JP2009140924A - 軸上及び軸外ビーム経路のための補正器 - Google Patents

Abstract

【課題】さらに高次の妨害収差を導入することなく３次の非点収差を除去する。
【解決手段】本発明は、粒子−光学式システムの軸上及び軸外ビーム経路のための補正器に関し、当該補正器は、光軸上のビーム経路に、一方が他方の後方に配置された第１及び第２の補正部を備え、各補正部は、中央平面に関して対称に且つ以下のフィールドを伴って配置された四つの連続する多極子要素をそれぞれ備え、多極子要素のうち、第１及び第４の多極子要素は、４極子フィールドを発生させるために用いられ、第２及び第３の多極子要素は、８極子フィールド及び４極子フィールドを発生させるために用いられ、後者は重畳された磁気及び電気フィールドであり、全四つの多極子要素の４極子フィールドは互いに９０°回転させられている。
【効果】本発明に従い、中央平面に配置された中央多極子要素が８極子フィールドを発生させることにより、３次の非点収差が補正され得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、粒子−光学式システムの軸上（axial）及び軸外（off-axial）ビーム経路のための補正器に関するものであって、当該補正器は、光軸上のビーム経路に連続して配置された第１及び第２の補正部を備え、各補正部は、中央平面に関して対称に且つ後述のフィールド（場）を伴って配置された四つの連続する多極子要素を備え、第１及び第４の多極子要素は４極子フィールドを発生させるために使用され、第２及び第３の多極子要素は８極子フィールド及び４極子フィールドを発生させるために使用され、後者は重畳された磁気フィールド（磁場）及び電気フィールド（電場）であり、全四つの多極子要素の４極子フィールドは、連続的に互いに９０°回転させられ、それにより、色収差補正は、磁気フィールドと電気フィールドとの間の相互作用を通じて第２及び第３の多極子要素における非点収差中間像を使用して実行することができ、開口収差補正は、４極子フィールドと８極子フィールドとを使用して実行することができる。本発明はまた、このタイプの補正器を備える透過型電子顕微鏡にも関する。

粒子−光学式システムは、電子及びイオンのより短い波長による非常に高い分解能を提供するという点において光学顕微鏡に比較して有利である。波長の半分の理論的に可能な分解能の限界の達成は、使用されているレンズが磁気フィールド及び電気フィールドと共に機能し、非常に多くのレンズ収差を示すという事実によって複雑になる。

そのようなレンズ収差は、色収差と幾何学的結像収差とにさらに細分することができる。色収差は、像電子又はイオンが異なる速度を有しており、従って異なる波長を有しているというという事実に起因する。これは主として、ビームを発生させるために放射される電子（又はイオン）が、あるエネルギービーム幅を有しているという事実によるものである。

幾何学的結像収差は主として、ラプラス方程式に従う電磁気フィールド（電磁場）による不正確な結像によるものである。これは、開口収差を発生させる。その理由は、外側レンズ領域の焦点距離は、内側レンズ領域の焦点距離よりも小さいからである。その結果として、結像平面内の点がもはや点として結像しなくなる。収差のさらなる原因は、レンズが完全には対称でなく従って光軸に対して垂直な二つの方向においてレンズの強度が異なるという事実からの結果によるものである。この収差は、非点収差と称される。しかしながら、さらなる結像収差が存在し、その原因は、必ずしも知られていない。

結像収差は、光軸点が結像するときに光軸結像収差の形態において発生する。後者を結像させるためのビーム依存は、対象平面の光軸点を起点とし且つｘ及びｙ断面に位置する軸上基準経路ｘ_α及びｙ_βの依存によって規定される。結像収差は、軸外結像点の結像のための軸外結像収差の形態においても発生する。軸外結像のためのビーム経路は、光軸へいくらかの距離にある対象平面上の点を起点とし且つｘ及びｙ断面に位置する軸外基準経路ｘ_γ及びｙ_δの依存によって規定される。

ビームの回折依存のために、これらの収差は複数の次数で発生する。幾何学的結像収差は、その結果、光軸を取り囲む特性収差曲線の形態において認識できる。それらは、例えば２次から５次までで以下の収差の形態において発生する：２次：３重軸上非点収差、軸上コマ収差、３次：４重軸上非点収差、開口収差、軸上星形収差（axial star aberration）、４次：５重軸上非点収差、軸上コマ収差、軸上三葉収差（axial trilobe aberration）、５次：６重軸上非点収差、開口収差、軸上星形収差、軸上ロゼット収差（axial rosette aberration）、．．．等。多重度は、その結果、関連する結像収差曲線の星形角部の数を示している。４次から始まる収差は、高次の収差とも称される。

幾何学的結像収差は、主として対物レンズにより発生させられるが、他のレンズによっても補正器自体によっても発生させられる。これらの収差は、上流側補償に加えて下流側補償を通じて補正器によって補正され、補正処置は常に最終結像の結果に依存する。

軸上結像収差の補正のための基礎は、オー．シェルツァーの発見である（O.Scherzer: "Sphaerische und chromatische Korrektur von Elektronen-Linsen（電子レンズの球面及び色補正）", OPTIK, DE, JENA, 1947年、第114-132頁、XP002090897, ISSN: 0863-0259）。即ち、球面収差（幾何学的結像収差）及び色収差の補正は、非回転対称フィールドを使用することによって粒子ビームのために可能であることが示されている。非点収差中間像がそのために形成され、補正が、ｘ平面における中間像について引き続いて実行され、さらにそれに垂直なｙ平面における中間像について実行される。ビームの離心は、それを円形ビームに再結合することによって、引き続いて再度排除される。オー．シェルツァーは、これらの補正を実現するに必要な条件を確立した（上記論文参照）。シェルツァー理論と称されるこれらの条件は、粒子光学におけるいかなる軸上収差補正の基礎も形成する。軸外収差の補正は、非点収差中間像を全く必要としない。軸外収差の補正は、円形又は多極子フィールドにより実行することができる。

例えば非点収差のような非円形収差を補正するためには、例えば非点収差の場合にビームをその円形断面に復原するために、又は、他の非円形収差を発生させる非円形性を打ち消すために、非円形フィールドが必要とされる。

そこから始めて、ローズ（Rose）は、補正器自体がほとんどいかなる収差も発生させない、比較的広範囲な開口補正を実現する上述のタイプの補正器を提案している（Optik, Volume 34, 1971, 第285-311頁、特に第２９３頁 ）。しかしながら、この補正器は、そこでなされた他の提案に比較して不利であったので、さらに考察されることはなかった。特に、３次の非点収差は、上述のタイプの補正器によって除去することが困難であり、その結果、さらに高次の収差の発生を避けることができない。

O.Scherzer（オー．シェルツァー）: "Sphaerische und chromatische Korrektur von Elektronen-Linsen（電子レンズの球面及び色補正）", OPTIK, DE, JENA, 1947年、第114-132頁、XP002090897, ISSN: 0863-0259 Rose（ローズ）：Optik, Volume 34, 1971, 第285-311頁、特に第２９３頁

従って、さらに高次の妨害収差を導入することなく３次の非点収差を除去することも本発明の潜在的な目的である。さらに、結像直径に沿って約５０００結像点までの十分な結像分解能を達成するために、さらに高次までの収差を除去するための追加的な措置が取られる。

上記目的は、中央平面に配置された中央多極子要素が３次の非点収差を除去するための８極子フィールドを発生させる本発明に従って達成される。

中央多極子フィールドの８極子フィールドは３次の非点収差も除去するという事実のために、補正器は、対物レンズの収差、他のレンズの収差、及び、さらに高次までのそれ自体によって発生させられる収差も十分に除去することができ、又は、前述の４極子フィールド及び８極子フィールドの相応の調整を通じてそれらの収差が発生させられることさえ予防する。従属請求項から引き出され得るさらなる実施の形態によって、さらなる改良を得ることができる。

二つの補正部の第２及び第３の多極子要素の４極子フィールドを除く、二つの補正部と中央多極子要素の総てのフィールドは、そのために、磁気フィールド又は電気フィールド又は両者の組み合わせであり得る。

本発明に係る補正器は、オー．シェルツァーの教示（上記論文参照）に従い、最初は従来の手順に基づいており、第１の多極子要素の４極子フィールドが回転対称から離れる偏向をビームに与え、それにより、基準経路ｘ_α及びｙ_βが、二つの主たる相互に垂直なｘ及びｙ断面における異なる拡散を以て延在するようにする。基準経路ｘ_α及びｙ_βは、その結果、ｘ及びｙ平面における軸上ビームの外側境界を表している。第２の多極子要素の９０°回転させられた後続の４極子フィールドは、ゼロ通路（zero passage）を有さない一部分、例えばｘ断面のビームにのみ影響を与えることができ、その位置（ｙ断面）におけるゼロ通路を有するビームの部分には影響を与えることができない。このビーム（ｘ断面）は、その結果、他の断面（ｙ断面）のビームに平行に延在するような形式で偏向させられる。他のビーム断面は、第３の多極子要素の、これもまた９０°回転させられた４極子フィールドにおいて同じ量だけ偏向させられ、直交する主断面のビームが、第４の多極子要素の４極子フィールドによって束ねられて円形ビームに再結合されるように、再び互いに向かって進行する。上述の回転対称から離れる偏向は、シェルツァー定理（上記論文参照）に従い、色収差補正及び開口収差補正に用いられる。

軸上収差補正の実際の実現は、第１の補正部の第２の多極子要素及び第２の補正部の第３の多極子要素を使用して、一つの断面、例えばｘ断面に関して、最初は色収差補正を提供する。他の断面、例えばｙ断面に関しては、補正は、第１の補正部の第３の多極子要素及び第２の補正部の第２の多極子要素により実行される。補正は、その結果、補正器の四つの非点収差中間像の領域において実行される。色収差補正の機能は、従来のウィーン（Wien）・フィルタに対応し、４極子フィールドが、重畳した電気フィールド及び磁気フィールドの４極子フィールドから構成されるという事実に基づいている。それ故に、そのフィールドの強さは、ある速さ、即ち、あるエネルギー（光学的には、ある色）の電子が予め決められた通路のフィールドを通過するように設計される。異なるエネルギーの電子は、その予め決められた通路から離れ、それにより、顕微鏡の円形レンズ、特に対物レンズの色収差を、相殺補償することができる。従って、電気フィールド及び磁気フィールドの組み合わせは、この色収差補正のためにのみ要求される。補正の半分は第１の補正部において実行され、他の半分は第２の補正部において実行される。

開口収差に関しては、補正は、非点収差中間像において、即ち、各補正部の第２及び第３の多極子要素においてそれらの８極子フィールドを用いて、実行される。開口収差は、粒子−光学式システムの回転対称レンズによるものである。その理由は、それらのレンズが、光軸からより大きな距離をおいて延在するビームに対してより強い影響を有するからである。その結果として、中間像の領域内のビームは、光軸と交差する共通点を形成しない。非点収差中間像の領域においては、ゼロ通路を有さない断面のビームは、ビームが結像平面内において再度交差するような形式で、８極子フィールドによる影響を受け得る。各断面のビームの補正が連続して補正され、その後にそれらのビームが円形ビームに再結合されるときに、開口収差補正は完成する。従って、上流側円形レンズの開口収差を補正することができるだけでなく、下流側円形レンズの収差を予め補償することもできる。それ故に、ビーム経路には開口収差が与えられ、その開口収差は、下流側円形レンズ、例えば対物レンズの開口収差によって再度相殺される。収差補正の半分は、その結果、第１の補正部において再度実行され、他の半分は第２の補正部において実行される。そのとき、特に、３次の開口収差は、第１の補正要素の８極子フィールド及び第２の補正要素の８極子フィールドによって連続的に除去される。

ｘ及びｙ平面内における境界が基準経路ｘ_α及びｙ_βによって示される軸外ビームに関しては、第１の４極子が回転対称から離れる偏向も発生させ、第２の４極子が一平面のビームの偏向を発生させ、第３の４極子が他の平面内のビームの偏向を発生させ、第４の４極子が円形ビームへの再結合を発生させる。しかしながら、いかなる中間像も発生しない。

上述の事項は、第２の補正部にも適用される。その理由は、第２の補正部が、多極子要素が逆の順序で配置されていることを除いて、第１の補正部と全く同様に構成されているからである。そして、第２の補正部では、軸上ビーム経路（ｘ_α及びｙ_β）は対称に、即ち、鏡像対称に延在しており、軸外ビーム経路（ｘ_γ及びｙ_δ）は反対称に、即ち、点対称に延在している。補正部は中央平面に関して対称であり、軸外基準経路は反対称形式に延在しているので、補正器自体は、軸外領域におけるいかなる実質的な幾何学的光学収差も発生させない。これが、第１の補正部において発生した軸外収差が、フィールドの対称的な配置による第２の補正部の逆の効果によって除去される理由である。しかしながら、補正器を通過する中央平面に関して対称に又は反対称に延在していない収差曲線は、その結果、例外を構成し、さらに高次の、ではあるが、収差を発生させる。

補正器が配置される光学システムによって又は補正器自体によって発生させられる軸上収差は、残存する。３次の非点収差は、その結果、最も深刻であり、開口収差補正によって補正器内に発生させられる。

本発明の基本的な思想は、８極子フィールドを発生させるための多極子要素の配置を通じてこの後者の収差を除去することにあり、そこでは、軸外基準経路ｘ_γ及びｙ_δの両者が光軸と交差する中央平面における配置構成が、この多極子要素自体がいかなる新たな軸外収差も発生させないことを保証している。

補正器のさらなる発展は、さらに高次のさらなる収差を除去する。

上述のように補正される３次の開口収差は、例えば、対称に又は反対称に延在していない収差曲線を通じて補正器に発生する収差の上記例外の一つである。３次のこの開口収差は、その３次の開口収差が依然として大きい位置、及び、８極子が存在する位置で、５次の軸上収差を発生させる。３次の開口収差の補正は上述のように連続的に実行されるので、第１の補正部における収差の発生は、第２の補正部における収差の対応する発生によって相殺することができない。５次のこれらの軸上収差は、四つの収差：（それぞれ５次の）開口収差、星形収差、ロゼット収差及び非点収差である。この理由により、５次の収差を補正するために、第１の補正部の第２及び第３の多極子要素並びに中央多極子要素を用いて１２極子フィールドを発生させることが提案される。第１の補正部及び中央多極子要素におけるこの配置構成は、これら四つの収差のうちの三つの補正のためには十分である。各１２極子フィールドは、それにより、これら四つの収差を補正するために用いられ得る。第２の補正部において結果として発生するが、非常に小さい程度の５次の開口収差は、結像収差が除去されるように、この補償に含まれる。

これらの１２極子フィールドは、５次の星形収差、５次のロゼット収差及び５次の非点収差を適切に補正する。これらの三つの収差が補正のために選択される理由は、これらの偏心収差の補正が非円形フィールドの使用を必要とすることにある。５次の開口収差は、円形フィールドを使用しても補正され得る。対応する提案が、以下に述べられる。

一つ残っている軸外収差は、磁気レンズとして形成される対物レンズのコマ収差である。このコマ収差は、等方性及び異方性コマ収差の形態において発生し、ここで、等方性コマ収差は、円形レンズの適切な励起を通じて除去できるので、実質的に問題にならない。この理由により、さらなる発展は、対物レンズの異方性コマ収差を補正するための開口収差補正の上記８極子フィールドに対して２２．５°回転させられたさらなる８極子フィールドの発生に限定される。これらの回転させられた８極子フィールドは、４極子フィールドを発生させる総ての多極子要素の範囲内に発生させられ、そのとき、８極子フィールドの強度は、補正部の対称平面に対して反対称であり、且つ、中央平面に対しても反対称である。これらのさらなる８極子フィールドは、その結果、総て、相互に関して同一配向に配向させられている。

備えられている多極子要素によって異なるフィールドを発生させることを可能とするために、少なくとも第１及び第２の補正部の第２及び第３の多極子要素並びに中央多極子要素は、適切には、相応の電流及び／又は電圧負荷を通じたコントローラを用いた異なるフィールドの重畳を含む１２極子フィールドまでの異なるフィールドを発生し得る１２極子要素である。これが、一実施例に関する図面の詳細な説明において、以下に説明される。

設定及び調整若しくは再調整が収差を除去するように行われ得るというその効果に対する補正器のフィールドの特性付けは、以下のことを意味する：電極及び／又は電磁石の構成設計並びにそれらに電流又は電圧による負荷を掛ける可能性は、粒子−光学式システムへの、例えば電子顕微鏡への補正器の組込後に上述の補正処置を取ることができるようにしなければならない。正確な設定は、その構成に加えて個々のレンズの収差に依存し、個々のレンズの収差は、寸法の不正確さ及び材料の不均質性のために同一モデル部類の装置においてさえ異なり得るので、これらの設定、調整及び再調整は、組込、及び、それぞれの粒子−光学式システム、例えば電子顕微鏡の動作投入の後に行われる。極めて軽微な汚れさえ光学特性を変化させることがあり、再調整を必要とするので、再調整は、装置の動作中に時々必要とされる。本発明は、電子ビームのこの種の補正を許容する補正器において実現される。補正器の構成設計の実現、並びに、設定及び補正に必要とされる正確に使用可能な電流及び／又は電圧範囲は、それぞれの装置の構成型式、特に、それぞれのビーム電圧、可能な動作範囲及びレンズ・システムの正確な設計に依存する。

上述の５次の開口収差若しくは３次の相互に関連した小さいが放射状のコマ収差の補正も行い又はそれらを許容可能な程度まで低減するために、本発明は、円形レンズとして形成された二つの伝送レンズを補正器の対物側に配置することを提案する。それらの伝送レンズのフィールド設定は、５次の開口収差及び／又は３次の放射状コマ収差を除去し、又は、それらを許容可能な程度まで低減することができる。

しかしながら、この処置は、収差も発生させ、特に、３次の開口収差の補正及び色収差の補正の部分的な解除を発生させる。この理由のために、本発明は、上述の新たに発生する１次の色収差及び３次の開口収差が再度除去されるように、第１及び第２の補正部の第２及び第３の多極子要素の４極子フィールド及び８極子フィールド並びに中央多極子要素の８極子フィールドの再調整を提案する。４極子フィールドの再調整の間、色収差補正が上述の通りに維持されるように、磁気フィールド及び電気フィールドは同時に調整されなければならない。しかし、この同時調整からの逸脱は、伝送レンズの設定のために再度発生する色収差の再調整を必要とする。

伝送レンズの挿入と上記再調整のようないかなる調整もビーム経路を再度変化させるので、伝送レンズ及び上記再調整によって発生させられるさらに高次の、特に５次の収差を再度除去するために、第１の補正部の第２及び第３の多極子要素の１２極子フィールド及び中央多極子要素の１２極子フィールドの再調整が可能であることが望ましい。従って、さらなる回転させられた８極子フィールドは、対応して再調整されなければならない。

上記再調整の問題は、いかなる処置も、既に除去された収差が、弱められた形態ではあっても再発するという結果を伴って、ビーム経路を変化させることにある。この理由のために、伝送レンズ、第１及び第２の補正部の４極子フィールド、第１及び第２の補正部の８極子フィールド、中央多極子要素の８極子フィールド、そして第１の補正部及び中央多極子要素の１２極子フィールド、そして４極子フィールドを発生させる総ての多極子要素のさらなる８極子フィールドの再調整と、そしてまた、それぞれの先行する再調整によって発生させられる収差を、所望の結像のために許容され得る量になるまで低減するための上記過程における反復調整とを通じた収差補正のために再発する１次の色収差、３次の開口収差及びさらに高次の収差を除去することが適当である。この反復設定は、到達し得ない最適条件に近づけることを当然に促進するのみである。残余の収差がもはや結像を妨害しない程度まで最小化されたときに、目的は達成される。

特に、電子顕微鏡のような結像システムにおける補正器の使用のためには、５次の小さい開口収差を許容することにより、結像直径に沿って約１００００結像点までの結像分解能を達成することが適当であり得る。

比較的大きい直径のビームが使用され、この理由のために軸外ビーム経路の補正もまた非常に重要である透過型電子顕微鏡において、補正器は、主として使用される。収差除去又は収差許容の程度は、従って所望の結像分解能又は所望の結像寸法に依存する。高い結像分解能のためには、収差は、かなりの程度まで、但しより小さい結像寸法で、除去されなければならない。しかし、大きい結像サイズについては、残余の収差と従ってより小さい分解能が許容され得る。

そのさらなる発展を含む本発明は、７次の収差及び軸外収差が許容可能な程度に小さく、６次までの光軸収差を全く有さない補正されたシステムを提供する。

後述の図面は、本発明を図解するための概略図並びにフィールド及び経路依存関係を示している。

総ての図面は、以下のシステムに従って示されている。
同一の参照番号は、常に、同一の部分、フィールド依存関係等を示している。従って、１１と１９との間の総ての参照番号は第１の補正部１０に関連しており、２１と２８との間の総ての参照番号は第２の補正部２０に関連している。補正部１０は多極子要素１１，１２，１３，１４を有しており、補正部２０は多極子要素２１，２２，２３，２４を有している。図２に従う本発明の基本的機能に関して、最後の数字が同一の多極子要素は、同一構成を有し、同様のフィールドを発生させる。図１に示されている参照番号の逆の順序、即ち、補正部１０の第１の多極子要素１１，第２の多極子要素１２，第３の多極子要素１３及び第４の多極子要素１４と補正部２０の第１の多極子要素２４，第２の多極子要素２３，第３の多極子要素２２，第４の多極子要素２１とは、第１の補正部１０に対する第２の補正部２０の多極子要素２４，２３，２２，２１の逆の順序によって、中央平面５に関する対称性を表している。上記多極子要素１１，１２，１３，１４；２４，２３，２２，２１によって発生させられるフィールドは、このシステムに対応しており、それぞれを発生する多極子要素と同一の、但しダッシュが付された番号を有している。それにより、一つのダッシュは４極子フィールド１１′，１２′，１３′，１４′；２４′，２３′，２２′，２１′を、二つのダッシュは電気４極子フィールド１２″，１３″；２３″，２２″を、三つのダッシュは８極子フィールド１２″′，１３″′；２３″′，２２″′を、図２に従う基本的機能として示している。さらなる実施の形態におけるフィールド表示は、この図式とは異なることがある。

本発明に係る補正器の概略図を示している。 図１に対応して経路及びフィールド依存関係を示している。 図２の経路及びフィールド依存関係を追加的な１２極子フィールドと共に示している。 図２の経路及びフィールド依存関係を追加的な８極子フィールドと共に示している。 電子顕微鏡の概略図を示している。 １２極を有する多極子要素の概略図を示している。

図１は、ビーム経路２の光軸３並びに二つの上流側伝送レンズ７及び８を有する本発明に係る補正器の概略図を示している。補正器１は、二つの補正部１０及び２０からなり、その構成及び基本的機能は、図２に従い、中央平面５に関して対称である。中央多極子要素４は、この中央平面５に配置されている。補正部１０は、四つの多極子要素、第１の多極子要素１１，第２の多極子要素１２，第３の多極子要素１３及び第４の多極子要素１４を有している。補正部２０は、逆の順序の同一の多極子要素、即ち、第１の多極子要素２４，第２の多極子要素２３，第３の多極子要素２２，第４の多極子要素２１を有している。二つの補正部１０及び２０はそれら自体、対称平面１７及び２７を有しており、それにより、後述の多極子、即ち、第１の補正部１０の第１の多極子要素１１，第４の多極子要素１４，第２の多極子要素１２及び第３の多極子要素１３と、第２の補正部２０の第１の多極子要素２４，第４の多極子要素２１，第２の多極子要素２３，第３の多極子要素２２とが同一の構成及び基本的機能を有している。この形式で、対称平面１７及び２７によって、また中央平面５によっても、二重対称性が形成される。

図２は、図１に対応して、本発明に係る補正器１の経路及びフィールド依存関係の基本的機能を示しており、ここで、伝送レンズ７及び８の位置７′，８′は、補正器のさらなる実施の形態に従って追加的に示されている。対称平面１７及び２７並びに中央平面５の位置も、図１に対応している。

多極子要素１１，１２，１３，１４；２４，２３，２２，２１は、上述のように対応する以下のフィールドを発生させる：第１及び第４の多極子要素１１及び１４及び２４及び２１は、４極子フィールド１１′，１４′；２４′，２１′を発生させる。第２及び第３の多極子要素１２，１３；２３及び２２は、上述のように色収差補正のために共に用いられる磁気４極子フィールド１２′，１３′，；２３′，２２′と電気４極子フィールド１２″，１３″；２３″，２２″も発生させる。

これらの多極子要素１２，１３；２３，２２は、上述の開口収差補正のために用いられる８極子フィールドを継続して発生させる。３次の非点収差の除去も行うために、中央平面５に配置された中央多極子要素４は、８極子フィールド４′を発生させる。

図示された経路依存関係は、４極子フィールド１１′，１２′，１３′，１４′；２４′，２３′，２２′，２１′によって得られる。経路依存関係は、ｘ及びｙ平面に示されている。軸上基準経路と称される経路ｘ_α及びｙ_βは、軸上結像点の像の経路である。しかし、軸外基準経路と称される経路ｘ_γ及びｙ_δは、軸外結像点の像の経路である。集約され得るように、ｘ及びｙ断面のビームの軸上基準経路ｘ_γ及びｙ_δは、第２の多極子要素１２内に非点収差中間像１５を作り出す第１の４極子フィールド１１′のために、異なる形式で延在している（非点収差中間像１５，１６；２６，２５は、図２の図示内容との混乱を避けるために図３に示されている）。そして、第１の４極子フィールド１１′に対して９０°回転させられている第２の４極子フィールド１２′を用いて、ｘ_αの偏向は、多極子要素１３内に第２の非点収差中間像１６を発生させる。そこに、基準ビームｘ_α及びｙ_βは、ｙ_βからの偏向を通じた４極子フィールド１３′の９０°回転を通じて互いに向かって案内され、そのとき、基準経路ｘ_α及びｙ_βは、上記４極子フィールド１３′に対して９０°回転させられている４極子フィールド１４′によって円形ビームに再結合される。同様の手順が、補正部２０において鏡像対称形式で繰り返される。

４極子フィールド１１′，１２′，１３′，１４′；２４′，２３′，２２′，２１′は、従って、電気フィールド又は磁気フィールドであり得る。色収差補正のために必要とされる４極子フィールド１２″，１３″；２３″，２２″は、最初のフィールドが電気フィールドであるときは磁気フィールドであり、逆に最初のフィールドが磁気フィールドであるときは電気フィールドであることが、非常に重要である。例示の名称において、４極子フィールド１２′，１３′；２３′，２２′は磁気フィールドとして定義され、４極子フィールド１２″，１３″；２３″，２２″は電気フィールドとして定義されている。これらの協働するフィールドは、前述のシェルツァーの教示に従う上記方式の色収差補正のために必要不可欠である。

シェルツァーの教示に従う上記色収差補正は、非点収差中間像１５，１６；２６，２５のフィールドにおいても用いられる。上述の補正は、補正部１０又は２０のうちの一つを用いても可能である。二つの補正部１０及び２０が中央平面５に関して対称に逆のフィールド順序で配置されているという事実は、軸外基準経路ｘ_γ及びｙ_δの形態で図示され、軸外点を結像させるビームの依存関係に関する補正器の動作のためである。これは、上記同様に、これらの基準経路ｘ_γ及びｙ_δの分離、図２，図３及び図４に示されるような４極子フィールド１１′，１２′，１３′，１４′；２４′，２３′，２２′，２１′による偏向及び再結合に関し、ｘ平面内の経路ｘ_γの依存関係とｙ平面内の経路ｙ_δの依存関係とが異なるという結果になる。これは、収差の発生に関して軸外経路ｘ_γ及びｙ_δについての補正部１０及び２０における正反対の効果という結果になる。その結果として、電子又はイオンにおける収差発生効果が、それらの電子又はイオンがこの反対称形式の補正部１０及び２０を通過する場合には、除去される。３次の開口収差の補正中に主として発生させられる３次の非点収差を補正するために、本発明は、軸外基準経路ｘ_γ及びｙ_δがゼロになるその位置において正確に動作する中央多極子要素４を通じて８極子フィールド４′を発生させることを最後に提案する。この方式においては、この補正の結果としての他の軸外収差の発生は回避される。その理由は、円形の対称配置された力フィールド（力場）が打ち消される軸上領域においては、そのような収差が発生し得ないからである。

図３は、図２と同様の経路及びフィールド依存関係を示しているが、第１の補正部１０の第２及び第３の多極子要素１２及び１３によって及び中央多極子要素４によって発生させられる追加的な１２極子フィールド１９，１９′，４″も示されている。この配置構成は、８極子フィールド１２″′，１３″′；２３″′，２２″′が存在している位置における３次の開口収差によって発生させられる５次の軸上収差を補正することを意図している。３次の開口収差は８極子フィールド１２″′，１３″′；２３″′，２２″′によって連続的に低減されるので、５次の収差に対する第１の補正部の寄与は、３次の開口収差が既に低減されている第２の補正部の寄与よりもはるかに高い。この理由により、第１の補正部は、広範囲に亘って上述された５次の収差の補正のために好都合な配置となっている。

図４は、上述の経路と、４極子フィールド１１′，１２′，１３′，１４′；２４′，２３′，２２′，２１′を発生させる総ての多極子１１，１２，１３，１４；２４，２３，２２，２１における追加的な８極子フィールド１８，１８′，１８″，１８″′；２８，２８′，２８″，２８″′についてのフィールド依存関係とを示している。これらの追加的な８極子フィールド１８，１８′，１８″，１８″′；２８，２８′，２８″，２８″′は、開口収差を補正するために用いられる上記８極子フィールド１２″′，１３″′；２３″′，２２″′に対して２２．５°回転させられているが、互いに対して同様に配列されている。補正部１０，２０の対称平面１７，２７、及び、中央平面５に関する８極子フィールド１８，１８′，１８″，１８″′；２８，２８′，２８″，２８″′の反対称配向は、図示されたフィールド強度依存関係を有する場合があり、又は、それらの依存関係は、上流方向若しくは下流方向へ対をなして交互に対向している場合もある。追加的な８極子フィールド１８，１８′，１８″，１８″′；２８，２８′，２８″，２８″′は、軸上又は軸外収差の擾乱を導入することなく、主要な軸外収差としての対物レンズ３４（図５参照）の異方性コマ収差を補正する。

図２、図３及び図４に示されるフィールドは、言及された総ての補正を実行するために、選択的に又は総て同時に発生させることができる。これらは、単に明瞭さの理由のためだけに異なる図面に示されている。

図面の記載は、単に本発明を例示する役割を果たすだけのものである。この理由のために、本発明及びそのさらなる実施の形態の上述のより広範囲な記載が参照される。任意選択的にはさらなる多極子にもよるさらなるフィールドの発生は、さらに高次のさらなるフィールドを補正するために、当然に本発明の範囲内にも存在する。本発明に従って、上述の補正は、例えばより多くの結像点を得るために不完全にも実施されることがあり、その結果、そのような不都合を受け入れる。上述したように、完全な補正は、異なる収差のみについて、対処可能である。１００％の補正は、不可能である。

図５は、伝送レンズ７及び８を含む本発明に係る補正器が組み込まれた電子顕微鏡３０を示している。ビーム源３１を始点とするビーム経路２は、コンデンサ（集光レンズ）３２によって集束させられ、対象物３３を貫通する。対物レンズ６は、及び、任意選択的には投影レンズ３５も、像を形成するために使用され、そのとき、補正器１は、及び、任意選択的には中間レンズ７，８も、対物レンズ６と投影レンズ３５との間に配置される。後者は、省略され得る。像が、従って、スクリーン３６上に結像させられ、又は、結像点が、モニタ上に表示するために電子的に検出される。

図６は、第２の多極子要素１２，２３又は第３の多極子要素１３，２２、中央多極子要素４又はさらなる多極子要素であり得る１２極子要素の概略例解図を示している。１２極子３７，３７′は、光軸３に関して軸対称に配置されている。１２極子フィールドがそれによって発生させられると、極子３７，３７′は、磁気フィールドを発生させるためのＮ極及びＳ極として、又は、電気フィールドを発生させるための負及び正の荷電電極として、交互にかつ連続的に形成される。

組み合わせられた電気及び磁気フィールドが発生させられるべき場合には、電磁石の軟イオンコアが、電圧負荷を掛けられた電極として同時に機能する。

４極子フィールドを発生させるために、同一の極性又は荷電を有する三つの電磁石又は電極３７，３７′は、常に組み合わせられ、その三つのグループは、Ｎ極及びＳ極として、又は、負若しくは正の荷電電極として、交互に使用される。電気フィールド及び磁気フィールドは、それにより、重畳させられ得る。この重畳は、磁気フィールド及び電気フィールドが前述のウィーン・フィルタに従って色収差補正を達成するように、増幅又は相互作用として用いられ得る。

それに対して、８極子フィールド１２″′，１３″′；２３″′，２２″′；１８，１８′，１８″，１８″′；２８，２８′，２８″，２８″′が発生させられるべき場合には、極子３７，３７′は、「＋」及び「−」記号で図示されるように、交互でなければならない。即ち、交互形式で、一つの負の荷電電極３７′が二つの正の荷電電極３７に続き、又は、逆に二つの正の荷電電極３７が一つの負の荷電電極３７′に続き、そのとき、好ましくは歪められない８極子フィールドを達成するために、（二つの「−」記号によって記号化された）負の荷電は、相応に強化されなければならない。対応する事項が、磁気８極子の発生にも適用される。単一の１２極子要素によって発生させられる４極子フィールド、８極子フィールド及び１２極子フィールド等の重畳フィールドは、それぞれの極子において、即ち、電磁石又は電極において、電流又は電圧を印加することにより得られる。この形式において、総ての上述のフィールド重畳は形成可能であり、即ち、互いに対して２２．５°回転させられた二つの８極子フィールドも形成可能である。

フィールド重畳は、それにより、正反対の極性の重畳を通じたフィールド減衰を回避するために、重畳された磁気フィールド及び電気フィールドを通じても実現され得る。

フィールドのより正確な区分を得るために、より大きい極数を有する多極子を使用することも、当然に可能である。正確に同一の位置で動作することが必ずしも必要でない異なるフィールドを発生させるために、異なる下位区分の多極子が互いに隣り合うように配置することも可能である。

１ 補正器
２ ビーム経路
３ 光軸
４ 中央多極子要素
４′ 中央多極子要素の８極子フィールド
４″ 中央多極子要素の１２極子フィールド
５ 中央平面
６ 対物レンズ
７，８ 伝送レンズ
７′，８′ 伝送レンズの位置
１０ 第１の補正部
１１，１２，１３，１４ 第１の補正部の第１，第２，第３及び第４の多極子要素
１１′，１４′ 第１及び第４の多極子要素の４極子フィールド
１２′，１３′ 第２及び第３の多極子要素の磁気４極子フィールド
１２″，１３″ 第２及び第３の多極子要素の電気４極子フィールド
１２″′，１３″′ 第２及び第３の多極子要素の８極子フィールド
１５ 第２の多極子要素における軸上ビーム経路の非点収差中間像
１６ 第３の多極子要素における軸上ビーム経路の非点収差中間像
１７ 第１の補正部の対称平面
１８，１８′，１８″，１８″′ ８極子フィールド１２″′，１３″′に対して２２．５°回転させられた８極子フィールド
１９ 第２の多極子要素の１２極子フィールド
１９′ 第３の多極子要素の１２極子フィールド
２０ 第２の補正部
２４，２３，２２，２１ 第２の補正部の第１，第２，第３及び第４の多極子要素
２４′，２１′ 第１及び第４の多極子要素の４極子フィールド
２３′，２２′ 第２及び第３の多極子要素の磁気４極子フィールド
２３″，２２″ 第２及び第３の多極子要素の電気４極子フィールド
２３″′，２２″′ 第２及び第３の多極子要素の８極子フィールド
２５ 第３の多極子要素における軸上ビーム経路の非点収差中間像
２６ 第２の多極子要素における軸上ビーム経路の非点収差中間像
２７ 第２の補正部の対称平面
２８，２８′，２８″，２８″′ ８極子フィールド２３″′，２２″′に対して２２．５°回転させられた８極子フィールド
３０ 電子顕微鏡（概略図）
３１ ビーム源
３２ コンデンサ（集光レンズ）
３３ 対象物
３５ 投影レンズ
３６ モニタ
３７ 電磁石及び／又は電極としての極子（Ｓ極又は正の荷電電極）
３７′ 電磁石及び／又は電極としての極子（Ｎ極又は負の荷電電極）
ｘ_α，ｙ_β 軸上ビーム経路の基準経路
ｘ_γ，ｙ_δ 軸外ビーム経路の基準経路

Claims (11)

1. 粒子−光学式システムの軸上及び軸外ビーム経路のための補正器（１）であって、
   前記補正器は、光軸（３）上のビーム経路（２）に、一方が他方の後方に配置された第１の補正部（１０）及び第２の補正部（２０）を備え、
   前記各補正部（１０，２０）は、中央平面（５）に関して対称に且つ以下のフィールドを伴って配置された四つの連続する多極子要素（１１，１２，１３，１４；２４，２３，２２，２１）をそれぞれ備え、
   前記四つの連続する多極子要素（１１，１２，１３，１４；２４，２３，２２，２１）のうち、第１の多極子要素（１１；２４）及び第４の多極子要素（１４；２１）は、４極子フィールド（１１′，１４′；２４′，２１′）を発生させるために用いられ、第２の多極子要素（１２；２３）及び第３の多極子要素（１３；２２）は、８極子フィールド（１２″′，１３″′；２３″′，２２″′）及び４極子フィールド（１２′，１３′；２３′，２２′）を発生させるために用いられ、後者は重畳された磁気フィールド（１２′，１３′；２３′，２２′）及び電気フィールド（１２″，１３″；２３″，２２″）であり、全四つの多極子要素（１１，１２，１３，１４；２４，２３，２２，２１）の前記４極子フィールド（１１′，１２′，１３′，１４′；２４′，２３′，２２′，２１′）は互いに９０°回転させられ、それにより、前記磁気フィールド（１２′，１３′；２３′，２２′）と前記電気フィールド（１２″，１３″；２３″，２２″）との間の相互作用を通じた前記第２及び第３の多極子要素（１２，１３；２３；２２）における非点収差中間像（１５，１６；２６，２５）を用いた色収差補正と、前記４極子フィールド（１２′，１３′；２３′，２２′）と前記８極子フィールド（１２″′，１３″′；２３″′，２２″′）とを用いた開口収差補正とを可能とし、
   前記中央平面（５）に配置された中央多極子要素（４）が、３次の非点収差を除去するための８極子フィールド（４′）を発生させる、
   ことを特徴とする補正器。
2. 前記第１の補正部（１０）の前記第２及び第３の多極子要素（１２，１３）、並びに、前記中央多極子要素（４）を用いて、１２極子フィールド（１９，１９′，４″）が、５次の収差の補正のために発生させられることを特徴とする請求項１に記載の補正器。
3. ５次の星形収差、５次のロゼット収差及び５次の非点収差が、それぞれ、前記１２極子フィールド（１９，１９′，４″）のうちの一つによって補正されることを特徴とする請求項２に記載の補正器。
4. さらなる８極子フィールド（１８，１８′，１８″，１８″′；２８，２８′，２８″，２８″′）が、前記４極子フィールド（１１′，１２′，１３′，１４′；２４′，２３′，２２′，２１′）を発生させる前記多極子要素（１１，１２，１３，１４；２４，２３，２２，２１）を用いて、対物レンズ（６）の異方性コマ収差を補正するために発生させられ、前記さらなる８極子フィールドは、開口収差を補正するための前記８極子フィールド（１２″′，１３″′；２３″′，２２″′）に対して２２．５°回転させられており、前記８極子フィールドの強度は、前記補正部（１０，２０）の対称平面（１７；２７）に関して及び前記中央平面（５）に関して反対称であることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の補正器。
5. 少なくとも前記第１及び第２の補正部（１０，２０）の前記第２及び第３の多極子要素（１２，１３；２３；２２）並びに前記中央多極子要素（４）は、コントローラによって、相応の電流及び／又は電圧負荷を通じた異なるフィールドの重畳を含む１２極子フィールドまでの異なるフィールドを発生し得る１２極子要素であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の補正器。
6. 円形レンズとして設計された二つの伝送レンズ（７，８）が、対物側において前記補正器（１）と関連付けられ、その伝送レンズのフィールド設定は、５次の開口収差及び／又は３次の放射状コマ収差を除去し、又は、それらを許容可能な程度まで低減することができることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の補正器。
7. 前記第１及び第２の補正部（１０，２０）の前記第２及び第３の多極子要素（１２，１３；２３；２２）の前記４極子フィールド（１２′，１３′，１２″，１３″；２３′，２２′，２３″，２２″）及び前記８極子フィールド（１２″′，１３″′；２３″′，２２″′）並びに前記中央多極子要素（４）の前記８極子フィールド（４′）は、前記伝送レンズ（７，８）の前記設定が新たに発生した１次の色収差及び３次の開口収差を除去するように、再調整が可能であることを特徴とする請求項６に記載の補正器。
8. 前記第１の補正部（１０）の前記第２の多極子要素（１２）及び前記第３の多極子要素（１３）の前記１２極子フィールド（１９，１９′）並びに前記中央多極子要素（４）の前記１２極子フィールド（４″）は、前記伝送レンズ（７，８）及び前記再調整によって発生させられるさらに高次の収差を除去するために、再調整が可能であることを特徴とする請求項７に記載の補正器。
9. 収差補正によって発生させられる１次の色収差、３次の開口収差及びさらに高次の収差は、前記伝送レンズ（７，８）、前記第１及び第２の補正部（１０，２０）の前記４極子フィールド（１２′，１３′，１２″，１３″；２３′，２２′，２３″，２２″）、並びに、前記第１及び第２の補正部（１０，２０）及び前記中央多極子要素（４）の前記８極子フィールド（１２″′，１３″′；２３″′，２２″′；４′）の再調整と、前記第１の補正部（１０）及び前記中央多極子要素（４）の前記１２極子フィールド（１９，１９′，４″）の後続の再調整と、前記４極子フィールド（１１′，１２′，１３′，１４′；２４′，２３′，２２′，２１′）を発生させる総ての前記多極子要素（１１，１２，１３，１４；２４，２３，２２，２１）の前記さらなる８極子フィールド（１８，１８′，１８″，１８″′；２８，２８′，２８″，２８″′）のさらに後続の再調整とに加えて、それぞれの先行する再調整によって発生させられる収差を、それらの収差が所望の結像のために許容可能な量に低減されるまで、低減するための上記各過程における反復設定を通じて除去され得ることを特徴とする請求項６，７及び８のいずれか一項に記載の補正器。
10. 結像直径に沿って１００００結像点までの結像分解能が、５次の小さい開口収差を許容することにより達成され得ることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の補正器。
11. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の補正器（１）を用いた電子ビームの補正によって特徴付けられる透過型電子顕微鏡。

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