JP2010080136A - 収差補正装置および該収差補正装置を備える荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な構成により球面収差と六回非点収差を補正する荷電粒子線装置用の収差補正装置を提供する。
【解決手段】各極３１ａ〜３１ｌに励磁コイル３２ａ〜３２ｌを設置した二段の十二極子１２、１３を設ける。各極３１ａ〜３１ｌを順次１乃至１２番目の極、並びにｎ＝０、１、２として、（４ｎ＋１）番目の極の励磁コイルと（４ｎ＋２）番目の極の励磁コイルは交互に直列に接続され、光軸１１に垂直な平面において、絶対値が等しく且つ当該光軸１１に向かって互いの方向が反対となる磁場を発生する。（４ｎ＋３）番目の極の励磁コイルと（４ｎ＋４）番目の極の励磁コイルは交互に直列に接続され、光軸１１に垂直な平面において、絶対値が等しく且つ当該光軸１１に向かって互いの方向が反対となる磁場を発生する。これにより、光軸１１の周りに回転可能な三回対称磁場及び六回対称磁場の重畳場を発生する。
【選択図】図２

Description

本発明は、収差補正装置及び荷電粒子線装置に関するものであり、特に、球面収差及び六回非点収差を補正する収差補正装置及び当該収差補正装置を備える荷電粒子線装置に関する。

電子顕微鏡等の荷電粒子線装置において、軸対称レンズによる正の球面収差は空間分解能を制限する本質的な要因である。

この正の球面収差による影響を抑制する技術が非特許文献１〜３に開示されている。この技術では基本的に、軸対称レンズ（例えば電子顕微鏡の対物レンズ）の前又は後に、三回対称場を発生させる多極子（例えば六極子）を二段配置する。さらに、多極子間及び多極子‐軸対称レンズ間に転送レンズを配置する。各多極子は光軸に沿って厚みを有し、それぞれが三回非点収差と負の球面収差を生じるが、後段の多極子は前段の多極子の三回非点収差を相殺するように三回対称場を生じさせることで、二段の多極子の系として負の球面収差のみを取り出すことが出来る。これにより、軸対称レンズを含めた全体の光学系として球面収差が低減されることになる。
A. V. Crew and D. Kopf, Optik, vol. 55 (1980) p.1-10 H. Rose, Optik, vol. 85 (1990) p.19-24 F. Hosokawa, et al., Proc. IｍC 16 (2006) p.582

しかしながら、上述の収差補正技術は四次の収差までの補正であり、更に高次の収差に対しては完全な補正が出来ていない。例えば、五次の球面収差は対物レンズと収差補正装置の距離を光学的に制御すれば補正できるが、同次数の非点収差（即ち六回非点収差）の補正は実現できていない。これが収差補正の制限要因となっているため、更なる空間分解能の向上が期待できない。

また、実際の多極子は光軸に沿って有限な厚みを有する。この多極子が三回対称の磁場或いは電場を生じる場合、その多極子によって球面収差を補正すると、逆に上記の厚みに依存した高次の収差が現れる。このため、収差補正が可能となる電子線の入射角の範囲が制限されてしまう。更に、この制限によって回折収差の低減が困難になる。

この角度制限については、図１０に示したロンチグラム（Ronchigram）図を用いて説明する。この図は、光軸に対して三回対称となる磁場を生じる１段の多極子を通過する電子線に対して収差補正を行ったときに得られたものである。図の中央に現れたコントラストの少ない領域は、適切に収差補正された電子線の多極子に対する入射角に対応している。この入射角の最大値を概算する場合は、当該領域の中央を中心として、同領域のみを含む最大の円を当てはめ、更にこの円の半径から電子線の入射角を換算する。この図１０によれば、収差が適正に行われた電子線の最大入射角は約50mradであることがわかる。

しかしながら、この円の周りの領域に着目すると、中央のコントラストの少ない領域が六角形になっていることが判別できる。これは、五次の非点収差で現れる六回非点収差の残留によるものである。図１０を得た多極子の場合、収差補正が可能な電子線の最大入射角はせいぜい50mradであり、それ以上の入射角を有する電子線に対して適切な収差補正は困難になる。従って、回折収差の低減を図ろうとしても、この入射角の制限があるために空間分解能が制限されてしまう。

この六回非点収差は、Ｎ極とＳ極の磁極を交互に並べた十二極子によって補正できる。しかしながら、この十二極子により生じた磁場分布を、補正するべき六回非点収差を含む像に合わせて回転させる必要がある。即ち、十二極子自体を回転させなければならず、現実的ではない。一方、この回転は二十四極子を用いることで達成できるが、二十四極子は加工精度及び組立精度等の困難性が伴う。また、六回非点収差補正に必要なコイルは球面収差補正に用いるコイルと同程度、或いはそれ以上の巻数が必要であり、一本の極にこれらを設置して磁極とするには空間の確保が非常に困難である。

そこで本発明は、簡便な構成により球面収差と六回非点収差を補正する荷電粒子線装置用の収差補正装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は荷電粒子線の収差補正装置であって、二段の十二極子と、前記各十二極子の各極に設置された励磁コイルとを備え、前記各十二極子の前記各極を順次１乃至１２番目の極、並びにｎ＝０、１、２として、（４ｎ＋１）番目の極の励磁コイルと（４ｎ＋２）番目の極の励磁コイルは交互に直列に接続され、光軸に垂直な平面において絶対値が等しく且つ該光軸に対して方向が互いに反対となる磁場を発生し、（４ｎ＋３）番目の極の励磁コイルと（４ｎ＋４）番目の極の励磁コイルは交互に直列に接続され、前記光軸に垂直な前記平面において絶対値が等しく且つ該光軸に対して方向が互いに反対となる磁場を発生し、以って三回対称磁場及び六回対称磁場の重畳場を発生することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は荷電粒子線の収差補正装置であって、各前記十二極子の前記各極は電極を兼ね、前記各極を順次１乃至１２番目の極、並びにｍ＝０、１、２として、（４ｍ＋１）番目の極は全て電気的に接続され、（４ｍ＋２）番目の極は全て電気的に接続され、（４ｍ＋３）番目の極は全て電気的に接続され、（４ｍ＋４）番目の極は全て電気的に接続され、前記（４ｍ＋１）番目の極と前記（４ｍ＋２）番目の極は、光軸に垂直な平面において絶対値が等しく且つ該光軸に対して方向が互いに反対となる電場を発生し、前記（４ｍ＋３）番目の極と前記（４ｍ＋４）番目の極は、前記光軸に垂直な前記平面において絶対値が等しく且つ該光軸に対して方向が互いに反対となる電場を発生し、以って三回対称電場及び六回対称電場の重畳場を発生することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は荷電粒子線の収差補正装置であって、二段の十二極子を備え、前記各十二極子の各極を順次１乃至１２番目の極、並びにｓ＝０、１、２として、（４ｓ＋１）番目の極は全て電気的に接続され、（４ｓ＋２）番目の極は全て電気的に接続され、（４ｓ＋３）番目の極は全て電気的に接続され、（４ｓ＋４）番目の極は全て電気的に接続され、前記（４ｓ＋１）番目の極と前記（４ｓ＋２）番目の極は、光軸に垂直な平面において絶対値が等しく且つ該光軸に対して方向が互いに反対となる電場を発生し、前記（４ｓ＋３）番目の極と前記（４ｓ＋４）番目の極は、前記光軸に垂直な前記平面において絶対値が等しく且つ該光軸に対して方向が互いに反対となる電場を発生し、以って三回対称電場及び六回対称電場の重畳場を発生することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は荷電粒子線装置であって、請求項１に記載の収差補正装置を備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は荷電粒子線装置であって、請求項２に記載の収差補正装置を備えることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は荷電粒子線装置であって、請求項３に記載の収差補正装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、簡便な構成により球面収差と六回非点収差を同時に補正でき、より広い集束角のプローブを形成できる。このため、回折収差が低減されて微小な径のプローブが形成可能となり、空間分解能が向上する。

＜原理＞
三回対称の磁場または電場、若しくはその重畳場を生じる二段の多極子と対物レンズとによる光学系を想定する。この光学系において、二段の多極子によって生じた六回非点収差及び三回非点収差は、次の（１）式で表される関係を有する。

ここで、Ａ_６は単位長さ当たりの六回非点収差係数、Ａ_３は単位長さ当たりの三回非点収差係数、ｍは二段の多極子と対物レンズの縮小率、ｔは各多極子の光軸に沿った厚み、ｆは対物レンズの焦点距離である。一方、a₃を三回非点収差強度、θ _a3を三回非点収差方位角とすると、三回非点収差係数Ａ_３は、

と表すことが出来るので、三回非点収差係数Ａ_３と六回非点収差係数Ａ_６との間には、

という一定の角度関係があることが分かる。つまり、係数Ａ_３及びＡ_６の三回非点収差方位角θ _a3に対する変化に着目すると、発生した三回非点収差に対して２倍細かい間隔の六回非点収差が原点を同じくして（即ち、光軸の周りに）生み出されている。そのため、三回非点収差を生み出す磁場に対して、位相関係はゼロの（即ち、位相差のない）、２倍細かい間隔の六回非点収差を生み出す磁場を用いれば、六回非点収差を補正・低減できる。従って、上記両磁場を生じる多極子として十二極子を用い、三回非点収差の発生にその十二極のうちの六極を用い、六回非点収差に十二極全てを用いれば、六回非点収差を補正・低減できる。上記両磁場は、後述するように、十二極子の各極に設けられる励磁コイルの組み合わせによって発生させることができる。

なお、上記両磁場は、それぞれ、電場、又は磁場と電場の重畳場であっても良い。電場を発生する場合、十二極子の各極は電極として機能し、重畳場を発生する場合、各極は励磁コイルを併用することで磁極及び電極として機能する。その効果は磁場のみを用いる場合と同様である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を述べる。なお、以下に述べる実施形態では、本発明の収差補正装置を、荷電粒子線装置の１つである透過型電子顕微鏡に用いた場合を想定して説明する。

＜第１実施形態＞
図１は本発明の収差補正装置の構成の一例を示す模式図、図２は本発明の第１実施形態に係る十二極子の一例を示す模式図である。図３は本発明の第１実施形態に係る回路の一例を示す図、図４は本発明の第１実施形態に係る十二極子を励磁した時の各極の極性の一例を示す図であり、（ａ）及び（ｃ）は三回対称磁場を発生した場合、（ｂ）及び（ｄ）は六回対称磁場を発生した場合を示す。

本実施形態の収差補正装置１０は、図１に示すように、電子線の光軸１１に沿って設けられた二段の十二極子１２、１３を備える。十二極子１２、１３は光軸方向に沿ってそれぞれ厚みｔ_１とｔ_２を有するが、各厚みは同一でも、異なっていても良い。

より具体的には、図２に示すように、十二極子１２、１３は光軸１１から放射状に配置された１２本の極３１ａ〜３１ｌを有する。即ち、極３１ａ〜３１ｌは光軸１１の周りに３０度毎に配置される。各極には励磁コイル３２ａ〜３２ｌが設置されており、光軸１１の周囲に三回対称の静磁場とそれに重畳する六回対称の静磁場とを発生する。

各励磁コイルの結線の一例を図３に示す。図３（ａ）に示すように、励磁コイル３２ａ、３２ｄ、３２ｅ、３２ｈ、３２ｉ、３２ｌは電源３３と直列に接続され、回路３５を構成する。励磁コイル３２ａ、３２ｅ、３２ｉは光軸１１に垂直な平面において、当該光軸１１に対する方向、並びにその強度が共に等しい磁場Ｂ_１、Ｂ_５、Ｂ_９を発生する。極３１ａ〜３１ｌが光軸１１の周りに３０度毎に配置されていることを考慮すると、磁場Ｂ_１、Ｂ_５、Ｂ_９は光軸１１に垂直な平面において、当該光軸１１の周りに１２０度毎に分布することになる。一方、励磁コイル３２ｄ、３２ｈ、３２ｌも光軸１１に垂直な平面において、当該光軸１１に対する方向、並びにその強度が共に等しい磁場Ｂ_４、Ｂ_８、Ｂ_１２を発生するが、この方向は励磁コイル３２ａ、３２ｅ、３２ｉが発生する磁場Ｂ_１、Ｂ_５、Ｂ_９の方向と逆向きである。極３１ａ〜３１ｌの配置を考慮すると、磁場Ｂ_４、Ｂ_８、Ｂ_１２は光軸１１に垂直な平面において、当該光軸１１の周りに１２０度毎に分布することになる。

即ち、図３（ａ）に示す回路３５において、各励磁コイルから発生する磁場の方向は、光軸１１に垂直な平面において、当該光軸１１に向かって交互にその向きを変えている。なお、電源３３は電流方向を任意に変えられるようなバイポーラ出力の電源である。

同様に、図３（ｂ）に示すように、励磁コイル３２ｂ、３２ｃ、３２ｆ、３２ｇ、３２ｊ、３２ｋは電源３４と直列に接続され、回路３６を構成する。励磁コイル３２ｂ、３２ｆ、３２ｊは光軸１１に垂直な平面において、当該光軸１１に対する方向、並びにその強度が共に等しい磁場Ｂ_２、Ｂ_６、Ｂ_１０を発生する。極３１ａ〜３１ｌの配置を考慮すると磁場Ｂ_２、Ｂ_６、Ｂ_１０は光軸１１に垂直な平面において、当該光軸１１の周りに１２０度毎に分布することになる。一方、励磁コイル３２ｃ、３２ｇ、３２ｋも光軸１１に垂直な平面において、当該光軸１１に対する方向、並びにその強度が共に等しい磁場Ｂ_３、Ｂ_７、Ｂ_１１を発生するが、この方向は励磁コイル３２ｂ、３２ｆ、３２ｊが発生する磁場Ｂ_２、Ｂ_６、Ｂ_１０の方向と逆向きである。極３１ａ〜３１ｌの配置を考慮すると、磁場Ｂ_３、Ｂ_７、Ｂ_１１は光軸１１に垂直な平面において、当該光軸１１の周りに１２０度毎に分布することになる。

即ち、図３（ｂ）に示す回路において、各励磁コイルから発生する磁場の方向は光軸１１に向かって交互にその向きを変えている。なお、電源３４は電流方向を任意に変えられるようなバイポーラ出力の電源である。以上により、各十二極子１２、１３はそれぞれ２つの回路３５、３６から構成される。

なお、図３（ａ）、（ｂ）に示す磁場の向きは電源３３、３４から流れる電流の方向に依存するので、両図に示す方向と逆の方向の磁場が発生可能であることは勿論である。

以上をまとめると、各十二極子１２、１３において、基準となる極（例えば極３１ａ）から順次１乃至１２番目の極とし、ｎ＝０、１、２とした場合、（４ｎ＋１）番目の極の励磁コイルと（４ｎ＋２）番目の極の励磁コイルは交互に直列に接続され、光軸に垂直な平面において絶対値が等しく且つ該光軸に対して方向が互いに反対となる磁場を発生する。さらに、（４ｎ＋３）番目の極の励磁コイルと（４ｎ＋４）番目の極の励磁コイルは交互に直列に接続され、光軸に垂直な平面において絶対値が等しく且つ該光軸に対して方向が互いに反対となる磁場を発生する。

上述の通り、両回路３５、３６では、各励磁コイルが個別の電源に接続されるのではなく、１つの電源によって通電される。また、光軸１１に垂直な平面において、当該光軸１１に対して同じ方向と同じ強度の磁場が光軸１１の周りに１２０度毎に発生することになる。この三回対称性により、電源の出力に不安定性があったとしても、非回転対称となる電子線の形状が現れ難くなる。即ち、電子線の形状は安定化する。

このような回路を備える十二極子１２、１３は三回対称の磁場と六回対称の磁場を同時に発生させることが出来る。例えば、図４（ａ）に示すように、極３１ａ、３１ｅ、３１ｉがＮ極となるように回路３５に電流を流す。すると、極３１ｄ、３１ｈ、３１ｌはＳ極となる。更に、極３１ｂ、３１ｆ、３１ｊがＮ極となるように回路３６に電流を流す。すると、極３１ｃ、３１ｇ、３１ｋはＳ極となる。従って、光軸１１の周囲には極３１ａから極３１ｌの順番に（ＮＮＳＳＮＮＳＳＮＮＳＳ）の磁極が配列することになり、以って三回対称の磁場が発生する。

この状態から回路３５に流れる電流の方向を逆にする。すると、極３１ａ、３１ｅ、３１ｉはＳ極になり、極３１ｄ、３１ｈ、３１ｌはＮ極となる。従って、光軸１１の周囲には図４（ｂ）に示すように、極３１ａから極３１ｌの順番に（ＳＮＳＮＳＮＳＮＳＮＳＮ）の磁極が配列することになり、以って六回対称の磁場が発生する。

上記三回対称の磁場の極性を逆にすることも可能である。これを換言すれば、上記三回対称の磁場を６０度、光軸１１の周りに回転させるとも言える。その場合、極３１ａ、３１ｅ、３１ｉがＳ極となるように回路３５に電流を流す。すると、極３１ｄ、３１ｈ、３１ｌはＮ極となる。更に、極３１ｂ、３１ｆ、３１ｊがＳ極となるように回路３６に電流を流す。すると、極３１ｃ、３１ｇ、３１ｋはＮ極となる。従って、光軸１１の周囲には極３１ａから極３１ｌの順番に（ＳＳＮＮＳＳＮＮＳＳＮＮ）の磁極が配列することになり、図４（ｃ）に示した、上記と逆の極性の三回対称磁場が発生する。この状態から回路３５に逆方向の電流を流せば、図４（ｄ）に示す極性の配列（即ち、極３１ａから極３１ｌの順番に（ＮＳＮＳＮＳＮＳＮＳＮＳ））となり、これは上記と逆の極性の六回対称磁場となり、換言すれば上記の六回対称磁場を３０度回転させることになる。

この構成によって、十二極子１２、１３自体を光軸１１の周りに回転させること無く、六回非点収差の補正が可能になる。また、対物レンズが生じる正の球面収差も同時に補正できる。

さらに、収差補正装置１０には、図８に示すように、両十二極子１２、１３の間に設けられる転送倍率１：１の転送レンズ対１４ａ、１４ｂと、対物レンズ１６と十二極子１３との間に設けられる転送倍率１：１の転送レンズ対１５ａ、１５ｂとを設けても良い。

転送レンズ対１４ａ、１４ｂは十二極子１２において形成された電子線１７の逆空間像を十二極子１３に転送する。さらに、転送レンズ対１５ａ、１５ｂは十二極子１３に現れる電子線１７の逆空間像を対物レンズのコマフリー面１６ａに転送する。この面は対物レンズの前方焦点面にほぼ等しく、コマフリー面１６ａに転送された逆空間像は対物レンズの試料面１６ｂにおいて実空間像となる。

このような構成においても、対物レンズの正の球面収差は、十二極子１２、１３から発生した三回対称磁場による負の球面収差によって相殺されるので、試料面１６ｂにおける電子線１７の実空間像には球面収差の影響が現れない。さらに、十二極子１２、１３から発生した六回対称磁場によって六回非点収差も併せて低減される。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態について説明する。

図５は本発明の第２実施形態に係る十二極子の一例を示す模式図である。図６は本発明の第２実施形態に係る回路の一例を示す図である。図７は本発明の第２実施形態に係る十二極子に電圧を印加した時の各極の極性の一例を示す図であり、（ａ）は三回対称電場を発生した場合、（ｂ）は六回対称電場を発生した場合を示す。

本発明の第２実施形態に係る収差補正装置２０は、図１に示すように、電子線の光軸１１に沿って設けられた二段の十二極子２２、２３を備える。十二極子２２、２３は光軸方向に沿ってそれぞれ厚みｔ_１とｔ_２を有するが、各厚みは同一でも、異なっていても良い。

本実施形態に係る十二極子２２、２３の光軸１１に対する配置は図１に示すように第１実施形態と同様であり、その具体的な構成は図５に示すように、光軸１１の周りに放射状に設けられる極４１ａ〜４１ｌを備える。即ち極４１ａ〜４１ｌは光軸１１の周りに３０度毎に配置される。

各十二極子２２、２３において、各極４１ａ〜４１ｌには電源４３又は電源４４が接続され、電圧が印加される。後述するように、これにより、光軸１１の周囲に三回対称の静電場とそれに重畳する六回対称の静電場とを発生する。

各極の結線の一例を図６に示す。図６（ａ）に示すように、３つの極４１ａ、４１ｅ、４１ｉは共に電源４３の一方の出力に接続され、３つの極４１ｄ、４１ｈ、４１ｌは共に電源４３の他方の出力に接続され、回路４５を構成する。従って、極４１ａ、４１ｅ、４１ｉは同電位であり、これらは光軸１１に垂直な平面において、当該光軸１１に向かって強度が共に等しい電場を発生する。

一方、極４１ｄ、４１ｈ、４１ｌも同電位であり、光軸１１に垂直な平面において、当該光軸１１に向かって強度が共に等しい電場を発生するが、その極性は極４１ａ、４１ｅ、４１ｉが発生する電場の方向と逆向きである。即ち、図６（ａ）に示す回路４５において、各極から発生する電場の方向は光軸１１に垂直な平面において、当該光軸１１に向かって交互にその向きを変えている。なお、電源４３は出力の極性を任意に変えられるようなバイポーラ出力の電源である。

同様に、図３（ｂ）に示すように、極４１ｂ、４１ｃ、４１ｆ、４１ｇ、４１ｊ、４１ｋは電源３４と直列に接続され、回路４６を構成する。極４１ｂ、４１ｆ、４１ｊは光軸１１に垂直な平面において、当該光軸１１に向かって方向・強度が共に等しい磁場を発生する。一方、極４１ｃ、４１ｇ、４１ｋも光軸１１に垂直な平面において、当該光軸１１に向かって方向・強度が共に等しい磁場を発生するが、この方向は極４１ｂ、４１ｆ、４１ｊが発生する磁場の方向と逆向きである。即ち、図３（ｂ）に示す回路において、各極から発生する磁場の方向は光軸１１に垂直な平面において、当該光軸１１に向かって交互にその向きを変えている。なお、電源４４は出力電圧の極性を任意に変えられるようなバイポーラ出力の電源である。以上により、各十二極子２２、２３はそれぞれ２つの回路４５、４６から構成される。

以上をまとめると、各十二極子２２、２３において、基準となる極（例えば極４１ａ）から順次１乃至１２番目の極とし、ｓ＝０、１、２とした場合、（４ｓ＋１）番目の極は全て電気的に接続され、（４ｓ＋２）番目の極は全て電気的に接続される。（４ｓ＋１）番目の極と（４ｓ＋２）番目の極は、光軸１１に垂直な平面において絶対値が等しく且つ該光軸１１に対して方向が互いに反対となる電場を発生する。即ち、（４ｓ＋１）番目の極の電位と（４ｓ＋２）番目の極の電位とは絶対値が等しく且つその極性が異なっている。さらに、（４ｓ＋３）番目の極は全て電気的に接続され、（４ｓ＋４）番目の極は全て電気的に接続される。（４ｓ＋３）番目の極と（４ｓ＋４）番目の極は、光軸１１に垂直な平面において絶対値が等しく且つ該光軸１１に対して方向が互いに反対となる電場を発生する。即ち、（４ｓ＋３）番目の極の電位と（４ｓ＋４）番目の極の電位とは絶対値が等しく且つその極性が異なっている。

上述の通り、両回路４５、４６では、各極が個別の電源に接続されるのではなく、１つの電源によって電圧が印加される。また、同じ方向と同じ強度の電場が光軸１１の周りに１２０度毎に発生することになる。この三回対称性により、電源の出力に不安定性があったとしても、非回転対称となる電子線の形状が現れ難くなる。即ち、電子線の形状は安定化する。

このような回路を備える十二極子２２、２３は三回対称の電場と六回対称の電場を同時に発生させることが出来る。例えば、図７（ａ）に示すように、極４１ａ、４１ｅ、４１ｉが＋極、極４１ｄ、４１ｈ、４１ｌが−極となるように電圧を印加する。更に、極４１ｂ、４１ｆ、４１ｊが＋極、極４１ｃ、４１ｇ、４１ｋは−極となるように電圧を印加する。すると、光軸１１の周囲には極４１ａから極４１ｌの順番に（＋＋−−＋＋−−＋＋−−）の電極が配列することになり、以って三回対称の電場が発生する。

この状態から電源４３の出力極性を逆にする。すると、極４１ａ、４１ｅ、４１ｉは−極になり、極４１ｄ、４１ｈ、４１ｌは＋極となる。従って、光軸１１の周囲には図７（ｂ）に示すように、極４１ａから極４１ｌの順番に（−＋−＋−＋−＋−＋−＋）の電極が配列することになり、以って六回対称の電場が発生する。

上記三回対称の電場の極性を逆にすることも可能である。これを換言すれば、上記三回対称の電場を６０度、光軸１１の周りに回転させるとも言える。その場合、極４１ａ、４１ｅ、４１ｉが−極、極４１ｄ、４１ｈ、４１ｌが＋極となるように電圧を印加する。更に、極４１ｂ、４１ｆ、４１ｊが−極、極４１ｃ、４１ｇ、４１ｋが＋極となるように電圧を印加する。すると、光軸１１の周囲には極４１ａから極４１ｌの順番に（−−＋＋−−＋＋−−＋＋）の電極が配列することになり、図７（ａ）に示した極性と逆の極性の三回対称電場が発生する。この状態から電源４３の出力極性を逆にすると、図７（ｄ）に示す極性の配列（即ち、極４１ａから極４１ｌの順番に（＋−＋−＋−＋−＋−＋−））となり、これは上記と逆の極性の六回対称電場となり、換言すれば上記の六回対称電場を３０度回転させることになる。

この構成によって、十二極子２２、２３自体を光軸１１の周りに回転させること無く、六回非点収差の補正が可能になる。また、対物レンズが生じる正の球面収差も同時に補正できる。

さらに、収差補正装置２０には、第１実施形態と同様に、両十二極子２２、２３の間に設けられる転送倍率１：１の転送レンズ対１４ａ、１４ｂと、対物レンズ１６と十二極子１３との間に設けられる転送倍率１：１の転送レンズ対１５ａ、１５ｂとを設けても良い（図８参照）。

＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態は、上記第１及び第２実施形態の収差補正装置１０及び２０を複合したものであり、光軸１１の周囲に、三回対称の磁場及び電場、並びに六回対称の磁場及び電場を発生する十二極子を二段設け、六回非点収差と球面収差を補正するものである。

具体的な構成としては、第１実施形態の項で述べた十二極子１２、１３（図１および図２参照）の各極３１ａ〜３１ｌに図６に示す電源４３、４４を接続する。これにより第１実施形態でのべた三回対称及び六回対称の磁場と、第２実施形態で述べた三回対称及び六回対称の電場との重畳場を発生することができる。従って、第１・第２実施形態で述べた効果と同様の効果が得られる。

なお、両磁場と両電場との回転対称性は任意であり、電源４３、４４が接続する極は図６に限定されない。

即ち、第１実施形態の十二極子１２、１３において、任意の極を１番目の極（例えば極３１ａ）から順次１乃至１２番目の極とし、ｍ＝０、１、２とした場合、（４ｍ＋１）番目の極は全て電気的に接続され、（４ｍ＋２）番目の極は全て電気的に接続される。（４ｍ＋１）番目の極と（４ｍ＋２）番目の極は、光軸に垂直な平面において絶対値が等しく且つ該光軸に対して方向が互いに反対となる電場を発生する。即ち、（４ｍ＋１）番目の極の電位と（４ｍ＋２）番目の極の電位とは絶対値が等しく且つその極性が異なっている。さらに、（４ｍ＋３）番目の極は全て電気的に接続され、（４ｍ＋４）番目の極は全て電気的に接続される。（４ｍ＋３）番目の極と（４ｍ＋４）番目の極は、光軸に垂直な平面において絶対値が等しく且つ該光軸に対して方向が互いに反対となる電場を発生する。即ち、（４ｍ＋３）番目の極の電位と（４ｍ＋４）番目の極の電位とは絶対値が等しく且つその極性が異なっている。

また、第１・第２実施形態で述べた２つの転送レンズ対（１４ａ、１４ｂ）、（１５ａ、１５ｂ）を設けても良い（図８参照）。この効果も第１・第２実施形態で述べた効果と同様である。

＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態について説明する。

図９は本発明の第４実施形態に係る荷電粒子線装置の一例であり、第１乃至第３実施形態に係る収差補正装置を照射系収差補正装置６３として用いた透過型電子顕微鏡６０の例である。

電子銃６１は、高圧制御部６８からの制御によって電子線（図示せず）を発生し、併せて電子線を所望のエネルギーに加速する。第１集束レンズ６２及び第２集束レンズ６４は加速された電子線を集束する。対物レンズ及び試料ステージ６５において電子線は更に集束され、試料ステージ上の試料に照射される。

このとき、第１集束レンズ６２と第２集束レンズ６４の間に設けられた照射系収差補正装置６３は、三回対称の磁場（または電場）とそれに重畳する六回対称の磁場（又は電場）を発生する。前述の通り、この収差補正装置は負の球面収差をもつので、対物レンズによって現れる正の球面収差を相殺するように補正する。また六回非点収差も補正する。

試料を透過した電子線は中間・投影レンズ６６によって拡大され、観察室６７の蛍光板（図示せず）に入射する。この蛍光板に投影された試料像は、カメラ等によって撮像される。

照射系収差補正装置６３によって、球面収差および六回非点収差が補正されているので、透過型電子顕微鏡６０の空間分解能は向上する。

また、照射系収差補正装置６３を用いた収差補正によって、収差補正が可能な電子線の入射角の範囲が広がる。電子線の角度の範囲が広がると絞り（図示せず）等による回折収差が低減されるので、透過型電子顕微鏡の空間分解能が更に向上する。

なお、上記構成において、結像系収差補正装置６５の代わりに、同様の構成の収差補正装置（図示せず）を対物レンズの後段に設けても良い。或いは、両収差補正装置を搭載しても良い。

本発明の収差補正装置は、球面収差補正及び六回非点収差補正が必要なあらゆる荷電粒子線装置に設置可能である。上記の透過型電子顕微鏡の他、例えば、走査型電子顕微鏡、走査型透過電子顕微鏡、イオン顕微鏡、集束イオンビーム装置などにも搭載可能である。

本発明の収差補正装置の構成の一例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る十二極子の一例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る回路の一例を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る十二極子を励磁した時の各極の極性の一例を示す図であり、（ａ）及び（ｃ）は三回対称磁場を発生した場合、（ｂ）及び（ｄ）は六回対称磁場を発生した場合を示す。 本発明の第２実施形態に係る十二極子の一例を示す模式図である。 本発明の第２実施形態に係る回路の一例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る十二極子に電圧を印加した時の各極の極性の一例を示す図であり、（ａ）は三回対称電場を発生した場合、（ｂ）は六回対称電場を発生した場合を示す。 図８は本発明の収差補正装置の変形例である。 本発明に係る収差補正装置を備えた透過型電子顕微鏡の構成の一例を示す模式図である。 光軸に沿って厚みを有する二段の多極子に電子線を通過させて得られたロンチグラム図である。

符号の説明

１０：電子線
１１：光軸
１２、１３：十二極子
２２、２３：十二極子
３１ａ〜３１ｌ、４１ａ〜４１ｌ：極
３２ａ〜３２ｌ：励磁コイル
３３、３４、４３、４４：電源
６０：透過型電子顕微鏡
６３：照射系収差補正装置

Claims (6)

1. 荷電粒子線用の収差補正装置であって、
   二段の十二極子と、
   前記各十二極子の各極に設置された励磁コイルとを備え、
   前記各十二極子の前記各極を順次１乃至１２番目の極、並びにｎ＝０、１、２として、
   （４ｎ＋１）番目の極の励磁コイルと（４ｎ＋２）番目の極の励磁コイルは交互に直列に接続され、光軸に垂直な平面において絶対値が等しく且つ該光軸に対して方向が互いに反対となる磁場を発生し、
   （４ｎ＋３）番目の極の励磁コイルと（４ｎ＋４）番目の極の励磁コイルは交互に直列に接続され、前記光軸に垂直な前記平面において絶対値が等しく且つ該光軸に対して方向が互いに反対となる磁場を発生し、
   以って三回対称磁場及び六回対称磁場の重畳場を発生することを特徴とする収差補正装置。
2. 各前記十二極子の前記各極は電極を兼ね、前記各極を順次１乃至１２番目の極、並びにｍ＝０、１、２として、
   （４ｍ＋１）番目の極は全て電気的に接続され、
   （４ｍ＋２）番目の極は全て電気的に接続され、
   （４ｍ＋３）番目の極は全て電気的に接続され、
   （４ｍ＋４）番目の極は全て電気的に接続され、
   前記（４ｍ＋１）番目の極と前記（４ｍ＋２）番目の極は、光軸に垂直な平面において絶対値が等しく且つ該光軸に対して方向が互いに反対となる電場を発生し、
   前記（４ｍ＋３）番目の極と前記（４ｍ＋４）番目の極は、前記光軸に垂直な前記平面において絶対値が等しく且つ該光軸に対して方向が互いに反対となる電場を発生し、以って三回対称電場及び六回対称電場の重畳場を発生する
   ことを特徴とする請求項１に記載の収差補正装置。
3. 荷電粒子線用の収差補正装置であって、
   二段の十二極子を備え、
   前記各十二極子の各極を順次１乃至１２番目の極、並びにｓ＝０、１、２として、
   （４ｓ＋１）番目の極は全て電気的に接続され、
   （４ｓ＋２）番目の極は全て電気的に接続され、
   （４ｓ＋３）番目の極は全て電気的に接続され、
   （４ｓ＋４）番目の極は全て電気的に接続され、
   前記（４ｓ＋１）番目の極と前記（４ｓ＋２）番目の極は、光軸に垂直な平面において絶対値が等しく且つ該光軸に対して方向が互いに反対となる電場を発生し、
   前記（４ｓ＋３）番目の極と前記（４ｓ＋４）番目の極は、前記光軸に垂直な前記平面において絶対値が等しく且つ該光軸に対して方向が互いに反対となる電場を発生し、以って三回対称電場及び六回対称電場の重畳場を発生する
   ことを特徴とする収差補正装置。
4. 請求項１に記載の収差補正装置を備える荷電粒子線装置。
5. 請求項２に記載の収差補正装置を備える荷電粒子線装置。
6. 請求項３に記載の収差補正装置を備える荷電粒子線装置。