【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、電子線描画装置（ＥＢ）等のように、磁界もしくは電界の作用によって電子線を集束するところの電子レンズを使って、電子源から出た電子線を集束し、電子源の像を電子照射体上に拡大、もしくは、縮小して結像する電子光学装置において、電子レンズの発生する球面収差や色収差などの収差を極力小さくして、ＴＥＭにおいては、従来よりより高い分解能の像を与えるように、また、ＳＥＭやＥＢ等においては従来より細い電子ビームを産み出すように電子光学装置を製作するための設計技術に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
光学顕微鏡で鮮明な像を得るには、収差の小さいレンズを使う必要がある。 電子光学装置においても、より細い電子ビームやより解像度の高い顕微鏡像を得ようとすると、発生する収差の極力小さい電子レンズを使う必要がある。 電子レンズには電界の力で電子線を屈折する電界レンズと磁界の力で屈折する磁界レンズとがある。 磁界レンズが発生する収差は電界レンズが発生する収差に比べると小さく、そのため、電子顕微鏡のように高解像度を必要とする電子光学装置には磁界レンズが使われている。 解像度を低下させる主な収差としては電子線軌道と電子光学系の中心軸（以下、光軸と呼ぶ）との距離（以下、離軸と呼ぶ）の３乗に比例した大きさで光軸から離れるほど大きく発生する球面収差と、電子線エネルギーの不揃いと離軸とに比例した大きさで発生する色収差とがある。 これら２つの収差の量を計算するためには、通常はその電子光学系ハードウエアの性能指標として掲げられているところの、球面収差係数、Ｃｓと色収差係数、Ｃｃとが使われる。 収差は、上に述べたように、離軸の３乗、離軸の１乗に比例して大きくなるので、Ｃｓ、Ｃｃはレンズの焦点距離ｆと密接に関係する。 磁界レンズの場
要とする倍率と許される光学長とから装置のｆを決め、そして、上記の数式を使ってＣｓ，Ｃｃを見積もり、装置の解像度などを予測する。
【０００３】
Ｃｓはｆ３にほぼ比例して変化するので、従来の電子光学装置設計では、なるべくｆの短いレンズを使うことに注力された。 一方、カメラなどの光学機器においては、光学機器の発生する収差を零とするために、凹レンズと凸レンズとを含む複数個のレンズをシリーズにならべた光学系を使用し、凹レンズが発生する正値の収差と凸レンズが発生する負値の収差とを互いに相殺させる、いわゆる収差補正の方法が使われてきた。 電子光学装置においてもこの収差補正の技術が応用できれば、たとえば、現在市販されている電子顕微鏡よりもはるかに高い分解能の顕微鏡が産み出せる。 ところが、電子光学の世界では、回転対称構造の電子レンズでは、凹レンズは作れないものとされ、従って、回転対称構造の電子光学装置では光学機器におけるような収差補正は出来ないものとされてきた。 そこで、近年には、４重極質量分析器に用いられているような、棒状の電極、あるいは、棒状の磁極を光軸の周囲に４極から１２極配置した、光軸に関して非回転対称構造の多極子電子レンズを用いた収差補正器が実用されるようになっている。この多極子電子レンズの実用化によって電子光学装置においても収差補正ができるようになったが、上に述べた構造から推測されるように、この多極子電子レンズは構造が複雑で、かつ、多極子の配置に関して極めて高い組立て精度を必要とするため、このレンズの製造には高額の制作費用を必要とする。また、収差補正を達成するに必要な調節パラメータの数は多極子の数だけあるので、収差補正を達成しようとすると極めて煩雑な操作を必要とする難点もある。
【０００４】
回転対称構造の電子レンズでは、凹レンズは作れないものとされてきたことを先に述べたが、電界レンズを組み込むことによって、レンズの内部に部分的に凹レンズを形成し、回転対称構造の電子レンズを使って収差補正を達成した例が２件ある。 １例は「ジャーナル オブ エレクトロンマイクロスコピー誌、第４７巻（１９９８年）１８５頁」に掲載されているところの名古屋大学が実施した薄膜静電レンズを使ったものであり、他の１つは「マイクロスコピー アンド アナリシス誌、第３２巻（２００３年）１１頁）に掲載されているところのＬＥＯ社が商品化した超低加速電圧用ＳＥＭの電子光学系である。前者の薄膜レンズでは電界レンズを構成する電極に電子線通過孔を持たない導電性薄膜を使用しており、その結果、高エネルギーの電子線なら電子線はこの薄膜電極を透過できるが、低エネルギーの電子線ではこのレンズを透過できない難点がある。 また、後者の超低加速電圧用ＳＥＭでは、上記文献に示されているよう、加速電圧を零ボルトにしてすることによって初めて収差が補正される。即ち、ＴＥＭのような加速電圧の高い電子光学装置には実用できない点がある。
しかしながら、回転対称構造レンズを使ってなされたこれら２つの収差補正の実施は、１９３６年に公開されたシェルツァー氏の論文以来電子顕微鏡学分野で言われてきた「回転対称電磁界レンズでは収差補正はできない」とすることが、実は、「シェルツァー理論の前提とした電子光学系条件の範囲外の部分に回転対称構造でも収差補正のできる電子光学系があるのではないか？」と期待を抱かせるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前項に述べたところの多極子レンズ、もしくは回転対称構造電子レンズを用いて実施された電子光学装置における収差補正技術の有する問題点に鑑み、電子ビーム通過用の孔を有する回転対称構造の電極、もしくは磁極で構成された電子レンズのみを使用し、かつ、任意の加速電圧の電子ビームに対してもその収差を零にできる収差補正電子光学装置を提供することである。
【０００６】
【問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収差補正電子光学装置では使用する複数の電子レンズには従来から使われてきた回転対称構造のものを使用するが、電子源と電子ビーム照射体との間に少なくとも１つの電子ビームのクロスオーバー（ビームと光軸との交差）を造り、クロスオーバーを設けることによってその部分に発散レンズ作用（＝凹レンズ作用）を産み出すようにした。 そこで産み出された発散レンズ作用による電子屈折効果と、電子照射体に対面して設置されていた対物レンズの集束レンズ作用（＝凸レンズ作用）による電子屈折効果との間で屈折率の整合が取れるよう、即ち、電子照射体上の同じ位置に焦点を結ぶよう発散レンズの動作条件を調節するようにした。 凹レンズと凸レンズの屈折率を整合させて収差補正を達成する物理は、すでに述べたよう、光学機器で、たとえば、色消しレンズとして実用されている物理である。 ただし、光学機器においては、レンズの屈折率はガラスの材質で決まる離散的な値しかとり得ないので、色消しは特定の２波長の光に対してのみ集束位置の一致が行われるのに対し、電子光学系における屈折率は離軸とレンズ界の強さに関係して連続的に変化するので色収差係数を零にする補正レンズの励起条件が存在する。
本発明で使用した問題を解決するための手段は上に述べたように、電子源と電子照射体との間に電子ビームのクロスオーバーを設けて凹レンズをつくり、かつ、その凹レンズの焦点距離、ｆを電気的に制御できる手段を設けたことであるが、この構成により屈折効果（＝１／ｆ）が制御できる凹レンズが準備される原理を以下に説明する。
【０００７】
図１は孔径３ｍｍ、磁極間隔３ｍｍの磁界レンズ１を励磁用コイル２に電流を流して３０Ａ／√Ｖに励磁した時、左方の電子源９より発射されて光軸にほぼ平行に進行してきた電子線の軌道３を計算機シミュレーションにより求め、描いたものである。 磁界レンズをこのように強く励起すると、電子軌道は、位置、ｚ＝−０．２ｍｍとｚ＝３．６ｍｍの２つの位置で光軸と交叉する。 即ち、この電子光学系は距離ｚ＝−０．２ｍｍの位置に９の第１の像点（クロスオーバー）２５、ｚ＝３．６ ｍｍの位置に第２の像点（焦点）６の２つの像点を有する。 ２５には光源の倒立像が結像され６には正立像が結像されている、その後、電子ビームはレンズを出ると光軸から発散するように進行する。 レンズの外でレンズ入射前の電子軌道と出射後の電子軌道とを眺めると、その軌道はあたかも太い二点鎖線（見かけの軌道）３２に描いた経路をたどり、６に正立像を形成した後、発散してゆくかのごとくに見える。 即ち、この磁界レンズは電子線の入射前と出射後の軌道をみるかぎり、同図に示した実効的な凹レンズ４として作用している。 通常見かけるガラス凹レンズの光路図との違いは、６がガラス凹レンズでは実体の無い虚像であるのに対して、この電子レンズでは、実体のある実像が投影されていることである。
凹レンズが形成されていことを定量的に確かめるには、このレンズの焦点距離が正値であるか負値であるかを調べればよい。 図２はこのレンズの焦点距離ｆを励磁Ｅｘに対して計算した結果を示している。 図２によれば、このレンズでは、Ｅｘ、が２９Ａ／√Ｖより小さいと焦点距離は正値であり、２９Ａ／√Ｖより大きいと負値である。 即ち、Ｅｘ＜２９Ａ／√Ｖではこのレンズは９の像は一つしか持たず、通常の凸レンズとして作用し、Ｅｘ＞２９Ａ／√Ｖにすると，負値のｆを持つ凹レンズとして作用する。 Ｅｘ＝３０Ａ／√Ｖの時にこのレンズのｆが負値を取る事情は図１にからも明確に理解される。 即ち、図１にはＥｘ＝３０Ａ／√Ｖの時に仮定されるレンズの主面（屈折作用の中心面）５も太い二点鎖線で描いたが、右方の発散ビームの側から眺めた時のビームの焦点、６は５の左方にあり、ｆ＜０なることを示している。
【０００８】
このように、電子レンズの励起を強くして、実効的な電子光学用凹レンズが造れれば、先に述べたよう、光学機器の分野で利用されている収差補正原理に習って、球面収差零の電子光学系、色収差零の電子光学系が造れる。 本発明のポイントは、従来は不可能とされてきた、回転対称構造電子レンズによる凹レンズの形成が、電子源とその実像との間に少なくとも１つのクロスオーバーを与えるように電子レンズを励起することによって可能となることを見出したことである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の種々の形態を説明する。
図３は本発明の収差補正電子光学装置を低加速ＳＥＭの色収差補正に適用した本発明実施の１形態である。低加速ＳＥＭでは色収差が電子ビームの集束限界を決めており、色収差を小さくすることが顕微鏡像の分解能を向上させる。
【００１０】
９から出た電子線は電子銃レンズ８により、１ｋｅＶに加速され、電界型収差補正レンズ７にはいる。７には厚さ４ｍｍの板の中央に直径２ｍｍの中心孔を設けた３枚の円盤で構成した、アインツェルレンズが使われている。 その中央電極に電界レンズ制御電源１５から電圧を供給することにより、７にレンズ作用が発生する。 電子線は７の中で光軸と交叉した後７を出て磁界レンズ１に入る。 １の集束作用により電子線は再びｚ＝−４５ｍｍ〜−５０ｍｍの位置で光軸と交叉してその後は光軸から離れる方向に、即ち光軸からは発散するように電子線は進行する。 この電子線軌道を眺めると７と１とにより凹レンズが形成されていることが分る。 電子線はその後、対物レンズ１０に入って、１０のレンズ作用により試料１１上に焦点を結ぶ。 同図には計算機シミュレーションで求めたところの、エネルギーの異なる３本の電子線軌道１２，１３，１４も描いている。図４には１１の近傍の電子線軌道を光軸の方向に拡大して描いた。 この図によれば電子ビームに含まれていたエネルギーがそれぞれ０．９８ｋｅＶ、１．００ｋｅＶ、 １．０２ｋｅＶの３本の電子軌道１２，１３，１４が、１１上のほぼ同じ位置に集束する、即ち、この光学系ではエネルギーが違ってもほぼ同じ位置に結像し、色収差の補正がなされていることが示されている。 再び図３に戻って３本の電子線軌道の変化してゆく様子を眺めると、この電子光学系では光学における色消し原理と全く同じ原理で色収差補正が実行されていることが理解される。即ち、凹レンズ（７と１）でエネルギーの違いにより電子軌道の分散を発生させ、次に出会う凸レンズ（１０）で各エネルギーの電子線に対する屈折効果の整合が図られている。 色消しレンズでは、最初に出会うレンズにより、波長（＝色）の違いによる屈折率の違いにそって分光し、次に出会うレンズで特定の２色の光に対して屈折効果の整合が図られる。 光学における波長は電子光学においてはエネルギーに該当することは言うまでも無い。
色収差補正を実行するに必要な１５の出力精度を計算する。 顕微鏡像における色収差の大きさは、光学系の色収差係数をＣｃとするとき、Ｃｃに比例して大きく
とはすでに述べた事柄である。
【００１１】
図５には、１５の出力電圧Ｖｃｏｒを変えたときのＣｃの変化が計算されている。また、この実施例で使用した対物レンズのｆは、１．０７ｍｍと計算されている。図５は、もし、Ｖｃｏｒを−９３０．８Ｖに調節するとＣｃ＝０．０ｍｍとなり、この光学系では色収差が零となることをまず示している。 もし、Ｃｃを補正を行なわない場合の１／１０程度、即ち、±０．１ｆ（＝±０．１ｍｍ）程度以下に小さくしたければＶｃｏｒを−９３０．６Ｖから−９３１．０Ｖの範囲にＶｃｏｒを調節すればよいことが図５より読み取られる。
【００１２】
図６は本発明の収差補正電子光学装置を加速電圧１００ｋＶの透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）の球面収差補正に適用した本発明実施の他の１形態である。 この装置では収差補正用レンズ１６は孔径２ｍｍ、磁極間隔１ｍｍの磁界レンズで造られている。
また、このレンズの励磁用電流は磁界レンズ制御電源３３より供給される。 図６には、１６の励磁ＥｘをＥｘ＝３２．２７７Ａ／√Ｖに調節したときに、９から光軸に対する角度がそれぞれ、０．４０ｍｒａｄ，０．２７ｍｒａｄ，０．１３ｍｒａｄで出た電子線の軌道１７，１８，１９も描かれている。ｚ＝０．０ｍｍに設けられた１１の近傍での軌道の様子を、図４と同様に、図７に示す。 図７は、電子源から異なる角度で発射されたこれら３本の電子線が、１０により、１１のほぼ同じ位置に集束していることを示している。 即ち、この光学系では１６の励磁を３２．２７７に調節すると、種々の方向に発射された電子線が１１の同一位置に焦点を結ぶ、即ち、球面収差が零の状態で９の像が１１上に結像される。 ２の巻き数は１００００であり、かつ、電子線の加速エネルギーは１００ｋｅＶであるから３２．２７７の励磁は、３３より約１．０２Ａの電流を出力することにより得られる。 また、これらの軌道を眺めると、補正レンズ１６の部分に凹レンズが形成されている様子が明確に分
にクロスオーバーが形成されているため、１６を出ると発散する。
【００１３】
図８には図６の光学系に対して１６の励磁Ｅｘを３１．０Ａ／√Ｖから３３．５Ａ／√Ｖまで変えたときの光学系のＣｃとＣｓとを計算して示している。 丸印で示したように、Ｅｘが３２．１８１、ならびに３２．２７７の時にＣｓ＝０．０ｍｍとなり、Ｅｘが３１．３２０Ａ／√Ｖ、ならびに３３．１９０Ａ／√Ｖの時にＣｃ＝０．０ｍｍとなる。即ち、計算したＥｘの範囲では、球面収差を零にする補正レンズの励起条件、ならびに色収差を零にする補正レンズの励起条件がそれぞれ２つづつ在る。 ただし、Ｅｘが３２．１８１Ａ／√Ｖの球面収差完全補正条件は、Ｅｘに対するＣｓ変化の度合いが大きくてＣｓ＝０．０ｍｍには調節しきれないことと思われる。
表されることをすでに述べた。 もし、図６の球面収差補正光学系を使って、Ｃｓを従来装置の１／３程度以下、即ち０．１ｆ３より小さくしたいとするならば、１０のｆは１．０７ｍｍであるから、１６の励磁を３２．２６８Ａ／√Ｖから３２．２８９Ａ／√Ｖの間の値に設定すればよいことが、図８により分る。 この励磁は３３より１．０２０４０Ａ以上、１．０２１０７Ａ以下の電流を３３より供給する事によって得られる。
【００１４】
色収差も球面収差も同時に小さい値に抑えたい場合がある。 ところが、色収差と球面収差の成因には、電子線発射角に関係する事柄を除いては、関連性が全く無いので、ただ一つの収差補正器を使っていたのでは、これらの２つの収差を同時に零にすることは難しい。 図８では色収差を零に補正する１６の励磁と、球面収差を零に補正する１６の励磁と約１Ａ／√Ｖ違っている。 相互に関係の少ない２つの事象を互いにその最適値が得られるよう制御するには２つの制御器を設ける必要がある。
【００１５】
図９と図１０は、球面収差と色収差とを同時に補正できるように２つの収差補正用レンズを使って構築した本発明の更に他の１実施形態である。図９には、この色収差・球面収差同時補正光学装置で色収差補正が実行されていることを示す電子軌道が、また、図１０には球面収差補正が実行されていることを示す電子軌道が示されている。 ２つの収差補正用レンズとして、補正レンズＡ、２３、と補正レンズＢ、２４が使われている。 ２３には孔径２ｍｍ、磁極間隔４ｍｍの磁界レンズが使用され、励磁は１．７３４Ａ／√Ｖに調節されている。 ２４には、図６に示した１６が使用され、その励磁は４０．２６Ａ／√Ｖに調節されている。 このように２つの収差補正用レンズを備え、かつ、それぞれのレンズを上記の励磁で動作させることにより、色収差も球面収差も零に補正された。 この装置に使用した１０の焦点距離は約１０ｍｍと、従来の電子顕微鏡で使われてきた焦点距離の標準的な値に比べると長く設計されたので、この装置は試料上の大面積を走査する必要がある電子線描画装置や電子線加工機などに使えば特に有用である。
【００１６】
以上の実施形態に眺めてきたように、本発明の収差補正電子光学装置は収差補正用レンズと対物レンズとをシリーズに並べた構造で構成されている。 もし、収差補正用レンズと対物レンズとを合体させた構造のレンズを造れば、コンパクトでかつ製造原価も低い複合レンズが造れる。 コンパクトな複合レンズを造れば、現在使用中のＳＥＭやＴＥＭ、あるいはＥＢなどの対物レンズをその複合レンズに、簡易に置き換える可能性も発生する。
【００１７】
図１１は、その目的で構築した本発明の１実施形態である。 図１１に示した複合レンズ（以下、収差補正対物レンズと呼ぶ）で使われた磁極は２ｍｍの孔径を有する３枚の磁極でで２ｍｍずつ離して組み上げられている。 中央磁極と左側の磁極とで補正レンズ作用を発生し、中央磁極と右側の磁極とで電子線を１１上に集束させる。 図１１にはエネルギーの異なる３本の電子線の電子軌道２０、２１、２２、とこのレンズの内部に発生している磁界強度分布２６が示されている。これらの電子軌道、ならびに収差補正条件を計算するシミュレーションプログラムでは、まず、補正レンズ励磁用電源２７により、電子軌道が約−５１ｍｍの位置にクロスオーバーを持つように種々の励磁を与え、各励磁のもとで進行した電子軌道が次には、１１の上に焦点を結ぶよう、計算機が対物レンズ励磁用電源２８の励磁条件を自動的に計算し、設定するようにした。
【００１８】
図１２には、図１１の収差補正対物レンズの部分を光軸方向に拡大して示した。収差補正対物レンズに入射した電子線は２７によって２０．７１４Ａ／√Ｖの強さに励磁された収差補正用レンズにより光軸とクロスオーバーを結んだ後、３本の電子線２０，２１，２２に分散する。 分散した電子線は２８によって励磁された対物レンズにより再び集束されて１１上の同じ位置に焦点を結ぶ。 すなわち図１１、図１２はこのレンズで色収差補正が行なわれていることを示している。
この計算プログラムではこの複合レンズの焦点距離も同時に計算している。補正レンズの励磁Ｅｘに対してＣｃ／ｆを計算した結果を図１３に示す。｜Ｃｃ｜＜０．１・｜ｆ｜なるＣｃを得るにはＥｘを２０．６９０から２０．７３５の範囲に設定すればよい。
Ｅｘを２０．６９から２０．７４の範囲に設定すると色収差によるボケが従来の１／７程度に小さい電子顕微鏡像を得ることが出来る。。
【００１９】
【発明の効果】
本発明により、回転対称構造でかつ電子ビーム通過用中心孔を有する電子レンズを使用して任意のビーム加速電圧のもとに電子光学装置の収差補正ができるようになった。 近年、実用され始めた、多極子レンズを用いた収差補正光学系に比べると極めて低い価格で製造でき、かつ、はるかに少ない個所の調整で収差補正が実施される電子光学装置が提供できるようになった。 調整個所が少ないことは装置使用者の労力を軽減するとともに、常に安定した装置性能を与える。
【００２０】
収差の小さい電子ビームは、同じビーム電流値の条件で比較すると、収差の大きい電子ビームに比べて、より細く絞れる。 その結果、本装置を使用するとＳＥＭやＴＥＭにおいては、より高分解能の顕微鏡像が得られ、また、ＥＢにおいては、より微細な加工ができる。 また、同じ、ビーム細さの条件で比較すると、より大きな電流値で照射できる。 その結果、本装置をたとえばＸ線マイクロアナライザなどの分析装置に応用すれば、大電流ビームによる、より高感度の元素分析が出来、また、ＥＢに使えばより短時間で、すなわち、スループットの高い加工ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来使われてきた磁界型電子レンズも強く励磁すれば凹レンズとして動作することを説明する図。
【図２】図１の電子レンズに対する焦点距離（ｆ）対励磁（Ｅｘ）の計算結果
【図３】電界レンズで色収差補正レンズを構成し、色収差補正を行なった本発明の１実施形態
【図４】図３の１１近傍での電子軌道詳細図
【図５】７の中央電極への印加電圧Ｖｃｏｒを変えたときの色収差係数Ｃｃの変化
【図６】磁界レンズで球面収差補正補正レンズを構成し、球面収差補正を行なった本発明の１実施形態
【図７】図６の１１近傍での電子軌道詳細図
【図８】１６の励磁、Ｅｘを変えたときのＣｃとＣｓの変化
【図９】２つの磁界型補正レンズを使って球面収差補正と色収差補正との同時補正を行なった場合に色収差補正が実行されていることを示す電子軌道図
【図１０】図９の電子光学系で球面収差の補正も行なわれていることを示す電子軌道図
【図１１】収差補正レンズと対物レンズとを合体した複合レンズを使って色収差補正を実行したときの、レンズ形状、電子軌道、ならびに磁界強度分布を示す図。
【図１２】図１１の複合レンズ部の拡大図。
【図１３】図１１の補正レンズの励磁Ｅｘに対するＣｃとＣｃ／ｆの変化。
【符号の説明】
１…磁界レンズ、 ２…励磁用コイル、３…電子線軌道、
４…実効的凹レンズ、 ５…レンズ主面、 ６…焦点、 ７…電界型収差補正レンズ、 ８…電子銃レンズ、 ９…電子源、 １０…対物レンズ、
１１…試料、 １２…０．９８ｋｅＶのエネルギーを有する電子線の軌道、
１３…１．００ｋｅＶの電子線の軌道、 １４…１．０２ｋｅＶの電子線の軌道、 １５…電界レンズ制御電源、 １６…磁界型補正レンズ、
１７…９から光軸に対する角度が０．４０ｍｒａｄで発射された電子線の軌道、
１８…０．２７ｍｒａｄで発射された軌道、 １９…０．１３ｍｒａｄで発射された軌道、 ２０…９９．９９ｋｅＶのエネルギーを有する電子線、
２１…１００ｋｅＶのエネルギーを有する電子線、
２２…１００．０１ｋｅＶのエネルギーを有する電子線、
２３…補正レンズＡ、 ２４…補正レンズＢ、 ２５…クロスオーバー、
２６…磁界強度分布、
２７… 補正レンズ励磁用電源、 ２８…対物レンズ励磁用電源、
３２…見かけの電子軌道、
３３…磁界レンズ制御電源。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention uses an electron lens that focuses an electron beam by the action of a magnetic field or an electric field, such as a transmission electron microscope (TEM), a scanning electron microscope (SEM), and an electron beam writer (EB). In an electron optical device that focuses an electron beam emitted from an electron source and enlarges or reduces the image of the electron source on an electron irradiator, an aberration such as spherical aberration or chromatic aberration generated by an electron lens is minimized. The present invention relates to a design technique for manufacturing an electron optical device so as to provide an image with a higher resolution than before in a TEM, and to produce a thinner electron beam in a SEM or EB in a TEM. .
[0002]
[Prior art]
To obtain a clear image with an optical microscope, it is necessary to use a lens with small aberration. Also in the electron optical device, in order to obtain a finer electron beam or a microscope image with higher resolution, it is necessary to use an electron lens with as small an aberration as possible. Electron lenses include an electric field lens that refracts an electron beam by the force of an electric field and a magnetic field lens that refracts by the force of a magnetic field. The aberration generated by the magnetic lens is smaller than the aberration generated by the electric lens. Therefore, the magnetic lens is used in an electron optical device such as an electron microscope that requires high resolution. The main aberration that reduces the resolution is a magnitude proportional to the cube of the distance between the electron beam orbit and the central axis of the electron optical system (hereinafter referred to as the optical axis) (hereinafter referred to as the off-axis). There are spherical aberration that increases as the distance increases, and chromatic aberration that increases in proportion to the unevenness of the electron beam energy and the off-axis. In order to calculate the amounts of these two aberrations, the spherical aberration coefficient, Cs and the chromatic aberration coefficient, Cc, which are usually listed as the performance indexes of the electron optical system hardware, are used. As described above, since the aberration increases in proportion to the third power of the off-axis and the first power of the off-axis, Cs and Cc are closely related to the focal length f of the lens. Field of magnetic lens
[0003]
Since Cs varies substantially in proportion to f 3, in the conventional electronic optical device designed and focused on the use of as short as possible lenses f. On the other hand, in an optical device such as a camera, in order to reduce the aberration generated by the optical device to zero, an optical system in which a plurality of lenses including a concave lens and a convex lens are arranged in a series is used, and a positive value generated by the concave lens is used. A so-called aberration correction method has been used which cancels out the above aberration and the negative aberration generated by the convex lens. If this technique of aberration correction can be applied to an electron optical device, for example, a microscope with a much higher resolution than currently available electron microscopes can be produced. However, in the field of electron optics, a concave lens cannot be formed with an electron lens having a rotationally symmetric structure, and therefore, it has been considered that an electron optical apparatus having a rotationally symmetric structure cannot perform aberration correction as in optical equipment. Therefore, in recent years, a non-rotationally symmetric structure with respect to the optical axis, in which four to twelve rod-shaped electrodes or rod-shaped magnetic poles are arranged around the optical axis as used in a quadrupole mass analyzer. The aberration corrector using the multipole electron lens has been put to practical use. The practical use of this multipole electron lens has made it possible to correct aberrations even in an electron optical device. However, as can be inferred from the structure described above, this multipole electron lens has a complicated structure and a large number of lenses. The production of this lens requires high production costs because of the extremely high assembly accuracy required for the arrangement of the poles. In addition, since the number of adjustment parameters required to achieve the aberration correction is the same as the number of multipoles, there is a problem that an extremely complicated operation is required to achieve the aberration correction.
[0004]
As mentioned earlier, a concave lens cannot be made with a rotationally symmetric electron lens.However, by incorporating an electric field lens, a concave lens is partially formed inside the lens, and a rotationally symmetric electron lens is formed. There are two cases where aberration correction has been achieved by using. One example uses a thin-film electrostatic lens implemented by Nagoya University as described in "Journal of Electron Microscopy, Vol. 47 (1998), p. 185", and the other is " This is an electron optic system of an ultra-low acceleration voltage SEM commercialized by LEO, which is published in Microscopy and Analysis, Vol. 32 (2003), page 11. The former thin film lens uses an electric field lens. The electrodes used are made of a conductive thin film that does not have an electron beam passage hole. As a result, high-energy electron beams can pass through this thin-film electrode, but low-energy electron beams can pass through this lens. In addition, in the latter SEM for ultra-low accelerating voltage, as shown in the above-mentioned document, the acceleration voltage is set to zero volt for the first time. The difference is corrected. That is, there is a point that can not be practically the high electron-optical device having an acceleration voltage such as TEM.
However, the implementation of these two aberration corrections using a rotationally symmetric lens has been described in the field of electron microscopy since Shelzer's paper published in 1936. In fact, the expectation is that there may be an electron optical system that can correct aberrations even in a rotationally symmetric structure outside the range of the electron optical system conditions premised on the Scherzer theory? It is something to embrace.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a hole for passing an electron beam in view of a problem with an aberration correction technique in an electro-optical device implemented using a multipole lens or a rotationally symmetric structure electron lens as described in the preceding section. It is an object of the present invention to provide an aberration-correcting electron optical device that uses only an electrode having a rotationally symmetric structure or an electron lens formed of magnetic poles, and that can reduce the aberration of an electron beam having an arbitrary acceleration voltage to zero.
[0006]
[Means to solve the problem]
In order to achieve the above object, the aberration correcting electron optical device of the present invention uses a plurality of electron lenses having a rotationally symmetric structure conventionally used. A crossover (intersection between the beam and the optical axis) of at least one electron beam is formed therebetween, and a diverging lens action (= concave lens action) is produced at the crossover by providing the crossover. Therefore, the refractive index can be matched between the electron refraction effect produced by the diverging lens effect and the electron refraction effect produced by the converging lens effect (= convex lens effect) of the objective lens installed facing the electron irradiation body. In other words, the operating condition of the diverging lens is adjusted so as to focus on the same position on the electron irradiation body. The physics of achieving aberration correction by matching the refractive indices of the concave lens and the convex lens is, as described above, physics used in optical instruments, for example, as an achromatic lens. However, in optical instruments, the refractive index of a lens can take only a discrete value determined by the glass material, so that achromatization is performed only for two specific wavelengths of light while the focusing position matches. Since the refractive index in the electron optical system continuously changes in relation to the off-axis and the strength of the lens field, there is an excitation condition of the correction lens that makes the chromatic aberration coefficient zero.
As described above, the means for solving the problem used in the present invention is to provide a crossover of an electron beam between an electron source and an electron irradiator to form a concave lens, and the focal length of the concave lens, Although the means for electrically controlling f is provided, the principle of preparing a concave lens capable of controlling the refraction effect (= 1 / f) by this configuration will be described below.
[0007]
FIG. 1 shows that when a magnetic field lens 1 having a hole diameter of 3 mm and a magnetic pole interval of 3 mm is excited to 30 A / √V by applying a current to an exciting coil 2, it is emitted from an electron source 9 on the left and travels substantially parallel to the optical axis. The electron beam trajectory 3 is obtained by computer simulation and drawn. When the magnetic lens is so strongly excited, the electron trajectory intersects the optical axis at two positions, z = -0.2 mm and z = 3.6 mm. That is, this electron optical system has two first image points (crossovers) 25 at a position of a distance z = −0.2 mm and two second image points (focal points) 6 at a position of z = 3.6 mm. It has two image points. An inverted image of the light source is formed at 25 and an erect image is formed at 6. After that, the electron beam travels so as to diverge from the optical axis when exiting the lens. Looking at the electron trajectory before entering the lens and the electron trajectory after exiting outside the lens, the trajectory follows the path drawn as a thick two-dot chain line (apparent trajectory) 32, and after forming an erect image at 6 It appears as if it diverges. That is, this magnetic lens acts as an effective concave lens 4 shown in FIG. The difference from the optical path diagram of a glass concave lens which is usually seen is that, while 6 is a virtual image having no substance in the glass concave lens, a real image having a substance is projected with this electron lens.
In order to quantitatively confirm that the concave lens is formed, it is sufficient to check whether the focal length of this lens is a positive value or a negative value. FIG. 2 shows the result of calculating the focal length f of this lens with respect to the excitation Ex. According to FIG. 2, in this lens, when Ex is smaller than 29 A / ＥV, the focal length is a positive value, and when Ex is larger than 29 A / √V, the focal length is a negative value. That is, when Ex <29 A / √V, this lens has only one image of 9 and acts as a normal convex lens. When Ex> 29 A / √V, it acts as a concave lens having a negative value f. The fact that f of the lens takes a negative value when Ex = 30 A / √V can be clearly understood from FIG. That is, in FIG. 1, the principal surface (center plane of the refraction action) 5 of the lens assumed when Ex = 30 A / .DELTA.V is also drawn with a thick two-dot chain line, but when viewed from the right side of the diverging beam. The beam focus, 6, is to the left of 5, indicating that f <0.
[0008]
As described above, if the excitation of the electron lens is strengthened to produce an effective concave lens for electron optics, as described above, the spherical aberration can be reduced to zero by learning the principle of aberration correction used in the field of optical instruments. And an electron optical system having zero chromatic aberration. The point of the present invention is that the formation of a concave lens with a rotationally symmetric structure electron lens, which has heretofore been impossible, excites the electron lens so as to provide at least one crossover between the electron source and its real image. Has been found to be possible.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 3 shows an embodiment of the present invention in which the aberration correcting electron optical device of the present invention is applied to chromatic aberration correction of a low acceleration SEM. In low-acceleration SEM, chromatic aberration determines the convergence limit of the electron beam, and reducing the chromatic aberration improves the resolution of a microscope image.
[0010]
The electron beam emitted from 9 is accelerated to 1 keV by the electron gun lens 8 and enters the electric field type aberration correction lens 7. 7 uses an Einzel lens composed of three disks having a center hole having a diameter of 2 mm in the center of a plate having a thickness of 4 mm. By supplying a voltage from the electric field lens control power supply 15 to the center electrode, a lens action occurs in 7. The electron beam exits 7 after crossing the optical axis in 7 and enters the magnetic lens 1. Due to the focusing action of 1, the electron beam crosses the optical axis again at the position of z = −45 mm to −50 mm and thereafter travels in a direction away from the optical axis, that is, diverges from the optical axis. Looking at this electron beam trajectory, it can be seen that a concave lens is formed by 7 and 1. The electron beam then enters the objective lens 10 and focuses on the sample 11 by the action of the lens 10. FIG. 3 also shows three electron beam orbits 12, 13, and 14 having different energies obtained by computer simulation. FIG. 4 shows an electron beam orbit near 11 in an enlarged manner in the direction of the optical axis. According to this figure, three electron orbits 12, 13, and 14 whose energies contained in the electron beam are 0.98 keV, 1.00 keV, and 1.02 keV respectively are focused at almost the same position on 11; In this optical system, even at different energies, an image is formed at almost the same position, and it is shown that chromatic aberration is corrected. Referring back to FIG. 3 and observing the manner in which the three electron beam orbits change, it is understood that the chromatic aberration correction is performed in this electron optical system in exactly the same achromatic principle as in optics. That is, the dispersion of the electron trajectory is generated by the difference in energy between the concave lenses (7 and 1), and the refraction effect of each energy with respect to the electron beam is matched by the convex lens (10) encountered next. In an achromatic lens, the first encounter lens separates the light according to the difference in the refractive index due to the difference in wavelength (= color), and the second encounter lens matches the refraction effect for light of two specific colors. . It goes without saying that the wavelength in optics corresponds to energy in electron optics.
Calculate the fifteen output precisions required to perform chromatic aberration correction. The magnitude of the chromatic aberration in the microscope image increases in proportion to Cc when the chromatic aberration coefficient of the optical system is Cc.
Is what we have already said.
[0011]
In FIG. 5, the change of Cc when the output voltage Vcor of 15 is changed is calculated. In addition, f of the objective lens used in this example is calculated to be 1.07 mm. FIG. 5 first shows that if Vcor is adjusted to -930.8 V, then Cc = 0.0 mm, and chromatic aberration will be zero in this optical system. If Cc is to be reduced to about 1/10 of the case where no correction is performed, that is, if it is desired to reduce it to about ± 0.1f (= ± 0.1 mm) or less, Vcor falls within the range of −930.6V to −931.0V. It can be seen from FIG.
[0012]
FIG. 6 shows another embodiment of the present invention in which the aberration correcting electron optical device of the present invention is applied to spherical aberration correction of a transmission electron microscope (STEM) at an acceleration voltage of 100 kV. In this apparatus, the aberration correcting lens 16 is made of a magnetic lens having a hole diameter of 2 mm and a magnetic pole interval of 1 mm.
The excitation current for this lens is supplied from a magnetic lens control power supply 33. FIG. 6 shows that, when the excitation Ex of 16 is adjusted to Ex = 32.277 A / 角度 V, the electron beams emitted from 9 at angles of 0.40 mrad, 0.27 mrad, and 0.13 mrad from the optical axis, respectively. Trajectories 17, 18, and 19 are also depicted. FIG. 7 shows the state of the orbit near 11 provided at z = 0.0 mm, as in FIG. FIG. 7 shows that these three electron beams emitted at different angles from the electron source are focused by 10 at approximately the same position at 11. That is, in this optical system, when the excitation of 16 is adjusted to 32.277, the electron beams emitted in various directions focus on the same position of 11, that is, the image of 9 becomes 11 with zero spherical aberration. Imaged on top. Since the number of turns of 2 is 10000 and the acceleration energy of the electron beam is 100 keV, the excitation of 32.277 can be obtained by outputting a current of about 1.02 A from 33. Looking at these trajectories, it is clear that the concave lens is formed in the correction lens 16 portion.
Diverges when exiting 16 because a crossover is formed at
[0013]
FIG. 8 shows calculated values of Cc and Cs of the optical system when the excitation Ex of 16 is changed from 31.0 A / √V to 33.5 A / √V with respect to the optical system of FIG. As shown by the circles, Cs = 0.0 mm when Ex is 32.181 and 32.277, and Cc = 0.0 mm when Ex is 31.320 A / ΔV and 33.190 A / ΔV. It becomes. That is, in the calculated range of Ex, there are two excitation conditions for the correction lens that makes the spherical aberration zero and two excitation conditions for the correction lens that makes the chromatic aberration zero. However, it is considered that the spherical aberration perfect correction condition of Ex of 32.181 A / √V cannot be adjusted to Cs = 0.0 mm because the degree of change of Cs with respect to Ex is large.
It has already been stated that it is represented. If using the spherical aberration correcting optical system of FIG. 6, the following about 1/3 of the conventional device Cs, i.e. if you want to be smaller than 0.1f 3, since the 10 f is 1.07 mm, 16 It can be seen from FIG. 8 that the excitation of .gamma. Should be set to a value between 32.268 A / .DELTA.V and 32.289 A / .DELTA.V. This excitation can be obtained by supplying a current of 1.02040 A or more and 1.02107 A or less from 33.
[0014]
There are cases where it is desired to suppress both chromatic aberration and spherical aberration to a small value at the same time. However, the causes of chromatic aberration and spherical aberration have no relevance except for matters related to the electron beam launch angle, so if a single aberration corrector was used, these two aberrations would be reduced. It is difficult to zero at the same time. In FIG. 8, there is a difference of about 1 A / √V from the 16 excitations for correcting chromatic aberration to zero and the 16 excitations for correcting spherical aberration to zero. It is necessary to provide two controllers in order to control two events having little correlation with each other so as to obtain their optimum values.
[0015]
FIGS. 9 and 10 show still another embodiment of the present invention constructed using two aberration correcting lenses so that spherical aberration and chromatic aberration can be simultaneously corrected. FIG. 9 shows an electron trajectory indicating that chromatic aberration correction is being performed by the chromatic aberration / spherical aberration simultaneous correction optical device, and FIG. 10 shows an electron trajectory indicating that spherical aberration correction is being performed. Have been. Correction lenses A and 23 and correction lenses B and 24 are used as two aberration correction lenses. A magnetic field lens having a hole diameter of 2 mm and a magnetic pole interval of 4 mm is used for 23, and the excitation is adjusted to 1.734 A / √V. As for 24, 16 shown in FIG. 6 is used, and its excitation is adjusted to 40.26 A / √V. By thus providing two aberration correcting lenses and operating each of the lenses with the above-described excitation, both the chromatic aberration and the spherical aberration were corrected to zero. The 10 focal length used in this device is about 10 mm, which is designed to be longer than the standard value of the focal length used in conventional electron microscopes, so this device scans a large area on the sample. It is particularly useful if it is used for an electron beam lithography apparatus or an electron beam processing machine that needs to be used.
[0016]
As can be seen from the above embodiments, the aberration correcting electron optical device of the present invention has a structure in which an aberration correcting lens and an objective lens are arranged in series. If a lens having a structure in which an aberration correcting lens and an objective lens are combined is manufactured, a composite lens that is compact and has low manufacturing costs can be manufactured. If a compact compound lens is manufactured, there is a possibility that an objective lens such as an SEM, a TEM, or an EB currently in use is easily replaced with the compound lens.
[0017]
FIG. 11 shows an embodiment of the present invention constructed for that purpose. The magnetic poles used in the compound lens (hereinafter, referred to as an aberration correction objective lens) shown in FIG. 11 are three magnetic poles having a hole diameter of 2 mm and assembled at a distance of 2 mm. The central magnetic pole and the left magnetic pole generate a correcting lens effect, and the central magnetic pole and the right magnetic pole focus the electron beam on the beam 11. FIG. 11 shows electron orbits 20, 21, and 22 of three electron beams having different energies, and a magnetic field intensity distribution 26 generated inside the lens. In the simulation program for calculating these electron trajectories and aberration correction conditions, first, various excitations are applied by the correction lens excitation power supply 27 so that the electron trajectories have a crossover at a position of about −51 mm. Next, the computer automatically calculates and sets the excitation condition of the objective lens excitation power supply 28 so that the electron trajectory that has originally traveled is focused on 11.
[0018]
FIG. 12 shows an enlarged portion of the aberration correction objective lens of FIG. 11 in the optical axis direction. The electron beam incident on the aberration correcting objective lens is crossed with the optical axis by an aberration correcting lens excited to 27.714 A / √V by 27, and then the three electron beams 20, 21, 22 are formed. Disperse in. The dispersed electron beam is refocused by the objective lens excited by 28 and focuses on the same location on 11. That is, FIGS. 11 and 12 show that chromatic aberration correction is performed by this lens.
In this calculation program, the focal length of the compound lens is calculated at the same time. FIG. 13 shows the result of calculating Cc / f for the excitation Ex of the correction lens. To obtain Cc satisfying | Cc | <0.1 · | f |, Ex may be set in the range of 20.690 to 20.735.
When Ex is set in the range of 20.69 to 20.74, an electron microscope image in which blur due to chromatic aberration is as small as about 1/7 of the conventional one can be obtained. .
[0019]
【The invention's effect】
According to the present invention, aberration correction of the electron optical device can be performed under an arbitrary beam acceleration voltage by using an electron lens having a rotationally symmetric structure and a center hole for passing an electron beam. In recent years, it has become possible to provide an electron optical device that can be manufactured at an extremely low price as compared with an aberration correction optical system using a multipole lens, which has begun to be put into practical use, and in which aberration correction is performed with adjustment of far fewer points. became. Fewer adjustment points reduce the labor of the user of the apparatus and always provide stable apparatus performance.
[0020]
An electron beam with a small aberration can be narrowed down more narrowly than an electron beam with a large aberration when compared under the same beam current value condition. As a result, when this apparatus is used, a higher-resolution microscope image can be obtained in SEM and TEM, and finer processing can be performed in EB. Further, when compared under the same condition of the beam fineness, irradiation can be performed with a larger current value. As a result, if the present apparatus is applied to an analyzer such as an X-ray microanalyzer, more sensitive elemental analysis with a large current beam can be performed. Can be processed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating that a conventionally used magnetic field type electron lens operates as a concave lens when strongly excited.
FIG. 2 shows a calculation result of a focal length (f) versus an excitation (Ex) for the electron lens of FIG. 1; FIG. 3 shows an embodiment of the present invention in which a chromatic aberration correction lens is configured by an electric field lens and chromatic aberration correction is performed; 4 Detailed view of electron orbit near 11 in FIG. 3 FIG. 5 Change in chromatic aberration coefficient Cc when voltage Vcor applied to the central electrode is changed in FIG. 7 FIG. FIG. 7 is a detailed view of an electron trajectory near 11 in FIG. 6. FIG. 8 is a diagram showing changes in Cc and Cs when excitation and Ex are changed in FIG. 9 is an electron trajectory diagram showing that chromatic aberration correction is performed when spherical aberration correction and chromatic aberration correction are simultaneously performed using two magnetic field type correction lenses. [FIG. 10] FIG. Electron trajectory showing that spherical aberration is also being corrected [Figure 11] of using a compound lens obtained by combining the aberration correction lens and the objective lens when executing chromatic aberration correction, lens shape, shows electron trajectories, and magnetic field intensity distribution.
FIG. 12 is an enlarged view of the complex lens unit of FIG. 11;
FIG. 13 shows a change in Cc and Cc / f with respect to excitation Ex of the correction lens of FIG.
[Explanation of symbols]
1: magnetic field lens, 2: exciting coil, 3: electron beam orbit,
4: Effective concave lens, 5: Lens principal surface, 6: Focus, 7: Electric field aberration correction lens, 8: Electron gun lens, 9: Electron source, 10: Objective lens,
11: sample, 12: orbit of electron beam having energy of 0.98 keV,
13: trajectory of 1.00 keV electron beam, 14: trajectory of electron beam of 1.02 keV, 15: electric field lens control power supply, 16: magnetic field type correction lens,
The orbit of the electron beam emitted from 17 ... 9 at an angle to the optical axis of 0.40 mrad,
18: an orbit launched at 0.27 mrad; 19, an orbit launched at 0.13 mrad; 20 ... an electron beam having an energy of 99.99 keV;
21 ... an electron beam having an energy of 100 keV,
22 ... an electron beam having an energy of 100.01 keV,
23 correction lens A, 24 correction lens B, 25 crossover,
26 ... magnetic field strength distribution,
27: power supply for exciting the correction lens, 28: power supply for exciting the objective lens,
32 ... apparent electron orbit,
33: Magnetic lens control power supply.
