JP2001052644A

JP2001052644A - 磁界型エネルギーフィルタ

Info

Publication number: JP2001052644A
Application number: JP2000155923A
Authority: JP
Inventors: Katsushige Tsuno; 勝重津野; Munro Eric; ムンロエリック; Rose John; ローズジョン
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1999-06-01
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2001-02-23
Anticipated expiration: 2020-05-26
Also published as: JP3692011B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ビームパスを長くし偏向角の絶対値の合計を
大きくすると共に、コンパクトな形状を実現する。【解決手段】複数の磁界領域Ｍ１〜Ｍ４を有し入射窓
Ｉから出射スリットＳ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Ｍ１〜Ｍ４を有し、２個目Ｍ２と３個目Ｍ３
の磁界領域の中間に位置する回転対称軸を境にして磁界
の極性が反転し、入射窓と出射スリットを結ぶ直線の左
右両側に偏向磁石Ｍ１〜Ｍ４を有し、各磁界領域Ｍ１〜
Ｍ４のビーム偏向角の絶対値の合計を５４０°超あるい
はおよそ７２０°とする。これにより、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、ピームパスを長くし偏向角の絶対値の合計を大きく
すると共に、入射窓面Ｉから出射スリット面Ｓまでの距
離Ｄを短くし、コンパクトな形状を実現できる。

Description

【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
偏向する磁界型エネルギーフィルタに関する。

【０００２】

【従来の技術】図４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５
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６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、図７はＡタイプのオメガ
エネルギーフィルタの基本軌道を説明するための図、図
８はＢタイプのオメガエネルギーフィルタの基本軌道を
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、オメガフィルタやキャスターンヘ
ンリー(Castain-Henry)型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、鏡筒をまっすぐ一直線
状に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４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を
通して試料１４に照射し、対物レンズ１３、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
試料の観察像を投影している。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、Ｍ
２、Ｍ３、Ｍ４（ビームの回転半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、
Ｒ４）にビームを次々と偏向させながら通すことによっ
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５及び図６に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。ここで、
入射ビームと出射ビームとが同一直線上に並ぶような直
線あるいは入射窓と出射スリットとを通る直線を「直線
軸」と呼び、図５及び図６に示すようなフィルタの磁界
で偏向を受けたビームの中心の軌道を「フィルタの中心
軌道を示す光軸」と呼ぶこととする。

【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（electron s
pectroscopic imaging、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型エネ
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
型フィルタの代表的なものであり、このフィルタは、元
々キャスターンヘンリー型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。一様場を有するセクター型磁石で
は、磁極面に並行な方向ｘ、即ちエネルギー分散を生じ
る方向にはビームの収束作用を有するものの、磁界方向
ｙには収束作用はない。そこでオメガエネルギーフィル
タの場合、磁極端面に傾斜をつけて、端面傾斜が作る４
極子レンズ作用によって磁界方向の収束を得ている。図
５及び図６に示した２つの例は、異なる光学設定条件の
下で設計されたものであり、図５に示した磁極面に平行
方向ｘにも磁界方向ｙにも３回の結像を行うものがＡタ
イプと呼ばれ、図６に示した磁極面に平行方向ｘに３
回、磁界方向ｙに２回の結像を行うものがＢタイプと呼
ばれている。その基本的光学系の違いは、フィルタの中
心軌道を示す光軸を直線に直して描いた図７に示すＡタ
イプの軌道図及び図８に示すＢタイプの軌道図において
明らかである。

【０００６】ここで、ｘα、ｙβの両軌道は、最終的に
蛍光板上に結ぶ顕微鏡像を形成する電子ビームの軌道で
ある。一方、ｘγ、ｙδの両軌道は前段のレンズによっ
てフィルタの入射窓面上にフォーカスし、フィルタ通過
後、出射スリット面上にフォーカスする軌道である。電
子ビームは出射スリット面上に達したところではそのエ
ネルギーに応じて十分な分散を生じる。出射スリットに
よって、電子ビームは所望のエネルギー範囲のビームの
みが選択される。なお、蛍光板上の像は出射スリットを
通過したエネルギー範囲のビームによって形成される
が、分散を有したままではぼけの原因となるので、像面
上では分散が消滅していなければならない。これはアク
ロマティック条件と呼ばれている。さらに、オメガエネ
ルギーフィルタでは、中心面対称な軌道を取ることによ
って、像面上の開口収差と歪み収差をうち消しているこ
とが大きな特徴である。

【０００７】オメガエネルギーフィルタは、２次収差の
いくつかを零にし残りの収差も小さくするために、第２
の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３の間の面を対称面（中心
面）として、その前後でのビーム軌道が対称となるよう
に設計されている。即ち、像面から出射スリット面まで
の距離をＬＬとすると、入射ビームの像面は、入射窓面
から距離ＬＬに位置するように調整される。この様な条
件の下で、ＡタイプとＢタイプの違いは、ｙ方向（磁界
方向）の軌道において、Ａタイプが図７に示すように対
称面でｙβ＝０、ｙδ′＝０であるのに対して、Ｂタイ
プが図８に示すように対称面でｙβ′＝０、ｙδ＝０で
ある。ここで「 ′」はｚに対する微分、すなわち軌道
の傾きである。ｘ軌道は、両ビームにおいて同一条件
で、いずれのタイプでも対称面でｘα＝０、ｘγ′＝０
となる。

【０００８】このような初期条件を選ぶと、Ａタイプで
は、図７に示すようにｘγ軌道は３回フォーカスするの
に対し、ｙδ軌道も３回フォーカスするが、Ｂタイプで
は、図８に示すようにｘγは３回フォーカスするもの
の、ｙδは２回のみのフォーカスとなる。即ち、像は裏
返しになる。このような２つのタイプのオメガエネルギ
ーフィルタがあることは古くから知られている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】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electron energy loss spectroscopy（ＥＥＬ
Ｓ）、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energy filtered transmitted electron microsc
opy（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。

【００１０】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電圧が印加された場に配
置しなければならないため、装置が複雑化したり大型化
する欠点がある。

【００１１】

【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、ビームパスを長くし、ビーム偏向
角の絶対値の合計を大きくすると共に、コンパクトな形
状を実現できるようにするものである。

【００１２】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、２個目と３個目の磁界領域の中
間位置に回転対称軸を有し、２個目と３個目の磁界領域
の間を境にして磁界の極性が反転し、また、直線軸の左
右両側に偏向磁石を有し、前記各磁界領域のビーム偏向
角の絶対値の合計を５４０°超あるいはおよそ７２０°
とすることを特徴とするものである。

【００１３】

【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は本発明に係る磁界型エネ
ルギーフィルタの実施の形態を示す図、図２は本発明に
係る磁界型エネルギーフィルタのシミュレーション結果
に基づいた基本軌道を説明するための図である。

【００１４】図２（ａ）は、入射窓面上に投影された顕
微鏡像を形成する電子ビームの軌道を表す。入射窓面上
で顕微鏡像を結んだ電子ビームは、合計４回クロスオー
バを結んだ後、出射スリット面上で再び顕微鏡像を結
ぶ。図２（ｂ）は、入射窓を通過した電子ビームの内の
特定の（２つの）エネルギの電子ビームの軌道を示す。
入射窓を通過した電子ビームは、３回フォーカスを結ん
だ後、出射スリット面上で４度目のフォーカスを結ぶ。
電子ビームのエネルギが異なると、電子ビームは異なる
軌道を描いて、出射スリット面上の異なる位置にフォー
カスを結ぶ。従って、出射スリットによって、所望のエ
ネルギの電子ビームのみを選択することができる。図２
（ｃ）は、顕微鏡像を形成する電子ビームの軌道の磁極
面に並行な方向の軌道ｘαを表す。図２（ｄ）は、顕微
鏡像を形成する電子ビームの軌道の磁界方向の軌道ｙβ
を表す。図２（ｅ）は、所望のエネルギの電子ビームの
軌道の磁極面に並行な方向の軌道ｘγと光軸に沿った分
散の大きさ（ｘχ）を表す。図２（ｆ）は、所望のエネ
ルギの電子ビームの軌道の磁界方向の軌道ｙδを表す。

【００１５】図１において、Ｍ１〜Ｍ４は磁石、Ｉは入
射窓、Ｓは出射スリットを示す。以下図１における動作
を電子ビームの軌道に沿って説明する。電子ビームは図
の矢印で示す光軸の方向に沿って入射し、入射窓I面上
にクロスオーバー（フォーカス）を結んだ後、フィルタ
に入射する。入射窓Iを通過した電子ビームは、偏向角
がφ１である磁石Ｍ１に入射し、φ１だけ偏向されて
（図では時計方向の偏向として描かれている）出射し、
フィルタによる最初のフォーカスを結ぶ。次いで電子ビ
ームは、偏向角がφ２である磁石Ｍ２に入射し逆方向
（図では反時計方向）にφ２だけ偏向されて出射する。
磁石Ｍ２を出射した電子ビームは、直線軸と電子ビーム
軌道と交わる点Ｏを通過する。そして、この点Ｏ近傍で
２度目のフォーカスを結ぶ。点Ｏを通過した電子ビーム
は、直線軸の反対側にある偏向角がφ３である磁石Ｍ３
に入射し、時計方向にφ３だけ偏向されて出射し、３度
目のフォーカスを結ぶ。ここでφ３＝−φ２である。次
いで磁石Ｍ３を出射した電子ビームは、偏向角がφ４で
ある磁石Ｍ４に入射し、反時計方向にφ４だけ偏向され
て出射する。ここでφ４＝−φ１である。磁石Ｍ４を出
射した電子ビームは、出射スリットに達し、出射スリッ
ト面上で４度目のフォーカスを結ぶ。４度目のフォーカ
スを結んで出射スリットに達した電子ビームは、そのエ
ネルギの違いによって、十分に分散している状態になっ
ている。従って、電子ビームは出射スリットで所望のエ
ネルギのみの電子ビームが出射スリットを通過してフィ
ルタを出射する。

【００１６】ここで、磁石Ｍ２と磁石Ｍ３との中間の位
置にあるＯ点を中間点と呼ぶ。そして、この点を通って
紙面に垂直な軸は、このフィルタの２回の回転対称軸
（あるいは２回の回転軸）になっている。即ち、このフ
ィルタは、Ｏ点を通る軸の２回の回転対称になってい
る。

【００１７】この様に、本発明に係る磁界型エネルギー
フィルタでは、直線軸の両側に磁石が配置され、しかも
それらは２回の回転対称となっているので、オメガフィ
ルタやアルファフィルタなど、従来のフィルタが直線軸
の片側だけに磁石を有していたものと比べると、フィル
タの入口と出口との距離、つまり入射窓Ｉと出射スリッ
トＳとの距離Ｄを長くすることなく、ビームパスを長く
し、ビーム偏向角の絶対値の合計を大きくすることがで
きる。

【００１８】従って、上記のようにした本発明に係る磁
界型エネルギーフィルタによれば、従来のオメガフィル
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、アルファフィルタの２倍に増大して
いる。また、従来のオメガフィルタでも、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。

【００１９】これまで提案された従来のエネルギーフィ
ルタは、磁界１〜４の４つの磁界領域から成る場合、す
べて対称面を挟んだ磁界２と磁界３の磁界極性が同一で
ある。本発明において新たに提案する磁界型エネルギー
フィルタ（これをＳフィルタと呼ぶ。）では、回転対称
軸を境にして磁界２と磁界３の磁界の極性が反転してい
る。

【００２０】なお、図１および図２では偏向角の絶対値
の合計が７２０°になる例を示したが、磁界１と磁界２
の磁界の極性も反転しているＳフィルタにおいては、偏
向角の絶対値の合計が５４０°超になるようにすれば、
フィルタの入口と出口との距離つまり入射窓Ｉと出射ス
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
くしビーム偏向角の絶対値の合計を大きくするという目
的を達することができる。

【００２１】もうひとつの重要な特性は、ｘγ軌道が光
軸と交わる回数である。一般に、ｘγ軌道がフィルタの
中心軌道を示す光軸と交わる回数が多いほど、分散が大
きくなると考えてよい。従来のオメガフィルタのｘγ軌
道がフィルタの中心軌道を示す光軸と交わる回数は、図
５のＡタイプも図６のＢタイプも図７および図８の図中
に矢印で示す様に、共に３回である。これに対して、本
発明のフィルタは、図２（ｅ）に矢印で示す様に４回で
ある。

【００２２】図３は本発明に係る磁界型エネルギーフィ
ルタの他の実施の形態を示す図であり、Ｍ５〜Ｍ８は磁
石、Ｉは入射窓、Ｓは出射スリットを示す。図３におい
て、入射窓のあるビーム入射側の磁石Ｍ５、Ｍ６を共に
同一のビーム偏向方向となるような磁界として、出射ス
リットのある出射側の磁石Ｍ７、Ｍ８は、ビーム偏向方
向は磁石Ｍ５、Ｍ６とは逆となるような磁界にして、２
回の回転対称になるように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。これを８字型フィルタ
と呼ぶことにする。この８字型フィルタにおいては、ビ
ーム偏向角の絶対値の合計はおよそ７２０°となる。

【００２３】補足すると、図１に示した本発明に係る磁
界型エネルギーフィルタはオメガフィルタのひとつの変
形であり、図３に示した本発明に係る磁界型エネルギー
フィルタがアルファフィルタの変形であるといえる。

【００２４】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、オメガフィルタやアルファフィルタ
を変形して直線軸の両側に２回の回転対称に成るよう磁
石を配置したが、直線軸の一方の側にオメガフィルタの
変形即ちＳフィルタを採用し、直線軸の反対側にアルフ
ァフィルタの変形即ち８字型フィルタを採用するなど、
直線軸の両側で異なるタイプの磁石を組み合わせて構成
してもよい。

【００２５】また、上記実施の形態では、４個の磁石Ｍ
１〜Ｍ４、Ｍ５〜Ｍ８からなる構成で説明したが、本発
明は、磁界型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３に示す磁石Ｍ６、Ｍ７のいずれかあ
るいは全てを２分割して構成（例えば、Ｍ２をＭ２−１
とＭ２−２の２つに分割）してもよいことはいうまでも
ない。つまり、磁石を分割してその間に磁石のないドリ
フト空間を挿入しても本質的には同じだからである。

【００２６】

【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面から出射スリ
ット面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、２個目と３個目の磁界領域の中間に位置する回転対
称軸を境にして磁界の極性が反転し、また、直線軸の左
右両側に偏向磁石を有し、前記各磁界領域のビーム偏向
角の絶対値の合計を５４０°超あるいはおよそ７２０°
とするので、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、ピームパスを長くし偏
向角の絶対値の合計を大きくすることができ、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。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る磁界型エネルギーフィルタの実
施の形態を示す図である。

【図２】本発明に係る磁界型エネルギーフィルタの基
本軌道とその比較を説明するための図である。

【図３】本発明に係る磁界型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４】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５】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６】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。

【図７】Ａタイプのオメガエネルギーフィルタの基本
軌道を説明するための図である。

【図８】Ｂタイプのオメガエネルギーフィルタの基本
軌道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…出射スリット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の磁界領域(magnetic fields)を有
し入射窓(entrance window)から出射スリット(exit sli
t)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、
２個目と３個目の磁界領域の中間位置に回転対称軸(rot
ational symmetry axis)を有し、２個目と３個目の磁界
領域の間を境にして磁界の極性が反転している磁界型エ
ネルギーフィルタ。
【請求項２】前記複数の磁界領域の１個目と２個目の
磁界領域で磁界の極性が反転している請求項１記載の磁
界型エネルギーフィルタ。
【請求項３】前記各磁界領域のビーム偏向角の絶対値
の合計を５４０°超とする請求項２記載の磁界型エネル
ギーフィルタ。
【請求項４】前記磁界領域は４個であり、各磁界領域
のビーム偏向角は、入射側から順に１１０°、−２５０
°、２５０°、−１１０°である請求項２記載の磁界型
エネルギーフィルタ。
【請求項５】前記複数の磁界領域の１個目と２個目の
磁界領域で磁界の極性が同じである請求項１記載の磁界
型エネルギーフィルタ。
【請求項６】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、前記入射窓と前記出射スリット
とを結ぶ直線軸の左右両側に偏向磁石を有する磁界型エ
ネルギーフィルタ。
【請求項７】前記各磁界領域のビーム偏向角の絶対値
の合計をおよそ７２０°とする請求項５または６記載の
磁界型エネルギーフィルタ。