執(zhí)行帶電粒子顯微鏡中的樣本的斷層成像的方法
【專利摘要】一種執(zhí)行帶電粒子顯微鏡中的樣本的斷層成像的方法，包括下面的步驟：提供帶電粒子束；在能夠相對于所述束被傾斜的樣本夾持器上提供所述樣本；導(dǎo)向所述束通過所述樣本并且以便在圖像檢測器處形成所述樣本的圖像；在第一系列的樣本傾斜角的每一個處重復(fù)此過程以便獲得對應(yīng)的圖像集合；數(shù)學(xué)地組合來自所述集合的圖像以便構(gòu)造合成圖像，所述方法包括下面的步驟：選擇第二系列的樣本傾斜角；在所述第二系列的樣本傾斜角的每一個處，使用頻譜檢測器來生成所述樣本的頻譜圖，從而獲得頻譜圖的集合；分析所述頻譜圖以得到與所述樣本有關(guān)的合成數(shù)據(jù)；在構(gòu)造所述合成圖像中采用所述合成數(shù)據(jù)，所述頻譜圖例如可以使用從包括EDX、EELS、EFTEM及其組合的組中選擇的技術(shù)而被獲得。
【專利說明】執(zhí)行帶電粒子顯微鏡中的樣本的斷層成像的方法
[0001]本發(fā)明涉及執(zhí)行帶電粒子顯微鏡中的樣本的斷層成像的方法，包括下面的步驟:
-提供帶電粒子束；
-在能夠相對于所述束傾斜的樣本夾持器上提供所述樣本；
-導(dǎo)向所述束通過所述樣本并且以致在圖像檢測器處形成所述樣本的圖像；
-在第一系列的樣本傾斜角中的每一個處重復(fù)此過程以便獲得相應(yīng)的圖像集合；
-數(shù)學(xué)地組合來自所述集合的圖像以便構(gòu)造合成圖像。
本發(fā)明也涉及帶電粒子顯微鏡，其包括:
-帶電粒子源，用于產(chǎn)生帶電粒子束；
-樣本夾持器，用于支持并且定位樣本；
-帶電粒子透鏡系統(tǒng)，用于導(dǎo)向所述束通過所述樣本以便形成所述樣本的圖像；
-圖像檢測器，用于檢測所述圖像；
-頻譜檢測器，用于檢測所述樣本的頻譜。
[0002]為了清楚和一致性的目的，如遍及此文本和所附的權(quán)利要求所使用的下面的術(shù)語應(yīng)當(dāng)被解釋如下:
-術(shù)語“帶電粒子”涵蓋電子或離子(一般是正離子，諸如例如鎵離子或氦離子，盡管負(fù)離子也是可能的)。例如，其也可以是質(zhì)子。
[0003]-術(shù)語“帶電粒子顯微鏡”(CPM)指的是使用帶電粒子束來創(chuàng)建對象、特征或成分的放大的圖像的裝置，所述對象、特征或成分通常太小以致不能用人的裸眼看到滿意的細(xì)節(jié)。除了具有成像功能性以外，這樣的裝置也可以具有加工功能性；例如，其可以被用于通過從樣本中去除材料(“研磨”或“燒蝕”)或者向樣本添加材料(“沉積”)來局部地修整樣本。所述成像功能性和加工功能性可以由相同類型的帶電粒子來提供，或者可以由不同類型的帶電粒子來提供；例如，聚焦離子束(FIB)顯微鏡可以采用(聚焦的)離子束來用于加工目的并且采用電子束來用于成像目的(所謂的“雙束”顯微鏡)，或者其可以用相對高能量的離子束來執(zhí)行加工并且用相對低能量的離子束來執(zhí)行成像。
[0004]-術(shù)語“樣本夾持器”指的是可在其上將樣本安裝并保持在適當(dāng)?shù)奈恢玫娜魏晤愋偷淖?、平臺、臂等等。通常，這樣的樣本夾持器將被包括在載物臺組件中，通過所述載物臺組件其可以在若干自由度上被準(zhǔn)確地定位，例如通過電致動器的幫助。
[0005]-術(shù)語“帶電粒子透鏡系統(tǒng)”指的是一個或多個靜電和/或磁透鏡的系統(tǒng)，所述一個或多個靜電和/或磁透鏡可以被用于操縱帶電粒子束，用來向其提供一定的聚焦或偏轉(zhuǎn)，例如和/或以緩和其中的一個或多個像差。除了(各種類型的)常規(guī)透鏡元件之外，所述帶電粒子透鏡系統(tǒng)(粒子-光柱)也可以包括諸如偏轉(zhuǎn)器、象散校正器、多極、光圈(瞳孔)擋板等等兀件。
[0006]-此處提及的“一系列不同的樣本傾斜角”可以采用不同的形式。特別地，這樣的一系列中的連續(xù)的成員之間的傾斜增量可以是相等的或不相等的(或這些的混合)。具有不相等的傾斜增量的場景的例子包括EST (等斜率斷層攝影)(在其中所述斜率(傾斜角的正切)經(jīng)歷相等的增量)以及所謂的Saxton傾斜增量方案(在其中在朝向越來越大的傾斜角值(相對于所述樣本表面測量的)前進(jìn)時使用越來越小的傾斜增量)。除了指示帶電粒子束和樣本表面的平面之間的角度(仰角)之外，術(shù)語“傾斜角”也可以指示方位角，即所述樣本繞與其交叉的粒子-光軸的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)。傾斜角值的變化因此可以包含所述樣本繞該軸的一個或多個分立的旋轉(zhuǎn)(例如，如在所謂的“雙軸”、“多軸”和“錐形傾斜角”斷層攝影的情況下)。傾斜角系列中的增量的數(shù)量一般是可自由選擇的。
[0007]這樣的概念對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是熟悉的。
[0008]在下文中，經(jīng)由實例，常常將以電子顯微鏡的特定的上下文來闡述本發(fā)明。然而，這樣的簡化僅意在清楚/說明的目的，并且不應(yīng)當(dāng)被解釋為限制。
[0009]電子顯微術(shù)是用于成像微觀對象的公知的技術(shù)。電子顯微鏡的基本種類已經(jīng)歷進(jìn)化而成若干公知的裝置品種，諸如透射電子顯微鏡(TEM)、掃描電子顯微鏡(SEM)以及掃描透射電子顯微鏡(STEM)，并且還進(jìn)化成各種亞種，諸如所謂的“雙束”工具(例如，F(xiàn)IB-SEM)，其附加地采用“加工”離子束，允許支持性的活動，諸如例如離子束研磨或離子束誘導(dǎo)的沉積。在傳統(tǒng)的電子顯微鏡中，成像束對于在給定的成像會話期間的延長的時間段是“開啟”的；然而，也可獲得如下這樣的電子顯微鏡:在其中成像在電子的相對短的“閃爍”或“突發(fā)”的基礎(chǔ)上發(fā)生，這樣的方法在試圖例如成像移動的樣本或輻射敏感的標(biāo)本時具有潛在的益處。應(yīng)被注意的是=STEM可以是專用工具，或者其可以是在所謂的“掃描模式”(例如，通過使用某些(專用)偏轉(zhuǎn)器/檢測器/軟件而被啟用)中使用的TEM。
[0010]本發(fā)明涉及CPMs，在其中所采用的帶電粒子束通過所述樣本，如在例如TCM或STEM的情況下。為了對所述束是(足夠)透射的，所述樣本必須是相對薄的(例如，在大約十分之一微米到幾微米的量級，取決于所涉及的材料)并且所采用的帶電粒子通常被加速到相對高的能量(例如，在大約l_500keV的量級，或者甚至在MeV范圍中的能量)。這樣的薄的樣本的制備、運(yùn)輸和存儲存在巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其在軟樣本(例如，生物組織)和/或(例如，包括結(jié)晶材料的)脆弱樣本的情況下。然而，盡管目前這些挑戰(zhàn)是困難的，它們在不太遠(yuǎn)的將來注定變得甚至更加困難，因為諸如半導(dǎo)體制造、礦物學(xué)和微生物學(xué)的領(lǐng)域中的技術(shù)進(jìn)步將不可避免地要求非常更薄的樣本被研究。例如，針對未來五年的半導(dǎo)體路線圖預(yù)見:隨著新的技術(shù)和器件開始變得更加主流(例如，如在所謂的FINFETs和三門晶體管、堆疊的存儲器、納米線路等等的情況下)，集成電路中的(一些)關(guān)鍵尺寸從28nm減小到和IOnm同樣小以及更小。在這樣的結(jié)構(gòu)上執(zhí)行滿意的透射顯微可能通常要求IOnm或更小的量級的樣本厚度(以便確保僅結(jié)構(gòu)的單個層正被成像，因為ICs通常包括這樣的結(jié)構(gòu)的堆疊的層，并且隨著所述結(jié)構(gòu)變得更小，所述層的厚度也是如此)。這樣的樣本厚度的制造和處理可能伴隨著嚴(yán)重的問題。
[0011]作為使用非常薄的樣本的替代，人們可以構(gòu)想在較厚的樣本上執(zhí)行斷層透射顯微。在此方法中，因為所采用的樣本是相對厚的，透射通過其的帶電粒子將包含來自所述樣本內(nèi)的各種深度的對比度信息，以致所得到的圖像將在其深度信息方面被卷積。為了將此圖像去卷積，將需要某些形式的視差數(shù)據(jù)，以便能夠在所述樣本中的前景和背景特征之間區(qū)分。這樣的視差數(shù)據(jù)可以通過在相對于入射的帶電粒子束的各種不同傾斜角處成像所述樣本(這等同于沿著各種不同的視線來觀看所述樣本)而被提供。為了進(jìn)行將此傾斜角有區(qū)別的圖像集合實際去卷積成深度-解析的合成圖像，需要相對高級的數(shù)學(xué)處理。這樣的處理典型地是困難的并且(非常)耗時。當(dāng)除了首先獲得該圖像集合所需的可觀的時間(記住:典型的斷層成像會話可能需要使用例如100個不同的傾斜角值的量級)之外考慮這一點時，則這樣的斷層方法可能開始看上去非常不吸引人。
[0012]本發(fā)明的目的是解決這些問題。更特別地，本發(fā)明的目的是提供能夠被用于更有效率地在包括相對薄的結(jié)構(gòu)的樣本上執(zhí)行透射帶電粒子顯微的方法。特別地，本發(fā)明的目的是:這樣的方法(一般)不應(yīng)當(dāng)必須準(zhǔn)備格外薄的樣本。此外，本發(fā)明的目的是:所述方法應(yīng)當(dāng)比常規(guī)的斷層透射顯微更快和/或更準(zhǔn)確。
[0013]在如在開頭的段落中所指定的方法中實現(xiàn)了這些和其他目的，其特征在于下面的步驟:
-選擇第二系列的樣本傾斜角；
-在所述第二系列的樣本傾斜角的每一個處，使用頻譜檢測器來生成所述樣本的頻譜圖，從而獲得頻譜圖的集合；
-分析所述頻譜圖來得到與所述樣本有關(guān)的合成數(shù)據(jù)；
-在構(gòu)造所述合成圖像中采用所述合成數(shù)據(jù)。
[0014]關(guān)于此處所使用的術(shù)語，以下應(yīng)當(dāng)被注意:
-所述第二系列(S2)的樣本傾斜角可以與所述第一系列(S1)的樣本傾斜角相同或不同。S2可以是子集。S2的成員可以(部分地)與S1的成員交錯。S2的確切的形式和大小是任意的，并且可以被裁剪至特定的測量設(shè)置和/或測量會話。
[0015]-術(shù)語“頻譜圖”應(yīng)當(dāng)被解釋為指的是所述樣本的“圖”，在其中所測量的一些與合成相關(guān)的頻譜(例如，粒子能量、粒子計數(shù)、峰高、波長)被表示為所述樣本上的坐標(biāo)位置的函數(shù)。
[0016]-圖像的形成和頻譜圖的生成可以并行地或連續(xù)地發(fā)生(或者例如以交錯的方式)。并行的頻譜/圖像檢測(即，針對在S2和S1兩者中出現(xiàn)的一個/每個傾斜角值，同時地形成圖像并生成頻譜圖)是關(guān)于吞吐量有利的。
[0017]-圖像作為粒子束通過所述樣本的結(jié)果而被形成的事實不是將圖像形成限制于使用透射的粒子；可以可替代地/補(bǔ)充地使用例如散射的輻射來形成圖像。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的方法與已知的斷層透射顯微的不同之處在于:構(gòu)造期望的合成圖像所需的數(shù)學(xué)處理(去卷積)步驟采用來自所述(傾斜角有區(qū)別的)圖像集合的對比度信息以及來自所述頻譜圖的伴隨集合的合成信息兩者。此處潛在的原理是:通過能夠形成所述樣本的合成圖，人們能夠提取出不同的成分的區(qū)域之間的邊界/過渡區(qū)的位置和形式。因為區(qū)域的成分一般將影響其對所采用的帶電粒子束的不透明性，這樣的邊界/過渡區(qū)也典型地將其自身顯現(xiàn)為所述圖像集合中的對比度特征。因此，來自所述頻譜圖的集合的合成信息構(gòu)成進(jìn)入到所述數(shù)學(xué)處理步驟中的額外的(富)輸入。因為存在更多對所述數(shù)學(xué)去卷積過程可用的數(shù)據(jù)，減小數(shù)據(jù)獲取期間所采用的傾斜角值的選擇的數(shù)量可以是可能的，由此不僅加速(并豐富)了所述數(shù)學(xué)處理步驟，而且易于縮短所述數(shù)據(jù)獲取步驟。此后一個效果可能在“并發(fā)的”頻譜檢測技術(shù)(其可以與相應(yīng)的圖像的形成同時地被執(zhí)行)的情況下是特別顯著的；換句話說，所述頻譜檢測器和圖像檢測器可以并行地而不是順序地進(jìn)行它們的工作。在下面的討論中此方面將受到更多的關(guān)注。
[0019]在根據(jù)本發(fā)明的方法的特定的實施例中，使用從包括EDX (能量消散X射線頻譜學(xué)，有時也被稱為EDS)和EELS (電子能量損失頻譜學(xué))的組中選擇的技術(shù)執(zhí)行所述頻譜圖的生成，并且所述帶電粒子顯微鏡是STEM。STEM與常規(guī)的TEM的相似之處在于:其采用透射顯微術(shù)，但是其也在某些程度上相似于SEM，相似之處在于:其通過在樣本之上掃描相對窄的帶電粒子束來構(gòu)建圖像。其操作的此方面使其適用于與諸如EDX或EELS的技術(shù)一起使用。這是因為這些技術(shù)提供了通過入射的帶電粒子束在給定時間點處被截取的樣本的整個“撞擊區(qū)域”的累積頻譜；因此，為了生成在空間上解析的頻譜圖，最好是在所述樣本之上掃描窄束并且將所得到的小的撞擊區(qū)域的陣列的各個頻譜“縫合在一起”。所述EDX和EELS技術(shù)提供了如下合成信息:
-EM:此處，用窄的/聚焦的輸入帶電粒子(例如電子)束轟擊樣本。通過與這些轟擊粒子中的一個的碰撞，所述樣本的原子中的較低殼層電子可以從其軌道被放出，創(chuàng)建電子空穴，所述電子空穴被所討論的原子中的較高殼層電子的去激發(fā)迅速地填充，伴隨著同時釋放以X射線光子的形式的能量量子。以此方式發(fā)射的光子的能量簽名/分布將是所討論的原子的特定電子殼層結(jié)構(gòu)的特性，并且因此可以被用作執(zhí)行所述樣本的合成分析中的“指紋”。能量消散頻譜測定檢測器收集、分類并且計數(shù)不同能量的不同光子，產(chǎn)生針對所述輸入束被導(dǎo)向到其上的所述樣本的區(qū)域的測量的頻譜；這樣的頻譜可以被呈現(xiàn)為每通道計數(shù)(縱坐標(biāo))對通道數(shù)量(橫坐標(biāo))的圖，對應(yīng)于強(qiáng)度對能量，并且通常包括各種峰，其能量可以被用于識別生成物質(zhì)(元素、材料)并且其高度(在原則上)可以被用于估計生成物質(zhì)的相對數(shù)量。隨后移動所述樣本和/或所述束以致所述束被導(dǎo)向到所述樣本上的新的撞擊區(qū)域上，并且隨后在所述新的區(qū)域處重復(fù)上面所描述的過程。因為EDX在所檢測的X射線的基礎(chǔ)上執(zhí)行其頻譜分析，其能夠與在帶電粒子(諸如電子)的基礎(chǔ)上的圖像形成同時地被執(zhí)行；其因此形成如上面提及的“并行的”頻譜檢測的例子。應(yīng)當(dāng)被注意的是:如在本文本/權(quán)利要求中所采用的，術(shù)語EDX應(yīng)當(dāng)被解釋為包含所謂的波長消散X射線頻譜學(xué)(WDX或WDS)。此后一種技術(shù)可以被認(rèn)為是EDX的特定的細(xì)化，在其中從樣本產(chǎn)生的X射線被過濾(例如，在特定類型的晶體的幫助的情況下)，以致在任何給定的時間僅計數(shù)給定波長的X射線。
-EELS:此處，用窄的/聚焦的給定輸入能量的輸入電子束轟擊樣本。這些電子中的一些在所述樣本中將經(jīng)受非彈性散射，導(dǎo)致它們損失能量。此能量損失的量可以使用電子頻譜儀而被測量，在其中使得從所述樣本出現(xiàn)的電子通過電磁場，所述電磁場將它們的路徑朝向檢測器彎曲。電子的路徑被彎曲的程度(以及因此其在所述檢測器上的到達(dá)位置)將取決于所述電子的能量，以及因此也取決于其在所述樣本處遭受的能量損失。盡管存在所述能量損失的各種可能的起因(諸如聲子和等離子體振子激發(fā)、原子間和原子內(nèi)帶遷移以及erenkov福射產(chǎn)生),與EELS相對的最重要的起因是原子內(nèi)部殼層離子化,其對推斷由所述輸入束所撞擊上的所述樣本的區(qū)域的元素成分而言是特別有用的。一旦在所述樣本上的給定撞擊區(qū)域處已執(zhí)行了 EELS，則移動所述樣本和/或所述輸入束，以致所述束被導(dǎo)向到所述樣本上的新的區(qū)域上，并且隨后在所述新的區(qū)域處重復(fù)上面所描述的過程。在CPM中以如下這樣的方式進(jìn)行EELS是可能的:其構(gòu)成如上面所提及的“并行的”頻譜檢測技術(shù)。在一個這樣的場景中，可以使用所謂的環(huán)形暗場(ADF)檢測器(其從所述樣本收集(外圍)散射的電子，允許透射通過所述樣本的電子被所述EELS檢測器使用)來進(jìn)行圖像形成。在可替代的(或補(bǔ)充的)場景中，通過收集/配準(zhǔn)通過所述樣本而不經(jīng)受實質(zhì)上的能量損失或散射的電子的一部分來形成明場圖像；在例如US 2011/0278451 Al中更詳細(xì)地闡述了(并且也在下面的圖3中描繪了)這樣的技術(shù)。[0020]電子顯微術(shù)領(lǐng)域中的技術(shù)人員將具有對這些技術(shù)的基本的熟悉度；然而，它們的作為幫助合成圖像的數(shù)學(xué)構(gòu)造的手段在斷層透射顯微術(shù)中的應(yīng)用是高度創(chuàng)新的。
[0021]在之前的段落中所闡述的實施例的特定的細(xì)化中，所采用的技術(shù)是EDX并且所述頻譜檢測器包括被布置在所述樣本夾持器周圍的多個檢測單元。EDX頻譜的累積可以是相對慢的過程，因為EDX檢測器典型地僅具有相對小的檢測橫截面(檢測器開口角度w.r.t樣本)，并且所檢測的X射線的通量通常是相對弱的，使相對長的累積時間成為必要。通過將多個檢測器(例如，四個或更多)布置在所述樣本臺周圍的空間分布中，用以增加被呈現(xiàn)給所述X射線通量的累積檢測橫截面，并且因此用以減小所需的累積時間；作為結(jié)果，隨后可以與STEM中的圖像配準(zhǔn)一起“實時地”執(zhí)行EDX測量，S卩，前者不再充當(dāng)用以減緩后者的定時瓶頸。例如，在US 8,080, 791中描述了多檢測器EDX設(shè)置mc，其通過引用的方式被并入此處。
[0022]在根據(jù)本發(fā)明的方法的可替代的實施例中，所采用的CPM是EFTBK能量過濾的透射電子顯微鏡)。如上面所闡釋的，通過TEM中的樣本的電子可能經(jīng)歷(可變的)能量損失，以致越過所述樣本的電子通常將顯現(xiàn)出能量的范圍。在EFTEM中，僅這些能量的相對窄的帶被用于(在任何給定的時間)形成圖像。通過在各種這樣的能量帶處形成這樣的圖像，能夠因此獲取整個樣本的能量解析的圖像集合。因為，如上面所闡釋的，每個選擇的能量帶將與所述樣本中的特定材料的原子結(jié)構(gòu)相關(guān)，每個配準(zhǔn)的圖像也可以被看作所述樣本的頻譜圖，并且這樣的圖像的集合同時是頻譜圖的集合。因此這是如上面所提及的“并行的”頻譜檢測的例子。
[0023]盡管到目前為止所給出的各種例子已涉及電子顯微術(shù)，應(yīng)當(dāng)被注意的是(如上面所述的):本發(fā)明意在涵蓋除電子之外的帶電粒子。例如，在根據(jù)本發(fā)明的方法的特定的實施例中，所采用的CPM是質(zhì)子顯微鏡并且使用PIXE (質(zhì)子誘導(dǎo)的X射線放射)執(zhí)行所述頻譜圖的生成。有關(guān)更多關(guān)于PIXE的信息,例如參見:http://en.wikipedia.0rg/wiki/PIXE。
[0024]可以以各種方式處理根據(jù)本發(fā)明的方法中獲取和應(yīng)用的合成信息?，F(xiàn)在將更詳細(xì)地闡明這樣的處理的某些方面。
[0025]制作元素圖:
如在此以前已經(jīng)討論的，根據(jù)本發(fā)明的方法獲得(在不同的樣本傾斜角值處的)頻譜圖的集合。使用已知的算法，可以將頻譜圖(其實質(zhì)上是二維的、空間解析的頻譜的網(wǎng)格)轉(zhuǎn)換成所謂的元素圖(其是二維的、空間解析的元素/材料的網(wǎng)格)。這使用在所述頻譜圖的網(wǎng)格中的所有像素之上迭代的過程而被實現(xiàn)。針對每個像素，分析在該像素處獲得的頻譜中的特定的(預(yù)先選擇的)元素(例如，Si,Cu等等)的存在。這使用頻譜去卷積算法而被進(jìn)行?；旧?，對于所有元素，它們的頻譜是公知的，即:人們已經(jīng)知道，對于每個元素，如果僅存在該元素，則哪些峰會出現(xiàn)。所測量的頻譜是未知數(shù)量的元素的卷積。然而，如果人們選擇了某些元素，則可以從原始頻譜中將這些元素去卷積以給出這些元素存在的量的比率。以此方式，可以將特定的元素/成分“標(biāo)簽”附加到相應(yīng)的元素圖的每個像素。有關(guān)更多的關(guān)于此技術(shù)的信息，參考下面的鏈接:http://microanalyst, mikroanalytik.de/info2.phtmlo
[0026]|H弦圖轉(zhuǎn)換成合成圖像:
在斷層攝影中，對象的一系列角度投影被稱為正弦圖。本發(fā)明獲取基本的圖像正弦圖(在不同的樣本傾斜角處的圖像的集合)以及也獲取補(bǔ)充的元素正弦圖(從剛剛討論的過程中所得到的元素圖的集合)。在常規(guī)地被稱為“重構(gòu)”的過程中，可以使用各種已知的數(shù)學(xué)技術(shù)來將這些正弦圖中的每一個(或者由來自所述圖像和元素正弦圖中的每個的一些成員構(gòu)成的“混合”正弦圖)處理并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的合成圖像。例如:
-SIRT:同時迭代的重構(gòu)技術(shù)。
[0027]例如，參見:
http://www.vcipt.0rg/pdfs/wciptl/s2_l.pdf
P.Gilbert, Journal of Theoretical Biology (理論生物期刊),第？)6 卷、第 \ 麗,1972 年 7 月，第 105-117 頁。
[0028]-DART:離散代數(shù)重構(gòu)技術(shù)。
[0029]例如，參見:http://en.wikipedia.0rg/wiki/Algebraic_reconstruction_technique
http://www.emat.ua.ac.be/pdf/1701.pdf,以及其中的參考文獻(xiàn)。
[0030]關(guān)于詳細(xì)的信息，參考(例如)下面的公知的書籍:
A.C.Kak 和 Malcolm Slanej,Principles of Computerized Tomographic Imaging(計算機(jī)化的斷層成像的原理)，IEEE出版社，1999年。
[0031]特別地，所述書籍的第3章，尤其是第3.2和3.3節(jié)，描述了所謂的傅立葉切片定理如何可以被用作重構(gòu)過程的基礎(chǔ)。
[0032]正弦圖重構(gòu)領(lǐng)域中的其他公知的術(shù)語/技術(shù)包括例如WBP (加權(quán)的反向投影)以及POCS (投影到凸起的集合上)。
[0033]TEM斷層攝影領(lǐng)域中的技術(shù)人員將完全熟悉這些和其他數(shù)學(xué)重構(gòu)技術(shù)。然而，將它們應(yīng)用到相應(yīng)的/互補(bǔ)的元素正弦圖和圖像正弦圖中是高度創(chuàng)新的。
[0034]在根據(jù)本發(fā)明的方法的特定的實施例中，在獲取所述圖像集合中所采用的不同的樣本傾斜角的數(shù)量尤其是在所述頻譜圖的分析的基礎(chǔ)上被選擇。這樣的實施例可以采取許多可能的形式。例如:
-人們可以使用迭代方法。此處，在第一輪測量中，使用給定的“標(biāo)準(zhǔn)”數(shù)量的圖像傾斜角(例如，(從樣本表面測量的)從+60度到-60度以I度的等量增量的121個傾斜角值)來執(zhí)行本發(fā)明的方法。尤其基于可以(使用由本發(fā)明所提供的附加的頻譜圖數(shù)據(jù))重構(gòu)合成圖像的容易性，在下一輪迭代中可以選擇使用更小數(shù)量的傾斜角值(例如，少25%的值)。如此等等，直到實現(xiàn)了被認(rèn)為對特定類型/類別的樣本/研究而言是(粗略地)最優(yōu)的若干傾斜角值；此值隨后可以被用于相同類型/類別的未來測量輪次。這樣的實施例代表了后驗方法。
[0035]-可替代地，可以使用進(jìn)行中方法，由此處理器在獲取它們時檢查元素圖和圖像并且使用預(yù)先選擇的標(biāo)準(zhǔn)(例如，所觀察到的信噪比，所觀察到的邊緣粗糙、所觀察到的元素/材料的相異性、元素/材料的分布圖案、所觀察到的特征的規(guī)則性等等)來(向下或向上)調(diào)整初始選擇的傾斜角值的數(shù)量。
[0036]現(xiàn)在將在示例性的實施例和隨附的示意圖的基礎(chǔ)上更詳細(xì)地闡明本發(fā)明，其中: 圖1呈現(xiàn)了可以在其中實施根據(jù)本發(fā)明的方法的帶電粒子顯微鏡(TEM)的一部分的縱
向橫截面視圖。[0037]圖2呈現(xiàn)了可以在其中實施根據(jù)本發(fā)明的方法的帶電粒子顯微鏡中的EDX檢測器布置的一部分的縱向橫截面視圖。
[0038]圖3呈現(xiàn)了可以在其中實施根據(jù)本發(fā)明的方法的STEM中的EELS檢測設(shè)置的一部分的縱向橫截面視圖。
[0039]在所述圖中，在相關(guān)之處，使用對應(yīng)的參考符號指不對應(yīng)的部件。
[0040]實施例1
圖1呈現(xiàn)了本發(fā)明可以在其中被應(yīng)用的CPM的特定實施例的高度示意的縱向橫截面視圖。在本實例中，所述CPM是TEM。
[0041]所描繪的TEM包括真空外殼120，其經(jīng)由被連接到真空泵122的管121而被抽空。以電子槍101形式的粒子源產(chǎn)生沿粒子-光軸(成像軸)100的電子束。所述電子源101例如可以是場致發(fā)射器槍、Schottky發(fā)射器或熱電子發(fā)射器。由所述源101產(chǎn)生的電子被加速到典型的80-300keV的可調(diào)節(jié)能量(盡管例如使用具有50-500keV的可調(diào)節(jié)能量的電子的TEMs也是已知的)。經(jīng)加速的電子束隨后通過被提供在鉬片中的限束孔/隔板103。為了將所述電子束正確地對準(zhǔn)到所述孔103，可以在偏轉(zhuǎn)器102的幫助的情況下將所述束偏移和傾斜，以致所述束的中心部分沿軸100通過所述孔103。使用凝結(jié)器系統(tǒng)的磁透鏡104連同最終凝結(jié)器透鏡105 (的一部分)一起來實現(xiàn)所述束的聚焦。偏轉(zhuǎn)器(未被描繪)被用于將所述束集中在樣本上的所關(guān)心的區(qū)域上，和/或在所述樣本的表面之上掃描所述束。在此示意性的功能描繪中，所述偏轉(zhuǎn)器102被顯示為在所述CPM中的相對高處，并且最終凝結(jié)器透鏡105被顯示為是相對小的；然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解:偏轉(zhuǎn)器102可以在所述CPM中的低得多之處(例如，被嵌套在所述透鏡105內(nèi))，以及物件105可以比所描繪的大得多。
[0042]要被檢查的樣本由樣本夾持器112以如下這樣的方式支持:其可以被定位在投影系統(tǒng)106 (其最上面的透鏡元件被常規(guī)地稱為物鏡)的物平面111中。所述樣本夾持器112可以提供各種位置/運(yùn)動自由度((一個或多個)平移、俯仰、滾動和偏航中的一個或多個)，并且也可以具有溫度控制功能性(加熱或冷凍)。其可以是用于將靜態(tài)樣本保持在容納平面中的常規(guī)類型的樣本夾持器；可替代地，所述樣本夾持器112可以具有適應(yīng)于在流平面/通道(其能夠包含例如液態(tài)水或其他溶液的流)中的移動的樣本的特殊類型。
[0043]所述樣本被投影系統(tǒng)(投影透鏡系統(tǒng)、投影柱)106成像到熒光屏107上，并且可以通過窗108而被觀看。在所述屏幕上形成的放大的圖像典型地具有IO3x-1O6x范圍中的放大率，并且可以顯示例如和0.1nm —樣小或更小的細(xì)節(jié)。所述熒光屏107被連接到鉸鏈109，并且可以被縮進(jìn)/折疊起來，以致由所述投影系統(tǒng)106形成的圖像撞擊在圖像檢測器151上。注意的是:在這樣的情況下，所述投影系統(tǒng)106可能需要被(略微地)重聚焦以便在所述圖像檢測器151上而不是在所述熒光屏107上形成圖像。進(jìn)一步注意的是:所述投影系統(tǒng)106可以附加地在中間圖像平面(未被描繪)處形成中間圖像。
[0044]例如，所述圖像檢測器151可以包括電荷耦合的器件(CXD)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件，這兩者可以被用于檢測撞擊電子。作為對電子檢測的替代，也可以使用CCD/CM0S，所述CCD/CM0S檢測光，諸如由被鍵合到所述CCD/CM0S或通過(例如)光纖被連接到其上的(例如)釔鋁石榴石(YAG)晶體發(fā)射的光。在這樣的間接檢測器中，所述YAG晶體在電子擊中所述晶體時發(fā)射若干光子，并且這些光子中的一部分被所述CCD/CM0S檢測；在直接檢測器中，電子撞擊在所述ravcMos的半導(dǎo)體芯片上并且生成電子/空穴對，由此形成要被所述CCD/CM0S檢測的電荷。所述檢測器151被連接到處理裝置(控制器)以及顯示單元(未被描繪)。
[0045](例如)歸因于在所述投影系統(tǒng)106中產(chǎn)生的不完美，在所述熒光屏107上以及在所述圖像檢測器151上形成的圖像一般是畸變的。為了糾正這樣的畸變，在所述投影系統(tǒng)106中/附近可以部署各種多極。這樣的多極在圖1中沒有被描繪，以便避免弄亂該圖，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將熟悉它們的設(shè)計、定位和實現(xiàn)。
[0046]應(yīng)被注意的是:圖1僅顯示了(簡化的)TEM的示意性的呈現(xiàn)，以及，在現(xiàn)實中，TEM一般將包括多得多的偏轉(zhuǎn)器、孔等等。
[0047]在本發(fā)明的上下文中，所示出的TEM也將被提供有頻譜檢測器，在此情況下可以區(qū)分下面的情形:
(i)EFTEM:如果所述TEM被用作EFTEM，則所述圖像檢測器151也將扮演頻譜檢測器的角色，如上面所提及的。在這樣的CPM中，將使用能量“過濾器”，其目的是選擇在任何給定的時間哪種電子的能量范圍將被準(zhǔn)許到所述檢測器151。此過濾器在此處通過所述偏轉(zhuǎn)線圈152而被示意性地指示，其將“通過”某些電子能量同時將其他電子能量偏轉(zhuǎn)到旁邊。
[0048](ii)腿:作為替代(或補(bǔ)充)，所示出的TEM可以利用EDX作為頻譜檢測技術(shù)。在此方面，圖2呈現(xiàn)了可以在CPM中被用于此目的的EDX檢測器布置的一部分的縱向橫截面視圖。被部分描繪的CPM 208具有粒子-光軸209，其截取帶電粒子透鏡(未被描繪)的極片206之下的樣本204。如此處所示出的，兩個EDX檢測器202被放置在所述樣本204的相對側(cè)上；然而，這是選擇的問題，并且作為替代可以采用更多(例如四個)的檢測器或僅一個這樣的檢測器。在特定的實施例中，每個檢測器202的有效區(qū)域210優(yōu)選地對著相對于所述樣本204的大約0.25立體弧度或更多的立體角。每個檢測器202優(yōu)選地檢測在距所述樣本204的表面小于大約50度(被參考水平平面)的偏離角處的X射線，并且更優(yōu)選地，在5-35度范圍中的偏離角處；這樣低的偏離角趨向于減少來自反向散射的電子的可能的檢測器損壞，同時保持所獲得的頻譜中的相對低水平的背景Bremsstrahlung輻射，以及也有助于盡量利用所述樣本附近的可用空間。如上面已經(jīng)提及的，當(dāng)EDX被用于頻譜檢測時，所描繪的TEM可以在STEM模式中被使用。
[0049](iii) EELS:作為講一步的替代(或補(bǔ)充)，所示出的TEM可以利用EELS作為頻譜檢測技術(shù)。為此目的，所述偏轉(zhuǎn)線圈152可以被用于將所透射的電子(越過所述樣本)在遠(yuǎn)離所述光軸100并朝向軸外EELS檢測器的方向上偏轉(zhuǎn)；這在圖1中沒有被顯示，但在圖3中被詳細(xì)地示出。關(guān)于圖像檢測，可以考慮不同的可能性。例如:
-透射的電子可以被允許不受阻礙地通過所述線圈152至所述圖像檢測器151 (參見圖1)。這樣的場景不適用于如上面所提及的“并行的”頻譜檢測/圖像形成。
[0050]-可替代地，參考圖3，使用專用的暗場檢測器(318)和/或明場檢測器(340)允許“并行的”頻譜檢測/圖像形成。在此上下文中，圖3顯示了 STEM 300，其包括電子源302、照明系統(tǒng)304、樣本306和投影系統(tǒng)308。ADF檢測器設(shè)置318、220可以被用于收集散射的電子312并且使用它們以形成暗場電子圖像。另一方面，明場電子310通過孔324進(jìn)入到電子分散系統(tǒng)(棱鏡)322中，在其處它們被“扇出”成能量解析的分布352、350、356?？烧{(diào)節(jié)的孔板328U、328L允許此分布的中心核350通過，同時阻擋其邊緣部分352、356。所述邊緣部分352包括已經(jīng)遭受相對低的能量損失的電子，并且這些電子可以被檢測器設(shè)置340、342收集以形成明場電子圖像。另一方面，所述中心核350越過光學(xué)系統(tǒng)332，其將電子束330導(dǎo)向到檢測器334上的不同位置上，取決于它們的能量。以此方式，EELS頻譜信息被獲得。
[0051]如上面已經(jīng)提及的，當(dāng)EELS被用于頻譜檢測時，圖1的TEM可以在STEM模式中被使用。
[0052]下一個實施例將闡釋如何可以實施根據(jù)本發(fā)明的方法的特定的例子。
[0053]實施例2
在此實施例中，將假定:使用圖1的TEM，其被配置為操作在掃描模式(STEM)中。根據(jù)本發(fā)明的方法的特定的例子則可能包括下面的步驟:
(a)選擇第一系列S1的傾斜角值。例如，從-50度到+50度以I度的相等增量的101個傾斜角值的系列。此系列S1中的每個傾斜角可以通過適當(dāng)?shù)刂聞訄D1的樣本夾持器112(適當(dāng)薄的樣本已經(jīng)被安裝到其上)而被實現(xiàn)。
[0054](b)選擇第二系列S2的傾斜角值。在此特定的情況下，S2是S1的子系列，即，某些傾斜角值將出現(xiàn)在S1和S2兩者中，而其余的傾斜角值將僅出現(xiàn)在S1中。然而，如上面所提及的，S2的此特定的實施例純粹是可自由選擇的，并且也可以設(shè)想其他可能性，例如，S2=S10
[0055](c)針對是S1的成員的每個傾斜角值，按照光柵圖案跨越所述樣本的表面掃描所述電子束并且在檢測器151上形成所述樣本的圖像。此圖像被存儲。以此方式，圖像的集合(正弦圖)被獲得。
[0056](d)如果給定的傾斜角值也是S2的成員，則也生成該傾斜角值處的所述樣本的頻譜圖，再一次在所述電子束按照光柵圖案跨越所述樣本的表面的掃描運(yùn)動期間。與(C)中的所述圖像的形成并行地/同時地生成此頻譜圖是有效率的，盡管這不被嚴(yán)格地要求。以此方式，頻譜圖的集合(正弦圖)被獲得。這些頻譜圖可以使用諸如EDX、EELS、EFTEM等等(參見上文)技術(shù)而被獲得。
[0057](e)將來自步驟(d)的頻譜圖轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的元素圖。
[0058](f)如果期望，可以通過將來自(C)中的正弦圖的某些元素與來自(e)中的正弦圖的某些元素相混合來形成“混合”正弦圖。
[0059](g)對從步驟(C)和(e)得到的正弦圖[可替代地，對從可選的步驟(f)得到的“混合”正弦圖]執(zhí)行數(shù)學(xué)重構(gòu)算法，從而構(gòu)造所述樣本的合成圖像(斷層圖)。
[0060]
關(guān)于上面的項(C)和(d)，而且作為與本發(fā)明作為整體有關(guān)的一般性的注釋，應(yīng)被注意的是:與S2的每個成員(頻譜圖)相關(guān)聯(lián)的測量/停駐時間不需要與和S1的不在S2中的成員(圖像)相關(guān)聯(lián)的測量/停駐時間相同。例如:
-如果圖像僅需要被形成在特定的傾斜角值處，則這可以用相對短的測量/停駐時間被進(jìn)行。
[0061]-另一方面，如果必須在特定的傾斜角值處生成頻譜圖，則可以選擇更長的測量/停駐時間，以便例如保證更好的信噪比。
[0062]本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地理解本發(fā)明的此方面，并且將能夠依據(jù)他正采用的裝置/樣本來選擇相關(guān)的停駐時間。
【權(quán)利要求】
1.一種執(zhí)行帶電粒子顯微鏡中的樣本的斷層成像的方法，包括下面的步驟: -提供帶電粒子束； -在能夠相對于所述束被傾斜的樣本夾持器上提供所述樣本； -導(dǎo)向所述束通過所述樣本并且以便在圖像檢測器處形成所述樣本的圖像； -在第一系列的樣本傾斜角的每一個處重復(fù)此過程以便獲得對應(yīng)的圖像集合； -數(shù)學(xué)地組合來自所述集合的圖像以便構(gòu)造合成圖像， 其特征在于下面的步驟: -選擇第二系列的樣本傾斜角； -在所述第二系列的樣本傾斜角的每一個處，使用頻譜檢測器來生成所述樣本的頻譜圖，從而獲得頻譜圖的集合； -分析所述頻譜圖以得到與所述樣本有關(guān)的合成數(shù)據(jù)； -在構(gòu)造所述合成圖像中采用所述合成數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中使用從包括能量消散X射線頻譜學(xué)以及電子能量損失頻譜學(xué)的組中選擇的技術(shù)來執(zhí)行所述頻譜圖的生成，并且所述帶電粒子顯微鏡是掃描透射電子顯微鏡。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述技術(shù)是EDX并且所述頻譜檢測器包括被布置在所述樣本夾持器周圍的多個檢測單元。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述帶電粒子顯微鏡是能量過濾的透射電子顯微鏡。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述帶電粒子顯微鏡是質(zhì)子顯微鏡并且使用質(zhì)子誘導(dǎo)的X射線放射來執(zhí)行所述頻譜圖的生成。
6.如前面的權(quán)利要求中的任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，其中針對對所述第一系列和所述第二系列的樣本傾斜角兩者共有的至少一個樣本傾斜角，所述圖像檢測器和所述頻譜檢測器被同時地操作。
7.如前面的權(quán)利要求中的任一項權(quán)利要求所述的方法，其特征在于，其中在獲得所述圖像集合中所采用的不同的樣本傾斜角的數(shù)量尤其是在所述頻譜圖的分析的基礎(chǔ)上被選擇。
8.一種帶電粒子顯微鏡，包括: -帶電粒子源，用于產(chǎn)生帶電粒子束； -樣本夾持器，用于支持并定位樣本； -帶電粒子透鏡系統(tǒng)，用于導(dǎo)向所述束通過所述樣本以便形成所述樣本的圖像； -圖像檢測器，用于檢測所述圖像； -頻譜檢測器，用于檢測所述樣本的頻譜， 所述顯微鏡被構(gòu)造并且被布置為執(zhí)行如在權(quán)利要求1-7中的任一項權(quán)利要求中所要求權(quán)利的方法。
【文檔編號】H01J37/28GK103681189SQ201310414456
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月12日
【發(fā)明者】D.福爾德, R.肖恩馬克斯 申請人:Fei公司