(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）と、このコンデンサ−対物−単一視野レンズと粒子源（１）との間に設けられる２つのコンデンサレンズ（３，４）と、コンデンサ−対物−単一視野レンズの下流側に設けられ、複数のレンズからなる結像システム（７，８）とを備え、ＴＥＭモードにおいて照射領域を変化させるため、粒子源（１）に隣接しているコンデンサレンズ（３）の励磁だけを変化させ、コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）に隣接しているコンデンサレンズ（４）の励磁を一定に維持するようにし、
前記粒子源（１）に隣接している前記コンデンサレンズ（３）を最大に励磁したときに生じるクロスオーバー（Ｃ１）第２のコンデンサレンズ（４）により前記コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）の粒子源側の焦点面に結像されるように、前記コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）に隣接している前記コンデンサレンズ（４）の励磁を一定に選定するようにした粒子光学的照明・結像システム。
【請求項２】
コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）と、このコンデンサ−対物−単一視野レンズと粒子源（１）との間に設けられる２つのコンデンサレンズ（３，４）と、コンデンサ−対物−単一視野レンズの下流側に設けられ、複数のレンズからなる結像システム（７，８）とを備え、ＴＥＭモードにおいて照射領域を変化させるため、粒子源（１）に隣接しているコンデンサレンズ（３）の励磁だけを変化させ、コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）に隣接しているコンデンサレンズ（４）の励磁を一定に維持するようにし、
前記コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）の前記粒子源側の焦点面に前視野絞り（５ａ）が設けられている粒子光学的照明・結像システム。
【請求項３】
前記前視野絞り（５ａ）が交換可能である請求項２に記載の粒子光学的照明・結像システム。
【請求項４】
コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）と、このコンデンサ−対物−単一視野レンズと粒子源（１）との間に設けられる２つのコンデンサレンズ（３，４）と、コンデンサ−対物−単一視野レンズの下流側に設けられ、複数のレンズからなる結像システム（７，８）とを備え、ＴＥＭモードにおいて照射領域を変化させるため、粒子源（１）に隣接しているコンデンサレンズ（３）の励磁だけを変化させ、コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）に隣接しているコンデンサレンズ（４）の励磁を一定に維持するようにし、
前記コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）に隣接している前記コンデンサレンズ（４）の主面領域に開口絞り（４ａ）が設けられている粒子光学的照明・結像システム。
【請求項５】
正確に前記２つのコンデンサレンズ（３，４）が設けられている請求項１〜４のいずれか一項に記載の粒子光学的照明・結像システム。
【請求項６】
前記コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）に隣接している前記コンデンサレンズ（４）の結像スケールが１：３よりも大きい請求項１〜５のいずれか一項に記載の粒子光学的照明・結像システム。
【請求項７】
前記粒子源（１）に隣接している前記コンデンサレンズ（３）を最大に励磁したときに、前記粒子源（１）が１：２０よりも小さな結像スケールで前記粒子源側の前記コンデンサレンズ（３）により縮小して結像されている請求項１〜６までのいずれか１項に記載の粒子光学的照明・結像システム。
【請求項８】
ＳＴＥＭモードにおいて、０．５μｍ以下の径の照射場と５ｍｒａｄ以上のアパーチャとを生じさせるため、前記粒子源（１）が虚像または実像の中間像を介して前記コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）の前記粒子源側の像面に結像されるように、両コンデンサレンズ（３，４）の励磁を変化させるようにした請求項１〜７までのいずれか１項に記載の粒子光学的照明・結像システム。
【請求項９】
ＴＥＭモードにおいて、照射場の大きさに関係なく前記粒子源（１）のそれぞれ２つの中間像が発生し、第２の中間像（Ｃ１’，Ｃ２’，Ｃ３’）が被照射場の大きさに応じて前記コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）の前記粒子源側の焦点面とプレパラート面（６）との間に位置している請求項１〜７までのいずれか１項に記載の粒子光学的照明・結像システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンデンサ−対物−単一視野レンズを備えた粒子光学的照明・結像システム、特に透過型電子顕微鏡用の粒子光学的照明・結像システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の電子顕微鏡は、たとえばドイツ連邦共和国特許第８７５５５５号公報から知られているように、リーケおよびルスカ型のいわゆるコンデンサ−対物−単一視野レンズ（以下ではＫＯＥレンズとも記す）を備えているものが多い。コンデンサ−対物−単一視野レンズは通常の対物レンズとは異なり、プレパラートが磁極片間隙の中央に配置される。プレパラートを磁場最大域に配置することにより、通常の対物レンズに比べて収差率が減少する。また、偏心型ゴニオメーターおよびバーゲートの実現が極めて簡単であり、通常の対物レンズに比べると、プレパラートを傾動させ、検出器を配置するための空間、たとえばプレパラートから放出されるレントゲン線或いは散乱して戻ってきた電子を検出するための検出器を配置するための広い空間ができる。さらにコンデンサ−対物−単一視野レンズを用いると、点分析および格子作動（いわゆるＳＴＥＭ作動）に対し非常に小さな電子探針を実現できる。
【０００３】
コンデンサ−対物−単一視野レンズのための照射装置の場合、従来、軸外領域での阻害的なプレパラートの斜め照射を避けるには、ＴＥＭ作動において粒子源のクロスオーバーをコンデンサ−対物−単一視野レンズの後部焦点面に結合させることがどうしても必要であるという前提に立っていた。これに対応する照射システムは２つのコンデンサレンズだけで実現されており、たとえば米国特許第３５６０７８１号公報から知られている。この場合、倍率の大きさが異なる場合に必要な種々の照射アパーチャを得るため、粒子源のすぐ下流側に設けられたコンデンサレンズの磁極片を交換可能にして、第１のコンデンサレンズを用いて得られた粒子源のクロスオーバーの結像に対し種々の結像スケールを達成するようになっている。第２のコンデンサレンズは、第１のコンデンサレンズによって生じたクロスオーバー像が常にコンデンサ−対物−単一視野レンズの照射側焦点面に結像されるように、常時同じ固定励磁で作動される。しかしながら、ここで提案されている磁極片の交換は精度が必要であるために、実際には標準的な機器に対して実用的でない。
【０００４】
前記米国特許第３５６０７８１号公報には、さらに、第１のコンデンサレンズの磁極片を交換する代わりに、両コンデンサレンズの励磁を変化させて種々の照射アパーチャを設定することが提案されている。しかしながら、このような照射システムの作動においても、プレパラートに照射される場の大きさはもっぱらコンデンサ絞りの大きさによって決定されているにすぎない。このため、場の大きさの変更はコンデンサ絞りを機械的に交換することによって可能であるにすぎない。
【０００５】
ドイツ連邦共和国特許第２８２２２４２号公報から知られているいわゆるツイン型対物レンズでは、コンデンサレンズ側の強磁性回路内に別のレンズ間隙が設けられている。この励磁固定の補助レンズを用いると、コンデンサレンズ絞りはコンデンサ−対物−単一視野レンズのコンデンサレンズ側の焦点面に結像される。このシステムの場合、第２のコンデンサレンズの励磁を変化させることにより照射アパーチャが可変である。しかしながら、ＳＴＥＭ作動で補助レンズの場を付加的なコイルによって補正しなければならないのが欠点である。
【０００６】
米国特許第４６３３０８５号公報から知られている他の照射システムは、その機能の点で前記ドイツ連邦共和国特許第２８２２２４２号公報の照射システムの機能にかなり対応している。米国特許第４６３３０８５号公報では、対物レンズの直前に配置されているスノーケルレンズによって補助レンズが実現されるにすぎない。
【０００７】
前記ドイツ連邦共和国特許第２８２２２４２号公報および米国特許第４６３３０８５号公報の照射システムは、それぞれ３つのコンデンサレンズを有しているが、これらのシステムは被照射場の独立設定も照射アパーチャの独立設定も不可能である。
【０００８】
米国特許第５０１３９１３号公報から知られている照射システムでは、照射アパーチャと被照射場は互いに独立に調整可能である。このシステムは３つのコンデンサレンズを含んでおり、これらのコンデンサレンズは粒子源のクロスオーバーを、倍率を可変にして常にコンデンサ−対物−単一視野レンズの粒子源側の焦点面に結像させる。この場合、照射アパーチャーはクロスオーバー像の大きさを決定する。照射場の大きさは、多孔絞りから適当な絞りを電子光学的に選定することにより可変なコンデンサ絞りの大きさによって決定される。この照射システムは常に最適なプレパラート照射を可能にするが、この利点を得るには比較的複雑な構成が必要である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、照射場の大きさを連続的に変化させることができ、照射場を縮小して照射アパーチャが拡大するような、コンデンサ−対物−単一視野レンズ用の簡潔な照射システムを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明によれば請求項１の特徴を備えた粒子光学的照射・結像システムによって解決される。有利な構成は従属項の特徴から明らかである。
【００１１】
本発明による粒子光学的照射・結像システムは、コンデンサ−対物−単一視野レンズと、粒子源とコンデンサ−対物−単一視野レンズの間に設けられる２つのコンデンサレンズと、コンデンサ−対物−単一視野レンズの下流側に設けられ、複数のレンズからなる結像システムとを有している。ＴＥＭモードにおいては、プレパラート面での照射領域を変化させるため、粒子源に隣接しているコンデンサレンズの励磁だけを変化させる。コンデンサ−対物−単一視野レンズに隣接しているコンデンサレンズの励磁はＴＥＭ作動では設定された照射場の大きさに関係なく一定である。
【００１２】
なお、ＴＥＭ作動とは、プレパラート面での照射場の径が≧０．５μｍか、照射アパーチャが≦５ｍｒａｄのいずれかであるような照射条件である。
【００１３】
本発明によれば、２つのコンデンサレンズだけを有している照射システムで、粒子源側のコンデンサレンズの励磁を変化させることにより、ＴＥＭ作動で必要な照射場のアパーチャおよび大きさが実現できることが明らかとなった。したがって本発明による照射・結像システムは、正確に２つのコンデンサレンズを有しているのが有利である。
【００１４】
最大照射場径を設定する際には粒子源側のコンデンサレンズを比較的強く励磁させる必要があるので、粒子源側のコンデンサレンズは粒子源のクロスオーバーをほぼ２０ないし５０倍に縮小して結像させる。この場合対物レンズ側のコンデンサレンズは、この第２のコンデンサレンズが粒子源側のコンデンサレンズによって生じたクロスオーバーを１：１のスケールでコンデンサ−対物−単一視野レンズのコンデンサレンズ側の焦点面に結像させるように設定されている必要がある。これにより、最大照射場径の場合、軸線に平行なコヒーレントなプレパラートの照射が得られるので、この設定の場合、軸線から遠い領域が斜めから照射されることがない。
【００１５】
より小さな照射場径を設定するため、粒子源側のコンデンサレンズの励磁を減少させ、その結果粒子源側のコンデンサレンズによって生じたクロスオーバーの像が光軸に沿って対物レンズ側のコンデンサレンズの方向へ向くようにするのが合目的である。最小の照射場は、両コンデンサレンズがともに粒子源のクロスオーバーを、第２のコンデンサレンズとコンデンサ−対物−単一視野レンズの間にあってコンデンサ−対物−単一視野レンズに対してプレパラート面に共役の面に結合させれば達成される。この場合コンデンサ−対物−単一視野レンズは、この中間クロスオーバーをプレパラート上に結像させる。照射場の径がより小さければ、プレパラートの軸外領域が斜めから照射されることになるが、照射場の径が小さくなるにつれて斜め照射が増大するので、あまり支障をきたさない。
【００１６】
通常ＴＥＭ作動において必要な、場の径が異なるすべての領域を、２段階のコンデンサレンズを用いて実現できるように、対物レンズ側のコンデンサレンズの固定結像スケールは１：３である必要がある。有利には１：１と１：３の間である（照射場の径が最大である場合、クロスオーバー像は第２のコンデンサレンズにより最大で１／３だけ縮小される）。
【００１７】
照射場の径が小さい場合に照射アパーチャを制限するため、コンデンサ−対物−単一視野レンズの粒子源側の焦点面内に前視野絞りを設ける必要がある。この前視野絞りは、スポット照射の際により大きな照射アパーチャが得られるように交換可能であるべきである。
【００１８】
上述の照射路により、達成可能な最小の照射場の径は１μmの範囲にある。より小さな照射場の径を設定するため、両コンデンサレンズは（いわゆるスポットモードまたはＳＴＥＭモードで）ズームとして作動し、その際両コンデンサレンズは粒子源のクロスオーバー像を常にコンデンサ−対物−単一視野レンズのコンデンサレンズ側の入射像面に結像させる。このときコンデンサ−対物−単一視野レンズは、そこに発生する粒子源のクロスオーバーの中間像をもう一度縮小させてプレパラート上へ結像させる。この場合、両コンデンサレンズの励磁を異ならせることにより、スポットの大きさを変えることができる。
【００１９】
その結果、本発明による照射・結像システムにおいては、ＴＥＭ作動時の対物レンズ側コンデンサレンズに対しただ１つの励磁値を設定可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の詳細を図面に図示した実施の形態に関し説明する。
【００２１】
図１の電子顕微鏡は粒子源（１）を有し、粒子源は下流側に、該粒子源（１）から放出する電子のための加速段（２）を備えている。粒子源（１）から放出する電子線を加速側でビーム整形するため、２つの磁気レンズ（３，４）からなるコンデンサシステムが設けられている。両コンデンサレンズ（３，４）の下流側にはコンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）が設けられている。プレパラートホールダー（６）はコンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）内において磁極片間隙の高さに配置され、よってコンデンサ−対物−単一視野レンズの磁場の最大値域に配置されている。コンデンサ−対物−単一視野レンズの磁極片間隙のいくぶん粒子源側にはさらにコイル（９）が設けられ、コイル（９）はＳＴＥＭ作動において偏向システムとして用いられる。コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）のコンデンサレンズ側の焦点面には、機械的に交換可能に構成された前視野絞り（５ａ）が配置されている。コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）の焦点距離がわずか３−４ｍｍと短いため、前視野絞り（５ａ）の位置もコンデンサ−対物−単一視野レンズの位置にほぼ対応している。
【００２２】
コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）の下流側には、磁気レンズ（７，８）からなる多段システムが設けられ、多段システムはプレパラートを拡大して検出器（１０）に結像させるために用いる。なお図１においては、結像システムのうち２つのレンズ（７，８）しか図示していないが、通常はこの結像システムは３つまたは４つの磁気レンズから構成される。
【００２３】
図１において１１−１６は、個々の電子光学要素の管理に必要な制御・供給装置である。ここでは、図示していないコンピュータを介して制御される電流・電圧源である。
【００２４】
対物レンズ側のコンデンサレンズ（４）の磁極片間隙の高さにコンデンサ開口絞り（４ａ）を選択的に差し込むことができる。このコンデンサ開口絞り（４ａ）はＥＤＸ作動時のみ必要である。なぜなら、ＥＤＸ作動時には、前視野絞りを線束路から離隔させないと、前視野絞りから解離した阻害光線が本来の測定信号を覆ってしまうからである。このような場合にコンデンサ開口絞り（４ａ）を照射開口を制限するために用いる。
【００２５】
コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）は通常のごとく像の設定倍率とは独立に予め与えられた励磁特性を有しているので、収差は最小である。その結果、コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）のための給電部（１４）もＴＥＭモードおよびＳＴＥＭモードにおいて常に同じ一定の励磁電流を提供する。ＳＴＥＭモードにおいてプレパラートの面内で最適に小さな電子探針を得るためにだけ、コンデンサ−対物−単一視野レンズの励磁をわずかに変化させてよい。
【００２６】
ＴＥＭ作動では、検出器（１０）へのプレパラートの結像スケールの変更は、コンデンサ対物レンズ（５）の下流側に接続された結像段（７，８）の励磁を変化させることによって行なう。プレパラート上に照射された場を、結像段（７，８）により結像されたプレパラートの場に整合させるため、粒子源（１）の下流側に設けられた第１のコンデンサレンズ（３）の励磁は照射路内で可変である。これに対して、対物レンズ（５）に隣接している第２のコンデンサレンズ（４）の励磁はＴＥＭ作動時においては一定であり、ＳＴＥＭ作動時のみ変化させられる。
【００２７】
照射路内において、大きさが異なる照射場をプレパラート（６）の面内で照射するために実現されるそれぞれの線束路を、図２に示す。最大照射場を設定するため、すなわち最大径の照射場を設定するため、粒子源側のコンデンサレンズ（３）が強く励磁され、その結果このコンデンサレンズは粒子源のクロスオーバーの、かなり縮小された実像（Ｃ１）を生じさせる。この縮小されたクロスオーバー像の結像スケールはほぼ１：２０ないし１：５０である。対物レンズ側のコンデンサレンズ（４）は、第１のコンデンサレンズ（３）によって生じたクロスオーバーの縮小像（Ｃ１）をコンデンサ−対物−単一視野レンズの粒子源側焦点面内に結像させ、その結果クロスオーバーの別の中間像（Ｃ１’）が発生する。この第２のクロスオーバー像における結像スケールはほぼ１：１である。コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）の前視野の作用のために、プレパラート面（６）での照射はコンデンサ−対物−単一視野レンズの場合と同様に通常軸線平行な線束により行なわれる。
【００２８】
より小さな照射場を設定するためには、粒子源側のコンデンサレンズ（３）の励磁だけを減少させ、他方対物レンズ側のコンデンサレンズ（４）の励磁および当然のことながらコンデンサ−対物−単一視野レンズの励磁は固定したままである。この場合、粒子源側のコンデンサレンズ（３）によって生じたクロスオーバー像（Ｃ２）はコンデンサレンズ（３）の減衰の程度に応じて対物レンズ側のコンデンサレンズ（４）の方向へ変位し、その結果クロスオーバー像（Ｃ２）の、対物レンズ側のコンデンサレンズ（４）によって生じた像（Ｃ２’）もコンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）の方向へ変位する。このためプレパラート面（６）では、発散粒子線束による、より小さな照射場の照射が得られる。
【００２９】
両コンデンサレンズ（３，４）がともにわずかしか縮小されない粒子源のクロスオーバーの像（Ｃ３）を発生させ、しかもコンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）に対してプレパラート面（６）に共役の面で発生させるように粒子源側のコンデンサレンズ（３）が減衰されていれば、最小の照射場が達成される。この、クロスオーバー像（Ｃ３）の面は、コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）の入射側の像面であり、その結果コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）はクロスオーバー像（Ｃ３）の縮小像（Ｃ３’）をプレパラート面（６）内に生じさせる。
【００３０】
図２からわかるように、本発明による照射・結像システムでは、ＴＥＭ作動時に常に２つのクロスオーバー像が生じ、第２のクロスオーバー像（Ｃ１’，Ｃ２’，Ｃ３’）はコンデンサ−対物−単一視野レンズの粒子源側の焦点面とプレパラート面の間に発生する。この場合第２のクロスオーバー像の、コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）の焦点面での発生とコンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）のプレパラート面での発生とは、それぞれ最大照射場径または最小照射場径における境界設定を意味している。
【００３１】
さらに図２からわかるように、コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）の粒子源側の焦点面内に配置されている前視野絞り（５ａ）は照射場の径が非常に小さい場合だけアパーチャを制限するように作用する。こり場合、前視野絞りの開口径はコンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）の焦点距離に応じて選定され、すなわち照射場が最小のときの最大照射アパーチャがほぼ２．５ないし３ｍｒａｄであるように選定される。照明場の径がより大きな場合は照射アパーチャが減少し、軸線平行な照射のような極端な場合には最小になって、０．１ｍｒａｄ以下の値になる。照射場の径を最小に設定すると、両コンデンサレンズ（３，４）はともに縮小率がかなり小さな粒子源（１）の像だけをクロスオーバー（Ｃ３）に生じさせる。それにもかかわらず、コンデンサ−対物−単一視野レンズによってこのクロスオーバー像を下流側で結像させることにより、ほぼ１μｍの径を持った最小照射場を達成することができる。
【００３２】
ＳＴＥＭモードでは、両コンデンサレンズはズームシステムとして作動する。図３には、可能なスポット径が最小である場合の線束路が図示されている。この場合、粒子源側のコンデンサレンズ（３）はその最大励磁に設定され、この最大励磁はＴＥＭモードにおいて照射場の径が最大であるときの励磁に相当している。その結果、粒子源側のコンデンサレンズは粒子源（１）の１：３０倍の縮小クロスオーバー像（Ｃ４）を生じさせる。この場合対物レンズ側のコンデンサレンズ(４)は、粒子源側のコンデンサレンズ（３）によって生じたクロスオーバー像（Ｃ４）をほぼ１：５の結像スケールでプレパラート（６）の面に共役な面、すなわちコンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）の入射側の像面に結像させる程度に励磁される。その結果、前記共役な面には別の中間クロスオーバー（Ｃ４’）が発生する。この別の中間クロスオーバー（Ｃ４’）はコンデンサ−対物−単一視野レンズによってプレパラート（６）の面に結像されるので、プレパラートの面には別のクロスオーバー像（Ｃ４”）が発生する。このようにして、コンデンサ−対物−単一視野レンズの励磁を不変にして約７ｎｍの最小スポットサイズを生じさせることができる。コンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）の励磁をわずかに変化させることにより、径が２．５ｎｍの最小スポットサイズを達成できる。
【００３３】
ほぼ７ｎｍまたは２．５ｎｍの最小値と１μｍの間にある、より大きなスポット径を設定する必要がある場合には、両コンデンサレンズ（３，４）が常に粒子源（１）をコンデンサ−対物−単一視野レンズ（５）の粒子源側の像面に結像させるズームシステムを形成するように、これらコンデンサレンズ（３，４）の励磁を変化させることができる。
【００３４】
スポット照射において、すなわちＳＴＥＭモードにおいて最大プローブ電流を得るため、ＴＥＭモードに比べて前視野絞りをほぼ１００−２００μｍの径に交替させる必要がある。その結果、５−２０ｍｒａｄ範囲の照射アパーチャが得られる。プレパラートから放射されるレントゲン線（ＥＤＸ作動）を検証するため、前視野絞りをべリリウムから構成するか、対物レンズ側のコンデンサレンズ（４）の主面付近にコンデンサ絞り（４ａ）を設けてよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電子顕微鏡の光軸に沿った断面図である。
【図２】図１の電子顕微鏡において、ＴＥＭ作動時の照射路の個々の線束路を示す図である。
【図３】図１の電子顕微鏡において、ＳＴＥＭ作動時の照射路の個々の線束路を示す図である。
【符号の説明】
１  粒子源
３  コンデンサレンズ
４  コンデンサレンズ
５  コンデンサ−対物−単一視野レンズ
５ａ  前視野絞り
６  プレパラート面
７  磁気レンズ
８  磁気レンズ
Ｃ１  クロスオーバー
Ｃ１’  中間像
Ｃ２’  中間像
Ｃ３’  中間像
【図１】
0004615689.tif 000002
【図２】
0004615689.tif 000003
【図３】
0004615689.tif 000004