JP3692011B2 - Magnetic field type energy filter - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の磁界領域を有し入射窓から出射スリットまでの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタに関する。
【0002】
【従来の技術】
図4は電子光学系にオメガ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5はAタイプのオメガエネルギーフィルタの構成を説明するための図、図6はBタイプのオメガエネルギーフィルタの構成を説明するための図、図7はAタイプのオメガエネルギーフィルタの基本軌道を説明するための図、図8はBタイプのオメガ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】
電子顕微鏡に接続して用いられるエネルギーフィルタとしては、オメガフィルタやキャスターンヘンリー(Castain-Henry)型フィルタ等のインコラム型と呼ばれるエネルギーフィルタが、鏡筒をまっすぐ一直線状に保ったまま電子顕微鏡内に組み込めるために盛んに用いられている。電子光学系にオメガエネルギーフィルタを組み込んだ電子顕微鏡では、図4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を通して試料14に照射し、対物レンズ13、中間レンズ15、入射窓16、オメガエネルギーフィルタ17、出射スリット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、M2、M3、M4(ビームの回転半径R1、R2、R3、R4)にビームを次々と偏向させながら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5及び図6に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。ここで、入射ビームと出射ビームとが同一直線上に並ぶような直線あるいは入射窓と出射スリットとを通る直線を「直線軸」と呼び、図5及び図6に示すようなフィルタの磁界で偏向を受けたビームの中心の軌道を「フィルタの中心軌道を示す光軸」と呼ぶこととする。
【0004】
このようにオメガ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あるいは後方に挿入した装置は、電子線エネルギー分光結像法(electron spectroscopic imaging、ESI)のための装置として用いられる。オメガエネルギーフィルタやアルファ型エネルギーフィルタ等の装置では、入射ビームの光軸と出射ビームの光軸とが一直線上にあり複数の磁界領域を有し入射窓から出射スリットまでの電子ビームの軌道を偏向するため、結像レンズ系の中間に挿入して用いられ、インコラム型のESI装置と呼ばれている。これに対して、単一セクター型磁石と、多極子補正装置を組み合わせたフィルタは、出射ビームの光軸が入射ビームからおよそ90°の方向に変化するため、顕微鏡筒の後ろに設置され、ポストコラム型のフィルタと呼ばれる。
【0005】
オメガエネルギーフィルタは、インコラム型フィルタの代表的なものであり、このフィルタは、元々キャスターンヘンリー型フィルタと呼ばれた磁界プリズム−静電ミラー−磁界プリズムの組み合わせからなるインコラム型フィルタの静電ミラーを磁界プリズムで置き換えて、すべての偏向要素を磁界で構成したものに始まる。そこで1970年代にフランスで開発されたフィルタは、3つの磁界で構成されていたが、その後ドイツでフィルタの収差理論などの研究が行われ、3つの磁石を用いるよりも、4つの磁石を用いる方が有利であることが明らかにされ、その後の研究は4つの磁石を用いる系で検討がなされた。
一様場を有するセクター型磁石では、磁極面に並行な方向x、即ちエネルギー分散を生じる方向にはビームの収束作用を有するものの、磁界方向yには収束作用はない。そこでオメガエネルギーフィルタの場合、磁極端面に傾斜をつけて、端面傾斜が作る4極子レンズ作用によって磁界方向の収束を得ている。図5及び図6に示した2つの例は、異なる光学設定条件の下で設計されたものであり、図5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6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、フィルタの中心軌道を示す光軸を直線に直して描いた図7に示すAタイプの軌道図及び図8に示すBタイプの軌道図において明らかである。
【0006】
ここで、xα、yβの両軌道は、最終的に蛍光板上に結ぶ顕微鏡像を形成する電子ビームの軌道である。一方、xγ、yδの両軌道は前段のレンズによってフィルタの入射窓面上にフォーカスし、フィルタ通過後、出射スリット面上にフォーカスする軌道である。電子ビームは出射スリット面上に達したところではそのエネルギーに応じて十分な分散を生じる。出射スリットによって、電子ビームは所望のエネルギー範囲のビームのみが選択される。なお、蛍光板上の像は出射スリットを通過したエネルギー範囲のビームによって形成されるが、分散を有したままではぼけの原因となるので、像面上では分散が消滅していなければならない。これはアクロマティック条件と呼ばれている。さらに、オメガエネルギーフィルタでは、中心面対称な軌道を取ることによって、像面上の開口収差と歪み収差をうち消していることが大きな特徴である。
【0007】
オメガ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、像面から出射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、入射窓面から距離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7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8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。
【0008】
このような初期条件を選ぶと、Aタイプでは、図7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8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。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
電子顕微鏡の場合、エネルギーフィルタは、電子源のエネルギーを制限して単色性の高いビームを作りだすためのモノクロメータとしての利用と、試料によって作られたエネルギーロスを測定するelectron energy loss spectroscopy(EELS)、エネルギーロスした電子を除いてゼロロス電子だけで像を作ったり、あるいはロス電子だけで像を作ったりするenergy filtered transmitted electron microscopy(EFTEM)としての利用がある。これらの用途において現在最も求められている特性は大きな分散を持つことである。
【0010】
大きな分散を作るための最も良く知られた方法はリターディングを行うことである。エネルギーフィルタは、入射電子のエネルギーに対して1/1000ないしは1/10000程度の分散を持つのが普通なので、入射電子のエネルギーを低くすればそれだけ観測できるエネルギーの分解能は向上する。しかし、このためには、エネルギーフィルタを高電圧が印加された場に配置しなければならないため、装置が複雑化したり大型化する欠点がある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するものであって、ビームパスを長くし、ビーム偏向角の絶対値の合計を大きくすると共に、コンパクトな形状を実現できるようにするものである。
【0012】
そのために本発明は、複数の磁界領域を有し入射窓から出射スリットまでの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタにおいて、少なくとも4個の磁界領域を有し、2個目と3個目の磁界領域の中間位置に回転対称軸を有し、2個目と3個目の磁界領域の間を境にして磁界の極性が反転し、1個目と2個目の磁界領域で磁界の極性が反転し、前記各磁界領域のビーム偏向角の絶対値の合計を540°超とし、また、直線軸の左右両側に偏向磁石を有し、前記各磁界領域のビーム偏向角の絶対値の合計を540°超あるいはおよそ720°とすることを特徴とするものである。
【0013】
【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は本発明に係る磁界型エネルギーフィルタの実施の形態を示す図、図2は本発明に係る磁界型エネルギーフィルタのシミュレーション結果に基づいた基本軌道を説明するための図である。
【0014】
図2(a)は、入射窓面上に投影された顕微鏡像を形成する電子ビームの軌道を表す。入射窓面上で顕微鏡像を結んだ電子ビームは、合計4回クロスオーバを結んだ後、出射スリット面上で再び顕微鏡像を結ぶ。図2(b)は、入射窓を通過した電子ビームの内の特定の(2つの)エネルギの電子ビームの軌道を示す。入射窓を通過した電子ビームは、3回フォーカスを結んだ後、出射スリット面上で4度目のフォーカスを結ぶ。電子ビームのエネルギが異なると、電子ビームは異なる軌道を描いて、出射スリット面上の異なる位置にフォーカスを結ぶ。従って、出射スリットによって、所望のエネルギの電子ビームのみを選択することができる。図2(c)は、顕微鏡像を形成する電子ビームの軌道の磁極面に並行な方向の軌道xαを表す。図2(d)は、顕微鏡像を形成する電子ビームの軌道の磁界方向の軌道yβを表す。図2(e)は、所望のエネルギの電子ビームの軌道の磁極面に並行な方向の軌道xγと光軸に沿った分散の大きさ(xχ)を表す。図2(f)は、所望のエネルギの電子ビームの軌道の磁界方向の軌道yδを表す。
【0015】
図1において、M1〜M4は磁石、Iは入射窓、Sは出射スリットを示す。以下図1における動作を電子ビームの軌道に沿って説明する。電子ビームは図の矢印で示す光軸の方向に沿って入射し、入射窓I面上にクロスオーバー(フォーカス)を結んだ後、フィルタに入射する。入射窓Iを通過した電子ビームは、偏向角がφ1である磁石M1に入射し、φ1だけ偏向されて(図では時計方向の偏向として描かれている)出射し、フィルタによる最初のフォーカスを結ぶ。次いで電子ビームは、偏向角がφ2である磁石M2に入射し逆方向(図では反時計方向)にφ2だけ偏向されて出射する。磁石M2を出射した電子ビームは、直線軸と電子ビーム軌道と交わる点Oを通過する。そして、この点O近傍で2度目のフォーカスを結ぶ。点Oを通過した電子ビームは、直線軸の反対側にある偏向角がφ3である磁石M3に入射し、時計方向にφ3だけ偏向されて出射し、3度目のフォーカスを結ぶ。ここでφ3=−φ2である。次いで磁石M3を出射した電子ビームは、偏向角がφ4である磁石M4に入射し、反時計方向にφ4だけ偏向されて出射する。ここでφ4=−φ1である。磁石M4を出射した電子ビームは、出射スリットに達し、出射スリット面上で4度目のフォーカスを結ぶ。4度目のフォーカスを結んで出射スリットに達した電子ビームは、そのエネルギの違いによって、十分に分散している状態になっている。従って、電子ビームは出射スリットで所望のエネルギのみの電子ビームが出射スリットを通過してフィルタを出射する。
【0016】
ここで、磁石M2と磁石M3との中間の位置にあるO点を中間点と呼ぶ。そして、この点を通って紙面に垂直な軸は、このフィルタの2回の回転対称軸(あるいは2回の回転軸)になっている。即ち、このフィルタは、O点を通る軸の2回の回転対称になっている。
【0017】
この様に、本発明に係る磁界型エネルギーフィルタでは、直線軸の両側に磁石が配置され、しかもそれらは2回の回転対称となっているので、オメガフィルタやアルファフィルタなど、従来のフィルタが直線軸の片側だけに磁石を有していたものと比べると、フィルタの入口と出口との距離、つまり入射窓Iと出射スリットSとの距離Dを長くすることなく、ビームパスを長くし、ビーム偏向角の絶対値の合計を大きくすることができる。
【0018】
従って、上記のようにした本発明に係る磁界型エネルギーフィルタによれば、従来のオメガフィルタに比べて形状がよりコンパクトになる。しかも、磁石のビーム偏向角は、図1に示す構成の場合で、入射側から順に110°、−250°、250°、−110°とすると、偏向角の絶対値の合計は、720°になる。このビーム偏向角は、アルファフィルタの2倍に増大している。また、従来のオメガフィルタでも、実用的な偏向角の限界を4個の磁石でそれぞれ125°とし、125°、−125°、−125°、125°としても、偏向角の絶対値の合計は500°となるので、およそ1.4倍に増大している。
【0019】
これまで提案された従来のエネルギーフィルタは、磁界1〜4の4つの磁界領域から成る場合、すべて対称面を挟んだ磁界2と磁界3の磁界極性が同一である。本発明において新たに提案する磁界型エネルギーフィルタ(これをSフィルタと呼ぶ。)では、回転対称軸を境にして磁界2と磁界3の磁界の極性が反転している。
【0020】
なお、図1および図2では偏向角の絶対値の合計が720°になる例を示したが、磁界1と磁界2の磁界の極性も反転しているSフィルタにおいては、偏向角の絶対値の合計が540°超になるようにすれば、フィルタの入口と出口との距離つまり入射窓Iと出射スリットSとの距離Dを長くすることなくビームパスを長くしビーム偏向角の絶対値の合計を大きくするという目的を達することができる。
【0021】
もうひとつの重要な特性は、xγ軌道が光軸と交わる回数である。一般に、xγ軌道がフィルタの中心軌道を示す光軸と交わる回数が多いほど、分散が大きくなると考えてよい。従来のオメガフィルタのxγ軌道がフィルタの中心軌道を示す光軸と交わる回数は、図5のAタイプも図6のBタイプも図7および図8の図中に矢印で示す様に、共に3回である。これに対して、本発明のフィルタは、図2(e)に矢印で示す様に4回である。
【0022】
図3は本発明に係る磁界型エネルギーフィルタの他の実施の形態を示す図であり、M5〜M8は磁石、Iは入射窓、Sは出射スリットを示す。図3において、入射窓のあるビーム入射側の磁石M5、M6を共に同一のビーム偏向方向となるような磁界として、出射スリットのある出射側の磁石M7、M8は、ビーム偏向方向は磁石M5、M6とは逆となるような磁界にして、2回の回転対称になるように配置したものである。つまり、磁石M5、M6のビーム偏向角φ5、φ6に対し、磁石M7、M8のビーム偏向角φ7(=−φ6)、φ8(=−φ5)としたものである。これを8字型フィルタと呼ぶことにする。この8字型フィルタにおいては、ビーム偏向角の絶対値の合計はおよそ720°となる。
【0023】
補足すると、図1に示した本発明に係る磁界型エネルギーフィルタはオメガフィルタのひとつの変形であり、図3に示した本発明に係る磁界型エネルギーフィルタがアルファフィルタの変形であるといえる。
【0024】
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、オメガフィルタやアルファフィルタを変形して直線軸の両側に2回の回転対称に成るよう磁石を配置したが、直線軸の一方の側にオメガフィルタの変形即ちSフィルタを採用し、直線軸の反対側にアルファフィルタの変形即ち8字型フィルタを採用するなど、直線軸の両側で異なるタイプの磁石を組み合わせて構成してもよい。
【0025】
また、上記実施の形態では、4個の磁石M1〜M4、M5〜M8からなる構成で説明したが、本発明は、磁界型エネルギーフィルタは、4つの磁界領域で構成することを示したものであり、例えば図1に示す磁石M2、M3や図3に示す磁石M6、M7のいずれかあるいは全てを2分割して構成(例えば、M2をM2−1とM2−2の2つに分割)してもよいことはいうまでもない。つまり、磁石を分割してその間に磁石のないドリフト空間を挿入しても本質的には同じだからである。
【0026】
【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、複数の磁界領域を有し入射窓面から出射スリット面までの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタにおいて、少なくとも4個の磁界領域を有し、2個目と3個目の磁界領域の中間に位置する回転対称軸を境にして磁界の極性が反転し、1個目と2個目の磁界領域で磁界の極性が反転し、前記各磁界領域のビーム偏向角の絶対値の合計を540°超とし、また、直線軸の左右両側に偏向磁石を有し、前記各磁界領域のビーム偏向角の絶対値の合計を540°超あるいはおよそ720°とするので、従来のオメガエネルギーフィルタやアルファエネルギーフィルタに比べて、ビームパスを長くし偏向角の絶対値の合計を大きくすることができ、しかも、入射窓から出射スリットまでの距離を短くし、コンパクトな形状のエネルギーフィルタを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る磁界型エネルギーフィルタの実施の形態を示す図である。
【図2】 本発明に係る磁界型エネルギーフィルタの基本軌道とその比較を説明するための図である。
【図3】 本発明に係る磁界型エネルギーフィルタの他の実施の形態を示す図である。
【図4】 電子光学系にオメガ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。
【図5】 Aタイプのオメガエネルギーフィルタの構成を説明するための図である。
【図6】 Bタイプのオメガエネルギーフィルタの構成を説明するための図である。
【図7】 Aタイプのオメガ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。
【図8】 Bタイプのオメガ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。
【符号の説明】
M1〜M4…磁石、I…入射窓、S…出射スリット
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetic energy filter that has a plurality of magnetic field regions and deflects the trajectory of an electron beam from an entrance window to an exit slit.
[0002]
[Prior art]
4 is a diagram showing a configuration example of an electron microscope in which an omega energy filter is incorporated in an electron optical system, FIG. 5 is a diagram for explaining a configuration of an A type omega energy filter, and FIG. 6 is a diagram of a B type omega energy filter. FIG. 7 is a diagram for explaining the configuration, FIG. 7 is a diagram for explaining the basic trajectory of the A type omega energy filter, and FIG. 8 is a diagram for explaining the basic trajectory of the B type omega energy filter.
[0003]
As an energy filter used in connection with an electron microscope, an in-column type energy filter such as an omega filter or a Casttain-Henry type filter is used in the electron microscope while keeping the lens barrel straight. It is actively used to incorporate it into In an electron microscope incorporating an omega energy filter in an electron optical system, as shown in FIG. 4, an electron beam generated by an electron gun 11 is irradiated onto a sample 14 through a condenser lens 12, and an objective lens 13, an intermediate lens 15, and an incident window 16 are irradiated. The observation image of the sample is projected onto the fluorescent plate 20 through the omega energy filter 17, the exit slit 18, and the projection lens 19. This omega energy filter allows an incident beam to pass through four magnets M1, M2, M3, and M4 (beam rotation radii R1, R2, R3, and R4) arranged in an Ω-shaped orbit while sequentially deflecting the beam. And the outgoing beam are arranged on the same straight line, and FIG. 5 and FIG. 6 show two examples of the shape of the magnet pole piece and the electron trajectory. Here, a straight line in which the incident beam and the outgoing beam are arranged on the same straight line or a straight line passing through the incident window and the outgoing slit is called a “linear axis” and is deflected by the magnetic field of the filter as shown in FIGS. The center trajectory of the received beam is referred to as an “optical axis indicating the center trajectory of the filter”.
[0004]
The apparatus in which the omega energy filter is inserted in the middle or rear of the imaging lens system of the transmission electron microscope is used as an apparatus for electron spectroscopic imaging (ESI). In devices such as omega energy filters and alpha-type energy filters, the optical axis of the incident beam and the optical axis of the outgoing beam are in a straight line and have a plurality of magnetic field regions, and deflect the trajectory of the electron beam from the entrance window to the exit slit. Therefore, it is used by being inserted in the middle of the imaging lens system and is called an in-column type ESI device. On the other hand, a filter combining a single sector magnet and a multipole correction device is installed behind the microscope tube because the optical axis of the outgoing beam changes in the direction of about 90 ° from the incident beam. It is called a column type filter.
[0005]
The omega energy filter is a typical in-column type filter, and this filter is a static type of in-column type filter that is a combination of a magnetic prism, an electrostatic mirror, and a magnetic prism, originally called a caster Henry filter. The electromirror is replaced with a magnetic prism and all deflecting elements start with a magnetic field. Therefore, the filter developed in France in the 1970s consisted of three magnetic fields, but research on the aberration theory of the filter was later conducted in Germany, and four magnets were used rather than three magnets. Was found to be advantageous, and subsequent work was studied in a system using four magnets.
A sector magnet having a uniform field has a beam converging effect in a direction x parallel to the magnetic pole surface, that is, a direction in which energy dispersion occurs, but has no converging effect in the magnetic field direction y. Therefore, in the case of the omega energy filter, the magnetic pole end face is inclined, and the convergence in the magnetic field direction is obtained by the quadrupole lens action produced by the end face inclination. The two examples shown in FIGS. 5 and 6 are designed under different optical setting conditions, and image formation is performed three times in both the parallel direction x and the magnetic field direction y to the magnetic pole surface shown in FIG. A type that performs image formation three times in the parallel direction x and two times in the magnetic field direction y is called the B type. The difference in the basic optical system is apparent in the A-type orbit diagram shown in FIG. 7 and the B-type orbit diagram shown in FIG. 8 in which the optical axis indicating the center orbit of the filter is straightened.
[0006]
Here, both the trajectories xα and yβ are trajectories of an electron beam that finally form a microscopic image to be connected to the fluorescent screen. On the other hand, both the trajectories xγ and yδ are focused on the entrance window surface of the filter by the front lens, and after passing through the filter, focus on the exit slit surface. When the electron beam reaches the exit slit surface, the electron beam is sufficiently dispersed according to its energy. By the exit slit, only a beam having a desired energy range is selected as the electron beam. Note that the image on the fluorescent plate is formed by a beam in the energy range that has passed through the exit slit. However, the dispersion must be extinguished on the image plane because it causes blurring if the dispersion remains. This is called an achromatic condition. Further, the omega energy filter is characterized in that the aperture aberration and distortion aberration on the image plane are eliminated by taking a center plane symmetrical trajectory.
[0007]
The omega energy filter uses a plane between the second magnet M2 and the third magnet M3 as a symmetry plane (center plane) in order to reduce some of the secondary aberrations to zero and to reduce the remaining aberrations. The beam trajectory is designed to be symmetric. That is, when the distance from the image plane to the exit slit plane is LL, the image plane of the incident beam is adjusted so as to be located at a distance LL from the incident window plane. Under such conditions, the difference between the A type and the B type is that, in the orbit in the y direction (magnetic field direction), the A type is yβ = 0 and yδ ′ = 0 on the symmetry plane as shown in FIG. On the other hand, the B type has yβ ′ = 0 and yδ = 0 on the symmetry plane as shown in FIG. Here, “′” is the derivative with respect to z, that is, the inclination of the orbit. The x trajectory is the same condition for both beams, and xα = 0 and xγ ′ = 0 on the symmetry plane for both types.
[0008]
When such an initial condition is selected, in the A type, the xγ trajectory is focused three times as shown in FIG. 7, whereas in the B type, the xδ trajectory is focused three times. However, in the B type, as shown in FIG. Is focused three times, but yδ is focused only twice. That is, the image is turned over. It has long been known that there are two types of omega energy filters.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the case of an electron microscope, the energy filter is used as a monochromator for limiting the energy of the electron source to produce a highly monochromatic beam, and electron energy loss spectroscopy (EELS) for measuring the energy loss produced by the sample. In addition, there is use as energy filtered transmitted electron microscopy (EFTEM) in which an image is formed only with zero-loss electrons except for electrons with lost energy, or an image is formed only with lost electrons. The most sought after property for these applications is to have a large dispersion.
[0010]
The best known method for creating large variances is to perform retarding. Since the energy filter usually has a dispersion of about 1/1000 or 1/10000 with respect to the energy of the incident electrons, the energy resolution that can be observed is improved by reducing the energy of the incident electrons. However, for this purpose, the energy filter must be arranged in a field to which a high voltage is applied, so that there is a drawback that the apparatus becomes complicated or large.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves the above-mentioned problems, and makes it possible to lengthen the beam path, increase the total absolute value of the beam deflection angle, and realize a compact shape.
[0012]
Therefore, the present invention provides a magnetic field type energy filter that has a plurality of magnetic field regions and deflects the trajectory of the electron beam from the entrance window to the exit slit, and has at least four magnetic field regions. Has a rotationally symmetric axis at the middle position of the magnetic field region, and the polarity of the magnetic field is reversed at the boundary between the second and third magnetic field regions, and the magnetic field of the first and second magnetic field regions The polarity is reversed, the sum of the absolute values of the beam deflection angles in each magnetic field region exceeds 540 °, and there are deflecting magnets on both the left and right sides of the linear axis, and the absolute value of the beam deflection angle in each magnetic field region is The total is over 540 ° or approximately 720 °.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a magnetic energy filter according to the present invention, and FIG. 2 is a diagram for explaining a basic trajectory based on a simulation result of the magnetic energy filter according to the present invention.
[0014]
FIG. 2A shows the trajectory of an electron beam that forms a microscopic image projected onto the entrance window surface. The electron beam that forms a microscope image on the entrance window surface forms a crossover four times in total, and then forms a microscope image again on the exit slit surface. FIG. 2B shows the trajectories of specific (two) energy electron beams of the electron beam that have passed through the entrance window. The electron beam that has passed through the entrance window is focused on the third time, and then focused on the exit slit surface for the fourth time. When the energy of the electron beam is different, the electron beam draws different trajectories and focuses at different positions on the exit slit surface. Therefore, only the electron beam having a desired energy can be selected by the exit slit. FIG. 2C shows a trajectory xα in a direction parallel to the magnetic pole surface of the trajectory of the electron beam forming the microscopic image. FIG. 2D shows a trajectory yβ in the magnetic field direction of the trajectory of the electron beam forming the microscopic image. FIG. 2 (e) shows the trajectory xγ in the direction parallel to the magnetic pole surface of the trajectory of the electron beam of the desired energy and the magnitude of dispersion (xχ) along the optical axis. FIG. 2 (f) shows the trajectory yδ in the magnetic field direction of the trajectory of the electron beam having the desired energy.
[0015]
In FIG. 1, M1 to M4 are magnets, I is an entrance window, and S is an exit slit. The operation in FIG. 1 will be described below along the trajectory of the electron beam. The electron beam enters along the direction of the optical axis indicated by the arrow in the figure, and after crossing over (focusing on) the entrance window I surface, it enters the filter. The electron beam that has passed through the entrance window I enters the magnet M1 having a deflection angle of φ1, is deflected by φ1 (depicted as clockwise deflection in the figure), and exits to form the first focus by the filter. . Next, the electron beam enters a magnet M2 having a deflection angle of φ2, is deflected by φ2 in the reverse direction (counterclockwise in the figure), and exits. The electron beam emitted from the magnet M2 passes through a point O that intersects the linear axis and the electron beam trajectory. Then, the second focus is set near this point O. The electron beam that has passed through the point O is incident on the magnet M3 having a deflection angle of φ3 on the opposite side of the linear axis, is deflected by φ3 in the clockwise direction, and is emitted for the third focus. Here, φ3 = −φ2. Next, the electron beam emitted from the magnet M3 enters the magnet M4 having a deflection angle of φ4, and is deflected by φ4 in the counterclockwise direction before being emitted. Here, φ4 = −φ1. The electron beam emitted from the magnet M4 reaches the exit slit and is focused on the fourth time on the exit slit surface. The electron beam that has reached the exit slit after focusing for the fourth time is in a sufficiently dispersed state due to the difference in energy. Therefore, the electron beam is emitted from the exit slit, and the electron beam having only desired energy passes through the exit slit and exits the filter.
[0016]
Here, the point O at the intermediate position between the magnet M2 and the magnet M3 is referred to as an intermediate point. The axis that passes through this point and is perpendicular to the paper surface is the two-fold rotational symmetry axis (or two-fold rotational axis) of the filter. That is, this filter is rotationally symmetric twice about the axis passing through the point O.
[0017]
Thus, in the magnetic field type energy filter according to the present invention, the magnets are arranged on both sides of the linear axis, and they are rotationally symmetric twice, so that conventional filters such as omega filters and alpha filters are linear. Compared with a magnet only on one side of the shaft, the beam path is lengthened without increasing the distance between the inlet and outlet of the filter, that is, the distance D between the entrance window I and the exit slit S. The sum of the absolute values of the corners can be increased.
[0018]
Therefore, according to the magnetic field type energy filter according to the present invention as described above, the shape is more compact than the conventional omega filter. In addition, in the case of the configuration shown in FIG. 1, if the beam deflection angle of the magnet is 110 °, −250 °, 250 °, and −110 ° in order from the incident side, the total absolute value of the deflection angle is 720 °. Become. This beam deflection angle is increased to twice that of the alpha filter. Even in the case of the conventional omega filter, even if the practical deflection angle limit is set to 125 ° with four magnets, and 125 °, −125 °, −125 °, and 125 °, the total absolute value of the deflection angle is Since it is 500 °, it is increased by about 1.4 times.
[0019]
When the conventional energy filters proposed so far are composed of four magnetic field regions of the magnetic fields 1 to 4, the magnetic field polarities of the magnetic field 2 and the magnetic field 3 sandwiching the symmetry plane are all the same. In the magnetic field type energy filter newly proposed in the present invention (referred to as S filter), the polarities of the magnetic field 2 and the magnetic field 3 are reversed with respect to the rotational symmetry axis.
[0020]
1 and 2 show an example in which the sum of the absolute values of the deflection angles is 720 °, but in the S filter in which the polarities of the magnetic fields 1 and 2 are reversed, the absolute value of the deflection angle. If the sum of the angles exceeds 540 °, the beam path is lengthened without increasing the distance between the entrance and exit of the filter, that is, the distance D between the entrance window I and the exit slit S, and the sum of absolute values of the beam deflection angles is increased. Can achieve the purpose of enlarging.
[0021]
Another important characteristic is the number of times the xγ orbit intersects the optical axis. In general, it may be considered that the greater the number of times the xγ trajectory intersects the optical axis indicating the center trajectory of the filter, the greater the dispersion. The number of times the xγ trajectory of the conventional omega filter intersects the optical axis indicating the center trajectory of the filter is 3 for both the A type in FIG. 5 and the B type in FIG. 6 as indicated by the arrows in FIG. 7 and FIG. Times. On the other hand, the filter of the present invention is four times as indicated by an arrow in FIG.
[0022]
FIG. 3 is a diagram showing another embodiment of the magnetic field type energy filter according to the present invention, wherein M5 to M8 are magnets, I is an entrance window, and S is an exit slit. In FIG. 3, the magnets M5 and M6 on the beam entrance side with the entrance window are set to have the same beam deflection direction, and the magnets M7 and M8 on the exit side with the exit slit are magnets M5 and M5, The magnetic field is opposite to that of M6 and is arranged so as to be twice rotationally symmetric. That is, the beam deflection angles φ7 (= −φ6) and φ8 (= −φ5) of the magnets M7 and M8 are set to the beam deflection angles φ5 and φ6 of the magnets M5 and M6. This is called an 8-character filter. In this 8-shaped filter, the total absolute value of the beam deflection angle is approximately 720 °.
[0023]
Supplementally, it can be said that the magnetic energy filter according to the present invention shown in FIG. 1 is a modification of the omega filter, and the magnetic energy filter according to the present invention shown in FIG. 3 is a modification of the alpha filter.
[0024]
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible. For example, in the above embodiment, the omega filter or the alpha filter is deformed and the magnets are arranged so as to be rotationally symmetrical twice on both sides of the linear axis, but the omega filter is modified on one side of the linear axis, that is, the S filter is provided. It may be configured by combining different types of magnets on both sides of the linear axis, such as adopting a modified alpha filter on the opposite side of the linear axis, that is, adopting an 8-shaped filter.
[0025]
Moreover, although the said embodiment demonstrated with the structure which consists of four magnets M1-M4 and M5-M8, this invention showed that a magnetic field type energy filter comprised by four magnetic field area | regions. Yes, for example, one or all of the magnets M2 and M3 shown in FIG. 1 and the magnets M6 and M7 shown in FIG. 3 are divided into two parts (for example, M2 is divided into two parts M2-1 and M2-2). Needless to say, it may be. That is, even if a magnet is divided and a drift space without a magnet is inserted between them, it is essentially the same.
[0026]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, in the magnetic field type energy filter having a plurality of magnetic field regions and deflecting the trajectory of the electron beam from the entrance window surface to the exit slit surface, at least four magnetic field regions. The polarity of the magnetic field is reversed at the rotational symmetry axis located between the second and third magnetic field regions, and the magnetic field polarity is reversed between the first and second magnetic field regions. The sum of the absolute values of the beam deflection angles in each magnetic field region is over 540 °, and there are deflecting magnets on both the left and right sides of the linear axis, and the sum of the absolute values of the beam deflection angles in each magnetic field region is 540 °. Compared to conventional omega energy filters and alpha energy filters, the beam path can be made longer and the total absolute value of the deflection angle can be made larger than the conventional omega energy filter or alpha energy filter. The distance can be shortened to realize a compact energy filter.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a magnetic energy filter according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining a basic trajectory of a magnetic field type energy filter according to the present invention and a comparison thereof.
FIG. 3 is a diagram showing another embodiment of the magnetic field type energy filter according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of an electron microscope in which an omega energy filter is incorporated in an electron optical system.
FIG. 5 is a diagram for explaining a configuration of an A type omega energy filter.
FIG. 6 is a diagram for explaining a configuration of a B type omega energy filter.
FIG. 7 is a diagram for explaining a basic trajectory of an A type omega energy filter.
FIG. 8 is a diagram for explaining a basic trajectory of a B type omega energy filter.
[Explanation of symbols]
M1 to M4 ... magnet, I ... entrance window, S ... exit slit

Claims (5)

複数の磁界領域(magnetic fields)を有し入射窓(entrance window)から出射スリット(exit slit)までの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタにおいて、少なくとも4個の磁界領域を有し、2個目と3個目の磁界領域の中間位置に回転対称軸(rotational symmetry axis)を有し、2個目と3個目の磁界領域の間を境にして磁界の極性が反転し、1個目と2個目の磁界領域で磁界の極性が反転し、前記各磁界領域のビーム偏向角の絶対値の合計を540°超とする磁界型エネルギーフィルタ。In a magnetic field type energy filter that has a plurality of magnetic fields and deflects the trajectory of an electron beam from an entrance window to an exit slit, it has at least four magnetic field regions, 2 It has a rotational symmetry axis at the middle position between the first and third magnetic field regions, and the polarity of the magnetic field is reversed at the boundary between the second and third magnetic field regions. A magnetic field type energy filter in which the polarity of the magnetic field is reversed between the eye and the second magnetic field region, and the sum of the absolute values of the beam deflection angles of the respective magnetic field regions exceeds 540 ° . 前記磁界領域は4個であり、各磁界領域のビーム偏向角は、入射側から順に110°、−250°、250°、−110°である請求項1記載の磁界型エネルギーフィルタ。 The magnetic field type energy filter according to claim 1, wherein the number of the magnetic field regions is four, and the beam deflection angles of the magnetic field regions are 110 °, -250 °, 250 °, and -110 ° in order from the incident side . 複数の磁界領域( magnetic fields )を有し入射窓( entrance window )から出射スリット( exit slit )までの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタにおいて、少なくとも4個の磁界領域を有し、2個目と3個目の磁界領域の中間位置に回転対称軸( rotational symmetry axis )を有し、2個目と3個目の磁界領域の間を境にして磁界の極性が反転し、1個目と2個目の磁界領域で磁界の極性が同じである磁界型エネルギーフィルタ。 In the magnetic field energy filter for deflecting the trajectory of the electron beam to the exit slit (exit Slit) from a plurality of magnetic regions (Magnetic fields) to have entrance window (entrance The entrance window), have at least four magnetic field regions, 2 a-th and the axis of rotational symmetry in an intermediate position of the 3 -th field region (rotational symmetry axis), the polarity is inverted magnetic field and between the two eyes and three eyes of the magnetic field region as a boundary, one A magnetic field type energy filter in which the polarity of the magnetic field is the same between the eye and the second magnetic field region . 前記各磁界領域のビーム偏向角の絶対値の合計をおよそ720°とする請求項3記載の磁界型エネルギーフィルタ。 4. The magnetic field type energy filter according to claim 3, wherein a total of absolute values of beam deflection angles of the respective magnetic field regions is about 720 [deg .]. 複数の磁界領域を有し入射窓から出射スリットまでの電子ビームの軌道を偏向する磁界型エネルギーフィルタにおいて、前記入射窓と前記出射スリットとを結ぶ直線軸の左右両側に偏向磁石を有し、前記各磁界領域のビーム偏向角の絶対値の合計をおよそ720°とする磁界型エネルギーフィルタ。 In the magnetic field type energy filter having a plurality of magnetic field regions and deflecting the trajectory of the electron beam from the entrance window to the exit slit, the magnet has deflection magnets on both left and right sides of a linear axis connecting the entrance window and the exit slit, A magnetic field type energy filter in which the total absolute value of beam deflection angles in each magnetic field region is approximately 720 ° .
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