CN105529235A - 具有特殊孔隙板的带电粒子显微镜 - Google Patents

具有特殊孔隙板的带电粒子显微镜 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有特殊孔隙板的带电粒子显微镜。一种带电粒子显微镜，包括：-样本保持器，用于保持样本；-源，用于产生带电粒子射束；-照射器，用于引导所述射束以便辐照所述样本；-检测器，用于检测响应于所述辐照而从样本发出的辐射通量；该照射器包括：-孔隙板，其包括在所述射束的路径中的孔隙区域，用于在射束撞击所述样本之前限定射束的几何形状，其中所述孔隙区域包括多个孔的分布，每个孔小于入射在所述孔隙板上的射束的直径。

Description

具有特殊孔隙板的带电粒子显微镜
技术领域
本发明涉及带电粒子显微镜，包括：
-样本保持器，用于保持样本；
-源，用于产生带电粒子射束；
-照射器，用于引导所述射束以便辐照所述样本；
-检测器，用于检测响应于所述辐照而从样本发出的辐射通量；
其中照射器包括：
-孔隙板，其包括在所述射束的路径中的孔隙区域，用于在射束撞击所述样本之前限定射束的几何形状。
本发明还涉及使用这种显微镜的各种创新方法。
背景技术
带电粒子显微术是用于尤其以电子显微术的形式来将微观对象成像的公知的且越来越重要的技术。历史上，电子显微镜的基本类已经经历演进成为许多公知的装置种类，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），并且也演进成为各种子类，诸如所谓的“双射束”工具（例如FIB-SEM），其另外地采用"加工"聚焦离子射束（FIB），以例如允许支持性活动，诸如离子射束研磨或离子射束诱发沉积（IBID）。更具体地：
-在SEM中，由扫描电子射束对样本的辐照促成“附属”辐射以例如二次电子、反向散射电子、X射线和光致发光（红外光子、可见光子和/或紫外光子）的形式从样本发出；该发出的辐射的通量的一个或多个分量然后被检测到并且用于图像累积目的。
-在TEM中，用于辐照样本的电子射束被选择为具有足够高的能量以穿透样本（为了这个目的，该样本通常将比SEM样本的情况下更薄）；从样本发出的透射电子的通量然后可以被用于创建图像。当这样的TEM操作于扫描模式中（因此变成STEM）时，所讨论的图像将在辐照电子射束的扫描运动期间被累积。
能够例如从以下维基百科链接收集关于在这里阐明的一些主题的更多信息：
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。
作为对使用电子作为辐照射束的替代方案，带电粒子显微术也可以使用其它种类的带电粒子来执行。在这个方面，短语“带电粒子”应当被广泛地理解为包含例如电子、正离子（例如Ga或He离子）、负离子、质子和正电子。关于基于离子的显微术，一些进一步的信息例如可以从诸如以下的来源收集：
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_Helium_Ion_Microscope
- W.H. Escovitz, T.R. Fox和R. Levi-Setti, Scanning Transmission Ion Microscope with a Field Ion Source, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 72(5), pp 1826-1828 (1975)。
应当注意的是，除了成像，带电粒子显微镜还可以具有其他功能，诸如执行光谱术、检查衍射图、执行（局部化）表面改性（例如，研磨、刻蚀、沉积）等。
在所有情况下，带电粒子显微镜（CPM）将包括至少如下部件：
-辐射源，诸如肖特基电子源或离子枪。
-照射器，其用来操纵来自源的“原始”辐射射束并且对其执行某些操作，诸如聚焦、像差减轻、修剪（利用孔隙）、滤波等。它通常将包括一个或多个（带电粒子）透镜，并且也可以包括其它类型的（粒子）光学部件。如果需要，照射器可以被提供有偏转器系统，该偏转器系统可以被调用以使得其输出射束跨正在被研究的样本执行扫描运动。
-样本保持器，研究中的样本可以被保持和定位（例如，倾斜，旋转）在该样本保持器上。如果需要，这个保持器可以被移动以便实现射束相对于样本的期望的扫描运动。通常，这样的样本保持器将被连接到定位系统，诸如机械载台。
-检测器（用于检测从受辐照样本发出的辐射），取决于正被检测的辐射，该检测器在本质上可以是单一的或复合/分布式的，并且其可以采用许多不同的形式。示例包括光电倍增器（包括固态光电倍增器，SSPM）、光电二极管、CMOS检测器、CCD检测器、光伏电池等，它们例如可以与例如闪烁体膜一起使用。
尤其，这样的装置典型地将进一步包括：
-孔隙板，其位于照射器中并且可定位以便在带电粒子射束撞击研究中的样本之前截获带电粒子射束。这个板通常将包括对所述射束不透明的材料板（诸如金属）但是该板包括允许（至少部分）射束透射的孔隙区域。这个板用于在射束撞击所述样本之前限定/控制射束的几何形状（例如，周界形状、尺寸）。孔隙区域被修剪为具有覆盖区（footprint）/截面，该覆盖区/截面在入射的带电粒子射束被集中在其上时例如由于以下事实而被入射的带电粒子射束完全“填充”（充满）：所述射束的直径（外截面直径）至少与所述孔隙区域的直径一样大。
在下文中，本发明可以（以示例的方式）有时在电子显微术的具体情境中被阐述。然而，这样的简化意图仅为了清楚/说明性的目的，并且不应当被理解为限制性的。
上面的开头段落中阐述的显微镜的示例例如是SEM。在这种情况下，上面提到的孔隙板经常被称为例如“聚光器孔隙”或“像差控制孔隙”，并且它常规上具有限制射束截面的范围/直径/尺寸的功能；这对于图像分辨率通常是有益的，因为更加离轴的带电粒子趋向于不佳地聚焦在样本上，这是由于照射器（的一个或多个探针形成透镜（probe forming lens））中的透镜像差（诸如例如球面像差和色像差）而引起的。出于这样的目的，孔隙区域将基本上由相对较大的圆形孔构成，该圆形孔以（粒子）光学轴为中心。典型地，这样的板被定位以便位于接近照射器的最终探针形成透镜（物镜）。常规上，孔隙区域的平面内（笛卡尔XY）位置可以被微调以将其与探针形成透镜的中心精确对准。经常，显微镜用户可以在一组不同尺寸的孔隙之间进行机械切换，以便在不同分辨率和探针电流之间进行切换。
虽然诸如在前面的段落中阐述的机构目前为止已经产生了可容许的结果，但是本发明人已经进行了广泛工作以实质上改进了这个常规设计。这个努力的结果是本申请的主题。
发明内容
本发明的目标是提供上面提到的改进的带电粒子显微镜。特别地，本发明的目的是这样的显微镜应当享有目前为止常规显微镜中所一直缺乏的功能。而且，本发明的目的是该改进的显微镜设计应当比现有技术的装置更加通用，并且其应当允许获得更准确的显微术结果。
这些和其它目标在如开头段落中所阐述的带电粒子显微镜中被实现，该带电粒子显微镜的特征在于所述孔隙区域包括多个孔的分布，每个孔均小于入射在孔隙板上的射束的直径。这样的孔隙区域因此用于把单个入射射束转换成多个出射子射束，给定子射束的截面形状取决于子射束所出射的孔（在所述分布中）的形状。
本发明的关键之处可以按照数学考虑来阐述，并且也可以按照物理考虑来阐述。关于一般性数学分析，要注意以下各项：
-在带电粒子显微镜中图像形成的过程涉及样品相关信息和（粒子）光学器件相关信息的卷积。（粒子）光学器件相关信息可以例如使用所谓的点扩散函数（PSF）来以数学方式描述，点扩散函数（PSF）阐述了点状物体被介入的光学器件转换成非点状图像的（功能性）方式。
-为了从这个卷积中仅提取样品相关信息或光学器件相关信息，将必须执行某一形式的解卷积。执行这种解卷积的方便方式是在傅里叶域中，其中人们利用商Q=S/O，其中S是与样本相关的频谱，以及O是与光学器件相关的频谱。
-发明人已经观察到，当使用常规孔隙板时（具有其典型的（大的、单个）圆形孔），频谱O趋向于在本质上是准高斯的，具有多个零点。因为这样的零点发生在商Q的分母中，所以它们导致不连续性，并且这将它们自己显现为图像宽的“伪像”，其基本上可以被认为是图像噪声。
-在另一方面，当使用根据本发明的多孔的孔隙板时，观察到频谱O是更加平滑的，具有更少的（或基本上没有）零点，由此减轻上面描述的类型的不连续性，并且最终产生更加“干净”的图像，具有改进的信噪比。基于这个一般效果，人们还可以产生进一步的、更加具体的改进。特别地，由多个（显著更小的）孔的分布来代替单个（相对大的）孔的行为创建可以被“调节”为产生具体效果的参数/额外自由度。更具体来说，这样的代替创建新的参数，诸如分布形状、分布密度、分布等距/对称、孔形状、孔尺寸、孔方位等，这些参数可以被选择以便产生对频谱O的具体操纵。如下面将更详细阐述的，这样的操纵可以适用于显著的功能改进，诸如如下：
-更快速/准确的聚焦测量/控制；
-样本高度映射；
-分辨率改进。
除了上面给出的数学说明，人们还可以按照更多的物理术语理解本发明（的某些方面）。在此情境中，人们可以引入下面的辅助术语：
-在样本平面处的孔隙板孔的完美聚焦图像可以被称为包括本影（umbra）；
-如果所述图像是散焦的，则其周界将变得模糊，因此创建围绕本影的半影（penumbra）。
-人们可以（非正式地）把本影看作包含零阶成像信息，并且把半影看作包含一阶成像信息。
在具有常规、单孔（圆形）孔隙板的常规显微镜中，存在单个（圆盘形）本影和单个（环形）半影。用本发明的多孔孔隙板代替这样的孔隙板产生多个本影和半影，具有与相邻半影的重叠区域关联的伴随的高阶现象。这个高阶信息在常规情况中不存在。它不仅给出了新的/更多的关于成像过程的信息，而且它可以被操纵为（更紧密地）适应于特定要求，因为变更孔在本发明孔隙板中的相对位置、尺寸和/或形状将对应地变更所述重叠区域的尺寸/性质。此外，全体非重叠的半影的形状和尺寸可以被类似地操纵，使得一阶信息也变得潜在地更丰富。从这样的高阶重叠效果提取信息可以在某种程度上比作从例如干涉条纹或波拍提取信息。
在本发明的特定实施例中，创新的孔隙板被用于执行射束在样本上的自动聚焦操作。常规地，通过执行所谓的“聚焦系列”来发生自动聚焦，由此使得测试对象（诸如样本的特定特征）的图像的测试系列（序列）通过最佳聚焦，例如从稍微过焦通过最佳聚焦到稍微欠焦；对这个系列的分析然后将最佳聚焦的轴位置揭示为所采用的测试物体的最小图像直径的聚焦位置。然而，这样的动态方法是耗时的，并且因此经受不期望的吞吐量惩罚。另外，因为它经受一系列的多个暴露，它对辐射敏感测试对象可能是有害的。本发明以如下两个补充的方式避开这个问题：
（i）通过使用根据本发明的多孔孔隙sec，发明人已经发现散焦图像可以被赋予特定物理“条纹信息”/数学“频谱信息”，该信息唯一地指示散焦的量值；在这样的情境下，对单个图像的（数学）分析可以揭示与该图像相关联的散焦的量。为了确定散焦的方向（符号），第二图像以稍微不同的聚焦设置被形成以确定散焦增加还是减小。在这个情境下，现有技术的聚焦系列因此可以被处于稍微不同聚焦值的仅一对连续图像所代替——由此改进吞吐量，并且减小测试对象的总体辐射暴露。
（ii）如果在本发明的多孔孔隙中孔的分布相对于其质心展现出非等距（不对称）（例如通过针对孔隙板的平面内的极坐标系的（某些）不同轨道角方向具有不同特性（诸如形状、密度、径向范围、孔尺寸等）），则（i）中的方法可以被进一步改善/改进。发明人已经观察到，在这种非对称分布的情况下，上面提到的物理“条纹信息”/数学“频谱信息”可以被呈递为不仅独特地指示散焦的量值而且指示散焦的方向。在该情况下，单个图像呈递足够的信息以确定最佳聚焦的位置——因此，用快得多的静态方法代替现有技术的动态聚焦系列。
技术人员将领会到，方法（i）和/或方法（ii）可以连同关联的（一次性或周期的）预校准例程一起使用，该例程允许观察到的图像散焦程度被有效地转化成轴聚焦位置中对应的校正。
在先前实施例中阐述的自动聚焦功能凭借自身能力是基本上有优势的，但是它也容许先前不能实行的新功能。例如，在本发明的特定实施例中，创新性孔隙板在射束跨样本的至少一部分进行扫描运动期间被用于执行从包括下列各项的组中选择的操作：
-估计被射束撞击的所述部分的表面的形貌轮廓；
-产生所述部分的图像，该图像针对其中的所有点具有基本上一致的聚焦状态。
在先前段落中阐述的自动聚焦实施例的显著优点是：它基本上允许在射束扫描期间在运行中（on-the-fly）逐点聚焦（因为排除耗时的聚焦系列）。因此，扫描路径的每个点（像素/区段）的聚焦信息可以被(基本上)实时获得，并且这允许如下情况：
(a)人们可以注意到在扫描路径上每个点的最佳聚焦的轴位置，并且将这些位置参考至参考平面。以这个方式，人们可以构建被射束撞击的样本（的一部分）的表面的高度映射。
(b)不使用针对整个样本（的部分）的单个全局聚焦值，人们现在可以在扫描期间调整聚焦，从而允许实现局部化的聚焦；在其最终形式中，这个方法允许扫描图像的每点聚焦。这不仅对于非平坦样本有用，而且有优势的方面在于它允许聚焦漂移（例如，由于热效应、磁滞、振动等）被补偿。
在本发明的另一实施例中，本发明的孔隙板被用于改进样本图像的分辨率。数学上，可以示出的是，使用本发明的孔隙板的效果是通过在用于照射器的源函数上叠加阻塞函数（滤波函数）来修改该源函数，所述阻塞函数在对应于孔隙板中的孔的位置处具有第一值（例如1），并且在孔隙板的阻塞位置处具有第二值（例如0）。在透射类型CPM的情况下，以这种方式对源函数的修改导致对对比度传递函数（CTF）的关联操纵，所述对比度传递函数描述了在CPM中的最终成像过程；特别地，CTF可以被操纵以便在较高的空间频率下被扩大——其中在未修改源函数的情况下它原本将趋向于零。这样的增大进而导致改进的空间分辨率。例如参见下面的实施例4。在非透射类型CPM（诸如例如SEM）的情况下，在描述样本处的探针轮廓/行为的数学函数中发生等同效果。这样的函数通常可以被称为“成像函数”。
在先前段落中描述的实施例的特定版本中，下列各项适用：
-射束的扫描运动被用于执行对样本的稀疏扫描；
-所述图像由在所述稀疏扫描期间收集的检测器数据构建。
稀疏扫描是一种技术，通过该技术，代替沿着样本填充扫描路径访问所有可能像素位置，人们改为仅访问相对稀疏的这种位置的集合。这种扫描技术的优势在于它必然比全扫描快（快得多），并且经受少得多的样本辐射暴露；然而，在原理上，它的缺点在于它产生了更小（小得多）的数据集合，根据该数据集合构建图像，并且这典型地转化成较低的图像分辨率。在先前段落中解释的机制提供了改进可获得分辨率的手段，这对于稀疏扫描成像是尤其重要的——针对给定的数据集合给出了更好的分辨率（经常称为“超分辨率”图像）或者允许甚至更小（更稀疏）的数据集合被用于获得给定分辨率。关于在CPM成像中（不同的）稀疏扫描技术的更多信息可以例如从欧洲专利申请EP14172871.7中收集。
在本发明的再另一实施例中，下面的内容适用。
-所采用的显微镜是透射类型显微镜，其包括用于将透射通过样本的带电粒子通量引导到检测器上的成像系统；
-本发明的孔隙板被用于测量图像聚焦（散焦）。
这个实施例利用如下事实：在透射类型显微镜中照射射束不精确对准/平行，但是通常包含照射角的（相对较窄的）分布。使用创新性孔隙（其对于当前实施例而言例如被有优势地设置在射束交叉中/附近），照射角的这个连续分布可以被离散化成不同照射角范围的集合——每个照射角范围由于如下事实而是相对窄的：照射角作为穿过相对较小孔的结果而被形成。随后，以这个方式被照射的样本将被多个不同的子射束同时照射，每个子射束具有其自己的关联（中间）射束倾斜。对于散焦图像，这些子射束中的每个将产生其自己的侧向偏移子图像，侧向偏移子图像具有侧向偏移，该侧向偏移的量值和符号取决于原始粒子（progenitor）子射束的倾斜的量值和符号；在另一方面，对于聚焦图像，所有这种侧向偏移将基本上为零。由多个这样的子射束对样本的同时照射因此将产生关联的多个个体侧向偏移的子图像，它们组合形成卷积得到的图像。然后这个图像的数学解卷积将产生关联散焦的量值和符号。以这种方式，聚焦信息可以从单个成像时间段（session）来收集（使用同时的多个子射束倾斜）而不是必须使用多个成像时间段来确定（使用个体调整的射束倾斜的时间序列）——因此，节省时间，改进吞吐量，并且减小对样本的累积辐射剂量。
如上面已经指示的，本发明关于对创新性孔隙区域给出的形式提供了相当大的灵活性/自由。除了分布的几何参数（诸如分布的节点所位于的“网格”的形式（例如，六边形、正交、极面、不规则形状等）、网格中“单元”的尺寸、所述单元的填充因子等），人们也可以（自由地）选择孔的参数——诸如孔尺寸、孔形状、孔取向等。通过提供这样的大量可调参数，本发明提供了用常规孔隙无法获得的多方面的额外自由度，并且其能够被调节以便精细地操纵前面提到的PSF/傅里叶频谱/CTF/成像函数。给出更多具体示例：
-对上面提到的网格的尺寸（节距/周期）的适当调整可以被用于增强/抑制图像中的某些（傅里叶）频率；
-与相对粗糙的网格节距相比，选择相对精细的网格节距可以预计产生更加精确的深度相关（聚焦）信息；
-选择圆形或准圆形（诸如六边形）单元形状可以预计产生针对非特定样本几何形状（诸如不规则的生物单元、矿物颗粒等）的更好的重建结果，但是在例如具有固有正交结构的样本（诸如半导体电路）的情况下，正交网格可以产生更好的结果；
-已经说过的是，人们并不被限制到规则的网格/单元形状，并且不规则或准规则的孔分布也是可允许的；
-关于孔形状/尺寸：上面/下面的阐述使得以下情况清楚：调整这些参数将调节本发明的孔隙板叠加在撞击源波上的阻塞函数（滤波函数）的形式。
在本发明的特定实施例（“异构（heterogeneous）”实施例）中，该分布包括至少两个孔，该至少两个孔关于孔尺寸、孔形状和孔取向中至少一个相互不同。这样的实施例允许在使本发明的孔隙板（的阻塞/滤波函数）适合给定情况的需要方面的最大的灵活性。
如上面已经阐述的，人们通过调整孔隙区域内孔分布和/或孔自身的参数来自由产生本发明孔隙板的许多不同的可能实施例；以这个方式，人们可以变更与孔隙板关联的PSF，能够加强/抑制伴随的傅里叶频谱中的某些频率，等等。为了允许使用本发明CPM的增加的灵活性/多样性，将有用的是，能够按期望/要求来快速/容易地部署不同的这种孔隙板。为了这个目的，在本发明的特定实施例中，给定的孔隙板由交换器机构保持，该交换器机构可以被选择性地调用来把各种不同的这样的孔隙板放置在射束路径中。如果期望的话，除了本发明的创新类型的孔隙板的各个版本之外，所述各种孔隙板也可以包含常规类型的孔隙板。在CPM的真空环境内原位具有各种孔隙板是有优势的，因为这样的板不必在每次使用之前/之后被移动通过气闸。此外，CPM用户可以在他需要改变时（例如如果他开始检查不同类型的样本，或进行不同类型的分析（成像、衍射图捕捉、光谱术），或执行校准例程等）容易地在不同孔隙板之间切换。
在前面段落中阐述的实施例的改善中，所述交换器机构从包括下面各项的组中选择：
-托盘，其包括多个保持器位置，每个保持器位置可以被提供有孔隙板，该托盘可以被移动以便在所述射束路径中定位不同的保持器位置；
-夹具，其与孔隙板库协作，该夹具能够从所述库中提取给定的孔隙板并且将其定位在所述射束路径中。
关于所述托盘，这例如可以是可旋转的旋转装置（carrousel）或可滑动的滑动装置（sled），其可以由电机（诸如例如步进电机）来驱动/定位。关于所述夹具，这例如可以是与机架/堆叠协作的SCARA机器人或其它类型的机械臂/机械手机构，该机架/堆叠具有槽位置，该槽位置中存储有各种孔隙板。如果期望，这种机构可以完全是自动化的，这例如通过以下方式实现：在电子查找表中注释各种类型的孔隙板的存储位置，并且把交换器机构（旋转装置/滑动装置驱动器、机器人臂、机架/堆叠升降机等）的相关执行器连接到计算机控制器，计算机控制器可以响应于在用户接口上的输入（诸如例如选择（触摸）屏幕上的图标）而查阅所述查找表并且把合适的控制命令发送到所述执行器以便把所选择的孔隙板定位在射束路径中。
附图说明
现在将在示例性实施例和所附示意图的基础上更详细地阐明本发明，其中：
图1呈递了根据本发明的扫描类型带电粒子显微镜的实施例的截面图。
图2A和2B均呈递了根据本发明的孔隙板的实施例的平面图。
图3呈递了根据本发明的透射类型带电粒子显微镜的实施例的截面图。
图4图示了（撞击射束的）相干角、散焦和分辨率损失之间的关系。
图5A和5B图示了本发明可以被如何用于选择性地操纵图像函数的傅里叶变换。
在相关的各个图中，使用对应的附图标记指示对应的部分。
具体实施方式
实施例 1
图1是根据本发明的CPM的实施例的高度示意性描绘；更具体地，它示出了扫描类型显微镜400的实施例，在这种情况下，扫描类型显微镜400是SEM（但是，在本发明的情境下，其可以例如正好妥当地是基于离子的显微镜）。显微镜400包括粒子光学镜筒402，该粒子光学镜筒402产生输入带电粒子的射束404（在该情况下为电子射束），该射束404沿粒子光学轴404'传播。粒子光学镜筒402被安装在真空腔室406上，该真空腔室406包括样本保持器/载台408以用于保持样本410。真空腔室406使用真空泵（未描绘）来抽空。在电压源422的帮助下，样本保持器408或至少样本410可以（如果期望的话）被偏置（浮置）到相对于接地的电位。
粒子光学镜筒402包括电子源412（诸如肖特基枪）、用于把电子射束404聚焦到样本410上的透镜414、416以及偏转单元418（用于执行射束404的射束转向/扫描）。装置400进一步包括：控制器/计算机处理装置424，其尤其用于控制偏转单元418、透镜414、416和检测器420、428，以及在显示单元426上显示从检测器420、428收集的信息。在当前情境中，项目414、416和418可以被认为被包括在上面提到的照射器中。
检测器420、428从各种可能的检测器类型中选择，该各种可能的检测器类型可被用于检查不同类型的输出辐射通量，该输出辐射通量响应于被输入射束404辐照而从样本410发出。在这里描绘的装置中，可以进行下面的检测器选择：
-检测器420是硼掺杂固态检测器，其用于检测从样本410发出的输出电子的通量（的至少一部分）；
-检测器428是分段的电子检测器，其包括设置在中央孔隙430（允许射束404通过）周围的多个独立的检测段（例如四分部）。这样的检测器例如可以用于研究从样本410发出的输出（二次或反向散射）电子的通量的角相关性（angular dependence）。
如这里所呈递的，检测器420和428两者都用于检查电子；然而，这纯粹是设计/实施选择，并且如果期望，人们也可以推选除电子之外或作为对电子的替代而检测从样本410发出的其它类型的输出辐射通量（例如X射线、阴极射线致发光）。
通过使输入射束404在样本410上进行扫描，输出辐射（包括例如X射线、红外/可见/紫外光、二次电子和/或反向散射（BS）电子的通量）从样本410发出。因为这样的输出辐射是位置敏感的（由于所述扫描运动），所以从检测器420、428获得的信息也将是位置相关的。这个事实允许检测器420的输出被用于产生（例如）样本410（的部分）的反向散射电子图像，该图像基本上是作为样本410上扫描路径位置的函数的检测器420输出的映射。
来自检测器420、428的信号沿着控制线（总线）424'传递，由控制器424处理，并且在显示单元426上显示。这样的处理可以包括诸如下述各项操作：组合、积分、相减、假着色、边缘增强和技术人员已知的其它处理。此外，自动识别过程（例如用于粒子分析）可以被包括在这样的处理中。
应当注意的是，这种设置的许多改善和替代方案将对于技术人员而言是已知的，包括但不限于：
-使用双射束——例如，用于成像的电子射束404和用于加工样本410（或在一些情况下，用于对样本410成像）的离子射束；
-使用在样本410处的受控环境——例如，保持若干毫巴（mbar）的压强（如在所谓的环境SEM中使用的）或通过接纳气体（诸如刻蚀或前驱气体）等等。尽管图1中示出的扫描类型显微镜是SEM，其在本发明的情境下可以正好妥当地是例如STEM（参见下面的实施例3）。
根据本发明（的实施例），上面阐述的类型的孔隙板A（例如在实施例2中阐明的）被（可移除/可调整地）安装在CPM 400的照射器中；在这个情况下，孔隙板A被设置为邻近于最后的透镜元件416。典型地，孔隙板A将被安装在保持器（未描绘）上，该保持器可以是上面提到的交换器类型。当射束404开启时，它将穿过板A的孔隙区域的多个孔（参见例如图2A、2B中的相应的项目54、52），并且将被再分成多个子射束——由此根据所述孔的特定分布/属性变得“图案化”。如上面/下面阐述的，这样的图案化允许实现各种有用的数学/物理效果。
实施例 2
图2A呈递了根据本发明的孔隙板A的特定实施例的平面图。例如，板A由金属薄板50（例如铂或钼）构成，具有例如达到大约0.1mm的厚度和达到大约3mm×3mm的侧向尺寸（直径）。在薄板50的区域内的是孔隙区域52，其对应于带电粒子射束的预期覆盖区，该带电粒子射束在其处于使用中时将撞击板A；如这里描绘的，孔隙区域52是圆形的，具有例如达到大约0.1mm的直径。在区域52的周界内是多个（相对较小的）孔54的分布，在这种情况下，该多个孔54具有各种形状、尺寸和和取向；虽然所描绘的孔54是矩形的，但是它们也可以具有其它形式，诸如圆形、三角形、六边形等。注意，在当前实例中，孔54的分布展示了相对于分布的质心56（也相对于孔隙区域52的中心，如这里描绘的）的非等距性。孔54通常将具有达到大约几微米（数十微米）的宽度。
当孔隙板A在CPM中处于使用中时，它被标称地定位成使得点56（近似）位于CPM的照射器的粒子光学轴（例如图1的轴404’或图3的轴8）上。沿所述粒子光学轴传播的入射粒子射束将选择性地被板A遮蔽，其中射束透射仅通过孔54发生。以这种方式，孔隙板A充当“图案化板”或空间滤波器，并且用于把入射射束再分成多个出射子射束。如上面和下面解释的，诸如孔54的特定分布和/或孔54的尺寸、形状和取向之类的参数可以被（基本上随意）选择以便产生期望的整体图案，其中其对于与通过板A的照射相关联的诸如PSF和CTF之类的实体具有伴随的特定效果。为了强调本发明的这个方面，图2B示出了图2A的主体的变型，其也是本发明的可允许实施例。
实施例 3
图3是根据本发明的另一CPM的实施例的高度示意性描绘，更具体地，其示出了透射类型显微镜M的实施例，在该情况下，透射类型显微镜M是TEM/STEM(但是，在本发明的情境中，其例如可以正好妥当地是基于离子的显微镜)。在该图中，在真空外壳2内，电子源4（诸如例如肖特基枪）产生穿过电子光学照射器6的电子射束，该电子光学照射器6用来将电子引导／聚焦到样本P（其例如可以被（局部）减薄/平面化）的所选择的部分上。该照射器6具有电子光学轴8，并且通常将包括各种静电／磁透镜、（扫描）偏转器、校正器（诸如消象散器）等等；通常，其也能够包括聚光器系统（项目6的整体有时被称为“聚光器系统”）。
样本P被保持在能够由定位设备（载台）12以多自由度定位的样本保持器10上；例如，样本保持器10可以包括能够（尤其）在XY平面（参见所描绘的笛卡尔坐标系；典型地平行于Z轴并且关于X/Y轴倾斜的运动也将是可能的）中移动的指状物。这样的移动允许沿着轴8（在Z轴方向上）行进的电子射束辐照/成像／检查样本P的不同的部分（和/或允许作为对射束扫描的替代而执行扫描运动）。可选的冷却设备14与样本保持器10密切热接触，并且能够将后者维持在低温温度，例如使用循环低温制冷剂以实现和维持期望的低温度。
沿轴8行进的（聚焦）电子射束将以如下这样的方式与样本P相互作用：该方式使得引起各种类型的“受激”辐射从样本P发出，各种类型的"受激"辐射包括（例如）二次电子、反向散射电子、X射线和光辐射（阴极射线致发光）。如果期望，在分析设备22的帮助下可以检测这些辐射类型中的一个或多个，分析设备22例如可以是组合的闪烁器／光电倍增管或EDX（能量色散X射线光谱术）模块；在这种情况下，可以使用与在SEM中基本上相同的原理来构建图像。然而，替代或补充地，人们能够研究如下电子：该电子穿越（穿过）样本P、从其出射（发出）并且继续沿着轴8（基本上，但是通常具有一些偏转/散射）传播。这样的透射电子通量进入成像系统（组合的物镜/投影透镜）24，其通常将包括各种静电透镜／磁透镜、偏转器、校正器（诸如消象散器），等等。在普通（非扫描）TEM模式中，该成像系统24能够将透射电子通量聚焦到荧光屏26上，如果期望，荧光屏26能够被缩回／拉回（如由箭头28示意地指示的）以便使其离开轴8的路径。将由成像系统24在屏幕26上形成样本P的（部分的）图像（或衍射图），并且这可以通过位于壁2的适当部分中的观看口30来观看。用于屏幕26的缩回机构本质上例如可以是机械和/或电气的，并且不在这里被描绘。
作为对在屏幕26上观看图像的替代方案，人们可以改为利用如下事实：从成像系统24出射的电子通量的焦深通常非常大（例如大约1米）。因此，各种其他类型的分析装置可以在屏幕26的下游使用，诸如：
-TEM相机C，在相机C处，电子通量可以形成静态图像（或衍射图），其可以由控制器50处理并且显示在显示设备（未描绘）上，该显示设备诸如例如是平板显示器。当不需要时，相机C可以被缩回／拉回（如由箭头28’示意地指示的）以便使其离开轴8的路径。
-STEM检测设备C’。来自设备C’的输出可以作为样本P上（X,Y）扫描射束位置的函数而被记录，并且可以构建图像，该图像是作为X、Y的函数的来自C’的输出的“映射”。 与特有地存在于相机C中的像素矩阵相反，设备C’可以包括具有例如20mm直径的单个像素。此外，与相机C的获取速率（例如每秒102个图像）相比，设备C’通常将具有高得多的获取速率（例如每秒106个点）。再次，当不需要时，设备C’可以被缩回／拉回（如由箭头28’’示意地指示的）以便使其离开轴8的路径（但是这样的缩回在例如环形圆环暗场检测设备C’的情况下将不是必要的；在这样的设备中，当该设备未处于使用中时，中央孔将允许射束通过）。
-作为对使用相机C或设备C’进行成像的替代方案，人们还可以调用光谱装置C’’，其可以是例如EELS模块（EELS=电子能量损失光谱术）。
应当注意的是，项目C、C’和 C’’的顺序/位置不是严格的，并且许多可能的变化是可以想得到的。例如光谱装置C’’也可以被集成到成像系统24中。
注意到，控制器（计算机处理器）50经由控制线（总线）50’连接到各种图示的部件。该控制器50能够提供各种功能，诸如将动作同步、提供设定点、处理信号、执行计算以及在显示设备（未描绘）上显示消息／信息。不言自明地，（示意性描绘的）控制器50可以（部分地）处于外壳2的内部或外部，并且可以根据期望具有单一结构或复合结构。技术人员将理解，外壳2的内部不必被保持处于严格的真空；例如，在所谓的“环境TEM/STEM”中，给定气体的本底大气被故意地引入／维持在外壳2内。技术人员还将理解，在实践中，可能有优势的是，限定外壳2的体积以使得在可能时它如下来紧抱轴8：它采用小管（例如直径大约为1cm）的形式（所采用的电子射束穿过该小管），但是加宽以容纳诸如源4、样本保持器10、屏幕26、相机C、检测设备C’、光谱装置C’’等之类的结构。
根据本发明（的实施例），上面阐述的类型的孔隙板A（可移除/可调整地）安装在CPM M的照射器6中；在这种情况下，孔隙板A被设置在照射器6中的射束交叉（未描绘）处/附近。再次，如果期望如此，孔隙板A可以被安装在交换器类型的保持器（未描绘）上。
实施例 4
下面的阐述给出了根据本发明的孔隙板能够如何被用于在CPM中（更具体地，在（S）TEM中）扩大对比度传递函数的数学描述。
针对SEM/STEM的探针轮廓
考虑探针形成显微镜（probe forming microscope）（诸如SEM或STEM）。用Ψ0(G)描述入射在物镜（=最终探针形成透镜（probe forming lens））上的平行波。G是电子波在所述透镜处的横穿位置（其对应于所述透镜之后的横穿动量）。如果人们忽略对时间和轴坐标z（或轴动量Gz）的（不相关的）依赖性，Ψ0(G)是射束直径内的常量函数。入射波的直径由孔隙函数A(G)纳入考虑。这里，对于G < Gmax，A(G) = 1，并且对于G > Gmax，A(G) = 0，其中Gmax表示入射射束的半径。因此：
Ψ0(G) = A(G)。
物镜的相差根据如下公知的相位差函数影响入射波:
χ(G) = ½ λ F G2 + ¼ λ3 CS G4
其中F是散焦，并且CS是球面像差（为了简单省去了其他像差），并且λ是电子波的波长。物镜之后的波变为：
Ψ(G) = exp [ 2πi χ(G) ] Ψ0(G)= exp [ 2πi χ(G) ] A(G)。
在样本处的探针的轮廓是Ψ(G)的傅里叶变换：
Ψ(x) = ∫ dG exp[ 2πi G x ] Ψ(G) = ∫ dG exp [ 2πi G x ] exp [ 2πi χ(G) ] A(G)。
如果本发明的孔隙被放置在物镜处或附近，则A(G)将被修改以使得A(G)在被本发明的孔隙所阻塞的空间频率处也等于0。当对本发明的孔隙中孔的分布做出合适选择时（即当适当选择被用于A(G) 等于0的子区域时），有可能创建Ψ(x)，与利用常规孔隙（即利用仅在一个单个区域中为非零的A(G)）获得的Ψ(x)相比，该Ψ(x)具有更锐利的边缘/特征。当探针轮廓Ψ(x)从SEM/STEM图像被适当地解卷积时，这种更锐利的边缘/特征导致更好的图像分辨率。
针对TEM的对比度传递函数
虽然在TEM中图像形成的过程比在SEM/STEM中更复杂，但是本发明的孔隙对TEM图像形成的效果也可以在与先前部分（针对SEM/STEM）中的数学描述相当的数学描述的基础上被阐明，如下所述。
考虑穿过样本的平行电子波Ψ0(v) = 1，并且忽略对时间和轴坐标z的（基本上不相关的）依赖性；这里，XY平面中的二维位置由矢量v表示。Ψ0(v)的傅里叶变换是Ψ0(G) = δ(G)，其中二维空间频率是G = v/|v|2。考虑样本中某一频率分量G的效果。在离开样本时，由该频率分量引起的小吸收ε(G)和小相移 (G)将已经把射束修改为：
Ψ(G) = δ(G) - ε(G) - i (G)。
由于散焦和像差，随后被穿越的物镜根据下式引起附加相移：
Ψ(G) = δ(G) – [ ε(G) + i (G) ] exp [ 2πi χ(G) ]
其中χ（再次）是公知的相位差函数：
χ(G) = ½ λ F G2 + ¼ λ3 CS G4
其中F是散焦，并且CS是球面像差（为了简单省去了其他像差），并且λ（再次）是电子波的波长。在图像检测器处所记录的强度与Ψ和它的复共轭的卷积（*）成比例：
三个点（∙∙∙）表示ε和的二次项，其可以被忽略。出于明显的原因，因子cos [ 2πχ(G) ]被称为幅值对比度传递函数，并且因子sin [ 2πχ(G) ]被称为相位对比度传递函数。
空间相干衰减包络
由于虚拟源的有限尺寸，射束的收敛非零。人们可以通过用分布P(G)来代替到来的射束Ψ0(G) = δ(G)来将这点纳入考虑。通常，P(G)被认为是高斯的（这是针对在源图像中强度分布的良好近似）：
RMS（均方根）宽度是 q0。这个参数q0经由关系α = λ q0与通常的相干角α相关。在针对图像强度I(G)的表达式中，人们现在必须把指数与P(G)而不是与δ(G)进行卷积：
积分示出了有限收敛角通过所谓的“空间相干衰减包络函数”使对比度传递函数衰减：
或
或者，更一般地
其中χ是χ相对于G的导数（拉普拉斯）。
在不存在球面像差和其它像差的情况下，这个包络对于小的α近似为1，并且当α > 1/(F G)时大体上开始下降到0。这种相关可以从图4中的图示来理解，图4示出了由侧向距离v = |v| = 1/G隔开的（撞击样本P的原子的）射束在散焦F = v/α处开始重叠，使得在α > v/F = 1/(F G)处发生分辨率损失。
利用本发明孔隙的空间相干衰减包络
如果本发明的孔隙被放置在源图像的平面处/附近，则P(G)在高斯分布的顶部将具有子范围，在该子范围中P(G)等于0：
这里，A(G)是阻塞函数（滤波函数），其描述本发明的孔隙板，其中在对应于孔隙板中的孔的空间频率处A(G)=1，并且在被孔隙板阻塞的空间频率处A(G)=0。
前面提到的卷积可以不再以分析方式被计算，但是人们可以仍然以P(G)的傅里叶变换的形式表达该结果。推导进行如下：
三个点（∙∙∙）表示q的更高阶项，其可以被忽略。该积分示出了由本发明的孔隙产生的收敛角的分布通过修改的空间相干衰减包络函数使对比度传递函数衰减：
。
本发明的孔隙的实质优点是：与常规高斯分布（图5A）的情况相比，它把更多的较高频率带给P(G)。因此，傅里叶变换在更高的频率G处将更大，如在图5B中图示的。在这个情景下：
-图5A图示了针对常规孔隙（虚线）和根据本发明的图案化孔隙（实线）两者的、作为空间频率G的函数的源图像P(G)。
-图5B示出了再次针对常规孔隙（虚线）和根据本发明的图案化孔隙（实线）两者的、在所选择的较高频率处的P(G)的傅里叶变换。注意到后者（实线）在前者（虚线）已经渐近地归零之后长时间保持显著高于零。
因此，利用本发明孔隙的ES(G)将在较高频率处给出比常规ES(G)更少的衰减。这提高了空间分辨率。
实施例 5
针对图案化孔隙的重建算法
在下面，使用卷积运算来对成像过程进行建模，其中y是测量的图像，h是点扩展函数核，并且x是未知的“非模糊”图像：
。
在贝叶斯项中，给定已知图像y，人们可以把所求图像x的概率表示为：
。
典型地，利用项P(R(x))来建模关于要被重建的图像的先验知识，以使得：
。
通常，R(x)是用户定义的函数，该函数使期望强度分布的先验概率最大化。针对R(x)的普通选择是先验分布，该先验分布利用已知统计偏差对图像梯度施加高斯特性：
。
然后重建过程包括发现最大可能图像，如下：
。
（5）的迭代解可以例如使用基于梯度下降的技术（诸如拟牛顿（quasi-Newtion）或任何其它高级数值优化方法）来得出。要注意的是，在（5）中，人们假设核h的先验知识。这样的知识可以例如通过点源响应的测量、从理论光学建模或从仿真来获得。如果人们不能提前识别h，人们能够替代地在所谓的盲重建问题中求解变量x和h两者：
。
还要注意到，h依赖于从成像物体到本发明图案化孔隙的距离（工作距离）。测量给定工作距离d的核并且然后应用对（5）进行求解的重建算法导致对于位于距离d处的区域具有更锐利特征的图像。局部锐利度自身可以根据（除其他方法之外）图像边缘响应的强度以及指定给它的对应的距离/深度值来确定。通过测量一连串距离的，人们可以使用这样的过程来恢复整个被成像区域的形貌。
此外，如果核h被表征为具有高分辨率（例如使用测量、理论知识或仿真），则人们可以使用压缩感测技术从所观察的图像恢复超分辨图像。在这个任务中，人们通过连续化x和y由矩阵矢量乘积来表示（1）的卷积成像过程，而由对应的矩阵算子H来表示核h，导致：
其中D是下采样矩阵算子（例如，每隔一个图像像素进行采样）。在公知的压缩感测方法中，重建任务可以被设计为经约束的ℓ1-最小化问题：
以使得
各种方法（诸如例如线性规划、基追踪降噪、正交匹配追踪和迭代硬阈值）可以被用于对（8）进行求解。

Claims (12)

1.一种带电粒子显微镜，包括：
-样本保持器，用于保持样本；
-源，用于产生带电粒子射束；
-照射器，用于引导所述射束以便辐照所述样本；
-检测器，用于检测响应于所述辐照而从样本发出的辐射通量；
其中照射器包括：
-孔隙板，其包括在所述射束的路径中的孔隙区域，用于在射束撞击所述样本之前限定射束的几何形状，
其特征在于所述孔隙区域包括多个孔的分布，每个孔小于入射在所述孔隙板上的射束的直径。
2.根据权利要求1的显微镜，其中，在所述多个孔内，存在至少两个孔，所述至少两个孔在选自包括如下各项的组的属性方面彼此不同：孔尺寸、孔形状、孔取向及其组合。
3.根据权利要求1或2的显微镜，其中所述分布展示相对其质心的非等距性。
4.根据权利要求1-3任一项的显微镜，其中所述孔隙板由交换器机构保持，所述交换器机构可以被选择性地调用以把各种不同孔隙板放置在所述射束路径中。
5.根据权利要求4的显微镜，其中所述交换器机构从包括如下各项的组中选择：
-托盘，其包括多个保持器位置，每个保持器位置可以被提供有孔隙板，该托盘可以被移动以便在所述射束路径中定位不同的保持器位置；
-夹具，其与孔隙板库协作，所述夹具能够从所述库中提取给定的孔隙板并且将其定位在所述射束路径中。
6.根据权利要求4或5的显微镜，其中所述交换器机构被提供有孔隙板集合，每个孔隙板包括所述分布的不同实施例。
7.一种使用带电粒子显微镜的方法，包括如下步骤：
-在样本保持器上提供样本；
-引导来自源的带电粒子射束通过照射器以便辐照所述样本；
-使用检测器来检测响应于所述辐照而从样本发出的辐射通量；
特别包括如下步骤：
-在射束的路径中设置包括孔隙区域的孔隙板，用于在射束撞击所述样本之前限定射束的几何形状，
其特征在于所述孔隙区域包括多个孔的分布，每个孔小于入射在所述孔隙板上的射束的直径。
8.根据权利要求7的方法，其中所述孔隙板用于执行射束在样本上的自动聚焦操作。
9.根据权利要求8的方法，其中所述孔隙板在射束跨所述样本的至少一部分的扫描运动期间被使用，以执行从包括下面各项的组中选择的操作：
-估计被所述射束撞击的所述部分的表面的形貌轮廓；
-产生所述部分的图像，所述图像针对其中的所有点具有基本一致的聚焦状态。
10.根据权利要求7的方法，其中所述孔隙板被用于提高样本图像的分辨率。
11.根据权利要求10的方法，其中：
-射束的扫描运动被用于执行对样本的稀疏扫描；
-根据在所述稀疏扫描期间收集的检测器数据构建所述图像。
12.根据权利要求7的方法，其中：
-所述显微镜是透射类型显微镜，包括用于把透射通过样本的带电粒子的通量引导到检测器上的成像系统；
-所述孔隙板被用于测量图像聚焦。
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