JP2001229868A

JP2001229868A - ホログラフィ電子顕微鏡

Info

Publication number: JP2001229868A
Application number: JP2000042570A
Authority: JP
Inventors: Toshikatsu Kanayama; 俊克金山; Kozo Nunome; 浩三布目; Masaki Takeguchi; 雅樹竹口
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2000-02-21
Filing date: 2000-02-21
Publication date: 2001-08-24
Also published as: US20010042830A1; US6573501B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ホログラフィ電子顕微鏡において、倍率の制限
を無くし、容易に電子線ホログラフィを行うことができ
るようにする。【解決手段】電子線バイプリズム７は中間レンズ８と投
影レンズ９の間に配置されている。中間レンズ８は３段
以上のレンズで構成され、投影レンズ９は２段以上のレ
ンズで構成される。対物レンズ５及び中間レンズ８は、
中間レンズ８と電子線バイプリズム７の間の定められた
位置にクロスオーバーを形成し、同時に、電子線バイプ
リズム７と結像レンズ９の間の定められた位置に拡大像
を結像する。中間レンズ８は３段以上のレンズ構成であ
るので、定められた位置にクロスオーバーを形成すると
共に、定められた位置に拡大像を結像し、更に対物レン
ズ５と中間レンズ８の動作条件が相俟って、所望の任意
の倍率を達成することが可能である。従って、倍率の空
白領域は生じない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、透過型電子顕微鏡
（以下、ＴＥＭと称す）に電子線バイプリズムを装着し
たホログラフィ電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】ホログラフィ電子顕微鏡は、ＴＥＭの電
子光学系の途中に電子線バイプリズムを挿入したもので
あり、図７に示すような構成を有している。図７におい
て、１は電子銃、２は照射レンズ、３は試料、４は試料
ホルダ、５は対物レンズ、６は補助対物レンズ、７は電
子線バイプリズム、８は中間レンズ、９は投影レンズ、
１０は観察／記録装置を示す。観察／記録装置１０は、
蛍光スクリーンや、写真撮影を行うための装置、あるい
はＴＶカメラで構成されている。

【０００３】次に、電子線バイプリズム７の構成及び動
作について説明する。電子線バイプリズム７は、図８に
示すように、フィラメント１１と、フィラメント１１を
挟むように配置された２つの電極１２、１３を備えてい
る。なお、図８においてＣはクロスオーバー位置、即ち
対物レンズ５の後焦点面の位置を示し、ＩＰは対物レン
ズ５の像面（イメージプレーン）を示している。

【０００４】フィラメント１１は、通常、直径が１μｍ
程度の白金の細線で構成され、動作時には正の数百Ｖの
電圧が印加される。電極１２、１３は接地されている。
なお、電極１２、１３は設けられない場合もあるが、こ
こでは電極１２、１３を備えているものとする。

【０００５】さて、フィラメント１１に所定の電圧を印
加して電子線バイプリズム７を動作させると、試料３を
透過した電子線束はフィラメント１１によって２つに分
断され、その後、この分断された２つの電子線束が図に
示すようにオーバーラップする。そして、オーバーラッ
プすることによって２つの電子線束は互いに干渉して、
オーバーラップした領域には干渉縞が形成される。図８
ではオーバーラップした領域（以下、干渉領域と称す）
の幅をＤで表している。なお、図８では補助対物レンズ
６は省略している。

【０００６】この場合、試料３に加工を施し、フィラメ
ント１１により分断された電子線束の一方は試料の存在
しない部分、即ち真空の部分をそのまま通過し、もう一
方の電子線束は試料の部分を透過するようにしておく。
このようにすれば、２つに分断された電子線束の干渉領
域に形成される干渉縞には、試料の部分を透過した電子
が、試料を透過する間に受けた位相シフトの情報が含ま
れることになる。

【０００７】試料を透過した電子線束は興味ある物体の
情報を含むという意味で物体波と称し、真空部分を通過
した電子線束は何の影響を受けておらず、基準になり得
るという意味で参照波と称している。そして、このよう
な干渉領域に形成される干渉縞を電子線ホログラムと称
し、電子線ホログラムから物体波の位相を解析して試料
の情報を分析する手法を電子線ホログラフィと称してい
る。

【０００８】電子線バイプリズム７によって形成された
電子線ホログラムは、その後方の中間レンズ８、投影レ
ンズ９によって拡大されて観察／記録装置１０に結像さ
れる。なお、対物レンズ５の像面、即ち中間レンズ８の
物面は電子線バイプリズム７の位置と一致しないように
なされている。具体的には、対物レンズ５の像面は電子
線バイプリズム７の下方の所定の位置に定められるのが
通常である。

【０００９】次に、電子線ホログラムの干渉縞の間隔
と、干渉領域の幅Ｄについて説明すると次のようであ
る。干渉縞の間隔は電子線バイプリズム７のフィラメン
ト１１に与える印加電圧、及び対物レンズ５の像面ＩＰ
の位置に依存する。いま、対物レンズ５の後方焦点面、
即ち図８のクロスオーバー位置Ｃからフィラメント１１
までの距離をａ、フィラメント１１から像面ＩＰまでの
距離をｂ、電子の波長をλ、フィラメント１１に印加す
る電圧をＶ_f 、電子線バイプリズム７のフィラメント１
１の半径をｒ、電子線バイプリズム７の偏向感度をψと
すると、対物レンズ５の像面ＩＰにおける干渉縞間隔ｌ
は次の(1) 式で表され、電子線バイプリズム７のフィラ
メント１１自身の太さを差し引いた干渉領域の幅Ｄは次
の(2) 式で表される。

【００１０】

【数１】

【００１１】また、電子線ホログラフィでは、電子線ホ
ログラムの干渉縞間隔ｌ、及び干渉領域の幅Ｄを試料面
上に換算した値というのが重要であるが、その試料面上
に換算した干渉縞間隔ｌ_s は次の(3) 式で表され、試料
面上に換算した干渉領域幅Ｄ _s は次の(4) 式で表され
る。

【００１２】

【数２】

【００１３】ここで、(3) 式及び(4) 式に用いた、対物
レンズ５の像面ＩＰにおける倍率Ｍについて考えると、
対物レンズ５は通常は強く励磁されており、その焦点距
離ｆは（ａ＋ｂ）に比較して十分に小さいとすることが
できるから、次の(5) 式で表すことができる。

【００１４】

【数３】

【００１５】従って、(5) 式を(3) 式及び(4) 式に代入
すれば、対物レンズ５が強く励磁され、その焦点距離ｆ
が（ａ＋ｂ）に比較して十分に小さいとすることができ
る場合には、試料面上に換算した干渉縞間隔ｌ_s 、干渉
領域幅Ｄ_s はそれぞれ(6) 式、(7) 式で表される。

【００１６】

【数４】

【００１７】次に計算の例を示す。例えば、いま電子線
の加速電圧が 200ｋＶであると仮定し、ａ＝ 150ｍｍと
仮定する。また、ｂは通常10ｍｍ程度である。これらの
値は実用的な値である。この場合、ψは1×10^-6 rad／
Ｖ程度である。そして、Ｖ_f＝ 200Ｖ、ｆ＝ 2ｍｍ、ｒ
＝ 0.3μｍとすると、ｌ＝0.084 ｎｍ、Ｄ＝42ｎｍとな
る。

【００１８】ところで、観察／記録装置１０にセットす
る記録装置の分解能を20μｍとすると、電子線ホログラ
ムを記録するためには、像の最終倍率としては25万倍以
上必要となり、像の最終倍率が25万倍のとき記録される
電子線ホログラムの干渉領域幅は10ｍｍとなるに過ぎな
い。干渉領域幅を大きくして視野を確保するにはフィラ
メント１１の印加電圧Ｖ_f を高くすればよいが、フィラ
メント１１の印加電圧Ｖ_f を高くすると、(1) 式からも
容易に分かるように、逆に、対物レンズ５の像面ＩＰに
おける干渉縞間隔ｌは小さくなってしまう。従って、観
察／記録装置１０の位置において有効な視野を大きくし
ようとすると、倍率は高くする方に偏ってしまう。

【００１９】これを解決するためには、対物レンズ５を
弱励磁として像面ＩＰの位置を対物レンズ５の側に近づ
け、中間レンズ８の第１段のレンズをオフにする、即ち
第１段の中間レンズに励磁電流を供給しないという方法
が採られる。このようにすると、ｂを数十ｍｍと大きく
することができ、フィラメント１１の印加電圧Ｖ_f が同
じで、ｌが同じであっても、電子線ホログラムの干渉領
域幅Ｄを大きくする事ができる。

【００２０】このように、ホログラフィ電子顕微鏡で
は、通常のＴＥＭの使用条件とは異なる、変則的な使用
条件を採っているのである。

【００２１】なお、以上のように、ＴＥＭの通常の使用
条件から外して、より広い干渉領域幅を確保する結像モ
ードを中倍モードと称す。これに対して、対物レンズ５
を強励磁として、短焦点距離で使用する結像モードを高
倍モードと称す。また、対物レンズ５を非常に弱励磁で
使用したり、あるいは補助対物レンズ６を使用するなど
すれば数千倍程度の低倍が可能であり、この結像モード
を低倍モードと称す。しかし、低倍モードでは対物レン
ズ５による高解像度の結像を犠牲にしてしまうので、数
千倍程度の倍率は実際には実用に供するものではない。

【００２２】このように、低倍モード、中倍モード、高
倍モードの３つの結像モードがあるのであるが、これら
各結像モードの倍率、干渉縞間隔、干渉領域幅を次の表
に示す。

【００２３】

【表１】

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】図７に示すように、従
来のホログラフィ電子顕微鏡では、電子線バイプリズム
７は対物レンズ５と中間レンズ８の間に配置されてい
る。これは、電子線バイプリズム７はいわゆるＴＥＭの
オプションあるいはアクセサリーとして用意されている
もので、ＴＥＭの中の電子線バイプリズムが配置可能な
空間がある箇所に電子線バイプリズムがセット可能な場
所が用意されており、その電子線バイプリズムが配置可
能な空間を有する箇所が対物レンズ５と中間レンズ８の
間であるからである。

【００２５】ところで、上述したように、従来のホログ
ラフィ電子顕微鏡では、低倍モード、中倍モード、高倍
モードの３つの結像モードがあるのであるが、上記の表
からも分かるように、低倍モードと中倍モードとの間に
は倍率の空白領域がある。なお、中倍モードと高倍モー
ドの間には倍率の空白領域はなく、倍率は連続的に変え
ることが可能である。

【００２６】従って、従来のホログラフィ電子顕微鏡で
は、低倍モードと中倍モードの間の倍率である１万倍前
後〜数万倍前後の倍率、干渉領域幅でいうと数百ｎｍ程
度のモードは達成不可能となっている。

【００２７】また、実現可能な倍率であっても、観察対
象物の大きさによって倍率のモード選択を行わなければ
ならず、観察／記録装置１０の分解能をも考慮して倍率
設定を慎重に行わなければならないものであった。

【００２８】このように従来のホログラフィ電子顕微鏡
では、倍率の制限や、使用する上での注意点が多く、Ｔ
ＥＭにおける電子線ホログラフィは誰でもが容易に利用
できる研究手法ではなかったのである。

【００２９】本発明は、上記の課題を解決するものであ
って、倍率の制限がなく、容易に電子線ホログラフィを
行うことができるホログラフィ電子顕微鏡を提供するこ
とを目的とするものである。

【００３０】

【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、本発明に係るホログラフィ電子顕微鏡は、中間レ
ンズと投影レンズとの間に電子線バイプリズムが配置さ
れ、中間レンズ等の電子線バイプリズムより電子銃側に
配置されているレンズによって倍率が任意に設定可能と
なされていることを特徴とする。

【００３１】

【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。図１は本発明に係るホログ
ラフィ電子顕微鏡の一実施形態を示す図であり、図中、
２１はレンズ電源、２２は倍率設定装置、２３は電子線
バイプリズム用電源を示す。なお、図７に示すものと同
等なものについては同一の符号を付している。

【００３２】倍率設定装置２２は倍率を設定するもので
あり、レンズ電源２１は、倍率設定装置２２で設定され
た倍率を実現するための各レンズの励磁電流を決定し
て、その決定した励磁電流を各レンズに供給するもので
ある。電子線バイプリズム用電源２３は、電子線バイプ
リズム７のフィラメントに印加する電圧を発生するもの
である。

【００３３】図１に示すホログラフィ電子顕微鏡では、
電子線バイプリズム７は中間レンズ８と投影レンズ９の
間に配置されている。また、中間レンズ８は３段以上の
レンズで構成されており、投影レンズ９は２段以上のレ
ンズで構成されている。

【００３４】動作は次のようである。試料ホルダ４にセ
ットされた試料３に対し、対物レンズ５及び中間レンズ
８は、それらのレンズ作用によって、ある定まった位置
にクロスオーバー（以下、これを中間レンズクロスオー
バー位置と称す）を形成し、それと同時に、ある定まっ
た像面位置（以下、これを中間レンズ像面位置と称す）
に拡大像を結像する。その中間レンズクロスオーバー位
置は、中間レンズ８と電子線バイプリズム７の間の定め
られた位置であり、中間レンズ像面位置は、電子線バイ
プリズム７と結像レンズ９の間の定められた位置であ
る。ここで、中間レンズクロスオーバー位置と、中間レ
ンズ像面位置は倍率によらず常に一定の位置となされて
いる。そして、投影レンズ９は、当該像面位置に結像さ
れた拡大像を拡大して、観察／記録装置１０の受光面に
像を結像する。なお、投影レンズ９の倍率は固定であっ
てもよく、可変可能であってもよいが、固定倍率とする
と使い勝手がよい。

【００３５】図１の構成によれば、電子線バイプリズム
７を中間レンズ８と投影レンズ９の間に配置し、中間レ
ンズ８は３段以上のレンズ構成であるので、定められた
中間レンズクロスオーバー位置にクロスオーバーを形成
すると共に、定められた中間レンズ像面位置に拡大像を
結像し、更に対物レンズ５と中間レンズ８の動作条件が
相俟って、所望の任意の倍率を達成することが可能であ
る。従って、従来のように、倍率の空白領域は生じない
ものである。

【００３６】図２に低倍時の光線図を示し、図３に中倍
時の光線図を示し、図４に高倍時の光線図を示す。な
お、以下に示す図においては補助対物レンズ６は省略す
る。図２、図３、図４において、Ｃは中間レンズクロス
オーバー位置を示し、ＩＰは中間レンズ像面位置を示
し、Ｆは観察／記録装置１０の受光面に結像される最終
像を示している。

【００３７】次に、干渉縞間隔と、干渉領域幅について
説明する。ここでは、中間レンズクロスオーバー位置か
ら電子線バイプリズム７のフィラメントまでの距離を
ａ、当該フィラメントから中間レンズ像面位置までの距
離をｂ、試料３に対する中間レンズ像面位置における倍
率をＭ₁ 、投影レンズ９の倍率をＭ₂ とする。なお、Ｍ
₁ は対物レンズ５と中間レンズ８による合成の倍率であ
ることは明らかである。

【００３８】上記の(1) 式及び(2) 式はそのまま適用で
きるから、中間レンズ像面位置における干渉縞間隔ｌ、
干渉領域幅Ｄは、それぞれ、(1) 式、(2) 式で表され
る。また、最終的に観察／記録装置１０で記録される電
子線ホログラムの干渉縞間隔ｌ_final 、干渉領域幅Ｄ
_finalは、それぞれ、ｌ_final ＝Ｍ₂ ×ｌ …(8) Ｄ_final ＝Ｍ₂ ×Ｄ …(9) であり、中間レンズ像面位置での倍率に依存せず、投影
レンズ９の倍率に依存する。

【００３９】いま、ａ、ｂ、Ｖ_f 、Ｍ₂ を適当に選択し
て、干渉縞間隔ｌ_final 、及び干渉領域幅Ｄ_final を観
察／記録装置１０のサイズＬ、及び分解能ｄに適合する
ように、対物レンズ５、中間レンズ８の倍率を可変して
全体の倍率Ｍ＝Ｍ₁ ×Ｍ₂ を設定したときに、常に最良
の条件、即ち観察／記録装置１０に適合した分解能及び
有効視野で画像記録することが可能となる。しかも、上
述したように、実現不可能な倍率領域が存在せず、低い
倍率から高い倍率まで、連続的に電子線ホログラムを得
ることが可能となる。

【００４０】例えば、ａ＝20ｍｍ、ｂ＝ 140ｍｍ、ψ＝
1×10^-6 rad／Ｖ、Ｖ_f ＝ 200Ｖ、ｒ＝ 0.3μｍとした
とき、中間レンズ像面位置における干渉縞間隔ｌ＝50ｎ
ｍ、干渉領域幅Ｄ＝51.2μｍであり、Ｍ₂ ＝ 500のとき
観察／記録装置１０の受光面での干渉縞間隔はｌ_final
＝25.1μｍ、干渉領域幅はＤ_final ＝25.6ｍｍである。
上述したところから明らかなように、これらのｌ
_final 、Ｄ_final の値は全体の倍率Ｍに依存しない。

【００４１】これに対して、試料面上に換算した干渉縞
間隔ｌ_s 、干渉領域幅Ｄ_s は全体の倍率Ｍに依存し、ｌ_s ＝ｌ_final／Ｍ …(10) Ｄ_s ＝Ｄ_final／Ｍ …(11) である。上記の(6) 式、(7) 式によれば、従来では対物
レンズ５が強く励磁され、その焦点距離ｆが（ａ＋ｂ）
に比較して十分に小さいとすることができる場合には、
試料面上に換算した干渉縞間隔ｌ_s 、干渉領域幅Ｄ_s は
一定値に固定されてしまうが、このホログラフィ電子顕
微鏡によれば、(10)式、(11)式から明らかなように、試
料面上に換算した干渉縞間隔ｌ_s 、干渉領域幅Ｄ_s は全
体の倍率Ｍを変えることによって変更することが可能で
ある。

【００４２】以上、本発明の一実施形態について説明し
たが、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。その変形例を以下に示す。図
５は、結像型のエネルギーフィルタに適用した場合の構
成例を示しており、図中、３０はスペクトロメータを示
している。この場合には、図５に示すように、中間レン
ズクロスオーバー位置Ｃはスペクトロメータ３０の入射
クロスオーバー位置に、中間レンズ像面位置ＩＰはスペ
クトロメータ３０の入射像面に一致するようになされて
おり、電子線バイプリズム７はそれら中間レンズクロス
オーバー位置Ｃと、中間レンズ像面ＩＰとの間に挿入す
る。

【００４３】なお、スペクトロメータ３０としては、従
来より提案されている、Ω形、γ形、セクタ形等の種々
の方式のものを使用することができる。Ω形やγ形で代
表される、電子顕微鏡光軸から電子を偏向させて分光
し、その後に元の電子顕微鏡光軸に戻る方式をインカラ
ム形と呼び、セクタ形に代表される、通常の電子顕微鏡
の最終レンズ（投影レンズ）の後方にスペクトロメータ
を追加する方式をポストカラム形と呼ぶ。図６にポスト
カラム型のスペクトロメータを用いたエネルギーフィル
タに適用した場合の構成例を示す。図６において、３１
はポストカラム型のスペクトロメータである。また、３
２は中間レンズと投影レンズを含むレンズ群を示してお
り、この場合にも電子線バイプリズム７は、レンズ群３
２によるクロスオーバー位置Ｃと像面位置ＩＰの間に挿
入される。これらの図５、図６に示す構成では、スペク
トロメータを投影レンズ９の構成要素の一部と考えれ
ば、図１に示す基本的な構成と同じであるということが
できる。

【００４４】

【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、電子線バイプリズムを中間レンズと対物レン
ズの間に配置したので、電子線バイプリズムより電子銃
側の対物レンズ、及び中間レンズで倍率を任意に可変で
き、倍率の空白領域を無くすことができる。また、最終
的に観察／記録装置に記録される電子線ホログラムの干
渉縞間隔、干渉領域幅は投影レンズの倍率に依存し、全
体の倍率に依存せず、常に一定の干渉縞間隔、干渉領域
を持つようになる。そして、それによって、観察／記録
装置の分解能や、有効視野を気にせずに、電子線ホログ
ラムが容易に取得できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るホログラフィ電子顕微鏡の一実施
形態を示す図である。

【図２】図１に示す構成における、低倍時の光線図を示
す図である。

【図３】図１に示す構成における、中倍時の光線図を示
す図である。

【図４】図１に示す構成における、高倍時の光線図を示
す図である。

【図５】変形例を示す図である。

【図６】他の変形例を示す図である。

【図７】従来のホログラフィ電子顕微鏡の構成例を示す
図である。

【図８】電子線バイプリズムの構成及び動作を説明する
ための図である。

【符号の説明】

１…電子銃、２…照射レンズ、３…試料、４…試料ホル
ダ、５…対物レンズ、６…補助対物レンズ、７…電子線
バイプリズム、８…中間レンズ、９…投影レンズ、１０
…観察／記録装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中間レンズと投影レンズとの間に電子線バ
イプリズムが配置され、中間レンズ等の電子線バイプリ
ズムより電子銃側に配置されているレンズによって倍率
が任意に設定可能となされていることを特徴とするホロ
グラフィ電子顕微鏡。