(57)【要約】【課題】  収差除去を行って分解能を向上させ、化学結合がわかる強度が大きな信号源を選択した新しい顕微鏡を提供する。【解決手段】  角度変調部１５により、電磁波の波長を、試料の吸収端の化学情報を有する特定波長に固定するとともに、焦点位置変調部１６により、結像光学系１３の焦点位置を高速に変化させ、当該結像光学系１３の球面収差と色収差の影響を除去する。これにより得られる画像情報は収差が除去されており、当該画像情報に含まれるＸ線吸収微細構造（ＸＡＦＳ）を画像処理部１８により解析することにより、試料表面の化学的な結合状態の情報を得る。これによりほぼ無収差でかつ分解能が向上した画像を得ることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光波を含む短波長の電磁波を励起光源として、観察対象とする試料表面から真空中に放出された光電子、２次電子もしくは２次イオンを結像させる電子・２次イオン顕微鏡装置において、
(a) 上記光電子、２次電子もしくは２次イオンを結像させる結像光学系と、
(b) 電磁波の波長を、上記試料の化学情報を有するＸ線吸収微細構造（ＸＡＦＳ）の特定波長に固定する波長固定化手段と、
(c) 前記結像光学系の球面収差および色収差の影響除去を行う収差除去機構とを備えていることを特徴とする電子・２次イオン顕微鏡。
【請求項２】
上記(c) 収差除去機構は、当該結像光学系の焦点位置を高速に変化させ、画像を積算・蓄積する画像検知手段と、中・高域空間波長強調フィルターと、上記結像光学系の球面収差と色収差の影響を除去する焦点位置変化手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電子・２次イオン顕微鏡。
【請求項３】
上記(c) 収差除去機構は、電子光学系の電子軌道を修正することにより、球面収差と色収差の影響を除去する手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電子・２次イオン顕微鏡。
【請求項４】
上記(b) 波長固定化手段は、吸収端のピークとバックグランドとの差分から試料のＸ線吸収微細構造（ＸＡＦＳ）を得て、化学情報を得ることを特徴とする請求項１に記載の電子・２次イオン顕微鏡。
【請求項５】
上記(b) 波長固定化手段にて得るＸＡＦＳは、Ｘ線吸収端微細構造（ＸＡＮＥＳあるいはＮＥＸＡＦＳ）であることを特徴とする請求項１に記載の電子・２次イオン顕微鏡。
【請求項６】
上記(a) 波長固定化手段は、結合の違いによる２箇所以上のＸＡＮＥＳあるいはＮＥＸＡＦＳの強度に対応する波長位置を掃引して像を得る化学結合地図を描くことを特徴とする請求項１に記載の電子・２次イオン顕微鏡。
【請求項７】
上記励起光源としては、高輝度の光源、またはそれと同等の高輝度光源から入射する光波が用いられることを特徴とする請求項１に記載の電子・２次イオン顕微鏡。
【請求項８】
上記励起光源から発せられる高輝度の光源は放射光であることを特徴とする請求項７に記載の電子・２次イオン顕微鏡。
【請求項９】
上記２次電子にはオージェ電子が含まれることを特徴とする請求項１に記載の電子・２次イオン顕微鏡。
【請求項１０】
さらに、像を観察するスクリーン手段と、結像光学系とスクリーン手段との間に設けられるエネルギー分析手段とを備えていることを特徴とする請求項１に記載する電子・２次イオン顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光波を含む短波長の高輝度電磁波や電子線または荷電粒子線を例起源とし観察試料に照射して試料から放出される光電子、２次電子（オージェ電子を含む）または２次イオンと結像光学系とを通して観察試料を観察する電子・２次イオン顕微鏡（例えば、光電子顕微鏡など）に関するものであり、Ｘ線吸収微細構造（ＸＡＦＳ、特にＸＡＮＥＳあるいはＮＥＸＡＦＳ）を用いて信号強度を増加させ、結像光学系の球面収差や色収差を除去することにより分解能を向上させる電子・2次イオン顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、試料の極微細な形態などを観察する表面ナノキャラクタリゼーションのために、種々の顕微鏡や解析方法が開発されている。その代表的なものとしては、例えば、図７に示すように、主に試料の形態を観察・評価し解析するために用いられる走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）および走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）、また、主に元素分析に用いられる走査型オージェ電子顕微鏡（ＡＥＭ）、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）および分析電子顕微鏡、また、主に結晶構造解析に用いられる透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、そして、物質の電子状態の解析に用いられるＸ線光電子分光法（ＸＰＳ）、走査型光電子顕微鏡、放射光光電子顕微鏡などが挙げられる。なお、走査型光電子顕微鏡、放射光光電子顕微鏡などは、２次イオン顕微鏡の一形態である。
【０００３】
これら顕微鏡等の解析スケール（分解能）は、図７の横軸に示すように、ＳＥＭでは数ｎｍ程度、ＳＰＭでは１ｎｍ〜０．１ｎｍ程度である。また、ＡＥＭおよびＳＩＭＳでは、数十ｎｍ〜１０ｎｍ程度、分析電子顕微鏡では数ｎｍである。また、ＴＥＭは、ＳＥＭや分析電顕と同様に、数ｎｍ程度である。
【０００４】
しかし、ＸＰＳの解析スケールは１０μｍ前後、走査型光電子顕微鏡では数百ｎｍ程度、放射光光電子顕微鏡でも数十ｎｍ程度というように、物質の電子状態を解析するための電子・２次イオン顕微鏡（光電子顕微鏡を含む）では、その分解能は通常の電子顕微鏡に比べて明らかに落ちる。その一方、電子・２次イオン顕微鏡は、表面敏感性が高いので、ナノマテリアルの電子状態を観測するのに有用である。
【０００５】
ここで、従来から結像光学系の球面収差や色収差を除去することにより、結像光学装置の解像力を高める、すなわち高分解能化できることが知られている。例えば、特許文献１や非特許文献１、２には、実時間焦点位置変調球面収差除去法（実時間球面収差補正手法）を利用して球面収差や色収差の無い高分解能な観察像を取得する結像光学装置が開示されている。これによれば、結像光学系に含まれる球面収差（回転不変型波面収差）と色収差の影響が除去され、解像力の高い像が再生できる電子顕微鏡などを開発することができる。その結果、無収差電子顕微鏡像を観察して、球面収差によるアーティファクトを除去した原子像を得ることに成功している。また、非特許文献３・４には電子光学系の電子の軌道を調整することにより球面収差や色収差が除去できることが記されている。
【０００６】
ところで、像を投影するタイプの電子顕微鏡の一つとして、低エネルギー電子顕微鏡（ＬＥＥＭ）および光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）が知られている。ＬＥＥＭおよびＰＥＥＭは、何れも低エネルギー領域の電子像を得ることができる電子顕微鏡であり、その基本的な構成は同様となっているため、これらを兼用した複合型の装置も開発されている。
【０００７】
ＬＥＥＭおよびＰＥＥＭについて具体的に説明する。まず、電子銃から出射した電子線を偏向磁石（偏向手段）により加速して試料に垂直に入射させる。このとき、入射した電子は試料の直前で急激に減速される。入射した電子は試料と相互作用を行い弾性散乱されて反射電子線として試料から出射され、加速電場により急激に加速される。加速された反射電子線は、対物レンズ（対物光学系）、偏向磁石、イメージングレンズ（像形成光学系）により、偏向・拡大されて電子像をなし、この電子像は増幅されて蛍光板（スクリーン手段）上に結像される。このとき、電子顕微鏡と同じように（００）スポットの反射電子線を拡大する明視野像、または回折スポットを拡大する暗視野像を得ることができる。この像がＬＥＥＭ像である。
【０００８】
一方、上記構成において、入射電子線の代わりに光子（フォトン）を試料に入射させた場合には、光電子像を結像することができる。この像がＰＥＥＭ像である。
【０００９】
ＬＥＥＭおよびＰＥＥＭには、（１）投影型の電子顕微鏡である、（２）得られる像に寸詰まりがない（試料に対し垂直に放出された電子を使用するため）、（３）平均自由行程が短い低エネルギー電子を使用するため、表面付近の情報を得ることができる、（４）表面の現象を実時間（ビデオレート）で観察することができる、（５）高温（１７７０Ｋ程度）から低温（液体窒素温度）までの試料を容易に実時間観察することができる、等の特徴や利点を有する。
【００１０】
特に、ＰＥＥＭについては、（１）放射光等の高輝度の光源を用いると、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）の高分解能像が得られる、（２）放射光の円偏光を利用してＸ線時期円二色性（ＸＭＣＤ）を使うと磁区構造を観察することができ、磁気モーメントを電子スピンと気道角運動量とに分けて得ることができる、等の特徴や利点を有する。
【００１１】
ＬＥＥＭおよびＰＥＥＭに関しては、例えば、本発明者らにより著された非特許文献５・６等の総説がある。
【特許文献１】特開２００３−１３１１３８（公開日：平成１５年５月８日）
【非特許文献１】T. Ikuta：J. Electron Microsc. 38, 415（１９８９）
【非特許文献２】Y. Takai et al.：J. Electron Microsc. 48, 879（１９９９）
【非特許文献３】H.Rose, P.Hartel and D.Preikszas, Proc. of 3rd International Symposium on Atomic Level Characterizations for New Materials and Devices, (Japan Society for the Promotion of Science 141 Committee, Nov. 2001) pp 161-166
【非特許文献４】D. Preikszas and H. Rose, J. Electron Microscopy, Vol. 46, 1-9 (1997)
【非特許文献５】越川孝範：表面科学  Vol.23, No.5, 262-270（２００２）
【非特許文献６】越川孝範、安江常夫：まてりあ  第４１号、第１２号、特集「各種顕微鏡法による先端材料評価最前線」別冊  884-885（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、電子顕微鏡に利用した上記実時間焦点位置変調球面収差除去法は、そのままＰＥＥＭに利用することはできず、それゆえ、ＰＥＥＭにおいて分解能を十分に向上させることは困難となっている。
【００１３】
具体的には、ＰＥＥＭでは、一般的な電子顕微鏡とは異なり、光子を試料に照射して、内殻励起により放出される光電子を結像させる。ここで、この内殻励起に使われる電磁波（放射光）の励起断面積が小さい状態にあれば、上記光電子の信号強度は弱くなる。そのため、得られる光電子像から実時間で球面収差・色収差除去を行い、光電子顕微鏡の分解能を向上させようとすると、非常に強い電磁波（放射光）を使用する必要が生じる。ところが、用いる放射光の強度には限界があるため、十分な信号強度を有する光電子を得ることは困難となっている。
【００１４】
このような理由から、ＰＥＥＭにおいて球面収差・色収差を除去する場合には、上記実時間焦点位置変調球面収差除去法をそのまま適用することができない。それゆえ、この手法を用いてＰＥＥＭの分解能を向上させることは困難となっている。
【００１５】
しかし、球面収差や色収差を除去する手段を講じて得た像において、高速の信号取得を行おうとする場合、信号強度が充分ではなく、高速の信号取得を困難にさせている。一方現在広く用いられている放射光は高輝度励起光を提供する画期的な光源として注目を浴びている。しかし、この光源をもってしてもまだ輝度が充分ではない。かつ、化学結合がわかることは非常に重要な課題となっている。これらの多くの要求を満たす顕微鏡が待望されている。
【００１６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は収差除去を行って分解能を向上させ、化学結合がわかる強度が大きな信号源を選択した新しい顕微鏡を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明者らは、上記の問題に鑑み鋭意検討した結果、光電子顕微鏡等の球面収差と色収差を除去する手法とＸ 線吸収微細構造（ＸＡＦＳ、特にＸＡＮＥＳあるいはＮＥＸＡＦＳ）において低エネルギーの光電子や２次電子（試料電流を使うことも同じ効果をもたらす）を使うことにより信号強度を増加させる手法を同時に利用することにより、高分解能かつ化学結合の情報を持った信号強度が高い像を実時間に近いイメージングが出来ることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１８】
つまり、信号源として低エネルギーの光電子、２次電子を用いると光波によって励起された電子が他の電子をカスケード的に励起して圧倒的に多くの電子を生じさせるため、信号強度が飛躍的に増加する。モンテカルロ法を利用したコンピュータシミュレーションによると、エネルギーや物質の種類により異なるが、約一万倍程度の強度の増加が期待されることが示されている。このような光電子、２次電子を励起する光波のエネルギーをX線吸収微細構造（ＸＡＦＳ、特にＸＡＮＥＳあるいはＮＥＸＡＦＳ）が得られる波長に固定すると化学結合の情報をあたえる。このようにして、球面収差と色収差を除去する手法で分解能を向上させて、低エネルギーの光電子や２次電子を使用して信号強度を増加させ、かつ化学結合の情報が得られる手法を組み合わせると、新しい高分解能で信号強度が高い化学結合がわかる顕微鏡が得られることになる。
【００１９】
すなわち、本発明は、産業上有用な電子・２次イオン顕微鏡装置として、下記１）〜１０）の発明を含むものである。
【００２０】
１）光波を含む短波長の電磁波を励起光源として、観察対象とする試料表面から真空中に放出された光電子、２次電子もしくは２次イオンを結像させる電子・２次イオン顕微鏡装置において、(a) 上記光電子、２次電子もしくは２次イオンを結像させる結像光学系と、(b) 電磁波の波長を、上記試料の化学情報を有するＸ線吸収微細構造（ＸＡＦＳ）の特定波長に固定する波長固定化手段と、(c) 前記結像光学系の球面収差および色収差の影響除去を行う収差除去機構とを備えている電子・２次イオン顕微鏡。
【００２１】
２）上記(c) 収差除去機構は、当該結像光学系の焦点位置を高速に変化させ、画像を積算・蓄積する画像検知手段と、中・高域空間波長強調フィルターと、上記結像光学系の球面収差と色収差の影響を除去する焦点位置変化（変調）手段とを備えている１）に記載の電子・２次イオン顕微鏡。
【００２２】
３）上記(c) 収差除去機構は、電子光学系の電子軌道を修正することにより、球面収差と色収差の影響を除去する手段を備えている１）に記載の電子・２次イオン顕微鏡。
【００２３】
４）上記(b) 波長固定化手段は、吸収端のピークとバックグランドとの差分から試料のＸ線吸収微細構造（ＸＡＦＳ）を得て、化学情報を得る１）に記載の電子・２次イオン顕微鏡。
【００２４】
５）上記(b) 波長固定化手段にて得るＸＡＦＳは、Ｘ線吸収端微細構造（ＸＡＮＥＳあるいはＮＥＸＡＦＳ）である１）に記載の電子・２次イオン顕微鏡。
【００２５】
６）上記(a) 波長固定化手段は、結合の違いによる２箇所以上のＸＡＮＥＳあるいはＮＥＸＡＦＳの強度に対応する波長位置を掃引して像を得る化学結合地図を描く１）に記載の電子・２次イオン顕微鏡。
【００２６】
７）上記励起光源としては、高輝度の光源、またはそれと同等の高輝度光源から入射する光波が用いられる１）に記載の電子・２次イオン顕微鏡。
【００２７】
８）上記励起光源から発せられる高輝度の光源は放射光である７）に記載の電子・２次イオン顕微鏡。
【００２８】
９）上記２次電子にはオージェ電子が含まれる１）に記載の電子・２次イオン顕微鏡。
【００２９】
１０）さらに、像を観察するスクリーン手段と、結像光学系とスクリーン手段との間に設けられるエネルギー分析手段とを備えている１）に記載する電子・２次イオン顕微鏡。
【発明の効果】
【００３０】
本発明にかかる電子・２次イオン顕微鏡装置は、上記のように、球面収差・色収差の除去とＸＡＦＳによる解析とを組み合わせて用いている。そのため、球面収差と色収差とを同時に除去することができるだけでなく、ＸＡＦＳを利用することにより放射光等の励起光源の強度不足を改善することができる。また、ＸＡＦＳ、特にＸＡＮＥＳあるいはＮＥＸＡＦＳを利用するため、試料表面の化学的な結合状態の情報を得るだけでなく、用いられる放射光の波長変調も利用することができる。
【００３１】
それゆえ、本発明にかかる電子・２次イオン顕微鏡装置は、ほぼ無収差で分解能をより一層向上させたイメージングを、実時間に近い状態で実現することが可能となるとともに、分解能をより一層向上させることが可能となるという効果を奏する。
【００３２】
さらに、電子・２次イオン顕微鏡の一例である光電子顕微鏡は、前述したように低エネルギー電子顕微鏡と基本的な構成が同様となっているため、これらを兼用した複合型の装置も開発されているが、本発明はこのような複合型の装置にも適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明の一実施形態について図１ないし図６、並びに図８ないし図１５に基づいて説明すると以下の通りであるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００３４】
本実施の形態では、本発明で用いられる「焦点位置変調球面収差除去法」およびＸＡＦＳの概要について説明し、その後、本発明にかかる電子・２次イオン顕微鏡装置の一例としての光電子顕微鏡、並びに、他の例としての光電子顕微鏡および低エネルギー電子顕微鏡の機能を兼ね備えた電子顕微鏡を詳細に説明する。
【００３５】
（１）「焦点位置変調球面収差除去法」およびＸＡＦＳについて
＜焦点位置変調球面収差除去法＞
まず、本発明の基礎となる原理である「焦点位置変調球面収差除去法」について図８〜図１５に基づいて説明する。「焦点位置変調球面収差除去法」は、まず、回転不変型の波面収差関数をもつ主・高次球面収差の影響除去を図る。このためにホイスラー式の焦点深度拡大法を利用する。以下焦点はずれ量移動平均法による焦点深度拡大処理と無収差情報抽出の原理を光学の立場で説明する。
【００３６】
まず、自己発光体（光電子含む）の結像と球面収差の影響を示す。図８には試料１上の１点から発せられた光波もしくは電子波、イオンに対する物質波が、凸レンズ２で描かれる結像光学系を通り、後側焦点面（結像面）３に達する様子を、幾何光学と波面光学の両面から示した。
【００３７】
前述したように、試料１上の異なった点から発せられた光波は干渉しない。同一点から発せられた光波のみが干渉に寄与する。波面光学では点状試料から発せられる球面波を、各方向に進行する平面波の集まりと捉える。結像光学系は瞳（入射瞳）に入射したこれらの平面波の向きを変え、後側焦点位置に集める役目を果たす。
【００３８】
図９に示す無収差光学系では後側焦点位置４でこれらの平面波の位相が一致して、小さいスポットが形成される。一方、図１０に示す球面収差のある光学系では、光軸と平面波進行方向のなす角度の４乗に比例して平面波の位相が変化する（波面が移動する）。この結果、後側焦点位置４でこれらの平面波の位相が一致せず、大きいスポットになる。
【００３９】
以上の状況を進行方向の異なった２平面波の組に限定して考察する。現実の結像はこれら異なった多数の平面波の組によって生じた干渉縞の寄せ集めで記述できる。
【００４０】
図１１には点状試料から発せられ、結像光学系５を通過した２平面波が後側焦点位置（焦点面）６周囲に作る３次元干渉縞７を示した。波面は光速で移動するが、３次元干渉縞７は移動しないことに注意されたい。２平面波の進行方向が光軸８に対し同じ角度になる場合、図１１に示すように３次元干渉縞７は光軸８に対し並行になる。
【００４１】
一方、図１２には２平面波の進行方向が光軸８に対し同じでより大きな角度になる場合を示した。このように焦点面６で見た干渉縞間隔は２平面波進行方向のなす角度にほぼ反比例する。
【００４２】
さて、図１１及び図１２に示すように、球面収差が無ければ干渉縞の峰（強度が強い）の一つが後側焦点の原点位置に位置する。かつ、２平面波の進行方向が光軸に対し同じ角度になる場合、焦点位置を変えた時、観察される干渉縞は不動である。
【００４３】
一方、図１３に示すように、光軸８と２平面波進行方向のなす角度が異なると、焦点位置６を変えた時、干渉縞は移動するように観察される。このように、２平面波進行方向のなす角度が等しい場合のみ焦点位置６を変えても、観察される干渉縞は不動になる。
【００４４】
球面収差があると２平面波の位相は、図１４に示すように、光軸８と平面波進行方向のなす角度の４乗に比例して変化する。これに伴い、３次元干渉縞７もこれら２平面波の位相ずれの差に比例して移動する。この結果、干渉縞の峰（強度が強い）が後側焦点の原点位置からずれてしまう。
【００４５】
しかし、図１５に示すように、２平面波進行方向のなす角度が等しい場合には２平面波の位相ずれの差が０になるので、無収差の場合と同様、干渉縞の峰（強度が強い）の一つが後側焦点の原点位置に位置する。また、この時、焦点位置６を変えても干渉縞は不動であるように観察される。このような光軸８に平行な３次元干渉縞７はすべて球面収差の影響を受けない。逆に考えると、焦点位置６を変えても不動であるように観察される干渉縞のみ、すなわち、焦点深度拡大された干渉縞のみを取り出せば、球面収差の影響を受けない無収差結像が実現できる。これが焦点深度拡大に基づく無収差結像法の原理である。
【００４６】
次に、ホイスラーが行った焦点深度拡大手法を説明する。まず、焦点位置を連続的に変化させ観察された画像を積算する（焦点移動平均法）。これにより焦点位置の変化で移動する干渉縞（光軸に並行でない３次元干渉縞）が大部分取り除かれ、焦点深度の深い像になる。本方法の原理によれば、これにより無収差結像が実現できる。ただし、焦点位置の変化に伴って移動する干渉縞が取り除かれてしまうのでそれらの寄与を補償するための中・高域強調が不可欠である。球面収差係数が大きい場合、無収差結像に必要な焦点移動距離は増大する。また、より大きな中・高域強調処理が必要になる。
【００４７】
一方、結像光学系に含まれる色収差について言えば、これは本質的に焦点移動平均と同じ作用を持つ。この無収差結像法では色収差を焦点移動平均の過程に取りこむことが可能で、実質的に色収差を除去、無視できる。色収差による焦点移動範囲が無収差結像に必要な焦点移動距離に近いか、あるいはそれを上回る場合、焦点移動平均はまったく不必要になる。
【００４８】
本球面収差除去法の特徴・利点としては、（ａ）焦点移動平均という極めて単純な操作で実現でき、実時間処理可能である。（ｂ）球面収差係数を知る必要が無い。（ｃ）電子光学系等で重要な色収差を、実質的に除去、無視できる。（ｄ）自己発光体（蛍光含む）の場合と同様の結像特性を示す、インコヒーレント照明下の透過・反射顕微鏡や暗視野照明顕微鏡にも光波（電磁波）・電子、荷電粒子ビーム・音波を問わず適用可能である。等が挙げられる。
【００４９】
なお、本方法はホイスラー式の焦点深度拡大法を利用するが、あくまでも結像光学系の球面・色面収差を処理の対象とするものであって、観察試料の深さ方向情報を集約して見せる焦点深度拡大処理とは適用方向がまったく異なり、違った応用分野に属するものである。
【００５０】
以上のような「焦点位置変調球面収差除去法」を利用して、無収差高分解能を実現した電子顕微鏡が開発されている（例えば、特許文献１等参照）。この焦点位置変調球面収差除去法を適用した電子顕微鏡では、電子顕微鏡内部にあるアパーチャ径がある程度大きくても球面収差を除去することができるため、分解能を上げることができるというメリットがある。しかし、上述したように、従来の電子顕微鏡と光電子顕微鏡とは結像メカニズムが異なるため、この手法をそのまま適用することはできない。
【００５１】
＜ＸＡＦＳ＞
Ｘ線回折は、ＣｕＫα線やＭｏＫα線などの特性Ｘ線を試料に照射して、回折Ｘ線のピークプロファイルを分析して結晶構造を求めるが、Ｘ線吸収分光（X-ray Absorption Spectroscopy）では、Ｘ線の吸収係数（吸光度）を、高いエネルギー分解能で測ることによって、物質の局所構造を求める。より具体的には、Ｘ線吸収分光は、照射されたＸ線が物質に吸収されて減衰することを利用する。
【００５２】
Ｘ線の吸収係数のスペクトルでは、図２に示すように、質量吸収係数μはＸ線の波長λの減少とともに減少するが、ある波長で急激に増大する個所がある。この不連続部を吸収端と称する。吸収端は、短波長側よりＫ吸収端（１個）、Ｌ吸収端（ＬI〜ＬIIIの３個）等と称する。
【００５３】
この吸収端をさらに詳細に分析すると、図３に示すように、吸収端で急激に吸収が立ち上がり、それより短い波長（高エネルギー）側に緩やかに減少する。吸収端近傍に現れる比較的鋭い吸収をＸ線吸収端微細構造（X-ray Absorption Near Edge Structure，ＸＡＮＥＳあるいはNear Edge X-ray Absorption Fine Structure，ＮＥＸＡＦＳ）と称し、ＸＡＮＥＳあるいはＮＥＸＡＦＳよりも高エネルギー側で、約1keVの広い領域に現れる周期的吸収を広域Ｘ線吸収微細構造（Extended X-ray Absorption Fine Structure，ＥＸＡＦＳ）と称する。この両者をあわせてＸ線吸収微細構造（X-ray Absorption Fine Structure，ＸＡＦＳ）と称する。
【００５４】
Ｘ線吸収スペクトルは、その物質の状態に固有であるため、スペクトルを比較しただけでも、試料の状態が判定できる。特にＸＡＮＥＳあるいはＮＥＸＡＦＳは、中心原子の電子構造や対称性を強く反映するので、原子の価数などの電子状態に関する情報が得られる。また、ＥＸＡＦＳは、Ｘ線を吸収する原子から周囲の原子までの距離とその原子数、後方散乱因子等に依存するため、吸収に寄与する原子とその周辺の散乱原子との間の構造に関する情報が得られる。このように、ＸＡＦＳは信号量が非常に多い。
【００５５】
本発明者らは、ＸＡＦＳにＸ線のエネルギーを合わせて、焦点位置変調球面収差除去法により球面収差・色収差を除去することにより、光電子顕微鏡において分解能を向上させた結像を得ることが可能であることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００５６】
（２）本発明にかかる電子・２次イオン顕微鏡装置の一例
本発明にかかる電子・２次イオン顕微鏡装置の一例として、光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）装置を挙げて説明する。ＰＥＥＭは、電磁波として放射光を用い、観察対象とする試料表面から真空中に放出された光電子を結像させるものであり、特に本発明では、前記実時間焦点位置変調球面収差除去法を適用し、かつ、光電子像を解析する際に、前記ＸＡＦＳのＸ線吸収端を利用して実時間に近いイメージングを可能とするものである。
【００５７】
＜ＰＥＥＭ装置の構成の一例＞
ここで、ＰＥＥＭにおいては球面収差と色収差を除去する手法をすべて使用することが出来るが、例として実時間焦点位置変調球面収差除去法を適用した場合につき述べる。
【００５８】
本実施の形態におけるＰＥＥＭ装置は、具体的には、例えば図１に示すように、本実施の形態における電子・２次イオン顕微鏡装置は、試料保持部（試料保持手段）１１、入射光学系１２、結像光学系１３、スクリーン（スクリーン手段）１４、角度変調部（波長固定化手段）１５、焦点位置変調部（焦点位置変化手段）１６、ＣＣＤカメラ（撮像手段）１７、画像処理部（画像処理手段）１８、制御部１９、モニター２０等を備えている。画像処理部１８には、画像積算器（画像検知手段）８１、実時間フーリエプロセッサ８２、および画像解析部（画像解析手段・吸収端解析手段）８３が含まれる。
【００５９】
なお、画像積算部（画像検知手段）８１と、焦点位置変調部（焦点位置変化手段）１６と、実時間フーリエプロセッサ８２とから収差除去機構が構成される。換言すれば、収差除去機構は画像積算部８１、実時間フーリエプロセッサ８２内に含まれる中・高域空間波長強調フィルター、焦点位置変調部１６を備えている。この収差除去機構は結像光学系１３の球面収差および色収差の影響除去を行う機構である。また、上記各手段・部材は、ＰＥＥＭ部分と制御・画像処理部分とに大別することができる。
【００６０】
上記試料保持部１１は、観察対象となる試料を保持するものであり、その具体的な構成は特に限定されるものではなく、従来のＰＥＥＭに用いられている構成を好適に用いることができる。
【００６１】
上記入射光学系１２は、放射光等の電磁波を上記試料保持部１１に入射させるものであり、その具体的な構成は特に限定されるものではない。本実施の形態では、図１に示すように、多層膜反射鏡２１およびアパーチャ２２を備える構成となっている。多層膜反射光２１は、図示しない放射光源から発せられる放射光を上記試料保持部１１側に反射・分光させるものであり、アパーチャ２２は反射された放射光の取り込み角度を制限する。
【００６２】
具体的には、励起光（放射光）が試料に照射される前に、一旦入射ビームを上記多層膜反射鏡２１のような分光器に対して照射するとともに、分光器の角度を実時間で変化（変調）することにより、入射ビームの波長を変化（変調）させる方法を挙げることができる。なお、励起光の波長を変化させる方法はこれに限られるものではなく、その他の従来公知の方法等を適宜利用して、励起光の波長を変化させることができる方法も本発明に含まれる。
【００６３】
上記多層膜反射鏡２１およびアパーチャ２２のより具体的な構成は特に限定されるものではなく、公知の構成を好適に用いることができる。なお、後述するように、多層膜反射鏡２１の角度は後述する角度変調部１５により制御されるようになっている。すなわち多層膜反射鏡２１はその角度が変化可能になっている。
【００６４】
本実施の形態では、光波を含む短波長の電磁波として励起光を用いている。この励起光としては、放射光のように非常に強力な光であることが好ましい。この「放射光」としては、例えば、シンクロトロン放射光施設SPring-8のビームラインから得られる放射光を挙げることができるが、これに限定されるものではない。また、本発明にかかる電子・２次イオン顕微鏡装置で用いられる電磁波は上記放射光等の励起光に限定されるものではなく、光波を含む短波長の電磁波であり、これを試料に照射することで、試料表面から光電子、２次電子もしくは２次イオンを放出できるようなものであればよい。
【００６５】
上記結像光学系１３は、試料表面から真空中に放出された光電子、２次電子もしくは２次イオンを結像させるものであり、本実施の形態では、励起光の入射により試料表面から放出される光電子をスクリーン１４上に結像させる。結像光学系１３のより具体的な構成は特に限定されるものではなく、例えば、図１では、対物レンズ３１、コンストラクトアパーチャ３２、投影レンズ３３等を備えている構成を挙げることができる。試料表面から得られた光電子は、対物レンズ３１により結像されることになるが、コントラストアパーチャ３２により取り込み角度が制限され、実時間フーリエプロセッサ８２に含まれる中・高域空間波長強調フィルターにより中・高空間波長が強調されて、投影レンズ３３で拡大投影されてスクリーン１４上に結像される。なお、コントラストアパーチャ３２および投影レンズ３３の間に、中間レンズを備えていてもよい。この場合、中間レンズにより投影レンズ３３の入り口に光電子を結像させ、投影レンズ３３により投影してもよい。結像光学系１３内を真空状態にする手法や構成も特に限定されるものではなく、公知の手法や構成を好適に用いることができる。
【００６６】
なお、後述するように、対物レンズ３１・投影レンズ３３に対しては、焦点位置変調部１６によって球面収差・色収差が除去されるようになっている。
【００６７】
上記スクリーン１４は、結像光学系による結像が投影されるものであり、その具体的な構成は特に限定されるものではなく、従来のＰＥＥＭ装置に用いられている構成を好適に用いることができる。本発明にかかる電子・２次イオン顕微鏡装置においては、上記試料保持台１２、結像光学系１３、スクリーン１４によりＰＥＥＭの基本構成が形成されることになる。
【００６８】
上記角度変調部１５は、放射光等の励起光（電磁波）の波長を、上記試料の吸収端の化学情報を有する特定波長に固定する波長固定化手段であり、本実施の形態では、入射光学系１２に含まれる多層膜反射鏡２１の角度を変化させる（すなわち放射光のエネルギーを変える）ことにより、試料に入射する励起光の波長を上記特定波長に固定するようになっている。角度変調部１５の具体的な構成は特に限定されるものではなく、後述する制御部１９から出力される同期信号により多層膜反射鏡２１の角度を変化できるような構成であればよい。また、波長固定化手段の具体的な構成は上記角度変調部１５に限定されるものではなく、例えば、電磁波の種類に応じて公知の適切な構成を選択することができる。
【００６９】
ここで、角度変調部１５では、上記多層膜反射鏡２１の角度を変化させる基準となる情報として、後述する画像処理部１８の解析・処理結果から得られる、試料のＸＡＮＥＳあるいはＮＥＸＡＦＳが用いられることが好ましい。ＸＡＮＥＳあるいはＮＥＸＡＦＳに基づいて入射光学系１２の動作を制御することにより、放射光の波長をより適切なものに制御することができる。
【００７０】
焦点位置変調部１６は、結像光学系１３の焦点位置を高速に変化させ、上記結像光学系の球面収差と色収差の影響を除去するものであり、具体的には、後述する制御部１９から出力される同期信号により光電子顕微鏡の対物レンズ３１および投影レンズ３３を変化（変調）させることにより、結像光学系の焦点位置を変化させる。光電子顕微鏡の対物レンズとしては、磁場型および電場型が存在するが、本発明ではこれら両方のタイプを対象とすることができる。
【００７１】
電場型の対物レンズを変化（変調）させる場合は、例えば、図４（ａ）の左側に示す図のように対物レンズを構成し、電場を変化（変調）させることができる電場型対物レンズ１０を作製することにより実現可能である。また、磁場型の対物レンズを変化（変調）させる場合は、例えば、図４（ａ）の右側に示す図のように対物レンズを構成し、磁場を変化（変調）させることができる磁場型対物レンズ１０を作製することにより実現可能である。なお、対物レンズを変化（変調）させる方法はこれらに限られるものではなく、その他の従来公知の方法等を適宜利用して、対物レンズを変化（変調）させることができる方法も本発明に含まれる。
【００７２】
このように光電子顕微鏡の対物レンズを変化（変調）させることにより、焦点位置が異なった像を高速で取得でき、その結果、結像光学系の焦点位置を変化させることができる。
【００７３】
また、光電子顕微鏡における焦点位置変化（変調）のその他の具体的手法としては、光電子顕微鏡における観察対象物（試料）位置を変化（変調）させることにより、結像光学系の焦点位置を変化させる方法を挙げることができる。試料の位置を変化（変調）させる具体的な方法としては、例えば、図４（ｂ）に示すように、励起光（ここでは放射光）３１が照射される試料１と対物レンズ１０との距離を変化（変調）させるように、すなわち、試料１と対物レンズ１０との距離が長くなるあるいは短くなる方向（図中、両方向矢印）に試料１の位置を移動させる方法が挙げられる。なお、試料位置を変化（変調）させる方法はこれに限られるものではなく、その他の従来公知の方法等を適宜利用して、試料位置を変化（変調）させることができる方法も本発明に含まれる。
【００７４】
このように本発明では、実時間焦点位置変調球面収差除去法を採用することで、球面収差・色収差を除去する。その結果、無収差の結像を得ることができるので、この結像を解析すれば、球面収差によるアーティファクトを除去したイメージングを行うことが可能となる。
【００７５】
ＣＣＤカメラ１７は、スクリーン１４上に結像された光電子像を撮像し、画像データとして画像処理部１８に出力するものである。スクリーン１４上の結像を撮像する撮像手段としては、上記ＣＣＤカメラ１７に限定されるものではなく、公知の画像入力装置を用いることができる。
【００７６】
画像処理部１８は、ＣＣＤカメラ１７から得られた画像データを解析し、モニター２０で表示するための表示用情報を生成したり、制御部１９における制御に利用するための制御データを生成したりするものである。上述したように、本実施の形態における画像処理部１８は、画像積算器８１、実時間フーリエプロセッサ８２、および画像解析部８３を含んでいる。
【００７７】
画像積算器８１は、結像面の画像を積算・蓄積する画像検知手段であり、ＣＣＤカメラ１７により撮像された画像データを積算・蓄積して実時間フーリエプロセッサ８２に出力する。実時間フーリエプロセッサ８２は、画像積算器８１から得られた画像データに対して、フーリエ変換処理と中・高空間波長強調処理とを行う。この中・高空間波長強調処理により、ソフトウェア的に上述した中・高空間波長強調フィルターが加えられることになる。この画像データは、さらに画像解析部８３により画像解析が行われ、モニター２０に出力される。
【００７８】
ＣＣＤカメラ１７で撮像され画像積算器８１に入力される画像データは、焦点位置変調部１６によって結像光学系１３の球面収差・色収差が除去されたものとなっているが、画像解析部８３は、この収差除去後の画像情報に含まれるＸＡＦＳを解析することにより、試料表面の化学的な結合状態の情報を得る吸収端解析手段となっている。これにより実時間に近いイメージングが可能となるだけでなく、ＸＡＦＳにより得られる信号量が４桁程度増加させることができるため、高速の像取り込みが可能になる。
【００７９】
励起光源として放射光を用いた場合、内殻電子レベルから得られた光電子の信号強度は、励起に使う電磁波の励起断面積が小さいために、信号強度が弱くなる。そのため、放射光等の励起光を用いた場合、電子・２次イオン顕微鏡装置では、実時間で球面収差・色収差除去を行い、光電子顕微鏡の分解能を向上させようとすると、非常に強い電磁波を使用する必要がある。しかしながら、放射光といえども現在の技術では得られる強度に限界がある。そこで、本発明では、ＸＡＦＳを利用することで、化学結合の情報を含む高分解能の像を得ることができるので、球面収差・色収差を除去できるとともに高速度かつ高分解能の光電子顕微鏡を得ることが可能となる。
【００８０】
上記画像処理部１８の具体的な構成は特に限定されるものではなく、上述した画像処理を可能とする各種プロセッサ等を用いることができる。このプロセッサはパーソナルコンピュータ等のように独立したコンピュータとなっていてもよいし、チップ化されてＣＣＤカメラ１７やモニター２０の少なくとも何れかに一体化されていてもよい。
【００８１】
上記モニター２０は、画像処理部１８から得られる画像データを目視可能に表示する画像表示手段であり、その構成は特に限定されるものではなく、液晶表示装置やプラズマディスプレイ表示装置、有機エレクトロルミネセンス表示装置、ＣＲＴ表示装置等の公知のディスプレイ装置を用いることができる。また、必要に応じて各種プリンタのような画像形成手段も併設してもよい。これにより得られる画像データを、表示画面上のソフトコピーだけでなく各種用紙等に印刷したハードコピーとすることができる。
【００８２】
上記角度変調部１５、焦点位置変調部１６、ＣＣＤカメラ１７、画像処理部１８、制御部１９、モニター２０等により制御・画像処理部分が構成される。なお、本実施の形態におけるＰＥＥＭ装置は上記各手段や部材以外の手段や部材を備えていてもよいことは言うまでもない。例えば、各種メモリやフレキシブルディスクドライブ等の記憶手段を備えイいてもよいし、キーボード等の入力装置を備えていてもよいし、ネットワークに接続できる通信手段等を備えていてもよい。
【００８３】
＜ＰＥＥＭ装置の動作の一例＞
上記構成のＰＥＥＭ装置では、実時間焦点位置変調球面収差除去法およびＸＡＦＳにより、放射光の強度不足を改善し、球面収差・色収差を良好に除去して実時間に近いイメージングが可能となる。
【００８４】
本実施の形態におけるＰＥＥＭ装置の動作制御の一例について説明すると、具体的には、例えば、図５に示すような９ステップの制御を挙げることができる。まず、ステップ（以下、適宜ステップをＳと略す）１では、図示しないメモリに記憶されている情報または図示しない入力手段により入力される情報に基づいて、制御部１９にて入射する放射光の波長を変調するか否か判定する。波長を変調させる必要が無い場合（図中ＮＯ）には、Ｓ３に進む。波長を変調させる必要がある場合（図中ＹＥＳ）には、Ｓ２に進み、制御部１９は同期信号を角度変調部１５に出力し、多層膜反射鏡２１の角度を変化させて放射光の波長を変調させ、観察対象となる試料の吸収端の化学情報を有する特定波長に固定化する（波長固定化ステップ）。
【００８５】
次に、Ｓ３では、結像光学系１３における対物レンズ３１等の焦点位置を変化させるか否かを判定する。通常、球面収差等の収差除去が必要であるため、この場合（図中ＹＥＳ）には、Ｓ４に進み、図示しないメモリに記憶されている情報または図示しない入力手段により入力される情報に基づいて、制御部１９は同期信号を焦点位置変調部１６に出力し、対物レンズ３１等の焦点位置を変化させる（焦点位置変調ステップ）。一方、この段階では収差除去を行わない場合（図中ＮＯ）には、Ｓ５に進む。
【００８６】
次に、Ｓ５では、制御部１９は、スクリーン１４表面に結像した光電子像をＣＣＤカメラ１７に撮像させ、画像処理部１８の画像積算部８１により画像積算・蓄積させる。その後、Ｓ６に進み、実時間フーリエプロセッサ８２によりフーリエ変換処理処理と中・高空間波長強調処理とが行われた後に、画像解析部８３により画像解析が行われる（画像解析ステップ）。このとき得られた画像解析結果に基づき、制御部１９は、Ｓ７にて、波長の再変調、すなわちＸＡＦＳを得るための特定波長を再度変化させ、より好ましい（よりデータ量の多い）波長にするか否かを判定する。その必要がないと判定された場合（図中ＮＯ）には、Ｓ８に進むが、再変調が必要であると判定した場合（図中ＹＥＳ）には、Ｓ１に戻る。
【００８７】
このときＳ６においては、画像解析部８３からは、吸収端のピークとバックグラウンドとの差分から試料のＸ線吸収端微細構造（ＸＡＮＥＳあるいはＮＥＸＡＦＳ）が得られるので、Ｓ１にて、制御部１９はこれに基づいて角度変調部１５の動作を制御し、放射光の波長を変化させて上記特定波長に固定する。ＸＡＦＳのＸ線吸収端における微細構造の形状は、前述したように化学結合により変化する。これを利用して化学的な結合状態の情報を得ることができるだけでなく、用いられる放射光の波長変調にも利用することができるので、本発明にかかる電子・２次イオン顕微鏡装置の分解能の向上のみならず制御の精度も向上することができる。
【００８８】
次に、Ｓ８では、焦点位置変化の再調整が必要か否かを判定する。再調整が必要な場合（図中ＹＥＳ）にはＳ４に戻る。再調整が必要ない場合（図中ＮＯ）には、Ｓ９に進む。このＳ８における判定およびＳ４での焦点位置変化の再調整においては、上記Ｓ７と同様に、画像解析部８３から得られる解析結果を利用すればよい。これにより、得られる画像データに基づいて球面収差・色収差の除去が可能となるので、本発明にかかる電子・２次イオン顕微鏡装置の分解能の向上のみならず制御の精度も向上することができる。
【００８９】
最後に、Ｓ９では、上記一連の制御により得られた、試料表面の化学的な結合状態の情報を含む、ほぼ無収差の画像をモニター２０で表示する。観察者はこのモニター２０の情報から試料表面の情報を目視で得ることができる。
【００９０】
（３）本発明にかかる電子・２次イオン顕微鏡装置の他の例
上記（２）では、ＰＥＥＭ装置のみを例に挙げて本発明にかかる電子・２次イオン顕微鏡装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、図６に示すように、ＰＥＥＭと低エネルギー電子顕微鏡（ＬＥＥＭ）とを兼ね備えた構成の電子顕微鏡であってもよい。前述したように、ＰＥＥＭおよびＬＥＥＭは、その基本的な構成は同様となっているため、これらを兼用した複合型の装置も開発されている。本発明はこのような複合型の装置にも適用することができる。
【００９１】
＜ＰＥＥＭ・ＬＥＥＭ複合型装置の構成の一例＞
ＰＥＥＭ・ＬＥＥＭ複合型の装置の一例について説明すると、図６に示すように、試料保持部１１、電子銃４１、第二入射光学系４２、偏向磁石（偏向手段）４３、対物光学系４４、結像光学系１３ａ・１３ｂ、エネルギー分析器（エネルギー分析手段）４５、スクリーン４６、各種アパーチャ５１、５２、５３、スリット５４等を備えている構成を挙げることができる。
【００９２】
試料保持部１１は上記（２）で説明したＰＥＥＭ装置と同様であるためその説明は省略する。また、試料保持部１１に入射される放射光（図中ｈν）を入射させる構成も上記（２）で説明したＰＥＥＭ装置と同様の入射光学系１２や角度変調部１５等を備えていればよく、その詳細な説明は省略する。
【００９３】
上記電子銃４１は、低エネルギーの電子線を発射するものであり、その構成は特に限定されるものではなく、公知ＬＥＥＭ装置に用いられているものを好適に用いることができる。また、第二入射光学系４２は、電子銃４１から発せられる電子線を偏向磁石４３に入射させるものであり、電子銃４１と同様に、公知ＬＥＥＭ装置に用いられているものを好適に用いることができる。
【００９４】
偏向磁石４３は、第二入射光学系４２を介して出射される電子線を、試料保持部１１側に偏向させるとともに、試料から得られる電子線を結像光学系に対して偏向させるものである。本実施の形態の構成では、図６に示すように、図中左下側の電子銃４１から右上方向に向かって斜め方向に電子線が出射される。それゆえ、第二入射光学系４２も図中右上方向に向かって傾斜して配置されている。これに対して、試料保持部１１の表面は、電子銃４１および第二入射光学系４２に直面するように配置されておらず、第二入射光学系４２の延長線上から鋭角の範囲内でずれた位置に配置されている。そこで、電子銃４１および第二入射光学系４２から出射される電子線を試料保持部１１の表面に対して垂直に入射させるように、電子線を偏向磁石４３により偏向させる。偏向磁石４３の具体的な構成は特に限定されるものではなく、公知のものを好適に用いることができる。
【００９５】
対物光学系４４は、偏向磁石４３により偏向された電子線を試料保持部１１上の試料に入射させるとともに、ＬＥＥＭとして用いられる場合には、試料により反射された反射電子線を、ＰＥＥＭとして用いられる場合には、試料から得られる光電子線を偏向磁石４３に入射させるものである。その具体的な構成は特に限定されるものではなく、対物レンズ等を含む構成からなっていればよい。
【００９６】
結像光学系１３ａ・１３ｂは、試料から得られる電子線をスクリーン４６に結像させるものであり、前記結像光学系１３と基本的には同様の構成であればよいが、本実施の形態では、エネルギー分析器４５が存在するので、エネルギー分析器４５の前段にある結像光学系１３ａと、後段にある結像光学系１３ｂに分けることができる。結像光学系１３ａはエネルギー分析器４５に対して電子線を入射できる構成であればよく、同様に、結像光学系１３ｂは、エネルギー分析気４５を介して得られる電子線をスクリーン４６上に結像できる構成であればよく、何れの構成も特に限定されるものではない。
【００９７】
エネルギー分析器４５は、結像光学系とスクリーン手段との間に設けられ、試料から得られる電子線のエネルギーを分析し、ＸＡＦＳの解析等に利用することができる。それゆえエネルギー分析器４５は得られる分析データを前述した画像処理部１８に出力できるようになっていればよい。このエネルギー分析器４５の具体的な構成は特に限定されるものではなく、公知の構成を好適に用いることができる。
【００９８】
アパーチャ５１〜５３は、入射する電子線等の電磁波の取り込み角度を制限するものである。具体的には、アパーチャ５１は入射ビームを制限するためのイルミネーションアパーチャであり、アパーチャ５２は観察時の視野を制限するための制限視野アパーチャであり、アパーチャ５３はコントラストの向上を図るためのコントラストアパーチャである。スリット５４は、エネルギーを選択するためのものである。何れのアパーチャ５１〜５３およびスリット５４の構成も特に限定されるものではなく、公知の構成を好適に用いることができる。
【００９９】
＜ＰＥＥＭ・ＬＥＥＭ複合型装置の動作の一例＞
上記ＰＥＥＭ・ＬＥＥＭ複合型装置においても、前記（２）のＰＥＥＭ装置の動作と同様、波長固定化ステップ・焦点位置変調ステップ・画像解析ステップが実施される（図５参照）ため、制御・画像処理に関する具体的な説明は省略するが、ＬＥＥＭおよびＰＥＥＭとしてそれぞれ用いられる場合について説明する。
【０１００】
上記ＰＥＥＭ・ＬＥＥＭ複合型装置がＬＥＥＭとして用いられる場合には、まず、上記電子銃４１から発せられる電子線を、第二入射光学系４２、偏向磁石４３、対物光学系４４を介して試料保持部１１上の試料に入射させる。このとき、入射した電子は試料の直前で急激に減速される。入射した電子は試料と相互作用を行い弾性散乱されて反射電子線として試料から出射され、加速電場により急激に加速される。得られる反射電子線（光電子線）は、対物光学系４４、偏向磁石４３、結像光学系１３ａ、エネルギー分析器４５、結像光学系１３ｂを介して上記スクリーン４６に入射させて結像させる。この結像を前記（２）のＰＥＥＭ装置と同様に、図示しないＣＣＤカメラ等の撮像手段で撮像し、画像解析してモニターに表示するとともに、必要に応じて収差除去の制御に利用する。
【０１０１】
一方、ＰＥＥＭとして用いられる場合には、まず、放射光等の励起光を、図示しない入射光学系を介して試料保持部１１上の試料に入射させる。これにより試料表面から光電子が放出されるので、得られる光電子線を、対物光学系４４、偏向磁石４３、結像光学系１３ａ、エネルギー分析器４５、結像光学系１３ｂを介して上記スクリーン４６に入射させて結像させる。この結像を前記（２）のＰＥＥＭ装置と同様に、図示しないＣＣＤカメラ等の撮像手段で撮像し、画像解析してモニターに表示するとともに、必要に応じて収差除去の制御に利用する。
【０１０２】
このように、本発明は、様々なタイプの電子・２次イオン顕微鏡装置に適用することが可能である。したがって、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
以上述べてきたように、本発明にかかる電子・２次イオン顕微鏡装置によれば、球面収差と色収差とを同時に除去することができるだけでなく、ＸＡＦＳを利用することにより放射光等の励起光源の強度不足を改善し、ほぼ無収差で分解能をより一層向上させたイメージングを実時間に近い状態で実現することが可能となる。このため、本発明は、工学（特に材料、半導体など）、医学、生物学、天文学などの極めて広い産業分野における研究、開発、評価に利用可能であるだけでなく、ナノテクノロジーをはじめとする様々な新分野に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明にかかる電子・２次イオン顕微鏡装置の一例である光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ）装置の構成例を模式的に示す概略ブロック図である。
【図２】本発明で利用されるＸＡＦＳを説明するためのＸ線吸収係数スペクトルの一例を示すグラフである。
【図３】図２に示すグラフの吸収端の構造をより詳細に示すグラフであり、ＸＡＮＥＳおよびＥＸＡＦＳからなるＸＡＦＳを具体的に示すグラフである。
【図４】本発明にかかる電子・２次イオン顕微鏡装置における焦点位置変化方法の具体的な方法を模式的に示す図であり、（ａ）は対物レンズの電場あるいは磁場を変化させる方法を模式的に示す図であり、（ｂ）は試料位置を変化させる方法を模式的に示す図である。
【図５】図１に示すＰＥＥＭ装置の動作制御の一例を示すフローチャートである。
【図６】本発明にかかる電子・２次イオン顕微鏡装置の他の例である、ＰＥＥＭと低エネルギー電子顕微鏡（ＬＥＥＭ）とを兼用する複合型装置の構成例を模式的に示す図である。
【図７】現在までに表面ナノキャラクタリゼーションのために開発されている電子顕微鏡および解析方法と、本発明に係る光電子顕微鏡との関係を示す図である。
【図８】自己発光体（光電子含む）の結像に関する幾何光学的解釈と波動光学的解釈を示す図である。
【図９】点発光体から無収差結像系を通して後側焦点面に合成される波面と強度分布を示す図である。
【図１０】点発光体から球面収差のある無収差結像系を通して後側焦点面に合成される波面と強度分布を示す図である。
【図１１】点状試料から発せられ、無収差結像光学系を通過した２平面波が後側焦点位置周囲に作る３次元干渉縞を示した図である。
【図１２】２平面波の進行方向が光軸に対し同じで、図１１の場合よりより大きな角度になる場合の３次元干渉縞を示した図である。
【図１３】点状試料から発せられ、無収差結像光学系を通過した２平面波が後側焦点位置周囲に作る３次元干渉縞を、光軸と２平面波進行方向のなす角度が異なる場合について示した図である。
【図１４】点状試料から発せられ、球面収差を有する結像光学系を通過した２平面波が後側焦点位置周囲に作る３次元干渉縞を、光軸と２平面波進行方向のなす角度が異なる場合について示した図である。
【図１５】点状試料から発せられ、球面収差を有する結像光学系を通過した２平面波が後側焦点位置周囲に作る３次元干渉縞を、光軸と２平面波進行方向のなす角度が等しい場合について示した図である。
【符号の説明】
【０１０５】
１１    試料保持部（試料保持手段）
１２    入射光学系
１３    結像光学系
１３ａ・１３ｂ    結像光学系
１４    スクリーン（スクリーン手段）
１５    角度変調部（波長固定化手段）
１６    焦点位置変調部（焦点位置変化手段）
１７    ＣＣＤカメラ（撮像手段）
１８    画像処理部（画像処理手段）
１９    制御部（制御手段）
２０    モニター（画像表示手段）
２１    多層膜反射鏡（入射光学系）
４１    電子銃
４２    第二入射光学系
４３    偏向磁石（偏向手段）
４４    対物光学系
４５    エネルギー分析器（エネルギー分析手段）
４６    スクリーン（スクリーン手段）
８１    画像積算器（画像検知手段）
８２    実時間フーリエプロセッサ
８３    画像解析部（画像解析手段・吸収端解析手段）
【図１】
2005127967.tif 000003
【図２】
2005127967.tif 000004
【図３】
2005127967.tif 000005
【図４】
2005127967.tif 000006
【図５】
2005127967.tif 000007
【図６】
2005127967.tif 000008
【図７】
2005127967.tif 000009
【図８】
2005127967.tif 000010
【図９】
2005127967.tif 000011
【図１０】
2005127967.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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