JPH0328015B2

JPH0328015B2 -

Info

Publication number: JPH0328015B2
Application number: JP56101195A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Yotsui; Hiroyuki Kobayashi; Moriki Kubozoe; Shigeto Isagozawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-07-01
Filing date: 1981-07-01
Publication date: 1991-04-17
Also published as: US4494000A; JPS585956A; DE3277263D1; EP0068896A2; EP0068896B1; EP0068896A3

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、電子顕微鏡に係り、特に、新規なる
結像レンズ系を有する電子顕微鏡に関する。

電子顕微鏡に用いられる電子レンズは、光学顕
微鏡におけるガラスレンズとは異なり、電子レン
ズの励磁電流を変えることにより焦点距離を変え
られるためレンズ系は固定のまま倍率を可変でき
る。しかしながら、倍率を可変するために、電子
レンズのコイルに流す電流を可変すると、そのコ
イル電流に応じて電子レンズに入射する電子線が
回転する。すなわち、倍率を変えると像が回転す
ることになる。また、結像レンズ系の設計のし方
によつては、所定の倍率付近において、倍率を切
換えた際に像が反転することがある。このよう
な、倍率可変時の像の回転や反転は、観察者にと
つて不都合なものである。すなわち、試料上の観
察位置を変えるために試料微動を行う場合など
は、倍率毎に移動方向が異なることになる。ある
倍率で試料像を観察している場合に、像の上では
左方向を観察したいとしても、実際の試料では手
前方向に微動せねばならず、また、異なる倍率で
は、今度は右方へ微動せねばならないことにな
る。また、試料像の他に回折パターンを得る場
合、回転している試料像に対して回折パターンを
対応付けることが困難である。また、さらに、長
方形の写真の視野に対して試料像を最適な方向に
あわせようとしても、その視野方向をえらびにく
いという問題がある。

また、結像レンズ系の設計にあたつて重要な問
題に像歪がある。この歪は、電子レンズの中心部
と周辺部では焦点距離が異なることにより発生す
るものである。高倍率の場合には、電子レンズの
中心付近しか使用しないため、特に問題とはなら
ないが、低倍率においては問題となる。

最近の結像レンズ系における電子レンズの段数
は、４段が一般的になつている。この４段の電子
レンズの中で、対物レンズのレンズ電流はほとん
ど変化させないため、他の３段の電子レンズの励
磁電流を適当にえらぶことにより、低倍率でも像
歪をなくすことは可能である。しかしながら、像
歪がなく、しかも像の回転や反転がないように結
像レンズ系を構成することは困難である。

本発明は低倍率から高倍率にいたる広倍率範囲
に亘つて像歪の低減、倍率変換時の像無回転並び
に低倍率範囲および広倍率範囲の一方から他方へ
の切換え時の像無反転を達成することができる電
子顕微鏡を提供することにある。

本発明の特徴は、第１の電子レンズ、互いに同
極性ではあるが第１の電子レンズに対しては異極
性の複数個の電子レンズから構成される第１の電
子レンズ群および互いに同極性ではあるが第１の
電子レンズ群に対しては異極性の複数個の電子レ
ンズから構成される第２の電子レンズ群を含む形
像レンズ系と、レンズ電流制御手段とを備え、こ
のレンズ電流制御手段は、低倍率範囲においては
第１および第２の電子レンズ群の各々の無歪化を
達成すべくその各々を構成する複数個の電子レン
ズの一部を拡大光学系、残りを縮小光学系とする
とともに、高倍率範囲では第１及び第２の電子レ
ンズ群の各々を構成する複数個の電子レンズ全部
を拡大光学系とし、かつ低倍率範囲および広倍率
範囲における最終像方向を一致させるように第１
および第２の電子レンズ群のレンズ電流を制御
し、さらに、倍率を変える際は第１の電子レンズ
群に供給するレンズ電流と第２の電子レンズ群に
供給するレンズ電流の差が実質的に一定となるよ
うに第１および第２の電子レンズ群のレンズ電流
を制御するように構成されている電子顕微鏡にあ
る。

本発明の一実施例について、以下に図面を用い
て説明する。

第１図は、本発明の一実施例の電子顕微鏡を示
しており、その鏡体構造は、部分断面図として示
している。電子銃２から発せられた電子ビーム
は、第１コンデンサコイル４および第２コンデン
サレンズ６により集束され、試料ホルダー８に保
持された試料上に照射される。試料像は、最初に
対物レンズ１０により拡大される。そして、この
拡大された像は、さらに、第１中間レンズ１２お
よび第２中間レンズ１４に拡大される。さらに、
第１投射レンズ１６および第２投射レンズ１８に
より拡大されて螢光板２０上に結像する。この拡
大像は、観察窓２２を介して観察できるし、ま
た、図示はしていないが、螢光板２０の下に配置
されたカメラにより、写真撮影が可能である。

コンデンサレンズ４，６、対物レンズ１０、中
間レンズ１２，１４および投射レンズ１６，１８
の各励磁コイルに供給する電流は、励磁電流制御
源２４より供給される。励磁電流制御源２４に
は、各倍率に対応したレンズ電流があらかじめ設
定されており、倍率切換器２６からの切換信号に
応じて、各レンズの励磁電流を制御する。この励
磁電流制御源２４は、コンピユータを用いても良
い。本発明の一実施例にあつては、対物レンズ１
０、中間レンズ１２，１４および投射レンズ１
６，１８の５段結像レンズ系、および励磁電流源
２４による各倍率毎のレンズ電流の制御に特徴を
有しているが、その詳細については後述する。

電子銃２は、タングステンフイラメント又は
LaB₆フイラメントを備えており、フイラメント
の加熱やビーム電流の調整は、電子銃電源２８に
より行なわれる。電子銃２と第１コンデンサコイ
ル４の間には、アライメントコイル３０が配置さ
れ、アライメントコイル電源３２から励磁電流を
調整することにより電子銃の水平と傾斜の軸ずれ
を補正する。対物レンズ１０の上部には、偏向コ
イル３４が配置され、偏向コイル電源３６によつ
て制御される。電子ビームの通路上には、ビーム
径を制限するために、いくつかの絞りが設けられ
ている。例えば、第２コンデンサーレンズ６の下
に設けられた第２コンデンサーレンズ可動絞り３
８や、第１中間レンズ１２の上に設けられた制限
視野絞り４０などがある。この他にも、図示はし
ていないが、対物レンズ１０の上方に対物レンズ
可動絞り８が設けられている。電子銃およびレン
ズ系と、観察室およびカメラ室の間は、エアーシ
ヤツタ４２により閉鎖でき、電子銃およびレンズ
系は、拡散ポンプおよび回転ポンプの第１の排気
ポンプ４４により排気される。また、観察室およ
びカメラ室は、同様な第２の排気ポンプ４６によ
り排気される。

次に、対物レンズ１０、中間レンズ１２，１４
および投射レンズ１６，１８の５段結像レンズ系
による結像状態について第２図，第３図を用いて
説明し、励磁電流源２４による各倍率毎に制御さ
れるレンズ電流について第４図を用いて説明す
る。

第２図は、低倍率における５段結像レンズ系の
結像状態を示し、第３図は、高倍率における５段
結像レンズ系の結像状態を示している。また、図
中において、Objは対物レンズを表わし、Ｉ１は
第１中間レンズを表わし、２は第２中間レンズ
を表わし、Ｐ１は第１投射レンズを表わし、Ｐ２
は第２投射レンズを表わしている。

第２図において、５段結像レンズ系は、３つの
グループに別けられている。第１は、対物レンズ
Objである。対物レンズObjは、通常収差が非常
に小さく、像の歪はほとんどない。そして、約
2000ターンの磁界型電子レンズである。第２は、
第１中間レンズＩ１と第２中間レンズ２のペア
である。これらは、それぞれ約1500ターンの磁界
型電子レンズである。第３は、第１投射レンズＰ
１と第２投射レンズＰ２のペアである。これら
も、それぞれ約1500ターンの磁界型電子レンズで
ある。

最初に、像歪の補正について説明するに、上述
したように、対物レンズObjは歪がないため、第
２グループと第３グループの全体において歪が補
正されればよいことになる。これらのグループ全
体で歪を補正できるような各レンズ電流の組合せ
は無数にある。しかしながら、本発明では、各グ
ループ毎に歪を補正するレンズ電流としている。
これは、像の無回転、無反転をも行なわしめるた
めであり、後述の説明により明らかとなる。ま
ず、第２グループの第１中間レンズＩ１と第２中
間レンズＩ２のペアについて説明する。低倍率に
おいては、第１中間レンズＩ１は、第２図ａに示
すように、樽形歪が生ずるようにしている。一
方、第２中間レンズＩ２は、第２図ｂのように、
糸巻形歪が生ずるようにしてある。したがつて、
第１中間レンズＩ１の樽形歪を第２中間レンズＩ
２の糸巻形歪が打ち消すことにより、第２グルー
プ全体としては、第２図ｃに示すように、無歪と
なつている。通常の拡大光学系にあつては、糸巻
形歪であるが、対物レンズObjによつて結像され
る試料Ｓの第１像SI１を第１中間レンズＩ１と第
２の中間レンズＩ２の間に形成することにより、
第１中間レンズＩ１は、樽形歪となるように縮小
光学系として用いている。また、第３グループに
おいても、第２中間レンズＩ２によつて結像され
る試料像SI３を第１投射レンズＰ１と第２投射レ
ンズＰ２の間に形成している。したがつて、第１
投射レンズＰ１は樽形歪が生じ、第２投射レンズ
Ｐ２は糸巻形歪が生じるようにそれぞれ縮小光学
系、拡大光学系として用いることにより、第３グ
ループ全体として無歪となるようにしてある。

以上のように、対物レンズも、中間レンズのペ
アも、投射レンズのペアもそれぞれ無歪となり、
低倍率においては、５段結像レンズ系全体として
無歪となる。

低倍率において倍率を切換えた場合のレンズ電
流の変化について、第４図を用いて説明する。第
１中間レンズＩ１のレンズ電流I_I1は、低倍率に
おいては、倍率を上げるに従い、その絶対値が減
少している。焦点距離は、レンズ電流の自乗に反
比例するので、レンズ電流I_I1を減らすことによ
り、焦点距離が長くなる。したがつて、像の拡大
率が大きくなるとともに歪の程度は小さくなつて
くる。一方、第２中間レンズＩ２のレンズ電流
I_I2は、倍率の増加とともに増加している。第２
中間レンズＩ２は、拡大光学系であるため、焦点
距離が短くなるとともに、拡大率が大きくなり、
一方、歪は小さくなる。したがつて、第４図の如
く、レンズ電流I_I1，I_I2を変化させることにより、
倍率を増加させつつ、歪は補正できる。投射レン
ズＰ１，Ｐ２のレンズ電流I_P1，I_P2についても同
様である。

次に、像の回転の補正について説明する。

第２図において、対物レンズObjは、極性が
（＋）としている。それに対して第２グループの
中間レンズＩ１，Ｉ２は、対物レンズObjに流す
電流と逆方向として、極性を（−）としている。
さらに第３グループの投射レンズＰ１，Ｐ２の極
性は（＋）としている。すなわち、各グループ毎
に順次極性を交互にしている。

ここで、それぞれのレンズグループによる像の
回転について説明する。試料Ｓは、第２図イのよ
うに、歪のない方眼であつて矢印の方向をむいて
いるものとする。この試料Ｓの像が、対物レンズ
Objによつて試料像SI₁として形成される。この
像は、第２図ロのように上述の理由によつて歪の
ない方眼であるが、回転されている。第２図ホに
示すように、この回転角を₁とする。第２図に
おいて試料Ｓの矢印は右向きであり、対物レンズ
Objは拡大系であるため、試料像SI₁は矢印左向
きで示すように反転している。すなわち、電子レ
ンズによつては、反転と回転の両作用を受ける
が、第２図ロにおいては、この反転のことは除い
てあり、これらは以下も同じである。次に、試料
像SI₁は、中間レンズＩ１，Ｉ２によつて、試料
像SI₃として結像される。この像は、第２図ハに
示されるようにさらに回転されている。しかしな
がら、その回転方向は、第２図ホに示すように、
像SI₁の回転方向とは逆である。これは第２グル
ープの極性が対物レンズObjの極性と逆であるこ
とによる。この時の回転角は、第２図ホに示すよ
うに、₂とする。さらに、試料像SI₃は、投射レ
ンズＰ１，Ｐ２によつて、試料像SI₅として螢光
板上に結像される。この像は、第２図ニに示され
るようにさらに回転されており、回転方向は、第
２図ホに示すように、試料像SI₃とは反対である。
ここで、試料Ｓに対して最終的に螢光板上に結像
された試料像SI₅がどの程度回転されているかは、
各レンズによる回転角の総和であるため、（₁−
₂＋₃）となる。対物レンズObjの励磁電流はほ
とんど変えないため、₁は値が一定の定数であ
る。そして、レンズにおける回転角はレンズ電流
に比例するため、中間レンズ、投射レンズのレン
ズ電流をそれぞれ、I_I1，I_I2，I_P1，I_P2とすると、
総回転角は、Ｋ−（I_I1＋I_I2）＋（I_P1＋I_P2）として表わせる。ここで、Ｋは、対物レンズにお
ける回転であり、一定である。したがつて、倍率
を切換えても像の回転が生じないようにするに
は、中間レンズのレンズ電流の和（I_I1＋I_I2）と
投射レンズのレンズ電流の和（I_P1＋I_P2）の差が
一定であればよい。

そして、さらに、上記の場合には、倍率を切換
えても像の回転は生じないが、対物レンズObjに
よる像回転の影響があるため、実際の試料方向と
最終的に観察される試料像の方向に₁分の角度
ずれが生じている。そこで、この点をも補正する
には、（I_I1＋I_I2）−（I_P1＋I_P2）＝Ｋとなるようにすればよい。すなわち、中間レンズ
と投射レンズのレンズ電流の差が、対物レンズの
回転を補正するような一定値とすればよい。この
ようにして決められたレンズ電流が第４図のとお
りである。このレンズ電流は、歪を補正するとと
もに上式に基づいて回転が生じないような値とな
つている。

次に低倍率から高倍率への切換時の像の反転の
補正について説明する。第２図の低倍率の場合、
拡大光学系として用いているのは、対物レンズ
Obj、第２中間レンズＩ２、第２投射レンズＰ２
の３つである。したがつて、試料像は３回反転さ
れている。すなわち、もとの試料Ｓの方向に対し
て最終的に観察する試料像SI₅の方向は反転して
いることになる。

そして、第３図は、高倍率の場合の光学系を示
しているが、ここで低倍率の場合と異なること
は、縮小光学系として用いている第１中間レンズ
Ｉ１と第１投射レンズＰ１を同時に拡大光学系に
切換えていることである。５段結像レンズ系をす
べて拡大系としているため、歪の補正は行えな
い。しかしながら、高倍率の場合、電子レンズの
ほとんど中心部のみしか用いず、レンズ電流も大
きいため、歪の影響はほとんどない。そして、中
間レンズと投射レンズのレンズ電流の差を一定と
して、第４図に示すように変化させることによ
り、像の回転は補正できる。さらに、第１中間レ
ンズＩ１と第１投射レンズＰ１を同時に拡大系に
切換えることにより、５段結像レンズ系すべてに
よつて、像の反転を受ける。すなわち、像の反転
回数は、５回であり、最終的に、もとの試料Ｓの
方向に対して観察する試料像SI₅′の方向は反転し
ていることになる。したがつて、低倍率の場合の
試料像SI₅と高倍率の場合の試料像SI₅′は同方向
であり。低倍率から高倍率に切換えても試料像の
反転は生じないことになる。第１中間レンズＩ１
を拡大系とするためには、対物レンズObjによつ
て形成する試料像SI₁′を対物レンズObjと第１中
間レンズＩ１の間にすればよい。対物レンズObj
と試料Ｓの距離は、約２mm程度であり、対物レン
ズObjの焦点距離をこれより少し短くすることに
より、わずかな励磁電流の変化によつて、試料像
SI₁、又はSI₁′の結像位置を第１中間レンズＩ１
の前後に容易に変えられる。

以上詳述したように、本発明の一実施例によれ
ば、３グループのレンズ系を巧みに設定すること
により低倍率における歪を補正でき、倍率変更時
にも像の回転は生ぜず、また、低倍率から高倍率
への切換時にも像の反転が生じることはない。

以上の説明では、５段結像レンズ系としている
が必ずしも５段に限るものでなく、３磁極レンズ
のようなレンズを使用してもよい。また、さらに
高倍率を得るために、像回転が生じてもよいとい
うもとで、電子レンズを１段追加することも可能
である。

本発明によれば、低倍率から高倍率にいたる広
倍率範囲に亘つて像歪の低減、倍率変換時の像無
回転並びに低倍率範囲および高倍率範囲の一方か
ら他方への切換え時の像無反転を達成することが
できる電子顕微鏡が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の部分断面図であ
り、第２図および第３図は、本発明の一実施例の
レンズ系の原理説明図であり、第４図は、本発明
の一実施例のレンズ電流側である。１０…Obj−対物レンズ、１２，１４，Ｉ１，
Ｉ２…中間レンズ、１６，１８，Ｐ１，Ｐ２…投
射レンズ、２４…励磁電流源。

Claims

【特許請求の範囲】

１第１の電子レンズ、互いに同極性ではあるが
第１の電子レンズに対しては異極性の複数個の電
子レンズから構成される第１の電子レンズ群およ
び互いに同極性ではあるが第１の電子レンズ群と
は異極性の複数個の電子レンズから構成される第
２の電子レンズ群を含む形像レンズ系と、レンズ
電流制御手段とを備え、このレンズ電流制御手段
は、低倍率範囲においては第１および第２の電子
レンズ群の各々の無歪化を達成すべくその各々を
構成する複数個の電子レンズの一部を拡大光学
系、残りを縮小光学系とするとともに、高倍率範
囲では第１および第２の電子レンズ群の各々を構
成する複数個の電子レンズ全部を拡大光学系と
し、かつ低倍率範囲および高倍率範囲における最
終像方向を一致させるように第１および第２の電
子レンズ群のレンズ電流を制御し、さらに、倍率
を変える際は第１の電子レンズ群に供給するレン
ズ電流と第２の電子レンズ群に供給するレンズ電
流の差が実質的に一定となるように第１および第
２の電子レンズ群のレンズ電流を制御するように
構成されている電子顕微鏡。