(57)【要約】      （修正有）【課題】荷電粒子線の電磁レンズ部品の加工を容易にし正確な位置合わせを可能とする技術を提供する。【解決手段】光軸２に沿って進行する荷電粒子ビーム１を集束させる磁気レンズ１０は、光軸の周りに設けられる軸ボア１１、磁場発生手段１２および外側の第1部分１３と内側の第2部分１６による複合構造の磁気ヨークより構成される。第2部分１６は、第1部分１３内にモノリシック挿入体として集束領域１４の周りに載置され、磁気圧縮として機能するウエスト領域１５を有し集束磁場を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光軸に沿って進行する荷電粒子ビームを集束させる磁気レンズであって：
−  前記荷電粒子ビームを調節するように前記光軸の周りに設けられる軸ボア；
−  磁場を発生させる磁場発生手段；及び、
−  前記ビームの集束領域を生成するように前記磁場を前記光軸へ向けて案内及び集中させる磁気ヨーク；
を有し、
前記ヨークは、外側の第1部分と内側の第2部分を含む複合構造を有し、
前記第2部分は、前記集束領域の周りに設けられるように前記第1部分内にモノリシック挿入体として載置され、
前記第2部分は、前記ボアを取り囲んで磁気圧縮として機能するウエスト領域を有する。前記第2部分の構成は、前記磁場が前記ウエスト領域内で飽和することで、磁束を前記ウエスト領域から飛び出させて、前記集束領域内に集束磁場を生成するように行われ、
−  前記ヨークは、外側の第1部分と内側の第2部分を含む複合構造を有し、
−  前記第2部分は、前記集束領域の周りに設けられるように前記第1部分内にモノリシック挿入体として載置され、
−  前記第2部分は、前記ボアを取り囲んで磁気圧縮として機能するウエスト領域を有し、前記第2部分の構成は、前記磁場が前記ウエスト領域内で飽和することで、磁束を前記ウエスト領域から飛び出させて、前記集束領域内に集束磁場を生成するように行われる、
磁気レンズ。
【請求項２】
前記磁場発生手段は、電気コイル、永久磁石、及び上記の組み合わせからなる群から選ばれる、請求項1に記載の磁気レンズ。
【請求項３】
前記第1部分と前記第2部分はそれぞれ異なる磁性材料を含む、請求項1又は2に記載の磁気レンズ。
【請求項４】
前記第2部分は、強磁性材料、フェライト、及びこれらの複合材料からなる群から選ばれる磁性材料を含む、請求項1乃至3のうちいずれか一項に記載の磁気レンズ。
【請求項５】
前記第2部分が砂時計形状を有する、請求項4に記載の磁気レンズ。
【請求項６】
前記ウエスト領域に近接して設けられ、かつ、前記磁気圧縮内で補助磁場を発生させるように始動されうることで、前記集束磁場の調節を可能にする補助電気コイルをさらに有する、請求項1乃至5のうちいずれか一項に記載の磁気レンズ。
【請求項７】
偏向素子、検出素子、静電レンズ素子、多重極素子、補正器、補助レンズ、及び上記の組み合わせからなる群から選ばれる少なくとも1つの追加の粒子光学素子が前記ボア内に供される、請求項1乃至6のうちいずれか一項に記載の磁気レンズ。
【請求項８】
前記磁気飽和が、前記集束磁場の方向における透磁率の増分μΔを、最大到達可能な透磁率の増分μΔmaxの最大10%させる、請求項1乃至7のうちいずれか一項に記載の磁気レンズ。
【請求項９】
磁気レンズを用いることによって光軸に沿って進行する荷電粒子ビームを集束させる方法であって、前記磁気レンズは：
−  前記荷電粒子ビームを調節するように前記光軸の周りに設けられる軸ボア；
−  磁場を発生させる磁場発生手段；及び、
−  前記ビームの集束領域を生成するように前記磁場を前記光軸へ向けて案内及び集中させる磁気ヨーク；
を有し、
当該方法は：
−  外側の第1部分と内側の第2部分を含む複合構造として前記ヨークを供する段階；
−  前記ボアを取り囲んで磁気圧縮として機能するウエスト領域を有し、前記集束領域の周りに設けられるように前記第1部分内に載置されるモノリシック挿入体として前記第2部分を供する段階；
−  前記磁場発生手段を始動させて、前記ウエスト領域内に飽和磁場を発生させることで、磁束を前記ウエスト領域から飛び出させて、前記集束領域内に集束磁場を生成させる段階；及び、
−  前記集束磁場を用いて前記荷電粒子ビームを集束させる段階；
を有する方法。
【請求項１０】
−  前記ウエスト領域付近に補助電気コイルを供する段階；
−  前記磁気圧縮内で補助磁場を発生させるように前記補助電気コイルを始動させる段階；
−  前記集束磁場を調節するように前記補助磁場を変化させる段階；
をさらに有する、請求項9に記載の方法。
【請求項１１】
光軸に沿って進行する荷電粒子ビームを集束させる磁気レンズの製造方法であって、前記磁気レンズは：
−  前記荷電粒子ビームを調節するように前記光軸の周りに設けられる軸ボア；
−  磁場を発生させる磁場発生手段；及び、
−  前記ビームの集束領域を生成するように前記磁場を前記光軸へ向けて案内及び集中させる磁気ヨーク；
を有し、
当該方法は：
−  前記ヨークの第1部分を製造する工程；
−  前記ボアを取り囲んで磁気圧縮として機能するウエスト領域を有するモノリシック部材として前記ヨークの第2部分を製造する工程；
−  前記第2部分が前記集束領域の周りに設けられるように前記第1部分内に挿入体として前記第2部分を位置合わせ及び載置する工程；
を有し、
製造中、前記第2部分の少なくとも一部は、前記第1部分よりも高い精度で加工される、
方法。
【請求項１２】
−  光軸に沿って伝播する照射荷電粒子ビームを発生させる荷電粒子源；
−  照射されるべき試料を保持する試料ホルダ；
−  前記照射荷電粒子ビームを前記試料へ案内する粒子光学鏡筒；
−  前記照射に応じて前記試料から放出される出力電子束を検出する検出器；
を有する荷電粒子顕微鏡であって、
前記粒子光学鏡筒は、請求項1乃至8のうちいずれか一項に記載の磁気レンズを少なくとも1つ有する、荷電粒子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光軸に沿って進行する荷電粒子ビームを集束させる磁気レンズは：
−  前記荷電粒子ビームを調節するように前記光軸の周りに設けられる軸ボア；
−  磁場を発生させる磁場発生手段；及び、
−  前記ビームの集束領域を生成するように前記磁場を前記光軸へ向けて案内及び集中させる磁気ヨーク；
を有する。
【０００２】
本発明はまた、当該磁気レンズを用いることによって荷電粒子ビームを集束させる方法にも関する。
【０００３】
それに加えて本発明は、当該磁気レンズの製造方法にも関する。
【０００４】
本発明はさらに荷電粒子顕微鏡に関する。当該荷電粒子顕微鏡は：
−  光軸に沿って伝播する照射荷電粒子ビームを発生させる荷電粒子源；
−  照射されるべき試料を保持する試料ホルダ；
−  前記ビームを前記試料へ案内する粒子光学鏡筒；
−  前記照射に応じて前記試料から放出される出力電子束を検出する検出器；
を有する。
【０００５】
前記粒子光学鏡筒は、前段落での述べた少なくとも1つの磁気レンズを有する。
【背景技術】
【０００６】
前段落で述べた磁気レンズはたとえば非特許文献1から既知である。
【０００７】
非特許文献1は、磁場を発生させる電気コイル、及び、（ヨークを有する）鉄製の磁極片の対を備える磁気レンズについて記載している。前記磁極片は、前記レンズの対称軸上の回転対称軸に沿った磁場へ前記磁場を集中させる。前記回転対称軸に沿った磁場を通り抜ける荷電粒子（電子）はローレンツ力を受け、その結果集束効果を示す。前記磁極片の対は、間に位置する「空気ギャップ」にわたって互いに対向するように配置される。前記電気コイルが励起される（始動する）とき、前記磁極片からの磁力線が前記空気ギャップを通り抜ける。従来「空気ギャップ」と呼ばれてきたが、係るギャップは何も存在しなくても良いし、又は、非磁性材料で充填されても良い。
【０００８】
レンズの強度（レンズの焦点距離）は、レンズの励起（電気コイルの電流及び巻数）並びに集束される荷電粒子の質量及びエネルギーの関数である。磁気レンズは典型的には電子を集束させるのに用いられる一方で、静電レンズは通常イオンを集束させるのに好適である。
【０００９】
当業者に知られているように、係る磁気レンズ内の磁極片は間に位置する空気ギャップにわたって十分な位置合わせがされていなければならない。磁極片の位置がずれている−つまり一の磁極片の対称（円筒）軸が他の磁極片の対称（円筒）軸と一致しない−場合、その結果としてレンズの軸は意図せず歪むことで、集束機能の障害が生じる。適切な位置合わせと性能を可能にするように、係る磁極片は一般的に、厳密な機械許容度−通常は10μm以下−で製造される必要がある。その結果、これらの磁極片は相対的に高価な部材となりがちである。それに加えてやっかいな問題は、磁極片に含まれる磁性材料は理想的には相対的に低いヒステリシスを有しなければならないことである。これを実現するためには、前記材料は一般的にはアニーリングされる。アニーリングは結果として、磁極片の加工可能性（たとえば旋盤及びフライス盤による）を制限してしまう。
【００１０】
従来のレンズに係る他の問題は、磁極片間の空気ギャップは、光軸に垂直な漂遊磁場をも（意図せずして）通してしまうことです。係る垂直磁場（50Hzの磁場を含む）は意図せずして、レンズを通過するビームに影響を及ぼし、かつ、さらなる歪みの源となる恐れがある。
【００１１】
磁性材料に関するさらなる情報については、非特許文献2を参照のこと。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】蘭国特許第1025037号明細書
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】ライマー(L. Reimer)、“Scanning  Electron  Microscopy”、Springer  Verlag、chapter  2.2.1:  Electron  lenses、pp.20-23、1985年
【非特許文献２】ボル(R.  Boll)、“Weichmagnetische  Werkstoffe” Vacuumschmelze  GmbH  &  Co.  KG
【非特許文献３】http://en.wikipedia.org/wiki/Ferrite_%28magnet%29
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、これらの問題を解決することである。特に本発明の目的は、部品のより正確で容易な位置合わせを可能にする磁気レンズの設計を供することである。しかも本発明の目的は、重要部品の加工を容易にすることで製造コストを下げるのに役立つ当該レンズの設計である。それに加えて本発明の目的は、垂直漂遊磁場に対する影響を受けにくくなることで粒子光学特性が改善される磁気レンズ設計を供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記及び他の目的は、「技術分野」で述べた磁気レンズによって実現される。本発明による磁気レンズは以下のような特徴を有する。
−  前記ヨークは、外側の第1部分と内側の第2部分を含む複合構造を有する。
−  前記第2部分は、前記集束領域の周りに設けられるように前記第1部分内にモノリシック挿入体として載置される。
−  前記第2部分は、前記ボアを取り囲んで磁気圧縮として機能するウエスト領域を有する。前記第2部分の構成は、前記磁場が前記ウエスト領域内で飽和することで、磁束を前記ウエスト領域から飛び出させて、前記集束領域内に集束磁場を生成するように行われる。
【００１６】
本発明は以下のような多数の相互作用する知見に基づく。
−  2つの対向する磁極片間に空気ギャップを利用するのが、ヨークから磁束を飛び出させて、集束効果を生じさせる領域へ導く従来の方法である。しかし係る空気ギャップが存在するためには実際問題、磁極片が2つ存在することが必要となり、その結果としてそれらの長手軸の位置合わせが難しくなる。
−  本発明は、根本的に異なる機構をこの従来の設定に採用する。空気ギャップを用いる代わりに、前記ヨークは、磁気圧縮（ウエスト）を有する前記集束領域に供される。当該レンズの磁場発生手段からの磁場が前記磁気圧縮（ウエスト）を透過するときに、前記磁気圧縮（ウエスト）は磁気的に飽和する。前記磁気圧縮内での磁気飽和の結果、磁束は、その位置（他に向かう場所が存在しないため）で前記ヨークから飛び出す。よってこのようにして発生した磁束は、典型的には当該レンズの円筒軸に沿って設けられる前記ボア（シャフト、トンネル、通路）内での所望の集束効果/磁場を発生させるのに利用される。
【００１７】
新たな設計には空気ギャップが存在しないので、2つの対向する磁極片は必要ない。その代わりに、モノリシック設計が可能となる。そのため2つの磁極片を相互に位置合わせする必要がなくなる。換言すると、従来技術の「集束構造」が、間に位置する空気ギャップにわたって互いに位置合わせされた2つの分離する磁極片を有する一方で、本願発明の「集束構造」は、空気ギャップの代わりにウエストを備える単一部材を有する。
−  製造を容易にするため、前記ヨークは以下を有する複合構造として与えられる。
・  相対的に低い許容度で製造され、一般的には前記ヨークの主部を含み、かつ、前記（相対的に重要な）集束領域から離れて設けられる相対的に大きな第1部分。前記第1部分は、必要な場合には、複数の協働する部品を含んで良い。
・  相対的に高い許容度で製造され、かつ、前記（相対的に重要な）集束領域の近くに設けられる相対的に小さなモノリシックの第2部分。前記第2部分は、完全に2段階以上の工程で(ex situ)製造され、前記第1部分（内に供される封止構造）内部の単一挿入体として載置されて良い。
【００１８】
前記第1部分と前記第2部分は一般的には異なる材料を含む。
−  前記の飽和したウエストから飛び出した磁束は、対称性を有する軸に沿った集束磁場を生成するのに利用されて良い。本願発明の設計には空気ギャップが存在しないので、上述の漂遊磁場は排除される。前記集束領域を取り囲む材料は一般的に前記軸方向でしか飽和しないので、前記軸方向に垂直な透磁率μrは高くなる。それにより空気ギャップを利用する従来のレンズよりも大きな遮蔽が得られる。
【００１９】
磁気レンズのギャップを、磁気飽和を起こすウエスト領域に置き換えることは相対的に単純な設計に見えるかもしれないが、とりわけ以下のような理由により、このような置き換えは当業者にとって自明ではない。
−  （本発明のように）前記ヨークの一部を任意で飽和させることで、高励起でレンズを用いるときの飽和材料の体積は、低励起でレンズを用いるときの飽和材料の体積よりも大きく、（空気ギャップを備える）従来のレンズの場合で考えると、そのような変化は、空気ギャップの寸法変化に等しいと考えることができる。前記寸法変化に伴って励起の関数としてレンズ強度も変化する。従来のレンズでは、荷電粒子のエネルギーが4倍に増大することで、同一の集束効果を得るためには、レンズの励起/電流を2倍に増大させることが必要となることが予想できる。しかし本発明による飽和材料を用いるレンズでは、上述の体積変化効果に起因して、この単純な関数の依存性から予測できないずれが予想される。
−  今日、磁気レンズ設計は通常、シミュレーションに基づく有限要素モデリング(FEM)の助けを借りて行われる。現在のFEMプログラムでは、所与のシミュレーションにおける各要素（ボクセルに対応する）について、上述したμrの値が、逐次反復により計算される。より多くのボクセルがだんだん飽和することで、それに伴う反復回数は急激に増大する。その結果レンズ設計者は、飽和材料において相対的に不十分なレンズ設計に傾倒しがちである。
−  本発明によるレンズでは、所与の集束（磁）場を発生させるのに、従来のレンズの場合よりも、（磁場発生手段として用いられるコイルにおいて）より多くのアンペア回数を必要としがちである。この理由は、本発明のレンズでは、ある大きさのコイル電流が、軸方向磁場を生じさせることなく前記ウエスト領域内で前記材料を飽和させるのに用いられる一方で、従来のレンズでは、同一の大きさのコイル電流は、前記ギャップ内ですぐに磁場を発生させてしまうことで、前記軸方向磁場に寄与するためである。
【００２０】
よって荷電粒子顕微鏡の設計者には従来、磁気的に飽和した材料の量を可能な限り少なく保つ−たとえば前記空気ギャップを画定する端部に限定する−複数の理由があった。そのような蛍光は、本発明から大きくかけ離れている。
【００２１】
驚くべきことに、本願発明者は、磁気的に飽和した材料を有する（ウエスト）領域を任意で組み込むことで、より滑らかな軸方向磁場の変化（dB/dzが小さくなる。Bは磁場で、zは光軸に沿って測定される）が起こり、その結果、同程度のサイズの集束領域を有する従来技術に係るレンズと比較してレンズ収差が小さくなることを発見した。これは、従来技術に係るレンズにおけるヨーク/空気ギャップの境界で生成される急峻なステップと比較して前記飽和材料からの磁束の飛び出しがより穏やかとなる結果である。
【００２２】
典型的には前記第2部分は、「砂時計」形状（又はそれと同様の形状）を有する。このとき、（一の端部での）相対的に大きな直径から、（前記ウエストでの）相対的に小さな直径まで徐々に遷移して、（他の端部で）相対的に大きな直径に戻る。たとえば図2参照のこと。しかしこれは必ずしもこの通りである必要はない。大きな直径から小さな直径への遷移がステップ状であることも考えられる。たとえば図3を参照のこと。前記第2部分は、典型的には（前記粒子光学軸/ボアから見て）環状の断面を有し、かつ、典型的には長手方向の断面において対称性を有する。前記ヨークの第1部分は一般的に、前記第2部分の端部が適合されて固定されうる中空/空洞/ソケットを有する。
【００２３】
本発明の実施例では、前記磁場発生手段は、電気コイル、永久磁石、及び上記の組み合わせからなる群から選ばれる。
【００２４】
永久磁石に基づくレンズは周知であり、かつ、使用時に電力を消費する必要がないという利点を有する。電気コイルを用いるレンズは、より多く用いられがちである。その理由は、電気コイルを用いるレンズは、問題となっている（複数の）コイルを介して送られる電流の調節による磁場強度（ひいては粒子光学挙動）の調節が可能なためである。これらの方法の両方を併用することで、ほとんどの磁場が使用される永久磁石によって発生しうることを可能にする一方で、この磁場の変化は、当該レンズが備える（複数の）電気コイルを適切に励起させることによって実現されうる。
【００２５】
他の実施例では、前記第1部分と前記第2部分はそれぞれ異なる磁性材料を含む。
【００２６】
係る実施例では、前記ヨークの相対的に小さな部分（前記第2部分）だけは、高精度で加工され、かつ、最高磁気基準でアニーリングされる高品質磁性材料を必要がある一方で、前記ヨークの他の部分（前記第1部分）は、低品質の材料を含んで良い。このとき許容度、磁気的性質、及び/又はアニーリング基準は緩和される。その結果、安価かつ容易に製造できる複合ヨークとなる。
【００２７】
さらに他の実施例では、少なくとも前記ヨークの第2部分は、強磁性材料、フェライト、及びこれらの複合材料からなる群から選ばれる。
【００２８】
（低ヒステリシスの）強磁性材料の例には、（単体又は合金で）Fe、Co、及びNiが含まれる。これらには、たとえば少量のCu、Mo、Si、Va、及び/又はCrが添加されて良い。
【００２９】
（鉄酸化物を含む）フェライトもまた、係る使用に役立つ。これについては非特許文献3を参照のこと。
【００３０】
他の実施例では、本発明による磁気レンズは、前記ウエスト領域に近接して設けられ、かつ、前記磁気圧縮内で補助磁場を発生させるように始動されうる補助電気コイルをさらに有する。それにより前記集束磁場の調節が可能となる。
【００３１】
この実施例の背後にある基本的な考え方は、前記補助電気コイルによって発生する前記補助磁場は、（磁場の方向に依存して）前記ウエスト領域内において前記磁束の強度を局所的に制御できることで、前記領域内での飽和の程度に影響を及ぼし、ひいては前記領域から飛び出す磁束の量にも影響を及ぼす−これに対応して、前記集束領域内で発生する集束磁場にも影響を及ぼす−というものである。当業者は、場合によっては、レンズの強度を迅速に調節できることが望ましいことを理解する。従来技術に係るレンズでは、係る調節は、前記レンズのボア内に設けられる調節コイルを利用する必要があった。これは複数の理由により−たとえば冷却、アクセスの利便性/有用性等に関する問題のため−望ましくないと考えられる。代わりに真空バリア（ボア）の外部に補助コイルを設けることによって、係る問題は回避される。この実施例は、前記ウエスト領域（付近）の前記ヨークの第2部分（挿入体）の外部表面（付近）に設けられる外部補助コイルを用いる。たとえば前記コイルはベルトのように前記ウエスト領域を取り囲んで良い。
【００３２】
前記補助電気コイルのインダクタンスは、非飽和材料を取り囲む同様の電気コイルのインダクタンスよりも低くなる傾向にあるので、上述の補助コイルは、前記レンズの強度の高周波変化を可能にする。
【００３３】
本発明のさらに他の実施例では、少なくとも1つの追加の粒子光学素子が前記ボア内に供される。前記追加の粒子光学素子は、偏向素子、検出素子、静電レンズ素子、多重極素子、補正器、補助レンズ、及び上記の組み合わせからなる群から選ばれる。
【００３４】
荷電粒子顕微鏡（たとえばSEM、TEM、STEM、FIB−SEM、イオン顕微鏡、又は陽子顕微鏡）の相対的に束縛された光学鏡筒では、前記ボア内に設けられた多くの追加的粒子光学素子を有するのがかなり一般的である。たとえば複数の偏向器からなる組が、試料ホルダ上の試料表面に対する粒子光学ビームの位置設定/走査運動に影響を及ぼすように、前記ボア内に設けられる（たとえば図7を参照のこと）。
【００３５】
特別な実施例では、上述した（前記ウエスト領域内での）磁気飽和が起こることで、前記集束磁場の方向における透磁率の増分μΔの減少は、最大到達可能な透磁率の増分μΔmaxの最大10%で好適にはμΔmaxの最大1%になる。
【００３６】
透磁率の増分μΔ=δB/δH（ここでHは磁場強度）を用いて飽和を定義し、かつ、μΔmaxが起こる磁場値よりも大きい値の磁場でμΔsat<μΔmax/10（好適にはμΔsat<μΔmax/100）と規定することによって、目標値は、通常用いられる「漸近値」の定義の代わりに、飽和に関連づけることができる。
【００３７】
他の実施例では、前記レンズは、前記光軸に沿って配置される他の部品による真空封止を構成する。
【００３８】
係る実施例は、−たとえば電子顕微鏡の粒子光学軸に沿って−前記部品を一つにするように積層させる単純でありながら有効な方法を供する。積層された様々な部品の位置合わせは、特許文献1に記載の原理を利用することによって行われて良い。
【００３９】
磁性材料は通常、磁歪として知られる効果によって、磁化されるときにその寸法を変化させることに留意して欲しい。逆に磁性材料での応力/歪みはその磁気的特性に影響を及ぼしうる。この観点では、前記ヨークの第1部分内部に前記第2部分（挿入体）を載置するときに、前記第2部分内での不適切な圧力/歪みを回避することが一般的に好ましい。
【００４０】
最終的な留意事項として、前記第2部分（挿入体）に用いられている「モノリシック」という語句は、前記挿入体の最も基本的な形態−たとえば上述の補助コイルも、前記ヨークの第1部分内部での設置/位置合わせ/固定に用いられる如何なる載置構造も存在しない状態−が一部の部材からなることを意味することに留意して欲しい。このことは、製造される構造が複合体であってはならないことを必ずしも意味しない。たとえば積層された構造を有する試料から前記第2部分（挿入体）を加工することが考えられるし、又は、製造後に前記挿入体を薄膜でコーティングしても良い。「モノリシック」とは原則的に、2つの分離した独立の磁極片が空気ギャップのいずれかの側に設けられる従来技術の状況と区別することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明による磁気レンズの実施例を概略的に図示している。
【図２】挿入体（ヨークの第2部分）を含む図1の詳細を概略的に図示している。
【図３】補助コイルと一体化した挿入体を含む図1の詳細を概略的に図示している。
【図４】別な挿入体（ヨークの第2部分）を含む図1の詳細を概略的に図示している。
【図５】B(H)とμ(H)との間での関係（磁場強度の関数としての磁場と透磁率）を概略的に表している。
【図６】2つのシミュレーション−一は従来技術に基づき、他は本発明によるレンズの実施例に基づく−において用いられるレンズ設計を概略的に表している。
【図７】走査型電子顕微鏡(SEM)において用いられる対物レンズを図示している。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
ここで実施例と添付図面を参照しながら本発明について説明する。
【００４３】
図中、同一の参照番号は対応する部位を示している。
[実施例1]
図1は、本発明の実施例による（回転対称性を有する）磁気レンズ10の断面を概略的に図示している。
【００４４】
荷電粒子（たとえば電子）ビーム1はは光軸2に沿って進行する。光軸2の周りには複合磁気ヨーク13,16及び電気コイル（磁場発生手段）12が供される。磁気ヨーク13は、中心（軸）ボア11を含み、かつ、外側の第1部分13と内側の第2部分16を備える。第2部分16は第1部分13内部でモノリシック挿入体として載置される。第2部分16は、ボア11を取り囲み、かつ、磁気圧縮として機能する（外側直径の減少した）ウエスト領域15を有する。動作時（コイル12に電力が供給されるとき）、このウエスト領域15は磁気的に飽和する。その結果軸方向に沿った（集束）磁場が集束領域14内に生成される。第2部分16及び特にウエスト領域15の磁気的品質は高い。他方ヨークの第1部分13の磁気的品質は低くて良い。その理由はたとえば第1部分13は、異なる（磁気的に劣った）組成の材料を含み、かつ、異なるアニーリング及び/又は加工プロセス等を受けるからである。
【００４５】
図2は、ヨークの第2部分（挿入体）16を含む図1の詳細を概略的に図示している。図2は図1に対してその側方に回転させた図である。
【００４６】
第2部分/挿入体16は、ヨークの第1部分13の「太い端部」17内の適切に調節された空洞/ソケット内に収まり、かつ、外側直径の減少したウエスト領域15を含む。このウエスト領域15が相対的に狭いため、ウエスト領域15は、ヨーク13,16内部の磁束の磁気圧縮を生成し、かつ、ヨークの隣接する部分よりもはるかに速く飽和する。
【００４７】
飽和挙動が主として図示された領域A内の材料によって支配されているので、領域A内のボアと直径だけは高精度で加工される必要がある。領域A外部の材料の磁気特性−特に「劣った」磁性部品13の品質−は重要ではない。
[実施例2]
図3は、高精度のレンズ変調を実行する第2部分（挿入体）16と補助コイル18を備えるレンズ10を概略的に図示している。
【００４８】
図3は、ウエスト領域15を備える第2部分/挿入体16を図示している。ウエスト領域15付近（この場合は取り囲む）には補助電気コイル18が存在する。よってレンズ動作中、補助コイル18が飽和材料を取り囲む。その結果コイルのインダクタンスは相対的に低くなることで、レンズ強度は、相対的に高周波数で変化することが可能となる。光軸2に沿った軸方向磁場については、渦電流に起因する遮蔽は起こらない。
[実施例3]
図4は、別な第2部分/挿入体16を含む図1の詳細を概略的に図示している。
【００４９】
図4では、挿入体16は、半島状部分20をヨークの他の部分13,16から孤立させる溝19を有する。係る半島状部分20は、磁気的に「独立」しているので、軸領域を漂遊磁場から遮蔽する。好適には挿入体の独立した半島状部分は、挿入体16がヨークの残りの部分13,16上に設けられる接合部を超えて延びる。それにより前記接合部での意図しない磁場の飛び出しが回避される。
[実施例4]
図5は、強磁性材料のB−H曲線と透磁率の増分μΔ=δB/δHを概略的に表している。
【００５０】
単位テスラで表される磁場強度Bは、A/mの単位で表されるHの結果である。2つの間での関係は、B=μH=μ0μrHである（μ0=真空/空気の透磁率、μr=相対透磁率）。図示された曲線は、鉄磁石としても知られる純鉄(99.98%)での典型例である。この曲線からわかるように、材料は約1.5Tの磁場強度で飽和する。当業者は知っているように、純鉄の十分アニーリングされた部分は、μrの最大値約40000を有する。完全に飽和した材料では、磁場Bは依然として増大するが、導関数δB/δHは、空気/真空と同一のμ0に等しくなる。導関数δB/δHはまた、透磁率の増分μΔとしても知られている。
【００５１】
実際的な理由で、「飽和」とは本願においては、μΔがμΔmax/10に等しく、より好適にはμΔmax/100に等しくなる磁場強度Bとして定義されて良い（上記記載参照のこと）。
[実施例5]
図6は、2つのシミュレーションにおいて用いられるレンズ設計を概略的に表している。
【００５２】
図6は、レンズの半分を示している。レンズは光軸2の周りで回転対称性を有する（rはこの軸からの半径を表す）。レンズは、ヨーク13及び該ヨーク13を磁化するコイル12を有する。シミュレーションにおいて用いられる材料は、図5においてBH曲線とμΔが示された純鉄である。2つのシミュレーションの差異は以下の通りである。
−  第1シミュレーションでは、部品601が欠けているので、空気ギャップを備える従来技術に係るレンズが表されている。
−  第2シミュレーションでは、部品601は、シミュレーションされたヨーク13の残りの部分で用いられるのと同一の純鉄で構成される。よって部品601は、本発明によるウエスト領域/磁気圧縮を構成する。
【００５３】
空気ギャップを備えるレンズについての第1シミュレーションでは、3133アンペア回数(A.t.)のレンズ励起(NI)が、焦点距離(Fobj)が7.27mmとなるように選ばれる。空気ギャップの存在しない本発明のレンズについての第2シミュレーションでは、他の励起−具体的には3548アンペア回数−が選ばれる。その結果、両シミュレーションの焦点距離は同一となる。
【００５４】
当業者知っているように、球面収差Csと色収差Ccは係るレンズにとって重要なパラメータである。一般的には、これらの収差が小さくなればなるほど良好である。シミュレーションは以下の特性を示している。
【００５５】
【表１】
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球面収差において観測された約35%の改善は大きな改善であり、球面収差によって制限されるスポットにとってはたとえば以下のような結果をもたらす。
−  同一のスポット径では電流密度が2倍になる。
−  同一のスポット電流ではスポットサイズが35%減少する。
[実施例6]
図7は、走査型電子顕微鏡(SEM)において用いられる対物レンズを図示している。図7では、集束領域はレンズの一の端部（低端部）に近い。
【００５６】
レンズは、第1部分13と第2部分（挿入体）16を有する複合ヨークを含む。ヨーク内では、第1部分13と第2部分16を磁化するコイル12が設けられている。ボア11の内部では、2つの偏向器74と76が、試料70上で荷電粒子ビーム1を操作/位置設定するために設けられている。試料70は試料マニピュレータ72上に設けられている。当業者にはわかるように、偏向器75,76の対は満足ゆくように、荷電粒子ビーム1を（方向zに沿って延びる）光軸2から離れるように操作して、試料70の表面全体にわたって（XY平面内で）荷電粒子ビーム1を移動/走査させるのに用いられて良い。図示されていないが、他の光学部品−たとえばスティグメータ又は検出器−もボア内に設けられて良い。
【００５７】
本願明細書は荷電粒子を複数回参照していることに留意して欲しい。「荷電粒子」という用語はたとえば、電子、イオン、及び荷電分子を含んで良い。しかし磁気レンズの使用は、特に電子を操作するときに有用である。それは質量/電荷比のためである。それでもイオン−具体的には水素イオンビーム及び/又はヘリウムイオンビーム−に本発明のレンズを用いることも可能である。
【００５８】
本発明の有利な効果は、本発明によるレンズの出力消散が従来技術に係るレンズと比較して一定であることに留意して欲しい。その理由は、本発明のレンズでは、（ウエスト領域内において）所望の局在化した飽和を実現するのにしか（コイル）電力の一部が必要とされないからである。このことは、ヨークを飽和させるのに常に「ゼロ負荷」が用いられなければならないことを意味する。残りの電力は所望の軸方向磁場を発生させるのに用いられる。
【００５９】
結論は、従来技術に係る荷電粒子レンズはヨークと空気ギャップを有する。前記空気ギャップは、磁場が前記レンズの光軸上に存在する位置を画定する。本発明によるレンズは空気ギャップを有しておらず、その代わりにモノリシック挿入部内での磁気飽和効果を利用する。この結果、ヨークから磁束が徐々に飛び出すことで、レンズの球面収差が低下する。しかも本発明によるレンズは、従来技術に係るレンズが、空気ギャップにわたって上部磁極片と下部磁極片とを位置合わせしようとするときに悩まされる位置合わせのずれの問題を解消する。なぜなら本発明では、飽和を起こすヨークの（ウエスト）部分は相対的に小さな部品であるため、ウエスト部分は、良好な許容度で製造され、より容易に加工可能で、かつ、概ね従来技術と比較して低いコストで作製可能である。一般的には挿入体は、ヨークの他の部分とは異なる磁気的特性を有する。
【符号の説明】
【００６０】
1  ビーム
2  光軸
10  磁気レンズ
11  中心ボア
12  電気コイル
13  磁気ヨークの外側第1部分
14  集束領域
15  ウエスト領域
16  磁気ヨークの内側第2部分
17  端部
18  補助コイル
19  溝
20  半島状部分
70  試料
72  試料マニピュレータ
74  偏向器
76  偏向器
601  部材
【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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