CN113424292A - 包括多束粒子显微镜的系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种包括用于逐层成像3D样品的多束粒子显微镜和具有多层架构的计算机系统的系统。当不同处理系统之间的数据交换和/或源自不同检测通道的数据发生时，多层架构允许通过逐渐降低并行处理速度的量来优化图像处理。此外，公开了一种用于逐层成像3D样品的方法，以及具有用于实行所公开的方法的程序代码的计算机程序产品。

Description

包括多束粒子显微镜的系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及带电粒子束系统和方法。更具体地，本发明涉及包括用于对3D样品成像的多束粒子显微镜和指定计算机系统架构的系统。此外，本发明涉及用于逐层成像3D样品的方法以及对应的计算机程序产品。本发明特别适用于集成电路的反向工程。

背景技术

单束粒子显微镜已经被知道了很长一段时间。这其中，单束经由粒子光学系统聚焦到要检查的物体上并对后者进行扫描。粒子束可以是离子束或电子束。从粒子束入射的位置发射的二次粒子(诸如电子)被检测，并且检测的粒子强度被分配给物体上扫描粒子束当前指向的位置。因此，可以生成物体的粒子光学图像。用粒子束扫描粒子显微镜的视场需要时间。视场的范围是有限的。如果旨在扫描物体的相对较大部分，则必须相对于粒子显微镜移动物体以扫描更大的视场。这继而需要时间。对可以在较短的时间内扫描许多物体和相对较大物体的粒子显微镜存在需求。可想到为这样的问题提供更多数目的单束粒子显微镜，这些显微镜并行操作以同时扫描多个物体。然而，这是一个非常昂贵的解决方案，因为必须为每个单独的粒子束提供具有粒子光学件的专用粒子显微镜。

在此，多束粒子显微镜形成了一种很有前景的方法，因为多个粒子束被共同引导穿过单个粒子光学装置，以用一束粒子束同时扫描要检查的物体。

单束粒子显微镜以及多束粒子显微镜的典型应用是3D样品的结构分析，特别是反向工程。对于3D样品的结构分析，可以组合成像过程和去层过程。然后逐层完成3D样品的成像。通过对各个层的完全堆叠体进行成像所取得的数据允许重构3D样品的3D数据集合。然而，当成像中需要高分辨率时，例如要实现纳米级的立体像素尺寸，必须收集和处理海量数据。这会导致很长的处理时间。特别是当逐层成像过程和破坏性去层技术相组合时，这些长处理时间是重构速度的瓶颈。在此，重要的是在该层被不可逆地破坏之前就验证对于一个指定层所收集的数据。因此，减少前面的图像处理时间以便在下一个去层步骤之前就可以验证数据是一项挑战。

US 2015/0348749 A1公开了一种多束粒子显微镜及其操作方法，其中处理大量数据。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种更快的系统，其包括用于逐层成像3D样品的多束粒子显微镜，以及提供对应的方法和计算机程序产品。它们应特别适用于3D样品的反向工程，特别适用于集成电路的反向工程。

该目的由独立权利要求解决。从属权利要求针对有利的实施例。

根据本发明的第一方面，本发明针对一种系统，该系统包括：

用于逐层成像3D样品的多束粒子显微镜，以及

具有多层架构的计算机系统；

多束粒子显微镜包括：

-多束源，被配置为生成多个第一粒子束的第一阵列；

-第一粒子光学件，被配置为将第一粒子束指引到物体上，使得第一粒子束入射在物体上的入射位置处，该入射位置形成第二阵列；

-检测器，包括多个检测区域或多个检测器，每个检测器具有至少一个检测区域，检测区域布置在第三阵列中，一个检测器或多个检测器包括多个换能器，换能器被分配给每个检测区域并且被配置为生成表示入射在检测区域上的粒子强度的电信号，多个检测区域和所分配的多个换能器分别形成多个检测通道，检测通道被分配给多个检测通道组；

-第二粒子光学件，被配置为将从第二阵列中的入射位置发射的第二粒子束指引至检测区域的所述第三阵列，使得每个第二粒子束入射在布置在所述第三阵列中的所述检测区域中的至少一个上；和

-用于控制多束粒子显微镜的控制计算机系统；

具有多层架构的计算机系统包括：

-第一层级，包括用于处理数据的第一多个处理系统；和

-第二层级，包括用于处理数据的第二多个处理系统；

-其中第一多个处理系统中的每个处理系统被配置为排他地从分配的检测通道组接收检测信号，并且其中第一层级的第一多个处理系统被配置为在基本上或完全不进行第一多个处理系统的不同处理系统之间的任何数据交换的情况下实行数据处理；并且

-其中第二层级的第二多个处理系统被配置为从第一层级的多个第一处理系统中的至少一个接收数据并且被配置为实行数据处理，所述数据处理包括第二层级的不同处理系统之间的数据交换，特别是对于最近获取的数据。

优选地，第二粒子光学件被配置为使得彼此不同的第二粒子束入射在彼此不同的检测区域上。替代地，只能部分满足此要求。

因此，提供快系统的关键要素是为计算机系统提供包括上述特征的多层架构。当计算机系统包含若干处理系统时，数据处理可以并行化，其使得加块整体处理速度。然而，通常还需要在不同处理系统之间交换数据，这种数据交换会显著降低整体处理速度。因此，应尽可能减少不同处理系统之间的数据交换。如果所述数据交换不可避免，则不同处理系统之间的数据交换应被组织为使得对整体处理速度被尽可能小地影响。根据本发明，这是通过多层架构实现的，其中基本上或完全避免第一层级中的处理系统之间的数据交换，并且其中允许第二层级中的不同处理系统之间的数据交换。

根据本发明，第一层级的第一多个处理系统被配置为在基本上或完全不进行第一多个处理系统的不同处理系统之间任何数据交换的情况下实行数据处理。这意味着与处理的总数据速率相比，不同处理系统之间的数据交换很小。优选地，数据交换小于被处理的总数据速率的10％。更优选地，数据交换小于总数据速率的5％或小于1％。

优选地，第一层级的第一多个处理系统或/和第二层级的第二多个处理系统被配置为实行数据的实时处理。优选地，实时数据处理意味着数据处理太快以至于不必将数据中间地存储在非易失性存储器中。因此，数据处理基本上与图像采集过程一样快，甚至更快。

用于操作多束粒子显微镜的带电粒子可以是例如电子、正电子、介子、离子或其他带电粒子。公开的系统特别适用于对3D样品进行成像，特别是逐层成像；然而，使用本发明的系统对2D样品成像也是有利的。

根据本发明，如何定义不同的检测通道以及如何处理相应检测通道的数据是重要方面。多个检测区域和分配的多个换能器分别形成多个检测通道。换言之，在简单的场景中，使用单个粒子束对表面进行成像会为一个检测通道创建数据。然而，在更复杂的场景中，使用单个粒子束成像还可以为若干检测通道生成数据。继续简单的场景，用m个第一粒子束(其中m表示自然数)对样品进行成像，为至少m个检测通道生成数据。用一个单粒子束经由一个检测通道所收集的数据为所谓的单视场(sFOV)递送数据。由多个第一粒子束创建的数据表示所谓的多视场(mFOV)的数据。然后，通过一方面光束的第二阵列和另一方面的3D样品之间的相对运动来创建多个mFOV，最终该多个mFOV可以共同表示3D样品的完整层的数据集合。根据本发明，多个检测通道被分配给多个检测通道组，其中相应检测通道组的数据由相同处理系统处理。优选地，一组包括多于一个的检测通道。然而，检测通道组只包括一个检测通道也是可能的。根据优选实施例，一组包括八个检测通道。可能每组包括相同数目的检测通道；然而，不同组包括不同数目的检测通道也是可能的。

根据本发明，在第一层级中实行数据处理而基本上或完全不进行不同处理系统之间的任何数据交换，因此基本上或完全不进行源自不同检测通道的任何数据交换。相应图像处理需要例如直方图分析和/或直方图校正；检测曝光过度和/或曝光不足的图像；图像锐度的计算(例如通过傅立叶变换或边缘检测)；信噪比(SNR)的计算和/或对比度噪声比(CNR)的计算，例如通过离散小波变换(DWT)；局部特征和/或伪像检测，例如浆粒子或划痕；对图像特征检测，以用于拼接来将若干sFOV组合以形成mFOV；图像畸变校正，例如通过样条插值；无损或有损数据压缩，例如jpeg2000；轮廓检测。上面列出的图像处理可以对每个检测通道分别进行；不需要来自另一个检测通道的信息或输入。因此，在此，可以实行高度并行化和极快的图像处理，而基本上或完全地不进行对源自不同检测通道的数据的任何数据交换。

根据本发明，第二层级中的数据处理是包括第二层级的不同处理系统之间的数据交换的数据处理，特别是对于最近获取的数据。优选地，这意味着为了成功进行这种类型的图像处理，需要第二层级的不同处理系统之间的数据交换和/或来自不同通道的数据的交换。优选地，源自不同检测通道的数据的必要数据交换包括源自邻近检测通道(或更准确地说在邻近sFOV之间)的数据交换，但数据交换还可以包括对源自彼此不相邻的不同检测通道的数据的数据交换。第2层级中的数据处理，特别是实时数据处理，包括例如以下类型的数据处理中的一个或多个：

-sFOV之间的拼接和/或mFOV之间的拼接；拼接可以例如基于特征检测和/或相位相关度；

-阴影和/或混合；

-对一层内具有高周期性的3D样品进行高级拼接，例如通过许多sFOV和/或mFOV上的远程相位相关度。

-层内的亮度校正；

-层内的特征和/或伪像检测，诸如缺陷；

-轮廓检测(特别是层内的轮廓检测)和/或轮廓校正(特别地层内的轮廓校正)；

-计算关键性能指标(KPI)，例如指示最后一组数据集合与最近获取的数据集合的匹配程度，例如关于位置和/或直方图和/或关于其他参数；

-本地数据库比较。

在不同处理系统之间交换的和/或源自第二层级中的不同检测通道的数据优选地表示图像数据本身和/或图像的元数据，特别是sFOV和/或mFOV的。不同检测通道和/或处理系统之间的数据交换优选地包括对最近获取的数据的相应数据交换。优选地，这个最近获取的数据是已经为当前成像的相应层获取的数据。换言之，根据优选实施例，第二层级内的数据交换涉及指定层内的数据。一层的数据表示层数据集合。

根据本发明的优选实施例，具有多层架构的计算机系统还包括具有用于处理数据的第三多个处理系统的第三层级，其中第三层级的第三多个处理系统被配置为从第二层级的第二多个处理系统中的至少一个接收数据，并被配置为实行数据处理，所述数据处理包括第三层级的不同处理系统之间的数据交换，优选地对于所有现有数据。优选地，数据处理是实时数据处理。优选地，第三层级内的数据交换包括属于不同层的层数据集合的数据的数据交换。因此，第三层级中的数据交换的复杂度通常高于第二层级。然而，优选地，第三层级中的数据交换量低于数据交换量，因此低于第二层级中的网络负载。

根据优选实施例，第三层级中的数据处理，优选地实时数据处理包括以下类型的数据处理中的一个或多个：

-层之间的拼接和/或图像位置校正；

-层之间的阴影和/或混合；

-全局亮度校正，使得亮度在整个3D数据集合中被校正；

-全局特征和/或伪像检测，例如在3D中；

-轮廓检测(特别是全局轮廓检测)和/或轮廓校正(特别是全局轮廓校正)和/或用于渲染准备；

-计算关键性能指标(KPI)，指示最后一组数据集合与整个数据集合的匹配程度，例如关于位置和/或直方图和/或关于其他参数；

-整个3D数据集合或其相应部分的可视化，优选地波动图可视化；和/或

-生成报告文件。

根据本发明的优选实施例，处理系统包括中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或数字信号处理器(DSP)或其中任何组合。处理系统可以是第一层级、第二层级或第三层级或另一层级的处理系统。

根据本发明的另一个优选实施例，处理系统包括多处理单元。优选地，多处理单元包括多个CPU和/或多个GPU。

根据另一优选实施例，第一层级的第一多个处理系统中的至少一个处理系统被配置为从多个换能器接收电信号并且被配置为对于多个检测通道实行图像处理，特别是实时图像处理，其中所述多个检测通道的数据存储在至少一个处理系统的相同存储器中，特别是相同RAM中。优选地，存储器是快速主存储器并且由第一层级的至少一个处理系统的一个或多个处理器可寻址。该架构也有助于加速整体图像处理。

根据本发明的优选实施例，将多个检测通道分配给多个检测通道组，其中相应检测通道组的数据由相同处理系统处理，并且检测通道到相应检测通道组的分配被配置为在基于拓扑设计考虑在图像处理期间使不同处理系统之间的数据交换最小化。根据本实施例，检测通道的分组不仅基于构建便利性和空间考虑，而是基于拓扑考虑实行分组，拓扑考虑最小化不同处理系统之间的数据交换，从而优化数据处理速度。根据优选实施例，不同检测通道被分配给相同的处理系统，例如分配给根据现有技术的图像采集系统。然后，将哪些检测通道组合在一起很重要。需要重申的是，处理速度的决定性参数是不同处理系统之间数据交换生成的网络负载。因此，根据优选的实施例，通过由一个处理系统处理将指定检测通道优化分配到指定检测通道组，可以消除多余的网络负载。此外，如果需要对来自不同检测通道的数据进行数据交换，如果可以在相同处理系统内实行这种数据交换，默认情况下优选地在一个图像处理系统的相同RAM中实行，则速度会更快。下面将给出在加速整体图像处理方面的拓扑优化的其他示例。

根据本发明的另一个优选实施例，第一层级、第二层级和/或第三层级的实现和/或分布至少部分是虚拟的。替代地，第一层级、第二层级和/或第三层级的实现和/或分布至少部分是真实的。当然，一层级或多层级的实现也可以是完全真实的。

优选地，具有多层架构的计算机系统被配置为实行流水线化。这允许进一步加速图像处理。

根据本发明的优选实施例，第一层级被配置为向多束粒子显微镜的控制计算机系统发送反馈信号。还可以发送若干反馈信号。一个或多个反馈信号可以例如触发多束粒子显微镜的某个操作。替代地，一个或多个反馈信号可以表示用于其他层级中的后续数据检验的标志。

根据另一个优选实施例，第二层级被配置为向多束粒子显微镜的控制计算机系统和/或第一层级发送反馈信号。再次，一个或多个反馈信号可以使多束粒子显微镜进行指定操作，和/或至少一个反馈信号可以设置标记以用于后续数据检验。根据该实施例，可以改进数据准确度。

根据另一个优选实施例，发送到控制计算机系统的反馈信号导致使用多束粒子显微镜对3D样品的层的至少一部分立即重新成像。导致立即重新成像的反馈信号在允许将3D样品的成像与3D样品的破坏性去层相组合的系统中特别重要。如果层数据集合中的数据准确度不具有所需质量，则必须避免在已经采集具有所需足够质量的相应层的另一个数据集合之前破坏3D样品的相应层。因此，引起3D样品的层的至少一部分的立即重新成像的反馈信号对于创建3D数据集合至关重要，其中3D数据集合的所有部分都具有所需的数据准确度。

根据本发明的另一优选实施例，第三层级被配置为向多束粒子显微镜的控制计算机系统和/或第二层级发送至少一个反馈信号。源自第三层级的反馈信号可以引起不同的触发动作。然而，指定层的重新成像优选地不被该反馈信号触发，因为在第三层级内处理的数据优选地涉及3D数据集合的若干层，特别是已经被破坏的层。

根据本发明的优选实施例，要求保护的系统还包括用于去层3D样品的去层单元。优选地，去层单元通过离子束铣削操作。然而，去层单元也可以应用其他去层方法。优选地，去层3D样品包括破坏性去层3D样品。因此，优选地，在将表面去层以创建要成像的下一层之前，必须准确地对3D样品的层成像。根据替代实施例，去层单元根据非破坏性去层方法操作。

根据本发明的第二方面，本发明涉及一种用于逐层成像3D样品的方法，特别是使用如上所述的系统，该方法包括以下步骤：

a.去层(delayering)3D样品，从而创建要成像的3D样品的层；

b.用多束带电粒子显微镜对所述3D样品的层进行成像，从而取得层数据集合；

c.实时核验所述层数据集合的有效性；以及

在肯定有效性的情况下重复地实行步骤a.到c.。

根据本发明的方法极快且安全，特别是如果应用根据本发明的第一方面上述的包括用于对3D样品成像的多束粒子显微镜和具有多层架构的计算机系统的系统。此外，层数据集合的有效性的核验确保仅当已取得的层数据集合示出了所需的数据精度时，才进一步去层3D样品。优选地，核验层数据集合的有效性基于由第一层级和/或第二层级发送到控制计算机系统或层级较高的层级的一个或多个反馈信号。第三层级的反馈信号通常不优选地用于决定是否可以去层当前层以创建下一层。然而，系统和操作系统的替代方案是可能的。

实时核验层数据集合的有效性意味着快速实行核验有效性，并且不会显著减慢整个去层过程。优选地，核验有效性花费的时间少于数据获取/样品成像所需的时间的10％。更优选地，核验有效性花费的时间少于数据获取/样品成像所需时间的5％或1％。替代地，实时核验有效性可以限定为通过在少于5分钟内核验有效性，更优选少于3分钟或少于1分钟内。根据替代实施例，实时核验层数据集合的有效性包括实时图像处理，其中实时成像如上关于系统计算机架构来限定。

根据本发明的优选实施例，在执行下一个去层步骤之前，层数据集合的有效性的检验在无效的情况下触发对3D样品的当前层的立即重新成像。这排除了在已经取得具有所需有效性/准确度的层数据集合之前破坏层。

根据另一个优选实施例，在执行下一个去层步骤之前，核验层数据集合的有效性触发3D样品的重新去层。例如，可以没有足够准确地实行实际去层，这使得以所需准确度复杂化相应层成像。在这样的情况下，重新去层优选地包括改进当前去层，使得向多束粒子显微镜呈现具有所需质量的物理层。典型地，与在去层时相比，在重新去层时样品被移除的层更薄，使得在重新去层后仍向多束粒子显微镜呈现示出与原始层相同结构的物理层。因此，在重新去层期间要被移除的层的厚度至多是在去层过程期间典型地要被移除的层厚度的50％，更优选小于20％，或甚至小于10％。替代地，在必须再次去层完全相同类型的另一个3D样品的意义上，3D样品的重新去层可以包括3D样品的完全去层。

根据本发明的另一个优选实施例，在执行下一个去层步骤之前，层数据集合的有效性的核验在无效的情况下触发重新校准多束粒子显微镜。在此，重新校准确保以所需的准确度执行未来的成像操作。不一定必须重新采取已经收集的数据集合。然而，这也可以做到。

根据本发明的另一个优选实施例，层数据集合的有效性的核验触发设置标记以供后续检验。后续检验可以是自动后续检验或手动后续检验或其组合。

根据本发明的第三方面，本发明涉及一种计算机程序产品，其具有实行上述方法的程序代码。程序代码可以包括若干部分并且可以用任何合适的程序语言编程。

只要不出现技术矛盾，就可以将本发明所描述的实施例相互组合。

参考附图将更全面地理解本发明。于是示出：

图1：多束带电粒子系统的实施例的略图；

图2：根据第一实施例的包括用于逐层成像3D样品的多束粒子显微镜和具有多层架构的计算机系统的系统的略图；

图3：图示根据一个实施例的反馈环路的实现方式的略图；

图4：图示根据第二实施例的包括用于逐层成像3D样品的多束粒子显微镜和具有多层架构的计算机系统的系统的略图；

图5：图示检测通道分组的略图；

图6：图示具有91个单视场(sFOV)的多视场(mFOV)的略图；

图7：图示在一个mFOV内优化的检测通道组的略图；以及

图8：图示mFOV之间优化检测通道组的略图。

图1是采用多个粒子束的粒子束系统1的略图。粒子束系统1生成多个粒子束，该多个粒子束入射到要检验的物体上，以使电子从物体发出并随后检测它们。粒子束系统1是扫描电子显微镜类型(SEM)，其采用多个初级电子束3，这些初级电子束3入射在物体7的表面上的位置5处，在那里它们生成多个电子束斑。要检验的物体7可以是任何期望的种类，并且例如包括半导体晶片、生物或材料样品和微型化元件的布置等。物体7的表面布置在物镜系统100的物镜102的物平面101中。

图1的放大的部分I₁示出了具有在平面101中形成的入射位置5的规则矩形阵列103的物平面101的顶视图。图1中入射位置的数目是25个，并且它们形成5x5的阵列103。入射位置的数目25个是出于简化表示的原因而选择的少量数目。在实践中，束的数目和/或入射位置可以选择得甚至更大——例如，20x30、100x100等。

在所表示的实施例中，入射位置5的阵列103是在邻近的入射位置之间的距离P₁恒定的实质规律的矩形阵列。距离P₁的示例值分别为1微米、10微米和40微米。然而，阵列103也可以具有其他对称性，例如六边形对称性。

在物平面101中形成的束斑的直径可以很小。直径的值的示例是1纳米、5纳米、100纳米和200纳米。用于形成束斑的粒子束3的聚焦由物镜系统100执行。

入射到物体上的粒子生成从物体7的表面发出的电子。从物体7的表面发出的电子由物镜102形成电子束9。检验系统1提供用于将大量电子束9馈送到检测系统200的电子束路径11。检测系统200包括具有用于将电子束9指引到电子多检测器209上的投射透镜205的电子光学件。

图1的截面I₂示出了平面211的顶视图，其中各个检测区域位于电子束9在某些位置213处入射到的地方。入射位置213彼此以规律距离P₂位于阵列217中。距离P₂的示例性值为10微米、100微米和200微米。

初级电子束3在束生成装置300中生成，其包括至少一个电子源301、至少一个准直透镜303、多孔径布置305和场透镜307。粒子源301生成发散的电子束309，由准直透镜303将其准直以使照明多孔装置305的束311成形。

图1的截面I₃示出了多孔布置305的顶视图。多孔布置305包括多孔板313，其具有形成在其中的多个开口或孔315。开口315的中心317布置在阵列319中，该阵列319对应于由物平面101中的束斑5形成的阵列103。孔315的中心317彼此的距离P₃的值例如可以为5微米、100微米和200微米。孔315的直径D小于孔的中心的距离P₃。直径D的示例值为0.2xP₃、0.4xP₃和0.8xP₃。

照明束311的电子穿透孔315并形成电子束3。入射到板313上的照明束311的电子被板313捕获，并且对电子束3的形成没有贡献。

由于施加的静电场，多孔径布置305聚焦电子束3使得在平面325中形成束焦点323。替代地，束焦点323可以是虚焦点。例如，焦点323的直径可以是10纳米、100纳米和1微米。场透镜307和物镜102提供第一成像粒子光学件，以达到将形成焦点的平面325成像到物平面101上以便在物体7的表面上形成入射位置5或束斑的阵列103的目的。物镜102和投射透镜205提供第二成像粒子光学件，已达到将物平面101成像到检测平面211上的目的。因此，物镜102是作为第一粒子光学件和第二粒子光学件两者的部分的透镜，而场透镜307仅属于第一粒子光学件，而投射透镜205仅属于第二粒子光学件。

束开关400布置在第一离子光学件的在多孔布置305与物镜系统100之间的束路径中。束开关400也是在物镜系统100与检测系统200之间的束路径中的第二粒子光学件的一部分。

可以从国际专利申请WO 2005/024881、WO 2007/028595、WO 2007/028596和WO2007/060017以及申请号为DE 10 2013 016 113.4和DE 10 2013 014 976.2的德国专利申请中获得与这样的多束检验系统和其中采用的部件(例如粒子源、多孔板和透镜)有关的更多信息，所述申请公开的内容通过引用全部并入本申请中。

描绘的多束粒子显微镜1可由控制计算机系统10控制。控制计算机系统10可以包括一个或多个计算机和/或部件。控制计算机系统1还可以连接到具有根据本发明的多层架构的计算机系统，其包括例如图像获取系统(未示出)。

图2是包括用于逐层成像3D样品的多束粒子显微镜1和具有多层架构的计算机系统的系统的略图。多束粒子显微镜1可以是关于图1描述的类型。然而，它也可以是不同的类型。描绘的示例中具有多层架构的计算机系统包括由控制器(未示出)控制的三个不同层级。使用多束粒子显微镜1进行测量生成的数据首先进入第1层级。随后，在第1层级中处理的数据的至少一部分在第2层级中被进一步处理。随后，在第2层级中处理的数据至少部分被发送到第3层级，并进行进一步处理。在第1层级、第2层级和第3层级中实行的数据处理的顺序指示数据流。但是，这并不明确排除对不同数据同时实行第1层级、第2层级和第3层级中的数据处理。在第3层中处理的数据经由用户界面520可访问。

更详细地说，来自多个检测通道的数据进入第1层级。第1层级包括四个处理系统500₁、500₂、500₃和500₄。然而，第1层级中四个处理系统的数目仅为示例。优选地，第一层级中的处理系统的数目更多，例如可以是7、8、10、15、20、50、100个甚至更多的处理系统。然而，在描绘的示例中，检测通道的数目是四个，第一层级中的处理系统的数目也是如此。四个检测通道由箭头指示，从多束粒子显微镜1开始并进入第一层级中的多个处理器500₁、500₂、500₃和500₄。每个处理系统500₁、500₂、500₃和500₄仅处理一个检测通道的数据。在此，在这个简单示意性示出的实施例中，检测通道组也仅包括一个检测通道。在处理源自不同检测通道的数据的不同处理系统之间，在第1层级中没有或仅很少进行数据交换。

第2层级包括四个处理系统500₅、500₆、500₇和500₈，它们从第一层级的处理系统500₁、500₂、500₃和500₄接收数据。然而，第一层级的处理系统500₁、500₂、500₃和500₄与第二层级的处理系统500₅、500₆、500₇和500₈之间的数据连接没有固定的分配。这已经由第2层级框处结束的箭头指示。在所示示例中，每层中的处理系统数目为四，数目相等。然而，情况并不必如此。优选地，第二层级中的处理系统的数目少于第一层级中的处理系统的数目。这是由于在第2层级中实行的数据处理量与必须在第1层级中实行的数据处理量相比较的结果。将在后面详细解释。在第2层级中，实行数据的实时处理，包括不同处理系统500₅、500₆、500₇和500₈之间的数据交换。在第2层级实行的该数据交换还包括不同检测通道之间的数据交换。优选地，对最近获取的数据实行第二层级中不同处理系统500₅、500₆、500₇和500₈之间的这种数据交换，该第二层级也可以包括源自不同检测通道的数据，该数据优选地是与指定层有关的数据。优选地，通过在第1层级和层级2中实行的图像处理，可以处理与指定层有关的所有数据。

具有多层架构的计算机系统的第三层级包括第三多个处理系统500₉、500₁₀和500₁₁以供处理数据。第3层级从第2层级接收数据。优选地，从一层级到下一层级的数据流从第1层级到第3层级减少。在第3层级内，处理系统500₉、500₁₀和500₁₁可以彼此交换数据。因此，在第3层级中，可以交换源自不同检测通道的数据。此外，这不仅适用于与指定单层有关的数据，而且适用于与多个层有关的数据，特别是与所有层相关的数据。优选地，允许对所收集的3D数据集合的所有现有数据进行数据交换。

不同处理系统之间的数据交换引起的网络负载量从第1层级到第3层级逐渐增加。处理速度的降低至少部分是由这种增加的数据交换产生。在所示实施例中，最快的数据处理在第一层级中实行，不同通道之间没有或几乎没有数据交换。然后，在第2层级中，允许不同处理系统之间和/或对源自一层内不同检测通道的数据进行相对简单的数据交换。最后，在第3层级内，在不同处理系统之间和/或对源自不同检测通道的数据和对属于不同层的数据实行更大数据交换。从第1层级到第3层级的计算负载增加也可能导致处理速度的降低，这可能是例如更复杂计算的结果。因此，该三层级架构反映了逐层成像3D样品时的基本方面。然而，在实行指定图像处理的多层架构中还可以包括第四层级、第五层级等。

原理上，处理系统500₁到500₁₁可以是任何类型，对于不同的处理系统500₁到500₁₁，类型可以相同、部分相同或完全不同。优选地，处理系统500₁到500₁₁包括中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或数字信号处理器(DSP)或其任意组合。第一层级、第二层级、第三层级或任何其他层级的实现和/或分布可以至少部分是虚拟的。替代地或附加地，具有多层架构的计算机系统可以被配置为实行流水线化。特别地，每一层级可以细分为子层级，优选用于实现流水线化。

图3是图示根据另一个实施例的反馈环路的实现方式的略图。反馈信号由图3的下半部分的箭头指示。基本上，来自每一层级(在此：第1层级、第2层级和第3层级)的反馈信号可以被发送到分层地下一个较高层级和多束粒子显微镜1。因此，第1层级只能将反馈信号递送回多束粒子显微镜1。第2层级可以将反馈信号递送回第1层级或/和多束粒子显微镜1。第3层级可以将反馈信号递送到第2层级和多束粒子显微镜1。

反馈信号由图3的下半部分的箭头指示。

从第1层级递送回多束粒子显微镜1的反馈可以解决以下话题中的一个或多个：

-需要重新调整单束或所有束的亮度和/或对比度。

-需要重新调整聚焦和/或像散。

-成像对比度不足。

-轮廓和/或伪像检测有错误。

相应地，可以由第1层级的反馈信号触发以下动作：根据优选实施例，可以触发图像的立即重拍。例如，优选地，当平台仍处于图像数据引起标志信号的当前位置处时立即重拍图像。在随后时间点的重拍会更耗时，因为必须再次移动平台而且还必须找到重拍的正确位置。还可以标记一个或多个图像以供后续在第2层级或/和第3层级中检验。如果图像中有太多伪影，则应考虑和/或自动实行重新去层。如果数据不能很好地适应上下文，例如，如果检测到较差的拼接结果，则反馈信号可以指示重新校准多束粒子显微镜1的必要性。

第2层级可以将反馈发送到第1层级和/或多束粒子显微镜1。例如，反馈可以涉及关于以下一个或多个方面的信息：

-必须重新调整单个光束、若干光束或所有光束的亮度和/或对比度。

-需要重新调整焦点和/或像散。

如果反馈信号触发动作，则这些动作可以包括以下中的一个或多个：

-立即重拍一个或多个图像；

-标记区域以供后续在第3层级中或经由用户检验；

-标记一个或多个图像以供后续在第3层级中检验；

-应考虑重新去层，因为伪影太多；

-数据不适合数据上下文和/或数据库——向用户标记；

-拼接有错误——重新校准多束粒子显微镜1，

-轮廓检测有问题——重新校准多束粒子显微镜和/或更改去层参数；

-去层伪影可见——重新去层和/或改变去层参数。

第3层级可以将反馈发送到第2层级和/或多束粒子显微镜1。可能的触发动作包括以下中的一个或多个：

-图像位置校正需要重新调整；

-标记一个或多个图像以供用户后续检验；

-应该考虑重新去层——太多伪影；

-数据不适合数据上下文/数据库——向用户标记；

-3D拼接有错误，重新校准多束粒子显微镜1；

-轮廓检测和/或渲染有错误——重新校准多束粒子显微镜1和/或改变去层参数；

-去层伪影可见——重新去层和/或改变去层参数。

其他反馈信号和/或触发动作也是可能的。

第1层级、第2层级和第3层级及其相应的处理系统由控制器CTRL控制。控制器控制数据处理操作，特别地在第1层级、第2层级和/或第3层级中实行的数据校正。特别地，数据校正可以单独地打开和关闭。代替提供分离的控制器，第1层级、第2层级和第3层级的控制功能可以集成到另一个计算机或处理系统中，例如集成到第1层级的处理系统中。替代地，控制功能可以集成在用于控制多束粒子显微镜1的控制计算机系统10中(见图4)。

图4是包括多束粒子显微镜1和具有包括三层级的多层架构的计算机系统的系统的实施例的略图。图4中描绘的实施例是关于图2(多层架构)和图3(反馈信号)已经描绘和描述的本发明的各方面的组合。附加地，图4图示了整个系统中的网络负载/数据流的量。数据量由图4中箭头的粗细指示。粗箭头指示数据量大，较窄箭头指示数据量较小。为了完整起见，还示出了用于最终处理的数据的存储装置530。

从多束粒子显微镜1递送到第一层级的处理系统500₁到500₇的数据量是巨大的。在第1层级中，在不同处理系统和/或检测通道之间不进行数据交换的情况下实行数据的并行处理。在第1层级中处理的大部分数据直接进入存储装置530。写入到存储装置530中的数据速率可以达到每秒十吉字节或更多。该存储装置530中的数据量对应地是海量的：它可以在几十拍字节的数量级。

第1层级的数据的部分被发送到第2层级及其处理系统500₈到500₁₁。在此，实行不同处理系统500₈到500₁₁之间的数据交换，包括交换源自不同检测通道的数据。然后，在第2层级中处理的数据的部分再次直接进入到存储装置530中。将数据的剩余部分通过三个处理系统500₁₂到500₁₄递送到第3层级。在此，允许不同处理系统之间的数据交换，并且还包括处理源自不同检测通道的数据以及属于描绘3D样品的3D数据集合的不同层的层数据集合之间的顶部数据交换。已在第3层级中处理后，剩余数据进入存储装置530。用户界面520已经存取存储装置530并且可以进一步调查数据。

另外，在图4中描绘反馈环路，该反馈环路返回前一层级和/或直接返回到多束粒子显微镜1，这里更准确地返回到用于控制多束粒子显微镜1的控制计算机系统10。还可以在距多束粒子显微镜1一距离处提供控制计算机系统10，和/或控制计算机系统10可以包括在用于在第1层级、第2层级和第3层级中实行的图像处理的硬件中。同样，必须记住，第1层级、第2层级和第3层级的实现也可以至少部分是虚拟的。

图5示出了检测通道分组的略图。在此，第1层级的每个处理系统500₁到500_n分别从多个检测通道接收数据。在所示示例中，八个检测通道分组在一起并且为1处理系统500₁到500_n分别递送输入。为了完整性，还示意性地示出了检测通道的数据的来源：多束粒子显微镜1的检测系统200可以包括粒子检测器以及光检测器。将来自粒子检测器的信号转换为光，然后用每个检测通道的相应光检测器检测光是很常见的。图5指示分配到检测区域的相应光检测器241。光检测器241可以例如由雪崩光电二极管(APD)来实现。光检测器241经由连接到帧抓取器(frame grabber)507的信号线245发射电信号。帧抓取器507借助于将检测到的粒子强度转换为图像的灰度值并将其分配到图像中的位置来相应生成图像信息。图像信息是二维的，可以以逐列或逐行的方式存储在线性数据存储装置中，以便后续可寻址。检测的图像中的每一个的图像信息从帧抓取器507传输到处理系统500₁和500_n，并且直接写入到主存储器中。光检测器241和帧抓取器507提供换能器(transducer)的示例。换能器被分配到每个检测区域并且被配置为生成表示入射在检测区域上的粒子强度的电信号。包括其他类型的换能器的其他检测系统也是可能的，例如包括其中创建电子/空穴对的势垒层的检测器。

因此，第1层级的多个处理系统500₁和500_n提供图像记录计算机系统。在描绘的示例中，连接到第一层级中处理系统500₁和500_n中的每一个的帧抓取器507的数目使得由多个帧抓取器507生成的图像数据可由处理系统500₁和500_n实时处理。在描绘的示例性实施例中，多达八个帧抓取器507连接到一个处理系统500。处理系统500₁和500_n中的每一个具有快速存储器，其中存储由帧抓取器507生成的图像数据以供进一步处理。优选地，图像处理器500₁和500_n包括多处理单元，并且1处理系统500₁和500_n中的所有多处理单元可寻址相应处理系统500₁和500_n内的主存储器。相同处理系统内的图像处理非常快速，并且即使需要在不同检测通道之间交换数据，该交换也可以相对较快速地实行，只要表示相应检测通道的数据存储在相同存储器中，特别是在处理系统500的相同RAM中。因此，如何将不同的检测通道分组在一起以及如何将它们分配给指定的处理系统500会影响可能的处理速度。根据本发明，当多层架构至少部分虚拟实现时，该发现特别地重要。这意味着，硬件处理系统500可以同时表示第1层级的部分和第2层级的部分。常见图像处理系统中的数据处理可以在虚拟层架构中实行；而且，为了优化处理速度，检测通道到硬件处理系统的物理分配很重要。将参考图6至8进一步解释将信道分组在一起的构思。

图6是图示具有91个单视场(sFOV)的多视场(mFOV)的略图。原理上，这些sFOV的编号是任意的。在描绘的示例中，中央sFOV标记为1。在该中央sFOV编号1的周围，示出了具有六个sFOV 2到7的壳。下一个壳包括sFOV 8到19等。总体上，示出了具有91个sFOV的六边形结构，以创建了一个mFOV。

图7是图示在具有91个sFOV的一个mFOV内优化的检测通道分组的略图。不同的检测通道组用不同的字母标记。在具有91个sFOV的本示例中，描绘了A到L的12个组。每个检测通道组的数据由在第1层级和/或第2层级中的相同处理系统500处理。检测通道到相应检测通道组A至L的分配被配置为基于拓扑设计考虑来减少不同图像处理系统之间的图像处理期间的数据交换。优选地，优化分组的规则如下：

-将多视场mFOV中的检测器分组，使得在一个处理系统/获取系统500内在两个或更多个检测通道之间进行尽可能多的数据传输。

-在任意两个处理系统/图像获取系统500之间发生的不同检测通道之间的数据传输尽可能少。

-拓扑优化：使得“面积”(这是在一个处理器/图像获取系统500上的检测器的数目)与“周长”(这是在不同处理系统/图像获取系统500上具有邻近检测器的检测器的数目)的比率尽可能大。

如果第一层级和/或第二层级中的一个处理系统500可以处理多达8个检测通道，则图7中描绘的分组是好的分组。还存在其他解决方案。

考虑到3D样品的完整层的图像是由多个mFOV构建的，优选地还考虑到附加的拓扑设计考虑。例如，不同mFOV的检测通道必须成对以进行数据交换(例如用于层内的拼接程序)是一个重要方面。成对可以基于拓扑设计考虑以减少不同处理系统之间的数据交换，从而基于导致更快整体图像处理速度的网络负载。

这种情景的优选解决方案在图8中描绘。图8是图示mFOV检测通道组的略图。图示了四个mFOV 1到4，并示出了当平台移动时sFOV的邻近关系。在mFOV1与mFOV2的边界处，mFOV1的检测通道组L在最外侧位置具有3个检测通道，每一个都面向mFOV2上属于检测通道组J的检测通道。该分组由框601指示。类似地，mFOV1的属于检测通道组F的两个检测通道面向在mFOV2上属于检测通道组I的两个检测通道，如框602所指示。此外，mFOV1上位于mFOV3边界处的属于检测通道组H的三个检测通道面向mFOV3上属于检测通道组L的三个检测通道，如框610所指示。mFOV1的属于检测通道组I的三个检测通道面向mFOV3上属于检测通道组K的三个检测通道，如框609所指示。附图标记603至608还指示用于图示不同mFOV之间的检测通道组成对的框。因此，通过使含有属于最多一个或两个不同检测通道组的邻近检测通道的对的框尽可能大，可以减少不同处理系统之间的数据交换。

在描绘的示例中关于有91个sFOV的成对方面唯一更复杂的区域是区域608周围。这里，在mFOV4中，检测通道70和71(使用图6所示的编号)属于不同的检测通道组D和K。而，在邻近的mFOV1上，检测通道83和84都属于检测通道组G。

Claims (19)

1.一种系统，包括：

用于成像3D样品的多束粒子显微镜，以及

具有多层架构的计算机系统；

所述多束粒子显微镜包括：

多束源，被配置为生成多个第一粒子束的第一阵列；

第一粒子光学件，被配置为将所述第一粒子束指引到物体上，使得所述第一粒子束入射在所述物体上的入射位置处，所述入射位置形成第二阵列；

检测器，包括多个检测区域或多个检测器，每个检测器具有至少一个检测区域，所述检测区域布置在第三阵列中，所述检测器或多个检测器包括多个换能器，换能器被分配给每个检测区域并且被配置为生成表示入射在检测区域上的粒子强度的电信号，所述多个检测区域和所分配的多个换能器分别形成多个检测通道，所述检测通道被分配给多个检测通道组；

第二粒子光学件，被配置为将从所述第二阵列中的入射位置发射的第二粒子束指引至检测区域的所述第三阵列，使得每个第二粒子束入射在布置在所述第三阵列中的所述检测区域中的至少一个上；和

用于控制所述多束粒子显微镜的控制计算机系统；

所述具有多层架构的计算机系统包括：

第一层级，包括用于处理数据的第一多个处理系统；和

第二层级，包括用于处理数据的第二多个处理系统；

其中所述第一多个处理系统中的每个处理系统被配置为排他地从分配的检测通道组接收检测信号，并且其中所述第一层级的所述第一多个处理系统被配置为在基本上或完全不进行所述第一多个处理系统的不同处理系统之间的任何数据交换的情况下实行数据处理；并且

其中所述第二层级的第二多个处理系统被配置为从所述第一层级的多个第一处理系统中的至少一个接收数据并且被配置为实行数据的处理，其包括所述第二层级的不同处理系统之间的数据交换，特别是对于最近获取的数据。

2.根据权利要求1所述的系统，

其中，所述具有多层架构的计算机系统还包括第三层级，该第三层级具有用于处理数据的第三多个处理系统；

其中，所述第三层级的第三多个处理系统被配置为从所述第二层级的第二多个处理系统中的至少一个接收数据，并被配置为实行数据处理，其包括所述第三层级的不同处理系统之间的数据交换，特别是对于所有现存数据。

3.根据前述权利要求中任一项所述的系统，

其中，处理系统包括中央处理单元(CPU)、全局处理单元(GPU)、现场可编程门阵列(FPGA)和/或数字信号处理器(DSP)或其任何组合。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的系统，

其中，处理系统包括多处理单元。

5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，

其中，所述第一层级的第一多个处理系统中的至少一个处理系统被配置为从多个换能器接收电信号并且被配置为对于多个检测通道实行图像处理，其中，所述多个检测通道的数据存储在所述至少一个处理系统的相同存储器中，特别是相同RAM中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，

其中，检测通道到相应检测通道组分配被配置为基于拓扑设计考虑在图像处理期间使不同处理系统之间的数据交换最小化。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的系统，其中，所述第一层级、所述第二层级和/或所述第三层级的实现和/或分布至少部分是虚拟的。

8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述具有多层架构的计算机系统被配置为实行流水线化。

9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第一层级被配置为向所述多束粒子显微镜的控制计算机系统发送反馈信号。

10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第二层级被配置为向所述多束粒子显微镜的控制计算机系统和/或向所述第一层级发送反馈信号。

11.根据权利要求9至10中任一项所述的系统，其中，发送到所述控制计算机系统的所述反馈信号使得用所述多束粒子显微镜对所述3D样品的层的至少一部分立即重新成像。

12.根据权利要求2至11中任一项所述的系统，其中，所述第三层级被配置为向所述多束粒子显微镜的控制计算机系统和/或所述第二层级发送反馈信号。

13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括用于去层所述3D样品的去层单元。

14.一种用于逐层成像3D样品的方法，特别地具有根据系统权利要求1至13中任一项所述的系统，所述方法包括：

a.去层3D样品，从而创建要成像的3D样品的层；

b.用多束粒子显微镜对所述3D样品的层进行成像，从而取得层数据集合；

c.实时核验所述层数据集合的有效性；并且

在肯定有效性的情况下重复地实行步骤a.到c.。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，在执行下一个去层步骤之前，所述层数据集合的有效性的核验在无效的情况下触发对所述3D样品的当前层的立即重新成像。

16.根据权利要求14至15中任一项所述的方法，其中，在执行下一个去层步骤之前，核验所述层数据集合的有效性触发所述3D样品的重新去层。

17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中，在执行下一个去层步骤之前，所述层数据集合的有效性的核验在无效的情况下触发重新校准所述多束粒子显微镜。

18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中，所述层数据集合的有效性的核验触发设置标志以供后续检验。

19.一种计算机程序产品，具有实行根据权利要求14至18中任一项所述的方法的程序代码。

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