JPS61131350A - 電子線装置の対物レンズ - 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】 （１）産業上の利用分野 本発明は電子線装置に用いられる超高分解能磁極片アセ
ンブリ及びこの磁極片アセンブリを用いた電子線装置の
対物レンズに関するものである。

（２）従来の技術 高性能電子顕微鏡或いはこれに類似した電子線装置用の
対物レンズとして、磁極を構成する磁極片の位置を可動
として、比較的高分解能を実現する必要がある時は試料
操作空間、即ち磁極間隙を小とし、強い磁束の集中を達
成してレンズの収差を著しく減少させるようにする一方
、分解能に関しては中程度とし、寧ろ試料操作空間ゆと
りに重点をおき、試料の大角度傾斜、Ｘ線分析、試料加
熱、或いは試料冷却等の操作を比較的楽に行なえるよう
にした電子線装置の対物レンズが、例えば特開昭５７−
１５１１５９号により公知である。

か）ビ装置は鏡筒の分解、組立をすることなく、対物レ
ンズ磁極片を観察の各局面で所望の対応に迅速に切換え
、成る時は高分解能観察、又、成る時は申分解能で試料
傾斜を行なう観察等ができるというメリットを持つ。そ
して、一台の電子線装置で高分解能の観察もできれば大
きな試料傾斜を行なった観察もでき、更にはＸ１ｍ分析
、或いは試料の加熱冷却を伴なう観察等の種々の対応の
観察が可能となっている。

（３）発明が解決しようとする問題点 しかし、か）る装置においても、その高分解能側に切換
えて達成可能な収差に自ずから限界がある。この限界は
一つには磁極片の極孔の大きさからくる。電子線装置に
おいては、磁極間隙部に高度に磁束を集中させて収差の
低減を達成するには、磁極間隙長と磁極孔の口径の両方
を同時に微小化していかなければならない。ところが、
Ｅ［孔をあまり小さな寸法にすると、極低倍で観察でき
る視野の大きざが著しく狭くなる。例えば磁極孔の直径
を１１１１Ｉｇとすると、これによって得られる視野の
大きさは試料面に換算して、せいぜい１１ＩＩＩｌｌの
直径か又はこれを下回るようになる。これでは試料を観
察する場合に、視野が狭過ぎて実用向きではない。又、
磁極孔の縁が汚れた場合は、これによって引き起される
像傷害も著しく大きくなることが知られている。モして
又、電子線装置にあっては、対向する上側及び下側磁極
片のＰ！磁極孔許容される相対的偏心誤差が１μ以下と
いう高１１！度が要求される。そのため、か）る電子線
装置では磁極孔として１　ｍｕｍ径よりかなり大きな寸
法のものを用いる必要がある。その典型的な例では、磁
極孔の口径は３乃至４ｍｍである。従って、収差の下限
は球面゛収差係数として０．８１がほず限度になる。

これによって電子線ＶＲ胃の高分解能のレベルにも自ず
と限界が生じてくる。このような球面収差を更に大幅に
低減するには、従来の如何なる装置においても、何らか
の方法で磁極片アセンブリを交換しなければならない。

そして、か）る磁極片アセンブリを交換するためには上
述の特開昭５７−１５１１５９号に開示された従来の対
物レンズにおいても鏡筒の分解、或いは組立をする必要
がある。本発明は、かする従来装置が持つメリットを些
かも損なうことなく、鏡筒の分解を伴なわない簡単な操
作によって超高分解能が実現することのできる電子線装
置の対物レンズ及びこの対物レンズを構成する超高分解
能磁極片アセンブリを提供することにより、上記従来の
問題点を解決することを目的とする。

（４）問題点を解決するための手段 本発明は上記目的を達成するため、上下方向に極小寸法
のギャップを形成して対向配置された上下磁極体と、こ
れらの上下磁極体を対向状態に支持固定する支持筒とか
ら成り、電子線装置の対物レンズ磁極間に装填されて試
料Ｉ！察を１１なう超高分解能磁極片アセンブリを第１
の発明の要旨とする。上下磁極体は、支持筒にそれぞれ
上側又は下側から係止され、この支持筒によって頂点部
分が互いに一定のギャップを形成するように支持されて
おり、このギャップは極めて小さな寸法に設定されてい
る。支持筒はこの支持筒を貫通しているねじ孔を有し、
このねじ孔にねじ部を存する操作棒を螺合させることに
より、電子線装置内への装填或いは取外し時の持ち上げ
又は持ち下げ操作が行なえるようになっている。

又本願第２の発明の要旨は、上下方向に所定寸法のギャ
ップを形成し、対向して配置された上側磁極片及び下側
磁極片と、これら上側および下側磁極片とは別体構造を
有し、当該上側及び下側磁極片の頂部より小寸法の頂部
を持ち、上下方向に極小寸法のギャップを形成して対向
配置された上下磁極体及びこれらの上下磁極体を対向状
態に支持固定する支持筒とから構成された超高分解能磁
極片アセンブリとから成り、この高分解能磁極片アセン
ブリを上側及び下側磁極片の間に装填して試料を超高分
解能で観察し得るようにした点にある。即ちこの電子線
装置の対物レンズは、磁極を構成する上ｌｌ！１′ｆ１
１極片又は下側磁極片の内、少なくともいずれか一方が
電子線軸（以下便宜上光軸と云う）方向へ移動可能に構
成されており、この磁極によって成る時は比較的高分解
能の観察を、構成る時は分解能は中程度とし、試料の傾
斜や或いは試料の加熱等の観察に伴なう補助的な操作を
行なえるようになっている。その上、一つの観察方法と
して上側磁極片と下側磁極片との間に超高分解能磁極片
アセンブリを挟持することにより、上記可動型の磁極に
よって獲得できた分解能の程度よりも、更に一名高分解
能、即ち超高分解能の試料観察を（テなうことのできる
対物レンズを実現し得るのである。又この対物レンズの
別の態様としては、光軸方向に上下可動に構成されたメ
インの対物レンズの磁極片が申分解能対物レンズ又は高
分解能対物レンズのいずれかを実現できるようにし、こ
のメインの対物レンズの磁極間に挿入固定された超高分
解能磁極片アセンブリによって更に一！！高い分解能の
対物レンズを実現するようにしている。

（５）作　用 超高分解能磁極片アセンブリは、それ自体下側磁極体と
下側磁極体との間に極めて小さなギャップを形成してい
るから、このＨ３高分解能用磁極片アセンブリが電子線
装置の対物レンズに組込まれた場合は、この対物レンズ
の磁極間ギャップが極めて小となり、試料に対して高分
解の観察が可能となる。又一方、この超高分解能磁極片
アセンブリを対物レンズの磁極間から取外して通常の対
物レンズによる試料観察を行なえば、成る時にはこの対
物レンズによる所定の分解能の観察を行なうことができ
、又、別の場合には対物レンズの磁極間隙を大きくして
試料傾斜を行なわせたり、或いは試料の加熱・冷却等の
処理を行なうことが可能となる。

（６）実施例 第１図は本願第１発明に係わる超高分解能磁極片アセン
ブリの一実施例を示す図である。この超高分解能＋ａ極
片アセンブリは、軸線Ｏ方向にギャップをおいて対向し
ている上ｍｌ磁極体３１及び下１ｌ１９！ｉ慟休３２、
それに、これら上側及び下ＭＱ磁極体３１．３２間に形
成されたギャップの寸法を一定に保つため、両磁極体３
１．３２の間に配置された支持ｉＦ！１３３からなって
いる。上側磁極体３１は、円錐台構造を有し、その中心
軸部分には頭部から基部にかけて孔９と、この孔に続い
て下側から上側に向けて次第に拡開する円錐形状に形成
された凹状の窪み３４とが形成され、基部の外周縁には
段状の肩部４０が形成されている。一方、下側磁極体３
２は、下側磁極体３１と同様０円錐台構造を有し、その
中心軸部分には頭部から基部にかけて貫通孔３７と、こ
の貫通孔３７に続いて次第に拡開する円錐形状の凹状の
凹み３６が形成されると共に、基部の外周縁には段状の
肩部４１が形成されている。そして、上側磁極体３１と
下側磁極体３２とは、互いの頭部を相対向させた状態で
上下位置関係に配置され、又肩部４０と肩部４１との間
に円筒形状の支持筒３３を介装することにより、所定寸
法ｄのギャップを保って保持される。又支持筒３３の側
部にはねじ部を有する孔３８が設けられている。

第２図乃至第４図は前記高分解能磁極片アセンブリが組
付けられる電子線装置の対物レンズ部分の構造及び作用
を示す図である。この対物レンズは、継鉄１と、この継
鉄１内において、上下方向に所定の間隙を開けて対称に
配設された上側磁極コイル２及び下側磁極コイル１２と
、これらの上下側１ｉｔｌ極コイル２．１２間のは望中
央部において上下方向に所定のギャップを形成して配置
された上側磁極片１つ及び下側磁極片２０とから成り、
中央部に上下方向に延びる電子線透過用の中央継鉄２１
を形成している。上側！！磁極片９は、上側ＩＩＩコイ
ル２の下縁付近の中央１１１１Ｎ２１中央部において、
継鉄１に一体的に取付固定された上側磁極外部筒４と、
この上ｆ１１１１ｍｍ極部筒４内に支持された上側磁極
内部筒５とから成る。上側１１極外部筒４は、中心部に
おいて先ζ一部から基端部にかけて軸方向に延びる貫通
孔が形成され、且つこの貫通孔は、途中で拡開された棚
部２２を作っている。

父上側１１１ｍ極内部筒５は、その中心部において軸方
向に延びる孔１３ａが形成されている一方、外側部には
比較的滑らかな一動面５ａが形成されると共に、この摺
動面５ａのｍ端側にはねじ２４が形成され、更に上側磁
極外部筒４の貫通孔内において、上記１ｆｆｉｉ６而５
ａが貫通孔周壁に接しつつ、当該貫通孔に沿って摺動自
在に嵌合されている。上ｆｆｌ磁極外部筒４の中に形成
された棚部２２上には、内側面にねじ２４に螺合するね
じ部２６が形成されたクラウンギヤ６が回転可能に設置
され、上側１１極内部筒５に係合している。このクラウ
ンギヤ６は、下側面にギヤ波を有しており、上ｍ磁極外
部筒４の棚部２２の一部を切欠いて当該外部筒内に挿入
した駆動棒７の先端に設けられたビニオン８と噛合って
上側磁極片駆動機構を構成している。

従って駆動棒７を回転させるとクラウンギヤ６が回転し
、このクラウンギヤ６と上側磁極内部筒５との間のねじ
送り作用により当該内部筒が上下動する。この時、上ｍ
磁極内ｔＩＳ筒５に設けた摺動面５ａが上ｌ！ｌ１ｌａ
極外部筒４の貫通孔周壁に密に接触しているため、内部
筒はその上下運動の最中、外部筒に対して偏心したりガ
タＵいたりすることはない。又、上側磁極片１９を上側
ｌａ磁極外部筒と上側磁極内部筒５との２分割構造とし
、内部筒を外部筒内に嵌合させているから、この上側磁
極内部筒５を小型化することができる。従って上下磁極
片１９．２０間に強大な磁気吸引力が働いても、上側１
１ｔｉ内部筒５に加わる分は比較的少なくて済み、上記
駆動棒７による上下ｉｌｌ操作を楽に行なうことができ
る。尚、上ｍｍ極内部筒５に上下動を行なわせるに際し
て、当該内部筒がクラウンギヤ６と共に回転しないよう
にするため、この上側磁極内部筒５には上側１１極内部
筒５の基端に形成された係合穴４２と、中央継鉄２１側
から下方へ延び且つ係合穴４２内に挿入される係合ピン
４３によって構成された回転止めが設けである。

他方、下側磁極片２０は、下側磁極コイル１２の上縁付
近の中央１１鉄２１中央部に配置され、継鉄１に固定さ
れた下側磁極外部筒１４と、この下側＠極外部筒１４内
に潜動可能に嵌合され、且つ中央部に孔１３ｂを有する
下側磁極内部［１５とから成る。この下側磁極片２０は
、第２図及び第３図に示すように、上側磁極片１９と同
じ構造を有し、且つ同様の手段によってクラウンギヤ１
６及び駆動棒１７に作動連結している。そして、下＃ｌ
ｌＦｍ極片２０の上側部には対物絞り１０と試料ステー
ジ９とが配設されている。

上ａｍ磁極外部筒と下ｖｌＩ磁極外部筒１４との間には
、非磁性材料からでき且つ超高分解能磁極片アセンブリ
３０を出し入れする通孔２８が形成された隔離片３が介
装してあり、上側１１極外′部筒４と下ｉ磁極外部筒１
４とを一体構造にしている。

このため、上下両側の磁極外部筒４，１４は互いの中心
軸の偏心量を２μ内に抑えて構成することができ、正確
な電子軌道を作ることができる。又上下１１１１片１９
．２０間に加わった強大な吸引力をこの隔離片３で支持
できる。そして、クラウンギヤ６．１６を回転させて上
下［１１１１ａｍ内部筒５゜１５を上下動させる駆動棒
７，１７は、上下側励磁コイル２及び１２の間に形成さ
れた間隙において、継鉄１を貫通して対物レンズの中心
軸方向へ延びており、この駆動棒７，１７が継鉄１を貫
通する部分においては、対物レンズ内の真空状態が壊れ
ないようにするため、シール部材１１が嵌挿されている
。尚、上記の如く磁極片を外部筒と内部筒のように分割
構造にするのは、上下両磁極片１９．２０について行な
ってもよいし、何れか一方のみについて分割Ｓ造として
もよい。なお、下側磁極内部ＷＲ１５に上下動を行なわ
せるに際して、当該内部筒１５がクラウンギア１６と共
に回転しないようにするため、下側磁極内部筒１５の基
端に形成された係合穴４４と、中央継鉄２１側から上下
へ延び係合穴４４に挿入される係合ビン４５とにより回
転止めが構成されている。

か＼る構造を有する対物レンズにおいて、試料傾斜無し
での高分解能の像を得たい時は、第３図に示すように、
駆動棒７又は１７を回転させ、磁極内部筒５又は１５を
最も突出した位置へ移動させ、上下磁極間の間隙を極め
て小さくすることによって試料Ｉｉ察を行なう。又これ
とは逆に試料を傾斜させて所定の分解能の像を得たい時
には、やはり対物レンズの駆動棒７又は１７を回転させ
、上１ｌｌＩ磁極内部筒５又は下側磁極内部筒１５を後
退した位置へ移動させて磁極間距離を大きくし、この状
態で試料の観察を行なう。

そして又、上記第３図に示す上側及び下側磁極内部筒の
状態によって得られる分解能よりも更に分解能の高い、
所謂超高分解能の試料１２察を行ないたい時には、先ず
対物レンズの上側磁極内部筒５及び下側磁極内部筒６を
第４図に示すように、各内部筒頂面が上側及び下側磁極
外部筒４ａ。

１４の頂面に少なくとも一致する位置まで後退させ、磁
極間隙を最大にしておく一方、超高分解能磁極片アセン
ブリの支持筒３３のねじ孔３８に脱着棒４６をねじ込み
固定し、この脱着棒に支持された超高分解能＠憧片アセ
ンブリを対物レンズ本体の側壁に介設された窓部４４か
ら差入れ上下磁（蒐間部分にきたところで下側磁極外部
筒の上に載置する。この超高分解能磁極片アセンブリが
磁極間隙に挿入できるために、当該ＪＩＱ高分解能磁極
片アセンブリの上下寸法は対物レンズの上側及び下側磁
極片外部筒の頂部間距離とほず同しかこれよりや１少な
い寸法に設定されている。そして、超高分解能磁極片ア
センブリを下側磁極外部筒の上に載置した状態で駆動棒
７又は１７を回転させて上側又は下側磁極内部筒をそれ
ぞれ突出方向へ移動させる。これにより、上側磁極内部
筒５は、上Ｉｌｌ磁極外部筒４に対して下方へ１習！Ｊ
Ｊ＃進し、超高分解能磁極片アセンブリの上側磁極体に
形成された凹状窪み３４内へと進入すると共に、この凹
状窪みの面に完全に一致して超高分解能磁極片アセンブ
リを下方へ押え付ける。他方、下側磁極内部筒１５は、
上記上側磁極内部筒５と同様、駆動棒１７の作動によっ
て前進、即ち下側磁極外部筒１４に対して上方へ摺動移
動し、超高分解能磁極片アセンブリの下側磁極体に形成
した凹状窪み３６内へと進入し、その窪み面に完全に合
さって超高分解能５ｔｉｌ１片アセンブリを上方へと押
し上げる。

この上側磁極内部筒５と下側磁極内部筒１５とによる挟
持作用によって超高分解能磁極片アセンブリは対物レン
ズの磁極間にしっかりと固定され全体としては対物レン
ズの上側磁極外部筒４、上側磁極内部筒５、及び超高分
解能磁極片アセンブリの上側磁極体３１によって対物レ
ンズの上側磁極が構成され、又下側磁極外部筒１４、下
側磁極内部筒１５、及び超高分解能磁極片アセンブリの
下側１１橿休３２によって対物レンズの下側磁極が構成
されることになり、しかもこのようにして構成された全
体としての対物レンズ１１極の磁極間隙は極めて小さな
ｌ１ｉｄになる。従って、この極小寸法となった対物レ
ンズ磁極間に試料９を挿入し、この試料を観察すれば超
高分解能で試料の観察を行なうことができる。

以上の実施例においては、電子線装置の対物レンズそれ
自体が上下動可動の磁極片を持ち、この磁極片は円錐台
構造に形成されることにより、高分解能の試料ｌｌ察が
できるようになっているが。

必ずしもこのような構造に限られるものではない。

例えば対物レンズの磁極片を申分解能レンズとしておき
、前記超高分解能磁極片アセンブリ３０を磁極間に挿入
固定し、より高度の分解能の対物レンズを実現するよう
にしてもよい。勿論、この場合においても、対物レンズ
磁極片は可動としておく必要があるが、このような場合
には、上記磁極片は一つの位置で高度の同心ｇｉを確保
すればよいので、機構はより簡単にすることができる。

又、上記実施例においては超高分解能磁極片アセンブリ
３０を対物レンズ磁極間に固定するに当っては、上側磁
極内部筒５及び下側磁極内部筒１５の何れをも前進作動
させ、超高分解能！４！極片アセンブリ３０を上下か、
ら挟み付ける形で固定していたが、必ずしもこのような
固定の仕方に限られるものではない。例えば、上記実施
例において、超高分解能磁極片アセンブリ３０を下側磁
極外部筒１４の上に［置したとこ°ろで、上側磁極内部
筒５を下方へ前進させ、この上側磁極内部筒５を上１ｌ
Ｉｌｌ　１１極体３１に合致させて下方へ押し付けるだ
けでも超高分解能磁極片アセンブリ３０を対物レンズ磁
極間に固定保持することは可能である。しかし、この場
合は下側磁極の部分で超高分解能Ｉｉ極片アセンブリ３
０と下ｌｌｌ１磁極内部筒１５との間に空間が生じてし
まうため、対物レンズを励磁した時における磁力線の流
れが不規則となり試料観察における観察像の形成に好ま
しからざる影響が出ることがある。

（７）発明の詳細 な説明したように、本発明によれば、一台の対物レンズ
で中程度の分解能から超高分解能の試料観察像を得るの
に、電子線装置そのものを分解したり、或いは電子線装
置を複数設置したりする必要はなく、極めて簡単な操作
で各種分子可能の試料観察ができると共に、更には試料
傾斜或いは試料の加熱・冷却等の処理を簡単に行なうこ
とができる。このように各種モードの試料観察を一台の
装置で行なうことができるため、使用者にとっては経済
的な利益が極めて大となり、更に観察効果が向上するた
め利用価値は大なるものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願第１発明の超高分解能磁極片アセンブリの
一実施例を示す図、第２図は第１図に示す超高分解能磁
極片アセンブリが組込まれる本発明の電子線装置の対物
レンズの一実施例を示す図、第３図は第２図に示す電子
線装置の対物レンズの高分解能による作動状態を示す図
、第４図は第２図に示す対物レンズの中程度の分解能に
おける作動状態を示す共に、第１図に示す超高分解能磁
極片アセンブリを取付は準備完了の状態にある対物レン
ズの作動図、第５図は上記対物レンズの５１に間に層高
分解能磁極片アセンブリを挿入設置した状態を示す図、
第６図は第５図のように載置された超高分解能１ｉｆｔ
片アセンブリを対物レンズの可動磁極によって挟持し超
高分解能による観察が１１なえるようになった状態を示
す図である。 １・・・１１　鉄　　　　　　２・・・上側磁極コイル
４・・・上側磁極外部筒　　５・・・上側磁極内部筒６
．１６・・・クラウンギヤ ７．１７・・・駆動棒　　　８，１８・・・ビニオン９
・・・試才斗面　　　　　１ｏ・・・対物絞り１２・・
・下側磁極コイル　１４・・・下側５１１極外部筒１５
・・・下側Ｈ１ＩＭ内部筒　３１・・・上側磁極体３２
・・・下側１１極体　　　３３・・・支持筒特許出願人
　　株式会社　国　際　精　工第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）上下方向に所定寸法のギャップを形成し、対向して
   配置され且つ少なくともいずれか一方が可動に形成され
   た上側磁極片及び下側磁極片と、これら上側及び下側磁
   極片とは別体構造を有し、当該上側及び下側磁極片の頂
   部より小寸法の頂部を持ち、上下方向に極小寸法のギャ
   ップを形成して対向配置された上下磁極体及びこれらの
   上下磁極体を対向状態に支持固定する支持筒から構成さ
   れた超高分解能磁極片アセンブリとから成り、この超高
   分解能磁極片アセンブリを、上側及び下側磁極片の間に
   装填して試料を観察し得るようにしたことを特徴とする
   電子線装置の対物レンズ。 ２）可動な磁極片は、対物レンズの本体に固定連結され
   た磁極外部筒と、この磁極外部筒に対して電子線軸方向
   に移動する磁極内部筒とから構成されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の電子線装置の対物レ
   ンズ。 ３）超高分解能磁極片アセンブリは、可動な磁極片を後
   退位置へ移動させることによって上側及び下側磁極片間
   に装填されると共に、上記可動な磁極片を前進させるこ
   とにより上側および下側磁極片によって挟持させること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項及び第２項のいずれ
   かに記載の電子線装置の対物レンズ。 ４）上側および下側磁極片によって構成されるレンズは
   中分解能又は高分解能のうち少なくともいずれかの分解
   能を実現する一方、これらの磁極片間に超高分解能磁極
   片アセンブリを装填することによって、より一層高い分
   解能を実現することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   及び第２項のいずれかに記載の電子線装置の対物レンズ
   。