用于调整配备有像差校正器的STEM的方法

摘要

本发明涉及用于调整配备有像差校正器的STEM的方法。本发明涉及一种用于使用晶体样品调整STEM中的C

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于调整扫描透射电子显微镜（STEM）的方法，所述STEM配备有物镜和用于校正物镜的像差的像差校正器，校正器通过激励而被激发，并且物镜聚焦到焦点值F。 

本发明进一步涉及一种用于执行所述方法的样品载体，以及这种用于执行根据本发明的方法的样品载体的使用。 

背景技术

如本领域技术人员已知的，高端STEM配备有用于校正物镜的球面像差的校正器。这样的校正器可获得自例如CEOS Gmbh., Heidelberg, Germany (CEOS)，并且集成在诸如FEI, Hillsboro, Oregon, USA的Titan 80-300的商用STEM中。 

这样的STEM用于对样品成像，例如来自晶体材料的样品。这样的样品可以是半导体样品，但是也可以是晶体碳的样品或者至少包括晶体碳的样品，晶体碳诸如例如石墨烯或金刚石，其具有或不具有内含物和堆叠错误。获得了小于50 pm（0.5埃）的分辨率，例如当沿[114]方向观察时可以分辨哑铃状的隔开47 pm的锗原子对。 

这样的校正的显微镜的问题在于，几乎不可能将显微镜调整到所需的水平。通过消除物镜的球面像差，诸如慧差、二重和三重散光的残余像差主导像差并且导致图像劣化。对于针对例如50 pm的分辨率的大部分高级仪器，即使是有经验的操作人员在将仪器调整到能够实现最佳性能的这样的水平时也具有相当大的问题。实际上，有经验的操作甚至在以受控方式获得指定分辨率的80%（例如，60 pm）时仍具有很大的困难，导致采用试错（trial-and-error）方法，该试错方法除了低效率外还需要样品接收增加的剂量，导致样品污染或者样品损坏。 

若干方法尝试解决消除这些高端STEM的残余像差的问题。这些方法中的大部分依赖于使用所谓的朗奇图（Ronchigram）。朗奇图是物体的阴影投影，其中照射射束的交叉（cross-over）距物体一定距离。典型地，STEM中的朗奇图使用距样品0.5 μm和1 μm之间的焦平面（交叉距离）。阴影图像将呈现依赖位置的放大倍率的变化。根据这些局部放大倍率的变化，可以得到像差。 

从“Rapid autotuning for crystalline specimens”, A.R. Lupini et al., Journal of Electron Microscopy, Vol. 57, No. 6 (2008) pp. 15-201中获知了一种这样的方法。在该公开文献中，描述了一种其中记录晶体样品的一个或多个图像的方法。每个图像被分成许多个子图像（补片（patch）），例如9×9个子图像，并且使用离散傅立叶变换在倒易空间（还称为傅立叶空间）中对子图像进行变换。这导致了一系列经变换的子图像，可以根据这些子图像确定周期性，并且因此确定放大倍率。 

注意，倒易空间中的晶体样品的表示类似于衍射图案并且将呈现许多斑点，其指示所述周期性。 

通过比较斑点的距离，确定局部放大倍率的变化，其接着对不同的像差有贡献。 

注意，以x和y（或者作为替选方案，r和φ）表示的放大倍率的差可以不同，并且放大倍率的差通常被表示为依赖位置的向量，而非标量。 

Lupini在他的论文中提到：利用约几十纳米的标准偏差来测量三重散光（A₂）和彗差（B₂），并且利用几μm的精度测量C₃的值。Lupini还提到：这些标准偏差具有相似的数量级，因为按申请人的观点，它们得自CEOS和NION（NION Co., Kirkland, WA, USA）的领先的商用软件套件。 

注意，朗奇图的使用也被获知用于无定形样品，参见例如美国专利第6,552,340号。然而，在该情况下不能使用样品的周期性，而是必须使用诸如自动校正的其他技术来确定局部放大倍率差。 

不幸地，如表1中所示，如前文所述，这些方法的成功仍是有限的。该表示出了达到所谓的П/4极限的最大可允许像差系数。在“Residual wave aberrations in the first spherical corrected transmission electron microscope”, S. Uhlemann et al., Ultramicroscopy 72 (1998), pp. 109-119中讨论了如这里使用的П/4极限和像差多项式二者，其通过引用合并于此。这里给出的表1与所述公开文献中的表1的不同之处在于分辨率和加速电压不同。然而，计算数值的方式是相同的。这里给出的表进一步示出了典型地通过现有技术的自动化方法获得的误差。“问题”区域以粗体、斜体、下划线的字体示出。  

表1：在300 kV的加速电压下达到П/4极限的所允许的最大像差系数极限，以及最佳（自动化）实践。

注意，在“Prerequisite for a C_c/C_s-corrected ultrahigh –resolution TEM”, M. Haider et al., UltraMicroscopy (2007), doi: 10.1016/j.ultramic. 2007.07.007中，更具体地在其表1中给出了所允许的像差系数的相似的、但是甚至更广泛的列表。 

对于自动化方法，例如C₁（散焦）具有1 nm的误差，意味着该自动化方法将导致具有小于或等于1 nm，但是不太可能小于0.3 nm的C₁系数的设定，如50 pm的分辨率所需的那样。 

已知方法的另一问题在于，在从样品散焦时测量像差。在使像差调零之后，透镜应随后聚焦在样品平面上（如前面提到的，这已经是足够困难的），并且散焦可能导致像差的改变，并且因此导致像差的引入。 

在美国专利第7,060,986号中描述了用于校正像差的另一方法，其中获得离焦（through-focus）系列图像并且通过去卷积确定射束轮廓。去卷积通过例如图像的自相关实现。在早先提到的CEOS的商用套件中使用了该方法，并且典型地导致了如表1中的右列所示的精度。 

注意，美国专利第7,060,986号的方法必须对测试标本执行，诸如交叉光栅。在使该交叉光栅上的像差最小之后，必须将待调查的真实标本插入显微镜中。这将典型地耗用1小时。该时间量以及插入过程典型地导致设定改变（例如由于漂移或热改变），这样使得像差再次限制分辨率。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种方法，其中STEM能够在其中可以获得HR图像的设定下例行地和优选地自动调整到充分的水平。 

为此，根据本发明的方法的特征在于，该方法包括如下的重复步骤： 

a）记录样品的晶体或多晶部分的高分辨率STEM图像的离焦系列I₁..I_n，离焦系列覆盖散焦（defocus）范围，

b）将所述图像变换到倒易空间中的表示R₁..R_n，该表示呈现布置成图案的许多斑点，每个斑点呈现强度，

c）对于每个表示R₁..R_n，确定至少一部分斑点的强度的不对称，

d）改变校正器的激励以及物镜的焦点值F，使像差校正器的知识与所述不对称组合，

e）可选地改变散焦范围，以及

f）使用激励和/或焦点的更改的值来可选地记录高分辨率STEM图像，将所述图像变换到倒易空间中的表示并且确定所述表示的对称以及距能够观察到斑点的图案的中心的距离，所述距离给出了最大转移极限的指示，

所述的步骤的重复在如下情况时中止：

● 校正器的激励和物镜的改变在预定值以下，和/或

● 可选地记录的对焦图像呈现优于预定值的对称并且最大转移极限高于预定转移极限，和/或

● 重复次数超过预定最大重复次数。

本发明人发现，对于晶体或多晶样品，倒易空间中的表示类似衍射图案。如本领域技术人员已知的，这样的转换可以是傅立叶变换的结果，但是给出倒易空间中的表示的其他变换也是已知的。 

注意，在许多情况下，由于晶体的晶格是已知的，因此斑点相对彼此的位置是已知的。 

已经提到，从1982年最初发现不规则重复的晶体状独立原子阵列起，对准晶体（quasicrystal）的概念和词语的接受导致国际晶体学联合会将术语“晶体”重新定义为意指“具有基本上离散的衍射图的任何固体”，从而将晶体性的基本属性从图像空间移至倒易空间。因此在该背景下定义“晶体”包括早先提到的准晶体，诸如二十面Zn-Mg-Ho准晶体。 

较之例如美国专利第7,060,986号的现有技术的方法，根据本发明的方法的大的优点在于，根据本发明的方法使用任何晶体样品。因此能够使用所调查的样品，并且不浪费时间或者不需要样品引入过程。 

本发明基于如下思想：观察图案的斑点的强度，并且将所述强度分布与预期的强度分布进行比较，等同于射束横截面的去卷积。图案的强度分布中的任何不对称指示射束的不对称。 

距能够检测到斑点的中心的距离指示该方向上的最大转移极限。这呈现了对于对称强度分布的需要：对称强度分布指示转移极限或分辨率在所有方向上相同。通过调整校正器的激励，可以使射束的横截面是圆形的，导致不同散焦值处的对称图案。通过观察在哪个焦点值处强度分布呈现最大直径，找到了最佳焦点值。 

注意，当校正器激励和像差之间的关系已知时，可以进行关于应如何改变激励的“有根据的推测”，导致迭代过程的快速收敛。 

注意，可能需要散焦范围的改变，或者至少是有帮助的，使散焦范围扩大或者使该范围更小。 

优选地通过使用新的激励记录HR-STEM图像来确认激励改变的结果。如果其在倒易空间中的结果是延伸到充分大的直径（较之预定值）的对称图案，则不需要进一步改变透镜和校正器的激励。 

如果情况不是这样，则图像及其表示可以是下一离焦系列的一部分。 

中止进一步改变的另一原因可以是所引入的改变小于预定值：显然到达终点并且过程不再收敛。 

中止进一步改变的另一原因可以是达到最大迭代次数：应注意，根据本发明的方法不需要使装置处于期望的状态（使其达到期望的高分辨率），例如因为装置的分辨率受到诸如地板振动、声学噪声、热漂移、液氮杜瓦瓶中的沸腾噪声、电磁场等的干扰的束缚，所述干扰令人遗憾地对于本领域技术人员是公知的。显然这对于其他已知方法是同样成立的。 

注意，倒易空间常常被称为傅立叶空间，因为离散傅立叶变换（其快速傅立叶变换是特殊情况）是确定倒易空间中的图像表示的最常使用的算法。然而，可以使用诸如离散余弦变换、离散傅立叶变换、离散哈德曼变换（discrete hardaman transform）或者功率谱密度的其他算法。 

还提到了，由于倒易空间中的表示仅用于确定真实图像中的最大空间分辨率，因此该过程不需要是可废止的。如果使用给出可靠的结果但是不能用于将倒易空间中的图像变换回真实空间的变换，则对于根据本发明的方法，这是可接受的。 

根据本发明的方法良好地适用于晶体或多晶样品。通过对“校准”样品执行该方法，可以扩展该方法的使用，其后将该样品交换成待调查的样品。该其他样品可以是晶体或无形的。 

优选实施例包括对安装在样品固持器上的晶体或多晶样品连同待调查的样品一起执行根据本发明的方法。这样，执行该方法以调整校正器，其后可以移动样品固持器使得对待调查的样品成像。 

提到了，根据本发明的方法优选地与用于校正物镜的球面像差的校正器一起使用。 

注意，根据本发明的方法可以从其中在图像中存在过多像差，导致具有有限的分辨率的图像的状态迭代到其中像差导致具有充分高的信息转移的图像的情况，即使没有确定像差或像差系数的准确值时也是如此。 

注意，为了避免因污染导致对比度降低，可以执行（无慧差）射束移位，使得对于每次迭代，射束移位到新鲜且清洁的区域。 

提到了，晶体的周期性导致了倒易空间中的点的图案。在许多情况中了解晶体意味着点在倒易空间中的位置是预先已知的（除了图案的取向之外，因为这取决于晶体在空间中的取向）。在仅检测到一些点的情况下，随后可以预测所有其他点的位置。这易于进行这些点的搜索（在例如信噪比方面），并且因此易于确定在图像中观察到的、与所述图像的分辨率相关联的周期性。 

在优选实施例中，该方法利用该知识，并且仅评估其中预期斑点的表示中的这些区域。 

注意，对于可靠的操作，表示的噪声水平应是已知的，使得仅使用具有足够信噪比的峰。例如通过在倒易空间中远离中心的、其中转移基本上为零的位置处，或者在其中没有形成“衍射”峰的位置处进行测量，可以确定噪声水平。 

在本发明的一个方面，一种用于承载将通过HR-STEM成像进行分析的样品的样品载体的特征在于，其包括适用于执行根据任何前述权利要求的方法的HR-STEM成像的晶体或多晶部分。 

通过使样品固持器配备有晶体部分，可以对该部分执行该方法并且随后样品载体可以移动，使得对待分析样品成像。 

优选地，该部分具有小于50 nm，更优选地小于25 nm，最优选地小于15 nm的厚度，使得不进行多次散射。 

半导体材料最适于该部分，因为半导体材料是广泛可用的，具有接近完美的晶体以及制作它们的薄的晶体样品的常规机加工方法。 

附图说明

现将基于示例性实施例和所附的示意图来更详细地阐明本发明，在附图中： 

图1示意性地示出了方法流程图，

图2A-2E示意性地示出了呈现晶体部分的TEM栅格，

图3A-3E分别示出了Si（110）样品的图2A-2E的表示，

图4示出了作为散焦的函数的斑点的相对强度，

图5示意性地示出了呈现晶体部分的TEM栅格。

具体实施方式

在例如早先提到的Lupini的论文的图4中给出了HR-STEM图像的示例及其在倒易空间（傅立叶空间）中的表示。尽管Lupini以不同的方式使用所获得的表示，即：用于确定局部放大倍率。在图4中的他的离轴表示（子图像的表示）中，可以观察到略微的不对称。对于这样的离轴图像将预期到这一点，但是也表明了本发明的效用。 

倒易空间中的点的图案是倒易空间（“傅立叶空间”）中的晶体的变换，其与倒易空间（“傅立叶空间”）中的射束直径（探针轮廓）的变换进行卷积。 

晶体的变换是衍射图案，扩展到距衍射图案的中心大的距离。对于具有无限尺寸的完美晶体，其扩展到无限大。 

倒易空间中的射束的变换被称为对比度转移函数（CTF）。CTF的直径与探针直径成反比，并且因此小的探针（CTF从中心扩展到大的距离）导致晶体的衍射图案的大的区域是可见的。 

注意，当探针呈现N重对称时，CTF也呈现N重对称（连同所出现的点对称一起，这可以导致2N对称）。 

因此对于CTF，探针外形和直径之间的关系是清楚的，并且因此探针像差是清楚的。 

进一步注意，STEM（或者更准确地：HAADF-STEM）的CTF总是正的，没有如TEM成像中出现的对比度反转。 

提及了，晶体的衍射图案与CTF的卷积导致了点的图案，点的强度取决于CTF，并且因此下降，用于增加距中心的距离。 

图1示意性地示出了根据本发明的方法的流程图。 

如第一步骤102，该方法包括在STEM中引入晶体样品，将STEM的物镜聚焦到焦点值F并且将校正器激发到第一值。注意，使物镜聚集是STEM的操作人员公知的惯例。 

常常进行关于校正器的激励的有根据的推测，作为早先的实验的结果。 

在步骤104中，记录HR-STEM图像的离焦系列I₁..I_n，在大部分情况下散焦值的范围是从F-ΔF到F+ΔF（或者相反），但是该范围可以关于F不对称。 

在步骤106中，在前一步骤中记录的每个HR-STEM图像I₁..I_n在倒易空间中进行变换，导致每个图像I₁..I_n的一系列表示R₁..R_n。注意，已知许多算法用于执行所述变换，其中快速傅立叶变换（FFT）是最为公知的。这样的变换的结果是点的图案，每个点指示图像中出现的周期性。每个可观察的点具有其在表示的噪声水平以上扩展的强度。 

在步骤108中，确定关于每个表示R₁..R_n的点的图案的强度的对称。本发明人发现，通过观察在哪个表示中出现一个方向上的最优值以及何时出现垂直方向上的最优值，可以确定双重对称，而同样地，通过比较相对彼此位移60度的点，可以确定三重对称。在图3和4的讨论中进一步解释了该方法。 

在步骤110中，基于校正器的光学模型和所观察到的不对称来改变透镜和校正器的激励。 

在步骤112中记录HR-STEM图像，将其变换到倒易空间中，并且评估其对称及其直径。 

在步骤114中，基于在步骤112中形成的倒易图像的直径和对称进行判断。如果这是充分的（对称优于预定值并且信息极限扩展超出预定值），则在所有方向上存在所需的分辨率，并且不需要仪器的进一步调谐。 

在步骤116中，评估另一中止标准：尽管分辨率不存在，但是仍可能存在该过程不收敛或者不够快地收敛的原因。其原因的范围可以是干扰（地板振动或声学振动、冷却水的湍流等）、差的晶体质量（由例如污染引起）、杂散磁场等。所有这些可以是中止迭代过程并且将仪器控制“交还”给用户的原因。 

注意，为了避免由例如污染引起的样品劣化，优选的是，对将被成像/分析的部分以外的样品的另一部分执行该方法。 

注意，步骤112是可选的步骤，并且还可以基于例如激励改变的幅值来判断图像是否足够好。在该情况下，激励改变的大小可用于判断中止步骤的迭代/重复。较之具有可选步骤112的实施例，这具有较大的风险，前面提到的缺乏收敛的原因可能被误解为达到足够分辨率的时刻。 

注意，优选地，如果必要，向量集合S₁..S_n的评估和光学模型导致了双重散光（A₁）、慧差（B₂）和三重散光（A₂）的组合的影响以及至少焦点F的激励的改变，因为此时它们的自动设定是限制的（参见表1）。然而，在光学模型和向量S的协作中可以包括高阶像差，并且结果，当使用CTF（与射束直径对应）作为中止标准时（参见步骤114），射束直径/轮廓对于分辨率在所有方向上优于所需直径的图像是充分小的，而与仍存在的像差无关。 

进一步注意，该方法未被最优化成独立地使每一个像差为零，而是使所有像差连同散焦的组合的影响最小。 

如果可能，应对待分析的样品部分执行该方法。然而，例如由于样品的本质，这不总是可能的。在该情况下，优选的是，对样品的另一部分或者安装在同一样品载体上的另一样品执行该方法，使得在执行该方法之后不需要将待分析的样品引入到STEM中。 

这也解释了该方法在本质上不同于观察在衍射平面中形成的衍射图案的原因：如本领域技术人员已知的，衍射图案表示样品的图像的傅立叶变换，但是同样如本领域技术人员已知的，其在物镜的后聚焦面中形成，并且使该平面成像在显微镜的检测器上需要成像光学装置的不同设定，这些不同的设定与不同的像差相关联。 

提及了，在这里的背景下，习语“分析”应作广泛地解释，并且包括例如成像。 

进一步注意，像差校正器可以采取散光校正器的形式，但是优选地采取球面像差校正器的形式。 

图2A-2E示出了Si（110）样品的离焦系列。图2A示出了-8 nm的散焦处的图像，图2B示出了-4 nm的散焦处的图像，图2C示出了焦点处的图像，图2D示出了+4 nm的散焦处的图像并且图2E示出了+8 nm的散焦处的图像。图2A和2B示出了接近图像的竖直方向的方向上的散光，图2D和2E示出了接近图像的水平方向的方向上的散光。 

图3A-3E分别示出了傅立叶空间中的Si（110）样品的图2A-2E的表示。这些表示形成了呈现围绕中心斑点300镜像对称的点图案。不同图中的斑点的相对强度不同，并且根据离焦系列中的该相对强度来判断对称。为此特别监视斑点302-1及其镜像反转302-2（所谓的Si的004反射），斑点304-1及其镜像反转304-2（所谓的Si的2-20反射）也是如此。 

图4示出了作为散焦的函数的斑点302-1和302-2以及斑点304-1和304-2的相对强度。两条曲线，即示出斑点302-1和302-2的相对强度的曲线402；以及示出斑点304-1和304-2的相对强度的曲线404，示出了不同散焦值处的最大值。根据这样检测的双重不对称，确定了双重散光的值和取向。 

当散光方向未知时，可以使用不同的角位置下的大量的点。这些角位置中的两个将呈现最大偏差，一个在第一方向上并且另一个在垂直方向上。该方向现在定义了散光的取向。 

同样地，通过观察60度的相对角度下的点的三重不对称（由于点对称，乘以2），可以评估三重散光。 

提及了，曲线表示散光和散焦的影响。因此大的散焦值的点的强度下降到零。 

还提及了，对于最优结果，使用中心斑点的强度使点强度归一化。 

提及了，所使用的点不需要远离图案的中心：接近中心的点也呈现强度变化。也不需要比较具有可比拟的强度的点的变化：在这一点上仅它们的取向是重要的。 

图5示意性地示出了呈现晶体部分的TEM栅格。 

TEM样品载体（还被称为栅格）对于本领域技术人员是已知的。在大部分情况下标准的TEM栅格是直径为3.05 mm并且厚度为25+/-5 μm的薄的铜箔，尽管其他直径（例如，2和 3mm）和厚度（例如，6+/-2 μm）是已知的。铜以外的其他材料也是已知的，诸如镀金铜、镍、纯金、镀金镍、尼龙、碳等。这些箔呈现网状的孔，其间距从500 μm到12.5 μm变化。样品被挂在栅格上并且由杆支承。 

图5示出了TEM栅格500，晶体部分502包括在栅格上或栅格中。晶体部分具有（至少局部地具有）小于50 nm，更优选地小于25 nm，最优选地小于15 nm的厚度，作为其结果，其适用于执行该方法。这样的晶体部分可以由半导体材料制成，其以可承受的价格呈现接近完美的晶体质量。然而，还可以使用其他晶体或准晶体。如果晶体的结构强度不足，则其可由呈现与电子极低的相互作用的材料（诸如碳）的薄层或薄栅格来支承。在该情况下可以预期碳和半导体材料的两个图案的叠合。