JPH05242845A - 電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 任意のプローブ電流に対し試料の位置が変化
しても、対物レンズの励磁を変えることなくフォーカス
を合わせてビームの径が最小となる最適な開き角で電子
ビームを照射する 【構成】 電子銃１からの電子プローブは、３段の集束
レンズ２〜４、対物レンズ５によって試料７上に細く集
束される。８〜１１は各レンズ２〜５の電源であり、電
源８〜１１はコンピュータの如き制御部１２によって制
御される。制御部１２において、集束レンズ２，３，４
に必要な焦点距離ｆ_１ ，ｆ_２ ，ｆ_３を求め、この焦
点距離に応じて集束レンズ２，３，４の電源８，９，１
０を制御する。その結果、与えられた加速電圧のもと
で、対物レンズの励磁を変えることなく任意のプローブ
電流Ｉ_Ｐ 、任意のプローブ開き角α_４ 、任意の試料
位置Ｚ_４ に対して、試料７の表面上に電子ビームを最
適な開き角でフォーカスさせることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、透過型の電子顕微鏡に
おける照射系や走査電子顕微鏡や電子プローブマイクロ
アナライザなどにおいて、最適な開き角で電子ビームを
試料に照射することができる電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡や電子プローブマイクロ
アナライザ（ＥＰＭＡ）では、電子ビームを試料に照射
し、電子ビームの照射点から発生した２次電子，反射電
子，Ｘ線などを検出し、試料の定性，定量分析を行って
いる。このＥＰＭＡなどでは、電子プローブの電流Ｉ
_Ｐ を定めると、試料面上における電子プローブ径ｄを
最小にするような電子プローブの開き角α_ｏ は、プロ
ーブ電流Ｉ_Ｐ に対してただ１つしか存在しない。この
ため、広い範囲のプローブ電流Ｉ_Ｐ に対応して開き角
αを変える必要が生じる。先願の発明（特開平１−１５
９９４３号）では、３段の集束レンズ系，対物レンズを
備えた光学系において、最終段の集束レンズの前方に開
き角制御用絞りを備え、各レンズの強度をプローブ電流
に連動して終段の集束レンズの結像位置を一定にしなが
ら、かつ、開き角を最適にするように制御し、常に与え
られたプローブ電流に対して最適な開き角で試料に電子
プローブを照射できるようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、先願の
発明では、試料表面が平坦でない時や試料の高さ方向の
位置が変化した時に対物レンズの励磁を変えてフォーカ
スを合わせようとすると、照射系側では問題が発生しな
くとも透過型の電子顕微鏡等では、対物レンズの励磁変
更が結像系側に対して最適な励磁条件とならない場合が
ある。これは１つの対物レンズが結像側と照射側の両方
の役目を持っているためである。また、プローブを最終
段の集束レンズと対物レンズの間に配置した走査コイル
などによって偏向している場合には、対物レンズの励磁
変更に伴って像回転が生じ、結晶の構造解析などで不具
合が生じる場合がある。また、異なる試料の高さに対し
て、異なる開き角になれば集束電子線回折を行っている
場合、ビームの開き角が異なると、回折像の範囲などが
異なってしまう。更に、対物レンズの励磁を一定に保
ち、集束レンズ系を制御してフォーカス合わせを行うこ
とが可能であるが、先願の発明では、試料面の位置が変
化した際に、試料面に入射するプローブの開き角とプロ
ーブ電流とを一定に保つフォーカス合わせの方法が示さ
れていない。

【０００４】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、試料の位置が変化しても、対物レ
ンズの励磁強度を維持したままフォーカスを合わせて最
適な開き角で電子ビームを照射することができる電子顕
微鏡を実現するにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に基づく電子顕微
鏡は、第１と第２と第３の集束レンズと、対物レンズ
と、第１と第３の集束レンズの間に配置された開き角制
御用の絞りと、各レンズの電源と、レンズ電源の制御手
段とを備え、該レンズ電源の制御手段は、対物レンズの
励磁を一定とした状態でプローブ電流と試料の高さ位置
に連動して、試料に入射する電子プローブの開き角を最
適とするように、各集束レンズのレンズ電源を制御する
ようにしたことを特徴としている。

【０００６】

【作用】本発明に基づく電子顕微鏡は、対物レンズの励
磁を一定とした状態でプローブ電流と試料の高さ位置に
連動して、試料に入射する電子プローブの開き角を最適
とするように、各集束レンズのレンズ電源を制御する。

【０００７】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図１は、本発明の一実施例としての電子光
学系を示しており、１は電子銃、２〜４は集束レンズ、
５は対物レンズ、６は開き角制御用絞り、７は試料であ
る。このような構成で、電子銃１からの電子プローブ
は、３段の集束レンズ２〜４、対物レンズ５によって試
料７上に細く集束される。８〜１１は各レンズ２〜５の
電源であり、電源８〜１１はコンピュータの如き制御部
１２によって制御される。集束レンズ２〜４は、互いに
連動して制御されるが、集束レンズ２はビーム電流の制
御のため、集束レンズ３は開き角の制御ため、集束レン
ズ４はビームを定点に結像するか又は対物レンズの励磁
を変えずに対物レンズの結像位置を変える役割を持つ。
電子銃１と集束レンズ２の主面間の距離はＬ_０ 、集束
レンズ２と３の主面間の距離はＬ _１ 、集束レンズ３と
４の主面間の距離はＬ_２ 、集束レンズ４と対物レンズ
５の主面間の距離はＬ_３ である。また、各レンズ２〜
５の各主面から結像点Ｐ_１ 〜Ｐ_４ までの距離は、各々
Ｚ_１ 〜Ｚ_４ 、絞り６と集束レンズ４の主面間の距離
はＬ_Ａ 、電子銃１、各レンズ２〜５を出射した電子ビ
ームのプローブ電流Ｉ_Ｐ に対応する包絡線と光軸との
なす角を各々α_０ ，α_１ ，α_２ ，α _３ ，α_４
とし、そして、対物レンズ５の焦点距離は一定とする。

【０００８】さて、先願の発明では、任意のプローブ電
流Ｉ_Ｐ に対し、試料７に照射される電子ビームの開き
角α_４ を任意に設定できることは既に述べた。ここ
で、試料７の位置Ｚ_４ と開き角α_４ を任意に選ぶ
と、対物レンズ５の主面上のビームの拡がり半径ｒ_４
は、ビーム電流Ｉ_ｐ に依存せず、次式に基づいて設定
することができる。

【０００９】 ｒ_４ （Ｚ_４ ，α_４ ）＝ｚ_４ ・α_４ ……（１） ここで左辺の（ ）内は、ｒ_４ がＺ_４ とα_４ の関
数であることを示す。以下、この意味で（ ）を用い
る。また、対物レンズ５の励磁は電子ビームの加速電圧
が同じであれば常に一定で、対物レンズ５の焦点距離ｆ
_４ は適当に選んで一定なので、 Ｚ_３ （Ｚ_４ ）＝Ｌ_３ −｛Ｚ_４ ・ｆ_４ ／（Ｚ_４ −ｆ_４ ）｝ ……（２） となる。従って、Ｚ_４ が一定である限り、Ｚ_３ の値
も一定である。また、（１），（２）式から、集束レン
ズ４の主面上のビーム拡がり半径ｒ_３ が次式によって
求められる。

【００１０】 ｒ_３ （Ｚ_４ ，α_４ ）＝Ｚ_３ ｛ｒ_４ ／（Ｌ_３ −Ｚ_３ ）｝ （＝Ｚ_３ α_３ ） ……（３） 次に、Ｚ_２ は、 ｒ_３ ／（Ｌ_２ −Ｚ_２ ）＝ｒ_Ａ ／｛（Ｌ_２ −Ｚ_２ ）−Ｌ_Ａ ｝ ＝α_２ ……（４） を満たす必要があるので、 Ｚ_２（Ｚ_４ ，α_４ ）＝Ｌ_２ −｛ｒ_３ Ｌ_Ａ ／（ｒ_３ −ｒ_Ａ ）｝ ……（５） α_２ （Ｚ_４ ，α_４ ）＝（ｒ_３ −ｒ_Ａ ）／Ｌ_Ａ ……（６） となる。従って、集束レンズ４の焦点距離ｆ_３ は、上
記（２）と（５）式から、 ｆ_３ （Ｚ_４ ，α_４ ）＝Ｚ_３ ・（Ｌ_２ −Ｚ_２ ）／｛Ｚ_３ ＋ （Ｌ_２ −Ｚ_２ ）｝ ……（７） となる。また、（５）と（６）式から、第２集束レンズ
３の主面上のビーム拡がり半径ｒ_２ は、 ｒ_２ （Ｚ_４ ，α_４ ）＝α_２ ・Ｚ_２ ……（８） となる。さて、電子銃１の輝度をβ、電子銃における仮
想光源の直径をｄ_ｇ とすれば、プローブ電流Ｉ_Ｐ に
対して、 α_０ （Ｉ_Ｐ ）＝｛Ｉ_Ｐ ／（π^２ β（ｄ_ｇ ／２）^２ ）｝^１／２ ……（９） なので、第１集束レンズ２の主面上のビーム拡がり半径
ｒ1 は、上記（９）式から、 ｒ_１ （Ｉ_Ｐ ）＝Ｌ_０ ・α_０ ……（10） で求められる。ここで、Ｚ_１ は、 ｒ_１ ／Ｚ_１ ＝ｒ_２ ／（Ｌ_１ −Ｚ_１ ）＝α_１ ……（11） を満たす必要があるので、（８）と（11）式から、 Ｚ_１ （Ｉ_Ｐ ，Ｚ_４ ，α_４ ）＝ｒ_１ Ｌ_１ ／（ｒ_１ ＋ｒ_２ ） ……（12） が求められ、集束レンズ３と集束レンズ２の焦点距離ｆ
_２ ，ｆ_１ が上記（５）と（12）式から、 ｆ_２ （Ｉ_Ｐ ，Ｚ_４ ，α_４ ） ＝（Ｌ_１ −Ｚ_１ ）Ｚ_２ ／｛（Ｌ_１ −Ｚ_１ ）＋Ｚ_２ ｝ ……（13） ｆ_１ （Ｉ_Ｐ ，Ｚ_４ ，α_４ ）＝Ｌ_０ Ｚ_１ ／（Ｌ_０ ＋Ｚ_１ ） ……（14） として求められる。このようにして、固定した対物レン
ズ５の焦点距離ｆ_４ の値で、任意のＩ_Ｐ ，Ｚ_４ ，
α_４ に対して（７），（13），（14）式によって各レ
ンズ２，３，４の焦点距離ｆ_３ ，ｆ_２ ，ｆ_１ が求
められる。次に、Ｉ_Ｐ ，α_４ は一定のままで試料７
の位置を、図１に示すように、Ｚ_４ からＺ_４ ′に変
更したとする。ここで、この試料位置を移動させても、
プローブ電流を変えずに、フォーカスを合わせて同じ開
き角で電子ビームを試料７に照射しなければならず、そ
のため、集束レンズ４の結像点をＰ_３ からＰ_３ ′に
移動させる必要がある。本発明の実施例では、制御部１
２において、（１）〜（14）式におけるＺ_４ の代わり
にＺ_４ ′を代入した式を用い、（７），（13），（1
4）式から、集束レンズ２，３，４に必要な焦点距離ｆ
_１ ，ｆ_２ ，ｆ_３ を求め、この焦点距離に応じて集
束レンズ２，３，４の電源８，９，１０を制御する。そ
の結果、与えられた加速電圧のもとで、任意のプローブ
電流Ｉ_Ｐ 、任意のプローブ開き角α_４ 、任意の試料
位置Ｚ_４ に対して、試料７の表面上に対物レンズの励
磁を変えずに電子ビームを最適な開き角でフォーカスさ
せることができる。なお、図１の実線で示した電子ビー
ムの経路は、試料７の位置がＺ_４のとき、点線で示した
電子ビームの経路は、試料７の位置がＺ_４ ′のときの
ものであり、両者の開き角は同一となっている。

【００１１】以上本発明の一実施例を詳述したが、本発
明はこの実施例に限定されない。例えば、絞り６の位置
は、図１に示された第２と第３の集束レンズの間に限定
されず、図２に示すように、第１と第２の集束レンズの
間であっても良い。図２の場合、試料位置がＺ_４ から
Ｚ_４ ′に変化すると、電子ビームの経路は、図中実線
の状態から点線の状態への変化させられる。

【００１２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に基づく電
子顕微鏡は、対物レンズの励磁を一定とした状態で任意
のプローブ電流と任意の試料の高さ位置に対して、試料
表面に集束レンズによって電子プローブのフォーカスを
合わせる時、連動して、試料に入射する電子プローブの
開き角を最適とするように、各集束レンズのレンズ電源
を制御するように構成したので、試料の位置が変化して
も、対物レンズの励磁を変えることなくフォーカスを合
わせて常に最適な開き角で試料に電子ビームを照射する
ことができる。その結果、試料上のビーム径を常に最小
とすることができ、また、終段集束レンズと対物レンズ
の間に配置した走査コイルなどによってプローブを偏向
しても像の回転が生じることはなく、結晶構造の回析に
都合が良い。更にフォーカス調整しても開き角が変化し
ないので集束電子線回折を行う場合などでは好都合であ
る。さらに、対物レンズの焦点距離を一定に保ちなが
ら、プローブ電流を変える操作，開き角を変更する操
作，プローブのフォーカスを合わせる操作を互いに他の
操作に影響を与えること無く独立に行うことができるの
で、装置の操作性をより向上させることができる。更に
また、位置を微調整する必要のある絞りを必ずしも集束
レンズの主面上に配置しなくとも良いので、ビームの通
路としてのライナーチューブをポールピース部に配置で
きることになる。又、透過型の電子顕微鏡では結像側の
励磁条件を最適に保ちながら照射系側のフォーカス調整
が可能なので好都合である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の電子光学系を示す図であ
る。

【図２】本発明の他の実施例の電子光学系を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…電子銃 ２，３，４…集束レンズ ５…対物レンズ ６…絞り ７…試料 ８，９，１０，１１…電源 １２…制御部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１と第２と第３の集束レンズと、対物
   レンズと、第１と第３の集束レンズの間に配置された開
   き角制御用の絞りと、各レンズの電源と、レンズ電源の
   制御手段とを備え、該レンズ電源の制御手段は、対物レ
   ンズの励磁を一定とした状態でプローブ電流と試料の高
   さ位置に連動して、試料に入射する電子プローブの開き
   角を最適とするように、各集束レンズのレンズ電源を制
   御するようにした電子顕微鏡。