JP2007287365A - 多極子レンズ及び多極子レンズの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は多極子レンズ及び多極子レンズの製造方法に関し、加工精度を向上させることができる多極子レンズ及び多極子レンズの製造方法を提供することを目的としている。
【解決手段】極子となる極子ブランク材１３と、該極子ブランク材１３を上下に挟むフィルム状の絶縁材１２と、極子ブランク材１３とフィルム状の絶縁材１２とを上下に挟むリング１１とを有し、これら部材には硬化材を注入するための穴がその位置が一致するように共通に設けられており、前記硬化材が前記穴に注入されて硬化した後、前記極子ブランク材１３を放電加工することにより極子が形成されるように構成される。
【選択図】図６

Description

本発明は多極子レンズ及び多極子レンズの製造方法に関する。

走査型電子顕微鏡等の観察装置において、荷電粒子ビームである電子ビームを試料に照射する際に、試料の観察像を適切に検出する目的で、電子ビームの収差を補正して試料に照射することが行われている。このような観察装置内で電子ビームの収差を補正するために収差補正器として多極子レンズを設けている。

この多極子レンズとして、８個や１２個等の複数個の極子を有し、これらの極子は、環状の保持部材と、この保持部材の外側に配置されたヨークとによって支持されている構成が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載された多極子レンズについて説明する。この多極子レンズは、取付け棒と該取付け棒の先端部に結合された磁極とからなる複数の極子と、これらの極子の取付け棒を通すための気密孔が設けられたビーム管と、このビーム管の外側に配置された環状のヨークとを備えている。

極子は、取付け棒の先端部を磁極にネジ込んだり、両者を接着若しくは溶着して連結することにより構成される。ここで、極子を構成する取付け棒及び磁極は磁性材料から作られている。また、ビーム管は電気的絶縁材料等により作られており、気密孔の周囲に金属被膜が設けられている。

そして、極子における取付け棒は、その基端部においてヨークと堅く連結されている。具体的には、取付け棒をヨークの穴に絶縁体を介して通すことにより一直線に揃えた状態で当該ヨークと堅く連結されている。また、この取付け棒はビーム管の気密孔内において、上記金属被膜を介した溶接により気密に固着され、これにより当該溶接部は真空密封体とされている。

取付け棒におけるビーム管とヨークとの間に位置する部分には、コイルが設けられている。そして、このコイルに電流を流すことにより、取付け棒の先端部に接合された磁極が励磁される。

また、予め先端形状を成形した多極子を樹脂でモールドして多極子レンズを製造する製造方法と、この多極子レンズの構造が知られている（例えば特許文献２参照）。特許文献２に記載された多極子レンズについて説明する。この多極子レンズは、磁極及び支持棒からなる極子と、該極子を保持するための環状の保持部材と、該保持部材の外側に配置された環状のヨークとを備えている。極子は、支持棒とその先端部に取り付けられた磁極とから構成され、支持棒及び磁極はともにパーマロイや鉄等の磁性材料から形成されている。

極子を構成する支持棒の被保持部は、真鍮やリン青銅等の非磁性体からなる保持部材に形成された貫通孔内に挿通されており、この貫通孔の両端部にはＯリング等のシール部材が配置されている。そして、貫通孔の内部において、支持棒の被保持部の外周面と貫通孔の内周面との間の空間には樹脂が充填されている。この樹脂は、貫通孔内部の当該空間内において硬化されている。よって、支持棒の被保持部は硬化された樹脂を介して保持部材の貫通孔内に固着されており、これによって極子は当該被保持部において保持部材に位置決めされた状態で固定されている。
特開平２−２３０６４７号公報（第３頁左下欄第１行目〜第４頁左上欄第５行目、第１図、第２図） 特開２００５−１９０７１号公報（段落００１５〜００２３、図１〜図３）

発熱体であるコイルを真空中に設置すると、雰囲気圧力を上昇させたり、残留ガス中のハイドロカーボンを増加させる。これを防ぐためにコイルは大気側に設置されなければならない。よって、コイルは真空隔壁を貫通する極子の大気側を鉄心として配置されることになる。

この真空隔壁は、複数の多極子相互の位置精度を確保しつつ多極子を積み重ねるための組立基準となる形状を有する。例えば、この組立基準は、他の多極子との同軸度を確保するための形状であり、同軸度を得るのに都合のよい形状は円形である。この組立基準は、極子先端形状との高い位置精度を有する必要がある。

ワイヤー放電加工で極子先端形状を成形するのが、光軸に直角の任意の断面での極子形状を一定に加工するのに都合がよい。また、加工歪みを被加工物に与えない加工とするためには放電加工とする必要がある。これらの見地から極子先端形状の加工はワイヤー放電加工とする必要がある。

ところが、ワイヤー放電加工による円形の組立基準加工は、前記極子（大気側部位）との干渉から不可能である。複数の加工工程のために、工作機械に被加工物を設置し直すことは、これによる加工誤差を累積する原因となる。加工誤差を累積させないためには、理想的には単一の加工工程により加工する必要がある。

以上の点に鑑みて、従来技術では、組立基準と極子先端との加工工程を同一とすることができず、予め成形した組立基準に対し位置合わせを行ない、極子先端を加工する必要がある。この位置合わせの誤差が組立基準と極子先端形状との誤差に加算されることになる。例えば、この誤差の累積により以下の精度を低下させることになる。
１）多極子の中心と、組立基準の円形形状との同軸度
２）単段の多極子の組立基準端面と、多極子中心軸との直交度
なお、予め先端形状を高精度に成形した極子を組み立てる場合には、上記１），２）以外に、以下の精度を低下させる。
３）多極子の端面の平面度
すなわち、極子毎の端面位置の不揃いとなる。

その他の問題点として、
・金属部材に、極子に成形されるブランク材を接着する場合（特許文献２参照）、接着時の位置ズレにより、ブランク材の位置を決めることが困難である。ここで、ブランク材とは、放電加工による被加工部材のことである。
・セラミックスにブランク材をロウ付けする場合（特許文献１参照）は、セラミックス製の組立基準を放電加工することができない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、加工精度を向上させることができる多極子レンズ及び多極子レンズの製造方法を提供することを目的としている。

（１）請求項１記載の発明は、極子となる極子ブランク材と、該極子ブランク材を上下に挟むフィルム状の絶縁材と、極子ブランク材とフィルム状の絶縁材とを上下に挟むリングと、を有し、これら部材には硬化材を注入するための穴がその位置が一致するように共通に設けられており、前記硬化材が前記穴に注入されて硬化した後、前記極子ブランク材を放電加工することにより極子が形成されるように構成されことを特徴としている。
（２）請求項２記載の発明は、前記極子の極子終端を平面に加工したことを特徴とする。
（３）請求項３記載の発明は、前記リングの少なくとも１箇所に位置決め用のスロットが形成されたことを特徴とする。
（４）請求項４記載の発明は、多極子の外側に円筒状に配置されたハウジングに設けられた貫通穴を介して前記多極子と接触するように構成された鉄心の先端を球面或いは円錐状に加工し、極子終端と接触するように構成したことを特徴とする。
（５）請求項５記載の発明は、前記硬化剤を注入する穴をネジ穴状に形成し、硬化材の代わりにネジで多極子レンズを固定するようにしたことを特徴とする。
（６）請求項６記載の発明は、荷電粒子線から絶縁材や絶縁材近傍の金属部材を見込めないように配置したことを特徴とする。
（７）請求項７記載の発明は、リングの上にフィルム状の絶縁材を載置し、該絶縁材の上に極子となる極子ブランク材を載置し、該極子ブランク材の上に第２の絶縁材を載置し、
該第２の絶縁材の上に第２のリングを載置し、この状態で各部材に共通に設けられた穴の位置が一致するように成層形成し、前記穴に硬化材を注入して硬化し、その後、前記極子ブランク材を放電加工して極子を形成するようにしたことを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、極子先端と多極子の組立基準を一つの工程で加工することにより、多極子先端と組立基準位置ずれを最小とすることができ、多極子によって与えられる場の位置精度を向上させることができる。また、極子の絶縁部材として樹脂フィルムを用いるため、極子の高さ方向の位置精度を容易に得ることができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、極子終端を平面に加工することにより、極子終端と接して配置される鉄心との接触部の磁気抵抗を小さくすると共に、極子毎の磁気抵抗のばらつきを小さくすることができる。
（３）請求項３記載の発明によれば、位置決め用の複数のスロットを設けることにより、極子の方位との位置精度のよいスロットを組み立て時に選択し、極子の方位角の精度を向上させることができる。
（４）請求項４記載の発明によれば、鉄心の先端を球面或いは円錐状とすることにより、鉄心と極子とが磁気的に結合する部分の磁気抵抗のばらつきを小さくすることができる。
（５）請求項５記載の発明によれば、多極子レンズ製造時における各層を硬化材により硬化させる代わりにネジ止めで固定することができる。
（６）請求項６記載の発明によれば、ネジに荷電粒子線から絶縁材や絶縁材近傍の金属材料を見込めないようにする（ラビリンス）機能を持たせることができる。
（７）請求項７記載の発明によれば、極子先端と多極子の組立基準を一つの工程で加工することにより、多極子先端と組立基準位置ずれを最小とすることができ、多極子によって与えられる場の位置精度を向上させることができる。また、極子の絶縁部材として樹脂フィルムを用いるため、極子の高さ方向の位置精度を容易に得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
（実施の形態例１）
図１，図２によりブランク材（放電加工による被加工部材）の組み立て手順を説明する。図１，図２はブランク材の組み立て手順を示す図である。（ａ）は手順１を示す。１１はリングであり、非磁性材料、例えば銅合金で製作されている。このリング１１には後述する硬化材（以下エポキシ樹脂系硬化剤の場合を例にとる）１４を注入する穴１１ａが設けられている。（ｂ）は手順２を示す。リング１１の上にフィルム状の絶縁材（以下インシュレータという）１２を重ねる。この場合において、エポキシ樹脂系硬化剤を注入する穴１２ａの位置をリング１１の穴１１ａの位置と合わせる。

（ｃ）は手順３である。インシュレータ１２の上に、軟磁性材料で製作された極子ブランク材１３をエポキシ樹脂系硬化剤を注入する穴１３ａを合わせて重ねる。（ｄ）は手順４である。該手順４では、極子ブランク材１３の上に第２のインシュレータ１２を、エポキシ樹脂系硬化剤を注入する穴１２ａを合わせて重ねる。

（ｅ）は手順５である。第２のインシュレータ１２の上に第２のリング１１を、エポキシ樹脂系硬化剤を注入する穴１１ａを合わせて重ねる。（ｆ）は手順６である。手順６では、手順１から手順５により積層し、その都度位置合わせした注入穴にエポキシ樹脂系硬化剤１４を注入して硬化させ、一体のブランク材とする。図３はブランク材の組立て手順を示す図である。

次に、ブランク材の加工手順を（ｇ）に示す手順７と（ｈ）に示す手順８を用いて説明する。ワイヤー放電加工機（図示せず）に手順６により一体化したブランク材（（ｃ）参照）をセットし、外形を加工する。この手順７における加工により、組立基準円弧１１１、スロット６１の形状が加工される。（ｇ）において、１４は注入穴に注入されたエポキシ樹脂系硬化剤である。次に、（ｈ）に示す手順８において、手順７に引き続き、ワイヤー放電加工により極子を分割し、極子先端形状を成形する。以上の手順１から手順８により多極子の真空内設置部を製作する。

以上、説明したように、本発明によれば、極子先端と多極子の組立基準を一つの工程で加工することにより、多極子先端と組立基準位置ずれを最小とすることができ、多極子によって与えられる場の位置精度を向上させることができる。また、極子の絶縁部材として樹脂フィルムを用いるため、極子の高さ方向の位置精度を容易に得ることができる。

（ｉ）に示す図は、多極子の真空内設置部水平断面を示す。極子ブランク材１３が分割され、極子１３１の先端形状と極子終端１３１ａが成形されている。図４はブランク材の組立て手順を示す図である。

図５は一体化されたブランク材の上面図と縦断面図である。（ａ）は上面図、（ｂ）は縦断面図である。図１，図２と同一のものは、同一の符号を付して示す。
図６はブランク材の積層手順を示す図で、一体化されたブランク材の縦断面図で示す。（ａ）はリング１１を置いた状態である。このリング１１に（ｂ）に示すようなインシュレータ１２を重ねる。次に、（ｃ）に示すようにインシュレータ１２の上に極子ブランク材１３を重ねる。次に、（ｄ）に示すように極子ブランク材１３の上に第２のインシュレータ１２を重ねる。次に、このインシュレータ１２の上に（ｅ）に示すように第２のリング１１を重ねる。この状態で各層毎に設けられている穴は（ｅ）に示すように揃っていることが必要である。次に、（ｅ）に示すように各層が形成された後に、穴にエポキシ樹脂系硬化剤１４を注入して硬化させる。この結果、図に示すブランク材は、一体成形されることになる。

以上、説明したように、実施の形態例１によれば、機械加工により製作するインシュレータに比較して、フィルム状のインシュレータ１２の膜厚は均一に管理することが容易であり、このインシュレータ１２により極子１３１を絶縁しつつ、極子１３１の高さ位置のばらつきを小さく保持することができる。

また、ブランク材を取り付け替えることなく、一連の放電加工により、外形である組立基準円弧１１１、スロット６１と内側の形状である極子先端形状を加工することにより、多極子同士の軸と極子の方位を合わせるための精度を確保することができる。
（実施の形態例２）
実施の形態例１の場合と同様に、図１，図２の手順１から手順６によりブランク材を製作する。図４の平面図（ｊ）と（ｋ）とから、ブランク材の加工手順を説明する。（ｊ）は手順７を示し、（ｋ）は手順８を示す。ワイヤー放電加工機（図示せず）に手順６により一体化したブランク材をセットし、外形を加工する。この加工により、断続した組立基準円弧１１１ａ、スロット６１、極子終端の形状が加工される。

手順８において、手順７に引き続いてワイヤー放電加工により極子を分割し、極子先端形状を形成し、多極子の真空内設置部を完成する。図４の（ｌ）は、多極子の真空内設置部水平断面を示す。極子ブランク材１３が分割され、先端形状と極子終端１３１ｂが成形された極子１３１の様子を示す。実施の形態例１の場合と同様に、図５にブランク材の上面図と縦断面図を、図６に積層手順を示す。

図７に多極子上面図と多極子縦断面図を示す。（ａ）は多極子上面図、（ｂ）は多極子縦断面図を示す。この図はワイヤー放電加工後の真空内設置部の縦断面図を示す。（ａ）において、６１はリング１１に形成された位置決め用のスロット、６はスロット６１に嵌め込まれたピンである。

図８は多極子レンズの縦断面図である。ハウジング５の内円筒５０１に多極子１（電界と磁界を重畳して形成する多極子）、多極子２（電界のみを形成する多極子）の組立基準円弧１１１（図３の（ｇ）参照）とは嵌合する。それぞれのタイプの多極子と必要に応じてスペーサ３とを内円筒５０１に挿入する。挿入された多極子同士の方位は、スロット６１に嵌合するピン６により合わされる。この様子を図７の（ａ）に示す。

ハウジング５には多極子１と多極子２の設置位置に合わせて貫通穴が設けられている。この貫通穴には、鉄心１０１、コンタクトピン２０１が挿通され、インシュレータ５１，５３によりハウジング５と電気的に絶縁され、Ｏリング５２により真空封止される。鉄心１０１は、多極子１の極子と、導電性がありかつ非磁性のスペーサ５７を介して接触し、接触部で磁気的な空隙を持ちつつ電気的に接触する。

コンタクトピン２０１は、多極子２の極子と電気的に接触する。鉄心１０１には、コイル５５が巻回され、インシュレータ５４を介してヨーク５６が設置され、磁気回路が形成され、図示されない電気回路からコイル５５に電流が流され、多極子１の内側の空間に磁場が与えられる。鉄心１０１とコンタクトピン２０１には、図示されない電気回路から電圧が印加され、多極子１，多極子２の内側の空間に電場が与えられる。このように構成された装置の動作を以下に説明する。
１）極子終端１３１ｂを平面に加工することにより、極子終端１３１ｂ（図４の（ｌ）参照）と接して配置される鉄心１０１との接触部の磁気抵抗を小さくすると共に、極子毎の磁気抵抗のばらつきを小さくすることができる。
２）鉄心１０１の先端がスペーサ５７を介して極子終端１３１ｂと接触することにより、接触部の磁気抵抗ばらつきを小さくすることができる。
３）実施の形態例１の極子終端１３１ａ（図３の（ｉ）参照））についても２）の効果が得られる。
（実施の形態例３）
スロットを２箇所以上、極子の数以下の箇所に加工する。このようにすれば、極子の方位との位置精度のよいスロットを組み立て時に選択し、極子の方位角の精度を向上させることができる。
（実施の形態例４）
鉄心１０１の先端を球面、或いは円錐状に加工し、極子終端１３１ａ、或いは極子終端１３１ｂと接触させる。このようにすれば、極子終端１３１ａ、或いは極子終端１３１ｂとの接触部の磁気抵抗のばらつきを小さくすることができる。
（実施の形態例５）
以下、部材の一体化手段として、エポキシ樹脂系硬化剤等の硬化材ではなくネジを使用した場合について説明する。図９は多極子平面図と多極子縦断面図を示す。（ａ）は多極子平面図、（ｂ）は多極子縦断面図である。図１０は多極子横断面図である。極子１３２はインシュレータ１２１を介してリング１１ｂ，１１ｃに挟まれ、ネジ７１，７２により締結されている。ネジ７１は極子を固定するため、ネジ７２については、ネジ７１と相まって極子に加わる回転モーメントを吸収するために設けられている。このように構成された多極子レンズの動作を説明すれば、以下の通りである。

荷電粒子線より散乱した粒子によるスパッタ粒子がインシュレータ表面に付着すると、インシュレータ表面の抵抗が低下し、絶縁不良を生じることになる。これを防止するためには、荷電粒子線からインシュレータやインシュレータ近傍の金属部材を見込めないような配置とする必要がある。

図９の（ｂ）に示すラビリンス構造８ｖと、図１０に示すラビリンス構造８ｈはこのように作用し、特にラビリンス構造８ｈは、特別にラビリンス構造のための部材を用意するのではなく、締結に供するネジ７２にラビリンス構造の機能を兼ねさせている。

以上、説明したように、第５の実施の形態例によれば、多極子レンズ製造時における各層を硬化材により硬化させる代わりにネジ止めで固定することができる。また、ネジに荷電粒子線から絶縁材や絶縁材近傍の金属材料を見込めないようにする（ラビリンス）機能を持たせることができる。

上述の実施の形態例では、硬化材としてエポキシ樹脂系硬化剤を用いた場合を例にとったが、本発明はこれに限るものではなく、他の種類の硬化材を用いることができる。
以上、説明した本発明の効果を列挙すれば、以下の通りである。
１）極子先端と多極子の組立基準を、一つの工程で加工することにより、多極子先端と組立基準の位置ずれを最小とすることができ、多極子によって与えられる場の位置精度を向上させることができる。
２）極子の絶縁部材として、樹脂フィルムを用いることにより、極子の高さ方向の位置精度を容易に得ることができる。
３）極子先端と鉄心とを別部品にすることにより、分離されているため、真空シール材やヨークと磁気結合部からの曲げ方向の反力が極子先端に作用せず、この反力による極子先端精度の低下を防止することができる。
４）極子と鉄心とが磁気的に結合する部位に非磁性の金属箔（或いは金属の薄板）を挿入することにより、この部分の磁気抵抗のばらつきを小さくすることができる。
５）極子と鉄心とが磁気的に結合する部位の鉄心の形状を曲面或いは球面とすることにより、この部分の磁気抵抗のばらつきを小さくすることができる。
６）極子と鉄心とが磁気的に結合する部位の鉄心の形状を円錐とすることにより、この部分の磁気抵抗のばらつきを小さくすることができる。
７）４）か５）か６）の効果により、直列に配線した一連のコイルにより、極子を励磁することが可能となる。
８）多極子の組み立てを、ネジにより行なう場合、ネジを極子の間に配置することにより、ネジに荷電粒子線から絶縁部材を見込まないためのラビリンス構造の機能を持たせ、別途この部材を用意する必要をなくす効果がある。

ブランク材の組立て手順を示す図である。 ブランク材の組立て手順を示す図である。 ブランク材の組立て手順を示す図である。 ブランク材の組立て手順を示す図である。 ブランク材の上面図と縦断面図である。 ブランク材の積層手順を示す図である。 多極子上面図と多極子縦断面図である。 多極子レンズの縦断面図である。 多極子平面図と多極子縦断面図である。 多極子横断面図である。

符号の説明

１１ リング
１１ａ 穴
１２ インシュレータ
１２ａ 穴
１３ 極子ブランク剤
１３ａ 穴
１４ エポキシ樹脂系硬化剤

Claims (7)

1. 極子となる極子ブランク材と、
   該極子ブランク材を上下に挟むフィルム状の絶縁材と、
   極子ブランク材とフィルム状の絶縁材とを上下に挟むリングと、
   を有し、
   これら部材には硬化材を注入するための穴がその位置が一致するように共通に設けられており、
   前記硬化材が前記穴に注入されて硬化した後、前記極子ブランク材を放電加工することにより極子が形成されるように構成された多極子レンズ。
2. 前記極子の極子終端を平面に加工したことを特徴とする請求項１記載の多極子レンズ。
3. 前記リングの少なくとも１箇所に位置決め用のスロットが形成されたことを特徴とする請求項１記載の多極子レンズ。
4. 多極子の外側に円筒状に配置されたハウジングに設けられた貫通穴を介して前記多極子と接触するように構成された鉄心の先端を球面或いは円錐状に加工し、極子終端と接触するように構成したことを特徴とする請求項１記載の多極子レンズ。
5. 前記硬化剤を注入する穴をネジ穴状に形成し、硬化材の代わりにネジで多極子レンズを固定するようにしたことを特徴とする請求項１記載の多極子レンズ。
6. 荷電粒子線から絶縁材や絶縁材近傍の金属部材を見込めないように配置したことを特徴とする請求項５記載の多極子レンズ。
7. リングの上にフィルム状の絶縁材を載置し、
   該絶縁材の上に極子となる極子ブランク材を載置し、
   該極子ブランク材の上に第２の絶縁材を載置し、
   該第２の絶縁材の上に第２のリングを載置し、
   この状態で各部材に共通に設けられた穴の位置が一致するように成層形成し、
   前記穴に硬化材を注入して硬化し、
   その後、前記極子ブランク材を放電加工して極子を形成するようにしたことを特徴とする多極子レンズの製造方法。

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