(57)【要約】  刃状転位を含む回折格子の外形や大きさを、該回折格子とは別なる開口器用いることにより光波や電子波などの照射領域よりも小さくし、刃状転位回折格子が生成するらせん波の形状に開口の形状や大きさを重畳させ、回折面上でのらせん波の形状や大きさを開口の形状や大きさを反映したものとする。また、単一の開口器と単一の回折格子のペアによる回折格子システムだけでなく、複数の開口器と複数の刃状転位回折格子を組み合わせた回折格子システムとし、回折面上で複数のらせん波をより高い自由度で生成可能とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
格子面に刃状転位を有する回折格子と、  前記回折格子に荷電粒子線を照射させる制御部と、を有する荷電粒子線装置において、  前記制御部は、前記荷電粒子線における照射領域の一部のみを前記格子面に照射させ、  前記荷電粒子線における照射領域の一部は前記回折格子の刃状転位を含む、ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１において、  前記制御部は、前記荷電粒子線の照射箇所を制御し被照射物に対し所定の方向の運動量を与える、または前記荷電粒子線の照射強度を制御し前記被照射物に対し所定の大きさの運動量を与える制御を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項２において、  前記制御部は、前記照射箇所または前記照射強度の制御を所定の順序で実行することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項１において、  前記制御部は、検出された回折像の形状に基づき、フォーカスの状態を計測することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項１において、  前記荷電粒子線ではなく、光線もしくは粒子線を用いることを特徴とする光学装置。
【請求項６】
格子面に刃状転位を有する回折格子に荷電粒子線を照射させる照射ステップと、  前記回折格子を通過した前記荷電粒子線を検出する検出ステップと、を有し、  前記照射ステップは、前記荷電粒子線における照射領域の一部のみを前記格子面に照射させるステップであり、  前記荷電粒子線における照射領域の一部は前記回折格子の刃状転位を含む、ことを特徴とする照射方法。
【請求項７】
請求項６において、  前記照射ステップは、前記荷電粒子線の照射箇所を制御し被照射物に対し所定の方向の運動量を与える、または前記荷電粒子線の照射強度を制御し前記被照射物に対し所定の大きさの運動量を与えるステップであることを特徴とする照射方法。
【請求項８】
請求項７において、  前記照射ステップは、前記照射箇所または前記照射強度の制御を所定の順序で実行するステップであることを特徴とする照射方法。
【請求項９】
請求項６において、  検出された回折像の形状に基づき、フォーカスの状態を計測する計測ステップを有することを特徴とする照射方法。
【請求項１０】
請求項６において、  前記荷電粒子線ではなく、光線もしくは粒子線を用いることを特徴とする照射方法。
【請求項１１】
格子面に刃状転位を有する回折格子と、  開口部の外形が閉曲線に囲まれ、かつ前記閉曲線の形状における重心点から前記閉曲線の任意の点までは距離が複数ある開口器と、を有することを特徴とする回折格子システム。
【請求項１２】
請求項１１において、  前記回折格子と前記開口部とに荷電粒子線を照射させる制御部を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１３】
請求項１２において、  前記制御部は、前記荷電粒子線の照射箇所を制御し被照射物に対し所定の方向の運動量を与える、または前記荷電粒子線の照射強度を制御し前記被照射物に対し所定の大きさの運動量を与える制御を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１４】
請求項１３において、  前記制御部は、前記照射箇所または前記照射強度の制御を所定の順序で実行することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１５】
請求項１２において、  前記制御部は、検出された回折像の形状に基づき、フォーカスの状態を計測することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１６】
請求項１２において、  前記荷電粒子線ではなく、光線もしくは粒子線を用いることを特徴とする光学装置。
【請求項１７】
格子面に刃状転位を有する回折格子に荷電粒子線を照射させる照射ステップと、  開口部の外形が閉曲線に囲まれ、かつ前記閉曲線の形状における重心点から前記閉曲線の任意の点までは距離が複数ある開口器に前記荷電粒子線を照射させる照射ステップと、  前記開口部と前記回折格子とを通過した前記荷電粒子線を検出する検出ステップと、を有することを特徴とする照射方法。
【請求項１８】
請求項１７において、  前記照射ステップは、前記荷電粒子線の照射箇所を制御し被照射物に対し所定の方向の運動量を与える、または前記荷電粒子線の照射強度を制御し前記被照射物に対し所定の大きさの運動量を与えるステップであることを特徴とする照射方法。
【請求項１９】
請求項１８において、  前記照射ステップは、前記照射箇所または前記照射強度の制御を所定の順序で実行するステップであることを特徴とする照射方法。
【請求項２０】
請求項１７において、  検出された回折像の形状に基づき、フォーカスの状態を計測する計測ステップを有することを特徴とする照射方法。
【請求項２１】
請求項１７において、  前記荷電粒子線ではなく、光線もしくは粒子線を用いることを特徴とする照射方法。
【請求項２２】
格子面に刃状転位を有する回折格子であり、  前記回折格子は前記格子面の外形が閉曲線に囲まれ、かつ前記閉曲線の形状における重心点から前記閉曲線の任意の点までは距離が複数あり、  前記格子面の外形は３角形もしくはＮ角形（Ｎは５以上）の形状であることを特徴とする回折格子。
【請求項２３】
請求項２２において、  前記回折格子と前記開口部とに荷電粒子線を照射させる制御部を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２４】
請求項２３において、  前記制御部は、前記荷電粒子線の照射箇所を制御し被照射物に対し所定の方向の運動量を与える、または前記荷電粒子線の照射強度を制御し前記被照射物に対し所定の大きさの運動量を与える制御を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２５】
請求項２４において、  前記制御部は、前記照射箇所または前記照射強度の制御を所定の順序で実行することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２６】
請求項２３において、  前記制御部は、検出された回折像の形状に基づき、フォーカスの状態を計測することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２７】
請求項２３において、  前記荷電粒子線ではなく、光線もしくは粒子線を用いることを特徴とする光学装置。
【請求項２８】
格子面に刃状転位を有する回折格子であり、  前記回折格子は前記格子面の外形が閉曲線に囲まれ、かつ前記閉曲線の形状における重心点から前記閉曲線の任意の点までは距離が複数あり、  前記格子面の外形は曲線を有する形状であることを特徴とする回折格子。
【請求項２９】
請求項２８において、  前記回折格子と前記開口部とに荷電粒子線を照射させる制御部を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３０】
請求項２９において、  前記制御部は、前記荷電粒子線の照射箇所を制御し被照射物に対し所定の方向の運動量を与える、または前記荷電粒子線の照射強度を制御し前記被照射物に対し所定の大きさの運動量を与える制御を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３１】
請求項３０において、  前記制御部は、前記照射箇所または前記照射強度の制御を所定の順序で実行することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３２】
請求項２９において、  前記制御部は、検出された回折像の形状に基づき、フォーカスの状態を計測することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３３】
請求項２９において、  前記荷電粒子線ではなく、光線もしくは粒子線を用いることを特徴とする光学装置。
【請求項３４】
請求項２８において、  前記格子面の外形は前記曲線と直線とで構成された形状であることを特徴とする回折格子。
【請求項３５】
請求項３４において、  前記回折格子と前記開口部とに荷電粒子線を照射させる制御部を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、X線を含む光線、および電子線、中性子線、イオンビームなどの荷電粒子線または非荷電粒子線に関する。等位相面がらせん形状を成すらせん波を生成するフォーク型回折格子や、その格子外形を定める開口器を含んだ回折格子、回折格子システム、および該回折格子システムを備えた光学機器あるいは粒子線装置、そして、これらを用いた回折法に関する。
【背景技術】
【０００２】  ＜１．らせん波＞  本願の前提となるらせん波について、光波を例に説明する。コヒーレントな光学系においては、伝播する光波の位相は一意に定まる。その位相が等しい面を波面と呼び、その波面の形状から平面波（図１の(a)参照）、球面波など波動の分類が成されている。【０００３】  一方、位相が一意に定まらない特異点を持つ場合も存在する。例えば、等位相面がある軸（一般に光軸に平行）を中心にらせん形状をしたらせん波である。これは波の伝播方向に垂直な平面で切って見た場合に、特異点を中心（らせんの軸）として、方位角を１回転周回させたときに位相が2πの整数倍だけ変化する位相状態を持つ波のことである。2πの整数倍の位相の変化量は、伝搬する光波では波長の整数倍の変化に相当する。【０００４】  図１の(b)に方位角を１回転周回させたときに位相が2π変化するらせん波２１を示す。本願では、この2π変化する状態の波を「らせん度１」のらせん波と呼ぶ。図１の(b)から明らかな様に、らせん軸２２の軸上は位相の特異点となっており位相を定めることができない。【０００５】  図１の(c)は方位角を１回転周回させたときに位相が４π変化する「らせん度２」のらせん波２４である。伝搬する光波で考えると方位角を１回転周回させたときに２波長分だけ波面が変化することになる。波長が伸びることはないので、図１の(d)に示すように、ちょうど半回転ずれた波面を考え、両方の波面を合わせて図１の(e)に示した位相分布がらせん度２のらせん波のモデルと考えられている。位相が一意に定まらない特異点（らせんの軸２２）を持つことは、らせん度１の場合と同じである。他のらせん度でも、図１の(e)と同様にらせん度に合わせて、複数枚の波面の組み合わせで考えられる。【０００６】  図２Ａは収束するらせん波を流線２７で描いた粒子モデルの図である。簡単には、流線を粒子軌道と考えて、波面に垂直方向に軌道（流線）が描かれていると考えてよい。らせん度が大きくなるほど、ねじれの度合いが強くなる。【０００７】  図２Ｂは、収束面（回折面９４）での波動の強度分布を描いたもので、らせん波は収束点でリング状のスポット９７となることを特徴とする。このリング形状は、ベッセル関数（円筒関数）で表記される。図２Ａに示すごとく、収束するらせん波（粒子）はねじれながら伝搬するため伝搬方向の垂直方向に運動量を伝達できる。【０００８】  例えば収束面９４（図２Ｂに示されている平面）に試料を置いた場合には、当該試料に対して平面内の方向に運動量を伝達できる。このように、運動量を伝達することが可能な波であることが、らせん波の特徴である。図２Ｂに示した例では、反時計方向に回転する運動量が伝達される。また、運動量の全方位での合成和はゼロとなる。【０００９】  このらせん波は、光学ではラゲール・ガウシアンビームや光渦（ひかりうず）と呼ばれ、軌道角運動量を保持したまま伝播する光波であり、等位相面（波面）内に力を作用させることができる。そのため、照射対象に対して運動量を与えることが可能となり、例えば細胞程度の大きさの粒子を操作する光ピンセットなどのマニピュレーション技術、レーザー加工や超解像顕微分光法として実用化されている。さらには、位相特異点であるらせん軸の部分に���数の軌道角運動量を内在できることから量子情報通信の分野で注目されている。その他にも、X線では磁化状態や原子配列の立体像の解析など、物性解析、構造解析に新たな技術的展開が期待されている。【００１０】  なお、ここでいうトポロジカルチャージ(軌道角運動量の内在)は、らせんの巻きの強さを選べるところに利点がある。以降では、簡単のため、トポロジカルチャージの意味も含めて「らせん度」と呼ぶことにする。【００１１】  上述したように、電子線におけるらせん波（電子らせん波）は、軌道角運動量を保持したまま電子線が伝播するので、今までにない電子線のプローブ（入射ビーム）としての応用分野を生み出すと期待されている。例えば、磁化測定における高感度化や３次元状態の計測、たんぱく質分子や糖鎖の高コントラスト・高分解能観察などである。とりわけ、磁化観察においては、電子線は伝播方向と平行な磁化に対しては感度を持たない原理的な欠点を持っているが、電子らせん波では電子線の伝播方向の磁化を観察できる可能性がある。【００１２】  また、観測だけでなく、軌道角運動量を利用した加工や磁化制御などにも適用の可能性がある。そのため、スピン偏極電子線と並んで、次世代の電子線装置のプローブとして脚光を浴び始めている。すなわち、波動場・粒子を問わず、新しいプローブとして可能性があり、ここで述べた光波、電子線以外にもX線や中性子線、イオンビームに対しても応用展開が考えられる。【００１３】  ＜２．らせん波の生成＞  らせん波を作り出すには、２通りの方法が実現されている。１つはらせん形状（厚さ分布）をした薄膜に平面波を照射し、透過した波の位相分布が膜の厚さを反映してらせん形状となることを利用する方法である。もう1つが、フォーク型格子と呼ばれる刃状転位を含む回折格子（刃状転位回折格子）による回折波を利用する方法である（図３、及び非特許文献１）。薄膜に平面波を照射する第１の方法は、電子波のごとく波長が極端に短い場合に、らせん形状をした薄膜の作製が難しいため、現在は刃状転位回折格子を用いる第２の方法が主流となっている。【００１４】  次に、図３を用いて、刃状転位を含む回折格子（刃状転位回折格子）を用いる第２の方法について説明する。刃状転位回折格子９１から回折波として生成されたらせん波２１（等位相面がらせん形状を成している波）は、回折像９では通常の点状の回折スポット９９に代わり、リング状の回折スポット９７を成す。このリング状の回折スポットの１つを回折面９４で空間的に分離できれば、所望のらせん波２１を取り出すことができる。そして、らせん波の生成は、刃状転位の次数によってらせん度の度数を制御することができる。また、刃状転位のバーガースベクトルの正負によってらせん度の正負（らせんの右巻き、左巻き）も制御することができる。【００１５】  図４Ａは実際に作製した３次の刃状転位格子９１の電子顕微鏡像である。収束イオンビーム装置により窒化シリコンメンブレン（厚さ200nm）に加工を行い作製した。図４Ａの上側より格子が３本挿入され、中央部に集中している。すなわち、この集中部が刃状転位のコアの位置であり、図４Ａの次数は３次である。刃状転位の次数と生成されるらせん波の度数は、基本的に一致する。���かし、回折格子のコントラストが高く、高次の回折波が得られる場合には、刃状転位の次数と回折波の次数を乗算した積値のらせん度を持つらせん波も生成される。【００１６】  図４Ｂは、図４Ａの回折格子を加速電圧300kVの電子線で照射した際に得られた小角電子回折像９（カメラ長150mで記録）である。中央部の０次スポット９９の左右に±１次、±２次、±３次のリング状の回折スポット９７が観察されており、回折次数が高くなるほどリング径が大きくなる。このことから、らせん度が±３次、±６次、±９次のらせん波が生成されていることがわかる。すなわち、回折スポットのリング径は、らせん波のらせん度を直接表している。このように、１枚の刃状転位を含む回折格子９１から複数の種類のらせん波２１を生成させることが可能である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】J. Verbeeck et al., Nature, 467 (2010) 301.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】  らせん波は、環状を成した高分子材料や磁性材料などの高コントラスト観察などに有効なプローブ、あるいはらせん波のリング状照射領域に回転方向の運動量を伝達することができる。これを利用して、例えばマイクロマシン（MEMS）のような被照射物の歯車に動力を与えるプローブと考えられてきたが、円形の照射プローブしか生成されていなかった。それ故、一般の材料、被照射試料にとって伝達の効率が悪いという課題を、本願発明者は見つけた。そして、円形の照射プローブ以外の形状の照射プローブを生成することによって、より効果的な、任意の形状を持ったらせん波、任意の方向に運動量を伝達できるらせん波、あるいはらせん波を制御できる装置や手法を発明した。
【課題を解決するための手段】
【００１９】  上記課題を解決するため、本願に係る荷電粒子線装置は、格子面に刃状転位を有する回折格子と、前記回折格子に荷電粒子線を照射させる制御部と、を有する荷電粒子線装置において、前記制御部は、前記荷電粒子線における照射領域の一部のみを前記格子面に照射させ、前記荷電粒子線における照射領域の一部は前記回折格子の刃状転位を含む、ことを特徴とする。【００２０】  また、別の形態として、本願に係る照射方法は、格子面に刃状転位を有する回折格子に荷電粒子線を照射させる照射ステップと、前記回折格子を通過した前記荷電粒子線を検出する検出ステップと、を有し、前記照射ステップは、前記荷電粒子線における照射領域の一部のみを前記格子面に照射させるステップであり、前記荷電粒子線における照射領域の一部は前記回折格子の刃状転位を含む、ことを特徴とする。【００２１】  また、別の形態として、本願に係る回折格子システムは、格子面に刃状転位を有する回折格子と、開口部の外形が閉曲線に囲まれ、かつ前記閉曲線の形状における重心点から前記閉曲線の任意の点までは距離が複数ある開口器と、を有することを特徴とする。【００２２】  また、別の形態として、本願に係る照射方法は、格子面に刃状転位を有する回折格子に荷電粒子線を照射させる照射ステップと、開口部の外形が閉曲線に囲まれ、かつ前記閉曲線の形状における重心点から前記閉曲線の任意の点までは距離が複数ある開口器に前記荷電粒子線を照射させる照射ステップと、前記開口部と前記回折格子とを通過した前記荷電粒子線を検出する検出ステップと、を有することを特徴とする。【００２３】  また、別の形態として、本願に係る回折格子は、格子面に刃状転位を有する回折格子であり、前記回折格子は前記格子面の外形が閉曲線に囲まれ、かつ前記閉曲線の形状における重心点から前記閉曲線の任意の点までは距離が複数あり、前記格子面の外形は３角形もしくはＮ角形（Ｎは５以上）の形状であることを特徴とする。【００２４】  また、別の形態として、本願に係る回折格子は、格子面に刃状転位を有する回折格子であり、前記回折格子は前記格子面の外形が閉曲線に囲まれ、かつ前記閉曲線の形状における重心点から前記閉曲線の任意の点までは距離が複数あり、前記格子面の外形は曲線を有する形状であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】  本発明を用いることにより、任意の形状を持ったらせん波、または任意の方向に運動量を伝達できるらせん波を生成することができる。そして、それらを用いた効率的な観察や加工、エネルギー伝達を利用した装置や方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】波面の例を示す模式図である。すなわち、(a)平面波、(b)らせん度１のらせん波、(c)らせん度２のらせん波、(d)(c)とは半回転ずれたらせん度２のらせん波、(e)(c)と(d)を合成したらせん度２のらせん波を示している。
【図２Ａ】流線で示した収束らせん波を示す模式図である。
【図２Ｂ】収束面での波動の強度分布を示す模式図である。
【図３】３次の刃状転位を含む回折格子かららせん波が生成される様子を示す模式図である。
【図４Ａ】３次の刃状転位格子の電子顕微鏡像である。
【図４Ｂ】３次の刃状転位格子の小角電子回折像である。
【図５】(a)〜(d)はさまざまな開口形状とそのフラウンホーファー回折像（フーリエ変換像）を示すシミュレーション結果である。
【図６】(a)〜(e)はさまざまな開口形状を持つ単純格子とそのフーリエ変換像を示すシミュレーション結果である。
【図７】(a)〜(e)はさまざまな開口形状を持つ３次の刃状転位格子とそのフーリエ変換像を示すシミュレーション結果である。
【図８】矢頭の開口形状を持つ３次の刃状転位を含む回折格子かららせん波が生成される様子を示す模式図である。
【図９Ａ】３通りに大きさが異なる五角形開口を持つ３次の刃状転位格子とそのフーリエ変換像を示すシミュレーション結果である。
【図９Ｂ】３通りに大きさが異なる五角形開口を持つ３次の刃状転位格子の電子顕微鏡像と小角電子回折像の実験結果である。
【図１０】４通りに方位角が異なる正方形開口を持つ３次の刃状転位格子の電子顕微鏡像と小角電子回折像の実験結果である。
【図１１Ａ】隣接した開口器と回折格子の一例を示す模式図である。
【図１１Ｂ】開口形状とその形状の重心点との関係を説明する模式図である。
【図１２】開口器を光線あるいは粒子線が照射する様子を示す模式図である。
【図１３】開口器と刃状転位格子がレンズを介して光学系上等価な面に配置される様子を示す模式図である。
【図１４Ａ】開口器の一部の構造体と、開口器の残部構造体と刃状転位格子がレンズを介して光学系上等価な面に配置される様子を示す模式図である。
【図１４Ｂ】開口器と刃状転位格子の投影図を示す模式図である。
【図１５】(a)開口器が２つの構造体から構成され、それぞれの構造体の相対位置によって開口形状・大きさが変化する様子を説明する模式図である。(b)２つの構造体からなる開口器と刃状転位格子とが隣接して設置される様子を示した模式図である。
【図１６Ａ】複数の開口を持つ開口器が刃状転位格子に隣接し、その位置が移動することを示す模式図である。
【図１６Ｂ】開口器と刃状転位格子とが一体構造を成す場合の一例を示す模式図である。
【図１７】回折格子システムを備えた透過型電子顕微鏡の第一の例を示す模式図である。
【図１８】回折格子システムを備えた透過型電子顕微鏡の第二の例を示す模式図である。
【図１９】ひし形の開口形状をした３次の刃状転位格子を異なるフォーカスで撮影した小角電子回折像である（実験結果）。
【図２０】矩形絞り孔素子によりらせん波の運動量が１方向に選択される様子を示す模式図である。
【図２１】矩形絞り孔素子が移動する様子を示す模式図である。
【図２２】矩形絞り孔素子の上方の偏向器によりらせん波が偏向する様子を示す模式図である。
【図２３Ａ】開口形状とその大きさの異なる複数の刃状転位格子とそのフーリエ変換像を示すシミュレーション結果である。
【図２３Ｂ】基本格子間隔と格子方位の異なる複数の刃状転位格子により回折像面にパターンを描く一例を示すシミュレーション結果である。
【図２４】複数の刃状転位格子により回折像面にらせん波の運動量が重畳される一例を示すシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】  本発明は、刃状転位を含む回折格子の外形（開口）を任意の形状に変化させることにより、光波や電子波などの照射領域を制御する。また、刃状転位を含む回折格子の外形や大きさを、該回折格子とは別なる開口器を用いることにより光波や電子波などの照射領域よりも小さくする、これにより、刃状転位回折格子が生成するらせん波の形状に該開口の形状や大きさを重畳させ、回折面上でのらせん波の形状や大きさを該開口の形状や大きさを反映させることでも実現できる。開口器は、具体的にはアパーチャや絞り孔などの光学系で実現する。
【００２８】  また、上記の開口器は単一のものだけでなく、複数の該開口器と複数の該刃状転位回折格子を組み合わせた回折格子システムとすることもできる。これにより、回折面上で複数のらせん波をより高い自由度で生成可能とする。さらに、絞り孔などの光学素子により、上記生成されたらせん波の所定の部位を選択する(例えば通過させる)ことにより、所定の方位、方向、強度の運動量を持ったらせん波を被照射試料の所定の部分に照射する。
【００２９】  これにより、上述した回折格子システムは、その回折面に生成するらせん波の回折スポットを任意の形状や大きさに制御することができる。さらに、上述した刃状転位回折格子を複数組み合わせた回折格子システムとすることにより、回折面にらせん波を用いて様々なパターンを描くことが可能となる。そして、該パターンを構成するらせん波の所定の部分を選択して試料に照射することによって、任意の方向、または任意の強度の運動量を被照射試料に伝達することができる。
【００３０】  次に、本願発明者が本願を発明するにあたり、検討した図面（図５から図６）を示す。すなわち、図５にはさまざまな形状をした開口８１（左図）とそのフラウンホーファー回折像の計算結果（右図）を示している。それぞれ上から、(a)円形開口、(b)三角形（正三角形）開口、(c)四角形（正方形）開口、(d)五角形（正五角形）開口である。
【００３１】  一般に、ある形状をなした開口を平面波で照射し、その開口を透過した波と開口のエッジ部で回折された波との干渉を観察するとき、開口から十分に遠方で観察される回折パターンをフラウンホーファー回折像と呼ぶ。また、開口から近い距離での回折パターンをフレネル像と呼ぶ。フラウンホーファー回折像が観察されるための条件は、開口からの距離lと、開口の大きさ（直径d）、および照射する平面波の波長λで、式（１）のごとく与えられる。また一般に、フラウンホーファー回折像は回折格子の場合と同様に、開口形状のフーリエ変換として求められる。
【００３２】
【数１】
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【００３３】  図５において、それぞれ右側のフラウンホーファー回折像の形状には開口形状が反映されているが、回折像中心部９９（主極大と呼ぶ）は収束しており、主極大の形状に開口の形状を直接見出すことは難しい。しかし、主極大の周囲にある副極大、およびその副極大が作るストリークの方向から、開口形状を知ることはできる。
【００３４】  これらの結果を踏まえると、開口の形状はフラウンホーファー回折像の中心部９９に収束し、その形状を直接観察するには回折像の観察倍率を大きく、すなわちカメラ長を大きくした小角回折光学系に対応した光学系が実現されなければならない。一般の光学機器や電子顕微鏡などの粒子線装置では、この目的のためには、特別に光学系を構築する必要がある。
【００３５】  次に、図６を示す。図６の左図は図５と同じ形状をした開口を持つ単純格子（開口部８１と格子部９１の集合）であり、図６の右図はそのフラウンホーファー回折像（フーリエ変換像）の計算結果である。それぞれ(a)円形開口、(b)三角形（正三角形）開口、(c)四角形（正方形）開口、(d)五角形（正五角形）開口、(e)星形開口である。それぞれの右側の回折像には、格子の間隔に対応した回折スポット（中央部が透過波に該当する０次の回折スポット９９、左右それぞれ±１次、±２次の回折スポット９７）を示している。いずれの回折スポットも、直接開口形状を反映しているものではなく、図５と同様に、ストリークの方向から開口形状を知ることができる。
【００３６】  上記の結果は、回折格子と開口形状とのフーリエ空間でのコンボリュージョンの結果と考えることができる。すなわち、実空間でのコンボリュージョンは逆空間での積となるため、回折格子からの回折波は、回折格子の格子間隔に対応した空間周波数部（回折点）に局在する。また、そのデルタ関数的な局在と開口形状を反映したフラウンホーファー回折パターンとの積の結果は、デルタ関数的な局在となるため、図６右側の様な分布が得られる。
【００３７】  次に、図７を示す。この開口形状（８１）と回折格子（９１）とのフラウンホーファー回折パターンは、回折格子に刃状転位が含まれると一変する。図７の左図に、３次の刃状転位を含む転位格子の場合の、それぞれの格子像を示している。また、図７の右図にはそのフラウンホーファー回折像（フーリエ変換像）の計算結果（右図）を示している。図７の左図における基本格子の格子間隔は図６の単純格子の格子間隔と同じであり、また、開口形状・サイズも図６と同じ条件を用いた。図６と同じく、それぞれ上から(a)円形開口、(b)三角形（正三角形）開口、(c)四角形（正方形）開口、(d)五角形（正五角形）開口、(e)星形開口である。
【００３８】  刃状転位格子の場合には、回折格子に含まれる刃状転位が３次のため、回折像の±１次の回折スポットは、±３度のらせん波に対応したリング状となる。すなわち図７の(a)のごとく、格子外形が円形の場合にはリング状の回折スポットが得られることがわかる。これは、図３に示したとおりである。
【００３９】  一方、回折格子の外形が図７の(b)三角形（正三角形）開口、(c)四角形（正方形）開口、(d)五角形（正五角形）開口、(e)星形開口で示される場合の回折パターンは、図７の右側のような回折スポット（９９、９７）の形状になる。すなわち、本図からわかるように、開口形状を反映した形状の環状回折スポット９７となっている。また、各々の環状回折スポットのサイズは、らせん度を反映して回折次数が大きくなるほど、大きくなっている。そして、各環状回折スポットは、回折像右側（プラス側）が時計方向に９０度回転、回折像左側（マイナス側）が反時計方向に９０度回転をしている。この９０度の回転は、フーリエ変換による効果であり、この回転角のずれ具合を利用した特徴的な形状から、回折像のフォーカスを計測することが可能となる。これについては実施例９にて後述する。
【００４０】  図６の説明にて述べたとおり、図７のように回折格子が刃状転位格子の場合の特異な結果も、回折格子と開口形状とのコンボリュージョンの結果と考えることができる。すなわち、刃状転位を格子面内に含む場合、回折格子からの回折波はデルタ関数的に局在するのではなく、回折格子の格子間隔に対応した空間周波数部にベッセル関数（円筒形関数）に依存したリング状に分布する。
【００４１】  そのため、そのベッセル関数的な広がりを持つ分布と開口形状を反映したフラウンホーファー回折パターンとの積の結果により、開口形状を反映した分布を持つ環状回折スポットが得られる。すなわち、刃状転位回折格子を用いることにより、従来は特別に光学系を構成しなければ得られかなった開口形状を持つ回折スポットが、従来の光学機器、あるいは粒子線装置でも簡便に得られるようになる。
【００４２】  本願は、刃状転位回折格子を用いるとともに、回折格子の外形、すなわち回折格子の開口形状を任意の形状とし、新たな形状の回折パターンの観察やその形状を用いた光線あるいは粒子線による加工が可能な光学機器あるいは粒子線装置、および、その新たな回折法を提案するものである。＜実施例１＞  図８に本発明を実施するための第１の例を示す。図３に示した従来の技術と異なる構成であり、刃状転位を含む回折格子９１を照射した平面波２３は回折格子を透過後、回折波としてらせん波２１を形成する。しかし、刃状転位を含む回折格子９１の開口形状８１が矢印の先端部（以下、矢頭形状）のような形状をしており、図７に示したように、環状回折スポット９７の形状に矢頭形状が反映される。また、本形状は透過波の回折スポット９９を指す方位に左右それぞれ時計/反時計方向に回転（ここでは９０度回転）した回折パターンとなる。
【００４３】  この環状（矢頭形状）回折スポットの１つを回折面で空間的に分離して、所定のらせん波２１とすることができる。逆に述べるならば、所望のらせん波の形状に合わせて、刃状転位格子の外形形状を設計することができる。このとき、刃状転位の次数によってらせん度の度数が制御でき、また、刃状転位のバーガースベクトルの正負によってらせん度の正負（らせんの右巻き、左巻き）が制御できる。
【００４４】  次に、図９Aの左図に、正五角形で大きさが異なる開口形状を持つ３次の刃状転位回折格子を示し、それぞれのフーリエ変換像を右図に示す。また図９Ｂの左図には、図９Ａを参考に、収束イオンビーム装置によって窒化シリコンメンブレン（例として厚さ200nm）に加工を行なった刃状転位回折格子の電子顕微鏡像を示し、その刃状転位回折格子を加速電圧300kVの電子線で照射して得られた小角電子回折像を右図に示す。なお、右図におけるカメラ長は300mにて記録した。
【００４５】  ここから、図９Ａにおける計算結果と、図９Ｂにおける実験結果から、両者に対応関係があることがわかる。すなわち、（１）正五角形の開口形状を反映した環状回折スポットが得られていること、（２）その環状回折スポットの大きさが、回折スポットの次数（すなわち、らせん度の度数）と開口形の大きさに依存して変化する様子がわかる。また、（３）環状回折スポットの方位が左右のスポット（回折波の正負）で、反転している様子もわかる。よって、開口の大きさと形状を反映した環状回折スポットが得られることから、これらのパラメータに基づき、任意の形状の回折スポットを設計することが可能である。
【００４６】  また、図１０の左図は、正方形の開口形状を持つ３次の刃状転位格子の開口形状の方位を22.5度ずつ回転させて作製した刃状転位回折格子を示している。また、それぞれの電子回折像も右図に示す。実験条件はすべて図９と同じとした。本図より、開口形状の方位角回転に伴って、左右の回折スポットが共に、同方向に回転することがわかる。本性質は、実施例９で後述する回折像のフォーカス計測方法などに用いることができる。＜実施例２＞  図１１Ａおよび図１１Ｂを用いて、本発明を実施するための第２の例を示す。図１１Ａは回折格子９１と開口器８３とが別なる構造体から構成された回折格子システムの例である。開口形状８１は開口器８３の一部である。３次の刃状転位を持つ回折格子９１（格子外形は矩形）の上側に隣接して開口器８３が設置されている様子を示しているが、回折格子と開口器の上下の関係、および相互の距離は、図１１の構成に限定するものではない。また、回折格子と開口器との相対位置は、水平方向・垂直方向ともに、変更可能であってもかまわない。すなわち、回折格子９１と開口器８３との位置が変わってもよい。
【００４７】  図１１Ｂでは、閉曲線からなる開口形状の重心点Gを対称軸としたときに回転対称性のない場合（言い換えると１回の回転対称性を持つ場合）の形状を示している。図１１Ｂは、重心点Gと開口形状左側の点H、点Iが存する円弧の中心が一致している場合を描いているが、この場合には、線分HGと線分IGの長さは、HG=IGの関係がある。一般に、閉曲線上の任意の点から重心点までの距離がひとつに定まるのは、閉曲線が重心点を中心とする円弧の場合のみである。
【００４８】  図１１Ｂの、閉曲線上の点M、点Nは同一円弧上の２点であるが、重心点Gと点M、点Nが存する円弧の中心点が一致していないため、線分MGと線分NGの長さは、MG>NGの関係となっている。直線は、中心までの距離が無限大の円弧と考えられるので、点Kと点Lの関係は点M、点Nと同様であり、線分KGと線分LGの長さの関係は、明らかにKG≠LGである。
【００４９】  一般に、閉曲線で囲まれた形状の重心点から閉曲線までの距離が複数の場合には、１回の回転対称性のみを持つ。正多角形など特別な場合にのみ、対称性が高くなり、２以上の有限回の回転対称性を持つ場合がある。たとえば、先述の図７においては、図７(b)三角形（正三角形）開口→３回の回転対称、(c)四角形（正方形）開口→４回の回転対称、(d)五角形（正五角形）開口→５回の回転対称、(e)星形開口→５回の回転対称である。また、図８に示した矢頭形状は、１回の回転対称形状である。なお、図７(a)は円形開口→回転対称である。
【００５０】  上記のように、回折格子９１の格子外形が従来のような矩形の場合であっても、開口器８３と組み合わせることにより、実施例１で述べたようならせん波を生成することができる。本実施例を用いると、加工難度が高い回折格子９１においても、形状に依存する精度低下やコストの増加を回避することができる。特に、刃状転移格子に起因する、次数の高い格子や、格子間隔が狭い格子において、高い効果を奏する。＜実施例３＞  図１２に本発明を実施するための第３の例を示す。図１２は、図１１にて示した開口器８３の開口形状８１を定める閉曲線の一部が、円形領域を照射する光線あるいは粒子線によって照射される場合を示している。図１２の例では、結果として回折格子システムを透過する光線あるいは粒子線の開口形状８１は、開口器８３の開口部の被照射領域となっている。
【００５１】  従って、開口器８３の形状を変化させるだけでなく、光線あるいは粒子線の照射光学系の照射領域や照射強度を変化させる（すなわち光軸を偏向させる、レンズで収束させる）ことで、実施例２に準ずる制御を実現できることを示している。＜実施例４＞  図１３に本発明を実施するための第４の例を示す。図１３は、刃状転位を含む回折格子９１と開口器８３とが別なる構造体から構成され、かつ、レンズ４を介して開口器８３が物面に、回折格子９１が像面に配置された回折格子システムの例である。ここで、物面と像面は区別して記載したが、光学上では等価な面であり、この例の配置に限定するものではない。すなわち、回折格子９１と開口器８３とは配置を入れ替えてもかまわない。また、レンズ４を含む光学系は結像光学系であればよく、回折格子９１と開口器８３との間に存在するレンズの数は特に限定しない。
【００５２】  図１３の様に回折格子と開口器との間に光学系が入ると、空間的に離れていても実効的に隣接させることが可能であり、開口器あるいは回折格子に移動機構を備えるなど、機械的な付加装置を設置させる際に有利である。すなわち、設計の自由度を向上させることができる。また、光学系の持つ拡大、あるいは縮小の作用を利用することができる。一例として、回折格子を大きく作製したのち、当該光学系中にて縮小投影させることで、機械的精度を向上させるなどの工夫が可能である。また、異なる例として、複数のレンズから構成される光学系の場合には、物面と像面を固定したまま、相対的に倍率を変更可能であるため、開口の大きさを使用段階で調整・変更可能とすることもできる。
【００５３】  なお、図１３は図１２と異なり、光線あるいは粒子線が開口器の開口部全体を照射する様に照射光学系を調整した例を示しているが、実施例４と実施例３とは矛盾する実施例ではなく、本実施例に実施例３を適用することが可能である。ちなみに他の実施例同士も、特に言及がなければ両立しうることも併せて述べておく。＜実施例５＞  図１４Ａ及び図１４Ｂに本発明を実施するための第５の例を示す。図１４Ａは回折格子９１と開口器１（８３１），開口器２（８３２）とが、レンズ４を介して物面と像面に配置される回折格子システムの例である。ただし、開口器１（８３１），開口器２（８３２）が２つ以上の構造体から構成されるとともに、その構造体の少なくとも一方が光学系の物面に、他方が刃状転位を含む回折格子と隣接して光学系の像面に配置されている。また、結像によって像の反転が生じることを考慮して、開口器を構成する構造体の位置関係を定めている。
【００５４】  よって、結果として図１４Ｂに示す開口形状の回折格子と同等の効果を奏する。また、開口器を構成する構造体の位置関係は、用いる光学系によって変更される。図１４Ａでは、１枚のレンズによる１回の結像光学系を想定している（光軸に対してレンズの前後で像が反転する）ため、レンズの物面に置いた開口器の第１の構造体とレンズの像面に置いた第２の構造体は、ともに図中左側に位置しているが、この配置に限定するものではない。
【００５５】  図１４Ａのように、回折格子と開口器とが空間上分離して配置されることによって享受される利点は、実施例４でも説明した。そして実施例４の利点に加えて、開口器が複数の構造体から構成されることにより、開口の大きさだけでなく、形状の一部も変更可能である。その様子を図１５に示す。
【００５６】  図１５の(a)と図１５の(c)とは、開口器を構成する構造体を同一平面状に描いたものである。図１４の像面上での構成と考えてもよいし、図１５の(e)に示すように、隣接する２つの構造体（８３１）、（８３２）から構成される開口器と考えてもよい。図１５の(b)と図１５の(d)は、開口器を構成する２つの構造体の相対位置が変化することによって、開口の大きさと共に形状が変化した様子を例示している。
【００５７】  なお、本実施例では、開口器を構成する構造体を２つとして例示したが、２つに限定するものではない。多数の構造体を用いて開口を構成すれば、形状・大きさともに複数かつ複雑に構成可能である。＜実施例６＞  図１６Ａに、本発明を実施するための第６の例を示す。図１６Ａでは、開口器８３に複数の形状・大きさの開口８１が設けられており、その開口器８３が光軸に対して略垂直な平面上を移動可能であることが示されている。
【００５８】  この例の様に１つの構造体から成る開口器の中に複数の開口８１が備えられていても、先述の実施例で述べた回折格子と開口器との水平方向・垂直方向の位置関係や、回折格子と開口器との間のレンズ系の有無などは、同時に実現可能であり、回折格子システムの構成として回折格子と開口器との配置の関係は、図１６Ａの例に限定するものではない。
【００５９】  そして、本実施例のように、複数の形状・大きさの開口を有する開口器を用いることで、装置の運転中に簡便に（迅速に）開口の形状を変更することが可能となる。すなわち実験の精度や効率（時間短縮）の向上が実現できる。＜実施例７＞  図１６Ｂに本発明を実施するための第７の例を示す。図１６Ｂは、刃状転位を含む回折格子９１と開口８１とを一体構造として製作した刃状転位回折格子（８１）、（９１）の例である。本実施例における効果は、全体が一体構造であるため安定であること、光学系上での位置合わせなど、操作においても簡便であること、が挙げられる。図４Ａ、図４Ｂ、図９Ａ、図９Ｂに例示した実験では、この構成を使用した。＜実施例８＞  図１７に本発明を実施するための第８の例を示す。本実施例においては説明の便宜上、これ以後特に断らない限り、電子線を例示して説明を行うが、本発明が電子線に限定されるわけではない。そして図１７は、３００ｋＶ程度の加速電圧を持つ汎用型の電子顕微鏡を想定したシステム構成で描いているが、この条件の電子顕微鏡に限定するものではない。
【００６０】  本実施例にて説明する装置（電子顕微鏡）は、刃状転位を含む回折格子９１が開口器８３とともに加速管４０下部の照射光学系中に設置され、刃状転位格子上側のコンデンサレンズ４１にて刃状転位格子９１を照射する電子線２７の強度、照射領域の大きさなどが調整される。
【００６１】  図１７に示した回折格子９１と開口器８３との関係は、先述の実施例２（図１１Ａ等）にて説明した形態に近いが、これに限定するものではなく、原理的にはこれまでに説明したすべての実施例での形態に対応可能なものである。すなわち、例えば開口器８３は、回折格子９１の直下に位置してもよいし、第２コンデンサレンズ４２を介した下側に位置してもよい。
【００６２】  そしてらせん波の生成は、刃状転位格子を透過した電子線による、小角回折像におけるリング状あるいは環状回折スポットの観察により確認される。また、用いた刃状転位格子の刃状転位の次数と回折スポットの次数の積で与えられるらせん波のらせん度は、リング状あるいは環状回折スポットの大きさから評価できる。
【００６３】  試料３に照射するらせん波を収束らせん波（環状回折スポット）とするか平面波状らせん波とするかは、刃状転位回折格子９１と試料３との間に位置する第２コンデンサレンズ４２にて選択可能である。そして、刃状転位格子９１を透過した電子線のうち、所定の電子らせん波を試料３の上方の絞り孔素子１５にて選択し、試料３に照射する。
【００６４】  図１７は刃状転位格子９１による１次の回折波を収束らせん波として試料３に照射する場合を例示している。収束らせん波による試料の観察、あるいは試料の加工はこの光学系を持つ装置によればよい。
【００６５】  試料の透過像観察については、試料３を透過した電子線を試料より後段の対物レンズ５、および結像レンズ系（６１、６２、６３、６４）にて拡大し、像検出面８９に結像する。収束らせん波を用いる場合には、走査型の観察法が合理的ではあるが、これに限定するものではない。実施例１３にて後述するが、複数の刃状転位格子を用いて同じ照射光学系を用いる場合では、従来の透過型観察が可能な広い領域を照射可能ならせん波を作り出してもよい。一方、高分解能観察など広い領域照射を必要としない観察法も可能である。そして、結像された試料像３５は、検出器７９とコントローラ７８を経て、例えば画像データモニタ７６画面上で観察される、もしくは記録装置７７に画像データとして格納される。
【００６６】  これら装置は、全体としてシステム化されており、オペレータはモニタ５２画面上で装置の制御状態を確認するとともに、インターフェース５３を介して、システム制御コンピュータ５１を用いる。すなわち制御部は、電子源１、加速管４０、各レンズ（４１、４２、５、６１、６２、６３、６４）、試料３、回折格子９１、開口器８３、絞り孔素子１５、検出器７９などを制御できる。なお、想定される電子線装置は、電子線の偏向系や真空排気系などを備えているが、図示および説明は省略する。＜実施例９＞  図１８に本発明を実施するための第９の例を示す。図１８は、回折像９を観察する際の光学系を例示している。基本的には図１７と同様の構成を持つ汎用型の電子顕微鏡の模式図である。図１８で描いている構成を持つ電子顕微鏡に限定するものではないことも、図１７と同様である。
【００６７】  本発明を利用して回折像のフォーカスを計測・調整するシステムについて説明する。回折像は、試料を透過、あるいは反射した電子線から式（１）に示したフラウンホーファー回折条件を満たすよう十分な伝播距離だけ後方で直接観察する。また別の方法では、電子顕微鏡などでは試料後側の対物レンズの焦点位置をさらに後段のレンズ系で観察面上に結像することで観察されている。
【００６８】  これらは試料を平行な電子線が照射することを前提とした方法であり、現実の回折像観察は、電子源の像を観察する光学系を構築すれば、試料の位置には関係なく、試料を透過あるいは反射した電子線による回折像を観察できる。すなわち、光学系における光源の位置は、実際の空間距離に関係なく試料にとっての無限大距離の位置、すなわちフラウンホーファー条件を満足する条件となっているためである。
【００６９】  一方、試料の所定の領域からだけの情報をもった電子線による回折像を観察する場合には、制限視野絞りの利用など、光学系上での位置関係を厳密に考慮する必要がある。本実施例では簡単のため、電子源の像および観察する光学系のみを想定し、この光学系において、回折像のフォーカスを計測・調整するシステムについて説明する。
【００７０】  図１８では、試料３は電子線の経路２７の外側に置かれ、代わって刃状転位格子９１が経路内に配置されている。刃状転位格子９１の外形は開口器８３により所定の形状になるよう調整されている、あるいは図１６Ｂに示したごとく、所定の開口形状を持った刃状転位格子（８１および９１）等とする。
【００７１】  図１８の電子顕微鏡の光学系において、回折像観察状態に調整され像検出面８９上には、刃状転位格子の外形を反映した回折像９が結像されている。そして、らせん波となることにより、回折スポットは刃状転位格子の外形を反映した環状回折スポットの形状９７であるだけでなく、回折像９としてのフォーカス位置に依存して、その環状回折スポットの形状が回折面内でそれぞれの回折波の伝播方向を軸として方位角回転する。この回転は、フォーカスはずれ量に依存するとともに、回折波の正負で回転方向が逆転する。また、高次のらせん波ほど回転角度が小さくなる。
【００７２】  図１９に実験結果を示す。本図は、図１０の最下段のひし形の外形を持つ刃状転位格子を用いて、フォーカスを変化させて観察した回折像である。上述のごとく、フォーカスに依存してひし形のらせん波を示す環状回折スポットが回折面内で回転していることがわかる。しかも、中央部の透過波の回折スポットは、フォーカスのはずれ量に対応してそのサイズが変化するのに対し、外形を反映した環状回折スポットは、回折面内で回転はしているがその大きさはほとんど変化していない。
【００７３】  本現象を利用することで、この環状回折スポットの形状や大きさの変化に大きな影響を受けることなく、形状の回転のみを検出し、回転が所定の値（例えば無くなった条件）になった条件が回折像のインフォーカスであると定めることが可能である。すなわち、光学系の焦点を調整する際、熟練の技術を要することなく、高精度にフォーカス条件を定めることができる。
【００７４】  従来の回折像は、各々の回折スポットが最も小さくシャープに見える条件をインフォーカスとして、経験的に決めることが多かった。図１９でも、中央部の透過波の回折スポットは、インフォーカスが最も小さくなっており、この手法自体は間違っていない。しかし、回折スポットは、電子線など波動が収束状態にあり、簡単に検出器の検出限界をオーバーする。CCD素子などの受像器では電荷が飽和状態となり、ハレーションを生じて強度分布にアーティファクトが入る。このため、厳密に回折スポットが最も小さくシャープに見える条件を定めることは困難であった。
【００７５】  回折スポットの形状から求める本発明の手法では、観察する対象が環状回折スポットであり、強度的に受像器の飽和が生じ難い。また上述のごとく、環状回折スポットの形状や大きさに対するフォーカス依存性は小さいため、この環状回折スポットの形状に注目することで高精度なフォーカスの判断が可能である。
【００７６】  さらに、刃状転位格子の外形から予め環状回折スポットの形状がわかっているため、シミュレーション結果と比較した判断も可能となる。また、図１９はひし形の外形のため４回の回転対称性を持った環状回折スポットであったが、図８の矢頭形状のごとく、１回の回転対称性を持った形状（回転対称性のない形状）を選べば、大きなフォーカス変調の場合でも、対称性の重複による誤判断を避けることができる。
【００７７】  像検出面８９上に結像された回折像は、検出器７９とコントローラ７８を経て、例えば画像データモニタ７６画面上で観察されるとともに記録装置７７に画像データとして格納され、異なるフォーカス条件で観察・記録された回折像と、例えば画像データモニタ７６画面上で見比べてフォーカス条件を判断できる。または、例えば、システム制御コンピュータ５１内に予め格納された刃状転位格子のフーリエ変換像との相関係数を求めるなどの画像処理によりフォーカスはずれ量を判断してもよい。そして、システム制御コンピュータ５１を用いて、第２コンデンサレンズ４２あるいは対物レンズ５などにフィードバック制御をかけて、回折像９をインフォーカス状態に合わせこむ操作などが可能となる。これらフォーカスはずれ量の計測は、本質的には画像処理により求められるものであるから、上述のごとくシステム制御コンピュータ５１にその機能を持たせてもよいし、図示はしないが別途の画像処理システムを用いてもよい。また、本発明の一連の動作は自動化することも可能である。
【００７８】  上述の操作より回折像のフォーカスが定まれば、刃状転位格子（８１および９１）と試料３とを入れ替え、試料のインフォーカスの回折像が得られる。図１８に示すごとく、試料の直下に絞り孔素子を配置すれば、光学系の変更を伴うことなく、試料の所定の領域からのみの回折像を得ることができる。試料の回折像の作り方は、上述のごとくさまざまな工夫が可能であるが、本発明の回折像のフォーカスを計測・調整する手法との両立は可能である。＜実施例１０＞  らせん波の持つ運動量を選択する方法、とりわけ所定の１方向に定めて選択する装置・手法について説明する。図２Ｂは最も一般的な円形開口によるリング状回折スポットの例である。また、図２Ａを例として、上から下への伝播に伴い反時計方向に回転するらせん波を想定すると、被照射試料に伝達される運動量も、図中に矢印で示したごとく反時計方向に回転する。このとき、回折面内９４の全方位での運動量の合成和はゼロとなる。
【００７９】  一方、図２０の右側の引き出し部に拡大表示した回折スポット９７は、矩形開口の刃状転位回折格子（８３および９１）を用いた際に得られる長方形状の環状回折スポット９７の例である。回折スポット形状に沿って運動量が伝達されるため、被照射試料３に伝達される運動量も、図中に矢印で示したごとく長方形の辺に沿って、かつ、反時計方向に回転する。この場合でも、回折面内９４の全方位での運動量の合成和はゼロである。
【００８０】  これまで述べてきた様に、刃状転位格子であれば開口形状を回折スポットの形状に反映させることが可能である。実際に、図７右側のフーリエ変換像（シミュレーション結果）は、様々な開口形状を反映した環状回折スポットの例である。本実施例１０で説明するのは、この開口形状を反映した環状回折スポットの一部を構成する光線あるいは粒子線を選択することにより、所定の方向の運動量のみを試料の所定の位置に照射する装置・手法である。
【００８１】  図２０は矩形開口の刃状転位格子（８３および９１）と被照射試料３との間に、矩形形状の環状回折スポットの一部を選択透過させる所定の形状の孔１６を持つ絞り孔素子１５を挿入した光学系の模式図である。１次の回折波が作る長方形状の反時計回転に運動量を伝達する環状回折スポット９７の内、外側の直線部の回折スポットを作る電子線２７のみが、絞りに遮られることなく伝播し、試料３に直線状上向きの運動量を伝達する。試料上に移動可能な粒子、あるいは微小部品などが構成されていれば、それらは上向きの運動量を得ることができる。
【００８２】  試料と絞り孔素子との空間的な距離は、実施例９で述べた回折像でのフォーカスはずれ量に相当する。そのため、あらかじめ環状回折スポットの方位角回転を考慮した絞り孔形状とする、あるいは環状回折スポットの方位角回転が問題とならないような大きさ・形状の絞り孔とすればよい。また、環状回折スポット９７の内、外側の直線部の回折スポットを作る電子線２７のみが試料に照射することができれば上記の効果を奏する。したがって、矩形形状の環状回折スポットの一部を選択透過させる所定の形状の孔１６は必ずしも必要としない。＜実施例１１＞  図２１に本発明を実施するための第１１の例を示す。図２１は図２０と同様に、矩形開口の刃状転位格子（図示は省略）と被照射試料３との間に、矩形形状の環状回折スポット９７の一部を選択透過させる所定の形状の孔１６を持つ絞り孔素子１５を挿入した光学系の模式図である。作図の煩雑を避けるため、１次の回折波と１次の回折波が作る長方形状の反時計回転に運動量を伝達する環状回折スポット９７のみを選び、伝播方向を紙面下向きに作図している。
【００８３】  直線部の回折スポットを作る電子線２７のみが絞り孔１６に遮られることなく伝播し、試料３に直線状の運動量を伝達することに関しても図２０と同様であるが、図２１では絞り孔素子１５が移動することによって環状回折スポット９７の異なる部分を選択し、結果として試料３に対し異なる方向の運動量を持った回折波（らせん波２１）を照射することを示している。図２１において絞り孔素子１５が図中左右に交互に移動すれば、試料３に対し直線状下向き（環状回折スポットの左側）と直線状上向き（環状回折スポットの右側）の運動量を持つ電子線が交互に照射できる。
【００８４】  図２１では上下２方向について交互に運動量を伝達する例であるが、絞り孔素子の移動方向や順番を変えると、環状回折スポットを結像する電子線のそれぞれ対応した部位がその順に伝播し、対応した方向の運動量が対応した順序に被照射試料に伝達される。刃状転位格子の開口形を変更すると、その開口形状に対応した選択照射ができ、複雑な運動量の伝達も可能となる。＜実施例１２＞  図２２に本発明を実施するための第１２の例を示す。図２２は図２１と同様に、矩形開口の刃状転位格子（図示は省略）から試料３までの空間の一部について作図しているが、絞り孔素子１５の上方に偏向器８５が備えられている。図２２では作図の都合上、図中左右方向のみに偏向可能な平行平板電極型偏向器８５が描かれているが、本願は偏向方向や偏向方法、および偏向器の形状に関して、図２２の形態に限定するものではない。
【００８５】  図２２では、図２１と異なり絞り孔素子１５を移動させるのではなく、偏向器８５を用いて伝播する回折波２７に偏向を加え、環状回折スポット９７の所定の部分を絞り孔１６に取り込む。さらに下方に配置した試料３に照射することによって、試料３に直線状の運動量を伝達する。絞り孔素子１５と被照射試料３との空間距離が近い場合には、偏向の角度、方位にかかわらず試料３上の全く同じ領域に、異なる運動量を持つらせん波２１を照射できる。例えば、図２２に示した様に、交互に１８０度方位の変化する運動量を持つらせん波を照射すると、マイクロマシン（MEMS）の稼動部にピストン運動のエネルギーを与えることが可能となる。＜実施例１３＞  図２３Aに、複数の刃状転位回折格子からなる回折格子システムを用いて生成した複数のらせん波によるパターンを例示する。いずれも、シミュレーションによるフーリエ変換像である。図２３Aの左側は、大きさの順に正方形、円形、正三角形の開口形状を持つ刃状転位回折格子（８１および９１）と、右側はそのフーリエ変換像のシミュレーション結果である。言い換えるならば、複数の刃状転位回折格子９１の開口形状８１と大きさの両方を変化させた回折格子システムの例である。
【００８６】  但し、回折格子を特徴付ける基本格子間隔と方位、そして回折格子に含まれる刃状転位の次数はいずれも３次で同じである。回折により生成される複数のらせん波は、基本格子間隔と方位が同じであるため、回折点を一致させて重畳される。そのため、回折面では細いリング状や環状ではなく、それらが重なって広がりを持った回折スポット９７となっている。回折格子システムを構成する回折格子の種類を増やせば、走査型ではない通常の透過型装置の照射プローブに適したらせん波を得ることができる。これは、試料上のある広がりを持った領域を一度に照射できるプローブに適したらせん波とも言える。
【００８７】  図２３Ｂの左側は、刃状転位回折格子の開口形状、大きさ、刃状転位の次数は同一であるが、基本回折格子の間隔と方位を変化させた回折格子システム（８１および９１）の例である。右側はそのフーリエ変換像のシミュレーション結果である。シミュレーションから明らかなように、円形開口を持つ各刃状転位回折格子９１は、回折面内のそれぞれの格子間隔と方位に対応した回折点を中心としたリング状回折スポット９７を生成する。５つのリング状回折スポット９７が位置を変えて重畳された結果、回折面にパターンを描くことができる。
【００８８】  図２３Ｂは、５つの輪のパターンを描いた例である。なお、図左側の各々の刃状転位回折格子９１とリング状回折スポット９７との対応をわかりやすくするため、図左側の刃状転位回折格子９１も、生成する回折面でのパターンと類似の位置に配置しているが、基本的には、図左側と右側は実空間と逆空間の関係であり、回折面でのパターンは各回折格子の配置の位置には依存しない。このように、重畳させることにより複雑な図形を描くことも可能である。＜実施例１４＞  図２４に、試料にらせん波を介して所定の方向、強度を持った運動量を伝達するために、複数の刃状転位回折格子からなる回折格子システムを用いて、試料を照射するらせん波を選択・抽出する方法を示す。
【００８９】  図２４の左側(a)は次数の正負が異なる刃状転位を含む矩形の開口形状を持つ回折格子の基本格子の方位を調整することによって、環状回折スポット９７の運動量が一致する部分が回折面内で重畳するように設計された回折格子システム（８１および９１）の例である。図２４の右側(a)にシミュレーションによるフーリエ変換像を示す。また、図２４の(b)にてわかるように、上下の環状回折スポット９７が一部重なって生成されるため、数字の『８』の字を描くような回折パターンが得られる。この『８』の字パターン中央部は、それぞれの環状回折スポット９７が対応するらせん波の運動量の方向が一致するように重なっているため、らせん波の強度が倍増して得られる。このように、回折スポットの重ね合わせによっても強度を制御することができる。
【００９０】  図２４(a)の右側には２種類のフーリエ変換像が示されているが、上段が２つの刃状転位回折格子が共にコヒーレントな波動（例えば、レーザー光線や電界放出電子線など）で照射された場合の回折像に対応しており、下段は各々の格子面内はコヒーレントな波動による照射で各々の回折像が得られるが、上下の刃状転位回折格子からの回折波はインコヒーレントに重畳される場合の回折像に対応している。
【００９１】  このインコヒーレントな重畳とは、例えば２つの刃状転位格子の距離が、照射する波動のコヒーレント距離よりも大きく離れている場合などに該当する。上下のフーリエ変換像を比較すると、コヒーレントな重畳の場合（上段）には、上下の環状回折スポットが重なる中央部は、干渉の結果、細く良い直線状の強度分布となっていることがわかる。一方、インコヒーレントな重畳の場合（下段）では、上下２つの環状スポットの重なりでしかない。
【００９２】  複数の回折格子を用いた回折格子システムの場合には、それぞれの回折格子が生成する回折波の干渉を考慮しなければならない。図２４の(a)の右側上段の回折像の例では、上下の回折波は干渉して強め合ったが、これは、各々の回折格子の基本格子の位相が一致していたためであり、基本格子の位相がずれている場合には、本例とは逆に、干渉の結果弱め合う場合も考えられる。回折格子システムを設計時に十分な検討が必要である。
【００９３】  図２４の左側(c)は、刃状転位の次数と基本格子の格子間隔が異なる３つの矩形開口を持つ回折格からなる回折格子システム（８１および９１）である。これも、環状回折スポット９７のちょうど運動量が一致する部分が回折面内で重畳するように設計されている。図２４(a)右側にシミュレーションによるフーリエ変換像を示すが、矩形の環状回折スポット９７が一部内接する様に重なる回折パターンが得られる。この環状回折スポットが接する部分は、それぞれの環状回折スポットが対応するらせん波の運動量の方向が一致するように重なっているため、らせん波の強度が増加して得られる（図２４の(d)参照）。一致する領域が内側の図形に依存するものの、図２４の(b)に比べて照射領域をコンパクトにする効果がある。
【００９４】  以上の様に、刃状転位を含む回折格子の、（１）刃状転位の正負と次数（２）基本回折格子の格子間隔と方位（３）刃状転位回折格子の開口形状と大きさ（４）刃状転位回折格子の数の各々の条件をコントロールすることにより、回折面にらせん波を用いて様々なパターンを描くことが可能となる。該パターンを構成するらせん波の所定の部分を選択して試料に照射することによって、任意の方向、強度の運動量を被照射試料に伝達することが可能となる。
【００９５】  最後に、中性子線について光学系を議論することに対して異存があるかもしれない点について、記載しておく。中性子線に対しても有効なレンズを開発し、結像光学系を組む試みは過去にある。そのため、本発明においては、原理的には他の荷電粒子線と同様の取り扱いが可能と考えている。
【符号の説明】
【００９６】１…電子源、１５…絞り孔素子、１６…絞り孔、１７…絞りの制御系、１８…真空容器、１９…電子源の制御系、２…光軸、２１…らせん波、２２…らせん波の軸、２３…平面波、２７…粒子線の流線および電子線の軌道、３…試料、３５…試料の像、３９…試料保持装置の制御系、４…レンズ、４０…加速管、４１…第１コンデンサレンズ、４２…第２コンデンサレンズ、４７…第２コンデンサレンズの制御系、４８…第１コンデンサレンズの制御系、４９…加速管の制御系、５…対物レンズ、５１…システム制御コンピュータ、５２…システム制御コンピュータのモニタ、５３…システム制御コンピュータのインターフェース、５９…対物レンズの制御系、６１…第１中間レンズ、６２…第２中間レンズ、６３…第１投射レンズ、６４…第２投射レンズ、６６…第２投射レンズの制御系、６７…第１投射レンズの制御系、６８…第２中間レンズの制御系、６９…第１中間レンズの制御系、７６…画像データモニタ、７７…画像データ記録装置、７８…画像データコントローラ、７９…画像検出器、８１…開口、８３…開口器、８３１…開口器の構成部、８３２…開口器の構成残部、８５…偏向器、８８…開口器の制御系、８９…像検出面、９…回折像、９１…回折格子もしくは刃状転位回折格子、９３…開口器、９４…回折面、９６…回折格子の制御系、９７…回折波の環状スポット、９９…透過波の回折スポット
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【国際調査報告】
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