JPH0367301B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 磁界が比較的強い第１領域と磁界が比較的弱
くかつ該第１領域と磁束線を介して相互連絡され
た第２領域とを有する磁界発生手段、 上記第１領域内で検査しようとする試料の位置
決めを行い、該試料が上記第１領域内で磁界に対
し所定角度をもつて延びるとともにその表面の少
なくとも一部分から電子を放出するように選択ま
たは配置され、上記磁界発生手段により強力な磁
界を発生させて該第１領域内で磁界に対し角度を
もつて放出された電子を該磁界内に拘束して磁束
線の周りにらせん運動させる、試料の位置決め手
段、 上記試料位置決め手段の前方の第１領域内に配
置され、上記試料から放出された電子のうち、予
め定められた運動エネルギーよりも小さいエネル
ギーを有する電子が磁束線に沿つて第２領域へ引
き続き進行するのを阻止する第１の阻止手段、 上記第２領域内に配置された検出器を含み、該
検出器により上，，，記試料から放出されかつ第２
領域へ進行する各電子の該第２領域における磁界
の横断面の空間分布を表示し、これに基づき該試
料表面部の少なくとも一部の拡大放出電子像を生
成する電子検出手段、並びに 上記第１領域および第２領域での各磁界強度の
制御および調節を行つて上記電子像の倍率を調節
する制御および調節手段から構成したことを特徴
とする放出型電子顕微鏡。

２ 磁界が軸対称でありかつ軸に沿つて不均質で
あり、該磁界の第１および第２領域が軸に沿つて
離間して配置される請求の範囲第１項記載の放出
型電子顕微鏡。

３ 制御および調節手段が検出器を軸に沿つて
種々の磁界強度点に移動させる手段を有する請求
の範囲第２項記載の放出型電子顕微鏡。

４ 制御および調節手段が磁界の第１および第２
領域間の軸に沿つた磁界強度の総合変化率調節手
段を有する請求の範囲第２項または第３項記載の
放出型電子顕微鏡。

５ 磁界発生手段が磁界の第１および第２領域で
各別に磁界を発生する励磁可能部分を有する電磁
石手段から成り、制御および調節手段が電磁石手
段の一方の部分における励磁電流と他方の部分に
おける励磁電流とを相対的に調節する手段を有す
る請求の範囲第４項記載の放出型電子顕微鏡。

６ 第１領域での磁界発生用電磁石手段の少なく
とも一部が超伝導ソレノイドである請求の範囲第
５項記載の放出型電子顕微鏡。

７ 磁界発生手段が電磁石手段に電流パルスを加
えて磁界の第１および第２領域で同期して磁界パ
ルスを発生させる電流供給手段を備え、電子検出
手段が該磁界パルスと同期して作用するようにし
た請求の範囲第５項記載の放出型電子顕微鏡。

８ 制御および調節手段が軸の回りに対称的に配
置されかつ第２領域に対し相対的に可動とされ
る、比較的高い透磁性材料から成る１つまたはそ
れ以上の部材を有するの請求の範囲第４項〜第７
項のいずれかに記載の放出型電子顕微鏡。

９ 複数の部材が軸方向に並べられ伸張ロツドで
ある請求の範囲第８項記載の放出型電子顕微鏡。

１０ 磁界が第１および第２領域を連結する磁束
線上に第３領域を有し、該第３領域における磁界
が上記第１領域での磁界よりも充分弱くされ、試
料から放出された際当該磁界を横切る全電子の運
動エネルギーが第３領域到達時に磁束線に沿つて
運動エネルギーに変換され、第３領域に磁束線に
沿つた各電子のエネルギー分析手段を設けた請求
の範囲第１項〜第９項のいずれかに記載の放出型
電子顕微鏡。

１１ エネルギー分析手段は磁束線に沿つて第３
領域を通過する電子のうち予め定められたエネル
ギーよりも小さいエネルギーを有する電子が引き
続き第２領域へ進行するのを阻止する第２の阻止
手段を含む請求の範囲第１０項記載の放出型電子
顕微鏡。

１２ 第２の阻止手段が第３領域に配置される減
速電極である請求の範囲第１１項記載の放出型電
子顕微鏡。

１３ 第１領域内の磁界が磁界方向に均質であり
かつ第１領域内に配置される第１の阻止手段が減
速電極である請求の範囲第１項〜第１２項のいず
れかに記載の放出型電子顕微鏡。

１４ 第１領域内に配置される第１の阻止手段が
該第１領域内に配置された減速電極に応じた電位
を有するもう１つの電極を含み、該電極により磁
束線に沿つて上記減速電極を通過した電子の遺失
した前進エネルギーを回復させる請求の範囲第１
３項記載の放出型電子顕微鏡。

１５ 第１領域での磁界強度が磁界方向に沿つて
最大磁界強度点の両側点で減少し、試料位置決め
手段が第２領域から遠ざかるように最大磁界強度
点から磁界方向に沿つて試料を所定距離離間する
ように位置決めし、上記最大磁界強度点を磁気ミ
ラーとして作用せしめ、該磁気ミラーの磁界方向
に対し所定角度より大きい角度である速度をもつ
て入来する電子を反射せしめるようにした請求の
範囲第１項〜第１２項のいずれかに記載の放出型
電子顕微鏡。

１６ 電子検出手段が入来する電子を選択的に偏
向する電磁偏向手段を有し、試料の刺激表面部の
選択からの電子で像を形成するようにした請求の
範囲第１項〜第１５項のいずれかに記載の放出型
電子顕微鏡。

１７ 検出器が単一点検出器であり、電磁偏向手
段が該検出器における所望の電子像のラスター走
査を行つて該電子像の一連のTV状出力映像信号
を生成するようにした請求の範囲第１６項記載の
放出型電子顕微鏡。

１８ 少なくとも試料の表面部を刺激する手段を
設けて該表面から電子を放出させる請求の範囲第
１項〜第１７項のいずれかに記載の放出型電子顕
微鏡。

１９ 刺激手段が放射エネルギーを用いて表面の
少なくとも一部に照射する手段を有する請求の範
囲第１８項記載の放出型電子顕微鏡。

２０ 放射エネルギーが光電子を放出電子として
放出させるのに充分なエネルギーを有する光子ビ
ームである請求の範囲第１９項記載の放出型電子
顕微鏡。

２１ 照射手段が真空紫外線源またはソフトＸ線
放射源並びに、試料表面で上記放射源からの光子
の入射角および／または偏光を制御する手段から
成る請求の範囲第２０項記載の放出型電子顕微
鏡。

２２ 放射エネルギーが中性原子ビームである請
求の範囲第１９項記載の放出型電子顕微鏡。

２３ 刺激手段が試料を加熱して熱電子を放出さ
せる加熱手段である請求の範囲第１８項記載の放
出型電子顕微鏡。

明細書 本発明は放出型電子顕微鏡に関する。

試料を刺激して電子を放出させる種々の方法が
知られている。例えば、充分なエネルギーの光子
を照射した試料の表面から光電子を放出させるこ
とができる。他の刺激方法では、中性原子を試料
に照射して放出電子を得ることができる。また試
料を加熱して熱電子を放出させることもできる。

本明細書において、一般に、常時ではないが、
適当な刺激の結果、試料それ自体から放出される
電子を「放出電子」という。

本発明は、これらの放出電子を用いて電子放出
試料の表面の像は映すための顕微鏡としての装置
に関するものである。生じた映像は、放出電子束
の映像面上で分布状態を表示している。

光電子のことを特に考えると、光電子分光学の
技術は、よく知られており、試料の表面領域にお
ける原子のイオン化エネルギーに依存する試料の
性質を決めるために用いられている。この技術分
野でよく知られた文献としては、「紫外線光電子
分光学の原理」（ジエイ・ダヴリユ・ラバライス
氏著、ウイレイ社発行）および「電子分光学、理
論技術及び応用１−３版」（シー・アール・ブラ
ンドル氏およびエイ・デイ・バケル氏著、アカデ
ミツク・プレス社1977年発行）がある。

光電子分光学において、試料に紫外線、通常は
真空紫外線あるいはソフトＸ線を照射し、試料を
刺激して光電子を放出することが知られている。
さらに、放出された光電子のエネルギースペクト
ルを決めるために種々の技術が使用される。光電
子分光学における問題の１つは、光電子が常態で
は固体試料の平坦面に対し全立体角4πまたは2π
に渡つて放出され、エネルギー分析器の開口部に
は比較的わずかしか入らないことである。

分光計の電子分析器に入る光電子束を改善する
方法の１つに、光電子試験を強磁界で行なう方法
がある。これは「ジヤーナル・フイジツクス
（Journal，Phys.）」第16186号におけるバームソ
ン、ペアスおよびターナ氏の論文で標題「強磁界
における光電子分光学」に記載されている。上記
論文には、軸対称均質磁界を用いて光電子束を照
準する技術が開示されている。上記のような装置
において、試料表面から磁界方向に対して傾斜し
て放出された電子は、磁界によつて制御され、磁
束線の周囲を軌道を描いて旋回し、磁界方向に沿
つてらせん状に進行する。

軸対称不均質磁界、すなわち、磁束線が磁界の
軸に沿つて収斂するかまたは発散する磁界におい
て、光電子分光を行なうことも提案されている。
さらに、試料が比較的強い磁界領域に置かれ、そ
れによつて放出された光電子が磁界軸に沿つて低
い磁界領域へ進行すると、磁界方向に対して横方
向の電子のいかなる運動エネルギーも、電子が弱
い磁界領域へ動くにつれて磁界方向に沿つたエネ
ルギーへしだいに移されることが示されている。
この現象に対する考察は、「ジヤーナル・オブ・
フイジツクス、ジヤーナル・オブ・フイジツク
ス・イー：サイエンテイフイツクス・インストウ
ルメント（Journal of Physics，J.Phys.E：Sci.
Instrum.）」第13巻、1980年、64頁において、バ
ームソン、ポータおよびターナ氏により「超伝導
性磁界光電子分光器の視準特性および拡大特性」
と題する論文に与えられている。

その論文においては、試料での磁界とエネルギ
ー分析器での磁界との比率が充分に大きければ、
放出電子が分析器に到達するまでに該放出電子の
全横方向運動エネルギーが縦方向エネルギーに転
移されてしまうと説明されている。これは、試料
表面から放出された実質的に全ての電子がエネル
ギーの大きさを決定するのに使用できるので、電
子エネルギースペクトルの測定をきわめて容易に
する。

また上記論文では、照射された試料の表面上の
電子エネルギーまたは磁束分布から成る拡大像を
得る技術に利用することも提案している。試料表
面から放出された電子は有効にそれらの一般的な
運動を制御され磁束線と平行に進行し、これによ
つて、試料表面から放出された電子の立体分布
は、分析器の磁界強度に対する試料の磁界強度の
比率の平方根に比例した大きさの割合で分析器で
再生される。しかしながら、上記論文には、実際
上装置をどのように構成するかに関しては何も開
示していない。

本発明に係る放出型電子顕微鏡は、磁界が比較
的強い第１領域と磁界が比較的弱くかつ該第１領
域と磁束線を介して相互連結された第２領域とを
有する磁界発生手段、上記第１領域内で検査しよ
うとする試料の位置決めを行い、該試料が上記第
１領域内で磁界に対し所定角度をもつて延びると
ともにその表面の少なくとも一部分から電子を放
出するように選択または配置され、上記磁界発生
手段により強力な磁界を発生させて該第１領域内
で磁界に対し角度をもつて放出された電子を該磁
界内に拘束して磁束線の周りにらせん運動させ
る、試料の位置決め手段、上記試料位置決め手段
の前方の第１領域内に配置され、上記試料から放
出された電子のうち、予め定められた運動エネル
ギーよりも小さいエネルギーを有する電子が磁束
線に沿つて第２領域へ引き続き進行するのを阻止
する第１の阻止手段、上記第２領域内に配置され
た検出器を含み、該検出器により上記試料から放
出されかつ第２領域へ進行する各電子の該第２領
域における磁界の横断面の空間分布を表示し、こ
れに基づき該試料表面部の少なくとも一部の拡大
放出電子像を生成する電子検出手段、並びに上記
第１領域および第２領域での各磁界強度の制御お
よび調節を行つて上記電子像の倍率を調節する制
御および調節手段から構成したことを特徴として
いる。

好ましい実施例では、顕微鏡は試料表面の少な
くとも一部を刺激して該試料表面から電子を放出
させる手段を備えている。この刺激手段は、該試
料表面の少なくとも一部を放射エネルギーで照射
する手段から成る。放射エネルギーが光ビームか
ら成る場合には、放出電子は光電子である。

通常、試料表面に選択された一方向または複数
方向から光子を照射して光電子を生起させる。

第２領域での拡大像を分析すると、試料で放出
された放出電子の主要エネルギーおよびこれらの
放出電子の角度分布の関数とみなすことができ
る。放出電子のらせん状軌道半径は解像限度を決
める。解像が最も悪い場合は、試料における磁界
に対して垂直方向に放出された電子全てを考慮す
べきである。試料が7.7テラスの磁界にある場合、
このらせん半径の最大は、５電子ボルトを有する
光電子に関しては典型的には１ミクロンである。
放出電子の等方性分布を考えると、結果は1.7ミ
クロンの有効解像可能物体サイズ（半値強度での
直径）とするとより好都合である。

試料の拡大電子像を作る能力は、試料表面を横
切つて生じた電子の空間分布を示す情報を得るた
めに利用できる。該空間情報が光電子に対し試料
表面上に生じた種々の光電子領域と関連付けられ
る。

本発明の顕微鏡は生物試料における、例えば重
原子に富んだ構造の地図を作成することができ
る。その一例として、生物試料のヨード含有濃度
を観察することができる。

さらに電子エネルギー分布を使用して電子分光
のために用いると、予め設定した範囲のエネルギ
ーを有する電子からのみ拡大された像を形成する
ことができる。このエネルギー分析能力を用いる
と、物体に関するさらに多くの情報を得ることが
できる。上記像は選択されたエネルギーを有する
電子によつて、例えば特定の原子または分子の電
子エネルギー分布特性に関する試料表面地図を形
成することができる。例えば前記の場合、ヨウ素
含有成分はそのエネルギーがこの原子の特徴とす
る１群の光電子（He1光イオン化の場合にはこれ
はヨウ素5p電子である）によつて解明される。

さらに、エネルギー解析によつてピークエネル
ギーのシフトから結合または化学状態の小さな変
化を充分に検出しかつ該変化を充分に作図するこ
とができる。

本発明に係る顕微鏡に、第１領域と第２領域と
の磁界の相対的強さを制御しかつ調節する手段を
設けると、当該顕微鏡によつて得られる倍率の調
節を容易に行うことができる。

特に好ましくは、磁界が軸対称であり、軸に沿
つて不均質とし、第１領域と第２領域とは軸に沿
つて離間して配置する。更に、前記の磁界制御・
調節手段は検出器を軸に沿つて種々の磁界強度点
へ移動させる手段を備えるようにする。

前記磁界制御・調節手段は軸に沿つて第１領域
および第２領域間の軸に沿つた磁界強度の総合変
化率を調節する手段を備えていてもよい。一例と
して、磁界発生手段は第１領域および第２領域で
磁界を発生させる個別エネルギー発生部を有する
電磁手段で構成され、磁界制御・調節手段は該電
磁手段の一部の励磁電流を他の部分の励磁電流に
対して調節する手段を備えている。

また、第１領域での磁界発生用電磁手段の少な
くとも一部は超伝導ソレノイドとすることができ
る。

他の例では、磁界発生手段は、電流パルス供給
手段を備え、第１および第２領域で同期して磁界
パルスを発生する。上記電子検出手段は上記磁界
パルスと同期して動作するように設置されてい
る。このようにしてパルス磁界が一般的な非超伝
導性電磁石によつて発生され、電磁コイルにおけ
るジユール熱による加熱の問題を回避している。
所定の大きさの同期電流パルスを種々のコイルに
供給することにより当該装置のあらゆる部分でパ
ルス磁界を予め設定された大きさに維持すること
が重要である。

上記磁界制御・調節手段は軸の周囲に対称的に
配置されるとともに第２領域に対し移動可能とさ
れる、高比透磁率を有する材料から成る１つまた
はそれ以上の部材を備えていてもよい。上記部材
は隣接する自由空間で磁界を歪曲させて所望磁界
を有効に焦点合わせしまたは拡散させ得ることが
認められる。一例として、複数の上記部材により
軸方向に整列した伸張ロツドとして形成される。

本発明の好ましい実施例において、磁界は第１
領域と第２領域とを連結する磁束線上に第３領域
を有し、第３領域の磁界は第１領域の磁界と比較
して充分に弱くされ、試料から磁界に対して横方
向に放出された全電子の運動エネルギーは各電子
が第３領域に到達した時に磁束線に沿つた運動エ
ネルギーに変換され、また第３領域内に電子の磁
束線に沿つたエネルギー分析手段が設けられる。

上記エネルギー分析手段は、磁束線に沿つて第
３領域を通過する電子のうち予め定められたエネ
ルギーよりも小さいエネルギーを有する電子が引
き続き第２領域へ進行するのを阻止する第２の阻
止手段とすると好都合である。上記第２の阻止手
段は第３領域内に配置した減速電極で構成され
る。

減速電極分析手段はある一定以上のエネルギー
を有する全ての電子を通過させ、検出器に到達さ
せる。また、減速電極分析手段は、比較的狭い帯
域内のエネルギーを有する電子のみを通過させる
こともできる。上記減速電極分析手段の一例とし
ていわゆる、交差した磁界および静電界によるト
ロコイド偏向を用いることができるし、または予
め設定された飛行時間でグリツド間を通過する電
子のみが両グリツドを通過できるように、第３領
域の磁界を沿つて離間したパルス状減速グリツド
を使用することもできる。上記のような減速電極
分析手段を用いると、検出器は予め設定されたエ
ネルギー帯域の放出電子にのみ応答するようにす
ることができる。

本発明の実施例において、試料位置決め手段の
前方の第１領域内に配置され、試料から放出され
た電子のうち、予め定められた運動エネルギーよ
りも小さいエネルギーを有する電子が磁束線に沿
つて第２領域へ引き続き進行するのを阻止する第
１の阻止手段が設けられ、それによつて磁界に沿
つたエネルギーを比較的高い割合で有する放出電
子のみが透過させられる。この技術は、磁界に対
して横方向のエネルギーを比較的高い割合で有す
る放出電子を取り除くことによつて顕微鏡の立体
的解像度を改良するのに用いることができる。高
い横方向エネルギーを有する電子は磁束線のまわ
りで最も大きな軌道を描き、それによつて検出器
での解像度を損なうことが認められる。解像度を
改良するこの技術を用いると、もちろん、第２領
域へ流れる電子束が低減させられる。

上記第１領域での阻止手段は減速電極であつて
もよい。

上記第１領域内に配置される第１の阻止手段は
該第１領域内に配置された減速電極に応じた電位
を有するもう１つの電極を含み、該電極により磁
束線に沿つて上記減速電極を通過した電子の遺失
した前進エネルギーを回復せしめるようにするの
が好ましい。

上記電子顕微鏡は第１領域での磁界強度が磁界
方向に沿つて最大磁界強度点の両側部で減少し、
試料位置決め手段が第２領域から遠ざかるように
最大磁界強度点から磁界方向に沿つて試料を所定
距離離間するように位置決めし、上記最大磁界強
度点を磁気ミラーとして作用せしめ、該磁気ミラ
ーの磁界方向に対し所定角度より大きい角度であ
る速度をもつて入来する電子を反射せしめるよう
になつている。

本発明の一実施例において、電子検出手段は当
該検出器に向かつて来る電子を選択的に偏向する
電磁偏向手段を備え、試料の刺激表面の選択部分
からの電子で像を形成するようにしている。さら
に、検出器は単一点検出器であり、電磁偏向手段
は上記検出器上での所望の電子像のラスター走査
を行うようにし、この検出器は上記像の一連のテ
レビジヨン状映像信号を生成するようにすること
ができる。

上記照射手段は真空紫外線源またはソフトＸ線
源と偏光および／または照射源から試料表面への
光子の入射角を制御する手段とを備えると好都合
である。

他の実施例において、放射エネルギーは中性原
子ビームであつてもよい。

さらに別の実施例において、前記刺激手段は試
料を加熱して熱電子を放出させる加熱手段であつ
てもよい。

以下、本発明のいくつかの実施例を添付図面に
基づいて詳細に説明する。

図中、第１図は本発明の放出型電子顕微鏡の一
実施例の概略図、 第２図は解像度を改良するために照射された試
料に減速グリツドを使用することを図式的に示す
線図、 第３図は第２図の減速グリツドの効果を表すグ
ラフ、 第４図は電子エネルギー分析のための飛行時間
測定装置を示す図、 第５図はエネルギー分析のためのトロコイド状
偏向装置を示す図、 第６図は調節可能な偏光子と方向選別器を備え
た窓のない紫外線源を示す図、 第７図は光電子を用いる顕微鏡の原型を示す概
略図である。

第１図において、分析および検査のための試料
１０は、ソレノイド１２によつて生じる強磁界領
域内で試料台１１に載置されており、該ソレノイ
ド１２は超伝導であつてもよい。ソレノイド１２
は軸１３を有する軸対称磁界を生じるように配置
され、試料１０は、試料表面１４が軸１３を横切
つて交差するように試料台１１によつて位置決め
されている。

一例として、典型的な真空紫外線源またはソフ
トＸ線源１５が試料１０の表面１４の方向に光子
ビーム１６を向けるように配置されている。ビー
ム１６中の光子は、試料１０の表面１４で原子を
イオン化してその試料表面１４から光電子を放出
するのをに充分なエネルギーを有している。

試料１０を取り囲む領域は図示されていない手
段によつて高真空に維持されており、これによつ
て試料表面１４から放出された光電子は、他の粒
子または原子と真実上衝突しないで進行すること
ができる。

ソレノイド１２からの磁界の存在によつて、試
料１０で磁界を横切るエネルギー成分をもつて放
出された電子は、磁束線に沿つてらせん状に進行
させられる。したがつて、試料表面１４から放出
された全ての電子は、ソレノイド１２内で磁界が
均質である限り、磁界の軸１３に対して実質的に
平行に進行する。

ソレノイド１２は、試料で少なくとも１テラ
ス、好ましくは５〜20テラスの磁界を生じるよう
に形成されているのが好ましい。形成し得る磁界
の最大限は、ソレノイド１２として使用される超
伝導ソレノイドを製造する技術開発に依存する。
ソレノイド１２によつて作られる磁界が強くなれ
ばなるほど、試料表面１４から放出される電子の
らせん軌道の直径は小さくなることが認められ
る。

紫外線源１５、典型的にはヘリウム放電ランプ
は、３〜50電子ボルト、典型的には２１電子ボル
トのエネルギーを有する光子を発生するように設
けることができる。ビーム１６の光子エネルギー
が大きくなれば、放出光電子の運動エネルギーも
大きくなり、電子らせん軌道の直径を大きくする
効果も得られる。らせん軌道をできるだけ小さく
保持せしめて顕微鏡の解像度を高めることが望ま
しい。

超伝導ソレノイド１２の軸１３に沿つて離間し
て、別のソレノイド１７および１８を設置する。
該ソレノイド１７および１８のいずれか一方また
は両方が超伝導のものであつてもよい。ソレノイ
ド１７および１８はソレノイド１２と同軸に配置
され、軸１３に沿つた各領域の磁界の強さを制御
することができる。ソレノイド１７は軸方向領域
に実質的に均質な磁界を得るように配置され、減
速電極１９から成るエネルギー分析器をソレノイ
ド１７の中に入れている。減速電極１９はエネル
ギー選択装置２０によつて選択された電位に維持
され、試料１０から軸１３に沿つて平行に進行す
るとともに電極１９と試料１０との間の電位差よ
りも大きな軸方向エネルギーを有する電子のみが
電極１９を通過することができる。したがつて、
第１図において電極１９の右手側の電子束は、エ
ネルギー選択装置２０での設定値に応じて予め定
められた値よりも大きい、軸１３方向に沿つたエ
ネルギーを有する電子のみから成る。

ソレノイド１２とソレノイド１７との間の磁界
は軸１３に沿つて不均質であり、ソレノイド１７
内の磁界はソレノイド１２内の磁界よりも極めて
弱く設定されている。その結果、前述しように試
料表面１４で放出された電子の磁界を横切るほぼ
全てのエネルギーは、これらの電子がソレノイド
１７内の領域に到達する時まで磁界に沿つたエネ
ルギーに移転される。したがつて、減速電極１９
を通過する電子の割合は試料表面１４の予め定め
られた領域から放出された電子の割合を表し、こ
れらの電子はエネルギー選択装置２０によつて予
め設定された現実のエネルギー以上の全運動エネ
ルギーを有する。

ソレノイド１２とソレノイド１７との間の磁束
線は軸対称に発散しているので電極１９を通過す
る電子の空間分布は試料１０の表面１４の小さな
軸方向部の拡大された電子像を表していると考え
られる。

ソレノイド１８は電子検出装置を包含する実質
的に均質な磁界領域を形成している。この電子検
出装置は、蛍光スクリーン２２の前にマイクロチ
ヤンネル板２１を設けて形成してもよい。マイク
ロチヤンネル板の作用はよく知られており、これ
は電子束を横切る空間磁束分布を保持しつつ電子
増倍器として作用する。マイクロチヤンネル板２
１によつて適当に増倍した電子束は、その後蛍光
スクリーン２２に衝突して電子束分布による光の
像を形成する。蛍光スクリーン２２上の該光の像
は試料１０の表面１４の部分の拡大光電子像から
成つている。一方、この電子像はチヤンネル板に
よつて増幅しまたは増幅しないで集積固体装置を
用いて記録することもできる。

試料表面１４から放出された電子はまず磁界中
に捕捉されて固定磁束線の周りに軌道を描いて旋
回するようにされ、磁束線に実質的に平行に進行
する。したがつて、蛍光スクリーン２２上の像の
線形倍率は、マイクロチヤンネル板２１と蛍光ス
クリーン２２とから成る検出器でソレノイド１８
によつて生成された磁界に対する試料１０でソレ
ノイド１２によつて生成された磁界の比の平方根
に比例している。

ソレノイド１２として超伝導ソレノイドを用い
て例えば９テスラの磁界の作り、またソレノイド
１８によつて制御して検出器での磁界を10マイク
ロテスラ程度に小さくすると、1000倍またはそれ
以上の倍率を得ることができる。

以前にも説明したように、電子像の解像度は、
試料表面１４からの放出における電子軌道の直径
に依存するとともに試料１０での磁界の大きさお
よび試料表面１４から放出された電子のエネルギ
ーに依存する。

倍率制御装置２３は、ソレノイド１８により発
生された磁界を調節して、蛍光スクリーン２２で
の倍率を制御することができる。蛍光スクリーン
２２に生じた光の像はTVカメラ２４によつて公
知の方法で検出され、該TVカメラ２４または他
の検出器から得られた映像データは、TVスクリ
ーン２５で光の像として直接見られるかまたは計
数化装置２６を介してデータ記憶装置２８付きの
コンピユータ２７に供給される。計数化されたデ
ータは、その後、所望により、コンピユータによ
つて分析することができる。

前記の実施例において、各ソレノイド１２，１
７および１８は超伝導ソレノイドとするのが好ま
しい。これらのソレノイドは試料１０を含む１つ
の領域および検出器２１，２２を含む他の少なく
とも１つの領域における磁界を個別に制御する手
段と一緒に単一ユニツトとして形成することがで
きる。エネルギー分析器１９を含む第３領域は分
離して制御することもできる。

試料１０と蛍光スクリーン２２との間の光電子
の全飛行経路は、高真空に維持されており、これ
によつて計器に沿つて通過中の電子の衝突の危険
が最小になる。

上記実施例は、ソレノイド１２として少なくと
も１つの超伝導ソレノイドを使用して発生した静
止磁界で行なうのが好ましい。しかしながら、永
久磁石を用いて試料表面１４で高磁界を発生させ
て有効な結果を得ることができる。現在入手しう
る永久磁石で得られる磁界強度は超伝導磁石で得
られる磁界強度よりも低いが、低い解像度で操作
できる顕微鏡を得るためには充分である。しかし
ながら、永久磁石は低コストであるのでいくつか
のものに適用するのが望ましい。永久磁石は軸対
称の磁界を生じるが、試料は一方の磁極に載置さ
れていてもよい。

静止磁界に代え、各ソレノイド１２，１７およ
び１８として一般的な非超伝導ソレノイドを用い
てパルス磁界を発生させることもできる。それか
ら、電流パルス発生器および同期装置２９は各ソ
レノイド１２，１７および１８を電流で励磁して
同期パルスを発生させることができる。このよう
にソレノイドに過度のジユール熱を発生させない
で非常に高いパルス磁界を発生させることができ
る。また同期パルスがライン３５上の同期装置２
９からTVカメラ２４に印加され、これらのパル
ス期間のみカメラによつて蛍光スクリーン２２に
生成された像を確実に記録することができる。

試料１０の表面１４で通常の実質的に等方性の
光電子放出があると、試料１０での典型的な最大
磁界強度が９テスラでありかつ放出電子エネルギ
ーが５電子ボルトである場合、蛍光スクリーン２
２での試料表面１４の立体解像度は１ミクロンの
オーダーである。しかしながら、その解像度は、
磁界を横切るエネルギーを比較的高い割合で有す
るそれらの放出電子を試料１０において弁別する
ように構成することによつて改善することができ
る。

第２図において、試料表面１４の一部を３０と
して示す。試料での磁界が実質的に軸方向に均質
である領域内で表面３０のすぐ前方に減速電極３
１が設置されている。また、減速電極３１を試料
１０に対し予め定められた負電位に設定する図示
しない手段が設けられる。そこで、試料１０が０
ボルトであれば、減速電極３１は−Ｖボルトとな
る。結果、矢印３２の方向、すなわち磁界の方向
に沿つてＶ電子ボルトよりも大きいエネルギーを
有する表面３０から放出された電子のみが、減速
電極３１を透過することができる。表面３０から
放出された同等の総運動エネルギーを有する２つ
の電子ＡおよびＢを考えると、該電子ＡおよびＢ
の総運動エネルイーは第３図にグラフ表示された
ベクトルＡおよびＢによつて表すことができる。
第３図においてＸ軸は磁界に沿つた電子エネルギ
ーを表し、Ｙ軸は磁界に垂直な電子エネルギーを
表す。電子Ａは、磁界を横切るエネルギーを高い
割合で有するとともに第３図の垂直線MINによ
つて表される電極３１を通過するためには不充分
な前進エネルギーを有している。他方、電子Ｂは
電極３１を通過するのに充分なエネルギーを有し
ている。電子Ａは磁界を横切るより多くの運動エ
ネルギーを有しているので、第２図に示したよう
に、電子Ｂよりも大きならせん軌道をともなつて
表面３０から発進する。したがつて、電極３１は
比較的大きならせん軌道を有する電子Ａの如き電
子を遮断する作用を行ない、高い解像度を有する
電子像を得ることができる。

電極３１を通過する電子Ｂの如き電子は、少な
くとも初めから磁界に沿つて低減する前進速度を
有しており、第１電極３１の向こう側に試料１０
におけると同じ電位の他の電極３３を設けること
でこれらの電子は初期の前進エネルギーとなるま
で再び速度が上げられる。

第１図において、ソレノイド１７によつて制御
される領域中のエネルギー分析が減速電極１９を
用いて説明された。この技術は、予め設定された
エネルギーよりも大きなエネルギーを有する全て
の電子がグリツド電極１９を通過するので、完全
な光電子ペクトルのみを与えることができる。第
４図および第５図は、狭帯域内のエネルギーを有
する電子のみが検出器を通過することができるよ
うにして１次導関数スペクトル分析を有効に行え
る２種類の技術を示すものである。

第４図は飛行時間技術を示している。第４図に
おいて、第１図で示した２つのソレノイド１７お
よび１８が結合されて１つのソレノイド４０とさ
れ、該ソレノイド４０は軸１３に沿つて伸びる実
質的に均質な磁界を有する領域を形成している。
ソレノイド４０内の磁界は試料１０における磁界
と比べてかなり弱いものとされ所望の倍率が得ら
れかつ実質的に全ての電子エネルギーが前進エネ
ルギーに変換されるようにされる。

検出器の前方に距離ｄの間隔をもつて２つの減
速電極４１および４２が設けられる１つの実施例
において、電極４１および４２は、通常いかなる
光電子の通過も阻止するように試料１０に対し充
分な負電圧を維持するようにされる。パルス制御
装置４３は、電極４１に電圧パルスを供給した後
予め設定された時間ｔだけ遅れて電極４２に電圧
パルスを供給するようにして電極４１および４２
に正の立ち上がり電圧パルスを印加する。電圧パ
ルスが軸１３に沿つて進行する電子をパルスが電
極に印加されている間のみいずれか一方の電極を
通過させるものである場合、遅れ時間ｔと同等の
グリツド間距離ｄに対する予め設定された飛行時
間を有する電子のみが２つの電極４１および４２
を通過し検出器に到達することがわかる。また、
飛行時間は電子の速度、したがつてそれらのエネ
ルギーに依存するので遅れ時間ｔを変化させるこ
とによつて有効に分析器を同調させて予め設定さ
れたエネルギーを有する電子のみを透過させるこ
とができる。

第５図に示すもう１つの実施例は電子のトロコ
イド状偏向手段を用いている。前記と同様の伸張
ソレノイド４０を用いて検出器および分析器の両
領域を包囲している。その分析器領域において、
磁界を横切る電界、例えば第５図に符号４４で示
すように紙面から外方に向かう電界を発生する手
段が設けられる。垂直磁界および電界を進行する
電子は電界と直角に成すように第５図において上
方に通常の変位を行う複合運動軌跡を描く。

シエヴロン板４５から成るグリツドを設けるこ
とによつて、軸１３に対し予め設定された角度を
有する電子のみが検出器を通過させられる。勿
論、予め設定された距離に亘つて所定の電界およ
び磁界を印加すると、電子経路の角度が電子エネ
ルギーに依存し、シエヴロン板４５は予め設定さ
れたエネルギーを有する電子のみを通過させるよ
うに作用する。そのエネルギーは電界４４もしく
はソレノイド４０によつて発生される磁界、又は
シエヴロン板４５の電界領域での角度もしくは位
置を調節することによつ選定される。

第６図は、光子が照射線源１５から照射試料に
向かうようにした好ましい装置を示す概略構成図
である。照射線源１５は紫外線放射を与えるヘリ
ウム放電管から成る。紫外線放射は、ガス放電用
ガスを封入するために使用するガラスまたは他の
材料によつて吸収される。したがつて、ガス放電
による光子束または強さを最大にするために窓の
ない器具を使用するのが望ましい。閉端部５１を
有しかつ反対側が開いており、小穴５２を介し
て、光電子顕微鏡の真空チヤンバーを形成するチ
ヤンバー５３の内部に至る毛細管５０が設置され
ている。前述したように試料１０および光電子が
進行する顕微鏡の全ての領域、従つてチヤンバー
５３は高真空とする必要がある。他方、紫外線放
射を行うガス放電を得るにはある原子密度が要求
される。アノード５４およびカソード５５は毛細
管５０の両端部に設けられかつ電源５６から電圧
を印加されて所望の放電を行なう。毛細管５０中
のガス原子は小穴５２を通りチヤンバー５３に放
出される。また、ポンプ手段（図示せず）が設け
られ、開口部５７を介してチヤンバー５３から連
続的にくみ手してチヤンバー内への漏洩原子を除
去する。毛細管５０中の原子は小穴５２を通して
連続的に逸失するので入口５８を通して原子を補
充して放電を維持しなければならない。この装置
を用いて、放電によつて発生する紫外線放射は窓
を通過せずに小穴５２を通つてチヤンバー５３内
に直接入る。

チヤンバー５３において、ミラー機構が紫外線
放射ビームを試料１０の表面１４に指向するよう
に設置されている。そのミラー機構は２つのミラ
ー５９および６０から成り、放電により放射ビー
ムは試料１０に向けられる前に２つのミラーで反
射される。そのミラー５９は、小穴５２から放出
された放射線にある角度を与え、それによつて該
ミラー５９からの反射放射線が実質的に偏光す
る。また、そのミラー平面において軸のまわりに
かつ第６図の紙面に対し垂直にミラー６０を回転
させる手段を設けて所望にミラー６０からの放射
線を指向させることができる。さらに２つのミラ
ー５９および６０は軸６１のまわりに回転可能と
され、試料に対する新生放射線の偏光角を所望に
設定することができる。この装置において、試料
１０の表面１４に向けられたビーム１６中の放射
線の偏光角および入射角を調節することができ
る。

上記したように、光電子顕微鏡は試料１０の表
面１４の一部拡大像を得るために使用することが
できる。この像は種々の表面領域からの全電子束
を立体分布を表示することができ、また予め設定
されたエネルギー帯域内の電子束を表す像を発生
させることができて便利である。像を形成する試
料表面部から放出された全電子は実質的に検出器
に到達することができる。試料表面１４を刺激す
るために極めて低エネルギー量子のみを使用する
ようにして、生物試料であつても損傷を最小とす
る。また、その像は表面での異なる結合エネルギ
ーまたは化学状態を有する材料の分布を決めるた
めに使用することができる。上記電子顕微鏡は生
物試料における、例えば重原子に富んだ構造の地
図を作成することができる。その一例として、生
物試料のヨード含有濃度を観察することができ
る。

さらに、その顕微鏡ではレンズまたは焦点合わ
せ光学系を用いていないので、被写海深度に制限
がない。像に寄与する試料の表面層の厚さは、入
射光子波長および電子逃避深度に依存し、ほぼ２
×10^-10ｍ〜２×10^-6ｍの範囲にある。

以上説明した本発明の顕微鏡の実施例では、光
子ビームを使用して試料表面を刺激し、光電子を
放出させる結像する装置を主として説明した。こ
の実施例は“光電子顕微鏡”に関するものであ
る。

さらに本発明は他の電子放出形式に適用するこ
とができる。

例えば中性原子ビームによつて電子を放出する
ように試料表面を励起または刺激することもでき
る。上記の中性原子ビームは表面装置技術におけ
る種々の目的に使用される。試料を中性原子で照
射すると、試料表面は電子を放出し、それらの放
出電子は上記技術を使用する光電子と同様に結像
することができる。上記結像方法は、その他の研
究目的のために中性原子ビームで照射される試料
によつて得られる電子を用いて実行できる。中性
原子ビームを作る市販装置は容易に入手しうる。

試料は他の手段によつて電子を放出するように
刺激してもよい。例えば試料を加熱し熱電子放出
させることができる。適当に高温度に加熱する
と、多くの物質は自然に電子を放出し、これらの
熱電子を前記装置に使用して光電子と同様に像を
形成することができる。例えば、試料は電子管の
カソードから成り、顕微鏡で得られる像はカソー
ドの品質を評価する手段とすることができる。

第１図に示した装置が例えば加熱カソードによ
つて放出された熱電子を結像するために用いられ
る場合、熱供給・制御装置３６は被加熱試料例え
ばカソードに接続された加熱素子に加熱電流を供
給することができる。

上記装置はオージエ（Auger）電子に使用する
こともできる。Ｘ線光子または電子ビームまたは
他の方法によつて非常に強く励起された原子は内
部遷移して、エネルギーが原子自体の特徴であり
かつ励起手段とは関係なく電子を放出することに
なる。上記電子は一般にオージエ電子と呼ばれて
おり、その過程は、例えば「光電子およびオージ
エ分光学」（テイ・エイ・カリソン氏著、プレナ
ム・プレス社版1975年）に記載されている。上記
オージエ電子の１つの使用法は上記装置を用いて
試料表面での選択素子を分布を有する像を形成す
ることである。

第７図は本発明の典型的な顕微鏡装置を示す図
である。第７図において、像を形成しようとする
電子が真空チヤンバー７０の一端部に配置した載
置ロツド７１の端部に装着された試料によつて該
チヤンバー７０内に放出される。載置ロツド７１
はゲート弁７２を通つてチヤンバー７０内に試料
を挿入させることができ、該試料を液体ヘリウム
冷却器７４で冷却された超伝導ソレノイド７３に
よつて発生した強磁界領域に配置することができ
る。上記試料にはヘリウムランプ７５内で発生し
たソリツド紫外線光子が照射される。その光子は
ポート７６を介してチヤンバー７０に入る。チヤ
ンバー７０はもう１つの予備ポート７７を有して
いる。チヤンバー７０は真空ポンプ（図示せず）
によつて排出ポート７８を介して減圧される。試
料から放出されかつチヤンバー７０に沿つて進行
する電子は蛍光スクリーンの前方のチヤンネル板
からなる検出装置７９に衝突する。蛍光スクリー
ンに形成された電子像はチヤンバー７０の端部に
ある観察ポート８０を介して見ることができる。
検出器での磁界はコイル８１によつて所望の比較
的低い磁界強度で制御される。第７図に示す装置
は原理的に第１図の装置と同様にして作動し説明
を省略する。

また、第７図の装置は映像シフトコイル８２を
備えている。これらの映像シフトコイルは、励磁
時、チヤンバー７０に沿つて磁界方向を横切る磁
界成分を生じるように配置されている。上記シフ
トコイル８２によつて発生した磁界成分はチヤン
バー７０の長手方向を横切る磁束線をシフトさせ
る効果があり、それによつて検出装置７９での電
子像に対応するシフトを与えることである。シフ
ト制御装置８３はシフトコイル８２に供給される
電流制御して電子像の所望量の横方向シフトを得
ることができるように構成されている。通常は、
２セツトのシフトコイルがＸ方向およびＹ方向に
所望に像をシフトできるように設けられる。

１つの装置において、シフト制御装置８３は、
像のラスタ走査を行うように、直交シフトコイル
に鋸歯状励磁電流波形を与えるように構成され
る。この場合、検出装置７９は単一ラインに電気
信号出力を与える単一点電子検出器と置換でき
る。その単一点検出器の出力は電子画像のTVラ
スタ走査画を形成する一連のTV状映像信号から
構成される。この装置は電子像を記録するのに別
のTVカメラを必要としない。

本発明の上記実施例においては、試料を高磁界
強度領域に位置させるのが望ましい。その装置に
よつて得られる電子像の最大の立体解像度を得る
には試料での磁界強度を最大としなければならな
い。しかしながら、ある適用例では試料領域での
磁界強度が、軸応に最大磁界強度点の対向両側部
で弱くなるようにするのが望ましい。そのような
装置では、試料は最大磁界強度点より若干後方位
置、すなわち検出器から反対側の最大磁界強度点
からわずか後方に配置するのが望ましい。

電子は強大磁界領域で反射されることが知られ
ている。これは磁気ミラー効果として知られてい
る。これは、断熱近似内で、量（１／Ｂ）Sin²θ
（式中、Ｂは磁界強度、θは磁界と電子速度間の
角度である）が保存されるために生じるのであ
る。Ｂが増大するとθも増大しなければならず、
Sinθの値は１を越えることができないので電子は
単に戻る、すなわち反射される。本発明の上記実
施例では、磁界Bs中の試料から放出された電子
は検出器に到達する前にさらに大きい磁界領域
Bmaxを通過しなければならず、該電子は、式 （１／Bs）Sin²θc＝（１／Bmax） で与えられる臨界値θcよりも小さい（磁界Bsに
対する）角度θsで放出されると、検出器に到達す
るのみである。そこで、最大磁界強度を有する位
置よりわずか後方に試料を置くことによつて、予
め設定された角度を有する前方に見える円錐体に
放出されない電子を反射する装置が得られる。所
定の立体角内に放出された電子のみが磁気ミラー
を通過させるようにすることができる。これは固
体表面の研究に利用することができよう。一方、
最大磁界強度点の後方への試料の移動は空間電子
像の解像度を低下せしめることが理解されよう。