(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024065713
(43)【公開日】2024-05-15
(54)【発明の名称】電子顕微鏡、多極子、および電子顕微鏡の制御方法
(51)【国際特許分類】
H01J 37/153 20060101AFI20240508BHJP
H01J 37/28 20060101ALN20240508BHJP
【ＦＩ】
H01J37/153 A
H01J37/28 C
【審査請求】有
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022174716
(22)【出願日】2022-10-31
(71)【出願人】
【識別番号】000004271
【氏名又は名称】日本電子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100090387
【弁理士】
【氏名又は名称】布施 行夫
(74)【代理人】
【識別番号】100090398
【弁理士】
【氏名又は名称】大渕 美千栄
(74)【代理人】
【識別番号】100161540
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 良伸
(72)【発明者】
【氏名】森下 茂幸
(72)【発明者】
【氏名】神保 雄
【テーマコード（参考）】
5C101
【Ｆターム（参考）】
5C101AA05
5C101BB03
5C101EE13
5C101EE15
5C101EE63
5C101EE64
5C101EE67
(57)【要約】
【課題】熱変動による収差の変動を低減できる電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】多極子場を発生させる多極子２６０を有する収差補正装置が組み込まれた電子光学系を含み、多極子２６０は、複数の磁極４を含み、複数の磁極４の各々は、極子６と、極子６に巻回された第１コイル８ａと、極子６に巻回された第２コイル８ｂと、を含み、第１コイル８ａを励磁することによって作られる第１多極子場と、第２コイル８ｂを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有している。
【選択図】図８
【解決手段】多極子場を発生させる多極子２６０を有する収差補正装置が組み込まれた電子光学系を含み、多極子２６０は、複数の磁極４を含み、複数の磁極４の各々は、極子６と、極子６に巻回された第１コイル８ａと、極子６に巻回された第２コイル８ｂと、を含み、第１コイル８ａを励磁することによって作られる第１多極子場と、第２コイル８ｂを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有している。
【選択図】図８
【特許請求の範囲】
【請求項1】
多極子場を発生させる多極子を有する収差補正装置が組み込まれた電子光学系を含み、
前記多極子は、複数の磁極を含み、
前記複数の磁極の各々は、
極子と、
前記極子に巻回された第１コイルと、
前記極子に巻回された第２コイルと、
を含み、
前記第１コイルを励磁することによって作られる第１多極子場と、前記第２コイルを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有している、電子顕微鏡。
前記多極子は、複数の磁極を含み、
前記複数の磁極の各々は、
極子と、
前記極子に巻回された第１コイルと、
前記極子に巻回された第２コイルと、
を含み、
前記第１コイルを励磁することによって作られる第１多極子場と、前記第２コイルを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有している、電子顕微鏡。
【請求項2】
請求項１において、
前記電子光学系を制御する制御部を含み、
前記制御部は、
前記第１コイルが発生させる磁場の向きと前記第２コイルが発生させる磁場の向きを逆にして、前記多極子に多極子場を発生させないオフ状態と、
前記第１コイルが発生させる磁場の向きと前記第２コイルが発生させる磁場の向きを同じにして、前記多極子に多極子場を発生させるオン状態と、
を切り替える、電子顕微鏡。
前記電子光学系を制御する制御部を含み、
前記制御部は、
前記第１コイルが発生させる磁場の向きと前記第２コイルが発生させる磁場の向きを逆にして、前記多極子に多極子場を発生させないオフ状態と、
前記第１コイルが発生させる磁場の向きと前記第２コイルが発生させる磁場の向きを同じにして、前記多極子に多極子場を発生させるオン状態と、
を切り替える、電子顕微鏡。
【請求項3】
請求項２において、
前記制御部は、前記オフ状態における前記第１コイルで消費される電力と前記第２コイルで消費される電力の和と、前記オン状態における前記第１コイルで消費される電力と前記第２コイルで消費される電力の和が等しくなるように前記第１コイルに供給される励磁電流および前記第２コイルに供給される励磁電流を制御する、電子顕微鏡。
前記制御部は、前記オフ状態における前記第１コイルで消費される電力と前記第２コイルで消費される電力の和と、前記オン状態における前記第１コイルで消費される電力と前記第２コイルで消費される電力の和が等しくなるように前記第１コイルに供給される励磁電流および前記第２コイルに供給される励磁電流を制御する、電子顕微鏡。
【請求項4】
請求項２または３において、
前記制御部は、
前記収差補正装置で収差を補正しない第１光学モードと、
前記収差補正装置で収差を補正する第２光学モードと、
を切り替え、
前記制御部は、前記電子光学系を前記第１光学モードから前記第２光学モードに切り替えるときに、前記多極子を前記オフ状態から前記オン状態に切り替える、電子顕微鏡。
前記制御部は、
前記収差補正装置で収差を補正しない第１光学モードと、
前記収差補正装置で収差を補正する第２光学モードと、
を切り替え、
前記制御部は、前記電子光学系を前記第１光学モードから前記第２光学モードに切り替えるときに、前記多極子を前記オフ状態から前記オン状態に切り替える、電子顕微鏡。
【請求項5】
請求項１において、
前記電子光学系を制御する制御部を含み、
前記制御部は、前記第１コイルに供給する励磁電流と前記第２コイルに供給する励磁電流の比を変化させることによって、前記多極子が発生させる多極子場の強度を第１強度から前記第１強度と異なる第２強度に変化させる、電子顕微鏡。
前記電子光学系を制御する制御部を含み、
前記制御部は、前記第１コイルに供給する励磁電流と前記第２コイルに供給する励磁電流の比を変化させることによって、前記多極子が発生させる多極子場の強度を第１強度から前記第１強度と異なる第２強度に変化させる、電子顕微鏡。
【請求項6】
請求項５において、
前記制御部は、前記多極子に前記第１強度の多極子場を発生させた状態における前記第１コイルで消費される電力と前記第２コイルで消費される電力の和と、前記多極子に前記第２強度の多極子場を発生させた状態における前記第１コイルで消費される電力と前記第２コイルで消費される電力の和が等しくなるように、前記第１コイルに供給される励磁電流および前記第２コイルに供給される励磁電流を制御する、電子顕微鏡。
前記制御部は、前記多極子に前記第１強度の多極子場を発生させた状態における前記第１コイルで消費される電力と前記第２コイルで消費される電力の和と、前記多極子に前記第２強度の多極子場を発生させた状態における前記第１コイルで消費される電力と前記第２コイルで消費される電力の和が等しくなるように、前記第１コイルに供給される励磁電流および前記第２コイルに供給される励磁電流を制御する、電子顕微鏡。
【請求項7】
請求項１において、
前記電子光学系は、電子線を試料に照射する照射光学系を含み、
前記収差補正装置は、前記照射光学系に組み込まれている、電子顕微鏡。
前記電子光学系は、電子線を試料に照射する照射光学系を含み、
前記収差補正装置は、前記照射光学系に組み込まれている、電子顕微鏡。
【請求項8】
請求項１において、
前記電子光学系は、試料を透過した電子線を結像する結像光学系を含み、
前記収差補正装置は、前記結像光学系に組み込まれている、電子顕微鏡。
前記電子光学系は、試料を透過した電子線を結像する結像光学系を含み、
前記収差補正装置は、前記結像光学系に組み込まれている、電子顕微鏡。
【請求項9】
多極子場を発生させる複数の磁極を含み、
前記複数の磁極の各々は、
極子と、
前記極子に巻回された第１コイルと、
前記極子に巻回された第２コイルと、
を含み、
前記第１コイルを励磁することによって作られる第１多極子場と、前記第２コイルを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有している、多極子。
前記複数の磁極の各々は、
極子と、
前記極子に巻回された第１コイルと、
前記極子に巻回された第２コイルと、
を含み、
前記第１コイルを励磁することによって作られる第１多極子場と、前記第２コイルを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有している、多極子。
【請求項10】
請求項９において、
前記第１コイルが発生させる磁場の向きと前記第２コイルが発生させる磁場の向きを逆にして、多極子場を発生させないオフ状態と、
前記第１コイルが発生させる磁場の向きと前記第２コイルが発生させる磁場の向きを同じにして、多極子場を発生させるオン状態と、
を備える、多極子。
前記第１コイルが発生させる磁場の向きと前記第２コイルが発生させる磁場の向きを逆にして、多極子場を発生させないオフ状態と、
前記第１コイルが発生させる磁場の向きと前記第２コイルが発生させる磁場の向きを同じにして、多極子場を発生させるオン状態と、
を備える、多極子。
【請求項11】
多極子場を発生させる多極子を有する収差補正装置が組み込まれた電子光学系を含む電子顕微鏡の制御方法であって、
前記収差補正装置で収差を補正しない第１光学モードで前記電子光学系を動作させる工程と、
前記第１光学モードから前記収差補正装置で収差を補正する第２光学モードに切り替えて前記電子光学系を動作させる工程と、
を含み、
前記多極子は、複数の磁極を含み、
前記複数の磁極の各々は、
極子と、
前記極子に巻回された第１コイルと、
前記極子に巻回された第２コイルと、
を含み、
前記第１コイルを励磁することによって作られる第１多極子場と、前記第２コイルを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有し、
前記多極子は、
前記第１コイルが発生させる磁場の向きと前記第２コイルが発生させる磁場の向きを逆にして、多極子場を発生させないオフ状態と、
前記第１コイルが発生させる磁場の向きと前記第２コイルが発生させる磁場の向きを同じにして、多極子場を発生させるオン状態と、
を備え
前記第１光学モードから前記第２光学モードに切り替える工程では、前記多極子を、前記オフ状態から前記オン状態に切り替える、電子顕微鏡の制御方法。
前記収差補正装置で収差を補正しない第１光学モードで前記電子光学系を動作させる工程と、
前記第１光学モードから前記収差補正装置で収差を補正する第２光学モードに切り替えて前記電子光学系を動作させる工程と、
を含み、
前記多極子は、複数の磁極を含み、
前記複数の磁極の各々は、
極子と、
前記極子に巻回された第１コイルと、
前記極子に巻回された第２コイルと、
を含み、
前記第１コイルを励磁することによって作られる第１多極子場と、前記第２コイルを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有し、
前記多極子は、
前記第１コイルが発生させる磁場の向きと前記第２コイルが発生させる磁場の向きを逆にして、多極子場を発生させないオフ状態と、
前記第１コイルが発生させる磁場の向きと前記第２コイルが発生させる磁場の向きを同じにして、多極子場を発生させるオン状態と、
を備え
前記第１光学モードから前記第２光学モードに切り替える工程では、前記多極子を、前記オフ状態から前記オン状態に切り替える、電子顕微鏡の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電子顕微鏡、多極子、および電子顕微鏡の制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）や、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子顕微鏡において、収差補正は、高分解能像を取得するうえで重要な技術である。
【0003】
例えば、特許文献１には、６極子を２段配置した２段６極子場型球面収差補正装置が開示されている。２段６極子場型球面収差補正装置は、２段の多極子を有し、２段の多極子の各々が６極子場を発生させる。２段６極子場型球面収差補正装置では、対物レンズの正の球面収差を、２段の６極子の各々が発生させる負の球面収差で補正する。
【0004】
多極子は、複数の磁極を有している。複数の磁極の各々は、極子と、極子に巻回されたコイルと、を含む。コイルに励磁電流を流すことによって、多極子が多極子場を発生させる。
【0005】
走査透過電子顕微鏡では、目的に応じて電子光学系を様々な光学モードで動作させる。例えば、高分解能のＳＴＥＭ像を取得するモードでは、収差補正装置で照射光学系の収差を補正する。
【0006】
また、試料中の電磁場による電子線の偏向量を測定し、電磁場を可視化する微分位相コントラスト法（ＤＰＣ法）や、試料の回折図形から試料像を再構成する回折イメージング法を行う場合には、小さな収束角を実現できる光学モードを用いる。このモードでは、収差補正装置で収差を補正しない。これは、収束角が小さくなる光学系では、多極子場を発生させると、不要な収差が大きく発生してしまい、分解能が悪化するためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２００３－９２０７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
収差補正装置で収差を補正しない光学モードから収差補正装置で収差を補正する光学モードに切り替えると、収差補正装置の各多極子では、多極子場が発生していない状態（オフ）から多極子場が発生している状態（オン）に切り替わる。多極子場がオフからオンに切り替わると、コイルに励磁電流が流れるため、多極子の温度が大きく変動する。これにより、収差補正装置が発生させる収差も変動してしまう。したがって、光学モードを切り替えてから収差の変動が収まるまで、観察や分析を行うことができなかった。
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明に係る電子顕微鏡の一態様は、
多極子場を発生させる多極子を有する収差補正装置が組み込まれた電子光学系を含み、
前記多極子は、複数の磁極を含み、
前記複数の磁極の各々は、
極子と、
前記極子に巻回された第１コイルと、
前記極子に巻回された第２コイルと、
を含み、
前記第１コイルを励磁することによって作られる第１多極子場と、前記第２コイルを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有している。
多極子場を発生させる多極子を有する収差補正装置が組み込まれた電子光学系を含み、
前記多極子は、複数の磁極を含み、
前記複数の磁極の各々は、
極子と、
前記極子に巻回された第１コイルと、
前記極子に巻回された第２コイルと、
を含み、
前記第１コイルを励磁することによって作られる第１多極子場と、前記第２コイルを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有している。
【0010】
このような電子顕微鏡では、第１多極子場の向きと第２多極子場の向きを逆にすることによって第１多極子場と第２多極子場をキャンセルできる。そのため、多極子が発生させる多極子場のオンとオフを、第２コイルが発生させる磁場の向き（または第１コイルが発生させる磁場の向き）を変えることで制御できる。したがって、多極子場をオンにした状態の多極子の発熱量と多極子場をオフにした状態の多極子の発熱量を等しくできる。よって、このような電子顕微鏡では、収差補正装置で収差を補正しない光学モードと収差補正装置で収差を補正する光学モードを切り替えることによる収差の変動を低減できる。
【0011】
本発明に係る多極子の一態様は、
多極子場を発生させる複数の磁極を含み、
前記複数の磁極の各々は、
極子と、
前記極子に巻回された第１コイルと、
前記極子に巻回された第２コイルと、
を含み、
前記第１コイルを励磁することによって作られる第１多極子場と、前記第２コイルを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有している。
多極子場を発生させる複数の磁極を含み、
前記複数の磁極の各々は、
極子と、
前記極子に巻回された第１コイルと、
前記極子に巻回された第２コイルと、
を含み、
前記第１コイルを励磁することによって作られる第１多極子場と、前記第２コイルを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有している。
【0012】
このような多極子では、第１多極子場の向きと第２多極子場の向きを逆にすることによって第１多極子場と第２多極子場をキャンセルできる。そのため、多極子が発生させる多極子場のオンとオフを、第２コイルが発生させる磁場の向き（または第１コイルが発生させる磁場の向き）を変えることで制御できる。したがって、このような多極子では、多極子場をオンにした状態の多極子の発熱量と多極子場をオフにした状態の多極子の発熱量を等しくできる。
【0013】
本発明に係る電子顕微鏡の制御方法の一態様は、
多極子場を発生させる多極子を有する収差補正装置が組み込まれた電子光学系を含む電子顕微鏡の制御方法であって、
前記収差補正装置で収差を補正しない第１光学モードで前記電子光学系を動作させる工程と、
前記第１光学モードから前記収差補正装置で収差を補正する第２光学モードに切り替えて前記電子光学系を動作させる工程と、
を含み、
前記多極子は、複数の磁極を含み、
前記複数の磁極の各々は、
極子と、
前記極子に巻回された第１コイルと、
前記極子に巻回された第２コイルと、
を含み、
前記第１コイルを励磁することによって作られる第１多極子場と、前記第２コイルを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有し、
前記多極子は、
前記第１コイルが発生させる磁場の向きと前記第２コイルが発生させる磁場の向きを逆にして、多極子場を発生させないオフ状態と、
前記第１コイルが発生させる磁場の向きと前記第２コイルが発生させる磁場の向きを同
じにして、多極子場を発生させるオン状態と、
を備え
前記第１光学モードから前記第２光学モードに切り替える工程では、前記多極子を、前記オフ状態から前記オン状態に切り替える。
多極子場を発生させる多極子を有する収差補正装置が組み込まれた電子光学系を含む電子顕微鏡の制御方法であって、
前記収差補正装置で収差を補正しない第１光学モードで前記電子光学系を動作させる工程と、
前記第１光学モードから前記収差補正装置で収差を補正する第２光学モードに切り替えて前記電子光学系を動作させる工程と、
を含み、
前記多極子は、複数の磁極を含み、
前記複数の磁極の各々は、
極子と、
前記極子に巻回された第１コイルと、
前記極子に巻回された第２コイルと、
を含み、
前記第１コイルを励磁することによって作られる第１多極子場と、前記第２コイルを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有し、
前記多極子は、
前記第１コイルが発生させる磁場の向きと前記第２コイルが発生させる磁場の向きを逆にして、多極子場を発生させないオフ状態と、
前記第１コイルが発生させる磁場の向きと前記第２コイルが発生させる磁場の向きを同
じにして、多極子場を発生させるオン状態と、
を備え
前記第１光学モードから前記第２光学モードに切り替える工程では、前記多極子を、前記オフ状態から前記オン状態に切り替える。
【0014】
このような電子顕微鏡の制御方法では、第１光学モードから第２光学モードに切り替える工程において、第１コイルが発生させる磁場の向きと第２コイルが発生させる磁場の向きを逆にして、多極子に多極子場を発生させないオフ状態から、第１コイルが発生させる磁場の向きと第２コイルが発生させる磁場の向きを同じにして、多極子に多極子場を発生させるオン状態に切り替える。そのため、第１光学モードから第２光学モードに切り替えることによる収差の変動を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の一実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。
【図2】分割型検出器の検出面を模式的に示す図。
【図3】照射光学系の構成を示す図。
【図4】多極子を模式的に示す図。
【図5】磁極を模式的に示す図。
【図6】磁極の変形例を示す図。
【図7】多極子の動作を説明するための図。
【図8】多極子の動作を説明するための図。
【図9】電子光学系の光学モードの一例を示す図。
【図10】電子光学系の光学モードの一例を示す図。
【図11】制御部の電子光学系を制御する処理の一例を示すフローチャート。
【図12】参考例に係る多極子の動作を説明するための図。
【図13】電子光学系の光学モードの一例を示す図。
【図14】コレクターレンズを模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【0017】
１． 電子顕微鏡
まず、本発明の一実施形態に係る電子顕微鏡について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電子顕微鏡１００の構成を示す図である。
まず、本発明の一実施形態に係る電子顕微鏡について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電子顕微鏡１００の構成を示す図である。
【0018】
電子顕微鏡１００は、図１に示すように、電子源１０と、照射光学系２０および結像光学系４０を含む電子光学系２と、試料ステージ３０と、ＳＴＥＭ検出器５０と、分割型検出器５２と、制御部６０と、を含む。電子顕微鏡１００は、収差補正装置２６が照射光学系２０に組み込まれた走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）である。
【0019】
電子源１０は、電子線を放出する。電子源１０は、例えば、陰極から放出された電子を陽極で加速し電子線を放出する電子銃である。
【0020】
電子光学系２は、照射光学系２０および結像光学系４０を含む。
【0021】
照射光学系２０は、電子源１０から放出された電子線を試料Ｓに照射する。照射光学系２０は、例えば、電子源１０から放出された電子線を収束させて電子プローブを形成し、形成した電子プローブで試料Ｓを走査する。
【0022】
結像光学系４０は、試料Ｓを透過した電子を結像させる。結像光学系４０によって、試料Ｓを透過した電子線がＳＴＥＭ検出器５０および分割型検出器５２に導かれる。
【0023】
ＳＴＥＭ検出器５０は、試料Ｓを透過した電子を検出する。ＳＴＥＭ検出器５０は、例えば、試料Ｓで高角度に非弾性散乱された電子を円環状の検出器で検出する暗視野ＳＴＥＭ検出器である。
【0024】
分割型検出器５２は、試料Ｓを透過した電子を検出する検出面５３が複数の検出領域に分割された検出器である。
【0025】
図２は、分割型検出器５２の検出面５３を模式的に示す図である。
【0026】
分割型検出器５２の検出面５３は、図２に示すように、複数の検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４に分割されている。分割型検出器５２は、円環状の検出面５３を角度方向（円周方向）に４等分することで形成された、４つの検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を備えている。各検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４では、独立して電子を検出できる。
【0027】
なお、検出面５３における検出領域の数は特に限定されない。図示はしないが、分割型検出器５２は、検出面５３がその動径方向および偏角方向（円周方向）に分割されることにより形成された、複数の検出領域を有していてもよい。例えば、分割型検出器５２は、検出面５３が動径方向に４つ、偏角方向に４つに分割されることにより形成された、１６個の検出領域を有してもよい。
【0028】
分割型検出器５２は、例えば、電子を光に変換する電子－光変換素子（シンチレーター）と、電子－光変換素子を複数の検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４に分割するとともに各検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４からの光を伝送する光伝送路（光ファイバー束）と、光伝送路から伝送された検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ごとの光を電気信号に変換する複数の光検出器（光電子増倍管）と、を含む。分割型検出器５２は、検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ごとに、検出された電子の強度に応じた検出信号を出力する。なお、分割型検出器５２は、複数の検出領域を有する半導体検出器であってもよい。
【0029】
試料ステージ３０は、試料ホルダー３２に保持された試料Ｓを支持する。試料ステージ３０によって、試料Ｓを位置決めできる。
【0030】
制御部６０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサと、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶装置（メモリ）と、を含む。記憶装置には、各種制御を行うためのプログラム、およびデータが記憶されている。制御部６０の機能は、プロセッサでプログラムを実行することにより実現できる。制御部６０は、電子顕微鏡１００の各部を制御する。制御部６０は、不図示の駆動回路を介して電子顕微鏡１００の各部を制御する。
【0031】
図３は、照射光学系２０の構成を示す図である。
【0032】
照射光学系２０は、図３に示すように、コンデンサーレンズ２１と、コンデンサーレンズ２２と、コンデンサー絞り２３と、コンデンサーレンズ２４と、収差補正装置２６と、コンデンサーミニレンズ２８と、を含む。照射光学系２０は、さらに、対物レンズが試料Ｓの前方につくる前方磁界２９を含む。
【0033】
コンデンサーレンズ２１、コンデンサーレンズ２２、およびコンデンサーレンズ２４は
、電子源１０側からこの順で配置されている。コンデンサーレンズ２１、コンデンサーレンズ２２、およびコンデンサーレンズ２４は、電子線を収束させる。コンデンサー絞り２３は、コンデンサーレンズ２２内に配置されている。
、電子源１０側からこの順で配置されている。コンデンサーレンズ２１、コンデンサーレンズ２２、およびコンデンサーレンズ２４は、電子線を収束させる。コンデンサー絞り２３は、コンデンサーレンズ２２内に配置されている。
【0034】
収差補正装置２６は、コンデンサーレンズ２４とコンデンサーミニレンズ２８との間に配置されている。
【0035】
収差補正装置２６は、照射光学系２０に組み込まれている。収差補正装置２６は、照射光学系２０の球面収差を補正する球面収差補正装置である。収差補正装置２６は、２段の多極子２６０と、コレクターレンズ２６２と、コレクターレンズ２６４と、コレクターレンズ２６６と、コレクターレンズ２６８と、を含む。収差補正装置２６は、２段の多極子２６０を有する２段６極子場型球面収差補正装置である。
【0036】
多極子２６０は、磁場６極子場を発生させる。磁場６極子場は、３回対称の磁場である。多極子２６０は、例えば、６極子、または１２極子である。なお、多極子２６０は、６極子場を発生させることができれば、６極子や１２極子に限定されない。
【0037】
コレクターレンズ２６２、コレクターレンズ２６４、およびコレクターレンズ２６６は、１段目の多極子２６０と２段目の多極子２６０との間に配置されている。コレクターレンズ２６２、コレクターレンズ２６４、およびコレクターレンズ２６６は、１段目の多極子２６０の光学主面（多極子面）を２段目の多極子２６０の光学主面に転送する転送光学系を構成している。この転送光学系は、１段目の多極子２６０で得られた像と等価な像を２段目の多極子２６０に転送する。コレクターレンズ２６４は、コレクターレンズ２６２とコレクターレンズ２６４との間に配置されている。コレクターレンズ２６４は、電子線に集光作用を与えずに、電子線に回転作用を与える。これにより、１段目の多極子２６０と２段目の多極子２６０との間の、電子軌道に対する回転を補正できる。コレクターレンズ２６８は、２段目の多極子２６０とコンデンサーミニレンズ２８との間に配置されている。コレクターレンズ２６８は、転送レンズとして機能する。
【0038】
多極子２６０は、電子線の進行方向に対して厚みを有している。すなわち、多極子２６０は、光軸ＯＡに沿った厚みを有している。多極子２６０は、厚みのある６極子場における３回非点収差と３回非点収差のコンビネーション収差（combination aberration）として負の球面収差を発生させる。
【0039】
ここで、コンビネーション収差とは、ある場所で発生した収差（収差１）がある距離伝搬することにより入射点が変わり、別の収差（収差２）の影響を受けたとき、収差１と収差２の組み合わせにより生まれる組み合わせ収差のことである。
【0040】
１段目の多極子２６０が発生させる負の球面収差および２段目の多極子２６０が発生させる負の球面収差によって、照射光学系２０の正の球面収差を補正できる。
【0041】
２段目の多極子２６０が発生させる３回非点収差の向きは、１段目の多極子２６０が発生させる３回非点収差の向きと逆である。そのため、１段目の多極子２６０が発生させる３回非点収差を２段目の多極子２６０が発生させる３回非点収差で打ち消すことができる。
【0042】
なお、収差補正装置２６は、多極子２６０を用いて収差を補正する装置であれば特に限定されない。収差補正装置２６は、３段６極子場型球面収差補正装置であってもよい。
【0043】
コンデンサーミニレンズ２８は、収差補正装置２６と対物レンズの前方磁界２９との間
に配置されている。コンデンサーミニレンズ２８は、光学モードに適した収束角を持つ電子線をつくるためのレンズである。コンデンサーミニレンズ２８の励磁を変化させることによって収束角を変化させることができる。
に配置されている。コンデンサーミニレンズ２８は、光学モードに適した収束角を持つ電子線をつくるためのレンズである。コンデンサーミニレンズ２８の励磁を変化させることによって収束角を変化させることができる。
【0044】
対物レンズの前方磁界２９は、電子線を収束させるコンデンサーレンズとして機能する。
【0045】
なお、図示はしないが、照射光学系２０は、電子線を２次元的に偏向する走査偏向器を含んでいる。走査偏向器によって、電子線で試料Ｓを走査できる。
【0046】
２． 多極子
２．１． 多極子の構成
次に、多極子２６０について説明する。図４は、多極子２６０を模式的に示す図である。ここでは、多極子２６０が６つの極子を有する６極子である場合について説明する。なお、多極子２６０の極子の数は、発生させる磁場の対称性に応じて適宜変更可能である。
２．１． 多極子の構成
次に、多極子２６０について説明する。図４は、多極子２６０を模式的に示す図である。ここでは、多極子２６０が６つの極子を有する６極子である場合について説明する。なお、多極子２６０の極子の数は、発生させる磁場の対称性に応じて適宜変更可能である。
【0047】
多極子２６０は、図４に示すように、６つの磁極４を有している。６つの磁極４は、光軸ＯＡに対して放射状に配置されている。多極子２６０では、隣り合う磁極４の極性を逆にすることによって、６極子場を発生させる。６極子場は、３回対称の場である。
【0048】
磁極４は、極子６と、第１コイル８ａと、第２コイル８ｂと、を含む。
【0049】
極子６は、例えば、軟磁性体からなる棒状の金属である。多極子２６０を構成する６つの極子６には、それぞれ第１コイル８ａおよび第２コイル８ｂが巻回されている。そのため、第１コイル８ａを励磁することによって多極子２６０で作られる多極子場と、第２コイル８ｂを励磁することによって多極子２６０で作られる多極子場は、同じ対称性を有する。図示の例では、第１コイル８ａを励磁することによって多極子２６０で作られる多極子場は、３回対称の場（６極子場）であり、第２コイル８ｂを励磁することによって多極子２６０で作られる多極子場は、３回対称の場（６極子場）である。
【0050】
図５は、磁極４を模式的に示す図である。
【0051】
第１コイル８ａは、極子６に巻回されている。第２コイル８ｂは、極子６に巻回されている。図４および図５に示す例では、第１コイル８ａが磁極４の後端側、第２コイル８ｂが磁極４の先端側に配置されている。なお、図示はしないが、第１コイル８ａが磁極４の先端側、第２コイル８ｂが磁極４の後端側に配置されていてもよい。第１コイル８ａおよび第２コイル８ｂには、電源９から励磁電流が供給される。
【0052】
電源９は、第１コイル８ａおよび第２コイル８ｂに励磁電流を供給する。電源９は、例えば、第１コイル８ａおよび第２コイル８ｂに、互いに極性（向き）が異なる励磁電流を供給できる。また、電源９は、第１コイル８ａおよび第２コイル８ｂに、互いに異なる電流量の励磁電流を供給できる。電源９は、制御部６０によって制御される。
【0053】
第１コイル８ａと第２コイル８ｂは、同じ向きに巻かれている。そのため、第１コイル８ａと第２コイル８ｂに極性が同じ励磁電流を流すことで、第１コイル８ａがつくる磁場の向きと第２コイル８ｂがつくる磁場の向きは同じになる。また、第１コイル８ａと第２コイル８ｂに互いに異なる極性の励磁電流を流すことで、第１コイル８ａがつくる磁場の向きと第２コイル８ｂがつくる磁場の向きは反対になる。
【0054】
なお、図示はしないが、第１コイル８ａと第２コイル８ｂは、互いに反対向きに巻かれ
ていてもよい。この場合、第１コイル８ａと第２コイル８ｂに極性が同じ励磁電流を流すことで、第１コイル８ａがつくる磁場の向きと第２コイル８ｂがつくる磁場の向きは逆になる。また、第１コイル８ａと第２コイル８ｂに互いに異なる極性の励磁電流を流すことで、第１コイル８ａがつくる磁場の向きと第２コイル８ｂがつくる磁場の向きは同じになる。
ていてもよい。この場合、第１コイル８ａと第２コイル８ｂに極性が同じ励磁電流を流すことで、第１コイル８ａがつくる磁場の向きと第２コイル８ｂがつくる磁場の向きは逆になる。また、第１コイル８ａと第２コイル８ｂに互いに異なる極性の励磁電流を流すことで、第１コイル８ａがつくる磁場の向きと第２コイル８ｂがつくる磁場の向きは同じになる。
【0055】
図６は、磁極４の変形例を示す図である。
【0056】
図６に示すように、第１コイル８ａと第２コイル８ｂを重ねてもよい。これにより、コイルの位置に依存する発熱量の不均一性を低減できる。
【0057】
２．２． 多極子の動作
図７および図８は、多極子２６０の動作を説明するための図である。図７および図８において、第１コイル８ａ上の矢印は第１コイル８ａが発生させる磁場の向きを表しており、第２コイル８ｂ上の矢印は第２コイル８ｂが発生させる磁場の向きを表している。
図７および図８は、多極子２６０の動作を説明するための図である。図７および図８において、第１コイル８ａ上の矢印は第１コイル８ａが発生させる磁場の向きを表しており、第２コイル８ｂ上の矢印は第２コイル８ｂが発生させる磁場の向きを表している。
【0058】
【0059】
図７に示すオフ状態では、６つの磁極４の各々において、第１コイル８ａが発生させる磁場の向きと第２コイル８ｂが発生させる磁場の向きは逆である。そのため、多極子２６０において、第１コイル８ａを励磁することによって作られる６極子場の向きと、第２コイル８ｂを励磁することによって作られる６極子場の向きは逆になる。
【0060】
このとき、６つの磁極４の各々において、第１コイル８ａが発生させる磁場の強度と第２コイル８ｂが発生させる磁場の強度は同じである。そのため、多極子２６０において、第１コイル８ａを励磁することによって作られる６極子場と第２コイル８ｂを励磁することによって作られる６極子場が打ち消しあう。したがって、多極子２６０において、６極子場は発生しない。
【0061】
第１コイル８ａの単位長さあたりの巻き数と、第２コイル８ｂの単位長さあたりの巻き数が等しい場合、第１コイル８ａに供給する励磁電流量と第２コイル８ｂに供給する励磁電流量を等しくすることによって、第１コイル８ａを励磁することによって作られる６極子場の強度と第２コイル８ｂを励磁することによって作られる６極子場の強度を、等しくできる。
【0062】
なお、第１コイル８ａの単位長さあたりの巻き数と、第２コイル８ｂの単位長さあたりの巻き数が異なっていてもよい。この場合には、第１コイル８ａを励磁することによって作られる６極子場の強度と第２コイル８ｂを励磁することによって作られる６極子場の強度が等しくなるように第１コイル８ａに供給する励磁電流量および第２コイル８ｂに供給する励磁電流量を調整すればよい。
【0063】
図８に示すオン状態では、６つの磁極４の各々において、第１コイル８ａが発生させる磁場の向きと第２コイル８ｂが発生させる磁場の向きが同じである。そのため、多極子２６０において、第１コイル８ａを励磁することによって作られる６極子場の向きと、第２コイル８ｂを励磁することによって作られる６極子場の向きは同じである。したがって、第１コイル８ａを励磁することによって作られる６極子場と第２コイル８ｂを励磁することによって作られる６極子場が強め合う。これにより、多極子２６０に、６極子場を発生させることができる。
【0064】
このように、多極子２６０では、オフ状態とオン状態を、第１コイル８ａに発生させる磁場の向きを固定し、第２コイル８ｂに発生させる磁場の向きを変えることで制御できる。なお、図示はしないが、多極子２６０において、オフ状態とオン状態を、第２コイル８ｂに発生させる磁場の向きを固定し、第１コイル８ａに発生させる磁場の向きを変えることで制御してもよい。
【0065】
ここで、図７に示すオフ状態における第１コイル８ａで消費される電力と第２コイル８ｂで消費される電力の和と、図８に示すオン状態における第１コイル８ａで消費される電力と第２コイル８ｂで消費される電力の和は、等しい。そのため、多極子２６０では、オフ状態とオン状態を切り替えても、多極子２６０の発熱量を一定にできる。
【0066】
第１コイル８ａで消費される電力Ｐ１は、第１コイル８ａに供給される励磁電流をＩ１、第１コイル８ａの抵抗をＲ１とした場合に、Ｐ１＝Ｉ１
２Ｒ１で表される。同様に、第２コイル８ｂで消費される電力Ｐ２は、第２コイル８ｂに供給される励磁電流をＩ２、第２コイル８ｂの抵抗をＲ２とした場合に、Ｐ２＝Ｉ２
２Ｒ２で表される。多極子２６０では、オフ状態とオン状態の切り替えを、励磁電流Ｉ１および励磁電流Ｉ２を変化させずに励磁電流Ｉ２の向き（極性）を切り替えることで行う。そのため、オフ状態における電力Ｐ１と電力Ｐ２の和とオン状態における電力Ｐ１と電力Ｐ２の和を、等しくできる。したがって、多極子２６０では、オフ状態における多極子２６０の発熱量とオン状態における多極子２６０の発熱量を等しくできる。これにより、オフ状態とオン状態を切り替えても、多極子２６０の発熱量を一定にできる。
【0067】
【0068】
図９は、収差補正装置２６で照射光学系２０の収差を補正する光学モードの一例として、高分解能ＳＴＥＭモードを示している。
【0069】
高分解能ＳＴＥＭモードでは、収差補正装置２６で照射光学系２０の収差を補正する。具体的には、２段の多極子２６０の各々を、図８に示すオン状態にする。これにより、２段の多極子２６０の各々において６極子場が発生し、照射光学系２０の収差を補正できる。
【0070】
高分解能ＳＴＥＭモードでは、電子線を大きく収束させて、収束角の大きい電子線で電子プローブを形成できる。これにより、微小で高強度の電子プローブを得ることができ、高分解能のＳＴＥＭ像を取得できる。
【0071】
高分解能ＳＴＥＭモードにおいて、電子源１０から放出された電子線は、照射光学系２０によって集束され電子プローブを形成する。電子プローブは、照射光学系２０によって２次元的に偏向される。これにより、電子プローブで試料Ｓを走査できる。試料Ｓを透過した電子線は、結像光学系４０によってＳＴＥＭ検出器５０に導かれ、ＳＴＥＭ検出器５０で検出される。例えば、電子プローブによる走査と同期して、試料Ｓを透過した電子をＳＴＥＭ検出器５０で検出することで、走査透過電子顕微鏡像（ＳＴＥＭ像）を取得できる。照射光学系２０の収差は、収差補正装置２６で補正できるため、高分解能のＳＴＥＭ像を取得できる。
【0072】
図１０は、収差補正装置２６で照射光学系２０の収差を補正しない光学モードの一例として、ＳＴＥＭペンシルビームモード（STEM pencil beam mode）を示している。図１０に示すＳＴＥＭペンシルビームモードでは、収差補正装置２６で多極子場を発生させず、
照射光学系２０の収差を補正しない。具体的には、２段の多極子２６０の各々を、図７に示すオフ状態にする。これにより、２段の多極子２６０の各々において６極子場が発生しない。また、コレクターレンズ２６２、コレクターレンズ２６４、コレクターレンズ２６６、およびコレクターレンズ２６８も動作させない。
照射光学系２０の収差を補正しない。具体的には、２段の多極子２６０の各々を、図７に示すオフ状態にする。これにより、２段の多極子２６０の各々において６極子場が発生しない。また、コレクターレンズ２６２、コレクターレンズ２６４、コレクターレンズ２６６、およびコレクターレンズ２６８も動作させない。
【0073】
ＳＴＥＭペンシルビームモードでは、数ｍｒａｄ以下の小さな収束角を実現できる。ＳＴＥＭペンシルビームモードでは、多極子場を発生させないため、多極子場によって不要な収差（例えば、３回非点収差）が大きく発生して分解能が低下することを防ぐことができる。ＳＴＥＭペンシルビームモードは、例えば、ＤＰＣ法に適した光学モードである。
【0074】
ＳＴＥＭペンシルビームモードでは、ＤＰＣ法により、微分位相コントラスト像（ＤＰＣ像）を取得できる。例えば、ＳＴＥＭペンシルビームモードの照射光学系２０で電子線の収束角を小さくする。小さな収束角の電子線で試料Ｓを走査して試料Ｓ中の電磁場による電子線の偏向を各点で計測し、電磁場を可視化する。試料Ｓ中の電磁場による電子線の偏向は、分割型検出器５２を用いて検出できる。例えば、検出領域Ｄ１の検出信号Ｉ１と検出領域Ｄ３の検出信号Ｉ３の差Ｉ１－Ｉ３、および検出領域Ｄ２の検出信号Ｉ２と検出領域Ｄ４の検出信号Ｉ４の差Ｉ２－Ｉ４から、試料Ｓの電磁場による電子線の偏向量および偏向方向を求めることができる。ＤＰＣ像は、ＤＰＣ法で取得された試料中の電磁場を可視化したＳＴＥＭ像である。
【0075】
なお、ＳＴＥＭペンシルビームモードは、回折イメージング法等にも適している。
【0076】
４． 電子顕微鏡の制御方法
図１１は、制御部６０の電子光学系２を制御する処理の一例を示すフローチャートである。以下では、電子光学系２が、図１０に示す収差補正装置２６で収差を補正しない第１光学モードＭ１と、図９に示す収差補正装置２６で収差を補正する第２光学モードＭ２を備えている場合について説明する。
図１１は、制御部６０の電子光学系２を制御する処理の一例を示すフローチャートである。以下では、電子光学系２が、図１０に示す収差補正装置２６で収差を補正しない第１光学モードＭ１と、図９に示す収差補正装置２６で収差を補正する第２光学モードＭ２を備えている場合について説明する。
【0077】
制御部６０は、電子光学系２の光学モードの選択を受け付ける（Ｓ１００）。制御部６０は、電子光学系２の光学モードの選択を受け付け可能な状態で待機する。例えば、ユーザーが第１光学モードＭ１および第２光学モードＭ２のいずれかを選択すると、制御部６０は、この光学モードの選択を受け付ける。光学モードの選択は、ボタンや、マウス、キーなどの入力機器の操作、ＧＵＩ（Graphical User Interface）における操作などによって行われる。
【0078】
制御部６０は、第１光学モードＭ１が選択された場合（Ｓ１０２のＭ１）、多極子２６０において第１コイル８ａが発生させる磁場の向きと第２コイル８ｂが発生させる磁場の向きを逆にして多極子２６０に多極子場を発生させない（Ｓ１０４）。これにより、電子光学系２を第１光学モードＭ１にできる。
【0079】
制御部６０は、第２光学モードＭ２から第１光学モードＭ１に切り替える場合、２段の多極子２６０の各々を、オン状態からオフ状態に切り替える。これにより、収差補正装置２６では、２段の多極子２６０の各々において多極子場が発生せず、収差が補正されない。
【0080】
このとき、制御部６０は、第１コイル８ａに供給する励磁電流量および第２コイル８ｂに供給する励磁電流量を変更せずに、第２コイル８ｂに供給する励磁電流の極性を逆にすることによって、オン状態からオフ状態に切り替える。これにより、多極子２６０をオン状態からオフ状態に切り替えても、多極子２６０の発熱量を一定にできる。
【0081】
さらに、制御部６０は、コレクターレンズ２６２、コレクターレンズ２６４、コレクターレンズ２６６、およびコレクターレンズ２６８も動作させない。これにより、電子光学系２を図１０に示すＳＴＥＭペンシルビームモードで動作させることができる。
【0082】
制御部６０は、電子光学系２の光学モードを切り替えた後、電子光学系２を制御する処理を終了する指示が行われたか否かを判定する（Ｓ１０６）。処理を終了する指示は、例えば、ボタンや、マウス、キーなどの入力機器の操作、ＧＵＩにおける操作などによって行われる。
【0083】
制御部６０は、処理を終了する指示が行われていないと判定した場合（Ｓ１０６のＮｏ）、処理Ｓ１００に戻って、電子光学系２の光学モードの選択を受け付け可能な状態で待機し、光学モードが選択された場合、電子光学系２の光学モードの選択を受け付ける（Ｓ１００）。
【0084】
制御部６０は、第２光学モードＭ２が選択された場合（Ｓ１０２のＭ２）、多極子２６０において第１コイル８ａが発生させる磁場の向きと第２コイル８ｂが発生させる磁場の向きを同じにして多極子２６０に多極子場を発生させる（Ｓ１０８）。これにより、電子光学系２を第２光学モードＭ２にできる。
【0085】
制御部６０は、第１光学モードＭ１から第２光学モードＭ２に切り替える場合、２段の多極子２６０の各々を、オフ状態からオン状態に切り替える。これにより、収差補正装置２６では、２段の多極子２６０の各々において多極子場が発生し、収差が補正される。
【0086】
このとき、制御部６０は、第１コイル８ａに供給する励磁電流量および第２コイル８ｂに供給する励磁電流量を変更せずに、第２コイル８ｂに供給する励磁電流の極性を逆にすることによって、オフ状態からオン状態に切り替える。これにより、多極子２６０をオフ状態からオン状態に切り替えても、多極子２６０の発熱量を一定にできる。
【0087】
さらに、制御部６０は、コレクターレンズ２６２、コレクターレンズ２６４、コレクターレンズ２６６、およびコレクターレンズ２６８を動作させる。これにより、電子光学系２を図９に示す高分解能ＳＴＥＭモードで動作させることができる。
【0088】
制御部６０は、電子光学系２の光学モードを切り替えた後、電子光学系２を制御する処理を終了する指示が行われたか否かを判定する（Ｓ１０６）。制御部６０は、処理を終了する指示が行われたと判定した場合（Ｓ１０６のＹｅｓ）、電子光学系２を制御する処理を終了する。
【0089】
３． 効果
電子顕微鏡１００は、多極子場を発生させる多極子２６０を有する収差補正装置２６が組み込まれた電子光学系２を含み、多極子２６０は、複数の磁極４を含み、複数の磁極４の各々は、極子６と、極子６に巻回された第１コイル８ａと、極子６に巻回された第２コイル８ｂと、を含み、第１コイル８ａを励磁することによって作られる第１多極子場と、第２コイル８ｂを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有している。
電子顕微鏡１００は、多極子場を発生させる多極子２６０を有する収差補正装置２６が組み込まれた電子光学系２を含み、多極子２６０は、複数の磁極４を含み、複数の磁極４の各々は、極子６と、極子６に巻回された第１コイル８ａと、極子６に巻回された第２コイル８ｂと、を含み、第１コイル８ａを励磁することによって作られる第１多極子場と、第２コイル８ｂを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有している。
【0090】
そのため、電子顕微鏡１００では、第１多極子場の向きと第２多極子場の向きを逆にすることによって第１多極子場と第２多極子場をキャンセルできる。そのため、多極子２６０が発生させる多極子場のオン（多極子場が発生している状態）とオフ（多極子場が発生していない状態）を、第２コイル８ｂが発生させる磁場の向きを変えることで制御できる。したがって、多極子場をオンにした状態の多極子２６０の発熱量と多極子場をオフにし
た状態の多極子２６０の発熱量を等しくできる。
た状態の多極子２６０の発熱量を等しくできる。
【0091】
図１２は、参考例に係る多極子２６０Ｄの動作を説明するための図である。参考例に係る多極子２６０Ｄでは、１つの極子６に、１つのコイル８が巻回されている。
【0092】
多極子２６０Ｄでは、多極子場のオンとオフを、コイル８に励磁電流を供給するかしないかで制御している。すなわち、多極子場をオフにする場合には、コイル８に流れる励磁電流はゼロになる。そのため、多極子２６０Ｄでは、多極子場のオンとオフを切り替えることによって、コイル８の発熱量が大きく変動する。したがって、多極子２６０Ｄでは、多極子場のオンとオフを切り替えてから温度が安定するまでの間、収差が変動してしまう。特に、多極子場をオフからオンに切り替える場合には、コイル８の発熱量が急激に大きくなり、収差が大きく変動してしまう。
【0093】
これに対して、電子顕微鏡１００では、多極子２６０では、多極子場のオンとオフを、第２コイル８ｂが発生させる磁場の向きで制御できるため、多極子場をオンにした状態のコイルの発熱量と多極子場をオフにした状態のコイルの発熱量を等しくできる。そのため、多極子場をオフからオンに切り替えることによる収差の変動を低減できる。
【0094】
したがって、電子顕微鏡１００では、例えば、収差補正装置２６で収差を補正しないＳＴＥＭペンシルビームモードから収差補正装置２６で収差を補正する高分解能ＳＴＥＭモードに切り替えた直後であっても、高分解能ＳＴＥＭ観察が可能である。
【0095】
電子顕微鏡１００では、電子光学系２を制御する制御部６０を含む。制御部６０は、第１コイル８ａが発生させる磁場の向きと第２コイル８ｂが発生させる磁場の向きを逆にして、多極子２６０に多極子場を発生させないオフ状態と、第１コイル８ａが発生させる磁場の向きと第２コイル８ｂが発生させる磁場の向きを同じにして、多極子２６０に多極子場を発生させるオン状態と、を切り替える。そのため、電子顕微鏡１００では、多極子２６０をオフ状態からオン状態に切り替えても、多極子２６０の発熱量を一定にできる。
【0096】
さらに、電子顕微鏡１００では、制御部６０は、オフ状態における第１コイル８ａで消費される電力と第２コイル８ｂで消費される電力の和と、オン状態における第１コイル８ａで消費される電力と第２コイル８ｂで消費される電力の和が等しくなるように第１コイル８ａに供給される励磁電流および第２コイル８ｂに供給される励磁電流を制御する。そのため、電子顕微鏡１００では、多極子２６０をオフ状態からオン状態を切り替えても、多極子２６０の発熱量を一定にできる。
【0097】
電子顕微鏡１００では、制御部６０は、収差補正装置２６で収差を補正しない第１光学モードＭ１と、収差補正装置２６で収差を補正する第２光学モードＭ２を切り替える。また、制御部６０は、電子光学系２を第１光学モードＭ１から第２光学モードＭ２に切り替えるときに、多極子２６０をオフ状態からオン状態に切り替える。そのため、電子顕微鏡１００では、第１光学モードＭ１から第２光学モードＭ２に切り替えることによる収差の変動を低減できる。
【0098】
電子顕微鏡１００では、電子光学系２は電子線を試料Ｓに照射する照射光学系２０を含み、収差補正装置２６は、照射光学系２０に組み込まれている。そのため、電子顕微鏡１００では、ＳＴＥＭペンシルビームモード（第１光学モードＭ１）と図９に示す高分解能ＳＴＥＭモード（第２光学モードＭ２）を切り替えることによる収差の変動を低減できる。
【0099】
多極子２６０は、多極子場を発生させる複数の磁極４を含み、複数の磁極４の各々は、
極子６と、極子６に巻回された第１コイル８ａと、極子６に巻回された第２コイル８ｂと、を含む。第１コイル８ａを励磁することによって作られる第１多極子場と、第２コイル８ｂを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有している。
極子６と、極子６に巻回された第１コイル８ａと、極子６に巻回された第２コイル８ｂと、を含む。第１コイル８ａを励磁することによって作られる第１多極子場と、第２コイル８ｂを励磁することによって作られる第２多極子場は、同じ対称性を有している。
【0100】
そのため、多極子２６０では、第１多極子場の向きと第２多極子場の向きを逆にすることによって第１多極子場と第２多極子場をキャンセルできる。したがって、多極子場のオンとオフを、第２コイル８ｂが発生させる磁場の向きを変えることで制御できる。よって、多極子２６０では、多極子場をオンにした状態の多極子２６０の発熱量と多極子場をオフにした状態の多極子２６０の発熱量を等しくできる。
【0101】
多極子２６０は、第１コイル８ａが発生させる磁場の向きと第２コイル８ｂが発生させる磁場の向きを逆にして、多極子場を発生させないオフ状態と、第１コイル８ａが発生させる磁場の向きと第２コイル８ｂが発生させる磁場の向きを同じにして、多極子場を発生させるオン状態と、を備える。そのため、多極子２６０では、オフ状態とオン状態を切り替えても、発熱量を一定にできる。
【0102】
電子顕微鏡１００の制御方法は、多極子場を発生させる多極子２６０を有する収差補正装置２６が組み込まれた電子光学系２を含む電子顕微鏡の制御方法であって、収差補正装置２６で収差を補正しない第１光学モードＭ１で電子光学系２を動作させる工程と、第１光学モードＭ１から収差補正装置２６で収差を補正する第２光学モードＭ２に切り替えて電子光学系２を動作させる工程と、を含む。また、第１光学モードＭ１から第２光学モードＭ２に切り替える工程では、多極子２６０を、オフ状態からオン状態に切り替える。
【0103】
そのため、電子顕微鏡１００の制御方法では、第１光学モードＭ１から第２光学モードＭ２に切り替える工程において、第１コイル８ａが発生させる磁場の向きと第２コイル８ｂが発生させる磁場の向きを逆にして、多極子２６０に多極子場を発生させないオフ状態から、第１コイル８ａが発生させる磁場の向きと第２コイル８ｂが発生させる磁場の向きを同じにして、多極子２６０に多極子場を発生させるオン状態に切り替える。そのため、第１光学モードＭ１から第２光学モードＭ２に切り替えることによる収差の変動を低減できる。
【0104】
４． 変形例
４．１． 第１変形例
上述した実施形態では、収差補正装置２６で収差を補正しない第１光学モードＭ１の例として、図１０に示すＳＴＥＭペンシルビームモードを挙げたが、第１光学モードＭ１はこれに限定されない。
４．１． 第１変形例
上述した実施形態では、収差補正装置２６で収差を補正しない第１光学モードＭ１の例として、図１０に示すＳＴＥＭペンシルビームモードを挙げたが、第１光学モードＭ１はこれに限定されない。
【0105】
図１３は、電子光学系２の光学モードの一例を示す図である。図１３には、照射光学系２０で収差を補正しない第１光学モードＭ１の他の例として、ＳＴＥＭペンシルビームモードを示している。図１３に示すＳＴＥＭペンシルビームモードでは、コレクターレンズ２６６を用いて、図１０に示すＳＴＥＭペンシルビームモードよりもさらに小さな１ｍｒａｄ以下の収束角を実現できる。
【0106】
制御部６０は、図１３に示すＳＴＥＭペンシルビームモードと図９に示す高分解能ＳＴＥＭモードを切り替える場合においても、上述した図１１に示す制御処理を行う。そのため、図１３に示すＳＴＥＭペンシルビームモードと図９に示す高分解能ＳＴＥＭモードを切り替えることによる収差の変動を低減できる。
【0107】
なお、第１光学モードＭ１の他の例として、試料Ｓに対しで電子線を平行照射するＴＥＭモードや観察倍率３０００倍以下の低倍率モードが挙げられる。ＴＥＭモードや低倍率
モードにおいても、収差補正装置２６で収差を補正しないことが望ましい。したがって、制御部６０は、ＴＥＭモードと高分解能ＳＴＥＭモードを切り替える場合、および低倍率モードと高分解能ＳＴＥＭモードを切り替える場合についても、上述した図１１に示す制御処理を行う。そのため、ＴＥＭモードと高分解能ＳＴＥＭモードを切り替える場合、および低倍率モードと高分解能ＳＴＥＭモードを切り替える場合においても、光学モードを切り替えることによる収差の変動を低減できる。
モードにおいても、収差補正装置２６で収差を補正しないことが望ましい。したがって、制御部６０は、ＴＥＭモードと高分解能ＳＴＥＭモードを切り替える場合、および低倍率モードと高分解能ＳＴＥＭモードを切り替える場合についても、上述した図１１に示す制御処理を行う。そのため、ＴＥＭモードと高分解能ＳＴＥＭモードを切り替える場合、および低倍率モードと高分解能ＳＴＥＭモードを切り替える場合においても、光学モードを切り替えることによる収差の変動を低減できる。
【0108】
４．２． 第２変形例
上述した実施形態では、多極子２６０の発熱量を一定にして、多極子２６０が発生させる多極子場のオンとオフを切り替える場合について説明したが、多極子２６０の発熱量を一定にして、多極子２６０が発生させる多極子場の強度を変化させることもできる。
上述した実施形態では、多極子２６０の発熱量を一定にして、多極子２６０が発生させる多極子場のオンとオフを切り替える場合について説明したが、多極子２６０の発熱量を一定にして、多極子２６０が発生させる多極子場の強度を変化させることもできる。
【0109】
制御部６０は、第１コイル８ａに供給する励磁電流と第２コイル８ｂに供給する励磁電流の比を変化させることによって、多極子２６０が発生させる多極子場の強度を変化させる。
【0110】
第１コイル８ａに供給する励磁電流Ｉ１と第２コイル８ｂに供給する励磁電流Ｉ２の比Ｉ２／Ｉ１を変化させることによって、第１コイル８ａがつくる第１多極子場の強度と第２コイル８ｂがつくる第２多極子場の強度の比が変化し、多極子２６０が発生させる多極子場の強度が変化する。このとき、第１コイル８ａを励磁することによって作られる第１多極子場の向きと第２コイル８ｂを励磁することによって作られる第２多極子場の向きを逆にする。これにより、第１多極子場と第２多極子場を弱め合う関係にできる。また、比Ｉ２／Ｉ１を変化させても、第１コイル８ａで消費される電力と第２コイル８ｂで消費される電力の和を一定にする。これにより、多極子２６０が発生させる多極子場の強度を変化させても、多極子２６０の発熱量を一定にできる。
【0111】
例えば、制御部６０が、第１コイル８ａに供給する励磁電流Ｉ１と第２コイル８ｂに供給する励磁電流Ｉ２の比を変化させることによって、多極子２６０が発生させる多極子場の強度を第１強度から第１強度と異なる第２強度に変化させる。このとき、制御部６０は、多極子２６０に第１強度の多極子場を発生させた状態における第１コイル８ａで消費される電力と第２コイル８ｂで消費される電力の和と、多極子２６０に第２強度の多極子場を発生させた状態における第１コイル８ａで消費される電力と第２コイル８ｂで消費される電力の和が等しくなるように、第１コイル８ａに供給される励磁電流および第２コイル８ｂに供給される励磁電流を制御する。これにより、多極子２６０が発生させる多極子場の強度を第１強度から第２強度に変化させても、発熱量を一定にできる。
【0112】
４．３． 第３変形例
上述した実施形態では、多極子２６０を含む収差補正装置２６が照射光学系２０に組み込まれた走査透過電子顕微鏡である場合について説明したが、多極子２６０を含む収差補正装置２６が結像光学系４０に組み込まれた透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）であってもよい。収差補正装置２６を結像光学系４０に組み込むことによって、結像光学系４０の収差を補正できる。なお、収差補正装置２６を照射光学系２０と結像光学系４０の両方に組み込んでもよい。また、電子顕微鏡１００は、収差補正装置２６が組み込まれた電子光学系を有する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）であってもよい。
上述した実施形態では、多極子２６０を含む収差補正装置２６が照射光学系２０に組み込まれた走査透過電子顕微鏡である場合について説明したが、多極子２６０を含む収差補正装置２６が結像光学系４０に組み込まれた透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）であってもよい。収差補正装置２６を結像光学系４０に組み込むことによって、結像光学系４０の収差を補正できる。なお、収差補正装置２６を照射光学系２０と結像光学系４０の両方に組み込んでもよい。また、電子顕微鏡１００は、収差補正装置２６が組み込まれた電子光学系を有する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）であってもよい。
【0113】
４．４． 第４変形例
上述した実施形態では、多極子２６０の発熱量を一定にして、多極子２６０が発生させる多極子場のオンとオフを切り替える場合について説明したが、コレクターレンズにおいても、同様に、コレクターレンズの発熱量を一定にして、コレクターレンズが発生させるレンズ磁場のオンとオフを切り替えてもよい。
上述した実施形態では、多極子２６０の発熱量を一定にして、多極子２６０が発生させる多極子場のオンとオフを切り替える場合について説明したが、コレクターレンズにおいても、同様に、コレクターレンズの発熱量を一定にして、コレクターレンズが発生させるレンズ磁場のオンとオフを切り替えてもよい。
【0114】
図１４は、コレクターレンズ２６２を模式的に示す図である。
【0115】
コレクターレンズ２６２は、第１コイル２０２ａと、第２コイル２０２ｂと、ヨーク２０４と、を含む。第１コイル２０２ａおよび第２コイル２０２ｂは、ヨーク２０４によって覆われている。ヨーク２０４は、鉄などの強磁性体である。第１コイル２０２ａは、光軸ＯＡを中心軸として、巻回されている。第２コイル２０２ｂは、光軸ＯＡを中心軸として、巻回されている。第１コイル２０２ａと第２コイル２０２ｂは、例えば、同じ向きに巻かれている。
【0116】
第１コイル２０２ａは、光軸ＯＡ上に第１磁場を発生させる。第２コイル２０２ｂは、光軸ＯＡ上に第２磁場を発生させる。第１磁場および第２磁場によって、レンズ磁場が形成される。
【0117】
制御部６０は、第１磁場の強度と第２磁場の強度を等しくした状態で、第１磁場の向きと第２磁場の向きを逆にすることによってレンズ磁場をオフにし、第１磁場の向きと第２磁場の向きを同じにすることによって、レンズ磁場をオンにする。
【0118】
制御部６０は、レンズ磁場をオフにしたときの第１コイル２０２ａで消費される電力と第２コイル２０２ｂで消費される電力の和と、レンズ磁場をオンにしたときの第１コイル２０２ａで消費される電力と第２コイル２０２ｂで消費される電力の和を等しくする。これにより、レンズ磁場のオフとオンを切り替えても、コレクターレンズ２６２の発熱量を一定にできる。
【0119】
上記では、コレクターレンズ２６２について説明したが、収差補正装置２６を構成するその他のコレクターレンズ（コレクターレンズ２６４、コレクターレンズ２６６、およびコレクターレンズ２６８）についても同様の構成であり、レンズ磁場のオンとオフを切り替えても、発熱量を一定にできる。
【0120】
したがって、第４変形例に係る電子顕微鏡１００では、図１０に示す収差補正装置２６で収差を補正しない第１光学モードＭ１から図９に示す収差補正装置２６で収差を補正する第２光学モードＭ２に切り替えても、収差補正装置２６を構成する２段の多極子２６０、コレクターレンズ２６２、コレクターレンズ２６４、コレクターレンズ２６６、およびコレクターレンズ２６８において、発熱量を一定にできる。したがって、熱的に安定した収差補正装置２６を実現できる。
【0121】
なお、上述した第２変形例と同様に、多極子２６０は、多極子場の強度を変化させても、多極子２６０の発熱量が一定になるように構成されている。
【0122】
さらに、収差補正装置２６を構成する各コレクターレンズ（コレクターレンズ２６２、コレクターレンズ２６４、コレクターレンズ２６６、およびコレクターレンズ２６８）についても、多極子２６０と同様に、レンズ磁場の強度を変化させても、コレクターレンズの発熱量が一定になるように構成されていてもよい。
【0123】
例えば、第１コイル２０２ａに供給する励磁電流と第２コイル２０２ｂに供給する励磁電流の比を変化させることによって、第１コイル２０２ａがつくる磁場の強度と第２コイル２０２ｂがつくる磁場の強度の比が変化し、レンズ磁場の強度が変化する。このとき、第１コイル２０２ａを励磁することによって作られる磁場の向きと第２コイル２０２ｂを励磁することによって作られる磁場の向きを逆にして、２つの磁場を弱め合う関係にする。また、第１コイル２０２ａに供給する励磁電流と第２コイル２０２ｂに供給する励磁電
流の比を変化させても、第１コイル２０２ａで消費される電力と第２コイル２０２ｂで消費される電力の和を一定にする。これにより、コレクターレンズ２６２が発生させるレンズ磁場の強度を変化させても、コレクターレンズ２６２の発熱量を一定にできる。
流の比を変化させても、第１コイル２０２ａで消費される電力と第２コイル２０２ｂで消費される電力の和を一定にする。これにより、コレクターレンズ２６２が発生させるレンズ磁場の強度を変化させても、コレクターレンズ２６２の発熱量を一定にできる。
【0124】
上記では、コレクターレンズ２６２について説明したが、収差補正装置２６を構成するその他のコレクターレンズ（コレクターレンズ２６４、コレクターレンズ２６６、およびコレクターレンズ２６８）についても同様の構成であり、レンズ磁場の強度を変化させても、発熱量を一定にできる。
【0125】
第４変形例に係る電子顕微鏡１００では、収差補正装置２６において多極子場のオンやオフの切り替えや、多極子場の強度の変更、レンズ磁場の強度の変更を行っても、発熱量を一定にでき、熱的に安定した収差補正装置を実現できる。
【0126】
４．５． 第５変形例
上述した実施形態では、多極子２６０を収差補正装置に用いた場合について説明したが、多極子２６０をその他の装置に用いてもよい。例えば、多極子２６０を電子線を単色化させるモノクロメーターに用いてもよいし、多極子２６０を試料から出射する電子のうちの特定のエネルギーを持つ電子のみを選択するエネルギーフィルターに用いてもよい。このように、多極子２６０をモノクロメーターやエネルギーフィルターなどの装置に用いることによって、熱的に安定した装置を実現できる。
上述した実施形態では、多極子２６０を収差補正装置に用いた場合について説明したが、多極子２６０をその他の装置に用いてもよい。例えば、多極子２６０を電子線を単色化させるモノクロメーターに用いてもよいし、多極子２６０を試料から出射する電子のうちの特定のエネルギーを持つ電子のみを選択するエネルギーフィルターに用いてもよい。このように、多極子２６０をモノクロメーターやエネルギーフィルターなどの装置に用いることによって、熱的に安定した装置を実現できる。
【0127】
なお、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態及び各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。
【0128】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成を含む。実質的に同一の構成とは、例えば、機能、方法、及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成である。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【0129】
２…電子光学系、４…磁極、６…極子、８…コイル、８ａ…第１コイル、８ｂ…第２コイル、９…電源、１０…電子源、２０…照射光学系、２１…コンデンサーレンズ、２２…コンデンサーレンズ、２３…コンデンサー絞り、２４…コンデンサーレンズ、２６…収差補正装置、２８…コンデンサーミニレンズ、２９…前方磁界、３０…試料ステージ、３２…試料ホルダー、４０…結像光学系、５０…ＳＴＥＭ検出器、５２…分割型検出器、５３…検出面、６０…制御部、１００…電子顕微鏡、２０２ａ…第１コイル、２０２ｂ…第２コイル、２０４…ヨーク、２６０…多極子、２６０Ｄ…多極子、２６２…コレクターレンズ、２６４…コレクターレンズ、２６６…コレクターレンズ、２６８…コレクターレンズ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】