(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定のエネルギーを持つ荷電粒子のみを通過させるために電場と磁場を組み合わせたエネルギーフィルタであって、該エネルギーフイルタ内を進行する荷電粒子が、進行方向に対して直交するＸ方向について複数回収束されると共に、該方向と直交するＹ方向について前記Ｘ方向の収束位置と異なる位置で収束するようにされており、エネルギー選択スリットが前記Ｘ方向における２回目以降の収束位置に配置されることを特徴とするエネルギーフィルタ。
【請求項２】
前記エネルギーフィルタは間隔を置いて配置される２つのエネルギーフィルタから成り、前記エネルギースリットは該２つのエネルギーフィルタの間に配置されることを特徴とする請求項１記載のエネルギーフィルタ。
【請求項３】
前記２つのエネルギーフィルタはウィーンフィルタである請求項２記載のエネルギーフィルタ。
【請求項４】
電子銃から発生した電子ビームを、特定のエネルギーを持つ電子のみを通過させるエネルギーフィルタを介して試料に入射させるようにした電子顕微鏡において、該エネルギーフィルタは、特定のエネルギーを持つ電子のみを通過させるために電場と磁場を組み合わせたエネルギーフィルタであって、該エネルギーフイルタ内を進行する電子が、進行方向に対して直交するＸ方向について複数回収束されると共に、該方向と直交するＹ方向について前記Ｘ方向の収束位置と異なる位置で収束するようにされており、エネルギー選択スリットが前記Ｘ方向における２回目以降の収束位置に配置されることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項５】
前記エネルギーフィルタへの入射電子を減速する減速部及び該エネルギーフィルタから出射する電子を加速する加速部が設けられていることを特徴とする請求項４記載の電子顕微鏡。
【請求項６】
前記エネルギーフィルタは間隔を置いて配置される２つのエネルギーフィルタから成り、前記エネルギースリットは該２つのエネルギーフィルタの間に配置されることを特徴とする請求項４または５記載の電子顕微鏡。
【請求項７】
前記２つのエネルギーフィルタはウィーンフィルタである請求項６記載の電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、特定のエネルギーを持った荷電粒子を選択的に通過させるエネルギーフィルタ及びそれを用いた電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
透過型電子顕微鏡においては、試料に電子ビームを照射し、試料を透過した電子ビームを蛍光板に拡大投影することにより、蛍光板上に試料の拡大像を得ている。近時、試料を透過した電子ビームを蛍光板に拡大投影する電子光学系内にエネルギーフィルタ例えばオメガフィルタを配置した透過型電子顕微鏡が開発されている。このような電子顕微鏡によれば、試料によって影響を受けた透過電子の内、オメガフィルタを通過し得た特定エネルギーの透過電子のみに基づく透過電子顕微鏡像が形成される。
【０００３】
このオメガフィルタを備えた電子顕微鏡において、得られる電子顕微鏡像のエネルギー選択性(エネルギー分解能)を高めるには、試料に照射する電子ビームのエネルギー幅が狭くなければならない。このため、この種の電子顕微鏡では、現状で最も狭いエネルギー幅が得られるコールドタイプの電界放射型電子銃(ＦＥＧ)が採用されている。
【０００４】
しかしながら、このタイプのＦＥＧを用いても、得られるエネルギー幅は例えば加速電圧２００ｋＶにおいて０．４ｅＶ程度であり、さらにエネルギー幅を狭めるのは現状では困難である。一方、より高エネルギー分解能を目指す上では、試料に照射される電子ビームのエネルギー幅を０．１〜０．２ｅＶ程度あるいはそれ以下に抑えることが望まれている。そこで、最近、電子銃と試料との間にエネルギーフィルタを設け、電子源の作るエネルギーの拡がりの中から狭いエネルギー範囲をスリットにより選択的に取り出し、エネルギー幅の小さな電子ビームを得て試料に照射することが試みられている。
【０００５】
ところが、高分解能電子顕微鏡で必要とされる加速電圧２００ｋＶ(電子のエネルギーは２００ｋｅＶ)以上の高エネルギーにおいて０．１〜０．２ｅＶ程度のエネルギーを選択できるだけの分解能を持つ実用的なエネルギーフィルタは、現在のところ存在しない。そこで、電子ビームが低エネルギーの状態にある位置にエネルギーフィルタを配置してエネルギー選択を行い、その後加速して高エネルギーを与える方式が検討されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように低エネルギーの電子ビームがエネルギーフィルタを通過する場合、Boersch効果による影響を配慮しなければならない。このBoersch効果とは、近接して飛行する電子(一般には荷電粒子)同士のクーロン相互作用によって、各電子の速度従ってエネルギーが相互に影響を受ける現象をいう。このBoersch効果は電流密度が高い程、また電子の速度が遅い程大きくなる。従って、低エネルギーの電子ビームがエネルギーフィルタを通過する場合、特にフィルタ内の収束点で電子が近接して飛行する時に相互に影響を与え合い、エネルギーが変化して拡がりを持ってしまい、エネルギー幅の狭い電子ビームを得ることが困難になるという問題がある。
【０００７】
本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、Boersch効果による影響を低減出来るエネルギーフィルタを提供すること及びそれを用いた電子顕微鏡を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明のエネルギーフィルタは、特定のエネルギーを持つ荷電粒子のみを通過させるために電場と磁場を組み合わせたエネルギーフィルタであって、該エネルギーフイルタ内を進行する荷電粒子が、進行方向に対して直交するＸ方向について複数回収束されると共に、該方向と直交するＹ方向について前記Ｘ方向の収束位置と異なる位置で収束するようにされており、エネルギー選択スリットが前記Ｘ方向における２回目以降の収束位置に配置されることを特徴としている。
また、本発明の電子顕微鏡は、電子銃から発生した電子ビームを、特定のエネルギーを持つ電子のみを通過させるエネルギーフィルタを介して試料に入射させるようにした電子顕微鏡において、該エネルギーフィルタは、特定のエネルギーを持つ電子のみを通過させるために電場と磁場を組み合わせたエネルギーフィルタであって、該エネルギーフイルタ内を進行する電子が、進行方向に対して直交するＸ方向について複数回収束されると共に、該方向と直交するＹ方向について前記Ｘ方向の収束位置と異なる位置で収束するようにされており、エネルギー選択スリットが前記Ｘ方向における２回目以降の収束位置に配置されることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ実施の形態について説明する。図１は、本発明を実施したエネルギーフィルタの一例を示している。図１において、本発明のエネルギーフィルタＷは、電子ビームの中心軌道０に沿って順次配列される初段フィルタ１と２段目フィルタ２から構成される。初段フィルタ１のフィルタ長Ｌ１は、２段目フィルタ２のフィルタ長Ｌ２よりも大きく選定されている。２つのフィルタ１，２の間には、自由空間３(幅ｄ)が存在し、この自由空間３内の電子ビーム通路上には、エネルギー選択スリット４が配置される。また、エネルギーフィルタＷの入口部分及び出口部分には、初段フィルタ１及び２段目フィルタ２から発生する電磁界と周囲の電子光学要素の発生する電磁界との干渉を防止するためのシャント部材５，６が設けられている。
【００１０】
前記初段フィルタ１及び２段目フィルタ２は、直交した電界と磁界を有するウィーンフィルタであり、例えば図２に示す構造を有している。図２において、ｚは電子ビームの光軸を示し、この光軸を挟むように磁極Ｎ及びＳが対向配置される。さらに、この磁極の間隙には、対となる電極＋，−が光軸を挟むように対向配置される。
【００１１】
その結果、光軸及びその周囲には、ｙ方向に磁界、ｘ方向に電界が重畳した場が形成される。そのため、光軸に沿って入射した電子は、直交した電界と磁界により受ける力と個々の電子の持つエネルギーとにより決まる軌道を進むこととなる。
【００１２】
図３は、図１のエネルギーフィルタ内における電子のＺＸ面内及びＺＹ面内の軌道を示す図である。図３では、円形断面の電子ビームが収束性を持って初段フィルタ１に入射するものとし、エネルギーフィルタの通過帯域の中心エネルギー値を持つ電子の軌道が黒い線で、中心エネルギー値からΔαずれたエネルギー値を持つ電子の軌道が灰色の線でそれぞれ描かれている。
【００１３】
図３より、初段フィルタ１入射時に円形断面であった電子ビームは、ＺＸ面軌道において、初段フィルタ１の中央部(Ｌ１／２)付近とスリット位置の２つの位置で収束し、一方、ＺＹ面軌道においては、初段フィルタの出口付近で一度だけ収束し、２段目フィルタから再び円形断面の状態で出射することが分かる。このように、Ｘ方向とＹ方向で異なった位置に収束するようにすることは、ウィーンフィルタを構成する電界と磁界の強度を適切に選定することにより実現することができる。
【００１４】
図４は、スリット面上での電子ビーム形状を示している。初段フィルタ１入射時に円形断面であった電子ビームは、スリット位置においては、Ｘ方向の幅が小さくＹ方向の幅が大きい楕円形あるいは線状の断面となっており、エネルギー値に応じてＸ方向の異なる位置を通る。従って、Ｙ方向に長くＸ方向に適当な幅を持つスリットにより、所望のエネルギーを持つ電子のみを選択的に通過させることが出来る。
【００１５】
ところで、このような形でエネルギーフィルタとして機能する実施例装置について、Boersch効果による影響を考察する。前述のごとく、低エネルギーの電子ビームがエネルギーフィルタを通過する場合、特にフィルタ内の収束点で電子が近接して飛行する時に相互に影響を与え合い、エネルギーが変化して拡がりを持ってしまい、エネルギー幅の狭い電子ビームを得ることが困難となるが、本実施例では、ＺＸ面内で２回、ＺＹ面内で１回電子ビームが収束するものの、ＺＸ面内の収束位置とＺＹ面内の収束位置は異なっているので、フィルタ内でビームが点状に収束することがない。すなわち、各収束位置におけるビームの断面形状は線状であり、点状に収束するような場合に比べ、電子の密度は格段に小さい。従って、Boersch効果による影響を、最小限に抑えることが出来る。
【００１６】
上述した実施例では２つのフィルタを組み合わせたが、更に多数のフィルタを組み合わせて本発明のエネルギーフィルタを構成することが出来る。その場合、スリットは、ＺＸ平面で２回目以降の収束位置に配置される。スリットをフィルタ内に設置することは困難なので、フィルタとフィルタの間の自由空間にスリットを配置することが必要となる。
【００１７】
また、上記実施例では、磁界と電界が重畳されるウィーンフィルタを２段構成で用いたが、磁界と電界は完全に重畳される必要はなく、一部磁界または電界が単独で存在するような場を備えたエネルギーフィルタを複数段用いても、本発明のエネルギーフィルタを構成することが可能である。
【００１８】
図５は、本発明のエネルギーフィルタを組み込んだ電子顕微鏡の構成を示す。図５(a)は、ＦＥＧと加速器の間に本発明のエネルギーフィルタを配置した例を示している。ＦＥＧ１１から発生した１ｋｅＶ〜数ｋｅＶ程度の比較的低いエネルギーの電子ビームは、入射アパーチャ１２、減速部１３、エネルギーフィルタ部１４、加速部１５、出射アパーチャ１６から成る減速型エネルギーフィルタ１７に入射する。この減速型エネルギーフィルタ１７において、入射電子は減速部で数１００ｅＶ程度のエネルギーに減速された後、フィルタ部１４において所定のエネルギーを持つ電子のみが選択され、加速部１５によって再び元のエネルギーを持つように加速されて出射アパーチャ１７から出射する。エネルギーフィルタ部１４は、図１に示された構造を有している。
【００１９】
出射アパーチャ１５から出射した電子ビームは、加速器１８によって所望の高エネルギー(例えば２００ｋｅＶ程度)まで加速された後、コンデンサレンズ群１９及び対物レンズ２０を介して試料２１に照射される。
【００２０】
図５(b)は、加速器の後段に本発明のエネルギーフィルタを配置した例を示している。この例では、ＦＥＧ１１から発生した１ｋｅＶ〜数ｋｅＶ程度の比較的低いエネルギーの電子ビームは、加速器１８によって所望の高エネルギー(例えば２００ｋｅＶ程度)まで加速された後、コンデンサレンズ２２を介して入射アパーチャ１２、減速部１３、エネルギーフィルタ部１４、加速部１５、出射アパーチャ１６から成る減速型エネルギーフィルタ１７に入射する。この減速型エネルギーフィルタ１７において、入射電子は減速部で数１００ｅＶ程度のエネルギーに減速された後、フィルタ部１４において所定のエネルギーを持つ電子のみが選択され、加速部１５によって再び元のエネルギーを持つように加速されて出射アパーチャ１７から出射する。エネルギーフィルタ部１４は、図１に示された構造を有している。
【００２１】
出射アパーチャ１５から出射した電子ビームは、コンデンサレンズ群１９及び対物レンズ２０を介して試料２１に照射される。
【００２２】
この実施例では、減速型エネルギーフィルタ１７の減速部１３及び加速部１４は、高エネルギーの電子を数１００ｅＶ程度のエネルギーに減速し、更に元の高エネルギーに加速することが必要なため、本来の加速器１８と同様多段電極による多段減速、多段加速とするのが好ましい。
【００２３】
本発明は上記実施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。特に、エネルギーフィルタを設ける位置については上記実施形態に限らず試料の上流側であれば適宜な位置を選択することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のエネルギーフィルタ及びそれを用いた電子顕微鏡は、特定のエネルギーを持つ荷電粒子のみを通過させるために電場と磁場を組み合わせたエネルギーフィルタであって、該エネルギーフイルタ内を進行する荷電粒子が、進行方向に対して直交するＸ方向について複数回収束されると共に、該方向と直交するＹ方向について前記Ｘ方向の収束位置と異なる位置で収束するようにされており、エネルギー選択スリットが前記Ｘ方向における２回目以降の収束位置に配置されることを特徴としているため、Boersch効果による影響を低減出来るという大きな効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施したエネルギーフィルタの一例を示す図である。
【図２】ウィーンフィルタの構造を例示する図である。
【図３】図１のエネルギーフィルタ内における電子のＺＸ面内及びＺＹ面内の軌道を示す図である。
【図４】スリット面上での電子ビーム形状を示す図である。
【図５】本発明のエネルギーフィルタを組み込んだ電子顕微鏡の構成を示す図であり、(a)は、ＦＥＧと加速器の間に本発明のエネルギーフィルタを配置した例を示し、(b)は、加速器の後段に本発明のエネルギーフィルタを配置した例を示している。
【符号の説明】
０：電子ビームの中心軌道、１：初段フィルタ１、２：２段目フィルタ、３：自由空間、４：エネルギー選択スリット、５，６：シャント部材、１１：ＦＥＧ、１２：入射アパーチャ、１３：減速部、１４：エネルギーフィルタ部、１５：加速部、１６：出射アパーチャ、１７：減速型エネルギーフィルタ１７、１８：加速器、１９：コンデンサレンズ群、２０：対物レンズ、２１：試料
【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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