JP2004087460A

JP2004087460A - 収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置

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Publication number: JP2004087460A
Application number: JP2003145945A
Authority: JP
Inventors: Miyuki Matsutani; 松谷　幸; Fumio Hosokawa; 細川　史生
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2023-05-23
Also published as: JP4204902B2

Abstract

【課題】安定かつ最適な収差補正を実現し、荷電粒子ビームの最小プローブ径を得ることができる収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置を実現する。
【解決手段】４段の静電型４極子１、２、３、４と４段の静電型４極子の中央の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から成る収差補正装置Ｃの最終段の多極子の主面と焦点距離ｆ_ａのトランスファーレンズ２７ａの主面との距離Ｌ_１をｆ_ａ程度とし、トランスファーレンズ２７ａの主面と焦点距離ｆ_ｂのトランスファーレンズ２７ｂの主面との距離Ｌ_２をｆ_ａ＋ｆ_ｂ程度とし、トランスファーレンズ２７ｂの主面と対物レンズ７の前方焦点距離ＦＦＰとの距離Ｌ_３をｆ_ｂ程度となるように配置する。
【選択図】　　　図５

Description

【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の荷電粒子ビームをフォーカスして試料に照射する荷電粒子光学系における色収差、球面収差などの収差を補正するための収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置に関する。
【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、次に示す文献に詳しく紹介されている。
【０００３】
［１］Ｈ．　Ｒｏｓｅ，　Ｏｐｔｉｋ　３３，　Ｈｅｆｔ　１　（１９７１）　１−２４
［２］Ｊ．　Ｚａｃｈ，　Ｏｐｔｉｋ　８３，　Ｎｏ．　１　（１９８９）　３０−４０
［３］Ｊ．　Ｚａｃｈ　ａｎｄ　Ｍ．　Ｈａｉｄｅｒ，　Ｎｕｃｌ．　Ｉｎｓｔｒ．　ａｎｄ　Ｍｅｔｈ．　ｉｎ　Ｐｙｈｓ．　Ｒｅｓ．Ａ　３６３　（１９９５）　３１６−３２５
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、対物レンズ絞り８の後段に収差補正装置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、図では第１段の静電型４極子１と第１段の静電型８極子１１とを重ねて描かれている。同様に、第２段の静電型４極子２と、第２段の静電型８極子１２と、第１の磁場型４極子５とが重ねて描かれている。同様に、第３段の静電型４極子３と、第３段の静電型８極子１３と、第２の磁場型４極子６とが重ねて描かれている。同様に、第４段の静電型４極子４と、第４段の静電型８極子１４とが重ねて描かれている。
【０００５】
また、９は操作表示部、１０は静電型４極子用電源、１５は磁場型４極子用電源、１７は対物レンズ用電源、１８は静電型８極子用電源、１９は制御部である。更に、ＦＦＰは対物レンズ７の前方焦点位置、ＰＰは対物レンズの主面位置である。
【０００６】
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を平面上に模式的に描いている。
【０００７】
基準軌道とは、近軸軌道として、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２０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。
【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。このように、凸レンズとして動作する対物レンズ７の正の収差を、凹レンズと凸レンズの組合せとして動作する収差補正装置Ｃの負の収差によって打ち消すことが行われている。
【００１１】
なお、球面収差補正は色収差を補正しなくても行うことができる。例えば、加速電圧が高い場合には、色収差は球面収差に比して相対的に影響が小さくなるから、球面収差だけを補正してもよい。
【００１２】
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２ａ、２ｂ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。
【００１３】
図１に示した収差補正装置Ｃで、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る。
ところで図１に示した収差補正装置Ｃは４極子および８極子で構成されているが、これとは別に球面収差を補正するための６極子で構成された収差補正装置があり、例えば、透過電子顕微鏡の結像側（試料の像を拡大する側）に用いられる。更に、この６極子で構成した収差補正装置を透過電子顕微鏡の結像側に用いる場合には、収差補正装置と対物レンズとの間にトランスファーレンズを設け、収差補正装置のコマフリーポイント（コマ収差がゼロとなるような位置）と対物レンズのコマフリーポイントとを共役にして像の歪やコマ収差によるボケを減少させることが考えられている。また、このようなトランスファーレンズを設けることによって、収差補正装置と対物レンズ間の光学的な距離を長くすることなしに物理的な距離を確保することができる。
【００１４】
例えば、収差補正装置として、２個の６極子による球面収差の補正装置を有し、色収差を補正する場合には、６極子の間に色収差補正装置を配置する方法が次の文献［４］に示されている。
【００１５】
［４］Ｈ．　Ｒｏｓｅ，　Ｏｐｔｉｋ　８４，　Ｎｏ．３　（１９９０）　９１−１０７
また、焦点距離がｆの２個のトランスファーレンズを用いる方法として次の文献に示されている。
【００１６】
［５］Ｈ．　Ｒｏｓｅ，　Ｏｐｔｉｋ　８５，　Ｎｏ．１　（１９９０）　１９−２４
［６］ＵＳＰ　Ｎｏ．５，０８４，６２２
これらの文献に示されている光学系では、対物レンズのコマ収差がない位置Ｚ_ＯＬＣ（結像系の場合、対物レンズの後方焦点位置にほぼ一致するといわれている）と収差補正装置のコマ収差がない面の位置Ｚ_ＣＣとの距離をＬとするとき、Ｌ＝４ｆとし、対物レンズのコマ収差がない位置Ｚ_ＯＬＣと前段のトランスファーレンズの主面との距離をｆ、前段のトランスファーレンズと後段のトランスファーレンズの両主面間の距離を２ｆ、後段のトランスファーレンズの主面と収差補正装置のコマ収差がない面の位置Ｚ_ＣＣとの距離をｆとしている。
【００１７】
また、次の米国特許
［７］ＵＳＰ　Ｎｏ．６，１９１，４２３
に紹介されているように、対物レンズのコマ収差がない面の位置Ｚ_ＯＬＣ（結像系の場合、対物レンズの後方焦点位置にほぼ一致するといわれている）と収差補正装置のコマ収差がない面の位置Ｚ_ＣＣとの距離をＬとするとき、Ｌ＝４ｆとし、収差補正装置のコマ収差がない面の位置Ｚ_ＣＣとトランスファーレンズの主面との距離を２ｆ、トランスファーレンズの主面と対物レンズのコマ収差がない面の位置Ｚ_ＯＬＣとの距離を２ｆとしている。
【００１８】
【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、図１に示した収差補正方式により、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。
【００１９】
第１には、図１に示すような構成において、加速電圧が低い場合には、仮に収差補正装置Ｃで発生させる補正のための収差量が多少大きかったとしても、加速電圧が低いから静電型の多極子（４極子や８極子など）への印加電圧がさほどに高くは設定されないので、多極子の耐電圧に問題が生じることはない。しかし、この光学系において加速電圧が低い状態から加速電圧が高い状態に装置の条件を変更した場合には、当然補正のための補正電圧は加速電圧が低い場合よりも大きくなり、従って静電型の多極子への印加電圧が高くなり、多極子の耐電圧を超えてしまう恐れが生じる。
そうかといって、加速電圧が高い場合に多極子の耐電圧を超えないように装置を設計すると、加速電圧が低い場合には当然多極子への印加電圧が低くなり、印加電圧へのノイズや電源変動等の影響を受け易くなってしまい、適正な収差補正が困難になる。
一方、荷電粒子ビームをフォーカスして試料に照射する荷電粒子ビーム装置、例えば、汎用の走査電子顕微鏡や元素分析機能を備えた電子プローブ装置等においては、加速電圧は低加速電圧から高加速電圧まで必要とするので、上記のことは実用上の問題となる。
【００２０】
第２には、より性能を高めるためには、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次の開口収差係数Ｃ５（粒子ビームの試料への入射角αの５乗に比例して収差が発生する）や４次の収差係数である３次開口・色収差係数Ｃ３ｃ（試料への入射角αの３乗に比例し、粒子ビームのエネルギー幅に比例する）などの高次の収差係数も考慮する必要がある。
【００２１】
第３には、荷電粒子ビームをフォーカスして試料に照射する荷電粒子ビーム装置においては、収差補正装置Ｃと対物レンズ７との間には、偏向装置や非点補正装置等を配置するための空間を必要とする。しかし、単にそのための空間（距離）を空けるだけでは、下記のような問題が生じてしまう。すなわち、収差の補正は、収差補正装置Ｃが収差補正を行っていないときの試料面上における収差の大きさを収差補正装置Ｃによって逆の収差を試料面上において発生させるようにして行われるが、単に両者間の空間（距離）を空けるだけだと、収差補正装置Ｃの収差と対物レンズ７の収差との合成によって発生する高次の収差（Ｃ５やＣ３ｃなど）が、大きな値になってしまう。つまり、これらの高次の合成収差は両者間の距離に比例して増大する。
【００２２】
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、安定かつ最適な収差補正を実現し、荷電粒子ビームの最小プローブ径を得る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。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置の基本的な構成は、（ａ）荷電粒子ビーム装置の光学系内部に配置された、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極子とを有する収差補正装置と、（ｂ））収差補正装置の下流に配置され、試料に照射される荷電粒子ビームをフォーカスするための対物レンズと、（ｃ）収差補正装置と対物レンズとの間に配置され、収差補正装置によって形成される像面を対物レンズの物面の位置に伝達するための少なくとも１段のトランスファーレンズより成るトランスファーレンズ系と、（ｄ）　４段の静電型４極子の電源と２段の磁場型４極子の電源と対物レンズの電源とトランスファーレンズ電源と、（ｅ）荷電粒子ビームに所定のエネルギーを与える加速電圧や対物レンズと試料との間の距離である作動距離のうちの少なくとも１つを変更する操作部と、（ｆ）　操作部の操作または設定に基いて４段の静電型４極子の電源と２段の磁場型４極子の電源と対物レンズの電源とトランスファーレンズ電源とを制御する制御部と、を備えたことを特徴としている。
【００２４】
特に、収差補正装置と対物レンズとの間に少なくとも１段のトランスファーレンズより成るトランスファーレンズ系を配置し、トランスファーレンズ系と対物レンズとの合成倍率を調整可能としたことを特徴とする。
【００２５】
更に、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、４段の静電型８極子に電圧を供給する電源と、操作表示部の操作または設定に基づいて前記４段の静電型８極子の電源を制御する制御部を備えたことを特徴とする。
【００２６】
本発明に基づく他の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、前記基本的な構成に加えて、トランスファーレンズ系が拡大系あるいは縮小系であることを特徴とする。
【００２７】
すなわち、収差補正装置の出射点近傍を物面と見なし、対物レンズの前方焦点付近を像面と見なしたとき、トランスファーレンズ系の倍率が１／３倍から３倍となるようにトランスファーレンズ系のレンズを配置した。
【００２８】
あるいは、収差補正装置の最終段の多極子の主面と対物レンズの前方焦点との中間点を通って光軸に垂直な面に対して、トランスファーレンズ系を非対称に配置した。
【００２９】
この様な構成において、トランスファーレンズ系と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、試料面における５次の開口収差係数Ｃ５あるいは４次の収差である３次開口色収差係数Ｃ３ｃの大きさ（絶対値）が最小となるように成した。
【００３０】
あるいは、試料面における５次の開口収差係数Ｃ５のＸ，Ｙ方向の成分Ｃ５_ｘ，Ｃ５_ｙあるいは４次の収差である開口色収差係数Ｃ３ｃのＸ，Ｙ方向の成分Ｃ３ｃ_ｘ，Ｃ３ｃ_ｙの大きさが同程度となるように、収差補正装置に対するトランスファーレンズ系と対物レンズの位置を定めた。
【００３１】
更に、上記各種の構成に加えて、収差補正装置の多極子のフォーカス電位、色収差補正電位、球面収差補正電位に５次の収差係数を補正するための１２極子電位を重畳した。
【００３２】
また、本発明に基づくその他の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、試料面に電圧を印加するための電源を備え、電圧の印加により試料面に照射される荷電粒子ビームを減速させることによって収差補正前の収差係数を小さくした。
【００３３】
【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５は本発明の基本構成（第１の実施の形態）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、トランスファーレンズ２７ａとトランスファーレンズ２７ｂと、光路の一部に設けられた対物絞り８と、荷電粒子ビームに所定のエネルギーを与えるための加速電圧や対物レンズ７と試料面２０間の距離である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、対物レンズとトランスファーレンズ用の電源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、１５、１７を制御する制御部１９が備えられている。
【００３４】
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。
【００３５】
このような収差補正装置Ｃは、例えば図１２に示す如くに走査電子顕微鏡などに組み込まれる。１００は内部が真空雰囲気にされた鏡筒である。鏡筒１００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の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、トランスファーレンズ系Ｔ、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１０５、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１０８等が備えられている。
ただし、実際の装置ではトランスファーレンズ系Ｔと偏向器１０４などの配置関係は必ずしもこの図とは一致しない。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。また更に、試料ステージ１０７を介して試料１０６に電子ビームに対する減速電位を印加いている場合は、電子銃１０１から試料１０６までを電子ビームの光学系と呼ぶことがある。
【００３６】
図１２は収差補正装置Ｃが走査電子顕微鏡などに組み込まれた例であるが、走査電子顕微鏡と同じように電子ビームを二次元的に走査して試料に照射する機能を持たせた透過電子顕微鏡に収差補正装置Ｃを組み込んだ例については、図１２の試料１０６を透過した電子ビームによって形成された透過像を拡大するためのレンズ系と拡大された透過像を投影する蛍光板等が試料ステージ１０７の下方に設けらていると考えればよい。
【００３７】
更に、図５において対物レンズ７とトランスファーレンズ系の位置関係を述べる。まず、焦点距離ｆ_ａが得られるトランスファーレンズ２７ａと前記静電型４極子４の主面との距離Ｌ_１をｆ_ａ程度とする。また、焦点距離ｆ_ｂが得られるトランスファーレンズ２７ｂとトランスファーレンズ２７ａの主面との距離Ｌ_２をｆ_ａ＋ｆ_ｂ程度とする。更に、対物レンズ７を、トランスファーレンズ２７ｂの主面と対物レンズ７の前方焦点位置ＦＦＰとの距離Ｌ_３がｆ_ｂ程度となるように配置する。
【００３８】
上記した構成により、粒子プローブは、対物レンズ７とトランスファーレンズ用の電源１７の制御によって、試料面２０にフォーカスされる。ここで、ｆ_ａ程度、ｆ_ａ＋ｆ_ｂ程度、ｆ_ｂ程度という表現は、機械的な許容精度を示すものではなく、装置を都合良く構成するために、意図的にこれらの基準の値から１０〜２０％程度ずらして配置しても、性能には影響しないように、トランスファーレンズ２７ａ、２７ｂ、対物レンズ７の位置を構成できることを示すものである。
【００３９】
ところで、図５の極く特殊な場合として、図３に示すようなトランスファーレンズの配置が考えられる。すなわち、焦点距離ｆが得られるトランスファーレンズ２７ａと前記静電型４極子４の主面との距離Ｌ_１をｆとする。同じく焦点距離ｆが得られるトランスファーレンズ２７ｂとトランスファーレンズ２７ａの主面との距離Ｌ_２をｆ＋ｆ＝２ｆとする。更に、対物レンズ７を、トランスファーレンズ２７ｂの主面と対物レンズ７の前方焦点位置ＦＦＰとの距離Ｌ_３がｆとなるように配置する。なお、この場合、トランスファーレンズ２７ａとトランスファーレンズ２７ｂとによって形成されるトランスファーレンズ系の倍率は１倍である。
【００４０】
そして、この図３に示すトランスファーレンズの配置は、先に従来技術として示した６極子とトランスファーレンズとを組合せて透過電子顕微鏡の結像側（試料の像を拡大する側）の場合のトランスファーレンズの配置に類似している。実は、透過電子顕微鏡の結像側に設けた収差補正装置の場合には、試料の透過像は有限の大きさ（面積）があるため、トランスファーレンズの配置によっては、光軸外の像に歪やコマ収差によるボケ等の不都合が生じる。この歪やボケ等を減少させるためには、トランスファーレンズの焦点距離ｆとトランスファーレンズの配置の関係とが厳密に保たれる必要がある。
これに対して、フォーカスしたビームを試料面２０に照射する本発明が適用される装置の場合には、トランスファーレンズの焦点距離ｆとトランスファーレンズの配置の関係とが厳密でなくとも、上記のごとき不都合は生じないことを、本発明者らは発見した。この発見によれば、第１にトランスファーレンズの配置が自由になり、第２にトランスファーレンズをある配置にした場合において、トランスファーレンズの倍率を変化させても支障が生じないということが分かる。
ただし、配置をあまり大きくずらすと、その光学系の収差が大きくなるので、トランスファーレンズ系の位置のずらし得る限界はトランスファーレンズの焦点距離の５０％程度にとどめるのが無難である。すなわち図３の場合でいえば、トランスファーレンズ系の位置をトランスファーレンズの焦点距離の５０％程度ずらすと、実現可能なトランスファーレンズ系の倍率は、１／３倍程度から３倍程度ということになる。
同じく、トランスファーレンズの倍率にも、下記のような制限がある。第１に、トランスファーレンズの倍率を変化させると、試料表面における荷電粒子ビームのフォーカスが変化してしまうから、対物レンズの倍率を調節して荷電粒子ビームを試料表面に丁度フォーカスさせる操作が必要である。第２に、トランスファーレンズの倍率を変化させると、トランスファーレンズの倍率と対物レンズの倍率との合成倍率が変わり、試料表面の位置における補正量が変ってしまう。従って、試料表面の位置において収差を丁度打消す補正量となるように収差補正装置で発生される補正量を再度調節する等の操作が必要である。本発明においては、この制限は、むしろ欠点ではなく課題を解決するための利点として活用している。
以下、図５に示した基本構成の動作について、図６を参照して説明する。
【００４１】
説明を単純にするために、図５の構成における収差補正装置Ｃ、トランスファーレンズ２７ａ，２７ｂ、対物レンズ７の位置関係は、対物レンズ・トランスファーレンズ電源１７を制御して設定したトランスファーレンズ２７ａ，２７ｂの各々の焦点距離ｆ_ａ，ｆ_ｂに対して、次に示す関係とする。
【００４２】
Ｌ_１＝ｆ_ａ，Ｌ_２＝ｆ_ａ＋ｆ_ｂ，Ｌ_３＝ｆ_ｂ　　　　　　　　　　　　・・・（１）
即ち、これは図５の特殊な場合である。
【００４３】
まず、収差補正装置における粒子ビームの基準軌道の作り方は、前記従来技術の項で示した方法により行なう。すなわち、近軸軌道（収差が無いとして考えた軌道）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、４極子３、４によって、４極子４を出射した荷電粒子ビームのＸ，Ｙ方向の像面位置が一致するように制御する。この状態は、Ｘ，Ｙ方向のフォーカス状態が同時に合うようにすることで調整される。
【００４４】
次に、トランスファーレンズ２７ａに入射するビームは、光軸に対して平行になるように、収差補正装置を調整する。このようにすれば、トランスファーレンズ２７ａから出射したビームは、トランスファーレンズ２７ａの主面からｆ_ａだけ離れたフォーカス位置ＴＦＰを通り、トランスファーレンズ２７ｂに入射する。トランスファーレンズ２７ｂから出射したビームは、光軸に対して平行（但し、図５は上記の式（１）の関係とは必ずしも同じではないので平行には描いていない）になり、対物レンズ７に入射する。
【００４５】
なお、トランスファーレンズ２７ａに入射するビームを、光軸に対して「平行」になるように、収差補正装置Ｃを調整することは必要条件ではない。すなわち、設計上の焦点距離になるようにトランスファーレンズや対物レンズを設定し、前記のフォーカスがＸ，Ｙ方向で合えば、平行にこだわる必要は全くなく、「平行」としたのは、動作説明がわかりやすくなるためである。
【００４６】
次に、対物レンズ・トランスファーレンズ電源１７を制御して、ビームを試料面２０にフォーカスさせる。このような近軸軌道が得られるレンズ動作は、従来方式を応用した標準的な考え方に基づいている。式（１）を満たすレンズ配置のトランスファー系の共役点に対する倍率Ｍ_ＴＬはｆ_ａ＝ｆ_ｂのとき１になる。この状態で色収差や球面収差を補正する場合には、前記した従来例で示した方法、あるいは、先願の特許出願２００１−３２８７７６号に示された方法で行なうことができる。
【００４７】
上記の先願の特許出願２００１−３２８７７６号に示された方法について簡単に説明しておく。収差の補正量の調節は、従来の方法では、収差補正装置Ｃの各多極子に印加する電位や励磁を調節して行うが、特許出願２００１−３２８７７６号の方法では、対物レンズ７と対物レンズ７の上流直近のレンズまたはレンズ系（本発明においてはトランスファーレンズ２７ｂまたはトランスファーレンズ２７ａと２７ｂ）との合成倍率も合せて調節する。収差補正装置Ｃの調節と対物レンズ７と直近レンズの合成倍率の調節とを併せて行うことによって、調節できる収差の補正量の範囲が大幅に広げることができる。ただし、以下では従来例での方法で説明する。
【００４８】
すなわち、色収差を補正する場合には、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。
【００４９】
次に、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によってＹ方向の球面収差を０に補正する。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。
【００５０】
次に、収差補正装置Ｃとトランスファーレンズ２７ａの制御はそのままにして、対物レンズ７の焦点距離ｆ_ＯＬとトランスファーレンズ２７ｂの焦点距離ｆ_ｂを調整して、粒子ビームが試料面２０にフォーカスが合うように、レンズ系の総合倍率Ｍ_ｘ，Ｍ_ｙを変える。この新しい基準軌道を変えないように、前記の従来技術の項で説明した収差補正装置の色収差補正の方法や、球面収差の補正方法、あるいは、先願の特許出願２００１−３２８７７６号に示された方法で色収差や球面収差を補正する。
【００５１】
このとき、色収差・球面収差補正後の５次の開口収差係数Ｃ５や３次開口・色収差係数Ｃ３ｃをトランスファーレンズ２７ｂの焦点距離ｆ_ｂに対してプロットしたものが図６である。この例では、ｆ_ｂがＬ_３とは異なるｆ_ｍのところで最小となっている。すなわち、収差補正装置Ｃの構造によっては、収差補正装置Ｃの動作条件の方がＣ５やＣ３ｃに大きく寄与し、必ずしも収差補正装置の主面付近が対物レンズ７の前方焦点と共役になるようにするのがよいとはいえないことを示している。
【００５２】
このことは、Ｃ５やＣ３ｃを減らす目的では、トランスファーレンズ２７ａ，２７ｂの配置としては、図３あるいは図３のトランスファーレンズと類似な適用例の米国特許ＵＳＰ　Ｎｏ．５，０８４，６２２に示されたような、厳密な位置関係は必要がなく、むしろ、装置構成上の都合でトランスファーレンズ２７ａ，２７ｂを配置し、トランスファーレンズ２７ｂと対物レンズ７の焦点距離を調整した方が良いことを示している。
【００５３】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態では、第１にトランスファーレンズ２７ａ，２７ｂを設計の都合に合せて配置可能にし、第２にトランスファーレンズの焦点距離を可変にした。主として、第２の理由によって、高次の収差を最適に補正できるようにしている。更に、第２の理由に伴って、トランスファーレンズ系の倍率と対物レンズの倍率との合成倍率が可変になった。これを利用して、合成倍率を調節して試料面上での収差量を増減できるので、加速電圧等の変更に伴う収差補正装置Ｃの多極子への印加電圧等の増減の幅を小さくできるようになった。このようにして、制御部１９は、操作表示部９で設定されたプローブの加速電圧Ｖ_ａ、作動距離ＷＤ、プローブ電流Ｉ_ｐなどに対し、操作表示部９で計算された（または記憶された）Ｃ５またはＣ３ｃが最小となるような動作条件を収差補正装置Ｃ、トランスファーレンズ２７ｂ、対物レンズ７に設定する。ここで、トランスファーレンズ２７ａの焦点距離は固定でもかまわない。
【００５４】
なお、本基本構成では、レンズ系全体の長さを所定の長さに制限した場合、トランスファーレンズ２７ｂと対物レンズ７との間隔が比較的小さくなる。このため、本来収差補正装置Ｃと対物レンズ７との間に配置すべき偏向装置や非点補正装置などを全てトランスファーレンズ２７ｂと対物レンズ７との間に配置することは好ましくない。そこで、例えば、偏向装置はトランスファーレンズ２７ａと２７ｂの間に配置し、非点補正装置は収差補正装置Ｃとトランスファーレンズ２７ａとの間に配置するなどが好ましい。
【００５５】
以上本発明の基本構成（第１の実施の形態）について図５、図６に基づいて説明したが、この実施の形態では、トランスファーレンズ２７ａの焦点距離がｆ_ａで、４段目静電型４極子４の主面とトランスファーレンズ２７ａの主面との間の距離Ｌ_１がｆ_ａとなるような配置になる例について詳説した。
【００５６】
しかし、本発明の基本構成（第１の実施の形態）の図５において、図７に示すように、収差補正装置の動作条件によっては、Ｃ５のＸ，Ｙ方向成分Ｃ５_ｘ，Ｃ５_ｙや、Ｃ３ｃのＸ，Ｙ方向成分Ｃ３ｃ_ｘ，Ｃ３ｃ_ｙの大きさ（絶対値）が等しくなるところは、必ずしもＬ_１＝ｆ_ａのところにあるとは限らない。
【００５７】
したがって、Ｃ５やＣ３ｃのＸ，Ｙ成分を同時に０にできない場合には、粒子プローブのボケができるだけ対称的になるように（すなわち、Ｘ成分によるボケもＹ成分によるボケも同程度に小さくなるような）条件を選び、Ｘ，Ｙ方向の成分の大きさが同程度になるようなＬ_１＝Ｌ_０を選ぶことができる。これを第２の実施の形態とする。ただし、Ｌ_１は可変にすることが実際上は困難であるから、予めＬ_０がどの程度であるかを計算または実験等によって求めておき、これを設計上の距離Ｌ_０とすればよい。また、図６のように、最小になるｆ_ｂ＝ｆ_ｍを求めておき、この条件下でＬ_１を設定することによってＬ_１＝Ｌ_０を得るようにすることもできる。
【００５８】
前記した第１と第２の実施の形態では、トランスファーレンズを２段用いた系について説明したが、１段のトランスファーレンズを用いても同様の効果を得ることができる。これを第３の実施の形態として図８を用いて説明する。この場合には、次の２つの条件が前提となる。まず第１に、焦点距離ｆ_ｂが得られるトランスファーレンズ２７ｂと前記４段目静電型４極子４の主面との距離Ｌ_２を２ｆ_ｂ程度とする。
【００５９】
第２に、対物レンズ７をトランスファーレンズ２７ｂの主面と対物レンズ７の前方焦点位置ＦＦＰとの間の距離Ｌ_３が２ｆ_ｂ程度となるように配置する。このような条件下で、対物レンズ・トランスファーレンズ電源１７の制御によって、粒子プローブは試料面２０にフォーカスされる。
【００６０】
ここで２ｆ_ｂ程度という表現は、機械的な許容精度を示すのではなく、装置を都合良く構成するために、意図的にこれらの基準の値から、１０〜２０％程度ずらして配置しても、性能には影響しないように、トランスファーレンズ２７ｂと対物レンズ７の位置を決定できることを示すものである。
【００６１】
ところで、図８の極く特殊な場合として、図４に示すようなトランスファーレンズの配置が考えられる。すなわち、焦点距離ｆが得られるトランスファーレンズ２７ｂと前記静電型４極子４の主面との距離Ｌ_２を２ｆとする。更に、対物レンズ７を、トランスファーレンズ２７ｂの主面と対物レンズ７の前方焦点位置ＦＦＰとの距離Ｌ_３が２ｆとなるように配置する。なお、この場合、トランスファーレンズ２７ｂとによって形成されるトランスファーレンズ系の倍率は１倍である。　この場合も、図４に示すトランスファーレンズの配置を図８のようにずらすことが可能であるが、先に述べた理由によって、その限界はトランスファーレンズの焦点距離と同程度にとどめるのが無難である。すなわち図４の場合でいえば、トランスファーレンズの位置をトランスファーレンズの焦点距離と同程度ずらすと、実現可能なトランスファーレンズ系の倍率は、１／３倍程度から３倍程度ということになる。
【００６２】
次に、図８を用いて、従来の考え方と比較しながら、高次の収差係数を最小とするための動作原理を説明する。説明を単純にするために、収差補正装置Ｃ、トランスファーレンズ２７ｂ、対物レンズ７の位置関係は、対物レンズ・トランスファーレンズ電源１７を制御して設定したトランスファーレンズ２７ｂの焦点距離ｆ_ｂに対して、下記のように配置したとする。
【００６３】
Ｌ_２＝２ｆ_ｂ、　　Ｌ_３＝２ｆ_ｂ　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（２）
まず、収差補正装置における粒子ビームの基準軌道の作り方は、従来技術の項で説明した方法で行なう。次に、トランスファーレンズ２７ｂに入射するビームは、トランスファーレンズ２７ｂの主面から収差補正装置よりにｆ_ｂだけ離れた光軸上の点ＣＦＰを通過するように（収差補正装置のフォーカス位置がＣＦＰになるように）、収差補正装置Ｃを調整する。このようにすれば、トランスファーレンズ２７ｂを出射するビームは、光軸に対して平行（但し、図８は上記の式（２）の関係とは必ずしも同じではないので平行には描いていない）となり、対物レンズ７に入射する。
【００６４】
次に、対物レンズ・トランスファーレンズ電源１７を制御してビームを試料面２０にフォーカスさせる。このような近軸軌道が得られるレンズ動作は、従来方式を応用した標準的な考え方に基づいている。この場合のトランスファーレンズ系の共役点に対する倍率Ｍ_ＴＬは１になる。この状態で色収差や球面収差を補正する場合には、従来技術で示した方法、あるいは、先願の特許出願２００１−３２８７７６号に示された方法で行なうことができる。
【００６５】
次に、対物レンズ７の焦点距離ｆ_ＯＬとトランスファーレンズ２７ｂの焦点距離ｆ_ｂを調整して、粒子ビームが試料面２０にフォーカスが合う条件を維持して、レンズ系の総合倍率Ｍ_ｘ，Ｍ_ｙを変える。この新しい基準軌道を変えないように、収差補正装置を用いた従来技術の項で示した方法、あるいは、先願の特許出願２００１−３２８７７６号に示された方法で色収差や球面収差を補正する。
【００６６】
このとき、色収差・球面収差補正後の５次の開口収差係数ｃ５や、３次開口色収差係数Ｃ３ｃをトランスファーレンズ２７ｂの焦点距離ｆ_２に対してプロットすると、図６と同様に、ｆ_ｂがＬ_３とは異なるｆ_ｍのところで最小になっつている。すなわち、収差補正装置の構造によっては、収差補正装置の動作条件の方がＣ５やＣ３ｃに大きく寄与し、必ずしも収差補正装置Ｃの主面付近が対物レンズ７の前方焦点と共役になる必要はない。
【００６７】
このことは、Ｃ５やＣ３ｃを減らす目的では、トランスファーレンズ２７ｂの配置としては、図４に示すような厳密な位置関係は必要がなく、むしろ装置構成上の都合でトランスファーレンズ２７ｂ配置し、トランスファーレンズ２７ｂと対物レンズ７の焦点距離を調整した方が良いことを示している。
【００６８】
なお念のため下記を補足しておく。図７におけるｆ_ａは、収差補正装置Ｃに隣接する側のトランスファーレンズ２７ａの焦点距離を示すが、図８においては２７ａは存在しないので、トランスファーレンズ２７ｂの焦点距離を示している。すなわち、図８が示す第３の実施の形態においては、図７のｆ_ａは図８のｆ_ｂに相当し、図７のＬ_１は図８のＬ_２に相当する。
【００６９】
以上のように、これまでに示した本発明の第１、第２、第３の実施の形態では、操作表示部９で設定された加速電圧Ｖ_ａ、作動距離ＷＤ、プローブ電流Ｉ_ｐ等に対し、操作表示部９で計算された（または記憶された）、Ｃ５またはＣ３ｃが最小となるような動作条件を収差補正装置Ｃとトランスファーレンズ２７ｂ、対物レンズ７に設定するようにしている。
【００７０】
なお、本発明の第３の実施の形態で示した構成では、レンズ系全体の長さを所定の長さに制限した場合、トランスファーレンズ２７ｂと対物レンズ７との間隔が比較的小さくなるため、偏向装置や非点補正装置などを全てトランスファーレンズ２７ｂと対物レンズ７との間に入れられない場合には、収差補正装置Ｃとトランスファーレンズ２７ｂの間などが、それらの装置を配置するために利用される。
【００７１】
図５〜８を参照して説明した各実施の形態では、トランスファーレンズ系の共役点に対する倍率Ｍ_ＴＬが１付近になるような構成を考えてきたが、これ以外の倍率になるように構成できることを第４の実施の形態として図９を用いて以下に説明する。この場合には、焦点距離ｆ_ｂが得られるトランスファーレンズ２７ｂと４段目静電型４極子４の主面との間の距離Ｌ_２を１．５ｆ_ｂ程度とし、対物レンズ７をトランスファーレンズ２７ｂの主面と対物レンズ７の前方焦点位置ＦＦＰとの距離Ｌ_３が３ｆ_ｂ程度になるように配置し、対物レンズ・トランスファーレンズ電源１７の制御によって、粒子プローブは試料面２０にフォーカスされる。
【００７２】
ここで、１．５ｆｂ，３ｆｂ程度という表現は、機械的な許容精度を示すものではなく、装置を都合良く構成するために意図的にこれらの基準の値から１０〜２０％程度ずらして配置しても、性能には影響しないように、トランスファーレンズ２７ｂ、対物レンズ７の位置を構成できることを示す。
【００７３】
以下に、図９を用いて、従来の考え方と比較しながら、高次の収差係数を最小にするための動作原理を説明する。説明を単純にするために、収差補正装置Ｃ、トランスファーレンズ２７ｂ、対物レンズ７の位置関係は、対物レンズ・トランスファーレンズ電源１７を制御して設定したトランスファーレンズ２７ｂに対して、次のように配置したとする。
【００７４】
Ｌ_２＝１．５ｆ_ｂ，　　Ｌ_３＝３ｆ_ｂ　　　　　　　　　　　　　　・・・（３）
即ち、これは図９の特殊な場合である。
【００７５】
まず、収差補正装置Ｃにおける粒子ビームの基準軌道の作り方は、従来技術の項で示した方法、あるいは、先願の特許出願２００１−３２８７７６号に示された方法で行なう。次に、トランスファーレンズ２７ｂに入射するビームは、トランスファーレンズ２７ｂの主面から収差補正装置Ｃよりにｆ_ｂだけ離れた光軸上の点ＣＦＰを通過するように（収差補正装置のフォーカス位置がＣＦＰになるように）、収差補正装置Ｃを調整する。
【００７６】
このようにすれば、トランスファーレンズ２７ｂを出射するビームは、光軸に対して平行（但し、図９は上記の式（３）の関係とは必ずしも同じではないので平行には描いていない）になり、対物レンズ７に入射する。次に、対物レンズ・トランスファーレンズ電源１７を制御して、ビームを試料面２０にフォーカスさせる。この場合のトランスファーレンズ系の共役点に対する倍率Ｍ_ＴＬは２になる。この状態で色収差や球面収差補正後の５次の開口収差係数Ｃ５や３次開口・色収差係数Ｃ３ｃの大きさを最小にする方法は、前記した図８に基づいて説明した第３の実施の形態と同様に行なうことができる。
【００７７】
なお、第４の実施の形態においては、１＜Ｍ_ＴＬになるようなＬ_２、Ｌ_３を用いるので、第３の実施の形態と比較して、Ｃ５やＣ３ｃは増大する。しかし、トランスファーレンズ２７ｂをもたないで、収差補正装置Ｃと対物レンズ７との距離がＬ_２＋Ｌ_３（あるいは４ｆ）の場合の装置と比較すると、Ｌ_２＋Ｌ_３（あるいは４ｆ）の大きさにもよるが、トランスファーレンズを用いた方がＣ５やＣ３ｃを小さくでき、かつその空間にトランスファーレンズ２７ｂと対物レンズ７との間に偏向装置や非点補正装置を配置することができるので都合が良い。
【００７８】
なお、図８や図９の説明では、収差補正装置Ｃとトランスファーレンズ２７ｂとの間に収差補正装置Ｃの像面ＣＦＰがある例を示したが、これは図４のようにトランスファーレンズ２７ｂと対物レンズ７の間（ＴＦ）にあってもよいことは明らかである。
【００７９】
同じく、図１３に２段のトランスファーレンズから成るトランスファーレンズ系の倍率が１以外の倍率になるように構成できる第５の実施の形態を以下に説明する。収差補正装置Ｃの出射点と対物レンズ７の前方焦点との距離が４ｆとした場合に、焦点距離ｆ_ａが得られるトランスファーレンズ２７ａと４段目の静電型４極子４の主面との間の距離Ｌ_１をｆ_ａ＝０．５ｆ程度とし、焦点距離ｆ_ｂが得られるトランスファーレンズ２７ｂとトランスファーレンズ２７ａの主面との間の距離Ｌ_２をｆ_ａ＋ｆ_ｂ＝２ｆ程度とし、対物レンズ７をトランスファーレンズ２７ｂの主面と対物レンズ７の前方焦点位置ＦＦＰとの距離Ｌ_３がｆ_ｂ＝１．５ｆ程度になるように配置し、対物レンズ・トランスファーレンズ電源１７の制御によって、粒子プローブは試料面２０にフォーカスされる。このとき、トランスファーレンズ系による倍率、すなわち収差補正装置Ｃの出射位置に対する対物レンズ７の前方焦点位置におけるトランスファーレンズ系による倍率は３である。
【００８０】
ここで、０．５ｆ，２ｆ，１．５ｆ程度という表現は、機械的な許容精度を示すものではなく、装置を都合良く構成するために意図的にこれらの基準の値から１０〜２０％程度ずらして配置しても、性能には影響しないように、トランスファーレンズ２７ａ，２７ｂ、対物レンズ７の位置を構成できることを示す。
【００８１】
以下に、図１３を用いて、従来の考え方と比較しながら、高次の収差係数を最小にするための動作原理を説明する。説明を単純にするために、収差補正装置Ｃ、トランスファーレンズ２７ａ，２７ｂ、対物レンズ７の位置関係は、対物レンズ・トランスファーレンズ電源１７を制御して設定したトランスファーレンズ２７ａ，２７ｂに対して、次のように配置したとする。
【００８２】
Ｌ_１＝０．５ｆ，Ｌ_２＝２ｆ，Ｌ_３＝１．５ｆ　　　　　　　　　　　　・・・（４）
即ち、これは図１３の特殊な場合である。
【００８３】
まず、収差補正装置Ｃにおける粒子ビームの基準軌道の作り方は、従来技術の項で示した方法、あるいは、先願の特許出願２００１−３２８７７６号に示された方法で行なう。次に、トランスファーレンズ２７ａに入射するビームは、光軸に対して平行になるように、収差補正装置Ｃを調整する。このようにすれば、トランスファーレンズ２７ａから出射したビームは、トランスファーレンズ２７ａの主面から０．５ｆだけ離れたフォーカス位置ＴＦＰを通り、トランスファーレンズ２７ｂに入射する。トランスファーレンズ２７ｂから出射したビームは、光軸に対して平行（但し、図１３は上記の式（４）の関係とは必ずしも同じではないので平行には描かれていない）になり、対物レンズ７入射する。
【００８４】
次に、対物レンズ・トランスファーレンズ電源１７を制御して、ビームを試料面２０にフォーカスさせる。この場合のトランスファーレンズ系の共役点に対する倍率Ｍ_ＴＬは、３になる。この状態で色収差や球面収差補正後の５次の開口収差係数Ｃ５や３次開口・色収差係数Ｃ３ｃの大きさを最小にする方法は、前記した図８に基づいて説明した第３の実施の形態と同様に行なうことができる。
【００８５】
なお、第５の実施の形態においては、１＜Ｍ_ＴＬになるようなＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３を用いるので、第３の実施の形態と比較して、Ｃ５やＣ３ｃは増大する。しかし、トランスファーレンズ２７ａ，２７ｂをもたないで、収差補正装置Ｃと対物レンズ７との距離がＬ_１＋Ｌ_２＋Ｌ_３（あるいは４ｆ）の場合の装置と比較すると、Ｌ_１＋Ｌ_２＋Ｌ_３（あるいは４ｆ）の大きさにもよるが、トランスファーレンズを用いた方がＣ５やＣ３ｃを小さくでき、かつその空間にトランスファーレンズ２７ａと２７ｂおよび２７ｂと対物レンズ７との間に偏向装置や非点補正装置を配置することができるので都合が良い。
【００８６】
図１０に第６の実施の形態を示す。この実施の形態において、試料２０に入射する粒子プローブを試料近傍で減速するために、試料面またはその近傍に粒子プローブを減速する電位を与える構造を、前記した第１〜第５の実施の形態と組み合わせている（ただし、図１０には第３の実施の形態との組み合わせを代表例として示した）。減速による効果は、例えば、次の文献に示されている。
【００８７】
［８］Ｅ．　Ｍｕｎｒｏ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｊ．　Ｖａｃ．　Ｓｃｉ．　Ｔｅｃｈｎｏｌ．　Ｂ６（６），　Ｎｏｖ／Ｄｅｃ　（１９８８）　１９７１−１９７６
すなわち、この文献において、最も現実的な例として、試料面２０に電圧を印加して、入射エネルギーを減速電圧によって１／４にまで減速したとき、色収差係数Ｃｃは約１／４．５に減衰し、球面収差係数Ｃｓは約１／２．５に減衰できることを示している。また、試料面２０の電圧を上げて、更に減速の度合いを大きくすると、効果は更に大きくなることも示されている。
【００８８】
本発明の第６の実施の形態において、試料面またはこの近傍に粒子プローブを減速するための電圧を供給するため、減速電圧電源３０を設け、前記した性質を利用すると、収差補正前の対物レンズ７の色収差係数Ｃｃおよび球面収差係数Ｃｓを小さくすることができる。
【００８９】
これによって、収差補正後に合成収差として発生する高次収差係数である前記のＣ５やＣ３ｃも小さな値にすることができる。一例として、入射エネルギーを１／４にまで減速した場合、これらの収差係数を１／５〜１／１０まで減少可能であることが、シミュレーションにより確認できた。
【００９０】
したがって、トランスファーレンズ２７ｂと本減速電圧電源３０を用いることにより、これらを全く用いない場合と比較して、収差補正後の高収差係数のＣ５やＣ３ｃは約２桁程度減少させることができ、これによって、更に細かいプローブ径を得ることが可能になる。
【００９１】
図１１に本発明の第７の実施の形態を示す。この実施の形態では、前記した第６の実施の形態の効果を更に生かすことができる。すなわち、図１０に示した第６の実施の形態では、５次の開口収差係数が２桁のオーダーで減少できる構成を説明したが、ここまで小さな値となると、１２極子場を用いた５次の開口収差補正が現実的なものとなる（例えば、［９］Ｈ．Ｒｏｓｅ，　Ｏｐｔｉｋ　３４，　Ｈｅｆｔ　３　（１９７１）　２８５−３１１）。すなわち、詳細には述べないが、４極子場や８極子場は、１２極子またはそれ以上の多極子を用いて各極子の作る場を合成して得られたものであるから、この１２極子またはそれ以上の多極子を本来の５次の開口収差の補正のための１２極子として使用することができる。
【００９２】
したがって、上述のごとく働く１段目〜４段目の１２極子３１〜３４と、これに１２極子用の電源３５を接続すれば、１２極子による５次の開口収差の補正が可能となる。この図１１では、第１段の静電型４極子１と第１段の静電型８極子１１と第１段の静電型１２極子３１が重ねて描かれている。同様に、第２段の静電型４極子２と、第２段の静電型８極子１２と、第１の磁場型４極子５と、第２段の静電型１２極子３２が重ねて描かれている。同様に、第３段の静電型４極子３と、第３段の静電型８極子１３と、第２の磁場型４極子６と、第３段の静電型１２極子３３が重ねて描かれている。同様に、第４段の静電型４極子４と、第４段の静電型８極子１４と、第４段の静電型１２極子３４が重ねて描かれている。
【００９３】
以下、この方法を説明する。５次の開口収差の補正法は、従来技術の球面収差補正と同様な方法で実施することができる。すなわち、最も基本的な（初歩的な）方法として、次のステップによる調整手段が用いられる。
【００９４】
第１のステップでは、Ｃ５のＸ成分であるＣ５_ｘを２段目の１２極子３２で補正する。この時、Ｙ方向の軌道は、２段目１２極子の中心を通過しているので、Ｙ方向の成分であるＣ５_ｙへの影響は少ない。
【００９５】
次に第２のステップでは、Ｃ５のＹ成分であるＣ５_ｙを３段目の１２極子３３で補正する。このとき、Ｘ方向の軌道は、３段目の１２極子の中心を通過しているので、Ｘ方向の成分であるＣ５_ｘへの影響は少ない。
【００９６】
次に第３のステップでは、Ｘ，Ｙ方向が合成された成分を１段目と４段目の１２極子３１、３４で補正する。例えば、試料に入射する粒子プローブのＸ，Ｙ方向の開き角α_ｘ，α_ｙに対して、開口収差がα_ｘ ^３α_ｙ ^２に比例する成分を１段目の１２極子３１で補正し、開口収差がα_ｘ ^２α_ｙ ^３に比例する成分を４段目の１２極子３４で補正するようにしてもよい。
【００９７】
次に第４のステップでは、前記第３のステップの補正によって、Ｃ５_ｘ（収差がα_ｘ ^５に比例する係数）やＣ５_ｙ（収差がα_ｙ ^５に比例する係数）は、影響を受けるので、再度第１ステップ、第２ステップの調整を行なう。また、この調整によってα_ｘ ^３α_ｙ ^２およびα_ｘ ^２α_ｙ　^３に比例する成分は影響を受けるので、再度第３ステップの調整を行なう。実際にはこの交互調整を繰り返す。
【００９８】
この第１から第４のステップを数回繰り返すことによって、１２極子場による収差補正前の値に対して、収差補正後は５次の開口収差係数を更に１／１００まで減少させることができる。これは実質的に５次の全ての開口収差係数を実質的に０にできることを示している。
【００９９】
このようにすれば、５次の開口収差係数Ｃ５の影響を受けないため、実質的にプローブ径を決める収差は、理想的には回折収差とＣ３ｃのみとなり、著しい効果が得られる。
【０１００】
ところで、図１１において、第１段の静電型４極子１と第１段の静電型８極子１１を静電型１２極子に置き換えて静電型１２極子３１と兼用し、同様に、第２段の静電型４極子２と第２段の静電型８極子１２、第３段の静電型４極子３と第３段の静電型８極子１３、第４段の静電型４極子４と第４段の静電型８極子１４をそれぞれ静電型１２極子に置き換えて静電型１２極子３２、３３、３４と兼用し、かつ理論上は、電源３５で電源１０、１５、１８の機能を兼用してもよい。しかしながら、実用上は、あたかも電源１０，１５，１８が電源３５から独立しているかのように操作できるようにすべきである。そうでないと、上記の調整作業は極めて困難になってしまうからである。
【０１０１】
また、上記実施の形態においては、電場と磁場が重畳された４極子場による色収差の補正のための機能と８極子場による球面収差のための機能の両方を備えている荷電粒子ビーム装置について説明した。しかし、実際に本発明の収差補正装置が応用される荷電粒子ビーム装置の特性によっては、色収差の補正の機能と球面収差の機能のうちの何れかを省くことができる。例えば、加速電圧が高い装置では球面収差に比して色収差が相対的に小さくなり、色収差の補正を実用上省略できる場合がある。同様に、加速電圧が低い装置では色収差に比して球面収差が相対的に小さくなり、球面収差の補正を実用上省略できる場合がある。
【０１０２】
なお、図９においてトランスファーレンズ系の倍率が２の場合を示したが、この倍率をもっと大きくしていくと、高次の収差、例えば、５次の開口収差係数Ｃ５も大幅に大きくる。一方、５次の開口収差係数Ｃ５が大きい場合には、１２極子場を作る電圧が極端に大きくなるため（例えば１０倍）、１２極子によるＣ５の補正が困難となる。また、仮にＣ５が補正できたとしても、大きな収差補正電圧によって、６次以上の収差係数（例えば、７次の開口収差係数）が大きくなり、回折効果を減らそうとして試料に入射する開き角α_ｘ，α_ｙを大きくすると、これらの収差の影響が無視できなくなり、微小プローブを得る手段としては現実的ではない。従って、高次の収差を考慮した場合は、トランスファーレンズ系の効果が期待できる倍率は３倍程度が実用的な上限と思われる。
【０１０３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、（ａ）荷電粒子ビーム装置の光学系内部に配置された、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極子とを有する収差補正装置と、（ｂ））収差補正装置の下流に配置され、試料に照射される荷電粒子ビームをフォーカスするための対物レンズと、（ｃ）収差補正装置と対物レンズとの間に配置され、収差補正装置によって形成される像面を対物レンズの物面の位置に伝達するための少なくとも１段のトランスファーレンズより成るトランスファーレンズ系と、（ｄ）　４段の静電型４極子の電源と２段の磁場型４極子の電源と対物レンズの電源とトランスファーレンズ電源と、（ｅ）荷電粒子ビームに所定のエネルギーを与える加速電圧や対物レンズと試料との間の距離である作動距離のうちの少なくとも１つを変更する操作部と、（ｆ）　操作部の操作または設定に基いて４段の静電型４極子の電源と２段の磁場型４極子の電源と対物レンズの電源とトランスファーレンズ電源とを制御する制御部と、を備えたことを特徴としている。
【０１０４】
このような系において、収差補正装置と対物レンズとの間に配置されるトランスファーレンズ系のトランスファーレンズを比較的自由に配置したので、収差補正装置と対物レンズとの間の偏向装置や非点補正装置等を配置する自由度が増すことになる。
【０１０５】
更に、トランスファーレンズ系の倍率を比較的自由に設定できるので、試料上でのビームのフォーカスを変えることなしに、トランスファーレンズ系の倍率と対物レンズの倍率との合成倍率を調整することができる。これによって、加速電圧が低い場合には合成倍率を低くなるように調整して、収差補正装置で発生させる収差量があまり小さくならないようにして、印加電圧へのノイズや電源変動等の影響を軽減し、加速電圧が高い場合には合成倍率を高くなるように調整して、収差量があまり大きくならないようにして、多極子の耐電圧に問題を軽減している。
【０１０６】
同じく、トランスファーレンズ系の倍率を比較的自由に設定できるので、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次の開口収差係数Ｃ５や４次の収差係数である３次開口・色収差係数Ｃ３ｃなどの高次の収差係数を最適に補正して、試料面に照射される荷電粒子ビームが最小のプローブ径となるようにすることができる。
【０１０７】
また、試料面における５次の開口収差係数Ｃ５のＸ，Ｙ方向の成分Ｃ５_ｘ，Ｃ５_ｙあるいは４次の収差である開口色収差係数Ｃ３ｃのＸ，Ｙ方向の成分Ｃ３ｃ_ｘ，Ｃ３ｃ_ｙの大きさが同程度となるように、収差補正装置に対するトランスファーレンズ系と対物レンズの位置を定めたので、試料面に照射される荷電粒子ビームのプローブ径の対称性を向上させて最小のプローブ径となるようにすることができる。
【０１０８】
更に、収差補正装置の多極子のフォーカス電位、色収差補正電位、球面収差補正電位に５次の収差係数を補正するための１２極子電位を重畳した。このような構成とすることにより、５次の開口収差係数を実質的に０にできるようになり、試料面に照射される荷電粒子ビームのプローブ径を最小のプローブ径となるようにすることができる。
【０１０９】
また更に、試料面に電圧を印加するための電源を備え、電圧の印加により試料面に照射される荷電粒子ビームを減速させることによって収差補正前の収差係数を小さくしたので、高次の収差係数Ｃ５やＣ３ｃを１／５〜１／１０に減少でき、試料面に照射される荷電粒子ビームのプローブ径を最小のプローブ径となるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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極子で補正する収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置の原理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】本発明の第１の実施の形態の極く特殊な場合の２段のトランスファーレンズが配置された収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置を示す図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の極く特殊な場合の１段のトランスファーレンズが配置された収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態の２段のトランスファーレンズが配置された収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置を示す図である。
【図６】色収差・球面収差補正後の５次の開口収差係数Ｃ５や３次開口・色収差係数Ｃ３ｃの大きさ（絶対値）の変化をトランスファーレンズ２７ｂの焦点距離ｆ_ｂに対してプロットした図である。
【図７】Ｌ_１に対するＣ５のＸ，Ｙ方向成分Ｃ５_ｘ，Ｃ５_ｙや、Ｃ３ｃのＸ，Ｙ方向成分Ｃ３ｃ_ｘ，Ｃ３ｃ_ｙの変化を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態の１段のトランスファーレンズが配置された収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置を示す図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態の１段のトランスファーレンズが非対称に配置された収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置の他の例を示す図である。
【図１０】本発明の第６の実施の形態の試料に入射する粒子プローブを減速させる収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置を示す図である。
【図１１】本発明の第７の実施の形態の１２極子場を重畳した収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置を示す図である。
【図１２】収差補正装置を備えた走査電子顕微鏡を説明するための図である。
【図１３】本発明の第５の実施の形態の２段のトランスファーレンズが非対称に配置された収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置の他の例を示す図である。
【符号の説明】
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
１０，１５，１８，１７，３０，３５　電源
１１，１２，１３，１４　静電型８極子
１９　制御部
２０　試料面
２７ａ，２７ｂ　トランスファーレンズ

Claims

荷電粒子ビームをフォーカスして試料に照射する荷電粒子ビーム装置において、
（１）荷電粒子ビーム装置の光学系内部に配置され、４段の静電型４極子と該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極子とを有する収差補正装置と、
（２）４段の静電型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極子のそれぞれに電流を供給する電源と、
（３）収差補正装置の下流に配置され、試料に照射される荷電粒子ビームをフォーカスするための対物レンズと、
（４）対物レンズの電源と、
（５）収差補正装置と対物レンズとの間に配置され、収差補正装置によって形成される像面を対物レンズの物面の位置に伝達するための少なくとも１段のトランスファーレンズより成るトランスファーレンズ系と、
（６）トランスファーレンズ電源と、
（７）荷電粒子ビームに所定のエネルギーを与える加速電圧や対物レンズと試料との間の距離である作動距離のうちの少なくとも１つを変更する操作部と、
（８）操作部の操作または設定に基づいて前記４段の静電型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極子のそれぞれに電流を供給する電源と対物レンズの電源とトランスファーレンズ電源とを制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
トランスファーレンズ系と対物レンズとの合成倍率を調整可能としたことを特徴とする請求項１記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
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、４段の静電型８極子に電圧を供給する電源と、操作表示部の操作または設定に基づいて前記４段の静電型８極子の電源を制御する制御部を備えたことを特徴とする請求項２記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
トランスファーレンズ系が拡大系あるいは縮小系であることを特徴とする請求項３記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
トランスファーレンズ系の物面を収差補正装置の最終段付近に設定し、これに共役な像面を対物レンズの前方焦点付近に設定したとき、共役点に対するトランスファーレンズ系の倍率が１／３倍から３倍となる位置に、トランスファーレンズ系を配置したことを特徴とする請求項４記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
収差補正装置の最終段の多極子の主面と対物レンズの前方焦点との中間点を通って光軸に垂直な面に対して、トランスファーレンズ系を非対称に配置したことを特徴とする請求項３記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
トランスファーレンズ系と対物レンズとの合成倍率を調整して、試料面における５次の開口収差係数Ｃ５あるいは４次の収差である３次開口色収差係数Ｃ３ｃの大きさ（絶対値）が最小となるように成したことを特徴とする請求項３乃至６の何れかの１つに記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
試料面における５次の開口収差係数Ｃ５のＸ，Ｙ方向の成分Ｃ５_ｘ，Ｃ５_ｙあるいは４次の収差である開口色収差係数Ｃ３ｃのＸ，Ｙ方向の成分Ｃ３ｃ_ｘ，Ｃ３ｃ_ｙの大きさが同程度となるように、収差補正装置に対するトランスファーレンズ系と対物レンズの位置とを定めたことを特徴とする請求項３乃至６の何れかの１つに記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
収差補正装置の多極子のフォーカス電位、色収差補正電位、球面収差補正電位に５次の収差係数を補正するための１２極子電位を重畳したことを特徴とする請求項３乃至６の何れかの１つに記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
試料面に電圧を印加するための電源を備え、電圧の印加により試料面に照射される荷電粒子ビームを減速させることによって収差補正前の収差係数を小さくしたことを特徴とする請求項１乃至９の何れかの１つに記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
トランスファーレンズ系は、１段のトランスファーレンズより成ることを特徴とする請求項１乃至１０の何れかの１つに記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
トランスファーレンズ系は、２段のトランスファーレンズより成ることを特徴とする請求項１乃至１０の何れかの１つに記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
トランスファーレンズ系が拡大系あるいは縮小系であることを特徴とする請求項１または２に記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
トランスファーレンズ系の物面を収差補正装置の最終段付近に設定し、これに共役な像面を対物レンズの前方焦点付近に設定したとき、共役点に対するトランスファーレンズ系の倍率が１／３倍から３倍となる位置に、トランスファーレンズ系を配置したことを特徴とする請求項１３記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
収差補正装置の最終段の多極子の主面と対物レンズの前方焦点との中間点を通って光軸に垂直な面に対して、トランスファーレンズ系を非対称に配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。