(57)【要約】【課題】一次電子ビームの電流強度を著しく下げずに、エネルギーを単色化し色収差を低減して、像分解能を高めることのできるモノクロメータを備えた走査電子顕微鏡を提供する。【解決手段】偏向方向が反対の一対の扇形磁場と扇形電場で電子ビームを収束させ、スリットでエネルギー幅を制限した後、スリットを含む面に対して鏡対称の位置にさらに一対の同形の扇形電場と扇形磁場を設置する。この構成によれば、物点と鏡対称の位置で、エネルギー分散が打ち消され、空間的に点収束したスポットビームを集束レンズ系で縮小することにより、走査電子顕微鏡の像分解能を向上することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを偏向する磁場発生器と、当該磁場発生器によって偏向された電子ビームを更に偏向する第１の電場発生器と、当該第１の電場発生器によって偏向された電子ビームをエネルギー弁別するスリットと、当該スリットによってエネルギー弁別された電子ビームを戻すように偏向する第２の電場発生器を備えたことを特徴とするモノクロメータ。
【請求項２】
電子源から放出された電子ビームを試料に集束する対物レンズを備えた走査電子顕微鏡において、前記電子源と対物レンズの間に、磁場発生器を用いて電子ビームを偏向し、当該偏向された電子ビームを、第１の電場発生器を用いて偏向することで、エネルギー分散させてスリットを通過させるモノクロメータを配置したことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項２において、前記モノクロメータは、磁場偏向器と電場偏向器を組み合わせた前段偏向系と、それに鏡対称に設置された電場偏向器と前記の磁場偏向器による後段偏向系と、前段偏向系と後段偏向系の中間の鏡対称面に設置されたスリットから構成され、前段偏向系でスリット位置に分散方向（ｘ）の空間収束をさせるとともに、スリットでエネルギー幅を制限したのち、上記後段偏向系で再び空間的に点収束させるとともに、エネルギー分散を打ち消すことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項３において、前記前段偏向系は、前記電子ビームの直線光軸外に電子ビームを偏向する磁場発生器と、当該磁場発生器によって偏向された前記電子ビームを前記スリットに向かって偏向する電場発生器を含み、前記後段偏向系は、前記スリットを通過した前記電子ビームを、前記直線光軸方向に向かって偏向する電場発生器と、当該電場発生器によって偏向された電子ビームを前記直線光軸に沿うように偏向する磁場発生器を含むことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項３において、前記電場発生器と磁場発生器を形成する電極と磁極は、それぞれ扇形状をなすことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項５において、前記電子ビームは、前記各扇形磁場発生器と各扇形電場発生器の偏向角度が全て等しいことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項５において、磁場発生器を形成する磁極は、前記電子ビームに対し垂直な入射端面、及び出射端面を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項８】
請求項２において、前記モノクロメータに入射する電子ビームの仮想物点と、該モノクロメータを出射する電子ビームの虚像点が空間的に一致することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項９】
請求項８において、電子ビームを集束させる第１集束レンズと第２集束レンズを有し、該第１集束レンズと該第２集束レンズの間に前記モノクロメータを配置し、該第１集束レンズによって該モノクロメータに入射する電子ビームの仮想物点を形成し、該モノクロメータを出射する電子ビームの虚像点が第２集束レンズの物点となることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１０】
請求項９において、モノクロメータを構成する扇形磁場の励磁と非励磁を切り替えたときであっても、切り替えの前後で前記第１集束レンズと第２集束レンズの励磁条件が不変であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１１】
請求項３において、前記モノクロメータは、前段偏向系と、それに鏡対称に設置された後段偏向系と、その中間の鏡対称面に設置された機械的絞りから構成され、該前段偏向系で絞り位置に分散方向（ｘ）の空間収束をさせると同時にその垂直方向（ｙ）の空間収束をさせるとともに、絞りでエネルギー幅を制限したのち、上記後段偏向系で再び空間的に点収束させ、エネルギー分散を打ち消すことを特徴とするモノクロメータを備えた走査電子顕微鏡。
【請求項１２】
請求項５において、前記電場発生器の形成する扇形電場は、偏向方向と垂直なｙ方向に湾曲したトロイダル電場であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１３】
請求項１２において、モノクロメータ前段偏向系の扇形磁場と扇形トロイダル電場と、後段偏向系の扇形トロイダル電場と扇形磁場の形状が、中間面に対して鏡対称であることにより、該モノクロメータを出射する電子ビームの虚像点で、エネルギー分散係数Ｄと、ビームのｘ方向の開き角α、およびｙ方向の開き角βに関する収差係数Ａ，Ｂがゼロに収束されるとともに、開き角α、および開き角βに関する二次収差係数ＡＡ，ＢＢ，ＡＢがゼロに収束される特性を有するモノクロメータを備えた走査電子顕微鏡。
【請求項１４】
電子源と、当該電子源より放出された電子ビームを試料上で集束する対物レンズを備えた走査電子顕微鏡において、
前記集束レンズと対物レンズの間に、少なくとも２つの磁極を有し前記電子ビームの照射方向に対し垂直な方向へ磁場を発生し、前記電子ビームを偏向する磁場発生器と、当該磁場発生器によって偏向された前記電子ビームを、前記電子ビームの照射方向と平行な方向に偏向する第１の電場発生器と、当該第１の電場発生器よって偏向された前記電子ビームをエネルギー弁別するスリットと、当該スリットを通過した電子ビームを偏向する第２の電場発生器を有するモノクロメータを備え、前記磁場発生器は当該第２の電場発生器によって偏向された電子ビームをもとの電子ビーム軌道に戻すように偏向することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１５】
電子源と、当該電子源より放出された電子ビームを試料上に集束する対物レンズを備えた電子顕微鏡において、前記集束レンズと対物レンズの間に、前記電子ビームを偏向する磁場を発生する磁極と、前記偏向された電子ビームをエネルギー弁別するためのスリットの方向に偏向する電場を発生する第１の電極と、前記スリットを通過した電子ビームを前記磁極の方向に偏向する第２の電極を有するモノクロメータを設け、当該モノクロメータは、前記磁極の電子ビーム入射端面で前記電子ビームのエネルギー分散を開始し、前記第１電極を出射後一定の分散を保ち、スリットでエネルギー選択された後、前記第２電極に入射後から分散が減少し、前記磁極の電子ビーム出射端面からエネルギー分散ゼロに保たれるように設定されているモノクロメータを備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１６】
電子源と、当該電子源より放出された電子ビームを試料上に集束する対物レンズを備えた電子顕微鏡において、
前記電子ビームを偏向する磁場を発生する磁場発生器と、当該磁場発生器を出射した電子ビームを、当該電子ビームをエネルギー弁別するためのスリットに向かって偏向する電場を発生する第１の電場発生器と、前記スリットを通過した電子ビームをもとの電子ビーム軌道に向かって偏向する第２の電場発生器を備え、
前記磁場発生器は、前記電子ビームが入射する第１の入射端面と、
当該磁場発生器によって偏向された電子ビームが出射する第１の出射端面と、
前記第２の電場発生器によって偏向された電子ビームを入射させるための第２の入射端面と、当該第２の入射端面から入射した電子ビームを出射する第２の出射端面を有し、前記電子ビームの入射端面と出射端面は、電子ビームの通過軌道に対し、垂直となるように形成されていることを特徴とするモノクロメータを備えた走査電子顕微鏡。
【請求項１７】
電子源と、当該電子源より放出された電子ビームを試料上で集束する対物レンズを備えた電子顕微鏡において、
前記電子ビーム直線光軸上で、前記電子ビームを直線光軸外に偏向する磁場を発生する磁場発生器と、当該磁場発生器を出射した電子ビームを、当該電子ビームをエネルギー弁別するためのスリットに向かって偏向する電場を発生する第１の電場発生器と、前記スリットを通過した電子ビームを前記光軸に向かって偏向する第２の電場発生器を備え、
前記第１の電場発生器は、前記電子ビームをｘ方向に収束し且つ、当該ｘ方向とは垂直なｙ方向へ収束するトロイダル電極と、前記ｙ方向への電場を可変する一対の調整用電極を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１８】
請求項１７において、前記第２の電場発生器は、前記スリット面を対称面としたときに、前記第１の電場発生器と対称となるように、ｙ方向への電場を微小に可変する一対の調整用電極を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子ビームのエネルギーを単色化するモノクロメータ、及びそれを備えた走査電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）は半導体試料などが電子ビームによって帯電することを防止する目的で、数ｋＶ以下の低加速エネルギーで使用される場合が多い。このような低加速ＳＥＭにおいては、加速エネルギーに対して電子源が固有にもつエネルギー幅が相対的に大きくなり、いわゆる色収差によって十分に小さなスポット径が得られない。
【０００３】
このような問題を解決するために、所望のエネルギー範囲の電子のみを選択的に通過させる技術として、特許文献１〜５に開示されているエネルギーフィルタがある。
【０００４】
特許文献１には、電子源と対物レンズの間に、磁界形のエネルギーフィルタを配置することで、色収差を低減する技術が開示されている。この技術は斜め入出射の扇形磁場を組み合わせたもので、非分散点（色消し状態）をクロスオーバとして使い、電子源から出射した直線光軸のビーム収束点に絞りを設置してエネルギー幅を縮小するものである。
【０００５】
特許文献２には、電子ビームを単色化（モノクロ化）するために、ダブル構造のウィーンフィルタ（磁場と電場の重畳場）によって、電子ビームをエネルギー分散し、単一のスリット板でエネルギー電子を選択する技術が開示されている（特許文献２の図５，図６参照）。また、特許文献２の図１０には、４個の扇形磁場によるモノクロメータが開示されているが、これは前段２個の扇形磁場フィルタの後のスリットでモノクロ化した後に、後段２個の扇形磁場フィルタで非分散させて集束する技術である。
【０００６】
特許文献３には、４つの半球形湾曲構体（扇形球面電場）を備え、その中間の鏡対称面にスリットを備えたエネルギーフィルタ（モノクロメータ）が開示されている。電子銃より出射したビームは前段２個の扇形半球面電場でエネルギー分散を受けた後、スリットでエネルギー幅が縮小され、後段２個の扇形半球面電場を通過することにより非分散になりクロスオーバが形成される。
【０００７】
特許文献４には、モノクロメータではないが、透過型電子顕微鏡の結像光学系に、Ω型磁場フィルタを配置する技術が開示され、更にこのエネルギーフィルタはエネルギー分析をしないときの電子ビームの直線状通路を備え、しかも前後のレンズの励磁を変える必要がないように工夫されている。
【０００８】
特許文献５もモノクロメータではないが、３個の扇形電磁石によるエネルギーフィルタが開示されている。一つの磁場は斜め入出射の一様磁場で、他は非一様磁場の組み合わせで、エネルギー選択する技術である。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−１９５３９６号公報
【特許文献２】
特開２００１−３５７８０９号公報
【特許文献３】
特開平４−２３３１４５号公報
【特許文献４】
特開平１１−１９１３８４号公報
【特許文献５】
特開平７−３７５３６号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１〜５には、磁場と電場の重畳（特許文献２），磁場（特許文献１，２，４，５），電場（特許文献３）によるモノクロメータやエネルギーフィルタが開示されているが、以下のような問題がある。
【００１１】
磁場によってフィルタリングを行うエネルギーフィルタは、磁極端面に対する斜め入射によって二次元的な集束を得ようとすると、二次の収差が発生し走査ビームが十分に絞れなくなり分解能が低下する恐れがある。
【００１２】
一方、半球電場によって二次元の集束作用を有するモノクロメータでは、半球状のコンデンサ電極を電子線の直線光軸に沿って設ける必要があるため、モノクロメータを使用しない高感度の走査電子顕微鏡として用いる場合、電子ビーム光軸（電子源から放出される電子ビームを偏向器等によって、偏向しないときの電子ビーム軌道。以下の説明では直線光軸と呼ぶこともある。）に沿って、電極に穴を開けなければならず、モノクロメータとして使用する場合には電界分布を乱し、電子ビームを十分に集束することが困難となる。
【００１３】
また、特許文献２に開示されたウィーンフィルタによるモノクロメータでは、特許文献１，３，４，５に開示された技術と比較すると、分散を大きくしようとすると電子ビームの光軸方向に長くなり、耐震性低下による分解能低下の問題が生じる恐れがある。
【００１４】
本発明の目的は、収束作用を低下させることなく、高次収差の発生を抑制することで、高像分解能を実現できるモノクロメータ、及びそれを用いた走査電子顕微鏡を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明では、電子ビームの直線光軸から扇形磁場を用いて電子ビームを偏向し、当該偏向された電子ビームを、扇形電場を用いて偏向することで、エネルギー分散させ、スリットを通過させるモノクロメータ、及びそれを用いた電子顕微鏡を提案する。本発明の具体的な構成，作用及び効果については、発明の実施形態の欄で詳細に説明する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に説明する本発明実施例によれば、光軸に沿って電子ビームを通過させること、光軸から電子ビームを離間させるように偏向すること、の何れもが可能な磁場偏向と、高次収差を発生させることなく電子ビームの偏向方向に対して垂直な方向への集束が可能な電場偏向を組み合わせることによる高像分解能化を実現できる。
【００１７】
【実施例１】
以下、図１を用いて本発明の一実施例であるモノクロメータを備えた走査電子顕微鏡の光学系と、その動作を説明する。
【００１８】
電子源１とアノード電極２間に引出電圧を印加すると、電子源１から電子ビーム３が電子ビームの直線光軸に沿って放出される。電子ビーム３は数十ｍｒａｄまで広がった電子ビーム３ａを含み、第１集束レンズ４でモノクロメータ２０の内部に電子源の実像を結ぶ。その後、前段偏向系の磁場発生器２１により１４０度以上１７０度以下だけ偏向され、第１電場発生器２２で反対方向に同一角度だけ偏向されることで、もとの直線光軸と平行な方向に方向付けられ、スリット２４の位置でｘ方向（紙面左右方向）に収束され、エネルギー選択される。
【００１９】
その後、スリットを含む面に対して対称な位置に設置され、電子ビームの直線軌道に、電子ビームを戻すように偏向する後段偏向系の第２電場発生器２３と、磁場発生器２１によって鏡対称の軌道を描いて点収束するとともに、前段偏向系で生じたエネルギー分散を相殺して非分散の虚像を形成する。このモノクロ化された電子源の虚像を、第２集束レンズ６で結像したあと、さらに対物レンズ８で縮小して、試料９の表面に微小なクロスオーバを形成する。
【００２０】
この時、一次電子ビーム３の開き角あるいはビーム電流量はモノクロメータ２０の下流に置かれた絞り５で制限される。さらにこの電子ビーム３は走査コイル７（偏向器）によって試料９上を二次元走査される。なお、モノクロメータ２０を構成する磁場発生器と電場発生器は、電子ビームの通路に沿って広がる扇形に形成されることが望ましい。
【００２１】
試料より放出された電子１０（二次電子、及び／又は反射電子）は対物レンズ８のレンズ作用を受けながら上昇する。上昇した電子１０は変換電極１１に衝突し、新たな二次電子１２を発生する。この二次電子１２は正の高電圧を印加したシンチレータ１３に衝突して発光し、光電子増倍管によって電気信号に変換され増幅した後、ブラウン管による顕微鏡像（ＳＥＭ像）として観察できる。また、図１で説明する実施例では、試料より放出された電子を一旦変換電極で二次電子に変換して検出器で検出する手法を採用しているが、これに限られることはなく、例えば試料から放出された電子を直接検出器に導くようにしても良い。
【００２２】
図１で説明する装置の各光学素子は、図示しない制御装置に接続されており、この制御装置によって、各光学素子への印加電圧，電流が調整される。
【００２３】
以下に本実施例装置におけるモノクロメータの電子光学系による電子ビームの軌道の詳細を図２乃至図４に示す。
【００２４】
図２はモノクロメータ２０内の電子ビーム３が偏向される半径方向（ｘ方向）の電子ビームの広がり３ａを示している。モノクロメータ２０はエネルギー選択スリット２４を含む平面で上下鏡対称な構成となっている。
【００２５】
第１集束レンズ４の励磁を調整し、電子ビーム３と鏡対称面１８の交点に電子源の実像を結ぶように電子ビーム３を入射させる。最初に、磁場発生器２１を励磁することにより約１６０度偏向される。この偏向軌道の途中に実像が存在する。ドリフト空間を経て、次に第１電場発生器２２で反対方向に同一角度だけ偏向され、ドリフト空間を経て、スリット２４の位置でｘ方向に収束される。その後スリットを含む面に対して鏡対称な位置に設置された後段偏向系の第２電場発生器２３と磁場発生器２１によって鏡対称の軌道を描いて、磁場発生器２１を出射した後発散するが、出射された電子ビーム３を絞り５から見ると鏡対称面１８に虚像点を形成している。
【００２６】
本実施例における磁場発生器２１は、紙面垂直方向に間隔をもって配列される２つの磁極で形成される。この２つの磁極間において紙面手前側から紙面奥側の方向（電子ビーム光軸に垂直な方向）に磁場を形成することで、紙面左側に向かって電子ビームを偏向する。
【００２７】
扇形磁場発生器の入出射端面は電子ビームに対してほぼ垂直に設定されており、磁力線の向きには（ｙ方向）集束作用はない。
【００２８】
また、本実施例では、電子ビームを直線光軸外に偏向する磁極と、第２電場発生器を通過した電子ビームを再び変更して直線光軸に戻す磁極が一体成形されている例について説明しているが、これに限られることはなく、それぞれ異なる磁極を用いて、偏向を行うようにしても良い。
【００２９】
本実施例装置は、電子ビームをモノクロ化をしない通常の走査電子顕微鏡としても用いることができ、そのために磁場発生器２１の励磁のオンオフを行う手段および残留磁場を消去する手段を備えている。
【００３０】
図３は、図２の紙面垂直方向（ｙ方向）の電子ビームの広がりを、曲線軌道進行方向ｚを直線に変換して展開表示している。電子ビーム３は全ての扇形磁場に垂直入出射するので、入出射時の収束作用はない。ただし、電場発生器を扇形トロイダル電場とすることによりｙ方向の収束作用が発生する。まず、広がった電子ビーム３ａは第１集束レンズ４によって収束され、磁場発生器２１によって形成される扇形磁場の偏向軌道の途中にｙ方向集束される。ドリフト空間を経て、第１電場発生器２２によって形成される電場を通過し、スリット２４の位置でｘ方向と同時に点収束する。スリット２４を通過した電子ビーム３は鏡対称に設置された第２電場発生器２３によって形成される電場，磁場発生器２１によって形成される磁場によって鏡対称の電子軌道を描く。
【００３１】
本実施例ではｙ方向への収束を行うために、扇形のトロイダル電極によって形成されるトロイダル電場で行うことにより、扇形磁場の斜め入出射でｙ方向収束する場合に比べて、高次収差の発生を抑制することが可能となる。
【００３２】
すなわち、一般に扇形磁場によるｙ方向の収束は、入射端面或いは出射端面の急激に変化する端縁磁場に対して、電子ビームが斜めに入射、或いは出射することで発生する効果を用いているので、ビームの広がり角に関わる二次収差が発生する。本発明実施例では、ｙ方向の収束作用をトロイダル電場だけに持たせているため、磁場偏向器に対して電子ビームを垂直入出射させることができ、その結果、二次収差の発生を抑えることができる。
【００３３】
本実施例の磁場発生器は、直線光軸からの電子ビームが入射する第１の入射端面，第１の入射端面から入射した電子ビームが出射する第１の出射端面，第２電場発生器２３によって偏向された電子ビームが入射する第２の入射端面、及び第２の入射端面から入射した電子ビームが直線光軸に沿って出射する第２の出射端面を備えている。
【００３４】
更に、本実施例では、扇形磁場を用いて直線光軸から電子ビームを偏向している。扇形磁場による偏向は、扇形電場による偏向に比較して直線光軸方向の寸法を短くすることができる。すなわち、扇形電極は電子ビーム通路に沿って配置しなければならないため、エネルギーフィルタ前段と後段の電子ビーム通路を離間させる必要があるが、扇形磁場の場合、そのような制限はなく、行き帰りの電子ビームを接近させたり、図１に記載するように交差させることができ、装置の高さを低くでき、耐震性の向上や、それに伴う像分解能の向上が実現できる。
【００３５】
図４にエネルギー分散軌道３ｄを示す。エネルギー分散軌道３ｄは磁場発生器２１によって形成される扇形磁場の入射時点から発生し、第１電場発生器２２によって形成される第１扇形トロイダル電場を経て、スリット２４の近傍で最大になる。
【００３６】
この後ほぼ鏡対称の軌道を経て、エネルギー分散が減少し、磁場発生器２１から出射された電子ビーム３ｄを絞り５から見ると鏡対称面１８上の虚像においてエネルギー分散がゼロになっている。以上を総合すると、点収束とエネルギー非分散（分散がゼロ）の３重収束が虚像において達成されている。
【００３７】
上記のモノクロメータの収束特性を計算するには、ＴＲＩＯ（Ｔ．Ｍａｔｓｕｏ，Ｈ．Ｍａｔｓｕｄａ  ｅｔ  ａｌ．；Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｐｒｏｇｒａｍ“ＴＲＩＯ”ｆｏｒ  Ｔｈｉｒｄ  Ｏｒｄｅｒ  Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｉｏｎ  Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ；Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ  ２４（１９７６），ｐｐ１９−６２）と呼ばれる軌道計算プログラムを使用した。パラメータの定義を図５に示した。ここにドリフト空間の距離はＬ１，Ｌ２，Ｌ３、磁場及び電場中の偏向軌道半径はＲ１，Ｒ２、偏向角はθ１，θ２である。本発明のモノクロメータでは、パラメータを鏡対称面に対して上下対称に設定する。ここに示す各パラメータと同等の比率で、モノクロメータを構成すれば、本実施例と同等の性能を得ることができる。
【００３８】
入射側から見た実像の大きさ（物点）、すなわち電子ビームの大きさ（ｘ１，ｙ１  ）が無視できるほど小さいとき、ビームの広がり角をαとβとし、エネルギー幅をδ（＝ΔＥ／Ｅ）とした場合、モノクロメータのレンズ系を通過後の、ｘ方向のビーム幅ｘ２  とｙ方向のビーム幅ｙ２  は次の二次近似式で表される。
【００３９】
ｘ２＝Ａ＊α＋Ｄ＊  δ＋ＡＡ＊α２＋ＢＢ＊β２                  …（１）
ｙ２＝Ｂ＊  β＋ＡＢ＊αβ                                    …（２）
ここにＡはｘ方向収差係数、Ｂはｙ方向収差係数、Ｄはエネルギー分散係数、ＡＡ，ＢＢ，ＡＢはそれぞれビームの空間の広がり角に関する二次収差係数である。本発明の具体的な実施例として、上記のパラメータを図５下欄の値に定めた場合の一次収差係数と二次収差係数の変化を図６乃至図７に示す。横軸はビームの進行方向ｚ軸を表し、左端（０）が入射側の仮想物点，右端（１０）が出射側の虚像点、すなわちモノクロ収束点を表す。
【００４０】
図６より明らかなように、スリットの位置（５）でｘ方向開角αの収差係数Ａとｙ方向開角βの収差係数Ｂが同時収束（Ａ＝Ｂ＝０）している一方で、エネルギー分散係数Ｄは−０．０４  に達している。右端（１０）のモノクロ収束点ではｘ方向とｙ方向が同時に収束しており、しかも分散も相殺されている。このように一次近似の軌道計算では、本発明のモノクロメータでは、空間的にもエネルギー的にも三重収束（Ａ＝Ｂ＝Ｄ＝０）されている。
【００４１】
さらに図７の二次収差係数においても、右端のモノクロ収束点では、３つ二次収差係数がともに除去されている（ＡＡ＝ＢＢ＝ＡＢ＝０）。これはモノクロメータのスリット位置での鏡対称性と、ビームの扇形磁場端面への垂直入出射を採用した効果である。
【００４２】
以上述べたように、本発明のモノクロメータを走査電子顕微鏡の第１集束レンズの下に配置すれば、スリットでエネルギー制限された後に、一次と二次の収差係数Ａ，Ｂ，Ｄ，ＡＡ，ＢＢ，ＡＢのすべてが収束したモノクロ収束点が得られる。これを第２集束レンズの物点にして、対物レンズで縮小すれば、色収差の少ない極微小のスポットが得られ走査電子顕微鏡の分解能が向上する。
【００４３】
続いて、本発明のモノクロメータの調整方法を、図８を用いて説明する。
【００４４】
（Ａ）始めにモノクロメータ２０の磁場発生器２１の励磁を切って鏡対称面１８上に電子源の実像を形成させる。そのためにはこの鏡対称面に直径５００μｍ程度の絞り１４を設置し、調整用の走査コイル４ａを用いて電子ビーム３ｓをこの絞り１４上で二次元走査すれば、絞りのＳＥＭ像が得られ、最適な像分解能の条件によって実像を得ることができる。この条件で第２集束レンズや対物レンズを調整して、試料のＳＥＭ像の分解能を最適化する。
【００４５】
（Ｂ）次に磁場発生器２１の励磁を逐次増加すると、ある励磁の範囲だけ第１電場発生器２２の電極に電子ビーム３ｔが入射する。外側電極に流れ込む電流の範囲の中間値を、磁場発生器２１の励磁電流として設定すれば、正確な最適励磁条件設定に基づく調整が可能になる。
【００４６】
（Ｃ）第１電場発生器２２の電圧を増加すると、第２電場発生器２３の電極に電子ビーム３ｕが入射する。外側電極に流れ込む電流を測定することで、電子ビームを第２電場発生器２３のギャップの中心に入射するための電圧印加条件が判る。この調整によって、扇形磁場の調整と同様に、正確な電圧印加条件設定に基づく調整が可能になる。
【００４７】
（Ｄ）第２電場発生器２３を第１電場発生器２２と同じ電圧条件に設定する。
【００４８】
（Ｅ）（Ａ）における試料のＳＥＭ像と比較して、焦点ずれ，像シフトが最小になるよう第１電場発生器２２と第２電場発生器２３の電圧を微調整する。
【００４９】
（Ｆ）絞り２４を電子ビームのクロスオーバ１９まで挿入する。走査コイル４ａを用いて絞り２４が像の中央になるよう絞り位置を微調整する。
【００５０】
図９の３，３ｄ，３ｅは電子ビームが絞り２４の位置で集束した条件でのＴＲＩＯによるビーム形状の計算結果である。広いエネルギー幅の電子ビーム形状は３ｆのような分散像になる。ｙ方向のビーム幅は絞りの穴径約４μｍに対して小さいが、ｘ方向はエネルギーによる分散によって広がっているため、鮮明な絞りの像観察はできない。しかし、エネルギーによる分散は焦点の調整による変化が少ないので、全体像の横幅が最小となる条件に扇形トロイダル電場のパラメータを微調整すればよい。最後にモノクロメータ２０の出口から見た鏡対称面１８上のモノクロ点が、磁場発生器２１によって形成される扇形磁場の励磁前の実像と一致することを確認する。その方法はモノクロメータより下流の光学条件を全く同一にして、磁場発生器２１の励磁前後で像移動と焦点ずれが発生しないように第２電場発生器２３のパラメータを微調整することで達成される。
【００５１】
具体的な扇形トロイダル電場のパラメータの調整方法を、図１０を用いて説明する。扇形電場を扇形トロイダル電場とすることによりｙ方向の収束作用を発生させる。扇形トロイダル電場の微調整用に、ｙ方向に取り付けた２枚の調整電極２２ｃと２２ｄを設置した。これらの電極に同じ電圧Ｖｃを印加することによりトロイダル定数が微小変化してｙ方向収束点を変えることが出来る。これにより、ｘ方向ばかりでなくｙ方向の焦点も調整できる。
【００５２】
本実施例の扇形トロイダル電場を構成する電極２２ａ，２２ｂは、ｘ方向には電子ビーム軌道に沿った曲率を有すると共に、その断面はｙ方向に沿って特定の曲率半径Ｒｙの形状になっている。このように形成された電極によって、ｙ方向への収束作用を発生させることができる。
【００５３】
なお、電極２２ａ，２２ｂ、及び調整用電極２２ｃ，２２ｄには、それぞれ可変可能な電源が接続されている（図示せず）。
【００５４】
【実施例２】
次に、第二の実施例について述べる。図１１にエネルギー分散軌道３ｄを示す。エネルギー分散軌道３ｄは磁場発生器２１が形成する第１扇形磁場の入射時点から発生し、第１電場発生器２２が形成する第１扇形電場を経て一定になり、絞り２４を通過する。この後、鏡対称の軌道を経て、エネルギー分散が減少し、磁場発生器２１が形成する扇形磁場の出射点で完全にゼロとなる。出射された後も電子ビーム３ｄはエネルギー分散がゼロのままになっている。以上を総合すると、直線光軸上においてはエネルギー分散が常にゼロであるため、点収束の位置に依らず、点収束とエネルギー非分散の３重収束が形成されている。このような完全モノクロ条件となる光学パラメータを図１１の下半分にまとめてある。このような比率でモノクロメータを構成すれば、光軸上の他の光学素子による、光学パラメータの変化によって、点収束の位置が変化したとしても、常に安定したモノクロ条件を再現できるので、装置調整が容易になる。
【００５５】
上記のパラメータを設定した場合の収差係数の変化を図１２乃至図１３に示す。図１２より明らかなように、絞り２４の位置（５）でｘ方向開角αの収差係数Ａとｙ方向開角βの収差係数Ｂが同時収束（Ａ＝Ｂ＝０）している一方で、エネルギー分散係数Ｄは先の実施例と同様に−０．０４  に達している。右端（１０）のモノクロ収束点ではｘ方向とｙ方向が同時に収束しており、しかも分散は扇形磁場を出射した直後からも相殺されている。このように一次近似の軌道計算では、本発明のモノクロメータでは、空間的にもエネルギー的にも三重収束（Ａ＝Ｂ＝Ｄ＝０）されている。特に着目すべきは、扇形磁場の出射点（９）以降で常にＤ＝０となることである。さらに図１３に示した二次収差係数の変化においても、右端のモノクロ点（１０）では、３つ収差係数がともに除去されている（ＡＡ＝ＢＢ＝０）。これはモノクロメータの絞り位置（５）での鏡対称性と、扇形磁場への垂直入射を採用した効果である。
【００５６】
以上、本発明実施例によれば、これまで２ｎｍ以下の像分解能を達成することは困難であった低加速ＳＥＭにおいて、高分解能化を実現することが可能になる。特にショットキーエミッション電子源や、熱電界放出電子源は、数千時間の連続安定動作が可能であるという優れた特性を持つ反面、エネルギー幅が０．６ｅＶ程度と比較的大きく、冷陰極電界放出電子源に比べて色収差の問題が大きかったが、本実施例で説明するようなモノクロメータの採用により、長時間の安定動作と色収差の低減の両立を実現できる。
【００５７】
なお、本発明実施例は、モノクロメータを低加速で用いられる走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）に適用した例を説明しているが、透過型走査電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）や高加速の走査電子顕微鏡にも適用可能である。
【００５８】
以上述べたように、本発明実施例のモノクロメータを走査電子顕微鏡に装着すれば、スリットでエネルギー制限された後に、一次と二次の収差係数すべてが収束したモノクロ収束点が得られる。これを集束レンズの物点にして、対物レンズで縮小すれば、色収差の少ない極微小のスポットが得られＳＥＭの分解能が向上する。
【００５９】
他にもモノクロメータの動作前後でモノクロメータ以外の光学条件を全く変更する必要がないため、調整が容易で信頼性が高いので、半導体デバイス製造ラインで利用される測長ＳＥＭに特に有効である。
【００６０】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、収束作用を低下させることなく、高次収差の発生を抑制することによる、高像分解能を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例のモノクロメータを備えた走査電子顕微鏡の光学系を説明する図。
【図２】モノクロメータ内の電子ビームのｘ方向軌道を説明する図。
【図３】モノクロメータ内の電子ビームのｙ方向軌道を説明する図
【図４】モノクロメータ内の電子ビームのエネルギー分散軌道を説明する図。
【図５】電子光学パラメータを説明する図。
【図６】モノクロメータの一次収差係数を示す図。
【図７】モノクロメータの二次収差係数を示す図。
【図８】モノクロメータの焦点調整方法を説明する図。
【図９】質量分離スリット上のビーム形状を示す図。
【図１０】本モノクロメータの扇形トロイダル電極形状を説明する図。
【図１１】本発明の第２の実施例で説明するモノクロメータの軌道を示す図。
【図１２】第２の実施例で説明するモノクロメータの一次収差係数を示す図。
【図１３】第２の実施例で説明するモノクロメータの二次収差係数を示す図。
【符号の説明】
１…電子源、２…アノード電極、３…電子ビーム、３ａ…広がった電子ビーム、３ｂ…焦点調整時の電子ビーム、３ｄ…エネルギーの分散軌道（エネルギーの高い電子ビーム）、３ｅ…エネルギーの分散軌道（エネルギーの低い電子ビーム）、３ｆ…エネルギー幅をもつ電子ビーム、３ｓ…絞り上を走査する電子ビーム、３ｔ…強励磁時の電子ビーム、３ｕ…低電圧時の電子ビーム、４…第１集束レンズ、５，１４…絞り、６…第２集束レンズ、７…走査偏向コイル、８…対物レンズ、９…試料、１０…二次電子、１１…変換電極、１２…変換電極で発生した二次電子、１３…シンチレータ、１８…鏡対称面、１９…電子ビームのクロスオーバ、２０…モノクロメータ、２１…磁場発生器、２２…第１電場発生器、２３…第２電場発生器、２４…エネルギー分離スリットあるいは絞り、２４ａ…絞り穴、α…ｘ方向の開き角、β…ｙ方向の開き角、δ…エネルギー幅（＝ΔＥ／Ｅ）、Ａ…ｘ方向収差係数、Ｂ…ｙ方向収差係数、Ｄ…エネルギー分散係数、ＡＡ，ＢＢ，ＡＢ…ビームの空間の広がり角に関する二次収差係数。
【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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