JP4365720B2

JP4365720B2 - 球面収差補正装置

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Publication number: JP4365720B2
Application number: JP2004114008A
Authority: JP
Inventors: 行人近藤; 史生細川
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2024-04-08
Also published as: JP2005302405A

Description

本発明は、電子顕微鏡の照射光学系又は結像光学系で発生する球面収差を補正する球面収差補正装置に関する。

透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope:ＴＥＭ）では、分解能の値は小さいことが望まれる。例えば、結晶等の原子配列をＴＥＭで直視する場合には、分解能としては0.1ｎｍ程度が要求される。この分解能は、電子線の波長λと対物レンズの球面収差係数Ｃ_ｓに基づいて決定されていることが知られている。そこで、ＴＥＭの分解能の値を小さくするために、電子線の波長λを短くするか、球面収差係数Ｃ_ｓを小さくすることが考えられてきた。

電子線の波長λを短くするためには、加速電圧を高くすればよい。加速電圧を高くすることは、比較的容易である。加速電圧が1000ｋＶのＴＥＭでは0.1ｎｍ程度の分解能が得られる。しかし、加速電圧を高くすると、装置自体が大きくなってしまう。そこで、現在広く普及している、加速電圧が200ｋＶクラスの比較的小型のＴＥＭにおいて、0.1ｎｍ程度の分解能を達成するには、電子線の波長λを短くするよりも、球面収差係数Ｃ_ｓを小さくする方が適切であると考えられる。

ところが、通常、ＴＥＭの対物レンズとしては、回転対称磁界型レンズが使用されている。しかし、回転対称磁界型レンズでは、凹レンズを形成することができないので、回転対称磁界型レンズをどのように組み合わせても球面収差係数Ｃ_ｓを補正することができなかった。

そこで、ＴＥＭの上記対物レンズの球面収差係数Ｃ_ｓを補正するために、多極子による磁場を導入することが既に提案されている（例えば、非特許文献１を参照。）。これは、例えば多極子コイルとして６極子コイルを用いた場合、６極子コイルが電子線に与える本来の軌道収差項として、対物レンズの球面収差係数Ｃ_ｓの補正効果が現れることを利用したものである。具体的には、２組のダブレットレンズと、２個の６極子コイルを組み合わせて球面収差を補正することが提案されている（例えば、非特許文献２を参照。）。

また、本件出願人は、特許文献１にて、二つの多極子間に二つの軸対称レンズを配置した電子顕微鏡の球面収差補正装置において、軸対称レンズ間にできる電子線の集光面内に、光軸と垂直な面内で電子線に回転作用を与える回転補正レンズを配置したことを特徴とする電子顕微鏡の球面収差補正装置を開示した。

図８は、特許文献１に開示した球面収差補正装置を備えた電子顕微鏡の照射光学系の概略構成を示す図である。なお、図８では、偏向系や一部集束系等を省略している。光源１から光軸４に沿って入射した電子線２は、集束レンズ３によって平行光束となされ、球面収差補正光学系５によって球面収差を補正された後、対物レンズ６によって試料７に収束して照射される。

球面収差補正光学系５は、６極子コイルからなる第１の補正子８と、同様に６極子コイルからなる第２の補正子９との間に、２つの軸対称レンズ１０及び１１を配置し、さらに２つの軸対称レンズ１０及び１１の間に、回転補正レンズ１２を配置した構成である。２つの軸対称レンズ１０及び１１は、第１の補正子８面上の像を第２の補正子９上に結像するように励磁されている。すなわち、第１の補正子８上の像と第２の補正子９上の像は共役関係にある。

球面収差係数Ｃ_ｓを補正する際には、第１の補正子８で３回対称の非点をつくる。第２の補正子９は、第１の補正子８でできた３回非点をキャンセルするように励磁する。このようにすることで元の軸対称な電子線に戻る。

以下、球面収差の補正について説明する。図９は、６極子コイルの構成、及びその一般的な作用について概略説明するための図である。６極子コイルの構成及びその作用は周知であるが、６極子コイルとは、６極子場を作るために偏向コイルを光軸周りに配置したものである。６極子コイルは、通常、６極子場の位相角ξを自由に制御できるように８個以上のコイルを用いて構成されるが、図９（ａ）では説明の簡易化のため、６個のコイルを光軸回りに等間隔に配置したものを示している。６極子場は３回対称の磁場である。また、光軸４と各コイルの先端までの距離をボア半径といい、図ではａで表している。更に、６極子場の位相角ξとは、図９（ａ）に示すように、軌道方程式を導くために定めた基準軸からの位相基準軸のなす光軸回りの角度である。また、図９（ｂ）に示すように、６極子場（第１の補正子８）の光軸方向の長さをＺとする。

いま、図９（ｂ）に示すように、光軸４からｒ_０の距離のところに、６極子コイルに対して傾きｒ_０’で電子線が６極子コイル（第１の補正子８）に入射したとき、この電子線が６極子から出射する際の光軸４からの距離ｒ_{ｉｎ−ｏｕｔ}、そのときの６極子コイルに対する傾きｒ_{ｉｎ−ｏｕｔ}’は、４次項以上を無視して次のように表される。

ｒ_{ｉｎ−ｏｕｔ}＝ｒ_０（１＋γ）＋ｋｒ_０ ^２Ｚ^２Ｌｃｏｓ（３θ_０）＋ｋ^２ｒ_０ ^３Ｚ^３Ｍ・・（１）
ｒ_{ｉｎ−ｏｕｔ}’＝ｒ_０’＋ｋｒ_０ ^２ＺＮｃｏｓ（３θ_０）＋ｋ^２ｒ_０ ^３Ｚ^３Ｐ・・（２）
ここで、θ_０は６極子場の基準軸から見た電子線の入射角、Ｚは補正子の長さ、ｋは６極子場の強度を示す。また、γ、Ｌ、Ｍ、Ｎ、Ｐは軌道の入射条件で決まる定数であり、次のように表される。

γ＝−Ｚ／Ｓ・・・（３）
Ｌ＝１／２＋γ／３＋γ^２／１２・・・（４）
Ｍ＝１／１２＋γ／１２＋γ^２／３６＋γ^３／２５２・・・（５）
Ｎ＝１＋γ＋γ^２／３・・・（６）
Ｐ＝１／３＋５γ／１２＋γ^２／６＋γ^３／３６・・・（７）
ただし、上記（３）式にてＳは光源から補正子までの距離である。

上記（１）式の右辺の第１項の「ｒ_０（１＋γ）」は、０次項である。すなわち、電子線が第１の補正子８の６極子場による作用を受けずに素通りする成分を表している。また、上記（１）式の右辺の第２項の「ｋｒ_０ ^２Ｚ^２Ｌｃｏｓ（３θ_０）」は、第１の補正子８の６極子場による主要な効果、すなわち６極子場によって生じる本来の効果の成分を表している。６極子場は３回対称な磁場であるから、電子線の丸い断面は概略３角形状になるが、これが第２項の効果である。また、上記（１）式の右辺の第３項の「ｋ^２ｒ_０ ^３Ｚ^３Ｍ」は、第１の補正子８として用いられる６極子場が形成する３次軸対称の収差であって、丁度Ｃ_ｓを補正するような軸に対する傾きを持っている。この収差を電子顕微鏡の照射系の球面収差の補正に用いる。

上記（２）式についても同様であり、（２）式の右辺の第１項の「ｒ_０’」は０次項、第２項の「ｋｒ_０ ^２ＺＬｃｏｓ（３θ_０）」は第１の補正子８の６極子場による主要な効果、すなわち６極子場によって生じる本来の効果の成分を表している。また、第３項の「ｋ^２ｒ_０ ^３Ｚ^３Ｐ」も、第１の補正子８として用いられる６極子場が形成する３次軸対称の収差であって、この収差を電子顕微鏡の照射系の球面収差の補正に用いる。

しかし、６極子場の第１の補正子８により、上記球面収差を補正する際には、上記（１）式及び（２）式の各第２項の主要な効果を考慮しなければならない。６極子場は３回対称な磁場であるから、電子線の丸い断面は３回対称性をもった形状になるが、これが第２項の本来の効果である。つまり、丸い断面を有する電子線が第１の補正子８を通過すると、上記第２項により、出射したときには当該電子線は３回対称の断面を有するように変形されることになる。

そこで、第２の補正子９を、第１の補正子８でできた３回非点をキャンセルするように励磁する。つまり、上記（１）式と（２）式の右辺の各第２項をキャンセルするように励磁する。これを式で示すと以下の（８）、（９）式となる。

ｒ_{ｉｎ−ｏｕｔ}＝ｒ_０（１＋γ）−ｋｒ_０ ^２Ｚ^２Ｌｃｏｓ（３θ_０）＋ｋ^２ｒ_０ ^３Ｚ^３Ｍ・・（８）
ｒ_{ｉｎ−ｏｕｔ}’＝ｒ_０’−ｋｒ_０ ^２ＺＮｃｏｓ（３θ_０）＋ｋ^２ｒ_０ ^３Ｚ^３Ｐ・・（９）
したがって、第２の補正子９により、第１の補正子８で生成された電子線の３回非点成分を補正し、元の軸対称な電子線に戻すことができる。また、（８）式、（９）式の各第３項は、第２の補正子９として用いられる６極子場が形成する３次軸対称の収差であって、この収差も電子顕微鏡の照射光学系の球面収差の補正に用いる。

ところで、図８に示した球面収差補正光学系５の第１の補正子８にて、上記（１）、（２）式の第３項の収差を用いて電子顕微鏡の照射光学系の球面収差を補正する際に考慮すべき、上記６極子場による主要な効果である３回非点成分には、さらに他の成分による影響も考えなければならない。

つまり、第１の補正子８にて生成された３回非点成分を第２の補正子９にて、上記（８）、（９）式に示した第２項によって単純にキャンセルするという訳にはいかない。

第１の補正子８にて３回非点成分が生成される際には、偏向成分、２回非点補正成分、４回非点成分も生成される。

そこで、上記他の成分である偏向成分、２回非点成分、４回非点成分を補正のために作り出し、これらを制御することが行われる。最近では、上記制御をデジタル制御で行うようになった。
特開２００３−９２０７８号公報「O. Scherzer, Optik 2(1947)114」「M. Haider, G.Braunshausen and E.Schwan, Optik 99(1995)167」

しかし、デジタル制御のビット分解能は限られているので、偏向成分、２回非点成分、３回非点成分及び４回非点成分をデジタル制御した場合、ビット分解能による電子線への影響はほとんど偏向成分になってしまう。

以下、ビット分解能による電子線への影響がほとんど偏向成分になってしまう理由を説明する。球面収差係数Ｃ_ｓを補正するためには、３回非点成分のみが必要である。３回非点成分は上記他の成分に比べて大きい。よって他の成分は、３回非点成分に比べて小さい。３回非点成分に対して上記他の成分は、各磁極の励磁による感度の違いから生成される。感度の違いは、磁極の配置や、形状又は励磁コイルの抵抗値、アンプのゲインの不均一性や、磁性材料の特性の違いや、励磁履歴による理想的な磁場からのずれにもとづく。

すなわち、偏向成分、２回非点成分、４回非点成分は補正のみに関連し、３回非点成分に比べて非常に小さな値となる。もし、各磁極の励磁を各磁極専用のアンプで行い、これらをデジタル制御した場合、それぞれのアンプのダイナミックレンジはメインの３回非点成分に合わせられているため、その他の成分に対して過大なダイナミックレンジを持ってしまう。偏向成分は、電子線をダイレクトに動かす成分であり、アンプのノイズやビット分解能による階段状の値のとびの電子線への影響は、ほとんど偏向成分になってしまうことになる。現在、使用されている最も精度がよい電源制御部においても精度は１０^−７程度であり、そのようなアンプをもってしても１００万倍程度以上の像では、電子線が偏向してしまうために像が動いてしまうことになる。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、上記偏向成分のダイナミックレンジを調整し、電子線のふらつきを抑えながらも、各成分の補正精度を向上することができる球面収差補正装置の提供を目的とする。

本発明に係る球面収差補正装置は、上記課題を解決するために、電子顕微鏡の照射光学系又は結像光学系で発生する球面収差を補正する球面収差補正装置において、複数の極子を形成して上記球面収差係数を補正する第１の補正手段と、上記第１の補正手段の像と共役関係となる像が形成され、かつ複数の極子を形成して上記球面収差係数を補正する第２の補正手段とを備え、上記第１の補正手段及び上記第２の補正手段は、複数の極子を形成する各コアに、３回非点成分用コイルと少なくとも偏向用コイルとを別々に分けて巻く。

複数の極子を形成する各コアには、３回非点成分用コイルと少なくとも偏向用コイルとを別々に分けて巻くので、デジタル制御による分解能は各成分用コイルの固有のダイナミックレンジ持つことになる。よって、必要な成分ごとのダイナミックレンジが調整できるため、補正の精度を向上できる。

本発明に係る球面収差補正装置の上記第１の補正手段と上記第２の補正手段は、２回非点成分用コイル、４回非点成分用コイルを上記各コアに、上記３回非点成分用発生コイル、偏向用コイルと別々に分けて巻き、偏向用コイル、２非点成分用コイル、４回非点成分用コイルの巻き数を３回非点成分用コイルの巻き数よりも少なくすることが望ましい。

３回非点成分は上記他の成分に比べて大きいので、３回非点成分用コイルの巻き数を多くする。また、複数の極子を形成する各コアには、３回非点成分用コイル、偏向用コイルばかりでなく、２回非点成分用コイル、４回非点成分用コイルも別々に分けて巻くので、デジタル制御による分解能は各成分用コイルの固有のダイナミックレンジ持つことになる。

本発明に係る球面収差補正装置は、上記偏向用コイル、２回非点成分用コイル、４回非点成分用コイルの励磁電流を各成分ごとに一つの電源から供給することが好ましい。

本発明の球面収差補正装置によれば、複数の極子を形成する各コアには、３回非点成分用コイルと少なくとも偏向用コイルとを別々に分けて巻くので、電子線の偏向成分のダイナミックレンジを調整し、電子線のふらつきを押さえることが出来る。照射光学系に使用した場合は入射位置のふらつきを低減することができる。また、結像光学系に使用した場合は像の揺れを低減することができる。

また、補正子のつなぎの結線について、それぞれの成分を一つの電流アンプで励磁することによって、電子線のふらつきを抑制し、かつ各非点成分の補正精度を向上することができる。このことは、照射光学系に使用したときには、入射位置のふらつきと補正条件の安定性、結像光学系に使用したときは像の揺れを向上することになる。

また、補正コイルを各成分毎に別々にし、各コイルで同一コアに巻くことによって３回非点の他の成分、つまり２回非点成分、偏向成分、４回非点成分を補正子の同一面上で除去することが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。図１は、本発明による電子顕微鏡の球面収差補正装置の実施の形態を示す図である。この球面収差補正装置は、照射光学系によって発生された球面収差を補正する球面収差補正光学系２０と、球面収差補正光学系２０に用いられる二つの補正子の各極子コイルに適切な励磁電流を供給するための制御部と電源部を有する電源制御部２６と、電源制御部２６に接続されて使用者による操作を受け付ける操作部２７とから構成される。なお、図では、偏向系や一部集束系等を省略している。

光源１から光軸４に沿って入射された電子線２は、集束レンズ３によって平行光束となされ、球面収差補正光学系２０によって球面収差を補正された後、対物レンズ６によって試料７に収束して照射される。

球面収差補正光学系２０は、１２個の磁極を用いて２組の６極子を形成する第１の補正子２１と、同様に１２個の磁極を用いて２組の６極子を形成する第２の補正子２２との間に、２つの軸対称レンズ２３及び２４を配置し、さらに２つの軸対称レンズ２３及び２４の間に、回転補正レンズ２５を配置した構成である。２つの軸対称レンズ２３及び２４は、第１の補正子２１面上の像を第２の補正子２２上に結像するように励磁されている。すなわち、第１の補正子２１上の像と第２の補正子２２上の像は共役関係にある。

図２は、第１の補正子２１の構成を示す図である。図１に示した第１の補正子２１を一点鎖線ＸＸ’に沿って切断したときの断面図として示している。第１の補正子２１は、１２個の磁極を用いて２組の６つの極子を作るために偏向コイルを光軸４の回りに配置したものである。すなわち、図２に示すように、第１の補正子２１は、Ｍ_１、Ｍ_２・・・Ｍ_１２の１２個の磁極を外ヨーク５１から光軸４に向けて配置している。各磁極のポールピースを形成するコア５２には、後述するように、従来一つのコイルで行っていた電子線の３回非点成分、偏向成分、２回非点成分、４回非点成分の発生を別々に分けるために、各専用のコイルが巻き回しされている。この各専用のコイルのコア５２への巻き回しについては後述する。

また、各コア５２から光軸４に向けて、各磁極による極子５４が形成される。各極子５４に付された矢印は、磁界の向きを示している。この第１の補正子２１では、特に、磁極Ｍ_１及びＭ_２、磁極Ｍ_５及びＭ_６、磁極Ｍ_９及びＭ_１０による磁界の発生方向を同じとするように各コア５２に励磁コイル５３を巻き、磁界が逆の発生方向になるように磁極Ｍ_３及びＭ_４、磁極Ｍ_７及びＭ_８、磁極Ｍ_１１及びＭ_１２の各コア５２に励磁コイル５３を巻き回している。よって、２組の６つの極子５４が形成されている。なお、第２の補正子２２の構成も同様である。

図２に断面を示した第１の補正子２１は、集束レンズ３を通って球面収差補正光学系２０に入射した電子線２の球面収差を、上記（１）式及び（２）式の各第３項を用いて補正する。ここで補正される球面収差は、照射光学系の対物レンズによって生じたものである。

このとき、第１の補正子２１は、３回非点成分を生成する。また、６極子コイルを用いて３回非点成分が生成される際には、偏向成分、２回非点補正成分、４回非点成分が生成される。これらの他の成分は、各磁極の励磁による感度の違いから生成される。感度の違いは、磁極の配置や、形状又は励磁コイルの抵抗値、アンプのゲインの不均一性や磁性材料の特性のふらつきによる理想的な磁場からのずれにもとづく。

図３には、偏向成分、２回非点成分、３回非点成分、４回非点成分が元々断面の丸い電子線に及ぼす影響を図示する。偏向成分は光軸をシフトさせる。２回非点成分は楕円に、３回非点成分は三角形、４回非点成分は四角形に変形してしまう。実際には、３回非点成分に上記偏向成分、２回非点成分、４回非点成分が重畳されてしまので、偏向成分が電子線をシフトし、さらに３回非点成分による丸い電子線を３回対称の断面の電子線にする変換に、２回非点成分が楕円、４回非点成分が４回対称の要素を加えてしまう。また、これらのシフト、楕円、四角には回転分も加えられる。このため、第２の補正子２２によって単純に上記３回非点成分のみをキャンセルしようとしても、３回対称のビームに加えられた上記２回非点成分による楕円、４回非点成分による四角の要素が、偏向成分による電子線のシフト成分と共に残ってしまうことになる。そこで、これら偏向成分、２回非点成分、３回非点成分、４回非点成分による影響をキャンセルする必要がある。

そこで、電源制御部２６は、第１の補正子２１に接続し、第１の補正子２１によって生成された３回非点成分に基づいて、第１の補正子２１による上記３回非点成分の発生に伴う、その他の成分を補正する補正信号を生成する。そして、電源制御部２６は、生成した補正信号を第２の補正子２２に供給し、第２の補正子２２に、上記他の成分である偏向成分、２回非点成分、４回非点成分を補正させる。もちろん、第２の補正子２２は、上記（８）、（９）式に示した各第３項の収差を用いて照射系の球面収差も補正する。

本発明は、従来、一つのコイルで行っていた上記３回非点成分、偏向成分、２回非点成分及び４回非点成分の発生を、別々のコイルに分けて、各成分ごとに一つの電源から供給することに特徴がある。以下、二つの実施例を挙げて詳細に説明する。

（実施例１）
従来、一つのコイルで行っていた上記３回非点成分、偏向成分、２回非点成分及び４回非点成分の発生を図４に示す巻き方のように、別々のコイルに分けて、各成分ごとに一つのアンプで制御を行う。

図４は、第１の補正子２１及び第２の補正子２２における、３回非点成分、偏向成分、２回非点成分、４回非点成分の各専用のコイルの巻き回しの具体例を示す図である。各磁極のコア（ポールピース）５２の長手方向（図４における一点鎖線矢印Ｌ_１Ｌ_２）に沿って、３回非点用コイル５３ａ、２回非点用コイル５３ｂ、偏向用コイル５３ｃ及び４回非点用コイル５３ｄをＬ_１からＬ_２に向けて順番に並べて巻く。補正子２１及び第２の補正子２２についてそれぞれの回転成分を発生するように、各成分に対して第１の補正子２１及び第２の補正子２２に共通に２組の電源を用意している。

図４に示したコイルの巻き方の具体例にあっては、それぞれのコイルの巻き数と電流の積（起磁力）の最大値は、それぞれの成分の補正に必要な値に設定する。特に、偏向成分、２回非点成分、４回非点成分の巻き数は、３回非点成分の巻き数よりも少なくする。このことによって、必要な成分毎のダイナミックレンジが調整されるため、補正の精度が向上する。

また、３回非点成分、偏向成分、２回非点成分、４回非点成分を発生する別々のコイルを同一のコアと磁極を持つ磁気回路に組み入れることにより、それぞれの補正成分を用いて補正を第１の補正子２１及び第２の補正子２２の面上で行うことが可能になる。

また、図４に示した巻き方にあっては、３回非点成分、２回非点成分、偏向成分、４回非点成分を発生する別々のコイル５３ａ、５３ｂ、５３ｃ及びを５３ｄを成分毎に分け、それぞれの成分毎につなぎ、成分ごとに一つのアンプで制御を行っている。

図５は、第１の補正子２１及び第２の補正子２２における各極子にて３回非点成分を発生するコイル５３ａ（５３Ａ）を一つおきの極子毎に接続した例を示す図である。図５（ａ）は第１の補正子２１にあって６極子を構成する奇数磁極Ｍ_１、Ｍ_３、Ｍ_５、Ｍ_７、Ｍ_９、Ｍ_１１のコア５２に巻かれた３回非点成分発生コイル５３ａの結線を示す。これらの３回非点成分発生コイル５３ａは、６極子成分補正電源１による定電流源（Ｉ）６１によって電流の供給を受ける。磁極Ｍ_１のコアに巻かれたコイル５３ａ_１のｉ端側は定電流源（Ｉ）６１に接続され、ｆ端側は磁極Ｍ_３のコアに巻かれたコイル５３ａ_３のｆ端側に接続されている。磁極Ｍ_３のコアに巻かれたコイル５３ａ_３のｉ端側は、磁極Ｍ_５のコアに巻かれたコイル５３ａ_５のｉ端側に接続されている。磁極Ｍ_５のコアに巻かれたコイル５３ａ_５のｆ端側は磁極Ｍ_７のコアに巻かれたコイル５３ａ_７のｆ端側に接続されている。磁極Ｍ_７のコアに巻かれたコイル５３ａ_７のｉ端側は、磁極Ｍ_９のコアに巻かれたコイル５３ａ_９のｆ端側に接続されている。磁極Ｍ_９のコアに巻かれたコイル５３ａ_９のｉ端側は磁極Ｍ_１１のコアに巻かれたコイル５３ａ_１１のｆ端側に接続されている。磁極Ｍ_１１のコアに巻かれたコイル５３ａ_１１のｉ端側は定電流源（Ｉ）６１に接続されている。

図５（ｂ）は第１の補正子２１の他の６極子を構成する偶数磁極Ｍ_２、Ｍ_４、Ｍ_６、Ｍ_８、Ｍ_１０、Ｍ_１２のコア５２に巻かれた３回非点成分発生コイル５３ａの結線を示す。これらの３回非点成分発生コイル５３ａは、６極子成分補正電源２による定電流源（Ｉ）６２によって電流の供給を受ける。磁極Ｍ_２のコアに巻かれたコイル５３ａ_２のｉ端側は上記定電流源（Ｉ）６１とは異なる定電流源（Ｉ）６２に接続され、ｆ端側は磁極Ｍ_４のコアに巻かれたコイル５３ａ_４のｆ端側に接続されている。磁極Ｍ_４のコアに巻かれたコイル５３ａ_４のｉ端側は、磁極Ｍ_６のコアに巻かれたコイル５３ａ_６のｉ端側に接続されている。磁極Ｍ_６のコアに巻かれたコイル５３ａ_６のｆ端側は磁極Ｍ_８のコアに巻かれたコイル５３ａ_８のｆ端側に接続されている。磁極Ｍ_８のコアに巻かれたコイル５３ａ_８のｉ端側は、磁極Ｍ_１０のコアに巻かれたコイル５３ａ_１０のｆ端側に接続されている。磁極Ｍ_１０のコアに巻かれたコイル５３ａ_１０のｉ端側は磁極Ｍ_１２のコアに巻かれたコイル５３ａ_１２のｆ端側に接続されている。磁極Ｍ_１２のコアに巻かれたコイル５３ａ_１２のｉ端側は定電流源（Ｉ）６２に接続されている。

図５（ｃ）は第２の補正子２２の６極子を構成する奇数磁極Ｍ_１、Ｍ_３、Ｍ_５、Ｍ_７、Ｍ_９、Ｍ_１１のコア５２に巻かれた３回非点成分発生コイル５３Ａの結線を示す。これらの３回非点成分発生コイル５３ａは、第１の補正子２１の奇数磁極Ｍ_１、Ｍ_３、Ｍ_５、Ｍ_７、Ｍ_９、Ｍ_１１のコア５２に巻かれた３回非点成分発生コイル５３ａと共通に６極子成分補正電源１による定電流源（Ｉ）６１によって電流の供給を受ける。磁極Ｍ_１のコアに巻かれたコイル５３Ａ_１のｉ端側、磁極Ｍ_３のコアに巻かれたコイル５３Ａ_３のｉ端側、・・・磁極Ｍ_１１のコアに巻かれたコイル５３Ａ_１１のｉ端側は共通とされ、定電流源（Ｉ）６１に接続されている。また、磁極Ｍ_１のコアに巻かれたコイル５３Ａ_１のｆ端側、磁極Ｍ_３のコアに巻かれたコイル５３Ａ_３のｆ端側、・・・磁極Ｍ_１１のコアに巻かれたコイル５３Ａ_１１のｆ端側には可変抵抗Ｒ_ｖ１、Ｒ_ｖ３、・・・Ｒ_ｖ１１が接続された上で共通とされ、定電流源（Ｉ）６１に接続されている。可変抵抗Ｒ_ｖ１、Ｒ_ｖ３、・・・Ｒ_ｖ１１の抵抗値を調整することにより３回非点成分をキャンセルする。

図５（ｄ）は第２の補正子２２の他の６極子を構成する偶数磁極Ｍ_２、Ｍ_４、Ｍ_６、Ｍ_８、Ｍ_１０、Ｍ_１２のコア５２に巻かれた３回非点成分発生コイル５３Ａの結線を示す。これらの３回非点成分発生コイル５３は、第１の補正子２１の偶数磁極Ｍ_２、Ｍ_４、Ｍ_６、Ｍ_８、Ｍ_１０、Ｍ_１２のコア５２に巻かれた３回非点成分発生コイル５３ａと共通に６極子成分補正電源２による定電流源（Ｉ）６２によって電流の供給を受ける。磁極Ｍ_２のコアに巻かれたコイル５３Ａ_２のｉ端側、磁極Ｍ_４のコアに巻かれたコイル５３Ａ_４のｉ端側、・・・磁極Ｍ_１２のコアに巻かれたコイル５３Ａ_１２のｉ端側は共通とされ、定電流源（Ｉ）６１とは異なる定電流源（Ｉ）６２に接続されている。また、磁極Ｍ_２のコアに巻かれたコイル５３Ａ_２のｆ端側、磁極Ｍ_４のコアに巻かれたコイル５３Ａ_４のｆ端側、・・・磁極Ｍ_１２のコアに巻かれたコイル５３Ａ_１２のｆ端側には可変抵抗Ｒ_ｖ２、Ｒ_ｖ４、・・・Ｒ_ｖ１２が接続された上で共通とされ、定電流源（Ｉ）６２に接続されている。可変抵抗Ｒ_ｖ２、Ｒ_ｖ４、・・・Ｒ_ｖ１２の抵抗値を調整することにより３回非点成分をキャンセルする。

図５にて説明したような結線を他の成分についても行えば、偏向成分以外は各磁極が軸上でキャンセルするような磁場を発生するための電流を制御するために、実用上、最も問題となる偏向成分の磁場を大幅に低減することが可能となる。

（実施例２）
図６は、上記各専用コイルの巻き回しの他の具体例を示す図である。各磁極のコア５２の長手方向（図６における一点鎖線矢印Ｌ_１Ｌ_２）に断面平行になるように、コア５２側から３回非点用コイル５３ａ、２回非点用コイル５３ｂ、偏向コイル５３ｃ及び４回非点用コイル５３ｄを重ねて巻く。このコイルの巻き方以外は前記第１の実施例と同様であるので説明を省略する。

（実施例３）
３回非点成分、偏向成分、２回非点成分及び４回非点成分を発生するための各コイルの巻き方は、図４及び図６に示したのと同様である。ただし、最も励磁電流が多く安定度が要求される、第１の補正子２１及び第２の補正子２２の６極子の励磁を一つの電流アンプで行い、二つの補正子の励磁のバランスは抵抗比で調整する。

図７は、第１の補正子２１の奇数磁極Ｍ_１、Ｍ_３、Ｍ_５、Ｍ_７、Ｍ_９、Ｍ_１１による６極子と、第２の補正子２２の奇数磁極Ｍ_１、Ｍ_３、Ｍ_５、Ｍ_７、Ｍ_９、Ｍ_１１による６極子の励磁を一つの定電流源６３で行う構成を示す図である。特に、３回非点成分発生のコイル５３ａ（５３Ａ）の結線を示す。

第１の補正子２１の磁極Ｍ_１のコアに巻かれたコイル５３ａ_１のｉ端側、磁極Ｍ_３のコアに巻かれたコイル５３ａ_３のｉ端側、・・・磁極Ｍ_１１のコアに巻かれたコイル５３Ａ_１１のｉ端側は共通とされ、定電流源（Ｉ）６３に接続されている。また、磁極Ｍ_１のコアに巻かれたコイル５３ａ_１のｆ端側、磁極Ｍ_３のコアに巻かれたコイル５３ａ_３のｆ端側、・・・磁極Ｍ_１１のコアに巻かれたコイル５３ａ_１１のｆ端側には可変抵抗Ｒ_ａｖ１、Ｒ_ａｖ３、・・・Ｒ_ａｖ１１が接続された上で共通とされ、定電流源（Ｉ）６３に接続されている。可変抵抗Ｒ_ａｖ１、Ｒ_ａｖ３、・・・Ｒ_ａｖ１１の抵抗値を調整することにより３回非点成分をキャンセルする。

また、第２の補正子２２の磁極Ｍ_１のコアに巻かれたコイル５３Ａ_１のｉ端側、磁極Ｍ_３のコアに巻かれたコイル５３Ａ_３のｉ端側、・・・磁極Ｍ_１１のコアに巻かれたコイル５３Ａ_１１のｉ端側は共通とされ、定電流源（Ｉ）６３に接続されている。また、磁極Ｍ_１のコアに巻かれたコイル５３Ａ_１のｆ端側、磁極Ｍ_３のコアに巻かれたコイル５３Ａ_３のｆ端側、・・・磁極Ｍ_１１のコアに巻かれたコイル５３Ａ_１１のｆ端側には可変抵抗Ｒ_Ａｖ１、Ｒ_Ａｖ３、・・・Ｒ_Ａｖ１１が接続された上で共通とされ、定電流源（Ｉ）６３に、可変抵抗Ｒ_ｖｃを介して接続されている。可変抵抗Ｒ_Ａｖ１、Ｒ_Ａｖ３、・・・Ｒ_Ａｖ１１の抵抗値を調整することにより３回非点成分をキャンセルする。さらに、可変抵抗Ｒ_ｖｃにより抵抗比を調整し、第１の補正子２１と第２の補正子２２の励磁のバランスを抵抗比により調整する。このことによって、第１の補正子２１と第２の補正子２２の３回非点成分のキャンセルが回路上の抵抗比で行えるために３回非点の調整精度が向上する。なぜならば、第１の補正子２１と第２の補正子２２のコイルはキャンセルする様に励磁されるため、同一アンプにより一定の比で３回非点成分の励磁を作り出せば、この比によってキャンセルは常にされる。電流のふらつきによる補正強度のふらつきにのみ効き、３回非点成分の電子線に対する影響は最小に抑えられる。

第１の補正子２１及び第２の補正子２２は、上記実施例１及び実施例２に示したように、３回非点用コイル５３ａ、２回非点用コイル５３ｂ、偏向用コイル５３ｃ及び４回非点用コイル５３ｄを各磁極のコア（ポールピース）に別々に巻き回している。このため、電子線の偏向成分のダイナミックレンジを調整し、電子線のふらつきを押さえることが出来る。照射光学系に使用した場合は入射位置のふらつきを低減することができる。

電子顕微鏡の球面収差補正装置の構成を示す図である。第１の補正子の構成を示す断面図である。偏向成分、２回非点成分、３回非点成分、４回非点成分が元々丸い断面の電子線に及ぼす影響を示す図である。コアに対する各非点成分生成用コイルの巻き回しの具体例を示す図である。第１の補正子及び第２の補正子の３回非点成分生成用コイルの結線図である。コアに対する各非点成分生成用コイルの巻き回しの他の具体例を示す図である。第１の補正子及び第２の補正子において最も励磁電流が多く安定度が要求される上下の６極子の３回非点成分生成用コイルの結線図である。従来の球面収差補正装置を備えた電子顕微鏡の照射系の概略構成を示す図である。６極子コイルの構成、及びその一般的な作用について概略説明するための図である。

符号の説明

１光源、２電子線、３集束レンズ、４光軸、６対物レンズ、７試料、２０球面収差補正光学系、２１第１の補正子、２２第２の補正子、２３軸対称レンズ、２４軸対称レンズ、２５回転補正レンズ、２６電源制御部、２７操作部、５３ａ３回非点用コイル、５３ｂ２回非点用コイル、５３ｃ偏向コイル、５３ｄ４回非点用コイル、６１，６２，６３定電流源

Claims

電子顕微鏡の照射光学系又は結像光学系で発生する球面収差を補正する球面収差補正装置において、
複数の極子を形成して上記球面収差係数を補正する第１の補正手段と、
上記第１の補正手段の像と共役関係となる像が形成され、かつ複数の極子を形成して上記球面収差係数を補正する第２の補正手段とを備え、
上記第１の補正手段及び上記第２の補正手段においては、複数の極子を形成する各コアに、３回非点成分発生用コイルと偏向成分発生用コイルとが別々に分けて巻かれており、
上記各コアに巻かれた３回非点成分発生用コイルどうしがつながれて、それらの３回非点成分発生用コイルに一つの電源から励磁電流が供給されると共に、
上記各コアに巻かれた偏向成分発生用コイルどうしがつながれて、それらの偏向成分発生用コイルに一つの電源から励磁電流が供給される
ことを特徴とする球面収差補正装置。
上記第１の補正手段と上記第２の補正手段は、２回非点成分発生用コイルを上記各コアに、上記３回非点成分発生用コイル、偏向成分発生用コイルと別々に分けて巻き、偏向成分発生用コイル、２回非点成分発生用コイルの巻き数を３回非点成分発生用コイルの巻き数よりも少なくすることを特徴とする請求項１記載の球面収差補正装置。