JPS5951704B2 - 磁気レンズ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、検鏡試料を収容する真空室を備え、レンズ
内のビーム軸に同軸に互に間隔を保ってビーム進行方向
から見て前後に設けられ、かつその対向端面間に規定の
間隙を形成する二つの円筒形超伝導遮蔽体の上にレンズ
巻線が巻かれ、この巻線を取囲んで超伝導遮蔽装置が設
けられている粒子線装置用の磁気レンズ装置に関するも
のである。

超高電圧電子顕微鏡の場合ビーム加速電圧は１０００ｋ
Ｖ以上になることがある。

このような電子顕微鏡に対しては複数の超伝導レンズ装
置から構成されるレンズ系が有効である。

このレンズ装置をクライオスタット内に置かれた中央支
持管上に設けることが提案されているが、これによって
比較的コンパクトな電子顕微鏡構造が可能となる。

この公知の電子顕微鏡のレンズ系は冒頭に拳げた形式の
レンズ装置を含み、このレンズ装置は対物レンズを構成
し、電子ビーム方向から見て前後に配置され狭いビーム
室を包囲する二つの円筒形遮蔽体を備える。

これらの遮蔽体は超伝導材料で作られ、動作状態では冷
媒例えば液体ヘリウムにより転移動温度以下に保持され
る。

遮蔽体の対向端面間には狭い間隙が作られ、この間隙内
に真空室が設けられ、検鏡試料は試料挿入装置によりこ
の真空室に横から半径方向に挿入される。

試料室は遮蔽体の冷媒によって同時に冷却される。

これによってサーマルドリフトと呼ばれている温度差に
基く試料の側方移動が極めて小さくなり、例えば毎分Ｑ
、 Ｏ３ｎｍ以下に保たれる。

しかしこの公知の対物レンズ装置を使用すると、試料を
高い温度、特に室温に保って調べることは不可能となる
。

公知の電子顕微鏡の二つの遮蔽円筒には超電導コイル巻
線が巻かれ、この巻線は動作状態において短絡される。

遮蔽体の役目はレンズ巻線が作る磁場をレンズ間隙にお
いてだけ電子ビームに作用させることであるから、それ
らの外側の端面において超伝導材料から成り、レンズ巻
線の側面と端面を包囲する遮蔽装置に結合されている。

このように構成され超伝導状態に保たれた遮蔽容器によ
りレンズ巻線が作る磁場を閉じ込め、磁場が電子ビーム
に作用するレンズ間隙部分を外部の妨害磁場、特に交番
電磁場から有効に遮蔽することができる。

粒子線装置の分解能はよく知られているようにレンズ、
特に対物レンズの開口収差に関係するから、公知の電子
顕微鏡では遮蔽円筒の対向端面間のレンズ間隙は開口収
差定数が最小となるように選ばれている。

この場合レンズ装置の開口収差定数は磁場最大値Ｈ８ま
たは磁束密度最大値Ｂ。

の外にレンズ間隙内のビーム方向の磁場の勾配、従って
対向端面付近の遮蔽円筒の形状にも関係する。

上記の対物レンズ装置によれば冷却媒体の温度に冷却さ
れた試料だけを調べることができる。

更にこの対物レンズ装置は固定ビーム式と呼ばれる磁場
によって集束された固定電子ビームで試料を照射し、そ
の後に置かれた拡大磁気レンズにより拡大像を形成させ
る電子顕微鏡だけに適用される。

しかし公知の電子顕微鏡はそのままでは透過式走査顕微
鏡として使用することはできない。

走査方式では集束電子ビームを試料に当て、予め与えた
走査形式に従って試料表面を走査する。

その際試料を通過した散乱電子を記録し、場合によって
は二次電子、オージェ電子および後方散乱電子を補助的
なエネルギー減衰ビーム分析用として補集しようとすれ
ば、それに適した検出装置を試料のすぐ近くに設けなけ
ればならないが、公知の対物レンズ装置では試料室が小
さく、また最大磁場Ｈ９および磁場の勾配低下させるこ
となく試料室を拡げることはできないから、これは実施
不可能である。

最大磁場Ｈ８と磁場の勾配が低下すると顕微鏡の収差、
特に球面収差および色収差が開口収差定数の増大のため
大きくなる。

この発明の目的は、公知の対物レンズ装置を改良して超
高電圧電子顕微鏡に使用した場合にも試料室を室温に保
ち、しかも柱状に組立てられた総ての超伝導レンズを共
通のクライオスタット内に収めることができるようにす
ることである。

更に公知の固定ビーム電子顕微鏡の長所を失うことなく
、透過式走査電子伝顕微鏡としても使用することかで゛
きるようにすることもこの発明の目的である。

従ってこの発明による顕微鏡ではサーマルドリフトが小
さいと同時にビームが外部の妨害磁場に対して充分遮蔽
されている必要があり、分解能は約１ｎｍに達していな
ければならない。

この目的はこの発明により冒頭に拳げたレンズ装置にお
いて、遮蔽装置をつは形に構成し、検鏡試料を収容する
真空室をビーム進行方向から見てつぼ形遮蔽装置の開口
口部およびレンズ間隙に対して反対側の第一遮蔽体の端
面の前に設けることによって達成される。

レンズ巻線と二つの円筒形遮蔽体を包囲する遮蔽装置が
つぼ形に作られ一方が開いているため、この発明による
レンズ装置はビーム方向において前後に設けられた二つ
の磁気レンズと同様に作用する。

この二つの磁気レンズはその第一のレンズの焦点距離が
比較的大きく、第二のレンズの焦点距離は例えば５００
０ｋＶという高いビーム電圧においても極めて小さい値
に保つことができるものである。

この発明による磁気レンズ装置の長所は、試料をつぼ形
遮蔽装置の開口部または第一の円筒形超伝導遮蔽体の前
の数ｃｍの所に置くことができることである。

このような個所には相当高い温度の試料を入れた真空室
を困難なく置くことができる。

この真空室は充分大きな容積とすることができるから、
透過式走査顕微鏡とするために必要な検出装置もここに
設けることができる。

図面を参照し実施例についてこの発明を更に詳細に説明
する。

第１図に示した対物レンズ装置は透過式の走査電子顕微
鏡にも固定ビーム電子顕微鏡にも適している。

この図面に示されていない顕微鏡部分はよく知られてい
るものであるから省略する。

対文物レンズ装置には、超伝導材料から成り動作中は冷
媒例えば液体ヘリウムによりその転移臨界温度以下の温
度に保たれる遮蔽装置２を備える。

この遮蔽装置はっは形であって円筒形側壁部４と底部３
から成る。

底部３には中央通孔６があり、軸７上を進む電子ビーム
はこの通孔によって遮蔽装置を貫通する。

遮蔽装置の上部は図には単に一本の線で示した蓋８で閉
鎖され、この蓋は非磁性材料から成り中央通孔９が設け
られている。

つぼ形遮蔽装置の内部にはビーム軸７に同軸に二つの円
筒形遮蔽体１１と１２があり、その中央透孔１３および
１４は直径が数ｍｍのものである。

これらの遮蔽体も超伝導材料から成り、遮蔽装置２の冷
却に必要な冷媒によって共に冷却される。

遮蔽体はビーム方向において前後にある間隔を保って配
置され、互に対向する端面間に狭い間隙１５を形成する
。

下方の第二の遮蔽体１２は遮蔽装置２の底部５の上に乗
っているが、それと一体になった成形体とすることがで
きる。

遮蔽体１１．１２の周りにはレンズ巻線１７が巻かれて
いるが、この巻線も超伝導材料とすれば効果的である。

レンズ巻線は動作状態では短絡しておくことができる。

レンズ巻線の上部はつぼ形遮蔽装置２の蓋８に達してい
る。

低温に冷却された遮蔽装置２とそれに組み込まれた部品
への熱の伝達を小さくするため放射遮蔽１９を設け、例
えば液体窒素で冷却する。

この放射遮蔽もつぼ形としてその上部を蓋２０で閉鎖す
るが、少くともこの蓋を非磁性材料で作る。

遮蔽装置２を放射遮蔽１９の内部に固定するための部品
としては、簡単に熱伝導の低い間隔片２２２３が底部５
と２６の間および蓋２０と８の間に示されている。

放射遮蔽１９とその内部に設けられた構成部品は、電子
ビームの中央通孔を除いて全面的に閉鎖された容器３０
の真空室２８内に置かれている。

この真空室は容器３０の全内室の下方の分室であって、
隔壁３１によって上方の分室３２から分離されている。

容器３０は室温であるから、容器壁にとりつけられた隔
壁３１と放射遮蔽１９の蓋２０の間にも熱伝導の低い間
隔片３３が設けられている。

試料３４を試料真空室３２に挿入し、またそれをそこに
保持するための装置は詳細には示されていはい。

試料３４は試料スライダ３６を使用して堰室３７を通し
た真空室に挿入し、遮蔽装置２の中央通孔の前に置く。

ここには例えば試料台３８を設け、その中央通孔の上に
試料３４を乗せる。

遮蔽装置はっは形であって一方が開いていて、巻線１７
が作る磁場は遮蔽装置の内室内部に閉じ込められていな
いから、この磁場は両遮蔽筒１１．１２の間の間隙１５
だけでなく、遮蔽筒１１の上方において真空分室３２内
まで拡がっている。

従って二重磁気レンズの構成となるからビーム進行方向
から見て前方にある磁場部分をＬｌとし、両遮蔽筒間の
間隙内の磁場部分をＬ２とする。

電子ビームが試料３４を走査方式に従って照射し貫通す
るから、試料の後において放射遮蔽１９または遮蔽装置
２の前に適当な検出器３９を設ける。

この検出器は例えば試料台３８内に置く。この発明によ
るレンズ装置の試料室３２は大きな寸法のものとするこ
とか゛できるから、その内部に図には示されていない別
の検出装置を収めることも可能である。

この検出装置は例えば走査顕微鏡として運転する際エネ
ルギー損失に基く放射線分析に使用する。

図には更にレンズ軸に対して電子ビームを調整する偏向
板４０と二つの収差補正系４１および４２が示されてい
る。

ビーム進行方向において前方の補正系４１はその一部が
偏向板として使用され、偏向板４０は遮蔽筒１１のレン
ズ間隙端面に対して反対側の端面の直前にあり、第二の
補正系４２は両遮蔽筒１１と１２の間の間隙内に設けら
れている。

ビーム通路の特に真空室３２内にある部分を外部電磁状
に対して遮蔽するため、容器３０は強磁性材料で作るの
がよい。

更に容器３０の蓋を特殊な形状として真空室３２内の磁
場の分布に影響を与えることができる。

その一例を第２図に示す。第２図の実施例は蓋部分４３
を除いて第１図の実施例と一致している。

蓋４３の中央通孔４４を取囲む壁部分は内側に曲げられ
、試料３４の近くまで達する磁極片４５を形成する。

これによって磁気レンズを形成する磁場Ｌ１が試料３４
の近くに集められる。

第３図に第１図の対物レンズ装置の軸上の磁場の分布曲
線を示す。

横軸２には容器３０の入口から計った軸上の距離をｍｍ
を単位としてとり、縦軸には磁束密度Ｂ。

をＴ（テラス）を単位としてとっである。

図に示した磁場の分布曲線からこの発明による対物レン
ズの二重レンズ特性が明らかである。

この二重磁気レンズの第一部分レンズ上１は第一遮蔽筒
１１の前にあり、その漏れ磁場は非対称分布である。

このレンズの焦点距離は比較的長く最大磁束密度Ｂ。

は比較的小さい。両遮蔽筒１１．１２間の間隙の位置は
Ｚ軸の下に破線で示されているが、そこに形成されてい
る第二部分レンズＬ２の磁場分布は半値幅が狭く高い最
大値を持ち、ビーム加速電圧が高く例えば５０００ｋＶ
であってもその焦点距離は小さく例えば６ｍｍを超えな
い。

第３図の分布曲線はビーム加速電圧３０００ｋＶにおい
て次表のテ゛−夕で示される電子光学特性を持つ実施例
に対するものである。

焦点座標の原点は磁束密度が最大値をとる点である。

第３図の磁場分布に対応する電子線経路を第４図に示す
。

各部分レンズには前主面と後主面Ｈｏ、Ｈ１があり、焦
点距離はＦ。

およびＦｌで表わされている。

第二部分レンズに対してはダッシュをつけてＨＯ’５
ＨＩ′、ＦＯ’ｇ Ｆｌ’とする。

試料３４は第一部分レンズ上１の前焦点Ｆ９からその焦
点距離より小さいかそれに等しい距離だけ前方に置く。

これにより第一中間像が後焦点座標Ｆ１から後焦点距離
より大きいかそれに等しい距離だけ後方に結は゛れる。

従ってこのレンズ系では第一中間像は第二部分レンズＬ
２が形成される間隙１５の上部に置かれる。

この構成原理に基き試料を第一遮蔽筒１１の上端面の上
方数ｃｍに置き、低温である必要のない試料段とするこ
とが可能となる。

この試料段は第１図、第２図に示した超伝導遮蔽装置の
外側にあるが、このように試料３４の置かれる部分に超
伝導遮蔽がないことも１０００ｋＶ以上のビーム加速電
圧の場合それ程重要な意味を持たない。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図はそれぞれこの発明の互に異なる実施例
の断面図、第３図は第１図の実施例のレンズ磁場分布曲
線、第４図は第３図のレンズ磁場に対する電子線経路図
である。 第１図において、２は遮蔽装置、１１と１２は円筒形遮
蔽体、１５はレンズ間隙、１７はレンズ巻線、３４は検
鏡試料、３８は試料台である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ビーム軸７に対して同軸にビーム進行方向から見て
   前後に配置されその対向端面間に規定の間隙１５を形成
   する二つの円筒形超伝導遮蔽体１１．１２の上にレンズ
   巻線１７が巻かれ、この巻線を取囲んで超伝導遮蔽装置
   ２が設けられている磁気レンズ装置において、遮蔽装置
   ２がつぼ形に構成され、検鏡試料３４を収容する真空室
   ３２がビーム進行方向から見てつぼ形の遮蔽装置２の開
   放側におよび前記間隙１５に対して反対側の第一遮蔽体
   １１の端面側に設けられていることを特徴とする真空粒
   子線装置に対する磁気レンズ装置。 ２ 試料真空室３２が室温に置かれていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の磁気レンズ装置。 ３ 試料真空室３２内にビーム分析装置が設けられてい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項
   記載の磁気レンズ装置。 ４ ビーム方向から見て間隙１５に対して反対側の第二
   の遮蔽体１２の端面が遮蔽装置２と結合されていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項の一つに
   記載の磁気レンズ装置。 ５ 第二遮蔽体１２と遮蔽装置２とが単一の成形体を形
   成することを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の磁
   気レンズ装置。 ６ 遮蔽装置２と試料真空室３２とが一つの室温に置か
   れた強磁性材料遮蔽容器３０内に設けられていることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第５項の一つに記
   載の磁気レンズ装置。 ７ 遮蔽容器３０の検鏡試料３４が置かれている部分が
   磁極片４５として構成されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第６項記載の磁気レンズ装置。 ８ ビーム加速電圧が１００ＯＫＶ以上の電子顕微鏡に
   使用されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   乃至第７項の一つに記載の磁気レンズ装置。