JPS585956A

JPS585956A - 電子顕微鏡

Info

Publication number: JPS585956A
Application number: JP56101195A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Yotsui; 四伊　一生; Hiroyuki Kobayashi; 弘幸小林; Moriki Kubozoe; 窪添　守起; Shigeto Sunakozawa; 成人砂子沢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-07-01
Filing date: 1981-07-01
Publication date: 1983-01-13
Also published as: EP0068896B1; JPH0328015B2; EP0068896A2; DE3277263D1; US4494000A; EP0068896A3

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】本発明は、電子顕微鏡に係シ、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１−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
っては、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、観察者にとっ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、倍室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。

捷た、結像レンズ系の設計にあたって重要な問題にｉ象
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
が一般的になっている。この４部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、［象歪がなく、シかも像の回転や反転が
ないように結［象レンズ系を嘴成することは困難である
。

像の回転をなくす方法としては、種々の方法が提案され
ているが、現実には像回転の生じない電子顕微鏡はない
のが現状である。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、低倍率において像歪がほとんどなく、倍率を
可変した時にも像の回転がほとんどなく、また、低倍率
から高倍率に切換える際にも１象の反転がほとんどない
結像レンズ系を有する電子顕微鏡を提供するにある。

本発明は、３グループの電子、レンズ群をそれぞれの極
性を交互に配列し、低倍率では第２・第３の電子レンズ
群の１部を縮小光学系とし、高倍率時にはすべて拡大光
学系とし、第２・第３の電子レンズ群に供給するレンズ
電流の差を一定として倍率を切換えるようにしたもので
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．中間し／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２４は、コンピュータを用いても良い。本発
明の一実施例にあっては、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段結陳レン
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、タングステンフィラメント又はＬａＢ６フ
ィラメントを備えており、フィ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によって制御
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３８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／ヤソタ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
射し／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２
４による各倍率毎に制御されるし／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、
弗を示し、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、１１は第１中間レンズを表わし
、Ｉ２は第２中間レンズを表わし、Ｐｌ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■１と第２中
間レンズＩ２のペアである。これらは、それぞれ約１５
００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Ｐ１と第２投射レンズＰ２のペアである。こわ
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グループの全体にト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だめであ
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■１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
■１は、第２図（ａ）に示すように、樽形歪が生ずるよ
うにしである。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である。した
がって、第１中間レンズ■ｌの樽形歪を第２中間レツズ
■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、無歪となって
いる。通常の拡大光学系にあっては、糸巻形歪であるが
、対物レンズＯｂＪによって結像される試料Ｓの第１像
ＳＩＩを第１中間レンズ１１と第２の中間レンズＩ２の
間に形成することにより、第１中間レノズ１１は、樽形
歪となるよろに用いている。また、第３グループにおい
ても、第２中間レンズＩ２によって結像される試料像Ｓ
Ｉ３を第１投射レンズＰ１と第２投射し／ズＰ２の間に
形成している。したがって、第１投射レンズＰ１は尊形
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
るようにしである。

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■
１のレンズ電流Ｉｒｌ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４ｍは、
レンズ電流−の自乗に反比例するので、レンズ電流Ｉｆ
、を減らすことにより、焦点距離が長くなる。したがっ
て、像の拡大率が大きくなるとともに歪の程度は小さく
なってくる。一方、第２中間レンズＩ２のレンズ電流Ｉ
Ｔ２は、倍率の増加とともに増加している。第２中間し
／ズ■２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。したがって、第４図の如く、レンズ電流’ｒｌ＋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Ｐｉ、Ｐ２のレンズ電流Ｔｐ
ｌ＋　Ｉｒ２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０９とじ
ている。それに対して第２グループの中間レンズＩｌ、
Ｉ２は、対物レンズＯｂＪに流す電流と逆方向として、
極性を（ハ）としている。さらに第３グループの投射レ
ンズＰＩ、Ｐ２の極性は０→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
ない方眼であっ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によって試料像Ｓ
１．１　として形成される。

この１象は、第２図（ロ）のように上述の理由によって
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９１　とする。第２図にお
いて試料Ｓの矢印は右向きであシ、対物レンズＯｂＪは
拡大系であるため、試料像Ｓ１１は矢印左向きで示すよ
うに反転している。すなわち、成子レンズによっては、
反転と回転の両件用を受けるが、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１象Ｓ１１は、中！司しンズＩＩ、
Ｔ２によって、試料ＦＪＳＩ３　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ＳＩ、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Ｏｂ」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、ψ２　とする。さらに、試料Ｉ＃ＳｓＬは
、投射レンズ’ＰＩ、Ｐ２によって、試料１象ＳＩ、と
して螢光板上に結像される。このｒ象は、第２図に）に
示されるようにさらに回転さねでおり、回転方向は、第
２図（ホ）に示すように、試料像ＳＴｓとは反対である
。ここで、試料ＳＫ対して最終的に螢光板」二に結像さ
れた試料１象８Ｉｉがどの程度回転されているかは、各
レンズによる回転角９総オロであるため、（ψ１−ψ２
＋９３）となる。対物レンズＯｂ」の励磁電流はほとん
ど変えないため、ψＩ４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
ｒｔ　ｒ　Ｉｒ２　＋　Ｉｐ＋　＋　ＩＦ５　とすると
、総回転角は、Ｋ−（Ｉｒｌ＋Ｉｒ２）＋（ＩＰｌ＋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。したがって、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　ｒ＋　＋Ｉ　１２　）と投射
レンズのレンズ電流の和（Ｉ　Ｐｔ　＋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・象回
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９１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、（Ｉｒｔ　＋ｌｌ２）　　（Ｉｐ＋　＋ＩＰ２　）＝に
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（〜で決めら
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
ないような値となっている。

次に低倍率から高倍率への切換時の１象の反転の補正に
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Ｑｂｊ、第２中間レン
ズ■２、第２投射レンズＰ２の３つである。したがって
、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硯祭する試料１象ＳＩ、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、第１中間レン
ズＩＩと第１投射レンズＰ１を同時に拡大系に切換えて
いることである。５段結像レンズ系をすべて拡大系とし
ているだめ、歪の補正は行えない。しかしながら、高倍
率の場合、成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だめ、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Ｉｆ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って、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ＳＩ、’
の方向は反転していることになる。したがって１．低倍
率の場合の試料像Ｓ■、と高倍率の場合の試料像８１、
’は同方向であり、低倍率から高倍率に切換えても試料
１家の反転は生じないことになる。第１中間レンズ■１
を拡大系とするためには、対物レンズＯｂｊによって形
成する試料像ＳＩＩ′を対物レンズＯｂＪと第１中間レ
ンズ■１の間にすればよい。対物レンズＯｂＪを試料Ｓ
の距離は、約２寵程度であり、対物し／ズＯｂＪの焦点
距離をこれより少し短くすることにＸす、わずかな励磁
電流の変化によって、試料像ＳＩ、又はＳＩ、’　の結
像位置を第１中間レンズ■１の前後に容易に変えられる
。

以上詳述したように、本発明の一実顎例によれば、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
、まだ、低倍率から高倍率への切換時にも１象の反転が
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Ｉ重用してもよい。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、成子レンズを１
段追加することも可能である。

本発明によれば、像歪、像回転、１家反転のなり醒子顕
微鏡を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施νｌ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、・・０ｂｊ一対物レンズ、１２，１４．ＩＩ。

Claims

【特許請求の範囲】１、第１の電子レンズと、少なくとも２個の電子レンズ
から構成され、その極性が同極性であるととも、に上記
第１の電子レンズとは異極性である第１の電子レンズ群
と、少なくとも２個の成子レンズから構成され、その極
性が同極性であるとともに上記第１の電子レンズ群とは
異＋を性である第２の電子レンズ群と、低倍率では上記
第１および第２の電子レンズ群の一部を縮小レンズ系と
し、高倍率では上記第１および第２の電子レンズ群を拡
大光学系とするようにレンズ電流を制御し、さらに、倍
率を可変する際には上記第１の電子レンズ群へ供焔する
レンズ電流と第２の電子レンズ群へ供給するレンズ電流
の差がほぼ一定となるようにレンズ電流を制御するレン
ズ電流制御手段とから構成されたことを特徴とする電子
顕微鏡。２、特許請求の範囲第１項記載の電子顕微鏡において、
上記第１および第２の電子レンズ群に供給するレンズ電
流の和の値が、上記第１の電子レンズによる像回転量を
相殺する値であることを特徴とする電子顕微鏡。