JP2002025485A - エネルギーフィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 比較的簡便な構成で、２次収差をキャンセル
しつつエネルギー分散をより増大させることができるエ
ネルギーフィルタを得る。 【解決手段】 また、エネルギーフィルタは、中心面Ｃ
に対して鏡面対称になるように構成されている。第１磁
石１０による第１の不均一磁場領域に入射したビーム１
は、曲げられた後、第２磁石２０による第２の不均一磁
場領域に入射する。ビーム軌道は、第２磁石２０による
磁場領域によって湾曲し第２磁石２０による磁場領域か
ら出射して、第１磁石１０による第３の磁場領域に入射
する。第１磁石１０による第３の磁場領域に入射したビ
ームは、曲げられた後、出射スリットに至る。第１磁石
１０および第２磁石２０は中心面対称であるから、エネ
ルギーフィルタへの入射ビームの光軸とエネルギーフィ
ルタからの出射ビームの光軸は一致し、また、２次収差
はキャンセルされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子ビームを
用いたエネルギー分析装置として用いられ、高エネルギ
ー分解能やイメージングのために使用されるエネルギー
フィルタに関する。

【０００２】

【従来の技術】電子顕微鏡等において、イメージング用
エネルギーフィルタとしてオメガフィルタ（Ωフィル
タ）等が用いられている。エネルギーフィルタには、エ
ネルギー分散を増大させることが要求される。Ωフィル
タのエネルギー分散は、一般に、入射窓から出射窓（ス
リット位置）までの間の距離が長いほど大きい。しか
し、その距離を長くすると、フィルタが取り付けられる
装置全体を大きくする。よって、エネルギー分散を大き
くするために、入射窓から出射窓までの間の距離を大き
くすることには限界がある。

【０００３】また、イメージング用エネルギーフィルタ
は、２次収差をキャンセルするために、中心面に対して
鏡面対称性（中心面対称性）を有している必要がある。
従って、エネルギー分散を大きくするために、倍率を大
きくするといった手法を適用することは困難である。従
って、一般に、入射窓と出射窓との間で、または、入射
瞳と出射瞳との間で倍率は１倍に固定される。

【０００４】上記のような制約のもとで大きなエネルギ
ー分散を得るための一方法として、分散方向に凹レンズ
作用をする場を導入し、形状を大きくすることなく、一
様場による偏向作用およびフォーカス作用を増大させる
方法がある。例えば、４極子場を実現する磁極片の端面
（ビームの入出射側の面）に傾斜を設ける方法がある。
しかし、その方法では、傾斜角が大きくなるにつれて２
次収差が増大し、また、フィルタ設計におけるシミュレ
ーションの精度が低下する。よって、実質的に端面傾斜
角は４０°程度以内に制限される。その結果、エネルギ
ー分散は、実用的なフィルタの大きさで、加速電圧２０
０ｋＶにおいて１μｍ程度にしかならない。

【０００５】２次収差をキャンセルしつつエネルギー分
散を増大させる他の方法として、４極子場を作るための
磁極の表面に傾斜を設ける方法がある。図６は、特開平
６−１６２９７７号公報に記載された、そのようなΩフ
ィルタの概略構成を示すブロック図である。（Ａ）は平
面図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断
面を示す断面図である。図６に示すように、磁極片２
１，２１’の対向する表面には、所定量の傾斜が光軸Ｏ
に沿って設けられている。磁極片２２，２２’（ただし
磁極片２２’は図示せず）にも同様に傾斜が設けられて
いる。磁極片２１，２１’，２２，２２’は、それぞ
れ、円錐の上部を切り取った形状物の一部であり、符号
２１ａ，２１ｂは円錐の母線に相当する。

【０００６】このような構成は、Ωフィルタにおけるエ
ネルギー分散を高めるのに効果的であり、また、磁極端
面に傾斜を設ける場合に比べて、発生する２次収差が小
さいという特徴がある。

【０００７】エネルギー分散を増大させる他のエネルギ
ーフィルタとして、特開平７−３７５３６号公報に記載
されたエネルギーフィルタがある。図７は、そのような
エネルギーフィルタの概略構成を示す横断面図である。
図７に示すエネルギーフィルタは、３つのセクタ型磁石
を備えている。符号３１，３２，３３は、それぞれ、第
１〜第３のセクタ型磁石の下側の磁極片を示す。第１の
セクタ型磁石の磁極片３１は、内側において、上側磁極
片の磁極面と平行な平らな磁極面を有し、均一磁界を発
生する。第２のセクタ型磁石および第３のセクタ型磁石
において、磁極面には、図６に示されたものと同様な傾
斜が施されている。従って、第２のセクタ型磁石および
第３のセクタ型磁石は、不均一磁界を発生する。

【０００８】光軸３４に沿って入射したビームの軌道
は、第１のセクタ型磁石によって軌道を大きく曲げられ
た後（回転半径Ｒ１）、第２のセクタ型磁石による不均
一磁場領域に垂直に入射する。さらに、ビームは、第２
のセクタ型磁石による磁界から第３のセクタ型磁石によ
る不均一磁場領域に入射する。第２のセクタ型磁石およ
び第３のセクタ型磁石による磁界においてビーム軌道が
曲げられ、ビームは、第１のセクタ型磁石による磁場に
再び戻る。そして、再び第１のセクタ型磁石によってビ
ーム軌道を大きく曲げられて、ビームは出射スリットに
至る。

【０００９】このような構成によれば、エネルギーフィ
ルタに入射したビームの軌道が計４回曲げられるので、
軌道長を長くとることができ、エネルギー分散を増大さ
せることができる。また、第１のセクタ型磁石によっ
て、入射窓側からのビーム軌道と出射スリット側へのビ
ーム軌道が交差するように大きく曲げられるので、軌道
長をより長くとることができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、そのような構
成では、第１のセクタ型磁石による磁場において２つの
ビーム軌道を交差させる必要があるので、特に、第１の
セクタ型磁石の設計条件等が複雑になってしまう。すな
わち、エネルギーフィルタのサイズを大型化させないよ
うにするのには効果的な構成ではあるが、２つのビーム
軌道を交差させるための構造が複雑化してしまう。

【００１１】そこで、本発明は、比較的簡便な構成で、
２次収差をキャンセルしつつエネルギー分散をより増大
させることができるエネルギーフィルタを得ることを目
的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明によるエネルギー
フィルタは、荷電ビームが順次通過する少なくとも３つ
の磁場領域を備えたエネルギーフィルタであって、荷電
ビームが最初に入射し出射するビーム回転半径Ｒ１の磁
場領域と、該ビーム回転半径Ｒ１の磁場領域を出射した
荷電ビームが入射し出射するビーム回転半径Ｒ２の磁場
領域と、ビーム回転半径Ｒ２の磁場領域を出射したビー
ムが最後に入射し出射するビーム回転半径Ｒ１の磁場領
域とを備え、前記荷電ビームが最初に入射し出射するビ
ーム回転半径Ｒ１の磁場領域への入射ビームの光軸と前
記ビームが最後に入射し出射するビーム回転半径Ｒ１の
磁場領域からの出射ビームの光軸とが同一直線上にある
ように前記少なくとも３つの磁場領域が配置されると共
に、前記前記少なくとも３つの磁場領域には、各磁場領
域におけるビームの回転中心に向かうにつれて強まる不
均一な磁場が形成されることを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１４】図１は、本発明によるエネルギーフィルタ
の一構成例を示す平面図である。このエネルギーフィル
タは３つの不均一磁場を発生させる２つの電磁石を含
み、図１には、第１磁石１０の下側の磁極片１１Ｂと第
２磁石２０の下側の磁極片１２Ｂとが示されている。図
１に示すように、エネルギーフィルタは、中心面Ｃに対
して鏡面対称になるように構成されている。以下、図１
における中心面Ｃを示す線の方向をｚ方向、紙面上でｚ
方向と直交する方向をｘ方向、紙面に直交する方向をｙ
方向とする。

【００１５】図２(Ａ)は、図１に示すエネルギーフィル
タをＩ−Ｉ断面で切断した断面を示す断面図である。ま
た、図２(Ｂ)は、図１に示すエネルギーフィルタをＩＩ
−ＩＩ断面で切断した断面を示す断面図である。ただ
し、図２(Ａ)において、縦方向の距離が横方向の距離に
比べて１０倍に拡大されている。また、図２(Ｂ)におい
て、縦方向の距離が横方向の距離に比べて５倍に拡大さ
れている。

【００１６】すなわち、図２(Ａ)において、第１磁石１
０の上側の磁極片１１Ａと下側の磁極片１１Ｂとの間の
間隔は、実際に作製されるものよりも広く示されてい
る。また、図２(Ｂ)において、第２磁石２０の上側の磁
極片１２Ａと下側の磁極片１２Ｂとの間の間隔は、実際
に作製されるものよりも広く示されている。図２(Ａ)お
よび(Ｂ)において、符号Ｏは中心ビームが通る光軸を示
す。

【００１７】さらに、図１に示すように、第１磁石の磁
極片の磁極端面（ビームの入出射側の面）１１ａ，１１
ｂは、ビーム入射方向およびビーム出射方向に対して垂
直な面からαだけ傾いている。

【００１８】第１磁石１０の磁極片１１Ａ，１１Ｂの対
向する表面には、図６(Ｂ)に示された構造と同様に、所
定量の傾斜が光軸Ｏに沿って設けられている。すなわ
ち、磁極片１１Ａ，１１Ｂの対向する部分において、ビ
ーム軌跡に沿った部分は、円錐台の一部分の形状となっ
ている。従って、図２(Ａ)に示すように、第１磁石１０
の磁極片１１Ａ，１１Ｂは、Ｉ−Ｉ断面において中心面
対称のやや湾曲したＶ字形を呈する。これにより、磁極
片１１Ａ，１１Ｂ間には、中心面Ｃを境にして２つの不
均一磁場領域が形成される。

【００１９】なお、製作を容易にするために、磁極片１
１Ａ，１１Ｂを、中心（中心面Ｃに対応する部分）の付
近を平面上にして、Ｉ−Ｉ断面で見ると、台形が削られ
たような形状にしてもよい。

【００２０】図３に示すように、第２磁石２０の磁極片
１２Ｂの中心面Ｃよりも左側（図１および図２における
左側）の部分Ｐは、円柱の上に円錐台が載せられたもの
の一部分（中央部分が削除された残りの部分）であり、
さらに、中心の円柱部分Ｔがくり抜かれたような形状で
ある。よって、中心面Ｃと、もとになる円錐の頂点Ｓと
は、ずれている。磁極片１２Ｂの中心面Ｃよりも右側の
部分Ｑは、左側の部分Ｒと、中心面Ｃに対して鏡面対称
である。図２（Ｂ）および図３において、符号１２ｃ，
１２ｄは円錐の母線に相当する。第２磁石２０の磁極片
１２Ａの形状は、磁極片１２Ｂを逆さまにした形状であ
る。なお、図３の下側に示されているものは、図１の紙
面下側から磁極片１２Ｂを見た形状に相当する。

【００２１】第１磁石１０により発生される第１の不均
一磁場領域に入射したビーム１は、図１における右回り
（時計方向）に曲げられた後、第２磁石２０による第２
の不均一磁場領域に入射する。なお、第１磁石１０によ
るビーム軌道の半径をＲ１とする。ビーム軌道は、第２
磁石２０による磁場領域によって図１における左回り
（反時計方向）に湾曲し第２磁石２０による磁場領域か
ら出射して、再び第１磁石１０により発生される第３の
不均一磁場領域に入射する。なお、第２の磁場領域にお
ける磁石２０によるビーム軌道の半径をＲ２とする。

【００２２】そして、第１磁石１０による第３の不均一
磁場領域に入射したビームは、再び右回りに曲げられた
後、出射窓（出射スリット）に至る。第１磁石１０およ
び第２磁石２０はそれぞれ中心面対称であるから、エネ
ルギーフィルタへの入射ビームの光軸とエネルギーフィ
ルタからの出射ビームの光軸は一致し、また、２次収差
はキャンセルされている。

【００２３】また、図７に示された構造では、第１磁石
による２つの磁場領域、第２磁石による磁場領域および
第３磁石による磁場領域の４つの磁場領域があったのに
対して、この実施の形態では、第１磁石１０による２つ
の磁場領域と第２磁石による磁場領域との３つの磁場領
域があるといえる。

【００２４】以上のような構成において、第１磁石１０
による第１の磁場領域および第３の磁場領域におけるビ
ーム軌道の半径Ｒ１に対して、第２磁石２０による第２
の磁場領域におけるビーム軌道の半径Ｒ２を大きくすれ
ばするほど、エネルギー分散は大きくなる。従って、こ
の実施の形態でも、図１に示すように、Ｒ２はＲ１より
も大きくなるように、第２の磁石１０は第１の磁石より
も大きく作製されている。

【００２５】次に、第１磁石１０および第２磁石２０の
磁極面（他方の磁極片に対向する面）の傾斜および磁極
端面（ビームの入出射側の面）の傾斜について説明す
る。

【００２６】図４は、第１磁石１０の磁極片１１Ａ，１
１Ｂの中心面Ｃよりも左側の部分であってビーム１が通
る部分の断面を示す断面図である。磁極片１１Ａ，１１
Ｂの形状作成のもとになった円錐の頂点Ｓ１と、ビーム
１の中心ビームが通る光軸Ｏとの間の距離Ｌ１をＲ１／
ｎ１とする。Ｒ１はビーム１の回転半径（回転中心Ｄ１
と光軸Ｏとの間の距離）である。すると、ｎ１は傾斜の
程度を決めるパラメータに相当する。ｎ１＝１の場合
が、円錐の頂点Ｓ１と回転中心Ｄ１とが一致する場合で
ある。なお、この例では、ビーム１の回転半径Ｒ１は２
０ｍｍであり、磁極片１１Ａ，１１Ｂの間隙（光軸Ｏの
箇所での間隙）２Ｇ＝１０ｍｍである。ｎ１＝０の場合
は、磁極面がｘｙ平面と直交する平面の場合である。

【００２７】また、ｎ１＝０．５の場合が、よく知られ
たラウンドビーム条件の場合で、その条件下では、磁極
片１１Ａ，１１Ｂの磁極端面１１ａ，１１ｂに傾斜を設
けなくても、軸対称レンズのように、ビーム１を軸対称
にフォーカスすることができる。すなわち、端面傾斜を
施すことなく、磁場方向にもそれと直交する方向にも、
同様にフォーカス作用を生じさせる。

【００２８】第１磁石１０の磁極片１１Ａ，１１Ｂの中
心面Ｃよりも右側の部分にも、図４に示された傾斜と同
様の傾斜が設けられている。

【００２９】図５は、第２磁石２０の磁極片１２Ａ，１
２Ｂの中心面Ｃよりも右側の部分であってビーム１が通
る部分の断面を示す断面図である。磁極片１２Ａ，１２
Ｂの形状作成のもとになった円錐の頂点Ｓ２と、ビーム
１の中心ビームが通る光軸Ｏとの間の距離Ｌ２をＲ２／
ｎ２とする。Ｒ２はビーム１の回転半径である。ｎ２は
傾斜の程度を決めるパラメータである。ｎ２＝１の場合
が、円錐の頂点Ｓ２と回転中心Ｄ２とが一致する場合で
ある。なお、この例では、ビーム１の回転半径Ｒ２は４
８ｍｍであり、磁極片１２Ａ，１２Ｂの間隙（光軸Ｏの
箇所での間隙）２Ｇ＝２０ｍｍである。

【００３０】第２磁石２０の磁極片１２Ａ，１２Ｂの中
心面Ｃよりも左側の部分にも、図５に示された傾斜と同
様の傾斜が設けられている。

【００３１】大きな分散を得るための条件は、ラウンド
ビーム条件である０．５よりもｎ１が小さくなるよう
に、第１磁石１０の磁極面の傾斜を設定し、第２磁石２
０の磁極面の傾斜を、ラウンドビーム条件である０．５
よりもｎ２が大きくなるように設定することである。す
なわち、ｎ１＜０．５（ただしｎ１は０より大きな
値）、ｎ２＞０．５である。

【００３２】なお、図４に示す例では、Ｒ１＝２０、θ
１（磁極面の傾斜角）＝１．４３゜であって、ｔａｎθ
１＝ｔａｎ（１．４３゜）＝Ｌ１／ＧよりＬ１＝２００
となって、ｎ１＝０．１となっている。

【００３３】また、図５に示す例では、Ｒ２＝４８、θ
２（磁極面の傾斜角）＝８．３０゜であって、ｔａｎθ
２＝ｔａｎ（８．３０゜）＝Ｌ２／ＧよりＬ２＝６８．
５となって、ｎ２＝０．７となっている。

【００３４】第２の磁石２０の磁極面の傾斜の程度がよ
り大きいことから、磁場方向（ｙ方向）のビームの収束
の程度は、磁場方向に直交する方向（ｘ方向）のビーム
の収束の程度よりも大きい。そこで、エネルギーフィル
タ全体として軸対称にフォーカスさせるために、第１磁
石１０では、ビームの収束の度合いを逆にしなければな
らない。ところが、第１磁石１０では、磁極面の傾斜の
程度がより小さいのであるから（ｎ１＜０．５）、他の
方法によって、磁場方向に直交する方向のビームの収束
の程度を大きくしなければならない。

【００３５】そこで、この実施の形態では、第１磁石１
０の磁極端面１１ａ，１１ｂの傾斜角度αによって、磁
場方向に直交する方向のビームの収束の程度を大きくす
る。すなわち、ビームが磁場方向に発散し、エネルギー
分散方向（磁場方向と直交する方向）に収束するよう
に、端面の磁極端面１１ａ，１１ｂの傾斜角度αは選定
される。なお、第２磁石２０においては、磁極端面の傾
斜角度によってビームの収束性を制御する必要はなく、
ビーム入出射方向と第２磁石の磁極端面とがせいぜい傾
き数度以下のほぼ直交する状態になるように、第２磁石
の磁極端面は形成される。

【００３６】また、パラメータｎ２で表される第２磁石
２０の磁極面の傾斜の程度に応じて第１磁石１０の磁極
端面１１ａ，１１ｂの傾斜角度αを調整することは、換
言すれば、ｎ２選択の自由度が増すことになる。すなわ
ち、エネルギーフィルタ全体でビーム収束の軸対称性を
維持しつつエネルギー分散をより大きくするようなｎ２
を容易に選定できることになる。

【００３７】なお、上述した実施の形態における第２の
磁場領域は、例えば中心面Ｃを境に２分割しても良く、
その場合には、磁場領域の数は合計４つとなる。また、
上述した実施の形態では、１つの第１磁石１０により第
１及び第３の２つの磁場領域を発生させるようにした
が、磁極片１１Ａ，１１Ｂを中心面Ｃを境にして分割す
ることにより、別個の磁石で２つの磁場領域を発生させ
るようにしても良い。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、荷電ビ
ームが順次通過する少なくとも３つの磁場領域を備えた
エネルギーフィルタであって、荷電ビームが最初に入射
し出射するビーム回転半径Ｒ１の磁場領域と、該ビーム
回転半径Ｒ１の磁場領域を出射した荷電ビームが入射し
出射するビーム回転半径Ｒ２の磁場領域と、ビーム回転
半径Ｒ２の磁場領域を出射したビームが最後に入射し出
射するビーム回転半径Ｒ１の磁場領域とを備え、前記荷
電ビームが最初に入射し出射するビーム回転半径Ｒ１の
磁場領域への入射ビームの光軸と前記ビームが最後に入
射し出射するビーム回転半径Ｒ１の磁場領域からの出射
ビームの光軸とが同一直線上にあるように前記少なくと
も３つの磁場領域が配置されると共に、前記前記少なく
とも３つの磁場領域には、各磁場領域におけるビームの
回転中心に向かうにつれて強まる不均一な磁場が形成さ
れる様にしたため、エネルギー分散を増大させることが
できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるエネルギーフィルタの一構成例
を示す平面図である。

【図２】 図１に示すエネルギーフィルタのＩ−Ｉ断面
およびＩＩ−ＩＩ断面を示す断面図である。

【図３】 第２磁石の磁極片の形状を説明するための図
である。

【図４】 第１磁石の磁極面の傾斜を説明するための図
である。

【図５】 第２磁石の磁極面の傾斜を説明するための図
である。

【図６】 Ωフィルタの概略構成を示すブロック図であ
る。

【図７】 従来のエネルギーフィルタの概略構成を示す
ブロック図である。

【符号の説明】

１ ビーム １０ 第１磁石 １１ａ，１１ｂ 磁極端面 １１Ａ，１１Ｂ 磁極片 １２Ａ，１２Ｂ 磁極片 ２０ 第２磁石

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 津野 勝重 東京都昭島市武蔵野三丁目１番２号 日本 電子株式会社内 (72)発明者 本田 敏和 東京都昭島市武蔵野三丁目１番２号 日本 電子株式会社内 Ｆターム(参考） 5C033 AA03 AA05 5C038 KK12

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 荷電ビームが順次通過する少なくとも３
   つの磁場領域を備えたエネルギーフィルタであって、荷
   電ビームが最初に入射し出射するビーム回転半径Ｒ１の
   磁場領域と、該ビーム回転半径Ｒ１の磁場領域を出射し
   た荷電ビームが入射し出射するビーム回転半径Ｒ２の磁
   場領域と、ビーム回転半径Ｒ２の磁場領域を出射したビ
   ームが最後に入射し出射するビーム回転半径Ｒ１の磁場
   領域とを備え、前記荷電ビームが最初に入射し出射する
   ビーム回転半径Ｒ１の磁場領域への入射ビームの光軸と
   前記ビームが最後に入射し出射するビーム回転半径Ｒ１
   の磁場領域からの出射ビームの光軸とが同一直線上にあ
   るように前記少なくとも３つの磁場領域が配置されると
   共に、前記少なくとも３つの磁場領域には、各磁場領域
   におけるビームの回転中心に向かうにつれて強まる不均
   一な磁場が形成されることを特徴とするエネルギーフィ
   ルタ。
2. 【請求項２】 前記少なくとも３つの磁場領域を形成す
   るためそれぞれ対向配置される磁極面部分は円錐の一部
   の周部分に対応する形状に形成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。
3. 【請求項３】 前記２つのビーム回転半径Ｒ１の磁場領
   域における磁極面形状を決めるための円錐の頂点とビー
   ム中心軌道との間の距離を(Ｒ１／ｎ１)とし、前記ビー
   ム回転半径Ｒ２の磁場領域における磁極面形状を決める
   ための円錐の頂点とビーム中心軌道との間の距離を(Ｒ
   ２／ｎ２)とした場合、０＜ｎ１＜０．５、ｎ２＞０．
   ５となるように、前記少なくとも３つの磁場領域におけ
   る磁極面を傾斜させたことを特徴とする請求項２記載の
   エネルギーフィルタ。
4. 【請求項４】 エネルギー発散方向にビームが収束しそ
   れと直交する方向に発散するように、荷電ビームが最初
   に入射し出射するビーム回転半径Ｒ１の磁場領域におけ
   る磁極の入射及び出射端面が、ビーム入出射方向に直行
   する平面に対して傾斜していることを特徴とする請求項
   １乃至３のいずれかに記載のエネルギーフィルタ。