ПО >> 3D томография

3D Томография

Послойная томография с помощью сфокусированного ионного пучка (FIB) стала значимым инструментом для изучения материалов на микро- и нано-уровнях. В отличие от одного 2D-изображения эта методика дает лучшее понимание распределения материала в объеме, трехмерной структуры и взаимосвязей между трехмерными объектами.

Двухколонные микроскопы TESCAN FIB-SEM могут быть дополнены опциональным программным модулем 3D томографии для автоматизации сбора 3D-данных, их обработки и реконструкции.

Введение

Метод 3D томографии осуществим только в двухколонных микроскопах, таких как LYRA, VELA или FERA. Идея метода заключается в том, что электронная колонна микроскопа последовательно собирает изображения большого количества последовательных поперечных сечений, которые создаются с помощью травления сфокусированным ионным пучком. Затем специальное ПО обрабатывает собранные данные, реконструирует 3D объем, позволяет визуализировать отдельные компоненты внутри этого объема. Все шаги, необходимые для получения данных, автоматизированы в программном модуле «3D Томография».

Пример применения метода 3D Томографии

В одной из работ изучался фрагмент старого сломанного процессора (созданного по технологии 180 нм), использовался микроскоп LYRA 3 XM — двухлучевой микроскоп с электронной колонной высокого разрешения с катодом с полевой эмиссией типа Шоттки. Для накопления изображений применялся детектор обратно отраженных электронов, так как интересуемым типом контраста был композиционный контраст. Размер вокселя (трехмерного пикселя) был выбран равным 55 нм по всем трем осям декартовой системы координат, при этом Z-размер вокселя есть расстояние между сечениями.

Программный модуль 3D Томографии

Модуль 3D томографии полностью интегрирован в программное обеспечение микроскопа TESCAN. Модуль состоит из следующих частей:

  • Мастер по настройке и отслеживанию автоматического последовательного травления и накопления изображений.
  • Обработка данных.
  • 3D реконструкция и визуализация.

Сбор данных

Программа-мастер проведет оператора через этапы подбора оптимальных параметров для процессов травления и сбора изображений. Прежде всего надо настроить область для 3D Томографии в окне FIB-сканирования, установить параметры травления, расстояние между срезами и разрешение электронного изображения.

Автоматическое ионное травление и захват изображений

На первом, необязательном, шаге на поверхность исследуемого участка напыляется защитный слой. На втором этапе вокруг участка вырезаются канавки определенной глубины и полируется начальное поперечное сечение. Поперечные размеры и глубина канавок вычисляются автоматически исходя из размеров исследуемого участка, назначение канавок — избежать геометрического затенения изучаемых поперечных сечений и предотвратить пере-осаждение распыляемого материала вокруг исследуемого участка (интенсивность процессов пере-осаждения оценивается благодаря процедуре калибровки, которую запускает пользователь для каждого нового материала). Осаждение защитного платинового слоя выполняется лишь в некоторых случаях (например, когда требуется выполнить прецизионную реконструкцию профиля поверхности), а в остальных случаях этот этап можно пропустить. Затем стартуют периодические FIB-травление и SEM-сканирование получающихся поперечных срезов. Чтобы на каждом этапе образующиеся поперечные срезы оставались в центре окна сканирования и в фокусе, автоматически выполняются вычисленные из геометрических соображений сдвиг изображения, изменение фокусных настроек и коррекция наклона. Весь процесс сбора 3D-данных для типичного объема 10 × 10 × 10 мкм3 занимает, в зависимости от типа материала, приблизительно 2–3 часа на микроскопах серий VELA и LYRA, т.е. на микроскопах с ионной пушкой на основе жидкометаллического источника ионов Ga. На микроскопе серии FERA с плазменным источником ионов травление происходит существенно быстрее, соответственно характерный объем для трехмерных исследований увеличивается на порядок.

Обработка результатов

Полученный ряд изображений не всегда пригоден для прямой визуализации, и требуется его обработка. Зачастую выполняются следующие операции: вырезание исследуемого поперечного сечения, выравнивание слайдов друг относительно друга, применение тех или иных фильтров (коррекция затенения, медианное усреднение и проч.). Доступны различные трехмерные методики для визуализации 3D объектов. В ПО для обработки результатов может быть загружена серия черно-белых изображений или импортированы исходные бинарные данные (при этом формат файла, разрешение и пространственные размеры задаются пользователем). Предлагаются различные методы визуализации трехмерной информации, например, изо-поверхности близкой яркости или несколько изо-поверхностей различных цветов и уровней прозрачности. Для успешной реализации метода требуются высококачественные исходные изображения с низким уровнем шумов.

Объемный рендеринг

Может быть выполнен прямой объемный рендеринг, при котором цвет и степень прозрачности объектов зависят от их яркости на исходных изображениях. Этот алгоритм не столь чувствителен к шумности или к градиентным нарастаниям яркости исходных изображений, как метод изо-поверхностей.

Поперечные сечения

Набор поперечных сечений можно просматривать «как есть», либо выровненными вдоль главной оси либо изучать виртуальные поперечные сечения под произвольными углами. Различные цветовые палитры могут быть присвоены каждому поперечному сечению. Можно настраивать порог прозрачности/непрозрачности поперечных сечений, либо степень прозрачности поперечных сечений может быть определена на соответствующей цветовой палитре.