JP5349629B2 - 補正器 - Google Patents

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Description

本発明は、６つの多極子を有する、電子顕微鏡における色収差および開口収差を補正するための補正器であって、該６つの多極子は、光学経路に順に、対称平面に関して対称に配置されており、最初の３つは対称平面の上流側に配置され、次の３つは対称平面の下流側に配置されており、その全ては４極子場および８極子場の生成に用いられ、全６つの多極子の４極子場は順に、互いに対して９０°回転されており、かつ、これらは、場の強さ（極性ではない）に関して、光軸と対称平面との交差点に関して点対称であり、鏡面としての対称平面に関する軸上基準軌道の交換対称性が該交換のために形成され、軸上基準軌道および軸外基準軌道の両方が前記補正器の端部において再び集光され、３番目の多極子および４番目の多極子の、電場および磁場の形態の４極子場の協働により色収差が補正され、基本面内で４極子場と同一の力で電子に作用する８極子場の調節により、補正器自体により生じる開口収差および軸外収差が補正される、補正器に関する。
この種の補正器の目的は、顕微鏡の光学要素の色収差および開口収差が補償可能なことである。このような補正器を用いた補償は、電子顕微鏡のビーム源およびレンズの収差を補償するだけでなく、補正器自体に起因する収差をも補償するものである。
粒子光学における全ての補正器の機能に関する基礎はＯ．シェルツァー（O. Scherzer: "Sphaerische and chromatische Korrektur von Elektronen-Linsen"（電子レンズの球面補正および色補正）OPTIK, DE, JENA, 1947, pages 114-132, XP002090897, ISSN: 0863-0259）による発見による。この発見によれば、４極子を用いて非回転対称場を形成して非円形ビームを形成し、その後、非円形ビームを収差補正し、再び反対に作用する場により円形にすることにより、粒子ビームについても色収差および開口収差を補正することができる。非円形ビーム領域は非点中間像または楕円ビーム領域である場合もある。非円形ビーム領域は、その後、多極子を用いる多極子場たとえば６極子場、８極子場または１２極子場を用いて収差補正のために用いられる。これらの場はその後補正を行うためにのみ用いられ、基準軌道の挙動に影響しない。色収差補正のみが４極子場を用いて行われ、この際、１つの電気的４極子と１つの磁気的４極子とがｘ方向およびｙ方向のいずれかにおいて協働する。Ｏ．シェルツァーはかかる収差補正が達成される条件について述べている（上記文献参照）。シェルツァーの定理として知られるこれらの条件は、粒子光学における色収差および開口収差の全ての補正の基礎である。
ＤＥ１０２００７０４９８１６Ｂ３には５つの多極子要素を有する補正器が開示されているが、それ自身がより高次の収差を無視できないほどに生じ、収差の補償をより困難なものとする。
ＤＥ４２０４５１２Ａ１は、上述の種類の補正器を提案しており、これは、高次の収差をより低減できるものであるが、アジムス（azimuthal）コマを排除できず、これは透過型電子顕微鏡において用いられる補正器の条件である。この補正器はさらに４極子場の場の変動にきわめて敏感である。これらの場の変動は「ノイズ」ともいわれるが、電流供給および電圧供給の変動によるものである。この文献に従って構成された補正器のテスト段階において、これらの変動に対する感度が非常に大きく、妥当な技術的労力での高度に安定化された電力供給によってはこの感度を制御できないということが示された。この理由により、この補正器の実現および上述の特許出願は放棄された。
ＤＥ１０２００７０４９８１６Ｂ３ ＤＥ４２０４５１２Ａ１
したがって、本発明の課題は、透過型電子顕微鏡に適した、電力供給の変動の影響を受けないような、上述の補正器をさらに開発することである。
この課題は本発明により達成され、ここで、軸上基準軌道が３番目および４番目の多極子の領域においてのみ最大を有するように電子ビームが光軸に関して集光するよう照射され、二重多極子が２つの中央の多極子の間に配置され、かつ、対称平面の上流側の１番目の多極子要素と対称平面の下流側の隣接する２番目の多極子要素とを有するように、補正器は光学経路に配置可能であり、これらの多極子要素は４極子場と同じ方向に基本面内で電子に力を作用させる１番目および２番目の８極子場を形成し、１番目の多極子要素はさらに３番目の８極子場を形成し、２番目の多極子要素はさらに４番目の８極子場を形成し、これらの８極子場は異なる極性を有し、かつ、基本面内で光軸に関して９０°回転され、かつ、１番目および２番目の８極子場に相対的な方向に電子に力を作用させ、第３および第４の多極子は、光軸と対称平面との交差点に関して鏡面対称であり、かつ、二重多極子の１番目および２番目の８極子場に対応する方向の力でもって基本面内で電子に作用するが、これに相対的に４５°回転されている８極子場を形成し、６つの多極子は８極子場を形成し、該８極子場は、二重多極子の３番目および４番目の８極子場に対応して、光軸に関して９０°回転された方向において基本面内で電子に力を作用させ、かつ、場の強さおよび符号に関して光軸と対称平面との交差点に関して点対称であり、前記のように電子に作用する力の方向に関して９０°回転されている８極子場の極および場の強さの調整が、他の収差の発生を実質的に妨げるために、アジムスコマの補正に用いられる。
本発明において、４極子場と同じ配向を有する８極子場が、ＤＥ４２０４５１２Ａ１におけるものと同じやり方で開口収差の補正のために用いられる。４極子場に関して８極子場と同じ配向とは、これらが４極子場と同じ方向において基本面内で電子に力を作用させることを意味する。
これに対して、４極子場に対して９０°回転された方向において基本面内で電子に力を作用させる８極子場が、アジムスコマを補正するために用いられることにより、他の収差の発生が実質的に防がれる。これは、コマ補正に伴うある種の不可避な収差によっては、排除されたコマよりもはるかに少ない程度しか、画像品質が損なわれないことを意味する。上述のように、本発明の他の実施形態では、このような収差を排除し、結果として、回転された８極子場を用いるこれらの手段により再び生じるコマを排除する。これらの工程は、繰り返し方法において数度行われ、画像品質に関して収差が存在しないといえる程度にまで収差を減少させる。力の方向の９０°の回転とは、これらの８極子場に関して、これらが４極子場（およびこれらの４極子場と同じ方向の８極子場）に対して２２．５°回転されることを意味する。電子に作用する力の方向における９０°の変化は、４×２２．５°（すなわち９０°）から得られる。
アジムスコマを補正するため、これらの８極子場の極および場の強さは、目標指向的に変えられ、すなわち、アジムスコマを低減、最終的には排除するために行われる。この目標のための条件は、一連のテストによるだけでなく、シミュレーション計算によっても決定することができる。したがって、それぞれの極および強さは電子顕微鏡それぞれに依存する。これらはそれぞれの種類について決定または計算されなければならず、かつ、それぞれの装置もその後それぞれ微調整されなければならない。
本発明の補正器は、さらに電気エネルギー供給における変動に対して非常に感度が低く、高度に安定なエネルギー供給のための費用を大きく低減し、および／または、このような変動により生じる画像品質の劣化を防ぐ。
電源供給の変動に対するこの感度、したがってそれぞれの場の強さにおける変動に対するこの感度は、各４極子場における経路の高さに起因し、この感度は経路の高さの二乗で増加する。したがって軸上基準軌道は特定の役割を有する。本発明の補正器において、競合的に入る基準軌道ｘαおよびｙβは、１番目の４極子に入った後、２番目の４極子に向かって僅かに低下する。これに対して、ＤＥ４２０４５１２Ａ１の補正器の基準軌道ｙβは２番目の４極子において最大を有し、感度が経路の高さの二乗で増加するため、特に強い効果を有する。点対称性（反対称性ともいう）により、同じことが当然５番目および６番目の４極子に当てはまる。このような最大は、色収差および開口収差の補正ならびにコンビネーション収差の低減を成功させるために、３番目および４番目の４極子においてのみ要求されるものである。このため、これらの最大のみを有する本発明の補正器では、３番目および４番目の多極子のためにのみ高度に安定な電気エネルギーが必要とされる。このことは、場の強さの変動がほとんどない位置においてのみ４極子場が必要とされることを意味する。他の全ての４極子はこのような精確なエネルギー供給を必要としない。この強さの４極子場およびこの大きさの基準軌道の最大は存在しないからである。このことは、電気エネルギー供給に関する費用を実質的に低減させる。逆に、これらの電気エネルギー供給の変動により画像品質および分解能が損なわれることはない。
このやり方で、本発明は、ＤＥ４２０４５１２Ａ１の補正器が行うようなエネルギー供給の変動による劣化を防ぎ、さらに、ＤＥ１０２００７０４９８１６Ｂ３の補正器が行うような高次収差の発生も防ぎ、さらに、５次のコンビネーション収差およびアジムスコマをも排除する。後者により、本補正器は透過型電子顕微鏡に用いることができる。
したがって、１番目、２番目、５番目、６番目の多極子のすべての場ならびに３番目および４番目の多極子要素の８極子場は、磁場または電場あるいは両方の組み合わせであってよい。同じことが、二重多極子の８極子場および全ての１２極子場にも当てはまる。３番目および４番目の多極子の４極子場のみが電場と磁場とが協働する必要がある。
本発明の補正器は、まずは、先に記載した機能に基づき、すなわち、Ｏ．シェルツァーの教示（上記引用文献）に従い、１番目の多極子の４極子場が、軸上および軸外基準軌道に関してビームについての回転対称からのずれに影響を与え、ビームは２つの垂直な基本面すなわちｘ面およびｙ面において異なる発散で延びる。その後の２番目の多極子の４極子場は９０°回転されており、軸外基準軌道を更に大きな発散で延伸させ、一方で軸外基準軌道を再び集光させる。最初の２つと比較してより強い４極子場を生成する３番目の多極子には、軸上基準軌道の１つの最大が存在し、４番目の多極子には他方の軸上基準軌道の最大が存在する。４極子場と同じ配向を有する８極子場との協働において、この配位により５次のコンビネーション収差を実質的に低減することができる。
３番目および４番目の多極子の間の対称平面の下流側で、軸上基準軌道ｘαおよびｙβに関する交換対称が形成される。この意味の交換対称とは、ｘ面およびｙ面のビームの挙動の交換性が存在することを意味する。この交換対称とは鏡面対称である。このことは、基準軌道ｙβが対称平面の下流側で、対称平面の上流側の基準軌道ｘαに関して鏡面対称に延びること、および、その逆を意味する。
しかし、軸外基準軌道ｘγおよびｙδに関して、交換対称は、点対称または反対称の形で近似される。
このため、上述の配位が４番目の極子場においても生じ、すなわち、他方の軸上基準軌道の最大が存在する。したがって、４極子場は反対符号を有し、すなわち、９０°回転されている。したがって、その場所は、他方の軸上基準軌道の最大が９０°回転されているが、それ故、ｘ面およびｙ面の従来の表示において光軸に関して反対方向である場所である（図２）。その場所は、上述の領域に垂直なビーム領域において上述の補正が行われる場所である。これはシェルツァーの定理に従う。すなわち、ビームが互いに垂直な２つの平面領域内を連続的に進むようなビームの変形による、粒子ビームの補正である。
１番目と６番目、２番目と５番目、３番目と４番目がそれぞれ同じ大きさを有するが反対方向である４極子場の反対称または点対称の設計により、円形ビームの形態で補正器に入るビームは、円形ビームの形態で再び補正器から出る。
色収差補正は、上述のビームの変形によっても行われる。この補正は３番目の多極子を用いて１つの面（たとえばｘ面）に関して行われ、他の面（たとえばｙ面）に関しては４番目の多極子を用いて行われる。色収差補正の機能は従来のウイーンフィルタに対応し、重畳された電気的および磁気的な４極子場から４極子場が構成されるという事実に基づいている。場の強さは、したがって、定義された速度、すなわち、光軸に関して定義されたエネルギーおよび定義された色の電子が予め定めた経路で場を通過するように設計される。異なるエネルギーの電子は予め定めた経路を離れ、これにより顕微鏡の円形レンズ、有利には対物レンズの色補正が補償される。したがって、電気的および磁気的４極子場の組み合わせはこの色収差補正のためにのみ必要とされる。より詳細なこの色収差補正は、H.Rose, "Geometrical Charged-Particle Optics"の"9.1.1 First order Wien Filter", page 274 to 277に記載されている。
開口収差に関して、各場合において、補正は同様に３番目および４番目の多極子ならびに二重多極子においても、４極子場と同じ配向を有するその８極子場によって、すなわち、基本面内で電子に作用する同じ力でもって行われる。開口補正は電子顕微鏡の回転対称なレンズにより生じる。それは、これらが光軸からより大きく離れて延びるビームに、より大きく影響するからである。中間画像の領域のビームは、結果的に光軸との共通の交差点を形成しない。非円形ビームの形成は、全てのビームが中間像の画像平面内で再び交差するように、８極子場によるビームに影響する。各面のビームの補正が行われるとき、各々順に、ビームはその後再び円形ビームに集光され、開口収差補正が完了する。したがって、上流側の円形レンズの開口収差を補正するだけでなく、その前に下流側の円形レンズの収差を補償することができる。この場合、開口収差が光学経路に形成されるが、これは下流側の円形レンズたとえば対物レンズの開口収差により再びキャンセルされる。
しかし、これらの従来の補正が行われるとき、今度は補正器自身が収差を生じるという問題がある。これらは主に非円形収差、特に、４倍の３次非点収差、および、５次のスター収差である。非円形収差は、軸上画像収差の形状精度（figure）、たとえば、異なる次数で生じる、非点収差、スター収差、ロゼット収差およびコマを形成する。さらに、５次の開口収差は円形収差として残るが、これは３番目および４番目の多極子における軸上基準軌道の２つの最大の領域内で上述のように大部分排除可能である。
５次のコンビネーション収差を低減するため、光軸に関して集光的に延びる光学経路の上述の設定により、３番目および４番目の多極子の領域における軸上基準軌道の最大が生じる。しかしこれは光学経路の大まかな設定に過ぎないため、他の収差を除くために微調整を更に行ってもよい。
この種の微調整により、３次の非円形コマ様収差の生成が防がれる。この種の微調整を、５次のロゼット収差が排除されるように代わりにさらに行ってもよい。さらに別の実施形態では、５次の円形画像収差がこの微調整により所望の画像に最適化される。
改善された位相コントラストを生成するために５次の円形画像収差を用いることができることから、「最適化（された）」とは、５次の円形画像収差を完全に排除することは常に望ましいものではないということに基づいて理解されるべきである。この場合、「最適化する（こと）」とは、５次の画像収差が排除されないが、所望の位相コントラストが得られるような大きさに設定されることを意味する。
微調整により同時に上述の補正の全てまたは上述の最適化の全てを行うことは不可能であり、このため、これは所望の画像の精確な条件に依存し、すなわち、いずれの収差がより問題となり、したがって、排除されなければならないのか、または、改善された位相コントラストが好適に各精確な条件の間にあるか否か、に依存する。
別の実施例において、１番目、２番目、５番目および６番目の多極子は、同様に光軸に対して配向された８極子場を生成し、これらは二重多極子の第１および２番目の多極子場に対応し、したがって、さらに同じ配向を有し、または、４極子場と同じ方向における基本面内で電子に力を作用させる。３次の非円形コマ様収差は、これらの８極子場の調整により除くことができる。
残りのわずかな収差を除いた５次以下の全ての収差をさらに補償するため、二重多極子が提案され、３番目およびさらに４番目の多極子要素が、その対応する調整によるこれらの補正を行うための１２極子場を生成する。
本発明の以下の他の実施形態において、未だに存在する残りの収差はできる限り排除される。これらの残りの少量の収差は、補正器の外側に位置する円形レンズにより生じ、特に、低減されてはいるが未だに問題となる５次の開口収差である。さらに、５次のロゼット収差、および３次のラジアルコマの形態の他の残りの収差も存在する。
このため、円形レンズの形態で設計された２つの転送レンズを補正器の対物レンズ側に配置することが提案される。その場は、高次の円形収差または３次のラジアルコマが排除されるように、調整可能である。また、この場合、補正の設定は、画像品質が各具体的な画像について最大限改善されるように代替的に選択される。
しかし、それぞれ精細な調整を可能にするこの種の転送レンズにより再び収差が生じる。特に、３次の開口収差および色収差の補正が再び部分的に打ち消される。このため、３番目および４番目の多極子ならびに二重多極子の再調整が望ましい。これに関して、色収差に関して用いられる電気的および磁気的な４極子場、ならびに、３番目および４番目の多極子の同じ配向の８極子場、ならびに、二重多極子と同じ配向の８極子場を再調整する必要がある。再び生じる（recurring）３次の開口補正は８極子場により再び排除される。
再び生じるコマは、基本面内で電子に作用する力の方向に対して４極子場に関して９０°回転される８極子場の再調整により生じる。
転送レンズの挿入および上述の再調整などの任意の設定修正によって、光学経路は再び変えられるため、３番目および４番目の多極子の１２極子場ならびに二重多極子の１２極子場の再調整により、再び生じる高次の収差は適切に排除される。
３番目および４番目の多極子要素ならびに二重多極子の再調整によって、高次の円形収差が再び生じるため、転送レンズを再び再調整する必要がある。その後、３番目および４番目の４極子場は色収差補正に関して再調整され、４極子場と同じ方向の３番目および４番目の多極子ならびに二重多極子の８極子場は３次の開口収差の補正のために再調整され、４極子場に関して９０°回転され、電子に力を作用させる８極子場は再び生じるアジムスコマの補正を行うために再調整され、最後に再び生じる５次の収差を排除するために１２極子場が再調整される。
上述のように、上記要素の任意の調整はさらに収差を生じ、上記の個々のステップは、すべての収差が所望の画像化に関して許容されるレベルに低減されるまで、繰り返し実行する必要がある。
この種の補正器は基本的に任意の電子顕微鏡に挿入可能である。しかし、本補正器は、比較的大きい画像領域が確実に僅かの収差のみを伴いまたは伴わずに形成可能であるように、走査原理に基づいて動作する電子顕微鏡、すなわち走査電子顕微鏡（ＳＥＭとして知られる）および走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭとして知られる）に特に適している。本補正器は、空間構造、巻線および材料特性などの構成条件を満たすものであり、上述の設定および調整または再調整を行うために、各電場および／または磁場の場の強さを生成し、制御するために必要な設定には、電流および／または電圧が含まれる。
したがって、設定および調整または再調整を可能とする程度の補正器の場の特徴付けは以下を意味する。電極および／または電磁石、ならびに、その電流および電圧による負荷能力は、補正器を電子顕微鏡に設置した後に上述の補正方法が可能となるようなものである必要がある。精細な設定は電子顕微鏡の設計、および、たとえば寸法上の不正確さおよび材料の不均一によって同じシリーズの電子顕微鏡にも個々に生じる個々のレンズの収差に依存するため、これらの設定、調整および再調整は関連する電子顕微鏡の設置および作動の後に行われる。また、汚れによる最も僅かな汚染でさえ光学特性を変化させ、再調整を必要とする場合があるため、再調整は電子顕微鏡の動作中に何度も行う必要がある。本発明は、これらの電子ビーム補正を提供する補正器において実施される。設定および補正のために必要とされる、補正器の構造設計ならびに精確に供給され補正の設定のために必要とされる電流および／または電圧の範囲についての具体化は、各電子顕微鏡の設計、特に、可能な各作動範囲のビーム電圧およびレンズ系の精確な設計に依存する。
本補正器の上記特性は電子顕微鏡に搭載された後にのみ効果を奏するため、本発明は、さらに、補正器を有する走査電子顕微鏡および走査透過型電子顕微鏡に関し、これらにおいては、比較的大きい画像領域における収差の低減による補正器の利点が有利に有効である。
本発明について図面に基づいて以下説明する。
本発明に係る補正器の概略図を示す。 図１に従う、ｘ面およびｙ面内でビームの挙動および場の配置を示す。 補正器を有する透過型電子顕微鏡の部分概略図を示す。 ８極子場を形成する１２極子要素の概略図を示す。 異なる場を生成を示す１２極子要素の概略図を示す。 ａ〜ｃは、異なる場のポテンシャル分布を示す。
図１は本発明に係る補正器９の概略図を示す。１番目の多極子１、２番目の多極子２および３番目の多極子３が、光軸１３に沿った光学経路７の方向に配置されている。さらに３つの多極子４、５、６が対称平面８の下流側に続いており、これらは多極子１、２、３に関して対称であり、さらに対称平面８に関して等しく対称に配置されている必要がある。したがって、多極子１は多極子６に対応し、多極子２は多極子５に対応し、多極子３は多極子４に対応する。
二重多極子１０は対称平面８内に配置されており、対称平面８の上流側の１番目の多極子要素１１と、これと隣り合う、対称平面８の下流側の２番目の多極子要素１２とを有する。
図２は、本発明の基本的アイデアに必要な場を有する補正器９の光学経路、および、本発明のさらなる改善に関する場をさらに示す。
図には、互いに垂直な２つの平面、すなわち、ｘ面およびｙ面が、軸上基準軌道ｘαおよびｙβならびに軸外基準軌道ｘγおよびｙδの光学経路とともに示されている。したがって基準軌道ｘαおよびｘγはｘ面内に延び、基準軌道ｙβおよびｙδは光軸１３に沿ってｘ面に垂直なｙ面内に延びている。図２はさらに多極子１、２、３、４、５、６および二重多極子１０により形成される場を示す。光学経路は矢印７の方向に延び、光軸１３は垂直方向の目盛の「０」を通って延びている。
したがって、１番目の多極子１、２番目の多極子２、５番目の多極子５および６番目の多極子６は、磁気的なまたは電気的な４極子場１’、２’、５’、６’またはその両方の組み合わせであってよい４極子場１’、２’、５’、６’を形成するように設計されている。このために、これらの多極子１、２、５、６は、光軸１３に関して軸方向に対称に配置された、少なくとも４つの電磁石および／または４つの電極を有しなければならない。別の実施形態において、これらは同様に他の場を形成する必要があり、したがって、従来の１２極子要素２２として適切に形成される（図５および６参照）。
３番目の多極子３および４番目の多極子４は、概して同様に１２極子要素２２（図４および５参照）として設計されており、これらは電気的および磁気的な４極子場３’、４’を形成可能であり、ここでは、例えば電磁石の軟鉄芯が同時に電極として用いられる。したがって、３番目の多極子３および４番目の多極子４は、これらが上述の色補正を実行可能であるように協働する、重畳した磁気的および電気的４極子場３’、４’を形成するように、電磁石に対して電流が印加されるか、または、電極に対してポテンシャルが印加される。
全６つの多極子１、２、３、４、５、６は８極子場１’’、２’’、３’’、４’’、５’’、６’’を形成し、ここでは、電子に作用する力の方向は、基本面ｘ、ｙ内で上述の４極子場１’、２’、３’、４’、５’、６’に関して９０°回転されている（これに関して図６ａおよび６ｃを参照）。
全６つの多極子１、２、３、４、５、６は、さらに、８極子場１’’’、２’’’、３’’’、４’’’、５’’’、６’’’を形成し、ここでは、基本面ｘ、ｙ内での上記４極子場１’、２’、３’、４’、５’、６’に関して同一の方向で電子に力が作用する（図６ａおよび６ｃを参照）。
間に対称平面８が存在する隣接した多極子要素１１および１２を有し、多極子３および４の間に位置する二重多極子１０は、１番目および２番目の８極子場１１’および１２’を生成し、ここでは、４極子場１’、２’、３’、４’、５’、６’におけるものと同一の方向に電子に力が作用する。１番目の多極子要素１１はさらに第３の８極子場１１’’を生成し、２番目の多極子要素１２は第４の８極子場１２’’を生成し、これらは、４極子場１’、２’、３’、４’、５’と比較して光軸１３に関して９０°回転された方向に電子に力を作用させる。第３および第４の８極子場１１’’および１２’’はしたがって互いに対して４５°回転され、したがって、図中の光軸１３と対称平面８との交差点に関して点対称である。
３番目および４番目の多極子３および４、ならびに、二重多極子１０の２つの多極子要素１１および１２は、最終的に１２極子場３’’’’、４’’’’、１１’’’’および１２’’’’を生成し、ここで最後に述べた１１’’’’および１２’’’’は対称平面８に関して鏡面対象である。
軸上基準軌道ｘα、ｙβが３番目および４番目の多極子３および４の領域にのみ最大１４および１５を有するように光軸１３に向かう集光放射は、軸上基準軌道ｘα、ｙβおよび軸外基準軌道ｘγ、ｙδの４極子場１’、２’、３’、４’、５’により形成される光学経路にとって、基本的に重要である。１番目の４極子場１’は、したがって、分岐する軸上基準軌道ｘα、ｙβおよび軸外基準軌道ｘγ、ｙδを有する円形ビームを形成させる。２番目の４極子場２’は、軸上基準軌道ｘαにおいてより強い上昇を生じ、軸外基準軌ｙδにおいて降下を生じる。第３の４極子場３’において軸上基準軌道ｘαの最大１４が存在し、これはその後再び降下し、４番目の４極子場４’において最大１５を有するように軸上基準軌道ｙβにおいてより大きく上昇する。
対称平面８の下流側では、軸上基準軌道ｘαおよびｙβが、基準軌道ｘαおよびｙβが対称平面８において交差するという、基準軌道ｘαおよびｙβの間の交換対象のタイプの鏡面対象で延びている。軸外基準軌道ｘγ、ｙδはおよそ、光軸１３と対象面８との間の交差点に関して点対称の交換対象を形成する。補正器の終端において、軸上基準軌道ｘα、ｙβおよび軸外基準軌道ｘγ、ｙδは再び合流し、１つの円形ビームを形成する。
補正器９は、まずは、上記従来の色収差補正を達成し、ここでは、４極子が３’および４’が協働する磁気的および電気的４極子場３’、４’として設計されている。
さらに、補正器９自体により生じる開口収差および軸外収差の補正が行われ、ここで、４極子場１’、２’、３’、４’、５’、６’と同じ配向を有する３番目および４番目の多極子３、４の８極子場３’’’、４’’’が、中央の８極子場とともにこの補正を行う。上述のＤＥ４２０４５１２Ａ１の補正器は、本発明に係る補正器９の中央の８極子場が、二重多極子１０の２つの隣接する８極子場１１’、１２’から構成されていることにおいて単に異なっている。
本発明に係る、アジムスコマの補正の機能は、他の収差の発生を実質的に防ぐものであるが、８極子場１’’、２’’、３’’、４’’、５’’、６’’、１１’’、１２’’により実現され、これは基本面ｘ、ｙ内で４極子場１’、２’、３’、４’、５’、６’に関して９０°回転された方向に電子に力を作用させる。これらは多極子１、２、３、４、５、６の８極子場１’’、２’’、３’’、４’’、５’’、６’’、ならびに、二重多極子１０の多極子要素１１、１２の３番目および４番目の８極子場１１’’、１２’’である。
光軸１３に関する電子ビームｘα、ｙβ、ｘγ、ｙδの集光放射の微調整によるさらなる補正を可能とする本発明の別の実施形態に関して、上記の説明が参照される。
本発明の別の実施形態では、１番目、２番目、５番目、６番目の多極子１、２、５、６はさらに光軸１３に対して８極子場１’’’、２’’’、３’’’、４’’’、５’’’、６’’’を生成し、これは、光軸１３に関して、４極子場１’、２’、３’、４’、５’、６’に対応し、したがって、基本面ｘ、ｙ内で電子に作用する力に関して、二重多極子の１番目のおよび２番目の８極子場１１’’および１２’’にも対応するように配向されている。（上述の８極子場１’’、２’’、３’’、４’’、５’’、６’’は、これに対して２２．５°回転されており（図６ｂおよび６ｃ）、これは光軸１３に関して９０°の回転でもって基本面ｘ、ｙ内で力が電子に作用する、変えられた方向に対応する。）これら全ての８極子場１’’’、２’’’、３’’’、４’’’、５’’’、６’’’および二重多極子１０の１番目および２番目の８極子場１１’、１２’は、他の３次の非円形コマ様収差を除くために用いられる。
別の適した実施形態では、３番目および４番目の多極子３、４ならびに二重多極子１０の１２極子場３’’’、４’’’、１１’’’、１２’’’が、５次以下の全ての軸上収差を補正するために用いられる。
これら全ての補正に関して、収差補正それぞれは、逆に、弱められた形ではあるが他の収差を生じることに留意しなければならない。このため、その後の補正が必要である。したがって、先に述べたように、上述の繰り返し方法により許容される大きさの最小の収差に達するように、全ての補正工程を連続的に何度も繰り返す必要がある。
ｘ面において基準軌道ｘαおよびｘγについて、かつ、ｙ面において基準軌道ｙβおよびｙδについて、互いに対して垂直に延びる面ｘ、ｙは、当然に、ビームの変形を例示するためにのみ用いられており、ビームの変形は３次元のものとして想像されなければならない。非円形の場に関し、この場合は光学系においてシリンダ状レンズに似ており、反作用するシリンダ状レンズを配置することにより光学経路において生成された歪みをこの光学系により除くことができる。したがって、この歪みは色収差および開口収差、シェルツァー定理に基づく電子ビームの他の収差をも補正するために用いられる。
図３は、透過電子顕微鏡の部分概略図を示す。光学経路７には、集光レンズ１９、１９’が光軸１３に沿ったビーム源１８の下流側の最初に設けられており、その後に、対象２１が、次いで対物レンズ２０が設けられている。これらの下流側には、転送レンズ１６、１７および補正器９が設けられている。上述のように、補正の質は、転送レンズ１６、１７の調整と、補正器９および転送レンズ１６、１７の設定の繰り返しとによりさらに改善することができる。投影レンズ２７およびその後に続く映像面２８は補正器９の下流側に位置する。
図４は、１２極子要素２２として設計された多極子要素の概略図を示し、１２極子は、たとえば、多極子１、２、３、４、５、６または二重多極子１０の多極子要素１１、１２の１つである。１２極子２２’２２’’は光軸１３の周囲に軸対象に配置されている。
１２極子要素２２が１２極子場３’’’、４’’’、１１’’’、１２’’’の生成のために用いられるとき、極２２’、２２’’は連続的に交互に、磁場を生成するＮ極およびＳ極として形成され、または、電場を生成する正または負に荷電した電極として形成される。
電場と磁場との組み合わせが生成される場合、電圧が印加される電極として電磁石の軟鉄芯が同時に用いられる。４極子場１’、２’、３’、４’、５’、６’が生成される場合、３つの極２２’、２２’’’が各場合（すなわち同じ極性または電荷を有する磁石または電極の場合）において組み合わされ、３つのグループは、交替的に、Ｓ極とＮ極または正または負にそれぞれ荷電された電極である。これに関して、電場と磁場とが重畳されても良い。電磁場３’、４’を用いた色収差補正に関連して、このような重畳は、上述のようなウイーンフィルタのような協働として用いることができる。このような協働は場の強化の形で実現されてもよい。
これに対して、（例示のように）８極子場を生成すべき場合、極２２’、２２’’は、「＋」と「−」の符号で示されているように、交互である必要がある。このとき、２つの正に荷電された極２２’および１つの負に荷電された極２２’’が交互に連続して配置されており、負の電荷（２つの「−」符号で表す）が、好ましくは歪みのない８極子場を得るためには、相応に強められなければならない。同じことが磁気的な８極子場の生成にも相応に当てはまる。上述の交互のならびは、逆の電荷でも行うことができる。
単一の１２極子要素２２により生成された４極子場、８極子場、１２極子場などの重畳された場は、各極２２’、２２’’（すなわち、電磁石または電極）における電流または電圧の足し合わせにより得られる。このやり方で、全ての上述の場の重畳が実現される。
図５は１２極子要素２２による異なる場の生成を明確かつ概略的に示す。
したがって、異なる極の割り当ては同心円上に配置された数により示され、ここで、電極の正の電荷または磁極のＳ極は符号で示されず、電極の負の電荷または磁極のＮ極は「−」で示し、極が無いものは「０」で示すことにより割り当てている。
最も内側の同心円は、１つの電気的４極子場についてのポテンシャル分布２３を示し、その次の同心円は磁気的な１つの４極子場のポテンシャル分布２４を示す。
両方の極の割り当て２３および２４は協働する電磁気的４極子として設計可能である。
更に外側の同心円のポテンシャル分布２５は、２２．５°回転された１つの磁気的８極子または電気的８極子のいずれかを示している。これは、電磁石においては場に対して垂直に力が作用し、電極においては場に平行に力が作用するという事実による。このため、８極子は同一の極の割り当てで２２．５°相互に回転されている。
更に外側の同心円のポテンシャル分布２６は相応に、その後のものに対して２２．５°回転された１つの電気的または磁気的８極子の極の割り当てのいずれかを示す。
異なるポテンシャル分布２３、２４、２５または２６の極の割り当てが足し合わされると、重畳された場が生成される。
図６ａ，６ｂ，６ｃは磁気ポテンシャル線の例を用いた異なる場のポテンシャル分布を示す。図６ａはしたがって４極子場のポテンシャル線を示し、図６ｂは同一配向の８極子場のポテンシャル線を示す。同一の配向は、図６ａによる４極子場が図６ｂの８極子場と同じ方向において基本面内で電子に力を作用させる。
これに対して、図６ｃの８極子場は、図６ｂの８極子場に対して２２．５°回転されている。これは、図６ｃの８極子場の基本面ｘ、ｙ内で電子に力が作用する方向は、図６ｂの８極子場に対して９０°回転されていることを意味する。
１、２、３、４、５、６ 多極子、 １’、２’、３’、４’、５’、６’ 多極子１、２、３、４、５、６の４極子場（一点破線）、 １’’、２’’、３’’、４’’、５’’、６’’ 多極子１、２、３、４、５、６の８極子場（基本面ｘ、ｙ内で４極子場に関して９０°回転された方向において電子に作用する力を含む）（破線）、 １’’’、２’’’、３’’’、４’’’、５’’’、６’’’ 多極子１、２、３、４、５、６の８極子場（４極子場におけるものと基本面ｘ、ｙ内で同一方向に電子に作用する力を含む）（実線）、 ３’’’’、４’’’’ 多極子３、４の１２極子場（破線）、 ７ 光学経路、 ８ 対称平面、 ９ 補正器、 １０ 二重多極子、 １１、１２ 二重多極子１０の多極子要素、 １１’ 二重多極子の１番目の８極子場（４極子場と同様の基本面内で電子に作用する力の方向）（実線）、 １２’ 二重多極子の２番目の８極子場（４極子場と同様の基本面内で電子に作用する力の方向）（実線）、 １１’’ 二重多極子の第３の８極子場（４極子場に関して９０°回転された方向において基本面内で電子に作用する力の方向）（破線）、 １２’’ 二重多極子の第４の８極子場（４極子場に関して９０°回転された方向において基本面内で電子に作用する力）（破線）、 １１’’’、１２’’’ 二重多極子の１２極子場（点線）、 １３ 光学軸、 １４ 軸上基準軌道ｘαの最大、 １５ 軸上基準軌道ｙβの最大、 １６、１７ 転送レンズ、 １８ ビーム源、 １９、１９’ 集光レンズ、 ２０ 対物レンズ、 ２１ 対象、 ２２ １２極子要素、 ２２’ 電磁石および／または電極として形成された極（正に荷電された電極のＳ極）、 ２２’’ 電磁石および／または電極として形成された極（負に荷電された電極のＮ極）、 ２３ 電気的４極子場のポテンシャル分布、 ２４ 磁気的４極子場のポテンシャル分布、 ２５ 互いに２２．５°回転された磁気的８極子場または電気的８極子場のポテンシャル分布、 ２６ 互いに２２．５°回転された電気的８極子場または磁気的８極子場のポテンシャル分布、 ２７ 投影レンズ、 ２８ 映像面、 ｘ、ｙ 基本面、 ｘα、ｙβ 軸上基準軌道、 ｘγ、ｙδ 軸外基準軌道

Claims (14)

  1. ６つの多極子（１、２、３，４、５、６）を有する、電子顕微鏡における色収差および開口収差を補正するための補正器（９）であって、
    前記６つの多極子（１、２、３，４、５、６）は、光学経路（７）に順に、対称平面（８）に関して対称に配置されており、最初の３つ（１、２、３）は対称平面（８）の上流側に配置され、次の３つ（４、５、６）は対称平面（８）の下流側に配置され、その全ては４極子場（１’、２’、３’，４’、５’、６’）および８極子場の生成に用いられ、
    前記全６つの多極子（１、２、３，４、５、６）の４極子場（１’、２’、３’，４’、５’、６’）は順に、互いに対して９０°回転されており、かつ、これらは、場の強さに関して、光軸（１３）と対称平面（８）との交差点に関して点対称であり、
    鏡面としての対称平面（８）に関する軸上基準軌道ｘα、ｙβの交換対称性が該交換のために形成され、
    軸上基準軌道（ｘα、ｙβ）および軸外基準軌道（ｘγ、ｙδ）の両方が前記補正器（９）の端部において再び集光され、
    ３番目の多極子（３）および４番目の多極子（４）の、電場および磁場（３’、４’）の形態の４極子場３’、４’の協働により色収差が補正され、基本面（ｘ、ｙ）内で４極子場（１’、２’、３’，４’、５’、６’）と同一の力で電子に作用する８極子場（３’’’、４’’’）の調節により、補正器（９）自体により生じる開口収差および軸外収差が補正される、補正器（９）において、
    軸上基準軌道（ｘα、ｙβ）が３番目および４番目の多極子（３、４）の領域においてのみ最大（１４、１５）を有するように電子ビームが光軸（１３）に関して集光するよう照射され、二重多極子（１０）が２つの中央の多極子（３、４）の間に配置され、かつ、二重多極子（１０）が対称平面（８）の上流側の１番目の多極子要素（１１）と対称平面（８）の下流側の隣接する２番目の多極子要素（１２）とを有するように、前記補正器（９）は光学経路（７）に配置され、
    これらの多極子要素（１１、１２）は４極子場（１’、２’、３’，４’、５’、６’）と同じ方向に基本面（ｘ、ｙ）内で電子に力を作用させる１番目および２番目の８極子場（１１’、１２’）を形成し、
    １番目の多極子要素（１１）はさらに３番目の８極子場（１１’’）を形成し、２番目の多極子要素（１２）はさらに４番目の８極子場（１２’’）を形成し、これらの８極子場（１１’’、１２’’）は異なる極性を有し、かつ、基本面（ｘ、ｙ）内で光軸（１３）に関して９０°回転され、かつ、１番目および２番目の８極子場（１１’、１２’）に相対的な方向に電子に力を作用させ、
    第３および第４の多極子（３、４）は、光軸（１３）と対称平面（８）との交差点に関して鏡面対称であり、かつ、二重多極子（１０）の１番目および２番目の８極子場（１１’、１２’）に対応する方向の力でもって基本面（ｘ、ｙ）内で電子に作用するが、これに相対的に４５°回転されている８極子場（３’’’、４’’’）を形成し、６つの多極子（１、２、３、４、５、６）は８極子場（１’’、２’’、３’’，４’’、５’’、６’’）を形成し、該８極子場は、二重多極子（１０）の３番目および４番目の８極子場（１１’’、１２’’）に対応して、光軸（１３）に関して９０°回転された方向において基本面（ｘ、ｙ）内で電子に力を作用させ、かつ、場の強さおよび符号に関して光軸（１３）と対称平面（８）との交差点に関して点対称であり、
    前記のように電子に作用する力の方向に関して９０°回転されている８極子場（１’’、２’’、３’’，４’’、５’’、６’’）の極および場の強さの調整が、他の収差の発生を実質的に妨げるために、アジムスコマの補正に用いられる、
    ことを特徴とする補正器。
  2. 全ての３次の非円形コマ様収差が防がれるように、光軸（１３）方向の電子ビームの集光照射に関して微調整が行われる、請求項１記載の補正器。
  3. ５次のロゼット収差が排除されるように、光軸（１３）方向の電子ビームの集光照射に関して微調整が行われる、請求項１記載の補正器。
  4. ５次の円形開口収差が所望の画像のために最適化されるように、電子ビームの集光照射に関して微調整が行われる、請求項１記載の補正器。
  5. １番目、２番目、５番目、６番目の多極子（１、２、５、６）は、さらに、光軸（１３）に関する配向性を有する８極子場（１’’’、２’’’、５’’’、６’’’）を形成し、該８極子場は、基本面（ｘ、ｙ）内で電子に作用する力に関して二重多極子（１０）の１番目および２番目の８極子場（１１’、１２’）に対応し、かつ、これらの８極子場（１’’’、２’’、５’’’、６’’’）が３次の非円形のコマ様収差を排除する、請求項３又は４記載の補正器。
  6. 二重多極子（１０）および３番目および４番目の多極子（３、４）は、５次以下の全ての軸上収差を補正するための１２極子場（１１’’’、１２’’’、３’’’’、４’’’’）を形成する、請求項１から５のいずれか１項記載の補正器。
  7. 円形レンズとして形成された２つの転送レンズ（１６、１７）が補正器（９）の対象物側に接続されている、請求項１から６のいずれか１項記載の補正器。
  8. 転送レンズ（１６、１７）の場は、高次の円形収差が排除されるように調整する、請求項７記載の補正器。
  9. 転送レンズ（１６、１７）の場は、３次のラジアルコマが排除されるように調整する、請求項７記載の補正器。
  10. ３番目の多極子（３）と４番目の多極子（４）および二重多極子（１０）の４極子場（３’、４’）および８極子場（３’’’，４’’’、１１’、１２’）の再調整は、４極子場（１’、２’、３’，４’、５’、６’）と同じ方向の、基本面（ｘ、ｙ）内で電子に作用する力を用いて可能であり、転送レンズ（１６、１７）の前記の調整により生じる１次の色収差および３次の開口収差は再び排除される、請求項７、８または９記載の補正器。
  11. 基本面（ｘ、ｙ）内で電子に作用する力の方向に関して４極子場（１’、２’、３’，４’、５’、６’）と比較して９０°回転されている８極子場（１’’、２’’、３’’，４’’、５’’、６’’、１１’’、１２’’）の再調整が、再び生じるコマの排除のために行われる、請求項１０記載の補正器。
  12. ３番目の多極子（３）、４番目の多極子（４）および二重多極子（１０）の１２極子場（３’’’’、４’’’’、１１’’’、１２’’’）の再調整を、転送レンズ（１６、１７）および前記の再調整により再び生じる高次のコマを排除するために、行うことができる、請求項１１記載の補正器。
  13. 再び生じる１次の色収差、３次の開口収差および高次の収差を排除するために、４極子場（３’、４’）および８極子場（３’’’，４’’’、１１’、１２’）が再調整を行うことができ、前記のように電子に力が作用する方向に関して９０°回転されている８極子場（３’’’，４’’’、１１’、１２’）がアジムスコマを補正するために再調整可能であり、電子ビームの照射が再調整を行うことができ、１２極子場（３’’’’、４’’’’、１１’’’、１２’’’）が続いて５次の収差を排除するために再調整を行うことができ、
    それぞれの従前の再調整により逆に生じる収差を、これらが所望の画像化のために許容される程度まで低減されるように、低減するために、前記の工程における繰り返しの調整を行うことができる、請求項１２記載の補正器。
  14. 請求項１から１０のいずれか１項記載の補正器（９）を備えた電子ビームの補正を特徴とする、透過電子顕微鏡。
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