(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズと結像系レンズとの間にエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡において、エネルギーフィルタの入射窓に絞りが配置されており、当該絞りは対物レンズによる回折像の結像位置に配置されていると共に、前記エネルギーフィルタは入射窓と出射窓とを互いに対象点とするような中心面を有し、入射ビームが前記絞り面上に焦点を結んだとき、エネルギーフィルタ内の電子顕微鏡像の最初の虚像を結ぶ面と最後の虚像を結ぶ面は、前記中心面と一致するようになしたことを特徴とするエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡。
【請求項２】
対物レンズと結像系レンズとの間にエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡において、前記対物レンズはヨークと、ヨーク内に巻回されているコイルとからなり、且つ当該コイルは試料位置より上側の電子銃側のみに配置されていると共に、前記エネルギーフィルタの入射窓に絞りが配置されており、当該絞りは対物レンズによる回折像の結像位置に配置されてなることを特徴とするエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡。
【請求項３】
対物レンズと結像系レンズとの間にエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡において、当該エネルギーフィルタは入射窓と出射窓とを互いに対象点とするような中心面を有し、入射ビームが当該入射窓面上に焦点を結んだとき、エネルギーフィルタ内の電子顕微鏡像の最初の虚像を結ぶ面と最後の虚像を結ぶ面は、前記中心面と一致するようになしたことを特徴とするエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡。
【請求項４】
前記エネルギーフィルタの上流側の最後段のレンズは、電子顕微鏡像をエネルギーフィルタの前記中心面上に虚像を結像させるように励磁されることを特徴とする請求項３記載のエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡。
【請求項５】
前記エネルギーフィルタの下流側の最前段のレンズは、エネルギーフィルタの前記中心面上の虚像を物面とするように励磁されることを特徴とする請求項４記載のエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡。
【請求項６】
前記エネルギーフィルタの後段には４段の結像系レンズが配置されてなることを特徴とする請求項５記載のエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡。
【請求項７】
対物レンズと結像系レンズとの間にエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡において、当該エネルギーフィルタは入射窓と出射窓とを互いに対象点とするような中心面を有し、入射ビームが当該入射窓面上に焦点を結んだとき、エネルギーフィルタ内の電子顕微鏡像の最初の虚像を結ぶ面と最後の虚像を結ぶ面は、前記中心面と一致するようになし、前記結像系レンズは４段であって、該結像系レンズの初段のレンズは、前記中心面に結像された像を物面とするように励磁されることを特徴とするエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、オメガフィルタ（以下、Ωフィルタと称す）等のエネルギー分析装置を備える透過型電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、透過型電子顕微鏡の対物レンズの後段にエネルギーフィルタを配置した装置が盛んに使用されるようになってきた。この種の装置は電子線エネルギー分光結像系（electron spectroscopic imaging、ＥＳＩ）を備える装置として知られている。そして、エネルギーフィルタとしては種々のものが用いられるが、Ωフィルタやαフィルタ等を用いた装置は、エネルギーフィルタの入射ビームの光軸とエネルギーフィルタからの出射ビームの光軸とが同一直線上にあるため、透過電子顕微鏡の鏡筒の中間にフィルタが挿入されたインコラム型エネルギーフィルタに属する。
【０００３】
図３にΩフィルタを用いたインコラム型のＥＳＩ装置の概略の構成例を示す。図中、１は対物レンズ（以下、ＯＬと称す）、２はヨーク、３はコイル、４は試料、５、６、７は中間レンズ（以下、ＩＬと称す）、８はΩフィルタ、９は入射絞り、１０は出射スリット、１１、１２、１３は結像系レンズを示している。
【０００４】
電子銃（図示せず）から放射された電子ビームはコンデンサレンズ（図示せず）によって収束され、更にＯＬ１によって試料４に照射する。ここで、試料４はＯＬ１のヨーク２の内部に配置されるようになされており、コイル３はヨーク２の内部で、且つ試料４の下側に巻回されている。そして、試料４の直下のＯＬ１の後焦点面の位置には試料４の回折像が形成され、電子顕微鏡像も所定の位置に形成される。
【０００５】
ところで、図３の構成においては、Ωフィルタ８を通過する特定のエネルギーを有する電子ビームによる電子顕微鏡像を観察することも可能であり、またΩフィルタ８を通過する特定のエネルギーを有する電子ビームによる回折像を観察することも可能であり、それぞれの場合において電子顕微鏡像及び回折像をΩフィルタ８の所定の位置に形成する必要がある。具体的には、前者の場合には、回折像はΩフィルタ８の入射窓の直前に配置されている入射絞り９の位置に、電子顕微鏡像はΩフィルタ８の内部の図のＡで示す所定の位置に形成する必要があり、また後者の場合には、電子顕微鏡像をΩフィルタ８の入射絞り９の位置に、回折像はΩフィルタ８の内部の図のＡで示す位置に形成する必要がある。
【０００６】
つまり、電子顕微鏡像を観察するときと、回折像を観察するときとでは電子顕微鏡像と回折像の結像位置が異なるのであるが、このように入射絞り９の位置に回折像を結像させたり、あるいは電子顕微鏡像を結像させたりするために設けられているのが３段のＩＬ５、６、７である。即ち、これら３段のＩＬ５、６、７は、電子顕微鏡像を観察する場合には、ＯＬ１の後焦点面に形成された回折像を入射絞り９の位置に結像させると共に、電子顕微鏡像についてはΩフィルタ８の内部の図のＡで示す位置に結像するように励磁され、回折像を観察する場合には、ＯＬ１の後焦点面に形成された回折像をΩフィルタ８の内部の図のＡで示す位置に結像させると共に、電子顕微鏡像を入射絞り９の位置に結像させるように励磁されるのである。
【０００７】
そして、電子顕微鏡像を観察する場合においては、入射絞り９の位置に形成された回折像はΩフィルタ８の作用によって、Ωフィルタ８の出射窓の直後に配置された出射スリット１０の位置に結像され、また図のＡで示す位置に形成された電子顕微鏡像は、Ωフィルタ８の作用によって図のＢで示す位置に結像されることになる。ここで、図のＡで示す位置とＢで示す位置は、図中Ｏで示すΩフィルタ８の中心に対して対称の位置にある。同様に、入射絞り９と出射スリット１０もΩフィルタ８の中心Ｏに対して対称の位置に配置されている。
【０００８】
そして、Ωフィルタ８の図中Ｂで示す位置に結像された電子顕微鏡像は３段の結像系レンズ１１、１２、１３によって、蛍光板や撮影フィルム（何れも図３には図示せず）上に拡大されて結像されることになる。つまり、初段の結像系レンズ１１はΩフィルタ８の内部の図中Ｂで示す位置にある像を物面とするのである。
【０００９】
回折像を観察する場合も同様であり、この場合には入射絞り９の位置に形成された電子顕微鏡像はΩフィルタ８の作用によって、Ωフィルタ８の出射窓の直後に配置された出射スリット１０の位置に結像され、また図のＡで示す位置に形成された回折像は、Ωフィルタ８の作用によって図のＢで示す位置に結像されることになり、更にΩフィルタ８の図中Ｂで示す位置に結像された回折像は３段の結像系レンズ１１、１２、１３によって、蛍光板や撮影フィルム上に拡大されて結像されることになる。
【００１０】
なお、Ωフィルタ８は複数の電磁石で構成されるのが通常であるが、本願においてはそれら一つ一つの電磁石の形状、配置については本質的な事項ではないので、図３においてはそれら一つ一つの電磁石については省略している。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図３に示すような構成を有するＥＳＩ装置ではΩフィルタ８を通過した電子ビームによる電子顕微鏡像や回折像を観察するばかりでなく、試料４を通過したそのままの電子ビームによる（即ち、Ωフィルタ８を動作させないで、単にフィルタ内を通過させただけの電子ビームによる、フィルタ効果無しの）電子顕微鏡像や回折像の観察が要求される場合もある。このような要求に応えるにためには図３に示す構成において、Ωフィルタ８励磁をオフにして行うことが考えられるが、このようなことはＩＬ５、６、７あるいは結像レンズ１１、１２、１３の励磁が両者間で大幅に異なり操作が面倒になる。
【００１２】
即ち、いま例えば電子顕微鏡像を観察するものとすると、Ωフィルタ８を通過した電子ビームによる電子顕微鏡像を観察する場合には、上述したようにＩＬ５、６、７はＯＬ１によって結像される電子顕微鏡像をΩフィルタ８内の図のＡで示す位置に結像するように励磁され、初段の結像系レンズ１１はΩフィルタ８の内部の図中Ｂで示す位置にある像を物面とするように励磁されるのであるが、図３に示す状態からΩフィルタ８を横方向に移動させて光軸から外し、試料４を通過した電子ビームによる電子顕微鏡像を観察しようとした場合、ＩＬ５、６、７の励磁を変えないとすると初段の結像系レンズ１１は図のＡで示す位置を物面とするようにその励磁を変化させなければならず、後段の結像系レンズ１２、１３についても結像系レンズ１１による像を所定の倍率で蛍光板あるいは撮影フィルムに拡大投影するために励磁を変化させなければならないことになる。
【００１３】
また、逆に、このとき結像系レンズ１１、１２、１３の励磁を変えないものとすると、ＯＬ１によって結像される電子顕微鏡像を図のＢで示す位置に結像するようにＩＬ５、６、７の励磁を変えなければならないことになる。
【００１４】
このように、Ωフィルタ８を通過した電子ビームによる電子顕微鏡像や回折像を観察するときと、試料４を通過したそのままの電子ビームによる電子顕微鏡像や回折像を観察するときとでＩＬ５、６、７あるいは結像系レンズ１１、１２、１３の励磁を変えるのは面倒であり、煩わしいものである。
【００１５】
また、図３に示す構成は、使用目的によっては装置が大き過ぎ、高価になるという問題もある。即ち、結晶系の物質を観察する場合には電子顕微鏡像を観察することも、回折像を観察することも重要であり、従って３段のＩＬ５、６、７も不可欠な要素となるのであるが、例えば生物の細胞を観察する場合には電子顕微鏡像のみの観察が行われ、回折像の観察が行われることはないから、生物系のユーザにとっては図３に示す３段のＩＬ５、６、７は一つの状態でしか使用しないので無駄となるばかりでなく、ＯＬ１の後段にＩＬが３段、結像系レンズが３段とレンズの段数も多いので必要以上に大型の装置となるものである。
【００１６】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、エネルギーフィルタを使用するときと、使用しないときとでエネルギーフィルタの前後段のレンズの励磁を変える必要がないようにすること、及び電子顕微鏡像のみを観察するユーザに対して、従来より小型、且つ安価なＥＳＩ装置を提供しようとするものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１記載のエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡は、対物レンズと結像系レンズとの間にエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡において、エネルギーフィルタの入射窓に絞りが配置されており、当該絞りは対物レンズによる回折像の結像位置に配置されていると共に、前記エネルギーフィルタは入射窓と出射窓とを互いに対象点とするような中心面を有し、入射ビームが前記絞り面上に焦点を結んだとき、エネルギーフィルタ内の電子顕微鏡像の最初の虚像を結ぶ面と最後の虚像を結ぶ面は、前記中心面と一致するようになしたことを特徴とする。
【００１８】
請求項２記載のエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡は、対物レンズと結像系レンズとの間にエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡において、前記対物レンズはヨークと、ヨーク内に巻回されているコイルとからなり、且つ当該コイルは試料位置より上側の電子銃側のみに配置されていると共に、前記エネルギーフィルタの入射窓に絞りが配置されており、当該絞りは対物レンズによる回折像の結像位置に配置されてなることを特徴とする。
【００１９】
請求項３記載のエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡は、対物レンズと結像系レンズとの間にエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡において、エネルギーフィルタは、入射窓と出射窓とを互いに対象点とするような中心面を有し、入射ビームが絞り面上に焦点を結んだとき、エネルギーフィルタ内の電子顕微鏡像の最初の虚像を結ぶ面と最後の虚像を結ぶ面は、中心面と一致するようなものであることを特徴とする。このとき、エネルギーフィルタの上流側の最後段のレンズは、中心面上に虚像を結像させるように励磁するのがよく、エネルギーフィルタの下流側の最前段のレンズは、中心面上の虚像を物面とするように励磁するのがよい。
請求項７記載のエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡は、対物レンズと結像系レンズとの間にエネルギーフィルタを備える透過型電子顕微鏡において、エネルギーフィルタは、入射窓と出射窓とを互いに対象点とするような中心面を有し、入射ビームが絞り面上に焦点を結んだとき、エネルギーフィルタ内の電子顕微鏡像の最初の虚像を結ぶ面と最後の虚像を結ぶ面は、中心面と一致するようなものであり、かつ結像系レンズは４段であって、結像系レンズの初段のレンズは、中心面に結像された像を物面とするように励磁されることを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ発明の実施の形態について説明する。なお、以下においてはエネルギーフィルタとしてΩフィルタを用いた場合について実施形態を説明するが、本発明はΩフィルタに限らず、他のエネルギーフィルタを用いてもよいことは当然である。
【００２１】
まず、Ωフィルタの一実施形態について図１および図４を参照して説明する。図１において、２０はΩフィルタ、２１は入射窓、２２は出射窓、２３はΩ字状通路、２４は直線状通路を示す。Ｏは図３と同様にΩフィルタ２０の中心である。
【００２２】
このΩフィルタ２０の入射窓２１と出射窓２２の間には、通常のΩ字状通路２３と、直線状通路２４が形成されている。Ω字状通路２３は、当該Ωフィルタ２０を使用するときの電子ビームの通路となるものであり、通常のΩフィルタに設けられているΩ字状の電子ビームの通路と同様なものである。直線状通路２４は、当該Ωフィルタ２０の入射窓２１と出射窓２２とを直線的に結ぶ貫通孔であり、当該Ωフィルタ２０を使用しないとき、即ちΩフィルタ２０を励磁しないときには電子ビームは当該直線状通路２４を通過することになる。
更に、フィルタの形状の設計を工夫することによって、回折像を入射絞り面に結像させたとき、フィルタ内の電子顕微鏡像の虚像の結像面をフィルタの中心面と一致させることができる。図４は、その様に設計したΩフィルタの一例である。その様なフィルタにおける、フィルタの動作時と動作していない時の結像の様子を以下に説明する。
フィルタの動作時には、図４において、回折像を入射絞り面Ｑ１に結像させるようにした条件下で、フィルタに入射した電子ビームは、まずＱ２上に電子顕微鏡像の実像を結び、次いでフィルタの中心面Ｑ３で再び実像を結び、更にＱ４で実像を結ぶ。そして、このＱ４上の電子顕微鏡像が後段の結像系レンズで蛍光板あるいは撮影フィルムに拡大投影される。この時、入射ビームは中心面Ｐに虚像を結ぶ。これを入射瞳（entrance pupil）と言う。この虚像はＱ２上の電子顕微鏡像の実像に対応する。また、Ｑ４上の電子顕微鏡像に対応する虚像も、中心面Ｐに結ぶ。これを出射瞳（exit pupil）と言う。結局、このフィルタにおいては、入射瞳の位置と出射瞳とは一致し、中心面Ｐ上にあることになる。
次に、フィルタが動作していない時には、同じ条件下でフィルタに入射した電子ビームは、中心面Ｐに実像として結び、この像がそのまま後段の結像系レンズで蛍光板あるいは撮影フィルムに拡大投影される。即ち、この様なフィルタを用いれば、フィルタを動作させるさせないというフィルタの動作の切換えに際して、後段の結像レンズ系は、何らの調整を要しないことがわかる。
なお、図４のΩフィルタの設計は次のようにした。フィルタの電子ビームの光軸をｚとし、光軸ｚと直交し磁極面に平行な方向をｘ、電子ビームの光軸ｚと直交し磁極面に垂直な方向をｙとする。電子ビームをフィルタの入射窓でフォーカスさせて入射させたとき、電子ビームは、フィルタの出射窓および出射側の像面（図４のＱ４の位置に当たる）において、ｘ、ｙ方向共にフォーカスされなければならない。一方、これら４つのフォーカス合わせは、Ωフィルタを構成する４つの磁石の入射端面および出射端面と光軸ｚとなす角を変えることによって達成できる。但し、端面の数は８つあるが、フィルタは入射と出射が面対象でなければならないから、自由度は４である。この自由度４の端面と光軸ｚとなす角を適宜変えれば、出射側の像面、即ちこれに対応する瞳面が何処に設定されていても、前記４つのフォーカス合わせは、達成できる。従って、虚像の瞳面が前記の入射と出射が面対象となる対象面（中心面）に設定して、前記４つの角を適宜変えて、前記４つのフォーカスを満足する各角を探し出して決定する。
【００２３】
図４に示すΩフィルタ２０を用いたＥＳＩ装置の一実施形態を図２に示す。図中、４は試料、２０はΩフィルタ、２３はΩ字状通路、２４は直線状通路、２５は入射絞り、２６は出射スリット、３０はＯＬ、３１はヨーク、３２はコイル、３３、３４、３５、３６は結像系レンズを示す。
【００２４】
図２に示す構成と、図３に示す構成とでは、まずＯＬの構成が異なっている。図２の構成においても、ＯＬ３０は、ヨーク３１と、ヨーク３１の内部にコイル３２が巻回された構成となされてはいるが、コイル３２は試料４の位置より上側、即ち試料４より電子銃（図２には図示せず）側のみに配置されている。このような構成にすれば、図２に示すようにＯＬ３０の直下にΩフィルタ２０を配置することが可能となり、図３に示すようなＩＬ５、６、７は省くことが可能となる。そして、Ωフィルタ２０の入射窓の直前に配置されている入射絞り２３はＯＬ３０の後焦点面近傍に配置され、且つＯＬ３０は、試料４の電子顕微鏡像が常に図２のＰで示す位置、即ちΩフィルタ２０の直線状通路２４上の中心Ｏの位置に結像するように励磁される。
【００２５】
なお、ＯＬ３０の構成は図２に示す構成に限るものではなく、Ωフィルタ２０の入射絞り２３をＯＬの後焦点面近傍に配置することができ、且つ試料４の電子顕微鏡像がΩフィルタ２０の中心Ｏの位置に常に結像するようにできるものであればどのような構成のものであってもよいものである。
そして、Ωフィルタ２０が無励磁のときには、図中のＰの位置に結像された電子顕微鏡像は、そのまま後段の結像系レンズ３４、３５、３６によって、蛍光板や撮影フィルム（図２には図示せず）上に拡大されて結像される。
一方、Ωフィルタ２０が励磁されたときには、電子ビームはΩ字状通路２３を通るが、そのΩ字状通路２３上のＱ２に結ぶ電子顕微鏡像の虚像はＰの位置にあり、同じくＱ４に結ぶ像の、結像系レンズ３３側から見た虚像もＰの位置にある。従って、このＰの位置の虚像が結像系レンズ３３〜３６によって拡大投影されることになる。
【００２６】
以上の構成によれば、Ωフィルタ２０には入射窓と出射窓とを直線的に結ぶ貫通孔からなる直線状通路２４が形成されており、しかもΩフィルタ２０を用いるときにも、用いないときにも、電子顕微鏡像はΩフィルタ２０の直線状通路２４上の中心Ｏの位置である図２のＰで示す位置に結像されるので、初段の結像系レンズ３３は常に図２のＰで示す位置を物面とすればよく、励磁を変える必要はなくなる。
【００２７】
つまり、図２においてΩフィルタ２０を通過した電子ビームによる電子顕微鏡像を観察する場合には、ＯＬ３０による電子顕微鏡像は、Ωフィルタ２０を用いる用いないに係わらず、常に図２のＰで示す位置に結像されたと見なすことができ、この像が結像系レンズ３３〜３６によって拡大投影されることになる。
【００２８】
なお、このように像をΩフィルタ２３の直線状通路２４上の中心Ｏの位置に結像させること、及び初段の結像系レンズの物面をΩフィルタ２３の直線状通路２４上の中心Ｏの位置とすることは図２に示す構成において有効であるばかりでなく、図１に示すようなΩフィルタを図３に示すような従来の構成に用いた場合にも有効なものである。なぜなら、これにより、上述したと同様に、少なくとも電子顕微鏡像の観察においては、Ωフィルタを励磁したときにも、無励磁としたときにも初段の結像系レンズの励磁を変更する必要がなくなるからである。
【００２９】
次に、図２では結像系レンズが３３〜３６の４段配置されているが、これは電子顕微鏡において要求される全ての機能を満たすようにするためである。即ち、電子顕微鏡像を観察する場合、像回転無しに倍率変更が可能、あるいは任意の像回転が可能、更には広範囲の倍率変更が可能等の種々の機能が要求されるが、これらの機能を実現するためには、励磁を自由に変更できるレンズが少なくとも３段必要である。
【００３０】
しかし、図２の構成において結像系レンズを３段構成にしても前記のような機能を全て実現することはできない。なぜなら、初段の結像系レンズ３３は図２のＰで示す位置を物面としなければならないために励磁を自由に変更することはできないからである。
【００３１】
そこで、結像系レンズを３３〜３６の４段構成とし、初段の結像系レンズ３３については図２のＰで示す位置を物面とするように励磁し、後段の結像系レンズ３４〜３６については励磁を自由に変更可能として上記のような要求される種々の機能を実現できるようにしているのである。
【００３２】
以上のようであるので、図２の構成によれば、Ωフィルタ２０を使用するときと使用しないときとで物理的に移動させる必要はなく、使用するときにはΩフィルタ２０を励磁し、使用しないときには無励磁とすればよい。また、Ωフィルタ２０はＯＬ３０の直下に配置することができるので、図３の従来例に示すようにＯＬとΩフィルタとの間にＩＬを配置する必要がない。更に、初段の結像系レンズ３３は、常に図２のＰで示す位置を物面とすればよいので、Ωフィルタ２０を使用する場合と、使用しない場合とで励磁を変更する必要はない。また結像系レンズは４段としたので、像回転無しに倍率変更が可能、任意の像回転が可能、広範囲の倍率変更が可能等の種々の要求機能を全て実現することが可能である。また更に、図３に示す従来の構成ではＯＬ１の後段にはＩＬが３段、結像系レンズが３段の計６段のレンズが必要であったが、図２の構成では４段の結像系レンズだけでよいので、装置全体を小型にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係るΩフィルタの一実施形態を示す図である。
【図２】  図４に示すΩフィルタを用いた、本発明に係るオメガフィルタを備える透過型電子顕微鏡の一実施形態を示す図である。
【図３】  Ωフィルタを用いた従来のインコラム型のＥＳＩ装置の概略の構成例を示す図である。
【図４】  本発明に係るΩフィルタのより具体的な一実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１…対物レンズ（ＯＬ）、２…ヨーク、３…コイル、４…試料、５、６、７…中間レンズ（ＩＬ）、８…Ωフィルタ、９…入射絞り、１０…出射スリット、１１、１２、１３…結像系レンズ、２０…Ωフィルタ、２１…入射窓、２２…出射窓、２３…Ω字状通路、２４…直線状通路、２５…入射絞り、２６…出射スリット、３０…ＯＬ、３１…ヨーク、３２…コイル、３３、３４、３５、３６…結像系レンズ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
0003869957.tif 000004
【図４】
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