CN102931044B

CN102931044B - 提供深度分辨图像的带电粒子显微镜

Info

Publication number: CN102931044B
Application number: CN201210283730.8A
Authority: CN
Inventors: F.布格霍贝尔; P.波托塞克; C.S.库伊曼; B.H.利希
Original assignee: FEI Co
Current assignee: FEI Co
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2032-08-10
Also published as: EP2557587A3; US20130037714A1; CN102954773A; JP2013037000A; EP2557587A2; EP2557586A2; EP2648207A1; CN102931044A; EP2557584A1; US20130037715A1; EP2557587B1; JP2013037001A; CN102954773B; EP2557586A3; EP2557586B1; JP6099900B2; US8581189B2; EP2557585A1; US8586921B2; JP6195699B2

Abstract

本发明涉及提供深度分辨图像的带电粒子显微镜。一种使用带电粒子显微镜检查样本的方法，包括以下步骤：将样本安装在样本保持器上；使用‑粒子‑光学柱将至少一个微粒辐射束引导到样本的表面S上，由此产生交互作用，该交互作用导致从样本发出发射辐射；使用检测器装置检测所述发射辐射的至少一部分，该方法包括如下步骤：将所述检测器装置的输出O_n记录作为所述发射辐射的出射角θ_n的函数，从而针对θ_n的多个值汇集测量结果集合M={（O_n,θ_n）}，其中所述出射角θ_n是相对于与S正交的轴测得的；使用计算机处理设备对测量结果集合M自动去卷积并将其空间分解成结果集合R={（V_k，L_k)}，其中空间变量V表示在以表面S为参考的相关联的离散深度水平L_k处的值V_k,由此n和k是整数序列的成员，并且空间变量V表示样本的作为在其体积内的位置的函数的物理性质。

Description

提供深度分辨图像的带电粒子显微镜

本发明涉及一种利用带电粒子显微镜检查样本的方法，包括以下步骤：

- 将样本安置在样本保持器上；

- 使用粒子-光学柱将至少一个微粒辐射束引导到样本的表面S上，由此产生交互作用，该交互作用导致从样本发出发射辐射；

- 使用检测器装置检测所述发射辐射的至少一部分。

本发明还涉及一种带电粒子显微镜，在该带电粒子显微镜中可以执行这样的方法。

如贯穿本文所使用的，应当将以下术语理解为与下面的解释一致：

- 术语“带电粒子”是指电子或离子（一般为阳离子，诸如，例如镓离子或氦离子）。

- 术语“显微镜”是指用于生成一般太小而无法用人的裸眼以满意细节被看到的对象、特征或部件的放大图像的设备。除了具有成像功能之外，这样的设备还可以具有机械加工功能；例如，可以使用它来通过从样本中去除材料（“研磨“或“烧蚀”）或向样本添加材料（“沉积”）而局部地修改样本。所述成像功能和机械加工功能可以由同一种类型的带电粒子、或者可以由不同类型的带电粒子提供；例如，聚焦离子束（FIB）显微镜可以采用（聚焦的）离子束用于机械加工目的，以及采用电子束用于成像目的（所谓的“双射束”显微镜或“FIB-SEM”），或者它可以利用相对较高能量的离子束执行机械加工，而利用相对较低能量的离子束执行成像。基于这种解释，诸如以下项的工具应被认为落在本发明的范围之内：电子显微镜、FIB设别、EBID和IBID设备（EBID=电子束致沉积（Electron-Beam-InducedDeposition）；IBID=离子束致沉积（Ion-Beam-Induced Deposition））等。

- 术语“粒子-光学柱”是指静电透镜和/或磁透镜的集合，可以使用其来操控带电粒子束，例如，从而用于向所述带电粒子束提供一定的聚焦或偏转，和/或缓解其中的一个或多个畸变。

- 术语“检测器装置”应当被宽泛地解释为包括用于记录从样本发出的（一种或多种）发射辐射的任何检测结构。这样的检测器装置可以是单个的，或者它可以在本质上是混合的并且包括多个子检测器，例如，如检测器单元在样本台周围的空间分布或像素化检测器的情况下那样。

在下文中，将常常在电子显微镜的具体语境中以举例方式来阐述本发明。然而，这样的简化仅仅是出于清楚/例示的目的，并且不应被视为是限制性的。

电子显微镜方法是用于对微观对象成像的公知技术。基本类型的电子显微镜已经演化成多个公知的设备种类，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），并且还演化成各种子类型，诸如所谓的“双射束”工具（例如FIB-SEM），其额外采用“机械加工”离子束，从而允许诸如例如离子束研磨或离子束致沉积的支持性活动。在传统的电子显微镜中，在给定的成像时间期间成像束处于“打开”状态达更长的时间段；然而，如下这样的电子显微镜也是可用的：在该电子显微镜中，成像基于电子的相对较短的“闪光”或“突发”而发生，例如，在视图对运动的样本或辐射敏感标本成像时，这样的方法具有潜在益处。

在微粒辐射束（例如诸如电子束或离子束）撞击在样本上时，其通常以使得从样本发出不同类型的发射辐射的方式与样本进行交互。这样的发射辐射例如可以包括二次电子、反向散射（BS）电子、可见/红外/紫外光（荧光辐射和阴极射线发光）和X射线。在这些辐射类型中，电子是相对较易检测的且检测成本廉价，例如使用光电倍增管（PMT）结合闪烁体[由此应当注意，所采用的PMT可以是基于具有倍增电极的真空玻璃管设计，或者可以替代地采用基于固态半导体的检测元件（例如，如在所谓的多像素光子计数器、也称为SSPM（固态光电倍增器）的情况下那样）]。可见/红外/紫外光的检测也相对简单，并且同样可以例如使用PMT（无闪烁体）或光电二极管单元来执行。另一方面，X射线检测器一般往往相对昂贵且缓慢，并且通常提供相对有限的视场，但传统上它们在执行样本的成分/元素分析时很有用，诸如在例如所谓的EDX（能量分散X射线）检测器的情况下。

在开头的段落中所阐述的方法是从共同未决的欧洲专利申请EP 2383768A1而知道的，该申请与本发明共享一些发明人。在所述申请中，通过处于一定范围的不同射束能量下的SEM电子束来探测样本，并测量从样本发出的BS电子的强度。接下来通过使用来自一系列盲源分离技术（Blind Source Separation technique）的二阶和更高阶的统计以对来自样本内的不同层深度（z水平）的信号去卷积，来对这样获得的数据自动地进行处理。通过这种方式，人们能够为一组所述不同层深度计算出相应的一组样本图像。

然而，前面段落中的方法的主要缺点在于，为了构造期望的深度分辨的图像，必须执行不同射束能量下的一整个系列的测量，这是耗时且复杂的操作。此外，对执行多次测量会话的需要导致样本相应地被暴露大大增加的辐射剂量，一般这会导致对样本的（严重）损伤，特别是对相对脆弱的生物和矿物样本而言更是这样。

本发明的目的是解决这些问题。更具体而言，本发明的目的是提供一种方法，其中可以使用带电粒子显微镜来从样本获取深度分辨图像而无需在不同射束能量下的一整个系列的测量。具体而言，本发明的目的是这样的方法应当有助于在SEM中的应用。

这些和其他目的在开头的段落中所提出的方法中得以实现，所述方法的特征在于以下步骤：

- 将所述检测器装置的输出O_n记录作为相对于与S正交的轴测得的所述发射辐射的出射角θ_n的函数，从而汇集针对θ_n的多个值的测量结果集合M={（O_n，θ_n）}；

- 使用计算机处理设备对测量结果集合M自动地去卷积并将其空间分解为结果集合R={（V_k，L_k)}，其中空间变量V展示在以表面S为参考的相关联的离散深度水平L_k处的值V_k，

由此n和k是整数序列的成员，并且空间变量V代表样本的作为在样本体积内的位置的函数的物理性质。

在本发明和这里所使用的术语的情景下，应当注意：

•出射角θ_n是接近S测量的、带电粒子或发射辐射的光子的路径与垂直于S的所述轴（N）之间所包的角度。在垂直于N观看并以沿着S的某点p为参考时，这样的角θ_n将定义以p为中心的圆C。人们可以选择检测与C相交的所有发射辐射（例如，使用诸如图4中所示的检测器装置那样的检测器装置），或仅检测其一部分；本技术对于这两者都适用。

•空间变量V是三维变量，或者等价地，其每个分量V_k都是特定水平L_k处的二维变量。它可以表示诸如对比度、强度、密度变化、原子量、着色浓度、电子产量/X射线产量等的量，所有这些量都直接或间接地由样本（的材料）的物理特性决定，并且基于这些量，能够构造诸如例如图像、映射或频谱的实体。

熟练的技术人员将能够很好地掌握这些点。

在下文中，将针对BS电子检测的具体情况解释本发明；然而，这样的简化仅仅是出于清晰/例示的目的，并且不应被解释为是限制性的。在实践中，其他类型的发射辐射—诸如X射线或“光学”辐射（即红外、可见或紫外辐射）—也可有助于利用本发明的应用。本发明的方法甚至可以扩展到二次电子，尽管在这种情况下其有用性可能受到二次电子的（通常）相对较低的固有产生深度的限制；虽然如此，应当记住，也可以在材料中的更深处产生二次电子，这是因为由BS电子与所述材料的交互作用而导致的高阶“撞击”效应，由此能够在深度上分辨这样产生的二次电子可能变得更加引起注意。

在导致本发明的试验中，发明人认识到，从样本发出的BS电子将从该样本内的不同深度（L）被发射；因此，基于这种BS电子的检测的（例如）图像或光谱将导致来自这些不同深度的数据不可避免地被卷积。然而，发明人还认识到，在这种BS电子的出射角（θ）和其被发射的深度（L）之间存在着基本单调的线性函数相关性；根据这种函数相关性，具有相对较小的出射角（即θ相对接近于—或趋向于—垂直于样本表面S）的BS电子倾向于以更深层的发射为特征，而具有相对较大的出射角（即θ相对接近于—或趋向于—平行于样本表面S）的BS电子倾向于以更上层的发射为特征。因此，如果检测器收集沿着出射角θ_n传播的BS电子，那么可以将该检测器的输出O_n表达为来自样本内不同深度水平（z坐标）处的源的加权贡献之和，即：

其中因子ⁿW_i是权重，且f_i项代表深度L_i的某函数。类似地，如果检测器收集沿着不同出射角θ_m传播的BS电子，那么可以将该检测器的输出O_m表达为相似但不同的和：

其中，由于上文提到的角度相关性，权重^mW_i一般与权重ⁿW_i不同。发明人检查了该卷积问题，并且开发出一数学框架，借助于该数学框架可以对其（自动地）去卷积，从而使得能够将在不同的出射角下收集的原始测量结果数据转换成空间分解的结果数据，该数据包括作为样本表面以下的不同离散深度层的函数的有关样本的信息（例如对比度映射）。因此，该技术有效地执行“角度到深度”的转换。

可以将发明人所开发的数学框架阐述如下：

（i）在带电粒子束撞击样本时，其将产生以所谓的点扩展函数（PSF）为特征的表面下交互作用区。该PSF描述由所采用的检测器感知到的信号产生体积的形状。

(ii)（线性）样本中的图像I的形成可被描述为PSF K和空间变量V的三维（3D）卷积（*），其中空间变量V表示样本的作为在其体积内的位置的函数的某物理性质（例如着色浓度），从而使得：

I~K*V。

（iii）根据上文所述，沿不同的出射角（θ）进行检测将使所采用的检测器面临不同的3D PSF形式。对于在不同出射角θ_n下获得的测量结果系列n=[1,...,N］中的组成图像I_n，可以由下式来描述组成图像的形成：

I_n~K_n*V，

其中K_n为PSF核。应当注意，量I_n可以对应于上文指出的量O_n，或者其可以与量O_n成比例，例如是其缩放版。这里使用它取代O_n仅仅是为了使本论述成为更一般的形式。

（iv）本发明的去卷积过程由通过计算恢复各个核K_n连同未知的空间变量V而组成。这可以通过使估计的未知变量与所观测的图像序列之间的偏差（距离）D最小化来实现，即获得：

。

如果对样本或PSF核都一无所知，则获得3D盲去卷积任务。另一方面，如果能够对变量K_n应用约束（参看下面的第（vi）项），那么仅需要针对空间变量V进行优化，从而导致以下的联立优化任务：

可以从其中求解V。

（vi）能够应用于值K_n以允许实现在第（v）项中提到的简化的可能约束例如可以包括下面各项中的一个或多个：

（a）对至少一组值K_n进行计算模拟；

（b）根据经验确定至少一组值K_n；

（c）将PSF K模型化为具有有限数量的模型参数的参数化函数，在此基础上可以估计至少一组值K_n；

（d）逻辑解空间限制，由此丢弃被判定为物理上无意义（例如，负值）的理论可能值K_n；

（e）通过对第一组值K_n应用外插和/或内插来推导第二组值K_n。

(vii) 第（v）点中提到的最小偏差例如可以是从诸如以下各项的技术中选择的：最小二乘距离、Csiszar-Morimoto F偏差、Bregman偏差、α-β偏差、Bhattacharyya距离、Cramér-Rao边界、以及它们的各种衍生、混合和组合。

至于第（vi）项中提到的约束，可以给出以下补充说明。

- 在（a）中，使用数学技术来仿真材料中的带电粒子和光子的行为，从而使得能够计算PSF的形式以及能够预测代表值K_n。模拟结果的精确度和范围将尤其取决于专用于所述任务的计算/计算机资源。适于这一目的的数学模拟技术的范例是蒙特卡罗（MonteCarlo）方法、有限元分析等。

- 在（b）中，使用给定材料中的带电粒子和光子的实际行为的观测结果。这样的观测结果例如可以是对其他样本执行的实际成像会话的结果，或者是对均质材料样本执行的特定试验的结果，等等。例如，在采用本发明对包括其上已沉积有各种图案化的金属和电介质层的硅晶片的一部分的半导体样本进行成像时，可以从以下各项中的一个或多个推导出K_n值的集合：

- 在类似的半导体样本上执行的其他成像会话；

- 在空白硅晶片上执行的特定“校准测试”；

- 使用硅晶片上的各种测试涂层执行的研究试验，

- 等等。

- 在（c）中，试图直观地估计PSF可能有什么数学形式，并且然后基于此使用有限数量的相对简单的模型参数来构造参数化模型。类似的方法被用来构造例如气候变化模型或人群的行为模型。通过定义，这样的模型的结果将是简化版，但其会实现对被研究系统的基本行为的良好的总体把握。

- 在（d）中，试图通过“扫除”理论上可能但被判定为缺乏物理实际性的结果来直观地限制可能解空间的大小。例如，可以将PSF约束为仅产生正值，或将其限制到微分（即平稳变化的）函数形式，或对其统计相关性加以限制，等等。

- 在（e）中，在已经获得了第一组K_n值{K_n}₁的情况下，基于外插和/或内插从其导出第二组K_n值{K_n}₂。例如，如果观察到{K_n}₁的元素位于平滑的单调曲线上，则可以使用内插来推断中间元素的位置和/或使用外插来推断该组的边界元素的位置。

至于第（vii）项中提到的偏差，对偏差类型的具体选择可以尤其取决于在所述计算中所假设的噪声的统计学性质。例如，在高斯噪声的具体情况下，可以选择使最小二乘距离（也称为均方距离）最小化：

，

而对于其他噪声模型，可以使用上文提到的其他偏差量度之一。对于这些宽泛的偏差类别，可以指出如下情况：

- Csiszar-Morimoto F偏差（以及导出的量度）包括I和J Kullback-Leibler偏差、全变差（Total Variation）、调和平均值（Harmonic Mean）和卡方（Chi-Square）量度以及几种其他基于熵的量度。

- Bregman偏差（及导出的量度）除了包括其它项外还包括Mahalonobis距离。

- α-β偏差（及导出的量度）包括诸如普适Kullback-Leibler、三角法辨识（Triangular Discrimination）和算术几何（Arithmetic Geometric）量度的量度。

- Bhattacharyya距离度量两个分立或连续的概率分布的相似性。

可以使用诸如例如梯度下降法、随机法和期望值最大化最大似然（EMML）和最大先验法的多种技术来执行所选偏差的实际最小化（即优化）。在使用导数的迭代技术中，梯度下降法、共轭梯度法、牛顿法、准牛顿法、Levenberg-Marquardt法和内点法是最常用的方法中的一些；可以通过采用例如线搜索（Line-Searches）和信赖域（Trust-Region）方法来确保这样的方法的收敛。作为基于梯度的迭代技术的替代，可以采用优化启发，其对要优化的函数施加更少的约束或不施加约束。这样的启发方法通过主要依赖随机策略来搜索解。范例包括模拟退火、演化算法、禁忌搜索和粒子群优化。其他常用的启发方法包括例如Nelder-Mead单纯形和爬山算法。

根据本发明，存在可以用以收集测量结果集合M的不同方式。在本发明的特定实施例中：

- 所采用的检测器装置包括围绕所述样本保持器按角度分布的多个子检测器{D_n}；

- 通过同时获取测量结果集合M的组成数据对（O_n,θ_n）来汇集测量结果集合M，由此每个单个子检测器D_n捕获相关联的角度θ_n处的发射辐射并产生相关联的输出值O_n。

在这样的情形中，检测器装置被设计和实施为提供多个检测模块，每个模块D_n都能够检测沿特定出射角θ_n行进的发射辐射。通过这种方式，同时收集测量结果集合M中的数据对（O_n,θ_n）。这样的装置的范例包括：

- 基本“板状”的检测器，其被细分成诸如面对样本的象限和或环形圈的多个段；例如参见下面的图4；

- 以围绕样本的基本3D的矩阵的形式布置的独立微型检测器（诸如SSPM）的“云状”配置。

如果需要，可以“操控”从样本发出的发射辐射，以便特意地将其一定部分朝向一定的子检测器D_n指引。可以利用例如偏转线圈（在电子的情况下）或反射镜（在电磁辐射的情况下）来实现这样的操控。例如，在图4中所示的检测器（其具有中心孔）的情况下，可以使用一个或多个偏转线圈来引导某些（旁轴）电子远离孔，并且改为到达检测段上。或者，可以相对于检测器装置倾斜样本保持器，以便实现类似的效果。在这种情形下，参见图5。

建立在刚才阐述的领悟的基础上，本发明的替代（或补充）实施例的特征在于：

- 检测器装置包括单个检测器和偏转器组件，所述偏转器组件是可调节的，以便采用一组偏转位置A={A_n}，每个偏转器位置用于选择角度θ_n，其中该角度θ_n的相关联的发射辐射要被提供给该单个检测器；

- 通过依次获取测量结果集合M的组成数据对（O_n,θ_n）来汇集测量结果集合M，由此每个位置A_n允许单个检测器捕获相关联的数据对（O_n,θ_n）。

这样的偏转器组件例如可以包括如下中的一个或多个：

- 用于局部地改变从样本发出的发射辐射的方向的部件，诸如上文提到的线圈或反射镜。

- 用于相对于所述单个检测器倾斜所述样本保持器的部件。

- 用于相对于所述样本（按角度）移动所述单个检测器的部件，

在前面的话题中提到的方法论可以被描述为引起到样本中的“计算切片”。有利的是，它提供了非常好的z分辨率，但是在其到样本中的z穿透范围方面它是受限的。如果需要，可以将这样的计算切片与“物理切片”相结合，以提供增强可获得的z穿透的混合方法。这样的物理切片涉及从样本物理地去除（至少一层）材料，并且可以例如利用机械技术（例如使用薄切片机/金刚石刀）和/或辐射/烧蚀技术（例如使用激光束或宽离子束，或通过在样本上扫描聚焦离子束来研磨样本）和/或蚀刻技术（诸如例如射束致蚀刻、化学蚀刻或反应蚀刻）来执行。应当指出，在这样的物理切片的情况下，所采用的层去除过程无需是破坏性的：相反，如果需要，存在允许保留被去除的层并在稍后的时刻（再次）成像的（机械）技术。

在这样的混合计算/物理切片方法的特定实施例中，交替地使用上述计算切片和物理切片，由此：

- 使用根据本发明的计算切片技术研究样本的暴露表面S；

- 然后使用物理切片技术从表面S中“撇去”材料，从而在S下方的深度d处生成新暴露表面S'；

- 然后使用根据本发明的计算切片方法研究该新暴露表面S'。

如果需要，可以执行这样的混合方法的几次迭代，包括交替地应用计算切片和物理切片以及因此提供到样本中的越来越大的z穿透。

应当留心不要将本发明误解为基于透射电子显微镜（TEM）的已知层析成像技术，借助于该已知层析成像技术，深度信息是通过采用一定范围的不同样本倾斜角而从样本收集的。除其它不同之外，人们能够识别这两者之间的以下不同：

- TEM设备一般比SEM设备昂贵得多。

- TEM方法使用高得多的输入射束能量（典型地为200-300keV左右），这可能导致样本损坏。与此相对照，根据本发明的方法利用低得多的输入射束能量（例如1-5keV左右）令人满意地工作。

- TEM层析成像只能用在非常薄的样本（一般在厚度上<1μm）上。因为本发明不依赖于电子穿过样本的透射，所以其不遭受关于样本厚度的这种限制。

- 本发明的基于SEM的应用比基于TEM的技术具有大得多的横向范围，因为前者具有（横向）扫描性质。

– 就其本质而言，TEM层析成像不产生与本发明相关联的那种类型的卷积深度数据，并且因此不需要用统计处理技术来对这样的卷积数据执行深度分辨。

本文中的很多数学技术也在欧洲专利申请EP11177091中论述过，在该专利申请中在不同（但仍然有些相关）的问题的情形下对它们进行了介绍。在此通过引用将该后一文献并入这里。

现在将基于示范性实施例和所附的示意性图来更详细地阐述本发明，在附图中：

图1A和1B是相互关联的流程图，它们示出了用于执行根据本发明的方法的总体方案。

图2示出了根据本发明实施例的包括交替地使用计算切片和物理切片的混合技术。

图3给出了粒子光学显微镜（在本实例中为SEM）的各方面的纵向截面图，利用该粒子光学显微镜可以实施根据本发明的方法。

图4给出了图3的主题的一部分的平面图，并示出了适于同时捕获在以不同的出射角发射的电子且有助于本发明中的应用的分段电子检测器。

图5A、5B和5C给出了检测器结构的透视图，其示出了根据本发明的特定实施例如何能够操控（偏转）从样本发射的发射辐射。

在附图中，在适当时，利用对应的附图标记表示对应部分。

实施例1

图1A和1B是相互关联的流程图，它们示出了用于执行根据本发明的方法的总体方案。参考在以上论述中介绍的命名法，要指出的是：

- 图1A示出了迭代l处的针对给定PSF核K_n的算法。相继应用针对给定K_n的多次迭代周期。

– 可以将图1A中的迭代方案相继应用于每个PSF和空间变量V。对于任何一对K_n，V，在每个周期可以具有一次或多次迭代。在所示的流程图中，现在将更详细地阐述图示的步骤。从图1A开始：

- 201：这个步骤表示迭代l处的K_n值（即K_n ^l）。在l=1的特殊情况下，将已经执行了前面的初始化流程，以便“开始”迭代过程。

-203：类似地，这个步骤表示迭代l处的V值（即V^l）。再一次地，在l=1的特殊情况下，将已经执行了前面的“开始”初始化过程。

-205：使用步骤201和203的输出计算卷积K_n ^l*V^l。现在引入量I_n，其是量O_n的无量纲/缩放版本。例如，如果以伏为单位测量O_n，那么以伏为单位的其数字值是无量纲的，并且如果需要可以利用基本电子电荷（e）的值来对该数字值进行缩放，以便实现到例如以电子伏（eV）为单位的数字值的转换。在任何给定情况下，这纯粹是选择的问题，如技术人员将容易掌握的那样。在下文中将把量I_n称为“图像”。在步骤205中，确定图像I_n和卷积K_n ^l * V^l之间的偏差，即计算D (I_n║K_n ^l * V^l)。

- 207：在这里，判断步骤205中计算出的偏差是否是最小的，即是否已达到收敛。如果是这样（“是”），那么提取出所寻求的值K_n和V；如果不是这样（“否”），那么返回到流程的图顶部，以进行下一次迭代（l+1）。

现在转到图1B，本图表示图1A的普适化。并非仅示出针对测量结果序列[1,...,N]中的一个元素的过程，现在它示出了这个序列中的所有元素1...N：

- 211，213，215：这些步骤中的每个都对应于图1A的累积步骤201、203和205，但现在针对n=1（211）、n=2（213）和n=n（215）的单独情况被示出。

- 217：这个步骤对应于图1A的步骤207。

对于关于可以如何用公式表示并求解上述最小偏差问题的具体范例，参考下面的下一实施例。

实施例2

考虑即将到来的变量核去卷积任务的一种直观方式是利用所谓的贝叶斯（Bayesian）统计对其进行公式化。

首先定义贯穿下面的整个说明中将用到的多个概率：

- Pr(V|I_n)是提取空间变量V的概率，假设给定所获取的输入值I_n的情况下（参见对图1A的流程图中步骤205的以上论述来获得对“图像”值I_n的概念的解释）。

- Pr(V)是与V相关联的先验概率，表示人们的有关要重建的结构的知识。

- Pr(I_n)是与所获取的图像相关联的概率；然而，它实质上为常数，假设图像I_n是实际观测的/测量的值。

使用贝叶斯规则（Bayes’ rule），现在得到：

(1)

在贝叶斯框架中，可以将当前的问题表示为以下最大化任务：

, (2)

其中需要强制所重构的变量V的正性。为了获得物理上有意义的解，这是必要的。更常见地，将使用所谓的对数似然（log-likelihood）函数来简化该计算：

(3)

具体而言，用泊松（Poisson）过程很好地表示当前的成像过程。给定带电粒子和X射线检测器的性质，可以假设：在3D网格Ω中的每个体素x处，通过实现独立的泊松过程来形成图像。这导致：

, (4)

其中应当注意，“x”不是线性笛卡尔（Cartesian）坐标x，相反而是三维位置的代数表示。

为了恢复体积V，需要将准则最小化：

假定项不包含任何变量，则可以将准则重新定义为：

重要的是注意，这个准则与Kullback-Leibler普适化的I偏差相关。这可以从I偏差的定义看出来：

从其可以得到：

（8）中的第二项是关于最小化的常数，并且因此，使最小化等价于使最小化。

现在参考以下期刊文章：

[1] H. Lantéri, M. Roche, C. Aime, “Penalized maximum likelihood image restoration with positivity constraints: multiplicative algorithms, Inverse Problems,” vol. 18, pp. 1397-1419, 2002,

其中表明，可以利用以下迭代方案求解上面类型（2）的受正性约束的最小化问题：

这种算法也称为最大似然期望值最大化算法，在例如下面的参考文献中进一步描述了这种算法：

[2] L. Shepp, Y. Vardi, “Maximum-Likelihood reconstruction for emission tomography,” IEEE Transactions on Medical Imaging, MI-5, pp. 16-22,1982.

[3] Richardson, William Hadley. "Bayesian-Based Iterative Method of Image Restoration", JOSA 62 (1), pp 55–59, 1972.

可以通过使用幂阶q像如下那样来加快表达式（9）中的收敛：

典型地，，并且，除了加速之外，它还能够充当正则化因子。在当前的情况下，需要针对与不同PSF相关联的所有核K_n相继使用迭代算法。可以凭经验或基于诸如变量的相对变化的其他标准来评估收敛。

如果需要恢复或调整PSF核K_n的值，可以使用空间变量V和K_n变量的交替最小化。然后获得以下算法：

可以选择在每个周期针对核K_n或针对空间变量V进行更多迭代；可以基于经验/试验确定这样的选择。例如，一般注意到，V往往收敛得更快，并且因此可以花费更多的迭代来搜索不同的值K_n。

如果关于PSF或V的先验知识是可用的，则可以利用条件Pr(.|. )和联合概率Pr(.,.)的组合将其并入贝叶斯公式中，如下所示：

接下来，然后修改最小化问题（2），如下所示：

并且然后，要最小化的对数似然准则变为

尽管第一项是确保人们拟合观测结果的数据项，但第二和第三项被称为正则项，该正则项使用关于变量的知识和假设限制解空间并减小噪声的影响。可以利用最大似然期望值最大化方法将准则最小化。也可以利用各种其他凸性和非凸性方法来实现优化，如在例如以下参考文献中所述的：

[4] William H. Press ,Saul A. Teukolsky ,William T. Vetterling ,BrianP. Flannery, Numerical Recipes in C: The Art of Scientific Computing, 第二版(1992)。

为完整起见，要主意的是，可以将本实施例中阐述的方法视为所谓的Richardson-Lucey算法（RLA）的混合体/变体。RLA是可用于求解多种问题的已知数学技术。例如，NASA的科学家在试图通过计算改善来自原始（即未校正的）哈勃（Hubble）空间望远镜的模糊图像时使用过这种算法。

实施例3

图2（以程式化方式）示出了本发明的实施例，由此将计算切片与物理切片相组合，以便使得对样本的基于带电粒子显微镜方法的3D体成像达到相对较大的深度。

图2A（左）示出了计算切片步骤，由此，在变化的出射角（θ₁，θ₂，θ₃）下观测样本并应用3D去卷积算法，如上所述。这使得对样本的亚表面虚拟成像达到不断增大的穿透深度（在这里被示意性地标为（L₁，L₂，L₃））。

在图2B（中央）中，接下来使用物理切片步骤，由此，使用机械切割装置（例如金刚石刀）或非机械方法（例如，包括聚焦/宽离子束，或聚焦电磁波束）来从样本中物理地“撇去”一定深度的材料，从而产生新暴露的表面。

在图2C（右）中，在所述新暴露的表面上执行后续的计算切片操作。这样使得对样本的亚表面虚拟成像达到新的穿透深度（在这里被示意性地表示为（L₄，L₅，L₆））。

实施例4

图3示出了带电粒子显微镜400，在本实例中，所述带电粒子显微镜400为SEM。显微镜400包括粒子-光学柱402，其产生带电粒子束404（在本实例中为电子束）。粒子-光学柱402安装在真空室406上，真空室406包括用于保持样本410的样本保持器/台408。使用真空泵（未示出）将真空室406抽空。借助于电压源422，可以将样本保持器408或至少样本410偏置（浮置）到相对于地的一电势。

粒子-光学柱402包括电子源412、用以将电子束404聚焦到样本410上的透镜414、416、以及偏转单元418。至于检测器，该设备装备有：

- 第一检测器420，用于检测响应于射束404的辐射从样本410发出的第一类型的受激发射辐射。在本范例中，检测器420是用于检测X射线的X射线检测器（诸如EDS或WDS检测器）。

- 第二检测器100，用于检测响应于射束404的辐射从样本410发射的第二类型的受激辐射。在本范例中，检测器100是分段的电子检测器。

如这里所示，该设备使用这两种检测器类型；然而，这纯粹是设计/实施选择，并且如果希望的话，也可能仅使用这些检测器类型中的仅一种。该设备还包括计算机处理设备（控制器）424，用于（除控制其它部件外）控制偏转单元418、透镜414和检测器420、100，并在显示单元426上显示从检测器420、100收集的信息。

通过在样本410上扫描射束404，受激辐射—包括例如X射线、红外/可见/紫外光、二次电子和反向散射（BS）电子—从样本410发出。在具体结构中，X射线由第一检测器420检测，而二次电子/BS电子由第二检测器100检测。由于发射辐射对位置敏感（由于所述扫描运动），所以从检测器420、100获得的信息也将是位置依赖的。

来自检测器420、100的信号通过处理设备424被处理并被显示在显示单元426上。这样的处理可以包括诸如组合、积分、减法、伪着色、边缘增强的操作以及本领域技术人员已知的其他处理。此外，（例如，如用于粒子分析的）自动化识别过程可被包括在这样的处理中。

在本发明的情形中：

- 将特定使用第二检测器100，在下面的下一实施例中对其进行更详细的描述。

- 使用处理设备424或专用独立处理单元（未示出）来对测量结果集合M执行指定的数学操作，以便对其去卷积并将其空间分解成结果集合R。

应当注意，这样的结构的很多细化和替代对于熟练技术人员来说将是已知的，包括但不限于：检测从样本410发射的（红外/可见/紫外）光，使用双射束（例如，电子束404用于成像，而离子束用于对样本410进行机械加工（或者在一些情况下用于成像）），在样本410处使用受控环境（例如，如在所谓的环境SEM中所用的那样维持几个毫巴的压力，或通过导入气体，诸如蚀刻或前体气体），等等。

实施例5

图4给出了适用于本发明中的检测器100的各方面的示意平面图（下侧视图）。在这种特定情况下，所示的检测器100尤其适于测量BS电子（尽管它也可以记录二次电子），并且在所谓的分段/象限/同心配置中进行该测量。

如这里所示，检测器100装备有以垂直于图纸的轴102为中心的通孔112。在使用中，这个轴102将大致与其中安装有检测器100的带电粒子显微镜的光轴重合。在用于SEM中时，可能不需要这样的中心孔112；相反，存在这样的孔可能仅仅导致检测器的某个区域对于从被研究样本发射的电子来说是“盲区”。然而，在TEM中，常常需要检测通过比预定义阈值更大的角被偏转/散射的电子，但允许通过更小角度被散射的电子穿过通孔112并通过TEM的成像光学系统被成像。

检测器100包括处于嵌套布置中的环形检测器区域104和106。此外，在环形检测器区域106周围按照环形配置布置四个检测器区域202-i（i=1...4），并在检测器区域202-i周围类似地布置四个检测器区域204-i。检测器100还包括多个连接垫206-j，其允许检测来自每个检测器区域的信号（j=0...N，N是检测器100上的检测器区域的总数目，其中所述垫的其中之一连接到在检测器100背面上形成的公共电极）。每个连接垫206-j通过导电迹线208-j连接到其对应的检测器区域。

例如，从共同未决的欧洲专利申请EP 2346095A2可以收集到这样的检测器100的结构详情。然而，这里将给出检测器的结构的简要介绍。

检测器100设置于n型衬底（例如，具有1-10Ω·cm的典型体电阻率的n掺杂硅衬底）上，其在一侧上被金属化以便形成所述公共背面电极。在该衬底的正面（在图4中示出）上，形成有外延Si层形式的本征层（有源层）（例如厚度为40μm）。在该外延层上方，沉积硼层，由此生成硅硼化物层的p⁺型扩散层。围绕各个辐射敏感的检测器区域104、106、202-i、204-i，形成p掺杂（例如硼掺杂）边界。所述检测器区域通过插入的n掺杂注入区域（例如具有磷掺杂剂）而彼此电绝缘，所述n掺杂注入区域与所述p掺杂区域一起形成所述检测器区域之间的p-n-p势垒（barrier）。所述外延层的一部分被二氧化硅层覆盖，在该二氧化硅层上形成铝迹线以便传送来自所述检测器区域的信号（最终连接到图3中的迹线208-j）。可以通过测量在所述公共背面电极和所讨论的检测器区域的特定铝迹线之间诱发的电流/电压来记录来自每个检测器区域104、106、202-i、204-i的信号。

因此，每个检测器区域都构成所谓的“P-I-N二极管”，由所述p⁺扩散层、本征层和n掺杂衬底形成。本征层中的任何空穴都将行进到p⁺层，并且本征层中的任何电子都将行进到n掺杂衬底。因此，本征层中产生的电子/空穴对将诱发电流。这样的电子/空穴对例如是通过碰撞的电子（来自入射电子束）在样本中产生的，由此，所产生的电子/空穴对的数目将与电子进入本征层的能量成比例，并与形成电子/空穴对所需的能量成反比。

在工作中，沿着轴102将电子束从检测器背面通过通孔112引导到位于检测器100的正（辐射敏感的）面处的样本上。在样本处，将通过碰撞的电子束释放二次电子和BS电子（除其它以外）。二次电子常常被归类为从样本发出的、能量小于50eV的电子，而BS电子一般被归类为从样本发出的、能量超过50eV的电子。优选地，通过电偏置样本或检测器，将检测器100相对于所述样本维持在稍微正的电势；通过这种方式，电子将朝向检测器被加速。通常，将检测到二次电子相当接近轴102，这是因为它们相对于轴具有相对较小的径向能量，而通过检测器区域将检测到BS电子从轴102进一步移开，因为BS电子常常从开始就具有更大的径向能量。

如上所述，将距轴102更远的检测器区域分割成四个90°的段。通过比较在不同的这种段中诱发的信号（并且还通过比较来自不同环带的信号），能够有效地从角度上分辨从样本发射的电子。

实施例6

图5A、5B和5C给出了检测器结构的透视图，其示出了根据本发明的特定方面如何能够操控（偏转）从样本发出的发射辐射。

这些图中的每个都示意性地示出了盘状样本，基本垂直的带电粒子辐射入射束IB撞击在该样本上。响应于这样的辐照，样本产生发射辐射的锥状云，其基本上沿着入射束的方向从样本向后发出。还示出了同心环形区A、B、C、D的嵌套阵列，它们基本居于入射束的中心，并与其基本垂直。这些区域A、B、C、D可以表示诸如图4中所示的分段检测器的各区域，或者它们可以仅仅是用于对发射辐射从样本传播的各种出射角进行分类的抽象。

图5A示出了“默认”情形，其基本是对称的且未被操控。在这样的情形中，例如可以将小检测器移动通过区域A、B、C、D，以便相继检测以不同出射角发出的发射辐射。或者，可以认为所示的情形示出了发射辐射在诸如图4所示的检测器的面上的对称撞击，由此实现了沿各种出射角的并行检测。图4中突出示出的（阴影区域）是“旁轴”发射辐射的相对窄的锥体，其以非常接近入射束IB的方式返回。该辐射落在区域A内部，并且可能难以检测，这是因为它如此靠近产生射束IB的带电粒子透镜的光轴。然而如上所述，因为它是以这样的小出射角发射的，所以该“旁轴”辐射将是从样本内的（相对）最深处发射的，并且因此在本发明期望的深度分辨情形中其一般包含有价值的信息。因此可以求助于一种技术将这种固有“旁轴”区偏转到可以更容易检测到它的区域中。现在将说明两种这样的技术。

在图5B中，样本已经向右倾斜，以便相对于区域A、B、C、D使发射辐射的锥体倾斜。结果，以给定出射角从样本发出的发射辐射现在将一般穿过与图5A中的情况不同的区域。

在图5C中，已经施加了偏转场，从而导致发射辐射的初始锥状外形扭曲成羽毛状的形态。再一次地，作为这种操作的结果，以给定出射角从样本发出的发射辐射典型地将同样穿过与图5A或5B的情况不同的区域。如这里所示，这样的偏转与样本倾斜一起发生；然而，在样本不倾斜的情况下也可以应用它。熟练的技术人员将知道可用于实现特定状况中所希望/需要的特定类型和程度的偏转的很多不同的静电/磁场配置。在不带电粒子发射辐射的情况下（即，包括电磁辐射），他还将知道可用于产生特定类型/程度的偏转的很多不同的透镜/镜片配置。

Claims

1.一种使用非透射带电粒子显微镜检查样本的方法，包括以下步骤：

- 将样本安装在样本保持器上；

- 使用检测器装置检测所述发射辐射的至少一部分，其特征在于如下步骤：

- 将所述检测器装置的输出O_n记录作为所述发射辐射的出射角θ_n的函数，从而针对θ_n的多个值汇集测量结果集合M={（O_n,θ_n）}，其中所述出射角θ_n是相对于与S正交的轴测得的；

- 使用计算机处理设备对所述测量结果集合M自动去卷积并将其空间分解成结果集合R={（V_k, L_k)}，其中空间变量V表示在以表面S为参考的相关联的离散深度水平L_k处的值V_k，

由此，n和k是整数序列的成员，并且空间变量V表示样本的作为在其体积内的位置的函数的物理性质。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

- 所述检测器装置包括围绕所述样本保持器按角度分布的多个子检测器{D_n}；

- 通过同时获取测量结果集合M的组成数据对（O_n,θ_n）来汇集测量结果集合M，由此每个单独的子检测器D_n捕获相关联的角度θ_n处的发射辐射并产生相关联的输出值O_n。

3.根据权利要求1所述的方法，其中：

- 所述检测器装置包括单个检测器和偏转器组件，所述偏转器组件是可调节的，以便采用一组偏转位置A={A_n}，每个偏转器位置A_n用于选择角度θ_n，与角度θ_n相关联的发射辐射将被提供给所述单个检测器；

- 通过相继获取测量结果集合M的组成数据对（O_n,θ_n）来汇集测量结果集合M，由此每个位置A_n允许所述单个检测器捕获相关联的数据对（O_n,θ_n）。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述偏转器组件是从包括下列项的组选择的：

- 用于局部地改变从样本发出的发射辐射的方向的部件；

- 用于相对于所述单个检测器倾斜所述样本保持器的部件；

- 用于相对于所述样本按角度移动所述单个检测器的部件，

以及它们的组合。

5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述发射辐射是从包括反向散射电子、X射线、红外光、可见光、紫外光及其组合的组选择的。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中对测量结果集合M的所述去卷积和空间分解是通过使检测模型和所述测量结果集合M之间的统计学偏差最小化来执行的，其中假设遭受泊松噪声和高斯噪声中的至少一种，同时向所述模型施加约束。

7.根据权利要求6所述的方法，其中以包括如下步骤的方式自动处理所述测量结果集合M：

- 定义点扩展函数，对于n的每个值，所述点扩展函数具有核值K_n，所述核值K_n表示所述检测器装置针对出射角θ_n感知到的所述微粒辐射束在样本的体积中的行为；

- 定义成像量，对于n的每个值，所述成像量具有值Q_n，所述值Q_n是K_n和V的多维卷积，使得Q_n=K_n*V；

- 对于n的每个值，通过计算确定O_n和Q_n之间的最小偏差min D (O_n║K_n*V)，其中在对值K_n施加约束的同时求解V。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其中：

- 汇集测量结果集合M并将其数学转换成对应的结果集合R的所述步骤被包括在计算切片步骤中；

- 所述计算切片步骤与物理切片步骤组合，由此使用物理材料去除方法从所述样本的原始表面物理地去除一层材料，从而露出所述样本的新暴露的表面。

9.一种带电粒子显微镜，被构造和布置成执行根据权利要求1-8中任一项所述的方法。

10.根据权利要求9的带电粒子显微镜，其中所述显微镜是扫描电子显微镜（SEM）。