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  • アウトレンズ形対物レンズ(汎用形対物レンズ)

    out-lens objective lens,conventional objective lens

    [目次:装置]

    SEMの誕生以来、最も多く使われてきた対物レンズ。光軸に対して軸対称なレンズである。図に示すように、ヨークの開口部に集中して磁場が作られる(黄色で示した)。試料は、通常レンズの下方10mm程度、あるいはそれ以上離れた位置に置かれるので、レンズと試料の間の距離(作動距離)が長くとれる。その結果、半導体ウェハのような大きな試料を大きく傾斜して観察することができる。さらに、EDSやWDSなどのX線分光器やEBSDなどの検出器を挿入したり、加熱、引っ張り、凍結などの様々なステージを組み込むことができる。試料はレンズ磁場の影響を全く受けないので、磁性材料の観察や分析もできる。ただし、レンズと試料間の距離が長いため、レンズの励磁が弱く収差を小さくできないため、試料上でのプローブサイズを小さくできないので、高分解能観察には不向きである。

    アウトレンズ型対物レンズ⇒

    The out-lens objective lens is a most widely used objective lens since the advent of SEM, which is rotationally symmetric with respect to the optical axis of an electron beam. As shown in Figure, A magnetic field is created concentrating at the opening of the yoke (indicated by yellow region).
    Since a specimen is placed at a position about 10 mm below the lens or more, a large working distance is created. Thus a large specimen like a semiconductor wafer can be observed at large tilt angles. And an X-ray spectrometer (EDS, WDS), an EBSD detector, or a various-type of stage for heating, stretching or cooling can be installed. Magnetic materials can be observed and analyzed without the magnetic field of the lens. However, since the lens excitation is weak due to the long working distance, the probe size on the specimen is relatively large because lens aberration is not small. Thus, the objective lens is not suitable for high-resolution observation.

    Schematic of the out-lens objective lens
    Fig. Schematic of the out-lens objective lens

  • インレンズ形対物レンズ

    in-lens objective lens

    [目次:装置]

    高分解能SEM用の対物レンズの一種。
    このレンズは非常に焦点の短いレンズで、広く使われているアウトレンズ型対物レンズに比べて、球面収差と色収差が1/10以下になる。そのため、高加速電圧のみならず低加速電圧でも、SEM像の分解能が大幅に向上する。図に示すように、試料は対物レンズのポールピースによって作られる強い磁場(黄色部)の中に置かれる。 ただし、試料周辺の空間は狭く、扱える試料の大きさは数mm径で高さは2~3mmである。磁性体試料はレンズの強い磁場によって磁化されるので、磁性体の観察には適さない。EDS検出器の装着は可能であるが、WDSやEBSDなどの検出器を装着することはできない。二次電子の検出には、TTL検出器が用いられる。試料ステージには、サイドエントリータイプのゴニオメータステージが使われている。レンズの構造ならびにゴニオメーターのタイプもTEM仕様のものと類似している。

    インレンズ対物レンズ
    図 インレンズ形対物レンズ

    One of the objective lenses for the high-resolution SEM.
    The in-lens objective lens has a very short focal length, and both spherical and chromatic aberrations of this lens is one to tenth or less compared to those of the out-lens objective lens. Thus, the SEM image resolution is greatly improved at high-to-low accelerating voltage. As shown in Figure, a specimen is placed in a strong magnetic field (indicated by yellow region) created by the pole-piece of the objective lens.
    However, the space around the specimen is narrow and the size of the specimen which can be handled is limited, several mm in diameter and 2 to 3 mm in height.
    A magnetic material (magnetic specimen) is magnetized by the strong magnetic field in this lens, thereby not suitable for observation of the magnetic specimen.
    For the SEM instrument equipped with the in-lens objective lens, it is possible to attach an EDS detector, but WDS and EBSD detectors cannot be attached. To detect secondary electrons emitted from the specimen, the TTL (through-the-lens) detector is used. The side-entry goniometer stage is used as the specimen stage. Due to the structure of the in-lens objective lens, the type of the goniometer stage is similar to that for TEM.

    Fig. Schematic of the in-lens objective lens
    Fig. Schematic of the in-lens objective lens

  • 強励磁対物レンズ

    strongly excited objective lens

    [目次:装置]

    インレンズ形対物レンズあるいはシュノーケル形対物レンズのように光軸上の磁界分布を急峻にし、且つ磁界強度も高くした対物レンズ。焦点距離が短く、収差が小さいのが特徴で、超高分解能SEMに使われている。

  • シュノーケル形対物レンズ

    snorkel objective lens

    [目次:装置]

    超高分解能SEM用の対物レンズの一種。ヨークの開口部を、光軸に沿った部分ではなく試料側に作ると、対物レンズ下部の空間にレンズ磁界を作ることができる。その中に試料を置くようにすると、対物レンズの収差を小さくすることができるが、インレンズ形対物レンズと違って、大きな試料を扱うことができる。作動距離を短くすれば高解像力が得られ、作動距離を長くすれば、試料の大角度傾斜が可能である。セミインレンズ形対物レンズとも呼ばれるが、二次電子の検出にはTTL検出器が用いられる。なお語源は、最初に作られたレンズが、平面状の外側ヨークに対して、内側ヨークがダイビングで使われるシュノーケルのように突き出していたことによる。内側ヨークの上部空間に試料を置くというのが、元々のアイディアであり、現在のものは上下が逆転している。

    シュノーケル形対物レンズ

  • セミインレンズ形対物レンズ

    semi-in-lens objective lens

    [目次:装置]

    高分解能SEM用の対物レンズの一種。
    インレンズ型対物レンズの欠点を改良するために作られたレンズ。図に示すように、ヨークの開口部がレンズの下部にあり、レンズの磁場は対物レンズ下部に作られる(黄色部)。レンズは短焦点のレンズになり、球面収差と色収差がインレンズ型対物レンズ並に小さくなり、高分解能が得られる。試料はレンズの外に置かれるので、大きな試料を扱うことができる。ただし、磁性体試料はレンズの強い磁場内に置かれるので、磁性体の観察には適さない。試料から放出された二次電子検出にはTTL検出器が用いられる。
    EDSの装着は可能である。EBSDの装着は可能ではあるが、回折パターンがレンズ磁場の影響で歪むため、その補正機能が必要である。セミインレンズは、多くのFESEMに搭載され、高分解能志向のユーザーにより使用されてきた。


    図 セミインレンズ型対物レンズの構造

    One of the objective lenses for the high-resolution SEM.
    The semi-in-lens objective lens has been created, so as to improve the disadvantages of the in-lens objective lens. As shown in Figure, the opening of the yoke is located below this lens and thus, a lens magnetic field is created below the objective lens (indicated by yellow region). Since the semi-in-lens objective lens provides a short focal length, this feature achieves small spherical and chromatic aberrations of the semi-in-lens objective lens comparable to those of the in-lens objective lens, and a high-resolution SEM image is obtained. Since the specimen is placed outside the lens, a large specimen can be handled.
    However, a magnetic material (magnetic specimen) is placed in a strong magnetic field in the lens, thereby not suitable for observation of the magnetic specimen. To detect secondary electrons emitted from the specimen, the TTL (through-the-lens) detector is used.
    For the SEM instrument equipped with the semi-in-lens objective lens, it is possible to attach an EDS detector. Also an EBSD detector can be attached, but a diffraction pattern acquired by EBSD is distorted due to the lens magnetic field, thereby requiring a compensation function for this distortion.
    The semi-in-lens objective lens has been installed in a great number of FE-SEMs, so as to meet the needs of SEM users focusing on high-resolution imaging.

    Fig. Schematic of the semi-in-lens objective lens
    Fig. Schematic of the semi-in-lens objective lens

  • 対物レンズ

    OL objective lens

    [目次:装置]

    電子プローブを試料表面にフォーカスするために、試料の最も近くに置かれるレンズ。このレンズの収差が小さいほど、電子プローブ径を小さくすることができる。試料を対物レンズの下側に置くアウトレンズ型、試料をレンズの中に置くインレンズ型、その中間のセミインレンズ型の3種類のレンズがある。
    通常、磁場レンズが利用されている。最近、1kV以下の極低加速電圧で高い空間分解能を得るために、磁場レンズと静電レンズを組み合わせた電磁場重畳レンズが登場している。

    The objective lens is a lens that is placed close to a specimen to focus an electron probe onto the surface of the specimen. The diameter of the electron probe can be made smaller when the aberration of the lens is smaller. Three types of objective lenses are available; the out-lens objective lens below which the specimen is placed, the in-lens objective lens inside which the specimen is placed, and the semi-in-lens objective lens whose structure is a compromise of the out-lens- and in-lens-objective lenses.
    A magnetic field lens is generally used for the objective lens. Recently, an electromagnetic-and-electrostatic composite lens has been available to acquire a high spatial resolution image at a low accelerating voltage below 1 kV.

  • 対物レンズ絞り

    objective-lens aperture,OL aperture

    [目次:装置]

    対物レンズに入射する電子線の内、光軸近傍の電子線だけを通して、それ以外を遮蔽する目的で使用される絞り。孔径が小さい絞りを使うと球面収差や色収差が小さくなり、電子プローブ径は小さくなると同時に焦点深度も深くなるが、プローブ電流は少なくなる。ただし、孔径が小さすぎると回折収差が大きくなり、電子プローブ径は大きくなるので、最適な孔径がある。孔径が大きい絞りを使うとプローブ電流は多くなるが、収差のため電子プローブ径は大きくなり、焦点深度も浅くなる。絞り孔径の切替だけではなく、軸合わせのための位置調整ができるようになっている。

  • 電磁場重畳対物レンズ

    electrostatic/electromagnetic field superposed objective lens

    [目次:装置]

    通常の磁場レンズに静電レンズを重畳させて、低加速電圧でも高空間分解能を得るために焦点距離を短くした対物レンズ。
    高空間分解能観察を行うには、試料上でのプローブ径を小さくする必要がある。そのためには、対物レンズの収差が小さくなるように加速電圧を高く設定する。しかし、試料の最表面を観察したい場合や高分子材料のように高加速電圧の電子線でダメージを受けやすい試料、さらには帯電しやすい試料を観察したい場合は、低加速電圧(0.5~1.0kV)を用いなければならない。低加速電圧での収差によるプローブサイズの増加を補って空間分解能を改善するには焦点距離を短くする必要がある。焦点距離を短くすると、試料と対物レンズ下部が近づきWD(作動距離)が小さくなりすぎてしまう。通常、数mm程度のWDが必要である。そこで、磁場レンズに静電レンズを重畳すると、WDを犠牲にせずに焦点距離を短くすることができ、磁場単独の対物レンズよりもプローブ径を小さくでき、低加速電圧でも高空間分解能の観察が可能になる。
    電磁場重畳対物レンズの構造を図1に示す。磁場型対物レンズの中に加速管と呼ばれる金属パイプが組みこまれている。加速管には磁場型対物レンズに対して正の電圧(数 kV)が印加されている。加速管の下端と磁場型対物レンズの下極の間には、電子線を減速する電場が生じ、静電レンズとして働く。この静電レンズは磁場レンズよりも試料に近いところにできる。加速管の下端は磁場型対物レンズの下極より上側にあるので、WDを変えずに小さなプローブ径を得ることができる(図2)。
    この電磁場重畳対物レンズの利点は、アウトレンズ型対物レンズの汎用性を保ちつつ高空間分解能を実現したことにある。大きな試料の傾斜観察、EDSやEBSD分析、特殊ステージ(加熱冷却や引っ張りなど)を組み込んでも、試料と対物レンズとの干渉を起こさずに高空間分解能観察ができる。さらに、磁性体試料も、対物レンズの磁場の影響を受けずに観察することができる。

    電磁場重畳レンズ
    図1 電磁場重畳レンズ
    磁場レンズの内部に加速管が設置されている。磁場レンズの下側に静電レンズが形成される。
    磁場レンズと電磁場重畳レンズの場合の試料上での電子プローブの違い
    図2 磁場レンズと電磁場重畳レンズの場合の試料上での電子プローブの違い
    a) 磁場レンズのみのレンズ作用。電子線は磁場レンズのみによって試料面に集光する。
    b) 電磁場重畳レンズのレンズ作用。静電場が磁場レンズの下部にできたことで電子線はさらに強い集束を受けるので、実効的に同じWDを保ったまま、焦点距離が短くなり、小さなプローブができる。

    An objective lens where an electrostatic lens is superposed on an ordinary magnetic lens, so as to obtain high spatial resolution even at low accelerating voltage by decreasing the focal length.
    For high spatial resolution observation, the electron probe diameter on a specimen needs to be made small. To achieve this, the accelerating voltage is set high so that the aberration of the objective lens becomes small. However, the observation of various specimens, such as the top surface of a specimen, a specimen (high polymer material, etc.) susceptible to thermal damage due to irradiation of a highly-accelerated electron beam and a specimen susceptible to electric charging, requires a low accelerating voltage (0.5 to 1 kV). For improving the spatial resolution while compensating the increased probe size due to the aberration at low accelerating voltage, it is necessary to shorten the focal length. When the focal length is shortened, the specimen position is close to the bottom of the objective lens and thus, the working distance (WD) becomes too short. It is noted that the ordinal WD requires several mm. To overcome this problem, superposing an electrostatic lens on the ordinary magnetic lens makes it possible to shorten the focal length without a very small WD. This feature achieves a smaller probe diameter than that provided by the objective lens which uses only a magnetic field. Thus, the specimen can be observed with high spatial resolution even at low accelerating voltage.
    The structure of the electrostatic/electromagnetic field superposed objective lens is schematically explained in Fig. 1. A metal pipe, called "inner electrostatic electrode," is incorporated in the magnetic objective lens. In this electrode, a positive voltage (several kV) is applied to the magnetic objective lens. An electric field, which decelerates the electron beam, is generated between the bottom of the inner electrostatic electrode and the lower pole of the magnetic objective lens. Then, this generated electric field acts as an electrostatic lens. This electrostatic lens is created closer to the specimen than the magnetic lens. Since the bottom of the inner electrostatic electrode is placed above the lower pole of the magnetic objective lens, a small probe diameter is obtained without changing the WD (Fig. 2).
    The major advantage of the electrostatic/electromagnetic field superposed objective lens is that high spatial resolution is achieved while maintaining the general versatility of the out-lens objective lens. The use of this unique lens enables high spatial resolution observation in various cases. That is, this superposed lens makes it possible to perform tilt observation of a large specimen, EDS and EBSD analyses, and observation with an added special stage (for heating and cooling, stretching, etc.) while the specimen does not interfere with the objective lens. Furthermore, a magnetic specimen can be observed with no influence from the magnetic field of the objective lens.

    Electrostatic/electromagnetic field superposed objective lens.
    Fig. 1 Electrostatic/electromagnetic field superposed objective lens.
    An inner electrostatic electrode is placed inside the magnetic lens. An electrostatic lens is created beneath the magnetic lens.
    Difference of the electron probe on the specimen for the magnetic objective lens and for the electrostatic/electromagnetic field superposed objective lens.
    Fig. 2 Difference of the electron probe on the specimen for the magnetic objective lens and for the electrostatic/electromagnetic field superposed objective lens.
    (a) Lens action only for the magnetic lens. The electron beam is focused onto the specimen only by the action of the magnetic lens.
    (b) Lens action for the electrostatic/electromagnetic field superposed lens. An electrostatic field is generated at the bottom of the magnetic lens and thus, the electron beam is further focused. As a result, the focal length is shortened and a small probe is produced while the same WD is maintained.

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