掃描類(lèi)型顯微鏡中的數(shù)學(xué)圖像組合的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種使用掃描類(lèi)型顯微鏡累積標(biāo)本圖像的方法，包括以下步驟： -提供從源導(dǎo)向通過(guò)照明器的輻射射束以輻射所述標(biāo)本； -提供用于檢測(cè)響應(yīng)于所述輻射從所述標(biāo)本發(fā)出的輻射通量的檢測(cè)器； -使所述射束經(jīng)受相對(duì)于標(biāo)本表面的掃描運(yùn)動(dòng)，并作為掃描位置的函數(shù)記錄所述檢測(cè) 器的輸出。
[0002] 本發(fā)明還涉及一種掃描類(lèi)型顯微鏡，在該掃描類(lèi)型顯微鏡中可以執(zhí)行這樣的方 法。這樣的顯微鏡可以使用帶電粒子來(lái)輻射所述標(biāo)本(如在例如掃描電子顯微鏡、掃描透射 電子顯微鏡、掃描離子顯微鏡和掃描透射離子顯微鏡的情況下)，或者他可以使用光子用于 這個(gè)目的(如在例如共焦顯微鏡中）。
【背景技術(shù)】
[0003] 帶電粒子顯微術(shù)是用于對(duì)微觀(guān)物體成像(特別是以電子顯微術(shù)的形式）的眾所周 知的且愈發(fā)重要的技術(shù)。歷史上，電子顯微鏡的基本屬類(lèi)（genus)已經(jīng)經(jīng)歷發(fā)展成為許多 眾所周知的設(shè)備種類(lèi)，例如透射電子顯微鏡（TEM)、掃描電子顯微鏡（SEM)和掃描透射電子 顯微鏡（STEM)，并且還發(fā)展成為各種子種類(lèi)，例如所謂的"雙射束"工具(例如FIB-SEM)，其 附加地采用"加工的"聚焦離子射束（FIB)以允許諸如例如離子射束研磨或離子射束誘導(dǎo)沉 積（IBID)之類(lèi)的支持活動(dòng)。更特別地： -在SEM中，由掃描電子射束對(duì)標(biāo)本的福射促成"輔助"福射以例如二級(jí)電子、反向散射 電子、X射線(xiàn)和光致發(fā)光(紅外、可見(jiàn)和/或紫外光子)的形式從所述標(biāo)本發(fā)出；然后，這個(gè)發(fā) 出的輻射通量中的一個(gè)或多個(gè)分量被檢測(cè)到并用于圖像累積目的。
[0004] -在??Μ中，用于輻射所述標(biāo)本的電子射束被選為具有足夠高的能量以穿透所述 標(biāo)本(為此目的，該標(biāo)本一般將比在SEM標(biāo)本情況下的更薄）；然后，從所述標(biāo)本發(fā)出的透射 電子通量可以用于創(chuàng)建圖像。當(dāng)這樣的TEM操作在掃描模式中時(shí)（因此變?yōu)镾TEM)，所討論 的圖像將在輻射電子射束的掃描運(yùn)動(dòng)期間得以累積。
[0005] 關(guān)于這里所說(shuō)明的主題中的一些的更多信息例如可以從以下的維基百科鏈接收 集： 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 作為使用電子作為輻射射束的替代，還可以使用其他種類(lèi)的帶電粒子來(lái)執(zhí)行帶電粒子 顯微術(shù)。在這個(gè)方面，短語(yǔ)"帶電粒子"應(yīng)寬泛地解釋為包含例如電子、正離子(例如Ga或 He離子)、負(fù)離子、質(zhì)子和正電子。關(guān)于基于離子的顯微術(shù)，一些另外的信息可以例如從諸如 以下各項(xiàng)的源收集： http://en. wikipedia. org/wiki/Scanning_Helium_Ion_Microscope -ff. H. Escovitzj Τ. R. Fox and R. Levi-Settij Scanning Transmission Ion Microscope with a Field Ion Source, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 72 (5), pp 1826-1828 (1975)〇
[0006] 應(yīng)當(dāng)注意，除了成像之外，帶電粒子顯微鏡（CPM)還可以具有其他功能，例如執(zhí)行 分光術(shù)、檢查衍射圖、執(zhí)行(局部化的）表面改性(例如研磨、蝕刻、沉積）等。
[0007] 除了使用帶電粒子作為輻射射束以外，還可以使用光子射束來(lái)執(zhí)行掃描顯微術(shù)。 這樣的技術(shù)的實(shí)例是所謂的共焦顯微術(shù)，其中由光子點(diǎn)源進(jìn)行的掃描輻射激勵(lì)從所述標(biāo)本 局部化發(fā)出熒光輻射?？梢允褂脵z測(cè)器來(lái)收集這個(gè)熒光輻射通量(的部分)并基于此累積圖 像。關(guān)于這個(gè)主題的更多信息例如可以從以下維基百科鏈接收集： http://en. wikipedia. org/wiki/Confocal_microscopy 在所有的情況下，掃描類(lèi)型顯微鏡將包括至少以下部件： -輻射源，例如CPM情況下的離子槍或肖特基（Schottky)源，或光學(xué)顯微鏡情況下的激 光器或燈。 -照明器，其用于操縱來(lái)自源的"原生（raw)"輻射射束并對(duì)他執(zhí)行某些操作，例如聚 焦、像差減輕、裁切(利用孔隙)、過(guò)濾等等。他一般將包括一個(gè)或多個(gè)(帶電粒子)透鏡，并還 可以包括其他類(lèi)型的(粒子)光學(xué)部件。如果需要，所述照明器可以被提供有偏轉(zhuǎn)器系統(tǒng)，可 以調(diào)用該偏轉(zhuǎn)器系統(tǒng)來(lái)使得照明器的輸出射束跨被研究的標(biāo)本執(zhí)行掃描運(yùn)動(dòng)。 -標(biāo)本支架，在該支架上接受研究的標(biāo)本可以得以支撐和定位(例如傾斜、旋轉(zhuǎn))。如果 需要，可以移動(dòng)這個(gè)支架，以便實(shí)現(xiàn)射束相對(duì)于所述標(biāo)本的期望的掃描運(yùn)動(dòng)。一般而言，這 樣的標(biāo)本支架將連接至諸如機(jī)械載臺(tái)之類(lèi)的定位系統(tǒng)。 -檢測(cè)器，取決于被檢測(cè)的輻射，該檢測(cè)器在性質(zhì)上可以是整體的或組合的/分布式 的，并且其可以采取許多不同的形式。實(shí)例包括光電倍增管(包括固態(tài)光電倍增管，SSPM)、 光電二極管、CMOS檢測(cè)器、CCD檢測(cè)器、光伏電池等，他們例如可以結(jié)合例如閃爍體薄膜來(lái) 使用。
[0008] 盡管各種形式的掃描顯微術(shù)已為人所知幾十年了，但是他們具有共同的缺點(diǎn)，該 缺點(diǎn)開(kāi)始在科學(xué)和技術(shù)的許多領(lǐng)域表明其自身成為瓶頸。這個(gè)缺點(diǎn)與以下事實(shí)有關(guān)：基于 掃描的成像傾向于是相對(duì)緩慢和冗長(zhǎng)的過(guò)程，因此其傳統(tǒng)上被限于研究很小的標(biāo)本（的部 分)，例如在CPM中典型的尺度是幾十納米并且在共焦顯微術(shù)中是幾十微米。然而，在人類(lèi) 努力的許多領(lǐng)域中，越來(lái)越需要保持由這些技術(shù)提供的分辨率，但要把他們的成像面積擴(kuò) 展數(shù)個(gè)量級(jí)。例如： -在細(xì)胞生物學(xué)中，有擴(kuò)展細(xì)胞級(jí)成像到組織級(jí)的期望，例如以便更加清楚地研究(不 同類(lèi)型）細(xì)胞之間的相互作用，特別是在腦組織、肌肉組織、腫瘤(癌組織）等中。 -在礦物學(xué)/巖石學(xué)中，有擴(kuò)展分子級(jí)的分析到晶粒和晶界級(jí)的需要，例如以便更加清 楚地研究水力壓裂研究中石頭基質(zhì)材料中的氣體捕獲行為、石英形成中的貴金屬封裝、合 成寶石和其他晶體中不想要的內(nèi)含物等。 -在半導(dǎo)體工業(yè)中，有把個(gè)體結(jié)級(jí)別的研究擴(kuò)展到整個(gè)器件和器件陣列的更寬條件的 期望，例如比如在執(zhí)行關(guān)于關(guān)鍵尺寸、重疊、污染物等的質(zhì)量控制的時(shí)候。
[0009] 然而，把當(dāng)前的掃描顯微術(shù)技術(shù)擴(kuò)展到這樣大的成像尺度將會(huì)需要如此巨大增加 的圖像累積次數(shù)以至于基本上呈現(xiàn)這樣的擴(kuò)展是不能維持的。因此，盡管有很大的期望和 需要，但就這一點(diǎn)而言，當(dāng)前的技術(shù)是如此的不切實(shí)際以至于將其自身排除在現(xiàn)實(shí)適用性 之外。
[0010] 有關(guān)目前的掃描顯微術(shù)技術(shù)的另一問(wèn)題可以在對(duì)諸如(活的）生物標(biāo)本、低溫標(biāo)本 等之類(lèi)的輻射敏感標(biāo)本進(jìn)行成像時(shí)將其自身表現(xiàn)出來(lái)。利用能量射束(尤其是帶電粒子射 束)來(lái)輻射這種標(biāo)本的這一動(dòng)作易于在所述輻射射束的撞擊足跡處/附近導(dǎo)致?lián)p壞(例如分 子重新排列/突變、解凍、干燥等)。為了減輕這個(gè)效應(yīng)，人們可能會(huì)想到降低輻射射束的強(qiáng) 度和/或增加輻射射束的掃描速度，但是這樣的措施一般導(dǎo)致不期望的信噪比（SNR)的減 小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的是解決這些問(wèn)題。特別地，本發(fā)明的目的是提供一種掃描顯微術(shù)方 法，其能夠成像相對(duì)大的標(biāo)本面積，而不招致不能維持的處理能力的不利結(jié)果。而且，本發(fā) 明的一個(gè)目的在于，這樣的方法應(yīng)當(dāng)允許在可接受的SNR以及還在降低的輻射損壞風(fēng)險(xiǎn)的 情況下對(duì)輻射敏感的標(biāo)本成像。
[0012] 在上面開(kāi)篇段落中所闡述的方法中，實(shí)現(xiàn)了這些和其他目的，所述方法的特征在 于其附加地包括以下步驟： -在第一米樣時(shí)段S1，從跨標(biāo)本稀疏分布的米樣點(diǎn)的第一群集（collection) P1米集檢 測(cè)器數(shù)據(jù)； -重復(fù)這個(gè)程序以便累積在采樣時(shí)段的相關(guān)聯(lián)集合{SJ期間采集的這樣的群集的集合 {Pn}，每個(gè)集合的基數(shù)N> 1 ; -通過(guò)使用所述集合{Pn}作為對(duì)綜合的數(shù)學(xué)重構(gòu)程序的輸入來(lái)組合所述標(biāo)本的圖像， 其中，作為所述組合過(guò)程的部分，進(jìn)行數(shù)學(xué)配準(zhǔn)校正來(lái)補(bǔ)償集合{Pn}不同成員之間的 漂移失配。
[0013] 本發(fā)明的實(shí)質(zhì)可以闡述如下，其中參照"掃描網(wǎng)格"的概念，掃描網(wǎng)格是疊加在標(biāo) 本上并包含并列采樣單元的陣列的假想數(shù)學(xué)網(wǎng)格。在傳統(tǒng)掃描顯微術(shù)中，這整個(gè)掃描網(wǎng)格 被"填充"，因?yàn)樵跇?biāo)本上描繪出掃描路徑時(shí)，所述掃描射束"觀(guān)察"網(wǎng)格中的每個(gè)單元。然 而，在本發(fā)明中，每個(gè)采樣時(shí)段S n僅觀(guān)察網(wǎng)格中單元的相對(duì)稀疏的群集P n，并且這樣的稀疏 群集的累積/產(chǎn)生的集合{Pn}(由重復(fù)采樣時(shí)段的整個(gè)集合{s n}產(chǎn)生)也僅表示網(wǎng)格中單 元的部分"零星幾個(gè)（sprinkling)"。因此： -因?yàn)樗鰭呙杈W(wǎng)格沒(méi)被填充，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了針對(duì)所述標(biāo)本的減少的(累積)掃描時(shí)間。 -因?yàn)樗鰭呙杈W(wǎng)格沒(méi)被填充，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了針對(duì)所述標(biāo)本的減少的(累積)輻射劑量。 -為了能夠從部分填充的掃描網(wǎng)格組合"完整的"圖像，本發(fā)明需要使用下文將更詳細(xì) 說(shuō)明的巧妙的計(jì)算技術(shù)。
[0014] 本發(fā)明通過(guò)使用"多次通過(guò)"方法累積圖像而實(shí)現(xiàn)了進(jìn)一步的實(shí)質(zhì)性的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò) 所述"多次通過(guò)"方法，用于最終圖像的數(shù)據(jù)在一系列的采樣時(shí)段中而非在單個(gè)時(shí)段中被采 集。這個(gè)技術(shù)通過(guò)發(fā)明人允許如下事實(shí)來(lái)提升：例如歸因于支架/載臺(tái)振動(dòng)、布朗運(yùn)動(dòng)、生 物運(yùn)動(dòng)等，顯微鏡標(biāo)本基本上處于永久（perpetual)的（不想要的）運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。為了理解本 發(fā)明的這個(gè)方面，可以對(duì)于例如運(yùn)動(dòng)攝影進(jìn)行一定程度的類(lèi)比，在運(yùn)動(dòng)攝影中，移動(dòng)的目標(biāo) (例如奔跑中的運(yùn)動(dòng)員）需要被捕獲在照片中。如果使用單次長(zhǎng)曝光，產(chǎn)生的圖像將會(huì)是模 糊的，因?yàn)橐苿?dòng)對(duì)象在曝光期間改變位置。另一方面，如果進(jìn)行了一系列短的曝光，那么結(jié) 果將是"一連串"時(shí)間連續(xù)的清晰圖像。然而，盡管運(yùn)動(dòng)攝影師一般將奢侈地自己做主具有 足夠的照明，但是顯微鏡用戶(hù)（通常在CPM的情況下）一般將受到(累積）劑量因素的(嚴(yán)重） 限制：太多的劑量可以毀壞標(biāo)本，并且太少的劑量將導(dǎo)致差的SNR。因此，不同于運(yùn)動(dòng)攝影 師，所述顯微鏡用戶(hù)一般將需要累加從各個(gè)采樣時(shí)段產(chǎn)生的個(gè)體子圖像，以便確保期望的 累積曝光。然而，在這樣做時(shí)，他將不得不允許連續(xù)子圖像捕獲之間的"畫(huà)面（frame)間"標(biāo) 本運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明通過(guò)進(jìn)行前述的數(shù)學(xué)配準(zhǔn)校正來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，所述數(shù)學(xué)配準(zhǔn)校正是發(fā)明性 圖像組合過(guò)程的重要方面，并且其將在下文更詳細(xì)地說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)注意，以此方