(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の鉱物内容を決定する方法であって、
走査電子顕微鏡内に試料を置くこと、
前記試料のＸ線スペクトルおよび後方散乱電子強度値を得るために、前記試料上の点に電子ビームを導くことであり、前記Ｘ線スペクトルおよび前記後方散乱電子強度値がデータ点に対応し、前記データ点が、関連した鉱物組成を有すること、
規則の第１のセットから、前記データ点の前記Ｘ線スペクトルに、規則を順番に適用することであって、それぞれの規則は、鉱物組成を同定し、前記規則が同定する前記鉱物組成に対応する１つまたは複数の判定基準を備えており、前記規則を適用することは、前記データ点の前記Ｘ線スペクトルを、前記規則の前記１つまたは複数の判定基準と比較することを含むこと、
前記データ点の前記鉱物組成を、前記１つまたは複数の判定基準が満たされる最初の規則の前記鉱物組成として同定すること、
前記データ点の前記Ｘ線スペクトルが、前記規則の第１のセットのいずれかの規則の前記１つまたは複数の判定基準を満たさなかった場合に、鉱物定義ライブラリ内の定義された前記鉱物のうちのどの鉱物が前記データ点に対するベスト・マッチであるかを決定するために、前記データ点の前記Ｘ線スペクトルを、前記鉱物定義ライブラリ内の異なる鉱物定義のＸ線スペクトルと比較すること、ならびに
前記データ点の前記Ｘ線スペクトルと前記ライブラリ内のベスト・マッチである前記鉱物のための前記鉱物定義の前記Ｘ線スペクトルとの類似性の判定基準の値が所定のしきい値を満たす場合に、前記データ点の前記鉱物組成を、前記ライブラリ内の定義されたベスト・マッチである前記鉱物に対応する前記鉱物組成として同定すること
を含む方法。
【請求項２】
前記データ点の前記Ｘ線スペクトルと前記ライブラリ内の定義されたベスト・マッチである前記鉱物の前記Ｘ線スペクトルとの類似性の判定基準の値が前記所定のしきい値を満たさない場合に、
規則の第２のセットから前記データ点に、規則を順番に適用することであって、前記規則の第２のセットのそれぞれの規則は鉱物組成を同定し、前記規則が同定する前記鉱物組成に対応する１つまたは複数の判定基準を有しており、前記規則を適用することは前記データ点を前記規則の前記１つまたは複数の判定基準と比較することを含むことと、
前記１つまたは複数の判定基準が満たされる前記規則の第２のセットの最初の規則の前記鉱物組成として、前記データ点の前記鉱物組成を同定することと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
鉱物定義ライブラリ内の定義された前記鉱物のうちのどの鉱物が前記データ点に対するベスト・マッチであるかを決定するために、前記データ点の前記Ｘ線スペクトルを、前記鉱物定義ライブラリ内の異なる鉱物定義のＸ線スペクトルと比較することが、前記データ点の前記後方散乱電子強度値を前記ライブラリ内の定義された鉱物に対応する後方散乱電子強度値と比較することをさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
規則の第１のセットから、前記データ点の前記Ｘ線スペクトルに、規則を順番に適用することが、不良なデータ点を識別し、または詳細な分析を必要としない前記試料の部分を識別する、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
鉱物定義ライブラリ内の定義された前記鉱物のうちのどの鉱物が前記データ点に対するベスト・マッチであるかを決定するために、前記データ点の前記Ｘ線スペクトルを、前記鉱物定義ライブラリ内の異なる鉱物定義のＸ線スペクトルと比較することが、前記データ点と前記ライブラリ内の鉱物定義のうちのそれぞれの鉱物定義との間の類似距離を計算することを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
類似距離を計算することが、前記データ点に対して観察される値を前記ライブラリ鉱物が生成する確率を決定することを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
類似距離を計算することが、カイ２乗値を計算することを含む、請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
規則の第１のセットから、前記データ点の前記Ｘ線スペクトルに、規則を順番に適用することが、前記データ点を、特定のエネルギー範囲におけるＸ線ピークの高さを含むある判定基準と比較することを含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項９】
前記判定基準のうちの１つが後方散乱電子強度値である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
鉱物試料の鉱物内容を決定する走査電子顕微鏡システムであって、
鉱物試料に向かって電子ビームを導く電子ビーム・カラムと、
データ点のＸ線スペクトルを生成するために、前記鉱物試料の表面での前記電子ビーム中の電子の衝突に反応して前記鉱物試料から放出されたＸ線のエネルギーまたは波長を測定する検出器と、
前記鉱物試料中に存在する鉱物を決定するために、コンピュータ命令を実行する処理装置と、を備え、
前記データ点の前記Ｘ線スペクトルを、規則の第１のセット内の、それぞれが鉱物組成に対応する判定基準と順番に比較し、前記データ点の前記鉱物組成を、満たされた最初の判定基準に対応する前記鉱物組成として同定するコンピュータ命令、
前記データ点の前記Ｘ線スペクトルが、前記規則の第１のセット内の前記判定基準のいずれをも満たさなかった場合に、鉱物定義ライブラリ内の定義された前記鉱物のうちのどの鉱物が前記データ点に対するベスト・マッチであるかを決定するために、前記データ点の前記Ｘ線スペクトルを前記鉱物定義ライブラリ内の鉱物定義のＸ線スペクトルと比較するコンピュータ命令、ならびに
前記データ点の前記Ｘ線スペクトルと前記ライブラリ内のベスト・マッチである前記鉱物のための前記鉱物定義の前記Ｘ線スペクトルとの一致の程度が所定のしきい値を満たす場合に、前記データ点の前記鉱物組成を、前記ライブラリ内の定義されたベスト・マッチである前記鉱物に対応する前記鉱物組成として同定するコンピュータ命令
を含むコンピュータ記憶装置と
を備える走査電子顕微鏡システム。
【請求項１１】
前記コンピュータ命令が、前記データ点の前記Ｘ線スペクトルと前記ライブラリ内の定義されたベスト・マッチである前記鉱物との一致の程度が前記所定のしきい値を満たさない場合に、前記データ点を、規則の第２のセット内の、それぞれが鉱物組成に対応する判定基準と順番に比較し、前記データ点の前記鉱物組成を、前記規則の第２のセット内の満たされた最初の判定基準に対応する前記鉱物組成として同定する命令をさらに含む、請求項１０に記載の走査電子顕微鏡システム。
【請求項１２】
鉱物定義ライブラリ内の定義された前記鉱物のうちのどの鉱物が前記データ点に対するベスト・マッチであるかを決定するために、前記データ点の前記Ｘ線スペクトルを前記鉱物定義ライブラリ内の異なる鉱物定義のＸ線スペクトルと比較する前記コンピュータ命令が、前記データ点の後方散乱電子強度値を前記ライブラリ内の定義された鉱物に対応する後方散乱電子強度値と比較するコンピュータ命令をさらに含む、請求項１０または１１に記載の走査電子顕微鏡システム。
【請求項１３】
前記データ点の前記Ｘ線スペクトルを、規則の第１のセット内の判定基準と順番に比較する前記コンピュータ命令が、不良なデータ点を識別するコンピュータ命令、または詳細な分析を必要としない前記鉱物試料の部分を識別するコンピュータ命令を含む、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の走査電子顕微鏡システム。
【請求項１４】
鉱物定義ライブラリ内の定義された前記鉱物のうちのどの鉱物が前記データ点に対するベスト・マッチであるかを決定するために、前記データ点の前記Ｘ線スペクトルを、前記鉱物定義ライブラリ内の異なる鉱物定義のＸ線スペクトルと比較する前記コンピュータ命令が、前記データ点と前記鉱物定義の前記ライブラリ内の前記鉱物定義のうちのそれぞれの鉱物定義との間の類似距離を計算するコンピュータ命令を含む、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の走査電子顕微鏡システム。
【請求項１５】
鉱物試料の鉱物内容を決定する走査電子顕微鏡システムであって、
鉱物試料に向かって電子ビームを導く電子ビーム・カラムと、
データ点のＸ線スペクトルを生成するために、前記鉱物試料への前記電子ビーム中の電子の衝突に反応して前記鉱物試料から放出されたＸ線のエネルギーまたは波長を測定する検出器と、
前記鉱物試料中に存在する前記鉱物を決定するためにコンピュータ命令を実行する処理装置と、を備え、
規則の第１のセットから、前記データ点の前記Ｘ線スペクトルに、規則を順番に適用するために構成されるコンピュータ命令であって、それぞれの規則は、鉱物組成を同定し、前記規則が同定する前記鉱物組成に対応する１つまたは複数の判定基準を備えており、前記規則を適用することは、前記データ点の前記Ｘ線スペクトルを、前記規則の前記１つまたは複数の判定基準と比較することを含んでいる、コンピュータ命令、
前記データ点の前記鉱物組成を、前記１つまたは複数の判定基準が満たされる最初の規則の前記鉱物組成として同定するために構成されるコンピュータ命令、
前記データ点の前記Ｘ線スペクトルが、前記規則の第１のセットの前記いずれの規則の前記１つまたは複数の判定基準を満たさなかった場合に限り、鉱物定義ライブラリ内の定義された前記鉱物のうちのどの鉱物が前記データ点に対するベスト・マッチであるかを決定するために、前記データ点の前記Ｘ線スペクトルを、前記ライブラリ内の異なる鉱物定義のＸ線スペクトルと比較するために構成されるコンピュータ命令、ならびに
前記データ点の前記Ｘ線スペクトルと前記ライブラリ内のベスト・マッチである前記鉱物のための前記鉱物定義の前記Ｘ線スペクトルとの類似性の判定基準の値が所定のしきい値を満たす場合に、前記データ点の前記鉱物組成を、前記ライブラリ内の定義されたベストマッチである前記鉱物に対応する前記鉱物組成として同定するために構成されるコンピュータ命令
を含むコンピュータ記憶装置と
を備える走査電子顕微鏡システム。
【請求項１６】
前記コンピュータ命令が、
前記データ点の前記Ｘ線スペクトルと前記ライブラリ内の定義されたベスト・マッチである前記鉱物のＸ線スペクトルとの前記類似性の判定基準の値が前記所定のしきい値を満たさない場合に、規則の第２のセットから前記データ点に、規則を順番に適用するコンピュータ命令であって、前記規則の第２のセットのそれぞれの規則は鉱物組成を同定し、前記規則が同定する前記鉱物組成に対応する１つまたは複数の判定基準を有しており、前記規則を適用することは前記データ点を前記規則の前記１つまたは複数の判定基準と比較することを含んでいる、コンピュータ命令、
前記１つまたは複数の判定基準が満たされる前記規則の第２のセットの最初の規則の前記鉱物組成として、前記データ点の前記鉱物組成を同定するコンピュータ命令、
をさらに含む、請求項１５に記載の走査電子顕微鏡システム。
【請求項１７】
前記コンピュータ命令が、
鉱物定義ライブラリ内の定義された前記鉱物のうちのどの鉱物が前記データ点に対するベスト・マッチであるかを決定するために、前記データ点の前記Ｘ線スペクトルを、前記鉱物定義ライブラリ内の異なる鉱物定義のＸ線スペクトルと比較するコンピュータ命令が、前記データ点の後方散乱電子強度値を前記ライブラリ内の定義された鉱物に対応する後方散乱電子強度値と比較するコンピュータ命令をさらに含む、請求項１５または１６に記載の走査電子顕微鏡システム。
【請求項１８】
規則の第１のセットから、前記データ点の前記Ｘ線スペクトルに、規則を順番に適用するコンピュータ命令が、不良なデータ点を識別し、または詳細な分析を必要としない前記鉱物試料の部分を識別するコンピュータ命令を含む、請求項１５または１６に記載の走査電子顕微鏡システム。
【請求項１９】
鉱物定義ライブラリ内の定義された前記鉱物のうちのどの鉱物が前記データ点に対するベスト・マッチであるかを決定するために、前記データ点の前記Ｘ線スペクトルを、前記鉱物定義ライブラリ内の異なる鉱物定義のＸ線スペクトルと比較するコンピュータ命令が、前記データ点と前記ライブラリ内の前記鉱物定義のうちのそれぞれの鉱物定義との間の類似距離を計算するコンピュータ命令を含む、請求項１５または１６に記載の走査電子顕微鏡システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、荷電粒子ビーム・システムをＸ線分光法とともに使用して鉱物を同定する方法および構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、電子の焦束ビームによって試料を所定のパターンで走査することによって試料を画像化するタイプの電子顕微鏡である。それらの電子は、試料を構成する原子と相互作用して、試料の表面形状、組成およびその他の特性に関する情報を提供する信号を生成する。
【０００３】
ＳＥＭによって生成されるこのタイプの信号には、２次電子、後方散乱電子（ｂａｃｋ−ｓｃａｔｔｅｒｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ）（ＢＳＥ）、特性Ｘ線、光（陰極ルミネセンス）、試験体電流および透過電子が含まれる。これらの信号は、試料の表面にある原子または試料の表面の近くにある原子と電子ビームとの間の相互作用によって生じる。一般的な１つの検出モードである２次電子画像化（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｉｍａｇｉｎｇ）（ＳＥＩ）では、ＳＥＭが、試料表面の非常に高分解能の画像を生成し、サイズが１ｎｍよりも小さい細部を明らかにすることができる。非常に幅の狭い電子ビームのため、ＳＥＭ顕微鏡写真は、試料の表面構造を理解するのに有用な特徴的な３次元外観を与える大きな被写界深度を有する。
【０００４】
走査電子顕微鏡は、米オレゴン州ＨｉｌｌｓｂｏｒｏのＦＥＩ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＱｅｍｓｃａｎ（登録商標）、ＭＬＡ（登録商標）などの鉱物分析システム内で使用されており、鉱物試料を分析する目的に長年にわたって使用されている。鉱床中に存在する鉱物のタイプおよび相対量を決定するためには、型に入れたエポキシ樹脂の中に小粒の形態の試料を固定し、この型を真空室内に置く。試料に向かって電子ビームを導き、Ｘ線分光法と呼ばれるプロセスで、この電子ビームに反応した試料から到来するＸ線のエネルギーを測定し、それらのエネルギーをプロットしてヒストグラムを作成し、それによってスペクトルを形成する。測定されたスペクトルを、さまざまな元素の既知のスペクトルと比較して、どの元素および鉱物が存在するかを決定することができる。Ｘ線分光法の一型が「エネルギー分散型Ｘ線分光法（ｅｎｅｒｇｙ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  ｘ−ｒａｙ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）」または「ＥＤＳ」である。別のタイプの分光法が「波長分散型分光法（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）」または「ＷＤＳ」である。
【０００５】
試験体からの特性Ｘ線の放出を刺激するため、試験中の試料に、電子、陽子などの荷電粒子の高エネルギー・ビームまたはＸ線ビームを焦束させる。定常時、試料中の原子は、核に拘束された不連続なエネルギー準位または電子殻内に基底状態の（すなわち励起されていない）電子を含む。この入射ビームが、内殻の電子を励起し、その電子を内殻から追い出し、その電子があったところに電子空孔を生成することがある。次いで、より高エネルギーの外殻からの電子がこの空孔を埋める。このより高エネルギーの殻とより低エネルギーの殻の間のエネルギーの差がＸ線の形で解放されることがある。それぞれの元素の原子構造は固有であるため、元素の原子構造を特徴的に示すＸ線を互いから一意的に識別することができる。試験体から放出されたＸ線の数およびエネルギーを、ＥＤＳ、波長分散型分光計などのＸ線分光計によって測定して、測定対象の試験体の元素組成を決定することができる。
【０００６】
後方散乱電子（ＢＳＥ）は、弾性散乱または非弾性散乱によって試料から反射した１次電子ビーム由来の電子である。分析ＳＥＭにおいてＢＳＥはしばしば、特性Ｘ線から生成されたスペクトルとともに使用される。ＢＳＥ信号の強度は、試験体の原子番号（Ｚ）に強く関係しているためである。ＢＳＥ画像は、試料中の異なる元素の分布に関する情報を提供し得る。
【０００７】
ＢＳＥ信号は通常、１画素当たり数マイクロ秒の速度で取得される。ＥＤＳシステムの取得時間はこれよりも長く、鉱物を一意的に同定するのに十分な分解能を有するスペクトルを生成するのには通常、１画素当たり数秒程度が必要となる。Ｘ線スペクトルを集めて鉱物を一意的に同定するのにより長い時間が必要であることにより、測定することができる画素の数が大幅に制限される。また、ＥＤＳシステムは通常、軽い原子に対する感度が低い。ＥＤＳ検出器とＢＳＥ検出器の両方のこれらの利点のため、ＢＳＥとＸ線スペクトルの両方を使用して鉱物を正確に同定することが時に有用である。このことは、より長い時間を必要とし、商業的に実行可能な方法によって解決することが困難な問題になる。
【０００８】
Ｑｅｍｓｃａｎ（登録商標）システムおよびＭＬＡ（登録商標）システムは、ＳＥＭ、１つまたは複数のＥＤＳ検出器、およびデータ取得を制御するソフトウェアを備える。これらのシステムは、取得されたスペクトル中に表現された元素を同定および定量し、次いで、この元素データを、固定された元素範囲を有する鉱物定義（ｍｉｎｅｒａｌ  ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）のリストと突き合わせる。
【０００９】
いくつかの鉱物分類システムは、未知の鉱物の取得されたスペクトルを、既知の鉱物スペクトルのライブラリと比較し、次いで、既知のどのスペクトルがその試料のスペクトルに最もよく似ているかに基づいてその試料を同定する。２つのスペクトルを直接に比較するさまざまな方法がある。例えば、異なるエネルギー・チャネルにおける２つのスペクトル間の差の和を「距離」としてとることができる。ＭＬＡは、統計的なカイ２乗検定を使用して、測定されたスペクトルのそれぞれのエネルギー・チャネルにおける値を、既知の鉱物スペクトルの対応するチャネルの値と比較する。ＭＬＡは、最低限の相似（ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ）が満たされている場合に、その未知のスペクトルに対する「ベスト・マッチ（ｂｅｓｔ  ｍａｔｃｈ）」を有する元素に、そのスペクトルを割り当てる。
【００１０】
一方、ＱＥＭＳＣＡＮは、それが満たされた場合にスペクトルを分類する規則（ｒｕｌｅ）または判定基準（ｃｒｉｔｅｒｉａ）のシステムを使用する。これは通常、「ファースト・マッチ（ｆｉｒｓｔ  ｍａｔｃｈ）」方式で適用される。すなわち、そのスペクトルを、考えられるそれぞれの鉱物に対する判定基準と順番に比較し、そのスペクトルがある判定基準を満たすときに、システムは、そのスペクトルにその元素を割り当てる。
【００１１】
既存のシステムでは、熟練のユーザが、ｉ）未知のスペクトルと比較するための標準として使用する鉱物の例を探し出し、それらを集めること（ＭＬＡ）、またはｉｉ）鉱物を同定するために順番に適用する規則のリストを作成すること（ＱＥＭＳＣＡＮ）に時間を費やす必要がある。これらの要件は、自動化された鉱物同定システムまたは比較的に未熟なオペレータが使用することができるシステムでさえも製作を難しくしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許出願第１３／６６１，７７４号
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１１／０１４４９２２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、Ｘ線分光法によって分析された鉱物試料を効率的に分類することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、規則に基づく方法と類似距離（ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ  ｍｅｔｒｉｃ）法とを組み合わせる。この組合せは、個別に適用された方法から期待される利益を超える相乗的利益を提供する。本発明の実施形態は、この鉱物同定プロセスを単純化して、この鉱物同定プロセスを自動化することができるようにする。
【００１５】
以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり大まかに概説した。以下では、本発明の追加の特徴および利点を説明する。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の目的と同じ目的を達成するために他の構造体を変更しまたは設計するためのベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。また、このような等価の構造体は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。
【００１６】
次に、本発明および本発明の利点のより完全な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の鉱物分析システムを実現するのに適した走査電子顕微鏡を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態の流れ図である。
【図３】図２の実施形態のファースト・マッチ・アルゴリズム部分の流れ図である。
【図４】図２の実施形態のベスト・マッチ・アルゴリズム部分の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態は、Ｘ線スペクトルに基づいて鉱物を効率的かつ容易に分類する方法を対象とする。
【００１９】
本発明は、人間の介入なしでＳＥＭ−ＥＤＳデータから鉱物を同定するように自動化することができる堅牢な方法を記述する。規則に基づく方法とベスト・マッチ方法とを組み合わせると、分析時間が短縮し、分析の堅牢さが増大するという予想外の利益が得られる。いくつかの実施形態では、規則に基づくファースト・マッチ法を使用して、鉱物試料間の樹脂を表すデータ点、試料の割れ目を表すデータ点など、信頼できない読みを提供する関心のないデータ点を排除する。「データ点」は、単一のドエル点（ｄｗｅｌｌ  ｐｏｉｎｔ）かまたはまとめられた複数のドエル点である試料上の位置に対応し、Ｘ線スペクトルおよび後方散乱電子情報など、試料上のその位置からの１つまたは複数のタイプの情報を含み得る。このような予備的なスクリーニングのために適用される規則は通常、規則に基づくファースト・マッチ・システムが単独で使用されるときに通常適用される規則とは異なる。それらの異なる規則は、単に先行技術のシステムを順番に適用するだけでは生じないであろう利益を提供する。
【００２０】
１つの実施形態は、「ベスト・マッチ」分析において、参照により本明細書に組み込まれる２０１２年１０月２６日に出願された米国特許出願第１３／６６１，７７４号に記載された「Ｍｉｎｅｒａｌ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｉｎｅｒａｌ  Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓ  Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  Ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ」に記載されている類似距離を使用する。この分析は、本発明とともに使用されたときに、熟練のユーザが、測定データと比較して、類似距離を決定し、または鉱物を同定するために順番に適用する規則のリストを作成するための鉱物の例を探し出し、それらを集める必要性を排除する。広範囲にわたる訓練および専門知識を必要とした以前のシステムとは対照的に、このシステムは、訓練されていないオペレータがシステムを使用することを可能にする。
【００２１】
図１は、本発明に従って準備された試料を分析するのに適したＸ線検出器１４０を備える走査電子ビーム・システム１００の例である。走査電子顕微鏡１４１と、電源および制御ユニット１４５はシステム１００に備わっている。陰極１５３と陽極１５４の間に電圧を印加することによって、陰極１５３から電子ビーム１３２が放出される。電子ビーム１３２は、集光レンズ１５６および対物レンズ１５８によって微小なスポットに集束する。電子ビーム１３２は、偏向コイル１６０によって試験体上で２次元的に走査される。集光レンズ１５６、対物レンズ１５８および偏向コイル１６０の動作は電源および制御ユニット１４５によって制御される。
【００２２】
システム・コントローラ１３３が、走査電子ビーム・システム１００のさまざまな部分の動作を制御する。真空室１１０は、真空コントローラ１３２の制御の下、イオン・ポンプ１６８および機械式ポンピング・システム１６９によって排気される。
【００２３】
電子ビーム１３２を、下真空室１１０内の可動式Ｘ−Ｙステージ１０４上にある試料１０２上に焦束させることができる。電子ビーム中の電子が試料１０２に当たると試料はＸ線を放出する。このＸ線のエネルギーと試料中の元素との間には相関関係がある。電子ビームの入射領域の近くで、試料の元素組成に固有のエネルギーを有するＸ線が生み出される。放出されたＸ線は、Ｘ線検出器１４０、好ましくはシリコンドリフト検出器型のエネルギー分散型検出器によって集められるが、検出されたＸ線のエネルギーに比例した振幅を有する信号を生成する他のタイプの検出器を使用することもできる。後方散乱電子は、後方散乱電子検出器１４７によって検出される。後方散乱電子検出器１４７は例えば、マイクロチャネル・プレートまたは固体検出器を備えることができる。
【００２４】
Ｘ線検出器１４０からの出力は、処理装置１２０によって増幅され、分類される。処理装置１２０は、指定された時間中に検出されたＸ線の総数をカウントし、それらを、選択されたエネルギーおよびエネルギー分解能ならびに好ましくは１チャネル当たり１０〜２０ｅＶの間のチャネル幅（エネルギー範囲）で分類する。同様に、ＢＳＥ検出器１４７からの出力も、処理装置１２０によって増幅され、処理される。処理装置１２０は、コンピュータ処理装置、オペレータ・インタフェース手段（キーボード、コンピュータ・マウスなど）、データおよび実行可能命令を記憶するプログラム記憶装置１２２、データの入出力用のインタフェース手段、実行可能なコンピュータ・プログラム・コードとして具体化された実行可能なソフトウェア命令、ならびに後方散乱電子画像および多変量スペクトル解析の結果をビデオ回路１４２を経由して表示する表示装置１４４を備えることができる。
【００２５】
処理装置１２０は、標準的な研究室パーソナル・コンピュータの一部とすることができ、通常は、少なくともいくつかの形態のコンピュータ可読媒体に結合される。揮発性と不揮発性の両方の媒体および取外し可能な媒体と取外し不可能な媒体の両方の媒体を含むコンピュータ可読媒体は、処理装置１２０がアクセスすることができる使用可能な任意の媒体とすることができる。例として、コンピュータ可読媒体は、限定はされないが、コンピュータ記憶媒体および通信媒体を含む。コンピュータ記憶媒体には、コンピュータ可読の命令、データ構造、プログラム・モジュール、他のデータなどの情報を記憶する任意の方法または技術で実現された揮発性および不揮発性ならびに取外し可能および取外し不可能な媒体が含まれる。コンピュータ記憶媒体には例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュ・メモリもしくは他の記憶装置技術、ＣＤ−ＲＯＭ、デジタル・バーサタイル・ディスク（ＤＶＤ）もしくは他の光ディスク記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク記憶装置もしくは他の磁気記憶デバイス、または所望の情報を記憶する目的に使用することができ、処理装置１２０がアクセスすることができる他の媒体が含まれる。
【００２６】
プログラム記憶装置１２２は、取外し可能および／または取外し不可能で揮発性および／または不揮発性の記憶装置の形態のコンピュータ記憶媒体を含むことができ、コンピュータ可読の命令、データ構造、プログラム・モジュールおよび他のデータの記憶を提供することができる。一般に、処理装置１２０は、コンピュータのさまざまなコンピュータ可読記憶媒体にさまざまな時点で記憶された命令によってプログラムされる。プログラムおよびオペレーティング・システムは通常、例えばフロッピー（登録商標）・ディスクまたはＣＤ−ＲＯＭで配布される。プログラムおよびオペレーティング・システムは、それらの媒体から、コンピュータの補助記憶装置にインストールまたはロードされる。実行時に、それらのプログラムおよびオペレーティング・システムは、コンピュータの電子的な主記憶装置に少なくとも部分的にロードされる。本明細書に記載された本発明は、マイクロプロセッサまたは他のデータ処理装置と連携して後述する諸ステップを実行する命令またはプログラムを含む、これらのタイプのコンピュータ可読記憶媒体およびその他のさまざまなタイプのコンピュータ可読記憶媒体を含む。本発明はまた、本明細書に記載された方法および技法に従ってプログラムされたコンピュータ自体を含む。
【００２７】
このシステムから得たＸ線スペクトルを、測定スペクトル記憶部１２３などの記憶装置１２２の一部分に記憶することができる。データ・テンプレート記憶部１２４は、元素の既知のスペクトルの定義などのデータ・テンプレート、いくつかの実施形態では材料の既知の回折パターンの定義などのデータ・テンプレートを記憶する。
【００２８】
示された実施形態は走査電子顕微鏡を含むが、関連実施形態は、試料からＸ線を生じさせるのに、透過電子顕微鏡または透過走査電子顕微鏡を使用することができる。Ｘ線蛍光システムを使用して試料からＸ線を生じさせることもできる。別の実施形態は、試料からの他の特性放射、例えば試料からのガンマ線を検出する。
【００２９】
図２は、本発明による鉱物分析器の好ましい一実施形態の概要を示す。ステップ２０２で、システムのユーザが、銅−鉛−亜鉛堆積物からの試料であるなど、試料の出処を示す。出処が分かっていると、試料中に存在する可能性のある鉱物の数が減り、必要な比較の回数が減り、それによって分析時間が短縮される。ステップ２０４で、システムが、その試料に対して適当な所定の鉱物定義のリストを検索する。「鉱物定義」は、それに従ったときにその試料中に存在する鉱物を決定し、それによって分析規則の観点から鉱物を定義する分析プロトコルを意味する。この鉱物定義のリストは１つまたは複数の分析セクションからなり、一実施形態では、それぞれの分析のセクションが「ファースト・マッチ」セクションまたは「ベスト・マッチ」セクションである。ユーザが出処を示し、試料からデータ点（Ｘ線スペクトル・データおよび電子後方散乱データ）を得た後、それらのデータ点を分析して鉱物を決定する。それぞれのデータ点をすぐに分析することができ、または複数のデータ点を取得し、次いでそれらのデータ点を分析することもできる。
【００３０】
ステップ２０６で、システムが、そのデータ点にどの分析セクションを適用するかを決定する。一実施形態では、適用される最初の分析セクションが、ステップ２０８において規則に基づくファースト・マッチ分析を使用する。判断ステップ２１０で、その分析セクションがデータ点の鉱物組成を同定した場合、ステップ２１８で、次いで、そのデータ点に、そのデータ点の鉱物識別を割り当てる。判断ブロック２１２で、分析すべき追加のデータ点があると判定された場合、ステップ２１４で、次のデータ点を読み込み、この分析は、ステップ２０６から分析を繰り返す。
【００３１】
ステップ２１０で、その分析セクションが、そのデータ点の組成を同定することができなかった場合、システムは、判断ステップ２１１で、追加の分析セクションが使用可能であるかどうかを判定する。使用可能である場合、システムは、次いで、ステップ２０６で、異なる分析セクションを選択する。例えば、そのデータ点が、規則に基づく分析の下でどの鉱物に対する判定基準にも満たさなかった場合には、次いで、ステップ２０７でベスト・マッチ分析を実行する。ステップ２１０で、ステップ２０７でのベスト・マッチ分析がそのデータ点の鉱物組成を決定したと判定された場合、次いで、そのデータ点の分析は完了となる。次いで、判断ブロック２１２で、追加のデータ点があると判定された場合、ステップ２１４で、次のデータ点を読み込み、この分析は、ステップ２０６から分析を繰り返す。判断ブロック２１０で、ベスト・マッチ分析セクションが失敗に終わったと判定され、判断ブロック２１１で、追加の分析セクションが残っていると判定された場合、判断ブロック２０６で、次いで、異なる分析セクションが選択される。例えば、この３番目の分析セクションを、最初の分析セクションとは異なる規則を有するステップ２０８の規則に基づく第２のファースト・マッチ分析システムとすることができる。別の実施形態では、この３番目の分析セクションが、異なるマッチング・アルゴリズムまたはより低いしきい値を使用するセクション２０７の別のベスト・マッチ分析セクションであり得る。この場合も、ブロック２１０で、そのデータ点の鉱物組成が決定されたことが分かった場合、ステップ２１８で、次いで、そのデータ点に、そのデータ点の鉱物識別を割り当てる。次いで、判断ブロック２１２で、分析すべき追加のデータ点があると判定された場合、ステップ２１４で、次のデータ点を読み込み、この分析は、ステップ２０６から分析を繰り返す。そのデータ点の鉱物組成が同定されず、ステップ２１１で、追加の分析セクションがあると判定された場合、次いで、このプロセスは、ステップ２０６に戻って、別の分析セクションを適用する。追加の分析セクションが使用可能でない場合には、ステップ２１６で、そのデータ点を「不明」と分類することができる。一実施形態では、この３番目の分析セクションにおける規則が、最初の分析セクションでの規則またはベスト・マッチ・セクションでのマッチングしきい値ほど厳密ではなく、そのため、この３番目の分析セクションが、そのデータ点に対する少なくとも１つの大まかな分類を見つけ出す可能性は高い。
【００３２】
図３は、「ファースト・マッチ」分析セクションをより詳細に示す。この分析は、例えば本発明の譲受人に譲渡された「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  Ｄａｔａ  Ａｎａｌｙｓｉｓ」という名称の米国特許出願公開第２０１１／０１４４９２２号明細書に記載されているＱＥＭＳＣＡＮのＳｐｅｃｉｅｓ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｐｒｏｔｏｃｏｌ（ＳＩＰ）規則に似ている。ファースト・マッチ分析セクションは、規則表中のいくつかの記載を使用する。それぞれの規則は、そのデータ点を特定の鉱物として分類するためには満たされていなければならない、特定のエネルギー範囲におけるＸ線ピークの高さ、または後方散乱電子強度値などの１つまたは複数の判定基準からなる。例えば、１つの規則は、ＢＳＥ値が３０よりも小さい場合、そのデータ点は、鉱物試料を埋め込むために使用された樹脂を表し、そのため、そのデータ点を捨てることができるということを表す。別の規則は、ＢＳＥ値が１０００カウント／秒よりも小さい場合、電子ビームは試料の割れ目に位置し、そのデータ点を捨てることができるということを示す。別の規則は、シリコンの組成が４５％から４７％の間であり、酸素が５２％から５５％の間である場合、次いで、その鉱物は石英であるということを示す。
【００３３】
ステップ３０２で、特定の順序に並べられた規則のセットを提供する。ステップ３０４で、データ点を、そのセット中の最初の規則と比較する。そのデータ点がその判定基準を満たす場合、判断ブロック３０６は、そのデータ点の組成が、その規則に対応する鉱物であると考えられること、およびその同定プロセスは完了であることを示す。ステップ３０６で、その分析セクションが、そのデータ点の組成を同定することができなかった場合、システムは、判断ステップ３０８で、追加の規則が使用可能であるかどうかを判定する。使用可能である場合には、ステップ３０４で、次の規則をそのデータ点に適用する。ステップ３１０でその鉱物が同定されるか、または、全ての規則が適用され、そのデータ点がどの規則の判定基準も満たさないステップ３１２までこのプロセスは続く。鉱物が同定された場合、システムは続いて、図２のステップ２１４で次のデータ点を処理する。同定されなかった場合、システムは続いて、図２のステップ２０６で次の分析セクションを処理する。
【００３４】
図３のプロセスを使用して、不良なデータ点を除いたり、または試料を載せるために使用した樹脂などのまったく関心のないエリアをすばやく同定したりすることができる。より厳密な規則またはマッチングを使用して鉱物を明確に同定することが可能でない場合にその鉱物を幅広いカテゴリに分類する最終分析セクションとして、図３のプロセスを使用することもできる。
【００３５】
データ点、すなわち未知のスペクトルは、一致するものが見つかるかまたは全ての規則が照査されるまで、それぞれの規則に対して順番に照査される。「ファースト・マッチ」セクションが肯定的な結果を提供した場合には、その結果を鉱物識別として採用する。「ファースト・マッチ」セクションで一致するものが見つからない場合、次いでプロセスは、「ベスト・マッチ」セクションを使用することができるかどうかを判定する。
【００３６】
「ベスト・マッチ」分析セクションは、鉱物定義およびしきい値からなる。好ましい類似距離が、米国特許出願第１３／６６１，７７４号に記載された「Ｍｉｎｅｒａｌ  Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｕｓｉｎｇ  Ｍｉｎｅｒａｌ  Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓ  Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ  Ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ」に記載されている。図４は、「ベスト・マッチ」分析セクションの諸ステップを示す。ステップ４０２で、鉱物定義のライブラリを提供する。ステップ４０４で、データ点を、ライブラリ中のそれぞれの鉱物定義と比較し、そのデータ点とライブラリ中のそれぞれの鉱物定義の間の類似距離を計算する。全ての鉱物を照査したら、ステップ４０６で、そのデータ点との類似距離が最も高い鉱物定義をベスト・マッチとして採用する。ステップ４０８で、そのベスト・マッチの類似距離を、予め指定されたしきい値と比較し、そのしきい値が満たされている場合には、ステップ４１０で、ベスト・マッチであるその鉱物定義を鉱物識別として採用する。システムは続いて、図２のステップ２１４で次のデータ点を処理する。その距離がしきい値よりも低い場合には、次いでステップ４１２で鉱物識別を割り当てず、図２のステップ２０６に記載されているように別の分析セクションを適用する。この３番目のセクションを例えば、最初の「ファースト・マッチ」セクションとは異なる規則を使用する別の「ファースト・マッチ」セクションとすることもできる。
【００３７】
例えば、データ点を、Ｆｅ３０．４３％、Ｃｕ３４．６３％、Ｓ３４．９４％の組成および２３．５４の平均原子番号を有する黄銅鉱、ならびにＳ１３．４０％、Ｐｂ８６．６０％の組成および７３．１６％の平均原子番号を有する方鉛鉱と比較することができる。このデータ点が、例えば９５％の一致の程度で黄銅鉱または方鉛鉱と一致しなかった場合には、次いで、最初の「ファースト・マッチ」セクションとは異なる規則を有する第２の「ファースト・マッチ」セクションを使用して、そのデータ点を再び調べる。一致が見つからなかった後にのみ適用されるこの第２のマッチ・セクションは、より総称的（ｇｅｎｅｒｉｃ）とすることができる。例えば、Ｓｉ組成が３０％よりも大きい場合には、その鉱物を「他のケイ酸塩」として分類し、鉱物の硫黄組成が３０％よりも大きい場合には、その鉱物を「他の硫化物」として分類するということを、規則が示すことができる。
【００３８】
上記の実施形態は、データ点を既知の鉱物からのデータと比較するが、他の実施形態は、最初に、存在する元素、次いで、そのデータ点に存在するそれらの元素の識別および量から存在する鉱物を決定することができる。
【００３９】
本発明のいくつかの実施形態によれば、試料の鉱物内容を決定する方法であって、走査電子顕微鏡内に試料を置くこと、試料のＸ線スペクトルおよび後方散乱電子強度値を得るために試料上の点に電子ビームを導くことを含み、このＸ線スペクトルおよび後方散乱電子強度値が第１のデータ点に対応し、データ点が、関連した鉱物組成を有し、この方法がさらに、データ点を、規則の第１のセット内の、それぞれが鉱物組成に対応する判定基準と順番に比較し、データ点の鉱物組成を、満たされた最初の判定基準に対応する鉱物組成として同定すること、データ点が、規則の第１のセット内の判定基準のいずれをも満たさなかった場合に、ライブラリ内の鉱物のうちのどの鉱物がデータ点に対するベスト・マッチであるかを決定するために、データ点のＸ線スペクトルを鉱物ライブラリ内の鉱物に対応するＸ線スペクトルと比較すること、ならびにデータ点のＸ線スペクトルとライブラリ内のＸ線スペクトルとの一致の程度が所定のしきい値を満たす場合に、データ点の鉱物組成を、ベスト・マッチであるライブラリ・スペクトルに対応する鉱物組成として同定することを含む。
【００４０】
いくつかの実施形態では、データ点のＸ線スペクトルとライブラリ内のＸ線スペクトルとの一致の程度が所定のしきい値を満たさない場合に、データ点を、規則の第２のセット内の、それぞれが鉱物組成に対応する判定基準と順番に比較し、データ点の鉱物組成を、規則の第２のセット内の満たされた最初の判定基準に対応する鉱物組成として同定することをさらに含む。
【００４１】
いくつかの実施形態では、ライブラリ内の鉱物のうちのどの鉱物がデータ点に対するベスト・マッチであるかを決定するために、データ点のＸ線スペクトルを鉱物ライブラリ内の鉱物に対応するＸ線スペクトルと比較することが、データ点の後方散乱電子強度を後方散乱電子強度と比較することをさらに含み、または、データ点とライブラリ内の鉱物のうちのそれぞれの鉱物との間の類似距離を計算することを含む。
【００４２】
いくつかの実施形態では、データ点を、規則の第１のセット内の判定基準と順番に比較することが、不良なデータ点を識別し、または詳細な分析を必要としない試料の部分を識別する。
【００４３】
いくつかの実施形態では、類似距離を計算することが、データ点に対して観察される値をライブラリ鉱物が生成する確率を決定すること、またはカイ２乗値を計算することを含む。
【００４４】
本発明のいくつかの実施形態によれば、試料の鉱物内容を決定する走査電子顕微鏡システムであって、鉱物試料に向かって電子ビームを導く電子ビーム・カラムと、電子ビーム中の電子の衝突に反応して鉱物試料から放出されたＸ線のエネルギーまたは波長を測定する検出器と、試料中に存在する鉱物を決定するためにコンピュータ命令を実行する処理装置と、データ点を、規則の第１のセット内の、それぞれが鉱物組成に対応する判定基準と順番に比較し、データ点の鉱物組成を、満たされた最初の判定基準に対応する鉱物組成として同定するコンピュータ命令、データ点が、規則の第１のセット内の判定基準のいずれをも満たさなかった場合に、ライブラリ内の鉱物のうちのどの鉱物がデータ点に対するベスト・マッチであるかを決定するために、データ点のＸ線スペクトルを鉱物ライブラリ内の鉱物に対応するＸ線スペクトルと比較するコンピュータ命令、ならびにデータ点のＸ線スペクトルとライブラリ内のＸ線スペクトルとの一致の程度が所定のしきい値を満たす場合に、データ点の鉱物組成を、ベスト・マッチであるライブラリ・スペクトルに対応する鉱物組成として同定するコンピュータ命令を含むコンピュータ記憶装置とを備える。
【００４５】
いくつかの実施形態では、コンピュータ命令が、データ点のＸ線スペクトルとライブラリ内のＸ線スペクトルとの一致の程度が所定のしきい値を満たさない場合に、データ点を、規則の第２のセット内の、それぞれが鉱物組成に対応する判定基準と順番に比較し、データ点の鉱物組成を、規則の第２のセット内の満たされた最初の判定基準に対応する鉱物組成として同定する命令をさらに含む。
【００４６】
いくつかの実施形態では、ライブラリ内の鉱物のうちのどの鉱物がデータ点に対するベスト・マッチであるかを決定するために、データ点のＸ線スペクトルを鉱物ライブラリ内の鉱物に対応するＸ線スペクトルと比較するコンピュータ命令が、データ点の後方散乱電子強度を後方散乱電子強度と比較するコンピュータ命令をさらに含み、または、データ点とライブラリ内の鉱物のうちのそれぞれの鉱物との間の類似距離を計算するコンピュータ命令を含む。
【００４７】
いくつかの実施形態では、データ点を、規則の第１のセット内の判定基準と順番に比較するコンピュータ命令が、不良なデータ点を識別するコンピュータ命令、または詳細な分析を必要としない試料の部分を識別するコンピュータ命令を含む。
【００４８】
さらに、本明細書において、用語「自動」、「自動化された」または類似の用語が使用されるときには常に、これらの用語は、自動プロセスもしくは自動ステップまたは自動化されたプロセスもしくは自動化されたステップの手動による開始を含むものと理解される。コンピュータ処理を使用して走査または画像を自動的に処理しているときには常に、見ることができる画像を実際に生じさせることなしに、生の画像データを処理することができることを理解すべきである。以下の議論および特許請求の範囲では、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」が、オープン・エンド（ｏｐｅｎ−ｅｎｄｅｄ）型の用語として使用されており、したがって、これらの用語は、「．．．を含むが、それらだけに限定されない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ，ｂｕｔ  ｎｏｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ．．．）」ことを意味すると解釈すべきである。
【００４９】
ある用語が本明細書で特に定義されていない場合、その用語は、その通常の一般的な意味で使用されることが意図されている。添付図面は、本発明の理解を助けることが意図されており、特記しない限り、一定の比率では描かれていない。本発明および本発明の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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