JP5069066B2

JP5069066B2 - 収差補正装置及び収差補正方法

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Publication number: JP5069066B2
Application number: JP2007227308A
Authority: JP
Inventors: 田英敬沢; 川史生細
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2006-10-20
Filing date: 2007-09-03
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2027-09-03
Also published as: JP2008123999A

Description

本発明は収差補正装置及び収差補正方法に関し、特に対物レンズや、収束レンズが作る系全体の色収差を補正する収差補正装置及び収差補正方法に関する。

透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子線装置において、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ができると、分解能が向上する。透過型電子顕微鏡などの高分解能電子顕微鏡にあっては、対物レンズや、収束レンズが作る系全体の色収差を補正する必要がある。

下記非特許文献１には、磁場・電場四極子を組み合わせた色収差補正に関する技術が記載されている。これは、現在、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で用いられる方法である。静電四極子による偏向力は、角度（多極子内では位置）に一次で比例する。また、磁場四極子の場合も偏向力は、角度に一次で比例するので片方を光軸から発散方向、片方を収束方向に寄与させることにより、電子線の軌道を変えないように保つことができる。一方、電場に対する電子線の屈折率（偏向力波長依存性、或いは偏向力加速電圧依存性）は、磁場のそれとは異なるため、電場と磁場を組み合わせることにより、軌道を変えずに屈折率のみを変化させることができる。この磁場・電場四極子により生み出した屈折率を、対物レンズの屈折率を打ち消すように設定すれば、色収差補正ができる。

この方法では、ｘ或いは、ｙ方向片方向のみしか色収差補正ができないため、補正系を二つ用意して両方向補正するのが一般的である。

図１は磁場・静電四極子を組み合わせた色収差補正の光学系の例を示す。この光学系は対物レンズ（ＯＬ）５に発生する色収差を補正する。この光学系では色収差補正は、片側（ｘ）のみしか行えないため、はじめにビームをラインフォーカス（Line focus）にする磁場四極子１が必要となる。この磁場四極子１によって作られたLine focus面上で、磁場四極子と電場四極子を組み合わせた磁場・電場四極子２により磁場と電場を重畳し片側（ｘ）の色収差補正を行う。その後、ｙ方向の色収差を、磁場四極子と電場四極子を組み合わせた磁場・電場四極子３により補正する。最後に、ラインフォーカス（Line focus）を丸いビームに戻す四極子４を磁場・電場四極子３と対物レンズ５との間に配置する。

特開２００３−２０３５９３号公報 O. Scherzer, Optik 2, 114-132(1947)

ところで、図１に示した収差補正の光学系は、SEMで用いられる対物レンズ５の色収差を補正するためのものなので、磁場四極子１に入射する電子線は細く絞られた状態にあることを前提としている。透過型電子顕微鏡の場合、走査モード（ＳＴＥＭモード）における照射系の色収差であればＳＥＭで用いられる方法を原理的に利用できるが、透過モード（ＴＥＭモード）においては、ＳＥＭと異なる方法で色収差補正を行う必要がある。なぜならば、ＳＥＭやＳＴＥＭモードの場合は、細く絞った電子線を試料に照射するため、その収束点近傍の電子線についてのみ収差補正をおこなえば十分である。しかしながら、ＴＥＭモードの場合、試料に照射される電子線は拡がりを持つので、広さを持った視野全般に対して同じ収差補正が必要となる。従って、図１に示したようなSEM用の収差補正の光学系によっては色収差補正を行うことができない。そのため、現在までのところ、透過電子顕微鏡のＳＴＥＭモード、ＴＥＭモードとも、色収差補正は行われてこなかった。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、比較的簡便な系で電子線進行方向に配置されたレンズの色収差補正を行うことができ、透過型電子顕微鏡などの高分解能電子顕微鏡において高分解能観察を実現するための収差補正装置及び収差補正方法、とりわけ色収差補正装置及び色収差補正方法を提供すること目的とする。

前記課題を解決するために、
本発明に係る収差補正装置は、拡がりを持つ円筒対称型電子線に対して、電子線進行方向に配置されたレンズに発生する収差を補正する収差補正装置において、
収差補正前の該電子線が入射する第１の四極子場発生多極子と収差補正された該電子線が出射される第２の四極子場発生多極子を備え、
前記第１の四極子場発生多極子は第１の四極子場を発生し、
前記第２の四極子場発生多極子は第２の四極子場を発生し、
前記第１の四極子場及び第２の四極子場は、四極子場のプライマリー項の2回非点効果と、電子線進行方向の長さを増加させるのに伴い強度を増す割合がプライマリー項より大きい四極子場の高次項により生じる円筒対称型発散方向フォーカス効果を持つ光学系をそれぞれ形成し、
前記第１の四極子場と前記第２の四極子場の極性を逆に設定することにより、前記拡がりを持つ円筒対称型電子線に対して、前記第１の四極子場と第２の四極子場が持つ2回非点効果を相殺し、前記円筒対称型発散方向フォーカス効果のみを前記レンズの収差補正に用いるようにしたことを特徴とする。
また本発明に係る収差補正装置は、前記四極子場発生多極子が発生する前記四極子場の場の高次項により生じる円筒対称型発散方向フォーカス効果の大きさと前記四極子場の電子線進行方向の長さとの関係を予め求めておき、前記効果を収差補正に用いるために必要とする前記効果の大きさに基づき、前記関係を用いて前記レンズの収差補正に用いる前記四極子場の電子線進行方向の必要な長さを決めるようにしたこと特徴とする。
また本発明に係る収差補正装置は、前記第１の四極子場発生多極子及び第２の四極子場発生多極子を組み合わせて行う前記レンズの収差補正は色収差補正であることを特徴とする。

また本発明に係る収差補正装置は、前記四極子場発生多極子により電子線進行方向に長さを持つ四極子場を発生させ、前記レンズに対して屈折率が異なる円筒対称型発散方向のフォーカス効果を持つ光学系を作成することにより、前記レンズの色収差補正を行うことを特徴とする。

また本発明に係る収差補正装置は、前記四極子場発生多極子により電子線進行方向に長さを持った四極子場を発生させて円筒対称型発散方向のフォーカス効果を持つ光学系を作成し、前記光学系と前記レンズの持つ屈折率の大きさが同じでも、前記光学系のもつ負の色収差量の絶対値が前記レンズの色収差量と比べて相対的に大きいことを利用して前記レンズの色収差補正を行うことを特徴とする。

また本発明に係る収差補正装置は、前記四極子場発生多極子により発生する前記四極子場は、静電四極子場若しくは磁場四極子場若しくは静電四極子場と磁場四極子場とを重畳させた四極子場の何れかであることを特徴とする。

また本発明に係る収差補正装置は、2つの前記四極子場発生多極子間に転送レンズ対を配置することを特徴とする。

また本発明に係る収差補正装置は、2つの前記四極子場発生多極子によって発生する四極子場の電子線進行方向の長さがそれぞれ異なること特徴とする。

また本発明に係る収差補正装置は、前記四極子場発生多極子として、静電あるいは磁場あるいは電磁場両方を用いた六極子に、四極子場を重畳させ、静電或いは電場二回場を発生させる役割を担わせることを特徴とする。

また本発明に係る収差補正装置は、前記四極子場発生多極子として、静電あるいは磁場あるいは電磁場両方を用いた十二極子に、四極子場を重畳させ、静電或いは電場二回場を発生させる役割を担わせることを特徴とする。

また本発明に係る収差補正装置は、前記四極子場発生多極子として、静電あるいは磁場あるいは電磁場両方を用いた八極子に、四極子場を重畳させ、静電或いは電場二回場を発生させる役割を担わせることを特徴とする。

また本発明に係る収差補正装置は、前記第２の四極子場発生多極子と対物レンズの間に転送レンズ対を配置させることを特徴とする。

また本発明に係る収差補正方法は、電子線進行方向に配置されたレンズに発生する収差を補正する収差補正方法において、
電子線進行方向に長さを持つ四極子場を発生する２つの四極子場発生多極子を準備し、
前記四極子場発生多極子を用いて、前記四極子場の電子線進行方向の長さを増加させるのに伴い強度を増す2回非点効果と前記四極子場の高次項により生じる円筒対称型発散方向フォーカス効果を発生させ、
２つの前記四極子場が持つ2回非点効果を相殺するように２つの前記四極子場を組み合わせて前記円筒対称型発散方向フォーカス効果のみを取り出し、
拡がりを持つ円筒対称型電子線に対する前記レンズの収差補正を行うようにしたことを特徴とする。

以上は試料に照射するプローブを形成するための照射系を念頭に入れて説明しているが、像構築のための結像系においても同様に色収差補正が行える。

本発明によれば、拡がりを持つ円筒対称型電子線に対しても比較的簡便な系で電子線進行方向に配置されたレンズの色収差補正を行うことができるので、透過型電子顕微鏡などの高分解能電子顕微鏡において高分解能観察を実現できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

以下に説明する本発明の実施の形態は、透過型電子顕微鏡に設けられる照射系収差補正器である。この照射系収差補正器は、静電多極子若しくは磁場多極子若しくはその二つの多極子重畳による二回場（四極子場）を用いて対物レンズや収束レンズが持つ色収差を補正する。特に、厚みを持った四極子場により、円筒対称型発散方向のフォーカス効果を持つ光学系（以下、「凹レンズ効果を持つ光学系」又は単に「凹レンズ」と略称することがある）を作成し、色収差の補正を行うものである。原理として、“厚み（電子線進行方向に長さ）を持った四極子場が作り出す凹レンズ効果”を色収差補正に利用しており、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で行われている電磁場重畳方式（例えば特許文献１の特開２００３−２０３５９３号公報に記載の従来技術に関する説明を参照）とは異なる。すなわち、本発明は厚みを持った四極子場で、拡がりを持つ円筒対称型電子線に対して円筒対称型発散方向のフォーカス効果を持つ光学系、所謂凹レンズを作成するところに特徴がある。拡がりを持つ円筒対称型電子線とは、ラインフォーカスされる電子線とは異なり、位置又は角度の異方性を持たない状態にある電子線を意味している。

ここで、多極子として厚み（電子線進行方向に長さ）を持つことの意味を説明する。例えば四極子は２回場、六極子は３回場を発生させる機能が基本であり、これらの場はその多極子場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表れてくる。この効果を色収差補正に用いることができるための電子線進行方向に必要な長さを持った多極子が、厚み（電子線進行方向に長さ）を持った四極子場発生多極子である。

図２は、照射系収差補正器を設けてなる透過型電子顕微鏡の構成図である。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。電子線は収束レンズ１３により収束される。収束レンズ１３は非点補正素子を含んでいる。収束された電子線は照射系収差補正器１４にいたる。照射系収差補正器１４は、電子線偏向素子や多極子を含む各種補正素子を備えてなる。特に、本実施の形態では、多極子として厚み（電子線進行方向に長さ）を持った四極子場発生多極子を用い、この四極子場が作り出す凹レンズ効果により色収差を補正する。

照射系収差補正器１４で収差が補正された電子線は、電子線偏向素子を含む収束レンズ１５を通り、対物レンズ及び試料ステージ１６に至る。対物レンズは電子線を試料ステージ上の試料に照射する。試料ステージ上の試料を透過した電子線は、中間・投影レンズ１７により、投影され観察室１８に至り、観察室１８にて試料像が観察され、例えばカメラにより撮像される。

照射系収差補正器１４は、前述したように、電子線進行方向に長さを持った、いわゆる厚みを有する四極子場を用いている。厚みを持った四極子場は２回非点と円筒対称性を持つ凹レンズ作用を示す。この凹レンズ効果を持つ光学系（厚みを持った四極子場）を対物レンズや、収束レンズが作る系全体の色収差の補正に用いる。

一般に、対物レンズと屈折率の異なる凹レンズを作ることができれば対物レンズの色収差補正を行うことができることは知られている。ここでは、厚みをもった四極子場によって、屈折率（偏向力の加速電圧依存性）の異なる凹レンズ効果が生み出される原理を説明する。

逆空間（焦点面）での位置の複素数表記をｒ、傾きをｒ’、複素角をΩ、複素角に対する微分をΩ’と示す。Ａ_２を単位長さあたりの二回非点係数とすると、二回非点（幾何収差）は、Ａ_２とΩの複素共役を用いて、式（１）と表される。

二回非点は、静電素子によるもの、磁極素子によるもの、或いはそれらの重畳によるものを想定する。四極子の入射面における電子線の位置ｒ_０と傾きｒ_０’の複素数表記を式（２）と表す。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’の複素数表記を式（３）と表す。

フォーカス距離をｆとすると、実空間を試料空間として、それに対する逆空間での位置と傾きは、ｒ＝ｆ・Ω、ｒ’＝ｆ・Ω’と書ける。電子線進行方向に対する四極子場の厚みをｔとして、厚い四極子場による射出点の傾きは以下の式（４）で記述できる。ただし、ｎは正数（ｎ＞０）とする。

以上の式（４）で、Ａ_２・｜Ａ_２｜^{２（ｎ−１）}の係数を持った項は、二回非点である。
一方、｜Ａ_２｜^２ｎの項は、円筒対称性を持ったレンズ効果を発生し、符号が＋のものは凹レンズ作用を示す。本発明では、この作用を生じる効果を「円筒対称型発散方向フォーカス効果」と称している。

加速電圧をＵとすると、電場四極子場の場合、その強さ｜Ａ_Ｅ２｜は、式（５）となる。

磁場四極子場の場合の強さ｜Ａ_Ｂ２｜は式（６）となる。

厚みを持つ四極子場から生まれる凹レンズ効果を持った光学系の偏向力の加速電圧依存性は、式（４）の｜Ａ_２｜が２ｎ乗、２（ｎ−１）乗で示されているから各種組み合わせにより、Ｎ（＞０）を整数として１／Ｕ^Ｎに比例する形をとることができる。また、電場と磁場を重畳して特定の加速電圧で電子線の軌道を変えないようにした光学系においても、加速電圧が異なる電子線の軌道においては、｜Ａ_２｜が有限の値となり、凹レンズ作用を受けることとなる。

一方、一般的に透過型電子顕微鏡が使われている磁場型の軸対称対物レンズのフォーカス距離をｆ_０とすると、この種のレンズの偏向力は一般的に以下の式（７）のように記述できる。

式（４）で述べたように、厚い四極子場から生まれる凹レンズ効果を持った光学系の偏向力の加速電圧依存性は、先に述べたように１／Ｕ^Ｎで示される形をとり、式（７）で述べた１／Ｕの形と大きく異なる。よって、厚い四極子場により対物レンズと屈折率の異なる凹レンズ効果を持った光学系が作成できる。すなわち、対物レンズの屈折率の異なる凹レンズ効果を持った光学系が作成できるので、対物レンズの色収差補正が行える。

また、式（４）から、四極子場の厚み（電子線進行方向の長さ）を増加させていくと、凹レンズ作用を示す効果も増加していくことが分かる。従って、四極子場を色収差補正に用いる場合、凹レンズ効果の必要な大きさから厚みｔを決めることができる。以上に説明した本発明の要件をまとめると以下のようになる。四極子場発生多極子を用いて作られる、厚み（電子線進行方向に長さ）を持った静電四極子場若しくは磁場四極子場若しくは静電四極子場と磁場四極子場の重畳した四極子場により、凹レンズ効果を持った光学系を作成する。

さらに、詳細に記述すると、厚みを持った静電四極子場若しくは磁場四極子場若しくは静電四極子場と磁場四極子場の重畳した四極子場により作成された凹レンズ効果を持った光学系を用いて、色収差補正を行うレンズに対して、屈折率（偏向力の加速電圧依存性或いは波長依存性）が異なる凹レンズ効果を持った光学系を作成することにより、色収差補正を行うことができる。

次に、同じ厚みを持った四極子場をもう一つ用意した例を説明する。二つの四極子場の間に１対１の転送レンズ（トランスファーレンズ）を構成し、二つ目の四極子場を一つ目のそれと逆極性にする。二枚目の射出面における傾きをｒ_２’とすると、計算の結果以下の式（８）となる。ただし、ｎ，ｍを整数（ｎ，ｍ＞０）とする。

式（８）中の各項はそれぞれレンズ効果を表しており、厚みｔに対する次数が異なっている。
以上から、式（４）中の二回非点を表すＡ_２・｜Ａ_２｜^{２（ｎ−１）}の係数を持った項が、式（８）においてはキャンセルされて無くなっている様子が分かる。

すなわち、二つの四極子場を用いて、それらの極性を逆に設定することにより、収差補正に不要な二回非点項をキャンセルし、収差補正に必要な円筒対称レンズ効果のみを取り出すことが可能となる。

図３は、厚みを持った四極子場発生多極子を二つ用いた収差補正器の光学系を示す図である。四極子場発生多極子としては、静電四極子場、磁場四極子場を用いることができる。静電四極子場と磁場四極子場を用いてもよいし、静電四極子を二つ用いても、また磁場四極子を二つ用いてもよい。なお、これら静電四極子場と磁場四極子場の具体的な構成例は、図４及び図５を用いて後述する。

図３の構成は、厚みを持った四極子場発生多極子を二つ用いることにより対物レンズ２５に発生する色収差を補正する例を示している。対物レンズ２５には、コマフリー面（≒前方焦点面）２５ａと試料面２５ｂが形成される。第１の四極子場発生多極子２１と第２の四極子場発生多極子２３はそれぞれ電子線進行方向に長さを有する厚みを持った多極子である。

第１の四極子場発生多極子２１で色収差を発生しても余分な２回非点が残留していることがある。この余分な２回非点を２番目の四極子場のような第２の四極子場発生多極子２３を挿入することで除去する。第２の四極子場発生多極子２３は、その極性を第１の四極子場発生多極子２１と逆極性にする。

また、図３に示したように、第１の四極子場発生多極子２１と第２の四極子場発生多極子２３との間には、レンズ２２ａ及び２２ｂからなる転送レンズ（トランスファーレンズ）を挿入している。また、第２の四極子場発生多極子２３と対物レンズ２５との間にも、レンズ２４ａ及びレンズ２４ｂからなる転送レンズを挿入している。

ＳＥＭの収差補正光学系では不要な転送レンズを本発明の色収差補正光学系で用いる理由は以下の通りである。既に発明が解決しようとする課題のなかで述べたように、ＴＥＭにおける色収差補正は、視野全般に拡がる電子線、すなわち拡がりを持つ円筒対称型電子線に対して同じ補正が必要である。このためには、電子線の位置に依存しない空間でのみ電子線に偏向作用を与えなければならない。そのためには全て逆空間で多極子を作用させ、また各多極子間も転送レンズを用いて逆空間転送を行う必要がある。すなわち、これら転送レンズ２２及び２４を、第１及び第２の四極子場発生多極子２１及び２３と共に用いることにより、図３に示した光学系を持つ収差補正器は、拡がりを持つ円筒対称型電子線に対して比較的簡便な系で色収差を補正することができる。なお、本発明をＴＥＭのＳＴＥＭモードやＳＥＭの光学系における色収差補正に用いる場合、転送レンズは必ずしも必要としない。

二つの四極子場による凹レンズ効果を持つ光学系によって色収差補正を行うために、以下に説明する構成を形成することができる。色収差補正を行う光学系として、二回非点を残留させないために、厚みを持った静電四極子場を二つ配置させる。また、色収差補正を行う光学系として、二回非点を残留させないために、厚みを持った磁場四極子場を二つ配置させる。また、色収差補正を行う光学系として、二回非点を残留させないために、厚みを持った静電四極子場および磁場四極子場を重畳させた四極子場を二つ配置させる。また、二つの厚みを持った静電四極子場の間に、転送レンズ対を配置させる。また、二つの厚みを持った磁場四極子場の間に、転送レンズ対を配置させる。また、二つの厚みを持った静電四極子場および磁場四極子場を重畳させた四極子場間に、転送レンズ対を配置させる。また、上記の第２の四極子場発生多極子と対物レンズの間に、転送レンズ対を配置させる。

次に、対物レンズと同じ大きさの屈折率を持つ四極子場による凹レンズ効果を持つ光学系を用いて色収差補正が行えることを説明する。

一般に、色収差係数Ｃ_Ｃは、式（９）で表される。

このため、比例係数をＫとして、ｆ＝−Ｋ・Ｕの式で示される式（８）の凹レンズが作成できたとすると、Ｃ_Ｃ＝Ｕ・（−Ｋ）＝ｆとなり、色収差とフォーカス距離は同じ値となる。一方、対物レンズの色収差係数Ｃ_Ｃ０は、フォーカス距離をｆ_０とすると、一般的にｆ_０＞Ｃ_Ｃ０となりフォーカス距離に比べて小さい。これから、対物レンズと屈折率が同じ凹レンズを用いて、ビームをフォーカスするために、ｆ_０＞ｆの系を作っても、全体として対物レンズが持つ色収差を凹レンズによる色収差で補正することにより最終的にはその色収差はｆ_０−ｆとなって減少させることができる。

つまり、厚みを持った静電四極子場で凹レンズをつくり、その凹レンズが対物レンズと同じ屈折率でも、その凹レンズのもつ負の色収差量の絶対値が対物レンズと比べて相対的に大きいことを利用して色収差補正を行うことができる。また、厚みを持った磁場四極子場で凹レンズを作り、その凹レンズが対物レンズと同じ屈折率でも、その凹レンズのもつ負の色収差量の絶対値が対物レンズと比べて相対的に大きいことを利用して色収差補正を行うことができる。

もちろん、厚みを持った静電四極子場および磁場四極子場を重畳させることで凹レンズを作り、その凹レンズが対物レンズと同じ屈折率でも、その凹レンズのもつ負の色収差量の絶対値が対物レンズと比べて相対的に大きいことを利用して色収差補正を行うことができる。

上記した、屈折率が対物レンズと同じ大きさの四極子場による凹レンズ効果を持つ光学系を用いて透過電子顕微鏡の電子光学系における色収差補正を行うことができる。

さらに、本発明において色収差補正を行うことができる光学系の変形例として以下の構成も挙げることができる。二つの静電四極子場発生多極子として、厚み（電子線進行方向の長さ）の異なったものを用いても良い。また、二つの磁場四極子場発生多極子として、厚み（電子線進行方向の長さ）の異なったものを用いても良い。また、二つの静電四極子場および磁場四極子場を重畳させた多極子として、厚みの異なったものを用いても良い。

さらにまた、四極子からは二回場が発生するが、二回場発生多極子として以下の多極子も、本発明を実施するための四極子場発生多極子として挙げることができる。六極子に、四極子場を重畳させ、静電或いは電場二回場を発生させる役割を担わせても良い。また、十二極子に、四極子場を重畳させ、静電或いは電場二回場を発生させる役割を担わせても良い。また、八極子に、四極子場を重畳させ、静電或いは電場二回場を発生させる役割を担わせても良い。

図４〜図７には、前述した静電四極子、磁場四極子、静電場・磁場重畳型四極子、静電場・磁場重畳型六極子の構成を示す。図４は静電四極子の模式図であり、電子線進行方向ｚに対して垂直なｘｙ面上に正極３１、負極３２、正極３３及び負極３４の静電四極子を配置した構成である。各極は電子線進行方向ｚに厚みを持っている。

図５は磁場四極子の模式図であり、電子線進行方向ｚに対してｘｙ面上にＳ極４１、Ｎ極４２、Ｓ極４３及びＮ極４４の磁場四極子を配置した構成である。各極は電子線進行方向ｚに厚みを持っている。

図６は静電場・磁場重畳型四極子の模式図であり、電子線進行方向ｚに対してｘｙ面上にＳ極４１、正極３１、Ｎ極４２、負極３２、Ｓ極４３、正極３３、Ｎ極４４及び負極３４を配置した構成である。各極は電子線進行方向ｚに厚みを持っている。

図７は、静電場・磁場重畳型六極子の模式図であり、電子線の方向ｚに対してｘｙ面上に負極５１、Ｓ極５２、正極５３、Ｎ極５４、負極５５、Ｓ極５６、正極５７、Ｎ極５８、負極５９、Ｓ極６０、正極６１、Ｎ極６２を配置した構成である。各極は電子線進行方向ｚに厚みを持っている。

なお、収差補正器の具体的構成図としては、図３に二つの四極子場発生多極子２１及び２３を用いた構成を挙げた。四極子場を一つのみ用いた構成は、図３にあって四極子場発生多極子２１及びトランスファーレンズ２２を省略したものとなる。

また、トランスファーレンズ２４を用いず、四極子場発生多極子２３のみを用いてもよいのはもちろんである。

上記した本発明の実施の形態は、試料に照射するプローブを形成するための照射系における色収差補正を例にとって説明したが、結像系における色収差補正にも用いることができる。

なお本発明は、拡がりを持つ円筒対称型電子線に対するレンズの収差補正を行うものであるが、円筒対称型電子線とは必ずしも試料に照射されるときの断面形状が円形である必要は無く、例えば、矩形スリット等を用いて電子線断面を円形以外の形状に整形した場合も、本発明の技術範囲に属することは明らかである。

従来の磁場電場四極子を組み合わせた色収差補正の方法を説明するための図である。照射系の収差補正器を備える透過型電子顕微鏡の構成図である。本発明を実施する四極子場を用いた色収差補正器の光学系の構成例である。静電四極子の模式図である。磁場四極子の模式図である。静電場・磁場重畳型四極子の模式図である。静電場・磁場重畳型六極子の模式図である。

符号の説明

１１・・・電子銃
１２・・・高圧制御部
１３・・・収束レンズ
１４・・・照射系収差補正器
１５・・・収束レンズ
１６・・・対物レンズ及び試料ステージ
１７・・・中間・投影レンズ
１８・・・観察室
２１・・・四極子場発生多極子
２２・・・トランスファーレンズ
２３・・・四極子場発生多極子
２４・・・トランスファーレンズ
２５・・・対物レンズ
３１，３３，５３，５７，６１・・・正極
３２，３４，５１，５５，５９・・・負極
４１，４３，５２，５６，６０・・・Ｓ極
４２，４４，５４，５８，６２・・・Ｎ極

Claims

拡がりを持つ円筒対称型電子線に対して、電子線進行方向に配置されたレンズに発生する収差を補正する収差補正装置において、
収差補正前の該電子線が入射する第１の四極子場発生多極子と収差補正された該電子線が出射される第２の四極子場発生多極子を備え、
前記第１の四極子場発生多極子は第１の四極子場を発生し、
前記第２の四極子場発生多極子は第２の四極子場を発生し、
前記第１の四極子場及び第２の四極子場は、四極子場のプライマリー項の2回非点効果と、電子線進行方向の長さを増加させるのに伴い強度を増す割合がプライマリー項より大きい四極子場の高次項により生じる円筒対称型発散方向フォーカス効果を持つ光学系をそれぞれ形成し、
前記第１の四極子場と前記第２の四極子場の極性を逆に設定することにより、前記拡がりを持つ円筒対称型電子線に対して、前記第１の四極子場と第２の四極子場が持つ2回非点効果を相殺し、前記円筒対称型発散方向フォーカス効果のみを前記レンズの収差補正に用いるようにしたことを特徴とする収差補正装置。
前記四極子場発生多極子が発生する前記四極子場の場の高次項により生じる円筒対称型発散方向フォーカス効果の大きさと前記四極子場の電子線進行方向の長さとの関係を予め求めておき、前記効果を収差補正に用いるために必要とする前記効果の大きさに基づき、前記関係を用いて前記レンズの収差補正に用いる前記四極子場の電子線進行方向の必要な長さを決めるようにしたこと特徴とする請求項１記載の収差補正装置。
前記第１の四極子場発生多極子及び第２の四極子場発生多極子を組み合わせて行う前記レンズの収差補正は色収差補正であることを特徴とする請求項１又は２の何れか１項に記載の収差補正装置。
前記四極子場発生多極子により電子線進行方向に長さを持つ四極子場を発生させ、前記レンズに対して屈折率が異なる円筒対称型発散方向のフォーカス効果を持つ光学系を作成することにより、前記レンズの色収差補正を行うことを特徴とする請求項３記載の収差補正装置。
前記四極子場発生多極子により電子線進行方向に長さを持った四極子場を発生させて円筒対称型発散方向のフォーカス効果を持つ光学系を作成し、前記光学系と前記レンズの持つ屈折率の大きさが同じでも、前記光学系のもつ負の色収差量の絶対値が前記レンズの色収差量と比べて相対的に大きいことを利用して前記レンズの色収差補正を行うことを特徴とする請求項３記載の収差補正装置。
前記四極子場発生多極子により発生する前記四極子場は、静電四極子場若しくは磁場四極子場若しくは静電四極子場と磁場四極子場とを重畳させた四極子場の何れかであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の収差補正装置。
２つの前記四極子場発生多極子間に転送レンズ対を配置することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の収差補正装置。
２つの前記四極子場発生多極子によって発生する四極子場の電子線進行方向の長さがそれぞれ異なること特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の収差補正装置。
前記四極子場発生多極子として、静電あるいは磁場あるいは電磁場両方を用いた六極子に、四極子場を重畳させ、静電或いは電場二回場を発生させる役割を担わせることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の収差補正装置。
前記四極子場発生多極子として、静電あるいは磁場あるいは電磁場両方を用いた十二極子に、四極子場を重畳させ、静電或いは電場二回場を発生させる役割を担わせることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の収差補正装置。
前記四極子場発生多極子として、静電あるいは磁場あるいは電磁場両方を用いた八極子に、四極子場を重畳させ、静電或いは電場二回場を発生させる役割を担わせることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の収差補正装置。
前記第２の四極子場発生多極子と対物レンズの間に転送レンズ対を配置させることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の収差補正装置。
電子線進行方向に配置されたレンズに発生する収差を補正する収差補正方法において、
電子線進行方向に長さを持つ四極子場を発生する２つの四極子場発生多極子を準備し、
前記四極子場発生多極子を用いて、前記四極子場の電子線進行方向の長さを増加させるのに伴い強度を増す2回非点効果と前記四極子場の高次項により生じる円筒対称型発散方向フォーカス効果を発生させ、
２つの前記四極子場が持つ2回非点効果を相殺するように２つの前記四極子場を組み合わせて前記円筒対称型発散方向フォーカス効果のみを取り出し、
拡がりを持つ円筒対称型電子線に対する前記レンズの収差補正を行うようにしたことを特徴とする収差補正方法。