(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射絞り面からスリット面までの電子ビームの軌道を連続的にΩ字状に偏向するオメガ型エネルギーフィルタにおいて、
電子ビームの軌道を含む平面に垂直な対称面を有し、電子ビームの入射側から偏向角をΦ、２Φ、Φとした３つの磁場領域を持ち、
前記偏向角Φを
１０２°≦Φ≦１１５°
の範囲に選定したことを特徴とするオメガ型エネルギーフィルタ。
【請求項２】
前記２Φの偏向角を有する磁場領域のビーム回転半径Ｒ３を前記Φの偏向角を有する磁場領域のビーム回転半径Ｒ４より小さくしたことを特徴とする請求項１記載のオメガ型エネルギーフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射絞り面からスリット面までの電子ビームの軌道を連続的にΩ字状に偏向するオメガ型エネルギーフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は電子光学系にオメガ型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１１はＡタイプのオメガ型エネルギーフィルタの構成を説明するための図、図１２はＢタイプのオメガ型エネルギーフィルタの構成を説明するための図、図１３はＡタイプのオメガ型エネルギーフィルタの基本軌道を説明するための図、図１４はＢタイプのオメガ型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】
電子光学系にオメガ型エネルギーフィルタを組み込んだ電子顕微鏡では、図１０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、対物レンズ１３を通して試料１４に照射し、中間レンズ１５、入力絞り１６、オメガ型エネルギーフィルタ１７、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。このオメガ型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）に連続してビームを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１１及び図１２にその光軸を含む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。
【０００４】
このようにオメガ型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（ＥＳＩ）のための装置して近年盛んに用いられるようになった。オメガ型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】
オメガ型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。
【０００６】
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。そこでオメガ型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１１及び図１２に示した２つの例は、実は異なる光学設定条件の下で設計されたものであり、図１１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１２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、光軸を直線に直して描いた図１３に示すＡタイプの軌道図及び図１４に示すＢタイプの軌道図において明らかである。
【０００７】
ここで、ｘα、ｙβの両軌道は、最終的に検出器上に結ぶ像の軌道である。一方、ｘγ、ｙδは前段のレンズによってフィルタの入射窓にフォーカスし、フィルタ通過後、スリット上にフォーカスする軌道でこの分散を生じさせる。分散したビームの一部を残してほかのエネルギーのビームを切り捨てるのが、スリットの役割である。一方、検出器上の像は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、オメガ型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。
【０００８】
オメガ型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、絞り面から距離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１３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１４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。
【０００９】
このような初期条件を選ぶと、Ａタイプでは、図１３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１４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型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。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
さて、オメガ型エネルギーフィルタにおいて、スリット面上にｘγ、ｙδ軌道をフォーカスさせ、像面上にｘα、ｙβ軌道をフォーカスさせるためには、あわせて４つのパラメータが必要である。これらの調整を全て磁極端面傾斜角によって行うためには、２つの磁石による４つの端面を利用するのが便利である。磁石は４つあるが、中心対称を維持しなければならないので、２つの磁石の形状を決定すると、残りの２つの磁石の条件は自動的に決まる。これが、４つの磁石が用いられる基本的な理由である。
【００１１】
一方、オメガ型エネルギーフィルタと類似のインコラム型のエネルギーフィルタとして、アルファ型エネルギーフィルタが知られている。アルファ型エネルギーフィルタは、全磁石の偏向角の合計が３６０°になるフィルタで、最初と、最後の磁石に対して、その中間の磁石の極性が同一で、これが逆転しているため全磁石の偏向角が０°となるオメガ型エネルギーフィルタと区別される。アルファ型エネルギーフィルタは最初の磁石と最後の磁石が共用されるので、見かけ上はオメガ型エネルギーフィルタに比べて磁石が一つ少ない。アルファ型エネルギーフィルタも最初提案されたときは２磁石系であり、やがて３磁石系が提案されたが、２磁石系も用いられている。
【００１２】
本発明は、小さい収差の３磁石系のオメガ型エネルギーフィルタを実現するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そのために本発明は、入射絞り面からスリット面までの電子ビームの軌道を連続的にΩ字状に偏向するオメガ型エネルギーフィルタにおいて、電子ビームの軌道を含む平面に垂直な対称面を有し、電子ビームの入射側から偏向角をΦ、２Φ、Φとした３つの磁場領域を持ち、前記偏向角Φを
１０２°≦Φ≦１１５°
の範囲に選定し、前記２Φの偏向角を有する磁場領域のビーム回転半径Ｒ３を前記Φの偏向角を有する磁場領域のビーム回転半径Ｒ４より小さくしたことを特徴とするものである。
【００１４】
【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は本発明に係るオメガ型エネルギーフィルタの実施の形態を示す図、図２はオメガ型エネルギーフィルタの設計パラメータを説明するための図、図３はオメガ型エネルギーフィルタにおける像面とスリット面の関係を示す図、図４は種々のオメガ型エネルギーフィルタについてＬ３を変えて求めた収差を示す図、図５はＬ３の端面のみをフリンジング磁界なしにして求めた収差を示す図である。図中、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ２３、Ｍ３、Ｍ４は磁石、Ｒ３、Ｒ４はビーム回転半径、Ｌ３、Ｌ４は空間の長さを示す。
【００１５】
図１において、磁石Ｍ１は、電子入力側にあって偏向角がΦの磁場領域（方向変換領域）を有する磁石であり、磁石Ｍ４は、磁石Ｍ１と対称位置の電子出力側にあって偏向角がΦの磁場領域を有する磁石である。磁石Ｍ２３は、磁石Ｍ１と磁石Ｍ４の中間にあって偏向角が２Φの磁場領域を有する磁石であり、従来の中心面（対称面）から中心面寄りの磁石の入射側端面までの距離（ドリフト長）Ｌ３をゼロにすることにより２つの磁石を１つにしたものである。本発明は、このように３つの磁場領域を有し、これら３つの偏向角が、電子入射側からおおむねΦ、２Φ、Φであり、電子ビームの軌道を含む平面に垂直な中心面を有する３磁石系のオメガ型エネルギーフィルタを構成したものである。
【００１６】
従来の４磁石系のオメガ型エネルギーフィルタにおいて、図２に示すように中心面寄りの磁石Ｍ３のビーム回転半径をＲ３、その入射側端面角度をθ１、出射側端面角度をθ２とし、スリット寄りの磁石Ｍ４のビーム回転半径をＲ４、その入射側端面角度をθ３、出射側端面角度をθ４、偏向角をΦとする。また、中心面から中心面寄りの磁石Ｍ３の入射側端面までの距離（ドリフト長）をＬ３、磁石Ｍ３の出射側端面から磁石Ｍ４の入射側端面までの距離をＬ４、スリット寄りの磁石Ｍ４の出射側端面からスリット面までの距離をＬ５とし、像面からスリット面までの距離をＬＬとする。
【００１７】
オメガ型エネルギーフィルタの基本光学特性を決める形状因子は、上記の回転半径Ｒ３、Ｒ４、端面角度θ１、θ２、θ３、θ４、距離Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、ＬＬの１０個である。この他に磁石の実際の端面と磁界分布の実効端面との距離もパラメータとなり得るが、ここでは省略して考える。これらの１０個のパラメータのうち、端面角度θ１、θ２、θ３、θ４を、像面及び回折面で非点なしフォーカス（ｘ方向とｙ方向とでフォーカス位置が一致すること）を得るための調整用に用いる。なお、これらをパラメータとして距離Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５等で調整することも可能である。
【００１８】
オメガ型エネルギーフィルタの図３（Ａ）に示す像面（Ｐｕｐｉｌ  ｐｌａｎｅ）と図３（Ｃ）に示すスリット面（Ｓｌｉｔ  Ｐｌａｎｅ）  における収差ΔＸＰ  、ΔＹＰ  、ΔＸＳ  、ΔＹＳ  は、図３（Ｅ）のように表され、その大きさは収差係数（Ａααα、……、Ｂαββ、……、Ｃαα、……）と、像面又はスリット面とビームのなす角α、β、γ、δに依存する。α、γはｘ軸に対する角度であり、β、δはｙ軸に対する角度である。物面におけるビームの大きさは対物絞りによって制限されるが、この大きさは低倍の場合でも５μｍ程度であり、フィルタの前方の中間レンズを高倍率で使用した場合にはこれよりずっと小さな値となる。しかし、スリット面上では、スリット面の収差によってビームが広がっているので、像を見込むビームの角度はずっと大きなものとなる。スリットを通り抜けるビームの半径を５０μｍとすれば、α、βは、０．０５／１００＝５×１０−４ｒａｄとなる。これに対して、γ、δは、１０−２ｒａｄ程度なので、両者の間には１００倍の開きがある。収差の大きさは、収差係数と角度の積であるが、α、βとγ、δでその大きさに大きな開きがあるため、収差量を決める収差係数は、特定の係数だけが支配的となる。
【００１９】
いま、中心面の両側のドリフト空間の長さＬ３に着目してみると、オメガ型エネルギーフィルタの収差は、像面上およびスリット面上で図３のように示されるが、これらの２次収差のうちで長さＬ３によって大きく変化するのはＣβδ、Ｂαβδ、Ｂγββである。これらはいずれも像面上の収差に関係している。種々のオメガ型エネルギーフィルタについて長さＬ３を変えて求めた収差を示したのが図４であり、ここでＤを分散とすると、縦軸は（Ｃβδ＋Ｂαβδ＋Ｂγββ）／Ｄである。この３つの収差係数の合計は、長さＬ３を小さくするほど減少の傾向を示すが、Ｌ３＜５ｍｍ付近から上昇に転ずる。すなわち、長さＬ３が小さすぎると収差の増大を招くのである。しかしここで注意しなければならないのは、長さＬ３を５ｍｍより小さくした場合には、フリンジング磁界分布が鋭くなってしまうことである。鋭いフリンジング磁界によって収差が増大した可能性がある。そこで便宜的にＬ３の端面のみをフリンジング磁界なしにして計算してみると、図５に示すように収差の増大はほとんどないことがわかる。この場合、Ｌ３＝０というのは、磁石Ｍ２と磁石Ｍ３が接触し、一つの磁石Ｍ２３になったものである。これは３磁石系となり、図１に示すよう磁石Ｍ１と磁石Ｍ４とを１つの磁石で構成すると３つの磁場領域を実質的に２磁石で実現できる。
【００２０】
こうしてみると、３磁石系と、４磁石系を比較したとき、４磁石系の収差が小さいということはないと結論することができる。すなわち４磁石系が１９７０年代に選ばれて、それ以降ずっと４磁石系のみについて研究が行われてきたのは、設計の便宜上の問題であったことになる。
【００２１】
電子入力側の磁石Ｍ１と電子出力側の磁石Ｍ４で電子ビームの軌道は、図１から明らかなように偏向角Φを大きくすると、また、磁石Ｍ２３と磁石Ｍ４の磁極間の空間の長さＬ４を大きくすると、中心面に近づき、さらにそれらを大きくしてゆくと、中心面の反対側にはみ出してしまう。このような場合には、フォーカス合わせのための端面傾斜角が反対向きになって、フォーカスができなくなる恐れがあるので、かかる不具合を回避するためには、空間の長さＬ４、偏向角Φ、ビーム回転半径Ｒ３を制限することが必要となる。これらは、次の式によって制限される。
【００２２】
Ｒ３／  ｔａｎ（Φ−９０）＞Ｌ４
例えば２００ｋＶにおいて、１μｍ／ｅＶという実用的分散を得るために、磁極３のビーム回転半径Ｒ３を５０ｍｍに選んだ場合、磁極間の空間の長さＬ４の最大値は、
Φ＝１０２°の場合  Ｌ４＜２３５ｍｍ
Φ＝１１５°の場合  Ｌ４＜１０７ｍｍ
となる。
【００２３】
また、上記本発明に係るオメガ型エネルギーフィルタのような３磁石系においては、既に述べたように必要な４つのフォーカスに対して３つの磁極端面しか持たないので、磁極端面以外のパラメータを４つの軌道の全てをフォーカスさせるために使わなければならない。そこで、本発明では、このパラメータとして磁石のビーム回転半径を採用する。
【００２４】
次に、本発明に係る３磁石系のオメガ型エネルギーフィルタについて、収差の小さい最適条件を求める。図６は電子ビームの偏向角Φを種々に変えた場合の磁石３のビーム回転半径Ｒ３の変化を示す図、図７は電子ビームの偏向角Φを変えた場合の分散の変化を示す図である。ここで、磁石４のビーム回転半径Ｒ４は一定値６５ｍｍである（２００ｋｖにおいて）。以下、他の加速電圧については、例えばＲ３の場合であれば、Ｒ３｛Ｕ＊  ／Ｕ＊（２００ｋＶ）｝１／２  によって求めることができるので、２００ｋｖを一例として述べる。この図６から、Ｒ３はΦを大きくするほど増大することがわかる。Φが１１５°を越えたあたりで広がっているのは、この領域ではフォーカスがかなり困難になるために、極端な条件に振れやすいためである。ここに示した例では、Φは１０２°から１２０°までであるが、これ以外の角度では収差の小さい条件の下でフォーカスを得ることが困難であった。ここに示した結果は、次のような条件を満足するフィルタ形状を求めたものである。
【００２５】
（１）Ａγγγ、Ｂγδδ／２＜５００ｍｍ
（２）Ｂαβδ、Ｂγββ／２、Ｃβδ＜１０００ｍｍ
（３）Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  １μｍ／ｅＶ  ａｔ  ２００ｋＶ
（４）端面傾斜角０＜θ２、θ３、θ４＜４５°
分散も図７に示すようにΦを大きくするほど増大する。
【００２６】
図８はＮｏｎ−Ｉｓｏｃｈｒｏｍａｔｉｓｉｔｙを評価するための評価関数Ｍを偏向角Φに対して示す図であり、評価関数Ｍは、Φが１１３°あたりから減少していることがわかる。しかしいずれの場合もＭ＞１０を満足している。図９は像面上の収差の目安となるＢαβδ＋Ｂγββ＋Ｃβδを示す図である。いずれの角度においても、合計３５００以下を示すことができた。
【００２７】
【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、従来の４磁石系のオメガ型エネルギーフィルタにおける中心面の両側のドリフト空間の長さをゼロにして３磁石系でオメガ型エネルギーフィルタを構成するので、収差が上記ドリフト空間の影響を受けなくなり収差を小さくすることができ、フィルタを小型化することができる。しかも、そのことにより必要な４つのフォーカスに対して３つの磁極端面しか持たなずパラメータが１つ少なくなるが、ビーム回転半径により補うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るオメガ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】オメガ型エネルギーフィルタの設計パラメータを説明するための図である。
【図３】オメガ型エネルギーフィルタにおける像面とスリット面の関係を示す図である。
【図４】種々のオメガ型エネルギーフィルタについてＬ３を変えて求めた収差を示す図である。
【図５】Ｌ３の端面のみをフリンジング磁界なしにして求めた収差を示す図である。
【図６】電子ビームの偏向角Φを種々に変えた場合の磁石３のビーム回転半径Ｒ３の変化を示す図である。
【図７】電子ビームの偏向角Φを変えた場合の分散の変化を示す図である。
【図８】Ｎｏｎ−Ｉｓｏｃｈｒｏｍａｔｉｓｉｔｙを評価するための評価関数Ｍを偏向角Φに対して示す図である。
【図９】像面上の収差の目安となるＢαβδ＋Ｂγββ＋Ｃβδを示す図である。
【図１０】電子光学系にオメガ型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１１】Ａタイプのオメガ型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１２】Ｂタイプのオメガ型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１３】Ａタイプのオメガ型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１４】Ｂタイプのオメガ型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、Ｍ２、Ｍ２３、Ｍ３、Ｍ４…磁石、Ｒ３、Ｒ４…ビーム回転半径、Ｌ３、Ｌ４…空間の長さ
【図１】
0003571523.tif 000002
【図２】
0003571523.tif 000003
【図３】
0003571523.tif 000004
【図４】
0003571523.tif 000005
【図５】
0003571523.tif 000006
【図６】
0003571523.tif 000007
【図７】
0003571523.tif 000008
【図８】
0003571523.tif 000009
【図９】
0003571523.tif 000010
【図１０】
0003571523.tif 000011
【図１１】
0003571523.tif 000012
【図１２】
0003571523.tif 000013
【図１３】
0003571523.tif 000014
【図１４】
0003571523.tif 000015