JP3732533B2 - 結像用の電子エネルギーフィルタ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は特許請求の範囲の上位概念に示された結像用の電子エネルギーフィルタに関する。
【０００２】
【従来技術】
結像用電子エネルギーフィルタは、所定のエネルギー領域の電子の選択により対象結像または回折像のコントラストを改善する目的で、透過型電子けんび鏡において使用される。エレメント分布(配分配置)およびエネルギ損失スペクトルの位置合せも、この種のフィルタ装置により可能となる。
【０００３】
米国特許Ａ１−４７４０７０４号公報およびＡ１−４７６０２６１号公報に、分散素子として３つまたは４つの一様な磁界を用いるフィルタ装置が示されている。このフィルタは直視形である、即ち入射する電子路の光軸と出射する電子路の光軸とが互いに同軸関係にある。これによりこのフィルタは電子けんび鏡の中で良好に作用できる。この場合この電子けんび鏡においては安定性の理由で電子路の光軸は通常は垂直に上から下へ走行する。偏向磁界の方向へ電子を集束するために、磁極片の入射縁および出射縁は電子ビームの波面方向に対して傾斜しており、これにより磁界方向へ作用する４極子成分が生ずる。
【０００４】
この種のスペクトロメータのエネルギー選択平面における分散能は、１００ＫｅＶの電子のエネルギーの場合は約１〜２μｍ／ｅＶの値を有する。これにより約１〜２ｅＶのエネルギー幅を設定調整できる。一様な磁界中での分散は電子エネルギーの増加と共に減少する。そのため著しく高い電子エネルギーの下で、同じ最小のエネルギー幅を設定調整するためには、著しく大きい値を有するフィルタが必要とされる。その結果、電子けんび鏡において使用する場合は、電子光学的筒の長さが著しく大きくなる。そのため筒の機械的安定性が損なわれる。それと同時に幾何学的な画像エラーが増加する。何故ならば著しく大型化されたフィルタの場合は、小型のフィルタの場合に比較して、光軸から著しく離れた、軸から外れたビームが案内されるからである。
【０００５】
電子分光学のための、非一様な偏向磁界を有する磁気スペクトロメータは、例えば、Ｒｅｉｅｗ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，３２巻、１６１４（１９６１）に示されている。このスペクトロメータは唯１つのセクタ磁石を有し、その磁極片面は互いに傾斜されている。これにより形成される傾斜磁界はビーム偏向のほかにさらに、電子ビーム軸の平面に対して垂直に集束を行なわせる。しかしこのスペクトロメータの場合は、光軸は、フィルタへの入射の際とフィルタからの出射の際とは互いに同軸ではない。そのため電子けんび鏡に用いる場合は全体の構造が不安定になる。
【０００６】
電子けんび鏡における、非一様な偏向磁界を有するスペクトロメータの使用は、例えばＯｐｔｉｋ，７１巻、７３頁（１９８５）に提案されている。しかしこの刊行物は実質的に、種々異なる非一様な磁界中の電子路を対象とするだけであり、この種のフィルタの構成のための具体的な提案は何も示されていない。
【０００７】
さらにＯｐｔｉｋ，３８巻，５０２頁（１９７３）およびＯｐｔｉｋ，４０巻，１４１頁（１９７４）に既に、電子ビーム装置において２つの非一様な偏向磁界の使用が提案されている。しかしこの装置は開口エラーの補正のために用いられる。さらにこの装置の場合も電子ビームの光軸は、第１の偏向磁界の中への入射の前と第２の偏向磁界からの出射の後とでは、互いに同軸ではない。
【０００８】
【発明が解決すべき問題点】
本発明の課題は、例えば１２０ＫｅＶを上回わる著しく高い電子エネルギーの場合も、同じ小さい最小のエネルギー幅の下で、一層コンパクトな構成を許容する磁気式電子エネルギーフィルタを提供することである。
【０００９】
【課題を解決する手段】
この課題は請求項１の特徴部分に示された構成により解決されている。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によりビーム偏向用の複数個のセクタ磁石から構成される結像用の電子エネルギーフィルタが提案される。少なくとも１つの第１のセクタ磁石は一様な偏向磁界を有し、少なくとも１つの第２のセクタ磁石は非一様の偏向磁界を有する。
【００１１】
非一様の偏向磁界の使用により、１２０゜を上回わる値をとることのできる著しく大きい偏向角度が実現される。分散能は偏向磁界内の電子路の長さと共に増加するため、偏向角度が大きい場合は、著しく大きい曲率半径なしに即ち著しく大きい寸法なしに、分散能が相応に大きくなる。寸法の一層の小型化は、セクタ磁石が実質的に一様の偏向磁界を有することにより、可能となる。何故ならばこの一様な偏向磁界を電子ビームが２回、異なる方向へ通過するからである。
【００１２】
非一様な偏向磁界を有するセクタ磁石の構成のために、２つの互いに傾斜された、截頭錐体セクタ面を磁極片として設けると有利である。この場合、先を切り取られた二重錐体の面の間に、回転対称の、半径方向に外側へ拡大するくさび状のスリットが形成される。
【００１３】
本発明の有利な実施例は、一様な偏向磁界を有する第１のセクタ磁石および、それぞれ非一様の偏向磁界を有する２つの別のセクタ磁石を有する。セクタ磁石の間に磁界のない空間が形成され、この空間の中に、画像エラーを補正するための多極素子を設けることができる。
【００１４】
セクタ磁石の間隔と偏向角度とを、一様な偏向磁界中へ入射する電子の光軸とこの磁界から出射する電子の光軸とが接触するかまたは２回交差するように選定することにより、著しくコンパクトな装置が形成される。これによりフィルタ入力側とフィルタ出力側との間隔が最小化される。
【００１５】
電子けんび鏡における電子エネルギーフィルタの使用のために、電子路の光軸がフィルタに入射する際におよびフィルタから出射する際に互いに同軸に走行する。これにより安定性の向上ためフィルタは、通常のように電子けんび鏡の垂直の構造体へ最適に適合化される。
【００１６】
セクタ磁石は、わん曲された光軸の走行する平面に対して垂直な面に対称的に設けられる。この場合、フィルタ全体にわたり電子が通過する際に結像エラーの一部分が、この対称性にもとづいて消滅する。
【００１７】
セクタ磁石の磁極片が電子ビーム束の入射面および出射面において直線状であることにより、本発明による電子フィルタは著しく簡単に製造できる。さらに一様な偏向磁界中への１回目の入射の際の、および非一様な偏向磁界への入射の際およびここからの出射の際の、および一様な偏向磁界からの際後の出射の際の、光軸とセクタ磁石の磁極縁との間の入射角度および出射角度は、それぞれ９０゜にされている。これにより磁界中への入射の際の、または磁界からの出射の際の電子ビーム束の屈折が回避される。これにより走行路が著しくなめらかになり、さらにセクタ磁石の縁における集束効果が生じなくなる。これによりフィルタが調整ずれを受けにくくなる。
【００１８】
セクタ磁石の対称的な配置により定められる対称性を得る目的で結像エラーの補正のために用いられる多極レンズも、対称面に対称的に設けられる。この場合、それぞれ２つの互いに対称的に配置された多極レンズは１つの共通の制御装置を介して同様に励磁される。
【００１９】
第１のセクタ磁石の前方の入力画像平面の前方に、およびこの入力画像平面に対称的な出力側画像面の後方に、付加的に、４極子と６極子との重畳から成る多極レンズがそれぞれ配置される。４極子磁界と６極子磁界は互いに独立に設定調整可能にされる。４極レンズの変化により、非一様のセクタ磁石における連続的な４極子と関連づけて、集束化を電子路平面に垂直の方向に任意に設定調整できる。６極磁界はさらに、個別のセクタ磁石の間に配置される６極磁界の様に、画像エラーの補正のためにおよび走行路における電子ビームの集束化のために用いられる。電子路に沿っての多極素子の適切な位置定めにより、入力画像平面と出力画像平面との間に全部で７つの６極子と、および入力画像平面と出力画像平面との間に配置された重畳された両方の多極子により、１つのエネルギーフィルタが実現される。前記７つの６極子のうち１つの６極子は、対称面において第２および第３のセクタ磁石の間に配置されている。このフィルタは、全部の幾何学的画像エラーおよびそれぞれの作動形式において実質的にエネルギーに依存する２階のエラーに関して、補正されている。そのため入力画像面は非点収差のなくかつ色収差のなく高い分解能で出力画像平面へ結像される。さらに対称性にもとづいてフィルタの３次のゆがみが消滅する。
【００２０】
本発明の別の有利な実施例および適用は従属形式の請求項に示されている。電子けんび鏡たとえば透過型電子けんび鏡と関連づけて電子エネルギーフィルタを使用するためにさらに次のことは重要である。即ち画像平面とクロスオーバ平面との間隔が、即ち入力画像平面と入力回折平面との間隔が、ないし出力画像平面と出力回折平面との間隔が、電子けんび鏡の電子的光学的結像装置により与えられる間隔に適合化されることは、重要である。さらに外側の４極子は、これにより生じ得る構造エラーに起因する非点収差を補正できる利点を有する。
【００２１】
次に本発明の詳細を図面に示された実施例を用いて説明する。
【００２２】
【実施例】
図示１に示されている電子エネルギーフィルタは３つのセクタ磁石１，２，３から構成されており、それらのうち、図面平面の下側に存在する磁極片１ａ，２ａ，３ａだけが示されている。フィルタの光軸は４で示されている。この光軸４は所定の目標エネルギのための電子ビーム束の中心ビームと一致する。個々の電子に対する正確なビーム路は、セクタ磁石の中の分散にもとづいてその都度の電子エネルギーに依存しており、見やすくするためにここには図示されていない。
【００２３】
中心の電子ビーム（光軸４）は垂直の軸線に沿って上方から電子エネルギーフィルタの中へ入射する。垂直に上から下へ走行する電子ビーム路を有する透過型電子けんび鏡内にフィルタを取り付ける場合、フィルタの光軸４は、フィルタの入射の際およびこれからの出射際に電子けんび鏡の光軸と一致する。該透過型電子顕微鏡は、ここでは図示されていない。この場合、入力側画像平面Ｂｅは電子けんび鏡の中間画像平面と一致し、入力側回折画像平面Ｄｅは電子けんび鏡の回折平面と一致する。電子けんび鏡の結像側領域におけるフィルタの正確な配置は米国特許願第Ａ１４８１２６５２号公報に詳述されているため、これに関してはこの公報を参照のこと。
【００２４】
第１のセクタ磁石１の磁極片１ａは内側において平らな平行の磁極面を有する。両方の別のセクタ磁石２，３の磁極片２ａ，３ａは、截頭二重錐体である。磁極片１ａ，２ａ，３ａの縁領域に、周回する溝１ｂ，２ｂ，３ｂが、ここには図示されていない励磁コイルを収容するために設けられている。溝１ｂ，２ｂ，３ｂおよびこれにより形成された周回する縁領域１ｃ，２ｃ，３ｃの中への励磁コイルの挿入により、セクタ磁石の外側に現われる漂遊磁界が著しく低減されている。
【００２５】
第１のセクタ磁石１の中には一様な偏向磁界が発生される。この目的でセクタ磁石１は、図１の図面平面に平行な２つの平面に配置されている、平らな磁極片面を有する２つの磁極片を有する。光軸４に沿って偏向磁界の入射縁１ｄに垂直に目標エネルギーを持って入射する電子は、磁極片１ａの間で図面平面に垂直な磁界により曲率半径Ｒ１の円軌道へ偏向される。入射縁１ｄにおける入射と出射縁１ｅにおける出射との間に、光軸４は相応の円弧区間を約１３５゜の角度をなして走行する。そのため第１のセクタ磁石から出る電子ビーム束の光軸は、入射する電子ビーム束の光軸から、偏向角度φ＝１３５゜だけ偏向する。この著しく大きい偏向角度φにより、所定の偏向半径Ｒ１の場合の第１の偏向領域内での電子ビーム束の走行路の長さは著しく大きくなる、したがって第１の偏向領域内での分散も著しく大きくなる。
【００２６】
光軸４と一様なセクタ磁石１の出射縁１ｅとの間の傾斜により、電子線ビーム束は磁界方向へ集束される。この集束作用は、光軸４が出射縁１ｅに対して垂直であるときは、セクタ磁石１の後方の付加的な４極子により発生できる。
【００２７】
第１の偏向磁界からの出射後に電子はまず最初に、３つの６極子６ａ，７ａ，８ａが設けられている磁界のない中間室を通過し、続いて第２のセクタ磁石の偏向磁界の中へ入射する。第２のセクタ磁石の内部の偏向磁界は、２つの互いに傾斜する磁極片２ａ，２ｆ（図２）の間に発生される非一様な傾斜磁界である。
【００２８】
図１の図面平面に対して垂直な、図２の断面図において電子ビーム路の光軸は同じく４で示されている。錐体状の磁極片面２ａ，２ｆの凹欠２ｂの中へ挿入されたコイル体は十字格子状の線により示されている。
【００２９】
錐体面２ａ，２ｆの両方の母線の間の傾斜角度αは約４゜である。全体のセクタ磁石２は、光軸４の平面に垂直な軸１３を中心とする回転により形成される。錐体面２ａ，２ｆの両方の母線の光点１２は、光軸４から見て、軸１３の後方に位置する。
【００３０】
両方の磁極片面２ａ，２ｆの傾斜により、磁極片の間のくさび状のスリットの中に傾斜磁界が形成される。図２には記入されていない磁力線は、錐体面２ａ，２ｆの母線の交点１２を中心とする円弧区間である。この場合、磁界の強さは外側の方向（Ｘの正の方向、図１と図２における互いに対応する座標系を比較せず）へ増加してゆくスリットの幅にもとづいて、減少する。傾斜磁界は２極磁界の作用を有し、この傾斜磁界に付加的に４極磁界が重畳される。２極磁界は、一様な偏向磁界の２極磁界の様に、円形路区間における電子ビーム路の偏向とＸ方向への集束化を行なわせる。重畳された４極子成分は付加的に電子ビーム束を、図１の図面平面へ垂直なｙ方向への集束する。
【００３１】
さらに図１に示されている様に光軸４は、入射縁２ｄにおいて第２の偏向磁界の中への入射の際に、および出射縁２ｅにおいて第２の偏向磁界からの出射の際に、それぞれ入射縁２ｄおよび出射縁２ｅに対して垂直になる。第２の偏向磁界からの出射後は電子ビームの光軸は第１の偏向磁界への入射前の光軸と平行に走行して、次に第３のセクタ磁石３の同じく非一様な勾配磁界の中を通過し、次に第１のセクタ磁界１の一様な偏向磁界の中を通過し、ここで電子ビームは出射縁１ｆから出射する。
【００３２】
フィルタ全体はビーム路平面（図１の図面平面）に垂直な中心平面５に対称的に構成されている。そのため第３のセクタ磁石３の構造は、この対称の第２のセクタ磁石２の構造から、平面５における鏡対称化により形成される。第３のセクタ磁石３と第１のセクタ磁石１との間に３つの別の６極子８ｂ，７ｂ，６ｂが、対称平面５に対して６極８ａ，７ａ，６ａに対称的に設けられている。別の６極子９が、第２のセクタ磁石２と第３のセクタ磁石３との間に、対称平面５に設けられている。この個所に入力側面像平面Ｂｅの実像の中間像も存在する。
【００３３】
フィルタの入力側画像平面Ｂｅの前方およびこのＢｅに対して、対称面５に関して鏡対称の出力側画像平面Ｂａの後方に、さらに２つの別の多極子１０，１１が設けられている。これらの両方の多極子１０，１１の各々は、６極子と４極子との重畳から形成される。これらの多極子はそれぞれ互いに独立に励磁される。この電子エネルギーフィルタは入力側画像平面Ｂｅを非点収差なくかつ色収差補正の下に出力側画像平面Ｂａの中へ結像する。同時にこのフィルタは入力側回折面Ｄｅを分散的に出力側回折面Ｄａへ結像する。個々のセクタ磁石１，２，３の間の間隔は、３つの所属の偏向領域において同一の偏向角度へ、次のように適合化される。即ち電子路が第１のセクタ磁石１の中を１回目に通過する際に、およびセクタ磁石１の中を２回目に通過する際に、２回交差するように、適合化される。これにより入力側画像平面Ｂｅと出力側画像平面Ｂａとの間の間隔が、電子けんび鏡の光軸に沿って測って、著しく小さくなる。そのためけんび鏡の電子的光学的円柱体は本発明のフィルタの組み込みによりわずかしか延長されず、さらに装置全体の機械的安定性が実質的に不利な影響を受けない。
【００３４】
多極子１０，１１の中で発生される磁界が変化されることなく（分散的な）回折面における著しいエラーが補正できる。全体的に、９つの多極子６ａ，７ａ，８ａ，９，８ｂ，７ｂ，６ｂ，１０，１１の適切な設定調整により、２次の全部の幾何学的画像エラーおよびの著しいエネルギー依存性の２階のエラーを補正できる。
【００３５】
しかしフィルタ構成全体は中心平面５に対して対称であるため、必ずしも全部の多極素子を個別に制御可能にする必要はない。多すぎる製造技術費用および多すぎる調整費用を回避する目的で、それぞれ互いに対称的に設けられる多極素子ならびに第２および第３のセクタ磁石を、それぞれ１つの共通の電流制御を介して励磁すると有利である。
【００３６】
フィルタの良好な補正特性にもとづいて、および著しく高い電子エネルギーの際も著しく大きい分散能にもとづいて、このフィルタは、出力回折面Ｄａの中の選択絞りの挿入により、画像における著しく良好なエネルギー分解能を形成させる。２００ＫｅＶの電子エネルギーの場合、フィルタの全部の分散能は約１０μｍ／ｅＶの値を有する。その結果、開口直径１μｍの選択絞りによりさらにエネルギー幅０．１〜０．２ｅＶが設定調整可能となる。高いエネルギー分解能により、この分解能を制限する、電子けんび鏡の対物レンズの色誤差も低減される。そのため分解能および画像コントラストが改善される。分解能利得は、補正されない対物レンズの場合は約２０％までであり、球面的に補正された対物レンズの場合は３倍の値を有する。
【００３７】
例えばセクタ磁石の縁における屈折の回避による滑らかな電子ビーム路により、このフィルタは調整ずれの影響をほとんど受けなくなる。
【００３８】
前述の実施例のいくつかの構成を総括する。
【００３９】
光軸４は、フィルタに入射する際とフィルタから出射する際とは同軸に走行する。さらにセクタ磁石１，２，３は、光軸４の存在する平面に対して垂直な平面５に対称的に設けられている。
【００４０】
入射する光軸４の方向へ見て、入力画像平面Ｂｅの手前に、およびこのＢｅに対称的な出力画像平面Ｂａの後方に、４極子と６極子の重畳からそれぞれ形成される多極レンズ１０，１１が配置されている。４極子磁界と６極子磁界は互いに独立に設定調整される。
【００４１】
セクタ磁石１，２，３の間に設けられる多極レンズ６ａ，７ａ，８ａ，９，８ｂ，７ｂ，６ｂが６極子として構成されている。
【００４２】
各々の偏向磁界における偏向角度は９０゜よりも大きくされている、例えば１１５゜よりも大きくされている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフィルタの実施例を、光軸を含む平面において示す横断面図である。
【図２】傾斜された磁極片面を有するセクタ磁石を、図１に垂直な平面から見た横断面図である。
【符号の説明】
１，２，３ セクタ磁石、 １ａ，２ａ，３ａ 磁極片、 ４ 光軸、 Ｂｅ入力側画像平面、 Ｄｅ 入力側回折平面、 １ｂ，２ｂ，３ｂ 溝、 １ｃ，２ｃ，３ｃ 縁の領域、 Ｒ１ 曲率半径、 １ｄ 入力側縁、 １ｅ 出力側縁、 ６ａ，７ａ，８ａ，９ ６極子、 ５ 中心平面、 Ｂａ 出力側画像平面、 １０，１１ 多極素子、 ｄａ 出力側回折平面

Claims (7)

1. ビーム偏向用の複数個のセクタ磁石（１，２，３）から構成されており、少なくとも１つの第１のセクタ磁石（１）が一様な偏向磁界を有し、さらに少なくとも１つの第２のセクタ磁石（２，３）が非一様の偏向磁界を有することを特徴とする、結像用の電子エネルギーフィルタ。
2. 少なくとも３つのセクタ磁石（１，２，３）が設けられており、少なくとも２つのセクタ磁石（２，３）がそれぞれ１つの非一様な偏向磁界を有する、請求項１記載の電子エネルギーフィルタ。
3. 光軸（４）におけるビームは、電子エネルギーフィルタへの入射の際および電子エネルギーフィルタ外へ出射の際に一様な偏向磁界の中を通過し、該光軸は該一様な偏向磁界中で互いに接触するかまたは２回交差する、請求項１又は２記載の電子エネルギーフィルタ。
4. 第２または、第２と第３のセクタ磁石（２，３）がそれぞれ、交点（１２）から始まって半径方向へ拡大してゆく、磁極片面（２ａ，２ｆ）の間のスリットを有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の電子エネルギーフィルタ。
5. 第２および第３のセクタ磁石（２，３）が截頭錐体のセクタ面（２ａ，２ｆ）として構成されている、請求項４記載の電子エネルギーフィルタ。
6. セクタ磁石（１，２，３）は、それぞれ直線状の入射縁および出射縁（１ｄ，２ｄ，３ｄ，１ｅ，２ｅ，３ｅ，１ｆ）を有し、
   一様な偏向磁界中への１回目の入射の際、および非一様な偏向磁界中への入射と該非一様な偏向磁界からの出射の際、および一様な偏向磁界からの最後の出射の際、光軸（４）とセクタ磁石（１，２，３）の入射縁（１ｄ，２ｄ，３ｄ）および出射縁（２ｅ，３ｅ，１ｆ）との間の入射角度および出射角度は、それぞれ９０゜の値を有する請求項１から５までのいずれか１項記載の電子エネルギーフィルタ。
7. 偏向磁界の外側に複数個の多極レンズ（６ａ，６ｂ；７ａ，７ｂ；８ａ，８ｂ；９）が、光軸（４）の平面に対して垂直である該電子エネルギーフィルタの中央平面（５）に対して対称的に配置されており、
   それぞれ互いに対称的に配置されている該多極レンズ対（６ａ，６ｂ；７ａ，７ｂ；８ａ，８ｂ）は、それぞれ共通の電流源によって励磁される、請求項６記載の電子エネルギーフィルタ。

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