JP7026568B2 - 荷電粒子顕微鏡法の革新的な画像処理 - Google Patents
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Description
‐ 荷電粒子ビームを生成するためのソースと、
‐ 試料を保持するための試料ホルダと、
‐ 荷電粒子で試料を照射するための照射器と、
‐ 照射に応答して試料から発せられる放射を検出するための検出器と、
‐ 顕微鏡の動作のうちの少なくともいくつかの態様を制御するためのコントローラと、を備え、
この方法は、
‐ 試料の所与の部分の連続する一連の成分画像{I1,…,In}を取得するために検出器を使用するステップと、
‐ 合成画像を生成するように成分画像を合成するステップと、を含む。
本発明は、かかる方法が実行されることができる荷電粒子顕微鏡にも関する。
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、所謂「デュアルビーム」ツール(例えばFIB-SEM)などの、イオンビームミリング又はイオンビーム誘導堆積(IBID)などの補助作業を可能にする、「機械加工」集束イオンビーム(FIB)を追加的に採用する種々のサブ種へも進化している。
より詳しくは、
‐ SEMにおいて、走査電子ビームによる試料の照射は、例えば、二次電子、後方散乱電子、X線及び陰極ルミネッセンス(赤外線、可視及び/又は紫外光子)の形態で、試料からの「補助」放射線の放出を引き起こす。
この放出放射線の1つ以上の成分が検出され、イメージ集積の目的で使用される。
‐ 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なエネルギを有するように選択される(そのために、一般に、通常SEM試料の場合よりも試料が薄い)。
試料から放出される透過電子は、その後画像を生成するために用いられる。
このようなTEMを走査モードで作動させると(STEMになり)、照射電子ビームの走査動作中に当該のイメージが集積される。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。
en.wikipedia.org/wiki/Electron_microscope
en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope
en.wikipedia.org/wiki/Transmission_electron_microscopy
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。
en.wikipedia.org/wiki/Focused_ion_beam
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).
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、ミリング、エッチング、堆積など)に加えて、分光法の実施、ディフラクトグラム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。
‐ 例えば、電子の場合には、W若しくはLaB6ソース、ショットキー銃若しくは冷電界放出銃(CFEG)等、又は、イオンの場合には、液体金属イオンソース(LMIS)若しくはナノ開口イオンソース(NAIS)等の粒子ソース。
‐ ソースからの「生の」放射ビームを操作し、収束、収差軽減、(ダイアフラムによる)トリミング、フィルタリングなどの特定の動作を実行するために役立つ照射器。原則的に1つ以上の(荷電粒子)レンズが含まれ、他のタイプの(粒子)光学構成要素も含まれうる。必要な場合には、照射器は、その出射ビームが調査される試料を横切って走査動作を行うように呼び出されうる偏向器システムを備えることができる。
‐ 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)、試料ホルダ。必要に応じて、このホルダは、ビームに対して試料の走査動作を行わせるように移動されうる。一般に、そのような試料ホルダは、位置決めシステムに接続される。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、例えば適切に連結された起寒剤バットを用いた、試料を低温温度に維持するための手段を含む。
‐ (照射を受けている試料からの放射の放出を検出するための)検出器。実質的に一体型又は複合型/分散型でありえ、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。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。
デュアルビーム顕微鏡の特定の場合、2つの異なる種類の荷電粒子を生成するために、(少なくとも)2つのソース/照射器(粒子光学カラム)が存在する。一般に、(垂直に配置された)1つの電子カラムが試料を画像化するために使用され、(傾けて配置された)1つのイオンカラムが、試料を改質(機械加工/処理)及び/又はイメージングするために(同時に)使用され、試料ホルダは、使用された電子/イオンビームに試料の表面を安定して「提示」できるように、多自由度で位置決めされうる。
(例えば(S)TEMのような)透過型顕微鏡の場合、CPMは、具体的には、以下を含む。
‐ 試料(平面)を透過した荷電粒子を実質的に取り込み、それらを、検出/画像化装置、(EELSデバイスのような;EELS=電子エネルギ損失分光法)分光装置などの分析機器上へ方向づける(集束させる)結像系。
上述の照射器と同様に、結像系は、収差軽減、トリミング(cropping)、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が含まれうる。
これらの問題に対処するために、CPMオペレータは、比較的低いビーム強度で試料の所与の部分の比較的多数の一連の成分画像を撮影し、次いで、例えば、ノイズの影響を平均化/除去するように、これらの成分画像を合成画像に合成することができる。
しかしながら、そのようなアプローチは、以下の理由から一定の技術的課題を生じさせる。
‐ 一方では、後で参照できるように、(最終的な合成画像よりむしろ)各成分画像を保存することが望まれるからであり、
‐ 多数の(例えば、何百もの)かかる画像を保存/読み出しすることは、利用可能なメモリ及び処理能力に大きな要求をかける可能性があるからである。
これらの問題に対処するために、成分画像は保存される前に、いわゆる量子化処理を施すことによって「簡略化」されることができ、画素あたりの情報量が効果的に低減され、従って、保存/読み出しすべき総ファイルサイズが低減される。例えば、次のWikipediaの参考文献を参照されたい。
en.wikipedia.org/wiki/Quantization_(image_processing)
しかしながら、実際には、このような量子化された成分画像を合成画像に合成させると、予期しない/不十分な結果、特に、いわゆるバンディングエラーなどのアーチファクトの発生をもたらすことが分かっている。
‐ 各成分画像を連続して量子化するステップと、それをメモリに保存するステップと、
‐ 各量子化された成分画像について画素ごとの量子化エラーを記録するステップと、量子化された成分画像{I1,…,In}について画素ごとの累積量子化エラーの途中集計Tnを保持するステップと、
‐ 次の成分画像In+1を量子化するときに、所与の画素について、Tnに関してTn+1のさらなる増加を回避する傾向のある量子化極性を選択するステップであって、
・Tnが正である場合、Tn+1は正になりにくく(will be less positive)、
・Tnが負である場合、Tn+1は負になりにくく(will be less negative)、
・Tnがゼロである場合、Tn+1は正、負、又はゼロになることができる、ステップと、
によって特徴づけられる。
ここで採用される量子化の基本概念は、画像処理の分野において十分に確立されており、当業者によって容易に理解されるであろう。それにもかかわらず、追加の情報については、例えば、以下のWikipediaのリンクを参照することができる。
en.wikipedia.org/wiki/Quantization_(image_processing)
整理するために、ここで採用されていることとして、以下の点に留意する必要がある:
‐ 「正になりにくい」とは、より小さい正の値、ゼロ、又は負の値を意味する。
‐ 「負になりにくい」は、より小さい負の値(小さい絶対値)、ゼロ、又は正の値を意味する。
‐ 保存の前に成分画像を量子化するステップは、各画像のファイルサイズを大幅に低減し、多数の成分画像の保存/読み出しを容易にする。
これは、後の時点において所与の成分画像を随意に参照するユーザの能力を高め、かかる画像の処理の帯域幅要件を低減する
‐ 量子化は、必然的に、量子化プロセスに内在する「丸め込み」動作に関連する画素単位(pixel-by-pixel)の量子エラー差を生成する。
このエラーは、所与の値が切り上げられるか、切り捨てられるかに応じて、正または負の極性/符号を持つことができる。
予測され得ることとは逆に、発明者らは、いくつかの量子化された画像が合成されるときに、その画素ごとの量子化エラーは、相殺される傾向よりむしろしばしば相互に増強される傾向があることを見出した。
これは、上述のように画像アーチファクトを引き起こす可能性のある優位な「ランダムウォーク(random walk)」画素エラーにつながり得る。
‐ 本発明は、累積量子化誤差を明確に低減することによってこの作用に対抗する。
この目的で、本発明は、画素ごとの累積量子化エラーの(オンザフライの)途中集計(a running (on-the-fly) tally)を保持し、先行する画像{I1,・・・,In}に由来する「ライブの(live)」集計を低減するようになるために、成分画像In+1内の画素pijに対する丸め込みの方向/極性を「操作」していく。
このようにして、制御不能のエラーが防止される。すなわち一連の成分画像の全体について可能な限りゼロに近い最終集計TNを保持しようとする。
‐ 換言すると、本発明は、コスト関数を量子化プロセス(における丸め込みエラー)と関連させて、このコスト関数を最小化しようとする。
量子化ステップは、
‐ 浮動小数値の固定小数点値への変換、
‐ より高い帯域の固定小数点値のより低い帯域の固定小数点への値変換、
を含む群から選択される動作を含む。
かかる動作は、各画素に対して保存される必要のある数のサイズを効果的に「切り詰める」、従って画像事の全ファイルサイズを低減する。当業者は、固定小数点の「幅」がその保存のために割り当てられる総ビット数であることを理解するであろう。この点に関するいくつかの背景情報は、例えば以下のWikibooksの参考文献から収集することができる。
en.wikibooks.org/wiki/Floating_Point/Fixed-Point_Numbers
これらのプロセスには、通常、以下が含まれる。:
‐ ゲイン補正:
使用される検出器/増幅器回路のゲインは、画素単位に基づいて(on a pixel-by-pixel basis)幾分変化する可能性がある。
画素によるゲイン補正(A pixelwise gain correction)は、この影響を補償し、検出器のセンサ領域にわたる有効/結果ゲイン(effective/resultant gain)を均質化することができる。
‐ 線形化:
例えば、所与の画素に提供される強度を倍増させることが、その画素からの出力信号を倍増させる結果とならないという点で、検出器が非線形応答を有する可能性がある。線形化補正は、かかる作用を補償することができる。
‐ ドリフト補正(位置合わせ補正(registration correction)):
一連の画像の取得中の小さい位置シフトは、一連の中の成分画像間の相応の位置合わせエラー(例えばオフセット)をもたらす可能性がある。ドリフト補正は、比較/組み合わせをより整合させるように、一連の/スタックの中の成分画像を「整列させる」ために使用され得る。
‐ 収差/歪曲修正:
検出器の上流の粒子光学系は、検出器によって捕捉される画像内に湾曲/収差を引き起こす可能性がある。かかる作用の補正は遡及的に適用することができる
‐ エッジエンハンスメント:
画像内のトランジション/エッジ/輪郭は、一般に、点広がり関数の影響によって幾分ぼやけている。必要に応じて、エッジエンハンスメントアルゴリズムを使用してそのようなボケを低減することができる。
図1(縮尺通りではない)は、本発明が実施されることができる荷電粒子顕微鏡Mの実施形態の非常に概略的な描写である。より具体的には、透過型顕微鏡Mの実施形態を示しており、この場合はTEM/STEMである(但し、本発明の文脈では、例えばそれは同様に有効にSEMであってもよいし、イオンベースの顕微鏡であってもよい)。図において、真空エンクロージャ2の中で、電子ソース4は電子ビームBを生成し、電子ビームBは、電子光学軸B’に沿って伝搬し、(例えば(局所的に)薄化され/平坦化された)試料Sの選択された部分に電子を方向づけ/集束させるのに役立つ電子光学照射器6(模式的には線で表されている)を通り抜ける。偏向器8も示されており、偏向器8は、とりわけ、ビームBの走査運動を行うために使用され得る。
‐ TEMカメラ30。カメラ30では、電子束は、静的画像(又はディフラクトグラム)を形成することができ、それはコントローラ/プロセッサ20によって処理されることができ、例えばフラットパネルディスプレイのような、表示装置(図示せず)上に表示されることができる。必要でないときに、カメラ30は、(矢印30’によって模式的に示されるように)軸B’の経路の外へ出るように、格納され/引き出されることができる。
‐ STEMカメラ32。カメラ32からの出力は、ビームBの試料S上での(X,Y)走査位置の関数として記録されることができ、X,Yの関数としてカメラ32からの出力の「マップ」である画像が構築されることができる。カメラ32は、カメラ30内に特徴的に存在する画素のマトリックスとは対照的に、例えば20mmの直径を有する単一の画素を含むことができる。一般に、カメラ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。再び、必要ないときに、カメラ32は(矢印32’によって模式的に示されるように)軸B’の経路の外へ出るように、格納され/引き出されることができる(そのような格納は、例えば、ドーナツ型環状暗視野カメラ32の場合には必要ではない。このようなカメラでは、中心穴は、カメラが使用されていないときにビーム通過を可能にする)。
‐ カメラ30又は32を用いた撮像に代わるものとして、例えばEELSモジュールでありうる分光装置34を呼び出すこともできる。部材30、32及び34の順序/位置は厳密ではない点に留意する必要があり、多くの可能な変形が考えられる。例えば、分光装置34は、結像系24に組み込まれることもできる。
プロセッサ20内のアルゴリズム/サブルーチンは、所与の画素pijについて、以前に量子化された成分画像{I1,・・・,In}を有し、それらの累積量子化エラー(丸め込みエラー)の途中集計Tnが保持される(n+1番目の)成分画像In+1を量子化するとき、Tnに関して(ゼロ以外の値の)Tn+1がさらに増加することを回避する傾向がある(画素ごとの)量子化極性(丸め込み方向)が選択される。したがって、例えば、切り上げによってTnの値に正の寄与が生じ、切り捨てによってTnの値に負の寄与が生じ、画素pijに対するTnが、画像In+1が量子化される時間によって正の値を有する場合、Tnの正の値を減少させるために、In+1の画素pijの量子化について切り捨てを選択することができ、逆もまた同様である。この規則に対する一時的な例外は、Tnが既にゼロに等しいときに生じ、その場合、Tn+1は、ゼロでない量とみなすことができ、その後、画像In+2等を量子化するときにさらに低減される。ここでの最終作用は、捕捉された一連の全ての画像が量子化される頃には、各画素についての最終集計TNはゼロに等しくなる、又は可能な限りゼロに近づく。
このフローチャートにおいて、
‐ 「RND」は丸め込み動作(量子化)を示す。
‐ 「フレーム遅延」は、所与の一連の/スタック内の連続する成分画像の(捕捉)時間間隔を表す。
Claims (5)
- 荷電粒子顕微鏡を使用する方法であって、前記荷電粒子顕微鏡は、
‐ 荷電粒子ビームを生成するためのソースと、
‐ 試料を保持するための試料ホルダと、
‐ 前記荷電粒子で前記試料を照射するための照射器と、
‐ 前記照射に応答して前記試料から発せられる放射を検出するための検出器と、
‐ 前記荷電粒子顕微鏡の動作のうちの少なくともいくつかの態様を制御するためのコントローラと、を備え、
当該方法は、
‐ 前記試料の所与の部分の連続する一連の成分画像{I1,…,In}を取得するために前記検出器を使用するステップと、
‐ 合成画像を生成するように前記成分画像を合成するステップと、
を含む方法において、前記合成するステップの前に、
‐ 各成分画像を連続して量子化するステップと、それをメモリに保存するステップと、
‐ 各量子化された成分画像について画素ごとの量子化エラーを記録するステップと、量子化された成分画像{I1,…,In}について画素ごとの累積量子化エラーの途中集計Tnを保持するステップと、
‐ 次の成分画像In+1を量子化するときに、所与の画素について、Tnに関してTn+1がさらに増加することを回避する傾向のある量子化極性を選択するステップであって、
・Tnが正である場合、Tn+1は正になりにくく、
・Tnが負である場合、Tn+1は負になりにくく、
・Tnがゼロである場合、Tn+1は正、負、又はゼロになることができる、ステップと、
を実行する方法。 - 前記量子化するステップは、
‐ 浮動小数値の固定小数点値への変換、
‐ より高い帯域の固定小数点値のより低い帯域の固定小数点への値変換、及び
これらの組み合わせ、
を含む群から選択される1つの動作を含む、
請求項1記載の方法。 - 前記量子化するステップの前に、前記成分画像の少なくともいくつかは、
利得補正、線形化、ドリフト補正、画像歪曲又は収差の補正、エッジエンハンスメント、及びこれらの組合せ、
を含む群から選択された補正処理を受ける、
請求項1又は2記載の方法。 - 荷電粒子顕微鏡を使用する方法であって、前記荷電粒子顕微鏡は、
‐ 荷電粒子ビームを生成するためのソースと、
‐ 試料を保持するための試料ホルダと、
‐ 前記荷電粒子で前記試料を照射するための照射器と、
‐ 前記照射に応答して前記試料から発せられる放射を検出するための検出器と、
‐ 前記荷電粒子顕微鏡の動作のうちの少なくともいくつかの態様を制御するためのコントローラと、を備え、
当該方法は、
‐ 前記試料の所与の部分の連続する一連の成分画像{I1,…,In}を取得するために前記検出器を使用するステップと、
‐ 合成画像を生成するように前記成分画像を合成するステップと、
を含む方法において、前記合成するステップの前に、
‐ 各成分画像を連続して量子化するステップと、それをメモリに保存するステップと、
‐ 各量子化された成分画像について画素ごとの量子化エラーを記録するステップと、量子化された成分画像{I1,…,In}について画素ごとの累積量子化エラーの途中集計Tnを保持するステップと、
‐ 所与の成分画像を量子化するときに、所与の画素について、ゼロであるか又は可能な限りそれに近い最終値TNをもたらす量子化極性を選択するステップと、
を実行する方法。 - 荷電粒子顕微鏡を使用する方法であって、前記荷電粒子顕微鏡は、
‐ 荷電粒子ビームを生成するためのソースと、
‐ 試料を保持するための試料ホルダと、
‐ 前記荷電粒子で前記試料を照射するための照射器と、
‐ 前記照射に応答して前記試料から発せられる放射を検出するための検出器と、
‐ 前記荷電粒子顕微鏡の動作のうちの少なくともいくつかの態様を制御するためのコントローラと、を備え、
当該方法は、
‐ 前記試料の所与の部分の連続する一連の成分画像{I1,…,In}を取得するために前記検出器を使用するステップと、
‐ 合成画像を生成するように前記成分画像を合成するステップと、
を含む方法において、前記合成するステップの前に、
‐ 各成分画像を連続して量子化するステップと、それをメモリに保存するステップと、
‐ 各量子化された成分画像について画素ごとの量子化エラーとコスト関数を関連付けるステップと、
‐ 所与の成分画像を量子化するときに、所与の画素について、前記コスト関数の最小値をもたらす量子化極性を選択するステップと、
を実行する方法。
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