JP2012028105A

JP2012028105A - 分析電子顕微鏡のシャッタ機構

Info

Publication number: JP2012028105A
Application number: JP2010164631A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Oumoto; 和也應本; Toshikatsu Kanayama; 俊克金山
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2012-02-09

Abstract

【課題】本発明は電子顕微鏡のシャッタ機構に関し、メカニカルシャッタを用いないで高速シャッタの機能を設けた電子顕微鏡のシャッタ機構を提供することを目的としている。
【解決手段】エネルギーフィルタを用いた分析電子顕微鏡において、前記エネルギーフィルタの磁気セクターマグネットにおいて、対極面を含むポールの一部を電気的に絶縁して静電偏向板として使用する静電偏向手段を有し、該静電偏向手段を用いて前記エネルギーフィルタの入射電子をエネルギー分散と垂直方向に偏向し、この偏向機能を利用して受光面に対するシャッタとして機能させるように構成する。
【選択図】図４

Description

本発明は分析電子顕微鏡のシャッタ機構に関し、更に詳しくはＣＣＤカメラを観察装置として有し、高速シャッタ機能を容易に実現した分析電子顕微鏡のシャッタ機構に関する。

Ωフィルタは分析電子顕微鏡（ＴＥＭ）においてエネルギー分析を行なう機能を有するものである。図９は分析電子顕微鏡の要部の概念図である。図では、Ωフィルタの光軸を直線状にして示している。図示しない試料を透過した電子ビームは、図示しない中間レンズを介してＳ点にクロスオーバーを結ぶ。Ωフィルタは、１〜４の４個のセクターマグネットから構成されており、該Ωフィルタの中に像が作られる。

クロスオーバー点Ｓからの電子ビームは、Ωフィルタに入射する。そして、Ωフィルタによりエネルギー分散し、Ｓ’点においてエネルギースペクトルを形成する。形成されたエネルギースペクトルは、プロジェクタレンズ（ＰＬ）ＰＬ１とＰＬ２を介してＣＣＤ上に拡大投影される。ＣＣＤからの電子像は図示しない画像処理系を介して所定の画像処理がなされた後、図示しないディスプレイに表示される。

ＣＣＤに記録する際は、通常の光学カメラと同様、シャッタが必要である。このシャッタは、従来はＰＬのポールピース内に配置され、機械的に動作するのでメカニカルシャッタと呼ばれる。このメカニカルシャッタの機構は、光学カメラに搭載されるものと同様の構成を持っている。このメカニカルシャッタの方式や取付位置は、電子顕微鏡の種類や製造メーカによって多種多様である。

従来のこの種の装置としては、可変減衰平行検出器が知られている。この装置は、電子ビームを静電偏向プレートからなる電子偏向器で偏向させ、平行検出器に入射させる。平行検出器は多数の独立した検出チャネルを有し、それぞれはエネルギー分散方向に対して直角の方向に伸びたものが知られており、特定エネルギーの電子は常に同一の１つのエレメントに入射するようになっている（例えば特許文献１参照）。

特開平１−２９７５８５号公報（第４頁左下欄第２行〜同頁右下欄第８行、第１図、第２図）

ＰＬメカニカルシャッタの動作は最高速でたかだか５００ｍｓｅｃ乃至１００ｍｓｅｃ程度であるため、以下のような問題がある。
１）露光時間が長いため試料にダメージを与える。このようなダメージを避けるため、コンデンサ絞り等で照射量を下げざるをえない。
２）従って、分析時間が長くなる。そのため、試料ドリフトの影響を受けやすくなる。このため、特に原子分解能レベルでの分析には不利となる。

以上述べたように、分析で求められるシャッタ速度は、少なくとも５０ｍｓｅｃ以下である必要がある。このような高速シャッタを実現するには、メカニカルシャッタでは限界がある。仮に、回転盤、振動板等で可能であったとしても、カメラ信号との高速同期が困難であり、機械振動が分析電子顕微鏡に与える影響が問題となる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、静電偏向を用いて高速シャッタの機能を簡単に実現できるようにした分析電子顕微鏡のシャッタ機構を提供することを目的としている。

上記した課題を解決するために、本発明は以下のような構成をとっている。

（１）請求項１記載の発明は、エネルギーフィルタを用いた分析電子顕微鏡において、前記エネルギーフィルタの磁気セクターマグネットにおいて、対極面を含むポールの一部を電気的に絶縁して静電偏向板として使用する静電偏向手段を有し、該静電偏向手段を用いて前記エネルギーフィルタの入射電子をエネルギー分散と垂直方向に偏向し、この偏向機能を利用して電子ビームの受光面に対するシャッタとして機能させるように構成したことを特徴とする。（２）請求項２記載の発明は、前記静電偏向手段は、対極面を含むポールの一部を電気的に絶縁して構成されることを特徴とする。

（３）請求項３記載の発明は、前記静電偏向手段は、対極ギャップ内に静電偏向板を設けて構成されることを特徴とする。

（４）請求項４記載の発明は、前記静電偏向手段は、外ヨーク部分を切り離し、対極面を含むポールの全体を電気的に絶縁して構成されることを特徴とする。

（５）請求項５記載の発明は、前記エネルギーフィルタを通過した電子ビームを遮る絞りを設置する場合において、該絞りはエネルギー分散面近傍に設けることを特徴とする。

（６）請求項６記載の発明は、前記絞りはエネルギーフィルタのマグネットに偏向機能を持たせた場合、そのマグネットの後方の位置に設けることを特徴とする。

（７）請求項７記載の発明は、前記絞りは円形の穴を設けた部品、或いは電子ビームの静電偏向方向と垂直なエッジを持つ直線的な部品で構成されることを特徴とする。

（８）請求項８記載の発明は、前記絞りには位置調整機能を設けたことを特徴とする。

（９）請求項９記載の発明は、前記エネルギーフィルタをΩフィルタで構成させる場合、Ωフィルタを構成する最外側のセクターマグネットに偏向機能を持たせたことを特徴とする。

本発明は以下に示すような効果を有する。

（１）請求項１記載の発明によれば、エネルギーフィルタの対極面を含むポールの一部を静電偏向板として使用することで、電子ビームの軌道を曲げることができ、メカニカルシャッタに代わるシャッタを実現することができる。

（２）請求項２記載の発明によれば、対極面を含むポールの一部を電気的に絶縁して静電偏向板として用いることができる。

（３）請求項３記載の発明によれば、対極ギャップ内に静電偏向板を設けて静電偏向器として用いることができる。

（４）請求項４記載の発明によれば、外ヨーク部分を切り離し、対極面を含むポールの全体を電気的に絶縁して静電偏向器として用いることかできる。

（５）請求項５記載の発明によれば、電子ビームを遮る絞りをエネルギー分散面近傍に設けることで、電子ビームを効率的に遮ることができる。

（６）請求項６記載の発明によれば、前記絞りを偏向器の後に設けることにより、効果的に偏向器による電子ビームの絞りを行なうことができる。

（７）請求項７記載の発明によれば、円形の穴を設けて絞りを実現することができ、また電子ビームの偏向方向と垂直なエッジを持つ直線的な部品を用いて絞りを実現することができる。

（８）請求項８記載の発明によれば、絞りに位置調整機能を設けることにより、電子ビームの絞りを正確に行なうことができる。

（９）請求項９記載の発明によれば、Ωフィルタの最外側のセクターマグネットに偏向機能を持たせることでシャッタ機能を実現することができる。

本発明で用いるΩフィルタの説明図である。本発明の要部の構成例を示す図である。偏向の様子を示す図である。本発明の実施例１の要部の構成例を示す図である。本発明の実施例２の要部の構成例を示す図である。本発明の実施例３の要部の構成例を示す図である。従来装置の要部の構成例を示す図である。

以下、本発明の実施例について、詳細に説明する。

磁気偏向、又は電気偏向、若しくはその複合タイプのエネルギーフィルタで、エネルギースペクトルをＣＣＤカメラで撮影・記録する機能を有する分析電子顕微鏡（ＴＥＭ）に対して本発明は適用される。

エネルギーフィルタとしては、インカラム型、ポストカラム型があるが、本発明は双方に適用可能である。以下では、特にインカラム型エネルギーフィルタであるΩフィルタＢタイプを例にとって説明する。他のタイプのエネルギーフィルタについても同様に適用される。

図１は本発明で用いるΩフィルタの説明図である。１０はエネルギーフィルタで、４つのセクターマグネット１〜４から構成されている。このようなΩフィルタの場合、湾曲した中心軸（光軸）を持つが、以下では簡単のために光軸を直線で描く。分散方向をＸとし、それに垂直な方向（紙面垂直方向）をＹと定義する。

ΩフィルタのタイプにはＡタイプとＢタイプがあり、それぞれ図に示すような軌道を持つ。ＡタイプとＢタイプの違いはｙ方向の軌道が異なるだけである。Ａタイプではδ軌道が４個のクロスオーバを結ぶのに対して、Ｂタイプでは３個のクロスオーバを結んでいる。どちらのタイプもα，γとβ，δの図に示すような基本軌道を持つ。α，βは像面の中心を通る軌道、γ，δはクロスオーバの中心を通る軌道である。座標ｘｙｚは図に示す通りである。セクターマグネット１，２と、セクターマグネット３，４はＫ面で折り返した鏡面の関係にある。●で示す部分はクロスオーバである。５，６は像面である。シャッタ機能は、セクターマグネット１と４に設けるようにすれば、都合がよい。

図２は本発明の要部の構成例を示す図である。図１，図７と同一のものは、同一の符号を付して示す。Ωフィルタ１０は１〜４の４個のセクターマグネットから構成されている。ここでは、セクターマグネット１〜４は直線状に示してある。図において、Ｓはクロスオーバで図示しない試料及び中間レンズを通ってきた電子が作るクロスオーバである。Ｓ点でクロスオーバした電子は、Ωフィルタ１０に入り、セクターマグネット１〜４を通過する間に偏向を受ける。

図のセクターマグネット１と４とで静電偏向器を構成している。偏向の様子を図３に示す。即ち、セクターマグネット１と４が図に示すような偏向板の機能を持ち、該偏向板間を通過する電子に対して偏向機能を有する。図２において、Ｓ’はクロスオーバを示している。このクロスオーバ点Ｓ’近辺に静電偏向器で実現されるシャッタを設けると都合がよい。５はシャッタアパーチャを示している。クロスオーバＳ’を経た電子は、続くプロジェクタレンズＰＬ１とＰＬ２を通過する間に拡大され、受光面としてのＣＣＤに入射される。本発明によれば、シャッタアパーチャ５の部分に設けた静電偏向器により開閉速度５０ｍｓ程度のシャッタが容易に得られる。

図２において、典型的なディメンジョンは、ｌ≒１００ｍｍ、Ｌ≒１００ｍｍである。第１，第４マグネット１，４に偏向機能を持たせる構成では、実質的に長さ２００ｍｍの偏向板で、１００ｍｍ先に遮蔽板があることになる。分析電子顕微鏡の全体構成からみてもこのディメンジョンは非常に大きく、当該機能を発揮させるのに有利である。
（実施例１）
図４は本発明の実施例１の要部の構成例を示す図である。図において、（ａ）は偏向マグネット（セクターマグネット）の上面図、（ｂ）はそのＥ−Ｅ断面図である。（ａ）において、１１は光軸である。（ｂ）において、２０はヨークであり、外側を取り巻いている。２１はヨーク２０の内部に設けられているポール（磁極）である。該ポール２１とヨーク２０は電気的に絶縁されており、ポール２１の両端には偏向用の電圧が印加されるようになっている。

実施例１では、エネルギー分散面となるＳ’（図２参照）上、又はその前後に矩形の絞り（図示せず）を配置する。この絞りは、Ｘ方向にはスペクトルを遮蔽しない程度に十分長く、Ｙ方向に静電偏向によって電子の経路を十分に遮ることとができる程度で、典型的には５〜１０ｍｍ程度のサイズとする。

ここで、偏向器の静電偏向角θは次式で表される。
ｔａｎθ＝Ｅ・ｌ／χ_E
但し、
χ_E≒ｍＶ²／ｅ＝２φ（１＋ε・φ）／（１＋２ε・φ）≒３．４４Ｅ＋５（ｆｏｒ２００ｋＶ）
ここで、ｌは図３に示す偏向板１又は４の縦方向の長さである。また、θは偏向角、φは電子の加速電圧、εは相対論補正の定数である。

具体的にはＥ＝８０Ｖ／ｍｍ（±２００Ｖ／５ｍｍ）で、ｌ＝１００ｍｍとすると、
θ≒４６ｍｒａｄ→Ｓ’上変位量ΔＹ＝４．６ｍｍとなる。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。この動作は、ＣＣＤによりスペクトルを撮影・記録する際の動作である。
１）ＣＣＤ露光を開始する。
２）露光を終了し、ＣＣＤ読み出しと同期して偏向板に矩形の静電圧を印加する。
３）Ωフィルタを通過する電子はＹ方向に偏向され、クロスオーバＳ’点及びその近傍に配置された絞りによって遮られることで、カメラに対してシャッタとして機能する。実施例１で用いるシャッタは静電偏向器を用いた静電シャッタであり、メカニカルシャッタとは異なり、高速で５０ｍｍｓｅｃ程度のシャッタを容易に実現することができる。
４）ＣＣＤの読み出し終了と同期して偏向板の電圧印加を終える。これにより、電子は偏向板の間を通過することができるようになる。

１）〜４）までのプロセスは、１回で終了することもあれば、１００ｍｓｅｃ以下の時間スケールで変化するエネルギースペクトルを高速に撮影・記録するために繰り返されることもある。

実施例１によれば対極面を含むポールの一部を電気的に絶縁して静電偏向器板として用いることができる。実施例１では、メカニカルシャッタの代わりに静電偏向器を用いるので、シャッタ速度５０ｍｓｅｃ以下のシャッタを容易に実現することができる。
（実施例２）
図５は本発明の実施例２の要部の構成例を示す図である。図４と同一のものは、同一の符号を付して示す。この実施例は、対極ギャップ内に静電偏向板を設け、静電偏向板は磁極に対して絶縁されている。他の構成は実施例１と同じである。図において、２０はヨーク、２１はポール（磁極）、２５はポール２１と対極して設けられた上下一対の静電偏向板である。該静電偏向板２５はポール２１とは電気的に絶縁されている。

このような構成の静電偏向板２５に偏向用の電圧を印加することにより、図示しない電子ビームは、図示しない試料上を走査する。この時、前記シャッタは、ＣＣＤに露光する時には開いており、ＣＣＤに画像信号が取り込まれたら、シャッタを閉じて次の画像信号入力を待つことになる。その動作は、実施例１と同じである。

この実施例２によれば、対極ギャップ内に静電偏向板を設けて静電偏向器として用いることができる。
（実施例３）
図６は本発明の実施例３の要部の構成例を示す図である。図４，図５と同一のものは、同一の符号を付して示す。この実施例は外ヨーク部分を切り離し、対極面を含むポールの全体を電気的に絶縁することによって静電偏向板としたものである。図において、２０はヨーク、２１はポールである。ヨーク２０の一部を切り離し、絶縁層である空気若しくは絶縁体の間隙４０を設けてある。この結果、上下のヨークに偏向用電圧を印加することにより、静電偏向器として利用することができる。その動作は実施例１と同じである。

この実施例３によれば、外ヨーク部分を切り離し、対極面を含むポールの全体を電気的に絶縁して静電偏向器として用いることかできる。

本発明によれば、少なくとも５０ｍｓｅｃ以下の高速シャッタの機能を簡単に実現することができる。これにより、以下の効果を有する。
１）露光時間が短くなる。そのため、照射量を上げても試料のダメージを避けることができる。
２）従って分析時間が短くなる。そのため、試料ドリフトの影響を受けにくくなる。特に原子分解能レベルでの分析には有利である。

１セクターマグネット
１１光軸
２０ヨーク
２１ポール

Claims

エネルギーフィルタを用いた分析電子顕微鏡において、
前記エネルギーフィルタの磁気セクターマグネットにおいて、対極面を含むポールの一部を電気的に絶縁して静電偏向板として使用する静電偏向手段を有し、
該静電偏向手段を用いて前記エネルギーフィルタの入射電子をエネルギー分散と垂直方向に偏向し、
この偏向機能を利用して電子ビームの受光面に対するシャッタとして機能させるように構成したことを特徴とする分析電子顕微鏡のシャッタ機構。
前記静電偏向手段は、対極面を含むポールの一部を電気的に絶縁して構成されることを特徴とする請求項１記載の分析電子顕微鏡のシャッタ機構。
前記静電偏向手段は、対極ギャップ内に静電偏向板を設けて構成されることを特徴とする請求項１記載の分析電子顕微鏡のシャッタ機構。
前記静電偏向手段は、外ヨーク部分を切り離し、対極面を含むポールの全体を電気的に絶縁して構成されることを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡のシャッタ機構。
前記エネルギーフィルタを通過した電子ビームを遮る絞りを設置する場合において、該絞りはエネルギー分散面近傍に設けることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電子顕微鏡のシャッタ機構。
前記絞りはエネルギーフィルタのマグネットに偏向機能を持たせた場合、そのマグネットの後方の位置に設けることを特徴とする５記載の電子顕微鏡のシャッタ機構。
前記絞りは円形の穴を設けた部品、或いは電子ビームの静電偏向方向と垂直なエッジを持つ直線的な部品で構成されることを特徴とする請求項５又は６記載の電子顕微鏡のシャッタ機構。
前記絞りには位置調整機能を設けたことを特徴とする請求項５乃至７の何れか１項に記載の電子顕微鏡のシャッタ機構。
前記エネルギーフィルタをΩフィルタで構成させる場合、Ωフィルタを構成する最外側のセクターマグネットに偏向機能を持たせたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の電子顕微鏡のシャッタ機構。