(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界放出型の電子銃から電子線を放出して、試料上で電子線のビームを走査させる電界放出型電子顕微鏡において、
試料上で第１スポット状のビームを走査させる第１スポット状走査モードと、試料上で第２スポット状のビームを走査させる第２スポット状走査モードとが予め設定されており、それらの第１スポット状走査モードと第２スポット状走査モードが切り換え可能になっており、
電子線が電子銃から試料に至る途中で、電子線の干渉性を低下又は消失させることにより、試料上での電子線のビーム形状が第２スポット状になり、
第２スポット状のビームが、第１スポット状のビームよりも広げた形のスポット状ビームであることを特徴とする電界放出型電子顕微鏡。
【請求項２】
電子線を放出するための電界放出型電子銃と、電子線を偏向させて試料を走査するための偏向コイルと、偏向コイルに偏向電流を供給するための偏向電源とを備えた電界放出型電子顕微鏡において、
所定形状で走査させる走査信号を偏向電流に重畳させるための切り換え手段を設け、電子線を振動させることにより電子線の干渉性を低下または消失させることを特徴とする電界放出型電子顕微鏡。
【請求項３】
電子線を放出するための電界放出型電子銃と、電界放出型電子銃に加速電圧を供給するための加速電圧電源とを備えた電界放出型電子顕微鏡において、
加速電圧電源を変動させる発振回路からの信号を重畳させるための切り換え手段を設け、加速電圧を変動させることにより電子線の干渉性を低下又は消失させることを特徴とする電界放出型電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電界放出型電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電界放出型電子銃は、一般に知られている他の型式の電子銃に比べて、その輝度が極めて高いこと（１０＋９Ａ／ｃｍ2ｓｔｒレベルであり、ＬａＢ６などの通常の電子銃に比べて１００倍近くも高いこと）、光源が極めて小さいこと（数１０ｎｍレベル、通常は２０〜５０μｍであること）から、高度に干渉性に優れ、著しく強い電子線束が得られる。
【０００３】
そのため、電界放出型電子銃は、試料上に極めて小さな第１スポット状のビーム、たとえばサブナノメーターレベルのビーム（電子線プローブ）を得ることができる。その強度も十分である。そのため、電界放出型電子銃は、試料上でサブナノサイズの領域の元素分析・結晶構造解析が可能であり、収差の影響の少ない高分解能像が得られる。
【０００４】
それゆえ、電界放出型電子銃は大きな期待がもたれ、近年は、性能も安定し多用されている。
【０００５】
しかし、その反面、電界放出型電子銃は、干渉性が高度に優れることに起因して問題が生じる。たとえば、試料のエッジ部分や、試料の厚さが変わるところや、結晶方位が変わるところや、元素量が異なったものの境などでは、試料のコントラストが急に変わるが、そのようなところでは、シャープなフレネルフリンジや干渉縞を作ってしまう。さらには、結晶回折や反射による電子線と透過した電子線で、シャープなフレネルフリンジや干渉縞を作ってしまう。この現象はフォーカスを大きく変えても、あまり変化しない。
【０００６】
そのため、一方で優れた干渉性は、逆に、他方では試料の真の姿の観察を邪魔することが多い。特に球面収差の影響で、結晶による回折波が本来の位置から少しずれて結像するため、本来はあってはならないところにシャープな干渉像を生じてしまうことがある。この現象は、像の解釈を間違えさせやすくする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、優れた干渉性を活用できるとともに、必要に応じて干渉性を低下又は消失させることのできる電界放出型電子顕微鏡を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決手段を例示すると、次のとおりである。
【０００９】
（１）電界放出型の電子銃から電子線を放出して、試料上で電子線のビームを走査させる電界放出型電子顕微鏡において、
試料上で第１スポット状のビームを走査させる第１スポット状走査モードと、試料上で第２スポット状のビームを走査させる第２スポット状走査モードとが予め設定されており、それらの第１スポット状走査モードと第２スポット状走査モードが切り換え可能になっており、
電子線が電子銃から試料に至る途中で、電子線の干渉性を低下又は消失させることにより、試料上での電子線のビーム形状が第２スポット状になり、
第２スポット状のビームが、第１スポット状のビームよりも広げた形のスポット状ビームであることを特徴とする電界放出型電子顕微鏡。
【００１０】
（２）偏向電源に対して走査信号を重畳させることを特徴とする前述の電界放出型電子顕微鏡。
【００１１】
（３）加速電圧電源に対して加速電圧を変動させる発振回路からの信号を重畳させることを特徴とする前述の電界放出型電子顕微鏡。
【００１２】
（４）走査モードにおいて、偏向コイルと偏向電源が走査信号の回路を介して接続されていて、偏向コイルに走査信号を重ねて電子線を振るようになっていることを特徴とする前述の電界放出型電子顕微鏡。
【００１３】
（５）電子線を放出するための電界放出型電子銃と、電子線を偏向させて試料を走査するための偏向コイルと、偏向コイルに偏向電流を供給するための偏向電源とを備えた電界放出型電子顕微鏡において、所定形状で走査させる走査信号を偏向電流に重畳させるための切り換え手段を設け、電子線を振動させることにより電子線の干渉性を低下または消失させることを特徴とする電界放出型電子顕微鏡。
【００１４】
（６）電子線を放出するための電界放出型電子銃と、電界放出型電子銃に加速電圧を供給するための加速電圧電源とを備えた電界放出型電子顕微鏡において、加速電圧電源を変動させる発振回路からの信号を重畳させるための切り換え手段を設け、加速電圧を変動させることにより電子線の干渉性を低下または消失させることを特徴とする電界放出型電子顕微鏡。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明においては、たとえばスイッチの作用によって複数種類のモードを使いわける。電界放出型電子銃の特性を最大限に活かしたいときには、電界放出型の構成をそのまま用い、試料上での電子線のビーム形状を第１スポット状とする。また、高い干渉性が大きく邪魔するときには、干渉性を消失させたり低下させたりして、試料上での電子線のビーム形状を第２スポット状（例えば円形や矩形など、但しこれらの形状に限定されない）にして、観察するようにする。
【００１６】
本発明の電界放出型電子顕微鏡においては、電界放出型の電子銃から電子線を放出して、偏向コイルや集束レンズを経て、試料上で電子線のビームを走査させる。
【００１７】
少なくとも２つのモード、たとえば、試料上で第１スポット状のビームが走査される第１スポット状走査モードと、試料上で第２スポット状のビームが走査される第２スポット状走査モードとが予め設定されている。好ましくは、スイッチによってそれらの第１スポット状走査モードと第２スポット状走査モードが切り換え可能になっている。
【００１８】
好ましくは、第２スポット状走査モードにおける試料上での第２スポット形状は、円形または矩形である。
【００１９】
電子線が電子銃から試料に至る途中で、電子線の干渉性を低下又は消失させることにより、試料上での電子線のモードが第２スポット状に形成されることが好ましい。
【００２０】
電子線の干渉性を消失させたり低下させたりする方法は、いろいろある。たとえば、光源を大きく移動させることにより位相がずれた電子線を多く作り出して重ね合わせる方法や、電子線のエネルギーを変動させることによって位相がずれた電子線を重ね合わせる方法がある。
【００２１】
本発明の１つの実施形態に係る電界放出型電子顕微鏡は、好ましくは、電子線を放出するための電界放出型電子銃と、電子線を偏向させて試料を走査するための偏向コイルと、偏向コイルに偏向電流を供給するための偏向電源とを備えている。偏向電源に対して、所定形状で走査させる走査信号を偏向電流に重畳させるための切り換え手段を設け、それの操作によって、電子線を少なくとも２次元的に振動させて、電子線の干渉性を低下または消失させる。
【００２２】
また、本発明の別の好ましい実施形態に係る電界放出型電子顕微鏡は、電子線を放出するための電界放出型電子銃と、電界放出型電子銃に加速電圧を供給するための加速電圧電源とを備える。そして、加速電圧電源に対して、加速電源を変動させる発振回路からの信号を重畳させるための切り換え手段を設け、それを操作して、加速電圧を変動させることにより電子線の干渉性を低下または消失させる。
【００２３】
電界放出型電子顕微鏡は、好ましくは、電界放出型電子銃を搭載した透過型電子顕微鏡である。
【００２４】
本発明によれば、電界放出型電子銃の優れた特性である電子線の干渉性を活用したり、必要に応じて消失または低下させることを可能とすることができるのである。
【００２５】
【実施例】
本発明の実施例１〜２を図面に基づいて説明する。
【００２６】
＜第１実施例＞
図１〜２は、本発明の第１実施例を示す。
【００２７】
図１〜２に示すように、本発明による電界放出型電子顕微鏡は、少なくとも２つのモード、すなわち第１スポット状走査モード（図１）と第２スポット状走査モード（図２）を有し、それら２種類のモードをスイッチにより切り換えられるようになっている。
【００２８】
本発明に係る電界放出型電子顕微鏡は、電子線を放出するための電界放出型電子銃１と試料２との間に、電子線を偏向させて試料を走査するための偏向コイル３と、集束レンズ４を備えている。この他にも、偏向コイル３に偏向電流を供給するための偏向電源５や、電界放出型電子銃１に加速電圧を供給するための加速電圧電源６を備えている。
【００２９】
偏向電源５に対して、所定形状（円形や矩形の第２スポット状）で走査させる走査信号を偏向電流に重畳させるための切り換え手段たとえばスイッチ１０を設け、それの作用によって、電子線を２次元的に振動させて、電子線の干渉性を低下または消失させる。
【００３０】
電子銃１の軸合わせ用の偏向コイル３は、試料２よりも電子銃１側に設けられている。偏向コイル３は、予め組み込まれている軸合わせコイルでもよいし、または新たに設けても良い。回路１３は、偏向コイル３に走査信号を載せる回路である。切り換え用のスイッチ１０により、この回路１３を介すことによって電子銃１側の光源９を限られた範囲で走査させながら観察または撮影する図２のモードと、回路１３を介すことなく観察または撮影する図１のモードとを、任意に切り換えて使用できる。その走査の大きさ、形状、走査速度は、任意に変更できる。
【００３１】
図１の標準モードは、電子銃１のところに実際の光源９が第１スポット状に示されているようなモードになる。スイッチ１０が図２の上側の接点に接触した状態にあり、第１スポット状の光源９に対応して、試料２上には第１スポット状のモード（プローブ）が形成される。
【００３２】
図２の走査モードにおいては、スイッチ１０が図２の下側の接点に接触した状態（実線で示されている状態）にあり、偏向コイル３と偏向電源５が走査信号の回路１３を介して接続されていて、偏向コイル３に走査信号を重ねて電子線を振るようになっており、そのことによって干渉性が消失または低下させられる。
【００３３】
このような図２のモードにおいては、電子銃１の側では、見かけの光源の形状は、第２スポット状（たとえば円形や矩形）であり、試料２側では、電子線のビームは広げられ、光源の形状に対応して、第２スポット状（円形や矩形）になる。試料２上では、ビームを第２スポット状に広げた形で像観察を行うのである。これにより干渉性を低下または消失させることができる。なお、第２スポット状の一例として円形や矩形をあげたが、これに限定されない。
【００３４】
一般的に使用されている電界放出型電子銃１の光源９の大きさは、実際には、たとえば２０〜５０ｎｍである。これに対して、ＬａＢ６電子銃１では、２０〜５０μｍである。電界放出型電子銃１の光源９の大きさは、ＬａＢ６電子銃の１１／５００〜１／１０００倍と極めて小さい。
【００３５】
そこで、電界放出型電子銃１の光源９を５００×５００〜１０００×１０００倍（点）程度の範囲で走査（スキャン）させるようにすれば、１点１点での電子線の干渉性は変わらないものの、これらを積分することによって、干渉性はＬａＢ６電子銃なみに低下または消失させることが可能となる。
【００３６】
これよりも、さらに大きく走査させることもできる。たとえば、５００×５００倍〜１００００×１００００倍（点）程度の範囲で走査（スキャン）させることができる。それにより、ＬａＢ６電子銃よりも、さらに干渉性を低下または消失させることもできる。
【００３７】
なお、図１〜２の例においては、走査させたときと、走査させていないときの電子線の総量には変化がないため、蛍光板の明るさ、撮影時のシャッター速度にはなんら影響することなく十分に実用的である。
【００３８】
理想的には光源９が円形であるかのように走査すれば、情報の取得の方向性もなく理想的であるが、簡易的に矩形に走査させても、通常の目的は十分に達成される。そのため、走査の形状にこだわる必要はほとんどない。
【００３９】
走査速度は速いほど望ましいが、少なくても撮影時の１回の露光中に１回走査すれば目的は達成される。蛍光板上での観察のためには、蛍光板の残光を考え、２〜３回／秒より速ければ実用的である。この方式は収差の影響がほとんどないため、高分解能観察に適する。
【００４０】
＜第２実施例＞
図３〜４は、本発明の第２実施例を示す。
【００４１】
図３には、電子銃１の関連部材の一例が示されている。たとえば、電子銃１は、エミッター２１、サプレッサー２２、エキストラクター２３、アノード２４、エミッター２１の加熱回路２５、サプレッサー２２の電圧制御回路２６、エキストラクター２３の電圧制御回路２７などを有する。
【００４２】
図３に示すように、加速電圧電源６に対して、加速電源を変動させる発振回路１１からの信号を重畳させるための切り換え手段たとえばスイッチ１２を設け、それを操作して、加速電圧を変動させることにより電子線の干渉性を低下または消失させる。回路１１は、電子線の加速電圧を一定量（厳密である必要はない）変動させる発振回路である。この発振回路１１として、電圧ウォブラーなど既に組み込みの回路を使っても良い。切り換えスイッチ１２により、この発振回路１１を介して電子線の加速電圧を変動させながら、観察撮影するモードと、回路１１を介さず変動のない状態で観察撮影するモードとを任意に切り換えて使用する。その変動の量と早さは、任意に変更できる。
【００４３】
エキストラクター２３の電圧制御回路２７は、電子線を引き出すために電子銃１に印加される電圧を制御するための手段である。
【００４４】
エミッター２１の加熱回路２５は、電子線を発生させるためにアノード２４（電極）を加熱するための回路である。
【００４５】
干渉性を低下または消失させるために電子線の位相を大きくずらすもう一つの方式として、電子線のエネルギー変動を大きくさせることが考えられる。しかし、この方法は、軸上色収差や、倍率および回転等の軸外色収差を生ずるため、画質に大きく影響するので注意を要する。
【００４６】
加速電圧Ｕ（ｋＶ）、エネルギー変動をΔＵ（ｋＶ）としたとき、変動幅の大きさの一例は、ΔＵ／Ｕ＞＝０〜２×１０-4である。範囲としては、これに限定されず、実用的には、ΔＵ／Ｕ＞＝０〜２×１０-3の範囲で変動させることができる。この範囲外では、一般に軸外色収差が目立つようになり、軸上色収差により中心部の画質も悪くなるが、蛍光板上での界面などの像観察は十分に可能である。ただし、観察倍率によって大きく変わる。そのため、変動幅の大きさは、ΔＵ／Ｕ＞＝０〜２×１０-3程度を可変出来れば十分に実用的である。変動の形状は、矩形波、鋸歯状波、サイン波など、いずれでも構わない。さらに言えば変動の形状は、周期的である必要もない。
【００４７】
変動の速さは、ａの走査と同様に速いにこしたことはないが、少なくても１回の露光中に１回変動すれば目的は達成される。観察のためには、蛍光板の残光を考えて、２〜３回／秒であれば実用的である。
【００４８】
図４は、図３に示した第２実施例による電界放出型の電子銃の詳細な構造を示している。
【００４９】
図４において、アノード２４は、加速電圧がかかる電極であり、このような電極は、一般にショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）電界放出型電子銃（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｇｕｎ、ＦＥ電子銃ともいう）と呼ばれており、コールド電界放出型電子銃に近い輝度が得られ、電子線の初速エネルギー幅もコールド電界放出型電極に比べて大きな差はない、安定性が極めて高く、真空もコールド電界放出型電極に比べて容易であることなどから、多く用いられるようになっている。しかし、ショットキー電界放出型電子銃は、コールド電界放出型電子銃と異なって、電子銃のチップ先端部を１７００℃程度に加熱して用いなければならない。そのため、エミッター２１の加熱回路２５の近辺では多くの熱電子が生じている。このエミッター２１の加熱回路２５とは、電子を発生させるための回路のことをいう。この熱電子などのように不要なものが外に飛び出してくることがないように、逆電圧をかけることにより、不要なものを中に閉じ込める。この不要な熱電子などを閉じ込める（押え込む）ために印加する逆電圧をサプレッサー電圧といい、これがサプレッサー２２の電圧制御回路２６により制御される。
【００５０】
電界放出型電子銃１のチップは、サプレッサー２２（サスペッサ）により僅か飛び出して配置されている。その先のエキストラクター２３により強い電界をかける。そのことにより、チップ先端には強い電位勾配が生じ、電子が飛び出す。
【００５１】
なお、エキストラクター電圧とは、エミッター回路２５により発生した電子を引き出すために印加される電圧である。その電圧をかけるための電極がエキストラクター２３である。
【００５２】
電界放出型チップは、通常、タングステンの結晶が用いられる。先端部には、いくつもの結晶面が形成されており、その中で電子が飛び出しやすい結晶面は複数存在する。そのため複数本の電子線が生じるが、その中心のものだけが下のレンズ系に来るように調整して用いる。チップの温度、サプレッサー電圧、エキストラクター電圧など微妙に調整して理想に近い電子線を得るようにするのが好ましい。チップの温度を変えれば、熱膨張などでチップとサプレッサーの位置関係が変わる。
【００５３】
前述のいずれの実施例においても、電子線の干渉性を最大限に活かしたいときには、そのままの構成で用い、高い干渉性が大きく邪魔するときには、スイッチによって瞬時に干渉性を低下させて観察することができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、優れた干渉性を充分に活用できるとともに、それによる欠点を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例による電界放出型電子顕微鏡の１つのモードを示す。
【図２】  本発明の第１実施例による電界放出型電子顕微鏡の他のモードを示す。
【図３】  本発明の第２実施例による電界放出型電子顕微鏡の電子銃側の構成を示す。
【図４】  図３の電子銃の関連部材の詳細な構造を示す。
【符号の説明】
１  電子銃
２  試料
３  偏向コイル
４  集束レンズ
５  偏向電源
６  加速電圧電源
９  光源
１０  スイッチ
１１  発振回路
１３  回路
２１  エミッター
２２  サプレッサー
２３  エキストラクター
２４  アノード
２５  エミッター２１の加熱回路
２６  サプレッサー２２の電圧制御回路
２７  エキストラクター２３の電圧制御回路
【図１】
0003974415.tif 000002
【図２】
0003974415.tif 000003
【図３】
0003974415.tif 000004
【図４】
0003974415.tif 000005