JP2007266003A - 収差補正器 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は直線光軸（１）とこの光軸に沿って前後に配置し、それぞれ四重極電場と重ね合わせた球レンズの電場を備える二個の矯正部（８，９）から成る静電矯正器に関する。一方の矯正部の軸線上に生ずる一方の断面の非点中間像に対して、第二の矯正部の非点中間像は前記断面に対して直角をなす断面に生ずる。そこで、この発明の課題は、粒子レンズの色収差を除去することにある。
【解決手段】その解決に当たって、この発明は構造が類似する二個の矯正ユニットの各一個を二個の静電四重極を備える入力側と出力側とに配置する。この矯正ユニットは軸線について１：１の同じ割合で前後に移動されるもので、二個の矯正ユニットは光軸上に前後に配列してあって、しかも互いに光軸を中心として９０°回動してある。
【選択図】図１

Description

この発明は粒子レンズの色収差を除くために直線の光軸について前後に配置した２個の矯正部から構成される静電矯正器であって、これら両矯正部は四重極電場と重ね合わせた円形レンズ・フィールドとを具備しており、矯正器の一方の部分に存在する軸上の点によって生ずる一方の断面の非点収差中間像と、前記最初の断面に対して垂直であって、矯正器の他方の部分の断面の非点収差中間像とを備えている。

粒子光学システム、とくに電子顕微鏡は、原子構造を結像するのに好適である。ところが、屈折によって判断する光学システムの結像能力には物理的な限界がある。２個の離れた物体の点は、その離隔している距離が、ｄ＝０．６λ／α（式中λは波長、αは光学システムのビームの広がりの最大の角度である）以下でなければ、それを再生することができないのである。極めて微細な結像に対しては、この限界となるｄの値を出来る限り小さくしなければならない。すなわち、撮像ビームの波長λを小さいものとし、ビームの広がりの角度αを大きなものとする必要がある。光学的顕微鏡を電子顕微鏡に換えると、波長が約１０^−５までの長さであって、ビームの広がりの最大角度は約１０^−２までに縮小するから、約１０^３の結像度のゲインが得られる。

ところが、この結像度の改良ぐらいでは電子顕微鏡を用いて原子を結像するには不十分である。したがって、その結像度を高めるためには、ビームの広がりαの角度の大きい光学システムを使用する必要がある。しかしそれには、ビームの広がりの角度によって影像の収差に影響を与えるという問題、つまり解像度を減少させるという問題を招くのである。こうした影像の収差、とくに色収差および球面収差を矯正するために、これまで多大の努力が払われていたのである。今日における最大の成功は、光学システムに回転対称電界を用いる代わりに、多極磁場、特に四極子および八極子磁場を用いることであった。

先行技術としては、多重極電場及び多重極磁場から矯正器を構成することが、（ニュクル・インストラクション・メソッド（Ｎｕｃｌ． Ｉｎｓｔｒ． Ｍｅｔｈｏｄｓ）Ａ３６３（１９５５）３１６ページ）に掲載されている。これは低電圧走査電子顕微鏡において、球面収差と色収差とを完全に矯正しているのである。この装置では結像度が２ｎｍの数値で、加える電子エネルギーは１ＫＶとされている。しかし、多重磁極を使用するので、その磁気共鳴のために、磁界の調整をするのに手間がかかるという問題がある。

単に電場を備える両横断面の色収差を除く矯正器はドイツ特許 ＤＥ１９９ ２６ ９２７号に開示されている。この特許に述べられている矯正器は光軸に沿って前後に２個配置してあって、その各々が四重極電場と、重ね合わせた円形レンズ電場とを具備している。この特許の大きな利点は矯正しようとする電場を正確に調整することが出来ることと、さらにまた再生することが出来ることである。しかし、実際上は軸線に極めて接近した領域にしか高分解能が得られないという支障があって、有効な影像電場の大きさが僅かに凡そ２０ピクセルに限られているということである。
ドイツ特許 ＤＥ１９９ ２６ ９２７号 ニュクル・インストラクション・メソッド（Ｎｕｃｌ． Ｉｎｓｔｒ． Ｍｅｔｈｏｄｓ）Ａ３６３（１９５５）３１６ページ

以上に述べたような背景に鑑みて、この発明は粒子レンズの色収差を除く矯正器を提供することを目的とし、第一に専ら静電気電場を用いることであり、第二には数倍も広い影像磁場を提供することにある。

この発明の目的を達成するために、この発明の静電矯正器は、
− ２個の矯正器ユニットを設け、
− ２個の矯正器ユニットを
− 類似するデザインのものとすること、
− 光軸について一方のユニットと他方のユニットとを前後に配列する
ことと、
− 光軸を中心として９０度回転させたことと、
− 各補正器ユニットを
− それぞれ少なくとも３個の四重極で構成した矯正部の１個を備える
ものとし、
− それぞれの入力側と出力側とにさらに２個の四重極を設ける
ことと、
− 軸通路を１：１の同じ割合で前後に移動するようにしてある。

この発明の矯正器は、それ自体公知のものであって、光軸上に相前後に配置される二つの矯正部から成る静電矯正器なのである。これらの矯正部の各々には、三個の四重極電場と重ね合わされた球レンズ電場とを備え、前方の矯正部と後方の矯正部とは、光軸を中心として、互いに９０度回動されている。各矯正器の作動モードは、一方の矯正部の軸上の点に生ずる断面の中間影像と、他方の矯正部の軸上の点に生ずる前記一方の矯正部の影像に対して垂直をなす非点中間像とを選択するのである。

この発明では、矯正通路はそれぞれの場合に一個の矯正ユニット内に配列されており、矯正ユニットの入力側と出力側とにさらに二個の静電四重極が設けてある。二個の矯正ユニットとは両者とも同一に構成してあって、光軸について前後に配置してあり、二番目の矯正ユニットは最初の矯正ユニットについて９０度回動してある。物体を通過して物体点から現れる光線は次々と次のように電場を通過してゆく。すなわち、
− 第一の矯正ユニットは
− その入力側において、二個の四重極の電場が前後に配列されていて
− 次に重ね合わせた円形レンズ電場を具備する第一の矯正部の３個の四重
極が配列してあり、
− その出力側にもまた二個の四重極の電場が設けてあり、
− 第二のユニットは
− その入力側において、二個の四重極の電場が前後に配列されていて
− 次に重ね合わせた円形レンズ電場を具備する第一の矯正部の３個の四重
極子が配列してあり、
− その出力側にもまた二個の四重極の電場が設けてあり、
第二の矯正ユニットの電場は、このユニットが第一の矯正ユニットの電場に対して光軸を中心として９０度の角度回動してある。

従って、矯正器を軸方向に進む光線の通路は次のようになる。光軸上の物体点から放出される光線は影像点の方に対物レンズによって偏向される。その光線が矯正器に入ると、入力側に設けてある２個の四重子がそれぞれｘとｙの断面を伸長する違った方向に偏向される。それによって粒子束は例えばｘ断面に集束し、他方の断面、すなわちｙ断面では横に広がって、非点中間結像を生ずる。２個の四重極子における電位の強さを適当に選択することによって、この中間結像は矯正部の中心にくる。そして二つの非点中間影像が同一の断面積で、光軸上の前後に隣接する。つまり、非点中間影像ではなくて、二つの極めて近接した中間影像が生ずるのである。従って、矯正部の電場はｙ断面では光線をただ拡散するだけで、その軌道はかなりの影響を受け色収差に対して不当な影響を与えるのである。ｘ断面においては、軸方向の光路が光軸に接近して伸長しているので、矯正電場に対しての影響が少なく、色収差に対して矯正電場の作用は極めて少ないわけである。第一の矯正ユニットの出力側にはさらに二つの四重極が配置してあって、これらを通過する光束の収差を再度除去するので、その収差は再び除かれて、その回転対称が取り戻される。それゆえに、二つの断面の光線は分岐することなく第一の矯正ユニットを出て行くわけである。

影像光線は第一の矯正ユニットと構造が類似している第二の矯正ユニットを通るので、これら光線は第一の矯正ユニットを通るのと類似の通路を通るわけで、第一矯正ユニットで受けたのと同一の影響を受ける。ところが、第二の矯正ユニットは第一の矯正ユニットについて回動されているので、ｘ断面の光線はこの矯正ユニットにおいては拡散され、ｙ断面では光線が集束される。従って、この第二の矯正ユニットの矯正電場はｘ断面の光線にしか作用することなく、ｙ断面の光線は極めて僅かな効果しか上げない。この光線は出力側に配置される二つの四重極子を通過してから、粒子束も回転対称光束として第二の矯正ユニットから出て行く。

この配列は第一の矯正ユニットにおける第一の断面と第二の矯正ユニットにおける第二の矯正ユニットの第二の断面の色収差を変更するものであるから、すべての光束の色収差をすべて変更することになる。二つの矯正部の四重極の電位が適当に選択されれば、対物レンズと両矯正ユニットとの色収差を相互に相殺されて、対物レンズと矯正器とからなる装置全体は色収差のないものになる。

この発明の装置を外から見ると、二つの矯正ユニットは共に類似する厚い円形レンズで、共に１：１の割合で光路に像を結ぶものである。二つの矯正ユニットは同一のデザインのものであるから、入力側にあって多重極の電場は相互に一致し、また出力側の二個の矯正ユニットも等しい大きさで相互に一致している。このことから、等しい電位がそれぞれ設定され二個の矯正ユニットの四重極は相互に一致するものとなる。とくに、以上によって、両断面における像の収差またはその収差の変化は等しいものになる。従来周知の矯正器のように、両断面における矯正電場の設定を異ならせる必要がないわけである。

しかしながら、この発明による矯正器の決定的な利点は影像電場の大きさが極めて大きくなっていることと、矯正電場の強さを再生可能に設定することにある
この発明の静電矯正器の好ましい態様のものは、いずれの場合も矯正ユニットの中心に矯正部が配置されていて、矯正ユニットの構造と電場とを中心線に対して鏡映対称にし、光軸に対して垂直になるようにしてある。このように鏡映対称にしてあることによって、矯正ユニットの入力側と出力側とも、これまたその構造とその電場とを相互に対称にするものである。同様に、二つの矯正ユニットが類似構造で相互に９０度回動して配置されることにより、二個の矯正ユニット電場も対称的に配列されている面について光軸に対して垂直をなすものである。

以上に述べた二重の対称によって、矯正器の影像収差の大きさと性質とに素晴らしい効果をもたらすのである。その効果とは、まず第一に、
− 軸方向の光路が矯正部の中心について鏡映対称になる
− 電場通路（軸外通路）が矯正部の中心について対称に伸長する
− 二つの矯正ユニットの間の中心面の軸方向の通路がｘ／ｙ断面についてその
役割を交換する
− 同じ大きさの電位が二つの矯正ユニットの各々の入力側と出力側とに配置さ
れている（合計４個の）四重極に存在する
− 同じ大きさの電位が矯正ユニットと矯正部の入力側と出力側とにある（合計
４個の）四重極に存在する
− 同じ大きさの電位が矯正部の中心面の両側に存在する四重極に存在する。

光路と電場とが対称的／反対称的であることによって、影像収差積分の解析的な計算が周知の矯正器に比べて極めて簡易である。その簡易さは第一に、積分を極めて明瞭に了解することができ、それによって設定の異なる矯正器を容易に理解することが出来るのである。簡易さの第二としては、極めて多数の収差積分が０になること、すなわち、これらの積分に該当する影像収差がこの発明の装置では全く生じないのである。さらに、軸方向の間隔の異常な力による軸外収差が生じないことである。以上による利点は粒子光学システムの解像度を軸に近接する範囲外に極めて改善するものである。この発明による矯正器を電子顕微鏡に使用すると、有効影像サイズが約１０００ピクセルを含むものとなる。

前述した対称によって、矯正をしなければならない電場の調整が極めて簡易になる。矯正器の数多の四重極要素の電位を等しく設定することによって、矯正器を補正するのに極めて多くの手段が考えられるものを、極めて僅かなものにすることが出来るのである。助変数の数が減少するという利点からして、電源に必要とする機器の数も減らすことが出来る。実際上、この発明の矯正器は対称性に富むために、製作に当たって、その精度に特に注意を払う必要がない。従って、この発明の矯正器の製造コストは周知の矯正器の製造費に比べて相当に低額ですむのである。

この発明の矯正器は色収差の矯正に適切であるだけでなくて、球面収差の矯正にも役立つものである。そのために、八重極電場、すなわち、方位角の方向に四つ折り電場が用いられている。その矯正器の好ましい態様のものは、前記の電場を生ずる三個の八重極を設ける。いずれの場合にも、八重極は矯正部の中心面に位置し、その面を二個の矯正ユニットの間の中心に置くのである。これら八重極に電位を加えると、八重極は適当に設定されて、対物レンズと矯正ユニットの球面収差が補償されて、対物レンズと補正器からなる装置全体から球面収差を除くのである。

この発明の矯正器によれば、八重極電場も四重極電場に重ね合わされる。この発明の矯正器では、球面収差の矯正に用いる八重極電場を矯正部内に配置された四重極の電場に重ね合わせる。この発明の別の実施態様では、どの場合でも、八重極を矯正ユニットの入力側と出力側の四重極に重ね合わせるのである。

この発明による矯正器の好ましい実施態様においては、四重極電場と八重極電場との双方を生ずる多重極要素を使用する。これによって、矯正器の透明度がよくなり、その製造費を一段と低額にすることが出来る。

この発明の矯正器の光路と作用とを添付図面について詳細に述べる。その説明から、この発明の詳細と、特徴と、利点とがさらに明瞭に理解されるものと思慮する。

図１において、この発明の装置の光軸を１で示す。矯正器を通る光路は近軸基本通路αとβとして示す。これらの通路は軸上の物体点２から出発して色収差を生ずる対物レンズ３で探知される。矯正器の基本の構造は互いに類似する２個の矯正ユニット４と５で、両ユニットはその中心面６と７とについて対照的になっており、光軸を中心として互いに９０度回動されている。両矯正ユニットの中心に、矯正部８と９とが設けてあり、それがそれぞれ３個ずつの四重極１０，１１，１０’と１２，１３，１２’を形成している。鏡映対称ではあるから、四重極１０，１０’と１２，１２’とは互いに類似していて、類似する電場を発生する。矯正ユニットの入力側と出力側とに、それぞれ二組の別個の四重極１４，１５，１４’，１５’，１４"，１５"，１４"’，１５"’が設けてある。四重極はそれぞれ同数で、しかも同一に構成してある。

矯正器に入射した光線は入力側に配置してある２個の四重極子１４，１５をｘとｙの方向に偏向して進む。従って、粒子線束は一方の断面、例えばｘ断面では集束され、他方の断面、すなわちｙ断面では分散されて、非点中間像が生ずる。両四重極子１４，１５における電位を適当に選択することによって、この中間像は中心に生ずるので、矯正部８の中心に対して対称をなす同一の断面に複数の非点中間像が生ずる。この矯正部分は四重極電場の強さを変更し、また適当に選択して、ｙ断面の色収差を除く、すなわち軸の伸長する方向について遠方にあるβ通路の断面の色収差を除くのである。これに反して、ｘ断面においては、α通路は光軸に近接して進行するので、色収差に寄与する矯正磁場は少ないのである。

最初の矯正ユニットと構成が類似している第二の矯正ユニットを通過する粒子束は、原則として、最初、すなわち第一矯正ユニットと同一の作用をする。従って、２個の四重極１４"、１５"はα通路とβ通路の分岐点に至り、矯正部９の四重極１２，１３，１２’で色収差を行う。第二の矯正ユニット５が第一の矯正ユニット４について回動することによって、矯正部９の電場はｘ断面を伸長するα通路に作用し、この断面における色収差を補正する。出力側に配置してある２個の四重極電場１４"と１５"とを通過後、粒子束は回転対称束として第二の矯正ユニットから出て行く。

この構成によって各矯正ユニットのそれぞれの断面の色収差の変更または除去が行われ、それがために、すべての光線束の色収差の除去がなされるのである

この発明の矯正器の略縦断面図である。

符号の説明

１ 直線光軸
２ 物体点
３ 対物レンズ
４，５ 矯正ユニット
６，７ 矯正ユニットの中心面
８，９ 矯正部
１０，１０’，１１ 四重極
１２，１２’，１３ 四重極
１４，１５ 四重極

Claims (7)

1. 直線光軸上に前後に二個の矯正部を具備するものとし、その一方の矯正部の軸線上の断面に生ずる非点中間像と、前記一方の矯正部の軸線と直角をなす他方の矯正部の軸線上に生ずる非点中間像に、四重極電場と重ね合わせた球レンズを具備し、四重極電場を備える二個の矯正部から成る粒子レンズの色収差を除去し、前記矯正部の一方の部位の軸上の点に生ずる一方の断面の非点収差中間像とを生ずるようにした粒子レンズの色収差を除去する静電矯正器において、
   − 二個の矯正ユニットを設けることと、
   − 前記二個の矯正ユニットを
   − 同一の構成にしたことと、
   − 前記直線光軸について相前後に配置したことと、
   − 前記光軸を中心として相互に９０度回動したことと、
   − 前記各矯正ユニットを
   − 少なくとも三個の四重極で構成した矯正部を一個ずつ具備するもの
   としたことと、
   − 前記矯正部の入力側と出力側に、さらに二個の静電四重極を
   配置したものとし、
   − 前記軸を１：１の同じ割合で前後に移動するようにしたことと
   を特徴とする静電矯正器。
2. 前記矯正部を前記矯正ユニットの中央に配置し、前記矯正ユニットの構造および／または電場をその中心面について鏡映対称にし、前記矯正部の光軸に対して直角となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の静電矯正器。
3. 前記二個の矯正ユニットの電場を前記二個の矯正ユニットの中間に対称的に配置し、前記光軸について直角にしたことを特徴とする請求項１と２のいずれかの一項に記載の静電矯正器。
4. 前記矯正部の中心面に一個の八重極を配置し、これを前記二個の矯正ユニットの間の中心部の平面にあるようにして成る請求項１乃至３のいずれかの一項に記載の静電矯正器。
5. 前記八重極の電場を前記矯正部の四重極電場と重ね合わせたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの一項に記載の静電矯正器。
6. 前記電場の重なりを前記矯正部の少なくとも一個の四重極および／または前記矯正部の入力側と出力側とに配置した四重極の少なくとも一個で行うようにしたことを特徴とする請求項５に記載の静電矯正器。
7. 一個の同一の多重極によって四重極電場と八重極電場との両電場を発生するようにしたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの一項に記載の静電矯正器。

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