JP7465295B2 - 収差補正装置および電子顕微鏡 - Google Patents

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Description

本発明は、収差補正装置および電子顕微鏡に関する。
透過電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope、ＴＥＭ）や走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、ＳＥＭ）等の電子顕微鏡において、収差補正は、高分解能像を取得するうえで重要な技術である。
特許文献１には、三段の３回対称場（３回対称の磁場または３回対称の電場）を用いて、球面収差を補正しつつ高次収差を除去することが可能な球面収差補正装置が開示されている。
特許文献２には、二段の電磁場重畳４極子場（電場四極子場と磁場四極子場とが重畳された四極子場）を用いて色収差の補正を行う光学系が開示されている。
特許文献３には、幾何収差補正装置の転送レンズ系に色収差補正用光学系を用いることによって、球面収差と色収差の両方を補正できる収差補正装置が開示されている。
特開２００９－５４５６５号公報 特開２０１４－１１６２１９号公報 特開２０１９－１２９０７３号公報
電子顕微鏡において、より高分解能な観察を行うために、高次の収差を補正可能な収差補正装置が望まれている。
本発明に係る収差補正装置の一態様は、
６極子場を発生させる第１多極子と、
前記第１多極子とは極性が逆の６極子場を発生させる第２多極子と、
前記第１多極子と前記第２多極子との間に配置され、８極子場を発生させる第３多極子と、
前記第１多極子と前記第３多極子の間に配置された第１転送レンズ系と、
前記第３多極子と前記第２多極子との間に配置された第２転送レンズ系と、
を含み、
前記第１転送レンズ系は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる複数の第４多極子を含み、
前記第２転送レンズ系は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる複数の第５多極子を含み、
前記複数の第４多極子の各々が発生させる４極子場および前記複数の第５多極子の各々が発生させる４極子場によって、スター収差を発生させ、
前記複数の第４多極子の各々が発生させる８極子場および前記複数の第５多極子の各々が発生させる８極子場によって、４回非点を発生させ、
スター収差と４回非点のコンビネーション収差として６回非点を発生させる。
本発明に係る収差補正装置の一態様は、
６極子場を発生させる第１多極子と、
前記第１多極子とは極性が逆の６極子場を発生させる第２多極子と、
前記第１多極子と前記第２多極子との間に配置され、８極子場を発生させる第３多極子と、
前記第１多極子と前記第３多極子の間に配置された第１転送レンズ系と、
前記第３多極子と前記第２多極子との間に配置された第２転送レンズ系と、
を含み、
前記第１転送レンズ系は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる複数の第４多極子を含み、
前記第２転送レンズ系は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる複数の第５多極子を含み、
前記複数の第４多極子の各々が発生させる４極子場および前記複数の第５多極子の各々が発生させる４極子場によって、スター収差を発生させ、
前記複数の第４多極子の各々が発生させる８極子場および前記複数の第５多極子の各々が発生させる８極子場によって、４回非点を発生させ、
スター収差と４回非点のコンビネーション収差として５次スター収差を発生させる。
本発明に係る収差補正装置の一態様は、
６極子場を発生させる第１多極子と、
前記第１多極子とは極性が逆の６極子場を発生させる第２多極子と、
前記第１多極子と前記第２多極子との間に配置され、８極子場を発生させる第３多極子と、
前記第１多極子と前記第３多極子の間に配置された第１転送レンズ系と、
前記第３多極子と前記第２多極子との間に配置された第２転送レンズ系と、
を含み、
前記第１転送レンズ系は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる複数の第４多極子を含み、
前記第２転送レンズ系は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる
複数の第５多極子を含み、
前記複数の第４多極子のうちの６回非点補正用第４多極子が発生させる４極子場、および前記複数の第５多極子のうちの６回非点補正用第５多極子が発生させる４極子場によって、６回非点補正用のスター収差を発生させ、
前記６回非点補正用第４多極子が発生させる８極子場および前記６回非点補正用第５多極子が発生させる８極子場によって、６回非点補正用の４回非点を発生させ、
前記６回非点補正用のスター収差と前記６回非点補正用の４回非点のコンビネーション収差として６回非点を発生させ、
前記複数の第４多極子のうちの５次スター収差補正用第４多極子が発生させる４極子場、および前記複数の第５多極子のうちの５次スター収差補正用第５多極子が発生させる４極子場によって、５次スター収差補正用のスター収差を発生させ、
前記５次スター収差補正用第４多極子が発生させる８極子場および前記５次スター収差補正用第５多極子が発生させる８極子場によって、５次スター収差補正用の４回非点を発生させ、
前記５次スター収差補正用のスター収差と前記５次スター収差補正用の４回非点のコンビネーション収差として５次スター収差を発生させる。
このような収差補正装置では、第１転送レンズ系が電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる複数の第４多極子を含み、第２転送レンズ系が電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる複数の第５多極子を含むため、５次収差を補正できる。
本発明に係る電子顕微鏡の一態様は、
上記収差補正装置を含む。
第１実施形態に係る収差補正装置の構成を示す図。 第１転送多極子を模式的に示す平面図。 電場４極子場から電子線が受ける力を説明するための図。 磁場４極子場から電子線が受ける力を説明するための図。 第２実施形態に係る収差補正装置の構成を示す図。 第３実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。 第４実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。 第１転送レンズ系の変形例を示す図。 第１転送レンズ系の変形例を示す図。 第１転送レンズ系の変形例を示す図。 第１転送レンズ系の変形例を示す図。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１． 第１実施形態
１．１． 収差補正装置
まず、第１実施形態に係る収差補正装置について図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る収差補正装置１００の構成を示す図である。図１では、収差補正装置１００が電子顕微鏡の結像系に組み込まれている場合を図示している。なお、図１には、各多極子が発生させる場を示す記号を図示しており、「Ｈ」は６極子場を示し、「Ｑ」は４極子場を示し、「ＱＯ」は４極子場と８極子場の重畳場を示している。
収差補正装置１００は、図１に示すように、電子顕微鏡の結像系に組み込まれている。収差補正装置１００は、結像系（対物レンズ２）の球面収差および色収差を補正する。図示の例では、対物レンズ２と収差補正装置１００の間に、転送レンズ４および転送レンズ６が配置されている。また、収差補正装置１００は、対物レンズ２と投影レンズ８の間に配置されている。
収差補正装置１００は、図１に示すように、第１多極子１１０と、第２多極子１２０と、第３多極子１３０と、第１転送レンズ系１４０と、第２転送レンズ系１５０と、を含む。
第１多極子１１０および第２多極子１２０は、光軸ＯＡに沿って配置されている。光軸ＯＡは、第１多極子１１０の中心、および第２多極子１２０の中心を通る。第１多極子１１０と第２多極子１２０は、光軸ＯＡに沿った方向に互いに離隔して配置されている。収差補正装置１００では、電子線の進行方向に、第１多極子１１０、第２多極子１２０の順で配置されている。
第１多極子１１０は、６極子場（磁場６極子場または電場６極子場）を発生させる。６極子場は、３回対称である。第２多極子１２０は、第１多極子１１０が発生させる６極子場とは極性が逆の６極子場を発生させる。収差補正装置１００では、第１多極子１１０および第２多極子１２０が二段の６極子場を発生させることによって、結像系の球面収差を
補正する。
第１多極子１１０および第２多極子１２０は、例えば、６極子または１２極子である。なお、第１多極子１１０および第２多極子１２０は、６極子場を発生させることができればよく、極子の数は特に限定されない。
第３多極子１３０は、第１多極子１１０と第２多極子１２０との間に配置されている。第３多極子１３０は、８極子場（磁場８極子場または電場８極子場）を発生させる。８極子場は、４回対称である。
第３多極子１３０は、例えば、８極子である。なお、第３多極子１３０は、８極子場を発生させることができればよく、極子の数は限定されない。
第１転送レンズ系１４０は、第１多極子１１０と第３多極子１３０の間に配置されている。第２転送レンズ系１５０は、第３多極子１３０と第２多極子１２０との間に配置されている。第１転送レンズ系１４０および第２転送レンズ系１５０では、電子線の軌道がＸ方向とＹ方向に分かれるため、図１には、電子線のＸ方向の典型的な軌道であるＸ軌道と、電子線のＹ方向の典型的な軌道であるＹ軌道と、を図示している。Ｘ軸およびＹ軸は、光軸ＯＡに垂直な軸であり、互いに直交する。
第１転送レンズ系１４０は、第１多極子１１０で得られた像と等価な像を第３多極子１３０に転送する。第３多極子１３０は、第１多極子１１０と共役な位置に配置される。また、第２転送レンズ系１５０は、第３多極子１３０で得られた像と等価な像を第２多極子１２０に転送する。第１転送レンズ系１４０および第２転送レンズ系１５０によって、第１多極子１１０と第２多極子１２０との間の光学的距離が零となる。そのため、第１多極子１１０と第２多極子１２０との間に物理的な距離を持たせることができる。
第１転送レンズ系１４０は、複数の多極子を含む。図示の例では、第１転送レンズ系１４０は、４つの多極子（第１転送多極子１４１、第２転送多極子１４２、第３転送多極子１４３、第４転送多極子１４４）を含む。
第１転送多極子１４１は、電磁場重畳４極子場を発生させる。電磁場重畳４極子場は、電場４極子場と磁場４極子場とが重畳された４極子場である。電磁場重畳４極子場は、２回対称である。
図２は、第１転送多極子１４１を模式的に示す平面図である。
第１転送多極子１４１は、光軸ＯＡの周囲に規則的に配列された複数の電極および複数の磁極を有する。図示の例では、第１転送多極子１４１は、光軸ＯＡの周囲に配列された、四極の電極１４１０ａ、１４１０ｂ、１４１０ｃ、１４１０ｄと、四極の磁極１４１２ａ、１４１２ｂ、１４１２ｃ、１４１２ｄと、を有している。
四極の電極１４１０ａ、１４１０ｂ、１４１０ｃ、１４１０ｄは、光軸ＯＡに垂直な平面（ＸＹ平面）上で９０°ごとに配置されている。四極の電極１４１０ａ、１４１０ｂ、１４１０ｃ、１４１０ｄの各々に印加される印加電圧の絶対値は互いに等しい。ただし、四極の電極１４１０ａ、１４１０ｂ、１４１０ｃ、１４１０ｄにおいて、隣り合う電極の極性は逆である。四極の電極１４１０ａ、１４１０ｂ、１４１０ｃ、１４１０ｄは、電場４極子場を発生させる。
四極の磁極１４１２ａ、１４１２ｂ、１４１２ｃ、１４１２ｄは、光軸ＯＡに垂直な平
面上に９０°ごとに配置されている。磁極１４１２ａには、巻き数Ｎの励磁コイル（図示せず）が装着され、この励磁コイルに電流Ｉが流れるようになっている。したがって、磁極１４１２ａの起磁力はＮＩとなる。磁極１４１２ｂ，１４１２ｃ，１４１２ｄについても、磁極１４１２ａと同様に励磁コイルが装着されている。
四極の磁極１４１２ａ、１４１２ｂ、１４１２ｃ、１４１２ｄに装着された励磁コイルは、個別に電流源（図示せず）と接続されており、その起磁力は任意に設定できる。図示の例では、四極の磁極１４１２ａ、１４１２ｂ、１４１２ｃ、１４１２ｄの起磁力は互いに等しい。ただし、四極の磁極１４１２ａ、１４１２ｂ、１４１２ｃ、１４１２ｄにおいて、隣り合う磁極の極性は逆である。四極の磁極１４１２ａ、１４１２ｂ、１４１２ｃ、１４１２ｄは、磁場４極子場を発生させる。
図３は、四極の電極１４１０ａ、１４１０ｂ、１４１０ｃ、１４１０ｄが発生させる電場４極子場から電子線が受ける力を説明するための図である。
図３に示すように、四極の電極１４１０ａ、１４１０ｂ、１４１０ｃ、１４１０ｄが発生させる電場４極子場は、電子線に対して、Ｘ方向に収束作用を持ち、Ｙ方向に発散作用を持つ。したがって、電子線は、電場４極子場から力ＦＥを受けることによって、Ｘ方向に収束し、Ｙ方向に発散する。
図４は、四極の磁極１４１２ａ、１４１２ｂ、１４１２ｃ、１４１２ｄが発生させる磁場４極子場から電子線が受ける力を説明するための図である。
図４に示すように、四極の磁極１４１２ａ、１４１２ｂ、１４１２ｃ、１４１２ｄが発生させる磁場４極子場は、電子線に対して、Ｘ方向に発散作用を持ち、Ｙ方向に収束作用を持つ。したがって、電子線は、磁場４極子場から力ＦＢを受けることによって、Ｘ方向に発散し、Ｙ方向に収束する。
第１転送多極子１４１では、電場４極子場と磁場４極子場とを重畳して電磁場重畳４極子場を発生させる。第１転送多極子１４１では、２回対称の電場によって電子線が受ける力ＦＥと２回対称の磁場によって電子線が受ける力ＦＢとが、互いに相殺する方向に加えられる。
図１に示す例では、第１転送多極子１４１は、磁場４極子場に比べて電場４極子場が強く設定される。すなわち、第１転送多極子１４１では、磁場４極子場によって電子線が受ける力ＦＢよりも、電場４極子場によって電子線が受ける力ＦＥが大きく設定される（ＦＢ＜ＦＥ）。これにより、電子線に２回非点成分を与え、軌道を変化させる。具体的には、第１転送多極子１４１は、図１に示すように、電子線のＹ軌道に２回非点の発散方向の成分を与え、電子線のＸ軌道に２回非点の収束方向の成分を与える。
また、第１転送多極子１４１は、電子線の進行方向に対して厚みを有している。より具体的には、第１転送多極子１４１は、多極子場のプライマリー項以外の高次項による場によってコンビネーション収差が発生する厚みを有している。第１転送多極子１４１は、コンビネーション収差により電子線に対して凹レンズ作用を生じさせる。
ここで、コンビネーション収差とは、ある場所で発生した収差（収差１）がある距離伝搬することにより入射点が変わり、別の収差（収差２）の影響を受けたとき、収差１と収差２の組み合わせにより生まれる組み合わせ収差のことである。
第２転送多極子１４２は、電磁場重畳４極子場を発生させる。第２転送多極子１４２は
、光軸ＯＡの周囲に配列された、四極の電極と、四極の磁極と、を有している。第２転送多極子１４２の四極の電極および四極の磁極の配置は、図２に示す第１転送多極子１４１と同じである。
図１に示す例では、第２転送多極子１４２では、電場４極子場に比べて磁場４極子場が強く設定される。すなわち、第２転送多極子１４２では、電場４極子場によって電子線が受ける力ＦＥよりも、磁場４極子場によって電子線が受ける力ＦＢが大きく設定される（ＦＥ＜ＦＢ）。これにより、第２転送多極子１４２は、第１転送多極子１４１で発生する２回非点成分とは逆符号の２回非点成分を発生させる。第２転送多極子１４２は、図１に示すように、電子線のＹ軌道に２回非点の収束方向の成分を与え、電子線のＸ軌道に２回非点の発散方向の成分を与える。
また、第２転送多極子１４２は、第１転送多極子１４１と同様に、電子線の進行方向に対して厚みを有している。第２転送多極子１４２は、コンビネーション収差により電子線に対して凸レンズ作用を生じさせる。
第３転送多極子１４３は、電磁場重畳４極子場を発生させる。第３転送多極子１４３は、光軸ＯＡの周囲に配列された、四極の電極と、四極の磁極と、を有している。第３転送多極子１４３の四極の電極および四極の磁極の配置は、図２に示す第１転送多極子１４１と極性が逆である。すなわち、第３転送多極子１４３は、図２に示す第１転送多極子１４１を９０°回転したものである。
第３転送多極子１４３では、電場４極子場に比べて磁場４極子場が強く設定される。すなわち、第３転送多極子１４３では、電場４極子場によって電子線が受ける力ＦＥよりも、磁場４極子場によって電子線が受ける力ＦＢが大きく設定される（ＦＥ＜ＦＢ）。これにより、第３転送多極子１４３は、図１に示すように、電子線のＹ軌道に２回非点の発散方向の成分を与え、電子線のＸ軌道に２回非点の収束方向の成分を与える。
また、第３転送多極子１４３は、電子線の進行方向に対して厚みを有している。第３転送多極子１４３は、コンビネーション収差により電子線に対して凹レンズ作用を生じさせる。
第４転送多極子１４４は、電磁場重畳４極子場を発生させる。第４転送多極子１４４は、光軸ＯＡの周囲に配列された、四極の電極と、四極の磁極と、を有している。第４転送多極子１４４の四極の電極および四極の磁極の配置は、第３転送多極子１４３と同じである。
第４転送多極子１４４では、磁場４極子場に比べて電場４極子場が強く設定される。すなわち、第４転送多極子１４４では、磁場４極子場によって電子線が受ける力ＦＢよりも、電場４極子場によって電子線が受ける力ＦＥが大きく設定される（ＦＢ＜ＦＥ）。これにより、第４転送多極子１４４は、第３転送多極子１４３で発生する２回非点成分とは逆符号の２回非点成分を発生させる。具体的には、第４転送多極子１４４は、図１に示すように、電子線のＹ軌道に２回非点の収束方向の成分を与え、電子線のＸ軌道に２回非点の発散方向の成分を与える。
また、第４転送多極子１４４は、電子線の進行方向に対して厚みを有している。第４転送多極子１４４は、コンビネーション収差により電子線に対して凸レンズ作用を生じさせる。
第１転送レンズ系１４０では、第１転送多極子１４１が生じさせる凹レンズ作用、第２
転送多極子１４２が生じさせる凸レンズ作用、第３転送多極子１４３が生じさせる凹レンズ作用、第４転送多極子１４４が生じさせる凸レンズ作用を組み合わせることによって、負の色収差を発生させる。
第１転送多極子１４１および第２転送多極子１４２は、第１光学系１４０ａを構成する。第１光学系１４０ａは、第１の電磁場を発生させる。第１の電磁場は、第１転送多極子１４１が発生させる電磁場重畳４極子場および第２転送多極子１４２が発生させる電磁場重畳４極子場によって形成される。
第３転送多極子１４３および第４転送多極子１４４は、第２光学系１４０ｂを構成する。第２光学系１４０ｂは、第１の電磁場を光軸ＯＡまわりに９０°回転させた第２の電磁場を発生させる。第２多極子１２０における電子線の軌道は、第１多極子１１０における電子線の軌道を、光軸ＯＡまわりに９０°回転させた軌道である。第１転送レンズ系１４０では、第１光学系１４０ａで発生した色２回非点成分を、第２光学系１４０ｂで発生した色２回非点成分で打ち消すことができる。
第２転送レンズ系１５０は、第１転送レンズ系１４０を９０°回転させた光学系である。第２転送レンズ系１５０は、第１転送レンズ系１４０が発生させる電磁場を光軸ＯＡまわりに９０°回転させた電磁場を発生させる。図１に示すように、第２転送レンズ系１５０における電子線の軌道と、第１転送レンズ系１４０における電子線の軌道は、対称である。
第２転送レンズ系１５０は、第１転送レンズ系１４０と同様に、４つの転送多極子を有している。具体的には、第２転送レンズ系１５０は、第５転送多極子１５１と、第６転送多極子１５２と、第７転送多極子１５３と、第８転送多極子１５４と、を有している。第５転送多極子１５１と第６転送多極子１５２は、第１光学系１５０ａを構成し、第７転送多極子１５３と第８転送多極子１５４は、第２光学系１５０ｂを構成している。
第５転送多極子１５１は、電磁場重畳４極子場を発生させる。第６転送多極子１５２は、第５転送多極子１５１と同じ極性の電磁場重畳４極子場を発生させる。第７転送多極子１５３は、第５転送多極子１５１とは逆の極性の電磁場重畳４極子場を発生させる。第８転送多極子１５４は、第７転送多極子１５３と同じ極性の電磁場重畳４極子場を発生させる。
ここで、第１転送レンズ系１４０の第２転送多極子１４２は、電磁場重畳４極子場に加えて８極子場を発生させる。すなわち、第２転送多極子１４２は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる。
同様に、第１転送レンズ系１４０の第３転送多極子１４３は、電磁場重畳４極子場に加えて８極子場を発生させる。すなわち、第３転送多極子１４３は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる。
同様に、第２転送レンズ系１５０の第６転送多極子１５２は、電磁場重畳４極子場に加えて８極子場を発生させる。すなわち、第６転送多極子１５２は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる。
同様に、第２転送レンズ系１５０の第７転送多極子１５３は、電磁場重畳４極子場に加えて８極子場を発生させる。すなわち、第７転送多極子１５３は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる。
第２転送多極子１４２が発生させる８極子場、第３転送多極子１４３が発生させる８極子場、第３多極子１３０が発生させる８極子場、第６転送多極子１５２が発生させる８極子場、および第７転送多極子１５３が発生させる８極子場は、すべて同じ極性（同じ向き）である。
第１転送多極子１４１、第４転送多極子１４４、第５転送多極子１５１、および第８転送多極子１５４は、電磁場重畳４極子場を発生させることができれば、その極子の数は限定されない。第２転送多極子１４２、第３転送多極子１４３、第６転送多極子１５２、および第７転送多極子１５３は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させることができれば、その極子の数は限定されない。
１．２． 動作
次に、収差補正装置１００の動作について説明する。
＜球面収差＞
収差補正装置１００では、電子線の進行方向に沿った厚み、すなわち、光軸ＯＡに沿った厚みを持った６極子場が負の球面収差を発生させることを利用して、結像系（対物レンズ２）の球面収差を補正する。具体的には、収差補正装置１００では、第１多極子１１０および第２多極子１２０によって２段の６極子場を発生させることによって負の球面収差を発生させ、結像系の正の球面収差を打ち消す。これにより、結像系の球面収差を補正できる。
＜３回非点＞
第１多極子１１０が発生させる６極子場と第２多極子１２０が発生させる６極子場の極性は逆である。そのため、第１多極子１１０が発生させる６極子場によって生じる３回非点は、第２多極子１２０が発生させる６極子場によって打ち消される。したがって、収差補正装置１００では、３回非点を補正できる。
＜色収差＞
収差補正装置１００では、第１転送レンズ系１４０および第２転送レンズ系１５０においてコンビネーション収差により負の色収差を発生させる。収差補正装置１００では、第１転送レンズ系１４０および第２転送レンズ系１５０で発生させた負の色収差で、結像系の正の色収差を打ち消す。これにより、結像系の色収差を補正できる。
＜４次コマ収差、５回非点＞
収差補正装置１００では、第１多極子１１０と第２多極子１２０との間に、第１転送レンズ系１４０と第２転送レンズ系１５０が配置されている。そのため、収差補正装置１００では、第１多極子１１０と第２多極子１２０との間において、転送回数が２回となるため、１回対称の４次コマ収差および５回対称の５回非点を補正できる。
＜６回非点＞
収差補正装置１００では、上述したように、球面収差を補正するために第１多極子１１０および第２多極子１２０が６極子場を発生させる。収差補正装置１００では、この第１多極子１１０および第２多極子１２０が発生させる６極子場に由来して６回非点が生じてしまう。
ここで、６回非点は、スター収差と４回非点のコンビネーション収差として発生させることができる。
スター収差は、３次の幾何収差であり２回対称である。スター収差は、４極子場から発
生させることができる。したがって、第２転送多極子１４２が発生させる４極子場、第３転送多極子１４３が発生させる４極子場、第６転送多極子１５２が発生させる４極子場、および第７転送多極子１５３が発生させる４極子場によって、スター収差を発生させることができる。
なお、第２転送多極子１４２、第３転送多極子１４３、第６転送多極子１５２、および第７転送多極子１５３は、上述したように色収差補正および球面収差補正のために、４極子場を発生させることができる。したがって、スター収差を発生させるために、第２転送多極子１４２、第３転送多極子１４３、第６転送多極子１５２、および第７転送多極子１５３に４極子場を発生させるための新たな極子を設ける必要はない。
４回非点は、８極子場から発生させることができる。したがって、第２転送多極子１４２が発生させる８極子場、第３転送多極子１４３が発生させる８極子場、第６転送多極子１５２が発生させる８極子場、および第７転送多極子１５３が発生させる８極子場によって、４回非点を発生させることができる。
このようにして第２転送多極子１４２、第３転送多極子１４３、第６転送多極子１５２、および第７転送多極子１５３において、スター収差と４回非点を発生させることで、スター収差と４回非点のコンビネーション収差として６回非点を発生させることができる。
収差補正装置１００では、第２転送多極子１４２、第３転送多極子１４３、第６転送多極子１５２、および第７転送多極子１５３が発生させた６回非点で、第１多極子１１０および第２多極子１２０が発生させる６極子場由来の６回非点を打ち消す。これにより、収差補正装置１００では、６回非点を補正できる。
なお、このようにして６回非点を補正することによって、第２転送多極子１４２、第３転送多極子１４３、第６転送多極子１５２、および第７転送多極子１５３には、余分な４回非点が生じてしまう。この余分な４回非点は、第３多極子１３０が発生させる８極子場で補正できる。
１．３． 効果
収差補正装置１００では、第１多極子１１０が発生させる６極子場、および第２多極子１２０が発生させる６極子場によって、負の球面収差を発生させる。そのため、収差補正装置１００では、第１多極子１１０および第２多極子１２０が発生させた負の球面収差で結像系の正の球面収差を打ち消すことができる。したがって、収差補正装置１００では、球面収差を補正できる。
収差補正装置１００では、第１転送レンズ系１４０を構成する複数の多極子が発生させる電磁場重畳４極子場、第２転送レンズ系１５０を構成する複数の多極子が発生させる電磁場重畳４極子場によって、負の色収差を発生させる。そのため、収差補正装置１００では、第１転送レンズ系１４０および第２転送レンズ系１５０が発生させた負の色収差で結像系の正の色収差を打ち消すことができる。したがって、収差補正装置１００では、色収差を補正できる。
収差補正装置１００では、転送レンズ系に用いた光学系によって色収差を補正することができる。したがって、収差補正装置１００では、例えば、球面収差補正装置と色収差補正装置をタンデムに接続して球面収差補正および色収差補正を行う場合と比べて、装置の小型化を図ることができる。
収差補正装置１００は、第１多極子１１０と第３多極子１３０の間に配置された第１転
送レンズ系１４０と、第３多極子１３０と第２多極子１２０との間に配置された第２転送レンズ系１５０と、を含む。第１転送レンズ系１４０は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる複数の第４多極子（第２転送多極子１４２および第３転送多極子１４３）を含み、第２転送レンズ系１５０は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる複数の第５多極子（第６転送多極子１５２および第７転送多極子１５３）を含む。そのため、収差補正装置１００では、上述したように、６回非点を補正できる。
収差補正装置１００では、第２転送多極子１４２が発生させる４極子場、第３転送多極子１４３が発生させる４極子場、第６転送多極子１５２が発生させる４極子場、および第７転送多極子１５３が発生させる４極子場によって、スター収差を発生させる。また、第２転送多極子１４２が発生させる８極子場、第３転送多極子１４３が発生させる８極子場、第６転送多極子１５２が発生させる８極子場、および第７転送多極子１５３が発生させる８極子場によって、４回非点を発生させる。このスター収差と４回非点のコンビネーション収差として６回非点を発生させる。
したがって、収差補正装置１００では、第２転送多極子１４２、第３転送多極子１４３、第６転送多極子１５２、および第７転送多極子１５３が発生させた６回非点で、第１多極子１１０および第２多極子１２０が発生させる６極子場由来の６回非点を打ち消すことができる。したがって、収差補正装置１００では、６回非点を補正できる。
収差補正装置１００では、第２転送多極子１４２、第３転送多極子１４３、第６転送多極子１５２、および第７転送多極子１５３で６回非点を発生させることによって生じた４回非点を、第３多極子１３０が発生させる８極子場で補正する。このように収差補正装置１００では、４回非点を補正できる。
２． 第２実施形態
２．１． 収差補正装置
次に、第２実施形態に係る収差補正装置について、図面を参照しながら説明する。図５は、第２実施形態に係る収差補正装置２００の構成を示す図である。以下、第２実施形態に係る収差補正装置２００において、第１実施形態に係る収差補正装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
上述した図１に示す収差補正装置１００では、第２転送多極子１４２、第３転送多極子１４３、第６転送多極子１５２、および第７転送多極子１５３を用いて６回非点を補正した。
これに対して、収差補正装置２００では、第２転送多極子１４２、第３転送多極子１４３、第６転送多極子１５２、および第７転送多極子１５３を用いて６回非点を補正し、かつ、第１転送多極子１４１、第４転送多極子１４４、第５転送多極子１５１、および第８転送多極子１５４を用いて５次スター収差を補正する。
すなわち、収差補正装置２００では、第２転送多極子１４２、第３転送多極子１４３、第６転送多極子１５２、および第７転送多極子１５３は、６回非点を補正するための６回非点補正用多極子として機能し、第１転送多極子１４１、第４転送多極子１４４、第５転送多極子１５１、および第８転送多極子１５４は、５次スター収差を補正するための５次スター収差補正用多極子として機能する。
収差補正装置２００では、第１転送多極子１４１は、電磁場重畳４極子場に加えて８極子場を発生させる。同様に、第４転送多極子１４４は、電磁場重畳４極子場に加えて８極
子場を発生させる。同様に、第５転送多極子１５１は、電磁場重畳４極子場に加えて８極子場を発生させる。同様に、第８転送多極子１５４は、電磁場重畳４極子場に加えて８極子場を発生させる。
第１転送多極子１４１が発生させる８極子場、第２転送多極子１４２が発生させる８極子場、第３転送多極子１４３が発生させる８極子場、第４転送多極子１４４が発生させる８極子場、第５転送多極子１５１が発生させる８極子場、第６転送多極子１５２が発生させる８極子場、第７転送多極子１５３が発生させる８極子場、第８転送多極子１５４が発生させる８極子場、および第３多極子１３０が発生させる８極子場は、すべて同じ極性（同じ向き）である。
２．２． 動作
収差補正装置２００では、収差補正装置１００と同様に、球面収差、色収差、３回非点、４次コマ収差、５回非点、６回非点、および４回非点を補正できる。さらに、収差補正装置２００では、５次スター収差を補正できる。
第１多極子１１０および第２多極子１２０が発生させる６極子場に由来して６回非点が生じる。また、第１転送レンズ系１４０および第２転送レンズ系１５０が発生させる電磁場重畳転送４極子場に由来して５次スター収差が生じる。上述した収差補正装置１００では、第２転送多極子１４２、第３転送多極子１４３、第６転送多極子１５２、および第７転送多極子１５３を用いて６回非点を補正できるが、５次スター収差を補正できない。
ここで、５次スター収差は、上述した６回非点と同様に、スター収差と４回非点のコンビネーション収差として発生させることができる。
スター収差は、４極子場から発生させることができる。したがって、第１転送多極子１４１が発生させる４極子場、第４転送多極子１４４が発生させる４極子場、第５転送多極子１５１が発生させる４極子場、および第８転送多極子１５４が発生させる４極子場によって、スター収差を発生させることができる。
なお、第１転送多極子１４１、第４転送多極子１４４、第５転送多極子１５１、および第８転送多極子１５４は、上述したように色収差補正および球面収差補正のために、４極子場を発生させることができる。したがって、スター収差を発生させるために、第１転送多極子１４１、第４転送多極子１４４、第５転送多極子１５１、および第８転送多極子１５４に４極子場を発生させるための新たな極子を設ける必要はない。
４回非点は、８極子場から発生させることができる。したがって、第１転送多極子１４１が発生させる８極子場、第４転送多極子１４４が発生させる８極子場、第５転送多極子１５１が発生させる８極子場、および第８転送多極子１５４が発生させる８極子場によって、４回非点を発生させることができる。
このようにして第１転送多極子１４１、第４転送多極子１４４、第５転送多極子１５１、および第８転送多極子１５４において、スター収差と４回非点を発生させることで、スター収差と４回非点のコンビネーション収差として５次スター収差を発生させることができる。
収差補正装置２００では、第１転送多極子１４１、第４転送多極子１４４、第５転送多極子１５１、および第８転送多極子１５４が発生させた５次スター収差で、第１転送レンズ系１４０および第２転送レンズ系１５０が発生させる電磁場重畳転送４極子場由来の５次スター収差を打ち消す。これにより、収差補正装置２００では、５次スター収差を補正
できる。
収差補正装置２００では、６回非点補正用として用いた第２転送多極子１４２、第３転送多極子１４３、第６転送多極子１５２、および第７転送多極子１５３とは異なる多極子（第１転送多極子１４１、第４転送多極子１４４、第５転送多極子１５１、および第８転送多極子１５４）を用いて、５次スター収差を補正する。したがって、収差補正装置２００では、６回非点を補正した状態を維持しつつ、５次スター収差を補正できる。
２．３． 効果
収差補正装置２００では、収差補正装置１００と同様に、球面収差、色収差、３回非点、４次コマ収差、５回非点、６回非点、および４回非点を補正できる。さらに、収差補正装置２００では、５次スター収差を補正できる。
収差補正装置２００では、６回非点補正用多極子として、第２転送多極子１４２、第３転送多極子１４３、第６転送多極子１５２、および第７転送多極子１５３を用い、５次スター収差補正用多極子として、第１転送多極子１４１、第４転送多極子１４４、第５転送多極子１５１、および第８転送多極子１５４を用いる。したがって、収差補正装置２００では、６回非点を補正した状態を維持しつつ、５次スター収差を補正できる。
３． 第３実施形態
次に、第３実施形態に係る電子顕微鏡について図面を参照しながら説明する。図６は、第３実施形態に係る電子顕微鏡５００の構成を示す図である。
電子顕微鏡５００は、収差補正装置１００を含む。電子顕微鏡５００は、結像系５４０に収差補正装置１００が組み込まれた透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）である。電子顕微鏡５００は、図６に示すように、電子源５１０と、照射系５２０と、試料ステージ５３０と、結像系５４０と、検出器５５０と、を含む。
電子源５１０は、電子線を放出する。電子源５１０は、例えば、陰極から放出された電子を陽極で加速し電子線を放出する電子銃である。
照射系５２０は、電子源５１０から放出された電子線を試料Ｓに照射する。例えば、照射系５２０は、観察領域に対して平行ビームを照射する。照射系５２０は、複数のコンデンサーレンズ５２２を含む。コンデンサーレンズ５２２は、電子源５１０から放出された電子線を集束する。図示はしないが、照射系５２０は、コンデンサーレンズ５２２以外のレンズや絞りなどを含んでいてもよい。
試料ステージ５３０は、試料ホルダー５３２に保持された試料Ｓを支持する。試料ステージ５３０によって、試料Ｓを位置決めすることができる。
結像系５４０は、試料Ｓを透過した電子線で結像するための光学系である。結像系５４０は、対物レンズ２と、投影レンズ８と、を含む。対物レンズ２は、試料Ｓを透過した電子線でＴＥＭ像を結像するための初段のレンズである。投影レンズ８は、対物レンズ２によって結像された像をさらに拡大し、検出器５５０上に結像する。図１に示すように、対物レンズ２と収差補正装置１００との間には、転送レンズ４および転送レンズ６が配置されている。
収差補正装置１００は、結像系５４０に組み込まれている。収差補正装置１００は、結像系５４０（対物レンズ２）の収差を補正する。
検出器５５０は、試料Ｓを透過した電子を検出する。検出器５５０は、結像系５４０によって結像された像を撮影する。検出器５５０は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ等のデジタルカメラである。
電子顕微鏡５００では、電子源５１０から放出された電子線は、照射系５２０で集束されて試料Ｓに照射される。試料Ｓの観察領域には、例えば、平行ビームが照射される。試料Ｓを透過した電子線は、結像系５４０によって透過電子顕微鏡像（ＴＥＭ像）を結像する。ＴＥＭ像は、検出器５５０で撮影される。電子顕微鏡５００では、収差補正装置１００によって結像系５４０の収差を補正できるため、高分解能のＴＥＭ像を得ることができる。
４． 第４実施形態
次に、第４実施形態に係る電子顕微鏡について図面を参照しながら説明する。図７は、第４実施形態に係る電子顕微鏡６００の構成を示す図である。以下、第４実施形態に係る電子顕微鏡６００において、第３実施形態に係る電子顕微鏡５００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
上述した図６に示す電子顕微鏡５００は、収差補正装置１００が結像系５４０に組み込まれた透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）であったが、電子顕微鏡６００は、図７に示すように、収差補正装置１００が照射系５２０に組み込まれた走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）である。
照射系５２０は、電子源５１０から放出された電子線を集束して電子プローブを形成し、当該電子プローブで試料Ｓを走査する。照射系５２０は、複数のコンデンサーレンズ５２２と、偏向器５２４と、を含む。
複数のコンデンサーレンズ５２２は、電子源５１０から放出された電子線を集束して電子プローブを形成する。なお、対物レンズ２が試料Ｓの前方につくる磁界は、コンデンサーレンズ５２２とともに電子プローブを形成するためのレンズとして機能する。
偏向器５２４は、集束された電子線を二次元的に偏向する。偏向器５２４で電子線を偏向することによって、電子プローブで試料Ｓを走査できる。
収差補正装置１００は、照射系５２０に組み込まれている。収差補正装置１００は、照射系５２０（コンデンサーレンズ５２２）の収差を補正する。
結像系５４０は、試料Ｓを透過した電子線を検出器５５０に導く。検出器５５０は、例えば、試料Ｓで高角度に非弾性散乱された電子を円環状の検出器で検出する暗視野ＳＴＥＭ検出器であってもよいし、試料Ｓを透過して入射電子線と同じ方向に出射する透過波を検出する明視野ＳＴＥＭ検出器であってもよい。
電子顕微鏡６００では、電子源５１０から放出された電子線は、照射系５２０によって集束され電子プローブを形成する。電子プローブは、偏向器５２４によって二次元的に偏向される。これにより、電子プローブで試料Ｓを走査できる。試料Ｓを透過した電子線は、結像系５４０によって検出器５５０に導かれ、検出器５５０で検出される。例えば、電子プローブによる走査と同期して、試料Ｓ上を透過した電子を検出器５５０で検出することで、走査透過電子顕微鏡像（ＳＴＥＭ像）を取得することができる。電子顕微鏡６００は、収差補正装置１００を含むため、高分解能のＳＴＥＭ像を得ることができる。
５． 変形例
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
図８～図１１は、第１転送レンズ系１４０の変形例を示す図である。
上述した第１実施形態に係る収差補正装置１００では、図１に示すように、第１転送レンズ系１４０は、４つの多極子（第１転送多極子１４１、第２転送多極子１４２、第３転送多極子１４３、第４転送多極子１４４）で構成されていたが、第１転送レンズ系１４０を構成する多極子の数は特に限定されない。
図８～図１１に示すように、第１転送レンズ系１４０は、６つの多極子（第１転送多極子４０１、第２転送多極子４０２、第３転送多極子４０３、第４転送多極子４０４、第５転送多極子４０５、第６転送多極子４０６）で構成されていてもよい。
図８～図１１に示す６つの多極子は、図１に示す４つの多極子と同様に、それぞれが電磁場重畳４極子場を発生させる。これにより、負の色収差を発生させることができる。
また、図８～図１１に示す６つの多極子のうちの２つの多極子が６回非点補正用の多極子として機能し、６つの多極子のうちの２つの多極子が５次スター収差補正用の多極子として機能してもよい。
また、第１転送レンズ系１４０で転送するときの電子線の軌道は、図８～図１１に示すように種々の軌道を採用できる。
図示はしないが、上述したように、第２転送レンズ系１５０は、第１転送レンズ系１４０を９０°回転させた光学系である。
上述した第２実施形態に係る収差補正装置２００についても同様であり、第１転送レンズ系１４０を構成する多極子の数は特に限定されず、第１転送レンズ系１４０で転送するときの電子線の軌道として種々の軌道を採用できる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成を含む。実質的に同一の構成とは、例えば、機能、方法、及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成である。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
２…対物レンズ、４…転送レンズ、６…転送レンズ、８…投影レンズ、１００…収差補正装置、１１０…第１多極子、１２０…第２多極子、１３０…第３多極子、１４０…第１転送レンズ系、１４０ａ…第１光学系、１４０ｂ…第２光学系、１４１…第１転送多極子、１４２…第２転送多極子、１４３…第３転送多極子、１４４…第４転送多極子、１５０…第２転送レンズ系、１５０ａ…第１光学系、１５０ｂ…第２光学系、１５１…第５転送多極子、１５２…第６転送多極子、１５３…第７転送多極子、１５４…第８転送多極子、２００…収差補正装置、４０１…第１転送多極子、４０２…第２転送多極子、４０３…第３転送多極子、４０４…第４転送多極子、５００…電子顕微鏡、５１０…電子源、５２０…照射系、５２２…コンデンサーレンズ、５２４…偏向器、５３０…試料ステージ、５３２…試料ホルダー、５４０…結像系、５５０…検出器、６００…電子顕微鏡、１４１０ａ…
電極、１４１０ｂ…電極、１４１０ｃ…電極、１４１０ｄ…電極、１４１２ａ…磁極、１４１２ｂ…磁極、１４１２ｃ…磁極、１４１２ｄ…磁極

Claims (7)

  1. ６極子場を発生させる第１多極子と、
    前記第１多極子とは極性が逆の６極子場を発生させる第２多極子と、
    前記第１多極子と前記第２多極子との間に配置され、８極子場を発生させる第３多極子と、
    前記第１多極子と前記第３多極子の間に配置された第１転送レンズ系と、
    前記第３多極子と前記第２多極子との間に配置された第２転送レンズ系と、
    を含み、
    前記第１転送レンズ系は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる複数の第４多極子を含み、
    前記第２転送レンズ系は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる複数の第５多極子を含み、
    前記複数の第４多極子の各々が発生させる４極子場および前記複数の第５多極子の各々が発生させる４極子場によって、スター収差を発生させ、
    前記複数の第４多極子の各々が発生させる８極子場および前記複数の第５多極子の各々が発生させる８極子場によって、４回非点を発生させ、
    スター収差と４回非点のコンビネーション収差として６回非点を発生させる、収差補正装置。
  2. 請求項１において、
    前記第１転送レンズ系および前記第２転送レンズ系で６回非点を発生させることによって生じた４回非点を、前記第３多極子が発生させる８極子場で補正する、収差補正装置。
  3. ６極子場を発生させる第１多極子と、
    前記第１多極子とは極性が逆の６極子場を発生させる第２多極子と、
    前記第１多極子と前記第２多極子との間に配置され、８極子場を発生させる第３多極子と、
    前記第１多極子と前記第３多極子の間に配置された第１転送レンズ系と、
    前記第３多極子と前記第２多極子との間に配置された第２転送レンズ系と、
    を含み、
    前記第１転送レンズ系は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる複数の第４多極子を含み、
    前記第２転送レンズ系は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる複数の第５多極子を含み、
    前記複数の第４多極子の各々が発生させる４極子場および前記複数の第５多極子の各々が発生させる４極子場によって、スター収差を発生させ、
    前記複数の第４多極子の各々が発生させる８極子場および前記複数の第５多極子の各々が発生させる８極子場によって、４回非点を発生させ、
    スター収差と４回非点のコンビネーション収差として５次スター収差を発生させる、収差補正装置。
  4. ６極子場を発生させる第１多極子と、
    前記第１多極子とは極性が逆の６極子場を発生させる第２多極子と、
    前記第１多極子と前記第２多極子との間に配置され、８極子場を発生させる第３多極子と、
    前記第１多極子と前記第３多極子の間に配置された第１転送レンズ系と、
    前記第３多極子と前記第２多極子との間に配置された第２転送レンズ系と、
    を含み、
    前記第１転送レンズ系は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる複数の第４多極子を含み、
    前記第２転送レンズ系は、電磁場重畳４極子場と８極子場が重畳された場を発生させる複数の第５多極子を含み、
    前記複数の第４多極子のうちの６回非点補正用第４多極子が発生させる４極子場、および前記複数の第５多極子のうちの６回非点補正用第５多極子が発生させる４極子場によって、６回非点補正用のスター収差を発生させ、
    前記６回非点補正用第４多極子が発生させる８極子場および前記６回非点補正用第５多極子が発生させる８極子場によって、６回非点補正用の４回非点を発生させ、
    前記６回非点補正用のスター収差と前記６回非点補正用の４回非点のコンビネーション収差として６回非点を発生させ、
    前記複数の第４多極子のうちの５次スター収差補正用第４多極子が発生させる４極子場、および前記複数の第５多極子のうちの５次スター収差補正用第５多極子が発生させる４極子場によって、５次スター収差補正用のスター収差を発生させ、
    前記５次スター収差補正用第４多極子が発生させる８極子場および前記５次スター収差補正用第５多極子が発生させる８極子場によって、５次スター収差補正用の４回非点を発生させ、
    前記５次スター収差補正用のスター収差と前記５次スター収差補正用の４回非点のコンビネーション収差として５次スター収差を発生させる、収差補正装置。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
    前記第１多極子が発生させる６極子場および前記第２多極子が発生させる６極子場によって、負の球面収差を発生させる、収差補正装置。
  6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
    前記複数の第４多極子の各々が発生させる電磁場重畳４極子場、および前記複数の第５多極子の各々が発生させる電磁場重畳４極子場によって、負の色収差を発生させる、収差補正装置。
  7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の収差補正装置を含む、電子顕微鏡。
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