(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子と対物レンズとを制御する制御部を備え、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、磁場型４極子の励磁を一定に保つ条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては静電４極子に印加する電圧と４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差を補正するようにした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項２】
荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子と対物レンズとを制御する制御部を備え、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共に同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差を補正するようにした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項３】
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、操作部の操作または設定に基づいて前記４段の静電型８極子を制御する制御部を備えることによって、球面収差をも合せて補正可能にした請求項１記載の荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項４】
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、操作部の操作または設定に基づいて前記４段の静電型８極子を制御する制御部を備えることによって、球面収差をも合せて補正可能にした請求項２記載の荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項５】
荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子、８極子及び対物レンズとを制御する制御部を備え、色収差及び球面収差が補正され、５次の開口収差の絶対値が最小になるようにした状態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共に同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、５次の開口収差の絶対値が最小になるようにした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項６】
荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子、８極子及び対物レンズとを制御する制御部を備え、色収差及び球面収差が補正され、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるようにした状態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共に同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるようにした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項７】
荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子、８極子及び対物レンズとを制御する制御部を備え、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる静電８極子の電圧の和の絶対値が４段共同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差または球面収差の少なくとも何れか一方を補正するようにした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項８】
荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子、８極子及び対物レンズとを制御する制御部を備え、色収差及び球面収差が補正され、５次の開口収差の絶対値が最小になるようにした状態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる静電８極子の電圧の和の絶対値が４段共同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、５次の開口収差の絶対値が最小になるようにした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項９】
荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子、８極子及び対物レンズとを制御する制御部を備え、色収差及び球面収差が補正され、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるようにした状態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる静電８極子の電圧の和の絶対値が４段共同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるようにした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項１０】
磁場型４極子は永久磁石であることを特徴とする請求項１又は３記載の荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項１１】
荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設けられた追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて、前記４段の静電４極子と２段の磁場型４極子と対物レンズと追加レンズとを制御する制御部を備え、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、磁場型４極子の励磁を一定に保つ条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては静電４極子に印加する電圧と追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整し、（２）作動距離の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差を補正するようにした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項１２】
荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設けられた追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて、前記４段の静電４極子と２段の磁場型４極子と対物レンズと追加レンズとを制御する制御部を備え、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共に同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差を補正するようにした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項１３】
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、操作部の操作または設定に基づいて前記４段の静電型８極子を制御する制御部を備えることによって、球面収差をも合せて補正可能にした請求項１１記載の荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項１４】
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、操作部の操作または設定に基づいて前記４段の静電型８極子を制御する制御部を備えることによって、球面収差をも合せて補正可能にした請求項１２記載の荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項１５】
荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設けられた追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて、前記各４極子，８極子，対物レンズ及び追加レンズを制御する制御部を備え、色収差及び球面収差が補正され、５次の開口収差の絶対値が最小になるようにした状態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共に同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによって、５次の開口収差の絶対値が最小になるようにした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項１６】
荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設けられた追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて、前記各４極子，８極子，対物レンズ及び追加レンズを制御する制御部を備え、色収差及び球面収差が補正され、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるようにした状態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共に同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによって、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるようにした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項１７】
荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設けられた追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて、前記各４極子，８極子，対物レンズ及び追加レンズを制御する制御部を備え、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる静電８極子の電圧の和の絶対値が４段共同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差または球面収差の少なくとも何れか一方を補正するようにした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項１８】
荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設けられた追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて、前記各４極子，８極子，対物レンズ及び追加レンズを制御する制御部を備え、色収差及び球面収差が補正され、５次の開口収差の絶対値が最小になるようにした状態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる静電８極子の電圧の和の絶対値が４段共同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによって、５次の開口収差の絶対値が最小になるようにした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項１９】
荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設けられた追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて、前記各４極子，８極子，対物レンズ及び追加レンズを制御する制御部を備え、色収差及び球面収差が補正され、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるようにした状態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる静電８極子の電圧の和の絶対値が４段共同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによって、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるようにした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【請求項２０】
磁場型４極子は永久磁石であることを特徴とする請求項１１又は１３記載の荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
【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】
走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡において、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、電子光学系の中に収差補正装置が組み込まれている。この収差補正装置として、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８極子で補正する方式が提案されている。その原理については、非特許文献１〜３に詳しく紹介されている。
【０００３】
ここで、上記した収差補正装置の原理の概略を、図１に基づいて説明する。図１において、対物レンズ７の前段に収差補正装置Ｃが配置されている。収差補正装置Ｃは、４段の静電型４極子１、２、３、４と、静電型４極子の２段目と３段目が作り出す電位分布と相似な磁位分布を作り出し、電界と重畳した磁界を形成する２段の磁場型４極子５、６と、４段の静電型４極子が形成する電界と重畳した電界を形成する４段の静電型８極子１１，１２，１３，１４とより構成されている。
【０００４】
なお、実際の装置では、これら４極子や８極子の電界に、更に４段の２極子(軸合せ用の偏向装置として動作する)と４段の６極子(２次の開口収差補正用として働く)が重畳するように成されているが、本発明とは直接の関係は小さいので、詳しくは説明しない。
【０００５】
このような構成において、図の左側から入射した荷電粒子ビームは、４段の静電型４極子１、２、３、４と対物レンズ７によって、基準となる荷電粒子ビームの軌道が作られ、試料面２０に荷電粒子ビームがフォーカスされる。この図１では、粒子線のＸ方向の軌道ＲｘとＹ方向の軌道Ｒｙとを同じ平面上にまとめて模式的に描いている。
【０００６】
基準軌道とは、近軸軌道(収差が無いときの軌道と考えてよい)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によって荷電粒子ビームが試料面にフォーカスされる軌道をいう。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。なお、このとき、前記の４段の２極子は軸合せのため用いられる。
【０００７】
更に詳細に図１を説明すると、Ｘ方向の軌道Ｒｘの荷電粒子ビームは４極子１によって拡散(凹レンズと同様な作用)され、次いで４極子２によって集束(凸レンズと同様な作用)されて４極子３の中心を通るようになされ、４極子３の中心を通過した後、４極子４によって集束されて、対物レンズ７に向かう。一方、Ｙ方向の軌道Ｒｙの荷電粒子ビームは４極子１によって集束されて４極子２の中心を通るようになされ、４極子２の中心を通過した後、４極子３によって集束され、最後に４極子４によって拡散された後、対物レンズ７に向かう。このようにＸ方向の軌道Ｒｘに作用する４極子１の拡散作用と、Ｙ方向の軌道Ｒｙに作用する４極子４の拡散作用とを合成することによって、一個の凹レンズの如くに働かせることができる。
【０００８】
次に、収差補正装置Ｃによる色収差補正について説明する。図１に示したような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。
【０００９】
次に、球面収差補正（３次の開口収差補正）について説明する。球面収差を補正する場合には、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［Ｖ］によってＹ方向の球面収差を０に補正する。
【００１０】
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。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、実用化されている。この方法については、例えば非特許文献４に紹介されている。
すなわち、静電型の場合には図９に示すように、12個の電極Uｎ(ｎ＝1, 2, …, 12)に対して、独立に電圧を供給できる最終段電源Aｎ(ｎ＝1, 2, …, 12)が接続され、４極子場を作る場合には、理想的な４極子場に近い場が得られるように４極子電源１０からの出力電圧が各Anに供給される。最終段電源Aｎの出力電圧が４極子電源１０の出力電圧と比例すると仮定すると、１０の出力電圧の比は上記の文献[４]に示された値になる。また、この４極子場に重ねて８極子場を作る場合には、理想的な８極子場に近い場が得られるように、８極子電源１８からの出力電圧が前記１０の出力電圧と加算されて各Anに供給される。以下同様の考え方で、１個の12極子で２ｎ極子(ｎ＝１、２、…６)の多極子場を重ねた場が得られる。
次に磁場型の場合には図１０に示すように、12個のマグネットWｎ(ｎ＝1, 2, …, 12)のコイルに対して、独立に励磁電流を供給できる最終段電源Bｎ(ｎ＝1, 2,…, 12)が接続され、磁場型４極子場を作る場合には、理想的な磁場型の４極子場に近い場が得られるように磁場型４極子電源１５からの出力電圧が各Bnに供給される。最終段電源Bｎの出力電流が磁場型４極子電源１５の出力電圧と比例すると仮定すると、この出力電圧の比は上記の文献[４]に示されている励磁力の比になる。本発明では、磁場型の４極子場以外の多極子場の重畳は説明されていないが、最終段電源Bｎの入力電圧に多極子場の電圧を加算することによって、静電型と同様に磁場型の多極子場の重畳が可能になる。なお、ここで、図１０では各マグネットWnの外側を磁気的につなぐヨークは省略されている。
次に、静電型と磁場型を重ねる場合には、マグネットWnが電極Uｎを兼ねることができるように導電性の磁性体を用いれば良い。この場合、マグネットのコイルは電極とは電気的に絶縁して配置される。
以下の説明では、説明を簡単にするために、あたかも２ｎ極子を互いに重ねたかのように記述しているが、実際には１つの12極子に対し複数の多極子場の重畳は上記のように電圧信号の加算によって行っている。
なお、色収差補正が終わった後、球面収差補正を行う前に、４段の６極子による２次の開口収差を補正する必要が生じる場合がある。その補正法は前記の球面収差の補正法と同様の手順で行う。この２次の開口収差は収差補正装置の機械的精度に依存して発生するものであるが、通常は補正量も小さく本発明における範囲では高次収差への影響も小さい。また、この２次の開口収差は収差補正装置内部で補正されるものであり、本発明において重要であるところの「収差補正装置と対物レンズとによる合成倍率(後述する)」を変化させても、それによる影響を受けにくい。よって、本発明では２次の開口収差の補正に関しては説明を省く。
【００１１】
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）、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。
【００１２】
【非特許文献１】
V. H. Rose, Optik 33, Heft 1, 1-24 (1971)
【非特許文献２】
J. Zach, Optik 83, No.1, 30-40 (1989)
【非特許文献３】
J. Zach and M. Haider, Nucl. Instr. and Meth. In Phys. Res.
A 363, 316-325 (1995)
【非特許文献４】
M. Haider et al., Optik 63, No.1, 9-23 (1982)
【００１３】
【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、実際に行われた実験に基づく結果では、色収差と球面収差がほぼ完全に補正され、前記収差補正系の優秀性が認められたが、実用化の観点からは、収差補正系の安定度や印加電圧の範囲、さらには最適条件等に関しては、十分な配慮がなされていなかった。例えば、次に示すような問題点が生じている。
【００１４】
第１には、粒子プローブの加速電圧Ｖａや、対物レンズ７と試料表面２０との間隔を表す作動距離ＷＤを変えた場合、これに対応するために磁場型４極子の励磁を変更することになるが、励磁を変更したことに伴って僅かな磁場ドリフトδＢが発生する。長時間の高安定度を必要とする場合には、このドリフトが原因で荷電粒子ビームの基準軌道がずれ、収差補正の条件がずれる場合があった。
【００１５】
第２の問題点としては、荷電粒子ビームの加速電圧が低加速電圧である場合には、色収差や球面収差の補正に際して、補正に必要な電圧が多少高めに設定されても、静電型の多極子（４極子や８極子など）の耐圧電圧に問題が生じることは無かったが、加速電圧が高くなるとこの補正電圧の大小が多極子の耐圧電圧に大きく影響することが判明した。
【００１６】
第３の問題点としては、低加速電圧から高加速電圧まで広範な電圧範囲で使用する場合、低加速電圧では系全体の電圧が小さくなるため、各静電４極子への印加電圧の揺らぎ成分δφが補正電圧や偏向場に与える割合が増え、長時間の高安定度や高分解能を必要とする場合には、このゆらぎ成分δφが問題になる。
【００１７】
第４の問題点としては、色収差や球面収差が補正された後に残る高次収差、例えば５次の球面型収差(収差量が試料面に入射するビームの開き角の５乗に比例する)や４次の開口色収差(収差量がビームの開き角の３乗とビームのエネルギー幅の積に比例する、３次の開口・１次の色収差)等の影響を最小にして使用する最適条件が考慮されていなかった。
【００１８】
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、長時間に渡って安定な、そして最適な収差補正を行うことができる荷電粒子ビーム装置の収差補正装置を実現するにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子と対物レンズとを制御する制御部を備え、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、磁場型４極子の励磁を一定に保つ条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては静電４極子に印加する電圧と４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差を補正するようにしたことを特徴とする。
【００２０】
本発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子と対物レンズとを制御する制御部を備え、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差を補正するようにしたことを特徴とする。
【００２１】
本発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子、８極子及び対物レンズとを制御する制御部を備え、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、磁場型４極子の励磁を一定に保つ条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては静電４極子に印加する電圧と４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差を補正するようにしたことを特徴とする。
【００２２】
本発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子、８極子及び対物レンズとを制御する制御部を備え、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差を補正するようにしたことを特徴とする。
【００２３】
本発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子、８極子及び対物レンズとを制御する制御部を備え、色収差及び球面収差が補正され、５次の開口収差の絶対値が最小になるようにした状態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、５次の開口収差の絶対値が最小になるようにしたことを特徴とする。
【００２４】
本発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子、８極子及び対物レンズとを制御する制御部を備え、色収差及び球面収差が補正され、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるようにした状態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるようにしたことを特徴とする。
【００２５】
本発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子、８極子及び対物レンズとを制御する制御部を備え、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる静電８極子の電圧の和の絶対値が４段共同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差または球面収差の少なくとも何れか一方を補正するようにしたことを特徴とする。
【００２６】
本発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子、８極子及び対物レンズとを制御する制御部を備え、色収差及び球面収差が補正され、５次の開口収差の絶対値が最小になるようにした状態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる静電８極子の電圧の和の絶対値が４段共同程度になるような条件下において（１）加速電圧の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、５次の開口収差の絶対値が最小になるようにしたことを特徴とする。
【００２７】
本発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子、８極子及び対物レンズとを制御する制御部を備え、色収差及び球面収差が補正され、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるようにした状態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる静電８極子の電圧の和の絶対値が４段共同程度になるような条件下において（１）加速電圧の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては４段目の静電型４極子と対物レンズとの合成倍率を調整することによって、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるようにしたことを特徴とする。
【００２８】
又、本発明に基づく荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設けられた追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて、前記４段の静電４極子と２段の磁場型４極子と対物レンズと追加レンズとを制御する制御部を備え、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、磁場型４極子の励磁を一定に保つ条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては静電４極子に印加する電圧と追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整し、（２）作動距離の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差を補正するようにしたことを特徴とする。
又、本発明の荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設けられた追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて、前記４段の静電４極子と２段の磁場型４極子と対物レンズと追加レンズとを制御する制御部を備え、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共に同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差を補正するようにしたことを特徴とする。
又、本発明の荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設けられた追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて、前記各４極子，８極子，対物レンズ及び追加レンズを制御する制御部を備え、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、磁場型４極子の励磁を一定に保つ条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては静電４極子に印加する電圧と追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整し、（２）作動距離の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差を補正するようにしたことを特徴とする。
又、本発明の荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設けられた追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて、前記各４極子，８極子，対物レンズ及び追加レンズを制御する制御部を備え、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共に同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差を補正するようにしたことを特徴とする。
又、本発明の荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設けられた追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて、前記各４極子，８極子，対物レンズ及び追加レンズを制御する制御部を備え、色収差及び球面収差が補正され、５次の開口収差の絶対値が最小になるようにした状態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共に同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによって、５次の開口収差の絶対値が最小になるようにしたことを特徴とする。
又、本発明の荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設けられた追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて、前記各４極子，８極子，対物レンズ及び追加レンズを制御する制御部を備え、色収差及び球面収差が補正され、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるようにした状態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧の絶対値が４段共に同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによって、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるようにしたことを特徴とする。
又、本発明の荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設けられた追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて、前記各４極子，８極子，対物レンズ及び追加レンズを制御する制御部を備え、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる静電８極子の電圧の和の絶対値が４段共同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによって、荷電粒子ビーム光学系の色収差または球面収差の少なくとも何れか一方を補正するようにしたことを特徴とする。
又、本発明の荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設けられた追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて、前記各４極子，８極子，対物レンズ及び追加レンズを制御する制御部を備え、色収差及び球面収差が補正され、５次の開口収差の絶対値が最小になるようにした状態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる静電８極子の電圧の和の絶対値が４段共同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによって、５次の開口収差の絶対値が最小になるようにしたことを特徴とする。
又、本発明の荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、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、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、４段の静電型４極子と対物レンズとの間に設けられた追加レンズと、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて、前記各４極子，８極子，対物レンズ及び追加レンズを制御する制御部を備え、色収差及び球面収差が補正され、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるようにした状態において、操作部の操作または設定に基づいて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、制御部は、静電型４極子の電圧とこれに重畳させる静電８極子の電圧の和の絶対値が４段共同程度になるような条件下において、（１）加速電圧の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を一定に保ったままで静電４極子に印加する電圧と磁場型４極子を励磁する電流とを調整し、（２）作動距離の変更に対しては追加レンズと対物レンズとの合成倍率を調整することによって、４次の開口色収差即ち３次の開口・１次の色収差が０または絶対値が最小になるようにしたことを特徴とする。
【００２９】
【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は本発明の基本構成を示しており、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おいて、色収差を補正するために、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、対物レンズ７と、光路の一部に設けられた対物絞り８と、加速電圧や作動距離を変更する操作表示部９と、４段の静電４極子１〜４に電圧を供給する電源１０と、２段の磁場型４極子５、６を励磁する電源１５と、対物レンズの電源１７と、操作表示部９の操作または設定に基づいて前記電源１０、１５、１７を制御する制御部１９が備えられている。
【００３０】
なお、対物レンズ７は、対物レンズ７が磁場型の場合は電源１７から供給される電流を変えることによって、対物レンズ７が静電型の場合は電源１７から供給される電圧を変えることによって、あるいは対物レンズ７が電場・磁場重畳型の場合は電源１７から供給される電流および電圧を調節することによって、レンズの強度が調節される。更に、荷電粒子が高速のイオンの場合には、荷電粒子の質量に関係なく同じ屈折力が得られる静電型の対物レンズ７が用いられる。
【００３１】
また、球面収差を補正するために、前記した各構成要素に加えて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、４段の静電型８極子に電圧を供給する電源１８と、操作表示部９の操作または設定に基づいて前記電源１８を制御する制御部１９が備えられている。
【００３２】
以下において、上記４段の静電型４極子１、２、３、４と２段の磁場型４極子５、６と、これに各電源１０、１５を含めたもの、あるいはこれらに更に４段の静電型８極子１１、１２、１３、１４と電源１８を含めたものを収差補正装置Ｃと呼ぶことにする。
【００３３】
このような収差補正装置Ｃは、例えば図１２に示す如くに走査電子顕微鏡などに組み込まれる。１００は内部が真空雰囲気にされた鏡筒である。鏡筒１００内には、電子ビームを発生し、加速電圧によって電子にエネルギーを与える電子銃１０１、電子銃１０１で発生した電子ビームを集束し、かつ電子ビーム電流を適当な値に制限するためのコンデンサレンズ１０２と対物絞り１０３、収差補正装置Ｃ、電子ビームを二次元的に偏向して走査するための偏向器１０４、電子ビームをフォーカスして試料１０６に照射する対物レンズ１０７、試料１０６を載置して所望の場所で電子ビーム照射・走査されるように試料１０６を任意に駆動できる試料ステージ１０７、電子ビームの照射・走査に伴って試料１０６から発生する二次電子などの信号を検出する検出器１０８等が備えられている。なお、電子銃１０１から対物レンズ１０７までを電子ビームの光学系と呼ぶことがある。
【００３４】
本発明の第１の特徴は、操作表示部９で加速電圧や作動距離を変更した場合、より安定な収差補正の動作を行うために、制御部１９が以下のような処理を行うことにある。
【００３５】
本発明の動作原理を図４、図５を用いて、最も単純な関係式と比較しながら、Ｘ方向の色収差補正について説明する。色収差補正が行われていないとき、基準軌道を満足するレンズ系全体の色収差係数をＣｘで表す。次に２段目の静電型４極子２のフォーカス電位φｑｆ２に対して、これに色収差補正のための電圧φｑｃ２を加えたとき、基準軌道を維持するための磁場型４極子５の励磁Ｊ２は、加速電圧が一定なら、次の式で表される。
【００３６】
なお、上記の「レンズ系全体」とは、単純にいえば、図３においては、収差補正装置Ｃと対物レンズ７とから成る系であり、図８においては、収差補正装置Ｃと追加レンズ２７と対物レンズ７とから成る系である。しかし、もし、図３や図８に描かれた系の前に、例えば、コンデンサレンズや荷電粒子ビームの発生源に構成される引出し電極等のレンズ作用を行うものがある場合（大抵の装置はそのようになっている）には、これらも含めて「レンズ系全体」と呼ぶ方がより正確である。あるいは図１２に示した電子銃１０１から対物レンズ１０７までの電子ビーム光学系の全てのレンズといってもよい。
【００３７】
Ｊ２＝ｋ１・φｑｃ２                                     （１）
上式でｋ１は比例常数である。
【００３８】
そして、静電型４極子２と磁場型４極子５によって試料面２０に形成される負の色収差係数Ｃcxは、次の式で表される。
【００３９】
Ｃcx＝ｋ２・Ｊ２                                        （２）
上式でｋ２は比例常数である。
【００４０】
このような関係があるので、収差補正前後の基準軌道を変えないように、静電型４極子２の電位φｑｃ２と磁場型４極子５の励磁Ｊ２を調整して
Ｃx＋Ｃcx＝０                                        （３）
として色収差を補正することができる。
【００４１】
また、加速電圧Ｖaを変化させた場合、色収差補正を基準軌道を変えないで実施するには、相対論効果が大きくない走査型電子顕微鏡の領域では、最も単純な関係式を用いて、
φｑｆ２ ∝Ｖa                                   （４−１）
φｑｃ２ ∝Ｖa                                   （４−２）
Ｊ２  ∝Ｖa１／２                                 （４−３）
とすれば良いこともわかる。
【００４２】
ところで、この色収差補正の中身を更に詳しく解析すると、３段目の静電型４極子３と磁場型４極子６の中心には、２段目の静電型４極子２と磁場型４極子５によって色収差を補正するための負の収差係数Ｃoxが形成されている。この負の収差係数は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によって、試料面に
Ｃcx ＝Ｃox・(Ｍ４・ＭＯＬ)２                          （５）
として形成される。
【００４３】
すなわち、２段目の静電型４極子２の電位φｑｃ２と磁場型４極子５の励磁Ｊ２が同じでも、４段目の静電型４極子４と対物レンズ７の合成倍率Ｍ４・ＭＯＬを調整すれば、補正すべき収差量Ｃcxを変更できる。逆の見方をすれば、同じ収差補正量Ｃcxを得るのに、４段目の静電型４極子４と対物レンズ７の合成倍率を大きくなるように変えれば、Ｃoxを小さく設定することができる。つまり、静電型４極子２の電位φｑｃ２と磁場型４極子５の励磁Ｊ２を小さな値に設定することも可能である。
【００４４】
なお、磁場型４極子の励磁Ｊ１、Ｊ２を一定に保持して、加速電圧Ｖａを変更しても、Ｘ方向の基準軌道Ｒｘを変えないようにするためには、図５に示すように、収差補正のための電位φｑｃ２とφｑｃ３を加速電圧の平方根に比例させる。
【００４５】
次に、合成倍率がどの程度の可変範囲を持つか具体的に説明する。図４に示すように、４段目静電型４極子４の物体距離をａ４、像距離をｂ４とするとき、４段目静電型４極子４の結像点が光源側Ａにあっても試料面側Ｂにあっても、ａ４の変化は少ないので、４段目静電型４極子４の倍率の絶対値Ｍ４は、次に示す式で与えられる。
【００４６】
Ｍ４＝ｂ４／ａ４                                      （６）
一方、４段目静電型４極子４と対物レンズ７との距離をＬ、対物レンズ７と試料２０との距離をｂＯＬとするとき、対物レンズ７の物体距離ａＯＬは４段目静電型４極子４の結像位置によって異なり、対物レンズ７の倍率ＭＯＬは、４段目静電型４極子４の結像位置が試料面側Ｂのときは次のようになる。
【００４７】
ＭＯＬ＝ｂＯＬ／（ｂ４−Ｌ）                      （７−１）
また、４段目静電型４極子４の結像位置が光源側Ａのときは次のようになる。
【００４８】
ＭＯＬ＝ｂＯＬ／（ｂ４＋Ｌ）                      （７−２）
数値例としてｂ４＝244ｍｍ、Ｌ＝200ｍｍとすれば、ＭＯＬは両者で１０倍異なることになる。このように、４段目静電型４極子４と対物レンズ７の合成倍率は１桁以上容易に変更可能なことがわかる。従って、同じ静電型４極子２の電位φｑｃ２と磁場型４極子５の励磁Ｊ２に対して、補正に用いられる色収差係数Ｃcxは２桁以上可変できることになる。
【００４９】
また、同じＣcxに対して、補正に用いられる色収差係数Ｃoxは２桁以上変化しても良く、これに対応して、同じＣcxに対して静電型４極子２の電位φｑｃ２と磁場型４極子５の励磁Ｊ２も２桁以上の範囲で可変できる。
【００５０】
上記の説明はＹ方向の色収差についても同様に適用できる。また静電型４極子３の中心に形成されるＸ方向の球面収差を補正するための収差係数Ｃsoxや、Ｙ方向の球面収差についても同様に適用できる。球面収差の場合には物面側に形成された球面収差係数は合成倍率の４乗、つまり(Ｍ４・ＭＯＬ)４に比例して試料面側に形成される。
【００５１】
次に、本発明に基づく収差補正の動作を更に詳述する。本発明は前記した原理に基づいてなされたものであり、図６を用いてその動作を説明する。なお、本発明においては、発明の目的に合せた動作をさせるために、例えば下記のようなモードが選択できるようにするとよい。即ち、（１）磁場型４極子５の励磁Ｊ２と磁場型４極子６の励磁Ｊ３を一定に保ったままで収差補正装置Ｃを動作させるモードと、（２）各静電型４極子の電圧の絶対値がほぼ同程度になるようにして収差補正装置Ｃを動作させるモードである。
【００５２】
さて、操作表示部９で磁場型４極子５の励磁Ｊ２と、磁場型４極子６の励磁Ｊ３を一定に保つモードを選択すると、操作表示部９で加速電圧Ｖaや作動距離ＷＤを変更しても、制御部１９は磁場型４極子用の電源１５に対して所定の固定値、
Ｊ２＝Ｊ２０                                      （８−１）
Ｊ３＝Ｊ３０                                      （８−２）
で磁場型４極子５、６を励磁するように指示する。
【００５３】
次に、この励磁に対し、現在設定されている加速電圧Ｖa＝Ｖaoで試料面にフォーカスが合う基準軌道を得るために、制御部１９は静電型４極子用電源１０に対して、色収差を補正しないときの電位φｑｆ２とφｑｆ３、及び色収差を補正するための電位φｑｃ２とφｑｃ３に対して両者の和を各々静電型４極子２と３に印加する。これによって静電型４極子２と３の電位は、
φｑｆ２ ＋ φｑｃ２                            （９−１）
φｑｆ３ ＋ φｑｃ３                            （９−２）
となる。なお、図６（ａ）は色収差補正前の静電型４極子の電位を示しており、図６（ｂ）は色収差補正後の静電型４極子の電位を示している。
【００５４】
このとき、Ｊ２とφｑｃ２によって試料面２０に形成される補正のための収差係数をＣcx、Ｊ３とφｑｃ３によって試料面２０に形成される補正のための収差係数をＣcyとすれば、４段目４極子４と対物レンズ７との合成倍率を調整して、色収差を補正する前のレンズ系全体のＸ方向の収差係数ＣxとＹ方向の収差係数Ｃyに対して、
Ｃx ＋Ｃcx≒０                                  （１０−１）
Ｃy ＋Ｃcy≒０                                  （１０−２）
となるように、制御部１９は４段目の静電型４極子４の電源１０と対物レンズ７の電源１７を制御する。
【００５５】
次に、操作表示部９で加速電圧Ｖaを変更した場合には、粒子プローブの試料面へのフォーカス状態が変化しないように、Ｘ方向については静電型４極子２のフォーカス電位φｑｆ２と色収差補正のための電位φｑｃ２が、
φｑｆ２ ∝ Ｖa                                （１１−１）
φｑｃ２ ∝ Ｖa１／２                            （１１−２）
となるように制御部１９は静電型４極子用の電源１０を変化させる。Ｙ方向についても同様に、
φｑｆ３ ∝ Ｖa                                （１１−３）
φｑｃ３ ∝ Ｖa１／２                            （１１−４）
となるように制御部１９は静電型４極子用の電源１０を変化させる。このようにすれば、磁場型４極子の励磁をほぼ一定に保ったまま、レンズ系の総合倍率Ｍtを調整して色収差をほぼ０に補正可能である。
【００５６】
なお、ここでの「レンズ系の総合倍率Ｍt」とは、図３の場合においては、収差補正装置Ｃ全体と対物レンズ７とを含めた倍率である。先に図４を用いた「静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率」の説明において、静電型４極子４の倍率Ｍ４が定義されていたが、一般の多極子においても、例えばＸ方向とＹ方向に分けて考えれば、通常のレンズと同様に「倍率」が定義できる。従って、収差補正装置Ｃの各多極子についても同様に倍率が定義できるし、収差補正装置Ｃ全体の倍率も定義できる。上記の「レンズ系の総合倍率Ｍt」における「収差補正装置Ｃ全体の倍率」とは、そのような意味で用いている。
【００５７】
実は、先の図４を用いた説明における「静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率」という考え方は、本発明の動作を分かり易く説明するために動作をできるだけ単純化したことによるものである。しかし実際の動作においては、「静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率」を調整すると、他の４極子もわずかに影響を受けるためわずかな再調整が必要になる。従って、実際の動作を厳密にいえば、「静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率」の調整だけではなく、収差補正装置Ｃ全体と対物レンズ７とを含めた「レンズ系の総合倍率Ｍt」の調整が必要になる。そのような意味では、「静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を調整する」は、厳密には、「レンズ系の総合倍率Ｍtを調整する」というべきである。
【００５８】
ところで、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を変えた場合、試料面に入射する粒子ビームの開き角が変化する。この変化は、対物絞り８の後に開き角制御レンズを入れるとか、対物絞り８の穴径を変えるとかで、必要な最適値に設定できる。
【００５９】
なお、基準となる加速電圧Ｖa＝Ｖaoでの最適な開き角α＝αoに対して、加速電圧Ｖaを低く設定した場合には、必要な収差補正量が余剰にならないように合成倍率を小さくして色収差補正を行うため、開き角αは増大する。これに対して最適開き角は、加速電圧Ｖaを低くした場合には、増大する方向にあるから、本発明における加速電圧の変更に伴う開き角の変化に関しては都合がよい方向に動作する。また、作動距離ＷＤを基準の値ＷＤ＝ＷＤoから大きくした場合には、必要な収差補正量が不足しないように合成倍率を大きくして色収差補正を行うため、開き角αは減少する。これに対して最適開き角は、ＷＤを大きくした場合には、開き角は減少する方向にあるから、この場合も本発明における作動距離ＷＤの変更に伴う開き角の変化に関しては都合がよい方向に動作する。以下にこれを簡単に説明する。
【００６０】
色収差と球面収差を補正した後に残る、粒子線の波長λに依存する回折効果によるプローブ径ｄλと、５次の開口収差係数Ｃ５によるプローブ径ｄＣ５が支配的であると仮定すると、これらは最小錯乱円において、
ｄλ＝1.22λ／α                                 （１２−１）
ｄＣ５＝（2／3）・Ｃ５・α５                        （１２−２）
で見積もることができる。従って２乗平均によるプローブ径ｄpは、
ｄp＝（ｄλ２＋ｄＣ５２）１／２                      （１２−３）
となる。従って、
∂ｄp／∂α ＝ ０                               （１２−４）
の条件から、
α＝（1.22λ）１／６・（1.5／（５１／２・Ｃ５））１／６  （１２−５）
となる。すなわち、加速電圧Ｖaが小さく波長λが大きい場合には最適開き角αは大きくなり、作動距離ＷＤが長くなって５次の開口収差係数が増大した場合には、最適開き角αは小さくなる。
【００６１】
加速電圧Ｖaを下げたとき、色収差補正に必要な磁場型４極子の励磁電流は一定のモードを選択しているので、少なくとも色収差補正に必要な静電４極子２、３の電位の変化はＶa１／２に比例するように動作するから、標準的な系、即ち色収差補正の励磁がＶa１／２に比例し、電位がＶaに比例する系に比べて、電源１５の励磁変動や、電源１０の電圧変動に対して影響を受けにくくなる。
【００６２】
次に、作動距離ＷＤを変えた場合について説明する。操作表示部９で作動距離を変更したとき、制御部１９はこの設定に基づいて、主に静電４極子４と対物レンズ７によりフォーカス調整を行う。補正すべきレンズ系全体としての色収差Ｃx、ＣyはＷＤと共に大きく変化するが、前記の説明のごとく静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を調整すれば、必要な補正すべき収差係数Ｃcx、Ｃcyが試料面上に得られることは明らかである。
【００６３】
同様に、磁場型４極子５、６の励磁が一定の条件で前記のように色収差補正が可能になったので、磁場型４極子として永久磁石を用いることができることも明らかである。
【００６４】
ここで、上記動作についてまとめておく。第１のモード（１）磁場型４極子５の励磁Ｊ２と磁場型４極子６の励磁Ｊ３を一定に保ったままで収差補正装置Ｃを動作させるモードにおいて、ある加速電圧と作動距離において色収差補正を行った後、加速電圧を変更した場合には、（ａ）加速電圧Ｖaの変更に伴って変化する色収差の増減に対しては、静電型４極子２と３の色収差補正のための電位をＶa１／２に比例するように調整し、更に、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を変更して色収差を補正する。なおここで、合成倍率を変更するのは、磁場型４極子を一定に保っているため静電型４極子の電位はＶa１／２に比例させことになるので、色収差補正量に過不足が生じるのを合成倍率の変更で補うためである。このとき同時に、加速電圧Ｖaの変更に伴って変化するフォーカスに対しても、各静電型４極子１〜４のフォーカス電位をＶaに比例するように調整し、更に、対物レンズ７は、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を上記の如くに再設定された倍率に保ったままで、フォーカス調整を行う。（ｂ）作動距離ＷＤの変更に伴って変化する色収差の増減に対しては、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を調整して行う。もちろんこのとき、試料上でのフォーカスは保たれたままでなければならない。
【００６５】
球面収差補正はこの色収差補正を行った後に行う。操作表示部９からの指令で制御部１９は静電型８極子１１、１２、１３、１４を従来例の如く励起するように電源１８を制御する。ここで従来例との違いは、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率が色収差補正に合わせられているため、作動距離の増大による球面収差の著しい増大に対しても、静電８極子の電位を極端に増加させる必要がなくなることにある。
【００６６】
また、加速電圧を下げた時の球面収差補正電圧の低下が軽減され、電源１８の変動に対して影響を受けにくくなる、などのメリットがある。
【００６７】
これまでの実施の形態では、磁場型４極子５、６の励磁をほぼ一定に保つ方法について述べたが、第２の実施の形態として、静電型４極子の電圧の絶対値がほぼ同程度になるようなモードについて述べる。操作表示部において、基準軌道を作るための静電４極子１〜４の電位φｑｆ１、φｑｆ２、φｑｆ３、φｑｆ４に対し、色収差補正のために静電型４極子２、３に電位φｑｃ２、φｑｃ３を加算したとする。
【００６８】
この補正電位は色収差を補正する方向に加算すると、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すごとく、基準軌道を作るために必要な電位φｑｆ２、φｑｆ３とは互いに符号が反対になる。なお、図６（ａ）は色収差補正前の４極子電位を示しており、図６（ｂ）は色収差補正後の静電型４極子の電位を示している。従って、
｜φｑｆ２＋φｑｃ２｜、  ｜φｑｆ３＋φｑｃ３｜    （１３−１、２）
が、基準軌道を作るために最低必要な電位、
｜φｑｆ１｜、  ｜φｑｆ４｜                    （１３−３，４）
と同程度になるような範囲でφｑｃ２、φｑｃ３を設定するものとする。
【００６９】
この状態で基準軌道が得られるような磁場型４極子５、６の励磁が定まるので、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を調整して、色収差を補正することが可能となる。球面収差係数の補正でも同様のことが可能である。
【００７０】
このような「静電型４極子の電圧の絶対値がほぼ同程度になるようなモード」の条件では、少なくとも特定の電極の耐圧が問題になることはなくなり、収差補正が可能な最大の加速電圧を大きく設定できる。ちなみに、図３〜図５を用いて説明した実施の形態では、収差補正可能な最大の加速電圧Ｖaにおいてこの条件が満足されるように磁場４極子５、６の励磁Ｊ２、Ｊ３が決められる。
【００７１】
この第２の実施の形態は、レンズ系の制御を単純にする場合にも用いられる。すなわち、加速電圧を低い方に変更した場合では、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率が変化しないようにし、前記の最も単純な関係式を適用して、
φｑｆ２ ∝  Ｖa                                 （１４−１）
φｑｃ２ ∝  Ｖa                                 （１４−２）
Ｊ２  ∝  Ｖa１／２                              （１４−３）
として用いれば良い。
【００７２】
さらに本発明は、作動距離ＷＤを増大させたときにも応用できる。すなわち、作動距離ＷＤを増大させたときに、これに伴って増大する色収差係数（レンズの焦点距離ｆに近似的に比例する）や球面収差係数（焦点距離ｆの３乗に近似的に比例する）は大きな値になる。従って、これらを補正する静電型４極子１〜４や８極子１１〜１４の電圧も大きな値になる。
【００７３】
そこで、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を変化させ、静電型８極子による球面収差補正電位が色収差補正電位と比較して十分小さくなるように合成倍率を大きくし、上記のように静電型４極子と静電型８極子の電圧の和の絶対値が、実際に使用される静電型多極子（例えば、１２極子）の電極においてほぼ同程度になるようにすれば、加速電圧が高い場合でも、多極子の耐圧の問題を軽減し、色収差や球面収差を補正することが可能になる。
【００７４】
即ち、静電型８極子の１〜４段目の球面収差補正電位をφO１〜φO４で表したとき、合成倍率を大きくすれば、これらの値の大きさは図１１（ａ）に示すように、静電型４極子のフォーカス電位φｑｆ１〜φｑｆ４や色収差補正電位φｑｃ２〜φｑｃ３と比較して十分小さな値に設定することができる。従って、色収差と球面収差を補正した後の静電型多極子用の電極の電圧は、
｜φｑｆ１＋φO１｜                                （１５−１）
｜φｑｆ２＋φｑｃ２＋φO２｜                        （１５−２）
｜φｑｆ３＋φｑｃ３＋φO３｜                        （１５−３）
｜φｑｆ４＋φO４｜                                （１５−４）
の程度になる。φO１〜φO４の値が小さければ、上記の４つの値の絶対値はほぼ同程度にできる。なお、正確な電極電圧は静電型４極子や静電型８極子として実際に使用される多極子（例えば、１２極子）の極数によって異なってくる。
【００７５】
ここで、上記動作についてまとめておく。第２のモード（２）各静電型４極子の電圧の絶対値がほぼ同程度になるようにして収差補正装置Ｃを動作させるモードにおいて、ある加速電圧と作動距離において色収差補正を行った後、加速電圧を変更した場合には、（ａ）加速電圧Ｖaの変更に伴って変化する色収差の増減に対しては、静電型４極子２と３の色収差補正のための電位をＶaに比例するように調整し、磁場４極子５、６の励磁Ｊ２、Ｊ３はＶa１／２に比例するように調整する。このとき同時に、加速電圧Ｖaの変更に伴って変化するフォーカスに対しても、各静電型４極子１〜４のフォーカス電位をＶaに比例するように調整し、更に、対物レンズ７は静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を一定に保ったままでフォーカス調整を行う。（ｂ）作動距離ＷＤの変更に伴って変化する色収差の増減に対しては、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を調整して行う。もちろんこのとき、試料上でのフォーカスは保たれたままでなければならない。
【００７６】
ところで、上記第１のモード（１）磁場型４極子５の励磁Ｊ２と磁場型４極子６の励磁Ｊ３を一定に保ったままで収差補正装置Ｃを動作させるモードと第２のモード（２）各静電型４極子の電圧の絶対値がほぼ同程度になるようにして収差補正装置Ｃを動作させるモードの使い方について付け加えると、一般には、前者は加速電圧が比較的低いときに使用し、後者は加速電圧が比較的高いときに使用するとよい。
【００７７】
なお、色収差や球面収差を補正した場合、最小プローブ径を決める要素は、粒子線の波長に依存する回折収差、レンズ系に固有な５次の開口収差が支配的である。静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を変えるなどして、図３に示すレンズ系の総合倍率Ｍｔを変化させると、前記した第２の実施の形態における条件の付近で、試料面に換算される５次の開口収差係数の絶対値が最小になるような倍率Ｍｔ＝Ｍoがあることが計算によって確認された。図７は、５次の開口収差および４次の開口色収差の低減の様子を示したものである。
【００７８】
この図７は、加速電圧と作動距離とはある一定の値の場合の例である。ところで、今までの説明で明らかなように、加速電圧と作動距離が一定であっても、本件発明の如くに、収差補正装置Ｃの設定条件を適宜設定すると共に、「合成倍率」を変えるようにして色収差や球面収差を補正する方法においては、収差補正装置Ｃの設定条件とレンズ系の総合倍率(あるいは合成倍率)との組合せは無限に存在することが分かる。そして、色収差の補正と球面収差の補正のみを考慮している限りにおいては、どのような組合せであっても目的を達する。しかしながら、これに加えて、５次の開口収差や４次の開口色収差を考慮にいれる必要がある場合には、レンズ系の総合倍率(あるいは合成倍率)は、図７に示すように、ある特定な倍率でなければならないことが分かる。更に、このようにして色収差の補正と球面収差の補正と５次の開口収差や４次の開口色収差の補正を行った後に、加速電圧または作動距離を変えた場合は、以下のようにすればよい。
【００７９】
加速電圧Ｖaを変更した場合には、前記第２の実施の形態では、総合倍率Ｍtを一定にできるので、Ｖaの変更に対して常に５次の開口収差係数の絶対値を最小に設定できる。また、作動距離WDの変更に対しても、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を変えるなどして、５次の開口収差係数の絶対値が最小になるような総合倍率Ｍtを選ぶことができる。
【００８０】
加速電圧Ｖaが低い領域で、粒子ビームのエネルギー幅ΔＶの影響が無視できない場合には、５次の開口収差よりも４次の開口色収差（収差量が開き角の３乗と、粒子ビームのエネルギー幅に比例する）が大きくなる場合がある。この場合には、粒子線の波長に依存する回折収差、レンズ系に固有な４次の開口色収差が支配的になる。静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を変えるなどして、図１に示すレンズ系の総合倍率Ｍｔを、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を変えるなどして、変化させて行くと、前記の実施例２になるような条件の付近で、試料面に換算される４次の開口収差係数が０を通るような倍率Ｍｔ＝Ｍpのあることが計算によって確認された。
【００８１】
このＭpは前記の実施例における倍率Ｍoよりも僅かに大きな倍率に位置することも計算によって確認された。加速電圧Ｖaを変更した場合には、第２の実施の形態では、総合倍率Ｍtを一定にできるので、Ｖaの変更に対して常に４次の開口色収差係数を０または絶対値が最小に設定できる。また、作動距離ＷＤの変更に対しても、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を変えるなどして、４次の開口色収差係数が０または絶対値が最小になるようなような総合倍率Ｍtを選ぶことができる。
【００８２】
次に、４次の開口色収差係数Ｃ3cの影響を考える。Ｃ3cと回折効果が支配的な場合のＣ3cの最小錯乱円は３次の球面収差のときのように、
ｄＣ３ｃ＝（１／２）・Ｃ3c・α３・（ΔＶ／Ｖa）     （１６−１）
である。ここでΔＶは電子ビームのエネルギー幅ΔＥに対応する電圧幅で、２乗平均によるプローブ径ｄｐは、
ｄp＝（ｄλ２＋ｄＣ３ｃ２）１／２                      （１６−２）
であるから、
∂ｄp／∂α ＝ ０                                 （１６−３）
の条件から、最適開き角は、
α＝（1.22λ）１／４・[３１／２／（2・Ｃ3c・ΔＶ／Ｖ）]１／４（１６−４）となる。
【００８３】
ここで、上記動作についてまとめておく。第２のモード（２）各静電型４極子の電圧の絶対値がほぼ同程度になるようにして収差補正装置Ｃを動作させるモードにおいて、ある加速電圧と作動距離において、総合倍率Ｍtを静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を変えるなどして調整して色収差・球面収差補正を行い５次の開口収差の絶対値が最小になるような倍率Ｍｔ＝Ｍoを見出した後、あるいは４次の開口色収差係数が０となるＭｔ＝Ｍpを見出した後、加速電圧を変更した場合には、（ａ）加速電圧Ｖaの変更に伴って変化する色収差・球面収差の増減に対しては、静電型４極子２と３の色収差補正のための電位をＶaに比例するように調整し、磁場４極子５、６の励磁はＶa１／２に比例するように調整し、静電型８極子の球面収差補正のための電位をＶaに比例するように調整する。このとき同時に、加速電圧Ｖaの変更に伴って変化するフォーカスに対しても、各静電型４極子１〜４のフォーカス電位をＶaに比例するように調整し、更に、対物レンズ７は静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を一定に保ったままでフォーカス調整を行う。このように調整すれば、総合倍率Ｍtは、一定の倍率Ｍｔ＝ＭoまたはＭｔ＝Ｍpに保たれたままとなる。（ｂ）一方、作動距離ＷＤの変更に伴って変化する色収差の増減に対しては、静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を調整して行う。もちろんこのとき、試料上でのフォーカスは保たれたままでなければならない。このように調整すれば、総合倍率Ｍtは、基準となる作動距離における倍率Ｍｔ＝ＭoまたはＭｔ＝Ｍpからは変化するものの、その作動距離ＷＤにおける最良の状態（５次の開口収差の絶対値が最小または４次の開口色収差係数が０）に調整される。
【００８４】
なお、実際の装置においては、総合倍率Ｍtを知ることは必ずしも容易ではない。そこで、図７の如くに、５次の開口収差係数や４次の開口色収差係数が最小となるときの色収差補正電位や球面色収差補正電位の値を事前に調べて置き、実際に印加される色収差補正電位や球面色収差補正電位の値から、上記最良の状態を知るようにするとよい。
【００８５】
これまでの実施の形態例では、電子光学的なレンズの数が最小になるような構成を用いて、主に４段目の静電型４極子４の倍率Ｍ４と対物レンズの倍率ＭＯＬとの合成倍率
Ｍ４・ＭＯＬ                                        （１７）
を調整することによって、対物レンズの広範な色収差係数及び球面収差係数の変化に対して、収差補正が可能であることを示した。しかしながら、４段目の静電型４極子４の倍率Ｍ４を変更すると、わずかではあるが基準軌道を得るための各４極子の電圧を変更する必要があり、Ｘ方向とＹ方向の倍率のズレを大きくする原因にもなる。
【００８６】
この不具合を軽減するため、４段目の静電型４極子４の倍率Ｍ４は変更せずに、図８に示すように、４段目の静電型４極子４と対物レンズ７の間に少なくとも１個の軸対称な追加レンズ２７を入れ、電源１７には、対物レンズ７の電源に加えて追加レンズ２７の電源を設ける。追加レンズ２７は、追加レンズ２７が電磁型の場合は電源１７から供給される電流を変えることによって、追加レンズが静電型の場合は電源１７から供給される電圧を変えることによって、レンズの強度が調整される。この追加レンズ２７の倍率ＭＡを調整するようにすれば、これまでの実施例と同様の効果が得られることは明らかである。更に、この追加レンズ２７の位置が４段目の静電型４極子４に接近していれば、追加レンズ２７と対物レンズ７の調整による合成倍率
Ｍ４・ＭＡ・ＭＯＬ                                 （１８）
の可変範囲は、４段目の静電型４極子４と対物レンズ７の調整による前記の合成倍率Ｍ４・ＭＯＬの可変範囲と同程度なることも明らかである。また、この追加レンズは、上記の実施例以外の収差補正装置においても同様に合成倍率の調整による収差補正量の調整に使用できることも明らかである。そこで、便宜上は合成倍率を上記のＭ４・ＭＡ・ＭＯＬに代えて
ＭＡ・ＭＯＬ                                       （１９）
を合成倍率と表してもよい。
【００８７】
なお、合成倍率ＭＡ・ＭＯＬを調整したことにより、試料面に入射する粒子ビームの開き角αが変化する。この変化は、前記の実施の形態で述べたように、対物絞り８の後に開き角制御レンズを入れるとか、対物絞り８の穴径を変えるとかで、追加レンズ２７と対物レンズ７による収差補正量の調整とは独立して、開き角αを必要な最適値に設定することができる。
【００８８】
以上の説明では、収差補正装置の前段にプローブ電流や開き角を調整するための集束レンズ、或いはプローブ電流を変えずに開き角を調整するための開き角制御レンズを配置した場合の収差補正装置の動作については詳しくは述べなかった。これらのレンズを配置して制御しても、本発明に述べられた実施の形態は同様に適用できることは明らかである。
【００８９】
即ち、第１段目の静電型４極子１に対する物面の位置とビームの開き角が変化するのが主な違いであり、主に第１段目の静電型４極子１による基準軌道を維持するためのフォーカス調整を行えばよい。また、集束レンズや開き角制御レンズの調整では、収差補正のための合成倍率Ｍ４・ＭＯＬ、又はＭ４・ＭＡ・ＭＯＬの設定や変更に大きな影響を与えるものではない。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の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、対物レンズと、荷電粒子ビームの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を変更する操作表示部と、前記４段の静電４極子のそれぞれ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、対物レンズの電源と、操作表示部の操作または設定に基づいて前記３種類の電源を制御する制御部を備えたことを特徴としている。
【００９１】
このような構成において、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、磁場型４極子の励磁を一定に保って粒子光学系の色収差及び球面収差を補正できるモードを設けたので、磁場型４極子の励磁を変えたときの磁場ドリフトの問題が無くなった。また、低加速電圧側で、励磁や電圧変動の影響を受けにくくなった。更に、加速電圧や作動距離を変えた場合に、試料面に入射する粒子ビームの開き角が自動的に最適開き角に近づくようになった。
【００９２】
上記効果に加えて、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、静電型４極子または静電型４極子及び静電型８極子の電圧の絶対値がほぼ同程度になるような条件下で、粒子光学系の色収差または球面収差の少なくとも何れか一方を補正できるモードを設けたので、最高加速電圧が有効に使用できるようになった。また、加速電圧を変えたときのレンズ系の制御が簡単になった。
【００９３】
また、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、５次の開口収差の絶対値が最小になるような粒子光学系のレンズ系の倍率を設定できるようにしたので、最小プローブ径を常に最小値に設定できるようになった。
【００９４】
また、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、４次の開口色収差の絶対値が０または最小になるような粒子光学系のレンズ系の倍率を設定できるようにしたので、低加速電圧でも最小プローブ径を常に最小値に設定できるようになった。
【００９５】
更に、対物レンズと収差補正装置との間に追加レンズを設けて、加速電圧又は作動距離の何れかを変更した時、収差補正装置の励磁電流と収差補正装置内の基準軌道を一定に保ったまま、追加レンズと対物レンズの合成倍率の変更で全体の色収差（又は色収差と球面収差）を補正できるようにしたので、Ｘ，Ｙ方向の倍率のズレを軽減できるようになった。また、４段の静電４極子によるレンズ倍率の変更をしなくてもよいので、この倍率の調整によって発生する収差補正装置の再調整（フォーカス調整等）が容易になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】収差補正装置の原理の概略を説明するための図である。
【図２】静電型多極子の標準配列を示す図である。
【図３】本発明の基本構成を示す図である。
【図４】本発明の動作原理を説明するための図である。
【図５】加速電圧と収差補正電圧との関係を示す図である。
【図６】色収差補正前の静電型４極子電位と色収差補正後の静電型多極子電位を示す図である。
【図７】５次の開口収差と４次の開口色収差の低減の様子を示す図である。
【図８】追加レンズによる収差補正のための合成倍率の調整を示す図である。
【図９】静電型１２極子を１２以下の静電型多極子として用いる方法を示す図である。
【図１０】磁場型１２極子を１２以下の磁場型多極子として用いる方法を示す図である。
【図１１】球面収差補正用の静電型８極子電位と色収差・球面収差補正後の静電型多極子電位を示す図である。
【図１２】収差補正装置Ｃが組み込まれた走査電子顕微鏡の例を説明する図である。
【符号の説明】
Ｃ  収差補正装置
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
１０，１５，１８，１７  電源
１１，１２，１３，１４  静電型８極子
１９  制御部
２０  試料面
２７  追加レンズ
【図１】
0004063633.tif 000002
【図２】
0004063633.tif 000003
【図３】
0004063633.tif 000004
【図４】
0004063633.tif 000005
【図５】
0004063633.tif 000006
【図６】
0004063633.tif 000007
【図７】
0004063633.tif 000008
【図８】
0004063633.tif 000009
【図９】
0004063633.tif 000010
【図１０】
0004063633.tif 000011
【図１１】
0004063633.tif 000012
【図１２】
0004063633.tif 000013