JPH0594798A

JPH0594798A - 焦点深度切り換え可能な電子顕微鏡等の電子光学観察装置

Info

Publication number: JPH0594798A
Application number: JP3115740A
Authority: JP
Inventors: Miyuki Matsutani; 幸松谷
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1991-05-21
Filing date: 1991-05-21
Publication date: 1993-04-16
Also published as: US5225676A

Abstract

(57)【要約】【目的】モード切り換えによって焦点深度を変更する
ことができる電子顕微鏡等において、モード切り換えの
際に広い試料位置範囲で一定の像回転補正で何れのモー
ドでも像回転が殆どなしに観察可能にする。【構成】高分解能を得る従来モードにおける第２集束
レンズ２の結像位置Ｙから対物レンズ３までの距離ｂ、
及び、焦点深度の深いモードにおける対物レンズ３から
第２集束レンズ２の結像位置Ｑまでの距離ａを、対物レ
ンズ３から最も離れた試料位置Ｓ₂までの距離ｗ₂に比
較して十分大きく設定して、何れの試料位置においても
モード変換に伴う像回転をほぼ同じ角度にし、試料位置
を変えたときのモード変換に伴う像回転補正を広い範囲
の作動距離について同じ角度にしても、その変換による
像回転を極めて小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子ビームを試料面に
集束して照射することによりその表面形状、物性の違い
等を観察する電子顕微鏡等の電子光学観察装置に関し、
特に、異なるモードに切り換えることにより焦点深度切
り換え可能な電子顕微鏡等の電子光学観察装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図５に凹凸のある試料Ｓに入射する電子
ビーム（プローブ）Ｂの開き角αとプローブ径ｄ_Pと走
査線間の距離Ｓ_rを示すが、従来の走査型電子顕微鏡
（ＳＥＭ）、電子プローブマイクロアナライザ（ＥＰＭ
Ａ）、オージェ電子分光装置（ＡＥＳ）等においては、
試料Ｓに照射するプローブ電流Ｉ_Pを決めたとき、この
Ｉ _Pの値に対して試料Ｓ上でのプローブ径ｄ_Pが最小値
になるように、又は、最小値に近づくように電子光学系
を制御していた（例えば、特公昭５６−１０７４０号、
特開平１−１５９９４３号）。この結果、観察倍率Ｍが
低いときには、試料Ｓ面を走査する電子プローブＢの走
査線間の距離Ｓ_rはプローブ径ｄ_Pよりもはるかに大き
くなり、試料Ｓに入射するビームＢの開き角αも大きな
値（例えば、０．５〜１×１０^-2ｒａｄ）になってい
た。したがって、次式（１．１）で定義される焦点深度
Ｄ_Fも小さな値になっていた。

【０００３】Ｄ_F＝±（ｒ／Ｍ−ｄ_P）／２α ・・・（１．１）ここで、ｒは人間の目が許容するボケの値（通常、０．
２ｍｍと言われている。）である。したがって、ｄ_P≪
ｒ／Ｍの場合には、Ｍ＝１００×では、ｒ／Ｍ＝２×１
０^-3ｍｍであるから、２α＝１〜２×１０^-2ｒａｄを代
入すると、最大でもＤ_F＝±０．１〜±０．２ｍｍとな
る。特に、ＳＥＭの試料としては、表面の凹凸が±０．
２ｍｍを越えるものは日常的であるから、焦点深度は必
ずしも十分なものではなかった。

【０００４】従来のＳＥＭにおけるこのような縮小レン
ズ系（対物レンズ等は、電子銃の像を試料上に縮小して
結像するので、このように呼ばれる。）において、あえ
て焦点深度を深くする方法としては、（Ａ）対物レンズの前段に配置されている対物絞り（図
２の５）径を小さくする（例えば、〜１０μｍ）。（Ｂ）作動距離を大きくする（例えば、〜５０ｍｍ）。等が考えられる。

【０００５】また、（Ｃ）任意のプローブ電流Ｉ_Pに対してプローブ径ｄ_P
を最小にする制御方式から切り換えて、任意のプローブ
電流Ｉ_Pと任意の観察倍率Ｍに対して、常に焦点深度を
最大にする（例えば、特開平１−２３６５６３号）。のような新しい考え方もある。これは、図５と同様な図
６に示すように、プローブ径ｄ_Pが大きくなっても観察
倍率Ｍが小さければ、ｄ_Pは試料Ｓ面上の走査線の間隔
Ｓ_rよりも小さくなることを利用するものである。通
常、間隔Ｓ_rは観察倍率Ｍで拡大しても人間の目に認識
されないように選ばれるので（Ｓ_r・Ｍ≦０．２ｍ
ｍ）、当然ｄ_P・Ｍ＜０．２ｍｍとなり、ｄ_Pが大きい
ことによるボケも認識されない。したがって、ボケが認
識されない範囲で焦点深度を最大にしようとするもので
ある。

【０００６】次に、従来のＳＥＭよりもさらに高分解能
を目指して強励磁対物レンズを用いる超高分解能のＳＥ
Ｍでは、レンズの収差係数を小さくするために、対物レ
ンズのポールピースの間隙を小さくし、この間隙内に試
料を入れるような方式をとっている。この場合、倍率を
小さくするには、対物レンズの励磁を弱める必要がある
ので、次のような手法をとっている。

【０００７】（Ｄ）対物レンズの励磁を切って、その前
段の集束レンズによってフォーカス調整を行う。（Ｅ）対物レンズの励磁を倍率に応じて変え、小さい倍
率ほど対物レンズの励磁を弱め、フォーカス調整は対物
レンズの前段の集束レンズの焦点距離を変えることによ
って行う。この時、対物レンズ主面上のビーム径は、集
束レンズの絞り径で制限されている（例えば、特公昭４
９−４０３８０号）。

【０００８】上記（Ｄ）では、前段の集束レンズと試料
の距離が離れているため（例えば、１５０ｍｍ）、前段
の集束レンズの主面にφ３００μｍの絞りを入れておけ
ば、試料に入射するビームの開き角αは容易に１×１０
^-3ｒａｄが得られる。また、（Ｅ）では、特公昭４９−
３６７６９号に示すように、前段の集束レンズによって
対物レンズの主面上のビーム径が小さくなるように制御
すれば、焦点深度を大きくできることがわかる。なお、
（Ｄ）や（Ｅ）は低倍観察が主な目的であり、上記の焦
点深度が大きくなるのは２次的な効果である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記
（Ａ）の方法では、まず絞り交換の操作が必要であり、
交換の後は、絞りの軸調整が必要になる。また、例えば
焦点深度を５倍にしようとすれば、少なくとも絞り径は
１／５にしなければならず、製作上の精度の問題や絞り
の汚染が絞りを通過するビームに影響を与える問題が発
生する。また、プローブ電流を増やすために、第２集束
レンズ（図２の２）の結像点を絞り（図２の５）に接近
させるような装置では、プローブ電流の増大と共に試料
に入射するビーム角αも増大する。

【００１０】また、前記（Ｂ）の方法では、作動距離を
変えるための操作が必要になる。また、２次電子検子器
の電界が電子プローブに影響を及ぼす空間が長くなるた
め、観察視野が移動する。低加速電圧になるとこの効果
が顕著になる。

【００１１】前記（Ｃ）の方法では、理想的な制御が行
われる反面、対物レンズの前段の集束レンズの結像点が
対物レンズとその前段の集束レンズの間にあって移動す
る場合には、対物レンズの焦点距離が大幅に変化する場
合があり、像回転補正を対物レンズ励磁と連動して行う
必要がある。

【００１２】さらに、前記（Ｄ）の方法では、対物レン
ズの励磁がゼロから最強励磁まで変化するために、光学
系の軸ずれが生じ、視野が〜５０μｍ以上ずれることも
ある。また、対物レンズの上部ポールピース上方に２次
電子検出器があるため、対物レンズ励磁をゼロにするこ
とによって２次電子の検出効率が下がり、像が暗くなっ
てしまう。また、対物レンズの前段の集束レンズによっ
てフォーカス調整を行う場合に、対物絞りがこの集束レ
ンズの主面位置上にない場合には、フォーカス調整でプ
ローブ電流が変化し、像の明るさが変わるため、調整し
難いことがある。

【００１３】また、前記（Ｅ）の方法では、作動距離が
大きく変化したとき、つまり、図７に示すように、対物
レンズ３主面位置と試料面との間の距離ｗが対物レンズ
３の焦点距離ｆよりも大きくなったときには、対物レン
ズ３の主面からビームの進む方向に測定した対物レンズ
３の前段の第２集束レンズ２の結像点Ｑまでの距離ａ
（図１参照）が、ａ＝ｆｗ／（ｆ−ｗ）＜０・・・（１．２）となってしまうため、集束レンズ２のみではフォーカス
が追い切れないことになる。強励磁対物レンズの場合、
対物レンズ励磁の変更は観察可能な最低倍の変更につな
がり、また、対物レンズ主面と試料面までの距離が極端
に短いため、作動距離の大きな変化はそのまま対物レン
ズ焦点距離の変化になり、像回転補正の連動が複雑にな
る。

【００１４】ところで、本出願人は、特願平１−２４８
７９４号において、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、第１集束レンズ
及び第２集束レンズの焦点距離を制御して、大きい焦点
深度に変更することが可能な電子顕微鏡等の焦点深度調
整装置を提案した。また、この場合、プローブ電流を変
えると焦点深度も変化する高分解能の従来モードに切り
換え可能に構成して多様な観察ができるようにすること
も提案した。

【００１５】しかしながら、特願平１−２４８７９４号
においては、高分解能の従来モードから焦点深度の深い
モードに切り換えた場合の像回転については何ら考慮を
はらっておらず、さらには、対物レンズに対する試料位
置が異なるときに従来モードから焦点深度の深いモード
に切り換えた場合の像回転についても何ら考慮をはらっ
ていない。

【００１６】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、本出願人の提案に係る特願平
１−２４８７９４号のようにモード切り換えによって焦
点深度を変更することができる電子顕微鏡等において、
対物レンズに対する試料位置が広い範囲で異なっても試
料位置を変更しないで従来モードから焦点深度の深いモ
ードに切り換える限り、像回転量が何れの試料位置につ
いても殆ど同じになるようにして、モード切り換えの際
にこの広い試料位置範囲で一定の像回転補正で何れのモ
ードでも像回転が殆どなしに観察可能であり、かつ、上
記した従来技術（Ａ）〜（Ｅ）の問題点を解決した焦点
深度切り換え可能な電子顕微鏡等の電子光学観察装置を
提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の焦点深度切り換え可能な電子顕微鏡等の電子光学観
察装置は、電子ビームの進行方向に、少なくとも、電子
銃、第１集束レンズ、第２集束レンズ、対物絞り、走査
コイル、対物レンズが順に配置されてなり、第１集束レ
ンズ、第２集束レンズ、対物レンズの励磁を変更するこ
とにより、同一試料位置に対してフォーカスを変更する
ことなく、第２集束レンズによる電子銃の結像位置を対
物レンズの電子銃側及び試料側に変更して焦点深度が変
わる第１モード及び第２モードに変換可能な電子顕微鏡
等の電子光学観察装置において、第１モードにおける第
２集束レンズによる電子銃の結像位置から対物レンズ主
面位置までの距離、及び、第２モードにおける対物レン
ズ主面位置から第２集束レンズによる電子銃の結像位置
までの距離を、対物レンズ主面位置から最も離れた試料
位置までの距離に比較して十分大きく設定することによ
り、試料位置を変えたときのモード変換に伴う像回転補
正を同じ角度にしてもその変換による像回転を著しく小
さくしたことを特徴とするものである。

【００１８】

【作用】本発明においては、第１モードにおける第２集
束レンズによる電子銃の結像位置から対物レンズ主面位
置までの距離、及び、第２モードにおける対物レンズ主
面位置から第２集束レンズによる電子銃の結像位置まで
の距離を、対物レンズ主面位置から最も離れた試料位置
までの距離に比較して十分大きく設定したので、何れの
試料位置においてもモード変換に伴う像回転はほぼ同じ
角度になり、そのため、試料位置を変えたときのモード
変換に伴う像回転補正を広い範囲の作動距離について同
じ角度にしても、その変換による像回転は極めて小さく
なる。

【００１９】したがって、広い範囲の中の任意の作動距
離ＷＤ（例えば、１０〜３０ｍｍ）に対して焦点深度が
従来の数倍から１桁大きな焦点深度の深いモードに切り
換えても、像の明るさや視野ずれが少なく、また、像回
転も少なく（例えば、±２〜３°）なる。また、モード
切り換えに伴い対物レンズの励磁も余り大きく変化させ
なくともフォーカスが合う。このため、操作性が著しく
向上する。

【００２０】

【実施例】次に、本発明の焦点深度切り換え可能な電子
顕微鏡等の電子光学観察装置の１実施例について、図面
を参照にして説明する。図１、図２は電子顕微鏡等にお
いて、電子銃から出た電子ビームを試料上に集束照射す
るまでのビームの経路を示すもので、図１は焦点深度が
深いモード（以下、ＬＤＦモードと言う。）にある場
合、図２は電子銃の像を高い縮小率で試料面に結像して
高分解能を得る従来モードにある場合を示す。図中、１
は第１集束レンズ、２は第２集束レンズ、３は対物レン
ズ、４は走査コイル、５は対物絞り、６は電子銃、７は
第１集束レンズ１、第２集束レンズ２、対物レンズ３、
走査コイル４の励磁を制御するための制御部、Ｓ₁、Ｓ
₂は異なる２つの試料位置を表し、対物レンズ３の主面
位置から各々ｗ₁、ｗ₂だけ離れているものとする。以
下、ここでは、対物レンズ３の主面位置から試料位置ま
での距離を結像距離と呼び、対物レンズ３の下面から試
料面までの距離を作動距離ＷＤと言うことにする。点Ｑ
は、ＬＤＦモードのときの第２集束レンズ２の仮想的な
結像点位置で、対物レンズ３の主面位置からａだけ離れ
ており、任意の照射電流あるいは加速電圧に対して定点
になっている（特願平１−２４８７９４号参照）。

【００２１】図１のＬＤＦモードにおいては、電子銃６
の像は第１集束レンズ１によってＰの位置に一旦結像さ
れ、Ｐから出た電子ビームは第２集束レンズ２によって
点Ｑに向かって集束される。この集束ビームは、対物絞
り５によってプローブ電流が制限され、対物レンズ３に
入射する。対物絞り５によって制限された集束ビーム
は、対物レンズ３により試料面Ｓ₁又はＳ₂に集束され
る。対物レンズ３の主面上でのビーム径は小さくなるの
で、試料面Ｓ₁、Ｓ₂上に電子プローブを集束させたと
きのビームの光軸に対する角度α₁、α₂は小さくな
り、図２に示すような従来モードよりも焦点深度を大き
くすることができる。試料面Ｓ₁からＳ₂への結像の変
更は、従来モードからＬＤＦモードに切り換えたときに
対物レンズ３の励磁を変更することにより行われ、モー
ド切り換え後の対物レンズ３の励磁は固定される。走査
コイル４は電子プローブを偏向させ、試料面Ｓ₁、Ｓ₂
を走査する。試料面をＳ₁又はＳ₂に固定して、図２の
従来モードから図１のＬＤＦモードに切り換えると、制
御部７により第１集束レンズ１、第２集束レンズ２、対
物レンズ３の励磁が変更され、第１集束レンズ１の結像
点はＸからＰへ移動し、第２集束レンズ２の結像点は、
試料面Ｓ₁、Ｓ₂より前側のＹから対物レンズ３の後側
のＱへ移動する（Ｙと対物レンズ３の主面との間の距離
をｂとする。）。また、対物レンズ３の励磁は、試料面
Ｓ₁又はＳ₂にフォーカスが合うように変化する。な
お、このようなモード切り換えの際、及び、試料位置の
切り換えの際、対物レンズ３の励磁が変わることによる
像回転は、走査コイル４に印加する走査信号を公知の手
法によって変化させることにより補正される。

【００２２】ところで、図２において、試料位置Ｓ₁、
Ｓ₂に対する対物レンズ３の焦点距離ｆ_N1、ｆ_N2は、各
々、ｆ_N1＝ｗ₁・ｂ／（ｗ₁＋ｂ）・・・（２．１）ｆ_N2＝ｗ₂・ｂ／（ｗ₂＋ｂ）・・・（２．２）また、図１における試料位置Ｓ₁、Ｓ₂に対する対物レ
ンズ３の焦点距離も同様にｆ_L1、ｆ_L2とおけば、ｆ_L1＝ｗ₁・ａ／（ａ−ｗ₁）・・・（２．３）ｆ_L2＝ｗ₂・ａ／（ａ−ｗ₂）・・・（２．４）となるように、制御部７は対物レンズ３を制御する。こ
のとき、対物レンズ３の主面から第２集束レンズ２の結
像点Ｑ、Ｙまで距離ａ、ｂ（図示の場合、何れも正とす
る。）がｗ₁、ｗ₂に比較して十分大きければ、ｆ_N1≦ｆ_L1，ｆ_N1，ｆ_L1〜ｗ₁ ・・・（２．５）ｆ_N2≦ｆ_L2，ｆ_N2，ｆ_L2〜ｗ₂ ・・・（２．６）となることが（２．１）〜（２．４）から分る。例え
ば、（２．１）、（２．３）をｗ₁／ｂ、ｗ₁／ａにつ
いて１次まで展開すれば、ｆ_N1＝ｗ₁／｛１＋（ｗ₁／ｂ）｝≒ｗ₁｛１−（ｗ₁／ｂ）＋・・・｝・・・（２．７）ｆ_L1＝ｗ₁／｛１−（ｗ₁／ａ）｝≒ｗ₁｛１＋（ｗ₁／ａ）−・・・｝・・・（２．８）となる。したがって、モード切り換えにおける焦点距離
の変化分は、試料面Ｓ₁において、 Δｆ₁＝ｆ_L1−ｆ_N1≒ｗ₁｛（ｗ₁／ａ）＋（ｗ₁／ｂ）｝・・（２．９）同様にして、Ｓ₂においても、 Δｆ₂＝ｆ_L2−ｆ_N2≒ｗ₂｛（ｗ₂／ａ）＋（ｗ₂／ｂ）｝・・（２．10）となる。

【００２３】ここで、対象としている結像距離ｗの範囲
内で、対物レンズ３のコイルの巻数Ｎ、励磁電流Ｉ、加
速電圧Ｖの相対論的な補正値Ｖ^*に対して、励磁パラメ
ータＪを、Ｊ＝ＮＩ／（Ｖ^*）^1/2〔ＡＴ／Ｖ^1/2〕・・・（２．11）で定義したとき、対物レンズ３の焦点距離ｆとの間に、Ｊ＝４０ｆ^-0.63〔ｆはｍｍ）・・・（２．12）の関係があるとき（通常の対物レンズは、近似的にこの
ように表せる。）、 ΔＪ≒ｄＩ／ｄｆ×Δｆ＝−２５．２ｆ^-1.63Δｆ・・・（２．13）となる。数値例として、ａ＝ｂ＝２００ｍｍ，ｗ₁＝２０ｍｍ，ｗ₂＝４０ｍｍ・・・（２．14）を代入すれば、（２．７）と（２．９）から、ｆ_N1≒１８ｍｍ，Δｆ₁＝４ｍｍ・・・（２．15）同様に、（２．８）と（２．10）から、ｆ_N2≒３２ｍｍ，Δｆ₂＝１６ｍｍ・・・（２．16）したがって、（２．13）から、結像距離ｗ₁及びｗ₂に
おいて、ＬＤＦモードでは、従来モードとの間に、各々 ΔＪ₁＝−２５．２（１８）^-1.63×４＝−０．９１〔ＡＴ／Ｖ^1/2〕・・・（２．17） ΔＪ₂＝−２５．２（３２）^-1.63×１６＝−１．４２〔ＡＴ／Ｖ^1/2〕・・・（２．18）だけＪの差がある。ところで、従来モードでは、（２．
12）に（２．15）、（２．16）の結果を代入すると、Ｊ₁＝６．４７，Ｊ₂＝４．５１〔ＡＴ／Ｖ^1/2〕・・・（２．19）となる（図３参照）。ΔＪ₁／Ｊ₁とΔＪ₂／Ｊ₂を比
較するとやや大きな差になるが、ΔＪ₁、ΔＪ₂はあま
り変化せず、 ΔＪ₂−ΔＪ₁＝−０．５１〔ＡＴ／Ｖ^1/2〕・・・（２．20）となる（図４参照）。すなわち、｜ΔＪ₂−ΔＪ₁｜
は、｜ΔＪ₁｜、｜ΔＪ₂｜に比較して十分小さな値に
なる。

【００２４】次に、対物レンズ３の励磁パラメータＪと
像回転角θの関係を考える。よく知られたように、像回
転角θは、で与えられる。ここで、ｅは電子の電荷、ｍは電子の質
量、ｚは光軸を座標軸としたときの位置、Ｂ（ｚ）はｚ
方向の軸上磁場分布である。ｚ_iは像面の位置、ｚ_oは
物面の位置、ｚ_i、ｚ_oが｜Ｂ（ｚ）｜＞０となるｚの
範囲の外側にあれば、次式のようになることが知られて
いる（岩波、裏克己著「電子光学」第４章４１頁）。

【００２５】 θ＝０．１８６３×ＮＩ／（Ｖ^*）^1/2＝０．１８６３Ｊ〔ｒａｄ〕・・・（２．22）したがって、従来モードからＬＤＦモードに切り換えた
ときに、結像距離ｗ₁及びｗ₂において、各々（２．1
7）、（２．18）に示すように、ＪがΔＪ₁、ΔＪ₂だ
け変化するので、この変化に対応してθも（２．22）か
ら、 Δθ₁＝０．１８６３ΔＪ₁≒０．１７〔ｒａｄ〕・・・（２．23） Δθ₂＝０．１８６３ΔＪ₂≒０．２６〔ｒａｄ〕・・・（２．24）だけ変化する。つまり、９．７〜１４．９〔ｄｅｇ〕だ
け像回転が生じる。

【００２６】ここで、ｗ₁とｗ₂の間の適当な結像距離
ｗ（ｗ₁＜ｗ＜ｗ₂）において、従来モードからＬＤＦ
モードに切り換えたときに像回転が生じないように、例
えば上記Δθ₁とΔθ₂の平均値の像回転角（９．７＋１４．９）／２＝１２．３〔ｄｅｇ〕・・・（２．25）を補正するように制御部７により走査コイル４を制御し
て、その結像距離ｗでの像回転補正を行う。そして、ｗ
₁とｗ₂の間のそれ以外の全ての位置ｗにおいても、同
じ角度だけ像回転補正を行うようにする。このようにす
れば、結像距離がｗ₁とｗ₂の間で±１０ｍｍ変化して
も、従来モードからＬＤＦモードに切り換えたときの像
回転は、±２．６〔ｄｅｇ〕と極めて小さいものとな
る。

【００２７】以上、ＬＤＦモード及び従来モードにおい
て、対物レンズ３主面から集束レンズ２の結像点Ｑ及び
Ｙまでの距離ａ及びｂと対物レンズ３主面から試料位置
Ｓ₁及びＳ₂までの結像距離ｗ₁及びｗ₂とについて、
（２．14）に数値例を上げて説明してきたが、上記のよ
うに、広い範囲で変化する結像距離ｗに対して、結像距
離を変更しないで焦点深度モードを従来モードからＬＤ
Ｆモードに切り換えても、何れの試料位置に対しても同
じ一定の像回転補正で実質的に像回転が殆どなしに観察
できるためには、上記ａ及びｂが上記ｗ₂（最大結像距
離）に比較して十分に大きければよいわけであるが、実
際上３倍以上にしておけば、この像回転の問題はないこ
とが経験上分かっている（上記数値例の場合は５倍）。

【００２８】ところで、上記数値例において、対物レン
ズ３の励磁の変更も、 ΔＪ₁／Ｊ₁＝０．１４，ΔＪ₂／Ｊ₂＝０．３１・・・（２．26）程度のものなので、Ｊの変更による軸ずれは、対物レン
ズ３の励磁を切ってしまう場合よりも少ない（〜１／３
以下）。また、これは、２次電子の検出効率が変わるよ
うな励磁の変化ではない。さらに、ａが大きいので、フ
ォーカス微調整を集束レンズ２のみで行っても、プロー
ブ電流の変化は少ない。したがって、前記した従来技術
（Ｄ）の問題は解決される。

【００２９】また、従来技術（Ｅ）のように強励磁対物
レンズを用いているわけでないので、対物レンズ３の励
磁を変化させても観察可能な最低倍率は変化しない。し
たがって、広い範囲の作動距離に対してＬＤＦモードに
切り換えても、対物レンズ３励磁の連動によってフォー
カスが合い、しかも、モードの切り換えによる像回転
は、単純な一定の像回転補正で、例えば±１０ｍｍの作
動距離の変化に対し、上記したように±２．６°以下に
でき、従来技術（Ｅ）の問題は解決する。また、像回転
補正の単純さでは、従来技術（Ｃ）の問題も解決する。

【００３０】さらに、従来技術（Ａ）、（Ｂ）の問題
は、本発明では特願平１−２４８７９４号の原理に従っ
て焦点深度Ｄ_Fを大きくしているので、本発明において
は解決している。

【００３１】また、ａをｗに比較して十分大きくしてい
るので、ＬＤＦモードにおいて、ｗに比較してａが小さ
い場合（ａ）と大きい場合（ｂ）について対物レンズ３
の焦点距離ｆの符号を示した図８から明らかなように、
ｗを広い範囲で変えても、対物レンズ３の焦点距離ｆが
負になることはない。

【００３２】本発明の電子顕微鏡においては、上記した
ように、従来モードでフォーカスを合わせておけば、モ
ードをＬＤＦモードに切り換えても、制御部７による集
束レンズ１、２、対物レンズ３の励磁の変更により、フ
ォーカスが自動的に合うが、ＬＤＦモードにおいて試料
位置が変化したときは、特願平３−２０９３号に示した
ような方法により、プローブ電流を変化させないでフォ
ーカス調整するか、又は、集束レンズ１、２の何れか一
方の焦点距離を変えてフォーカス調整を行うようにして
もよい。この場合、対物レンズ３の励磁は固定されてい
るので、像回転は発生しない。

【００３３】以上、本発明の焦点深度切り換え可能な電
子顕微鏡等の電子光学観察装置を、実施例に基づいて説
明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々
の変形が可能である。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の焦点深度
切り換え可能な電子顕微鏡等の電子光学観察装置による
と、従来モードにおける第２集束レンズの結像位置から
対物レンズ主面位置までの距離、及び、焦点深度の深い
モードにおける対物レンズ主面位置から第２集束レンズ
の結像位置までの距離を、対物レンズ主面位置から最も
離れた試料位置までの距離に比較して十分大きく設定し
たので、何れの試料位置においてもモード変換に伴う像
回転はほぼ同じ角度になり、そのため、試料位置を変え
たときのモード変換に伴う像回転補正を広い範囲の作動
距離について同じ角度にしても、その変換による像回転
は極めて小さくなる。

【００３５】したがって、広い範囲の中の任意の作動距
離（例えば、１０〜３０ｍｍ）に対して焦点深度が従来
の数倍から１桁大きなＬＤＦモードに切り換えても、像
の明るさや視野ずれが少なく、また、像回転も少なく
（例えば、±２〜３°）なる。また、モード切り換えに
伴い対物レンズの励磁も余り大きく変化させなくともフ
ォーカスが合う。このため、操作性が著しく向上する。

【００３６】しかも、従来技術（Ａ）〜（Ｅ）の焦点深
度を深くする方法の問題点は全て解決される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子光学観察装置の１実施例の焦点深
度が深いモード（ＬＤＦモード）における電子銃から試
料までのビームの経路を示す図である。

【図２】本発明の電子光学観察装置の１実施例の従来モ
ードにおける電子銃から試料までのビームの経路を示す
図である。

【図３】作動距離ｗの変化に対応する対物レンズの励磁
パラメータＪの変化を示す図である。

【図４】作動距離ｗの変化に対応してモード変換に伴う
励磁パラメータの差ΔＪを示す図である。

【図５】試料上でのプローブ径が最小値になるように又
は最小値に近づくように電子光学系を制御する場合の凹
凸のある試料に入射する電子ビームの開き角とプローブ
径と走査線間の距離を示す図である。

【図６】任意のプローブ電流と観察倍率に対して常に焦
点深度を最大にする場合の図５と同様な図である。

【図７】結像距離ｗと対物レンズの焦点距離ｆの関係と
そのときのビーム経路を示す図である。

【図８】ＬＤＦモードにおいて作動距離に比較して対物
レンズから第２集束レンズの結像位置までの距離ａが小
さい場合と大きい場合の対物レンズの焦点距離ｆの符号
を示す図である。

【符号の説明】

１…第１集束レンズ２…第２集束レンズ３…対物レンズ４…走査コイル５…対物絞り６…電子銃７…制御部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子ビームの進行方向に、少なくとも、
電子銃、第１集束レンズ、第２集束レンズ、対物絞り、
走査コイル、対物レンズが順に配置されてなり、第１集
束レンズ、第２集束レンズ、対物レンズの励磁を変更す
ることにより、同一試料位置に対してフォーカスを変更
することなく、第２集束レンズによる電子銃の結像位置
を対物レンズの電子銃側及び試料側に変更して焦点深度
が変わる第１モード及び第２モードに変換可能な電子顕
微鏡等の電子光学観察装置において、第１モードにおけ
る第２集束レンズによる電子銃の結像位置から対物レン
ズ主面位置までの距離、及び、第２モードにおける対物
レンズ主面位置から第２集束レンズによる電子銃の結像
位置までの距離を、対物レンズ主面位置から最も離れた
試料位置までの距離に比較して十分大きく設定すること
により、試料位置を変えたときのモード変換に伴う像回
転補正を同じ角度にしてもその変換による像回転を著し
く小さくしたことを特徴とする焦点深度切り換え可能な
電子顕微鏡等の電子光学観察装置。