(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線装置における対物レンズの収差を補正するための収差補正装置であって、
前記対物レンズ側に配置された第１の多極子レンズと、
投影レンズ側に配置された第２の多極子レンズと、
前記第１及び第２の多極子レンズ間の所定の位置に固定して配置され、前記対物レンズのコマフリー面を転写する軸外軌道の条件を前記第２の多極子レンズの中心に転写するための第１の転写レンズ群と、
前記第１の多極子レンズと前記対物レンズ間の所定の位置に固定して配置され、前記対物レンズのコマフリー面を転写する軸外軌道の条件を前記第１の多極子レンズの中心に転写するための第２の転写レンズ群と、を備え、
前記第２の転写レンズ群は３つの回転対称レンズを含み、前記対物レンズから近い順に第１、第２、及び第３の回転対称レンズと定義した場合、試料が前記対物レンズの内部または外部に配置されたときに、前記第３の回転対称レンズと前記第１の回転対称レンズの組み合せ、及び前記第３の回転対称レンズと前記第２の回転対称レンズの組み合せを切り換えながら用いて、前記回転対称レンズの焦点距離を調整して、コマフリー面を転写することにより、前記対物レンズの焦点が前記対物レンズの内部と外部にある場合の前記対物レンズの収差補正を可能とする収差補正装置。
【請求項２】
前記試料が前記対物レンズの外部に配置され、前記対物レンズの焦点が前記対物レンズの外部にあり、前記対物レンズが長焦点の場合、前記第２及び第３の回転対称レンズの組合せを用いて前記対物レンズの収差補正を行うようにし、
前記試料が前記対物レンズの内部に配置され、前記対物レンズの焦点が前記対物レンズの内部にあり、前記対物レンズが短焦点の場合、前記第１及び第３の回転対称レンズの組合せを用いて前記対物レンズの収差補正を行うようにすることを特徴とする請求項１に記載の収差補正装置。
【請求項３】
前記対物レンズが長焦点の場合、前記対物レンズの収差補正を可能とする条件は、軸上軌道が前記対物レンズと前記第２の回転対称レンズとの間で光軸と交差せず、前記軸上軌道が前記第２及び第３の回転対称レンズの間で前記光軸と交差し、前記軸外軌道が前記第２及び第３の回転対称レンズの間で前記光軸と交差しないことであり、
前記対物レンズが短焦点の場合、前記対物レンズの収差補正を可能とする条件は、軸上軌道が前記対物レンズと前記第１の回転対称レンズとの間で光軸と交差せず、前記軸上軌道が前記第１及び第３の回転対称レンズの間で前記光軸と交差し、前記軸外軌道が前記第１及び第３の回転対称レンズの間で前記光軸と交差しないことである、ことを特徴とする請求項２に記載の収差補正装置。
【請求項４】
前記対物レンズが長焦点の場合の、前記対物レンズの主面とコマフリー面との距離をｆＯＬ、前記試料と前記対物レンズの主面との距離をｌＯＬ、とし、
前記対物レンズが短焦点の場合の、前記対物レンズの主面とコマフリー面との距離をｆＯＳ、前記試料と前記対物レンズの主面との距離をｌＯＳ、とし、
前記対物レンズが長焦点の場合のコマフリー面と前記第２の回転対称レンズとの距離をｌ５とし、
前記対物レンズが短焦点の場合のコマフリー面と前記第１の回転対称レンズとの距離をｌ１とし、
前記第１及び第２の回転対称レンズの距離をｌ２、前記第２及び第３の回転対称レンズの距離をｌ３、前記第３の回転対称レンズと前記第１の多極子レンズとの距離をｌ４、とし、
前記第１乃至第３の回転対称レンズの焦点距離をｆ１３、ｆ７、及びｆ８、とすると、
前記対物レンズが長焦点の場合の前記収差補正を可能とする条件は、
【数１】
0004533441.tif 000005
であり、
前記対物レンズが短焦点の場合の前記収差補正を可能とする条件は、
【数２】
0004533441.tif 000006
であることを特徴とする請求項３に記載の収差補正装置。
【請求項５】
試料に荷電粒子線を照射して試料像を取得し、前記試料を観察する荷電粒子装置であって、
前記荷電粒子線を発生する電子源と、
前記荷電粒子線を収束させ、前記試料に照射するための収束レンズと、
前記試料を透過した像を拡大するための対物レンズと、
対物レンズの収差を補正するための収差補正装置と、を備え、
前記収差補正装置は、
前記対物レンズ側に配置された第１の多極子レンズと、
投影レンズ側に配置された第２の多極子レンズと、
前記第１及び第２の多極子レンズ間の所定の位置に固定して配置され、前記対物レンズのコマフリー面を転写する軸外軌道の条件を前記第２の多極子レンズの中心に転写するための第１の転写レンズ群と、
前記第１の多極子レンズと前記対物レンズ間の所定の位置に固定して配置され、前記対物レンズのコマフリー面を転写する軸外軌道の条件を前記第１の多極子レンズの中心に転写するための第２の転写レンズ群と、を備え、
前記第２の転写レンズ群は３つの回転対称レンズを含み、前記対物レンズから近い順に第１、第２、及び第３の回転対称レンズと定義した場合、試料が前記対物レンズの内部または外部に配置されたときに、前記第３の回転対称レンズと前記第１の回転対称レンズの組み合せ、及び前記第３の回転対称レンズと前記第２の回転対称レンズの組み合せを切り換えながら用いて、前記回転対称レンズの焦点距離を調整して、コマフリー面を転写することにより、前記対物レンズの焦点が前記対物レンズの内部と外部にある場合の前記対物レンズの収差補正を可能とする、
荷電粒子装置。
【請求項６】
前記試料が前記対物レンズの外部に配置され、前記対物レンズの焦点が前記対物レンズの外部にあり、対物レンズが長焦点の場合、前記第２及び第３の回転対称レンズの組合せを用いて前記対物レンズの収差補正を行うようにし、
前記試料が前記対物レンズの内部に配置され、前記対物レンズの焦点が前記対物レンズの内部にあり、対物レンズが短焦点の場合、前記第１及び第３の回転対称レンズの組合せを用いて前記対物レンズの収差補正を行うようにすることを特徴とする請求項５に記載の荷電粒子装置。
【請求項７】
前記対物レンズが長焦点の場合、前記対物レンズの収差補正を可能とする条件は、軸上軌道が前記対物レンズと前記第２の回転対称レンズとの間で光軸と交差せず、前記軸上軌道が前記第２及び第３の回転対称レンズの間で前記光軸と交差し、前記軸外軌道が前記第２及び第３の回転対称レンズの間で前記光軸と交差しないことであり、
前記対物レンズが短焦点の場合、前記対物レンズの収差補正を可能とする条件は、軸上軌道が前記対物レンズと前記第１の回転対称レンズとの間で光軸と交差せず、前記軸上軌道が前記第１及び第３の回転対称レンズの間で前記光軸と交差し、前記軸外軌道が前記第１及び第３の回転対称レンズの間で前記光軸と交差しないことである、ことを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子装置。
【請求項８】
前記対物レンズが長焦点の場合の、前記対物レンズの主面とコマフリー面との距離をｆＯＬ、前記試料と前記対物レンズの主面との距離をｌＯＬ、とし、
前記対物レンズが短焦点の場合の、前記対物レンズの主面とコマフリー面との距離をｆＯＳ、前記試料と前記対物レンズの主面との距離をｌＯＳ、とし、
前記対物レンズが長焦点の場合のコマフリー面と前記第２の回転対称レンズとの距離をｌ５とし、
前記対物レンズが短焦点の場合のコマフリー面と前記第１の回転対称レンズとの距離をｌ１とし、
前記第１及び第２の回転対称レンズの距離をｌ２、前記第２及び第３の回転対称レンズの距離をｌ３、前記第３の回転対称レンズと前記第１の多極子レンズとの距離をｌ４、とし、
前記第１乃至第３の回転対称レンズの焦点距離をｆ１３、ｆ７、及びｆ８、とすると、
前記対物レンズが長焦点の場合の前記収差補正を可能とする条件は、
【数３】
0004533441.tif 000007
であり、
前記対物レンズが短焦点の場合の前記収差補正を可能とする条件は、
【数４】
0004533441.tif 000008
であることを特徴とする請求項７に記載の荷電粒子装置。
【請求項９】
さらに、
前記各回転対称レンズおよび前記多極子レンズの電流源を制御するための制御手段と、
前記制御手段を操作するための入力手段と、
前記試料の像を表示するための表示装置と、を備え、
前記制御手段は、前記収差補正を可能とする条件に基づいて、前記各回転対称レンズと前記各多極子レンズに与えるべき電流を計算し、前記各回転対称レンズと前記各多極子レンズを制御することを特徴とする請求項８に記載の荷電粒子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、収差補正装置及び荷電粒子装置に関し、例えば、多極子レンズと回転対称レンズを含む収差補正装置で、透過型電子顕微鏡をはじめとする荷電粒子線顕微鏡装置の、特に対物レンズの球面収差を補正するための光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）や走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）など電子顕微鏡においては、電子線を収束するために電場或いは磁場を用いた電子レンズが不可欠である。電子レンズとして最も良く用いられるのは、回転対称な電磁界を用いた球面レンズとして作用するレンズである。このような回転対称電子レンズでは正の球面収差が不可避であることが知られている。この場合、更に回転対称電子レンズを用いても負の球面収差を作ることは不可能であるので、光学におけるような凹／凸組レンズによる球面収差補正はできず、従来の電子顕微鏡装置においては球面収差が実質的な分解能を決める主要因となっている。
【０００３】
一方、この電子レンズの球面収差は非回転対称な多極子レンズの組合せにより、原理的に補正可能であることが指摘されているが、これら多極子補正器は多段の４極、６極、８極子などを用いるため構造が複雑である。
【０００４】
収差補正装置の１つに、多極子レンズで６極子場を発生させて回転対称レンズの球面収差を補正するものがある。球面収差補正の原理は以下の通りである。一般的に対物レンズの正の球面収差に対して、多極子レンズにより６極子場を発生させることで、負の球面収差を作り出し、対物レンズの球面収差を打ち消す。また６極子場の強度を変化させることで、負の球面収差を制御することができるので、電子顕微鏡に搭載されているレンズ、すなわち対物レンズや収束レンズ、投影レンズなどを含めた光学系全体の球面収差を任意の量に制御することができる。ただし、６極子場は２次の収差を発生させるため、２つの多極子レンズの間に２つの回転対称レンズを配置し、多極子レンズ間の電子ビームの軌道を反転させることにより、６極子場の２次の収差を打ち消すことができる。
【０００５】
例えば、特許文献１には、このような電子顕微鏡の回転対称レンズの球面収差を補正する装置に関して開示されており、図１はその概略図である。図１において、各電子レンズは光学レンズのように図示されているが、これは図示を簡略化するためであり、実際には磁界を用いる電子レンズとなっている。
【０００６】
補正装置には、多極子レンズ２及び３の間に回転対称レンズ４及び５が配置され、多極子レンズ２と対物レンズ６の間には２つの回転対称レンズ７及び８が配置される。回転対称レンズの焦点距離は全て同じｆであり、回転対称レンズ７及び８間の距離は２ｆ、多極子レンズ２と回転対称レンズ４及び８間の距離はどちらもｆ、回転対称レンズ４及び５間の距離は２ｆ、多極子レンズ３と回転対称レンズ５の距離はｆとなっている。従来、電子顕微鏡で高分解能観察を行う際、試料位置９は対物レンズ６内に存在し、対物レンズ６の焦点距離は数ｍｍと非常に強励磁で使用する。軸上軌道１０は試料と光軸の交点を通り、光軸に対してある角度を持った電子線の軌道であり、多極子レンズ２に対して光軸と平行に入射させる。その後、回転対称レンズ４及び５によって軌道を反転させ、多極子レンズ３に対して光軸と平行に入射させる（球面収差補正条件）。上記のように多極子レンズ２及び３と回転対称レンズ４及び５を配置すると、軸上軌道１０は多極子レンズ２及び３に対して、光軸から同じ距離だけ離れて通過する（球面収差補正条件）。６極子場の強度は光軸からの距離によって決まるので、２つの多極子レンズの励磁を同じにすることで２次の収差を打ち消すことができる。すなわち、対物レンズ６の球面収差と逆符号で半分の量の球面収差を２つの多極子レンズの６極子場でそれぞれ与えることにより、２次の収差を打ち消しつつ、対物レンズの球面収差を補正することができる。
【０００７】
また、図１の収差補正装置は軸上コマ収差を補正する構成となっている。回転対称レンズには軸上コマ収差がない面があり、これをコマフリー面と呼ぶ。このコマフリー面は通常、回転対称レンズの後ろ焦点面付近に存在するため、試料位置９を対物レンズ６内に配置し、対物レンズ６を強励磁で使用する高分解能観察を行う場合、対物レンズ６のコマフリー面１１は対物レンズ６の数ｍｍ後ろに存在することになる。このとき対物レンズ６のコマフリー面１１と回転対称レンズ７の距離をｆとすることで、コマフリー面１１を回転対称レンズ７のコマフリー面に転写することができる。
【０００８】
図１の構成によれば、同様の原理でコマフリー面１１を、回転対称レンズ８、４及び５のコマフリー面に転写することができる。多極子レンズのコマ収差は多極子レンズの中心を通る軌道で、かつ２つの多極子レンズ２及び３の間の中心で軌道が対称になることで打ち消すことができる。図１においては対物レンズ６のコマフリー面１１を通る軸外軌道１２は多極子レンズ２及び３の中心を通り、２つの多極子レンズ２及び３の間の中心で軌道を対称にすることで、コマフリー面を転写し、軸上コマ収差を補正している。
【０００９】
以上のように図１の構成では、補正装置の後半部分である多極子レンズ２及び３の間において軸上軌道１０によって球面収差補正条件（多極子レンズ２及び３に対して光軸と平行にビームが入射し、多極子レンズ２及び３においてビームが対称（光軸からの距離が同じ）となっていること）を満たし、補正装置の前半部分である対物レンズ６から多極子レンズ２の間において軸外軌道１２によってコマフリー面転写条件を満たす球面収差補正装置となっている。
【００１０】
特許文献２には別の構成によって球面収差を補正することが開示されており、図２はその概略図である。これも図１と同じように試料位置９が対物レンズ６内に存在する高分解能観察用の収差補正装置である。補正装置の後半部分である多極子レンズ２及び３間の構成は前述の図１と同じであるが、補正装置の前半部分である対物レンズ６と多極子レンズ２の間の構成が図１とは異なる。
【００１１】
図２において、回転対称レンズ７及び８の焦点距離をそれぞれｆ１、ｆ２とし、対物レンズ６のコマフリー面１１と回転対称レンズ７の距離をｆ１、回転対称レンズ７及び８間の距離をｆ１＋ｆ２、回転対称レンズ８と多極子レンズ２の距離をｆ２としている。軸上軌道１０は補正装置の後半部分が前述の図１と同じ構成なので同じ原理により球面収差補正条件を満たしている。また、補正装置の前半部分は前述の図１と構成は異なるが、回転対称レンズ７及び８を焦点距離の位置に配置することにより、軸外軌道１２はコマフリー面転写条件を満たしている。
【００１２】
図２の収差補正装置の特徴としては球面収差の微調整のしやすさが挙げられる。対物レンズ６の焦点距離を変化させたとき、対物レンズ６の球面収差とコマフリー面１１が変化するため、図４の構成では全ての回転対称レンズの焦点距離ｆを調整しなければならない。しかし、図２の構成で対物レンズ６の球面収差補正を微調整する場合、回転対称レンズ７及び８の焦点距離ｆ１、ｆ２を微調整することで、多極子レンズ２を通る軸上軌道１０の位置は変化しないため、回転対称レンズ４及び５の焦点距離ｆおよび多極子レンズ２及び３の励磁を変化させずに球面収差を補正することができる。よって、図２の構成によれば、回転対称レンズ７及び８の位置と焦点距離ｆ１、ｆ２を微調整することで球面収差補正条件とコマフリー面転写条件を満たすことができ、球面収差の補正が微調整しやすくなるという効果が期待できる。また、図２の構成では焦点距離を調整できるので、図１よりも図２の構成の方が、自由度が大きく、例えば像に倍率をつけることも可能となる。
【００１３】
【特許文献１】特開平３−２９５１４０号公報
【特許文献２】特表２００２−５１０４３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述のように、従来の球面収差補正装置は試料位置９が対物レンズ６内に存在する高分解能観察用の補正装置であり、図１及び２の構成もそのようになっている。
【００１５】
しかるに、図１及び２においては、いずれも試料が対物レンズ内に置かれているが、試料を対物レンズの外に置くことが可能であれば、試料観察条件の自由度を広げることができる。例えば、磁性体試料の磁性観察を行う場合、通常は対物レンズ内に試料を配置し、対物レンズを使用せず、その下の投影レンズなどを用いて観察する。ところが、結像に用いる投影レンズなどの励磁は小さくなるため、試料の磁性を高分解能に観察するのは難しい。あるいは試料に対物レンズの磁場を与え、観察する方法もあるが、このとき磁場は一方向にしか与えられない。このような磁性体試料の磁性観察では試料を対物レンズの磁場の影響がない位置に置くことで、対物レンズを用いて結像することができ、その下の投影レンズなどは拡大系として使用することができる。また、ある程度の試料スペースが必要となるが、磁場印加装置内に試料を置くことで、試料に任意の方向の磁場を与えることができる。対物レンズ内に試料を置く場合は限られたスペースに試料と試料に条件を与える装置を収めなければならないため、試料に与えられる条件は限られる。試料の温度や圧力を変化させて観察を行う場合も、対物レンズの外に試料を置くことで、様々な条件下で観察を行うことができるようになる。
【００１６】
しかしながら、対物レンズの外に試料を配置する場合、対物レンズの焦点距離は長い状態（長焦点）で使用しなければならない。一般的に焦点距離が長くなると球面収差が非常に大きくなる。このことは、球面収差係数Csと焦点距離fの関係は一般的に式（１）のように表されることからも判る。
【００１７】
【数１】
0004533441.tif 000002
ここでＳ、Ｄはそれぞれポールピースのギャップとボア径である。
【００１８】
このように対物レンズの外に試料を配置すると球面収差が大きくなるため、適切に試料を観察することができないという問題が生じる。従って、対物レンズの焦点距離が長い場合に対応する長焦点用球面収差補正装置が必要となる。
【００１９】
特許文献１及び２（図１や図２）のような従来の構成において、試料位置９を対物レンズ６の外に配置し、対物レンズ６を長焦点で使用する場合、対物レンズ６のコマフリー面１１は対物レンズの後ろ焦点面付近に存在する。このため、回転対称レンズ７の後ろにコマフリー面１１が存在してしまい、コマフリー面１１を多極子レンズ２の中心に転写する軸外軌道１２を作ることができない。従って、特許文献１及び２において試料位置を対物レンズの外にすると、球面収差補正条件を満たす軸上軌道１０とコマフリー面転写条件を満たす軸外軌道１２を同時に作ることができない。
【００２０】
対物レンズが短焦点の場合は、球面収差が小さいため試料の高分解能観察が可能であるが、試料を対物レンズ内に配置しなければならないので磁性材料観察には適さず、又、対物レンズ内に配置できないくらいに大きい試料の観察ができない等、観察の自由度が小さい。一方、対物レンズが長焦点の場合は、球面収差が大きいため短焦点の場合に比べて試料の高分解能観察には適さないが、対物レンズの磁場の影響を受けないので磁性材料の観察が適切にでき、試料の大きさにも制限を受けない等、観察の自由度が大きい。
【００２１】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、長焦点用収差補正機能と短焦点用収差補正機能の両方の機能を実現できる収差補正の構成を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
まず、長焦点用収差補正機能実現のために、本発明による収差補正装置においては、２つの多極子レンズの間に２つの回転対称レンズを配置し、対物レンズと多極子レンズの間に２つのレンズを配置するという従来の構成に加えて、対物レンズと回転対称レンズの距離を長焦点で使用する際の対物レンズの焦点距離よりも長くする。これにより、コマフリー面を転写する軸外軌道１２の条件を満たし、また前述した球面収差を補正する軸上軌道１０の条件も同時に満たすようにしている。
【００２３】
また、長焦点用収差補正機能と短焦点用収差補正機能の両方の機能を１つの構成で得るために、本発明による収差補正装置は、２つの多極子レンズの間に２つの回転対称レンズを配置するという構成は従来の収差補正装置と同じだが、対物レンズと多極子レンズの間には従来２つの回転対称レンズを配置していたものを３つの回転対称レンズを配置する。対物レンズの焦点距離が長い状態で使用する場合は対物レンズと多極子レンズの間に配置した３つの回転対称レンズのうち、２つを使用することで収差を補正する。また、高分解能観察など、対物レンズの焦点距離が短い状態で使用する場合には対物レンズと多極子レンズの間の３つの回転対称レンズのうち、長焦点の場合とは異なる組み合わせの２つの回転対称レンズを使用することで収差を補正する。
【００２４】
即ち、本発明による収差補正装置は、荷電粒子線装置における対物レンズの収差を補正するための収差補正装置であって、対物レンズ６側に配置された第１の多極子レンズ（多極子レンズ２）と、投影レンズ側に配置された第２の多極子レンズ（多極子レンズ３）と、第１及び第２の多極子レンズ間の所定の位置に固定して配置され、対物レンズのコマフリー面を転写する軸外軌道の条件を第２の多極子レンズの中心に転写するための第１の転写レンズ群（回転対称レンズ４及び５）と、第１の多極子レンズと対物レンズ間の所定の位置に固定して配置され、対物レンズのコマフリー面を転写する軸外軌道の条件を第１の多極子レンズの中心に転写するための第２の転写レンズ群（回転対称レンズ７、８及び１３）と、を備える。そして、第２の転写レンズ群は３つの回転対称レンズを含み、対物レンズから近い順に第１、第２、及び第３の回転対称レンズと定義した場合、試料が対物レンズの内部または外部に配置されたとき、第３の回転対称レンズ（回転対称レンズ８）と第１の回転対称レンズ（回転対称レンズ１３）の組み合せ、及び第３の回転対称レンズ（回転対称レンズ８）と第２の回転対称レンズ（回転対称レンズ７）の組み合せを切り換えながら用いて、回転対称レンズの焦点距離を調整してコマフリー面を転写することにより、対物レンズの焦点が対物レンズの内部と外部にある場合の対物レンズの収差補正を可能としている。
【００２５】
ここで、試料が対物レンズの外部に配置され、対物レンズの焦点が対物レンズの外部にあり、対物レンズが長焦点の場合、第２及び第３の回転対称レンズの組合せを用いて前記対物レンズの収差補正を行うようにする。一方、試料が対物レンズの内部に配置され、対物レンズの焦点が対物レンズの内部にあり、対物レンズが短焦点の場合、第１及び第３の回転対称レンズの組合せを用いて対物レンズの収差補正を行うようにする。より詳細には、対物レンズが長焦点の場合、対物レンズの収差補正を可能とする条件は、軸上軌道が対物レンズと第２の回転対称レンズとの間で光軸と交差せず、軸上軌道が第２及び第３の回転対称レンズの間で光軸と交差し、軸外軌道が第２及び第３の回転対称レンズの間で光軸と交差しないことである。また、対物レンズが短焦点の場合、対物レンズの収差補正を可能とする条件は、軸上軌道が対物レンズと第１の回転対称レンズとの間で光軸と交差せず、軸上軌道が第１及び第３の回転対称レンズの間で光軸と交差し、軸外軌道が第１及び第３の回転対称レンズの間で光軸と交差しないことである。
【００２６】
上記のように長焦点用収差補正を行える構成では、試料位置９を対物レンズ６内に配置し、対物レンズを短焦点で使用する場合、球面収差を補正する軸上軌道１０の条件とコマフリー面１１を転写する軸外軌道１２の条件の両方を満たすことができる。このとき軸上軌道１０は多極子レンズ２、３に対して光軸に平行に入射するが、光軸付近を通る軌道となる。多極子レンズが発生させる６極子場は光軸から遠い位置の方が磁場の影響が強いため、球面収差を補正するには多極子レンズによる６極子場の励磁を非常に強くし、光軸付近まで６極子場の影響を強めなければならない。６極子場には対称性と安定度が求められ、このうち安定度は電源のスペックによって決まり、電源の出力が大きくなれば、安定度は悪くなる。上記の構成で長焦点の収差補正を行う場合、多極子レンズの電源には低出力・高安定度が求められるが、短焦点の収差補正を行う場合、高出力・低安定度が求められる。すなわち、求められる電源のスペックが異なるため、電源を２種類用意しなければならない。あるいは高出力・高安定度の電源が必要となるが、現在、要求を満たすような電源はない。従って、短焦点の収差補正を行う際の６極子場の強度を抑えられる構成が必要となるが、長焦点用収差補正の構成を大きく変更することは避けたい。
【００２７】
そこで本発明では、対物レンズ６と回転対称レンズ７の間に新たに回転対称レンズ１３を追加し、高分解能観察を行う際には回転対称レンズ７は使用せず、追加の回転対称レンズ１３と回転対称レンズ８を使用することで、対物レンズの焦点距離が短い場合も収差を補正する。軸上軌道１０と軸外軌道１２の条件を同時に満たしたとき、球面収差とコマ収差を補正することができるが、この２つの収差が十分小さいとき色収差の影響が大きくなる。本発明では対物レンズと多極子レンズの間の回転対称レンズの位置を色収差の影響が小さい位置に置くことができる。
【００２８】
なお、本発明は、上述の構成を含む収差補正装置を備える荷電粒子装置をも提供する。
さらなる本発明の特徴は、以下本発明を実施するための最良の形態および添付図面によって明らかになるものである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、対物レンズと多極子レンズの間の３つの回転対称レンズのうち、異なる２つの組み合わせを使用することにより、試料が対物レンズ外に配置され、対物レンズの焦点距離が長い状態で使用する磁性観察などの場合の球面収差補正だけでなく、試料が対物レンズ内に配置され、対物レンズの焦点距離が短い状態で使用する高分解能観察の場合の球面収差補正も行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。なお、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。また、本実施形態では荷電粒子線装置としてＴＥＭを用いた場合を例にしているが、これに限られるものではない。
【００３１】
＜収差補正装置の構成＞
図３は、本発明の実施形態による収差補正装置の概略構成を示している。図３に示されるように、収差補正装置１では、多極子レンズ２及び３の間に回転対称レンズ４及び５が配置され、対物レンズ６と多極子レンズ２の間には回転対称レンズ７、８、及び１３の３つのレンズが配置されている。回転対称レンズ４及び５の焦点距離はどちらもｆであり、多極子レンズ２と回転対称レンズ４の距離、および多極子レンズ３と回転対称レンズ５の距離はｆ、回転対称レンズ４、５間の距離は２ｆである。高分解能観察の際の対物レンズ６のコマフリー面１１と回転対称レンズ１３の距離、回転対称レンズ１３、７間の距離、回転対称レンズ７、８間の距離、回転対称レンズ８と多極子レンズ２の距離をそれぞれｌ１、ｌ２、ｌ３、ｌ４とする。磁性観察など、対物レンズを長焦点で使用する場合は、試料位置１４のように対物レンズの外に試料位置が存在する。また、ビームの開き角度を制限するための絞り装置やビームの軌道を調整する偏向子など本発明の説明に主要ではない装置については、図３乃至５では省略している。
【００３２】
図４は、試料位置１４が対物レンズ６の外に存在する場合、すなわち磁性観察など、対物レンズ６を長焦点で使用する場合に収差を補正する長焦点用収差補正機能を実現する構成を示している。対物レンズ６と多極子レンズ２の間の３つの回転対称レンズのうち、回転対称レンズ１３は使用せず（電流を流さない）、回転対称レンズ７及び８を使用する。ここで、対物レンズ６を長焦点で使用する際のコマフリー面１６と回転対称レンズ７の距離をｌ５とする。
【００３３】
また、図４に示されるように、試料１４と光軸の交点から光軸に対してある角度を持った軸上軌道１５は多極子レンズ２及び３に対して光軸と平行に入射している。このようにビームが多極子レンズ２及び３に入射すれば、前述した球面収差を補正するための条件を満足させることができる。さらに、対物レンズ６を長焦点で使用する際のコマフリー面１６を通る軸外軌道１７は、多極子レンズ２及び３の中心に投影されるような軌道となっている。このようにすれば、前述したコマフリー面を転写させるための条件を満足させることができる。軸上軌道１５と軸外軌道１７が同時に上記の条件を満たす回転対称レンズ７及び８の位置および焦点距離はいくつかの解が存在するが、球面収差と軸上コマ収差を補正したとき、色収差の影響が大きくなるので、色収差が小さくなるような回転対称レンズ７及び８の位置および焦点距離にすることが望ましい。このとき、対物レンズ６を長焦点で使用する際のコマフリー面１６は回転対称レンズ７の前に存在し、さらに試料位置１４からの軸上軌道１５は対物レンズ６と回転対称レンズ７の間でクロスオーバを作らないという条件を満たさなければならない。そのため、対物レンズ６を長焦点で使用する際のコマフリー面１６は対物レンズ６の後ろ焦点面付近に存在するので、ｌ５は対物レンズ６の焦点距離よりも長くしなければならない。球面収差の補正は従来の球面収差補正器と同様、多極子レンズの励磁を調整し、６極子場の強度によって球面収差を制御するので、回転対称レンズ４、５の焦点距離は変化させない。コマフリー面１６を転写する軸外軌道１７の条件を満たすには回転対称レンズ７、８の焦点距離を調整し、回転対称レンズ７、８の位置は変えない。
【００３４】
図１及び２のような従来の収差補正装置の構成の場合、前述したようにコマフリー面は回転対称レンズの後ろ焦点面付近に存在するため、回転対称レンズ７及び８の焦点距離とレンズ間距離を調整することで、対物レンズ６のコマフリー面１１を回転対称レンズ７、８、４及び５それぞれのコマフリー面に転写することができる。しかし、現実的に回転対称レンズ７及び８の位置を調整することは位置精度や電子顕微鏡の構造上の問題から困難である。回転対称レンズ７及び８の焦点距離のみを調整してコマフリー面を転写できることが望ましい。
【００３５】
そこで、本構成では対物レンズ６のコマフリー面１６を回転対称レンズ７及び８のコマフリー面に転写するのではなく、対物レンズ６の軸上コマ収差を回転対称レンズ７及び８の軸上コマ収差によって打ち消すことによって、見かけ上、対物レンズ６のコマフリー面１６を転写する。従来、回転対称レンズ７及び８はその焦点距離の位置に配置しなければならなかったが、本構成ではある程度自由に回転対称レンズ７及び８の位置を決めることができ、軸上コマ収差は回転対称レンズ７及び８の焦点距離を調整することで補正する。
【００３６】
以上のように、コマフリー面を転写する軸外軌道１７の条件を満たし、同時に球面収差を補正する軸上軌道１５の条件も満たすような回転対称レンズ７及び８の焦点距離にしなければならない。
【００３７】
図５は、試料位置９が対物レンズ６内に存在する場合、すなわち高分解能観察など対物レンズを短焦点で使用する場合の短焦点用収差補正機能を実現する構成を示す図である。短焦点収差補正機能を実現する場合には、対物レンズ６と多極子レンズ２の間の３つの回転対称レンズのうち、回転対称レンズ７は使用せず（電流を流さず）、回転対称レンズ１３及び８を使用する。
【００３８】
図５において、試料と光軸の交点から光軸に対してある角度を持った軸上軌道１０は多極子レンズ２及び３に対して光軸と平行に入射する軌道である。よって、前述した球面収差を補正するための条件を満たしている。また、対物レンズ６を短焦点で使用する際のコマフリー面１１を通る軸外軌道１２は多極子レンズの中心に投影されるような軌道である。よって、前述したコマフリー面を転写させるための条件も満足している。
【００３９】
前述の長焦点用収差補正装置の場合と同じように、対物レンズ６の軸上コマ収差を回転対称レンズ１３及び８の軸上コマ収差によって打ち消すことによって、見かけ上、対物レンズ６のコマフリー面１１を転写する。軸上軌道１０と軸外軌道１２が同時に上記の条件を満たす回転対称レンズ１３の位置および回転対称レンズ１３及び８の焦点距離はいくつかの解が存在するが、球面収差とコマ収差を補正したとき、色収差の影響が大きくなるので、色収差が小さくなるような回転対称レンズ１３の位置および回転対称レンズ１３及び８の焦点距離にすることが望ましい。回転対称レンズ８の位置は長焦点用収差補正装置の場合と同じにする。このとき、対物レンズ６を短焦点で使用する際のコマフリー面１１は回転対称レンズ１３の前に存在し、さらに試料位置９からの軸上軌道１０は対物レンズ６と回転対称レンズ１３の間において試料位置９以外でクロスオーバを作らないという条件を満たさなければならない。球面収差の補正は従来の収差補正装置器と同様に、多極子レンズの励磁を調整し、６極子場の強度によって球面収差を制御するので、回転対称レンズ４及び５の焦点距離は変化させない。コマフリー面１６の転写には回転対称レンズ１３及び８の焦点距離を調整し、回転対称レンズ１３及び８の位置は変えない。
【００４０】
＜収差補正条件についての考察＞
続いて、図６乃至８を用いて収差補正条件、つまり各レンズの配置と焦点との関係について考察する。
【００４１】
図６は、本発明の実施形態による収差補正装置１の全体のレンズ配置を示す模式図であり、ほぼ図３と同様の図となっている。ここで、４１は対物レンズ６の主面の位置を示す。また、コマフリー面（コマ収差が０となる面）は、対物レンズ６の後焦点面付近に存在する。
【００４２】
従って、対物レンズを短焦点で使用する場合の焦点距離をｆＯＳ、対物レンズを長焦点で使用する場合の焦点距離をｆＯＬとしたとき、対物レンズの主面４１から高分解能観察時のコマフリー面１１までの距離はｆＯＳ、対物レンズの主面４１から対物レンズを長焦点で使用する際のコマフリー面１６までの距離はｆＯＬとなる。よって、図３中のｌ１はｌ１＝ｌ５＋ｆＯＬ−ｆＯＳ−ｌ２と表される。また、高分解能観察時の試料位置９から対物レンズの主面４１までの距離をｌＯＳ、対物レンズを長焦点で使用する際の試料位置１４から対物レンズの主面４１までの距離をｌＯＬとする。さらに、回転対称レンズ７、８、１３の焦点距離をそれぞれｆ７、ｆ８、ｆ１３とする。
【００４３】
図７は、対物レンズを長焦点で使用する場合のレンズ配置と電子線の軌道を示す模式図である。長焦点用収差補正機能を実現する構成において球面収差とコマ収差を同時に補正するには、
ｉ）軸上軌道１５が対物レンズ６と回転対称レンズ７の間で光軸と交差せず、回転対称レンズ７、８間で光軸と交差すること、
ii）軸外軌道１７が回転対称レンズ７及び８の間で光軸と交差しないこと、
が条件となる。従って、以下の条件式を満たす必要がある。
【００４４】
【数２】
0004533441.tif 000003
【００４５】
ここで、（２）式は軸上軌道１５が対物レンズ６と回転対称レンズ７の間で光軸と交差しない条件、（３）及び（４）式は軸上軌道１５が回転対称レンズ７及び８の間で光軸と交差する条件、（５）及び（６）式は軸外軌道１７が回転対称レンズ７及び８の間で光軸と交差しない条件である。
【００４６】
また、図８は、対物レンズ６を短焦点で使用する場合のレンズ配置と電子線（ビーム）の軌道を示す模式図であり、図４と同様の図となっている。短焦点用収差補正機能を実現する構成において球面収差とコマ収差を同時に補正するには、
iii）長焦点での収差補正と同様に、軸上軌道１０が対物レンズ６と回転対称レンズ１３の間で光軸と交差せず、回転対称レンズ１３、８間で光軸と交差すること、
iv）軸外軌道１２が回転対称レンズ１３及び８の間で光軸と交差しないこと、
が条件となる。従って、以下の条件を満たす必要がある。
【００４７】
【数３】
0004533441.tif 000004
【００４８】
ここで、（７）式は軸上軌道１０が対物レンズ６と回転対称レンズ１３の間で光軸と交差しない条件、（８）及び（９）式は軸上軌道１０が回転対称レンズ１３及び８の間で光軸と交差する条件、（１０）及び（１１）式は軸外軌道１２が回転対称レンズ１３及び８の間で光軸と交差しない条件である。なお、（４）式を満たしていれば、（９）式は省略できる。
【００４９】
よって、（２）乃至（１１）式で示した条件を満たすことにより、対物レンズ６を長焦点・短焦点どちらで使用する場合でも収差を補正することができる。（２）乃至（１１）式の条件を満たす解は多数存在するので、実際に回転対称レンズ１３、７及び８の位置を決める場合には、回転対称レンズの焦点距離をできるだけ小さくするような解を用いる。これは色収差の影響を小さくするためである。ここで、色収差とは球面収差・コマ収差の次に問題となる収差であり、上記条件を満足するのみでは補正するのに十分ではない。色収差はレンズの焦点距離におおよそ比例するため、レンズの焦点距離を小さくし、色収差の影響を小さくすることが望ましい。しかし、（５）、（６）、（１０）及び（１１）式の条件からレンズの焦点距離を小さくするには限界がある。よって、(２)乃至（１１）式による条件を満足する解の中で、各レンズの焦点距離がなるべく小さくなるものを採用すればよい。なお、機械的な構造の限界もあるため、これらを考慮して最適条件を決めなければならない。
【００５０】
＜構造的な問題への対処＞
補正装置１を電子顕微鏡に組み込む場合、電子顕微鏡自体が高くなり、構造的に不安定になるという問題がある。そのため補正装置１はできるだけ小さいことが望まれる。補正装置１の後半部分である多極子レンズ２及び３間に関しては回転対称レンズ４及び５の焦点距離ｆを決めるとレンズ間距離が決まる。上述のような色収差や構造的な問題を考えると、回転対称レンズ４及び５の焦点距離ｆはできるだけ短くした方がよい。
【００５１】
しかしながら、電子顕微鏡の加速電圧や対物レンズの球面収差の補正量によって多極子レンズ２及び３と回転対称レンズ４及び５に必要な励磁などが決まり、また製作する際の構造的な問題があるため、回転対称レンズ４及び５の焦点距離ｆを短くするのには限界がある。
【００５２】
補正装置１の前半部分である対物レンズ６から多極子レンズ２の間では球面収差補正条件とコマフリー面転写条件を満たすように回転対称レンズ７、８及び１３の焦点距離と各レンズ間距離を調整する。このとき、球面収差補正条件とコマフリー面転写条件の２つを同時に満たす回転対称レンズの焦点距離と各レンズ間距離の解はいくつかある。前述したように色収差が小さくなるように回転対称レンズの焦点距離と各レンズ間距離を決めるが、さらに補正装置１の全長を小さく抑えることが望まれる。
【００５３】
対物レンズ６を長焦点で使用する場合、対物レンズ６の焦点距離によって回転対称レンズ７の位置がある程度制限される。また構造的な問題のため、対物レンズ６から多極子レンズ２までの距離は制限される。このため、３つの回転対称レンズの位置を決める場合は以下の手順で行えばよい。
【００５４】
まず、対物レンズ６から多極子レンズ２までの距離を構造的に無理がないように決める。次に、長焦点で使用する際の対物レンズ６の焦点距離を試料位置１４との関係から決め、回転対称レンズ７を対物レンズ６の焦点距離よりも長い位置に配置する。そして、対物レンズ６を長焦点で使用する場合の収差を補正するように回転対称レンズ７及び８の焦点距離と位置を調整する。このとき、球面収差補正条件とコマフリー面転写条件（上記条件ｉ）ii）、（２）乃至（６）式）を満たしながら、色収差を小さくするように回転対称レンズ７及び８の焦点距離と位置を調整する。最後に、対物レンズ６を短焦点で使用する場合の収差補正条件を満たすように回転対称レンズ１３の焦点距離と位置および回転対称レンズ８の焦点距離を調整する。このとき回転対称レンズ８の位置は先ほど決めた長焦点の場合と同じにする。球面収差補正条件とコマフリー面転写条件（上記条件iii）iv）、（７）乃至（１１）式）を同時に満たし、色収差も小さくなるような回転対称レンズ８及び１３の条件を決める。
【００５５】
対物レンズの焦点距離は長焦点、短焦点それぞれにおいて設計段階で決めた値で使用することが望ましい。しかし、試料位置の変化や倍率変化などのために対物レンズの焦点距離を設計段階とは異なる値で使用する場合、本構成では回転対称レンズ７、８及び１３の位置は変えず、焦点距離を変化させることで、球面収差補正条件とコマフリー面転写条件を満たすことができる。
【００５６】
＜透過型電子顕微鏡への適用＞
図９は、本発明の実施形態による収差補正装置を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に組み込んだ場合の構成を示す図である。電子源１８から出射した電子線は、収束レンズ１９及び２０によってビーム電流量が調整された後、高分解能観察の場合は試料位置９に、磁性観察などの場合は試料位置１４に適切な条件で照射される。電子線１８は試料を透過し、その透過像は対物レンズ６によって拡大され、補正装置１によって収差が補正される。その後、透過像は、投影レンズ２１、２２によってさらに拡大され、蛍光板２３に投影される。
【００５７】
試料位置１４は、試料スペース１４ａの大きさによって対物レンズ６までの距離が決まる。また、試料の磁性観察を行う場合は、対物レンズ６の磁場の影響範囲６ａよりも遠い位置に試料位置１４を配置しなければならない。対物レンズの焦点距離が長くなると対物レンズの球面収差は大きくなり、長焦点用収差補正装置によって対物レンズの焦点距離が長い場合でも球面収差を補正することができる。しかし、大きな球面収差を補正する場合、球面収差を補正する６極子場の強度を強くする必要があり、この場合には補正装置１が大きくなるため、試料位置１４と対物レンズ６の間の距離はできるだけ小さい方が望ましい。そのため試料スペース１４ａはできるだけ小さくした方がよい。
【００５８】
＜電子レンズの制御構成例＞
図１０は、本発明の収差補正装置を構成する各電子レンズ（対物レンズ、回転対称レンズ、および多極子レンズの電流源２４乃至３１）をパーソナルコンピュータなどの計算機３２を用いて制御する構成を示している。
【００５９】
図１０において、計算機３２は、上述の収差補正条件を満たす電流値を計算し、各電流源２４乃至３１に適切な信号を送ることにより収差を補正する。計算機３２は表示部を備えており、操作者はこれを見て装置の状態を確認することができる。
【００６０】
図１０に示される構成において、操作者が指示を入力することによって長焦点用の収差補正と短焦点用の収差補正の切り換えはモードを選択して、使用するレンズを切り換えることができるようになっている。長焦点、短焦点どちらの場合も球面収差を補正する方法は同じで、電流源２８及び３１によって多極子レンズ２及び３の励磁を変化させることによって６極子場の強度を調整し、６極子場で与える球面収差を制御する。
【００６１】
長焦点の場合の対物レンズの軸上コマ収差を補正するには、電流源２６及び２７によって回転対称レンズ７及び８の励磁を変化させ、対物レンズの軸上コマ収差を回転対称レンズ７及び８の軸上コマ収差で打ち消すことで、見かけ上、対物レンズのコマフリー面を多極子レンズ２の中心に転写する。
【００６２】
短焦点の場合は、電流源２５及び２７によって回転対称レンズ１３及び８の励磁を変化させ、対物レンズの軸上コマ収差を回転対称レンズ７及び８の軸上コマ収差で打ち消すことで、長焦点の場合と同様に見かけ上、対物レンズのコマフリー面を転写する。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】従来の多極子レンズと回転対称レンズを用いた収差補正装置のレンズ配置と電子線の軌道を示す模式図である。
【図２】従来の多極子レンズと回転対称レンズを用いた図４とは別の収差補正装置のレンズ配置と電子線の軌道を示す模式図である。
【図３】本発明の収差補正装置の全体のレンズ配置を示す模式図である。
【図４】対物レンズの外に観察試料がある場合（長焦点の場合）のレンズ配置と電子線の軌道を示す模式図である。
【図５】対物レンズの内に観察試料がある場合（短焦点の場合）のレンズ配置と電子線の軌道を示す模式図である。
【図６】収差補正の光学系とコマフリー面との位置関係を示す図である。
【図７】長焦点の場合の収差補正条件を説明するための図である。
【図８】短焦点の場合の収差補正条件を説明するための図である。
【図９】本発明の収差補正装置を含む透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の構成図である。
【図１０】本発明の収差補正装置の各レンズを制御するための構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
１：補正装置、２，３：多極子レンズ、４，５：回転対称レンズ、６：対物レンズ、６ａ：対物レンズの磁場の影響範囲、７，８：回転対称レンズ、９：高分解能観察時の試料位置、１０：高分解能観察時の軸上軌道、１１：高分解能観察時のコマフリー面、１２：高分解能観察時のコマフリー面を通る軸外軌道、１３：新たに追加した回転対称レンズ、１４：対物レンズを長焦点で使用する際の試料位置、１４ａ：試料スペース、１５：対物レンズを長焦点で使用する際の軸上軌道、１６：対物レンズを長焦点で使用する際のコマフリー面、１７：対物レンズを長焦点で使用する際のコマフリー面を通る軸外軌道、１８：電子源、１９：第１収束レンズ、２０：第２収束レンズ、２１：第１投影レンズ、２２：第２投影レンズ、２３：蛍光板、２４〜３１：電流源、３２：計算機
【図１】
0004533441.tif 000009
【図２】
0004533441.tif 000010
【図３】
0004533441.tif 000011
【図４】
0004533441.tif 000012
【図５】
0004533441.tif 000013
【図６】
0004533441.tif 000014
【図７】
0004533441.tif 000015
【図８】
0004533441.tif 000016
【図９】
0004533441.tif 000017
【図１０】
0004533441.tif 000018