JP2014056765A - 電子線照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズの形状および相対的な位置関係以外では何ら新たな装置を追加することなく、しかも光源サイズが大きい場合であっても、ビームの平行性を高くすることができる電子線照射装置を提供する。
【解決手段】電子線照射装置１０は、電子線を発生させる電子銃２０と、発生した電子線を集めて試料５０に当てる照射レンズ系とを有する。照射レンズ系は、複数のレンズ（１つ以上のコンデンサレンズ３０、および対物レンズ４０）からなり、これら複数のレンズのうち最終段のレンズ（対物レンズ４０）の１つ前段のレンズ（最終段のコンデンサレンズ３４）は、倍率が１倍以下に設定され、かつ、その像面が最終段のレンズ（対物レンズ４０）の前方焦点面と一致するように配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子線照射装置に関する。

電子顕微鏡において、電子線を試料に平行に照射する方法として、ケーラー照明が知られている。

従来、ビームの平行性を高くする最も有効な方法として考えられているのは、ケーラー照明である。この照明法の原理は、１８９３年発行の非特許文献１（非特許文献２はこれの英語訳である）に記載されている。もちろん、この当時、電子顕微鏡はまだ発明されておらず、この照明法は、光学顕微鏡に関して提案されたものである。

その後、電子顕微鏡の試料照射法は、１９９０年開催の電子顕微鏡国際会議で紹介され（非特許文献３）、この方法をさらに発展させて、ケーラー照明と結びつけて電子顕微鏡に応用した方法が、翌１９９１年にアメリカの電子顕微鏡学会（ＥＭＳＡ）で発表された（非特許文献４）。

図１は、ケーラー照明による電子軌道のシミュレーション結果を示す図である。ここでは、特に、図示しない対物レンズの前方焦点面から試料までの電子軌道をシミュレーションした結果を示している。なお、図１と同じ内容の図面が、非特許文献１および非特許文献３にも掲載されている。

図１において、左側の矢印は、図示しない電子銃（光源）から図示しないコンデンサレンズによって作られた光源像（つまり、電子線のクロスオーバ像）１である。ケーラー照明では、この像１が対物レンズの前方焦点面（焦点距離ｆ）に位置し、かつ、試料面３が対物レンズの後方焦点面（焦点距離ｆ）に位置するように、照射レンズ系が構成される。

図１に示すように、像１の中心（つまり、光源の中心）から出たビーム（以下、「軸上ビーム」ともいう）は、いろいろな角度で出たにもかかわらず、対物レンズによって平行ビームとなり、試料面３を一様に照射する。図１から、像１（つまり、光源）からのビームの拡がり角度は、試料面３ではビームの拡がりの面積となっていることがわかる。すなわち、大きな角度で出たビームは、試料面３を広く照射することになる。

一方、像１の中心（つまり、光源の中心）から外れた位置から出たビーム（以下、「軸外ビーム」ともいう）については、像１の中心から出た軸上ビームと同じ角度を持つビーム（つまり、軸上ビームと平行なビーム）は、試料面３において軸上ビームと同じ位置に達するものの、その位置を斜めから（つまり、角度を持って）照射することがわかる。すなわち、像１（つまり、光源）が有限の大きさ（２ｄ_１の直径）を持つ限り、完全な平行ビームは作られず、像１（光源）の大きさで決まる角度を持ったビームが試料面３を照射することになる（照射範囲の大きさ＝２ｄ_２の直径）。したがって、ケーラー照明によって完全な平行ビームを作ることはできない。なお、図１において、「２α_１」は、像１上の任意の１点から出るビームの拡がり角度であり（半角α_１は開き角）、「２α_２」は、その一定の拡がり角度（２α_１）で像１上の任意の１点から出たビームが試料面３を照射する角度範囲である（半角α_２は開き角）。

しかし、従来、ケーラー照明について書かれたほとんどの文献では、図１と同じ内容の図が描かれているにもかかわらず、ケーラー照明が平行ビームを得るための照明法として紹介されている。これは、従来は、ビームの平行性に対する要求がまだそれほど強くなく、また、電界放出型電子銃（field-emission electron gun：ＦＥＧ）などを用いた場合は、光源サイズ（光源径）が小さく（つまり、いわゆる点光源に近く）、試料を照射するビームの拡がり角度が小さいため、ほとんど平行ビームであると考えられたためである。すなわち、要求される平行性の程度が１０^−３ｒａｄ（１ｍｒａｄ）、または、せいぜい１０^−４ｒａｄ（０.１ｍｒａｄ）までであれば、図１に示されるビームでも平行ビームと呼ぶことができた。

ところが、例えば、回折イメージング（Diffractive Imaging）のように、１０^−５オーダーという高い平行性が要求される照射レンズ系においては、もはや、ケーラー照明を、平行ビームを得るための方法として考えることはできない。

回折イメージングは、電子顕微鏡における高分解能化を実現する方法の１つであり、最近、大きな注目を浴びており、先端的な研究が世界的に展開されている。回折イメージングは、結像のためのレンズを必要とせず、回折パターンを基本とするにもかかわらず、周期性を持たない非結晶な物質に対しても回折限界分解能のイメージングを実現することができる電子顕微法である。電子顕微鏡における回折イメージングでは、電子線を平行かつ微小領域で試料に照射することが重要な課題である。

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非特許文献１（およびその英語訳である非特許文献２）によれば、ケーラーの時代、光学顕微鏡において試料を照射する光源としてまだ電球が普及しておらず、炎によって明るさを取っていたため、試料が一様に照射されず、照明ムラがあった。この照明ムラをなくすために考案された照明法こそがケーラー照明であった。ケーラー照明は、光源上の１点から出たビームは試料全体を照明し、かつ、試料上の１点は光源上のすべての点から照明される方法として提案されている。ケーラーは、平行ビームについては全く触れておらず、ムラのない照明を実現する方法としてケーラー照明を提案している。

ここで、「光源上の１点から出たビームは試料全体を照明する」という説明は、軸上ビーム（つまり、光源の中心から出たビーム）は平行ビームとなると読み替えることができる。しかし、「試料上の１点は光源上のすべての点から照明される」という説明は、軸外ビーム（つまり、光源の中心以外の点から出たビーム）は、試料をその位置に応じていろいろな傾斜角度で照明すると読み替えることができる。

したがって、例えば、上記のように平行なビームが試料の観察領域全体を照射することが要求される回折イメージングでは、ケーラー照明ではない別の照明法が求められることになる。

一方、電子顕微鏡の分野において、これまでに、平行性の高い照明が必要とされた分野は、電子回折とローレンツ電子顕微鏡である。

電子回折については、試料に照射する平行ビームの生成について考察した文献が二三あるものの（非特許文献５、非特許文献６）、これらの論文は、ケーラー照明については触れておらず、磁場による回転によって平行性が乱されることに言及しているのみである。

また、ローレンツ電子顕微鏡は、平行ビームを必要としているものの、それについて考察した論文は見当たらない。ローレンツ電子顕微鏡は、デフォーカスによって磁壁の像を作るものであり、ビームの平行性が高くなるほど磁壁像のシャープさが向上する。

そこで、ローレンツ電子顕微鏡においてビームの平行性を高くするために用いられている方法は、最終段のコンデンサレンズ（例えば、２段構成の場合は２段目の第２コンデンサレンズ。以下、２段構成の場合を例にとって説明する）の励磁を弱めるという方法である。これは、第２コンデンサレンズが作る光源の像を拡大することに相当する。そして、これは、ケーラー照明が最終段のコンデンサレンズによってビームを拡大することと同じである。しかし、ローレンツ電子顕微鏡は、試料の磁区構造を観察するものである。そのため、ローレンツ電子顕微鏡では、試料に磁場がかかることを避けるために、対物レンズをオフで使用するか、あるいは、対物レンズを用いても結像レンズ系だけを有し、試料とその前方には、磁場のない、つまり、照射レンズのない対物レンズを用いる。このため、試料は第２コンデンサレンズから遠く離れた位置にあり、１段目の第１コンデンサレンズで縮小したビームを第２コンデンサレンズで拡大して投影することによって、できるだけ平行に近いビームを得るようにしている。

この方法は、特にケーラー照明を使用するものではないが、ケーラー照明の条件を含んだ第２コンデンサレンズ弱励磁の条件を使用している。この方法は、非特許文献３および非特許文献４において電子顕微鏡に対するケーラー照明が紹介される以前から広く用いられている。もちろん、光学顕微鏡に対するケーラーの提案は、ローレンツ電子顕微鏡が始まる遥か前である。すなわち、ローレンツ電子顕微鏡は、試料に照射するビームをコントロールする第２コンデンサレンズの励磁条件だけを単独に規定する方法である、と言うことができる。第２コンデンサレンズの前段の第１コンデンサレンズに対する条件は、何も規定されていない。

ケーラー照明を、２段構成のコンデンサレンズ（ＣＬ１、ＣＬ２）と対物レンズ（ＯＬ）とを組み合わせた３段照射レンズ系（ＣＬ１＋ＣＬ２＋ＯＬ）で考えたとき、ケーラー照明は、第２コンデンサレンズの励磁条件を、第２コンデンサレンズの像面が対物レンズの前方焦点面と一致するように合わせ込むことによって実現される。例えば、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）などで使用されるスポットモードでは、第２コンデンサレンズの像が第２コンデンサレンズのすぐ後ろにあり、ビーム径が縮小される。そして、そこから発散したビームが対物レンズの照射系に入り、さらに縮小されたビームが試料に当たることになる。これに対し、ケーラー照明では、第２コンデンサレンズの励磁は、スポットモードの場合に比べて弱められ、第２コンデンサレンズの像は、対物レンズの前方焦点面と一致させるため、対物レンズに近づく。このため、ケーラー照明では、第２コンデンサレンズは、拡大モードで使用されることが多い。これは、通常、対物レンズは高性能のものが使用されるため、その焦点距離が短く、したがって、対物レンズの前方焦点面は第２コンデンサレンズから遠く離れた対物レンズのすぐ前に位置しているためである。また、第２コンデンサレンズと対物レンズの間には、偏向系や非点補正、ビームスキャン系などのコイルが何段も配置され、これらを収納するために大きな空間を必要としていることも、もう１つの理由となっている。こうして、第２コンデンサレンズの像面位置が対物レンズの前方焦点面と一致した場合にビームが平行化されると考えられてきた。以上が、一般的にＴＥＭ（Transmission Electron Microscope：透過型電子顕微鏡）やＳＥＭなどの照射レンズ系の構成が、ケーラー照明の条件を満たしたときに、軸上ビームは平行化されるが、軸外ビームは角度を持った照射条件になる、という照明になった理由である。

このことを定量的に述べると次のようになる。例えば、図１において、像１の中心（Ｘ＝０）および像１の両端（Ｘ＝±０.５μｍ）からそれぞれ５ｍｒａｄの角度で出射したビームが対物レンズに入って、ケーラー照明の条件を満たすような励磁条件で出てきた場合、軸上ビーム（Ｘ＝０）については、光軸５に対する傾斜角度が３.６６００２×１０^−６ｒａｄという値になり、１０^−６オーダーの平行性を持つビームが実現される。これに対し、軸外ビーム（Ｘ＝±０.５μｍ）については、光軸５に対する傾斜角度が、それぞれ、−４.１７９３１×１０^−４ｒａｄ、４.２４７２７×１０^−４ｒａｄという値になり、像１の両端から出射したときの角度（５×１０^−３ｒａｄ）に比べて１桁高い平行性を実現しているものの、軸上ビームに比べて２桁低い平行性である。もちろん、この値は、上記のように、光源が有限の大きさを持っていることに起因するため、光源サイズが１桁小さく±５０ｎｍであれば、１０^−５オーダーの平行性が実現されることになる。

例えば、電界放射型電子銃（ＦＥＧ）などの電子銃では、光源サイズが１０ｎｍ程度であるため、本来ならケーラー照明だけで１０^−５オーダーの平行性が十分実現されるはずである。しかし、実際の実験では、１０^−５オーダーの平行性が実現されたという証拠は出ていない。これは、電子を加速した際の加速レンズやその後の照射レンズ系などの収差やベルシェ効果などによって、実際の光源サイズが大きくなっているためであると考えられる。したがって、収差補正装置を導入することによって、これらの収差を低減し、１０ｎｍ程度の光源サイズを維持できる可能性もある。しかし、収差補正装置の導入は、コストとスペースをさらに必要とする。また、そもそも光源サイズが大きい電子銃を用いる場合には、収差補正装置の導入自体あまり意味がない。

そこで、光源サイズが大きい場合であっても、既存の照射レンズ系の工夫のみによって、ビームの平行性を高くすることができる技術が求められている。

本発明者は、上記の諸点に鑑み、照射レンズ系のうち、特にコンデンサレンズ系の使い方を改善することによって、光源サイズ、つまり、光源のビーム径が大きい場合であっても、軸上ビームに劣らない平行性を軸外ビームにもたらすことができる照射条件を考案した。

本発明の目的は、レンズの形状および相対的な位置関係以外では何ら新たな装置を追加することなく、しかも光源サイズが大きい場合であっても、ビームの平行性を高くすることができる電子線照射装置を提供することである。

本発明の電子線照射装置は、電子線を発生させる電子線源と、発生した電子線を集めて試料に当てる照射レンズ系と、を有し、前記照射レンズ系は、複数のレンズからなり、前記複数のレンズのうち最終段のレンズの１つ前段のレンズは、倍率が１倍以下に設定され、かつ、その像面が前記最終段のレンズの前方焦点面と一致するように配置されている。

前記照射レンズ系が、発生した電子線を集める１つ以上のコンデンサレンズと、前記コンデンサレンズによって集められた電子線を試料に当てる対物レンズと、を有する場合、前記１つ以上のコンデンサレンズのうち最終段のコンデンサレンズは、倍率が１倍以下に設定され、かつ、その像面が前記対物レンズの前方焦点面と一致するように配置されている。

前記照射レンズ系が、複数のコンデンサレンズを有し、対物レンズを用いずに前記複数のコンデンサレンズを用いて試料に電子線を照射する場合、前記複数のコンデンサレンズのうち最終段のコンデンサレンズの１つ前段のコンデンサレンズは、倍率が１倍以下に設定され、かつ、その像面が前記最終段のコンデンサレンズの前方焦点面と一致するように配置されている。

好ましくは、前記１つ前段のレンズは、前記電子線源のクロスオーバ位置と前記１つ前段のレンズの像面との距離が短くなるように励磁条件が調整されている。具体的には、例えば、前記電子線源のクロスオーバ位置と前記１つ前段のレンズの像面との距離をｄ_１、前記電子線源のクロスオーバ位置と前記１つ前段のレンズの主平面との距離をｄ_２、前記電子線源のクロスオーバ位置と前記最終段のレンズの主平面との距離をｄ_３としたとき、さらに、次の関係を満たす。
ｄ_１≦ｄ_２＋（ｄ_３−ｄ_２）／２

本発明によれば、照射レンズ系の使い方を改善することによって、レンズの形状および相対的な位置関係以外では何ら新たな装置を追加することなく、しかも光源サイズが大きい場合であっても、ビームの平行性を高くすることができる。

ケーラー照明による電子軌道のシミュレーション結果を示す図 本発明の一実施の形態に係る電子線照射装置を構成する照射レンズ系の一例を示す概略図 図２の照射レンズ系を構成する電子レンズの構造を示す概略図 最終段のコンデンサレンズの倍率をある値に設定したときの電子軌道のシミュレーション結果を示す図 最終段のコンデンサレンズの倍率を他の値に設定したときの電子軌道のシミュレーション結果を示す図 最終段のコンデンサレンズの倍率をさらに他の値に設定したときの電子軌道のシミュレーション結果を示す図 最終段のコンデンサレンズの倍率をさらに他の値に設定したときの電子軌道のシミュレーション結果を示す図 最終段のコンデンサレンズの倍率を変えたときの軸上ビームと軸外ビームの軌道を示す図 対物レンズの焦点位置と、軸外ビームの試料上へのビーム照射角度との関係を示すグラフ 対物レンズの焦点位置と、コンデンサレンズの倍率との関係を示すグラフ 対物レンズの焦点位置と、試料上のビーム半径との関係を示すグラフ 対物レンズと最終段のコンデンサレンズの距離を変更した場合を説明するための図 最終段のコンデンサレンズのポールピースと対物レンズのポールピースとの距離を短くした構成を示す図 像回転をなくすためにダブルギャップレンズを用いた場合を説明するための図 本実施の形態に係る電子線照射装置の第１の適用例として、回折イメージング装置の光学系の一例を示す概略図 図１５の回折イメージング装置の光線図 本実施の形態に係る電子線照射装置の第２の適用例として、ローレンツ電子顕微鏡の光学系の一例を示す概略図 図１７のローレンツ電子顕微鏡の光線図

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

なお、本発明は、広く、電子顕微鏡の照射レンズ系に用いられる電子線照射装置に関し、特に、例えば、電子回折イメージングに好適な電子線照射装置に関し、さらに具体的には、像質を良くする平行ビームを得るための電子レンズの位置や形状、駆動電流などに関する。また、照射レンズ系には、対物レンズを用いる場合と、対物レンズを用いない場合とがあるが、後述するように、本発明は、コンデンサレンズと対物レンズを用いて試料にビームを照射する場合のみならず、対物レンズを用いずにコンデンサレンズのみを用いて試料にビームを照射する場合にも適用可能である。

図２は、本発明の一実施の形態に係る電子線照射装置を構成する照射レンズ系の一例を示す概略図である。図２の例は、コンデンサレンズと対物レンズを用いて試料にビームを照射する場合である。なお、ここでは、説明を簡単にするため、２段構成のコンデンサレンズ（ＣＬ１＋ＣＬ２）と対物レンズ（ＯＬ）とを組み合わせた３段照射レンズ系（ＣＬ１＋ＣＬ２＋ＯＬ）を例にとって説明する。

図２に示す電子線照射装置１０は、照射レンズ系１２として、電子線を発生させる電子銃（電子線源）２０と、発生した電子線を集めるコンデンサレンズ３０と、コンデンサレンズ３０によって集められた電子線を試料に当てる対物レンズ（ＯＬ）４０とを有する。コンデンサレンズ３０は、２段構成であり、１段目の第１コンデンサレンズ（ＣＬ１）３２と、２段目の第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４とを有する。電子銃２０内には、図示しない陰極から放出された電子線が絞られた最小断面の部分であるクロスオーバ２２が形成される。電子銃２０から出た電子線は、第１コンデンサレンズ（ＣＬ１）３２、第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４、および対物レンズ（ＯＬ）４０を順に通過して試料５０を照射する。

この照射レンズ系１２では、試料５０に照射するビームの平行性を高くするため、コンデンサレンズ（ＣＬ１＋ＣＬ２）３０のうち最終段（つまり、ここでは２段目）のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４は、倍率（＝ｂ／ａ）が１倍以下に設定され、かつ、その像面が対物レンズ（ＯＬ）４０の前方焦点面（焦点距離ｆ）と一致するように配置されている。また、好ましくは、この条件に加えて、電子銃２０内のクロスオーバ位置と最終段（２段目）のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４の像面との距離が短くなるように、最終段（２段目）のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４の励磁条件が調整されている。具体的には、電子線照射装置１０は、電子銃２０内のクロスオーバ２２の位置Ｐ_０と最終段（２段目）のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４の像面の位置Ｐ_３との距離をｄ_ｉｍ、電子銃２０内のクロスオーバ２２の位置Ｐ_０と最終段（２段目）のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４の主平面の位置Ｐ_２との距離をｄ_ＣＬ２、電子銃２０内のクロスオーバ２２の位置Ｐ_０と対物レンズ（ＯＬ）４０の主平面の位置Ｐ_４との距離をｄ_ＯＬとしたとき、さらに、次の関係、
ｄ_ｉｍ≦ｄ_ＣＬｎ＋（ｄ_ＯＬ−ｄ_ＣＬｎ）／２
を満たすように構成されている。なお、図２中、「Ｐ_１」は、１段目のコンデンサレンズ（ＣＬ１）３２の像面の位置、「Ｐ_５」は、最終段のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４と対物レンズ（ＯＬ）４０の中間点である。なお、本発明の原理については、後で詳述する。

各コンデンサレンズ（ＣＬ１、ＣＬ２）３２、３４および対物レンズ（ＯＬ）４０は、それぞれ、例えば、磁場により電子線を集束させる電子レンズ（磁界型電子レンズ）である。

図３は、図２の照射レンズ系を構成する電子レンズの構造を示す概略図である。ここでは、簡単化のため、図２の照射レンズ系１２を構成する最終段（２段目）の第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４と対物レンズ（ＯＬ）４０を示している。なお、図示しないが、第１コンデンサレンズ（ＣＬ１）３２の構造も、第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４および対物レンズ（ＯＬ）４０の構造と同じである。また、以下の説明では、コンデンサレンズか対物レンズかを問わず、電子レンズの構成部材のうち同一の部材には同一の符号を付す。

電子レンズは、図３に示すように、磁場を発生するコイル６０と、透磁率の高い材料（例えば、鉄など）で出来た金属の枠（ヨーク）６２とを有する。電子レンズは、電子線が通る光軸７０を中心として回転対称な形状をしている。磁極片６４はポールピースとも呼ばれ、ヨーク６２に比べて高品質の材料が使用される場合もあり、高い精度で加工されている。なお、ここでは、ポールピースの位置を、ポールピースの上極と下極の間の中心位置として定義する。

電子レンズでは、電子が螺旋状に動くため、像が回転する。また、電子レンズでは、コイル６０に流す電流（励磁電流）を変えることにより、焦点距離を変えることができる。

図２の構成において、特に、対物レンズ（ＯＬ）４０は、試料５０に磁場がかからない磁場フリー型の電子レンズであることが好ましい。例えば、対物レンズ（ＯＬ）４０は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）用の対物レンズと類似の形状を有し、ＳＥＭ用のごく普通の対物レンズを用いることができる。

ここで、本発明の原理を説明する。ここでは、より一般的な構成として、２段照射レンズ系を考える。この２段照射レンズ系において、例えば、前段のレンズは、最終段のコンデンサレンズＣＬｎであり、後段のレンズは、対物レンズＯＬである。図２の照射レンズ系１２に当てはめると、前段のレンズは、第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４に相当し、後段のレンズは、対物レンズ（ＯＬ）４０に相当する（図３参照）。

なお、対物レンズを用いずにコンデンサレンズのみを用いて試料にビームを照射する場合には、２段のコンデンサレンズが、最終段のコンデンサレンズＣＬｎと対物レンズＯＬの役割を果たす。例えば、この場合、後述する図１７の照射レンズ系２０４に当てはめると、前段のレンズは、第１コンデンサレンズ（ＣＬ１）３２に相当し、後段のレンズは、第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４に相当する。

このような２段照射レンズ系において、平行度が高いビームは、上記のように、前段のレンズ（最終段のコンデンサレンズＣＬｎ）の倍率を１倍以下に設定することによって、前段のレンズのクロスオーバ（焦点に形成される回折図形）を像と距離的に接近させ、かつ、後段のレンズ（対物レンズＯＬ）の励磁条件を、前段のレンズの像面が後段のレンズの前方焦点面と一致するように設定したときに得られる。

この条件は、ケーラー照明の条件を含んでいる。ケーラー照明の条件は、軸上ビームの平行化に必要な条件であり、これを満たさない条件の下でビームを平行化する条件は存在しない。ここで問題とする条件は、軸外ビームを平行化する条件である。軸外ビームを平行化する条件は、軸上ビームを平行化する条件を含んだ上で、さらに追加の条件を必要としている。

電子顕微鏡は、通常、その装置構成の都合から、対物レンズＯＬの１つ前段のレンズ（最終段のコンデンサレンズＣＬｎ）が拡大系で使用されている。このため、ケーラー照明では、軸外ビームは平行化されない。最終段のコンデンサレンズＣＬｎの倍率を縮小モードにすれば、最終段のコンデンサレンズＣＬｎのビームのクロスオーバが像面のごく近傍に位置し、軸上軌道の像面のみならず、軸外軌道のクロスオーバ面も、対物レンズＯＬの前方焦点面のごく近傍に置くことができる。これが本発明の原理である。

例えば、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）やＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）などの照射レンズ系では、対物レンズＯＬの前方に位置する最終段のコンデンサレンズＣＬｎと対物レンズＯＬとの距離が大きく取られている。これは、最終段のコンデンサレンズＣＬｎと対物レンズＯＬの間に偏向系や非点補正系、スキャン系、古い時代のＴＥＭではさらに試料挿入系などが入れられていたため、広い空間を必要としたためである。また、対物レンズＯＬとしては、高性能、つまり、短い焦点距離のレンズが使用されるのが一般的であるため、対物レンズＯＬの前方焦点面は、対物レンズＯＬの近くにあるのが普通である。したがって、電子顕微鏡では、通常、最終段のコンデンサレンズＣＬｎと対物レンズＯＬの前方焦点面の距離とはどうしても長くなり、したがって、最終段のコンデンサレンズＣＬｎは、拡大系として使用されるのが一般的である。すなわち、最終段のコンデンサレンズＣＬｎは、拡大系が電子光学的に望ましいという積極的な理由で拡大系になっているのではなく、特に強い要求がなかったために、作りやすい装置が選択されただけであると考えられる。

ＳＥＭなどでは、細く絞ったビームで試料を走査するため、照射レンズ系は縮小系で使用される。したがって、最終段のコンデンサレンズＣＬｎも当然縮小系で使用されていると考えられがちである。しかし、鏡筒内のレンズなどの位置関係を調べるとわかるように、ＳＥＭなどでは、最終段のコンデンサレンズＣＬｎを縮小系で使用することはできない構造になっている。ビームの縮小は、初段のコンデンサレンズＣＬ１などと対物レンズＯＬとによって主に行われる。最終段のコンデンサレンズＣＬｎが実際には縮小系として使用されていなかったことが、電子顕微鏡ではケーラー照明が平行ビームの生成系になり得なかった理由である。

図４〜図７は、前段のレンズ（最終段のコンデンサレンズＣＬｎ）の倍率を変えたときの電子軌道のシミュレーション結果を示す図である。ここでは、上記の２段照射系において、後段のレンズ（対物レンズＯＬ）の後方で平行ビームが実現されている。なお、各図において、前段のレンズ（ＣＬｎ）と後段のレンズ（ＯＬ）のそれぞれのレンズについて、プラスマイナスの磁極が向き合ったギャップの領域で電子軌道がクロスした図になっているが、これは、レンズとして磁界型電子レンズを使用しているため、レンズ内で電子ビームが回転運動をしていることに起因する。また、各図に示すように、これらの場合、軸上ビームと軸外ビームがそれぞれ分離した軌道を描いている。

ここで、図４〜図７のシミュレーション条件は、次の通りである。ここでは、図３に示す２段照射系に対してシミュレーションを行った。計算領域７２は、ｘ軸方向（光軸７０の方向）に関して−１５ｍｍから１１０ｍｍまでの１２５ｍｍ、ｙ軸方向（光軸７０に垂直な方向）に関して０ｍｍから７０ｍｍまでの７０ｍｍの範囲である。これを図４〜図７に示すスケール（方眼紙）に対応させると、スケールの横方向（ｘ軸方向）の一目盛り分の寸法は１０ｍｍであり、縦方向（ｙ軸方向）の一目盛り分の寸法は５μｍである。加速電圧は、３０ｋＶに設定した。また、図４から図７の順に、前段のレンズ（最終段のコンデンサレンズＣＬｎ）の励磁条件を強くしている。各レンズの励磁条件は、アンペアターン（ＡＴ）によって設定される。後段のレンズ（ＯＬ）の励磁条件（アンペアターン）は、ケーラー照明の条件に合わせる。すなわち、本シミュレーションでは、前段のレンズ（最終段のコンデンサレンズＣＬｎ）の励磁条件を変更した場合、ケーラー照明の条件を維持するように、後段のレンズ（ＯＬ）の励磁条件を再調整した。

図４は、前段のレンズ（ＣＬｎ）について、励磁条件を弱くして拡大率を上げ、倍率を約２.５倍にした場合を示している。

次に、前段のレンズ（ＣＬｎ）を縮小モードで使用した場合を見ていく。図５〜図７がこれに当たる。

まず、図５は、倍率が約０.７５倍の場合である。この場合、一見後段のレンズ（ＯＬ）によって平行ビームが形成されているように見える。ただし、前段のレンズ（ＣＬｎ）による縮小のため、ビームの角度が大きくなっており、このため、後段のレンズ（ＯＬ）に入るビームが大きくなっている。

図６は、さらに前段のレンズ（ＣＬｎ）の縮小率を大きくして、倍率を０.５倍よりも小さくした場合である。前段のレンズ（ＣＬｎ）の縮小率が大きいことは、クロスオーバ位置と前段のレンズ（ＣＬｎ）の像面との距離が小さくなるため、軸外ビームもケーラー照明の条件を満たしていることを意味する。

実際、図５の場合と図６の場合について、試料上でのビーム角度を比べてみると、図５の場合には、ビームの傾斜角度は１０^−４ｒａｄから１０^−５ｒａｄ程度であるが、図６の場合には、１０^−５ｒａｄから１０^−６ｒａｄ程度の一様性を確保している。軸上ビームの平行性は、後段のレンズ（ＯＬ）のアンペアターンを細かく変えることによって少しずつ変化し、多数回の繰り返し計算を行えば、最適条件を見つけることができ、高い平行度を実現することができる。これに反し、いくら細かい調整を行っても、軸外ビームの平行性はあまり変化しない。すなわち、前段のレンズ（ＣＬｎ）のクロスオーバがもともと前方焦点面から離れていれば、いくら像面だけを前方焦点面に厳密に合わせても平行ビームを得ることはできないが、縮小率を大きくして両者を接近させておけば、平行性の高いビームが実現しやすい。なお、例えば、図６において、前段のレンズ（ＣＬｎ）のアンペアターンは１２００であり、後段のレンズ（ＯＬ）のアンペアターンは４００である。

図７は、さらに前段のレンズ（ＣＬｎ）の縮小率を大きくした場合である。この場合には、図６の場合に対して後段のレンズ（ＯＬ）を前段のレンズ（ＣＬｎ）に近づけた結果、ビーム照射領域の大きさが約１／４に減少した。なお、この場合、前段のレンズ（ＣＬｎ）のアンペアターンは、例えば、１０１６であり、後段のレンズ（ＯＬ）のアンペアターンは、ケーラー照明の条件に合うように設定されている。

図８は、最終段のコンデンサレンズ（ＣＬｎ）の倍率を変えたときの軸上ビームと軸外ビームの軌道を示す図である。

図８の照射レンズ系は、図２に示す３段照射レンズ系（ＣＬ１＋ＣＬ２＋ＯＬ）に対応している。図８は、この３段照射レンズ系（ＣＬ１＋ＣＬ２＋ＯＬ）において最終段（２段目）のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４の像面の位置を３通りに変えた場合の、軸上ビームと軸外ビームの軌道を示している。軸上ビームは実線、軸外ビームは破線でそれぞれ示されている。図８に示すように、軸上ビームは、いずれの場合も、対物レンズ（ＯＬ）４０がケーラー照明の条件を満たしているため、平行ビームになっている。一方、軸外ビームについては、最終段のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４の励磁条件（つまり、倍率）の違いによって、軸外ビームが平行ビームになる場合と平行ビームにならない場合とが起こり、最終段のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４の励磁条件に対して連続変化する。

上記のように、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）に示す３つの場合の軌道は、３段照射レンズ系（ＣＬ１＋ＣＬ２＋ＯＬ）における軸上ビームと軸外ビームの軌道を、最終段のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４の焦点位置（つまり、倍率）を変えて描いたものである。図４〜図７のシミュレーションでは、収差や磁場による像回転なども含む実際の軌道について見てきたため、なぜ、あるいは、どのように、軸外ビームの平行化が行われるのかの理由をつかむことが難しかった。ここでは、原理的な図を示すことによって、数値的な表示も用いて、どのような条件によって平行ビームが実現されるかを示す。

図８（Ａ）〜図８（Ｃ）にそれぞれ示す軌道を見ると、軸上ビームはすべて平行ビームになっている。すなわち、ケーラー照明の条件が成り立っている。

軸上ビームが平行になるためには、対物レンズ（ＯＬ）４０に対してケーラー照明の条件を満たす必要があるため、軸外ビームも平行にするための条件は、最終段のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４について、さらに別の条件が付加されたものになる。図８（Ａ）〜図８（Ｃ）にそれぞれ示す軌道を見たとき、図８（Ａ）に示す軌道は、平行な軸外ビームを有しているが、図８（Ｂ）および図８（Ｃ）にそれぞれ示す軌道は、もはや、平行性を有していない。また、軸外ビームの傾斜角度は、図８（Ｃ）の場合が図８（Ｂ）の場合よりも大きくなっている。上記のように、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は、最終段のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４の焦点位置がそれぞれ異なる。特に、図８（Ａ）と、図８（Ｂ）および図８（Ｃ）との違いは、最終段のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４の焦点面（つまり、像面）が、図８（Ａ）では、自分の近くに存在するのに対し、図８（Ｂ）および図８（Ｃ）では、むしろ対物レンズ（ＯＬ）４０に近づいていることにある。

図９は、対物レンズの焦点位置と、軸外ビームの試料上へのビーム照射角度との関係を示すグラフである。

具体的には、図９は、対物レンズ（ＯＬ）の焦点位置（ｍｍ）（図２のＰ_３参照）と、半径１μｍの軸外ビームの試料上へのビーム照射角度（ｍｒａｄ）との関係を示している。なお、図１０および図１１に示すように、本シミュレーションでは、ケースａからケースｈまでの８つのケースについてシミュレーション計算を行ったが、ここでは、ケースａ、ｇ、ｈを除く５つのケースについてのみ示している。例えば、ケースｂは図７、ケースｄは図６、ケースｆは図５にそれぞれ対応している。

例えば、ケースｆの場合、１点を除いて１０^−５ｒａｄの平行度を実現している。ここに示した場合は、レンズの収差などを考慮していない理想的な場合であるため、かなり良い値となっている。実際のビームでは、ケースｂ、ケースｄ、ケースｆの場合を順に図７、図６、図５にそれぞれ示したが、見た目に平行ビームとして見えるのは、ケースａ、ケースｂ、ケースｃの場合であった。特に、ケースａの場合は、１０^−６ｒａｄ以下の平行度と思われる。見た目にも平行なビームが得られるのは、最終段のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４の収束位置（つまり、像面）が、対物レンズ（ＯＬ）４０の焦点位置Ｚ＝１００ｍｍよりも左側に来た場合である。すなわち、対物レンズ（ＯＬ）４０の焦点が、最終段のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４と対物レンズ（ＯＬ）４０の中間点（図２のＰ_５参照）よりもビーム縮小側に位置する場合に、軸外ビームも平行になる。

図８を用いてこれを説明すると、破線で示す軸外ビームの軌道が実線で示す軸上ビームの軌道とほとんど重なるような条件の場合に、軸外ビームは平行化される。これは、図８を見れば明らかなように、きわめて自明のことである。軸上ビームと軸外ビームが同じ軌道になれば、軸上ビームは元々平行ビームの条件に設定されているため、軸外ビームも平行化されることになる。

換言すれば、縮小レンズ系を使用した場合、クロスオーバ面が像面（実際にビームが結像する面）に近づく。したがって、クロスオーバ面と像面が接近すればするほど、軸上ビームと軸外ビームの両軌道は同じ軌道に近づく。軸上ビームはケーラー照明の条件を満たしているため、軸外ビームの軌道を、最終段のコンデンサレンズＣＬｎの励磁条件を調整することによって軸上ビームの軌道に近づけてやれば、軸外ビームも平行化される。

図１０は、対物レンズの焦点位置と、コンデンサレンズの倍率との関係を示すグラフである。

具体的には、図１０のグラフにおいて、左側の縦軸は、２段のコンデンサレンズ（ＣＬ１＋ＣＬ２）３０の合成倍率を示し、右側の縦軸は、２段目の第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４の単独倍率を示している。倍率は、いずれも、第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４の像面位置（つまり、対物レンズ（ＯＬ）４０の焦点位置）に対して直線関係を示している。例えば、第１コンデンサレンズ（ＣＬ１）３２の単独倍率Ｍ（ＣＬ１）を０.２倍とした場合において、合成倍率Ｍ（ＣＬ１＋ＣＬ２）が０.２倍のとき、第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４の単独倍率Ｍ（ＣＬ２）は１倍となる。図１０に示すように、第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４の単独倍率Ｍ（ＣＬ２）が１倍の場合は、ケースａ、ケースｂ、ケースｃの場合である。

この方式の欠点は、試料上のビームサイズが大きくなるため、ビームを絞りによってカットして微小領域のビームにした場合には、照明が暗くなることである。この様子を示したのが、次の図１１である。

図１１は、対物レンズの焦点位置と、試料上のビーム半径との関係を示すグラフである。

具体的には、図１１は、最終段のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４の像面位置、つまり、対物レンズ（ＯＬ）４０の焦点位置に対する、軸上ビーム（実線）と半径１μｍの軸外ビーム（破線）の試料上の半径を示している。軸外ビームの平行化が実現される場合（ケースａ、ケースｂ、ケースｃ参照）には、特にビームサイズの増大が著しいことがわかる。

このようなビームサイズの増大を抑える工夫の一つとして、最終段のコンデンサレンズＣＬｎと対物レンズＯＬの距離を短くする方法が考えられる。これは、ビームの平行性を確保しながらビームの照射領域を狭くする方法として捉えることができる。

一般的に、顕微鏡は、倍率が大きくなるほど、観察領域の面積は狭くなる。しかし、検出器の面積は同じであるため、検出器に当たる光の量をある程度以上にするには、倍率が高くなるほど強いビームを用いなければならない。ビームの平行照射では、ビームを絞ることができないため、従来は、暗いビームで我慢せざるを得なかった。しかし、ビームの拡がりを排除する工夫として、例えば、上記のように、最終段のコンデンサレンズＣＬｎと対物レンズＯＬの距離を短くすることによって、平行照射でも明るいビームを確保することができる。

具体的には、最終段のコンデンサレンズＣＬｎと対物レンズＯＬの距離は、普通の電子顕微鏡では、両レンズの間に偏向系や非点補正系、スキャン系などが置かれるため、通常、レンズの積み重ねによる距離だけではない大きな距離が取られている。照射領域を小さくして輝度の減少を防ぐためには、最終段のコンデンサレンズＣＬｎと対物レンズＯＬの距離をできるだけ近づける工夫が必要である。

例えば、そのための第１の工夫は、偏向系や非点補正、スキャン系などを最終段のコンデンサレンズＣＬｎの後方ではなく、その１つ前段のコンデンサレンズＣＬｎ−１の後方に移動させて、図１２に示すように、最終段のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４と対物レンズ（ＯＬ）４０の距離を物理的に短くすることである（ｄ_１＞ｄ_２＞ｄ_３）。この場合、両レンズ３４、４０の距離を短くするほど対物レンズ（ＯＬ）４０の焦点距離が短くなるよう、対物レンズ（ＯＬ）４０の励磁条件を調整する必要がある。すなわち、この場合、対物レンズ（ＯＬ）４０は、最終段のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４と対物レンズ（ＯＬ）４０の距離が短くなるように、励磁条件（駆動条件）が設定される。

また、第２の工夫は、電子レンズに対して、最終段のコンデンサレンズＣＬｎと対物レンズＯＬの間でそれぞれのポールピースの位置が近づくような構造を施すことである。具体的には、図１３に示すように、最終段のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４ａのポールピース６４ａと対物レンズ（ＯＬ）４０ａのポールピース６４ｂが、それぞれ、互いの距離が短くなる位置、つまり、互いに向き合う位置に設けられている（比較のため図３参照）。

なお、例示した２つの方法は、両方併用してもよいし、いずれか一方だけ使用してもよい。また、上記のように、この２つのレンズ（最終段のコンデンサレンズＣＬｎと対物レンズＯＬ）の間の距離を短くしても、軸外ビームの平行性に対して、特に悪影響はない。

上記のように、磁界型の電子レンズでは、電子が螺旋状に動くため、像が回転する。この場合、像の回転によって角度が付くため、せっかく平行ビームを作っても、像の回転によって生じた角度分だけ再び傾くことになる。したがって、これを防ぐための工夫が必要である。

像回転防止のための第１の工夫は、すべての電子レンズに対して、磁場による像回転角の合計がゼロになるよう全アンペアターンの合計を調整することである。

また、第２の工夫は、各電子レンズをダブルギャップレンズによって構成することである。すなわち、各電子レンズについて、像の回転が打ち消されるように励磁の方向が逆の２つのレンズを組み合わせることである。

図１４は、後者の工夫、つまり、像回転をなくすためにダブルギャップレンズを用いた場合を説明するための図である。

像の回転をなくすためには、各コンデンサレンズ（ＣＬ１、ＣＬ２）および対物レンズ（ＯＬ）にダブルギャップレンズを用いればよい。図１４（Ａ）には、それぞれダブルギャップレンズを用いた最終段のコンデンサレンズ（ＣＬ２）３４ｂおよび対物レンズ（ＯＬ）４０ｂを示している。ダブルギャップレンズは、図１４（Ａ）に示すように、第１コイル８０と第２コイル８２がペアになったコイルである。これらのコイル８０、８２に逆向きの電流を流すことにより、第１ギャップ８４と第２ギャップ８６にそれぞれ発生する漏洩磁場は互いに逆の極性を持っており、光軸７０に沿って漏洩磁場の中を通過する電子線に働く像回転効果は相殺し合うことになる。図１４（Ａ）の構成に対応する電子軌道のシミュレーション結果は、図１４（Ｂ）に示す通りである。なお、図１４（Ｂ）のシミュレーションでは、第１コイル８０および第２コイル８２にそれぞれ対応するポールピース間のギャップを６ｍｍとして計算した。

なお、本実施の形態では、各コンデンサレンズ（ＣＬ１、ＣＬ２）３２、３４および対物レンズ（ＯＬ）４０を、それぞれ、電子レンズ（磁界型電子レンズ）で構成した場合を例にとって説明したが、これに限定されない。磁界型電子レンズに代えて、静電界により電子線を集束させる電子レンズ（静電型電子レンズ）を用いることも可能である。

以下、具体的な装置への適用例について説明する。なお、以下に説明する適用例は、単なる一例であって、これに限定されないことはもちろんである。

図１５は、本実施の形態に係る電子線照射装置の第１の適用例として、回折イメージング装置の光学系の一例を示す概略図である。この適用例は、コンデンサレンズと対物レンズを用いて試料にビームを照射する場合である。なお、図１５において、図２に示す電子線照射装置１０と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１５に示す回折イメージング装置１００は、光学系１０２として、電子銃２０、２段構成のコンデンサレンズ３０（第１コンデンサレンズ（ＣＬ１）３２と第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４）、対物レンズ４０、および試料５０に加えて、第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４）と対物レンズ４０の間に、順に第１偏向器１１０、非点補正器１２０、および第２偏向器１３０を有する。第１偏向器１１０と第２偏向器１３０は、２段偏向系を構成しており、１段目の第１偏向器１１０で電子ビームを偏向し、２段目の第２偏向器１３０で偏向したビームを振り戻す。非点補正器１２０は、対物レンズ（ＯＬ）４０の非点収差を補正するための装置である。上記のように、対物レンズ４０を通過した電子線は、平行ビームとなって、試料５０に平行に照射される。試料５０からの回折パターンは、検出器１４０によって検出される。

図１６は、図１５の回折イメージング装置の光線図である。

図１６に示すように、電子銃２０で発生した電子線は、図２に示す照射レンズ系１２、つまり、第１コンデンサレンズ（ＣＬ１）３２、第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４、および対物レンズ（ＯＬ）４０によって平行な電子ビームとなり、試料５０に照射される。

図１７は、本実施の形態に係る電子線照射装置の第２の適用例として、ローレンツ電子顕微鏡の光学系の一例を示す概略図である。この適用例は、対物レンズを用いずにコンデンサレンズのみを用いて試料にビームを照射する場合である。なお、図２に示す電子線照射装置１０および図１５に示す回折イメージング装置１００と同様の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図１５に示す回折イメージング装置１００では、試料５０への平行照射を実現するために、第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４と対物レンズ（ＯＬ）４０とで平行ビームを作るが、図１７に示すローレンツ電子顕微鏡２００では、試料５０への平行照射を実現するために、第１コンデンサレンズ（ＣＬ１）３２と第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４とで平行ビームを作るように構成されている。

ローレンツ電子顕微鏡２００は、光学系２０２として、電子銃２０から順に、２段構成のコンデンサレンズ３０（第１コンデンサレンズ（ＣＬ１）３２と第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４）、第１偏向器１１０、非点補正器１２０、第２偏向器１３０、試料５０、および対物レンズ４０を有し、さらに、対物レンズ４０と検出器１４０の間に、順に第１中間レンズ（ＩＬ１）２１０、第２中間レンズ（ＩＬ２）２２０、および投影レンズ（ＰＬ）２３０を有する。ここでは、対物レンズを用いないという意味において、２段構成のコンデンサレンズ３０（第１コンデンサレンズ（ＣＬ１）３２と第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４）のみによって、照射レンズ系２０４が構成されている。中間レンズ（ＩＬ１、ＩＬ２）２１０、２２０は、対物レンズと投影レンズの間にあるレンズであって、ここでは２段で構成されている。投影レンズ（ＰＬ）２３０は、結像レンズ系の最終レンズであって、中間レンズで拡大された像をさらに拡大して、検出器１４０上に結像する。この場合、第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４を通過した電子線は、平行ビームとなって、試料５０に平行に照射される。

図１８は、図１７のローレンツ電子顕微鏡の光線図である。

図１８に示すように、電子銃２０で発生した電子線は、第１コンデンサレンズ（ＣＬ１）３２と第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）３４によって平行な電子ビームとなり、試料５０に照射される。

このように、本実施の形態によれば、照射レンズ系を構成する複数のレンズ（例えば、２段構成のコンデンサレンズ３０と対物レンズ４０の組み合わせ、または、２段構成のコンデンサレンズ３０のみ）のうち、最終段のレンズ（上記の例で、対物レンズ４０または第２コンデンサレンズ３４）の１つ前段のレンズ（上記の例で、第２コンデンサレンズ３４または第１コンデンサレンズ３２）について、倍率を１倍以下に設定し、かつ、その像面が最終段のレンズの前方焦点面と一致するように配置するため、レンズの形状および相対的な位置関係以外では何ら新たな装置を追加することなく、しかも光源サイズが大きい場合であっても、ビームの平行性を高くすることができる。

本発明に係る電子線照射装置は、レンズの形状および相対的な位置関係以外では何ら新たな装置を追加することなく、しかも光源サイズが大きい場合であっても、ビームの平行性を高くすることができる電子線照射装置として有用である。

１０ 電子線照射装置
１２、２０４ 照射レンズ系
２０ 電子銃
２２ クロスオーバ
３０ コンデンサレンズ
３２ 第１コンデンサレンズ（ＣＬ１）
３４、３４ａ、３４ｂ 第２コンデンサレンズ（ＣＬ２）
４０、４０ａ、４０ｂ 対物レンズ（ＯＬ）
５０ 試料
６０ コイル
６２ ヨーク
６４、６４a、６４b ポールピース
７０ 光軸
８０ 第１コイル
８２ 第２コイル
８４ 第１ギャップ
８６ 第２ギャップ
１００ 回折イメージング装置
１０２、２０２ 光学系
１１０ 第１偏向器
１２０ 非点補正器
１３０ 第２偏向器
１４０ 検出器
２００ ローレンツ電子顕微鏡
２１０ 第１中間レンズ（ＩＬ１）
２２０ 第２中間レンズ（ＩＬ２）
２３０ 投影レンズ（ＰＬ）

Claims (14)

1. 電子線を発生させる電子線源と、
   発生した電子線を集めて試料に当てる照射レンズ系と、を有し、
   前記照射レンズ系は、複数のレンズからなり、
   前記複数のレンズのうち最終段のレンズの１つ前段のレンズは、倍率が１倍以下に設定され、かつ、その像面が前記最終段のレンズの前方焦点面と一致するように配置されている、
   電子線照射装置。
2. 前記照射レンズ系は、
   発生した電子線を集める１つ以上のコンデンサレンズと、
   前記コンデンサレンズによって集められた電子線を試料に当てる対物レンズと、を有し、
   前記１つ以上のコンデンサレンズのうち最終段のコンデンサレンズは、倍率が１倍以下に設定され、かつ、その像面が前記対物レンズの前方焦点面と一致するように配置されている、
   請求項１記載の電子線照射装置。
3. 前記照射レンズ系は、
   複数のコンデンサレンズを有し、対物レンズを用いずに前記複数のコンデンサレンズを用いて試料に電子線を照射し、
   前記複数のコンデンサレンズのうち最終段のコンデンサレンズの１つ前段のコンデンサレンズは、倍率が１倍以下に設定され、かつ、その像面が前記最終段のコンデンサレンズの前方焦点面と一致するように配置されている、
   請求項１記載の電子線照射装置。
4. 前記１つ前段のレンズは、
   前記電子線源のクロスオーバ位置と前記１つ前段のレンズの像面との距離が短くなるように励磁条件が調整されている、
   請求項１記載の電子線照射装置。
5. 前記電子線源のクロスオーバ位置と前記１つ前段のレンズの像面との距離をｄ_１、前記電子線源のクロスオーバ位置と前記１つ前段のレンズの主平面との距離をｄ_２、前記電子線源のクロスオーバ位置と前記最終段のレンズの主平面との距離をｄ_３としたとき、さらに、次の関係を満たす、
   ｄ_１≦ｄ_２＋（ｄ_３−ｄ_２）／２
   請求項１記載の電子線照射装置。
6. 前記対物レンズは、試料に磁場がかからない磁場フリー型の電子レンズである、
   請求項２記載の電子線照射装置。
7. 前記対物レンズは、走査型電子顕微鏡用の対物レンズと類似の形状を有する、
   請求項６記載の電子線照射装置。
8. 前記複数のレンズは、それぞれ、静電型電子レンズである、
   請求項１記載の電子線照射装置。
9. 前記複数のレンズは、それぞれ、磁界型電子レンズであり、全レンズは、磁場による像回転角の合計がゼロになるよう全アンペアターンの合計が調整され、または、各レンズは、ダブルギャップレンズによって構成されている、
   請求項１記載の電子線照射装置。
10. 前記対物レンズは、前記対物レンズと前記最終段のコンデンサレンズの距離が短くなるように駆動条件が設定されている、
    請求項２記載の電子線照射装置。
11. 前記最終段のコンデンサレンズおよび前記対物レンズは、それぞれ、磁界型電子レンズであり、
    前記最終段のコンデンサレンズのポールピースおよび前記対物レンズのポールピースは、それぞれ、互いの距離が短くなる位置に設けられている、
    請求項２記載の電子線照射装置。
12. 請求項１から請求項１１のいずれかに記載の電子線照射装置を有する電子顕微鏡。
13. 前記最終段のコンデンサレンズとこれの１つ前段のコンデンサレンズとの間に、電子線を偏向走査する偏向器および非点収差を補正する非点補正器の少なくともいずれか一方が配置されている、
    請求項１２記載の電子顕微鏡。
14. 請求項３記載の電子線照射装置を有するローレンツ電子顕微鏡。
    

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