JPS5913140B2 - 走査電子顕微鏡等の対物レンズ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は球面収差係数を極めて小さくすることのできる
走査電子顕微鏡やＸ線マイクロアナライザー等の対物レ
ンズ磁極片に関するものである。

走査電子顕微鏡等において、分解能を向上させるには対
物レンズの各種収差係数、とりわけ球面収差係数を小さ
くすることが必要である。

第１図は従来から広く用いられている走査電子顕微鏡の
対物レンズの断面を示す略図である。

図中１は内部に励磁コイル２が巻回されたＶンズヨーク
を示し、３．４は夫々上、下磁極片を示す。

核上、下磁極片３．４に穿たれた穴を通して電子線５が
通過し、上、下磁極片間には光軸６に関して対称な磁場
が形成される。

７ａｔ７ｂは試料８上に電子線を走査するための偏向コ
イルで９は試料８から電子線照射によって発生する２次
電子と反射電子を検出するための検出手段を示し、その
出力はブラウン管（図示せず）に供給される。

破線１０は試料８から発生するＸ線を示し、該Ｘ線は取
り出し角βでＸ線分光器（図示せず）に入射して分光さ
れる。

Ｚｏは対物レンズ主面と試料表面の距離を示し、この距
離は対物レンズの焦点距離と略等しい。

このようなレンズにおける球面収差係数Ｃ８の実測値を
第２図に示しである。

図中横軸は上、下磁極片径Ｄ２ｓＤ１の寸法を変えたと
き得られる上、下磁極片３と４との間に形成されるレン
ズ磁場の半値巾ｄを示し、Ｚｏをパラメータにして球面
収差係数Ｃ８を実測した結果である。

この図から球面収差係数Ｃ８はレンズ磁場の半値巾ｄと
レンズ主面と試料との距離Ｚ。

の両者に依存することがわかる。

第２図から２゜を小さくして球面収差係数を小さくする
方法は一般にはワークディスタンス（試料と磁極片４と
の間隔）を短かくしなければならないので、試料を傾斜
回転させ得る範囲と試料の大きさを制限する。

第１図に８で示す試料位置は下磁極片４に極めて接近さ
せた状態を示す。

又ワークディスタンスを短かくするとＸ線の取り出し角
がβからβ′のように小さくなるので、Ｘ線分光による
試料元素の定量測定における補正計算が不正確になる欠
点がある。

一方レンズ磁場の半値巾を大きくする方法として下磁極
片の孔径を大きくすることも考えられるが、この孔を通
してレンズ磁界が下方に張り出し、試料や電子線検出器
に悪影響を与えるため、該下磁極片の孔径はできるだけ
小さくすることが必要となる。

そこで、従来は第３図に示す如く下磁極片の孔径Ｄ１を
小さく、又上磁極片３の孔径Ｄ２ を大きくした状態で
両磁極片の間隙Ｓを太きくり、Ｄ２ン２・Ｄｌ の関係
式を満たすようにしている。

更に第４図は第３図の装置における光軸６に沿った磁場
分布を示すものである。

第４図において磁極片間隙Ｓ′が比較的小さなときの軸
上磁場分布はａで表わされ上磁極片を破線位置まで移動
して磁極間隙Ｓ′を太き（した場合の磁場分布をｂで示
し、これらの磁場分布の半値巾をｄ１ｓｄ２で示す。

第５図に示すように上下磁極片間の距離を大きくするこ
とによって半値巾ｄの値を大きくすることができる。

しかし乍ら、間隙Ｓを大きくするに従って、第４図中曲
線すの磁場分布に示すように上磁場極片３の上方にまで
磁界が及び対物レンズ磁場と偏向コイル７ａによる偏向
磁場の相互干渉が生じる。

その結果特に低倍率の走査画像における歪が生じること
になる。

更に分布曲線すは基本的にはベル型でるるため、対物レ
ンズ主面は磁場強度に拘らず上磁極片３の側へ移動する
。

同時に対物レンズの焦点距離ｆと略等しいＺ２とｆに略
比例する対物レンズの色収差係数も増大する。

そのため、対物レンズによる球面収差たけでなく色収差
による影響が無視できなくなり、試料上におけるビーム
径もむしろ大きくなる。

従ってこれらの理由から上、下磁極片間隔Ｓを大きくす
ることには限界がある。

前述の問題を解決するため本発明者は対物シン４場を単
一の磁極間隙でなく、２つの磁極間隙によって発生する
ことによって色収差係数を低く抑えたまま球面収差係数
を小さくした対物レンズヲ試作した。

第６図はこのような対物レンズの一例を示す要部断面図
を示すもので、第１図と比較して、上磁極片３と下磁極
片との間に両者と一定の間隙を保って補助磁極片１１を
設置したことに大きな特徴がある。

これらの磁極片は非磁性体製のスペーサー１２．１３と
結合部材１４．１５によってヨーク１に取り付けられて
いる。

補助磁極片１１の内径は下部でＤ３、上方でＤ３、（ン
Ｄ３）となって２す、内径Ｄ３は上磁極片３の内径と略
等しく下磁極片４の内径の略２倍以上である。

従って次の（１）式が成り立つ。

このようにＤｌの値を小さくすることによって対物レン
ズ磁場が試料近傍にまで達することを防止することがで
きる。

第１図は第６図の装置における光軸上の磁場分布を示す
図である。

図中曲線Ｃは間隙Ｓ１ に生じる磁場分布を曲線ｅは
間隙Ｓ２に生じる磁場分布を、又曲線ｇは曲線Ｃとｅを
加えた磁場分布曲線を示す。

曲線ｇの半値巾ｄ４は曲線Ｃの半値巾ｄ３よりも大きい
ので、間隙Ｓ１と８２の大きさと上、下磁極片間の距離
！を適当に選ぶことによって大きな半値幅を得ることが
できる。

更に、もし前記補助磁極片１１の上側内径Ｄ３１がその
下側内径Ｄ３及び上磁極片３の孔径Ｄ２と略等しい場合
には、間隙Ｓ２に生じる磁場分布は第７図において一点
鎖線ｅ で示すようになり、その結果、間隙Ｓ１．Ｓ２
に形成される磁場を重畳した磁場は比較的深い鞍部を有
する分布曲線で表わされるものとなるが、本発明におい
ては、補助磁極片１１の上側内径Ｄ３１がその下側内径
Ｄ３及び上磁極片３の孔径Ｄ２よりも大きくされている
ため、重畳磁場は曲線９に示すように鞍部の殆ど無いも
のとなり、従って球面収差係数を小さなものにすること
ができる。

第８図はＤ１＝１０ｍ、Ｄ２＝２０ｍの条件に巾ｄの関
係を求めた実験結果を示すものである。

尚、第８図は補助磁極片１１が均一の内径Ｄ３を有する
ものについて得られた結果を示したものであるが、補助
磁極片１１の上側内径Ｄ３１が下側内径Ｄ３よりも大き
な補助磁極片を用いた場合にも同様な結果が得られた。

この実験結果を第５図の実験結果と比較するため第５図
中のＳの値と第８図中メの値が等しいものとして第５図
の曲線を第８図中に破線曲線して示した。

従ってこれらの曲線の比較から、！ン１５ＴｒｒＩＩＬ
の領域で次式を満足するときには複数間隙による磁場の
半値巾の方が単一間隙による磁場の半値巾よりも大きい
ことが分る。

の値よりも小さくなってしまうことが分る。

又Ｓ２磁場が下磁極片を越えて偏向コイルにまで２よび
、前述した好ましくない相互干渉を生じたり、更には軸
上磁場分布第１０図に示す如く、はっきりと分離された
２つのピークＰ１とＰ２を生じるようになる。

このようなレンズ磁場分布に関しては第２図に示すよう
な関係が成立しなくなり、半値巾ｄの増加によって球面
収差係数Ｃ８も大きくなる現象が生じると共に、対物レ
ンズの主面も上方に移動するため、対物レンズの焦点距
離も大きくなり、対物レンズの色収差係数も増大する。

従って以上必要となる。

尚本発明における補助磁極片として第９図に示す如く、
その内径に部分的にテーパーをつげた形状の磁極片１８
を用いても第６図に２いて示したものと略同様の効果が
得られる。

以上に詳説した如く、本発明により走査電子顕微鏡に使
用される対物レンズの球面収差係数を減少させて高分解
能像を得ることが可能となるが、更に非点収差の発生量
も球面収差係数の減少につれて少なくなることが実験に
より確認された。

このことは非点収差補正装置を用いた複雑な非点補正操
作が幾分容易になることを意味している。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の対物レンズを示す断面図、第２図は軸上
磁場の半値巾に対する球面収差係数を示す略図、第３図
は従来レンズの要部を示す略図、第４図はその軸上磁場
分布を示す略図、第５図は磁極間隔と半値巾との関係を
示す図、第６図は本発明の実施例装置の要部を示す断面
図、第７図は第６図の装置の軸上磁場分布を示す略図、
第８図は２つの磁場間隔を有する対物レンズの球面収差
係数の変化を示す略図、第９図は本発明の他の実施例の
要部を示す略図、第１０図はＳ２／ｓ１ン１．５の場合
の軸上磁場分布を示すための略図である。 １：対物レンズヨーク、２：励磁コイル、３：上磁極片
、４：下磁極片、５：電子線、６：光軸、？ａ＊７ｂ：
偏向コイル、８ 、８７ ｍ試料、９：電子線検出器
、１０：Ｘ線、１１．１６：補助磁極片、１２，１３ニ
スペーサ−１１５：結合部材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 電子銃から発生する電子線を試料上に細く集束させ
   るための電子レンズ系を有し、該電子レンズ系における
   対物レンズの上（電子銃側）磁極片の孔径Ｄ２を下（試
   料側）磁極片の孔径Ｄ１よりも大きくした装置において
   、前記上、下磁極片間に補助磁極片を設け、該補助磁極
   片と前記上、下磁極片との間隔を夫々Ｓ２＊Ｓ１とする
   ときＳ２８、 ＜１．５の条件を満すと同時に、前記補
   助磁極片の１側内径をその下側内径及び上極磁片の前記
   孔径Ｄ２よりも大きくしたことを特徴とする走査電子顕
   微鏡等の対物レンズ。