TWI680488B - 荷電粒子線裝置及掃描電子顯微鏡 - Google Patents

荷電粒子線裝置及掃描電子顯微鏡 Download PDF

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Kazuya KUMAMOTO
松田定好
Sadayoshi MATSUDA
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Matsusada Precision, Inc.
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Abstract

一種荷電粒子線裝置，具備：電子源(11)；加速電源(14)，設置來加速從電子源(11)射出的一次電子線(12)，並連接於電子源(11)；第一物鏡透鏡(18)，相對於試料(23)，設置於一次電子線(12)之入射側，將一次電子線(12)聚焦於試料(23)；第二物鏡透鏡(26)，相對於試料(23)，設置於一次電子線(12)之入射側的相反側，將一次電子線(12)聚焦於試料(23)；第一物鏡透鏡電源(41)，變換第一物鏡透鏡(18)的強度；及第二物鏡透鏡電源(42)，變換第二物鏡透鏡(26)的強度；其中，僅使用第一物鏡透鏡電源(41)時，試料(23)配置於第一物鏡透鏡(18)與第二物鏡透鏡(26)之間；僅使用第二物鏡透鏡電源(42)時，第二物鏡透鏡(26)與試料測定面的距離比第一物鏡透鏡(18)與試料測定面的距離更靠近。

Description

荷電粒子線裝置及掃描電子顯微鏡
本發明係關於荷電粒子線裝置及掃描電子顯微鏡。更具體而言，本發明係關於能期待性能提高的荷電粒子線裝置及掃描電子顯微鏡。
就荷電粒子線裝置而言，存在掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope：以下，略稱「SEM」。)、電子探針微分析(EPMA,Electron Probe Micro Analyser)、電子束熔接機、電子線描繪裝置、及離子束顯微鏡等。
傳統的SEM中，從高分解能化的觀點來看，特別下工夫於透鏡的短焦點化。為了高分解能化，必須強化透鏡的光軸上磁束密度分布B(z)中的B。而且，為了高分解能化，必須薄化透鏡的厚度(即B分布的z寬)。
下述專利文獻1中，記載了具備兩個物鏡透鏡(第一物鏡透鏡與第二物鏡透鏡)的SEM(之後，將相對於試料之電子槍側的透鏡稱為第一物鏡透鏡。從試料來看，位於電子槍的相反側之物鏡透鏡稱為第二物鏡透鏡)。更具體而言，第二物鏡透鏡用於加速電壓Vacc為0.5~5kV的低加速時之高分解能觀察模式。第一物鏡透鏡用於加速電壓Vacc為0.5~30kV的通常觀察模式。
下述專利文獻1中，第一物鏡透鏡與第二物鏡透鏡不會同時動作。第一物鏡透鏡與第二物鏡透鏡藉由模式切換手段來切換每個模式。而且，下述專利文獻1的第二實施例(〔0017〕段落)中，記載了將第二物鏡透鏡的磁極 的一部分藉由電性的絕緣部電流電位分離。然後，於磁極的一部分與試料，施加電壓Vdecel。
下述專利文獻1的第一實施例(〔0010〕~〔0016〕段落)中，二次電子(或反射電子)檢測器設置於比第一物鏡透鏡更靠近電子槍側。試料部所產生的二次電子(或反射電子)通過第一物鏡透鏡中，並進入檢測器。
下述專利文獻2也揭示SEM的構成。專利文獻2的SEM中之物鏡透鏡配置於相對於試料的電子槍之相反側。二次電子藉由來自二次電子檢測器的導引電場來偏向，捕捉於二次電子檢測器。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本國公開專利公報「特開2007-250223號公報」
[專利文獻2]日本國公開專利公報「特開平6-181041號公報」
本發明之目的在於提供期待性能上升的荷電粒子線裝置及掃描電子顯微鏡。
為了解決上述的課題，有關本發明的一態樣之荷電粒子線裝置具備：荷電粒子源；加速電源，設置來加速從該荷電粒子源射出的荷電粒子線，並連接於該荷電粒子源；第一物鏡透鏡，相對於試料，設置於該荷電粒子線之入射側，將該荷電粒子線聚焦於該試料；第二物鏡透鏡，相對於試料，設置於該荷電粒子線之入射側的相反側，將該荷電粒子線聚焦於該試料；第一物 鏡透鏡電源，變換該第一物鏡透鏡的強度；及第二物鏡透鏡電源，變換該第二物鏡透鏡的強度；其中，僅使用該第一物鏡透鏡電源時，該試料配置於該第一物鏡透鏡與該第二物鏡透鏡之間；僅使用該第二物鏡透鏡電源時，該第二物鏡透鏡與試料測定面的距離比第一物鏡透鏡與試料測定面的距離更靠近。
有關本發明的其他之一態樣的荷電粒子線裝置具備：荷電粒子源；加速電源，設置來加速從該荷電粒子源射出的荷電粒子線，並連接於該荷電粒子源；第一物鏡透鏡，相對於試料，設置於該荷電粒子線之入射側，將該荷電粒子線聚焦於該試料；第二物鏡透鏡，相對於試料，設置於該荷電粒子線之入射側的相反側，將該荷電粒子線聚焦於該試料；第一物鏡透鏡電源，變換該第一物鏡透鏡的強度；第二物鏡透鏡電源，變換該第二物鏡透鏡的強度；及第一控制裝置，控制該第一物鏡透鏡電源與該第二物鏡透鏡電源；其中，僅使用該第一物鏡透鏡電源時，該第一物鏡透鏡與試料測定面的距離比第二物鏡透鏡與試料測定面的距離更靠近；僅使用該第二物鏡透鏡電源時，該第二物鏡透鏡與試料測定面的距離比第一物鏡透鏡與試料測定面的距離更靠近。
有關本發明的一態樣之其他荷電粒子線裝置具備：荷電粒子源；加速電源，設置來加速從該荷電粒子源射出的荷電粒子線，並連接於該荷電粒子源；第一物鏡透鏡，相對於試料，設置於該荷電粒子線之入射側，將該荷電粒子線聚焦於該試料；第二物鏡透鏡，相對於試料，設置於該荷電粒子線之入射側的相反側，將該荷電粒子線聚焦於該試料；第一物鏡透鏡電源，變換該第一物鏡透鏡的強度；第二物鏡透鏡電源，變換該第二物鏡透鏡的強度；及第一控制裝置，控制該第一物鏡透鏡電源與該第二物鏡透鏡電源；其中，該第一控制裝置具有對該第一物鏡透鏡的強度與該第二物鏡透鏡的強度進行獨立控制之機能及進行同時控制之機能；僅使用該第一物鏡透鏡電源時，該第一物鏡透鏡與試料測定面的距離比第二物鏡透鏡與試料測定面的距離更靠近；僅使用 該第二物鏡透鏡電源時，該第二物鏡透鏡與試料測定面的距離比第一物鏡透鏡與試料測定面的距離更靠近。
有關本發明的其他之一態樣的荷電粒子線裝置係為具有：一種荷電粒子線裝置，係為具有：荷電粒子源；加速電源，設置來加速從該荷電粒子源射出的荷電粒子線，並連接於該荷電粒子源；及物鏡透鏡，將該荷電粒子線聚焦於該試料之荷電粒子線裝置。該物鏡透鏡包含：第一物鏡透鏡，相對於試料，設置於該荷電粒子線之入射側；及第二物鏡透鏡，相對於試料，設置於該荷電粒子線之入射側的相反側。該荷電粒子線裝置具備：第一物鏡透鏡電源，變換該第一物鏡透鏡的強度；第二物鏡透鏡電源，變換該第二物鏡透鏡的強度；及第一控制裝置，控制該第一物鏡透鏡電源與該第二物鏡透鏡電源。其中，該第一控制裝置具有：獨立控制該第一物鏡透鏡的強度與該第二物鏡透鏡的強度之機能；同時控制該第一物鏡透鏡的強度與該第二物鏡透鏡的強度之機能；僅以該第一物鏡透鏡將該荷電粒子線聚焦於試料之機能；僅以該第二物鏡透鏡將該荷電粒子線聚焦於該試料之機能；及同時使用該第一物鏡透鏡與該第二物鏡透鏡，以該第一物鏡透鏡變換該荷電粒子線之入射於試料的孔徑角，使得孔徑角比該荷電粒子線僅以第二物鏡透鏡聚焦於該試料時更小，來聚焦於該試料之機能。
較佳係具備：二段偏向構件，二次元掃描該荷電粒子線，且該二段偏向構件具有上段偏向構件與下段偏向構件；上段偏向電源，變換該上段偏向構件的強度或電壓；下段偏向電源，變換該下段偏向構件的強度或電壓；及第二控制裝置，控制該上段偏向電源與該下段偏向電源；其中，從該第一物鏡透鏡的內部來看，該上段偏向構件與該下段偏向構件設置於該荷電粒子線飛入側；該第二控制裝置變換該上段偏向電源與該下段偏向電源的使用電流比或使用電壓比。
較佳係具備：二段偏向構件，二次元掃描該荷電粒子線，且該二段偏向構件具有上段偏向構件與下段偏向構件；上段偏向電源，變換該上段偏向構件的強度或電壓；下段偏向電源，變換該下段偏向構件的強度或電壓；及第二控制裝置，控制該上段偏向電源與該下段偏向電源；其中，從該第一物鏡透鏡的內部來看，該上段偏向構件與該下段偏向構件設置於該荷電粒子線飛入側；該下段偏向構件為圈數各自相異的複數線圈；該第二控制裝置控制該複數線圈中的使用。
該偏向構件較佳係為偏向線圈或偏向電極。
較佳係具備：遲滯電源，於該試料賦予負電位，用於減速該荷電粒子線。
從最靠近於該第二物鏡透鏡的磁極之試料來看，該第二物鏡透鏡較佳係可將使該加速電源為-30kV至-10kV中的任一者來加速的荷電粒子線聚焦於0mm至4.5mm中的任一者的高度位置。
較佳係具備：絕緣板，配置於該第二物鏡透鏡上；及導電性試料台，配置於該絕緣板上；其中，該第二物鏡透鏡及該導電性試料台為絕緣。
該導電性試料台靠近於邊緣部較佳係具有從該絕緣板分離的形狀。
該絕緣板與該導電性試料台之間較佳係填充有絕緣材。
較佳係具備：具有開口部的電位板，配置於該導電性試料台的上部；其中，於該電位板，賦予接地電位、正電位、或負電位。
該電位板的開口部較佳係為直徑2mm至20mm的圓形、或網子狀。
該電位板在試料附近以外的地方較佳係具有從該導電性試料台分離之形狀。
較佳係具備：移動單元，移動該電位板。
該移動單元較佳係為連接於該電位板的平台；且該平台可載置該試料。
形成該第二物鏡透鏡的磁極較佳係具有：中心磁極，其中心軸與該荷電粒子線的理想光軸一致；上部磁極；筒形的側面磁極；及圓盤形狀的下部磁極；其中，靠近於該中心磁極的試料側之上部中，該上部附近的徑為較小的形狀，該中心磁極的下部為圓柱形狀；該上部磁極為中心形成圓形的開口部之磁極，且為於朝向中心的盤狀之靠近該中心磁極的中心側較薄之圓盤形狀。
該中心磁極的試料側之面與該上部磁極的試料側之面較佳係為相同高度。
該中心磁極的上部邊緣徑D較佳係較6mm大並較14mm小，該上部磁極的圓形之開口部的徑d與該中心磁極的上部邊緣徑D之關係為：d-D≧4mm。
較佳係使用熱電子源型元件作為該荷電粒子源。
有關本發明的一態樣之掃描電子顯微鏡具備上述荷電粒子線裝置。
根據本發明，能期待性能提升的荷電粒子線裝置及掃描電子顯微鏡。
11‧‧‧電子源
12‧‧‧一次電子線
13‧‧‧韋乃特電極
14‧‧‧加速電源
15‧‧‧聚光透鏡
15a‧‧‧第一段聚光透鏡
15b‧‧‧第二段聚光透鏡
16‧‧‧物鏡透鏡光圈
17‧‧‧二段偏向線圈
17a‧‧‧上段偏向線圈
17b‧‧‧下段偏向線圈
18‧‧‧第一物鏡透鏡
18a‧‧‧內側磁極
18b‧‧‧外側磁極
18c‧‧‧孔部
19‧‧‧二次電子檢測器
20‧‧‧檢測器
21‧‧‧訊號電子
21a‧‧‧二次電子
21b‧‧‧反射電子
22‧‧‧電位板
23‧‧‧試料
24‧‧‧試料台
25‧‧‧絕緣板
26‧‧‧第二物鏡透鏡
26a‧‧‧中心磁極
26b‧‧‧上部磁極
26c‧‧‧側面磁極
26d‧‧‧下部磁極
26e‧‧‧線圈
26f‧‧‧密封部
27‧‧‧遲滯電源
28‧‧‧電位板電源
29‧‧‧試料台平台板
30‧‧‧圓筒放電防止電極
31‧‧‧絕緣材
41‧‧‧第一物鏡透鏡電源
42‧‧‧第二物鏡透鏡電源
43‧‧‧上段偏向電源
44‧‧‧下段偏向電源
45‧‧‧控制裝置
51‧‧‧上部裝置
52‧‧‧下部裝置
61‧‧‧XYZ平台
720‧‧‧檢測器
720a‧‧‧孔部
【圖1】係說明本發明的第一實施形態之SEM的構成之概略剖面圖。
【圖2】係顯示本發明的第一實施形態中，使用第一物鏡透鏡，檢測反射電子及二次電子的情況之概略剖面圖。
【圖3】係顯示本發明的第一實施形態中，主要聚焦而使用第二物鏡透鏡，檢測二次電子的情況之概略剖面圖。
【圖4】係用於說明本發明的第一實施形態中之遲滯時的透鏡部之圖，(a)說明遲滯時的等電位線、(b)說明第二物鏡透鏡的光軸上磁束密度分布B(z)、及(c)說明遲滯時的荷電粒子的速度。
【圖5】係說明本發明的第一實施形態中之絕緣部與試料台的其他構成之概略剖面圖。
【圖6】係說明本發明的第一實施形態之藉由第一物鏡透鏡的孔徑角α之調整的圖，(a)對應於模擬數據3(Vacc=-1kV)、(b)對應於模擬數據4(Vacc=-10kV、Vdecel=-9kV)、及(c)對應於模擬數據5(Vacc=-10kV、Vdecel=-9kV、使用第一物鏡透鏡)。
【圖7】係用於說明本發明的第一實施形態中，以偏向線圈的上下偏向線圈之強度比調整來調整偏向的交點之圖。
【圖8】係說明本發明的第二實施形態中，沒有第一物鏡透鏡的簡易情況之概略剖面圖。
【圖9】係顯示有關本發明的第四實施形態之SEM的裝置構成的一例之剖面圖。
接著，參照圖面，說明本發明的實施形態。以下的圖面係示意，應注意尺寸或長寬比率與現實有所差異。
而且，如下所示之本發明的實施形態係例示為了具現化本發明的技術思想之裝置或方法。本發明的技術思想並未將構成組件的材質、形狀、構造、配置等限定於下述的物。本發明的技術思想在記載於專利申請範圍的技術範圍內，能加以各種變化。
〔第一實施形態〕
參照圖1，說明本發明的第一實施形態中之SEM的概略構成。
此SEM係具備電子源11(荷電粒子源)、加速電源14、聚光透鏡15、物鏡透鏡光圈16、二段偏向線圈17、物鏡透鏡(第一物鏡透鏡18、第二物鏡透鏡26)、及檢測器20的電子線裝置。加速電源14加速從電子源11射出的一次電子線12(荷電粒子線)。聚光透鏡15聚焦加速的一次電子線12。物鏡透鏡光圈16去除一次電子線12的不必要部分。二段偏向線圈17將一次電子線12在試料23上進行二次元掃描。物鏡透鏡(第一物鏡透鏡18、第二物鏡透鏡26)將一次電子線12聚焦於試料23上。檢測器20檢測從試料23射出的訊號電子21(二次電子21a、反射電子21b)。
SEM中，就電磁透鏡的控制部而言，具備第一物鏡透鏡電源41、第二物鏡透鏡電源42、及控制裝置45。第一物鏡透鏡電源41變換第一物鏡透鏡18的強度。第二物鏡透鏡電源42變換第二物鏡透鏡26的強度。控制裝置45控制第一物鏡透鏡電源41與第二物鏡透鏡電源42。
控制裝置45獨立控制第一物鏡透鏡18的強度與第二物鏡透鏡26的強度。控制裝置45能同時控制兩透鏡。而且，雖然圖未示，各電源連接於控制裝置45，且能調整。
就電子源11而言，能使用熱電子射出型(熱電子源型)、電場射出型(蕭特基型、或冷陰極型)。第一實施形態中，於電子源11，使用熱電子射出型的LaB6等的結晶電子源、或鎢絲。於電子源11與陽極板(接地電位)之間， 舉例來說，施予加速電壓-0.5kV至-30kV。韋乃特電極13中，賦予較電子源11的電位更負電位。藉此，控制從電子源11產生的一次電子線12的量。然後，於電子源11的正前方，作出交叉徑，當作一次電子線12的第一次最小徑。此最小徑被稱為電子源的大小So。
加速的一次電子線12藉由聚光透鏡15來聚焦。藉此，縮小電子源的大小So。藉由聚光透鏡15，調整縮小率及照射於試料23的電流(以下，稱為探測電流。)。然後，藉由物鏡透鏡光圈16，去除不用的軌道電子。因應物鏡透鏡光圈16的孔徑，調整入射於試料23的射束之孔徑角α與探測電流。
通過物鏡透鏡光圈16的一次電子線12，通過掃描用的二段偏向線圈17後，再通過第一物鏡透鏡18。通用SEM使用第一物鏡透鏡18，將一次電子線12的焦點加在試料23上。圖1的SEM也能使用這樣使用。
圖1中，藉由從電子源11到第一物鏡透鏡18的構成，來構成將一次電子線12朝向試料23射出的上部裝置51。而且，藉由電位板22與配置在電位板22更下方的構件來構成下部裝置52。於下部裝置52保持試料23。上部裝置51具有孔部18c，通過其內部的荷電粒子線最後從孔部18c射出。第一實施形態中之此孔部18c存在於第一物鏡透鏡18。檢測器20配置於上部裝置51與下部裝置52之間。更具體而言，檢測器20安裝於此孔部18c的下方。檢測器20也具有開口部，通過一次電子線12。檢測器20安裝於第一物鏡透鏡18的下部，使得孔部18c與開口部重疊。也可於第一物鏡透鏡18的下部安裝複數檢測器20。複數檢測器20的安裝，使得一次電子線12的軌道不會塞住，且同時使得檢測器20的檢測部在上部裝置51的孔部18c以外的地方不會有間隙。
於圖2，係顯示使用第一物鏡透鏡18，將一次電子線12的焦點加在試料23上的情況之例。尤其是對有厚度的試料23以此方法被觀察。
另一方面，主要使用第二物鏡透鏡26時，通過第一物鏡透鏡18的一次電子線12在第二物鏡透鏡26縮小聚焦。此第二物鏡透鏡26為了於試料23附近有強磁場分布(參照圖4(b))，實施低像差透鏡。而且，第一物鏡透鏡18控制孔徑角α，並且調整縮小率或透鏡的形狀、及調整焦點深度，使得影像方便觀看。即，第一物鏡透鏡18用於最適化上述各個控制值。而且，不能僅在第二物鏡透鏡26將一次電子線12聚焦的情況中，也可在第一物鏡透鏡18進行用於聚焦一次電子線12的輔助。
參照圖3，來說明關於沒有遲滯的情況之動作。
沒有遲滯的情況中，也可移除圖1的電位板22。試料23的設置較佳係盡可能地靠近於第二物鏡透鏡26。更詳細而言，試料23較佳係設置於靠近第二物鏡透鏡26的上部，使試料23與第二物鏡透鏡26的上部(上面)距離為5mm以下。
一次電子線12藉由以加速電源14加速的能量掃描試料23上。此時的二次電子21a藉由第二物鏡透鏡26的磁場捲繞磁束，並一邊螺旋運動一邊上昇。二次電子21a一從試料23表面離開，就藉由急速下降的磁束密度從旋轉開始放開而發散，並藉由來自二次電子檢測器19的導引電場而偏向，捕捉於二次電子檢測器19。即，二次電子檢測器19的配置，使得從二次電子檢測器19產生的電場藉由荷電粒子線吸引從試料射出的二次電子。如此，能增加進入二次電子檢測器19的二次電子21a。
接著，使用圖4，來說明關於遲滯的情況之概略。圖4中，(a)顯示遲滯時的等電位線，(b)顯示第二物鏡透鏡的光軸上磁束密度分布B(z)，(c)顯示遲滯時的荷電粒子之速度。
如圖4的(b)所示，第二物鏡透鏡26的光軸上磁束密度因為於試料附近有強的分布，物鏡透鏡變成低像差透鏡。然後，若於試料23賦予負電 位，一次電子線12於試料23附近減速(參照圖4(c))。因為一次電子線12的速度慢，變得容易受到磁場的影響，於試料23附近，第二物鏡透鏡26變成強的透鏡。因此，若於試料23賦予負電位，第二物鏡透鏡26變成更低像差的透鏡。
而且，訊號電子21藉由試料23的遲滯電壓在電場加速，能量變寬，進入檢測器20。因此，檢測器20變成高感度。因為這樣的構成，能達成高分解能的電子線裝置。
而且，第一物鏡透鏡18與第二物鏡透鏡26的距離為10mm至200mm。較佳的是30mm至50mm。第一物鏡透鏡18與第二物鏡透鏡26的距離若更靠近10mm，在設置於第一物鏡透鏡18的正下方之檢測器20能檢測反射電子21b。但是，於遲滯時的二次電子21a變得容易進入第一物鏡透鏡18中。第一物鏡透鏡18與第二物鏡透鏡26的距離遠離10mm以上，則二次電子21a變得容易在檢測器20檢測。而且，第一物鏡透鏡18與第二物鏡透鏡26的間隙為30mm程度的情況中，試料23的出入變得非常容易進行。
接著，詳細說明關於各組件的構成。首先，關於第二物鏡透鏡26的形狀，參照圖1來說明。
形成第二物鏡透鏡26的磁極，係由與一次電子線12的理想光軸之中心軸相同的中心磁極26a、上部磁極26b、筒形的側面磁極26c、下部磁極26d所組成。中心磁極26a為上部附近的徑小之形狀。中心磁極26a的上部為例如一段或二段的圓錐台形狀。中心磁極26a的下部為圓柱形狀。中心磁極26a的下部之中心軸沒有貫通孔。上部磁極26b朝向中心呈錐狀，中心磁極26a的重心附近側變薄，並為圓盤形狀。上部磁極26b的中心中，穿設有開口徑d的開口。中心磁極26a的外徑D較6mm大並較14mm小。開口徑d與外徑D的關係為d-D≧4mm。
接著，顯示磁極的具體例。中心磁極26a與上部磁極26b兩者的試料側之上面為相同高度。中心磁極26a的下部外徑為60mm。若此外徑小，會導致透磁率的下降，是不好的。
中心磁極26a為D=8mm的情況，上部磁極26b的開口徑d較佳為12mm至32mm。開口徑d更佳為14mm至24mm。開口徑d越大，光軸上磁束密度分布變得像山一樣平緩，寬度變寬，具有於一次電子線12的聚焦之必要的AT(安培計：線圈圈數N〔T〕與電流I〔A〕的積)能變小的優點。但是，開口徑d與外徑D的關係若為d>4D，則像差係數變大。於此，上部磁極26b的開口徑d為20mm，側面磁極26c的外徑為150mm。而且，於中心磁極26a的軸中心也可有貫通孔。
於此，例如相對於厚度為5mm的試料23，即使以30kV的高加速電壓將一次電子線12聚焦的情況中，外徑D較佳係較6mm大並較14mm小。若D過小，則磁極飽和，一次電子線12無法聚焦。另一方面，若D過大，則性能變差。而且，d與D的大小差若較4mm小，則磁極過靠近而變得容易飽和，一次電子線12無法聚焦。而且，第一物鏡透鏡18與第二物鏡透鏡26的距離若為10mm以下，則作業性變差。若此距離較200mm更長，則孔徑角α容易變大。此情況，為了最適化像差，變得必須使用第一物鏡透鏡18來將α調整變小，使得操作性變差。
而且，舉例來說，僅使用5kV以下的加速電壓，試料23的厚度薄之情況中，外徑D較佳為6mm以下。但是，舉例來說，加速電壓為5kV的情況中，若D為2mm、d為5mm、試料23的厚度為5mm、僅使用第二物鏡透鏡26，則磁極就飽和了，一次電子線12無法聚焦。但是，只要將試料23限制為薄的，透鏡就能更高性能化。
就於試料23賦予電位的方法而言，將電性的絕緣部夾於第二物鏡透鏡26的磁極的一部分，並將一部分的磁極從接地電位浮起，能於試料23與磁極的一部分賦予遲滯電壓。但是，此情況，若於磁性電路中夾住不是磁性體的物，則磁性透鏡變弱。而且，若遲滯電壓變高，則產生放電。若電性的絕緣部變厚，更會有磁性透鏡變弱的問題。
如圖1所示，於上部磁極26b與中心磁極26a之間，可設置以非磁性體形成的密封部26f(例如銅或鋁或蒙耐爾合金)。密封部26f將上部磁極26b與中心磁極26a之間以O形環或銅焊來真空氣密。第二物鏡透鏡26中，藉由上部磁極26b、密封部26f及中心磁極26a，將真空側與大氣側氣密分離。上部磁極26b與真空容器雖然圖未示，但相結合，使得以O形環進行氣密。藉此，第二物鏡透鏡26除了真空側的面之外，變得能暴露於大氣。因此，變得容易冷卻第二物鏡透鏡26。
於真空容器中，雖然能放入第二物鏡透鏡26，但真空度變差。於真空側若有線圈部26e，則變成氣體射出源。而且，若不將這樣的真空側與大氣側的氣密分離，則抽真空引時，氣體通過第二物鏡透鏡26與絕緣板25連接的地方，會有試料移動的問題。
舉例來說，線圈部26e能形成6000AT的線圈電流。若線圈發熱而變得高溫，此原因會使線圈的膜融化而產生短路。藉由能使得第二物鏡透鏡26暴露於大氣，來提高冷卻效率。舉例來說，將第二物鏡透鏡26的下面之平台以鋁製作，能將此平台作為散熱來利用。然後，變得能以空冷風扇或水冷等來冷卻第二物鏡透鏡26。因為這樣的氣密分離，成為強勵磁的第二物鏡透鏡26變得可能。
參照圖1，來說明遲滯部。
於第二物鏡透鏡26上，設置絕緣板25。舉例來說，絕緣板25為0.1mm至0.5mm程度厚度的聚醯亞胺薄膜或聚酯薄膜等。然後，於其上，設置具有沒磁性的導電性之試料台24。舉例來說，試料台24係底面為250μm厚的鋁板，其邊緣遠離靠近邊緣端附近的絕緣板25處加工有曲面形狀。試料台24較佳係於曲面部與絕緣板25之間的間隙填充有絕緣材31。藉此，提升第二物鏡透鏡26與試料台24之間的耐電壓，能安定地使用。試料台24的平面形狀雖為圓形，也可為楕圓、矩形等、各式平面形狀。
於試料台24上載置試料23。試料台24為了賦予遲滯電壓，連接於遲滯電源27。舉例來說，電源27為能施加0V至-30kV輸出的變換電源。試料台24為了能從真空外部位置移動，連接於成為絕緣物的試料台平台板29。藉此，試料23的位置可變更。試料台平台板29連接於XY平台(圖未示)，能從真空外部移動。
於試料23上配置具有圓形開口部的導電性板(以下，稱為電位板22)。電位板22相對於第二物鏡透鏡26的光軸垂直設置。此電位板22相對於試料23絕緣來配置。電位板22連接於電位板電源28。舉例來說，電位板電源28為0V及-10kV至+10kV輸出的變換電源。電位板22的圓形的開口部的直徑只要是2mm至20mm程度即可。開口部的直徑較佳只要是4mm至12mm即可。或者，也可將一次電子線12或訊號電子21通過的電位板22之部分形成導電性的網子狀。網子的網部較佳為細得讓電子容易通過，使得開口率變大。此電位板22連接於XYZ平台61，使其能從真空外部移動位置，來用於調整中心軸。XYZ平台61保持電位板22，並於X方向、Y方向、及Z方向移動電位板22。
試料台24的邊緣於電位板22側有厚度。舉例來說，若電位板22為平坦，則電位板22在試料台24邊緣變得靠近試料台24。如此，變得容易放 電。因為電位板22在試料23附近以外的地方具有遠離導電性試料台24的形狀，能提升與試料台24的耐電壓。
電位板22因為從試料23遠離1mm至15mm程度的距離來配置，使其不會放電。但是，只離開一點來配置為較佳。此目的係為了於第二物鏡透鏡26產生的磁場較強的位置重疊減速電場。如果，此電位板22離試料23較遠來設置的情況、或沒有電位板22的情況，一次電子線12在第二物鏡透鏡26聚焦前就已經減速，降低了變小像差的效果。
關於上述，參照圖4來說明(圖4係為對應於後敘的模擬數據4時之說明圖)。圖4的(a)係說明遲滯時的等電位線之圖。
假設電位板22的開口部過大，試料23與電位板22的距離很靠近之情況，等電位線於電位板22的開口部靠近電子槍側大大地跑出並分布。此情況，一次電子在到達電位板22之前就已經減速。電位板22的開口徑越小，有減少電場洩漏的效果。但是，有必要讓訊號電子21不被吸收於電位板22。因此，在不引起放電的範圍，調整試料23與電位板22的電位差之同時，若調整試料23與電位板22的距離，適當選擇電位板22的開口徑變得重要。
圖4的(b)係說明第二物鏡透鏡26的光軸上磁束密度分布B(z)之圖。縱軸為B(z)，橫軸為座標，第二物鏡透鏡26的表面為原點(-0)。顯示出B(z)於第二物鏡透鏡26附近急遽地變大之樣子。
圖4的(c)係說明遲滯時的荷電粒子之速度的圖。荷電粒子線的速度顯示在試料正前方持續減速。
藉由將電位板22設置於試料23的附近，一次電子的速度直到電位板22附近都不太變化。然後，一次電子從電位板22附近到試料23附近，速度變慢，變得容易受到磁場的影響。因為第二物鏡透鏡26的磁場靠近試料23附近 也變強，兩者的效果加起來，使得試料23附近成為強的透鏡，變成像差小的透鏡。
只要一邊將加速電壓儘可能變大，一邊將遲滯電壓靠近於加速電壓，能將照射電子能量變小，並使電子進入試料23中的深度變淺。藉此，變得能進行試料的表面形狀之高分解能觀察。而且，像差也能變小，從而能達到高分解能及低加速的SEM。
第一實施形態中，能簡單地變高試料23與電位板22的耐壓。第一物鏡透鏡18與第二物鏡透鏡26之間能為10mm至200mm的距離。因此，只要是例如平坦的試料23，且只要試料23與電位板22之間隔為5mm程度，就能對試料23與電位板22比較簡單地施加10kV程度的電位差。有尖銳的部分之試料23的情況，為了不放電，必須適當選擇距離或開口徑。
於圖5，顯示試料的不同配置例。再者，如圖5所示，將圓筒形且上面被R加工的圓筒放電防止電極30設置於試料台24上的試料23之周圍，可使放電變得不容易。圓筒放電防止電極30使試料上的等電位線流暢，並藉由試料23的間隙，也有助於緩和聚焦點的偏差。
就第一實施形態之檢測器20而言，使用半導體檢測器20、微通道板檢測器20(MCP)、或螢光體發光方式的Robinson檢測器20。這些當中的至少任一者配置於第一物鏡透鏡18的正下方。二次電子檢測器19為了收集二次電子21a，電場被配置成懸於試料23的上方。
半導體檢測器20、MCP檢測器20或Robinson檢測器20連接於第一物鏡透鏡18的試料側，並配置於光軸起算的3cm以內。較佳的是，檢測部的中心置於光軸，使用檢測器20，且於其中心設置有通過一次電子的開口部。設置於光軸起算的3cm以內，在有遲滯的情況，訊號電子靠近光軸。
一次電子線12係以將電子電荷加於從以加速電源14(Vacc)來加速使用的加速電壓減去遲滯電壓Vdecel的值(即-(Vacc-Vdeccl)〔V〕)之能量，掃描試料23上。此時，從試料23射出訊號電子21。藉由加速電壓與遲滯電壓的值，接受電子的影響者不同。反射電子21b藉由第二物鏡透鏡26的磁場，於接受旋轉力的同時，因為試料23與電位板22之間的電場而加速。因此，反射電子21b的放射角的延伸變窄，變得容易入射至檢測器20。而且，二次電子21a也藉由第二物鏡透鏡26的磁場，於接受旋轉力的同時，因為試料23與電位板22之間的電場而加速，入射至位於第一物鏡透鏡18下的檢測器20。二次電子21a及反射電子21b皆加速，因為能量被變寬，並入射至檢測器20，使得訊號變大。
通用SEM中，通常係以第一物鏡透鏡18這樣的透鏡將電子聚焦。通常，此第一物鏡透鏡18設計成將試料23靠近於第一物鏡透鏡18時，成為高分解能。但是，半導體檢測器20等有厚度，其厚度程度必須從第一物鏡透鏡18遠離試料23。而且，若將試料23太靠近第一物鏡透鏡18，二次電子21a難以進入位於第一物鏡透鏡18外的二次電子檢測器19。因此，通用SEM中，將半導體檢測器20配置於第一物鏡透鏡18正下方，並使用具有通過一次電子的開口部且厚度薄的半導體檢測器20。試料23隔著些微的間隙來配置，以避免撞到檢測器20。由於試料23些微地離開第一物鏡透鏡18，高性能化變得困難。
第一實施形態中，使用第二物鏡透鏡26作為主透鏡的情況，能將試料23靠近第二物鏡透鏡26來設置。然後，能分離第一物鏡透鏡18與第二物鏡透鏡26之間的距離。舉例來說，如果分離30mm，可將有10mm程度厚度的MCP檢測器20設置於第一物鏡透鏡18的正下方。而且，當然也能設置Robinson型的檢測器20或半導體檢測器20。也有設置反射板，使訊號電子21接觸反射板，並將從此處產生或反射的電子以第二個二次電子檢測器檢測的方法。能設置帶有相同作用的各種訊號電子之檢測器20。
接著，說明關於與透鏡光學系性能有關的孔徑角α。
將一次電子線12接觸試料23時的射束徑稱為探測徑。使用以下數學式做為評價探測徑的數學式。另，以下的數學式中，連接「^」的數字為指數。
〔數1〕探測徑Dprobe=sqrt〔Dg^2+Ds^2+Dc^2+Dd^2〕〔nm〕
〔數2〕光源的縮小直徑Dg=M1‧M2‧M3‧So=M‧So〔nm〕
〔數3〕球面像差Ds=0.5Cs‧α^3〔nm〕
〔數4〕色像差Dc=0.5Cc‧α‧△V/Vi〔nm〕
〔數5〕繞射像差：Dd=0.75×1.22×Lambda/α〔nm〕
於此，電子源的大小為So，第一段聚光透鏡15a的縮小率為M1，第二段聚光透鏡15b的縮小率為M2，第一物鏡透鏡18與第二物鏡透鏡26所形成之透鏡的縮小率為M3，全縮小率M=M1×M2×M3，球面像差係數為Cs，色像差係數為Cc，在試料面的一次電子線12之孔徑角為α，照射電壓(對應於一次電子衝撞於試料23時的能量之電壓)為Vi，對應於一次電子線12的能量延伸之電壓為△V，電子的波長為Lambda。
關於使用熱電子射出型電子源的SEM之性能的一例，使用模擬數據來說明。圖1的第一物鏡透鏡18為通用透鏡型。
顯示以第一物鏡透鏡18聚焦一次電子線12的情況。其係對應於通用SEM。
一次電子線12的△V為1V，電子源的大小So為10μm。M1×M2=0.00282。設置孔徑30微米的物鏡透鏡光圈16，去除不用的軌道電子。藉由此物鏡透鏡光圈16的孔徑，能調整入射於試料23之射束的孔徑角α與探測電流。WD為6mm，加速電壓Vacc=-30kV(Vi=30kV)。若模擬計算，
(模擬數據1)
Dprobe=4.4nm，Dg=1.59，Ds=3.81，Dc=0.916，Dd=1.25，Cs=54.5mm，Cc=10.6mm，α=5.19mrad，M3=0.0575。
接著，顯示以第二物鏡透鏡26聚焦一次電子線12的情況。
圖1的構成中，第二物鏡透鏡26與第一物鏡透鏡18的距離為40mm。第二物鏡透鏡26中，D=8mm，d=20mm，為了調整α的物鏡透鏡光圈16之孔徑為21.8微米。此時，調弱聚光透鏡15，使得與通用SEM時相比不變化探測電流量。其他的條件相同。若模擬在Z=-4mm的位置之性能，
(模擬數據2)
Dprobe=1.44nm，Dg=0.928，Ds=0.657，Dc=0.503，Dd=0.729，Cs=1.87mm，Cc=3.391mm，α=8.89mrad，M3=0.0249。
如上所述，使用第二物鏡透鏡26，則得知SEM的性能大幅地變好。
而且，與在第一物鏡透鏡18聚焦時相比，在第二物鏡透鏡26聚焦時，Dg變小。相同探測徑的情況中，與在第一物鏡透鏡18聚焦時相比，顯示能變弱聚光透鏡15。因此，使用第二物鏡透鏡26，則得知與通用SEM相比，能大電流化探測電流。
接著，說明不使用第一物鏡透鏡18，使用第二物鏡透鏡26，加速電壓Vacc為-1kV(Vi=1kV)的情況(遲滯電壓為0V)。為了不變化探測電流，調整聚光透鏡15(但是，電子槍的軌道與射束量係與-30kV時相同)。其他的條件相同。以下為模擬數據。
(模擬數據3)
結果顯示於圖6(a)。
Dprobe=15.6nm，Dg=0.928，Ds=0.657，Dc=15.1，Dd=3.99，Cs=1.87mm，Cc=3.39mm，α=8.89mrad，M3=0.0249。
此情況中，Cs、Cc、α、M3、Ds和模擬數據2相同。因為△V/Vi變大，探測徑也變得非常大。
接著，說明將電位板22配置於試料23的上部之例。電位板22的開口徑為Φ5mm，試料23為Φ6mm。試料測定面為Z=-4mm(第二物鏡透鏡26起算的距離)。試料台24與電位板22的距離為8mm，試料測定面與電位板22之間隔為5mm。
模擬加速電壓Vacc為-10kV，電位板22為0V電位，將試料23以Vdecel=-9kV來遲滯，Vi=1kV之情況的數值。於此，不使用第一物鏡透鏡18，僅使用第二物鏡透鏡26來聚焦。
(模擬數據4)
結果顯示於圖6(b)。
Dprobe=5.72nm，Dg=0.924，Ds=2.93，Dc=4.66，Dd=1.26，Cs=0.260mm，Cc=0.330mm，α=28.2mrad，M3=0.0247。
若遲滯電壓Vdecel為-9kV，照射電子的能量變成1keV。與加速電壓為-1kV時相比，探測徑被大大地改善。
接著，顯示於此條件，追加使用第一物鏡透鏡18，適當調整強度(試著調為模擬數據1中必要AT(安培計)的約0.37倍)的例。
(模擬數據5)
結果顯示於圖6(c)。
Dprobe=4.03nm，Dg=1.60，Ds=0.682，Dc=2.92，Dd=2.17，Cs=0.312mm，Cc=0.357mm，α=16.3mrad，M3=0.0430。
於此，可知Dprobe減少。模擬數據4中，Dc(=4.66)明顯地變大。於此，稍微增加第一物鏡透鏡18，能變小α。Dc從上述〔數4〕可知，受到 Cc與α影響。雖然Cc稍微變大，但α變得相當小。因此，Dc變小。從〔數1〕可知，使用第一物鏡透鏡18，Dprobe能變小。
相對於圖6(a)的α=8.89mrad，圖6(b)中的α=28.2mrad，藉由遲滯，變成大的值。即，得知變成強的透鏡。而且，因此得知Dd也變小。圖6(c)中，以第一物鏡透鏡18調整α，可知α變小。
於此，最重要的是，雖然也可縮小物鏡透鏡光圈16的孔徑來調整α，但此情況中，探測電流已經減少。但是，即使使用第一物鏡透鏡18來調整α，探測電流也不會減少。因此，從試料23產生的二次電子21a與反射電子21b不會減少。
而且，若藉由遲滯電壓的施加來使檢測器20的感度變好，能減少探測電流。再者，縮小物鏡透鏡光圈16的孔徑，也能縮小α。而且，藉由聚光透鏡15，也可縮小其縮小率M1×M2。因此，雖然為了平衡Dg、Ds、Dc、及Dd有調整的必要，但也有探測徑能縮得更小的情況。物鏡透鏡光圈16與第一物鏡透鏡18能最適化探測徑。
而且，對試料23用焦點深度淺的透鏡，不管凸凹的上面與底面哪一者都會焦點不合。這樣的情況，即使探測徑相同，α越小，焦點深度變得越深，也能清楚的看見。使用第一物鏡透鏡18，也能最適化，使得像容易被看見。
接著，顯示第一實施形態之裝置的各種使用方法之具體例。
圖6(b)中，舉例來說，雖然顯示加速電壓Vacc為-10kV，試料23以-9kV來遲滯的模擬，但加速電壓Vacc為-4kV、試料23為-3.9kV，也得得到Vi=100V。加速電壓與遲滯電壓的比接近1左右，像差係數能縮小。而且，上述中，關於第二物鏡透鏡26的磁極，雖然顯示D=8mm、d=20mm的情況，但只要D=2、d=6等，縱使試料高度或加速電壓有制限，也能得到更佳的性能。
而且，加速電壓為-10kV且無遲滯的情況，雖然能以二次電子檢測器19檢測二次電子21a，但半導體檢測器20不能檢測。但是，只要加速電壓為-20kV、遲滯電壓為-10kV，則二次電子21a以約10keV的能量進入至半導體檢測器20，使得檢測變得可能。
而且，加速電壓為-10.5kV、遲滯電壓為-0.5kV時，二次電子21a不能以半導體檢測器20檢測感度。但是，此時，能以二次電子檢測器19檢測二次電子21a。即，二次電子21a於低遲滯電壓時能以二次電子檢測器19捕捉，若遲滯電壓慢慢地上升，能以半導體檢測器20側檢測的量會增加。如此，二次電子檢測器19於一邊聚於焦點，一邊提升遲滯電壓的調整時，也相當有用。
第一實施形態的第二物鏡透鏡26設計成能以Z=-4.5mm來聚焦30keV的一次電子。只要試料位置靠近於第二物鏡透鏡26，例如Z=-0.5mm的位置中，100keV的一次電子也能聚焦。沒有遲滯的情況中，也可不將絕緣板25(絕緣薄膜)設置於第二物鏡透鏡26的上方。因此，此情況中的第二物鏡透鏡26，使加速電壓能充分聚焦-100kV的一次電子線12。從最靠近於物鏡透鏡的磁極之試料來看，較佳的是，第二物鏡透鏡26設計成可將使加速電源為-30kV至-10kV的任一者來加速的荷電粒子線聚焦於0mm至4.5mm中的任一者的高度位置。
說明關於加速電壓為-15kV、試料23為-5kV、於電位板22施加-6kV的情況。一次電子接觸試料23時，變成10keV。從試料23射出的二次電子21a之能量為100eV以下。因為電位板22的電位較試料23的電位低1kV，二次電子21a無法超過電位板22。因此，二次電子21a無法檢測。帶有從試料23射出的1keV以上之能量的反射電子21b能通過電位板22。再者，電位板22與第一物鏡透鏡18下的檢測器20之間有6kV的電位差，反射電子21b加速進入檢測器20。藉 由能調整這樣的電位板22之電壓，能將電位板22作為能量過濾器來使用，並且也可加速訊號電子21來提升感度。
接著，說明關於試料的高度(例如7mm)之情況。
此時，即使有遲滯的情況，也於包含上部磁極26b至絕緣板25與試料台24的厚度(例如於Z=-7.75mm程度的位置)進行測定。此情況，只有第二物鏡透鏡26，無法將30keV的一次電子線12聚焦。但是，即使不降低加速電壓，只要借助第一物鏡透鏡18，也可聚焦一次電子線12。
而且，依據試料23的高度，也有僅以第一物鏡透鏡18聚焦的方法來性能佳觀察的情況(參照圖2)。如此，藉由試料23，能選擇最適當的使用方法。
上述中，雖然敘述關於第一物鏡透鏡18與第二物鏡透鏡26之間隔為40mm的情況，此距離可為固定式也可為可動式。第一物鏡透鏡18與第二物鏡透鏡26的距離越大，縮小率M3會變成小的值。然後，孔徑角α能變大。此方法中，能調整α。
而且，遲滯電壓高且訊號電子21通過光軸的附近，容易進入用於通過檢測器20的一次電子之開口部。因此，檢測器20的開口部可為小的程度。檢測器20的開口部為Φ1至Φ2mm程度，感度佳。藉由調整電位板22的開口徑或高度，將電位板22的位置從光軸稍微移動，為了讓訊號電子21接觸於檢測器20，而調整訊號電子21的軌道來提升感度的方法。而且，於第一物鏡透鏡18與第二物鏡透鏡26之間，加入持續施加電場與磁場的E cross B(E x B)，可稍微彎曲訊號電子21。因為一次電子的進行方向與訊號電子21的進行方向相反，對稍微彎曲訊號電子21，可設置弱電場與磁場。只要稍微彎曲，不進入檢測器20中心的開口部，變得能進行檢測。而且，可單純於第一物鏡透鏡18與第二物鏡透鏡26之間將電場相對於光軸橫置。即使如此，一次電子也難受影響，只要 有橫偏差，對畫像的影響少。舉例來說，使用藉由二次電子檢測器19的收集電極等之電場，也可控制訊號電子21的軌道。
圖3中，使用第二物鏡透鏡26作為主透鏡。試料台24為接地電位的情況，二次電子21a以二次電子檢測器19進行檢測。反射電子21b以半導體檢測器20或Robinson檢測器20等進行檢測。試料23與檢測器20分離10mm至20mm程度時，能感度佳進行檢測。但是，若分離40mm程度，無法進入至檢測器20的反射電子21b增加，反射電子21b的檢測量變少。此時，若於試料23賦予遲滯電壓，二次電子21a能以半導體檢測器20或Robinson檢測器20等進行檢測。而且，賦予遲滯電壓後，反射電子21b的延伸被抑制，於半導體檢測器20或Robinson檢測器20等，變得能以高感度進行檢測。沒有這樣的電位板22之情況也可使用遲滯。
圖2中，試料23厚的情況中，顯示使用第一物鏡透鏡18作為物鏡透鏡的情況。圖2中，活用移動電位板22的XYZ平台61，能作為試料平台來使用。更具體而言，取代電位板22，藉由試料台24連接於XYZ平台61，試料台24可於X方向、Y方向及Z方向移動。此XYZ平台61也可將試料台24朝靠近於第一物鏡透鏡18的方向移動。藉此，於通用SEM使用此裝置。反射電子21b以半導體檢測器20或Robinson檢測器20等進行檢測，二次電子21a以二次電子檢測器19進行檢測。通常，雖然試料23為接地電位，但也能進行簡易的遲滯(能在沒有電位板22，進行遲滯)。
另，圖2中，因為試料台24連接於XYZ平台61，變得不需要如圖1所示的電位板22及試料台平台板29。
僅使用第二物鏡透鏡電源42時構成的裝置，使得第二物鏡透鏡26與試料測定面的距離比第一物鏡透鏡18與試料測定面的距離更靠近：僅使用 第一物鏡透鏡電源41構成的裝置，使得第一物鏡透鏡18與試料測定面的距離比第二物鏡透鏡26與試料測定面的距離更靠近。
另，只要在不要求高測定性能，比較低性能的測定之情況，也可於只使用第一物鏡透鏡電源41時，沒必要使得第一物鏡透鏡18與試料測定面的距離比第二物鏡透鏡26與試料測定面的距離更靠近。也可使得第二物鏡透鏡26與試料測定面的距離比第一物鏡透鏡18與試料測定面的距離更靠近。也就是說，試料23可配置於第一物鏡透鏡18與第二物鏡透鏡26之間。舉例來說，只要是低倍率的測定之情況，將試料23配置於第二物鏡透鏡26的附近，使用第一物鏡透鏡電源41，也可僅使用第一物鏡透鏡18。
圖1中有遲滯的情況，試料23的電位變成負的。也可讓試料23保持在GND等級，於電位板22施加正的電壓(將此手法稱為Boosting法)。也可於試料23施加負的電壓，於電位板22加上正電位，作為低加速SEM，並有好的性能。就範例而言，第一物鏡透鏡18為接地電位，於電位板22施加+10kV，來說明試料23為接地電位的情況。加速電壓為-30kV。一次電子通過第一物鏡透鏡18時為30keV，從第一物鏡透鏡18朝向電位板22加速，並從電位板22附近朝向試料23減速。以下，顯示此情況的模擬數據。試料23與電位板22的形狀，與模擬數據4的情況為相同的條件。
(模擬數據6)
Dprobe=1.31nm，Dg=0.904，Ds=0.493，Dc=0.389，Dd=0.710，Cs=1.29mm，Cc=2.56mm，α=9.13mrad，M3=0.0244。
依據以上的結果，與沒有Boosting的情況(模擬數據2)相比，改善了探測徑。
雖然訊號電子21在試料23與電位板22之間加速，但在電位板22與檢測器20之間減速。檢測器20在有半導體檢測器20的情況下，雖然能檢測反 射電子21b，但因為半導體檢測器20為接地電位，減速且無法檢測二次電子21a。二次電子21a以二次電子檢測器19檢測。只要將遲滯電壓施加於試料23，也能以半導體檢測器20檢測二次電子21a。
接著，參照圖7，說明關於藉由二段偏向線圈17的調整來移動偏向軌道的交點。以二段偏向線圈17二次元掃描試料23上。二段偏向線圈17的電子源側稱為上段偏向線圈17a，試料側稱為下段偏向線圈17b。
如圖1所示，此二段偏向線圈17藉由變換上段偏向線圈17a的強度之上段偏向電源43、變換下段偏向線圈17b的強度之下段偏向電源44、及控制上段偏向電源43與下段偏向電源44的控制裝置45來控制。
從第一物鏡透鏡18的內部來看，上段偏向線圈17a與下段偏向線圈17b設置於一次電子線12飛入側(設置於第一物鏡透鏡18的透鏡主面更上游、或在將下段的偏向構件設置於透鏡主面的位置之情況設置於較外側磁極18b(參照圖7。另，圖7的符號18a顯示內側磁極。)更上游)。上段偏向電源43與下段偏向電源44的使用電流比藉由控制裝置45來變換。
圖7(a)中，藉由二段的偏向線圈17，電子形成通過光軸與第一物鏡透鏡18的主面之交點附近的軌道。使用第一物鏡透鏡18作為主透鏡的情況(圖2)中，這樣設定。使用第二物鏡透鏡26作為主透鏡時，如圖7(a)所示，偏向像差變大，低倍率的畫像歪斜了。使用第二物鏡透鏡26作為主透鏡時，如圖7(b)所示，上段偏向線圈17a與下段偏向線圈17b的強度比係調整電子，形成通過第二物鏡透鏡26的主面與光軸的交點附近之軌道。調整係藉由調整上段偏向電源43與下段偏向電源44的使用電流比之控制裝置45來進行。如此，減少畫像的歪斜。另，調整使用電流比，不是錯開偏向軌道的交點(交叉點)，而是可以採用將圈數相異的線圈以相繼等切換的方式(複數設置圈數相異的線圈，將使用 的線圈以控制裝置來選擇的方式)或、靜電透鏡的情況切換電壓之方式(變換使用電壓比的方式)。
如圖7所示，偏向線圈17也可配置於第一物鏡透鏡18內的間隙。偏向線圈17也可位於第一物鏡透鏡18內，如圖1所示，也可比此設置於荷電粒子線的上流側。採用靜電偏向的情況，取代偏向線圈而採用偏向電極。
〔第二實施形態〕
參照圖8，說明沒有第一物鏡透鏡18的簡易裝置構成。
於此，將半導體檢測器20設置於下段偏向線圈17b的下方。沒有第一物鏡透鏡18的情況，能縮短下段偏向線圈17b與第二物鏡透鏡26的距離。這樣的裝置構成適當小型化。與第一實施形態比較，第二實施形態去除使用第一物鏡透鏡18之外，能使用相同的裝置。檢測器20與第二物鏡透鏡26的距離分離10mm至200mm來設置。
於圖8的裝置，藉由電子源11至下段偏向線圈17b的構成，來構成將一次電子線12朝向試料23射出的上部裝置51。而且，藉由電位板22與配置於比電位板22更下方的構件來構成下部裝置52。於下部裝置52保持試料23。上部裝置51具有孔部，通過其內部的荷電粒子線最後從孔部射出。此孔部存在於下段偏向線圈17b。檢測器20安裝於此孔部的下方。檢測器20也具有通過一次電子線12的開口部，檢測器20安裝於下段偏向線圈17b更下部，使得孔部與開口部重疊。
〔第三實施形態〕
第三實施形態中，於電子源11使用電場射出型的結構。電場射出型與熱電子射出型相比，輝度高，光源的大小較小，一次電子線12的△V也較小，色像差的面也較有利。第三實施形態中，為了與第一實施形態相比，第一實施形態的第二段聚光透鏡15b以下與第一實施形態相同，電子源部為電場 射出型，沒有第一段聚光透鏡15a。一次電子線12的△V為0.5eV，電子源的大小為So=0.1μm。若計算Z=-4mm、加速電壓Vacc為-30kV、第一物鏡透鏡18為OFF的性能，如下所述。
(模擬數據7)
Dprobe=0.974nm，Dg=0.071，Ds=0.591，Dc=0.248，Dd=0.730，Cs=1.69mm，Cc=3.36mm，α=8.88mrad，M3=0.0249。
電場射出型電子源與熱電子射出型相比，輝度高。再者，因為聚光透鏡15變成一段，探測電流與熱電子射出型時相比變多。不僅如此，得知探測徑變小。Dd顯示為最大值。
接著的例中，加速電壓Vacc為-1kV(Vi=1kV)。不使用第一物鏡透鏡18，使用第二物鏡透鏡26，聚焦電子。調整聚光透鏡15，使得探測電流不變化。此情況，如以下所述。
(模擬數據8)
Dprobe=8.48nm，Dg=0.071，Ds=0.591，Dc=7.45，Dd=4.00，Cs=1.68mm，Cc=3.36mm，α=8.88mrad，M3=0.0249。
如上所述，熱電子射出型(模擬數據3)中，因為Dprobe=15.6nm，得知電場射出型電子源的方式較佳。
接著，說明關於如圖1所示地配置電位板22與試料23之例。試料測定面為Z=-4mm。
關於加速電壓Vacc為-10kV，電位板22為0V電位，試料23為-9kV的情況(Vi=1kV)，於下顯示計算結果。於此，不使用第一物鏡透鏡18，僅使用第二物鏡透鏡26來聚焦。
(模擬數據9)
Dprobe=3.92nm，Dg=0.071，Ds=2.90，Dc=2.32，Dd=1.26，Cs=0.260mm，Cc=0.330mm，α=28.1mrad，M3=0.0248。
像差中，Ds為最大的值。於此，因為靠近於試料23的電子速度變慢，容易受到磁場的影響，並且磁束密度靠近於試料23有大的值而形成靠近於試料23的強透鏡，α變得過大。因為Ds與α的立方成比例，Ds變大。可使用第一物鏡透鏡18來改善。
接著，顯示使用第一物鏡透鏡18，最適當調整強度的情況(調為模擬數據1中AT(安培計)的約0.31倍之情況)的數據。
(模擬數據10)
Dprobe=2.68nm，Dg=0.103，Ds=1.03，Dc=1.68，Dd=1.82，Cs=0.279mm，Cc=0.344mm，α=19.5mrad，M3=0.0358。
雖然只看像差係數係惡化的，但探測徑藉由調節α，可進一步改善。
於此，為了與第一實施形態相比，物鏡透鏡光圈16的孔徑與21.8微米相同。電場射出型的情況，因為明亮的輝度，並且變成一段的聚光透鏡15，孔徑能變小。因此，繞射像差成為主要的像差。
依據上述的本實施形態，使用第二物鏡透鏡26，進行遲滯，形成α變大的透鏡系，並形成減少繞射像差的透鏡系。即，於荷電粒子線裝置，能實現低像差的第二物鏡透鏡。將訊號電子以高感度進行檢測，能實現低價的高分解能化。
如果是本實施形態，訊號電子因為不會通過第一物鏡透鏡中，能將檢測部形成簡單的構造。第二物鏡透鏡的光軸上磁束密度因為是靠近於試料的強分布，物鏡透鏡成為低像差透鏡。於試料賦予負電位，形成靠近於試料的強透鏡，物鏡透鏡成為更低的像差透鏡。試料的遲滯電壓之電場中，因為訊 號電子被加速，能量增寬並進入檢測器，檢測器變成高感度。藉由以上的構成，能實現高分解能的荷電粒子線裝置。
〔第四實施形態〕
接著，說明關於第四實施形態之SEM(荷電粒子裝置的一例)的裝置構成。以下的說明中，關於與上述的實施形態相同的構成(包含各構成的變化例)，附上與上述相同的符號，並省略關於這些構成的詳細說明。
上述第一實施形態的大致構成，與以下的第四實施形態也相同。上部裝置51係以從電子源11到第一物鏡透鏡18的構成來配置。從上部裝置51朝向試料23射出一次電子線12。下部裝置52係配置第二物鏡透鏡26。於下部裝置52保持試料23。二次電子檢測器19及檢測器20也同樣地設置。二次電子檢測器19設置成用於檢測二次電子21a的訊號電子21。
圖9係顯示有關本發明的第四實施形態之SEM的裝置構成之一例的剖面圖。
如圖9所示的SEM中，與圖1所示的結構相同，設置上部裝置51、第二物鏡透鏡26、二次電子檢測器19、電位板22等。此SEM中，進行遲滯。如此，第四實施形態中，SEM基本上具有與圖1所示的結構相同之構成。第四實施形態中，SEM在電位板22的下面(試料23側的面)配置檢測反射電子21b的檢測器720之點與圖1所示的結構不同。
於檢測器720，設置通過一次電子線12或二次電子21a的孔部。就檢測器720而言，例如使用微通道板、Robinson檢測器、半導體檢測器等。
如使，如圖9所示的裝置中，於比較靠近於試料23的位置，配置檢測器720。因為入射的反射電子21b之立體角大，且反射電子21b的檢測感度提升，能以更高感度進行試料23的觀察。
第四實施形態中，也可於電位板22的上方配置檢測器20。檢測器720的孔部720a之尺寸也可小至通過一次電子線12程度。舉例來說，孔部720a為圓形的貫通孔，其直徑較佳係例如1毫米至2毫米程度。藉由縮小這樣的孔部720a，反射電子21b的大部分變得無法通過電位板22更上方。因此，因為入射至二次電子檢測器19或檢測器20的訊號電子21之大部分成為二次電子21a，不會與反射電子像混合，能得到鮮明的二次電子像。
〔其他〕
雖然本發明藉由上述實施形態所記載，但此等揭示的敘述及圖面應理解不會限定此發明。舉例來說，從荷電粒子源至試料23的荷電粒子線之軌道的圖中描繪直線。但是，若進入能量過濾器等，軌道會彎曲。也有荷電粒子線的軌道彎曲之情況。這樣的情況也包含於專利申請範圍所記載的技術範圍內。而且，離子束顯微鏡中之負離子的荷電粒子之情況，能與電子相同的考慮方式，可知能與第一實施形態有相同的適用。離子的情況，因為與電子相比其質量重，可使聚光透鏡15為靜電透鏡，偏向線圈17為靜電偏向，第一物鏡透鏡18為靜電透鏡。而且，物鏡透鏡26使用磁性透鏡。
依據上述說明的本發明，能理解可輕易適用於作為荷電粒子線裝置的EPMA、電子線描繪裝置等的電子束裝置、或離子束顯微鏡等的離子束裝置。使用像He+離子源的正離子之荷電粒子的情況中，使用正的加速電源14作為離子源的加速電源。沒有進行遲滯的情況中，能構成與第一實施形態相同的裝置。進行遲滯的情況中，將遲滯電源27切換成正電源以外，能構成與上述的實施形態相同的裝置。此時，只要電位板22為接地電位，從試料23射出的訊號電子21因為為負電荷，能拉回至試料23。此情況，可調整電位板電源28，使得電位板22的電位變得比試料23的電位更高。舉例來說，較佳的是，荷電粒子線的加速電源14為+7kV，上部裝置51為接地電位，電位板22為+6kV，試料23 為+5kV。如果這樣的話，能以設置於電位板22的位置之檢測器720檢測訊號電子21。
上述的實施形態及變化例中揭示的全部特點應認為沒有限制。本發明的範圍不僅止於上述的說明，依據專利申請範圍所示，應認為包含與專利申請範圍均等的意義及範圍內之所有的變化。

Claims (22)

  1. 一種荷電粒子線裝置，具備：荷電粒子源；加速電源，設置來加速從該荷電粒子源射出的荷電粒子線，並連接於該荷電粒子源；第一物鏡透鏡，相對於試料，設置於該荷電粒子線之入射側，將該荷電粒子線聚焦於該試料；第二物鏡透鏡，相對於試料，設置於該荷電粒子線之入射側的相反側，將該荷電粒子線聚焦於該試料；第一物鏡透鏡電源，變換該第一物鏡透鏡的強度；及第二物鏡透鏡電源，變換該第二物鏡透鏡的強度；其中，僅使用該第一物鏡透鏡電源時，該試料配置於該第一物鏡透鏡與該第二物鏡透鏡之間；僅使用該第二物鏡透鏡電源時，該第二物鏡透鏡與試料測定面的距離比第一物鏡透鏡與試料測定面的距離更靠近。
  2. 一種荷電粒子線裝置，具備：荷電粒子源；加速電源，設置來加速從該荷電粒子源射出的荷電粒子線，並連接於該荷電粒子源；第一物鏡透鏡，相對於試料，設置於該荷電粒子線之入射側，將該荷電粒子線聚焦於該試料；第二物鏡透鏡，相對於試料，設置於該荷電粒子線之入射側的相反側，將該荷電粒子線聚焦於該試料；第一物鏡透鏡電源，變換該第一物鏡透鏡的強度；第二物鏡透鏡電源，變換該第二物鏡透鏡的強度；及第一控制裝置，控制該第一物鏡透鏡電源與該第二物鏡透鏡電源；其中，僅使用該第一物鏡透鏡電源時，該第一物鏡透鏡與試料測定面的距離比第二物鏡透鏡與試料測定面的距離更靠近；僅使用該第二物鏡透鏡電源時，該第二物鏡透鏡與試料測定面的距離比第一物鏡透鏡與試料測定面的距離更靠近。
  3. 一種荷電粒子線裝置，具備：荷電粒子源；加速電源，設置來加速從該荷電粒子源射出的荷電粒子線，並連接於該荷電粒子源；第一物鏡透鏡，相對於試料，設置於該荷電粒子線之入射側，將該荷電粒子線聚焦於該試料；第二物鏡透鏡，相對於試料，設置於該荷電粒子線之入射側的相反側，將該荷電粒子線聚焦於該試料；第一物鏡透鏡電源，變換該第一物鏡透鏡的強度；第二物鏡透鏡電源，變換該第二物鏡透鏡的強度；及第一控制裝置，控制該第一物鏡透鏡電源與該第二物鏡透鏡電源；其中，該第一控制裝置具有對該第一物鏡透鏡的強度與該第二物鏡透鏡的強度進行獨立控制之機能及進行同時控制之機能；僅使用該第一物鏡透鏡電源時，該第一物鏡透鏡與試料測定面的距離比第二物鏡透鏡與試料測定面的距離更靠近；僅使用該第二物鏡透鏡電源時，該第二物鏡透鏡與試料測定面的距離比第一物鏡透鏡與試料測定面的距離更靠近。
  4. 一種荷電粒子線裝置，係為具有：荷電粒子源；加速電源，設置來加速從該荷電粒子源射出的荷電粒子線，並連接於該荷電粒子源；及物鏡透鏡，將該荷電粒子線聚焦於試料之荷電粒子線裝置；該物鏡透鏡包含：第一物鏡透鏡，相對於試料，設置於該荷電粒子線之入射側；及第二物鏡透鏡，相對於試料，設置於該荷電粒子線之入射側的相反側；該荷電粒子線裝置具備：第一物鏡透鏡電源，變換該第一物鏡透鏡的強度；第二物鏡透鏡電源，變換該第二物鏡透鏡的強度；及第一控制裝置，控制該第一物鏡透鏡電源與該第二物鏡透鏡電源；其中，該第一控制裝置具有：獨立控制該第一物鏡透鏡的強度與該第二物鏡透鏡的強度之機能；同時控制該第一物鏡透鏡的強度與該第二物鏡透鏡的強度之機能；僅以該第一物鏡透鏡將該荷電粒子線聚焦於試料之機能；僅以該第二物鏡透鏡將該荷電粒子線聚焦於該試料之機能；及同時使用該第一物鏡透鏡與該第二物鏡透鏡，以該第一物鏡透鏡變換該荷電粒子線之入射於試料的孔徑角，使得孔徑角比該荷電粒子線僅以第二物鏡透鏡聚焦於該試料時更小，來聚焦於該試料之機能。
  5. 如請求項1至4中任一項所述的荷電粒子線裝置，具備：二段偏向構件，二次元掃描該荷電粒子線，且該二段偏向構件具有上段偏向構件與下段偏向構件；上段偏向電源，變換該上段偏向構件的強度或電壓；下段偏向電源，變換該下段偏向構件的強度或電壓；及第二控制裝置，控制該上段偏向電源與該下段偏向電源；其中，從該第一物鏡透鏡的內部來看，該上段偏向構件與該下段偏向構件設置於該荷電粒子線飛入側；該第二控制裝置變換該上段偏向電源與該下段偏向電源的使用電流比或使用電壓比。
  6. 如請求項1至4中任一項所述的荷電粒子線裝置，具備：二段偏向構件，二次元掃描該荷電粒子線，且該二段偏向構件具有上段偏向構件與下段偏向構件；上段偏向電源，變換該上段偏向構件的強度或電壓；下段偏向電源，變換該下段偏向構件的強度或電壓；及第二控制裝置，控制該上段偏向電源與該下段偏向電源；其中，從該第一物鏡透鏡的內部來看，該上段偏向構件與該下段偏向構件設置於該荷電粒子線飛入側；該下段偏向構件為圈數各自相異的複數線圈；該第二控制裝置控制該複數線圈中的使用。
  7. 如請求項5所述的荷電粒子線裝置，該偏向構件為偏向線圈或偏向電極。
  8. 如請求項1至4中任一項所述的荷電粒子線裝置，具備：遲滯電源，於該試料賦予負電位，用於減速該荷電粒子線。
  9. 如請求項1至4之任一項所述的荷電粒子線裝置，從最靠近於該第二物鏡透鏡的磁極之試料來看，該第二物鏡透鏡可將使該加速電源為-30kV至-10kV中的任一者來加速的荷電粒子線聚焦於0mm至4.5mm中的任一者的高度位置。
  10. 如請求項1至4之任一項所述的荷電粒子線裝置，具備：絕緣板，配置於該第二物鏡透鏡上；及導電性試料台，配置於該絕緣板上；其中，該第二物鏡透鏡及該導電性試料台為絕緣。
  11. 如請求項10所述的荷電粒子線裝置，該導電性試料台靠近於邊緣部具有從該絕緣板分離的形狀。
  12. 如請求項10所述的荷電粒子線裝置，該絕緣板與該導電性試料台之間填充有絕緣材。
  13. 如請求項10所述的荷電粒子線裝置，具備：具有開口部的電位板，配置於該導電性試料台的上部；其中，於該電位板，賦予接地電位、正電位、或負電位。
  14. 如請求項13所述的荷電粒子線裝置，該電位板的開口部為直徑2mm至20mm的圓形、或網子狀。
  15. 如請求項13所述的荷電粒子線裝置，該電位板在試料附近以外的地方具有從該導電性試料台分離之形狀。
  16. 如請求項13所述的荷電粒子線裝置，具備：移動單元，移動該電位板。
  17. 如請求項16所述的荷電粒子線裝置，該移動單元為連接於該電位板的平台；且該平台可載置該試料。
  18. 如請求項1至4中任一項所述的荷電粒子線裝置，形成該第二物鏡透鏡的磁極具有：中心磁極，其中心軸與該荷電粒子線的理想光軸一致；上部磁極；筒形的側面磁極；及圓盤形狀的下部磁極；其中，靠近於試料側的該中心磁極之上部中，該上部附近的徑為較小的形狀，該中心磁極的下部為圓柱形狀；該上部磁極為中心形成圓形的開口部之磁極，且為於朝向中心的盤狀之靠近該中心磁極的中心側較薄之圓盤形狀。
  19. 如請求項18所述的荷電粒子線裝置，該中心磁極的試料側之面與該上部磁極的試料側之面為相同高度。
  20. 如請求項18所述的荷電粒子線裝置，該中心磁極的上部邊緣徑D較6mm大並較14mm小，該上部磁極的圓形之開口部的徑d與該中心磁極的上部邊緣徑D之關係為：d-D≧4mm。
  21. 如請求項1至4中之任一項所述的荷電粒子線裝置，使用熱電子源型元件作為該荷電粒子源。
  22. 一種掃描電子顯微鏡，具備如請求項1至21中之任一項所述的荷電粒子線裝置。
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