(57)【要約】【課題】透過型電子顕微鏡において用いられる高エネルギー分解能を有するモノクロメータにおいて、エネルギー幅を設定できるようにする。【解決手段】透過型電子顕微鏡において、電子源１１の直下であって加速段１６前に設置されたモノクロメータ２０は、電子線の光軸に沿って、絞り１２と、絞り１２の後段に設けられ、光軸に垂直に互いに直交する電磁場を印加し、電子線を運動エネルギーに応じて電場方向に分散させる第１のウィーンフィルタ１３と、第１のウィーンフィルタ１３の後段に設けられ、光軸から前記電場方向に所定距離内にある荷電粒子線のみを透過させる所定幅の固定平行スリット１４と、スリット１４の後段に設けられ、スリット１４を透過した電子線をアクロマティックでスティグマティックに補正する第２のウィーンフィルタ１５とを有し、第１のウィーンフィルタ１３における電磁場の強度を変化させてスリット１４における電子線のエネルギー分散の程度を制御することによりエネルギー分布幅を設定する。【選択図】      図１
2004327377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線を単色化するモノクロメータにおいて、
荷電粒子線の光軸に垂直に互いに直交する電磁場を印加し、前記荷電粒子線を運動エネルギーに応じて電場方向に分散させるウィーンフィルタと、
前記光軸に沿って前記ウィーンフィルタの後段に設けられ、前記光軸から前記電場方向に所定距離内にある荷電粒子線のみを透過させるスリットと、
を有し、
前記ウィーンフィルタは、前記電磁場の強度を変化させて前記分散の程度を制御することで前記スリットを透過する前記荷電粒子線のエネルギー分布幅を制御すること
を特徴とするモノクロメータ。
【請求項２】
前記ウィーンフィルタは、前記スリットを透過する前記荷電粒子線のエネルギーを一定に維持するように前記電磁場を変化させることを特徴とする請求項１記載のモノクロメータ。
【請求項３】
前記ウィーンフィルタは、前記スリットを透過する前記荷電粒子線について、一定のエネルギーを有する荷電粒子がウィーン条件を満たすように前記電磁場を変化させることを特徴とする請求項２記載のモノクロメータ。
【請求項４】
前記ウィーンフィルタは、前記電磁場の電場と磁場の比率を一定に保つことを特徴とする請求項３記載のモノクロメータ。
【請求項５】
前記光軸に沿って前記ウィーンフィルタの後段に設置され、前記スリットを透過した荷電粒子線をアクロマティックに補正する他のウィーンフィルタを有することを特徴とする請求項１記載のモノクロメータ。
【請求項６】
前記他のウィーンフィルタは、前記スリットを透過した荷電粒子線をスティグマティックに補正することを特徴とする請求項５記載のモノクロメータ。
【請求項７】
前記光軸に沿って前記ウィーンフィルタの後段に設置され、前記スリットを透過した荷電粒子線をスティグマティックに補正する８極子非点補正コイルを有することを特徴とする請求項１記載のモノクロメータ。
【請求項８】
前記ウィーンフィルタは、一定のエネルギーを有する荷電粒子がウィーン条件を満たすように前記電場と磁場の比率を一定に維持しつつ、前記電磁場の強度を変化させて前記ウィーン条件を満たさない前記一定のエネルギー以外のエネルギーを有する荷電粒子の偏向の程度を制御することで、前記スリットにおける前記荷電粒子線のエネルギーに応じた分散の程度を制御し、前記スリットを透過する前記荷電粒子線のエネルギー分布幅を制御することを特徴とする請求項１記載のモノクロメータ。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のモノクロメータを用い、
前記スリットを透過する前記荷電粒子線のエネルギー分布幅を設定するステップと、
前記エネルギー幅を実現するように、前記スリットにおいて前記荷電粒子線を透過させる前記所定距離に応じたエネルギー分散能を定めるステップと、
前記エネルギー分散能を実現するように前記ウィーンフィルタにおける電磁場を決定するステップと、
を有することを特徴とするモノクロメータの制御方法。
【請求項１０】
前記方法は、前記スリットを透過する前記荷電粒子線のエネルギーを一定に維持するように、前記ウィーンフィルタにおいて前記荷電粒子がウィーン条件を満たすように前記電磁場の電場及び磁場の比率を決定するステップを含み、前記電磁場を決定するステップは、前記エネルギー分散能を実現するように前記電磁場の電場及び磁場の強度を決定することを特徴とする請求項９記載のモノクロメータの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子線を単色化するモノクロメータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子線を単色化するために、入射される電子線について所定のエネルギーを有する成分のみを透過させるモノクロメータが利用されている。このようなモノクロメータは、例えば、透過型電子顕微鏡において高いエネルギー分解能を要する電子エネルギー損失分光法による測定を行う場合に用いられている。
【０００３】
モノクロメータは、電子線を電子のエネルギーに応じて分散させる光学素子と、エネルギーに応じて分散された電子線から所望の成分を選択するスリットから構成される。
【０００４】
電子線をエネルギーに応じて分散させる光学素子として、例えばウィーンフィルタが用いられている。
【０００５】
ウィーンフィルタは、電子線の光軸と垂直な面内において互いに直交する双極子電磁場を印加し、電子線をエネルギーに応じて分散させるエネルギーフィルタである。
【０００６】
ウィーンフィルタにおいて、双極子電場Ｅおよび双極子磁場Ｂからなる電磁場が印加されていると、光軸に沿って入射される電子速度ｖの電子線は、ウィーン条件Ｅ＝ｖＢを満たすときに直進する。前記ウィーン条件を満たさないエネルギーを有する電子はそれぞれのエネルギーに応じて偏向が与えられ、電場方向に分散する。なお、以下ではこのエネルギーに応じた分散を単にエネルギー分散と称することがある。
【０００７】
ここで、ウィーンフィルタの電磁場強度がサイクロトロン半径Ｒに相当すると、電子線の電磁場への入射位置から光軸に沿いに距離２πＲの位置でエネルギー分散がキャンセルされ、入射位置と同じようにアクロマティックに戻る。
【０００８】
このような特徴を利用し、従来、光軸に沿ってエネルギー選択スリットを挟んだ上下２段のウィーンフィルタを有するモノクロメータが利用されている。このような構造のモノクロメータでは、各ウィーンフィルタの電磁場分布とスリット位置を適宜に設計することで、スリットにおいて電子線をエネルギー分散させつつ、出射される電子線をアクロマティックにすることができる。
【０００９】
このような構造のモノクロメータは、透過型電子顕微鏡に適用され、例えば電子源の直下で加速段の前に設置される。
【００１０】
図１２は、モノクロメータのスリットにおける電子線の形状を示す図である。
【００１１】
前述の構造のモノクロメータでは、通常、所定の開き角を有するくさび型の開口１１１が形成されたスリット１１０が用いられる。図では、光軸に垂直な面内にあるスリット１１０のｙ軸の正方向に開いた開口１１１において、ｙ軸方向に広がった電子線１１２が示されている。
【００１２】
このスリット１１０においては、開口１１１の長手方向と直交するｘ軸方向をエネルギー分散方向１１３とするため、エネルギー分散された電子線はｘ軸方向にフォーカスされる。一方、ｙ軸方向については、低い運動エネルギーの電子の集中による電子間相互作用に由来するエネルギーの拡がり（ベルシエ効果）を抑制するため、フォーカスせずに発散させている。
【００１３】
図中には、エネルギー分散した電子線１１２の分布が、第１乃至第５の成分１１２ａ〜１１２ｅによって模式的に描かれている。これらのうち、第１の成分１１２ａが最も高いエネルギーを有し、以下、第５の成分１１２ｅまで順にエネルギーが低くなる。
【００１４】
スリット１１０に入射した電子線１１２は、第３の成分１１２ｃについてはすべて透過するが、第２及び第４の成分１１２ｂ，１１２ｄ、第１及び第５の成分１１２ａ，１１２ｅについては一部透過し一部阻止される。
【００１５】
実際には、電子線１１２は、図示の第１乃至第５の成分１１２ａ〜１１２ｅのように離散的な成分から構成されるものではなく、連続的にエネルギー分布を有している。
【００１６】
なお、電子顕微鏡において高いエネルギー分解能を得るためにウィーンフィルタを適用する方法には、前述のようにウィーンフィルタをモノクロメータに用いる他に、反射型電子顕微鏡においてウィーンフィルタを１次電子線と２次電子線の分離に用いる方法がある（例えば特許文献１参照。）。
【００１７】
【特許文献１】
特開平８−２１２９５５号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、モノクロメータにおいては、単色化する電子線のエネルギーのみならず、エネルギー分布幅も設定できることが望ましい。
【００１９】
ここで、電子線のエネルギー分布幅を設定するため、エネルギー分散した電子線から所望の成分を選択できるように、スリット１００の開口１１０を開閉する方法が考えられる。
【００２０】
この場合、電子線をエネルギー分散させる光学素子として用いられるウィーンフィルタのエネルギー分散能が２５μｍ以下であることをから考慮すると、スリット１１０を開閉する精度はサブミクロンの精度が必要である。
【００２１】
しかしながら、前記モノクロメータのように電子源の直下に設置される場合、スリット１００は、加速電圧にスリット１１０の電位を重畳したような高圧の環境下にある。また、スリット１１０における真空度は、電子源のエミッタ周辺と同程度であることが求められる。
【００２２】
このような条件下において、スリット１００の開口１１０をサブミクロン精度で開閉するような機械的な稼動部を設けることは困難である。
【００２３】
また、開口１１０のくさび型の形状に由来して、電子線のエネルギー選択の精度が確保できないという問題もある。
【００２４】
図１２に示したように、電子線１１２の内で所望のエネルギーを有する第３成分１１２ｃの選択を望む場合、くさび型の開口１１０は、選択していない第１、第２、第４及び第５成分１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｄ，１１２ｅをも透過してしまう。
【００２５】
本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、高いエネルギー分解能を有するとともに、エネルギー分布幅を選択できるようなモノクロメータを提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明に係るモノクロメータは、荷電粒子線を単色化するものであって、荷電粒子線の光軸に垂直に互いに直交する電磁場を印加し、前記荷電粒子線を運動エネルギーに応じて電場方向に分散させるウィーンフィルタと、前記光軸に沿って前記ウィーンフィルタの後段に設けられ、前記光軸から前記電場方向に所定距離内にある荷電粒子線のみを透過させるスリットと、を有し、前記ウィーンフィルタは、前記電磁場の強度を変化させて前記分散の程度を制御することで前記スリットを透過する前記荷電粒子線のエネルギー分布幅を制御する。
【００２７】
前記ウィーンフィルタは、前記スリットを透過する前記荷電粒子線のエネルギーを一定に維持するように前記電磁場を変化させることが望ましい。
【００２８】
前記ウィーンフィルタは、前記スリットを透過する前記荷電粒子線について、一定のエネルギーを有する荷電粒子がウィーン条件を満たすように前記電磁場を変化させることが望ましい。
【００２９】
前記ウィーンフィルタは、前記電磁場の電場と磁場の比率を一定に保つことが望ましい。
【００３０】
前記光軸に沿って前記ウィーンフィルタの後段に設置され、前記スリットを透過した荷電粒子線をアクロマティックに補正する他のウィーンフィルタを有することが望ましい。
【００３１】
前記他のウィーンフィルタは、前記スリットを透過した荷電粒子線をスティグマティックに補正することが望ましい。
【００３２】
前記光軸に沿って前記ウィーンフィルタの後段に設置され、前記スリットを透過した荷電粒子線をスティグマティックに補正する８極子非点補正コイルを有することが望ましい。
【００３３】
前記ウィーンフィルタは、一定のエネルギーを有する荷電粒子がウィーン条件を満たすように前記電場と磁場の比率を一定に維持しつつ、前記電磁場の強度を変化させて前記ウィーン条件を満たさない前記一定のエネルギー以外のエネルギーを有する荷電粒子の偏向の程度を制御することで、前記スリットにおける前記荷電粒子線のエネルギーに応じた分散の程度を制御し、前記スリットを透過する前記荷電粒子線のエネルギー分布幅を制御することが望ましい。
【００３４】
本発明に係るモノクロメータの制御方法は、前記モノクロメータを用い、前記スリットを透過する前記荷電粒子線のエネルギー分布幅を設定するステップと、前記エネルギー幅を実現するように、前記スリットにおいて前記荷電粒子線を透過させる前記所定距離に応じたエネルギー分散能を定めるステップと、前記エネルギー分解能をじつげんするように前記ウィーンフィルタにおける電磁場を決定するステップと、を有する。
【００３５】
前記方法、前記スリットを透過する前記荷電粒子線のエネルギーを一定に維持するように、前記ウィーンフィルタにおいて前記荷電粒子がウィーン条件を満たすように前記電磁場の電場及び磁場の比率を決定するステップを含み、前記電磁場を決定するステップは、前記エネルギー分散能を実現するように前記電磁場の電場及び磁場の強度を決定することが好ましい。
【００３６】
本発明に係るモノクロメータは、荷電粒子線として電子線を用い、透過型電子顕微鏡に適用することが望ましい。
【００３７】
本発明では、モノクロメータから出射する電子線のエネルギー分布は、スリット幅を機械的に変えるのではなく、スリットにおける電子線のエネルギー分散能を変化させて制御することが望ましい。ここで、エネルギー分散能とは、例えば単位エネルギー当たりの電子線の偏向距離を意味する。
【００３８】
すなわち、本発明では、ウィーンフィルタを電子分光器として使用し、ウィーンフィルタにおける双極子電磁場の強度の強度を変化させることでエネルギー分散能を変化させ、幅を固定された平行固定型のスリットを用いてエネルギー選択を行うことで、スリットを透過する電子線のエネルギー分布幅を制御することが望ましい。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るモノクロメータの実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００４０】
本実施の形態では、例えば電子エネルギー損失分光法のような高いエネルギーを必要とする測定を行う透過型電子顕微鏡において電子源から試料に至る電子光学系に適用されたモノクロメータを想定する。
【００４１】
図１は、モノクロメータを適用した電子光学系の第１の実施の形態の構成を示す図である。
【００４２】
この電子光学系は、例えば電界放出型電子銃（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｇｕｎ；ＦＥＧ）による電子源１１と、絞り１２と、第１のウィーンフィルタ１３と、スリット１４と、第２のウィーンフィルタ１５と、加速段１６と、集束レンズ１７とを有している。収束レンズ１７を出射した電子線は、試料５１に照射される。
【００４３】
この電子光学系は、電子源１１の直下であって加速段１６の前段に、絞り１２、第１のウィーンフィルタ１３、スリット１４及び第２のウィーンフィルタ１５からなるモノクロメータ２０を有している。
【００４４】
このモノクロメータ２０は、光軸に沿いにスリット１４を挟んだ前後に第１及び第２のウィーンフィルタ１３，１５を設けた構造を有するので、アクロマティックでスティグマティックな電子線を出力するように設計することができる。
【００４５】
第１及び第２のウィーンフィルタ１３，１５の有する光軸沿いの長さＬ１及びＬ２は、例えば４：１の比率に設定することができる。これらの長さＬ１及びＬ２は、前記比率に限られず、Ｌ１＞Ｌ２，Ｌ１＝Ｌ２又はＬ１＜Ｌ２のいずれにも設定することができる。
【００４６】
電子源１１から出射された電子線は、モノクロメータ２０によって、所定のエネルギー分布幅を有する所定のエネルギーの成分が選択される。モノクロメータ２０で選択された成分からなる電子線は、加速段１６における静電勾配によって加速され、集束レンズ１７によって試料５１に照射される。
【００４７】
なお、便宜上、図に示すように光軸をｚ軸とし、このｚ軸に垂直な面内で直交するｘ軸及びｙ軸を設定する。
【００４８】
図２は、第１のウィーンフィルタに入射する電子線のエネルギー分布を示す図である。
【００４９】
第１のウィーンフィルタ１３には、絞り１２を介して電子源１１から出射された電子線が入射される。
【００５０】
電子線は、第１のウィーンフィルタ１３に入射される段階では単色でなく、エネルギーは一定の範囲に分布している。分布の形状は、電子源１１の種類などに依存する。
【００５１】
本実施の形態では、簡単のため、入射される電子線はあるエネルギーをピークとしてほぼ正規分布しているものと想定する。
【００５２】
図３は、第１のウィーンフィルタの構成を示す図である。
【００５３】
この図は、第１のウィーンフィルタ１３を光軸に垂直な面で切断した断面図である。
【００５４】
第１のウィーンフィルタ１３は、電子線の透過する光軸とは垂直な平面内において、電極１３ａ及びコイル１３ｂを巻回した磁極１３ｃによって、互いに垂直に双極子電磁場を発生させることより、電子線を電場方向にエネルギー分散させる光学素子である。
【００５５】
なお、第２のウィーンフィルタ１５も第１のウィーンフィルタ１３と同様の構成を有するが、その電極及び磁極の向きはそれぞれ第１のウィーンフィルタ１３と逆である。
【００５６】
図４は、第１のウィーンフィルタにおける電子線と電磁場との相互作用を説明する図である。
【００５７】
第１のウィーンフィルタ１３においては、電極１３ａによってｘ軸の負方向に双極子電場Ｅが印加され、磁極１３ｃによってｙ軸の正方向に双極子磁場Ｂが印加されている。これらの電磁場によって、ｚ軸の負方向に電子速度ｖで進む電子線には、ｘ軸の正方向へ電気力ＦＥが作用し、ｘ軸の負方向へローレンツ力ＦＢが作用する。
【００５８】
第１のウィーンフィルタ１３においては、電気力ＦＥ及びローレンツ力ＦＢが相殺するウィーン条件Ｅ＝ｖＢを満たす運動エネルギーを有する電子のみが直進する。運動エネルギーが前記ウィーン条件を満たさない残りの電子は、それぞれの運動エネルギーに応じてｘ軸方向又は電場方向に偏向される。このようにして、第１のウィーンフィルタ１３において、電子線はエネルギーに応じてｘ軸方向又は電場方向にエネルギー分散される。
【００５９】
図５は、第１のウィーンフィルタにおいてウィーン条件を満たす電圧とアンペアターンの関係の測定値を示す図である。
【００６０】
図中の直線ａは６００ｅＶ、直線ｂは８００ｅＶ、直線ｃは１０００ｅＶの電子線に対応している。
【００６１】
第１のウィーンフィルタ１３において、電極１３ａの電圧は電場Ｅを、磁極１３ｃのアンペアターンは磁場Ｂをそれぞれ生成する。
【００６２】
ウィーン条件の下で、電極１３ａの電圧と、磁極１３ｃに巻回したコイル１３ｂのアンペアターンの間には、優れた比例関係が達成されている。前記比例関係を満たす限り、前記電圧及びアンペアターンの値が変化してもウィーン条件は維持される。したがって、第１のウィーンフィルタ１３において、ウィーン条件を維持しつつ電磁場強度を変化させることができる。
【００６３】
図６は、本実施の形態のスリットを示す図である。
【００６４】
このスリット１４は、直線状の刃を有する２枚の板からなり、光軸に垂直な面内において平行になるように向かい合わせて設置された刃によって幅Ｗ（μｍ）の開口１４ａが形成されている。
【００６５】
このスリット１４は、光軸に垂直な面内において、開口１４ａを形成する刃がｙ軸と平行になり、光軸が開口幅の中点を通過するように設置される。このような一定幅の固定平行開口を有するスリット１４は、光軸からｘ軸方向（電場方向）に所定距離内にある電子線のみを透過する。
【００６６】
同図中には、スリット１４におけるエネルギー分散した電子線２１の分布が模式的に描かれている。電子線２１は、ベルシエ効果を抑制するために、分散方向２２となるｘ軸方向にフォーカスされるがｙ軸方向にはフォーカスされずに発散している。
【００６７】
模式的に描かれたエネルギー分散した電子線において、第１の成分２１ａが最も高いエネルギーを有し、以下、第５の成分２１ｅまで順にエネルギーが低くなる。なお、実際の電子線は、前記第１乃至第５の成分２１ａ〜２１ｅのような離散的な成分からなるものではなく、連続的に分布している。
【００６８】
これら電子線２１の第１乃至第５の成分２１ａ〜２１ｅの内、第３の成分のみがスリット１４の開口１４ａを透過する。残りの第１、第２、第４及び第５の成分２１ａ，２１ｂ，２１ｄ，２１ｅは、スリット１４により阻止される。
【００６９】
このように、本実施の形態では、固定した平行な開口１４ａを有するスリット１４を採用することにより、電子線から所望のエネルギーを有する成分のみを選択することができる。したがって、本実施の形態のモノクロメータにおいては、高いエネルギー分解能を確保することができる。
【００７０】
具体的に、電子線のエネルギー分散は、次の式（１）によって表現することができる。この式（１）は、スリット１４において電子が到達したｘ軸方向の位置ｘ（μｍ）をその電子のエネルギーＥ（ｅＶ）の関数として表すものである。この関数ｘ（Ｅ）は、スリット１４の開口幅がｘ軸方向に十分に狭いことを考慮して、位置ｘをウィーン条件を満たす一定のエネルギーＥ０近傍のエネルギーについて線形近似したものである。
【００７１】
【数１】
2004327377.tif 000003
ここで、次の式（２）に示すように、ウィーン条件を満たす前記エネルギーＥ０の電子は、スリット１４においてｘ軸方向の位置ｘ０に到達するものとする。この位置ｘ０は、スリット１４の開口１４ａにおいて、ｘ軸方向についての中点に相当する。
【００７２】
【数２】
2004327377.tif 000004
また、式（１）における比例係数Ｄは、次の式（３）によって定義され、エネルギー分散能と称される。分散能は、前記エネルギーＥ０における、電子線のエネルギー当たりのｘ軸方向への偏向距離であり、単位はμｍ／ｅＶである。
【００７３】
【数３】
2004327377.tif 000005
本実施の形態では、第１のウィーンフィルタ１３において、一定のエネルギーＥ０を有する電子についてウィーン条件を維持することで、第１のウィーンフィルタ１３を直進してスリット１４を透過するように制御する。前記一定のエネルギーＥ０を有する電子は、ウィーン条件が満たされる限り、電磁場強度のいかんに関わらずに第１のウィーンフィルタ１３を直進し、スリット１４を透過する。前記エネルギーＥ０としては、例えばウィーンフィルタ１３に入射する電子線のエネルギー分布がピークになるエネルギーを設定する。
【００７４】
これに対して、前記一定のエネルギー以外のエネルギーを有する電子は、ウィーンフィルタによって偏向される。この偏向の程度は、前記一定のエネルギーからのずれや印加される電磁場の強度に依存する。本実施の形態は、このような原理によってスリット１４における電子線分布のエネルギー分散能を制御している。
【００７５】
ここで、エネルギー分散能の制御について具体的に説明する。
【００７６】
前記式（１）は、次の式（４）のように書き換えることができる。
【００７７】
【数４】
2004327377.tif 000006
この式（４）を用いると、スリット１４の開口１４ａのｘ軸方向への下端及び上端の位置ｘ１及びｘ２（＝ｘ１＋Ｗ）におけるエネルギーＥ１及びＥ２は、それぞれ次の式（５）及び（６）によって与えられる。
【００７８】
【数５】
2004327377.tif 000007
【数６】
2004327377.tif 000008
したがって、スリット１４の開口１４ａを透過する電子線のエネルギー分布幅ΔＥ（ｅＶ）は、次の式（７）によって与えられる。
【００７９】
【数７】
2004327377.tif 000009
図７は、スリット１４における電子線の分布を説明する図である。
【００８０】
図中の曲線ａはエネルギー分散能Ｄ１の分布を示し、曲線ｂはエネルギー分散能Ｄ２（＜Ｄ１）の分布を示す。曲線ｃには、比較のため、図２に示したウィーンフィルタ１３に入射する電子ビームの分布を示す。
【００８１】
例えば、幅Ｗの開口を有するスリット１４を透過する電子線のエネルギー分布幅は、第１のウィーンフィルタ１３のエネルギー分散能をＤ１からＤ２に変化させことで、Ｗ／Ｄ１からＷ／Ｄ２まで可変させることができる。
【００８２】
具体的に、第１のウィーンフィルタ１３のエネルギー分散能が２５〜５μｍ／ｅＶの範囲で可変であり、スリット１４の開口幅Ｗが５μｍであると想定する。この場合、モノクロメータ２０から出射される電子線のエネルギー分布幅は、０．２〜１ｅＶの範囲で可変させることができる。
【００８３】
スリット１４を透過した電子線は、後段にある第２のウィーンフィルタ１５に入射される。第２のウィーンフィルタ１５は、第１のウィーンフィルタ１３と同様に、ウィーン条件を満たすように電磁場の比率を維持しつつ電磁場強度を適宜に可変させる。電子線は、この第２のウィーンフィルタ１５によってアクロマティックに戻されて出射される。アクロマティックのみならず、スティグマティックにもされて出射されることもある。
【００８４】
図８は、エネルギー６００ｅＶの電子線についてアンペアターンとエネルギー分散能の関係を測定した結果を示す図である。
【００８５】
測定値ａ，ｂ，ｃは、第１のウィーンフィルタ１３の異なるサンプルを用いて測定したものである。図８においても同様である。
【００８６】
前述したように、ウィーン条件を満たさないエネルギーを有する電子は、第１のウィーンフィルタ１３における電磁場によって偏向される。この図は、ウィーンフィルタ１３の磁場に相当するアンペアターンと偏向の程度に相当するエネルギー分散能の関係を示すものである。
【００８７】
エネルギー分散能は、アンペアターンがほぼ３０（ＡＴ）まで単調に増加し、エネルギー分散能がほぼ２１〜２４（μｍ／ｅＶ）の極大値に達すると、その後は単調に減少する。
【００８８】
図９は、エネルギー１０００ｅＶの電子線についてアンペアターンとエネルギー分散能の関係を測定した結果を示す図である。
【００８９】
エネルギー分散能は、アンペアターンがほぼ４０（ＡＴ）まで単調に増加し、エネルギー分散能がほぼ１６〜１７（μｍ／ｅＶ）の極大値に達すると、その後は単調に減少する。
【００９０】
このように、アンペアターンとエネルギー分散能の間には、一定の関係がある。したがって、第１のウィーンフィルタ１３において、ウィーン条件を満たすように電磁場比率を維持しつつ、前記関係に基づいてアンペアターンを変化させて双極子強度を制御することで、所望のエネルギー分散能を有する電子線を得ることができる。これによって、モノクロメータ２０を透過する単色光のエネルギーを一定に維持しつつ、電子エネルギー分布を変化させることができる。
【００９１】
以上のように、本実施の形態のモノクロメータ２０は、光軸に沿いにスリット１４の前後に第１及び第２のウィーンフィルタ１３，１５を備える。そして、第１のウィーンフィルタ１３における双極子電磁場について、ウィーン条件を満たすように電磁場比率を維持しつつ電磁場強度を変化させ、スリット１４における電子線のエネルギー分散能を制御する。これによって、固定された幅Ｗを有するスリット１４を透過する電子エネルギー分布を制御する。スリット１４を透過した電子線は、第２のウィーンフィルタ１５によって双極子電磁場をウィーン条件を満たすように電磁場比率を維持しつつ電磁場強度を適宜に変化させることによって、アクロマティックに戻されて出射される。
【００９２】
図１０は、モノクロメータを適用した電子光学系の第２の実施の形態を示す図である。
【００９３】
第２の実施の形態では、モノクロメータ２１を除いて第１の実施の形態と同様の構成を有するので、共通する部材については同一の符号を附して説明を省略することにする。
【００９４】
この電子光学系は、電子源１１の直下であって加速段１６の前段に、絞り１２、ウィーンフィルタ１３及びスリット１４からなるモノクロメータ２１を有している。
【００９５】
モノクロメータ２１において、第１のウィーンフィルタ１３は、ウィーン条件を満たす電磁場比率を維持しつつ双極子電場の強度を制御し、スリット１４におけるエネルギー分解能を変化させる。
【００９６】
例えば、スリット１４におけるエネルギー分散能をＤからｄまで可変させる場合、Ｗの幅で固定されたスリットを透過できる電子線のエネルギー分布幅をＷ／ＤからＷ／ｄに変化させることができる。このようにエネルギー分散能を変化させることで、固定された幅Ｗを有するスリット１４を透過する電子エネルギー分布を制御することができる。
【００９７】
このモノクロメータ２１においては、スリット１３の直下にウィーンフィルタが設置されていないため、出射される電子線は、アクロマティック、スティグマティックにはならない。モノクロメータ２１からは、スリット１４におけるベルシュ効果を避けるためにｙ方向に発散する形状になされた電子線が出射される。
【００９８】
この電子光学系においては、加速段１６の後段に図示しない８極子非点補正コイルが配置され、このコイルが電子線をスティグマティックに補正する。
【００９９】
図１１は、モノクロメータを適用した電子光学系の第３の実施の形態を示す図である。
【０１００】
第３の実施の形態では、モノクロメータ２２を除いて第１の実施の形態と同様の構成を有するので、共通する部材については同一の符号を附して説明を省略することにする。
【０１０１】
この電子光学系は、電子源１１の直下であって集束レンズ１７の前段に、絞り１２、ウィーンフィルタ１３、加速段１６及びスリット１４からなるモノクロメータ２２を有している。
【０１０２】
モノクロメータ２１において、第１のウィーンフィルタ１３は、ウィーン条件を満たす電磁場比率を維持しつつ双極子電場の強度を制御し、スリット１４におけるエネルギー分解能を変化させる。
【０１０３】
スリット１４におけるエネルギー分散能をＤからｄまで可変させる場合、Ｗの幅で固定されたスリットを透過できる電子線のエネルギー分布幅をＷ／ＤからＷ／ｄまで変化させることができる。このようにエネルギー分散能を変化させることで、固定された幅Ｗを有するスリット１４を透過する電子エネルギー分布を制御することができる。
【０１０４】
このモノクロメータ２２においては、スリット１３の直下にウィーンフィルタが設置されていないため、出射される電子線は、アクロマティック、スティグマティックにはならない。モノクロメータ２２からは、スリット１４におけるベルシュ効果を避けるためにｙ方向に発散する形状になされた電子線が出射される。
【０１０５】
この電子光学系においては、加速段１６の後段に図示しない８極子非点補正コイルが配置され、このコイルが電子線をスティグマティックに補正する。
【０１０６】
なお、モノクロメータ２１から出射されたスティグマティックな電子線は、加速段１６の後段に配置された８極子非点補正コイルを用いて補正される。
【０１０７】
前述のように、本実施の形態は、固定幅の平行スリットを用い、ウィーンフィルタによりスリットにおける電子線のエネルギー分散能を可変させることで、実効的にサブミクロンオーダーの精度を持つスリットに相当する機能を提供する。このような構成によって、電子源の直下にモノクロメータを有する透過型電子顕微鏡を容易に構成することができるようになる。
【０１０８】
なお、前述の実施の形態においては荷電粒子線として電子線を用いたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、荷電粒子ビームとして、例えばイオンビームなどにも適用することができる。
【０１０９】
【発明の効果】
本発明によると、高いエネルギー分解能を有するモノクロメータにおいて、エネルギー分布幅を選択することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】モノクロメータを適用した電子光学系の第１の実施の形態の構成を示す図である。
【図２】第１のウィーンフィルタに入射する電子線のエネルギー分布を示す図である。
【図３】第１のウィーンフィルタの構成を示す図である。
【図４】第１のウィーンフィルタにおける電子線と電磁場との相互作用を説明するずである。
【図５】第１のウィーンフィルタにおいてウィーン条件を満たす電圧とアンペアターンの関係を示す図である。
【図６】本実施の形態のスリットを示す図である。
【図７】スリット１４における電子線の分布を説明する図である。
【図８】エネルギー６００ｅＶの電子線についてアンペアターンとエネルギー分散能の関係を測定した結果を示す図である。
【図９】エネルギー１０００ｅＶの電子線についてアンペアターンとエネルギー分散能の関係を測定した結果を示す図である。
【図１０】モノクロメータを適用した電子光学系の第２の実施の形態を示す図である。
【図１１】モノクロメータを適用した電子光学系の第３の実施の形態を示す図である。
【図１２】従来のモノクロメータのスリットにおける電子線の形状を示す図である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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