JP3981414B2 - エネルギフィルタ、透過型電子顕微鏡及びエネルギを濾波するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、速度フィルタとも称される、エネルギフィルタ、透過型電子顕微鏡及びエネルギを濾波するための方法に関する。
本発明は、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）又は複合型ＴＥＭ−ＳＴＥＭ（走査透過型電子顕微鏡）、及び電子発生源に特に適用可能である。特定のＳＴＥＭ顕微鏡について本発明を使用することも可能である。
像又は回折図を形成する間の透過型電子顕微鏡の顕著な欠点は、色収差を生ずることである。基本的に、顕微鏡の可調節電磁レンズの不良に起因するこの色収差は、コントラスト及び分解能にとって有害なものである。高圧で且つ安定した電子加速電圧を印加し、また、極めて狭小なサンプルを観察することにより、色収差はある程度まで軽減することができる。
しかしながら、画像を向上させるための特に効率的で且つ正確な方法は、エネルギフィルタを使用して、分散した電子の一部分を非弾性的な方法にて除去することである。
また、所定のエネルギを失った電子を像の形成に採用することもできる。ある型式の相互作用又は化学元素の特徴的な損失を選択することにより、その相互作用の型式又はこの元素の型式のマップ図を提供する、濾波像を得ることができる。
また、エネルギを濾波することは、従来の透過型電子顕微鏡では観察できない程に厚いサンプルの像を形成することも可能にする。
エネルギフィルタは、通常、そのエネルギに対してサンプルにより透過されたビームの電子に対する空間的分散手段と、エネルギ窓の選択を可能にする濾波スロットとを備えている。像又は回折図を濾波することに加えて、エネルギフィルタは、エネルギ損失のスペクトル分析のためにも採用される。エネルギフィルタは、顕微鏡のコラム内にて計測器と一体の部品として、又は映像スクリーンの下方に付属品として、電子顕微鏡内に取り付けることができる。１９９１年ワールド・サイエンティフィック（Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ）の材料科学における電子顕微鏡、第３６３−３６８頁にバーナード・ジョフェリー（Ｂｅｒｎａｒｄ Ｊｏｕｆｆｒｅｙ）が発表した「透過型電子顕微鏡に対するエネルギ損失の分光分析（Ｅｎｅｒｇｙ ｌｏｓｓ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｆｏｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）」という題の論文、及び１９９５年スプリンガー（Ｓｐｒｉｎｇｅｒ）のエネルギ濾波透過型電子顕微鏡にハラルド・ローズ（Ｈａｒａｌｄ Ｒｏｓｅ）及びディーター・クラール（Ｄｉｅｔｅｒ Ｋｒａｈｌ）が発表した、「像エネルギフィルタの電子光学素子（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｏｐｔｉｃｓ ｏｆ ｉｍａｇｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ ｆｉｌｔｅｒｓ）」という論文４３−５５頁から公知である幾つかのフィルタに関する最近の報告書に見ることができる。
例えば、オプティック（Ｏｐｔｉｋ）Ｖｏｌ．９６、Ｎｏ．４、１６３−１７８頁にウルマン（Ｕｈｌｅｍａｎｎ）及びローズ（Ｒｏｓｅ）が発表した論文は、マンドリン型磁気エネルギフィルタを記載している。
エネルギフィルタを決定するパラメータは、μｍ／ｅＶで表わしたエネルギの分散度Ｄである。このパラメータが大きければ大きい程、フィルタの選択可能な度が大きくなる。この分散度Ｄを増大させるために、種々のエネルギフィルタが提案されている。これらエネルギフィルタは、ビームの電子が十分に長い光路に従うようにする。実際には、分散度Ｄは、特に、カバーする距離の長さと共に増大する。このため、いわゆるΩシステムにおいて、一定の垂直面内に止まる間に、この系の光軸に沿って伝播するビームは、最初に、横方向に偏向され、次に、光軸に対して略平行に光路に沿って伝播方向に進み、次に、その最初の方向と整合して後方に戻る前に、顕微鏡の光軸に向けて偏向される。
通常採用されるフィルタの問題点は、そのスペースの必要条件にある。電子を十分な高さに亙ってある距離だけ走行させることにより、フィルタの十分な分散度Ｄが実際に実現できる。現在のフィルタが必要とする垂直スペースの範囲は、６μｍ／ｅＶ以下の分散度Ｄを得るためには、全体として、２５乃至５０ｃｍである。
欧州特許出願第０，５３８，９３８号には、エネルギ選択装置が付与された電子ビーム計測器が提案されている。このエネルギ選択装置によって、電子は、計測器の光軸を含まない分散面内の経路に従うようにされる。エネルギ選択装置のこの垂直方向の必要なスペースは、次に、所定の経路長さについて著しく小さくすることができる。上記の明細書（図３）に開示された特定の実施の形態において、エネルギフィルタは、２つの対称の対角面を受け入れる略四角の図面のそれぞれのコーナ部にて、分散面内に配置された４つのビーム偏向要素を備えている。また、該フィルタは、顕微鏡の光軸のビームを分散面内にて偏向要素の１つに向けて偏向させる第一の偏向要素と、光軸と整合した別の偏向要素から入射するビームを偏向させる第二の偏向要素とを備えている。
本発明は、垂直方向の必要スペースを少なくする一方にて、広角度の分散度Ｄを生じさせ、欧州特許第０，５３８，９３８号に開示されたフィルタの分散特性を顕著に増大させることのできる、エネルギフィルタに関するものである。
本発明の別の目的は、高電圧及び低電圧にて従来の電子顕微鏡内で使用することができ、第一順位の非点収差があり、更に、僅かな色収差によってのみ影響を受ける、かかるフィルタである。
本発明の更なる目的は、高加速電圧を可能にするエネルギフィルタである。
また、本発明は、垂直方向の必要スペースを妥当なものとする一方にて、広角度の分散度Ｄを生じさせるエネルギフィルタが設けられ、特に、ＴＥＭ又はＴＥＭ−ＳＴＥＭ型の透過型電子顕微鏡にも関するものである。
また、本発明は、光軸に沿って伝播し、光軸に沿った低い高さの上方に亙って広角度の分散を生じさせる一方にて、像の形成、回折又は分光測定に適用することのできる、エネルギを濾波するための方法にも関するものである。
この目的のため、本発明は、作動中、伝播方向に向けて光軸に沿って方向決めされた電子ビームを受け取るエネルギフィルタに関する。
このエネルギフィルタは、
光軸を含まない分散面内にて、光軸に沿って受け取ったビームを偏向させる偏向装置と、
分散面内に入り込まされ（ｉｎｓｃｒｉｂｅ）且つ偏向装置に戻る光路の上で偏向装置から送られたビームを案内する分散装置であって、そのエネルギに対してビームの電子を空間的に分散させる分散装置と、を備え、
これにより、該偏向装置が、伝播方向に向けて光軸と整合した状態にて分散装置から入射するビームを後方に戻すようにする。
本発明によれば、該偏向装置は、射出するか又は入射するかどうかを問わずに、ビームを逆方向に確実に偏向させる単一の偏向要素を備えている。
本発明によるエネルギフィルタは、単一の偏向要素を備える点にて既存の系と相違している。該偏向要素は、光軸を含まない分散面内にてビームを偏向させると共に、射出するか又は入射するものか否かを問わずに、ビームを逆方向に偏向させる。このため、このエネルギフィルタの効果は特に優れる一方にて、このエネルギフィルタの必要な垂直方向へのスペースは著しく少なくなり、広角度の分散、小さい色収差及びその他の適当な光学的性質を確実にする。
「偏向装置」及び「分散装置」という表現は、双方の系の各々の主たる技術的効果に関する一般的な表現である。しかしながら、偏向装置が分散を生じさせないようにすることは、分散度がかなり少なくなる場合であっても、極めて難しい。同様に、この分散装置は、エネルギ分散程度に従うビームの偏向状態を生じさせる。
偏向装置と分散装置との間の射出経路及び入射経路は互いに対して僅かな不一致が生じる可能性はあるが、全体として同一線上である。
このように、このエネルギフィルタは、特に、分散度Ｄに関して特に満足し得る結果を提供することができる。
該分散装置は、電子ビームが光軸を取り囲む曲線ではなくて、閉曲線を描くようにする点で有利である。
従って、偏向面内にてビームによりカバーされる光路は、凸面の変化を受け入れることができ、このことは、第二順位の色収差を制限する上で特に有利なことである。
偏向装置及び分散装置は、軸線を含む対称面に対して且つ分散面に対して左右対称であることが好ましい。
この系の形態は、正確な非点収差及び収色的性質を得ることを可能にする。
このエネルギフィルタの１つの有利な実施の形態によれば、分散面は光軸に対して垂直である。
本発明によるエネルギフィルタの分散装置の１つの好適な実施の形態によれば、該エネルギフィルタは、
偏向装置から入射するビームを受け取り且つ該ビームを入射方向に沿って偏向させる第一の偏向要素と、
第一の偏向要素から入射方向に沿ったビームを受け取り、該ビームが分散面内にて円形の経路に従うようにし、該ビームを出ていく方向に沿って第一の偏向要素に向けて戻す第二の偏向要素とを備え、
第一の偏向要素が第二の偏向要素から出ていく方向に沿って入射するビームを受け取り且つ該ビームを偏向装置に向けて偏向させる。
この場合、第一の偏向要素は軸線と第二の偏向要素との間に配置される一方、第二の要素は、第一の要素が部分的に取り付けられる外側開口を備えることが有利である。
この特別な実施の形態において、分散装置は、電子ビームが光軸を取り巻く曲線ではなく、閉じた曲線を描くようにする。
この配置の１つの好適な実施の形態によれば、
第一の要素は、分散面に対して平行な一対の極片を備え、該極片の各々が六角形の形状をしており、偏向装置に面する軸線に対して垂直な大きい基部と、該大きい基部に対して直角に接続され且つ対称面に対して平行な２つの垂直な側部と、垂直な側部にそれぞれ接続された２つの傾斜側部と、前記大きい基部と反対側にあり且つ平行で、傾斜した側部に接続された小さい基部とを備えており、
第二の要素は、一対の極片を備え、該極片がそれぞれ第一の要素の極片と同一面であり、各々がクラウン状の形状をしており、対称面に形成された中心点を備え、該中心点の外側開口が、第一の要素の極片の小さい基部に面する通路を貫通してクラウン部分の内側に達し、第一の要素の極片の傾斜側部に面する、それぞれ２つの側部によりその横方向の境界が設定される。
偏向装置及び分散装置は、磁気セクタを備えることが有利であり、該軸セクタは、各々、必要な磁界を各空隙内に形成し、これにより、各空隙内の磁界が均一となるようにするため、作動及び制御手段に接続された、空隙により分離した、一対の相対する極片を備えている。
また、本発明は、本発明によるエネルギフィルタが設けられた透過型電子顕微鏡にも関するものである。
また、本発明は、光軸に沿って伝播方向に伝播する電子ビームのエネルギを濾波するための方法にも関するものである。この方法において、
ビームは、ビームの電子をそのエネルギに対して分散させ得るように光軸を含まない分散面内に略入り込んだ光路の上を案内される。
該ビームは、伝播方向に向けて軸線と整合状態に方向変更され、
エネルギ窓が空間的に選択される。
本発明によれば、分散面内にて、ビームは、同一線上で且つ反対方向を向いた入射経路及び射出経路に従うようにされる。
本発明は、単に一例として掲げたものであり、何れの方法でも限定的なものではない、本発明による電子顕微鏡の１つの実施の形態及びエネルギフィルタの以下の説明を添付図面を参照しつつ読むことにより、一層良く理解されよう。添付図面において、
図１は、本発明による透過型電子顕微鏡の縦断面の概略図である。
図２は、図１の電子顕微鏡内にて採用される、本発明によるエネルギフィルタの斜視図である。
図３は、図２のエネルギフィルタの側面図である。
図４は、図２のエネルギフィルタの平面図である。
図５は、図２乃至図４のエネルギフィルタ内で電子ビームによりカバーされる光路の概略図である。
図６Ａ及び図６Ｂは、図２乃至図４のエネルギフィルタ内の電子がそれぞれ第一及び第二の主要部分に沿って進む経路の図である。
図７Ａは、図１の電子顕微鏡によりサンプルについて得ることのできるエネルギ損失Ｅに対する強度曲線Ｉの図である。
図７Ｂは、この曲線の拡大部分の図である。
図８は、図１の電子顕微鏡の別の実施の形態の縦断面の概略図である。
図１に図示するように、透過型電子顕微鏡１は、従来通り、光軸５の周りに形成されたコラム７と、捕捉ユニット３と、処理ユニット４と、真空ポンプと、電子電源及び制御手段とを備えている。
顕微鏡１のコラム７は、上流に、電子発生源１０と、カソード１１と、アノード１２とを有する電子銃９を備えている。カソード１１とアノード１２との間に印加された加速電圧Ｖは、電子を極めて高速度にて取り出すことを可能にする。加速電圧Ｖは、通常、８０ｋＶ乃至３００ｋＶの範囲にあるが、より低電圧又はより高電圧にて作動する装置もある。
コラム７が垂直であると仮定すると、コラム７内にて頂部から底部に向けて以下の構成要素を連続的に見ることができる。すなわち、第一及び第二の組みの集光レンズ１３Ａ、１３Ｂと、サンプルホルダ１９と、一組みの対物レンズ１４と、一組みの回折レンズ１５と、一組みの中間レンズ１６と、第一及び第二の組みの投影レンズ１７Ａ、１７Ｂと、コラム７の下方部分に設けられた蛍光スクリーン１８とがある。かかる組立体は、サンプルホルダ１９に置かれたサンプル６の拡大像がスクリーン１８に表示されるため、像処理に適している。該組立体は、回折に適し、または、固定し又は固定しなくてもよい精密なプローブの作動に適している。
レンズ１３乃至１７は、その電力供給コイル内の電流を変化させる可変焦点の電磁レンズである。該電子手段は、電子銃９の高電圧発生器に電力を供給すると共に、レンズが電子ビームを収束させ又は偏向させ得るようにレンズ１３乃至１７に電力を供給する。
明確化のために図示されていないその他のレンズをコラム７に追加することが有利かもしれない。
レンズの組１６及び１７Ａの間にエネルギフィルタ２０が介在させてある。このフィルタ２０は、ビームの電子をそのエネルギに関して空間的に分散させる分散手段２１と、該分散手段２１の下流に設けられ、該分散手段を通るビーム内のエネルギ窓を選択するスロット２２とを備えている。図１において、図面の面に対して垂直な面内にて第一の順位でエネルギの分散が本質的に起こり、これにより、スロット２２は図面の面に対して垂直な方向に開く。スロット２２は、その幅に関してのみならず該スロットが中心決めされる平均エネルギに関してエネルギ窓を調節するために、幅及び位置が調節可能であることが好ましい。
コラム７の下方部分は投影チャンバ８を形成している。
従来通り、コラム７及びエネルギフィルタ２０内に、典型的には２．５×１０^-5Ｐａ程度高い負圧を付与することが必要である。
スクリーン１８に接続された捕捉ユニット３は、スクリーン１８に形成された像の正確な情報を得ることを可能にする。この顕微鏡は、電子ビームの所与のエネルギ損失Ｅに対してスクリーン１８が受け取った強さＩを測定し、また、捕捉ユニット３を使用して、対応するスペクトルを視覚化し且つ記憶することを可能にする。従って、この実施例の電子顕微鏡１のエネルギフィルタ２０は、２つの用途を有している。すなわち、スクリーン１８に形成された像を濾波することと、又はエネルギ損失スペクトルを得ることによりサンプル６を分析することとである。
作動に際しては、適宜に作製したサンプル６をサンプルホルダ１９の上に配置する。光軸５に沿って電子銃９により送られた電子ビーム７０は、組みの集光レンズ１３Ａ、１３Ｂを通過した後、入射ビーム７２の形態にてサンプル６に達する。この電子ビームは、サンプル６を通過し、透過ビーム７２となる。ビーム７２は、組みの対物レンズ１４、組みの回折レンズ１５及び組みの中間レンズ１６を透過し、分散手段２１内にてエネルギが分散される。次に、ビーム７０は、分散手段２１の出力側にて分散ビーム７３の形状となる一方、この分散ビーム７３は光軸５と整合される。次に、このビームはスロット２２によって濾波され、濾波後のビーム７４は、組みの投影レンズ１７Ａ、１７Ｂを透過した後に、スクリーン１８に達する。このようにして、広くし又は狭小とすることのできる、サンプル６の所定の範囲の像又は濾波後の回折図又はエネルギ損失のスペクトルを得ることができる。
このスペクトルは、図７Ａにおいて見得るように、エネルギ損失Ｅに対する強度Ｉの曲線１５０の形態にて表され、これにより、エネルギ損失Ｅ及び強度Ｉは、それぞれ軸線１５１、１５２と関係付けられている。薄い対象物の場合、零損失のとき、軸線１５３を中心とする損失無しの大きいピーク１５４を観察することができ、これにより、殆どの電子が原子核との弾性的な相互作用によるエネルギ損失Ｅを生ずることなく、サンプル６を透過する。損失のないピーク１５４の後には、一般には、１つ又は数個の第二のピーク値１５５が続き、それらの高さはサンプル６の厚さに依存し、次に、その後、連続する極値を許す脈動が続き、その強さＩは、徐々に低下する。また、曲線１５０の極値１５７乃至１５９（図７Ｂ）は、主ピーク１５４よりも数桁だけ弱い強いＩを示し、このため、より長い計数時間とし、これにより決定したエネルギ窓１５６内に電子が蓄積することを可能にしない限り、これら最大値を見ることはできない。
次に、分散手段２１の構造体及びその機能に関してより詳細に説明する。これらの分散手段は、基本的に、光軸５に対して垂直であり、従って水平である分散面２３の上に配置される。これら分散手段２１の全ての要素は、この分散面２３に対して左右対称である。これら要素は、光軸５を含む対称面２４に対しても左右対称である（図５）。
図２乃至図４に図示した分散手段２１は、偏向装置３０と、分散装置４０とを備えている。偏向装置３０は２つの機能を果たす。すなわち、該偏向装置は、光軸５に沿って伝送されたビーム７２を分散面２３内にて分散装置４０に向けて偏向させ、また、分散装置４０から入射するビーム７０を最初の伝播方向に向けて、光軸５と整合した状態に再偏向させる。このように、偏向装置３０は、ビーム７０が通る経路に関して、光軸と分散面２３との間の境界面を構成する。
分散装置４０は、それ自体の部品のために、偏向装置３０によって送られたビーム７０を分散面２３内に刻まれた光路８０へと案内し、そのビームを偏向装置３０に戻す。分散装置４０は、偏向装置３０から入射するビーム７０を連続的に受け取る、第一の偏向要素４１と、第二の偏向要素４２とを備えている。
偏向装置３０及び双方の偏向要素４１、４２は、それぞれ分散手段２１の３つの磁気セクタを構成する。
図示した特別な実施の形態においては、偏向装置３０は、対称面２４に対して平行な２つの極片、すなわち、電磁石３１、３２を備えている。極片３１、３２の各々は、略三角形の形状をしており、大きい基部３３と、上側部３５及び下側部３６という２つの傾斜側部とを備えている。この三角形の形状は、大きい基部３３と反対側の頂点にて、矩形の突出部が伸長しており、該矩形の突出部は、大きい基部３３に対して平行で且つ反対側である小さい基部３４と、該小さい基部３４に対して垂直で且つ該小さい基部をそれぞれ傾斜側部３５、３６に接続する２つの側部３８、３９とを備えている。基部３３、３４は、光軸５に対して平行で且つ光軸５の一側部に配置されている。
第一の偏向要素４１は、分散面２３に対して平行な２つの極片４３、４４を備えている。これら極片の各々は六角形の形状をしており、該極片の各々は、極片３１、３２の小さい基部３４に面する、光軸５に対して垂直な大きい基部５０を備えている。該極片は、また、大きい基部５０と直角に接続され且つ対称面２４に対して平行な２つの垂直な側部５１、５２と、それぞれ垂直な側部５１、５２に接続された２つの傾斜側部５３、５４と、大きい基部５０と反対側にあり且つ該大きい基部５０に対して平行で、傾斜側部５３、５４に接続された小さい基部５５とを備えている。上方極片４３及び下方極片４４は空隙４７により隔てられている。
第二の偏向要素４２は、それ自体の部品として、上方極片４５及び下方極片４６を備えており、これら２つの極片は、第一の偏向要素４１の極片４３、４４とそれぞれ同一面である。第一の要素４１は、光軸５と第二の要素４２との間に設けられる一方、第二の要素の極片４５、４６は、外側開口６１を備えており、第一の要素４１の極片４３、４４は、それぞれ該外側開口内に部分的に配置されている。極片４５、４６の各々は、開放したクラウンのような形状をしており、これらの極片は、対称面２４に配置された中心点６０を備えている。外側開口６１は、より小さい基部５５に面する通路６２を介してクラウンの内側に達し、対応する極片４３、４４の傾斜側部５３、５４にそれぞれ面する２つの側部６３、６４により横方向の境目が設定されている。極片４５、４６は、空隙４８により隔てられている。極片４５、４６のクラウン状の形状は、軽量な構造体とし、また磁界を良好に分配することを可能にする。
作動時、電子手段は、磁気セクタ３０、４１、４２の空隙３７、４７、４８の各々に対し一定で且つ好ましくは均一な磁界を付与する。サンプル６を透過したビーム７２は、光軸５に沿って偏向装置３０に達する。次に、該ビームは、極片３１、３２の間で偏向されて、半径Ｒ１の円８１の入射円弧に従って、分散面２３内へと入り込む。次に、該ビーム７０は、分散面２３と対称面２４との交点にて、入射部分８２に沿って偏向装置３０と第一の偏向要素４１との間の自由なスペースをカバーする一方、入射部分８２は、偏向方向２５を画成する。次に、ビーム７０が偏向装置３０に戻る迄にこのビーム７０によってカバーされる全ての光路は、分散面２３内に含まれる。
ビーム７０は、入射部分８２の後、第一の偏向要素４１に達し、半径Ｒ２の円弧８３を分散装置４０の内側に描いて進む。ビーム７０は、傾斜側部と共に角度ａ４を形成する方向に沿って該傾斜側部５４の１つを通って第一の要素４１から出る。次に、このビームは、傾斜側部５４と第二の偏向要素４２との間にて、分散装置４０の内部で第一の部分８４をカバーする。
次に、ビーム７０は、傾斜側部５４に面する開口６１の側部６４を介して第二の偏向要素４２に入り、中心線６０の上に中心があり且つ半径Ｒ３の円弧８５を描く。
ビーム７０がカバーする経路の他の部分は、対称面２４に対して対称に従う。このように、ビーム７０が従う光路は、第二の要素４２の側部６３と第一の要素４１の傾斜側部５３との間に第二の内側部分８６と、第一の要素４１の内側の内側円弧８７と、入射部分８２に重ね合わせた出ていく部分８８とを連続的に備えている。
ビーム７０は、偏向装置３０に達したならば、最初の伝播方向に向けて光軸５に対して再偏向され、偏向装置３０内にて、分散面２３に対して、入射円弧８１と対称である、射出円弧８９をカバーする。この円弧は分散ビーム７３の形態にて、光軸５と整合した状態にて出ていく。
ビーム７０が従う経路部分８１乃至８９の全ては、分散手段２１がカバーする光路８０を形成する。光路８０は、主として、光軸５を含まない閉じた曲線８３乃至８７と、光軸５とこの閉じた曲線との間の直線部分８２及び８８と、光軸５とこの直線部分との接続部８１、８９とを備えている。閉じた曲線の曲線変化、すなわち、一方にて、円弧８３、８５との間、他方にて、円弧８５、８７との間の変化は、第二順位の色収差を少なくすることに有利な効果を及ぼす。
フィルタ２０のパラメータを満足し得るように選択するならば、入射部分８２及び射出部分８８のこのレイアウトは、極めて満足し得る光学的特性、特に良好な分散Ｄを提供する上でかなり効果的であることが分かっている。
フィルタ２０の光学的特性は、主として、９つのパラメータによって決まる。すなわち、３つの半径Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、偏向装置３０と第一の曲げ要素４１との間の距離ｄ１、第一の曲げ要素４１と第二の曲げ要素４２との間にてビーム７２によりカバーされる距離ｄ２、上方傾斜側部３５に対する法線と伝送されたビーム７２との間にて偏向装置３０に対して画成される角度ａ１、要素の偏向角度として第一の曲げ要素４１に対して画成される角度ａ２、第一の曲げ要素４１の傾斜側部５３、５４の一方と第二の曲げ要素４２の側部６３、６４との間の角度ａ３、角度ａ４である。
フィルタ２０のこれらパラメータの特に妥当な選択は次の通りである。すなわち、Ｒ１＝２．７０ｃｍ、Ｒ２＝５．４０ｃｍ、Ｒ３＝９．９８ｃｍ、ｄ１＝３．５１ｃｍ、ｄ２＝１．５ｃｍ、ａ１＝４５．５°、ａ２＝６４．５°、ａ３＝１０°、ａ４＝８１．４°である。
関連するその他のパラメータは、空隙３７、４７、４８のそれぞれ幅ｅ１、ｅ２、ｅ３である。これらの幅ｅ１、ｅ２、ｅ３は、相反する要件の間で妥協できるように選択したものである。すなわち、これら幅が狭ければ狭い程、漂遊磁界は著しく少なくなり、従って、色収差が少なくなるが、特に、回折モードのとき、ビーム７０を開放することによる問題点はより増大する。幅ｅ１、ｅ２、ｅ３は、従来通り、２ｍｍ乃至１０ｍｍの範囲にされており、２ｍｍ程度であることが有利である。
長さＬは、偏向装置３０内で伝送されたビーム７２の入射点及び選択スロット２２の位置からの距離として決定される。説明の目的上、分散度Ｄは、長さＬがそれぞれ１８．７ｃｍ、２３．９ｃｍ、２９ｃｍの場合に、各々、６μｍ／ｅＶ、８μｍ／ｅＶ、１０μｍ／ｅＶに等しく設定する。
サンプル６により伝送されたビーム７２のエネルギ分散程度は、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、幾つかの電子の経路を考慮しつつ、具体化することができる。この実施例において、空隙３７、４７、４８の幅ｅ１、ｅ２、ｅ３は６．５ｍｍに等しく、加速電圧Ｖは２００ｋＶであり、分散度は８μｍ／ｅＶである。フィルタ２０が受け取ったビーム７２の広がり角度は１５ｍラジアン（ｒａｄ）である。
ビーム７０の特定の経路の投影像は、２つの主要部分に沿って交差する。第一の主要部分は、分散面２３内におけるビーム７０の従動と関係付けられる一方、第二の主要部分は、分散面２３に対して垂直な面内におけるビーム７０の従動に対応する。スペース及び角度は、単に明確化の目的のため、図６Ａ及び図６Ｂに特に強調してある。簡略化のため、２つの群の電子がフィルタ２０に達し、その電子の各々が一組みのエネルギ損失に対応するものと想定する。これら損失は、それぞれ３４０ｅＶ及び２４００ｅＶに等しい。
第一の主要部分（図６Ａ）においては、図示した電子は６つの異なる方向９１乃至９６に沿って偏向装置３０に達する。方向９１乃至９６は、１５ｍラジアンに等しいビームの広がり角度に等しい開口角Ａ１を有しており、また入射角度の各々に対して、２つの群にそれぞれ属する２つの電子経路が対応する。これら経路は、偏向装置３０内に配置された入射点９０にて互いに交差し、これにより、この入射点９０は、最初の収斂点、すなわち入射交点となる。この入射点にて重なり合った２つの群に沿った経路は、分離して、第一の群の電子に対する６つの経路１０１乃至１０６と、第二の群の電子に対するその他の６つの経路１１１乃至１１６とを形成する。偏向装置３０、第一の偏向要素４１、第二の偏向要素４２を通り、再度、第一の偏向要素４１、次に、偏向装置３０の電子経路を通り、再度、２つの群の経路１０１乃至１０６及び１１１〜１１６を連続的に通った後、共に、第一の点１００と該第一の点に対して垂直である図示しない第二の点にて互いに交差するように接続する一方、これらの点は、射出交点と称され，偏向装置３０の出口側に配置される。
第二の主要部分（図６Ｂ）にて同様の挙動が観察される。このように，ビーム７２の電子は、ビーム７２の開口に等しい開口角Ａ２、すなわち１５ｍラジアンの開口角の６つの方向１２１乃至１２６に沿って偏向装置３０に達する。電子経路は、第一の収斂入射点１２０にて集束し、次に、各経路に対する入射点にて重なり合わさった２つのエネルギ群は、分離して、第一の群に対する６つの電子経路１３１乃至１３６と、第二の群に対する６つの他の電子経路１４１乃至１４６とを形成する。これらの経路１３１乃至１３６及び１４１乃至１４６は、偏向装置３０、第一の偏向要素４１、第二の曲げ要素１４１、そして再び第一の偏向要素４１を連続的にカバーし、次に、偏向要素３０をカバーし、その後、２つの群の入射点１２０の、互いに垂直である２つの像点１３０、１４０にてそれぞれ収斂する。
図８に図示した本発明によるエネルギフィルタの別の実施の形態においては、顕微鏡２のコラム７の下方部分にフィルタ２０が設けられている。図８において、図１と同一の要素は同一の参照番号で示してある。
この形態において、次の要素がコラム７内にて頂部から底部に連続して配置されているのが分かる。すなわち、二組みの集光レンズ１３Ａ、１３Ｂ、サンプルホルダ１９、組みの対物レンズ１４、回折レンズ系１５、第一及び第二の組みの投影レンズ１７Ａ、１７Ｂ、スクリーン１８、中間レンズの組１６、フィルタ２０、第三の組みの投影レンズ１７Ｃ、第四の組みの投影レンズ１７Ｄである。捕捉ユニット３がコラム７の下流に配置され、処理ユニット４に接続されている。顕微鏡２のこの実施の形態の有利な点は、フィルタ２０を有する装置を簡単に既存の顕微鏡の下側に追加することができる点である。
本発明の範囲に属する興味ある実施の形態は、第二の偏向要素４２の上方プリズム４５と下方プリズム４６との間に印加される磁界は不均一なものとなるが、一定の勾配を付けることを可能にする。この勾配は、プリズム４５、４６の間でビーム７０を収束させ、極片における電子の衝突を少なくし且つビーム７０の損失を減少させるために付与される。
偏向及び分散装置に付与される特定の形態は、１つの特定の実施の形態を構成するに過ぎず、請求の範囲に包含される限り、任意のその他の実施の形態が可能である。特に、分散装置４０は、電子ビーム７０が光軸５を取り囲む閉曲線を描くようにすることができる。このようにするためには、分散装置４０は、例えば、２つの偏向要素で構成し、その１つが光軸の第一の側部に配置され、もう一方が反対側部に配置され、これにより、第一の偏向要素が電子を第二の偏向要素に向けて偏向されるようにし、これにより、電子が望ましい分散度Ｄを達成するのに十分な長さの光路をカバーするようにする。
光軸５を取り巻く閉曲線を描くことは、全ての分散手段２１に対し必要とされるスペースを少なくするが、分散面２３内の経路は常に同一の方向に描かれるため、第二順位の色収差は増すという欠点がある。
開示した実施の形態に従って、偏向装置３０は、好ましくは４５．５°に等しい入射角ａ１に沿って透過されたビーム７２を受け取る。これと等しい角度の入射角ａ１を提供し得るならば、図示した以外の実施の形態も採用可能である。
しかしながら、偏向装置３０は、直角の入射角にて伝送されたビーム７２を受け入れる極片３１、３２にて形成することもできる。かかる場合、多極の光学系が４極又は８極といった偏向装置３０の入射部分に配置される。
一般的に、偏向装置３０及び分散装置４０は、ビーム７０の伝播が相互に同一直線上であるか又は偏向装置が単一の偏向要素で形成されるような設計としなければならない。
本発明の実施の形態は、透過型電子顕微鏡すなわちＴＥＭに対して具体化されたものであるが、本発明は、走査型透過電子顕微鏡、すなわちＳＴＥＭ又は複合型電子顕微鏡にも適したものである。

Claims (10)

1. 作動中、光軸に沿って伝播方向に方向決めされた電子ビームを受け取るエネルギフィルタであって、
   前記受け取った前記電子ビームの方向を、前記光軸と異なる方向を向いた分散面内にある入射経路に沿う方向に偏倚させる偏向装置と、
   前記偏向装置から送られた前記電子ビームを、前記分散面内に入り込んだ光路に沿って案内した後、前記入射経路と同一線上の射出経路に沿って前記偏向装置へと戻す分散装置であって、当該分散装置において、前記電子ビームの電子がそのエネルギに関して空間的に分散せしめられるようになされた分散装置とを備え、
   前記入射経路と前記射出経路とは前記偏向装置と前記分散装置との間に配置されており且つ互いに反対方向であり、
   前記偏向装置は、前記分散装置から出て来た前記電子ビームを前記伝播方向へと偏向させて前記光軸との整合状態へと戻すようになされていることを特徴とする、エネルギフィルタ。
2. 請求項１に記載のエネルギフィルタにおいて、
   前記分散装置は、前記電子ビームが前記光軸を取り巻かない閉曲線を描くようにさせることを特徴とする、エネルギフィルタ。
3. 請求項１又は２の何れかに一の項に記載のエネルギフィルタにおいて、
   前記偏向装置及び分散装置が、前記光軸を含む対称面に対し且つ分散面に対して対称であることを特徴とする、エネルギフィルタ。
4. 請求項１乃至３の何れか一の項に記載のエネルギフィルタにおいて、
   前記分散面が前記光軸に対して垂直であることを特徴とする、エネルギフィルタ。
5. 請求項１乃至４の何れか一の項に記載のエネルギフィルタにおいて、
   前記分散装置が、
   前記偏向装置から射出される前記電子ビームを受け取り且つ当該電子ビームを入射方向に沿って偏倚させる第一の偏倚要素と、
   第一の偏倚要素からの前記入射方向に沿って偏倚せしめられた前記電子ビームを受け取り、受け取った当該電子ビームを分散面内の円形経路に従うようにさせ且つ当該電子ビームを前記射出経路に沿って第一の偏倚要素へと戻す第二の偏倚要素とを備え、
   前記第一の偏倚要素が、前記射出経路に沿って前記第二の偏倚要素から射出される前記電子ビームを受け取り且つ当該受け取った電子ビームを前記偏向装置に向けて偏倚させることを特徴とする、エネルギフィルタ。
6. 請求項５に記載のエネルギフィルタにおいて、
   前記第一の偏倚要素が前記光軸と前記第二の偏倚要素との間に配置される一方、前記第二の偏倚要素が外側開口を備え、前記第一の偏倚要素の少なくとも一部分が前記外側開口内に収容されていることを特徴とする、エネルギフィルタ。
7. 請求項３又は５に記載のエネルギフィルタにおいて、
   前記第一の偏倚要素が、前記分散面に対して平行な一対の極片を備え、当該極片の各々が六角形の形状をしており、前記偏向装置に面し且つ前記光軸に対して垂直な大きい基部と、当該光軸に垂直な基部に対して直角に結合し且つ前記対称面に対して平行な２つの垂直側部と、当該垂直側部にそれぞれ結合した２つの傾斜側部と、前記光軸に垂直な大きい基部の反対側にあり且つ当該光軸に垂直な大きい基部に平行であり且つ前記２つの傾斜側部に結合した前記光軸に垂直な基部よりも小さい基部とを備え、
   前記第二の偏倚要素が、前記第一の偏倚要素の極片とそれぞれ同一面である一対の極片を備え、当該第二の偏倚要素の極片の各々が、前記対称面内に中心点を有するクラウン形状すなわち王冠形状をしており、前記外側開口が、前記第一の偏倚要素の極片の前記２つの傾斜側部に結合した小さい基部に面する通路を介して前記王冠形状部分の内側に達しており、前記第一の偏倚要素の極片の前記傾斜側部に面する２つの側部によりそれぞれ前記第一の偏倚要素に面する境界が規定されていることを特徴とする、エネルギフィルタ。
8. 請求項１乃至７の何れか一の項に記載のエネルギフィルタにおいて、
   前記偏向装置及び前記分散装置が、各々、対向する一対の極片を有する磁気セクタを備え、当該磁気セクタが、作動及び制御手段に接続されており且つ空隙により互いに隔てられており、各空隙内に、必要な磁界を形成し、これにより、各空隙内で該磁界が均一であるようにしたことを特徴とする、エネルギフィルタ。
9. 請求項１乃至８の何れか一の項に記載のエネルギフィルタが設けられた透過型電子顕微鏡。
10. 光軸に沿って伝播方向に伝播する電子ビームのエネルギを濾波する方法において、
    光軸が対称面内に含まれ、入射経路が分散面と前記対称面との交差線である構成において、前記電子ビームを、前記入射経路に沿って、前記光軸を含まない前記分散面内へと入り込ませ、当該分散面内に入り込んでいる光路に沿って案内して、当該電子ビームの電子をそのエネルギに関して分散させ得るようにし、
    前記電子ビームが前記入射経路と同一線上の射出経路に沿って前記分散面から出て行くようにさせた後、前記光軸に整合した状態で伝播方向に向け直し、
    エネルギ窓が空間的に選択される、ようになされた方法において、
    前記入射経路及び前記射出経路が互いに反対方向であることを特徴とする電子ビームのエネルギを濾波する方法。

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