JP2005032588A - 電子顕微鏡用磁界型対物レンズ - Google Patents

Abstract

【課題】 磁性体試料を高分解能で観察することができる電子顕微鏡用磁界型対物レンズを提供する。
【解決手段】 電子顕微鏡用磁界型対物レンズは、光軸に沿う試料配置領域の近傍に磁場を発生させる第１磁界型レンズおよび第２磁界型レンズを有し、前記試料配置領域において、前記第１磁界型レンズおよび前記第２磁界型レンズによる磁場が互いに打ち消されてゼロになる。前記第１および第２磁界型レンズは、内側磁極および外側磁極を有し、内側磁極および外側磁極は試料に対面する環状のギャップを形成する。前記第１および第２磁界型レンズは、同一の構成を有し、光軸に垂直な試料の配置面に対して互いに面対称に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は電子顕微鏡用磁界型対物レンズに関する。より詳細には、例えば磁性体試料を高分解能で観察するのに好適な電子顕微鏡用磁界型対物レンズに関する。

従来より、高速の電子ビームを試料に照射し、電子ビームと試料との相互作用によって生じる二次電子や試料を透過した電子ビームなどを検出することにより、試料の原子レベルの構造を観察する装置として種々な型の電子顕微鏡が知られている。

前記電子顕微鏡において電子ビームを収束、結像するための対物レンズとして、磁界型対物レンズが知られている。磁界型対物レンズは、試料または試料近傍に強磁界を生成することにより、レンズの焦点距離を短縮するように改良されてきた。例えば、走査型電子顕微鏡においては、対物レンズの磁場中に試料を配置するインレンズ型、対物レンズの磁場を試料側にはみ出させるシュノーケル型などの磁界型対物レンズが採用されるようになった。このような磁界型対物レンズの改良は、電子顕微鏡の分解能の向上につながった。
特開２００１−０８４９４２号公報 「電子顕微鏡」 Ｖｏｌ．３５， Ｎｏ．１（２０００）

しかしながら、磁場に敏感な試料（磁性体試料）をこれらの電子顕微鏡で観察する場合、対物レンズの磁場によって試料の磁気的物性が変化するという問題があった。試料への影響を防ぐために、試料から離れた位置に対物レンズの磁場を設ける場合、対物レンズの焦点距離が長くなり、電子顕微鏡の分解能は低下してしまう。従って、磁性体試料を高い分解能で適正に観察することができなかった。

また、対物レンズの磁場が及ぼすローレンツ力（マクスウェル応力）は、磁性体試料に対して対物レンズに引き寄せるように働く。このため、磁性体試料が小さい場合には、試料を所定の観察位置に保持することが困難であった。さらに、磁性体試料の影響によって対物レンズの磁場が乱され、対物レンズのレンズ性能が劣化するという問題もあった。

本願発明は、このような従来の欠点を解決し、磁性体試料を高分解能で観察することができる電子顕微鏡用磁界型対物レンズを提供することを目的とする。

上記課題は、光軸に沿う試料配置領域の近傍に磁場を発生させる第１磁界型レンズおよび第２磁界型レンズを有し、前記試料配置領域において、前記第１磁界型レンズおよび前記第２磁界型レンズによる磁場が互いに打ち消されてゼロになる電子顕微鏡用磁界型対物レンズにより達成される。

第１磁界型レンズおよび第２磁界型レンズは、内側磁極および外側磁極を有し、内側磁極および外側磁極は試料に対面する環状のギャップを形成することが好ましい。

また、第１磁界型レンズおよび第２磁界型レンズは、同一の構成を有し、光軸に垂直な試料の配置面に対して互いに面対称に配置されることが好ましい。

従って、この発明によれば、高分解能で磁性体試料を観察することが可能な電子顕微鏡用磁界型対物レンズを提供することができる。

以下、図１乃至図５を参照しながら、本願発明による電子顕微鏡用磁界型対物レンズの実施形態を詳細に説明する。

この実施形態は、一般的には、光軸に沿う試料配置領域の近傍に磁場を発生させる第１磁界型レンズ２０および第２磁界型レンズ３０を有し、前記試料配置領域において、前記第１磁界型レンズ２０および前記第２磁界型レンズ３０による磁場は互いに打ち消されてゼロになる電子顕微鏡用磁界型対物レンズである。

より詳細には、以下の通りである。

図１は、本願発明による対物レンズの実施形態を含む走査型電子顕微鏡の構成を示す。走査型電子顕微鏡２は、電子ビームを発生する電子銃４と、電子ビームを収束する収束レンズ系１４と、電子ビームを偏向して試料上を走査させる走査コイル１６ａ、１６ｂと、電子ビームの焦点を試料上に合わせると共に二次電子を取り出す対物レンズ１８と、前記取り出された二次電子を検出する二次電子検出器４４と、を備える。

電子銃４は、好ましくは電界放出型電子銃から成る。電子銃４の陰極６と第一陽極８の間に印加された引き出し電圧により、陰極６の先端から電子ビーム１２が放出される。電子ビーム１２は、陰極６と第二陽極１０の間に印加された加速電圧により加速され、収束レンズ系１４に入射する。

収束レンズ系１４は、少なくとも１つの収束レンズ１４ａ、１４ｂを含む。この収束レンズ１４ａ、１４ｂは、好ましくは磁界型レンズを有する。電子ビーム１２は、収束レンズ１４ａ、１４ｂの磁場中を通過し、磁場のレンズ作用によって細く収束される。収束レンズ系１４を通過した電子ビーム１２は、試料上を２次元的に走査するように走査コイル１６ａ、１６ｂにより偏向され、後述する対物レンズ１８に入射する。

二次電子検出器４４は、対物レンズ１８を介して二次電子４２を検出し、電気信号として出力する。電気信号は、増幅器４６により増幅された後、表示装置５０に二次電子像を表示するための画像信号として利用される。表示装置５０の走査は、制御装置４８により制御され、走査コイル１６ａ、１６ｂによる電子ビーム１２の試料４０上の走査と同期して行なわれる。これにより、表示装置５０は、試料４０の表面の微細構造（例えば凹凸構造）を明暗のコントラストとして表現する二次電子像を表示することができる。

図２は、図１の対物レンズ１８の拡大図である。対物レンズ１８は、光軸に沿って相互に対向して上下に配置された第１磁界型レンズ２０および第２磁界型レンズ３０を有する。試料４０は、第１磁界型レンズ２０と第２磁界型レンズ３０の間の光軸上に配置される。

第１磁界型レンズ２０は、電源２８（図１）に接続された励磁コイル２２と、励磁コイル２２を被覆あるいは内蔵する磁気ヨーク２４とを有する。磁気ヨーク２４は、試料４０側（図２において下側）に設けられた環状の内側磁極２４ａおよび環状の外側磁極２４ｂを有する。

より詳細には、内側磁極２４ａと外側磁極２４ｂとの端縁により定められる環状の開口を含む面は、図２において光軸と直交するＸＹ平面と平行に設定される。また、内側磁極２４ａと外側磁極２４ｂの端縁の直径の比は、例えば１０：８２と定められる。これにより、内側磁極２４ａおよび外側磁極２４ｂの間には、試料４０に対面する環状のギャップ（空隙部）２６が形成される。なお、励磁コイル２２は、上から見て右回りに電流が流れるように巻回される。

上記構成により、第１磁界型レンズ２０では、試料４０の近傍に磁場Ｂ１を発生させる。より詳細には、電源２８から励磁コイル２２に励磁電流が供給されると、磁気ヨーク２４内に磁束が生じる。磁束は環状ギャップ２６から試料４０側に漏洩し、光軸を中心とする回転対称な第１の磁場Ｂ１（ベクトル）が試料４０の上方近傍に発生する。

図２に示すように、第１の磁場Ｂ１は、内側磁極２４ａから出て外側磁極２４ｂへ至る概略円弧状の磁力線を形成する。特に、試料位置において第１の磁場Ｂ１は、図２において下向きベクトルであり、Ｂｚ成分のみを有する。

同様に、第２磁界型レンズ３０は、電源３８（図１）に接続された励磁コイル３２と、励磁コイル３２を被覆あるいは内蔵する磁気ヨーク３４を有する。磁気ヨーク３４は、試料４０側（図２において上側）に設けられた環状の内側磁極３４ａおよび環状の外側磁極３４ｂを有する。内側磁極３４ａおよび外側磁極３４ｂの間には、試料４０に対面する環状のギャップ３６が形成される。なお、励磁コイル３２は、上から見て左回りに電流が流れるように巻回される。

上記構成により、第２磁界型レンズ３０では、試料４０の下方近傍に回転対称な第２の磁場Ｂ２が発生する。第２の磁場Ｂ２は、内側磁極３４ａから出て外側磁極３４ｂへ至る概略円弧状の磁力線を形成する。特に、試料位置において第２の磁場Ｂ２は、図２において上向きベクトルであり、Ｂｚ成分のみを有する。

第１磁界型レンズ２０および第２磁界型レンズ３０は、好ましくは同一の構成を有する。より好ましくは、これらの同一構成を有する第１磁界型レンズ２０および第２磁界型レンズ３０は、光軸に垂直な試料４０の配置面に対して互いに面対称に配置される。これにより、第１磁界型レンズ２０および第２磁界型レンズ３０に等しい励磁電流を供給することによって、試料４０における磁場Ｂの光軸方向成分（ｚ成分）Bｚをゼロにすることできる。

なお、試料４０と第１磁界型レンズ２０あるいは第２磁界型レンズ３０との間隔が異なる場合、各レンズ２０および３０へ供給する励磁電流を調整することにより、試料位置における第１磁場Ｂ１および第２磁場Ｂ２のｚ成分が相互に打ち消しあうようにすることができる。

図３は、前記対物レンズによって発生する重畳磁場Ｂ（＝Ｂ１＋Ｂ２）のｚ成分Ｂｚの光軸上における分布を示す。横軸Ｂｚは、磁場強度（Ｔ：テスラ）を表す。縦軸Ｚは、光軸上の位置、すなわち試料位置（光軸上において試料４０が置かれている位置）からの距離（ｍｍ）を表す。

図３の磁場分布は、有限要素法を用いた数値シミュレーションによって得られたものである。図４は、シミュレーションに用いた磁界型対物レンズの構成を示す。図示のとおり、第１磁界型レンズ２０および第２磁界型レンズ３０のヨーク２４、３４は同様の断面寸法を有する。すなわち、その外径は１７６ｍｍ、高さ（ｚ方向寸法）は８５ｍｍ、内側磁極２４ａ、３４ａの端縁の直径は１０ｍｍ、外側磁極２４ｂ、３４ｂの端縁の直径は８２ｍｍである。両レンズの内側磁極２４ａ、３４ａの間の距離は５０ｍｍであり、試料４０は双方から２５ｍｍの中央位置に配置される。また、このシュミレーションでは１００ｋｅＶの入力電子線を想定し、第１磁界型レンズ２０および第２磁界型レンズ３０の上下コイル２２ａ、２２ｂ、３２ａ、３２ｂの起磁力を２２５０ＡＴ（アンペアターン）とした。

図３に示されるように、試料位置（点Ｏ）において重畳磁場Ｂのｚ成分Ｂｚはゼロである。より詳細には、第１磁場Ｂ１のｚ成分は、逆方向で同じ大きさの第２磁場Ｂ２のｚ成分によって打ち消される。これにより、試料４０が磁性体であっても、その磁気的特性を乱すことなく試料４０を観察することができる。また、試料４０に対してローレンツ力が働かないので、試料４０は対物レンズ１８に引き寄せられることなく所定の観察位置に保持される。

図３にｚ１で示される試料４０の上方（第１磁界型レンズ２０側）近傍において、重畳磁場Ｂのｚ成分Ｂｚ（１）は極大となる。このような磁場ｚ成分Ｂｚの分布は対物レンズ１８に入射した電子ビーム１２に対して凸レンズとして作用し、電子ビーム１２は螺旋を描きながら収束される。これにより、対物レンズ１８は、電子ビーム１２の焦点を試料４０の上面に合わせることができる。また、電子ビーム１２により試料４０からはじき出された二次電子４２を取り出すことができる。

磁場ｚ成分Ｂｚの分布は、第１磁界型レンズ２０および第２磁界型レンズ３０の励磁電流を調整することによって変化する。従って、第１磁界型レンズ２０および第２磁界型レンズ３０の励磁電流を大きく（強励磁に）することにより、試料４０の上方近傍における磁場ｚ成分Ｂｚは、より急峻な分布を示し、焦点距離が短いレンズとして作用する。これにより、走査型電子顕微鏡２において高分解能で試料を観察することができる。

図５は、本願発明による対物レンズの実施形態を含む透過型電子顕微鏡の構成を示す。図示のとおり、透過型電子顕微鏡５２は、電子ビームを発生する電子銃５４と、電子ビームを細く収束して試料に照射する収束レンズ系６４と、試料を透過した電子像を拡大する対物レンズ６８と、拡大された電子像をさらに拡大する中間レンズ９２および投影レンズ９４と、電子像を光に変える蛍光板９６と、を備える。

電子銃５４および収束レンズ系６４は、図１の走査型電子顕微鏡２における電子銃４および収束レンズ系１４と同様の構成を有する。電子銃５４から放出された電子ビーム６２は、収束レンズ系６４により細く収束され、後述の対物レンズ６８に入射する。

中間レンズ９２および投影レンズ９４は、試料９０を透過して対物レンズ６８により拡大された電子ビーム６２をさらに拡大し、蛍光板９６上に結像させる。蛍光板９６上の投影像は、撮像装置９８により撮像され、表示装置１０２の画面に表示される。

図６は、図５の対物レンズ６８の拡大図である。対物レンズ６８は、光軸に沿って相互に対向して上下に配置された第１磁界型レンズ７０および第２磁界型レンズ８０を有する。試料９０は、第１磁界型レンズ７０と第２磁界型レンズ８０の間に配置される。

第１磁界型レンズ７０は、電源７８（図５）に接続された励磁コイル７２と、励磁コイル７２を被覆あるいは内蔵する磁気ヨーク７４とを有する。磁気ヨーク７４は、試料９０側（下側）に設けられた環状の内側磁極７４ａおよび環状の外側磁極７４ｂを有する。内側磁極７４ａおよび外側磁極７４ｂの間には、試料９０に面する環状のギャップ７６が形成される。

同様に、第２磁界型レンズ８０は、電源８８（図５）に接続された励磁コイル８２と、励磁コイル８２を被覆あるいは内蔵する磁気ヨーク８４とを有する。磁気ヨーク８４は、試料９０側（上側）に設けられた環状の内側磁極８４ａおよび環状の外側磁極８４ｂを有する。内側磁極８４ａおよび外側磁極８４ｂの間には、試料９０に面する環状のギャップ８６が形成される。

第１磁界型レンズ７０は、試料９０の上方近傍に回転対称な第１の磁場Ｂ１を発生させる。同様に、第２磁界型レンズ８０は、試料９０の下方近傍に回転対称な第２の磁場Ｂ２を発生させる。これらの磁場Ｂ１、Ｂ２による重畳磁場のｚ成分の光軸上における分布は、走査型電子顕微鏡２の場合と同様に図３に示される。

図３に点Ｏで示される試料位置において、第１磁場Ｂ１と第２磁場Ｂ２のｚ成分が打ち消しあい、重畳磁場Ｂのｚ成分Ｂｚはゼロである。これにより、試料９０が磁性体であってもその磁気的特性を乱すことなく観察することができる。また、試料９０にはローレンツ力が働かないので、試料９０は対物レンズ６８に引き寄せられることなく、所定の観察位置に保持される。

図３にｚ１で示される試料９０の上方（第１磁界型レンズ７０側）近傍において、重畳磁場Ｂのｚ成分Ｂｚ（１）は極大となる。このような磁場分布は、対物レンズ６８に入射した電子ビーム６２に対してレンズとして作用し、電子ビーム６２は螺旋を描きながら収束される。

この収束作用により電子ビーム６２の径が所望の寸法よりも小さくなることを防ぐため、電子ビーム６２を拡大するためのミニコンデンサレンズ６６（図５）を対物レンズ６８の上方に設けてもよい。あるいは、収束レンズ６４ａ、６４ｂの励磁電流により、第１磁界型レンズによる電子ビーム６２へのレンズ作用を調整してもよい。

第１磁界型レンズ７０および第２磁界型レンズ８０は、好ましくは同一の構成を有する。より好ましくは、これらの同一構成を有する第１磁界型レンズ７０および第２磁界型レンズ８０は、試料９０の配置面に対して互いに面対称に配置される。この場合、第１磁界型レンズ７０および第２磁界型レンズ８０に等しい励磁電流を供給することによって、試料９０の磁場をゼロにすることできる。

なお、図３に示すように、試料上方近傍ｚ１における磁場ｚ成分Ｂｚ（１）と試料下方近傍ｚ２における磁場ｚ成分Ｂｚ（２）は、逆極性で同じ大きさとなる。従って、試料上方における電子ビーム６２の回転量は、試料下方における電子像９１の回転量と逆向きで等しくなる。これにより、最終的に得られる試料９０の観察像を対物レンズ６８による像回転を考慮して補正する必要がない。

以上説明したように、前記対物レンズ１８、６８は電子顕微鏡における試料の観察において、以下の効果を奏する。

（１）試料が磁性体であっても、試料の磁気的特性を乱すことなく観察することができる。

（２）試料が磁性体であっても、ローレンツ力により対物レンズに引き寄せられることがなく、所定の位置に保持される。

（３）高分解能で試料を観察することができる。

なお、本願発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものではない。例えば、第１磁界型レンズおよび第２磁界型レンズのギャップの形状は、光軸に対して回転対称な磁場を形成することができればよい。従って、内側磁極および外側磁極の端縁によって定められる開口を含む面は、必ずしも光軸に垂直なＸＹ平面に平行でなくてもよい。

また、第１磁界型レンズおよび第２磁界型レンズの磁場を必要に応じて調整することにより、レンズ２０、３０またはレンズ７０、８０を油浸レンズ（２つの磁場の極性を同じにする）、ズームレンズ（２つの磁場の大きさを調整する）として使用することができる。

図１は、本願発明による対物レンズの実施形態を含む走査型電子顕微鏡の構成を示す概略図である。 図２は、図１の対物レンズの拡大図である。 図３は、対物レンズによって発生する光軸上の磁場分布を示す図である。 図４は、図３の磁場分布を発生する対物レンズの構成を示す。 図５は、本願発明による対物レンズの実施形態を含む透過型電子顕微鏡の構成を示す。 図６は、図５の対物レンズの拡大図である。

符号の説明

２ 走査型電子顕微鏡
４、５４ 電子銃
６、５６ 陰極
８、５８ 第一陽極
１０、６０ 第二陽極
１２、６２ 電子ビーム
１４、６４ 収束レンズ系
１４ａ、１４ｂ、６４ａ、６４ｂ 収束レンズ
１６ａ、１６ｂ 走査コイル
１８、６８ 対物レンズ
２０、７０ 第１磁界型レンズ
２２、３２、７２、８２ 励磁コイル
２４、３４、７４、８４ 磁気ヨーク
２４ａ、３４ａ、７４ａ、８４ａ 内側磁極
２４ｂ、３４ｂ、７４ｂ、８４ｂ 外側磁極
２６、３６、７６、８６ ギャップ
２８、３８、７８、８８ 電源
４０、１００ 試料
４２ 二次電子
４４ 二次電子検出器
４６ 増幅器
４８、１００ 制御装置
５０、１０２ 表示装置
５２ 透過型電子顕微鏡
６６ ミニコンデンサレンズ
９１ 電子像
９２ 中間レンズ
９４ 投影レンズ
９６ 蛍光板
９８ 撮像装置

Claims (3)

1. 光軸に沿う試料配置領域の近傍に磁場を発生させる第１磁界型レンズおよび第２磁界型レンズを有し、
   前記試料配置領域において、前記第１磁界型レンズおよび前記第２磁界型レンズによる磁場が互いに打ち消されてゼロになる電子顕微鏡用磁界型対物レンズ。
2. 前記第１および第２磁界型レンズは、内側磁極および外側磁極を有し、内側磁極および外側磁極は試料に対面する環状のギャップを形成する請求項１の電子顕微鏡用磁界型対物レンズ。
3. 前記第１および第２磁界型レンズは、同一の構成を有し、光軸に垂直な試料の配置面に対して互いに面対称に配置される請求項１の電子顕微鏡用磁界型対物レンズ。

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