CN109906497A - 带电粒子束装置以及试样观察方法 - Google Patents

Abstract

在通过带电粒子束装置进行原位(In situ)观察的情况下，并非带电粒子束装置的专家的观察者需要一边观察监视器一边保持每时每刻都变化的观察视场，因此需要实时地操作性良好地控制视场调整。为使观察者不需要移动视线而使实况图像(100)与比较图像(101)重叠进行显示。此时，想办法设计一个界面而能够使观察者毫无压力地执行两个图像的重叠。观察者通过按下操作画面上的按钮(57)，使与显示实况图像(100)的第一显示区域(52)的尺寸匹配的比较图像(101)半透明化，并将与实况图像(100)重叠的重叠图像(104)显示在图像显示装置的第一显示区域(52)的位置上。

Description

带电粒子束装置以及试样观察方法

技术领域

本发明涉及带电粒子束装置以及使用了该装置的试样观察方法。

背景技术

以扫描电子显微镜为代表的带电粒子束装置在试样上的期望区域(视场)内扫描带电粒子束，将从该扫描区域发射的带电粒子信号与扫描位置对应地进行记录，由此使观察位置图像化。在专利文献1中公开了以下技术：在长时间连续地获取图像或存储分析结果的数据的情况下，为了保持电子束照射区域为固定而使用图案匹配来校正电子束照射位置。

另一方面，虽然不是与带电粒子束装置有关的技术，但是在专利文献2中公开了以下技术：作为图像处理技术而将静止图像数据与实时地显示的运动图像数据进行合成并显示。为了更高精度地拍摄左右对称的脸部图像，在拍摄左脸图像时，将已经拍摄得到的右脸图像左右反转地与实时地显示的左脸图像进行合成并显示。以实时地显示的左脸图像与左右反转的右脸图像尽可能一致的方式调整脸部角度来进行拍摄，能够更高精度地拍摄左右对称的脸部图像。

在先技术文献

专利文献1：日本特开2016-91893号公报

专利文献2：日本特开2009-61178号公报

发明内容

发明要解决的课题

要观察的试样不会随着时间经过而变化或如专利文献1那样由观察者的操作导致的情况下视场调整费时，因此重视视场调整的严密性，使用图像处理的各种方法将获取到的图像数据的位置偏移数值化，并进行控制。与此相对，对于带电粒子束装置，将对试样加热或施加力学的力而产生的微观的变化进行原位(当场(In situ))观察的需求正在提高。在这种情况下，并非是带电粒子束装置的专家的观察者需要一边观察监视器一边保持每时每刻变化的观察视场，因此需要实时地操作性良好地控制视场调整。

将作为基准的比较图像与观察中的实况图像进行比较而进行视场调整，但是越是在高倍率下进行观察则视场移动越明显，因此为了使观察者不需要移动视线，而认为将两个图像进行重叠显示较有效。因此，期望应用专利文献2所公开的图像处理技术。然而，在专利文献2中也是费时地调整拍摄条件的应用领域，拍摄对象也是脸部这种较大的被摄体。与此相对，在将试样进行原位观察的情况下，观察者要观察在观察视场中产生的变化。并不限定于要以与观察对象相应的尺寸显示在画面上的、实况图像与比较图像以相同显示尺寸显示在画面上。提供一种扫描电子显微镜以及试样观察方法：在这种情况下也在设计界面上下功夫以使观察者能够毫无压力地执行两个图像的重叠，以简单的操作进行视场调整同时观察者能够集中于原位观察。

用于解决可课题的手段

一种带电粒子束装置构成为，具有：带电粒子光学系统，其具有带电粒子源、用于对从带电粒子源发射的一次带电粒子束进行聚焦的聚焦透镜、用于将一次带电粒子束聚焦到试样上的物镜、用于在试样上扫描一次带电粒子束的偏转线圈及检测通过向试样照射一次带电粒子束而产生的二次带电粒子的检测器；操作盘，其接收操作者的控制；图像显示装置，其具有多个显示区域；控制装置，其与操作盘和图像显示装置相连接，具有装置控制部和显示控制部；以及存储装置，其存储由带电粒子光学系统拍摄得到的图像数据，其中，装置控制部接收来自操作盘的控制并控制带电粒子光学系统而获取图像数据，显示控制部将从带电粒子光学系统获取的实况图像显示在图像显示装置的第一显示区域，将存储于存储装置的比较图像显示在图像显示装置的第二显示区域，显示控制部接收来自操作盘的控制，使与第一显示区域的尺寸匹配的比较图像半透明化，并将重叠在实况图像上的重叠图像显示在图像显示装置的第一显示区域的位置。

能够不从图像显示装置上的实况图像移开视线地进行视场调整。

附图说明

图1是本实施例的扫描电子显微镜的概要图。

图2是操作画面的一例。

图3是操作画面的一例。

图4是操作画面的一例。

图5是表示本实施例的数据处理的图。

图6是本实施例的实况图像与比较图像的重叠处理流程。

图7是透射率的设定画面的一例。

图8是改变比较图像的一部分透射率的一例。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。在以下说明的实施例中，作为带电粒子束装置的一个方式，举例说明了扫描电子显微镜(SEM：Scanning Electron Microscope)，但是并不限定于此，例如作为带电粒子源，使用液态金属离子源、气体离子源，还能够应用于将从它们发射的离子束(带电粒子束)照射到试样的聚焦离子束(FIB：Focused Ion Beam)装置、透射电子显微镜(TEM：Transmission Electron Microscope)、扫描透射电子显微镜(STEM：Scanning Transmission Electron Microscope)、扫描离子显微镜、扫描式探针显微镜、光学显微镜、激光显微镜等。

图1是本实施例的扫描电子显微镜的概要图。从电子枪(带电粒子源)1发射的一次电子束2通过第一聚焦透镜3聚焦一次之后扩展。扩展后的一次电子束由物镜光圈4阻挡射束的外周部分，光束中心部的预定直径部分通过。通过切换该第一聚焦透镜3的焦点位置和物镜光圈4的开口量，能够调整照射到试样11的射束电流量。通过了物镜光圈4的一次电子束通过第二聚焦透镜5和物镜6聚焦在载置于试样台8上的试样11上。通过偏转线圈7的作用在试样11上扫描一次电子束。由检测器9检测通过一次电子束的照射而从试样11产生的信号电子(二次电子)。

这些电子光学系统配置于真空排气的镜筒20内，并且，试样台8配置于真空排气的试样室21。另外，控制装置31控制扫描电子显微镜的硬件。控制装置31可以构成为专门进行处理的硬件，也可以构成为安装成软件而使用通用处理器(例如CPU、GPU、DSP等)来执行处理。另外，在控制装置31上连接有图像显示装置32、存储装置33、操作盘34。在图像显示装置32中显示如后文中所述那样使用扫描电子显微镜正在进行观察的图像、观察者控制扫描电子显微镜所需的操作画面。在存储装置33中除了存储扫描电子显微镜的控制程序以外，还存储有使用扫描电子显微镜拍摄得到的图像(包含静止图像、运动图像)。操作盘34为用于输入观察者的指示的接口，使用键盘、鼠标、指示设备这种硬件来实现。例如观察者一边观察显示在图像显示装置32中的图像一边通过操作盘34使试样台8在XYZ方向(X、Y为与一次电子束的光轴方向垂直的面内的2个轴、Z为沿一次电子束的光轴方向的轴)进行移动而搜索期望的观察部位。

在此，在图1的示例中，试样11经由子台10载置于试样台8。子台10为对试样施加预定作用的台，例如施加对试样加热或对试样施加力这种作用。准备以下子台：在通过对试样11施加某种作用而对试样11产生的微观的变化进行观察(称为“In situ观察”)情况下，能够对试样11施加预定作用。试样室21需要较大的搬入口，以将子台搬入到试样室21。另外，在试样室21中设置有若干个孔。平时被堵塞，但是在使用子台10的情况下，从这些孔向外引出用于控制子台10所需的布线。引出的布线与电源、控制单元相连接，以使子台10进行动作。子台10的控制通常通过与扫描电子显微镜的控制装置不同的控制装置(PC等)来实施，但是也可以是同一控制装置。

试样室21经由用于使一次电子束通过的开口22与镜筒20相连接。因此，一旦试样室21的真空度下降时，由此镜筒20的真空度也下降。特别是由于在镜筒20中存在要求高真空度的电子枪1、物镜光圈4这种部件，因此只要不再次到达预定真空度则无法开始进行观察。为了缩短从搬入试样直到观察开始为止的时间而期望降低试样室21的真空度下降的影响对镜筒20带来的影响。

因此，设置有用于抑制试样室21的真空度下降传递到镜筒20侧的机构。例如配置有差动排气节流阀(未图示)，以抑制镜筒20的特别是设置有要求高真空度的部件1、4的区域的真空度下降或将肖特基电子枪用于电子枪1，由此在打开试样室21之后，能够缩短再次进行真空排气而直到开始观察为止的时间。

作为一例，说明一边对试样11加热一边观察其变化的情况下的示例。打开试样室21，将设置有试样11的试样加热用子台10设置于试样台8上。之后，将试样室21进行真空排气。在完成真空排气之后，将电子束照射到试样11上，使图像显示装置32显示当前观察中的图像。图2示出显示在图像显示装置32中的操作画面51的示例。

在操作画面51中包含实况图像显示区域52、已拍摄图像显示区域53、操作面板55。在操作面板55上显示用于观察而控制扫描电子显微镜的各种参数，观察者经由操作盘34进行参数调整。在预定条件下用于拍摄适当的图像的参数预先存储于存储装置33，因此从存储装置33读出适当的参数即可，通常，观察者不必自己变更预定的参数。在实况图像显示区域52中显示由当前扫描电子显微镜正在观察中的图像。

另外，在该观察中观察者拍摄图像时，其图像数据被存储到存储装置33，与此同时在已拍摄图像显示区域53中显示拍摄得到的图像的缩小图像54-i(i：整数)。在一次观察中拍摄得到的一系列图像全部显示在已拍摄图像显示区域53中。此外，不仅是静止图像，也可以是运动图像。在运动图像的情况下，例如作为其代表图像而显示最初的图像。

观察者一边将试样11从室温阶段性地依次提高到目标温度A、目标温度B一边观察试样11的变化。首先，在室温的状态下使试样台8移动的同时决定要观察的视场。观察者为了确保持续同一视场，而在要观察的视场中包含即使温度上升位置和形状也不会变化的标记。例如能够将视场内包含的异物用于标记。如果决定视场则拍摄其图像。在已拍摄图像显示区域53中显示已拍摄图像缩小图像54。

例如若双击缩小图像54-1则显示在比较图像显示区域56中。比较图像显示区域56以与区域52、53、55不同的窗口，作为与实况图像显示区域52相同尺寸、相同倍率的图像而显示已拍摄图像54-1。为了在不同窗口中打开，比较图像显示区域56能够在操作画面51的任意位置显示。实况图像显示区域52、比较图像显示区域56能够分别改变显示尺寸来进行显示。这是由于，期望以适当的尺寸将观察者所关注的对象显示在操作画面上。

当设定目标温度A而开始对试样11加热时，式样温度朝向目标温度A开始上升。随着试样11的温度上升，试样外围也变热，因此整体地热膨胀，视场从室温时决定的观察位置逐渐持续移动，与此相对，需要以不会看漏视场的方式对试样台8进行操作。如图3所示当将实况图像显示区域52和比较图像显示区域56并列时，将两个图像进行比较较佳，但是难以判断例如设为视场的标记的异物图像102和异物图像103在实况图像100和比较图像101中是否位于同一位置。实况图像有时由于温度变化而一瞬间发生变化，当观察者恰巧此时将视线移动到比较图像显示区域时有时看漏目的视场。

因此，在本实施例中，在用于显示比较图像101的窗口的上部处设置有按钮57。当点击按钮57时，如图4所示使比较图像101半透明化，并显示在实况图像100上重叠的重叠图像104。由于图像重叠，因此不需要为了进行视场调整而使视线从实况图像离开并且由于被半透明化因此容易区别是实况图像100的标记还是比较图像101的标记。

当到达设定了试样温度的目标温度A并稳定时，视场移动得以确定。对试样台进行操作来对视场进行微调整而拍摄图像。拍摄得到的图像的缩小图像被显示在已拍摄图像显示区域53。此外，当在图像重叠的状态下再次点击按钮57时返回至图3的状态。即，比较图像101返回至原透明度，在与实况图像不同的位置通过其它窗口进行显示。或者，也可以从操作画面51删除。

接着，当设定目标温度B时试样温度朝向目标温度B开始上升。观察者作为比较图像而可以使用在室温下拍摄得到的图像，也可以使用在目标温度A拍摄得到的图像。任意已拍摄图像均显示在已拍摄图像显示区域53内，因此选择变得容易。以后，同样地能够持续进行观察。

除此以外，在对试样11施加拉力而观察其变化的情况下，准备试样拉伸用子台。当从相对的两个方向使试样11拉伸变形时，除了中心部以外视场移动。在这种情况下，通过使用本实施例的操作画面，能够不使视线从实况图像100离开而进行视场调整。

使用图5和图6说明使图像重叠的处理流程。由检测器9检测出的信号电子在控制装置31中变换为图像数据D_L(P,X,Y)(1≤X≤L,1≤Y≤M)。图像数据表示为图像中的位置(X,Y)处的像素值P的集合。图像数据D_L显示在图像显示装置32处，因此变换为与实况图像显示区域52的尺寸匹配的显示图像数据E_L(p,x,y)(1≤x≤j,1≤y≤k)，作为实况图像100显示在操作画面51的实况图像显示区域52内。另一方面，当观察者进行拍摄时从检测器9得到的图像数据作为D_Si(P,X,Y)(1≤i≤N,1≤X≤L,1≤Y≤M)存储于存储装置33。N为观察者拍摄得到的张数。

拍摄得到的图像变换为与已拍摄图像显示区域53的尺寸匹配的缩小显示图像数据E_TSi(p,x’,y’)(1≤x’≤j’,1≤y’≤k’)，如上所述，作为缩小图像54而显示在操作画面51的已拍摄图像显示区域53内。当双击缩小图像54时(设i＝n的缩小图像被双击时)，变换为与比较图像显示区域56的尺寸匹配的显示图像数据E_Sn(p,x,y)(1≤x≤j,1≤y≤k)，作为比较图像101而显示在操作画面51的比较图像显示区域56内。

在该状态下检测按钮57的点击(参照图3)，由此显示控制部36开始进行处理(S70)。此外，处理的开始命令例如也可以通过操作盘34的预定键操作来开始。首先，确认实况图像与比较图像是否为相同尺寸(S72)。在图5的示例中实况图像与比较图像的尺寸相同，但是在实况图像与比较图像的尺寸不同的情况下，获取实况图像尺寸的比较图像的像素数据(S74)。接着，获取操作画面51上的实况图像的代表坐标(S76)。

例如图2所示，在将操作画面51的左上角的像素60为原点、将操作画面51上的任意像素Q的坐标标记为Q(a，b)、将显示区域的左上角设为代表坐标的情况下，作为实况图像显示区域的代表坐标而获取像素61的坐标QL(al，bl)。此外，操作画面51的坐标的赋予方法、显示区域的代表图像的赋予方法并不限定于此，能够唯一地确定即可。另外，在实况图像显示区域52固定在操作画面51上的情况下，能够省略该步骤。

接着，生成在实况图像上重叠具有预定不透明度且使尺寸相等的比较图像而成的重叠图像(S78)。例如将阿尔法混合方式应用于两个图像的重叠。在阿尔法混合方式中，作为像素值而包含按每个像素示出透射率的阿尔法值α。由此，以与阿尔法值α相应的比例，将实况图像的像素颜色与比较图像的像素颜色进行混合，由此能够生成在实况图像上重叠半透明的比较图像而成的重叠图像。将所生成的重叠图像显示在比较图像显示区域56中，并且将比较图像显示区域56显示在实况图像的代表坐标位置(S80)。其能够通过将作为比较图像显示区域的代表坐标的像素62的坐标QC(ac，bc)的值设为坐标(al，al)来实现。

此外，也可以将重叠图像显示在实况图像显示区域52内。在该情况下，不使比较图像显示区域56移动。在实况图像显示区域52显示重叠图像，因此得到相同的效果。

并且，如图7所示，为了调整半透明的透射率，当鼠标悬停(mouse over)在按钮57上时显示透射率调整工具58。也可以通过滑块59调整透射率，还可以直接输入数值。此时，可以按着比率输入透射率，也可以直接输入阿尔法值α(0～255)的值。在此设定的透射率被存储于存储装置33。

在本实施例中，为了调整实况图像的视场，将两张图像进行重叠，但是在图像处理方面能够考虑各种方法。例如还考虑从比较图像提取轮廓线来进行重叠。然而，认为使比较图像半透明化并重叠在实况图像上的本实施例的方法在以下几点是有利的。首先，仅需要运算显示在图像显示装置32上的像素值，因此处理负荷较小，能够容易地追随观察者的操作。另外，在标记是异物这样的情况下，如果一定程度上并没有精确地切出轮廓线则相反地有可能难以对位。

以上，详细地说明了本实施例，但是能够进行各种变形。例如能够在操作画面51上显示多个比较图像显示区域56，在各比较图像显示区域设置有按钮57。通过点击任一比较图像显示区域56的按钮57，使显示在该比较图像显示区域56内的比较图像半透明化，并显示重叠在实况图像上的重叠图像。并且，当在该状态下点击其它比较图像显示区域56的按钮57时，使按钮57被点击的比较图像显示区域56显示的比较图像半透明化，被替换为重叠在实况图像上的重叠图像。

此外，在显示多个比较图像时，优选透射率的设定值使用通用的值。即，在一个比较图像设定的透射率还反映于其它比较图像。通过一次测量拍摄得到的图像存在多个相似的图像，因此与按每个比较图像存储设定值相比，一个设定值反映于所有比较图像对观察者更方便。因此，例如对显示在已拍摄图像显示区域53内的多个已拍摄图像设定最新透射率。并且，也可以设为以下标准：在一次测量中在每个图像中明亮度不同的情况下，在对一个比较图像设定一个透射率并将其反映于所有比较图像之后，观察者设定不同的透射率。

另外，为了在操作画面51上作为实况图像而同时显示各种不同信号的图像，有时在实况图像显示区域52内以两个画面、四个画面这种多个画面进行显示。通过手动调整图像的明亮度、对比度的画面需要限定为一个，因此即使在多画面显示的情况下也处于选择了任一画面的状态。在实况图像显示区域52为多画面显示的情况下，在比较图像显示区域56的按钮57被按下的情况下，比较图像重叠在能够调整图像的明亮度、对比度的实况图像即处于选择状态的实况图像上。

并且，如图8所示，还能够设为能够将比较图像101中半透明化的区域指定为105、106，仅在所指定的区域使比较图像半透明化并重叠，不使除此以外的区域重叠(设为透射率100％)。由此，存在能够清楚地观察到与视场调整无关的部分的实况图像这种优点。

附图标记说明

1：电子枪；2：一次电子束；3：第一聚焦透镜；4：物镜光圈；5：第二聚焦透镜；6：物镜；7：偏转线圈；8：试样台；9：检测器；10：子台；11：试样；20：镜筒；21：试样室；31：控制装置；32：图像显示装置；33：存储装置；34：操作盘。

Claims (12)

1.一种带电粒子束装置，其特征在于，具有：

带电粒子光学系统，其具有带电粒子源、用于对从上述带电粒子源发射的一次带电粒子束进行聚焦的聚焦透镜、用于将上述一次带电粒子束聚焦到试样上的物镜、用于在上述试样上扫描上述一次带电粒子束的偏转线圈以及检测通过向上述试样照射上述一次带电粒子束而产生的二次带电粒子的检测器；

操作盘，其接收操作者的控制；

图像显示装置，其具有多个显示区域；

控制装置，其与上述操作盘和上述图像显示装置相连接，具有装置控制部和显示控制部；以及

存储装置，其存储由上述带电粒子光学系统拍摄得到的图像数据，

上述装置控制部接收来自上述操作盘的控制并控制上述带电粒子光学系统而获取图像数据，

上述显示控制部将从上述带电粒子光学系统获取的实况图像显示在上述图像显示装置的第一显示区域内，将存储于上述存储装置的比较图像显示在上述图像显示装置的第二显示区域内，

上述显示控制部接收来自上述操作盘的控制，使与上述第一显示区域的尺寸比配的上述比较图像半透明化，并将重叠在上述实况图像上的重叠图像显示在上述图像显示装置的上述第一显示区域的位置。

2.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述显示控制部将作为第一透射率的上述实况图像的图像数据以及作为与上述第一透射率不同的第二透射率的上述比较图像的图像数据进行合成而生成上述重叠图像的图像数据。

3.根据权利要求2所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述显示控制部在上述第二显示区域显示按钮，所显示的上述按钮从上述操作盘接收第一控制，由此使上述重叠图像显示在上述图像显示装置的上述第一显示区域的位置。

4.根据权利要求3所述的带电粒子束装置，其特征在于，

在上述图像显示装置的上述第一显示区域的位置显示用于显示上述重叠图像的上述第二显示区域。

5.根据权利要求3所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述显示控制部在上述第一显示区域显示上述重叠图像。

6.根据权利要求3所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述按钮从上述操作盘接收第二控制，由此上述显示控制部显示用于调整上述透射率的透射率调整工具。

7.根据权利要求2所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述显示控制部将存储于上述存储装置的多个已拍摄图像作为缩小图像而显示在上述图像显示装置的第三显示区域，

上述显示控制部将由上述操作盘选择的上述多个已拍摄图像之一作为上述比较图像，显示在上述第二显示区域，

针对上述多个已拍摄图像，上述透射率被设定为通用的值。

8.一种试样观察方法，使用了带电粒子装置，该带电粒子装置具备：操作盘，其接收操作者的控制；图像显示装置，其具有多个显示区域；试样台；带电粒子光学系统；以及存储装置，其存储由上述带电粒子光学系统拍摄得到的图像数据，该试样观察方法的特征在于，

经由子台将试样配置于上述试样台上，

将从上述带电粒子光学系统获取的实况图像显示在上述图像显示装置的第一显示区域，

将存储于上述存储装置的比较图像显示在上述图像显示装置的第二显示区域，

控制上述子台以对上述试样施加预定作用，

接收来自上述操作盘的控制，使与上述第一显示区域的尺寸匹配的上述比较图像半透明化，并将重叠在上述实况图像上的重叠图像显示在上述图像显示装置的上述第一显示区域的位置。

9.根据权利要求8所述的试样观察方法，其特征在于，

将作为第一透射率的上述实况图像的图像数据以及作为与上述第一透射率不同的第二透射率的上述比较图像的图像数据进行合成而生成上述重叠图像的图像数据。

10.根据权利要求9所述的试样观察方法，其特征在于，

在上述第二显示区域显示按钮，所显示的上述按钮从上述操作盘接收第一控制，由此将上述重叠图像显示在上述图像显示装置的上述第一显示区域的位置。

11.根据权利要求10所述的试样观察方法，其特征在于，

上述按钮从上述操作盘接收第二控制，由此显示用于调整上述透射率的透射率调整工具。

12.根据权利要求9所述的试样观察方法，其特征在于，

将存储于上述存储装置的多个已拍摄图像作为缩小图像而显示在上述图像显示装置的第三显示区域，

将由上述操作盘选择的上述多个已拍摄图像之一作为上述比较图像，显示在上述第二显示区域，

针对上述多个已拍摄图像，上述透射率被设定为通用的值。