JPH0522331B2

JPH0522331B2 -

Info

Publication number: JPH0522331B2
Application number: JP57141615A
Authority: JP
Inventors: Akira Yonezawa
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1982-08-17
Filing date: 1982-08-17
Publication date: 1993-03-29
Also published as: JPS5931548A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、試料から発した電子線の経路を調整
して、レンズ系の軸外非点収差、彎曲収差をでき
るだけ小さくした状態で低倍率広視野像を得る電
子線装置に関するものである。

電子顕微鏡をはじめとする各種電子線装置にお
いて三千倍程度以下の低倍率像を得るための結像
法として、例えば、第１図に示すようなものがあ
る。これは、対物レンズ４、中間レンズ５、投影
レンズ６で構成されるレンズ系を有する電子顕微
鏡で、対物レンズ４の励磁を、高倍率像を得る場
合とほぼ同様な強励磁状態にしておき、試料１か
ら発した電子線束３を対物レンズ４と中間レンズ
５とによつて投影レンズ６の物面に実像８として
結像させ、実像８を投影レンズ６によつてスクリ
ーン９上に拡大投影して観察像１０を得る過程に
おいて、投影レンズ６、中間レンズ５、対物レン
ズ４の励磁を調整することで倍率調整を行ない、
低倍率像を得るようにしている。

このような低倍率像の電子線装置では、高倍率
観察から低倍率観察への切換え時に対物レンズ４
の励磁電流を大幅に変化させないので、対物レン
ズ励磁をほとんど遮断する低倍率電子線装置に比
べて、対物レンズ４の励磁電流変化に伴う熱的試
料ドリフト、フオーカスドリフトを押えることが
でき、また、対物レンズ４が比較的強励磁となつ
ているために、軸上収差が小さくなるという点で
優れている。しかし、対物レンズ４が比較的強励
磁で、通常対物レンズ４の焦点距離が数ミリメー
トルと比較的短くなつていることと、電子顕微鏡
の構造上の要請から、対物レンズ４と中間レンズ
５との間隔を比較的大きく、例えば、加速電圧が
100乃至200KV（キロボトル）の電子顕微鏡では
上記間隔を100乃至200mm（ミリメートル）程度
にしなければならないことから、電子線束３の中
間レンズ５における広がりが大きくなり、中間レ
ンズ５によつて発生する軸外収差が大きくなり易
く、良質な低倍率広視野像が得られにくいという
欠点があつた。

そこで、例えば第２図に示すように、対物レン
ズ４と中間レンズ５との間、及び中間レンズ５と
投影レンズ６との間に補助的な電子レンズ１４及
び電子レンズ１５とをそれぞれ設けた多段レンズ
構造とし、試料１から発した電子線束３を対物レ
ンズ４と電子レンズ１４とによつて実像１６とし
て結像させ、更に中間レンズ５と電子レンズ１５
とによつて実像１７を投影レンズ６の物面に結像
させてから投影レンズ６によつてスクリーン９上
に低倍率の観察像１０を結像させる方法も提案さ
れている。このような電子線装置においては、電
子線束３が光軸２の比較的近い位置を経路とする
ので各レンズにおける軸外収差を小さくすること
ができる。

しかしながら、上記第２図で示したような電子
線装置にあつては、対物レンズ４を強励磁状態に
して軸上収差を小さくした状態で、更に各レンズ
で発する軸外収差も大幅に小さくすることがきる
が、軸外収差のうち、軸外非点収差、彎曲収差
は、各レンズで打ち消しあうことができないた
め、上記の電子線装置による千倍以下程度の低倍
率広視野像では、各レンズの配置、ポールピース
間隙、穴径によつてはまだ像周辺部に不鮮明な部
分が残りやすいという不具合があつた。

本発明は、上記のような従来の問題点に鑑みて
なされたもので、その目的は、電子顕微鏡におい
て、低倍率観察時に、高倍率観察時と同様に対物
レンズの励磁を強励磁に保持した状態で、レンズ
系の軸外非点収差、彎曲収差を出来るだけ小さく
することである。

一般に、レンズの軸外非点収差、彎曲収差によ
り像記録面において光軸より離れた点に生ずる楕
円形状のボケの大きさＡは、Ａ＝k∫^z1 _z0［ar²〓r²〓＋br²〓r′²〓＋cr〓r〓r′
〓r′〓＋dr′²〓r²〓＋er′²〓r′²〓＋］dz……(1)
で表される。

ここでｋ，ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ：磁場分布、加速電
圧等の関係 r〓，r〓，r′〓，r′〓：近軸電子線の軌道（試料面上
に
てr〓＝０，r′〓＝１，r〓＝１、対物絞り面上
にてr〓＝０を満足する。） Z₀：試料面の位置 Z₁：像面の位置である（Zworykin，V.K.et al：“Electron
Optics and the Electron Microscope”1945）。

通常の電子顕微鏡におけるレンズの場合、第(1)
式の第２項以下の項は第１項に対し無視すること
ができ、ボケの大きさＡは近似的に、Ａ＝k∫^z1 _z0ar²〓r²〓dz ……(2) となる。

ここで、r〓r〓は、例えば、第２図で示す電子線
３ａ，３ｂの光軸２からの距離をそれぞれ表す。

ここで、上述した各従来例によれば、電子線３
ａ及び３ｂは、第１図に示す例においては中間レ
ンズ５及び投影レンズ６において、また、第２図
に示す例においては中間レンズ５、補助的な電子
レンズ１５及び投影レンズ６において、光軸から
比較的離れる状態となつているから、このr〓及び
r〓の値は比較的大きなものにならるをえず、その
ボケの大きさＡも大きいものとなる。

本発明の要旨は、上記第(2)式に基づき、電子線
装置をレンズで生ずるボケの大きさＡを出来るだ
け小さくするように図つた点にある。

電子線装置の第１は、対物レンズ、中間レンズ
及び投影レンズを備え、試料の像を励磁状態とし
た対物レンズによつて結像させ、中間レンズと投
影レンズとにより高倍率の観察像を結像させる電
子線装置において、上記対物レンズを高倍率観察
時の強励磁に保持した励磁状態とし、対物レンズ
とこれに後続する中間レンズを含めた複数のレン
ズにより、対物レンズの後焦点より発散した電子
線束を、投影レンズのすぐ前の中間レンズの主面
付近に、一旦集束させ、低倍率観察を行うように
したものである。

係る構成により、電子線束は中間レンズの主面
に一端集束させるから上記r〓の値はこの主面位置
において０とでき、その周辺においても小さいも
のすることができとなり、上記各式におけるボケ
Ａの大きさを小さいものとすることができる。

また、電子線装置の第２は、対物レンズ、中間
レンズ及び投影レンズを備え、試料の像を励磁状
態とした対物レンズによつて結像させ、中間レン
ズと投影レンズにより高倍率の観察像を結像させ
る電子線装置において、上記対物レンズの後方に
電子レンズを設け、高倍率観察時の強励磁に保持
した上記対物レンズの励磁を調整して、対物レン
ズによる試料の像を対物レンズに後続する前記電
子レンズの主面付近へ一旦結像させるようにし、
さらに前記電子レンズの励磁状態は、前記電子レ
ンズから射出する電子線束を集束させ、かつ光軸
付近の電子線束が後続の中間レンズへ入射するよ
うに調整して低倍率観察を行うようにしたもので
ある。

係る構成により、電子線束は電子レンズの主面
に一端結像するから上記r〓の値はこの主面位置に
おいて０となりその周辺の値も小さいものとな
り、ボケＡの大きさを小さいものとすることがで
きる。

さらに、この電子レンズの励磁状態をこの電子
レンズから射出する電子線束を後続の中間レンズ
へ入射してこのレンズにおいても、電子線がなる
べく光軸から離れないものとして、上記r〓，r〓の
値をなるべく小さいものとなるようにしてボケＡ
の大きさを小さいものとしている。

そして、電子線装置の第３は対物レンズ、制限
視野絞り、中間レンズ及び投影レンズをこの順に
備え、試料の像を対物レンズによつて結像させ、
中間レンズと投影レンズとにより高倍率の観察像
を結像させる電子線装置において、上記対物レン
ズを高倍率観察時の強励磁に保持した励磁状態と
し、対物レンズと制限視野絞りとの間に電子レン
ズを配置し、対物レンズのみによる像面及び対物
レンズと上記電子レンズとにより形成された像面
を上記電子レンズの主面と制限視野絞り面との間
に形成するように対物レンズの励磁を調整して低
倍率観察を行うようにしたものである。

そして、電子線装置の第３のものについては、
電子レンズは、対物レンズヨークに内包して設置
されているものとすることができる。

かかる構成により、電子線束を電子レンズの主
面の近く、即ち、対物レンズのみによる像面及び
対物レンズと上記電子レンズとにより形成された
像面が上記電子レンズの主面と制限視野絞り面と
の間に形成するものとして、上記r〓の値はこの主
面位置において０となり積分の値を小さいものと
でき、ボケＡの大きさを小さいものとすることが
できる。

これら諸々の電子線装置によつて、軸外非点収
差等を大幅に減らすことができ、より一層鮮明な
観察像が得られるようになる。

以下、添付図面に示す実施例に基づいて本発明
を詳細に説明する。

第３図は、本発明における第１の発明に係る電
子線装置を示す図である。この電子線装置では、
第２図に示す従来の電子顕微鏡と同様のレンズ構
成とし、試料１から出た電子線束３を対物レンズ
４と電子レンズ１４とによつて実像１６ａとして
結像させ、更に、第１の中間レンズ５と第２の中
間レンズ１５とによつて実像１７ａを投影レンズ
６の物面に結像させてから、投影レンズ６によつ
てスクリーン９上に低倍率の観察像１０を結像さ
せる。この結像過程における各レンズの励磁調整
において、試料１から光軸２と平行に発した電子
線３ｂが対物レンズ４の後焦点１８ａに集束して
更に発散した後に、第２の中間レンズ１５の主面
付近（位置１９）に再び集束するように、主に電
子レンズ１４、第１の中間レンズ５の励磁を調整
している。

このような電子線装置によれば、試料１から出
た電子線３ｂを、対物レンズ４の後焦点１８ａで
集束、発散させた後、再び第２の中間レンズ１５
の主面付近に集束させて第２の中間レンズ１５に
おけるr〓を近似的にゼロ（第(2)式参照）にしてい
るので第２の中間レンズ１５での軸外非点収差、
彎曲収差が極めて小さくなり、第２図で示した電
子線装置に比べてスクリーン９上に結像する観察
像１０のボケが極めて少なくなる。

なお、主に電子レンズ１４の励磁調整により、
対物レンズ４の後焦点１８ａより発散した電子線
束３ｂを第１の中間レンズ５の主面付近に集束さ
せれば、上記同様第１の中間レンズ５の収差を小
さくすることができる。

第４図は、第２の発明に係る電子線装置を示す
説明図である。この電子線装置では、試料１から
発した電子線３ａを対物レンズ４の励磁を調整す
ることによつて電子レンズ１４の主面付近に実像
１６ｂとして結像させ、更に第１の中間レンズ５
と第２の中間レンズ１５とによつて実像１７ｂを
投影レンズ６の物面に結像させてから、投影レン
ズ６によつてスクリーン９上に低倍率の観察像１
０を結像させる。このような、対物レンズ４の励
磁調整をして電子レンズ１４の主面付近に実像１
６ｂを結像させてから観察像１０を得る電子線装
置では、光軸２上の試料１から発した電子線３ａ
を電子レンズ１４の主面付近の光軸２上を通過さ
せて、電子レンズ１４におけるr〓を近似的にゼロ
（第(2)式参照）にしているので電子レンズ１４で
の軸外非点収差、彎曲収差が極めて小さくなる。
対物レンズは、高分解能においては比較的短焦点
であるので、通常の使用状態では試料より発した
電子線束３は、対物レンズ後方に配置した中間レ
ンズ５において、大きな軸外非点収差、彎曲収差
を生じやすいが、本発明の電子線装置では、電子
レンズ１４の主面付近に実像１６ｂを結像させた
ために、中間レンズ５における電子線束３の広が
りが小さくなり、従来の電子線装置に比べてスク
リーン９上に結像した観察像１０のボケが少なく
なる。

なお、電子レンズ１４は結像にはほとんど寄与
していないが、対物レンズ４直後の位置に設置さ
れ、この対物レンズ４の後焦点１８ａから発散し
た電子線３ｂの軌道を光軸２の方向に屈折させて
第１の中間レンズ５における第(2)式のr〓を小さく
するようにして第１の中間レンズ５での収差が大
きくならないようにしているので、上記位置より
も後方に設置された場合に比較して上記ボケを小
さくするのにより効果的である。

更に、第５図は第３の発明に係る電子線装置を
示す説明図である。この電子線装置は、対物レン
ズ４、第１の中間レンズ５、第２の中間レンズ１
５及び投影レンズ６を設け、更に対物レンズ４と
第１の中間レンズ５との間に制限視野絞り１１を
設けた電子顕微鏡の、対物レンズ４と制限視野絞
り１１との間に設置可能な補助的な電子レンズ１
２を配置したレンズ構成になつている。実際の電
子レンズ１２は、第６図に示すように、対物レン
ズ４の磁極ギヤツプ４ａと、対物レンズ４の後段
に設けた制限視野絞り１１との間で、対物レンズ
ヨーク４ｂに内包して設置してあり、例えば加速
電圧100乃至200KVの普通型電子顕微鏡において
は、対物レンズ４の磁極ギヤツプ４ａと制限視野
絞り１１との距離は100乃至150mm程度になつて
いることから、第５図において電子レンズ１２は
対物レンズ４に比較的近接して配置されている。

ここで、試料１から発した電子線束３を対物レ
ンズ４と電子レンズ１２とによつて実像１６ｃと
して結像させ、更に第１の中間レンズ５と第２の
中間レンズ１５とによつて実像１７ｃを投影レン
ズの物面に結像させてから、投影レンズ６によつ
てスクリーン９上に低倍率観察像１０を結像させ
ており、この結像過程において、対物レンズ４の
励磁を調整して対物レンズ４のみによる像面が電
子レンズ１２の主面と制限視野絞り１１との間に
形成されるようにしている。つまり、電子レンズ
１２を励磁ゼロの状態にして、光軸２上の試料１
から発した電子線３ａが電子レンズ１２と制限視
野絞り１１面との間において光軸２を通過する
（第５図中２０で示した）ように対物レンズ４の
励磁を調整する。

ところで、上記のように、電子レンズ１２を対
物レンズ４の近傍に設置すると、一般に、電子レ
ンズ１２における電子線束３の広がりが小さくな
り、また、電子レンズ１２によつて第１の中間レ
ンズ５における電子線束３の広がりも小さくなる
ので、電子レンズ１２と第１の中間レンズ５にお
ける軸外非点収差、彎曲収差が小さくなるが、こ
こで上記のような電子線装置による電子レンズ１
２での収差の状態を説明する。

第７図は、電子レンズ１２のみの、軸外非点収
差、彎曲収差に起因した楕円状のボケの長径ｄ
（μm）の値と上述した対物レンズ４のみによつて
結像している状態での像面の位置Ziとの関係の一
例を示した特性グラフ（第(1)式に基づいている）
である。ただし、上記像面位置Ziの原点は対物レ
ンズ４の中心位置とし、観察倍率は1000倍、観察
点は、像記録面において光軸を中心とした
100mmの円周上の点、対物絞りの開き半角は１
×10^-2rad.（ラジアン）、対物レンズ４の焦点距離
は3mm、電子レンズ１２において、間隙ｓ＋穴
径ｂ＝40mmとしている。

第７図において、斜線部は通常の電子顕微鏡で
制限視野絞り１１が配置される位置（対物レンズ
４から100乃至150mmの位置）を示し、特性曲線
Ｐは電子レンズ１２を対物レンズ４の後方
500mm（位置Ａ）に配置した場合を、また特性曲
線Ｑは電子レンズ１２を対物レンズ４の後方
100mm（位置Ｂ）に配置した場合をそれぞれ示し
ている。特性曲線Ｐ，Ｑともに対物レンズ４のみ
による像面位置Ziを電子レンズ１２の主面に形成
した場合にボケの大きさｄが最小になる（これは
第２発明の状態を示すものである）が、対物レン
ズ４のみによる像面位置Ziを電子レンズ１２の主
面と制限視野絞り１１面との間に形成すれば、電
子レンズ１２での収差に起因するボケの大きさは
たかだか10μmとなり、一般に像記録面に配置さ
れたフイルムの分解能が20μm程度ということを
考えれば、充分小さい値である。

第８図は対物レンズ４のみによる像面位置Zi
と、対物レンズ４における励磁の変化率｜ΔJ／
J₀｜との関係の一例を示したグラフであり、この
特性グラフは、対物レンズ４の形状を間隙Ｓ＋穴
径ｂ＝14mmとし、J₀を対物レンズ４による無限
遠結像、すなわちZi＝∞のときの起励力としたと
きに、相対論補正された加速電圧Ｕ〓をJ₀／√Ｕ
〓 ≒18を満足する値に調整した電子顕微鏡におい
て得られる特性を示す。

一般に、対物レンズ４による像面がZiの位置の
ときの対物レンズ４の起磁力Ｊは、Ｊ＝J₀＋ΔJ ただし、 Zi＞０のときΔJ＞０ Zi＜０のときΔJ＜０で求められるが、対物レンズ４のみによる像面を
第６図における電子レンズ１２の主面と制限視野
絞り１１面との間、例えば第８図における位置Ｃ
に形成する場合、このグラフから励磁の変化量
ΔJを ΔJ＝α・J₀ と求めてから、このΔJを第１式に代入し、Ｊ＝（１＋α）J₀ となる起磁力Ｊに対物レンズ４を調整すればよ
い。

なお、この第３の電子線装置と、上記第１の電
子線装置とを組合わせ、第５図において、第１の
中間レンズ５の励磁調整によつて電子線３ｂを第
２の中間レンズ１５の主面付近に集束させれば、
更にレンズ系全体の軸外非点収差、彎曲収差を小
さくすることができる。

以上説明してきたように、本発明の第１の電子
線装置によれば、対物レンズ、中間レンズ及び投
影レンズを備え、試料の像を対物レンズによつて
結像させ、中間レンズと投影レンズとにより観察
像を結像させる電子線装置において、一つは対物
レンズとこれに後続する中間レンズを含めた複数
のレンズにより、対物レンズの後焦点より発散し
た電子線束を、投影レンズのすぐ前の中間レンズ
の主面付近に、一旦集束させるようにした。

また、第２の電子線装置によれば対物レンズの
後方に電子レンズを設け、対物レンズによる試料
の像を、対物レンズに後続する前記電子レンズの
主面付近に、一旦結像させると共に、電子レンズ
から射出する電子線束を集束させ、かつ光軸付近
の電子線束が後続の中間レンズへ入射するように
ようにした。

更に、第３の電子線装置によれば対物レンズ、
制限視野絞り、中間レンズ及び投影レンズをこの
順に備え、試料の像を対物レンズによつて結像さ
せ、中間レンズと投影レンズとにより高倍率の観
察像を結像させる電子線装置において、対物レン
ズと制限視野絞りとの間に電子レンズを配置し、
対物レンズのみによる像面及び対物レンズと上記
電子レンズとにより形成された像面を上記電子レ
ンズの主面と制限視野絞り面との間に形成させる
ようにした。

本願各発明は上記の構成により、対物レンズの
励磁を低倍率観察時に、高倍率観察時の対物レン
ズの強励磁状態に保持し、後段のレンズにおける
電子線の軌跡が光軸から離れないので、レンズ系
の軸外非点収差、及び彎曲収差をより小さくして
ボケの量を少ないものとすることができ、低倍率
における良質の広視野像を得ることができるとい
う効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の低倍率広視野像を得るための
電子線装置の一例を示す図である。第２図は、従
来の低倍率広視野を得るための電子線装置の他の
一例を示す図である。第３図は、対物レンズの後
焦点より発散した電子線束を中間レンズの主面付
近に集束させるようにした第１の発明の実施例を
示す図である。第４図は、対物レンズに後続する
電子レンズの主面付近に、対物レンズ結像を行わ
せるようにした第２の発明の実施例を示す図であ
る。第５図は、対物レンズと、制限視野絞り面と
の間に設けた電子レンズの主面と制限視野絞り面
との間に、対物レンズのみによる像面を位置させ
た第３の発明の実施例を示す図である。第６図
は、第５図における電子レンズの一例を示す断面
図である。第７図は、第５図における電子レンズ
のみの軸外非点収差、彎曲収差に起因した楕円状
のボケの長径ｄと対物レンズのみによる像面位置
Ziとの関係の一例を示すグラフ図である。第８図
は、対物レンズのみによる像面位置Ziと、対物レ
ンズにおける励磁の変化率｜ΔJ／J₀｜との関係
の一例を示すグラフ図である。１……試料、２……光軸（レンズ軸）、３……
電子線束、４……対物レンズ、５……中間レン
ズ、６……投影レンズ、９……スクリーン、１０
……観察像、１１……制限視野絞り、１２，１４
……電子レンズ、１５……中間レンズ、１８ａ…
…対物レンズの後焦点。

Claims

【特許請求の範囲】１対物レンズ、中間レンズ及び投影レンズを備
え、試料の像を励磁状態とした対物レンズによつ
て結像させ、中間レンズと投影レンズとにより高
倍率の観察像を結像させる電子線装置において、上記対物レンズを高倍率観察時の強励磁に保持
した励磁状態とし、対物レンズとこれに後続する
中間レンズを含めた複数のレンズにより、対物レ
ンズの後焦点より発散した電子線束を、投影レン
ズのすぐ前の中間レンズの主面付近に、一旦集束
させ、低倍率観察を行うようにしたことを特徴と
する電子線装置。２対物レンズ、中間レンズ及び投影レンズを備
え、試料の像を励磁状態とした対物レンズによつ
て結像させ、中間レンズと投影レンズとにより高
倍率の観察像を結像させる電子線装置において、上記対物レンズの後方に電子レンズを設け、高
倍率観察時の強励磁に保持した上記対物レンズの
励磁を調整して、対物レンズによる試料の像を対
物レンズに後続する前記電子レンズの主面付近へ
一旦結像させるようにし、さらに前記電子レンズの励磁状態は、前記電子
レンズから射出する電子線束を集束させ、かつ光
軸付近の電子線束が後続の中間レンズへ入射する
ように調整して低倍率観察を行うようにしたこと
を特徴とする電子線装置。３対物レンズ、制限視野絞り、中間レンズ及び
投影レンズをこの順に備え、試料の像を対物レンズによつて結像させ、中間
レンズと投影レンズとにより高倍率の観察像を結
像させる電子線装置において、上記対物レンズを高倍率観察時の強励磁に保持
した励磁状態とし、対物レンズと制限視野絞りとの間に電子レンズ
を配置し、対物レンズのみによる像面及び対物レ
ンズと上記電子レンズとにより形成された像面を
上記電子レンズの主面と制限視野絞り面との間に
形成するように対物レンズの励磁を調整して低倍
率の観察を行うようにしたことを特徴とする電子
線装置。４上記電子レンズは、対物レンズヨークに内包
して設置されていることを特徴とする特許請求の
範囲第３項記載の電子線装置。