JP2019145499A - 走査透過荷電粒子顕微鏡におけるインテリジェントプレスキャン - Google Patents

Abstract

【課題】走査透過荷電粒子顕微鏡において、ガラス化された試料やネガティブ染色試料などを効率的に撮像する技術を提供する。【解決手段】試料ホルダ上の試料Ｓに荷電粒子を走査して得られる透過電子を、セグメント化された検出器により検出し、各々の走査位置で異なる検出器セグメントから、Ｘ、Ｙ座標軸に沿った各成分を有するベクトル出力を生成し、粗いプレスキャン軌跡１３上の選択された位置において、各成分、及び、スカラー強度センサ値を分析し、割り当てられた位置で精細なスキャンを行う。【選択図】図４

Description

本発明は、走査透過荷電粒子顕微鏡において試料を撮像する方法であって、
− 試料を試料ホルダ上に提供するステップと、
− 光源から照明器を介して向けられる荷電粒子のビームを提供して、試料を照射するステップと、
− 試料を横切る荷電粒子のフラックスを検出するためのセグメント化された検出器を提供するステップと、
− 該ビームを試料の表面を横切って走査させ、検出器の異なるセグメントからの信号を組み合わせて、各々の走査位置で検出器からベクトル出力を生成することであって、該ベクトル出力が、それぞれの座標軸Ｘ、Ｙに沿って成分Ｄｘ、Ｄｙを有する、生成するステップと、を含む、方法に関する。

本発明はまた、このような方法を実施することができる透過荷電粒子顕微鏡（ＳＴＣＰＭ）に関する。

特に電子顕微鏡の形態の荷電粒子顕微鏡法は、微小物体を撮像するための、よく知られており、ますます重要な技術である。これまで、基本的な種類の電子顕微鏡は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、および走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）のような多くの周知の装置類に進化してきており、さらには、例えばイオンビームミリングまたはイオンビーム誘導蒸着（ＩＢＩＤ）のような支援作用を可能にする「ｍａｃｈｉｎｉｎｇ（機械加工）」集束イオンビーム（ＦＩＢ）をさらに用いた、いわゆる「ｄｕａｌ−ｂｅａｍ（デュアルビーム）」装置（例えば、ＦＩＢ−ＳＥＭ）のような様々な補助装置類に進化してきている。すなわち：
− ＳＥＭでは、走査電子ビームを試料に照射すると、試料から、例えば２次電子、後方散乱電子、Ｘ線、ならびに陰極線蛍光（赤外線光子、可視光子、および／または紫外線光子）の形態の「補助」放射線の放出が開始され、次に、この放出される放射線の１種類以上の放射線成分が、検出され、画像を蓄積するために使用される。
− ＴＥＭでは、試料に照射するために使用される電子ビームは、試料に貫通するために十分高いエネルギーとなるように選択され（試料は、この目的のために、一般的に、ＳＥＭ試料の場合よりも薄くなる）、次に、試料から放出される透過電子を使用して画像を生成することができる。
このようなＴＥＭを走査モードで動作させると（ＳＴＥＭになる）、照射される電子ビームの走査動作中に問題の画像が蓄積される。

照射ビームとして電子を使用する代わりに、荷電粒子顕微鏡法は、荷電粒子の他の種を使用して行うこともできる。この点に関して、「ｃｈｒｇｅｄｐａｒｔｉｃｌｅ（荷電粒子）」という句は、例えば電子、正イオン（例えば、ＧａイオンまたはＨｅイオン）、負イオン、陽子、および陽電子を含むものとして広く解釈される必要がある。電子顕微鏡法以外の荷電粒子顕微鏡法に関しては、いくつかの別の情報を、例えば、以下の参考文献から収集することができる。
ｈｔｔｐｓ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｆｏｃｕｓｅｄ＿ｉｏｎ＿ｂｅａｍ
ｈｔｔｐ：／／ｅｎ．ｗｉｋｉｐｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｓｃａｎｎｉｎｇ＿Ｈｅｌｉｕｍ＿Ｉｏｎ＿Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ
− Ｗ．Ｈ．Ｅｓｃｏｖｉｔｚ，Ｔ．Ｒ．ＦｏｘａｎｄＲ．Ｌｅｖｉ−Ｓｅｔｔｉ，「ＳｃａｎｎｉｎｇＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＩｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅｗｉｔｈａＦｉｅｌｄＩｏｎＳｏｕｒｃｅ」、Ｐｒｏｃ．Ｎａｔ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ７２（５），ｐｐ．１８２６−１８２８（１９７５）．
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｃｂｉ．ｎｌｍ．ｎｉｈ．ｇｏｖ／ｐｕｂｍｅｄ／２２４７２４４４

撮像および（局所的な）表面改質（例えば、ミリング、エッチング、蒸着など）の実施に加え、荷電粒子顕微鏡はまた、他の機能、例えば、分光法の実施、フーリエ変換図形の解析、イオンチャネリング／イオン後方散乱分析（ラザフォード後方散乱分析）の研究を有することができる。

一般的に、荷電粒子顕微鏡（ＣＰＭ）は、少なくとも以下の構成要素を含む。
− 例えば、電子の場合のＷソースもしくはＬａＢ６ソース、ショットキーガンもしくはコールドフィールドエミッションガン（ＣＦＥＧ）のような粒子ソース、またはイオンの場合の液体金属イオンソース（ＬＭＩＳ）もしくはナノアパーチャイオンソース（ＮＡＩＳ）。
− ソースからの「素の」放射線ビームを操作し、集束させる、収差を低減する、トリミングする（ダイヤフラムで）、フィルタリングするなどのように、放射線ビームに対して特定の操作を行うように機能する照明器（照明システム、照明用粒子光学カラム）。それは、一般的に１つ以上の（荷電粒子）レンズを備え、他の種類の（粒子）光学構成要素も備えることができる。所望される場合、照明器には、偏向システムを設けることができ、偏向システムを駆動して、偏向システムの出射ビームが走査運動を調査対象の試料に対して行うことができる。
− 調査対象の試料を保持および位置決めする（例えば、傾斜させる、回転させる）ことができる、試料ホルダ。所望される場合、このホルダを移動させて、試料がビームに対して走査運動を行うようにすることができる。一般に、このような試料ホルダは、位置決めシステムに接続される。極低温試料を保持するように設計される場合、試料ホルダは、該試料を極低温に、例えば適切に接続される極低温槽を使用して維持するための手段を備えることができる。
− 本質的に単体とするか、または複合／分散させることができ、かつ検出対象の放射線によって異なる多くの形態を採ることができる検出器（照射対象の試料から放出される放射線を検出する）。例として、フォトダイオード、ＣＭＯＳ検出器、ＣＣＤ検出器、光起電力セル、Ｘ線検出器（シリコンドリフト検出器およびＳｉ（Ｌｉ）検出器など）などを挙げることができる。一般に、ＣＰＭは、いくつかの異なる種類の検出器を含むことができ、検出器の選択は、異なる状況において行うことができる。本発明の文脈では、使用される検出器は、例えば象限検出器、画素化検出器（カメラセンサ）、位置敏感検出器（ＰＳＤ）などの場合にはセグメント化されるであろう。

透過荷電粒子顕微鏡（ＴＣＰＭ；例えばＴＥＭのような）は、具体的には、
− 試料（平面）内を透過する荷電粒子を本質的に捕え、かつ検出／撮像デバイス、分光装置（例えば、ＥＥＬＳデバイス：ＥＥＬＳ＝電子エネルギー損失分析器）などのような検出装置にそれらを誘導する（集束させる）撮像システム。上に言及した照明器の場合と同様に、撮像システムは、収差緩和、トリミング、フィルタリングなどのような他の機能を実行することもでき、撮像システムは、一般的に、１つ以上の荷電粒子レンズおよび／または他の種類の粒子光学構成要素を備える。

以下に、本発明は、一例として、電子顕微鏡法の特定の状況において説明することができる場合がある。しかしながら、このような簡略化は、単に明瞭性／例示を意図したものであり、限定的に解釈されるべきではない。

上記の冒頭の段落に記載された方法は、いわゆる積分ベクトル場（ｉＶＦ）撮像において利用され、それはＵＳ９，３１２，０９８およびＵＳ２０１６／３０７７２９Ａ１に記載されている。参照により本明細書に組み込まれる。ｉＶＦ撮像では、各々の走査位置で検出器から出力された該ベクトルは、ベクトル場に集められ、それは次に（試料内の静電ポテンシャルのマップを表す）ｉＶＦ画像を生成する数学的積分操作を施される。上記のＤｘ、Ｄｙベクトル成分は、いわゆる「グラジエント画像」を作成するために使用することができ、そこでは点ごとのベクトル成分値は強度／グレースケールを表すために使用される。

本発明の文脈において重要なのは、ガラス化の概念、すなわち、試料（中の水）を凍結させて、結晶質氷ではなく非晶質氷にするように、水性試料を極低温に急冷することである。この手順は、例えば、ＵＳ９，１１６，０９１、ＵＳ９，７７２，２６５およびＵＳ９，８６５，４２８により詳細に説明されており、これらはすべて本発明の譲受人に譲渡されており、参照により本明細書に組み込まれる。薄い試料のガラス化（例えばＴＥＭでの研究用）は、比較的高い失敗率で、かなり複雑で繊細な手順になる傾向があり、一般に、所与の試料の比較的大きな面積は、
− 非晶質の氷よりもむしろ結晶の領域の存在、
− 非晶質の氷の中／上に望ましくない汚染物質の存在、のうちの１つ以上に関しては最適には及ばない。

さらに、ガラス化されたい水溶液中の実際の目的の本体（例えば、懸濁された生物学的タンパク質／ウイルス／細胞／生物）は、周囲の氷の比較的大きな海の中の比較的小さな島である傾向があり、氷自体はまた、概してはるかに大きい周囲支持構造内に比較的小さいポケットを形成する（例えば、支持金属格子上に広がる多孔質炭素膜）。そのため、ガラス化された特定の関心のある本体を探すことは、ことわざのある「干し草の針」を探すのと似ている可能性がある。

本発明の目的は、ｉＶＦ撮像の基礎となる機構を利用して革新的な撮像技術を生成することである。より詳細には、本発明の目的は、ガラス化された試料、ネガティブ染色試料などの多種多様な試料を撮像することができる効率を改善するためにこの撮像技術が使用可能であるべきであることである。本発明の特定の目的は、それが、いわゆる「単一粒子分析」（ＳＰＡ）に適していることである。

これらのおよび他の目的は、上記冒頭の段落に記載される方法であって、
− プレスキャン軌跡に沿って、試料の比較的粗いプレスキャンを行うことと、
− 該プレスキャン軌跡上の選択された位置ｐｉにおいて、該成分Ｄｘ、Ｄｙ、さらにスカラー強度センサ値Ｄｓを分析することと、
− Ｄｘ、ＤｙおよびＤｓの分析を使用して、各々の位置ｐｉにおける試料組成を組成クラス群のうちの１つに分類することと、
− 選択された組成クラスに対して、そのクラスに割り当てられた位置ｐｉで比較的精細なスキャンを行うことと、によって特徴付けられる、方法において達成される。

「比較的粗い」および「比較的精細な」という句は相互に関連していることに留意するべきであり、互いに異なる粗さの２つの走査を考えると、２つのうちのより粗い方は、「比較的粗い」であり、２つのうちのより少なく粗い方は、互いに対して「比較的精細な」。本明細書で使用されるように、用語「スカラー」は、方向性を考慮せずに、ただ１つの成分（振幅）を有する値を指すと解釈されるべきであり、これは、方向性が重要な役割を果たすベクトル信号（Ｄｘ、Ｄｙなど）とは対照的である。スカラー強度センサ値Ｄｓは、試料後ビームと関連付けられる／これから向けられる（下記参照）。以下により詳細に説明するように、本発明は、比較的迅速なプレスキャン中にガラス化試料の「実りのある」領域を効率的に識別するために使用することができるという点で特に有用であり、したがって、試料の「実りのない」部分の時間の無駄を避けることによって顕微鏡ユーザが全体として最適化すること助ける。より一般的には、本発明は、不均一／多種多様な試料中の異なる領域の比較的迅速な事前分類を容易にし、「関心領域」の比較的容易な識別を追跡精査で調べることを可能にするという点で革新的である。原則として、これは様々な種類の試料、例えば生物学的、半導体、地質学的／岩石学的および／または冶金的試料に適用される。

本発明の理解を助けるために、上述のＤｘ、Ｄｙ信号を試料上の所与の走査位置ｐｉに関する位相関連情報を提供するものとして、Ｄｓ信号をその位置における振幅関連情報を提供するものとしてみなすことができる。異なる（種類の）材料は、この位相／振幅情報に関して非常に異なる挙動を示す可能性があり、したがって、それは、所与の試料構成を異なる組成クラスに分割するための基礎として使用することができる。例えば、
− 非晶質氷からのＤｘ、Ｄｙ信号は、結晶質氷からのものとは特徴的に異なる傾向があること、
− 非晶質炭素からのＤｘ、Ｄｙ信号は、非晶質氷からのものとは特徴的に異なる傾向があること、
− 氷からのＤｓ信号は、銅からのそれとは特徴的に異なる傾向があること、
などである。例えば、図５を参照されたい。

上記で言及したようにＤｘ、Ｄｙ信号を生成することができる異なる方法がある。例えば、本発明の特定の実施形態では、
− 使用された検出器は、４つの象限を含むように具現化され、
− 該成分Ｄｘ、Ｄｙは、それぞれＸおよびＹ方向に沿って配列された相補的な象限の対の間の差信号（「加重信号」）を計算することによってコンパイルされる。

この種の検出器は、しばしば「クワッド検出器」または「クワッドセル」と呼ばれる。透過ビームの「フットプリント」が相補的な一対の象限に非対称に収まる場合（例えば、＋Ｙおよび−Ｙの相対的な配向に配列されている場合）、より大きい強度の「重み」を他に対する象限に割り当てることができ、それは、問題となっている１対の象限からの差動信号出力（例えば、電圧または電流）内で現れる。そのような検出器構成は、比較的簡単である。

本発明の代替実施形態では、
− 使用された検出器は、画素のアレイを含む画素化検出器として具現化され、
− 該成分Ｄｘ、Ｄｙは、
・ 画素値を比較して、該検出器上の該光束の重心の位置を決定することと、
・ 該重心のＸ、Ｙ座標位置を、検出器上に表現することと、によってコンパイルされる。

画素化検出器内の個々の画素は比較的小さく、一般に比較的多数（例えば、２０４８×２０４８のアレイ内に）存在するので、そのような実施形態は、その上に入射するビームフットプリントの強度重心を識別する能力に関して比較的高い解像度を可能にする（（独自の）画像解析ソフトウェアを使用するなど）。この点では、前の実施形態における比較的初歩的なアプローチで十分である状況があるが、それは前の実施形態におけるよりも幾分「洗練された」実施形態と見なすことができる。

スカラーＤｓ信号に関しては、これもまた異なる方法で生成することができる。例えば、本発明の所与の実施形態では、Ｄｓは、使用されているセグメント化された検出器の様々なセグメントからの出力を合計することによってコンパイルされた明視野（ＢＦ）値であり、より具体的には、それは検出器の全セグメントからの出力信号の加重合計であり、それによって所与のセグメントに対する重みはそのセグメントによって記録された強度である。このようにして、検出器上のビームフットプリントは、本質的に明視野ディスクとして扱われる。

本発明の代替の（または補足的な）実施形態では、該値Ｄｓは、該セグメント化された検出器と共に使用される環状暗視野センサによって生成される環状暗視野（ＡＤＦ）値である（例えばその上流またはその外周囲の外側に位置する）。ＡＤＦ検出器は、それらが従来のＢＦ検出器の周囲から外れる傾向がある（例えば比較的質量の大きい要素と関連する）高散乱角の透過ビーム粒子を捕らえるという点で有用であり、例えば、それらは、金マーカー小球および／または鉛のような高Ｚ汚染物質（Ｚ＝原子番号）の存在に敏感である。ここで使用されているように、ＡＤＦの概念はいわゆるＨＡＡＤＦ（高角度ＡＤＦ）を包含するものとして解釈されるべきである。必要に応じて、ＢＦ検出器とＡＤＦ検出器の両方を使用してＤｓ信号を生じさせることができる。

比較的粗いプレスキャンおよび／または比較的精細なフォローアップスキャン中に発生するＤｘ、Ｄｙ信号は、ｉＶＦ画像を生成するために使用され得ることに留意されたい。その場合：
− 走査位置ごとの該ベクトル出力は、ベクトル場を生ずるようにコンパイルされ、
− 該ベクトル場が、それに２次元積分演算を施すことによって数学的に処理されて、それによって試料の積分ベクトル場画像を生成する。

この手順は、例えば上述のＵＳ９，３１２，０９８およびＵＳ２０１６／３０７７２９Ａ１にさらに詳細に記載されている。

本発明は、材料分類ステップを行うためにコントローラ（および／または顕微鏡ユーザ）を「訓練」するために以前の経験が使用される場合に効率的に実行され得る。すなわち：
− 少なくとも１つの前の較正セッションにおいて、ライブラリは、様々な組成クラスに対応するＤｘ、ＤｙおよびＤｓ値からコンパイルされ、
− 該分類ステップは、該ライブラリを使用して、該各々の位置ｐｉにおける試料のための最良適合組成クラスを選択するアルゴリズムによって実行される。

必要に応じて、取得したライブラリは、顕微鏡ユーザによって手動で「調整」することができる。また、所望される場合、ライブラリを新しい較正セッションの結果で定期的／継続的に更新することができる。実際の最良適合選択は、必要ならば、ライブラリ内の結果の内挿／外挿を使用して決定されてもよく、一般に収束基準を使用してもよい。本明細書で使用される「較正」という用語は、材料分類が所与の１組の信号Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｓと一致する、任意の以前の測定結果を指す。

一般的な注釈として、上で言及された記号「Ｘ」および「Ｙ」は、（一般的な）２次元座標系の相補座標を指すことを意図していることに留意されたい。そのようなシステムはデカルト座標系（この場合、「Ｘ」および「Ｙ」は直交直線寸法を参照するそれらの通常の図表的意味を有する）でもよいが、例えば極（この場合「Ｘ」／「Ｙ」）でもよい。Ｒ／θ（半径／角度）の「プレースホルダ」記号と見なすことができる。

当業者はまた、本発明がたった２回のスキャンの実行に限定されないことを理解するであろうし、所望される場合、少なくとも２つのスキャンの間に粗さに相対的な差がある限り、３つ以上のスキャンを行うことができる。

本発明は、ここで、例示的な実施形態および添付の概略図に基づいてより詳細に説明される。

本発明が実施されるＳＴＣＰＭの１つの実施形態の縦断面図を表している。 本発明に従った、図１の主題において使用することができるセグメント化された検出器（象限検出器）の特定の実施形態の平面図を示す。 本発明に従った、図１の主題において使用することができるセグメント化された検出器（画素化検出器）の別の実施形態の平面図を示す ガラス化試料の一部の拡大写真を示す平面図である。 概略的に図３の主題の一部の拡大図を描写して、本発明の実施形態の様々な態様を示す図である。 図４に示されている試料上の異なる点の選択において考慮されたＤｘ、ＤｙおよびＤＳの典型的な振る舞いの概略図である。

対応する部分は、対応する参照記号を使用して示すことができる。

実施形態１
図１（寸法通りではない）は、本発明を実装することができる走査透過荷電粒子顕微鏡（ＳＴＣＰＭ）Ｍの１つの実施形態のかなり大まかな概略図であり、より詳細には、それは、ＳＴＥＭを示している（しかし、本発明の文脈では、それは、一例を挙げると、イオン型顕微鏡と同じであることが明らかである）。図において、真空筐体２内では、電子ソース４は、電子−光軸Ｂ"に沿って伝搬し、電子光学照明器６を横断する電子ビームＢを生成して、電子を試料Ｓの選択部分に向ける／集束させるように機能する（それは、例えば（局所的に）薄くする／平板状にすることができる）。さらに図示されるのはデフレクタシステム８であり、それは（とりわけ）、ビームＢの走査運動をもたらすために使用することができる。

試料Ｓは、試料ホルダＨに保持され、試料ホルダＨは、ホルダＨを（取り外し可能に）固定するクレードルＡ'を移動させる位置決めデバイス／ステージＡにより複数の自由度で位置決めすることができ、例えば、試料ホルダＨは、（とりわけ）ＸＹ平面（図示される座標系を参照、典型的には、Ｚに平行な運動およびＸ／Ｙ回りの傾斜も可能である）内で移動させることができるフィンガを備えることができる。このような移動により、試料Ｓの異なる部分が、軸線Ｂ"に沿って進む（Ｚ方向に）電子ビームＢによって、照明／撮像／検査されることを可能にするーおよび／または走査運動が、ビーム走査の代替として、行われることを可能にする）。所望される場合、任意の冷却デバイス（図示せず）を、試料ホルダＨと密に熱的に接触させて、試料ホルダＨ（および、試料ホルダ上の試料Ｓ）を、例えば極低温に維持することができる。

電子ビームＢは、試料Ｓと相互作用して、（例えば）２次電子、後方散乱電子、Ｘ線、および光放射線（陰極線蛍光）を含む様々な種類の「刺激（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ）」放射線が試料Ｓから放出されるようになる。所望される場合、これらの放射線種類のうちの１つ以上は、例えば複合シンチレータ／光電子増倍管またはＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析）モジュールであり得る分析デバイス２２を援用して検出することができ、このような場合、画像は、ＳＥＭにおける原理と基本的に同じ原理を使用して構築することができる。しかしながら、代替的に、または補完的に、試料Ｓを横切って（通過）移動し、試料から射出／放出されて軸線Ｂ"に沿って伝搬し続ける（しかし、実質的には、一般的に、ある程度偏向しながら／散乱しながら）電子を検討することができる。このような透過電子束は、撮像システム（投影レンズ）２４に入射し、撮像システム２４は一般的に、多種多様な静電レンズ／磁気レンズ、デフレクタ、補正器（例えばスティグメータのような）などを備えている。通常の（非走査）ＴＥＭモードでは、この撮像システム２４は、透過電子束を蛍光スクリーン２６に集束させることができ、蛍光スクリーン２６は、所望される場合、後退させる／引き込むことにより、蛍光スクリーン２６を軸線Ｂ"から外れるようにすることができる（矢印２６'で模式的に示すように）。試料Ｓの（一部の）画像（または、フーリエ変換図形）は、撮像システム２４によりスクリーン２６上に形成され、この画像は、筐体２の壁の好適な部分に位置する視認ポート２８を介して視認することができる。スクリーン２６の後退機構は、例えば本質的に機械的および／また電気的な機構であり、ここには図示されていない。

スクリーン２６上の画像を視認することの代替として、代わりに、撮像システム２４から出ていく電子束の焦点深度が一般的に、極めて深い（例えば、約１メートル）という事実を利用することができる。その結果、様々な他のタイプの分析装置をスクリーン２６の下流で使用することができの下流で使用することができ、
− ＴＥＭカメラ３０。カメラ３０の位置に、電子束は、静止画像（または、フーリエ変換図形）を形成することができ、静止画像は、コントローラ／プロセッサ２０により処理することができ、例えばフラットパネルディスプレイのような表示デバイス（図示せず）に表示することができる。必要ではない場合、カメラ３０は、後退させて／引き込み（矢印３０'で概略に示すように）、カメラを軸線Ｂ"から外れるようにすることができる。
− ＳＴＥＭカメラ／検出器３２。カメラ３２の出力は、試料Ｓ上のビームＢの（Ｘ、Ｙ）走査位置の関数として記録することができ、カメラ３２の出力の「マップ（ｍａｐ）」である画像は、Ｘ、Ｙの関数として作成することができる。カメラ３２は、カメラ３０に特徴的に含まれる画素行列とは異なり、例えば直径が２０ｍｍの１個の画素を含むことができる。さらに、カメラ３２は一般的に、カメラ３０（例えば、１０２画像／秒）よりもはるかに高い取得レート（例えば、１０６ポイント／秒）を有する。この場合も同じく、必要でない場合、カメラ３２は、後退させて／引き込み（矢印３２'で概略に示すように）、カメラを軸線Ｂ"から外れるようにすることができる（このような後退は、例えばドーナツ形の環状暗視野カメラ３２の場合には必要とされず、このようなカメラでは、中心孔により、カメラが使用されていなかった場合に電子束を通過させることができる）。
− カメラ３０または３２を使用して撮像を行うことの代替として、例えばＥＥＬＳモジュールとすることができる分光装置３４を駆動することもできる。

部品３０、３２、および３４の順序／位置は厳密ではなく、多くの可能な変形が考えられることに留意されたい。例えば、分光装置３４は、撮像システム２４と一体化することもできる。

コントローラ（コンピュータプロセッサ）２０は、図示される様々な構成要素に、制御線（バス）２０'を介して接続されることに留意されたい。このコントローラ２０は、処理を同期させる、設定値を提供する、信号を処理する、計算を実行する、およびメッセージ／情報を表示デバイス（図示せず）に表示するといった多種多様な機能を提供することができる。言うまでもなく、（模式的に描かれる）コントローラ２０は、筐体２の内側または外側に（部分的に）位置させることができ、所望に応じて、単体構造または複合構造を有することができる。

当業者であれば、筐体２の内部が気密な真空状態に保持される必要はないことを理解できるであろう。例えば、いわゆる「環境制御型ＴＥＭ／ＳＴＥＭ」では、所定の周囲ガス雰囲気が、筐体２内に意図的に導入される／保持される。当業者はまた、実際には、筐体２の容積を閉じ込めて、可能であれば、筐体が、軸線Ｂ"をほとんど包み込むようになって、使用する電子ビームが小径管内を通過し、しかも広がってソース４、試料ホルダＨ、スクリーン２６、カメラ３０、カメラ３２、分光装置３４などのような構造を収容する小径管（例えば、直径約１ｃｍ）の形態を採ると有利となり得ることを理解できるであろう。

勾配／ｉＶＦ撮像の特定の文脈において、以下の追加の点はさらなる解明に値する。
− 使用される検出器３２（図１参照）は、例えば象限センサ、画素化ＣＭＯＳ／ＣＣＤ／ＳＳＰＭ検出器、またはＰＳＤを含むことができるセグメント化された検出器として具現化される。そのような検出器の特定の実施形態は、図２Ａおよび２Ｂにおいて平面図で概略的に示されており、以下に論じられる。
− 粒子−光軸Ｂ''に沿って伝播するビームＢが試料内で散乱／偏向を受けることなく試料Ｓを横切る場合、それは検出器３２の中心／原点Ｏに（実質的に）対称的に当たり、「ｎｕｌｌ」の読みを与える。この状況は、点Ｏを原点とする座標軸Ｘ、Ｙを示す図２Ａおよび２Ｂにさらに詳細に示されており、点Ｏは、重心Ｃ'で（ゴースト）荷電粒子ビームＢの衝突フットプリントＦ'を概略的に表す破線円の中心にあり、その結果、
・ 図２Ａでは、このフットプリントＦ'は、検出象限（電極）Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４上に対称的に重なっている。これらの象限からの検出信号（電流）がそれぞれＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４で示される場合、この状況は、対向する象限の対の間にゼロ差信号Ｓ１〜Ｓ３およびＳ２〜Ｓ４を生じる。
・ （例えばＣＭＯＳ検出器内の、あるいは、オーバーレイシンチレーション層を有する）検出画素ｐの直交行列を示す図２Ｂでは、該画素行列の選択された原点Ｏと重心Ｃ'との間にゼロ偏差がある。

− 一方、荷電粒子ビームＢが試料Ｓ内でいくらかの散乱／偏向を受けると、それは原点Ｏからずれた位置で検出器３２に着地する。この文脈において、図２Ａおよび２Ｂは、もはやＯを中心としない重心Ｃを有するビームフットプリントＦを示す。Ｏに対する点Ｃの位置は、関連する大きさ（長さ）および方向（例えばＸ軸に対する指向角）を有するベクトルＶを定義する。このベクトルＶは、点Ｃの座標（Ｘｃ、Ｙｃ）で表すことができ、これは以下のように抽出することができる。
・ 図２Ａでは、次の式を使用してＸｃ、Ｙｃの（初歩的な）推定量を導出できる。

分母の項は、（より正確には）各々の画素位置での総荷電粒子線量に置き換えることができるが、しかしながら、試料内の吸収効果が比較的わずかな場合（例えば、薄い試料の場合）、この総線量は本質的に式（１）の分母と同じになる［または点ごとに大きく異ならない吸収の場合、それに比例する］。
・ 図２Ｂでは、様々な画素ｐからの出力信号を調べることによってＸｃ、Ｙｃの値を導出することができ、なぜなら、ビームフットプリントＦが当たる画素ｐは、フットプリントＦの外側の画素ｐに異なる出力信号（例えば、電気抵抗、電圧または電流）を与えるからである。次に、極値信号を生じる特定の画素の座標に注目することによってＣの位置を直接推定することができ、あるいはＢが当たる画素クラスタｐの重心を数学的に計算することによって、または、例えば両方のアプローチを組み合わせたハイブリッド手法を使用して間接的に決定することができる。

当業者は、例えば図１のＳＴＣＰＭのいわゆる「カメラ長」を調整することによってビームフットプリントＦのサイズを変更できることを理解するであろう。
− ２次元走査経路（領域）を描くようにビームＢが試料Ｓを横切って走査されるとき、前の項目に記載されたアプローチは、該走査経路に沿った各々の座標位置についてＶの値を取得するために使用され得る。これは、試料Ｓ上の走査位置の関数としてのベクトルＶの「マップ」のコンパイルを可能にし、それは、数学的場（そしてまた、ベクトルＶに（比例）物理的意味を割り当てることができる静電界ベクトルなど物理的場である）に帰することになる。
− （試料Ｓ内の静電ポテンシャルのマップを表す）積分ベクトル場（ｉＶＦ）画像を取得するために、前のステップから得られたベクトル場を２次元的に積分することができる。

これらの（および関連する）態様に関するさらなる情報は、例えば上記のＵＳ９，３１２，０９８から収集することができる。

本発明の文脈において、
− Ｘｃ、Ｙｃは、それぞれＤｘ、Ｄｙと見なすことができる。
− Ｄｓは、例えば、図２Ａの合計Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４から［上記の式（１）を参照］、または図２ＢのフットプリントＦの下の画素値を合計することによって導出することができる。このような合計は、ＤｓのＢＦ値を表す。
− 代替的に／補足的に、Ｄｓに対するＡＤＦ（またはＨＡＡＤＦ）値は、カメラ３２の上流（−Ｚ方向）またはカメラ３２の外周の外側／それを取り囲む（本質的に同一平面内）ＸＹ平面）の環状検出器を使用して、取得することができる。

本発明によれば、そして以下により詳細に説明されるように、任意の所与の走査／サンプリング点ｐｉにおけるＤｘ、ＤｙおよびＤｓの値は、点ｐｉにおける試料組成を分類するための基礎として使用され得、多数の異なる組成クラスのうちの１つへの割り当てが可能になる。この事実は、２層走査戦略で利用される場合がある。
− まず、プレスキャン軌跡に沿って、試料Ｓの比較的粗いプレスキャンを行う。
− 該プレスキャン軌跡上の選択された位置ｐｉにおいて、点ｐｉにおける試料組成を該組成クラスのうちの１つに分類するためにＤｘ、ＤｙおよびＤｓの値を使用する。
− 選択された組成クラスに対して、そのクラスに割り当てられた位置ｐｉにおいて比較的精細な走査を行う。

これらの動作は、例えば、好適な構成のコントローラ／プロセッサ２０を使用して行うことができるが、所望される場合、顕微鏡のユーザによって手動で特定の動作を行う／支援することもできる。

実施形態２
図３は、ガラス化試料Ｓの一部の拡大写真平面図を示す。図４の図は、図３の主題の非常にズームインされた部分に対応する。これらの図の両方において、試料Ｓは、しばしば「グリッド」または「オートグリッド」と呼ばれるものを含む。これは、金属ワイヤの円形リング（例えば、ＣｕまたはＮｉを含む）を含み、リングの直径は、典型的には約３ｍｍ程度であり、ワイヤの直径は、典型的には、約２０〜１００μｍである。リング内には、（この場合は）直交格子パターンを形成するように配置された直線状のワイヤ部分１が取り付けられており、（ほぼ正方形の）アパーチャ（開口／アパーチャ／窓）１ａのマトリクス状配列を画定する。薄い膜３が、グリッド上に架け渡されている（そして、任意選択で、例えば接着剤を使用してまたは溶融接合によりワイヤ１に固定されている）。この膜３は、例えば、ナイロンまたはグラフェンのような炭素質材料を含み、典型的には約０．３ｎｍ〜数百ｎｍの範囲の厚さを有する。膜３は、典型的には約１．２〜３．５μｍの範囲内の直径（例えば、〜約２μｍ）を有する孔の分布（穿孔／孔）５を含む。本質的に、グリッドは、膜３のための足場として働き、膜３は、孔５の支持構造として作用する（「孔のある炭素支持体」と呼ばれることもある）。水性液体の薄膜（その中に懸濁された１つ以上の研究物体／粒子９（例えばバクテリア）を含む）は、（理想的には）表面張力効果のために各々の所与の孔５を横切って架け渡され、（とりわけ）所定の位置に残る。図３および４（グリッドＧ＋穿孔膜３）に記載され、上記のような構造は、例えば、ＴｅｄＰｅｌｌａ，Ｉｎｃ．，ｏｆＲｅｄｄｉｎｇ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ＵＳＡから市販されていることに留意されたい。例えば、（穿孔膜３に対応する）予備製造ホーリー炭素膜（様々な）を、ＱｕａｎｔｉｆｏｉｌＭｉｃｒｏＴｏｏｌｓＧｍｂＨ、Ｊｅｎａ、Ｇｅｒｍａｎｙなどの企業から購入することも可能である。

図３に示すような試料Ｓは、それを極低温に急冷することによってガラス化することができ、これは、理想的には全ての孔５内の全ての水性液体を非晶質の氷に変換することになる。しかしながら、既に上述したように、そのようなガラス化手順は、完璧に機能することはめったになく、そしてしばしば、部分的にしか使用できない試料Ｓを生成する。この現象は、図４に詳細に概略的に示されており、それは図３の一部の拡大図を描写する。特に、図４は以下のことを示している。
− 特定の孔５'は、水性液体を欠いており、基本的には開いた／空の窓を形成する。
− 一部の水性液体は、非晶質の氷７に変換されているが、結晶質の氷の不要な領域７'（例えば針状の氷結晶が生物学的研究物体９を損傷している）もある。
− いくつかの孔の中の氷は、不要な（表面の）汚染物質１１を含む。

図３では、次の点に留意されたい。
− 白い四角／セル１ａは、膜の破損／剥離が生じた場所に対応する（大なり小なり）こと。
− 暗い／まだら格子の正方形／セル１ａは、剥離によって損傷を受けていないか、または多少損傷しているだけである。

この特定の写真では、正方形／セル１ａの約５０％程度が剥離損傷を受けていることが分かる。

このような（および他の関連する）現象を効率的かつ時間を節約する方法で取り扱うために、本発明は、比較的粗い探査プレスキャンを使用して試料Ｓの「実りのある」領域を識別し、その後さらにこれらの実りある領域（の１つ以上）の詳細なローカルスキャンを行う。これに関して、図４は次のことを示している。
− 試料Ｓの比較的粗いプレスキャンに対応する、走査線１３。そのような線１３は、比較的大きな相互間隔（例えば、約１μｍの相互間隔でのサンプリング点）および／またはサンプリング点あたり比較的短い滞留時間を有することができる。
− 試料Ｓの選択された部分の比較的精細な次の走査に対応する、線１３に沿った予備走査中に識別された、走査線１５。そのような線１３は、比較的小さい相互間隔（例えば、約５ｎｍの相互間隔でのサンプリング点）および／またはサンプリング点あたり比較的長い滞留時間を有する。

比較的粗い走査線１３は、オートグリッド全体（典型的な面積は約１０ｍｍ２程度）を走査したい場合には、十分に粗くないと考えられ、その場合、上で暗示したように、試料の様々な異なる領域の一般的な印象を比較的短い時間期間で得るために、より粗い初期走査を（例えば、約１００μｍの相互間隔のサンプリング点で）行うことができることに留意されたい。同様に、関心のある研究粒子９が識別されると、所望される場合、特に高解像度でそれを調査するために、超微細走査（例えば、約０．１ｎｍの相互間隔でサンプリング点を用いて）を使用してそれを調べることができる。

図５は、線１３に沿った粗いプレスキャン中に取得された検出器信号Ｄｘ、Ｄｙ、Ｄｓが試料Ｓの異なる部分を（自動的に）識別するための基礎としてどのように使用できるかを概略的に示しており、それによってこの場合、Ｄｓは、例えば図２Ａまたは２Ｂに示されるような検出器設定から取得される（最大値１に正規化されている）ＢＦ信号であることが推定される。より詳細には、図５の異なる下位部分は以下のように解明することができる。
（Ａ）銅（例えばワイヤ１の一部）：これは典型的には（若干の低雑音を除いて）本質的にゼロのＤｘ、Ｄｙ応答およびゼロのＤｓ応答を与える。
（Ｂ）非晶質炭素（例えば膜３の一部）：これは典型的には本質的に周期性なしに純粋にランダムなＤｘ、Ｄｙ応答を与える。これは、図中では、Ｄｘ、Ｄｙ値を位置させることができる均一なディスクによって象徴的に表されている。Ｄｓは、本質的に一定の、最大ではない値（ｋ１）を有するであろう。
（Ｃ）結晶質の氷（例えば氷７'の一部）：典型的には、Ｄｘ、Ｄｙ応答において明瞭な周期的パターン（例えば六角形の単位格子）を示す。これは、Ｄｘ、Ｄｙの場合ほど顕著ではない場合があるが、Ｄｓも、典型的には、周期的なパターンを示す。
（Ｄ）非晶質／ガラス質氷（例えば氷の一部７）：非晶質炭素と同様［すなわち（Ｂ）参照］、すなわち本質的にランダムなＤｘ、Ｄｙ応答、しかし典型的には非晶質炭素よりも小さい振幅を有する。再び、これは図中では均一なディスクによって象徴的に表されており、その中にはＤｘ、Ｄｙ値を位置させることができるが、（Ｂ）のディスクよりも直径が小さい。Ｄｓは、本質的に一定の、最大ではない値（ｋ２）を有するであろう。
（Ｅ）氷のない孔（例えば孔５'の一部）：典型的にはゼロのＤｘ、Ｄｙ応答および比較的強い（本質的に最大の）Ｄｓ応答。
（Ｆ）氷汚染（例えば、アイランド１１の一部）：典型的には、比較的低い（本質的にゼロ）のＤｓ応答と共に、無秩序に分散したＤｘ、Ｄｙ応答を与える。
（Ｇ）粒子／検査物体（例えばエンティティ９の一部）：ここでは、走査ビームがその走査経路に沿って粒子に遭遇すると、粒子との遭遇の開始（ｘ１）／終了（ｘ２）においてＤｘ、Ｄｙ応答の典型的な不規則性の間にＤｘ、Ｄｙの鋭い振幅ピークを観察する。ミニグラフは、時間ｔの関数として典型的なＤｘ応答を示す。

そのような分類特性を使用して、信号分析アルゴリズム／ファームウェア／ソフトウェアを使用して、特定の走査点ｐｉ下にある材料を自動的に分類することができる。図４に示すような典型的なガラス化試料Ｓについては、当業者は以下のことを理解するであろう。
− （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｅ）および（Ｆ）などの材料カテゴリは、一般的には重要ではないこと。そのようなカテゴリ内に入るものとして粗いプレスキャンによって識別された走査経路セグメントは、典型的に、後続の精細な走査の間は無視することができること。
− （Ｄ）や（Ｇ）などの材料カテゴリは、一般的に興味深いものでること。そのようなカテゴリ内に入るものとして粗いプレスキャンによって識別された走査経路セグメントは、典型的に、後続の精細な走査の焦点とすることができること。

Claims (12)

1. 走査透過荷電粒子顕微鏡において試料を撮像する方法であって、
   − 前記試料を試料ホルダ上に提供するステップと、
   − 前記試料を照射するために、照明器を介して光源から向けられる荷電粒子のビームを提供するステップと、
   − 前記試料を横切る荷電粒子束を検出するためのセグメント化された検出器を提供するステップと、
   − 各々の走査位置で前記検出器からのベクトル出力を生成するために、前記ビームを前記試料の表面を横切って走査させ、前記検出器の異なるセグメントからの信号を組み合わせるステップであって、前記ベクトル出力が、それぞれＸ、Ｙ座標軸に沿って成分Ｄｘ、Ｄｙを有する、ステップと、を含み、
   − プレスキャン軌跡に沿って、前記試料の比較的粗いプレスキャンを行うことと、
   − 前記プレスキャン軌跡上の選択された位置ｐｉにおいて、前記成分Ｄｘ、Ｄｙ、さらにスカラー強度センサ値Ｄｓを分析することと、
   − 各々の位置ｐｉにおける試料組成を組成クラス群のうちの１つに分類するために、前記Ｄｘ、ＤｙおよびＤｓの分析を使用することと、
   − 選択された組成クラスにおいて、そのクラスに割り当てられた位置ｐｉで比較的精細な走査を行うことと、によって特徴付けられる、方法。
2. − 前記検出器が、４つの象限を含むように具現化され、
   − 前記成分Ｄｘ、Ｄｙが、それぞれＸおよびＹ方向に沿って配置された相補的な一対の象限間の差信号を計算することによってコンパイルされる、請求項１に記載の方法。
3. − 前記検出器が、画素のアレイを含む画素化検出器として具現化され、
   − 前記成分Ｄｘ、Ｄｙが、
   ・ 画素値を比較して、前記検出器上の前記束の重心の位置を決定することと、
   ・ 前記重心のＸ、Ｙ座標位置を、前記検出器上に表現することと、によってコンパイルされる、請求項１に記載の方法。
4. 前記値Ｄｓが、前記検出器の前記セグメントからの出力を合計することによってコンパイルされた明視野値である、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記値Ｄｓが、前記セグメント化された検出器と共に使用される環状暗視野センサによって生成された環状暗視野値である、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
6. 前記Ｄｘ、Ｄｙの値が、所与の点ｐｉにおける非晶質および結晶質試料組成物を識別するために使用される、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. − 前記試料が、孔であって、前記孔のうちの少なくともいくつかが凝固した水性液体の本体を含む、孔の分布を含む膜を担持する剛性グリッドを含み、
   − 前記組成クラスが、グリッド材料、膜材料、空孔、孔内のガラス化した氷、孔内の結晶質の氷、表面が汚染された氷、氷中の研究用粒子、およびこれらの組み合わせを含む、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. − 少なくとも１つの以前の較正セッションにおいて、ライブラリが、様々な組成クラスに対応するＤｘ、ＤｙおよびＤｓ値からコンパイルされ、
   − 前記分類ステップが、前記ライブラリを使用して、各々の前記位置ｐｉにおける前記試料のための最良適合組成クラスを選択するアルゴリズムによって行われる、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 前記比較的精細な走査が、
   − サンプリング点の空間的分離、
   − サンプリング点の滞留時間、のうちの少なくとも１つに関して、前記比較的粗い走査とは異なる、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. 前記プレスキャンおよび精細な走査のうちの少なくとも1つにおいて、
    − 走査位置ごとの前記ベクトル出力をコンパイルしてベクトル場を生じさせ、
    − 前記ベクトル場が、それに２次元積分演算を施すことによって数学的に処理されて、それによって前記試料の積分ベクトル場画像を生成する、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. 走査透過荷電粒子顕微鏡であって、
    − 試料を保持するための試料ホルダと、
    − 光源から前記試料上に荷電粒子のビームを向けるための照明器と、
    − 前記試料を横切る荷電粒子束を検出するためのセグメント化された検出器と、
    − コントローラであって、
    ・ 前記試料の表面を横切る前記ビームの走査運動をもたらし、
    ・ 各々の走査位置で前記検出器からのベクトル出力を生成するように、前記検出器の異なるセグメントからの信号を組み合わせて、構成され、前記ベクトル出力が、それぞれのＸ、Ｙ座標軸に沿って成分Ｄｘ、Ｄｙを有する、コントローラと、を備え、
    前記コントローラが、
    − プレスキャン軌跡に沿って、前記試料の比較的粗いプレスキャンを行い、
    − 前記プレスキャン軌跡上の選択された位置ｐｉにおいて、前記成分Ｄｘ、Ｄｙ、さらにスカラー強度センサ値Ｄｓを分析し、
    − 各々の位置ｐｉにおける試料組成を組成クラス群のうちの１つに分類するために、前記Ｄｘ、ＤｙおよびＤｓの分析を使用して、
    − 選択された組成クラスにおいて、そのクラスに割り当てられた位置ｐｉで比較的精細な走査を行うように、さらに構成されているという特徴がある、走査透過荷電粒子顕微鏡。
12. − メモリが、様々な組成クラスに対応するＤｘ、ＤｙおよびＤｓ値のライブラリを含む、少なくとも１つの以前の較正セッションからコンパイルされた測定結果を格納するように構成され、
    − 前記コントローラが、各々の前記位置ｐｉにおける前記試料のための最良適合組成クラスを選択するために、前記ライブラリを使用するように、構成されている、請求項１１に記載の顕微鏡。

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