CN107622933B - 使用叠层成像术对样本成像的方法 - Google Patents

使用叠层成像术对样本成像的方法 Download PDF

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Abstract

一种使用叠层成像术对样本成像的方法，藉此，将带电粒子束从源引导通过照明器以便穿过样本并着陆在检测器上，与数学重建技术相结合地使用检测器的输出以便计算离开样本的带电粒子波前的至少一个性质，其中：所述性质为波前的相位；所述数学重建技术直接重建所述相位，而不是间接地从振幅和相位的重建的函数来导出所述相位。

Description

使用叠层成像术对样本成像的方法
本发明涉及使用叠层成像术（ptychography）对样本成像的方法，藉此，将带电粒子束从源引导通过照明器以便穿过样本并着陆在检测器上，与数学重建技术相结合地使用检测器的输出以便计算离开样本的带电粒子波前的至少一个性质。
本发明附加地涉及用于执行这样的方法的装置。
本发明进一步涉及其中可以进行这样的方法和/或其中可以包括这样的装置的带电粒子显微镜。
带电粒子显微术为用于对微观对象成像、尤其是以电子显微术的形式的公知且越来越重要的技术。在历史上，电子显微镜的基本类已经历演变为数个公知装置种类（诸如透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）以及扫描透射电子显微镜（STEM））、以及还演变为各种子种类，诸如所谓的“双射束”工具（例如，FIB-SEM），所述“双射束”工具附加地采用“加工的”聚焦离子束（FIB）从而例如允许诸如离子束铣削或离子束诱导沉积（IBID）之类的支持活动。 更具体来说：
- 在SEM中，通过扫描电子束照射样本使来自样本的“辅助”辐射的放射沉淀，例如以二次电子、背散射电子、X射线和阴极发光（红外、可见和/或紫外光子）的形式；然后检测该放射辐射的一个或多个分量并将其用于图像累积目的。
- 在TEM中，将被用来照射样本的电子束选取为具有用以穿透样本的足够高的能量（为此样本一般将比SEM样本情况下更薄）；然后可以使用从样本放射的透射电子来创建图像。当以扫描模式操作这样的TEM时（因此变成STEM），将在照射电子束的扫描运动期间累积讨论中的图像。
可以例如从以下维基百科链接收集关于这里阐明的话题中的一些的更多信息：
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
作为将电子用作照射射束的替换方案，还可以使用其它种类的带电粒子来执行带电粒子显微术。在这方面，短语“带电粒子”应被宽泛地解释为涵盖例如电子、正离子（例如Ga或He离子）、负离子、质子和正电子。关于基于非电子的带电粒子显微术，可以例如从诸如以下的参考文献收集一些进一步的信息：
https://en.wikipedia.org/wiki/Focused_ion_beam
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)，1826-1828页(1975)
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22472444
应注意，除了成像和执行（局部化的）表面改性（例如铣削、蚀刻、沉积等）之外，带电粒子显微镜还可以具有其它功能，诸如执行光谱学、检查衍射图等。
在所有情况下，带电粒子显微镜（CPM）将至少包括以下组件：
- 辐射源，诸如肖特基电子源或离子枪。
- 照明器，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、畸变减轻、（利用孔径）裁切、滤波等等）。其一般将包括一个或多个（带电粒子）透镜，并且还可以包括其它类型的（粒子）光学组件。如果期望的话，照明器可以被提供有偏转器系统，其可以被调用来促使它的离开射束跨研究中样本执行扫描运动。
- 样本保持器，可以在其上保持和定位（例如倾斜、旋转）研究中的样本。如果期望的话，该保持器可以被移动以便影响射束相对于样本的扫描运动。一般而言，这样的样本保持器将被连接到定位系统。
- 检测器（用于检测从被照射的样本放射的辐射），其本质上可以是单一的或复合的/分布式的，并且其可以取决于检测中的辐射而采用许多不同形式。示例包括光电二极管、CMOS检测器、CCD检测器、光伏电池、X射线检测器（诸如硅漂移检测器和Si（Li）检测器）等。一般来说，CPM可以包括若干不同类型的检测器，可以在不同情况下调用它们的选择。
在透射型显微镜（例如诸如（S）TEM）的情况下，CPM将具体包括：
- 成像系统，其实质上采用透射通过样本（平面）的带电粒子并且将它们引导（聚焦）到分析装置（诸如检测/成像设备、光谱学装置（诸如EELS设备）等）上。就上文提到的照明器而言，成像系统还可以执行其它功能（诸如畸变减轻、裁切、滤波等），并且它一般将包括一个或多个带电粒子透镜和/或其它类型的粒子光学组件。
在下文中，有时可能（通过示例的方式）在电子显微术的特定上下文中阐述本发明；然而，这样的简化仅意图为了清楚性/说明性目的，而不应被解释为限制性的。
如在上面的开篇段落中阐述的方法例如在由M.J. Humphry等人在NatureCommunications中的文章中阐明（3:730，DOI 10:1038/ncomms1733，MacmillanPublishers Limited (2011)）[参见以下链接]:
http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n3/full/ncomms1733.html
该文章讨论了电子束叠层成像术，以及其在SEM中进行“无透镜显微术”的形式的应用。在该文章中公开的方法可以被视为对来自X射线成像领域的有关技术的修改，其中无透镜技术由于难以产生令人满意的X射线光学系统而引人注目。在该文章中，照明器产生聚焦到样本（在样本平面中）上并通过样本的会聚电子束以便撞击在CCD检测器上。会聚电子束称为“探针”，并且在一系列测量会话中跨样本扫描该探针。在每个这样的会话中，通过CCD来记录相关联的衍射图样，并将这些各种图样用作到力图重建离开样本的电子束波前的振幅/相位的迭代数学反问题求解技术（稍微类似于去卷积技术）的输入。这进而提供了关于所采用样本的结构的信息。对于该方法的更多信息，参见例如由J. M. Rodenburg和H.M. L. Faulkner在Appl. Phys. Lett. 85，4795-4798页 (2004)中的文章[参见以下链接]：
http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/85/20/10.1063/1.1823034
关于叠层成像术的一些一般信息可以从以下维基百科链接收集：
https://en.wikipedia.org/wiki/Ptychography
并且在美国专利US 9,202,670（与本专利申请具有相同的受让人）中阐述了具体的叠层成像方法/装置的示例。
为了整齐有序，应指出的是，在这样的叠层成像术技术中有效地重建的是当（平面）波前穿过样本时该（平面）波前中的改变。虽然叠层成像术技术使用仅照明样本的局部区域（并且在对应的一系列测量会话中移动到样本上的一系列不同位置）的相对窄的射束，但是该重建有效地计算出对一口气穿过样本的完整区域的（虚拟）宽波前的改变。技术人员将完全把握这一点。
关于目前的叠层成像技术的问题在于它们经受所谓的“相位缠绕”（也称为“相位涡旋”）的影响——其对于相对厚和/或包括具有相对高的原子序数的材料的样本来说可能尤其成问题。该现象与以下事实有关：常规的波前重建技术固有地将所重建的波前相位限制为截短范围[0,2π]（或者等价地[-π,+π]）；然而事实上，实际相位可以具有该范围之外的值，在这种情况中，相位将不得不“缠绕起来”以便适合在该截短范围内。当使用重建相位来产生样本图像时，这样的“相位缠绕”可能导致图像失真（参见例如图2A）；为了（试图）恢复这样的失真图像，必须应用“相位解缠”算法。
本发明的目的在于提供对已知叠层成像技术的替换方案。特别地，本发明的目的在于所述替换方案应减轻上述相位缠绕问题。
在如在上面的开篇段落中阐述的方法中实现了这些和其它目的，该方法的特征在于：
- 所述性质为波前的相位；
- 所述数学重建技术直接重建所述相位，而不是间接地从振幅和相位的重建的函数来导出所述相位。
与上面已经做出的评述一致，如此处提及的术语“相位”意图涵盖波前的相位改 变。
在叠层成像术中使用的传统的数学重建技术（诸如所谓的“Rodenburg方案”[参见上文]）中，尝试重建所谓的“透射函数”(T)，其为在样本平面中（或刚刚在样本平面后）的（向量）点
Figure 448147DEST_PATH_IMAGE001
处的波前振幅(A)和相位(
Figure 365287DEST_PATH_IMAGE002
)的函数表达，并且通常采取诸如以下的形式：
Figure 82708DEST_PATH_IMAGE003
对于大的
Figure 477917DEST_PATH_IMAGE002
，项
Figure 292289DEST_PATH_IMAGE004
的级数展开将包括
Figure 114752DEST_PATH_IMAGE002
的更高次幂（更高谐波），从而将功率分布到高空间频率。结果，如果想要将重建实体限制成给定的分辨率，那么将不可能成功地过滤透射函数其自身——相反，将需要能够直接过滤相位。然而，在存在相位跃变的情况下——这是由于上文提到的相位缠绕问题——这不可能完成。本发明通过直接重建
Figure 568736DEST_PATH_IMAGE002
而非从重建的透射函数间接导出它解决了该困境。除了解决了上述问题之外，这具有附加优点，对于相对薄的样本来说，
Figure 767636DEST_PATH_IMAGE002
与电势成比例，使得重建实体具有直接物理意义。
可以如下给出本发明的更加数学化的阐明。本发明可适用于涉及到对对象进行迭代的任何叠层成像方案，所述对象在带电粒子显微术的情况下采取透射函数
Figure 374198DEST_PATH_IMAGE005
的形式。该透射函数一般来说是（向量）位置
Figure 367561DEST_PATH_IMAGE006
的复值函数，并且可以写作：
Figure 121891DEST_PATH_IMAGE007
(1)
其中，
Figure 858903DEST_PATH_IMAGE008
为振幅，并且
Figure 382288DEST_PATH_IMAGE009
为相位。
Figure 756941DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 998567DEST_PATH_IMAGE009
二者都为实值函数，并且在不失一般性的情况下，可以要求
Figure 273690DEST_PATH_IMAGE011
。
对于纯相位对象，可以忽略振幅。注意，对于在（S）TEM成像中使用的典型样品，对于所有位置振幅都接近于一，因为大部分电子束透射通过通常薄的样品。一般来说，将振幅吸收到
Figure 917161DEST_PATH_IMAGE012
的虚部中是可能的。因此，可以将透射函数重写为：
Figure 455590DEST_PATH_IMAGE013
(2)
其中，现在将
Figure 184511DEST_PATH_IMAGE009
理解为表示该对象的复值函数。
任何的迭代叠层成像重建方案都具有以下特性：其取在当前迭代索引
Figure 263326DEST_PATH_IMAGE014
处的透射函数的估计
Figure 761303DEST_PATH_IMAGE015
，并且用某修正量
Figure 719901DEST_PATH_IMAGE016
来更新该估计：
Figure 670539DEST_PATH_IMAGE017
(3)
该式包括参数
Figure 553045DEST_PATH_IMAGE019
，其控制方案的收敛（速率）。下标
Figure 905529DEST_PATH_IMAGE014
指示迭代索引，并且用针对
Figure 785760DEST_PATH_IMAGE020
的某适当猜测来初始化该方案。
现在可以使用（2）将（3）重写为：
Figure 223695DEST_PATH_IMAGE021
， (4)
其中，
Figure 644312DEST_PATH_IMAGE022
为对迭代索引
Figure 116881DEST_PATH_IMAGE014
处的
Figure 230331DEST_PATH_IMAGE012
的估计。
等式（4）还可以重写为：
Figure 342512DEST_PATH_IMAGE023
。 (5)
本发明的核心洞察在于，在物理上，感兴趣的是
Figure 566820DEST_PATH_IMAGE002
而非
Figure 628317DEST_PATH_IMAGE024
。将
Figure 912668DEST_PATH_IMAGE026
（的整数倍）添加到
Figure 262878DEST_PATH_IMAGE002
的实部（透射函数的相位）并从数学的角度来说获得相同的透射函数是可能的。这甚至可以针对任何位置
Figure 290877DEST_PATH_IMAGE006
来随机进行而不会有任何改变。因此，在数学上，通常将相位限制成长度为
Figure 472459DEST_PATH_IMAGE026
的一范围（例如，[
Figure 662132DEST_PATH_IMAGE027
]或[0,
Figure 561955DEST_PATH_IMAGE026
]）。 然而，这在物理上没有意义，因为
Figure 315016DEST_PATH_IMAGE002
的该实部表示在样品内的投影电势，其为可以具有任何实值的连续函数。
本发明在（５）的对数上迭代，假设：
（ａ）函数
Figure 616685DEST_PATH_IMAGE024
没有任何一处为零（其在叠层成像术中将对应于其中完全阻挡射束的测量结果或由于检测器限制而根本没测量到信号），以及；
（ｂ）修正项
Figure 977259DEST_PATH_IMAGE028
的范数小（至少小于１），其可以通过适当选择
Figure 364378DEST_PATH_IMAGE029
来整理。
对（５）取自然对数并用其围绕１的级数展开中的最低项对其近似的结果为：
Figure 734179DEST_PATH_IMAGE030
(6)
可以将其重新整理为：
Figure 562458DEST_PATH_IMAGE031
。 (7)
本发明的关键在于用（７）来替换迭代步骤（３），从而持续追踪函数
Figure 359513DEST_PATH_IMAGE012
。这确保了
Figure 968349DEST_PATH_IMAGE012
的估计的连续性（即，防止来自
Figure 141841DEST_PATH_IMAGE012
的估计的建立的相位跃变）（假设修正项和初始猜测都是连续的），并且允许对物理对象而非数学对象（其为透射函数）进行空间过滤。
该程序可以应用于如下面将展示出的一整类叠层成像重建方案。这甚至可以在其中在算法的公式化中不存在对如（3）中的迭代方案的特定参考的情况下完成。
本发明的特定实施例修改了所谓的Rodenburg方案，例如，如在由A.M. Maiden和J. M. Rodenburg所著的期刊文章An improved ptychographical phase retrieval algorithm for diffractive imaging（Ultramicroscopy，109 (2009)，1256-1262页）中最初提出的。在该方案中，有两个主要步骤：第一个步骤是在探针的估计
Figure 152522DEST_PATH_IMAGE032
（其为位置的另一复值位置函数）上迭代，并且第二个步骤是在对象（透射函数）的估计上迭代。作为起始点，使用两个参数
Figure 307429DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 403561DEST_PATH_IMAGE034
以及探针的初始猜测
Figure 115165DEST_PATH_IMAGE035
和对象的初始猜测
Figure 980353DEST_PATH_IMAGE036
。此外，假设在针对
Figure 119210DEST_PATH_IMAGE037
的探针位置
Figure 640321DEST_PATH_IMAGE038
处的一组
Figure 890037DEST_PATH_IMAGE039
个测量结果
Figure 875311DEST_PATH_IMAGE040
（在具有坐标
Figure 185069DEST_PATH_IMAGE041
的衍射平面中获得）。针对每个探针位置，定义符合所述测量结果的离开波
Figure 255793DEST_PATH_IMAGE042
。可以例如使用针对探针和对象的初始猜测根据下面的等式（12）来构造该组离开波。也允许其它选择。
通过以下更新步骤给出针对探针的迭代步骤：
Figure 496151DEST_PATH_IMAGE043
， (8)
其中：
Figure 335931DEST_PATH_IMAGE044
(9)
其中，
Figure 816591DEST_PATH_IMAGE045
表示其辐角的最大值，并且横杠表示复共轭。
针对对象（透射函数），迭代步骤为：
Figure 109032DEST_PATH_IMAGE046
， (10)
其中：
Figure 903812DEST_PATH_IMAGE047
。 (11)
使用经更新的探针和对象，可以形成针对满足该组测量结果的每个探针位置的输出波的新的估计，如下：
Figure 598099DEST_PATH_IMAGE048
。 (12)
此处，
Figure 249660DEST_PATH_IMAGE049
{}和
Figure 294977DEST_PATH_IMAGE050
分别指示2D傅里叶变换和其逆变换。正变换是在两个情况中的哑变量
Figure 690186DEST_PATH_IMAGE051
上，并且逆变换是在哑变量
Figure 425929DEST_PATH_IMAGE041
上。
迭代继续进行，直至满足某一停止准则为止。
在（10）中应用根据本发明的修改，得出：
Figure 513971DEST_PATH_IMAGE052
(13)
其中，
Figure 781004DEST_PATH_IMAGE053
是用于使
Figure 979905DEST_PATH_IMAGE002
中的改变维持较小以使得保持（6）的参数。随后使用经更新的
Figure 383204DEST_PATH_IMAGE002
来形成在该方案的其余部分中所需的经更新的
Figure 579830DEST_PATH_IMAGE054
，即，
Figure 334160DEST_PATH_IMAGE055
。
本发明的另一实施例修改了所谓的PheBIE方案，例如，如在由R. Hesse、D.R.Luke、S. Sabach和M.K. Tam所著的期刊文章Proximal Heterogeneous Block Implicit- Explicit Method and Application to Blind Ptychographic Diffraction Imaging（SIAM J. Imaging Sciences 8(1) (2015)，426-457页）中最初提出的。
在PHeBIE方案中，本质上与在上面阐明的Rodenburg方案中需要相同的步骤，虽然具有在系数中的某些适配并且具有不同的更新步骤排序。
作为起始点，具有两个实值函数
Figure 71172DEST_PATH_IMAGE056
和
Figure 594557DEST_PATH_IMAGE057
、参数
Figure 24401DEST_PATH_IMAGE058
、探针的初始猜测
Figure 187398DEST_PATH_IMAGE035
和对象的初始猜测
Figure 728101DEST_PATH_IMAGE036
以及在针对
Figure 371572DEST_PATH_IMAGE037
的探针位置
Figure 706738DEST_PATH_IMAGE038
处的一组
Figure 373343DEST_PATH_IMAGE039
个测量结果
Figure 452157DEST_PATH_IMAGE040
。针对每个探针位置，定义符合所述测量结果的离开波
Figure 950135DEST_PATH_IMAGE042
。可以例如使用针对探针和对象的初始猜测根据上面的等式（12）来构造该组离开波。也允许其它选择。
通过下式给出在探针上的迭代步骤：
Figure 456202DEST_PATH_IMAGE059
， (14)
其中：
Figure 672420DEST_PATH_IMAGE060
。 (15)
针对对象（透射函数）具有：
Figure 741876DEST_PATH_IMAGE061
，(16)
其现在立即使用经更新的探针（14），并且其中，
Figure 94360DEST_PATH_IMAGE062
. (17)
注意，相比于Rodenburg方案，系数
Figure 36908DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure DEST_PATH_IMAGE063
现在已经变成了位置的实值函数而不是常数。此外，在（16）中，使用经更新的探针来替代先前的探针估计。
使用经更新的探针和对象，使用该组测量结果形成针对每个探针位置的输出波的新的估计，如下：
Figure 474843DEST_PATH_IMAGE064
。 (18)
使用参数
Figure 833143DEST_PATH_IMAGE065
来影响该方案的收敛。迭代继续进行，直至满足停止准则为止。
在（16）中应用根据本发明的修改，得出：
Figure 305713DEST_PATH_IMAGE066
Figure 153583DEST_PATH_IMAGE067
， (19)
其中，
Figure 78814DEST_PATH_IMAGE053
是用于使
Figure 303122DEST_PATH_IMAGE002
中的改变维持较小以使得保持（6）的参数。随后使用经更新的
Figure 817148DEST_PATH_IMAGE002
来形成在该方案的其余部分中所需的经更新的
Figure 101499DEST_PATH_IMAGE024
，即，
Figure 514026DEST_PATH_IMAGE055
。
本发明的又一实施例修改了所谓的Thibault方案，例如，如在由P. Thibault、M.Dierolf、O. Bunk、A. Menzel和F. Pfeiffer所著的期刊文章Probe retrieval in ptychographic coherent diffractive imaging（Ultramicroscopy，109 (2009)，338-343页）中最初提出的。 Thibault算法使用两个网状迭代循环，藉此，外迭代循环使用内迭代循环的结果来更新每个探针位置处的输出波。
作为起始点，具有探针的初始猜测
Figure 276446DEST_PATH_IMAGE035
和对象的初始猜测
Figure 395711DEST_PATH_IMAGE036
以及在针对
Figure 850963DEST_PATH_IMAGE037
的探针位置
Figure 750786DEST_PATH_IMAGE038
处的一组
Figure 316897DEST_PATH_IMAGE039
个测量结果
Figure 352986DEST_PATH_IMAGE040
。针对每个探针位置，定义符合所述测量结果的离开波
Figure 166090DEST_PATH_IMAGE042
。可以例如使用针对探针和对象的初始猜测根据上面的等式（12）来构造该组离开波。也允许其它选择。
内迭代循环在用
Figure 553209DEST_PATH_IMAGE068
初始化的探针以及用
Figure 657431DEST_PATH_IMAGE069
初始化的对象上进行数目
Figure 813606DEST_PATH_IMAGE070
个的迭代（用上标
Figure 610661DEST_PATH_IMAGE071
来指示），如通过下式给出的：
Figure 157180DEST_PATH_IMAGE072
(20)
以及
Figure 330672DEST_PATH_IMAGE073
(21)
其中：
Figure 341354DEST_PATH_IMAGE074
(22)
以及
Figure 309310DEST_PATH_IMAGE075
。 (23)
注意，（22）和（23）分别类似于（15）和（17），其中，
Figure 405442DEST_PATH_IMAGE076
。
在该组迭代结束时，结果为分别通过
Figure DEST_PATH_IMAGE077
和
Figure 38417DEST_PATH_IMAGE078
给出的经更新的探针和对象。然后在外迭代循环中使用这些来形成针对每个探针位置的以下更新：
Figure 169184DEST_PATH_IMAGE079
Figure 308041DEST_PATH_IMAGE080
(24)
该算法可以根据本发明来适配，首先通过将（21）重写为：
Figure 891470DEST_PATH_IMAGE081
。 (25)
接下来，可以根据（6）将（25）重写为在相位
Figure 78868DEST_PATH_IMAGE002
上的迭代：
Figure 64142DEST_PATH_IMAGE082
， (26)
其中，
Figure 373901DEST_PATH_IMAGE053
是用于使
Figure 444625DEST_PATH_IMAGE002
中的改变维持较小以使得保持（6）的参数。随后使用经更新的
Figure 684982DEST_PATH_IMAGE002
来形成在该方案的其余部分中所需的经更新的
Figure 524762DEST_PATH_IMAGE024
，即，
Figure DEST_PATH_IMAGE083
。
上述示例是非穷举的。对于更多关于（未修改的）现有技术叠层成像重建技术的信息，参考由R. Hesse等人所著的期刊文章Proximal Heterogeneous Block Implicit- Explicit Method and Application to Blind Ptychographic Diffractive Imaging（SIAM J. Imaging Sciences 8(1)，2015，426-457页）[参见以下链接]：
https://www.researchgate.net/publication/264624024_Proximal_Heterogeneous_Block_Implicit-Explicit_Method_and_Application_to_Blind_Ptychographic_Diffraction_Imaging
应注意到，虽然可以方便地在CPM中实施带电粒子叠层成像术，但是不限于在此情境中使用CPM，并且如果希望如此的话，可以替代地选择构建/使用专用叠层成像术装置。
现在将基于示例性实施例和示意性附图来更详细地阐明本发明，在附图中：
图1呈递了其中可以实现当前发明的实施例的CPM的纵向横截面图。
图2A和2B示出了使用现有技术（图2A）和本发明的实施例（图2B）获得的叠层成像图像以用于比较目的。
在各图中，在相关的情况下，使用对应的参考符号来指示对应部分。应注意到，一般来说，各图不是按比例的。
实施例1
图1是根据当前发明的CPM M的实施例的高度示意性的描绘，CPM M在该情况中为（S）TEM（但是在当前发明的上下文中，其可以正如有效地例如为基于离子的或质子显微镜，或者以透射模式操作的SEM（TSEM））。在该图中，在真空外壳E内，电子源4（诸如例如，肖特基发射器）产生电子束（B），电子束（B）穿过电子光学照明器6，电子光学照明器6用来将电子引导/聚焦到样本S（其可以例如被（局部地）薄化/平面化）的所选部分上。该照明器6具有电子光轴B'，并且一般将包括各种各样的静电/磁性透镜、（一个或多个）（扫描）偏转器D、校正器（诸如象散校正器）等；通常，其还可以包括聚光器系统（事实上，整个项目6有时被称为“聚光器系统”）。
将样本S保持在样本保持器H上。如此处图示出的，（位于外壳E内部的）该保持器H的一部分安装在支架A’中，支架A’可以通过定位设备（载台）A在多个自由度中定位/移动；例如，支架A’可以（除其它之外）在X、Y和Z方向上是可移置的（参见所描绘的笛卡尔坐标系），并且可以绕着平行于X的纵轴旋转。这样的移动允许由沿着轴B’行进的电子束对样本S的不同部分进行照射/成像/检查（和/或作为对射束扫描的替换方案允许执行扫描运动[使用（一个或多个）偏转器D]，和/或允许由例如聚焦离子束（未描绘）对样本S的所选部分进行加工）。
沿着轴B'行进的（聚焦）电子束B将以从而引起各种类型的“受激”辐射从样本S放射的方式与样本S交互，该放射包括（例如）次级电子、反散射电子、X射线以及光学辐射（阴极发光）。如果期望的话，可以借助于传感器22检测这些辐射类型中的一个或多个，传感器22可能例如是组合式闪烁体/光电倍增管或EDX（能量色散X射线光谱学）模块；在这样的情况中，可以使用基本上与在SEM中相同的原理来构建图像。然而，在（S）TEM中具有主要重要性的是，可以替代地/补充地研究穿过（通过）样本S、从其出现（放射）并继续沿着轴B'传播（大体上，但是一般具有一些偏转/散射）的电子。这样的透射电子通量进入成像系统（组合式物镜/投影透镜）24，成像系统24一般将包括各种各样的静电/磁性透镜、偏转器、校正器（诸如消象散器）等。在正常的（非扫描）TEM模式中，该成像系统24可以将透射电子通量聚焦到荧光屏26上，如果期望的话，可以缩回/收回荧光屏26（如通过箭头26'示意性地指示的）以便使荧光屏26从轴B'移开。将通过成像系统24在屏幕26上形成样本S（的一部分）的图像（或衍射图），并且这可以通过位于外壳E的壁的适当部分中的观察口28来观察。用于屏幕26的缩回机构可以例如本质上是机械和/或电气的，并且此处没有描绘出。
作为对在屏幕26上观察图像的替换方案，可以替代地利用从成像系统24出现的电子通量的焦深一般相当大这一事实（例如，大约1米）。因此，可以在屏幕26的下游使用各种类型的感测设备/分析装置，诸如：
- TEM相机30。在相机30处，电子通量可以形成静态图像（或衍射图），其可以通过控制器10来处理并显示在显示设备（未描绘出）（诸如例如，平板显示器）上。当不需要时，可以缩回/收回（如通过箭头30'示意性地指示的）相机30以便使相机30从轴B'移开。
- STEM检测器32。可以将来自检测器32的输出记录为射束B在样本S上的（X,Y）扫描位置的函数，并且可以根据X，Y的函数来构建作为来自检测器32的输出的“映射”的图像。通常，检测器32将具有比相机30（例如，每秒102个图像）高得多的采集速率（例如，每秒106个点）。在常规工具中，检测器32可以包括具有例如20 mm直径的单个像素，与在相机30中表征性地呈现的像素矩阵形成对照。再一次地，当不需要时，可以缩回/收回（如通过箭头32’示意性地指示的）检测器32以便使检测器32从轴B'移开（但是这样的缩回在例如甜甜圈形的环形暗场检测器32的情况下将不是必须的；在这样的检测器中，中央孔将允许在检测器不在使用中时的射束通过）。
- 作为对使用相机30或检测器32来成像的替换方案，还可以调用光谱学装置34，其例如可以是EELS模块。
应注意到，项目30、32和34的顺序/位置不是严格的，并且可设想许多可能变型。例如，还可以将光谱学装置34集成到成像系统24中。
注意，控制器/计算机处理器10经由控制线（总线）10’连接到各种图示出的组件。控制器10可以提供各种各样的功能，诸如同步动作、提供设置点、处理信号、执行计算以及在显示设备（未描绘出）上显示消息/信息。无需多言，（示意性地描绘的）控制器10可以（部分地）在外壳E之内或之外，并且可以如期望的那样具有单一或复合结构。技术人员将理解的是，外壳E内部无须保持严格真空；例如，在所谓的“环境（S）TEM”中，有意地在外壳E内引入/维持给定气体的背景大气。技术人员还将理解的是，在实践中，这样可能是有利的：限制外壳E的体积使得在可能的情况下其基本上紧抱轴B’、采取所采用的电子束通过其的小型管（例如，直径大约1 cm）的形式、但是扩宽以适应诸如源4、样本保持器H、屏幕26、相机30、检测器32、光谱学装置34等的结构。
在当前发明的背景中，照明器6可以例如包括射束成形元件（诸如透镜和/或孔径板/隔膜）以将射束B适当地成形（聚焦）成带电粒子的相对窄的“笔状物”，从而引起其在任何给定的时间处仅照射样本S的相对小的区域（影响范围）。在样本S与射束B的影响范围之间的相对运动（以便将影响范围移动到样本的另一区域上）可以通过以下方法中的一个或多个来产生：
- 使用定位设备A来相对于射束B移动样本S；
- 使用偏转器D来相对于样本S偏转射束B；
- 移动源4或/和上文提及的射束成形元件以便使射束B相对于样本S移置。
针对射束B相对于样本S（的影响范围）的每个这样的所选位置，可以（例如）使用TEM相机30[（位置相关的）强度检测器]来捕获衍射图（衍射图样）。具体来说，控制器10（或另一处理器设备）可以被配置/被调用成：
- 通过针对射束B在样本S上的一系列不同位置中的每一个记录（例如）TEM相机30的输出（例如，通过向项目A、D等发送适当系列的设置点来实现）来获取叠层成像测量结果集合。
- 处理所述相机30的所记录的输出，并使用它们作为输入来执行根据本发明的数学重建算法。叠层成像术领域的技术人员将理解的是，该步骤通常涉及到计算在所记录的衍射图中的特征的（平均）强度值：参见例如上面引用的参考文献。
- 在显示设备（未示出）上例如以图像的形式显示所述重建算法的结果。
实施例2
图2A和2B示出了使用现有技术（图2A）和本发明的实施例（图2B）获得的叠层成像图像以用于比较目的。这两个图像示出了在TEM中成像的GaN晶格，其具有以下设置/参数：
- 样本厚度：5 nm
- 输入（主要/探测）射束能量：300 kV
- 视场：5 nm
- 散焦：距最小混淆盘70 nm。
图2A示出了标准Rodenburg重建算法的结果。注意由相位缠绕所引起的伪像，其引起了相对重的Ga原子（原子序号Z=31）表现为由亮光晕环绕的扭曲的、不规则的、暗的“环”。
与之相比，图2B示出了根据本发明的直接相位重建算法的结果。在该情况中注意，Ga原子采取均匀圆点的形式。

Claims (19)

1.一种使用叠层成像术对样本成像的方法，包括：
将带电粒子束从源引导通过照明器以便穿过样本并着陆在检测器上，
利用检测器检测从样本放射的辐射通量，
基于使用检测器的输出连同应用数学重建技术来计算离开样本的带电粒子波前的至少一个性质，其中所述至少一个性质包括波前的相位；并且其中应用所述数学重建技术包括直接重建所述波前的相位来确定所述波前的重建相位。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述波前的重建相位为连续函数。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数学重建技术包括以下迭代方案：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中：
▪
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表示对迭代索引
Figure DEST_PATH_IMAGE003
和位置
Figure DEST_PATH_IMAGE004
处的相位
Figure DEST_PATH_IMAGE005
的估计；
▪ 下标
Figure 673245DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示迭代索引；
▪ 参数
Figure DEST_PATH_IMAGE007
控制方案的收敛；以及
▪
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为修正项。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在无需相位解缠的情况下使用所述重建相位来编译所述样本的图像。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述重建相位经受低通滤波操作。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述数学重建技术不涉及间接地从振幅和相位的重建的函数来导出所述相位。
7.根据权利要求3所述的方法，其中，所述迭代方案是基于以下各项中的一个或多个：Rodenburg方法、PHeBIE方法和Thibault方法。
8.根据权利要求3所述的方法，其中，在无需相位解缠的情况下使用所述重建相位来编译所述样本的图像。
9.根据权利要求3所述的方法，其中，所述数学重建技术不涉及间接地从振幅和相位的重建的函数来导出所述相位。
10.一种用于使用叠层成像术对样本成像的装置，包括：
- 样本保持器，用于保持所述样本；
- 源，用于产生带电粒子束；
- 照明器，用于引导所述带电粒子束以便照射所述样本；
- 检测器，用于检测响应于所述照射从该样本放射的辐射通量；
- 控制器，其被编程以分析来自所述检测器的输出并在数学重建技术中使用所述输出以便计算离开该样本的波前的至少一个性质，其中波前的所述至少一个性质包括波前的相位，并且其中所述重建技术直接重建所述相位。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述数学重建技术不涉及间接地从振幅和相位的重建的函数来导出所述相位。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述数学重建技术包括以下迭代方案：
Figure 278801DEST_PATH_IMAGE001
其中：
▪
Figure 58538DEST_PATH_IMAGE002
表示对迭代索引
Figure 640698DEST_PATH_IMAGE003
和位置
Figure 392753DEST_PATH_IMAGE004
处的相位
Figure 900701DEST_PATH_IMAGE005
的估计；
▪ 下标
Figure 292368DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 491269DEST_PATH_IMAGE006
表示迭代索引；
▪ 参数
Figure 786246DEST_PATH_IMAGE007
控制方案的收敛；以及
▪
Figure 779610DEST_PATH_IMAGE008
为修正项。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述迭代方案是基于以下各项中的一个或多个：Rodenburg方法、PHeBIE方法和Thibault方法。
14.根据权利要求10所述的装置，其中，所述装置包括带电粒子显微镜。
15.一种用于存储计算机程序产品的非临时性计算机可读存储介质，该计算机程序产品包括指令，当所述指令被执行时指令一个或多个处理器以实行方法，所述方法包括：
基于使用针对从样本放射的辐射通量的检测器的输出连同应用数学重建技术，在利用带电离子束照射之后，计算离开样本的带电粒子波前的至少一个性质，其中所述至少一个性质包括波前的相位，并且其中应用所述数学重建技术包括直接重建所述波前的相位来确定所述波前的重建相位。
16.根据权利要求15所述的非临时性计算机可读存储介质，其中，所述数学重建技术包括以下迭代方案：
Figure 471622DEST_PATH_IMAGE001
其中：
▪
Figure 395585DEST_PATH_IMAGE002
表示对迭代索引
Figure 856653DEST_PATH_IMAGE003
和位置
Figure 903807DEST_PATH_IMAGE004
处的相位
Figure 145433DEST_PATH_IMAGE005
的估计；
▪ 下标
Figure 607507DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 549180DEST_PATH_IMAGE006
表示迭代索引；
▪ 参数
Figure 336877DEST_PATH_IMAGE007
控制方案的收敛；以及
▪
Figure 688967DEST_PATH_IMAGE008
为修正项。
17.根据权利要求16所述的非临时性计算机可读存储介质，其中，所述迭代方案是基于以下各项中的一个或多个：Rodenburg方法、PHeBIE方法和Thibault方法。
18.根据权利要求15所述的非临时性计算机可读存储介质，其中，在无需相位解缠的情况下使用所述重建相位来编译所述样本的图像。
19.根据权利要求15所述的非临时性计算机可读存储介质，其中，所述数学重建技术不涉及间接地从振幅和相位的重建的函数来导出所述相位。
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