JP2001006593A

JP2001006593A - 透過電子顕微鏡

Info

Publication number: JP2001006593A
Application number: JP11169791A
Authority: JP
Inventors: Fumio Hosokawa; 史生細川
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1999-06-16
Filing date: 1999-06-16
Publication date: 2001-01-12
Anticipated expiration: 2019-06-16
Also published as: JP3734380B2

Abstract

(57)【要約】【課題】透過電子顕微鏡において球面収差を補正する。【解決手段】照射レンズ２と補助照射レンズ３は、試料
上の電流密度によらず、電子回折が常に固定された位置
に形成されるように連動制御される。この電子回折が形
成される位置には対物レンズ４によって６極子場１０が
形成され、この６極子場１０と共役に６極子コイル１４
が配置される。６極子場１０と６極子コイル１４との間
にはダブレットレンズ１１が配置される。対物レンズ４
は無限遠結像である。球面収差の補正に関しては、６極
子場１０の作用は無視でき、６極子コイル１４の強度及
びその磁場の光軸方向長さを最適に設計することで球面
収差を補正できる。また、６極子場１０で導入されたプ
ライマリな効果は、３回対称なので６極子コイル１４に
おいて相殺される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、透過電子顕微鏡に
係り、特に、対物レンズによる球面収差を補正するため
の光学系の構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）では分解能ｄ
の値は小さいことが望まれる。例えば、結晶等の原子配
列をＴＥＭで直視する場合には、分解能ｄとしては 0.1
ｎｍ程度が要求される。

【０００３】ところで、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）の分
解能ｄは、電子の波長λと対物レンズの球面収差係数Ｃ
_S により、次式に従って決定される。ｄ＝0.65Ｃ_S ^1/4λ^3/4 …(1) 従って、ＴＥＭの分解能ｄを小さくするためには、(1)
式より、電子の波長λを短くするか、球面収差係数Ｃ_S
を小さくすればよいことが分かる。

【０００４】しかし、現在のＴＥＭのポールピースは、
ほぼポールピースの加工限界まで最適化されており、球
面収差係数Ｃ_S をより小さくすることは非常に難しいも
のである。

【０００５】これに対して、加速電圧を高くすることは
比較的容易である。そして、上述したところから、加速
電圧を高くすれば電子の波長λを短くできるので、分解
能ｄを小さくすることができる。実際、加速電圧が1000
ｋＶのＴＥＭでは 0.1ｎｍ程度の分解能が得られてい
る。しかし、加速電圧を高くすると装置自体が大きくな
ってしまう。

【０００６】そこで、広く普及している、加速電圧が 2
00ｋＶクラスの比較的小型のＴＥＭにおいても 0.1ｎｍ
程度の分解能が望まれるのであるが、このクラスのＴＥ
Ｍでは、λ＝0.00251ｎｍ、Ｃ_S ＝0.5ｍｍ程度であり、
従って分解能ｄは0.19ｎｍ程度であるのが現状である。

【０００７】以上のように、ＴＥＭのポールピースはほ
ぼ加工限界まで最適化されており、従って、 0.1ｎｍ程
度の分解能を得ようとすると加速電圧を高くせざるを得
ないので、装置が大型化してしまうのが現状である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ポールピー
スとして現状のものを使用し、加速電圧が 200ｋＶ程度
であっても、球面収差を補正することができれば、分解
能を向上させることができるが、回転対称磁界型レンズ
を使用しているＴＥＭでは球面収差を補正することはで
きない。

【０００９】即ち、通常、ＴＥＭの対物レンズとしては
回転対称磁界型レンズが使用されているが、回転対称磁
界型レンズでは凹レンズを形成することができないの
で、回転対称磁界型レンズを如何様に組み合わせても球
面収差を補正することはできないのである。

【００１０】そこで、球面収差補正の可能性として、多
極子コイルによる回転対称でない磁場を導入することが
既に提案されている（例えば、O.Scherzer,Optik 2(194
7)114 ）。これは、例えば多極子コイルとして６極子コ
イルを用いた場合、６極子コイルが電子に与える本来の
軌道の収差項として、対物レンズの球面収差係数Ｃ_Sの
補正効果が現れることを利用したものである。具体的に
は、２組のダブレット（doublett）レンズと、２個の６
極子コイルを組み合わせて球面収差を補正することが提
案されている（M.Haider,G.Braunshausen and E.Schwa
n,Optik 99(1995)167 ）。

【００１１】しかし、２組のダブレットレンズと、２個
の６極子コイルを組み合わせた光学系では構成が複雑に
なるばかりでなく、鏡筒が長くなるので装置が大型化し
てしまうという問題がある。ここで、装置が大型化する
ことの理由は概略次のようである。即ち、１組のダブレ
ットレンズは２個の伝達レンズで構成されるが、ダブレ
ットレンズの焦点距離をｆ_T とすると、この１組のダブ
レットレンズを配置するためには、鏡筒には4ｆ_Tの長さ
の空間が必要となる。従って、２組のダブレットレンズ
の焦点距離が何れもｆ_T であるとすると、これら２組の
ダブレットレンズを配置するためには、鏡筒に8ｆ_Tの長
さの空間が必要となる。そして、ダブレットレンズの焦
点距離ｆ_T は30ｍｍ〜50ｍｍ程度であるので、ｆ_T ＝30
ｍｍとしても２組のダブレットレンズを配置するだけ
で、鏡筒には24ｃｍの長さが必要となってしまうのであ
る。

【００１２】そこで、本発明は、加速電圧が 200ｋＶ程
度であっても、球面収差を補正することができ、しかも
鏡筒の長さを上述した従来のものよりも短く抑えること
ができる透過電子顕微鏡を提供することを目的とするも
のである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の透過電子顕微鏡は、試料上の電流密度に
よらず、電子回折のクロスオーバーが対物レンズの後焦
点面に常に固定されて形成されるように連動して制御さ
れる照射レンズ及び補助照射レンズと、対物レンズと、
対物レンズによって形成される６極子場であって、その
磁場の中心が後焦点面に一致するように形成される６極
子場と、その磁場の中心が、前記６極子場の磁場の中心
である後焦点面と共役な位置に配置された３回対称の磁
場を生じる多極子コイルと、前記６極子場と、前記多極
子コイルとの間に配置され、前記６極子場の磁場の中心
である後焦点面に形成された電子回折を、前記多極子コ
イルの磁場の中心の位置に移すダブレットレンズとを備
えることを特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ発明の実
施の形態について説明する。なお、以下においては多極
子コイルとして６極子コイルを使用した場合について説
明する。

【００１５】図１、図２は本発明に係るＴＥＭの光学系
を示し、図１はその照射光学系、図２はその結像光学系
を示す。図中、１は照射絞り、２は照射レンズ、３は補
助照射レンズ、４は対物レンズ、５は対物レンズ４の前
方レンズ、６は対物レンズ４の後方レンズ、７は試料、
８は対物レンズ４の前焦点面、９は対物レンズ４の後焦
点面、１０は６極子場、１１はダブレットレンズ、１
２、１３はそれぞれダブレットレンズ１１の伝達レン
ズ、１４は６極子コイル、Ｓ₀ は光源、ｆ₀ は対物レン
ズ４の焦点距離、Ｏは光軸を示す。なお、図１、図２で
は各レンズは主面のみを示している。また、照射光学系
は、一般には試料から電子銃側の光学系を称するのであ
るが、ここでは便宜的に図１の６極子場１０までを照射
光学系とする。また、説明の便宜上図２に示す結像光学
系にも６極子場１０を示している。

【００１６】まず、図１を参照して照射光学系について
説明する。図１では光軸Ｏを横軸にとってあり、光軸Ｏ
上の左端に光源Ｓ₀ がある。この光源Ｓ₀ は、照射レン
ズ２より電子銃側で、最も照射レンズ２に近いクロスオ
ーバー点である。

【００１７】光源Ｓ₀ からの電子は、照射絞り１による
制限を受けて、照射レンズ２、補助照射レンズ３、及び
対物レンズ４の前方レンズ５によって試料７に照射され
るが、ここで、照射レンズ２の励磁と、補助照射レンズ
３の励磁は、クロスオーバー点が前焦点面８の光軸Ｏ上
の位置に固定点として形成されるように連動して制御さ
れるようになされている。具体的には、照射レンズ２の
励磁が強くなされると、補助照射レンズ３の励磁は弱く
なされ、逆に照射レンズ２の励磁が弱くなされると、補
助照射レンズ３の励磁は強くなされる。なお、図１で
は、前焦点面８の光軸Ｏ上の位置をＳ₁ で示している。

【００１８】従って、試料７上の電流密度を変えようと
するときには照射レンズ２の励磁が変えられることにな
るが、そのときには補助照射レンズ３の励磁も連動して
変わるので、試料７上の電流密度によらずクロスオーバ
ー点は常に前焦点面８の光軸上の位置Ｓ₁ に固定され
る。

【００１９】そして、クロスオーバー点Ｓ₁ を通過した
電子は、試料７に照射し、試料７を透過した電子は後焦
点面９に電子回折を形成する。図１に示すように、前焦
点面８と前方レンズ５の距離、前方レンズ５と試料７の
距離、試料７と後方レンズ６の距離、後方レンズ６と後
焦点面９の距離は、何れも対物レンズ４の焦点距離ｆ ₀
であるので、クロスオーバー点Ｓ₁ を通過した電子は、
前方レンズ５の作用によって光軸Ｏに平行となされて試
料７に照射し、後焦点面９に電子回折を形成するのであ
る。従って、図１においてＳ₂ で示す後焦点面９の光軸
上の位置は電子回折のクロスオーバーとなる。

【００２０】以上のことから、クロスオーバー点となる
前焦点面８と、電子回折が形成される後焦点面９とは共
役であることが分かる。従って、試料７上の電流密度が
変化しても、電子回折は後焦点面９に固定的に形成され
る。

【００２１】なお、図１において、実線の光線図は照射
レンズ２の励磁が強く、補助照射レンズ３の励磁が弱い
場合の電子の軌道を示し、破線の光線図は照射レンズ２
の励磁が弱く、補助照射レンズ３の励磁が強い場合の電
子の軌道を示している。

【００２２】ここで、対物レンズ４は無限遠結像で使用
される。このように対物レンズ４を無限遠結像とするの
はＴＥＭにおいて通常のことである。

【００２３】また、対物レンズ４は、後方レンズ６より
像面側に６極子場１０を形成するように構成されてい
る。図１において６極子場１０を一点鎖線で示している
のは、６極子場を発生するコイルが実際に配置されるの
でなく、対物レンズ４によって６極子場１０が形成され
ることを示しているものである。

【００２４】そして、この対物レンズ４によって形成さ
れる６極子場の磁場の中心は後焦点面９に一致するよう
になされる。即ち、６極子場１０の磁場の光軸方向の長
さをＺ₁ とすると、６極子場１０の光軸方向の長さＺ₁
の中心位置は後焦点面９に一致するようになされてい
る。

【００２５】このように、６極子場１０の磁場の中心を
後焦点面９に一致するように構成するためには、例え
ば、対物レンズ４の下極を図３、図４に示すように加工
すればよい。図３、図４において、２１はポールピース
の上極、２２はポールピースの下極、３１は凸部、３２
は凹部を示す。

【００２６】図３は、対物レンズ４の光軸Ｏを含む面で
の断面を示し、図４は下極２２の後焦点面９における断
面を示しており、対物レンズ４の上極２１と下極２２の
ギャップの略中央には試料７が配置され、図３には図示
していないが、試料７より電子銃側（図３の上側）の磁
場分布により前方レンズ５（図３には図示せず）が形成
され、試料７より像面側（図３の下側）の磁場分布によ
り後方レンズ６（図３には図示せず）が形成され、後方
レンズ６の主面の位置から像面側に焦点距離ｆ ₀ だけ離
れた位置が後焦点面９となる。

【００２７】この後焦点面９は下極２２が配置されてい
る間にあるのが通常である。そこで、図４に示すよう
に、後焦点面９の位置に、凸部３１と凹部３２を光軸Ｏ
に対して対称とした対を、光軸Ｏの回りに 120°間隔で
３対形成するのである。そして、この際、凸部３１の頂
点、及び凹部３２の頂点が後焦点面９の位置になるよう
に設計する。

【００２８】対物レンズ４の下極２２をこのように加工
することによって、その磁場の中心が後焦点面９の位置
に一致する６極子場１０を形成することができる。つま
り、下極２２にこのような加工を行うことによって、本
来は回転対称な磁場を発生するレンズに、３回対称な磁
場を発生する６極子場１０を形成することができ、等価
的には図１に示すように表すことができる。

【００２９】そして、凸部３１の形状、凸部の高さ、及
び凹部３２の形状、凹部３２の深さ等を制御することに
よって、６極子場１０の強度、光軸方向の磁場の長さ等
を制御することができる。

【００３０】ここで、照射レンズ２としては、ＴＥＭに
通常設けられているコンデンサレンズを用いればよく、
補助照射レンズ３としては、ＴＥＭに通常設けられてい
るコンデンサミニレンズを用いればよい。従来、コンデ
ンサレンズとコンデンサミニレンズを連動させて用いる
ことはなされていないが、上述したように連動させるこ
とによって、試料７の直前のクロスオーバー点Ｓ₁ の位
置を固定的に形成することができるものである。

【００３１】以上のように、この照射光学系では、電子
回折は、試料７上の電流密度の如何にかかわらず後焦点
面９に形成され、その後焦点面９の位置には対物レンズ
４によって発生される６極子場１０が形成されているの
であるが、このような構成とする理由は次のようであ
る。

【００３２】試料７を透過する電子の中には、試料７か
ら何等の作用も受けずに、図５のイで示すように試料７
を直進して透過するものがある。このような電子は０次
透過電子と称されている。また、試料７からの作用を受
けて、図５のロで示すように０次透過電子からある角度
φだけ傾いて試料７を出射する電子もある。

【００３３】そして、電子が試料７から出射するときの
０次透過電子からの角度φを便宜的に試料出射角と称す
ることにすると、対物レンズ４から受ける球面収差によ
るボケ量は、電子の試料出射角φの３乗に比例すること
が知られている。即ち、球面収差によるボケ量は、（球面収差によるボケ量）∝Ｃ_Sφ³ …(2) であることが知られている。このことから、試料出射角
が 0°である０次透過電子には球面収差が生じることは
なく、球面収差が生じるのは、 0°でない試料出射角を
有する電子だけであることが分かる。

【００３４】さて、例えば、図５のロと、ハで示すよう
に、試料７上の異なる位置に入射した電子が同じ試料出
射角φで試料７から出射したとすると、これらの電子に
生じる球面収差によるボケ量は同一量となる。従って、
球面収差を補正するためには、これらロで示す電子、及
びハで示す電子に対しては同一の補正量を与えなければ
ならない。

【００３５】そのためには、対物レンズ４の後方レンズ
６の作用によって、同じ試料出射角の電子が収差補正面
上で同一位置に収束するようにすれば、それら試料出射
角の同じ電子に対して、同一の補正量を容易に与えるこ
とができることが期待される。また、その収束位置は、
試料７上の電流密度を変化させても移動せず、固定され
ていることが望ましい。この収束位置が移動してしまう
と、後述する結像光学系による作用が異なってしまい、
球面収差を補正することができなくなってしまうからで
ある。

【００３６】そこで、照射光学系を上述した構成とし、
試料７上での電流密度を変化させても、対物レンズ４で
形成される試料７の電子回折を常に後焦点面９に位置す
るようにしているのである。そして、この照射光学系に
よって、０次透過電子のクロスオーバーは図１のＳ₂ の
位置に形成され、試料出射角が 0°でない角度φを持つ
散乱電子のクロスオーバーは後焦点面９上の試料出射角
φに応じた位置に散在することになる。

【００３７】以上が照射光学系であり、次に、図２を参
照して結像光学系を説明する。６極子場１０から出射し
た電子は、２個の伝達レンズ１２、１３から構成される
ダブレットレンズ１１を通過して、６極子コイル１４に
入射する。ここで、伝達レンズ１２、１３の焦点距離は
共にｆ_T であり、６極子場１０の磁場の中心と伝達レン
ズ１２の距離、及び伝達レンズ１３と６極子コイル１４
の磁場の中心との距離は共にｆ_T であり、伝達レンズ１
２と伝達レンズ１３との距離は 2ｆ_T である。なお、こ
こでは、６極子コイル１４の光軸方向の磁場の長さをＺ
₂ とする。また、６極子場１０と、６極子コイル１４は
同じ形で配置されるが、このことについては後述する。

【００３８】この結像光学系により、６極子場１０と、
６極子コイル１４は共役な位置に配置されることにな
り、更に、共役面上の電子軌道の傾き、及び倍率まで等
しくなる。

【００３９】従って、６極子場１０の磁場の中心である
後焦点面９上に形成された電子回折は、ダブレットレン
ズ１１により、６極子コイル１４の磁場の中心である図
２のＳ₃ で示す点を含む光軸Ｏに直交する面（以下、こ
の面を単にＳ₃ 面と称す）上に、180° 回転された状態
で移されることになる。

【００４０】上述したように、前焦点面８のクロスオー
バー点Ｓ₁ と、電子回折が形成される後焦点面９とは共
役であり、６極子場１０と６極子コイル１４とは共役な
位置に配置されるから、Ｓ₃ 面の位置は常に固定されて
おり、試料７上の電流密度が変化しても移動しない。

【００４１】なお、図２において、実線で示す光線図は
軸外の 0次透過電子の軌道を示し、破線で示す光線図は
軸外の 0次より高次のｇ次散乱電子の軌道を示し、一点
鎖線で示す光線図は軸上のｇ次散乱電子の軌道を示して
いる。

【００４２】以上の構成により球面収差が補正されるの
であるが、以下、球面収差の補正について説明する。

【００４３】まず、６極子コイルの構成、及びその一般
的な作用について概略説明する。６極子コイルの構成及
びその作用は周知であるが、６極子コイルとは、６極子
場を作るために偏向コイルを光軸回りに配置したもので
ある。その構成例を図６（ａ）に示す。６極子コイル
は、通常、６極子場の位相角ξを自由に制御できるよう
に８個以上のコイルを用いて構成されるが、図６（ａ）
では説明の簡易化のため、６個のコイルを光軸回りに等
間隔に配置したものを示している。６極子場は３回対称
の磁場である。このことは周知である。また、光軸Ｏと
各コイルの先端までの距離をボア半径といい、図ではａ
で表している。更に、６極子場の位相角ξとは、図６
（ａ）に示すように、後述の軌道方程式を導くために定
めた基準軸からの位相基準軸のなす光軸回りの角度であ
る。図中での６極子場の位相角ξはπ／3 としてある。
また、図６（ｂ）に示すように、６極子場の光軸方向の
長さをＺとする。

【００４４】いま、図６（ｂ）に示すように、光軸Ｏか
らｒ₀ の距離のところに、６極子コイルに対して傾きｒ
₀′ で電子が６極子コイルに入射したとし、６極子コイ
ルの６極子場の位相角がξ＝π／3 であるすると、この
電子が６極子コイルから出射する際の光軸Ｏからの距離
ｒ₁ 、そのときの６極子コイルに対する傾きｒ₁′ は、
４次項以上を無視して次のように表される。ｒ₁＝ｒ₀（1＋ｔ）＋ｋｒ₀ ²Ｚ²Ｌcos3θ＋ｋ²ｒ₀ ³Ｚ⁴Ｍ …(3) ｒ₁′＝ｒ₀′＋ｋｒ₀ ²ＺＮcos3θ＋ｋ²ｒ₀ ³Ｚ³Ｐ …(4) ここで、θは６極子場の基準軸から見た電子の入射角、
Ｚは６極子コイルが発生する６極子場の光軸方向の長
さ、ｋは６極子場の強度を示す。また、ｔ、Ｌ、Ｍ、
Ｎ、Ｐは軌道の入射条件で決まる定数であり、次のよう
に表される。ｔ＝（ｒ₀′／ｒ₀）Ｚ …(5) Ｌ＝1／2＋ｔ／3 ＋ｔ²／12 …(6) Ｍ＝1／12＋ｔ／12＋ｔ²／36＋ｔ³／252 …(7) Ｎ＝1＋ｔ＋ｔ²／3 …(8) Ｐ＝1／3＋5ｔ／12＋ｔ²／6＋ｔ³／36 …(9) (3) 式の右辺の第１項の「ｒ₀（1＋ｔ）」は 0次項であ
る。即ち、電子が６極子場による作用を受けずに素通り
する成分を表している。(3) 式の右辺の第２項の「ｋｒ
₀ ²Ｚ²Ｌcos3θ」は６極子場によるプライマリな効果、
即ち６極子場によって生じる本来の効果の成分を表して
いる。６極子場は３回対称な磁場であるから、丸い電子
は概略３角形状になるが、これがこの第２項の効果であ
る。また、(3) 式の右辺の第３項の「ｋ²ｒ₀ ³Ｚ⁴Ｍ」は
６極子場による収差の成分を表す収差項である。そし
て、第３項の収差項はｒ₀ の３次項で、回転対称性を示
している。

【００４５】(4) 式についても同様であり、(4) 式の右
辺の第１項の「ｒ₀′」は 0次項、第２項の「ｋｒ₀ ²Ｚ
Ｎcos3θ」は６極子場によるプライマリな効果の成分、
第３項の「ｋ²ｒ₀ ³Ｚ³Ｐ」は６極子場による収差項であ
る。そして、第３項の収差項はｒ₀ の３次項で回転対称
性を示している。

【００４６】対物レンズ４により形成される６極子場１
０は、６極子コイル１４とは、物理的な構成は異なるも
のの、機能的には同じである。従って、６極子場１０の
作用についても、(3) 式及び(4) 式の第１項に相当する
0次項、第２項に相当するプライマリな効果の成分、及
び第３項に相当する収差項が現れる。そして、収差項は
回転対称性を示す。

【００４７】以上が６極子コイルの一般的な構成、作用
であるが、次に、図２に示す結像光学系の作用について
説明する。まず、上述したように、６極子場１０と、６
極子コイル１４は同じ形で配置されるが、これは、６極
子コイル１４が図６（ａ）に示されるように配置される
場合、６極子場１０は等価的には図６（ａ）で表される
ように対物レンズ４の下極に形成されることを意味して
いる。

【００４８】さて、対物レンズ４の球面収差係数Ｃ_S に
よって生じる球面収差というのは、試料７から 0°でな
い試料出射角φで出射した電子の軌道が、無限遠結像に
設定された焦点距離ｆ₀ の対物レンズ４の球面収差係数
Ｃ_S によって、更に角度δだけ傾けられることに他なら
ず、この角度δは δ＝−（Ｃ_S／ｆ₀）φ³ …(10) で表されることが知られている。

【００４９】従って、６極子場１０と６極子コイル１４
とによって生じる電子の軌道の傾きのうち、球面収差と
同次数の変化が−δになるようにすれば、球面収差によ
って生じる電子の軌道の傾きδをキャンセルできるの
で、球面収差を補正することができることが分かる。

【００５０】そこで、６極子場１０と６極子コイル１４
によって、球面収差と同次数における電子の軌道の傾き
がどれだけ変化するかを考える。まず、電子が６極子コ
イル１４を通過するときに、その球面収差と同次数にお
ける軌道の傾きの変化量は(4) 式の右辺の第３項の収差
項で表される。上述したように、(4) 式の右辺の第１項
は 0次項であるので軌道の傾きには関係のない成分であ
り、第２項は６極子場によるプライマリな効果の成分で
あり、球面収差より一つ下の次数における軌道の傾きの
変化を与える。従って、電子が６極子コイル１４を通過
するとき、６極子コイル１４の６極子場の強度をｋ₂ と
すると、電子の軌道の傾きのうち球面収差の補正に有効
な成分のみに着目すれば、ｋ₂ ²ｒ₀ ³Ｚ₂ ³Ｐだけ変化する
ことになる。プライマリな効果の消去については後述す
る。

【００５１】６極子場１０についても同様であり、６極
子場１０の強度をｋ₁ 、当該磁場の光軸方向の長さをＺ
₁ 、電子が６極子場１０に入射する位置の光軸からの距
離をｒ₀ とすると、電子が６極子場１０を通過するとき
には、その軌道の傾きのうち球面収差の補正に有効な成
分のみに着目すればｋ₁ ²ｒ₀ ³Ｚ₁ ³Ｐだけ変化することに
なる。プライマリな効果の消去については後述する。

【００５２】しかし、対物レンズ４のポールピースは強
い磁界を局所的に発生させるものであるため、図１に示
す照射光学系で意図的に導入される６極子場１０の磁場
の光軸方向の長さＺ₁ は数ｍｍ程度である。それに対し
て、６極子コイル１４の磁場の光軸方向の長さＺ₂ は数
十ｍｍ程度とすることができ、Ｚ₁ に対して十分大きく
設計できる。しかも、(4) 式の右辺の第３項に示されて
いるように、電子の軌道の傾きのうち、球面収差と同次
数のものの変化は６極子場の光軸方向の長さの３乗に比
例するので、ｋ₁ ²ｒ₀ ³Ｚ₁ ³Ｐ≪ｋ₂ ²ｒ₀ ³Ｚ₂ ³Ｐ …(11) とすることができる。従って、電子が６極子場１０に入
射してから６極子コイル１４を出射するまでの間に、ど
れだけ球面収差と同次数の軌道の傾きが変化するか、そ
の変化量を求めるについては、６極子場１０による軌道
の傾きは無視することができ、６極子コイル１４による
軌道の傾きの変化のみを考慮すればよいことになる。

【００５３】以上のことから、ｋ₂ ²ｒ₀ ³Ｚ₂ ³Ｐ＋δ＝ 0 …(12) となるように６極子コイル１４を設計すれば、球面収差
を補正できることが分かる。ここで、対物レンズ４は無
限遠結像であるので、電子が６極子コイル１４に入射す
るときの入射条件として、ｒ₀′ ＝ 0とすることができ
る。このことはＴＥＭにおいては軸外電子に対しても近
似的に成り立つことが知られている。

【００５４】そこで、ｒ₀′ ＝ 0を(4) 式、(5) 式、及
び(9) 式に代入すると、ｔ＝ 0、Ｐ＝1／3となるので、
(12)式はｋ₂ ²ｒ₀ ³Ｚ₂ ³／3 ＋δ＝ 0 …(13) となる。

【００５５】そして、(13)式をｋ₂ について解くと、ｋ₂ ＝（3Ｃ_Sφ³／ｆ₀ｒ₀ ³Ｚ₂ ³）^1/2 …(14) となるが、ここで、対物レンズ４が無限遠結像であるこ
とから、ｒ₀ ＝φｆ₀ …(15) であるので、(15)式を(14)式に代入すると、ｋ₂ ＝（3Ｃ_S／Ｚ₂ ³ｆ₀ ⁴）^1/2 …(16) となる。

【００５６】つまり、６極子コイル１４の６極子場の強
度を(16)式で与えられる強度とすることによって、対物
レンズ４によって生じる球面収差を補正することができ
るのであり、図２の結像光学系においては、６極子コイ
ル１４の６極子場の強度ｋ₂は(16)式で与えられる強度
となされているのである。

【００５７】なお、この６極子コイル１４の６極子場の
強度ｋ₂ は、実際の物理量を用いて次のように表され
る。ｋ₂ ＝3ｕ₀Ｉ／ａ³Ｒ …(17) ここで、ｕ₀ は真空の透磁率、Ｒは電子の磁気剛性、Ｉ
は６極子コイル１４のコイルアンペアターン、ａはその
ボア半径である。

【００５８】以上のようであるので、対物レンズ４の球
面収差係数Ｃ_S によって生じる球面収差は補正すること
ができるのであるが、図１、図２に示す光学系ではもう
一つ考慮しなければならない事項がある。

【００５９】それは、６極子場１０、及び６極子コイル
１４によるプライマリな効果である。このプライマリな
効果は、６極子場１０、及び６極子コイル１４によって
形成される磁場が３回対称な磁場であることに起因して
いる。従って、丸い電子が６極子場１０を通過すると、
６極子場１０のプライマリな効果によって、出射したと
きには当該電子は概略３角形状に変形されることにな
る。そして、この６極子場１０のプライマリな効果は、
(4) 式の右辺の第２項と同様に、ｋ₁ｒ_-1 ²Ｚ₁Ｎcos3θ₁ …(18) という形で表される。なお、ここでｒ_-1は電子が６極子
場１０に入射する位置の光軸Ｏからの距離、θ₁ は当該
入射位置における６極子場１０の位相入射角である。

【００６０】そして、６極子場１０のプライマリな効果
によって概略３角形状となされた電子はダブレットレン
ズ１１を通過し、更に６極子コイル１４を通過するので
あるが、６極子コイル１４のプライマリな効果によっ
て、更に概略３角形状に変形される。そして、この６極
子コイル１４のプライマリな効果は、(4) 式の右辺の第
２項のように、ｋ₂ｒ₀ ²Ｚ₂Ｎcos3θ₂ …(19) で表される。ここで、θ₂ は電子が６極子コイル１４に
入射する位置における位相入射角である。

【００６１】従って、(18)式の値と、(19)式の値が、絶
対値が同じで符号が逆となるようにすれば、６極子場１
０によるプライマリな効果と、６極子コイル１４による
プライマリな効果をキャンセルすることができ、６極子
コイル１４を出射した電子は丸くなる。

【００６２】ところで、上述したように、６極子場１０
と、６極子コイル１４は共役な位置に配置にあって、電
子軌道の傾き、及び倍率は等しく、また、６極子場１０
の磁場の中心である後焦点面９上に形成された電子回折
は、ダブレットレンズ１１により、６極子コイル１４の
磁場の中心である図２のＳ₃ 面上に、180° 回転された
状態で移され、さらに、６極子場１０と、６極子コイル
１４は同じ形で配置されるのであるから、(18)式、(19)
式において、Ｎの値は同じであり、更にｒ_-1＝ｒ₀ …(20) θ₂ ＝θ₁＋180° …(21) であるから、ｋ₁Ｚ₁＝ｋ₂Ｚ₂ …(22) であれば、６極子場１０によるプライマリな効果と、６
極子コイル１４によるプライマリな効果をキャンセルす
ることができることが分かる。

【００６３】そして、図１、図２に示す光学系において
は、６極子場１０と６極子コイル１４は(22)を満足する
ように設計されているのである。上述したように、６極
子コイル１４の磁場の軸方向の長さＺ₂ は、６極子場１
０の磁場の光軸方向の長さＺ ₁ より十分大きいので、６
極子場１０の磁場の強度ｋ₁ は６極子コイル１０の磁場
の強度ｋ₂ より十分大きくする必要があるが、６極子場
１０の磁場の強度ｋ₁は対物レンズ４のポールピースの
下極に形成する凸部の高さ、凹部の深さ等により制御す
ることができるので、これらの数値を(22)式を満足する
ように設計すればよい。

【００６４】以上のようであるので、この透過電子顕微
鏡によれば、対物レンズによる球面収差が補正できるの
で、像観察時の分解能を向上させることができる。ま
た、ダブレットレンズは１組使用すればよく、また、６
極子場１０は対物レンズ４の下極を加工することで形成
することができるので、鏡筒の長さを必要最小限とする
ことができる。更に、照射光学系としては、従来ＴＥＭ
に使用されている照射光学系の使用形態を変えるだけで
よいので、構成上の変更を加える必要はないものであ
る。

【００６５】以上、本発明の一実施形態について説明し
たが、本発明は上記実施形態に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形
態では６極子コイルを用いるものとしたが、３回対称の
磁場を発生する多極子コイルを用いることができるもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る透過電子顕微鏡の照射光学系の
実施形態を示す図である。

【図２】本発明に係る透過電子顕微鏡の結像光学系の
実施形態を示す図である。

【図３】後焦点面９の位置に６極子場１０を形成する
ための対物レンズの加工の例を示す図であり、対物レン
ズ４の光軸Ｏを含む面での断面を示す断面図である。

【図４】後焦点面９の位置に６極子場１０を形成する
ための対物レンズの加工の例を示す図であり、図３の下
極２２の後焦点面９における断面を示す断面図である。

【図５】照射系光学系を図１に示す構成とする理由を
説明するための図である。

【図６】６極子コイル１４の構成、作用を説明するた
めの図である。

【符号の説明】

１…照射絞り、２…照射レンズ、３…補助照射レンズ、
４…対物レンズ、５…対物レンズ４の前方レンズ、６…
対物レンズ４の後方レンズ、７…試料、８…対物レンズ
４の前焦点面、９…対物レンズ４の後焦点面、１０…対
物レンズ４に形成される６極子場、１１…ダブレットレ
ンズ、１２、１３…ダブレットレンズ１１の伝達レン
ズ、１４…６極子コイル、Ｓ₀ …光源、ｆ₀ …対物レン
ズ４の焦点距離、Ｏ…光軸。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料上の電流密度によらず、電子回折のク
ロスオーバーが対物レンズの後焦点面に常に固定されて
形成されるように連動して制御される照射レンズ及び補
助照射レンズと、対物レンズと、対物レンズによって形成される６極子場であって、その
磁場の中心が後焦点面に一致するように形成される６極
子場と、その磁場の中心が、前記６極子場の磁場の中心である後
焦点面と共役な位置に配置された３回対称の磁場を生じ
る多極子コイルと、前記６極子場と、前記多極子コイルとの間に配置され、
前記６極子場の磁場の中心である後焦点面に形成された
電子回折を、前記多極子コイルの磁場の中心の位置に移
すダブレットレンズとを備えることを特徴とする透過電
子顕微鏡。