(57)【要約】      （修正有）【課題】多数の収束電子ビームを生成するコンパクトな装置により，電子ビームの数だけの倍数の高速電子ビーム観察や加工の手段を提供する。【解決手段】多数の孔の開いた永久磁石を用いた多孔磁界レンズにより電子ビームの配列を生成する。収束位置が孔の中心位置から円周方向にずれるので、このことを考慮した収束電子ビームアレイの生成システムとする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の荷電粒子ビーム（「荷電粒子ビームアレイ」と呼ぶことにする）を生成する手段（「荷電粒子ビーム源」と呼ぶことにする）と、該荷電粒子ビームアレイの通過する多数の孔の開いた複数の平板（「多孔平板」と呼ぶことにする）からなる電子レンズ（「多孔電子レンズ」と呼ぶことにする）とを備える荷電粒子ビームアレイの収束手段であって、各荷電粒子ビームの中心周りの標準偏差の２倍を該荷電粒子ビームの等価直径と呼ぶとき、
該荷電粒子ビーム源で生成され、該多孔電子レンズの各孔に入射する荷電粒子ビームの等価直径を、該多孔平板に開けた孔のうちの最大の直径の孔の直径の１／２以下にする手段を備える。
【請求項２】
請求項１の荷電粒子ビームアレイの収束手段であって、各孔を通過する荷電粒子ビームの中心と該孔の壁面との最小距離が該標準偏差の２倍以上であることを特徴とする。
【請求項３】
請求項１または請求項２の荷電粒子ビームアレイの収束手段であって、円周に沿って表面から裏面まで貫通した円環に近い形状の孔のアレイを備える多孔平板を備える。
【請求項４】
請求項１から請求項３までの荷電粒子ビームアレイの収束手段であって、該多孔電子レンズが多数の孔の開いた磁石（以下「多孔磁石」と呼ぶ）と多数の孔の開いた平板状の鉄または高い透磁率を備える材料からなる板（以下「多孔鉄板」と呼ぶことにする）とからなる磁界レンズ（「多孔磁界レンズ」と呼ぶことにする）である。
【請求項５】
請求項４の荷電粒子ビームアレイの収束手段であって、該多孔磁界レンズによる該荷電粒子ビームの該多孔磁界レンズの中心位置を中心とする円周方向の変位を抑制もしくは補正する手段を備える。
【請求項６】
請求項１から請求項５までのいずれかの荷電粒子ビームアレイの収束手段であって、該荷電粒子ビームアレイの収束位置に置かれた物体の位置を移動する手段を備える。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれかの荷電粒子ビームアレイの収束手段であって、該荷電粒子ビームの進行方向から見て、該荷電粒子ビームアレイの収束位置の手前に多数の孔の開いた固体撮像素子（「多孔検出手段」と呼ぶことにする）を備える。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれかの荷電粒子ビームアレイの収束手段であって、該荷電粒子ビームの進行方向から見て、多孔電子レンズの後方に、該荷電粒子ビームの方向を制御する偏向電極を備える。
【請求項９】
請求項１から請求項８までのいずれかの手段を備える撮像もしくは分析もしくは加工手段。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は，電子ビーム等の荷電粒子ビームアレイを用いた加工プロセスや計測の高速化技術に関する。以下では電子ビームアレイを例にして説明する。【０００２】  並列化は高速化のための基本技術の一つであり，加工，探診，検出，信号処理など，科学技術の様々の分野で活用されている。収束電子ビームについても，描画やＳＥＭ観察等の高速化のために並列化が試みられている。
【背景技術】
【ストリークカメラと多孔静電レンズによる超高速度連続撮影】
【０００３】  特許文献１には収束させた電子ビームアレイを超高速撮影技術に適用した例が開示されている。
【０００４】  ストリークカメラの入射窓に多数の孔を開け，光電面で生じる電子ビームアレイを，円盤状の金属板に多数の孔を開けてなる３枚の多孔金属電極を静電レンズアレイとして用いて収束させる。これにより多孔金属電極から電子ビームの収束位置までの飛距離が短縮され、各電子ビームの収束性が格段に向上する。
【０００５】  また静電レンズの後に，孔のピッチに対応するピッチの櫛形電極を装着して，孔ごとに局所的な一方向偏向電極対を構成する。これにより高い精度でビームを偏向することができる。
【０００６】  電子ビームが収束すると同時に、偏向による走査精度が上がるので，記録面をより有効に使え，同一の孔ピッチに対して、格段に多数の画像信号を記録できる。例えば収束倍率がＭのとき、ビームサイズは１／Ｍになるので、Ｍ倍の画像信号を記録できる。また走査速度が同じであれば、記録速度もＭ倍になる。
【０００７】  この特許は実施されていない。また，３枚の多孔金属板による電子ビームアレイの収束性や一様性についての検討結果は開示されていない。
【０００８】  技術的な懸念材料として，櫛型電極に加える高い周波数の偏向電圧と、静電レンズの電界が干渉を起こし、収束性を低下させる可能性が高いことが上げられる。
【０００９】  これに対して，特許文献２では，多孔金属板を用いた静電レンズのかわりに，多数の孔を開けた永久磁石（以後「多孔永久磁石」と呼ぶ）を用いて電子ビームアレイを収束させている。
【００１０】  多孔永久磁石による磁界レンズの偏向電圧に対する干渉性は低い。
【００１１】  また直交する２方向に偏向するために、各孔の出射側に、櫛形電極に代えて，２対の偏向電極を装着している。
【００１２】  これにより，収束した電子ビームを直線走査でなく折り返し走査や曲線走査することができる。例えば２方向の偏向電極に減衰正弦波形と減衰余弦波形の偏向電圧をかけるとビーム軌跡は収束螺旋となり、各孔の近傍の，孔のピッチを直径とする領域内を埋め尽くすことができる。
【００１３】  この場合は、電子ビームの直径が１／Ｍに収束すると，ビームスポットの走査方向，および直交方向ともにビーム幅が１／Ｍになり，ビームスポット面積は１／Ｍ２になる。従って同一記録面積に対して，記録できる画像信号数はＭ２倍になる。記録速度はＭ倍である。
【００１４】  しかしこの発明でも，電子ビームの収束性および一様性についての検討結果は開示されていない。
【多孔静電レンズによる並列電子ビーム描画】
【００１５】  特許文献３では，多孔金属静電レンズからなる電子ビームアレイの収束手段を用いた収束電子ビームアレイによる高速描画手段が開示されている。
【００１６】  この発明では、電子ビームアレイが、孔の位置からずれることを指摘している。これは３枚の多孔金属板を隔てるために金属板の周囲に沿って、金属板間に挿入した絶縁体が帯電するためである。したがってズレの大きさは、概絶縁体に近いほど大きく、該絶縁体の表面から各孔までの距離に従って指数関数的に減衰する。
【００１７】  この特許の主要な請求項は、該描画手段が、該ズレを考慮したものとなっていることである。
【円環型の孔の静電凹レンズ】
【００１８】  電子顕微鏡等の電子レンズを使った機器の空間分解能を制限していた大きな要因は電子レンズが基本的には凸レンズの機能しか持たないからであった。近年は様々な方法で凹レンズの機能を導入することで収差補正し，分解能を飛躍的に上げることに成功している。
【００１９】  特許文献４では、図１に示すように、金属板に円形の単一孔を開けた平板からなる静電レンズに，円環型（ドーナッツ型）の孔を開けた金属板からなる静電レンズを組み合わせた静電レンズ１００で，走査型顕微鏡の空間分解能を飛躍的に向上させている。この発明では，前者が凸レンズ機能を持ち，後者が凹レンズ機能を持っている。
【００２０】  該発明の請求項では，円形の孔の中心と円環型の孔の中心が，これらの孔を通る電子ビームの中心線と一致すること、および円形の孔の中心と円環型の孔を備える金属板面が、電子ビームの方向と直交することが第１条件として上げられ、請求項に掲げられている。
【００２１】  また，これらのレンズの孔のサイズ等を組み合わせて使用できるように，横向きに３個程度の円孔を可動ステージ上に並べたものを用意することも開示している。ただしこれは３組の孔で同時に観察するためではない。両側の孔を通る電子ビームは直線から変位するので、両側の孔では電子ビームが円形の孔と円環状の孔の両方の中心を通り、かつ両金属板面が電子ビームの中心線に直交するということはありえないからである。
【００２２】  ３組の孔の目的は、可動ステージをずらし、別の孔との組み合わせを使うことにより、通常の光学顕微鏡の場合と同様に、異なる倍率の観察を行うことである。
【孔の開いた検出手段】
【００２３】  特許文献５では、略中央部に１個の貫通する孔の開いた固体検出手段が開示されている。この孔を利用して、マニュピレータ、光、その他を通し、該検出手段の反対側にある材料の加工や観察を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】特願平５−６４１１３，出願人：浜松ホトニクス，発明者：木下勝之。
【特許文献２】特願２０１５−１３６４９９，出願人・発明者，江藤剛治・白神宏之。
【特許文献３】特願２０１１−１６４７７４，出願人：キャノン，発明者，野村和司。
【特許文献４】特願２０１７−５１５３９９，出願人：名古屋大学，発明者：川崎忠寛他。
【特許文献５】特願２０１４−１５０３７９，出願人：立命館大学，発明者：江藤剛治・下ノ村和弘。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】  円形の孔を開けた金属板と円環型の孔を開けた金属板からなる静電レンズ
【図２】  多孔磁界レンズの構造の例（予備検討モデル）
【図３】  多孔永久磁石の中間断面における  ｘ軸上のｚ方向の磁束密度分布
【図４】  多孔永久磁石の中間断面におけるｙ＝０．１ｍｍ上の孔の中心線に沿うｚ方向の磁束密度分布
【図５】  ３つのビーム形状に対する到達率と収束倍率
【図６】  多孔永久磁石の中間断面におけるｙ＝０．１ｍｍ上の孔列における電子ビームの収束と到達状況
【図７】  多孔磁界レンズの構造の例（改良モデル）
【図８】  改良したモデルに対する変位、到達率、収束した電子ビームの等価半径、収束倍率（孔径１００ミクロン、ビーム直径３０ミクロン、ｙ＝０．１ｍｍの孔列上）
【図９】  ビームの直径、孔径、加速電圧を変えた場合の収束倍率の比較
【図１０】  改良モデルでのビームの収束位置の変位特性
【図１１】  ｘ＝ｙ＝０．１ｍｍに１個の円環状の孔を備える金属板を入れた場合の多孔磁界レンズ
【図１２】  電子軌道の２次元計算結果：円環状の孔のかわりにスリットを入れない場合
【図１３】  電子軌道の２次元計算結果：スリットを入れた場合
【図１４】  本発明の第１の実施の形態
【図１５】  本発明の第２の実施の形態
【図１６】  本発明の第３の実施の形態
【図１７】  多孔検出手段
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】  通常の明細書では、研究成果は非特許文献として開示されているので、背景技術で説明される。ただし本発明の内容は、研究進行中の成果で未発表である。その成果の内容を見れば解決の方法がただちに想起される。背景技術にこれらの研究成果を含めると、これらの解決の方法が公知とみなされる。従って本発明に関わるこれまでの研究成果を発明が解決しようとする課題の中で説明する。
【多孔永久磁石を用いた磁界レンズの基本的特性】
【００２７】  多孔永久磁石を用いて電子ビームアレイを収束させるための電子レンズを「多孔磁界レンズ」と呼ぶことにする。この構造の例を図２に示す。図は多孔永久磁石１０２の断面図（１／４断面より少し広い）１０８と、多孔磁界レンズの磁石面とは直交方向の断面図（中心線から０．１ｍｍ離れた孔列の開いている断面）１０１を示す。この多孔磁界レンズに対して、３次元空間の電磁界シミュレーションを行った。
【００２８】  図２のモデル（「予備検討モデル」と呼ぶ）は，多孔磁界レンズの性能向上のための構造の改善等を行う前の予備検討のためのモデルである。これによって電子ビームアレイの生成条件と特性についての基本的な性質が明らかになった。
【００２９】  予備検討モデルは、多孔永久磁石１０２，前方ヨーク１０３，中央ヨーク１０４，後方ヨーク１０５，空間１０６，外周ヨーク１０７からなる。これらの断面は外周ヨークを除いて円形である。外周ヨークの断面は円環状である。
【００３０】  前方ヨーク，後方ヨーク，外周ヨークは一体化しており，多孔永久磁石および中央ヨークはこれらとは電気的に絶縁されている。このモデルでは前方ヨーク，多孔永久磁石、中央ヨーク，後方ヨークには同軸上に多数の孔が開いている。
【００３１】  図には記載していないが、これらは真空容器中に保持されている。
【００３２】  多孔永久磁石をヨークで囲むのは，磁力線のループをできる限りシステム内で完結させ，システム外部への磁力線の影響を最小限にとどめるためである。
【予備検討】
【００３３】  多孔永久磁石１０２の直径を６ｍｍとした。また外周ヨーク１０７の内径を８ｍｍ，外径を１０ｍｍとした。従って外周ヨークの厚さは１ｍｍである。
【００３４】  予備検討モデルでは、多孔永久磁石の孔，全てのヨークの孔とも直径は５０ミクロンとした。またピッチは２００ミクロンとし，正方格子点上に配置した。
【００３５】  ピッチは特許文献２に開示されている超高速撮像デバイスの孔のピッチやビームの直径等を参考にして決めた。当然，孔のピッチや直径は多孔磁界レンズの用途により異なる。
【００３６】  磁石面に平行な面を（ｘ，ｙ）平面とし，（ｘ、ｙ）平面の中心（０，０）は多孔永久磁石の中点とした。（ｘ、ｙ）平面に直交する方向をｚ方向とする。このモデルでは孔はｚ方向に平行である。
【００３７】  １／４の円より少し広い領域を対象として数値計算を行い、数値計算時間を短縮した。１／４円を対象にすると、計算領域の界面であるｘ軸またはｙ軸周辺で収束性に問題が生じたからである。電子の回転方向が決まっているとき、１／４円を対象にして計算すると、境界では電子軌道が（鏡面）対象ではないことが原因である可能性もある。
【００３８】  また孔の列もｘ軸、ｙ軸上に置かず、ｘ軸、ｙ軸が、孔列（孔行）の中間に来るようにした。孔のピッチは０．２ｍｍなので、中心に最も近いｘ方向の孔の列１０９は、ｙ方向に孔のピッチの１／２の０．１ｍｍ（１００ミクロン）だけずれている。ｙ軸に最も近い孔の列１１０もｘ方向に０．１ｍｍだけずれている。
【００３９】  電子ビームの空間電荷と、電子が螺旋を描き収束しながら進行することにより生成する自己磁場は考慮していない。
【００４０】  以上の条件のもとに，磁石，各ヨークの厚さ，ギャップの幅，加速電圧を調整して，磁石面の広い範囲にわたって収束倍率Ｍが１０以上になる条件を求めた。ここにＭは収束電子ビームの等価直径に対する入射電子ビームの等価直径の比である。また等価直径は，ビームの中心周りの標準偏差の２倍と定義した。例えば、直径３０ミクロンの中で一様分布する電子ビームの等価直径は２１．４ミクロンで、直径３０ミクロンの約７０％である。
【００４１】  入射電子ビームは一定の直径を保つ平行ビームとし、直径内の電子の分布は一様分布とした。電子ビーム源を点源としなかったのは、電子ビームの直径と孔の直径の関係が収束性等に及ぼす影響の検討を容易にするためである。
【００４２】  収束倍率Ｍの値が、磁石面の比較的広い範囲にわたって１０以上になるように調整した結果を調整した。そ結果、図２に示すように，前方ヨーク，多孔永久磁石、中間ヨーク、空間、後方ヨークの厚さはそれぞれ０．５５ｍｍ，０．６ｍｍ，０．６ｍｍ，０．６ｍｍ，０．５５ｍｍである。加速電圧は８ｋＶである。
【００４３】  図５に示すように，３つの電子ビーム形状について計算した。当初は電子ビームの直径を孔の直径と同じ５０ミクロンとした。検討の結果、この場合は電子ビームの変位による孔の壁面への衝突等の問題が生じることがわかったので、少し小さい３０ミクロンの孔の場合の計算も行った。また，電子ビームの外周に近い電子の挙動による収束性などへの影響を調べるために、５０ミクロンの外径で中央に３０ミクロンの孔が開いた円環状のビームの場合についても計算を行った。
【００４４】  結果を図３から図６に示す。
【００４５】  孔の形状と収束特性の関係を観察するために，中心に最も近いｘ＝ｙ＝０．１ｍｍの位置の孔を選び，上述の３つのビーム形状に対する到達率（入射電子数に対する収束位置に到達した電子の数の比）と，収束倍率を示した。結果を図５に示す。
【００４６】  図３と図４は直径方向（動径方向）の磁束密度の変化状況を見るために，直径５０ミクロンの孔の場合について，多孔永久磁石１０２の中間断面１１１におけるｚ方向の磁束密度分布（単位はＴ）を示す。図３はｘ軸上の分布を示す。この線上に孔は無い。図４はｘ軸に最も近いｙ＝０．１ｍｍの孔行の中心線１０９に沿う分布を示す。またこの行上の孔群における直径５０ミクロンの電子ビームの収束と到達の状況を図６に示す。
【００４７】（１）図３，図４より，磁石の半径３ｍｍに対して，半径約２ｍｍ以上の広い範囲にわたって，ほぼ一様な磁場強度となり，辺縁の境界条件が大きく影響する範囲は外縁から１ｍｍ以下の範囲であることが分かった。これは予想外に望ましい結果であり，以後の計算を推進する契機となった。
【００４８】（２）図５より，中心に最も近い孔では，ビーム直径が３０ミクロンのとき収束倍率が５２倍と非常に大きい。５０ミクロンのビームと円環状のビームの収束倍率は約２０％と同程度である。すなわち、電子ビームが孔壁に近いと孔壁への衝突や、孔壁近傍の電子の運動と磁場の間の何らかの干渉による非線形効果のために、収束倍率が大きく下がる。
【００４９】  直径３０ミクロンの入射ビームの等価直径は２１．４ミクロンである。すなわち５０ミクロンの孔の直径の４２．８％である。一方、５０ミクロンのビームの等価直径は３４．２ミクロンで５０ミクロンの孔の直径の６８．４％である。
【００５０】  したがって、等価直径が孔の直径の１／２程度以下であれば、少なくとも磁石の中心部の孔では高い収束倍率が得られるが、２／３程度では収束性能が著しく低下することがわかる。
【００５１】（３）図６より，直径５０ミクロンの電子ビームの場合、中心に最も近いｙ＝０．１ｍｍの位置の孔での収束倍率は２３．３倍で，到達率（収束位置への到達電子数／入射電子数）は中心に最も近い孔であっても９９．１％で、残りの０．９％は孔の壁面に衝突して消滅している。なお、入射電子のビーム内の発生位置はモンテカルロ法で生成しているため、図５と図６の５０ミクロンの電子ビームの収束倍率は２１．９倍と２３．３倍のように少し異なる。
【００５２】（４）また、中心から外部に向かうに従って収束倍率は下がるが，多孔永久磁石の半径３ｍｍに対して、中心から半径２．５ｍｍという非常に広い範囲で収束倍率Ｍが約１０倍もしくはそれ以上を達成している。表には示していないが，その外部の２つのビームは孔の壁面に衝突して消滅している。
【００５３】（５）外部に向かうに従ってビームの収束位置の（ｘ，ｙ）断面での中心位置に対する変位（中心変位）が大きくなっている。
【００５４】  以上より，ビームの直径が孔の直径と同程度であると，ビームの外縁に近い電子が孔の壁面に衝突して消滅する。または，何らかのひずみのある運動を生じて収束倍率を下げる。ビームの等価直径が孔の直径の１／２であれば、少なくとも中心極近傍の孔では高い収束性が得られる。
【改良モデル】
【００５５】  図７に改良モデル１１２を示す。予備検討の結果の観察からｚ方向について対象性がみたされる方が良いと判断した。したがって改良モデルは多孔永久磁石の中心断面１１１に関して対称になっている。多孔永久磁石１１３，ヨーク間ギャップ１１４，各ヨーク１１５の厚みをパラメータとしてパラメータサーベイを行い，Ｂｚ（ｚ方向磁束密度），Ｂｒ（動径方向磁束密度）の変化がなるべく少なくなるような条件を探った。
【００５６】  その結果を基に，磁石の厚みおよびヨーク間のギャップを薄くし，前方および後方ヨーク部分を厚くした。
【００５７】  予備検討で、孔の直径５０ミクロロンより、ビームの直径が小さい３０ミクロンの場合の収束性が高かったので、ビーム直径を３０ミクロンに固定して、孔の直径をより大きい７５ミクロンと１００ミクロンに広げた場合も検討した。
【００５８】  その結果、解決すべき課題がより明確になった。
【００５９】  図８に図７の改良モデル１１２に対して、孔径が１００ミクロン、入射電子ビームの直径が３０ミクロン、加速電圧が６ｋｅＶの場合の、ｘ軸に一番近いｙ＝０．１ｍｍの孔列での変位１１６、１１７、１１８、到達率１１９、収束した電子ビームの等価半径１２０、収束倍率１２１を示している。
【００６０】  図９に，ビームの直径、孔径、加速電圧を変えた場合の収束倍率１２２、１２３、１２４，１２５を比較している。図１０に図８の場合の変位特性１１６、１１７、１１８を示している。各電子ビームの出射位置の（ｘ，ｙ）座標と、収束点における座標の差を表示している。これらから以下のことがわかる。
【００６１】（１）孔の直径と電子ビームの直径の比と収束倍率の関係
【００６２】  図９からわかるように、ビームの直径を３０ミクロンにし、孔の直径を７５ミクロンから１００ミクロンに広げると、５０ミクロンの場合に比べて収束倍率が５０以上の範囲が広がる。
【００６３】  一方、最大収束倍率は、いずれの場合も磁石の中心に近い孔で生じ、孔が５０ミクロン（等価直径の２．３倍）の場合は５２倍、７５ミクロン（３．５倍）では５７倍、１００ミクロン（４．７倍）では５０倍と大きくは変わらない。また７５ミクロンの場合が最大である。
【００６４】  中心付近の孔では電子ビームの変位の影響をほとんど受けていない。したがって孔の直径と電子ビームの等価直径の比を「直径比」と呼ぶとき、直径比が２以上であれば、中心付近の孔の場合、もしくは孔が中心に１個しかない場合は最大収束倍率に近い倍率が得られることがわかる。また直径比が３程度で収束倍率が最大となり、５に向かって緩やかに低下することがわかる。
【００６５】  直径比が小さすぎると収束性に悪影響を及ぼし、大きすぎると収束効果がきかなくなり、その間に最適の直径比が存在するであろうことは事前に予想していた。その限界が約３であることは物理的に納得できる結果である。例えば磁界や電界の減衰率は距離とともに指数関数的に低下し、ｅｘｐ（−３）＝０．０５、ｅｘｐ（−５）＝０．００７である。したがって収束への悪影響も、収束効果（正の効果）も直径比が５程度では小さくなることが予想される。最適値があるとすれば、５より小さい値である。一方、５０ミクロンの孔と５０ミクロンのビーム（等価直径３５．７ミクロン）の場合、直径比１．４に対して収束倍率は２１．９しかない。従って直径比が約３のとき、変位の影響を受けない中央付近の孔では最大収束倍率を取ることは納得できる結果である。
【００６６】  以上の電子ビームの広がりと孔の壁面の影響との関係は、電界の影響による動径方向の変位や磁界による円周方向の変位の影響を受けない中心に近い孔についての検討であり、また壁からの影響ではなく、ビームの広がりのみを基にした検討である。従って、孔の周りの磁界で収束させる場合に限らず、孔の周りの電界で収束させる多孔静電レンズの場合にも成り立つはずである。
【００６７】  また、以上の検討の対象は、電子ビームが最初に収束効果を受ける位置、すなわち実質的には多孔永久磁石の前面付近で成り立つ。収束が進めば、それに伴って最大収束倍率を与える孔の直径は、直径比３程度を保ちながら、小さくなるはずである。
【００６８】（２）電子ビームの変位と収束倍率の関係
７５ミクロンの孔ではｘ＜０．９ｍｍの範囲で５５程度のほぼ一定の収束倍率が得られる。１００ミクロンの孔では、磁石の半径３ｍｍに対して、ｘ＜１．９ｍｍという広い範囲にわたって５０倍程度のほぼ一定の収束倍率が得られる。またｘ＜２．５ｍｍというほとんど全領域で４０倍以上の収束倍率が得られた。このとき、最外縁の孔にいたるまで到達率は１００％である。
【００６９】  図８および図１０より、収束点の変位はｙ方向変位（ｘ軸近傍の孔列を対象にしているので円周方向の変位）が支配的である。
【００７０】  ｘ方向変位は、孔列の位置が中心軸から０．１ｍｍずれているためであるかもしれない。もしそうであれば、変位は実質的に円周方向のみになる。このことを証明するには、磁石の全円領域を対象にし、ｘ軸、ｙ軸上に孔を開けた例のシミュレーションが必要である。特許申請の時間との関係で、まだ計算は行っていない。
【００７１】  また図１０より、直径１００ミクロンの孔ではｘ＜１．９ｍｍの範囲で、変位は中心からの距離に比例する。その外部では永久磁石の辺縁の境界条件で非線形的に変位が増大する。
【００７２】  ｘ＝１．９ｍｍにおける変位は１２．８ミクロンである。この変位量を孔の半径５０ミクロンから差し引き、電子ビームの標準偏差（等価半径）で割ると約３．５である。同様の検討を７５ミクロンの孔に対して行うと２．５程度となる（この図は記載していない）。すなわち、ビームの中心と孔の壁面との距離が、等価半径の３倍程度になると収束性への悪影響が現れ始めることがわかる。
【００７３】  以上より、孔が面に垂直ではなく、角度を持って電子ビームの中心軌道に沿っていれば、ビームの変位による影響を受けにくいことがわかる。例えば、５０ミクロンの孔（等価直径の２．５倍）でも、孔の中心線が電子ビームの中心軌道に一致していれば、磁石面の広い領域にわたって高い収束倍率が得られることが期待される。
【００７４】  またこのことは、電子ビームが収束するに従って、直径比を３倍程度を保つように孔の直径を小さくしていけばより高い収束倍率が得られることを示している。この場合は磁石の孔だけでなく、ヨークの孔についても直径を変えていくと良いと考えられるが、まだ計算は行っていない。
【００７５】  また、孔の直径が一定で、磁石の直径が大きく、それに伴って変位がより大きくなる場合には、孔の壁と電子ビームの中心との距離が等価半径の３倍程度になるように孔の直径を決めれば良いことがわかる。
【００７６】  以上のことは永久磁石を用いる永久磁石レンズの場合に限らず、原因は違っても、電子ビームの変位を伴う多孔静電レンズの場合にも一般的に成り立つはずである。また電子ビーム以外の荷電粒子を多孔電子レンズで収束させる場合もほぼ同様の関係が成り立つはずである。
【００７７】（３）ビームのサイズと形状
【００７８】  入射ビームの等価直径は２１．４ミクロンで、直径７５ミクロンの孔の場合の収束倍率は５６倍程度であるから、収束ビームの等価直径は０．３８ミクロン程度である。これは光学顕微鏡の分解能と同程度である。
【００７９】  この程度の空間分解能は、金属の表面構造や、細胞試料表面の化学分析には十分役立つ。また特許文献２の超高速撮影手段への適用に対しては十分すぎるほど高い収束倍率である。
【００８０】  孔の直径を小さくすること等により、空間分解能を１０倍以上に上げることもできると考えられる。現在の半導体製造の最先端プロセスは２０ナノメートル（０．０２ミクロン）プロセスであるから、これらの用途に対しても十分適用可能である。
【００８１】  図表には示していないが、収束したビームの形状を等高図で表すと、中心付近のビームでは円形であるが、周辺部に向かうに従って、少し歪んで楕円になる。
【００８２】（４）ビームの変位の理由
【００８３】  永久磁石レンズで電子ビームの変位が起きるのは以下のような理由によると考えられる。
【００８４】  ｚ軸を上向きとする。図７の改良モデルでは、磁場はｚ方向で磁力線は磁石システムの外周ヨークの内側の磁石の中央部ではｚ軸とほぼ平行である。電子の平均進行方向もｚ軸とほぼ平行であるが、向きはｚ軸方向であるから電流はｚと逆方向である。すなわち、電流と磁界の方向が平行であるので電子は力を受けない。
【００８５】  磁力線は閉じる必要がある。磁力線は磁石システムの上端から湧き出して広がる。次に外周ヨークの中を下向に進んで、下端部での吸い込みにより内側に回り込んで磁石の中央部の上向きの磁力線に接合する。この湧き出しと吸い込みによりｚ軸と直角方向（動径方向）の磁力が生じる。
【００８６】  上端部の断面を上から見ると、磁力は外向きで、電流は下向きである。中心から右に向かうｘ方向の磁力線を考える。フレミングの左手の法則によれば、電流（中指）は下向き、磁力線（中指）は右向きなので、電子にかかる力（親指）は上向きである。すなわち反時計回りの力を受ける。
【００８７】  下端部では逆に反時計回りの力を受ける。従ってｘ軸に最も近い孔列では、中心から離れるに従って、ｙの正方向に変位する。
【００８８】  下端部の断面を上から見ると、磁力線は内側に向かう。したがって電子は時計回り方向の力を受ける。
【００８９】  従って磁石システムをｚ軸に対して、できるだけ対称にすると、入射側と出射側の変位が相殺され、収束点での変位が小さくなる。図７の改良モデルは、このようなことは考えず、シミュレーションを繰り返して収束性を上げていくうちに、結果的に対称構造になった。
【００９０】  この構造にいたるまでの計算結果では変位ははるかに大きかった。理論的予測としては、各ビーム源が点源であれば、ビーム源と収束点の位置の変位が実質的にゼロの条件が存在するものと考えられる。
【００９１】  これはコンフォーカル顕微鏡や、多重周回飛行時間型質量分析計において、適切な条件が満たされると、光源やイオン源の位置と、収束点との位置関係が保たれることと類似している。
【００９２】  正確には、電子はスパイラル運動によりｚ方向とは垂直方向の円周方向成分を持つので孔の中心に収束して行く。現段階では、このようなビームの自己磁場や、電子の空間電荷等は考慮していない。また、電子ビームの直径も変わっていくことや、ｘ軸に最も近い孔列であってもｘ軸から０．１ｍｍ離れていることによる変位などについてもまだ分析されていない。
【００９３】  しかし以上より，多孔永久磁石を用いた磁界レンズを用いた電子ビームアレイの収束技術の以下のような基本的な長所が明らかになった。
【００９４】（１）コンパクトで簡単なシステムで、磁石の辺縁領域を除く広い範囲にわたって５０倍程度の収束倍率が得られる。
【００９５】（２）ビームの直径が５０倍となると、ビームの面積は２５００倍となるので，特許文献２で示されている超高速撮影のために使うと，ビームを収束させない場合に対して５０倍の速度で２５００倍の画像信号を記録できる。
【００９６】（３）ｘ＝２ｍｍ程度まで使う場合，面積は１２．５６平方ミクロンである。孔のピッチは０．２ｍｍであるから，１個の孔の支配領域は０．４平方ミクロンである。したがって孔の個数はこれらの面積の比になるので３１４個になる。従って本発明を並列処理による高速分析や高速加工に使用すると，分析・加工速度は３１４倍になる。
【００９７】（４）今回の解析では、超高速度撮影への適用を例として、孔のピッチを２００ミクロン、孔径を１００ミクロン程度とした。これらを１／１０から１／１００に線形的にスケールダウンすることができると仮定すると、直径数１０ナノメートルから数ナノメートルの収束電子ビームアレイが提供される。
【００９８】  一方、多孔永久磁石を用いた磁界レンズの解決すべき課題と、それらの解決の方針は以下のとおりである。
【００９９】  収束性は２つの原因で悪影響を受ける。直径比が２以下であると、中心近くのビームの変位をほとんど受けない孔でも収束性が下がる。
【０１００】  第２の原因は電子ビームの変位である。電子ビームの進行方向をｚ方向、ｚ方向に垂直な面を（ｘ，ｙ）平面とするとき。電子ビームの出射位置の（ｘ，ｙ）座標と収束位置の座標との関係に変位が生じる。変位の大きさは電子ビームの（ｘ，ｙ）平面での中心からの距離が大きいほど大きい。孔の直径が大きい場合には、変位の方向は実質的に円周方向で、その大きさは、多孔永久磁石の辺縁の境界条件を大きく受ける部分を除いて、実質的に中心からの距離に比例する。
【０１０１】  その標準的な対策は、電子ビームの変位や収束の原因と特性を明らかにして、磁石の強度、孔の位置関係や形状等を決めることである。数値計算技術の進歩でこのような検討が可能になった。
【０１０２】  中心に孔が１個だけある場合でも、少なくとも電子ビームの等価直径の２倍の直径の孔が必要である。多数の孔がある場合には、変位と収束度に応じて、ビームの中心と孔の壁面との距離が、ビームの等価半径の３倍以下にならないようにする必要がある。
【０１０３】  また多孔磁界レンズの構造を、電子ビームの進行方向の中心点における断面に対してできる限り対称にし、電子ビームの該中心点にいたるまでの変位と、中心点以後の逆方向への変位を相殺させる。
【０１０４】  中心に孔が１個だけある場合でも、少なくとも電子ビームの等価直径の２倍の直径の孔が必要である。多数の孔がある場合には、変位と収束度に応じて、ビームの中心と孔の壁面との距離が、ビームの等価半径の３倍以下にならないようにする必要がある。
【０１０５】  このためには、孔の方向を電子ビームの変位の方向に合わせ、電子ビームが孔の中心を通るようにする。
【０１０６】  一方、孔の直径が電子ビームの数倍以上の場合は、孔の直径が小さい方が収束性が高いので、電子ビームの収束に合わせて、孔の直径を縮小すればより高い収束性が実現できる。
【０１０７】  当然、各電子ビームの検出位置、もしくは加工位置はビームの変位位置に合わせなければならない。
【０１０８】  このための解決手段の一つは、多孔永久磁石による磁界レンズシステムの出射側に電子ビームの偏向手段を備えることである。電子ビームの偏向により変位を補償する。
【０１０９】  多孔金属板を重ねて成る多孔静電レンズによる電子ビームの収束特性も、ビーム直径と孔の直径、およびビームの変位の特性との基本的関係は多孔磁界レンズによる電子ビームの収束特性と同じはずである。違うのは変位の方向と大きさだけである。多孔磁界レンズを用いる場合は変位の方向は円周方向であったが、円形の多孔静電レンズの場合は動径方向に変位する。
【磁界レンズと円環状の孔を備える静電レンズの組み合わせの予備検討】
【０１１０】  電子レンズは通常、凸レンズとして機能する。電子ビームに対して凹レンズとして機能する手段と組み合わせると、収束性はさらに高まる。
【０１１１】  特許文献４では、図１に示すように、円孔の開いた静電レンズの直下に、円環状の静電レンズを置いて凹レンズとして機能させることで静電レンズ１００の収束性能を格段に向上させた。従って磁界レンズの場合も円環状の静電レンズによって収束性が向上するはずである。
【０１１２】  図７の改良モデルの孔の後方スペースに円環状の孔を備える静電レンズを装着することを想定し，シミュレーションを行った。円環状の孔が電子ビームの収束性を高めるかどうかを検討するために、図１１に示すように、ｘ＝ｙ＝０．１ｍｍの中心に最も近い孔の位置に１個の円環状の孔１２７を備える金属板１２６を備える場合についてシミュレーションを行った。ただしこの計算は効果があるかどうかだけを確かめるための計算であるので、（ｙ，ｚ）の２次元のシミュレーションを行った。従って円環状の孔はスリットとして現われる。
【０１１３】  このスリットがある場合と無い場合の電子軌道の計算結果を示す。図１２はスリットが無い場合、図１３はスリットを入れた場合である。これらの図では、ｙ＝０．１ｍｍの位置にある孔径１００ミクロンの孔を通過した電子ビームの軌跡の上半分１２８、１２９を示している。それぞれの図では電子ビームの収束点付近の拡大図１３０、１３１も示している。これらの計算では最適化などは行わず、仮に円環状の孔のある静電レンズを入れてみた計算である。それでも図の収束電子ビームの半径１３２、１３３の比較からわかるように，円環状の静電レンズを入れることで，電子ビームの直径は１／２程度になっている。従って、円環状の静電レンズの凹レンズ効果によりより高い収束倍率が得られることは確かである。
【０１１４】  また、円環状の孔のある静電レンズを入れた場合には、拡大図１３１からわかるように、収束したビームも中央に孔の開いた円環状になっている。最適化していけば、このビーム形状は孔のない円形になることが期待される。この場合は、収束したビームの円環の幅が十分狭いことから、より高い収束倍率になることが期待される。
【０１１５】  特許文献４では静電レンズの円形の孔と円環型の孔の中心線と電子ビームの中心線が一致し、孔の開いたプレートが電子ビームの方向と直交するという条件を満たすことを重要な条件とし，請求項に掲げている。
【０１１６】  しかし改良モデルの数値計算の例からもわかるように，電子ビーム軌道の微妙なずれ等も先端的な数値計算技術で高い精度で計算できる。電子ビームの変位の方向に従って、孔をヨークや永久磁石の面に対して傾斜させても良いし、電子ビームの収束に応じて孔の直径を、ヨークや永久磁石の中で変えても良い。本文書には記載していないが、中心部から離れると、電子ビームの形状は円形から少し歪む。この場合、円形の孔の形を歪ませる効果は小さいが、円環状の孔は、狭い円環状の隙間を通るので、円環状の孔の形をビームの歪みに合わせて歪ませることで収束性をより高めることができるはずである。
【孔開き固体検出手段】
【０１１７】  多孔永久磁石で生じた収束電子ビームアレイを観察に使う場合、並列観察走査電子顕微鏡となる。走査電子顕微鏡では、電子ビームの照射で生じる後方散乱電子、２次電子、蛍光、Ｘ線、透過電子等を用いる。このうち、透過電子を用いる方法がＳＴＥＭ（走査透過型電子顕微鏡）である。試料の背面からの出射光が蛍光、Ｘ線等の場合もＳＴＥＭ構造を用いることができる。
【０１１８】  後方散乱電子、２次電子、蛍光、Ｘ線等を用いる場合は、電子ビームの照射方向とは逆方向に向かってくる光子や粒子を検出する必要がある。特許文献５で示すような孔開き検出手段を多孔型とし、検出面を磁界レンズ側ではなく、試料側に向ければ、返って来る蛍光や２次電子、イオンを受けることができる。多孔永久磁石を用いる磁石システムでは、検出手段も多孔検出手段となる。該検出手段は使用目的を考慮して「多孔検出手段」と呼ぶことにする。
【０１１９】  ただし２次電子や負のイオンを受ける場合は、孔の周辺の電界が試料方向に向いているので、検出面に相対的に正の電位を与え、孔の近傍以外では検出面に向かう逆向きの電界を形成する必要がある。
【０１２０】  また、多孔検出手段を検出手段とする場合は、電子ビームの方向は、多孔検出手段の孔の方向に固定されるので、偏向電極等で電子ビームの方向を急速に変えることができない。したがって試料の全面を走査するために、試料を乗せたステージを高速かつ微動するための手段を備える必要がある。
【課題の解決の方法】
【０１２１】  複数の荷電粒子ビーム（「荷電粒子ビームアレイ」と呼ぶことにする）を生成する手段（「荷電粒子ビーム源」と呼ぶことにする）と、該荷電粒子ビームアレイの通過する多数の孔の開いた複数の平板（「多孔平板」と呼ぶことにする）からなる電子レンズ（「多孔電子レンズ」と呼ぶことにする）とを備える荷電粒子ビームアレイの収束手段であって、各荷電粒子ビームの中心周りの標準偏差の２倍を該荷電粒子ビームの等価直径と呼ぶとき、
該荷電粒子ビーム源で生成され、該多孔電子レンズの各孔に入射する荷電粒子ビームの等価直径を、該多孔平板に開けた孔のうちの最大の直径の孔の直径の１／２以下にする手段を備えることにより、
少なくとも該多孔電子レンズの中心付近では高い収束倍率を得ることができる。
【０１２２】  さらに、各孔を通過する荷電粒子ビームの中心と該孔の壁面との最小距離が該標準偏差の２倍以上であることを特徴とすることにより、
荷電粒子が孔壁に衝突すること、もしくは近づくことによる比線形的な影響で収束倍率が低下することを防ぐことができる。
【０１２３】  さらに、円周に沿って表面から裏面まで貫通した円環に近い形状の孔のアレイを備える多孔平板を備えることにより、
該円環状の孔の開いた金属板に適当な電圧をかけることにより、該金属板の各孔が凹レンズの役割を果たし、該荷電粒子ビームアレイの収束性を高めることができる。
【０１２４】  さらに、該多孔電子レンズが多数の孔の開いた磁石（以下「多孔磁石」と呼ぶ）と多数の孔の開いた平板状の鉄または高い透磁率を備える材料からなる板（以下「多孔鉄板」と呼ぶことにする）とからなる磁界レンズ（「多孔磁界レンズ」と呼ぶことにする）であることにより、
周囲の電界の変化による該荷電粒子ビームアレイの収束性への影響を抑制でき、かつ簡単な構造の多孔電子レンズを提供する。
【０１２５】  さらに、該多孔磁界レンズによる該荷電粒子ビームの該多孔磁界レンズの中心位置を中心とする円周方向の変位を抑制もしくは補正する手段を備えることにより、
該荷電粒子ビームアレイの収束手段を用いて行う加工、観察、化学分析等の高精度化と、それらの結果を直交座標に対して開発された通常の画像処理ソフトで解析することを容易にする。
【０１２６】  さらに、該荷電粒子ビームアレイの収束位置に置かれた物体の位置を移動する手段を備えることにより、
該荷電粒子の収束位置を、該収束位置に置かれた試料等の表面上をくまなく走査させることができる。
【０１２７】  さらに、該荷電粒子ビームの進行方向から見て、該荷電粒子ビームアレイの収束位置の手前に多数の孔の開いた固体撮像素子（「多孔検出手段」と呼ぶことにする）を備えることにより、
該多孔電子レンズの孔を通過し、さらに該多孔検出手段の孔を通過した該荷電粒子ビームが試料の表面上で収束することによって生じる電磁波や荷電粒子等を該多孔検出手段で検出し、面的な成分分析をすることができる。
【０１２８】  さらに、該荷電粒子ビームの進行方向から見て、多孔電子レンズの後方に、該荷電粒子ビームの方向を制御する偏向電極を備えることにより、
該荷電粒子ビームの収束位置を短時間で走査できる。また偏向電極に加える電圧の平衡電圧を該多孔電子レンズの中心からの距離に応じて変えることにより、該多孔電子レンズによる収束位置の変位を補正できる。
【０１２９】  さらに以上のいずれかの手段を備える撮像もしくは分析もしくは加工手段により、
試料の面的な観察、分析、加工を超高速化ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【第１の実施の形態】
【第１の実施の形態の構成】
【０１３０】    図１４に本発明の第１の実施の形態を示す。特許文献２で開示された超高速撮像手段１３４である。この実施の形態では、超高速撮影のために入射光量が極めて少ないので、マイクロチャンネルプレート（以後「ＭＣＰ」と書く）による電子増倍を導入して超高感度化を図っていること、および高速で各電子ビームを偏向させて収束点の軌跡を収束螺旋形状にさせているに特徴がある。一方、収束倍率は５０倍で十分である。
【０１３１】  レンズ１３５から入射した光１３６はマイクロレンズアレイ１３７で遮光膜１３８に開けられた孔１３９に集光し、光電面１４０で電子流１４１に変換される。レンズは鏡筒１４２で保持されている。光電面１４０から検出手段１４３までは真空チャンバー１４４内に保持されている。
【０１３２】  光電面で生じたビーム状の電子流は光電面とＭＣＰ１４５の間にかけられた１０Ｖの電位差でＭＣＰに入射し、電子増倍される。
【０１３３】  光電面から出射した電子ビーム１４６は光電面と検出手段１４３の間にかけられた８ｋＶの電位差で、本発明になる多孔磁界レンズ１４７に入射する。
【０１３４】  多孔磁界レンズは図７に示したものと同一であるので詳細な説明は省略する。
【０１３５】  オンチップマイクロレンズと遮光膜の孔のピッチは２００ミクロンで、オンチップマイクロレンズの出射部および遮光膜の孔のサイズは４０ミクロンである。ＭＣＰから射出する電子ビームはＭＣＰに入射するまでと出射後のわずかな広がりで外径は５０ミクロン程度になっており、外側の電流密度は低い。一方、直径３０ミクロンの内側部の電流密度はほぼ一様である。
【０１３６】  多孔磁界レンズにはビーム整形板１４８が装着されている。ビーム整形板の孔の直径は３０ミクロンで入射する電子ビームの外形５０ミクロンより小さい。ビーム整形板には、ビーム整形板が無い場合のその位置の電位よりわずかに低い電圧がかけられている。この電位差によるビームの縮小効果と、ＭＣＰから射出する電子ビームの直径がビーム整形板の孔の直径より少し小さく、ビームの中心部分を使うことにより、多孔磁界レンズへの入射ビームは平行化され、３０ミクロンとなる。入射電子ビームの直径３０ミクロンより外側の電子はビーム整形板に吸収されてビーム整形板の電源配線１４９を通してビーム整形板電源１５７に排出される。
【０１３７】  多孔磁界レンズの出射部にはｘ方向とｙ方向偏向のためにそれぞれ１対の偏向電極１５０が設けられている（図では一対のみ示している）。ｘ方向とｙ方向偏向電極には、偏向電圧生成装置１５１で生成した電圧波形が加えられている。該電圧波形と電子ビームの軌跡の関係については、特許文献２に詳しく説明されている。
【０１３８】  またシステム全体を統合制御する統合制御装置１５４と検出手段の制御装置１５３が備わっている。また統合制御装置には偏向電圧生成装置１５１、光電面とＭＣＰの制御装置１５２、ビーム整形板電源１５７等が備えられており、ディスプレイ、コンソール、記録装置を含む入出力装置群１５６が結合している。入出力装置群については一般的なものであるので個々には記載していない。検出手段の制御装置には検出手段からの出力信号の処理手段１５５も含まれている。
【０１３９】  ＭＣＰの出射面から多孔磁界レンズの入射面までの距離１５８と、多孔磁界レンズの出射面から検出手段の表面までの距離１５９はできるだけ短く、かつ等しくして多孔磁界レンズに入射するまでの変位と出射後の変位を小さくして円周方向の変位を相殺させている。多孔磁界レンズもｚ方向に関する中心断面に対して実質的に対称に設計している。このことが、円周方向の変位を抑制する最も基本的な手段である。
【０１４０】  ただし、ビーム整形板１４８や偏向電極１５０が介在するので完全に対称にすることはできない。数値計算と実測に基づき、他の手段とも併せて円周方向変位の補正精度を高めている。
【０１４１】  ２対の偏向電極に加える電圧の平衡電圧は、各電子ビームアレイの（ｘ，ｙ）断面上の収束位置がＭＣＰの中心位置になるように設定されている。このバイアス電圧は、実質的に、永久磁石レンズの中心からの距離に比例する。従って、該バイアス電圧は、中心に対して同心円上にある孔については同一である。
【０１４２】  さらに検出手段の制御装置内の検出手段からの出力信号の処理手段１５５を用いてポスト信号処理により微細な補正をする。
【０１４３】  ビーム整形板１４８によって電子ビームのある程度の回折は起きる。ビーム整形板を３枚の金属板からなる静電レンズとしてビームの整形を行っても良い。この場合はビーム整形板は偏向電極から遠いので、高周波の偏向電圧との干渉性は低い。しかし、静電レンズによる動径方向の変位が生じるので、この効果も偏向電極のバイアス電圧で補正している。
【第１の実施の形態の動作】
【０１４４】    光電面とＭＣＰの様々な制御方式については良く知られている。例えば、光電面とＭＣＰの電位差は数ｋＶのＭＣＰと検出装置の電位差に比べてはるかに小さいことを利用して、光電面からＭＣＰに向かう電位を０または負になるように瞬間的に逆転すると、電子流は止まるので、超高感度超高速シャッターが切れる。これらについての説明は割愛する。
【０１４５】  特許文献２に開示されているように、ｘ方向とｙ方向に減衰正弦波形と減衰余弦波形の電圧をかけると、多孔磁界レンズで収束し、射出された電子ビームは収束螺旋を描く。駆動周波数は１０ＧＨｚ（周期１００ｐｓ）である。螺旋の最外周軌跡の直径は１００ミクロンである。ビームの等価直径は入射時に２１．４ミクロンで５０倍の収束倍率で収束ビームでは約０．４ミクロンである。したがって検出手段の画素面積が十分小さければ、螺旋の最外周３１４ミクロンだけで、連続７８５枚の画像が連続撮影できる。撮影速度は１００ｐｓ／７８５＝０．１２７ｐｓとなる。
【０１４６】  これは非現実的な数字ではない。特許文献２にも記載しているように、白神は２０年以上前の１９９７年に、収束電子ビームを使わず、電子ビームアレイの１方向転送だけで時間分解能約１０ｐｓで連続３０枚の撮影に成功している。
【０１４７】  本発明で使われている検出手段は、２ミクロン画素の検出手段である。全螺旋の面積は７８５０平方ミクロンとなる。ビームの面積３．１４平方ミクロンで割ると連続２５００枚撮影できる。撮影速度は螺旋の最外周の場合で１００ｐｓ／（３１４／２）＝０．６４ｐｓである。
【本発明の第２の実施の形態】
【０１４８】  図１５は本発明の第２の実施の形態の構成を示す。マルチプローブの走査透過型電子顕微鏡（以後「ＳＴＥＭ」と呼ぶ）１６０である。この実施例では収束倍率を上げるために、図１の円環型の孔１６１をアレイにした円環型多孔静電レンズを導入していることに特徴がある。また偏向電極のかわりに、試料を乗せたステージを微動するための微動ステージを備えている。またこのＳＴＥＭでは試料に電子ビームが当たって発生する蛍光を観察する。
【０１４９】  分解能は低いがコンパクト、簡易、高速観察が可能である。
【０１５０】    電子銃電源１６２から供給される安定電源で電子銃１６３から実質的に点源として電子ビームが射出される。ビーム縮小電源１６４から供給される電圧でビーム縮小レンズ１６５で平行に近いビーム１４６に整形される。
【０１５１】  各電子ビームはビーム整形板１４８で直径３０ミクロン、等価直径２１．４ミクロンのビームに整形され、多孔磁界レンズ１４７と組み込まれた円環型多孔電界レンズ１６６で約１／１００の２００ナノメートルの等価直径のビームに収束し、試料１６８に照射される。円環型多孔電界レンズ１６６には円環型多孔電界レンズ電源１６７から安定電圧が供給されている。
【０１５２】  試料を透過した電子は検出手段１４３に入射し、画像信号を発生する。
【０１５３】  試料１６８は試料ステージ微動装置１６９によって（ｘ，ｙ）２方向に微動する試料ステージ１７０に乗っており、２００ミクロン×２００ミクロンの領域にくまなく収束電子ビームが照射され、信号が検出、記録される。
【０１５４】  試料ステージを停止し、電子ビームで生成した蛍光で検出手段の信号電荷が生成するごとに全信号を読み出してから、試料ステージを微動する。
【０１５５】  検出手段はグローバルシャッターと１００ミクロン×１００ミクロンのサイズの６４×６４の画素を備える。読み出し速度は１０万枚／秒である。
【０１５６】  またこの実施例ではより高い電子ビームの位置制御が必要なため、電子ビームの並行性を高め、また変位をできるだけ小さくするために、多孔磁界レンズの外部の領域まで電子銃１７１を配置している。また、多孔磁界レンズの辺縁近くの孔は使っていない（図示していない）。
【第３の実施の形態】
【０１５７】  図１６は本発明の第３の実施の形態である後方散乱Ｘ線または蛍光を検出して可視化する走査型電子顕微鏡１７２である。第２の実施の形態との違いは、検出器として図１７に示す多孔検出手段１７６を用いていることである。
【０１５８】  検出手段はグローバルシャッターと１００ミクロン×１００ミクロンの６４×６４の画素を備えている（図では８×８画素で示している）。読み出し速度は１０万枚／秒である。孔１７８の直径１７７は５０ミクロン、孔のピッチは２００ミクロンである。
【０１５９】  孔の周辺は幅３ミクロンの円環状の不活性領域となっている（図示はしていない）。
【０１６０】  本実施例では、電子ビームアレイを、検出手段の孔を通す必要があるため、より高い電子ビームの収束位置の制御が必要である。このため、電子銃から多孔磁界レンズまでの距離１７４と、多孔磁界レンズから多孔検出手段までの距離１７５を実質的に等しくするとともに、その他の手段を併せて多孔検出手段位置での電子ビームの位置精度を高めている。
【符号の説明】
【０１６１】１００  円形の孔を開けた金属板と円環型の孔を開けた金属板からなる静電レンズ
１０１  多孔磁界レンズの中心線から０．１ｍｍ離れた孔列のある断面
１０２  多孔永久磁石
１０３  前方ヨーク
１０４  中央ヨーク
１０５  後方ヨーク
１０６  空間
１０７  外周ヨーク
１０８  多孔永久磁石の断面（１／４断面より少し広い）
１０９  中心に最も近いｘ方向の孔の列（ｘ軸から０．１ｍｍ上側）
１１０  中心に最も近いｙ方向の孔の列（ｙ軸から０．１ｍｍ右側）
１１１  多孔永久磁石の中間断面
１１２  多孔磁界レンズの構造の例（改良モデル）
１１３  多孔永久磁石
１１４  ヨーク間ギャップ
１１５  ヨーク
１１６〜１１８  孔径が１００ミクロン、入射電子ビームの直径が３０ミクロン、加速電圧が６ｋｅＶの場合の、ｘ軸に一番近いｙ＝０．１ｍｍの孔列での変位
１１９  同到達率
１２０  同収束した電子ビームの等価半径
１２１  同収束倍率
１２２〜１２５  ビームの直径、孔径、加速電圧を変えた場合の収束倍率の比較１２６  ｘ＝ｙ＝０．１ｍｍに円環状の孔を備える金属板
１２７  円環状の孔
１２８  電子軌道の２次元計算結果：スリットを入れない場合
１２９  電子軌道の２次元計算結果：円環状の孔のかわりにスリットを入れた場合
１３０  電子軌道の２次元計算結果の拡大図：スリットを入れない場合
１３１  電子軌道の２次元計算結果の拡大図：円環状の孔のかわりにスリットを入れた場合
１３２  電子軌道の２次元計算による収束電子ビームの半径：スリットを入れない場合
１３３  電子軌道の２次元計算による収束電子ビームの半径：スリットを入れた場合
１３４  特許文献２で開示された超高速撮像手段
１３５  レンズ
１３６  入射光
１３７  マイクロレンズアレイ
１３８  遮光膜
１３９  遮光膜に開けられた孔
１４０  光電面
１４１  電子流
１４２  レンズの鏡筒
１４３  検出手段
１４４  真空チャンバー
１４５  ＭＣＰ
１４６  光電面から出射した電子ビーム
１４７  多孔磁界レンズ
１４８  ビーム整形板
１４９  ビーム整形板の電源配線
１５０  偏向電極
１５１  偏向電圧生成装置
１５２  光電面とＭＣＰの制御装置
１５３  検出手段の制御装置
１５４  統合制御装置
１５５  検出手段からの出力信号の処理手段
１５６  ディスプレイ、コンソール、記録装置を含む入出力装置群
１５７  電源装置群
１５８  ＭＣＰの出射面から多孔磁界レンズの入射面までの距離
１５９  多孔磁界レンズの出射面から検出手段の表面までの距離
１６０  マルチプローブ走査透過型電子顕微鏡（マルチプローブＳＴＥＭ）」
１６１  円環型の孔
１６２  電子銃電源
１６３  電子銃
１６４  ビーム縮小電源
１６５  ビーム縮小レンズ
１６６  円環型多孔電界レンズ
１６７  円環型多孔電界レンズ電源
１６８  試料
１６９  試料ステージ微動装置
１７０  （ｘ，ｙ）２方向に微動する試料ステージ
１７１  後方散乱Ｘ線または蛍光を検出して可視化する走査型電子顕微鏡
１７２  多孔撮像素
１７３  画素サイズ
１７４  多孔検出手段の孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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