CN117296075A - 具有保留度量的实时去噪的afm成像 - Google Patents
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Abstract
一种在原子力显微镜(AFM)数据获取期间使用去噪算法实时操作AFM的方法。总变差和非局部均值去噪是优选的。得到具有最小化的传感器噪声的实时图像，其不需要图像获取后处理来解决如本文所述的噪声。
Description
本发明的背景
技术领域
优选实施方式涉及原子力显微镜(AFM)，并且特别地，涉及用于在保留AFM度量数据(AFM metrology data)的同时去除AFM传感器噪声的实时方法。
背景技术
诸如原子力显微镜(AFM)的扫描探针显微镜是如下设备：该设备采用具有尖端的探针，并且使尖端以适当的力与样本的表面相互作用，以低至原子尺寸地对表面进行表征。通常，探针被引到样本的表面，并且通过提供尖端与样本之间的相对扫描移动，可以在样本的特定区域上获取表面特性数据，并且可以生成样本的对应的图。
图1中示意性地示出了典型的AFM系统。AFM 10采用包括具有悬臂(cantilever)15的探针14的探针设备12。在探针-样本相互作用被测量的同时，扫描仪24生成探针14与样本22之间的相对运动。以这种方式，可以获得样本的图像或其他测量结果。扫描仪24通常包括一个或更多个致动器，这些致动器通常在三个正交方向(XYZ)上产生运动。通常，扫描仪24是单个集成单元，其包括使样本或探针在所有三个轴上移动的一个或更多个致动器，例如，压电管致动器。替选地，扫描仪可以是多个单独的致动器的组件。一些AFM将扫描仪分成多个部件，例如使样本移动的XY扫描仪和使探针移动的单独的Z致动器。因此，仪器能够在对样本的形貌或一些其他表面性质进行测量的同时创建探针与样本之间的相对运动，如例如在以下文献中描述的：Hansma等，美国专利第RE 34,489号；Elings等，美国专利第5,266,801号；以及Elings等，美国专利第5,412,980号。
在通常的配置中，探针14通常耦接至振荡致动器或驱动器16，该振荡致动器或驱动器16用于以悬臂15的谐振频率或接近悬臂15的谐振频率对探针14进行驱动。替选布置对悬臂15的偏转、扭转或其他运动进行测量。探针14通常是具有集成尖端17的微制造悬臂。
通常，在SPM控制器20的控制下从AC信号源18施加电子信号，以使致动器16(或者替选地，扫描仪24)驱动探针14振荡。通常经由控制器20的反馈来控制探针-样本相互作用。值得注意的是，致动器16可以耦接至扫描仪24和探针14，也可以与探针14的悬臂15一体地形成，作为自致动的悬臂/探针的一部分。
如上所述，当通过检测探针14的振荡的一个或更多个特性的变化来监测样本特性时，通常选择的探针14振荡并与样本22接触。就这一点而言，通常采用偏转检测装置25将光束朝向探针14的背面引导，然后光束朝向检测器26反射。当光束在检测器26上平移时，在块28处处理适当的信号以例如确定RMS偏转并将其发送至控制器20，该控制器20处理信号以确定探针14的振荡的变化。通常，控制器20生成控制信号，以保持尖端与样本之间的相对恒定的相互作用(或杆15的偏转)，通常保持探针14的振荡的设置点特性。更具体地，控制器20可以包括调节误差信号的PI增益控制块32和高压放大器34，该误差信号是通过利用电路30将与由尖端-样本相互作用所引起的探针偏转对应的信号与设置点进行比较而获得的。例如，控制器20通常用于将振荡幅度保持在设置点值AS，以确保尖端与样本之间的大致恒定的力。替选地，可以使用设置点相位或频率。
在控制器20中以及/或者在单独的控制器或者连接的或独立的控制器的系统中还设置有工作站40，该工作站40从控制器接收收集到的数据并操纵扫描期间获得的数据，以执行点选择、曲线拟合和距离确定操作。
AFM可以被设计成在多种模式下操作，多种模式包括接触模式和振荡模式。操作是通过响应于探针组件在表面上扫描时其悬臂的偏转而使样本或探针组件相对垂直于样本的表面上下移动来完成的。扫描通常发生在至少大致平行于样本的表面的“x-y”平面中，并且竖直移动发生在垂直于x-y平面的“z”方向上。注意，许多样本具有偏离平坦平面的粗糙度、曲率和倾斜度，因此使用术语“大致平行”。以这种方式，与这种竖直运动相关联的数据可以被存储，并且然后被用于构造与被测量的样本特性(例如，表面形貌)对应的样本表面的图像。在一种称为TappingModeTM AFM(TappingModeTM是本受让人的商标)的AFM操作的模式中，尖端以相关联的探针的悬臂的谐振频率或接近相关联的探针的悬臂的谐振频率进行振荡。反馈回路试图保持该振荡的幅度恒定，以最小化“跟踪力”，即，由尖端/样本相互作用而产生的力。
替选反馈布置保持相位或振荡频率恒定。与在接触模式下一样，这些反馈信号然后被收集、存储并用作用以表征样本的数据。注意，“SPM”和特定类型的SPM的缩写在本文中可以用于指代显微镜装置或相关联的技术，例如“原子力显微镜”。在美国专利第8,739,309号、第9,322,842号和第9,588,136号(这些专利通过引用明确地并入本文)中所论述的对普遍存在的TappingModeTM(称为Peak Force(PFT)模式)的改进中，反馈是基于在每个振荡周期中测量到的力(也称为瞬态探针-样本相互作用力)的。
无论其操作的模式如何，AFM通过使用压电扫描仪、光学杠杆偏转检测器(opticallever deflection detector)和使用光刻技术制造的非常小的悬臂，均可以在空气、液体或真空中的各种绝缘表面和导电表面上获得低至原子水平的分辨率。由于其分辨率和通用性，AFM在范围从半导体制造到生物研究的许多不同领域中是重要测量设备。
就这一点而言，AFM可以用于自动化应用，包括诸如半导体制造的高精度制造工艺。由于AFM可以提供纳米级表面特征(例如，形貌)的高分辨率测量，因此AFM已被证明在半导体空间是有用的。然而，传统上，AFM数据受到AFM系统噪声的阻碍，该噪声包括用于收集度量数据的传感器系统(例如，上述光束反射布置)中的噪声。
非局部均值(NLM)(https://en.wikipedia.org/wiki/Non-local_means)以及其他去噪技术、例如总变差(TV)(https://en.wikipedia.org/wiki/Tot al_variation_denoising)已经应用于AFM图像数据，以试图解决该传感器噪声。在这些情况下，在图像获取之后执行手动图像去噪。图像数据的后处理的局限性包括：最终显示具有最小化的传感器噪声的图像的附加时间，在数据获取期间不能调整扫描参数。手动图像后处理使得不可能使数据获取和处理自动化，而这是高速FAB(例如，半导体制造)环境所需要的。
因此，包括自动化AFM的AFM领域需要解决和补偿诸如传感器噪声的系统噪声的解决方案。期望改进的数据获取和显示时间，优选地具有最少的图像获取后处理。这样的系统将允许AFM以高分辨率产生各种样本表面的干净的实时图像。
发明内容
优选实施方式通过提供在获取AFM图像时实时地对AFM图像进行去噪的AFM和对应的方法，克服了使用成像后处理对图像进行去噪的当前AFM系统的缺点。实时处理是在AFM图像获取期间在短时间段内执行数据处理，从而提供近乎瞬时的输出。在AFM操作/图像获取之前自动获取基线噪声图像，并且然后使用初始噪声测量对指定数目的线进行成像和去噪。选择扫描的线的块(例如，5条线)并实时对其进行去噪，以生成线中的至少之一——中间线的“干净”版本。来自一系列线块中的每一个的中间线形成最终图像。可以使用任何数目的已知算法、例如前面描述的NLM和TV算法来实现去噪。重复这些步骤，直到样本或样本的关注区域被成像。方法和系统由此产生其中基本上去除了传感器/系统噪声的AFM样本图像，同时保留度量。
根据优选实施方式，提供了一种原子力显微镜(AFM)的方法，该方法包括将AFM的探针与样本的表面接合，以及在AFM操作的模式下振荡探针。接下来，方法包括测量系统噪声以生成噪声图像。然后，提供探针与样本之间的相对扫描运动，并测量响应于提供步骤的探针的偏转。针对选择数目的扫描线根据AFM操作的模式来控制探针-样本分离，以生成针对选择数目的扫描线的样本图像。然后，方法包括使用系统噪声对样本图像进行去噪。测量针对扫描运动的下一条线的偏转以生成新的样本图像，以及使用系统噪声实时对新的样本图像进行去噪。
在该优选实施方式的另一方面中，选择数目是至少二，并且更优选地，选择数目是至少五，并且去噪的样本图像是选择数目的中部的图像。
在该实施方式的又一方面中，去噪步骤包括使用非局部均值去噪算法、总变差去噪算法或另外的图像去噪算法。
根据该实施方式的另一方面，扫描运动是光栅扫描，并且方法包括在去噪步骤之后重复包括去噪步骤的所有步骤，直到样本的关注区域被成像。
根据该实施方式的又一方面，方法可选地包括将低通核和去卷积核中之一应用于去噪的图像。
根据另一优选实施方式，原子力显微镜(AFM)包括：扫描仪，其提供AFM的探针与样本之间的相对扫描运动；检测器，其在AFM操作期间对响应于探针-样本相互作用的探针的偏转进行测量，该偏转指示样本性质并被存储为图像；以及控制器，其实现去噪算法以在AFM操作期间实时对选择数目的扫描线的图像进行去噪。
在该实施方式的另一方面中，选择数目是至少两条扫描线，并且更优选地，选择数目是至少五条扫描线，并且去噪的图像是至少五条扫描线的中部。
根据该实施方式的另一方面，控制器对去噪的图像实现低通核和去卷积核中之一，以使追踪AFM成像操作与回扫AFM成像操作之间的偏移的影响最小化。
根据以下详细描述和附图，本发明的这些和其他特征和优点对于本领域技术人员将变得明显。然而，应当理解，详细描述和具体示例虽然指示本发明的优选实施方式，但是它们是以说明而非限制的方式给出的。在不脱离本发明的精神的情况下，可以在本发明的范围内进行许多改变和修改，并且本发明包括所有这些修改。
附图说明
在附图中示出了本发明的优选示例性实施方式，在整个附图中，相似的附图标记表示相似的部件，并且在附图中：
图1是现有技术原子力显微镜AFM的示意图；
图2是AFM图像数据的实时去噪的过程的简化框图；
图3是用于获取AFM数据并对其执行实时去噪的AFM系统的框图；
图4是示出优选实施方式的使用非局部均值或总变差滤波的实时去噪方法的流程图；
图5A至图5E是使用优选实施方式的实时去噪方法的一系列AFM图像，该实时去噪方法使用总变差(TV)滤波以及去卷积或低通核来消除追踪-回扫(trace-re-trace line)线之间的偏移；以及
图6A至图6E是使用优选实施方式的实时去噪方法的一系列AFM图像，该实时去噪方法使用非局部均值(NLM)以及去卷积或低通核来消除追踪-回扫线之间的偏移。
具体实施方式
优选实施方式涉及原子力显微镜(AFM)的去噪方法，该去噪方法使得能够实现获取高分辨率AFM数据的实时改进。本文所描述的方法在高速数据处理架构中采用已知的去噪技术，以解决在AFM样本成像期间始终存在的传感器噪声，同时确保保留度量。
首先转到图2，示出了优选实施方式的过程100的简化图示。从左向右移动，具有要成像的关注特征的样本102被示出为步骤一。这被表示为原始AFM图像，其包括诸如趋于损害分辨率的传感器噪声104的异常。在步骤二中，探针与样本接合，并且开始AFM扫描。对与关注部分(例如，1000nm x 1000nm的扫描区域)上的移动块/缓冲区对应的选择数目的扫描线106进行扫描，其中数据被发送至处理块以使用已知算法实时执行图像的去噪。图像缓冲区可以少至两(2)条线，其中五(5)条线是优选的。五(5)条线以足够的线密度提供良好的去噪质量，同时为用户的成像需要保持足够的吞吐量。两个这样的优选算法108包括总变差(TV)滤波和非局部均值(NLM)。当对包含自相似性的表面(例如，周期性或带纹理的背景、粗糙表面等)进行扫描时，非局部均值去噪效果最佳。当对包含高度突变的平坦区域的表面进行扫描时，总变差去噪效果最佳。总变差去噪能够处理较低的信噪比，但它可能会导致所谓的阶梯伪影。
在关注扫描区域的中心测量AFM传感器噪声的幅度和频谱内容，并且然后将其与每个图像块/缓冲区以及对应的去噪算法一起使用。这种噪声可以是周期性的、随机的，或者是这两者的组合。在图2所示的图像110中示出了从原始图像中去除的噪声分布。在去噪之后，然后当对整个样本部分进行扫描时，将五条线的滚动缓冲区的中部添加至显示的图像，以产生具有保留的度量的AFM图像112，其中去除了测量到的传感器噪声量。首先选择去噪参数(TV的正则化参数lambda和NLM的滤波参数h)，并且通过将测量到的噪声幅度与去噪前后图像块之间的差的幅度进行匹配，在这种情况下每5线数据块自动调整去噪参数。以这种方式，从AFM图像102中去除的噪声量等于测量到的传感器噪声量。与原始AFM图像数据102相比，样本图像112更“干净”，使得更可能以更高分辨率识别关注特征。
作为自动调整的一部分，可以在总变差或非局部均值处理之前重新缩放图像缓冲区以去除异常值。异常值被定义为偏离平均值超过指定数目的标准偏差(sigma)的数据点。在去噪过程之后，恢复异常值。6-sigma是优选的准确度阈值。然而，可以使用1-sigma或更大的阈值。
可选地，所选大小(例如，3x1)的去卷积核(通过对所讨论的像素的相邻像素进行加权平均来进行滤波，示出像素的滤波后的值如何取决于其邻近像素)可以与总变差算法一起使用，而大小为3x1的低通核可以与非局部均值算法一起使用，以有效地消除明显的追踪-回扫偏移。追踪-回扫偏移是由高扫描速度和扫描伪影(如跳伞(parachuting))引起的。然而，也可以使用较大的核。
按2/3的因子缩放的传感器噪声幅度是总变差去噪剩余RMS误差的良好目标。然而，可以有效地使用小于或大于一(1)的其他缩放因子。
关于NLM去噪，5x5大小的研究窗口在AFM空间中提供了有用的结果。然而，取决于图像分辨率，可以使用其他NLM研究窗口大小。
在图3中示出了根据优选实施方式的扫描探针显微镜仪器150(例如，AFM)。在该实施方式中，具有尖端154的探针152由压电管扫描仪156所支承的探针保持器(未示出)保持。扫描仪156是“Z”或竖直扫描仪，其响应于闭环控制系统中的样本性质，以在AFM成像期间相对于样本158定位尖端154。管扫描仪156耦接至XY扫描仪160(优选地也是压电管)，该XY扫描仪160用于在AFM操作期间使探针尖端162相对于样本表面进行光栅扫描(raster)。机械Z台162用于例如在AFM图像获取启动期间在尖端154与样本158之间提供Z上的较大移动，以接合尖端154和样本158。样本158安装在XY台164上，该XY台164主要提供粗略的XY运动以将探针152定位在样本158的关注区域处。XY台控制器166控制台164以将探针/样本定位在该关注区域处。然而，台164可以被配置成以选择的扫描速度提供尖端154与样本158之间的相对扫描运动(例如，光栅扫描)。控制器166还响应于AFM控制器176以将图像扫描定位在关注区域处。控制器166、174由计算机180实现。
在操作中，在尖端154与样本158接合之后，如前所论述的，用XY扫描仪160以模式AFM操作模式(例如PFT模式)启动样本的高速扫描。当尖端154与样本158的表面相互作用时，探针152偏转，并且该偏转由光束反射偏转检测装置168测量。装置168包括激光器170，该激光器170将光束“L”从悬臂155的背面朝向光电检测器172引导，该光电检测器172将偏转信号发送至例如AFM控制器174的DSP 176，以进行偏转信号的高速处理。
AFM控制器174根据AFM操作模式连续地确定控制信号，并将该信号发送至压电管156，以保持探针152相对于样本158的Z位置，并且更具体地，将探针的偏转保持在反馈设置点处。控制器174还用TV或NLM算法实现传感器噪声的实时处理。在图4中进一步示出了这种AFM控制。
转到图4，示出了AFM图像数据的实时去噪的方法200。在块202中，AFM尖端与样本表面接合。在块204中执行原始系统噪声(即传感器噪声)的启动测量，并将该原始系统噪声保存为输出噪声206。对于噪声测量扫描，扫描区域非常小(例如1nm x 1nm)，并且扫描线的数目小(例如10条)。这种噪声通常是相干的并且随时间是稳定的，使得这种测量对于对最终获取的AFM图像进行去噪是有用的。然后，在块208中，AFM扫描例如关注样本区域的前三(3)条线，并且收集AFM度量数据。方法100在块210中去噪(例如，使用TV或NLM去噪算法)，并且捕获AFM扫描的去噪的“线1”212，并将其显示为最终图像的一部分。
接下来，AFM光栅扫描在块214中继续，以对样本区域的第四条线进行成像。在块216中，使用选择的去噪算法来对发送至DSP的AFM图像数据进行处理，以从线1至线4对图像进行去噪。该操作产生扫描的去噪的线2(218)。在图像块/缓冲区被选择为优选的(块/缓冲区大小可以少至两条线和多于五条线)五(5)条线的情况下，方法100进行到块220以对AFM数据获取扫描的第K(例如，第5)条线进行扫描。在块222中，从线K-4至线K对AFM数据/图像进行去噪。在优选实施方式中，去噪的K-2线(五条线中的中间线)被捕获并输出224以用于显示。该去噪的数据被添加至显示的图像，针对传感器噪声进行校正。更具体地，通过将测量到的噪声幅度(块206)与去噪前后的图像块之间的差的幅度进行匹配，每5线数据块自动调整去噪参数。因此，从AFM图像中去除的噪声量基本上等于测量到的传感器噪声量。
然后，在块226中，方法100询问要成像的样本的部分(即，关注区域)中的所有线(N，要成像的线的数目)是否已经被扫描，并且如果没有(K＜N)，则在块228中变量K增加1，并且由AFM扫描该线，从而将控制返回至块220。如前所述对数据进行去噪，并且输出图像的新的去噪的中间线(224)。另一方面，如果扫描接近其结束(K＝N)，则方法100在块230中从线N-3至线N对图像数据进行去噪，从而产生去噪的线N-1(232)。为了获得去噪的线N，方法200使用选择的算法(再次，TV或NLM)从线N-2至线N对AFM图像数据进行去噪。利用去噪的线N(236)，在保留度量(例如，表面粗糙度、半空间中的样本特征——线/沟槽的两侧的深度等)的同时产生去噪的样本图像，从而在块238处结束方法200。可选地，还可以采用去卷积(TV去噪)或低通(NLM去噪)核240(例如，3x1)来有效地消除追踪-回扫偏移(常见的AFM成像异常)。在图5和图6中示出了对应的示例性图像，下面将进一步描述。
转到图5A至图5E，示出了根据利用总变差(TV)去噪的上述方法生成的一系列图像。NIQE是自然图像质量评估器(无参考图像质量分数)。较小的值对应于较好质量的图像。AFM图像为512x512像素，其中关注区域为10μm x 10μm。图5A是在没有去噪的情况下收集的AFM图像。伪影由于系统传感器噪声而可能表现为一些“重影”，该伪影可能损害对表面特征的识别，导致分辨率低于最佳分辨率的图像。使用TV去噪，图5B示出了由于如前所述的对传感器噪声的实时去噪而得到的具有提高的表面特征分辨率的更平滑、更干净的图像。在图5C中示出了传感器噪声。
在图5D中，采用可选的去卷积核来消除在追踪方向(例如，从左至右)和回扫方向(例如，从右至左)上收集到的数据之间的追踪-回扫数据偏移。核操作以在像素-像素的基础上调整AFM数据。例如，添加至TV优化的权重为0.25、0.5、0.25的3x1核将有效地平均当前扫描线与当前扫描线前后的线之间的任何追踪-回扫偏移。图5D是使用核进行实时去噪的所得图像，而图5E示出了去除的剩余传感器噪声和追踪-回扫误差。
图6A是在没有去噪的情况下获取的AFM图像。与图5A类似，图像包括由于系统传感器噪声而引起的伪影，因此给出低于最佳分辨率的图像的表面特征。在这种情况下，采用NLM去噪。图6B示出了由于对传感器噪声的实时NLM去噪，表面特征的分辨率得到改进。在图6C中示出了传感器噪声。
在图6D中，采用可选的低通核来消除在追踪方向(例如，从左至右)和回扫方向(例如，从右至左)上收集到的数据之间的追踪-回扫数据偏移。核操作以在像素-像素的基础上调整AFM数据。例如，在NLM处理之后添加的权重为0.25、0.5、0.25的3x1核将有效地平均当前扫描线与当前扫描线前后的线之间的任何追踪-回扫偏移。图6D是使用核进行实时去噪的所得图像，而图6E示出了去除的剩余传感器噪声和追踪-回扫误差。
除了TV和NLM之外，还可以应用若干其他去噪技术来处理每个图像块/缓冲区，而不会影响最终图像的度量。这样的去噪技术包括中值滤波、傅立叶域去噪、小波域去噪等。
优选实施方式涉及这样的方法和装置，该方法和装置提供基本上没有传感器噪声的高分辨率AFM图像，而不需要对图像进行后处理。去噪技术是完全自动化的，其在获取图像的同时实时执行——在获取图像时没有可见的噪声。抑制了AFM传感器噪声并且没有引入附加的图像失真。
尽管上面公开了发明人设想的实施本发明的最佳模式，但是上述发明的实践不限于此。明显的是，在不脱离本发明的基本构思的精神和范围的情况下，可以对本发明的特征进行各种添加、修改和重新布置。
Claims (15)
1.一种原子力显微镜(AFM)的方法，所述方法包括：
将所述AFM的探针与样本的表面接合；
在AFM操作的模式下使所述探针振荡；
测量系统噪声以生成噪声图像；
提供所述探针与所述样本之间的相对扫描运动；
对响应于所述提供步骤的所述探针的偏转进行测量，并且针对选择数目的扫描线根据所述AFM操作的模式来控制所述探针-样本分离，以生成所述选择数目的扫描线的样本图像；
使用所述系统噪声实时对所述样本图像进行去噪；
测量针对所述扫描运动的下一条线的所述偏转以生成新的样本图像；以及
使用所述系统噪声实时对所述新的样本图像进行去噪。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述选择数目是至少二。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述选择数目是至少五，并且所述去噪的样本图像线是关于所述选择数目的中部的。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述去噪步骤包括使用非局部均值(NLM)去噪算法。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述去噪步骤包括使用总变差(TV)去噪算法。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述扫描运动是光栅扫描。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述去噪步骤之后重复包括所述去噪步骤的所有步骤，直到所述样本的关注区域被成像。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模式是峰值力轻敲(PFT)模式、接触模式和轻敲模式中之一。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括将低通核和去卷积核中之一应用于所述去噪的图像。
10.一种原子力显微镜(AFM)，包括：
扫描仪，其提供所述AFM的探针与样本之间的相对扫描运动；
检测器，其在AFM操作期间对响应于探针-样本相互作用的所述探针的偏转进行测量，所述偏转指示样本性质并被存储为图像；以及
控制器，其实现去噪算法以在AFM操作期间实时对选择数目的扫描线的图像进行去噪。
11.根据权利要求10所述的AFM，其中，所述选择数目是至少两条扫描线。
12.根据权利要求11所述的AFM，其中，所述选择数目是至少五条扫描线，并且所述去噪的图像是所述至少五条扫描线的中部。
13.根据权利要求10所述的AFM，其中，所述去噪算法是总变差(TV)去噪和非局部均值(NLM)去噪中之一。
14.根据权利要求10所述的AFM，其中，所述控制器对所述去噪的图像实现低通核和去卷积核中之一，以使追踪AFM成像操作与回扫AFM成像操作之间的偏移的影响最小化。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述AFM在峰值力轻敲(PFT)模式、接触模式和轻敲模式中之一下操作。
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