JPH0244103B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は透過電子顕微鏡の電子線照射レンズ系
の改良に関する。

最近の透過電子顕微鏡においては、試料に関す
る透過像を観察するだけでなく、透過像中の極微
小領域の物性分析を行なうことが重要となつてき
ている。この分析を行なうためには、試料上で数
ｎｍ乃至数＋ｎｍに集束された電子線によつて照
射される極微小領域に充分な電子線電流（明る
さ）を与えることが必要で、そのために電子線の
集束に寄与する最終段の集束レンズとして球面収
差係数の小さいレンズを使用することが要求され
る。又、透過電子顕微鏡像観察時と極微小領域分
析時とで対物レンズの励磁を変えることは視野の
対応性を持たせることを難しくするので、透過電
子顕微鏡像観察時と極微小領域分析時とで対物レ
ンズの励磁を一定に保つことが要求される。この
ような要求を満たすため、強く励磁された対物レ
ンズ磁場内のCO（condense objective）位置と称
される位置に試料を配置する試料観察が従来より
行われている。

第１図及び第２図は、夫々対物レンズのCO位
置に試料を配置して透過電子顕微鏡像観察のモー
ド（TEMモード）と分析モードに設定した場合
における電子線経路を示す略図である。これらの
図において、観察すべき薄膜状試料１は対物レン
ズの磁場内に配置されるので対物レンズは試料１
より上の前方対物レンズ２と試料１より下の後方
対物レンズ３に分けて考えることができる。これ
らのレンズにより試料の上方無限遠の点を試料上
に結像する条件と試料から出た電子線を試料の下
方無限遠で結像する条件を対物レンズの励磁を変
化させないで満足させることができる。試料１を
照射する電子線４は電子銃５より発散し、該発散
電子線４は第１、第２集束レンズ６ａ，６ｂ、第
３集束レンズ７及び前記前方対物レンズ２により
順次集束される。試料１を透過した電子線は対物
レンズ絞り８を通過して中間レンズ等から構成さ
れる結像レンズ系（図示せず）に導かれる。第１
図に示すTEMモードにおいては、電子線４は集
束レンズ７により前方対物レンズ２の前方焦点位
置Ｐ１に電子銃５のクロスオーバ像を結像する。
このクロスオーバ像から発散する電子線は前方対
物レンズ２により光軸に平行なビームとなつて試
料１を照射する。このとき平行電子線によつて照
射される試料領域（の幅）は、第２集束レンズ７
に設けられるレンズ絞り９と点Ｐ１までの距離Ｍ
及び絞り９の穴径ｄによつて決まる。試料１を透
過した電子線は、結像レンズ系を構成する後方対
物レンズ３により、その後焦面に設置される対物
レンズの絞り８の位置に集束した後、絞り８を通
過して結像レンズ系（図示せず）に導かれる。結
像レンズ系は、対物レンズを除いて中間レンズ等
が電子顕微鏡像を結像するように調整されてお
り、蛍光板（図示せず）上に透過電子顕微鏡像を
結像する。このようなTEMモードにおいて蛍光
板上の試料像を観察し、像中に分析したい箇所を
捜し出した後に、試料装置（図示せず）を操作し
て電子線に対する試料の位置を移動して蛍光板の
中心（光軸）に分析したい箇所がくるように調整
する。このような分析箇所の設定が完了した後、
照射レンズ系を第２図に示す分析モードに切替え
る。この分析モードにおいては、電子線４は集束
レンズにより前方対物レンズ２から充分離れた上
方（無限遠とみなす）の点Ｐ２に電子銃５のクロ
スオーバー像を結像し、このクロスオーバ像は更
に前方対物レンズ２により試料１上に縮小結像さ
れる。このとき試料照射電子線の開き角αは第２
集束レンズ７のレンズ絞り９の穴径ｄによつて決
まる。試料を透過した電子線は絞り８を透過して
対物レンズを除き回折パターンを結像するように
調整された結像レンズ系に導かれ、蛍光板上に回
折パターンを表示する。あるいは、試料を透過し
た電子線をエネルギーアナライザーに導いて、試
料透過電子線のエネルギー分析を行つたり、試料
から発生するＸ線を検出して元素分析が行われ
る。更に、対物レンズの上方に偏向コイルを設
け、該偏向コイルに走査信号を供給して試料面を
電子線によつて走査し、電子線の走査と同期した
陰極線管の輝度変調信号として試料から検出され
る二次電子等を用いることによつて走査電子顕微
鏡として使用することもできる。

このような手順によつて、従来装置における
TEMモードと分析モードの切替えが行われるが、
TEMモードにおける観察視野が極めて狭いとい
う問題がある。この視野を広くするためには、第
３集束レンズ（一般的には最終段の集束レンズ）
の絞り９の穴径ｄを大きくするかレンズ絞り９と
前方対物レンズの前焦点Ｐ１までの距離Ｍをでき
るだけ短くすればよい。しかし、電子銃から発散
する電子線の発散角の問題等からレンズ絞りの穴
径ｄを一定値以上に大きくすることはできない。
そこで、レンズ絞り９と前方対物レンズの前焦点
までの距離Ｍをできるだけ短くするため、特開昭
53−147458号公報に開示されるように第２集束レ
ンズと前方対物レンズとの間に新たなレンズを付
加することが提案されている。この装置によれ
ば、距離Ｍを短くすることができるが、新たに付
加される補助レンズは本来の対物レンズのヨーク
そのものを利用するものであるため、補助レンズ
の励磁を変化させると試料の上下に形成される対
物レンズ磁場の強度が変化してしまい、TEMモ
ードと分析モードを切替えた場合に軸が一致しな
くなり視野の対応が正確でなくなるという欠点が
ある。

本発明は、このような問題を解決して、新たに
設ける補助レンズと本来の対物レンズとの相互干
渉を生じることなく、補助レンズのレンズ磁場位
置と前方対物レンズの前焦点までの距離Ｍを短く
することを目的とするものである。

本発明装置の構成は、対物レンズと電子銃との
間に複数段の集束レンズを設けた装置において、
最終段の集束レンズの対物レンズ側極端片を外側
に凸に形成すると共に、対物レンズの集束レンズ
側ヨークの中央部に窪みを形成し、最終段の集束
レンズの対物レンズ側磁極片と対物レンズの集束
レンズ側ヨークの間に形成される空間内に、対物
レンズの磁場内に置かれる試料から発生するＸ線
等の信号を検出するための手段を組み込むように
構成したことを特徴とするものである。

第３図は、本発明の一実施例装置の断面を示す
略図である。第３図において、光軸Ｚに対称に第
３集束レンズ７及び対物レンズ１０が設けられ、
その間に最終段集束（補助）レンズ１１が設置さ
れる。対物レンズ１０は、レンズコイル１２と、
該レンズコイル１２を包むレンズヨーク１３と、
ヨーク内側に配置され非磁性スペーサ１４で一体
化された二つの磁極片１５ａ，１５ｂから構成さ
れ、レンズコイル１２と上部（集束レンズ側）レ
ンズヨーク１３ａとの間に形成される空間Ｓに
は、レンズヨーク１３を貫通して試料装置１６や
対物レンズ絞り機構（図示せず）が組込まれる。
該試料装置１６の先端部にはスペーサ１４に穿た
れた穴を通つて試料を磁極片１５ａ，１５ｂの略
中間に位置させる試料ホルダー１７が取付けられ
ている。試料装置１６には、試料を光軸Ｚに垂直
な平面内で移動させる機構の他に試料ホルダ１７
の軸の回りに試料を回転させる傾斜機構が備えら
れており、該傾斜機構を作動させる試料装置１６
全体が試料ホルダー１７と共に試料ホルダー１７
の軸の回りに回転する。そのため、上側磁極片１
５ａの下端面よりも上側の領域にも空間Ｓを設け
ることが必要となる。本発明においては、この空
間Ｓを確保するため上部ヨーク（および上磁極片
１５ａ）の中央部に窪みを形成することにより、
対物レンズの構造におけるCO位置をできるだけ
集束レンズに近い上側に位置させている。又、一
般に対物レンズを強く励磁すると大きな磁束が流
れるレンズヨークは磁気飽和に近い状態となり、
レンズヨークから漏洩する磁束も多くなる。従つ
て、第３図のように上側ヨーク１３ａを磁極片か
らできるだけ遠ざけるように上側へ傾ける（即ち
上側レンズヨークの上面に凹部を設ける）こと
は、レンズヨークからの漏洩磁束を減少させると
いう効果をもたらす。

第３集束レンズは、レンズコイル１８とヨーク
１９からなり、そのレンズ磁場中心には絞り機構
２０により絞りが挿入される。第３集束レンズ７
のヨーク下面に偏向コイル２１及び保持具２２を
介して最終段集束（補助）レンズ１１が取付けら
れている。補助レンズ１１は、レンズコイル２
３、上側ヨーク２４及び下側ヨーク２５からな
り、下側ヨーク２５は対物レンズ側に凸な円錐状
になつている。又、上側磁極片２４も下側に凸な
円錐状をしているため、２つのヨークの環状端面
の間に形成されるレンズ磁場は補助レンズ内部の
最も下側に位置するようになる。その結果、補助
レンズの構造におけるレンズ主面の位置をより対
物レンズに近づけることが可能となる。

このようにして、補助レンズ１１と対物レンズ
の上側ヨーク１３ａとの間には略等しい間隔の隙
間が形成されるようにレンズが配置され、この隙
間にＸ線分析装置のＸ線検出部２６、二次電子検
出器２７及び偏向コイル２８等を組込むことが可
能となる。Ｘ線検出部２６をこのような隙間に配
置することにより、必然的に試料１から発生する
Ｘ線に対する取出し角度が高くなりＸ線分析に好
ましい結果を与える。

第４図及び第５図は、第３図の実施例装置にお
けるTEMモードと分析モードの電子光学系を第
１図及び第２図に対応させて表わしたものであ
る。第４図の光学図に示すTEMモードにおいて、
第３集束レンズ７によつて補助レンズ１１の上方
位置Ｐ１′に結像したクロスオーバ像は補助レン
ズ１１により前方対物レンズ２の前焦点位置Ｐ１
に結像している。このように、位置Ｐ１′に形成
される開き角の大きな電子線によるクロスオーバ
像を略１対１の関係で位置Ｐ１にもつてくること
ができるので、第１図の場合に比較して電子線に
照射される試料領域を大幅に拡げることができ
る。これに対して、第３図の装置による分析モー
ドの光学図は基本的に第２図に示す従来の光学図
と同じである。即ち、第５図においては補助レン
ズ１１の励磁をTEMモードの場合よりも弱めて
いるが、更に弱めて零に設定しても差し支えな
い。

以上のように、対物レンズとその前段に配置さ
れる最終段集束（補助）レンズを本発明に従つて
構成することにより、対物レンズの励磁を変化さ
せずにTEMモードと分析モードにおける試料照
射位置の対応を保ちながら行なうことが可能とな
るだけでなく、TEMモードにおける電子顕微鏡
像の視野を従来よりも大幅に拡げることが可能と
なる。そのため、電子顕微鏡による試料中の微小
領域の物性分析がより迅速且つ正確に行なわれる
ようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の透過電子顕微鏡における透過電
子顕微鏡像観察のモード時の電子線経路を示す略
図、第２図は従来の透過電子顕微鏡における分析
モード時の電子線経路を示す略図、第３図は本発
明の一実施例装置を示す略図、第４図は本発明装
置における透過電子顕微鏡像観察のモード時の電
子線経路を示す略図、及び第５図は本発明装置に
おける分析モード時の電子線経路を示す略図であ
る。 １：試料、２：前方対物レンズ、３：後方対物
レンズ、４：電子線、５：電子銃、６ａ：第１集
束レンズ、６ｂ：第２集束レンズ、７：第３集束
レンズ、８：対物レンズ絞り、９：第３集束レン
ズ絞り、１０：対物レンズ絞り、１１：補助レン
ズ、１２：レンズコイル、１３：レンズヨーク、
１４：非磁性スペーサ、１５ａ，１５ｂ：磁極
片、１６：試料装置、１７：試料ホルダー、１
８：レンズコイル、１９：ヨーク、２０：絞り機
構、２１：偏向コイル、２２：保持具、２３：レ
ンズコイル、２４：上側ヨーク、２５：下側ヨー
ク、２６：Ｘ線検出部、２７：二次電子検出器、
２８：偏向コイル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 対物レンズと電子銃の間に複数段の集束レン
   ズを設けた装置において、最終段の集束レンズの
   対物レンズ側磁極片を外側に凸に形成すると共
   に、対物レンズの集束レンズ側ヨークの中央部に
   窪みを形成し、最終段集束レンズの対物レンズ側
   磁極片と対物レンズの集束レンズ側ヨークの間に
   形成される空間内に、対物レンズの磁場内に置か
   れる試料から発生するＸ線等の信号を検出するた
   めの手段を組み込むように構成したことを特徴と
   する透過電子顕微鏡。