JPH01236563A - 電子顕微鏡における多目的開き角制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野〕 本発明は、最大の焦点深度の観察モードや最小のプロー
ブ径の観察モードに応じた開き角を設定することができ
る電子顕微鏡における多目的開き角制御装置に関する。

〔従来の技術〕

電子プローブを試料に照射して試料の観察、分析を行う
電子顕微鏡では、使用する任意のプローブ電流■、に対
して試料面上のプローブ径ｄｐを最小にする開き角α。

、ｔ（ＩＰ）や、与えられた観察倍率Ｍに対し焦点深度
ｌを最大にする開き角αｔ（ＩＰ）に近付けるため開き
角制御が行われている。例えば従来は、１段または２段
の集束レンズと対物レンズの間の対物絞り径を変えたり
、一定の対物絞り径に対して集束レンズの結像位置を集
束レンズと対物絞りとの間で変えて粗い近似的な開き月
利？１１を行っていた。

〔発明が解決しようとするｉ！！！題）しかしながら、
前者の対物絞り径を変えろ方式では、目的に応じてその
都度絞り径を変える必要があるため面倒であり、また、
後者の２段集束レンズ系において対物絞り、径を一定に
しておく方式では、全プローブ電流域（例えば１０−”
　Ａ〜１０−’Ａ）に対して、開き角を理想的な値にす
るのは実現が困難であるという問題がある。

第３図はビームの開き角と試料表面の凹凸との関係を説
明するための図であり、４は対物レンズ、５は試料面を
示す。

第３図のＰｌに示すように試料面においてビームの焦点
を合わせても、試料５面に凹凸があるとビームが拡がっ
てＰ２に示すようにボケが生じる。

このとき、小さい開き角のビームＢｌの場合には大きい
開き角のビームＢ２よりボケの幅は小さくなる。このよ
うに特に焦点深度が浅い場合には、照射ビームが試料表
面の凹凸によって大きく変化するため、横型の波長分散
型分光器やエネルギー分散型分光器（ＥＤＳ）のように
、試料表面の凹凸に強い（検出されるＸ線強度の変化が
少ない）分光器の特徴を十分に発揮できないという問題
がある。

本発明は、上記の問題点を解決するものであって、開き
角を目的に応じて任意に変えることができる電子顕微鏡
における多目的開き角制御装置を提供することを目的と
するものである。

〔課題を解決するための手段〕 そのために本発明は、２段の集束レンズと対物レンズと
を有する電子顕微鏡において、２段の集束レンズと対物
レンズとの間に開き角制御レンズを配置し、各レンズを
制御して任意のプローブ電流に対し対物絞り径を変える
ことな（観察するモードに応じた開き角を設定するよう
に構成したことを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明の電子顕微鏡における多目的開き角制御装置では
、２段の集束レンズと対物レンズとの間に開き角を目的
に応じて任意に変えることができる開き角制御レンズを
配置したので、任意のプローブ電流に対し対物絞り径と
プローブ電流を変えることなく、最小プローブ径となる
ｔｊＱ察モードや最大の焦点深度となる観察モードを自
由に選択することができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は本発明の電子顕微鏡における多目的開き角制御
装置の１実施例を示す図、第２図は焦点深度を説明する
ための図である。図中、１は第１集束レンズ、２は第２
集束レンズ、３は開き角制御レンズ、４は対物レンズ、
５は試料、６は対物絞り、７は電子銃、８は制御部、９
は走査表示部、１１〜１４はレンズ電源を示す。

第１図において、電子銃７から電子ビームが放出される
と、このビームが第１集束レンズ１及び第２集束レンズ
２によって集束され、試料５に照射される。この試料５
に照射されるプローブ電流ＩＰは半径ｒ、の対物絞り６
と第１集束レンズｌ及び第２集束レンズ２によって決め
られている。

開き角制御レンズＳは、プローブ電流Ｉｐを変えずに対
物レンズ４に入射するビームの角度を変え、結果的に試
料面に入射するビームの開き角αを変える。ここで、電
子銃７、第１集束レンズ１、第２集束レンズ２、開き角
制御レンズ３、対物レンズ４、試料５の間の各点、各主
面間の距離は図示のように順に Ｐ、Ｑ、Ｔ、Ｖ、Ｗ とする。これらの値は各レンズの励磁を大幅に変えた時
に生ずるレンズ主面位置のわずかなずれを除けば常に一
定とみなすことができるものである。

また、対物絞り６は開き角制御レンズ３の主面付近に配
置されている。レンズ電源１１〜１４は夫々第１１束レ
ンズｌ、第２集束レンズ２、開き角制御レンズ３、対物
レンズ４を駆動するための電源であり、後述するように
、制御部８によって各レンズに必要な焦点距離を与える
ように制御される。繰作表示部９は、電子プローブの加
速電圧やプローブ電流、また観察倍率や動作モードの選
択などを制御部８に与える。また、図示のハ、ＺＺ、Ｚ
ｌは第１集束レンズ１、第２集束レンズ２、開き角制御
レンズ３の主面から結像点までの距離である。

次に動作原理を説明する。

第２図に示すように開き角αのビームが試料面上で合焦
している時、観察倍率Ｍに対して像のぼけが無視できる
ような試料面の上下方向への許容範囲ｌ、つまり焦点深
度は ２α　　　　− ・・・・・・（２，１） で与えられる。ここでｄ、は合焦時のプローブ径で、ｒ
は人間の目の通常の分解能か又は無視できる像のボケの
量である。

なお、焦点深度Ｐやプローブ径ｄ、が開き角αの関数で
あることを強調するときは、それぞれを１（α）、Ｌ（
α）などと表記する。２＜０の時は、焦点深度Ｐは定義
されず１＆察倍率Ｍに制限が加わる。

次にプローブ径ｄｐ　（α）を求めるために、先ず β：電子銃の輝度 ｄ９　：ＴＬ電子銃仮想光源の大きさ ■１　：加速電圧 ΔＶ１　；電子ビームのエネルギー幅に相当する電圧又
は加速電圧の変動分 ｙ　％加速電圧の相対論補正値 ［〜Ｖ（１＋０．９７８　Ｘｌ０−６Ｖ）　（ポル））
）λ：電子線の波長 （〜１２．２６７ｒ〔入〕） ΔＩ／Ｉ　ｎ対物レンズ４の励磁電流のゆらぎＣ３＋球
面収差係数 Ｃｃ＋色収差係数 α：試料５に入射する電子プローブの開き角（半頂角） とおく。β−β（ｖｍ　）、ｄ、＝ａ＊　　（ｖ−）で
あるが、加速電圧Ｖ、および対物レンズ４と試料５との
距離Ｗを一定として考え、電子銃の種類を特定ずれ′ば
、β、ｄ９、λ、ΔＩ／Ｌ　Ｃｓ、Ｃ６は一定の値とみ
なすことができる。与えられたプローブ電流■、に対し
、その大部分（例えば７０％以上）が入るようなプロー
ブ径ｄ、はｄ、！　（α）±Ａα−”＋Ｂα：＋Ｃαｂ
・・・・・・（２，２） で表される。ここで である。

そこで、このようなａｐ”（α）、αに対して、ｌ（α
）を最大にするようなαの満たすべき条件を求める。簡
単のため、Ｌ＝２２、ｈ　＝　ｒ　／　Ｍとおけば、（
２，１）式は Ｌ−＜　ｈ−ｄｐ　）／α となる。従って ａα　　　　　　　　　　３α ａα　　　ｄｐ 故に３Ｌ／ａα−〇とおけば ｆ　（α）＝２Ｃα６−２Ａα−”十ｈｄｐ　＝０αく
α、でｆ（α）＜０ α〉α、でｆ（α）〉０ ただし、αはα、の近傍 ・・・・・・（２，３） を満たすようなα−αＬは２の極大値を与えることがわ
かる。なお、ｆ（α）はｆ９Ｌ１つαとは逆の符号であ
る。実際の装置で必要な現実的なα。

の値は数値計算によって容易に求めることができる。ま
たα、＝αＬ　　（Ｉｐ　９Ｍ’）である。

次に、ａａｐ／ａα＝０とおけば、公知のように Ｃ α〉０　　　　　　　　　　・旧・・（２，４）を満た
すようなα＝αｏ１は、プローブ径ｄｐの最小値を与え
ることがわかる。

以上のように、与えられたプローブ電流Ｉｐに対し、焦
点深度２を最大にするか又はプローブ径ｄ、を最小にす
るかの選択は、αＬかα。□かの選択に帰着される。

次にこれらの開き角α（■、）を得るための各レンズの
焦点距寵を求める。

先ず、αを試料に入射するビームの任意の開き角とする
。対物レンズ４の主面上でのビーｌ、の拡がりの半径Ｒ
４は Ｒ４（α）−ｗ・α　　　・・・・・・（２，５）であ
る。開き角制御レンズ３の主面上でのビームの拡がりは
、任意のプローブ電流ＩＰに対して半径ｒ、の対物絞り
内に限られるので ｒｓ　　　　　　Ｒ。

Ｚ、　　　　　Ｖ−Ｚ。

となる。従って、対物レンズ４の焦点距Ｍｒ４及倍率Ｍ
４は （Ｖ　　Ｚｓ　　（α））＋Ｗ ・・・・・・（２，７） ＭＩ　　（α）＝□ ＶＺｓ（α） ・・・・・・（２，８） となる。　　　　− また、開き角制御レンズ３の焦点距Ｍｒ　３及び倍率Ｍ
、は、プローブ電流値■、と第１集束レンズ１、第２集
束レンズ２の連動比ｋによって決まる未知のＺよ（Ｌ）
から （Ｔ　　Ｚｚ）＋Ｚｓ　　（α） ・・・・・・（２、９） と表すことができる。ここで、輝度保存則から・・・・
・・（２，１１） として得られる対物レンズ４のプローブ径ｄ４に対して
開き角制御レンズ３の倍率Ｍ３は次の条件を満足させる
必要がある。

Ｍ、ＭｔＭ、Ｍ、＝□　・・・・・・（２，１２）ＭＩ
　、Ｍｚは第１集束レンズ１、第２４ｉ束レンズ２の倍
イシである。ここで式（２，１０）、（２，１２）より
ＭＩ　ＭＩ　＝　（Ｔ　　Ｚｚ）・Ｅ ただし ・・・・・・（２，１３） であるから、一定のＭＩ−ＭＩ　、２ｇに対してＥは開
き角αに依存せず、プローブＴｉ’ｌｌ　Ｔ　ｐにのみ
依存する値にできる。つまりα＝α、とα＝α。。

、に対して同じＥにできる。従って Ｍ、Ｍ、＝　（Ｔ−Ｚ、（ＩＰ））Ｅｌ（１ｐ）・・・
・・・（２，１４） と表せる。

次に公知の手法によって、第１集束レンズ１と第２４！
Ｓ束レンズ２の焦点距離をｆ、、ｆ、とするとき、Ｍ、
Ｍ、　、Ｚ、は （Ｐ　　ｆｌ）　（Ｑ　　ｆｚ）　　Ｐ　ｒ＋・・・・
・・（２，１５） ・・・・・・（２，１６） と表せるので、式（２，１４）に代入し、第１集束レン
ズ１、第２集束レンズ２の連動比ｋを ｆｌ　／ｒｚ　＝ｋ　　　　　　・・・・・・（２，１
７）とおけば ｋ　　（Ｐ＋Ｑ＋Ｔ−−）ｆ、” −（ｋ　（Ｐ十Ｑ）Ｔ＋Ｐ　（Ｑ＋Ｔ）１　ｒｚ＋ＰＱ
Ｔ＝０　　　　　　　　　　・・・・・・（２，１８）
の形に整理される０式（２，１６）は第２集束レンズ２
の焦点距離ｆ２についての２次方程式なので、節単のた
めに ■ ａ　＝−ｋ　（Ｐ＋Ｑ＋Ｔ　−−） ｂミ□　（ｋ　（Ｐ＋Ｑ）Ｔ＋Ｐ　（Ｑ＋Ｔ））ｃ　＝
　Ｐ　ＱＴ　　　　　　　　　＝　（２、１９）とおけ
ば ａ　Ｅｘ　”　＋２　ｂ　ｆｇ　＋ｃ＝ｏ＋＋＋・・（
２，２０）従って、ｆｚ＞０Ｓａ（ＩＰ）＞０の条件か
らａ（Ｉｒ） ・・・・・・（２，２１） また式（２，１５）により ｆｌ　（ｂ　）＝ｋ　ｆｌ　（ｂ　）　　・・・・・・
（２，２２）となる。この連動比にの値は、電子光学系
に都合、敷く定められているもので、一定の値でも良く
プローブ電ｉ１ｒ又は目的に応じて変更しても良い。

弐（２，２１）と式（２，２２）を弐（２，１６）に代
入すればＺ２（ＩＰ）が求まり、これを弐（２，９）に
代入するとｆｉ（α、ＩＰ）が求められる。

従って任意のプローブ電流１ｐに対し、最も焦点深度を
深くするモードでは、式（２，３）から得られる開き角
αｔ（ｒｐ、Ｍ）を用いて、制御部８は ｆ、　　（ＩＰ）　　　　　　　　　ｓｅｅ　　（２，
２２）ｆ２（ｌｐ）　　　　　　　　　ｓｅｅ　　（２
，２１）ｆ３　（ａ、　　（Ｉｐ　、Ｍ）ｌｓｅｅ　　
（２，９）ｆａ　　［αｔ　　（Ｔｐ　、　　Ｍ）　１
ｓｅｅ　　（２，７）・・・・・・　（２，２３） のように各レンズの焦点距離を変えれば良い。

次に任意のプローブ電流Ｉ２に対し、最もプローブ径を
小さくするモードでは、式（２，４）から得られるα。

ｐｃ（Ｉｐ）を用いて、制御部８はｆｒ　　（Ｉｐ）　
　　　　　　ｓｅｅ　　（２，２２）ｆｚ　　（ｒｐ）
　　　　　　　　　ｓｅｅ　　（２，２１）ｆｒ　　（
α。ｐｔ　　（ＩＰ）　ｌ　　　ｓｅｅ　　（２，９）
ｆ＜　　（ｃｒｏｐｔ　　（ＩＰ）　）　　ｓｅｅ　　
（２，７）・・・・・・　（２，２４） のように各レンズの焦点距離を変えればよい。

次に、実際の動作を説明する。

制御部８は、電子銃の種類、加速電圧■、作動路ＭＷな
どが与えられると、必要とするプローブ７Ｓ、凍１ｐに
対し、これらのパラメータを参照し、レンズ電源１１．
１２にデータを送って第１集束レンズ１１第２集束レン
ズ２の焦点距離ｆ、、ｆ２を式（２，２３）、（２，２
４）で計算されるような値とする。

ここで、概作表示部９において焦点深度が深くなるよう
なモードが選択されていれば、観察倍率Ｍも参照して制
御部８はレンズ電源１３．１４にデータを送り、開き角
制御レンズ３、対物レンズ４の焦点距離ｆｓ、ｆ４を式
（２，２３）で計算されるような値とする。。

もし、艮作表示部９においてプローブ径が最小になるよ
うなモードが選択されていれば、制御部８はレンズ電源
１３．１４にデータを送り、開き角制御レンズ３、対物
レンズ４の焦点距離ｆ３、ｆ４を式（２，２４）で計算
されるような値とする。

以上により、任意のプローブ電流に対し、対物絞りを変
更することなく目的に応じた開き角の自動設定が可能に
なる。

また、集束レンズは２段であるため、十分な縮小率を短
い鏡筒で得ることができ、ライナーチューブもポールピ
ース内に容易に入れることができる。そして、開き角制
御レンズ３はもっばら開き角を目的に応じて変更するた
めに動作させることが可能になった。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。例えば上記の実施例では
、開き角制御レンズ３の結像点が開き角制御レンズ３と
対物レンズ４の間にある場合について説明したが、対物
レンズ４または試料５の後方に結像される場合でも全く
同様の手法で各レンズを連動させることができる。また
、本発明において説明した目的とするモードの選択（最
大焦点深度か最小プローブ径かの選択）は、夫々α１、
α。、ｔとなるようにすれば、３段の集束レンズと対物
レンズで構成した電子顕微鏡等において、その３段目の
集束レンズを開き角制御レンズとし、レンズ系を上記の
ように連動制御するように構成してもよい。さらに、実
施例においては１個の対物絞り径に対して説明したが、
必要に応じて複数個の絞りを用いてもよい。

（発明の効果〕 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、２段
の集束レンズと対物レンズの間に開き角を目的に応じて
任意に変えることのできる開き角制御レンズを配置した
ので、任意のプローブ電流Ｉ、に対し、対物絞り径とプ
ローブ電流Ｉ、を変えることなく与えられた観察倍率Ｍ
で最大の焦点深度を得ることができる。また、任意のプ
ローブ電流ｒｒに対し、最小のプローブ径となる観察モ
ードと、最大の焦点深度となる観察モードが、プローブ
電流ｒＰを変えることなくボタン又はキ−操作で選択で
きる。さらに、２段の集束レンズは鏡筒の長さを短かく
かつライナーチューブの使用を可能にすると共に、開き
角制御レンズはプローブ電流■、を変えることなく開き
角の制御にＬＩ／念できる。

また、各レンズは連動装置によって制御されるため、開
き角又はプローブ電流■、を変えても合焦状態は変化し
ない。

しかも、上記のように最大の焦点深度を得ることができ
るので、横型の波長分散型分光器やエネルギー分ｔｉｔ
型分光器（ＥＤＳ）のような試料の凹凸に強い分光器の
特徴を発揮できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電子顕微鏡における多目的開き角制御
装置の１実施例を示す図、第２図は焦＋−＋。 深度を説明するための図、第３図はビームの開き角と試
料表面の凹凸との関係を説明するための図である。 １・・・第１集束レンズ、２・・・第２集束レンズ、３
・・・開き角制御レンズ、４・・・対物レンズ、５・・
・試料、６・・・対物絞り、７・・・電子銃、８・・・
制御部、９・・・走査表示部、１１〜１４・・・レンズ
電源。 出　馴　入　　日本電子株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）２段の集束レンズと対物レンズとを有する電子顕
   微鏡において、２段の集束レンズと対物レンズとの間に
   開き角制御レンズを配置し、各レンズを制御して任意の
   プローブ電流に対し対物絞り径を変えることなく観察す
   るモードに応じた開き角に設定するように構成したこと
   を特徴とする電子顕微鏡における多目的開き角制御装置
   。