JP2019526920A - 調整可能な荷電粒子渦ビーム生成装置及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、軌道角運動量が調整可能な荷電粒子ビームを生成する装置に関する。本装置はまず、荷電粒子ビームを供給する一つ以上の要素を有する。本装置はさらに、動作時に調整可能な軌道角運動量を荷電粒子ビームに付与する電気的構成を特徴とする。生成された荷電粒子渦ビームの軌道角運動量は、電流量を調整することにより調整可能である。生成された荷電粒子渦ビームのキラリティは、電流の方向を逆向きにすることにより切り換え可能である。本発明に基づく荷電粒子渦ビームの生成は、荷電粒子ビームのエネルギーに依存しない。本発明に基づく荷電粒子渦ビームの生成は予測可能であり、かつ、再現可能である。【選択図】図１

Description

本発明は、軌道角運動量を荷電粒子ビームに付与可能な荷電粒子渦ビーム生成装置、及び、荷電粒子渦ビームの生成方法に関する。

本装置は、荷電粒子ビームを供給する一つ以上の要素を有する。本装置はさらに、この荷電粒子ビームに軌道角運動量を付与する手段を有する。このような装置は、荷電粒子渦ビームを生成する。

荷電粒子は電荷を帯びた粒子である。電子、陽子、陽電子のような素粒子は荷電粒子である。荷電粒子は、陽子に対して電子が余っている又は不足している、分子又は原子でもよい。別の例としてはα粒子が挙げられる。

荷電粒子渦ビームという用語は、伝播軸周りの軌道角運動量がゼロではなく量子化されてもよい性質を有する、自由伝播可能な荷電粒子のビームを意味する。光渦はその可能性を広げており、極微操作、位相コントラストイメージング、古典通信及び量子通信等の様々な分野で使用可能な光ピンセットやスパナといった多様な用途を示してきた［Ｄａｖｉｄ Ｌ Ａｎｄｒｅｗｓ ａｎｄ Ｍｏｈａｍｅｄ Ｂａｂｉｋｅｒ． Ｔｈｅ ａｎｇｕｌａｒ ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｏｆ ｌｉｇｈｔ（光の角運動量）， Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ， ２０１２］。また、電子顕微鏡使用分野においても同様の成果をあげることが可能である。同分野において、電子渦ビームは、原子又は近原子分解能における物質の磁気的挙動の調査、ナノ粒子の操作、又は、電子顕微鏡の光学パラメータの測定において使用可能と考えられる［Ｏｎｄｒｅｊ Ｌ Ｋｒｉｖａｎｅｋ， Ｊａｎ Ｒｕｓｚ， Ｊｕａｎ−Ｃａｒｌｏｓ Ｉｄｒｏｂｏ， Ｔｒａｃｙ Ｊ Ｌｏｖｅｊｏ， ａｎｄ Ｎｉｋｌａｓ Ｄｅｌｌｂｙ， Ｔｏｗａｒｄ ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ， ａｔｏｍｉｃ ｓｉｚｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｖｏｒｔｅｘ ｂｅａｍｓ（単一モード化 原子サイズ電子渦ビーム）， Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏａｎａｌｙｓｉｓ， ２０（０３）：８３２−８３６，２０１４］。［Ａｌｅｘａｎｄｅｒ Ｊｅｓａｃｈｅｒ， Ｓｅｖｅｒｉｎ Ｆｕｒｈａｐｔｅｒ， Ｓｔｅｆａｎ Ｂｅｒｎｅｔ， ａｎｄ Ｍｏｎｉｋａ Ｒｉｔｓｃｈ−Ｍａｒｔｅ， Ｓｈａｄｏｗ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｓｐｉｒａｌ ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（螺旋型位相コントラスト顕微鏡法における影効果）， Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ９４（２３）：２３３９０２， ２００５； Ｓｔｅｆａｎ Ｂｅｒｎｅｔ， Ａｌｅｘａｎｄｅｒ Ｊｅｓａｃｈｅｒ， Ｓｅｖｅｒｉｎ Ｆｕｒｈａｐｔｅｒ， Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ Ｍａｕｒｅｒ， ａｎｄ Ｍｏｎｉｋａ Ｒｉｔｓｃｈ−Ｍａｒｔｅ． Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｃｏｍｐｌｅｘ ｓａｍｐｌｅｓ ｂｙ ｓｐｉｒａｌ ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（螺旋型位相コントラスト顕微鏡法による複合試料の定量的画像化）． Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， １４（９）：３７９２−３８０５， ２００６； Ｓｅｖｅｒｉｎ Ｆｕｒｈａｐｔｅｒ， Ａｌｅｘａｎｄｅｒ Ｊｅｓａｃｈｅｒ， Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ Ｍａｕｒｅｒ， Ｓｔｅｆａｎ Ｂｅｒｎｅｔ， ａｎｄ Ｍｏｎｉｋａ Ｒｉｔｓｃｈ−Ｍａｒｔｅ． Ｓｐｉｒａｌ ｐｈａｓｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ． Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｉｍａｇｉｎｇ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ（螺旋型位相顕微鏡法 イメージング及び電子物理学における進歩）， １４６：１−５６， ２００７］といった光学分野と同様に、吸収コントラストが低い生物試料のコントラストを向上可能な位相板の製造も考えられている［Ａ． Ｍ． Ｂｌａｃｋｂｕｒｎ ａｎｄ Ｊ． Ｃ． Ｌｏｕｄｏｎ． Ｖｏｒｔｅｘ ｂｅａｍ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｆｒｏｍ ａ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｐｉｒａｌ ｐｈａｓｅ ｐｌａｔｅ（磁気螺旋型位相板による渦ビームの生成及びコントラスト促進法）． Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ， １３６（０）：１２７−１４３， １ ２０１４］。

電子渦ビームは次のいくつかの手段により生成可能である。厚さを適切に変更可能な薄膜により、螺旋状に増加する位相を電子ビームに付与すること（ｉｍｐｒｉｎｔ），［Ｍａｓａｙａ Ｕｃｈｉｄａ ａｎｄ Ａｋｉｒａ Ｔｏｎｏｍｕｒａ． Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｂｅａｍｓ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｏｒｂｉｔａｌ ａｎｇｕｌａｒ ｍｏｍｅｎｔｕｍ（軌道角運動量を持つ電子ビームの生成）． Ｎａｔｕｒｅ， ４６４（７２８９）：７３７−７３９， ２０１０］；ホログラフィックフォーク孔（ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｆｏｒｋ ａｐｅｒｔｕｒｅｓ）［Ｊｏｈａｎ Ｖｅｒｂｅｅｃｋ， Ｈｅ Ｔｉａｎ， ａｎｄ Ｐｅｔｅｒ Ｓｃｈａｔｔｓｃｈｎｅｉｄｅｒ． Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｖｏｒｔｅｘ ｂｅａｍｓ（電子渦ビームの生成及び利用）． Ｎａｔｕｒｅ， ４６７（７３１３）：３０１−３０４， ２０１０； Ｂｅｎｊａｍｉｎ Ｊ ＭｃＭｏｒｒａｎ， Ａｍｉｔ Ａｇｒａｗａｌ， Ｉａｎ Ｍ Ａｎｄｅｒｓｏｎ， Ａｎｄｒｅｗ Ａ Ｈｅｒｚｉｎｇ， Ｈｅｎｒｉ Ｊ Ｌｅｚｅｃ， Ｊａｂｅｚ Ｊ ＭｃＣｌｅｌｌａｎｄ， ａｎｄ Ｊｏｈｎ Ｕｎｇｕｒｉｓ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｖｏｒｔｅｘ ｂｅａｍｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｑｕａｎｔａ ｏｆ ｏｒｂｉｔａｌ ａｎｇｕｌａｒ ｍｏｍｅｎｔｕｍ（軌道角運動量が大きい電子渦ビーム）． Ｓｃｉｅｎｃｅ， ３３１（６０１４）：１９２−１９５， ２０１１］；ホログラフィック螺旋孔（ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｓｐｉｒａｌ ａｐｅｒｔｕｒｅｓ）［Ｊｏ Ｖｅｒｂｅｅｃｋ， Ｈｅ Ｔｉａｎ， ａｎｄ Ａｒｍａｎｄ Ｂｅｃｈｅ． Ａ ｎｅｗ ｗａｙ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｖｏｒｔｅｘ ｐｒｏｂｅｓ ｆｏｒ ＳＴＥＭ（ＳＴＥＭ用電子渦プローブの新たな製造方法）． Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ， １１３：８３−８７， ２０１２； Ｋｏｈ Ｓａｉｔｏｈ， Ｙｕｙａ Ｈａｓｅｇａｗａ， Ｎｏｂｕｏ Ｔａｎａｋａ， ａｎｄ Ｍａｓａｙａ Ｕｃｈｉｄａ． Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｖｏｒｔｅｘ ｂｅａｍｓ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｌａｒｇｅ ｏｒｂｉｔａｌ ａｎｇｕｌａｒ ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｕｓｉｎｇ ｓｐｉｒａｌ ｚｏｎｅ ｐｌａｔｅｓ（螺旋型ゾーンプレートによる軌道角運動量の大きな電子渦ビームの生成）． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ， ６１：１７１−１７７， ２０１２］；収差関数の操作［Ｌ Ｃｌａｒｋ， Ａ Ｂｅｃｈｅ， Ｇ Ｇｕｚｚｉｎａｔｉ， Ａ Ｌｕｂｋ， Ｍ Ｍａｚｉｌｕ， Ｒ Ｖａｎ Ｂｏｘｅｍ， ａｎｄ Ｊ Ｖｅｒｂｅｅｃｋ． Ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ ｌｅｎｓ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ ｔｏ ｃｒｅａｔｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｖｏｒｔｅｘ ｂｅａｍｓ（レンズ収差を利用した電子渦ビームの生成）． Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｒｅｖｉｅｗ ｌｅｔｔｅｒｓ， １１１（６）：０６４８０１， ２０１３］；又は双極子磁石の尖端周囲の磁場の利用［Ａ． Ｍ． Ｂｌａｃｋｂｕｒｎ ａｎｄ Ｊ． Ｃ． Ｌｏｕｄｏｎ． Ｖｏｒｔｅｘ ｂｅａｍ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｆｒｏｍ ａ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｐｉｒａｌ ｐｈａｓｅ ｐｌａｔｅ（磁気螺旋型位相板による渦ビームの生成及びコントラスト促進法）． Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ， １３６（０）：１２７−１４３， ２０１４； Ａｒｍａｎｄ Ｂｅｃｈｅ， Ｒｕｂｅｎ Ｖａｎ Ｂｏｘｅｍ， Ｇｕｓｔａａｆ Ｖａｎ Ｔｅｎｄｅｌｏｏ， ａｎｄ Ｊｏ Ｖｅｒｂｅｅｃｋ． Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｏｎｏｐｏｌｅ ｆｉｅｌｄ ｅｘｐｏｓｅｄ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ（電子にさらされた単極磁場）． Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｙｓｉｃｓ， １０（１）：２６−２９， ２０１４］。後者の方法は、二つの特許（ＵＳ ２０１４／０３４６３５４ Ａ１：渦波形の生成、又は、ＵＳ ２０１３０１９３３２２ Ａ１：位相板）の主題であるが、磁気に関するアハラノフ＝ボーム効果に基づく。しかしながら、磁化の変化に関する問題により、装置の調整機能は限定的である。電子ビームに軌道角運動量を付与するために自動充電式のロッドを用いてもよい［Ａ． Ｍ． Ｂｌａｃｋｂｕｒｎ． Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｖｏｒｔｅｘ ｂｅａｍ ｃｒｅａｔｅｄ ｆｒｏｍ ａ ｓｅｌｆ−ｃｈａｒｇｉｎｇ ｒｏｄ（自動充電式ロッドにより生成された電子渦ビームの観察）． Ｍｉｃｒｏｓｃ． Ｍｉｃｒｏａｎａｌ． ２２ （Ｓ３）： １７１０−１７１１， ２０１６］。このような電子渦ビームは、物質の磁気特性及びキラル特性を決定する際に、電子顕微鏡法で使用されてもよい。

従来技術により周知の荷電粒子渦ビーム生成装置は、例えば、荷電粒子ビームのエネルギーに依存することから、調整や切換えができず、また、製造及び／又は調節に多大な手間がかかる。本発明の目的は、これら欠点の少なくとも一つを解消することである。

本発明の上記目的は、請求項１に記載の特徴事項を有する装置、及び、独立項に記載の特徴事項を有し、好ましくは一つ以上の従属項に記載の特徴事項を有する方法によって達成される。

本発明の上記目的を達成するために、荷電粒子渦ビーム生成装置は、荷電粒子ビームを供給する一つ以上の要素を有する。本装置はさらに、動作中に軌道角運動量を荷電粒子ビームに付与する電気的構成を有する。その結果、荷電粒子渦ビームが得られる。

電気的構成により、第一方向に流れる第一電流と、逆方向である第二方向に流れる第二電流が得られる。言い換えれば、第一方向は第二方向に対し逆平行である。第一電流及び第二電流用に一つ以上の導体が設けられる。原則として、対応する各導体部分の導体端部は互いに隣接して配置される。その結果、第二電流の終わりは第一電流の始まりに隣接し、その逆も同様である。「互いに隣接する」は、少なくとも周辺にあることを意味する。荷電粒子ビームと電流の第一電流方向は鋭角をなす。したがって、第二電流方向と荷電粒子ビームも鋭角をなす。鋭角は９０度未満の角度である。原則として、流れる方向を除き、第一電流は第二電流と等しい。

本発明の一実施形態において、荷電粒子ビームの照射領域は、２つの電流の先端（ａｐｅｘ）に限定される。

本発明の一実施形態において、第一導体及び第二導体は荷電粒子ビーム内に配置される。したがって、荷電粒子ビーム（さらには荷電粒子ビーム照射領域）の直径は、本発明の好ましい実施形態において二つの導体の直径より大きくなる。

本発明の一実施形態において、動作中、第一方向に流れる電流は荷電粒子ビームの中心に対して一方に配置され、逆向きの第二方向に流れるもう一方の電流は荷電粒子ビームの中心に対して他方に配置される。

本発明の一実施形態において、第一又は第二方向に流れる電流の終わりは荷電粒子ビームの中心、または、少なくとも荷電粒子ビームの中心付近となる。

本発明の一実施形態において、第一方向に流れる電流は直線に沿って流れ、第二方向に流れる電流も直線に沿って流れる。したがって、好ましい実施形態において、対応する導体又は導体の対応する部分は直線状である。しかしながら、別の形状が除外される又は不可能であるという意味ではない。例えば、渦ビームの質を向上する、又は、より特殊なビームを生成するために、電流をビームに沿った方向に適宜形成することも可能である。

第一および第二方向に流れる電流を供給するために、少なくとも一つの導体が設けられる。つまり、本装置は、第一方向に流れる電流を供給する第一導体と、第二方向に流れる電流を供給する、第一導体から離間した第二導体とを有してもよい。各導体は荷電粒子ビームに対し傾斜している。各導体と荷電粒子ビームは９０度未満の角度をなす。本発明の好ましい実施形態において、当該角度は７０度未満、好ましくは６０度未満である。好ましい実施形態において、当該角度は２０度より大きく、好ましくは３０度より大きい。

荷電粒子渦ビーム生成装置により得られる渦ビームは、電流を変化させることにより非常に容易に調整可能である。言い換えれば、電流又は各電流を変化させることにより、付与される角運動量を調整することが可能である。

荷電粒子渦ビーム生成装置により生成された渦ビームのキラリティは、電流又は各電流の方向を変えることにより、非常に容易に切り換え可能である。

荷電粒子渦ビーム生成装置の渦ビームは、荷電粒子ビームのエネルギーに依存しない。これにより、調整の手間が少なくて済む。

また、製造の手間が少なくて済む。

さらに、荷電粒子ビーム装置は、波長平坦化手段（ｗａｖｅ ｆｌａｔｔｅｎｅｒ）としても機能可能である。

荷電粒子渦ビーム生成装置の渦ビームは予測可能であり、また、再現可能である。

本発明の簡略な実施形態において、電気的構成は、第一方向に流れる電流と第二方向に流れる電流を供給する単独の導体を有する。動作中、一方にあるこの導体の二つの脚部（すなわち二つの部分）と他方にある荷電粒子ビームは、９０度未満、例えば８０度未満、好ましくは７０度又は６０度未満の角度をなし、軌道運動量を荷電粒子ビームに付与できる適切な電流を供給可能にする。電流が導体を流れるとすぐに、電気的構成により軌道角運動量が荷電粒子ビームに付与される。さらに、当該実施形態によれば、製造の手間が削減される。

動作中、一方にあるこの導体の二つの脚部と他方にある荷電粒子ビームは、２０度より大きい、例えば３０度より大きい鋭角をなし、軌道運動量を荷電粒子ビームに付与できる適切な電流を供給可能にする。電流が導体を流れるとすぐに、電気的構成により軌道角運動量が荷電粒子ビームに付与される。さらに、当該実施形態によれば、製造の手間が削減される。

本発明の簡略な実施形態において、導体はＵ字形状である。

本発明の好ましい実施形態において、第一及び第二電流に対応する二つの導体、すなわち導体の各部分間の距離は１μｍ未満、好ましくは０．５μｍ未満である。つまり、Ｕ字状の導体の二つの脚部間の距離は、１μｍ未満、好ましくは０．５μｍ未満である。

本発明の好ましい実施形態において、第一及び第二電流に対応する二つの導体、すなわち導体の各部分間の直径、幅、及び／又は、高さは１μｍ未満であり、好ましくは０．５μｍ未満である。

本発明の好ましい実施形態において、第一電流及び第二電流は５０ｍＡ以下であり、好ましくは１０ｍＡ以下である。

本発明の簡略な実施形態において、導体又は各導体は金属製であり、好ましくはＰｔ、Ａｕ又はＣｕから形成される。

本発明の好ましい実施形態において、導体又は各導体は、軌道角運動量の大きい荷電粒子渦ビームを実現可能な超電導材料から形成される。

本発明の簡略な実施形態において、導体は基板及び／又は薄膜上に配置される。原則として、基板の表面は製造の手間を省くべく平坦とされる。

本発明の簡易な実施形態において、基板はＳｉから形成される。

本発明の簡易な実施形態において、薄膜はＳｉＮから形成される。

荷電粒子ビームを供給する要素は、本発明の好ましい実施形態において、荷電粒子ビームを生成する荷電粒子ビーム源を含む。

荷電粒子ビームを供給する要素は、本発明の好ましい実施形態において、電気的構成及び／又は試料に荷電粒子ビームを集束する集束レンズを含む。

荷電粒子ビームを供給する要素は、本発明の好ましい実施形態において、荷電粒子ビーム用の開口を規定する開口システムを含む。

荷電粒子ビームを供給する要素は、本発明の好ましい実施形態において、荷電粒子ビームを形作る磁気要素及び／又は静電気要素を含む。

開口システムは、本発明の好ましい実施形態において、荷電粒子ビームの少なくとも一部を遮る一つ以上の部材を有する。

開口システムは、本発明の好ましい実施形態において、荷電粒子ビーム源と集束レンズの間で荷電粒子ビームの少なくとも一部を遮る。

荷電粒子渦ビーム生成装置は、本発明の好ましい実施形態において、集束された荷電粒子ビームで試料を走査して試料を検査可能な走査型粒子システムである。

荷電粒子渦ビーム生成装置は、本発明の好ましい実施形態において、試料をプローブ走査可能な走査型電子顕微鏡である。

荷電粒子渦ビーム生成装置は、本発明の好ましい実施形態において、透過顕微鏡又は走査型透過顕微鏡である。

本発明の好ましい実施形態において、荷電粒子渦ビーム生成装置は、試料を保持するための保持部を有する。また、電気的構成は、保持部と荷電粒子ビームを供給する要素の間に配置される。この実施形態によれば、試料の性質を容易に決定することができる。

本発明の好ましい実施形態において、本装置すなわち生成装置は、荷電粒子渦ビームを検出し及び／又はプローブの性質を決定する、検出手段及び／又は評価手段を有する。この実施形態によれば、試料の性質を自動的に又は少なくとも半自動的に決定することができる。

本発明の目的を達成するために、荷電粒子渦ビームの生成方法は以下の工程を備える。
荷電粒子ビームを生成する工程と、
第一電流が第一方向に流れ、第二電流が第一方向と逆平行の第二方向に流れるように電気的構成を実装する工程と、
電気的構成により荷電粒子ビームに軌道角運動量が付与されるように、第一電流と第二電流により荷電粒子ビームの方向を定める工程。

好ましい実施形態において、第一電流と第二電流は、荷電粒子ビーム内を粒子ビーム経路に対して傾斜して流れる。一実施形態において、第一電流と第二電流は完全に荷電粒子ビーム内に配置される。この場合、荷電粒子ビームの直径は、第一電流と第二電流の各々の外側境界間の距離よりも大きい。好ましくは、電子ビーム照射領域（１）は、二つの電流の先端（ａｐｅｘ）のみに限定される。

本発明の上記特徴及び他の特徴は、以下の例示的な実施形態の記載によってより明確となるだろう。

第一実施形態における荷電粒子渦ビーム生成装置を示す。 図１で示される粒子渦ビーム生成装置のいくつかのパーツの側面図である。 荷電粒子渦ビーム生成装置に用いられる基板の平面に形成される回路を示す。 荷電粒子ビームに軌道運動量を付与する粒子渦ビーム及び電気的構成の上面図である。

図１は、動作中、試料を保持する保持部２及び検出評価手段３に向かう荷電粒子ビーム１の経路を示す。動作中、導体の第一部分４に沿って第一方向に電流が流れる。また、導体の第二部分５に沿って、逆向きの第二方向に電流が流れる。つまり、第一部分４に沿った流れ方向に流れる電流は、第二部分５に沿った流れ方向に流れる電流に対し逆平行となる。各流れ方向は荷電粒子ビーム１に対して傾斜している。したがって、動作中、導体の部分４及び５により、軌道角運動量を荷電粒子ビーム１に付与する電気的構成が形成される。

第三部分６は第一部分４と第二部分５を接続する。導体の部分４、５及び６はＵ字状に形成される。この結果、第一部分４に沿って流れる第一電流の終わりは第二部分５に沿って流れる第二電流の始まりに隣接する。第二電流の終わりは第一電流の始まりに隣接する。荷電粒子ビーム１の中心は導体の部分６付近、すなわち導体の第一部分４と第二部分５の対応する端部付近に配置される。

荷電粒子渦ビーム生成装置は、荷電粒子ビーム１を供給する要素７を有する。脚部としての第一導体部分４は、荷電粒子ビーム１の中心に対して一方に配置され、脚部としての第二導体部分５は、荷電粒子ビーム１の中心に対して他方に配置される。第三部分６の反対側で、電源８が第一部分４と第二部分５の端部に接続される。

このような電気的構成によって、動作中、荷電粒子ビーム１に軌道角運動量が付与される。角運動量は第一及び第二部分４、５を流れる電流に依存するが、荷電粒子ビームのエネルギーには依存しない。こうして荷電粒子渦ビーム９が生成される。

導体部分４又は５と荷電粒子ビーム１の間には９０度未満の角度αが形成される。動作中、一方では電流の一部が荷電粒子ビーム１に対し平行に流れ、他方では電流の一部が荷電粒子ビーム１に対し逆平行に流れるように、三つの部分４、５及び６からなる導体が直流電源８に接続される。その結果、荷電粒子渦ビーム９が生じる。つまり、本装置は、電流が逆向きに流れ、また、荷電粒子ビーム１の方向に対し傾斜角をなす二つの平行導線４、５を配置することにより実現される。

図２は、図１で示される荷電粒子渦ビーム生成装置の一部の側面図である。図２は、導体部５と荷電粒子ビーム１の間に９０度未満の鋭角αが存在することを示す。導体部５と導体部４は同じ高さに配置される。また、これら二つの導体部４及び５は平行である。したがって、導体部４と荷電粒子ビーム１の間には９０度未満である対応する鋭角αが形成される。

図１及び図２に示される荷電粒子渦ビーム生成装置の荷電粒子渦ビーム９は、電流を変化させることにより調整可能である。荷電粒子渦ビーム生成装置の荷電粒子渦ビーム９のキラリティは、電流の方向を変更することにより切り換え可能である。荷電粒子渦ビーム生成装置の渦ビーム９は、荷電粒子ビーム１のエネルギーに依存しない。

このような効果を実現するために、荷電粒子渦ビーム生成装置は以下のように構成されている。平面に薄膜１５を有する、Ｓｉ製の基板１４が設けられる。図３に示されるように、この平面には蒸着により回路が形成される。回路は、上述した「Ｕ」字状の部分４、５及び６を有する。回路はＰｔによって形成される。導体の部分４及び５の間の距離、すなわち部分６の長さは２００ｎｍである。回路は、電源用の二本のピン１７を有する。薄膜１５上の部分４及び５の幅は２００ｎｍである。

電子顕微鏡の電子ビームのエネルギーに依存しない、調整可能で予測可能な電子渦ビームを供給するために、部分４、５と電子顕微鏡の電子ビーム１の間の角度αが約６０度から７０度になるように、基板は傾斜して電子顕微鏡に配置される。電子ビームのエネルギーは５０ｋｅＶから３００ｋｅＶの間で変動しうる。電子渦ビーム９を供給するには数ｍＡの電流で十分である。少なくとも電子顕微鏡に関連して、角度αは６０度から７０度が好ましい。

図４は、粒子渦ビーム及び荷電粒子ビームに軌道運動量を付与する電気的構成の上面図である。図４は、荷電粒子ビーム１の断面図である。

第一電流と第二電流は、部分４、５に沿って荷電粒子ビーム１内を粒子ビーム経路に対して傾斜して流れる。図４は、荷電粒子ビーム（１）の直径が第一電流と第二電流の各々の外側境界間の距離よりも大きいことを示す。電子ビーム照射領域１は、導体の二つの部分４、５の先端（ａｐｅｘ）に対応する二つの電流の先端（ａｐｅｘ）に略限定される。照射領域１の中心すなわち電子ビームの中心は、導体の部分６を横切ってもよく、または、図４に示されるように、少なくとも部分６付近に配置されてもよい。

Claims (20)

1. 荷電粒子ビーム（１）を供給する一つ以上の要素（７）を備える荷電粒子渦ビーム生成装置であって、動作中、前記荷電粒子ビーム（１）に軌道角運動量を付与する電気的構成を特徴とする荷電粒子渦ビーム生成装置。
2. 先行する請求項に記載の生成装置において、前記電気的構成は、第一方向に流れる第一電流と、逆向きの第二方向に流れる第二電流を供給する少なくとも一つの導体を備え、前記第一方向は前記第二方向と逆平行であることを特徴とする生成装置。
3. 先行する請求項に記載の生成装置において、
   前記第一電流に対応する前記導体または導体の部分（４）は、前記荷電粒子ビームの経路と鋭角(α)をなし、
   前記第二電流に対応する前記導体または導体の部分（５）は、前記荷電粒子ビームの経路と鋭角(α)をなすことを特徴とする生成装置。
4. 二つの先行する請求項のいずれかに記載の生成装置において、前記第一電流に対応する前記導体または導体の部分（４）、及び、前記第二電流に対応する前記導体または導体の部分（５）は共に、前記荷電粒子ビーム（１）の中心又は少なくとも中心付近まで延出することを特徴とする生成装置。
5. 三つの先行する請求項のいずれか１項に記載の生成装置において、前記第一電流に対応する第一導体または導体の部分（４）は、前記荷電粒子ビーム（１）の中心に対して一方に配置され、第二導体または導体の部分（５）は、前記荷電粒子ビーム（１）の中心に対して他方に配置されることを特徴とする生成装置。
6. 四つの先行する請求項のいずれか１項に記載の生成装置において、動作中、前記第一電流は直線に沿って前記第一方向に流れ、前記第二電流も同様に直線に沿って前記第二方向に流れることを特徴とする生成装置。
7. 先行する請求項のいずれか１項に記載の生成装置において、動作中、前記荷電粒子ビーム（１）に軌道角運動量を付与する電流を供給する導体（４、５、６）を一つのみ備えることを特徴とする生成装置。
8. 先行する請求項に記載の生成装置において、前記一つの導体（４、５、６）はＵ字状であることを特徴とする生成装置。
9. 二つの先行する請求項のいずれかに記載の生成装置において、前記一つの導体（４、５、６）は、前記荷電粒子ビーム経路（１）の中心に対して一方に配置される第一脚部（４）と、前記荷電粒子ビーム経路（１）の中心の他の側方に配置される第二脚部（５）を有し、前記第一脚部（４）と前記第二脚部（５）はそれぞれ、前記荷電粒子ビーム経路に対し９０度未満の角度(α)をなすことを特徴とする生成装置。
10. 先行する請求項のいずれか１項に記載の生成装置において、
    鋭角(α)は８０度未満、好ましくは６０度未満であり、及び／又は、前記鋭角（α）は２０度より大きく、好ましくは３０度より大きく、
    前記角度は、前記電気的構成における導体又は導体の部分（４、５）と前記荷電粒子ビーム（１）の間に規定されることを特徴とする生成装置。
11. 先行する請求項のいずれか１項に記載の生成装置において、
    前記電気的構成は、基板（１４）及び／又は薄膜（１５）と、面（１４）及び／又は前記薄膜（１５）に設けられる少なくとも一つの導体とを有し、
    前記荷電粒子ビーム（１）は、動作中に前記導体の二つの脚部（４、５）付近を流れ、
    前記面は傾斜し、動作中に前記荷電粒子ビーム経路（１）に対して鋭角をなすことを特徴とする生成装置。
12. 先行する請求項に記載の生成装置において、前記基板（１４）はＳｉから形成され、及び／又は、前記薄膜（１５）はＳｉＮから形成されることを特徴とする生成装置。
13. 二つの先行する請求項のうちいずれかに記載の生成装置において、前記薄膜（１５）上に設けられる前記脚部（４、５）の長さは１００μｍ未満、好ましくは５０μｍ未満であり、及び／又は、前記二つの脚部（４、５）間の距離は１μｍ未満、好ましくは０．５μｍ未満であり、及び／又は、前記脚部（４、５）の幅は１μｍ未満、好ましくは０．５μｍ未満であることを特徴とする生成装置。
14. 三つの先行する請求項のいずれか１項に記載の生成装置において、前記電気的構成は、金属、好ましくはＰｔ又はＡｕから形成される一つ以上の導体（４、５、６）を有することを特徴とする生成装置。
15. 先行する請求項のいずれか１項に記載の生成装置において、電子顕微鏡を備えることを特徴とする生成装置。
16. 先行する請求項のいずれか１項に記載の生成装置において、試料保持部（２）を備え、前記電気的構成は、前記試料保持部（２）と荷電粒子ビーム（１）を供給する前記要素（７）の間に配置されることを特徴とする生成装置。
17. 先行する請求項のいずれか１項に記載の生成装置において、荷電粒子渦ビーム（９）を検出し及び／又は試料の性質を決定する、検出及び／又は評価手段（３）を備えることを特徴とする生成装置。
18. 荷電粒子渦ビームの生成方法であって、
    荷電粒子ビーム（１）を生成する工程と、
    第一電流が第一方向に流れ、第二電流が前記第一方向と逆平行の第二方向に流れるように電気的構成を設ける工程と、
    前記電気的構成により前記荷電粒子ビーム（１）に軌道角運動量が付与されるように、前記第一電流と前記第二電流により前記荷電粒子ビーム（１）の方向を定める工程と、を有することを特徴とする方法。
19. 先行する請求項に記載の方法において、前記第一電流と前記第二電流は、前記荷電粒子ビーム（１）内を前記粒子ビーム経路（１）に対して傾斜して流れることを特徴とする方法。
20. 先行する請求項に記載の方法において、前記荷電粒子ビーム（１）の直径が前記第一電流と前記第二電流の各々の外側境界間の距離よりも大きいことを特徴とする方法。

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