JP2004241235A - 荷電粒子光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定かつ最適な収差補正を実現し、最小プローブ系を得ることができるようにする。
【解決手段】対物レンズで試料に収束する荷電ビームの収差を補正するものであって、４段の静電型４極子１，２，３，４と、前記４段の静電型４極子１，２，３，４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段の静磁型４極子５，６と、前記４段の静電型４極子１，２，３，４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、前記４段の静電型４極子１，２，３，４、前記２段の静磁型４極子５，６および前記４段の静電型８極子１１，１２，１３，１４と対物レンズ７との間に配置された追加レンズ２７と、を有し、前記追加レンズ２７および対物レンズ７によって、収差調整およびフォーカス調整を独立に行う。
【選択図】 図１

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ような荷電粒子ビーム装置に用い、試料に荷電粒子ビームを収束させる荷電粒子光学装置に関する。
【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４極子と磁場型４極子の組み合わせで補正し、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に示す文献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９に基づいて説明する。図９において、対物レンズ７の前段に収差補正装置１０が配置されている。収差補正装置１０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。なお、図中の符号ＰＰは、対物レンズ７の主面を示している。
【０００４】
このような構成において、光軸Ｌ０に沿っ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９では、荷電粒子ビームが進行する光軸Ｌ０方向をＺ方向として、このＺ方向に直行する粒子線の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。
【０００５】
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。
【０００６】
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９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［Ｖ］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。
【０００７】
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_０２［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_０３［Ｖ］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、交互の繰り返し調整が必要になる。
【０００８】
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る２極子、４極子、６極子、８極子などの合成が行われ、実用化されているが、ここではそれらについて述べない。また、このような電界型や磁界型の多極子を複数個用いて、粒子光学系の収差量を調整する機構を以下では収差補正装置と呼ぶことにする。
【０００９】
【非特許文献１】
Ｈ． Ｒｏｓｅ， Ｏｐｔｉｋ ３３， Ｈｅｆｔ １， １−２３ （１９７１）
【非特許文献２】
Ｊ． Ｚａｃｈ， Ｏｐｔｉｋ ８３， Ｎｏ． １， ３０−４０ （１９８９）
【非特許文献３】
Ｊ． Ｚａｃｈ ａｎｄ Ｍ． Ｈａｉｄｅｒ， Ｎｕｃｌ． Ｉｎｓｔｒ． ａｎｄ Ｍｅｔｈ． Ｉｎ Ｐｈｙｓ． Ｒｅｓ． Ａ ３６３， ３１６−３２５ （１９９５）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前記の理論や実験に基づく結果、例えば図９に示した従来の技術にはすばらしいものがあるが、さらに操作性を向上させる観点からは必ずしも十分な配慮が成されていなかった。以下には、従来方式の不具合について記す。
【００１１】
第１には、加速電圧や作動距離を変えたとき、収差を再度補正したり、粒子プローブを試料面に再度フォーカスし直すことが必要であるが、両者が相互に影響し合うため、操作は面倒であった。
【００１２】
第２には、実際の操作においては、最小プローブを得るために、収差係数が理論値や計算値からのズレや機差に対処するための微妙な調整が望まれるが、前記第１の問題点があるため、そのような操作も当然ながら大変厄介であった。
【００１３】
本発明は、従来は配慮されていなかったこれらの問題を解決し、安定かつ最適な収差補正を実現し、最小プローブ径を得ることができるような荷電粒子光学装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明に係る荷電粒子光学装置は、荷電粒子ビームをフォーカスさせて試料に照射させる荷電粒子光学装置において、４段の静電型４極子と、前記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段の静磁型４極子と、前記４段の静電型４極子に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、対物レンズと、前記４段の静電型４極子、前記２段の静磁型４極子および前記４段の静電型８極子と前記対物レンズとの間に配置された追加レンズと、を有し、前記追加レンズおよび対物レンズによって、収差調整およびフォーカス調整を独立に行う。
【００１５】
すなわち、本発明に係る荷電粒子装置は、前記４段の静電型４極子、前記２段の静磁型４極子、及び前記４段の静電型８極子を備える収差補正装置と、前記対物レンズと、前記追加レンズとを有する。
【００１６】
前記収差補正は、前記収差補正装置、前記対物レンズ及び前記追加レンズを含めた全系の色収差と球面収差について、前記色収差を補正するように前記対物レンズ及び前記追加レンズの合成倍率を求め、この合成倍率に基づいて前記対物レンズ及び前記追加レンズの焦点距離をそれぞれ定めて色収差を補正し、前記静電８極子を制御して前記球面収差を補正するようにすることが望ましい。
【００１７】
前記フォーカス調整は、前記全系の色収差を補正するように前記合成倍率を求め、この合成倍率に基づいて前記対物レンズ及び前記追加レンズの焦点距離を定めることにより行うのが望ましい。
【００１８】
また、前記荷電粒子ビームの加速電圧、作動距離、またはプローブ電流の変更に関わらず、前記２段の静磁型４極子の励磁を一定に保つことが望ましい。
【００１９】
さらに、前記追加レンズおよび前記対物レンズの合成倍率を変更しても、前記対物レンズの焦点位置を一定に保つことが望ましい。
【００２０】
さらにまた、前記追加レンズおよび対物レンズの合成倍率を一定に保ちつつ、前記対物レンズの結像位置を調整可能であることが望ましい。
【００２１】
そして、前記追加レンズは、前記４段の静電型４極子または前記４段の静電型８極子の最終段付近を物面とし、これに共役な像面を前記対物レンズの前方焦点付近となるように配置されたことが望ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る荷電粒子光学装置の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１は、荷電粒子光学装置の第１の実施の形態を示す図である。
【００２４】
第１の実施の形態の荷電粒子光学装置は、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ものであって、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、４段目の静電４極子と対物レンズ７の間に配置された追加レンズ２７と、光路の一部に設けられた図示しない対物絞り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１，２，３，４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および追加レンズ２７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が設けられている。
【００２５】
なお、対物レンズ７および追加レンズ２７は、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、静電型の場合には電源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および追加レンズ２７が用いられる。
【００２６】
また、第１の実施の形態の荷電粒子光学装置は、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１１，１２，１３，１４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が設けられている。
【００２７】
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と呼ぶことにする。そして光学装置の目的に応じて、前者だけを構成して色収差を補正可能としたもの、後者も構成して色収差及び球面収差が補正可能としたものと使い分けられる。
【００２８】
このような収差補正装置１０は、例えば図２に示す如くに走査電子顕微鏡などに組み込まれる。この場合、荷電粒子には電子が該当することになる。
【００２９】
内部が真空雰囲気にされた鏡筒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を収束し、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１０４（図１の収差補正装置１０に相当）、電子ビームを二次元的に偏向して操作するための偏向器１０５、電子ビームをフォーカスして試料１０９に照射する追加レンズ１０６および対物レンズ１０７、電子ビームの照射・走査に伴ってステージ１０８に保持された試料１０９から発生する二次電子などの信号を検出する検出器１１０が備えられている。
【００３０】
なお、本件発明者らは、特願２００１−３５４３３５号において、以下の提案を行っている。すなわち、磁場型４極子５，６の励磁を一定に維持しつつ、色収差補正、又は色収差・球面収差補正をする構成とすることができる。この構成では、２段目の磁場型４極子５の励磁Ｊ_２と３段目の磁場型４極子６の励磁Ｊ_３とを常に一定に保ち、一方、静電型４極子の補正電圧と４段目の４極子４と対物レンズ７とによる合成倍率を調整することによって収差補正を行う。
【００３１】
また、図１０に示すように、４段目の静電型４極子４の調整によるＸ，Ｙ方向の倍率の変化や収差補正装置内の基準軌道内を維持するためのフォーカスの再調整を避けるため４段目の静電型４極子４と対物レンズ７との間に追加レンズ２７を配置し、加速電圧を変えた場合には主に追加レンズ２７と対物レンズ７との合成倍率を変えるように構成することもできる。
【００３２】
図３〜６を用いて、本実施の形態の動作原理を説明する。ここでは理解を容易にするため、収差補正装置の下段に第１および第２のレンズＬ_１，Ｌ_２という２つのレンズがあり、更にその下段に第２のレンズＬ_２の像面位置Ｚ_２になる試料面があるものとする。補正すべき収差を発生させる多極子群を収差補正装置と呼ぶことにして、収差補正装置の像面の位置をＺ_ｃとする。第１のレンズＬ_１の物体距離をａ_１、像面位置をＺ_１、像距離をｂ_１とする。また、第２のレンズＬ_２の物体距離をａ_２、像面位置をＺ_２、像距離をｂ_２とする。さらに、第１および第２のレンズＬ_１，Ｌ_２の主面間の距離をＳとする。
【００３３】
第２のレンズＬ_２の物体距離は、ａ_２＝Ｓ−ｂ_１で表されるため、第１および第２のレンズＬ_１，Ｌ_２の合成倍率Ｍ_１２は、次の式（１）で与えられる。
【００３４】
【数１】

この式（１）を第１のレンズＬ_１の像距離ｂ_１について解くと、次の式（２）が得られる。
【００３５】
【数２】

収差補正装置の像面位置Ｚ_ｃを固定して考える場合、第１のレンズＬ_１の物体距離ａ_１は一定の値になる。また、第２のレンズＬ_２の像面位置Ｚ_２を固定するには、第２のレンズＬ_２の像距離ｂ_２を一定にする必要がある。さらに、第１および第２のレンズＬ_１，Ｌ_２の主面間の距離Ｓは一定である。
【００３６】
従って、像面位置Ｚ_ｃ，Ｚ_２を固定する場合、前記物体距離ａ_１、前記像距離ｂ_２および主面間の距離Ｓは、一定値である。この場合、第１のレンズの像距離ｂ_１は、次の式（３）のように、合成倍率Ｍ_１２のみを変数とする関数と見なすことができる。
【００３７】
ｂ_１＝ｂ_１（Ｍ_１２） （３）
この式（３）から、合成倍率Ｍ_１２が与えられると、式（２）によって第１のレンズの像距離ｂ_１を求めることができる。
【００３８】
このように、収差補正装置の像面の位置Ｚ_ｃから第１のレンズＬ_１の物体距離ａ_１が得られ、合成倍率Ｍ_１２に依存する値の第１のレンズＬ_１の像距離ｂ_１が得られた。同時に、第１および第２のレンズＬ_１，Ｌ_２の主面間の距離Ｓが一定であることを用いて第１のレンズＬ_１の像距離ｂ_１から第２のレンズの物体距離ａ_２（＝Ｓ−ｂ_１）得られ、第２のレンズＬ_２の像面の位置Ｚ_２から第２のレンズＬ_２の像距離ｂ_２が得られた。
【００３９】
これら第１のレンズＬ１の物体距離ａ_１および像距離ｂ_１、第２のレンズＬ_２の物体距離ａ_２および像距離ｂ_２を用いて、次の式（４）および（５）により第１および第２のレンズＬ_１，Ｌ_２の焦点距離ｆ_１，ｆ_２を求めることができる。このようにして、合成倍率Ｍ_１２の値に基づいて第１および第２のレンズＬ_１，Ｌ_２の焦点距離ｆ_１，ｆ_２の値が得られた。
【００４０】
【数３】

【数４】

前述のように、このような焦点距離ｆ_１，ｆ_２は、第１および第２のレンズＬ１，Ｌ２を電源から供給する電流または電圧によって制御することができる。
【００４１】
次に、収差補正装置が元々光学系が有する収差を打ち消すために、像面Ｚ_ｃに発生させる色収差係数をＣ_ｃｃ、球面収差係数をＣ_ｓｃとする。また、収差補正以前（荷電粒子ビームは前述の基準軌道を通ってはいるが、未だ収差補正のための電圧等は印加されていない状態）における光学系全体によって像面Ｚ_２に発生している色収差係数をＣ_ｃＬ、球面収差係数をＣ_ｓＬとする。
【００４２】
これらの係数を用いると、像面Ｚ_２において、元々存在する収差とそれを打ち消すための収差補正装置に発生させた収差とを重畳した合成収差係数は、次の式（６）および（７）で与えられる。
【００４３】
色収差係数： Ｃ_ｃＲ＝Ｃ_ｃｃ・Ｍ_１２ ^２＋Ｃ_ｃＬ（Ｍ_１２） （６）
球面収差係数：Ｃ_ｓＲ＝Ｃ_ｓｃ・Ｍ_１２ ^４＋Ｃ_ｓＬ（Ｍ_１２） （７）
ここで、合成倍率Ｍ_１２の値を変えると元々光学系が有する収差量が多少とも変化することを考慮して、前記色収差係数Ｃ_ｃＬおよび球面収差係数Ｃ_ｓＬは合成倍率Ｍ_１２の関数であるとした。
【００４４】
これらの式（６）および（７）を用いて、以下のような手順で合成収差係数Ｃ_ｃＲ，Ｃ_ｓＲを補正する。
【００４５】
先ず収差補正装置による色収差係数Ｃ_ｃｃに対して、合成倍率Ｍ_１２を変化させて式（６）がＣ_ｃＲ＝０となるような合成倍率Ｍ_１２を定める。このように定めた合成倍率Ｍ_１２に対応して、前述のように式（３）および（４）によって第１および第２のレンズＬ_１，Ｌ_２の焦点距離ｆ_１，ｆ_２が定まる。
【００４６】
次に、収差補正装置の静電８極子１１，１２，１３，１４を制御しても基準軌道やその色収差係数Ｃ_ｃｃは変化しないので、これらの静電８極子１１，１２，１３，１４を制御して式（７）のＣ_ｓＲ＝０になるようにその球面収差係数Ｃ_ｓｃを定める。
【００４７】
このような手順によって、第２のレンズＬ_２の結像位置Ｚ_２の位置を一定に保ったまま、収差補正装置の色収差係数Ｃ_ｃｃを変更せずに、合成収差係数合成収差係数Ｃ_ｃＲ，Ｃ_ｓＲを補正することができる。図４は、収差補正装置と前記合成レンズの色収差および球面収差が補正された状態を示す図である。
【００４８】
次に、荷電粒子プローブを試料表面にフォーカスさせるフォーカス調整について説明する。原理的には、図６のごとく、第２のレンズＬ_２の任意の結像位置Ｚ_２または像距離ｂ_２の値に対して、フォーカス条件と色収差補正条件を同時に満たす焦点距離ｆ_１，ｆ_２を定めることが可能である。
【００４９】
すなわち、次の式（８）のように、合成色収差係数Ｃ_ｃＲの第２項に第２レンズＬ_２の像距離ｂ_２にも依存性を持たせる。前記色収差係数Ｃ_ｃＲにおいては、前記像距離ｂ_２は固定されていたが、ここでは像距離ｂ_２を変数とする。
【００５０】
Ｃ_ｃＲ＝Ｃ_ｃｃ・Ｍ_１２ ^２＋Ｃ_ｃＬ（ｂ_２，Ｍ_１２） （８）
この式（８）を用いると、合成された色収差係数を補正する式（８）についてＣ_ｃＲ＝０という条件下において、与えられた前記色収差係数Ｃ_ｃｃと前記像距離ｂ_２から、前記合成倍率Ｍ_１２が得られる。前述のように、式（４）および式（５）を用いると、この合成倍率Ｍ_１２から焦点距離ｆ_１，ｆ_２が定められる。
【００５１】
ここでは、第１および第２のレンズＬ_１，Ｌ_２の合成倍率Ｍ_１２からその焦点距離ｆ_１，ｆ_２が同時に得られている。
【００５２】
このようにして、合成倍率Ｍ_１２を一定に保ったままで対物レンズの焦点距離を単独で調整することによって、フォーカス調整の精度を向上させることができる。
【００５３】
このように図４のごとく対物レンズの焦点距離を一定に保ったままで合成倍率Ｍ_１２の値を変えて収差補正量を調整したり、図６のごとく合成倍率Ｍ_１２の値を一定に保ったままで対物レンズの焦点距離をそれぞれ独立に調整することにより、前述した理論値からの誤差や、装置間の誤差に有効に対処することができる。
【００５４】
次に、本実施の形態における前述の理論を具体的に適用する態様について説明する。
【００５５】
図１では図３よりも実際の動作に近い形で光線図が描かれており、図１では追加レンズ２７の結像位置が対物レンズ７の試料面位置よりも後方にあるが、光学的には図３と同様に考えることができる。図１を図２に対応させて考えると、上述の説明より明らかなように、Ｘ方向については４段目の静電型４極子４と追加レンズ２７を１つのレンズＬ_１として考え、収差補正装置１０からの出射ビームが平行である場合には、対応関係は、
追加レンズ２７→Ｌ_１，Ｃ_ａ４→ａ_１，ｂ_１→ｂ_１
対物レンズ７→Ｌ_２，ａ_ｏＬ→ａ_２，ｂ_ｏＬ→ｂ_２
とする。Ｙ方向についても同様に考えることができる。
【００５６】
なお、図１中において、符号ａ_０Ｌ＋Ｓおよびｂ_０Ｌは、追加レンズ２７および対物レンズ７の像距離をそれぞれ示している。また、符号ｃａ_４は４段目の４極子のＸ方向の物体距離を表し、本構成では３段目および４段目の静電型４極子３，４のＸ方向の主面間の距離に等しい。
【００５７】
具体的な動作は、次のように行う。
【００５８】
第１の段階として、収差補正装置の調整を行う前に、操作表示部９でフォーカス調整を行うと、対物レンズおよび追加レンズ用電源１７は、対物レンズ７または追加レンズ２７の何れか一方の焦点距離を変化させる。これによって、収差調整とは無関係に荷電粒子プローブを試料面にフォーカスさせることが可能になる。
【００５９】
第２の段階として、前述のごとく荷電粒子プローブの試料面へのフォーカスを変えることなく合成倍率Ｍ_１２を調整して操作表示部９で収差調整を行うと、前記電源１７は対物レンズ７および追加レンズ２７のそれぞれの焦点距離を同時に設定し、試料面上でフォーカスしている荷電粒子プローブの色収差を調整して収差がないようにする。
【００６０】
必要なら前記第１および第２の段階に従い交互に調整することによって所要の状態にフォーカスと色収差を収束させる。
【００６１】
なお、収差補正のために、対物レンズ７と追加レンズ２７の合成倍率Ｍ_１２を変化させたことによって、試料に入射するプローブの入射角は変化する。しかし、本実施の形態は、本実施の形態は試料に入射する最適な開き角を得るための構成と組み合わせることができることは明らかである。このような構成は、本件発明者らが特願２００１−３５４３３５号において提案しているように、例えば光軸Ｌ０上に開き角を制御するためのレンズを配置することによって実現される。
【００６２】
図７は、第２の実施の形態を示す図である。
【００６３】
第２の実施の形態においては、前述した第１の実施の形態と共通する部分については、同一の符号を用いて説明を省略することにする。
【００６４】
前記第１の実施の形態では、追加レンズ２７は収差補正装置１０と対物レンズ７の間に配置するが、実現し得る焦点距離の可変範囲（従って合成倍率Ｍ_１２の可変範囲）に由来する制限を除いては、特にその位置関係については制約は設けなかった。しかし、本件発明者らは特願２００２−１８９８１２号において収差補正装置１０の最終段付近を追加レンズ２７の物面とし、これに共役な追加レンズ２７の像面を対物レンズ７の前方焦点面（ＦＦＰ）付近となるように追加レンズ系を配置することができることを提案している。このような追加レンズ２７はトランスファーレンズとも呼ばれる。
【００６５】
なお、以下では追加レンズ２７は、対応する２枚のトランスファーレンズによって構成されるが、簡単のためにこれらのレンズ系も追加レンズ２７と呼ぶことにする。
【００６６】
図７には、追加レンズ２７として、第１および第２のトランスファーレンズ２７ａ，２７ｂの２個を配置した例が示されている。収差補正装置１０から対物レンズ７に至る点線がこの共役な面の間の対応を示している。
【００６７】
図７では、収差補正装置１０から光軸Ｌ０に平行に出射したビームが、第１のトランスファーレンズ２７ａの像面Ｚ_１で光軸Ｌ０と交わり、第２のトランスファーレンズ２７ｂを出射後に再び光軸Ｌ０に対して平行にある動作例を示している。この場合、第１および第２のトランスファーレンズ２７ａ，２７ｂによって調整される倍率Ｍ_ＡＢは、
Ｍ_ＡＢ＝ｂ_１／ａ_２
である。これを図３に対応させると、Ｘ方向の軌道Ｒ_ｘについては、４段目の静電４極子４と第１のトランスファーレンズ２７ａを第１のレンズＬ_１と、第２のトランスファーレンズ２７ｂと対物レンズ７を第２のレンズＬ_２とし、第１および第２のレンズＬ_１，Ｌ_２の間隔をＳと考えることができる。Ｙ方向についても同様である。
【００６８】
この系では、例えば操作表示部９からフォーカス調整を行う場合には対物レンズおよび追加レンズ用電源１７を制御して対物レンズ７のｂ_ｏＬ（＝ｆ_ｏＬ）を調整し、操作表示部９から収差調整を行う場合には前記電源１７を制御して、第１のトランスファーレンズ２７ａの焦点距離ｆ_１と第２のトランスファーレンズ２７ｂの焦点距離ｆ_２を
ｆ_１＝ａ_２
ｆ_２＝ｂ_１ （ａ_２＋ｂ_１＝Ｓ）
を満たすように倍率を調整すれば良い。このようにすれば、収差補正装置１０と対物レンズ７の合成収差による高次収差が収差補正時に軽減されるだけでなく、フォーカス調整と収差調整が分離して行えるようになる。
【００６９】
なお、上記の例では、第１のトランスファーレンズ２７ａに入射するビームや第２のトランスファーレンズ２７ｂを出射するビームは平行であるとしたが、これは傾斜していても同様のフォーカス調整や収差補正が行えることが明らかである。
【００７０】
図８は、第３の実施の形態を示す図である。
【００７１】
前記第２の実施の形態では、追加レンズとして、２個のトランスファーレンズを用いる場合について説明したが、これは１個のトランスファーレンズに置き換えても実現することができる。
【００７２】
収差補正装置１０と対物レンズ７の間隔をＴとし、この中間付近に１個のトランスファーレンズ２７を配置し、トランスファーレンズ２７の焦点距離ｆ_１をＴ／４程度とすると、収差補正装置１０の終端付近が対物レンズ７の前方焦点付近と共役になる。この状態で、フォーカス調整をする場合には操作表示部９から対物レンズおよび追加レンズ用電源１７を制御して対物レンズ７の像距離ｂ_ｏＬを調整し、操作表示部９から収差調整を行う場合には前記電源１７を制御して、像距離ｂ_ｏＬが一定の条件で、トランスファーレンズ２７の焦点距離ｆ_１と対物レンズ７の焦点距離ｆ_ｏＬを連動して変化させるように倍率を調整すれば良い。
【００７３】
なお、図８では、収差補正装置１０の結像位置Ｚ_ｃをトランスファーレンズ２７の前方に配置したが、この結像位置Ｚ_ｃはトランスファーレンズ２７の後方に配置してもよい。すなわち、収差補正装置１０からは平行でビームが出射し、トランスファーレンズ２７と対物レンズ７との間にクロスオーバー位置（結像位置）を配置しても同等であることは明らかである。
【００７４】
上述のように、本実施の形態では、収差補正装置と対物レンズとの間に少なくとも１個以上の追加レンズ系を設け、追加レンズ系と対物レンズによる収差調整とフォーカス調整とが独立に行えるようになった。従って、フォーカス条件と収差補正条件を同時に満足する条件を見つけやすくなった。また、フォーカス調整と収差補正の調整により、確実に最適位置が見出せるようになった。
【００７５】
また、本実施の形態では、加速電圧、作動距離または荷電粒子のプローブ電流の何れかを変更したとき、収差補正装置の磁場型４極子の励磁を一定に保つことを特徴とする系と組み合わせた。従って、これらの条件変更に対して磁場を一定に保っても色収差が確実に補正でき、かつフォーカス調整が容易に行えるようになった。また、磁場を変更する必要がないため、磁場ドリフトの影響を受けずに、自在に収差量が調整できるようになった。
【００７６】
さらに、本実施の形態では、追加レンズ系と対物レンズによる収差調整では、追加レンズ系と対物レンズの合成倍率を変更しても対物レンズのフォーカス位置を一定に保つようにした。従って、収差量調整時のフォーカスのずれを軽減できるようになった。また、収差量調整時のフォーカスのずれがないので、フォーカス最調整時の収差量の変化も軽減できるようになった。
【００７７】
さらにまた、本実施の形態では、追加レンズ系と対物レンズによる合成倍率を一定にしながら、対物レンズの結像位置を調整可能なモードを設けた。従って、焦点距離変化時に収差係数の変化がない条件においては、フォーカス調整時の収差補正量の変化が軽減できるようになった。
【００７８】
そして、本実施の形態では、基準となる補正条件では、収差補正装置の最終段付近を追加レンズ系の物面とし、これに共役な追加レンズ径の像面を対物レンズの前方焦点付近となるように追加レンズ系を配置した。従って、基準となる位置で収差補正装置と対物レンズとの合成収差による高次収差を軽減できるようになった。
【００７９】
【発明の効果】
すなわち、本発明によると、安定かつ最適な収差補正を実現し、最小プローブ系を得ることができるような収差補正装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の荷電粒子光学装置を示す図である。
【図２】荷電粒子光学装置が組み込まれた走査電子顕微鏡を示す図である。
【図３】本実施の形態の原理を示す図である。
【図４】本実施の形態の原理を示す図である。
【図５】本実施の形態の原理を示す図である。
【図６】本実施の形態の原理を示す図である。
【図７】第２の実施の形態の荷電粒子光学装置を示す図である。
【図８】第３の実施の形態の荷電粒子光学装置を示す図である。
【図９】従来の荷電粒子光学装置を示す図である。
【図１０】前記第１の実施の形態の基となる荷電粒子光学装置を示す図である。

Claims (6)

1. 荷電粒子ビームをフォーカスさせて試料に照射させる荷電粒子光学装置において、
   ４段の静電型４極子と、
   前記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段の静磁型４極子と、
   対物レンズと、
   前記４段の静電型４極子、前２段の記静磁型４極子と前記対物レンズとの間に配置された追加レンズと、
   を有し、
   前記追加レンズおよび対物レンズによって、収差調整およびフォーカス調整を独立に行うこと
   を特徴とする荷電粒子光学装置。
2. 前記荷電粒子ビームの加速電圧、作動距離、または電流の変更に関わらず、前記２段の静磁型４極子の励磁を一定に保つことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子光学装置。
3. 前記追加レンズおよび前記対物レンズの合成倍率を変更しても、前記対物レンズの焦点位置を一定に保つことを特徴とする請求項１または２記載の荷電粒子光学装置。
4. 前記追加レンズおよび対物レンズの合成倍率を一定に保ちつつ、前記対物レンズの結像位置を調整可能であることを特徴とする請求項１または２記載の荷電粒子光学装置。
5. 前記追加レンズは、前記４段の静電型４極子の最終段付近を物面とし、これに共役な像面を前記対物レンズの前方焦点付近となるように配置されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の荷電粒子光学装置。
6. 前記４段の静電型４極子に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の荷電粒子光学装置。

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