JP3400284B2 - オメガ型エネルギーフィルタ及び該フィルタを組み込んだ電子顕微鏡 - Google Patents
オメガ型エネルギーフィルタ及び該フィルタを組み込んだ電子顕微鏡Info
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- JP3400284B2 JP3400284B2 JP04358597A JP4358597A JP3400284B2 JP 3400284 B2 JP3400284 B2 JP 3400284B2 JP 04358597 A JP04358597 A JP 04358597A JP 4358597 A JP4358597 A JP 4358597A JP 3400284 B2 JP3400284 B2 JP 3400284B2
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/44—Energy spectrometers, e.g. alpha-, beta-spectrometers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
- H01J37/02—Details
- H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
- H01J37/05—Electron or ion-optical arrangements for separating electrons or ions according to their energy or mass
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
- H01J2237/05—Arrangements for energy or mass analysis
- H01J2237/055—Arrangements for energy or mass analysis magnetic
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
- H01J2237/153—Correcting image defects, e.g. stigmators
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
- H01J2237/26—Electron or ion microscopes
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、エネルギー分光結
像を行うためのオメガ型エネルギーフィルタ及び該フィ
ルタを組み込んだ電子顕微鏡に関する。
像を行うためのオメガ型エネルギーフィルタ及び該フィ
ルタを組み込んだ電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】図５は電子光学系にオメガ型エネルギー
フィルタを組み込んだ電子顕微鏡の構成例を示す図、図
６はＡタイプのオメガ型エネルギーフィルタの構成を説
明するための図、図７はＢタイプのオメガ型エネルギー
フィルタの構成を説明するための図、図８はＡタイプの
オメガ型エネルギーフィルタの基本軌道を説明するため
の図、図９はＢタイプのオメガ型エネルギーフィルタの
基本軌道を説明するための図である。
フィルタを組み込んだ電子顕微鏡の構成例を示す図、図
６はＡタイプのオメガ型エネルギーフィルタの構成を説
明するための図、図７はＢタイプのオメガ型エネルギー
フィルタの構成を説明するための図、図８はＡタイプの
オメガ型エネルギーフィルタの基本軌道を説明するため
の図、図９はＢタイプのオメガ型エネルギーフィルタの
基本軌道を説明するための図である。
【０００３】電子光学系にオメガ型エネルギーフィルタ
を組み込んだ電子顕微鏡では、図５に示すように電子銃
１１で発生した電子ビームをコンデンサレンズ１２、対
物レンズ１３を通して試料１４に照射し、中間レンズ１
５、入力絞り１６、オメガ型エネルギーフィルタ１７、
スリット１８、投影レンズ１９を通して蛍光板２０に試
料の観察像を投影している。このオメガ型エネルギーフ
ィルタは、Ω字状の軌道に配置した４つの磁石Ｍ1 、Ｍ
2 、Ｍ3 、Ｍ4 （ビームの曲率半径Ｒ1 、Ｒ2、Ｒ3 、
Ｒ4 ）に連続してビームを通すことによって入射ビーム
と出射ビームとが同一直線上に並ぶようにしたものであ
り、図６及び図７にその光軸を含むマグネットポールピ
ースの形状と電子軌道の２つの例を示している。この図
６及び図７に示した２つの例は、実は異なる光学設定条
件の下で設計されたものであり、図６に示した磁極面に
平行方向Ｘにも磁界方向Ｙにも３回の結像を行うものが
Ａタイプと呼ばれ、図７に示した磁極面に平行方向Ｘに
３回、磁界方向Ｙに２回の結像を行うものがＢタイプと
呼ばれている。その基本的光学系の違いは、光軸を直線
に直して描いた図８に示すＡタイプの軌道図及び図９に
示すＢタイプの軌道図において明らかである。
を組み込んだ電子顕微鏡では、図５に示すように電子銃
１１で発生した電子ビームをコンデンサレンズ１２、対
物レンズ１３を通して試料１４に照射し、中間レンズ１
５、入力絞り１６、オメガ型エネルギーフィルタ１７、
スリット１８、投影レンズ１９を通して蛍光板２０に試
料の観察像を投影している。このオメガ型エネルギーフ
ィルタは、Ω字状の軌道に配置した４つの磁石Ｍ1 、Ｍ
2 、Ｍ3 、Ｍ4 （ビームの曲率半径Ｒ1 、Ｒ2、Ｒ3 、
Ｒ4 ）に連続してビームを通すことによって入射ビーム
と出射ビームとが同一直線上に並ぶようにしたものであ
り、図６及び図７にその光軸を含むマグネットポールピ
ースの形状と電子軌道の２つの例を示している。この図
６及び図７に示した２つの例は、実は異なる光学設定条
件の下で設計されたものであり、図６に示した磁極面に
平行方向Ｘにも磁界方向Ｙにも３回の結像を行うものが
Ａタイプと呼ばれ、図７に示した磁極面に平行方向Ｘに
３回、磁界方向Ｙに２回の結像を行うものがＢタイプと
呼ばれている。その基本的光学系の違いは、光軸を直線
に直して描いた図８に示すＡタイプの軌道図及び図９に
示すＢタイプの軌道図において明らかである。
【０００４】さて、フィルタの直前にビームを収束する
面を絞り面、フィルタの直後においてスリットを挿入す
る面をスリット面とすると、フィルタは、絞り面に始ま
ってスリット面で終わる。この両面において高さ零とな
る軌道をｘγ、ｙδとする。又、スクリーン場に像を出
す場合、この両面では、電子顕微鏡の回折図形が投影さ
れる。この時、像は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。
面を絞り面、フィルタの直後においてスリットを挿入す
る面をスリット面とすると、フィルタは、絞り面に始ま
ってスリット面で終わる。この両面において高さ零とな
る軌道をｘγ、ｙδとする。又、スクリーン場に像を出
す場合、この両面では、電子顕微鏡の回折図形が投影さ
れる。この時、像は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。
【０００５】オメガ型エネルギーフィルタは、２次収差
のいくつかを零にし残りの収差も小さくするために、第
２の磁石Ｍ2 と第３の磁石Ｍ3 の間の面を対称面（中心
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、像面からスリット面までの距
離をLLとすると、入射ビームの像面は、絞り面から距離
LLに位置するように調整される。この様な条件の下で、
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８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９に
示すように対称面でｙβ′＝０、ｙδ＝０である。ここ
で「 ′」はＺに対する微分、すなわち軌道の傾きであ
る。ｘ軌道は、両ビームにおいて同一条件で、いずれの
タイプでも対称面でｘα＝０、ｘγ′＝０となる。
のいくつかを零にし残りの収差も小さくするために、第
２の磁石Ｍ2 と第３の磁石Ｍ3 の間の面を対称面（中心
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、像面からスリット面までの距
離をLLとすると、入射ビームの像面は、絞り面から距離
LLに位置するように調整される。この様な条件の下で、
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８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９に
示すように対称面でｙβ′＝０、ｙδ＝０である。ここ
で「 ′」はＺに対する微分、すなわち軌道の傾きであ
る。ｘ軌道は、両ビームにおいて同一条件で、いずれの
タイプでも対称面でｘα＝０、ｘγ′＝０となる。
【０００６】このような初期条件を選ぶと、Ａタイプで
は、図８に示すようにｘγ軌道は３回フォーカスするの
に対し、ｙδ軌道も３回フォーカスするが、Ｂタイプで
は、図９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。即ち、像は裏
返しになる。このような２つのタイプのオメガ型エネル
ギーフィルタがあることは古くから知られている。
は、図８に示すようにｘγ軌道は３回フォーカスするの
に対し、ｙδ軌道も３回フォーカスするが、Ｂタイプで
は、図９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。即ち、像は裏
返しになる。このような２つのタイプのオメガ型エネル
ギーフィルタがあることは古くから知られている。
【０００７】ところで、オメガ型エネルギーフィルタを
透過電子顕微鏡の結像レンズ系の中間に挿入した装置
は、電子線エネルギー分光結像法（ＥＳＩ）のための装
置して近年盛んに用いられるようになった。通常、電子
顕微鏡に使用するエネルギー分析装置（ＥＥＬＳ）のエ
ネルギー分解能は数ｅＶであるが、ＥＳＩ装置として用
いる場合には、像を作る必要から使用するビームの開き
角を大きく取らなければならず、困難な問題が発生し
た。それは、像の中心付近と周辺とで、ビームのエネル
ギーが異なるという問題がある。これは、イソクロマテ
ィックな性質と呼ばれている。
透過電子顕微鏡の結像レンズ系の中間に挿入した装置
は、電子線エネルギー分光結像法（ＥＳＩ）のための装
置して近年盛んに用いられるようになった。通常、電子
顕微鏡に使用するエネルギー分析装置（ＥＥＬＳ）のエ
ネルギー分解能は数ｅＶであるが、ＥＳＩ装置として用
いる場合には、像を作る必要から使用するビームの開き
角を大きく取らなければならず、困難な問題が発生し
た。それは、像の中心付近と周辺とで、ビームのエネル
ギーが異なるという問題がある。これは、イソクロマテ
ィックな性質と呼ばれている。
【０００８】図１０は従来型のオメガ型エネルギーフィ
ルタの電子軌道と、対称面、像面及びスリット面上のビ
ーム形状を示す図である。ビームスポットの図の上から
下へは、フォーカスの変化に対応する。対称面（中心
面）とは、オメガ型エネルギーフィルタの４つの磁石の
２番目と３番目の中間の面のことであり、この面に対し
てフィルタの形状と電子軌道は鏡面対象をなしている。
スリット面において、ビームは、エネルギーに応じて分
散を生ずる。
ルタの電子軌道と、対称面、像面及びスリット面上のビ
ーム形状を示す図である。ビームスポットの図の上から
下へは、フォーカスの変化に対応する。対称面（中心
面）とは、オメガ型エネルギーフィルタの４つの磁石の
２番目と３番目の中間の面のことであり、この面に対し
てフィルタの形状と電子軌道は鏡面対象をなしている。
スリット面において、ビームは、エネルギーに応じて分
散を生ずる。
【０００９】図１０に示す例の場合、２００ｋＶの入射
ビームに対して、２ｋＶのエネルギーをロスしたビーム
を描いている。また、ビームの開き角は０．７５°であ
る。この面上にスリットを入れて、エネルギー範囲を選
択する。像面はフィルタの内部にあるが、実際に観察さ
れるのは、フィルタの出口におけるビームの傾斜を像面
まで延長したときに得られるもので、フィルタ内部のビ
ーム形状と同じではない。したがって、像は虚像であ
る。エネルギーをロスしたビームは、ダイレクトビーム
と異なる軌道を取るが、像面において両者は一致する。
すなわち、エネルギーの違ったビームも像面上では同じ
位置にフォーカスする。これをアクロマティックとい
う。図１０に示す例の場合には、２ｋＶもの大きなエネ
ルギーロスビームを描いているため、収差によってビー
ムの形が歪んで、零ロスビームとは完全に一致していな
い。図１０（Ｂ）に示す対称面と図１０（Ｄ）に示す像
面のビームを比較すれば分かるように、ビームの形は、
フィルタの場所によって異なっている。図１０に示す例
では、ビームの開き角としてただ１種類だけを考えた
が、実際の装置では、開き角は零からある角度範囲にわ
たって連続している。
ビームに対して、２ｋＶのエネルギーをロスしたビーム
を描いている。また、ビームの開き角は０．７５°であ
る。この面上にスリットを入れて、エネルギー範囲を選
択する。像面はフィルタの内部にあるが、実際に観察さ
れるのは、フィルタの出口におけるビームの傾斜を像面
まで延長したときに得られるもので、フィルタ内部のビ
ーム形状と同じではない。したがって、像は虚像であ
る。エネルギーをロスしたビームは、ダイレクトビーム
と異なる軌道を取るが、像面において両者は一致する。
すなわち、エネルギーの違ったビームも像面上では同じ
位置にフォーカスする。これをアクロマティックとい
う。図１０に示す例の場合には、２ｋＶもの大きなエネ
ルギーロスビームを描いているため、収差によってビー
ムの形が歪んで、零ロスビームとは完全に一致していな
い。図１０（Ｂ）に示す対称面と図１０（Ｄ）に示す像
面のビームを比較すれば分かるように、ビームの形は、
フィルタの場所によって異なっている。図１０に示す例
では、ビームの開き角としてただ１種類だけを考えた
が、実際の装置では、開き角は零からある角度範囲にわ
たって連続している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】図１１は０．７５、
０．５、０．２５、０．１２５°のビーム開き角につい
てのスリット面上、像面上のビームの形を示す図であ
る。開き角が大きくなるにつれて、図１１（Ｃ）に示す
ようにスリット面上のビームの形は大きくなると共に、
左側にシフトしている。ラウンドレンズにおけるコマ収
差と類似の収差が大きいことが分かる。ビームが丁度フ
ォーカスした上から３つめのスポットでは、各開き角の
ビームの幅が狭く、縦長の形をなしている。なお、これ
ら図１１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の場合には、実線が零
ロスビーム、破線は１００Ｖのエネルギーロスビームで
ある。
０．５、０．２５、０．１２５°のビーム開き角につい
てのスリット面上、像面上のビームの形を示す図であ
る。開き角が大きくなるにつれて、図１１（Ｃ）に示す
ようにスリット面上のビームの形は大きくなると共に、
左側にシフトしている。ラウンドレンズにおけるコマ収
差と類似の収差が大きいことが分かる。ビームが丁度フ
ォーカスした上から３つめのスポットでは、各開き角の
ビームの幅が狭く、縦長の形をなしている。なお、これ
ら図１１（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の場合には、実線が零
ロスビーム、破線は１００Ｖのエネルギーロスビームで
ある。
【００１１】今、フイルムの対角線上の直径を１７０ｍ
ｍ（フイルムの幅１２０×１２０ｍｍ）の像を考えるこ
とにしよう。投影レンズの総合倍率を１００倍とする
と、フィルタの虚像は、直径１．７ｍｍ（半径０．８５
ｍｍ）の範囲までフイルムに露光されることになる。こ
れはおよそスリット面上で０．７５°の角度に入射した
ビームに対応する。今、分散が１．１μｍ／ｅＶとする
と、１００Ｖエネルギーロスビームは、スリット上でダ
イレクトビームから０．１１ｍｍずれる。ところが、図
１１（Ｃ）に示すように収差によってスリット面上のビ
ームは、角度に依存した幅を持つことになる。±０．７
５°のビームがスリット面上に作るビームの拡がりは
０．０５ｍｍである。図示のように１００Ｖエネルギー
ロスビームは、ダイレクトビームと完全に分かれている
ので、両者は完全に分離できる。しかし、仮に５０Ｖエ
ネルギーロスビームがあったとして、そのビームに着目
してスリットＳを挿入したとしよう。図１１（Ｃ）に示
す四角で囲った領域である。スリット幅は、ダイレクト
ビームの幅に合わせて０．０５ｍｍにしてある。スリッ
トを５０Ｖエネルギーロスビームの全領域をカバーする
ように挿入したとすると、そのスリット内には、少なく
とも０．７５°のダイレクトビームと、０．２５までの
１００Ｖエネルギーロスビームが混入する。
ｍ（フイルムの幅１２０×１２０ｍｍ）の像を考えるこ
とにしよう。投影レンズの総合倍率を１００倍とする
と、フィルタの虚像は、直径１．７ｍｍ（半径０．８５
ｍｍ）の範囲までフイルムに露光されることになる。こ
れはおよそスリット面上で０．７５°の角度に入射した
ビームに対応する。今、分散が１．１μｍ／ｅＶとする
と、１００Ｖエネルギーロスビームは、スリット上でダ
イレクトビームから０．１１ｍｍずれる。ところが、図
１１（Ｃ）に示すように収差によってスリット面上のビ
ームは、角度に依存した幅を持つことになる。±０．７
５°のビームがスリット面上に作るビームの拡がりは
０．０５ｍｍである。図示のように１００Ｖエネルギー
ロスビームは、ダイレクトビームと完全に分かれている
ので、両者は完全に分離できる。しかし、仮に５０Ｖエ
ネルギーロスビームがあったとして、そのビームに着目
してスリットＳを挿入したとしよう。図１１（Ｃ）に示
す四角で囲った領域である。スリット幅は、ダイレクト
ビームの幅に合わせて０．０５ｍｍにしてある。スリッ
トを５０Ｖエネルギーロスビームの全領域をカバーする
ように挿入したとすると、そのスリット内には、少なく
とも０．７５°のダイレクトビームと、０．２５までの
１００Ｖエネルギーロスビームが混入する。
【００１２】ここで、図１１（Ｃ）の四角で示した位置
にスリットＳを挿入したときに、像面上の像がどのよう
に見えるかを示したのが図１１（Ａ）である。図１１
（Ｂ）の場合、中心付近は破線のみであるから、１００
Ｖエネルギーロスビームだけの像が得られているが、一
番外側の零ロスビームだけから像ができている。外から
２番目の像は両エネルギーの混合である。もちろん、ス
リットの位置を変えれば、この関係をずらすことはでき
るし、スリット幅を狭くすれば、このような性質を弱め
ることはできる。しかし、せっかくスリットを入れなが
らエネルギーがキチンと分離できなかったり、場所によ
ってエネルギー値の異なる像が得られたりする現象を避
けることができない。
にスリットＳを挿入したときに、像面上の像がどのよう
に見えるかを示したのが図１１（Ａ）である。図１１
（Ｂ）の場合、中心付近は破線のみであるから、１００
Ｖエネルギーロスビームだけの像が得られているが、一
番外側の零ロスビームだけから像ができている。外から
２番目の像は両エネルギーの混合である。もちろん、ス
リットの位置を変えれば、この関係をずらすことはでき
るし、スリット幅を狭くすれば、このような性質を弱め
ることはできる。しかし、せっかくスリットを入れなが
らエネルギーがキチンと分離できなかったり、場所によ
ってエネルギー値の異なる像が得られたりする現象を避
けることができない。
【００１３】このような不都合を避ける方法は、できる
限り投影レンズの倍率を高くして使用することである。
例えば投影レンズの倍率を５００倍で使用すれば、ここ
で述べた問題は生じない。しかしながら、ＥＳＩでは、
低倍から高倍までいろいろの倍率の像が必要とされるの
で、フィルタ後方のレンズ倍率をいつも大きく設定する
ことはできない。
限り投影レンズの倍率を高くして使用することである。
例えば投影レンズの倍率を５００倍で使用すれば、ここ
で述べた問題は生じない。しかしながら、ＥＳＩでは、
低倍から高倍までいろいろの倍率の像が必要とされるの
で、フィルタ後方のレンズ倍率をいつも大きく設定する
ことはできない。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するものであって、イソマティックな性質のよいフ
ィルタを得るものである。そのために本発明は、エネル
ギー分光結像を行うためのオメガ型エネルギーフィルタ
において、瞳面上の像の中心付近と周辺部のエネルギー
値のずれを少なくするために、フィルタの出射側端面か
らスリット面までの距離をＬ5 とし、瞳面からスリット
面までの距離をLLとしたとき、LL／Ｌ5 ＞２となるよう
にしたことを特徴とし、フィルタの軌道方向ｚと磁極面
に平行な方向ｘを含むｚｘ面の結像回数を３回、磁極面
に垂直な方向ｙを含むｚｙ面の結像回数を２回とし、偏
向角Φを１１０°から１２０°の範囲としたことを特徴
とするものである。
解決するものであって、イソマティックな性質のよいフ
ィルタを得るものである。そのために本発明は、エネル
ギー分光結像を行うためのオメガ型エネルギーフィルタ
において、瞳面上の像の中心付近と周辺部のエネルギー
値のずれを少なくするために、フィルタの出射側端面か
らスリット面までの距離をＬ5 とし、瞳面からスリット
面までの距離をLLとしたとき、LL／Ｌ5 ＞２となるよう
にしたことを特徴とし、フィルタの軌道方向ｚと磁極面
に平行な方向ｘを含むｚｘ面の結像回数を３回、磁極面
に垂直な方向ｙを含むｚｙ面の結像回数を２回とし、偏
向角Φを１１０°から１２０°の範囲としたことを特徴
とするものである。
【００１５】また、エネルギー分光結像を行うためのオ
メガ型エネルギーフィルタを組み込んだ電子顕微鏡にお
いて、オメガ型エネルギーフィルを、瞳面上の像の中心
付近と周辺部のエネルギー値のずれを少なくするため
に、フィルタの出射側端面からスリット面までの距離を
Ｌ5 とし、瞳面からスリット面までの距離をLLとしたと
き、LL／Ｌ5 ＞２となるようにし、フィルタ後方のレン
ズ系を３段以上とし、LLが長い場合においても１００倍
以上の倍率を得るようにしたことを特徴とするものであ
る。
メガ型エネルギーフィルタを組み込んだ電子顕微鏡にお
いて、オメガ型エネルギーフィルを、瞳面上の像の中心
付近と周辺部のエネルギー値のずれを少なくするため
に、フィルタの出射側端面からスリット面までの距離を
Ｌ5 とし、瞳面からスリット面までの距離をLLとしたと
き、LL／Ｌ5 ＞２となるようにし、フィルタ後方のレン
ズ系を３段以上とし、LLが長い場合においても１００倍
以上の倍率を得るようにしたことを特徴とするものであ
る。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図１は本発明に係るエネルギー
フィルタの実施の形態を説明するための図であり、オメ
ガ型エネルギーフィルタにおける像面とスリット面の関
係を示している。また、図２はオメガ型エネルギーフィ
ルタの設計パラメータを説明するための図、図３はイソ
クロマティックな性質の評価関数の収束距離パラメータ
LL／Ｌ5依存性を示す図、図４はＬ5 ＝４０ｍｍで固定
し、LL＝６５、９５、１３０ｍｍの場合について、スリ
ット上の収差図形を描いた図である。
を参照しつつ説明する。図１は本発明に係るエネルギー
フィルタの実施の形態を説明するための図であり、オメ
ガ型エネルギーフィルタにおける像面とスリット面の関
係を示している。また、図２はオメガ型エネルギーフィ
ルタの設計パラメータを説明するための図、図３はイソ
クロマティックな性質の評価関数の収束距離パラメータ
LL／Ｌ5依存性を示す図、図４はＬ5 ＝４０ｍｍで固定
し、LL＝６５、９５、１３０ｍｍの場合について、スリ
ット上の収差図形を描いた図である。
【００１７】オメガ型エネルギーフィルタにおいて、図
２に示すように対称面寄りの磁石Ｍ3 のビーム回転半径
をＲ3 、その入射側端面角度をθ1 、出射側端面角度を
θ２とし、スリット寄りの磁石Ｍ４ のビーム回転半径
をＲ4 、その入射側端面角度をθ3 、出射側端面角度を
θ4 、偏向角をΦとする。また、対称面（中心面）から
対称面寄りの磁石Ｍ3 の入射側端面までの距離（ドリフ
ト長）をＬ3 、磁石Ｍ3の出射側端面から磁石Ｍ4 の入
射側端面までの距離をＬ4 、スリット寄りの磁石Ｍ4 の
出射側端面からスリット面までの距離をＬ5 とし、像面
からスリット面までの距離をLLとする。
２に示すように対称面寄りの磁石Ｍ3 のビーム回転半径
をＲ3 、その入射側端面角度をθ1 、出射側端面角度を
θ２とし、スリット寄りの磁石Ｍ４ のビーム回転半径
をＲ4 、その入射側端面角度をθ3 、出射側端面角度を
θ4 、偏向角をΦとする。また、対称面（中心面）から
対称面寄りの磁石Ｍ3 の入射側端面までの距離（ドリフ
ト長）をＬ3 、磁石Ｍ3の出射側端面から磁石Ｍ4 の入
射側端面までの距離をＬ4 、スリット寄りの磁石Ｍ4 の
出射側端面からスリット面までの距離をＬ5 とし、像面
からスリット面までの距離をLLとする。
【００１８】オメガ型エネルギーフィルターの基本光学
特性を決める形状因子は、上記の回転半径Ｒ3 、Ｒ4 、
端面角度θ1 、θ2 、θ3 、θ4 、距離Ｌ3 、Ｌ4 、Ｌ
5 、LLの１０個である。この他に磁石の実際の端面と磁
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。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。
特性を決める形状因子は、上記の回転半径Ｒ3 、Ｒ4 、
端面角度θ1 、θ2 、θ3 、θ4 、距離Ｌ3 、Ｌ4 、Ｌ
5 、LLの１０個である。この他に磁石の実際の端面と磁
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。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。
【００１９】図１（Ａ）の像面（Pupil plane)と図１
（Ｃ）のスリット面（Slit Plane) における収差Δ
ＸP 、ΔＹP 、ΔＸS 、ΔＹS は図１（Ｅ）のように表
され、その大きさは収差係数（Ａααα、……、Ｂαβ
β、……、Ｃαα、……）と、像面又はスリット面とビ
ームのなす角α、β、γ、δに依存する。α、γはｘ軸
に対する、β、δはｙ軸に対する角度である。物面にお
けるビームの大きさは対物絞りによって制限されるが、
この大きさは低倍の場合でも５μｍ程度であり、フィル
タの前方の中間レンズを高倍率で使用した場合にはこれ
よりずっと小さな値となる。しかし、スリット面上で
は、スリット面の収差によってビームが広がっているの
で、像を見込むビームの角度はずっと大きなものとな
る。スリットを通り抜けるビームの半径を５０μｍとす
れば、α、βは、０．０５／１００＝５×１０-4ｒａｄ
となる。これに対して、γ、δは、１０-2ｒａｄ程度な
ので、両者の間には１００倍の開きがある。収差の大き
さは、収差係数と角度の積であるが、α、βとγ、δで
その大きさに大きな開きがあるため、収差量を決める収
差係数は、特定の係数だけが支配的となる。スリット面
上では、 ΔＸP ＝（ｒi 2 ／LL2 ）（Ａγγγ＋Ｂγδδ／２） と近似することができる。ここで、ｒi はフィルタ像面
上の像の高さ、Ａγγγ、Ｂγδδは収差係数（歪収差
や表面収差その他の幾何収差）である。スリット面上に
おいて、例えば収差によるビームの拡がりが大きくて
も、分散Ｄが大きければ、エネルギーの選択に支障はな
いので、フィルタの性能を表す指標として、 メリットファンクション（Merit Function）Ｍ Ｍ＝Ｄｒi 2 ／ΔＸP ＝（ＤLL2 ）／（Ａγγγ＋Ｂγ
δδ／２） を採用することができる。この値が大きいほど収差によ
るスリット面上での相対的なボケが小さく、したがっ
て、イソクロマティックな性質がよい。一方、像面上の
像ボケは、同様にして、 ΔＹP ≒（ｒi ｒa ／LL2 ） （Ｂαβδ＋Ｂγββ＋Ｃβδ×LL×１０-4／ｒa ） で近似される。ここで、ｒa はスリット面上の像の高
さ、Ｂαβδ、Ｂγββは収差係数（歪収差や表面収差
その他の幾何収差）、Ｃβδは収差係数（エネルギーの
違いによる色収差）である。以下の議論において使用す
るオメガ型エネルギーフィルタでは、この値は像の縁に
おいて０．２μｍ程度のボケを作るにすぎない。したが
って、投影レンズによって１００倍に拡大されたとして
も問題はない。
（Ｃ）のスリット面（Slit Plane) における収差Δ
ＸP 、ΔＹP 、ΔＸS 、ΔＹS は図１（Ｅ）のように表
され、その大きさは収差係数（Ａααα、……、Ｂαβ
β、……、Ｃαα、……）と、像面又はスリット面とビ
ームのなす角α、β、γ、δに依存する。α、γはｘ軸
に対する、β、δはｙ軸に対する角度である。物面にお
けるビームの大きさは対物絞りによって制限されるが、
この大きさは低倍の場合でも５μｍ程度であり、フィル
タの前方の中間レンズを高倍率で使用した場合にはこれ
よりずっと小さな値となる。しかし、スリット面上で
は、スリット面の収差によってビームが広がっているの
で、像を見込むビームの角度はずっと大きなものとな
る。スリットを通り抜けるビームの半径を５０μｍとす
れば、α、βは、０．０５／１００＝５×１０-4ｒａｄ
となる。これに対して、γ、δは、１０-2ｒａｄ程度な
ので、両者の間には１００倍の開きがある。収差の大き
さは、収差係数と角度の積であるが、α、βとγ、δで
その大きさに大きな開きがあるため、収差量を決める収
差係数は、特定の係数だけが支配的となる。スリット面
上では、 ΔＸP ＝（ｒi 2 ／LL2 ）（Ａγγγ＋Ｂγδδ／２） と近似することができる。ここで、ｒi はフィルタ像面
上の像の高さ、Ａγγγ、Ｂγδδは収差係数（歪収差
や表面収差その他の幾何収差）である。スリット面上に
おいて、例えば収差によるビームの拡がりが大きくて
も、分散Ｄが大きければ、エネルギーの選択に支障はな
いので、フィルタの性能を表す指標として、 メリットファンクション（Merit Function）Ｍ Ｍ＝Ｄｒi 2 ／ΔＸP ＝（ＤLL2 ）／（Ａγγγ＋Ｂγ
δδ／２） を採用することができる。この値が大きいほど収差によ
るスリット面上での相対的なボケが小さく、したがっ
て、イソクロマティックな性質がよい。一方、像面上の
像ボケは、同様にして、 ΔＹP ≒（ｒi ｒa ／LL2 ） （Ｂαβδ＋Ｂγββ＋Ｃβδ×LL×１０-4／ｒa ） で近似される。ここで、ｒa はスリット面上の像の高
さ、Ｂαβδ、Ｂγββは収差係数（歪収差や表面収差
その他の幾何収差）、Ｃβδは収差係数（エネルギーの
違いによる色収差）である。以下の議論において使用す
るオメガ型エネルギーフィルタでは、この値は像の縁に
おいて０．２μｍ程度のボケを作るにすぎない。したが
って、投影レンズによって１００倍に拡大されたとして
も問題はない。
【００２０】多くのフィルタについて、図２に示す形状
の７つのパラメータ、回転半径Ｒ3、Ｒ4 、距離Ｌ3 、
Ｌ4 、Ｌ5 、LL、偏向角Φを種々に変化させて上で示し
た評価関数ΔＸP Ｄ／ｒi 2 をLL／Ｌ5 に対して求めた
ところ、図３のようになった。この図は、偏向角Φと距
離LLを固定してその他の形状パラメータを種々に変えた
場合のうち、最良の場合を示した。最良の評価関数は、
ほぼLL／Ｌ5 に比例して増大することが分かる。図３に
は偏向角Φを１１０°から１２０°まで変えた場合につ
いて示したが、評価関数値はあまり偏向角に依存しな
い。図４ではフィルタ像面上の像の高さｒi は０．８ｍ
ｍとしたフリット上の収差図形を示している。LL＝６５
ｍｍでは、図４（Ａ）に示すように−５０Ｖと＋５０Ｖ
のビームが重なっている。LL＝９５ｍｍでは、図４
（Ｂ）に示すように０Ｖと±５０Ｖのビームは完全に分
離している。LL＝１３０ｍｍでは、図４（Ｃ）に示すよ
うに３つのビームは遠く離れている。いくらのLLの値に
おいて５０Ｖのビームが分離するかは、 ＤＥ／ΔＸP ＝（Ｅ×１０-3／ｒi 2 ）Ｍ＞１ の条件をエネルギー値Ｅ＝５０Ｖ、ＸP ＝０．８ｍｍに
おいて求めればよい。この条件を満たす値は、Ｍ＝１
２．５である。これまでの見積もりは、すべて加速電圧
２００ｋＶとして行ったので、 LL／Ｌ5 ＞２ でなければならないことが分かる。加速電圧を変えた場
合には、すべての寸法を相対論補正を行った加速電圧の
比の平方根に比例して変化させることによってほぼ同一
の特性が得られるからである。
の７つのパラメータ、回転半径Ｒ3、Ｒ4 、距離Ｌ3 、
Ｌ4 、Ｌ5 、LL、偏向角Φを種々に変化させて上で示し
た評価関数ΔＸP Ｄ／ｒi 2 をLL／Ｌ5 に対して求めた
ところ、図３のようになった。この図は、偏向角Φと距
離LLを固定してその他の形状パラメータを種々に変えた
場合のうち、最良の場合を示した。最良の評価関数は、
ほぼLL／Ｌ5 に比例して増大することが分かる。図３に
は偏向角Φを１１０°から１２０°まで変えた場合につ
いて示したが、評価関数値はあまり偏向角に依存しな
い。図４ではフィルタ像面上の像の高さｒi は０．８ｍ
ｍとしたフリット上の収差図形を示している。LL＝６５
ｍｍでは、図４（Ａ）に示すように−５０Ｖと＋５０Ｖ
のビームが重なっている。LL＝９５ｍｍでは、図４
（Ｂ）に示すように０Ｖと±５０Ｖのビームは完全に分
離している。LL＝１３０ｍｍでは、図４（Ｃ）に示すよ
うに３つのビームは遠く離れている。いくらのLLの値に
おいて５０Ｖのビームが分離するかは、 ＤＥ／ΔＸP ＝（Ｅ×１０-3／ｒi 2 ）Ｍ＞１ の条件をエネルギー値Ｅ＝５０Ｖ、ＸP ＝０．８ｍｍに
おいて求めればよい。この条件を満たす値は、Ｍ＝１
２．５である。これまでの見積もりは、すべて加速電圧
２００ｋＶとして行ったので、 LL／Ｌ5 ＞２ でなければならないことが分かる。加速電圧を変えた場
合には、すべての寸法を相対論補正を行った加速電圧の
比の平方根に比例して変化させることによってほぼ同一
の特性が得られるからである。
【００２１】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上
記実施の形態では、オメガ型エネルギーフィルタにより
説明したが、他のエネルギー分光結像を行うためのエネ
ルギーフィルタにも同様に適用でき、像を観察する場合
の像面だけでなく、電子回折図形を観察する場合の回折
像面等、瞳面上の像の中心付近と周辺部のエネルギー値
のずれを少なくするために同様に適用できる。像面から
スリット面までの距離LLが長くなるにしたがってエネル
ギーフィルタの後につながるレンズ系のうち、最初のレ
ンズは縮小レンズとなってしまうため、フィルタ後段の
レンズ系が、一般に行われているように２段しかない場
合には、１００倍又はそれ以上の倍率を得ることが困難
となる。そこで、像面からスリット面までの距離LLが長
い場合においても、１００倍又はそれ以上の倍率を得る
ようにするため、フィルタ後段のレンズ系を３段以上に
するように構成してもよい。
れるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上
記実施の形態では、オメガ型エネルギーフィルタにより
説明したが、他のエネルギー分光結像を行うためのエネ
ルギーフィルタにも同様に適用でき、像を観察する場合
の像面だけでなく、電子回折図形を観察する場合の回折
像面等、瞳面上の像の中心付近と周辺部のエネルギー値
のずれを少なくするために同様に適用できる。像面から
スリット面までの距離LLが長くなるにしたがってエネル
ギーフィルタの後につながるレンズ系のうち、最初のレ
ンズは縮小レンズとなってしまうため、フィルタ後段の
レンズ系が、一般に行われているように２段しかない場
合には、１００倍又はそれ以上の倍率を得ることが困難
となる。そこで、像面からスリット面までの距離LLが長
い場合においても、１００倍又はそれ以上の倍率を得る
ようにするため、フィルタ後段のレンズ系を３段以上に
するように構成してもよい。
【００２２】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、LL／Ｌ5 ＞２となる形状を選ぶことにより、
イソクロマティックな性質のよいオメガ型エネルギーフ
ィルタが得られた。
によれば、LL／Ｌ5 ＞２となる形状を選ぶことにより、
イソクロマティックな性質のよいオメガ型エネルギーフ
ィルタが得られた。
【図１】 本発明に係るオメガ型エネルギーフィルタの
実施の形態を説明するための図である。
実施の形態を説明するための図である。
【図２】 オメガ型エネルギーフィルタの設計パラメー
タを説明するための図である。
タを説明するための図である。
【図３】 イソクロマティックな性質の評価関数の収束
距離パラメータLL／Ｌ5 依存性を示す図である。
距離パラメータLL／Ｌ5 依存性を示す図である。
【図４】 Ｌ5 ＝４０ｍｍで固定し、LL＝６５、９５、
１３０ｍｍの場合について、スリット上の収差図形を描
いた図である。
１３０ｍｍの場合について、スリット上の収差図形を描
いた図である。
【図５】 電子光学系にオメガ型エネルギーフィルタを
組み込んだ電子顕微鏡の構成例を示す図である。
組み込んだ電子顕微鏡の構成例を示す図である。
【図６】 Ａタイプのオメガ型エネルギーフィルタの構
成を説明するための図である。
成を説明するための図である。
【図７】 Ｂタイプのオメガ型エネルギーフィルタの構
成を説明するための図である。
成を説明するための図である。
【図８】 Ａタイプのオメガ型エネルギーフィルタの基
本軌道を説明するための図である。
本軌道を説明するための図である。
【図９】 Ｂタイプのオメガ型エネルギーフィルタの基
本軌道を説明するための図である。
本軌道を説明するための図である。
【図１０】 従来型のオメガ型エネルギーフィルタの電
子軌道と、対称面、像面及びスリット面上のビーム形状
を示す図である。
子軌道と、対称面、像面及びスリット面上のビーム形状
を示す図である。
【図１１】 ０．７５、０．５、０．２５、０．１２５
°のビーム開き角についてのスリット面上、像面上のビ
ームの形を示す図である。
°のビーム開き角についてのスリット面上、像面上のビ
ームの形を示す図である。
Ｍ1 …第１の磁石、Ｍ2 …第１の磁石、Ｍ3 …第１の磁
石、Ｍ4 …第１の磁石 Ｉ…入射絞り面、Ｓ…スリット面
石、Ｍ4 …第１の磁石 Ｉ…入射絞り面、Ｓ…スリット面
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01J 49/44
H01J 49/46
H01J 49/48
H01J 37/05
H01J 37/26
Claims (4)
- 【請求項１】 エネルギー分光結像を行うためのオメガ
型エネルギーフィルタにおいて、瞳面上の像の中心付近
と周辺部のエネルギー値のずれを少なくするために、フ
ィルタの出射側端面からスリット面までの距離をＬ5 と
し、瞳面からスリット面までの距離をLLとしたとき、LL
／Ｌ5 ＞２となるようにしたことを特徴とするオメガ型
エネルギーフィルタ。 - 【請求項２】 フィルタの軌道方向ｚと磁極面に平行な
方向ｘを含むｚｘ面の結像回数を３回、磁極面に垂直な
方向ｙを含むｚｙ面の結像回数を２回とすることを特徴
とする請求項１記載のオメガ型エネルギーフィルタ。 - 【請求項３】 偏向角Φを１１０°から１２０°の範囲
としたことを特徴とする請求項１記載のオメガ型エネル
ギーフィルタ。 - 【請求項４】 エネルギー分光結像を行うためのオメガ
型エネルギーフィルタを組み込んだ電子顕微鏡におい
て、オメガ型エネルギーフィルを、瞳面上の像の中心付
近と周辺部のエネルギー値のずれを少なくするために、
フィルタの出射側端面からスリット面までの距離をＬ5
とし、瞳面からスリット面までの距離をLLとしたとき、
LL／Ｌ5 ＞２となるようにし、フィルタ後方のレンズ系
を３段以上とし、LLが長い場合においても１００倍以上
の倍率を得るようにしたことを特徴とするオメガ型エネ
ルギーフィルタを組み込んだ電子顕微鏡。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04358597A JP3400284B2 (ja) | 1997-02-27 | 1997-02-27 | オメガ型エネルギーフィルタ及び該フィルタを組み込んだ電子顕微鏡 |
| US09/032,203 US6097028A (en) | 1997-02-27 | 1998-02-27 | Energy filter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04358597A JP3400284B2 (ja) | 1997-02-27 | 1997-02-27 | オメガ型エネルギーフィルタ及び該フィルタを組み込んだ電子顕微鏡 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10241627A JPH10241627A (ja) | 1998-09-11 |
| JP3400284B2 true JP3400284B2 (ja) | 2003-04-28 |
Family
ID=12667867
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04358597A Expired - Fee Related JP3400284B2 (ja) | 1997-02-27 | 1997-02-27 | オメガ型エネルギーフィルタ及び該フィルタを組み込んだ電子顕微鏡 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6097028A (ja) |
| JP (1) | JP3400284B2 (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3571528B2 (ja) * | 1998-04-10 | 2004-09-29 | 日本電子株式会社 | エネルギーフィルタを備える電子顕微鏡 |
| DE10005347A1 (de) * | 2000-02-08 | 2001-08-09 | Leo Elektronenmikroskopie Gmbh | Elektronenenergiefilter mit magnetischen Umlenkbereichen |
| DE10020382A1 (de) * | 2000-04-26 | 2001-10-31 | Ceos Gmbh | Strahlerzeugungssystem für Elektronen oder Ionenstrahlen hoher Monochromasie oder hoher Stromdichte |
| DE10107910A1 (de) * | 2001-02-20 | 2002-08-22 | Leo Elektronenmikroskopie Gmbh | Teilchenstrahlsystem mit einem Spiegelkorrektor |
| US7022987B2 (en) | 2001-02-20 | 2006-04-04 | Carl Zeiss Nis Gmbh | Particle-optical arrangements and particle-optical systems |
| JP3867048B2 (ja) * | 2003-01-08 | 2007-01-10 | 株式会社日立ハイテクノロジーズ | モノクロメータ及びそれを用いた走査電子顕微鏡 |
| JP2006040777A (ja) * | 2004-07-29 | 2006-02-09 | Jeol Ltd | 電子顕微鏡 |
| DE102007024353B4 (de) * | 2007-05-24 | 2009-04-16 | Ceos Corrected Electron Optical Systems Gmbh | Monochromator und Strahlquelle mit Monochromator |
| US8013298B2 (en) * | 2008-07-14 | 2011-09-06 | National University Of Singapore | Electrostatic electron spectrometry apparatus |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3532699A1 (de) * | 1985-09-13 | 1987-03-26 | Zeiss Carl Fa | Elektronenenergiefilter vom omega-typ |
| EP0470299B1 (en) * | 1990-08-08 | 1996-06-26 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Energy filter for charged particle beam apparatus |
| US5097126A (en) * | 1990-09-25 | 1992-03-17 | Gatan, Inc. | High resolution electron energy loss spectrometer |
| DE4041495A1 (de) * | 1990-12-22 | 1992-06-25 | Zeiss Carl Fa | Elektronenenergiefilter, vorzugsweise vom alpha- oder omega-typ |
| JP3363718B2 (ja) * | 1995-11-28 | 2003-01-08 | 日本電子株式会社 | オメガ型エネルギーフィルター |
-
1997
- 1997-02-27 JP JP04358597A patent/JP3400284B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1998
- 1998-02-27 US US09/032,203 patent/US6097028A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10241627A (ja) | 1998-09-11 |
| US6097028A (en) | 2000-08-01 |
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|---|---|---|---|
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