(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定物面位置から一定の開き角をもって出た電子またはイオンビームに対して負の球面収差を有する拡大虚像を形成するように配置され、物面に対して凹面形状を有する光軸対称な回転楕円面からなるメッシュと、
その像面側に光軸に同軸に配置され、前記拡大虚像の実像を形成し正の球面収差を生じる収束電場を形成する同心面からなる複数の電極とを備え、
前記メッシュの形状は、前記光軸方向に長軸をもつ回転楕円面であり、
前記回転楕円面における長軸半径と短軸半径との比を１．５〜２とすることで、前記電子またはイオンビームの取込角を±６０°とすることを特徴とする球面収差補正静電型レンズ。
【請求項２】
前記回転楕円面における長軸半径と短軸半径との比を１．７〜２とすることで、前記電子またはイオンビームの取込角を±６０°とすることを特徴とする請求項１に記載の球面収差補正静電型レンズ。
【請求項３】
前記回転楕円面の形状が、下記式を満たしていることを特徴とする請求項１に記載の球面収差補正静電型レンズ。
【数１】
0004802340.tif 000005
ｚ：物面上の原点から回転楕円面上の点までの光軸に沿った距離
ｚ０：物面上の原点から回転楕円面の中心までの距離
Ａ：回転楕円面の長軸半径
Ｂ：回転楕円面の短軸半径
ｒ：光軸から回転楕円面上の点までの、光軸と垂直方向の距離
【請求項４】
請求項１に記載された球面収差補正静電型レンズと、所定物面との間に、前記電子またはイオンビームを加速または減速するメッシュを少なくとも１枚備えていることを特徴とするインプットレンズ。
【請求項５】
請求項１に記載された球面収差補正静電型レンズ、あるいは請求項４に記載のインプットレンズを備えていることを特徴とする電子分光装置。
【請求項６】
請求項１に記載された球面収差補正静電型レンズ、あるいは請求項４に記載のインプットレンズを備えていることを特徴とする光電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項５に記載の電子分光装置および請求項６に記載の光電子顕微鏡の少なくとも一方を含むことを特徴とする測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は、ＸＰＳ（光電子分光装置）、ＡＥＳ（オージェ電子分光装置）などの電子分光装置や、ＰＥＥＭ（光電子顕微鏡）の初段インプットレンズに関する。
【背景技術】
【０００２】  従来の電子分光装置においては、エネルギーアナライザ（代表的には静電半球アナライザ）の入射部分にインプットレンズと呼ばれる静電レンズが用いられることが多い。インプットレンズの役目は、まず試料から放出される電子をできるだけ多く取り込み、その電子を減速させてからアナライザに入射させることで、エネルギー分解能を向上させることである。【０００３】  また、試料表面での電子の取り込みの視野を制限する機能を電子分光装置に持たせることもある。このような構成の電子分光装置においては、インプットレンズが試料からどれだけ大きな開き角の電子を取り込めるかで感度が決まる。また、結像機能を持つエネルギーアナライザでは、取り込み角度分布を結像することにより、光電子のエネルギーピークの角度依存性を同時に測定できる。その場合には取り込み角が９０度以上であれば、表面すれすれから垂直までの取り出し角依存性が一度に測定でき、元素の深さ依存性の測定を効率的に行うことができる。【０００４】  ところが通常の静電レンズでは、球面収差によって、大きな開き角のビームを一点に集束させることができない。具体的には、取り込み角は±２０°程度が限界である。【０００５】  また、通常の光電子顕微鏡においては試料から出る光電子や２次電子を加速して対物レンズに入射することによって大きな取り込み角を実現しているが、電子の出射エネルギーが大きくなると余り曲がらなくなるためにその取り込み角は小さくなることがある。具体的には、出射エネルギーが数百ｅＶの場合、取り込み角は３０度（±１５度）程度以下である。出射エネルギーを数百ｅＶ以上に設定した状態で広い立体角の測定ができると、光電子回折や光電子ホログラフィーといった原子配列構造解析が可能になるが、取り込み角が３０度程度以下だと原子配列構造解析には不十分である。【０００６】  また、電子レンズでは球面収差が必然的に発生するとともに、軸対称で空間電荷の存在しない通常のレンズ構成では、球面収差を０にできないことが証明されており、大きな取り込み角は実現できない。そこで、レンズの途中にメッシュ電極やフォイル電極を置くことで空間電荷を導入するのと等価な効果を持たせ、これによって球面収差を補正する試みが行なわれている。【０００７】  まずフォイルを用いる場合は、電子線がフォイルを通過できるように、電子のエネルギーをある程度高く設定する必要がある。このように電子のエネルギーを高く設定することは、透過電子顕微鏡などでは可能であるが、せいぜい数ｋｅＶまでのエネルギーを有する電子を測定対象とする電子分光装置では困難である。【０００８】  また、たとえ電子のエネルギーが高くても、電子の散乱、吸収を防ぐためにフォイルは十分薄い必要があるので、フォイルを曲面に整形するのが困難であるという問題がある。なお、平面状のフォイルによって最低次の３次球面収差を０にできるが、高次の球面収差まで打ち消すのは難しい。電子顕微鏡においては、もともと電子線の開き角をミリラジアンのオーダーまで絞って高分解能を得ているので、とりあえず３次の球面収差が補正できれば十分である。しかし電子分光で要求される数十度の開き角のビームに対しては、フォイルは球面収差を有効に補���する手段にはなりえない。【０００９】  上に述べたフォイルによる補正の問題点は、フォイルの代わりにメッシュを用いることで解決される。メッシュによれば、透過性の問題は無くなり、また曲面に整形するのもフォイルに比べれば楽である。従来は、たとえば特開平８−１１１１９９号公報（１９９６年４月３０日公開）に記載されているように、球面メッシュを用いることで感度を上げる試みが行なわれ（図８参照）、取り込み角は±３０°程度まで増加されていた。
【発明の開示】
【００１０】  本発明は、球面メッシュを用いる場合よりもさらに取り込み角を広げることを目的としている。
【００１１】  上記目的を達成するため、本発明の球面収差補正静電型レンズは、所定物面位置から一定の開き角をもって出た電子またはイオンビームに対して負の球面収差を有する拡大虚像を形成するように配置された、物面に対して凹面形状を有する光軸対称な回転楕円面又はそれに近い形状からなる単一のメッシュと、その像面側に光軸に同軸に配置され、前記拡大虚像の実像を形成し正の球面収差を生じる収束電場を形成する同心面からなる複数の電極とを備えていることを特徴とする。
【００１２】  より高い集束性を実現するためには、所定物面位置から一定の開き角をもって出た電子またはイオンビームに対して負の球面収差を有する拡大虚像を形成するように配置された、物面に対して凹面形状を有する光軸対称な回転楕円面又はそれに近い形状を基本形状とした単一のメッシュと、その像面側に光軸に同軸に配置され、前記拡大虚像の実像を形成し正の球面収差を生じる収束電場を形成する同心面からなる複数の電極とを備えている静電型レンズにおいて、前記メッシュの形状を微調整して、前記実像のボケを補正することが望ましい。
【００１３】  本発明の球面収差補正静電型レンズによれば、非球面メッシュを用いて球面収差を補正することにより、±６０°の取り込み角が実現される。レンズの感度は取り込み角の２乗に比例するので、このレンズを電子分光系のインプットレンズにおける初段部分に用いることによって、大幅な感度と機能の向上が見込まれる。
【００１４】  本発明のさらに他の目的、特徴、および優れた点は、以下に示す記載によって十分わかるであろう。また、本発明の利益は、添付図面を参照した次の説明で明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る球面収差補正静電型レンズの一実施形態を示す図である。
【図２（ａ）】本発明の一実施形態に係る球面収差補正静電型レンズの斜視図である。
【図２（ｂ）】本発明の一実施形態に係る球面収差補正静電型レンズの斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るレンズに関して、電子軌道計算をした結果を示す図である。
【図４】図３のレンズにおけるメッシュの形状の近似式を説明するための図である。
【図５】本願発明に係る球面収差補正静電型レンズにおいて、メッシュが有する楕円率と、フォーカス時における像のボケの大きさとの関係を示すグラフである。
【図６】本願発明に係る球面収差補正静電型レンズを適用した電子分光装置の構成例を示す図である。
【図７】本願発明に係る球面収差補正静電型レンズを適用した光電子顕微鏡の構成例を示す図である。
【図８】従来の球面メッシュを有する球面収差補正静電型レンズの断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】  〔１．本願発明の球面収差補正静電型レンズに関して〕
本発明の球面収差補正静電型レンズの一実施形態を図１に示す。このレンズは、所定物面位置から一定の開き角をもって出た電子またはイオンビームに対して負の球面収差を有する拡大虚像を形成するように配置された物面に対して凹面形状を有する光軸対称な回転楕円面又はそれに近い形状を有するメッシュＭと、光軸を中心軸とする回転体面であり拡大虚像の実像を形成し正の球面収差を生じる収束電場を形成する同心面からなる複数の電極ＥＬ１〜ＥＬｎと、各電極に任意の電圧を印加するための電源（図示せず）とにより構成されている。ここで、メッシュＭは、第１電極ＥＬ１に一体的に取り付けられ、第１電極ＥＬ１と同じ電位が与えられる。【００１７】  図２（ａ）および図２（ｂ）は、本願発明の一実施形態に係る球面収差補正静電型レンズの斜視図である。なお、図２（ａ）は、メッシュが突出する方向から本発明の一実施形態に係る球面収差補正静電型レンズを見た斜視図であり、図２（ｂ）は、メッシュが突出する方向と逆方向から本発明の一実施形態に係る球面収差補正静電型レンズを見た斜視図である。【００１８】  図１、図２（ａ）、および図２（ｂ）に示すように、本実施形態の球面収差補正静電型レンズは、メッシュＭと、同心円からなる電極ＥＬ１〜ＥＬｎとから構成されている。なお、図２（ａ）および図２（ｂ）においてメッシュＭと電極ＥＬ１とに同一のハッチングが付されているのは、これらの部材が同電位にあることを示している。【００１９】  同心円の電極ＥＬ２〜ＥＬｎとして、磁場レンズを用いることも可能である。磁場レンズを用いることは、電極からの放電を防止できるという点で有利である。【００２０】  図１に示すレンズが球面収差を補正する原理は以下のとおりである。すなわち、メッシュＭの周りにできる電場により局所的な負の球面収差を生成し、それを収束電場により生成される正の球面収差で打ち消すことにより、像面ＰＩでボケが補正された拡大像を作ることである。【００２１】  なお、上述したとおり、取り込み角が±３０°程度以上になると球面のメッシュで補正することは困難になる。そこで、本発明は回転楕円面又はそれに近い形状のメッシュを用いることで、非常に大きな取り込み角を実現している。また、出射角が±３０°程度までのビームに対しては、球面のメッシュを用いて比較的理想に近い電場を与えることができるが、このような電場を出射角が±３０°程度以上のビームに対して適用すると、理想的な電場からのズレが顕著になり中心軸方向に過大な作用が生じ、大きな球面収差をもたらす結果となる。【００２２】  この問題を解決するには、比較的小さい出射角をもつビームに対して、相対的に見て中心軸方向の力が増大するように電場を整形すればよい。そのためには、メッシュの形状は、球面ではなく、光軸方向に長軸をもつ回転楕円面又はそれに近い形状とすればよい。【００２３】  メッシュを球面ではなく楕円面にする理由は以下のとおりである。まず取り込み角を増やすための前提として、メッシュの形状にかかわらず、物面における電子光源から見たメッシュ全体の見込み角が大きくなければならない。もしメッシュが球面の場合、メッシュの見込み角を大きく取るには、電子光源を球面の曲率中心付近まで近���ける必要がある。しかし、これは電子がメッシュを通過する際の電子軌道とメッシュ面とのなす角が直角に近いことを意味する。【００２４】  そのため、電子がメッシュを通過する際の屈折作用はほとんど得られなくなり、レンズに必要とされる集束作用を得ることが困難となる。そこで、メッシュ面を通過する際の屈折作用を増加させるために、中心軸に対してより曲率の大きい、光軸方向に長軸をもつ楕円面とするのである。【００２５】  また、図１に示す球面収差補正静電型レンズにおいて、メッシュＭ及び電極ＥＬ１〜ＥＬｎの形状や配置、及びそれらにかける電圧は、メッシュ周辺で発生した負の球面収差を収束電場により生じる正の球面収差で相殺するように決定すればよい。また、電極の数は設計に応じて変化してよい。【００２６】  図３は、本発明の一実施形態に係るレンズに関して、電子軌道計算をした結果を示す図である。なお、図３のレンズは、メッシュＭと、その近傍から配置された多分割電極ＥＬ１〜ＥＬ９で構成されている。また、第１電極ＥＬ１と、最も端にある電極ＥＬ９とにはアースポテンシャルが与えられている。このレンズによって、取り込み角±６０°が実現される。なお、図３においては９つの電極を用いるレンズを示したが、電極の数は８以下又は１０以上であってもよい。また、第１電極ＥＬ１と、最も端にある電極ＥＬ９のポテンシャルはアースポテンシャル以外でも良い。特に、第１電極ＥＬ１のポテンシャルを正にすることにより、小さなメッシュで広い範囲の電子を取り込むことができる。【００２７】  メッシュ形状は、正確に回転楕円面として与えられる形状では球面収差を完全に取り除くことはできず、物面から像面までの距離を５００ｍｍとしたとき、集束点で１ｍｍ程度のボケが生じる。なお、通常の電子分光においては、アナライザ入り口に数ｍｍ幅のスリットが置かれるので、この程度までボケが抑えられれば十分である。【００２８】  しかしながら球面収差を厳密に０にする必要がある場合、回転楕円面として与えられるメッシュの形状をさらに微調整すればよい。この場合、メッシュの形状は、多項式展開により表現するか、あるいは数値的に表現する必要がある。図３はこのような微調整を行った後の電子軌道を示している。【００２９】  具体的には、図３の球面収差補正静電型レンズに用いたメッシュの形状は、近似的に以下の式で表現される（図４参照）。
【数１】
0004802340.tif 000002
【００３０】  ここで、楕円の長軸半径Ａは８３．９２８ｍｍ、短軸半径Ｂは５０．８２６ｍｍ、物面上の原点Ｏから楕円の中心Ｏｏｖまでの距離ｚ０は、４９．８２８ｍｍである。また、物面からメッシュまでの距離ｚ１は１７．４１６ｍｍとした。【００３１】  そして、メッシュ形状の微調整は、以下の式で微調整後のメッシュ形状に係る楕円からの変化量ΔＲ（θ）を定義し、パラメータａ０，ａ１〜ａｎを、球面収差が最小になるように最適化することで行った。
【数２】
0004802340.tif 000003
【００３２】  なお、変化量ΔＲ（θ）は、物面上の原点Ｏを中心とする極座標を（Ｒ，θ）として表現した場合における、原点Ｏから楕円までの距離Ｒに対して微調整後のメッシュ形状が変位する量である。このように最適化した結果得られたパラメータ値を表１に示す。
【表１】
0004802340.tif 000004
【００３３】  また、好適な取り込み角、たとえば±６０°を実現する場合に、メッシュの楕円率（数１におけるＡ／Ｂの値）をどのように設定すべきかをシミュレーションしたので、その結果を以下に記載する。【００３４】  実際には、メッシュの形を最適化する際、楕円率に加え、楕円中心とメッシュ開口部の位置、すなわち、ｚ０およびｚ１（図４参照）の値が重要になる。しかし、以下に示す結果においては、楕円率変化の効果のみを見るために、楕円中心とメッシュ開口部の位置は、それぞれ、ｚ０＝４６．９３３ｍｍ、ｚ１＝２１．３３３ｍｍに固定した。【００３５】  図５は、本願発明に係る球面収差補正静電型レンズにおいて、メッシュが有する楕円率（数１におけるＡ／Ｂの値）と、フォーカス時における像のボケの大きさとの関係を示すグラフである。なお、図５に示すフォーカス時のボケの大きさをシミュレーションする際、球面収差補正静電型レンズの取り込み角は６０°に設定した。【００３６】  図５に示すように、Ａ／Ｂの値が１から増えていくに従って、フォーカス時のボケの大きさが減少し、楕円率が１．８程度の値になる際に、フォーカス時のボケの大きさが０近傍の値となる。【００３７】  これは、Ａ／Ｂが１の場合、すなわちメッシュ形状が円形となる場合においては球面収差を補正できず、Ａ／Ｂの値を大きくしてメッシュ形状を楕円形としていくことにより、効率的に球面収差を補正できていることを示している。そして、球面収差補正静電型レンズの取り込み角を６０°に設定した場合に、Ａ／Ｂの値を１．８程度の値とすれば、球面収差を最も効率よく補正できるといえる。【００３８】  〔２．本願発明の球面収差補正静電型レンズを適用可能な装置〕
本願発明に係る球面収差補正静電型レンズは、たとえば電子分光装置や光電子顕微鏡のような種々の荷電粒子光学装置に用いることができる。以下、本願発明に係る球面収差補正静電型レンズを適用した、電子分光装置および光電子顕微鏡の構成について説明する。【００３９】  図６は、本願発明に係る球面収差補正静電型レンズを適用した電子分光装置の構成例を示す図である。図６に示すように、電子分光装置１は、本願発明に係る球面収差補正静電型レンズ２と、電子エネルギー分析器３とを備えている。【００４０】  上記構成の電子分光装置１は、本願発明に係る球面収差補正静電型レンズ２を備えているので、試料から検出される光電子を感度良く検出することができる。よって、電子分光装置１を用いることにより、試料を詳細に分析することができる。【００４１】  図７は、本願発明に係る球面収差補正静電型レンズを適用した光電子顕微鏡の構成例を示す図である。図７に示すように、光電子顕微鏡１０は、本願発明に係る球面収差補正静電型レンズ２と、中間レンズ１１と、電子エネルギー分析器３と、投射レンズ１２と、スクリーン１３とを備えている。【００４２】  上記構成の光電子顕微鏡１０は、本願発明に係る球面収差補正静電型レンズ２を備えているので、試料から検出される光電子を感度良く検出することができる。よって、光電子顕微鏡１０を用いることにより、試料を詳細に分析することができる。【００４３】  なお、本願発明の球面収差補正静電型レンズは、同レンズを搭載した電子分光装置や球面収差補正静電型レンズを包含する測定システムにも適用することができる。このような測定システムによれば、本願発明の球面収差補正静電型レンズが設けられているので、より詳細に測定対象物を分析することができる。【００４４】  尚、発明を実施するための最良の形態の項においてなした具体的な実施態様または実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と特許請求の範囲内で、いろいろと変更して実施することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００４５】  本発明の球面収差補正静電型レンズによれば、球面メッシュを用いる場合よりもさらに取り込み角を広げることが可能となる。したがって、本発明に係る球面収差補正静電型レンズを、電子分光装置や光電子顕微鏡等の電子分光系のインプットレンズにおける初段部分に用いることによって、大幅な感度と機能の向上が見込まれる。さらに、上記インプットレンズを電子またはイオンを加減速するメッシュを含めた構成で用いることにより、メッシュ透過後の光電子のエネルギーを任意に設定できるので、フォーカスし易くなるだけでなく、低いエネルギーの光電子も測定することができる。
【図１】
0004802340.tif 000006
【図２（ａ）】
0004802340.tif 000007
【図２（ｂ）】
0004802340.tif 000008
【図３】
0004802340.tif 000009
【図４】
0004802340.tif 000010
【図５】
0004802340.tif 000011
【図６】
0004802340.tif 000012
【図７】
0004802340.tif 000013
【図８】
0004802340.tif 000014