用于压缩扫描电子显微术的系统和方法技术方案

公开了一种扫描透射电子显微术(STEM)系统。该系统利用电子束扫描系统，该电子束扫描系统被配置为在基本上整个样本之上产生多次电子束扫描，其中每次扫描都在扫描行程中改变电子照明强度。信号采集系统可以被用来从扫描中获得图像、衍射图案或光谱中至少之一，图像、衍射图案或光谱仅表示来自包括图像的所有像素位置的选定子集或线性组合中至少之一的信息。可以根据信息生成数据集。子系统可以被用来对数据集进行数学分析以预测实际信息，该实际信息是图像的每个像素位置会产生的信息。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于压缩扫描电子显微术的系统和方法政府权利的声明由于劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory)的运作，美国政府依据美国能源部和劳伦斯利弗莫尔国家安全有限责任公司(LawrenceLivermoreNationalSecurity,LLC.)之间的第DE-AC52-07NA27344号合同对本专利技术拥有权利。
本公开内容涉及扫描透射电子显微术(STEM)，并且更具体地，本公开内容涉及用于执行STEM的系统和方法，其还在扫描期间在对射束强度或扫描速度或扫描路径的快速调制的情况下利用压缩感测来更有效地利用采集时间和递送给样本的电子束剂量。
技术介绍
本节中的陈述仅提供涉及本公开内容的背景信息，并且可以不构成现有技术。研究和工业中的许多应用得益于利用扫描透射电子显微术(STEM)衍射、高角度环形暗场STEM(HAADF-STEM)、STEM电子能量损失能谱(STEM-EELS)以及STEM能量色散X射线谱(STEM-EDX)而获得的光谱信息和高分辨率结构。典型的操作序列是设置仪器以采集感兴趣的信号、将精密聚焦电子探针放置在样本的一个点上、采集信号(例如，衍射图案、来自HAADF探测器的当前读数，或损失能谱)，以及然后移动探针且重复上述操作。虽然自动化系统使得这一切能够在限定明确的规则2D阵列中快速发生，但是信息返回很不理想。在STEM衍射和STEM-EELS的情况下，每次采集可能花费明显的零点几秒或者甚至几秒，以使得对样本的整个扫描可能需要几个小时。然而，这样获得的大部分信息在某种意义上是多余的。此外，与STEM衍射相比，HAADF-STEM扫描可以进行地更快但是返回的信息更少；给定STEM衍射数据集，可以重建任何常规STEM图像(HAADF、常规明视场、环形明视场、分裂式探测器等)所产生的内容，同时还使用来自布拉格衍射的信息来识别晶相和取向。因此，类似于在总曝光时间上可与HAADF-STEM相比拟的STEM衍射的情况，提供数据返回的技术代表有关这两种技术的实质性改进。众所周知，尤其对于STEM-EELS，存在针对数据集是“稀疏”的数据的表示。这意味着每个光谱或衍射图案都可以以高精度表示为相对小数量的主要成分或独立成分的组合，以及许多光谱和衍射图案看起来彼此非常相似。从信息理论的角度来看，这意味着在扫描中采集的很多信号是多余的且实际上没有提供有关样本的新的、相关的、独立的信息。对于HAADF-STEM，可以进行更快的扫描，但是从每个电子仅取回少量信息；更具体地，电子击中或没有击中HAADF探测器。这是因为HAADF的存在代表了一种实践上的妥协。本质上利相机进行操作的STEM衍射系统非常快但是只具有单个像素。过去为了改进STEM数据吞吐量所做出的努力集中在改进探针形成系统中的亮度、稳定性和色差以及探测器的信噪比。现在，信噪比达到探测单个电子的水平，且探针电流密度足够高以使得对样本的射束损坏经常是分辨率极限，这些策略缺少改进的余地。因此，需要新的系统和方法以在执行STEM衍射或STEM-EELS时更有效地利用采集时间和递送给样本的电子束剂量。
技术实现思路
本公开内容的一个方面涉及一种扫描透射电子显微术(STEM)系统。该系统可以利用电子束扫描系统，该电子束扫描系统被配置为在基本上整个样本之上产生多次电子束扫描，其中每次扫描在扫描的行程中改变电子照明强度。信号采集系统可以用于从扫描中获得图像，该图像表示来自包括图像的所有可用像素的仅选定子集(或者更通常地是任意线性组合)的信息。可以从信息生成数据集。子系统可以用于对数据集进行数学分析来重建信息，该信息由常规STEM采集中的每个像素生成。本公开内容的另一方面涉及一种扫描透射电子显微术(STEM)系统。该系统可以包括用于产生指向样本的电子束扫描序列的电子束扫描系统。在创建掩膜的扫描行程中，每次电子束扫描可以具有被传递至样本的区域的空间改变的电子照明强度。可以通过调制电子束电流、通过调制扫描速度、通过以与通常在STEM中使用的标准光栅扫描相反的任意模式进行扫描或者通过这些方法的任意组合来产生照明强度的这种模式。在每次扫描受样本影响之后，信号采集子系统可以用于从每次电子束扫描中获得图像、衍射图案或光谱，且可以从全部图像、衍射图案或者通过掩膜收集而产生的光谱中至少之一生成数据集。数据集可以以图像的所有可用像素的预选定的子集或线性组合来表示信息。可以使用被配置为对数据集进行数学分析来预测实际信息的计算机，其中，如果以常规光栅图案执行STEM扫描，则实际信息已经从图像中的每个单独像素获得。即使在掩膜的总数是像素数目的一小部分以及总的曝光时间或电子束剂量是在相同类型(如STEM衍射、STEM-EELS或者STEM-EDX)的常规STEM扫描中所使用的一小部分的情况下，压缩感测的数学技术也通常使得能够进行这个重建。本公开内容的又一方面涉及一种用于执行扫描透射电子显微术(STEM)的方法。该方法可以包括在基本上整个样本之上执行多次电子束扫描，其中每次扫描在扫描的行程中改变电子照明强度。可以从扫描中获得图像，该图像包括关于构成图像的所有可用像素的仅选定子集或线性组合的信息。在扫描期间可以根据信息生成数据集。可以对数据集进行数学分析来预测实际信息，其中如果以常规光栅图案执行STEM扫描，则实际信息可以已经由图像的每个像素生成。根据文中所提供的描述，其他领域的适用性变得明显。应理解，描述和特定示例旨在仅说明性目的而并不意在限制本公开内容的范围。附图说明文中所描述的附图仅用于说明目的且并不意在以任何方式限制本公开内容的范围。在附图中：图1是根据本公开内容的扫描透射电子显微术(STEM)系统的一个实施方式的高级框图，该系统利用压缩感测来减少数据集以及明显改进STEM衍射、STEM-EELS和STEM-EDX中的吞吐量；以及图2是可以利用图1所示的系统来执行的操作的高级流程图。具体实施方式下面的描述在本质上仅是示例性的且并不意在限制本公开内容、应用或用途。应理解，在全部附图中，相应的附图标记指示相同或相应的部分和特征。针对上述限制，本公开内容介绍了一种解决方案，该解决方案在数学原理上类似于使用光电二极管和微镜阵列来拍摄光学图像的单像素相机，但是在技术细节上完全不同，因为本解决方案使用电子显微术，以及利用光栅扫描或变速扫描或以任意非光栅图案的扫描进行同步的时间调制射束，或者这些调制技术的组合，以在样本处产生任意强度的模式。同样，在照明而不是探测中进行掩蔽具有显著重要性和优势，这最小化了对样本的任何可能的辐射损坏。参照图1，示出了根据本公开的一个方面的感测系统10。系统10利用压缩感测来明显改进STEM-EELS和STEM衍射中的信息吞吐量。在一个实施方式中，系统10可以形成扫描透射电子显微术(STEM)系统12，系统12针对测量后重建而利用时间调制的电子束电流和数学技术。系统12的快速射束电流调制器14对电源16的输出进行调制，电源16对施加至电子枪18的引出电压或栅极电压进行控制。射束电流调制器14可以由控制器19进行控制。引出电极20从调制电源接收输出以产生经调制的电子束22。经调制的电子束22被馈送到子系统24中，子系统24包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种扫描透射电子显微术(STEM)系统，包括：电子束扫描系统，其被配置为在基本上整个样本之上产生多次电子束扫描，其中每次所述扫描都在扫描行程中改变电子照明强度；信号采集系统，其用于从所述扫描中获得图像，其中所述图像仅表示来自包括所述图像的所有像素的选定子集或线性组合中至少之一的信息，以及用于根据所述信息生成数据集；以及子系统，其用于对所述数据集进行数学分析以预测实际信息，其中所述实际信息是在常规STEM采集中每个像素会产生的信息。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.25 US 14/063,3191.一种扫描透射电子显微术系统，包括：电子束扫描系统，其被配置为在基本上整个样本之上产生多次电子束扫描，其中每次所述扫描都在扫描行程中任意改变电子照明强度以形成不同的掩膜，并且其中每个所述不同的掩膜在由任意改变的电子照明强度产生的样本上形成明暗电子照明区域的任意变化的图案；信号采集系统，其用于从所述多次电子束扫描中获得图像，其中所述图像仅表示来自包括所述图像的所有像素的选定子集或线性组合中至少之一的信息，以及用于根据所述信息生成数据集；以及子系统，其用于对所述数据集进行数学分析并且利用与压缩感测相关联的数学模型来执行对所述数据集的数学重建，以预测实际信息，其中所述实际信息是每个像素在常规扫描透射电子显微术采集中而不是在采集后分析操作期间会产生的信息。2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电子照明强度在每次所述扫描的行程上随机改变。3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电子束扫描系统被配置为通过改变施加至所述系统的电子枪的功率来产生电子照明强度的改变。4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电子束扫描系统被配置为通过改变每次所述扫描的速度和/或模式中至少之一来产生电子照明强度的改变。5.一种扫描透射电子显微术系统，包括：电子束扫描系统，其用于产生指向样本的电子束扫描序列，其中每个所述电子束扫描都具有在扫描行程上有空间变化的电子照明强度，其形成不同的掩膜，并且其中每个所述不同的掩膜在由任意改变的电子照明强度产生的样本上形成明暗电子照明区域的任意变化的图案；信号采集子系统，其用于获得图像，其中所述图像表示所述图像可用的所有像素的子集或线性组合中至少之一的信息，以及用于根据所述信息生成数据集；以及计算机，其被配置为对所述数据集进行数学分析并且利用与压缩感测相关联的数学模型来执行对所述数据集的数学重建，以预测实际信息，其中所述实际信息是从所述图像中的每个单独像素会得到的信息。6.根据权利要求5所述的扫描透射电子显微术系统，其中，所述信号采集子系统包括透射电子显微术相机。7.根据权利要求5所述的扫描透射电子显微术系统，其中，所述信号采集子系统包括电子能量损失能谱仪。8.根据权利要求5所述的扫描透射电子显微术系统，其中，所述信号采集子系统包括能量色散X射线光谱仪。9.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：布赖恩·W·里德，
申请(专利权)人：劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US