(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の磁界領域を有し入射窓から出射スリットまでの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタにおいて、少なくとも４個の磁界領域を有し、前記軌道の中間位置を境にして磁界の極性が反転し、かつ各磁界領域を形成する少なくとも２つ磁石の磁極面が傾斜していることを特徴とする磁界型エネルギーフィルタ。
【請求項２】
前記中間位置を境にした入射側における少なくとも２個の磁界領域の磁界の極性が反転し、同じく前記中間位置を境にした出射側における少なくとも２個の磁界領域の磁界の極性が反転していることを特徴とする請求項１記載の磁界型エネルギーフィルタ。
【請求項３】
前記中間位置を境にした入射側における少なくとも２個の磁界領域の磁界の極性が同一であり、同じく前記中間位置を境にした出射側における少なくとも２個の磁界領域の磁界の極性が同一であることを特徴とする請求項１記載の磁界型エネルギーフィルタ。
【請求項４】
複数の磁界領域を有し入射窓から出射スリットまでの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタにおいて、少なくとも４個の磁界領域を有し、前記軌道の中間位置を境にして磁界の極性が反転し、かつ入射側ビームの光軸と出射側ビームの光軸をずらしたことを特徴とする磁界型エネルギーフィルタ。
【請求項５】
出射側ビームの光軸をずらす方向を最初の磁界領域の偏向方向と一致させたことを特徴とする請求項４記載の磁界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、複数の磁界領域を有し入射窓から出射スリットまでの電子ビームの軌道を偏向する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タイプのオメガエネルギーフィルタの構成を説明するための図である。
【０００３】
電子顕微鏡に接続して用いられるエネルギーフィルタとしては、オメガエネルギーフィルタやキャスターンヘンリー型エネルギーフィルタ等のインコラム型と呼ばれるエネルギーフィルタが、鏡筒をまっすぐ保ったまま電子顕微鏡内に組み込めるために盛んに用いられている。電子光学系にオメガ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、入射窓１６、オメガエネルギーフィルタ１７、出射スリット１８、投影レンズ１９を通して蛍光板２０に試料の像を投影している。このオメガ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）のための装置として用いられる。オメガエネルギーフィルタやアルファ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り複数の磁界領域を有し入射窓から出射スリットまでの電子ビームの軌道を偏向するため、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エネルギーフィルタは、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、ポストコラム型のエネルギーフィルタと呼ばれる。
【０００５】
オメガエネルギーフィルタは、インコラム型エネルギーフィルタの代表的なものであり、このエネルギーフィルタは、元々キャスターンヘンリー型エネルギー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エネルギー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エネルギーフィルタは、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】
【発明が解決しようとする課題】
オメガエネルギーフィルタなどのインコラム型エネルギーフィルタは、均一磁界を発生する平らな面のポールピースを有する磁石によって構成されるため、一様磁界は、磁界方向にフォーカス作用を持たない。そこで、磁極の端面をビームの軌道軸に垂直な面に対して傾斜させて４極子レンズを構成し、この方向へのフォーカスを実現してきた。しかしながら、磁極端面の傾斜角が大きくなるとフィルタの作る２次収差が増大するため、各傾斜角度は４５°以下が求められている。また、このような条件のもとでは、加速電圧が１００ｋＶで２μｍ／ｅＶ、２００ｋＶで１．２μｍ／ｅＶ程度の分散が限界となっていた。
【０００７】
電子顕微鏡の場合、エネルギーフィルタは、電子源のエネルギーを制限して単色性の高いビームを作りだすためのモノクロメータとしての利用と、試料によって作られたエネルギーロスを測定するＥＥＬＳ、エネルギーロスした電子を除いてゼロロス電子だけで像を作ったり、あるいはロス電子だけで像を作ったりするＥＦＴＥＭとしての利用がある。これらの用途において現在最も求められている特性は大きな分散を持つことである。
【０００８】
大きな分散を作るための最も良く知られた方法はリターディングを行うことである。エネルギーフィルタは、入射電子のエネルギーに対して１／１０００ないしは１／１００００程度の分散を持つのが普通なので、入射電子のエネルギーを低くすればそれだけ観測できるエネルギーの分解能は向上する。しかし、このためには、エネルギーフィルタを高圧上に持ち上げなければならないため、装置が大型化する欠点がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、コンパクトな構成で、分散を大きく収差を少なくした。
【００１０】
そのために本発明は、複数の磁界領域を有し入射窓から出射スリットまでの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタにおいて、少なくとも４個の磁界領域を有し、前記軌道の中間位置を境にして磁界の極性が反転し、かつ各磁界領域を形成する少なくとも２つ磁石の磁極面が傾斜していることを特徴とするものである。
【００１１】
また、複数の磁界領域を有し入射窓から出射スリットまでの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタにおいて、少なくとも４個の磁界領域を有し、前記軌道の中間位置を境にして磁界の極性が反転し、かつ入射側ビームの光軸と出射側ビームの光軸をずらしたことを特徴とするものである。
【００１２】
【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は本発明に係るエネルギーフィルタの実施の形態を示す図、図２は３００ｋＶの加速電圧において３．８ｅＶのエネルギー分散を有するＳ型エネルギーフィルタの１例を示す図、図３は磁極面の傾斜の交点と磁極ポールピースの中心との関係を説明するための図である。図中、Ｍ１〜Ｍ４は磁石、Ｉは入射窓、Ｓはスリットを示す。
【００１３】
図１において、入射窓のあるビーム入射側の磁石Ｍ１、Ｍ２に対し、スリットのある出射側の磁石Ｍ３、Ｍ４は、光軸の反対側に配置している。更に、各磁石は磁極面を傾斜して用いたものであり、それらは磁石Ｍ１、Ｍ２のビーム偏向角φ１、φ２に対し、磁石Ｍ３、Ｍ４のビーム偏向角φ３（＝−φ２）、φ４（＝−φ１）のように１８０°の回転対称となっている。図示のように本発明に係るエネルギーフィルタでは、光軸に対して両側に磁石が配置され、しかもそれらは１８０°の回転対称となっているので、オメガエネルギーフィルタやアルファエネルギーフィルタなど、従来のエネルギーフィルタが光軸の片側だけに磁石を有していたものと比べると、フィルタの入口（入射窓）と出口（出射窓）との距離、つまり入射窓ＩとスリットＳとの距離Ｄを長くすることなく、ビームパスを長くすることができる。これは磁界によるビーム偏向面を光軸と垂直方向に変えたφフィルタと類似の特徴を有する。
【００１４】
したがって、上記のように第２と第３の磁界領域の中間の位置を境にして磁界の極性を反転し、磁石の磁極面を傾斜した本発明に係るエネルギーフィルタ（以下、Ｓ型エネルギーフィルタと呼ぶ）によれば、従来のオメガエネルギーフィルタに比べて形状がよりコンパクトになる。しかも、磁石のビーム偏向角は、図１に示す構成の場合で、入射側から順に１１０°、−２５０°、２５０°、−１１０°とすると、偏向角の絶対値の合計は、７２０°になる。このビーム偏向角は、アルファエネルギーフィルタの２倍に増大している。また、従来のオメガエネルギーフィルタでも、実用的な偏向角の限界を４個の磁石でそれぞれ１２５°とし、１２５°、−１２５°、−１２５°、１２５°としても、偏向角の絶対値の合計は５００°となるので、およそ１．４倍に増大している。
【００１５】
３００ｋＶの加速電圧において３．８ｅＶのエネルギー分散を有するＳ型エネルギーフィルタの１例を示したのが図２であり、磁極面の傾斜は、図３に示すように表される。すなわち、図３に示すように傾斜面の交点と磁極ポールピースの中心との距離をＬとしたとき、Ｌが磁極内でのビームの回転半径Ｒの２倍、つまりＬ＝２Ｒとなったときに、ラウンドレンズフォーカスをする。本来、ラウンドフォーカスとは、レンズ等の特性がビームの光軸に対して軸対称となるような場合をいうが、ここでは分散方向ｘとこれに垂直な磁界方向ｙのフォーカス特性がほぼ同じ場合をいう。通常の軸対称磁界レンズはすべてラウンドレンズフォーカスをする。なお、上記の磁極面はビームの回転中心を回転軸とした円錐曲面に沿った形状を成している。更に、エネルギーフィルタとして用いるには、Ｌ＝２Ｒ以外の条件のときは、出射側の像面およびスリット面上で両方向のビームがフォーカスするいわゆる非点なしフォーカス条件が必要となる。この要求を満たすため、後述のように磁極端面を適宜傾斜させる。Ｓ型エネルギーフィルタは、図１のように４つの磁界領域から構成されるが、第１と第４、第２と第３領域が、対称性から同一の形状、同一のゼロクロス軌道となる。
【００１６】
図４は磁極傾斜角度を示す指標と分散の関係を示す図、図５は磁極傾斜角度を示す指標と端面角度の関係を示す図である。さて、第２、第３の磁石がラウンドレンズ条件を示す場合の磁極傾斜角度を表す指標（傾斜面の交点と磁極ポールピースの中心（すなわち、電子ビーム軌道の中心）との距離Ｌに対する磁極内でのビームの回転半径Ｒの比：Ｒ／Ｌ）をＦＩ２、同じく第１と第４の磁石のそれをＦＩ４とすると、図４（Ａ）、（Ｂ）は、ＦＩ４＝０．１に固定してＦＩ２を変えた場合と、ＦＩ２＝０．８に固定してＦＩ４を変えた場合における図２に示すＳ型エネルギーフィルタの分散の大きさを表している。この図４からＦＩ２は大きいほど分散は大きくなり、ＦＩ４は小さいほど分散が大きくなることがわかる。ただ、ＦＩ２に対して分散は強く依存しているのに対して、ＦＩ４に対して分散の変化は小さい。
【００１７】
更に検討すべきことは、ＦＩの変化に伴う磁極端面の傾斜角の変化についてである。ここで磁極端面の傾斜角とは、ビームの軌道軸に垂直な面に対する磁極端面の角度であって、各磁石には入射側と出射側とそれぞれに磁極端面の傾斜角がある。この磁極端面の傾斜角は、ラウンドフォーカスの条件を満たしながらＦＩを変化させると、当然ながら変化するからである。ここで、各磁石の端面の傾斜角を次のように表すことにする。第３の磁石の入射側の端面の傾斜角を Theta１、出射側の端面の傾斜角を Theta２と表し、第４の磁石の入射側の端面の傾斜角を Theta３、出射側の端面の傾斜角を Theta４と表す。更に軌道の中間点を対称として、第２の磁石の出射側の端面の傾斜角を Theta１、入射側の端面の傾斜角を Theta２と表し、第１の磁石の出射側の端面の傾斜角を Theta３、入射側の端面の傾斜角を Theta４と表す。図５（Ａ）は、ＦＩ２を変化させたときの第２と第３の磁石の端面の傾斜角 Theta１および２の変化を示す。図５（Ａ）を見ると、ＦＩ２の変化に伴って Theta１は大きく変化し、ＦＩ２＝０．５で Theta１＝０となっている。図５（Ｂ）は、ＦＩ４を変化させたときの第１と第４の磁石の端面の傾斜角 Theta３および４の変化を示す。
【００１８】
端面傾斜角は４５°以上は２次収差が急速に大きくなるため良くないとされ、４０°以上では、シミュレーションとの一致が悪くなるなど誤差の拡大があるので、４０°未満をとりうる角度範囲とすると、ＦＩ２の取り得る値は、０．９以下であるが、できるだけ高い方が分散が大きい（図４（Ａ））ので、０．５〜０．９が望ましい範囲と考えることができる。一方、ＦＩ４については、分散にあまり大きく依存しない（図４（Ｂ））ので、Theta4が大きい値となる０．７以上を採らなければ良い。したがって、０＜ＦＩ４≦０．７とすることができる。ただ、実用的にはＦＩ４≦０．５が望ましい。図４、図５により説明した以上のことは形状のパラメータの異なる他のＳ型エネルギーフィルタにも当てはまる。また、大雑把な傾向はオメガエネルギーフィルタなどの他のエネルギーフィルタでも当てはまる。
【００１９】
図６はＳ型エネルギーフィルタにおいてビームの入射側と出射側の光軸をずらして構成した例を示す図、図７は光軸のシフト量に対する第４の磁極のビーム偏向角の関係を説明するための図、図８は光軸シフト量に対する分散の関係を説明するための図である。
【００２０】
Ｓ型エネルギーフィルタの利点は、イメージングエネルギーフィルタにおいて本質的に重要な対称性を崩すことなく、図６に示すようにビームの入射側と出射側の光軸をずらすことができることにある。ここでは、ビームの入射側に対して出射側の光軸を、例えば左に５０ｍｍずらし、また、その出射側の光軸をずらせる方向を第１の磁石の偏向方向と一致させるようにしている。光軸をずらすことの利点には、真空系統の分離が挙げられる。モノクロメータとして使用した場合には、超高真空を必要とする電子銃室とそれ以外の系とを、このＳ型エネルギーフィルタとその軌道の途中に入れたオリフィスとによって分離することができる。アナライザの場合には、高真空材料室と低真空カメラ室とを真空的に分離することができる。また、超高電圧を用いる電子顕微鏡では、イオンの照射を防ぐため直進するイオンを避けるための系として有効である。
【００２１】
光軸をシフトさせた場合、フィルタのディメンジョンは、第１と第４の磁石の偏向角を変化させればよい。また、磁石間距離などを変えて実現することもできる。このシフト量に対する第１、第４の磁石の偏向角の変化を示したのが図７であり、ここからは、６０ｍｍの変化に対して、３０°程度の偏向角変化が必要であることがわかる。また、この変化に伴う分散の増減を示したのが図８であり、ここからは、出射側を左にずらした方が分散の増大が見込まれることがわかる。
【００２２】
図９は第１と第２の磁界領域との偏向方向が同一である他の実施形態の１例であり、Ｍ５〜Ｍ８は磁石、Ｉは入射窓、Ｓはスリットを示す。図９において、入射窓のあるビーム入射側の磁石Ｍ５、Ｍ６に対し、スリットのある出射側の磁石Ｍ７、Ｍ８も、光軸の反対側に１８０°の回転対象で配置したものである。つまり、磁石Ｍ５、Ｍ６のビーム偏向角φ５、φ６に対し、磁石Ｍ７、Ｍ８のビーム偏向角φ７（＝−φ６）、φ８（＝−φ５）としたものである。図１に示した本発明に係るエネルギーフィルタがオメガエネルギーフィルタの変形タイプであるのに対し、図９に示した本発明に係るエネルギーフィルタがアルファエネルギーフィルタの変形タイプである。
【００２３】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記実施の形態では、４個の磁石Ｍ１〜Ｍ４、Ｍ５〜Ｍ８からなる構成で説明したが、本発明は、エネルギーフィルタは、４つの磁界領域で構成することを示したものであり、例えば図１に示す磁石Ｍ２、Ｍ３や図９に示す磁石Ｍ６、Ｍ７を２分割して構成してもよいことはいうまでもない。つまり、磁石のないドリフト空間によって磁石が分けられているかどうかはここでは問題としない。
【００２４】
【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、複数の磁界領域を有し入射窓から出射スリットまでの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタにおいて、少なくとも４個の磁界領域を有し、前記軌道の中間位置を境にして磁界の極性を反転し、かつ各磁界領域を形成する少なくとも２つ磁石の磁極面が傾斜しているので、従来のオメガエネルギーフィルタやアルファエネルギーフィルタに比べて、ビームパスを長くすることができ、しかも、入射窓から出射スリットまでの距離を短くし、コンパクトな形状のエネルギーフィルタを実現できる。さらには、分散を大きくした。
【００２５】
また、複数の磁界領域を有し入射窓から出射スリットまでの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタにおいて、少なくとも４個の磁界領域を有し、前記軌道の中間位置を境にして磁界の極性を反転し、入射側ビームの光軸と出射側ビームの光軸をずらせたので、真空系統を分離することができ、差動排気効率を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るエネルギーフィルタの実施の形態を示す図である。
【図２】  ３００ｋＶの加速電圧において３．８ｅＶのエネルギー分散を有するＳ型エネルギーフィルタの１例を示す図である。
【図３】  磁極面の傾斜の交点と磁極ポールピースの中心との関係を説明するための図である。
【図４】  磁極傾斜角度を示す指標と分散の関係を示す図である。
【図５】  磁極傾斜角度を示す指標と端面角度の関係を示す図である。
【図６】  Ｓ型エネルギーフィルタにおいてビームの入射側と出射側の光軸をずらして構成した例を示す図である。
【図７】  光軸のシフト量に対する第４の磁極のビーム偏向角の関係を説明するための図である。
【図８】  光軸シフト量に対する分散の関係を説明するための図である。
【図９】  本発明に係るエネルギーフィルタの他の実施の形態を示す図である。
【図１０】  電子光学系にオメガ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タイプのオメガエネルギーフィルタの構成を説明するための図である。
【符号の説明】
Ｍ１〜Ｍ４…磁石、Ｉ…入射窓、Ｓ…スリット
【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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