JPH03110742A - 電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電子ビームを試料表面に集束して照射する電
子顕微鏡等の焦点深度調整装置に関する。

〔従来の技術〕

試料に凹凸がある場合、試料に照射する電子ビームの開
き角α、を小さくしてその焦点深度を深くしないと、電
子顕微鏡の像はボケで充分な解像力が得られない。第３
図はビームの開き角と試料表面の凹凸との関係を説明す
るための図であり、５は対物レンズ、６は試料面を示す
。図のＰｌに示すような試料面においてビームの焦点を
合わせても、試料６に凹凸があると、ビームは拡がって
Ｐ２に示すようにボケが生ずる。このとき、小さい開き
角のビームＢ１の場合には、大きい開き角のビームＢ２
よりボケの幅は小さくなる。このように、特に焦点深度
が浅い場合には、照射ビームの径が試料表面の凹凸によ
って大きく変化するため、横型の波長分散型分光器やエ
ネルギー分散型分光器（ＥＤＳ）のように、試料表面の
凹凸に強い（検出されるＸ線強度の変化が少ない）分光
器と共に用いる場合、それらの特徴を十分に発揮できな
い。したがって、電子ビームの開き角α、を制御して、
所望の焦点深度を得ることができるものが望まれている
。

ところで、従来電子線を用いる電子顕微鏡等において、
試料に照射する電子ビームの開き角α４を制御して焦点
深度を深いモードにするような装置としては、例えば、
透過型の電子顕微鏡に装着する走査像観察装置のように
、特定のプローブ電流に対してのみ有効な装置や、特願
昭６３−６４４７２号で提案したように、任意のプロー
ブ電流に対して最も焦点深度が深くなるように対物レン
ズ等の焦点距離を調整するものがあった。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記した従来のものにおいては、プロー
ブ電流を変えると、上記の開き角α、も変化してしまい
、焦点深度も変化してしまう。

また、電子顕微鏡の中でも、特に、電子プローブ・マイ
クロ・アナライザ（ＥＰＭＡ）や、オージェ・マイクロ
・プローブ（ＡＰ）などの分析装置を有するものでは、
プローブ電流を広域に渡って変化させる。このため、こ
のような装置においては、任意のプローブ電流に対して
、焦点深度の深いモードを設定できる必要があるが、上
記した従来の焦点深度を深く調整するものにおいては、
対物レンズの励磁を変更しなければならず、その場合、
対物レンズを通過する電子ビームの磁場による旋回角の
変化により、光軸を中心とした顕微鏡像の回転（像回転
）角が変化するため、像回転の補正が複雑になる。そし
て、特に倍率が低い領域においては、電子ビームの開き
角α、を余り大きくせず、任意に焦点深度を設定できる
ものが望まれている。

したがって、本発明の目的は、プローブ電流を変化させ
ても焦点深度が変わらず、また、任意のプローブ電流に
対して、プローブ電流を変えることなく焦点深度を広範
に変更することが可能な電子顕微鏡等における焦点深度
調整装置を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の電子顕微鏡等における焦点深度調整装置は、電
子ビームの進行方向に、電子銃、第１集束レンズ、第２
集束レンズ、対物絞り、対物レンズを順に配置し、任意
のプローブ電流に対して、対物レンズの焦点距離を変更
することなしに所定の焦点深度を与えるように、第１集
束レンズ及び第２集束レンズの焦点距離を制御可能に構
成したことを特徴とするものである。

この場合、電子銃の中間像を第１集束レンズと第２集束
レンズの間に結像するように構成してもよいし、第２集
束レンズと対物レンズの間に結像するように構成しても
よい。

上記において、対物絞りは、第２集束レンズと対物レン
ズの間に代えて、第２集束レンズの第１集束レンズ側近
傍に配置するようにしてもよい。

また、焦点深度の変更は、対物絞りの絞り径を変更する
ことによって行うように構成してもよいし、対物レンズ
の焦点距離を変更することによって行うように構成して
もよい。

さらに、このような装置は、プローブ電流を変えると焦
点深度も変化する通常のモードに切り換え可能に構成す
ることが望ましい。

〔作用〕

対物レンズの焦点距離とは独立に第１集束レンズ及び第
２集束レンズの焦点距離を制御可能に構成したので、後
記の（２，１３）と（２，１４）にしたがってこれらの
レンズの焦点距離を制御することで、任意のプローブ電
流に対して所定の焦点深度を与えることができる。

〔実施例〕

次に、第１図の構成説明図を参照にして本発明の電子顕
微鏡等における焦点深度調整装置の１実施例について説
明する。

この電子顕微鏡は、電子銃１（０）、電子銃１から発射
された開き角α、の電子ビームを２段にわたって集束す
る第１集束レンズ２（ＣＬＩ）、第２集束レンズ３　（
Ｃｌ３）　、第２集束レンズ３によって集束された電子
ビーム中に位置する対物絞り４　　（ＡＰ）（この絞り
に入射する第２集東しンズ３から出たビームは必ずしも
集束ビームである必要はない。また、対物絞り４は、第
２集束レンズ３の上流近傍に位置していてもよい。）、
対物絞り４によって制限された電子ビームを受は入れて
試料６上に開き角α、で結像させる対物レンズ５　（Ｏ
Ｌ）　、第１集束レンズ２励磁用電源７、第２集束レン
ズ３励磁用電源８、対物レンズ５励磁用電源９、及び、
制御部ＩＯからなっている。

なお、符号６は試料を示す。

ところで、第１図の示すように、電子銃１と第１集束レ
ンズ２の主面との距離をＰ１第１集東レンズ２と第２集
束レンズ３の主面間の距離をＱ１第２集東レンズ３の主
面と対物絞り４との距離をＴ１対物絞り４と対物レンズ
５の主面との距離をＶ１対物レンズ５の主面と試料６と
の距離をＷとし、対物絞り４の開口の半径をｒＡＰとす
る。このような前提の下に、本発明の装置の動作原理を
説明する。

試料６面に対して許容し得る凹凸量±Δ１１あるいは、
焦点深度±Δｌは、ＣＲＴ上で許容し得る像のボケの幅
ｒと、観察倍率Ｍと、合焦時のプローブ径ｄ、と、試料
６へ入射するビームの開き角α４とから、 ２α４ で求められる。プローブ径ｄ、は、プローブ電流ＩＰと
α、の関数であるが、ｒ／Ｍと比較して十分小さければ
、 ・　・　・　（２，２） となる。したがって、対物レンズ５の主面におけるビー
ムの拡がりｒｐ３は、 ｒｐｓ”α、・Ｗ　・・・・・・・　（２，３）となる
。対物絞り４の半径ｒＡｐは既に与えられた値なので、
対物絞り４と第２集束レンズ３の結像点との距離Ｕが、 ｒＡｐ／Ｕ＝ｒｐｓ／　（Ｕ　　Ｖ）　　”　　（２，
４＞、’、Ｕ＝ｒＡｐ”Ｖ／　（ｒＡｐ−ｒｐａ）　”
’　（２，５）として求められる。したがって、第２集
束レンズ３の出射側の開き角α、は、 ａｓ＝ｒＡｐ／Ｕ””””　　（２，６）また、第２集
束レンズ３の主面とその結像点との距離Ｚ２は、 ２２　＝Ｔ＋Ｕ　　・・・・・・・・　（２，７＞であ
る。上記の（２，６）と（２，７）から、第２集束レン
ズ３の主面上におけるビームの拡がりｒＰ２が・ ｒｐ２＝ｃＢ　”Ｚ２　”　”　’　”　”　”　”　
　（２，８）で求められる。

一方、電子銃１の輝度をβ、その仮想光源の大きさをｄ
、とすれば、第１集束レンズ２の入射側のプローブ電流
Ｉｐに対応する開き角α、は、・　・　・　（２，９） で求められるので、■、に対応する第１集束レンズ２の
主面上のビームの拡がりｒＰｌは、ｒＰＩ＝α１　・Ｐ
・・・・・・・・　（２，１０）で求められる。この半
径のビームが、第１集東レンズ２と第２集束レンズ３の
間で、図示のように、−旦結像し、第２集束レンズ３の
主面で、（２゜８）で与える値に拡がるように、第１集
束レンズ２励磁用電源７の励磁電流を調節すれば、（ｒ
　ｐｌ＋　ｒ　ｐｉ）　／Ｑ＝　ｒ　ｐｒ／　Ｚ　＋（
２，１１） 、’、　　Ｚ＋　　＝ｒｐ＋・Ｑ／　（ｒｐ＋＋ｒｐ２
）・　・　・　（２，１２＞ したがって、第１集束レンズ２、第２集束レンズ３、対
物レンズ５の焦点距離’ＣＬＩ　％ｆｃＬ２、ｆ。Ｌは
、以上から、 ｆｃ＋、＋　＝ＰＺｔ　／　（ｐ＋ｚｌ　）　−（２，
１３）（Ｕ−Ｖ）−Ｗ として求められる。

すなわち、必要な焦点深度Δｌが与えられた場合、任意
のＩ、に対して、制御部ＩＯは、第１集束レンズ２励磁
用電源７、第２集束レンズ３励磁用電源８の励磁により
、第１集束レンズ２と第２集束レンズ３の焦点距離を（
２，１３）、（２，１４）に基づいて調整するようにす
ればよい。そして、ｆＯＬの値は■、を変えても不変な
ので、フォーカスの再調整や像回転の補正が不要である
。また、対物絞り４の半径ｒＡｐを変えることにより、
対物レンズ５の焦点距離ｆＯＬの値を変えないで、焦点
深度Δｌを変更することができる。したがって、像回転
補正をする必要がない。さらに、上記のような焦点深度
調整モードとは別に、ｉ１図に点線で示した経路をたど
る従来のプローブ電流を変えると焦点深度も変化する通
常のモードになるように、制御部１０の調整によって、
第２集束レンズ３励磁用電源８、対物レンズ５励磁用電
源９により、第２集束レンズ３と対物レンズ５の焦点距
離を変化させるようにすると、より多様な観察ができる
顕微鏡になる。

本発明の焦点深度調整装置の作用の理解を助けるために
、第２図にその電子線の経路を従来のものの経路と比較
して示す。電子銃１から出たプローブ電流１０−’Ａさ
１０−’Ａの電子ビームの対物絞り４の開口の縁を通る
電子線は、その直径φに応じて（φ７０μｍ１φ２４０
μｍ）、図示のような経路をたどる。図から明らかなよ
うに、プローブ電流が１０−’Ａから１０−６に変わっ
ても、対物絞り４の径が変わらない限り、開き角α、は
変化しない。これに対して、図の右下に描いである従来
のものにおいては、プローブ電流が１０−”Ａから１０
−６に変わると、対物絞り４の径を変えなくても（図に
は、最も焦点深度を深＜シー：場合（φ７０μｍ）と最
も焦点深度を浅くした場合（φ２４０μｍ）とを示しで
ある。）、開き角α、が変化してしまい、焦点深度が変
化する。また、本発明においては、プローブ電流を変え
ないで（例えば、Ｉ　Ｏ−’Ａ）　、対物絞り４の径を
変えた場合（φ７０μｍからφ２４０μｍ）、開き角α
、は変化し、焦点深度を容易に変化させることができる
。

ところで、対物レンズの焦点距離の変化による像回転を
補正する機構を有する装置においては、焦点深度の変更
は、対物絞り４の径を変化させないで（ｒＡｐを固定し
て）、その代わりに対物レンズ５の焦点距離ｆａｔを上
記（２，１５＞に従って変化させることによって行うよ
うにしてもよい。

また、先にも述べたように、対物絞り４は、必ずしも第
２集束レンズ３と対物レンズ５の間にある必要はなく、
第２集束レンズ３の上流近傍に位置していてもよい。

さらに、上記の実施例においては、第１集束レンズ２と
第２集束レンズ３の門に第１集束レンズ２の結像点が存
在しているが、この要件は必ずしも必要なものではなく
、この間に結像点がなくともよく、また、第２集束レン
ズ３と対物レンズ５の間に第２集束レンズ３の結像点が
あるようにしてもよい。

〔発明の効果〕

本発明においては、任意のプローブ電流■、に対して、
対物レンズ５の励磁を変えることなしに、焦点深度を深
くできるようにしたので、次のような効果を奏する。

（ａ）焦点合わせの再調製が不要になった（ＥＰＭＡ等
では、分析点の基準点が光学顕微鏡等によって定められ
ているので、再焦点合わせが必要であると、操作が煩雑
になる）。

（ハ）任意のプローブ電流Ｉｐに対し、像回転補正が不
要になった。

（ｅ）焦点深度は対物絞りの半径ｒＡＰで決めることが
できるので、焦点深度を変更しても、上記（ａ）、（ｂ
）のメリットが生かされる。

（社）本発明の装置とエネルギー分散型Ｘ線分光器（Ｅ
ＤＳ）、又は、横型の波長分散型分光器を組み合わせる
ことにより、凹凸の激しい試料を像のボケやＸ線強度の
誤差なしに分析できる。

（ｅ）従来の、焦点深度は浅いが、プローブ径は細くな
る複数個の絞り径を持つモードを持つものと組み合わせ
ることにより、少数の絞りの個数で広範な焦点深度の調
整ができる（第２図参照）。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の電子顕微鏡等における焦点深度調整装
置の１実施例の構成説明図、第２図は第１図の焦点深度
調整装置の電子線の経路を従来のものの経路と比較して
示す図、第３図はビームの開き角と試料表面の凹凸との
関係を説明するための図である。 ｌ：電子銃（０）　、２　：第１集束レンズ（ＣＬｌ）
、３：第２集束レンズ（Ｃｌ３）　、４　：対物絞り（
ＡＰ）５　：対物レンズ（ＯＬ）　、６　：試料、７：
第１集束レンズ励磁用電源、８：第２集束レンズ励磁用
電源、９：対物レンズ励磁用電源、１０：制御部 出　　願　　人　日本電子株式会社

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）電子ビームの進行方向に、電子銃、第１集束レン
   ズ、第２集束レンズ、対物絞り、対物レンズを順に配置
   し、任意のプローブ電流に対して、対物レンズの焦点距
   離を変更することなしに所定の焦点深度を与えるように
   、第１集束レンズ及び第２集束レンズの焦点距離を制御
   可能に構成したことを特徴とする電子顕微鏡等における
   焦点深度調整装置。
2. （２）焦点深度の変更を、対物絞りの絞り径を変更する
   ことによって行うように構成したことを特徴とする請求
   項１記載の電子顕微鏡等における焦点深度調整装置。
3. （３）プローブ電流を変えると焦点深度も変化する通常
   のモードに切り換え可能に構成したことを特徴とする請
   求項１又は２記載の電子顕微鏡等における焦点深度調整
   装置。