JP5307582B2

JP5307582B2 - 電子顕微鏡

Info

Publication number: JP5307582B2
Application number: JP2009049253A
Authority: JP
Inventors: 史生細川
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-03-03
Also published as: US8664599B2; EP2226831B1; ATE539444T1; JP2010205539A; US20100224781A1; EP2226831A1

Description

本発明は電子顕微鏡に関し、特に収差補正装置と開口角絞りを備える電子顕微鏡にする。

従来の走査透過電子顕微鏡は、試料に対する電子線の照射電流や照射角を制御するための開口絞りを備えている。開口絞りは、電子源の直後に設けられた収束レンズ（明るさ調整レンズ）の主面近傍に、移動可能に設けられている。通常は上記制御のために穴径の異なる開口絞りが複数個用意され、これらは移動機構をもつ絞りホルダに装着されている。開口絞りが収束レンズの主面近傍にあるので、一つの開口絞りが使用されている間は収束レンズの強度を変化させても試料への総電流量はあまり変化しない。

収差補正技術が導入されていない電子顕微鏡の場合は、収差補正を行わないので電子線の開口角を数ｍｒａｄ刻みで制御する必要性が低い。従って、２０、４０、７０、１００、２００μｍなど、倍程度の刻みの穴径をもつ開口絞りが用意される。

一方、収差補正技術が導入された従来の走査透過電子顕微鏡が特許文献１に開示されている。特許文献１の走査透過電子顕微鏡では、上流から下流に向かって電子源、収束レンズ、収束絞り（開口絞り）、球面収差補正装置、偏向器、トランスファーレンズ、対物レンズが設けられている。この場合も穴径の異なる収束絞りが用意されており、これらの何れかに電子線を通過させて開口角を変化させる。なお、何れの開口絞りを選定するかは、所望の倍率における球面収差及び回折収差のバランスに依存する。電子線はその後、収差補正器によって球面収差が抑制され、試料に照射される。

また、収差補正技術が導入された走査透過電子顕微鏡の他の例が特許文献２に開示されている。特許文献２の走査透過電子顕微鏡では、球面収差補正装置と対物レンズの間に、倍率Ｍが１以上となる２枚の伝達レンズ系が配置されている。球面収差補正装置は対物レンズの正の球面収差を相殺する負の球面収差を発生するが、これに併せて発生する三次のスターアベレーションＳ_３及び三次の四回非点収差Ａ_３が無視できなくなる。そこで特許文献２では、球面収差補正装置のボア半径の調整及び伝達レンズ系の倍率Ｍを１以上に設定することによって、試料上に現れる球面収差を相殺すると共に、三次のスターアベレーションＳ_３及び三次の四回非点収差Ａ_３の影響を低減している。

特開２００７−１７３１３２号公報特開２００７−９５３３５号公報

高倍率観察で収差補正を行うには、残存する収差に対して適切な開口値を設定する必要がある。即ち、電子線の開口半角を３０ｍｒａｄ付近で２ｍｒａｄづつ変化させるような小刻みな開口角の調整が必要になる。従って、上記のような互いの穴径の差が大きい開口絞りでは微小な開口角の調整を行うことが困難である。さらに、従来の収差補正装置付走査透過電子顕微鏡では、１つの開口絞りを選択した後、選択された開口絞りを変えずに各レンズの強度を調整することで開口角を変化させているのが現状である。従って、レンズの強度調整による開口角の微調整では、収差補正条件も併せて再調整が必要となり、電子光学系全体の調整が煩雑になる。

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、高倍率観察でも収差補正が容易な電子顕微鏡の提供を目的とする。

本発明の一態様は電子顕微鏡であって、電子線を発生する電子銃と、前記電子銃の後段に設けられる球面収差補正装置と、前記球面収差補正装置の後段に設けられる伝達レンズ系と、前記伝達レンズ系の後段に設けられる対物レンズと、前記球面収差補正装置の前段に、光軸に対して移動可能に設けられる開口絞りと、前記伝達レンズ系の主面又はその近傍に前記光軸に対して移動可能に設けられ、電子線の開口角を調整する開口角絞りとを備えることを特徴とする。

前記伝達レンズ系は軸対称レンズ対であり、前記伝達レンズ系の倍率は１以上であることが好ましい。

前記開口角絞りは軸対称レンズ対のうちの後段のレンズの主面から前記対物レンズの前方焦点面の間に設けられることが好ましい。

前記開口角絞りは穴径の異なる複数のアパーチャーからなることが好ましい。

前記開口角絞りの各アパーチャーの穴径は５０μｍ以上であることが好ましい。

球面収差補正装置による球面収差補正後に、開口絞りの穴径を変更することなく電子線の開口角を微調整し、且つ、試料で現れる残留収差を抑制することができる。従って、高倍率・高分解能観察における調整時間の短縮化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る走査透過電子顕微鏡の構成図である。本発明の一実施形態に係る開口角絞りの配置を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る球面収差補正装置の磁界型十二極子の模式図である。本発明の一実施形態に係る開口角絞りの模式図である。

本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。以下の記述では、使用される電子顕微鏡の一例として走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）を挙げているが、本発明は透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）にも適用可能である。

図１は本発明の一実施形態に係る走査透過電子顕微鏡１０を示す模式図である。図２は本発明の一実施形態に係る開口角絞りの配置を示す模式図である。

走査透過電子顕微鏡１は主に、顕微鏡本体１０と、顕微鏡本体１０内に設置された電子光学系等を制御する制御装置２０とを備える。顕微鏡本体１０の鏡筒内には電子線３を発生する電子銃１１が設けられ、電子銃１１から下流に向かって、収束レンズ１２と、開口絞り１３と、球面収差補正装置１４と、伝達レンズ系（転送レンズ系）１５と、開口角絞り１６と、対物レンズ１７と、試料１８ａを装着した試料ホルダ１８と、検出器１９とが設けられている。伝達レンズ系１５は光軸２に沿って前後に配置された第１伝達レンズ１５ａと第２伝達レンズ１５ｂとから構成される。収束レンズ１２は複数設けられる場合がある。走査透過電子顕微鏡１内を通過する電子線３のエネルギーは総じて高いので、上記各レンズは磁界型であることが好ましい。しかしながら、絶縁耐圧が許容されるのであれば静電型であっても良い。

電子銃１１、収束レンズ１２、球面収差補正装置１４、伝達レンズ系１５、対物レンズ１７、検出器１９は電源部２５及び電源制御部２５を介して制御装置２０によって制御される。また、検出器１９は明視野像検出器１９ａと、暗視野像検出器１９ｂとで構成され、制御装置２０の信号処理部２７に検出信号を出力する。

制御装置２０は、コンピュータを構成するＣＰＵ（中央演算処理装置）２１と、メモリやハードディスク等の記憶手段２２と、ユーザーとのインターフェースであるマウスやキーボード等の入力部２３と、顕微像や電子光学系の設定値等を表示する表示部２４、収束レンズ１２等の電子光学系の印加電圧あるいは励磁電流の制御を行う電源制御部２５と、電源制御２５からの制御信号に基づいて電子光学系に電圧或いは電流を印加する電源部２６と、検出器１９からの検出信号を処理する信号処理部２７とを備える。ＣＰＵ２１は記憶手段２２に記憶されたプログラムを実行し、これに基づいて入力部２３、表示部２４、電源制御部２５、信号処理部２７を制御する。

次に、走査透過電子顕微鏡１の動作について説明する。

電子銃１１は電源部２６によって高電圧に印加された状態で電子線３を発生する。発生した電子線３は加速され、収束レンズ１２によって収束する。

開口絞り１３は異なる穴径のアパーチャーを複数有し、電子線３のビーム径を規定する。開口絞り１３の各穴径は、例えば２０μｍ、４０μｍ、７０μｍ、１００μｍ、２００μｍ等である。これにより、試料ホルダ１８上の試料に照射される電子線３の総電流量が制御され、併せて、次段の球面収差補正装置１４に入射する電子線の開口角が制限される。開口絞り１３は例えばＸＹステージ（図示せず）上に装着され、光軸２に対して垂直な平面上を移動する。なお、開口絞り１３の好適な設置場所は収束レンズ１２の主面であるが、これに限定しなくても良い。

開口絞り１３を通過した電子線３はほぼ平行になった状態で球面収差補正装置１４に入射する。

球面収差補正装置１４は、電子線３の球面収差を補正する。より具体的に言えば、この装置は電子線３に対して負の球面収差を生じ、対物レンズ１７によって試料１８ａ上に現れる電子線３の正の球面収差を抑制する。

球面収差補正装置１４は既知の構成でよい。例えば、特許文献２に開示された磁界型十二極子で構成できる。即ち図３に示すように、光軸２上に２段の磁界型十二極子を配置し、各多極子は光軸２の周りの強度分布が相似で且つ互いに方向が逆となるような２つの３回対称磁場を発生する。図３は磁界型十二極子３０の一例であり、Ｍ_１，Ｍ_２・・・Ｍ_１２の１２個の磁極を外ヨーク３１から光軸２に向けて配置している。各磁極のコア３２の光軸２側には極子３４が形成されている。各極子３４に付された矢印は磁場の向きを示す。図３に示す磁気十二極子３０では、磁極Ｍ_１及びＭ_２、磁極Ｍ_５及びＭ_６、磁極Ｍ_９及びＭ_１０の各コア３２に、光軸２に向かう磁場が生じるように励磁コイル３３が巻かれ、これとは逆方向の磁場が発生する励磁コイル３３が磁極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３２に巻かれている。

上記の磁場分布によって球面収差補正装置１４は負の球面収差を発生する。従って、後段の対物レンズが生じる正の球面収差との合成によって、試料上における球面収差は相殺されることになる。なお、磁界型十二極子の代わりに磁界型六極子を用いてもよい。更にこれらは電界型、あるいは磁界型と電界型の複合十二極子であってもよい。

球面収差補正装置１４を通過した電子線３は伝達レンズ系１５に入射する。伝達レンズ系１５は基本的に、球面収差補正装置１４の最終段のレンズ（図示せず）の主面と対物レンズ１７の前方焦点面ＦＦＰが共役となるように電子線３を伝達する光学系である。

伝達レンズ系１５は１枚乃至２枚の軸対称レンズによって構成される。何れの場合も倍率は任意であるが、後述するように１以上であると残留収差の除去には有利である。このような倍率を持たせたレンズ系としては、例えば、特許文献２に開示された伝達光学系が挙げられる。即ち、第１伝達レンズ１５ａの像点側焦点と第２伝達レンズ１５ｂの物点側焦点とが一致するように設けられ、第２伝達レンズ１５ｂの物点側焦点距離ｆ_２は第１伝達レンズ１５ａの像点側焦点距離ｆ_１以上となっている。従って、伝達レンズ系１５の倍率Ｍは（ｆ_２／ｆ_１）となり、その値は１以上である。倍率Ｍが１以上なので、当該レンズ系を出射した電子線３のビーム半径は入射時よりも拡大されることになる。

倍率Ｍの効果も特許文献２に記載されている。即ち、対物レンズ１７の収差係数に対して球面収差補正装置１４で生じるｎ次収差の寄与Ｘ_０は、球面収差補正装置１４の収差係数をＣとすると、
Ｘ_０＝（１／Ｍ）^ｎ＋１Ｃ
と表される。つまり、倍率Ｍを大きくすると、それだけ球面収差補正装置１４にて発生する収差の試料上における寄与が小さくなる。従って、特許文献２に記載されているように磁界型十二極子のボア半径を小さく、且つ励磁電流を大きくすることで、対物レンズ１７の球面収差を相殺しつつ他の収差の寄与を抑える。

ところで、球面収差補正装置１４によって収差補正される電子線３は開口絞り１３を通過した電子線である。換言すると、球面収差補正装置１４は開口絞り１３によって規定されたビーム径及び開口角の電子線に対して球面収差補正を行っている。従って、球面収差補正装置１４に対する電子線３の開口角αの最適値を模索する場合には、開口絞り１３の穴径を変更しなければならない。しかしながら、電子銃１０から試料１８ａまでの各レンズ及び球面収差補正装置１４の設定値は、選択された開口絞り１３の位置に依存しており、開口絞り１３の穴径を変更することは上流の収束レンズ１２を含む、既に設定された各レンズの設定値および球面収差補正装置１４における収差補正条件の再調整を意味する。このような再調整は非常に煩雑であり、調整時間、率いては観察時間の長期化につながる。

そこで本発明では、伝達レンズ系１５と対物レンズ１７の間に開口角絞り１６が設けられる。この開口角絞り１６は球面収差補正装置１４を通過した電子線３の開口角αを２ｍｒａｄ程度づつ微調整するもので、例えば、穴径５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、９０μｍ、１００μｍ等の複数のアパーチャー１６ａ〜１６ｅを有する。アパーチャー１６ａ〜１６ｅは同一平面上に配置されホルダ４０に装着される。ホルダ４０は光軸２に垂直な平面上を移動可能にする移動機構（図示せず）に固定されている。なお、アパーチャーは図４に示すように穴径の異なる既製品を用いても、１枚の金属板に形成しても良い。

アパーチャーは穴径が大きいほど加工精度の良いものが得られやすく（即ち、穴径のバラツキが少なく）、コスト的にも有利である。従って、開口角αの調整を精度良く行うには、各アパーチャー１６ａ〜１６ｅを電子線のビーム径が最大となる場所に配置するのが望ましい。このような好適な設置箇所は第２伝達レンズ１５ｂの主面１５ｄから対物レンズ１７の前方焦点面ＦＦＰまでの区間内である。ただし、第１伝達レンズ１５ａの主面１５ｃ若しくはその近傍に配置しても開口角の微調整は可能である。この場合には開口角α及び第１伝達レンズ１５ａの焦点距離ｆ_１に応じた電子線のビーム径の最大径に合わせて各アパーチャーの穴径を設定する。また、第１及び第２伝達レンズ１５ａ、１５ｂの形状によっては開口角絞り１６を主面１５ｃ、１５ｄに配置するのが困難である場合があるので、その場合は第１又は第２伝達レンズ１５ａ、１５ｂを形成するポールピース（図示せず）の開口部に配置すればよい。開口部は主面１５ｃ又は主面１５ｄに近接しており、電子線３のビーム径は殆ど変化しない。従って、開口角絞り１６による残留収差補正に対する悪影響は無いといえる。

このように球面収差補正装置１４を通過した電子線３に対してその開口角を微調整するので、球面収差補正装置による球面収差補正後に開口絞り１３の穴径を変更する必要がない。即ち、球面収差補正装置１４に既に設定された設定値を大幅に変更する必要がない。従って、球面収差補正装置１４、伝達レンズ系１５、対物レンズ１７の各設定値により開口角を調整する場合であっても、その変更は微小な範囲に収まり電子線３を見失うこともない。開口絞り１３の穴径を変更することなく電子線３の開口角を微調整し、且つ、試料１８ａで現れる残留収差を抑制することができる。従って、高倍率・高分解能観察における調整時間の短縮化を図ることができる。

また、収差補正時の電子線３の開口角は、絞りの穴径に換算すると球面収差補正装置１４の手前で３０〜５０μｍ程度であり、第２伝達レンズ１５ｂの主面１５ｄではそのＭ倍程度（例えば、Ｍ＝２であれば８０μｍ程度）になる。また、球面収差補正装置１４を出射した電子線３のビーム径が倍率Ｍ（≧１）の伝達レンズ系１５によって拡大されるので、２ｍｒａｄ程度の微調整に要求されるアパーチャーの穴径の変化量も大きくなる。従って、アパーチャーに要求される加工精度も緩和される。

なお、伝達レンズ系１５が１枚の軸対称レンズのみによって構成される場合には、開口各絞り１６はこの軸対称レンズの主面あるいは開口部の近傍に位置する。

また、既存のアパーチャーの寸法及びその加工精度を考慮すると伝達レンズ系１５の倍率は１以上であることが望ましいが、倍率が１未満であっても開口絞り１３の穴径を変更することなく開口角絞り１６を用いた残留収差の補正は可能である。従って、本発明は伝達レンズ系１５の倍率に限定されない。

１：走査透過電子顕微鏡
２：光軸
３：電子線
１０：顕微鏡本体
１１：電子銃１１
１２：収束レンズ
１３：開口絞り
１４：球面収差補正装置
１５：伝達レンズ系（転送レンズ系）１５
１５ａ：第１伝達レンズ
１５ｂ：第２伝達レンズ
１６：開口角絞り
１６ａ〜１６ｅ：アパーチャー
１７：対物レンズ
１８：試料ホルダ
１８ａ：試料
１９：検出器
２０：制御装置
３０：磁界型十二極子

Claims

電子線を発生する電子銃と、
前記電子銃の後段に設けられる球面収差補正装置と、
前記球面収差補正装置の後段に設けられる伝達レンズ系と、
前記伝達レンズ系の後段に設けられる対物レンズと、
前記球面収差補正装置の前段に、光軸に対して移動可能に設けられる開口絞りと、
前記伝達レンズ系の主面又はその近傍に前記光軸に対して移動可能に設けられ、前記電子線の開口角を調整する開口角絞りと
を備えることを特徴とする電子顕微鏡。
前記伝達レンズ系は軸対称レンズ対であり、
前記伝達レンズ系の倍率は１以上であることを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。
前記開口角絞りは軸対称レンズ対のうちの後段のレンズの主面から前記対物レンズの前方焦点面の間に設けられることを特徴とする請求項２に記載の電子顕微鏡。
前記開口角絞りは穴径の異なる複数のアパーチャーからなることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の電子顕微鏡。
前記開口角絞りの各アパーチャーの穴径は５０μｍ以上であることを特徴とする請求項４に記載の電子顕微鏡。