JP2005183021A - エネルギーアナライザ - Google Patents

Abstract

【課題】 収差補正を少数の多極子によって実現する。
【解決手段】 電子顕微鏡の鏡筒内に設置され、所定のエネルギーを有する電子線の成分を選択して透過させるエネルギーアナライザであって、光軸Ｌ０に沿って入射される電子線をエネルギーに応じて光軸Ｌ０に垂直な所定の分散方向に分散させる磁場を印加する第１乃至第４のマグネット３１〜３４と、出射窓面３６における光軸Ｌ０上にあって、光軸Ｌ０及び分散方向に垂直な方向に所定幅の間隙を有し、前記分散された電子線の内、所定の成分を透過させるスリットと、光軸Ｌ０上にあって、第４のマグネット３４とスリットの間に設置され、前記分散された電子線の分散方向の収差を抑制する１２極子３８と、を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電子顕微鏡の鏡筒内に配置して用いるエネルギーアナライザに関する。

従来、電子線を用いて、エネルギーについて分光した像を観察する電子分光結像法（energy spectroscopic imaging；ＥＳＩ）が知られている。また、同じく電子線を用いてエネルギーを損失したスペクトルを観察する電子エネルギー損失分光法（electron energy loss spectroscopy；ＥＥＬＳ）が知られている。

これらエネルギー分光結像法と電子エネルギー損失分光法は、電子顕微鏡の鏡筒内に設置する例えばΩフィルタ等のインコラム型のエネルギーフィルタを、所望のエネルギーを有する電子線の成分を選択的に透過させるエネルギーアナライザとして使用することによって実現することができる。この場合、エネルギー損失分光法のためのエネルギー分解能を確保するとともに、エネルギー分光結像法の性能を確保することが必要となる。

これまで、エネルギー分光結像法のためのエネルギーアナライザとして、出射窓面における収差を低減するため、マグネットの形状を最適化したエネルギーアナライザが利用されてきた。このようなエネルギーアナライザは、３乃至４個のセクター型マグネットを用い、エネルギーアナライザの中心対称面についての対称性を利用して電子分光結像法（ＥＳＩ）の像観察時の収差を必要充分な程度までキャンセルすると共に、マグネットの寸法、それぞれのマグネットの距離等を最適化することによって、スリットを置く出射窓面における収差を減らし、エネルギー分解能を高めようとしたものである（例えば、特許文献１及び２を参照）。

また、エネルギー分光結像法のためのエネルギーアナライザとしては、前記マグネットの形状を最適化したエネルギーアナライザよりさらに収差を小さくすることを目的として、収差補正のための多極子を備えるエネルギーアナライザが利用されてきた。このようなエネルギーアナライザには、多極子を１個備えるものと、複数備えるものがある。

収差補正のための多極子を１個備えるエネルギーアナライザは、その対称面に１個の６極子を用いるものが代表的である（例えば、特許文献３を参照。）。このエネルギーアナライザは、全ての幾何収差を補正することはできないが、最も影響の大きい収差を低減する働きがあると考えられている。しかしながら、収差補正が行われていないエネルギーアナライザと比べて十分な性能が得られるとはいえなかった。

収差補正のための多極子を複数備えるエネルギーアナライザとしては、４対（８個）の６極子と中心面上の１個の６極子からなる９個の６極子を備えるものが提案されている（例えば、特許文献４及び５を参照。）。このエネルギーアナライザは、全ての２次幾何収差を補正することができ、各成分はほぼ独立に補正が可能であると考えられている。なお、この補正をＷフィルタに適用した場合、マグネットの数は６個に増え、１１個の補正子が設けられる（例えば、特許文献６を参照。）。

これら収差補正のための多極子を備えるエネルギーアナライザにおいては、最も代表的な収差であるＡ_γγγは、エネルギーアナライザの中心面上の１個の多極子によって補正される。また、収差補正のための多極子を複数備えるエネルギーアナライザにおいては、同じく最も代表的な収差であるＢ_γδδは、エネルギーアナライザの前後の1対によって補正される。

このような補正は、Ωフィルタ等のインコラム型のエネルギーフィルタの内、フォーカス特性が、分散面（ＸＹ）で3回、これと直交する面内（ＹＺ）でも３回のいわゆるＡ型フィルタでのみ可能といわれている。この収差補正の可否は、フォーカス特性を２回のみに留めることによって収差の低減を図ったＢ型フィルタに対してＡ型フィルタの有する利点であるとされている（例えば、非特許文献１を参照。）。

一方、結像のためのエネルギーアナライザを電子顕微鏡とともに使用する場合には、種種の倍率の像や、種種のカメラ長の電子回折像を観察する必要がある。これらに対応するため、通常は、エネルギーアナライザの前に対物レンズを含めて４段の結像レンズ系が必要であると考えられている。

この結像レンズ系を３段で構成するため、エネルギーアナライザのスリット面（出射窓面）と像面の間の距離Ｌ１を倍率に応じて変える方法が提案されている。しかしながら、エネルギーアナライザの形状は特定の距離Ｌ１に足して最適化されて設計されている。このため、距離Ｌ１を変えた場合、倍率やカメラ長の自由度は向上するものの、最適化されていない距離Ｌ１を使用する倍率などでは観察される像にひずみを含む恐れがある。

このひずみを取り除くため、エネルギーアナライザの前後に多極子レンズを置くことが提案されている（例えば、特許文献７を参照。）。しかしながら、この多極子はスリット面上の収差に関係したものではない。また、この多極子は、距離Ｌ１を変化させることと常に一緒に使用されるべきもので、特定の距離Ｌ１に対して形状が最適化されたエネルギーアナライザに対しては無益なものである。
米国特許第６０９７０２８号公報 米国特許第６３０７２０５号公報 特開昭６２−６６５３号公報 特開平７−３７５３６号公報 特開平７−９４２９９号公報 特開２００１−２４３９１０号公報 特開２００２−８５７４号公報 ルードビッヒ・ライマー（Ludwig Reimer）編、「エネルギー・フィルタリング透過型電子顕微鏡（energy-filtering transmission electron microscopy）」、シュプリンガー（Springer）、１９９５年、４３〜１４９ページ、ヘラルト・ローゼ（Herald Rose）及びディーター・クラール（Dieter Krahl）、「エネルギーフィルタの電子光学（Electron Optics of Imaging Energy Filters）」

本発明は、少数の多極子によってエネルギー分解能を高めるエネルギーアナライザを提供することを目的とする。

前述の課題を解決するために、本発明に係るエネルギーアナライザは、電子顕微鏡の鏡筒内に設置され、電子線をそのエネルギーに応じて分散させるエネルギーアナライザにおいて、光軸に沿って入射する電子線をエネルギーに応じて前記光軸に垂直な所定の分散方向に分散させるエネルギー分散手段と、前記光軸上にあって、前記エネルギー分散手段の後段に設置され、前記エネルギー分散手段によって分散された電子線の前記分散方向の収差を抑制する１２極子と、を有する。

前記エネルギー分散手段における電子線の軌道が対称となる、前記光軸に垂直な対称面について、前記１２極子と対称な位置に前記１２極子と対称になるように設置された他の１２極子を有することが好ましい。

前記１２極子及び／又は前記他の１２極子は、前記光軸及び前記分散方向に垂直な方向に、前記電子線の収差を増加させることが好ましい。

前記１２極子及び／又は前記他の１２極子は、前記分散方向を基準として、前記光軸について電子線の進行方向に反時計回りに順に各極をＳ，Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｓ，Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｓ，Ｎ，Ｎ，Ｓ極に励磁し、６極子として使用することが好ましい。

前記１２極子及び／又は前記他の１２極子は、前記分散方向を基準にして、前記光軸について電子線の進行方向に反時計回りに順に各極をＮ，Ｎ，Ｓ，Ｓ，Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｓ，Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｎ極に重畳して励磁し、前記６極子による磁場を補正することが好ましい。

前記１２極子及び／又は前記他の１２極子は、前記分散方向を基準として、前記光軸について前記分散方向を基準として４５°の方向にある４極を反時計回りに順にＮ，Ｓ，Ｎ，Ｓ極に重畳して励磁し、４極子として使用することが好ましい。

前記４極に隣接する８極は、該４極の半分に重畳して励磁することが好ましい。

前記エネルギー分散手段において、前記電子線は、前記分散方向に奇数回収束し、前記分散方向に垂直な前記光軸を含む面内で偶数回収束することが好ましい。

前記スリットを前記光軸方向に移動する機構を有することが好ましい。

前記１２極子及び／又は前記他の１２極子は、ラウンドレンズ成分又は偏向場成分を生成することが好ましい。

本発明に係るエネルギーアナライザは、電子顕微鏡の鏡筒内に設置され、電子線をそのエネルギーに応じて分散させるエネルギーアナライザにおいて、光軸に沿って入射する電子線をエネルギーに応じて前記光軸に垂直な所定の分散方向に分散させるエネルギー分散手段と、前記光軸上にあって、前記エネルギー分散手段の後段に設置され、前記エネルギー分散手段によって分散された電子線の前記分散方向の収差を抑制する６極子及び４極子と、を有することが好ましい。

前記エネルギー分散手段における電子線の軌道が対称となる、前記光軸に垂直な対称面について、前記６極子と対称な位置に前記６極子と対称になるように設置された他の６極子と、前記４極子と対称な位置に前記４極子と対称になるように設置された他の４極子と、を有することが好ましい。

本発明は、次の（１）乃至（４）の点について考慮したものである。

（１）エネルギーアナライザの２次収差は出射窓面においてのみ問題となる。この点は上で述べたローゼらの方法（非特許文献１を参照。）でも同じである。

（２）出射窓面（この面にスリットが置かれるので以下スリット面という。）における収差は必ずしも零にすることが求められているわけではない。分散方向におけるビームの幅が小さいことが求められているだけである。分散方向及び光軸に直交する方向（スリットの間隙の延びる方向）にビームが伸びている方がむしろ有利な場合もある。

（３）収差を式で表したときの収差係数のそれぞれを独立に小さくすることが求められているわけではなく、最終的にスリット面上でのビームの幅だけが問題である。

（４）エネルギーアナライザを設計する際のシミュレーションの精度や、実際に製作したエネルギーアナライザの計算条件との違いなどから、電子線のフォーカス位置が必ずしもスリット位置と一致しない場合がある。ところが、励磁の強さを変えてフォーカスを変化させると、ビームの回転半径が変化し、ビームは偏向を受けて光軸上に正しく出てこなくなる。そこで、光軸をずらすことなくフォーカス位置を変えて、スリット上でビームが最も細く収束するように調整したい。

これら（１）乃至（４）の観点から、光軸に沿って、前記エネルギー分散手段の前後に、前記エネルギー分散手段の対称面について対称となるように１対の１２極子を挿入するようにしたものである。

本発明に係るエネルギーアナライザは、収差補正を少数の多極子によって実現するものである。そして、本発明は、アナライザの収差によって増大したエネルギー分散方向のビーム幅を少数の多極子によって縮小させ、エネルギー分散方向に直交する方向に伸びた断面形状を持つビームを形成することによって、エネルギー分解能を高めるものである。

以下、本発明に係るエネルギーアナライザの実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態のエネルギーアナライザを有する透過型電子顕微鏡の構造を示す図である。

この透過型電子顕微鏡１０は、光軸Ｌ０に沿って電子線の進行方向に、電子線を発生する電子線源となるカソード１１と、カソード１１が発生した電子線を加速する加速段１２と、加速段１２で加速された電子線を収束して試料に照射するコンデンサレンズ１３と、試料を保持する試料ホルダ１４と、試料に照射された電子線を集光する対物レンズ１５と、対物レンズ１５から出射された電子線を収束する中間レンズ１６と、中間レンズ１６によって収束された電子線について所定のエネルギー成分のみを透過させるエネルギーアナライザ１７と、エネルギーアナライザ１７から出射された電子線を収束して投射する投射レンズ１８と、蛍光板に投射した電子線像を観察する観察室１９と、電子線像を観察するＣＣＤカメラ等を設置するカメラ室２０と、を有している。

図２は、エネルギーアナライザの構成を示す図である。

このエネルギーアナライザ１７は、電子線の軌跡に沿って進行方向に、第１のマグネット３１、第２のマグネット３２、第３のマグネット３３、及び第４のマグネット３４を有している。これらのマグネット３１〜３４は、光軸に沿ってＬ０に沿って入射した電子線が、光軸Ｌ０に垂直な中心対称面Ｓ０について対称にΩ形状の軌跡を描くように、所定の磁場を印加している。これらのマグネット３１〜３４の印加する磁場によって、電子線は、Ω形状の軌跡を含む面内においてエネルギーに応じて分散する。このように、マグネット３１〜３４は、エネルギー分散手段としての役割を果たしている。

このエネルギーアナライザ１７は、電子線の光軸Ｌ０上で入射窓面３５と第１のマグネット３１間に第１の１２極子３７を有している。また、同じく光軸Ｌ０上で第４のマグネット３４と出射窓面３６間に第２の１２極子３８を有している。これらの１２極子３７，３８は、同一の構造を有し、中心対称面Ｓ０について対称な位置に配置される。

これらの１２極子３７，３８は、必要な磁場の大きさが低くてすむのでそれぞれ入射瞳面３９及び出射瞳面４０に近いほど望ましい。しかし、第１及び第４のマグネット３１，３４の端面に向き合って磁性体のミラープレートが配置されるので、これらの１２極子３７，３８はそれぞれさらに入射窓面３５及び出射窓面３６寄りに配置せざるを得ない。

さらに、このエネルギーアナライザ１７は、出射窓面３６の光軸Ｌ０上において、光軸Ｌ０及びこのエネルギーアナライザ１７によるエネルギー分散方向と直交する方向に所定幅の間隙を有するスリットを有している。このスリットは、第１乃至第４のマグネット３１〜３４の印加する磁場によってエネルギー分散された電子線から所望の成分を選択して透過させる。

図中には、磁場の分布を示す等ポテンシャル線が示されている。この磁場は、第１乃至第４のマグネット３１〜３４と第１及び第２の１２極子３７，３８が発生している。

図３は、１２極子の構造を示す断面図である。

この図は、第１又は第２の１２極子３７，３８を光軸Ｌ０に垂直な面で切断した断面の一部を電子線の進行方向に示す。すなわち、電子線は、紙面表側から裏側に進むものとする。以下でも同様とする。

図には矩形の断面を示すが、実際の１２極子は１２回対称な形状を有している。図中には、１２極子３７，３８が発生する磁場の分布を示す等ポテンシャル線も示されている。

１２極子３７，３８は、光軸Ｌ０について１２回の回転対称な位置に第１乃至第１２の磁極Ｐ１〜Ｐ１２を有している。これらの磁極Ｐ１〜Ｐ１２は、前記分散方向を基準として、電子線の進行方向に半時計回りに順序付けするものとする。

これらの磁極Ｐ１〜Ｐ１２は、光軸Ｌ０に沿って進む電子線に対して所定の磁場を印加する。この１２極子３７，３８の作用については、さらに後述する。

図４は、電子顕微鏡の使用の形態について説明する図である。

本実施の透過型電子顕微鏡１０は、微鏡像の観察のみならず、電子分光結像法（energy spectroscopic imaging；ＥＳＩ）、電子分光回折法（energy spectroscopic diffraction；ＥＳＤ）、及び電子エネルギー損失分光法（electron energy loss spectroscopy；ＥＥＬＳ）の観察に用いることができる。これに応じて、エネルギーアナライザ１７の入射窓面３５、出射窓面３６及び検出器５４の検出面５５において、顕微鏡像と回折像の何れかを形成するように設定する。

図４（ａ）は、電子分光結像法（ＥＳＩ）によって試料を観察する場合を示す。

この場合、試料ホルダ１４の支持する試料５１に照射された電子線は、対物レンズ１５によって収束され、第１の中間回折像５２及び第１の中間顕微鏡像５３を形成する。電子線は、さらに中間レンズ１６によって収束され、光軸Ｌ０に沿ってエネルギーアナライザ１７に入射される。

エネルギーアナライザ１７において、入射窓面３５には第２の中間回折像を形成され、電子線はこの第２の中間回折像でクロスオーバしてエネルギーアナライザ１７に入射する。エネルギーアナライザ１７に入射した電子線は、入射瞳面３９に第２の中間顕微鏡像を形成し、出射瞳面４０に第３の中間顕微鏡像を形成し、出射窓面３６に第３の中間回折像を形成する。出射窓面３６に設置されたスリットによって、所定のエネルギーを有する電子線の成分が選択される。スリットを透過した電子線は、エネルギーアナライザ１７から光軸Ｌ０に沿って出射される。

エネルギーアナライザ１７から出射された電子線は、投射レンズ１８によって検出器５４に投射され、この検出器５４の検出面５５に顕微鏡像を形成する。

図４（ｂ）は、電子分光回折法（ＥＳＤ）によって観察する場合を示す。

この場合、エネルギーアナライザ１７の入射窓面３５には、第２の中間顕微鏡像が形成される。電子線はこの第２の中間顕微鏡像でクロスオーバしてエネルギーアナライザ１７に入射する。エネルギーアナライザ１７に入射した電子線は、入射瞳面３９に第２の中間回折像を形成し、出射瞳面４０に第３の中間回折像を形成し、出射窓面３６に第３の中間顕微鏡像を形成する。エネルギーアナライザ１７から出射された電子線は、検出器５４の検出面５５に回折像を形成する。

図４（ｃ）は、電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）によって観察する場合を示す。

この場合、エネルギーアナライザ１７の入射窓面３５には、第２の中間回折像が形成される。エネルギーアナライザ１７に入射した電子線は、入射瞳面３９に第２の中間顕微鏡像を形成し、出射瞳面４０に第３の中間顕微鏡像を形成し、出射窓面３６に第３の中間回折像を形成する。エネルギーアナライザ１７から出射された電子線は、検出器５４の検出面５５に回折像を形成する。

〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態は、第１及び第２の１２極子３７，３８を励磁して電子線に６極子場を印加することにより収差を低減するものである。

図５は、１２極子に与える電流の配分例を示す図である。

第１及び第２の１２極子３７，３８の第１極Ｐ１、第４極Ｐ４、第５極Ｐ５、第８極Ｐ８、第９極Ｐ９、及び第１２極Ｐ１２には、各極のコイルの巻き数と電流の積（ＡＴ）として−ＮＩ３を与える。同じく第２極Ｐ２、第３極Ｐ３、第６極Ｐ６、第７極Ｐ７、第１０極Ｐ１０、及び第１１極Ｐ１１には、各極のコイルの巻き数と電流の積としてＮＩ３を与える。

図中には、第１乃至第１２極Ｐ１〜Ｐ１２が発生する磁場の分布を示す等ポテンシャル線が示されている。

図６は、参考例として１２極子を用いない場合の電子線の形状を示す図である。

本実施の形態では、電子線の形状とは、スリットが設置されるエネルギーアナライザ１７の出射窓３６付近において、光軸Ｌ０に垂直な平面で切断した電子線の形状をいうものとする。

また、本実施の形態では、スリットを設置する位置又は電子線の形状を観察する位置は、エネルギーアナライザ１７の中心対称面Ｓ０を基準として光軸Ｌ０沿いに電子線の進行方向に測った距離Ｚで指定するものとする。

図６（ａ）は、エネルギーアナライザ１７の中心対称面Ｓ０から電子線の進行方向に距離Ｚ＝１２０ｍｍにおける電子線の形状を示す。

図中には、電子線の形状が２つ描かれているが、これらはエネルギーが２ｅＶ異なる電子線に対応している。電子線の各形状においては、内側から外側に順に、このエネルギーアナライザ１７に入射角０．０４°、０．０８°、０．１２°、０．１６°、０．２°で入射した電子線のビーム形状がそれぞれ示されている。以下でも同様とする。

図６（ｂ）は、中心対称面Ｓ０から距離Ｚ＝１２２ｍｍにおける電子線の形状を示す。同様に、図６（ｃ）及び図６（ｄ）は、中心対称面Ｓ０からそれぞれ距離Ｚ＝１２３ｍｍ及び１２５ｍｍにおける電子線の形状を示す。

この図６に示した参考例では、電子線の形状は図６（ｃ）の距離Ｚ＝１２３ｍｍにおいて最も小さくなる。この距離において、電子線は２ｅＶの分解能を有する。

図６（ｄ）の距離Ｚ＝１２５ｍｍにおいては、最も外側の入射角０．２°の電子線に対しては、２ｅＶの分解能は得られない。しかし、これより小さい入射角を有する電子線に対しては２ｅＶの分解能が得られることもある。

図７は、１２極子に与える電流と電子線の形状の関係を示す図である。

図７（ａ）は、第１及び第２の１２極子３７，３８に電流を与えない場合に、中心対称面Ｓ０から距離Ｚ＝１２５ｍｍにおける電子線の形状を示す。これは、前記図６（ｄ）と同じ条件である。

図７（ｂ）及び図７（ｃ）は、１２極子３７，３８にそれぞれＮＩ３＝２０ＡＴ及び５０ＡＴの電流を与えた場合に距離Ｚ＝１２５ｍｍにおける電子線の形状を示す図である。

電子線の形状は、１２極子３７，３８に電流を与えない場合には図７（ａ）に示すようなハート型であった。電子線の形状は、ＮＩ３＝２０ＡＴを与える場合には図７（ｂ）に示すように丸く変化している。

これによって、１２極子３７，３８によって電子線に６極子場を印加することにより、収差が補正されていることがわかる。図７（ｂ）に示すＮＩ３＝２０ＡＴの場合には、２ｅＶの分解能が達成されている。

電子線の形状は、１２極子３７，３８を励磁しない場合には図７（ａ）に示したようにハート型であったが、１２極子３７，３８に与える電流を増してＮＩ３＝５０ＡＴとした場合には図７（ｃ）に示すようにハート型の図形の尖った方向が逆転している。したがって、反対符号の収差が増大していることがわかる。

いずれにしても、１２極子３７，３８に電流を与え、電子線に６極子場を印加することによって収差が補正され、エネルギー分解能が向上するようになった。

〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態は、第１の実施の形態の６極子場を光軸Ｌ０の周りに回転調整するものである。

図８は、図５で１２極子に与えた電流に重畳する電流を示す図である。

第１及び第２の１２極子３７，３９の第１極Ｐ１、第２極Ｐ２、第５極Ｐ５、第６極Ｐ６、第９極Ｐ９、第１０極Ｐ１０には、各極のコイルの巻き数と電流の積（ＡＴ）として−ＮＩ３を与える。また、第３極Ｐ３、第４極Ｐ４、第７極Ｐ７、第８極Ｐ８、第１１極Ｐ１１、第１２極Ｐ１２には、各極のコイルの巻き数と電流の積（ＡＴ）としてＮＩ３を与える。

なお、この第２の実施の形態において重畳するＮＩ３の大きさは、第１の実施の形態で図５で示したＮＩ３に対して、６極子場を回転調整する量に応じて大きさを調整するものとする。６極子場を回転調整しない場合は、重畳するＮＩ３は零となり、これは前記第１の実施の形態の場合と同じである。

このように、図５に示した１２極子３７，３８の励磁に対して光軸Ｌ０の周りに一個ずれて励磁するような電流成分を図５に示した成分に重畳する。これによって、図５に示した電流によって１２極子３７，３８に発生する６極子場を光軸Ｌ０の周りに回転することができる。

第１及び第２の１２極子３７，３８は、加工や組立などの精度の制約により、エネルギーアナライザ１７に対して光軸Ｌ０周りにずれる可能性がある。このような場合、１２極子３７，３８によって電子線の収差を十分に低減できない恐れがある。しかし、図８に示した電流を図５に示した電流に重畳し、１２極子３７，３８の発生する６極子場を光軸Ｌ０の回りに回転することで、このような光軸周りのずれを補正することができる。

〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態は、スリットを光軸Ｌ０方向に移動する移動機構を備えるものである。

第１及び第２の１２極子３７，３８に電流を与えない参考例を示した図６においては、電子線の形状は、中心対称面Ｓ０からの距離Ｚ＝１２２ｍｍにおいて最も細くなっていた。第１及び第２の１２極子３７，３８に電流を与えて６極子場を発生した場合について、同様に電子線の形状について検討する。

図９は、１２極子に電流を与えた場合の電子線の形状を示す図である。

ここでは、６極子場を励磁する電流を２０ＡＴ、４極子場を励磁する電流を２．５ＡＴ、双極子場を励磁する電流を１３１．８８ＡＴとして、第１及び第２の１２極子３７，３８に与えている。

図９（ａ）は中心対称面Ｓ０からの距離Ｚ＝１２２ｍｍ、図９（ｂ）は距離Ｚ＝１２３ｍｍ、図９（ｃ）は距離Ｚ＝１２４ｍｍ、図９（ｄ）は距離Ｚ＝１２５ｍｍにおける電子線の形状をそれぞれ示す。

ここでは、図９（ｃ）に示すように距離Ｚ＝１２４ｍｍの場合に電子線の形状が最も細くなっている。この位置にスリットを設けると、電子線の分解能として０．２ｅＶを確保することができる。

第３の実施の形態では、電子線の分解能が大きく位置にスリットを移動するように、スリットを光軸Ｌ０方向に移動する移動機構を設ける。このような移動機構により、電子線が細くなる位置にスリットを移動することにより、このエネルギーアナライザ１７のエネルギー分解能を向上させることができる。

〔第４の実施の形態〕
第４の実施の形態は、第１及び第２の１２極子３７，３８がさらに４極子場を発生するものである。

図１０は、４極子場を発生させるために１２極子に与える電流を示す図である。

図１０（ａ）は、１２極子に４極子場を発生させる第１の例を示す。

この場合、第１及び第２の１２極子３７，３８の第２極Ｐ２及び第８の極Ｐ８に各極のコイルの巻き数と電流の積（ＡＴ）が−ＮＩ２になるように電流を与え、第５極Ｐ５及び第１１極Ｐ１１に各極のコイルの巻き数と電流の積（ＡＴ）がＮＩ２になるように電流を与える。

この第１の例は、４極子場を励磁するための最も簡単な方法であり、前記分散方向を基準として光軸Ｌ０について４５°方向の４つの極Ｐ２，Ｐ５，Ｐ８，Ｐ１１を励磁する。

図１０（ｂ）は、１２極子に４極子場を発生させる第２の例を示す。

この場合、第１及び第２の１２極子３７，３８に、各極のコイルの巻き数と電流の積（ＡＴ）として、第１極Ｐ１に−ＮＩ２／２、第２極Ｐ２に−ＮＩ２、第３極Ｐ３に−ＮＩ２／２、第４極Ｐ４にＮＩ２／２、第５極Ｐ５にＮＩ２、第６極Ｐ６にＮＩ２／２、第７極Ｐ７に−ＮＩ２／２、第８極Ｐ８に−ＮＩ２、第９極Ｐ９に−ＮＩ２／２、第１０極Ｐ１０にＮＩ２／２、第１１極Ｐ１１にＮＩ２、第１２極にＮＩ２／２を設定する。

この第２の例は、１２極Ｐ１〜Ｐ１２の全てを用い、より高次の項を含まずに４極子成分を純粋に印加できるが、前記第１の例に比べて電源の数が増加する。

図１１は、４極子場が電子ビームに与える影響を示す図である。

この図においては、４極子成分Ｑ＝２．５，５．０，７．５ＡＴと変化させているが、６極子成分Ｈ＝２０ＡＴと２極子成分Ｄ＝１３１．８８ＡＴは固定している。また、これらのそれぞれの場合について、中心対称面Ｓ０からの距離Ｚ＝１２３，１２４，１２５ｍｍに変化させている。

４極子場Ｑ＝２．５ＡＴの場合には、電子線の形状は、４極子成分を含まない6極子成分による場合のように縦長である。４極子場Ｑ＝５ＡＴでは、中心対称面Ｓ０からの距離Ｚ＝１２３，１２４ｍｍの場合では電子線は丸い形状を有し、距離Ｚ＝１２５ｍｍではほぼ点状である。４極子場Ｑ＝７．５ＡＴでは、電子線の形状は横長に変化している。

この図１１において、４極子場Ｑを変化させたときに電子線の形状が縦長から横長に変化することから分かるように、６極子場によって２次収差が補正され、非点収差が残っていることが分かる。したがって、４極子場Ｑ＝２．５ＡＴの場合に前記距離を変化させた場合を示す前記図９において、中心対称面Ｓ０からの距離Ｚ＝１２５ｍｍを越えると、電子線の形状は横長になることになる。

図１１において、４極子場Ｑ＝５．０ＡＴの場合、中心対称面Ｓ０からの距離Ｚ＝１２５ｍｍにおいては、非点収差が補正されて電子ビームは点状になっている。本実施の形態では、この位置にスリットが設けることによって、最も高いエネルギー分解能を確保することができる。ただし、この分解能は、電子線のエネルギー分散方向への分解能が問題となるので、電子線の形状が縦長の場合に比べて特に向上することはない。

なお、非点成分は、エネルギーアナライザ１７で選択した特定のエネルギー成分による像（以下、エネルギーフィルタ像という。）においても残るので、このように非点収差を補正することは、エネルギーフィルタ像を電子エネルギー損失分光法によるスペクトルとともに取得する場合に有利である。

〔第５の実施の形態〕
第５の実施の形態は、２次元検出器によって電子線を検出する場合にダイナミックレンジを確保するため、電子線をエネルギー分散方向と直交する方向に延びた形状とするものである。

図１２は、電子線をエネルギー分散方向と直交する方向に延びた形状とするために１２極子に与える電流を示す図である。

図１２（ａ）は、６極子場にラウンドレンズ成分を重畳した第１の例を示す。

この場合、図５に示したように６極子場として２０ＡＴを与え、これに対して２ＡＴのラウンド成分を重畳する。具体的には、各磁極のコイルの巻き線と電流の積（ＡＴ）として、第１極Ｐ１に−１８、第２極Ｐ２に２２、第３極Ｐ３に２２、第４極Ｐ４に−１８、第５極Ｐ５に−１８、第６極Ｐ６に２２、第７極Ｐ７に２２、第８極Ｐ８に−１８、第９極Ｐ９に−１８、第１０極Ｐ１０に２２、第１１極Ｐ１１に２２、第１２極Ｐ１２に−１８を与える。

図１２（ｂ）は、６極子場に偏極子成分を重畳した第２の例を示す。

この場合、図５に示したように６極子場として２０ＡＴを与え、これに対して２ＡＴの偏極子成分を重畳する。具体的には、各磁極のコイルの巻き線と電流の積（ＡＴ）として、第１極Ｐ１に−１８、第２極Ｐ２に２２、第３極Ｐ３に２２、第４極Ｐ４に−２２、第５極Ｐ５に−２２、第６極Ｐ６に１８、第７極Ｐ７に１８、第８極Ｐ８に−２２、第９極Ｐ９に−２２、第１０極Ｐ１０に２２、第１１極Ｐ１１に２２、第１２極Ｐ１２に−１８を与える。

電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）によるスペクトルは、損失のない電子線の強度が非常に強く、損失を受けた電子線の強度は極端に小さい。このように強度が極端に異なる両方の電子線を同時に検出器に取り込むためには検出器のダイナミックレンジを十分に確保することが必要になる。

２次元検出器としてＣＣＤカメラを用いる場合、ＣＣＤの一つ一つの素子が大きくなるほどダイナミックレンジも大きくなる。ここで、各素子を大きくした場合には素子の数が少なくなりチャンネル数が減少する。チャンネル数を多くするために素子を分割すると、一個の素子が小さくなり、ダイナミックレンジが減少する。

これを解決する方法は、２次元検出器が設けられる光軸Ｌ０に垂直な面上において、２次元検出器で取り込む電子線のエネルギー分散方向をＸ方向としたとき、これと直交するY方向の素子をより多く利用することである。同じ強度の電子線を取り込むのにより多くの数の素子を用いることができれば、ダイナミックレンジを大きくしたと同様の効果が得られる。そのためには、スリット面上にできるビームをY方向に伸びた形とすることである。

このためにはエネルギーアナライザ１７を出た後の電子線のフォーカス位置で変化させて、電子線が出射窓面３６上でＹ方向に最も伸びた形とすればよい。同様に、スリットを用いて選択した所定のエネルギー成分でエネルギーフィルタ像を観察する場合にも、分解能を向上させるためにスリット上に最も小さく絞られた電子線のみ当てることが望ましい。

図１３は、６極子場にラウンドレンズ成分を重畳することによってえられた電子線の形状を示す図である。

電子線は、フォーカス位置となる前記距離Ｚ＝１２５ｍｍにおいて、図中縦方向となる前記Ｙ方向に延びた形状になっている。なお、６極子場に偏極子成分を重畳することによっても、同様にＹ方向に延びた電子線の形状を得ることができる。

以上説明したように、本実施の形態においては、Ωフィルタなどを用いたエネルギーアナライザのマグネットと出射窓面の間に１２極子を少なくとも１個挿入することによって、電子線が出射窓面に形成する収差図形の形状を調整することができる。すなわち、この１２極子によって、２次収差の補正、非点収差の補正、フォーカス位置の調整と偏向の調整をそれぞれ達成することができる。

これらの機能を組み合わせることによって、出射窓面における電子線の形状を最小にしてエネルギーフィルタ像の観察の際にエネルギー分解能を向上させることができる。また、電子エネルギー損失法（ＥＥＬＳ）によるスペクトルの取得にあたり、エネルギー分解能を高くすると共に、検出器の分散方向と直交方向にビームを広げて検出の際のダイナミックレンジを広げることができる。

また、エネルギーアナライザの中心対称面について前記１２極子と対称な位置に１２極子を挿入することによって、エネルギーフィルタ像の収差をキャンセルすることができる。

このような１２極子を用いることにより、ラウンド成分、偏向成分、4極子成分、6極子成分の全てを作り出すことができる。また、これらの成分がエネルギーアナライザの向きとずれた場合にも補正することができる。

このような性質を有する本実施の形態のエネルギーアナライザは、電子結像分光法（ＥＳＩ）によるエネルギーフィルタ像の観察に用いるばかりでなく、電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ）によるスペクトルを観察する場合に、ＥＳＩとしての性能を犠性にすることなく、ＥＥＬＳのために高いエネルギー分解能を確保することができる。

なお、本実施の形態のエネルギーアナライザは、電子結像分光法（ＥＳＩ）の機能は持たず、電子エネルギー損失分光法のみに用いる装置にも適用することができる。

本実施の形態のエネルギーアナライザを有する透過型電子顕微鏡の構造を示す図である。 エネルギーアナライザの構成を示す図である。 １２極子の構造を示す断面図である。 電子顕微鏡の使用の形態について説明する図である。 １２極子に与える電流の配分例を示す図である。 参考例として１２極子を用いない場合の電子線の形状を示す図である。 １２極子に与える電流と電子線の形状の関係を示す図である。 図５で１２極子に与えた電流に重畳する電流を示す図である。 １２極子に電流を与えた場合の電子線の形状を示す図である。 ４極子場を発生させるために１２極子に与える電流を示す図である。 ４極子場が電子ビームに与える影響を示す図である。 電子線をエネルギー分散方向と直交する方向に延びた形状とするために１２極子に与える電流を示す図である。 ６極子場にラウンドレンズ成分を重畳することによってえられた電子線の形状を示す図である。

符号の説明

１１ 電子線源
１２ 加速段
１３ コンデンサレンズ
１４ 試料ホルダ
１５ 対物レンズ
１６ 中間レンズ
１７ エネルギーアナライザ
１８ 投射レンズ
１９ 観察室
２０ カメラ室

Claims (12)

1. 電子顕微鏡の鏡筒内に設置され、電子線をそのエネルギーに応じて分散させるエネルギーアナライザにおいて、
   光軸に沿って入射する電子線をエネルギーに応じて前記光軸に垂直な所定の分散方向に分散させるエネルギー分散手段と、
   前記光軸上にあって、前記エネルギー分散手段の後段に設置され、前記エネルギー分散手段によって分散された電子線の前記分散方向の収差を抑制する１２極子と、
   を有することを特徴とするエネルギーアナライザ。
2. 前記エネルギー分散手段における電子線の軌道が対称となる、前記光軸に垂直な対称面について、前記１２極子と対称な位置に前記１２極子と対称になるように設置された他の１２極子を有することを特徴とする請求項1記載のエネルギーアナライザ。
3. 前記１２極子及び／又は前記他の１２極子は、前記光軸及び前記分散方向に垂直な方向に、前記電子線の収差を増加させることを特徴とする請求項１又は２記載のエネルギーアナライザ。
4. 前記１２極子及び／又は前記他の１２極子は、前記分散方向を基準として、前記光軸について電子線の進行方向に反時計回りに順に各極をＳ，Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｓ，Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｓ，Ｎ，Ｎ，Ｓ極に励磁し、６極子として使用することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエネルギーアナライザ。
5. 前記１２極子及び／又は前記他の１２極子は、前記分散方向を基準にして、前記光軸について電子線の進行方向に反時計回りに順に各極をＮ，Ｎ，Ｓ，Ｓ，Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｓ，Ｎ，Ｎ，Ｓ，Ｎ極に重畳して励磁し、前記６極子による磁場を補正することを特徴とする請求項４に記載のエネルギーアナライザ。
6. 前記１２極子及び／又は前記他の１２極子は、前記分散方向を基準として、前記光軸について前記分散方向を基準として４５°の方向にある４極を反時計回りに順にＮ，Ｓ，Ｎ，Ｓ極に重畳して励磁し、４極子として使用することを特徴とする請求項４又は５記載のエネルギーアナライザ。
7. 前記４極に隣接する８極は、該４極の半分に重畳して励磁することを特徴とする請求項６記載のエネルギーアナライザ。
8. 前記エネルギー分散手段において、前記電子線は、前記分散方向に奇数回収束し、前記分散方向に垂直な前記光軸を含む面内で偶数回収束することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のエネルギーアナライザ。
9. 前記スリットを前記光軸方向に移動する機構を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のエネルギーアナライザ。
10. 前記１２極子及び／又は前記他の１２極子は、ラウンドレンズ成分又は偏向場成分を生成することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のエネルギーアナライザ。
11. 電子顕微鏡の鏡筒内に設置され、電子線をそのエネルギーに応じて分散させるエネルギーアナライザにおいて、
    光軸に沿って入射する電子線をエネルギーに応じて前記光軸に垂直な所定の分散方向に分散させるエネルギー分散手段と、
    前記光軸上にあって、前記エネルギー分散手段の後段に設置され、前記エネルギー分散手段によって分散された電子線の前記分散方向の収差を抑制する６極子及び４極子と、
    を有することを特徴とするエネルギーアナライザ。
12. 前記エネルギー分散手段における電子線の軌道が対称となる、前記光軸に垂直な対称面について、前記６極子と対称な位置に前記６極子と対称になるように設置された他の６極子と、前記４極子と対称な位置に前記４極子と対称になるように設置された他の４極子と、を有することを特徴とする請求項１１記載のエネルギーアナライザ。

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