JP2014107274A - 荷電粒子顕微鏡内で試料の断層撮像を実行する方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】相対的に微細な体積構造を含む試料での透過型荷電粒子顕微鏡観察をより満足行くように行える方法を提供する。
【解決手段】荷電粒子顕微鏡で試料の断層撮像を実行するために、傾斜した試料ホルダ上の試料に荷電粒子ビームを照射し透過ビームを画像検出器で検出し試料の画像を生成及び取得する段階、一連の試料傾斜の各傾斜でこの処理を繰り返し、対応する画像の組を取得する段階、再構成段階で、前記組に含まれる画像を数学的に処理することで、前記試料の複合画像を構築する段階を有する。前記撮像段階では、所与の試料傾斜について、一連の成分画像が、対応する一連の焦点設定で取得され、前記再構成段階では、前記一連の試料傾斜のうちの少なくとも1つの傾斜で、前記一連の成分画像のうちの複数の成分画像が、前記画像を数学的に処理する段階において用いられる。この結果、所与の試料傾斜では2D撮像シートではなく3Dの立方体が描画される。
【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、荷電粒子顕微鏡内で試料の断層撮像を実行する方法に関する。当該方法は、
− 粒子光学軸に沿って進行する荷電粒子ビームを供する段階、
− 前記ビームに対して傾斜可能な試料ホルダ上に前記試料を供する段階、
− 撮像段階において、前記試料を通過するように前記ビームを導くことで、画像検出器での前記試料の画像を生成及び取得する段階、
− 一連の試料傾斜の各傾斜でこの処理を繰り返すことで、対応する画像の組を取得する段階、
− 再構成段階において、前記組に含まれる画像を数学的に処理することで、前記試料の複合画像を構築する段階
を有する。
本発明はまた荷電粒子顕微鏡にも関する。当該荷電粒子顕微鏡は、
− 粒子光学軸に沿って進行する荷電粒子ビームを生成する荷電粒子源、
− 試料の保持及び位置設定を行う試料ホルダ、
− 前記試料の画像を生成するように前記試料を通過するように前記ビームを導く荷電粒子レンズ系、
− 撮像段階において前記画像を取得する画像検出器、
− 前記試料に対する前記ビームの焦点設定を調節する装置、
− 再構成段階において、入力画像を数学的に処理して、出力となる再構成画像を生成するコンピュータプロセッサ、
を有する。
簡明さと一貫性を保証するため、本願において用いられている以下の語句は、次のように解されなければならない。
− 「荷電粒子」という語は、電子又はイオンを指称する（一般的には、たとえばガリウムイオン又はヘリウムイオンのような正のイオンだが、負イオンも可能である。問題のイオンは電荷を有する原子又は分子であって良い）。この語はまたたとえば陽子をも指称して良い。
− 「荷電粒子顕微鏡(CPM)」という語は、一般に裸眼で満足できるように詳細を見るには小さすぎる対象物、特徴部位、又は部材の拡大像を生成するのに用いられる装置を指称する。撮像機能を有することに加えて、係る装置はまた、加工機能をも有して良い。たとえば係る装置は、試料から材料を除去すること（「ミリング」又は「アブレーション」）により、又は前記試料に材料を加えること（「堆積」）により、前記試料を局所的に改質するのに用いられて良い。前記撮像機能及び加工機能は、同一種類の荷電粒子によって供されても良いし、又は、異なる種類の荷電粒子によって供されても良い。たとえば集束イオンビーム(FIB)顕微鏡は、加工目的で（集束された）イオンビームを用い、かつ撮像目的で電子ビームを用いる（所謂「デュアルビーム」顕微鏡たとえばFIB−SEM）。あるいはFIB顕微鏡は、相対的に高いエネルギーのイオンビームによって加工を行い、かつ、相対的に低いエネルギーのイオンビームによって撮像を行って良い。
− 「荷電粒子レンズ系」という語は、荷電粒子ビームを操作することで、その荷電粒子ビームをある程度集束若しくは偏向させ、たとえば、かつ/又はその荷電粒子ビーム内の収差を緩和するのに用いることのできる1つ以上の静電レンズ及び/又は磁気レンズからなる系を指称する。（様々な種類の）従来のレンズ素子に加えて、荷電粒子レンズ系（粒子光学鏡筒）はまた、偏向器、非点収差補正装置、多極子、開口（瞳）板等の素子をも有して良い。
− 本願において「一連の各異なる試料傾斜」は、様々な形態をとって良い。具体的には、係る一連の各異なる試料傾斜のうちの連続する試料傾斜間での傾斜の増分は均等でも良いし不均等であっても良い。傾斜の増分が不均等な例には、EST（等傾斜断層撮像）と所謂Saxton傾斜増分法が含まれる。ESTでは、傾斜（傾斜の正接）が均等に増大する。Saxton傾斜増分法では、（試料表面に対して測定される）傾斜値が大きな値となる方向に進行する際に、小さな傾斜増分が用いられる。荷電粒子ビームと試料表面とのなす角（仰角）の参照に加えて、「傾斜」とは、方位角−つまり試料と交差する粒子光学軸の周りでの試料の回転位置−をも指称しうる。よって傾斜値の変化は、この軸の周りでの試料の各独立した1つ以上の回転を含んで良い（たとえば所謂「二重軸」、「多重軸」、及び「錐体傾斜」断層撮像の場合のような）。一連の傾斜における増分の数は一般に任意である。
このような考え方は当業者にはよく知られている。
以降では、特定の電子顕微鏡を例にとって本発明を説明する。しかしそのような説明は単なる説明目的に過ぎず、限定と解されてはならない。
電子顕微鏡は、ミクロな対象物を撮像する周知の技術である。電子顕微鏡の基本概念は、たと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)のような多数の種類の周知装置、並びに、たとえば「デュアルビーム」装置（さらに「加工用」イオンビームを用いることで、たとえばイオンビームミリング又はイオンビーム誘起堆積の支援を可能にする）様々な改良装置に進化してきた。従来の電子顕微鏡では、撮像ビームは、所与の撮像期間中での所定時間「オン」状態である。しかし、比較的短い電子の「フラッシュ」又は「バースト」に基づいて撮像する電子顕微鏡もまた利用可能である。そのような方法は、たとえば動く試料又は放射感受性を有する試料の撮像を試みるときに利点となる可能性を秘めている。STEMは専用の装置であっても良いし、又は、（たとえばある（専用の）偏向器/検出器/ソフトウエアを用いることによって可能となる）所謂「走査モード」で用いられるTEMであっても良いことに留意して欲しい。
本発明は、たとえばTEM又はSTEMのような、用いられる荷電粒子ビームが試料を通過するCPMに関する。ビームを（十分）に透過させるため、試料は相対的に薄くなければならず（たとえば含まれる材料に依存して0.1μm〜数μm）、かつ、用いられる荷電粒子は一般的に高いエネルギーにまで加速される（たとえば1〜500keVのオーダーでさらにはMeV範囲のエネルギー）。しかしそのような薄い試料を本質的に2次元(2D)と見なすことができるが、一般的にはそのような薄い試料の内部には重要な3次元(3D)情報が存在する。たとえば典型的な生体細胞は例外的に薄い対象物だが、その体積内部には詳細な内部構造を含んでいる。従来のTEM（又はSTEM）によるそのような構造の観察によって、この3D情報の2D投影が描画される。その結果体積情報が失われる。換言すると、係る試料を透過する荷電粒子は、試料内部の様々な深さからのコントラスト情報を含む。しかしこの情報は、結果として得られた2D画像内で重畳されている。これが用途によっては（たとえば存在する一般的な構造の種類/形状のおおよその特定）許容されることもあるが、より重要な用途（たとえば細胞内のミトコンドリアの詳細が可視化が必要な場合）において要求される基準は満たされない。生物学の例をここでは取り上げたが、上記の議論は、他の分野−たとえば鉱物学/岩石学、金属学、及び半導体製造−にも当てはまる。
この問題を解決するため、断層透過型顕微鏡の利用が考えられ得る。この方法では、上述の重畳画像の「もつれをほぐす」（空間的に分解する）ため、試料中の前方の構造と後方の構造とを区別することを可能にするようなある種の視差データが必要となる。そのような視差データは、入射荷電粒子ビームに対して様々な傾斜で試料を撮像する−これは様々な視線に沿って見ることと等価である−ことによって供されうる。この傾斜の異なる画像の組を深さ分解複合画像へデコンボリューションするため、「再構成」と呼ばれる数学的処理が必要となる。しかしそのような方法は試料の3D（複合）画像の生成には成功するが、その解像度は、現時点では、不十分であることが知られている。
欧州特許出願第1628321A2号明細書
http://en.wikipedia.org/wiki/Contrast_transfer_function P. Gilbert, Journal of Theoretical Biology, Volume 36, Issue 1, July 1972, Pages 105−117(http://www.vcipt.org/pdfs/wcipt1/s2_1.pdf) http://en.wikipedia.org/wiki/Algebraic_reconstruction_technique A.C. Kak and Malcolm Slaney, Principles of Computerized Tomographic Imaging, IEEE Press, 1999 3−D Image Processing Algorithms by Nikos Nikolaidis and Ioannis Pitas, ISBN 0471377368, October 2000
本発明の目的は、上記問題を解決することである。より具体的には、本発明の目的は、相対的に微細な体積構造を含む試料での透過型荷電粒子顕微鏡観察をより満足行くように行える方法を供することである。しかも本発明の目的は、従来の断層透過型顕微鏡よりも正確及び/又は多目的な方法を供することである。
上記及び他の目的は、「技術分野」に記載の方法であって以下の特徴を備える方法によって実現される。
− 前記撮像段階では、所与の試料傾斜について、一連の成分画像が、対応する一連の焦点設定で取得される。
− 前記再構成段階では、前記一連の試料傾斜のうちの少なくとも1つの傾斜で、前記一連の成分画像のうちの複数の成分画像が、前記画像を数学的に処理する段階において用いられる。
上記特徴は、「技術分野」に記載の装置内で同様に実現される。当該装置は、以下の動作を実行するように構成（プログラム）されうる制御装置を有する。
− 前記撮像段階において、所与の試料傾斜について、一連の成分画像を対応する一連の焦点設定で取得する。
− 前記再構成段階において、前記一連の試料傾斜のうちの少なくとも1つの傾斜で、前記一連の成分画像のうちの複数の成分画像を用いて前記画像を数学的に処理する。
本明細書で用いられている「焦点設定」は、前記試料内での所与の基準高さに対するビームの焦点の位置（前記粒子光学軸に対して垂直で所与の基準地点を通る面）を指称することに留意して欲しい。前記焦点設定はたとえば、以下の方法のうちの1つ以上を用いて修正されて良い。
− 前記ビームの集束に用いられる少なくとも1つのレンズ素子の焦点パワーを変化させる（たとえば補助レンズ素子のオン又はオフの変更も含まれうる）
− （たとえば圧電性アクチュエータを用いて）前記粒子光学軸に沿って前記試料の位置を変化させる
− 前記粒子光学軸に沿って少なくとも1つのレンズ素子の位置を変化させる
当業者はこれらの考え方をすぐに理解する。
本発明によると、一連の焦点設定を利用して、各試料傾斜値で対応する一連の成分画像を取得することによって、多くの利点が得られる。これらをより詳細に説明するため、以下のような直交座標を用いることにする。
− z軸は前記ビームの粒子光学軸の方向に沿う方向とする。
− x軸は前記試料の傾斜軸に沿う方向とする。
その結果以下のような知見が得られる。
− 従来、各撮像段階は傾斜した試料で実行されたので、前記試料のすべての部分が同時に所与の焦点状態（たとえば焦点が合っている又は多少焦点がずれている）を有することはない。原則として、所与の焦点状態では、前記試料上でy座標のみがその状態を有する。従って従来技術に係る透過型断層撮像では、前記試料の所与の（表面）「層」又は「高さ」の数学的に再構成された画像は典型的には、（混合した「ちらつき」を含むデータを処理する結果として）最善ではない解像度と誤差を含むパワースペクトルを有していた。しかし本発明によると、焦点設定が各撮像段階中に変化する場合、前記試料上の複数のy座標{Cy}を、選ばれた焦点状態で再構築することを可能にする3D撮像立方体を取り込むことができる。このことは、本発明を実施することによって、以下のような効果が得られることを意味する。
− 所与の層/高さが、基本的に均一な焦点状態を示すように再構成されうる。このとき、解像度は実質的に高くなり、かつ、パワースペクトルはより安定する。
− 所与の層/高さが再構成される焦点状態を選ぶことが可能となる。たとえば最善の焦点及び様々な焦点ずれの状態で所与の層/高さの画像を再構成することが可能となる。
この利点を最善の効果に利用するように、用いられた一連の焦点設定の極値及び増分のサイズは、巧く計画することができる。たとえば前記の傾斜した試料のz方向での空間的な広がりの大きさ（つまり前記試料の傾斜面の最高地点と最低地点とのz軸上での差）を含むように、用いられた焦点設定の範囲（つまり）を有利となるように選ぶことができる。このようにして、上述した本発明の画像再構成は、前記試料のy座標全体に適用されうる。しかも所与の一連の焦点での隣接する焦点設定間の増分が小さくなればなるほど、本発明の画像再構成の解像度は向上する（{Cy}における隣接点が互いに近づく）。
− 他の利点は、得られた画像の信号対雑音比(SNR)に関する。所与の試料傾斜では、本発明の3D撮像立方体の成分画像のSNRは、同一の曝露時間の従来技術に係る単一焦点画像のSNRと同程度である。しかし本発明の3D撮像立方体からの複数の成分画像を共に加えることによって、SNRは改善されうる。単純な予想例では、「単純な」追加が用いられて良い。しかしこの単純な追加は一般に、成分画像毎に焦点設定が異なることに起因するちらつき効果を引き起こす。しかしより洗練された方法では、成分画像は、各成分画像のコントラスト伝達関数(CTF)を考慮するように合わせられる。その結果、顕著なちらつきを起こすことなくSNRが改善される。非特許文献1に記載されているように、当業者はCTFの基本概念を理解している。
− さらに他の利点は以下のように説明することができる。焦点を変数として取り扱って、撮像データを焦点の関数として一緒にすることによって、上述の数学的デコンボリューション/再構成問題を解決するのに用いることのできる変動パラメータの数が増える。このことは、複数の連立方程式を解く必要のある問題にたとえることができる。しかし変数の数は利用可能な方程式の数を超える。方程式の数が増えることで、対応する解の空間のサイズが減少することになる。その結果解くべき問題が単純化される。
上記及び他の利点は以降で詳述する。
本発明によると、所与の試料傾斜での撮像段階は、単一の画像ではなく様々な焦点設定での一連の成分画像全部を取得する段階を含む。しかし相対的に高速/高感度の検出器（たとえば適切なCMOS検出器）が用いられる場合、本発明の撮像段階の期間及び前記試料が曝される合計照射量は、従来技術に係る単一画像を取得する方法よりも大幅に増大させなくて良い。
本発明の特別な実施例では、前記粒子光学軸と前記試料の相対位置は、前記撮像段階中実質的に一定に保持される。換言すると、前記撮像段階は、前記試料の表面に沿った前記ビームの走査運動を含まない。これはたとえばTEMの状態である。しかし本発明は、前記撮像段階中に前記粒子光学軸と前記試料の相対位置が、前記ビームを前記試料に沿って走査させることによって変化する用途にも適している。そのような用途は以下である。
− STEM。これは、透過型顕微鏡を用いる点で従来のTEMと似ているだけではなく、相対的に狭いビームを試料にわたって走査させることによって画像を構築する点でもある程度似ている。STEMでのビーム径は一般的に1つの画素の幅のオーダーである。
− 所謂TEMスポット走査。これは、（STEMのような）ビーム操作を行うが（1つの画素よりも大きいがTEMの（平行照射した）全視野よりも小さい）広いビームを利用する点でTEMとSTEMの中間である。
上記のような走査に基づく方法では、前記撮像段階は様々な方法で実行される。たとえば以下のような方法で実行されうる。
− 所与の焦点設定Fnを選択し、前記試料に対する前記ビームの走査掃引中にこの焦点設定を維持し、続いて次の焦点設定Fn+1を選択し、前記ビームの別な走査を実行し、続く焦点設定Fn+2、Fn+3等にも上記処理を実行して良い。
− あるいはその代わりに、前記試料上の所与の点では、一連の焦点設定[Fn]で一連の成分画像を取得し、続いて前記試料上の隣接する点に移り、前記一連の焦点設定[Fn]で他の一連の成分画像を取得し、前記ビームの走査経路に沿って順次各点について上記処理を実行して良い。本願において、典型的な粒子光学レンズ系（内の対物レンズ）は一般にヒステリシスを示すため、焦点設定が、前記レンズ系（の素子のパワー）を調節することによって変化する場合、前記一連の焦点設定[Fn]は、前記走査経路上の各点について同一方向に横切る−たとえば「高焦点」で開始して、焦点を下方に（前記試料のビーム入射面からビーム放出面へ向かって）移動させる−ことが好ましい。同一の一般的議論は、焦点設定が前記試料ホルダの移動によって変化する状況にも当てはまる。とはいえこの場合では、アクチュエータの設計/性能が改善することで、ヒステリシスは問題ではなくなることが分かる。STEMの場合、焦点設定は、収束レンズを適切に調節することによって変化しうる。収束レンズは、対物レンズと比較してあまりヒステリシスを示さない。
本発明では、前記一連の焦点設定[Fn]のうちの連続する焦点設定間での増分は一定である必要がないことに留意して欲しい。必要な場合には、これらの増分は可変値を有して良い。また前記一連の焦点設定[Fn]の基数（焦点設定の数）は、前記試料の各用いられる傾斜値について一定である必要はない。必要な場合には、前記一連の焦点設定[Fn]は、（各一連の焦点設定[Fn]の基数が1よりも大きい限り）（1つ以上の）異なる試料傾斜値について各異なる数の焦点設定を含んで良い。他の可能性として、本発明が前記試料のある傾斜値で適用される「混合法」の適用が選ばれて良い。しかし従来の一回測定が、前記試料のある他の傾斜値（たとえば傾斜ゼロ付近）で行われる。特別な「最大データ」法では、前記一連の試料傾斜の各試料傾斜について、取得された成分画像の全てが前記数学的画像処理で用いられる。しかし本発明はまた、必要な場合には、ある成分画像を、前記再構成処理から除去することも可能である。上記例の全ては本発明の技術的範囲内に属する。
各異なる焦点設定で一連の成分画像を取得することで、焦点設定毎に撮像パラメータの「オン・ザ・フライ(on−the−fly)」調節/最適化の実行が可能となる。本願において、本発明の特別な実施例では、前記撮像段階内での一連の成分画像のうちの各異なる成分画像では、（焦点以外の）少なくとも1つの撮像パラメータの値がそれぞれ異なる。たとえば前記一連の焦点設定[Fn]での各焦点設定（又は選ばれた焦点設定）について画像回転、倍率、画像傾斜、及び横方向の画像変位のうちの1つ以上が（再）調節/補正されて良い。より進んで方法では、たとえば成分画像/焦点設定毎に画像の歪みが個別に補正されて良い。
本発明による方法において取得される生の画像データは、様々な方法によって数学的に処理されて良い。そのような処理のある態様について以降で詳述する。
断層撮像では、対象物の一連の角投影がサイノグラムと呼ばれる。従来「再構成」と呼ばれてきた処理では、前記サイノグラムは、様々な既知の数学的方法を用いることによって、対応する複合画像（空間分解画像、3D画像、デコンボリューションされた画像の組）に処理及び変換されて良い。そのような既知の数学的方法とはたとえば以下のようなものである。
− SIRT（同時逐次再構成法）。これについてたとえば非特許文献2を参照のこと。
− DART（離散幾何学再構成法）。これについてはたとえば非特許文献3を参照のこと。
詳細な情報については、非特許文献4を参照のこと。特に非特許文献4の第3章−特に3.2と3.3−は、どのようにして所謂フーリエ切片定理が再構成処理の基礎として用いられ得るのかについて説明している。
サイノグラム再構成の分野における他の周知な方法にはたとえば、WBP（重み付け逆投影法）及びPOCS（凸射影法）が含まれる。当業者は上記方法及び他の適切な数学的再構成法をよく知っている。
本発明で用いられている方法は、特許文献1に開示された方法とは実質的に異なることに留意して欲しい。特許文献1では、様々なテスト画像が、所与の試料傾斜値について様々な焦点設定で取得される。その後これらのテスト画像は、最も満足できるコントラストを与えるテスト画像を決定するように、オペレータによって視覚的に検査される。この「最高コントラスト」のテスト画像が選ばれ、他のテスト画像は破棄される。その結果、後続の数学的処理では、1つの「最高コントラスト」焦点値だけが、試料傾斜値毎に用いられる。これは、試料傾斜値毎に複数の焦点値に基づいて再構成を行う本発明とは異なる。よって特許文献1での数学的再構成の結果は2D撮像シートであり、本発明のような3D撮像立方体ではない。
本願においては、粒子ビームが前記試料を通過する結果として画像が生成されるという事実は、画像生成を透過粒子の使用に限定しないことに留意して欲しい。たとえば散乱放射線又は2次放射線を用いて代替的/補助的に画像が生成されても良い。
本発明による方法が実行可能な荷電粒子顕微鏡(TEM)の一部の断面図を表している。 非傾斜試料の焦点勾配の現象を表している。 傾斜試料の焦点勾配の現象を表している。最高焦点の領域が左側に存在している。 傾斜試料の焦点勾配の現象を表している。最高焦点の領域が右側に存在している。図2Bと比較すると、焦点高さが調節されることで、最高焦点の領域が右側へ移動している。
ここで典型的実施例及び添付の概略図面に基づいて本発明をより詳細に説明する。
図1は、本発明による方法が実行可能な荷電粒子顕微鏡(TEM)の一部の断面図を表している。本願では、CPMはTEMである。
図示されたTEMは、真空ポンプ122と接続する管121を介して排気される真空筐体120を有する。電子銃101として表されている粒子源は、粒子光学軸（結像軸）100に沿った電子ビームを生成する。電子銃101はたとえば、電界放出銃、ショットキーエミッタ、又は熱電子エミッタであって良い。粒子源101によって生成される電子は、典型的には80〜300keVの調節可能なエネルギーにまで加速される（ただし、たとえば調節可能なエネルギーが50〜500keVの電子を用いたTEMも知られている）。続いて加速された電子ビームは、プラチナのシート内に供されたビームを制限するアパーチャ/ダイアフラム103を通過する。電子ビームをアパーチャ103に対して適切に位置合わせするため、ビームは、偏向器102の助けを借りることで移動及び傾斜されて良い。それによりビームの中心部は、軸100に沿ってアパーチャ103を通過する。ビームの集束は、最終収束レンズ105（の一部）と共に、コンデンサシステムの磁気レンズ104を用いることによって実現される。偏向器（図示されていない）は、試料の関心領域上の中心に入射するようにビームを合わせる、及び/又は試料表面全体をビームで走査するのに用いられて良い。図1では、機能を表すため、偏向器102はCPM中で相対的に高い位置に図示されていて、かつ、最終収束レンズ105は相対的に小さく図示されている。しかし当業者は、偏向器102はCPM内ではるかに低い位置で（たとえばレンズ105内部で入れ子となっていて）良いこと、及び、最終収束レンズ105は図示されているよりもはるかに大きくて良いことをすぐに理解する。
被検査試料は、投影系106の物体面111内に位置するように、試料ホルダ112によって保持される（投影系106の最上部のレンズ素子は従来対物レンズと呼ばれている）。試料ホルダ112は、様々な位置/運動の自由度（1つ以上の並進自由度、回転自由度、横方向の傾斜、縦方向の傾斜）を与え、かつ、温度制御機能（加熱又は冷却）をも有して良い。試料ホルダ112は、容器面内で静的な試料を保持する従来型の試料ホルダであって良い。あるいはその代わりに、試料ホルダ112は、水流又は他の溶液流を含むことのできる流れ面/チャネル内に、動く試料を収容する特別な型であっても良い。
試料は、投影系（投影レンズ系、投影鏡筒）106によって、蛍光スクリーン107上で結像され、かつ窓108を介して視認することができる。そのスクリーン上に生成された拡大像は典型的には、103〜106倍の倍率を有し、かつ、たとえば0.1mm以下の細部を示すことができる。蛍光スクリーン107は、蝶番109と接続し、かつ、投影系106によって生成される像が1次検出器151に衝突するように引っ込められて良い。そのような場合では、投影系106は、蛍光スクリーン107の代わりに1次検出器151上に像を生成するように（わずかに）再集束される必要があることに留意して欲しい。投影系106は概して、中間画像面（図示されていない）にて中間像をさらに生成することにも留意して欲しい。
1次検出器151はたとえば、衝突する電子を検出する電荷結合素子(CCD)又はCMOS素子を有して良い。電子を検出する代替手法として、たとえばイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)結晶（図示されていない）によって放出される光を検出するCCDが用いられても良い。このときYAG結晶はそのCCDと結合するか、又はそのCCDと光ファイバを介して接続される。そのような間接型の検出器では、YAG結晶は、電子がその結晶に衝突するときに、ある数の光子を放出し、かつ、これらの光子の一部はCCDカメラによって検出される。直接型の検出器では、電子はCCDの半導体チップに衝突して電子正孔対を生成することによって、そのCCDチップによって検出される電荷を生成する。検出器151は、処理装置（制御装置）及び表示装置（図示されていない）と接続される。
蛍光スクリーン107上及び1次検出器151上に生成される像は概して、たとえば投影系106内で生成される不完全性に起因した収差を有する。係る収差を補正するため、様々な多重極が投影系106内/付近で用いられる。係る多重極は、図面の混乱を回避するため図示されていない。しかし当業者は、多重極の設計、位置設定、及び実装についてよく理解している。
図1には偏向コイル152も図示されている。あるいはその代わりに、EFTEMと呼ばれる装置では、偏向コイル152は、上述したようにエネルギー「フィルタ」として機能しうる。このフィルタの目的は、どのエネルギー範囲の電子が所与の時間で検出器151へ収容されるのかを選ぶことである。このフィルタは、偏向コイル152によって概略的に表されている。偏向コイル152は、あるエネルギーの電子を「通過」させる一方で、他のエネルギーの電子を偏向させる。
図1は（簡略化された）TEMの概略図を示しているに過ぎず、実際には、TEMは一般的により多くの偏向器、アパーチャ等を有していることに留意して欲しい。
本発明では、図1の装置は以下のようにして用いられ得る。
(i) 試料ホルダ112に接続するアクチュエータを適切に調節することによって、粒子光学軸100に対する仰角及び/又は方位角が変化しうる。このようにして、試料ホルダ112に取り付けられた試料には様々な傾斜値が与えられ得る。必要な場合には、上述の制御装置は、断層撮像に手順において用いられる一連の各異なる試料傾斜値{Tm}で事前にプログラムされて良い。あるいはその代わりに係る値が手動で選ばれても良い。
(ii) 軸100に沿って進行するビームの焦点に対する試料ホルダ112の位置もまた様々な方法で調節されうる。従来、これは、光学鏡筒内の1つ以上のレンズ素子−たとえば収束レンズ104/105又は投影（対物）レンズ106−の光パワーを調節することによって行われて良い。しかしアクチュエータを代替的/補助的に用いることで、軸100に対して平行に試料ホルダ112の位置を微調整しても良い。(i)では、標準的な制御装置が、本発明による断層撮像測定の手順において用いられる各異なる焦点設定[Fn]で事前にプログラムされて良い。あるいはその代わりに係る値が手動で選ばれても良い。一連の焦点設定[Fn]の基数は、上述の{Tm}の基数とは異なることに留意して欲しい。
(iii) 従来のTEM断層撮像では、前記一連の傾斜から得られる各傾斜値Tmについて、撮像段階が実行される。この撮像段階では、試料の1枚の画像が1つの焦点設定で検出器151によって取得される。しかし本発明では、前記撮像段階はより複雑である。一連の成分画像[In]が検出器151によって取得される。前記一連の成分画像[In]は、一連の焦点設定[Fn]の各焦点設定につき1つの成分画像を有する。よって本発明による撮像段階は、単なる2D撮像シートではなく各傾斜値Tmでの3D撮像立方体を得る。従って所与の一連の傾斜{Tm}では、本発明による方法は、従来技術の場合よりもはるかに大きくてよりデータの豊富なサイノグラムを取得する。
(iv) 段階(iii)の結果得られるサイノグラムは、上述した数学的再構成処理を受ける。それにより3次元的/深さで空間的に分解された試料の複合画像が得られる。段階(iii)で用いられる多焦点データ取得法のため、この再構成された複合画像内で選択された層/高さの解像度は、従来技術に係る透過断層撮像よりも改善され、かつ、この再構成された複合画像内で選択された層/高さのパワースペクトルは、従来技術に係る透過断層撮像よりも予測可能性が高くなる。
(iii)及び(iv)に関しては、当業者は、(iii)で述べた典型的な3D撮像立方体内部で、試料が、一般に前記立方体のどの面とも平行ではない傾斜面Tを占めることをすぐに理解する。段階(iv)において立方体を処理するとき、データは、Tに平行な面状切片に分類されるように、前記立方体から抽出されることが好ましい。これはたとえば、処理前に適切な（傾斜依存の）座標変換を適用することによって、実現されて良い。当業者はこの点をすぐに理解する。しかしこの話題に関するより詳細な情報については非特許文献5を参照のこと。
図2は生体試料でのTEM撮像の結果を示している。より詳細にはこれらの図は、傾斜試料を撮像するときの各異なる焦点設定の効果を示している。いずれの場合でも、所与の図の面（頁の面）は、検出器上で試料を撮像するのに用いられる粒子光学鏡筒の焦点面(FP)とみなすことができる。
図2Aでは、試料は、（試料が存在する試料ホルダから離れた）表面SがFPと平行になるように設けられる。その結果S上でのすべての点では基本的に焦点が合っている。
図2Bでは、同じ試料が、SとFPで角度をなすように傾斜している。図示されているように、FPの左側領域はSによって遮断されている。そのため試料のこの部分では焦点が合っている。Sの残りの部分はFP付近（又はその上方）に位置するので、焦点が合っていない。図2Bの右側へ向かって移動することで、ちらつきの程度が徐々に増大する。
図2Cでは、表面Sが、図の面に対して垂直な軸に沿って（所与の増分だけ）変位する。その結果、これまでFPによって遮断されていた領域Sはもはや遮断されない。他方これまで遮断されていたSの他の領域は遮断されるようになる。より詳細には、FPの右側領域はSによって遮断されることで、試料のこの部分での焦点が合うようになる。Sの残りの部分はFPの上方（又は下方）に位置するので、焦点が合っていない。図2Cの左側へ向かって移動することで、ちらつきの程度が徐々に増大する。
本発明では、各撮像段階中、複数の増分が（傾斜した）SとFPの相対位置に影響を及ぼす。結果として得られた各焦点設定について試料の画像が取得される。
100 粒子光学軸（結像軸）
101 電子銃
102 偏向器
103 アパーチャ（ダイアフラム）
104 磁気レンズ
105 最終収束レンズ
106 投影系
107 蛍光スクリーン
108 窓
109 蝶番
111 物体面
112 試料ホルダ
120 真空筐体
121 管
122 真空ポンプ
151 1次検出器
152 偏向器

Claims (7)

  1. 荷電粒子顕微鏡内で試料の断層撮像を実行する方法であって、
    粒子光学軸に沿って進行する荷電粒子ビームを供する段階、
    前記ビームに対して傾斜可能な試料ホルダ上に前記試料を供する段階、
    撮像段階において、前記試料を通過するように前記ビームを導くことで、画像検出器での前記試料の画像を生成及び取得する段階、
    一連の試料傾斜の各傾斜でこの処理を繰り返すことで、対応する画像の組を取得する段階、
    再構成段階において、前記組に含まれる画像を数学的に処理することで、前記試料の複合画像を構築する段階、
    を有し、
    前記撮像段階では、所与の試料傾斜について、一連の成分画像が、対応する一連の焦点設定で取得され、
    前記再構成段階では、前記一連の試料傾斜のうちの少なくとも1つの傾斜で、前記一連の成分画像のうちの複数の成分画像が、前記画像を数学的に処理する段階において用いられる、
    ことを特徴とする方法。
  2. 前記粒子光学軸と前記試料の相対位置は、前記撮像段階中実質的に一定に保持される、請求項1に記載の方法。
  3. 前記撮像段階中に前記粒子光学軸と前記試料の相対位置が、前記ビームを前記試料に沿って走査させることによって変化する、請求項1に記載の方法。
  4. 前記撮像段階内での一連の成分画像のうちの各異なる成分画像では、焦点以外の少なくとも1つの撮像パラメータの値がそれぞれ異なる、請求項1乃至3のうちいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記一連の焦点設定の基数が、前記試料傾斜の基数とは異なる、請求項1乃至4のうちいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記再構成段階において、前記一連の試料傾斜のうちの各試料傾斜で、すべての取得された成分画像が前記数学的画像処理に用いられる、請求項1乃至5のうちいずれか一項に記載の方法。
  7. 粒子光学軸に沿って進行する荷電粒子ビームを生成する荷電粒子源、
    試料の保持及び位置設定を行う試料ホルダ、
    前記試料の画像を生成するように前記試料を通過するように前記ビームを導く荷電粒子レンズ系、
    撮像段階において前記画像を取得する画像検出器、
    前記試料に対する前記ビームの焦点設定を調節する装置、
    再構成段階において、入力画像を数学的に処理して、出力となる再構成画像を生成するコンピュータプロセッサ、
    を有し、
    請求項1乃至6のうちいずれか一項に記載の方法を実行するように構成される、
    荷電粒子顕微鏡。
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