使用高分辨率透射电子显微镜图像的晶粒分析方法和系统的制作方法

使用高分辨率透射电子显微镜图像的晶粒分析方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种使用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像的晶粒分析方法和系统。所述方法涉及分析纳米晶粒，包括：接收HRTEM图像，针对HRTEM图像设置每个具有预定大小的局部窗口，对通过局部窗口确定的像素数据执行至少一次快速傅里叶变换以计算局部转换数据，基于局部转换数据分析晶粒。
【专利说明】使用高分辨率透射电子显微镜图像的晶粒分析方法和系统
[0001 ] 本申请要求于2015年3月10日提交的第10-2015-0033437号韩国专利申请的权益，该韩国专利申请的主题通过引用合并于此。
技术领域
[0002]发明构思的实施例涉及晶粒分析方法和系统。更具体地讲，发明构思的实施例涉及使用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像分析一个或更多个纳米级晶粒的方法和系统。
【背景技术】
[0003]现在的晶粒测量方法使用扫描电子显微镜(SEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)或电子背向散射衍射(EBSD)被执行。然而，使用这些技术不能精确测量纳米(nm)级晶粒，但是使用HRTEM(高分辨率透射电子显微镜)可测量纳米级晶粒。不幸地的是，目前需要难以接受的长时间来分析HRTEM图像。此外，实际上不可能量化来自对HRTEM图像进行分析的结果。

【发明内容】

[0004]根据发明构思的一方面，提供一种分析纳米级晶粒的晶粒分析方法。
[0005]所述晶粒分析方法包括:接收高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像;针对HRTEM图像设置局部窗口以定义像素数据;对像素数据执行至少一次快速傅里叶变换(FFT)以计算局部转换数据;基于局部变换数据分析晶粒。
[0006]执行FFT的步骤可包括:对像素数据执行二维(2D)数字傅里叶变换(DFT)。
[0007]分析晶粒的步骤可包括:计算针对晶粒的取向信息、结晶速率信息和周期性信息中的至少一个。
[0008]计算针对晶粒的取向信息、结晶速率信息和周期性信息中的至少一个的步骤可包括:从局部变换数据选择具有最大幅值的数据;基于从中点到选择的数据方向计算取向信息;基于中点与选择的数据之间的距离计算周期性信息。
[0009]分析晶粒的步骤还可包括:基于周期性信息确定晶粒是晶体材料还是非晶体材料。
[0010]根据发明构思的另一方面，提供一种分析包括第一晶粒和第二晶粒的纳米级晶粒的方法，所述方法包括:计算针对高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像的每个像素的晶粒分析数据;基于晶粒分析数据将第一晶粒与第二晶粒进行分割。晶粒分析数据包括针对第一晶粒和第二晶粒的取向信息、结晶速率信息和周期性信息中的至少一个。
[0011]计算晶粒分析数据的步骤可包括:通过对HRTEM图像的像素数据执行至少一次快速傅里叶变换(FFT)来计算FFT数据，以产生FFT数据;基于FFT数据计算针对像素数据的每个像素的取向信息、结晶速率信息和周期性信息中的至少一个。
[0012]将第一晶粒与第二晶粒进行分割的步骤还可包括:基于针对HRTEM图像的像素数据的每个像素的晶粒分析数据选择具有最高结晶速率的第一像素;确定邻近第一像素的像素是否是相同材料的像素;确定邻近第一像素的像素中相同材料的像素是否与第一像素属于同一晶粒;设置包括与第一像素属于相同晶粒的邻近的像素的第一晶粒的边界。
[0013]确定邻近第一像素的像素是否是相同材料的像素的步骤可包括:基于周期性信息确定第一像素和邻近第一像素的像素是晶体材料还是非晶体材料。
[0014]根据发明构思的另一方面，提供一种用于分析纳米级晶粒的系统。
[0015]所述系统包括:高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像分析设备，被配置为接收针对HRTEM图像的输入图像(ΠΜ)，将ΠΜ划分为局部窗口，对通过局部窗口选择的像素数据执行至少一次快速傅里叶变换(FFT)以获得FFT数据来产生局部变换数据，基于局部变换数据分析晶粒以产生晶粒分析数据，并产生来自晶粒分析数据的输出图像(0頂)；显示装置，被配置为响应于0頂显示至少一个图像。
[0016]图像分析设备可包括:局部窗口设置单元，被配置为针对ΠΜ的帧设置局部窗口；FFT处理器，被配置为通过对通过局部窗口分别确定的像素数据执二维(2D)FFT来计算局部转换数据;分析单元，被配置为基于局部转换数据计算针对关于每个局部窗口的晶粒的取向信息、结晶速率信息和周期性信息。
[0017]分析单元可从局部转换数据选择具有最大幅值的像素数据，基于从中点到选择的像素数据的方向计算取向信息，基于中点与选择的数据之间的距离计算周期性信息。
[0018]分析单元可基于周期性信息确定晶粒是晶体材料还是非晶体材料，基于取向信息确定晶粒是否是相同材料。
[0019]分析单元可将针对与至少一个局部窗口的像素数据相关的每个晶粒的取向信息、结晶速率信息和周期性信息进行关联。
[0020]根据发明构思的另一方面，一种用于分析纳米级晶粒的系统，包括:存储器，被配置为存储程序代码;处理器，被配置为执行所述程序代码。所述程序代码包括:快速傅里叶变换(FFT)处理代码和分析代码，其中，FFT处理代码对包括在来自高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像的输入图像(ΠΜ)中的数据执行至少一次FFT以产生FFT数据，其中，ΠΜ被划分为多个局部窗口；分析代码基于FFT数据计算针对每个晶粒的取向信息、结晶速率信息和周期性信息中的至少一个。
[0021]处理器可通过对来自在所述多个局部窗口之中划分的多个像素的像素数据执行至少一次二维(2D) FFT，并在存储器中存储FFT数据。
[0022]局部FFT数据可包括围绕中点二维布置的幅值数据。处理器可基于FFT数据计算取向信息、结晶速率信息和周期性信息中的至少一个，并在存储器中存储取向信息、结晶速率信息和周期性信息中的至少一个。
【附图说明】
[0023]从结合附图进行的以下详细描述，将更清楚地理解发明构思的实施例，其中:
[0024]图1是示出根据发明构思的实施例的晶粒分析系统的总体框图；
[0025]图2和图3是进一步示出根据发明构思的实施例的在不同的示例中图1的HRTEM图像分析设备的各个框图；
[0026]图4和图5是示出根据发明构思的实施例的局部窗口的示意图；
[0027]图6A是示出基于二维(2D)快速傅里叶变换(FFT)数据计算针对晶粒的取向信息、结晶速率和周期性信息的示意图；
[0028]图6B是列出逐像素计算的针对晶粒的取向信息、结晶速率和周期性信息的表；
[0029]图7是概述根据发明构思的实施例的晶粒分析方法的流程图；
[0030]图8、图9、图10、图11和图12(包括图8至图12)是进一步示出图7的晶粒分析方法的各个图像和图像部分；
[0031 ]图13A和图13B是根据发明构思的实施例的可显示在图1的显示装置上的映射的图像；
[0032]图14是示出作为分析的晶粒大小的函数的晶粒数量的曲线图；
[0033]图15是概述根据发明构思的另一实施例的晶粒分析方法的流程图。
【具体实施方式】
[0034]现在将参照附图更详细地描述本发明构思。然而，本发明构思可以以许多不同的形式来实现，而不应解释为局限于仅在此阐述的实施例。相反，提供这些实施例，从而本公开将会彻底和完整，并且将本发明的范围充分地传达给本领域的技术人员。贯穿书面描述和附图，相同的参考标号和标签用于指示相同或相似的元件和特征。
[0035]将理解，当元件被称为“连接”或“结合”到另一元件时，其可直接连接或结合到该另一元件或者可存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接结合”到另一元件时，不存在中间元件。如在此所使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关所列项的任何和所有组合并可被简写为。
[0036]将理解，虽然术语“第一”、“第二”等可在此用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一元件区分开来。例如，在不脱离本公开的教导的情况下，第一信号可被命名为第二信号，类似地，第二信号可被命名为第一信号。
[0037]在此使用的术语仅为了描述具体实施例的目的，不意在限制本发明。如在此使用的，除非上下文另外明确地指示，否则单数形式也意在包括复数形式。还将理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定存在所述的特征、区域、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或添加一个或更多个其它特征、区域、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
[0038]除非另外定义，否则在此使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还将理解，除非在此明确地如此定义，否则诸如在通用字典中定义的术语应被解释为具有与在相关领域和/或本应用的上下文中的含义一致的含义，不应被解释为理想化或过于形式化的含义。
[0039]图1是根据发明构思的实施例的晶粒分析系统I的框图。参照图1，晶粒分析系统I总体包括:图像分析设备10、图像测量设备20和显示装置30。
[0040]图像测量设备20测量对包括晶粒材料特征(以下，通常称为晶粒)的材料(例如，多晶硅、金属等)拍摄的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像。具体地讲，图像测量设备20捕获目标材料的图像，并根据限定的格式产生HRTEM图像。可使用许多不同的自定义或标准图像格式来产生向HRTEM图像测量设备20提供的输入图像(IIM)。可以以图像文件(例如，jpg文件、gif文件、tiff文件、bmp文件等)的形式提供此IIM。
[0041]在此示例性方案中，图像分析设备10可根据晶粒区域(S卩，晶体材料区域)和非晶粒区域(即，非晶体材料区域)来区分(或划分)目标材料。例如，可使用HRTEM图像IIM的快速傅里叶变换(FFT)以获得可用数据(workable data)来执行此区域区分。之后，产生的FFT数据可被进一步处理，以计算针对特定晶粒的取向信息、周期性信息和/或结晶速率信息。此方案可根据正在进行的分析的程度而被应用于任何数量的晶粒。
[0042]从上文可理解，与邻近的“非晶粒”材料(例如，非晶体材料)相比，“晶粒”可以可选地被称为晶体晶粒或晶体材料区域。发明构思的特定实施例特别适用于纳米级晶粒的测量、分析和/或特征描述。这里，术语“纳米级晶粒”用于表示具有以纳米测量的至少一个物理维度的晶粒。
[0043]此外，图像分析设备10可通过诸如检测具有不同取向的晶粒之间的边界，来分离(或分割)晶粒并计算晶粒大小。
[0044]图像分析设备10还可用于转换从来自HRTEM图像的FFT数据(或相关数据)获得的信息。因此，可得到颜色信息(例如，RGB数据)或灰度级信息(例如，亮度数据)，以产生相应的显示信息。结果，图像分析设备10可向显示装置30提供输出图像(0頂)，例如，能够被转换为颜色信息和灰度级信息的0頂。
[0045]显示装置30接收产生的O頂并显示图像，例如，与构成的颜色信息和灰度级信息相应的图像。
[0046]图2是进一步示出根据发明构思的实施例的在一个示例(1a)中图1的图像分析设备10的框图。参照图1和图2，图像分析设备1a包括局部窗口设置单元210、FFT处理器220、分析单元230和映射单元240。
[0047]局部窗口设置单元210将接收的IIM划分为预定大小的局部窗口。例如，假设IIM的一帧由(ΜXN)个像素构成，多个局部窗口中的每个局部窗口可被设置为包括该帧的像素总数中的特定数量(K X L)的像素。这里，“M”、“N”、“K”和“L”是自然数，K小于M并且L小于N。因此，局部窗口设置单元210可在扫描与IIM的帧相应的数据时，顺序定义(或“设置”)多个局部窗口。
[0048]根据关于图2使用的术语，由局部窗口设置单元210产生的每个局部窗口(“IL0”)被随后(例如，顺序)提供到FFT处理器220，在FFT处理器220，每个局部窗口 ILO被转换为相应的局部转换数据(“FL0”)。其后，局部转换数据FLO由分析单元230转换为晶粒分析数据(“INFO”)，并且产生的晶粒分析数据INFO被提供到产生输出图像(ΠΜ(或映射输出数据)的映射单元240。
[0049]图4和图5不同地示出在发明构思的特定实施例中局部窗口的使用。
[0050]参照图4和图5，HRTEM图像ΠΜ的一个(MXN)帧310被假设为包括多个(K X L)局部窗口311a、311b、311c和311d。这里，“K”和“L”可具有相同的值(例如，16 X 16或8 X8)，或者可以是不同的值(例如，12X16或6X8)。为了关于图4和图5的解释的方便起见，假设“K”和“L”两者是3，“M”和“N”两者是9。在图4和图5中，符号“P”表示像素。因此，图4和图5中所示的示例性帧310由范围从P[l][l]到P[M][N]的(MXN)像素数据构成。因此，各个像素数据可被标识为“P[i][ j]”，“i”表示范围从I行到M行的行(S卩，横线)，“j”表示范围从I列到N列的列(即，竖线)。
[0051]在发明构思的特定实施例中，局部窗口设置单元210针对帧310顺序设置(或定位)多个局部窗口中的每个局部窗口。在图4中，假设在从左向右扫描数据时设置局部窗口311a、311b、311c和311d中的每个。如可从图4中看到的，多个局部窗口可被设置以使各个局部窗口不重叠。然而，不需要总是这样，如图5的示例所示。
[0052]在图4的实施例中，第一局部窗口311&包括像素数据？[1][1]、？[1][2]1[1][3]、?[2][1]、？[2][2]、？[2][3]、？[3][1]、？[3][2]和？[3][3]，第二局部窗口31115包括像素数据？[1][4]1[1][5]1[1][6]、？[2][4]、？[2][5]、？[2][6]、？[3][4]、？[3][5]和？[3][6]等。在图5的实施例中，局部窗口311&’、31113’、311(:’和311(1’中的每个与至少一个其它局部窗口部分重叠。因此，在图5的实施例中，第一局部窗口311&’包括像素数据？[1][1]、？[1][2]1[1][3]、？[2][1]、？[2][2]、？[2][3]1[3][1]、？[3][2]和？[3][3]，第二局部窗口31113’包括像素数据？[1][2]、？[1][3]、？[1][4]、？[2][2]、？[2][3]1[2][4]、？[3][2]、？[3][3]和？[3][4]等。
[0053]在图4和图5的背景下返回参照图2，FFT处理器220通过对每个局部窗口 ILO的数据(例如，K X L个像素)执行二维(2D)FFT，来计算局部转换数据FLO(S卩，2D FFT数据)。2D FFT数据可包括，例如，围绕中点二维布置的幅值数据。以下，将更详细地描述此特定示例。
[0054]以下，分析单元230基于局部转换数据FLO分析晶粒。在发明构思的一个实施例中，分析单元230用于基于顺序提供的局部转换数据FLO针对每个局部窗口计算针对每个晶粒的三种类型的信息(例如，取向信息、结晶速率信息和周期性信息)。这里，针对每个晶粒的取向信息可被表示为方向角，而结晶速率信息可被表示为幅值。
[0055]在一个实施例中，分析单元230可在计算取向信息、结晶速率信息和周期性信息之前，删除FLO(例如，2D FFT数据)中未能达到给定阈值的数据。在特定实施例中，分析单元230可通过仅使用与包括在FLO中的最大值(例如，最大幅值)相应的数据来计算针对每个晶粒的取向信息、结晶速率信息和周期性信息。可在相关分析单元230中使用的存储器、表格、寄存器或类似的数据存储介质可存储如关于每个局部窗口计算的以与相应局部窗口的至少一个像素相应的针对每个晶粒的取向信息、结晶速率信息和/或周期性信息。
[0056]图6A是示出计算针对晶粒的取向信息、结晶速率和周期性信息的示意图。此示例假设使用2D FFT数据，其中，2D FFT数据中的数据323a和323b均具有针对图4和图5所示的一个局部窗口计算的2D FFT数据中的最大幅值。
[0057]参照图6A，均具有最大幅值的数据323a和323b可被显示为关于中心点321对称的点。为了解释的方便起见，数据323a和323b将被称为最大点323a和323b。
[0058]现在将描述使用一个最大点323a计算关于晶粒的信息的方法。然而，关于晶粒的信息可使用与最大点323a对称的其它最大点323b来计算。分析单元230可从最大点323a的值(即，最大幅值)获得针对晶粒的结晶速率信息。分析单元230可通过计算连接中点321与最大点323a的线与参考线(Ref_A)之间的角来计算方向角。分析单元230可通过计算中点321与最大点323a之间的距离(DIS)来获得针对晶粒的周期性信息。
[0059]在发明构思的特定实施例中，分析单元230可基于周期性信息将晶粒(S卩，晶体材料)与非晶粒材料(g卩，非晶体材料)进行区分和/或基于周期性信息将两个或更多个不同的晶粒与晶体材料进行分离(或区分)。这样的功能是由晶体晶粒具有落入预期范围的周期性的特征产生的。
[0060]因此，分析单元230可当晶粒的周期性信息落入预定特定范围内时(例如，当中点321与最大点323a之间的距离DIS落入特定范围内时)，将晶粒分类为晶体晶粒，或当晶粒的周期性信息落入预期范围之外时，将晶粒分类为非晶体材料。因此，当预先定义针对两个或更多个不同晶粒的各个周期性范围时，分析单元230可将针对晶体材料的周期性信息与周期性范围进行比较，并将晶体材料相应地划分为两个或更多个不同的晶粒。
[0061]在一个实施例中，分析单元230可基于结晶速率信息区分晶粒和非晶粒材料，和/或基于针对晶体材料的结晶速率信息将晶体材料区分为两个或更多个不同的晶粒。
[0062 ]这里再次，晶粒可具有落入预期范围内的结晶速率。例如，结晶速率范围可被预先定义并存储，分析单元230可将针对像素的结晶速率与存储的结晶速率信息进行比较，以确定像素的材料是晶粒还是非晶粒。
[0063]在发明构思的特定实施例中，分析单元230可基于周期性信息和结晶速率信息两者将晶粒与非晶粒进行区分。例如，当从关于局部窗口的FFT数据计算的周期性信息落入第一范围内和/或从关于局部窗口的FFT数据计算的结晶速率信息落入第二范围内时，分析单元230可确定局部窗口的材料是晶粒。
[0064]分析单元230可基于方向角信息确定晶粒是否具有相同的取向。例如，当相应的方向角信息小于或等于角度阈值(例如，3°、5°或7°等)时，分析单元230可确定晶粒具有相同的取向(因此，晶粒是相同的材料)。
[0065]如上所述，分析单元230可基于相应的FL0(例如，FFT数据)计算针对每个局部窗口的晶粒或每个像素分析数据INFO(例如，取向信息、周期性信息和/或结晶速率信息)。晶粒分析数据INFO可被存储在与图1的HRTEM图像测量设备1关联的存储器中。
[0066]图6B示出由分析单元230计算的晶粒分析数据INFO(即，取向信息、结晶速率信息和/或周期性信息)的一个示例。参照图6B，局部窗口(例如，图4和图5中所示的局部窗口)可针对包括在帧数据中的像素P[l][l]至P[M][N]中的每个像素被设置。可针对局部窗口的像素数据执行一次或更多次FFT以获得FFT数据，之后可如以上参照图6A所述，基于FFT数据计算幅值APi j、方向角AGi j和周期性PRi j。图6B中所示的针对每个像素的晶粒分析数据INFO可以以多阵列的形式被存储在存储器中。
[0067]映射单元240之后可将从分析单元230输出的晶粒分析数据INFO映射为将被显示的数据。在发明构思的特定实施例中，映射单元240可将晶粒的取向信息映射为颜色信息，将晶粒的结晶速率信息映射为灰度级信息(例如，亮度信息)，但发明构思的实施例不限于此。映射单元240之后可将映射的输出数据0頂数据传送到显示装置30。
[0068]图3是进一步示出根据发明构思的另一实施例的在另一示例(1b)中图1的图像分析设备10的框图。
[0069]参照图3，图像分析设备1b可被实现为计算机(例如，个人计算机(PC)、平板计算机、个人数据助理(PDA)等)。
[0070]图3中所示的图像分析设备1b包括:中央处理器(CPU)10、只读存储器(ROM)llO、随机存取存储器(RAM)120、接口(I/F)单元130、显示控制器140、图形处理单元(GPU)150、存储控制器160和总线170。
[0071]也可被称为处理器的CPU 100可处理或执行存储在存储器110、120或40中的程序和/或数据。例如，CPU 100可根据从时钟信号产生器(未示出)输出的时钟信号处理或执行程序和/或数据。
[0072]在一个实施例中，CPU 100可被实现为多核处理器。多核处理器可以是具有两个或更多个独立的实体的处理器(被称为“核”)的一个计算组件。这些处理器中的每个处理器可读取并执行程序指令。多核处理器能够同时驱动多个加速器，因此包括多核处理器的数据处理系统可执行多加速。
[0073]如果需要，存储在ROM110,RAM 120和存储装置40中的程序和/或数据可被加载到CPU 100的存储器。
[0074]ROM 110可存储永久性程序和/或数据。ROM 110可被实现为可擦除可编程只读存储器(EPR0M)或电可擦除可编程只读存储器(EEPR0M)。
[0075]图2的局部窗口设置单元210、FFT处理器220、分析单元230和映射单元240可被实现为可由CPU 100执行并存储在ROM 110中的代码(例如，ROM代码)AAM 120可暂时存储程序、数据或指令。例如，存储在存储装置40中的程序和/或数据可在CPU 100的控制下或根据存储在ROM 110中的启动代码被暂时存储在RAM 120中。根据一个实施例，RAM 120可被实现为动态RAM(DRAM)或静态RAM(SRAM)。
[0076]图2的局部窗口设置单元210、FFT处理器220、分析单元230和映射单元240可被实现为可由CPU 100执行并存储在存储装置40中的软件(例如，应用软件)。
[0077]I/F单元130被配置为与图像测量设备20进行接口连接。例如，I/F单元130可从图像测量设备20接收HRTEM图像ΠΜ，并经由存储控制器160将HRTEM图像ΠΜ存储在存储器40或120中。
[0078]CPU 100可执行的程序代码可包括FFT处理代码、分析代码和映射代码。CPU 100可执行FFT程序代码来以局部窗口为单位从存储装置40读取HRTEM图像IIM，并以局部窗口为单位执行2D FFT以计算局部转换数据FL0。此外，CPU 100可执行分析代码以基于使用FFT处理代码计算的2D FFT数据(S卩，局部转换数据FL0)分析晶粒，以计算如上所述的晶粒分析数据INF0，并将晶粒分析数据INFO存储在存储器40或120中。
[0079]如图6B中所示，晶粒分析数据INFO可包括针对每个像素的取向信息、结晶速率信息和/或周期性信息。
[0080]此外，CPU100可基于针对多个像素中的每个像素的结晶速率信息和周期性信息中的至少一个将多个像素的材料进行分类，并基于多个像素中的每个像素的取向信息将晶粒进行分类，以计算晶粒分类数据，并将晶粒分类数据存储在存储器40或120中。CPU 100可根据将在以下进行描述的图15的实施例将晶粒进行分类。
[0081]晶粒分类数据可包括关于属于被分类为不同晶粒的多个晶粒中的每个晶粒的像素的信息，例如，像素的坐标。
[0082]例如，如果假设三个晶粒被分类为不同的晶粒，则晶粒分类数据可包括关于属于三个晶粒中的第一晶粒的像素的信息、关于属于三个晶粒中的第二晶粒的像素的信息和关于属于三个晶粒中的第三晶粒的像素的信息。
[0083]此外，晶粒分类数据还可包括针对每个晶粒的典型的结晶速率信息、取向信息和周期性信息。
[0084]在一个实施例中，每个晶粒的典型的结晶速率信息是晶粒的最大幅值，典型的取向信息是具有晶粒的最大幅值的像素的方向角，典型的周期性信息是具有晶粒的最大幅值的像素的周期性信息。
[0085]CPU 100可执行映射代码，以将图2的晶粒分析数据INFO映射为将被显示的数据0頂，并将图2的映射的数据(ΠΜ存储在存储器40或120中。
[0086]例如，CPU100可执行映射代码，以分别将包括在晶粒分析数据INFO中的取向信息和结晶速率信息转换为颜色信息和亮度信息，但发明构思的实施例不限于此。例如，映射的信息可变化，周期性信息可被映射为颜色信息或亮度信息。
[0087]由存储控制器160从存储装置40读取的GPU150将数据处理为将被显示的信号。
[0088]例如，GPU150可从存储装置40读取图2的映射的数据0頂，并将映射的数据0頂处理为将被显示的信号。
[0089]存储控制器160是被配置为与存储装置40进行接口连接的模块。存储控制器160控制存储装置40的整体操作，并控制主机与存储装置40之间各种类型的数据的交换。例如，存储控制器160响应于来自主机的请求，将数据写入存储装置40或从存储装置40读取数据。
[0090]这里，主机可以是处理单元，例如，CPU 100,GPU 150或显示控制器140。
[0091]存储装置40是被配置为存储数据的地方，并可存储操作系统(OS)、各种程序和各种类型的数据。存储装置40可以是DRAM，但不限于此。例如，存储装置40可以是非易失性存储装置，例如，闪存、相变RAM(PRAM)、磁阻RAM(MRAM)、电阻式RAM(ReRAM)或铁电RAM(FeRAM)装置。此外，存储装置40可以是安装在图像分析设备I Ob中的内部存储器。
[0092]组件100、110、120、130、140、150和160可经由总线170彼此通信。
[0093]显示装置30可显示从显示控制器140输出的输出图像信号。显示装置30可被实现为液晶显示器(IXD)、发光二极管(LED)、有机LED(OLED)、或主动矩阵OLED(AMOLED)装置。
[0094]显示控制器140可从存储装置40读取图2的映射的数据0頂，并在显示装置30上显示映射的数据0ΙΜ。
[0095]图7是概述根据发明构思的实施例的晶粒分析方法的流程图。图7的晶粒分析方法可由图像分析设备(像关于图2和图3之前描述的图像分析设备(1a和1b))执行。图8至图12是进一步示出图7的晶粒分析方法的示图。
[0096]参照图7至图12，图像分析设备1a或1b接收HRTEM图像(操作SI 10)。图8中示出一帧HRTEM图像330的示例。
[0097 ] 图8示出由HRTEM捕获的垂直NAND (VNAND)闪存的多晶硅通道的图像的示例。图9示出对图8的局部区域341的图像进行放大的结果。图10示出对图9的图像进行简化和建模的结果。
[0098]参照图8至图10，帧图像330包括不同的材料区域331、332和333。例如，材料区域332可以是多晶材料区域，例如，多晶硅区域，材料区域331和材料区域333可以是非晶体材料区域。
[0099]局部区域341包括作为不同晶粒的第一晶粒341-1和第二晶粒341-2。在被简化建模的第一晶粒341-1’和第二晶粒341-2’的情况下，第一晶粒341-1’和第二晶粒341-2’被布置的方向彼此不同。
[0100]因此，在第一晶粒341-1与第二晶粒341-2之间呈现晶粒边界343，在第一晶粒341-1’和第二晶粒341-2 ’之间呈现晶粒边界343 ’。
[0101]这里，术语“晶粒边界”指多晶材料的两个取向不同的晶粒之间的边界。当材料的取向相同时，即，当材料沿相同的方向取向时，包括所述材料的组可被分类为一个晶粒。然而，边界在多晶材料的具有不同取向的两个晶粒之间形成，因此，基于边界，两个晶粒被分类为不同的晶粒。这样的晶粒边界趋向于降低构成的半导体器件的电气性能特征。
[0102]返回参照图7，针对图8的HRTEM图像33O设置均具有预定大小的局部窗口(参照S120)。图像分析设备1a或1b通过对由局部窗口确定的像素数据执行2D傅里叶变换来计算局部转换数据，即，2D FFT数据(操作S130)。图11示出图8的HRTEM图像330的四个局部窗口(以下，称为第一局部窗口至第四局部窗口)351、352、353和354。图12示出图11的第一局部窗口至第四局部窗口351、352、353和354的2D FFT数据351F、352F、353F和354F。
[0103]参照图11和图12，2D FFT数据351F、352F、353F和354F包括围绕中点二维布置的多条幅值数据。2D FFT数据351F、352F、353F和354F关于中点彼此对称。
[0104]图像分析设备1a或1b基于2D FFT数据(例如，2D FFT数据351F、352F、353F和354F)计算晶粒的取向信息、结晶速率信息和周期性信息(操作S140)。
[0105]如上所述，晶体晶粒具有在特定范围内的周期性。例如，关于中点对称的点(例如，2D FFT数据351F、352F、353F和354F)从晶体晶粒的FFT数据被检测出。
[0106]相反，具有云形状的较小的点(例如，2DFFT数据354)从非晶体材料的FFT数据被检测出。
[0107]因此，局部窗口的材料可根据局部窗口的材料的FFT数据的周期性信息是否落入特定范围内被分类为晶粒(即，晶体材料)或非晶粒(即，非晶体材料)。
[0108]当2DFFT数据的峰值的幅值相对低时(即，当峰值的幅值小于定义的阈值时)，结晶速率较低。例如，当第二局部窗口 352的FFT数据352F的峰值的幅值比第三局部窗口 353的FFT数据353F的峰值的幅值高时，第二局部窗口 352的晶粒的结晶速率比第三局部窗口 353的晶粒的结晶速率尚。
[0109]因此，可从局部窗口351、352、353和354的2DFFT数据351F、352F、353F和354F的峰值的幅值计算结晶速率。
[0110]可使用方向角信息执行晶粒分割(S卩，将晶粒分类为相同的晶粒或不同的晶粒)。例如，当晶粒的方向角之间的差超过阈值角时，晶粒被分类为不同的晶粒。
[0111]在执行晶粒分割之后，可使用颜色映射显示晶粒(操作S160和操作S165)。例如，颜色信息可映射到方向角信息，亮度信息可映射到幅值信息。
[0112]在一个实施例中，操作S140可包括从局部转换数据选择具有最大幅值的最大点，基于从中点到选择的最大点的方向计算取向信息，并基于中点与选择的最大点之间的距离计算周期性信息。
[0113]从一帧的第一局部窗口至所述一帧的最后局部窗口重复执行以上描述的操作S120至操作S150。如针对一个局部窗口计算的针对每个晶粒的取向信息、结晶速率信息和/或周期性信息可与包括在HRTEM图像的帧数据中的一个或多个像素相应。在此方式下，可执行操作S120至操作S150，以计算帧数据的每个像素的取向信息、结晶速率信息和/或周期性
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[0114]以上计算的信息可被存储在图3的存储装置40中。
[0115]图像分析设备1a或1b将计算的晶粒的取向信息、结晶速率信息和周期性信息转换为将被显示的信息，即，转换为颜色信息和灰度级信息(操作S160)。
[0116]在一个实施例中，晶粒的取向信息可被转换为颜色信息，晶粒的周期性信息或结晶速率信息可被转换为灰度级信息。
[0117]为此，图像分析设备1a或1b可包括用于将晶粒的取向信息映射为颜色信息的第一映射表和用于将晶粒的结晶速率信息映射为灰度级信息的第二映射表。
[0118]例如，第一映射表可包括根据方向角的R、G和B值，第二映射表可包括根据结晶速率信息的灰度级。
[0119]可在显示装置上显示在操作S160获得的信息(操作S165)。
[0120]图13A和图13B是根据发明构思的实施例的可在显示装置上显示的示例性映射的图像。图13A示出晶粒的取向信息被映射为颜色信息并且晶粒的结晶速率信息被映射为灰度级信息的图像。在图13A中，非彩色区域(白色区域)表示非晶体材料区域，彩色区域表示晶体材料区域(即，晶粒区域)。
[0121]晶粒区域根据晶粒的取向被分割为晶粒，并且晶粒被映射为不同的颜色。映射为相同颜色的晶粒根据结晶速率被显示为具有不同的亮度(即，不同的灰度级)。
[0122]然而，发明构思的实施例不限于此，可使用各种方法来显示分析的晶粒的信息。
[0123]图13B示出根据晶粒的取向信息示出不同图案的图像。
[0124]图像分析设备1a或1b可基于转换的信息确定晶粒之间的边界，并基于边界计算晶粒的大小(操作S170)。
[0125]例如，图像分析设备1a或1b可将晶粒分类为组(其中，每个组包括具有相同颜色的相邻像素)，将多个组确定为不同的晶粒，并通过计算晶粒的水平和竖直长度或者晶粒的面积来确定晶粒的大小。
[0126]图像分析设备1a或1b可根据晶粒的大小计算晶粒的数量(操作S170)。
[0127]还可显示在操作S170计算的晶粒的数量(操作S180)。可以以曲线图或表格的形式显示统计信息，例如，根据晶粒的大小的晶粒的数量。
[0128]图14是示出作为晶粒的大小的函数的晶粒的数量的曲线图。如图14所示，根据晶粒的大小的晶粒的数量可通过计算每个分割的晶粒的大小并计算与每个计算的大小相应的晶粒的数量而获得。
[0129]在图7的实施例中，图像分析设备1a或1b基于在操作S160获得的颜色信息或灰度级信息确定晶粒之间的边界，并基于边界计算晶粒的大小。在另一实施例中，图像分析设备1a或1b可通过基于针对每个局部窗口计算的取向信息、结晶速率信息和周期性信息设置晶粒之间的边界，来对晶粒进行分类并计算晶粒的大小。
[0130]例如，图7的操作S170可在操作S160之前执行。
[0131]图15是根据发明构思的另一实施例的晶粒分析方法的流程图。假设在图15的实施例中，取向信息、结晶速率信息和周期性信息针对帧图像的每个像素被计算。
[0132]例如，根据本实施例，在执行操作S210之前，帧图像的每个像素的取向信息、结晶速率信息和周期性信息被计算并被存储在存储器中。
[0133]参照图15，图像分析设备1a或1b选择图像帧的多个像素中具有最高结晶速率的第一像素，即，具有最大幅值的第一像素(操作S210)。
[0134]之后，图像分析设备1a或1b确定邻近第一像素的像素的材料是否与第一像素的材料相同(操作S220)。
[0135]可通过基于周期性信息确定邻近第一像素的像素的材料是晶体材料还是非晶体材料，来确定邻近第一像素的像素的材料是否与第一像素的材料相同。
[0136]可预先设置邻近像素的范围
[0137]例如，邻近像素的范围可被设置为包括第一像素附近的5X 5个像素、7X7个像素等，但发明构思的实施例不限于此。
[0138]邻近第一像素的像素中周期性信息在特定范围内的像素可被分类为与晶体材料相应，邻近第一像素的像素中周期性信息不在特定范围内的其他像素可被分类为与非晶体材料相应。
[0139]之后，图像分析设备1a或1b确定邻近第一像素的像素中相同材料的像素是否与第一像素属于同一晶粒(操作S230)。
[0140]可通过基于第一像素的方向角确定邻近第一像素的像素中相同材料的像素的方向角是否在预定范围内，来确定这些像素是否与第一像素属于同一晶粒。
[0141]例如，如果假设第一像素的方向角是Al。，则邻近第一像素的像素中相同材料的像素中每个具有Al。±5°或更小的方向角的像素可被分类为与第一像素属于同一晶粒。
[0142]通过以上处理，可测量与第一像素属于同一晶粒的邻近像素所构成的晶粒(以下，称为第一晶粒)的边界(操作S240)。当测量了第一晶粒的边界时，可测量第一晶粒的大小(长度、宽度、面积等)。
[0143]可重复执行图15的操作S210至操作S240。
[0144]图像分析设备IOa或I Ob可选择图像帧的像素中不属于计算的第一晶粒的像素中具有最高结晶速率的第二像素(操作S210)，确定邻近第二像素的像素是否是相同材料的像素(操作S220)，确定邻近第二像素的像素中相同材料的像素是否与第二像素属于同一晶粒(操作 S230)。
[0145]通过以上处理，可测量与第二像素属于同一晶粒的邻近像素所构成的晶粒(以下，称为第二晶粒)的边界(操作S240)。当测量了第二晶粒的边界时，可测量第二晶粒的大小(长度、宽度、面积等)。
[0146]可重复执行图15的操作S210至操作S240，直到结束帧数据的所有像素的材料和晶粒的分类为止。
[0147]本总体发明构思还可被实现为计算机可读介质上的计算机可读代码。计算机可读记录介质是能够存储作为程序的之后可由计算机系统读取的数据的任何数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括:只读存储器(R0M)、随机存取存储器(RAM)、⑶-R0M、磁带、软盘和光数据存储装置等。
[0148]计算机可读记录介质还可被分布在联网的计算机系统上，从而以分布式存储和执行所述计算机可读代码。此外，用于实现本总体发明构思的功能程序、代码和代码段可容易地被程序员解释。
[0149]根据发明构思的实施例，可通过对HRTEM图像执行数字傅里叶变换(DFT)，并从通过执行DFT获得的数据提取多晶体的取向信息、结晶速率信息、周期性信息等，来快速、准确地分析纳米多晶体的各种特性(大小、分布、材料、取向等)。因此，当开发包含纳米晶粒所构成的材料(例如，多晶硅或金属)的半导体装置时，可减少分析半导体装置的工作特性所需的费用和时间，从而缩短开发产品的时间。
[0150]虽然参照发明构思的实施例具体示出并描述了发明构思，但是在不脱离权利要求的范围的情况下，可在形式和细节上做各种改变。
【主权项】
1.一种分析纳米级晶粒的方法，所述方法包括: 接收高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像； 针对高分辨率透射电子显微镜图像设置局部窗口以定义像素数据； 对像素数据执行至少一次快速傅里叶变换(FFT)以计算局部转换数据； 基于局部变换数据分析晶粒。2.如权利要求1所述的方法，其中，执行快速傅里叶变换的步骤包括:对像素数据执行二维(2D)数字傅里叶变换(DFT)。3.如权利要求1所述的方法，其中，分析晶粒的步骤包括:计算针对晶粒的取向信息、结晶速率信息和周期性信息中的至少一个。4.如权利要求3所述的方法，其中，计算针对晶粒的取向信息、结晶速率信息和周期性信息中的至少一个的步骤包括: 从局部变换数据选择具有最大幅值的数据； 基于从中点到选择的数据的方向计算取向信息； 基于中点与选择的数据之间的距离计算周期性信息。5.如权利要求4所述的方法，其中，分析晶粒的步骤还包括: 基于周期性信息确定晶粒是晶体材料还是非晶体材料。6.如权利要求4所述的方法，还包括: 在存储器中存储针对高分辨率透射电子显微镜图像的每个像素的取向信息、结晶速率信息和周期性信息中的至少一个。7.—种分析包括第一晶粒和第二晶粒的纳米级晶粒的方法，所述方法包括: 计算针对高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像的每个像素的晶粒分析数据； 基于晶粒分析数据将第一晶粒与第二晶粒进行分割， 其中，晶粒分析数据包括针对第一晶粒和第二晶粒的取向信息、结晶速率信息和周期性信息中的至少一个。8.如权利要求7所述的方法，其中，计算晶粒分析数据的步骤包括: 通过对高分辨率透射电子显微镜图像的像素数据执行至少一次快速傅里叶变换(FFT)来计算快速傅里叶变换数据，以产生快速傅里叶变换数据； 基于快速傅里叶变换数据计算针对像素数据的每个像素的取向信息、结晶速率信息和周期性信息中的至少一个。9.如权利要求7所述的方法，其中，将第一晶粒与第二晶粒进行分割的步骤包括: 基于针对高分辨率透射电子显微镜图像的像素数据的每个像素的晶粒分析数据，选择具有最高结晶速率的第一像素； 确定邻近第一像素的像素是否是相同材料的像素； 确定邻近第一像素的像素中相同材料的像素是否与第一像素属于同一晶粒； 设置第一晶粒的边界以包括与第一像素属于同一晶粒的邻近的像素。10.如权利要求9所述的方法，其中，确定邻近第一像素的像素是否是相同材料的像素的步骤包括:基于周期性信息确定第一像素和邻近第一像素的像素是晶体材料还是非晶体材料。11.如权利要求9所述的方法，其中，确定邻近第一像素的像素中相同材料的像素是否与第一像素属于同一晶粒的步骤包括:确定第一像素和邻近第一像素的像素分别具有落入期望范围内的相应取向信息。12.如权利要求9所述的方法，其中，将第一晶粒与第二晶粒进行分割的步骤还包括: 基于晶粒分析数据选择不属于第一晶粒的像素中具有最高结晶速率的第二像素； 确定邻近第二像素的像素是否是相同材料的像素； 确定邻近第二像素的像素中相同材料的像素是否与第二像素属于同一晶粒； 设置第二晶粒的边界以包括与第二像素属于同一晶粒的相邻的像素。13.如权利要求7所述的方法，还包括: 将针对第一晶粒和第二晶粒的取向信息和结晶速率信息中的至少一个分别映射为相应的颜色信息和灰度级信息，以产生映射数据； 显示映射数据。14.一种用于分析纳米级晶粒的系统，所述系统包括: 高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像分析设备，被配置为接收针对高分辨率透射电子显微镜图像的输入图像(IIM)，将所述输入图像划分为局部窗口，对通过局部窗口选择的像素数据执行至少一次快速傅里叶变换(FFT)以获得快速傅里叶变换数据来产生局部变换数据，基于局部变换数据分析晶粒以产生晶粒分析数据，并产生来自晶粒分析数据的输出图像(OIM); 显示装置，被配置为响应于所述输出图像显示至少一个图像。15.如权利要求14所述的系统，其中，图像分析设备包括: 局部窗口设置单元，被配置为针对所述输入图像的帧设置局部窗口； 快速傅里叶变换处理器，被配置为通过对通过局部窗口分别确定的像素数据执二维(2D)快速傅里叶变换来计算局部转换数据； 分析单元，被配置为基于局部转换数据计算针对关于每个局部窗口的晶粒的取向信息、结晶速率信息和周期性信息。16.如权利要求15所述的系统，其中，分析单元从局部转换数据选择具有最大幅值的像素数据，基于从中点到选择的像素数据的方向计算取向信息，基于中点与选择的像素数据之间的距离计算周期性信息。17.如权利要求16所述的系统，其中，分析单元基于周期性信息确定晶粒是晶体材料还是非晶体材料， 基于取向信息确定晶粒是否是相同材料。18.如权利要求16所述的系统，其中，分析单元将针对与至少一个局部窗口的像素数据相关的每个晶粒的取向信息、结晶速率信息和周期性信息进行关联。19.如权利要求18所述的系统，其中，分析单元选择像素中具有最高结晶速率的第一像素，确定邻近第一像素的像素是否是相同材料的像素，确定邻近第一像素的像素中相同材料的像素是否与第一像素属于同一晶粒，设置包括与第一像素属于同一晶粒的邻近的像素的第一晶粒的边界。20.如权利要求15所述的系统，其中，图像分析设备还包括:映射单元，被配置为从取向信息产生颜色信息，从结晶速率信息产生灰度级信息。
【文档编号】G06T7/00GK105976349SQ201610135002
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月10日
【发明人】朴民哲, 金大新, 金赛彬, 金世珍, 夏志良, 李济铉
【申请人】三星电子株式会社