JP2006210254A

JP2006210254A - 磁場レンズ

Info

Publication number: JP2006210254A
Application number: JP2005023575A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tanaka; 浩田中
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】電子ビーム装置、特に大電流で小直径なビームが必要とされるプローブフォーミングシステム（スポットビーム型電子線露光装置、分析用電子顕微鏡など）の電子銃に使用する磁場レンズに関し、超高真空雰囲気に適合し、かつワブリング動作が可能な磁場レンズを提供する。
【解決手段】中心軸Ｃの方向に着磁しその中心軸Ｃに対し軸対称な、超高真空雰囲気に露出した永久磁石１１と、その永久磁石１１を中心軸Ｃの方向両側から挟む、中心軸Ｃに対し軸対称な軟磁性材の一対の磁極１３，１４と、永久磁石１１の外周側に中心軸Ｃと同心に巻回された、超高真空雰囲気に露出したコイル１２とを備えた。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子ビーム装置、特に大電流で小直径なビームが必要とされるプローブフォーミングシステム（スポットビーム型電子線露光装置、分析用電子顕微鏡など）の電子銃に使用する磁場レンズに関する。

現在では上記のような装置の電子銃には、動作が安定でかなりの高平均輝度が得られるＺｒＯ／Ｗ拡張ショットキーエミッタが広く用いられている。さらにより一層の大電流と小直径の両立を狙って、電子銃の電子レンズに磁場レンズを用い、その磁場を陰極近傍から加速領域にかけて加える、磁界重畳型のＺｒＯ／Ｗ拡張ショットキー放出電子銃が提案／実用化されている（例えば、特許文献１〜９、非特許文献１〜３参照）。

また、市販されているＺｒＯ／Ｗ拡張ショットキーエミッタとして、サプレサ電極とそこから０．２ｍｍほど突き出した陰極先端、および反対側に突き出した二本のフィラメントステムを有するものが知られている。その構造と動作条件は、例えば非特許文献４，５に詳述されている。それらによれば、このエミッタから安定した電子放出が得られるのは、熱放出電子が主だが無視できない量の電界放出電子も混在する拡張ショットキー放出領域であり、その通称であるＴＦＥ（ＴｈｅｒｍａｌＦｉｅｌｄＥｍｉｔｔｅｒ）とは一致していないため、ここでは拡張ショットキーエミッタと記述している。

平均輝度の低下を防ぐなど性能の向上には、これらのような電子銃の中でも陰極先端付近に強い磁場をかけることが有効だが、充分強い電磁レンズを陰極電位や引出電極電位といった負の高電位に配置することは、コイルの発熱による真空度の悪化や電源の複雑化を引き起こす。そのため、ＺｒＯ／Ｗ拡張ショットキーエミッタを使った磁界重畳型の電子銃においても、電磁石の代わりに永久磁石を使用した磁場レンズを負の高電位に配置した電子銃が提案され（例えば、特許文献１０〜１２参照）、また我々も実験でその有効性を確かめることができた。

しかしながらこの場合には、永久磁石で磁場を発生させているためにその磁場強度が固定されてしまい、電磁石で磁場を発生させる場合に通常行われているワブリング動作ができず、レンズ磁場の中心軸を見つけてそこに電子ビームを通すという、寄生収差を低減する方法をとることができない。ただしこのこと自体は、永久磁石とコイルとを併設した磁場レンズとすることで解決することができる。

ここで、ワブリング動作とは、コイルに流す電流を周期的にわずかに変化させることで磁場レンズの強度を同様に周期的に変化させることをいい、このときレンズ磁場の軸外をビーム軸とする近軸軌道は、その焦点がぼけるだけでなくレンズ磁場の軸線との相対的な距離が周期的に変化するという特徴的な振る舞いを示すため、レンズ磁場の軸とビーム軸とのズレを認識することが可能となる。

永久磁石とコイルを併設した磁場レンズは、例えば、特許文献１３，１４にて公知である。しかしながらこれらの特許文献１３，１４では、コイルは永久磁石の内周側に配置されており、新たに次のような課題が生じる。
ａ．コイルを配置する分だけ永久磁石の内径が大きくならざるを得ず、磁場を集中させたい中心軸から永久磁石が遠ざかってしまうために、同じ体積で内径が小さい永久磁石を用いた場合よりも中心軸近傍の磁場が弱くなってしまう。
ｂ．配線を外部へ通すために、あるいはコイルを固定するために、中心軸に近いところで磁極に非軸対称な加工を施さなければならず、非軸対称な寄生収差発生の一因となり得る。その影響を小さくするために、中心軸から離れたところで加工を施そうとするならば、それにつれて永久磁石はますます中心軸から遠ざかってしまう。

これらの課題を部分的にだが解決する、コイルは永久磁石の外周側に位置しかつコイルと永久磁石とを磁極などで囲った閉空間の中に配置しかつそれらからなる磁極ユニットを超高真空中に配置する技術が、特許文献１５に開示されている。
特表２００２−５３８５９６号公報特開２００１−３１２９８６号公報特開２０００−３６８９号公報特開平１０−１８８８６８号公報特開平９−７５３８号公報特開平６−１３９９７６号公報特許第３３２５９８２号公報特許第２８３５２６５号公報特許第２７７５０７１号公報特開平１１−９７３３２号公報特開２０００−３６８９号公報特開２００１−２８３７５７号公報特許第１９２６１４１号公報特開昭５９−１４２４２号公報特開２０００−９０８６６号公報 "ウェハ検査用高速大電流ＳＥＭ光学系"ＬＳＩテスティングシンポジウム／２０００会議録１５１−１５６ "多目的高分解能ＴＦＥＳＥＭによる分析"日本電子技術資料 "Ａｎｅｗｄｅｓｉｇｎｏｆｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏｎｅｌｅｃｔｒｏｎｇｕｎｗｉｔｈａｍａｇｎｅｔｉｃｌｅｎｓ" Ｏｐｔｉｋ８１（１９８９）１０３−１０８） "ＡＲｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅＺｒＯ／ＷＳｃｈｏｔｔｋｙＣａｔｈｏｄｅ" ＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＣｈａｒｇｅｄＰａｒｔｉｃｌｅＯｐｔｉｃｓ，ＣＲＣＰｒｅｓｓ（１９９７）７７−１０２ "熱電界放射電子源"電子・イオンビームハンドブック第３版，日刊工業新聞社（１９９８）１２７−１３３

しかしながらここでも新たな課題が発生している。上掲の特許文献１５では、閉空間の「気密封止部の封止が高精度であれば、通常の永久磁石でガス放出のあるものも使用できる」としており、暗に気密封止部の封止は必ずしも高精度なものでなくても良く、永久磁石やコイルに「ガス放出を防止する」表面処理がなされていれば足りる、としている。しかし実際にはこれは非現実的であり、閉空間の中に配置するのであれば「気密封止部の封止が高精度」でなければならないことを以下に示す。

先ず、永久磁石とコイルとを配置した閉空間は独立した真空ポンプで排気されているわけではないという事実がある。従って「気密封止部の封止が高精度」であれば内部が大気圧に近いままで周囲の超高真空と両立するのであり、この場合の高精度な封止とは、現実的なイオンポンプの排気速度から見積もればリークレイトにして１０^-9Ｐａ・ｍ³／ｓ台以下の漏れに収まっている状態のことと考えられる。これに対してよりリークレイトが大きい精度が低い封止については、次のことを考慮しなければならない。

その取り扱いの履歴や表面処理によりガス放出速度は大幅に変わるとはいえ、およそ大気中に放置された経験を持つ如何なる表面層もその表面／層内にガス分子を吸着／吸収しており、完全に「ガス放出を防止する」表面処理というものは存在しない。ＺｒＯ／Ｗ拡張ショットキーエミッタが安定に動作する１０^-7Ｐａ台以下の圧力を現実的な時間内で実現するには、いかに早くこのガス分子を系内から排出してしまえるのかにかかっている。そこで充分な排気速度がある真空ポンプによって連続的に排気されている状態のもとで、ベーキング処理などにより意図的に一時的にガス放出速度を増加させ、表面層に存在するガス分子数を早く減少させることが行われる。

ところが今の場合、閉空間は超高真空にしようとしている周囲の空間と精度が低い封止によってつながっているのみであり、そこを排気する独立した真空ポンプを持たないことから、閉空間内部のガス分子はこの精度が低い封止という排気のコンダクタンスが小さい経路を通して徐々にしか系外に排出できず、またその排出過程そのものが超高真空にしようとしている周囲の空間へのガス負荷となってしまう。真空技術の分野で言うところのいわゆる”擬似漏れ”が起こっている状態であり、この負荷は非現実的な程に長時間が経過
した後であれば、永久磁石等に施したガス放出速度が小さくなる表面処理により確かに問題ないレベルにまで低下するであろうが、その途中ではこの負荷が原因となって逆に周囲の空間は超高真空にならなくなってしまう。

このことをもとに整理すると次のような課題がある。
ｃ．永久磁石とコイルを閉空間内に配置するのであれば、気密封止部の封止は「通常の永久磁石でガス放出のあるものも使用できる」ほどに高精度でなければならない。閉空間内は大気圧に近いことから、エラストマー製Ｏリングによる封止ではＯリング内を透過してくるガス分子の放出が無視できず、純鉄など比較的柔らかい軟磁性材で出来ている磁極を塑性変形させるほど強く金属製ガスケットを押しつけて封止する必要があり、これも非現実的である。
さらに次の課題もある。
ｄ．ここで必要な永久磁石は極めて強力であり、上下の磁極を吸いつけてしまうと再度分解することは難しい。よく行われるように永久磁石を覗ける貫通したメネジを磁極に切っておき、そこにオネジをねじ込んで押すなど力ずくで引き剥がそうとすれば、多孔質である永久磁石からのガス放出を抑制するために施した表面被覆処理を傷つけてしまう。またそもそも永久磁石とコイルとを磁極がその壁の一部を成している閉空間に配置する場合には、永久磁石を覗ける貫通したメネジを磁極に切ることからして出来ない。このような訳でつまりコイルを取り外すことは難しく、コイルに障害が発生してもその交換は困難である。

本発明は、上記事情に鑑み、超高真空雰囲気に適合し、かつワブリング動作が可能な磁場レンズを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の磁場レンズは、所定の中心軸に沿って進行する電子を磁場によって集束させる磁場レンズにおいて、
上記中心軸の方向に着磁しその中心軸に対し軸対称な、超高真空雰囲気に露出した永久磁石と、
その永久磁石を上記中心軸の方向両側から挟む、その中心軸に対し軸対称な軟磁性材の一対の磁極と、
上記永久磁石の外周側に上記中心軸と同心に巻回された、超高真空雰囲気に露出したコイルとを備えたことを特徴とする。

ここで、上記本発明の磁場レンズにおいて、上記コイルは、ワブリング動作用に磁場を変調するためのコイルであることが好ましく、この磁場レンズが、上記中心軸に沿って進行する電子を放出する電子銃の陰極の負電位近傍の負電位に置かれていることも好ましい形態であり、また、上記コイルは、非磁性のコイル支え部材に支持され、そのコイル支え部材が着脱自在に固定されたものであることも好ましい形態である。

本発明によれば、超高真空雰囲気に適合し、かつワブリング動作が可能となる。

ここで、特許文献１３，１５に開示されているように定常的に一定電流を流して永久磁石が作る磁場を補おうとするのであれば、外周側にコイルを配置したのでは磁場集中の効率が悪い分だけ内周側に配置した場合以上の電流値が必要となり、コイルの発熱がますます問題となる。これに対しワブリング動作で必要となる磁場の強さは、永久磁石が作り出す磁場のピーク値を１／１００未満の範囲内で周期的に変化させるだけでよいので、外周側の配置でも発熱の問題は無視できる程度の電流値ですむ。つまり永久磁石の外周側にコイルを配置した磁場レンズでも、コイルに周期的に変化する電流を流せば磁場レンズの強度はそれに応じて周期的に変化し、ワブリング動作が可能となって、レンズ磁場の中心軸を見つけてそこに電子ビームを通せるようになる。

以下では、先ず、永久磁石の内周側にコイルを配置した場合と外周側に配置した場合を比較して説明し、次いで、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、永久磁石の内周側にコイルを配置した場合（Ａ）と、外周側に配置した場合（Ｂ）の、磁場レンズの断面模式図である。

また、図２は、図１に示す磁場レンズ１０Ａ，１０Ｂにおける、コイルが作る磁場を示す図である。

図１（Ａ）に示す磁場レンズ１０Ａの場合、中心軸Ｃと同心に巻回されたコイル１１Ａと、その外周側に、やはり中心軸Ｃを軸とした円筒形の永久磁石１２Ａが配置され、それらコイル１１Ａと永久磁石１２Ａは、中心軸Ｃの方向両側から一対の磁極１３Ａ，１４Ａで挟まれている。

また、図１（Ｂ）に示す磁場レンズ１０Ｂの場合、中心軸Ｃを軸とした円筒形の永久磁石１２Ｂが配置され、その永久磁石１２Ｂの外周側に、中心軸Ｃと同心に巻回されたコイル１１Ｂが配置され、それら永久磁石１２Ｂとコイル１１Ｂが、中心軸Ｃの方向両側から一対の磁極１３Ｂ，１４Ｂで挟まれている。

一見すると、図１（Ａ）ではコイルは磁性材に周囲を取り囲まれてその作る磁場が中心軸付近に集中するのに対して、図１（Ｂ）ではコイルが作る磁場は磁性材に遮られてむしろ中心軸付近からは排除されてしまうように錯覚されるが、これは正しくない。外部から加えられた磁場の永久磁石内の通りやすさを示す、永久磁石素材自身の比透磁率は１に非常に近く、磁極素材である軟磁性材の比透磁率数十〜数万と比べると桁違いに小さい。つまりコイルが作る磁場に対しては、永久磁石は周囲の真空と同じで特に優先的な磁路とはならず、磁場レンズを電磁石として見た場合のその磁気回路としての断面模式図は図２に近い。磁力線で模式的に図示したように、永久磁石の内周側にコイルを配置した場合（図２（Ａ））だけでなく、外周側に配置した場合（図２（Ｂ））でも、集中の効率は多少は低下するが中心軸付近には集中した磁場が得られる。

図３は、本発明の第１実施形態としての磁場レンズの断面図である。

この図３では、中心軸Ｃをはさんで右と左では異なる位相での磁場レンズの断面を描いてあり、また断面よりも奥に見える稜線は誤解を生じない程度に省略してある。

この図３に示す磁場レンズ１０は、その全体が超高真空の筐体内に配置されており、その全体が超高真空雰囲気にある。

この磁場レンズ１０には、永久磁石１１が備えられている。この永久磁石１１は、中心軸Ｃが延びる上下方向に着磁しており、その中心軸Ｃに対し軸対称な円筒形を有し、この磁場レンズ１０が置かれた超高真空雰囲気に露出している。

また、この磁場レンズ１０には、永久磁石１１を中心軸Ｃが延びる上下方向両側から挟む、その中心軸に対し軸対称な軟磁性材の、第１の磁極１３および第２の磁極１４が備えられている。

さらに、この磁場レンズ１０には、永久磁石１１の外周側に、中心軸Ｃと同軸に巻回されたコイル１２が備えられている。このコイル１２は、ワブリング動作用に磁場を変調するためのコイルであって、非磁性のコイル支え部材２１に支持され、留めネジ２２により固定されている。永久磁石１１は極めて強力な磁石であるが、コイル支え部材２１は非磁性材料からなり、また、コイル１２は永久磁石１１の外周側に配備されているため、このコイル１２に断線等の不具合が発生したときは、留めネジ２２を外すことによりそのコイル１２をコイル支え部材２１とともに容易に取り外すことができる。

また、この磁場レンズ１０には、上記した永久磁石１１、コイル１２、第１および第２の磁極１３，１４の組立体の周囲を取り囲むようにヨーク１５が配置され、そのヨーク１５の上部には、中心軸Ｃを円形に取り巻く第３の磁極１６が備えられている。このヨーク１５にはその周囲８ヵ所に切欠き１７が設けられており、又、コイル１２からは配線１８が延びている。

図３に示す磁場レンズ１０は以上の構成を有するものであり、以下では、この磁場レンズ１０についてさらに詳細に説明する。

この図３において、永久磁石１１は、残留磁束密度１．１１Ｔ、保持力８６４ｋＡ／ｍ、最大エネルギー積２４０ｋＪ／ｍ³のＮｄＦｅＢ希土類磁石で、２１０℃程度までの高温にも耐える高耐熱品種である。その表面には真空中でのガス放出速度を小さくするために厚さ５μｍの窒化チタン被膜処理がなされており、着磁して磁場レンズに組み込まれた後に高真空中にて２００℃ ５ｈ以上のエージング（熱枯らし）処理が行われている。

この永久磁石１１は上下を第１および第２の磁極１３，１４に挟まれ、第２の磁極１４の孔径は３ｍｍであって第１の磁極１３の孔径２４ｍｍの１／８であり、電磁レンズでいうところの所謂ピンホールレンズを形成している。なおここでは永久磁石１１を上側がＮ極、下側がＳ極の向きに配置したが、特にどちら向きに配置しなければならない、というわけではない。永久磁石１１の外径よりも第２の磁極１４の外径は大きく、その第２の磁極１４の外周側には円筒状のヨーク１５が接続され、反対端の第３の磁極１６と合わせて三者でちょうど永久磁石１１と第１の磁極１３とを包み込むような形状となっている。超高真空中での使用を前提としているため、真空中での水素の放出速度が大きい快削性純鉄でできている磁極１３，１４，１６とヨークには、その表面にガス放出速度を小さくするために厚さ１０μｍのニッケルカニゼンメッキがほどこされている。また第１および第２の磁極１３，１４は磁力による吸着のみで永久磁石１１に保持されており、ガス放出の原因となる接着材の使用や機械的なネジ留めなどは行っていない。

コイル１２は芯線径０．７ｍｍのポリイミドエナメル線を、コイル支え部材２１を枠として４３回巻きとしたものであり、コイル支え部材２１が第１の磁極１３にネジ留めされることで永久磁石１１の外周側にて保持されている。このコイル支え部材２１はポリイミド、銅、タンタル、チタン、インコネルといった非磁性材で構成されており、永久磁石１１と第１および第２の磁極１３，１４とを分解することなしに、留めネジ２２を外すことによって取り外すことができる。コイル１２の配線１８は右側断面に図示したが、コイル１２を永久磁石１１の外周側に配置したことによって、その取りまわしに必要な充分な空間が確保できることが見て取れる。また配線１８の横に第２の磁極１４とヨーク１５にまたがる切欠き１７が図示してあるが、これは磁場レンズ１０の内部の真空排気を促進するためのもので、周方向にわたって４５°間隔で八カ所に設けてある。第１の磁極１３と平板状のコイル支え部材２１ａとを留めるための、四カ所の留めネジ用メネジとともに、これらの切欠きは磁極に施した非軸対称な加工であるが、その場所は磁石の中央よりも外周側で中心軸から離れており、後で説明する図５，図６に示すようにレンズ磁場に与える影響は無視できる程度に小さい。

図４は図３に点Ａで示した外周側の地点にてθ方向に一周にわたって測定した磁場のＺ方向成分を示した図であり、図５は同じく点Ｂで示した、第２の磁極１４表面からの距離Ｚ＝１．６ｍｍ、中心軸からの半径２ｍｍの地点で測定した磁場のＺ方向成分を示した図である。

図４では、八カ所に設けた切欠き１７に対応して、θ方向に沿った八分の一周周期の磁場変動がはっきりと認められる。これに対して図５では、θ方向に沿って一周周期で磁場が変動しているのみで、その他の周期の変動は認められない。この一周周期の変動は、レンズ磁場の中心軸Ｃと磁場測定プローブが周回した中心軸とがわずかにずれているために観測される変動であり、レンズ磁場そのものの軸対称性には無関係な、測定上避け難いものである。

このことを詳細に現したのが図６に示すグラフであり、この図６は図５の磁場をフーリエ展開したスペクトルのうち三十二次の成分までを表示した図である。中心軸どうしの不一致による一次成分を除けば、二次以上の高次の成分はゼロ次の成分Ｂ₀に対して１０^-5以下の大きさであり、磁極に施した非軸対称性に対応する四次、八次の成分も特に他の成分に比べて大きい訳ではなく、これらの高次成分は測定におけるノイズレベル以下であると考えられる。

図７は、本発明の第２の実施形態としての磁場レンズの断面図である。

この図７に示す第２実施形態は、図３に示す第１実施形態における磁場レンズをＺｒＯ／Ｗ拡張ショットキー放出電子銃に組み込んだものである。

この図７において使用しているＺｒＯ／Ｗ拡張ショットキーエミッタは市販のものであり、ここでは、サプレサ電極とそこから０．２ｍｍほど突き出した陰極先端、および反対側に突き出した二本のフィラメントステムという、外観のみを図示してある。その構造と動作条件は、例えば、前掲の非特許文献４，５に詳述されている。前述のとおり、これらの非特許文献４，５によれば、エミッタから安定した電子放出が得られるのは、熱放出電子が主だが無視できない量の電界放出電子も混在する拡張ショットキー放出領域であり、その通称であるＴＦＥ（ＴｈｅｒｍａｌＦｉｅｌｄＥｍｉｔｔｅｒ）とは一致していないため、ここでは拡張ショットキーエミッタと記述している。

この図７に示すＺｒＯ／Ｗ拡張ショットキー放出電子銃３０には、詳細説明は省略するが、フィラメントステム３１，サプレサ電極３２，陰極３３、および引出電極３４が備えられている。また、電源系としては加速定電圧源３５、サプレサ定電圧源３６、フィラメント定電流源３７、引出定電圧源３８およびワブリング電流源３９が備えられている。

磁場レンズ１０自体の構成は、図３に示す磁場レンズと同一であり、各要素には図３に付した符号と同一の符号を示してある。

本実施形態では、磁場レンズ１０が関係する部分を除けば、前掲の非特許文献４，５の記述に沿っている。例えば陰極３３の先端から約０．４ｍｍ前方には引出電極３４を配置しており、図示した構造物は磁場レンズも含めて図示していない真空隔壁に囲まれており、これも図示していない計三台の公称排気速度２０Ｌ／ｓのイオンポンプによる真空排気の下、１８０℃，７２時間以上のベーキング処理によって、到達圧力１０^-8Ｐａ台、定常動作時圧力３×１０^-7Ｐａ以下の超高真空下に置かれている。また各部には真空隔壁を貫通して図示したように各電源が結線されており、加速電圧５０ｋＶ、サプレサ電圧２４０Ｖ〜５２０Ｖ、フィラメント電流２．１２Ａ〜２．１５Ａ、引出電圧４．５ｋＶ〜５．４ｋＶが各部に加えられている。この時陰極先端からは電子が放出され、その電子は図示していない陽極孔に向かって加速されてそこから飛び出し、電子銃として動作する。

図示したように磁場レンズ１０はその全体が引出電極３４と同電位であり、ＧＮＤ基準で見ると、陰極３３の電位−５０ｋＶに近い、−４５．５ｋＶ〜−４４．６ｋＶと負の高電位に配置されていることになる。コイルに電流を流すためのワブリング電流源３９も引出電極３４の電位にあり、それはワブリング動作時に限り周期的な変動電流を流すだけであるため、精度確度の高いものである必要はなく簡便な低コストの電流源である。

ここで引出電極３４やエミッタとそれを保持する構造物は、磁場レンズ１０とは別体となっており、磁場レンズ１０に対してその位置を調節できる。この位置調節機能を使うことで、コイル１２に変動電流を流して行うワブリング動作において、レンズ磁場の中心軸を探し出して電子ビームの軸と一致させることができる。

図８は、永久磁石１１とコイル１２とが作る軸上磁場Ｂｚの分布を示した図である。グラフＡは、永久磁石が作り出す、軸方向に進行する電子を集束させる主たる磁場であり、それは永久磁石１１が作り出すものであるから、ｚ＞−１２．７ｍｍでの磁場とは逆向きの反転磁場がｚ＜−１２．７ｍｍでは生じている。またグラフＢは、仮に永久磁石１１が着磁しておらずコイルに流れる１Ａの電流のみで磁場が発生している、とした場合の軸上磁場Ｂｚの計算値であり、こちらは電磁石であるから軸上に反転磁場は生じていない。

このように特にｚ＜０ｍｍの領域では、永久磁石１１が作る磁場分布とコイルが作る磁場分布とにその形状に大きな違いがあるが、太線で示したｚ＞０ｍｍの領域では両者の形状に違いはほとんど認められない。陰極先端はほぼｚ＝０ｍｍの地点にあり、そこから放出された電子は正のｚ方向に進んでｚ＞０ｍｍの領域の磁場からレンズ作用を受けるため、ｚ＜０ｍｍの領域での両者の形状の違いは電子の運動には影響しない。

このｚ＞０ｍｍの領域で両者の大きさを比べると、コイルが作る磁場分布は永久磁石１１が作る磁場分布のおよそ０．８％である。コイルに流す電流を０Ａ〜１Ａの範囲で周期１ｓの三角波として変動させて実際にワブリング動作をさせたところ、試料のＳＥＭ像にはレンズ磁場の中心軸と電子ビームの軸のずれに対応した周期的な動きが認められ、さらにそれが止まるようにエミッタ等の位置調節を行うことでレンズ磁場と電子ビームの軸を一致させることができた。またこのワブリング動作を続けて行っている時間はせいぜい五分間程度までであり、この間に真空度の悪化はほとんど認められず、陰極先端からの電子放出を阻害するような事態は生じなかった。

永久磁石の内周側にコイルを配置した場合（Ａ）と、外周側に配置した場合（Ｂ）の、磁場レンズの断面模式図である。図１に示す磁場レンズにおける、コイルが作る磁場を示す図である。本発明の第１実施形態としての磁場レンズの断面図である。図３に点Ａで示した外周側の地点にてθ方向に一周にわたって測定した磁場のＺ方向成分を示した図である。図３に点Ｂで示した、第２の磁極表面からの距離Ｚ＝１．６ｍｍ、中心軸からの半径２ｍｍの地点で測定した磁場のＺ方向成分を示した図である。図５の磁場をフーリエ展開したスペクトルのうち三十二次の成分までを表示した図である。図７は、本発明の第２の実施形態としての磁場レンズの断面図である。永久磁石とコイルとが作る軸上磁場分布を示した図である。

符号の説明

１０，１０Ａ，１０Ｂ磁場レンズ
１１，１１Ａ，１１Ｂコイル
１２，１２Ａ，１２Ｂ永久磁石
１３，１３Ａ，１３Ｂ第１の磁極
１４，１４Ａ，１４Ｂ第２の磁極
１５ヨーク
１６第３の磁極
１７切欠き
１８配線
３０ＺｒＯ／Ｗ拡張ショットキー放出電子銃
３１フィラメントステム
３２サプレサ電極
３３陰極
３４引出電極
３５加速定電圧源
３６サプレサ定電圧源
３７フィラメント定電流源
３８引出定電圧源
３９ワブリング電流源

Claims

所定の中心軸に沿って進行する電子を磁場によって集束させる磁場レンズにおいて、
前記中心軸の方向に着磁し該中心軸に対し軸対称な、超高真空雰囲気に露出した永久磁石と、
該永久磁石を前記中心軸の方向両側から挟む、前記中心軸に対し軸対称な軟磁性材の一対の磁極と、
前記永久磁石の外周側に前記中心軸と同心に巻回された、前記超高真空雰囲気に露出したコイルとを備えたことを特徴とする磁場レンズ。
前記コイルは、ワブリング動作用に磁場を変調するためのコイルであることを特徴とする請求項１記載の磁場レンズ。
この磁場レンズが、前記中心軸に沿って進行する電子を放出する電子銃の陰極の負電位近傍の負電位に置かれていることを特徴とする請求項１記載の磁場レンズ。
前記コイルは、非磁性のコイル支え部材に支持され、該コイル支え部材が着脱自在に固定されたものであることを特徴とする請求項１記載の磁場レンズ。