JPS6336108B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は結像法を改善した電子顕微鏡に関する
ものである。 電子顕微鏡の軸外収差には、湾曲収差、軸外非
点収差、倍率色収差、歪収差等がある。これらの
収差が大きいと、像記録面上のフイルム周辺部で
像がボケたり、歪んだりするが、特に数千倍以下
の低倍率では良質の低倍広視野像を得るために、
これらの収差を小さくする必要がある。 軸外収差は、試料から出た電子線束がレンズの
光軸から離れた位置を通る程大きくなり、同じ倍
率で像観察をしても、軸外収差の大きさは試料か
ら像記録面までの間での像結像法によつて大幅に
変化する。例えば、これまで電子顕微鏡において
採用されて来た低倍率結像法の一例を示すと第１
図のようになる。 これは、試料１から発した電子線束３を受ける
対物レンズ４と、対物レンズ４を通過した電子線
束３の広がりを一定量に規制する対物絞り５と、
対物レンズ４の後方に配置され電子顕微鏡の倍率
変更を行う中間レンズ６及び投影レンズ８と、試
料の像拡大操作によつて得られた観察像を記録す
る像記録面９とから成る。このようなレンズ構成
によつて、試料１上の光軸１０よりXoだけ離れ
た点から出た電子線束３は対物レンズ４により屈
折された後対物絞り５により開き角を制限され、
中間レンズ６により投影レンズ８の物面７に結像
され、さらに投影レンズ８により像記録面９に観
察像１２として結像される。高分解能電子顕微鏡
においては、対物レンズ４と、最終段の投影レン
ズ８との間に二段以上の電子レンズが配置される
が、このような低倍率観察時には三段の電子レン
ズ（対物レンズ、中間レンズ、投影レンズ）のみ
を使用して試料１の結像が行われ、他の電子レン
ズは励磁されない。そして倍率の可変は、投影レ
ンズ８の励磁を変えることによつて行う。 このような結像法を採用すると、中間レンズ６
でタル形歪収差、投影レンズ８で糸巻形歪収差が
発生するので両者を打ち消すことにより歪収差を
小さくすることができる。 しかしながらこのような結像法にあつては、上
記のように歪収差をなくすことが可能である反
面、その他の軸外収差は大きくなり易い。また、
第１図から明らかなように、電子線束３の中心を
通る主ビーム２が中間レンズ６を通過する際の光
軸１０からの距離は、対物レンズ４が短焦点であ
る程、また対物レンズ４と中間レンズ６との距離
が大きくなるほど大になる。高分解能電子顕微鏡
の対物レンズ４と中間レンズ６との距離は、当該
電子顕微鏡の最高倍率を大きくする等の必要性か
ら通常100mm以上確保されているため、従来の結
像法では電子線束３が中間レンズ６を通過する時
に大きな軸外収差を発生し易いという問題があつ
た。 また、倍率を可変するために、投影レンズ８の
励磁を大幅に変えると、投影レンズポールピース
壁面により電子線が反射され、この反射波が像を
乱すという恐れがあつた。 更にまた、対物レンズ４を極めて弱励磁、即
ち、対物レンズの起磁力をＪ（AT：アンペア・
ターン）加速電圧の相対論補正値をU〓（Ｖ：ボ
ルト）としたとき、

【式】の励磁強さにして 軸外収差を小さくするという低倍率結像法がある
が、結像系の球面収差係数Cs、色収差係数Ccが
数十ミリメートル程度以上になるので、倍率が数
千倍程度における像質を悪化させるという問題が
あつた。 このように従来の結像法による電子顕微鏡で
は、特に短焦点対物レンズを有し結像レンズ段数
が多い高分解能電子顕微鏡においては、良質の低
倍率広視野像を得にくい等の問題があつた。 本発明は、上記のような問題に鑑みてなされた
もので、その目的は、短焦点対物レンズを有する
高分解能電子顕微鏡においても軸外収差の小さ
い、良質の低倍率広視野像を得ることができるよ
うに結像法が改善された電子顕微鏡を提供するこ
とである。 本発明の要旨とするところは、試料の拡大像を
得るのに、対物レンズと、これに続く一又は二以
上の結像レンズとで後続の結像レンズの物面上に
第１の実像を形成し、次に上記後続の結像レンズ
を二以上使つて更に後続の結像レンズの物面上に
第２の実像を形成するというように、二以上の結
像レンズによつて順次第１、第２、等の実像を適
当な段数だけ形成した後、投影レンズによつて像
記録面に観察像を得る結像法を提供し、試料で散
乱した電子線束の、試料から像記録面に至るまで
の経路を可能な限り光軸に近づけ、これによつて
軸外収差を最小限に抑えて良質な観察像を得る様
にすることにある。 以下本発明を添付の図面に示す実施例に基づい
て詳細に説明する。 第２図は本発明の一実施例を示す図である。こ
の実施例に係る電子顕微鏡は、対物レンズ４と、
この対物レンズ４後方に順次配置された第２結像
レンズ１３、第３結像レンズ１５、第４結像レン
ズ１６と、これら結像レンズの後方に配置された
投影レンズ８とから成る。対物レンズ４は第１結
像レンズとしての役割を有し、この対物レンズ４
と第２結像レンズ１３とは第３結像レンズ１５の
物面１７に第１段の実像１４を作るため一組のレ
ンズとして適当な間隔をおいて設定されている。
また第３結像レンズ１５及び第４結像レンズ１６
は投影レンズ８（第５結像レンズとしての役割を
有している）の物面７に第２段の実像１１を作る
ため一組のレンズとして適当な間隔をおいて設定
されている。 このため、光軸から所定の距離だけ離れた試料
１上の点Xoにおいて散乱された電子線束３は、
先ず対物レンズ４により屈折され、対物絞り５に
より開き角を制限された後、第２結像レンズ１３
により屈折されて第３結像レンズ１５の物面１７
上に結像され、第１段の実像１４を形成する。さ
らに第３結像レンズの物面（即ち、対物レンズ４
と、第２結像レンズ１３よりなるレンズ系の像
面）１７から出た電子線束は、第３結像レンズ１
５と第４結像レンズ１６とにより投影レンズ８の
物面７に結像されて第２段の実像１１を形成し、
この第２段の実像１１は投影レンズ８により像記
録面９に投影される。倍率の可変は、第２結像レ
ンズ１３以下の結像レンズ或は投影レンズ８の励
磁を変化させて行われるが、第３結像レンズ１５
と第４結像レンズ１６が励磁された上述の結像法
では、第１図に示すような従来の結像法に比べ
て、投影レンズ８の励磁を大幅に変えることなく
比較的広い低倍率範囲を得ることができる。第２
図に示す電子線束３の経路につき、その中心を通
る電子線即ち主ビーム２に着目すると、この主ビ
ーム２は対物レンズ４を通つた後、対物絞り５の
位置において光軸１０に交わり、第２結像レンズ
１３で屈折され第３結像レンズ１５に入射する。
第２結像レンズ１３は、第１図に示す従来例に比
べると、従来例における第２番目の結像レンズ即
ち中間レンズ６よりも対物レンズ４により一層接
近した位置に配置してあるため、主ビーム２は光
軸１０から大きく離れないで第２結像レンズ１３
及び第３結像レンズ１５を通ることができる。こ
のため、第２及び第３結像レンズ１３，１５にお
いて発生する軸外収差を、従来例における中間レ
ンズ６で発生する軸外収差よりも小さくすること
が可能である。 このように、電子線束３の中の主ビーム２に注
目し、この主ビームが各結像レンズ１３，１５，
１６を通る際の光軸１０からの距離を小さくする
ことによつて、これらの結像レンズで発生する軸
外収差を小さくすることができるが、この軸外収
差を小さくするためには、第２図中Ｓで示され
る、結像レンズを通る際の電子線束３の広がり幅
を小さくすることも重要な要素である。この実施
例では、試料１上の点Xo或は第１段の実像１４
上の対応する点から出た電子線束３を、二個の結
像レンズ４，１３或は１５，１６によつて結像す
ることにより、一個の結像レンズによつて結像し
た場合よりも電子線束３が広がらない様にするこ
とができる。第３図ａ及びｂは、物面位置と像面
２５位置とが固定されており、且つ同一の低倍率
に設定された電子レンズ系において、一個のレン
ズで結像した場合（第３図ａ）と、二個のレンズ
で結像した場合（第３図ｂ）とを示したものであ
る。この図からも明らかになる様に、物面２４上
の一点１８から光軸１０に対して角度αで散乱し
点２０に収束する電子線２１は、ａにおいてはレ
ンズ１９に入射する際の光軸１０からの距離が大
きいのに対して、ｂにおいてはレンズ２２及びレ
ンズ２３によつて結像するから、これらレンズ２
２，２３に入射する際の電子線２１の光軸１０か
らの距離は小さい。したがつて、第３図ｂに示す
ような結像法によれば結像レンズの軸外収差を第
３図ａにおけるよりも小さくすることができる。 なお、上記の様に軸外収差を小さくすることの
みに注目し、これを遂行するのであれば、第２図
に示すレンズ系において、第３結像レンズ１５及
び第４結像レンズ１６を励磁せず、対物レンズ４
と第２結像レンズ１３と投影レンズ８によつて結
像しても差支えない。すなわち、第１図の結像法
において、中間レンズ６を、対物レンズ４に近づ
けたものに相当する。しかしこの結像法では低倍
率を得ることが困難であり、またレンズの倍率可
変も投影レンズ８の励磁を可変しなければなら
ず、前に述べた様に、投影レンズ８ポールピース
壁面により電子線が反射され、この反射波が像を
乱すという不都合を生じやすい。 また第３図ａの様に、一個のレンズ１９で結像
する方法を採る場合であつても、レンズ１９を第
３図ｂにおけるレンズ２２の如く試料に近づけれ
ば電子線２１の広がりを抑え、レンズ１９で発生
する軸外収差を小さくすることは可能となる。す
なわち、第２図において、第４結像レンズ１６を
励磁せず、第３結像レンズ１５のみにより、像１
４を、像１１に結像すれば、軸外収差は小さくす
ることが可能であるが、やはり上記の例と同様低
倍率を得ることが困難となる。 したがつて、強励磁、短焦点レンズを対物レン
ズ４に使つている電子顕微鏡の低倍率において
は、第２図に示す様に、第１段の実像１４及び第
２段の実像１１をそれぞれ複数の結像レンズを使
つて形成せしめる結像法が最も適していることが
わかる。なお、第２図に示す実施例では、対物レ
ンズ４と第２結像レンズ１３とによつて第１段の
実像１４を、第３結像レンズ１５と第４結像レン
ズ１６とによつて第２段の実像１１をというよう
に、二個のレンズにより一つの実像を形成しこれ
を繰り返す形となつているが、必ずしもこのよう
な形態に限定するものではなく、さらに適当にレ
ンズを加え、三個以上のレンズにより一つの実像
を形成し、これを順次繰り返してもよい。これに
より倍率可変の自由度が増加するという利点が得
られる。 また本発明が二個以上のレンズで結像を順次行
う方式を採つている点に鑑み、いたずらにレンズ
段数を増やすことは各レンズで発生する軸外収差
を大きくするという恐れもあるが、本発明による
電子顕微鏡の結像法では、各レンズで発生する軸
外収差を小さくすることができる。特に対物レン
ズ４と投影レンズ８との間の距離が大きく、結像
レンズ段数の多い電子顕微鏡においては、本発明
の結像法による軸外収差は従来の結像法における
軸外収差に対して数分の一に納めることができ
る。 さらに、これまで述べて来たように、軸外収差
を小さくすることを図る一方で、数千倍程度の低
倍率においても軸外収差のみならず軸上における
収差（すなわち球面収差や色収差）を小さくして
おくことが良質な像を得るのに重要である。例え
ば、対物レンズ４の励磁強さをＪ／√〓（Ｊ：
対物レンズ起磁力、U〓：相対論補正された加速
電圧）、球面収差係数をCs／Ｓ、色収差係数を
Cc／Ｓ、焦点距離をo／Ｓ（Ｓ：対物レンズの上
下極間距離）として、対物レンズの励磁の強さに
対する球面収差係数等の変化を示すと第４図の様
になる。この図からも明らかなように対物レンズ
の励磁強さＪ／√〓が

【式】以下で は各収差係数が急速に大きくなることがわかる。
数千倍以下の低倍率においても、このような軸上
収差係数の増大は像質を低下させる。よつて対物
レンズの励磁の強さＪ／√〓は５以上にして、
Cs、Ccの値を小くし、像質の低下を招かないよ
うにすることが最も好ましい。 以上説明したように、本発明によれば、対物レ
ンズの後方に複数の結像レンズを配置し、これら
のレンズを、二以上のレンズによつて第１段、第
２段の実像を作るように設定したため、試料から
出た電子線が光軸から離れないような経路をとる
ことが可能となり、軸外収差の発生を小さくする
ことが可能となつた。とりわけ、強励磁短焦点対
物レンズを有する高分解能電子顕微鏡においては
対物レンズの励磁を、弱励磁にする、あるいはオ
フすることなく従来よりも軸外収差を小さくする
ことができるようになり、低倍率範囲で良質の広
視野像が得られるという効果を奏することができ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の電子顕微鏡による結像状態の
一例を示す図である。第２図は、本発明の電子顕
微鏡による結像状態を示す図である。第３図は、
物面及び像面位置が固定されたレンズ系におい
て、ａは一個のレンズで結像した場合の電子線束
の経路、ｂは二個のレンズで結像した場合の電子
線束の経路を示す図である。第４図は、対物レン
ズの励磁Ｊ／√〓に対する球面収差係数Cs／
Ｓ、色収差係数Cc／Ｓおよび焦点距離o／Ｓの
変化をそれぞれ示す図である。 １…試料、２…主ビーム、３…電子線束、４…
対物レンズ（第１結像レンズ）、７，１７…物面、
８…投影レンズ（第５結像レンズ）、１３，１５，
１６…第２乃至第４結像レンズ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 対物レンズと、対物レンズの後方に配置され
   た複数の結像レンズとを有し、対物レンズの起磁
   力をＪ（AT）、加速電圧の相対論補正値をU〓
   （Ｖ）としたとき、対物レンズの励磁強さを、
   【式】とし、対物レンズと 当該対物レンズに続く一又は二以上の結像レンズ
   とにより、第１段の実像を後続の結像レンズの物
   面に形成し、この物面に続く二以上の結像レンズ
   により、第２段の実像をさらに後続の結像レンズ
   の物面に形成して、順次所定段の実像を形成する
   ように各レンズを設定したことを特徴とする電子
   顕微鏡。