱/图像检测(即，针对在S2和S1两者中出现的一个/每个倾斜角值，同时地形成图像并生成频谱图)是关于吞吐量有利的。
[0017]-图像作为粒子束通过所述样本的结果而被形成的事实不是将图像形成限制于使用透射的粒子；可以可替代地/补充地使用例如散射的辐射来形成图像。
[0018]根据本发明的方法与已知的断层透射显微的不同之处在于:构造期望的合成图像所需的数学处理(去卷积)步骤采用来自所述(倾斜角有区别的)图像集合的对比度信息以及来自所述频谱图的伴随集合的合成信息两者。此处潜在的原理是:通过能够形成所述样本的合成图，人们能够提取出不同的成分的区域之间的边界/过渡区的位置和形式。因为区域的成分一般将影响其对所采用的带电粒子束的不透明性，这样的边界/过渡区也典型地将其自身显现为所述图像集合中的对比度特征。因此，来自所述频谱图的集合的合成信息构成进入到所述数学处理步骤中的额外的(富)输入。因为存在更多对所述数学去卷积过程可用的数据，减小数据获取期间所采用的倾斜角值的选择的数量可以是可能的，由此不仅加速(并丰富)了所述数学处理步骤，而且易于缩短所述数据获取步骤。此后一个效果可能在“并发的”频谱检测技术(其可以与相应的图像的形成同时地被执行)的情况下是特别显著的；换句话说，所述频谱检测器和图像检测器可以并行地而不是顺序地进行它们的工作。在下面的讨论中此方面将受到更多的关注。
[0019]在根据本发明的方法的特定的实施例中，使用从包括EDX (能量消散X射线频谱学，有时也被称为EDS)和EELS (电子能量损失频谱学)的组中选择的技术执行所述频谱图的生成，并且所述带电粒子显微镜是STEM。STEM与常规的TEM的相似之处在于:其采用透射显微术，但是其也在某些程度上相似于SEM，相似之处在于:其通过在样本之上扫描相对窄的带电粒子束来构建图像。其操作的此方面使其适用于与诸如EDX或EELS的技术一起使用。这是因为这些技术提供了通过入射的带电粒子束在给定时间点处被截取的样本的整个“撞击区域”的累积频谱；因此，为了生成在空间上解析的频谱图，最好是在所述样本之上扫描窄束并且将所得到的小的撞击区域的阵列的各个频谱“缝合在一起”。所述EDX和EELS技术提供了如下合成信息:
-EM:此处，用窄的/聚焦的输入带电粒子(例如电子)束轰击样本。通过与这些轰击粒子中的一个的碰撞，所述样本的原子中的较低壳层电子可以从其轨道被放出，创建电子空穴，所述电子空穴被所讨论的原子中的较高壳层电子的去激发迅速地填充，伴随着同时释放以X射线光子的形式的能量量子。以此方式发射的光子的能量签名/分布将是所讨论的原子的特定电子壳层结构的特性，并且因此可以被用作执行所述样本的合成分析中的“指纹”。能量消散频谱测定检测器收集、分类并且计数不同能量的不同光子，产生针对所述输入束被导向到其上的所述样本的区域的测量的频谱；这样的频谱可以被呈现为每通道计数(纵坐标)对通道数量(横坐标)的图，对应于强度对能量，并且通常包括各种峰，其能量可以被用于识别生成物质(元素、材料)并且其高度(在原则上)可以被用于估计生成物质的相对数量。随后移动所述样本和/或所述束以致所述束被导向到所述样本上的新的撞击区域上，并且随后在所述新的区域处重复上面所描述的过程。因为EDX在所检测的X射线的基础上执行其频谱分析，其能够与在带电粒子(诸如电子)的基础上的图像形成同时地被执行；其因此形成如上面提及的“并行的”频谱检测的例子。应当被注意的是:如在本文本/权利要求中所采用的，术语EDX应当被解释为包含所谓的波长消散X射线频谱学(WDX或WDS)。此后一种技术可以被认为是EDX的特定的细化，在其中从样本产生的X射线被过滤(例如，在特定类型的晶体的帮助的情况下)，以致在任何给定的时间仅计数给定波长的X射线。
-EELS:此处，用窄的/聚焦的给定输入能量的输入电子束轰击样本。这些电子中的一些在所述样本中将经受非弹性散射，导致它们损失能量。此能量损失的量可以使用电子频谱仪而被测量，在其中使得从所述样本出现的电子通过电磁场，所述电磁场将它们的路径朝向检测器弯曲。电子的路径被弯曲的程度(以及因此其在所述检测器上的到达位置)将取决于所述电子的能量，以及因此也取决于其在所述样本处遭受的能量损失。尽管存在所述能量损失的各种可能的起因(诸如声子和等离子体振子激发、原子间和原子内带迁移以及erenkov福射产生),与EELS相对的最重要的起因是原子内部壳层离子化,其对推断由所述输入束所撞击上的所述样本的区域的元素成分而言是特别有用的。一旦在所述样本上的给定撞击区域处已执行了 EELS，则移动所述样本和/或所述输入束，以致所述束被导向到所述样本上的新的区域上，并且随后在所述新的区域处重复上面所描述的过程。在CPM中以如下这样的方式进行EELS是可能的:其构成如上面所提及的“并行的”频谱检测技术。在一个这样的场景中，可以使用所谓的环形暗场(ADF)检测器(其从所述样本收集(外围)散射的电子，允许透射通过所述样本的电子被所述EELS检测器使用)来进行图像形成。在可替代的(或补充的)场景中，通过收集/配准通过所述样本而不经受实质上的能量损失或散射的电子的一部分来形成明场图像；在例如US 2011/0278451 Al中更详细地阐述了(并且也在下面的图3中描绘了)这样的技术。[0020]电子显微术领域中的技术人员将具有对这些技术的基本的熟悉度；然而，它们的作为帮助合成图像的数学构造的手段在断层透射显微术中的应用是高度创新的。
[0021]在之前的段落中所阐述的实施例的特定的细化中，所采用的技术是EDX并且所述频谱检测器包括被布置在所述样本夹持器周围的多个检测单元。EDX频谱的累积可以是相对慢的过程，因为EDX检测器典型地仅具有相对小的检测横截面(检测器开口角度w.r.t样本)，并且所检测的X射线的通量通常是相对弱的，使相对长的累积时间成为必要。通过将多个检测器(例如，四个或更多)布置在所述样本台周围的空间分布中，用以增加被呈现给所述X射线通量的累积检测横截面，并且因此用以减小所需的累积时间；作为结果，随后可以与STEM中的图像配准一起“实时地”执行EDX测量，S卩，前者不再充当用以减缓后者的定时瓶颈。例如，在US 8,080, 791中描述了多检测器EDX设置mc，其通过引用的方式被并入此处。
[0022]在根据本发明的方法的可替代的实施例中，所采用的CPM是EFTBK能量过滤的透射电子显微镜)。如上面所阐释的，通过TEM中的样本的电子可能经历(可变的)能量损失，以致越过所述样本的电子通常将显现出能量的范围。在EFTEM中，仅这些能量的相对窄的带被用于(在任何给定的时间)形成图像。通过在各种这样的能量带处形成这样的图像，能够因此获取整个样本的能量解析的图像集合。因为，如上面所阐释的，每个选择的能量带将与所述样本中的特定材料的原子结构相关，每个配准的图像也可以被看作所述样本的频谱图，并且这样的图像的集合同时是频谱图的集合。因此这是如上面所提及的“并行的”频谱检测的例子。
[0023]尽管到目前为止所给出的各种例子已涉及电子显微术，应当被注意的是(如上面所述的):本发明意在涵盖除电子之外的带电粒子。例如，在根据本发明的方法的特定的实施例中，所采用的CPM是质子显微镜并且使用PIXE (质子诱导的X射线放射)执行所述频谱图的生成。有关更多关于PIXE的信息,例如参见:http://en.wikipedia.0rg/wiki/PIXE。
[0024]可以以各种方式处理根据本发明的方法中获取和应用的合成信息。现在将更详细地阐明这样的处理的某些方面。
[0025]制作元素图:
如在此以前已经讨论的，根据本发明的方法获得(在不同的样本倾斜角值处的)频谱图的集合。使用已知的算法，可以将频谱图(其实质上是二维的、空间解析的频谱的网格)转换成所谓的元素图(其是二维的、空间解析的元素/材料的网格)。这使用在所述频谱图的网格中的所有像素之上迭代的过程而被实现。针对每个像素，分析在该像素处获得的频谱中的特定的(预先选择的)元素(例如，Si,Cu等等)的存在。这使用频谱去卷积算法而被进行。基本上，对于所有元素，它们的频谱是公知的，即:人们已经知道，对于每个元素，如果仅存在该元素，则哪些峰会出现。所测量的频谱是未知数量的元素的卷积。然而，如果人们选择了某些元素，则可以从原始频谱中将这些元素去卷积以给出这些元素存在的量的比率。以此方式，可以将特定的元素/成分“标签”附加到相应的元素图的每个像素。有关更多的关于此技术的信息，参考下面的链接:http://microanalyst, mikroanalytik.de/info2.phtmlo
[0026]|H弦图转换成合成图像:
在断层摄影中，对象的一系列角度投影被称为正弦图。本发明获取基本的图像正弦图(在不同的样本倾斜角处的图像的集合)以及也获取补充的元素正弦图(从刚刚讨论的过程中所得到的元素图的集合)。在常规地被称为“重构”的过程中，可以使用各种已知的数学技术来将这些正弦图中的每一个(或者由来自所述图像和元素正弦图中的每个的一些成员构成的“混合”正弦图)处理并转换成相应的合成图像。例如:
-SIRT:同时迭代的重构技术。
[0027]例如，参见:
http://www.vcipt.0rg/pdfs/wciptl/s2_l.pdf
P.Gilbert, Journal of Theoretical Biology (理论生物期刊),第？)6 卷、第 \ 麗,1972 年 7 月，第 105-117 页。
[0028]-DART:离散代数重构技术。
[0029]例如，参见:http://en.wikipedia.0rg/wiki/Algebraic_reconstruction_technique
http://www.emat.ua.ac.be/pdf/1701.pdf,以及其中的参考文献。
[0030]关于详细的信息，参考(例如)下面的公知的书籍:
A.C.Kak 和 Malcolm Slanej,Principles of Computerized Tomographic Imaging(计算机化的断层成像的原理)，IEEE出版社，1999年。
[0031]特别地，所述书籍的第3章，尤其是第3.2和3.3节，描述了所谓的傅立叶切片定理如何可以被用作重构过程的基础。
[0032]正弦图重构领域中的其他公知的术语/技术包括例如WBP (加权的反向投影)以及POCS (投影到凸起的集合上)。
[0033]TEM断层摄影领域中的技术人员将完全熟悉这些和其他数学重构技术。然而，将它们应用到相应的/互补的元素正弦图和图像正弦图中是高度创新的。
[0034]在根据本发明的方法的特定的实施例中，在获取所述图像集合中所采用的不同的样本倾斜角的数量尤其是在所述频谱图的分析的基础上被选择。这样的实施例可以采取许多可能的形式。例如:
-人们可以使用迭代方法。此处，在第一轮测量中，使用给定的“标准”数量的图像倾斜角(例如，(从样本表面测量的)从+60度到-60度以I度的等量增量的121个倾斜角值)来执行本发明的方法。尤其基于可以(使用由本发明所提供的附加的频谱图数据)重构合成图像的容易性，在下一轮迭代中可以选择使用更小数量的倾斜角值(例如，少25%的值)。如此等等，直到实现了被认为对特定类型/类别的样本/研究而言是(粗略地)最优的若干倾斜角值；此值随后可以被用于相同类型/类别的未来测量轮次。这样的实施例代表了后验方法。
[0035]-可替代地，可以使用进行中方法，由此处理器在获取它们时检查元素图和图像并且使用预先选择的标准(例如，所观察到的信噪比，所观察到的边缘粗糙、所观察到的元素/材料的相异性、元素/材料的分布图案、所观察到的特征的规则性等等)来(向下或向上)调整初始选择的倾斜角值的数量。
[0036]现在将在示例性的实施例和随附的示意图的基础上更详细地阐明本发明，其中: 图1呈现了可以在其中实施根据本发明的方法的带电粒子显微镜(TEM)的一部分的纵
向横截面视图。[0037]图2呈现了可以在其中实施根据本发明的方法的带电粒子显微镜中的EDX检测器布置的一部分的纵向横截面视图。
[0038]图3呈现了可以在其中实施根据本发明的方法的STEM中的EELS检测设置的一部分的纵向横截面视图。
[0039]在所述图中，在相关之处，使用对应的参考符号指不对应的部件。
[0040]实施例1
图1呈现了本发明可以在其中被应用的CPM的特定实施例的高度示意的纵向横截面视图。在本实例中，所述CPM是TEM。
[0041]所描绘的TEM包括真空外壳120，其经由被连接到真空泵122的管121而被抽空。以电子枪101形式的粒子源产生沿粒子-光轴(成像轴)100的电子束。所述电子源101例如可以是场致发射器枪、Schottky发射器或热电子发射器。由所述源101产生的电子被加速到典型的80-300keV的可调节能量(尽管例如使用具有50-500keV的可调节能量的电子的TEMs也是已知的)。经加速的电子束随后通过被提供在钼片中的限束孔/隔板103。为了将所述电子束正确地对准到所述孔103，可以在偏转器102的帮助的情况下将所述束偏移和倾斜，以致所述束的中心部分沿轴100通过所述孔103。使用凝结器系统的磁透镜104连同最终凝结器透镜105 (的一部分)一起来实现所述束的聚焦。偏转器(未被描绘)被用于将所述束集中在样本上的所关心的区域上，和/或在所述样本的表面之上扫描所述束。在此示意性的功能描绘中，所述偏转器102被显示为在所述CPM中的相对高处，并且最终凝结器透镜105被显示为是相对小的；然而，本领域技术人员将理解:偏转器102可以在所述CPM中的低得多之处(例如，被嵌套在所述透镜105内)，以及物件105可以比所描绘的大得多。
[0042]要被检查的样本由样本夹持器112以如下这样的方式支持:其可以被定位在投影系统106 (其最上面的透镜元件被常规地称为物镜)的物平面111中。所述样本夹持器112可以提供各种位置/运动自由度((一个或多个)平移、俯仰、滚动和偏航中的一个或多个)，并且也可以具有温度控制功能性(加热或冷冻)。其可以是用于将静态样本保持在容纳平面中的常规类型的样本夹持器；可替代地，所述样本夹持器112可以具有适应于在流平面/通道(其能够包含例如液态水或其他溶液的流)中的移动的样本的特殊类型。
[0043]所述样本被投影系统(投影透镜系统、投影柱)106成像到荧光屏107上，并且可以通过窗108而被观看。在所述屏幕上形成的放大的图像典型地具有IO3x-1O6x范围中的放大率，并且可以显示例如和0.1nm —样小或更小的细节。所述荧光屏107被连接到铰链109，并且可以被缩进/折叠起来，以致由所述投影系统106形成的图像撞击在图像检测器151上。注意的是:在这样的情况下，所述投影系统106可能需要被(略微地)重聚焦以便在所述图像检测器151上而不是在所述荧光屏107上形成图像。进一步注意的是:所述投影系统106可以附加地在中间图像平面(未被描绘)处形成中间图像。
[0044]例如，所述图像检测器151可以包括电荷耦合的器件(CXD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)器件，这两者可以被用于检测撞击电子。作为对电子检测的替代，也可以使用CCD/CM0S，所述CCD/CM0S检测光，诸如由被键合到所述CCD/CM0S或通过(例如)光纤被连接到其上的(例如)钇铝石榴石(YAG)晶体发射的光。在这样的间接检测器中，所述YAG晶体在电子击中所述晶体时发射若干光子，并且这些光子中的一部分被所述CCD/CM0S检测；在直接检测器中，电子撞击在所述ravcMos的半导体芯片上并且生成电子/空穴对，由此形成要被所述CCD/CM0S检测的电荷。所述检测器151被连接到处理装置(控制器)以及显示单元(未被描绘)。
[0045](例如)归因于在所述投影系统106中产生的不完美，在所述荧光屏107上以及在所述图像检测器151上形成的图像一般是畸变的。为了纠正这样的畸变，在所述投影系统106中/附近可以部署各种多极。这样的多极在图1中没有被描绘，以便避免弄乱该图，但本领域技术人员将熟悉它们的设计、定位和实现。
[0046]应被注意的是:图1仅显示了(简化的)TEM的示意性的呈现，以及，在现实中，TEM一般将包括多得多的偏转器、孔等等。
[0047]在本发明的上下文中，所示出的TEM也将被提供有频谱检测器，在此情况下可以区分下面的情形:
(i)EFTEM:如果所述TEM被用作EFTEM，则所述图像检测器151也将扮演频谱检测器的角色，如上面所提及的。在这样的CPM中，将使用能量“过滤器”，其目的是选择在任何给定的时间哪种电子的能量范围将被准许到所述检测器151。此过滤器在此处通过所述偏转线圈152而被示意性地指示，其将“通过”某些电子能量同时将其他电子能量偏转到旁边。
[0048](ii)腿:作为替代(或补充)，所示出的TEM可以利用EDX作为频谱检测技术。在此方面，图2呈现了可以在CPM中被用于此目的的EDX检测器布置的一部分的纵向横截面视图。被部分描绘的CPM 208具有粒子-光轴209，其截取带电粒子透镜(未被描绘)的极片206之下的样本204。如此处所示出的，两个EDX检测器202被放置在所述样本204的相对侧上；然而，这是选择的问题，并且作为替代可以采用更多(例如四个)的检测器或仅一个这样的检测器。在特定的实施例中，每个检测器202的有效区域210优选地对着相对于所述样本204的大约0.25立体弧度或更多的立体角。每个检测器202优选地检测在距所述样本204的表面小于大约50度(被参考水平平面)的偏离角处的X射线，并且更优选地，在5-35度范围中的偏离角处；这样低的偏离角趋向于减少来自反向散射的电子的可能的检测器损坏，同时保持所获得的频谱中的相对低水平的背景Bremsstrahlung辐射，以及也有助于尽量利用所述样本附近的可用空间。如上面已经提及的，当EDX被用于频谱检测时，所描绘的TEM可以在STEM模式中被使用。
[0049](iii) EELS:作为讲一步的替代(或补充)，所示出的TEM可以利用EELS作为频谱检测技术。为此目的，所述偏转线圈152可以被用于将所透射的电子(越过所述样本)在远离所述光轴100并朝向轴外EELS检测器的方向上偏转；这在图1中没有被显示，但在图3中被详细地示出。关于图像检测，可以考虑不同的可能性。例如:
-透射的电子可以被允许不受阻碍地通过所述线圈152至所述图像检测器151 (参见图1)。这样的场景不适用于如上面所提及的“并行的”频谱检测/图像形成。
[0050]-可替代地，参考图3，使用专用的暗场检测器(318)和/或明场检测器(340)允许“并行的”频谱检测/图像形成。在此上下文中，图3显示了 STEM 300，其包括电子源302、照明系统304、样本306和投影系统308。ADF检测器设置318、220可以被用于收集散射的电子312并且使用它们以形成暗场电子图像。另一方面，明场电子310通过孔324进入到电子分散系统(棱镜)322中，在其处它们被“扇出”成能量解析的分布352、350、356。可调节的孔板328U、328L允许此分布的中心核350通过，同时阻挡其边缘部分352、356。所述边缘部分352包括已经遭受相对低的能量损失的电子，并且这些电子可以被检测器设置340、342收集以形成明场电子图像。另一方面，所述中心核350越过光学系统332，其将电子束330导向到检测器334上的不同位置上，取决于它们的能量。以此方式，EELS频谱信息被获得。
[0051]如上面已经提及的，当EELS被用于频谱检测时，图1的TEM可以在STEM模式中被使用。
[0052]下一个实施例将阐释如何可以实施根据本发明的方法的特定的例子。
[0053]实施例2
在此实施例中，将假定:使用图1的TEM，其被配置为操作在扫描模式(STEM)中。根据本发明的方法的特定的例子则可能包括下面的步骤:
(a)选择第一系列S1的倾斜角值。例如，从-50度到+50度以I度的相等增量的101个倾斜角值的系列。此系列S1中的每个倾斜角可以通过适当地致动图1的样本夹持器112(适当薄的样本已经被安装到其上)而被实现。
[0054](b)选择第二系列S2的倾斜角值。在此特定的情况下，S2是S1的子系列，即，某些倾斜角值将出现在S1和S2两者中，而其余的倾斜角值将仅出现在S1中。然而，如上面所提及的，S2的此特定的实施例纯粹是可自由选择的，并且也可以设想其他可能性，例如，S2=S10
[0055](c)针对是S1的成员的每个倾斜角值，按照光栅图案跨越所述样本的表面扫描所述电子束并且在检测器151上形成所述样本的图像。此图像被存储。以此方式，图像的集合(正弦图)被获得。
[0056](d)如果给定的倾斜角值也是S2的成员，则也生成该倾斜角值处的所述样本的频谱图，再一次在所述电子束按照光栅图案跨越所述样本的表面的扫描运动期间。与(C)中的所述图像的形成并行地/同时地生成此频谱图是有效率的，尽管这不被严格地要求。以此方式，频谱图的集合(正弦图)被获得。这些频谱图可以使用诸如EDX、EELS、EFTEM等等(参见上文)技术而被获得。
[0057](e)将来自步骤(d)的频谱图转换成对应的元素图。
[0058](f)如果期望，可以通过将来自(C)中的正弦图的某些元素与来自(e)中的正弦图的某些元素相混合来形成“混合”正弦图。
[0059](g)对从步骤(C)和(e)得到的正弦图[可替代地，对从可选的步骤(f)得到的“混合”正弦图]执行数学重构算法，从而构造所述样本的合成图像(断层图)。
[0060]
关于上面的项(C)和(d)，而且作为与本发明作为整体有关的一般性的注释，应被注意的是:与S2的每个成员(频谱图)相关联的测量/停驻时间不需要与和S1的不在S2中的成员(图像)相关联的测量/停驻时间相同。例如:
-如果图像仅需要被形成在特定的倾斜角值处，则这可以用相对短的测量/停驻时间被进行。
[0061]-另一方面，如果必须在特定的倾斜角值处生成频谱图，则可以选择更长的测量/停驻时间，以便例如保证更好的信噪比。
[0062]本领域技术人员将容易地理解本发明的此方面，并且将能够依据他正采用的装置/样本来选择相关的停驻时间。
【权利要求】
1.一种执行带电粒子显微镜中的样本的断层成像的方法，包括下面的步骤: -提供带电粒子束； -在能够相对于所述束被倾斜的样本夹持器上提供所述样本； -导向所述束通过所述样本并且以便在图像检测器处形成所述样本的图像； -在第一系列的样本倾斜角的每一个处重复此过程以便获得对应的图像集合； -数学地组合来自所述集合的图像以便构造合成图像， 其特征在于下面的步骤: -选择第二系列的样本倾斜角； -在所述第二系列的样本倾斜角的每一个处，使用频谱检测器来生成所述样本的频谱图，从而获得频谱图的集合； -分析所述频谱图以得到与所述样本有关的合成数据； -在构造所述合成图像中采用所述合成数据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中使用从包括能量消散X射线频谱学以及电子能量损失频谱学的组中选择的技术来执行所述频谱图的生成，并且所述带电粒子显微镜是扫描透射电子显微镜。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述技术是EDX并且所述频谱检测器包括被布置在所述样本夹持器周围的多个检测单元。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述带电粒子显微镜是能量过滤的透射电子显微镜。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述带电粒子显微镜是质子显微镜并且使用质子诱导的X射线放射来执行所述频谱图的生成。
6.如前面的权利要求中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，其中针对对所述第一系列和所述第二系列的样本倾斜角两者共有的至少一个样本倾斜角，所述图像检测器和所述频谱检测器被同时地操作。
7.如前面的权利要求中的任一项权利要求所述的方法，其特征在于，其中在获得所述图像集合中所采用的不同的样本倾斜角的数量尤其是在所述频谱图的分析的基础上被选择。
8.一种带电粒子显微镜，包括: -带电粒子源，用于产生带电粒子束； -样本夹持器，用于支持并定位样本； -带电粒子透镜系统，用于导向所述束通过所述样本以便形成所述样本的图像； -图像检测器，用于检测所述图像； -频谱检测器，用于检测所述样本的频谱， 所述显微镜被构造并且被布置为执行如在权利要求1-7中的任一项权利要求中所要求权利的方法。
【文档编号】H01J37/28GK103681189SQ201310414456
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月12日 优先权日:2012年9月12日
【发明者】D.福尔德, R.肖恩马克斯 申请人:Fei公司