JPH01159943A - 電子顕微鏡等における電子ビーム開き角制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、走査電子顕微鏡やＸ線マイクロアナライザー
等における電子線収束方法を改善した電子顕微鏡等にお
ける電子ビーム開き角制御装置に関する。

〔従来の技術〕

第２図は電子ビーム開き角制御装置の従来例を示す図で
あり、２１は収束レンズ、２２は対物レンズ、２３と２
３′は対物絞り、２４は試料、ＰとＰ′は結像位置、α
は開き角を示す。

電子プローブを試料に照射して試料の観察・分析を行う
電子顕微鏡等において、電子プローブの電流１ｐを定め
ると、試料面上における電子プローブ径ｄを最小にする
ような電子プローブの開き角α。９．は、プローブ電流
１ｐに対応してただ１つしか存在しない。このため、広
い範囲のプローブ電流１ｐに対応して開き角αを変える
手段として、従来は、 ＋ａ＋　　第２図（ａｌに示すように集束レンズ２１と
対物レンズ２２の間に唯一の対物絞り２３を配置し、集
束レンズ２１の結像位置Ｐ或いはＰ′を変更する。

（ｂｌ　　第２図ｆｂｌに示すように対物レンズ２２の
主面位置に異なる穴径を持つ複数個の対物絞り２３．２
３′を配置し、これらの絞りを交換する。

（Ｃ１第２図（Ｃ）に示すように集束レンズ２１と対物
レンズ２２の間に異なる穴径を持つ複数個の対物絞り２
３．２３′を配置し、これらの絞りを交換し、さらに集
束レンズ２１の結像位置を変更する。

（［１）　　第２図（ｄｌに示すように（特公昭５６　
１０７４０号公報）集束レンズ２１の主面に唯一の対物
絞りを配置し、与えられたプローブ電流ｒｐに対し、プ
ローブ電流＋ｐを変えることなく開き角αを変更する。

等を採用していた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記（ａｌに示す従来の方法では、開き
角α−α。２．となるプローブ電流Ｉｐの値を含む限ら
れたプローブ電流１ｐの範囲内ではα−αｏｐｔとなる
が、他のプローブ電流＋ｐの値に対しては従来の１段ま
たは２段の集束レンズ系を用いる限り、開き角αを最適
値にすることは困難であるという問題がある。

また（ｈ］に示す従来の方法では、集束レンズ２１の結
像位置に関係することなく対物絞り２３．２３′の穴径
を変えればα−α。、にできる。しかし、穴径の数には
限界があるので、α−α。ｐｔを満たすプローブ電流１
ｐの値は穴径の数だけに限られる。

（Ｃ）に示す従来の方法では、１つの穴径に対しては（
ａｌと同じ機能を有し、複数個の対物絞り径を用いるこ
とにより必要とするプローブ電流１ｐの領域でα−α。

２．にできる。しかし、結像位置Ｐの移動に連動させて
対物レンズ２２の励磁を変えるため、非点収差が変わる
ことがある。

（ｄｌに示す従来の方法でもＦＣ）と同様の問題がある
。

さらに、（ｂ）、ＦＣ）の場合には、絞りを交換する必
要がある。

本発明は、上記の問題点を解決するものであって、レン
ズ電源を連動制御することによってレンズ配置及び絞り
を変えることなく最適開き角に制御することがてきる電
子野微鏡等における電子ビーム開き角制御装置を捉供す
ることを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明の電子顕微鏡等における電子ビーム開
き角制御装置は、３段の集束レンズ系、対物レンズ、及
び終段の集束レンズの前方に配置された開き角制御用絞
り、レンズ電源、及びレンズ電源制御手段を備え、該レ
ンズ電源制御手段は、プローブ電流に連動して終段の集
束レンズの結像位置を一定にしながら、かつ開き角を最
適にするようにレンズ電源を制御するように構成したこ
とを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明の電子顕微鏡等における電子ビーム開き角制御装
置では、３段の集束レンズ系、対物レンズ、及び終段の
集束レンズの前方に配置された開き角制御用絞りを備え
るごとにより、プローブ電流に連動して終段の集束レン
ズの結像位置を一定にするように３段の集束レンズ系の
電源を制御することができる。従って、加速電圧や加速
電圧に依存する電子銃輝度や仮想光源の大きさに対応し
て３段の集束レンズの連動さゼることにより、対物レン
ズの焦点距離、絞り径も変えることなく、最適開き角を
与えることができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は本発明に係る電子顕微鏡等における電子ビーム
開き角制御装置の１実施例を示す図であり、１は第１収
束レンズ、２は第２収束レンズ、３ば第３収束レンズ、
４は対物レンズ、５は試料、６ば開き角制御絞り、７は
電子銃、８は収束レンズ連動装置、９は指令部、１１は
第１収束レンズ電源、１２は第２収束レンズ電源、１３
は第３収束レンズ電源、１４は対物レンズ電源、ｒＡＰ
は開き角制御絞りの半径を示す。

第１図において、第１集束レンズ１と第２収束レンズ２
と第３収束レンズ３と対物レンズ４とは、順に間隔がβ
１２、β２３、Ｚ３＋Ｘ４で夫々配置されており、第１
集束レンズ１と電子銃７との距離はρ４、第３収束レン
ズ３の前方に配置された開き角制御絞り６と第３収束レ
ンス３との距離はｒＡＰ、開き角制御絞り６の穴の半径
はｒＡＰであるとする。なお、Ｚ３は第３収束レンズ３
と第３収束レンス３による定位置の結像点Ｐ３との距離
、ｐ、はこの結像点Ｐ３と対物レンズ４との距離である
。これらの値β６、ρ、２、ρ２３、Ｚ３、ｐ４、βＡ
ｌ’、ｒＡＰば、レンズの励磁を大幅に変えた時に生ず
るレンズ主面位置のわずかなずれを除いて常Ｑこ一定で
ある。

また、第１集束レンズ１、第２収束レンズ２、第３収束
レンズ３、及び対物レンズ４は、専用の電源である第１
収束レンス電源１１、第２収束レンズ電源１２、第３収
束レン入電源１３、及び対物レンズ電源１４に夫々接続
されている。そして、試料５と対物レンズ４との距離Ｚ
４を変えた時、指令部９から対物レンズ電源１４に信号
を送り焦点を合わせることができ、また指令部９は必要
とするプローブ電流１ｐ、距離Ｚ４、加速電圧などを参
照して集束レンズ連動装置８にも信号を送る。

集束レンズ連動装置８は、この信号によって第１収束レ
ンズ電源１１、第２収束レンズ電源１２、第３収束レン
ズ電源１３を制御し、第１集束レンズ１、第２収束レン
ス２、第３収束レンズ３の励磁電流を変える。

次に動作を説明する。

必要とするプローブ電流ｒｐが与えられた時、試料５上
で得られるプローブ径ｄを求めるために、先ず、 β　：電子銃の輝度 ｄ９　：電子銃仮想光源の大きさ ■　：加速電圧 △■：加速電圧の変動分、及び電子ビームのエネルギー
幅 ■２　：加速電圧の相対論補正値 （−＝Ｖ　（１＋０．９７８Ｘ１０−６Ｖ）　Ｃボルト
〕）λ：　Ｎ子％’Ａ（Ｄ波Ｋ　（−１２，２６，／Ｖ
’　　（Ａ）　）△Ｉ／ｌ　：対物レンズ４の励磁電流
のゆらぎの比 Ｃ５・球面収差係数 Ｃｃ　：色収差係数 α５　：試料５に入射する電子プローブの開き角（半頂
角） とおくと、電子銃の輝度βおよび電子銃仮想光源の大き
さｄ、ば、加速電圧■の関数であり、球面収差係数０５
、色収差係数Ｃｃは１つの対物レンズ４の形状が与えら
れると作動距離Ｚ４の関数となる。加速電圧■及び作動
距離Ｚ４をある値に定めると、与えられたプローブ電流
１ｐの値に対し、プローブ電流Ｉｐの大部分（例えば７
０％以上）が含まれるプローブの直径ｄは、 ｃ１２＝Ａα５−２＋Ｂα５′＋Ｃα５′で与えられる
。ここで π２β ｃ　＝　−Ｃｓ” とおけば、プローブの直径ｄを最小にするようなα、は
、プローブの直径ｄをα、で微分した式から求められる
。この式を満たすα、をα。ｐｔ　とおけば、 Ｃ となる。このα。１を、輝度不変則から得られる試料５
の面上の縮小された仮想光源の大きさｄ４を求める式に
代入すると、 となる。従って、第１集束レンズ１、第２収束レンズ２
、第３収束レンズ３、及び対物レンズ４の倍率を夫々Ｍ
＋　、Ｍ２　、Ｍ３　、Ｍｓとする時、少な（とも、 Ｍｌ　・Ｍ２　・Ｍ３　・Ｍ４−□ ｇ （−全体の倍率） となるようにレンズ系を動作させる必要がある。

さて、結像点Ｐ３は不動であるので、 Ｍ４＝　Ｚ　ａ　／　ｌ−４ は一定となる。そして、対物レンズ４に入射する電子ビ
ームの開き角α４ば、 αａ　（Ｉｐ）　−Ｍ　４α。ｐｔ（Ｉｐ）となるので
、第３収束レンズ３の主面上でのビームの拡がりの半径
Ｒ３は、 Ｒ：ｌ　（Ｉｐ）−α４（Ｉｐ）・Ｚ３として求められ
る。故に、与えられた第３収束レンズ３と開き角制御絞
り６との距離βヶ、と開き角制御絞り６の半径ｒＡｐに
対し、第２収束レンズ２の結像点Ｐ２と第３収束レンズ
３の主面との距離β３が、 Ａ、　（Ｉｐ）＝Ｒ３−ｐａｐ／（Ｒ：＋−ｒｔｐ）と
して求められ、第３収束レンズ３の倍率Ｍ３　（Ｉｐ）
−Ｚ３／βｚ（ｉｐ） がわかる。従って、第１収束レンズ１、第２収束レンス
２の倍率Ｍ＋　、Ｍ２が満たすべき値、冊 Ｍ＋　　（Ｉｐ）・Ｍｚ（Ｉｐ）−□ Ｍ３　　（Ｉｐ）・Ｍ　４ｆ１ｇ がわかる。すなわち、輝度不変則により、Ｐ２における
仮想光源が縮小された大きさは、ｄ、／（Ｍａｌ・Ｍ４
） でなければならない。

一方、第１収束レンズ１の結像点Ｐ＋　と第１収束レン
ズ１の主面との距離Ｚ１は、電子銃位置を一定にするた
めに、 １２、　　　　　ρ８□−７１ を満たす必要がある。従って、 （β２３−β：＋）／　ｊ！　＋　＋Ｍ　１　Ｍ　２が
わかる。

以上から、各レンズ（第１集束レンズ１、第２収束レン
ズ２、第３収束レンズ３、及び対物レンズ４）の夫々の
焦点距離ｆ８、ｆ２、ｆ３、ｆ４をプローブ電流Ｉｐの
関数として、既に求まっている４３（Ｉｐ）およびＺ＋
（Ｉｐ）を用いて表せば、β、・’ｚ＋（Ｉｐ） ρ＋＋ｚ＋（Ｉｐ） ＩＬ＋（Ｉｐ）＋７３ β４　＋７４ となる。このような焦点距離になるように集束レンズ連
動装置８が第１収束レンズ電ａ１１、第２収束レンズ電
源１２、第３収束レンズ電ａ１３に信号を送ると、一定
の加速電圧■と作動距離Ｚ４に対し、どのようにプロー
ブ電流Ｉｐを変えても開き角α、は最適の値α。ｐｔ（
Ｔｐ）となり、プローブ径ｄは最小値をとる。しかも焦
点距離ｆ４は一定の値で良いので、対物レンズ４は完全
な縮小系であるから、第１収束レンズ１、第２収束レン
ス２、第３収束レンズ３で発生した非点収差の変化も目
立たなくなる。

加速電圧■や作動距離Ｚ、を変更した場合には、β　（
ｖ）　　、ｄｇ　（ｖ）　　、ｃｓ　　（ｚｔ）、ＣＣ
（Ｚ４）も変化する。加速電圧■のみの変更の場合には
、焦点距離ｆ４は一定で、焦点距離ｆ、、ｆ２、ｆ３を
前記の式に従って変化させれば良い。作動距離Ｚ４も変
更した場合、先ず指令部９は、対物レンズ電源１４に指
令して焦点合わせ（ｒａの調整）を行い、さらにこの時
の信号かられかる作動距離Ｚ４の値を参照して集束レン
ズ連動装置８に指令し、前記の式に従って焦点距離ｆ、
、ｆ２、ｆ３を変化させれば良い。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではな
（、種々の変形が可能である。例えば第３収束レンズに
よる結像位置に６極子レンズを配置してもよい。この配
置によって、球面収差の影響をなくすことができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、焦点
距離がプローブ電流に連動して、独立に変えられる３段
の集束レンズと、終段の集束レンズ主面の前方に開き角
制御用の絞りを設けたので、広範なプローブ電流範囲に
対し、絞りを交換することな（最適開き角を得ることが
できる。また、終段の集束レンズの結像位置をプローブ
電流の変化に対し一定にし、対物レンズは前記の像を試
料面上に更に縮小して結像するようにしたので、広範な
プローブ電流の変化に対し、非点収差の影響を減少させ
ることができる。さらには、終段の集束レンスが大きな
プローブ電流に対しては拡大系で使用できるので、中段
の集束レンズの像の大きさを小さくでき、開き角制御用
の絞り径も小さくできる。これにより、小さなプローブ
電流で最適開き角にしても鏡筒の長さは短くできる。し
かも、終段の集束レンズは、小さなプローブ電流に対し
ては縮小系で用いることができるので、鏡筒の長さを短
くでき、また初段と中段の最小焦点距離に対するしね寄
せがないので、ライナーチューブ等も入れ易い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電子顕微鏡等における電子ビーム
開き角制御装置の１実施例を示す図、第２図は電子ビー
ム開き角制御装置の従来例を示す図である。 １・・・第１収束レンズ、２・・・第２収束レンズ、３
・・・第３収束レンズ、４・・・対物レンズ、５・・・
試料、６・・・開き角制御絞り、７・・・電子銃、８・
・・収束レンズ連動装置、９・・・指令部、１１・・・
第１収束レンズ電源、１２・・・第２収束レンズ電源、
１３・・・第３収束レンズ電源、１４・・・対物レンズ
電源、ｒＡＰ・・・開き角制′４■絞りの半径。 出　願　人　　日本電子株式会社 代理人　弁理士　阿　部　龍　吉（外３名）（α、ノ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）３段の集束レンズ系、対物レンズ、及び終段の集
   束レンズの前方に配置された開き角制御用絞り、レンズ
   電源、及びレンズ電源制御手段を備え、該レンズ電源制
   御手段は、プローブ電流に連動して終段の集束レンズの
   結像位置を一定にしながら、かつ開き角を最適にするよ
   うにレンズ電源を制御するように構成したことを特徴と
   する電子顕微鏡等における電子ビーム開き角制御装置。
2. （２）終段の集束レンズは、大きなプローブ電流に対し
   て拡大系、小さなプローブ電流に対して縮小系で使用す
   るように３段の集束レンズ系を連動させることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の電子顕微鏡等における
   電子ビーム開き角制御装置。