JP7007136B2 - トモグラフィック・イメージング方法 - Google Patents
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Description
- 試料ホルダ上に試料を提供するステップと、
- 前記試料を介して検出器上へ放射ビームを方向づけるステップであって、それにより試料の画像を生成するステップと、
- 前記ビームに関して異なる試料配向のセットに対して前記方向づけるステップを繰り返すステップであって、それにより対応する画像のセットを生成するステップと、
- 前記画像のセットを、前記試料の少なくとも一部のトモグラムに変換するために、反復数学的再構成技術を使用するステップと、
結果として得られる解空間を削減するように、前記再構成を数学的に限定する(constraining)ステップと、
を含む方法に関する。
本発明は、この種の方法を実行する際に用いられることが可能であるトモグラフィック・イメージング装置にも関する。
本発明は、更に、この種のトモグラフィック・イメージング装置が含まれる荷電粒子顕微鏡に関する。
それらは、その後、試料の(内部の)(一部の)再構成された「ボリューム像」(トモグラム)を生成する数学的手順への入力として、用いられる。ここで言及されている一連の異なる視線を達成するために、例えば、以下のことを選択できる。
(a)ソースと検出器を静的に保ち、それらに対して試料を相対的に移動させること。
(b)試料を静的に保ち、それに対してソースを動かすこと。この場合、次のことを選択できる。
- ソースと同期して検出器を動かす又は
- 検出器を副検出器の(静的な)アレイとして構成し、ソースにより仮定されるべき異なる位置に対応するように適合した位置を有する。
(c)試料の周囲に静的に配置されたソースの「クラウド」(及びそれに関連する検出器)を使用し、異なるソースを連続的又は同時に呼び出すこと。
試料を横断する放射ビームは、例えば、円錐状(したがって、いわゆるコーンビーム・トモグラフィを生じる)であるか、又は、ディスク状のセグメントに類似している(したがって、いわゆる扇形ビーム・トモグラフィを生じる)とみなすことができ、検出器がソースに「提示」する、幾何学的配列/形状に依存する。平行/コリメートされたビームも可能である。使用される放射線は、十分な試料浸透を達成するために、典型的には、X線又は加速された荷電粒子を含む。
これらは独立型ツールでもよいが、例えば、(S)TEM又はSEMのような荷電粒子顕微鏡(CPM)(の空の真空/インタフェースポート)に対する(アドオン)モジュールとして実装されてもよく、その場合、CPMの荷電粒子ビームは、イメージングX線ビームの生成を引き起こすように、試料を直接照射するために又はターゲット金属を照射するために、使用されている。
本書における、トモグラフィの概念は、いわゆるラミノグラフィを含むものとして広く解釈されるべきである。これらのトピックのいくつかの詳細については、たとえば、次の参考文献を参照されたい。
https://en.wikipedia.org/wiki/Tomography
https://en.wikipedia.org/wiki/X-ray_microtomography
https://en.wikipedia.org/wiki/Nanotomography
https://en.wikipedia.org/wiki/Electron_tomography
http://www.ndt.net/article/v04n07/bb67_11/bb67_11.htm
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0029549398003197
CPMの状況において、本明細書で言及されるように、「荷電粒子」という用語は、以下のものを含むものとして、広義に解釈されるべきである。
- 例えば、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)の場合のような電子。
例えば以下の参考文献を参照されたい。
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
- 正(例えばGa又はHeイオン)又は負でありうるイオン。このようなイオンビームは、撮影の目的で使用できるが、例えば、集束イオンビーム(FIB)ミリング、イオンビーム誘導堆積(IBID)、イオンビーム誘導エッチング(IBIE)などの場合のように、表面改質の目的でもしばしば使用される。例えば以下の参考文献を参照されたい。
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)
- 例えば、陽子及びポジトロンのようなその他の荷電粒子。例えば以下の参考文献を参照されたい。
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22472444
CPMにおける荷電粒子ビームは、撮影及び/又は表面改質に加えて、分光法の実施、ディフラクトグラム検査などの他の機能も有することにも留意すべきである。
本発明は、より大きい/巨視的な対象物の顕微鏡によるサブ部分である試料を含む顕微鏡試料を撮影するために適用されるトモグラフィに主に関係する。
http://www.cs.toronto.edu/~nrezvani/CAIMS2009.pdf
トモグラフィック再構成は、一般的に劣決定(under-determined)問題であるため、唯一の解ではなく、解空間(可能性がある解の拡張セット)を生成する。そのような解空間は、例えば物理的に不可能であるか及び/又は調査中の試料の不正確な表現である、(かなりの数の)「無駄な(dud)」解を含みうる。例えば、解空間からそのような無駄な解を「除外」するために、再構成手順は、一般に、例えば、否定的な(negative)結果及び/又は(ある種の)不連続(discontinuities)を含む結果を破棄することによる、1つ以上の限定(constraints)を受ける。
- 前記入力セットが大きな「ボイド」(例えば、利用可能な入力画像がない視線の集まり又は入力画像の疎な集合のみ)を含む場合、これは、関連するトモグラムにおける重大な不正確さ/限定につながる可能性がある。典型的には、試料に対する可能性のある視線の理論的に可能な4πステラジアン(2π度)の角度範囲のうち、1つ以上の角度範囲は、例えば、使用される試料ホルダの傾きの範囲が限られていること、装置の曖昧さ(obscuration)の影響などにより、入力画像の蓄積されたセットから欠落している。
これは一般に「欠損楔(missing wedge)」問題と呼ばれている。
- 試料に対して比較的大きな仰角を有する視線に対して、試料画像の一部は、再構成ボリュームに存在しない領域内に投影される。これは一般に「ローカル・トモグラフィ」効果と呼ばれている。
再構成されたトモグラムにおける視認可能なアーチファクトを生じさせることとは別に、そのような影響はまた、数学的再構成問題の重大な不適切性を引き起こし、その結果、最適でない再構成を伴う結果として得られるトモグラムの解像度及び忠実度をノイズに対して極めて敏感にする。
- 前記一部と少なくとも部分的に重複する、試料の少なくとも一部の3次元SEM画像(imagery)を得るステップと、
- 前記SEM画像から得られる画素値と整合するように、前記再構成の反復結果を要求することによって、前記限定するステップを実行するために前記SEM画像を使用するステップと、
- 走査経路内のサンプルポイントのセットの各々について、選択された測定パラメータPの値Pnの関数としてSEM検出器の出力Dnを記録し、測定セットM={(Dn,Pn)}をコンパイルするステップであって、ここでnは整数数列の1要素である、ステップ。
- コンピュータ処理装置を用いるステップであって、測定セットMを自動的にデコンボリューションし、それを空間的に分解して、調査中の試料の3次元再構成画像を生成する、ステップ。
この種類のアプローチは、以下の特許文献(参照により本明細書に組み込まれる)に示されるように、多数の異なる種に細分され得る。
(i)米国特許登録公報第8,232,523号公報/欧州特許登録公報第2383768号公報、ここで、Pは、(入射)放射ビームの、ビームエネルギー、ビーム収束角又はビーム焦点深度などの特性であり、Mの空間分解能(デコンボリューション)は、統計的ブラインドソース分離(BSS)アルゴリズムを使用して実行される。
(ii)米国特許登録公報第8,581,189号公報/欧州特許登録公報第2557586号公報、ここで、Pは、ビームエネルギー、ビーム収束角又はビーム焦点深度などの(入射)放射ビームの特性であり、Mのデコンボリューションは、一般化された3次元再構成技術、例えばベイジアン統計的アプローチを使用して実行される。
(iii)米国特許登録公報第8,586,921号公報/欧州特許登録公報第2557587号公報、ここで、Pは(照射に応答して試料から発せられる)(出射)放射束の特性、特に、(例えば放出された二次電子の)放出角であり、Mのデコンボリューションは、再び、一般的なボリューム再構成アルゴリズムを用いて行われる。
(iv)米国特許登録公報第8,704,176/欧州特許公開公報第2648208号公報、ここで、Pは再び(出射)放射束の特性であり、特に放出電子のエネルギーであり、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もう一度達成される。
本書における3次元SEM画像への言及は、3次元画像をSEM又は他の非透過荷電粒子顕微鏡に組み込むことを可能にする、これらの(及び他の)技術を参照するものと解釈されるべきである。
1つの画像種類(例えば3次元SEM)のデータが、他の画像種類(例えばトモグラフィ)について同様の記述子に変換される(cast)限り、3次元SEMデータは、種々の方法を使用したトモグラフィック再構成(における/による自律的な使用)に対する基準/限定として使用可能にされうる。
実施例として、例えば、以下のアプローチを考慮できる。
- 画素値に基づいて3次元SEMデータ内の特徴を特定し/ラベリングするステップ(及びそれらに座標位置を関連付けるステップ)。例えば、画素に関連するグレースケール値は、特徴の境界(と、したがって特徴の位置、形状及びサイズと)を自動的に検出するために、(市販の)マシンビジョン/画像認識ソフトウェアにより使用されることができる。これは、画素分割(segmentation)アプローチと呼ばれることができる。
- 算出されたグレースケール勾配は、画像内のコントラスト/輝度の差とは無関係であり、3次元SEMをトモグラフィと直接比較するために使用されうる。これは、画素勾配アプローチと呼ばれることができる。
- 例えば、両方のデータセットグレースケールを原子散乱係数に変換し、それらを用いて比較を行うことができる。そのような技術は、純粋数学よりもむしろ物理学に基づいており、物理属性(attributes)アプローチと呼ばれることができる。
[外1]
は、実数のm次元集合である。
ここで、Utrueは、再構成される実際の物理的オブジェクトを記述する密度関数であり、
[外2]
は、すべての正の実数の集合である。
μ>1は、正規化パラメータであり、
精度と安定性の間の境界線を調節整するために使用され、とりわけ採用されるノイズモデルに応じて使用される。
SReg(U)は、Utrueの演繹的な正規性特性を表す。
αは、S3DSEM項が正則化関数Sにおいて、どの程度強く考慮されるかを決定する重み付けパラメータである。
S3DSEMは、選択されたメトリック(画素勾配、画素分割、散乱係数など)における3次元SEM画像とUとの間の距離に基づく正規化項である。
- 円形走査。ソースが試料についての平面軌道をたどり、画像はこの軌道に沿って非常に高いサンプリング速度(すなわち準連続的)でキャプチャされる。この種の走査は、試料の比較的薄い「スライス」のみが撮影されなければならない状況で適用できる。例えば以下の参考文献を参照されたい。
https://en.wikipedia.org/wiki/Cone_beam_computed_tomography
- ヘリカルスキャン。ソースが試料の(長手方向)軸の回りにコイル状(螺旋状)の経路をたどり、画像はこの経路に沿って、ここでも非常に高いサンプリングレート(すなわち準連続的)でキャプチャされる。この種の走査は、比較的長い部分の試料が撮影されなければならない状況で適用できる。これは、典型的には(例えばソースの)円形運動と(例えば試料の)並進運動とを組み合わせることにより達成される。例えば以下の参考文献を参照されたい。
https://en.wikipedia.org/wiki/Spiral_computed_tomography
- サンプリングポイントのマトリックス。曲線に沿って配置されていないが、その代わりに実質的に均一の分布で配置されている。そのようなシナリオは、(本出願と同じ譲受人による)同時係属の欧州特許出願EP15181202.1/米国特許出願15/237,309に記述されている。
図1Aは、本発明と連動して用いられることが可能であるCPM1の実施形態を極めて模式的に示す図である。より詳しくは、それは、SEMの実施形態を示す。顕微鏡1は、粒子光学軸5’に沿って伝播する荷電粒子ビーム5(この場合、電子ビーム)を生成する粒子光学カラム/照射器3を備える。
粒子光学カラム3は、(ショットキーエミッタのような)電子ソース17と、電子ビーム5を試料13上に集束させる(一般に、ここでの模式的な描写よりもより複雑な構造の)(静電/磁気)レンズ19,21と、ビーム5のビーム偏向/走査を行う偏向ユニット23とを備える。ビーム5が試料13上に入射され/試料13にわたって走査されると、後方散乱電子、二次電子、X線及び(赤外、可視及び/又は紫外光子の)陰極ルミネッセンスなどの様々なタイプの「誘導(stimulated)」放射の放出が引き起こされる。それらの放射の1種類以上が、典型的には試料上の走査位置の関数として検出器出力の「マップ」(又は「マトリックス」)を組み立てることによって、画像、スペクトル、ディフラクトグラムなどを形成しうる1以上の検出器を使用して、検出され/記録させることができる。
本図はこの種の2つの検出器、25、27を示すし、例えば、以下の通りに実施されることができる。
-検出器25は、例えば、(ソリッドステート光電子倍増管などの)電子検出器、(SDD又はSi(Li)センサなどの)X線検出器又は(フォトダイオードなどの)光検出器であってもよい。
-検出器27は分割型電子検出器であり、(ビーム5の通過を可能にする)中央貫通孔29のまわりに配置された複数の独立検出セグメント(例えば4区分)を備える。このような検出器は、例えば、試料13から放出される、(二次後方散乱)電子流(の角度依存性)を調べるために用いることができる。
これらは単なる実施例であり、当業者であれば、検出器の他の種類、数及び幾何学的形状が可能であることを理解するであろう。
Claims (4)
- トモグラフィック・イメージングを使用して試料を調査する方法であって、
- 試料ホルダ上に試料を提供するステップと、
- 前記試料を介して、検出器上へ放射ビームを方向づけるステップであって、それにより試料の画像を生成する、方向づけステップと、
- 前記ビームに関して異なる試料配向のセットに対して前記方向づけステップを繰り返すステップであって、それにより対応する画像のセットを生成する、繰り返しステップと、
- 前記画像のセットを、前記試料のうち少なくとも一部についてのトモグラムに変換するために、反復数学的再構成技術を使用するステップと、
- 結果として得られる解空間を削減するように、前記再構成を数学的に限定するステップと、
を含む方法において、
- 前記一部と少なくとも部分的に重複する、前記試料のうち少なくとも一部についての3次元SEM画像を得るステップと、
- 前記SEM画像から得られる画素値と整合するように前記再構成の反復結果を要求することによって、前記限定するステップを実行するために前記SEM画像を使用するステップと、
を含み、
前記トモグラフィック・イメージングは、TEMトモグラフィ、STEMトモグラフィ、X線ラミノグラフィ及びこれらの組合せから成るグループから選択される、
方法。 - 前記画素値は、画素分割及び画素勾配技術の少なくとも1つを使用して得られる、
請求項1記載の方法。 - 前記画素値は、原子散乱係数のような、位置依存的物理属性を含む。
請求項1又は2のうちいずれか1項記載の方法。 - - 試料を保持するための試料ホルダと、
- 前記試料の少なくとも一部の画像を生成するように、前記試料を介して検出器上に方向づけられうる放射ビームを生成するためのソースと、
- 前記ビームに関して異なる試料配向のセットを生成するために、対応する画像のセットを生成できるようにする調節手段と、
- 前記画像のセットを、トモグラムに変換するために反復数学的再構成技術を適用し、結果として得られる解空間を削減するように、前記再構成を数学的に限定するための処理装置と、
を含む、トモグラフィック・イメージング装置において、
前記処理装置は、
- 前記試料の少なくとも一部の3次元SEMイメージにアクセスし、
- 前記SEM画像から得られる画素値と整合するように前記再構成の反復結果を要求することによって、前記限定するステップを実行するために前記SEM画像を使用するように
構成されており、
荷電粒子顕微鏡内に含まれている、
トモグラフィック・イメージング装置。
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