JP3896043B2

JP3896043B2 - 電子顕微鏡の球面収差補正装置

Info

Publication number: JP3896043B2
Application number: JP2002200768A
Authority: JP
Inventors: 史生細川
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2002-07-10
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2022-07-10
Also published as: JP2003092078A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子顕微鏡の球面収差補正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子顕微鏡の軸対称レンズの球面収差を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。
【０００３】
球面収差補正光学系５は、６極子場を発生する多極子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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし従来の球面収差補正光学系では、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。
【０００５】
また、多極子８、９は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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、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、前段及び後段軸対称レンズの焦点距離をｆ１、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＋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＝ａ^２Ｚ１
Ｋ２＝Ｋ１／ａ^５
としたことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
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。
【０００８】
光源１からの電子線２が、絞り３を有する集束レンズ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。
【０００９】
球面収差補正光学系５′は、６極子場を発生する多極子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。
【００１０】
従って、多極子８、９が製作、組み立て精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。
【００１１】
図２は本発明の第２実施例を説明する図であり、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１０′、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、

となる。
【００１２】
図４は、多極子として６極子を用いた場合の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。
【００１３】
さて上記（１）式の第１項は、２次３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。（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。
【００１４】
K1Z1(f1/f2) −K2Z2(f2/f1)^２＝０（２）
r^３(K1^２Z1^３(1/3)(f1/f2) ＋K2^２Z2^３(1/3)(f1/f2)^３)＝−δ （３）
Z2 (f1/f2)^２−Z1＝０（４）
ここで、δは球面収差による軌道の傾きの変化分（ｒ^３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＝ａ^２ Z1 （６）
K2＝K1／ａ^５（７）
となる。
【００１５】
従来の球面収差補正装置は、ａ＝１で、ｆ１＝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。
【００１６】
これに対して本発明では、まず軸対称レンズ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、ｆ２の関係と、Ｚ１、Ｚ２の関係と（２）式の関係からＫ１、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。
【００１７】
なお、第１実施例における回転補正レンズ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。
【００１８】
更に、上記の図１〜３および図５を用いた説明では、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。
【００１９】
図６は電子顕微鏡において、本件発明の球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。
【００２０】
この照射系において、電子ビームを試料２５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。
【００２１】
更に図６において、２６は、例えば上記第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。
【００２２】
また更に図６において、３０は本件発明の球面収差補正装置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。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、まず第１に以下の効果が達成できる。
▲１▼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。
【００２４】
更に、本発明を電子顕微鏡の照射系に適用した場合には、以下のような効果が達成できる。
▲２▼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。
▲３▼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。
【００２５】
同じく本発明に電子顕微鏡の結像系に適用すれば、、以下のような効果が達成できる。
▲４▼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。
▲５▼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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電子顕微鏡の球面収差補正装置を説明する図である。
【図２】本発明による電子顕微鏡の球面収差補正装置の他の例を説明する図である。
【図３】従来の球面収差補正方法を説明する電子顕微鏡の照射系の概略構成を示す図である。
【図４】収差補正装置におけるパラメータｒとθを説明するための図である。
【図５】本発明による電子顕微鏡の球面収差補正装置の更に他の例を説明する図である。
【図６】本発明による球面収差補正装置を電子顕微鏡に適用する例を説明する図である。
【符号の説明】
１…光源、２…電子線、３…絞り、４…集束レンズ、
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

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（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＋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＝ａ^２Ｚ１
Ｋ２＝Ｋ１／ａ^５
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。
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１記載の電子顕微鏡の球面収差補正装置。