JP2007115409A

JP2007115409A - 電子線干渉装置および電子顕微鏡

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Publication number: JP2007115409A
Application number: JP2004102530A
Authority: JP
Inventors: Ken Harada; 研原田; Tetsuya Akashi; 哲也明石; Yoshihiko Togawa; 欣彦戸川; Tsuyoshi Matsuda; 強松田
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: US7816648B2; US20080302965A1; JP4512183B2; WO2005098896A1

Abstract

【課題】干渉計、および干渉計によって得られる干渉顕微鏡像に於いて重要なパラメータである干渉縞間隔ｓと干渉領域幅Ｗが互いに独立に制御可能な電子線バイプリズムを用いた電子線干渉光学系に於いて、試料像と電子線バイプリズムのフィラメント電極の像との相対倍率に自由度を持たせること。
【解決手段】２つの電子線バイプリズムを光軸方向に２段に用いる、２段電子線バイプリズム干渉計での光学系を採用すると共に、対物レンズを２つのレンズを組み合わせる２段構成として、それぞれの対物レンズの焦点距離を独立に制御することにより、試料像と電子線バイプリズムのフィラメント電極の像との相対倍率を任意の倍率に設定可能とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子線バイプリズムを用いた波面分割型の電子線干渉装置および電子顕微鏡に関する。

光学干渉装置には、大別して振幅分割法によるものと波面分割法によるものがあるが、電子線干渉装置では、１個の電子線バイプリズムを用いた波面分割型の干渉計のみが実用に供されている。この型の干渉計では、原理的に干渉縞間隔ｓと干渉領域幅Ｗを独立にコントロールできず、例えば試料が大きいなど広い干渉領域幅を必要とする場合には、干渉縞間隔が狭く、多数本の干渉縞からなる干渉像（ホログラム）、すなわち高い搬送空間周波数で記録された画像を解析しなければならなかった。また、逆に試料が小さく狭い範囲に高い搬送空間周波数の干渉像が必要な場合でも、必要な高搬送空間周波数を作り出した時には干渉領域幅が広がってしまい、空間的可干渉性の劣化からコントラストの低い干渉縞からなる（品質の低い）干渉像を解析しなければならなかった。

本願発明者らは、これらの問題点に対応するために、特願２００４−００４１５６の発明を提案した。図１は特願２００４−００４１５６の図３で説明された電子線バイプリズムを用いた干渉光学系を示す図である。本願の背景技術として、これを、ここで簡単に説明しておく。

図１において、１は電子源、２は光軸、３は試料、５は対物レンズ、７は上段電子線バイプリズム直上の電子源像面、１１は観察面、１２は観察面上の試料の像、１３はフイルムあるいはカメラ等の撮像手段である。２１および２３は物体波および参照波を示す。３１は対物レンズによる試料の像面、３２は対物レンズによる試料の像、３３は拡大レンズ、３５は拡大レンズ３３による電子源の像面、９_ｕは対物レンズによる試料の像面３１上に設けられた上段電子線バイプリズムのフィラメント電極で、その直径はｄ_ｕである。９_ｂは拡大レンズ３３による電子源の像面３５と観察面１１との間に設けられた下段電子線バイプリズムのフィラメント電極で、その直径はｄ_ｂである。また、観察面１１上に現れる干渉縞の干渉縞間隔ｓと干渉領域幅Ｗを撮像手段１３の下に模式的に表示した。ここで、電子源１は、図では、単一のブロックで示しているが、光源、加速管さらには照射光学系を含むものである。ここで示した電子線バイプリズムは、電界型のものの模式図であり、中央に極細線のフィラメント電極とその電子線が通る遥か外側左右に接地電極を備えた構造をしており、中央のフィラメント電極に電圧を印加して電子線を偏向させる。図１および以後の図では、中央のフィラメント電極の断面のみを小円で示すものとする。また、電子線バイプリズムの機能に着目した説明では、電子線バイプリズムとのみ表記し、中央のフィラメント電極に着目した説明では電子線バイプリズムのフィラメント電極と表記する。また電子光学系では、電子レンズは通常磁界型の電磁レンズが用いられるため、電子線の経路には光軸を回転中心とした回転が含まれるが、図１では電磁レンズによる電子線の回転を無視し、電子光学系として同一の平面を記載している。以降の光学系を示す図においても同様である。

電子源１で発生された電子線は光軸２の一方側に配置された試料３を透過する物体波２１と試料３の無い側を透過する参照波２３とに分かれる。物体波２１と参照波２３とを識別しやすいように、物体波２１のみにパターン表示を付した。物体波２１および参照波２３は対物レンズ５で屈折されて上段電子線バイプリズム直上の電子源像面７で交叉して拡大レンズ３３の方に進む。物体波２１および参照波２３は対物レンズによる試料の像面３１上で試料像３２を形成するとともに、像面３１上で上段電子線バイプリズムの位置を通過する。上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕに印加される電圧による偏向で電子線は光軸２に向かわせられる。２５および２７は下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂにより偏向された物体波２１および参照波２３の仮想的な電子源像である。２６および２８は上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕにより偏向された物体波２１および参照波２３の実電子源像である。Ｙ_ｒは上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕによる電子源像の光軸からのスプリット距離、Ｙ_ｖは下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂによる仮想的な電子源像の実電子源像２６からのスプリット距離であり、式（１）、（２）の様に表される。

観察面１１は上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕのインフォーカス像面であるため、上段電子線バイプリズムでの偏向作用は像形成に関係なく、波面のオーバーラップは生じない。しかし、電子線への偏向は実として行なわれているため、実電子源像のスプリット２６，２８が生じている。これは下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂによる仮想的な電子源像のスプリット２５，２７と本質的に同じものである。

図１に示す構成で、両バイプリズム９_ｕ、９_ｂを同時に作用させた場合の試料面へ逆投影した干渉縞は式（３）、（４）の様に表される。以下、試料面へ逆投影した干渉縞の干渉縞間隔ｓと干渉領域幅Ｗは下付きの添え字Ｏｂｊを付して表すものとする。

式（３）、（４）は干渉領域幅Ｗ_Ｏｂｊが上段電子線バイプリズムによる偏向角度α_ｕに依存しないことを意味しており、このことが、干渉縞間隔ｓ_Ｏｂｊと干渉領域幅Ｗ_Ｏｂｊの独立したコントロールを可能にする。すなわち、
（１）下段電子線バイプリズム→干渉領域幅Ｗ_Ｏｂｊを定める。
（２）上段電子線バイプリズム→干渉縞間隔ｓ_Ｏｂｊを調整する。
という手順で独立操作が可能となる。さらに、下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂが拡大レンズ３３による電子源の像面３５の位置に置かれている（Ｄ_ｂ−Ｌ_ｂ＝０）場合を考えてみると、この場合には式（３）により干渉縞間隔ｓ_Ｏｂｊは偏向角度α_ｂに依存しない。すなわちこの光学条件では、干渉縞間隔ｓ_Ｏｂｊと干渉領域幅Ｗ_Ｏｂｊに関して完全に独立なコントロールが可能となる。

特願２００４−００４１５６の発明により、干渉縞間隔ｓ_Ｏｂｊと干渉領域幅Ｗ_Ｏｂｊを独立にコントロールできる電子線干渉装置は実現できた。しかしながら、通常の電子顕微鏡では、試料、対物レンズ、電子線バイプリズムのフィラメント電極のいずれもが光軸の軸方向にほとんど移動できない構造であるため、図１に示した従来の結像光学系では、対物レンズの使用条件はほぼ一意に定まってしまい自由度が無い。すなわち、試料は対物レンズの倍率ｂ_Ｏｂｊ/ａ_Ｏｂｊだけ拡大されて上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕの位置する対物レンズによる試料の像面３１上に投影され、この状態に一意に定まる。被観察試料の像３２と上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕの相対的な大きさもこの条件で定まる。これは、レンズなどの機械的な位置を自由に変更できない電子顕微鏡では顕著な欠点であった。

電子線バイプリズムを用いた干渉光学系では、電子線バイプリズムのフィラメント電極の像、もしくはフィラメント電極の陰は観察不能領域であり、この領域の広さは被観察試料の大きさ、範囲に直接に影響を与える。すなわち、被観察試料の像とフィラメント像もしくはフィラメント電極の陰の相対的なサイズは、自由に選べなければならない。従来の結像光学系では、電子顕微鏡の光学系全体を作り直したり、最適な径の電子線バイプリズムのフィラメント電極に交換するなどの方法により対応をしていたが、光学系全体の変更は煩雑である上、最終倍率の低下を招くなどの問題が発生したり、電子線バイプリズムのフィラメント電極のサイズは直径１μｍ以下で目視できる限界を超えており、最適なフィラメント電極の製作、選定、さらにこれを交換するには技術的に多大の困難を伴っていた。

電子線バイプリズムのフィラメント電極、とりわけ２段の電子線バイプリズムを用いる特願２００４−００４１５６にて提案した光学系に於いては、上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕは、試料像３２の位置に配置される。制限視野絞りも、絞り位置に投影される試料像との相対的な大きさが実効的なサイズであり、対物レンズの倍率に応じて、数種類の径の絞り孔が装置側に用意され、実験者はその中から適当な物を選んで使用していた。上述のとおり、対物レンズの使用条件が一意に定まっているため、仮に孔径の微調整であっても、実験中その場でのサイズ変更は、技術的に困難な状況であった。さらに、観察条件が大きく異なる場合には、予め径の異なる絞りを電子顕微鏡にセットしておかねば成らず、そのためには、顕微鏡鏡体の真空を破る必要があった。

本発明は、上記課題を解決するために、被観察試料３の直下に置かれる対物レンズ５を２枚のレンズからなる２段構成の組み合わせレンズ系とし、おのおのの対物レンズを独立にその焦点距離を調整することによって、対物レンズ以外の結像レンズを調整することなく、被観察試料と上段のフィラメント電極との相対倍率を自由に変更できるようにするものである。すなわち、対物レンズを２段のレンズ系で構成し、上段電子線パイプリズムのフィラメント電極９_ｕが配される像面３１に結像される試料像の倍率に拡大のみならず縮小まで含めた自由度を持たせる。そして、下段電子線パイプリズムのフィラメント電極９_ｂは、拡大レンズ３３による電子源像面３５と観察面１１との間に設ける。

制限視野絞り孔との相対倍率についても全く同様の対策をとることができる。すなわち、制限視野絞り孔が試料の像面３１に配される場合、２段の対物レンズを各々独立に調整することによって、絞り孔と試料との相対倍率を任意に設定できる。

本発明によれば、電子線干渉装置の対物レンズ以外の結像レンズを調整することなく、被観察試料の像と上段電子線パイプリズムのフィラメント電極の相対倍率を自由に変更できるため、上段電子線パイプリズムのフィラメント電極９_ｕのサイズを交換することなく、試料上の電子線パイプリズムのフィラメント電極のフィラメントの陰の範囲、すなわち観察不可領域の幅を任意にコント口一ルできる。これは、従来型の電子線バイプリズムが１つの干渉装置に対しても、同等の効果を期待できる。

さらに、上述の上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕを制限視野絞りの孔と置き換えると、直ちに被観察試料と制限視野絞りの孔径の相対倍率を自由に変更できる光学系であることがわかる。これは電子光学上相対的に、制限視野絞りの孔径を自由に設定できることを意味しており、従来の制限視野絞りの様に、孔径の異なる複数の孔を用意する必要がないことを示している。すなわち、干渉を伴わない電子線光学系装置においても有効な発明である。

図２は対物レンズを２段のレンズ系で構成した本発明の実施例を示す電子線干渉装置の干渉光学系を示す図である。２段の電子線バイプリズムを用いて電子線干渉をコントロールする点は、図１と同じである。

図２において、５１は第１対物レンズ、５２は第２対物レンズ、６１は第１対物レンズ５１により形成される電子源１の像面、６３は第１対物レンズ５１により形成される試料３の像面である。第２対物レンズ５２の電子線の進行方向下流側に形成される電子源１の像面７以降は、図１と同じ構成をしている。すなわち、仮に図２の像面６３に試料を配置させた光学系を考えれば、図１に示した装置と等価となる。図１と図２を比較して明らかなように、本発明による光学系（図２）は、試料と電子線干渉装置の間にレンズを新たに加えて２段のレンズ系からなる対物レンズとし、各々のレンズの焦点距離を任意にコントロールすることによって試料と干渉装置との関係に自由度を持たせている。これにより、真空装置であり機械的位置の移動が困難であるために電子線装置が一般に持っている、光学パラメータに対する自由度の欠如を補っている。

図２の構成によれば、両バイプリズムを同時に作用させた場合の干渉縞は式（５）、（６）の様に表される。

式（３）、（４）との対比ができるように表記したが、これから明らかなように、第１対物レンズ５１の与える倍率Ｍ_Ｏｂｊ１が式（３）、（４）全体に乗算された形式となっている。これは、実際の試料位置が、試料の像面６３ではなく第１対物レンズ５１を介した上方にあることを考慮すると簡単に理解される。

図３は、図２に示す本発明の実施例の構成で、Ｄ_ｂ＝Ｌ_ｂとなる位置に下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂを置いた場合の干渉光学系を示す図である。この場合には、両バイプリズムを同時に作用させた場合の干渉縞は式（７）、（８）の様に表される。

式（７）、（８）から明らかなように、干渉縞間隔ｓ_Ｏｂｊは上段電子線バイプリズムによる偏向角度α_ｕのみに依存し、干渉領域幅Ｗ_Ｏｂｊは下段電子線バイプリズムによる偏向角度α_ｂにのみに依存している。すなわち、干渉縞間隔ｓ_Ｏｂｊと干渉領域幅Ｗ_Ｏｂｊとは、完全に独立にコントロールすることが可能であることを示している。

図２、図３で説明した光学系の構成は、図１に示した光学系の構成と比べて、第１対物レンズ５１と第２対物レンズ５２の２段のレンズ系で構成された対物レンズと言う点を除けば差異はない。したがって、干渉縞を記述する諸式（５）、（６）も２段対物レンズの合成の倍率Ｍ_Ｏｂｊ＝Ｍ_Ｏｂｊ１×Ｍ_Ｏｂｊ２を定義すれば、式（３）、（４）に一致する。これらの事実は、本発明が図１に示した干渉光学系に何らの機能的欠点を与えないことを意味している。すなわち、対物レンズ系が新たにもたらす自由度の増加が、そのまま干渉装置の自由度の増加、被観察対象の広範として、装置の性能・操作性の向上に反映される。

（実験結果）
図４Ａ−図４Ｃは、２段のレンズ系で構成された対物レンズの効果を検証するための実験結果を示す図である。

図４Ａ−図４Ｃは、上段の電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕの像が黒い帯状の陰として、試料であるカーボン薄膜上の金微粒子が模様として、それぞれ観察されている様子を示す図である。各図中の文字Ａは、同一の金微粒子、補助線は観察された微粒子の位置関係から求めた試料と電子線バイプリズムのフィラメント電極との相対回転角度を示している。

図４Ａは上段の電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕの位置、すなわち、第２対物レンズ５２による試料の像面３１に試料（金微粒子）を２８６倍に拡大結像した図である。フィラメント電極の実径０．８μｍに対して、実効的に十分細いフィラメント径が得られている。図４Ｂは、同様にして、３９倍、図４Ｃは２．７倍での写真である。これらの画像の撮影では両バイプリズムは、ともに作用させていない。また拡大レンズ３３の倍率はいずれの場合も同じであり、４２００倍である。

図４Ａ−図４Ｃを対比して分かるように、金微粒子が相対的に小さくなり、同時に観察視野が広がっていくことが分かる。図４Ｃで見られる丸い構造は、マイクログリッドと呼ばれる試料支持膜の一部である。図４Ａ−図４Ｃを通して、上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕが同一位置となるようにして同一試料位置を観察している。フィラメント電極９_ｕに対する光学系の諸条件が一定であることは、フィラメント電極９_ｕの像の太さ、位置が変化していないことから明らかである。

ホログラフィーを行う際の干渉縞の縞間隔ｓ_Ｏｂｊ、干渉領域幅Ｗ_Ｏｂｊも電子線バイプリズムのフィラメント電極の像と同様に、図４Ａ−図４Ｃにおいて相対的に変化する。すなわち、高分解能（図４Ａ）から低倍観察条件（図４Ｃ）までを、２段の対物レンズの組み合わせのみにより作り出すことができる。

また、試料像と電子線バイプリズムのフィラメント電極の像の相対角度も変化している。この実験例では、試料の相対倍率と相対角度の両方が同時に変化しているが、これは第１対物レンズの倍率を第２対物レンズの倍率より極端に大きくした使用法に起因しており、第１、第２の対物レンズを同程度の倍率で用いれば、相対倍率を一定に保ったまま、角度だけを任意にコントロールすることが可能である。すなわち、電子線バイプリズムフィラメント電極、或いは試料ホルダーに回転機構が備わっていなくても、２段の対物レンズの使い方によりこれらの相対角度をコントロールすることが可能である。

さらに、第１対物レンズ５１を強励磁（強拡大）条件で使用すれば、第１対物レンズによる電子源像の位置６１を第１対物レンズの後焦点面近傍に固定できる。ホログラフィー光学系では、光源の位置が変化すると、干渉条件（干渉領域幅や干渉縞間隔）が変化するため、光源が固定できると、観察倍率の変更など試料の観察条件による干渉条件の設定し直し作業から開放され、実験の自由度が広がる。

また、第１対物レンズ５１をオフまたは弱励磁とし、第２対物レンズ５２を用いて試料像を結像させることも可能となる。これは試料に対して磁場フリーでの観察を可能とし、磁性在材料の磁区構造のホログラフィー観察を可能とするものである。さらに、これは縮小光学系を形成しているため、低倍率での広範囲のホログラフィー観察光学系でもある。

（制限視野絞りを備えている電子顕微鏡への応用）
上述の説明は、電子線バイプリズムのフィラメント電極に対する２段構成の対物レンズの効果について説明したが、本発明の２段構成の対物レンズは制限視野絞りにおいても大きな効果をもたらす。

従来の電子顕微鏡では制限視野絞りを用いる場合、大きさの異なる孔径の絞りを装置内に複数用意しておき、実験に際して必要な径の孔を選択して光軸上に配置すると言う対策がとられていた。しかし、本発明では、制限視野絞りの絞り孔径を変更することなく試料サイズに対して相対的に異なる大きさの絞り孔を作り出すことが可能である。

図５Ａ−図５Ｃは、図４Ａ−図４Ｃの実験結果を利用して作図した制限視野絞りへの本発明の適用の効果を説明する図である。すなわち、図４Ａ−図４Ｃの実験と同一の条件で、上段電子線バイプリズムフィラメント電極９_ｕの位置に制限視野絞りを置いたときの実験結果に代えて作図したものである。上段電子線バイプリズムフィラメント電極９_ｕの代わりに制限視野絞りが置かれれば、実際は図５Ａ−図５Ｃでは、フィラメントの影はなくなるはずであるが、図５Ａ−図５Ｃと図４Ａ−図４Ｃの実験結果との対比をしやすくするために、フィラメントの陰を残した状態の作図とした。

図５Ａ−図５Ｃでも、図４Ａ−図４Ｃと同様に、金微粒子が相対的に小さくなり、同時に観察視野が広がっていくことになり、一方で、制限視野絞りに対する光学系の諸条件が一定であるため、制限視野絞りの大きさ、位置が変化しないことは容易に理解できる。従って、本発明によれば、１つの絞り孔を任意の大きさの制限視野絞りとして用いることが可能となり、空いたスペースを例えば絞り箔加熱装置やシャッターなど異なる機構に有効利用することが可能となる。

また、上記の上段電子線バイプリズムフィラメント電極９_ｕと試料像との関係のように、相対回転角度もコントロールできるため、通常の円形絞り孔だけでなく、楕円形や四辺形など回転対称でない様々な形状の絞り孔についても、従来法よりも容易に実験に供することが可能となる。

（応用への提案）
（１）制限視野ホログラフィー
電子線ホログラフィーに於いては、従来型の１つの電子線バイプリズムを用いる場合であっても、２段バイプリズム光学系を用いる特願２００４−００４１５６の場合であっても、制限視野絞りと電子線バイプリズムとは光学系として同じ位置、または近傍に位置するため、併用（両方同時に使用する）することはほとんどできなかった。むしろ、制限視野絞りを改造して電子線バイプリズムとして供する場合など、共用できても併用することは不可能だった。本発明によれば、対物レンズが２段レンズ系から構成されるため、対物レンズ系の中間に試料の像面（例えば図２における像面６３）が存在する。この面に制限視野絞りを配置すれば、電子線バイプリズムとは全く独立に取り扱うことが可能となり、両者の併用が可能となる。

（２）極微領域電子線回折への応用
通常極微領域電子線回折を行う場合には、電子線を絞り込み、所定の細い電子ビームにして試料のしかるべき部分に照射して、電子線回折像を得ている。このとき電子ビームは自ら収束ビームとなっているため、回折電子線は角度分布を持ち、回折像では各々の回折点が広がりを持った円像となってしまっている。また、通常の収束ビームは高電流密度となっているため、電子線照射による試料の局所加熱や試料破損、試料汚染など、通常の試料像観察で生じない新たな問題が発生することが多い。

本発明により、試料像を絞り孔径に対して十分に大きく拡大すれば、相対的に極微径の制限視野絞りを作成することも容易である。この極微径絞り孔を用いた電子線回折は、試料への照射電子線とは全く独立に行なえるため、通常の試料観察と全く同じ電子線密度での照射しか与えず、上述の試料の局所加熱や試料破損、試料汚染などの問題を原理的に回避できる。

（３）高倍率電子顕微鏡への応用
通常の電子顕微鏡の拡大光学系の上部に本発明の２段構成の対物レンズを付加した構成の電子顕微鏡とする。図６は、２段対物レンズ５１，５２の下流に、３段の拡大光学系３３_１−３３_３と１段の投射レンズ３４を配置し、都合４段の拡大系を備えた構成による電子顕微鏡の光学系を示す図である。また、図６では電子源１から放出される電子線の代表の軌跡と試料３の先端および根元位置で散乱される電子線の代表的な軌跡のみを示した。以下の図でも同じである。

これは通常の電子顕微鏡よりも全レンズ数が１つ増えている。これにより、像の最終拡大倍率を１桁程度増すことが可能となり、１０００万倍の拡大が可能となる。また、磁性材料などの観察時に第１対物レンズ５１をオフとしても、１０万倍程度の拡大率を確保できる、その上、第２対物レンズ５２に高性能のレンズを用いれば、それに見合った分解能を確保できる。従来の電子顕微鏡では、最終拡大倍率１００万倍程度であった。さらに、磁場観察時に対物レンズをオフとすると、最終倍率は１万倍以下となってしまい微細な試料は観察できなかった。本発明ではこれらの制約を回避できる。

（４）高分解能電子線ホログラフィーへの応用
電子線バイプリズムのフィラメント電極に対して、試料を強拡大する光学系を構成すると、得られる干渉縞間隔は、相対的に大変に細かな縞となる。ホログラフィーにて記録される縞間隔は、再生像の空間分解能を定めるため、原子レベルの高分解能ホログラフィー、結晶格子像ホログラフィーに於いては、試料像に対して原子サイズ以下の細かな縞を作成、記録することが重要となる。

本発明によれば、上記の通り、試料の相対倍率を拡大してフィラメント電極像と合せることができる上、干渉縞間隔を独立にコントロールして細かく作り出すことができる。さらに全体のレンズ数が増しているため、形成された細かな縞を十分な大きさに拡大した上で、記録することが可能である。

図７Ａは、カーボン薄膜上の金微粒子である。規則正しく配列した白点が金の結晶格子像であり、各々の白点の位置が、単原子位置に対応する。結晶配列が微粒子の中心を対称軸として５回対称の配列をしている。これは金など面心立方結晶の代表的な微粒子形状、五角十面体構造である。微粒子の中央部の帯の様に見える部分が、この実験で構成した干渉領域である。この中におよそ６００本の干渉縞を作り出している。

図７Ｂは図７Ａの枠で囲った部分の拡大像である。金の１原子像中に約４０本の干渉縞（縞間隔：約５ｐｍ（ピコメートル））が記録されている。この縞間隔から高分解能ホログラムから再生可能な最大空間分解能は１０ｐｍであり、電子顕微鏡の対物レンズが解像できる限界を十分に超えていることがわかる。すなわち、この高分解能ホログラフィーによれば、電子レンズの持つ収差を除去する画像処理が可能である。

（５）３段対物レンズ光学系への応用
本発明を発展・応用すれば、対物レンズが３段のレンズ系からなる光学系を考案することができる。この光学系の概略を図８に示す。この光学系では、レンズ数が増えたことによる、電子線バイプリズムのフィラメント電極、もしくは制限視野絞り孔との相対倍率の増大、最大到達倍率のさらなる増大だけでなく、レンズの追加による光学系構成自由度のさらなる増加が利用できる。すなわち、電子線バイプリズムのフィラメント電極、もしくは制限視野絞り孔との相対倍率を任意の状態に保ったまま、フィラメント電極と試料との相対角度をも、自由に扱えるようになる。試料、もしくはフィラメント電極、或いは制限視野絞りに回転機構が備わっていない場合でも、必要を十分に満たした実験が可能となる。

（６）３段および４段のバイプリズムを用いる応用形態の例
図９は、上段のバイプリズム、第３の中間バイプリズムおよび下段のバイプリズムを備えたホログラフィー顕微鏡の光学系の例について示す図である。図において図６と同じもの、または、同等の働きをするものには同じ参照符号を付した。上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕは第２対物レンズ５２による試料の像面６４上に設け、中間電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｉを第１拡大レンズ３３_１の上部に設ける例である。下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂは第１拡大レンズ３３_１の作る光源の像面４１上に設ける。試料像３２は第１拡大レンズ３３_１、さらに第２拡大レンズ３３_２と順に拡大投影され、第３拡大レンズ３３_３および投射レンズ３４でさらに拡大されて、観察面１１に最終拡大像を得る。

図９の例では、干渉縞間隔ｓを変化させるのは、上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕおよび中間電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｉのいずれの電圧を変化させても良いから、上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕおよび中間電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｉの電圧を小さくすることが出来、耐圧上有利となる。中間電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｉの配置の位置はこの他にも、特願２００４−００４１５６で述べたように、色々ありうる。

図１０は、図９と同様に第３の中間バイプリズムを用いる他に、第４のバイプリズムをさらに用いるホログラフィー顕微鏡の光学系の例を示す図である。上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕは第２対物レンズ５２の像面６４上に設け、中間バイプリズムのフィラメント電極９_ｉは、第１拡大レンズ３３_１の下部の光源の像面４１上に設ける。下段バイプリズムのフィラメント電極９_ｂは第２拡大レンズ３３_２の下部の光源の像面４２上に設け、第４のバイプリズムのフィラメント電極９_４を、第１拡大レンズ３３_１の試料の像面４３上に設ける。干渉縞間隔ｓを変化させるための電圧制御を、上段バイプリズムのフィラメント電極９_ｕおよび第４のバイプリズムのフィラメント電極９_４とに分けることが出来るとともに、干渉領域幅Ｗを変化させるための電圧制御も下段バイプリズムのフィラメント電極９_ｂと中間バイプリズムのフィラメント電極９_ｉとに分けることが出来るから、それぞれのバイプリズムのフィラメント電極の電圧を小さくすることが出来、耐圧上有利となる。

本発明では、特願２００４−００４１５６の発明に加えて、電子線の２段対物レンズの倍率制御干渉領域幅と干渉縞間隔を任意にコントロールできるものである。したがって、特願２００４−００４１５６の発明と同様、以下の応用が可能である。

（７）電子線の空間的可干渉性（コヒーレンス度）の計測と輝度の算出
（８）時間コヒーレンスの観測
（９）高搬送空間周波数ホログラムの作成
（１０）量子細線、量子ドットの作成

特願２００４−００４１５６の図３で説明された２段の電子線バイプリズムを用いた干渉光学系を示す図である。対物レンズを２段のレンズ系で構成した本発明の実施例を示す電子線干渉装置の干渉光学系を示す図である。図２に示す本発明の実施例の構成で、Ｄ_ｂ＝Ｌ_ｂとなる位置に下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂを置いた場合の干渉光学系を示す図である。上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕの位置、すなわち、第２対物レンズ５２の像面３１に試料（金微粒子）を２８６倍に拡大結像した図である。上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕの位置、すなわち、第２対物レンズ５２の像面３１に試料（金微粒子）を３９倍に拡大結像した図である。上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕの位置、すなわち、第２対物レンズ５２の像面３１に試料（金微粒子）を２．７倍に拡大結像した図である。図４Ａの実験結果を利用して作図した制限視野絞りへの本発明の適用の効果を説明する図である。図４Ｂの実験結果を利用して作図した制限視野絞りへの本発明の適用の効果を説明する図である。図４Ｃの実験結果を利用して作図した制限視野絞りへの本発明の適用の効果を説明する図である。２段対物レンズ５１，５２の下流に、３段の拡大光学系３３_１−３３_３と１段の投射レンズ３４を配置し、都合４段の拡大系を備えた構成による電子顕微鏡の光学系を示す図である。高分解能電子線ホログラフィーによるカーボン薄膜上の金微粒子像を示す図である。図７Ａの枠で囲った部分の拡大像を示す図である。対物レンズを３段のレンズ系とした本発明の応用形態の光学系を示す図である。上段のバイプリズム、第３の中間バイプリズムおよび下段のバイプリズムを備えたホログラフィー顕微鏡の光学系の例について示す図である。図９と同様に第３の中間バイプリズム、さらに第４のバイプリズムを用いるホログラフィー顕微鏡の光学系の例を示す図である。

符号の説明

１…電子源、２…光軸、３…試料、５…対物レンズ、７…上段電子線バイプリズムのフィラメント電極直上の電子源像面、９_ｕ…上段電子線バイプリズムのフィラメント電極、９_ｂ…下段電子線バイプリズムのフィラメント電極、９_ｉ…第３の電子線バイプリズムのフィラメント電極、９_４…第４の電子線バイプリズムのフィラメント電極、１１…観察面、１２…観察面１１上の試料の像、１３…フイルムあるいはカメラ等の撮像手段、２１…物体波、２３…参照波、２５，２７…拡大レンズ３３による電子源の像面３５上の仮想的な電子源位置（電子源の虚像）、２６，２８…拡大レンズ３３による電子源の像面３５上の電子源の実像、３１…対物レンズまたは対物レンズ系による試料の像面、３２…対物レンズまたは対物レンズ系による試料像、３３…拡大レンズ、３３_１…第１拡大レンズ、３３_２…第２拡大レンズ、３３_３…第３拡大レンズ、３４…投射レンズ、３５…拡大レンズ３３による電子源の像面、４１…第１拡大レンズ３３_１による電子源の像面、４２…第２拡大レンズ３３_２による電子源の像面、４３…第１拡大レンズ３３_１による試料の像面、５１…第１対物レンズ、５２…第２対物レンズ、５３…第３対物レンズ、６１…第１対物レンズによる電子源の像面、６２…第２対物レンズによる電子源の像面、６３…第１対物レンズによる試料の像面、６４…第２対物レンズによる試料の像面、ａ_１…対物レンズ５または第１対物レンズ５１と電子源１との距離、ａ_２…第２対物レンズ５２と電子源の像面６１との距離、ａ_３…拡大レンズ３３と電子源像面７との距離、ａ_Ｏｂｊ…対物レンズ５と試料３との距離、ａ_Ｏｂｊ１…第１対物レンズ５１と試料３との距離、ａ_Ｏｂｊ２…第２対物レンズ５２と試料の像面６３との距離、ａ_Ｍ…拡大レンズ３３と試料の像面３１との距離、ｂ_１…対物レンズ５または第１対物レンズ５１と当該レンズによる電子源の像面７または６１との距離、ｂ_２…第２対物レンズ５２と電子源像面７との距離、ｂ_３…拡大レンズ３３と拡大レンズ３３による電子源の像面３５との距離、ｂ_Ｏｂｊ…対物レンズ５と試料の像面３１との距離、ｂ_Ｏｂｊ１…第１対物レンズ５１と当該レンズによる試料の像面６３との距離、ｂ_Ｏｂｊ２…第２対物レンズ５２と試料の像面３１との距離、ｂ_Ｍ…拡大レンズ３３と観察面１１との距離、λ…電子源１から放出される電子線の波長、α_ｕ…上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕによる電子線の偏向角度、α_ｂ…下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂによる電子線の偏向角度、Ｌ_ｂ…下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂと観察面１１との距離、Ｄ_ｕ…上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕ直上の電子源像面７と対物レンズによる試料の像面３１との距離、Ｄ_ｂ…拡大レンズ３３による電子源の像面３５と観察面１１との距離、ｄ_ｕ…上段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｕの直径、ｄ_ｂ…下段電子線バイプリズムのフィラメント電極９_ｂの直径、Ｍ_Ｏｂｊ…対物レンズ５または対物レンズ系（第１対物レンズ５１および第２対物レンズ５２）による試料に対する倍率、Ｍ_Ｏｂｊ１…第１対物レンズ５１による試料に対する倍率、Ｍ_Ｏｂｊ２…第２対物レンズ５２による第１対物レンズ５１が像面６３に作る像に対する倍率、Ｍ_Ｍ…拡大レンズ３３による試料像３２に対する倍率。

Claims

電子線の光源と、前記光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持装置と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と前記試料像を観察あるいは記録するための装置を有するとともに、電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より電子線の進行方向下流側に位置する前記レンズ系の対物レンズが各々独立して焦点距離が制御できる２段のレンズ系により構成されるレンズで、該２段レンズ系よりなる対物レンズの下流側に形成される前記試料の像面位置で光軸と直交する平面内に配置された上段バイプリズムと、前記結像レンズ系の１つもしくは複数のレンズを介して前記上段バイプリズムの前記光軸上の位置より電子線の進行方向下流側で前記上段バイプリズムの位置する平面と互いに平行な平面内に配置される下段バイプリズムとを備えるとともに、前記上段バイプリズムと前記下段バイプリズムにそれぞれ独立に電圧を印加することにより、光軸を含む電子光学系の同一平面内で電子線を偏向させることを特徴とする電子線干渉装置。
前記光軸に直交し、前記上段バイプリズムが位置する平面に、前記２段レンズ系により構成される対物レンズの各々のレンズを調整することによって、任意の倍率で前記試料の像を結像することを特徴とする請求項１に記載の電子線干渉装置。
前記下段バイプリズムが、前記上段バイプリズムよりも電子線の進行方向下流側に位置する１つあるいは複数の結像レンズの下流側で、該結像レンズの形成する光源の像の下流側に位置する請求項１または請求項２に記載の電子線干渉装置。
前記下段バイプリズムが、前記上段バイプリズムよりも電子線の進行方向下流側に位置する１つあるいは複数の結像レンズの下流側で、該結像レンズの形成する光源の像面に位置する請求項１または請求項２に記載の電子線干渉装置。
前記下段バイプリズムが、前記上段バイプリズムよりも電子線の進行方向下流側に位置する１つあるいは複数の結像レンズの下流側で、該結像レンズと該結像レンズの形成する光源の像の間に位置する請求項１または請求項２に記載の電子線干渉装置。
前記上段バイプリズムよりも電子線の進行方向下流側に位置し、前記上段バイプリズムと前記下段バイプリズムにそれぞれ独立に電圧を印加することにより、作り出される電子線の電子光学系の光軸を含む同一平面内での偏向作用と同じ平面内で電子線に対する偏向作用を生じるように前記光軸に直交する平面内に配置され、前記両バイプリズムとは独立に電圧が印加されて、前記両バイプリズムとは独立に電子線に偏向作用を生じさせる第３のバイプリズムを備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電子線干渉装置。
前記上段のバイプリズムよりも電子線の進行方向下流側に位置し、前記上段バイプリズムと前記下段バイプリズムにそれぞれ独立に電圧を印加することにより、作り出される電子線の電子光学上の光軸を含む同一平面内での偏向作用と同じ平面内で電子線に対する偏向作用を生じるように前記光軸に直交する平面内に配置され、前記両バイプリズムとは独立に電圧の印加が行なえることによって、独立に電子線に偏向作用を生じさせることが可能な第３のバイプリズムを備えるとともに、前記電子線の偏向面と同じ平面内で電子線を偏向させるように前記光軸に直交する平面内に配置され、前記３個のバイプリズムとは独立に電圧を印加することによって、独立に電子線に偏向作用を生じさせることが可能な第４のバイプリズムを備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電子線干渉装置。
電子線の光源と、前記光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持装置と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と前記試料像を観察あるいは記録するための装置を有するとともに、電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より電子線の進行方向下流側に位置する前記レンズ系の対物レンズが各々独立して焦点距離が制御できる３段もしくは３段以上の複数段のレンズにより構成されるレンズ系で、該複数段のレンズ系よりなる対物レンズの下流側に形成される前記試料の像面位置で光軸と直交する平面内に配置された上段のバイプリズムと、前記結像レンズ系の１つもしくは複数のレンズを介して前記上段バイプリズムの前記光軸上の位置より電子線の進行方向下流側で前記上段バイプリズムの位置する平面と互いに平行な平面内に配置される下段のバイプリズムとを備えるとともに、それら前記上段バイプリズムと前記下段バイプリズムにそれぞれ独立に電圧を印加することにより、光軸を含む電子光学上の同一平面内で電子線を偏向させることを特徴とする電子線干渉装置。
前記上段のバイプリズムが位置する光軸に直交する平面に、前記複数段のレンズ系により構成される対物レンズの各々のレンズを調整することによって、任意の倍率で前記試料の像を結像することを特徴とする請求項８に記載の電子線干渉装置。
前記上段のバイプリズムよりも電子線の進行方向下流側に位置し、前記上段バイプリズムと前記下段バイプリズムにそれぞれ独立に電圧を印加することにより、作り出される電子線の電子光学上の光軸を含む同一平面内での偏向作用と同じ平面内で電子線に対する偏向作用を生じるように前記光軸に直交する平面内に配置され、前記両バイプリズムとは独立に電圧の印加が行なえることによって、独立に電子線に偏向作用を生じさせることが可能な第３のバイプリズムを備えることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の電子線干渉装置。
前記上段のバイプリズムよりも電子線の進行方向下流側に位置し、前記上段バイプリズムと前記下段バイプリズムにそれぞれ独立に電圧を印加することにより、作り出される電子線の電子光学上の光軸を含む同一平面内での偏向作用と同じ平面内で電子線に対する偏向作用を生じるように前記光軸に直交する平面内に配置され、前記両バイプリズムとは独立に電圧を印加することによって、独立に電子線に偏向作用を生じさせることが可能な第３のバイプリズムを備えるとともに、前記電子線の偏向面と同じ平面内で電子線を偏向させ得るように前記光軸に直交する平面内に配置され、前記３個のバイプリズムとは独立に電圧の印加を行うことによって、独立に電子線に偏向作用を生じさせることが可能な第４のバイプリズムを備えることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の電子線干渉装置。
電子線の光源と、該光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持装置と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と前記試料像を観察あるいは記録するための装置を有するとともに、電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より電子線の進行方向下流側に位置する前記レンズ系の対物レンズが各々独立して焦点距離が制御できる２段のレンズ系により形成され、光軸上前記２段のレンズ系の電子線の進行方向下流側に電子線の通過領域を制限できる孔を保持するとともに、その孔が前記光軸と直交する平面内、あるいは前記光軸方向に移動することが可能な装置を備えることを特徴とする電子顕微鏡。
前記電子線の通過領域を制限できる孔を保持するとともに、その孔が前記光軸と直交する平面内、あるいは、前記光軸方向に移動することが可能な装置が、前記２段のレンズ系により構成される対物レンズ系による前記試料の像面に位置する請求項１２に記載の電子顕微鏡。
前記電子線の通過領域を制限できる孔、あるいは該孔が位置する光軸に直交する平面に、２段のレンズ系により構成される対物レンズの各々のレンズを調整することによって、任意の倍率で前記試料の像を結像することを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の電子顕微鏡。
電子線の光源と、該光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持装置と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と前記試料像を観察あるいは記録するための装置を有するとともに、電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より電子線の進行方向下流側に位置する前記レンズ系の対物レンズが各々独立して焦点距離が制御できる２段のレンズ系により構成され、電子線の進行方向に対して、光軸上前記２段のレンズの間に電子線の通過領域を制限できる孔を保持するとともに、その孔が前記光軸と直交する平面内、あるいは、前記光軸方向に移動することが可能な装置を備えることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載の電子線干渉装置。
前記電子線の通過領域を制限できる孔、あるいは該孔が位置する光軸に直交する平面に、２段のレンズ系により構成される対物レンズの電子線の進行方向上流側のレンズが、前記試料の像を結像することを特徴とする請求項１から請求項１１および請求項１５のいずれかに記載の電子線干渉装置。
電子線の光源と、前記光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持装置と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と前記試料像を観察あるいは記録するための装置を有するとともに、電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より電子線の進行方向下流側に位置する前記レンズ系の対物レンズが各々独立して焦点距離が制御できる３段もしくは３段以上の複数段のレンズ系により形成され、光軸上該複数段のレンズ系の電子線の進行方向下流側に電子線の通過領域を制限できる孔を保持するとともに、前記孔が前記光軸と直交する平面内、あるいは、前記光軸方向に移動することが可能な装置を備えることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載の電子線干渉装置。
前記電子線の通過領域を制限できる孔、あるいは該孔が位置する光軸に直交する平面に、前記複数段のレンズ系により構成される対物レンズによる前記試料の像を結像することを特徴とする請求項１から請求項１１および請求項１７のいずれかに記載の電子線干渉装置。
前記電子線の通過領域を制限できる孔、あるいは該孔が位置する光軸に直交する平面に、前記複数段のレンズ系により構成される対物レンズの各々のレンズを調整することによって、任意の倍率で前記試料の像を投影することを特徴とする請求項１から請求項１１および請求項１７および請求項１８のいずれかに記載の電子線干渉装置。
電子線の光源と、該光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持装置と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と前記試料像を観察あるいは記録するための装置を有するとともに、電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より電子線の進行方向下流側に位置する前記レンズ系の対物レンズが各々独立して焦点距離が制御できる３段もしくは３段以上の複数段のレンズ系により構成され、電子線の進行方向に対して、光軸上前記複数段のレンズのいずれかの間に電子線の透過領域を制限できる孔を保持するとともに、前記孔が前記光軸と直交する平面内、あるいは、前記光軸方向に移動することが可能な装置を備えることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載の電子線干渉装置。
前記複数段のレンズ系により構成される対物レンズの内、前記電子線の通過領域を制限できる孔が位置する光軸に直交する平面より電子線の進行方向上流側に位置する１段あるいは複数段の対物レンズによって前記試料の像を前記孔、あるいは前記孔が位置する光軸に直交する平面に結像することを特徴とする請求項１から請求項１１および請求項２０のいずれかに記載の電子線干渉装置。
前記複数段のレンズ系により構成される対物レンズの内、前記電子線の通過領域を制限できる孔が位置する光軸に直交する平面より電子線の進行方向上流側に位置する１段あるいは複数段の対物レンズの各々のレンズを調整することによって、任意の倍率で前記試料の像を前記孔、あるいは前記孔が位置する光軸に直交する平面に結像することを特徴とする請求項１から請求項１１および請求項２０および請求項２１のいずれかに記載の電子線干渉装置。