JP4759733B2 - 電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は電子顕微鏡に関し、更に詳しくは磁性体の微細試料形態観察及び磁性観察の技術分野における電子顕微鏡に関する。

従来より透過型電子顕微鏡を用いて試料の透過像を得るシステムが知られている。試料の正確な像を得るためには、試料を透過した電子線を光軸に沿って結像させる必要がある。

図３は電子顕微鏡の磁場印加装置の従来構成例を示す図である。図において、１は電子線、２は電子線１の光軸に沿って設けられた第１偏向器であり、この取り付け位置が第１偏向主面４を形成している。３は光軸２０に沿って設けられた第２偏向器である。該第２偏向器３の取り付け位置が第２偏向主面５を形成している。７は試料を搬送すると共に磁場を印加する磁場印加ステージである。１３はこの磁場印加ステージ７の軸に巻回された磁場発生用のコイルである。６は磁場印加ステージ７で保持される試料、８は試料６近辺に設けられた磁場印加コイル・ヨーク・ギャップである。

９は試料６の後段に配置され、試料６を透過した電子線による像を拡大する対物レンズ、１０は該対物レンズ９により拡大された対物レンズ像である。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

図示しない集束レンズで絞られた電子線（軌道）は、第１偏向器２，第２偏向器３を経て試料６に入射する。この時、それぞれ偏向を簡略的に示す偏向主面を該１偏向主面４、第２偏向主面５とする。磁場印加駆動部分は、磁場印加ステージ７と、磁場印加コイル・ヨーク・ギャップ８である。試料６は、この磁場印加コイル・ヨーク・ギャップ８近傍に設置されている。

この説明において、磁場印加における磁気回路の詳細は省略して示しているが、ヨークはギャップを除き閉回路である。また、磁場印加を行なう磁力線は光軸２０とは直交し、紙面を右から左に走るものとする。即ち、薄膜試料６に対して磁場は、光軸２０に面内方向に印加されている。

電子線１は、試料６を透過しながら印加磁場の磁力線とローレンツ（Ｌｏｒｅｎｔｚ）相互作用をした後に、対物レンズ９の結像作用により試料６の磁気特性を反映した対物レンズ像１０を結ぶ。そして、対物レンズ像１０は、図では省略された複数の拡大結像レンズ系で所定の拡大倍率を得て、電子線乾板或いはテレビ検出器等に高倍率像が形成される。

ところで、前記第１偏向器２と第２偏向器３が動作されていない場合には、光軸２０上を通った電子線は、前記磁場によるローレンツ力により光軸２０外に偏向される。このため、試料を透過した電子線は光軸２０から外れ良質な像を得ることはできない。良質な像を得るためには、試料６を透過した電子線１については、光軸２０を通さなければならない。このため、磁場印加コイル・ヨーク・ギャップ８で偏向される電子線を予め第１偏向器、第２偏向器３で偏向する手法が採られてきた（例えば非特許文献１参照）。

即ち、図３の電子線１の曲折に示されるように電子線１を第１偏向器２、第２偏向器３で互いに逆方向に偏向し、試料６で磁場印加によって同時発生する電子線偏向を前もって照射系で補正しておく。この角度は図の印加補正角１１で示される。この結果、試料６を透過した電子線は、光軸２０に沿って後段の結像レンズ系に入射するようになる。
Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｄｏｍａｉｎ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ＪＥＭ−１０００（ａｃｃｅｐｔｅｄ Ｎｏｖ.２１，１９７９）

大きな磁場印加のできる高性能の磁場印加装置を得るためには、磁場印加で発生する電子線偏向を前補正する磁場印加補正角を大きくとることが求められる。しかしながら、印加補正角を大きくとるためには、電子線を第１偏向器で光軸から大きく偏向し、第２偏向器でこれを逆偏向して試料上の入射角すなわち印加補正角を大きくとらなければならない。これは電子線の軸外軌道を大きく確保することであり、電子線通路の真空容積の増大につながり従って電子顕微鏡の必須高真空の達成が困難になる。更に、電子顕微鏡の鏡筒自身を大きくとる必要があり従来装置の限界がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、装置を大型化することなく試料の印加補正角を大きくとることができる電子顕微鏡を提供することを目的としている。

（１）請求項１記載の発明は、光軸に沿って進んできた電子線を光軸外に偏向させる第１の偏向器と、前記第１の偏向器によって偏向された電子線を光軸方向に振り戻す第２の偏向器と、前記第２の偏向器の後段に配置され、試料に磁場を印加するための磁場印加手段と、前記磁場印加手段の後段に配置された対物レンズとを備え、前記試料への前記磁場印加に拘らず、前記試料を透過した電子線が光軸に沿って前記対物レンズに入射するように、電子線を前記第１の偏向器と第２の偏向器によって偏向させるようにした電子顕微鏡において、前記第２の偏向器は、電磁石を持つ磁気回路のヨークにギャップを設けた構造となっており、前記ギャップは前記磁場印加手段の直上に位置していて、前記ギャップから吹き出した磁力線によって電子線が光軸方向に振り戻されることを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、１つの偏向器の偏向主面が試料表面に極めて近い位置に配置されるようにすることにより、試料の印加補正角を大きくとることができ、高性能の電子顕微鏡を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態例を示す構成図である。図３と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１は電子線、２は該電子線１を偏向させる第１偏向器、１５は第２偏向器コイル・ヨーク・ギャップからなる電磁偏向器である。ギャップは、電子線１の方向から見て第２偏向器コイル・ヨーク・ギャップ１５の下側に作られている。１４は第２偏向器コイル・ヨーク・ギャップ１５のヨークに巻回された励磁コイルである。

４は第１偏向器２の位置に形成される第１偏向主面、５は第２偏向器コイル・ヨーク・ギャップ１５のギャップ位置に形成されている第２偏向主面である。６は電子顕微鏡の被検査用試料で、磁場印加ステージ７の先端部に配置されている。磁場印加ステージ７は、磁場印加装置の磁場印加駆動部の機械的ステージ部分（例えば試料ホルダ）である。８は磁場印加装置の磁場印加駆動部の電磁石部分である磁場印加コイル・ヨーク・ギャップである。

９は試料６の後段に配置される、試料直下の第１の結像作用をする像質を定める対物レンズである。１０は試料６の対物レンズ９による第１結像である対物レンズ像である。１１は電子線１の試料６への印加角である印加補正角である。印加補正角とは、磁場印加におけるローレンツ力電子線偏向を前補正する角度であり、磁場印加コイル・ヨーク・ギャップ８における磁場印加時の電子線の偏向角と同じ角度である。１３は磁場印加ステージ７の先端部に巻回されるコイル、２０は電子線１の光軸である。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

図３に示す装置と同様に、省略された集束レンズで絞られた電子線１は、光軸２０に沿って進み、第１偏向器２により第１偏向主面４において、少しだけ偏向される。一方、第２偏向器コイル・ヨーク・ギャップ１５はその構造が試料６にできるだけ接近するように配置されている。このため、電子線１は、試料６の真上の第２偏向主面５において、急な偏向角を持って試料６の軸上中心に照射される。

図２は第２偏向器コイル・ヨーク・ギャップ付近の構成断面図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、７は磁場印加ステージ、３３は対物レンズフィールド、３４はその先端部に設けられた磁化ステージである。該磁化ステージ３４に試料６が取り付けられている。１５は第２偏向器コイル・ヨーク・ギャップである。３１は上ポールピース、３２は下ポールピースである。

２は第１偏向器、４は該第１偏向器２の位置に形成された第１偏向主面、１５は第２偏向器コイル・ヨーク・ギャップである。３５はヨーク、１４は該ヨーク３５に巻回された励磁コイルである。該励磁コイル１４に電流を流す結果、ヨーク３５は電磁石となる。３７はヨーク３５の下部に形成された第２偏向器である。該第２偏向器３７はヨーク３５の先端であるギャップ部分に形成される。つまり、ギャップ部分が等価的に第２偏向器になる。５はこの第２偏向器の位置に形成された第２偏向主面である。

このように構成された装置において、ヨーク３５を含む第２偏向器コイル・ヨーク・ギャップ１５はポールピースの中央部に形成された空間に落とし込まれるように配置される。この結果、ヨーク３５の先端部分は、磁化ステージ３４に取り付けられた試料６に可能な限り近づけることができる。励磁コイル１４により励磁電流を流すと、ヨーク３５は電磁石なり、最下段のギャップから磁力線を吹き出す。この状態で第２偏向器を動作させるため、試料６に照射される電子線の印加補正角は十分に大きなものとなる。

再び図１の説明に戻る。磁場印加ステージ７において、磁場印加コイル・ヨーク・ギャップ８の軸中心に固定された試料６は、磁場印加コイル・ヨーク・ギャップ８で発生した磁力線により磁場印加されている。対物レンズ９は、磁場印加により発生した磁力線が試料６と相互作用した結果の透過電子線像をそのレンズ作用で対物レンズ像１０として結像する。この後、対物レンズ像１０は、図では省略された複数の結像系により所定の拡大倍率を得て、電子線乾板又はテレビ検出器（図示せず）等に高倍率像が形成される。

ところで、磁場印加コイル・ヨーク・ギャップ８で印加した磁力線は、ローレンツ力により電子線を大きく偏向するが、第２偏向主面５にて電子線を大きく偏向することにより、磁場印加ステージ７の軸上に電子線１を大きな印加補正角１１で導くことができる。電子線１の軌道は、これを示している。即ち、図３との比較において、第２偏向主面５のヨーク・ギャップにより試料直上で電子線１を補正偏向することにより、電子線１の軌道における軸上ビームの直交偏向量を非常に大きく保つことができる。このため、磁場印加の性能を向上させることができる。

本発明によれば、１つの偏向器の偏向主面が試料表面に極めて近い位置に配置されるようにすることにより、試料の印加補正角を大きくとることができ、高性能の磁場印加装置を提供することができる。また、ヨークにギャップを設け、その近傍に試料を配置し、ギャップから吹き出す磁力線で試料を面内方向に磁場印加することにより、高性能の磁場印加装置を提供することができる。また、複数の偏向器により電子線を光軸方向に振り戻すことにより、試料の印加補正角を大きくとることができ、高性能の磁場印加装置を提供することができる。

以上、詳細に説明したように、本発明によれば電子顕微鏡の磁区観察装置において、照射系に偏向器を配置して磁場印加に伴う電子線偏向を予め補正することにより磁場印加における電子線の偏向を軸上に振り戻し補正した。この時の偏向器の１つをコイル・ヨーク・ギャップ構造とした。そして、ヨーク・ギャップ構造を試料上の直上に配置することにより試料直上に偏向主面を作った。この結果、電子顕微鏡の結像において磁場印加に伴う軸ズレ偏向補正を軸外に電子線を大きく外すことなく効果的に補正することができるようにした。即ち、磁場印加の強度を大きくし、磁場印加の性能を向上することができるようになった。

本発明の一実施の形態例を示す構成図である。 第２偏向器コイル・ヨーク・ギャップ付近の構成断面図である。 磁場印加装置の従来構成例を示す図である。

符号の説明

１ 電子線
２ 第１偏向器
４ 第１偏向主面
５ 第２偏向主面
６ 試料
７ 磁場印加ステージ
８ 磁場印加コイル・ヨーク・ギャップ
９ 対物レンズ
１０ 対物レンズ像
１１ 印加補正角
１３ コイル
１４ 励磁コイル
１５ 第２偏向器コイル・ヨーク・ギャップ

Claims (1)

1. 光軸に沿って進んできた電子線を光軸外に偏向させる第１の偏向器と、
   前記第１の偏向器によって偏向された電子線を光軸方向に振り戻す第２の偏向器と、
   前記第２の偏向器の後段に配置され、試料に磁場を印加するための磁場印加手段と、
   前記磁場印加手段の後段に配置された対物レンズとを備え、
   前記試料への前記磁場印加に拘らず、前記試料を透過した電子線が光軸に沿って前記対物レンズに入射するように、電子線を前記第１の偏向器と第２の偏向器によって偏向させるようにした電子顕微鏡において、
   前記第２の偏向器は、電磁石を持つ磁気回路のヨークにギャップを設けた構造となっており、
   前記ギャップは前記磁場印加手段の直上に位置していて、前記ギャップから吹き出した磁力線によって電子線が光軸方向に振り戻されることを特徴とする電子顕微鏡。

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