(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電場を発生するための電極（１１０）と、磁場を発生するための磁極（１２０）とを設けたウィーンフィルターであって、
前記電極と磁極が、フィルター軸（Ｆ）のまわりに同軸に沿って有限の長さを有して位置決めされ、
電場および磁場それぞれに誘導されかつある速度でフィルター軸に沿って動く荷電粒子に対し作用する電気力および磁気力が、互いに反対の方向を取りかつフィルターを介する粒子の移動方向に垂直に向けられるように、前記電極と磁極がフィルター軸のまわりに位置決めされ、
前記フィルターは、その軸に沿って、電極（１１０）および磁極（１２０）の有限長さにより決定される２つの端部を有し、
前記端部が両方ともフィルター軸（Ｆ）に同軸に位置決めされ、
電極及び磁極の両端に設けた密閉プレート（１３０）のフィルター軸（Ｆ）のまわりに、開口（１３１）を設けて粒子がフィルターを出入りできるようにし、
密閉プレート（１３０）により終端となるウィーンフィルターであって、
電極（１１０）間の相互距離および磁極（１２０）間の相互距離が密閉プレート（１３０）間の相互距離より大きいか又は等しい、
ウィーンフィルター。
【請求項２】
密閉プレート（１３０）における開口（１３１）の寸法について、フィルター軸（Ｆ）から開口（１３１）のエッジまでの最短距離が、フィルター軸（Ｆ）から電極（１１０）及び／又は磁極（１２０）への最短距離に等しい距離以下であるような値に選択される、請求項１に記載のウィーンフィルター。
【請求項３】
密閉プレート（１３０）の外形寸法が、電極（１１０）および磁極（１２０）の外形寸法より大きい、請求項１または２に記載のウィーンフィルター。
【請求項４】
電極（１１０）と磁極（１２０）を囲み、外部からの電場及び磁場の影響を制限するためハウジングに収納される、請求項１から３に記載のウィーンフィルター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、電場を発生するための電極と磁場を発生するための磁極とを設けられたウィーンフィルターに関連するものであって、前記電極および磁極は、フィルター軸のまわりにかつこれに沿った有限長を有して位置決めされ、かつそれぞれ電場および磁場により誘導されかつある速度で実質的にフィルター軸に沿って動く荷電粒子に作用する電気力および磁気力が相互に実質的に反対の方向を取り、フィルターを介する粒子の移動方向に対して実質的に垂直に向くように、フィルター軸のまわりに位置決めされており、前記フィルターが、その軸に沿った２つの端部を電極と磁極の有限長により決定され、かつ前記端部が両方ともフィルター軸に対して実質的に横方向に位置決めされ、フィルター軸のまわりに開口を設けて粒子がフィルターに出入りできるようにする密閉プレートにより終端となっている。
【０００２】
このようなフィルターは実用例が知られている。粒子に作用する電気力は、粒子の電荷と電場によるもので、その粒子の電荷がプラスかマイナスかによって電場に対し同方向または反対方向に向いている。粒子に作用する磁気力は、いわゆるローレンツ力と呼ばれ、粒子の電荷、粒子の速度および磁場により生じるもので、この磁気力の方向は、速度の方向および磁場の方向に対して垂直で、また、粒子の電荷がプラスであるかマイナスであるかにも依存する。電場および磁場は、フィルター内では相互に垂直に向き、電気力および磁気力は、同方向または反対方向に粒子に作用する。電場および磁場は、電気力および磁気力が粒子に対して、反対の方向に作用するよう方向付ける必要がある。これら２つの力の大きさは、粒子の電荷の大きさ、粒子の速度および電場と磁場の大きさに依存する。電場と磁場の大きさの特定の比率に対して、特定の粒子速度において粒子に作用する正味の力が、ゼロになる。この速度では、粒子はその元の軌道から偏向することはなく、一方この速度でない粒子は、偏向することになる。これが、ウィーンフィルターの基本的な原理である。
【０００３】
しかしながら、フィルターを適正に作動させるためには、フィルター軸に沿った電場と磁場の大きさの比率を一定にする必要がある。そうしないと、常に正味の力が粒子に作用する位置が存在することになり、その場合、フィルター処理を行う粒子に望ましくない偏向が生じてしまい、その結果、フィルターの効力が損なわれてしまう。ウィーンフィルターのコンポーネントの形状をうまく設計しかつ正確に製造し、また正確に位置合わせをすれば、フィルター軸全長に沿ってこれら電場および磁場の大きさの比率を一定にすることができる。電極および磁極も、互いに磁場および電場に影響を及ぼす可能性がある。これを避けるためには、電極および磁極両方に電気および磁気を帯させることが考えられる。しかしながら、これらのすべてが簡単に実行できる方法というわけではなく、また正確な位置合わせが、フィルターの使用中にも維持されるという保証はない。
【０００４】
本発明の目的は、上記の欠点を解消することである。この目的のため、提供されるウィーンフィルターは、密閉プレートが、低電気および磁気抵抗の材料から製作され、かつこの密閉プレートから、フィルター軸にそって中間にあり同フィルター軸に垂直な面までの距離が、フィルター軸から電極および/または磁極までの最短距離に略等しい距離以下であることを特徴とする。これにより、フィルター軸上の電場および磁場の経路が同じになり、かつフィルター軸上の電場および磁場の大きさの比率が一定になることを保証するような態様で、密閉プレートが、電場と磁場の形状を決定する。本発明によるウィーンフィルターの製造および組立ては、簡単である。有効なフィルターを得るための、フィルターにおけるコンポーネントおよびそれらの位置合わせの精度に関する要件も控えめなものである。これにより、公知のフィルターに比べて、本発明のフィルターは、より安価でかつまた容易に適用可能になる。
【０００５】
電場を得るために、２以上の電極上に電荷を付与する必要があり、かつこれら２以上の電極上の前記電荷は、相違するものにする必要があることは明らかであろう。それぞれの電極間に電位差を付与することにより異なる電荷を得ることが可能である。専門家にとっては、磁場を得るために、２以上の異なる磁極、つまり磁極の北極と南極が必要であることも自明であろう。磁極は、磁石により形成し、そのうちの一方の磁極をフィルター軸に向ける。
【０００６】
密閉プレートの開口は、実質的にフィルター軸の上に位置する点から密閉プレートの１つの開口のエッジまでの距離が、電極および/または磁極への前記点からの距離に略等しい距離以下になるような小さな寸法であることが好ましい。そうすれば、これら電場および磁場に対する密閉プレートのスクリーニング効果は、密閉プレートの開口により影響を受けない。
【０００７】
好ましい実施例では、密閉プレートは、電極および磁極を超えて延在する。密閉プレートは、電極および磁極を囲みかつ電気および磁気抵抗の低い材料から製作されるハウジングに収納することもできる。電場および磁場は、これで密閉プレートまたはハウジング内に封入することができ、それによりこれらの効果は、フィルターの内部に封じ込められる。この目的では、ハウジングがより保護機能が高い。
【０００８】
本発明のウィーンフィルターの他の利点については、本発明のウィーンフィルターの実施例および同フィルターの可能な応用例に関する以下の説明から明らかになるであろう。以下、本発明について図面を参照しながらより詳細に説明するが、同様の部分には、同じ参照番号を付すことにする。  図１ａ、図２ａおよび図３に示すウィーンフィルターは、フィルター軸Ｆのまわりに２つの電極１１０と２つの磁石１２０を有する。磁石１２０の一方の磁極は、フィルター軸Ｆに向けられる。フィルターの効果は、磁極で決まるので、説明は磁石ではなく主に磁極について言及する。磁石としては、永久磁石と電磁石を使用することができる。２つの電極１１０の間には、電場Ｅが存在し、かつ２つの磁極の間には磁場Ｂが存在する。一方の磁石の北極が、他方の磁石の南極に向けられており、２つの電極は、それらに異なる電圧が印加されるという事実により異なる電荷を有する。
【０００９】
図示した実施例では、電場および磁場は両方ともそれぞれ電気双極子および磁気双極子により発生させるが、実際には電場および/または磁場は、２を超える数の複数極により発生させることも多い。このことは、本発明には、これ以上の重要性はない。前記複数極による構成を本発明のウィーンフィルターに適用することも可能である。
【００１０】
上記の図面には、密閉プレート１３０も図示されており、同プレートの端部でウィーンフィルターが終端となる。フィルター軸Ｆのまわりに、密閉プレート１３０には、開口１３１が設けられており、荷電粒子がここを通過できるようになっている。密閉プレートの開口は、あまり大きくてはいけないが、実質的にフィルター軸上に位置する点から密閉プレートの１つにおける開口のエッジへの距離が、前記点から電極および/または磁極への距離に実質的に等しい距離以下になるような小さな寸法にする必要がある。
【００１１】
密閉プレート１３０の電気および磁気抵抗は低い。このため、密閉プレート１３０を製作する材料は、金属の電気特性を有する必要がある一方で、値１とはかなり異なる比透磁率を有する必要がある。
【００１２】
電極１１０と磁石１２０のまわりにハウジング（図示せず）を設けて、フィルター外部での電場および磁場の影響をさらに制限することが賢明である。その場合、密閉プレート１３０は、ハウジングの一部を構成する。
【００１３】
図１ａおよび図２ａでは、フィルター軸Ｆから電極または磁極への最短距離をＤで示し、密閉プレート１３０から２つの密閉プレート１３０の間のフィルター軸に沿って中間でかつフィルター軸に垂直の面Ｍへの距離をＬで示す。
【００１４】
ある速度でフィルター軸Ｆ上を動く荷電粒子に対して、電気力および磁気力は、冒頭で説明したような態様で作用する。電場Ｅと磁場Ｂの大きさに関する特定の比率で、理想的ウィーンフィルターは、特定の速度で動く荷電粒子に対して正味の力を作用させない。この粒子は、フィルター軸に沿ってウィーンフィルターを出、一方、速度が異なる粒子には横方向の力が及んでいることになるので、横方向に変位していることになる。フィルター軸のまわりのある限定された領域内では、上記の比率が一定になることが多いので、フィルター処理が行われるのは、フィルター軸上のみではない。
【００１５】
先行技術のウィーンフィルターでは、電極１１０と磁極１２０をフィルター軸Ｆに対して平行な方向に長くする一方、ウィーンフィルターの中央部分のある範囲をカバーする電場Ｅと磁場Ｂの前記比率が確実に一定になるようにしている。図１ｂから分かるように、先行技術のフィルターの端部、つまり電場および磁場のエッジではこの比率は一定でない。フィルターの中央部分の前記範囲においては正味の力を受けないような速度になっている荷電粒子に、これらの位置では、正味の力が及んでしまう。よって、適切なフィルター効果は望めない。
【００１６】
本発明のウィーンフィルターは、図２ｂからわかる通り、距離Ｌをおよそ距離Ｄ以下にすることによって、この問題を解決する。さらには、密閉プレート１３０は、両方とも電気的かつ磁気的に伝導性でなければならない。これは、たとえばニッケル５０％と鉄５０％とを含むニッケル鉄合金等の低電気および磁気抵抗の材料を選択することにより実行できる。この材料は、例として挙げているだけで、他の材料も可能である。図２ｂに示す電場および磁場の形状は、この状態では完全にまたはほとんど完全に、電極および磁極の実際の形状ではなく、密閉プレート１３０により決定され、かつ電極１１０および磁極１２０の位置決めは、特に重要ではない。フィルター軸Ｆに沿った電場および磁場の経路が同じであるということは、暗に電場および磁場の大きさの比率が一定であることを意味する。
【００１７】
電場および磁場の形状は、これで電場および磁場のエッジ（フリンジフィールド（fringe field））により完全に決定される。実際には、ウィーンフィルターでフィルター処理されるある速度の粒子という言い方はせず、運動エネルギーと質量がある比率である粒子という言い方をする。粒子の質量が等しい場合、あるエネルギーを有する粒子だけがフィルター処理されるので、ウィーンフィルターをエネルギーフィルターまたは、モノクロメータと呼ぶこともできる。これ以降の説明では、本発明によるウィーンフィルターを「フリンジ磁場モノクロメータ」またはＦＦＭとして示すことにする。
【００１８】
図４は、電子顕微鏡等の電子源２１０の後に考えられる、「フリンジ磁場モノクロメータ」の応用を示す図である。このような電子顕微鏡では、特定のエネルギーを有する電子を使用して、極めて小さい構造物を撮像する。「フリンジ磁場モノクロメータ」全体を参照番号１００で示す。
【００１９】
図示した電子源２１０は、その例外的に小さな実質上の大きさがおよそ３０ｎｍである、所謂ショットキー源である。電子源２１０に続いて電子源２１０から電子を引きぬくための抽出装置２２０と、電極の焦点を合わせるためのレンズ電極２３０と、「フリンジ磁場モノクロメータ」１００が続く。ＦＦＭ１００の第１の密閉プレート１３０の開口に隔壁２４０が設けられ、電子ビームの電流を制限する。ＦＦＭ１００の背後には、幅およそ１５０ｎｍの複数のナノスリットを有する膜２５０が設けられる。この幅は、撮像系の倍率によって決まるが、この場合その倍率は、およそ５である。ナノスリットは、薄膜にリソグラフィ技術を使って製作することができる。レンズ電極２３０を用いて、電子源２１０は、膜２５０上に撮像される。明るさの損失は、選択されたエネルギーの分散が、膜２５０上の電子源２１０の像の大きさに略等しければ、最小限になる。顕微鏡のアクセラレータ背後の接地電位上のエネルギー選択スリットを使用する場合、アクセラレータ背後のマイクロスリット上に拡大画像を作るために、ナノスリットの代わりに静電または磁気「ミニレンズ」を使用することが可能である。このようにして、明るさが保証され、かつスリットを手動で操作することができる。
【００２０】
図４に示す構成では、ＦＦＭは、所謂「ショートフィールドモード」で使用する。ＦＦＭは、その場合、デフレクタとして作用し、電場および磁場の長さは、膜上の電子源の画像への距離よりかなり短い。図示の実施例における比率は、およそ１：１０である。この「ショートフィールドモード」においてＦＦＭをデフレクターとして使用するもう一つの利点は、システムの光学軸に対するフィルターの位置合わせが特に重要でない点である。
【００２１】
磁石および電極が短いので、ＦＦＭの集束効果は、一般に小さくなる。集束効果がより高い先行技術ウィーンフィルターに見られる横方向の分散の代わりに、速度が異なる荷電粒子に、角分散が生じることになる。
【００２２】
ＦＦＭにおいて、荷電粒子がとどまる時間を引き延ばしてより大きな分散を得るためには、ＦＦＭに先だって、荷電粒子のための遅延電位を付与することが必要である。これは、抽出装置２２０とＦＦＭ１００との間に適切な電位差を設けることにより実現できる。ＦＦＭ１００の第１の開口に存在する隔壁２４０が、電子ビームの電流を制限して、電子が遅れた速度で動く低エネルギー部におけるビームのクーロン相互作用の影響を制限するようにする。低エネルギー部は、ＦＦＭ１００の第1の密閉プレート１３０と膜２５０との間に形成される。隔壁２４０の前に、ビームにおけるクーロン相互作用の影響を回避するためには、レンズ電極２３０を加速電位まで調節する。なお、レンズのビームに対する効果は、電子源２１０、抽出装置２２０、レンズ電極２３０およびＦＦＭ１００の第１の密閉プレート１３０の電位の効果を合わせた結果である。
【００２３】
低エネルギーで、膜２５０に射突する電子の１つの利点は、薄膜が前記電子のための不可入性障壁としての役割を十分果し、かつ低電子エネルギーでは、減速電子によりＸ線が生じない点である。この場合、ナノスリットを有する膜２５０の後で、電子は電子顕微鏡に望ましいエネルギーまで、加速管において加速される。図４に示す実施例では、低エネルギー部における電子のエネルギーは、１ｋｅＶのオーダであり、かつ電子はその後一般に、加速管において１００ｋｅＶ以上に加速される。
【００２４】
ＦＦＭにおける、低エネルギーで、したがって、低ビーム電位の電子の他の利点は、ＦＦＭのための電源の電場精度および安定性に関する要件がさらに減る点である。これは、これらの要件が所望の解像度とビームの電位の相関関係に関連するからである。
【００２５】
膜の後で、可能な限り最高の明るさを画像に得るためには、ナノスリットの大きさが、膜２５０上の電子源２１０の像の大きさに対応している必要がある。電子源２１０の正確な大きさはわからないので、膜に様々な幅の様々なナノスリットを設ける。図４は、膜２５０におけるそのようなナノスリットを３つ示す。ナノスリットは、図４の他のコンポーネントに対して適切な比率で図示していない。正しい幅のナノスリットは、所望のエネルギーで電子をわずかに偏向させかつそれらを所望のスリットの上に撮像することにより選択することができるが、これが可能なのは、ＦＦＭがデフレクタとして作用するからである。これは、「ショートフィールドモード」に「フリンジ磁場モノクロメータ」を適用する利点である。この場合、ＦＦＭにおける電場および磁場の大きさの比率をわずかに調節することにより正しいエネルギーで電子にわずかな正味の力を作用させる必要がある。膜２５０上の電子源２１０のスポット全体が１μｍのオーダで、異なるナノスリット間の距離は１μｍ以上にする必要がある。
【００２６】
上記の実施例は、発明を限定するものとして解釈すべきではない。「フリンジ磁場モノクロメータ」は、すべて本発明および添付の請求項の範囲にある様々な実施態様で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１ａおよび図１ｂは、それぞれ先行技術によるウィーンフィルターのフィルター軸を介する断面とフィルター軸に沿った電場および磁場の経路を組合せた２つの図からなる模式図である。
【図２】図２ａおよび図２ｂは、それぞれ本発明によるウィーンフィルターのフィルター軸を介する断面とフィルター軸に沿った電場および磁場の経路を組合せた２つの図からなる模式図である。
【図３】先行技術と本発明両方によるウィーンフィルターのフィルター軸に横方向の断面図である。
【図４】本発明のウィーンフィルターの応用例を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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