JP3363718B2 - オメガ型エネルギーフィルター - Google Patents
オメガ型エネルギーフィルターInfo
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/44—Energy spectrometers, e.g. alpha-, beta-spectrometers
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- Analytical Chemistry (AREA)
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
Description
Xに3回、磁界方向Yに2回の結像を行うタイプのオメ
ガ型エネルギーフィルターに関する。
んだ電子顕微鏡を図7に示す。図7において、電子銃1
1で発生した電子ビームはコンデンサレンズ12、対物
レンズ13を通して試料14に照射される。試料による
変調を受けつつ試料を透過した電子線は、中間レンズ1
5、入射絞り16、オメガ型エネルギーフィルター1
7、出射スリット18、投影レンズ19を通して蛍光板
20に到達する。その結果、エネルギーフィルターを通
過し得た特定のエネルギーを持った透過電子に基づく透
過電子顕微鏡像が蛍光板上に形成される。
ターの一例の電子光学図をそれぞれ示す。図8及び図9
には、それぞれ4つのセクターマグネットと電子軌道が
描かれている。これらの電子光学図では、通常、図に示
されているように電子の進行方向がZ方向、電子軌道が
存在する磁極面に平行な平面内で電子の進行方向に対し
直交する方向がX方向、X方向及びZ方向にそれぞれ直
交する方向(磁界の方向)がY方向と仮定されている。
エネルギーフィルターは、4つのセクターマグネットM
1、M2、M3、M4(ビームの回転半径R1,R2,R3,
R4)によりΩ字状のビーム軌道が形成される。通常、入
射ビームと出射ビームとは共通の電子光学軸を通るよう
にされる。また、セクターマグネットM2とM3の中間
を通り電子光学軸に直交する面を対称面として、入射絞
りと出射スリット、マグネットM1とM4、マグネット
M2とM3が、それぞれ対称に配置される。
γ,yδの4種類の電子軌道を表した図である。ここ
で、xγ,yδは入射絞りの位置(絞り面)及び出射ス
リットの位置(スリット面)でX方向,Y方向の高さが
零となる電子の軌道をそれぞれ示す。また、xα,yβ
はフィルター内のX方向,Y方向の結像位置(像面)で
X方向,Y方向の高さが零となる電子の軌道をそれぞれ
示す。
3回の結像が行われ、yβよりY方向に3回の結像が行
われていることが分かる。図8の例は、通常Aタイプと
呼ばれている。
X方向に3回の結像が行われ、yβよりY方向に2回の
結像が行われていることが分かる。図9の例は、通常B
タイプと呼ばれている。
びスリット面の両方で電子顕微鏡の回折図形が形成され
る。そして、スリットより手前に虚像が形成される。像
はアクロマティックでなければならないが、スリットの
後方に置かれたラウンドレンズを通して初めて実像を形
成する。
差のいくつかを零にし、残りの収差も小さくするため
に、先に述べたように第2のマグネットM2 と第3のマ
グネットM3 の間の中間面を対称面として、その前後で
のビーム軌道が対称となるように設計されている。即
ち、フィルター内の最後の像面とスリット面の間の距離
をLLとすると、入射してから最初の像面も、絞り面か
ら距離LLに位置するように調整される。このような条
件の下で、AタイプとBタイプの違いは、Y方向(磁界
方向)の軌道において、Aタイプが図10に示すように
対称面でyβ=0、yδ′=0であるのに対して、Bタ
イプが図11に示すように対称面でyβ′=0、yδ=
0である点である。ここでδ′,β′はδ,βをZにつ
いて微分したものであり、軌道のZに対する傾きを示し
ている。X方向の電子軌道は、いずれのタイプでも対称
面でxα=0、xγ′=0となる。
は、図10に示すようにxγ軌道は3回フォーカスし、
yδ軌道も3回フォーカスするが、Bタイプでは、図1
1に示すようにxγは3回フォーカスするものの、yδ
は2回のみのフォーカスとなる。従って像は裏返しにな
る。
ギーフィルターがあることは古くから知られていたが、
これまでに開発された大部分のエネルギーフィルターで
はAタイプが採用されてきた。その理由は、Lanio(Hi
gh resolution imaging magnetic energy filters with
simple structure, Optik 73(1986) 99-107)によれば
2次収差が大きいことによる。
の利点は、Y方向の収束回数がAタイプに比べて1回少
ないことである。一様磁界の下では、電子は磁界と垂直
方向にはフォーカス作用を受けるものの、磁界方向には
フォーカス作用を受けない。このため、マグネットの端
面をビームの入射(又は出射)方向に対して角度を持た
せ、フリンジレンズを形成させ、これをもってY方向の
フォーカス作用を作り出している。このフォーカス作用
は、図10及び図11から明らかなようにY方向に凸レ
ンズ作用、X方向に凹レンズ作用をなすものである。従
ってY方向に3回フォーカスを得るためには、端面角度
の合計を3回フォーカスに必要なだけとらねばならな
い。
招き易い欠点がある。又、その分だけX方向には必然的
に凹レンズが形成されるため、一様場の部分はその凹レ
ンズで発散する分を補うだけ十分に収束作用を確保しな
ければならない。従って、Y方向に1回分フォーカスが
少なくて済むことは、系全体の設計の自由度を基本的に
大きくするはずであって、Bタイプが大きな収差をもた
らすという従来の考え方は誤解である。
決するものであって、Bタイプに着目し、Bタイプのオ
メガ型エネルギーフィルターとして、形状の適切な選択
によってAタイプに比べて小さい収差と大きいエネルギ
ー分散をもたらすものである。
りから入射した荷電粒子ビームを4つのセクターマグネ
ットM1,M2,M3,M4により順次偏向しつつ出射
スリットへ導くようにしたオメガ型エネルギーフィルタ
ーであって、入射絞りと出射スリット、セクターマグネ
ットM1とM4、セクターマグネットM2とM3がフィ
ルターの中心平面に対してそれぞれ対称に配置され、磁
界に垂直な方向Xに3回、磁界方向Yに2回の結像を行
うタイプのオメガ型エネルギーフィルターにおいて、セ
クターマグネットM2の出射端面角度及びセクターマグ
ネットM3の入射側端面角度をそれぞれθ1、セクター
マグネットM2の入射端面角度及びセクターマグネット
M3の出射側端面角度をそれぞれθ2、セクターマグネ
ットM1の出射端面角度及びセクターマグネットM4の
入射側端面角度をそれぞれθ3、セクターマグネットM
1の入射端面角度及びセクターマグネットM4の出射側
端面角度をそれぞれθ4とした時、−10°<θ1,θ2,
θ3,θ4<45°としたことを特徴とするものである。
した相対論補正加速電圧U*kVの荷電粒子ビームを4
つのセクターマグネットM1,M2,M3,M4により
順次偏向しつつ出射スリットへ導くようにしたオメガ型
エネルギーフィルターであって、入射絞りと出射スリッ
ト、セクターマグネットM1とM4、セクターマグネッ
トM2とM3がフィルターの中心平面に対してそれぞれ
対称に配置され、磁界に垂直な方向Xに3回、磁界方向
Yに2回の結像を行うタイプのオメガ型エネルギーフィ
ルターにおいて、セクターマグネットM2の出射端面角
度及びセクターマグネットM3の入射側端面角度をそれ
ぞれθ1 、セクターマグネットM2の入射端面角度及び
セクターマグネットM3の出射側端面角度をそれぞれθ
2、セクターマグネットM1の出射端面角度及びセクタ
ーマグネットM4の入射側端面角度をそれぞれθ3、セ
クターマグネットM1の入射端面角度及びセクターマグ
ネットM4の出射側端面角度をそれぞれθ4とした時、
−10°<θ1,θ2,θ3,θ4<45°としたことをとし
たことを特徴とするものである。
トM2,M3のビーム回転半径をR3 、セクターマグネ
ットM1,M4のビーム回転半径をR4 としたとき、R
3 >R4 としたことを特徴とするものである。 請求項4
記載の発明は、入射絞りと第1の像面との距離及び出射
スリットと直前の像面との距離をそれぞれLLとした
時、55mm≦LL/√(U* /239)≦90mmとしたこ
とを特徴とするものである。
セクターマグネットM2,M3と入射絞り又は出射スリ
ットに面する各セクターマグネットM1,M4との間の
距離をL4としたとき、40mm≦L4 /√(U* /23
9) ≦70mmとしたことを特徴とするものである。 請求
項6記載の発明は、セクターマグネットM1,M4のビ
ーム回転半径をR4 としたとき、R4 /√(U* /23
9)≦50mmとしたことを特徴とするものである。
を参照しつつ説明する。
ルターの基本パラメータを説明するための図、図2は各
収差係数1000未満、エネルギー分散1μm/eV以
上を満たす領域を示す図である。図1には入射絞りから
対称面までの構成が描かれ、図12には対称面から出射
スリットまでの構成が描かれている。
ーマグネットM1〜M4におけるビーム中心軌道の回転
半径をそれぞれR1〜R4、セクターマグネットM2の
出射端面角度及びセクターマグネットM3の入射側端面
角度をそれぞれθ1 、セクターマグネットM2の入射端
面角度及びセクターマグネットM3の出射側端面角度を
それぞれθ2 、セクターマグネットM1の出射端面角度
及びセクターマグネットM4の入射側端面角度をそれぞ
れθ3 、セクターマグネットM1の入射端面角度及びセ
クターマグネットM4の出射側端面角度をそれぞれθ4
として基本パラメータが設定されている。
M1の入射端面までの距離をL1 、セクターマグネット
M1の出射端面とセクターマグネットM2の入射端面と
の距離をL2 、セクターマグネットM2の出射端面と対
称面との距離及び対称面とセクターマグネットM3との
距離をそれぞれL3 、セクターマグネットM2の出射端
面とセクターマグネットM4の入射端面との距離をL4
、セクターマグネットM4の出射端面と出射スリット
面との距離をL5 、入射絞り面と最初の像面との距離及
び出射スリット面と最終像面との距離をそれぞれLLと
している。
5 ,L2 =L4 ,R1 =R4 ,R2=R3 が成立する。
特性を決める形状因子は、上記の回転半径R1(=R4),
R2(=R3),R3,R4 、端面角度θ1 、θ2 、θ3 、θ
4 、距離L1(=L5),L2(=L4),L3,L4,L5 、及び
LLの10個である。この他にマグネットの実際の端面
と磁界分布の実効端面との距離もパラメータとなり得る
が、ここでは省略して考える。これらの10個のパラメ
ータのうち、端面角度θ1 、θ2 、θ3 、θ4 を、像面
及び回折面で非点なしフォーカス(X方向とY方向とで
フォーカス位置が一致すること)を得るための調整用に
用いることにする。なお、これらをパラメータとして距
離L3 、L4 、L5 等で調整することも可能である。
る荷電粒子ビームに対してY方向の収束性を与える角度
を正に取る。経験的には、θn>45°となると収差が
著しく増大したり、非点なしフォーカス条件が見つから
なくなったりするので、端面角度θnは、45°より小
さい範囲から選ぶことにする。又、Y方向に収束作用を
もたらすのは、上述のようにθ1 ,θ2 ,θ3 ,θ4 >
0の場合である。そのため、1つの端面角度が負となる
ような角度をとることは、全体として他の端面角度が大
きくならなければならない原因を作ることになるので、
そのような場合は10°以内を許容することにする。こ
うすると、 −10°<θ1 ,θ2 ,θ3 ,θ4 <45° が許容角度範囲となる。
の場合には幾何収差(歪収差や表面収差その他の収差)
10個 AAAA ,AAAG ,AAGG ,AGGG BABB ,BABD ,BGBB ,BGBD ,BADD ,BGDD および色収差(エネルギーの違いによる収差)8個 CAA、CBB、CAG、CBD、CGG、CDD、CGE、CAE (Ludwig Reimer編「Energy-Filtering Transmission E
lectron Microscopy」Springer 1995 発行、p43-149 H.
Rose, D.Krahl「Electron Optics of ImagingEnergy F
ilters」参照)のうち、BABD 、BGBB 、BGDD 、CBD
の4個が大きな値を持ち易い。そこで、本発明者は、2
00kVの加速電圧の下において、これらの値が100
0以下の値を持ち、かつエネルギー分散λが1μm/e
V以上(nkVにおいては200/nμm/eV以上)
となる条件を良いフィルターの条件として、残る6つの
パラメータに対してこれらの条件がどのように変化する
かを調べた。
1 )である。図10及び図11から分かるように、セク
ターマグネットM1の入射端面の近傍及びセクターマグ
ネットM4の出射端面の近傍には像面があり、像面上で
はエネルギー分散があってはならない(マクロマティッ
クの条件)ので、距離L5 が大きくないと大きなエネル
ギー分散が期待できない。図2は横軸を距離L4 、縦軸
を距離LLにとって、先に示した条件を満たす範囲をい
くつかの距離L5 の値に対してプロットしたものであ
る。先に述べた通り、距離L5 を大きくするほどエネル
ギー分散は大きくなっているが、L5 =50mmでは収差
条件を満足する領域が狭くなることがわかる。又、L5
=40mmでは、図の右側はBGBB によって制限されてい
るものの、左側はL5 =45mmでの場合のようにBGDD
によって制限されているのではなく、エネルギー分散1
μm/eVによって制約されている。
るものの、エネルギー分散が1μm/eVより小さくな
くなる領域が多い。この傾向は、L5 =35mmで極端に
なり、エネルギー分散が1μm/eV以上となる範囲は
極めて狭い。従って、この図から距離L5 の範囲は35
mm≦L5 ≦50mmであり、最適なのは35mm≦L5 ≦4
5mmであることがわかる。
転半径である。図3及び図4はマグネットM4 ,M1を
回転半径R4 =R1 =50mmに固定した場合のマグネッ
トM3,M2の回転半径R3 (=R2 )に対する低収
差、高分散を与える条件を説明するための図であり、回
転半径R3 を50mmから85mmまで5mmステップで変化
させた場合の2次収差1000以内、エネルギー分散1
μm/eV以上(200kVにおいてのエネルギー分散
である。なお、nkVにおけるエネルギー分散は(20
0÷n)μm/eV以上となる)の領域を距離L4 と像
面−スリット面間距離LLに対して示したものである。
(=R1)の関係は、R3 >R4 でなければならないこと
がわかる。R3 =R4 では、使用範囲は存在しない。ま
た、エネルギー分散が大きくなって全領域が2次収差に
よって制限されるのはR3 =65mmより大きい場合であ
る。
広くなっているが、もちろん回転半径R3 が大きいほど
フィルター全体も大きくなってしまうので、できるだけ
小さい回転半径Rで同一の性能を得る方が良い設計であ
ると言える。回転半径R3 が60mmより大きい場合は、
距離LLの短い側が途切れているが、これは、端面角度
>45°以上等の条件のため非点なしフォーカスが見つ
からなかった場合である。ここに示した範囲内であれば
非点なしフォーカス条件が十分満足される。
3(=R2)と2次収差及びエネルギー分散の関係を説明す
るための図であり、図3及び図4の結果をエネルギー分
散と共に示したものである。回転半径R4 を固定(50
mm)して回転半径R3 を増大させるとエネルギー分散は
増大するが、2次収差は全体として減少する。ただ、回
転半径R3 の増大によって減少しない2次収差の成分が
1つだけあり、それはBGBB である。従って形状の選択
は、この収差が1000となる条件によって規定され
る。この理由は、図3、図4において距離L4 が大きい
ほどエネルギー分散が大きく、また、距離LLが小さい
ほどエネルギー分散が大きくなるため、BGBB が限界値
となる距離L4 と距離LLが選択されるためである。
は40mm≦L4 ≦70mm、また、距離LLの好ましい範
囲は55mm≦LL≦90mmと判断される。
直線距離2Hに対するエネルギー分散を説明するための
図であり、回転半径R4 の効果を調べるためにR4 =5
0mmの場合とR4 =35mmの場合を比較したものであ
る。横軸はフィルターの対称面からスリット面までの直
線距離Hとしている。この2倍の2Hがフィルターの高
さを表し、同一性能であればHが小さいほど良い設計と
いうことになる。縦軸はエネルギー分散で、もちろん先
に示した、すべての2次収差が1000以下となる条件
から選ばれている。図から明らかのように回転半径R4
を小さくするほど性能が向上する。実用上、R4 は50
mmよりも小さいことが好ましい。
どの長さに関する値は、加速電圧が200kV(相対論
補正加速電圧U*)の時に求めた好ましい値であって、
任意の相対論補正加速電圧U*kVの場合には、√(U*
/239)について補正する必要がある。例えば、L5
の場合には、50mm≧L5 /√(U* /239)≧4
0mmとする必要がある。その他の長さに関する値も以下
のように全く同様の補正が必要である。
に垂直な方向Xに3回、磁界方向Yに2回の結像を行う
タイプのオメガ型エネルギーフィルターにおいて、セク
ターマグネットM2の出射端面角度及びセクターマグネ
ットM3の入射側端面角度をそれぞれθ1、セクターマ
グネットM2の入射端面角度及びセクターマグネットM
3の出射側端面角度をそれぞれθ2、セクターマグネッ
トM1の出射端面角度及びセクターマグネットM4の入
射側端面角度をそれぞれθ3、セクターマグネットM1
の入射端面角度及びセクターマグネットM4の出射側端
面角度をそれぞれθ4とした時、−10°<θ1,θ2,θ
3,θ4<45°としたことにより、小さい収差をもたら
すことができるオメガ型エネルギーフィルターを実現す
ることができる。
ータを説明するための図である。
μm/eV以上を満たす領域を示す図である。
定した場合のマグネットM3 の回転半径R3 に対する低
収差、高分散を与える条件を説明するための図である。
定した場合のマグネットM3 の回転半径R3 に対する低
収差、高分散を与える条件を説明するための図である。
びエネルギー分散の関係を説明するための図である。
2Hに対するエネルギー分散を説明するための図であ
る。
を組み込んだ電子顕微鏡の構成例を示す図である。
構成を説明するための図である。
構成を説明するための図である。
の4種類の電子軌道を表した図である。
の4種類の電子軌道を表した図である。
メータを説明するための図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 入射絞りから入射した荷電粒子ビームを
4つのセクターマグネットM1,M2,M3,M4によ
り順次偏向しつつ出射スリットへ導くようにしたオメガ
型エネルギーフィルターであって、入射絞りと出射スリ
ット、セクターマグネットM1とM4、セクターマグネ
ットM2とM3がフィルターの中心平面に対してそれぞ
れ対称に配置され、磁界に垂直な方向Xに3回、磁界方
向Yに2回の結像を行うタイプのオメガ型エネルギーフ
ィルターにおいて、セクターマグネットM2の出射端面
角度及びセクターマグネットM3の入射側端面角度をそ
れぞれθ1、セクターマグネットM2の入射端面角度及
びセクターマグネットM3の出射側端面角度をそれぞれ
θ2、セクターマグネットM1の出射端面角度及びセク
ターマグネットM4の入射側端面角度をそれぞれθ3、
セクターマグネットM1の入射端面角度及びセクターマ
グネットM4の出射側端面角度をそれぞれθ4とした
時、−10°<θ1,θ2,θ3,θ4<45°としたことを
特徴とするオメガ型エネルギーフィルター。 - 【請求項2】 入射絞りから入射した相対論補正加速電
圧U*kVの荷電粒子ビームを4つのセクターマグネッ
トM1,M2,M3,M4により順次偏向しつつ出射ス
リットへ導くようにしたオメガ型エネルギーフィルター
であって、入射絞りと出射スリット、セクターマグネッ
トM1とM4、セクターマグネットM2とM3がフィル
ターの中心平面に対してそれぞれ対称に配置され、磁界
に垂直な方向Xに3回、磁界方向Yに2回の結像を行う
タイプのオメガ型エネルギーフィルターにおいて、セク
ターマグネットM2の出射端面角度及びセクターマグネ
ットM3の入射側端面角度をそれぞれθ1 、セクターマ
グネットM2の入射端面角度及びセクターマグネットM
3の出射側端面角度をそれぞれθ2、セクターマグネッ
トM1の出射端面角度及びセクターマグネットM4の入
射側端面角度をそれぞれθ3、セクターマグネットM1
の入射端面角度及びセクターマグネットM4の出射側端
面角度をそれぞれθ4とした時、−10°<θ1,θ2,θ
3,θ4<45°としたことをとしたことを特徴とするオ
メガ型エネルギーフィルター。 - 【請求項3】 セクターマグネットM2,M3のビーム
回転半径をR3 、セクターマグネットM1,M4のビー
ム回転半径をR4 としたとき、R3 >R4 と したことを
特徴とする請求項2記載のオメガ型エネルギーフィルタ
ー。 - 【請求項4】 入射絞りと第1の像面との距離及び出射
スリットと直前の像面との距離をそれぞれLLとした
時、55mm≦LL/√(U* /239)≦90mmとしたこ
とを特徴とする請求項2記載のオメガ型エネルギーフィ
ルター。 - 【請求項5】 対称面に面する各セクターマグネットM
2,M3と入射絞り又は出射スリットに面する各セクタ
ーマグネットM1,M4との間の距離をL4としたと
き、40mm≦L4 /√(U* /239) ≦70mmとした
ことを特徴とする請求項2記載のオメガ型エネルギーフ
ィルター。 - 【請求項6】 セクターマグネットM1,M4のビーム
回転半径をR4 としたとき、R4 /√(U* /239)≦
50mmとしたことを特徴とする請求項2記載のオメガ型
エネルギーフィルター。
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