JP2012003843A

JP2012003843A - 対物レンズ系及び電子顕微鏡

Info

Publication number: JP2012003843A
Application number: JP2010134729A
Authority: JP
Inventors: Kuniaki Nagayama; 國昭永山; Yukinori Nagatani; 幸則永谷; Yoshihiro Arai; 善博新井
Original assignee: National Institute of Natural Sciences; Nagayama IP Holdings LLC
Current assignee: National Institute of Natural Sciences; Nagayama IP Holdings LLC
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2030-06-14
Also published as: WO2011158579A1; JP5688632B2

Abstract

【課題】直流超高圧電源、直流加速管及び多数の超高圧用電磁レンズを使用しなくても、超高圧に加速された電子線による試料観察が可能な対物レンズ系及び電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】電磁レンズからなる１対の対物レンズ（対物前方電磁レンズ２ａ，対物後方電磁レンズ２ｂ）の入射側に、マイクロ波空洞からなるマイクロ波加速器３を配設すると共に、出射側にマイクロ波空洞からなるマイクロ波減速器４を配設する。そして、これらマイクロ波加速器３及びマイクロ波減速器４の空洞に、高周波電力源５から導波管６を介して、相互に位相が異なるマイクロ波を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、対物レンズ系及びこれを用いた電子顕微鏡に関する。より詳しくは、超高圧電子顕微鏡などに使用される対物電磁レンズ系及びこのレンズ系が組み込まれた電子顕微鏡に関する。

透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）は、薄片状の試料に電子線を照射して、試料を透過した電子線を観察するものである（例えば、特許文献１参照）。図４は一般的な透過型電子顕微鏡の光学系の構成を模式的に示す図である。図４に示すように、特許文献１に記載されているような一般的な透過型電子顕微鏡では、電子銃１０１から出射された電子線は、照射レンズ１０２によって明るさや開き角などが調整された後、対物レンズの前方対物レンズ部１０３により平行化され、平面波の状態で試料１０４に照射される。

そして、試料１０４から透過又は散乱した電子線は、対物レンズの後方対物レンズ部１０５に入射し、更に、絞り１０６及び投影レンズ１０７を介して、像スクリーン１０８などに結像される。その際、照射レンズ１０２、対物レンズ（前方対物レンズ部１０３，後方対物レンズ部１０５）及び投影レンズ１０７などの各種レンズ系には、電界や磁界によって入射した電子線を曲げる電磁レンズが使用されている（例えば、特許文献２，３参照）。

一方、前述した透過型電子顕微鏡は、試料に照射する電子線の加速電圧が高いほど、試料に対する電子線の透過性能が向上し、より厚い試料を測定することが可能となる。また、加速電圧を上げると、試料に照射される電子線の波長が短くなるため、より高分解能の分析も可能となる。そこで、従来、加速電圧を５００ｋＶ以上にした超高圧電子顕微鏡が開発され、利用されている（例えば、特許文献４，５参照。）。

特開２００６−３１８６５１号公報特開２０００−２４３３３８号公報特開２００１−１１８５３５号公報特開平６−２０３７７８号公報特開２０００−１８２５５３号公報

しかしながら、前述した従来の超高圧電子顕微鏡には、装置が大型で、高価であるという問題点がある。これは、直流の超高圧電圧を作り出す装置（直流超高圧電源）、電子線を加速させるための直流加速管、高速電子線を曲げるための電磁レンズ及びエネルギーフィルターなどが巨大で、かつ高価なためである。

そこで、本発明は、直流超高圧電源、直流加速管及び多数の超高圧用電磁レンズを使用しなくても、超高圧に加速された電子線による試料観察が可能な対物レンズ系及び電子顕微鏡を提供することを主目的とする。

本発明に係る対物レンズ系は、少なくとも、電磁レンズからなる対物レンズと、前記対物レンズにおける電子線入射側に配設されたマイクロ波加速器と、を有するものである。
本発明においては、対物レンズの前にマイクロ波加速器を設置し、対物レンズの直前で電子を加速させているため、直流高圧電源が不要となる。
このレンズ系では、前述したマイクロ波加速器に加えて、前記対物レンズの後（電子線出射側）に、マイクロ波減速器が配設されていてもよい。
また、前記マイクロ波加速器及びはマイクロ波減速器として、マイクロ波空洞を使用することができる。
その場合、前記マイクロ波加速器として使用される前方マイクロ波空洞と、前記マイクロ波減速器として使用される後方マイクロ波空洞とが、同一の高周波電力源に接続されており、該高周波電力源から供給されるマイクロ波の位相により、電子線の加速又は減速が制御してもよい。
また、前方マイクロ波空洞と前記後方マイクロ波空洞とを等価にし、これらが鏡像対象になるように配置してもよい。
一方、前記高周波電力源としては、例えばクライストロンを使用することができる。

本発明に係る電子顕微鏡は、前述した対物レンズ系が組み込まれたものである。
本発明においては、試料が配置されている部分の前後のみで電子の加速及び減速を行っているため、コンデンサーレンズ系、投影レンズ系、エネルギーフィルター及び電子線検出観察系は、低加速電子線仕様でよい。これにより、超高圧電子顕微鏡の小型化及び低コスト化を実現することができる。
この電子顕微鏡は、例えば透過型電子顕微鏡又は走査透過型電顕微鏡である。

本発明によれば、直流超高圧電源を使用しなくても、超高圧に加速された電子線による試料観察が可能となるため、超高圧電子顕微鏡の小型化及び低コスト化を実現することができる。

本発明の実施形態に係る対物レンズ系の構成を模式的に示す図である。マイクロ波減空洞の内部構造を模式的に示す断面図である。図２に示すマイクロ波空洞の外観を示す斜視図である。一般的な透過型電子顕微鏡の光学系の構成を模式的に示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付の図面を参照して、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。本発明者は、前述した課題を解決するために鋭意実験研究を行った結果、試料が配置されている部分のみ電子を超高圧に加速する方法を見出し、本発明に至った。即ち、本発明の対物レンズ系では、対物レンズの前後に加速用前方マイクロ波空洞及び減速用後方マイクロ波空洞を設置し、対物レンズの直前で電子を加速させると共に、対物レンズ通過した後で電子を減速させる。

＜第１の実施形態＞
先ず、本発明の第１の実施形態に係る対物レンズ系について説明する。図１は本実施形態の対物レンズ系の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、本実施形態の対物レンズ系１は、電磁レンズからなる１対の対物レンズ（対物前方電磁レンズ２ａ，対物後方電磁レンズ２ｂ）を備えており、これらは５００ｋｅＶ以上の超高圧加速電子線に対し対物レンズ特性を保持し得る超強磁場電磁レンズ仕様（いわゆる超高圧透過電子顕微鏡仕様）となっている。

また、対物前方電磁レンズ２ａの前（入射側）には、マイクロ波加速器３が設けられ、対物後方電磁レンズ２ｂの後ろ（出射側）にはマイクロ波減速器４が設けられている。これらマイクロ波加速器３及びマイクロ波減速器４は、それぞれ導波管６を介して同一の高周波電力源５に接続されている。

［マイクロ波加速器３，マイクロ波減速器４］
マイクロ波加速器３は、入射した電子（入射電子８）を加速して超高圧加速電子とするものであり、例えばマイクロ波加速空洞を使用することができる。一方、マイクロ波減速器４は、試料７を透過した電子（透過電子９）を減速するものであり、例えばマイクロ波減速空洞を使用することができる。

図２はマイクロ波空洞の内部構造を模式的に示す断面図であり、図３はその外観を示す斜視図である。図２及び図３に示すマイクロ波空洞１１は、空洞１１ａ内にマイクロ波を供給し、このマイクロ波により内部を通過する電子線を加速又は減速するものであり、例えば純銅などで形成されている。

非常に高い電圧安定度が要求される透過型電子顕微鏡では、従来、直流の超高電圧により電子線加速を行っていたが、その場合、高電圧絶縁のための碍子やガス環境が必要となり、巨大なタンクを付随させる必要があった。これに対して、マイクロ波空洞加速の場合は、碍子や付随する巨大タンクは不要であり、直流の超高電圧を使用する場合の１／１０以下の長さで、同等の加速電圧を得ることができる。

なお、マイクロ波空洞加速の場合、直流電子線は使用せず、１ナノ秒以下の非常に短いパルス状の電子線のみを使用する。これにより、加速電圧の安定度が透過電子顕微鏡に必要なレベルの電子線、即ち安定度が１０^−３以上の電子線を作り出すことができる。

また、図１に示す対物レンズ系１においては、マイクロ波加速器３の前方マイクロ波空洞と、マイクロ波減速器４の後方マイクロ波空洞とが、対称に位置している。特に、電子線の加速及び減速の点から、これらが鏡像対称に配置されていることが望ましい。このようにして加速電圧と減速電圧を等しくすると、コンデンサー電磁レンズ系、投影レンズ系及びエネルギーフィルターが、全て同一の低加速電圧となるため、調整が容易になる。

［高周波電力源５，導波管６］
高周波動力源５は、前述したマイクロ波加速器３及びマイクロ波減速器４に、マイクロ波を供給するものであり、例えばクライストロンやマグネトロンを使用することができる。

また、導波管６は、高周波動力源５から発せられたマイクロ波を、マイクロ波加速器３及びマイクロ波減速器４に導入するものであり、マイクロ波加速器３及びマイクロ波減速器４の側面に連結されている。更に、導波管６には、例えば前方マイクロ波空洞及び後方マイクロ波空洞への供給電力を任意に変えることができ、かつ両者のマイクロ波の相対位相を自由に変えることができる強度・位相調整器７が接続されていることが望ましい。

［動作］
次に、前述の如く構成された対物レンズ系１の動作について説明する。本実施形態の対物レンズ系１においては、対物前方電磁レンズ２ａと対物後方電磁レンズ２ｂの間に試料１０が配置される。そして、高周波電力源５から導波管６を介して、マイクロ波加速器３及びマイクロ波減速器４の空洞内に、周波数１ＧＨｚ〜１０ＧＨｚのマイクロ波が供給される。その際、高周波電力源５から供給するマイクロ波の位相を変えることにより、電子線の加速又は減速を制御することができる。

この状態で、例えば１００〜２００ｋＶのパルス入射電子８を入射させると、マイクロ波加速器３において３００ｋＶ〜３ＭｅＶに加速されると共に、対物前方電磁レンズ２ａによって集光されて、試料１０に照射される。そして、試料１０を透過した透過電子９は、対物後方電磁レンズ２ｂで集光された後、マイクロ波減速器４において減速されて、１００〜２００ｋＶとなる。

このように、本実施形態の対物レンズ系１では、対物前方電磁レンズ２ａ及び対物後方電磁レンズ２ｂの前後に、それぞれマイクロ波加速器３及びマイクロ波減速器４を設け、系内で電子線の加速及び減速を行っているため、加速電圧が１００〜２００ｋＶの一般的な電子顕微鏡の仕様でも、超高圧電子顕微鏡と同様の測定が可能となる。これにより、大型で高価な直流超高圧電源が不要となるため、従来に比べて、超高圧電子顕微鏡を小型化及び低コスト化することができる。

この方法を、従来型の直流加速方式で実現しようとした場合、試料を超高電圧にするか、検出部を超高電圧にする必要があるため、試料を外部から挿入することができなくなったり、検出部の危険性が高まったりする。これに対して、本実施形態の対物レンズ系１では、電子源以外の部分の全ての電圧を通常のゼロ電位に落とすことができるため、通常作業が可能となる。

また、従来、加速電圧が１ＭｅＶの超高圧電子顕微鏡は、設置するために大きな建物が必要で、その重量も１０ｔ以上となっていたが、本実施形態の対物レンズ系１を適用することにより、大きさが１／１０程度、重量は１／１００程度になるため、通常の部屋に設置が可能な高電圧電子顕微鏡が実現できる。

＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態に係る電子顕微鏡について説明する。本実施形態の電子顕微鏡は、前述した第１の実施形態の対物レンズ系１が組み込まれたものである。その種類は特に限定されるものではなく、対物レンズ系１は、全ての透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）、走査透過型電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope：ＳＴＥＭ）に装着可能である。

例えば、透過型電子顕微鏡の場合は、図４に示す従来の透過型電子顕微鏡における対物レンズ（前方対物レンズ部１０３，後方対物レンズ部１０５）に代わりに、図１に示す対物レンズ系１を組み込めばよい。また、例えば、投影レンズなどを省略した走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）の場合は、対物レンズ系に前方マイクロ波空洞のみを設置し、マイクロ波加速などによる超高圧走査透過型電子顕微鏡を実現することが可能である。

本実施形態の透過型電子顕微鏡では、マイクロ波加速・減速器を備えた対物レンズ系が組み込まれ、対物レンズの直前で電子を加速し、対物レンズ通過した直後に電子を減速させているため、直流超高圧電源や、超高電圧仕様の各種部品が不要となる。これにより、小型でかつ低コストの超高圧電子顕微鏡を実現することができる。

１対物レンズ系
２ａ対物前方電磁レンズ
２ｂ対物後方電磁レンズ
３マイクロ波加速器
４マイクロ波減速器
５高周波電力源
６導波管
７強度・位相調整器
８入射電子
９透過電子
１０、１０４試料
１１マイクロ波空洞
１１ａ空洞
１０１電子銃
１０２照射レンズ
１０３前方対物レンズ部
１０５後方対物レンズ部
１０６絞り
１０７投影レンズ
１０８像スクリーン

Claims

電磁レンズからなる対物レンズと、
前記対物レンズにおける電子線入射側に配設されたマイクロ波加速器を、
少なくとも有する対物レンズ系。
更に、前記対物レンズの電子線出射側に、マイクロ波減速器が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の対物レンズ系。
前記マイクロ波加速器及びマイクロ波減速器が、マイクロ波空洞であることを特徴とする請求項１又は２に記載の対物レンズ系。
前記マイクロ波加速器として使用される前方マイクロ波空洞と、前記マイクロ波減速器として使用される後方マイクロ波空洞とが、同一の高周波電力源に接続されており、該高周波電力源から供給されるマイクロ波の位相により、電子線の加速又は減速が制御されること特徴とする請求項３に記載の対物レンズ系。
前記前方マイクロ波空洞と前記後方マイクロ波空洞が等価であり、これらが鏡像対象になるように配置されていることを特徴とする請求項４に記載の対物レンズ系。
前記高周波電力源がクライストロンであることを特徴とする請求項４又は５に記載の対物レンズ系。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の対物レンズ系が組み込まれた電子顕微鏡。
透過型電子顕微鏡又は走査透過型電顕微鏡であることを特徴とする請求項７に記載の電子顕微鏡。