JPH065240A

JPH065240A - 静電型電界レンズ

Info

Publication number: JPH065240A
Application number: JP4157622A
Authority: JP
Inventors: Yoshimi Nitsuta; 工美仁田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-06-17
Filing date: 1992-06-17
Publication date: 1994-01-14

Abstract

(57)【要約】【目的】収差を改善しながら比較的小型で簡単な構造
を有する高性能な静電型電界レンズを提供する。【構成】第１の電極１１および中心電極１３の間の間
隔と第３の電極１２および中心電極１３の間の間隔を１
対５の非対称に形成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子顕微鏡や集束イオ
ンビーム装置等のような電子およびイオンビーム応用装
置に使用される静電型電界レンズに関する。

【０００２】

【従来の技術】静電型電界レンズは、従来電子銃レンズ
（ガンレンズ）、イオンビーム装置のレンズに用いられ
てきたが、今後は電子顕微鏡で広く用いられている電磁
レンズに変わって、電子ビーム応用装置、特に半導体デ
バイスの検査装置の集束レンズにも用いられるようにな
るであろう。その理由は小型／軽量化が可能であること
及び低加速電圧領域では収差特性の向上が見込まれるか
らである。

【０００３】従来の非対称静電型電界レンズの基本構造
は、図６に断面図として示すように円筒形あるいは円盤
型の電極を複数枚組み合わせられたものである。図６に
示す構造はこのうち最も簡単な構造のもので、一般にオ
ルロフレンズと呼ばれており、三枚の電極から構成され
ている。第１の電極３１はアース電位に、レンズ電極で
ある中心電極３２はレンズ電界を形成する負電位（電子
を集束する場合）に、第３の電極３３はアース電位にな
っている。各電極は絶縁のために絶縁物ホルダ３４にア
センブリされている。カソード３５は加速電圧に相当す
る負電位にバイアスされている。静電型電界レンズを実
用化するために改善しなければならない技術項目には次
のようなものがある。

【０００４】レンズの性能を評価するパラメータのうち
最も重要なものは収差係数である。一般にレンズによっ
て結像される像は、幾何学的に物体に相似な完全像とは
異なり、種々の収差により物体上の１点が拡がったり、
位置がずれて結像される。このとき、そのレンズの形状
によって異なる固有の収差に関連する定数を収差係数と
いう。静電型電界レンズの収差を低減する方法はいくつ
かあるが、ここでは本発明に関連した手法に沿った従来
例について説明する。

【０００５】静電型電界レンズの収差は局部的に発生し
ていて、ある特定の場所で発生した収差がそのレンズ全
体の性能を決めてしまう。この事情を詳しく説明する。
近軸軌道を用いた静電レンズの収差係数は次の積分表式
で表される。（１）は球面収差、（２）は色収差であ
る。球面収差とは、レンズの外側を通る軌道の焦点距離
が内側のものより短くなるために生じる収差である。色
収差とは、電極電位の変化、コイル励磁電流の変化に、
電子・イオンの初速度分布による近軸軌道の変化によ
り、物体上の１点が拡がったり、異なった位置に像を結
ぶ収差である。球面収差：

【０００６】

【数１】色収差：

【０００７】

【数２】

【０００８】式中Ｚ_o，Ｚ_iは物面および像面の位置、
ｒ_aは近軸軌道、Ｖ，Ｖ’，Ｖ”はＺ軸（中心軸）上の
電位分布、およびその一階微分、二階微分である。これ
からわかるように電位の一階微分の値が大きいと収差係
数が大きくなる。

【０００９】図７（ａ），（ｂ）はそれぞれ図６で示し
たオルロフレンズの断面および中心軸上の電位分布を示
す図である。同図（ｂ）に示す曲線４５は中心軸上の電
位分布を示している。

【００１０】また、図８（ａ），（ｂ）はそれぞれ図７
で示したオルロフレンズの球面収差および色収差の各積
分子の分布を示す図である。同図（ａ），（ｂ）におい
て、４６は球面収差、４７は色収差を示している。この
ときの４６，４７の積分子の分布で積分子が大きくなっ
ている部分（ａ）が収差が発生している箇所である。電
位が大きく変化している部分での収差の発生が大きい。
これはレンズの構造上でいうと電位の変化が急激に起こ
るような構造のレンズではその部分で大きな収差を発生
し、その結果レンズ全体の性能を落としていることを意
味している。

【００１１】この問題を解決するためのレンズの構造が
すでに提案されている。これは、多数枚の中心電極を使
い、各レンズ電極に印加する電圧値の差を小さくするこ
とによりなるべく滑らかな電位変化を得ようとするもの
である（参考文献：M.Szilagyi and J.Szep,"optimum d
esign of electrostatic lenses",J.Vac.Sci.Technol,B
6(3),May/Jun 1988,pp953-957)。この方式では急激な変
化のない滑らかな電位分布をもつレンズは得られたもの
の、結果として電極数が多くなり（Szilagyiなどの例で
は１２枚必要）、構造が複雑で組み立ても面倒で実用性
に乏しい。

【００１２】また、レンズの内径を大きくすることでこ
の問題を緩和することができる。しかし、内径を大きく
することはレンズ径すなわち電子光学鏡筒の外径を大き
くしてしまい好ましくない。特に静電型電界レンズの一
つの重要な目的が従来の電磁レンズに比べて小型化をめ
ざしたものであるからなおさらである。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の静電型電界レンズでは、構造および組み立てが複雑で
実用性に乏しかったり、レンズ径が大きくて小型化が困
難であるという問題がある。

【００１４】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、収差を改善しながら比較的小
型で簡単な構造を有する高性能な静電型電界レンズを提
供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明の静電型電界レンズは、複数
の電極を有する静電型電界レンズであって、前記複数の
電極間の間隔が非対称に形成されていることを要旨とす
る。

【００１６】また、請求項２に記載の発明の静電型電界
レンズは、複数の電極を有する静電型電界レンズであっ
て、前記複数の電極間のほぼ中心に設けられた中心電極
が電極中心軸に対して斜めで交わる方向に形成された辺
を有することを要旨とする。

【００１７】

【作用】請求項１に記載の発明の静電型電界レンズで
は、複数の電極間の間隔が非対称に形成されているの
で、球面収差を小さくすることができる。

【００１８】また、請求項２に記載の発明の静電型電界
レンズでは、複数の電極間のほぼ中心に設けられた中心
電極が電極中心軸に対して斜めに交わる方向に形成され
た辺を有することにより、球面収差を小さくすると共に
レンズ電界のスロープを滑らかにすることができる。

【００１９】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。

【００２０】図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ請求
項１に記載の発明の一実施例に係わる静電型電界レンズ
の構成を示す断面図および該静電型電界レンズの中心軸
上の電位分布を示す図である。

【００２１】図１（ａ）に示す本実施例の静電型電界レ
ンズは、第１の電極１１、レンズ電極である中心電極１
３および第３の電極１２を有する３枚構成の静電型電界
レンズであり、図２で後述するように第１の電極１１お
よび中心電極１３の間の間隔ａと中心電極１３および第
３の電極１２の間の間隔ｂとが等しくない非対称静電型
電界レンズを構成している。この間隔ａとｂとの非対称
性は後述するように１対５に設定されている。

【００２２】また、第１の電極１１および第３の電極１
２はアース電位に接続され、中心電極１３はレンズ電界
を形成するための−８．０ｋＶの電位を印加されてい
る。各電極は絶縁のために絶縁物ホルダ１４に取り付け
られて組み立てられている。カソード１５は加速電圧に
相当する負電位にバイアスされている。

【００２３】図１（ｂ）に示す本実施例の静電型電界レ
ンズの軸上電位分布１６、従来の静電型電界レンズの軸
上電位分布１７からわかるように、本実施例の静電型電
界レンズでは、第１電極１１と中心電極１３の間の領域
で電界分布が滑らかになっている。

【００２４】このときの焦点距離は３２３mm、倍率は
０．１８で従来例とまったく同一の動作条件となってい
る（同一の動作条件となるようにレンズの電極電圧を調
整している）。このときの収差係数は、球面収差Ｃｓ１
＝５２９０mm、色収差Ｃｃ１＝１５９mmであり、従来例
のＣｓ１＝７６６０mm、Ｃｃ１＝１５２mmに比べて色収
差はほとんど同じながら、球面収差で約３１％の低下と
なり収差を低減できることがわかる。

【００２５】図２（ａ）および（ｂ）は、それぞれ図１
（ａ）に示す静電型電界レンズにおける前記間隔ａおよ
びｂ、および該間隔ａおよびｂを種々変えて中心電極１
３が非対称な複数の静電型電界レンズの球面収差係数を
示す図である。同図（ｂ）において、曲線２７は間隔ａ
およびｂを１対５の非対称に設定した本実施例の静電型
電界レンズの球面収差を示している。

【００２６】図２（ｂ）において、各曲線２３，２４，
２５，２６は、それぞれ間隔ａとｂとの比が５対１、４
対２、３対３、および２対４の場合の球面収差を示して
いるが、これらの球面収差はすべて曲線２７で示す本実
施例の間隔ａとｂとの比を１対５に設定した静電型電界
レンズの球面収差よりも大きいことがわかる。すなわ
ち、本実施例のように中心電極１３を非対称とすること
により球面収差の小さな静電型電界レンズを構成するこ
とができるのである。図３（ａ）および（ｂ）は、それ
ぞれ請求項２に記載の発明の実施例に係わる静電型電界
レンズの断面図および中心軸上の電位分布を示す図であ
る。

【００２７】同図（ａ）に示す静電型電界レンズは、図
１（ａ）に示す静電型電界レンズと同様に、第１の電極
６１、レンズ電極である中心電極６３および第３の電極
６２を有する３枚構成の非対称静電型電界レンズであ
る。

【００２８】このように構成される静電型電界レンズ
は、中心電極６３の１辺が中心軸に対して斜めに交わる
ように形成され、後述する図５で示すように収差、特に
球面収差を小さくするようになっている。

【００２９】また、第１の電極６１および第３の電極６
２はアース電位に接続され、中心電極６３はレンズ電界
を形成するための−８．０ｋＶの電位を印加されてい
る。各電極は絶縁のために絶縁物ホルダ６４に取り付け
られて組み立てられている。カソード６５は加速電圧に
相当する負電位にバイアスされている。

【００３０】更に、図３（ｂ）には、本実施例による３
極非対称レンズの中心軸上の電位分布シュミレーション
結果７６および従来例（同一構造で、中心電極形状が面
どりしてあるもの）の中心軸上の電位分布シュミレーシ
ョン結果７７を同時に示している。対比するとわかるよ
うに、中央の中心電極６３が形成するレンズ電界のスロ
ープが滑らかになっており、レンズの性能が向上してい
ることがわかる。

【００３１】この点についての理解を更に容易にするた
めに、図４（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す球面収差と色
収差の各収差係数を表す積分表式の積分子を参照する。
同図（ａ）において、７８および７９はそれぞれ本実施
例および従来例の球面収差積分子である。第１電極６１
と中心電極６３の間の領域で電界分布が滑らかになって
いることに対応して積分子のピークが大きく低下してい
るのがわかる。また、図４（ｂ）において、１０１は本
実施例の、１０２は従来例の色収差積分子を示している
が、球面収差ほどでないが低下する傾向にある。

【００３２】このときの焦点距離は７４mm、倍率は０．
６で従来例となったく同一の動作条件となっている（同
一の動作条件となるようにレンズの電極電圧を調整して
いる）。このときの収差係数は、球面収差Ｃｓ１＝６９
５mm、色収差Ｃｃ１＝１７０mmであり、従来例のＣｓ１
＝８４７mm、Ｃｃ１＝２０５mmに比べて球面収差で約１
８％の低下、色収差で１７％の低下となり収差を低減で
きることがわかる。

【００３３】図５（ａ）および（ｂ）は、それぞれ図３
に示した実施例の静電型電界レンズの中心電極６３の斜
めに形成された１辺の種々の変形例、および該種々の変
形例に対する球面収差係数の違いを示す図である。

【００３４】図５（ａ）に示すように、静電型電界レン
ズの中心電極６３の斜めに形成された辺の変形例とし
て、符号２１，２２，２３，２４，２５で示され、この
２１，２２，２３，２４，２５の変形例の静電型電界レ
ンズに対する球面収差係数が図５（ｂ）に曲線２０１，
２０２，２０３，２０４，２０５でそれぞれ示されてい
るが、変形例２１および曲線２０１で示す球面収差係数
が本実施例のものであり、この本実施例の球面収差係数
が最も小さくなっている。

【００３５】更に、図５からわかるように、中心軸上の
ｘ，ｙ方向の形状変化は収差の変化に寄与せず、本実施
例の静電型電界レンズによる収差低減が有効であること
がわかる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数の電極間の間隔を非対称に形成したり、または複数
の電極間のほぼ中心に設けられた中心電極が電極中心軸
に対して斜めに交わる方向に形成された辺を有している
ので、レンズ電界のスロープが滑らかになり、収差、特
に球面収差の向上を図ることができるとともに、レンズ
系の小型化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の一実施例に係わる静電型
電界レンズの断面および中心軸上の電位分布を示す図で
ある。

【図２】図１に示す静電型電界レンズにおける間隔ａお
よびｂ、および該間隔ａおよびｂを種々変えて中心電極
が非対称な複数の静電型電界レンズの球面収差係数を示
す図である。

【図３】請求項２記載の発明の他の実施例に係わる静電
型電界レンズの断面および中心軸上の電位分布を示す図
である。

【図４】図３に示す静電型電界レンズの球面収差および
色収差の各収差係数を表す各積分子の分布を示す図であ
る。

【図５】図３に示した実施例の静電型電界レンズの中心
電極の斜めに形成された１辺の種々の変形例、および該
種々の変形例に対する球面収差係数の違いを示す図であ
る。

【図６】従来の静電型電界レンズの一例を示す断面図で
ある。

【図７】図６に示した静電型電界レンズであるオルロフ
レンズの断面および中心軸上の電位分布を示す図であ
る。

【図８】図７に示したオルロフレンズの球面収差および
色収差の各積分子の分布を示す図である。

【符号の説明】

１１第１の電極１２第３の電極１３中心電極１４絶縁物ホルダ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の電極を有する静電型電界レンズで
あって、前記複数の電極間の間隔が非対称に形成されて
いることを特徴とする静電型電界レンズ。
【請求項２】複数の電極を有する静電型電界レンズで
あって、前記複数の電極間のほぼ中心に設けられた中心
電極が電極中心軸に対して斜めで交わる方向に形成され
た辺を有することを特徴とする静電型電界レンズ。