CN115602515A

CN115602515A - 粒子束显微镜及其操作方法和计算机程序产品

Info

Publication number: CN115602515A
Application number: CN202210802556.7A
Authority: CN
Inventors: M.罗斯-梅塞默; I.伊尔克; A.克里施
Original assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2021-07-07
Filing date: 2022-07-07
Publication date: 2023-01-13
Also published as: US20230011964A1; DE102021117592B3; DE102021117592B9

Abstract

本公开涉及一种用于操作粒子束显微镜(1)的方法，包括使用粒子束(7)扫描物体(15)并且在使用粒子束(7)扫描物体(15)时检测电子(27)和x射线辐射(31)。通过根据公式

组合加权x射线辐射信息项来产生改进的x射线辐射信息，其中

是分配给一个位置

的检测到的x射线辐射强度。以下适用于权重，例如：

其中

表示分配给该位置

的检测到的电子的强度，并且s_f和s_g是常数。本公开还涉及粒子束显微镜和计算机程序产品。

Description

粒子束显微镜及其操作方法和计算机程序产品

技术领域

本发明涉及粒子束显微镜和用于操作粒子束显微镜的方法。特别地，本发明涉及粒子束显微镜和用于操作粒子束显微镜的方法，该粒子束显微镜涉及将粒子束引导到物体上并检测在该过程中产生的电子和x射线辐射。此外，本发明涉及一种可以用于操作粒子束显微镜的计算机程序产品。

背景技术

对由入射粒子束产生的电子和x射线辐射进行检测的粒子束显微镜被用于材料分析，例如，因为在基于检测到的电子而产生的图像和在基于检测到的x射线辐射而产生的图像中，被检查物体的材料的各种特性变得可见。在这种检查方法的情况下的一个传统问题是，检测x射线辐射以记录基于检测到的具有足够品质的x射线辐射而产生的图像所需的时间显著超过检测电子以产生基于检测到的具有常规品质的电子而产生的图像所需的时间。这尤其是因为由入射粒子束产生的x射线量子的数量以及它们被常规检测器检测到的概率相对较低。因此，难以在令人满意的短时间内获得具有足够统计量和适当低噪声比例的与被检查物体有关的x射线辐射信息项。如果以能量分辨的方式检测x射线辐射并且相应地记录在物体处产生的x射线辐射的光谱，则这特别适用。此外，即使在导致足够统计量的长时间测量的情况下，基于检测到的x射线辐射产生的图像也具有显著低于基于检测到的电子同时获得的图像的空间分辨率。这是由于空间分辨率受限于在被入射在物体上的聚焦粒子束激发之后分别检测到的辐射出现的物体处的体积的限制。检测到的x射线辐射出现的入射聚焦粒子束入射位置周围的体积显著大于检测到的电子出现的入射位置周围的体积。

为了在统计标准方面改进检测到的x射线辐射信息的品质，传统的做法是组合分配给物体的多个位置或图像的像素的x射线辐射信息项。作为示例，分配给4、9或16个相邻像素的x射线辐射信息项通过相加来组合。与最初分配给单个像素的x射线辐射信息项相比，这提高了组合的x射线辐射信息项的统计品质，但是导致进一步损害了基于该组合的x射线辐射信息项产生的显微图像的空间分辨率。

EP 2 546 638A2披露了一种方法，在该方法中，对基于电子检测产生的图像进行了评估。将所述图像中具有相同灰度值范围的像素组合成组。然后将分配给每个组的像素的x射线辐射信息项相加，以便获得针对此组像素的具有改进的统计的x射线辐射信息项。然后，这组像素可以在图像中用相同的颜色表示，而相互不同的像素组可以用相互不同的颜色表示。所得彩色图像的不同颜色可以表示在被检查物体中的不同材料。

已经发现，在一些情况下，此方法无法以足够的可靠性来在不同的材料之间进行区分。

发明内容

因此，本发明解决的问题是提供一种用于操作粒子束显微镜的替代方法，在该方法中，检测电子和x射线辐射，并且可以基于检测到的电子辐射信息项和x射线辐射信息项来产生粒子显微图像，这些粒子显微图像使物体中的不同材料可视化。

本发明提出了一种用于操作粒子束显微镜的方法，该方法包括将粒子束引导到物体的多个位置上。在这种情况下，该方法可以包括，针对该多个位置中的每个给定位置，检测由引导到该给定位置上的该粒子束产生的电子、以及检测由引导到该给定位置上的该粒子束产生的x射线辐射。

根据示例性实施例，存储表示该检测到的电子的强度的电子束信息项和表示该检测到的x射线辐射的强度的x射线辐射信息项。该存储可以特别被实现为使得可以从这些存储的信息项中产生图像，即电子辐射信息项和相应的x射线辐射信息项可分配给在相应产生的图像中的物体或像素处的位置，使得二维物体内的拓扑关系可以保持并在二维图像中变得可见。

根据示例性实施例，该存储的位置信息表示该粒子束被引导到的该给定位置，该存储的电子辐射信息表示当该粒子束被引导到该给定位置上时该检测到的电子的强度，分配给该位置信息，以及该存储的x射线辐射信息表示当该粒子束被引导到该给定位置上时该检测到的x射线辐射的强度，同样分配给该位置信息。

根据示例性实施例，该方法包括，针对该多个位置中的多个、特别是所有给定位置，产生改进的x射线辐射信息并且存储该改进的x射线辐射信息，分配给表示该给定位置的该位置信息。这些改进的x射线辐射信息项可以表示为图像，例如，该图像可以具有改进的特性并且特别可以以不同的方式使该物体中的不同材料可视化。

根据示例性实施例，产生针对该给定位置的该改进的x射线辐射信息包括组合多个加权x射线辐射信息项。如果将x射线辐射信息分配给该给定位置，则该多个加权x射线辐射信息项可以包括分配给该给定位置的该x射线辐射信息，以及分配给不同于该给定位置的位置的x射线辐射信息项。组合该多个加权x射线辐射信息项可以包括例如考虑到相应的权重，将该多个x射线辐射信息项的值相加。

根据示例性实施例，针对在组合该多个加权x射线辐射信息项时使用的x射线辐射信息项的权重，适用的是，该权重随着在该给定位置与由分配了该加权x射线辐射信息的该位置信息表示的该位置之间的距离而减小。

根据进一步的实施例，针对在组合期间使用的x射线辐射信息项的权重，适用的是，该权重随着在由分配给表示该给定位置的该位置信息的该电子辐射信息表示的强度与由分配给也分配了该加权x射线辐射信息的该位置信息的该电子辐射信息表示的强度之间的差异的绝对值而减小。

因此，用于组合该多个加权x射线辐射信息项的权重变得越大，其x射线辐射信息项被组合的位置之间的距离越小，并且分配给这些位置的检测到的电子强度之间的差异越小。相反，权重变得越小，其x射线辐射信息项被组合的位置之间的距离越大，并且分配给这些位置的检测到的电子强度之间的差异越大。

因此，特别地，可能的是，该物体的区域由不同材料组成并且在该物体中彼此相距一定距离并且导致检测到的电子强度相同，即在该电子图像中具有相同的灰度值，然而，该物体的区域在基于改进的x射线辐射信息项产生的图像中显示不同，因为分配给各个区域的x射线辐射信息项可以根据区域来单独组合。在这方面，并非例如由不同材料组成的两个区域的所有像素因为这些区域在该电子图像中以相同的灰度值显示而必须组合成一组。具体地，这可能导致两个区域的x射线辐射信息项被联合平均并且因此关于各个区域的特定x射线辐射项信息丢失。

根据示例性实施例，从分配给该多个位置的改进的x射线辐射信息项来产生一种表示，该表示例如可以表示在屏幕上或在纸上，并且可以在视觉上考虑。在这种情况下，特别地，可以将分配给该多个位置的改进的x射线辐射信息项分类为多个组，其中根据预定的相似性标准，分配给同一组的x射线辐射信息项对比分配给不同组的x射线辐射信息项对彼此更相似。该预定的相似性标准可以包括例如将该x射线辐射信息假定为参数的数学公式，对其的评估产生一个值。

该预定的相似性标准然后可以还包括比较操作，该比较操作假定两个这种值作为参数并且产生指示在两个x射线辐射信息项之间的相似性的值。如果分配给位置的该x射线辐射信息由数值表示，则可以例如基于该值的多个预定值范围来分类成组。例如，如果分配给位置的该x射线辐射信息是x射线光谱，则对该相似性标准的确定需要在分配给不同位置的x射线光谱对之间进行比较。为此，例如可以首先对两个光谱进行归一化，然后确定针对不同能量的距离平方和，以便获得表示在两个光谱之间的相似性的值。例如，然后例如可以借助于聚类方法，比如K-means，将x射线辐射信息项分类成多个组。

在x射线辐射信息项的表示中，分配给同一组的那些分别用相同的表示特征来表示，而分配给不同组的那些用不同的表示特征来表示。这些表示特征例如可以包括颜色、亮度和/或颜色饱和度。

根据示例性实施例，检测x射线辐射包括读取能量色散x射线检测器。根据其他示例性实施例，检测电子包括读取电子检测器，该电子检测器特别可以是反向散射电子检测器。

根据示例性实施例，组合多个加权x射线辐射信息项包括将检测到的x射线辐射强度的加权强度值相加。在这种情况下，这些强度值可以是整数值，即源自该x射线辐射检测器的输出并且在给定采样周期上与能量无关地积分的值。此外，这些相加的强度值可以源自该x射线检测器的在特定的能量区间中在特定的持续时间上被检测到的输出。特别地，该检测器能够检测入射的x射线量子的能量并且输出表示分别检测到的x射线量子的检测能量的检测信号。

本发明还提供一种粒子束显微镜，该粒子束显微镜包括用于产生粒子束的粒子源、电子检测器、x射线辐射检测器和控制器。在这种情况下，该控制器被配置为处理使该粒子束显微镜执行这里披露的方法的指令。

本发明还提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可读指令，这些计算机可读指令当由粒子束系统的控制器执行时，使该粒子束系统执行这里披露的方法。

附图说明

下文将参考图来更详细地说明本发明的实施例。这里在附图中：

图1示出了根据一个实施例的粒子束显微镜的示意图；

图2示出了根据一个实施例的用于说明用于操作图1中的粒子束显微镜的方法的流程图；

图3示出了基于借助于图1中的粒子束显微镜从物体获得的电子辐射信息项产生的图像的示意图；

图4示出了基于借助于图1中的粒子束显微镜从图3中的物体获得的改进的x射线辐射信息项产生的图像的示意图；以及

图5A和图5B示出了指配给图3和图4中图像的不同区域的示例性x射线辐射信息项。

具体实施方式

图1是粒子束显微镜1的示意图。粒子束显微镜1包括粒子源3，该粒子源发射被加速朝向电极5以便产生粒子束7的粒子。粒子可以是电子或离子。粒子束7可以由准直透镜9准直。粒子束7穿过物镜11，以便聚焦在物体15的表面13上。束偏转器17由控制器19控制，该控制器包括计算机，以便偏转粒子束7，其方式为使得粒子束在二维区域21内的期望可调节位置23处入射到物体15的表面13上。

由于粒子束7的粒子与位置23处的物体15的材料的相互作用，所以入射在物体15的表面13处的给定位置23上的粒子束7产生相互作用产物，所述相互作用产物是可检测的。粒子束显微镜包括用于检测反向散射电子的反向散射电子检测器25。在图1中用附图标记27提供了反向散射电子的示例性轨迹。粒子束显微镜还包括用于检测x射线量子的x射线检测器29。在图1中用附图标记31提供了x射线量子的示例性轨迹。

下面参考图2中的流程图来解释用于操作粒子束显微镜1的方法的一个示例。

首先，物体15相对于粒子束显微镜1定位的方式为使得粒子束显微镜1可以使用粒子束7来扫描在物体15的表面13处的关注区域21。然后，在步骤101中，物体15的表面13的区域21借助于粒子束7系统地扫描。这意味着粒子束7在表面13上逐行扫描。在这种情况下，由于束偏转器17的致动，束7在表面处的入射位置23被移位到线内的下一个位置并且在那里停留预定时间(“停留时间”)。在此时间期间，检测器25和29分别收集电子辐射信息和x射线辐射信息，其由控制器19读入并以分配给粒子束7被引导到的位置23的方式存储。该存储可以例如在二维阵列的数据结构中实现，如借助于图2中的示例所示，具有用于电子辐射信息项的阵列103和用于x射线辐射信息项的阵列105。数据结构103和105的存储内容可分别借助于两个索引x和y寻址，它们的值分别在0与N之间和0与M之间。电子束辐射信息项的数据结构103的各个存储内容例如可以是表示在预定持续时间期间由检测器25检测到的电子数量的数值。x射线辐射信息项的数据结构105的各个存储内容例如可以分别是表示在预定持续时间期间由检测器29检测到的x射线光谱的能谱。每个x射线光谱可以由特定数量的数值表示，每个数值表示在特定能量区间内检测到的x射线量子的数量。

因此，一对索引(x_i,y_i)指示表示在获得分配给此位置的电子束信息和分配给此位置的x射线辐射信息的过程期间粒子束7被引导到的物体15的表面13处的第i个位置23的位置信息

然而，二维阵列103和105的数据结构中的存储只是一个示例，并且可以使用其他数据结构以便存储位置信息项

以及分别分配给所述位置信息项的电子束信息和x射线辐射信息。

例如，数据结构103和105的内容可以例如通过将表示特征(比如亮度、颜色或颜色饱和度)分配给内容(即，各个电子辐射信息项和x射线辐射信息项)而被表示为表示介质(比如屏幕或纸)上的图像，并且这些表示特征用于产生表示。

实际情况是，由于统计不足，存储在数据结构105的各个元素中用于x射线辐射信息项的值与数据结构103的元素中用于电子辐射信息项的值相比可能具有较大噪声比例和较小的信号比例。因此，在步骤101对物体15的表面13进行扫描之后，数据结构105的x射线辐射信息项得到改进。

为此，针对每个位置(x_i,y_i)执行由多个步骤组成的处理107。因此，在步骤109中将给定位置(x_i,y_i)设定为值(0,0)，针对此给定位置执行处理107，然后步骤111涉及查询是否所有给定位置(x_i,y_i)都已被处理。如果不是这种情况，则在步骤113中将给定位置(x_i,y_i)设定为下一个位置，并且再次执行处理107以及查询111。

处理107包括步骤119，在该步骤中，将分配给给定位置(x_i,y_i)的改进的x射线辐射信息S_e设定为零。

然后针对给定位置(x_i,y_i)进行计算，在该计算中考虑了所有位置(x,y)。为此，在步骤121中将考虑位置(x_j,y_j)设定为值(0,0)，在步骤123中针对此考虑位置执行处理，然后步骤125涉及查询是否所有考虑位置(x_j,y_j)都已被处理。如果不是这种情况，则在步骤127中将考虑位置(x_j,y_j)设定为下一个位置，并且再次执行步骤123以及查询125。

在步骤123中，分配给考虑位置(x_i,y_i)的x射线辐射信息用权重w(i,j)加权，并添加到分配给给定位置(x_i,y_i)的改进的x射线辐射信息中。处理107因此实现了根据以下等式的计算：

这里使用的权重w取决于两个位置，也就是说给定位置(x_i,y_i)和考虑位置(x_j,y_j)。权重随着在给定位置(x_i,y_i)与考虑位置(x_j,y_j)之间的距离而减小。此外，权重随着在由分配给给定位置(x_i,y_i)的电子辐射信息表示的强度与由分配给考虑位置(x_j,y_j)的电子辐射信息表示的强度之间的差异的绝对值而减小。

特别地，权重可以例如计算为两项的乘积，其中一项取决于在给定位置(x_i,y_i)与考虑位置(x_j,y_j)之间的距离，并且另一项取决于在给定位置(x_i,y_i)处的电子辐射强度与考虑位置(x_j,y_j)处的电子辐射强度之间的差异。

作为示例，权重可以根据以下公式来计算：

其中，

表示位置(x,y)，

表示分配给位置(x,y)的检测到的电子的强度，

是随着在给定位置

与考虑位置

之间的距离而减小的函数，以及

是随着在检测到的电子的强度之间的差异的绝对值而减小的函数。

函数f可以由例如以下公式来表示：

其中σ_f和C_f是可以以适当方式选择的参数。

函数g可以由例如以下公式来表示：

其中σ_g和C_g是可以以适当方式选择的参数。

如果在步骤125中发现所有位置都已被用作步骤123中的考虑位置(x_j,y_j)，则在步骤111中继续该处理。

如果在步骤111中发现所有位置都已被用作处理107中的给定位置(x_i,y_i)，则在步骤131中将改进的x射线辐射信息项

分类成组。在步骤133中，将不同的表示特征分配给多个组中的每个组。在步骤135中，x射线辐射信息项然后使用表示特征而被表示在表示介质上。

图3示出了图像51的示意图，该图像基于存储结构103的内容、即借助于粒子束显微镜1从物体15获得的电子辐射信息项而产生。因此，图3示出了物体15的表面13的图像51，其中两个较小的区域53和55是可辨别的，它们彼此间隔开并嵌入到较大的区域57中。区域53和55在图像51中具有相同的灰度值，而围绕区域53和55的区域57的灰度值与其不同。基于对电子辐射信息的图像51的分析，可以推断出区域53和55中的材料与区域57中的材料不同。然而，不一定能推断出区域55中的材料与区域53中的材料相同，因为不同的材料可能在电子束图像中产生相同的灰度值。

最后一种情况是在这里所解释的示例中的情况。图5A示出了通过组合分配给图像51的区域53内的位置的x射线光谱而获得的示例性x射线光谱61。图5B示出了通过组合分配给图像51的区域55内的位置的x射线光谱而获得的示例性x射线光谱63。显然，图5A和图5B中的x射线光谱61和63分别显著不同，因此可以推断出区域53和55由不同的材料制成。

图4示出了图像65的示意图，该图像是基于改进的x射线辐射信息项

产生的，该改进的x射线辐射信息项是基于借助于粒子束显微镜1从物体15获得的电子辐射信息项和x射线辐射信息项而获得的。在图4中，例如，区域53、55和57由彼此两两不同的表示特征(比如亮度或颜色)来表示，使得图像的观察者可以直接感知区域53和55在其材料方面彼此不同。

参考图2解释的方法的实现方式揭示了针对区域53和55的改进的x射线辐射信息项

彼此不同。这是由于多个加权x射线辐射信息项被组合以便确定改进的x射线辐射信息项

的事实，所使用的权重随着在考虑位置之间的距离而减小。因此，在确定例如在区域55内的改进的x射线辐射信息项

时，来自区域55的x射线辐射信息项比来自布置在距区域55的一定距离处的区域53的x射线辐射信息项的贡献更大。相应地，在确定改进的x射线辐射信息项时，两个不同区域53和55中的位置没有因为它们对应的电子辐射信息项、即对应的灰度值而被同等对待，对应的灰度值将使这些位置在由改进的x射线辐射信息产生的图像中对于观察者的眼睛来说是难以区分的。根据这里描述的方法，彼此相距一定距离布置并且基于分配给它们的电子辐射信息项非常相似的区域可以被检测到并且相应地还被表示为在形成区域的材料方面确实不同的区域。

在这种情况下，该方法可以借助于设定参数来适于实践中具体存在的问题。这些参数之一是上面公式(3)中的参数σ_f，该参数可以被认为是侧向滤波器宽度，它设定了考虑位置(x_j,y_j)处的x射线辐射信息对给定位置(x_i,y_i)处的改进的x射线辐射信息的贡献如何随着在考虑位置与给定位置之间的距离而减小。上面公式(3)中的参数C_f可以被认为是归一化参数并进行相应的设定。例如，可以为每个被检查物体适当地选择参数。作为示例，使用者可以设定参数σ_f的值并改变它，直到使用者在考虑之后认可改进的x射线辐射信息的所得图像。还可设想，参数σ_f和C_f的值以自动化方式设定，具体地例如基于对电子辐射信息、x射线辐射信息和/或改进的x射线辐射信息的分析，例如，关于对比度、图像噪声、图像成分的特征变量等。可以对公式(4)中的参数σ_g和C_f采用类似的过程。如果在该方法中使用除了结合参考图2解释的实施例提及的公式(1)至(4)之外的公式，则这些其他方法也包含相应可设定的参数，因此建立适用于使用者的结果。

上述方法可以通过粒子束显微镜1的控制器19来执行。为此，控制器19具有计算机的功能以便执行必要的图像处理。这些功能由具有部件的硬件提供，这些部件包括一个或多个处理器、用于处理器的主存储器、用于程序和数据的存储介质、以及通信接口。这些部件可以被布置成靠近比如粒子源3和物镜11等粒子光学部件，但是它们也可以部分或全部布置成远离那里，并且在这种情况下，例如可以经由比如因特网等远程数据例如连接到控制器19的一部分，该控制器被布置成靠近粒子光学部件以便控制粒子光学部件。该方法由控制器执行，例如，借助于该控制器访问包括计算机可读指令的计算机程序产品。这些指令将方法实现为程序，该程序包括用于控制器19的处理器的指令、从存储介质加载到处理器的主存储器中并且由处理器处理。借助于该程序，位置信息项以及分配给该位置的电子辐射信息项和x射线辐射信息项同样被加载到主存储器中并且如上所述地进行分析，以便改进的x射线辐射信息项产生、存储在存储介质中并且可选地表示在显示介质上。