(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを発生し加速させる電子銃と、上記電子ビームを収束させる第１集束レンズと、形成されたクロスオーバを縮小する第２集束レンズと、さらに縮小する対物レンズとからなる電子ビーム照射系を有し、上記電子銃から発生した電子ビームを試料に照射する走査電子顕微鏡において、
上記第１集束レンズと上記第２集束レンズの間に配置され、
前段２個と後段２個の扇形磁場を形成するそれぞれ２個の扇形磁極と、スリットから構成され、
上記スリットは、上記前段の２個の扇形磁場を形成する２個の扇形磁極と上記後段の２個の扇形磁場を形成する２個の扇形磁極の中間部の鏡対称面に配置され、上記前段の扇形磁場で上記第１集束レンズのクロスオーバから発散した電子ビームの異なるエネルギーを制限し、
上記前段２個の扇形磁場を形成する２個の扇形磁極と後段の２個の扇形磁場を形成する２個の扇形磁極とは、上記電子ビームの照射方向に沿って配列され、
上記後段の２個の扇形磁場は、発散した電子ビームを再び空間的に点収束させるとともに、上記エネルギー分散を非分散にして、上記第２集束レンズの物点とし、
前記前段の２個の扇形磁極により形成される２個の扇形磁場は、前記第１集束レンズによって収束された電子ビームを、前記電子銃から前記対物レンズに至る光軸外に偏向した後、エネルギー分散した電子ビームを前記電子ビームの光軸に戻して、前記スリットを通過させ、
前記後段の２個の扇形磁極により形成される２個の扇形磁場は、前記前段の２個の扇形磁場によってスリットを通過した電子ビームを、再度前記光軸外に偏向した後、エネルギー分散した電子ビームを前記電子ビームの光軸に戻して、点収束させるものである電子エネルギーモノクロメータを備えたモノクロメータ付走査形電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１記載のモノクロメータ付走査形電子顕微鏡において、
上記の電子エネルギーモノクロメータは、
第１の扇形磁場で電子ビームをほぼ９０度に偏向し、
第２の扇形磁場でほぼ１８０度に偏向されて再び上記第１の扇形磁場に入射してほぼ９０度偏向し、はじめの入射方向と同じ角度に出射されて、鏡対称面において磁力線に直交する方向（ｘ方向）に収束するとともに、
スリットでエネルギーを制限された後、第３の扇形磁場に入射してほぼ９０度偏向し、第４の扇形磁場でほぼ１８０度偏向され、再び上記第３の扇形磁場に入射してほぼ９０度偏向し、初めの入射方向と同じ方向に出射して非分散のクロスオ−バを形成し、第２集束レンズの物点とすることを特徴とするモノクロメータ付走査形電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項２記載のモノクロメータ付走査形電子顕微鏡において、
上記モノクロメータは、
上記第１集束レンズの物点が上記第１扇形磁場によって、上記第２扇形磁場の入り口にｘ方向（エネルギー分散方向）に収束され、上記第２扇形磁場によってその出口にｘ方向に収束され、再び上記第１扇形磁場によって、初めの物点と鏡対称の位置にｘ方向収束するとともに、
ｙ方向（磁力線方向）にはほぼ平行ビームとなり、スリットでエネルギー幅を縮小し、
後段の上記第３，４扇形磁場では、前段の扇形磁場と同じ鏡対称の径路で電子ビームの軌道を描いて、中間鏡対称面（スリットの位置）に対して初めの物点に鏡対称な位置に非分散で点収束の収束性を有することを特徴とするモノクロメータ付走査形電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項１記載のモノクロメータ付走査形電子顕微鏡において、
上記モノクロメータは、
上記前段の扇形磁場を形成する２個の扇形磁極の中の第１扇形磁場を形成する扇形磁極の入口磁極端面がビームの入射方向の垂直面に対して偏向方向に入射角をもち、前記ビームは、出射後ｙ方向（磁力線の方向）にビームの中心軸（進行方向）に対して平行になり、
上記後段の扇形磁場を形成する２個の扇形磁極の中の第３扇形磁場を形成する扇形磁極の出射磁極端面が第１扇形磁場を形成する扇形磁極の入射角と鏡対称の出射角をもち、出射後ｙ方向に対して、ｘ方向収束点に同時収束してクロスオーバを形成することを特徴とするモノクロメータ付走査形電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項１記載のモノクロメータ付走査形電子顕微鏡において、
上記モノクロメータは、
前段の扇形磁場を構成する第１扇形磁場を形成する扇形磁極と第２扇形磁場を形成する扇形磁極および物点とスリットに対して鏡対称面ｚ１をもち、
また、後段扇形磁場を構成する第３扇形磁場を形成する扇形磁極と第４扇形磁場を形成する扇形磁極およびスリットと点収束クロスオーバに対して鏡対称面ｚ３をもち、
上記第１扇形磁場を形成する扇形磁極と第２扇形磁場を形成する扇形磁極および物点とスリットとは、上記後段扇形磁場を形成する２個の扇形磁極を構成する第３扇形磁場を形成する扇形磁極と第４扇形磁場を形成する扇形磁極およびスリットと点収束クロスオーバと、スリットを含む中間鏡対称面ｚ２に対して、対称形状となり、
上記第３扇形磁場のあとのクロスオーバ点で、エネルギー分散係数がゼロになる（非分散）とともにビームのｘ、ｙ方向の開角αおよびβに関する２次収差係数を除去する収束特性を有することを特徴とするモノクロメータ付走査形電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項１記載のモノクロメータ付走査形電子顕微鏡において、
上記モノクロメータは、上記前段の２個の扇形磁場を形成する２個の扇形磁極を構成する第１および第２の扇形磁場を形成する扇形磁極を一体のヨークで形成し、上記後段の２個の扇形磁場を形成する２個の扇形磁極を構成する第３および第４の扇形磁場を形成する扇形磁極を別の一体のヨークで形成したことを特徴とするモノクロメータ付走査電子電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項１記載のモノクロメータ付走査形電子顕微鏡において、
上記モノクロメータは、上記前段の２個の扇形磁場を形成する２個の扇形磁極を構成する第１および第２の扇形磁場を形成する扇形磁極と、上記後段の２個の扇形磁場を形成する２個の扇形磁極を構成する第３および第４の扇形磁場を形成する扇形磁極を一体のヨークで形成したことを特徴とするモノクロメータ付走査電子電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査形電子顕微鏡に係り、特に、照射電子ビームのエネルギーを単色化するモノクロメータ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（ＳＥＭ）は、半導体試料などの電子線の帯電防止を目的にして、照射電子線の加速エネルギーを下げて使用する場合が増えている。このような低加速ＳＥＭにおいては、照射電子のもつエネルギー幅が加速エネルギーに対して大きいため、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く、像分解能に限界が生じている。電子源に、従来のフィラメント型の代わりにフィールドエミッション型を用いて、エネルギー幅を２５％に低減しても、加速電圧を２５％下げれば、色収差は同等になり像分解能は向上しない。
【０００３】
そこで、従来、照射電子のもつエネルギー幅をさらに縮小する方法として、単色化（モノクロ化）とよばれる技法が提案されている。第１の方法は、例えば、特開平４−２３３１４５号公報に記載のように、４つの半球状の静電極場よりなる単色化するエネルギーフィルタを用いるものが知られている。このフィルターは、フィルター内に対称平面を持ちその両側に対称に配置された４つの半球上のコンデンサー電極構造を有し、各々のコンデンサの外側と内側の半球電極に異なる電圧を印加して電子ビームのエネルギーを分散し、対称面に設置されたエネルギー選択スリットでエネルギー幅を制限し、最終的には分散を打ち消して点収束させるものである。
【０００４】
第２の方法としては、例えば、特開２０００−１００３６１号公報に記載されているように、２段のウイーンフィルタを用いる方法が知られている。これは、粒子ビーム源より出たビームを第１のウイーンフィルタでエネルギー分散させ、開口（アパーチャ）でエネルギー幅を制限し、第２ウイーンフィルタで分散を相殺して対物レンズに導き、試料表面上に点収束させるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平４−２３３１４５号公報に記載されている４つの半球上の静電極を用いる方式では、全長が短くなるが、横方向に大きな真空の空間が必要になり、真容器が大形化するという問題があった。一般に、電子顕微鏡は、左右対称な形状にして重力が均等に鏡体にかかるように設計するが、この方式では、左右対称な形状にすることができず、鏡体にかかる重力がアンバランスになるという問題もあった。また、トロイダル状のコンデンサ電極面の精密加工は、製作コスト大きくなるという問題もあった。
【０００６】
また、特開２０００−１００３６１号公報に記載されている２段のウイーンフィルタの方式では、ウイーンフィルタそのものに大きな課題がある。すなわち、ウイーンフィルタは、狭い磁極の間に静電極を挿入するので、ビームの進行方向（ｚ）に対して垂直な平面内（ｘ，ｙ）では、ビームの広がりに対して十分な均一電界，磁界が得られないものである。そのために、ビームの周辺部が中心部に対して収束性が乱れて、分解能と透過率が低下する傾向があり、これを補正する端縁電場の処理が難しいという問題があった。
【０００７】
即ち、特開平４−２３３１４５号公報，特開２０００−１００３６１号公報に記載された方式では、必ずしも実用的でないという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、照射電子ビームのエネルギーを単色化し、色収差を低減してスポット系を縮小することにより、像分解能を高めることのできる実用的なモノクロメータを備えた走査電子顕微鏡を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、電子ビームを発生し加速させる電子銃と、上記電子ビームを収束させる第１集束レンズと、形成されたクロスオーバを縮小する第２集束レンズと、さらに縮小する対物レンズとからなる電子ビーム照射系を有し、上記電子銃から発生した電子ビームを試料に照射する走査電子顕微鏡において、上記第１集束レンズと上記第２集束レンズの間に配置され、前段２個と後段２個の扇形磁場を形成するそれぞれ２個の扇形磁極と、スリットから構成され、上記スリットは、上記前段の２個の扇形磁場を形成する２個の扇形磁極と上記後段の２個の扇形磁場を形成する２個の扇形磁極の中間部の鏡対称面に配置され、上記前段の扇形磁場で上記第１集束レンズのクロスオーバから発散した電子ビームの異なるエネルギーを制限し、上記前段２個の扇形磁場を形成する２個の扇形磁極と後段の２個の扇形磁場を形成する２個の扇形磁極とは、上記電子ビームの照射方向に沿って配列され、上記後段の２個の扇形磁場は、発散した電子ビームを再び空間的に点収束させるとともに、上記エネルギー分散を非分散にして、上記第２集束レンズの物点とし、前記前段の２個の扇形磁極により形成される２個の扇形磁場は、前記第１集束レンズによって収束された電子ビームを、前記電子銃から前記対物レンズに至る光軸外に偏向した後、エネルギー分散した電子ビームを前記電子ビームの光軸に戻して、前記スリットを通過させ、前記後段の２個の扇形磁極により形成される２個の扇形磁場は、前記前段の２個の扇形磁場によってスリットを通過した電子ビームを、再度前記光軸外に偏向した後、エネルギー分散した電子ビームを前記電子ビームの光軸に戻して、点収束させるものである電子エネルギーモノクロメータを備えるようにしたものである。
かかる構成により、照射電子ビームのエネルギーを単色化し、色収差を低減してスポット系を縮小することにより、像分解能を高めることのできるモノクロメータを実用化し得るものとなる。
【００１０】
（２）上記（１）において、好ましくは、上記の電子エネルギーモノクロメータは、第１の扇形磁場で電子ビームをほぼ９０度に偏向し、第２の扇形磁場でほぼ１８０度に偏向されて再び上記第１の扇形磁場に入射してほぼ９０度偏向し、はじめの入射方向と同じ角度に出射されて、鏡対称面に方向収束するとともに、スリットでエネルギーを制限された後、第３の扇形磁場に入射してほぼ９０度偏向し、第４の扇形磁場でほぼ１８０度偏向され、再び上記第３の扇形磁場に入射してほぼ９０度偏向し、初めの入射方向と同じ方向に出射して非分散のクロスオ−バを形成し、第２集束レンズの物点とするようにしたものである。
【００１１】
（３）上記（２）において、好ましくは、上記モノクロメータは、上記第１集束レンズの物点が上記第１扇形磁場によって、上記第２扇形磁場の入り口にｘ方向（エネルギー分散方向）に収束され、上記第２扇形磁場によってその出口にｘ方向に収束され、再び上記第１扇形磁場によって、初めの物点と対称の位置にｘ方向収束するとともに、ｙ方向（磁力線方向）にはほぼ平行ビームとなり、スリットでエネルギー幅を縮小し、後段の上記第３，４扇形磁場では、前段の扇形磁場と同じ径路の電子ビームの軌道を描いて、中間鏡対称面（スリットの位置）に対して初めの物点に対称な位置に非分散で点収束の収束性を有するようにしたものである。
【００１２】
（４）上記（１）において、好ましくは、上記モノクロメータは、上記前段の扇形磁場の中の第１扇形磁場の入口磁極端面がビームの入射方向の垂直面に対して偏向方向に入射角をもち、前記ビームは、出射後ｙ方向（磁力線の方向）にビームの中心軸（進行方向）に対して平行になり、上記後段の扇形磁場の中の第３扇形磁場の出射磁極端面が第１扇形磁場の入射角と鏡対称の出射角をもち、出射後ｙ方向に対して、ｘ方向収束点に同時収束してクロスオーバを形成するようにしたものである。
【００１３】
（５）上記（１）において、好ましくは、上記モノクロメータは、前段の扇形磁場を構成する第１扇形磁場と第２扇形磁場および物点とスリットに対して鏡対称面ｚ１をもち、また、後段扇形磁場を構成する第３扇形磁場と第４扇形磁場およびスリットと点収束クロスオーバに対して鏡対称面ｚ３をもち、上記第１扇形磁場と第２扇形磁場および物点とスリットとは、上記後段扇形磁場を構成する第３扇形磁場と第４扇形磁場およびスリットと点収束クロスオーバとスリットを含む中間鏡対称面ｚ２に対して、鏡対称形状となり、上記第３扇形磁場のあとのクロスオーバ点で、エネルギー分散係数がゼロになる（非分散）とともにビームのｘ、ｙ方向の開角αおよびβに関する２次収差係数を除去する収束特性を有するようにしたものである。
【００１４】
（６）上記（１）において、好ましくは、上記モノクロメータは、上記前段の扇形磁場を構成する第１および第２の扇形磁場を一体の磁路（ヨーク）で形成し、上記後段の扇形磁場を構成する第３および第４の扇形磁場を別の一体の磁路（ヨーク）で形成するようにしたものである。
【００１５】
（７）上記（１）において、好ましくは、上記モノクロメータは、上記前段の扇形磁場を構成する第１および第２の扇形磁場と、上記後段の扇形磁場を構成する第３および第４の扇形磁場を一体の磁路（ヨーク）で形成するようにしたものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図７を用いて、本発明の一実施形態によるモノクロメータを備えた走査形電子顕微鏡の構成について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態によるモノクロメータを備えた走査形電子顕微鏡の光学系について説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるモノクロメータを備えた走査形電子顕微鏡の光学系の構成図である。
通常知られている走査電子顕微鏡と同様に、本実施形態による走査電子顕微鏡は、フィールドエミッション型電子源１と、第１集束レンズ４と、第２集束レンズ１３と、走査用コイル１５，１６と、対物レンズ１７と、２次電子検出器１９とを備えている。さらに、本実施形態では、モノクロメータを構成する第１扇形磁場６と、第２扇形磁場７と、エネルギー選択スリット８と、第３扇形磁場９と、第４扇形磁場１０と、絞り１２とを備えている。なお、図中、符号２は電子ビームの中心軸、３はビームの広がり、５はそのクロスオーバ、１１はそのクロスオーバ、１４はそのクロスオーバ、１８は試料、２２は２次電子ビームを示している。
【００１７】
次に、本実施形態のモノクロメータ付き走査電子顕微鏡の動作原理について説明する。電子源１より加速され出射された電子ビーム３は、第１集束レンズ４でクロスオーバ５を結ばれる。その後、第１扇形磁場６により９０度偏向され、第２扇形磁場７で１８０度偏向され、再び第１扇形磁場６によって９０度偏向され、スリット８の位置でｘ方向に収束され、エネルギー選択される。その後、再び第３扇形磁場９と第４扇形磁場１０によって類似の軌道を描いてクロスオーバ１１の位置で点収束するとともに、前段（第１，２扇形磁場６，７）で生じたエネルギー分散を相殺して非分散のクロスオーバ１４を形成する。このモノクロ化されたクロスオーバ１４を第２集束レンズ１３で縮小して、さらに対物レンズ１７で縮小して、試料表面１８に微小なクロスオーバを形成する。このビームは走査用コイル１５，１６で走査され、発生された２次電子２２は検知器１９で検出され、ＣＲＴに顕微鏡像として表示される。
【００１８】
次に、図２を用いて、本実施形態によるモノクロメータ付き走査電子顕微鏡の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について説明する。図２は、本発明の一実施形態によるモノクロメータ付き走査電子顕微鏡の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示す説明図である。図２の（Ａ）は、正面図であり、ｘ方向（磁力線に直交する方向）のビームを示しており、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）の側面図であり、ｙ方向（磁力線の方向）のビームの広がりを示している。
【００１９】
また、図中、点線で示す電子ビームの拡がり３ａ，３ｂのエネルギーをＥとするとき、破線で示す電子ビーム３Ａ，３Ｂのエネルギーは、Ｅ−ΔＥであり、電子ビーム３ａ，３ｂと電子ビーム３Ａ，３Ｂは、エネルギー差ΔＥを有する電子ビームである。
【００２０】
第１扇形磁場６及び第２扇形磁場７は、線Ａ−Ａに対して対称に配置されており、図２（Ａ）に示すように、第１集束レンズ４のクロスオーバ５から発した電子ビーム３ａは、ｘ方向には、第２扇形磁場７の入り口と出口で収束した後、スリット８の位置２０で収束する。一方、エネルギーの異なる電子ビーム３Ａは、図中破線で示す軌道を描き、第１，２扇形磁場６，７によってスリット８上で分散される。従って、スリット８のスリット幅を小さくすることにより、所定のエネルギーの電子ビームだけを選択して、モノクロ化される。
【００２１】
第３扇形磁場９及び第４扇形磁場１０も、線Ａ’−Ａ’に対して対称に配置されている。また、線Ｂ−Ｂに対して、第１扇形磁場６と第２扇形磁場７の組みは、第３扇形磁場９と第４扇形磁場１０の組みと鏡対称に配置されている。ここで、線Ｂ−Ｂを鏡対称面と称する。また、線Ａ−Ａ及び線Ａ’−Ａ’も鏡対称面と称する。また、線Ｂ−Ｂの鏡対称面を、線Ａ−Ａ及び線Ａ’−Ａ’の鏡対称面と区別して中間鏡対称面とも称する。線Ａ−Ａ，線Ａ’−Ａ’，線Ｂ−Ｂは、それぞれ、ｙ方向（磁力線の方向）の線である。
【００２２】
スリット８を通過した電子ビームは、線Ｂ−Ｂで示される鏡対称面に対して鏡対称に設置された第３，４の扇形磁場９，１０によって類似の電子軌道を描くが、最終のクロスオーバ１１においては分散が打ち消されて、ｘ収束される。
【００２３】
一方、図２（Ｂ）に示すように、ｙ方向の電子ビーム３ｂの軌道は、第１扇形磁場６の端縁磁場へのいわゆる、斜め入射の効果により入射後はｚ軸に対して並行ビームになるように適当な入射角を選択する。したがって、スリット８では、電子ビーム３ｂは細いライン上になる。スリット８を通過後、並行ビームは、中間鏡対称面（線Ｂ−Ｂ）に対して鏡対称に設置された第３，４の扇形磁場９，１０によってクロスオーバ１１において収束される。したがって、クロスオーバ１１では、ｘ方向，ｙ方向の収束と非分散（分散がゼロ）の３重収束が達成されるように、扇形磁場類のパラメータが選択される。
【００２４】
扇形磁場６，７，９，１０から構成される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ている。
【００２５】
ここで、図３を用いて、本実施形態によるモノクロメータ付き走査電子顕微鏡のモノクロメータの軌道計算に用いるパラメータについて説明する。
図３は、本発明の一実施形態によるモノクロメータ付き走査電子顕微鏡のモノクロメータの軌道計算に用いるパラメータの説明図である。
【００２６】
第１扇形磁場６及び第２扇形磁場７とは、第３扇形磁場９及び第４扇形磁場１０は、面ｚ２に対して鏡対称に配置されている。面ｚ２は、図２に示した線Ｂ−Ｂの鏡対称面である。面ｚ０は、第１扇形磁場６に対する物点の位置であり、図２のクロスオーバー５が形成される面である。面ｚ４は、面ｚ２に対して、面ｚ０と鏡対称に位置しており、第３扇形磁場８による物点が形成される位置であり、図２のクロスオーバー１１が形成される位置である。面ｚ１は、第１扇形磁場６と第２扇形磁場７の鏡対称面（図２の線Ａ−Ａ）であり、面ｚ０と面ｚ２は、面ｚ１に対して対称位置にある。面ｚ３は、第３扇形磁場９と第４扇形磁場１０の鏡対称面（図２の線Ａ’−Ａ’）であり、面ｚ２と面ｚ４は、面ｚ３に対して鏡対称位置にある。
【００２７】
第１扇形磁場６に対する物点５から第１扇形磁場６に対する電子ビームの入射位置までの自由空間距離をＤＬ１とすると、第３扇形磁場９によって形成される物点から第３扇形磁場９の出射位置までの自由空間距離も同じくＤＬ１である。第１扇形磁場６の出射位置から第２扇形磁場７の入射位置までの自由空間距離、第２扇形磁場７の出射位置から第１扇形磁場６の入射位置までの自由空間距離は、それぞれ、ＤＬ２とする。同様にして、第３扇形磁場９の出射位置から第４扇形磁場１０の入射位置までの自由空間距離、第４扇形磁場１０の出射位置から第３扇形磁場９の入射位置までの自由空間距離も、それぞれ、ＤＬ２である。面ｚ２に対して、第１扇形磁場６の出射位置からスリット８までの自由空間距離をＤＬ３とすると、スリット８から第３扇形磁場９の入射位置までの自由空間距離も同様に、ＤＬ３である。
【００２８】
また、第１扇形磁場６に対する入射角及び第３扇形磁場９からの出射角は、それぞれ等しく、ＥＰ１としている。また、第３扇形磁場９に対する入射角及び第１扇形磁場６からの出射角は、それぞれ等しく、ＥＰ２としている。
【００２９】
さらに、第１扇形磁場６，第３扇形磁場９における偏向軌道半径はＡＭ１とし、第２扇形磁場７，第４扇形磁場１０における偏向軌道半径はＡＭ２としている。
【００３０】
なお、第１，３扇形磁場６，９の偏向角ＷＭ１は９０度とし、第２，４扇形磁場７，１０の偏向角ＷＭ２は１８０度に設定しているが、必ずしもそれらの値には限る必要はないものである。例えば、第１，３扇形磁場６，９の偏向角ＷＭ１は８０度とし、第２，４扇形磁場７，１０の偏向角ＷＭ２を２００度に設定することも可能である。この場合、第１扇形磁場６と第２扇形磁場７間が平行の時は入出射が斜め入出射となり、第３扇形磁場９と第４扇形磁場１０間の入出射も斜め入出射となり、端縁磁場効果により、ｙ方向にレンズ作用を有することになる。それに対して、第１，３扇形磁場６，９の偏向角ＷＭ１は９０度とし、第２，４扇形磁場７，１０の偏向角ＷＭ２は１８０度に設定した場合には、第１扇形磁場６と第２扇形磁場７間の入出射も、第３扇形磁場７と第４扇形磁場１０間の入出射も直角入出射となるため、ｙ方向の収束性がなく、設計，製造，調整が容易になる。
【００３１】
以上のようにして、本実施形態のモノクロメータでは、第１，２扇形磁場による軌道パラメータと、第３，４扇形磁場による軌道パラメータは、面ｚ２でのｘｙ面に対して鏡対称に設定する。
【００３２】
クロスオーバでの電子ビームの大きさ（ｘ１，ｙ１）が無視できるほど小さいとき、エネルギー分散の方向をｘとする直交ｘｙ軸に関して、ビームの広がり角を２αと２β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は、２次近似で、次の式（１）で表される。
ｘ２＝A×α＋D×δ＋AD×αδ＋DD×δ２＋AA×α２＋BB×β２  …（１）
ここで、Aはｘ方向収差係数、Dはエネルギー分散係数、AD，DD，AA，BBはそれぞれのビームのエネルギ−の広がりと空間の広がり角に関する２次収差係数である。
【００３３】
また、ｙ方向のビーム幅ｙ２は、次の式（２）、
ｙ２＝B×β＋BA×βα …（２）
で与えられる
ここで、図４及び図５を用いて、本実施形態によるモノクロメータの収束条件について説明する。
図４は、本発明の一実施形態によるモノクロメータの１次収差係数Ａ，Ｂ，Ｄのモノクロメータ内での変化を示す図である。図５は、本発明の一実施形態によるモノクロメータの２次収差係数ＡＡ，ＢＢ，ＢＡのモノクロメータ内での変化を示す図である。
【００３４】
図４，図５は、図３に示したパラーメータである偏向軌道半径AM1,AM2、磁場への入出射角EP1,EP2、自由空間距離DL1,DL2,DL3を次のように定めて、モノクロメータの収束性を求めている。
【００３５】
偏向軌道半径AM1：０．０１５
偏向軌道半径AM2：０．００５
第１扇形磁場への入射角EP1：１６．５
第１扇形磁場への入射角EP2：１６．５
自由空間距離DL1：０．０３
自由空間距離DL2：０．０１２
自由空間距離DL3：０．０３
なお、パラメータの単位は、MKS単位である。
最初に、図４を用いて、モノクロメータ内でのビームの１次収差係数Ａ，Ｂ，Ｄの変化について説明する。図４において、横軸はビームの進行方向ｚ軸を表している。左端のゼロがクロスオーバ５を表し、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４はそれぞれ第１，２，３，４の扇形磁場６，７，９，１０を表し、中間がスリット８で、右端がモノクロ収束点１１を表している。図４の縦軸は、それぞれの位置での１次収差係数Ａ，Ｂ，Ｄである。
【００３６】
図４より明らかなように、スリットの位置でｘ方向が収束（Ａ＝０）しており、エネルギー分散係数Ｄが０．０４である。ｙ方向のビームはＭ１を出射後、スリットおよびＭ３入射までｚ軸に対して並行（Ｂ＝０．１８）であるが、後段のＭ３を出射後は右端の位置１１で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。
【００３７】
このように、１次近似の軌道計算では、本実施形態のモノクロメータのモノクロ収束点では、空間的にもエネルギー的にも３重収束（Ａ＝Ｂ＝Ｄ＝０）されている。
次に、図５を用いて、モノクロメータ内でのビームの２次収差係数ＡＡ，ＢＢ，ＢＡの変化について説明する。図５においても、図４と同様に、横軸はビームの進行方向ｚ軸を表している。左端のゼロがクロスオーバ５を表し、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４はそれぞれ第１，２，３，４の扇形磁場６，７，９，１０を表し、中間がスリット８で、右端がモノクロ収束点１１を表している。図５の縦軸は、それぞれの位置での２次収差係数ＡＡ，ＢＢ，ＢＡである。
【００３８】
図５に示すように、２次近似の収差係数においても、式（１）、（２）の空間の広がりに関する２次収差係数ＡＡ，ＢＢ，ＢＡは、最終のモノクロ収束点で３つとも除去されている（ＡＡ＝ＢＢ＝ＢＡ＝０）。これは、モノクロメータのスリット位置での鏡対称性による効果である。
【００３９】
以上述べたように、本実施形態のモノクロメータを走査形電子顕微鏡の第１集束レンズの下に配置すれば、エネルギー制限スリットでモノクロ化したの後に、１次と２次の収差係数Ａ，Ｂ，Ｄ，ＡＡ，ＢＢ，ＢＡ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、色収差の無いスポットが得られ、分解能が向上する。
【００４０】
次に、図６を用いて、本発明の一実施形態による走査形電子顕微鏡に用いるモノクロメータの具体的な第１の構成について説明する。  図６は、本発明の一実施形態による走査形電子顕微鏡に用いるモノクロメータの第１の構成を示しており、図６（Ａ）は、中心軌道軸ｚを含んだ正面断面図であり、図６（Ｂ）は、側面断面図である。なお、
図２と同一符号は同一部分を示している。
【００４１】
本実施形態では、モノクロメータは、２つの部分から構成され、いわば、２体化されている。ヨーク４０には、励磁コイル４２，５３及び第１磁極４３，第２磁極５４が取り付けられており、図２に示した第１，第２の扇形磁場６，７の磁路を形成している。第１磁場と第２磁場の間には、通路４９が設けられている。また、第１磁場の入口には、入射口４５が設けられ、第１磁場の出口には、出射口４６が設けられている。以上の構成によって、モノクロメータの第１の部分を構成している。
【００４２】
また、ヨーク４１には、励磁コイル５６，５７及び第３磁極４４，第４磁極５５が取り付けられており、図２に示した第３，第４の扇形磁場９，１０の磁路を形成している。第３磁場と第４磁場の間には、通路５０が設けられている。また、第３磁場の入口には、入射口４７が設けられ、第３磁場の出口には、出射口４８が設けられている。以上の構成によって、モノクロメータの第２の部分を構成している。
【００４３】
モノクロメータの第１の部分及び第２の部分は、基本的にはまったく同形で鏡対称であるのが望ましいものである。
【００４４】
本例では、ＳＥＭのビーム軸にそれぞれを独立に微調して合わせるが容易に行えるものである。
【００４５】
次に、図７を用いて、本発明の一実施形態による走査形電子顕微鏡に用いるモノクロメータの具体的な第２の構成について説明する。  図７は、本発明の一実施形態による走査形電子顕微鏡に用いるモノクロメータの第２の構成を示しており、図７（Ａ）は、中心軌道軸ｚを含んだ正面断面図であり、図７（Ｂ）は、側面断面図である。なお、
図２と同一符号は同一部分を示している。
【００４６】
本実施形態では、モノクロメータは、１つの部分から構成され、いわば、１体化されている。ヨーク５１には、励磁コイル４２，５３及び第１磁極４３と第２の磁極５４が取り付けられており、図２に示した第１，第２の扇形磁場６，７の磁路を形成している。第１磁場と第２磁場の間には、通路４９が設けられている。また、同じくヨーク５１には、励磁コイル５６，５７及び第３磁極４５と第４の磁極５５が取り付けられており、図２に示した第３，第４の扇形磁場９，１０の磁路を形成している。第３磁場と第４磁場の間には、通路５０が設けられている。
【００４７】
第１磁場の入口には、入射口４５が設けられ、第１磁場の出口には、出射口４６が設けられている。また、第３磁場の入口には、入射口４７が設けられ、第３磁場の出口には、出射口４８が設けられている。
【００４８】
さらに、スリット収容用の穴５２が設けられており、この穴５２にスリット８が収容される。
【００４９】
本例では、４つの磁極が一つの磁路の中に収納されているので、相対位置が機械加工精度で保証されるので、優れた対称性を有するモノクロメータが作成でき、部品点数も少なくすることができる。
【００５０】
以上説明したように、本実施形態によれば、照射電子ビームのエネルギーを単色化し、色収差を低減してスポット系を縮小することにより、走査電子顕微鏡の像分解能を高めることができるモノクロメータを実用化できる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、照射電子ビームのエネルギーを単色化し、色収差を低減してスポット系を縮小することにより、像分解能を高めることができるモノクロメータを実用化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるモノクロメータを備えた走査形電子顕微鏡の光学系の構成図である。
【図２】本発明の一実施形態によ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示す説明図である。
【図３】本発明の一実施形態によるモノクロメータの軌道計算に用いるパラメータの説明図である。
【図４】本発明の一実施形態による１次収差係数Ａ，Ｂ，Ｄのモノクロメータ内での変化を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態による２次収差係数ＡＡ，ＢＢ，ＢＡのモノクロメータ内での変化を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による走査形電子顕微鏡に用いるモノクロメータの第１の構成図である。
【図７】本発明の一実施形態による走査形電子顕微鏡に用いるモノクロメータの第２の構成図である。
【符号の説明】
１…フィールドエミッション型電子源
２…電子ビームの中心軸
３…ビームの広がり
４…第１集束レンズ
５，１４…クロスオーバ
６…第１扇形磁場（Ｍ１）
７…第２扇形磁場（Ｍ２）
８…エネルギー選択スリット
９…第３扇形磁場（Ｍ３）
１０…第４扇形磁場（Ｍ４）
１１…クロスオーバ（モノクロ収束点）
１２…絞り
１３…第２集束レンズ
１５，１６…走査用コイル
１７…対物レンズ
１８…試料
１９…２次電子検出器
２０…中間収束点
２１…中間鏡対称面
２２…２次電子
４０，４１，５１…ヨーク
４２，５３…励磁コイル
４３…第１磁極
４４…第３磁極
４５，４７…入射口
４６，４８…出射口
４９，５０…通路
５２…スリット収容用の穴
５４…第２磁極
５５…第４磁極
５６，５７…励磁コイル
【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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