JP5306186B2 - 荷電粒子線用静電レンズ - Google Patents

Description

本発明は、ＳＥＭやイオン銃などに好適に用いられる荷電粒子収束用の静電レンズに関するものである。

従来、ＳＥＭやイオン銃等に用いられる電子レンズとしては、磁界レンズと特許文献１、２に示されるような静電レンズとが知られている。前者の磁界レンズでは、収差を小さくすることはできるものの、磁極形状の制限から小型化や軽量化が非常に難しい。一方、後者の静電レンズでは、小型化や軽量化において優位性はあるものの、減速型では収差を小さくすることが難しいし、加速型では、電極に高電圧を印加しなければならないことから、耐圧設計が容易ではない。

例えば、従来の３電極減速型のユニポテンシャル静電レンズの場合、焦点距離Ｆに対して、球面収差係数Ｃ_Ｓ、色収差係数Ｃ_Ｃ等が最小であるようなレンズ設計を行うと、Ｃ_Ｓ＝７．１×Ｆが得られる。そして、電子の加速電圧Ｖ_Ａ＝５ｋＶ、焦点距離Ｆ＝５ｍｍ、図９中の各通過孔の半径Ｒ＝４．５４ｍｍ、電極間間隔ｓ＝中間電極厚みｔ＝２．２７ｍｍとすると、レンズ電極電圧−８２５０Ｖで、Ｃ_Ｓ＝３５．５４ｍｍが得られる。

この値（Ｃ_Ｓ＝３５．５４ｍｍ）を、孔径１０ｍｍ、磁極間隙間５ｍｍの同一焦点距離の強励磁の磁界型レンズのＣ_Ｓ＝４．３ｍｍと比較すれば、減速型静電レンズの球面収差係数は、磁界型レンズの球面収差係数の約８．３倍となる。

このように、減速型静電レンズの球面収差係数が大きくなるのは、中心軸と距離ｒ０を保って並行に入射した電子が、入射側電極、中間電極、及び出射側電極を順次通過するときにこれらの作用（電場の力）を受け、図９に示すように、電子ｅは、入射側電極ｖ１と中間電極ｖ２との間で中心軸ｍから離れる方向に進み、中心軸ｍからの離間距離ｒが最大となったのち、中心軸ｍに向かう若しくは交わるような山のような軌跡を描きながら収束するためである。これは、下式（１）のように定められる球面収差係数Ｃｓの算出式において、ｒが大きくなると球面収差係数Ｃｓが大きくなることからも分かる。
ここで、Ｆは焦点距離、ｚは中心軸上の距離、Ｖ_ｚは中心軸上の電位、Ｖ_ｚ´はＶ_ｚをｚについて微分したもの、´記号はｚについての微分値、ｒは荷電粒子線から中心軸までの距離でｚの関数、ｒ´はｒのｚについての微分値を表す。
特開平１０−２４１６１６号公報 特開２０００−３４０１５２号公報

しかしながら、従来の減速型静電レンズでは、上述したように、球面収差係数は、磁界型レンズの球面収差係数の約８．３倍であり、磁界型レンズと匹敵するレンズ性能を得られない。

一方、前記中間電極に与える電圧を正電圧とした加速型静電レンズを用いれば、その軌道を、レンズの全範囲に亘って中心軸との距離を漸次小さくしながら収束する軌道として、レンズの球面収差係数を小さくすることもできるが、このような特性を得るには、例えば、５０ｋＶの電子をフォーカスする場合では、中間電極にその約１０倍の電圧（５００ｋＶ）を印加する必要があるなど、実用の範囲を超えるといった問題点を有している。

本発明は、以上の問題点に着目し、荷電粒子の軌道に着目しその制御を行うことが、レンズの球面収差係数や印加電圧の低減に非常に有効であるという、発明者の鋭意研究の結果初めてなされたものであって、静電レンズの利点であるコンパクト性や軽量性を最大限に活かしつつ、収差性能や印加電圧の問題を解消することによって、対物レンズ等としても実用化に供しうる荷電粒子線用静電レンズを提供し、ひいてはそれを対物レンズとして備えた小型、軽量なＳＥＭ等の装置を実現化することを、その主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る荷電粒子線用静電レンズは、中心軸上に並び設けた複数の電極を具備してなり、それら電極のうち荷電粒子の入射側に設けた複数の電極によって、荷電粒子の軌道半径を入射時の軌道半径である初期軌道半径を途中で越えることなく縮小させる第１電界領域と、この第１電界領域を通過した荷電粒子に対して、前記中心軸と平行に進む向きに力を与える第２電界領域と、を形成するとともに、前記電極のうち出射側に設けた複数の電極によって、荷電粒子の軌道半径が前記初期軌道半径を途中で越えることなく、かつ、荷電粒子の軌道を曲げて、前記第２電界領域から出たときの該荷電粒子の中心軸に対する軌道角度よりも大きい角度で中心軸と交わらせる第３電界領域を形成したものであることを特徴とする。

このようなものであれば、荷電粒子が、この静電レンズに対する初期入射時における中心軸からの距離よりも大きくならないような軌道を描くため、前記式（１）におけるｒが大きくなることを防いで、球面収差係数Ｃｓが大きくなることを防止することができる。また、第３電界領域によって荷電粒子がより大きな角度で中心軸に交わり、フォーカスされるので、レンズセンター（初期入射時における荷電粒子線の進行方向に引いた線と焦点における荷電粒子線の接線との交点）を焦点側に移動させて、レンズセンターと焦点との距離である焦点距離を短くすることができる。このように焦点距離を短くすれば、前記式（１）における焦点距離Ｆを小さくでき、この点からも球面収差係数Ｃｓを小さくすることができるし、分解能向上にも寄与できる。また、この球面収差係数が小さくなれば色収差係数も自ずと小さくなるなど、レンズ性能を向上させることができる。かかる効果は後述する減速型の静電レンズ構成とした場合に特に顕著となる一方、加速型の静電レンズ構成とした場合には、印加電圧の低減効果が顕著となり、加速型静電レンズの実用化を大きく推し進めることができる。そして、こういった効果から、本発明に係る荷電粒子線用静電レンズを対物レンズ等としても適用することが可能となり、ひいては極めて小型で軽量なＳＥＭ等の装置を実現化することができるようになる。

特に減速型のものにおいては、中心軸と平行に入射した荷電粒子が、前記第２電界領域において中心軸と略平行に進行するように構成しておくことが好ましい。

本発明の望ましい態様としては、前記第２電界領域における荷電粒子の軌道半径が、前記初期軌道半径の約４５〜約６０％となるように構成しているものを挙げることができる。４５％よりも小さくなると所望の位置に焦点を結ぶことが難しくなり、６０％を超えると収差低減効果をそれほど得られなくなるためである。

所望の電界領域を得るための設定パラメータとしては、電極の形状、電極間の距離、電極の印加電圧を挙げることができる。

減速型静電レンズに本発明を適用する場合の好ましい態様としては、中間電極の両側に該中間電極よりも低電位の入射側電極及び出射側電極を配置して３電極減速型静電レンズを形成するとともに、前記中間電極と入射側電極との間に、該入射側電極よりも高電位の軌道制御電極を配置しておく。そして、前記入射側電極及び軌道制御電極によって、前記第１電界領域及び第２電界領域を形成するとともに、前記軌道制御電極、中間電極及び出射側電極によって前記第３電界領域を形成すればよい。なお、入射側電極及び出射側電極の電位を等しく設定した場合は、これら電極に前記中間電極を加えて、減速型ユニポテンシャル静電レンズが形成されることとなる。

前記軌道制御電極を、その内周端部が外周側よりも中心軸方向に厚肉の形状にするとともに、前記中間電極を、その内周端部が外周側よりも中心軸方向に薄肉の形状にすれば、軌道制御電極の内周端部内の空間に、荷電粒子線を中心軸に対して平行にしようとする平行化電場、すなわち前記第２電界領域が形成され、しかも、この平行化電場に対する中間電極からの電場影響を可及的に低減できるため、その第２電界領域の最大化とそれに伴う荷電粒子の効率的な軌道平行化を促進することができる。

同様の目的を達成するには、前記軌道制御電極の中央に形成された荷電粒子通過孔の孔径を、他の３つの電極の通過孔の孔径より小径にすることも考えられる。

第２電界領域を通過した後の、荷電粒子の発散を抑制するには、前記軌道制御電極を、前記入射側電極と前記中間電極との中間位置よりも入射側電極寄りに配置することが好ましい。軌道制御電極と中間電極との間で生じる電位勾配を小さくして発散作用の低減を図れるからである。

その他、前述した発散作用の低減や、平行化電場の効率的生成などに寄与する工夫としては、前記入射側電極の通過孔を、その孔径が入射側で小さく出射側で大きいテーパ形状のものとしたり、前記出射側電極の通過孔を、その孔径が入射側で大きく出射側で小さいテーパ形状のものとしたりすること等が挙げられる。

加速型静電レンズに本発明を適用する場合の好ましい態様としては、荷電粒子の入射側から順に第１段電極及び該第１段電極よりも高電位の第２段電極を配置して、前記第１電界領域及び第２電界領域を形成するとともに、これら第１段電極及び第２段電極のさらに後方に、前記第２段電極よりも低電位の入射側電極、この入射側電極よりも高電位の中間電極、この中間電極よりも低電位の出射側電極を順に配置して３電極加速型静電レンズを形成し、この３電極加速型静電レンズによって前記第３電界領域を形成した構成のものを挙げることができる。なお、入射側電極及び出射側電極の電位を等しく設定した場合は、これら電極に前記中間電極を加えて、加速型ユニポテンシャル静電レンズが形成されることとなる。

このように構成した本発明によれば、荷電粒子の軌道を、その中心軸からの距離が、初期入射時における中心軸からの距離よりも大きくならない（小さくなる）ようにするとともに焦点距離も小さく設定できるので、レンズの収差低減や高分解能化、あるいは低電圧化を促進でき、磁界型レンズと比べて、小型化や軽量化を図りながら、性能面で遜色のないレンズ性能を有する実用的な荷電粒子線用静電レンズを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る電子用減速型静電レンズの模式的構成断面図。 同実施形態の効果を検証するためのシミュレーションモデル（実施例）を示す図。 同実施例の電極が生じさせる等電位線を示す図。 同実施例の電子の軌道を示す図。 本発明の他の実施形態に係る電子線用減速型静電レンズの効果を検証するためのシミュレーションモデルを示す図。 同モデルにおける電極が生じさせる等電位線を示す図。 同モデルにおける電子の軌道を示す図。 従来の磁界型レンズの模式的構成断面図。 従来の減速型静電レンズの模式的構成断面図。 従来の減速型静電レンズの効果を検証するためのシミュレーションモデル（比較例）を示す図。 同比較例の電極が生じさせる等電位線を示す図。 同比較例の電子の軌道を示す図。 本発明のさらに他の実施形態に係る加速型静電レンズの模式的構成断面図。

符号の説明

Ａ・・・・・荷電粒子線用静電レンズ（電子線用減速型静電レンズ）
ｅ・・・・・荷電粒子（電子）
ｈ１・・・・入射側電極の通過孔
ｈ２・・・・中間電極の通過孔
ｈ３・・・・出射側電極の通過孔
ｈ４・・・・軌道制御電極の通過孔
ｍ・・・・・中心軸
ｎ・・・・・入射側電極と中間電極との中間位置
ｒ・・・・・電子の軌道半径（中心軸からの距離）
ｒ０・・・・電子の初期軌道半径
Ｖ１・・・・第１番目の電極（入射側電極）
Ｖ２・・・・第３番目の電極（中間電極）
Ｖ３・・・・第４番目の電極（出射側電極）
Ｖ４・・・・第２番目の電極（軌道制御電極）

以下、本発明の荷電粒子線用減速型静電レンズＡの一実施形態について、図を参照しつつ説明する。
本実施形態に係る荷電粒子線用減速型静電レンズＡは、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の光学系に用いられるものであって、図１に示すように、中央に負電荷の荷電粒子たる電子ｅの通過孔ｈ１〜ｈ４（以下、通過孔ｈと総称することもある）をそれぞれ有する概略円環形状の複数（４つ）の電極Ｖ１〜Ｖ４を、それらの中心軸ｍを合致させて同軸離間配置したものである。

これら電極Ｖ１〜Ｖ４のうちの３つ、すなわち、入射側電極Ｖ１、中間電極Ｖ２、及び出射側電極Ｖ３は、入射側電極Ｖ１及び出射側電極Ｖ３を基準電位（例えばアース電位）、中間電極Ｖ２をそれよりも低電位の負電位として、減速型３電極ユニポテンシャルレンズを形成しており、この３つの電極Ｖ１〜Ｖ３が、本静電レンズＡの基本構成である。

しかして、本静電レンズAの特徴は、後に詳述するが、前記入射側電極Ｖ１と中間電極Ｖ２との間に、入射側電極よりも高電位にした軌道制御電極Ｖ４を配置し、電子ｅの軌道を巧みに制御して球面収差の低減等を図ったことにある。
そこでまず、静電界を付与するための各電極Ｖ１〜Ｖ４につき、説明する。

入射側電極Ｖ１は、例えば、中央に貫通させた通過孔ｈ１の孔径を入射側ｈ１ａから出射側ｈ１ｂにかけて漸次拡開させることで、内周部の断面形状が、内周縁である先端Ｖ１１を尖らせたテーパ形状を有するようにしたものである。本実施形態では、前述したように、この入射側電極Ｖ１に基準電位を印加している。

軌道制御電極Ｖ４は、その厚み方向に対称な形状を有し、中央に通過孔ｈ４を貫通させたものである。そして、内周部側を、通過孔ｈ４に向かって漸次厚肉となり且つ入射側の内周縁Ｖ４１及び出射側の内周縁Ｖ４２をそれぞれ尖らせた断面形状（以下、断面略台形形状とも言う。）としている。また、本実施形態では、この軌道制御電極Ｖ４の通過孔ｈ４の孔径を、他の電極Ｖ１〜Ｖ３の通過孔ｈ１〜ｈ３の孔径より小径にするとともに、通過孔ｈ４の中心軸方向の長さを、通過孔ｈ１〜ｈ３の中心軸方向の長さよりも極めて大きくしている。加えて、軌道制御電極Ｖ４を、入射側電極Ｖ１と中間電極Ｖ２との中間位置ｎよりも入射側電極Ｖ１寄りに配している。そして、この軌道制御電極Ｖ４には、正電位を印加している。

中間電極Ｖ２は、その厚み方向に対称な形状を有し、中央に貫通させた通過孔ｈ２を備えるものである。そして、内周部側を、通過孔ｈ２に向かって漸次薄肉にすることで、内周縁Ｖ２１を尖らせた断面形状としている。そして、この中間電極Ｖ２には、負電位を印加している。

出射側電極Ｖ３は、中央に貫通させた通過孔ｈ３の孔径を出射側ｈ３ｂから入射側ｈ３ａにかけて漸次拡開させることで、内周部の断面形状が、内周縁である先端Ｖ３１を尖らせたテーパ形状を有するようにしたものである。本実施形態では、この出射側電極Ｖ３には、入射側電極Ｖ１と等しい基準電位を印加している。

以上のように構成された減速型静電レンズＡの動作について説明する。
まず、各電極Ｖ１〜Ｖ４に電圧を印加すると、例えば図３に示すような等電位線で表される電場が形成される。より具体的には、このうち、入射側の２つの電極、すなわち、入射側電極Ｖ１と軌道制御電極Ｖ４とによって、入射時の軌道半径である初期軌道半径を途中で越えることなく電子ｅの軌道半径を縮小させる第１電界領域ＡＲ１と、この第１電界領域ＡＲ１を通過した電子ｅに対して、前記中心軸ｍと平行に進む向きに力を与える第２電界領域ＡＲ２が形成される。

また、前記電極のうち出射側に設けた２つの電極、すなわち中間電極Ｖ２と出射側電極Ｖ３によって、電子ｅの軌道半径が前記初期軌道半径を途中で越えることなく、かつ、電子ｅの軌道を曲げて、該電子ｅを前記第２電界領域ＡＲ２から出たときの中心軸ｍに対する進行角度よりも大きい角度で中心軸ｍと交わらせる第３電界領域ＡＲ３が形成される。なお、図３の電場は、後述するモデル（図２）から得られるものである。

この状態で電子ｅを、中心軸ｍからの距離（初期軌道半径）がｒ０の位置から入射側電極Ｖ１に、中心軸ｍと平行に入射する。入射された電子ｅが通過孔ｈ１を通過して軌道制御電極Ｖ４に向かうとき、電子ｅは、第１電界領域ＡＲ１における斜めの加速電界の作用を受けて、軌道が内向きに曲げられ、中心軸ｍに近づく向き、つまり収束する向きで、軌道制御電極Ｖ４の通過孔ｈ４に導入される。なお、ここでは、この軌道制御電極Ｖ４の通過孔ｈ４に導入されるときの電子ｅの軌道半径（ｒ１）が、初期軌道半径（ｒ０）の４５〜６０％となるよう電場を設定している。

一方、軌道制御電極Ｖ４の通過孔ｈ４内には、電子ｅの軌道を中心軸ｍに対して平行にしようとする平行化電場である第２電界領域ＡＲ２（以下、平行化電場とも言う）が第１電界領域ＡＲ１に隣接して形成されている。そして、第１電界領域ＡＲ１からの電子ｅは、図４からも明らかなように、第２電界領域ＡＲ２との境界近傍、又は第２電界領域ＡＲ２に若干入った領域において、中心軸ｍにより平行に近い向きに徐々に曲げられながら進む。その後、第２電界領域ＡＲ２の中心領域では、やはり図４から明らかなように、その前後の電界領域ＡＲ１、ＡＲ３からの電界影響が実質的に排除されて、電位勾配の極めて小さな電界領域が形成されるため、この電界領域では、電子ｅには、発散、収束いずれの方向にも実質的にほとんど力は作用せず、電子ｅはそのまま進行する。なお、この実施形態では、平行化電場の終端部で、その軌道が中心軸ｍとほぼ平行になる。

このようにして平行化電場を抜け出た電子ｅは、第２電界領域ＡＲ２に隣接する第３電界領域ＡＲ３に進入する。この第３電界領域ＡＲ３における、軌道制御電極Ｖ４から中間電極Ｖ２までの間には、当初、わずかに斜めで発散作用を有する減速電界が形成されているため、この電子ｅはその電界からの力を受けて、若干発散した後、中間電極Ｖ２から出射側電極Ｖ３までの間の斜めの加速電界の影響で、急カーブを描きながら前記中心軸ｍに向かい、中心軸ｍ上の焦点でフォーカスされる。

したがってこのような構成によれば、収束に寄与する最終段、すなわち第３電界領域ＡＲ３を電子ｅが通過するときの軌道を、その中心軸ｍからの距離（ｒ）が、該電子ｅの初期入射時における中心軸ｍからの距離（ｒ０）よりも小さくなるようにしているため、前記式（１）におけるｒが、ｒ０を超えることを防いで、球面収差係数Ｃｓを低減させることができる。

また、平行化電場で一旦電子ｅの軌道を中心軸ｍに平行又は平行に近い状態にした後、その軌道を第３電界領域ＡＲ３によって収束方向に曲げ、平行化電場での軌道よりも大きな角度で中心軸ｍと交わるように構成し、レンズセンターを、電子ｅが平行化電場を進まない場合と比べて焦点側に移動させるようにしているので、焦点距離Fを小さくでき、式（１）から明らかなように、この点においても球面収差係数Ｃｓの低減を促進することができる。なお、この点により分解能向上も図れる。
そして、この球面収差係数が小さくなれば色収差係数も自ずと小さくなるなど、レンズ性能がより向上することとなる。

収差係数Ｃｓの低減には、平行化電場の効率的な形成や、本レンズAの途中に形成される発散電場の可及的抑制も寄与している。すなわち、前記各電極Ｖ１〜Ｖ４の形状（軌道制御電極Ｖ４を断面台形状としたり他の電極Ｖ１〜Ｖ３の内周端を尖らせたりしている点、孔径が違う点など）や間隔（軌道制御電極Ｖ４と中間電極Ｖ２との間の距離を、入射側電極Ｖ１と軌道制御電極Ｖ４との間の距離よりも大きく設定している点など）、電位の設定によって、例えば、軌道制御電極Ｖ４の内周端部内の空間に形成される平行化電場に対する、入射側電極Ｖ１及び中間電極Ｖ２からの電場影響を可及的に低減しているため、第２電界領域ＡＲ２の最大化とそれに伴う荷電粒子の効率的な軌道平行化を促進することができる。また、第３電界領域ＡＲ３の前半に形成される発散電場の電位勾配を小さくしたり、その等電位線の向きを中心軸ｍにできるだけ直交させるなどしているので、電子ｅに対する発散作用を低減させることができる。

このようにして、本静電レンズAによれば、レンズの大幅な収差低減を、大型化や複雑化を招くことなく、実現することができ、磁界型レンズと比べて略遜色のないレンズ性能を有する実用的な電子用減速型静電レンズＡを提供することができるようになる。

以上のように構成した、本実施形態の減速型静電レンズＡの効果を検証するために、次に示すような実施例と比較例とを対比したシミュレーションを行った。

（１）実施例及び比較例について
シミュレーションに用いた実施例および比較例は、以下に示すようなものである。
なお、電子ｅの軌道は、レンズ軸（中心軸ｍ）と距離ｒ０を保って並行に入射するものとした。また、電子の軌道は、Ｌａｐｌａｃｅの方程式から、近軸電子軌道方程式を導き、それをＭｕｎｒｏのソフトウエアを使ってコンピュータ計算により求めるようにした。

＜実施例＞
構成：図２に示す構成とし、各電極に印加する電位は以下の条件とする。
加速電圧 ・・・・・・・ ５．０ｋV
入射側電極Ｖ１ ・・・・ ５．０ｋV
軌道制御電極Ｖ４ ・・ １５．８ｋＶ
中間電極Ｖ２ ・・・・ −２．４７ｋＶ
出射側電極Ｖ３ ・・・・ ５．０ｋＶ
入射側電極Ｖ１と軌道制御電極Ｖ４との間隔：３ｍｍ
軌道制御電極Ｖ４の厚み：０．５ｍｍ
軌道制御電極Ｖ４と中間電極Ｖ２の間隔：５ｍｍ
中間電極Ｖ２の厚み：２．０ｍｍ
中間電極Ｖ２と出射側電極Ｖ３との間隔：２ｍｍ
入射側電極Ｖ１と出射側電極Ｖ３との中心間距離：１３ｍｍ
軌道制御電極Ｖ４の孔径：２ｍｍ
中間電極Ｖ２の孔径：６ｍｍ

＜比較例＞
構成：図１０に示す構成とし、各電極に印加する電位は以下の条件とする。
加速電圧 ・・・・・・・ ５．０ｋV
入射側電極Ｖ１ ・・・・ ５．０ｋV
中間電極Ｖ２ ・・・・ −５．５５５ｋＶ
出射側電極Ｖ３ ・・・・ ５．０ｋＶ
入射側電極Ｖ１と出射側電極Ｖ３との中心間距離Ｕ：７．０ｍｍ
各通過孔ｈの孔径（２Ｒ）：５ｍｍ
電極間間隔Ｓ：２．０ｍｍ
中間電極Ｖ２の厚みＴ：２．０ｍｍ

（２）シミュレーションの結果および考察
（２−１）実施例のシミュレーション結果
図２に示す電極配置によれば、図３に示す電場が形成される。

この電場を通過した電子は、図４に示す軌跡を描く。このときの球面収差係数Ｃｓは、６．１７７ｍｍである。

（２−２）比較例のシミュレーション結果
図１０に示す電極配置によれば、図１１に示す電場が形成される。
図１１に示す電場を通過した電子は、図１２に示す軌跡を描く。このときの球面収差係数Ｃｓは、３８．７２ｍｍである。

（２−３）考察
実施例の球面収差係数の値（６．１７７）を、比較例の球面収差係数の値（３８．７２）の約０．１６倍にまで小さくでき、また、背景技術で説明した磁界型レンズの球面収差係数の値（４．３）に大きく近づけられることを明らかにできた。したがって、電子ｅの軌道を制御することでレンズの収差性能を向上させて、磁界型レンズと比べて略遜色のないレンズ性能を有する減速型静電レンズＡを提供できることが確認できた。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

以下の説明において前記実施形態に対応するものには同一の符号を付すこととする。

例えば、中間電極Ｖ２の内周縁Ｖ２１を尖らせた形状としているが、中心軸ｍに延びる平坦な周面とすることもできる。また、軌道制御電極Ｖ４を、前記中間位置ｎよりも入射側電極Ｖ１寄りに配しているが、この中間位置ｎ上に配してもよい。

これらの効果を確認するために、図５に示す他の実施例のシミュレーションモデルを作成し、上述と同様のシミュレーションを行った。

各電極に印加する電位は以下の条件とする。
加速電圧 ・・・・・・・ ５．０ｋV
入射側電極Ｖ１ ・・・・ ５．０ｋV
軌道制御電極Ｖ４ ・・ １０．０ｋＶ
中間電極Ｖ２ ・・・・ −１．７２ｋＶ
出射側電極Ｖ３ ・・・・ ５．０ｋＶ
入射側電極Ｖ１の厚み：１ｍｍ
入射側電極Ｖ１と軌道制御電極Ｖ４との間隔：２ｍｍ
軌道制御電極Ｖ４の厚み：２ｍｍ
軌道制御電極Ｖ４と中間電極Ｖ２の間隔：２ｍｍ
中間電極Ｖ２の厚み：２．０ｍｍ
中間電極Ｖ２と出射側電極Ｖ３との間隔：２ｍｍ
入射側電極Ｖ１と出射側電極Ｖ３との中心間距離：１１ｍｍ
軌道制御電極Ｖ４の孔径：２ｍｍ
中間電極Ｖ２の孔径：６ｍｍ

図５に示す電極配置によれば、図６に示す電場が形成される。
この電場を通過した電子は、図７に示す軌跡を描く。このときの球面収差係数Ｃｓは、２１．４３ｍｍである。

この実施例の球面収差係数の値（２１．４３）を、比較例の球面収差係数の値（３８．７２）の約０．５５倍にまで小さくでき、また、背景技術で説明した磁界型レンズの球面収差係数の値（４．３）に近づけられることを明らかにできた。したがって、電子ｅの軌道を制御することでレンズの収差を低減させて、磁界型レンズと比べて比較的遜色のないレンズ性能を有する減速型静電レンズＡを提供できることが確認できた。

荷電粒子を電子とし、ＳＥＭやＴＥＭの対物レンズとしたり、その他の荷電粒子（例えば、正イオンや負イオン）を用いたりすることもできる。例えば、正イオンの場合には、各電極に上述の実施形態とは正負を逆転した電圧を印加し、走査型イオン顕微鏡などに用いることもできる。また、マイクロフォーカス型のＸ線管等に適用することもできる。

さらに、加速型の静電レンズにも本発明を適用することが可能である。この場合、図１３に示すように、荷電粒子（電子）の入射側から順に第１段電極Ｖ５及び該第１段電極Ｖ５よりも高電位の第２段電極Ｖ６を配置して、前記第１電界領域及び第２電界領域を形成するとともに、これら第１段電極及び第２段電極のさらに後方に、前記第２段電極よりも低電位の入射側電極Ｖ１、この入射側電極Ｖ１よりも高電位の中間電極Ｖ２、この中間電極Ｖ２よりも低電位の出射側電極Ｖ３を順に配置して３電極ユニポテンシャル加速型静電レンズを形成し、この３電極加速型静電レンズによって前記第３電界領域を形成すればよい。

このようなものであれば、第１、第２段電極Ｖ５、Ｖ６（第１、第２電界領域）によって電子軌道を傾斜させ、後段の３電極加速型静電レンズに、電子を予め角度を付けて入射させることができるので、加速電圧の５倍程度は必要であると言われていた電極への印加電圧を、少なくとも１／２程度にまで減少させることができる。そして、このことにより、絶縁耐圧などの問題を解決して、この種の加速型静電レンズを、従来の引き出し電極のみならず、ＳＥＭ等の対物レンズに利用可能にできる。

その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

Claims (12)

1. 荷電粒子を通過させる通過孔を有した複数の電極を球面収差係数を低減させるべく中心軸上に並び設けたものであり、
   それら電極のうち荷電粒子の入射側に設けた複数の電極によって、荷電粒子の軌道半径を入射時の軌道半径である初期軌道半径を途中で越えることなく縮小させる第１電界領域と、この第１電界領域を通過した荷電粒子に対して、前記中心軸と平行に進む向きに力を与える第２電界領域と、を形成するとともに、
   前記電極のうち出射側に設けた複数の電極によって、荷電粒子の軌道半径が前記初期軌道半径を途中で越えることなく、かつ、荷電粒子の軌道を曲げて、前記第２電界領域から該荷電粒子が出たときの中心軸に対する軌道角度よりも大きい角度で中心軸と交わらせる第３電界領域を形成するようにした荷電粒子用静電レンズ。
2. 前記通過孔の内周面が中心軸に対して傾斜している請求項１記載の荷電粒子用静電レンズ。
3. 中心軸と平行に入射した荷電粒子が、前記第２電界領域において中心軸と略平行に進行するように構成している請求項１記載の荷電粒子線用静電レンズ。
4. 前記第２電界領域における荷電粒子の軌道半径が、前記初期軌道半径の４５〜６０％となるように構成している請求項３記載の荷電粒子線用静電レンズ。
5. 前記各電界領域を、電極の形状、電極間の距離、又は電極の印加電圧の少なくともいずれかを設定して形成している請求項１記載の荷電粒子線用静電レンズ。
6. 中間電極の両側に該中間電極よりも低電位の入射側電極及び出射側電極を配置して３電極減速型静電レンズを形成するとともに、前記中間電極と入射側電極との間に、該入射側電極よりも高電位の軌道制御電極を配置しておき、
   前記入射側電極及び軌道制御電極によって、前記第１電界領域及び第２電界領域を形成し、前記中間電極及び出射側電極によって前記第３電界領域を形成するようにしている請求項１記載の荷電粒子線用静電レンズ。
7. 前記軌道制御電極は、内周端部を外周側よりも中心軸方向に厚肉にした形状であり、
   前記中間電極は、内周端部を外周側よりも中心軸方向に薄肉にした形状である請求項６記載の荷電粒子線用静電レンズ。
8. 前記軌道制御電極の中央に形成された荷電粒子通過孔の孔径を、他の３つの電極の通過孔の孔径より小径にしている請求項６記載の荷電粒子線用静電レンズ。
9. 前記軌道制御電極を、前記入射側電極と前記中間電極との中間位置よりも入射側電極寄りに配置している請求項６記載の荷電粒子線用静電レンズ。
10. 前記入射側電極の通過孔は、その孔径が入射側で小さく出射側で大きいテーパ形状を有している請求項６記載の荷電粒子線用静電レンズ。
11. 前記出射側電極の通過孔は、その孔径が入射側で大きく出射側で小さいテーパ形状を有している請求項６記載の荷電粒子線用静電レンズ。
12. 荷電粒子の入射側から順に第１段電極及び該第１段電極よりも高電位の第２段電極を配置して、前記第１電界領域及び第２電界領域を形成するとともに、
    これら第１段電極及び第２段電極のさらに後方に、前記第２段電極よりも低電位の入射側電極、この入射側電極よりも高電位の中間電極、この中間電極よりも低電位の出射側電極を順に配置して３電極加速型静電レンズを形成し、この３電極加速型静電レンズによって前記第３電界領域を形成するようにしている請求項１記載の荷電粒子線用静電レンズ。