JP4851148B2 - 電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、球面収差補正装置を有する、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、透過走査電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）のような電子顕微鏡に関する。

透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、透過走査電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）（以下電子顕微鏡と総称する）における球面収差補正装置には、下記特許文献１により開示されているように、複数個（4、8、12等）の磁性体にコイルを巻き光軸に対する垂直面上に配置した、いわゆる磁界型多極子（以下多極子と呼称）が用いられる。

これより以下の記述にて球面収差補正装置および球面収差補正系と記した場合、多極子により６極場を発生させての透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）用の球面収差補正装置に関するものである。

図３は、電子顕微鏡における、多極子を用いた球面収差補正系５０の構成図である。図３に示すように、球面収差補正系５０は収束レンズ５１、収差補正装置５２、伝達光学系５３、対物レンズ５４、試料５５の順に配置される。透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）の場合は試料から収差補正装置に向かって収差のない像が形成され、透過走査電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）および走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の場合は収差補正装置から試料に向かって光源の像が収差なく形成される。
特開２００３−９２０７８号公報

ところで、前記電子顕微鏡の球面収差補正系に構成される伝達光学系は、収差補正装置の作用面と対物レンズの収差導入面を、１次軌道の範囲内においての光学的な等価面とする働きを持ち、通常２枚または１枚の主面をもつ（磁界型）レンズをもって伝達光学系を構成する。図３に示した伝達光学系５３では、第１レンズ５３ａと第２レンズ５３ｂの２枚からなる。ここにおいて、レンズで構成される伝達光学系が、本来レンズとして備えている拡大（縮小）能力の利用は考慮されておらず、対物レンズ５４と球面収差補正装置５２を倍率１で結像させるような光学系になっている。あるいは倍率が１でないような場合でも、およそ１程度である。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、望ましくない収差の混入を防いで、効率良く動作する球面収差補正系を有する電子顕微鏡の提供を目的とする。

本発明に係る電子顕微鏡は、前記課題を解決するために、多極子を用いてなる球面収差補正装置と対物レンズを有するものであって、前記多極子と前記対物レンズとの間に伝達光学系を設け、当該伝達光学系にあっては前記多極子内において光軸から距離ｒ０を通過する電子の前記対物レンズに対する入射点の光軸からの距離ｒ１の比（Ｍ＝ｒ１／ｒ０）を１以上として、前記球面収差補正装置からの寄与Ｘ_ｏを含む前記対物レンズの球面収差係数Ｃ_ｓｔが所定値以下となるように、前記多極子のコイル電流Ｉおよび多極子のボア半径ｂの少なくとも一つを定める。

前記所定値は、０．０５ｍｍであることが好ましい。

前記所定値は、０．０１ｍｍであることが好ましい。

前記所定値は、０．００５ｍｍであることが好ましい。

前記比Ｍが１．５以上であることが好ましい。

多極子による６極場型球面収差補正装置を有し、前記多極子のボア半径ｂを２mm〜３mmとすることが好ましい。

多極子による６極場型球面収差補正装置を有し、前記対物レンズの焦点距離ｆ，前記多極子の光軸沿いの長さＺ，真空の透磁率ｕ，前記多極子のコイル電流Ｉ，前記対物レンズの球面収差Ｃ_ｓ，前記電子の磁気剛性Ｒ，前記多極子のボア半径ｂについて、前記比Ｍを、
Ｍ＝［６ｆ^４Ｚ^３ｕ^２Ｉ^２／（Ｃ_ｓＲ^２ｂ^６）］^１／４とすることが好ましい。

本発明にかかわる電子顕微鏡によれば、球面収差の補正を適切に行い、且つ、補正に伴っての望ましからぬ収差の発生を最小限に抑えることができ、すなわち性能、精度、効率の良い球面収差補正動作が達成できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の電子顕微鏡が有する収差補正系１０の構成図である。この球面収差補正光学系１０は、照射光学系（光源１１及び集束レンズ１２）と、球面収差補正装置１３と、球面収差補正装置１３による収差補正項を含む電子ビームを対物レンズ１５に伝達する伝達光学系１４と、伝達光学系１４からの電子ビームが入力される対物レンズ１５と、対物レンズ１５によって収束された電子線が照射される試料１６とからなる。なお、図では、偏向系や一部集束系などを省略している。

光源１１から光軸に沿って入射された電子線は、集束レンズ１２によってほぼ平行光束となされ、球面収差補正装置１３に入射する。球面収差補正装置１３は、後述するように例えば１２極子コイルからなる補正子を用いて、前記入射された電子線の球面収差を補正し、伝達光学系１４に供給する。

伝達光学系１４は、例えば磁界型レンズからなる第１のレンズ１４ａ及び第２のレンズ１４ｂを用いてなり、球面収差補正装置１３と対物レンズ１５との間に挿入される。第１のレンズ１４ａには多極子内において軸から距離ｒ０を通過する電子が入射され、第２のレンズ１４ｂには対物レンズに対する入射点の光軸からの距離ｒ１で電子が入射される。この距離ｒ０と距離ｒ１の比Ｍは後述するように例えば１．５以上とされる。このＭ＝ｒ１／ｒ０は、第１のレンズ１４ａの焦点距離ｆ１、第２のレンズ１４ｂの焦点距離ｆ２の比ｆ２／ｆ１と等しい。よって、Ｍ＝ｆ２／ｆ１を１．５以上としてもよい。

従来、球面収差補正系の設計においては、図３に示したように球面収差補正装置５２を光軸からの距離ｒ０で通過する電子が、対物レンズ５４に光軸Ｏからの距離ｒ１で入射する際、通常は倍率１の結像、すなわち、ｒ０＝ｒ１で設計されているが、ｒ０＜ｒ１となるような設計も可能である。従来、ｒ０＜ｒ１とすることによる利点が指摘されたことはなく、また、技術的見地に立ったｒ１／ｒ０の適切な設計値も検討されていなかった。

図１に示した収差補正系１０では、前述したように、ｒ１／ｒ０＝Ｍとして、ｒ０＜ｒ１なる伝達光学系１４を球面収差補正装置１３と対物レンズ１５との間に配置している。このＭ＝ｒ１／ｒ０は、前述したとおり、第１のレンズ１４ａの焦点距離ｆ１、第２のレンズ１４ｂの焦点距離ｆ２の比ｆ２／ｆ１と等しい。この場合、第一に検討すべき光学的効果は収差の伝達である。

すなわち、球面収差補正装置１３にて発生した収差係数Ｃは、その次数がｎ次の場合（ｎ次収差）、対物レンズ１５における収差係数Ｘ_０に、（１／Ｍ）^ｎ＋１を係数として換算される。

Ｘ_０＝（１／Ｍ）^ｎ＋１Ｃ （１）
つまり、Ｍ＝ｒ１／ｒ０を大きくとればそれだけ球面収差補正装置１３にて発生する収差が試料面に換算して小さくなる。球面収差補正装置１３は、これにより、対物レンズ１５に対して逆符号の球面収差を発生させて、球面収差同士を互いに相殺するための装置である。

図２は、球面収差補正装置１３を構成する１２極子の補正子２０の断面図である。この補正子２０は、１２個の磁極を用いて６つの極場を作るために偏向コイルを光軸の周りに配置したものである。すなわち、この補正子２０は、Ｍ_１，Ｍ_２・・・Ｍ_１２の１２個の磁極を外ヨーク２１から光軸に向けて配置している。各コア２２から光軸に向けて、各磁極による極子２４が形成される。各極子２４に付された矢印は、磁界の向きを示している。この補正子２０では、特に、磁極Ｍ_１及びＭ_２、磁極Ｍ_５及びＭ_６、磁極Ｍ_９及びＭ_１０による磁界の発生方向を同じとするように各コア１２に励磁コイル２３を巻き、磁界が逆の発生方向になるように磁極Ｍ_３及びＭ_４、磁極Ｍ_７及びＭ_８、磁極Ｍ_１１及びＭ_１２の各コア２２に励磁コイル２３を巻き回している。よって、６つの極子２４が形成され、６極場が光軸Ｏの周りに形成される。これにより、補正子２０を有する球面収差補正装置１３は、６極場型球面収差補正装置と呼ばれる。

この１２極子の補正子２０によって構成される球面収差補正装置１３は、集束レンズ１２を通って球面収差補正装置１３に入射する電子線に下記の寄与Ｘ_ｏをもたらすことによって、対物レンズ１５の固有の球面収差係数Ｃ_ｓを寄与Ｘ_ｏを含む球面収差係数Ｃ_ｓｔ＝Ｃ_ｓ＋Ｘ_ｏとすることにより、この球面収差係数Ｃ_ｓｔを所定値以下にして実質的にキャンセルすることができる。ここで、前記所定値は、０．０５が好ましく、０．０１がより好ましく、０．００５がさらに好ましい。

例えば、図３の収差補正系５０を考えた場合、対物レンズ５４の球面収差係数がＣ_ｓ＝1．Ommであった場合、球面収差補正装置５２でＣ_ｓｃ＝-1.0mmの球面収差を発生させて倍率Ｍ＝（ｒ１／ｒ０）＝１としたとする。そうすれば、球面収差補正装置５２からの寄与を含む対物レンズ５４の球面収差係数Ｃ_ｓｔは、球面収差が３次の収差すなわちn＝3であることも考えて、
Ｃ_ｓｔ＝Ｃ_ｓ＋Ｘ_０＝１-（１／１）^３＋１＝０ （２）
となり、球面収差補正が行われるわけである。

これに対して、図１に示した本実施の形態の収差補正系１０にあって、Ｍを１より大きくとると、（１）式でＸ_０を-1mmに保つためには、球面収差補正装置１３が発生させるべき球面収差係数Ｃ_ｓｃを、Ｍが１の場合と比べて、Ｍの４乗倍だけ大きくする必要がある。すなわち、Ｍを１より大きくすると要求される補正力が大きくなり、Ｃ_ｓ補正に要求される補正装置の補正効率でいえば不利であるということになる。このことは、従来の収差補正系５０がＭ＝１で設計されている背景にもなっている。

ところで一方、図１及び図３の球面収差補正装置１３及び５２からは、補正に必要な球面収差以外の望ましからぬ複数の収差も発生する。これらの望ましからぬ収差のうち、球面収差補正装置１３及び５２の性能に影響を与えうるものは、主として３次のスターアベレーション（以下Ｓ_３と記述）、３次の４回非点収差（以下Ａ_３と記述）である。１次の非点収差（Ａ１）、２次のコマ収差（Ｂ２）も発生するが、これらは補正が容易であり主たる問題とはならない。

以上より、Ｍを大きくとると、図１の球面収差補正装置１３で発生するＣ_ｓｃ,Ｓ_３,Ａ_３の試料面上での値は小さくなる。例えば従来の設計（Ｍ=１）に比べて、Ｍ=７０／３０とすれば、試料面上でのＣ_ｓｃ,Ｓ_３,Ａ_３の試料面での値は、およそ（１／Ｍ）^３＋１＝３．４％程度になる。したがって、Ｍ＝７０／３０とした場合、Ｍ＝１の収差補正系５０よりＭ^３＋１（＝約３０）倍の球面収差補正力をもつ収差補正装置を設計する必要がある。

Ｍ＝７０／３０とすることにともない、コイルに流す電流Ｉを増加させる、あるいは、多極子のボア半径ｂを小さくするなどして球面収差の補正力（すなわち補正装置が発生する球面収差係数Ｃ_ｓｃ）をＭ^３＋１（＝約３０）倍させたとき、望ましからぬ収差であるＳ_３とＡ_３の増加分が何倍になるかが問題である。もしＳ_３,Ａ_３らの増大分が、Ｍ^３＋１（＝約３０）倍を下回れば、球面収差補正装置１３として、収差補正力Ｃ_ｓｃに対して望ましからぬ収差Ｓ_３とＡ_３が相対的に小さい装置となる。また球面収差補正装置１３の補正力を増加させるにあたり、補正装置の外観上の大きさを変えないようにすることが、付加価値上重要である。

200kV〜300kVクラスのＴＥＭ又はＳＴＥＭにおいて、現在Ｍ＝１にて設計されている収差補正装置の外観形状を変更することなく、補正能力を向上させるには、収差補正装置に構成されている多極子のコイル電流Ｉを増大させる、及び、多極子のボア径ｂを小さくする方法がある。球面収差補正力Ｃ_ｓｃとコイル電流Ｉおよびボア径ｂの関係は、比例定数をＣ_１として、以下のように表される。

Ｃ_ｓｃ＝Ｃ_１Ｉ^２／ｂ^６ （３）
ここで、比例定数Ｃ_１には、加速電圧で決まる電子の磁気剛性Ｒ、多極子の光軸沿いの長さＺ、真空の透磁率ｕ、対物レンズの焦点距離ｆが含まれる。

Ｃ_１＝６ｆ^４Ｚ^３ｕ^２／Ｒ^２ （４）
一方、Ｓ_３とＡ_３は
Ｓ_３＝Ｃ_２Ｉ／ｂ^２ （５）
Ａ_３＝Ｃ_３Ｉ／ｂ^４ （６）
となり、球面収差補正力と比べて、電流Ｉとボア半径ｂの依存関係が異なる。

比例定数Ｃ_２,Ｃ_３はＦを磁場のフリンジ効果を表す係数として、以下のようになる。

Ｃ_２＝２Ｆｆ^２Ｚｕ／Ｒ （７）
Ｃ_３＝４ｕｆ^４Ｚ／Ｒ （８）
式（３）,（５）,（６）より,Ｃ_ｓの補正力Ｃ_ｓｃを、電流Ｉを大きくすること、あるいは多極子のボア径ｂを小さくすることでｍ倍にした場合、これに伴う３次のスターアベレーションＳ_３及び３次の４回非点収差Ａ_３の増加分は、以下の表１のようになる。

表１より電流を大きくしてＣ_ｓｃをｍ倍した場合Ｓ_３およびＡ_３はｍ^１／２倍で増加するのに対して、ボア半径を小さくしてＣ_ｓｃを大きくした場合、Ｓ_３およびＡ_３は、それぞれ、ｍ^１／３倍およびｍ^１／６倍で増加する。したがって、ボア半径ｂを小さくすることで、より効率的にＣ_ｓｃに対するＳ_３,Ａ_３の値を小さくできる。

要約すれば、収差補正装置の設計にあたっては、多極子のボア半径ｂを可能な限り小さくし、そのうえで、補正電流Ｉを大きくとり、小さなボア径と大きな電流で発生する大きな収差補正力を、下記（９）式で与えられる伝達光学系のＭで換算することで、補正装置にて発生する望ましからぬ収差であるＳ_３,Ａ_３の実効値が小さくなる。

Ｍ＝［６ｆ^４Ｚ^３ｕ^２Ｉ^２／（Ｃ_ｓＲ^２ｂ^６）］^１／４ （９）
Ｍをいくらか大きくとることに（あるいは小さくとることに）、実際の設計上、実用範囲での困難はないが、ボア半径ｂを小さくするには、技術的に限界がある。したがって、多極子のボア半径を達成可能な下限に決めてから収差補正装置の設計を考えると、Ｓ_３,Ａ_３の絶対量が小さな収差補正条件を達成できることになる。

ＴＥＭ及びＳＴＥＭの場合、対物レンズの上下には、真空シール目的のライナーチューブが構成されており、低倍率における視野確保とチューブ内部の清浄性から、技術的に使用可能なライナーチューブの外直径は4mmφである。収差補正装置に構成される多極子のボア内部をライナーチューブが通り、チューブとボアのアライメントマージンを1mm程度考慮して、ボア直径を5mm、すなわちボア半径ｂの下限は2．5mm程度と考えられる。

ボア半径ｂ＝2．5mmの多極子の先端に6極場生成のために与えることのできる起磁力（電流Ｉ）は１００Ａ程度であり、これに見合ったＭの設計値としては、加速電圧を３００ｋＶ、Ｚ＝20mm、Ｃｓ＝1．Omm、ｆ＝2．5mm，b＝5／2mmとして、
Ｍ＝［６ｆ^４Ｚ^３ｕ^２Ｉ^２／（Ｃ_ｓＲ^２ｂ^６）］^１／４＝2．3 （１０）
すなわち、Ｍ＝ｒ１／ｒ０＝７０／３０と設計すればよい。

発明の内容をまとめると、従来の球面収差補正装置では伝達光学系のＭが1であるところを、本実施の形態では、Ｍを2.3にとり且つ多極子のボア径ｂを2.5mmのように小さくすることにより、望ましからぬ収差の混入が防げ、収差補正装置として効率よく働くという結果が得られた。

Ｍは、2.3という数値に限定されるものではなく、1以上であればよく、1.5以上であるのが好ましい。つまり、本発明の電子顕微鏡は、収差補正系として、多極子と対物レンズとの間に伝達光学系を設け、当該伝達光学系にあっては前記多極子内において軸から距離ｒ０を通過する電子の前記対物レンズに対する入射点の光軸からの距離ｒ１の比（Ｍ＝ｒ１／ｒ０）を１．５以上として、対物レンズの球面収差係数Ｃ_ｓをキャンセルするように、前記多極子のコイル電流Ｉと、多極子のボア半径ｂを定める。

特に、多極子による６極場型球面収差補正装置を有する収差補正系を備える場合には、多極子のボア半径ｂを２mm〜３mmのなかで、例えば、以下の（１３）式とし、前記比Ｍを以下の（１２）式のように、設定するのが好ましい。

Ｍ＝［６ｆ^４Ｚ^３ｕ^２Ｉ^２／（Ｃ_ｓＲ^２ｂ^６）］^１／４ （１２）
b＝2．5mm （１３）
なお、上述の実施の形態は、本発明の一具体例を示すものであって、本発明がこれに限定されることはない。

本発明の電子顕微鏡が有する収差補正系の構成図である。 球面収差補正装置を構成する１２極子の補正子の断面図である。 従来の電子顕微鏡が有する収差補正系の構成図である。

符号の説明

１０ 収差補正系、１１ 光源、１２ 集束レンズ、１３ 球面収差補正装置、１４ 伝達光学系、１４ａ 第１のレンズ、１４ｂ 第２のレンズ、１５ 対物レンズ、１６ 試料

Claims (1)

1. 多極子を用いてなる球面収差補正装置と対物レンズを有する電子顕微鏡において、
   前記多極子と前記対物レンズとの間に伝達光学系を設け、当該伝達光学系にあっては前記多極子内において光軸から距離ｒ０を通過する電子の前記対物レンズに対する入射点の光軸からの距離ｒ１の比（Ｍ＝ｒ１／ｒ０）を１以上として、
   前記球面収差補正装置からの寄与Ｘ_ｏを含む前記対物レンズの球面収差係数Ｃ_ｓｔが所定値以下となるように、前記多極子のコイル電流Ｉおよび多極子のボア半径ｂを定め、
   前記比Ｍが１．５以上であり、
   多極子による６極場型球面収差補正装置を有し、前記多極子のボア半径ｂを２mm〜３mmとし、
   前記対物レンズの焦点距離ｆ，前記多極子の光軸沿いの長さＺ，真空の透磁率ｕ，前記多極子のコイル電流Ｉ，前記対物レンズの球面収差Ｃ _ｓ ，前記電子の磁気剛性Ｒ，前記多極子のボア半径ｂについて、前記比Ｍを、
   Ｍ＝［６ｆ ^４ Ｚ ^３ ｕ ^２ Ｉ ^２ ／（Ｃ _ｓ Ｒ ^２ ｂ ^６ ）］ ^１／４ とすること
   を特徴とする電子顕微鏡。

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