(57)【要約】【課題】荷電粒子ビームの無球面収差化・色消し化・エネルギー単色化を回転対称構造のレンズのみを使って行う荷電粒子ビーム発生装置を提供する。【解決手段】１９から出た種々のエネルギー値を有するイオン線は１０に入射し、つぎに、３に入射する。３を出たイオン線のうち１８の中心孔を通り抜けたイオン線のみが４に入射し、４で集束されて２を照射する。３の励起電圧を調節することで無球面収差化がなされる。１０の励起電圧を調節することで色消し化、もしくは、エネルギーの単色化がなされる。本発明の解決手段は、（１）２つ以上のレンズを使って１９の像を２の上に投影すること、（２）１９と２との間には、１９と２を含めて少なくとも３つ以上のビームクロスオーバーを産むようにレンズを励起すること、（３）クロスオーバーの少なくとも１つはレンズの作用領域の内部に設けること、である。各レンズの励起強度は荷電粒子線の軌道計算を行って決める。【選択図】図１５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線源が産み出した荷電粒子線群を少なくとも１つの荷電粒子線用集束レンズを用いて集束し、荷電粒子線照射体上に照射する荷電粒子ビーム発生装置において、該荷電粒子線源と該荷電粒子線用集束レンズとの間に回転対称構造のレンズ収差補正用荷電粒子線制御レンズ（以下、球面収差補正レンズと呼ぶ）と該球面収差補正レンズの励起条件を任意の値に設定する制御手段とを設け、該球面収差補正レンズの励起条件を選ぶことにより、該荷電粒子ビーム発生装置が発生する球面収差を該球面収差補正レンズ設置以前の球面収差の値に比べて、１／３以下の値に減ずることを特徴とする収差補正荷電粒子ビーム発生装置。
【請求項２】
請求項１記載の収差補正荷電粒子ビーム発生装置において、それを構成する複数のレンズは該荷電粒子線源が置かれた位置、ならびに、該荷電粒子線照射体が置かれた位置を含めて少なくとも３箇所以上の位置に該荷電粒子線群の軌道の交叉点、すなわち、該荷電粒子線群の形成する荷電粒子ビームの包絡線の交点（以下、ビームクロスオーバーと呼ぶ）を形成し、それらのビームクロスオーバーのうち、少なくとも１つのクロスオーバーは設置されている荷電粒子線制御用レンズの作用領域の内部、すなわち、該レンズが該荷電粒子線群の進行方向を制御するために発生している電磁界の存在する部分に位置することを特徴とする収差補正荷電粒子ビーム発生装置。
【請求項３】
請求項２記載の収差補正荷電粒子ビーム発生装置において、該荷電粒子線源と該球面収差補正レンズとの間に回転対称構造のクロスオーバー形成用レンズとこのレンズの励起条件を任意の値に設定する制御手段とを設け、このレンズを励起する事により、該クロスオーバー形成用レンズと該球面収差補正レンズとの間に少なくとも１つのクロスオーバーを産み出すことを特徴とした収差補正荷電粒子ビーム発生装置。
【請求項４】
請求項３に記載の収差補正荷電粒子ビーム発生装置において、該クロスオーバー形成用レンズを、任意に選んだ相異なる２つのエネルギー値の荷電粒子線に対する該荷電粒子ビーム発生装置の焦点距離が等しくなるように励起して、ちょうどガラス光学における色消しレンズに対応した、色消し荷電粒子ビームを産み出すことを特徴とした収差補正荷電粒子ビーム発生装置。
【請求項５】
請求項３に記載の収差補正荷電粒子ビーム発生装置において、該球面収差補正レンズと該荷電粒子線照射体との間にその中央部に小孔を有する金属板で作製した荷電粒子線用絞りを設け、該球面収差補正レンズによって進行方向が分散されたエネルギー値の異なる種々の荷電粒子線のうち該小孔を通過した荷電粒子線のみが該荷電粒子線照射体を照射することを特徴とした収差補正荷電粒子ビーム発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は電子顕微鏡（以下、透過型電子顕微鏡をＴＥＭ，走査型電子顕微鏡をＳＥＭと呼ぶ）や電子線描画装置（以下、ＥＢ）、ならびにイオンビーム集束装置（以下、ＦＩＢ）等のように、荷電粒子線源から発生した電子線、あるいはイオン線で構成された荷電粒子ビームを荷電粒子線制御用レンズを使ってＴＥＭにおいては観察用蛍光板、ＳＥＭ，ＥＢ，ＦＩＢにおいては観察用、もしくは微細加工用の試料（以下、サンプル）に照射する装置において、その荷電粒子線制御用レンズの発生するレンズ収差を極力小さくすることによってＴＥＭにおいては極力高分解能のサンプル像を与え、また、ＳＥＭ，ＥＢ，ＦＩＢにおいては極力細いサンプル照射用ビームを産み出す荷電粒子ビーム発生装置を製作するための設計技術に係わる。
【背景技術】
【０００２】  荷電粒子ビーム発生装置は荷電粒子線源から発射された荷電粒子線群を電界や磁界の力で作用する荷電粒子線制御用レンズを用いて荷電粒子照射体上に集束する、すなわち、該荷電粒子線源の荷電粒子光学像を荷電粒子照射体上に投影する装置である。電子顕微鏡は光学顕微鏡の原理に倣って産み出された。そこで、細く絞られた、すなわち、電子顕微鏡においては高い解像力を与える電子ビームを得るには、光学顕微鏡におけると同様に、発生するレンズ収差のできるだけ小さい荷電粒子線制御用レンズを使う必要がある。ビーム性能を低下させる主な収差には荷電粒子線が光学系の中心軸（以下、光軸）から離れた部分を走行することによって産み出される幾何学的収差、すなわち、球面収差と、荷電粒子線群は、通常、エネルギーの違った多数の荷電粒子線からできているのでエネルギーの違いに対するレンズの集束効果の違いにより発生するエネルギー的収差、すなわち、色収差とがある。電子顕微鏡の発明が光学顕微鏡の原理に基づいて行われたものであるから、電子線制御技術の高性能化は顕微鏡やカメラなど光学機器の先進技術に倣ってなされてきた。球面収差を無くすには、光学機器では「非球面レンズ」が使われる。ところが、荷電粒子線用レンズでは、荷電粒子線に対する屈折作用が荷電粒子線の走行経路に沿った広い範囲にわたって、しかもその強度を変化させながら存在するため、荷電粒子線の屈折面をガラスレンズ表面のように自由な形に、すなわち、球面収差が発生しない形に設計することは出来ない事と思われてきた。また、１９３６年にはドイツのシェルツァー博士が「回転対称構造の電磁界レンズでは球面収差を無くすことはできない」との学術論文を発表していた
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リフト・フュア・フィジーク誌、第１０１巻、５９３ページ、１９３６年発行）。そこで、近年には、４重極型質量分析器に用いられているような、棒状の磁極を光軸の周囲に４極から１２極配置した、光軸に関しては非回転対称の構造をした多数の磁極からなる、いわゆる、多極子レンズを２段、もしくは４段、重ねて用いた収差補正器が開発され、使われるようになった。また、カメラや望遠鏡などに使われている色収差の小さい「色消しレンズ」も電子顕微鏡の分野では多極子レンズを使って製作されている。さらに、エネルギーの不揃いは電子ビームの細束化を妨げ、また、干渉性能や元素分析性能を低下させるので、エネルギーの揃った電子線群で造られた、すなわち、光学で言うところの単色の電子ビームを取り出したい場合もあるが、その目的に対しても、従来は、プリズムに類似した非回転対称構造の電子線エネルギー分析器がエネルギーフィルターとして使われている。すなわち、細い荷電粒子ビームを得るに有用な無球面収差レンズ、色消しレンズ、エネルギーフィルターの全てが電子線制御の分野では光軸に関して非回転対称構造の装置で造られている。回転対称構造の装置に比べて、非回転対称構造の装置は、はるかに多数の部品、すなわち、棒状電磁極等の電気的制御素子を必要とし、しかもそれらを電子線行路に沿って高い精度で組み上げる必要がある。そのため、上述の多極子収差補正器のアイデアは約７０年前に提案されたものでありながら、その実用化にはコンピュータ制御技術の進捗・導入を待って約６０年の歳月を必要とした。しかもこの収差補正器は、２００６年６月現在では、日本国内では製造されていず、電子顕微鏡製造会社はドイツから補正器を輸入して顕微鏡に取り付け、収差補正電子顕微鏡としてユーザーに提供している段階にある。ＥＢやＦＩＢにおいては収差補正装置の実用化は世界的にも未だなされていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】以上に述べたように、電子顕微鏡の無球面収差化、色消し、ならびにエネルギーの単色化を行う装置は、すでに市販されている。しかしながらそれらの装置は多数の制御素子を高精度に組み立てる必要があるので製造には多大のコストを必要としている。また、磁界型の多極子レンズでは電子に比べて質量がはるかに大きいイオンのビームは制御することができず、電界型の多極子レンズでは構造の複雑さに由来して耐電圧裕度が懸念されるので、電界型の多極子レンズがＦＩＢの収差補正器に応用される可能性は極めて小さいことと思われる。もし、これらの装置が、これまで電子ビームやイオンビームを制御するのに使われてきた回転対称構造の、従来の、荷電粒子線制御用レンズで作ることができれば、必要とする制御素子の数を極めて少なくすることができ、低価格で、かつ、使いやすい装置が提供できるようになる。少ない制御素子数の装置は長時間動作に対する安定性や信頼性の点でも有利である。しかもこの装置はＦＩＢにも適用できるものとなる。
【問題を解決するための手段】
【０００４】  「電子線集束」、「電子線回折」、「電子線ホログラフィ」、ならびに「位相差電子顕微鏡」など、「収差除去」を除く全ての電子顕微鏡技術が電子と光の「波動性」の共通性質を活用して、光学分野で開発された技術に倣って開発されてきた。なぜ「収差除去」だけが例外なのだろう？  光学分野では常用されている、回転対称構造のレンズを使った、「非球面レンズ」や「色消しレンズ」に関しても、それらの物理とそれらのレンズ設計の方法とを勉学すれば、それは荷電粒子線制御の分野にも応用できるのではないか？と考えた。  光学レンズの設計は計算機を駆使して光線追跡を行う事により成される。  すなわち、まず、計算機の中にレンズの表面形状、すなわち、光の屈折面の形状を構築し、光線追跡を行って、目標仕様に合った表面形状にレンズを加工する。先に荷電粒子線光学系にこの手法を応用しようとすると、荷電粒子線の屈折面は、ガラス表面のようにはっきりした境界では定義できず、その結果、その形状を自由に制御できない問題点のありそうなことを述べた。  しかしながら、レンズへの入射粒子線とレンズからの出射粒子線の延長線の交点で形成される曲面を考えると、その曲面は、荷電粒子線の実効的な屈折面を与えていることに気がついた。この曲面の形状は、粒子線の軌道を計算すれば容易に知ることのできるものである。この形状を計算機を使って調べていると、もし、このレンズを２つのレンズで構成し、それら２つのレンズの作用強さの割合を違えると、その２つのレンズでできた複合レンズの与える屈折面の形状は種々に違ったものになることを見出した。すなわち、２つの荷電粒子用レンズの励起条件を変えると屈折面の形状を変えることができる。ちょうど光学レンズの設計でなされているのと同様に、コンピュータを使って荷電粒子線の軌道追跡を行えば、この複合レンズの屈折面の形状を種々に変える事により、無球面収差化、色消し化に必用なレンズ条件が見つかる可能性がある。すなわち、本発明で使用した［問題を解決するための手段］は、（１）２つ以上の回転対称構造の荷電粒子線制御用レンズ（以下、ラウンドレンズ）とそれらの制御手段を準備し、（２）計算機を使って荷電粒子線の軌道を計算し、（３）荷電粒子線の照射体位置での軌道の収差（光軸からのズレ）を計算して、（４）収差が最小となるようにラウンドレンズの動作条件を設計することであった。
以下、実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例】
【０００５】  図１は本発明の収差補正荷電粒子ビーム発生装置を球面収差補正ＴＥＭの対物レンズの球面収差補正に適用した本発明の実施の１形態である。図１の横軸座標、ｚ、は対物レンズ４の中心位置を基準（ｚ＝０．０ｍｍ）とし、かつ、電子の進行方向を正値にとってミリメートル単位で表している。  顕微鏡で観察しようとするサンプル２は４の中心に置かれている。図の上部分には４と球面収差補正レンズ３からなる複合レンズの部分で計算した電子軌道６と磁束密度分布５が描かれ、下部分には、３，４の磁界レンズの構造と２、ならびにレンズを励起する２つの制御電源（励起強度をＥｘｏｂｊ、ＥｘＣｓと表示）が箱型で描かれている。４は磁極間隔４ｍｍ，孔径６ｍｍの磁界レンズで作られており、ｚ＝０．０ｍｍの位置に磁極間隙の中央が位置する。  ３は磁極間隔１ｍｍ、孔径２ｍｍの磁界レンズで作られており、ｚ＝３００ｍｍの位置に磁極間隙の中央が位置する。【０００６】  ４は電子顕微鏡のピント合わせに使われ、３は球面収差補正に使用される。  ３はコイル８に流す電流で励起される。磁界レンズの場合、電子線屈折効果の大きさ、すなわち、屈折角はコイルに流す電流値と電子線のエネルギー値とに関係するので制御電源２８の内部に記した磁界レンズ３の励起強さ、ＥｘＣｓはＡ／√Ｖの単位で表される。左方より光軸にほぼ平行に４に入射した電子線２９は２を透過するときにサンプルを構成する原子と衝突して種々の角度に散乱し、４の集束作用によりその角度を変更して４を出てゆく。その様子を電子線軌道図中に太い矢印で示した。この電子線群は４と３とで構成された複合レンズの集束作用により、ｚｉ＝３００．２５ｍｍの位置に２の各位置での電子線透過度の違いを示す模様、すなわち、サンプル像、を拡大して結像するように４はＥｘｏｂｊで、３はＥｘＣｓで励起されている。  この実施例では２の模様が１６．４倍の大きさに拡大されて結像するようにＥｘｏｂｊとＥｘＣｓとが選ばれている。この拡大像は、図１には描かれていないが、図１の右方に設置された複数個の投影レンズによりさらに拡大され、たとえば１０万倍の倍率に拡大されて蛍光板上に結像し、蛍光の濃淡模様の透過電子顕微鏡像を産み出す。顕微鏡の使用に際しては、オペレータは、まず、３を計算機で求められた所定の強さに励起し、傾向板上の像のピントが合うように４の励起強度、Ｅｘｏｂｊを調節する。ＥｘＣｓの値が違えばピント合わせに必用なＥｘｏｂｊも違ってくることはいうまでもない。  図２は図１の複合レンズがｚｉ＝３００．２５ｍｍの位置に２を結像するとき、この像面に発生する球面収差を、球面収差係数Ｃｓの値に数値化し、それをＥｘＣｓの大きさに対して計算して描いた図である。像のボケ具合、すなわち、ボケの大きさはＣｓに比例する。レンズ４のＣｓは図２のＥｘＣｓがたとえば２８．８５Ａ／√Ｖより大きい部分に示されているよう、０．７ｍｍである。像のボケの程度を１／３以下に改善すると、蛍光板には分解能が３倍高い、かなり明瞭な像が得られるようになる。図２はＥｘＣｓを２８．７５Ａ／√Ｖから２８．７７Ａ／√Ｖ
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に抑えることができることを示している。もし、ＥｘＣｓを２８．７２６Ａ／√Ｖもしくは２８．７５８Ａ／√Ｖに選べばこのＴＥＭは球面収差のない，すなわち、Ｃｓ＝０．０ｍｍのシャープな像を蛍光板上に与える。【０００７】  図１ではｚ＝０．０ｍｍに置かれた物点（ｚｏ）も、ｚ＝３００．２５ｍｍに設定された像点（ｚｉ）も磁場の中、すなわち、磁界レンズがレンズ作用をする領域の中に在る。  球面収差補正が完全に実施される、すなわち、０．０ｍｍのＣｓを得るに必要な光学系の条件を調べた。  図３はｚｏもｚｉも磁界レンズの作用領域の外、すなわち、ｚｏ＝−３ｍｍ，ｚｉ＝３０２ｍｍに置いて計算したＣｓ対ＥｘＣｓである。計算を行った４０Ａ／√Ｖ以下の全てのＥｘＣｓに対してＣｓは正値であり、Ｃｓがゼロ値、もしくは負値になることはない。  この結果は、［背景技術］の章で述べたシェルツァー理論、すなわち、「ラウンドレンズを使う限りＣｓは必ず正値であって球面収差補正はできない」との解析計算結果をデジタル計算で確認した事柄に該当する。  「ラウンドレンズを使っても球面収差補正ができる」ことを示した図２の結果とは何が違うか？  図１の実施例では物点も像点も磁場の中、すなわち、レンズの中にある。１９３６年には計算機が使えなかったので、像位置での収差を計算するには、部分積分法を利用して解析計算を簡単化する必要があった。  部分積分法では積分範囲のある物理量の積分値をゼロとおけることが要求されるので、収差計算に応用する場合には、物点と像点でのレンズ作用の強さがゼロであること、すなわち、物点も像点もレンズの外にあるというが前提となっている。計算機で複雑な計算ができるようになった今日では、部分積分法によって収差計算を簡単化する必要はなく、電子軌道を忠実に追跡する事により、物点、あるいは、像点、あるいはその双方がレンズの中にあるようなレンズの場合にも収差計算ができるようになっている。その結果、図２に示したよう、Ｃｓがゼロ値や負値となるレンズ条件も見つかる。図１の光学系の構造で、ｚｏとｚｉの位置を種々に変えて完全な収差補正が可能、すなわち、Ｃｓをゼロとするに必要なｚｏとｚｉの位置条件を調べると、ｚｏとｚｉのうち、少なくとも１つはレンズの作用領域の中にある必要のあることが分かった。  なお、シェルツァー理論が部分積分法を利用して導出された経過は先に掲げた参考文献の第５９６ページに記されている。理論の適用範囲を示したシェルツァー博士のこの記述が本発明を計画した１つの端緒であったことを付記したい。【０００８】  図４は本発明の収差補正荷電粒子ビーム発生装置を球面収差補正ＳＥＭに適用した本発明の実施の１形態を示している。図４の横軸に記した数値は電子源１から観察しようとするサンプル２にいたる光軸に沿った距離（ｚ）をサンプル位置を原点（ｚ＝０．０ｍｍ）に選んでミリメートル単位で表わしている。  このＳＥＭは電子銃７、球面収差補正レンズ３、ならびに、対物レンズ４の３つのラウンドレンズで構成されている。１の電子光学像が２の上に投影される。  ４は直径４ｍｍの孔を有し、かつ、４ｍｍの間隔をあけて配置した１対の磁極で造られ、磁極間隙の中央部、ｚ＝０．０ｍｍに２が置かれている。この対物��ンズの球面収差係数Ｃｓは０．６７ｍｍである。ｚ＝−３１０ｍｍの位置には直径２ｍｍの中心孔を有した磁極を２ｍｍ離して設置した磁界型の球面収差補正レンズ３が置かれている。３は２８により３の内部と外部の２つの位置Ａ、Ｂにビームのクロスオーバーを発生させるような強い強度で励起されている。【０００９】  図４には３をＥｘＣｓ＝３８．４９Ａ／√Ｖで励起してこのＳＥＭのＣｓがゼロ、すなわち、球面収差が完全に除去されたときの１から２にいたる光軸に沿った磁束密度分布５と電子線軌道６とが磁界計算と軌道計算との結果を使って描かれている。３８．４９Ａ／√Ｖという値は電子軌道計算と球面収差計算とを行い、Ｃｓを０．０ｍｍとするに必要な３の励起強度として求めた。  この無球面収差状態での電子線軌道について説明する。１より引き出された電子線は電子線通過孔を有する３枚の円盤状電極でできた７により所定のエネルギー、１００ｋｅＶに加速され、かつ、光軸に平行な電子線となって３に入る。  ３８．４９Ａ／√ＶのＥｘＣｓで励起された３により、電子線は３の中央部、ｚ＝−３１０ｍｍと３の外部のｚ＝−２２２．６ｍｍの２つの位置Ａ，Ｂで光軸と交差するように曲げられる。すなわち、１より種々の角度で放出された電子線群で形成される電子ビームはｚ＝−３１０ｍｍとｚ＝−２２２．６ｍｍの２つの位置でクロスオーバーを持つ。  その後電子ビームは４に入り、４の作用で２の上に集束する。この集束点もビームのクロスオーバーであることはいうまでもない。すなわち、このＳＥＭは球面収差補正レンズと対物レンズの２つのレンズの中にクロスオーバーを産み出している。  このＳＥＭの球面収差をゼロとするに必要なＥｘＣｓの値を知るために、ＥｘＣｓを種々に変えた場合のＣｓを計算した。  その結果を図５に示すが、その図は、このＳＥＭでは３をＥｘＣｓ＝３８．４５Ａ／√Ｖ、あるいは３８．４９Ａ／√Ｖに励起するとＣｓが０．０ｍｍ、すなわち、球面収差がゼロとなることを示している。  これら２つの励起強度のうち３８．４５Ａ／√Ｖの励起強度は、ＥｘＣｓの変化に対するＣｓの変化があまりに急峻なので、実用には適しそうにない。図５にはＥｘＣｓに対する色収差係数Ｃｃの変化も描いているが、その理由は後ほど述べる。【００１０】  図５は、図２を使って行ったのと同様に、球面収差補正に必要とする２８の電流値設定精度を求めるためにも使用する。すなわち、球面収差によるサンプル照射ビームのボケの量を収差補正前の１／３以下にするには、補正前の４のＣｓが０．６７ｍｍであるから、図５より｜Ｃｓ｜を０．６７×０．３３＝０．２２ｍｍ以下にするＥｘＣｓの範囲を求めると、ＥｘＣｓは３８．４８Ａ／√Ｖ以上３８．５０Ａ／√Ｖ以下の大きさに設定する必要のあることが分かる。言い換えると、この実施例で球面収差によるビームのボケを１／３以下に小さくするには、（３８．５０−３８．４８）／３８．４９＝５００ｐｐｍより厳密な電源安定度と電流値調節精度を必要とする。【００１１】  本実施例に示したように対物レンズの前方（電子源側）に別のレンズを設置し、そのレンズの励起強度を選ぶことにより、ＳＥＭの球面収差をゼロにすることが出来る理由を以下に説明する。光学機器で使われている非球面レンズの球面収差除去原理を応用している。非球面レンズでは、球面収差をなくすため、光線の屈折場所、すなわち、レンズの表面を球面ではなく、図６に示すような、その曲率が光軸から離れるにしたがって次第に変化する形状に加工して使っている。【００１２】  すでに述べたように荷電粒子線を屈折させる荷電粒子用レンズではガラスレンズと違って屈折作用が光軸に沿って広い範囲に、しかも連続的に強さが変化する様式で発生しているので、ただ１個のレンズを使う限り、屈折面の形状を任意に選ぶことはできない。  したがって光学レンズとは違って、ただ１つのレンズを使う限りそのレンズの球面収差を無くすことはできない。  ところが、そのレンズの前方に他のレンズを置いて、そのレンズの励起強度、ＥｘＣｓを変えると、その２つのレンズでできた複合レンズへの入射電子線と出射電子線との交点で形成される実効的な屈折面の形状は違えることが出来、その結果、複合レンズのＣｓはＥｘＣｓの値に応じて違ってくることを本発明者は見いだした。  図７は３と４とからなる複合レンズに光軸に平行に入射した電子線が４によって２の上に集束される時違ったＥｘＣｓに対して複合レンズの屈折面がどのように変化するかを電子軌道を計算して描いたものである。  ＥｘＣｓを１．０Ａ／√Ｖに励起すると図４．１に示すよう曲率の小さい、すなわち、平面に近い屈折面９を与える。このときのＣｓを計算するとＣｓは２５．５ｍｍである。ＥｘＣｓを２．８Ａ／√Ｖに上げると図４．２のように光軸から離れるにつれて曲率が次第に大きくなる曲面状の屈折面を与える。このときのＣｓは１１３ｍｍと大きい。屈折面は球面収差を考慮に入れない、現実にはない、
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では曲率がゼロの平面として描かれている。図７において、曲率の小さい屈折面が小さいＣｓを与え、曲率の大きい屈折面が大きいＣｓを与えていることはこの事柄に対応している。  この図７の光学系では、サンプルは磁界の外に設置されている。すなわちＣｓ＝２５．５ｍｍとＣｓ＝１１３ｍｍを与える図４．１、図４．２の電子軌道は図に見られるようサンプル位置にのみビームのクロスオーバーを有しているがその位置は磁界の外にある。３０ｍｍ離れた２つのレンズからなるこの光学系を使って、Ｃｓをゼロとするに必要な３の励起条件を求めるためＥｘＣｓを種々に変え、それらに対するＣｓを計算した結果を図８に示す。図８ではＥｘＣｓを０．０Ａ／√Ｖから３０．０Ａ／√Ｖまでの範囲でかえているが、その変更範囲の中では、Ｃｓはゼロにはならなかった。すなわち、Ｃｓは負値をとることはなく、図３と同様に、シェルツァー理論どおりの変化を示した。サンプル位置や電子源位置、ならびに、レンズ間距離を変えて計算を進めると、Ｃｓをゼロとする光学系を得るには、「サンプル位置と電子源位置とを含めて、光学系の中には少なくとも３つのビームクロスオーバーを与えるように光学系を強く励起し、かつ、それらのクロスオーバーのうち、少なくとも１つは磁界の中に設け、かつ、３と４の２つのレンズは十分の距離をあけて設置する」必要のあることが分かった。  先に示したＣｓ＝０．０ｍｍが得られる図４の光学系では２つのレンズの間隔を３１０ｍｍあけ、かつ、ｚ＝−３００ｍｍとｚ＝０．０ｍｍの付近に発生させている２つのクロスオーバーは磁界の中にある。さらに図４の光学系を使って無球面収差化に必要な条件を調査すると、３と４との間に必要とする距離Ｌは３に入射する電子線の３の入り口での光軸からの距離、すなわち３の入り口での電子軌道の離軸距離Ｒに関係することがわかった。無収差化にはＲが大きいほど大きいＬを必要とする。図４では７から光軸に平行に出た電子線が３に入射している。光軸に平行ではなく、光軸に向かって傾斜して３の前方でクロスオーバーを作るような様式で３に入射する光学系を設計する事により３の入り口での離軸距離Ｒを小さくし、その結果、Ｌを短くできることが分かった。  しかも都合の良いことには、Ｃｓをゼロにするに必要なＥｘＣｓの値を小さくし、かつ、Ｃｓ対ＥｘＣｓ曲線の、Ｃｓ＝０．０ｍｍでの勾配を緩やかに出来ることも見つけた。【００１３】  図９は３の前方、電子源側にクロスオーバー形成用レンズ１０を置き、このレンズにより電子線を光軸方向に屈折させ、３の中心点から１０ｍｍ前方（電子源側）で光軸と交差した後に３に入射するように光学系を構成し、かつ、３を７．００５Ａ／√Ｖに励磁したときの電子軌道を計算した本発明の１実施形態である。このＥｘＣｓの値、すなわち、図４の実施例に比べるとはるかに低いＥｘＣｓの値で図９のＳＥＭは無球面収差状態となっている。  しかも３と４とのレンズ間距離は１１０ｍｍで図４の３と４のレンズ間距離に比べると約１／３に短い。【００１４】  図１０は図９の光学系の与えるＣｓ，と色収差係数ＣｃをＥｘＣｓに対して計算した結果である。図１０においてＣｓが０．０ｍｍになる点（ＥｘＣｓ＝７．００５Ａ／√Ｖ）でのＣｓ対ＥｘＣｓ曲線の勾配は図５での勾配に比べて極めて小さい。  この勾配が小さければ小さいほど装置の無球面収差化に必要とする電源調節精度は低いものでよく、ユーザーには使いやすい装置となる。以上に述べた、これらの、（１）必要とするレンズ間距離が短くてよい特長、ならびに（２）Ｃｓ対ＥｘＣｓ曲線の勾配が小さい特長は、球面収差補正に必要とするビームクロスオーバーの１つを３の直前、図９では３の前方１０ｍｍの位置に設けることによって得られたものである。【００１５】  一方、図１０は図４の光学系による球面収差補正に比べて１つの欠点があることをも示している。  それは、図９の光学系で球面収差補正を行うと、球面収差補正時の色収差係数、Ｃｃが大きくなってしまうことである。図５に示されたよう、図４の光学系を用いた球面収差補正ではＣｓを０．０ｍｍとするＥｘＣｓ＝３８．４９Ａ／√Ｖの励磁ではＣｃは−２．２ｍｍであったのに対し、図１０では−５．９ｍｍ（ＥｘＣｓ＝７．００５Ａ／√Ｖ）に大きくなっている。  色収差によるビームボケの量もＣｃの大きさに比例する。  色収差はエネルギーの低い電子線ほど、あるいは、ガラスレンズでは、波長の長い光線ほどそれにレンズは強く作用するというレンズ作用の本質に基づく収差なのでそれをゼロにすることはできない。  色収差を小さくするには、カメラや望遠鏡では「色消しレンズ」が使われている。  「色消しレンズ」は２つのレンズを用意し、波長の異なる２つの光線、たとえば赤色光線と緑色光線、に対するその複合レンズの焦点距離が一致するように２つのレンズを組み合わせる。光線に関する物理量、「波長」は電子線に関する物理量、「エネルギー値」に該当する。電子ビームの球面収差補正に関して「非球面レンズ」の技法が応用できたことから類推して、Ｃｃを小さくするためにも光学の「色消しレンズ」の設計方法が適用できないことか？と考えた。光学系を設定するとその光学系での、エネルギー値の異なる２つの電子線に対する焦点距離は容易に計算できる。また、それら２つの電子線に対する焦点距離を一致させるに必要とするであろう光学系の動作条件の変更には図９に与えたクロスオーバー形成用レンズの励磁、ＥｘＣｃを変更する事により可能なことのように思われた。【００１６】  図９の光学系は１から出た電子線が７により１００ｋｅＶに加速され、２の上に集束するよう設計されている。電界放出電子源が放出する電子線には幅、０．４ｅＶのエネルギーのバラツキがあると考えているので、２を照射する電子ビームは（１００ｋｅＶ−０．２ｅＶ）から（１００ｋｅＶ＋０．２ｅＶ）の範囲のエネルギーを有する電子線群で出来ている。そこで、ＥｘＣｓはＣｓをゼロとする７．００５Ａ／√Ｖに設定し、１０の励磁、ＥｘＣｃの種々の値を変えてそれぞれのＥｘＣｃに対して９９．９９９８ｋｅＶと１００．０００２ｋｅＶの電子線に対する焦点距離、ｆ１，ｆ２を計算し、それらの差、Δｆ（＝ｆ１−ｆ２）をＥｘＣｃに対してプロットした。  結果を図１１に示す。【００１７】  ＥｘＣｃ＝７．５Ａ／√Ｖに励磁すれば、Δｆ＝０．０ｎｍとなり、図９の光学系は９９．９９９８ｋｅＶと１００．０００２ｋｅＶの電子線に同じ焦点距離を与える、つまり、これらのエネルギー値の電子線に対しては光学で言うところの「色消し状態」を与える電子ビームを産んでいる。  この光学系動作条件でのＣｃは図１１が示すように、−２．０ｍｍで当初の−５．９ｍｍに比べると小さくなっている。ただしこの電子光学条件では装置は無球面収差状態にはなく、図１１が示すように−０．４７ｍｍのＣｓが残っている。  そこで、今度はＥｘＣｃを７．５Ａ／√Ｖに設定して、ＥｘＣｓを変えてＣｓ、Ｃｃ対ＥｘＣｓ曲線を計算すると図１２を得る。【００１８】  図１２はＥｘＣｓを７．３Ａ／√Ｖに励磁するとＣｓ＝０．０ｍｍの無球面収差状態に戻すことができることを示している。  しかも、このときのＣｃは−１．６ｍｍと−５．９ｍｍに比べて絶対値で１／４程度に小さい。ただし、−０．０５５ｎｍのΔｆが発生し、「色消し状態」ではなくなっている。以上に示したこれらの手順、すなわちＥｘＣｃを選んでΔｆをゼロにする図１１の操作と、ＥｘＣｓを選んでＣｓをゼロにする図１２の操作とを交互に繰り返すと、Δｆ＝０．０ｎｍ，Ｃｓ＝０．０ｍｍの「色消し」、かつ、「無球面収差」の電子ビームが得られる。  図１３はそのようにして得た、色消し、かつ、無球面収差電子ビーム光学系の実施の１形態を示す図で、図にはレンズ構成と電子線軌道が描かれ、１０と３に必要とする励起強度も示されている。  すなわち、ＥｘＣｃは７．４７９Ａ／√Ｖに励磁されＥｘＣｓは７．３０９Ａ／√Ｖに励磁されている。このＳＥＭのＣｓ，Ｃｃはそれぞれ、０．０ｍｍ，−１．６ｍｍである。【００１９】  先に述べたように、また、図１１、図１２に示したように、色消し光学系はＣｃをその光学系が与えうる最小値にするものではあってもゼロにするものではない。したがってさらに色収差を小さくするにはエネルギーのそろった電子線を発射する電子源を使用するか、あるいは、エネルギーのそろった電子線のみを抽出してサンプルに照射する必要がある。後者の方法には従来は非回転対称構造のエネルギーフィルターが利用されてきた。もし、ラウンドレンズを使ってエネルギーフィルターが造れれば構造が簡単で、かつ、イオンビームにも容易に応用できるエネルギーフィルターが得られる。エネルギーフィルターの動作原理を考えてみると、それは、色収差の大きいレンズを使って電子軌道を種々の方向に分散させ、光軸に近い部分を走行する電子線のみを使っている事に他ならない。色消し前の図９の光学系が図４の光学系に比べてはるかに大きいＣｃを与えた理由を考えてみると、電子線が３に入射するときの離軸距離Ｒを短くしたことによったものであることに気がついた。  電子軌道を計算してみると、小さいＲを与える事によって３は大きな色収差、すなわち、エネルギー値の違いによる軌道の分散（エネルギー分散）を産み出すことが分かった。  この知見を利用すればエネルギーフィルターをラウンドレンズで造ることができる。【００２０】  図１４は１０と３とからなる磁界レンズの光学系に１．０ｋｅＶから１．２ｋｅＶの範囲のエネルギーを有する電子で構成された電子線群が左方から光軸に平行に入射したとき、エネルギーの違った電子線のそれぞれの軌道（１３〜１７）を計算して描いたものである。１０はｚ＝−３０ｍｍの位置にその中心を置き、ｚ＝−３．６���ｍの位置に１．０ｋｅＶのエネルギーの電子線がクロスオーバーを持つように励起されている。３はｚ＝０．０ｍｍの位置にその中心を置き、ｚ＝＋３０ｍｍの位置に１．０ｋｅＶの電子線がクロスオーバーを持つように励起されている。図に示したようにｚ＝３０ｍｍの位置に直径１．４ｍｍの孔を持つ絞り１８を挿入すると１．０５ｋｅＶより大きい値のエネルギーを持つ電子、１３，１４，１５はこの絞りでカットされ、エネルギーが１．００ｋｅＶから１．０５ｋｅＶの間にある電子線のみがこの絞りを通り抜ける。  当初は１．０ｋｅＶから１．２ｋｅＶの範囲のエネルギーの電子線群で構成されていた電子ビームが１８の後では１．０ｋｅＶから１．０５ｋｅＶの範囲のエネルギーの電子線のみで構成されるようになる。図１４から推測されるように、３によるエネルギー分散の大きさは、３での離軸距離Ｒを１０の励起、ＥｘＣｃによって変更することにより広範囲に変えれることが確認された。この結果に基づいてラウンドレンズで構成するエネルギーフィルター付無球面収差ＦＩＢを設計した。この１実施形態を図１５に示す。【００２１】  図１５のＦＩＢは液体金属イオン源１９、イオン銃２０、１０、３、４、１８、２の構成要素でできている。イオンビームを制御するには電界レンズを使う必要がある。電界レンズはその中心にイオンビーム通過用の孔を開けた３枚の円盤状の電極を並べる構成で出来ており、その中央電極に電圧を印加することでイオンビームを集束する。図１５には３を励起してこのＦＩＢを無球面収差状態にしたときのエネルギーの異なるイオン線群の軌道が描かれている。すなわち、Ｇａをイオン種に選んだ１９から引き出したイオン線が２０によって２０ｋｅＶに加速され、かつ、ｚ＝−４１８ｍｍの位置にクロスオーバーを結ぶように集束されている。このイオンビームは１０によって３の中心電極から２０ｍｍ前方のｚ＝−２８０ｍｍの位置にクロスオーバーを持つように集束される。  図に示したところのＣｓ＝０．０ｍｍの球面収差補正状態は、３の中央電極にＶＣｓ＝１８．９ｋＶを印加する事によって得られている。  この電圧印加により３はこのＦＩＢのＣｓをゼロにするとともに、３から出てゆくイオン線をそのエネルギー値に応じて分散させている。図１５には、１９．９９９６ｋｅＶから２０．０００９ｋｅＶの範囲のエネルギーを有するイオン線、２１、２２，２３，２４，２５，２６，２７が３により分散されている様子が描かれている。ｚ＝−６０ｍｍの位置には直径１１μｍの孔を有する絞りが設けられ、２０ｋｅＶから２０．０００７ｋｅＶの範囲のエネルギーを有するイオン線のみがその孔を通り抜けて４により集束されて２を照射する。【００２２】  エネルギーフィルターの効果を知るために２を照射するイオンビームの断面形状を計算する。Ｇａイオン源の大きさを直径５０ｎｍ、Ｇａイオン源から発射するイオンの有するエネルギー幅を１０ｅＶ、単位立体角当りのイオン放出量を２０μＡ／ｓｒと仮定して、イオン源から光軸に対して０．４ｍｒａｄ以下の角度で出た電流値１０ｐＡのイオン線群によって形成されるイオンビームの２の位置での断面に沿った電流密度分布、すなわち、ビームの断面形状（ビームプロファイル）を計算��た。そのために、初期エネルギーと出発位置、ならびに発射角がそれぞれ５０個ずつ異なる５０×５０×５０個のイオン線の軌道を計算し、２を照射する単位面積あたりのイオンの個数  対  照射位置のヒストグラムを求めた。図１６は図１５において１８は設置しない、ただし、球面収差補正は実行されている状態でのビームプロファイルを描いたものである。このＦＩＢの結像倍率は０．７９であり、かつ、Ｇａイオン源には直径５０ｎｍの円盤電極を仮定しているので、もし収差がなければプロファイルはその幅が５０×０．７９＝４０ｎｍの矩形を示すはずであるが、図１６は色収差によって少しなまった形をしている。【００２３】  図１７はエネルギーフィルター絞りを挿入した条件で得られるビームプロファイルを計算したものである。図１７は図１６に比べてはるかに幅４０ｎｍの矩形に近い形をしている。矩形プロファイルを持つイオンビームは微細加工には特に都合が良い。すなわち、シャープな溝やシャープな断面を作ることが出来、計画したところの寸法仕様に合わせて高精度に加工できる。
【発明の効果】
【００２４】  本発明により、カメラなどの光学機器分野で開発された非球面レンズと、色消しレンズの設計技術が、荷電粒子線光学分野にも応用できることが明らかになった。  すなわち、従来は、荷電粒子ビームに対しては、ラウンドレンズを使っていては収差補正は出来ないものとされてきたが、本発明により、それが出来ることが示された。多極子レンズを使った収差補正装置に比べると、ラウンドレンズを使った収差補正装置ははるかに少ない価格で製作することができる。  また、電気的調整箇所が極めて少ないので、使いやすく、かつ、長時間動作させても安定度を損ないにくい装置が提供できるようになった。  さらに本発明で使用する収差補正用レンズは磁界型レンズには限られていず、イオンビームを制御するために従来から使ってきた電界型レンズを使っても良い。その結果、イオンビーム装置に対しても収差補正とエネルギーフィルタリングとができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】  球面収差補正をＴＥＭの対物レンズ部分に施した本発明実施の１形態と、球面収差補正時におけるその部分の磁束密度分布ならびに電子軌道
【図２】  図１のＴＥＭの対物レンズ−収差補正レンズ光学系におけるＣｓ対ＥｘＣｓ
【図３】  図１の光学系において物点ｚｏも像点ｚｉもレンズの作用領域の外部（ｚｏ＝−３ｍｍ，ｚｉ＝３０２ｍｍ）に置いた場合のＣｓ対ＥｘＣｓ
【図４】  球面収差補正ＳＥＭ実施の１形態と球面収差補正時の電子軌道。
【図５】  図４のＳＥＭにおけるＣｓ，Ｃｃ対ＥｘＣｓ。
【図６】  光学機器の無球面収差化に使われている非球面レンズの説明図。
【図７】  ＥｘＣｓの違いによる電子線屈折面の形状変化。
【図８】  図７の光学系においてＥｘＣｓを変えたときのＣｓ対ＥｘＣｓ。
【図９】  離軸距離調節を目的としたクロスオーバー形成用レンズ付ＳＥＭの球面収差補正状態における電子線軌道図。
【図１０】  図９のＳＥＭに対するＣｓ，Ｃｃ対ＥｘＣｓ。
【図１１】  図９のＳＥＭに対するΔｆ，Ｃｓ，Ｃｃ対ＥｘＣｃ。
【図１２】  図９のＳＥＭのＥｘＣｃを７．５Ａ／√Ｖに設定して、ＥｘＣｓを変えたときのＣｓ，Ｃｃ，Δｆ，対ＥｘＣｓ。
【図１３】  色消し・無球面収差ＳＥＭの１実施形態。
【図１４】  磁界型ラウンドレンズで造るエネルギーフィルター。
【図１５】  エネルギーフィルタ付無球面収差ＦＩＢに応用した本発明の１実施形態。
【図１６】  図１５に示したＦＩＢでエネルギーフィルタ絞りは使わずに、ただし、ＶＣｓは１．１０２ｋＶに励起して球面収差は無くしたときのビームプロファイル（サンプル照射ビームの断面形状）。
【図１７】  無球面収差、かつ、エネルギーフィルター絞りを使用した状態でのビームプロファイル。
【符号の説明】
【００２６】１・・・電子源、２・・・サンプル、３・・・球面収差補正レンズ、４・・・対物レンズ、５・・・磁束密度分布、６・・・電子軌道、７・・・電子銃、８・・・コイル、９・・・屈折面、１０・・・クロスオーバー形成用レンズ、１３・・・１．２０ｋｅＶのエネルギーの電子の軌道、１４・・・１．１５ｋｅＶ電子線軌道、１５・・・１．１０ｋｅＶ電子線軌道、１６・・・１．０５ｋｅＶ電子線軌道、１７・・・１．００ｋｅＶ電子線軌道、１８・・・絞り、１９・・・液体金属イオン源、２０・・・イオン銃、２１・・・１９．９９９６ｋｅＶイオン線軌道、２２・・・１９．９９９８ｋｅＶイオン線軌道、２３・・・２０ｋｅＶイオン線軌道、２４・・・２０．０００２ｋｅＶイオン線軌道、２５・・・２０．０００４ｋｅＶイオン線軌道、２６・・・２０．０００７ｋｅＶイオン線軌道、２７・・・２０．０００９ｋｅＶイオン線軌道  ２８・・・制御電源  ２９・・・ＴＥＭの対物レンズに入射するサンプル照明用電子線
【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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