(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極間であって、第２電極との間に試料が位置するように配置された第３電極を備えたカソードレンズであり、前記第３電極と第１電極間の電位差によって前記第３電極と第２電極間に電場を作り、前記カソードレンズの光軸近傍で該電場の方向と向きが逆の電場を、前記第３電極と第２電極間の電位差によって第３電極と第２電極間に作ることを特徴とするカソードレンズ。
【請求項２】
第３電極と第２電極間の前記試料面上であって、前記カソードレンズの光軸上の電場が零となるように、各電極の電位が制御されることを特徴とする請求項１記載のカソードレンズ。
【請求項３】
低速電子顕微鏡あるいは光電子顕微鏡に用いられる請求項１または２に記載のカソードレンズ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低速電子顕微鏡（ＬＥＥＭ）あるいは光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）等の対物レンズとして用いられるカソードレンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
カソードレンズとは、試料から小さな初期エネルギーで放出された電子を高電圧で引き出して加速するとともに、そのビームを集束させて所定の位置に結像させるものである。電子を加速させるために、試料は負の電位とされており、カソードレンズ内のアース電極に至るまでの電場が加速場となっている。試料がレンズ中の陰極（カソード）を兼ねるということから、カソードレンズと言う名前で呼ばれている。
【０００３】
加速のための電場だけでは、ビームを所定の位置に結像させることはできないため、さらに、集束のための電場あるいは磁場を作ることが必要である。この集束場を具体的にどう作るかによって、カソードレンズはいくつかの種類に分類される。
【０００４】
さて、図１は、カソードレンズを備えたＬＥＥＭを示した図である。図１において、電子銃１からの１次電子ビームは、１０ｋＶ程度に加速され、照射レンズ系２によって集束される。ウイーンフィルタ３は、１次電子ビームの行路と、試料４からの反射電子の行路とを分離するためのものであり、Ｅ×Ｂ型エネルギーフィルタで構成されるが、その電場ベクトルＥと磁場ベクトルＢは、１次電子ビームが試料４に垂直に入射し、且つ反射電子に対してはウイーン条件を満足するように設定される。このことにより、１次電子ビームはウイーンフィルタ３によって大きく偏向され、試料４に向けて垂直に入射させられ、試料４から発生し、カソードレンズ５で加速された反射電子はウイーンフィルタ３では何の偏向作用も受けず直進する。なお、カソードレンズ５によって１次電子ビームは減速され、１００Ｖ程度の加速電圧で試料４に入射する。
【０００５】
試料４から発生され、カソードレンズ５で加速され、ウイーンフィルタ３を直進した反射電子は結像レンズ系６を通る。そして、エネルギー分析が行われるときには、反射電子は結像レンズ系６からウイーンフィルタ７に入射される。このウィーンフィルタ７によって種々のエネルギーを有する反射電子の中から所定のエネルギーを有する反射電子のみが選別され、選別された反射電子はウイーンフィルタ７を直進し、その像は結像レンズ系８により所定の大きさに拡大されてスクリーン９に結像される。これによって単色の像を観察することができる。
【０００６】
なお、図１の装置がＰＥＥＭとして使用される時には、ＰＥＥＭ光源１０で発生した紫外線等が試料４に照射され、試料４から放出された光電子に基づく像がスクリーン９に結像される。
【０００７】
ここで、カソードレンズについて詳しく説明する。
【０００８】
図２は、試料の向かいに陽極（アース電位）を置いて、この電極と試料の間に加速電場を作り、集束のために磁場を重畳させたタイプのカソードレンズを示したものである。図２には、軸上静電ポテンシャルφ（Ｚ）、軸上磁場分布Ｂ（Ｚ）、静電ポテンシャルの等高線、および電子軌道が示されている。
【０００９】
一般にレンズの性能は収差の大きさで評価されるが、カソードレンズの場合は、試料面の近くでの電場強度で大方決まってしまう。すなわち、試料面での電場が大きいほど、試料を出た電子ビームはすぐ光軸の方向に向かって集束されることになり、ビームが光軸から離れないことで収差の発生が抑えられる。よって、試料面での電場強度が大きい程、収差の小さい良いレンズとなる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
このように試料表面に強い電場をかける場合、絶縁体試料の場合は不都合が起きる。すなわち、電場が存在すると試料面の電位が場所によって異なってしまい、試料から放出される電子のエネルギーが不確定となり、エネルギースペクトルを測定することが不可能になる。どの程度電場を弱めるべきかは、スペクトル測定の際に要求されるエネルギー分解能、および試料の形状によって変わってくる。また導体試料の場合でも、表面にミクロの凹凸のある場合は放電が起き、観察が不可能となる。このような試料に対しては、試料表面での電場を弱める何らかの方法を考えなくてはならない。
【００１１】
その方法の１つは、等電位の導体の遮蔽電極で試料を囲んでしまい、試料面上に電場を届かないようにすることである。図３はその場合の、絶縁体（誘電体）試料まわりの電位分布を示したものである。なお、導体試料の場合で電場を弱めたい時は、試料自身の電位は定まるので、試料前面に遮蔽電極を置くだけでよく、周りを囲う必要はない。
【００１２】
しかし、この方法の問題点は、試料面での電場強度が遮蔽電極の機械的な位置と形状で決まってしまい、像の観察の際に調整ができないことである。収差をなるべく小さく抑えるために、電場は許される範囲内でできるだけ大きくしたいわけであるから、試料ごとに電場強度が可変であるのが望ましい。
【００１３】
またこの方法では、電場を小さくするためには遮蔽電極の穴径を小さくする（あるいは試料から遠ざける）ことになるが、有限の大きさの穴径で電場を厳密に０にするのは不可能である。図４は、穴径を小さくしたときの試料まわりの電位分布を示したものであるが、この場合では、試料面上を電子が離れた後もしばらくは電場の小さな領域が続くことになり、収差の面で望ましくない。収差の面で理想的なのは、試料面の近傍のみで電場が０で、試料面を離れるとすぐに電場が強くなるような状況である。しかし、上に述べた方法ではそのような状況を作るのは不可能である。
【００１４】
本発明は以上の点に鑑みて成されたもので、その目的は、試料の種類や表面の状態、要求されるエネルギー分解能に応じて、もっとも収差を小さくするように試料面上の電場強度を調整できるカソードレンズを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成する本発明のカソードレンズは、第１電極と、第２電極と、第１電極と第２電極間であって、第２電極との間に試料が位置するように配置された第３電極を備えたカソードレンズであり、前記第３電極と第１電極間の電位差によって前記第３電極と第２電極間に電場を作り、前記カソードレンズの光軸近傍で該電場の方向と向きが逆の電場を、前記第３電極と第２電極間の電位差によって第３電極と第２電極間に作ることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【００１７】
図５は、本発明のカソードレンズの一例を示した図であり、図１に示したＬＥＥＭやＰＥＥＭに使用されるカソードレンズの一例を示した図である。
【００１８】
図５において、１１は第１電極である陽極で、陽極１１は接地されている。陽極１１の形状は円盤状であり、陽極１１はその中心に電子線通過孔１２を有している。
【００１９】
１３は第２電極である下側電極であり、下側電極１３の形状は円盤状である。また、１４は第３電極である上側電極であり、その形状は円盤状であって、上側電極１４はその中心に電子線通過孔１５を有している。この上側電極１４は、陽極１１と下側電極１３間に配置されている。
【００２０】
また、試料１６が、上側電極１４と下側電極１３間に配置されている。
【００２１】
このような図５のカソードレンズは、図３の遮蔽電極が試料の前面（上側電極１４）と裏面（下側電極１３）に分離されたものであり、そして、それらに独立の電位を与えられるように構成されたものである。
【００２２】
なお、図５においては、陽極、上側電極、下側電極および試料の右側部分が一部省略されているが、実際には、それらの形状は光軸Ｏを境にして左右対称である。また、陽極、上側電極および下側電極は電気絶縁物（図示せず）に取り付けられており、試料は電気的に絶縁された試料ホルダ（図示せず）上に置かれている。
【００２３】
このような構成において、上側電極１４には−Ｖｓの電位が与えられ、これにより、上側電極１４と陽極１１間の電位差によって試料面上に電場Ｅ1が作られる。
【００２４】
また、下側電極１３には−ａＶｓ（０＜ａ＜１）の電位が与えられ、これにより、上側電極１４と下側電極１３間の電位差によって試料面上に電場Ｅ2が作られる。この電場Ｅ2は、前記電場Ｅ1と向きが逆の電場であり、下側電極１３の電位（−ａＶｓ）を適当に設定すれば、試料面上の電場Ｅ1とＥ2をキャンセルさせることができる。
【００２５】
ところで、図５は、試料面上の光軸上の電場を厳密に０にした場合の、等電位面の分布を示したものである。この場合、電場が０になっているのは試料面上の光軸上の１点のみであり、さらに、電子が試料を離れると同時に電場強度が立ち上がっており、収差にとって理想的な状況が作られている。通常顕微鏡で観察する試料面上の領域は数ミクロンから、広くても１ミリ程度の直径であるので、事実上光軸上の電場強度だけ問題にすればよく、図５の状況は観察条件としては最適である。もちろん、有限の電場が存在してよい時は、下側電極１３と上側電極１４間の電位差を変えることにより試料面での電場強度を自由に調整できる。
【００２６】
以上説明したように、本発明のカソードレンズにおいては、試料面上の電場強度を可変にできるので、試料の種類や表面の状態、要求されるエネルギー分解能に応じて、もっとも収差を小さくするように試料面上の電場強度を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ＬＥＥＭの構成を示した図である。
【図２】  従来のカソードレンズを示した図である。
【図３】  従来のカソードレンズを示した図である。
【図４】  従来のカソードレンズを示した図である。
【図５】  本発明のカソードレンズの一例を示した図である。
【符号の説明】
１…電子銃、２…照射レンズ系、３…ウイーンフィルタ、４…試料、５…カソードレンズ、６…結像レンズ系、７…ウイーンフィルタ、８…結像レンズ系、９…スクリーン、１０…ＰＥＥＭ光源、１１…第１電極、１２…電子線通過孔、１３…第２電極、１４…第３電極、１５…電子線通過孔、１６…試料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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