JP2016015315A - 分解能の改善された計算走査顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この方法は、試料の表面へ放射線ビーム(荷電粒子、光子等)を照射する段階、試料から放射される放射線束を検出する段階、放射線ビームを試料上で走査する段階、複数のサンプル点について測定パラメータ(放射線ビーム中の粒子のエネルギー等)の関数として検出器の出力を測定し記録する段階、測定結果をデコンボリューションし空間的に分解する段階を有する。試料内の所与の点piで検討すると、第1ビームB1を試料表面S1に衝突させ、試料へ入り込むように下方に延びる点拡がり関数F1を生成する段階、第2ビームを厚さLの層を除去して露出させた新たな表面S2に衝突させ、同様な拡がり関数F2を生成する段階、F1とF2はpiが存在する共通の領域Oiで重なり、この重なり領域内で画像再構成を実行する段階を有する。
【選択図】図1A
Description
− 前記試料の表面へ照射するように線源から照射体を介して放射線ビームを案内する段階;
− 検出器を用いて前記照射に応じて前記試料から放出される放射線束を検出する段階;
− 前記表面に対する走査経路を前記ビームに追随させる段階;
− 前記走査経路中の複数のサンプル点からなる組の各々について、選択された測定パラメータPの値Pnの関数として前記検出器の出力Dnを記録することで、測定の組M={Dn,Pn}をまとめる段階であって、nは整数列のメンバーである、段階;
− コンピュータ処理装置を用いることによって、前記試料の再構成された画像を生成するように、前記測定組Mのデコンボリューションを自動的に行い、かつ、空間的に分解する段階、を有する。
− SEMでは、試料への走査電子ビームの照射が、2次電子、後方散乱電子、X線、及びフォトルミネッセンス(赤外、可視、及び/又は紫外の光子)として、試料からの「補助」放射線の放出を引き起こす。続いてこの放出放射線束の1つ以上の成分が、画像蓄積目的で検出及び利用される。
− TEMでは、試料への照射に用いられる電子ビームは、試料(この目的のため、一般的にはSEM用試料の場合よりも薄くなる)へ侵入するのに十分高いエネルギーとなるように選ばれる。よって試料から放出される透過電子束は、画像を生成するのに用いられて良い。係るTEMが走査モードで動作する(よってSTEMとなる)とき、問題となる画像は、照射電子ビームの走査運動中に蓄積される。
http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_microscope
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope
http://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_electron_microscopy
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_transmission_electron_microscopy
照射ビームとして電子ビームを用いる代わりとして、荷電粒子顕微鏡観察もまた、他の種類の荷電粒子を用いて実行されて良い。この点では、「荷電粒子」という語句は、たとえば電子、正イオン(たとえばGaイオン又はHeイオン)、負イオン、陽子、及び陽電子を含むものとして広義に解釈されなければならない。イオン系顕微鏡に関しては、さらなる情報は、たとえば以下のリンクと非特許文献1から収集することができる。
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_Helium_Ion_Microscope
撮像に加えて、荷電粒子顕微鏡(CPM)はまた、他の機能−たとえば分光の実行、ディフラクトグラムの検査、(局在化した)表面改質(たとえばミリング、エッチング、堆積)等−の実行−をも有して良いことに留意して欲しい。
http://en.wikipedia.org/wiki/Confocal_microscopy
すべての場合において、走査型顕微鏡は少なくとも以下の構成要素を有する。
− 放射線源。たとえば、CPMの場合であればショットキー源若しくはイオン銃、又は、光学顕微鏡の場合であればレーザー若しくはランプ。
− 照射体。線源からの「生の」放射線ビームを操作し、かつ、その放射線に対してある作用−集束、収差の緩和、(アパーチャによる)トリミング、フィルタリング等−を実行するように機能する。照射体は一般的に、1つ以上の(荷電粒子)レンズを有し、かつ、他の種類の(粒子)光学部品をも有して良い。望ましい場合には、照射体には、調査中の試料にわたる走査運動を出力ビームに実行させることのできる偏向器システムが供されて良い。
− 上に調査中の試料が保持及び位置設定(たとえば傾斜、回転)され得る試料ホルダ。望ましい場合には、このホルダは、試料に対するビームの所望の走査運動を実現するように動かされて良い。一般的には、係る試料ホルダは、たとえば機械ステージのような位置設定システムに接続される。
− 検出器。前記検出器は、単体であって良いし又は事実上複合体/分配されても良く、かつ、検出される放射線に依存して多くの異なる形態をとって良い。例には、光電子増倍管(固体光電子増倍管SSPMを含む)、フォトダイオード、COMS検出器、CCD検出器、光電池等が含まれる。これらはたとえば、シンチレータ膜と併用されて良い。
(i)特許文献1,2。これらでは、Pは(入射)放射線ビームの特性−たとえばビームエネルギー、ビーム発散角、又はビーム焦点深度−で、かつ、Mの空間分解(デコンボリューション)は、統計的ブラインド信号源分離(BSS)アルゴリズムを用いて実行される。
(ii)特許文献3,4。これらでは、Pは(放出)放射線ビームの特性−たとえばビームエネルギー、ビーム発散角、又はビーム焦点深度−で、かつ、Mのデコンボリューションは、たとえばベイズ統計法に基づく一般化された3次元再構成法を用いて実行される。
(iii)特許文献5,6。これらでは、Pは(放出)放射線ビームの特性−特に放出角−で、かつ、Mのデコンボリューションは、一般的な体積再構成アルゴリズムを用いて実行される。
(iv)特許文献7,8。これらでは、Pは(放出)放射線ビームの特性−特に放出電子のエネルギー−で、かつ、Mのデコンボリューションは、3次元再構成数学を用いて改めて実現される。
Mのデコンボリューションを行う際、たとえばMを空間的に分解して、組R={(Vk、Lk)}を得ることができる。ここで、空間変数Vは、表面Sを基準にした離散的な深さレベルLkでその深さレベルに対応する値Vkを示し、kは整数列のメンバーで、かつ、空間変数Vは、試料の物理的特性−たとえばコントラスト、強度、密度変化、原子量、染色濃度(staining concentration)、電子収量/X線収量等−をその試料の塊の中での位置の関数として表す。これらのすべては、試料(の材料)の物理的特性によって直接的又は間接的に決定される。これらに基づいてエンティティ−たとえば画像、マップ、又はスペクトル−を構築することが可能である。このようにして、試料からの本質的に縮退する信号は、深さを基準とした画像スタックに変換される。このデコンボリューション問題を解く一般的な方法は(たとえば)以下の通りである。
− nの各値について、測定パラメータ値Pn用の検出器によって認識される試料の塊の中での前記(入射)放射線ビームの挙動を表す核(kernel)の値Knを有する点拡がり関数(PSF)を定義する。
− nの各値について、Qn=Kn*VとなるようなKnとVの多次元コンボリューションである値Qnを有するイメージング量を定義する。
− nの各値について、DnとQnとの間での最小収束min D(Dn||Kn*V)を計算によって決定する。Vは値Knに関する制約を課すことで解かれる。
係るデコンボリューションが深さを基準にしているとしても、係るデコンボリューションが深さに限定されないことは、当業者には明らかである。一般的なPSFは横方向の拡がりを有するので、デコンボリューションは、試料の完全な体積画像を得るが、(望ましい場合には)係る画像を層毎に(深さ方向での「計算スライシング」に基づいて)描画することを可能にする。
− 第1探索期間中、第1ビーム設定B1を利用して第1点拡がり関数F1を点piへ照射する段階であって、前記ビーム設定は前記測定パラメータとは異なる段階;
− 少なくとも第2探索期間中、第2ビーム設定B2を利用して第2点拡がり関数F2を点piへ照射する段階であって、
・F2は、piが存在する共通の重なり領域内OiでF1と部分的に重なり、
・F1とF2は、Oiの外部に各対応する非重なり領域F1’とF2’を有する、段階;
− 前記コンピュータ処理装置内で信号源分離アルゴリズムを用いることで、前記非重なり領域F1’とF2’とは別個に考慮される前記重なり領域内Oi内で画像再構成を実行する段階、を有する。
− 前記第1探索期間中のfPSFの「深い領域」及び前記第2探索期間中のfPSFの「浅い領域」、又は、
− 前記第1探索期間中のfPSFの「左側部分」及び前記第2探索期間中のfPSFの「右側部分」等
従って、立体視がモノビジョンよりも正確に対象物の位置を示すことを可能にする、又は、多数の点からの範囲の決定がただの1点からの範囲の決定よりも対象物の位置を正確に特定する(三角測量を行う)ことを可能にするのと同様に、本発明のデコンボリューション処理は、前記重なり領域OiがfPSFのこれらの(少なくとも)2つの異なる領域/部分によって探索されたことを利用する。あるいはその代わりに、以下の方法のうちの1つ以上で本発明を検討することによって本発明を把握することもできる。
− 前記重なり領域Oiは、定義により、前記重なり領域Oiに寄与する個々の点拡がり関数よりも小さいので、本発明の方法は、たとえば上述した「生の」従来技術に係る方法よりも微細な空間分解能を供する。よって本発明は、高分解イメージング結果を生成するものとみなすことができる。
− 本発明は、共通しない成分から孤立した重なり点拡がり関数の共通する成分に集中することで、前記空間分解処理から「死んだ木(dead wood)」を切断する。
− 重なり領域Oiは複数の探索期間中に検査されるので、信号対雑音比は必然的に改善される。
− fPSFの各異なる領域/部分によるOiの各探索は、Oiを表す複数の連立方程式からなる組のさらなる式を設定する手段とみなすことができる。より多くの連立方程式が得られれば、解の空間はより精緻になる。
本発明で用いられるのに適した信号源分離(SS)法の例にはたとえば以下が含まれる。
− 多変量信号を加法的な成分に分離することを可能にする独立成分分析(ICA)
− 主成分分析(PCA)
− 非負行列因子分解(NNMF)等
これらは特に具体的な状況での応用に役立つ。係る方法についての一般的な情報は、たとえば以下のWikipediaのリンクと特許文献1,2と非特許文献2乃至5を参照のこと。
http://en.wikipedia.org/wiki/Independent_component_analysis
この記載及び以降のさらなる説明では、以下のことに留意して欲しい。
(a) 上述の第1探索期間と第2探索期間は、望ましい場合には、点piでのさらなる探索によって補われて良い。それにより部分的に重なる点拡がり関数の一般的な組F={F1、F2、F3...Fi...}が蓄積される。
(b) 所与の点piでの本発明の処理は、前記走査経路(の下)に沿った(連続する)複数の点からなる全体の列p={pi}で繰り返されて良い。よって前記重なり領域Oiは、たとえば前記試料内の特定の(表面下の)層/体積のような、より大きな領域O={Oi}に実効的に「併合」する(たとえば図1Bと図2Bを参照のこと)。上で説明したように、「標準的な」空間分解はOiの外部で実現されて良い。しかし本発明は、O内部での空間分解能の改良を可能にする。
(c) 前項に関しては、たとえば以下のことを行う自由度を有する。
(I) 点piで完全な組Fを利用し、その後p中の各後続の点でこの処理を繰り返す(「p中の各段階前の完全なF」)、又は、
(II) p内の各点で点拡がり関数Fiを利用し、その後F内の各後続の点拡がり関数についてこの処理を繰り返す(「F中の各段階前の完全なp」)
(d) 点piでの様々な探索期間は原則として、順次又は同時に実行されて良い。
− 前者の場合(順次探索)では、点piには、最初にビーム設定B1を有する第1ビームが照射され、その後ビーム設定B2を有する第2ビームが照射され、といったようなことが行われる。
− 後者の場合(同時探索)では、複数のビームが、(共存する)相互に異なる、ある範囲のビーム設定で点piへ同時に照射されるのに用いられる。
当業者はこれらの点をすぐに理解する。
− 前記表面は、直交座標形XYZのXY平面に対して平行に延びるように定義される。
− 前記ビーム設定は、前記試料への前記ビームの入射点のZ座標位置となるように選ばれる。
− 前記第1探索期間と前記第2探索期間との間で、物理的スライシング処理は、初期表面S1から厚さLの材料層を除去することで新たな表面S2を露出させるのに用いられる。
− 点拡がり関数F2とF1は、前記Z方向に互いにLだけ変位する。
− 前記試料中のpiはS1の下でZ方向の距離L+zの位置にあるとする。ここでzは正の増分である。
− 前記第1探索期間中、前記入射放射線ビームB1は、S1に衝突し、かつ、S1から前記試料へ下方に入り込むように延びる点拡がり関数F1を生成する。続いて点piは、Z方向の距離L+zに位置してこの点拡がり関数F1に入り込む。
− ここで物理的スライシング処理(たとえばイオンミリング、ミクロトーム切断、エッチング等)は、古い表面S1から厚さLの層を除去することで新たな表面S2を露出させるのに用いられる。
− 前記第2探索期間中、前記入射放射線ビームB2は、S2に衝突し、かつ、S2から前記試料へ下方に入り込むように延びる点拡がり関数F2を生成する。続いて点piは、Z方向の距離zに位置してこの点拡がり関数F2に入り込む。点拡がり関数F1とF2は部分的重なり領域Oiを示す。ビームB1とビームB2は、Z方向に対して平行に延びる共通の伝播軸b12を有する。
− 点拡がり関数F1とF2は(略)同一の関数形fPSFを有して良い(たとえば、前記ビームの衝突点で狭い首部を有する状態で始まり、前記試料へ入り込むにつれて拡がり(横方向への拡がり)、その後徐々に消えるように再度先細る楕円様形状)。しかしpiを含む前記重なり領域Oiは、各々の異なるZ領域に支配される。この事実により、領域Oi内部での検出器信号のデコンボリューションを実行するのにSSアルゴリズム(たとえばICA)を用いることが可能になる。その結果(従来技術と比較して)空間分解能が改善される。
− 上の(b)で説明したように、この効果は、点piが位置する前記領域Oiだけに限定される必要はない。その代わりに、横方向走査が前記第1探索期間及び前記第2探索期間中に実行される場合、領域Oiは、単なる1つの成分であるS2の下の位置で併合された領域(たとえば層/体積)Oとなる。そのため本発明は空間分解能の改善を実現し得る。この点についてはたとえば図1Bを参照して欲しい。
− 望ましい場合には、上述の処理の組はさらなる反復において繰り返されて良い。前記試料へ徐々に深く進行することで、改善された空間分解能を得ることのできる表面下領域/層Oからなる積層体が生成される。係るシナリオはたとえば図1Cに表されている。
− 当業者は、本発明の状況では、ある探索期間と別な探索期間との間で不可逆的な破壊的段階(層の除去)が存在するため、上述の方法(I)は使用できないが、その代わりに方法(II)が使用可能であることを理解する。この文脈では、以下のことに留意して欲しい。
・測定パラメータ1Pを変化させ、かつ、その検出器出力を記録することによって、(p内の各点piでの)点拡がり関数F1について全体の測定組1Mを得ることができる。
・同様に、測定パラメータ2Pを変化させ、かつ、その検出器出力を記録することによって、(p内の各点piでの)点拡がり関数F2について全体の測定組2Mを得ることができる。2Pと1Pとは同一であっても良いし、又は、互いに異なっても良い。
・これらの測定組1M、2Mの各々は、前記試料(の一部)の空間分解画像の生成をそれぞれ別個で可能となる。しかし本発明の知見を利用することで、上述の重なり領域Oについて、より高分解の画像を得ることができる。上述した従来技術に係る方法(i)−(iv)は、物理的スライシングと断層撮像の併用について論じているが、これは前記断層撮像の前記試料内への到達可能な範囲を増大させるだけで、Z方向での重なる点拡がり関数の利用、又は、関心対象である(複数の)重なり領域/層内での空間分解能の改善を実現するためのSSアルゴリズムの適用については教示していないことに留意して欲しい。
− 前記ビーム設定は、(最も一般的に3次元で考慮すると)前記表面Sに対する前記ビームの角度となるように選ばれる。
− 前記第1探索期間と前記第2探索期間との間で、前記ビームの角度が調節される。
− 点拡がり関数F2とF1とは互いに角度をなす。
− 前記表面Sに対する傾斜角T(傾斜/勾配)を定義する。
− 前記第1探索期間中、前記入射放射線ビームB1は、傾斜角T1でSに衝突し、かつ、伝播軸b1に沿って前記試料内へ入り込むように延び、かつ、表面下の点piと交差する点拡がり関数F1を生成する。T1≠90°の場合、係る衝突/拡張は斜めになる(そうでなければ垂直となる)。
− 前記第2探索期間中、前記入射放射線ビームB2は、傾斜角T2でSに衝突し、かつ、異なる傾斜の伝播軸b2に沿って前記試料内へ入り込むように延び、かつ、表面下の点piと交差する点拡がり関数F2を生成する。
− T2≠T1なので、点piは、伝播軸b1、b2に沿って測定される点拡がり関数F1とF2の異なる領域/態様を受ける。この事実によって、領域Oi内部での検出器信号のデコンボリューションを実行するのにSSアルゴリズム(たとえばICA)を用いることが可能となる。その結果(従来技術と比較して)空間分解能が改善される。
− 上の(b)で説明したように、この効果は、点piが位置する前記領域Oiだけに限定される必要はない。その代わりに、横方向走査が前記第1探索期間及び前記第2探索期間中に実行される場合、領域Oiは、単なる1つの成分であるS2の下の位置で併合された領域(たとえば層/体積)Oとなる。そのため本発明は空間分解能の改善を実現し得る。この点についてはたとえば図2Bを参照して欲しい。(Z軸を含む)垂直面内での傾斜/勾配を測定する傾斜角Tに加えて、水平面内での軌道角を測定する方位角Aを定義することも可能であることに留意して欲しい。図2Aに図示された状況では、ビームB1とB2は各異なる方位角(それぞれA1とA2)を有する。特にビームB1とB2はまさに、それぞれ180°の方位角差をなして互いに対向する。しかしこれは必須ではなく、ビームB1とB2は同一の方位角をなして点piに有効に接近しても良い。しかもビームB1とB2は、傾斜角は同一だが方位角が異なった状態で点piに接近しても良い。これらの点についても以降の実施例1で説明する。
− 前記ビーム設定は、前記ビーム中の粒子の種類となるように選ばれる。
− 点拡がり関数F2とF1は、サイズ及び形状のうちの少なくとも1つに関して互いに異なる。
− この実施例で用いられている「種類」は特性−たとえば荷電粒子であるか否か、電荷の符号、相対的に重いのか軽いのか、相対的に長波長なのか短波長なのか等−を指称するものとする。この文脈では、たとえば電子、陽子、相対的に軽いイオン(たとえばHeイオン)、相対的に重いイオン(たとえばGaイオン)、光子、軟X線、又は硬X線等の粒子は、それぞれ異なる粒子の種類であるとみなされる。
− そのような異なる種類の粒子は一般的に、所与の試料とそれぞれ異なる相互作用を示す。そのような場合、前記異なる種類の粒子に係る点拡がり関数の形状及び/又はサイズが異なっている。
− 前記第1探索期間中、前記入射放射線ビームB1は第1種類の粒子を含む。このビームB1がSに衝突するとき、このビームB1はたとえば、相対的に深いレベルまで前記試料内に入り込むように延びるが相対的に横方向拡がりの小さな点拡がり関数F1を生成する。
この点拡がり関数F1は点piと相互作用する。
− 前記第2探索期間中、前記入射放射線ビームB2は第2種類の粒子を含む。このビームB2がSに衝突するとき、このビームB2はたとえば、相対的に浅いレベルまで前記試料内に入り込むように延びるが前記ビームB1の場合よりも相対的に横方向拡がりの大きな点拡がり関数F2を生成する。この点拡がり関数F2もまた点piと相互作用する。
− 点拡がり関数F2とF1はサイズ及び/又は形状が異なるので、点piは、各々の各異なる領域/部分/態様を感じる。この事実により、領域Oi内部での検出器信号のデコンボリューションの実行にSSアルゴリズムを用いることが可能になる。その結果、(従来技術と比較して)この領域内での空間分解能が改善される。
− 繰り返しになるが、上の(b)で説明したように、この効果は、点piが位置する前記領域Oiだけに限定される必要はない。その代わりに、横方向走査が前記第1探索期間及び前記第2探索期間中に実行される場合、領域Oiは、単なる1つの成分であるS2の下の位置で併合された領域(たとえば層/体積)Oとなる。そのため本発明は空間分解能の改善を実現し得る。この点についてはたとえば図3Bを参照して欲しい。
− 図2Bに図示された状況が実行された後、物理的スライシング処理が、前記試料から厚さLの材料層を除去することで、新たな表面を露出させる(図1A参照のこと)のに用いられて良い。続いて図2Bに示された状況はこの新たに露出した表面上で繰り返されて良い。同様のことは、たとえば図3Bに示された状況に適用される。
− 図1Aと図3Aのビームは、望ましい場合には、前記試料へ法線入射ではなく斜め入射されて良い。等
− 試料の表面Sに傾斜角T1で衝突し、かつ、伝播軸b1に沿って試料へ入り込むように延びて表面下の点piと交差する点拡がり関数F1を生成する第1入射放射線ビームB1
− 試料の表面Sに異なる傾斜角T2で衝突し、かつ、異なる傾斜で伝播軸b2に沿って試料へ入り込むように延びて表面下の点piと交差する点拡がり関数F2を生成する第2入射放射線ビームB2
− T2≠T1なので、点piは、伝播軸b1、b2に沿って測定される点拡がり関数F1とF2の異なる領域/態様を感じる。この事実により、領域Oi内部での検出器信号のデコンボリューションの実行にSSアルゴリズムを用いることが可能になる。その結果、この領域内での空間分解能が改善される。ここで、このことについてより詳細に説明する。
さらに説明するため、以下のような定義を導入する。
・F1’=F1\Oi:点拡がり関数F1によって覆われる体積から交差する領域Oiを除いたもの
・F2’=F2\Oi:点拡がり関数F2によって覆われる体積から交差する領域Oiを除いたもの
F1’、F2’、及びOiに対応する3つの体積は重なっていない。これらの仮想点拡がり関数(体積)に対応する3つの「仮想画像」DF1’、DF2’、及びDOiを定義することができる。係る仮想画像は本来の画像よりも低い統計的相関を有する。
線形イメージング法の場合では、以下が得られる。
DT1=D’F1+DOi・・・ (1)
DT2=D’F2+DOi・・・ (2)
このモデルは、ビームパラメータ(たとえば電流/粒子束又は加速電圧)が2つの走査(探索期間)で同一である場合に適用される。複数のビームのうちの1つが異なる「強度」(つまりより大きな又は小さな重要性/影響/「比重」)を有する場合、交差領域に与えられる相対重量αは1.0の値から変化する。その結果次式で表されるようなより一般的な表式となる。
DT1=D’F1+αDOi・・・ (3)
DT2=D’F2+DOi・・・ (4)
あるいは行列で表せば、次式のようになる。
D=WD’ (5)
− 特定の分類の材料(たとえばプラスチックが埋め込まれて重い粒子で染色された試料)と走査ビームとの相互作用の解析モデル用パラメータ
− 再構成された構造の幾何学形状とコントラストを制約するパラメータ。たとえばシナプス小胞は平均的には、球形であり、かつ、約39.5nmの直径を有する。
等
問題(7)と(8)において、Wについての最適化は、αについての最適化になることがわかる。究極的には、前述したように、復元のための最も重要な成分は、小さな「相互作用体積」に対応する画像であるDOiである。
[交互最小自乗(ALS)アルゴリズム]
以下は、最小自乗指標の場合に(7)を解く例である。この場合、次式を解く。
D’=(WTW)−1WTD・・・(11)
D’について最小自乗基準を微分して、それをゼロに設定することで次式が得られる。
W=DD’T(D’D’T)−1・・・ (12)
ALSアルゴリズムでは、2つの段階(11)と(12)が、適切な収束基準が実現されるまで交互に繰り返される。たとえば負の値をゼロに設定することによって、又は、(たとえば)非特許文献2,3に記載されているような所謂アクティブセット(active set)法を用いることによって、上述の非負性制限が課される。
[ICAとカルバック・ライブラー・ダイバージェンス(EMML)]
この場合、以下の所謂一般化されたカルバック・ライブラー(KL)・ダイバージェンスが最小化される。
図2Bは上の一般的な説明で論じられているので、ここではさらなる説明は必要ない。
− (元の)試料表面S1に衝突し、かつ、S1から試料へ入り込むように下方に延びる点拡がり関数F1を生成する第1入射放射線ビームB1。点piはZ方向の距離L+zに位置してこの点拡がり関数F1へ入り込む。
− (新たに露出した)試料表面S2に衝突し、かつ、S2から試料へ入り込むように下方に延びる点拡がり関数F2を生成する第1入射放射線ビームB2。点piはZ方向の距離zに位置してこの点拡がり関数F2へ入り込む。この新たな表面S2は、物理スライシング処理(たとえばイオンミリング、ミクロトーム切断、エッチング等)を利用して古い表面S1から厚さLの層を除去することで新たな表面S2を露出させることによって生成された。
− 点拡がり関数F1とF2は部分的な重なり領域Oiを示す。ビームB1とB2は、Z方向に対して平行に延びる共通の伝播軸b12を有する。点piを含む重なり領域Oiは各点拡がり関数の各異なるZ領域に支配される。この事実は、領域Oi内部での検出器信号のデコンボリューションを実行するのに(たとえば)ICAを用いることを可能にする。その結果この領域内での空間分解能が改善される。ここでこのことについてより詳細に説明する。
DS1=D’F1+DOi・・・ (16)
DS2=D’F2+DOi・・・ (17)
2つの期間の間で各異なる「強度」スケーリングαを導入するイメージング条件の変化を説明するのであれば、次式が得られる。
DS1=D’F1+αDOi・・・ (18)
DS2=D’F2+DOi・・・ (19)
上式は次式の行列表現となる。
DS=WD’ (20)
ここでDSとWとD’は(6)式で定義された通りである。
上述したICA法と同一の方法を用いることによって、上から下までの3層に対応する3つの画像の復元が可能となる。図1Bと図1Cについては上の一般的な説明で述べたので、ここではこれ以上の必要はない。
− 第1種類の粒子を含む第1入射放射線ビームB1。このビームB1がSに衝突するとき、このビームB1は、相対的に深いレベルまで試料内に入り込むように延びるが相対的に横方向拡がりの小さな点拡がり関数F1を生成する。この点拡がり関数F1は点piと相互作用する。
− 第2種類の粒子を含む第2入射放射線ビームB2。このビームB2がSに衝突するとき、このビームB2は、相対的に浅いレベルまで試料内に入り込むように延びるがビームB1の場合よりも相対的に横方向拡がりの大きな点拡がり関数F2を生成する。この点拡がり関数F2もまた点piと相互作用する。
− 点拡がり関数F2とF1はサイズ及び/又は形状が異なるので、点piは、各々の各異なる領域/部分/態様を感じる。この事実により、領域Oi内部での検出器信号のデコンボリューションの実行に(たとえば)ICAを用いることが可能になる。その結果、この領域内での空間分解能が改善される。この場合の再構成の数学的手法は広義には、「発明を実施するための形態」と実施例1で説明した一般的枠組と似ている。この特別な状況は、点拡がり関数F1とF2との間での(典型的な)不同性のために、上の式(3)と(18)で導入された相対重み付け因子αが重要な役割を果たし得る状況である。図3Bについては上の一般的な説明で述べたので、ここではこれ以上の必要はない。
− 検出器100は区分化された電子検出器である。係る検出器はたとえば、試料410から放出される出力(2次又は後方散乱)電子束の角度依存性を調査するのに用いられて良い。
− 検出器420は、試料410から放出される出力BS電子束(の少なくとも一部)を検出するのに用いられるホウ素がドーピングされた固体検出器である。
− デュアルビーム−たとえば撮像用の電子ビーム404と試料410の加工(場合によっては撮像)様のイオンビーム−の使用
− 試料410での−たとえば(所謂環境制御型SEMで用いられているような)数mbarの圧力を維持するか、又は、気体−エッチング気体又は前駆体気体−を収容することによる−制御された環境の使用
等
本発明の具体的文脈では、制御装置424−及び/又は専用の独立した処理ユニット(図示されていない)−は、試料410内部の所与の点piに関して以下の処理を実行するように動かすことができる。
− 第1探索期間中、第1ビーム設定B1を利用して点piに第1点拡がり関数F1を照射する処理であって、前記ビーム設定は前記測定パラメータとは異なる処理
− 少なくとも第2探索期間中、第2ビーム設定B2を利用して点piに第2点拡がり関数F2を照射する処理であって、
・F2は、piが存在する共通の重なり領域内OiでF1と部分的に重なり、
・F1とF2は、Oiの外部に各対応する非重なり領域F1’とF2’を有する、処理
− 前記コンピュータ処理装置内で信号源分離アルゴリズムを用いることで、前記非重なり領域F1’とF2’とは別個に考慮される前記重なり領域内Oi内で画像再構成を実行する処理
図4に図示された走査型顕微鏡はSEMだが、図4に図示された走査型顕微鏡は、本発明の文脈では、たとえばSTEM、FIB−SEM、又は共焦点顕微鏡も有効なものとしてあり得る。
− ビームB1:法線入射
− ビームB2:(A,T)=(180°,60°)の角度での入射
− ビームB3:(A,T)=(270°,60°)の角度での入射
− ビームB4:(A,T)=(0°,60°)の角度での入射
− ビームB5:(A,T)=(90°,60°)の角度での入射
− ビームB1:法線入射
− ビームB2:(A,T)=(180°,60°)の角度での入射
− ビームB3:(A,T)=(270°,60°)の角度での入射
− ビームB4:(A,T)=(0°,60°)の角度での入射
− ビームB5:(A,T)=(90°,60°)の角度での入射
図5Bと図5Cは、図5Aに示された実験系によって以下の装置設定で撮像されたマウスの脳の細胞組織の試料のSEM画像を示している。
− 加速電圧:2kV
− ビーム電流:約400pA
− 図示された視野:1.5μm×1.1μm
− 分解能:4nm/画素
− 検出された束の種類:後方散乱電子
図5BはビームB1のみを考慮することによって得られた画像を示している。
− 加速電圧:2kV
− ビーム電流:約400pA
− 図示された視野:1.05μm×0.98μm
− 分解能:4nm/画素
− 検出された束の種類:後方散乱電子
図6Aは、従来技術に係る撮像方法を用いた、従来の試料のFIB−SEM画像を示している。
402 粒子光学鏡筒
404 荷電粒子ビーム
406 真空チャンバ
408 試料ホルダ
410 試料
412 電子源
414 複合レンズ系
416 複合レンズ系
418 偏向ユニット
420 検出器
422 電源
424 制御装置
426 表示装置
Claims (9)
- 走査型顕微鏡を用いて試料の画像を蓄積する方法であって、当該方法は:
前記試料の表面Sへ照射するように線源から照射体を介して放射線ビームを案内する段階;
検出器を用いて前記照射に応じて前記試料から放出される放射線束を検出する段階;
前記表面に対する走査経路を前記ビームに追随させる段階;
前記走査経路中の複数のサンプル点からなる組の各々について、選択された測定パラメータPの値Pnの関数として前記検出器の出力Dnを記録することで、測定の組M={Dn,Pn}をまとめる段階であって、nは整数列のメンバーである、段階;
コンピュータ処理装置を用いることによって、前記試料の再構成された画像を生成するように、前記測定の組Mのデコンボリューションを自動的に行い、かつ、空間的に分解する段階、を有し、
前記試料内の所与の点piで検討すると:
第1探索期間中、第1ビーム設定B1を利用して第1点拡がり関数F1を点piへ照射する段階であって、前記ビーム設定は前記測定パラメータとは異なる段階;
少なくとも第2探索期間中、第2ビーム設定B2を利用して第2点拡がり関数F2を点piへ照射する段階であって、
・F2は、piが存在する共通の重なり領域内OiでF1と部分的に重なり、
・F1とF2は、Oiの外部に各対応する非重なり領域F1’とF2’を有する、段階;
前記コンピュータ処理装置内で信号源分離アルゴリズムを用いることで、前記非重なり領域F1’とF2’とは別個に考慮される前記重なり領域内Oi内で画像再構成を実行する段階、を有することを特徴とする方法。 - 前記表面が、直交座標形XYZのXY平面に対して平行に延びるように定義され、
前記ビーム設定は、前記試料への前記ビームの入射点のZ座標位置となるように選ばれ、
前記第1探索期間と前記第2探索期間との間で、物理スライシング処理は、初期表面S1から厚さLの材料層を除去することで新たな表面S2を露出させるのに用いられ、
点拡がり関数F2とF1は、前記Z方向に互いにLだけ変位する、
請求項1に記載の方法。 - 前記ビーム設定が、前記表面Sに対する前記ビームの角度となるように選ばれ、
前記第1探索期間と前記第2探索期間との間で、前記ビームの角度が調節され、
点拡がり関数F2とF1とは互いに角度をなす、
請求項1又は2に記載の方法。 - 前記ビーム設定が前記ビーム中の粒子の種類となるように選ばれ、
点拡がり関数F2とF1は、サイズ及び形状のうちの少なくとも1つに関して互いに異なる、
請求項1乃至3のうちいずれか一項に記載の方法。 - 前記測定パラメータが、前記ビーム中の粒子の平均到達エネルギー、前記ビーム中の荷電粒子の平均電流、前記束中の粒子の放出角、前記束中の粒子の放出エネルギー、及びこれらの結合を含む群から選ばれる、請求項1乃至4のうちいずれか一項に記載の方法。
- 前記試料から放出される放射線の前記束が、後方散乱電子、2次電子、X線、赤外光、可視光、紫外光、及びこれらの結合を含む群から選ばれる少なくとも1つの種類を含む、請求項1乃至5のうちいずれか一項に記載の方法。
- 前記測定の組Mの前記デコンボリューションと空間分解が、前記モデルに制約を適用しながら、ポアソン型ノイズとガウス型ノイズのうちの少なくとも1つに従うと推定される、検出モデルと前記測定の組Mとの間での統計ダイバージェンスを最小にすることによって実行される、請求項1乃至6のうちいずれか一項に記載の方法。
- 前記信号源分離アルゴリズムが、独立成分分析、主成分分析、非負行列因子分解、並びにこれらの混合及びハイブリッド型を含む群から選ばれる、請求項1乃至7のうちいずれか一項に記載の方法。
- 試料を保持する試料ホルダ;
放射線ビームを生成する放射線源;
前記試料へ照射するように前記ビームを案内する照射体;
前記照射に応じて前記試料から放出される放射線の束を検出する検出器;
前記試料の表面に対する走査経路を前記ビームに通過させる走査手段;
− 前記走査経路中の複数のサンプル点からなる組の各々について、選択された測定パラメータPの値Pnの関数として前記検出器の出力Dnを記録することで、測定の組M={Dn,Pn}をまとめる段階であって、nは整数列のメンバーである、処理と、
− 前記試料の再構成された画像を生成するように、前記測定の組Mのデコンボリューションを自動的に行い、かつ、空間的に分解する処理、
のための制御装置、を有する走査型顕微鏡であって、
前記試料内の所与の点piで検討すると、前記制御装置は:
第1探索期間中、第1ビーム設定B1を利用して第1点拡がり関数F1を点piへ照射する段階であって、前記ビーム設定は前記測定パラメータとは異なる処理;
少なくとも第2探索期間中、第2ビーム設定B2を利用して第2点拡がり関数F2を点piへ照射する処理であって、
・F2は、piが存在する共通の重なり領域内OiでF1と部分的に重なり、
・F1とF2は、Oiの外部に各対応する非重なり領域F1’とF2’を有する、処理;
信号源分離アルゴリズムを用いて、前記非重なり領域F1’とF2’とは別個に考慮される前記重なり領域内Oi内で画像再構成を実行する処理、を行うように動かされ得ることを特徴とする走査型顕微鏡。
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