JPS623542B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電子顕微鏡に使用される対称磁界型
対物レンズの改良に関するものである。

一般に電子顕微鏡の対物レンズの性能は球面収
差係数Ｃ_s及び色収差係数Ｃ_cを重要な因子として
決定され、これら諸収差の小さいもの程性能が良
い対物レンズとされる。さらにまた電子顕微鏡の
対物レンズの性能を決定する要因として広視野像
が得られること及び視野周辺部における像のボケ
及び歪みが生じないことも重要な因子とされる。
従来においては、これらの諸要因を満足させるも
のはなく、特に低倍像観察においては、対物レン
ズの諸収差が著しく現われるか又は広視野を得に
くいといつた問題を有していた。

例えば上記球面収差係数、色収差係数による影
響を小さくするために、対物レンズにおける励磁
を強くすることにより、これらの収差係数を小さ
くした対物レンズとしてRiecke−Ruskaのコンデ
ンサーオブジエクテイブレンズ（以下C.O.レン
ズという。またその起磁力をJc.o.とする）があ
る。このレンズは、上において述べたのと同様対
称磁界型対物レンズであるから、第１図に示され
ているように上側磁極片１１の孔径と、下側磁極
片２の孔径とがいずれも同じ寸法ｂに設定され、
試料は磁極片間の中点０に置かれる様になつてい
る。しかし、C.O.レンズを使つた電子顕微鏡で
は試料よりも集束レンズ側の磁場において強力な
励磁を行うため、この励磁により電子ビームが強
く収束されるため（第１図）、照射ビームのコン
トロールが難しいという難点があつた。その上、
低倍像観察において広視野像を得にくいという欠
点をも有している。

他方、C.O.レンズを使わない通常の電子顕微
鏡にあつては、対物レンズはJc.o.より小さな起
磁力でもつて使用されているが、この様に起磁力
を小さくすることによつて球面及び色収差係数が
大きくなるという不都合が生じ易い。そして収差
係数を小さくするために起磁力Ｊを上げて行き、
Jc.o.に近づけるとC.O.レンズの場合と同様に、
良質の低倍像を得にくくなるという問題がある。

Jc.o.より大きな起磁力を有する対物レンズと
して、Suzuki−TochigiのＳゾーンレンズが公知
である。このレンズにおいては試料は上、下側磁
極片間の中点０よりも下方に置かれ、対物レンズ
に平行に入射した電子束は、試料前方で、一度収
束して後、試料に、ほぼ平行照射される。このＳ
ゾーンレンズによれば、磁極片の励磁が飽和状態
に達していない時ならばC.O.レンズより小さい
収差係数が得られ、C.O.レンズの起磁力よりも
低い起磁力の対物レンズと同様に照射電子ビーム
のコントロールは容易であるが、低倍像観察を行
う場合には実際上対物レンズ絞りによる視野の低
減とか像が大きく歪むとかの問題を生じ易かつ
た。

本発明は以上の問題に着目して為されたもの
で、その目的は電子顕微鏡の対称磁界型対物レン
ズにおいて、上下磁極片間距離やこれら磁極片に
開設された孔径の寸法を最適に設定し、更に上記
磁極片間に加わる励磁力を一定の範囲に設定せし
めることにより、収差係数が小さく、しかも低倍
率観察においても対物絞りによる視野の減少がな
く又像の歪み及びボケを最小限に抑えることので
きる対物レンズを提供することである。

以下、本発明を添付の図面を参照して説明す
る。

第１図は、先にも述べたように電子顕微鏡の対
称磁界型対物レンズの概略図であるが、この図に
示すように対物レンズは上側磁極片１と、この上
側磁極片１から一定の間隔をあけられ且つ上側磁
極片１に相対向して配置された下側磁極片２とを
有している。これら上側磁極片１と下側磁極片２
には電子線の束が通るための孔径の同じ孔３及び
３′が開設され、これらの孔３，３′の中心には光
軸Ｚが通つている。かかる電子顕微鏡の対物レン
ズにおいて、いま上下磁極片１，２間の距離を
Ｓ、磁極片に開設された孔３，３′の孔径をｂと
し、上下磁極片１，２間に加わる起磁力をＪとお
くと、対物レンズを通る電子ビームの収束点、試
料を照射する電子線の傾き、収差係数等を求める
ことができる。

一般的に、回転対称な磁界型レンズにおいて、
光軸（Ｚ軸とする）方向の磁場分布をBz（Ｚ）
とすると、電子の近軸軌道は、 ｄ^２ｙ／ｄｚ^２＋ｅＢｚ^２（Ｚ）／８ｍ_ｐＵ^＊ｙ（Ｚ）
＝Ｏ……(1) の解として求めることができる（なおここでは電
子の回転運動は考慮しない）。ここで ｅ：電子の電荷 ｍ_p：電子の質量 Ｕ^*：加速電圧（相対論補正してある） である（引用文献として、Glaser、Ｗ；
Grundlagender Elektronenoptikがある）。

上下磁極片１，２にあけられた孔３，４の孔径
ｂが同じであるような、いわゆる対称磁界型レン
ズにあつては、上記(1)式における磁場分布Bz
（Ｚ）は、磁極片１，２および磁気ヨークが飽和
状態にまで励磁されていない時、次の式によつて
求められる。

ここで μ_０：真空の透磁率 I₀（ｔ）：変形されたベツセル関数 であり、座標の原点Ｏを上下磁極片の中点にとつ
ている。これらの式から電子の軌道を求めること
ができる。

また、対物レンズの球面収差係数をＣ_s、色収
差係数をＣ_cとすると、これらの収差係数は次式
によつて求められる。

Ｃ_s＝ｅ／１２８ｍ_ｐＵ^＊∫^Ｚ１ _Ｚ０〔（３ｅ／ｍ_ｐＵ
^＊BZ⁴ ＋8B′z²）y⁴−8B^２ _ｚy²y′²〕dz ……(3) Ｃ_c＝−ｅ／８ｍ_ｐＵ^＊∫^Ｚ１ _Ｚ０Ｂ^２ _Ｚy²d_z ……(4) ここで Z₀：試料位置 Z₁：像面位置 である。

いま、Ｓ／ｂ＝２に設定して対物レンズに無限
遠結像（Z₁＝∞）を行わせた場合の収差係数Ｃ
_s，Ｃ_cと磁極片間距離Ｓとの比及び焦点距離f₀と
Ｓの比の対物レンズ励磁の強さ√^{2 *}に対す
る変化を示すと第２図の様になる。この図におい
て、対物レンズの上下極間距離Ｓを一定とすれ
ば、Ｃ_s，Ｃ_c，f₀は対物レンズの励磁によつて変
化することがわかる。そして第２図から明らかに
なる様に、対物レンズを強励磁にするに従つて球
面収差係数Ｃ_s等は小さくなる。第２図中、上記
のC.O.レンズは励磁の強さ√^{2 *}が20AT／
Ｖ〓（アンペア・ターン／（ボルト）〓）程度に
おいて使用される。このことを示すため、第２図
中においてC.O.レンズの励磁強さをC.O.で示し
てある。

第２図において、代表的な励磁の強さの値とし
てＡ：17、Ｂ：23、Ｃ：29.4（単位はいずれも、
AT／Ｖ〓）を選び、各励磁に対する照射電子束
の径路及び試料４の位置Z₀を第３図に示した。こ
こにおいて、集束レンズにより作られた対物レン
ズ前方のクロスオーバー点は対物レンズ中心Ｏよ
りも集束レンズ（コンデンサ−レンズ）側、Zc
＝−7Sの位置に設定した。また、第３図におい
て結像レンズ側における電子線束の収束点を符号
Ｆで示した。この収束点Ｆの位置に対物絞り５を
置けば、対物絞り５によつて電子線束が遮られる
こともなく視野の減少は起らない。励磁点Ａにお
ける照射電子線束の経路が第３図ａに示されてい
るが、この図からも明らかになる様にＡの励磁で
は種の問題が生じる。例えば試料４と電子線束の
収束点Ｆとの距離が小さい（0.2S以下の距離しか
ない）ため、視野の減少を防ぐため上記収束点Ｆ
に対称絞り５をおいた時、試料４と対物絞り５と
が不当に接近してしまい、試料観察角度を変える
べく当該試料４を傾斜させたりすることが困難に
なつて来る。また試料４に対して大きな傾斜角を
採らせる必要がある場合には電子顕微鏡の上下磁
極片１，２間の距離Ｓを大きくする必要が生じ、
収差係数が大きくなつてしまうという不都合が生
じる。

励磁点Ｂにおける照射電子線束の経路が第３図
ｂに示されているが、このような電子線束照射を
行つた場合、収束点Ｆは対物レンズの二つの磁極
片１，２間をはるかに超えた位置に来ることとな
る。このように孔３の中で電子線束の収束が起つ
ているため、対物絞り５の挿入が極めて困難とな
り、又第３図ｂに示されている様に磁極片１，２
間に対物絞りを配置すると、該対物絞りを絞り込
めば絞り込むに従つて対物レンズの視野を狭めて
しまうことになる。さらにまたこの様な励磁状態
にあつては、対物レンズの励磁作用がわずかに変
化するだけで、Ｆの位置が大きく変わつてしまう
という不都合がある。

以上のような励磁点Ａ（17AT／Ｖ〓）及び励
磁点Ｂ（23AT／Ｖ〓）における対物レンズの励
磁に対して励磁点Ｃ（29.4AT／Ｖ〓）における
照射電子線束の経路を検討すると第３図ｃのよう
になる。この図から明らかなように励磁点Ｃでの
励磁を行つた場合、照射電子線束は下側磁極片２
よりやや前方において収束点Ｆを形成している一
方、この収束点Ｆと試料４との距離もかなり大き
く（0.3S以上の距離が確保される）とることがで
きる。このため対物レンズ内への絞り５の挿入は
比較的簡単に行うことができる上、試料を必要に
応じて傾斜させる場合、大きな傾斜角をとらせる
ことが可能となる。

このように、集束レンズによるクロスオーバ点
の位置Zcが、Zc＝−7S（ここで符号マイナス
は、クロスオーバー点Zcが対物レンズ中心Ｏよ
りも集束レンズ側にあることを示す）である時、
対物レンズの上下磁極片１，２間に置かれた試料
は、対物レンズが励磁点Ｃにおける励磁を行つて
いる場合に最も良好な照射電子線束経路が得られ
ることがわかつた。しかし、集束レンズの励磁を
変化させ、クロスオーバー点の位置Zcを変化さ
せれば、試料位置Zoよりも後方における照射電
子線束の収束点Ｆの位置（Ｚ_Fとする）もまた変
化することは容易に理解できるであろう。ここで
Zcは対物レンズの励磁を０とした時に、集束レ
ンズによつて作られるクロスオーバー点の位置を
示す。

Ｓ／ｂ＝２に設定し対物レンズの励磁を
29.4AT／Ｖ〓とした時のZc／ＳとＺ_F／Ｓとの関
係を求めると第４図のようになつた。なお、この
図において座標原点は対物レンズの上下励極片間
の中点であり、横軸に集束レンズによるクロスオ
ーバー点Zcと磁極間距離Ｓとの比、縦軸に対物
レンズにおける照射電子線束の収束点Ｆの位置Ｚ
_Fと磁極間距離Ｓとの比をとつてある。またこの
縦軸においては光軸方向（即ち第４図下方）を正
にとつている。この図から明らかになるように、
Zc／Ｓが図中の符号DEで示す範囲内（−２≦
Zc／Ｓ≦0.5）にあるとき以外においては、収束
点Ｆは下側磁極片２の頂面付近に位置しており
（Ｚ_F／Ｓ≒0.5）、試料の観察に適した状況が得ら
れる。

Ｚ_F／Ｓ＝Ｆ_Oとなる、横軸に平行な線は収束点
Ｆの漸近線であり、光軸に対して平行に対物レン
ズに入射した電子線（即ちZc／Ｓ＝∞）が試料
後方で光軸と交わる点を表わしている。第４図を
見ると明らかなように、−１＜Zc／Ｓ＜０におい
て収束点Ｆは無限遠へと遠去かるため、かかる条
件下では収束点Ｆに対物絞り５を配置することは
困難となる。しかし集束レンズによるクロスオー
バー点の位置Zcが上記の様な範囲内にある時に
対物レンズの励磁を29.4AT／Ｖ〓に維持する
と、対物レンズにおける照射電子線束は対物絞り
５の絞り径よりも小さな径を持つ極めて小径（約
10μ〓以下）の電子線束となつて下側磁極片２の
孔３を透過する。したがつてこの様な場合に対物
絞り５を照射電子線束の収束点Ｆに合わせて配置
する必要はなく、上側磁極片１と下側磁極片２と
の間に配置することができる。以上の事柄から、
Ｚ_F／Ｓ＝Ｆ_Oの点（下側磁極片２のわずか前方の
位置）に対物絞りを置けば、実質的にZcの全可
変範囲について対物絞りによる視野の減少はなく
なる。このように対物絞り５を下側磁極片２付近
におくことにより、試料４と対物絞り５との間隔
を比較的大きくとることができるため比較的大角
度の試料傾斜を行うことができ、又上下極片１，
２間の距離Ｓを小さくすることが可能となり、収
差係数Ｃ_sやＣ_cが小さくなるという利点が得られ
る。

ここで、 Ｚ_A＝0.5S−Ｆ_O とおくと、Ｚ_Aは下側磁極片２と対物絞り５との
距離を表わす。そこで、対物絞り５の位置が下側
磁極片付近の範囲（正確には０≦Ｚ_A≦0.15S）に
収まることのできる、対物励磁の強さ√^{2 *}
（便宜上Ｊで代表させる）の範囲をｓ／ｂに対し
て求め、その範囲を第５図に斜線で示した。その
図中、曲線L₁はＺ_A＝０、即ちＦ_Oが下側磁極片
２の頂面に一致するような対物励磁の強さとＳ／
ｂとの関係を示し、曲線L₂はＺ_A＝0.15Sとなるよ
うな対物励磁の強さとＳ／ｂとの関係を示してい
る。またこの図から明らかになるように、曲線
L₂よりも上の励磁を与えるとＺ_A＞0.15Sとなる。
このことは第４図のグラフに照らしてみると、試
料４と対物絞り５の位置Ｆ_Oとの距離が0.2S以下
になることを意味し、この様な高励磁下において
は試料４を比較的大角度で傾斜させ得るという上
記利点がえられなくなる。よつて試料４の操作性
を良好に保ちながら広視野を得るためには、第５
図中斜線で示す範囲に対物励磁ＪとＳ／ｂとの関
係を維持すべきであることがわかつた。なおここ
でC.O.レンズの励磁（便宜上Jc.o.で代表させ
る）とＳ／ｂとの関係をグラフに示すと第５図破
線C.O.のようになる。したがつて第５図中斜線
で示す範囲での対物励磁Ｊを破線C.O.を基準に
して表わすと、Ｓ／ｂの範囲が１≦Ｓ／ｂ≦５で
は、ほぼ 1.4Jc.o.≦Ｊ≦1.7Jc.o. なる関係が成り立つ。なお第５図において明らか
なようにｓ／ｂ＜１においては曲線L₁，L₂の傾
斜変化率が大きく実用性を伴わないこと、及び次
に述べるように、平行照射条件を満さず、大きな
ボケ及び歪を発生しやすいので上記ｓ／ｂの範囲
は考慮してない。

次に、電子顕微鏡の性能を決める上で重要とな
る事柄は全視野において像にボケ及び歪みができ
なくすることである。ここで第３図を参照する
と、ａ，ｂいずれの励磁においても、試料４の、
光軸Ｚから離れた部位では電子線は試料４に対し
て垂直ではなく、傾いた方向に入射している。試
料上の点Ｐに入射する電子線の、当該点Ｐにおけ
る接線が光軸Ｚが交わる点をＱとし、試料４の位
置ZoとＱとの距離をｌとして（第６図参照）
ｌ／Ｓの値を求めることにより、像のボケ及び歪
みの大きさを見積ることができる。この場合、試
料より集束レンズ側の対物レンズの磁場の収差を
無視すれば、ｌの大きさはＰの位置に関係なく一
定に決まる。通常、このｌ／Ｓの値が小さい、す
なわち傾きが大きいと像のボケ及び歪みが大きく
なつて良質の広視野像は得にくくなる。そして第
３図ｃの励磁にも見られる様に、試料４に垂直に
電子線が入射する照射（即ちｌ＝∞、∴ｌ／Ｓ＝
∞）は「平行照射」と名付けられ、通常この照射
においてボケ及び歪みを量も小さくすることがで
きるが、この状態を実験で見出すことは容易でな
い。前記軌道計算により、以下のごとく「平行照
射」となる条件を明確にすることができた。

第２図及び第３図においてＢ（＝23）、Ｃ（＝
29.4）の各励磁（単位はいずれもAT／Ｖ〓）に
おけるｌ／Ｓの値をZc／Ｓに対して求め、その
結果を第７図に示した。なお、この図で破線はＢ
の励磁下での変化を表わし、一点鎖線はＣの励磁
下での変化を表す。集束レンズにおいて、点光源
から出た電子線束を試料４位置に収束させたとき
ｌ／Ｓ＝０となるが、この時のZc／Ｓの値を第
７図中、Ｂ_O，Ｃ_Oで示してある。Ｂ，Ｃ、いずれ
の対物励磁においても、集束レンズの励磁を変化
させてZc／Ｓを可変とすれば試料４に当る照射
面積を変化させることができる。しかし第７図か
ら対物励磁の強さをＢ、即ち23AT／Ｖ〓にした
場合と、Ｃ、即ち29.4AT／Ｖ〓にした場合とで
はｌ／Ｓ、即ちｌの値が著しく異なつていること
がわかる。このことを例えば第３図に示した例に
ついて検討する。既に述べてあるように第３図に
示すような電子線経路は集束レンズによる収束点
がZc＝−7Sの位置にある時に得られた。この式
を満足する点は第７図中符号ｅで示されている
が、この座標位置におけるｌ／Ｓの値は、 Ｂの励磁においては、ｌ／Ｓ＝10^-1 Ｃの励磁においては、ｌ／Ｓ＝10² となり、Ｃの励磁下ではＢの励磁におけるよりも
はるかに平行照射に近いことを示している。また
第７図中、横軸座標の｜Zc／Ｓ｜の値が大きく
なるところでは、Ｃの励磁下でのｌ／Ｓの値はＢ
の励磁下でのｌ／Ｓの値よりも２乃至３桁大きな
値となる。このことは、Ｃの励磁下にある対物レ
ンズはＢの励磁を受けた時よりもさらに一層平行
照射に近くなり、良質の広視野像が得られること
を示している。他方、第７図中−0.3≦Zc／Ｓ≦
−0.2においてはＢの励磁下においてｌ／Ｓ＝∞
となり平行照射が得られるのに対し、この範囲或
はZc／Ｓ＝−0.5近辺においてはＣの励磁下にお
いてｌ／Ｓは極めて小さな値となる。ところがこ
のようなZc／Ｓの値の範囲にあつては、上述し
たように、対物レンズにおける照射電子線束は対
物絞り５の絞り径よりも小さな径を持つ極小径
（約10μ〓以下）の電子線束となるため、Ｃの励
磁下においても像の歪みとか視野の狭小化といつ
た問題は起らないのである。

ちなみに、光軸Ｚに対して平行に入射した電子
線（即ちZc／Ｓ＝∞）が試料４に垂直に入射し
得る（つまりｌ／Ｓ＝∞）、対物レンズの励磁√
^{2 *}とＳ／ｂとの関係を上記第５図中に一点
鎖線で示した。この曲線の前後においては、
比較的大きな集束レンズの励磁可変範囲に対して
大きなｌ／Ｓが得られ、像の歪みを極めて少なく
することができる。先の説明において試料４の操
作性を良好に保ちながら広視野像を得るのに適し
た対物レンズの励磁範囲は、第５図中、曲線
L₁，L₂を境とする斜線部であることを示し、こ
の範囲は、１≦Ｓ／ｂ≦５においては、 1.4Jc.o.≦Ｊ≦1.7Jc.o. であらわされることを示した。

一方上記曲線Ｉが第５図中斜線で示す範囲中に
含まれるＳ／ｂの範囲は、１≦Ｓ／ｂ≦５である
ことがわかる。従つて広視野像が得られるばかり
でなく像のボケ及び歪みの少ない像がえられるＪ
及びＳ／ｂの条件は、1.4Jc.o.≦Ｊ≦1.7Jc.o.かつ
１≦Ｓ／ｂ≦５であることが明らかとなつた。

以上述べて来たように本発明によれば、対物レ
ンズの上側励磁片及び下側磁極片間の距離Ｓとこ
れら両磁極片に開設された孔径ｂとの比を一定範
囲に保ち、且つこの対物レンズの磁極片間に加わ
る励磁力を一定範囲に維持することにより、歪み
の少ない良質の広視野像が得られ、しかも収差係
数が小さく、さらに比較的大きな角度に試料を傾
斜させることのできる電子顕微鏡の対物レンズを
提供することができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は対称磁界型対物レンズにおける電子軌
道の例を示す図である。第２図は、Ｓ／ｂ＝２に
おける、対物レンズの励磁√^{2 *}に対する球
面収差係数Ｃ_s／Ｓ、色収差係数Ｃ_c／Ｓおよび焦
点距離f₀／Ｓをそれぞれ示す図である。第３図
は、Ｓ／ｂ＝２であり且つ、対物レンズの励磁√
^{2 *}が(a)17AT／Ｖ〓、(b)23AT／〓および(c)
29.4AT／Ｖ〓である時の電子線軌道及び、試料
位置後方での電子収束点Ｆを示す図である。第４
図は、Ｓ／ｂ＝２且つ対物レンズの励磁を
29.4AT／Ｖ〓に維持し、集束レンズによる収束
点を変化させた時、Zc／Ｓに対する試料後方で
の電子束の収束点Ｆの位置Ｚ_F／Ｓの変化をグラ
フに示した図である。第５図は、対物絞り位置Ｆ
_Oを下側磁極片の頂面付近き設定し得る、対物レ
ンズの励磁範囲、コンデンサ・オブジエクテイブ
レンズの励磁曲線、および光軸に平行に入射した
電子線が試料に入射し得る対物レンズの励磁と
Ｓ／ｂとの関係をそれぞれグラフに示した図であ
る。第６図は、試料に入射する電子線の傾き具合
を決定する方法を説明するための図である。第７
図は、Ｓ／ｂ＝２且つ対物レンズの励磁を
23AT／Ｖ〓又は29.4AV／Ｖ〓に維持したときの
それぞれの場合における、集束レンズの励磁変化
Zc／Ｓに対する電子線の試料への入射傾きｌ／
Ｓの変化を片対数グラフにして示した図である。 符号の説明、１……上側磁極片、２……下側磁
極片、３，３′……孔、４……試料、５……対物
絞り。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 磁界型電子レンズの光軸に関し、回転対称な
   形状を有し、上側磁極片１及び下側磁極片２の間
   の距離がＳ、上側磁極片１及び下側磁極片２に開
   設された孔３，３′の径がｂに設定された電子顕
   微鏡の対称磁界型対物レンズにおいて、 １≦Ｓ／ｂ≦５ であり、 且つこの範囲内でのＳ／ｂの任意の値におい
   て、対物レンズの励磁力をＪとし、また、光軸に
   平行に対物レンズに入射した電子線が一度光軸と
   交わり、再び光軸に平行になつて対物レンズを出
   て行く状態にあるときのRiecke−Ruskaのコンデ
   ンサ・オブジエクテイブレンズの起磁力をJc.o.
   としたとき、 1.4Jc.o.≦Ｊ≦1.7Jc.o. なる関係が成り立つようにしたことを特微とする
   電子顕微鏡の対物レンズ。