JP6351196B2 - 荷電粒子ビーム用電磁レンズの球面収差補正装置 - Google Patents

Description

本明細書では、荷電粒子ビームを電磁レンズで収束した場合に生じる球面収差の補正装置を開示する。

例えば、走査電子顕微鏡では、電子ビームを対物レンズによって集束し、集束した電子ビームを試料に照射する。透過電子顕微鏡では、試料を透過した電子ビームを対物レンズによって結像させて試料を観察する。イオン等の荷電粒子のビームを試料に照射する装置でも、荷電粒子ビームを電磁レンズによって集束し、収束した荷電粒子ビームを試料に照射する。
荷電粒子ビームを集束するレンズは正の球面収差をもたらす。分解能を向上させるためには、球面収差を補正する必要がある。

本明細書でいう球面収差は、荷電粒子ビームを集束する電磁レンズによってもたらされるものをいう。荷電粒子ビームを集束する電磁レンズには、対物レンズ、コンデンサレンズ、投影レンズ、ならびに前記レンズの組み合わせが例示される。本明細書に記載の補正装置は、例えば、対物レンズの球面収差が問題となる場合には対物レンズの球面収差を補正するのに用いることができ、コンデンサレンズと対物レンズの組み合わせによる球面収差が問題となる場合にはその組み合わせによって生じる球面収差を補正するのに用いることができ、対物レンズと投影レンズの組み合わせによる球面収差が問題となる場合にはその組み合わせによって生じる球面収差を補正するのに用いることができる。本明細書で開示する補正装置と組み合わせて用いる電磁レンズは特に制約されるものでなく、荷電粒子ビームを集束する際に球面収差をもたらす電磁レンズまたは電磁レンズの組み合わせをいう。
特許文献１〜４と非特許文献１に、上記の球面収差補正装置が開示されている。

特表２００２−５１０４３１号公報 特開２００９−５４５６５号公報 米国特許３５６６１７６号公報 特開２０１２−２２７１６０号公報

Electron Optical Systems with Annular Apertures and with Corrected Spherical Aberration, F. Lenz et. al. DK621.385.833:537.533 Optik ’24 Heft 5, 1966/1967

特許文献１と特許文献２に記載されている球面収差補正装置は、複雑な構造を備えており、大型で高価である。例えば電子顕微鏡に適用する場合、電子顕微鏡自体の改造を必要とすることもある。
非特許文献１の球面収差装置は、図１３（１）に模式的に示すように、円形開孔を持つ電極の円形開孔に、円柱形状の電極を挿入し、両者の間に電位差を加える。非特許文献１は、上記構成によって球面収差を補正できるとする計算結果を示している。特許文献４にも、図１３（１）に示す装置が開示されており、円柱電極（以下では内側電極という）と円形開孔を持つ電極（以下では外側電極という）の間に電位差を加える。
非特許文献１と特許文献４の技術では、円形開孔の中心と円柱の中心を一致させる必要があり、両者間を絶縁する必要があり、両者間に電位差を加える必要がある。実際に制作することは難しい。
例えば図１３（２）は、外側電極と内側電極を同軸に維持するために、両者間にブリッジを形成した仮想構造を例示している。この場合、外側電極と内側電極とブリッジの全部が一体物であれば、微細な切削加工等によって実際に製造することができる。しかしながら、それでは外側電極と内側電極間に電位差を加えることができない。外側電極と内側電極を絶縁しながら両者を同軸に維持する構造を実際に製造することは難しい。特許文献４では、予め制作しておいた支持体に内側電極と外側電極を固定し、内側電極に達する配線を巡らせることによって電位差を加える構造を採用しているが、精度よく製造することが困難であり、製造精度を高めるためには多額のコストが必要となる。本発明では、同軸に維持された状態で絶縁されている外側電極と内側電極の間に電位差を加えるという発想から飛躍し、安価に製造できる球面収差補正装置を提案する。

特許文献３の球面収差補正装置では、円環開孔が形成されている２個の電極を、電子ビームの中心線上に同軸に配置する。特許文献３の技術でも、円環開孔の外側と内側の間に電位差を加える。特許文献３の技術では、円環開孔を形成するために、円環開孔の外側と内側の間をブリッジ状の接続具で接続する構造を開示している。特許文献３の技術では、外側と内側の間を絶縁しながら接続する必要があるところ、いかにして絶縁するのかの詳細が開示されていない。実施化する場合には、非特許文献１と特許文献４と同じ問題に遭遇する。

非特許文献１と特許文献３と特許文献４には、一見すると簡単な構造が図示されているが、いずれも、円環開孔の外側と内側の間に電位差を印加することで形成される電場を利用するものであり、実際に制作することが難しい。実用化するためには、円環開孔の外側と内側の間に電位差を加えるという発想から一段の飛躍を必要とする。

本明細書では、円環開孔の外側と内側の間に電位差を加えずに（換言すれば円環開孔の外側と内側が同電位である状態で）球面収差を補正する装置を開示する。円環開孔の外側と内側が同電位でよくても構わなければ、後記する集束イオンビーム法等によって、円環開孔をもつ電極を制作することが可能となる。

本明細書で開示する球面収差補正装置は、荷電粒子ビーム用の電磁レンズと組み合わせて使用するものであり、電磁レンズによってもたらされる球面収差を補正する。この補正装置は、荷電粒子ビームの入射側に配置する入射プレートと、荷電粒子ビームの射出側に配置する射出プレートを備えている。入射プレートに円形開孔と円環開孔の一方が形成されており、射出プレートに円形開孔と円環開孔の他方が形成されている。すなわち、この補正装置は、円形開孔と円環開孔の組み合わせを利用する。円形開孔と円環開孔の配置順序は制約されず、円形開孔が上流側（入射側）にあってもよいし、円環開孔が上流側にあってもよい。
２枚のプレートは下記の関係を満たしている。
（１）円形開孔と円環開孔の中心が荷電粒子ビームの中心線上にあり、
（２）入射プレートと射出プレートが荷電粒子ビームの中心線に直交しており、
（３）円形開孔の径をφ３とし、円環開孔の外径をφ２とし、円環開孔の内径をφ１としたときにφ３≧φ２＞φ１であり、
（４）荷電粒子が負電荷である場合は「円環開孔が形成されているプレートの電位＞円形開孔が形成されているプレートの電位」の関係であり、荷電粒子が正電荷である場合は「円環開孔が形成されているプレートの電位＜円形開孔が形成されているプレートの電位」の関係におく。円環開孔の内側部材と外側部材は導通しており、同電位におく。
走査電子顕微鏡の場合、偏向コイルによって電子ビームの進行方向を走査する。ただしその走査範囲は微小であり、偏向角も微小である。前記（１）でいう「中心線上にある」と前記（２）でいう「直交する」は、微小な偏向角まで加味したものでなく、機械部品の配置作業の際の精度レベルにおけるものである。

上記の補正装置の場合、円環開孔の内側と外側の間に電位差を加えない。代わりに、円環開孔が形成されているプレート（以下では円環プレートという）と、円形開孔が形成されているプレート（以下では円孔プレートという）の間に電位差を加える。円環開孔の内側と外側は同電位である。上記の関係にあると、円環開孔の周囲に形成される電場が荷電粒子ビームに対して負の球面収差をもたらす。電磁レンズによる正の球面収差が補正装置による負の球面収差で補正される関係を得ることができる。円環開孔の内側と外側が同電位であっても構わないとすると、円環プレートを実際に制作することが可能となる。一枚の導電性プレートを加工することによって、円環開孔の内側と外側がブリッジによって同軸に維持されている円環プレートを制作することが可能となる。また、円環開孔の内側と外側の間に電位差を加えるのが困難であるのに対し、２枚のプレート間に電位差を加えるのは容易である。円環プレートと円孔プレートを組み合わせて用い、２枚のプレート間に電位差を加えるという発想が得られたことから、簡単な構造で球面収差を補正する装置の実用化が可能となった。

試料側に配置するプレートを接地した状態で、入射プレートと射出プレートの間に電位差を加えるのが好ましい。これによって、球面収差補正装置が試料に与える影響を低減することができる。
また試料側に円環プレートを配置することが好ましい。これによっても、球面収差補正装置が試料に与える影響を低減することができる。

絶縁シートの一方の面に入射プレートが密着し、絶縁シートの他方の面に射出プレートが密着している積層構造を利用することが好ましい。その絶縁シートに円形開孔を包含する開孔が形成されていれば、入射プレートと射出プレートの間に電位差を加えることができ、円環開孔と円形開孔を通過するビームパスを確保することができる。
また上記の積層体を絶縁性の筒内に収容しておくことが好ましい。円環開孔と円形開孔を同軸の位置関係に調節して維持する作業が容易化される。

円環開孔が形成されているプレートに、円環開孔の外側と内側を接続するブリッジが形成されていることが好ましい。ブリッジの本数には特に制約されない。外側とブリッジと内側が一体物となっていると、後記するようにして円環プレートを制作することが可能となる。

ブリッジの円孔プレート側の端面が、円環開孔の外側と内側を形成する円環プレートの円孔プレート側の端面よりも、円孔プレートから遠ざかる向きにシフトしていることが好ましい。これによると、球面収差の補正精度が向上する。

上記した補正装置は、荷電粒子ビームが通過する鏡筒に形成されている貫通孔に対して脱着される部材に固定しておくことが好ましい。電子顕微鏡等の鏡筒には、試料を鏡筒に出し入れするための貫通孔、あるいは測定治具や絞り等を鏡筒に出し入れするための貫通孔が形成されている。その貫通孔を利用して球面収差補正装置を鏡筒内に位置決めして固定しておく構造によると、既存の装置の球面収差を補正することも可能となる。

前記貫通孔に対して脱着可能な部材の中には、２個（または２つ）以上の位置で鏡筒に固定可能なものがある。この場合、複数個の補正装置を前記部材に固定しておくと、実際に使用する球面収差補正装置を選択することが可能となる。
円環開孔を形成する内側の部材の中心に貫通孔を設けることができる。中心に貫通孔を設けると、円形開孔の中心と円環開孔の中心が荷電粒子ビームの中心線上に位置する位置関係に調整しやすい。
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の球面収差補正装置を組み込んだ走査透過電子顕微鏡の構成を示す。 実施例の球面収差補正装置の構成を模式的に示す。 球面収差とその補正の関係を説明する。 球面収差補正装置と電磁レンズの配置の一例を示す。 球面収差補正装置と電磁レンズの配置の他の例を示す。 球面収差補正装置と電磁レンズの配置関係を示す。 球面収差補正装置による電場と電子線の進行方向の関係の一例を示す。 球面収差補正装置と電子線の進行方向の関係の他の例を示す。 球面収差補正装置による電場とブリッジの関係を示す。 実施例の球面収差補正装置の分解斜視図を示す。 走査透過電子顕微鏡による観測結果を示す。 走査透過電子顕微鏡による観測結果を示す。 従来の球面収差補正装置の構成を模式的に示す。 球面収差補正装置の変形例の構成を模式的に示す。 位置関係の調整過程が容易化される様を説明する。

下記に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。
（特徴１）金属板に集束イオンビームを照射して円環開孔を形成する。
（特徴２）モリブデンの板に集束イオンビームを照射して円環開孔を形成する。
（特徴３）電子顕微鏡の鏡筒に貫通孔が形成されており、その貫通孔に脱着可能な絞りホルダを流用し、そのホルダに球面収差補正装置を取り付けておく。
（特徴４）球面収差補正装置に印加する電圧は、増減調整可能である。

図１は、球面収差補正装置１０を組み込んだ走査透過電子顕微鏡 (ＳＴＥＭ)の構成を模式的に示している。参照番号２は鏡筒、４は電子銃、６は１段目のコンデンサレンズ、８は２段目のコンデンサレンズ、１０は球面収差補正装置、１２は対物レンズ、１４は試料、１６は検出器である。電子ビームを偏向して走査する走査コイルの図示は省略されている。コンデンサレンズ８，１０と、対物レンズ１２は、いずれも電磁レンズである。

球面収差補正装置１０が挿入されていないと、対物レンズ１２による収束点に球面収差が生じ、試料１４上におけるビーム径を細く絞ることができない。球面収差補正装置１０は、対物レンズ１２の収束点に生じる球面収差を低減し、試料１４を照射するビーム径を細く絞ることを可能とする。
本実施例は、コンデンサレンズ６，８による球面収差は無視でき、専ら対物レンズ１２による球面収差が測定分解能を下げるケースにも適用することができるし、コンデンサレンズ６，８と対物レンズ１２の組み合わせによって生じる球面収差が測定分解能を下げるケースにも適用することができる。前者の場合は、対物レンズ１２に対して球面収差補正装置１０を設計すればよく、後者の場合は、コンデンサレンズ６，８と対物レンズ１２の組み合わせに対して球面収差補正装置１０を設計すればよい。後記するように、球面収差補正装置１０に印加する電圧は調整可能であり、その電圧の大きさによって球面収差を補正する強度が変わってくる。最も鮮明な画像が得られる電圧を印加すれば、観測の質を低下させる球面収差が補正される。実施例の球面収差補正装置１０によると、観測の質を低下させる球面収差がどの電磁レンズによるものかを知る必要はない。また、観測の質を低下させる球面収差をもたらす電磁レンズの種類によって制約を受けることなく、実施例の球面収差補正装置１０を適用することができる。

図２は、球面収差補正装置１０の一例の斜視図を示している。参照番号２０は、円形開孔２０ａが形成されている電極板（導電性の円孔プレート）であり、２２は円環開孔２２ａが形成されている電極板（導電性の円環プレート）を示している。２２ｂはブリッジであり、円環開孔２２ａを形成する内側の円板２２ｃと外側のリング板２２ｄを接続している。内側円板２２ｃと外側リング板２２ｄは同電位でよく（従来の技術とは相違し、内側円板２２ｃと外側リング板２２ｄの間に電位差を加える必要はない）、内側円板２２ｃと外側リング板２２ｄとブリッジ２２ｂは、導電性の金属板を加工することで製造することができる。

図２に示す球面収差補正装置１０は、負の電荷を帯びている電子ビームのためのものであり、この場合は「円環プレート２２の電位＞円孔プレート２０の電位」の関係とする。正のイオンを照射する場合のように、正の電荷を帯びている過電粒子ビームの球面収差を補正する場合は「円環プレート２２の電位＜円孔プレート２０の電位」の関係とする。

図３の（１）は、光学ガラスによって形成した凸レンズによって生じる球面収差を示している。凸レンズによると正の球面収差が生じる。図３の（２）は、光学ガラスによって形成した凹レンズによって生じる球面収差を示している。凹レンズによると、負の球面収差が生じる。図３の（３）と（４）は、凸レンズと凹レンズの組み合わせによって球面収差を補正する光学系の例を示している。

荷電粒子の進行方向を変える電磁レンズは、図３の（１）に示した正の球面収差をもたらす。電磁レンズでは、図３の（２）に示した負の球面収差を得ることができない。

図４は、円形開孔２０ａを持つ円孔プレート２０と円環開孔２２ａを持つ円環プレート２２と両者間に電圧を加える定電圧電源２４で構成される球面収差補正装置１０を、対物レンズ１２の上流側に配置した例を示している。円形開孔２０ａと円環開孔２２ａの中心は、荷電粒子ビームの中心線５０上にあり、プレート２０，２２は、中心線５０に直交している。プレート２０，２２は、同軸に配置されている。

図７（１）は、「円環プレート２２の電位＞円孔プレート２０の電位」の関係としたときに、円孔プレート２０と円環プレート２２の間に生じる電場を示している。具体的には等電位線を示している。図７（２）は、円環開孔２２ａの近傍における等電位線の形状を拡大して示している。図７（２）に示すように、円環開孔２２ａの近傍では等電位線が屈曲する。この電場を電子ビームが通過すると、電子ビームに負の球面収差が生じる。正確にいうと、円孔プレート２０の近傍の電界は、凸レンズと同様に作動する。円環プレート２２の近傍の電界は、凹レンズと同様に作動する。両者が複合する結果、球面収差補正装置１０は、負の球面収差をもたらす。

図８（１）は、球面収差補正装置１０を通過する電子ビームの進行方向を示し、負の球面収差が生じることを図示している。
図４の場合、電子ビームは、球面収差補正装置１０を通過する際に負の球面収差をとなるように屈折する。電子ビーム用の電磁レンズ１２は正の球面収差をもたらす。図４の場合、球面収差補正装置１０による負の球面収差が、対物レンズ１２による正の球面収差を補正する関係にあることがわかる。図３（４）の関係によって球面収差を補正することが確認できる。
図３（３）からも明らかに、電磁レンズが上流側に配置されて球面収差補正装置が下流側に配置されていてもよい。図５がその例を示す。図５は、試料１４を透過した電子線を対物レンズ１２で結像させる透過電子顕微鏡の場合に相当する。
図４と図５、あるいは、図３の（３）と（４）に示すように、球面収差補正装置１０と電磁レンズ１２の配置順序は制約されず、球面収差補正装置１０が上流側にあってもよいし、電磁レンズが上流側にあってもよい。また複数個の電磁レンズの組み合わせによってもたらされる球面収差を補正する場合は、複数個の電磁レンズの中間に球面収差補正装置を配置してもよい。

また図８（１）に示すように、円形開孔２０ａが上流側にあって円環開孔２２ａが下流側にあってもよいし、図８（２）に示すように、円環開孔２２ａが上流側にあって円形開孔２０ａが下流側にあってもよい。いずれの場合も、円環プレート２２の電位＞円孔プレート２０の電位の関係にあれば、負に帯電している荷電粒子ビームには、負の球面収差がもたらされる。正に帯電している荷電粒子ビームの場合は、円環プレート２２の電位＜円孔プレート２０の電位の関係にあれば、負の球面収差がもたらされる。上記した電位の高低関係は、円形開孔２０ａが上流側にある場合にも、円環開孔２２ａが上流側にある場合にも共通する。

図６は、円環開孔と円形開孔と電磁レンズの配置関係のバリエーションを例示している。図６の上方が上流側を意味し、下方が下流側を意味している。（１）〜（４）は円形開孔２０ａが上流で円環開孔２２ａが下流側の場合を示し、（５）〜（８）は円環開孔２２ａが上流で円形開孔２０ａが下流側の場合を示している。（１）（２）（５）（６）は、対物レンズで収束したビームを試料に照射する走査電子顕微鏡（走査透過電子顕微鏡を含む）の場合を示し、（３）（４）（７）（８）は、試料を透過したビームを対物レンズで結像する透過電子顕微鏡の場合を示している。（１）（４）（５）（８）に示すように、球面収差補正装置が上流側で対物レンズが下流側であってもよいし、（２）（３）（６）（７）に示すように、対物レンズが上流側で球面収差補正装置が下流側であってもよい。

図６のいずれも配置順序でも球面収差を打ち消し合って縮小させることができるが、実際には、対物レンズと試料を接近して配置することが好ましく、（１）（３）（５）（７）が好ましい。また球面収差補正装置の電場が試料に影響を及ぼさないことが好ましく、そのためには、試料側に円環開孔を配置することが好ましい。その点では、（１）（２）（７）（８）が好ましい。両者を加味すると、（１）（７）が好ましい。図４は図６の（１）に対応し、図５は図６の（７）に対応している。

また円形開孔プレートと円環開孔プレートに加える電位差の関係は、図６に示したとおりであるが、試料側に配置するプレートを接地することが好ましい。（１）（７）の場合は、円環プレート２２を接地し、円孔プレート２０にマイナスの電位を加えることが好ましい。

図９は、円環プレート２２のブリッジ２２ｂが存在する位置での断面を示している。図９から明らかに、ブリッジ２２ｂの円孔プレート２０側端面が、円環開孔の外側２２ｄと内側２２ｃを形成する円環プレート２２の円孔プレート２０側端面よりも、円孔プレート２０から遠ざかる向きにシフトしていることが好ましい。これによると、ブリッジ２２ｂが存在する個所と存在しない個所における電場形状の差異が縮小し、球面収差の補正精度が向上する。

図５に示すように、円形開孔２０ａの径をφ３とし、円環開孔２２ａの外径をφ２とし、円環開孔２２ａの内径をφ１としたときに、φ３≧φ２＞φ１であることが好ましい。上記の関係にあると、補正装置に必要とされる負の球面収差をもたらすことができ、また荷電粒子ビームを不必要にカットすることもない。
本実施例では、φ３＝２２５μｍ、φ２＝１５０μｍ、φ１＝５４．４μｍ、プレート間間隔Ｇ＝５０μｍのものと、φ３＝１００μｍ、φ２＝６８μｍ、φ１＝５４．４μｍ、プレート間間隔Ｇ＝５０μｍのものを製造した。円孔プレート２０は、フォトリソグラフィ法で制作した。円環プレート２２は、直径３ｍｍで厚み１０μｍのモリブデン板に、集束イオンビームを照射して制作した。円環開孔の内側２２ｃと外側２２ｄとブリッジ２２ｂは、一体のモリブデン板から形成されており、微細加工技術によって制作することが可能となった。円環開孔の内側２２ｃと外側２２ｄを絶縁しなければならないとしたら、今日の技術によっても容易には制作することができない。

図１０は、実際の球面収差補正装置１０の分解斜視図を示している。この実施例では、２個の球面収差補正装置を搭載している。左右の球面収差補正装置の構成は同じであり、重複説明を省略する。
参照番号４２は下板であり、４０は電極台であり、後記する筒状の絶縁ガイド３８を収容する孔４０ａが形成されている。下板４２と電極台４０は一体に構成することもできる。３８は、筒状の絶縁ガイドであり、円孔プレート２０等を受け入れ、円孔プレート２０と円環プレート２２を同軸に位置決める穴が形成されている。３６はスペーサ、２２は円環プレート、３４は絶縁シート、２０は円孔プレート、３２は電極押さえ、３０は抑え板である。抑え板３０と、電極押さえ３２と、絶縁シート３４には、円孔２０ａの内径φ３よりも大きく、円孔プレート２０の外径よりも小さな径の穴が形成されている。スペーサ３６と下板４２には、円環開孔２２ａの外径φ２よりも大きく、円環プレート２２の外径よりも小さな径の穴４２ａが形成されている。電極押さえ３２、円孔プレート２０、絶縁シート３４、円環プレート２２、スペーサ３６の外径は、絶縁ガイド３８の内径に等しく、絶縁ガイド３８に挿入すると、電極押さえ３２と円孔プレート２０と絶縁シート３４と円環プレート２２とスペーサ３６が同軸に揃う。図示しない螺子で上板３０と下板４２を接近させると、絶縁シート３４の上面に円孔プレート２０が密着し、絶縁シート３４の下面に円環プレート２２が密着し、円孔プレート２０と円環プレート２２の間隔が一定値に調整される。

図示しない絶縁部材で、上板３０と電極台４０は絶縁されている。上板３０には配線３０ｄから電圧が加えられ、下板４２には配線４２ｄから電圧が加えられる。電極押さえ３２は導電性であり、円孔プレート２０の電位は配線３０ｄの電位に等しい。スペーサ３６は導電性であり、円環プレート２２の電位２は配線４２ｄの電位に等しい。円環プレート２２の内側の円板２２ｃと外側のリング板２２ｄの電位は等しい。円孔プレート２０と円環プレート２２の間は、絶縁シート３４と絶縁ガイド３８によって絶縁される。

参照番号４４は、電極台４０の基部である。この球面収差補正装置は電子顕微鏡のためのものであり、その鏡筒には貫通孔が形成されており、その貫通孔を利用して「絞り」を抜き差しすることができる。その貫通孔に脱着可能な絞りホルダが用意されている。基部４４は、その絞りホルダに固定されている。図１の参照番号１０ａは、絞りホルダを示している。絞りホルダ１０ａを介して、鏡筒外から、配線３０ｄと配線４２ｄに必要な電位を加えることができる。また、印加する電位差を調整することができる。
絞りホルダ１０ａは、鏡筒２に浅く挿入した位置で鏡筒２に固定することもできるし、鏡筒２に深く挿入した位置で鏡筒２に固定することもできる。それに対応して、図１０の実施例では、２種類の補正装置が搭載されている。鏡筒内への挿入深さを選択することで、使用する補正装置を選択することができる。

図１１は、図１に示した透過走査電子顕微鏡による観測結果を示す。試料は、カーボン薄膜上の金微粒子である。検出器１６にはＣＣＤカメラを利用した。
（ａ）は、球面収差補正装置１０を利用しない場合を示し、周辺部に伸び歪んだ金粒子が観測される。その歪んだ部分が球面収差によるものである。
（ｂ）は、球面収差補正装置１０を組み込んだものの、円孔プレートと円環プレート間に電位を加えない状態の観測結果を示す。円環開孔２２ａによる影が生じる。まだ球面収差は補正されない。
（ｃ）は、円孔プレートと円環プレート間に１５ボルトを加えた場合の観測結果を示す。金粒子のコントラストが低下し、球面収差が補正されたことが確認できる。

図１２は、カーボン薄膜上の酸化チタン微粒子の観測結果である。試料に照射する電子ビームを走査し、カメラに代えて微小検出器を用いた。（ａ）は、円孔プレートと円環プレート間に電位を加えない状態での観測結果を示す。観測結果はぼけている。（ｂ）は円孔プレートと円環プレート間に１５ボルトを加えた場合の観測結果を示す。酸化チタン結晶の原子格子縞が明瞭に現れる。球面収差が補正されたことが確認できる。

円環プレートと円形プレート間に電位差を加えることで形成される電場によって負の球面収差が生じること、それによって電磁レンズによる正の球面収差が補正されることは、数値計算でも確認され、実験によっても検証された。
円環プレートと円形プレート間に電位差を加えることと、円環プレートの内側と外側の間に電位差を加えることは、一見すると類似しているように思われるかもしれないが、負の球面収差を得るためには径方向に変化する電場を必要し、通常に考えると円環プレートの内側と外側の間に電位差を加える必要があると理解される。円環プレートと円形プレート間に電位差を加えることでも負の球面収差を得られるという発想は、長年にわたって認識されてこなかった。また、その改善によって実施化可能となるという着想は長年にわたって得られなかった。

図１４に示すように、円環プレート２２の内側円板２２ｃの中心に貫通孔２２ｅを形成することができる。軸芯に沿って貫通する中心貫通孔２２ｅを設けると、図１５（ｃ）に示すように観測画像に輝点ｃ１が生じる。この輝点ｃ１は、中心貫通孔２２ｅを通過した電子によるものである。輝点ｃ１が得られると、輝点ｃ１を図１５（ａ）の画像中心ａ１に一致させることによって、円環開孔２２ａの中心と円形開孔２０ａの中心を電子ビームの中心線上に揃えることができる。中心貫通孔２２ｅを設けると、円環開孔２２ａの中心と円形開孔２０ａの中心を電子ビームの中心線上に揃える位置合わせ作業が著しく容易化される。なお中心貫通孔２２ｅを設けても、観測に用いる電子ビームに生じる球面収差は補正される。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：鏡筒
４：電子銃
６：コンデンサレンズ
８：コンデンサレンズ
１０：補正装置
１２：対物レンズ
１４：試料
１６：検出器
２０：円孔プレート
２０ａ：円形開孔
２２：円環プレート
２２ａ：円環開孔
２２ｂ：ブリッジ
２２ｃ：内側円板
２２ｄ：外側リング板
２２ｅ：中心貫通孔
２４：定電圧電源
５０：荷電粒子ビームの中心線

Claims (10)

1. 荷電粒子ビーム用の電磁レンズと組み合わせて使用し、前記電磁レンズによる球面収差を補正する装置であり、
   前記荷電粒子ビームの入射側に配置する入射プレートと、
   前記荷電粒子ビームの射出側に配置する射出プレートを備えており、
   前記入射プレートに円形開孔と円環開孔の一方が形成されており、
   前記射出プレートに前記円形開孔と前記円環開孔の他方が形成されており、
   （１）前記円形開孔と前記円環開孔の中心が前記荷電粒子ビームの中心線上にあり、
   （２）前記入射プレートと前記射出プレートが前記中心線に直交しており、
   （３）前記円形開孔の径をφ３とし、前記円環開孔の外径をφ２とし、前記円環開孔の内径をφ１としたときにφ３≧φ２＞φ１であり、
   （４）前記荷電粒子が負電荷である場合は「円環開孔が形成されているプレートの電位＞円形開孔が形成されているプレートの電位」の関係であり、前記荷電粒子が正電荷である場合は「円環開孔が形成されているプレートの電位＜円形開孔が形成されているプレートの電位」の関係であり、
   円環開孔の内側部材と外側部材が導通している補正装置。
2. 試料側のプレートが接地されていることを特徴とする請求項１の補正装置。
3. 試料側のプレートに前記円環開孔が形成されていることを特徴とする請求項１または２の補正装置。
4. 絶縁シートの一方の面に前記入射プレートが密着し、前記絶縁シートの他方の面に前記射出プレートが密着しており、前記絶縁シートに前記円形開孔を包含する開孔が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの１項に記載の補正装置。
5. 前記入射プレートと前記絶縁シートと前記射出プレートが、絶縁性の筒内に収容されていることを特徴とする請求項４に記載の補正装置。
6. 前記円環開孔が形成されているプレートに前記円環開孔の外側と内側を接続するブリッジが形成されており、前記外側と前記ブリッジと前記内側が一体物となっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの１項に記載の補正装置。
7. 前記ブリッジの入射側端面が、前記外側と前記内側を形成する前記プレートの入射側端面より、射出側にシフトしていることを特徴とする請求項６に記載の補正装置。
8. 円環開孔の内側円板の中心に貫通孔が形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかの１項に記載の補正装置。
9. 請求項１〜８のいずれかの１項に記載の補正装置が、前記荷電粒子ビームが通過する鏡筒に形成されている貫通孔に対して脱着される部材に固定されていることを特徴とする補正装置。
10. 前記貫通孔に対して脱着可能な前記部材が、複数位置で前記鏡筒に固定可能であり、
    前記複数位置に対応して、請求項１〜８のいずれかの１項に記載の補正装置の複数個が前記部材に固定されていることを特徴とする請求項９に記載の補正装置。