JP2003092078A - 電子顕微鏡の球面収差補正装置 - Google Patents
電子顕微鏡の球面収差補正装置Info
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Abstract
れるようにし、また、多極子間の光軸に垂直な面内での
回転関係を多極子の位相角を変化させることなく補正可
能にする。 【解決手段】 2つの多極子(8,9)間に2つの軸対
称レンズ(10,11)を配置した電子顕微鏡の球面収
差補正装置において、軸対称レンズ間にできる電子軌道
の集光面内に、光軸と垂直な面内で電子に回転作用を与
える回転補正レンズ(12)を配置したものである。
Description
差補正装置に関する。
補正する装置として、6極子場を発生する2つの多極子
間に2つの軸対称レンズを配置したものが知られてい
る。図3は従来の球面収差補正装置を備えた電子顕微鏡
の照射系の概略構成を示す図である。なお、図では偏向
系や一部集束系等を省略している。光源1からの電子線
2は、絞り3を有する集束レンズ4を通り、光軸に平行
な電子線が球面収差補正光学系5に入射し、補正光学系
5から出射した光軸に平行な電子線が対物レンズ6を通
して試料7に照射される。
する多極子8、9間に軸対称レンズ10、11を配置し
たものである。多極子8、9の各極は相互に光軸に対し
て位相が一致し、光軸と垂直な面内における光軸を中心
とした回転関係をもたないように配置される。軸対称レ
ンズ10、11は、焦点距離が同じfで、多極子8と軸
対称レンズ10との間の距離がf、軸対称レンズ10、
11間の距離が2f、軸対称レンズ11と多極子9との
間の距離がf、多極子8、9の励起強度Kと光軸方向の
幅(サイズ)Zがそれぞれ同じであるとき、球面収差が
補正される。
補正光学系では、同じ焦点距離の軸対称レンズを用いて
特定の配置条件とする必要があるため、補正光学系によ
り倍率変化は得ることはできない。従って得られる最小
電子プローブは球面収差による制限を受け、十分な電流
量をもつ十分小さな電子プローブは得られず、電子プロ
ーブの縮小作用は、他のレンズで受け持つ必要がある。
おける光軸を中心とした回転関係を持たないように配置
されなければならないが、実際には、製作、組み立て精
度内である程度の回転関係が混入するのはやむを得ず、
また、軸対称レンズ10、11を通過する電子は、光軸
と垂直な面内における回転作用を受け、コイル極性を逆
にするなどしても、ある程度の回転関係が混入するのは
やむを得ない。従って、多極子の励磁を制御し、作用場
の位相角度を回転させるなどして、混入した回転関係を
補正する必要が生ずるが、多極子をこのように使用した
場合、多極子の高次収差が発生し易くなってしまう。
するためのもので、球面収差補正光学系において倍率変
化が得られるようにし、また、多極子間の光軸に垂直な
面内での回転関係を多極子の位相角を変化させることな
く補正可能にしようとするものである。そのために本発
明は、2つの多極子間に2つの軸対称レンズを配置した
電子顕微鏡の球面収差補正装置において、軸対称レンズ
間にできる電子軌道の集光面内に、光軸と垂直な面内で
電子に回転作用を与える回転補正レンズを配置したこと
を特徴とする。また、本発明は、2つの多極子間に2つ
の軸対称レンズを配置した電子顕微鏡の球面収差補正装
置において、前段及び後段軸対称レンズの焦点距離をf
1、f2(f1≠f2)、前段多極子と前段軸対称レン
ズ間の距離をf1、軸対称レンズ間の距離をf1+f
2、後段軸対称レンズと後段多極子間の距離をf2、前
段及び後段多極子の励起強度をK1、K2、前段及び後
段多極子の光軸に沿った長さをZ1、Z2とし、a=f
2/f1としたとき、 Z2=a2 Z1 K2=K1/a5 としたことを特徴とする。
て説明する。図1は本発明による電子顕微鏡の球面収差
補正装置の第1実施例を説明する図であり、図3と同一
番号は同一内容を示している。本実施例は、多極子8、
9が電子軌道に対して回転関係を持たざるを得ないこと
の解決策として、軸対称レンズ10、11間にできる電
子軌道の集光面内に、新たに回転補正レンズ12を配置
したものである。
集束レンズ4を通り、光軸に平行となって球面収差補正
光学系5′に入射し、補正光学系5′から出射した光軸
に平行な電子線が対物レンズ6を通して試料7に照射さ
れ、補正光学系5の軸対称レンズ10、11の焦点距離
が同じfで、多極子8と軸対称レンズ10との間の距離
がf、軸対称レンズ10、11間の距離が2f、軸対称
レンズ11と多極子9との間の距離がf、多極子8、9
の励起強度Kと光軸方向の幅(サイズ)Zが同じで、か
つ多極子8、9が光軸と垂直な面内における光軸を中心
とした回転関係をもたないように配置されたとき球面収
差が補正されるのは図3の場合と同じである。
生する多極子8、9間に配置された軸対称レンズ10、
11間にできる電子軌道の集光面内に、回転補正レンズ
12が配置される。この回転補正レンズ12は集光面内
に配置されることによって、電子ビームは光軸を通るこ
とになる。このため回転補正レンズ12は電子ビームに
集束作用を与えないようにできる。一方、この回転補正
レンズ12は磁場型レンズを採用することによって、電
子ビームに回転作用を与えることができる。このよう
に、この回転補正レンズ12は、電子に与える主な作用
は、通常のレンズのような集束作用は持たず、光軸と垂
直な面内での回転作用のみである。このときの回転角度
は磁場型レンズの励磁電流に比例する。
度等である程度の電子軌道に対する回転関係があって
も、従来のように多極子の位相角を制御することで補正
するのではなく、回転補正レンズ12のレンズ電流を変
化させることで混入した回転関係を補正することができ
る。このため多極子の位相制御に付随する有害な高次収
差が発生するのを防止することができる。
あり、図1、図3と同一番号は同一内容を示している。
本実施例の収差補正光学系5″は、軸対称レンズ1
0′、11′の焦点距離をそれぞれf1、f2、多極子
8′と軸対称レンズ10′との間の距離をf1、軸対称
レンズ10′、11′間の距離をf1+f2、軸対称レ
ンズ11′と多極子9′との間の距離をf2、多極子
8、9の励起強度をそれぞれK1、K2、多極子8、9
の光軸方向の幅(サイズ)をそれぞれZ1、Z2とした
とき、多極子を従来と同様に6極子場として作用させた
場合の解析計算の結果、光軸と平行に入射する電子軌道
の光軸からの距離をr、この電子が補正光学系5″を射
出する時点において、補正光学系5″を通過したことで
与えられた電子線軌道の傾きをRとすると、 R= r2(cos3θ)(K1Z1(f1/f2) −K2Z2(f2/f1)2) +r3(K12Z13(1/3)(f1/f2) +K22Z23(1/3)(f1/f2)3) −K1K2Z2Z1(f2/f1)2r3(cos3θ)2(Z2 (f1/f2)2−Z1) (1) となる。
のrとθとを説明する図である。図は光軸に垂直な多極
子8′通る断面図である。Oは光軸、Aは電子が多極子
8′に入射する際の位置、gは光軸を中心とした回転を
考えたときの基準となる方向を示している。rは光軸O
からの距離、θは電子が多極子8′に入射する際の位置
Aの方向を示すための、基準gからの角度である。
称の収差で、微小電子プローブの形成のためには0にす
べき項である。(1)式の第2項は、この収差補正光学
系5″が形成する3次軸対称の収差(−δ)であって、
この収差(−δ)を用いて電子顕微鏡の照射系の球面収
差(δ)をキャンセルさせる項である。(1)式の第3
項は、3次6回対称の収差で、微小電子プローブの形成
のためには0にすべき項である。従って、球面補正の条
件は以下のようになる。
に比例)である。6極子場の強度を表すK1、K2は多
極子に流れる電流に比例する。ここで a=f2/f1 (5) とすると、(2)式、(4)式は、それぞれ Z2=a2 Z1 (6) K2=K1/a5 (7) となる。
1=f2、Z2=Z1、K1=K2であったため、
(4)式、及び(2)式は自然に0となり、(3)式で
決まるK1(=K2)で球面収差を補正するものであっ
た。
ズ10′、11′の焦点距離f1、f2を異なる値に定
め、異なるf1、f2の値に対する(4)式からの要請
で決まるZ2、Z1の関係が必然的に決まり、f1、f
2の関係と、Z1、Z2の関係と(2)式の関係からK
1、K2の関係が必然的に決まり、最終的に式(3)の
要請からk1、k2の値が決まり、球面収差を補正する
ものである。本発明においては、f1、f2の比を任意
に設計できるため、補正系による電子軌道の倍率変化を
与えることができ、補正光学系に無限遠結像とした場
合、1/aの倍率をもつレンズの機能を持たせることが
できる。
12は、第2実施例の場合にも適用可能であることは言
うまでもなく、図5に示す如くに、軸対称レンズ1
0′、11′間にできる電子軌道の集光面内に回転補正
レンズ12を配置することにより、多極子8′、9′に
電子軌道に対する回転関係があってもこれを補正するこ
とが可能である。
説明では、1は光源、4は集束レンズ、6は対物レン
ズ、7は試料として電子顕微鏡の照射系の球面収差補正
装置について説明したが、上記球面収差補正装置は電子
顕微鏡の結像系の球面収差補正装置としても有効であ
る。即ち、図1〜3および図5において、1を試料、4
を結像系の対物レンズ、6を結像系の最初の中間レン
ズ、7を最初の中間レンズ6で形成される像面とすれ
ば、結像系の球面収差補正装置として同様に動作するこ
とが説明できる。以下に本件発明の球面収差補正装置の
電子顕微鏡への適用例を図6を用いて説明する。
面収差補正装置を用いる場合を説明する図である。21
は電子ビームを発生させ所望のエネルギーを与える電子
銃、22は電子ビームを集束するための複数のレンズか
ら成る集束レンズ、23は電子ビームを二次元的に偏向
・走査する偏向器、24は電子ビームを試料25に照射
するための対物レンズである。これら21から24まで
で構成された電子光学系を照射系と呼ぶ。
5に照射する形態には幾つかの使われ方がある。第1は
電子ビームを細く集束して試料25上の所望の位置に照
射する方法、第2は細く集束したて電子ビームを偏向器
23を用いて試料25上の所望の領域を二次元的に走査
しながら照射する方法、第3は、電子ビームを細く集束
したり走査はせずに、試料25上の所望の領域に一様な
電子ビーム(所望の領域と等しい太さの電子ビーム)を
照射する方法などである。
3の方法で電子ビームを試料25に照射し、試料25を
透過した電子ビームの透過像を拡大するための対物レン
ズ、27は対物レンズ26で拡大された透過像を更に拡
大するための複数のレンズから成る中間レンズ、28は
拡大された透過像を蛍光スクリーン29上に投影するた
めの投影レンズである。これら26から29までで構成
された電子光学系を結像系と呼ぶ。また、これら電子銃
21以下は全て真空雰囲気中に配置されている。なお、
上記は説明の都合で、対物レンズは24と26の2個か
ら成るかのように説明したが、通常1個のレンズで対物
レンズ24と対物レンズ26の2つの働きができるよう
になっている。
球面収差補正装置5’、5”、5'''の何れかを照射系
に適用した場合の球面収差補正装置であり、40は本件
発明の球面収差補正装置5’、5”、5'''の何れかを
結像系に適用した場合の球面収差補正装置である。そし
て、球面収差補正装置30は照射系の第1と第2の照射
方法において、集束した電子ビームの収差を補正してよ
り微小な電子プローブを得るものであり、球面収差補正
装置40は照射系の第3の照射方法において、結像系の
対物レンズ26の収差を補正してより高分解能な拡大像
を得るものである。
に以下の効果が達成できる。 球面収差補正装置を構成する2つの多極子間の光軸に
垂直な面内での回転関係を、多極子の位相角を変化させ
ることなく補正できるので、多極子の位相変化に伴う高
次収差の発生を防止することができる。
した場合には、以下のような効果が達成できる。 照射系の球面収差が補正できるため、微小電子プロー
ブが得られ、これにより微小領域の特性X線分析が可能
となり、高分解能の観察が可能となる。 多段縮小系として設計される本来の照射系の役割の一
部を、球面収差補正装置で兼用することができる。
すれば、、以下のような効果が達成できる。 結像系の球面収差が補正できるため、高分解能の透過
電子顕微鏡像の観察が可能となる。 多段拡大系として設計される本来の結像系の役割の一
部を、球面収差補正装置で兼用することができる。
を説明する図である。
の他の例を説明する図である。
鏡の照射系の概略構成を示す図である。
明するための図である。
の更に他の例を説明する図である。
に適用する例を説明する図である。
5′…球面収差補正光学系、6…対物レンズ、7…試
料、8,9…多極子、10,11…軸対称レンズ、12
…回転補正レンズ。
Claims (3)
- 【請求項1】 2つの多極子間に2つの軸対称レンズを
配置した電子顕微鏡の球面収差補正装置において、 軸対称レンズ間にできる電子軌道の集光面内に、光軸と
垂直な面内で電子に回転作用を与える回転補正レンズを
配置したことを特徴とする電子顕微鏡の球面収差補正装
置。 - 【請求項2】 2つの多極子間に2つの軸対称レンズを
配置した電子顕微鏡の球面収差補正装置において、 前段及び後段軸対称レンズの焦点距離をf1、f2(f
1≠f2)、前段多極子と前段軸対称レンズ間の距離を
f1、軸対称レンズ間の距離をf1+f2、後段軸対称
レンズと後段多極子間の距離をf2、前段及び後段多極
子の励起強度をK1、K2、前段及び後段多極子の光軸
に沿った長さをZ1、Z2とし、a=f2/f1とした
とき、 Z2=a2 Z1 K2=K1/a5 としたことを特徴とする電子顕微鏡の球面収差補正装
置。 - 【請求項3】 前記2つの軸対称レンズ間にできる電子
軌道の集光面内に、光軸と垂直な面内で電子に回転作用
を与える回転補正レンズを配置したことを特徴とする請
求項2記載の電子顕微鏡の球面収差補正装置。
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