CN114113185A - 实现扫描电子显微镜变焦扫描的成像方法 - Google Patents

实现扫描电子显微镜变焦扫描的成像方法 Download PDF

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Abstract

一种实现扫描电子显微镜变焦扫描的成像方法，包括：使电子束依次聚焦在待测样品的不同区域，分别对整个视场区域进行扫描成像得到多幅图像，所述多幅图像分别包含对应于不同聚焦区域的不同清晰图像区域；提取所述多幅图像中的清晰图像区域并合成为包含所有清晰图像区域的清晰图像。本发明可以避免丢失关键信息，提高检测结果的准确性。

Description

实现扫描电子显微镜变焦扫描的成像方法
技术领域
本发明属于扫描电子显微镜成像领域，具体涉及一种扫描电子显微镜的变焦成像的方法。可广泛应用于生物医学、半导体材料、化学等的表面形貌成像及物质组成成分的检测分析，用于实现快速简便的全区域清晰成像。
背景技术
扫描电子显微镜是一种用于观察样品表面微观形貌，及对样品组成成分进行分析的成像设备。其工作原理如下：扫描电子显微镜电子枪发射出的极细的高能电子束经电磁透镜聚焦于待测样品表面，该电子束可以通过偏转扫描系统驱动，从而对样品进行扫描。聚焦电子束作用在样品表面通过与表面物质的相互作用，将激发照射区域产生二次电子、俄歇电子、特征x射线和连续谱X射线、背散射电子、透射电子，以及在可见、紫外、红外光区域产生的电磁辐射等。通过配置不同的探测器对这些信号进行收集检测分析，可以得到样品的表面结构，物质组成成分等一系列信息。
扫描电子显微镜扫描成像过程中对待测样品进行聚焦是整个成像过程中非常重要的一个环节，这直接决定了最终成像的分辨率。与传统的光学显微镜相比，电子显微镜具有非常显著的优点：扫描电子显微镜分辨率高，通常可以达到纳米甚至亚纳米级；并且扫描电镜可以对样品材料进行定性分析，检测其组成元素。但是扫描电镜在使用过程中也存在局限性：一方面扫描场过大会极大的降低成像分辨率，影响成像质量；但另一方面过小的扫描场又不利于成像的效率。现有的扫描电子显微镜成像通常是在成像之前通过设置一个聚焦参数对整幅样品区间进行扫描成像，但由于场曲的影响，扫描成像得到的图像往往只是中间部分区域有较高的成像分辨率，而其他部分由于超出了最佳聚焦范围，得到的图像分辨率较低，因此整个扫描成像最终得到的清晰成像视场较小。如果需要对较大尺寸的待测样品进行扫描成像，只能通过选取不同扫描区域多次重复扫描得到多幅图像来对样品进行检测分析，不仅耗时耗力，而且重复扫描得到的不同区域的小视场成像有可能会丢失某些关键信息，影响最终的检测结果，因此如何实现大视场的扫描电子显微镜成像是电子显微镜研究技术中需要解决的一大难题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供一种可以实现扫描电子显微镜变焦扫描的成像方法，通过改变聚焦范围或者样品台高度，进而改变成像图像的清晰范围，最后通过软件处理得到大视场全区域清晰成像。该方法具有操作简便，成像视场大，工作效率高的优点。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
一种实现扫描电子显微镜变焦扫描的成像方法，包括：
使电子束依次聚焦在待测样品的不同区域，分别对整个视场区域进行扫描成像得到多幅图像，所述多幅图像分别包含对应于不同聚焦区域的不同清晰图像区域；
提取所述多幅图像中的清晰图像区域并合成为包含所有清晰图像区域的清晰图像。
在一些实施例中，相邻聚焦区域的清晰图像区域均部分重叠。
在一些实施例中，提取的多个清晰图像区域通过模板匹配算法合成为包含所有清晰图像区域的清晰图像。
在一些实施例中，聚焦区域由样品中央向外围或由外围向中央逐渐变化。
在一些实施例中，聚焦区域的改变通过改变电子束聚焦强度或样品台高度来实现。
在一些实施例中，电子束聚焦强度的改变通过调整磁透镜参数、电透镜参数、物镜激励参数和/或样品偏压来实现。
在一些实施例中，通过偏转扫描系统驱动电子束的偏转，从而实现对整个样品进行扫描。
在一些实施例中，所述样品台高度通过依次从上往下或者依次从下往上的方式调节。
在一些实施例中，所述样品台高度的调整范围是-500um～500um。
在一些实施例中，清晰图像区域的提取和合并利用C语言、Java或Python来实现。
与现有技术相比，本发明的成像方法具有以下有益效果：
本发明通过在电子束依次聚焦于不同区域时进行多次扫描，可以获得不同区域的清晰图像，通过将各图像中的清晰图像区域提取并合成为一整幅图像，可以避免丢失关键信息，从而提高检测结果的准确性。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1为扫描电子显微镜结构示意图；
图2为电子束在样品表面聚焦情况示意图；
图3为调焦之后电子束在样品表面聚焦示意图；
图4为多次扫描图像合成最终图像的示意图；
图5为调整样品台高度使得聚焦落在样品不同区域的示意图；
图6为本发明实施例中图像扫描和处理过程的示意图。
具体实施方式
在本发明的说明书中，提及“一个实施例”时均意指在该实施例中描述的具体特征、结构或者参数、步骤等至少包含在根据本发明的一个实施例中。因而，在本发明的说明书中，若采用了诸如“根据本发明的一个实施例”、“在一个实施例中”等用语并不用于特指在同一个实施例中，若采用了诸如“在另外的实施例中”、“根据本发明的不同实施例”、“根据本发明另外的实施例”等用语，也并不用于特指提及的特征只能包含在特定的不同的实施例中。本领域的技术人员应该理解，在本发明说明书的一个或者多个实施例中公开的各具体特征、结构或者参数、步骤等可以以任何合适的方式组合。
在本发明的一个实施例中，提供了一种实现扫描电子显微镜变焦扫描的成像方法，该方法包括：
通过扫描参数设置将电子束聚焦于视场中待测样品表面的中央区域，对整个视场扫描得到第一幅图像。得到的第一幅图像其中央区域因为处于电子束最佳聚焦范围之内，因此中央区域图像具有很高的图像分辨率，即中央区域成像清晰；而外围区域因为不处于最佳聚焦范围之内，因此成像分辨率低；
通过改变聚焦强度，使电子束的聚焦焦长变长，此时最佳聚焦范围不再位于视场中央，而在靠近视场中央的外围一圈区域内，对整个视场扫描得到第二幅图像。得到的第二幅图像其靠近中央区域的外围一圈区域范围内成像分辨率最高，除此之外在其外围和内部区域成像分辨率都较低。
按照上述方法依次改变电子束的聚焦强度，使得最佳聚焦区域依次从内到外分布，并重复对整个视场进行扫描，得到若干幅图像。依次得到的每两幅图像的聚焦区域即图像清晰部分都有部分重叠，此重叠区域的大小主要取决于后期拼图的实际需要，因为拼图的时候是根据两幅图像相同的某些区域特征而将其拼接在一起。
上述扫描得到的若干幅图像的成像清晰区域从内到外依次分布，结合软件处理将多幅图像当中的清晰区域依次提取出来并合成一整幅清晰的图像。
根据本发明的实施例，聚焦强度的改变方法包括但不局限于更改磁透镜参数、更改电透镜参数、更改物镜激励参数和/或更改样品偏压等方法。
根据本发明的实施例，聚焦方向的改变，即最佳聚焦区域的改变方向优选从内到外依次分布，但是最佳聚焦区域方向的改变还可以是从外到内或其他可以实现对整个场进行清晰扫描的方式。
根据本发明的实施例，电子束的偏转扫描可以通过偏转扫描系统驱动。
根据本发明的实施例，软件处理包括信息提取和信息整合等，包括但不局限于C、Java、Python等可以实现该功能的数据处理语言。
在本发明的另一个实施例中，提供了另外一种实现扫描电子显微镜变焦扫描的成像方法，也可以得到大视场全区域的清晰成像，该方法包括：
首先通过扫描参数设置将电子束聚焦在视场中待测样品表面的中央位置，并对整个视场进行扫描得到第一幅图像，得到的图像中间部分成像清晰，而外围部分成像模糊。
通过调整样品台高度，即在Z方向对样品台进行调整，使得电子束的最佳聚焦范围落在视场中靠近中心的外围一圈样品区域内，对整个视场进行扫描成像得到第二幅图像，得到的第二幅图像的靠近中心的外围一圈为最佳聚焦范围内的图像，具有高的分辨率，其他区域成像分辨率较低。
重复上述步骤，不断调整样品台高度，使得电子束的最佳聚焦区域依次从内到外分布，并重复对整个视场进行扫描得到若干幅图像，上述扫描得到的多幅图像成像清晰区域也从内到外依次分布。依次得到的每两幅图像的聚焦区域即图像清晰部分都有部分重叠。
结合软件处理将多幅图像当中的清晰区域依次提取出来并合成一整幅清晰的图像，得到大视场全清晰成像。
根据本发明的实施例，聚焦方向的改变，即最佳聚焦区域的改变方向优选从内到外依次分布，但是最佳聚焦区域改变的方向还可以是从外到内或其他可以实现对整个场进行清晰扫描的方式，即样品台的调整方向包括但不局限于从下到上和从上到下等高度的改变。
在一个实施例中，样品台的调整只涉及Z方向，不涉及X方向和Y方向，即平面内的移动。
在一个实施例中，所述样品台高度的调整范围是-500um～500um，具体调整范围视具体扫描视场尺寸决定，尺寸越大调节范围越大，反之则越小。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1是扫描电子显微镜的结构示意图，主要由电子光学部分101、样品室102和相关控制电路及数据处理部分组成。103表示阴极；104表示光阑；105和106分别表示电子透镜和扫描线圈；111和112分别表示电透镜控制电路和扫描线圈控制电路；107和108分别表示待测样品和放置待测样品的样品台；109为聚焦电子束；110为高压电源；113为控制计算机；114为电子探测器；115为A/D转换器；116为图像处理装置；117为图像显示装置。
扫描电子显微镜工作过程可简述如下：阴极103发射的高能电子束经光阑104过滤之后被电子透镜105聚焦于样平台108上的待测样品107表面，其中扫描线圈106用于对聚焦光束进行偏转进而实现对样品扫描成像。
扫描线圈可以通过扫描线圈控制器112控制实现电子束的偏转扫描，而电子束的聚焦则可以通过电透镜控制电路111进行调节。
探测器114用于探测被聚焦电子束激发出的电子信号，并将信号S1输送到A/D转换器115，A/D转换器将信号S1转换成数字信号S2并将S2输入到图像处理器，图像处理器对图像进行提取合并等处理，最终将处理好的信号输入图像显示装置117。
通常情况下利用扫描电子显微镜对大视场样品进行扫描成像，由于场曲的影响，平面的物产生曲面的像，即像的各点不是位于同一平面，而是位于一近似球面的曲面上，如图2所示。当电子束在位于中央位置，即电子束201是聚焦在样品平面上的206处，而电子束偏转到外围区域，即图中电子束202和203则是聚焦在207和209处，它们在平面处会形成离焦的散斑208和210。因此在扫描成像过程中，最终成像位于曲面204处，而不是待测样品所在的平面区域205，只有在206附近区域的待测样品才可以清晰成像，其他区域不能成清晰像，最终得到的清晰成像区域较小，不利于对样品进行检测分析。
为了解决上述问题，本发明提供了一种实现扫描电子显微镜变焦扫描的成像方法，用于实现快速简便的全区域清晰成像。
如图3所示，在一个实施例中，为了改善由于场曲造成的边缘区域成像不清晰的问题，可以通过调整电子束聚焦强度，使其焦点始终落在样品平面内。如图中所示，中央区域电子束301聚焦于样品表面304处，而外围区域则可以通过调整聚焦强度使电子束302和303聚焦于样品表面305和306，此时聚焦点可以落在整个样品平面内，即可以得到整个样品平面的清晰成像。
在该实施例中，调整聚焦强度的方法包括调整电透镜和/或磁透镜的激励。
具体扫描成像过程可简述如下：首先调整聚焦强度使得电子束聚焦于样品中央区域并对整个视场成像，得到的图像中间区域成像清晰而边缘区域成像模糊；调整电子束聚焦，使其聚焦于靠近中央的外围区域并对整个样品进行扫描成像，得到的图像在靠近中央的外围一圈区域内成像清晰而其余部分成像模糊；如上所述，并以此类推调整聚焦强度将焦点聚焦在样品不同区域并对整个视场进行扫描成像，依次得到具有不同清晰区域的扫描成像。
如图4所示，将多幅图像中的清晰区域依次提取出来并将其合并成一幅完整的图像，即可实现全区域清晰成像。
除了上述通过改变聚焦强度实现全区域清晰成像的方法外，本发明的另一个实施例通过改变样品台高度来改变聚焦范围。在该实施例中，通过改变样品台高度，会使聚焦点落在样品不同区域，最佳实施方式是通过改变样品台高度继而改变聚焦强度，使得电子束从内到外依次聚焦在样品的不同区域。
如图5所示，首先调节样品台高度到P1平面，使得电子束聚焦在样品中央位置，即电子束501聚焦于506处，并对整个视场进行扫描成像；之后调节样品台到P2位置，此时电子束聚焦于靠近中央的边缘区域，即图中所示的电子束502聚焦于507处，对整个视场进行扫描成像；重复上述操作，调节样品台至P3位置并扫描成像，依次类推，从内带外依次对样品进行扫描成像，得到若干幅图像。
图像处理如实施例1所述，即如图4所示将得到的多幅图像中的清晰区域依次提取出来并将其合并成一幅完整的清晰图像。
如图6所示，本发明实施例中具体的图像扫描和处理过程可以包括以下步骤：
1、选择感兴趣的扫描区域，将其移至视场中央，可选择样品上一个杂质颗粒或者样品上某个感兴趣的特征区域作为标记点移至视场中心位置；
2、调节聚焦强度或者样品台高度使样品中心区域成像清晰(处于正焦区域)，记此时的焦长为f1/样品台高度为h1，扫描得到第一幅图像。因为聚焦光斑有一定的景深，因此第一幅图像的清晰区域应当是视场中央一块圆形区域，用标度尺大致量出此清晰区域的直径长度d1；
3、改变(增加)焦距长度或者改变样品台高度都可以达到改变聚焦区域的目的，因此此处两种操作都列为可选操作步骤。改变聚焦长度/样品台高度使焦距变成f2/样品台高度变为h2，并记录焦距改变量Δf1/样品台高度改变量Δh1，此时成像清晰区域为一圆环，其内直径为d2 1、外直径为d2 2，圆环宽度为w＝d2 2-d2 1。调节焦距长度使得第二幅图像成像清晰区域最内环与第一幅图像清晰区域最外环略有重合(根据实际拼图需求可改变此重叠区域面积大小)，可根据标度尺及标记点进行判断。即圆环内径d2 1＜d1＜d2 2这样第一幅图像的清晰区域与第二幅图像的清晰区域有重叠部分，方便后期拼图，此步骤为标定参数，可能需要多次重复操作保证数据的可靠性；
4、重复上述步骤，改变焦距为f3/样品台高度为h3，并记录下焦距改变量Δf2/样品台高度改变量Δh2，此时成像清晰区域即圆环内径为d3 1、外径为d3 2，同样此圆环与上幅图像清晰圆环有重叠部分，即d3 1＜d2 2＜d3 2，且d3 2-d3 1＝w；
5、重复以上步骤得到若干幅图像，且每幅图像的清晰区域都是一个宽度为w的圆环，并记录每次焦距/样品台高度的改变量和圆环内径与外径，作为后期扫描成像的参考参数；
6、将第一幅图像的清晰部分(以标记点为中心，直径为d1的圆)从图像中截取出来，并依次将后面得到的图像中的清晰部分(d2 2-d2 1，d3 2-d3 1…)，即宽度为w的圆环截取出来，因为先后得到的成像清晰区域都有重叠部分，可通过模板匹配算法等图像处理方法依次拼接形成一幅完整的清晰图像。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现扫描电子显微镜变焦扫描的成像方法，其特征在于，包括：
使电子束依次聚焦在待测样品的不同区域，分别对整个视场区域进行扫描成像得到多幅图像，所述多幅图像分别包含对应于不同聚焦区域的不同清晰图像区域；
提取所述多幅图像中的清晰图像区域并合成为包含所有清晰图像区域的清晰图像。
2.根据权利要求1所述的成像方法，其中，相邻聚焦区域的清晰图像区域均部分重叠。
3.根据权利要求1所述的成像方法，其中，提取的多个清晰图像区域通过模板匹配算法合成为包含所有清晰图像区域的清晰图像。
4.根据权利要求1所述的成像方法，其中，聚焦区域由样品中央向外围或由外围向中央逐渐变化。
5.根据权利要求1所述的成像方法，其中，聚焦区域的改变通过改变电子束聚焦强度或样品台高度来实现。
6.根据权利要求5所述的成像方法，其中，电子束聚焦强度的改变通过调整磁透镜参数、电透镜参数、物镜激励参数和/或样品偏压来实现。
7.根据权利要求1所述的成像方法，其中，通过偏转扫描系统驱动电子束的偏转，从而实现对整个样品进行扫描。
8.根据权利要求5所述的成像方法，其中，所述样品台高度通过依次从上往下或者依次从下往上的方式调节。
9.根据权利要求5所述的成像方法，其中，所述样品台高度的调整范围是-500um～500um。
10.根据权利要求1所述的成像方法，其中，清晰图像区域的提取和合并利用C语言、Java或Python来实现。
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