WO2018096575A1 - 荷電粒子線装置および試料観察方法 - Google Patents

荷電粒子線装置および試料観察方法 Download PDF

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訓志 重藤
山下　貢
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株式会社日立ハイテクノロジーズ
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    • H01J2237/22—Treatment of data
    • H01J2237/221—Image processing

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam apparatus and a sample observation method using the same.
  • a charged particle beam apparatus typified by a scanning electron microscope scans a desired region (field of view) on a sample with a charged particle beam, and records a charged particle signal emitted from the scanning region corresponding to a scanning position. Then, the observation place is imaged.
  • Patent Document 1 when an image is continuously acquired for a long time or analysis result data is accumulated, the electron beam irradiation position is corrected using pattern matching in order to keep the electron beam irradiation region constant. Techniques to do this are disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a technique for combining and displaying still image data with moving image data displayed in real time as an image processing technique.
  • the left face image that is displayed in real time is combined with the right face image that has already been photographed and displayed.
  • the photographer adjusts the angle of the face so that the left face image displayed in real time matches with the right face image reversed left and right as much as possible, and tries to photograph a symmetrical face image with higher accuracy.
  • Patent Document 2 is also an application field in which shooting conditions can be adjusted over time, and the shooting target is also a relatively large subject called a face.
  • the observer tries to observe a change occurring in the observation field.
  • the live image and the comparative image are not necessarily displayed on the screen with the same display size when the image is displayed on the screen in a size corresponding to the observation target. Even in such a case, a scanning electron microscope and sample observation that allows the observer to concentrate on in-situ observation while adjusting the field of view with simple operation, so that the two images can be superimposed without stress on the observer. Provide a method.
  • a charged particle source a focusing lens for focusing the primary charged particle beam emitted from the charged particle source, an objective lens for focusing the primary charged particle beam on the sample, and the primary charged particle beam on the sample
  • a charged particle optical system having a deflection coil for scanning, a detector for detecting secondary charged particles generated by irradiating the sample with the primary charged particle beam, an operation panel for receiving operator control, and a plurality of An image display device having a display area, a control device connected to the operation panel and the image display device, having a device control unit and a display control unit, and a storage device for storing image data taken by the charged particle optical system
  • the apparatus control unit receives control from the operation panel and controls the charged particle optical system to acquire image data
  • the display control unit acquires a live image acquired from the charged particle optical system.
  • the display control unit receives control from the operation panel, and displays the first display region.
  • a comparison image that matches the size of the image is made translucent and a superimposed image superimposed on the live image is displayed at the position of the first display area of the image display device.
  • Schematic of the scanning electron microscope of a present Example An example of an operation screen. An example of an operation screen. An example of an operation screen. The figure which shows the data processing of a present Example. The superimposition processing flow of the live image and comparative image of a present Example. An example of a transparency setting screen. An example of changing the transparency of a part of a comparative image.
  • a scanning electron microscope SEM
  • SEM scanning electron microscope
  • a liquid metal A focused ion beam (FIB) device that irradiates the sample with an ion beam (charged particle beam) emitted from an ion source or a gas ion source
  • TEM transmission electron microscope
  • the present invention can also be applied to a scanning transmission electron microscope (STEM), a scanning ion microscope, a scanning probe microscope, an optical microscope, a laser microscope, and the like.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a scanning electron microscope of the present embodiment.
  • a primary electron beam 2 emitted from an electron gun (charged particle source) 1 is once focused by a first focusing lens 3 and then spreads.
  • the spread primary electron beam is blocked by the objective aperture 4 at the outer peripheral portion of the beam, and passes through a predetermined diameter portion at the center of the beam.
  • the amount of beam current applied to the sample 11 can be adjusted by switching the focal position of the first focusing lens 3 and the aperture amount of the objective aperture 4.
  • the primary electron beam that has passed through the objective aperture 4 is focused on the sample 11 placed on the sample stage 8 by the second focusing lens 5 and the objective lens 6.
  • the primary electron beam is scanned on the sample 11 by the action of the deflection coil 7.
  • Signal electrons (secondary electrons) generated from the sample 11 by the irradiation of the primary electron beam are detected by the detector 9.
  • the hardware of the scanning electron microscope is controlled by the control device 31.
  • the control device 31 may be configured as hardware dedicated to processing, or configured to be executed using a general-purpose processor (for example, CPU, GPU, DSP, etc.) by mounting the processing as software. Also good.
  • An image display device 32, a storage device 33, and an operation panel 34 are connected to the control device 31. As will be described later, the image display device 32 displays an image being observed with the scanning electron microscope and an operation screen necessary for the observer to control the scanning electron microscope.
  • the storage device 33 stores images (including still images and moving images) captured by the scanning electron microscope.
  • the operation panel 34 is an interface for inputting an instruction from the observer, and is realized by hardware such as a keyboard, a mouse, and a pointer. For example, while observing the image displayed on the image display device 32, the observer moves the sample stage 8 from the operation panel 34 in the XYZ directions (X and Y are two axes in a plane perpendicular to the optical axis direction of the primary electron beam, Z Is moved to the axis along the optical axis direction of the primary electron beam to find a desired observation point.
  • the sample 11 is placed on the sample stage 8 via the substage 10.
  • the substage 10 is a stage that applies a predetermined action to the sample.
  • the substage 10 applies an action such as heating the sample or applying a force to the sample.
  • a sub-stage capable of applying a predetermined action to the sample 11 is prepared.
  • the sample chamber 21 In order to carry the substage into the sample chamber 21, the sample chamber 21 needs a relatively large inlet.
  • the sample chamber 21 is provided with several holes. Although normally closed, when the substage 10 is used, wiring necessary for controlling the substage 10 is drawn out from these holes.
  • the drawn wiring is connected to a power source and a control unit in order to operate the substage 10.
  • the control of the substage 10 is usually performed by a control device (such as a PC) different from the control device of the scanning electron microscope, but the same control device may be used.
  • the sample chamber 21 is connected to the lens barrel 20 through an opening 22 for allowing the primary electron beam to pass therethrough. For this reason, once the vacuum degree of the sample chamber 21 is lowered, the vacuum degree of the lens barrel 20 is also lowered thereby.
  • the lens barrel 20 since the lens barrel 20 includes members such as the electron gun 1 and the objective diaphragm 4 that require a high degree of vacuum, observation cannot be started unless the predetermined degree of vacuum is reached again. In order to shorten the time from sample introduction to the start of observation, it is desirable to reduce the influence of the decrease in the vacuum degree of the sample chamber 21 on the lens barrel 20.
  • a mechanism is provided to suppress the reduction in the degree of vacuum in the sample chamber 21 from being transmitted to the lens barrel 20 side.
  • a differential exhaust diaphragm (not shown) that suppresses a decrease in the degree of vacuum in the region where the members 1 and 4 that require a particularly high degree of vacuum of the lens barrel 20 are disposed, or shot on the electron gun 1 is used.
  • a key electron gun it is possible to shorten the time until the observation is started after the sample chamber 21 is opened and then evacuated again.
  • FIG. 2 shows an example of the operation screen 51 displayed on the image display device 32.
  • the operation screen 51 includes a live image display area 52, a captured image display area 53, and an operation panel 55.
  • Various parameters for controlling the scanning electron microscope for observation are displayed on the operation panel 55, and the observer adjusts the parameters via the operation panel 34. Since parameters for capturing an appropriate image under a predetermined condition are stored in the storage device 33 in advance, it is only necessary to read out the appropriate parameters from the storage device 33. Normally, an observer sets a predetermined parameter. You don't have to change it yourself.
  • In the live image display area 52 an image currently being observed with a scanning electron microscope is displayed.
  • the image data is stored in the storage device 33 and, at the same time, a reduced image 54-i (i: integer) of the image captured in the captured image display area 53. ) Is displayed.
  • a series of images captured during one observation is displayed in the captured image display area 53. Note that not only a still image but also a moving image may be used. In the case of a moving image, for example, the first image is displayed as the representative image.
  • the observer shall observe the change of the sample 11 while gradually raising the sample 11 from the room temperature to the target temperature A and the target temperature B.
  • the visual field to be observed is determined while moving the sample stage 8 at room temperature.
  • the visual field to be observed includes a mark whose position and shape do not change even when the temperature rises so that the observer can keep the same visual field. For example, a foreign substance included in the visual field can be used as a mark.
  • the comparison image display area 56 is a window different from the areas 52, 53, and 55 and displays the captured image 54-1 as an image having the same size and the same magnification as the live image display area 52. Since the image is opened in a different window, the comparison image display area 56 can be displayed at an arbitrary position on the operation screen 51.
  • the live image display area 52 and the comparative image display area 56 can be displayed with different display sizes. This is because it is desirable that the object focused by the observer is displayed on the operation screen with an appropriate size.
  • the sample temperature starts to increase toward the target temperature A.
  • the periphery of the sample also warms up, so that the overall thermal expansion occurs.
  • the visual field continues to move gradually from the observation position determined at room temperature, whereas the sample stage 8 is operated so as not to lose sight of the visual field.
  • the live image display area 52 and the comparison image display area 56 are juxtaposed as shown in FIG. 3, it is good to compare the two images. It is difficult to determine whether the comparison image 101 is at the same position.
  • the live image may change in an instant due to a temperature change, and if the observer is moving the line of sight to the comparative image display area at that time, the target visual field may be lost.
  • a button 57 is provided at the top of the window for displaying the comparative image 101.
  • the comparison image 101 is made translucent as shown in FIG. 4 and the superimposed image 104 superimposed on the live image 100 is displayed. Since the images overlap, it is not necessary to separate the line of sight from the live image for visual field adjustment, and because it is translucent, whether it is a mark of the live image 100 or a mark of the comparative image 101, It is easy to make a distinction.
  • the field of view moves. Operate the sample stage to fine-tune the field of view and take an image. A reduced image of the captured image is displayed in the captured image display area 53. If the button 57 is clicked again in a state where the images overlap, the state shown in FIG. 3 is restored. That is, the comparison image 101 returns to the original transparency and is displayed in a separate window at a location different from the live image. Alternatively, the operation screen 51 may be deleted.
  • the sample temperature starts to increase toward the target temperature B.
  • the observer may use an image taken at room temperature as a comparative image, or may use an image taken at the target temperature A. Since any captured image is displayed in the captured image display area 53, the selection is easy. Thereafter, observation can be continued in the same manner.
  • a sub-stage for pulling the sample is prepared.
  • the field of view moves except for the central portion.
  • the visual field can be adjusted without leaving the line of sight from the live image 100.
  • the signal electrons detected by the detector 9 are converted into image data D L (P, X, Y) (1 ⁇ X ⁇ L, 1 ⁇ Y ⁇ M) in the control device 31.
  • the image data is represented as a set of pixel values P at a position (X, Y) in the image. Since the image data D L is displayed on the image display device 32, the display image data E L (p, x, y) (1 ⁇ x ⁇ j, 1 ⁇ y ⁇ k) matched to the size of the live image display area 52 is obtained.
  • the converted image is displayed as a live image 100 in the live image display area 52 of the operation screen 51.
  • the image data obtained from the detector 9 is stored in the storage device 33 by D Si (P, X, Y) (1 ⁇ i ⁇ N, 1 ⁇ X ⁇ L, 1 ⁇ Y ⁇ M). ) Is stored.
  • N is the number of images taken by the observer.
  • the captured image is converted into reduced display image data E TSi (p, x ′, y ′) (1 ⁇ x ′ ⁇ j ′, 1 ⁇ y ′ ⁇ k ′) according to the size of the captured image display area 53. As described above, the image is displayed as the reduced image 54 in the captured image display area 53 of the operation screen 51.
  • the display control unit 36 starts processing (S70).
  • the processing start command may be started by a predetermined key operation on the operation panel 34, for example.
  • S72 it is confirmed whether the live image and the comparison image have the same size.
  • S74 pixel data of the comparison image at the live image size is acquired (S74).
  • S76 the representative coordinates of the live image on the operation screen 51 are acquired (S76).
  • the pixel 60 at the upper left corner of the operation screen 51 is set as the origin, the coordinates of an arbitrary pixel Q on the operation screen 51 are expressed as Q (a, b), and the upper left corner of the display area is indicated.
  • the coordinates QL (al, bl) of the pixel 61 are acquired as the representative coordinates of the live image display area.
  • the method of giving the coordinates of the operation screen 51 and the method of giving the representative image of the display area are not limited to this, and it is sufficient that they can be uniquely specified. If the live image display area 52 is fixed on the operation screen 51, this step can be omitted.
  • a superimposed image is generated by superimposing a comparison image equal in size with a predetermined opacity on the live image (S78).
  • an alpha blend method is applied to superimpose two images.
  • the pixel value includes an alpha value ⁇ indicating transparency for each pixel.
  • This generates a superimposed image in which the comparison image made translucent is superimposed on the live image by mixing the color of the pixel of the live image and the color of the pixel of the comparison image at a rate corresponding to the alpha value ⁇ . can do.
  • the generated superimposed image is displayed in the comparison image display area 56, and the comparison image display area 56 is displayed at the position of the representative coordinates of the live image (S80). This can be realized by setting the value of the coordinate QC (ac, bc) of the pixel 62, which is the representative coordinate of the comparison image display area, as the coordinate (al, al).
  • the superimposed image may be displayed in the live image display area 52.
  • the comparative image display area 56 is not moved. Since the superimposed image is displayed in the live image display area 52, the same effect can be obtained.
  • the transparency adjustment tool 58 is displayed when the mouse is moved over the button 57.
  • the transparency may be adjusted by the slider 59, or a numerical value may be directly input.
  • the transparency may be input as a ratio, or the alpha value ⁇ (0 to 255) may be directly input.
  • the transparency set here is stored in the storage device 33.
  • two images are superimposed to adjust the field of view of a live image, but various methods can be considered for image processing. For example, it is conceivable to extract contour lines from the comparison image and superimpose them. However, the method of the present embodiment in which the comparative image is made translucent and superimposed on the live image is considered advantageous in the following points.
  • the processing load is small, and it is possible to easily follow the operation of the observer. Further, when the mark is a foreign object, the alignment may be difficult unless the contour line is cut out to some extent.
  • a plurality of comparison image display areas 56 can be displayed on the operation screen 51, and a button 57 is provided in each comparison image display area.
  • the button 57 of any one of the comparison image display areas 56 is clicked, the comparison image displayed in the comparison image display area 56 is made translucent, and the superimposed image superimposed on the live image is displayed.
  • the button 57 of another comparison image display area 56 is clicked in that state, the comparison image displayed in the comparison image display area 56 where the button 57 is clicked is made translucent and superimposed on the live image. Replaced with the superimposed image.
  • the transparency setting value when a plurality of comparative images are displayed, it is preferable to use a common value for the transparency setting value. That is, the transparency set in one comparative image is reflected in other comparative images. Since many images taken in one measurement are similar, it is more convenient for the observer to reflect one setting value in all comparison images than to store a setting value for each comparison image. is there. Therefore, for example, the latest transparency is set for a plurality of photographed images displayed in the photographed image display area 53. In addition, if the brightness of each image is different in one measurement, one transparency is set for one comparison image, and it is reflected in all comparison images before the observer. However, it is possible to use a specification in which different transmittances are set.
  • the live image display area 52 may be displayed in multiple screens such as two screens or four screens. Since it is necessary to limit the screen for manually adjusting the brightness and contrast of an image, one of the screens is selected even in the case of multi-screen display.
  • the comparison image is a live image whose image brightness and contrast can be adjusted, that is, a live image in a selected state. Overlay on top.
  • the semi-transparent areas can be designated as 105 and 106, and only the designated areas are made semi-transparent and superimposed, and the other areas It is also possible to make the regions not overlap (with a transmittance of 100%). Thereby, there is an advantage that a live image of a part not related to the visual field adjustment can be clearly seen.

Abstract

荷電粒子線装置によって、その場（In situ）観察する場合には、荷電粒子線装置の専門家ではない観察者が、時々刻々変化する観察視野を、モニタを見ながら保つ必要があるため、視野調整がリアルタイムに、操作性よく制御できるようにする必要がある。　観察者が視線を移す必要をなくすため、ライブ画像（１００）と比較画像（１０１）とを重畳させて表示させる。その際、２つの画像の重畳が観察者にストレスなく実行できるようにインタフェースを工夫する。観察者は操作画面上のボタン（５７）を押下することにより、ライブ画像（１００）を表示する第１表示領域（５２）のサイズにあわせた比較画像（１０１）を半透明化してライブ画像（１００）に重畳した重畳画像（１０４）を画像表示装置の第１表示領域（５２）の位置に表示する。

Description

荷電粒子線装置および試料観察方法
　本発明は荷電粒子線装置、およびそれを用いた試料観察方法に関する。
　走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置は、試料上の所望の領域（視野）に荷電粒子ビームを走査し、当該走査領域から放出される荷電粒子信号を走査位置と対応して記録することで、観察場所を画像化する。特許文献１には、長時間にわたって連続的に画像を取得したり分析結果のデータを蓄積したりする場合において、電子線照射領域を一定に保つためにパターンマッチングを用いて電子線照射位置を補正する技術が開示されている。
　一方、荷電粒子線装置に関する技術ではないが、特許文献２には、画像処理技術としてリアルタイムで表示される動画像データに静止画像データを合成して表示する技術が開示されている。左右対称な顔画像をより精度よく撮影するため、左顔画像を撮影する際、リアルタイムに表示される左顔画像に、すでに撮影されている右顔画像を左右反転して合成して表示する。リアルタイムに表示される左顔画像が左右反転させた右顔画像とできるだけ一致するように顔の角度を調整して撮影し、左右対称な顔画像をより精度よく撮影しようとするものである。
特開２０１６－９１８９３号公報 特開２００９－６１１７８号公報
　観察する試料が時間経過に伴って変化しない、あるいは特許文献１のように観察者の操作に起因する場合には視野調整に時間をかけることができるため、視野調整の厳密性を重視し、取得した画像データの位置ずれを画像処理のさまざまな手法を用いて数値化し、制御することが行われる。これに対して、試料に熱を加えたり、力学的な力を加えたりして生じる微視的な変化をその場（In situ）観察するニーズが荷電粒子線装置に対して高まっている。このような場合には、荷電粒子線装置の専門家ではない観察者が、時々刻々変化する観察視野を、モニタを見ながら保つ必要があるため、視野調整がリアルタイムに、操作性よく制御できるようにする必要がある。
　視野調整は、基準とする比較画像と観察中のライブ画像とを比較して行うことになるが、高倍率での観察時ほど視野移動は顕著となるため、観察者が視線を移す必要をなくすため、２つの画像を重畳させて表示することが有効と考えられる。このため、特許文献２に開示されているような画像処理技術を応用することが望まれる。しかしながら、特許文献２においても時間をかけて撮影条件を調整可能な応用分野であり、撮影対象も顔という比較的大きな被写体である。これに対して、試料をその場観察する場合において、観察者は観察視野に生じる変化を観察しようとする。観察対象に応じたサイズで画面上に表示させるとする、ライブ画像と比較画像とが同じ表示サイズで画面上に表示されているとは限らない。そのような場合においても２つの画像の重畳が観察者にストレスなく実行できるようにインタフェースを工夫し、簡単な操作で視野調整しながら、観察者がその場観察に集中できる走査電子顕微鏡および試料観察方法を提供する。
　荷電粒子源と、荷電粒子源から放出する一次荷電粒子線を集束するための集束レンズと、一次荷電粒子線を試料の上に集束するための対物レンズと、一次荷電粒子線を試料の上で走査するための偏向コイルと、一次荷電粒子線の試料への照射によって発生した二次荷電粒子を検出する検出器とを有する荷電粒子光学系と、操作者の制御を受け付ける操作盤と、複数の表示領域を有する画像表示装置と、操作盤及び画像表示装置と接続され、装置制御部と表示制御部とを有する制御装置と、荷電粒子光学系により撮影した画像データを記憶する記憶装置とを有する荷電粒子線装置において、装置制御部は、操作盤からの制御を受け付けて荷電粒子光学系を制御して画像データを取得し、表示制御部は、荷電粒子光学系から取得されるライブ画像を画像表示装置の第１表示領域に、記憶装置に記憶された比較画像を画像表示装置の第２表示領域に表示し、表示制御部は、操作盤からの制御を受け付けて、第１表示領域のサイズにあわせた比較画像を半透明化してライブ画像に重畳した重畳画像を画像表示装置の第１表示領域の位置に表示するよう、構成する。
　画像表示装置上のライブ画像から視線を放さずに視野調整することが可能となる。
本実施例の走査電子顕微鏡の概略図。 操作画面の一例。 操作画面の一例。 操作画面の一例。 本実施例のデータ処理を示す図。 本実施例のライブ画像と比較画像との重ね合わせ処理フロー。 透過度の設定画面の一例。 比較画像の一部の透過度を変える一例。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施例では、荷電粒子線装置の一態様として、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）を例に説明するがこれに限られることはなく、例えば、荷電粒子源として、液体金属イオン源や気体イオン源を用い、それらから放出されるイオンビーム（荷電粒子線）を試料に照射する集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）装置や、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Scanning Transmission Electron Microscope）、走査イオン顕微鏡、走査型プローブ顕微鏡、光学顕微鏡、レーザ顕微鏡等に適用することも可能である。
　図１は本実施例の走査電子顕微鏡の概略図である。電子銃（荷電粒子源）１から放射した一次電子ビーム２は、第１集束レンズ３により一度集束されたのちに広がる。広がった一次電子ビームは対物絞り４により、ビームの外周部分を遮断され、ビーム中心部の所定径部分が通過する。この第１集束レンズ３の焦点位置及び対物絞り４の絞り量を切り替えることにより試料１１に照射するビーム電流量を調整することができる。対物絞り４を通過した一次電子ビームは第２集束レンズ５及び対物レンズ６によって、試料ステージ８上に載せられた試料１１上に集束される。一次電子ビームは偏向コイル７の作用により試料１１上で走査される。一次電子ビームの照射により試料１１から発生する信号電子（二次電子）は検出器９で検出される。
　これら電子光学系は真空排気される鏡筒２０内に配置されており、また試料ステージ８は真空排気される試料室２１に配置されている。また、走査電子顕微鏡のハードウェアは制御装置３１によって制御される。制御装置３１は、処理を専用に行うハードウェアとして構成されてもよく、処理をソフトウェアとして実装して汎用的なプロセッサ（例えばＣＰＵやＧＰＵ、ＤＳＰなど）を用いて実行されるように構成されてもよい。また、制御装置３１には、画像表示装置３２、記憶装置３３、操作盤３４が接続されている。画像表示装置３２には、後述するように走査電子顕微鏡で観察中の画像や観察者が走査電子顕微鏡を制御するのに必要な操作画面が表示される。記憶装置３３には、走査電子顕微鏡の制御プログラムの他、走査電子顕微鏡で撮像した画像（静止画、動画を含む）が格納される。操作盤３４は観察者の指示を入力するインタフェースであり、キーボードやマウス、ポインタといったハードウェアで実現される。例えば、観察者は画像表示装置３２に表示される画像を見ながら、操作盤３４から試料ステージ８をＸＹＺ方向（Ｘ，Ｙは一次電子ビームの光軸方向に垂直な面内の２軸、Ｚは一次電子ビームの光軸方向に沿った軸）に移動させて所望の観察箇所を探す。
　ここで、図１の例では、試料１１はサブステージ１０を介して試料ステージ８に載せられている。サブステージ１０は試料に対して所定の作用を加えるステージであり、例えば、試料を加熱する、あるいは試料に力を加えるといった作用を加えるものである。試料１１に何らかの作用が加えられることにより試料１１に生じる微視的な変化を観察する（「In situ観察」という）場合に、試料１１に所定の作用を加えることが可能なサブステージを準備する。サブステージを試料室２１に搬入するためには、試料室２１には比較的大きな搬入口が必要になる。また、試料室２１にはいくつかの穴が設けられている。普段は塞がれているが、サブステージ１０を使用する場合には、それらの穴からサブステージ１０の制御に必要な配線を外へ引き出す。引き出された配線は、サブステージ１０を動作させるために電源や制御ユニットに接続される。サブステージ１０の制御は、通常、走査電子顕微鏡の制御装置とは別の制御装置（ＰＣなど）で実施するが、同じ制御装置でもよい。
　試料室２１は一次電子ビームを通過させるための開口２２を介して鏡筒２０とつながっている。このため、一旦試料室２１の真空度が低下すると、これにより鏡筒２０の真空度も低下してしまう。特に鏡筒２０には高い真空度の要求される電子銃１や対物絞り４といった部材があるため、再度所定の真空度にまで達しない限り観察を開始することができない。試料の搬入から観察開始までの時間を短縮するためには、試料室２１の真空度の低下の影響が鏡筒２０に及ぶ影響を小さくすることが望ましい。
　このため、試料室２１の真空度の低下が鏡筒２０側に伝わるのを抑制する機構を設けている。例えば、鏡筒２０の特に高い真空度を要求される部材１，４が配置される領域の真空度の低下を抑制する差動排気絞り（図示せず）を配置したり、電子銃１にショットキー電子銃を用いたりすることで、試料室２１を開放した後に、再度真空排気して観察を開始するまでの時間を短縮することができる。
　一つの例として、試料１１を加熱しながらその変化を観察する場合の例を説明する。試料室２１を開放し、試料１１がセットされた試料加熱用のサブステージ１０を試料ステージ８上に設置する。この後、試料室２１を真空排気する。真空排気完了後に、電子ビームを試料１１上に照射し、画像表示装置３２に現在観察中の画像を表示する。図２に画像表示装置３２に表示される操作画面５１の例を示す。
　操作画面５１には、ライブ画像表示領域５２、撮影済画像表示領域５３、操作パネル５５を含む。操作パネル５５には観察のために走査電子顕微鏡を制御する各種パラメータが表示され、観察者は操作盤３４を介してパラメータ調整を行う。所定の条件において適切な画像を撮影するためのパラメータはあらかじめ記憶装置３３に格納されているため、適切なパラメータを記憶装置３３から読み出せばよく、通常は、観察者はあらかじめ定められたパラメータを自分で変更しなくても済む。ライブ画像表示領域５２には現在走査電子顕微鏡で観察中の画像が表示される。
　また、当該観察中に観察者が画像を撮影すると、その画像データは記憶装置３３に格納されるが、それとともに、撮影済画像表示領域５３に撮影した画像の縮小画像５４－ｉ（ｉ：整数）を表示する。一回の観察中に撮影した一連の画像はすべて撮影済画像表示領域５３に表示される。なお、静止画のみならず動画像であってもよい。動画像の場合は、例えばその代表画像として最初の画像を表示する。
　観察者は試料１１を室温から段階的に目標温度Ａ、目標温度Ｂと上げていきながら、試料１１の変化を観察するものとする。まず、室温の状態で試料ステージ８を動かしながら観察する視野を決める。観察する視野には、観察者が同一視野を確保し続けるために、温度上昇しても位置や形が変化しない目印を含める。例えば、視野に含まれる異物を目印に用いることができる。視野が決まったら、その画像を撮影する。撮影済画像表示領域５３に撮影済画像縮小画像５４が表示される。
　例えば、縮小画像５４－１をダブルクリックすると比較画像表示領域５６に表示される。比較画像表示領域５６は領域５２，５３，５５とは異なるウインドウで、ライブ画像表示領域５２と同じサイズ、同じ倍率の画像として撮影済画像５４－１を表示する。異なるウインドウで開くため、比較画像表示領域５６は操作画面５１の任意の場所に表示することができる。ライブ画像表示領域５２、比較画像表示領域５６はそれぞれ表示サイズを変えて表示することができる。観察者の着目している対象が適切なサイズで操作画面に表示されることが望ましいためである。
　目標温度Ａを設定して試料１１の加熱を開始すると、目標温度Ａに向かって試料温度が上昇し始める。試料１１の温度上昇とともに、試料周辺も温まるため全体的に熱膨張し、視野が室温時に決めた観察位置から徐々に移動し続けるのに対して、視野を見失わないように試料ステージ８を操作する必要がある。図３のようにライブ画像表示領域５２と比較画像表示領域５６とを並置すると、２つの画像を比較するにはよいが、例えば視野の目印とする異物像１０２と異物像１０３がライブ画像１００と比較画像１０１とで同じ位置にあるか判定するのは難しい。ライブ画像が温度変化により一瞬のうちに変化してしまうことがあり、たまたまそのときに観察者が比較画像表示領域に視線を移していると目的の視野を見失ってしまうことがある。
　このため、本実施例では比較画像１０１を表示するウインドウの上部にボタン５７を設けている。ボタン５７をクリックすると、図４に示したように比較画像１０１を半透明化して、ライブ画像１００の上に重ねた重畳画像１０４が表示される。画像が重なっていることで、視野調整のためにライブ画像から視線を離す必要がなく、かつ半透明化されているためにライブ画像１００の目印であるのか、比較画像１０１の目印であるのか、区別をつけることが容易である。
　試料温度が設定された目標温度Ａに到達して安定すると、視野移動が収まる。試料ステージを操作して視野を微調整し、画像を撮影する。撮影された画像の縮小画像が撮影済画像表示領域５３に表示される。なお、画像が重なった状態で再度ボタン５７をクリックすると図３の状態に戻る。すなわち、比較画像１０１が元の透明度に戻り、ライブ画像とは異なる場所に別ウインドウで表示される。あるいは、操作画面５１から消去するようにしてもよい。
　次に目標温度Ｂを設定すると目標温度Ｂに向かって試料温度が上昇し始める。観察者は比較画像として室温で撮影した画像を用いてもよく、目標温度Ａで撮影した画像を用いてもよい。いずれの撮影済画像も撮影済画像表示領域５３に表示されているため、選択は容易である。以降は、同様に観察を続けることができる。
　他にも、試料１１にひっぱり力を加えてその変化を観察する場合には、試料引っ張り用のサブステージを準備する。試料１１を相対する２方向から引っ張り変形させると、中心部以外は視野が移動する。このような場合に、本実施例の操作画面を用いることで、ライブ画像１００から視線を離すことなく視野調整が可能になる。
　図５及び図６を用いて画像を重ね合わせる処理フローについて説明する。検出器９で検出された信号電子は制御装置３１において画像データDL(P, X, Y)(1≦X≦L, 1≦Y≦M)に変換される。画像データは、画像中の位置(X,Y)における画素値Pの集合として表される。画像データDLは画像表示装置３２に表示するため、ライブ画像表示領域５２のサイズに合わせた表示画像データEL(p, x, y)(1≦x≦j, 1≦y≦k)に変換され、操作画面５１のライブ画像表示領域５２にライブ画像１００として表示される。一方で、観察者が撮影を行うと検出器９から得られる画像データは記憶装置３３にDSi(P, X, Y)(1≦i≦N, 1≦X≦L, 1≦Y≦M)として格納される。Ｎは観察者が撮影した枚数である。
　撮影した画像は、撮影済画像表示領域５３のサイズにあわせた縮小表示画像データETSi(p, x’, y’)(1≦x’≦j’, 1≦y’≦k’)に変換され、先に説明したように、操作画面５１の撮影済画像表示領域５３に縮小画像５４として表示される。縮小画像５４がダブルクリックされると（ｉ＝ｎの縮小画像がダブルクリックされたとする）、比較画像表示領域５６のサイズに合わせた表示画像データESn(p, x, y)(1≦x≦j, 1≦y≦k)に変換され、操作画面５１の比較画像表示領域５６に比較画像１０１として表示される。
　この状態でボタン５７のクリックを検知することにより（図３を参照）、表示制御部３６は処理を開始する（Ｓ７０）。なお、処理の開始コマンドは、例えば操作盤３４の所定のキー操作により開始されるようにしてもよい。まず、ライブ画像と比較画像とが同じサイズであるかどうかを確認する（Ｓ７２）。図５の例ではライブ画像と比較画像のサイズが同じとしているが、ライブ画像が比較画像とのサイズが異なる場合、ライブ画像サイズでの比較画像の画素データを取得する（Ｓ７４）。次に、操作画面５１におけるライブ画像の代表座標を取得する（Ｓ７６）。
　例えば、図２に示すように、操作画面５１の左上隅の画素６０を原点とし、操作画面５１上の任意の画素Ｑの座標をＱ（ａ，ｂ）として表記し、表示領域の左上隅を代表座標とする場合、ライブ画像表示領域の代表座標として画素６１の座標ＱＬ（ａｌ，ｂｌ）を取得する。なお、操作画面５１の座標の与え方、表示領域の代表画像の与え方はこれには限定されず、一意に特定できればよい。また、ライブ画像表示領域５２が操作画面５１上で固定されている場合には、このステップは省略できる。
　次に、ライブ画像に所定の不透明度でサイズを等しくした比較画像を重畳した重畳画像を生成する（Ｓ７８）。例えば、２つの画像の重畳には例えばアルファブレンド方式を適用する。アルファブレンド方式では、画素値として、画素ごとに透過度を示すアルファ値αを含んでいる。これにより、アルファ値αに応じた割合で、ライブ画像の画素の色と比較画像の画素の色とを混色することにより、ライブ画像上に半透明化した比較画像が重畳された重畳画像を生成することができる。生成された重畳画像を比較画像表示領域５６に表示するとともに、比較画像表示領域５６をライブ画像の代表座標の位置に表示する（Ｓ８０）。これは比較画像表示領域の代表座標である画素６２の座標ＱＣ（ａｃ，ｂｃ）の値を座標（ａｌ，ａｌ）とすることで実現できる。
　なお、重畳画像をライブ画像表示領域５２に表示するようにしてもよい。この場合は、比較画像表示領域５６は移動させない。ライブ画像表示領域５２に重畳画像が表示されるので同じ効果が得られる。
　さらに、図７に示すように、半透明の透過度の調整のため、透過度調整ツール５８がボタン５７上にマウスオーバーしたときに表示されるようにする。スライダ５９により透過度を調整してもよいし、数値を直接入力するようにしてもよい。その際、透過度を比率で入力するようにしてもよく、アルファ値α（０～２５５）の値を直接入力するようにしてもよい。ここで設定された透過度は、記憶装置３３に記憶される。
　本実施例ではライブ画像の視野調整のために、２つの画像を重ね合わせるが、画像処理的には様々な手法が考えられる。例えば、比較画像から輪郭線を抽出して重ね合わせることも考えられる。しかしながら、比較画像を半透明化してライブ画像に重ねる本実施例の手法は、以下の点で有利と考えられる。まず、画像表示装置３２に表示する画素値を演算するのみですむため、処理負荷が少なく、観察者の操作に容易に追随することが可能である。また、目印となるのは異物のようなものである場合には、輪郭線もある程度精密に切り出さなければ逆に位置合わせが難しくなるおそれがある。
　以上、本実施例を詳細に説明したが、さまざまな変形が可能である。例えば、操作画面５１に比較画像表示領域５６を複数表示することができ、それぞれの比較画像表示領域にボタン５７が設けられている。いずれかの比較画像表示領域５６のボタン５７がクリックされることにより、当該比較画像表示領域５６に表示されていた比較画像が半透明化され、ライブ画像に重ね合わされた重畳画像が表示される。さらに、その状態で別の比較画像表示領域５６のボタン５７がクリックされると、ボタン５７がクリックされた比較画像表示領域５６に表示されていた比較画像が半透明化され、ライブ画像に重ね合わされた重畳画像に差し替えられる。
　なお、比較画像を複数表示する際、透過度の設定値は共通の値を使用するのが好ましい。すなわち、一つの比較画像で設定した透過度は他の比較画像にも反映される。一度の測定で撮影される画像は似たような画像が多いため、比較画像毎に設定値を記憶するよりも、一つの設定値が全ての比較画像に反映される方が観察者にとって便利である。そのため、例えば、撮影済画像表示領域５３に表示される複数の撮影済画像に対して最新の透過度が設定されるようにしておく。さらに、一度の測定で画像毎に明るさが異なってしまったような場合は、一つの比較画像に対して一つの透過度を設定し、それが全ての比較画像に反映された後、観察者が異なる透過度を設定する、という仕様にしてもよい。
　また、操作画面５１にライブ画像として様々な異なる信号の画像を同時表示するために、ライブ画像表示領域５２に２画面や４画面といった多画面で表示されることがある。画像の明るさやコントラストをマニュアルで調整する画面は１つに限定する必要があるため、多画面表示の場合であってもどれか一つの画面が選択された状態となっている。ライブ画像表示領域５２が多画面表示の場合に、比較画像表示領域５６のボタン５７が押下された場合、比較画像は画像の明るさやコントラスト調整可能なライブ画像、すなわち選択状態になっているライブ画像の上に重ねる。
　さらに、図８に示すように、比較画像１０１のうち、半透明化する領域を１０５，１０６のように指定できるようにして、指定した領域のみ比較画像を半透明化して重ね合わせ、それ以外の領域は重ね合わせしない（透過度１００％とする）のようにすることもできる。これにより、視野調整に関係ない部分のライブ画像が鮮明にみることができるという利点がある。
１：電子銃、２：一次電子ビーム、３：第１集束レンズ、４：対物絞り、５：第２集束レンズ、６：対物レンズ、７：偏向コイル、８：試料ステージ、９：検出器、１０：サブステージ、１１：試料、２０：鏡筒、２１：試料室、３１：制御装置、３２：画像表示装置、３３：記憶装置、３４：操作盤。

Claims (12)

  1. 　荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出する一次荷電粒子線を集束するための集束レンズと、前記一次荷電粒子線を試料の上に集束するための対物レンズと、前記一次荷電粒子線を前記試料の上で走査するための偏向コイルと、前記一次荷電粒子線の前記試料への照射によって発生した二次荷電粒子を検出する検出器とを有する荷電粒子光学系と、
    　操作者の制御を受け付ける操作盤と、
    　複数の表示領域を有する画像表示装置と、
    　前記操作盤及び前記画像表示装置と接続され、装置制御部と表示制御部とを有する制御装置と、
    　前記荷電粒子光学系により撮影した画像データを記憶する記憶装置とを有し、
    　前記装置制御部は、前記操作盤からの制御を受け付けて前記荷電粒子光学系を制御して画像データを取得し、
    　前記表示制御部は、前記荷電粒子光学系から取得されるライブ画像を前記画像表示装置の第１表示領域に、前記記憶装置に記憶された比較画像を前記画像表示装置の第２表示領域に表示し、
    　前記表示制御部は、前記操作盤からの制御を受け付けて、前記第１表示領域のサイズにあわせた前記比較画像を半透明化して前記ライブ画像に重畳した重畳画像を前記画像表示装置の前記第１表示領域の位置に表示する荷電粒子線装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記表示制御部は、第１の透過度とした前記ライブ画像の画像データと前記第１の透過度と異なる第２の透過度とした前記比較画像の画像データとを合成して前記重畳画像の画像データを生成する荷電粒子線装置。
  3. 　請求項２において、
    　前記表示制御部は、前記第２表示領域にボタンを表示し、表示された前記ボタンが前記操作盤から第１の制御を受けることにより、前記重畳画像を前記画像表示装置の前記第１表示領域の位置に表示する荷電粒子線装置。
  4. 　請求項３において、
    　前記画像表示装置の前記第１表示領域の位置に、前記重畳画像を表示する前記第２表示領域を表示する荷電粒子線装置。
  5. 　請求項３において、
    　前記表示制御部は、前記第１表示領域に前記重畳画像を表示する荷電粒子線装置。
  6. 　請求項３において、
    　前記表示制御部は、前記ボタンが前記操作盤から第２の制御を受けることにより、前記透過度を調整する透過度調整ツールを表示する荷電粒子線装置。
  7. 　請求項２において、
    　前記表示制御部は、前記記憶装置に記憶された複数の撮影済画像を縮小画像として前記画像表示装置の第３表示領域に表示し、
    　前記表示制御部は、前記操作盤により選択された前記複数の撮影済画像の一つを前記比較画像として、前記第２表示領域に表示し、
    　前記透過度は、前記複数の撮影済画像に共通の値が設定される荷電粒子線装置。
  8. 　操作者の制御を受け付ける操作盤と、複数の表示領域を有する画像表示装置と、試料ステージと、荷電粒子光学系と、前記荷電粒子光学系により撮影した画像データを記憶する記憶装置とを備えた荷電粒子装置を用いた試料観察方法であって、
    　サブステージを介して試料を前記試料ステージの上に配置し、
    　前記荷電粒子光学系から取得されるライブ画像を前記画像表示装置の第１表示領域に表示し、
    　前記記憶装置に記憶された比較画像を前記画像表示装置の第２表示領域に表示し、
    　所定の作用を前記試料に加えるように前記サブステージを制御し、
    　前記操作盤からの制御を受けて、前記第１表示領域のサイズにあわせた前記比較画像を半透明化して前記ライブ画像に重畳した重畳画像を前記画像表示装置の前記第１表示領域の位置に表示する試料観察方法。
  9. 　請求項８において、
    　第１の透過度とした前記ライブ画像の画像データと前記第１の透過度と異なる第２の透過度とした前記比較画像の画像データとを合成して前記重畳画像の画像データを生成する試料観察方法。
  10. 　請求項９において、
    　前記第２表示領域にボタンを表示し、表示された前記ボタンが前記操作盤から第１の制御を受けることにより、前記重畳画像を前記画像表示装置の前記第１表示領域の位置に表示する試料観察方法。
  11. 　請求項１０において、
    　前記ボタンが前記操作盤から第２の制御を受けることにより、前記透過度を調整する透過度調整ツールを表示する試料観察方法。
  12. 　請求項９において、
    　前記記憶装置に記憶された複数の撮影済画像を縮小画像として前記画像表示装置の第３表示領域に表示し、
    　前記操作盤により選択された前記複数の撮影済画像の一つを前記比較画像として、前記第２表示領域に表示し、
    　前記透過度は、前記複数の撮影済画像に共通の値が設定される試料観察方法。
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