JP4074185B2 - エネルギーフィルタ及び電子顕微鏡 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定のエネルギーを持った荷電粒子を選択的に通過させるエネルギーフィルタ及びそれを用いた電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、試料を透過した電子ビームを蛍光板に拡大投射する電子光学系内にエネルギーフィルタを配置した透過型電子顕微鏡が開発されている。かかるエネルギーフィルタを有する透過型電子顕微鏡によれば、試料によって影響を受けた透過電子（透過荷電粒子）のうち、特定エネルギーの荷電粒子のみに基づく顕微鏡像を形成することができる。
【０００３】
このようなエネルギーフィルタを備えた電子顕微鏡においてエネルギー分解能を高めるには、試料に照射する電子ビームのエネルギー幅が狭くなければならない。例えば、数百キロボルトの加速電圧を有する電子顕微鏡において、０．１ｅＶのオーダーのエネルギー幅が望まれる。このように、エネルギーフィルタを透過した電子ビームは、エネルギー分散を消滅したアクロマティックな状態であることが求められる。
【０００４】
このため、電子ビームが加速前で低エネルギーの状態にある位置にエネルギーフィルタを配置してエネルギー選択を行い、その後加速して高エネルギーを与える方法が開発されている。このようにエネルギーを選択するエネルギーフィルタをモノクロメータと称している。
【０００５】
低エネルギーの電子ビームがエネルギーフィルタを通過する場合、ベルシュ（Ｂｏｅｒｓｃｈ）効果による影響を配慮しなければならない。このベルシュ効果とは、近接して飛行する電子（一般には荷電粒子）同士のクーロン相互作用によって、各電子の速度に従ってエネルギーが相互に影響を受ける現象をいう。従って、低エネルギーの電子ビームがエネルギーフィルタを通過する場合、特にフィルタ内の収束点で電子が近接して飛行する時に相互に影響を与え合い、エネルギーが変化して拡がりをもってしまい、エネルギー幅の狭い電子ビームを困難にする。
【０００６】
従来、電子ビームの加速前の位置に設置されるエネルギーフィルタでベルシュ効果を避けるには、非点型結像によってクロスオーバを避けるのが唯一の方法であった。
【０００７】
図８は、非点型結像を作る第１のエネルギーフィルタの構成を示す図である。なお、これらの図は第１のエネルギーフィルタ１１０の説明の便宜上、実際の寸法の比率を正確に反映していない。以下でも同様とする。
【０００８】
図８（ａ）に示すように、第１のエネルギーフィルタ１１０は、光軸Ｌ０方向のＺ軸方向に、スリット１１３位置に対して前後非対称な２段のウィーンフィルタ１１２，１１４を備えるものである（例えば、特許文献１参照。）。すなわち、第１のエネルギーフィルタ１１０は、電子銃２０１から出射された電子ビームがＺ軸方向に進行する順序で、第１の静電レンズ１１１、１段目ウィーンフィルタ１１２、スリット１１３、２段目ウィーンフィルタ１１４、及び第２の静電レンズ１１５を備える。
【０００９】
第１のエネルギーフィルタ１１０においては、分散方向となるＸ方向の電子ビームの軌道（図８（ｂ））とそれに直交するＹ方向の電子ビームの軌道（図８（ｃ））、さらに電子ビームの分散軌道（図８（ｄ））から分かるように、スリット１１３の位置でＸ方向の電子ビームは収束しているが、Ｙ方向の電子ビームは収束していない。
【００１０】
図９は、第１のエネルギーフィルタのスリット１１３上に結像された電子ビームの形状を示す図である。
【００１１】
スリット１１３上に結像された電子ビームは、Ｙ方向に伸びた楕円状の形状を呈している。第１のエネルギーフィルタ１１０は、Ｘ方向を分散方向とするので、エネルギーの異なる電子ビームはＸ方向に異なった位置に結像する。図中には、Ｘ方向に異なる位置に結像したエネルギーの異なる電子ビームの形状１１７，１１８が示されている。
【００１２】
第１のエネルギーフィルタ１１０においては、Ｙ方向への電子ビームの収束位置を調整することができるので、スリット１１３上における電子ビームの幅Ｗと高さＨの比率を調整することができる。
【００１３】
しかしながら、第１のエネルギーフィルタ１１０によると、２段目ウィーンフィルタ１１４の後方の加速は加速電極より後方での電子ビームの収束点において、１段目及び２段目ウィーンフィルタ１１２，１１４によって作られた収差の影響を除去できず、最終的な電子ビームの形状は収差を含んだものとなる。
【００１４】
図１０は、第２のエネルギーフィルタの構成を示す図である。
【００１５】
図１０（ａ）に示すように、第２のエネルギーフィルタ１２０は、光軸Ｌ０方向のＺ軸方向に、スリット１１３位置に対して前後対称な２段のウィーンフィルタ１２２，１２４を備える。すなわち、第２のエネルギーフィルタ１２０は、電子銃２０１から出射された電子ビームがＺ軸方向に進行する順序で、第１の静電レンズ１２１、１段目ウィーンフィルタ１２２、スリット１２３、スリット１２３について１段目ウィーンフィルタ１２２と対称な形状の２段目ウィーンフィルタ１２４、及び第２の静電レンズ１２５を備える。
【００１６】
第２のエネルギーフィルタ１２０は、分散方向となるＸ方向の電子ビームの軌道（図１０（ｂ））とそれに直交するＹ方向の電子ビームの軌道（図１０（ｃ））から分かるように、スリット１２３位置に対してウィーンフィルタ１２２，１２４の電子ビームの軌道が対称である。具体的には、電子ビームの軌道はスリット１２３上の収束位置に対して反転している。このような対称性を有する場合、２段目フィルタ１２４の後方の電子ビームの収束点においては、１段目及び２段目ウィーンフィルタ１２２，１２４の収差が互いにキャンセルし、収差の小さいビームが得られる。なお、図１０（ｄ）は、電子ビームの分散軌道を示す。
【００１７】
第２のエネルギーフィルタ１２０においても、スリット１２３上での電子ビーム形状は、前記第１のエネルギーフィルタ１１０の場合と同様に、幅より高さが大きい。しかしながら、この第２のエネルギーフィルタ１２０の構成では、スリット１２３上における電子ビームの幅と高さのの比率は電子ビームの入射角によってのみ決まる。この比率をあまり大きくしないためには、なるべく平行なビームを小さい絞りを通して入射させなければならない。
【００１８】
前述の非点型結像によってスリット上でＸ方向（幅）に収束、Ｙ方向（高さ）に非収束とすることによって電子ビームの形状をＹ方向に伸びた形とする場合には、その縦横の比率が大きくなりすぎて、スリット上でエネルギー選択を行うときに電子ビームのロスが大きくなったり、期待したほどにエネルギー幅が小さくならなかったりした。
【００１９】
細長い電子ビームの形状にする目的は、ベルシュ効果などのクーロン相互作用を減少させることにあるので、それほど細長い電子ビームの形状ではなく、１：２以上にする必要はあるものの、１：１０といった大きな比率にする必要はない。これらの中間の横幅と縦の長さの比に取ればよい。
【００２０】
図８に示した第１のエネルギーフィルタ１１０のようにスリット１１３について前後非対称なウィーンフィルタを有するエネルギーフィルタの場合には、スリット１１３における電子ビームの形状における形状を前記比率に設定することができる。しかし、前述のように、第１のエネルギーフィルタ１１０によると、１段目及び２段目ウィーンフィルタ１１２，１１４の収差のキャンセルができず、第１のエネルギーフィルタ１１０から出た後の電子ビームは収差を含んだものとなる。
【００２１】
もちろん、エネルギーフィルタの収差は第２のエネルギーフィルタ１２０に示したように、スリット１２３について対称な１段目及び２段目ウィーンフィルタ１２２，１２４によってキャンセルするばかりではなく、１段のフィルタそれ自身で小さくすることができる。
【００２２】
図１１は、収差の小さいウィーンフィルタを示す図である。
【００２３】
このウィーンフィルタ１３０は、８個の極Ｐ１〜Ｐ８で電場及び磁場を発生させることにより、フリンジ場の電場分布と磁場分布とを一致させて収差を小さくしている（例えば、特許文献２参照。）。図中の符号Ｃ１〜Ｃ８は、コイルである。
【００２４】
しかしながら、このように８個の極を有するウィーンフィルタを用いてもなお収差が残り、この収差を低減することが求められている。
【００２５】
【特許文献１】
特開２００１−２３５５８号公報
【特許文献２】
特許３０４０２４５号公報
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであって、収差の発生の小さいエネルギーフィルタ及びこのようなエネルギーフィルタを備える電子顕微鏡を提供することを目的とする。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明に係るエネルギーフィルタは、光軸に沿って荷電粒子が入射され、前記荷電粒子を前記光軸に垂直な一方向に収束する第１のフィルタと、前記光軸に沿って前記第１のフィルタの後段に配置され、前記第１のフィルタによって一旦収束された荷電粒子が入射され、前記荷電粒子の軌道が前記収束位置について反転するようになされた、前記光軸に沿って前記第１のフィルタと同じ長さを有する第２のフィルタと、を有し、前記第１及び第２のフィルタは、それぞれ、前記光軸に沿って、電気及び磁気４極場を有し、前記第１及び第２のフィルタは、前記電気及び磁気４極場によってそれぞれ非点なし収束を実現する。
【００２８】
好ましくは、前記電気及び磁気４極場は、前記光軸について互いに４５度の角度をなすことが好ましい。
【００２９】
好ましくは、前記荷電粒子は、電子である。
【００３０】
好ましくは、前記第１及び第２のフィルタは、ウィーンフィルタである。
【００３１】
好ましくは、前記第１及び第２のフィルタは、前記光軸について１２回対称な１２極を有する。
【００３２】
好ましくは、前記光軸に沿って、前記第１のフィルタによって前記荷電粒子が収束される位置に配置されたスリットを有する。
【００３３】
好ましくは、前記光軸に沿って前記荷電粒子が進む方向に、前記第１のフィルタ、前記スリット、前記第２のフィルタを有し、前記荷電粒子は、前記第１及び第２のフィルタの中間の位置に配置されたスリット上において収束する。前記荷電粒子は、この収束する位置に対して反転した軌跡を有し、前記第１及び第２のフィルタによって、前記スリット上に結像した前記荷電粒子の収差はキャンセルされる。
【００３４】
好ましくは、前記第１及び第２のフィルタは、次の式を満たすことにより非点なし収束を実現する。
【００３５】
ｆ（Ｅ１）＋ｇ（Ｂ２）＝１
ただし、ウィーン条件を満たす電気２極場及び磁気２極場をそれぞれＥ１及びＢ１と、電気４極場及び磁気４極場をそれぞれＥ２及びＢ２と、サイクロトロン半径をＲとし、次の式により定義される関数ｆ（Ｅ２）及びｇ（Ｂ２）を用いた。
【００３６】
ｆ（Ｅ２）＝−４ＲＥ２／Ｅ１
ｇ（Ｂ２）＝４ＲＢ２／Ｂ１
好ましくは、前記電気４極場Ｅ２及び磁気４極場Ｂ２は、次の式を満たす。
【００３７】
１＜ｆ（Ｅ２）＜４
−３＜ｇ（Ｂ２）＜０
好ましくは、前記第１のフィルタによって前記荷電粒子が収束される位置における前記光軸に垂直な面を前記荷電粒子が通過する範囲（電子ビームがスリット上に結像する形状）は、前記第１のフィルタの分散方向に対して前記分散方向に直交する方向が２倍以上長い。したがって、前記荷電粒子が収束される位置においても荷電粒子が一点に収束されることはない。したがって、荷電粒子が一点に集中するため互いにクーロン斥力によって排斥し、荷電粒子のビームが広がったりエネルギー幅が増大したりするベルシュ効果が抑制されている。
【００３８】
本発明に係る電子顕微鏡は、前記エネルギーフィルタを前記荷電粒子を発生する荷電粒子源と観測する試料の間に配置したものである。前記エネルギーフィルタは、前記荷電粒子が高圧で加速される前に前記エネルギーフィルタで選択されるので、高いエネルギー分解能を確保することができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るエネルギーフィルタ及び電子顕微鏡の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４０】
図１は、本実施の形態のエネルギーフィルタの構成を示す図である。
【００４１】
本実施の形態のエネルギーフィルタ１０は、光軸Ｌ０に沿って電子ビームが進む順序で、電子銃（荷電粒子源）から出射された電子ビームが入射され、この電子ビームを光軸Ｌ０に垂直な一方向に収束する１段目ウィーンフィルタ１２と、電子ビームの収束位置に配置されたスリット１３と、１段目ウィーンフィルタ１２によってスリット１３の位置に収束された電子ビームが入射され、電子ビームの軌道が前記スリット１３における収束位置について反転するようになされた、１段目ウィーンフィルタ１２と同じ形状を有し、光軸Ｌ０に沿って１段目ウィーンフィルタ１２と同じ長さを有する２段目ウィーンフィルタ１４と、を有している。
【００４２】
また、１段目ウィーンフィルタ１２の前段に第１のクランプ１１、２段目ウィーンフィルタ１４の後段に第２のクランプ１５が、それぞれ配置されている。
【００４３】
前記１段目及び２段目ウィーンフィルタ１２，１４は、それぞれ、光軸Ｌ０に沿って、光軸Ｌ０について互いに４５度回転した、電気及び磁気４極場を有し、これらによって非点なし収差を実現している。
【００４４】
また、これら電気４極場及び磁気４極場は、電子ビームにフォーカス収差を起こさせて、スリット１３上に収束する電子ビームの幅を広げている。これによって、電子ビームのクロスオーバーによるベルシュ効果が抑制されている。
【００４５】
エネルギーフィルタ１０においては、光軸Ｌ０に沿って、同一な形状を有する１段目及び２段目ウィーンフィルタ１２，１４をスリット１３について対称に配置し、電子ビームの軌道は、前記スリット１３上の収束位置に対して反転している。したがって、１段目及び２段目ウィーンフィルタ１２，１４による収差は、キャンセルされるので、エネルギーフィルタ１０の後方での電子ビームの収束点における収差は小さく非点なし結像が実現されている。
【００４６】
図２は、１段目ウィーンフィルタ１２の構成を示す図である。なお、２段目ウィーンフィルタ１４も同様の構成を有するので説明を省略する。
【００４７】
なお、説明の便宜のため、電子ビームが進む光軸Ｌ０方向をＺ軸方向としてＸＹＺ座標軸を設定する。
【００４８】
１段目ウィーンフィルタ１２は、光軸Ｌ０について１２回対称な１乃至１２の極Ｐ１〜Ｐ１２を有している。磁性材料からなる各極Ｐ１〜Ｐ１２は、それぞれ電圧が印加されると共にコイルが巻回されている。各極Ｐ１〜Ｐ１２の順序は、例えばＸ軸方向からＺ軸について半時計回りに設定する。
【００４９】
本実施の形態では、電気４極場を発生させるために、各極Ｐ１〜Ｐ１２に次の式（１）で与えられるような電気を印加している。ここで、第ｉ極Ｐｉに印加する電圧をＶ２（ｉ）とした。これらの電圧Ｖ２（ｉ）は、第１極Ｐ１の電圧Ｖ２（１）を基準として与えられる。
【００５０】
Ｖ２（２）＝２×Ｖ２（１），Ｖ２（３）＝Ｖ２（１），Ｖ２（４）＝−Ｖ２（１），Ｖ２（５）＝−２×Ｖ２（１），Ｖ２（６）＝−Ｖ２（１），Ｖ２（７）＝Ｖ２（１），Ｖ２（８）＝２×Ｖ２（１），Ｖ２（９）＝Ｖ２（１），Ｖ２（１０）＝−Ｖ２（１），Ｖ２（１１）＝−２×Ｖ２（１），Ｖ２（１２）＝−Ｖ２（１） ・・・ （１）
【００５１】
また、本実施の形態では、磁気４極場を発生させるために、各極Ｐ１〜Ｐ１２に次の式（２）で与えられるようなアンペアターン（電流とコイル巻き数の積）を与えている。ここで、第ｉ極ＰｉのアンペアターンをＮＩ２（ｉ）とした。これらのアンペアターンＮＩ２（ｉ）は、第１極Ｐ１のアンペアターンＮＩ２（１）を基準として与えられる。
【００５２】
ＮＩ２（２）＝０，ＮＩ２（３）＝−ＮＩ２（２），ＮＩ２（４）＝−ＮＩ２（１），ＮＩ２（５）＝０，ＮＩ２（６）＝ＮＩ２（１），ＮＩ２（７）＝ＮＩ２（１），ＮＩ２（８）＝０，ＮＩ２（９）＝−ＮＩ２（１），ＮＩ２（１０）＝−ＮＩ２（１），ＮＩ２（１１）＝０，ＮＩ２（１２）＝ＮＩ２（１） ・・・ （２）
【００５３】
図３は、１段目ウィーンフィルタ１２における電気４極場及び磁気４極場のポテンシャル分布を示す図である。図３（ａ）は電気４極場の分布を示し、図３（ｂ）は磁気４極場の分布を示す。図中には、等ポテンシャルを表す曲線が示されている。
【００５４】
本実施の形態では、電気４極場については、Ｘ方向に対向する第１２及び第１の極Ｐ１２，Ｐ１と第６及び第７の極Ｐ６，Ｐ７、Ｙ方向に対向する第３及び第４の極Ｐ３，Ｐ４と第９及び第１０の極Ｐ９，Ｐ１０は、それぞれ同じ極性を有している。
【００５５】
また、磁気４極場については、電気４極場の分布を４５度回転したように、第１乃至第３の極Ｐ１〜Ｐ３及び第７乃至第９の極Ｐ７〜Ｐ９、第４乃至第６の極Ｐ４〜Ｐ６及び第１０乃至第１２の極Ｐ１０〜Ｐ１２が、それぞれ同じ極性を有している。
【００５６】
本実施の形態では、１段目及び２段目ウィーンフィルタ１２，１４は、電気２極場及び磁気２極場によりウィーン条件を満たすことに加え、電気４極場及び磁気４極場によってフォーカス収差を起こさせている。
【００５７】
ここで、電気２極場及び磁気２極場をそれぞれＥ１及びＢ１と、電子の速度をｖとすると、ウィーン条件は次の式（３）で与えられる。
【００５８】
Ｅ１＝ｖＢ１ ・・・ （３）
【００５９】
また、電気４極場及び磁気４極場をそれぞれＥ２及びＢ２と、サイクロトロン半径をＲとすると、非点なし収束条件は次の式（４）で与えられる。
【００６０】
ｆ（Ｅ２）＋ｇ（Ｂ２）＝１ ・・・ （４）
ただし、ｆ（Ｅ２）＝−４ＲＥ２／Ｅ１，ｇ（Ｂ２）＝４ＲＢ２／Ｂ１とおいた。
【００６１】
さらに、本実施の形態では、電気４極場及び磁気４極場を、次の式（５）及び（６）で与えられる範囲に設定している。
【００６２】
１＜ｆ（Ｅ２）＜４ ・・・ （５）
−３＜ｇ（Ｂ２）＜０ ・・・ （６）
【００６３】
図４は、本実施の形態においてスリット１３上に結像された電子ビームの形状を示す図である。
【００６４】
図４（ａ）は、ｆ（Ｅ２）＝２．０，ｇ（Ｂ２）＝−１．０に設定した第１の具体例を示すものである。図４（ｂ）は、ｆ１（Ｅ２）＝２．２，ｆ２（Ｂ２）＝−１．２に設定した第２の具体例を示すものである。
【００６５】
これらは、本実施の形態のエネルギーフィルタ１０に半値角０．２度を有する加速電圧１ｋＶの電子を入射させた場合に得られる。図中左側の形状２１はエネルギーロスのない電子ビームが結像したものであり、右側の形状２２は０．４ｅＶのエネルギーロスのある電子ビームが結像したものである。以下の図５及び図６においても同様とする。
【００６６】
第１及び第２の具体例のいずれにおいても、Ｙ方向に伸びたほぼ楕円状の電子ビームの形状２１，２２が形成されている。このような楕円状の形状２１，２２は、電気４極場及び磁気４極場によるフォーカス収差によって発生させたものである。
【００６７】
前記電子ビームの形状２１，２２は、それぞれ十分に離れている。したがって、本実施の形態のエネルギーフィルタ１０によると、０．４ｅＶより小さいエネルギー分解能が達成されている。図から見積もると、エネルギー分解能は０．１ｅＶ以下である。
【００６８】
このように、本実施の形態においては、非点なし収束の条件である式（４）に、さらに式（５）及び（６）によって与えられる条件を課している。後述するように、式（５）及び（６）の条件により、スリット１３に結像する電子ビームにフォーカス誤差を起こさせ、Ｙ方向に伸びた形状２１，２２を形成させている。分散方向はＸ方向であるので、Ｙ方向に伸びた形状２１，２２によって高い分解能が確保される。
【００６９】
ここで、式（４），（５）及び（６）によって与えられる条件の意義について説明する。
【００７０】
図５は、参考例として、式（４）は満たす一方、式（５）及び（６）の条件を満たさない場合に前記スリット１３上に結像される電子ビームの形状を示す図である。
【００７１】
図５（ａ）は非点なし収束条件（４）を満たすように電気４極場のみを発生させた場合を示す。このように電気４極場のみによって非点なし収束条件（４）を実現する方法は、８極型のウィーンフィルタで行われている。
【００７２】
この場合、スリット１１３上に結像した電子ビームの形状２１，２２は分散方向であるＸ方向に伸びた楕円形である。図から見積もると、エネルギー分解能はエネルギー差０．４ｅＶより小さいが、０．２ｅＶには達していない。
【００７３】
図５（ｂ）は４極場磁場Ｂ２のみによって非点なし収束条件（４）を実現した場合を示す。このように磁気４極場のみによって非点なし収束条件（４）を実現する方法は、傾斜したポールピースを有するウィーンフィルタで行われている。
【００７４】
この場合、スリット１３上に結像した電子ビームの形状２１，２２は分散方向であるＸ方向に長く伸びている。両方の形状２１，２２は重なり合っているので、エネルギー分解能は０．４ｅＶより低い。
【００７５】
本実施のエネルギーフィルタ１０において、Ｘ軸方向への分散量は、電気４極場及び磁気４極場の値にかかわらず殆ど一定である。したがって、エネルギー分解能に対しては、スリット１３における電子ビームの形状２１，２２の寄与が大きい。
【００７６】
すなわち、前記第１及び第２の具体例においては、スリット１３上に結像した電子ビームの形状２１，２１はＸ方向に伸びている。そこで、エネルギー解像度を高くするには、前記形状２１，２２をＹ方向に伸びるようにすればよいことが分かる。
【００７７】
例えば、次の式（７）に示すローズ（Ｒｏｓｅ）が提案した収差補正条件（H. Rose, The retarding Wien filter as a high-performance imaging filter, Optik 77, (1987) 26-34）を適用してみる。
【００７８】
ｆ（Ｅ２）＝４， ｇ（Ｂ２）＝−３ ・・・ （７）
図６は、参考例として、ローズの条件（７）の下でスリット１３上に結像した電子ビームの形状である。
【００７９】
図５に示した参考例と比較すると、スリット１３上に結像した電子ビームの形状２１，２２はＹ方向に伸びて円に近くなるが、形状のサイズ自体が大きくなって互いに重なり合う。したがって、エネルギー分解能は、０．４ｅＶより大きい。
【００８０】
本実施の形態においては、図５及び図６に示した参考例における電子ビームの形状２１，２２をＹ方向にさらに伸ばすため、前記（５）及び（６）の条件を課している。
【００８１】
これら式（５）及び（６）の条件を満たすように、前記第１の具体例においてはｆ（Ｅ２）＝２．０及びｇ（Ｂ２）＝−１．０と、前記第２の具体例においてはｆ（Ｅ２）＝２．２及びｇ（Ｂ２）＝−１．２と、ローズの条件（７）より小さい値を用いている。ローズの条件（７）と共通するのはｇ（Ｂ２）の値を負に設定していることである。
【００８２】
これは、図５（ａ）及び（ｂ）の比較から分かるように、磁気４極場をそれ単独で非点を作らないように与えた場合には、Ｘ方向に伸びた電子ビームの形状が形成される。したがって、磁気４極場はむしろ非点を増すように逆の方向に与え、非点なし収束条件（４）は電気４極場を過剰に与えることにより達成される。
【００８３】
すなわち、ｇ（Ｂ２）を負に設定すると電子ビームがＹ方向に延びるようにする効果があり、ｇ（Ｂ２）＝−４に達したところでその効果が失われる。したがって、電子ビームがスリット１３状に結像した形状２１，２２がＹ方向に伸びるということから前記条件（６）が導出される。さらに、前記条件（６）及び非点なし収束条件（４）を併せると、前記条件（５）が導出される。
【００８４】
以上説明したように、実施の形態のエネルギーフィルタ１０は、スリット１３に対称な構造及び電子ビームの軌道を有するので、収差が小さく抑えられている。また、電気４極場及び磁気４極場を条件（５）及び（６）に設定することにより、スリット１３上に結像した電子ビームの形状２１，２２を分散方向と直交するＹ方向に伸ばしている。したがって、高いエネルギー解像度を実現している。
【００８５】
図７は、前記エネルギーフィルタ１０を組み込んだ電子顕微鏡の構成を示す図である。
【００８６】
図７（ａ）は、電界放射型電子銃（ＦＥＧ）と加速器の間に前記エネルギーフィルタを配置した例を示す。
【００８７】
ＦＥＧ５１から発射された１ｋｅＶ〜数ｋｅＶ程度の比較的低いエネルギーの電子ビームは、入射アパーチャ５２、減速部５３、エネルギーフィルタ部５４、加速部５５、出射アパーチャ５６からなる減速型エネルギーフィルタ５７へ入射される。
【００８８】
この減速型エネルギーフィルタ５７において、入射電子は減速部５３で数１００ｅＶ程度のエネルギーに減速された後、フィルタ部５４において所定のエネルギーを持つもののみが選択され、加速部５５によって再び元のエネルギーを持つように加速されて出射アパーチャ５６から出射する。ここにエネルギーフィルタ部５４は、図１に示したエネルギーフィルタ１０に対応している。
【００８９】
出射アパーチャ５６から出射された電子ビームは、加速器５８によって所望の高エネルギー（例えば２００ｋｅＶ程度）まで加速された後、コンデンサレンズ群５９及び対物レンズ６０を介して試料６１へ照射される。
【００９０】
図７（ｂ）は、本発明のエネルギーフィルタを加速器の後段に配置した例を示す。
【００９１】
この例では、ＦＥＧ５１から発射された１ｋｅＶ〜数ｋｅＶ程度の比較的低いエネルギーの電子ビームは、加速器５８によって所望の高エネルギー（例えば２００ｅｋＶ程度）まで加速された後、コンデンサレンズ６２を介して減速型エネルギーフィルタ５７へ入射される。この減速型エネルギーフィルタ５７は、入射アパーチャ５２、減速部５３、エネルギーフィルタ部５４、加速部５５、出射アパーチャ５６からなる。
【００９２】
この減速型エネルギーフィルタ５７において、入射電子は減速部５３で数１００ｅＶ程度のエネルギーに減速された後、エネルギーフィルタ部５４において所定のエネルギーを持つもののみが選択され、加速部５５によって再び元のエネルギーに加速されて出射アパーチャ５７から出射する。エネルギーフィルタ部５４は、図１に示したエネルギーフィルタ１０に対応している。
【００９３】
出射アパーチャ５６から出射された電子ビームは、コンデンサレンズ群５９及び対物レンズ６０を介して試料６１へ照射される。
【００９４】
なお、上記減速型エネルギーフィルタ５７の減速部５３及び加速部５５は、高エネルギーの電子を数１００ｅＶ程度のエネルギーに減速し、更に元の高エネルギーに加速することが必要なため、本来の加速器５８と同様多段加速とするのが好ましい。
【００９５】
上記電子顕微鏡によれば、ＦＥＧ５１から放射された電子ビームは、加速管を通りすぎて高電圧に加速されるまでの間にモノクロメータを通過したにも拘わらず、スリット位置において、Ｘ方向に１回だけしかフォーカスせず、フォーカス回数が少ないことによって、同種のエネルギーフィルタに比して、クーロン相互作用によるエネルギーの広がりやビーム径の増大を抑えることができる。
【００９６】
また、収差の少ない前記エネルギーフィルタ１０をモノクロメータとして用いることにより、フィルタを通過したビームの大きさを増大させないで、小さいビーム径のままで、試料を照射することができる。
【００９７】
なお、前述の実施の形態は、本発明の具体例を示すものであって、本発明は前述の実施の形態に限定されない。本技術分野の専門家には、本発明を逸脱しない範囲で前記実施の形態の変形等が可能なことは明らかであろう。
【００９８】
【発明の効果】
本発明によると、収差の小さいエネルギーフィルタ及びこのようなエネルギーフィルタを備える電子顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態のエネルギーフィルタの構成を示す図である。
【図２】１段目ウィーンフィルタの構成を示す図である。
【図３】１段目ウィーンフィルタにおける電気４極場及び磁気４極場のポテンシャル分布を示す図である。
【図４】本実施の形態においてスリット上に結像された電子ビームの形状を示す図である。
【図５】式（５）及び（６）の条件を満たさない場合にスリット上に結像される電子ビームの形状を示す図である。
【図６】ローズの条件のもとでスリット上に結像した電子ビームの形状である。
【図７】エネルギーフィルタを組み込んだ電子顕微鏡の構成を示す図である。
【図８】第１のエネルギーフィルタの構成を示す図である。
【図９】第１のエネルギーフィルタのスリット上に結像された電子ビームの形状を示す図である。
【図１０】第２のエネルギーフィルタの構成を示す図である。
【図１１】図１１は、収差の小さいウィーンフィルタを示す図である。
【符号の説明】
１０ エネルギーフィルタ
１１ 第１のクランプ
１２ １段目ウィーンフィルタ
１３ スリット
１４ ２段目ウィーンフィルタ
１５ 第２のクランプ

Claims (6)

1. 光軸に沿って荷電粒子線が入射され、前記光軸に沿って配置されたスリット上に前記荷電粒子線を収束する第１のフィルタと、
   前記光軸に沿って前記スリットの後段に配置され、前記第１のフィルタによって一旦収束された荷電粒子線が入射され、前記荷電粒子線の軌道が前記収束位置について反転するようになされた、前記光軸に沿って前記第１のフィルタと同じ長さを有する第２のフィルタと、
   を有し、
   前記第１及び第２のフィルタは、それぞれ、前記光軸に沿って、電気及び磁気４極場を有し、次の式を満たすことによりそれぞれ非点なし収束を実現すると共に、
   ｆ（Ｅ２）＋ｇ（Ｂ２）＝１
   ただし、ウィーン条件を満たす電気２極場及び磁気２極場をそれぞれＥ１及びＢ１と、電気４極場及び磁気４極場をそれぞれＥ２及びＢ２と、サイクロトロン半径をＲとし、次の式により定義される関数ｆ（Ｅ２）及びｇ（Ｂ２）を用いた
   ｆ（Ｅ２）＝−４ＲＥ２／Ｅ１
   ｇ（Ｂ２）＝４ＲＢ２／Ｂ１
   前記第１のフィルタは、次の式を満たすことにより、前記第１のフィルタの荷電粒子分散方向に直交する方向に伸びた楕円形の荷電粒子線を前記スリット上に形成させるようにした
   １＜ｆ（Ｅ２）＜４
   −３＜ｇ（Ｂ２）＜０
   ことを特徴とする請求項エネルギーフィルタ。
2. 前記第１及び第２のフィルタは、ウィーンフィルタであることを特徴とする請求項１記載のエネルギーフィルタ。
3. 前記第１及び第２のフィルタは、前記光軸について１２回対称な１２極を有することを特徴とする請求項２記載のエネルギーフィルタ。
4. 前記第１のフィルタによって前記荷電粒子が収束される位置における前記光軸に垂直な面を前記荷電粒子が通過する範囲は、前記第１のフィルタの分散方向に対して前記分散方向に直交する方向が２倍以上長いことを特徴とする請求項１記載のエネルギーフィルタ。
5. 前記請求項１乃至４の少なくともいずれか１項に記載のエネルギーフィルタを前記荷電粒子を発生する荷電粒子源と観測する試料の間に配置したことを特徴とする電子顕微鏡。
6. 前記電気及び磁気４極場は、前記光軸について互いに４５度の角度をなすことを特徴とする請求項１記載のエネルギーフィルタ。

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