Development of chromatic aberration correction system for low voltage scanning electron microscope

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04489
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 西 竜治 大阪大学, 超高圧電子顕微鏡センター, 特任教授 (40243183)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 微分代数法 / 色収差 / 対称線電流 / 偏向

Outline of Annual Research Achievements

走査透過電子顕微(STEM)や透過電子顕微鏡(TEM)ではレンズの球面収差を補正し分解能を向上させる収差補正器が商用的に搭載が行われている。しかし、走査電子顕微鏡(SEM)では収差補正器は実用化には至っていない。これはSEMではSTEMより通常加速電圧が1桁以上低い加速電圧で動作を行うために球面収差のみならず色収差の影響が大きいからである。本研究ではSEMにて実用的に用いることができるシンプルな構造の色・球面収差補正器を目指している。
現在の商用利用される収差補正器は2組以上の電磁多極子を組み合わせたものであり、高い加工精度が必要で、その複雑さゆえ高コストになっている。本研究では、磁極を持たない対称線電流というシンプル電子光学要素を用いて電磁多極子を置き換えることで、低加速電圧対応の球面収差・色収差補正器の性能をシミュレーションにより検証している。
シミュレーションにあたっては効率よく収差特性を得られる新たな解析手法である微分代数法による解析プログラム作成を進めている。本研究で用いる対称線電流方式に対応した微分代数法収差解析シミュレーションソフトウェアを開発している。色球面収差補正器を構成するために、SYLC収差補正器、レンズなど電子光学系に加える電流や電圧の条件、SYLCの位置や回転角度や長さといった複数の条件の組合せを最適化探索を行っている。また、偏向系に対応できるように光軸が曲がった場合の座標系へのシミュレーションソフトの改良を行っているところである。

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

研究室の移転のタイミングにコロナ禍が重なり移動が制限されたため、計算環境を使えない時期が続き、その後の再構築にも大幅な支障をきたした。前年度計画していたSIMDによる並列計算方式では高速化に限界があることから、計算方式の見直しにより解析計算の短縮化を目指しているところである。

Strategy for Future Research Activity

色収差補正系と球面収差補正系を両立させるためにSYLCの数がどうしても増えてくる。そのため計算時間の増加がやはり制限になってくるので、既存の行列演算ライブラリ利用による計算速度改善を試みる。
色収差条件を保ちつつ、球面収差を始め3次収差までを補正できる系の構築を行う。
有限要素法による磁界解析により実現における外乱磁界の影響を見積もる。
光軸を平面内で曲げることで軸可変レンズなどへ収差解析の対象を広げSYLC収差補正器の可能性を探る。

Causes of Carryover

本年度、福井工業大学教授・大阪大学特任教授になり、大阪大学で非常勤となったが、今年度のコロナ禍が重なり移動が制限されたために大阪大学にて予算の執行ができなかった。次年度以降に有限要素法の電磁界解析ソフトELFの導入と実行するためのPC計算環境を追加で導入する。