JP3692011B2 - 磁界型エネルギーフィルタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の磁界領域を有し入射窓から出射スリットまでの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は電子光学系にオメガエネルギーフィルタを組み込んだ電子顕微鏡の構成例を示す図、図５はＡタイプのオメガエネルギーフィルタの構成を説明するための図、図６はＢタイプのオメガエネルギーフィルタの構成を説明するための図、図７はＡタイプのオメガエネルギーフィルタの基本軌道を説明するための図、図８はＢタイプのオメガエネルギーフィルタの基本軌道を説明するための図である。
【０００３】
電子顕微鏡に接続して用いられるエネルギーフィルタとしては、オメガフィルタやキャスターンヘンリー(Castain-Henry)型フィルタ等のインコラム型と呼ばれるエネルギーフィルタが、鏡筒をまっすぐ一直線状に保ったまま電子顕微鏡内に組み込めるために盛んに用いられている。電子光学系にオメガエネルギーフィルタを組み込んだ電子顕微鏡では、図４に示すように電子銃１１で発生した電子ビームをコンデンサレンズ１２を通して試料１４に照射し、対物レンズ１３、中間レンズ１５、入射窓１６、オメガエネルギーフィルタ１７、出射スリット１８、投影レンズ１９を通して蛍光板２０に試料の観察像を投影している。このオメガエネルギーフィルタは、Ω字状の軌道に配置した４つの磁石Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４（ビームの回転半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４）にビームを次々と偏向させながら通すことによって入射ビームと出射ビームとが同一直線上に並ぶようにしたものであり、図５及び図６にマグネットポールピースの形状と電子軌道の２つの例を示している。ここで、入射ビームと出射ビームとが同一直線上に並ぶような直線あるいは入射窓と出射スリットとを通る直線を「直線軸」と呼び、図５及び図６に示すようなフィルタの磁界で偏向を受けたビームの中心の軌道を「フィルタの中心軌道を示す光軸」と呼ぶこととする。
【０００４】
このようにオメガエネルギーフィルタを透過電子顕微鏡の結像レンズ系の中間あるいは後方に挿入した装置は、電子線エネルギー分光結像法（electron spectroscopic imaging、ＥＳＩ）のための装置として用いられる。オメガエネルギーフィルタやアルファ型エネルギーフィルタ等の装置では、入射ビームの光軸と出射ビームの光軸とが一直線上にあり複数の磁界領域を有し入射窓から出射スリットまでの電子ビームの軌道を偏向するため、結像レンズ系の中間に挿入して用いられ、インコラム型のＥＳＩ装置と呼ばれている。これに対して、単一セクター型磁石と、多極子補正装置を組み合わせたフィルタは、出射ビームの光軸が入射ビームからおよそ９０°の方向に変化するため、顕微鏡筒の後ろに設置され、ポストコラム型のフィルタと呼ばれる。
【０００５】
オメガエネルギーフィルタは、インコラム型フィルタの代表的なものであり、このフィルタは、元々キャスターンヘンリー型フィルタと呼ばれた磁界プリズム−静電ミラー−磁界プリズムの組み合わせからなるインコラム型フィルタの静電ミラーを磁界プリズムで置き換えて、すべての偏向要素を磁界で構成したものに始まる。そこで１９７０年代にフランスで開発されたフィルタは、３つの磁界で構成されていたが、その後ドイツでフィルタの収差理論などの研究が行われ、３つの磁石を用いるよりも、４つの磁石を用いる方が有利であることが明らかにされ、その後の研究は４つの磁石を用いる系で検討がなされた。
一様場を有するセクター型磁石では、磁極面に並行な方向ｘ、即ちエネルギー分散を生じる方向にはビームの収束作用を有するものの、磁界方向ｙには収束作用はない。そこでオメガエネルギーフィルタの場合、磁極端面に傾斜をつけて、端面傾斜が作る４極子レンズ作用によって磁界方向の収束を得ている。図５及び図６に示した２つの例は、異なる光学設定条件の下で設計されたものであり、図５に示した磁極面に平行方向ｘにも磁界方向ｙにも３回の結像を行うものがＡタイプと呼ばれ、図６に示した磁極面に平行方向ｘに３回、磁界方向ｙに２回の結像を行うものがＢタイプと呼ばれている。その基本的光学系の違いは、フィルタの中心軌道を示す光軸を直線に直して描いた図７に示すＡタイプの軌道図及び図８に示すＢタイプの軌道図において明らかである。
【０００６】
ここで、ｘα、ｙβの両軌道は、最終的に蛍光板上に結ぶ顕微鏡像を形成する電子ビームの軌道である。一方、ｘγ、ｙδの両軌道は前段のレンズによってフィルタの入射窓面上にフォーカスし、フィルタ通過後、出射スリット面上にフォーカスする軌道である。電子ビームは出射スリット面上に達したところではそのエネルギーに応じて十分な分散を生じる。出射スリットによって、電子ビームは所望のエネルギー範囲のビームのみが選択される。なお、蛍光板上の像は出射スリットを通過したエネルギー範囲のビームによって形成されるが、分散を有したままではぼけの原因となるので、像面上では分散が消滅していなければならない。これはアクロマティック条件と呼ばれている。さらに、オメガエネルギーフィルタでは、中心面対称な軌道を取ることによって、像面上の開口収差と歪み収差をうち消していることが大きな特徴である。
【０００７】
オメガエネルギーフィルタは、２次収差のいくつかを零にし残りの収差も小さくするために、第２の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３の間の面を対称面（中心面）として、その前後でのビーム軌道が対称となるように設計されている。即ち、像面から出射スリット面までの距離をＬＬとすると、入射ビームの像面は、入射窓面から距離ＬＬに位置するように調整される。この様な条件の下で、ＡタイプとＢタイプの違いは、ｙ方向（磁界方向）の軌道において、Ａタイプが図７に示すように対称面でｙβ＝０、ｙδ′＝０であるのに対して、Ｂタイプが図８に示すように対称面でｙβ′＝０、ｙδ＝０である。ここで「 ′」はｚに対する微分、すなわち軌道の傾きである。ｘ軌道は、両ビームにおいて同一条件で、いずれのタイプでも対称面でｘα＝０、ｘγ′＝０となる。
【０００８】
このような初期条件を選ぶと、Ａタイプでは、図７に示すようにｘγ軌道は３回フォーカスするのに対し、ｙδ軌道も３回フォーカスするが、Ｂタイプでは、図８に示すようにｘγは３回フォーカスするものの、ｙδは２回のみのフォーカスとなる。即ち、像は裏返しになる。このような２つのタイプのオメガエネルギーフィルタがあることは古くから知られている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
電子顕微鏡の場合、エネルギーフィルタは、電子源のエネルギーを制限して単色性の高いビームを作りだすためのモノクロメータとしての利用と、試料によって作られたエネルギーロスを測定するelectron energy loss spectroscopy（ＥＥＬＳ）、エネルギーロスした電子を除いてゼロロス電子だけで像を作ったり、あるいはロス電子だけで像を作ったりするenergy filtered transmitted electron microscopy（ＥＦＴＥＭ）としての利用がある。これらの用途において現在最も求められている特性は大きな分散を持つことである。
【００１０】
大きな分散を作るための最も良く知られた方法はリターディングを行うことである。エネルギーフィルタは、入射電子のエネルギーに対して１／１０００ないしは１／１００００程度の分散を持つのが普通なので、入射電子のエネルギーを低くすればそれだけ観測できるエネルギーの分解能は向上する。しかし、このためには、エネルギーフィルタを高電圧が印加された場に配置しなければならないため、装置が複雑化したり大型化する欠点がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、ビームパスを長くし、ビーム偏向角の絶対値の合計を大きくすると共に、コンパクトな形状を実現できるようにするものである。
【００１２】
そのために本発明は、複数の磁界領域を有し入射窓から出射スリットまでの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタにおいて、少なくとも４個の磁界領域を有し、２個目と３個目の磁界領域の中間位置に回転対称軸を有し、２個目と３個目の磁界領域の間を境にして磁界の極性が反転し、１個目と２個目の磁界領域で磁界の極性が反転し、前記各磁界領域のビーム偏向角の絶対値の合計を５４０°超とし、また、直線軸の左右両側に偏向磁石を有し、前記各磁界領域のビーム偏向角の絶対値の合計を５４０°超あるいはおよそ７２０°とすることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る磁界型エネルギーフィルタの実施の形態を示す図、図２は本発明に係る磁界型エネルギーフィルタのシミュレーション結果に基づいた基本軌道を説明するための図である。
【００１４】
図２（ａ）は、入射窓面上に投影された顕微鏡像を形成する電子ビームの軌道を表す。入射窓面上で顕微鏡像を結んだ電子ビームは、合計４回クロスオーバを結んだ後、出射スリット面上で再び顕微鏡像を結ぶ。図２（ｂ）は、入射窓を通過した電子ビームの内の特定の（２つの）エネルギの電子ビームの軌道を示す。入射窓を通過した電子ビームは、３回フォーカスを結んだ後、出射スリット面上で４度目のフォーカスを結ぶ。電子ビームのエネルギが異なると、電子ビームは異なる軌道を描いて、出射スリット面上の異なる位置にフォーカスを結ぶ。従って、出射スリットによって、所望のエネルギの電子ビームのみを選択することができる。図２（ｃ）は、顕微鏡像を形成する電子ビームの軌道の磁極面に並行な方向の軌道ｘαを表す。図２（ｄ）は、顕微鏡像を形成する電子ビームの軌道の磁界方向の軌道ｙβを表す。図２（ｅ）は、所望のエネルギの電子ビームの軌道の磁極面に並行な方向の軌道ｘγと光軸に沿った分散の大きさ（ｘχ）を表す。図２（ｆ）は、所望のエネルギの電子ビームの軌道の磁界方向の軌道ｙδを表す。
【００１５】
図１において、Ｍ１〜Ｍ４は磁石、Ｉは入射窓、Ｓは出射スリットを示す。以下図１における動作を電子ビームの軌道に沿って説明する。電子ビームは図の矢印で示す光軸の方向に沿って入射し、入射窓I面上にクロスオーバー（フォーカス）を結んだ後、フィルタに入射する。入射窓Iを通過した電子ビームは、偏向角がφ１である磁石Ｍ１に入射し、φ１だけ偏向されて（図では時計方向の偏向として描かれている）出射し、フィルタによる最初のフォーカスを結ぶ。次いで電子ビームは、偏向角がφ２である磁石Ｍ２に入射し逆方向（図では反時計方向）にφ２だけ偏向されて出射する。磁石Ｍ２を出射した電子ビームは、直線軸と電子ビーム軌道と交わる点Ｏを通過する。そして、この点Ｏ近傍で２度目のフォーカスを結ぶ。点Ｏを通過した電子ビームは、直線軸の反対側にある偏向角がφ３である磁石Ｍ３に入射し、時計方向にφ３だけ偏向されて出射し、３度目のフォーカスを結ぶ。ここでφ３＝−φ２である。次いで磁石Ｍ３を出射した電子ビームは、偏向角がφ４である磁石Ｍ４に入射し、反時計方向にφ４だけ偏向されて出射する。ここでφ４＝−φ１である。磁石Ｍ４を出射した電子ビームは、出射スリットに達し、出射スリット面上で４度目のフォーカスを結ぶ。４度目のフォーカスを結んで出射スリットに達した電子ビームは、そのエネルギの違いによって、十分に分散している状態になっている。従って、電子ビームは出射スリットで所望のエネルギのみの電子ビームが出射スリットを通過してフィルタを出射する。
【００１６】
ここで、磁石Ｍ２と磁石Ｍ３との中間の位置にあるＯ点を中間点と呼ぶ。そして、この点を通って紙面に垂直な軸は、このフィルタの２回の回転対称軸（あるいは２回の回転軸）になっている。即ち、このフィルタは、Ｏ点を通る軸の２回の回転対称になっている。
【００１７】
この様に、本発明に係る磁界型エネルギーフィルタでは、直線軸の両側に磁石が配置され、しかもそれらは２回の回転対称となっているので、オメガフィルタやアルファフィルタなど、従来のフィルタが直線軸の片側だけに磁石を有していたものと比べると、フィルタの入口と出口との距離、つまり入射窓Ｉと出射スリットＳとの距離Ｄを長くすることなく、ビームパスを長くし、ビーム偏向角の絶対値の合計を大きくすることができる。
【００１８】
従って、上記のようにした本発明に係る磁界型エネルギーフィルタによれば、従来のオメガフィルタに比べて形状がよりコンパクトになる。しかも、磁石のビーム偏向角は、図１に示す構成の場合で、入射側から順に１１０°、−２５０°、２５０°、−１１０°とすると、偏向角の絶対値の合計は、７２０°になる。このビーム偏向角は、アルファフィルタの２倍に増大している。また、従来のオメガフィルタでも、実用的な偏向角の限界を４個の磁石でそれぞれ１２５°とし、１２５°、−１２５°、−１２５°、１２５°としても、偏向角の絶対値の合計は５００°となるので、およそ１．４倍に増大している。
【００１９】
これまで提案された従来のエネルギーフィルタは、磁界１〜４の４つの磁界領域から成る場合、すべて対称面を挟んだ磁界２と磁界３の磁界極性が同一である。本発明において新たに提案する磁界型エネルギーフィルタ（これをＳフィルタと呼ぶ。）では、回転対称軸を境にして磁界２と磁界３の磁界の極性が反転している。
【００２０】
なお、図１および図２では偏向角の絶対値の合計が７２０°になる例を示したが、磁界１と磁界２の磁界の極性も反転しているＳフィルタにおいては、偏向角の絶対値の合計が５４０°超になるようにすれば、フィルタの入口と出口との距離つまり入射窓Ｉと出射スリットＳとの距離Ｄを長くすることなくビームパスを長くしビーム偏向角の絶対値の合計を大きくするという目的を達することができる。
【００２１】
もうひとつの重要な特性は、ｘγ軌道が光軸と交わる回数である。一般に、ｘγ軌道がフィルタの中心軌道を示す光軸と交わる回数が多いほど、分散が大きくなると考えてよい。従来のオメガフィルタのｘγ軌道がフィルタの中心軌道を示す光軸と交わる回数は、図５のＡタイプも図６のＢタイプも図７および図８の図中に矢印で示す様に、共に３回である。これに対して、本発明のフィルタは、図２（ｅ）に矢印で示す様に４回である。
【００２２】
図３は本発明に係る磁界型エネルギーフィルタの他の実施の形態を示す図であり、Ｍ５〜Ｍ８は磁石、Ｉは入射窓、Ｓは出射スリットを示す。図３において、入射窓のあるビーム入射側の磁石Ｍ５、Ｍ６を共に同一のビーム偏向方向となるような磁界として、出射スリットのある出射側の磁石Ｍ７、Ｍ８は、ビーム偏向方向は磁石Ｍ５、Ｍ６とは逆となるような磁界にして、２回の回転対称になるように配置したものである。つまり、磁石Ｍ５、Ｍ６のビーム偏向角φ５、φ６に対し、磁石Ｍ７、Ｍ８のビーム偏向角φ７（＝−φ６）、φ８（＝−φ５）としたものである。これを８字型フィルタと呼ぶことにする。この８字型フィルタにおいては、ビーム偏向角の絶対値の合計はおよそ７２０°となる。
【００２３】
補足すると、図１に示した本発明に係る磁界型エネルギーフィルタはオメガフィルタのひとつの変形であり、図３に示した本発明に係る磁界型エネルギーフィルタがアルファフィルタの変形であるといえる。
【００２４】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、オメガフィルタやアルファフィルタを変形して直線軸の両側に２回の回転対称に成るよう磁石を配置したが、直線軸の一方の側にオメガフィルタの変形即ちＳフィルタを採用し、直線軸の反対側にアルファフィルタの変形即ち８字型フィルタを採用するなど、直線軸の両側で異なるタイプの磁石を組み合わせて構成してもよい。
【００２５】
また、上記実施の形態では、４個の磁石Ｍ１〜Ｍ４、Ｍ５〜Ｍ８からなる構成で説明したが、本発明は、磁界型エネルギーフィルタは、４つの磁界領域で構成することを示したものであり、例えば図１に示す磁石Ｍ２、Ｍ３や図３に示す磁石Ｍ６、Ｍ７のいずれかあるいは全てを２分割して構成（例えば、Ｍ２をＭ２−１とＭ２−２の２つに分割）してもよいことはいうまでもない。つまり、磁石を分割してその間に磁石のないドリフト空間を挿入しても本質的には同じだからである。
【００２６】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、複数の磁界領域を有し入射窓面から出射スリット面までの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタにおいて、少なくとも４個の磁界領域を有し、２個目と３個目の磁界領域の中間に位置する回転対称軸を境にして磁界の極性が反転し、１個目と２個目の磁界領域で磁界の極性が反転し、前記各磁界領域のビーム偏向角の絶対値の合計を５４０°超とし、また、直線軸の左右両側に偏向磁石を有し、前記各磁界領域のビーム偏向角の絶対値の合計を５４０°超あるいはおよそ７２０°とするので、従来のオメガエネルギーフィルタやアルファエネルギーフィルタに比べて、ビームパスを長くし偏向角の絶対値の合計を大きくすることができ、しかも、入射窓から出射スリットまでの距離を短くし、コンパクトな形状のエネルギーフィルタを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る磁界型エネルギーフィルタの実施の形態を示す図である。
【図２】 本発明に係る磁界型エネルギーフィルタの基本軌道とその比較を説明するための図である。
【図３】 本発明に係る磁界型エネルギーフィルタの他の実施の形態を示す図である。
【図４】 電子光学系にオメガエネルギーフィルタを組み込んだ電子顕微鏡の構成例を示す図である。
【図５】 Ａタイプのオメガエネルギーフィルタの構成を説明するための図である。
【図６】 Ｂタイプのオメガエネルギーフィルタの構成を説明するための図である。
【図７】 Ａタイプのオメガエネルギーフィルタの基本軌道を説明するための図である。
【図８】 Ｂタイプのオメガエネルギーフィルタの基本軌道を説明するための図である。
【符号の説明】
Ｍ１〜Ｍ４…磁石、Ｉ…入射窓、Ｓ…出射スリット

Claims (5)

1. 複数の磁界領域（magnetic fields）を有し入射窓（entrance window）から出射スリット（exit slit）までの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタにおいて、少なくとも４個の磁界領域を有し、２個目と３個目の磁界領域の中間位置に回転対称軸（rotational symmetry axis）を有し、２個目と３個目の磁界領域の間を境にして磁界の極性が反転し、１個目と２個目の磁界領域で磁界の極性が反転し、前記各磁界領域のビーム偏向角の絶対値の合計を５４０°超とする磁界型エネルギーフィルタ。
2. 前記磁界領域は４個であり、各磁界領域のビーム偏向角は、入射側から順に１１０°、−２５０°、２５０°、−１１０°である請求項１記載の磁界型エネルギーフィルタ。
3. 複数の磁界領域（ magnetic fields ）を有し入射窓（ entrance window ）から出射スリット（ exit slit ）までの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタにおいて、少なくとも４個の磁界領域を有し、２個目と３個目の磁界領域の中間位置に回転対称軸（ rotational symmetry axis ）を有し、２個目と３個目の磁界領域の間を境にして磁界の極性が反転し、１個目と２個目の磁界領域で磁界の極性が同じである磁界型エネルギーフィルタ。
4. 前記各磁界領域のビーム偏向角の絶対値の合計をおよそ７２０°とする請求項３記載の磁界型エネルギーフィルタ。
5. 複数の磁界領域を有し入射窓から出射スリットまでの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタにおいて、前記入射窓と前記出射スリットとを結ぶ直線軸の左右両側に偏向磁石を有し、前記各磁界領域のビーム偏向角の絶対値の合計をおよそ７２０°とする磁界型エネルギーフィルタ。

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