JP2014116219A - 色収差補正装置および電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】負の色収差を効率的に発生させて、収差を補正することができる色収差補正装置を提供する。
【解決手段】色収差補正装置１００は、第１多極子１１０は、光軸ＯＡに沿って配置されている第１部分１１０ａ、第２部分１１０ｂ、および第３部分１１０ｃを有し、第１部分１１０ａ、第２部分１１０ｂ、および第３部分１１０ｃの各々は、厚みを有し、電場四極子場と磁場四極子場とを重畳した四極子場を発生させ、第１部分１１０ａは、磁場四極子場に比べて電場四極子場が強く設定され、第２部分１１０ｂは、電場四極子場に比べて磁場四極子場が強く設定され、第３部分１１０ｃは、磁場四極子場に比べて電場四極子場が強く設定され、第２部分１１０ｂで発生する二回非点成分は、第１部分１１０ａおよび第３部分１１０ｃで発生する二回非点成分と逆符号であり、第２の電磁場は、第１の電磁場を光軸まわりに９０°回転させた場である。
【選択図】図３

Description

本発明は、色収差補正装置および電子顕微鏡に関する。

透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡において、色収差は分解能低下要因の一つである。色収差を補正することにより、分解能が向上する。

例えば、特許文献１には、電子線の光軸に沿って厚みを有し、電磁場を発生させる２つ多極子を用いて色収差を補正する色収差補正装置が開示されている。特許文献１の色収差補正装置では、負の色収差を発生させて対物レンズの正の色収差を相殺することによって、対物レンズの色収差を補正している。

具体的には、特許文献１の色収差補正装置は、荷電粒子線の光軸に沿って第一の厚みを有し二回対称の第一の静電磁場を発生させる第一多極子と、前記光軸に沿って第二の厚みを有し二回対称の第二の静電磁場を発生させる第二多極子と、第一多極子と第二多極子との間に配置されている転送レンズと、を備え、第一の静電磁場および第二の静電磁場は、その荷電粒子線に対して磁場的二回非点収差を、所定の条件の範囲で、互いに相殺することを特徴としている。第一多極子および第二多極子では、厚みを持った四極子場のコンビネーションアベレーションにより凹レンズ効果を発生させている。

特開２０１０−１１４０６８号公報

特許文献１の色収差補正装置では、多極子に磁場に加えて電場も用いている。例えば、このような多極子において、電場のチャージや微量な電圧不安定性は最終的に得られる電子顕微鏡の分解能を低減させる大きな原因となる。電場は、多極子の光軸方向の長さ（厚み）が大きいほど、これらのノイズ成分を受ける距離が伸びるため、電子線に対する擾乱が増加する。そのため、多極子の長さを短くすることが分解能の向上につながる。多極子の長さを短くして分解能を向上させるためには、負の色収差を効率的に発生させることが必要となる。

本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、負の色収差を効率的に発生させて、収差を補正することができる色収差補正装置を提供することにある。

（１）本発明に係る色収差補正装置は、
電子顕微鏡用の色収差補正装置であって、
第１の電磁場を発生させる第１多極子と、
第２の電磁場を発生させる第２多極子と、
を含み、
前記第１多極子は、光軸に沿って配置されている第１部分、第２部分、および第３部分を有し、
前記第１部分、前記第２部分、および前記第３部分の各々は、電子線の進行方向に対し
て厚みを有し、電場四極子場と磁場四極子場とを重畳した四極子場を発生させ、
前記第１部分は、磁場四極子場に比べて電場四極子場が強く設定され、
前記第２部分は、電場四極子場に比べて磁場四極子場が強く設定され、
前記第３部分は、磁場四極子場に比べて電場四極子場が強く設定され、
前記第２部分で発生する二回非点成分は、前記第１部分および前記第３部分で発生する二回非点成分と逆符号であり、
前記第２の電磁場は、前記第１の電磁場を光軸まわりに９０°回転させた場である。

このような色収差補正装置によれば、第１多極子の３つの部分で電子線の軌道を大きく変化させることができるため、例えば多極子が１段の場合と比べて、色収差を効率的に発生させることができる。

（２）本発明に係る色収差補正装置において、
前記第１の電磁場の電場四極子場成分は、前記光軸に沿って、一定であってもよい。

このような色収差補正装置によれば、簡易な構成で、電場四極子場を発生させることができる。

（３）本発明に係る色収差補正装置において、
前記第１多極子は、前記第１部分から前記第３部分まで延出している複数の電極を有し、
前記複数の電極は、前記第１部分、前記第２部分、および前記第３部分に一定の電場四極子場を発生させてもよい。

このような色収差補正装置によれば、簡易な構成で、電場四極子場を発生させることができる。

（４）本発明に係る色収差補正装置において、
前記第１多極子と前記第２多極子との間に配置されている転送レンズを含んでいてもよい。

（５）本発明に係る色収差補正装置において、
前記第１の電磁場に、四回対称の電場または四回対称の磁場を重畳させる第３多極子と、
前記第２の電磁場に、四回対称の電場または四回対称の磁場を重畳させる第４多極子と、
を含んでいてもよい。

（６）本発明に係る色収差補正装置において、
前記第１の電磁場に、三回対称の電場または三回対称の磁場を重畳させる第３多極子と、
前記第２の電磁場に、三回対称の電場または三回対称の磁場を重畳させる第４多極子と、
を含んでいてもよい。

（７）本発明に係る色収差補正装置において、
前記第１部分および前記第３部分は、凹レンズ作用を有し、
前記第２部分は、凸レンズ作用を有してもよい。

（８）本発明に係る電子顕微鏡は、
本発明に係る色収差補正装置を含む。

このような電子顕微鏡によれば、本発明に係る色収差補正装置を含むため、第１多極子の長さを短く（厚みを小さく）することができ、分解能を向上させることができる。

第１実施形態に係る色収差補正装置を搭載する電子顕微鏡の構成を説明するための図。 第１実施形態に係る色収差補正装置の光学系を示す図。 図３（Ａ）は、第１実施形態に係る色収差補正装置の構成を説明するための図であり、図３（Ｂ）は、第１実施形態に係る色収差補正装置の各部分における二回非点成分を示す図であり、図３（Ｃ）は、第１実施形態に係る色収差補正装置の各部分で発生するレンズ効果を示す図であり、図３（Ｄ）は、第１実施形態に係る色収差補正装置の第１多極子および第２多極子で発生する色二回非点成分を示す図である。 第１実施形態に係る色収差補正装置の第１多極子の第１部分を模式的に示す平面図。 図５（Ａ）は、第１実施形態に係る色収差補正装置の第１多極子の電極を模式的に示す斜視図であり、図５（Ｂ）は、第１実施形態に係る色収差補正装置の第１多極子の磁極を模式的に示す斜視図である。 四極の電極が発生させる電場四極子場から、電子線が受ける力を説明するための図。 四極の磁極が発生させる磁場四極子場から、電子線が受ける力を説明するための図 第１実施形態に係る色収差補正装置の第２多極子の第１部分を模式的に示す平面図。 第１実施形態に係る色収差補正装置の第１多極子内および第２多極子内の電子線の軌道を示す模式図。 第１実施形態の第１変形例に係る色収差補正装置の光学系を示す図。 図１１（Ａ）は、第１実施形態の第１変形例に係る色収差補正装置の構成を説明するための図であり、図１１（Ｂ）は、第１実施形態の第１変形例に係る色収差補正装置の各部分における二回非点成分を示す図であり、図１１（Ｃ）は、第１実施形態の第１変形例に係る色収差補正装置の各部分で発生するレンズ効果を示す図であり、図１１（Ｄ）は、第１実施形態の第１変形例に係る色収差補正装置の第１多極子および第２多極子で発生する色二回非点成分を示す図である。 第１実施形態の第２変形例に係る色収差補正装置の光学系を示す図。 第１実施形態の第３変形例に係る色収差補正装置の光学系を示す図。 第１実施形態の第４変形例に係る色収差補正装置の第１多極子を模式的に示す平面図。 第１実施形態の第４変形例に係る色収差補正装置の第１多極子の極を模式的に示す斜視図。 第２実施形態に係る電子顕微鏡の構成を説明するための図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 第１実施形態
１．１． 色収差補正装置の構成
まず、第１実施形態に係る色収差補正装置の構成について、図面を参照しながら説明す
る。第１実施形態に係る色収差補正装置は、電子顕微鏡用の色収差補正装置である。ここで、電子顕微鏡とは、観察対象に電子（電子線）を当てて拡大する顕微鏡であり、例えば、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）等である。

図１は、第１実施形態に係る色収差補正装置１００を搭載する電子顕微鏡１０の構成を説明するための図である。ここでは、色収差補正装置１００を透過電子顕微鏡に搭載した場合について説明する。すなわち、色収差補正装置１００は、透過電子顕微鏡用の色収差補正装置である。

電子顕微鏡１０は、電子銃１１と、高圧制御部１２と、集束レンズ１３と、対物レンズ１４と、試料ステージ１５と、色収差補正装置１００と、中間・投影レンズ１６と、観察室１７と、を含んで構成されている。電子顕微鏡１０では、色収差補正装置１００を、結像系の収差補正装置として用いている。

電子銃１１は、高圧制御部１２によって高圧電源が制御されて、電子線を発生させる。

集束レンズ１３は、電子銃１１で発生した電子線を集束する。集束レンズ１３で集束された電子線は、対物レンズ１４および試料ステージ１５に至る。集束レンズ１３は、試料ステージ１５上の試料に電子線を照射するための照射系（照射レンズ系）を構成している。

対物レンズ１４は、試料を透過した電子線で結像するための初段のレンズである。試料ステージ１５は、試料を保持している。試料を透過した電子線は、色収差補正装置１００に入射する。対物レンズ１４と色収差補正装置１００との間には、対物ミニレンズ１４１，１４２（図２参照）が配置されていてもよい。

色収差補正装置１００は、対物レンズ１４の色収差を補正する。色収差補正装置１００の詳細については後述する。色収差補正装置１００で色収差が補正された電子線は、中間・投影レンズ１６に至る。

中間・投影レンズ１６は、対物レンズ１４ともに、試料を透過した電子線で結像するための結像系（結像レンズ系）を構成している。中間・投影レンズ１６は、観察室１７内のカメラ（図示せず）上に結像する。

電子顕微鏡１０では、色収差補正装置１００を含むため、結像系（対物レンズ１４）の色収差を補正することができる。したがって、電子顕微鏡１０は、高い分解能を有することができる。

図２は、色収差補正装置１００の光学系を示す図である。図２に示すように、試料Ｓを透過した電子線ＥＢは、対物レンズ１４、対物ミニレンズ１４１，１４２を通過して色収差補正装置１００に入射する。対物ミニレンズ１４１，１４２は、対物レンズ１４、および中間・投影レンズ１６とともに結像系を構成している。

色収差補正装置１００は、対物レンズ１４（対物ミニレンズ１４１，１４２）の後段に配置されている。色収差補正装置１００は、第１多極子１１０と、第２多極子１２０と、を含む。色収差補正装置１００は、さらに、転送レンズ１３０を含むことができる。

色収差補正装置１００では、電子線ＥＢの進行方向に向かって、第１多極子１１０、転送レンズ１３０、第２多極子１２０の順で配置されている。電子線ＥＢは、第１多極子１
１０に入射し、転送レンズ１３０を通って、第２多極子１２０から射出される。

図３は、色収差補正装置１００の第１多極子１１０および第２多極子１２０について説明するための図である。図３（Ａ）は、色収差補正装置１００の構成を説明するための図である。図３（Ａ）では、電子線ＥＢのＸ軸方向の典型的なビーム軌道としてＸ軌道ＥＢｘを示し、電子線ＥＢのＹ軸方向の典型的なビーム軌道としてＹ軌道ＥＢｙを示している。なお、Ｘ軸およびＹ軸は、光軸ＯＡに垂直な軸であり、互いに直交する軸である。図３（Ｂ）は、多極子１１０，１２０の各部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃにおける二回非点成分を示す図である。図３（Ｃ）は、多極子１１０，１２０の各部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃで発生するレンズ効果を示す図である。図３（Ｄ）は、第１多極子１１０および第２多極子１２０で発生する色二回非点成分を示す図である。

第１多極子１１０は、図３（Ａ）に示すように、光軸ＯＡに沿って３つの部分（１段目（第１部分）１１０ａ、２段目（第２部分）１１０ｂ、３段目（第３部分）１１０ｃ）に分かれている。ここで、光軸ＯＡは、多極子１１０および多極子１２０の中心となる軸である。光軸ＯＡは、例えば、多極子１１０および多極子１２０をレンズ（多極子レンズ）としたときのレンズの中心となる軸である。電子線ＥＢは、第１部分１１０ａに入射し、第２部分１１０ｂを通って第３部分１１０ｃから射出する。

第１多極子１１０は、第１の電磁場を発生させる。第１多極子１１０の３つの部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃの各々は、電場四極子場（二回対称の電場）と磁場四極子場（二回対称の磁場）とを重畳して電磁場重畳の四極子場（二回対称の電磁場）を発生させる。第１多極子１１０の３つの部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃが発生させる電磁場重畳の四極子場によって、第１の電磁場が形成される。すなわち、第１の電磁場は、光軸ＯＡに沿って並ぶ各部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃがつくる電磁場重畳の四極子場によって構成されている。

以下、第１多極子１１０の３つの部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃについて詳細に説明する。

まず、第１多極子１１０の第１部分（１段目）１１０ａについて説明する。図４は、第１多極子１１０の第１部分１１０ａを模式的に示す平面図である。

第１多極子１１０の第１部分１１０ａは、光軸ＯＡの周囲に規則的に配列された複数の電極および複数の磁極を有する。図示の例では、第１部分１１０ａは、光軸ＯＡの周囲に配列された、四極の電極１１２ａ〜１１２ｄと、四極の磁極１１４ａ〜１１４ｄと、を有している。

各電極１１２ａ〜１１２ｄは、光軸ＯＡに垂直な平面（ＸＹ平面）上で９０度ごとに振り分けられて配置されている。また、各電極１１２ａ〜１１２ｄの印加電圧の絶対値は互いに等しく、極性のみが交互に変わっている。四極の電極１１２ａ〜１１２ｄは、電場四極子場を発生させる。

各磁極１１４ａ〜１１４ｄは、光軸ＯＡに垂直な平面（ＸＹ平面）上で９０度ごとに振り分けられて配置されている。各磁極１１４ａ〜１１４ｄには、巻き数Ｎの励磁コイル（図示せず）が各磁極１１４ａ〜１１４ｄの後端部（図示せず）に装着され、この励磁コイルに電流Ｉが流れるようになっている。したがって、各磁極の起磁力はＮＩとなる。各励磁コイルには、個別に電流源（図示せず）と接続されており、その起磁力は任意に設定される。図示の例では、各磁極１１４ａ〜１１４ｄの起磁力は互いに等しく、極性のみが交
互に変わっている。四極の磁極１１４ａ〜１１４ｄは、磁場四極子場を発生させる。

図６は、四極の電極１１２ａ〜１１２ｄが発生させる電場四極子場から電子線ＥＢが受ける力を説明するための図である。

図６に示すように、四極の電極１１２ａ〜１１２ｄが発生させる電場四極子場は、電子線ＥＢに対して、Ｘ軸方向に収束作用を持ち、Ｙ軸方向に発散作用を持つ。したがって、電子線ＥＢは、電場四極子場から力Ｆ_Ｅを受けることによって、Ｘ軸方向に収束し、Ｙ軸方向に発散する。

図７は、四極の磁極１１４ａ〜１１４ｄが発生させる磁場四極子場から電子線ＥＢが受ける力を説明するための図である。

図７に示すように、四極の磁極１１４ａ〜１１４ｄが発生させる磁場四極子場は、電子線ＥＢに対して、Ｘ軸方向に発散作用を持ち、Ｙ軸方向に収束作用を持つ。したがって、電子線ＥＢは、磁場四極子場から力Ｆ_Ｂを受けることによって、Ｘ軸方向に発散し、Ｙ軸方向に収束する。

第１部分１１０ａでは、電場四極子場と磁場四極子場とを重畳して四極子場（電磁場重畳四極子場）を発生させる。第１部分１１０ａでは、電場四極子場によって電子線ＥＢが受ける力Ｆ_Ｅと磁場四極子場によって電子線ＥＢが受ける力Ｆ_Ｂとが、互いに相殺する方向に加えられる。

ここで、第１部分１１０ａは、磁場四極子場に比べて電場四極子場が強く設定される。すなわち、第１部分１１０ａでは、磁場四極子場によって電子線ＥＢが受ける力Ｆ_Ｂよりも、電場四極子場によって電子線ＥＢが受ける力Ｆ_Ｅが大きく設定される（Ｆ_Ｂ＜Ｆ_Ｅ）。これにより、電子線ＥＢに二回非点成分を与え、軌道を変化させる。より具体的には、第１部分１１０ａは、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、電子線ＥＢのＹ軌道ＥＢｙに二回非点の発散方向の成分を与え、電子線ＥＢのＸ軌道ＥＢｘに二回非点の収束方向の成分を与える。

また、第１部分１１０ａは、電子線ＥＢの進行方向に対して厚みを有している。より具体的には、第１部分１１０ａは、多極子場のプライマリー項以外の高次項による場によってコンビネーションアベレーションが発生する厚みを有している。そのため、第１部分１１０ａでは、コンビネーションアベレーションにより負の色収差が発生する。また、第１部分１１０ａは、図３（Ｃ）に示すように、コンビネーションアベレーションにより電子線ＥＢに対して凹レンズ作用を生じさせる。すなわち、第１部分１１０ａは、電子線ＥＢに対する凹レンズ作用を有している。この原理については、後述する。

ここで、コンビネーションアベレーションとは、ある場所で発生した収差（収差１）がある距離伝搬することにより入射点が変わり、別の収差（収差２）の影響を受けたとき、収差１と収差２の組み合わせにより生まれる組み合わせ収差のことである。

次に、第１多極子１１０の第２部分（２段目）１１０ｂについて説明する。第２部分１１０ｂの構成は、図４に示す第１部分１１０ａの構成と同様である。すなわち、第１多極子１１０の第２部分１１０ｂは、光軸ＯＡの周囲に配列された、四極の電極１１２ａ〜１１２ｄと、四極の磁極１１４ａ〜１１４ｄと、を有している。

第２部分１１０ｂでは、電場四極子場に比べて磁場四極子場が強く設定される。すなわち、第２部分１１０ｂでは、電場四極子場によって電子線ＥＢが受ける力Ｆ_Ｅよりも、磁
場四極子場によって電子線ＥＢが受ける力Ｆ_Ｂが大きく設定される（Ｆ_Ｅ＜Ｆ_Ｂ）。これにより、第２部分１１０ｂは、第１部分１１０ａで発生する二回非点成分とは逆符号の二回非点成分を発生させる。すなわち、第２部分１１０ｂでは、第１部分１１０ａとは、逆向きの四極子場を電子線に与える。より具体的には、第２部分１１０ｂは、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、電子線ＥＢのＹ軌道ＥＢｙに二回非点の収束方向の成分を与え、電子線ＥＢのＸ軌道ＥＢｘに二回非点の発散方向の成分を与える四極子場を発生させる。これにより、第２部分１１０ｂは、図３（Ａ）に示すように、発散成分を持ったＹ軌道ＥＢｙを逆向きに押し戻して二回非点成分を減少させ、かつ、Ｘ軌道ＥＢｘの二回非点の収束成分を弱める。

また、第２部分１１０ｂは、第１部分１１０ａと同様に、電子線ＥＢの進行方向に対して厚みを有している。そのため、第２部分１１０ｂでは、コンビネーションアベレーションにより負の色収差が発生する。また、第２部分１１０ｂは、図３（Ｃ）に示すように、コンビネーションアベレーションにより電子線ＥＢに対して凸レンズ作用を生じさせる。すなわち、第２部分１１０ｂは、電子線ＥＢに対する凸レンズ作用を有している。

次に、第１多極子１１０の第３部分（３段目）１１０ｃについて説明する。第３部分１１０ｃの構成は、図４に示す第１部分１１０ａの構成と同様である。すなわち、第１多極子１１０の第３部分１１０ｃは、光軸ＯＡの周囲に配列された、四極の電極１１２ａ〜１１２ｄと、四極の磁極１１４ａ〜１１４ｄと、を有している。

第３部分１１０ｃでは、第１部分１１０ａと同様に、磁場四極子場に比べて電場四極子場が強く設定される。すなわち、第３部分１１０ｃでは、磁場四極子場によって電子線ＥＢが受ける力Ｆ_Ｂよりも、電場四極子場によって電子線ＥＢが受ける力Ｆ_Ｅが大きく設定される（Ｆ_Ｂ＜Ｆ_Ｅ）。これにより、第３部分１１０ｃは、第１部分１１０ａと同様に、電子線ＥＢに二回非点成分を与え、軌道を変化させる。より具体的には、第３部分１１０ｃは、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、電子線ＥＢのＹ軌道ＥＢｙに二回非点の発散方向の成分を与え、電子線ＥＢのＸ軌道ＥＢｘに二回非点の収束方向の成分を与える。これにより、第１多極子１１０から射出される電子線ＥＢの二回非点成分をなくす（低減する）ことができる。

また、第３部分１１０ｃは、第１部分１１０ａと同様に、電子線ＥＢの進行方向に対して厚みを有している。そのため、第３部分１１０ｃでは、コンビネーションアベレーションにより負の色収差が発生する。また、第３部分１１０ｃは、図３（Ｃ）に示すように、コンビネーションアベレーションにより電子線に対して凹レンズ作用を生じさせる。すなわち、第３部分１１０ｃは、電子線ＥＢに対する凹レンズ作用を有している。

第１多極子１１０において、第１部分１１０ａおよび第３部分１１０ｃで発生する電磁場重畳の四極子場の二回非点成分は、第２部分１１０ｂで発生する電磁場重畳の四極子場の二回非点成分と逆符号である。また、第１部分１１０ａで発生する電磁場重畳の四極子場は、図示の例では、第３部分１１０ｃで発生する電磁場重畳の四極子場と同じである。すなわち、第１部分１１０ａの電磁場重畳の四極子場が電子線に与える作用と第３部分１１０ｃの電磁重畳の四極子場が電子線に与える作用とは、同じである。

第１多極子１１０では、図３（Ａ）に示すように、電子線ＥＢのＸ軌道ＥＢｘは、第１多極子１１０の中心ｃで光軸ＯＡを横切る。また、第１多極子１１０では、電子線ＥＢのＸ軌道ＥＢｘは、中心ｃを対称の中心として、前半部分（入射面から中心ｃまで軌道）と、後半部分（中心ｃから射出面までの軌道）は、互いに点対称である。また、第１多極子１１０では、電子線ＥＢのＹ軌道ＥＢｙは、前半部分（入射面から中心ｃまで軌道）と後半部分（中心ｃから射出面までの軌道）とが面対称である。このように、第１多極子１１
０では、電子線ＥＢの軌道の対称性が良好である。

また、第１多極子１１０では、図３（Ａ）に示すように、電子線ＥＢの軌道ＥＢｘ，ＥＢｙを第１部分１１０ａで大きく変化させた後に、第２部分１１０ｂで戻し、最終的に第３部分１１０ｃで二回非点成分を打ち消して電子線ＥＢを射出する。このように、第１多極子１１０では、電子線の軌道ＥＢｘ，ＥＢｙを大きく変化させているため、色収差の発生効率が高い。

図５（Ａ）は、色収差補正装置１００の第１多極子１１０の電極１１２ａを模式的に示す斜視図であり、図５（Ｂ）は、色収差補正装置１００の第１多極子１１０の磁極１１４ａを模式的に示す斜視図である。

第１多極子１１０の電極１１２ａは、図５（Ａ）に示すように、第１部分１１０ａから第３部分１１０ｃまで延出している。すなわち、電極１１２ａは、各部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃに共通の電極である。第１多極子１１０の他の電極１１２ｂ〜１１２ｄについても、電極１１２ａと同様の構成を有している。すなわち、第１多極子１１０の四極の電極１１２ａ〜１１２ｄの各々は、第１部分１１０ａから第３部分１１０ｃまで延出している。そのため、四極の電極１１２ａ〜１１２ｄは、第１部分１１０ａ、第２部分１１０ｂ、および第３部分１１０ｃに一定の電場四極子場を発生させる。したがって、第１多極子１１０が発生させる第１の電磁場の電場四極子場成分は、光軸ＯＡに沿って、一定である。

第１多極子１１０の磁極１１４ａは、図５（Ｂ）に示すように、各部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃで独立している。第１多極子１１０の他の磁極１１４ｂ〜１１４ｄについても、磁極１１４ａと同様の構成を有している。したがって、第１多極子１１０では、各部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃで異なる強さの磁場四極子場を発生させることができる。したがって、第１多極子１１０では、各部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃにおいて、電場四極子場を一定とし、磁場四極子場を変化させることで、第１の電磁場を発生させている。具体的には、第１多極子１１０では、各部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃの電場四極子場の強さを一定に設定し、第１部分１１０ａおよび第３部分１１０ｃの磁場四極子場に比べて、第２部分１１０ｂの磁場四極子場を強く設定する。

なお、第１多極子１１０の各部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃにおいて、磁極１１４ａ〜１１４ｄを共通とし、電極１１２ａ〜１１２ｄを独立させてもよい。これにより、第１多極子１１０の各部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃにおいて、磁場四極子場を一定として電場四極子場を変化させて、第１の電磁場を発生させることができる。また、第１多極子１１０の各部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃにおいて、磁極１１４ａ〜１１４ｄ、および電極１１２ａ〜１１２ｄをともに、独立させてもよい。

第２多極子１２０は、第１の電磁場を光軸ＯＡまわりに９０°回転させた第２の電磁場を発生させる。すなわち、第２多極子１２０では、図３（Ａ）に示すように、Ｘ軌道ＥＢｘとＹ軌道ＥＢｙが第１多極子１１０に対して対称になるように電場および磁場が設定される。これにより、図３（Ｄ）に示すように、第１多極子１１０で発生した色二回非点成分を、第２多極子１２０で発生した色二回非点成分で相殺することができる。したがって、色収差補正装置１００では、全体として、色二回非点成分をなくすことができる。

第２多極子１２０は、図３（Ａ）に示すように、光軸ＯＡに沿って３つの部分（１段目（第１部分）１２０ａ、２段目（第２部分）１２０ｂ、３段目（第３部分）１２０ｃ）に分かれている。第２多極子１２０において、電子線ＥＢは、第１部分１２０ａに入射し、第２部分１２０ｂを通って第３部分１２０ｃから射出する。第２多極子１２０の３つの部
分１２１，１２２，１２３の各々は、電場四極子場と磁場四極子場とを重畳して電磁場重畳の四極子場を発生させる。第２多極子１２０の３つの部分１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃが発生させる電磁場重畳の四極子場によって、第２の電磁場が形成される。すなわち、第２の電磁場は、光軸ＯＡに沿って並ぶ各部分１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃがつくる電磁場重畳の四極子場によって構成されている。

以下、第２多極子１２０の３つの部分１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃについて詳細に説明する。

まず、第２多極子１２０の第１部分（１段目）１２０ａについて説明する。図８は、第２多極子１２０の第１部分１２０ａを模式的に示す平面図である。

第２多極子１２０の第１部分１２０ａは、光軸ＯＡの周囲に規則的に配列された複数の電極および複数の磁極を有する。図示の例では、第２多極子１２０の第１部分１２０ａは、光軸ＯＡの周囲に配列された、四極の電極１２２ａ〜１２２ｄと、四極の磁極１２４ａ〜１２４ｄと、を有している。

各電極１２２ａ〜１２２ｄは、光軸ＯＡに垂直な平面（ＸＹ平面）上で９０度ごとに振り分けられて配置されている。また、各電極１２２ａ〜１２２ｄの印加電圧の絶対値は互いに等しく、極性のみが交互に変わっている。四極の電極１２２ａ〜１２２ｄは、電場四極子場を発生させる。

各磁極１２４ａ〜１２４ｄは、光軸ＯＡに垂直な平面（ＸＹ平面）上で９０度ごとに振り分けられて配置されている。また、各磁極１２４ａ〜１２４ｄには、巻き数Ｎの励磁コイル（図示せず）が各磁極１２４ａ〜１２４ｄの後端部（図示せず）に装着され、この励磁コイルに電流Ｉが流れるようになっている。したがって、各磁極の起磁力はＮＩとなる。各励磁コイルには、個別に電流源（図示せず）と接続されており、その起磁力は任意に設定される。図示の例では、各磁極１２４ａ〜１２４ｄの起磁力は互いに等しく、極性のみが交互に変わっている。四極の磁極１２４ａ〜１２４ｄは、磁場四極子場を発生させる。

第２多極子１２０の第１部分１２０ａの各極１２２ａ〜１２２ｄ、１２４ａ〜１２４ｄの物理的な配置は、図８に示すように、第１多極子１１０の第１部分１１０ａ（図４参照）と同様であるが、その極性が逆である。すなわち、第２多極子１２０の極性は、第１多極子１１０に対して９０度回転している。

ここで、第１部分１２０ａは、磁場四極子場に比べて電場四極子場が強く設定される。すなわち、第１部分１２０ａでは、磁場四極子場によって電子線ＥＢが受ける力Ｆ_Ｂ（図６参照）よりも、電場四極子場によって電子線ＥＢが受ける力Ｆ_Ｅ（図７参照）が大きく設定される（Ｆ_Ｂ＜Ｆ_Ｅ）。これにより、電子線ＥＢに二回非点成分を与え、軌道を変化させる。より具体的には、第１部分１２０ａは、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、電子線ＥＢのＸ軌道ＥＢｘに二回非点の発散方向の成分を与え、電子線ＥＢのＹ軌道ＥＢｙに二回非点の収束方向の成分を与える。第２多極子１２０の第１部分１２０ａが発生させる電磁場重畳の四極子場は、第１多極子１１０の第１部分１１０ａが発生させる電磁場重畳の四極子場を光軸ＯＡまわりに９０°回転させた場である。

また、第１部分１２０ａは、電子線ＥＢの進行方向に対して厚みを有している。より具体的には、第１部分１２０ａは、多極子場のプライマリー項以外の高次項による場によってコンビネーションアベレーションが発生する厚みを有している。そのため、第１部分１２０ａでは、コンビネーションアベレーションにより負の色収差が発生する。また、第１
部分１２０ａは、コンビネーションアベレーションにより電子線に対して凹レンズ作用を生じさせる。すなわち、第１部分１２０ａは、電子線ＥＢに対する凹レンズ作用を有している。

次に、第２多極子１２０の第２部分（２段目）１２０ｂについて説明する。第２部分１２０ｂの構成は、図８に示す第１部分１２０ａの構成と同様である。すなわち、第２多極子１２０の第２部分１２０ｂは、光軸ＯＡの周囲に配列された、四極の電極１２２ａ〜１２２ｄと、四極の磁極１２４ａ〜１２４ｄと、を有している。

第２部分１２０ｂでは、電場四極子場に比べて磁場四極子場が強く設定される。すなわち、第２部分１２０ｂでは、電場四極子場によって電子線ＥＢが受ける力Ｆ_Ｅよりも、磁場四極子場によって電子線ＥＢが受ける力Ｆ_Ｂが大きく設定される（Ｆ_Ｅ＜Ｆ_Ｂ）。これにより、第２部分１２０ｂは、第１部分１２０ａで発生する二回非点成分とは逆符号の二回非点成分を発生させる。すなわち、第２部分１２０ｂでは、第１部分１２０ａとは、逆向きの四極子場を電子線に与える。より具体的には、第２部分１２０ｂは、図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、電子線ＥＢのＸ軌道ＥＢｘに二回非点の収束方向の成分を与え、電子線ＥＢのＹ軌道ＥＢｙに二回非点の発散方向の成分を与える四極子場を発生させる。これにより、第２部分１２０ｂは、図３（Ａ）に示すように、発散成分を持ったＸ軌道ＥＢｘを逆向きに押し戻して二回非点成分を減少させ、かつ、Ｙ軌道ＥＢｙの二回非点の収束成分を弱める。第２多極子１２０の第２部分１２０ｂが発生させる電磁場重畳の四極子場は、第１多極子１１０の第２部分１１０ｂが発生させる電磁場重畳の四極子場を光軸ＯＡまわりに９０°回転させた場である。

また、第２部分１２０ｂは、第１部分１２０ａと同様に、電子線ＥＢの進行方向に対して厚みを有している。そのため、第２部分１２０ｂでは、コンビネーションアベレーションにより負の色収差が発生する。また、第２部分１２０ｂは、図３（Ｃ）に示すように、コンビネーションアベレーションにより電子線ＥＢに対して凸レンズ作用を生じさせる。すなわち、第２部分１２０ｂは、電子線ＥＢに対する凸レンズ作用を有している。

次に、第２多極子１２０の第３部分（３段目）１２０ｃについて説明する。第３部分１２０ｃの構成は、図８に示す第１部分１２０ａの構成と同様である。すなわち、第２多極子１２０の第３部分１２０ｃは、光軸ＯＡの周囲に配列された、四極の電極１２２ａ〜１２２ｄと、四極の磁極１２４ａ〜１２４ｄと、を有している。

第３部分１２０ｃでは、第１部分１２０ａと同様に、磁場四極子場に比べて電場四極子場が強く設定される。すなわち、第３部分１２０ｃでは、磁場四極子場によって電子線ＥＢが受ける力Ｆ_Ｂよりも、電場四極子場によって電子線ＥＢが受ける力Ｆ_Ｅが大きく設定される（Ｆ_Ｂ＜Ｆ_Ｅ）。これにより、第３部分１２０ｃは、第１部分１２０ａと同様に、電子線ＥＢに二回非点成分を与え、軌道を変化させる。より具体的には、第３部分１２０ｃは、電子線ＥＢのＸ軌道ＥＢｘに二回非点の発散方向の成分を与え、電子線ＥＢのＹ軌道ＥＢｙに二回非点の収束方向の成分を与える。これにより、第２多極子１２０から射出される電子線ＥＢの二回非点成分をなくす（低減する）ことができる。第２多極子１２０の第３部分１２０ｃが発生させる電磁場重畳の四極子場は、第１多極子１１０の第３部分１１０ｃが発生させる電磁場重畳の四極子場を光軸ＯＡまわりに９０°回転させた場である。

また、第３部分１２０ｃは、第１部分１２０ａと同様に、電子線ＥＢの進行方向に対して厚みを有している。そのため、第３部分１２０ｃでは、コンビネーションアベレーションにより負の色収差が発生する。また、第３部分１２０ｃは、コンビネーションアベレーションにより電子線に対して凹レンズ作用を生じさせる。すなわち、第３部分１２０ｃは
、電子線ＥＢに対する凹レンズ作用を有している。

第２多極子１２０において、第１部分１２０ａおよび第３部分１２０ｃで発生する電磁場重畳の四極子場の二回非点成分は、第２部分１２０ｂで発生する電磁場重畳の四極子場の二回非点成分と逆符号である。また、第１部分１２０ａで発生する電磁場重畳の四極子場は、図示の例では、第３部分１２０ｃで発生する電磁場重畳の四極子場と同じである。すなわち、第１部分１２０ａの電磁場重畳の四極子場が電子線に与える作用と第３部分１２０ｃの電磁重畳の四極子場が電子線に与える作用とは、同じである。

第２多極子１２０では、図３（Ａ）に示すように、電子線ＥＢのＹ軌道ＥＢｙは、第２多極子１２０の中心ｃで光軸ＯＡを横切る。また、第２多極子１２０では、電子線ＥＢのＹ軌道ＥＢｙは、中心ｃを対称の中心として、前半部分（入射面から中心ｃまで軌道）と、後半部分（中心ｃから射出面までの軌道）は、互いに点対称である。また、第２多極子１２０では、電子線ＥＢのＸ軌道ＥＢｘは、前半部分（入射面から中心ｃまで軌道）と後半部分（中心ｃから射出面までの軌道）とが面対称である。このように、第２多極子１２０では、電子線ＥＢの軌道は対称性が良好である。

また、第２多極子１２０では、図３（Ａ）に示すように、電子線の軌道ＥＢｘ，ＥＢｙを第１部分１２０ａで大きく変化させた後に、第２部分１２０ｂで戻し、最終的に第３部分１２０ｃで二回非点成分を打ち消して電子線ＥＢを射出する。このように、第２多極子１２０では、電子線の軌道ＥＢｘ，ＥＢｙを大きく変化させているため、色収差の発生効率が高い。

第２多極子１２０では、第１多極子１１０と同様に、各部分１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃにおいて、電場四極子場を一定とし、磁場四極子場を変化させることで、第１の電磁場を発生させている。なお、第２多極子１２０の各部分１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃにおいて、磁極１２４ａ〜１２４ｄを共通とし、電極１２２ａ〜１２２ｄを独立させてもよい。これにより、第２多極子１２０の各部分１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃにおいて、磁場四極子場を一定として電場四極子場を変化させて、第１の電磁場を発生させることができる。また、第２多極子１２０の各部分１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃにおいて、磁極１２４ａ〜１２４ｄ、および電極１２２ａ〜１２２ｄをともに、独立させてもよい。

転送レンズ１３０は、第１多極子１１０と第２多極子１２０との間に配置されている。転送レンズ１３０は、図示の例では、３つのレンズ１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃで構成されている。転送レンズ１３０は、例えば、転送倍率１：１のレンズである。転送レンズ１３０は、第１多極子１１０において形成された逆空間像を、第２多極子１２０に転送する。転送レンズ１３０は、例えば、第１多極子１１０の中心を第２多極子１２０の中心に完全転送させる配置からずらし、第２多極子１２０の出口（射出面）で二回非点成分が無いように配置される。なお、図示はしないが、転送レンズ１３０が一対（２つ）のレンズで構成されてもよい。

１．２． 色収差補正装置の動作
次に、第１実施形態に係る色収差補正装置１００の動作について説明する。図９は、色収差補正装置１００の第１多極子１１０内および第２多極子１２０内の電子線の軌道を示す模式図である。図９において、それぞれの円は、角度ごと（１０ｍｒａｄごと）の電子線の軌道を示している。以下、図３および図９を参照しながら説明する。

第１多極子１１０の第１部分１１０ａでは、電場四極子場が磁場四極子場に比べて大きく設定されている。これにより、第１部分１１０ａに入射した電子線ＥＢは、二回非点成分を持ち、軌道が変化する。具体的には、電子線ＥＢは、第１部分１１０ａにおいて、Ｙ
軌道ＥＢｙが二回非点の発散成分を持ち、Ｘ軌道ＥＢｘが二回非点の収束成分を持つ。

第２部分１１０ｂでは、磁場四極子場が電場四極子場に比べて大きく設定されている。これにより、第２部分１１０ｂにおいて、発散成分を持ったＹ軌道ＥＢｙは押し戻されて、二回非点成分が減少する。また、Ｘ軌道ＥＢｘは、二回非点成分の収束成分が弱まり、第１多極子１１０の中心ｃを通る。Ｘ軌道ＥＢｘでは、図３（Ａ）および図９に示すように、第１多極子１１０の中心ｃで、＋Ｘ軸側の軌道と−Ｘ軸側の軌道とが交差する。

第３部分１１０ｃでは、電場四極子場が磁場四極子場に比べて大きく設定されている。これにより、第３部分１１０ｃにおいて、電子線ＥＢの二回非点成分が最終的に打ち消される。第３部分１１０ｃ（第１多極子１１０）から射出された電子線ＥＢは、図９に示すように、二回非点成分が無い。第１多極子１１０から射出された電子線ＥＢは、転送レンズ１３０に入射する。

転送レンズ１３０では、第１多極子１１０において形成された逆空間像が、第２多極子１２０に転送される。ここで、第１多極子１１０から射出される電子線ＥＢは二回非点成分を持たないため、電子線ＥＢを転送レンズ１３０の中心付近に入射させることができる。

第２多極子１２０では、電子線ＥＢのＸ軌道ＥＢｘおよびＹ軌道ＥＢｙが、第１多極子１１０における電子線ＥＢのＸ軌道ＥＢｘおよびＹ軌道ＥＢｙに対して対称となる電磁場を発生させる。すなわち、第２多極子１２０が発生させる電磁場は、第１多極子１１０が発生させる電磁場を光軸ＯＡまわりに９０°回転させた電磁場である。これにより、第２多極子１２０において、第１多極子１１０で発生した色二回非点成分が、第２多極子１２０で発生した色二回非点成分で相殺される。図９に示すように、第２多極子１２０における電子線の軌道は、第１多極子１１０における電子線の軌道を、光軸ＯＡまわりに９０度回転させた軌道である。

ここで、多極子１１０，１２０の各部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃでは、コンビネーションアベレーションにより負の色収差を発生させる。したがって、色収差補正装置１００では、全体として負の色収差を発生させる。これにより、対物レンズ１４の正の色収差を、色収差補正装置１００の負の色収差で相殺することができる。

１．３． 原理
次に、電子線の進行方向に対して厚みを持った四極子場のコンビネーションアベレーションにより、凹レンズ効果が発生する原理、および第２多極子１２０で色二回非点収差を相殺できる原理について説明する。

例えば、四極子、六極子は、それぞれ、二回対称場、三回対称場を基本的に発生させる。これらの場はその多極子が生じる場を多重極界展開した場合のプライマリー項と称される。実際の多極子は、僅かであるがプライマリー項以外の高次項による場が発生している。通常の厚みを持たない（又は薄い）多極子においては、プライマリー項以外の高次項は多極子の使用目的に対して無視されるか又は単なる寄生要因に過ぎない。しかし、多極子の厚みを増していくと、プライマリー項以外の高次項による効果が現れる。この効果を活かすために、電子線の進行方向に必要な長さを持った多極子が「厚み」を有する多極子であり、そこから発生する場は「厚み」のある場である。

四極子による静電場又は静磁場、或いはそれらの重畳場によって生じた四極子場（二回対称場）による二回非点収差を考える。複素表記を用いた電子線の軌道計算において、逆
空間（焦点面）での位置のr、傾きをr'（＝∂ｒ／∂ｚ）、複素角をΩ、複素角に対する微分Ω'（＝∂Ω／∂ｚ）とする。Ａ_２を単位長さあたりの二回非点収差係数とすると、二回非点収差（幾何収差）は、Ａ_２とΩの複素共役を用いて、下記式で表される。

四極子の入射面における電子線の位置ｒ_０と傾きｒ_０'の複素数表記を下記のように表す。

また、四極子の射出面における電子線の位置ｒ_１と傾きｒ_１'の複素数表記を下記のように表す。

対物レンズの焦点距離をｆとすると、この対物レンズ内に試料面がある場合、この位置における電子線の位置と傾きを逆空間で表すと、それぞれｒ＝ｆΩ、r'＝ｆΩ'になる。

電子線の進行方向の多極子の厚みをｔとすると、この多極子の射出面における電子線の傾きは、下記式（１）で表される。

ただし、ｎは、整数（ｎ＞０）である。

式（１）において、｜Ａ_２｜^２ｎの係数をもつ項は円筒対称なレンズ作用を表し、符号が＋の項は凹レンズ作用を表す。この作用で生じる効果を「円筒対称型発散方向フォーカス効果」ともいう。一方、Ａ_２・｜Ａ_２｜^{２（ｎ−１）}の係数をもつ項は二回非点収差を表す。

ところで、電場四極子場（二回対称電場）による二回非点収差係数をＡ_Ｅ２で表すと、電場四極子場の強さ｜Ａ_Ｅ２｜は、下記式（２）で表される。

但し、Ｕは、加速電圧である。

また、磁場四極子場（二回対称磁場）による二回非点収差係数をＡ_Ｂ２で表すと、磁場四極子場の強さ｜Ａ_Ｂ２｜は、下記式（３）で表される。

厚みをもつ四極子場から生じた凹レンズ作用を有する光学系において、式（１）の係数｜Ａ_２｜の指数が２ｎ、２（ｎ−１）であることを考慮すると、当該光学系による偏向力の加速電圧依存性を係数｜Ａ_２｜に係る各項の組み合わせによって１／Ｕ^Ｎ（Ｎは正の整数）に比例するように定めることができる。

また、所定の加速電圧の電子線に対する電気的偏向力と磁気的偏向力が相殺される光学系においても、所定の加速電圧と異なる加速電圧の電子線に対しては係数｜Ａ_２｜が有限の値となる。したがって、その電子線は凹レンズ作用を受けることになる。

さらに、式（１）に示した焦点距離ｆの対物レンズが磁場型（磁界型）である場合、この対物レンズによる偏向力は、下記式（４）で表される。

上述したように、厚みを持つ四極子場による偏向力の加速電圧依存性は１／Ｕ^Ｎで表される。一方、式（４）に示した対物レンズによる偏向力の加速電圧依存性は１／Ｕで表される。すなわち、互いの加速電圧依存性は大きく異なるため、厚みをもつ四極子場は対物レンズと異なった屈折率をもつ。そして、この違いから、厚みをもつ四極子場の凹レンズ作用が対物レンズの色収差補正に適用できることがわかる。

また、式（１）に示すように、四極子の厚みｔを増加させていくと凹レンズ作用が増加する。したがって、必要な凹レンズ作用の強度に合わせた厚みｔを定めることもできる。

ところで、式（１）右辺のＡ_２・｜Ａ_２｜^{２（ｎ−１）}の係数を持つ項に示されるように、一段の四極子場では二回非点収差が新たに発生する。しかしながら、この二回非点収差は以下に示すように四極子を二段にすることで除去できる。二段の四極子のそれぞれが発生する二回対称場は相似かつ反対称に分布させる。具体的には、同一構造の二つの多極子を配置し、印加する電圧または励磁の極性を互いに逆にする。両四極子の光軸に沿った厚みは等しいとすると、二段目の四極子の射出面における電子線の傾きｒ_２'は、下記式
（５）で表される。

なお、ｎ、ｍは、正の整数である。

式（５）に示すように、極性を互いに逆にして二段の四極子を配置すると、式（１）に示された二回非点収差の項（Ａ_２・｜Ａ_２｜^{２（ｎ−１）}の係数を持った項）が無くなる。同式の右辺の項において＋の符号をもつ項は凹レンズ作用を示すので、収差補正に必要な円筒対称レンズ作用のみが取り出される。このように、それぞれが厚みをもつ二段の四極子の凹レンズ作用は二回非点収差を生じさせることなく対物レンズの色収差を補正することができる。

第１実施形態に係る色収差補正装置１００および電子顕微鏡１０は、例えば、以下の特徴を有する。

色収差補正装置１００では、第１多極子１１０は、光軸ＯＡに沿って配置されている第１部分１１０ａ、第２部分１１０ｂ、および第３部分１１０ｃを有し、第１部分１１０ａ、第２部分１１０ｂ、および第３部分１１０ｃの各々は、電子線ＥＢの進行方向に対して厚みを有している。これにより、第１多極子１１０の第１部分１１０ａおよび第３部分１１０ｃは、電子線の進行方向に対して厚みを持った四極子場のコンビネーションアベレーションにより、凹レンズ効果を発生させることができる。また、第１多極子１１０の第２部分１１０ｂは、電子線の進行方向に対して厚みを持った四極子場のコンビネーションアベレーションにより、凸レンズ効果を発生させることができる。

また、第１多極子１１０の各部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃは、電場四極子場と磁場四極子場とを重畳した電磁場重畳の四極子場を発生させる。これにより、例えば、電場四極子場または磁場四極子場のみで四極子場を発生させた場合と比べて、大きな負の色収差を得ることができる。

色収差補正装置１００では、第１多極子１１０において、第１部分１１０ａは、磁場四極子場に比べて電場四極子場が強く設定され、第２部分１１０ｂは、電場四極子場に比べて磁場四極子場が強く設定され、第３部分１１０ｃは、磁場四極子場に比べて電場四極子場が強く設定され、第２部分１１０ｂで発生する二回非点成分は、第１部分１１０ａおよび第３部分１１０ｃで発生する二回非点成分と逆符号である。これにより、第１多極子１１０から二回非点成分を持たない電子線ＥＢを射出することができる。そのため、例えば、転送レンズ１３０の中心付近に電子線ＥＢを入射させることができる。したがって、色収差補正装置１００によれば、転送レンズ１３０の収差の影響を低減でき、アライメント（軸合わせ）を簡便に行うことができる。

例えば、二回非点を持った電子線が第１多極子から射出される場合、第１多極子と第２多極子との間に位置する転送レンズで電子線が広がる。一般的に、電子線がレンズの端を
通ると、大きな収差が導入される。そのため、二回非点を持った電子線が第１多極子から射出される場合、電子線が転送レンズから大きな収差を受ける場合がある。これは、アライメント（軸合せ）を困難、複雑にする原因となる。色収差補正装置１００によれば、第１多極子１１０から二回非点成分を持たない電子線ＥＢを射出することができるため、転送レンズ１３０の収差の影響を低減でき、アライメント（軸合わせ）を簡便に行うことができる。

さらに、第１多極子１１０では、３つの部分（３段）１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃで電子線の軌道ＥＢｘ，ＥＢｙを大きく変化させることができるため、例えば、多極子が１段の場合と比べて、色収差を効率的に発生させることができる。したがって、第１多極子１１０の厚み（電子線の進行方向の長さ）を短くすることができる。例えば、多極子において、電場のチャージや微量な電圧不安定性は最終的に得られる電子顕微鏡の分解能を低減させる大きな原因となる。電場は、多極子の厚み（電子線の進行方向の長さ）が大きいほど、これらのノイズ成分を受ける距離が伸びるため、電子線に対する擾乱が増加する。したがって、多極子の厚みを小さくすることで、分解能を向上させることができる。色収差補正装置１００では、上述のように第１多極子１１０を短くすることができるため、電子顕微鏡１０の分解能を向上させることができる。

色収差補正装置１００では、第２多極子１２０で発生する第２の電磁場は、第１多極子１１０で発生する第１の電磁場を光軸まわりに９０°回転させた電磁場である。これにより、第１多極子１１０で発生した色二回非点成分を、第２多極子１２０で発生した色二回非点成分で相殺することができる。したがって、色収差補正装置１００では、全体として、色二回非点成分をなくすことができる。

色収差補正装置１００では、第１多極子１１０が発生させる第１の電磁場の電場四極子場成分は、光軸ＯＡの方向において、一定である。これにより、簡易な構成で、電場四極子場を発生させることができる。

色収差補正装置１００では、第１多極子１１０は、第１部分１１０ａから第３部分１１０ｃまで延出している複数の電極１１２ａ〜１１２ｄを有し、複数の電極１１２ａ〜１１２ｄは、第１部分１１０ａ、第２部分１１０ｂ、および第３部分１１０ｃに一定の電場四極子場を発生させる。このように、色収差補正装置１００では、簡易な構成で、電場四極子場を発生させることができる。

電子顕微鏡１０では、色収差補正装置１００が、負の色収差を効率的に発生させて、収差を補正することができる。したがって、電子顕微鏡１０によれば、第１多極子１１０の長さを短く（厚みを小さく）することができ、分解能を向上させることができる。さらに、電子顕微鏡１０によれば、色収差補正装置１００を含むため、アライメント（軸合わせ）を簡便化することができる。

１．４． 変形例
次に、第１実施形態に係る色収差補正装置の変形例について、図面を参照しながら説明する。

（１）第１変形例
まず、第１変形例について説明する。図１０は、第１変形例に係る色収差補正装置２００の光学系を示す図である。図１１は、色収差補正装置２００の第１多極子１１０および第２多極子１２０について説明するための図である。図１１（Ａ）は、色収差補正装置２００の構成を説明するための図である。図１１（Ａ）では、電子線ＥＢのＸ軸方向の典型的なビーム軌道としてＸ軌道ＥＢｘを示し、電子線ＥＢのＹ軸方向の典型的なビーム軌道
としてＹ軌道ＥＢｙを示している。図１１（Ｂ）は、多極子１１０，１２０の各部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃにおける二回非点成分を示す図である。図１１（Ｃ）は、多極子１１０，１２０の各部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃで発生するレンズ効果を示す図である。図１１（Ｄ）は、第１多極子１１０および第２多極子１２０で発生する色二回非点成分を示す図である。以下、色収差補正装置２００において、上述した色収差補正装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

上述した色収差補正装置１００は、図２および図３に示すように、第１多極子１１０と、第２多極子１２０と、第１多極子１１０と第２多極子１２０との間に配置されている転送レンズ１３０と、を含んで構成されていた。

これに対して、色収差補正装置２００は、図１０および図１１に示すように、第１多極子１１０と、第２多極子１２０と、を含んで構成されている。すなわち、色収差補正装置２００では、第１多極子１１０と第２多極子１２０との間に転送レンズ１３０が配置されない。第１多極子１１０と第２多極子１２０との間の距離は、軸外収差が低減されるような距離に設定される。色収差補正装置２００のその他の構成は、上述した色収差補正装置１００と同様であり、その説明を省略する。

色収差補正装置２００によれば、上述した色収差補正装置１００と同様の作用効果を奏することができる。

（２）第２変形例
次に、第２変形例について説明する。図１２は、第２変形例に係る色収差補正装置３００の光学系を示す図である。以下、色収差補正装置３００において、上述した色収差補正装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

色収差補正装置３００では、第１多極子１１０が発生させる第１の電磁場に、四回対称の電場を重畳させる第３多極子３１０と、第２多極子１２０が発生させる第２の電磁場に、四回対称の電場を重畳させる第４多極子３２０と、を含む。これにより、色収差補正装置３００では、色収差に加えて、球面収差を補正することができる。

第３多極子３１０は、第１多極子１１０の第２部分１１０ｂ（図３参照）で発生する電磁場重畳の四極子場に四回対称の電場を重畳させる。第４多極子３２０は、第２多極子１２０の第２部分１２０ｂで発生する電磁場重畳の四極子場に四回対称の電場を重畳させる。第３多極子３１０および第４多極子３２０は、例えば、八極子である。

ここで、電子線ＥＢが二回非点を持っている場合、そこに四回対称場を重畳すると、下記式に示すように、負の球面収差（−Ｃｓ）が発生する。

ただし、Ａ_２は、二回非点係数、Ａ_４は、四回非点係数である。このように、四回対称の非点場を重畳することで、色収差と球面収差の同時補正が行える。

色収差補正装置３００によれば、色収差の補正に加えて、球面収差を補正することができる。

なお、色収差補正装置３００の第３多極子３１０および第４多極子３２０は、四回対称の電場にかえて四回対称の磁場を重畳させてもよい。この場合も同様に、色収差の補正に加えて、球面収差を補正することができる。

（３）第３変形例
次に、第３変形例について説明する。図１３は、第３変形例に係る色収差補正装置４００の光学系を示す図である。以下、色収差補正装置４００において、上述した色収差補正装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

色収差補正装置４００では、第１多極子１１０が発生させる第１の電磁場に、三回対称の電場を重畳させる第３多極子４１０と、第２多極子１２０が発生させる第２の電磁場に、三回対称の電場を重畳させる第４多極子４２０と、を含む。これにより、色収差補正装置４００では、色収差に加えて、球面収差を補正することができる。

第３多極子４１０は、第１多極子１１０の第１部分１１０ａまたは第３部分１１０ｃで発生する電磁場重畳の四極子場に三回対称の電場を重畳させる。第４多極子４２０は、第２多極子１２０の第１部分１２０ａまたは第３部分１２０ｃで発生する電磁場重畳の四極子場に三回対称の電場を重畳させる。第３多極子４１０および第４多極子４２０は、例えば、六極子である。

ここで、電子線ＥＢが多極子１１０，１２０内で広がっている場合、三回非点を重畳させると、球面収差補正を行うことができる。したがって、色収差補正装置４００によれば、色収差の補正に加えて、球面収差を補正することができる。

なお、色収差補正装置４００の第３多極子４１０および第４多極子４２０は、三回対称の電場にかえて三回対称の磁場を重畳させてもよい。この場合も同様に、色収差の補正に加えて、球面収差を補正することができる。

（４）第４変形例
次に、第４変形例について説明する。図１４は、第４変形例に係る色収差補正装置５００の第１多極子５１０を模式的に示す平面図である。図１５は、第４変形例に係る色収差補正装置５００の第１多極子５１０の極５１２ａ，５１２ｂ，５２２ａ、５２２ｂを模式的に示す斜視図である。なお、図１４は、色収差補正装置５００を、光軸ＯＡ方向から見た図である。以下、色収差補正装置５００において、上述した色収差補正装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

上述した色収差補正装置１００の例では、第１多極子１１０の各部１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃは、図４に示すように、四極の電極１１２ａ〜１１２ｄと、四極の磁極１１４ａ〜１１４ｄと、を含んで構成されていた。また、第２多極子１２０の各部１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃは、図８に示すように、四極の電極１２２ａ〜１２２ｄと、四極の磁極１２４ａ〜１２４ｄと、を含んで構成されていた。

これに対して、色収差補正装置５００では、図１４に示すように、第１多極子５１０の第１部分５１０ａ、第２部分５１０ｂ、および第３部分５１０ｃは、１２極子である。第１多極子５１０の各部５１０ａ，５１０ｂ，５１０ｃは、１２極子を用いて、電磁場重畳の四極子場を発生させる。

第１多極子５１０は、１２個の極５１１ａ〜５１１ｌを含んで構成されている。１２個の極５１１ａ〜５１１ｌは、光軸ＯＡの周囲に配置されている。第１多極子５１０の極５１１ａは、図１５に示すように、電極５１２と、３段の磁極５１４ａ，５１４ｂ，５１４ｃと、を有している。なお、第１多極子５１０の他の極５１１ｂ〜５１１ｌについても、極５１１ａと同様に、電極５１２と、３段の磁極５１４ａ，５１４ｂ，５１４ｃと、を有している。

電極５１２は、第１多極子５１０の第１部分５１０ａから第３部分５１０ｃまで延出している。すなわち、電極５１２は、各部分５１０ａ，５１０ｂ，５１０ｃに共通の電極である。

磁極５１４ａは、第１多極子５１０の第１部分５１０ａを構成している。極５１１ａ〜５１１ｌの磁極５１４ａと電極５１２とで、第１部分５１０ａに電磁場重畳の四極子場を発生させる。

磁極５１４ｂは、第１多極子５１０の第２部分５１０ｂを構成している。極５１１ａ〜５１１ｌの磁極５１４ｂと電極５１２とで、第２部分５１０ｂに電磁場重畳の四極子場を発生させる。

磁極５１４ｃは、第１多極子５１０の第３部分５１０ｃを構成している。極５１１ａ〜５１１ｌの磁極５１４ｃと電極５１２とで、第３部分５１０ｃに電磁場重畳の四極子場を発生させる。

第２多極子５２０の構成は、第１多極子５１０と同様であり、その説明を省略する。

色収差補正装置５００によれば、色収差補正装置１００と同様の作用効果を奏することができる。

２． 第２実施形態
次に、第２実施形態に係る電子顕微鏡について、図面を参照しながら説明する。図１６は、第２実施形態に係る電子顕微鏡２０の構成を説明するための図である。以下、電子顕微鏡２０において、上述した電子顕微鏡１０の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

上述した第１実施形態では、本発明に係る色収差補正装置を、結像系の収差補正装置として用いていた。

これに対して、第２実施形態に係る電子顕微鏡２０では、本発明に係る色収差補正装置を、照射系の収差補正装置として用いている。ここでは、本発明に係る色収差補正装置として、色収差補正装置１００を用いた場合について説明する。

電子顕微鏡２０は、電子銃１１と、高圧制御部１２と、第１集束レンズ１３ａと、色収差補正装置１００と、第２集束レンズ１３ｂと、対物レンズ１４と、試料ステージ１５と、中間・投影レンズ１６と、観察室１７と、を含んで構成されている。

電子銃１１は、高圧制御部１２によって高圧電源が制御されて、電子線を発生する。

第１集束レンズ１３ａは、電子銃１１で発生した電子線を集束する。第１集束レンズ１３ａで集束された電子線は、色収差補正装置１００に入射する。

色収差補正装置１００は、第１集束レンズ１３ａの収差を補正する。色収差補正装置１００で色収差が補正された電子線は、第２集束レンズ１３ｂによって集束される。この集束された電子線は、対物レンズ１４および試料ステージ１５を通過する。

中間・投影レンズ１６は、対物レンズ１４ともに、結像系を構成している。中間・投影レンズ１６は、観察室１７内のカメラ（図示せず）上に結像する。

電子顕微鏡２０では、色収差補正装置１００を含むため、照射系（第１集束レンズ１３ａ）の色収差を補正することができる。したがって、電子顕微鏡２０は、高い分解能を有することができる。また、電子顕微鏡２０では、色収差補正装置１００が、負の色収差を効率的に発生させて、収差を補正することができる。したがって、電子顕微鏡２０によれば、第１多極子１１０の長さを短く（厚みを小さく）することができ、分解能を向上させることができる。さらに、電子顕微鏡２０によれば、色収差補正装置１００を含むため、アライメント（軸合わせ）を簡便化することができる。

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１０…電子顕微鏡、１１…電子銃、１２…高圧制御部、１３…集束レンズ、１４…対物レンズ、１５…試料ステージ、１６…中間・投影レンズ、１７…観察室、２０…電子顕微鏡、１００…色収差補正装置、１１０…第１多極子、１１０ａ…第１部分、１１０ｂ…第２部分、１１０ｃ…第３部分、１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ，１１２ｄ…電極、１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄ…磁極、１２０…第２多極子、１２０ａ…第１部分、１２０ｂ…第２部分、１２０ｃ…第３部分、１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄ…電極、１２４ａ，１２４ｂ，１２４ｃ，１２４ｄ…磁極、１３０…転送レンズ、１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ…レンズ、１４１，１４２…対物ミニレンズ、２００，３００…色収差補正装置、３１０…第３多極子、３２０…第４多極子、４００…色収差補正装置、４１０…第３多極子、４２０…第４多極子、５００…色収差補正装置、５１０…第１多極子、５１０ａ…第１部分、５１０ｂ…第２部分、５１０ｃ…第３部分、５１１ａ〜５１１ｌ…極、５１２…電極、５１４ａ，５１４ｂ，５１４ｃ…磁極

Claims (8)

1. 電子顕微鏡用の色収差補正装置であって、
   第１の電磁場を発生させる第１多極子と、
   第２の電磁場を発生させる第２多極子と、
   を含み、
   前記第１多極子は、光軸に沿って配置されている第１部分、第２部分、および第３部分を有し、
   前記第１部分、前記第２部分、および前記第３部分の各々は、電子線の進行方向に対して厚みを有し、電場四極子場と磁場四極子場とを重畳した四極子場を発生させ、
   前記第１部分は、磁場四極子場に比べて電場四極子場が強く設定され、
   前記第２部分は、電場四極子場に比べて磁場四極子場が強く設定され、
   前記第３部分は、磁場四極子場に比べて電場四極子場が強く設定され、
   前記第２部分で発生する二回非点成分は、前記第１部分および前記第３部分で発生する二回非点成分と逆符号であり、
   前記第２の電磁場は、前記第１の電磁場を光軸まわりに９０°回転させた場である、色収差補正装置。
2. 請求項１において、
   前記第１の電磁場の電場四極子場成分は、前記光軸に沿って、一定である、色収差補正装置。
3. 請求項１または２において、
   前記第１多極子は、前記第１部分から前記第３部分まで延出している複数の電極を有し、
   前記複数の電極は、前記第１部分、前記第２部分、および前記第３部分に一定の電場四極子場を発生させる、色収差補正装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記第１多極子と前記第２多極子との間に配置されている転送レンズを含む、色収差補正装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記第１の電磁場に、四回対称の電場または四回対称の磁場を重畳させる第３多極子と、
   前記第２の電磁場に、四回対称の電場または四回対称の磁場を重畳させる第４多極子と、
   を含む、色収差補正装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
   前記第１の電磁場に、三回対称の電場または三回対称の磁場を重畳させる第３多極子と、
   前記第２の電磁場に、三回対称の電場または三回対称の磁場を重畳させる第４多極子と、
   を含む、色収差補正装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項において、
   前記第１部分および前記第３部分は、凹レンズ作用を有し、
   前記第２部分は、凸レンズ作用を有する、色収差補正装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の色収差補正装置を含む電子顕微鏡。