JP2007109675A - 単色分光計用の固定ダイヤフラムからなる粒子光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子顕微鏡は、電子銃（２）の高圧電界の前方に設けられたエネルギー選択性フィルタ（１０）により構成される。フィルタは高圧電位を伝達し、ＳＦ_６ガスにより充填された銃スペース（１４）内に設けられているので、フィルタに対する電気的及び機械的な通路に関する問題が生じる。特に、フィルタのセンタリングが問題である。
【解決手段】（電流制限及びフィルタによりビームに導入される光収差を回避するため）それにも係わらず、フィルタの適当なアパーチャ調整を行うため、フィルタ部品、特に、フィルタの磁極面又は磁界画成密閉部品（４８ａ）に固定的に連結されたエントランスダイヤフラム（３０）が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、粒子により横切られる加速高圧電界を粒子源内に確立する高圧手段を有し、電気的に充電された粒子の１次ビームを生成する粒子源と、１次ビームのエネルギー分散よりも少ないエネルギー分散を備えた２次ビームを１次ビームから選択するため、粒子源内で高圧電界の実質的に完全に前方にある単色分光計フィルタ組立体とからなる粒子光学装置に関する。

上記の種類の装置は米国特許第５，３００，７７５号明細書（特許文献１）により公知である。

粒子光学装置、例えば、電子顕微鏡において、粒子ビーム（電子ビーム）の低エネルギー分散は、一般的に望ましい。その理由は、電子ビームのエネルギー分散は、結像レンズの色収差と共に、電子顕微鏡の像の解像度を劣化させるからである。低エネルギー分散は、特に、電子分光が行われる電子顕微鏡、即ち、検査される標本の電子ビームのエネルギー損失が標本の場所に依存して決められる電子顕微鏡において望ましい。標本の組成に関する結果は、それに基づいて取り出される。標本の像のコントラストは、結像に関係するため所定のエネルギー損失を有する電子だけを選択することにより強調される。このような状況において、低エネルギー分散を有する照射電子ビームを利用することが必要である。これは、照射ビーム中にフィルタ組立体と称されるエネルギー分散素子を設けることにより実現される。これは、電子を偏向させることにより、即ち、電子をそのエネルギーに依存して空間的に分離することにより、並びに、必要があれば、所望のエネルギーの電子を選択することにより、エネルギーの選択を可能にする。

引用された米国特許明細書は、電子ビーム中のエネルギー選択用のエネルギー分散ユニット（フィルタ組立体）により構成された電子顕微鏡を開示する。かかる装置において一般的であるように、電子顕微鏡は、１次電子ビーム、即ち、エネルギー選択を受ける前の電子ビームを生成する電子源が設けられた電子銃からなる。更に、上記銃は、ビーム中の電子を加速するため、加速電位（即ち、加速高圧電界）内に導入しても良い。フィルタ組立体は、電源の近くの電子銃内に設けられるので、電子は、比較的低エネルギー（例えば、３ｋＶの強度のオーダー）を伴ってフィルタ組立体に入る。これにより得られる利点は、電子ビームに対するフィルタの寸法が一般的にフィルタ処理されるビームのエネルギーによって決められるので、フィルタは比較的小形の構造でも構わないということである。かかるフィルタの小形構造によって、装置を拡大するような変更を必要とすることなく、かかるフィルタを従来設計の電子顕微鏡に組み込むことが可能になる。

上記の高圧電界の前方にあるフィルタ組立体の配置には、多数の欠点がある。

第１の欠点は、電子顕微鏡の電子銃内の加速電極（アノード）は接地電位を担持するので、電子源は、−３００ｋＶの強度のオーダーの負の加速高圧を担持することに起因する。従って、フィルタ組立体は、（加速電界の前方に配置されているため）略上記の高圧を担持するので、フィルタ構成部品の取り扱いは、実質的に妨げられ、実際上、殆ど不可能である。

第２の欠点は、高圧絶縁のため、殆どの電子顕微鏡は、銃スペースの周りにフッ化硫黄（ＳＦ_６）のような絶縁ガスを含有するエンベロープを含むことに起因する。フィルタ組立体へのアクセスの可能性は、かくして、著しく低減される。上記のガスが充填されたスペースを通る機械的又は電気的な通路の形成は、耐ガス性、及び、通路の電気的絶縁に関する問題を生じる。既存の電子銃への電気接続は、顕微鏡の設計を考慮した標準設計の高圧ケーブルを介して供給される。しかし、この標準的なケーブルは、それが設計された電気信号以外の電気信号を伝送するために適当ではない。

第３の欠点は、既に顧客側に設置された電子顕微鏡の顕微鏡コラムに通路のための孔を空ける必要があることに起因する。このため、顕微鏡の真空スペースに汚染を取り込む完全な分解が必要になると共に、重量精密機器の輸送が必要である。

特に、種々のフィルタ構成部品の相互のアライメント、及び、電子顕微鏡の残りの部分に対するアライメントは、上記の問題によって著しく阻害される。
米国特許第５，３００，７７５号明細書

本発明の目的は、電子銃内のフィルタ組立体が装置の壁を通る最小限の数の通路しか必要としない上記の種類の粒子光学装置を提供することである。

このため、本発明による粒子光学装置は、単色分光計組立体の入り口側（エントランス）にあり、通常の動作条件で単色分光計組立体の部品に固定的に連結されたダイヤフラムが設けられていることを特徴とする。

本発明の説明中、「固定的に連結された」は、エントランスダイヤフラムが取り外し不能であるということを意味するのではなく、粒子光学装置の通常の動作中に調整不可能であるということを意味する。

上記のステップの結果として、ダイヤフラムは、固定的な連結のため、必要であるならばセンタリング器具を利用してフィルタ組立体に対し（電子顕微鏡の外側で）正確なセンタリングが実現される。

上記のステップにより、更に、フィルタ組立体は、ダイヤフラムアパーチャを適当に選択することにより、電子顕微鏡、特に、透過型電子顕微鏡に適切な結像を実現するため、適切なビーム電流（５０ｎＡの強度のオーダー）を伝達し得るようになるか、一方で、ビーム電子の相互作用によるビーム中のエネルギー分散（所謂Ｂｏｅｒｓｃｈ効果）を防止しなければならないので、この電流は強度のオーダーが大きくなり過ぎることはない。

非常に小さい寸法のアパーチャを電子銃の抽出電極に利用することにより、所望のビーム電流の制限が容易に実現されるが、電子銃から放出するビームは非常に狭いので、１次ビームに対するフィルタ組立体のアライメントが非常に問題になる。本発明によれば、上記のステップの結果として、広いビームが抽出電極から放出するので、エントランスダイヤフラムは、常にこのビームにより照射され、センタリングの問題は発生しない。

本発明によるダイヤフラムの配置によれば、光軸から非常に遠い場所に入射した電子に起因するレンズ収差がフィルタ内で回避される利点が得られる。かかるレンズ収差は、フィルタの後方のビーム制限によって除去できなかった（即ち、レンズ収差は、望ましくない方向の電子をフィルタの後方で光軸と交差させる）。

本発明の一実施例によれば、フィルタ組立体は、ウィーンフィルタ（Ｗｉｅｎ ｆｉｌｔｅｒ）として構成される。このフィルタは、好ましくは、フィルタの磁界を発生させる永久磁石が設けられている。

磁界を発生させる導電体を、フィルタが置かれた電子顕微鏡のスペースに送り込む必要が無くなる。

（単色分光計用の固定ダイヤフラムからなる粒子光学装置）
以下、実施例を参照して、本発明の上記及び他の面を明らかにし、説明する。

図面において、
図１は、本発明によるフィルタ組立体からなる電子顕微鏡の適当な部分の光軸を通る面による略断面図であり、
図２は、本発明によるフィルタ組立体のビームパスを表わす図であり、
図３ａは、本発明によるフィルタ組立体の略平面図であり、
図３ｂは、本発明によるフィルタ組立体の光軸を通る面による略断面図である。

図１は、粒子光学装置、特に、本発明によるフィルタ組立体からなる電子顕微鏡の適当な部分の光軸を通る面による略断面図である。

電子顕微鏡は、特に、図示されない電子の１次ビームを生成する電子源である粒子源２を含む。本発明の実施例の電子源２は、放出性チップ４と、抽出電極６と、電子銃からの電子ビームを電子顕微鏡の他の構成部品に制御可能的に伝搬させる銃レンズを形成するレンズ効果電極８とからなる電界放出源として構成される。チップ及び上記の２個の電極により形成された組立体は、チップにより生成された１次電子ビームに集光効果を与える静電レンズを構成する。

電子源２は、粒子が横切る加速高圧電界を電子源内に確立する高圧手段を更に有する。高圧手段は、電子顕微鏡の動作中に、接地電位に対し、−３００ｋＶの強度のオーダーの高圧をチップ及び電極に供給し得る高圧発生器（図示しない）からなる。抽出電極は、チップに対し略４ｋＶの強度のオーダーの電圧を担持し、一方、レンズ効果電極は、チップに対し２ｋＶのオーダーの電圧に調整される。

電子は、最終的に、接地電位を担持するアノード１２内のアパーチャを介して電子源から放射する。電子は、次に、銃スペース１４内のチップ４とアノード１２との間にある加速静電高圧電界に対応する略３００ｋＶの加速電位差が加えられる。上記電界をスペース１４全体に亘り垂直方向に均一に分散させるため、多数、例えば、８個の円盤状の電極が上記スペースに設けられ、その中の２個の電極（１６ａ及び１６ｂ）が図示される。電極１６ａ及び１６ｂは、上記の−３００ｋＶと接地電位との間に値が定められ、その値がチップからの距離の関数として均一に増加する高圧に接続される。スペース１４は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）のような絶縁性材料の壁２０により囲まれる。

高圧を円盤状の電極１６ａ及び１６ｂに印加するため、上記電極には、高圧端子１８ａ及び１８ｂが設けられる。高圧端子は、壁２０を通って電極１６ａ及び１６ｂまで延在し、高圧絶縁の目的のための気体状のフッ化硫黄（ＳＦ_６）で充填されたスペース２２内に在る。スペース２２自体は、耐ガス構造の壁２４によって囲まれている。

スペース１４には、単色分光計フィルタ組立体１０が、均一な高圧分布を得るため、レンズ効果電極の下、かつ、電極１６ａ及び１６ｂの上に配置され、フィルタ組立体の光軸２６は、電子顕微鏡の光軸とできる限り一致する。フィルタ組立体は、チップから放出した１次電子ビームの中から１次ビームのエネルギー分散よりも少ないエネルギー分散を有する２次ビームを選択することが意図されている。このフィルタ組立体の構造及び特性は、以下、他の図を参照して詳細に説明する。

図２は本発明によるフィルタ組立体１０のビームパスを示す図である。同図において、フィルタ組立体１０は、エントランスダイヤフラム３０によって概略的に表わされ、ダイヤフラムのアパーチャ３２は、簡単のため誇張された形で示されている。フィルタ組立体１０は、公知のウィーンフィルタとして構成され、磁界を発生する磁極システムと、静電界を発生する電極システムとを含む。磁界は、例えば、磁極３４の組により発生されるので、磁力線は図の面内で延びる。静電界は、図の面に対し垂直に延び、図の面に平行に延在する２本のフラット電極（図示しない）により生成される。

図２において、１次ビーム３１は、抽出電極６のアパーチャにより制限される。制限用アパーチャが大きい場合、ウィーンフィルタ内のビーム電流は非常に大きいので、フィルタの集光範囲内でビーム中の電子に強い相互作用、所謂、Ｂｏｅｒｓｃｈ効果が発生し、その結果として、フィルタにエネルギー分散が生じる。このような状況において、エネルギー分散は望ましくなく、かつ、ウィーンフィルタ内の電流は、（顕著な）エネルギー分散が発生しなくなる程度に制限されるべきである。実際のセットアップの際にビーム電流として適当な値は、例えば、５０ｎＡである。このため、図２に示されたアパーチャ３２よりも実質的に小さいアパーチャを有するエントランスダイヤフラム３０が設けられる。アパーチャ３２は、例えば、１００μｍの径を有し、一方、抽出電極６のアパーチャは、例えば、４００μｍの径を有する。ダイヤフラム３０は、磁極片３４に固定的に連結され、或いは、ダイヤフラム３０を、もし存在するならば磁界を閉じる（画成する）密閉部品に固定的に連結しても良い。

図３ａは、本発明によるフィルタ組立体１０の略平面図であり、図３ｂは、光軸２６を通る面による断面図である。スペース４６内の磁界は、鉄芯回路３８、４０、４２と接触した永久磁石部３６からなる磁気回路を用いて生成される。鉄芯回路は、例えば、鉄のような高透磁性を有する材料から作られ、永久磁石３６からの磁束をスペース４６に伝達するための機能を果たす。磁性側でスペース４６は、磁極片３４によって境界を定められる。電界は、図３ｂでは簡単のため省略された電極４４により生成される。磁界を発生させるため永久磁石３６を使用するので、励起コイルのため必要とされるような電源リードは必要ではない。図３ｂには、磁気密閉部品４８ａ及び４８ｂが示される。必要ならば、エントランスダイヤフラム３０は、ホルダー５０を介して、フィルタ組立体１０の入り口側で密閉部品４８ａに固定的に連結しても構わない。

図１は、本発明によるフィルタ組立体からなる電子顕微鏡の適当な部分の光軸を通る面による略断面図である。 図２は、本発明によるフィルタ組立体のビームパスを表わす図である。 図３ａは、本発明によるフィルタ組立体の略平面図である。 図３ｂは、本発明によるフィルタ組立体の光軸を通る面による略断面図である。

符号の説明

２ 電子源
４ 放出性チップ
６ 抽出電極
８ レンズ効果電極
１０ 単色分光計フィルタ組立体
１２ アノード
１４ 銃スペース
１６ａ，１６ｂ 電極
１８ａ，１８ｂ 高圧端子
２０ 壁
２２ スペース
２４ 壁
２６ 光軸
３０ エントランスダイヤフラム
３１ １次ビーム
３２ アパーチャ
３４ 磁極片
３６ 永久磁石
３８，４０，４２ 鉄芯回路
４４ 電極
４６ スペース
４８ａ，４８ｂ 磁気密閉部品
５０ ホルダー

Claims (4)

1. 粒子が横切る加速高圧電界を粒子源内に確立する高圧手段（１６ａ，１６ｂ）を含む、荷電粒子の１次ビーム（３１）を生成する粒子源（２）と、
   １次ビームのエネルギー分散よりも少ないエネルギー分散を備えた２次ビームを１次ビームから選択するため、粒子源内の高圧電界の実質的に完全に前方にある単色分光計フィルタ組立体（１０）とからなる粒子光学装置であって、
   上記単色分光計フィルタ組立体（１０）の入り口側に在り、通常の動作条件で単色分光計フィルタ組立体の一部（４８ａ）に固定的に連結されたダイヤフラム（３０）が設けられていることを特徴とする粒子光学装置。
2. 上記単色分光計フィルタ組立体（１０）は、ウィーンフィルタからなる請求項１記載の粒子光学装置。
3. 上記フィルタ組立体（１０）は、フィルタの磁界を発生させる永久磁石（３６）を有する請求項２記載の粒子光学装置。
4. ダイヤフラム（３０）は、ウィーンフィルタの磁気回路の磁極面又は磁界画成密閉部品（４８ａ）に連結されていることを特徴とする請求項２又は３記載の粒子光学装置。
   

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