JP6940985B2

JP6940985B2 - タイコグラフィを用いて試料をイメージングする方法

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Publication number: JP6940985B2
Application number: JP2017123886A
Authority: JP
Inventors: ヘラルドゥスセオドールボッシュエリック; ヨゼフヤンセンバルト
Original assignee: FEI Co
Current assignee: FEI Co
Priority date: 2016-07-13
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2021-09-29
Anticipated expiration: 2037-06-26
Also published as: JP2018010865A; CN107622933A; KR20180007695A; CN107622933B; EP3270405B1; EP3270404A1; EP3270405A1; US20180019098A1; US10008363B2; KR102365001B1

Description

本発明は、タイコグラフィを用いて試料をイメージングする方法に関し、荷電粒子ビームが試料を横切り検出器上に入射するようにソースから照射器を介して方向づけられ、試料から出射する荷電粒子の波面の少なくとも１つの特性を計算するために、検出器の出力が数学的再構成と組み合わせて使用される、方法に関する。
本発明は、さらに、このような方法を実施するための装置に関する。
本発明はさらに、そのような方法を実施し得る及び/又はそのような装置が含まれ得る荷電粒子顕微鏡に関する。

荷電粒子顕微鏡法は、特に電子顕微鏡の形態で、顕微鏡の対象物を画像化するための周知かつますます重要な技術である。歴史的に、電子顕微鏡の基本的な分類は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、及び、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）のような多くの周知の装置種へと進化しており、また、例えば、「機械加工」集束イオンビーム（ＦＩＢ）を追加的に採用し、イオンビームミリング又はイオンビーム誘導デポジション（ＩＢＩＤ）などの補助作業を可能にする、所謂「デュアルビーム」ツール（例えばＦＩＢ−ＳＥＭ）などの、種々のサブ種へも進化している。より詳しくは、
‐ ＳＥＭでは、走査電子ビームによる試料の照射は、二次電子、後方散乱電子、Ｘ線及びフォトルミネッセンス（赤外線、可視及び／又は紫外光子）の形での、試料からの「補助」放射の発散を引き起こし、例えば、この発散放射の１つ又は複数の成分が検出され、画像蓄積の目的で用いられる。
‐ ＴＥＭでは、試料を照射するのに用いられる電子ビームは、試料を貫通するのに十分高いエネルギーを有するように選択される（そのために、試料は一般的にＳＥＭ試料の場合よりも薄くなる）。試料から発せられた透過電子は像を生成するために用いられる。このようなＴＥＭを走査モードで動作させると（ＳＴＥＭになり）、照射電子ビームの走査動作中に当該の画像が蓄積される。

ここで説明した事項のさらなる情報は、たとえば、次のＷｉｋｉｐｅｄｉａのリンクから得ることができる：
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を使用する代わりに、荷電粒子顕微鏡法は他の種の荷電粒子を用いて行うこともできる。この点に関して、「荷電粒子」という用語は、例えば、電子、正イオン（例えば、Ｇａ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く解釈されるべきである。非電子ベースの荷電粒子顕微鏡法に関しては、例えば、以下のような参考文献からいくつかのさらなる情報を得ることができる。
https://en.wikipedia.org/wiki/Focused_ion_beam
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_Helium_Ion_Microscope
- W.H. Escovitz, T.R. Fox and R. Levi-Setti, Scanning Transmission Ion Microscope with a Field Ion Source, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 72(5), pp 1826-1828 (1975).
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22472444

荷電粒子顕微鏡は、画像化及び（局所的な）表面改質の実施（例えば、粉砕、エッチング、デポジションなど）に加えて、分光法の実施、回折図の検査などの他の機能も有することに留意すべきである。

すべての場合において、荷電粒子顕微鏡（ＣＰＭ）は、少なくとも以下の構成を含む。
‐ ショットキー電子源又はイオンガンなどの放射ソース。
‐ ソースからの「生の」放射ビームを操作する働きをし、その上で、収束、収差軽減、トリミング（アパーチャによって）、フィルタリングなどのいくつかの操作を実行する照射器。照射器は、原則的に１つ又は複数の（荷電粒子）レンズを含み、他のタイプの（粒子）光学構成要素も含むことができる。必要な場合には、照射器は、偏向器システム又は偏向素子を備えることができ、偏向器システムは、その出射ビームに調査中の試料を横切る走査運動を行わせるように呼び出されることができる。
− 検査中の試料が保持され、位置決めされる（例えば、傾斜され、回転される）ことができる試料ホルダ。必要な場合には、このホルダは、試料に対してビームの走査運動を行わせるように移動してもよい。一般に、そのような試料ホルダは、メカニカルステージなどの位置決めシステムに接続される。
− （照射されている試料から発せられる放射を検出するための）検出器であって、実質的に一体型又は複合型／分散型であってもよく、検出される放射に依存して種々の異なる形態をとりうる検出器。例えば、フォトダイオード、ＣＭＯＳ検出器、ＣＣＤ検出器、光電池、（シリコンドリフト検出器及びＳｉ（Ｌｉ）検出器のような）Ｘ線検出器などが含まれる。一般に、ＣＰＭはいくつかの異なる種類の検出器を含み、それらから選択されたものが異なる状況で呼び出される。

（例えば（Ｓ）ＴＥＭのような）透過型顕微鏡の場合、ＣＰＭはさらに、
‐ 結像系を含み、この結像系は、（平面）試料を透過した荷電粒子を実質的に取り込み、それらを、検出／画像装置、（ＥＥＬＳデバイスのような）分光装置などの分析機器上へ方向付ける（集束させる）。上述の照射器では、結像系は、収差軽減、クロッピング、フィルタリングなどの他の機能も実行することができ、一般に、１つ又は複数の荷電粒子レンズ及び／又は他の種類の粒子光学部品を含みうる。

以下では、本発明は、例として、電子顕微鏡の特定の状況において説明されるときがある。しかし、そのような単純化は、専ら明瞭性／説明のしやすさの目的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、例えば、次の論文で解明されている。
M.J. Humphry et al. in Nature Communications, 3:730, DOI 10:1038/ncomms1733, Macmillan Publishers Limited (2011)[以下のリンクを参照のこと]:
http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n3/full/ncomms1733.html

この論文は、電子ビームタイコグラフィと、ＳＥＭにおいて「レンズレス顕微鏡法」の一形態を実行するアプリケーションについて述べている。この論文で開示されているアプローチは、十分なＸ線光学システムを製作することが困難であるため、レンズレス技術が魅力的であるＸ線イメージングの分野からの関連技術の改変と見なすことができる。この論文では、照射器は収束電子ビームを生成し、収束電子ビームは試料（試料面内）に集束されて通過しＣＣＤ検出器に入射する。収束電子ビームは「プローブ」と呼ばれ、このプローブは一連の測定セッションで試料を横切って走査される。このような各セッションでは、関連する回折パターンがＣＣＤによって記録され、これらの様々なパターンは、試料から出射する電子ビームの波面の振幅／位相を再構成しようと試みる反復的な数学的逆問題解決技術への入力として使用される（デコンボリューション技術に若干類似する）。これは、順次、使用される試料の構造に関する情報を提供する。このアプローチに関するさらなる情報については、例えば、以下の論文を参照されたい。J. M. Rodenburg and H. M. L. Faulkner in Appl. Phys. Lett. 85, pp. 4795-4798 (2004) [以下のリンク参照]:
http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/85/20/10.1063/1.1823034

タイコグラフィに関するいくつかの一般的な情報は、以下のWikipediaのリンクから収集することができる。
https://en.wikipedia.org/wiki/タイコグラフィ
特定のタイコグラフィ方法／装置の一例が、米国特許第９，２０２，６７０号（本特許出願と同じ譲受人）に記載されている。

秩序維持のために、そのようなタイコグラフィ技術で効果的に再構成されるものは、（平面）波面が試料を横断する際の変化であることが指摘される。タイコグラフィ技術は、試料の局部領域のみを照射（し、対応する一連の測定セッションにおいて試料上の一連の異なる位置で移動）する比較的細いビームを使用するが、再構成は、一度に試料の全領域を横切る（仮想の）広い波面への変化を計算する。この点は、当業者によって十分に理解されるであろう。

現在のタイコグラフィ技術の問題は、比較的厚い及び/又は比較的高い原子番号を有する材料を含む試料に対して特に問題となり得る、いわゆる「位相ラッピング（phase wrapping）」（「位相ボルテックシング（phase vortexing）」とも呼ばれる）である。この現象は、従来の波面再構成技術が本質的に、再構成された波面位相を面取りされた範囲（truncated range）［０，２π］（又は同等に［−π、＋π］）に制限するという事実と関係する。実際には、しかしながら、実際の位相はこの範囲外の値を持つことがあり、この場合には、面取りされた範囲に収まるように、位相を「ラップアップ（wrapped up）」する必要がある。再構成された位相が試料の画像を生成するために使用されるとき、そのような「位相ラッピング」は画像の歪みを引き起こす可能性があり（例えば、図２Ａ参照）、そのような歪んだ画像を復元しようとする（試みる）ために、「位相アンラッピング」アルゴリズムを適用しなければならない。

米国特許第９２０２６７０号公報

本発明の目的は、既知のタイコグラフィ技術の代替案を提供することである。特に、本発明の目的は、前記の代替案が上述の位相ラッピングの問題を軽減すべきであることである。

これらの目的及び他の目的は、上記の冒頭の段落に記載された方法において、
− 前記特性は、波面の位相であり、
− 前記数学的再構成技法は、振幅及び位相の再構成された関数から間接的に導出するのではなく、前記位相を直接的に再構成する、
ことを特徴とする方法によって達成される。
すでに上記でなされたコメントによれば、ここでいう「位相」という用語は、波面への位相変化を包含することを意図している。

タイコグラフィで使用される伝統的な数学的再構成技術（いわゆる「Ｒｏｄｅｎｂｕｒｇ法」[上記参照]）では、波面振幅の関数式であるいわゆる「透過関数」（Ｔ）を再構成しようと試みる。透過関数（Ｔ）は、試料平面内（又は直後）の（ベクトル）点
［外１］

における波面の強度（Ａ）及び位相（φ）の関数表記であり、典型的には、

のような形を取る。
φが大きい場合には、一連の項
［外２］

の拡張は、高い指数φ（高次高調波）を含み、それにより、指数を高い空間的周波数に分散する。したがって、再構成されたエンティティを所定の分解能に制限したい場合、透過関数自体を正しくフィルタリングすることはできない代わりに、位相を直接フィルタリングできることが必要になるであろう。しかしながら、前述の位相ラッピングの問題のために位相ジャンプが存在すると、これは実行できない。本発明は、再構成された透過関数から間接的にそれを導出するのではなく、φを直接再構成することによってこのジレンマを解決する。これは、上述の問題に対処することは別として、比較的薄い試料について、φは電位に比例するので、再構成されたエンティティは直接の物理的意味を有するという追加の利点を有する。

本発明のより多くの数学的説明は以下のように与えられる。本発明は、荷電粒子顕微鏡検査の場合、透過関数Ｔ（ｒ）の形をとる対象物に亘る反復を含む任意のタイコグラフィ法に適用可能である。この透過関数は、一般に、（ベクトル）位置ｒの複素値関数であり、以下のように表される。

ここでＡ（ｒ）は振幅であり、φ（ｒ）は位相である。Ａ（ｒ）とφ（ｒ）の両方は実数値関数であり、一般性を失うことなく、Ａ（ｒ）＞０を要求することができる。
純粋な位相オブジェクトの場合、振幅は無視することができる。（Ｓ）ＴＥＭイメージングに使用される典型的なサンプルでは、電子ビームの大部分が典型的に薄いサンプルを透過するので、振幅は全ての位置に対して１に近いことに留意されたい。一般に、振幅をφ（ｒ）の虚部に吸収することが可能である。したがって、送信関数を次のように書き換えることができる。

ここでφ（r）はオブジェクトを表す複素値関数と理解される。
任意の反復的なタイコグラフィ再構成スキームは、現在の反復指数ｎにおける透過関数の推定（estimate）Ｔ_ｎ（ｒ）をとり、それを何らかの補正Δ_ｎ（ｒ）で更新するという特性を有する。

これは、スキームの収束（率）を制御するパラメータα_ｎを含む。添え字ｎは反復指数を示し、スキームはＴ_０（ｒ）に対するいくつかの適切な推測（guess）で初期化される。
次のように、式（２）を使用して式（３）を書き直すことができる。

ここで、φ_ｎ（ｒ）は、反復指数ｎにおけるφ（ｒ）の推定である。
式（４）は次のようにも書き直すことができる。

本発明の中心となる洞察は、物理的にはφに関心があり、Ｔには関心がないということである。（透過関数の位相）φの実部に２π（の整数倍）を加えることが可能であり、数学的観点から同じ透過関数を得る。これは任意の位置ｒに対してランダムに行われ、何も変化しない。したがって、数学的には、位相は通常、２πの範囲（例えば、［−π，π］又は［０，２π］）の範囲に限定される。しかしながら、φの実際の部分はサンプル内の投影されたポテンシャルを表しており、任意の実数値を持つことができる連続関数であるため、これは物理的に意味をなさない。
本発明は、以下のことを仮定して、（５）の対数を反復する。
（ａ）関数Ｔはどこでもゼロではない（これは、タイコグラフィでは、ビームが完全に遮断された、又は検出器の限界のために全く信号のない測定に対応する）。
（ｂ）補正項α_ｎΔ_ｎのノルムは小さく（少なくとも１より小さい）、これはα_ｎの適切な選択によって調整することができる。
式（５）の自然対数をとり、それを、その級数展開が１に近いもっとも低い項で近似した結果は、

これは次のように再配列できる。

本発明の要点は、反復ステップ式（３）を式（７）に置き換え、それによって関数φ（ｒ）を追跡することである。これは、（補正項と初期推測の両方が連続であると仮定して）φ（ｒ）の推定値の連続性（すなわち、その中に位相ジャンプが形成されるのを防ぐ）を保証することを保証し、透過関数である数学的オブジェクトの代わりに物理的オブジェクトの空間フィルタリングを可能にする。
この手順は、以下に示すようにタイコグラフィ再構成スキームの全クラスに適用することができる。これは、アルゴリズムの定式化において、式（３）のような反復スキームへの特定の参照がない場合であっても行うことができる。

本発明の特定の実施形態は、例えば、雑誌論文
A.M. Maiden & J. M. Rodenburg, An improved ptychographical phase retrieval algorithm for diffractive imaging, Ultramicroscopy, 109 (2009), pp.1256-1262
において最初に提示された、いわゆるローデンブルグスキームを修正する。このスキームでは、２つの主なステップがある。１つ目は、（位置の別の複素値関数である）プローブＰｎ（ｒ）の推定にわたる反復であり、２つ目は、オブジェクト（透過関数）の推定にわたる反復である。出発点として、α＞２とβ＞２の２つのパラメータと、プローブの初期推測値Ｐ_０（ｒ）と、オブジェクトの初期推測値Ｔ_０（ｒ）とが用いられる。さらに、ｊ＝０．．．ｍについて、プローブ位置
［外３］

において、（座標ｋを有する回折平面において取られる）ｍ個の測定値のセットＭ_ｊ（ｋ）を仮定する。各プローブ位置に対して、測定値と一致する出射波（exit wave）
［外４］

が定義される。この出射波のセットは、例えば、プローブとオブジェクトの初期推測を用いて、以下の式（１２）に従って構築することができる。他の選択も可能である。
プローブの反復ステップは、以下の更新ステップによって与えられる。

ここで、

であり、ただし、
［外５］

は、複素共役を示す、その偏角（argument）と水平バー（horizontal bar）の最大値を表す。
オブジェクト（透過関数）に対して、反復ステップは、

である。ここで、

である。
更新されたプローブ及びオブジェクトを用いて、測定値のセットを満たす各プローブ位置についての出力波（output wave）の新しい推定を以下のように形成することができる。

ここで、Ｆ｛｝とＦ^−１｛｝はそれぞれ２Ｄフーリエ変換とその逆変換を表す。どちらの場合も順方向変換はダミー変数ｒ’にわたり、逆変換はダミー変数ｋにわたる。
反復は、いくつかの停止基準が満たされるまで続く。
本発明による変更（modification）は式（１０）に適用され、その結果、

となる。ただし、εは式（６）が成り立つように、φの変化を小さく保つために用いられるパラメータである。更新されたφは、スキームの残りの部分で必要とされる更新されたＴ、すなわち

を形成するために後に使用される。

本発明の別の実施形態は、例えば、雑誌論文、
R. Hesse, D.R. Luke, S. Sabach & M.K. Tam, Proximal Heterogeneous Block Implicit-Explicit Method and Application to Blind Ptychographic Diffraction Imaging, SIAM J. Imaging Sciences 8(1) (2015), pp. 426-457
で最初に提案された、いわゆるＰｈｅＢＩＥスキームを変更する。
ＰＨｅＢＩＥスキームでは、係数のいくつかの適用と、更新ステップの順序の変更を要するが、上で説明したＲｏｄｅｎｂｕｒｇスキームの場合と基本的に同じステップが必要である。
出発点として、２つの実数値関数、α（ｒ）＞１及びβ（ｒ）＞１、パラメータγ＞０、プローブの初期推測値Ｐ_０（ｒ）及びオブジェクトの初期推測Ｔ_０（ｒ）、及び、ｊ＝０．．．ｍに対するプローブ位置
［外６］

におけるｍ個の測定値のセットＭｊ（ｋ）を有する。各プローブ位置に対して、測定値と一致する出射波
［外７］

が定義される。この出射波のセットは、例えば、プローブ及びオブジェクトの初期推測を用いて、上記の式（１２）に従って構成することができる。他の選択も可能である。
プローブにわたる反復ステップは次のように与えられる。

ここで

である。
オブジェクト（透過関数）については、

これは更新されたプローブ式（１４）を直ぐに使用し、ここで

である。

Ｒｏｄｅｎｂｕｒｇスキームと比較して、係数α_ｎ及びβ_ｎは、定数の代わりに位置の実数値関数になる。さらに、式（１６）において、更新されたプローブは、プローブの以前の推定に代えて使用される。
更新されたプローブ及びオブジェクトを使用して、各プローブ位置についての出力波の新しい推定が、測定値のセットを使用して形成され、次のようになる。

パラメータγは、スキームの収束に影響を及ぼすために使用される。反復は、停止基準が満たされるまで続く。
本発明による変更が式（１６）に適用され、結果として、

となり、ここで、εは式（６）が成り立つようにφの変化を小さく保つのに使用されるパラメータである。更新されたφは、スキームの残りの部分で必要とされる更新されたＴを形成するために続いて使用される。すなわち、

本発明のさらに別の実施形態は、例えば雑誌論文
P. Thibault, M. Dierolf, O. Bunk, A. Menzel & F. Pfeiffer, Probe retrieval in ptychographic coherent diffractive imaging, Ultramicroscopy, 109 (2009), pp. 338-343
で最初に提案された、いわゆるチボー・スキームを変更する。チボーアルゴリズムは、２つの入れ子の反復ループを使用し、外側反復ループは、内側反復ループの結果を使用して各プローブ位置における出力波を更新する。

出発点として、プローブは、プローブの初期推定値Ｐ_０（ｒ）及びオブジェクトの初期推定値Ｔ_０（ｒ）と、ｊ＝０．．．ｍに対するプローブ位置
［外８］

におけるｍ個の測定値Ｍ_ｊ（ｋ）のセットと、を有する。各プローブ位置について、測定値と一致する出射波
［外９］

が定義される。この出射波のセットは、例えば、プローブと物体の初期推測を用いて、上記の式（１２）に従って構築することができる。他の選択も可能である。
内側反復ループは、

で初期化されたプローブ上及び

で初期化されたオブジェクト上でΛ回の反復を行い、次のように与えられる。

及び

ここで

及び

である。
式（２２）と式（２３）式（１５）と式（１７）に似ており、それぞれα（ｒ）＝β（ｒ）＝２であることに留意されたい。この一連の反復の最後において、結果は更新されていないプローブ及びオブジェクトであり、それぞれ

及び

によって与えられる。これらは、各プローブ位置について以下の更新を形成するために、外側の反復ループで使用される。

このアルゴリズムは、本発明によって、式（２１）を先ず書き直すことによって適応され、次のようになる。

次に、式（２５）は、式（６）による位相φにわたる反復として、次のように書き直される。

ただし、εは式（６）が成り立つようにφの変化を小さく保つのに使用されるパラメータである。更新されたφは、スキームの残りの部分で必要とされる更新されたＴを形成するために、続いて使用される。すなわち、

である。

上記の例は包括的ではない。（変更されていない）先行技術のタイコグラフィ再構成技術の詳細については、雑誌論文
R. Hesse et al., Proximal Heterogeneous Block Implicit-Explicit Method and Application to Blind Ptychographic Diffractive Imaging, SIAM J. Imaging Sciences 8(1), 2015, pp. 426-457 [以下のリンク参照のこと]: https://www.researchgate.net/publication/264624024_Proximal_Heterogeneous_Block_Implicit-Explicit_Method_and_Application_to_Blind_Ptychographic_Diffraction_Imaging
を参照されたい。
荷電粒子タイコグラフィは、ＣＰＭにおいて都合よく実施することができるが、ＣＰＭの使用に限定されるものではなく、ここでは、所望に応じて、代わりに、専用のタイコグラフィ装置を構築し／使用することもできることに留意すべきである。

本発明は、ここで、例示的な実施形態及び添付の概略図に基づいてより詳細に説明される。
本発明の実施形態を実施することができるＣＰＭの縦断面図である。図２Ａ及び図２Ｂは、比較するために、従来技術を使用して得られたタイコグラフィ画像（図２Ａ）と本発明の実施形態（図２Ｂ）を使用して得られたタイコグラフィ画像を示す。

図面において、関連する部分は、対応する参照記号を使用して示されている。一般に、図は縮尺通りではないことに留意されたい。

実施形態１
図１は、本発明によるＣＰＭＭの実施形態を非常の位概略的に示す図であり、ここでは（Ｓ）ＴＥＭである（しかし、本発明との関連で、例えばイオンベース又はプロトン顕微鏡、又は、透過モードで動作するＳＥＭ（ＴＳＥＭ）であっても有用である。）。図では、真空エンクロージャＥ内で電子源４（例えば、ショットキーエミッタなど）が、電子光学照射器６を横切る電子ビームＢを生成し、電子光学照射器６は電子ビームＢを、試料Ｓの選択された一部（例えば、（局所的）に薄くされ／平坦化されていてもよい）に方向づけ／収束させる。この照射器６は、電子−光軸Ｂ’を有し、一般に、様々な静電／磁気レンズ、（複数の）（走査）偏向器Ｄ、補正器（例えば、非点補正器）などを含む。典型的には、コンデンサシステムも含むことができる（実際に、符号６の全体は「コンデンサシステム」と呼ばれることがある）。

試料Ｓは試料ホルダＨ上に保持される。ここで図示されるように、このホルダＨの一部（エンクロージャＥの内側）は、位置決め装置（ステージ）Ａによって、多自由度に位置決め／移動可能なクレードルＡ’に取り付けられている。例えば、クレードルＡ’は（とりわけ）Ｘ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能であり（図示のデカルト座標系参照）、Ｘに平行な長手方向軸の周りを回転することができる。このような動作は、試料Ｓの異なる部分が、軸Ｂ’に沿って伝搬する電子ビームによって照射され／イメージングされ／調査されるのを可能に（し、及び／又は、[（複数の）偏向器Ｄを用いた]ビーム操作の大体として走査動作が実行されることを可能にし、及び／又は、試料Ｓの選択された部分が（図示しない）収束イオンビームによって機械加工されるのを可能に）する。

軸Ｂ’に沿って伝搬する（集束）電子ビームＢは、（例えば）２次電子、後方散乱電子、Ｘ線及び降格放射（カソードルミネッセンス）などを含む、様々なタイプの「誘導（stimulated）」放射線が試料Ｓから発散するように、試料Ｓと相互作用する。必要に応じて、これらの放射線タイプのうちの１つ以上は、例えばシンチレータ／光電子増倍管又はＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）モジュールを組み合わせたセンサ２２を用いて検出することができる。そのような場合には、ＳＥＭと基本的に同じ原理を用いて画像を構築することができる。しかしながら、（Ｓ）ＴＥＭにおける主要な重要性に代えて／加えて、試料を横切り（通過し）、試料から（放出されて）現れる軸Ｂ’に沿って（実質的には、一般的な偏向／散乱を伴うが）伝搬し続ける電子を調査することもできる。このような透過電子束は、一般的に様々な静電／磁気レンズ、偏向器、補正器（非点収差器など）などを含む結像系（複合対物レンズ／投影レンズ）２４に入射する。通常（非走査）ＴＥＭモードであるこの結像系２４は、透過電子束を蛍光スクリーン２６上に収束することができる。蛍光スクリーン２６は、所望に応じて、（矢印２６’によって模式的に示されるように）軸Ｂ’の外に取り出すように格納され（retracted）／引き戻される（withdrawn）ことができる。試料Ｓの（一部の）画像（又は回折図）は、結像系２４によってスクリーン２６上に形成され、これは、エンクロージャＥの壁の適切な部分に配置されたビューイングポート２８を通して視認されることができる。スクリーン２６の格納機構は、例えば、本質的に機械的及び／又は電気的であることができ、ここには図示されていない。

スクリーン２６上の画像を見る代わりに、結像系２４から出射される電子束の焦点深度が一般にかなり大きい（例えば、１メートルのオーダー）という事実を利用することができる。その結果、様々なタイプの検知装置／分析装置を、スクリーン２６の下流で用いることができる。例えば、
− ＴＥＭカメラ３０
カメラ３０において、電子束は静止画像（又は回折図）を形成し、これはコントローラ１０によって処理され、例えばフラットパネルディスプレイのような表示装置（図示せず）上に表示される。（又は回折図）を形成することができる。必要でないときには、カメラ３０は、軸Ｂ’の経路から外に出るように（矢印３０’によって概略的に示されるように）格納され／引き戻されることができる。
− ＳＴＥＭ検出器３２
検出器３２からの出力は、試料Ｓ上のビームＢの走査位置（Ｘ，Ｙ）の関数として記録され、画像はＸ，Ｙの関数として検出器３２からの出力の「マップ」として構成されることができる。典型的には、検出器３２は、カメラ３０（例えば、毎秒１０２画像）よりもはるかに高い取得レート（例えば、毎秒１０６ポイント）を有する。従来のツールでは、検出器３２は、カメラ３０において特徴的に存在する画素マトリクスとは対照的に、直径が例えば２０ｍｍの単一ピクセルを含むことができる。再び、必要でないときには、検出器３２は、経路から外に出るように（矢印３０’によって概略的に示されるように）格納され／引き戻されることができる（このような格納は、例えば、ドーナツ形環状暗視野検出器３２の場合には必要ではない。このような検出器では、検出器が使用されていないときに中心孔がビーム通過を可能にする）。
− カメラ３０又は検出器３２を用いたイメージングの代わりに、分光器３４を使用してもよい。分光器３４は、例えば、ＥＥＬＳモジュールであってもよい。
装置３０，３２及び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すべきである。例えば、分光器３４を結像系２４に一体化することができる。

コントローラ／コンピュータプロセッサ１０は、制御線（バス）１０’を介して、様々な図示された構成要素に接続されていることに留意されたい。このコントローラ１０は、動作の同期、設定値の提供、信号の処理、計算の実行、および表示装置（図示せず）上へのメッセージ／情報の表示などの様々な機能を提供することができる。言うまでもなく、（概略的に示された）コントローラ１０は、所望に応じて、（部分的に）エンクロージャＥの内部または外部にあってもよく、単一または複合構造を有してもよい。当業者であれば、エンクロージャーＥの内部を厳密な真空に保つ必要はないことを理解するであろう。いわゆる「環境（Ｔ）ＴＥＭ」において、所与のガスのバックグラウンド雰囲気は、エンクロージャＥ内に意図的に導入／維持される。当業者であれば、実際には、本質的には軸Ｂ’に沿った、使用される電子ビームがそこを通り抜ける、小さいチューブ（例えば、直径１ｃｍ程度）の形態を取ることができるが、ソース４、試料ホルダＨ、スクリーン２６、カメラ３０、検出器３２、分光器３４などの構造物を収容するために拡張される、エンクロージャＥの容積を制限することが有利であることを理解するであろう。

本発明との関連で、照射器６は、ビームＢを荷電粒子の比較的狭い「光線束」に適切に成形（焦点合わせ）するために、例えば、レンズ及び／又はアパーチャプレート／ダイアフラムなどのビーム成形素子を含むことができる。その結果、任意の所与の時間において試料Ｓの比較的小さな領域（フットプリント）のみが照射される。（フットプリントを試料の別の領域に移動させるための）試料ＳとビームＢのフットプリントとの間の相対運動は、以下の方法のうちの１つ以上によって生成することができる。
− 試料ＳをビームＢに対して移動させるために位置決め装置Ａを使用する。
− 試料Ｓに対してビームＢを偏向させる偏向器Ｄを使用する。
− 試料Ｓに対してビームＢが移動されるようにソース４又は／及び上記のビーム成形素子を動作させる。
試料Ｓに対するビームＢの（フットプリントの）そのような選択された位置ごとに、回折図（回折パターン）をキャプチャーするために（例えば）ＴＥＭカメラ３０［（位置依存性）強度検出器］を使用することができる。具体的には、コントローラ１０（又は他のプロセッサ装置）は、以下のように構成され／呼び出すことができる。
− 試料Ｓ上のビームＢの異なる位置の各シリーズに対して（例えば）ＴＥＭカメラ３０の出力を記録することにより、タイコグラフィ測定セットを取得する（例えば、装置Ａ，Ｄ等にセットポイントの適切なシリーズを送信することにより達成される。）。
− カメラ３０の記録された出力を処理し、それらを入力として使用して、本発明による数学的再構成アルゴリズムを実行する。タイコグラフィの分野の当業者は、このステップは典型的に、記録された回折図内のフィーチャの（平均（mean））強度値を計算することを含むことを理解するであろう。例えば上記に引用の参考文献を参照のこと。
− 例えば表示装置（図示せず）上に画像の形で、再構成アルゴリズムの結果を表示する。

実施形態２
図２Ａ及び図２Ｂは、比較目的のために、従来技術を使用して得られたタイコグラフィ画像（図２Ａ）及び本発明の実施形態を使用して得られたタイコグラフィ画像（図２Ｂ）を示す。両方の画像は、ＧａＮ結晶格子を示し、以下の設定／パラメータにおいてＴＥＭでイメージングされた：
− 試料の厚さ：５ｎｍ。
− 入力（一次／プロービング）ビームエネルギー：３００ｋＶ。
− 視野：５ｎｍ。
− デフォーカス：最小コンフュージョンのディスクから７０ｎｍ
図２Ａは、標準的なＲｏｄｅｎｂｕｒｇ再構成アルゴリズムの結果を示す。比較的重いＧａ原子（原子番号Ｚ＝３１）に起因する、明るいハローに囲まれた、回旋状の不規則な暗い「ループ」として現れる位相ラッピングによって生じるアーチファクトに注目されたい。
対照的に、図２Ｂは、本発明による直接位相再構成アルゴリズムの結果を示す。この場合、Ｇａ原子は均一なドットの形態を取ることに注目されたい。

Claims

タイコグラフィを用いて試料をイメージングする方法であって、
荷電粒子ビームが前記試料を横切り、検出器に入射するようにソースから照射器を介して方向づけられ、前記試料から出射する荷電粒子の波面の少なくとも１つの特性を計算するために、前記検出器の出力は数学的再構成技術と組み合わせて使用される、方法において、
前記特性は、前記波面の位相であり、
前記数学的再構成技術は、振幅及び位相の再構成された関数から間接的に導出するのではなく、複素値関数

の反復スキームを用いて前記位相を直接的に再構成し、
ここで、φは位置ｒにおける複素値の位相を表す、
ことを特徴とする方法。
前記の再構成された位相は連続関数である、請求項１に記載の方法。
前記数学的再構成技術が、以下の反復スキームを含み、

ただし、
下付き文字ｎとｎ＋１は反復回数を示し、
φｎ（ｒ）は、反復回数ｎ及び位置ｒにおける位相φ（ｒ）の推定値を表し、
パラメータαｎはスキームの収束（率）を制御し、
Δｎ（ｒ）は補正項である、
請求項１又は２記載の方法。
前記反復スキームが、ローデンブルクアルゴリズム、ＰＨｅＢＩＥアルゴリズム、ティボルトアルゴリズム、及びそれらの組み合わせを含む群から選択されるアルゴリズムに基づく、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
前記の再構成された位相は、位相接続なしに前記試料の画像をコンパイルするために使用される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
前記の再構成された位相がローパスフィルタリング操作を受ける、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
タイコグラフィを用いて試料をイメージングする装置であって、
試料を保持するための試料ホルダと、
荷電粒子のビームを生成するためのソースと、
前記試料を照射するように前記ビームを方向づける照射器と、
前記照射に応答して前記試料から放出される放射束を検出する検出器と、
前記試料から出射される荷電粒子の波面の少なくとも１つの特性を計算するために、前記検出器からの出力を分析し、それを数学的再構成技術において使用するコントローラと、
を備える装置において、
前記特性は、前記波面の位相であり、
前記コントローラは、前記数学的再構成技術が、振幅及び位相の再構成された関数から間接的に導出するのではなく、複素値関数

の反復スキームを用いて前記位相を直接的に再構成し、
ここで、φは位置ｒにおける複素値の位相を表すように、構成される、
ことを特徴とする装置。
荷電粒子顕微鏡に含まれることを特徴とする請求項７に記載の装置。