带电粒子显微术中的三维成像的制作方法

本发明涉及一种使用带电粒子显微术研究样本的方法，其包括以下步骤：

（a）在样本的表面上，选择在xy平面中延伸并且包括在所述表面的二维扫描期间要被带电粒子探测射束撞击到其上的网格节点的虚拟采样网格；

（b）利用所述表面以下的相关联的标称z穿透深度di来为所述探测射束选择着陆能量ei；

（c）在所述节点的每一个处，利用所述探测射束照射样本并且检测响应于其而从样本发出的输出辐射，由此生成扫描图像ii；

（d）针对与相关联的一系列不同穿透深度{di}对应的一系列不同着陆能量{ei}重复步骤（b）和（c）。

在这里，方向xyz与所选笛卡尔坐标系相关联。

本发明还涉及一种带电粒子显微镜，其包括：

-样本保持器，用于保持样本；

-源，用于产生带电粒子的探测射束；

-照明器，用于引导所述射束以便照射样本；

-检测器，用于检测响应于所述照射而从样本发出的输出辐射的通量，

还包括被配置成执行此类方法的处理器。

带电粒子显微术是众所周知的并且对于对微观物体成像（特别地以电子显微术的形式）而言是越来越重要的技术。从历史来看，电子显微镜的基本类别已经经历到许多众所周知的装置种类（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））的演化，并且还经历到各种子种类（诸如所谓的“双射束”工具（例如fib-sem）的演化，其另外采用“加工”聚焦离子束（fib），从而例如允许诸如离子束铣削或离子束诱导沉积（ibid）之类的支持活动。更具体地：

-在sem中，通过扫描电子束来照射样本使来自样本的“辅助”输出辐射的发出物沉淀，例如以二次电子、背散射电子、x射线和光致发光（红外、可见和/或紫外光子）的形式；该输出辐射的一个或多个分量然后被检测并被用于图像累积目的。

-在tem中，将被用来照射样本的电子束选取为具有用以穿透样本的足够高的能量（为此样本通常将比sem样本情况下更薄）；从样本发出的透射电子然后可以被用来创建图像。当以扫描模式操作这样的tem时（因此变成stem），讨论中的图像将在照射电子束的扫描运动期间被累积。

可以例如从下面的维基百科链接收集关于这里阐明的话题中的一些的更多信息：

http://en.wikipedia.org/wiki/electron_microscope

http://en.wikipedia.org/wiki/scanning_electron_microscope

http://en.wikipedia.org/wiki/transmission_electron_microscopy

http://en.wikipedia.org/wiki/scanning_transmission_electron_microscopy。

作为对将电子用作照射射束的替代，还可以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”应该被宽泛地解释为包括例如电子、正离子（例如ga或he离子）、负离子、质子和正电子。关于基于非电子的带电粒子显微术，可以例如从诸如下面的参考收集一些其他信息：

https://en.wikipedia.org/wiki/focused_ion_beam

http://en.wikipedia.org/wiki/scanning_helium_ion_microscope

-w.h.escovitz,t.r.foxandr.levi-setti,scanningtransmissionionmicroscopewithafieldionsource,proc.nat.acad.sci.usa72(5),1826-1828页(1975).

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22472444。

应该指出，除了成像和执行（局部化的）表面改性（例如铣削、蚀刻、沉积等等）之外，带电粒子显微镜还可以具有其他功能，诸如执行光谱学、检查衍射图等等。

在所有情况下，带电粒子显微镜（cpm）将包括至少下面的部件：

-辐射源，诸如肖特基电子源或离子枪。

-照明器，其用来操控来自源的“原始”辐射射束并且对其执行某些操作（诸如聚焦、畸变减轻、（利用孔径）裁切、滤波等等）。其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，照明器可以提供有偏转器系统，其可以被调用来促使其离开射束跨过被研究中的样本执行扫描运动。

-样本保持器，可以在其上保持和定位（例如倾斜、旋转）研究中的样本。如果需要，该保持器可以被移动以便影响射束关于样本的扫描运动。一般来讲，这样的样本保持器将被连接到诸如机械载台的定位系统。

-检测器（用于检测从被照射的样本发出的输出辐射），其本质上可以是单一的或复合的/分布式的，并且其可以根据被检测中的输出辐射而采用许多不同形式。示例包括光电二极管、cmos检测器、ccd检测器、光伏电池、x射线检测器（诸如硅漂移检测器或si（li）检测器）等等。一般来说，cpm可以包括若干种不同类型的检测器，可以在不同情况下调用它们的选择。

-处理器（电子控制器），其尤其用于管理/控制cpm内的某些操作，执行软件/固件，实行自主运行，与用户界面交换数据等等。

在透射类型显微镜（例如诸如（s）tem）的情况下，cpm还将包括：

-成像系统，其实质上采用透射通过样本（平面）的带电粒子并且将它们引导（聚焦）在分析装置（诸如检测/成像设备、分光镜装置（诸如eels设备）等等）上。就上文提到的照明器而言，成像系统还可以执行其他功能（诸如畸变减轻、裁切、滤波等等），并且它通常将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。

在下文中，有时可以（通过示例的方式）在电子显微术的具体情境中阐述本发明；然而，这样的简化仅仅意图用于清楚/说明性目的，并且不应该被解释为限制。

例如，如在上文的开头段落中阐述的方法以来自美国专利us8,232,523和us8,581,189（通过参考合并于此）的各种形式已知，这些美国专利具有与本发明共同的发明人。所述专利描述多能量数据获取方案，在其中：

-以不同着陆能量获取一组“原始”sem图像；

-这些原始图像被用作数学去卷积算法的输入，该去卷积算法“解开”它们并且产生三维、深度分辨的“超图像”。

尽管所述专利已产生三维成像中的旋转，但是它们具有归因于产生最终深度分辨图像所需的非平凡数学去卷积程序的伴随的计算开销。当前发明人他们自己已经设定了提供替代方法的目标。

本发明的一个目的是提供一种用于在cpm中使用的可替代三维成像技术。特别地，本发明的一个目的是该新颖技术应该包括比现有技术更小的计算开销。

在如上面的开头段落中阐述的方法中实现这些和其他目的，该方法的特征在于以下步骤：

（e）预先选择ei要在步骤（b）和（c）的第一迭代之后改变的初始能量增量∆ei；

（f）将能量增量∆ei与值di中的对应深度增量∆d相关联；

（g）将所述采样网格选择为在x和y上具有基本上相等的节点节距p，该节距p与∆d的值相匹配以便产生基本上立方的采样体素；

（h）在系列{ei}中选择后续能量值，以便在所选择的最小和最大着陆能量emin和emax的界限内分别保持系列{di}的连续成员之间基本上恒定的深度增量∆d。

在如这里提出的本发明的情境中，下面的考虑值得一提：

-基本上可以自由选取初始能量增量∆ei（以及由此相关联的深度增量∆d），但实际上诸如期望吞吐量、检测器灵敏度、期望分辨率等等之类的因素将趋向于在给定情况下关于∆ei（以及因此∆d）放置上限/下限（见下文）。

-基本上可以自由选取最小着陆能量emin。然而，在给定情况下将常常存在关于emin的实际下限，例如与最小可接受检测器对比度噪声比（cnr）相关联（样本响应于被探测射束的照射而发出的输出辐射（例如背向散射的电子）的能量将具有≤所采用的着陆能量的能量）。

-基本上可以自由选取最大着陆能量emax。然而，在给定情况下将常常存在关于emax的实际上限，例如与针对样本的期望累积辐射剂量相关联（见下文）。

-探测射束的着陆能量ei以及其相关联的标称z穿透深度di之间的关系通常是幂定律的形式：di~kei^a，

在其中比例因子k的值和幂a的值尤其取决于样本材料和所使用的探测带电粒子的种类（例如见图3）。在许多实际情况下，该幂定律将基本上采取（准）线性关系的形式：.

di~kei，

-适当考虑前面的项目，例如可以基于以下各项中的一个或多个选取能量系列{ei}中的合适的值（以便实现集合{di}中基本上相等的深度增量∆d）：

▪使用di和ei之间的（具体）函数关系从而允许计算{ei}的成员的值的物理模型；

▪其中凭经验确定ei和di之间的（近似）关系的在先校准，

由此，在任一/这两种情况下，可以例如使用（某一数量的）外推/内插和/或求平均。

熟练的技术人员将能够选择/确定适合于给定情况的细节的这些各种参数/变量（诸如样本类型、探测射束中的带电粒子的种类、检测到的从样本发出的输出辐射的种类等等）的值。

本发明开拓了新颖的见解在于，如果以某一方式完成多能量数据获取，则可以在不需要在数学上对所获取的扫描图像系列去卷积的情况下执行样本的粒子光学深度分段。当带电粒子的探测射束碰撞在样本表面上时，其产生描述初始射束“扩散通过”样品块（与样品块相互作用）的方式的子表面点扩散函数（psf）；该psf在形式上常常有点“泪珠状”或准圆锥，其具有在样本表面处随着向下进入样本而变宽的顶端。与psf相关联的是基本上钟形的强度曲线，其具有在每一侧上逐渐变窄的高中央峰和周边侧面。因为探测射束在按照矩阵样/网图案（其通过在所采用的采样网格的节点处采样产生）的连续点处撞击到样本表面上，所以在采样运行期间生成子表面psf的对应（二维）阵列。根据各采样节点之间的距离，相邻psf将或多或少地互相重叠，并且它们相关联的强度曲线的侧面也将重叠到相应程度（在这里将被称为“串扰”的现象（例如见图2））。发明人已经认识到：此类串扰位于上述去卷积任务的根源处，并且如果串扰可以被适当地最小化/优化，则基本上消除随后的去卷积程序。就这一点来说，发明人发现这有利于：

-以大小∆d的连续深度步长对样本辐射性地“钻孔”；

-使用具有侧长度（节点节距）为p~∆d的基本上成方形单元的采样网格，产生用于各种测量会话（session）（步长）的基本上立体的采样体素。在这样做时，有效地使x、y和z上的采样分辨率相等。重要地是，使关于彼此挤压上述强度曲线（使得它们不太钝头/侧面更陡峭），由此降低/最小化与相邻曲线的侧面的相对重叠；该串扰降低基本上降低了模糊，必须另外在去卷积程序中在计算上移除该模糊。可以通过类比于所谓的瑞利分辨率判据来进一步理解这点，其中当减小探测射束的“光斑大小”（角度范围）时改进可达分辨率。在基本上各向同性的样品中最佳地满足该创新情形。

值得注意的是，如果与本发明所提倡的采样体素立方体显著偏离，则可以预期下面的影响：

-如果采样体素的x/y尺寸显著大于它们的z尺寸∆d（“蹲坐的”或“变平的”立方体[瓦片]），则将趋向于横向分辨率的严重损失（过度粗糙的采样）。

-如果采样体素的x/y尺寸显著小于它们的z尺寸∆d（“高的”或“拉长的”立方体[柱]），则这将趋向于导致抑制/毁灭相关联的傅立叶频谱中的较高频率。

在每种情况下，将需要某一形式的获取后数学处理（去卷积）来尝试校正丢失的图像信息的影响。

在本发明的特定实施例中，在完成步骤之后(h)/(d)之后，物理切片过程被用来从原始表面sl移除具有标称厚度l的材料层，由此暴露新表面sm。可以在该情境中使用的物理切片过程的示例包括超薄切片机切片、铣削、蚀刻（包括化学蚀刻）、磨削等等，由此如这里所采用的形容词“物理的”旨在区别于“辐射”深度分段。该实施例的本质是认识到对emax通常存在实际限制，因为如果试图将样本辐射性地深度分段成太大的深度，则这通常将需要将太大的辐射剂量用于覆盖的样本材料（这可能损坏样本，并且改变关于遍及其的带电粒子射束的其行为）。为了防止这点，反而可以执行到“安全”级别dmax的辐射深度分段，之后是物理材料移除以便暴露新鲜表面sm。就这一点来说，有利场景是其中：

-最大穿透深度dmax与emax相关联；

-l≤dmax；

-在所述新表面sm上重复步骤（a）-（h），

如果需要的话，可以在若干次迭代中再次重复该过程。理论上，可以将l=dmax视为理想场景，但是实际上这可能是达不到的，因为（例如）表面粗糙度影响和定位不准确。为保险起见，反而可以选取稍稍比dmax更小（例如小5-10%）的l值，以便避免材料的过移除。熟练的技术人员将能够选取适合于给定情况的需要和细节的emax/dmax和l（诸如所采用的样本类型、其先前照射历史、吞吐量考虑等等）的值。

关于所采用的最大着陆能量emax，其例如可以被选取为处于以下范围内：

▫5-8kev，对于包括生物组织的样本（本质上通常是含水的）；

▫30-60kev，对于基本上非生物的样本（诸如矿物/岩石、冶金、结晶的和/或半导体样本等等）。

当选取emax时需要考虑的注意事项包括以下各项：

-将（尤其）通过样本的（被照射上层）可以经得起的累积辐射剂量来确定关于emax的上界。

-使用emax的次优小值将使得未有效地充分利用本发明，并且增加物理切片到辐射切片的相对重量。

关于∆d的值，其可以例如被选择成处于1-10nm的范围内。基本上根据期望自由选取∆d的值，但是不过应该估量以下注意事项：

-如果∆d是次优小的，则将引起吞吐量处罚，因为达到dmax所需的深度增量/测量会话的数目将增加。类似地，如果∆d（或者更特别地相关联的（一个或多个）能量增量∆ei）太小，则这可能与所采用的检测器清楚地登记连续测量会话之间的差的能力相冲突（尤其归因于噪声影响）。此外，小的∆d将趋向于增加相邻深度分段之间的串扰。

-如果∆d是次优大的，则这可能使可达到的成像分辨率变得过于粗糙。另一方面，∆d（和相关联的（一个或多个）能量增量∆ei）的相对大的值将趋向于增加上面提到的强度峰值相对于背景信号电平的突出性。

为了给出关于前面两段的主题的一些不具约束力的指导，可以注意以下示例：

-对于大块生物样本，在0.5-5.0kev范围中的ei值通常将趋向于分别产生在大约5-150nm范围中的di值。

-对于薄分段生物样本（例如具有在20-300nm范围中的厚度），7kev的emax值通常将趋向于产生大约300nm的dmax值。

-对于硅样本，25kev的ei值通常可以被用来实现大约2μm的di值（bse检测）。

-对于si衬底中的铜/金属结构，25kev的ei值通常可以被用来实现大约500nm的di值（bse检测）。

-对于cu颗粒被嵌入其中的al样品，20kev的ei值通常可以被用来实现大约500nm的di值。

本发明趋向于针对典型生物样本的相对缩短的dmax值（例如大约60nm）产生其最佳结果（在不必依靠去卷积的情况下）。尽管对于较大的di值（接近dmax）结果的质量则可能开始示出某一程度的恶化，但没有缩短太多的值（更大的最终穿透深度）仍是可能的。熟练的技术人员将能够着眼于实现给定的成像质量而自己决定使用什么dmax值。

在本发明的特定实施例中，对于所述系列{ei}中的每个连续着陆能量，用以下方式中的至少一个来选择性地检测从样本发出的输出辐射：

-通过仅检测所述输出辐射的总能量频谱的给定能量范围∆εⁱ，在这种情况下∆εⁱ取决于ei（经过能量滤波的检测）；

-通过仅检测所述输出辐射的总角频谱的给定角度范围∆θⁱ，在这种情况下∆θⁱ取决于ei（经过角度滤波的检测）。

以这种方式执行经过滤波的检测提供一种集中于来自样本中的特定深度水平的输出能量发射的方式；以这种方式，来自样品中的其他深度水平的并存信号被压缩，因此降低了所检测到的信号的退化。例如可以根据以下各项来确定对于每个ei的∆εⁱ和/或∆θⁱ的特定（优化）选择：

-事先校准运行；和/或

-描述通过样本的输出辐射的发射的模型。

就这一点而言，参见例如美国专利us8,704,176和us8,586,921（通过参考结合于此），它们具有与本发明共同的发明人，并且分别描述从被照射样本发出的能量的角度滤波/能量滤波可如何被用来在特定子表面深度水平“放大”（尽管仍从其他深度水平捕获信息），因此要求数学去卷积程序解开各种层贡献（与本发明不同）。

应该明确指出，在本发明中步进通过的子表面深度增量根据选择可以在“自上而下”（增加穿透）或“自底向上”（降低穿透）的方向上运行。还应该指出，在自上而下的方法中，首先采用的ei值（或类似地在自底向上的方法中最后采用的ei值）可以产生小于∆d的穿透深度di。

现在将基于示例性实施例以及所附示意性附图来更详细地阐明本发明，在其中：

图1呈递了在其中实施本发明的cpm的纵向横截面视图。

图2呈递了构成本发明的实施例的基础的原理的图示。

图3示出本发明的实施例中的着陆能量和穿透深度之间的函数关系的示例。

在图中，在相关的情况下，可以使用对应的参考符号来指示对应的部分。

实施例1。

图1是在其中实施本发明的cpm的实施例的高度示意性描绘；更具体地，其示出显微镜m的实施例，在这种情况下该显微镜m是sem（尽管在当前发明的情境中它可以有效地是例如（s）tem或者基于离子的显微镜可以同样有效）。显微镜m包括照明器（粒子光学柱）1，其产生沿着粒子光学轴3’传播的输入带电粒子的探测射束3（在这种情况下是电子射束）。照明器1被安装在真空腔5上，该真空腔5包括样本保持器7以及用于保持/定位样本s的相关联的载台/致动器7’。使用真空泵（未描绘）在真空腔5中产生真空。在电压源17的帮助下，样本保持器7或至少样本s（如果需要的话）可以被偏置到（浮动到）关于地的电势。

照明器1（在目前情况下）包括电子源9（诸如例如肖特基枪）、用以将电子射束3聚焦在样本s上的透镜11、13、以及偏转单元15（用以执行射束3的射束转向/扫描）。装置m还包括控制器/计算机处理装置25，以用于尤其控制偏转单元15、透镜11、13和检测器19、21，以及将从检测器19、21收集的信息显示到显示单元27上。

从可以被用来检查响应于输入射束3的照射从样本s发出的不同类型的输出辐射e的各种各样可能的检测器类型选取检测器19、21。在这里描绘的装置中，已经作出以下（非限制）检测器选择：

-检测器19是被用来检测从样本s发出的光致发光的固态检测器（诸如光电二极管）。它可以可替代地是例如x射线检测器（诸如硅漂移检测器（sdd）或硅锂（si（li））检测器）或电子传感器（例如（硅/抽真空）光电倍增管）。如果需要的话它可以是可移动的（例如以便允许它捕获具体角度范围的通量e），和/或利用能量滤波器提供的（例如以便允许它检查具体能量范围的通量e）。

-检测器21是分段式硅电子检测器，其包括在中心孔径23（其允许初级射束3通过）周围以角度配置设置的多个独立检测段（例如四分体）。此类检测器可以例如被用来研究从样本s发出的输出背向散射电子的通量的角度依赖性。它通常将被偏置到正电势，以便吸引从样本s发射的电子。

熟练技术人员将理解可以在诸如所描绘的机构中选取许多不同类型的检测器。

通过使输入射束3在样本s上扫描，从样本s发出输出辐射（包括例如x射线、红外/可见/紫外光、二次电子（se）和/或背向散射电子（bse））。因为此类输出辐射是位置敏感的（归因于所述扫描运动），从检测器19、21获得的信息也将是依赖于位置的。该事实允许（例如）来自检测器21的信号被用于产生样本（的一部分）的bse图像，该图像基本上是作为样本s上的扫描路径位置的函数的所述信号的映射。

来自检测器19、21的信号沿着控制线（总线）25’通过，被控制器25处理，并且可以被显示在显示单元27上。此类处理可以包括诸如组合、整合、减法、伪着色、边缘增强之类的操作和熟练技术人员已知的其他处理。此外，自动识别过程（例如如被用于粒子分析）可以被包括在此类处理中。

应该注意，此类机构的许多改进和替代对熟练技术人员将是已知的，其包括但不限于：

-双射束的使用，例如用于对样本s成像的电子束3和用于加工样本s（或者在某些情况下对样本s成像）的离子束；

-在样本s处使用受控环境，例如维持几个毫巴的压力（如在所谓的环境sem中所使用的）或者通过让气体（诸如蚀刻或前驱气体等等）进入。

在当前发明的具体情境中，照明器1/电子源9可以被调整以便改变探测射束3的着陆能量ei；更具体地，ei可以被递增地增加（或减小）以便促使射束3穿透到样本s中的连续更大（或更小）深度di。使用ei和di之间的已知关系（例如参见实施例3），可以以使得递增改变的相关联深度值系列{di}具有互相相差基本上恒定深度增量∆d的连续成员的这种方式来（预先）选择一系列递增改变的能量值{ei}，由此确保被射束3探测的连续子表面能级/频带基本上在z上等间隔。此外，可以预先匹配样本s的呈现表面上的扫描网格的x/y尺寸，以使得所述网格的（重复）单元基本上是方形的（具有基本上等于∆d的侧边长度）；此扫描网格然后被控制器25用来例如通过向载台7’或/和偏转器15’发送适当的设置点来执行射束3相对于样本s的xy（例如蛇形、栅格或螺旋）扫描运动。

应该注意，可以根据需要完全自动执行（例如在由控制器25执行的软件/固件的帮助下），或者完全手动执行，或者使用混合自动/手动方法执行诸如确定关系[或执行等价校准]，确定{ei}等等之类的动作。

实施例2。

图2呈递了构成本发明的基础的原理的示意性图示。该图以图表方式描绘连续增加（或降低）碰撞在样本s的呈现表面sl上的着陆能量的探测射束的子表面强度曲线，由此：

-部分（a）中的曲线对应于现有技术方法；

-部分（b）中的曲线对应于当前发明的实施例。

要注意，各个曲线基本上是钟形的，并且它们在这里是在减去背景信号电平sb之后描绘的。特别地，要注意，与现有技术曲线（a）相比，部分（b）中的曲线更尖利，具有更z受限的峰值和更陡峭的侧面。结果，部分（b）中的相邻曲线的“肩部”的重叠点比情况（a）中的从峰值进一步下降，导致上面阐述的串扰降低。与曲线（b）相关联的任何艾里斑也比对于曲线（a）更受限制。

实施例3。

本实施例提出了一种使用校准例程确定函数关系的可能方式，由此使用物理切割和多能量（me）辐射切片的组合来分析bse信息深度。应该注意，局部化信息主要对应于发射层中的峰值位置，尽管总的bse信号传播遍及更宽的范围。该校准的可能实施例包括使mebse成像与同一体积的串行物理切割交替进行。为了获得最优准确校准，在理想情况下利用可能的最高分辨率（最小深度步长）来执行物理和me辐射切片二者。在获得足够大的数据集之后，子表面me图像与物理切片数据集中的最相似的me图像匹配，由此可以例如基于数学测量（诸如例如差方和（ssd）、绝对差和（sad）或结构相似性指数（ssi）度量）来评估相似性。假定物理切片堆叠中的每个层与已知深度值相关联，则该比较将导致使着陆能量和所检测到的bse深度互相关连的深度信息曲线。图3示出此类曲线的一个示例。