JP2003203593A

JP2003203593A - 荷電粒子ビーム装置における収差補正装置

Info

Publication number: JP2003203593A
Application number: JP2002300277A
Authority: JP
Inventors: Miyuki Matsutani; 幸松谷; Kazuhiro Honda; 和広本田
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2003-07-18
Anticipated expiration: 2022-10-15
Also published as: JP4063633B2

Abstract

(57)【要約】【課題】長時間に渡って安定なそして最適な収差補正
を行うことができる荷電粒子ビーム装置の収差補正装置
を実現する。【解決手段】色収差を補正するために、４段の静電型
４極子１，２，３，４と、中央の２段の静電型４極子
２，３の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の
磁場型４極子５，６と、対物レンズ７と、加速電圧や作
動距離を変更する操作表示部９と、４段の静電型４極子
１〜４に電圧を供給する電源１０と、２段の磁場型４極
子５，６を励磁する電源１５と、対物レンズ７の電源１
７と、操作表示部９の操作または設定に基づいて前記電
源１０、１５を制御する制御部１９が備えられている。
加速電圧を変えた場合、磁場型４極子の励磁は一定に維
持し、第４の静電型４極子４と対物レンズ７との合成倍
率を調整して色収差の補正を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査電子顕微鏡な
どの電子ビーム装置やイオンマイクロプローブなどのイ
オンビーム装置における色収差と球面収差を補正するた
めの荷電粒子ビーム装置における収差補正装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡におい
て、高分解能の像を観察したりプローブ電流密度を上げ
ることを目的として、電子光学系の中に収差補正装置が
組み込まれている。この収差補正装置として、色収差を
静電型４極子と磁場型４極子の組合せで補正し、球面収
差を４段の８極子で補正する方式が提案されている。そ
の原理については、非特許文献１〜３に詳しく紹介され
ている。

【０００３】ここで、上記した収差補正装置の原理の概
略を、図１に基づいて説明する。図１において、対物レ
ンズ７の前段に収差補正装置Ｃが配置されている。収差
補正装置Ｃは、４段の静電型４極子１、２、３、４と、
静電型４極子の２段目と３段目が作り出す電位分布と相
似な磁位分布を作り出し、電界と重畳した磁界を形成す
る２段の磁場型４極子５、６と、４段の静電型４極子が
形成する電界と重畳した電界を形成する４段の静電型８
極子１１，１２，１３，１４とより構成されている。

【０００４】なお、実際の装置では、これら４極子や８
極子の電界に、更に４段の２極子(軸合せ用の偏向装置
として動作する)と４段の６極子(２次の開口収差補正用
として働く)が重畳するように成されているが、本発明
とは直接の関係は小さいので、詳しくは説明しない。

【０００５】このような構成において、図の左側から入
射した荷電粒子ビームは、４段の静電型４極子１、２、
３、４と対物レンズ７によって、基準となる荷電粒子ビ
ームの軌道が作られ、試料面２０に荷電粒子ビームがフ
ォーカスされる。この図１では、粒子線のＸ方向の軌道
Ｒ_ｘとＹ方向の軌道Ｒ_ｙとを同じ平面上にまとめて模式
的に描いている。

【０００６】基準軌道とは、近軸軌道(収差が無いとき
の軌道と考えてよい)として、４極子１によってＹ方向
の軌道Ｒ_ｙが４極子２の中心を通り、４極子２によって
Ｘ方向の軌道Ｒ_ｘが４極子３の中心を通り、最後に４極
子３、４と対物レンズ７によって荷電粒子ビームが試料
面にフォーカスされる軌道をいう。実際には完全なフォ
ーカスのために、これらの相互調整が必要になる。な
お、このとき、前記の４段の２極子は軸合せのため用い
られる。

【０００７】更に詳細に図１を説明すると、Ｘ方向の軌
道Ｒ_ｘの荷電粒子ビームは４極子１によって拡散(凹レ
ンズと同様な作用)され、次いで４極子２によって集束
(凸レンズと同様な作用)されて４極子３の中心を通るよ
うになされ、４極子３の中心を通過した後、４極子４に
よって集束されて、対物レンズ７に向かう。一方、Ｙ方
向の軌道Ｒ_ｙの荷電粒子ビームは４極子１によって集束
されて４極子２の中心を通るようになされ、４極子２の
中心を通過した後、４極子３によって集束され、最後に
４極子４によって拡散された後、対物レンズ７に向か
う。このようにＸ方向の軌道Ｒ_ｘに作用する４極子１の
拡散作用と、Ｙ方向の軌道Ｒ_ｙに作用する４極子４の拡
散作用とを合成することによって、一個の凹レンズの如
くに働かせることができる。

【０００８】次に、収差補正装置Ｃによる色収差補正に
ついて説明する。図１に示したような系で先ず色収差を
補正するには、上記の基準軌道を変えないように静電型
４極子２の電位φ_ｑ２［Ｖ］と磁場型４極子５の励磁Ｊ
_２［ＡＴ］（あるいは磁位）が調整され、レンズ系全体
としてＸ方向の色収差が０に補正される。同様に基準軌
道を変えないように静電型４極子３の電位φ_ｑ３［Ｖ］
と磁場型４極子６の励磁J_３［ＡＴ］が調整され、レン
ズ系全体としてＹ方向の色収差が０に補正される。

【０００９】次に、球面収差補正（３次の開口収差補
正）について説明する。球面収差を補正する場合には、
Ｘ，Ｙ方向の色収差の補正を行った後に、静電型８極子
１２の電位φ_Ｏ２［Ｖ］によってレンズ系全体としてＸ
方向の球面収差を０に補正し、静電型８極子１３の電位
φ_Ｏ３［Ｖ］によってＹ方向の球面収差を０に補正す
る。

【００１０】次に、ＸＹが合成された方向の球面型収差
を静電型８極子１１、１４で０に補正する。実際は交互
の繰返し調整が必要になる。なお、４極子や８極子の電
位や励磁の重畳は、１個の１２極子を用いて、１２極の
各極子に印加する電位や励磁を変化させ２極子、４極
子、６極子、８極子などの合成が行われ、実用化されて
いる。この方法については、例えば非特許文献４に紹介
されている。すなわち、静電型の場合には図９に示すよ
うに、12個の電極U_ｎ(ｎ＝1, 2, …,12)に対して、独立
に電圧を供給できる最終段電源A_ｎ(ｎ＝1, 2, …, 12)
が接続され、４極子場を作る場合には、理想的な４極子
場に近い場が得られるように４極子電源１０からの出力
電圧が各A_nに供給される。最終段電源A_ｎの出力電圧が
４極子電源１０の出力電圧と比例すると仮定すると、１
０の出力電圧の比は上記の文献[４]に示された値にな
る。また、この４極子場に重ねて８極子場を作る場合に
は、理想的な８極子場に近い場が得られるように、８極
子電源１８からの出力電圧が前記１０の出力電圧と加算
されて各A_nに供給される。以下同様の考え方で、１個の
12極子で２ｎ極子(ｎ＝１、２、…６)の多極子場を重ね
た場が得られる。次に磁場型の場合には図１０に示すよ
うに、12個のマグネットW_ｎ(ｎ＝1, 2, …, 12)のコイ
ルに対して、独立に励磁電流を供給できる最終段電源B
_ｎ(ｎ＝1, 2,…, 12)が接続され、磁場型４極子場を作
る場合には、理想的な磁場型の４極子場に近い場が得ら
れるように磁場型４極子電源１５からの出力電圧が各B_n
に供給される。最終段電源B_ｎの出力電流が磁場型４極
子電源１５の出力電圧と比例すると仮定すると、この出
力電圧の比は上記の文献[４]に示されている励磁力の比
になる。本発明では、磁場型の４極子場以外の多極子場
の重畳は説明されていないが、最終段電源B_ｎの入力電
圧に多極子場の電圧を加算することによって、静電型と
同様に磁場型の多極子場の重畳が可能になる。なお、こ
こで、図１０では各マグネットW_nの外側を磁気的につな
ぐヨークは省略されている。次に、静電型と磁場型を重
ねる場合には、マグネットW_nが電極U_ｎを兼ねることが
できるように導電性の磁性体を用いれば良い。この場
合、マグネットのコイルは電極とは電気的に絶縁して配
置される。以下の説明では、説明を簡単にするために、
あたかも２ｎ極子を互いに重ねたかのように記述してい
るが、実際には１つの12極子に対し複数の多極子場の重
畳は上記のように電圧信号の加算によって行っている。
なお、色収差補正が終わった後、球面収差補正を行う前
に、４段の６極子による２次の開口収差を補正する必要
が生じる場合がある。その補正法は前記の球面収差の補
正法と同様の手順で行う。この２次の開口収差は収差補
正装置の機械的精度に依存して発生するものであるが、
通常は補正量も小さく本発明における範囲では高次収差
への影響も小さい。また、この２次の開口収差は収差補
正装置内部で補正されるものであり、本発明において重
要であるところの「収差補正装置と対物レンズとによる
合成倍率(後述する)」を変化させても、それによる影響
を受けにくい。よって、本発明では２次の開口収差の補
正に関しては説明を省く。

【００１１】以下の説明で、静電型の多極子で電位φ
（あるいは電圧）という表現を用いた場合には、図２
（ａ）、２（ｂ）に示すような標準配列をした多極子の
＋側の値を表すものとする。同様に、磁場型の励磁Ｊと
いう表現を用いた場合には、＋側の励磁［ＡＴ］を表す
ものとする。

【００１２】

【非特許文献１】V. H. Rose, Optik 33, Heft 1, 1-24
(1971)

【非特許文献２】J. Zach, Optik 83, No.1, 30-40 (19
89)

【非特許文献３】J. Zach and M. Haider, Nucl. Inst
r. and Meth. In Phys. Res.A 363, 316-325 (1995)

【非特許文献４】M. Haider et al., Optik 63, No.1,
9-23 (1982)

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】前記した収差補正の理
論や、実際に行われた実験に基づく結果では、色収差と
球面収差がほぼ完全に補正され、前記収差補正系の優秀
性が認められたが、実用化の観点からは、収差補正系の
安定度や印加電圧の範囲、さらには最適条件等に関して
は、十分な配慮がなされていなかった。例えば、次に示
すような問題点が生じている。

【００１４】第１には、粒子プローブの加速電圧Ｖａ
や、対物レンズ７と試料表面２０との間隔を表す作動距
離ＷＤを変えた場合、これに対応するために磁場型４極
子の励磁を変更することになるが、励磁を変更したこと
に伴って僅かな磁場ドリフトδＢが発生する。長時間の
高安定度を必要とする場合には、このドリフトが原因で
荷電粒子ビームの基準軌道がずれ、収差補正の条件がず
れる場合があった。

【００１５】第２の問題点としては、荷電粒子ビームの
加速電圧が低加速電圧である場合には、色収差や球面収
差の補正に際して、補正に必要な電圧が多少高めに設定
されても、静電型の多極子（４極子や８極子など）の耐
圧電圧に問題が生じることは無かったが、加速電圧が高
くなるとこの補正電圧の大小が多極子の耐圧電圧に大き
く影響することが判明した。

【００１６】第３の問題点としては、低加速電圧から高
加速電圧まで広範な電圧範囲で使用する場合、低加速電
圧では系全体の電圧が小さくなるため、各静電４極子へ
の印加電圧の揺らぎ成分δφが補正電圧や偏向場に与え
る割合が増え、長時間の高安定度や高分解能を必要とす
る場合には、このゆらぎ成分δφが問題になる。

【００１７】第４の問題点としては、色収差や球面収差
が補正された後に残る高次収差、例えば５次の球面型収
差(収差量が試料面に入射するビームの開き角の５乗に
比例する)や４次の開口色収差(収差量がビームの開き角
の３乗とビームのエネルギー幅の積に比例する、３次の
開口・１次の色収差)等の影響を最小にして使用する最
適条件が考慮されていなかった。

【００１８】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、長時間に渡って安定な、そして最
適な収差補正を行うことができる荷電粒子ビーム装置の
収差補正装置を実現するにある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明に基づく荷電粒子
ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光
学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静
電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の２段の静電
型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段
の磁場型４極子と、荷電粒子ビームを試料にフォーカス
させる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設
けられた対物絞りと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物
レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部
と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子と
対物レンズとを制御する制御部を備えたことを特徴とし
ている。

【００２０】本発明では、操作部の操作または設定に基
づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したと
き、制御部は、磁場型４極子の励磁を一定に保つ条件下
において、（１）加速電圧の変更に対しては静電４極子
に印加する電圧と４段目の静電型４極子と対物レンズと
の合成倍率とを調整し、（２）作動距離の変更に対して
は４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調
整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差を
補正するようにした。

【００２１】また、本発明においては、操作部の操作ま
たは設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れか
を変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対
値が４段共にほぼ同程度になるような条件下において、
（１）加速電圧の変更に対しては４段目の静電型４極子
と対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４
極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを
調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電
型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整することによ
って、荷電粒子ビーム光学系の色収差を補正するように
した。

【００２２】また、本発明においては、５次の開口収差
の絶対値が最小になるようにした状態において、操作部
の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離
の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電
圧の絶対値が４段共にほぼ同程度になるような条件下
で、（１）加速電圧の変更に対しては４段目の静電型４
極子と対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静
電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流
とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の
静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整すること
によって、５次の開口収差の絶対値が最小になるように
した。

【００２３】また、本発明においては、４次の開口色収
差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最
小になるようにした状態において、操作部の操作または
設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変
更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対値が
４段共にほぼ同程度になるような条件下で、（１）加速
電圧の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レン
ズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加
する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、
（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子
と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、４
次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が０また
は絶対値が最小になるようにした。

【００２４】また、本発明においては、４段の静電型４
極子の電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型
８極子と、操作部の操作または設定に基づいて前記４段
の静電型８極子を制御する制御部を備えることによっ
て、球面収差をも合せて補正可能にした。

【００２５】また、本発明においては、操作部の操作ま
たは設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れか
を変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧とこれ
に重畳させる静電型８極子の電圧の和の絶対値が４段共
にほぼ同程度になるような条件下において、（１）加速
電圧の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レン
ズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加
する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、
（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子
と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、荷
電粒子ビーム光学系の色収差または球面収差の少なくと
も何れか一方を補正するようにした。

【００２６】更に、本発明に基づく荷電粒子ビーム装置
における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に
配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子
と、４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の
電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４
極子と、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物
レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対
物絞りと、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設
けられた追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対
物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作
部と、操作部の操作または設定に基づいて、前記４段の
静電４極子と２段の磁場型４極子と対物レンズと追加レ
ンズとを制御する制御部を備えたことを特徴としてい
る。

【００２７】本発明では、操作部の操作または設定に基
づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したと
き、制御部は、磁場型４極子の励磁を一定に保つ条件下
において、（１）加速電圧の変更に対しては静電４極子
に印加する電圧と４段目の静電型４極子と追加レンズと
対物レンズとの合成倍率を調整し、（２）作動距離の変
更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調
整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差を
補正するようにした。

【００２８】また、本発明においては、操作部の操作ま
たは設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れか
を変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対
値が４段共にほぼ同程度になるような条件下において、
（１）加速電圧の変更に対しては４段目の静電型４極子
と追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に保った
ままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁
する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては
追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することに
よって、荷電粒子ビーム光学系の色収差を補正するよう
にした。また、本発明においては、制御部は、４段の静
電型４極子のうちの中央の２段の静電型４極子の電位と
４段の静電型８極子の電位とをそれぞれ予め定められた
電位に設定することによって、５次の開口収差の絶対値
が最小になるようにあるいは４次の開口色収差即ち３次
の開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるよ
うにした。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図３は本発明の基本構成を
示しており、荷電粒子ビームの一部をプローブとして試
料に照射する装置において、色収差を補正するために、
４段の静電型４極子１、２、３、４と中央の２段の静電
型４極子２、３の電位分布と相似な磁位分布を重畳させ
る２段の磁場型４極子５、６と、対物レンズ７と、光路
の一部に設けられた対物絞り８と、加速電圧や作動距離
を変更する操作表示部９と、４段の静電４極子１〜４に
電圧を供給する電源１０と、２段の磁場型４極子５、６
を励磁する電源１５と、対物レンズの電源１７と、操作
表示部９の操作または設定に基づいて前記電源１０、１
５、１７を制御する制御部１９が備えられている。

【００３０】なお、対物レンズ７は、対物レンズ７が磁
場型の場合は電源１７から供給される電流を変えること
によって、対物レンズ７が静電型の場合は電源１７から
供給される電圧を変えることによって、あるいは対物レ
ンズ７が電場・磁場重畳型の場合は電源１７から供給さ
れる電流および電圧を調節することによって、レンズの
強度が調節される。更に、荷電粒子が高速のイオンの場
合には、荷電粒子の質量に関係なく同じ屈折力が得られ
る静電型の対物レンズ７が用いられる。

【００３１】また、球面収差を補正するために、前記し
た各構成要素に加えて４段の静電型４極子１、２、３、
４の電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８
極子１１、１２、１３、１４と、４段の静電型８極子に
電圧を供給する電源１８と、操作表示部９の操作または
設定に基づいて前記電源１８を制御する制御部１９が備
えられている。

【００３２】以下において、上記４段の静電型４極子
１、２、３、４と２段の磁場型４極子５、６と、これに
各電源１０、１５を含めたもの、あるいはこれらに更に
４段の静電型８極子１１、１２、１３、１４と電源１８
を含めたものを収差補正装置Ｃと呼ぶことにする。

【００３３】このような収差補正装置Ｃは、例えば図１
２に示す如くに走査電子顕微鏡などに組み込まれる。１
００は内部が真空雰囲気にされた鏡筒である。鏡筒１０
０内には、電子ビームを発生し、加速電圧によって電子
にエネルギーを与える電子銃１０１、電子銃１０１で発
生した電子ビームを集束し、かつ電子ビーム電流を適当
な値に制限するためのコンデンサレンズ１０２と対物絞
り１０３、収差補正装置Ｃ、電子ビームを二次元的に偏
向して走査するための偏向器１０４、電子ビームをフォ
ーカスして試料１０６に照射する対物レンズ１０７、試
料１０６を載置して所望の場所で電子ビーム照射・走査
されるように試料１０６を任意に駆動できる試料ステー
ジ１０７、電子ビームの照射・走査に伴って試料１０６
から発生する二次電子などの信号を検出する検出器１０
８等が備えられている。なお、電子銃１０１から対物レ
ンズ１０７までを電子ビームの光学系と呼ぶことがあ
る。

【００３４】本発明の第１の特徴は、操作表示部９で加
速電圧や作動距離を変更した場合、より安定な収差補正
の動作を行うために、制御部１９が以下のような処理を
行うことにある。

【００３５】本発明の動作原理を図４、図５を用いて、
最も単純な関係式と比較しながら、Ｘ方向の色収差補正
について説明する。色収差補正が行われていないとき、
基準軌道を満足するレンズ系全体の色収差係数をＣ_ｘで
表す。次に２段目の静電型４極子２のフォーカス電位φ
_ｑｆ２に対して、これに色収差補正のための電圧φ_ｑ
_ｃ２を加えたとき、基準軌道を維持するための磁場型４
極子５の励磁Ｊ_２は、加速電圧が一定なら、次の式で表
される。

【００３６】なお、上記の「レンズ系全体」とは、単純に
いえば、図３においては、収差補正装置Ｃと対物レンズ
７とから成る系であり、図８においては、収差補正装置
Ｃと追加レンズ２７と対物レンズ７とから成る系であ
る。しかし、もし、図３や図８に描かれた系の前に、例
えば、コンデンサレンズや荷電粒子ビームの発生源に構
成される引出し電極等のレンズ作用を行うものがある場
合（大抵の装置はそのようになっている）には、これら
も含めて「レンズ系全体」と呼ぶ方がより正確である。あ
るいは図１２に示した電子銃１０１から対物レンズ１０
７までの電子ビーム光学系の全てのレンズといってもよ
い。

【００３７】Ｊ_２＝ｋ_１・φ_ｑｃ２（１）上式でｋ_１は比例常数である。

【００３８】そして、静電型４極子２と磁場型４極子５
によって試料面２０に形成される負の色収差係数Ｃ
_cxは、次の式で表される。

【００３９】Ｃ_cx＝ｋ_２・Ｊ_２（２）上式でｋ_２は比例常数である。

【００４０】このような関係があるので、収差補正前後
の基準軌道を変えないように、静電型４極子２の電位φ
_ｑｃ２と磁場型４極子５の励磁Ｊ_２を調整してＣ_x＋Ｃ_cx＝０（３）として色収差を補正することができる。

【００４１】また、加速電圧Ｖ_aを変化させた場合、色
収差補正を基準軌道を変えないで実施するには、相対論
効果が大きくない走査型電子顕微鏡の領域では、最も単
純な関係式を用いて、 φ_ｑｆ２ ∝Ｖ_a （４−１） φ_ｑｃ２ ∝Ｖ_a （４−２）Ｊ_２ ∝Ｖ_a ^１／２（４−３）とすれば良いこともわかる。

【００４２】ところで、この色収差補正の中身を更に詳
しく解析すると、３段目の静電型４極子３と磁場型４極
子６の中心には、２段目の静電型４極子２と磁場型４極
子５によって色収差を補正するための負の収差係数Ｃ_ox
が形成されている。この負の収差係数は４段目の静電型
４極子４の倍率Ｍ_４と対物レンズ７の倍率Ｍ_ＯＬによっ
て、試料面にＣ_cx ＝Ｃ_ox・(Ｍ_４・Ｍ_ＯＬ)^２（５）として形成される。

【００４３】すなわち、２段目の静電型４極子２の電位
φ_ｑｃ２と磁場型４極子５の励磁Ｊ _２が同じでも、４段
目の静電型４極子４と対物レンズ７の合成倍率Ｍ_４・Ｍ
_ＯＬを調整すれば、補正すべき収差量Ｃ_cxを変更でき
る。逆の見方をすれば、同じ収差補正量Ｃ_cxを得るの
に、４段目の静電型４極子４と対物レンズ７の合成倍率
を大きくなるように変えれば、Ｃ_oxを小さく設定するこ
とができる。つまり、静電型４極子２の電位φ_ｑｃ２と
磁場型４極子５の励磁Ｊ_２を小さな値に設定することも
可能である。

【００４４】なお、磁場型４極子の励磁Ｊ_１、Ｊ_２を一
定に保持して、加速電圧Ｖ_ａを変更しても、Ｘ方向の基
準軌道Ｒ_ｘを変えないようにするためには、図５に示す
ように、収差補正のための電位φ_ｑｃ２とφ_ｑｃ３を加
速電圧の平方根に比例させる。

【００４５】次に、合成倍率がどの程度の可変範囲を持
つか具体的に説明する。図４に示すように、４段目静電
型４極子４の物体距離をａ_４、像距離をｂ_４とすると
き、４段目静電型４極子４の結像点が光源側Ａにあって
も試料面側Ｂにあっても、ａ_４の変化は少ないので、４
段目静電型４極子４の倍率の絶対値Ｍ_４は、次に示す式
で与えられる。

【００４６】Ｍ_４＝ｂ_４／ａ_４（６）一方、４段目静電型４極子４と対物レンズ７との距離を
Ｌ、対物レンズ７と試料２０との距離をｂ_ＯＬとすると
き、対物レンズ７の物体距離ａ_ＯＬは４段目静電型４極
子４の結像位置によって異なり、対物レンズ７の倍率Ｍ
_ＯＬは、４段目静電型４極子４の結像位置が試料面側Ｂ
のときは次のようになる。

【００４７】Ｍ_ＯＬ＝ｂ_ＯＬ／（ｂ_４−Ｌ）（７−１）また、４段目静電型４極子４の結像位置が光源側Ａのと
きは次のようになる。

【００４８】Ｍ_ＯＬ＝ｂ_ＯＬ／（ｂ_４＋Ｌ）（７−２）数値例としてｂ_４＝244ｍｍ、Ｌ＝200ｍｍとすれば、Ｍ
_ＯＬは両者で１０倍異なることになる。このように、４
段目静電型４極子４と対物レンズ７の合成倍率は１桁以
上容易に変更可能なことがわかる。従って、同じ静電型
４極子２の電位φ_ｑｃ２と磁場型４極子５の励磁Ｊ_２に
対して、補正に用いられる色収差係数Ｃ _cxは２桁以上可
変できることになる。

【００４９】また、同じＣ_cxに対して、補正に用いられ
る色収差係数Ｃ_oxは２桁以上変化しても良く、これに対
応して、同じＣ_cxに対して静電型４極子２の電位φ
_ｑｃ２と磁場型４極子５の励磁Ｊ_２も２桁以上の範囲で
可変できる。

【００５０】上記の説明はＹ方向の色収差についても同
様に適用できる。また静電型４極子３の中心に形成され
るＸ方向の球面収差を補正するための収差係数Ｃ
_soxや、Ｙ方向の球面収差についても同様に適用でき
る。球面収差の場合には物面側に形成された球面収差係
数は合成倍率の４乗、つまり(Ｍ_４・Ｍ_ＯＬ)^４に比例し
て試料面側に形成される。

【００５１】次に、本発明に基づく収差補正の動作を更
に詳述する。本発明は前記した原理に基づいてなされた
ものであり、図６を用いてその動作を説明する。なお、
本発明においては、発明の目的に合せた動作をさせるた
めに、例えば下記のようなモードが選択できるようにす
るとよい。即ち、（１）磁場型４極子５の励磁Ｊ_２と磁
場型４極子６の励磁Ｊ_３を一定に保ったままで収差補正
装置Ｃを動作させるモードと、（２）各静電型４極子の
電圧の絶対値がほぼ同程度になるようにして収差補正装
置Ｃを動作させるモードである。

【００５２】さて、操作表示部９で磁場型４極子５の励
磁Ｊ_２と、磁場型４極子６の励磁Ｊ _３を一定に保つモー
ドを選択すると、操作表示部９で加速電圧Ｖ_aや作動距
離ＷＤを変更しても、制御部１９は磁場型４極子用の電
源１５に対して所定の固定値、Ｊ_２＝Ｊ_２０（８−１）Ｊ_３＝Ｊ_３０（８−２）で磁場型４極子５、６を励磁するように指示する。

【００５３】次に、この励磁に対し、現在設定されてい
る加速電圧Ｖ_a＝Ｖ_aoで試料面にフォーカスが合う基準
軌道を得るために、制御部１９は静電型４極子用電源１
０に対して、色収差を補正しないときの電位φ_ｑｆ２と
φ_ｑｆ３、及び色収差を補正するための電位φ_ｑｃ２と
φ_ｑｃ３に対して両者の和を各々静電型４極子２と３に
印加する。これによって静電型４極子２と３の電位は、 φ_ｑｆ２＋ φ_ｑｃ２（９−１） φ_ｑｆ３＋ φ_ｑｃ３（９−２）となる。なお、図６（ａ）は色収差補正前の静電型４極
子の電位を示しており、図６（ｂ）は色収差補正後の静
電型４極子の電位を示している。

【００５４】このとき、Ｊ_２とφ_ｑｃ２によって試料面
２０に形成される補正のための収差係数をＣ_cx、Ｊ_３と
φ_ｑｃ３によって試料面２０に形成される補正のための
収差係数をＣ_cyとすれば、４段目４極子４と対物レンズ
７との合成倍率を調整して、色収差を補正する前のレン
ズ系全体のＸ方向の収差係数Ｃ_xとＹ方向の収差係数Ｃ_y
に対して、Ｃ_x ＋Ｃ_cx≒０（１０−１）Ｃ_y ＋Ｃ_cy≒０（１０−２）となるように、制御部１９は４段目の静電型４極子４の
電源１０と対物レンズ７の電源１７を制御する。

【００５５】次に、操作表示部９で加速電圧Ｖ_aを変更
した場合には、粒子プローブの試料面へのフォーカス状
態が変化しないように、Ｘ方向については静電型４極子
２のフォーカス電位φ_ｑｆ２と色収差補正のための電位
φ_ｑｃ２が、 φ_ｑｆ２ ∝ Ｖ_a （１１−１） φ_ｑｃ２ ∝ Ｖ_a ^１／２（１１−２）となるように制御部１９は静電型４極子用の電源１０を
変化させる。Ｙ方向についても同様に、 φ_ｑｆ３ ∝ Ｖ_a （１１−３） φ_ｑｃ３ ∝ Ｖ_a ^１／２（１１−４）となるように制御部１９は静電型４極子用の電源１０を
変化させる。このようにすれば、磁場型４極子の励磁を
ほぼ一定に保ったまま、レンズ系の総合倍率Ｍ_tを調整
して色収差をほぼ０に補正可能である。

【００５６】なお、ここでの「レンズ系の総合倍率
Ｍ_t」とは、図３の場合においては、収差補正装置Ｃ全
体と対物レンズ７とを含めた倍率である。先に図４を用
いた「静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率」の説明
において、静電型４極子４の倍率Ｍ_４が定義されていた
が、一般の多極子においても、例えばＸ方向とＹ方向に
分けて考えれば、通常のレンズと同様に「倍率」が定義で
きる。従って、収差補正装置Ｃの各多極子についても同
様に倍率が定義できるし、収差補正装置Ｃ全体の倍率も
定義できる。上記の「レンズ系の総合倍率Ｍ_t」におけ
る「収差補正装置Ｃ全体の倍率」とは、そのような意味
で用いている。

【００５７】実は、先の図４を用いた説明における「静
電４極子４と対物レンズ７の合成倍率」という考え方
は、本発明の動作を分かり易く説明するために動作をで
きるだけ単純化したことによるものである。しかし実際
の動作においては、「静電４極子４と対物レンズ７の合
成倍率」を調整すると、他の４極子もわずかに影響を受
けるためわずかな再調整が必要になる。従って、実際の
動作を厳密にいえば、「静電４極子４と対物レンズ７の
合成倍率」の調整だけではなく、収差補正装置Ｃ全体と
対物レンズ７とを含めた「レンズ系の総合倍率Ｍ_t」の
調整が必要になる。そのような意味では、「静電４極子
４と対物レンズ７の合成倍率を調整する」は、厳密に
は、「レンズ系の総合倍率Ｍ_tを調整する」というべき
である。

【００５８】ところで、静電４極子４と対物レンズ７の
合成倍率を変えた場合、試料面に入射する粒子ビームの
開き角が変化する。この変化は、対物絞り８の後に開き
角制御レンズを入れるとか、対物絞り８の穴径を変える
とかで、必要な最適値に設定できる。

【００５９】なお、基準となる加速電圧Ｖ_a＝Ｖ_aoでの
最適な開き角α＝α_oに対して、加速電圧Ｖ_aを低く設定
した場合には、必要な収差補正量が余剰にならないよう
に合成倍率を小さくして色収差補正を行うため、開き角
αは増大する。これに対して最適開き角は、加速電圧Ｖ
_aを低くした場合には、増大する方向にあるから、本発
明における加速電圧の変更に伴う開き角の変化に関して
は都合がよい方向に動作する。また、作動距離ＷＤを基
準の値ＷＤ＝ＷＤ_oから大きくした場合には、必要な収
差補正量が不足しないように合成倍率を大きくして色収
差補正を行うため、開き角αは減少する。これに対して
最適開き角は、ＷＤを大きくした場合には、開き角は減
少する方向にあるから、この場合も本発明における作動
距離ＷＤの変更に伴う開き角の変化に関しては都合がよ
い方向に動作する。以下にこれを簡単に説明する。

【００６０】色収差と球面収差を補正した後に残る、粒
子線の波長λに依存する回折効果によるプローブ径ｄ_λ
と、５次の開口収差係数Ｃ_５によるプローブ径ｄ_Ｃ５が
支配的であると仮定すると、これらは最小錯乱円におい
て、ｄ_λ＝1.22λ／α （１２−１）ｄ_Ｃ５＝（2／3）・Ｃ_５・α^５（１２−２）で見積もることができる。従って２乗平均によるプロー
ブ径ｄ_pは、ｄ_p＝（ｄ_λ ^２＋ｄ_Ｃ５ ^２）^１／２（１２−３）となる。従って、 ∂ｄ_p／∂α ＝０（１２−４）の条件から、 α＝（1.22λ）^１／６・（1.5／（５^１／２・Ｃ_５））^１／６（１２−５）となる。すなわち、加速電圧Ｖ_aが小さく波長λが大き
い場合には最適開き角αは大きくなり、作動距離ＷＤが
長くなって５次の開口収差係数が増大した場合には、最
適開き角αは小さくなる。

【００６１】加速電圧Ｖ_aを下げたとき、色収差補正に
必要な磁場型４極子の励磁電流は一定のモードを選択し
ているので、少なくとも色収差補正に必要な静電４極子
２、３の電位の変化はＶ_a ^１／２に比例するように動作
するから、標準的な系、即ち色収差補正の励磁がＶ_a
^１／２に比例し、電位がＶ_aに比例する系に比べて、電
源１５の励磁変動や、電源１０の電圧変動に対して影響
を受けにくくなる。

【００６２】次に、作動距離ＷＤを変えた場合について
説明する。操作表示部９で作動距離を変更したとき、制
御部１９はこの設定に基づいて、主に静電４極子４と対
物レンズ７によりフォーカス調整を行う。補正すべきレ
ンズ系全体としての色収差Ｃ _x、Ｃ_yはＷＤと共に大きく
変化するが、前記の説明のごとく静電４極子４と対物レ
ンズ７の合成倍率を調整すれば、必要な補正すべき収差
係数Ｃ_cx、Ｃ_cyが試料面上に得られることは明らかであ
る。

【００６３】同様に、磁場型４極子５、６の励磁が一定
の条件で前記のように色収差補正が可能になったので、
磁場型４極子として永久磁石を用いることができること
も明らかである。

【００６４】ここで、上記動作についてまとめておく。
第１のモード（１）磁場型４極子５の励磁Ｊ_２と磁場型
４極子６の励磁Ｊ_３を一定に保ったままで収差補正装置
Ｃを動作させるモードにおいて、ある加速電圧と作動距
離において色収差補正を行った後、加速電圧を変更した
場合には、（ａ）加速電圧Ｖ_aの変更に伴って変化する
色収差の増減に対しては、静電型４極子２と３の色収差
補正のための電位をＶ _a ^１／２に比例するように調整
し、更に、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を変
更して色収差を補正する。なおここで、合成倍率を変更
するのは、磁場型４極子を一定に保っているため静電型
４極子の電位はＶ_a ^１／２に比例させことになるので、
色収差補正量に過不足が生じるのを合成倍率の変更で補
うためである。このとき同時に、加速電圧Ｖ_aの変更に
伴って変化するフォーカスに対しても、各静電型４極子
１〜４のフォーカス電位をＶ_aに比例するように調整
し、更に、対物レンズ７は、静電４極子４と対物レンズ
７の合成倍率を上記の如くに再設定された倍率に保った
ままで、フォーカス調整を行う。（ｂ）作動距離ＷＤの
変更に伴って変化する色収差の増減に対しては、静電４
極子４と対物レンズ７の合成倍率を調整して行う。もち
ろんこのとき、試料上でのフォーカスは保たれたままで
なければならない。

【００６５】球面収差補正はこの色収差補正を行った後
に行う。操作表示部９からの指令で制御部１９は静電型
８極子１１、１２、１３、１４を従来例の如く励起する
ように電源１８を制御する。ここで従来例との違いは、
静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率が色収差補正に
合わせられているため、作動距離の増大による球面収差
の著しい増大に対しても、静電８極子の電位を極端に増
加させる必要がなくなることにある。

【００６６】また、加速電圧を下げた時の球面収差補正
電圧の低下が軽減され、電源１８の変動に対して影響を
受けにくくなる、などのメリットがある。

【００６７】これまでの実施の形態では、磁場型４極子
５、６の励磁をほぼ一定に保つ方法について述べたが、
第２の実施の形態として、静電型４極子の電圧の絶対値
がほぼ同程度になるようなモードについて述べる。操作
表示部において、基準軌道を作るための静電４極子１〜
４の電位φ_ｑｆ１、φ_ｑｆ２、φ_ｑｆ３、φ_ｑｆ４に対
し、色収差補正のために静電型４極子２、３に電位φ
_ｑｃ２、φ_ｑｃ３を加算したとする。

【００６８】この補正電位は色収差を補正する方向に加
算すると、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すごとく、基準
軌道を作るために必要な電位φ_ｑｆ２、φ_ｑｆ３とは互
いに符号が反対になる。なお、図６（ａ）は色収差補正
前の４極子電位を示しており、図６（ｂ）は色収差補正
後の静電型４極子の電位を示している。従って、｜φ_ｑｆ２＋φ_ｑｃ２｜、｜φ_ｑｆ３＋φ_ｑｃ３｜（１３−１、２）が、基準軌道を作るために最低必要な電位、｜φ_ｑｆ１｜、｜φ_ｑｆ４｜（１３−３，４）と同程度になるような範囲でφ_ｑｃ２、φ_ｑｃ３を設定
するものとする。

【００６９】この状態で基準軌道が得られるような磁場
型４極子５、６の励磁が定まるので、静電４極子４と対
物レンズ７の合成倍率を調整して、色収差を補正するこ
とが可能となる。球面収差係数の補正でも同様のことが
可能である。

【００７０】このような「静電型４極子の電圧の絶対値
がほぼ同程度になるようなモード」の条件では、少なく
とも特定の電極の耐圧が問題になることはなくなり、収
差補正が可能な最大の加速電圧を大きく設定できる。ち
なみに、図３〜図５を用いて説明した実施の形態では、
収差補正可能な最大の加速電圧Ｖ_aにおいてこの条件が
満足されるように磁場４極子５、６の励磁Ｊ_２、Ｊ_３が
決められる。

【００７１】この第２の実施の形態は、レンズ系の制御
を単純にする場合にも用いられる。すなわち、加速電圧
を低い方に変更した場合では、静電４極子４と対物レン
ズ７の合成倍率が変化しないようにし、前記の最も単純
な関係式を適用して、 φ_ｑｆ２ ∝ Ｖ_a （１４−１） φ_ｑｃ２ ∝ Ｖ_a （１４−２）Ｊ_２ ∝ Ｖ_a ^１／２（１４−３）として用いれば良い。

【００７２】さらに本発明は、作動距離ＷＤを増大させ
たときにも応用できる。すなわち、作動距離ＷＤを増大
させたときに、これに伴って増大する色収差係数（レン
ズの焦点距離ｆに近似的に比例する）や球面収差係数
（焦点距離ｆの３乗に近似的に比例する）は大きな値に
なる。従って、これらを補正する静電型４極子１〜４や
８極子１１〜１４の電圧も大きな値になる。

【００７３】そこで、静電４極子４と対物レンズ７の合
成倍率を変化させ、静電型８極子による球面収差補正電
位が色収差補正電位と比較して十分小さくなるように合
成倍率を大きくし、上記のように静電型４極子と静電型
８極子の電圧の和の絶対値が、実際に使用される静電型
多極子（例えば、１２極子）の電極においてほぼ同程度
になるようにすれば、加速電圧が高い場合でも、多極子
の耐圧の問題を軽減し、色収差や球面収差を補正するこ
とが可能になる。

【００７４】即ち、静電型８極子の１〜４段目の球面収
差補正電位をφ_O１〜φ_O４で表したとき、合成倍率を大
きくすれば、これらの値の大きさは図１１（ａ）に示す
ように、静電型４極子のフォーカス電位φ_ｑｆ１〜φ
_ｑｆ４や色収差補正電位φ_ｑｃ _２〜φ_ｑｃ３と比較して
十分小さな値に設定することができる。従って、色収差
と球面収差を補正した後の静電型多極子用の電極の電圧
は、｜φ_ｑｆ１＋φ_O１｜（１５−１）｜φ_ｑｆ２＋φ_ｑｃ２＋φ_O２｜（１５−２）｜φ_ｑｆ３＋φ_ｑｃ３＋φ_O３｜（１５−３）｜φ_ｑｆ４＋φ_O４｜（１５−４）の程度になる。φ_O１〜φ_O４の値が小さければ、上記の
４つの値の絶対値はほぼ同程度にできる。なお、正確な
電極電圧は静電型４極子や静電型８極子として実際に使
用される多極子（例えば、１２極子）の極数によって異
なってくる。

【００７５】ここで、上記動作についてまとめておく。
第２のモード（２）各静電型４極子の電圧の絶対値がほ
ぼ同程度になるようにして収差補正装置Ｃを動作させる
モードにおいて、ある加速電圧と作動距離において色収
差補正を行った後、加速電圧を変更した場合には、
（ａ）加速電圧Ｖ_aの変更に伴って変化する色収差の増
減に対しては、静電型４極子２と３の色収差補正のため
の電位をＶ_aに比例するように調整し、磁場４極子５、
６の励磁Ｊ_２、Ｊ_３はＶ_a ^１／２に比例するように調整
する。このとき同時に、加速電圧Ｖ_aの変更に伴って変
化するフォーカスに対しても、各静電型４極子１〜４の
フォーカス電位をＶ_aに比例するように調整し、更に、
対物レンズ７は静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率
を一定に保ったままでフォーカス調整を行う。（ｂ）作
動距離ＷＤの変更に伴って変化する色収差の増減に対し
ては、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を調整し
て行う。もちろんこのとき、試料上でのフォーカスは保
たれたままでなければならない。

【００７６】ところで、上記第１のモード（１）磁場型
４極子５の励磁Ｊ_２と磁場型４極子６の励磁Ｊ_３を一定
に保ったままで収差補正装置Ｃを動作させるモードと第
２のモード（２）各静電型４極子の電圧の絶対値がほぼ
同程度になるようにして収差補正装置Ｃを動作させるモ
ードの使い方について付け加えると、一般には、前者は
加速電圧が比較的低いときに使用し、後者は加速電圧が
比較的高いときに使用するとよい。

【００７７】なお、色収差や球面収差を補正した場合、
最小プローブ径を決める要素は、粒子線の波長に依存す
る回折収差、レンズ系に固有な５次の開口収差が支配的
である。静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を変え
るなどして、図３に示すレンズ系の総合倍率Ｍ_ｔを変化
させると、前記した第２の実施の形態における条件の付
近で、試料面に換算される５次の開口収差係数の絶対値
が最小になるような倍率Ｍ_ｔ＝Ｍ_oがあることが計算に
よって確認された。図７は、５次の開口収差および４次
の開口色収差の低減の様子を示したものである。

【００７８】この図７は、加速電圧と作動距離とはある
一定の値の場合の例である。ところで、今までの説明で
明らかなように、加速電圧と作動距離が一定であって
も、本件発明の如くに、収差補正装置Ｃの設定条件を適
宜設定すると共に、「合成倍率」を変えるようにして色収
差や球面収差を補正する方法においては、収差補正装置
Ｃの設定条件とレンズ系の総合倍率(あるいは合成倍率)
との組合せは無限に存在することが分かる。そして、色
収差の補正と球面収差の補正のみを考慮している限りに
おいては、どのような組合せであっても目的を達する。
しかしながら、これに加えて、５次の開口収差や４次の
開口色収差を考慮にいれる必要がある場合には、レンズ
系の総合倍率(あるいは合成倍率)は、図７に示すよう
に、ある特定な倍率でなければならないことが分かる。
更に、このようにして色収差の補正と球面収差の補正と
５次の開口収差や４次の開口色収差の補正を行った後
に、加速電圧または作動距離を変えた場合は、以下のよ
うにすればよい。

【００７９】加速電圧Ｖ_aを変更した場合には、前記第
２の実施の形態では、総合倍率Ｍ_tを一定にできるの
で、Ｖ_aの変更に対して常に５次の開口収差係数の絶対
値を最小に設定できる。また、作動距離WDの変更に対し
ても、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を変える
などして、５次の開口収差係数の絶対値が最小になるよ
うな総合倍率Ｍ_tを選ぶことができる。

【００８０】加速電圧Ｖ_aが低い領域で、粒子ビームの
エネルギー幅ΔＶの影響が無視できない場合には、５次
の開口収差よりも４次の開口色収差（収差量が開き角の
３乗と、粒子ビームのエネルギー幅に比例する）が大き
くなる場合がある。この場合には、粒子線の波長に依存
する回折収差、レンズ系に固有な４次の開口色収差が支
配的になる。静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を
変えるなどして、図１に示すレンズ系の総合倍率Ｍ
_ｔを、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を変える
などして、変化させて行くと、前記の実施例２になるよ
うな条件の付近で、試料面に換算される４次の開口収差
係数が０を通るような倍率Ｍ_ｔ＝Ｍ_pのあることが計算
によって確認された。

【００８１】このＭ_pは前記の実施例における倍率Ｍ_oよ
りも僅かに大きな倍率に位置することも計算によって確
認された。加速電圧Ｖ_aを変更した場合には、第２の実
施の形態では、総合倍率Ｍ_tを一定にできるので、Ｖ_aの
変更に対して常に４次の開口色収差係数を０または絶対
値が最小に設定できる。また、作動距離ＷＤの変更に対
しても、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を変え
るなどして、４次の開口色収差係数が０または絶対値が
最小になるようなような総合倍率Ｍ_tを選ぶことができ
る。

【００８２】次に、４次の開口色収差係数Ｃ_3cの影響を
考える。Ｃ_3cと回折効果が支配的な場合のＣ_3cの最小錯
乱円は３次の球面収差のときのように、ｄ_Ｃ３ｃ＝（１／２）・Ｃ_3c・α^３・（ΔＶ／Ｖ_a）（１６−１）である。ここでΔＶは電子ビームのエネルギー幅ΔＥに
対応する電圧幅で、２乗平均によるプローブ径ｄ_ｐは、ｄ_p＝（ｄ_λ ^２＋ｄ_Ｃ３ｃ２）^１／２（１６−２）であるから、 ∂ｄ_p／∂α ＝０（１６−３）の条件から、最適開き角は、 α＝（1.22λ）^１／４・[３^１／２／（2・Ｃ_3c・ΔＶ／Ｖ）]^１／４（１６−４）となる。

【００８３】ここで、上記動作についてまとめておく。
第２のモード（２）各静電型４極子の電圧の絶対値がほ
ぼ同程度になるようにして収差補正装置Ｃを動作させる
モードにおいて、ある加速電圧と作動距離において、総
合倍率Ｍ_tを静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を
変えるなどして調整して色収差・球面収差補正を行い５
次の開口収差の絶対値が最小になるような倍率Ｍ_ｔ＝Ｍ
_oを見出した後、あるいは４次の開口色収差係数が０と
なるＭ_ｔ＝Ｍ_pを見出した後、加速電圧を変更した場合
には、（ａ）加速電圧Ｖ_aの変更に伴って変化する色収
差・球面収差の増減に対しては、静電型４極子２と３の
色収差補正のための電位をＶ_aに比例するように調整
し、磁場４極子５、６の励磁はＶ_a ^１／２に比例するよ
うに調整し、静電型８極子の球面収差補正のための電位
をＶ_aに比例するように調整する。このとき同時に、加
速電圧Ｖ_aの変更に伴って変化するフォーカスに対して
も、各静電型４極子１〜４のフォーカス電位をＶ_aに比
例するように調整し、更に、対物レンズ７は静電４極子
４と対物レンズ７の合成倍率を一定に保ったままでフォ
ーカス調整を行う。このように調整すれば、総合倍率Ｍ
_tは、一定の倍率Ｍ_ｔ＝Ｍ_oまたはＭ_ｔ＝Ｍ_pに保たれた
ままとなる。（ｂ）一方、作動距離ＷＤの変更に伴って
変化する色収差の増減に対しては、静電４極子４と対物
レンズ７の合成倍率を調整して行う。もちろんこのと
き、試料上でのフォーカスは保たれたままでなければな
らない。このように調整すれば、総合倍率Ｍ_tは、基準
となる作動距離における倍率Ｍ_ｔ＝Ｍ_oまたはＭ_ｔ＝Ｍ_p
からは変化するものの、その作動距離ＷＤにおける最良
の状態（５次の開口収差の絶対値が最小または４次の開
口色収差係数が０）に調整される。

【００８４】なお、実際の装置においては、総合倍率Ｍ
_tを知ることは必ずしも容易ではない。そこで、図７の
如くに、５次の開口収差係数や４次の開口色収差係数が
最小となるときの色収差補正電位や球面色収差補正電位
の値を事前に調べて置き、実際に印加される色収差補正
電位や球面色収差補正電位の値から、上記最良の状態を
知るようにするとよい。

【００８５】これまでの実施の形態例では、電子光学的
なレンズの数が最小になるような構成を用いて、主に４
段目の静電型４極子４の倍率Ｍ_４と対物レンズの倍率Ｍ
_ＯＬとの合成倍率Ｍ_４・Ｍ_ＯＬ（１７）を調整することによって、対物レンズの広範な色収差係
数及び球面収差係数の変化に対して、収差補正が可能で
あることを示した。しかしながら、４段目の静電型４極
子４の倍率Ｍ_４を変更すると、わずかではあるが基準軌
道を得るための各４極子の電圧を変更する必要があり、
Ｘ方向とＹ方向の倍率のズレを大きくする原因にもな
る。

【００８６】この不具合を軽減するため、４段目の静電
型４極子４の倍率Ｍ_４は変更せずに、図８に示すよう
に、４段目の静電型４極子４と対物レンズ７の間に少な
くとも１個の軸対称な追加レンズ２７を入れ、電源１７
には、対物レンズ７の電源に加えて追加レンズ２７の電
源を設ける。追加レンズ２７は、追加レンズ２７が電磁
型の場合は電源１７から供給される電流を変えることに
よって、追加レンズが静電型の場合は電源１７から供給
される電圧を変えることによって、レンズの強度が調整
される。この追加レンズ２７の倍率Ｍ_Ａを調整するよう
にすれば、これまでの実施例と同様の効果が得られるこ
とは明らかである。更に、この追加レンズ２７の位置が
４段目の静電型４極子４に接近していれば、追加レンズ
２７と対物レンズ７の調整による合成倍率Ｍ_４・Ｍ_Ａ・Ｍ_ＯＬ（１８）の可変範囲は、４段目の静電型４極子４と対物レンズ７
の調整による前記の合成倍率Ｍ_４・Ｍ_ＯＬの可変範囲と
同程度なることも明らかである。また、この追加レンズ
は、上記の実施例以外の収差補正装置においても同様に
合成倍率の調整による収差補正量の調整に使用できるこ
とも明らかである。そこで、便宜上は合成倍率を上記の
Ｍ_４・Ｍ_Ａ・Ｍ_ＯＬに代えてＭ_Ａ・Ｍ_ＯＬ（１９）を合成倍率と表してもよい。

【００８７】なお、合成倍率Ｍ_Ａ・Ｍ_ＯＬを調整したこ
とにより、試料面に入射する粒子ビームの開き角αが変
化する。この変化は、前記の実施の形態で述べたよう
に、対物絞り８の後に開き角制御レンズを入れるとか、
対物絞り８の穴径を変えるとかで、追加レンズ２７と対
物レンズ７による収差補正量の調整とは独立して、開き
角αを必要な最適値に設定することができる。

【００８８】以上の説明では、収差補正装置の前段にプ
ローブ電流や開き角を調整するための集束レンズ、或い
はプローブ電流を変えずに開き角を調整するための開き
角制御レンズを配置した場合の収差補正装置の動作につ
いては詳しくは述べなかった。これらのレンズを配置し
て制御しても、本発明に述べられた実施の形態は同様に
適用できることは明らかである。

【００８９】即ち、第１段目の静電型４極子１に対する
物面の位置とビームの開き角が変化するのが主な違いで
あり、主に第１段目の静電型４極子１による基準軌道を
維持するためのフォーカス調整を行えばよい。また、集
束レンズや開き角制御レンズの調整では、収差補正のた
めの合成倍率Ｍ_４・Ｍ_ＯＬ、又はＭ_４・Ｍ_Ａ・Ｍ_ＯＬの
設定や変更に大きな影響を与えるものではない。

【００９０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に基づく荷
電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビ
ーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４
段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の２段
の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させ
る２段の磁場型４極子と、対物レンズと、荷電粒子ビー
ムの光路の一部に設けられた対物絞りと、加速電圧や作
動距離を変更する操作表示部と、前記４段の静電４極子
のそれぞれに電圧を供給する電源と、２段の磁場型４極
子を励磁する電源と、対物レンズの電源と、操作表示部
の操作または設定に基づいて前記３種類の電源を制御す
る制御部を備えたことを特徴としている。

【００９１】このような構成において、加速電圧または
作動距離の何れかを変更したとき、磁場型４極子の励磁
を一定に保って粒子光学系の色収差及び球面収差を補正
できるモードを設けたので、磁場型４極子の励磁を変え
たときの磁場ドリフトの問題が無くなった。また、低加
速電圧側で、励磁や電圧変動の影響を受けにくくなっ
た。更に、加速電圧や作動距離を変えた場合に、試料面
に入射する粒子ビームの開き角が自動的に最適開き角に
近づくようになった。

【００９２】上記効果に加えて、加速電圧または作動距
離の何れかを変更したとき、静電型４極子または静電型
４極子及び静電型８極子の電圧の絶対値がほぼ同程度に
なるような条件下で、粒子光学系の色収差または球面収
差の少なくとも何れか一方を補正できるモードを設けた
ので、最高加速電圧が有効に使用できるようになった。
また、加速電圧を変えたときのレンズ系の制御が簡単に
なった。

【００９３】また、加速電圧または作動距離の何れかを
変更したとき、５次の開口収差の絶対値が最小になるよ
うな粒子光学系のレンズ系の倍率を設定できるようにし
たので、最小プローブ径を常に最小値に設定できるよう
になった。

【００９４】また、加速電圧または作動距離の何れかを
変更したとき、４次の開口色収差の絶対値が０または最
小になるような粒子光学系のレンズ系の倍率を設定でき
るようにしたので、低加速電圧でも最小プローブ径を常
に最小値に設定できるようになった。

【００９５】更に、対物レンズと収差補正装置との間に
追加レンズを設けて、加速電圧又は作動距離の何れかを
変更した時、収差補正装置の励磁電流と収差補正装置内
の基準軌道を一定に保ったまま、追加レンズと対物レン
ズの合成倍率の変更で全体の色収差（又は色収差と球面
収差）を補正できるようにしたので、Ｘ，Ｙ方向の倍率
のズレを軽減できるようになった。また、４段の静電４
極子によるレンズ倍率の変更をしなくてもよいので、こ
の倍率の調整によって発生する収差補正装置の再調整
（フォーカス調整等）が容易になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】収差補正装置の原理の概略を説明するための図
である。

【図２】静電型多極子の標準配列を示す図である。

【図３】本発明の基本構成を示す図である。

【図４】本発明の動作原理を説明するための図である。

【図５】加速電圧と収差補正電圧との関係を示す図であ
る。

【図６】色収差補正前の静電型４極子電位と色収差補正
後の静電型多極子電位を示す図である。

【図７】５次の開口収差と４次の開口色収差の低減の様
子を示す図である。

【図８】追加レンズによる収差補正のための合成倍率の
調整を示す図である。

【図９】静電型１２極子を１２以下の静電型多極子とし
て用いる方法を示す図である。

【図１０】磁場型１２極子を１２以下の磁場型多極子と
して用いる方法を示す図である。

【図１１】球面収差補正用の静電型８極子電位と色収差
・球面収差補正後の静電型多極子電位を示す図である。

【図１２】収差補正装置Ｃが組み込まれた走査電子顕微
鏡の例を説明する図である。

【符号の説明】

Ｃ収差補正装置１，２，３，４静電型４極子５，６磁場型４極子７対物レンズ８対物絞り９操作表示部１０，１５，１８，１７電源１１，１２，１３，１４静電型８極子１９制御部２０試料面２７追加レンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子ビーム光学系内部に配置された
収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の
静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と
相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、荷
電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、
荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、
荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離
である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作また
は設定に基づいて前記各４極子と対物レンズとを制御す
る制御部を備えた荷電粒子ビーム装置における収差補正
装置。
【請求項２】操作部の操作または設定に基づいて、加
速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部
は、磁場型４極子の励磁を一定に保つ条件下において、
（１）加速電圧の変更に対しては静電４極子に印加する
電圧と４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率
とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の
静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整すること
によって、荷電粒子ビーム光学系の色収差を補正するよ
うにした請求項１記載の荷電粒子ビーム装置における収
差補正装置。
【請求項３】磁場型４極子は永久磁石であることを特
徴とする請求項２記載の荷電粒子ビーム装置における収
差補正装置。
【請求項４】操作部の操作または設定に基づいて、加
速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部
は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共にほぼ同程度
になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に
対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍
率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁
場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離
の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズと
の合成倍率を調整することによって、荷電粒子ビーム光
学系の色収差を補正するようにした請求項１記載の荷電
粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項５】５次の開口収差の絶対値が最小になるよ
うにした状態において、操作部の操作または設定に基づ
いて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したと
き、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共に
ほぼ同程度になるような条件下で、（１）加速電圧の変
更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合
成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧
と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動
距離の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レン
ズとの合成倍率を調整することによって、５次の開口収
差の絶対値が最小になるようにした請求項１記載の荷電
粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項６】４次の開口色収差即ち３次の開口・１次
の色収差が０または絶対値が最小になるようにした状態
において、操作部の操作または設定に基づいて、加速電
圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、
静電型４極子の電圧の絶対値が４段共にほぼ同程度にな
るような条件下で、（１）加速電圧の変更に対しては４
段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を一定に
保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子
を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対
しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率
を調整することによって、４次の開口色収差即ち３次の
開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるよう
にした請求項１記載の荷電粒子ビーム装置における収差
補正装置。
【請求項７】４段の静電型４極子の電位分布に８極子
電位を重畳させる４段の静電型８極子と、操作部の操作
または設定に基づいて前記４段の静電型８極子を制御す
る制御部を備えることによって、球面収差をも合せて補
正可能にした請求項１記載の荷電粒子ビーム装置におけ
る収差補正装置。
【請求項８】４段の静電型４極子の電位分布に８極子
電位を重畳させる４段の静電型８極子と、操作部の操作
または設定に基づいて前記４段の静電型８極子を制御す
る制御部を備えることによって、球面収差をも合せて補
正可能にした請求項２ないし６の何れかに記載の荷電粒
子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項９】操作部の操作または設定に基づいて、加
速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部
は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる静電型８極
子の電圧の和の絶対値が４段共にほぼ同程度になるよう
な条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては４
段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を一定に
保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子
を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対
しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率
を調整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収
差または球面収差の少なくとも何れか一方を補正するよ
うにした請求項７記載の荷電粒子ビーム装置における収
差補正装置。
【請求項１０】５次の開口収差の絶対値が最小になる
ようにした状態において、操作部の操作または設定に基
づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したと
き、制御部は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる
静電型８極子の電圧の和の絶対値が４段共にほぼ同程度
になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に
対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍
率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁
場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離
の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズと
の合成倍率を調整することによって、５次の開口収差の
絶対値が最小になるようにした請求項７記載の荷電粒子
ビーム装置における収差補正装置。
【請求項１１】４次の開口色収差即ち３次の開口・１
次の色収差が０または絶対値が最小になるようにした状
態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速
電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部
は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる静電型８極
子の電圧の和の絶対値が４段共にほぼ同程度になるよう
な条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては４
段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を一定に
保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子
を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対
しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率
を調整することによって、４次の開口色収差即ち３次の
開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるよう
にした請求項７記載の荷電粒子ビーム装置における収差
補正装置。
【請求項１２】荷電粒子ビーム光学系内部に配置され
た収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段
の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布
と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、
荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズ
と、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞り
と、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設けられ
た追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レン
ズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、
操作部の操作または設定に基づいて、前記４段の静電４
極子と２段の磁場型４極子と対物レンズと追加レンズと
を制御する制御部を備えた荷電粒子ビーム装置における
収差補正装置。
【請求項１３】操作部の操作または設定に基づいて、
加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御
部は、磁場型４極子の励磁を一定に保つ条件下におい
て、（１）加速電圧の変更に対しては静電４極子に印加
する電圧と追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整
し、（２）作動距離の変更に対しては追加レンズと対物
レンズとの合成倍率を調整することによって、荷電粒子
ビーム光学系の色収差を補正するようにした請求項１２
記載の荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項１４】磁場型４極子は永久磁石であることを
特徴とする請求項１３記載の荷電粒子ビーム装置におけ
る収差補正装置。
【請求項１５】操作部の操作または設定に基づいて、
加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御
部は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共にほぼ同程
度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更
に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定
に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極
子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に
対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整す
ることによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差を補正
するようにした請求項１２記載の荷電粒子ビーム装置に
おける収差補正装置。
【請求項１６】５次の開口収差の絶対値が最小になる
ようにした状態において、操作部の操作または設定に基
づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したと
き、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共に
ほぼ同程度になるような条件下で、（１）加速電圧の変
更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一
定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４
極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更
に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整
することによって、５次の開口収差の絶対値が最小にな
るようにした請求項１２記載の荷電粒子ビーム装置にお
ける収差補正装置。
【請求項１７】４次の開口色収差即ち３次の開口・１
次の色収差が０または絶対値が最小になるようにした状
態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速
電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部
は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共にほぼ同程度
になるような条件下で、（１）加速電圧の変更に対して
は追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に保った
ままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁
する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては
追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することに
よって、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収
差が０または絶対値が最小になるようにした請求項１２
記載の荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項１８】４段の静電型４極子の電位分布に８極
子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、操作部の操
作または設定に基づいて前記４段の静電型８極子を制御
する制御部を備えることによって、球面収差をも合せて
補正可能にした請求項１２記載の荷電粒子ビーム装置に
おける収差補正装置。
【請求項１９】４段の静電型４極子の電位分布に８極
子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、操作部の操
作または設定に基づいて前記４段の静電型８極子を制御
する制御部を備えることによって、球面収差をも合せて
補正可能にした請求項１３ないし１７の何れかに記載の
荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項２０】操作部の操作または設定に基づいて、
加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御
部は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる静電型８
極子の電圧の和の絶対値が４段共にほぼ同程度になるよ
うな条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては
追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に保ったま
まで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁す
る電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては追
加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによ
って、荷電粒子ビーム光学系の色収差または球面収差の
少なくとも何れか一方を補正するようにした請求項１８
記載の荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項２１】５次の開口収差の絶対値が最小になる
ようにした状態において、操作部の操作または設定に基
づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したと
き、制御部は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる
静電型８極子の電圧の和の絶対値が４段共にほぼ同程度
になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に
対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に
保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子
を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対
しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整する
ことによって、５次の開口収差の絶対値が最小になるよ
うにした請求項１８記載の荷電粒子ビーム装置における
収差補正装置。
【請求項２２】４次の開口色収差即ち３次の開口・１
次の色収差が０または絶対値が最小になるようにした状
態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速
電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部
は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる静電型８極
子の電圧の和の絶対値が４段共にほぼ同程度になるよう
な条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては追
加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に保ったまま
で静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する
電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては追加
レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによっ
て、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が
０または絶対値が最小になるようにした請求項１８記載
の荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項２３】制御部は、４段の静電型４極子のうち
の中央の２段の静電型４極子の色収差補正のための電位
をそれぞれ予め定められた電位に設定した上で、色収差
補正を行うことによって、５次の開口収差の絶対値が最
小になるようにあるいは４次の開口色収差即ち３次の開
口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるように
した請求項１または１２の何れかに記載の荷電粒子ビー
ム装置における収差補正装置。
【請求項２４】制御部は、４段の静電型４極子のうち
の中央の２段の静電型４極子の色収差補正のための電位
と４段の静電型８極子の球面収差補正のための電位とを
それぞれ予め定められた電位に設定した上で、色収差補
正と球面収差補正とを行うことによって、５次の開口収
差の絶対値が最小になるようにあるいは４次の開口色収
差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最
小になるようにした請求項７または１８の何れかに記載
の荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。