JP2015207351A - 多極子レンズ、収差補正装置、および電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】電子線の進行方向に関して強度の異なる静磁場を発生させることができる多極子レンズを提供する。【解決手段】多極子レンズ１００は、ヨーク１４ａ，１４ｂ，１４ｃと、ヨーク１４ａ，１４ｂ，１４ｃに磁気的に接続された基部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ、および基部１３ａ，１３ｂ，１３ｃに磁気的に接続された先端部１１ａ，１１ｂ，１１ｃを有する極子１２ａ，１２ｂ，１２ｃと、を備えた構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃを含み、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃは複数積層され、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う先端部１１ａ，１１ｂ，１１ｃの間には、非磁性体からなる磁場分離部２０，２２が設けられている。【選択図】図４

Description

本発明は、多極子レンズ、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、球面収差や色収差は分解能低下要因の一つである。電子顕微鏡において、球面収差や色収差を補正することにより、分解能が向上する。球面収差補正装置や色収差補正装置では、多極子を用いて、磁場や電場を発生させて球面収差や色収差を補正している。

例えば、非特許文献１には、球面収差補正装置に用いられている多極子として、磁場のみを発生させる多極子が開示されている。非特許文献１では、Ｓｏｆｔ Ｉｒｏｎ（軟磁性体）等で作製された十二極子のポール（磁極片）にコイルを巻いて多極子を構成している。また、非特許文献１では、多極子の中心の穴にライナーチューブ（内部を真空にするための筒状の金属）が配置されており、内部のみを真空とし、多極子自体は真空外に配置されている。そのため、電子線は真空内を通過するが、多極子から発生した磁場は、非磁性体でできたライナーチューブをしみ出して、電子線に対して所望の対称場を作ることができる。

また、非特許文献２には、静電・静磁場を発生させることができる十二極子が開示されている。それぞれのポールは金属（軟磁性体）でできており、コイルにより静磁場を発生させるとともに、電気的に電圧をかけることにより、静磁場を同時に発生させることができる。多極子自体は真空内に配置されており、電子線は多極子の中心を通り、静電・静磁場からの多極子場の影響を受ける。

また、特許文献１には、上述した非特許文献２に開示された多極子と同様に、静電・静磁場を発生させることができる十二極子が開示されている。特許文献１に開示された多極子は、非特許文献１に開示された多極子と異なり、静電場を発生させる多極子のみを真空内に配置し、静電場を発生させる多極子（ポールとコイル）は真空外に配置されている。

特開２０１０−１１４０６８号公報

Ｍ．Ｈａｉｄｅｒ， Ｇ． Ｂｒａｕｎｓｈａｕｓｅｎ， Ｅ． Ｓｃｈｗａｎ：Ｏｐｔｉｋ １９９５ Ｎｏ．４ ｐ．１６７−１７９ 裏克己、ナノ電子光学 ｐ．２８４

上記の多極子では、電子線の進行方向に関して一定の強度の静磁場、または静電場および静磁場の重畳場しか発生することができない。すなわち、上記の多極子では、電子線の進行方向に関して強度の異なる静磁場を発生させることができない。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、電子線の進行方向に関して強度の異なる静磁場を発生させることができる多極子レンズを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の
１つは、上記多極子レンズを含む収差補正装置、および電子顕微鏡を提供することにある。

（１）本発明に係る多極子レンズは、
ヨークと、
前記ヨークに磁気的に接続された基部、および前記基部に磁気的に接続された先端部を有する極子と、
を備えた構造体を含み、
前記構造体は複数積層され、
前記構造体の積層方向に隣り合う前記先端部の間には、非磁性体からなる磁場分離部が設けられている。

このような多極子レンズでは、磁場分離部によって、構造体の積層方向に隣り合う先端部を磁気的に分離することができる。したがって、このような多極子レンズでは、例えば、構造体の積層方向に配列された極子が発生させる静磁場を個別に制御して、電子線の進行方向に関して強度の異なる静磁場を発生させることができる。また、このような多極子レンズでは、例えば構造体の積層方向に隣り合う先端部を接触させた場合と比べて、隣り合う先端部が発生させる静磁場の境界を明瞭にすることができる。

（２）本発明に係る多極子レンズにおいて、
前記磁場分離部は、導電性を有していてもよい。

このような多極子レンズでは、構造体の積層方向に隣り合う先端部を等電位にすることができる。

（３）本発明に係る多極子レンズにおいて、
前記先端部に電圧を印加するための端子を含んでいてもよい。

このような多極子レンズでは、静磁場に加えて、静電場を発生させることができる。

（４）本発明に係る多極子レンズにおいて、
前記基部と前記先端部とは、離間していてもよい。

このような多極子レンズでは、例えば、多極子レンズを電子顕微鏡に組み込んだ際に、基部と先端部との間に内部を真空に保つための真空隔壁を配置することができる。これにより、先端部を真空排気された空間に配置し、基部を真空外に配置させることができる。この結果、先端部における放電を避けることができ、かつ、真空悪化の原因となるコイルを真空外に配置することができる。

（５）本発明に係る多極子レンズにおいて、
前記積層方向に隣り合う前記極子が発生させる電場の強度は等しく、前記積層方向に隣り合う前記極子が発生させる磁場の強度は異なっていてもよい。

（６）本発明に係る多極子レンズにおいて、
前記磁場分離部は、前記積層方向に隣り合う前記先端部と接していてもよい。

このような多極子レンズでは、磁場分離部によって先端部を支持することができる。

（７）本発明に係る多極子レンズにおいて、
前記積層方向に隣り合う前記基部の間には、非磁性体からなる第１支持部が設けられていてもよい。

このような多極子レンズでは、第１支持部によって、基部を磁気的に分離しつつ、基部を支持することができる。

（８）本発明に係る多極子レンズにおいて、
前記積層方向に隣り合う前記ヨークの間には、非磁性体からなる第２支持部が設けられていてもよい。

このような多極子レンズでは、第２支持部によって、ヨークを磁気的に分離しつつ、ヨークを支持することができる。

（９）本発明に係る多極子レンズにおいて、
前記基部に設けられた第１コイルと、
前記基部に設けられ、前記第１コイルよりも巻き数が少ない第２コイルと、
を含んでいてもよい。

このような多極子レンズでは、例えば、第１コイルによって主となる静磁場を発生させつつ、第２コイルによって調整用の静磁場を発生させることができる。

（１０）本発明に係る収差補正装置は、
本発明に係る多極子レンズを含む。

このような収差補正装置では、収差を補正することができる。

（１１）本発明に係る収差補正装置において、
前記多極子レンズは、色収差を打ち消すための電磁場を発生させてもよい。

このような収差補正装置では、色収差を補正することができる。

（１２）本発明に係る電子顕微鏡は、
本発明に係る収差補正装置を含む。

このような電子顕微鏡では、収差を補正することができるため、高分解能化を図ることができる。

（１３）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記基部と前記先端部との間には、真空隔壁が配置されていてもよい。

このような電子顕微鏡では、収差を補正することができるため、高分解能化を図ることができる。

本実施形態に係る多極子レンズを模式的に示す平面図。 本実施形態に係る多極子レンズを模式的に示す断面図。 本実施形態に係る多極子レンズの極子を模式的に示す斜視図。 本実施形態に係る多極子レンズを模式的に示す一部切欠き斜視断面図。 隣り合う極子の先端部間に非磁性体からなる磁場分離部を設けた場合に、多極子が発生させる静磁場を模式的に示す図。 隣り合う極子の先端部を接触させた場合に、多極子が発生させる静磁場を模式的に示す図。 本実施形態に係る多極子レンズを電子顕微鏡に組み込んだ状態を模式的に示す平面図。 本実施形態に係る多極子レンズを電子顕微鏡に組み込んだ状態を模式的に示す断面図。 本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。 本実施形態に係る色収差補正装置の光学系を示す図。 図１１（Ａ）は、本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１１（Ｂ）は、本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１１（Ｃ）は、本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１１（Ｄ）は、本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。 本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。 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。 本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。 本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。 本実施形態の第１変形例に係る色収差補正装置の光学系を示す図。 図１８（Ａ）は、本実施形態の第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１８（Ｂ）は、本実施形態の第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１８（Ｃ）は、本実施形態の第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１８（Ｄ）は、本実施形態の第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。 本実施形態の第２変形例に係る色収差補正装置の光学系を示す図。 本実施形態の第３変形例に係る色収差補正装置の光学系を示す図。 本実施形態の第４変形例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． 多極子レンズ
まず、本実施形態に係る多極子レンズについて、図面を参照しながら説明する。図１は、多極子レンズ１００を模式的に示す平面図である。図２は、多極子レンズ１００を模式的に示す断面図である。図３は、多極子レンズ１００の極子１２ａ，１２ｂ，１２ｃを模式的に示す斜視図である。図４は、多極子レンズ１００を模式的に示す一部切欠き斜視断面図である。なお、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。また、図１および図２には、互いに直交する軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。

多極子レンズ１００は、図１〜図４に示すように、第１構造体１０ａと、第２構造体１０ｂと、第３構造体１０ｃと、磁場分離部２０，２２と、第１支持部３０，３２と、第２
支持部４０，４２と、を含む。

第１構造体１０ａは、極子１２ａと、ヨーク１４ａと、コイル１６ａ，１８ａと、を有している。

極子１２ａは、複数（図示の例では１２個）設けられている。１２個の極子１２ａは、多極子レンズ１００の光軸ＯＡに対して対称に配置されている。１２個の極子１２ａは、光軸ＯＡまわりに等間隔（３０°ごと）に配置されている。図示の例では、１２個の極子１２ａは、各極子１２ａの中心軸Ｃ（図２参照）が光軸ＯＡに垂直な平面内（ＸＹ平面に平行な面内）に位置するように配置されている。各極子１２ａの中心軸Ｃは、多極子レンズ１００の光軸ＯＡと直交しており、光軸ＯＡ上の１点で交わる。光軸ＯＡは、図示の例では、Ｚ軸に平行である。なお、極子１２ａの中心軸Ｃとは、極子１２ａの中心を通り、極子１２ａの長手方向に延在する軸である。

極子１２ａは、基部１１ａと、先端部１３ａと、を有している。基部１１ａは、ヨーク１４ａと磁気的に接続されている。図示の例では、基部１１ａとヨーク１４ａとは離間して（間を離して）いるが、磁束は基部１１ａとヨーク１４ａとの間の空間に漏れて、基部１１ａとヨーク１４ａとの間を伝わる。すなわち、磁束は、基部１１ａとヨーク１４ａとの間の隙間をしみ出して透過し磁気回路を構成している。なお、基部１１ａとヨーク１４ａとは、接していてもよい。基部１１ａは、コイル１６ａ，１８ａの磁心となる。

極子１２ａの先端部１３ａは、基部１１ａと磁気的に接続されている。先端部１３ａと基部１１ａとは、離間しているが、磁束は基部１１ａと先端部１３ａとの間の空間に漏れて、基部１１ａと先端部１３ａとの間を伝わる。すなわち、磁束は、基部１１ａと先端部１３ａとの間の隙間をしみ出して透過し磁気回路を構成している。後述するように、多極子レンズ１００が電子顕微鏡に組み込まれると、先端部１３ａと基部１１ａとの間には、真空隔壁（ライナーチューブ）が配置される。

先端部１３ａには、先端部１３ａに電圧を印加するための端子（図示せず）が設けられている。この端子を介して、先端部１３ａに電圧が印加され、先端部１３ａから静電場を発生させることができる。端子は、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に並ぶ先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃのうちの１つの先端部（先端部１３ａ）のみに設けられ、その他の先端部（例えば先端部１３ｂ、先端部１３ｃ）には設けられていない。先端部１３ａ、先端部１３ｂ、先端部１３ｃは、磁場分離部２０，２２によって電気的に接続されているため、先端部１３ａに電圧を印加することで、先端部１３ｂおよび先端部１３ｃにも電圧が印加される。

ヨーク１４ａは、コイル１６ａ，１８ａで作られる磁束を有効に極子１２ａに導くことができる。ヨーク１４ａは、平面視において（Ｚ軸方向から見て）、環状に設けられている。ヨーク１４ａの内側には、複数の極子１２ａが配置されている。極子１２ａおよびヨーク１４ａは、例えば、パーマロイ等の軟磁性体からなる。

コイル１６ａ，１８ａは、基部１１ａに設けられている。コイル１６ａ，１８ａは、磁束を発生させる。第１コイル（主コイル）１６ａは、第２コイル（副コイル）１８ａよりも巻き数が多い。

第２構造体１０ｂは、極子１２ｂと、ヨーク１４ｂと、コイル１６ｂ，１８ｂと、を有している。第２構造体１０ｂを構成する各部材１２ｂ，１４ｂ，１６ｂ，１８ｂは、第１構造体１０ａを構成する各部材１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａと、第１コイル１６ｂの巻き数が、第１コイル１６ａの巻き数よりも多い点を除いて同様の機能を有している。そ
のため、第２構造体１０ｂを構成する各部材１２ｂ，１４ｂ，１６ｂ，１８ｂの詳細な説明を省略する。

第３構造体１０ｃは、極子１２ｃと、ヨーク１４ｃと、コイル１６ｃ，１８ｃと、を有している。第３構造体１０ｃを構成する各部材１２ｃ，１４ｃ，１６ｃ，１８ｃは、第１構造体１０ａを構成する各部材１２ａ，１４ａ，１６ａ，１８ａと同様の機能を有している。そのため、第３構造体１０ｃを構成する各部材１２ｃ，１４ｃ，１６ｃ，１８ｃの詳細な説明を省略する。

なお、多極子レンズ１００を構成しているすべての第１コイル（１２個の第１コイル１６ａ、１２個の第１コイル１６ｂ、および１２個の第１コイル１６ｃ）は、１つの電源（図示せず）の一方の端子から他方の端子まで一筆書きできるように接続された導線によって形成されている。すなわち、多極子レンズ１００を構成しているすべての第１コイル１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、いわゆるシリーズ巻きとなっている。そのため、第１コイル１６ａ，１６ｂ，１６ｃに流れる電流にノイズが乗ったとしても、ノイズに起因して各コイル１６ａ，１６ｂ，１６ｃから発生する磁場は互いに打ち消されるので、電子線の擾乱を低減させることができる。

また、第２コイル１８ａ，１８ｂ，１８ｃは、１つの第２コイル１８ａ，１８ｂ，１８ｃごとに電源（図示せず）が設けられている。第２コイル１８ａ，１８ｂ，１８ｃでは、電源から供給される電流を制御することにより、各第２コイル１８ａ，１８ｂ，１８ｃごとに発生させる磁場の大きさを制御することができる。そのため、第２コイル１８ａ，１８ｂ，１８ｃを副コイルとして調整用の磁場を発生させることに用いることができる。

このように、多極子レンズ１００では、１つの電源から電流が供給され高い安定度を有する第１コイル１６ａ，１６ｂ，１６ｃと、調整用の磁場を発生させる第２コイル１８ａ，１８ｂ，１８ｃと、を用いることにより、効率的に高い安定度を得ることができる。

第１構造体１０ａ、第２構造体１０ｂ、第３構造体１０ｃは、多極子レンズ１００の光軸ＯＡの方向（Ｚ軸方向）に積層されている。そのため、各極子１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、光軸ＯＡの方向から見て重なっている。また、各ヨーク１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、光軸ＯＡの方向から見て重なっている。

磁場分離部２０，２２は、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向（すなわち光軸ＯＡの方向、Ｚ軸方向）に隣り合う先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃの間に設けられている。図示の例では、磁場分離部２０は、第１構造体１０ａの先端部１３ａと第２構造体１０ｂの先端部１３ｂとの間に設けられている。また、磁場分離部２２は、第２構造体１０ｂの先端部１３ｂと第３構造体１０ｃの先端部１３ｃとの間に設けられている。

磁場分離部２０，２２は、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃに接している。図示の例では、磁場分離部２０は、第１構造体１０ａの先端部１３ａおよび第２構造体１０ｂの先端部１３ｂと接している。また、磁場分離部２２は、第２構造体１０ｂの先端部１３ｂおよび第３構造体１０ｃの先端部１３ｃと接している。

磁場分離部２０，２２は、非磁性体からなる。そのため、磁場分離部２０によって、第１構造体１０ａの先端部１３ａと第２構造体１０ｂの先端部１３ｂとの間は磁気的に接続されない。同様に、磁場分離部２２によって、第２構造体１０ｂの先端部１３ｂと第３構造体１０ｃの先端部１３ｃとの間は磁気的に接続されない。また、磁場分離部２０，２２は、導電性を有している。そのため、磁場分離部２０によって、第１構造体１０ａの先端
部１３ａと第２構造体１０ｂの先端部１３ｂとの間は電気的に接続される。同様に、磁場分離部２２によって、第２構造体１０ｂの先端部１３ｂと第３構造体１０ｃの先端部１３ｃとの間は電気的に接続される。磁場分離部２０，２２の材質は、例えば、銅（Ｃｕ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等である。磁場分離部２０，２２の厚さｄ（Ｚ軸方向の大きさ、図２参照）は、例えば、１ｍｍ以上３ｍｍ以下程度である。

第１支持部（基部支持部）３０、３２は、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う基部１１ａ，１１ｂ，１１ｃの間に設けられている。図示の例では、第１支持部３０は、第１構造体１０ａの基部１１ａと第２構造体１０ｂの基部１１ｂとの間に設けられている。第１支持部３２は、第２構造体１０ｂの基部１１ｂと第３構造体１０ｃの基部１１ｃとの間に設けられている。第１支持部３０，３２は、基部１１ａ，１１ｂ，１１ｃを支持している。第１支持部３０，３２は、例えば、非磁性体からなる。そのため、第１支持部３０によって、第１構造体１０ａの基部１１ａと第２構造体１０ｂの基部１１ｂとの間は磁気的に接続されない。同様に、第１支持部３２によって、第２構造体１０ｂの基部１１ｂと第３構造体１０ｃの基部１１ｃとの間は磁気的に接続されない。第１支持部３０，３２の材質は、例えば、銅（Ｃｕ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等である。

第２支持部（ヨーク支持部）４０、４２は、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合うヨーク１４ａ，１４ｂ，１４ｃの間に設けられている。図示の例では、第２支持部４０は、第１構造体１０ａのヨーク１４ａと第２構造体１０ｂのヨーク１４ｂとの間に設けられている。第２支持部４２は、第２構造体１０ｂのヨーク１４ｂと第３構造体１０ｃのヨーク１４ｃとの間に設けられている。第２支持部４０，４２は、ヨーク１４ａ，１４ｂ，１４ｃを支持している。第２支持部４０，４２は、例えば、非磁性体からなる。そのため、第２支持部４０によって、第１構造体１０ａのヨーク１４ａと第２構造体１０ｂのヨーク１４ｂとの間は磁気的に接続されない。同様に、第２支持部４２によって、第２構造体１０ｂのヨーク１４ｂと第３構造体１０ｃのヨーク１４ｃとの間は磁気的に接続されない。第２支持部４０，４２の材質は、例えば、銅（Ｃｕ）、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等である。

なお、ここでは、多極子レンズ１００が、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃが３つ積層された形態である場合について説明したが、構造体の積層数は２つ以上であれば特に限定されない。すなわち、多極子レンズ１００は、光軸ＯＡの方向に２段以上の異なる大きさの磁場を発生させてもよい。

多極子レンズ１００は、例えば、以下の特徴を有する。

多極子レンズ１００では、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃは複数積層され、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う極子１２ａ，１２ｂ，１２ｃの先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃの間には、非磁性体からなる磁場分離部２０，２２が設けられている。そのため、多極子レンズ１００では、磁場分離部２０，２２によって、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃを磁気的に分離することができる。したがって、多極子レンズ１００では、例えば、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に配列された極子１２ａ，１２ｂ，１２ｃが発生させる静磁場を個別に制御して、電子線の進行方向に関して強度の異なる静磁場を発生させることができる。

図５は、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う先端部１３ａと先端部１３ｂの間に磁場分離部２０を設け、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う先端部１３ｂと先端部１３ｃとの間に、非磁性体からなる磁場分離部２２を設けた場合に、多極子が発生させる静磁場を模式的に示す図である。図６は、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う先端部１３ａと先端部１３ｂとを接触させ、構造体１０ａ，
１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う先端部１３ｂと先端部１３ｃとを接触させた場合に、多極子が発生させる静磁場を模式的に示す図である。なお、図５および図６において、矢印Ｂは、静磁場の大きさを表している。

図６に示すように、先端部１３ａと先端部１３ｂとを接触させ、先端部１３ｂと先端部１３ｃとを接触させた場合、先端部１３ａが発生させる静磁場と先端部１３ｂが発生させる静磁場との境界、および先端部１３ｂが発生させる静磁場と先端部１３ｃが発生させる静磁場との境界は明瞭ではない。これに対して、図５に示すように、先端部１３ａと先端部１３ｂの間に磁場分離部２０を設け、先端部１３ｂと先端部１３ｃとの間に、非磁性体からなる磁場分離部２２を設けた場合、先端部１３ａが発生させる静磁場と先端部１３ｂが発生させる静磁場との境界、および先端部１３ｂが発生させる静磁場と先端部１３ｃが発生させる静磁場との境界は、明瞭になる。

したがって、多極子レンズ１００では、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う極子１２ａ，１２ｂ，１２ｃの先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃの間には、非磁性体からなる磁場分離部２０，２２が設けられているため、電子線の進行方向に関して強度の異なる多段の静磁場を精度よく発生させることができる。

多極子レンズ１００では、磁場分離部２０，２２は、導電性を有している。そのため、多極子レンズ１００では、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う極子１２ａ，１２ｂ，１２ｃの先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃを等電位とすることができる。これにより、多極子レンズ１００では、電子線の進行方向に対して、一定の静電場を発生させることができる。すなわち、多極子レンズ１００では、電子線の進行方向に対して一定の静電場を発生させつつ、電子線の進行方向に対して強度の異なる静磁場を発生させることができる。

また、多極子レンズ１００では、上記のように、磁場分離部２０，２２が導電性を有しているため、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う極子１２ａ，１２ｂ，１２ｃの先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃは等電位となる。そのため、多極子レンズ１００では、高い安定度が必要な静電場を発生させるための電源を共通化することができる。したがって、多極子レンズ１００では、例えば、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う極子１２ａ，１２ｂ，１２ｃの先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃに対してそれぞれ電源を設ける場合と比べて、複雑な電源構成が必要なく、安定度が高い光学系を実現することができる。これにより、結果として高分解能像を得ることができる。

多極子レンズ１００では、極子１２ａ，１２ｂ，１２ｃの先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃに電圧を印加するための端子を含むため、多極子レンズ１００は、静磁場に加えて、静電場を発生させることができる。

多極子レンズ１００では、極子１２ａにおいて、基部１１ａと先端部１３ａとは離間している。同様に、極子１２ｂにおいて、基部１１ｂと先端部１３ｂとは離間し、極子１２ｃにおいて、基部１１ｃと先端部１３ｃとは離間している。そのため、多極子レンズ１００では、多極子レンズ１００を電子顕微鏡に組み込んだ際に、基部１１ｂと先端部１３ｂとの間に、内部を真空に保つための真空隔壁（例えばライナーチューブ等）を配置することができる。

図７は、多極子レンズ１００を電子顕微鏡に組み込んだ状態を模式的に示す平面図である。図８は、多極子レンズ１００を電子顕微鏡に組み込んだ状態を模式的に示す断面図である。なお、図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。

多極子レンズ１００では、図７および図８に示すように、基部１１ｂと先端部１３ｂとの間に、真空隔壁５０が配置されている。真空隔壁５０は、例えば、筒状の部材である。真空隔壁５０の内側の空間は真空排気され、真空隔壁５０の外側は真空外（大気）である。真空隔壁５０の材質は、例えば、ステンレス鋼である。

多極子レンズ１００では、基部１１ｂと先端部１３ｂとの間に真空隔壁５０が配置されるため、先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃを真空排気された空間に配置し、基部１１ａ，１１ｂ，１１ｃを真空外に配置させることができる。これにより、多極子レンズ１００では、先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃにおいて放電を避けることができ、かつ、真空悪化の原因となるコイル１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１８ａ，１８ｂ，１８ｃを真空外に配置させることができる。また、多極子レンズ１００では、例えば多極子レンズの極子全体を真空隔壁内に配置した場合と比べて、真空排気する領域を小さくすることができる。その結果、電子顕微鏡において、高真空を達成することができ、多極子レンズ１００が鏡筒内や試料室の真空度の悪化させることを抑制することができる。

多極子レンズ１００では、磁場分離部２０は、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う先端部１３ａ，１３ｂと接しており、磁場分離部２２は、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う先端部１３ｂ，１３ｃと接している。そのため、磁場分離部２０，２２は、先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃを支持することができる。また、磁場分離部２０，２２は、導電性を有しているため、磁場分離部２０，２２が構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃと接していることにより、先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃを等電位にすることができる。

多極子レンズ１００では、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う基部１１ａ，１１ｂの間には、第１支持部３０が設けられ、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う基部１１ｂ，１１ｃの間には、第１支持部３２が設けられている。これにより、基部１１ａ，１１ｂ，１１ｃを磁気的に分離しつつ、基部１１ａ，１１ｂ，１１ｃを支持することができる。

多極子レンズ１００では、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合うヨーク１４ａ，１４ｂの間には、第２支持部４０が設けられ、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合うヨーク１４ｂ，１４ｃの間には、第２支持部４２が設けられている。これにより、ヨーク１４ａ，１４ｂ，１４ｃを磁気的に分離しつつ、ヨーク１４ａ，１４ｂ，１４ｃを支持することができる。

多極子レンズ１００では、基部１１ａ，１１ｂ，１１ｃに設けられた第１コイル１６ａ，１６ｂ，１６ｃと、基部１１ａ，１１ｂ，１１ｃに設けられ、第１コイル１６ａ，１６ｂ，１６ｃよりも巻き数が少ない第２コイル１８ａ，１８ｂ，１８ｃと、を含む。そのため、例えば、第１コイル１６ａ，１６ｂ，１６ｃによって主となる静磁場を発生させつつ、第２コイル１８ａ，１８ｂ，１８ｃによって調整用の静磁場を発生させることができる。

２． 色収差補正装置
２．１． 色収差補正装置の構成
次に、本実施形態に係る色収差補正装置について、図面を参照しながら説明する。本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９は、本実施形態に係る色収差補正装置１０００を搭載する電子顕微鏡２００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１０００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１０００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２００は、電子銃２１１と、高圧制御部２１２と、集束レンズ２１３と、対物レンズ２１４と、試料ステージ２１５と、色収差補正装置１０００と、中間・投影レンズ２１６と、観察室２１７と、を含んで構成されている。電子顕微鏡２００では、色収差補正装置１０００を、結像系の収差補正装置として用いている。

電子銃２１１は、高圧制御部２１２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２１３は、電子銃２１１で発生した電子線を集束する。集束レンズ２１３で集束された電子線は、対物レンズ２１４および試料ステージ２１５に至る。集束レンズ２１３は、試料ステージ２１５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２１４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２１５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１０００に入射する。対物レンズ２１４と色収差補正装置１０００との間には、対物ミニレンズ２２０，２２２（図１０参照）が配置されていてもよい。

色収差補正装置１０００は、対物レンズ２１４の色収差を補正する。色収差補正装置１０００は、本発明に係る多極子レンズを含む。ここでは、色収差補正装置１０００が本発明に係る多極子レンズとして上述した多極子レンズ１００を含む例について説明する。多極子レンズ１００は、図７および図８に示すように、基部１１ｂと先端部１３ｂとの間に、真空隔壁５０が配置されるように、電子顕微鏡２００に組み込まれる。色収差補正装置１０００で色収差が補正された電子線は、中間・投影レンズ２１６に至る。なお、色収差補正装置１０００の詳細については後述する。

中間・投影レンズ２１６は、対物レンズ２１４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２１６は、観察室２１７内のカメラ（図示せず）上に結像する。

電子顕微鏡２００では、色収差補正装置１０００を含むため、結像系（対物レンズ２１４）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２００は、高い分解能を有することができる。

図１０は、色収差補正装置１０００の光学系を示す図である。図１０に示すように、試料Ｓを透過した電子線ＥＢは、対物レンズ２１４、対物ミニレンズ２２０，２２２を通過して色収差補正装置１０００に入射する。対物ミニレンズ２２０，２２２は、対物レンズ２１４、および中間・投影レンズ２１６とともに結像系を構成している。

色収差補正装置１０００は、対物レンズ２１４（対物ミニレンズ２２０，２２２）の後段に配置されている。色収差補正装置１０００は、第１多極子１１０と、第２多極子１２０と、を含む。多極子１１０および多極子１２０として、多極子レンズ１００を用いることができる。色収差補正装置１０００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１０００では、電子線ＥＢの上流側から、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１１０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１１は、色収差補正装置１０００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１０００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。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。

第１多極子１１０は、図１１（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、第１多極子１１０の第１部分１１０ａは、図１〜図４に示す第１構造体１０ａに対応し、第１多極子１１０の第２部分１１０ｂは、第２構造体１０ｂに対応し、第１多極子１１０の第３部分１１０ｃは、第３構造体１０ｃに対応している。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１２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°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°ごとに振り分けられて配置されている。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。

第１多極子１１０の第１部分１１０ａでは、図１に示す多極子レンズ１００の第１構造体１０ａの１２個の極子１２ａを、図１２に示す電極１１２ａ〜１１２ｄ、および磁極１１４ａ〜１１４ｄとして用いている。すなわち、第１構造体１０ａの１２個の極子１２ａによって、電場四極子場および磁場四極子場を発生させて、電磁場重畳の四極子場を発生させる。

図１３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１３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１４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１４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、上記のように、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１１（Ａ）および図１１（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１１（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１
１０ｂの構成は、図１２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１多極子１１０の第２部分１１０ｂでは、多極子レンズ１００の第２構造体１０ｂの１２個の極子１２ｂを、電極１１２ａ〜１１２ｄ、および磁極１１４ａ〜１１４ｄとして用いている。すなわち、第２構造体１０ｂの１２個の極子１２ｂによって、電場四極子場および磁場四極子場を発生させて、電磁場重畳の四極子場を発生させる。

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１１（Ａ）および図１１（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１１（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１１（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１２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１多極子１１０の第３部分１１０ｃでは、多極子レンズ１００の第３構造体１０ｃの１２個の極子１２ｃを、電極１１２ａ〜１１２ｄ、および磁極１１４ａ〜１１４ｄとして用いている。すなわち、第３構造体１０ｃの１２個の極子１２ｃによって、電場四極子場および磁場四極子場を発生させて、電磁場重畳の四極子場を発生させる。

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１１（Ａ）および図１１（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１１（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１１（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１１０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１１（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。

ここで、例えば、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ことで、上述した第１の電磁場を発生させる。

第１多極子１１０として用いられる多極子レンズ１００では、図２〜図４に示すように、構造体１０ａ，１０ｂ，１０ｃの積層方向に隣り合う先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、導電性の磁場分離部２０，２２によって接続されているため、等電位である。そのため、各部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃの電場四極子場の強さを一定にすることができる。また、多極子レンズ１００では、先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、非磁性体からなる磁場分離部２０，２２によって分離されているため、各部分１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃで異なる大きさの磁場四極子場を発生させることができる。

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１１（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１１（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１０００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１１（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。ここで、第２多極子１２０の第１部分１２０ａは、図１〜図４に示す第１構造体１０ａに対応し、第２多極子１２０の第２部分１２０ｂは、第２構造体１０ｂに対応し、第２多極子１２０の第３部分１２０ｃは、第３構造体１０ｃに対応している。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１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ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１５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°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°ごとに振り分けられて配置されている。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１５に示すように、第１多極子１１０の第１部分１１０ａ（図１２参照）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°回転している。

第２多極子１２０の第１部分１２０ａでは、図１に示す多極子レンズ１００の第１構造体１０ａの１２個の極子１２ａを、電極１２２ａ〜１２２ｄ、および磁極１２４ａ〜１２４ｄとして用いている。すなわち、第１構造体１０ａの１２個の極子１２ａによって、電場四極子場および磁場四極子場を発生させて、電磁場重畳の四極子場を発生させる。

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１２０ａは、図１１（Ａ）および図１１（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１５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多極子１２０の第２部分１２０ｂでは、多極子レンズ１００の第２構造体１０ｂの１２個の極子１２ｂを、電極１２２ａ〜１２２ｄ、および磁極１２４ａ〜１２４ｄとして用いている。すなわち、第２構造体１０ｂの１２個の極子１２ｂによって、電場四極子場および磁場四極子場を発生させて、電磁場重畳の四極子場を発生させる。

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１１（Ａ）および図１１（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１１（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１１（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１５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２多極子１２０の第３部分１１０ｃでは、多極子レンズ１００の第３構造体１０ｃの１２個の極子１２ｃを、電極１２２ａ〜１２２ｄ、および磁極１２４ａ，１２４ｄとして用いている。すなわち、第３構造体１０ｃの１２個の極子１２ｃによって、電場四極子場および磁場四極子場を発生させて、電磁場重畳の四極子場を発生させる。

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１１（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１１（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。

ここで、例えば、第２多極子１２０では、第１多極子１１０と同様に、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ことで、上述した第２の電磁場を発生させる。

第２多極子１２０として用いられる多極子レンズ１００では、図２〜図４に示すように、先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、導電性の磁場分離部２０，２２によって接続されているため、等電位である。そのため、各部分１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃの電場四極子場の強さを一定にすることができる。また、多極子レンズ１００では、先端部１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、非磁性体からなる磁場分離部２０，２２によって分離されているため、各部分１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃで異なる大きさの磁場四極子場を発生させることができる。

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。

２．２． 色収差補正装置の動作
次に、本実施形態に係る色収差補正装置１０００の動作について説明する。図１６は、色収差補正装置１０００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１６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１１および図１６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１１（Ａ）および図１６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１６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１６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°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１０００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２１４の正の色収差を、色収差補正装置１０００の負の色収差で相殺することができる。

２．３． 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。

本実施形態に係る色収差補正装置１０００および電子顕微鏡２００は、例えば、以下の特徴を有する。

色収差補正装置１０００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１０００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１０００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１０００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１０００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２００の分解能を向上させることができる。

色収差補正装置１０００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１０００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１０００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１０００では、多極子レンズ１００を含むため、多極子レンズ１００に
よって、第１の静磁場および第２の静磁場を発生させることができる。これにより、色収差を補正することができる。

電子顕微鏡２００では、色収差補正装置１０００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２００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２００によれば、色収差補正装置１０００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。

２．４． 変形例
次に、本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１７は、第１変形例に係る色収差補正装置２０００の光学系を示す図である。図１８は、色収差補正装置２０００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。なお、図１８（Ａ）は、色収差補正装置２０００の構成を説明するための図である。図１８（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１８（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１８（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１８（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２０００において、上述した色収差補正装置１０００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１０００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、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２０００は、図１７および図１８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２０００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２０００のその他の構成は、上述した色収差補正装置１０００と同様であり、その説明を省略する。

色収差補正装置２０００によれば、上述した色収差補正装置１０００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１９は、第２変形例に係る色収差補正装置３０００の光学系を示す図である。以下、色収差補正装置３０００において、上述した色収差補正装置１０００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３０００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３０１０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３０２０と、を含む。これにより、色収差補正装置３０００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３０１０は、第１多極子１１０の第２部分１１０ｂ（図１１参照）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３０２０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３０１０および第４多極子３０２０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３０００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３０００の第３多極子３０１０および第４多極子３０２０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２０は、第３変形例に係る色収差補正装置４０００の光学系を示す図である。以下、色収差補正装置４０００において、上述した色収差補正装置１０００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４０００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４０１０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４０２０と、を含む。これにより、色収差補正装置４０００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４０１０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４０２０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４０１０および第４多極子４０２０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４０００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４０００の第３多極子４０１０および第４多極子４０２０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２１は、第４変形例に係る電子顕微鏡３００の構成を説明するための図である。以下、電子顕微鏡３００において、上述した電子顕微鏡２００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。

上述した電子顕微鏡２００では、図７に示すように、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４変形例に係る電子顕微鏡３００では、本発明に係る色収差補正装置を、照射系の色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１０００を用いた場合について説明する。

電子顕微鏡３００は、電子銃２１１と、高圧制御部２１２と、第１集束レンズ２１３ａと、色収差補正装置１０００と、第２集束レンズ２１３ｂと、対物レンズ２１４と、試料ステージ２１５と、中間・投影レンズ２１６と、観察室２１７と、を含んで構成されている。

電子銃２１１は、高圧制御部２１２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２１３ａは、電子銃２１１で発生した電子線を集束する。第１集束レンズ２１３ａで集束された電子線は、色収差補正装置１０００に入射する。

色収差補正装置１０００は、第１集束レンズ２１３ａの収差を補正する。色収差補正装置１０００で色収差が補正された電子線は、第２集束レンズ２１３ｂ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２１４および試料ステージ２１５を通過する。

中間・投影レンズ２１６は、対物レンズ２１４ともに、結像系を構成している。中間・投影レンズ２１６は、観察室２１７内のカメラ（図示せず）上に結像する。

電子顕微鏡３００では、色収差補正装置１０００を含むため、照射系（第１集束レンズ２１３ａ）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３００は、高い分解能を有することができる。また、電子顕微鏡３００では、色収差補正装置１０００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３００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３００によれば、色収差補正装置１０００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。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

上述した実施形態および変形例では、多極子レンズ１００を色収差補正装置に適用した例について説明したが、本発明に係る多極子レンズを球面収差補正装置に適用してもよい。

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。

１０ａ…第１構造体、１０ｂ…第２構造体、１０ｃ…第３構造体、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…基部、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…極子、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…先端部、１４ａ…，１４ｂ，１４ｃ…ヨーク、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ…第１コイル、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ…第２コイル、２０，２２…磁場分離部、３０，３２…第１支持部、４０，４２…第２支持部、５０…真空隔壁、１００…多極子レンズ、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、２００…電子顕微鏡、２１１…電子銃、２１２…高圧制御部、２１３…集束レンズ、２１３ａ…第１集束レンズ、２１３ｂ…第２集束レンズ、２１４…対物レンズ、２１５…試料ステージ、２１６…投影レンズ、２１７…観察室、２２０，２２２…対物ミニレンズ、３００…電子顕微鏡、１０００，２０００，３０００…色収差補正装置、３０１０…第３多極子、３０２０…第４多極子、４０００…色収差補正装置、４０１０…第３多極子、４０２０…第４多極子

Claims (13)

1. ヨークと、
   前記ヨークに磁気的に接続された基部、および前記基部に磁気的に接続された先端部を有する極子と、
   を備えた構造体を含み、
   前記構造体は複数積層され、
   前記構造体の積層方向に隣り合う前記先端部の間には、非磁性体からなる磁場分離部が設けられている、多極子レンズ。
2. 請求項１において、
   前記磁場分離部は、導電性を有している、多極子レンズ。
3. 請求項１または２において、
   前記先端部に電圧を印加するための端子を含む、多極子レンズ。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記基部と前記先端部とは、離間している、多極子レンズ。
5. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記積層方向に隣り合う前記極子が発生させる電場の強度は等しく、前記積層方向に隣り合う前記極子が発生させる磁場の強度は異なっている、多極子レンズ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
   前記磁場分離部は、前記積層方向に隣り合う前記先端部と接している、多極子レンズ。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項において、
   前記積層方向に隣り合う前記基部の間には、非磁性体からなる第１支持部が設けられている、多極子レンズ。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項において、
   前記積層方向に隣り合う前記ヨークの間には、非磁性体からなる第２支持部が設けられている、多極子レンズ。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項において、
   前記基部に設けられた第１コイルと、
   前記基部に設けられ、前記第１コイルよりも巻き数が少ない第２コイルと、
   を含む、多極子レンズ。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の多極子レンズを含む、収差補正装置。
11. 請求項１０において、
    前記多極子レンズは、色収差を打ち消すための電磁場を発生させる、収差補正装置。
12. 請求項１０または１１に記載の収差補正装置を含む、電子顕微鏡。
13. 請求項１２において、
    前記基部と前記先端部との間には、真空隔壁が配置されている、電子顕微鏡。