DE102018216637A1 - Factor analysis method for the spectrometric analysis of a sample - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Faktor-Analyse, insbesondere zur Echtzeit-Faktor-Analyse, bei der spektrometrischen Untersuchung einer Probe, umfassend: Bilden einer Daten-Matrix (D) aus einer Mehrzahl von aufgenommenen Spektren, sowie Faktorisieren der Daten-Matrix (D) in eine Koeffizienten-Matrix (W) und in eine Basis-Matrix (H) durch Nicht-Negative-Matrix-Faktorisierung, wobei die Basis-Matrix (H) einer Anzahl von Basis-Spektren (hk) enthält, die den aufgenommenen Spektren zugeordnet sind. The invention relates to a method for factor analysis, in particular for real-time factor analysis, in the spectrometric examination of a sample, comprising: forming a data matrix (D) from a plurality of recorded spectra, and factoring the data matrix (D ) into a coefficient matrix (W) and into a base matrix (H) by non-negative matrix factorization, the base matrix (H) containing a number of base spectra (h k ) corresponding to the recorded ones Spectra are assigned.
Description
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Faktor-Analyse, insbesondere zur Echtzeit-Faktor-Analyse, bei der spektrometrischen Untersuchung einer Probe. Bei der Faktor-Analyse bzw. bei einer multivariaten statistischen Analyse wird eine Daten-Matrix, welche beispielsweise spektroskopische Daten bzw. Datensätze enthalten kann, in ein Produkt aus zwei Matrizen faktorisiert.The invention relates to a method for factor analysis, in particular for real-time factor analysis, in the spectrometric examination of a sample. In factor analysis or in a multivariate statistical analysis, a data matrix, which may contain, for example, spectroscopic data or data records, is factored into a product of two matrices.
In der
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In dem Artikel „Regularized Alternating Least Squares Algorithms for Non-negative Matrix/Tensor Factorization“, Springer, LNCS-4493, 793-802 (2007), von A. Cichocki & R. Zdunek werden modifizierte regularisierte ALS-Algorithmen für die NMF vorgeschlagen. Dort wird vorgeschlagen, an Stelle der typischerweise bei einem NMF-Algorithmus verwendeten Kostenfunktion, die auf der Frobenius-Norm beruht, eine allgemeinere Kostenfunktion unter Verwendung einer Gewichtungs-Matrix zu verwenden.In the article "Regularized Alternating Least Squares Algorithms for Non-Negative Matrix / Tensor Factorization", Springer, LNCS-4493, 793-802 (2007), by A. Cichocki & R. Zdunek, modified regularized ALS algorithms are proposed for the NMF , There, it is proposed to use a more general cost function using a weighting matrix instead of the cost function typically used in a NMF algorithm based on the Frobenius norm.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Faktor-Analyse anzugeben, welches eine Reduzierung der Datenmenge der bei der spektrometrischen Untersuchung aufgenommenen Daten ermöglicht und welches insbesondere in Echtzeit durchgeführt werden kann.The object of the invention is to provide a method for factor analysis, which allows a reduction in the amount of data recorded in the spectrometric examination data and which can be carried out in particular in real time.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, umfassend: Bilden einer Daten-Matrix aus einer Mehrzahl von aufgenommenen Spektren, sowie Faktorisieren der Daten-Matrix in eine Koeffizienten-Matrix und in eine Basis-Matrix durch Nicht-Negative-Matrix-Faktorisierung, wobei die Basis-Matrix einer Anzahl von Basis-Spektren enthält, die den aufgenommenen Spektren zugeordnet sind. Die Anzahl der Basis-Spektren der Basis-Matrix ist hierbei typischerweise deutlich geringer als die Mehrzahl bzw. die Anzahl von aufgenommenen Spektren. Im Sinne dieser Anmeldung werden unter der Nicht-Negativen-Matrix-Faktorisierung auch komplexere Arten der Nicht-Negativen-Faktorisierung verstanden, insbesondere die Nicht-Negative-Tensor-Faktorisierung.This object is achieved by a method of the aforementioned type, comprising: forming a data matrix from a plurality of recorded spectra, and factoring the data matrix into a coefficient matrix and into a base matrix by non-negative matrix Factorization, where the base matrix contains a number of basis spectra associated with the recorded spectra. The number of base spectra of the basic matrix is typically significantly lower than the majority or the number of recorded spectra. For the purposes of this application, non-negative matrix factorization is also understood to mean more complex types of non-negative factorization, in particular non-negative tensor factorization.
Bei dem Verfahren wird die Nicht-Negative-Matrix-Faktorisierung verwendet, um die Daten-Matrix, welche die aufgenommenen Spektren typischerweise in Form von Spalten-Vektoren enthält, in eine Koeffizienten-Matrix und in eine Basis-Matrix zu faktorisieren, wobei letztere die Basis-Spektren enthält, die auch als versteckte Quellen der aufgenommenen Spektren bezeichnet werden. Bei der Nicht-Negativen-Matrix-Faktorisierung wird ausgenutzt, dass die Mehrzahl der aufgenommenen Spektren in der Regel eine Überlagerung, genauer gesagt eine Linearkombination, einer geringeren Anzahl von Basis-Spektren darstellen, die sich mit Hilfe der Nicht-Negativen-Matrix-Faktorisierung rekonstruieren lassen. Die aufgenommenen Spektren bzw. Datensätze, die ein aufgenommenes Spektrum repräsentieren, weisen Werte auf, die stets größer als Null sind, weshalb sich diese gut für die Nicht-Negative-Matrix-Faktorisierung eignen, da diese eine nicht-negative Daten-Matrix voraussetzt. Für die Nicht-Negative-Matrix-Faktorisierung ist es nicht erforderlich, die Basis-Spektren zu kennen, vielmehr werden diese bei der Faktorisierung erzeugt, ohne dass zusätzliche Annahmen über die Basis-Spektren getroffen werden müssen. Für die Nicht-Negative-Matrix-Faktorisierung ist es jedoch erforderlich, die Anzahl der Basis-Spektren vorzugeben.In the method, non-negative matrix factorization is used to factorize the data matrix containing the acquired spectra, typically in the form of column vectors, into a coefficient matrix and a base matrix, the latter containing the Contains basic spectra, which are also referred to as hidden sources of the recorded spectra. In the non-negative matrix factorization, it is exploited that the majority of the recorded spectra are usually an overlay, more precisely a linear combination, of a lower number of base spectra obtained by means of non-negative matrix factorization reconstruct. The recorded spectra or data sets, which represent a recorded spectrum, have values that are always greater than zero, which is why they are well suited for non-negative matrix factorization, since this requires a non-negative data matrix. For non-negative matrix factorization, it is not necessary to know the base spectra, but rather they are generated during factorization without the need for additional assumptions about the base spectra. For non-negative matrix factorization, however, it is necessary to specify the number of base spectra.
Die Spektren bzw. die entsprechenden Datensätze, welche die Spalten der Daten-Matrix bilden, werden typischerweise zu aufeinander folgenden Zeiten aufgenommen, beispielsweise um einen Prozess in Echtzeit zu überwachen und eine hierbei ggf. auftretende Veränderung der Zusammensetzung der Probe festzustellen. Bei der Probe kann es sich um einen Feststoff, aber auch um eine Flüssigkeit oder um ein Gas handeln. Während der spektrometrischen Untersuchung der Probe kann sich somit das Verhältnis der Konstituenten der Probe verändern, was dazu führt, dass die zu unterschiedlichen Zeiten und/oder unterschiedlichen Probenpositionen aufgenommenen Spektren sich voneinander unterscheiden. Dies kann auch der Fall sein, wenn in der Probe nur eine vorgegebene Anzahl von Konstituenten vorhanden ist, von denen jeder einem Basis-Spektrum bzw. einem Basis-Vektor zugeordnet ist. Die Mehrzahl von aufgenommenen Spektren bildet jedoch eine Linearkombination der Basis-Spektren, wobei die Linearkoeffizienten durch die Koeffizienten-Matrix vorgegeben sind.The spectra or the corresponding data sets which form the columns of the data matrix are typically recorded at successive times, for example by one To monitor the process in real time and to detect a possible change in the composition of the sample. The sample can be a solid, but also a liquid or a gas. During the spectrometric examination of the sample, the ratio of the constituents of the sample can thus change, with the result that the spectra recorded at different times and / or different sample positions differ from one another. This may also be the case if only a predetermined number of constituents are present in the sample, each of which is assigned to a basic spectrum or a basic vector. However, the plurality of recorded spectra forms a linear combination of the base spectra, the linear coefficients being given by the coefficient matrix.
Auch bei der Massenspektrometrie, beispielsweise bei einem Restgas-Analysator, der eine Ionenfalle zur spektrometrischen Untersuchung eines Gases aufweist, wird bei denjenigen Spektren, die zu unterschiedlichen Zeiten bzw. während des Pulsbetriebs bei unterschiedlichen Pulsen aufgenommen werden, eine unterschiedliche Anzahl von Teilchen in der Ionenfalle detektiert. Entsprechend weisen auch in diesem Fall die aufgenommenen Spektren eine unterschiedliche Konzentration bzw. ein unterschiedliches Verhältnis der Teilchen bzw. der Konstituenten der Probe auf, die auf eine begrenzte Anzahl von Teilchenarten bzw. von Konstituenten der spektrometrisch untersuchten Probe in Form des Gases zurückzuführen sind, welche die Basis-Spektren der Basis-Matrix bilden. Das weiter oben beschriebene Verfahren kann neben der Restgas-Analyse auch bei anderen Arten von Massenspektrometrie, beispielsweise bei der Proton-Transfer-Reaction (PTR)-Massenspektrometrie, der Selective Reagent lonization (SRI)-Massenspektrometrie,oder bei der Timeof-Flight-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) angewandt werden.Also in mass spectrometry, for example in a residual gas analyzer having an ion trap for the spectrometric analysis of a gas, a different number of particles in the ion trap is at those spectra that are recorded at different times or during pulsed operation at different pulses detected. Accordingly, also in this case, the recorded spectra on a different concentration or a different ratio of the particles or the constituents of the sample, which are due to a limited number of particle types or constituents of the spectrometrically examined sample in the form of the gas, which form the base spectra of the base matrix. The method described above can, in addition to the residual gas analysis and in other types of mass spectrometry, for example in the Proton Transfer Reaction (PTR) -Massenspektrometrie, the Selective Reagent Ionization (SRI) -Massenspektrometrie, or in the time-of-flight secondary ions Mass spectrometry (ToF-SIMS).
Bei der Gaschromatographie werden Bruchstücke von unterschiedlichen Molekülen detektiert, welche die Konstituenten des spektrometrisch untersuchten Gases bilden. Wenn die Bruchstücke in den aufgenommenen Spektren ein jeweils unterschiedliches Verhältnis aufweisen, können diejenigen Bruchstücke, die zu einem einzelnen Typ von Molekül gehören, ermittelt und das Basis-Spektrum eines jeweiligen Moleküls kann rekonstruiert werden.In gas chromatography, fragments of different molecules are detected, which form the constituents of the spectrometrically examined gas. If the fragments have different ratios in the recorded spectra, those fragments which belong to a single type of molecule can be determined and the base spectrum of a respective molecule can be reconstructed.
Bei bestimmten zu untersuchenden Proben und/oder bei bestimmten spektrometrischen Verfahren kann eine Annahme über die Anzahl der Basis-Spektren bzw. der Basis-Vektoren getroffen werden, welche in der Basis-Matrix enthalten sein sollen. Beispielsweise kann bei einem Beschichtungs-Prozess, insbesondere einem Sputter-Prozess, bei dem eine Substanz, z.B. aus Kohlenstoff, auf einem Substrat, z.B. auf Ru, abgeschieden wird, davon ausgegangen werden, dass die Probe genau diese zwei Konstituenten aufweist und dass es demzufolge ausreichend ist, eine Anzahl von zwei Basis-Spektren für die Basis-Matrix vorzugeben, die den Spektren der beiden Konstituenten entsprechen.For certain samples to be examined and / or for certain spectrometric methods, an assumption may be made about the number of base spectra or basic vectors to be contained in the base matrix. For example, in a coating process, especially a sputtering process in which a substance, e.g. of carbon, on a substrate, e.g. Upon Ru, it can be assumed that the sample has exactly these two constituents and that it is therefore sufficient to specify a number of two basis spectra for the base matrix which correspond to the spectra of the two constituents.
Bei einer Weiterbildung wird beim Faktorisieren der Daten-Matrix die Anzahl von Basis-Spektren der Basis-Matrix so lange erhöht, bis ein Rekonstruktions-Fehler der Faktorisierung der Daten-Matrix unter einem Schwellwert liegt. Für den Fall, dass die Anzahl der Basis-Spektren, die der Mehrzahl der aufgenommenen Spektren zu Grunde liegen, nicht bekannt ist, wird für die Faktorisierung zunächst eine Anzahl von Basis-Spektren vorgegeben. Ist bei der (numerisch durchgeführten) Nicht-Negativen-Matrix-Faktorisierung der Fehler (so genannter Rekonstruktions-Fehler) bei der Näherung der Daten-Matrix durch das Produkt aus der Koeffizienten-Matrix und der Basis-Matrix zu groß, d.h. liegt dieser über einem vorgegebenen Schwellwert, ist davon auszugehen, dass die Anzahl der Basis-Spektren zu klein gewählt wurde. In diesem Fall wird die Anzahl der Basis-Spektren bzw. der Spalten-Vektoren der Basis-Matrix erhöht und die Faktorisierung wird erneut durchgeführt. Für den Fall, dass der Rekonstruktions-Fehler sehr gering ist und/oder dass eines der Basis-Spektren bei der Multiplikation mit der Koeffizienten-Matrix nur einen sehr geringen Anteil zur Daten-Matrix beiträgt, kann die Anzahl der Basis-Spektren bei der Faktorisierung ggf. reduziert werden.In a development, when factoring the data matrix, the number of base spectra of the base matrix is increased until a reconstruction error of the factorization of the data matrix is below a threshold value. In the event that the number of base spectra underlying the majority of the recorded spectra is not known, a number of basic spectra are first given for the factorization. In the (numerically performed) non-negative matrix factorization, the error (so-called reconstruction error) in the approximation of the data matrix by the product of the coefficient matrix and the base matrix is too large, i. if this is above a predetermined threshold, it can be assumed that the number of base spectra has been selected too small. In this case, the number of base spectra or column vectors of the base matrix is increased and factorization is performed again. In the event that the reconstruction error is very small and / or that one of the base spectra contributes only a very small proportion to the data matrix when multiplied by the coefficient matrix, the number of base spectra in the factorization possibly reduced.
Bei einer weiteren Variante wird ein unteres Limit für die Anzahl von Basis-Spektren der Basis-Matrix für das Faktorisieren der Daten-Matrix anhand einer Hauptkomponentenanalyse der Daten-Matrix oder einer aus der Daten-Matrix berechneten Kovarianz-Matrix bestimmt. Bei der Hauptkomponentenanalyse (engl. „principal component analysis“, PCA) oder ggf. bei deren Verallgemeinerung, der Singulärwertzerlegung (engl. „singular value decomposition“, SVD) werden die Eigenwerte bzw. die Singulärwerte der der Daten-Matrix D oder der davon abgeleiteten, d.h. aus der Daten-Matrix D gebildeten, KxK Kovarianz-Matrix cov(D):
Bei dem Schwellwert, der das untere Limit der notwendigen Anzahl von Basisvektoren bestimmt, kann es sich um einen absoluten Wert handeln, typischerweise wird der Schwellwert aber anhand der Beträge der Eigenwerte ermittelt, beispielsweise in Abhängigkeit vom Betrag des größten Eigenwerts, mittels Nutzung einer numerischen Variante zur Auswertung des Scree-Plots, des Kaiser-Guttmann Kriteriums, dem Mittelwert oder dem Median der Eigenwerte, etc. Wird für den Startwert auf diese Weise eine untere Schranke festgelegt, kann das weiter oben beschriebene Vorgehen zur Bestimmung der Anzahl der Basis-Spektren abgekürzt und somit Rechenzeit eingespart werden. Insbesondere kann der Rekonstruktions-Fehler bei der Faktorisierung der Daten-Matrix ggf. bereits bei der Verwendung des Startwerts der Anzahl der Basis-Spektren unter dem Schwellwert liegen, so dass auf eine Erhöhung der Anzahl der Basis-Spektren der Basis-Matrix verzichtet werden kann.The threshold, which determines the lower limit of the necessary number of basis vectors, may be an absolute value, but typically the threshold is determined based on the eigenvalues, such as the magnitude of the largest eigenvalue, using a numerical variant for the evaluation of the Scree plot, the Kaiser-Guttmann criterion, the mean or the median of the eigenvalues, etc. If a lower bound is determined for the start value in this way, the procedure described above for determining the number of base spectra can be abbreviated and thus computing time can be saved. In particular, the reconstruction error in the factorization of the data matrix may already be below the threshold value when the starting value of the number of base spectra is used, so that an increase in the number of base spectra of the basic matrix can be dispensed with ,
Bei einer weiteren Variante wird zur Aktualisierung der Basis-Spektren das Bilden der Daten-Matrix und das Faktorisieren der Daten-Matrix mehrmals zeitlich aufeinanderfolgend durchgeführt. Die Aktualisierung kann beispielsweise in konstanten Zeitabständen bzw. Zeitintervallen durchgeführt werden. Die Aktualisierung ist insbesondere günstig, um ggf. die Anzahl der Basis-Spektren anzupassen, die sich ggf. zeitlich verändern kann, beispielsweise wenn während der spektrometrischen Untersuchung zusätzliche Konstituenten gebildet werden oder wenn bestimmte Konstituenten während der spektrometrischen Untersuchung verschwinden, weil diese zerfallen bzw. nicht mehr vorhanden sind oder neu auftreten (z.B. bei der Erstellung von ToF-SIMS Tiefenprofilen von Schichtsystemen).In a further variant, for the purpose of updating the base spectra, the formation of the data matrix and the factorization of the data matrix are performed several times in succession. The update can be carried out, for example, at constant intervals or time intervals. The update is particularly favorable, if necessary to adjust the number of base spectra, which may change over time, for example, if during the spectrometric examination additional constituents are formed or if certain constituents disappear during the spectrometric examination, because they decay or are no longer present or appear new (eg when creating ToF-SIMS depth profiles of layer systems).
Bei einer vorteilhaften Variante umfasst das Verfahren zusätzlich: Bestimmen mindestens einer weiteren Koeffizienten-Matrix für mindestens eine weitere Mehrzahl von aufgenommenen Spektren anhand der ermittelten Basis-Spektren, sowie Speichern der Mehrzahl der weiteren aufgenommenen Spektren in Form der weiteren Koeffizienten-Matrix.In an advantageous variant, the method additionally comprises determining at least one further coefficient matrix for at least one further plurality of recorded spectra based on the determined base spectra, and storing the plurality of further recorded spectra in the form of the further coefficient matrix.
Bei der Aufnahme von Spektren besteht das grundsätzliche Problem, dass eine große Datenmenge erzeugt wird und gespeichert werden muss. Diese Daten sind z.B. bei häufig in Zeitserien aufgenommenen Spektren bzgl. der Basis-Spektren zumindest zeitweise redundant. Um die zu speichernde Datenmenge vorab, d.h. schon während der Messung, zu reduzieren, kann ausgenutzt werden, dass die Basis-Spektren bzw. die Basis-Vektoren der Basis-Matrix bekannt sind, so dass es ausreichend ist, die weitere Koeffizienten-Matrix bzw. die Linearfaktoren zu speichern, aus denen sich die weitere Mehrzahl der Spektren durch Multiplikation mit der Basis-Matrix ergibt.When recording spectra, the fundamental problem is that a large amount of data is generated and must be stored. These data are e.g. in the case of spectra frequently recorded in time series, they are at least temporarily redundant with respect to the base spectra. To advance the amount of data to be stored, i. Already during the measurement, it can be exploited that the basic spectra or the basic vectors of the basic matrix are known, so that it is sufficient to store the further coefficient matrix or the linear factors from which the further majority of the spectra results by multiplication with the base matrix.
Zu diesem Zweck ist es nicht erforderlich, erneut eine Nicht-Negative-Matrix-Faktorisierung durchzuführen, da für die Berechnung der weiteren Koeffizienten-Matrix lediglich eine Matrix-Multiplikation mit der inversen Basis-Matrix erforderlich ist. Da die Koeffizienten-Matrix typischerweise eine deutlich geringere Dimension aufweist als die Daten-Matrix, kann auf diese Weise die zu speichernde Datenmenge deutlich reduziert werden. Für das Bestimmen der weiteren Koeffizienten-Matrix wird typischerweise eine Anzahl von (weiteren) aufgenommenen Spektren in der weiteren Daten-Matrix zusammengefasst, die der Mehrzahl von aufgenommenen Spektren der Daten-Matrix entspricht, für welche die Nicht-Negative-Matrix-Faktorisierung durchgeführt wurde.For this purpose it is not necessary to carry out a non-negative matrix factorization again, since the calculation of the further coefficient matrix requires only one matrix multiplication with the inverse basic matrix. Since the coefficient matrix typically has a significantly smaller dimension than the data matrix, the amount of data to be stored can be significantly reduced in this way. For determining the further coefficient matrix, typically a number of (further) recorded spectra are combined in the further data matrix which corresponds to the plurality of recorded spectra of the data matrix for which the non-negative matrix factorization was performed ,
Bei einer weiteren Variante umfasst das Verfahren: Vergleichen der Basis-Spektren mit bekannten Basis-Spektren, insbesondere zum Identifizieren von Konstituenten der Probe. Bei dieser Variante werden die bei der Faktorisierung der Daten-Matrix erzeugten Basis-Spektren mit bekannten Basis-Spektren verglichen bzw. korreliert, die beispielsweise in einer Datenbank hinterlegt sein können. Die bekannten Basis-Spektren, die in der Datenbank hinterlegt sind, entsprechen typischerweise jeweils einem Konstituenten der Probe. Bei dem Konstituenten kann es sich beispielsweise um ein chemisches Element, eine chemische Verbindung, einen Typ von Molekül, etc. handeln. Bei dem Vergleich kann ein Maß für die Korrelation zwischen den bei der Faktorisierung erzeugten Basis-Spektren und den bekannten Basis-Spektren bestimmt werden. Insbesondere können anhand des Vergleichs die Konstituenten der Probe identifiziert werden.In a further variant, the method comprises: comparing the base spectra with known base spectra, in particular for identifying constituents of the sample. In this variant, the base spectra generated during the factorization of the data matrix are compared or correlated with known base spectra, which can be stored, for example, in a database. The known base spectra stored in the database typically each correspond to a constituent of the sample. The constituent may be, for example, a chemical element, a chemical compound, a type of molecule, etc. In the comparison, a measure of the correlation between the base spectra generated in the factorization and the known base spectra can be determined. In particular, the constituents of the sample can be identified on the basis of the comparison.
Bei einer weiteren Variante erfolgt das Aufnehmen der Spektren durch ein spektrometrisches Verfahren, welches ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: Elektronenstrahlmikroanalyse (Electron Probe Microanalysis, EPMA), Rasterelektronenmikroskopie (Scanning Electron Spectroscopy, SEM) mit angeschlossenem energiedispersivem Röntgenspektrometer (EDX), wellenlängendispersivem Röntgenspektrometer (WDX), Röntgenfluoreszenz (X-ray fluorescence, XRF), Elektronenenergieverlustspektroskopie (Electron energy loss spectroscopy, EELS), Partikel-induzierte Röntgenemission (Particle-induced X-ray emission, PIXE), Auger-Elektronenspektroskopie (AES), Gammastrahl-Spektroskopie, Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS), Röntgenphotoelektronen-Spektroskopie (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS), IR-Spektroskopie, Raman Spektroskopie, Magnetresonanztomographie(Magnetic Resonance Imaging, MRI)-Scans, Computertomographie(Computerized Axial Tomography, CAT)-Scans, IR Reflektometrie, Massenspektrometrie, insbesondere mit einer Ionenfalle, multidimensionale chromatographische/spektroskopische Techniken, hyperspektrale Abbildung bzw. abbildende Fern-Sensoren.In a further variant, the spectra are recorded by a spectrometric method which is selected from the group comprising: Electron Probe Microanalysis (EPMA), scanning electron spectroscopy (SEM) with connected energy-dispersive X-ray spectrometer (EDX), wavelength dispersive X-ray spectrometer (US Pat. WDX), X-ray fluorescence (XRF), Electron energy loss spectroscopy (EELS), Particle-induced X-ray emission (PIXE), Auger electron spectroscopy (AES), Gamma ray spectroscopy, Secondary ion mass spectrometry (SIMS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), IR spectroscopy, Raman spectroscopy, Magnetic Resonance Imaging (MRI) scans, Computerized Axial Tomography (CAT) scans, IR reflectometry, mass spectrometry, especially with an ion trap, multidimensional chromatographic / spectroscopic techniques, hyperspectral imaging, and remote imaging sensors.
Es versteht sich, dass die Nicht-Negative-Matrix-Faktorisierung nicht nur zur Faktor-Analyse von aufgenommenen Spektren, sondern auch zur Faktor-Analyse anderer Daten bzw. Datensätze verwendet werden kann. Beispielsweise kann die Nicht-Negative-Matrix-Faktorisierung für die Faktor-Analyse von Bilddaten verwendet werden, z.B. zur Identifizierung von geläufigen Fehlern bei der Untersuchung einer Probe oder einer Messvorrichtung. Beispielsweise können zur Bestimmung von Fehlern bzw. von Aberrationen an Stelle einer fest vorgegebenen Basis, beispielsweise in Form der Zernike-Polynome, die Basis-Vektoren der Basis-Matrix als Grundlage für die Bestimmung der Fehler bzw. der Größe der Fehler herangezogen werden. Auch für die Inspektion eines Objektes, beispielsweise in Form eines in der Photolithographie gebräuchlichen Wafers, genauer gesagt zur Detektion von geläufigen Fehlern, die auf die verwendete Photomaske zurückzuführen sind und deren Amplitude variiert, kann das weiter oben beschriebene Verfahren bzw. die Nicht-Negative-Matrix-Faktorisierung angewendet werden.It is understood that non-negative matrix factorization can be used not only for factor analysis of recorded spectra but also for factor analysis of other data or data sets. For example, non-negative matrix factorization may be used for factor analysis of image data, e.g. to identify common mistakes when examining a sample or measuring device. For example, to determine errors or aberrations instead of a fixed base, for example in the form of the Zernike polynomials, the basis vectors of the base matrix can be used as the basis for determining the errors or the size of the errors. Also for the inspection of an object, for example in the form of a wafer used in photolithography, more precisely for the detection of common errors, which are due to the photomask used and their amplitude varies, the method described above or the non-negative Matrix factorization can be applied.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of embodiments of the invention, with reference to the figures of the drawing, which show details essential to the invention, and from the claims. The individual features can be realized individually for themselves or for several in any combination in a variant of the invention.
Figurenlistelist of figures
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt
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1 eine schematische Darstellung einer Mehrzahl von XPS-Spektren bei einem Sputter-Prozess von C auf Ru, -
2 eine schematische Darstellung von zwei Basis-Spektren, die durch Nicht-Negative-Matrix-Faktorisierung aus einer Daten-Matrix mit den XPS-Spektren von 1 berechnet wurden, -
3 eine schematische Darstellung der zeitabhängigen Veränderung der Amplituden der Basis-Spektren, sowie -
4 eine schematische Darstellung des bei der Faktorisierung aufgetretenen Rekonstruktions-Fehlers.
-
1 a schematic representation of a plurality of XPS spectra in a sputtering process from C to Ru, -
2 a schematic representation of two basic spectra obtained by non-negative matrix factorization from a data matrix with the XPS spectra of1 were calculated -
3 a schematic representation of the time-dependent change in the amplitudes of the base spectra, as well -
4 a schematic representation of the occurred in the factorization reconstruction error.
In
Um die in den XPS-Spektren dj von
Bei der NMF können verschiedene Kosten-Funktionen bzw. Rekonstruktions-Fehler E definiert werden, welche die Abweichung zwischen der Daten-Matrix D und dem Produkt WH beschreiben. Für die nachfolgende Berechnung wurde der quadratische Fehler (Frobenius-Norm) zur Bestimmung der Abweichung bzw. des Rekonstruktions-Fehlers E verwendet. Das Faktorisierungs-Problem mit der Frobenius-Norm kann wie folgt definiert werden: Für gegebenes D finde zwei nicht-negative Matrizen, welche die Funktion
Im gezeigten Beispiel wird davon ausgegangen, dass die Probe aus den beiden Konstituenten C und Ru besteht; entsprechend wird mittels der NMF nach zwei Basis-Spektren hk (k = 1,2) gesucht, d.h. die Basis-Matrix H weist nur zwei Spalten auf, bei denen es sich um die versteckten Quellen der in
Das Maß, welches mit dem Schwellwert verglichen wird, kann auf unterschiedliche Weise aus dem Rekonstruktions-Fehler E bei den unterschiedlichen Bindungsenergien EB ermittelt werden. Beispielsweise kann es sich um den maximalen absoluten Fehler über alle Bindungsenergien EB oder um den Median der absoluten Fehler über alle Bindungsenergien EB handeln. Das Maß, das mit dem Schwellwert verglichen wird, kann auch anhand einer Gewichtungsfunktion der Bindungsenergien EB ermittelt werden, die ein Grundrauschen berücksichtigt. Auch ein nicht normierter x2-Wert, d.h. die einfache Summe über die quadratischen Abweichungen, kann als Maß für den Rekonstruktions-Fehler E dienen.The measure, which is compared with the threshold value, can be determined in different ways from the reconstruction error E at the different binding energies E B. For example, this may be the maximum absolute error over all binding energies E B or the median of the absolute errors over all binding energies E B. The measure which is compared with the threshold value can also be determined on the basis of a weighting function of the binding energies E B which takes into account a background noise. Even a non-normalized x 2 value, ie the simple sum over the quadratic deviations, can serve as a measure for the reconstruction error E.
Für den Fall, dass nicht im Vorhinein bekannt ist, wie groß die Anzahl der Konstituenten bzw. der Basis-Spektren hk der Basis-Matrix H ist, kann ein (Start-)Wert für die Anzahl der Basis-Spektren hk vorgegeben und geprüft werden, ob der Rekonstruktions-Fehler E bei der Durchführung der NMF unter einem vorgegebenen Schwellwert liegt. Kann der Schwellwert für den Rekonstruktions-Fehler E bei der NMF nicht unterschritten werden, ist dies ein Zeichen dafür, dass die gewählte Anzahl an Basis-Spektren hi zu gering gewählt wurde. In diesem Fall kann die Anzahl der Basis-Spektren hi bzw. die Anzahl der Spalten der Basis-Matrix H so lange um einen diskreten Wert, beispielsweise um Eins, erhöht werden, bis der Rekonstruktions-Fehler E bei der Faktorisierung der Daten-Matrix mittels der NMF unter dem Schwellwert liegt.In the event that it is not known in advance how large the number of constituents or base spectra h k of the base matrix H is, a (starting) value for the number of base spectra h k can be specified and be checked whether the reconstruction error E in the implementation of the NMF is below a predetermined threshold. If the threshold value for the reconstruction error E can not be undershot in the case of the NMF, this is a sign that the selected number of base spectra h i has been selected too low. In this case, the number of base spectra h i or the number of columns of the base matrix H can be increased by a discrete value, for example by one, until the reconstruction error E in the factorization of the data matrix NMF is below the threshold.
Der Startwert für die Anzahl von Basis-Spektren hk der Basis-Matrix H für die NMF kann auch anhand einer Hauptkomponentenanalyse der Daten-Matrix D oder der aus der Daten-Matrix gebildeten K×K Kovarianz-Matrix cov(D):
Das untere Limit bzw. ein erster Schätzwert für die Anzahl der Basis-Spektren hk entspricht der Anzahl der bei der Hauptkomponentenanalyse ermittelten Eigenwerte, die größer sind als ein vorgegebener Schwellwert. Typischerweise wird der Schwellwert anhand der Beträge der Eigenwerte ermittelt, beispielsweise in Abhängigkeit vom Betrag des größten Eigenwerts (z.B. 1/10 des größten Eigenwerts), dem Mittelwert der Eigenwerte, dem Median der Eigenwerte, mittels einer numerischen Variante des Scree-Tests (mit vorgegebenem Mindest Prozentsatz zur Erklärung der Varianz in den gemessenen Spektren), dem Kaiser-Guttmann Kriterium, etc. Beim Scree-Test werden die Eigenwerte der Größe nach, oder der Größe ihres Beitrags zur Erklärung der Varianz nach, gegen die Anzahl aufgetragen und so grafisch die signifikant beitragenden Eigenwerte ermittelt (z.B. Abknicken der Kurve nach einer bestimmten Anzahl der geordneten Eigenwerte. Eine numerische Variante kann z.B. eine Änderung der Ableitung dieser Kurve oder der Krümmung dieser Kurve analysieren, und damit die Mindestanzahl der Eigenvektoren bestimmen. Alternativ kann direkt die kumulierte Varianz mit dem Vorgabewert verglichen werden und damit die Mindestanzahl der zur Erreichung notwendigen Eigenwerte bestimmt werden.The lower limit or a first estimated value for the number of base spectrums h k corresponds to the number of eigenvalues determined in the main component analysis, which are greater than a predefined threshold value. Typically, the threshold value is determined from the amounts of the eigenvalues, for example, depending on the magnitude of the largest eigenvalue (eg, 1/10 of the largest eigenvalue), the mean of the eigenvalues, the median of the eigenvalues, using a numerical variant of the scree test (with a predefined value) Minimum percentage to explain the variance in the measured spectra), the Kaiser-Guttmann criterion, etc. In the scree test, the eigenvalues are plotted against the number by size, or the size of their contribution to explaining the variance, and so graphically A numerical variant can, for example, analyze a change in the derivative of this curve or the curvature of that curve, thereby determining the minimum number of eigenvectors, or alternatively the cumulative variance with compared to the default value and thus the Mind number of estates necessary to achieve the required eigenvalues.
Für den Fall, dass die Anzahl der Konstituenten der Probe sich während des Aufnehmens der Mehrzahl von Spektren
Ist ein Satz von aktuellen Basis-Spektren
Aus einer weiteren Mehrzahl von XPS-Spektren
Die Speicherung einer Vielzahl von weiteren Koeffizienten-Matrizen W kann ggf. beliebig lange erfolgen, oder nur so lange, bis eine Aktualisierung der Basis-Spektren
Bei ausreichender Geschwindigkeit der Bearbeitung der Daten, beispielsweise in einer zu diesem Zweck vorgesehenen Analyse-Einrichtung, z.B. in Form eines Computers oder dergleichen, der insbesondere mit einem bei der spektrometrischen Untersuchung der Probe verwendeten Spektrometer, beispielsweise einem Massenspektrometer, ggf. mit Ionenfalle, gekoppelt ist, kann die Faktor-Analyse in Echtzeit erfolgen. Es versteht sich aber, dass alternativ die Faktor-Analyse ggf. erst nach dem Abschluss der spektrometrischen Untersuchung der Probe vorgenommen oder abgeschlossen werden kann. Auch in diesem Fall kann auf die weiter oben beschriebene Weise die zu speichernde Datenmenge signifikant reduziert werden.With sufficient speed of processing the data, for example in an analyzer provided for this purpose, e.g. in the form of a computer or the like, which is in particular coupled to a spectrometer used in the spectrometric examination of the sample, for example a mass spectrometer, optionally with an ion trap, the factor analysis can take place in real time. However, it should be understood that, alternatively, the factor analysis may be performed or completed only after completion of the spectrometric examination of the sample. Also in this case, in the manner described above, the amount of data to be stored can be significantly reduced.
Die auf die weiter oben beschriebene Weise ermittelten Basis-Spektren
Die weiter oben beschriebene Faktor-Analyse kann nicht nur bei der spektrometrischen Untersuchung einer Probe durch XPS, sondern auch bei einer Vielzahl von anderen spektrometrischen Verfahren durchgeführt werden, die beispielsweise ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend: EPMA, SEM, insbesondere mit EDX, WDX, XRF, EELS, PIXE, AES, Gammastrahl-Spektroskopie, SIMS, XPS, IR Spektroskopie, Raman Spektroskopie, MRI-Scans, CAT, IR Reflektometrie, Massenspektrometrie, insbesondere mit einer Ionenfalle, multidimensionale chromatographische / spektroskopische Techniken und hyperspektrale Abbildung.The factor analysis described above can be carried out not only in the spectrometric examination of a sample by XPS, but also in a variety of other spectrometric methods, which are for example selected from the group comprising: EPMA, SEM, in particular with EDX, WDX, XRF, EELS, PIXE, AES, gamma ray spectroscopy, SIMS, XPS, IR spectroscopy, Raman spectroscopy, MRI scans, CAT, IR reflectometry, mass spectrometry, especially with an ion trap, multidimensional chromatographic / spectroscopic techniques and hyperspectral imaging.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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