KR20160077072A

KR20160077072A - 압축 주사 전자 현미경을 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20160077072A
Application number: KR1020167010884A
Authority: KR
Inventors: 브라이언 더블유. 리드
Original assignee: 로렌스 리버모어 내쇼날 시큐리티, 엘엘시
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2014-10-08
Publication date: 2016-07-01
Also published as: JP2020061374A; JP6684705B2; EP3061118B1; AU2014340580B2; JP2016538681A; CN105745736B; CA2921307A1; WO2015061037A1; EP3061118A1; EP3061118A4; US8933401B1; AU2014340580A1; CA2921307C; KR102160520B1; CN105745736A

Abstract

주사 투과 전자 현미경 (scanning transmission electron microscopy (STEM)) 시스템이 개시된다. 상기 시스템은 실질적으로 전체 샘플에 걸쳐 복수의 전자 빔 스캔들을 생성하도록 구성된 전자 빔 스캐닝 시스템으로, 각 스캔은 상기 스캔의 코스에 걸쳐 전자-조명 강도 (intensity)에 있어서 변하는, 전자 빔 스캐닝 시스템을 이용할 수 있다. 이미지, 회절 패턴, 또는 상기 스캔들로부터의 스펙트럼 중 적어도 하나를 얻기 위해 신호 획득 시스템이 사용될 수 있으며, 상기 이미지, 회절 패턴, 또는 스펙트럼은 상기 이미지를 포함하는 모든 픽셀 로케이션들의 선택 서브복수 (subplurality) 또는 선형 조합으로부터의 정보만을 나타낸다. 그 정보로부터 데이터세트가 산출될 수 있다. 상기 이미지의 각 픽셀 로케이션에 의해 산출되었을 실제의 정보를 예측하기 위해 상기 데이터세트를 수학적으로 분석하기 위한 서브시스템이 사용될 수 있다.

Description

압축 주사 전자 현미경을 위한 시스템 및 방법 {SYSTEM AND METHOD FOR COMPRESSIVE SCANNING ELECTRON MICROSCOPY}

정부 권한들에 대한 선언

미국 정부는 국립 연구소 (Lawrence Livermore National Laboratory)의 운영에 대한 미국 에너지 국 (Department of Energy)과 국립 연구소, LLC 사이의 No. DE-AC52-07NA27344 계약에 따라 본 발명에서의 권한을 가진다.

기술분야

본 발명 개시는 주사 투과 전자 현미경 (scanning transmission electron microscopy (STEM))에 관련되며, 그리고 더 상세하게는 획득 시간 및 샘플에 전해진 전자 빔 조사량의 더욱 효과적으로 사용하기 위해 스캔 동안에 스캔 속도, 스캔 경로 또는 빔 강도의 빠른 변조의 압축 감지 (compressive sensing)를 또한 이용하는 STEM을 수행하기 위한 시스템 및 방법에 관련된다.

이 섹션에서의 문장들은 본 발명 개시에 관련된 배경 정보를 단순하게 제공하며 그리고 종래 기술을 구성하지는 않는다.

리서치 및 산업에서의 많은 애플리케이션들은 주사 투과 전자 현미경 (scanning transmission electron microscopy (STEM)) 회절, 고-각도 환상 암-시야 SETM (high-angle annular dark-field STEM (HAADF-STEM)), STEM 전자 에너지 손실 스펙트럼 (STEM electron energy loss spectrum (STEM-EELS)) 및 STEM 에너지-분산 X-레이 분광계 (STEM energy-dispersive x-ray spectroscopy (STEM-EDX))를 이용하여 획득된 고-해상도 구조 및 스펙트럼 정보로부터 이익을 얻는다. 전형적인 동작 시퀀스는 관심 대상 신호를 획득하고, 표본 상의 하나의 스폿 상에 미세하기 초점이 맞추어진 전자 프로브를 위치시키며, 신호 (예를 들면, 회절 패턴, HAADF 탐지기로부터의 전류 눈금 표시, 또는 손실 스펙트럼)를 획득하고, 그리고 그 후에 상기 프로브를 이동시키고 상기의 동작들을 반복하기 위해 도구를 셋업하는 것이다. 자율화 시스템들이 이 모든 것이 잘-정의된 정규의 2D 어레이에서 상당히 빠르게 발생하도록 허용하지만, 정보 복귀는 최적과는 거리가 멀다. STEM 회절 및 STEM-EELS의 경우에, 각 획득은 수분의 1초 또는 심지어는 수 초 걸릴 수 있을 것이며, 그래서 샘플에 대한 전체 스캔이 여러 시간 걸릴 수 있도록 한다. 그렇게 획득된 많은 정보는 어떤 의미에서는 중복이다. 또한, HAADF-STEM 스캔들은 STE-회절 스캔들보다 아주 더 빠르게 수행될 수 있지만 아주 더 적은 정보를 반환한다; STEM-회절 데이터 세트가 주어지면, 명백한 위상들 및 방위들을 식별하기 위해 브래그 회절 (Bragg diffraction)로부터의 정보를 또한 이용하면서 전통적인 STEM 이미지 (HAADF, 전통적인 명-시야 (bright-field), 환상 (annular) 명-시야, 스플릿-검출기 등)가 산출했을 것을 재구축할 수 있다. 그래서 HAADF-STEM에 비교할 만한 전체 노출 시간들을 구비한 STEM-회절과 유사한 데이터 반환을 제공하는 기술은 두 기술들에 비해 상대적인 형상을 나타낼 것이다.

특히 STEM-EELS에 대해, 데이터 세트가 "희소한 (sparse)" 데이터에 대한 표현들이 존재한다는 것이 또한 잘 알려져 있다. 이것이 의미하는 것은 각 스펙트럼 패턴 또는 회절 패턴은 상대적으로 작은 개수의 주요 (principal) 또는 독립적인 컴포넌트들의 조합으로서 높은 정밀도로 표현될 수 있으며, 그리고 많은 스펙트럼 패턴들 및 회절 패턴들은 서로 매우 비슷하게 보일 것이라는 점이다. 정보-이론적인 관점으로부터, 이것은 상기 스캔에서 획득된 신호들 중 많은 것이 중복이며 그리고 그 샘플에 관한 새로운, 관련된, 독립적인 정보를 실제로는 제공하고 있지 않다는 것을 의미한다. HAADF-STEM에 대해, 아주 더 빠른 스캔들이 가능하지만 아주 작은 양의 정보가 각 전자로부터 인출된다; 더 상세하게는, 전자는 HAADF 검출기에 부딪치거나 또는 그 전자는 HAADF 검출기에 부딪치지 않는 것 중 어느 하나이다. 이는 HAADF의 존재가 실제의 타협을 나타내는 것이기 때문이다. 매우 빠르지만 단일의 픽셀만을 구비한 카메라를 이용하여 동작하는 STEM 회절 시스템에서는 그것은 본질적인 것이다.

STEM 데이터 처리량을 향상시키기 위한 과거의 노력들은 검출기들에서의 신호-대-잡음 비율은 물론이며 프로브-형성 (probe-forming) 시스템에서 휘도, 안정성 및 수차들을 향상하는 것에 초점을 맞추었다. 이제 신호-대-잡음 비율들은 단일 전자들을 검출하는 레벨에 도달했으며, 그리고 샘플에 대한 빔 손상이 때로는 해상도 한계일 정도로 프로브 전류 밀도들은 충분하게 높아서, 이런 전략들은 향상을 위한 여지가 없다.

따라서, STEM 회절 또는 STEM-EELS을 수행할 때에 샘플에 전해지는 전자 빔 조사량 (dose) 및 획득 시간을 더욱 효율적으로 사용하기 위한 새로운 시스템들 및 방법론들이 필요하다.

한 모습에서, 본 발명 개시는 주사 투과 전자 현미경 (scanning transmission electron microscopy (STEM)) 시스템에 관련된다. 상기 시스템은 실질적으로 전체 샘플에 걸쳐 복수의 전자 빔 스캔들을 생성하도록 구성된 전자 빔 스캐닝 시스템으로, 각 스캔은 상기 스캔의 코스에 걸쳐 전자-조명 강도 (intensity)에 있어서 변하는, 전자 빔 스캐닝 시스템을 이용할 수 있다. 상기 스캔들로부터 이미지를 얻기 위한 신호 획득 시스템이 사용될 수 있으며, 상기 이미지는 상기 이미지를 포함하는 모든 픽셀들의 선택 서브복수 (subplurality) (또는, 더 일반적으로는 임의 선형 조합)만으로부터의 정보만을 나타낸다. 그 정보로부터 데이터세트가 산출될 수 있다. 전통적인 STEM 획득에서 각 픽셀에 의해 산출되었을 정보를 재구축하기 위해 상기 데이터세트를 수학적으로 분석하기 위한 서브시스템이 사용될 수 있다.

본 발명 개시의 다른 모습은 주사 투과 전자 현미경 (STEM) 시스템에 관련된다. 상기 시스템은 샘플에 방향이 정해진 전자 빔 스캔들의 시퀀스를 생성하기 위한 전자 빔 스캐닝 시스템을 포함할 수 있다. 상기 전자 빔 스캔 각각은 마스크를 생성하는 상기 스캔의 코스에 걸쳐 상기 샘플의 구역에 전달된 공간적으로 변하는 전자-조명 강도를 가진다. 조명 강도의 이 패턴은 상기 전자 빔 전류를 변조함으로써, 상기 스캔 속도를 변조함으로써, STEM에서 정상적으로 사용된 표준의 레스터 (raster) 스캔과는 반대의 임의적인 패턴에서 스캔함으로써, 또는 이 방법들의 임의 조합에 의해 생성될 수 있다. 이미지를 얻기 위해 신호 획득 서브시스템이 사용될 수 있으며, 각 스캔 이후의 전자 빔들 스캔들 중 적어도 하나로부터의 스펙트럼 또는 회절 패턴이 상기 샘플에 의해 영향을 받으며, 그리고 마스크들의 수집에 의해 생성된 스펙트럼, 회절 패턴들, 또는 이미지들의 전체 수집 중 적어도 하나로부터 데이터 세트를 산출할 수 있다. 상기 데이터 세트는 상기 이미지의 모든 이용 가능한 픽셀들의 미리 선택된 서브복수 (subplurality) 또는 선형 조합들에서의 정보를 나타낼 수 있다. 상기 이미지 내 각 개별 픽셀로부터 획득되었을 실제의 정보를 예측하기 위해 상기 데이터 세트를 수학적으로 분석하도록 구성된 컴퓨터가 사용될 수 있으며 전통적인 레스터 패턴에서 수행되었던 STEM 스캔을 가진다. 압축 감지의 수학적인 기법들은 심지어는 마스크들의 전체 개수가 픽셀들 개수의 작은 부분이고, 그리고 전체적인 노출 시간 또는 전자 빔 조사량이 (STEM-회절, STEM-EELS, 또는 STEM-EDX와 같은) 동일한 유형의 전통적인 STEM 스캔에서 사용되었을 것의 작은 부분인 경우에도 이 재구축을 허용한다.

또 다른 모습에서 본 발명 개시는 주사 투과 전자 현미경 (STEM)을 실행하는 방법에 관련된다. 상기 방법은 실질적으로 전체 샘플에 걸쳐 복수의 전자 빔 스캔들을 수행하는 단계를 포함하며, 각 스캔은 상기 스캔의 코스에 걸쳐 전자-조명 강도에 있어서 변한다. 이미지가 스캔들로부터 얻어질 수 있으며, 그 이미지를 형성하는 모든 이용 가능한 픽셀들의 선택 서브복수 또는 선형 조합에만 속하는 정보를 포함한다. 상기 스캔들 동안에 상기 정보로부터 데이터세트가 산출될 수 있다. 상기 이미지의 각 픽셀에 의해 산출되었을 실제의 정보를 예측하기 위해 상기 데이터세트가 수학적으로 분석될 수 있으며 전통적인 레스터 패턴에서 수행되었던 STEM 스캔을 가진다.

응용 가능성의 추가의 영역들은 여기에서 제공된 설명들로부터 명백하게 될 것이며, 상기 설명 및 특정 예들은 예시만의 목적들을 위해서 의도된 것이며 그리고 본 발명 개시의 범위를 제한하려고 의도된 것이 아니라는 것이 이해되어야 한다.

본 발명의 효과는 본 명세서의 해당되는 부분들에 개별적으로 명시되어 있다.

본원에서 설명된 도면들은 예시적인 목적들만을 위한 것이며 어떤 방식으로라도 본 발명의 범위를 제한하려고 의도된 것이 아니다.
도 1은 STEM 회절, STEM- EELS, 및 STEM-EDX에서 처리량을 크게 향상시키며 데이터 세트를 줄이기 위해 압축 감지를 사용하는 본 발명 개시에 따른 주사 투과 전자 현미경 (STEM) 시스템의 일 실시예의 상위 레벨의 블록 도면이다.
도 2는 도 1에서 보이는 시스템을 이용하여 수행될 수 있을 동작들의 상위 레벨 흐름도이다.

다음의 설명의 속성 상 단순한 예시이며 본 발명 개시, 응용, 또는 사용들을 제한하려고 의도된 것이 아니다. 도면들 전체에서, 대응하는 참조 번호들은 유사한 또는 대응하는 부분들이나 특징들을 표시하는 것이라는 것이 이해되어야 한다.

본 발명 개시는 광학적인 이미지들을 찍기 위해 광다이오드 및 마이크로미러 어레이를 사용하는 단일-픽셀 카메라의 수학적인 원칙과 유사한 위에서 설명된 한계들에 대한 솔루션을 제공하지만, 본 발명에서의 솔루션은 샘플에서 임의적인 강도 (intensity) 패턴을 생성하기 위해 현미경 그리고 래스터 스캔, 또는 가변-속도 스캔, 또는 임의적인 비-래스터 패턴에서의 스캔과 동기화된 임시로 변조된 빔, 또는 이 변조 기술들의 몇몇의 조합을 사용한다는 점에서, 기술적인 상세한 면에서 완전히 상이하다. 또한, 매우 중요하며 유리하게, 검출에서가 아니라 조명에 있어서 마스킹이 행해질 수 있으며, 이는 상기 샘플에 가해질지도 모르는 방사 손상을 최소화시킨다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 한 모습에 따른 감지 시스템 (10)이 도시된다. 상기 시스템 (10)은 STEM-EELS 및 STEM 회절에서의 정보 처리량을 크게 향상시키기 위해 압축 감지를 이용한다. 상기 시스템 (10)은 일 실시예에서, 일시적으로 변조된 전자 빔 전류 및 후-측정 (post-measurement) 재구축을 위한 수학적인 기법들을 이용하는 주사 투과 전자 현미경 (STEM) 시스템 (12)을 형성할 수 있다. 상기 시스템 (12)의 고속 빔-전류 변조기 (14)는 파워 서플라이 (16)의 출력을 변조하여 전자총 (18)에 인가된 게이트 전압 또는 추출을 제어한다. 상기 빔 전류 변조기 (14)는 제어기 (19)에 의해 제어될 수 있다.

추출 전극 (20)은 상기 변조된 파워 서플라이로부터의 출력을 수신하여 변조된 전자 빔 (22)을 산출한다. 상기 변조된 전자 빔 (22)은 서브시스템 (24)으로 피드되며, 이것은 프로브-형성 렌즈 및 스캔 코일들을 포함하며, 그리고 상기 전자 빔 (22)의 초점을 맞추며 그 전자 빔의 이동을 제어한다. 상기 프로브-형성 렌즈 시스템 및 스캔 코일들은 STEM에서 표준의 컴포넌트들이다. 상기 파워 서플라이 (16)의 전압 또는 전류는 상기 서브시스템 (24)의 상기 스캔 코일들에 인가된 전류 또는 전압에 동기하여 상기 제어기 (19)에 의해 변조될 수 있다. 이것은 전자 빔 (26)을 산출하며, 이 전자 빔은 샘플 (28)에 조사하기 위해 그 샘플 위에서 빠르게 뒤로 그리고 앞으로 레스터 스캔될 때에 임의적으로 변하는 강도 (intensity)를 가진다. 그 임의적으로 변하는 강도는 상기 샘플 (28) 상에 어둡게 그리고 밝게 전자-조명된 구역들의 임의적으로 변하는 패턴을 산출하며, 이것이 "마스크 (mask)"로 언급될 수 있다.

상기 시스템 (10)은 상기 샘플 (28)에 의해 산출된 회절 패턴을 획득하기 위한, 일 예에서는 카메라, 예를 들면 표준의 TEM 카메라 (30)인 신호 획득 서브시스템을 더 포함할 수 있다. 대안으로, 상기 신호 획득 서브시스템은 상기 샘플 (28)에 조사하며 그 샘플을 통해 지나가는 상기 빔 (26)으로의 결과인 전자 에너지 손실 스펙트럼 (electron energy loss spectrum (EELS))을 평가하기 위해 사용된 EELS 획득 시스템 (32)을 포함할 수 있다. 한 적합한 EELS 획득 시스템은 Gatan, Inc. of Pieasanton, CA 로부터의 Gatan Imaging Filter (GIF)일 것이다. 대안으로 또는 동시에, 상기 신호 획득 서브시스템은 EDX 획득 시스템 (33)를 포함할 수 있으며, 이는 조사하여 (irradiate) 상기 샘플 (28)을 통해 통과하는 빔 (26)에서 비롯된 에너지-분산 x-레이 분광계를 획득하기 위해 사용된다. 상기 TEM 카메라 (30), 상기 EELS 분광계 (32) 또는 상기 EDX 획득 서브시스템 (33) (이하에서 "EDX 분광계")은 상기 제어기 (19)에 의해 제어되어, 동작이 상기 전자 빔 (26)의 스캐닝과 동기 되도록 한다.

상기 TEM 카메라 (30), 상기 전자 에너지 손실 분광계 (32) 또는 상기 EDX 획득 분광계 (33)는 압축 감지된 데이터의 수학적인 재구축을 수행하도록 구성된 컴퓨터 (36)에게 출력을 제공할 수 있다. 상기 출력은 상기 샘플 (28)의 모든 스캔들로부터 획득된 정보 (즉, 회절 패턴, 전자 에너지 손실 스펙트럼 또는 에너지 분선 x-레이 스펙트럼 중 어느 하나에 관련된 정보)를 포함하는 데이터세트에 의해 표시된다.

제1 마스크를 이용한 초기 스캔 동안에, TEM 카메라 (30)는 회절 패턴을 얻기 위해 사용될 수 있으며, 또는 상기 EELS 서브시스템 (32)은 손실 스펙트럼을 획득하기 위해 사용될 수 있으며, 또는 상기 EELS 서브시스템 (32)은 손실 스펙트럼을 획득하기 위해 사용될 수 있으며, 그리고/또는 상기 EDX 분광계 (33)는 x-레이 방사 스펙트럼을 얻기 위해 사용될 수 있다. 그러면 상이한 마스크를 사용하는 다른 스캔이 실행되며 그리고 다른 회절 패턴 또는스펙트럼이 획득된다. "상이한 마스크"라는 용어는, 상기 STEM (12) 및 상기 서브시스템 (24)을 사용하여 상이한 임의적인 조명 패턴이 생성된다는 것을 의미한다. 이 절차는 반복되어, 원하는 복수의 알려진 (그러나 임의적인) 마스크들 중 각각에 대해 TEM 카메라 (30), 에너지 손실 분광계 (32) 및/또는 EDX 분광계 (33) 중 어느 하나를 이용하여 상기 획득이 완료된다. "알려진"이라는 용어에 의해서, 산출된 임의적인 마스크가 알려질 것이지만, 일반적으로는 미리 알려질 것을 필요로 하지는 않는다는 것을 의미한다. "임의적"이라는 용어에 의해, 각 스캔이 수행될 때에 조명 강도에 있어서의 변이는 압축 감지의 수학적인 이론에 의해 지시된 것으로서 자유롭게 한정 가능할 것이라는 것을 의미한다. 마스크는 항상 그런 것은 아니지만 보통은 분별할 수 있는 또는 정규적인 패턴을 전혀 가지지 않을 것이지만, 단순히 랜덤하게 변하는 강도인 것으로 보일 것이다. 그런 스캔들의 세트로부터 획득되는 정보는 "데이터 세트"로 명명될 수 있다.

상기 데이터세트는 잘 잘려진 수학적인 암축 감지 기술들을 이용하여 분석될 수 있다. 수학적인 압축 감지 기술들은, 상기 탐지기가 상기 이미지를 구성하는 모든 단일의 개별 픽셀을 기록했을 것에 대한 고-품질의 추정을 재구축하는 것을 가능하게 하며, 수행된 전체 샘플 (28)에 대한 전통적인 래스터 스캔을 구비한다. STEM 회절에 대해, 보통은 이것은 2D 스캔된 이미지 내 모든 포인트로부터의 전체 2D 회절 패턴의 추정일 것이며, 또는 다른 말로 하면, 4D 데이터 세트의 추정일 것이다. STEM-EELS 또는 STEM-EDX에 대해, 그 결과는 스캔된 이미지 내 모든 포인트에서 1D 스펙트럼의 추정일 것이며, 이는 "스펙트럼-이미지" 또는 "데이터 큐브"로 보통 불리는 3D 데이터 세트를 산출한다. 이것들은 가장 평판이 좋은 동작 모드들이 될 것으로 예상되지만, 물론 다른 모드들이 가능하다. 그런 다른 동작 모드들은 데이터 세트의 차원성을 더욱 크게 증가시키기 위해서, 예를 들면, 단층촬영 틸팅 홀더, 각-분해 (angular-resolved) EELS 또는 시-분해 (time-resolved) TEM을 편입할 수 있을 것이다.

압축 감지 (compressive sensing)가 어느 정도는 직관에 반한다는 것이 인정될 것이다. 압축 감지는 실제-세계 데이터 세트들은 고도로 패턴화되어 있으며 그리고 순수하게 랜덤인 것과는 거리가 멀다는 사실의 유리함을 본질적으로 가진다. 그것들은 어떤 의미로는 거의 항상 수학적으로 "희소 (sparse)"하며 또는 데이터 압축에 대해 분석할 수 있다는 점에서 적어도 대체적으로 희소하다. 이것은 상기 데이터 세트 (이것은 이미지, 비디오 시간-시리즈에서는 아마도 이미지들의 세트, 스펙트럼의 세트 등일 수 있다)가 계수들의 세트에 의해 표현될 수 있으며, 그 계수의 대부분은 0이거나 또는 그 계수들을 무시하거나 근사화하는 것이 데이터의 품질에는 실제적인 영향을 거의 미치지 않을 정도로 충분하게 0에 가까운 것 중 어느 하나인, 수학적인 표현이 존재한다는 것을 의미한다. 이 사실은 MPEG 및 JPEG 압축에 관련하여 일하는 자들에게 친숙하며, MPEG 및 JPEG 압축에서는 종종 디지털 미디어 파일 내 정보 중 (미가공 (raw) 바이트 카운트의 면에서) 80-90%의 정보가, 품질에 있어서 인지될 수 있는 저하가 거의 없거나 전혀 없으면서도 제거될 수 있다는 것이 잘 확립되어 있다. 이 기술들은, 이미지 압축의 경우에, 일련의 마스크들을 이미지에 적용하는 것에 본질적으로 해당하며, 그리고 이미지와 각 마스크 사이의 겹침의 정도 (수학적으로, 내적)를 기록하는 이산 코사인 변환들과 같은 수학적인 변환들에 의존하며, 마스크들의 개수가 픽셀들의 개수와 동일한 경우인 제한에서, 상기 이미지는 정확하게 재구축될 수 있다. 그러나 아주 종종 상기 마스크들의 일부만이 (아마 10-20%) 상기 이미지 내 관련된 비-잡음 정보의 대부분을 인코드하며 나머지는 폐기되거나 거의 중요성을 가지지 않고 근사화될 수 있다. 본 발명 개시의 상기 시스템 (10)은 후-획득 분석이 아니라 이미지의 실제의 획득에 압축 감지를 적용한다. 이것은 이미지의 각 픽셀 및 모든 픽섹에 대한 정보가 아니라, 획득될 이미지의 모든 가용 픽셀 위치들의 선형 조합 또는 선택된 서브복수 (subplurality)로부터의 정보를 허용한다. 이것은 이미지의 각 픽셀 및 모든 픽셀에 대한 정보를 획득할 것을 필요로 하는 전통적인 STEM 시스템에 비해서 데이터세트를 획득하기 위해 필요한 시간을 크게 줄어들게 할 수 있다. 이것은 세 가지 유리한 점들을 가진다: 주어진 정보 세트를 추출하기 위한 획득 시간 축소 (그래서 데이터 처리량을 증가시킴); 주어진 정보 세트를 추출하기 위한 전자 빔 노출 축소 (그래서 방사 손상을 줄이고 전통적인 방법들로 가능한 것보다 방사-감지 물질이 더 많이 측정되는 것을 가능하게 함); 그리고 주어진 획득 시간 및/또는 조사량을 위해 획득된 정보의 양을 증가시킴 (예를 들면, 전통적인 HAADF-STEM 획득을 위해 필요한 노출에 필적하는 전체 노출로 STEM-회절 데이터 세트를 획득함).

도 1을 다시 참조하면, 상기 시스템 (10)의 동작 동안에, 상기 TEM 카메라 (30)가 사용되고 있다면, 그 TEM 카메라는 상기 마스크에 의해 선택된 동일한 위치들의 세트에 대응하는 회절 패턴들의 중첩을 기록한다. 샘플 위치들의 세트는 상기 TEM 카메라 (30)가 생산할 수 있는 이미지를 만드는 모든 이용 가능한 픽셀 위치들의 미리 선택된 서브복수 또는 선형 조합을 나타낸다. EELS 분광계 (32)가 사용되고 있다면, 그러면 상기 마스크에 의해 선택된 샘플 위치들의 세트 (즉, 상기 이미지를 만드는 모든 이용 가능한 픽셀 위치들의 미리 선택된 서브복수 또는 선형 조합)에 대응하는 에너지-손실 스펙트럼이 획득된다. 이것은 그 후에 마스크들의 최적 또는 거의-최적 세트를 이용하여 반복된다. 예를 들어, 현재의 압축 감지 문헌들에서 보고된 실제 세계 이미지들의 보통의 80% 내지 90%의 압축 가능성이 주어진다면, 1-메가픽셀 STEM-회절 데이터세트 또는 스펙트럼-이미지가 단 100,000 또는 200,000개 마스크들만으로 재구축되며, 그래서 획득 시간 및/또는 전체 전자 빔 노출에서 5 내지 10배의 감소를 나타낸다고 기대하는 것이 터무니없지 않다.

압축 감지에 관한 현재의 문헌이 랜덤한 백색 잡음이 많은 애플리케이션들에 대해 아주 거의 최적이라는 것을 확립했다고 또한 인정될 것이다. 최적 마스크 설계에 관련된 수학적인 도전은 압축 감지에 관한 현재의 문헌에서 잘 커버된다. (예를 들면, STEM-EELS에서) 이미지 내 각 포인트로부터 오는 완전하게 상이한 스펙트럼을 가지면서 데이터 세트가 그다지 랜덤하지 않다면, 그러면 이 획득 방법은 전통적인 STEM을 능가하는 유리함들을 전혀 가지지 않을 것이다. 그러나 실제 세계의 애플리케이션들에서, 주어진 샘플 상의 한 위치로부터의 스펙터럼은 동일한 샘플 상의 근처의 위치로부터의 스펙트럼과 아주 매우 유사하게 보일 것 같으며, 그리고 주어진 샘플에 의해 생산된 스펙트럼에서의 물리적으로 관련된 변이의 공간은 분광계에서의 독립적인 채널들의 개수보다 아주 더 작은 치수이다. 이것은 현재의 EELS 데이터 분석 문헌에서 잘 설립되어 있다. 회절 패턴들의 주성분 분석을 이용한 본 발명 개시의 본 발명자의 경험에서 보면 STEM 회절에서도 마찬가지라고 암시한다.

본 발명 개시에서 설명된 상기 시스템 및 방법은 압축된 감지를 전자 현미경에 적용하기 위한 모든 공개되어 제안된 시스템들 및 방법들 (예를 들면, H. S. Anderson 등의, "Sparse Imaging for Electron Microscopy," Proc. SPIE 86570C, February 2013 (이제부터 "Anderson 등"이라고 함); "Modeling Nanoscale Imaging in Electron Microscopy," T. Vogt, W. Dahmen, and P. Binev Eds., Springer, 2012 에서의 P. Binev 등의, "Compressed Sensing and Electron Microscopy," in (이제부터 "Binev 등"이라고 함))과는 실질적으로 상이하다. Anderson 등은 (주사 투과 전자 현미경과 동일한 물리적 원칙들 중 몇몇을 이용하여 동작하는) 주사 전자 현미경 (scanning electron microscope (SEM))에서 변조된 스캔을 사용하여 SEM 이미지를 생성하며, 이 SEM 이미지는 이미지 위치들의 선택 서브복수에서만 충분한 시간 동안 SEM 빔이 머무른다는 것을 제외하면 전적으로 전통적인 방식에서 획득된다. 전통적인 SEM에서처럼, 단일의 탐지기는 각 개별 위치로부터의 단일 전류를 기록한다. 그래서 이 방법은 Binev 등에 의해 논의된 것과 같은 압축 감지의 범례에서는 참이 아니며, 이는 상이한 공간적인 위치들 사이에서 구별하는 것이 전통적인 SEM에서와 완전하게 동일한 방식으로, 즉, 탐지기 신호를 주사 시스템에 동기시킴으로써, 여전히 결정되기 때문이다. 실제로, 이 접근 방식은 본질적으로 전통적인 방식에서 획득된 언더샘플링된 이미지들을 재구축하기 위한 이미 이용 가능한 수학적 기술들을 이용하는 정확한 예인 것으로 보인다. 대조적으로, Binev 등은 압축 감지 범례에 대한 상당히 완전한 이해를 하지만 구현에 대한 실제의 기계들 및 도구들을 설명하는 것에는 상대적으로 거의 시간을 사용하지 않는다는 것을 보여준다. 아마도 이것 때문에, Binev 등은 본 발명 개시에서 설명된 시스템 및 방법을 모든 공개된 문헌과 구분하는 하나의 기본적인 통찰력에 도달하지 못했다: 즉, 일단 비전통적인 수단을 통해 공간적인 해상도를 달성하기 위한 압축 감지 기술들을 사용하면, 단일-채널 탐지기를 이용하여 달성할 수 있는 것에 대한 정보 처리량을 극적으로 증가시키기 위해서 상대적으로 낮은 속도에서 동작하는 큰 (그러나 더 일반적으로는 대용량의) 병렬의 탐지 시스템을 사용하는 것을 사양하지 않는다 (이는 그것이 픽셀 당 하나의 획득이 아니라 스캔 당 단 하나의 획득을 할 것을 필요로 하기 때문이다). Binev 등에 의한 공개에서의 모든 분석은 신호 수집이 여전히 전통적인 방식으로, 예를 들면, 표준의 단일-채널 HAADF-STEM 탐지기를 이용하여 수행된다는 것을 가정하는 것으로 본질적으로 나타난다. 대조적으로, 본 발명 개시에서 제안된 상기 시스템 및 방법은 압축 감지를 (단일-채널 탐지기를 사용하는) HAADF-STEM이 아니라, 유효한 수백, 수천 또는 심지어는 수백만의 채널들을 구비한 탐지기들을 사용하는 STE-EDX, STEM-EELS, 및 STEM-회절을 포함하지만 그것들로 제한되는 것은 아닌 더 높은 치수의 획득 모드들에 적용한다. 그래서, 요컨대, 본 발명 개시에서의 상기 시스템 및 방법은 수백, 수천 또는 수백만의 압축 감지된 STEM 획득들을 동시에 수행하기 위해 탐지기에서 병렬화 (parallelism)를 사용할 수 있다. 이것은 모든 이전에 개시되거나 공개된 탐지 시스템들과는 상이한 아주 크게 그리고 아주 근본적인 차이이다.

상기 고속 빔 변조기 서브시스템 (14)은 여러 확립된 기술들을 경유하여 구현될 수 있을 것이다. 예를 들면, 전자총 (18) 전류의 빠른 변조는 필드-방사-총 추출 전극 (20) 상 또는 단색광 분광기 (monochromator) 내 하나 또는 그 이상의 전극들 상에서와 같은 정전기 요소들 상의 전압들의 변조를 통해 달성될 수 있을 것이다. 현대의 임의 파형 생성기들 및 광대역 고-전압 증폭기들은 1 GHz에 달하는 변조 주파수를 가진 필요한 전기 신호들을 제공할 수 있으며 그리고 상기 전자-빔 스캔을 제어하는 상기 시스템 (10)으로부터 타이밍 트리거를 받아드리도록 쉽게 프로그램될 수 있다. 이 전압 신호는 바람직하게는 적어도 약 60 kV 이거나 또는 그라운드 전위와는 거리가 먼 전극들에 인가되어야만 하며, 그리고 이것은 표준의 TEM 컴포넌트들을 상대적으로 간단하게 수정하여 달성된다. 상기 전차총은 임의-파형 레이저에 의해 구동된 광전음극 (photocathode)에 또한 기초할 수 있다.

조명의 강도를 변경하는 다른 방법은 전체 스캔의 과정에 걸쳐 스캔 변조기 서브시스템 (21) (도 1)을 이용하여 미리 정의된 패턴에서 다시 각 레스터 스캔의 속도를 순간적으로 여러 차례 변경하는 것을 포함할 수 있을 수 있을 것이다. 더욱 일반적으로, 벡터 그래픽 디스플레이와 유사한 고속 전자 시퀀싱 시스템을 이용하여 코일들을 스캔하기 위해 변하는 속도들 및 방향들을 가진 임의 스캔 패턴이 정의되고 적용될 수 있을 것이다. 그런 스캔-변조 시스템 (21)은 자기 자신 상에서 또는 전자-빔-전류 변조와 결합하여 동작되어, 샘플에서 원하는 임의적인 강도 패턴을 산출한다. 또한, 조명의 강도를 변경하는 다른 잠재적인 방법은 독립적으로 게이트된 (gated) 이미터들의 큰 어레이를 구비한 전자총을 이용하는 것을 포함할 수 있다.

도 2를 참조하면, 도 1의 STEM 시스템 (10)을 이용하여 수행될 수 있을 다양한 동작들의 상위 레벨의 흐름도 (100)가 제시된다. 참조번호 102의 동작에서, 샘플 (28)의 적어도 대부분에 걸쳐, 그리고 더욱 바람직하게는 전체 샘플에 걸쳐서 희미한 그리고 밝은 전자-조명 구역들의 임의 패턴을 산출하기 위해 전자 빔 주사 시스템 (12)이 사용될 수 있다. 참조번호 104의 동작에서, 상기 샘플 상 미리 선택된 위치들에서 생성된 신호 (에를 들면, 회절 패턴, EELS 또는 EDX)는 TEM 카메라 (30) 또는 EELS 분광계 (32) 또는 EDX 탐지기 중 어느 하나를 이용하여 수집된다. 참조번호 106의 동작에서, 상기 스캔의 결과들은 데이터 세트 내에 기록된다. 참조번호 108의 동작에서, 원하는 개수의 스캔들이 수행되었는가의 여부가 체크된다. 수행되지 않았다면, 참조번호 102 - 108의 동작들이 반복된다. 원하는 개수의 스캔들이 완료되었다면, 참조번호 110의 동작에서 표시된 것처럼, 데이터 세트를 재구축하는 것을 수행하기 위해 컴퓨터 (36)가 사용된다.

상기 시스템 (10)을 이용하여, N-픽셀 이미지에 대해, 전통적인 STEM을 위한 N에 비해서 보통은 0.1N 내지 0,2N 개 획득들이 압축성 스캐닝을 이용하여 일반적으로 얻어질 필요가 있을 것이다. 래스터 스캐닝은 전통적인 STEM 시스템으로 가능할 수 있을 것보다 아주 더 빠르게 또한 수행될 수 있을 것이며, 이는 래스터 스캐닝이 픽셀 당 하나의 획득 대신에 스캔 당 하나의 획득을 할 것만을 필요로 하기 때문이다. 심지어 표준의 전자기 스캐닝 코일들을 이용한다고 해도 전통적인 STEM에서 스캔 속도를 한정하는 것은 스캐닝 시스템이 아니라 탐지기인 것은 매우 자주 그렇다; (예를 들면, 스트리크 카메라들 (streak cameras)에서 사용되는 것 같은) 정전기 스캐닝 플레이트들은 매우 더 빠를 수 있으며, 그래서 전체 스캔이 밀리초 내에 순식간에 완료되는 것을 잠재적으로 가능하게 한다. 예를 들면, HAADF-STE에서, 형광 감쇠 시간 (phosphor decay time)은 최적으로는 드웰 시간 (dwell time)을 픽셀 당 아마도 자그마치 일 마이크로초까지로 제한하며, 이 경우 픽셀 당 10 - 100 마이크로초가 더욱 전형적인 값이다. STEM-회절에서, 카메라 판독은 픽셀 당 수 밀리초 또는 심지어는 수 초 걸리며, 그래서 큰 고해상도 스캔들은 여러 시간 걸릴 수 있으며, STEM-EELS 및 STEM-EDX는 비슷하게 수 밀리초부터 수 초까지의 전형적인 드웰 시간을 가질 것이다. 상기 시스템 (10)을 HAADF-STEM의 경우에 적용하는 것은 상기 샘플로의 5 내지 10배 더 작은 전체 전자 조사량 (electron dose)을 이용하여, 그리고, 전자 제어 시스템의 특성들에 따라서는, 마찬가지로 잠재적으로 더 낮은 전체 획득 시간 동안에 본질적으로 동일한 이미지가 획득되도록 허용해야 한다. 또는 상기 시스템 (10)은 HAADF-STEM 획득에서 전통적으로 사용되는 것에 필적하는 전체 전자 조사량을 이용하여 STEM-회절 데이터 세트를 획득하기 위해 사용될 수 있으며, 그래서 전자 당 더욱 많은 정보를 얻는다. 일반적으로, 상기 압축성-감지 접근 방식은 각 전자에 의해 제공된 정보를 더욱 많이 이용하게 하여, 획득된 정보의 노출 시간, 픽셀 카운트, 방사선 손상, 또는 정성적인 유형들에 있어서 사용자가 이 유리함을 어떻게 배정하는가를 결정하도록 허용한다.

상기 시스템 (10)의 다른 유리함은 상기 시스템을 사용하는 것이 상기 후-측정 재구축이 어디에서 그리고 언제 발생하는가에 독립적이라는 것이다. 실제로, 충분한 컴퓨팅 능력을 구비하면, 상기 후-측정 재구축은 심지어 데이터 획득 (즉, 복수의 마스크들을 이용한 스캐닝)이 계속하고 있는 동안에도 잘 진행될 수 있을 것이다.

상기 마스크들을 조정 (calibration)하는 것은 적어도 두 방법들 중 하나를 이용하여 수행될 수 있을 것이다. 첫 번째 조정 방법은 어떤 샘플도 존재하지 않을 때에 상기 시스템 (10)을 이용하고, 그리고 (상기 샘플과 상기 카메라 사이에 배치되며, 상기 도면에는 도시되지 않은 투과 전자 현미경 (transmission electron microscope) 내에 보통 존재하는 렌즈들을 이용하여) 실제-공간 이미지 모드에서 동작하는 STEM 시스템 (10)을 구비하여 각각의 변조된-스캔 패턴을 생성하는 것일 수 있다. 이것은 각각이 TEM 카메라 (30)로 캡쳐된 각 변조된-세기 (modulated-intensity) 마스크의 실제-공간 이미지를 직접적으로 산출할 것이다. 두 번째 방법은 상기 변조된-세기 마스크들이 적절한 정밀도로 미리 계산될 수 있을 충분한 정밀도로 상기 스캐닝 시스템 (12)을 설계하는 것일 수 있다. 상기 두 번째 방법의 결과들은, 상기 첫 번째 방법을 이용한 여러 차례의 테스트들 이후에만 신뢰할 수 있는 것으로 간주될 수 있을 것이다.

몇몇의 예들에서, 상기 데이터 세트를 획득하는 동안의 상기 샘플 (28)의 물리적인 드리프트 (drift)에 대해 보상하기 위해 적합한 측정들을 하는 것이 선호될 수 있을 것이다. 이것을 실행하기 위한 한 가지 표준적인 방식은 전통적인 STEM 스캔을 주기적으로 실행하고, 상기 결과인 이미지를 이전의 그런 이미지에 정렬시키며, 그리고 상기 마스크의 수학적인 모델의 좌표 시스템을 적절하게 시프트시키는 것에 의하는 것이다. 잠재적으로, 마스크를 이용한 진보된 수학적인 재구축 기술들은 샘플 드리프트를 탐지할 수 있도록 설계되어 수행될 수 있을 것이다. 예를 들면, 두 개의 마스크들이 공간적인 변환을 제외하고는 동일하게 보인다면, 이 두 개의 마스크들을 이용하여 수행된 측정들 사이에서의 교차 상관 (cross-correlation)은 상기 드리프트에 관한 몇몇의 정보를 제공한다. 믹스에서 그런 변환-쌍들의 충분한 개수를 이용하여, 그리고 상기 드리프트 속도는 시간에 따라서만 늦어지게 변한다고 가정하여, 상기 드리프트에 대해 높은 정밀도의 추정을 동시에 산출하면서 상기 이미지를 잠재적으로 재구축할 수 있을 것이다. 이 드리프트 보상 기술의 여러 다른 변이들이 잠재적으로 구현될 수 있을 것이라는 것이 인정될 것이다.

본 발명 개시의 상기 시스템 (10) 및 방법의 성공적인 구현은, 고-해상도 이미지를 위한 널리 사용되는 기술이며, 많은 애플리케이션들을 위해서는 쓸모없는 전통적인 HAADF-STEM을 제공하기 위한 가능성을 가진다. 이것은 STEM-회절 획득이 HAADF-STEM 획득보다 분명하게 더욱 많은 정보를 가지기 때문이다. 실제로, 회절 패턴을 캡처할 수 있는 현재 이용 가능한 2D 카메라들이 HAADF-STEM에서 사용되는 아주 더 빠른 단일-픽셀 탐지기에 의해 허용된 스캔 레이트들에서 아주 너무 느리게 동작하기 때문에 HAADF-STEM이 사용될 뿐이라고 가정하는 것은 비합리적일 것일 수 있다. 본 발명 개시의 상기 압축성 STEM 시스템 (10)은 상기 2D 데이터 세트를 생성하기 위해 상이한 마스크들을 이용하는 고도로 최적화된 방식으로 상기 데이터를 획득함으로써 이런 한계를 우회한다.

본 발명 개시의 상기 시스템 (10) 및 방법은 매우 높은 공간적인 해상도에서 방사선-감지 물질들의 영상화 및 분석을 가능하게 하고 그리고/또는 향상시킬 수 있는 가능성을 또한 가진다. 상기 샘플에 의해 각 전자에게 전해진 정보를 더 잘 이용함으로써, 주어진 레벨의 해상도 및 품질의 데이터 세트를 산출하기 위한 전체 전자 노출의 양은 5 내지 10의 팩터로 잠재적으로 축소될 수 있을 것이다. 현대의 STEM 분석에서 도구의 성능보다도 샘플의 안전성에 의해 해상도 한계가 아주 자주 지시되기 때문에, 이것은 매우 귀중한 유리함이다. 이것은 생물학적 물질들 그리고 낮은 원자 번호들 및/또는 쉽게 끊어지고 자체-보수는 있을 것 같지 않은 결합들이라는 특징을 가진 다른 물질들의 영역에서 특히 그렇다.

다양한 실시예들이 설명되었지만, 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 본 발명 개시에서 벗어나지 않으면서 만들어질 수 있을 수정들 또는 변이들을 인식할 것이다. 상기 예들은 다양한 실시예들을 예시하며 그리고 본 발명 개시를 제한하려고 의도된 것이 아니다. 그러므로, 상기 설명 및 청구항들은 적절한 종래 기술의 관점에서 필요한 그런 제한만을 구비하는 것으로 자유스럽게 해석되어야 한다.

Claims

주사 투과 전자 현미경 (scanning transmission electron microscopy (STEM)) 시스템으로서:
실질적으로 전체 샘플에 걸쳐 복수의 전자 빔 스캔들을 생성하도록 구성된 전자 빔 스캐닝 시스템으로, 각 상기 스캔은 상기 스캔의 코스에 걸쳐 전자-조명 강도 (intensity)에 있어서 변하는, 전자 빔 스캐닝 시스템;
상기 스캔들로부터 이미지를 얻기 위한 신호 획득 시스템으로, 상기 이미지는 상기 이미지를 포함하는 모든 픽셀들의 선택 서브복수 (subplurality) 또는 선형 조합 중 적어도 하나로부터의 정보만을 나타내며, 그리고 그 정보로부터 데이터세트를 산출하는, 신호 획득 시스템; 그리고
전통적인 STEM 획득에서 각 픽셀에 의해 산출되었을 실제의 정보를 예측하기 위해 상기 데이터세트를 수학적으로 분석하는 서브시스템을 포함하는, 주사 투과 전자 현미경.
제1항에 있어서,
상기 서브시스템은 압축 감지 (compressive sensing)와 연관된 수학적 방법을 이용하여 상기 데이터세트의 수학적인 재구축을 수행하도록 구성된, 주사 투과 전자 현미경.
제1항에 있어서,
상기 전자-조명은 상기 각 스캔의 상기 코스에 걸쳐 랜덤하게 변하는, 주사 투과 전자 현미경.
제1항에 있어서,
상기 전자 빔 스캐닝 시스템은 상기 시스템의 전자총에 인가된 전력을 변경하여 전자-조명 강도에서의 변이를 생성하도록 구성된, 주사 투과 전자 현미경.
제1항에 있어서,
상기 전자 빔 스캐닝 시스템은 상기 각 스캔의 스피드 및/또는 패턴 중 적어도 하나를 변경하여 전자-조명에서의 변이를 생성하도록 구성된, 주사 투과 전자 현미경.
주사 투과 전자 현미경 (STEM) 시스템으로서:
샘플에 방향이 정해진 전자 빔 스캔들의 시퀀스를 생성하기 위한 전자 빔 스캐닝 시스템으로, 상기 전자 빔 스캔 각각은 마스크를 생성하는 상기 스캔의 코스에 걸쳐 공간적으로 변하는 전자-조명 강도를 가지는, 전자 빔 스캐닝 시스템;
이미지를 얻기 위한 신호 획득 서브시스템으로, 상기 이미지는 상기 이미지의 모든 이용 가능한 픽셀들의 서브복수 (subplurality) 또는 선형 조합 중 적어도 하나로부터의 정보를 나타내며, 그리고 상기 신호 획득 서브시스템은 상기 정보로부터 데이터 세트를 산출하는, 신호 획득 시스템; 그리고
상기 이미지 내 각 개별 픽셀로부터 획득되었을 실제의 정보를 예측하기 위해 상기 데이터 세트를 수학적으로 분석하도록 구성된 컴퓨터를 포함하는, 주사 투과 전자 현미경.
제6항에 있어서,
상기 신호 획득 서브시스템은 투과 전자 현미경 (transmission electron microscopy (TEM)) 카메라를 포함하는, 주사 투과 전자 현미경.
제6항에 있어서,
상기 신호 획득 서브시스템은 전자 에너지 손실 분광계 (electron energy loss spectrometer (EELS))를 포함하는, 주사 투과 전자 현미경.
제6항에 있어서,
상기 신호 획득 서브시스템은 에너지 분산 X-레이 분광계 (energy-dispersive x-ray spectrometer (EDX 분광계))를 포함하는, 주사 투과 전자 현미경.
제6항에 있어서,
상기 전자 빔 스캐닝 시스템은 제어되어, 상기 시스템의 전자총에 인가된 전력 출력이 상기 각 스캔의 코스에 걸쳐 변하며, 그래서 전자-조명 강도에서의 변이를 제공하도록 하는, 주사 투과 전자 현미경.
제6항에 있어서,
상기 각 스캔의 속도 또는 패턴 중 적어도 하나는 상기 스캔의 코스에 걸쳐 변하도록 상기 전자 빔 스캐닝 시스템은 제어되어, 그래서 전자-조명 강도에서의 변이를 제공하는, 주사 투과 전자 현미경.
제6항에 있어서,
상기 빔 변조기 서브시스템은 전자총의 전류 출력 또는 전압 출력 중 적어도 하나를 변하게 하는 고속 빔 변조기 서브시스템을 포함하여, 전자-조명 강도에서의 변이를 산출하는 것을 돕는, 주사 투과 전자 현미경.
제7항에 있어서,
상기 TEM 카메라는 상기 각 마스크에 의해 산출된 회절 패턴을 얻는, 주사 투과 전자 현미경.
제8항에 있어서,
상기 EELS는 손실 스펙트럼을 제공하는, 주사 투과 전자 현미경.
제9항에 있어서,
상기 EDX 분광계는 X-레이 발광 스펙트럼을 제공하는, 주사 투과 전자 현미경.
제6항에 있어서,
상기 전자 빔 스캐닝 시스템은 프로브-형성 (probe-forming) 렌즈 그리고 상기 전자 빔 스캔들 각각의 움직임 제어 및 초점 형성을 위한 복수의 스캐닝 코일들을 포함하는, 주사 투과 전자 현미경.
제6항에 있어서,
상기 컴퓨터는 압축 감지와 연관된 수학적 기법을 이용하여 재구축을 수행하여 상기 데이터 세트를 수학적으로 분석하도록 구성된, 주사 투과 전자 현미경.
주사 투과 전자 현미경 (STEM)을 실행하는 방법으로서:
실질적으로 전체 샘플에 걸쳐 복수의 전자 빔 스캔들을 수행하는 단계로서, 각 상기 스캔은 상기 스캔의 코스에 걸쳐 전자-조명 강도에 있어서 변하는, 수행 단계;
스캔들로부터 정보의 이미지를 획득하며, 상기 이미지는 그 이미지를 포함하는 모든 이용 가능한 픽셀들의 선택 서브복수 또는 선형 조합 중 적어도 하나에만 속하며, 그리고 상기 정보로부터 데이터세트를 산출하는 단계; 그리고
상기 이미지 내 각 개별 픽셀에 의해 산출되었을 실제의 정보를 예측하기 위해 상기 데이터 세트를 수학적으로 분석하는 단계를 포함하는, 방법.
제18항에 있어서,
상기 스캔의 코스에 걸쳐서 전자-조명 강도를 변하게 하는 것은, 전자총에 전력을 공급하여 전자 빔 스캔들을 산출하는 파워 서플라이의 전력 출력을 변하게 하여 달성되는, 방법.
제18항에 있어서,
상기 스캔의 코스에 걸쳐서 전자-조명 강도를 변하게 하는 것은 상기 스캔의 코스에 걸쳐서 각 전자 빔 스캔의 속도 또는 패턴 중 적어도 하나를 변하게 하는 것을 포함하며, 그래서 전자-조명 강도에서의 변이를 제공하는, 방법.
제18항에 있어서,
상기 전자-조명 강도는 상기 각 스캔의 코스에 걸쳐 랜덤으로 변하는, 방법.
제18항에 있어서,
상기 데이터세트를 수학적으로 분석하는 상기 단계는 상기 데이터세트에 관한 압축 감지와 연관된 수학적 기법을 이용하여 재구축을 수행하도록 단계를 포함하는, 방법.