JP5452722B2

JP5452722B2 - 収差補正装置およびそれを用いた荷電粒子線装置

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Description

本発明は、回転対称レンズである対物レンズの球面収差を補正するための収差補正装置及びそれを用いた荷電粒子線装置に関する。

走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）や走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）など電子顕微鏡においては、電子線を収束するために電場あるいは磁場を用いた電子レンズが不可欠である。電子レンズとして最も良く用いられるのは、回転対称な電磁界を用いた球面レンズとして作用するレンズである。このような回転対称電子レンズでは正の球面収差が不可避であることが知られている。したがって、回転対称電子レンズを組み合わせても負の球面収差を作ることは不可能であるため、光学における凹／凸組レンズによる球面収差補正はできず、従来の電子顕微鏡装置においては球面収差が実質的な分解能を決める主要因となっている。

一方、この電子レンズの球面収差は非回転対称な多極子レンズの組み合わせにより、原理的に補正可能であることが指摘されているが、これら多極子補正器は多段の４極、６極、８極子などを用いるため構造が複雑である。

収差補正装置の１つに、多極子レンズで６極場を発生させて回転対称レンズの球面収差を補正するものがある。球面収差補正の原理は以下の通りである。一般的に対物レンズの正の球面収差に対して、多極子レンズにより６極場を発生させることで、負の球面収差を作り出し、対物レンズの球面収差を打ち消す。また６極場の強度を変化させることで、負の球面収差を制御することができるので、電子顕微鏡に搭載されているレンズ、すなわち対物レンズや照射レンズ、投影レンズなどを含めた光学系全体の球面収差を任意の量に制御することができる。ただし、６極場は２次の収差を発生させるため、２つの多極子レンズの間に２つの回転対称レンズである転写レンズを配置し、多極子レンズ間の電子ビームの軌道を反転させることにより、６極場の２次の収差を打ち消すことができる。

例えば、特許文献１には、このような電子顕微鏡の回転対称レンズの球面収差を補正する装置に関して開示されており、図１はその概略図である。図１において、各電子レンズは光学レンズのように図示されているが、これは図示を簡略化するためであり、実際には磁界を用いる電子レンズとなっている。

収差補正装置１には、多極子レンズ２及び３の間に回転対称レンズである転写レンズ４及び５が配置され、多極子レンズ２と対物レンズ６の間には２つの回転対称レンズである転写レンズ７及び８が配置される。回転対称レンズである転写レンズの焦点距離は全て同じｆであり、回転対称レンズである転写レンズ７及び８間の距離は２ｆ、多極子レンズ２と回転対称レンズである転写レンズ４及び８間の距離はどちらもｆ、回転対称レンズである転写レンズ４及び５間の距離は２ｆ、多極子レンズ３と回転対称レンズである転写レンズ５間の距離はｆとなっている。従来、電子顕微鏡で高分解能観察を行う際、試料位置９は回転対称レンズである対物レンズ６内に存在し、回転対称レンズである対物レンズ６の焦点距離は数ｍｍと非常に強励磁で使用する。軸上軌道１０は試料と光軸の交点を通り、光軸に対してある角度を持った電子線の軌道であり、多極子レンズ２に対して光軸と平行に入射させる。その後、回転対称レンズである転写レンズ４及び５によって軌道を反転させ、多極子レンズ３に対しても光軸と平行に入射させる（球面収差補正条件）。上記のように多極子レンズ２及び３と回転対称レンズである転写レンズ４及び５を配置することで、この球面収差補正条件を満たすことができる。また、多極子レンズ２及び３の励磁を同じにすることで、２次の収差を打ち消すことができる。すなわち、回転対称レンズである対物レンズ６の球面収差と逆符号で半分の量の球面収差を２つの多極子レンズ２及び３の６極場でそれぞれ与えることにより、２次の収差を打ち消しつつ、回転対称レンズである対物レンズの球面収差を補正することができる。

また、図１の収差補正装置は軸上コマ収差を補正する構成となっている。回転対称レンズには軸上コマ収差がない面があり、これをコマフリー面と呼ぶ。このコマフリー面は通常、回転対称レンズの後ろ焦点面付近に存在するため、試料位置９を回転対称レンズである対物レンズ６内に配置し、回転対称レンズである対物レンズ６を強励磁で使用する高分解能観察を行う場合、回転対称レンズである対物レンズ６のコマフリー面１１は回転対称レンズである対物レンズ６の数ｍｍ後ろに存在することになる。このとき回転対称レンズである対物レンズ６のコマフリー面１１と回転対称レンズである転写レンズ７の距離をｆとすることで、コマフリー面１１を回転対称レンズである転写レンズ７のコマフリー面に転写することができる。

図１の構成によれば、同様の原理でコマフリー面１１を回転対称レンズである転写レンズ８、４及び５のコマフリー面に転写することができる。多極子レンズのコマ収差は多極子レンズの中心を通る軌道で、かつ２つの多極子レンズ２及び３の間の中心で軌道が対称になることで打ち消すことができる（コマフリー面転写条件）。図１においては対物レンズ６のコマフリー面１１を通る軸外軌道１２は多極子レンズ２及び３の中心を通り、２つの多極子レンズ２及び３の間の中心で軌道を対称にすることで、コマフリー面を転写し、軸上コマ収差を補正している。

以上のように図１の構成では、収差補正装置１の後半部分である多極子レンズ２及び３の間において軸上軌道１０によって球面収差補正条件を満たし、収差補正装置１の前半部分である対物レンズ６から多極子レンズ２の間において軸外軌道１２によってコマフリー面転写条件を満たす球面収差補正装置となっている。

特許文献２には別の構成によって球面収差を補正することが開示されており、図２はその概略図である。収差補正装置１の後半部分である多極子レンズ２及び３間の構成は前述の図１と同じであるが、収差補正装置１の前半部分である回転対称レンズである対物レンズ６と多極子レンズ２の間の構成が図１とは異なる。

図２においては、回転対称レンズである転写レンズ７及び８の焦点距離をそれぞれｆ_１、ｆ_２とし、回転対称レンズである対物レンズ６のコマフリー面１１と回転対称レンズである転写レンズ７間の距離をｆ_１、回転対称レンズである転写レンズ７及び８間の距離をｆ_１＋ｆ_２、回転対称レンズである転写レンズ８と多極子レンズ２間の距離をｆ_２としている。軸上軌道１０は収差補正装置１の後半部分が前述の図１と同じ構成なので、同じ原理により球面収差補正条件を満たしている。また、収差補正装置１の前半部分は前述の図１と構成は異なるが、回転対称レンズである転写レンズ７及び８を焦点距離の位置に配置することにより、軸外軌道１２はコマフリー面転写条件を満たしている。

図２の収差補正装置の特徴としては、球面収差の微調整のしやすさが挙げられる。焦点合わせなどで回転対称レンズである対物レンズ６の焦点距離を変化させたとき、回転対称レンズである対物レンズ６の球面収差とコマフリー面１１が微小変化するため、図１の構成では全ての回転対称レンズの焦点距離ｆを調整しなければならない。しかし、図２の構成で回転対称レンズである対物レンズ６の球面収差補正を微調整する場合、回転対称レンズである転写レンズ７及び８の焦点距離ｆ_１、ｆ_２を微調整することで、多極子レンズ２を通る軸上軌道１０の位置は変化しないため、回転対称レンズである転写レンズ４及び５の焦点距離ｆ及び多極子レンズ２及び３の励磁を変化させずに球面収差を補正することができる。よって、図２の構成によれば、回転対称レンズである転写レンズ７及び８の位置と焦点距離ｆ_１、ｆ_２を微調整することで球面収差補正条件とコマフリー面転写条件を満たすことができ、球面収差補正の微調整がしやすくなるという効果が期待できる。

図１及び２はＴＥＭ観察時の光学系であり、電子線は対物レンズ６側から入射し、多極子レンズ３側から投影レンズへ出射する。ＳＴＥＭ観察の場合、ＴＥＭ観察の場合とは電子線の入射方向を逆に考え、電子線は多極子レンズ３側から入射し、対物レンズ６から投影レンズへ出射するが、球面収差補正条件及びコマフリー面転写条件は上記ＴＥＭ観察の場合と同じであるため、軸上軌道１０及び軸外軌道１２は図１及び２と同じである。

特開平３−２９５１４０号公報特表２００２−５１０４３１号公報

上述のように、従来の球面収差補正装置は電子線の入射方向に対して、ＴＥＭ観察時は対物レンズ、収差補正装置の順で、ＳＴＥＭ観察時は収差補正装置、対物レンズの順で配置しなければならない。すなわちＴＥＭ／ＳＴＥＭ装置においては、電子線の入射方向に対して、ＳＴＥＭ用収差補正装置、対物レンズ、ＴＥＭ用収差補正装置の順で配置する必要がある。

しかしながら、上述の図１及び図２のように、ＴＥＭ用収差補正装置とＳＴＥＭ用収差補正装置の構成は全く同じであり、同じ構成で向きを変えた２つの収差補正装置の間に１つのＴＥＭ／ＳＴＥＭ用対物レンズを配置することで、ＴＥＭ／ＳＴＥＭそれぞれの収差補正を行っている。

また、収差補正装置は図１及び２のように、２つの多極子レンズと４つの回転対称レンズである転写レンズを使用しているため、制御が複雑である。ＴＥＭ／ＳＴＥＭの収差補正を行う場合は、制御するレンズの数は倍となり、レンズ電源の数も増える。収差補正装置はＴＥＭ／ＳＴＥＭでそれぞれ独立に制御するものの複雑である。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、ＴＥＭ／ＳＴＥＭで共用可能な収差補正装置およびそれを用いた荷電粒子線装置の提供を目的とする。

まず、ＴＥＭ／ＳＴＥＭで共用可能な収差補正装置を実現するために、収差補正装置をＴＥＭ用、ＳＴＥＭ用と分けるのではなく、回転対称レンズである対物レンズを２つ配置しＴＥＭ用、ＳＴＥＭ用と分ける。すなわち、電子線の入射方向に対して、ＴＥＭ用対物レンズ、収差補正装置、ＳＴＥＭ用対物レンズという配置にする。本ＴＥＭ／ＳＴＥＭ共用収差補正装置の構成は、２つの多極子レンズの間に２つの回転対称レンズである転写レンズを配置し、ＴＥＭ用対物レンズと多極子レンズの間に２つの回転対称レンズである転写レンズを配置するという構成までは従来の収差補正装置と同じだが、さらに多極子レンズとＳＴＥＭ用対物レンズの間に１つの回転対称レンズである転写レンズを追加する。

従来の収差補正装置の構成と同じにする場合、多極子レンズとＳＴＥＭ用対物レンズの間に追加する回転対称レンズである転写レンズは２つだが、本収差補正装置では１つとする。多極子レンズと回転対称レンズである対物レンズの間の回転対称レンズである転写レンズはコマフリー面を転写するものだが、ＳＴＥＭ観察の場合、軸上軌道のみを考えれば良いため、軸外軌道を考慮したコマフリー面の転写は必要なく、追加した１つの回転対称レンズである転写レンズは５次の球面収差補正条件に配置する。

ＴＥＭ観察時は、ＴＥＭ用対物レンズからＳＴＥＭ用対物レンズ側の多極子レンズまでのレンズをＴＥＭ用収差補正装置として使用し、収差を補正する。このとき、多極子レンズとＳＴＥＭ用対物レンズの間の１つの回転対称レンズである転写レンズは投影レンズとして使用し、ＳＴＥＭ用対物レンズは不使用、あるいは投影レンズとして使用する。

ＳＴＥＭ観察時は、ＳＴＥＭ用対物レンズからＴＥＭ用対物レンズ側の多極子レンズまでのレンズをＳＴＥＭ用収差補正装置として使用し、収差を補正する。このとき、多極子レンズとＴＥＭ用対物レンズの間の２つの回転対称レンズである転写レンズは照射レンズとして使用し、ＴＥＭ用対物レンズは不使用、あるいは照射レンズとして使用する。

すなわち、本収差補正装置は、ＴＥＭ用対物レンズとＳＴＥＭ用対物レンズの２つの対物レンズの間に配置され、ＴＥＭ用対物レンズあるいはＳＴＥＭ用対物レンズの収差を補正するための収差補正装置であって、ＴＥＭ用対物レンズ側に配置された第１の多極子レンズと、ＳＴＥＭ用対物レンズ側に配置された第２の多極子レンズと、第１及び第２の多極子レンズ間に配置され、ＴＥＭ用対物レンズのコマフリー面を第２の多極子レンズに転写するための第１の転写レンズ群と、第１の多極子レンズとＴＥＭ用対物レンズの間に配置され、ＴＥＭ用対物レンズのコマフリー面を第１の多極子レンズに転写するための第２の転写レンズ群と、第２の多極子レンズとＳＴＥＭ用対物レンズの間に配置され、５次の球面収差を補正するための第３の転写レンズを備える。そして、ＴＥＭ観察時は、第２の転写レンズ群、第１の多極子レンズ、第１の転写レンズ群、第２の多極子レンズを使用してＴＥＭ用対物レンズの収差を補正し、ＳＴＥＭ観察時は、第１の多極子レンズ、第１の転写レンズ群、第２の多極子レンズ、第３の転写レンズを使用してＳＴＥＭ用対物レンズの収差を補正することで、ＴＥＭ／ＳＴＥＭそれぞれの収差補正を可能としている。

ＴＥＭ観察の場合、試料はＴＥＭ用対物レンズ近傍のＴＥＭ用試料ステージに配置し、ＴＥＭ用対物レンズを強励磁にして観察する。収差補正に使用しない第３の転写レンズは投影レンズとして使用する。また、ＳＴＥＭ用対物レンズは不使用、あるいは弱励磁にして投影レンズとして使用する。

ＳＴＥＭ観察の場合、試料はＳＴＥＭ用対物レンズ近傍のＳＴＥＭ用試料ステージに配置し、ＳＴＥＭ用対物レンズを強励磁にして観察する。収差補正に使用しない第２の転写レンズ群は照射レンズ系として使用する。また、ＴＥＭ用対物レンズは不使用、あるいは弱励磁にして照射レンズとして使用する。
また、上述の構成を含む収差補正装置を備える荷電粒子線装置をも提供する。
さらなる本発明の特徴は、以下本発明を実施するための形態及び添付図面によって明らかになるものである。

従来はＴＥＭ用、ＳＴＥＭ用の２つの収差補正装置を使用して収差を補正していたが、本発明によれば、ＴＥＭ用対物レンズとＳＴＥＭ用対物レンズの間にＴＥＭ／ＳＴＥＭで共用可能な収差補正装置を配置することで、１つの収差補正装置でＴＥＭとＳＴＥＭのそれぞれの収差補正を行うことができる。対物レンズを１つ増やし、収差補正装置を１つ削減できるため、制御の複雑さが緩和され、コストも削減できる。

従来の多極子レンズと回転対称レンズである転写レンズを用いた収差補正装置のレンズ配置と電子線の軌道を示す模式図である。従来の多極子レンズと回転対称レンズである転写レンズを用いた他の収差補正装置のレンズ配置と電子線の軌道を示す模式図である。第１の実施例に係る収差補正装置の全体のレンズ配置を示す模式図である。第１の実施例に係る収差補正装置を用いてＴＥＭ観察を行う場合のレンズ配置と電子線の軌道を示す模式図である。第１の実施例に係る収差補正装置を用いてＳＴＥＭ観察を行う場合のレンズ配置と電子線の軌道を示す模式図である。第１の実施例に係る収差補正装置を含む透過電子顕微鏡（ＴＥＭ／ＳＴＥＭ）の構成図である。第１の実施例に係る収差補正装置の各レンズを制御するための構成を示す図である。

(実施例１)
以下、添付図面を参照して本発明に係る第1の実施例について説明する。ただし、本実施例は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。なお、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。

図３は、本実施例に係る収差補正装置の概略構成を示している。図３に示されるように、収差補正装置１では、多極子レンズ２及び３の間に回転対称レンズである転写レンズ４及び５が配置され、回転対称レンズであるＴＥＭ用対物レンズ６ａと多極子レンズ２の間に回転対称レンズである転写レンズ７及び８が配置され、回転対称レンズであるＳＴＥＭ用対物レンズ６ｂと多極子レンズ３の間に回転対称レンズである転写レンズ１３が配置されている。回転対称レンズである転写レンズ４及び５の焦点距離はどちらもｆであり、多極子レンズ２と回転対称レンズである転写レンズ４の距離、及び多極子レンズ３と回転対称レンズである転写レンズ５の距離はｆ、回転対称レンズである転写レンズ４及び５間の距離は２ｆである。回転対称レンズである転写レンズ７及び８の焦点距離はそれぞれｆ_１、ｆ_２であり、ＴＥＭ用対物レンズ６ａのコマフリー面１１と回転対称レンズである転写レンズ７の距離はｆ_１、回転対称レンズである転写レンズ７及び８間の距離はｆ_１＋ｆ_２、回転対称レンズである転写レンズ８と多極子レンズ２の距離はｆ_２である。多極子レンズ３と回転対称レンズである転写レンズ１３の距離、及び回転対称レンズである転写レンズ１３とＳＴＥＭ用対物レンズ６ｂの距離はそれぞれｌ_１、ｌ_２とする。また、ビームの開き角度を制限するための絞り装置やビームの軌道を調整する偏向子など本実施例の説明に主要ではない装置については、図３ないし５では省略している。

図４は本実施例に係る収差補正装置を用いた場合のＴＥＭ観察時の収差補正を実現する構成を示している。ＴＥＭ用試料ステージ９ａに試料を配置し、ＴＥＭ用対物レンズ６ａを強励磁（焦点距離は数ｍｍ）で使用し、収差補正装置１ａで収差を補正する。回転対称レンズである転写レンズ１３は投影レンズとして使用し、ＳＴＥＭ用対物レンズ６ｂは不使用、あるいは弱励磁（焦点距離は数十ｍｍ以上）にして投影レンズとして使用する。

図４に示されるように、ＴＥＭ用試料ステージ９ａに配置した試料と光軸の交点から光軸に対してある角度を持った軸上軌道１０は、多極子レンズ２及び３に対して光軸と平行に入射し、回転対称レンズである転写レンズ４及び５によってビームの軌道が反転している。このようにビームが多極子レンズ２及び３に入射すれば、前述した球面収差補正条件を満たすことができる。さらに、ＴＥＭ用対物レンズ６ａのコマフリー面１１を通る軸外軌道１２は多極子レンズ２及び３の中心に投影されるような軌道となっている。このようなビームの軌道の場合、前述したコマフリー面転写条件を満たすことができる。

図５は本実施例に係る収差補正装置を用いた場合のＳＴＥＭ観察時の収差補正を実現する構成を示している。ＳＴＥＭ用試料ステージ９ｂに試料を配置し、ＳＴＥＭ用対物レンズ６ｂを強励磁（焦点距離は数ｍｍ）で使用し、収差補正装置１ｂで収差を補正する。回転対称レンズである転写レンズ７及び８は照射レンズ系として使用し、ＴＥＭ用対物レンズ６ａは不使用、あるいは弱励磁（焦点距離は数十ｍｍ以上）にして照射レンズとして使用する。

ＳＴＥＭ観察の場合、ビームを試料面上に集光してビームスポットを作り、そのビームスポットをある領域で走査し、試料を透過した電子を検出することで結像する。すなわち、ＳＴＥＭ観察における分解能は試料面上のビームスポットの大きさに依存し、ビームスポットの大きさは収差（通常は対物レンズの球面収差）によって制限される。したがって、対物レンズの球面収差を収差補正装置で補正するという点はＴＥＭと同じだが、ＳＴＥＭの場合はビームスポットに寄与する軌道、すなわち図５の軸上軌道１４のみを考えれば良く、図４の軸外軌道１２に相当する軌道は考慮しなくても良い。軸上軌道１４はＳＴＥＭ用試料ステージ９ｂに配置した試料と光軸の交点から光軸に対してある角度を持った軌道であり、前述したＴＥＭ観察時の軸上軌道１０（図４）と同じ理由で、球面収差補正条件を満たしている。

図５における回転対称レンズである転写レンズ１３は、図４における回転対称レンズである転写レンズ４及び５に相当する。すなわち、図４のＴＥＭ観察においては回転対称レンズ４及び５をコマフリー面の転写に使用したが、図５のＳＴＥＭ観察においては、上述したように、コマフリー面を転写する軸外軌道を考慮しなくても良いため、回転対称レンズである転写レンズ１３は別の条件、５次の球面収差補正条件で使用する。理由は以下の通りである。

回転対称レンズである転写レンズ１３の焦点距離を変えると、ＳＴＥＭ用対物レンズ６ｂの倍率が変わるため、ＳＴＥＭ用対物レンズ６ｂの物面上の球面収差係数が変化する。物面上の球面収差係数とは、倍率を考慮した球面収差係数のことである。特に対物レンズは強励磁で使用するため、倍率が大きくなり、物面上の球面収差係数が大きくなる。これに対し、照射レンズや投影レンズは低励磁で使用するため、倍率は小さく物面上の球面収差係数は小さい。電子顕微鏡の分解能を制限する主要因が対物レンズの球面収差であるのはこのためである。よって、回転対称レンズである転写レンズ１３の焦点距離（励磁）を変化させると、球面収差を制御することができる。球面収差は多極子レンズ２及び３の励磁変化によって制御可能なので、回転対称レンズである転写レンズ１３の励磁変化によって制御する球面収差は５次の球面収差が望ましい。通常、対物レンズの球面収差と言う場合、３次の球面収差のことを指す。多極子レンズ２及び３で制御する負の球面収差も３次の球面収差である。３次の球面収差を補正した場合、分解能を制限するのは色収差や５次の収差である。色収差は本実施例の収差補正装置では制御できないが、５次の収差のうち、５次の球面収差は上記の回転対称レンズである転写レンズ１３の励磁を変化させることで制御することができる。５次の球面収差補正条件は、回転対称レンズである転写レンズ１３の励磁及びその位置によって決まる。回転対称レンズである転写レンズ１３の焦点距離をｆ_３、多極子レンズ３と回転対称レンズである転写レンズ１３の距離をｌ_１、回転対称レンズである転写レンズ１３とＳＴＥＭ用対物レンズ６ｂの距離をｌ_２とすると、５次の球面収差補正条件は以下の式を満たす必要がある。

ここで、Ｔは光軸方向に対する多極子レンズの極子の厚さである。このように５次の球面収差補正条件は、回転対称レンズである転写レンズ１３の焦点距離で制限されるため、回転対称レンズである転写レンズ１３の位置はある程度自由に選択することができる。しかしながら、回転対称レンズである転写レンズ１３の位置は５次の非点収差を制限する。５次の非点収差とは、５次の収差のうちの１つで、５次の球面収差及び３次以下の収差を補正した場合、分解能を制限する要因となる。この５次の非点収差は本実施例に係る収差補正装置では補正できず、収差補正装置の構成によってその大きさが決まる。５次の非点収差係数Ａ_５は以下の式で求められる。

ここで、ｆ_ＯＢＪ、Ｃ_Ｓはそれぞれ回転対称レンズである対物レンズの焦点距離と対物レンズの球面収差係数である。このように５次の非点収差係数Ａ_５は回転対称レンズである転写レンズ１３の焦点距離ｆ_３で制限される。すなわち、（１）式を（２）式に代入すると、５次の非点収差係数は多極子レンズ３と回転対称レンズである転写レンズ１３の距離ｌ_１と、回転対称レンズである転写レンズ１３とＳＴＥＭ用対物レンズ６ｂの距離ｌ_２に依存することがわかる。したがって、５次の非点収差係数が小さくなるように回転対称レンズである転写レンズ１３の位置を決める必要がある。５次の非点収差を小さくするには、多極子レンズ３と回転対称レンズである転写レンズ１３の距離ｌ_１を大きくし、回転対称レンズである転写レンズ１３とＳＴＥＭ用対物レンズ６ｂの距離ｌ_２を小さくすれば良い。多極子レンズ３と回転対称レンズである転写レンズ１３の距離ｌ_１を大きくすると、収差補正装置の全長が長くなり、構造的に不安定になる。また、回転対称レンズである転写レンズ１３とＳＴＥＭ用対物レンズ６ｂの距離ｌ_２は機械的な制限を受けるため、小さくするには限界がある。以上を考慮した上で、収差補正装置の構成を決める必要がある。

ＴＥＭとＳＴＥＭを切り換えて使用する場合、収差補正装置１内の回転対称レンズである転写レンズ４、５、７、８及び１３の励磁は変化させなくても良い。これは、図４のＴＥＭ観察における軸上軌道１０と、図５のＳＴＥＭ観察における軸上軌道１４が、収差補正装置内、すなわち回転対称レンズである転写レンズ７と１３の間で同じ軌道を通るためである。

さらに詳細を述べると、ＴＥＭ、ＳＴＥＭどちらの場合も球面収差補正条件は同じで、その条件とは、試料と光軸の交点から光軸に対してある角度を持った軸上軌道１０あるいは１４が、多極子レンズ２及び３に対して光軸と平行に入射し、回転対称レンズである転写レンズ４及び５によってビームの軌道が反転することである。図４及び５のように、軸上軌道１０及び１４は球面収差補正条件を満たしている。

ＴＥＭ観察時、重要となるのは前述したコマフリー面転写条件であり、これは回転対称レンズである転写レンズ７及び８の励磁変化で制御する。回転対称レンズである転写レンズ１３は図４のようにＴＥＭ用収差補正装置１ａの構成要素ではないため、投影レンズとして使用するが、そのレンズ条件に制限はなく、前述したＳＴＥＭ観察時における５次の球面収差補正条件を満たすレンズ条件でも構わない。

ＳＴＥＭ観察時、重要となるのは前述した５次の球面収差補正条件であり、これは回転対称レンズである転写レンズ１３の励磁変化で制御する。回転対称レンズである転写レンズ７及び８は図５のようにＳＴＥＭ用収差補正装置１ｂの構成要素ではないため、照射レンズ系として使用するが、球面収差補正条件を満たすため、軸上軌道１４が多極子レンズ２に対して光軸と平行に入射するように回転対称レンズである転写レンズ７及び８を調整する必要がある。これは、前述したＴＥＭ観察時におけるコマフリー面転写条件を満たすレンズ条件でも構わない。

以上のようにＴＥＭとＳＴＥＭを切り換えて使用する場合、収差補正装置１内の回転対称レンズである転写レンズ４、５、７、８及び１３の励磁は変化させなくても良い。また、球面収差は多極子レンズ２及び３の励磁変化で制御するが、強励磁で使用する際（ＴＥＭ観察時）のＴＥＭ用対物レンズ６ａの球面収差と、同じく強励磁で使用する際（ＳＴＥＭ観察時）のＳＴＥＭ用対物レンズ６ｂの球面収差が同じ量であれば、多極子レンズ２及び３で与える負の球面収差の量が同じになるため、ＴＥＭとＳＴＥＭで切り換えて使用する際、多極子レンズ２及び３の励磁を変化させる必要がない。したがって、ＴＥＭとＳＴＥＭを切り換えて使用する場合、収差補正装置１内の各要素（多極子レンズ２、３及び回転対称レンズである転写レンズ４、５、７、８、１３）の励磁は変化させる必要がなく、ＴＥＭ観察時はＴＥＭ用対物レンズ６ａを強励磁、ＳＴＥＭ用対物レンズ６ｂを低励磁で使用し、ＳＴＥＭ観察時はＳＴＥＭ用対物レンズ６ｂを強励磁、ＴＥＭ用対物レンズ６ａを低励磁で使用することで、収差補正装置１の制御が簡略化できる。

ＴＥＭ用対物レンズ６ａの球面収差とＳＴＥＭ用対物レンズ６ｂの球面収差の量が異なる場合、通常は多極子レンズ２及び３の励磁を変化させて、負の球面収差を制御し補正するが、多極子レンズの制御は非常に難しいため、別の方法で球面収差を制御することも可能である。多極子レンズで発生させる６極場は光軸から離れるほどその影響が強くなる。したがって、軸上軌道１０あるいは１４を多極子レンズ２及び３に対して光軸と平行に入射させるという球面収差補正条件を維持しつつ、軸上軌道と光軸の距離を制御すれば、球面収差を制御することができる。軸上軌道と光軸の距離は回転対称レンズである転写レンズ７及び８で制御することができる。回転対称レンズである転写レンズ７及び８は、ＴＥＭ観察時には前述したコマフリー面転写条件で使用するため、球面収差を制御するには向かない。一方、ＳＴＥＭ観察時には、回転対称レンズである転写レンズ７及び８の使用方法はある程度自由に選択できる。したがって、多極子レンズ２及び３はＴＥＭ観察時の球面収差を補正する励磁にし、ＳＴＥＭ観察に切り換える場合は、多極子レンズ２及び３の励磁はそのままにし、回転対称レンズである転写レンズ７及び８の励磁を調整して球面収差を調整することが望ましい。

図６は、本実施例に係る収差補正装置を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ／ＳＴＥＭ）に組み込んだ場合の構成を示す図である。通常のＴＥＭ／ＳＴＥＭ装置とは異なり、ＴＥＭ用対物レンズ６ａとＳＴＥＭ用対物レンズ６ｂの２つの回転対称レンズである対物レンズを搭載し、その間に本実施例に係る収差補正装置を配置する構成となっている。

ＴＥＭ観察を行う場合、電子源１５から出射した電子線は、照射レンズ系１６によってビーム電流が調整された後、ＴＥＭ用試料ステージ９ａに配置した試料に適切な条件で照射される。電子線は試料を透過し、その透過像はＴＥＭ用対物レンズ６ａによって拡大され、収差補正装置１によって収差が補正される。その後、透過像は回転対称レンズである転写レンズ１３、ＳＴＥＭ用対物レンズ、及び投影レンズ系１７によってさらに拡大され、蛍光板１９に投影される。

ＳＴＥＭ観察を行う場合、電子源１５から出射した電子線は、照射レンズ系１６及びＴＥＭ用対物レンズ６ａによってビーム電流が調整された後、回転対称レンズである転写レンズ７及び８によって光軸に対して平行な電子線となって多極子レンズ２へ入射する。その後、収差補正装置１によって収差が補正され、ＳＴＥＭ用対物レンズ６ｂでＳＴＥＭ用試料ステージ９ｂに配置した試料に集光する。試料のある領域を電子線で走査し、透過した電子線は投影レンズ系１７によって適切な条件でＳＴＥＭ検出器１８に入射し結像する。なお、ＴＥＭ用ステージ９ａ、ＳＴＥＭ用ステージ９ｂ、ＴＥＭ用蛍光板１９、ＳＴＥＭ検出器１８は可動式であり、未使用時にはそれぞれ退避が可能である。

図７は、本実施例に係る収差補正装置を構成する各電子レンズ（回転対称レンズである対物レンズ、回転対称レンズである転写レンズ及び多極子レンズの電流源２０乃至２８）をパーソナルコンピュータなどの計算機２９を用いて制御する構成を示している。

図７において、計算機２９は上述の収差補正条件を満たす電流値を計算（公知技術）し、各電流源２０乃至２８に適切な信号を送ることにより収差を補正する。計算機２９は表示部を備えており、操作者はこれを見て装置の状態を確認することができる。

図７に示される構成において、ＴＥＭ観察とＳＴＥＭ観察の切り換えは、操作者が指示を入力することによってモードを選択し、使用するレンズを切り換えることができるようになっている。ＴＥＭ観察、ＳＴＥＭ観察どちらの場合も球面収差を補正する方法は同じで、電流源２３及び２６によって多極子レンズ２及び３の励磁を変化させることによって６極場の強度を調整し、６極場で与える負の球面収差の量を制御する。

ＴＥＭ観察の場合、ＴＥＭ用対物レンズ６ａの軸上コマ収差を補正するには、電流源２１及び２２によって回転対称レンズである転写レンズ７及び８の励磁を変化させ、ＴＥＭ用対物レンズ６ａのコマフリー面を多極子レンズ２の中心に転写させることで、軸上コマ収差を制御する。

ＳＴＥＭ観察の場合、５次の球面収差を補正するには、電流源２７によって回転対称レンズである転写レンズ１３の励磁を変化させ、５次の球面収差を制御する。このとき、３次の球面収差も変化するが、前述のように３次の球面収差は電流源２３及び２６によって多極子レンズ２及び３の励磁を変化させることによって６極場の強度を調整し、６極場で与える負の３次の球面収差の量を制御する。
以上、ＴＥＭ／ＳＴＥＭを用いて説明したが、電子に限らずイオンなど他の荷電粒子を用いた装置にも適用することができる。

以上述べたように、本実施例によれば、ＴＥＭ／ＳＴＥＭで共用可能な収差補正装置およびそれを用いた荷電粒子線装置を提供することができる。ＴＥＭ／ＳＴＥＭで共用可能な収差補正装置により、電源数の低減が図れるとともに制御性が向上する。また、ＴＥＭ／ＳＴＥＭ用対物レンズを個別に備えることにより、より球面収差の改善が可能となる。

以上、本願発明を詳細に説明したが、以下に主な発明の形態を列挙する。
（１）照射レンズ側に配置された第１の多極子レンズと、
投影レンズ側に配置された第２の多極子レンズと、
前記第１及び第２の多極子レンズの間に配置され、前記照射レンズ側に配置される第１の対物レンズのコマフリー条件を前記第２の多極子レンズに転写するための第１の転写レンズ群と、
前記第１の多極子レンズに対して前記照射レンズ側に配置され、前記第１の対物レンズのコマフリー条件を前記第１の多極子レンズに転写するための第２の転写レンズ群と、
前記第２の多極子レンズに対し前記投影レンズ側に配置され、更に前記投影レンズ側に近接して配置される第２の対物レンズの５次の球面収差を補正するための第３の転写レンズと、を備えたことを特徴とする収差補正装置。
（２）荷電粒子源と、前記荷電粒子源から出射した荷電粒子のビーム量を調整する照射レンズと、試料を透過した前記荷電粒子を検出手段(蛍光板、ＳＴＥＭ検出器)に投影する投影レンズとを備えた荷電粒子線装置において、
前記照射系レンズと前記投影レンズとの間に、さらに第１の対物レンズ、収差補正装置、第２の対物レンズが順次配置され、
前記収差補正装置は、
前記照射レンズ側に配置された第１の多極子レンズと、
前記投影レンズ側に配置された第２の多極子レンズと、
前記第１及び第２の多極子レンズの間に配置され、前記第１の対物レンズのコマフリー条件を前記第２の多極子レンズに転写するための第１の転写レンズ群と、
前記第１の多極子レンズに対して前記照射レンズ側に配置され、前記第１の対物レンズのコマフリー条件を前記第１の多極子レンズに転写するための第２の転写レンズ群と、
前記第２の多極子レンズに対し前記投影レンズ側に配置され、前記第２の対物レンズの５次の球面収差を補正するための第３の転写レンズと、を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。

１：収差補正装置、１ａ：ＴＥＭ用収差補正装置、１ｂ：ＳＴＥＭ用収差補正装置、２，３：多極子レンズ、４，５：転写レンズ、６：対物レンズ、６ａ：ＴＥＭ用対物レンズ、６ｂ：ＳＴＥＭ用対物レンズ、７，８：転写レンズ、９：試料位置、９ａ：ＴＥＭ用試料ステージ、９ｂ：ＳＴＥＭ用試料ステージ、１０：ＴＥＭ観察時の軸上軌道、１１：ＴＥＭ用対物レンズのコマフリー面、１２：ＴＥＭ観察時のコマフリー面を通る軸外軌道、１３：新たに追加した転写レンズ、１４：ＳＴＥＭ観察時の軸上軌道、１５：電子源、１６：照射レンズ系、１７：投影レンズ系、１８：ＳＴＥＭ検出器、１９：蛍光板、２０〜２８：電流源、２９：計算機。

Claims

照射レンズ側に配置された第１の多極子レンズと、
投影レンズ側に配置された第２の多極子レンズと、
前記第１及び第２の多極子レンズの間に配置され、前記照射レンズ側に配置される第１の対物レンズのコマフリー条件を前記第２の多極子レンズに転写するための第１の転写レンズ群と、
前記第１の多極子レンズに対して前記照射レンズ側に配置され、前記第１の対物レンズのコマフリー条件を前記第１の多極子レンズに転写するための第２の転写レンズ群と、
前記第２の多極子レンズに対し前記投影レンズ側に配置され、更に前記投影レンズ側に近接して配置される第２の対物レンズの５次の球面収差を補正するための第３の転写レンズと、を備えたことを特徴とする収差補正装置。
荷電粒子源と、前記荷電粒子源から出射した荷電粒子のビーム量を調整する照射レンズと、試料を透過した前記荷電粒子を検出手段に投影する投影レンズとを備えた荷電粒子線装置において、
前記照射系レンズと前記投影レンズとの間に、さらに第１の対物レンズ、収差補正装置、第２の対物レンズが順次配置され、
前記収差補正装置は、
前記照射レンズ側に配置された第１の多極子レンズと、
前記投影レンズ側に配置された第２の多極子レンズと、
前記第１及び第２の多極子レンズの間に配置され、前記第１の対物レンズのコマフリー条件を前記第２の多極子レンズに転写するための第１の転写レンズ群と、
前記第１の多極子レンズに対して前記照射レンズ側に配置され、前記第１の対物レンズのコマフリー条件を前記第１の多極子レンズに転写するための第２の転写レンズ群と、
前記第２の多極子レンズに対し前記投影レンズ側に配置され、前記第２の対物レンズの５次の球面収差を補正するための第３の転写レンズと、を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
前記第１及び第２の対物レンズはそれぞれ透過電子顕微鏡用対物レンズ及び走査型透過電子顕微鏡用対物レンズであり、前記透過電子顕微鏡用対物レンズの近傍にはＴＥＭ用試料ステージが、前記走査型透過電子顕微鏡用対物レンズの近傍にはＳＴＥＭ用試料ステージが配置されていることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子線装置。
ＴＥＭ観察を行う場合、観察用試料は前記ＴＥＭ用試料ステージに配置され、前記透過電子顕微鏡用対物レンズは強励磁で使用され、前記走査型透過電子顕微鏡用対物レンズは不使用、あるいは弱励磁で使用され、前記透過電子顕微鏡用対物レンズの収差補正が行われるものであることを特徴とする請求項３記載の荷電粒子線装置。
ＳＴＥＭ観察を行う場合、観察用試料は前記ＳＴＥＭ用試料ステージに配置され、前記走査型透過電子顕微鏡用対物レンズは強励磁で使用され、前記透過電子顕微鏡用対物レンズは不使用、あるいは弱励磁で使用され、前記走査型透過電子顕微鏡用対物レンズの収差補正が行われるものであることを特徴とする請求項３記載の荷電粒子線装置。
ＳＴＥＭ観察を行う場合、前記第２の多極子レンズと前記第３の転写レンズとの間の距離は、前記第３の転写レンズと前記第２の対物レンズとの間の距離を超えることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子線装置。
ＴＥＭ観察およびＳＴＥＭ観察のいずれの場合においても、前記第１の転写レンズ群、前記第２の転写レンズ群、および前記第３の転写レンズの励磁は変化されないものであることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子線装置。
ＴＥＭ観察後にＳＴＥＭ観察を行う場合、前記第１および第２の多極子レンズの励磁は変化されず、前記第２の転写レンズ群の励磁が調整されるものであることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子線装置。