掃描類型顯微鏡中的數(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)向通過照明器的輻射射束以輻射所述標(biāo)本； -提供用于檢測響應(yīng)于所述輻射從所述標(biāo)本發(fā)出的輻射通量的檢測器； -使所述射束經(jīng)受相對于標(biāo)本表面的掃描運(yùn)動，并作為掃描位置的函數(shù)記錄所述檢測 器的輸出。
[0002] 本發(fā)明還涉及一種掃描類型顯微鏡，在該掃描類型顯微鏡中可以執(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)是用于對微觀物體成像(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（genus)已經(jīng)經(jīng)歷發(fā)展成為許多 眾所周知的設(shè)備種類，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，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)之類的支持活動。更特別地： -在SEM中，由掃描電子射束對標(biāo)本的福射促成"輔助"福射以例如二級電子、反向散射 電子、X射線和光致發(fā)光(紅外、可見和/或紫外光子)的形式從所述標(biāo)本發(fā)出；然后，這個發(fā) 出的輻射通量中的一個或多個分量被檢測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?。?；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)動期間得以累積。
[0005] 關(guān)于這里所說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的帶電粒子來執(zhí)行帶電粒子 顯微術(shù)。在這個方面，短語"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)行的掃描輻射激勵從所述標(biāo)本 局部化發(fā)出熒光輻射。可以使用檢測器來收集這個熒光輻射通量(的部分)并基于此累積圖 像。關(guān)于這個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，其用于操縱來自源的"原生（raw)"輻射射束并對他執(zhí)行某些操作，例如聚 焦、像差減輕、裁切(利用孔隙)、過濾等等。他一般將包括一個或多個(帶電粒子)透鏡，并還 可以包括其他類型的(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。 -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，可以移動這個支架，以便實(shí)現(xiàn)射束相對于所述標(biāo)本的期望的掃描運(yùn)動。一般而言，這 樣的標(biāo)本支架將連接至諸如機(jī)械載臺之類的定位系統(tǒng)。 -檢測器，取決于被檢測的輻射，該檢測器在性質(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檢測器、CCD檢測器、光伏電池等，他們例如可以結(jié)合例如閃爍體薄膜來 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緩慢和冗長的過程，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 努力的許多領(lǐng)域中，越來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)個量級。例如： -在細(xì)胞生物學(xué)中，有擴(kuò)展細(xì)胞級成像到組織級的期望，例如以便更加清楚地研究(不 同類型）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)展分子級的分析到晶粒和晶界級的需要，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，有把個體結(jié)級別的研究擴(kuò)展到整個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)的另一問題可以在對諸如(活的）生物標(biāo)本、低溫標(biāo)本 等之類的輻射敏感標(biāo)本進(jìn)行成像時(shí)將其自身表現(xiàn)出來。利用能量射束(尤其是帶電粒子射 束)來輻射這種標(biāo)本的這一動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)。為了減輕這個效應(yīng)，人們可能會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 情況下對輻射敏感的標(biāo)本成像。
[0012] 在上面開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 測器數(shù)據(jù)； -重復(fù)這個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}，每個集合的基數(shù)N> 1 ; -通過使用所述集合{Pn}作為對綜合的數(shù)學(xué)重構(gòu)程序的輸入來組合所述標(biāo)本的圖像， 其中，作為所述組合過程的部分，進(jìn)行數(shù)學(xué)配準(zhǔn)校正來補(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"觀察"網(wǎng)格中的每個單元。然 而，在本發(fā)明中，每個采樣時(shí)段S n僅觀察網(wǎng)格中單元的相對稀疏的群集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)段的整個集合{s n}產(chǎn)生)也僅表示網(wǎng)格中單 元的部分"零星幾個（sprinkling)"。因此： -因?yàn)樗鰭呙杈W(wǎng)格沒被填充，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了針對所述標(biāo)本的減少的(累積)掃描時(shí)間。 -因?yàn)樗鰭呙杈W(wǎng)格沒被填充，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了針對所述標(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) 說明的巧妙的計(jì)算技術(shù)。
[0014] 本發(fā)明通過使用"多次通過"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 所述"多次通過"方法，用于最終圖像的數(shù)據(jù)在一系列的采樣時(shí)段中而非在單個時(shí)段中被采 集。這個技術(shù)通過發(fā)明人允許如下事實(shí)來提升：例如歸因于支架/載臺振動、布朗運(yùn)動、生 物運(yùn)動等，顯微鏡標(biāo)本基本上處于永久（perpetual)的（不想要的）運(yùn)動狀態(tài)。為了理解本 發(fā)明的這個方面，可以對于例如運(yùn)動攝影進(jìn)行一定程度的類比，在運(yùn)動攝影中，移動的目標(biāo) (例如奔跑中的運(yùn)動員）需要被捕獲在照片中。如果使用單次長曝光，產(chǎn)生的圖像將會是模 糊的，因?yàn)橐苿訉ο笤谄毓馄陂g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（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)動攝影 師，所述顯微鏡用戶一般將需要累加從各個采樣時(shí)段產(chǎn)生的個體子圖像，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"畫面（frame)間"標(biāo) 本運(yùn)動。本發(fā)明通過進(jìn)行前述的數(shù)學(xué)配準(zhǔn)校正來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，所述數(shù)學(xué)配準(zhǔn)校正是發(fā)明性 圖像組合過程的重要方面，并且其將在下文更詳細(xì)地說明。應(yīng)當(dāng)注意，以此方