(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線の光路中に配置され、４段の静電型４極子と４段の静電型４極子に電圧を供給する電源と、中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と２段の磁場型４極子を励磁する電源とによりなり、色収差又は球面収差の少なくとも１つを補正する収差補正装置と、
プローブ電流を調整するための集束レンズと集束レンズの電源と、
集束レンズと収差補正装置との間に配置され、開き角制御レンズと開き角制御レンズの電源とによりなり、試料に入射するプローブの開き角を制御するための開き角制御装置と、
対物レンズと対物レンズの電源と、
光路の一部に設けられた対物絞りと、
加速電圧や作動距離やプローブ電流を変更する操作表示部と、
該操作表示部の操作又は設定に基づいて前記４段の静電型４極子に電圧を供給する電源と２段の磁場型４極子を励磁する電源と集束レンズの電源と開き角制御レンズの電源と対物レンズの電源とを制御する制御部と、
を有し、
加速電圧、又は作動距離、又はプローブ電流の少なくとも１つを変更した時、試料に入射するプローブの径を最小にするように、プローブの開き角を制御すると共に、前記収差補正装置の４段目の静電型４極子の倍率と前記対物レンズの倍率との合成倍率を変えるように制御可能に成したことを特徴とする収差補正装置を備えた荷電粒子線装置。
【請求項２】
前記開き角制御レンズとして２つの開き角制御レンズが設けられていることを特徴とする請求項１記載の収差補正装置を備えた荷電粒子線装置。
【請求項３】
荷電粒子線の光路中に配置され、４段の静電型４極子と４段の静電型４極子に電圧を供給する電源と、中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子を励磁する電源とによりなり、色収差又は球面収差の少なくとも１つを補正する収差補正装置と、
プローブ電流を調整するための集束レンズと集束レンズの電源と、
集束レンズと収差補正装置との間に配置され、開き角制御レンズと開き角制御レンズの電源とによりなり、試料に入射するプローブの開き角を制御するための開き角制御装置と、
少なくとも２つのレンズからなる対物レンズと、試料に入射するプローブの収差の補正量を所望の値に設定するために前記少なくとも２つのレンズの合成倍率を変えるように制御可能な対物レンズの電源と、
光路の一部に設けられた対物絞りと、
加速電圧や作動距離やプローブ電流を変更する操作表示部と、
該操作表示部の操作又は設定に基づいて前記４段の静電型４極子に電圧を供給する電源と２段の磁場型４極子を励磁する電源と集束レンズの電源と開き角制御レンズの電源と対物レンズの電源とを制御する制御部と、
を有し、
加速電圧、又は作動距離、又はプローブ電流の少なくとも１つを変更した時、試料に入射するプローブの径を最小にするように、プローブの開き角を制御することを特徴とする収差補正装置を備えた荷電粒子線装置。
【請求項４】
前記対物レンズの電源は、収差補正装置のフォーカス条件又は収差補正条件を変更することなしに、前記合成倍率を変えて試料に入射するプローブの収差の補正量を調整するように制御し、
前記開き角制御装置は、前記合成倍率の変更に伴うプローブの開き角の変化を、補正するように制御することを特徴とする請求項３記載の収差補正装置を備えた荷電粒子線装置。
【請求項５】
前記制御部は、試料に入射するプローブの開き角を所望の値とした時の収差補正装置の各電源と対物レンズの電源の制御値とを求める演算手段と、
開き角と開き角によって定まる各種収差とからプローブの径を求める演算手段と、
試料に入射するプローブの開き角の変化に対してプローブの径が最小となるような開き角を求める演算手段と、
を有し、
プローブの開き角を、試料に入射するプローブの開き角の変化に対してプローブの径が最小となるような開き角に設定する制御部であることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の収差補正装置を備えた荷電粒子線装置。
【請求項６】
前記開き角制御装置は、開き角制御レンズを少なくとも２つのレンズで構成し、開き角制御レンズの電源を前記少なくとも２つのレンズの電源で構成した開き角制御装置であって、前記収差補正装置のフォーカス条件又は収差補正条件を変更することなく、試料に入射するプローブの開き角を制御することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の収差補正装置を備えた荷電粒子線装置。
【請求項７】
前記開き角制御装置は、荷電粒子線の収差補正装置に対する物面の位置が一定となるように制御されることを特徴とする請求項６記載の収差補正装置を備えた荷電粒子線装置。
【請求項８】
前記制御部は、観察倍率によって定まる焦点深度と、該焦点深度を得るための開き角を求める演算手段を有することを特徴とする請求項５乃至７の何れかに記載の収差補正装置を備えた荷電粒子線装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記各演算手段を用いて、予め、所定の加速電圧と作動距離とプローブ電流に対するプローブの径を最小にするようなプローブの開き角との関係を複数求めて記憶し、必要に応じて呼び出せる記憶手段を有する制御部であることを特徴とする請求項５乃至８の何れかに記載の収差補正装置を備えた荷電粒子線装置。
【請求項１０】
前記収差補正装置は、前記４段の静電型４極子の電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、該４段の静電型８極子に電圧を供給する電源とを備え、前記制御部は、該４段の静電型８極子に電圧を供給する電源を制御して該４段の静電型８極子の電位を制御することにより球面収差を補正するように成したことを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載の収差補正装置を備えた荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査電子顕微鏡などの電子ビーム装置やイオンマイクロプローブなどのイオンビーム装置における色収差と球面収差を補正するための荷電粒子ビーム装置における収差補正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
透過電子顕微鏡や走査電子顕微鏡で高分解能の像を観察したり、プローブ電流密度を上げることを目的として、色収差を静電型４極子と磁場型４極子の組合せで補正し、球面収差を４段の静電型８極子で補正する収差補正装置が提案されている。この装置の原理については下記の文献に詳しく紹介されているので、ここではその概略を述べることにする。
［１］ V. H. Rose, Optik 33, Heft1, 1 (1971)
［２］ J. Zach, Optik 83, No1, 30 (1989)
［３］ J. Zach and M. Haider, Nucl. Instr. and Meth. In Pyhs. Res.
A 363, 316 (1995)
図１は上記収差補正装置の原理を説明するための図であり、収差補正装置Ｃには、４段の静電型４極子１，２，３，４が設けられている。この４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子２，３が形成する電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子５，６が配置されている。また、４段の静電型４極子の電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子１１，１２，１３，１４が設けられている。収差補正装置Ｃの下段には対物レンズ７が配置されている。なお図中８は対物絞りであり、２０は試料面である。
【０００３】
上記した収差補正装置Ｃを組み込んだ電子光学系におけるフォーカス調整について説明する。図に示すように４段の静電型４極子１，２，３，４と対物レンズ７によって基準となる粒子線の軌道が作られ、試料面２０に粒子線がフォーカスされる。この図では、粒子線のＸ方向の軌道ＲｘとＹ方向の軌道Ｒｙを平面上に模式的に描いている。
【０００４】
基準軌道とは、近軸軌道として、４極子１によってＹ方向の軌道Ｒｙが４極子２の中心を通り、４極子２によってＸ方向の軌道Ｒｘが４極子３の中心を通り、最後に４極子３，４と対物レンズ７によって粒子線が試料面にフォーカスされる軌道を意味するものとする。実際には完全なフォーカスのために、これらの相互調整が必要になる。
【０００５】
このような光学系で先ず色収差を補正するには、上記の基準軌道を変えないように静電型４極子２の電位φq2［Ｖ］と磁場型４極子５の励磁Ｊ2［ＡＴ］（あるいは磁位）が調整され、レンズ系全体としてＸ方向の色収差が０に補正される。同様に基準軌道を変えないように静電型４極子３の電位φq3［Ｖ］と磁場型４極子６の励磁J3［ＡＴ］が調整され、レンズ系全体としてＹ方向の色収差が０に補正される。
【０００６】
次に、球面収差（３次の開口収差）を補正する場合について説明する。Ｘ，Ｙ方向の色収差の補正を行った後に、静電型８極子１２の電位φO2［Ｖ］によってレンズ系全体としてＸ方向の球面収差を０に補正し、静電型８極子１３の電位φO3によってＹ方向の球面収差を０に補正する。次に、ＸＹが合成された方向の球面型収差を静電型８極子１１，１４で０に補正する。実際は交互の繰返し調整が必要になる。
【０００７】
なお、４極子や８極子の電位や励磁の重畳は、１個の１２極子を用いて、１２極の各極子に印加する電位や励磁を変化させ２極子、４極子、６極子、８極子などの合成が行われ、実用化され、本発明にも適用されるが、ここでは説明を複雑にしないために、それらについては述べない。以下の説明で、静電型の多極子で電位φ（あるいは電圧）という表現を用いた場合には、図２（ａ），図２（ｂ）に示すような標準配列をした多極子の＋側の値を表すものとする。同様に、磁場型の励磁Ｊという表現を用いた場合には、＋側の励磁［ＡＴ］を表すものとする。
【０００８】
次に試料面２０に入射するプローブの開き角の制御について説明する。上記のように色収差または球面収差の少なくとも１つを補正した後、これらの収差以外の要因、例えば、対物絞り８よりも前段に配置されている電子銃の輝度や集束レンズの収差の影響、回折収差や４次以上の収差の影響などを最小にするために、試料に入射するプローブの開き角αfを適切なものにする必要がある。従来は収差補正装置の前方または後方の何れかに対物絞り８を配置し、その穴径を選択することによって段階的に、最適なαfを選択していた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記した収差補正の理論や実際に実験した結果にはすばらしいものがあるが、実用化の面で言えば、色収差または球面収差が補正された後に、加速電圧、または作動距離、またはプローブ電流などの条件変更に対して、試料に入射するプローブの開き角αfを常に最適な値に設定する手段が設けられておらず、最適化が図られていなかった。また、開き角を調整するとしても、収差補正装置の前方または後方に開き角を調整するための絞り８を配置し、段階的に調整するしかなかった。
【００１０】
このような装置においては、前記の条件変更に対して、特定の条件でしか開き角は最適にはならず、せっかく収差を補正したにもかかわらず、プローブ径を最小にする開き角や、焦点深度を最大にする開き角に連続的に設定することができなかった。
【００１１】
また、従来の集束レンズと対物レンズの間に入れる開き角制御レンズをそのまま収差補正装置と対物レンズの間に入れると、収差補正した後に開き角を調整した場合、開き角を変えたことによってレンズ系の倍率が変わり、収差補正条件が崩れると言う問題が生じ、本来の意味の開き角制御には使用できなかった。
【００１２】
更に、前記した加速電圧等の条件変更に対して、色収差を補正するための磁場型４極子の励磁を一定に保ち、磁場ドリフトが無いように配慮された収差補正装置では、前記の条件変更に対して開き角が変るので、最適の値に設定する必要がある。
【００１３】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、収差補正を行った状態で、ビームの開き角の制御を行うことができる収差補正装置を備えた粒子線装置を実現するにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に基づく収差補正装置を備えた粒子線装置は、荷電粒子線の光路中に配置され、４段の静電型４極子と４段の静電型４極子に電圧を供給する電源と、中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と２段の磁場型４極子を励磁する電源とによりなり、色収差又は球面収差の少なくとも１つを補正する収差補正装置と、プローブ電流を調整するための集束レンズと集束レンズの電源と、集束レンズと収差補正装置との間に配置され、開き角制御レンズと開き角制御レンズの電源とによりなり、試料に入射するプローブの開き角を制御するための開き角制御装置と、対物レンズと対物レンズの電源と、光路の一部に設けられた対物絞りと、加速電圧や作動距離やプローブ電流を変更する操作表示部と、該操作表示部の操作又は設定に基づいて前記４段の静電型４極子に電圧を供給する電源と２段の磁場型４極子を励磁する電源と集束レンズの電源と開き角制御レンズの電源と対物レンズの電源とを制御する制御部と、を有し、加速電圧、又は作動距離、又はプローブ電流の少なくとも１つを変更した時、試料に入射するプローブの径を最小にするように、プローブの開き角を制御すると共に、前記収差補正装置の４段目の静電型４極子の倍率と前記対物レンズの倍率との合成倍率を変えるように制御可能に成したことを特徴としている。
【００１５】
請求項２記載の発明に基づく収差補正手段を備えた粒子線装置は、前記開き角制御レンズとして２つの開き角制御レンズが設けられていることを特徴としている。
請求項３記載の発明に基づく収差補正手段を備えた粒子線装置は、荷電粒子線の光路中に配置され、４段の静電型４極子と４段の静電型４極子に電圧を供給する電源と、中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子を励磁する電源とによりなり、色収差又は球面収差の少なくとも１つを補正する収差補正装置と、プローブ電流を調整するための集束レンズと集束レンズの電源と、集束レンズと収差補正装置との間に配置され、開き角制御レンズと開き角制御レンズの電源とによりなり、試料に入射するプローブの開き角を制御するための開き角制御装置と、少なくとも２つのレンズからなる対物レンズと、試料に入射するプローブの収差の補正量を所望の値に設定するために前記少なくとも２つのレンズの合成倍率を変えるように制御可能な対物レンズの電源と、光路の一部に設けられた対物絞りと、加速電圧や作動距離やプローブ電流を変更する操作表示部と、該操作表示部の操作又は設定に基づいて前記４段の静電型４極子に電圧を供給する電源と２段の磁場型４極子を励磁する電源と集束レンズの電源と開き角制御レンズの電源と対物レンズの電源とを制御する制御部と、を有し、加速電圧、又は作動距離、又はプローブ電流の少なくとも１つを変更した時、試料に入射するプローブの径を最小にするように、プローブの開き角を制御することを特徴としている。
【００１６】
請求項４の発明に基づく収差補正装置を備えた粒子線装置は、前記対物レンズの電源は、収差補正装置のフォーカス条件又は収差補正条件を変更することなしに、前記合成倍率を変えて試料に入射するプローブの収差の補正量を調整するように制御し、前記開き角制御装置は、前記合成倍率の変更に伴うプローブの開き角の変化を、補正するように制御することを特徴としている。
【００１７】
請求項５の発明に基づく収差補正装置を備えた粒子線装置は、前記制御部は、試料に入射するプローブの開き角を所望の値とした時の収差補正装置の各電源と対物レンズの電源の制御値とを求める演算手段と、開き角と開き角によって定まる各種収差とからプローブの径を求める演算手段と、試料に入射するプローブの開き角の変化に対してプローブの径が最小となるような開き角を求める演算手段と、を有し、プローブの開き角を、試料に入射するプローブの開き角の変化に対してプローブの径が最小となるような開き角に設定する制御部であることを特徴としている。
【００１８】
請求項６の発明に基づく収差補正装置を備えた粒子線装置は、前記開き角制御装置は、開き角制御レンズを少なくとも２つのレンズで構成し、開き角制御レンズの電源を前記少なくとも２つのレンズの電源で構成した開き角制御装置であって、前記収差補正装置のフォーカス条件又は収差補正条件を変更することなく、試料に入射するプローブの開き角を制御することを特徴とする。
【００１９】
請求項７の発明に基づく収差補正装置を備えた粒子線装置は、前記開き角制御装置は、荷電粒子線の収差補正装置に対する物面の位置が一定となるように制御されることを特徴としている。
【００２０】
請求項８の発明に基づく収差補正装置を備えた粒子線装置は、前記制御部は、観察倍率によって定まる焦点深度と、該焦点深度を得るための開き角を求める演算手段を有することを特徴としている。
【００２１】
請求項９の発明に基づく収差補正装置を備えた粒子線装置は、前記制御部は、前記各演算手段を用いて、予め、所定の加速電圧と作動距離とプローブ電流に対するプローブの径を最小にするようなプローブの開き角との関係を複数求めて記憶し、必要に応じて呼び出せる記憶手段を有する制御部であることを特徴としている。
【００２２】
請求項１０の発明に基づく収差補正装置を備えた粒子線装置は、前記収差補正装置は、前記４段の静電型４極子の電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、該４段の静電型８極子に電圧を供給する電源とを備え、前記制御部は、該４段の静電型８極子に電圧を供給する電源を制御して該４段の静電型８極子の電位を制御することにより球面収差を補正するように成したことを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図３は荷電粒子ビームの一部をプローブとして試料に照射する装置に本発明を適用した場合の基本構成を示している。この図において、図１に示した構成と同一ないしは類似の構成要素には同一番号が付されている。
【００２４】
図において、色収差を補正するために、光学系には収差補正装置Ｃが配置されている。この収差補正装置は、４段の静電型４極子１，２，３，４と、中央の２段の静電型４極子２，３の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子５，６と、４段の静電型４極子１，２，３，４の電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子１１，１２，１３，１４とより構成されている。
【００２５】
収差補正装置Ｃの下段には対物レンズ７が配置され、またその上段には対物絞り８が設けられている。９は加速電圧や作動距離を変更する操作表示部であり、１０は４段の静電４極子１〜４に電圧を供給する電源である。また、電源１５が２段の磁場型４極子５、６を励磁するために設けられており、電源１７が対物レンズ７を励磁するために設けられている。更に、電源１８が４段の静電型８極子１１，１２，１３，１４に電圧を供給するために設けられている。
【００２６】
上記の構成に加えて、操作表示部９の操作または設定に基づいて前記電源１０、電源１５を制御する制御部１９が備えられている。この制御部１９は、操作表示部９の操作または設定に基づいて電源１８も制御する。
【００２７】
対物絞り８の前段には、この絞りを用いてプローブ電流を調整するための集束レンズ２１が配置されている。集束レンズ２１は、制御部１９によって制御される電源２２により励磁される。対物絞り８の後段には、対物絞り８を用いて試料面２０に入射するプローブの開き角αfを制御するための開き角制御レンズ２３が配置されている。このレンズ２３は、制御部１９によって制御される電源２４により励磁される。
【００２８】
本発明の特徴は、操作表示部９で加速電圧Ｖa、または作動距離ＷＤ、またはプローブ電流Ｖaを変更した場合、より安定な収差補正および最適開き角αfを設定するために、制御部１９が以下のような処理を行うことにある。
【００２９】
対物レンズの色収差、または球面収差の収差が補正されていない場合の最適な開き角制御については、例えば、特開平01−159943や特開平01−236563に開示されているので、ここでは色収差と球面収差が同時に補正された後の最適な開き角の制御方法について幾何光学的に説明する。なお、説明を単純化するために、Ｘ方向とＹ方向の収差係数が同程度であり、また、試料面に入射する粒子プローブのＸ方向の角度αXfとＹ方向の角度αYfも同程度であると仮定して、Ｘ方向とＹ方向の区別はしないことにする。
【００３０】
加速電圧をＶa、試料に入射する粒子のエネルギーをｑ・Ｖa （ｑは荷電粒子の電荷）、粒子ビームのエネルギー幅をｑΔＶ、Ｖaと粒子の質量ｍによって決まる粒子線の波長をλ、プローブ電流をＩp、荷電粒子源や集束レンズや開き角制御レンズの動作条件変更等による補正されなかった収差の影響を考慮した荷電粒子源の輝度をβr(Ｖa、αf)とする。収差補正装置と対物レンズの５次までの収差を考慮すると、各要因によって制限される各々のプローブ径は以下のようになる。
【００３１】
輝度制限：ｄβr＝(2／π)・(Ｉp／βr)1/2・αf-1
回折収差：ｄλ＝1.22λ／α                  (Airy第１暗輪の直径)
２次色収差：ｄCc2＝Ｃc2・αf・(ΔＶ／Ｖa)2
３次開口・色収差：ｄC3c＝(1／2)・Ｃ3c・αf3・(ΔＶ／Ｖa)（最小錯乱円）
５次開口収差  ：ｄC5＝(2／3)・Ｃ5・αf5        (最小錯乱円)
４次色収差：ｄCc4＝Ｃc4・αf・(ΔＶ／Ｖa)4
これらを合成したプローブ径は、
ｄp＝（ｄβr2＋ｄλ2＋ｄCc22＋ｄC3c2＋ｄC52＋ｄCc42）1/2
となる。
【００３２】
なお、(ΔＶ／Ｖa)2を含む２次色収差ｄCc2と(ΔＶ／Ｖa)4を含む４次色収差は、条件にもよるが他の項よりも影響が少ない場合が多い。この式から、プローブ径を最小にする最適開き角αf＝αOPTは、
∂ｄp／∂αｆ＝０    at  αf＝αOPT
となるαfから求められる。但し、上式はプローブ径ｄpが極小値をとる場合である。また、観察倍率をｍOBS、観察倍率ｍOBSで像を観察したときの許容できるボケの幅δe(人間の目の分解能などに対応）とするとき、プローブ径ｄｐに対して、焦点深度±Ｌは
Ｌ＝（（δe／ｍOBS）−ｋ・ｄｐ）／2αf
で与えられる。ｋは０＜ｋ≦１の係数で、見積の評価式ではｋ＝１に選ばれることが多い。最大の焦点深度を与える最適開き角は
∂Ｌ／∂αf＝０     at   αf＝αL
となる。
【００３３】
従って、与えられた加速電圧Ｖa、作動距離ＷＤ、プローブ電流Ｉpに対して、基準軌道が定まると、この基準軌道付近おける収差係数
Ｃc2、  Ｃ3c、  Ｃ5、  Ｃc4
が定まるので、前記のαf＝αOPTまたはαLを求める式から、最適開き角が定められる。
【００３４】
これらの最適開き角が得られるように、開き角制御レンズ２３の焦点距離を変更したとき（例えば図３において実線の大きな開き角から点線のように変更したとき）、基準軌道も変化するため、αfの変化で実質的な電子銃の輝度βｒも変化する、また、フォーカス条件を満たすようにするために、収差補正装置の第１段目の４極子の焦点距離は比較的大きく変更する必要がある。これによって色収差や球面収差の補正条件が変わり、収差補正後の前記の収差係数が変化する、などの不具合が生じる可能性がある。
【００３５】
この場合には、基準軌道変更後の収差係数を、再度最適開き角αf＝αOPTまたはαLを求める式に代入し、プローブ径ｄｐの最小値または焦点深度Ｌの最大値に収束するまで繰返し計算を行なう。
【００３６】
なお、実際の装置では、与えられた加速電圧Ｖa、作動距離ＷＤ、プローブ電流Ｉpに対して、主要なこれらの組合せに対して予め計算しておいた最適開き角αfを第１回目に設定するようにすれば、繰返し計算は不要か、または計算を行なったとしても最小の回数で目標とする開き角αfが求められる。
【００３７】
操作表示部９において、加速電圧Ｖa、作動距離ＷＤ、プローブ電流Ｉpの少なくとも１つ以上を設定もしくは変更すると、操作表示部９からの指示で制御部１９は、前記で述べたように、これらの条件に対して計算された最適開き角αf＝αOPTまたはαLを設定するか、またはこれらの条件に対して最も近い条件で予め計算された開き角をもとにして計算された最適開き角を求めて設定する。この設定法は下記のようになる。
【００３８】
試料面に入射するプローブの開き角αfの大きさは、収差補正装置の１段目静電４極子の主面上のビームの広がりの大きさに対応する。従って、大きな開き角を得る場合には、ビーム軌道を図３の実線のようにするため、静電型４極子１の主面上のビーム径が広がるように開き角制御レンズ２３が制御される。また、小さな開き角を得る場合には、ビーム軌道を図３の点線のようにするため、静電型４極子１の主面上のビーム径が細くなるように開き角制御レンズ２３を制御する。
【００３９】
次に制御部１９はこの条件下でフォーカス条件を満たすように、開き角制御レンズ電源２４、４極子電源１０（また、必要に応じて対物レンズ電源１７）を制御し、開き角制御レンズ２３、静電型４極子１〜４（また、必要に応じて対物レンズ７）の焦点距離を制御する。
【００４０】
次に、色収差補正の条件を変更する必要がある場合には、操作表示部９からの指示で、制御部１９は４極子用電源１０と１５を制御して、静電型４極子２〜３と磁場型４極子５〜６によって基準軌道を変えずに色収差補正を行なう。また、球面収差補正の条件を変更する必要がある場合には、操作表示部９からの指示で、制御部１９は８極子用電源１８を制御して球面収差を補正する。
【００４１】
前記の例では、開き角を調整したとき収差補正装置のフォーカス条件を変更する構成としたが、レンズを１個追加することによって、開き角を調整しても収差補正装置のフォーカス条件を一定に保つことができる。この代表的な例としては、図４に示すように、対物絞り８を開き角制御レンズ２３aの主面位置付近に配置し、２３aの焦点距離を変えて開き角を調整してもプローブ電流Ｉpが変化しないようにする。
【００４２】
次に、２３aの後方に開き角制御レンズ２３bを配置し、２３bの焦点距離を調整することによって、開き角調整によって２３aの像面が変化しても、収差補正装置の静電型４極子１に対する物面（物点）の位置が変化しないようにする。開き角制御レンズ２３aと２３bは開き角制御レンズ電源２４に接続されている。
【００４３】
操作表示部９において、加速電圧Ｖa、作動距離ＷＤ、プローブ電流Ｉpの少なくとも１つ以上を設定もしくは変更すると、設定値または変更の度合いに応じて前記の従来技術において説明したフォーカス調整、色収差補正、球面収差補正が必要に応じて実施される。
【００４４】
次に、操作表示部９からの指示で制御部１９は前記色収差補正で述べたように、これらの条件に対して計算された最適開き角αf＝αOPTまたはαLを設定するか、またはこれらの条件に対して最も近い条件で予め計算された開き角をもとにして計算された最適開き角を求めて設定する。設定法は下記のようになる。
【００４５】
試料面に入射するプローブの開き角αfの大きさは、開き角制御レンズ２３bの主面上のビームの広がりの大きさに対応する。この大きさは、図４に示すように、開き角制御レンズ２３aの像面位置を変えることで調整できる。例えば、大きな開き角を得る場合には、ビーム軌道を図４の実線のようにするため、２３bの主面上のビーム径が広がるように開き角制御レンズ２３aが制御される。また、小さな開き角を得る場合には、ビーム軌道を図４の点線のようにするため、２３bの主面上のビーム径が細くなるように開き角制御レンズ２３aを制御する。
【００４６】
次に制御部１９は２３bの主面上のビーム径の大きさにかかわらず（２３aの像面位置にかかわらず）、収差補正装置の静電型４極子１の物面位置、あるいは物点位置(図４の例では、＝−∞)が変化しないように(開き角制御レンズ２３bの像面位置が変化しないように)、開き角制御レンズ２３bの焦点距離を変更する。
【００４７】
このようにすれば、収差補正装置のフォーカス条件を全く変更せずに、開き角のみを自由に調整できる。更に、開き角制御レンズ２３aおよび２３bの収差変化が開き角の調整に対して無視できる場合には、収差補正装置のフォーカス条件だけでなく、色収差補正条件、球面収差補正条件も全く変更せずに、開き角のみを自由に調整できる。
【００４８】
この状態で、色収差補正の条件を変更する必要がある場合には、操作表示部９からの指示で、制御部１９は４極子用電源１０と磁場型４極子用電源１５を制御して、静電型４極子２〜３と磁場型４極子５〜６によって基準軌道を変えずに色収差補正を行なう。
【００４９】
また、球面収差補正の条件を変更する必要がある場合には、操作表示部９からの指示で、制御部１９は８極子用電源１８を制御して球面収差を補正する。
図４に示した実施の形態では、対物絞り８を開き角制御レンズ２３aの主面位置付近に配置したが、これは必ずしも主面位置付近に存在する必要がないことは明らかである。図５に示すように対物絞り８は開き角制御レンズ２３aと２３bの間に配置しても良い。図４に示した実施の形態の場合には、開き角を調整したとき、対応する開き角制御レンズ２３aの主面上におけるビーム径は対物絞り径に等しかったが、この構成では図５に示すように、開き角を調整すると開き角制御レンズ２３aの主面上のビーム径が異なる。
【００５０】
操作表示部９において、加速電圧Ｖa、作動距離ＷＤ、プローブ電流Ｉpの少なくとも１つ以上を設定もしくは変更すると、前記した図４に基づく実施の形態と同様に、設定値または変更の度合いに応じて前記の従来技術に示したフォーカス調整、色収差補正、球面収差補正が必要に応じて実施され、最適開き角αOPTまたはαLが計算される。
【００５１】
この最適開き角に対応する開き角制御レンズ２３bの主面上におけるビーム径は前記の実施の形態と同様である。対物絞り８が開き角制御レンズ２３aと２３bの間にあるため、開き角が大きい実線のような場合と、開き角が小さい点線の場合とでは、開き角制御レンズ２３aの主面上のビーム径が異なる。従って開き角制御を行なったときにプローブ電流が設定値から変化しないようにするため、集束レンズ２１の焦点距離を変化させる。
【００５２】
以上のようにすれば、条件変更に対して収差補正装置のフォーカス条件あるいは収差補正条件を変更することなく任意に最適開き角が設定できる。
なお、図３〜５に基づいて説明した実施の形態１〜３の説明では、収差補正装置の前後におけるビームの傾斜を光軸に対して平行に描写したところがあるが、これは理解を簡単にするためであり、所定の光学条件を満たしていれば特に平行になっている必要がないことは明らかである。
【００５３】
また、収差補正装置の外側では、レンズ間にビームのクロスオーバーを形成したり、またクロスオーバーをなくしたりしても、所定の光学条件を満たしていれば、クロスオーバーの有無に関係なく開き角を調整できることは明らかである。
【００５４】
また、上記の実施の形態では、対物絞りを１個にして説明してきたが、複数個の対物絞りと開き角制御レンズを組合せて制御できることも明らかである。また上記した実施の形態では、問題を単純化するため、条件として観察倍率ｍOBSを変更した場合における、最大焦点深度を得るような開き角制御αf＝αLについては記述を省略してきたが、実施の形態の説明から分かるように、プローブ電流を変更することなく任意の開き角調整が可能なので、実施の形態１〜３の構成で問題なく実現できる。
【００５５】
次に、本発明を用いた別の具体例を説明する。本件発明者らの研究によれば、収差補正装置Ｃの４段目の静電型４極子４の倍率Ｍ4と対物レンズ７の倍率ＭOLとの合成倍率Ｍ4・ＭOLを変えることによって、静電型４極子を除く収差補正装置Ｃの条件を変えることなしに、試料２０における収差補正量を増減できることが分かっている。図６はそのような装置に開き角制御レンズ２３ａと２３ｂとを追加した場合の動作を説明するための図である。
【００５６】
即ち、図６には収差補正装置Ｃの４段目（最終段）の静電型４極子の焦点距離を変更した時、変化した開き角を元の状態に復帰させる例が示されている。４段目の静電型４極子４の焦点距離の変更前の状態は破線で示されているが、この状態で静電型４極子４の倍率Ｍ4と対物レンズ７の倍率ＭOLとの合成倍率Ｍ4・ＭOLを変更するために、図６の２点鎖線で示すように静電型４極子４の焦点距離と対物レンズの焦点距離を変更したとする。
【００５７】
このままの状態では、合成倍率Ｍ4・ＭOLが変化するので、試料面に入射する粒子プローブ開き角も２点鎖線で示すように変化してしまう（図６の例では、開き角が小さい方に変化している）。ここで、開き角制御レンズ２３ａと２３ｂを調整することにより、１段目の静電型４極子に入射するビームの半径を調整し（図６の例では、開き角を大きくするために、ビームの半径を大きくしている）、図の実線で示すようにすれば、元の開き角に戻すことができる。
【００５８】
また、この実施例から、必要に応じて元の開き角よりも大きい開き角や小さい開き角に設定可能であることも明らかである。従って、開き角制御レンズ２３ａと２３ｂとを追加した場合でも、静電型４極子４の倍率Ｍ4と対物レンズ７の倍率ＭOLとの合成倍率Ｍ4・ＭOLを変えることによって、静電型４極子４を除く収差補正装置Ｃの条件を変えることなしに収差補正量を増減できることが分かる。
【００５９】
次に、前記の具体例を別の実施例で行なった例を説明する。同じく本件発明者らの研究によれば、収差補正装置Ｃの４段目の静電型４極子４と対物レンズ７との間に、対物レンズの補助レンズとして、追加レンズ２７を配置して、追加レンズ２７の倍率ＭAと対物レンズ７の倍率ＭOLとの合成倍率ＭA・ＭOLを変えることによって、収差補正装置Ｃの条件を変えることなしに試料２０における収差補正量を増減できることが分かっている。
【００６０】
図７はそのような装置に開き角制御レンズ２３ａと２３ｂとを追加した場合の動作を説明するための図である。即ち、図７には収差補正装置Ｃの４段目（最終段）の静電型４極子４と対物レンズ７の間に追加レンズ２７を配置し、焦点距離を変更した時、変化した開き角を元の状態に復帰させる例が示されている。追加レンズ２７の焦点距離を変更する前の状態は破線で示されているが、この状態で追加レンズ２７の倍率ＭAと対物レンズ７の倍率ＭOLとの合成倍率ＭA・ＭOLを変更するために、図７の２点鎖線で示すように追加レンズ２７の焦点距離と対物レンズの焦点距離を変更したとする。
【００６１】
このままの状態では、合成倍率ＭA・ＭOLが変化するので、試料面に入射する粒子プローブの開き角も２点鎖線で示すように変化してしまう（図７の例では、開き角が小さい方に変化している）。ここで、開き角制御レンズ２３ａと２３ｂを調整することにより、１段目の静電型４極子に入射するビームの半径を調整し（図７の例では、開き角を大きくするために、ビームの半径を大きくしている）、図の実線で示すようにすれば元の開き角に戻すことができる。また、この実施例から、必要に応じて元の開き角よりも大きい開き角や小さい開き角に設定可能であることも明らかである。図７の実施例では、合成倍率ＭA・ＭOLを変化させても、収差補正装置Ｃの収差補正条件やフォーカス条件を変更せずに開き角が変更できるため、操作性が向上する。
【００６２】
即ち、追加レンズ２７の他に開き角制御レンズ２３ａと２３ｂとを追加した場合でも、追加レンズ２７の倍率ＭAと対物レンズ７の倍率ＭOLとの合成倍率ＭA・ＭOLを変えることによって、収差補正装置Ｃの条件を変えることなしに収差補正量を増減できることが分かる。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、色収差または球面収差の少なくとも１つを補正する収差補正装置と集束レンズとの間に開き角制御装置を配置し、加速電圧、または作動距離、またはプローブ電流の少なくとも１つを変更したとき、プローブの開き角も制御するようにしたので、これらの条件変更に対してプローブ径を最小に設定できるようになった。
【００６４】
色収差または球面収差の少なくとも１つを補正する収差補正装置と集束レンズとの間に開き角制御装置を配置し、加速電圧、または作動距離、またはプローブ電流、または観察倍率の少なくとも１つを変更したとき、プローブの開き角も制御するようにしたので、これらの条件変更に対してプローブの焦点深度を最大に設定できるようになった。
【００６５】
色収差または球面収差の少なくとも１つを補正する収差補正装置と集束レンズとの間に開き角制御装置を配置し、収差補正装置のフォーカス条件または収差補正条件を変更することなく、試料に入射するプローブの開き角を制御できるように構成したので、条件変更に対して、プローブ径を最小にしたり、焦点深度を最大にする開き角が任意に選べるようになった。
【００６６】
加速電圧、または作動距離、またはプローブ電流、または観察倍率の少なくとも１つを変更したとき、収差補正装置のフォーカス条件を変更することなく、試料に入射するプローブの開き角を制御するように構成したので、これらの条件変更に対して、プローブ径を最小にしたり、焦点深度を最大にする開き角が任意に選べるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】収差補正装置の原理を説明するための図である。
【図２】４極子と８極子を示す図である。
【図３】本発明の基本構成を示す図である。
【図４】本発明の他の実施の形態を示す図である。
【図５】本発明の他の実施の形態を示す図である。
【図６】本発明の他の実施の形態を示す図である。
【図７】本発明の他の実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
１，２，３，４  静電型４極子
５，６  磁場型４極子
７  対物レンズ
８  対物絞り
９  操作表示部
１０，１５，１７，１８，２２，２４  電源
１１，１２，１３，１４  静電型８極子
１９  制御部
２０  試料面
２１  集束レンズ
２３  開き角制御レンズ
２７  追加レンズ
【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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