JP4761985B2 - エネルギーフィルタ - Google Patents

Description

この発明は、静磁場中を走行する荷電粒子の飛行経路の違いから、特定のエネルギーを有する荷電粒子を分離抽出するエネルギーフィルタに関する。

近年、電子線等の荷電粒子線は、電子顕微鏡に代表される検査装置さらには加工装置等にも幅広く用いられている。ここで、発生される荷電粒子線は、速さにばらつきのあるものであり、所定のエネルギー幅を有する。一方、荷電粒子線を用いる場合には、荷電粒子線は、単色、すなわち一定の速さあるいはエネルギーを有するものであることが好ましい。

そこで、発生された荷電粒子線から、特定の速さすなわちエネルギーの荷電粒子線を分離抽出する必要があり、この分離抽出にエネルギーフィルタが用いられる。このエネルギーフィルタは、一様な静磁場を荷電粒子線に印可し、荷電粒子線の速さに応じて飛行経路が変化することを用いて、異なるエネルギーの荷電粒子を分離する。

図８は、エネルギーフィルタ８０の荷電粒子線の飛行経路９０に沿った断面を示す断面図である。エネルギーフィルタ８０は、ポールピース部８１および９１、コア基板８３および９３、コイル８６および９６、ヨーク８４、８５、９４、９５、８７および９７、入力窓２０、並びに、出力窓２１を含む。ここで、荷電粒子は、入力窓２０からエネルギーフィルタ８０に入力され、飛行経路９０に沿って飛行の後に出力窓２１から出力される。

ポールピース部８１および９１は、ポールピース８８および９８、並びに、コア８２および９２からなる。ここで、ポールピース部８１および９１は、鉄等の磁性材料から製造される一体構造のものであり、ポールピース８８および９８、並びに、コア８２および９２は、主として機能的な面が異なる。なお、ポールピース８８および９８、並びに、コア８２および９２の境界は、概ね図８のポールピース部８１および９１中に示された破線部分に位置する。

コア８２および９２は、コイル８６および９６に流される同一方向の電流により、概ね均一な静磁場Ｂを荷電粒子の飛行経路９０に沿って発生させる。
ポールピース８８および９８は、荷電粒子の拡散を防止するレンズとして機能するように、コア８２および９２で発生された静磁場Ｂの空間分布を整形する。

コア基板８３および９３、並びに、ヨーク８４、８５、９４、９５、８７および９７は、鉄等の磁性材料からなり、コア８２および９２により形成される飛行経路９０に沿った静磁場Ｂのリターンパスを形成する磁気回路となっている。

コイル８６および８７は、静磁場Ｂと直交する面内でコア８２および９２の周囲に巻かれた金属導体からなり、この金属導体に電流を流すことにより、コア８２および９２部分に一様な静磁場を形成する。ここで、コイル８６は、コア８２およびヨーク８４、８５間に存在する間隙部分に配設され、コイル９６は、コア９２およびヨーク９４、９５間に存在する間隙部分に配設される（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３３１６３９号公報、（第１頁、第１図）

しかしながら、上記背景技術によれば、コイル８６および９６が配設される間隙部分の空間は小さなものとなり、配設に充分な余裕空間が存在しない。すなわち、静磁場Ｂを形成するポールピース８８および９８は、荷電粒子を分離するために、飛行経路に沿って所定の長さを確保する必要がある。一方、静磁場Ｂのリターンパスを形成するヨーク８４、８５、９４，９５、８７および９７は、静磁場Ｂの均一度を乱さない範囲でポールピースおよびコアに近接して配置され、エネルギーフィルタ８０全体の大きさを小さくすることが好ましい。従って、例えばコア８２およびヨーク８４に挟まれる間隙部分の空間は狭いものとなる。

特に、超高電圧を用いる電子顕微鏡においては、エネルギーフィルタ８０を通過する電子線に対して強い静磁場Ｂを印加する必要がある。このため、電流容量の大きな太いコイルを用いて多くの電流を流すと共に、コイルの発熱による温度変化を防止する冷却装置も必要となる。そして、これらすべてを、図８に示す様なコアおよびヨークに挟まれる間隙部分に配設するには困難は伴う。

これらのことから、荷電粒子の飛行経路に沿った所定長さの静磁場空間を確保しつつ、コイルが配設される間隙部分が大きなエネルギーフィルタをいかに実現するかが重要となる。

この発明は、上述した背景技術による課題を解決するためになされたものであり、荷電粒子の飛行経路に沿った所定長さの静磁場空間を確保しつつ、コイルが配設される間隙部分が大きなエネルギーフィルタを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１に記載の発明にかかるエネルギーフィルタは、荷電粒子の円弧をなす飛行経路に沿って扇形の静磁場空間を形成し、前記円弧を含む円弧面と直交する直交方向から前記静磁場空間を挟みこむように対向配置される２つのポールピースと、２つの前記ポールピースを、前記直交方向の静磁場空間の外側から支持し、前記飛行経路に沿った経路長さが前記ポールピースよりも短い２つのコアと、２つの前記コアを前記直交方向の静磁場空間の外側から支持する２つのコア基板と、
２つの前記コア基板を磁気的に接続し、前記ポールピースの前記飛行経路に沿った２つの端部近傍に配置される一対のヨークと、前記コアは、前記円弧面に平行な方向であって、かつ前記飛行経路と直交する方向の幅を備え、前記コアに静磁場を発生させ、前記飛行経路に沿った前記コアおよび前記ヨーク間に形成される間隙に配設される２つのコイルとを備える。

この請求項１に記載の発明では、コアの経路長さをポールピースの経路長さより短いものにしているので、コアとヨークの間の間隙が生じ、この間隙にコイルを配設する。また、経路長さの短縮による磁束密度の上昇を低くおさえる。
また、請求項２に記載の発明にかかるエネルギーフィルタは、請求項１記載のエネルギーフィルタにおいて、前記コアは、前記ポールピースと対向するｘｙ平面の面積が、前記ポールピースがコアと対向するｘｙ平面の面積以上の大きさを備えることを特徴とする。

この請求項２に記載の発明では、コアは、ポールピースと同様の磁性材料を用いる際に、磁気飽和が防止される。

本発明によれば、コアの荷電粒子の飛行経路に沿った経路長さを、ポールピースの経路長さより短いものにして、ポールピースにより形成される静磁場空間の飛行経路長さを所定の長さにしたままで、コアとヨークとの間に生じる間隙にコイルを配設することとしているので、コイルの配設を容易にしかも確実に行うことができると共に、空間的に余裕を持ったコイルの配設により、コイルの電流容量を大きくすること、さらには冷却装置等をコイルに近接配置し、コイルの発熱に起因するコアの温度上昇を軽減し、ひいては静磁場強度の温度ドリフトを軽減することができる。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかるエネルギーフィルタを実施するための最良の形態について説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
まず、本実施の形態１にかかるエネルギーフィルタを用いたオメガフィルタ１０の全体構成について説明する。ここで、オメガフィルタ１０は、例えば透過型電子顕微鏡に搭載されており、電子銃で発生される電子ビームを入力し、この電子ビームから特定のエネルギーを有する電子のみを選別し、試料に照射する。

図１は、オメガフィルタ１０の全体構成を示す図である。オメガフィルタ１０は、エネルギーフィルタ１１〜１４および基板１５を含む。なお、図１中に示されたｘｙｚ軸は、すべての図面に共通する座標軸で、図面相互の位置関係を示している。

エネルギーフィルタ１１〜１４は、基板１５上の図１に示す位置に配設される。そして、図１のｙ軸方向からエネルギーフィルタ１１に入射される電子ビーム１は、エネルギーフィルタ１１〜１４で発生される静磁場により、円弧状の飛行経路９０の通過および電子のフィルタリングを順次行い、最終的にはエネルギーフィルタ１４から、特定のエネルギーのみからなる単色の電子ビームとして射出される。

エネルギーフィルタ１１〜１４は、すべて同様の構造および機能を有する。一例として、エネルギーフィルタ１２の構造および機能を説明する。図２は、エネルギーフィルタ１２の外観を示す外観図である。エネルギーフィルタ１２は、入力窓２０および出力窓２１を有し、エネルギーフィルタ１１を透過した電子ビーム１は、入力窓２０からエネルギーフィルタ１２に入力され、エネルギーフィルタ１２内を円弧状の飛行経路９０に沿って移動する。その後、電子ビーム１は、出力窓２１から出力され、エネルギーフィルタ１３に入力される。この際、エネルギーの異なる電子は、飛行経路９０の違いから、出力窓２１から出力されず、フィルタリングが行われる。

図３は、図２に示すエネルギーフィルタ１２における、電子ビーム１の飛行経路９０に沿ったＡＡ′断面を示す断面図である。エネルギーフィルタ１２は、コア基板８３および９３、ヨーク８７および９７、ポールピース３１、ヨーク３４、３５、４４および４５、コイル３６および４６、コア３２、並びに、ポールピース＆コア４１を含む。ここで、コア基板８３および９３、並びに、ヨーク８７および９７は、背景技術の欄で述べたものと全く同様であるので、詳しい説明を省略する。

コア３２は、鉄等の磁性材料からなり、コイル３６に流される同一方向の電流により、概ね均一な静磁場Ｂを荷電粒子の飛行経路９０に沿って発生させる。コア３２は、飛行経路９０に沿った長さが、ポールピース３１より短いものとなっている。また、ヨーク３４および３５は、図８に示したヨーク８４および８５と同様の材質および機能を有するもので、コア３２と対向する面に凹みを有する。これにより、コア３２およびヨーク３４、３５の間には、コイル３６の断面と比較して大きな間隙３７および３８が形成される。

ポールピース３１は、電子ビームが拡散するのを防止するレンズとして機能するように、コア３２で発生された静磁場Ｂの空間分布を整形する。
ポールピース＆コア４１は、ポールピース３１およびコア３２と同様の材質、機能および構造を有するもので、ポールピース３１およびコア３２を一体化したものである。そして、ポールピース＆コア４１は、ポールピース３１に対応する部分にポールピース部、コア３２に対応する部分にコア部を有し、コア部は、飛行経路９０に沿った長さが、ポールピース３１より短いものとなっている。また、ヨーク４４および４５は、ポールピース＆コア４１のコア部と対向する面に凹みを有する。これにより、ポールピース＆コア４１のコア部およびヨーク４４、４５の間には、コイル４６の断面と比較して大きな間隙４７および４８が形成される。

コイル３６および４６は、図３に示す断面と直交する面内で、コア３２およびポールピース＆コア４１のコア部の辺縁部に巻かれたループ状の金属導体からなる。ここで、間隙３７および３８が存在する位置には、コイル３６が有するループ状の金属導体の断面が示されている。また、間隙４７および４８が存在する位置にも同様に、コイル４６が有するループ状の金属導体の断面が示されている。

これにより、コイル３６は、ポールピース３１およびヨーク３４、３５間に配設されるよりも、周囲の壁面から距離的に余裕を持った配設となる。また、コイル４６も同様である。

なお、コア基板９３に配設されるポールピース＆コア４１は、一体とされることにより、加工あるいは取り付け等の手間を簡略化し、製造工数が軽減される。また、ポールピース３１およびコア３２は、矩形断面の構造体が重ねられたものとして図示されているが、この２つの接合面端部でコア３２の断面に丸みを持たせることもできる。これにより、この接合面端部で、局所的に磁束密度が高くなることを軽減する。

図４は、エネルギーフィルタ１２を、図３に示すＢＢ′断面から見た断面図である。ヨーク８７および９７、並びに、側壁４２および４３に囲まれて、コイル３６、コア３２およびポールピース３１が存在する。ここで、コア３２は、飛行経路９０と直交する方向の幅が、ポールピース３１よりも大きなものとなっている。そして、ポールピース３１のｘｙ平面の面積をＡｐ、コア３２のｘｙ平面の面積をＡｃとすると、Ａｐ≦Ａｃとなっている。

また、コイル３６は、コア３２のｘｙ平面の周りを囲むように巻かれており、電流を流すことにより、紙面と垂直なｚ軸方向に静磁場を発生する。また、コイル３６は、コア３２およびヨーク３４、３５間の間隙３７、３８に配設されているので、飛行経路９０に沿ってコア３２より長いポールピース３１および凹みのあるヨーク３４、３５に部分的に被われた状態となっている。

つぎに、エネルギーフィルタ１２の動作について図５を用いて説明する。図５は、エネルギーフィルタ１２のコイル３６および４６に電流を流して形成される静磁場を、模式的に示した模式図である。なお、図５中に表示される矢印は、飛行経路９０上のものを省いて、すべて静磁場を示している。

コイル３６および４６は、同方向に電流が流され、コア３２およびポールピース＆コア４１のコア部に静磁場が形成される。そして、コア３２およびポールピース＆コア４１のコア部で形成された静磁場は、ポールピース３１およびポールピース＆コア４１のポールピース部で整形され、ポールピース３１およびポールピース＆コア４１間の静磁場空間に均一で荷電粒子の発散を防止するレンズ効果を有する静磁場Ｂが形成される。

ここで、静磁場を発生するコア３２は、荷電粒子の飛行経路９０に沿った長さがポールピース３１と比較して短くなっているものの、図面と直交する方向の長さは、ポールピース３１より長いものとなっている。そして、上述したようにコア３２の静磁場と直交する面の面積Ａｃは、ポールピース３１の面積Ａｐと等しいかあるいはそれより大きなものとなっている。

従って、コア３２内で発生される磁束をΨとすると、コア３２は、Ψ／Ａｃの磁束密度を有し、一方ポールピース３１は、磁束Ψを概ね吸収し、この磁束Ψを全面に拡げるので、コア３２と同一材料である場合に、Ψ／Ａｐ≧Ψ／Ａｃの磁束密度を有する。これにより、コア３２は、飛行経路９０に沿った長さがポールピース３１より短いものの、ポールピース３１と概ね同等もしくはそれ以下の磁束密度を有する。そして、コア３２に過大な磁束密度が発生し、磁気の飽和状態となることを防止する。

なお、コア３２およびポールピース３１の接合断面の端部では、磁束密度が局所的に高くなりうるが、コア３２の接合断面端部に丸みを付ける等の処置により、磁束密度の軽減を計ることもできる。また、ポールピース＆コア４１も全く同様の動作を示し、コア部が磁気の飽和状態となることを防止する。

静磁場空間に発生された静磁場Ｂは、コア基板９３、ヨーク８７および９７、そしてコア基板８３において、リターンパスを形成し、閉じた磁気回路とされる。
また、コイル３６および４６が配設される間隙３７、３８、４７および４８は、コイル３６および４６の大きさと比較して大きなものとなるので、周囲に配置されるポールピース、コアおよびヨーク等に接することなく余裕を持って配設される。これにより、コイル３６および４６で発生する熱が、ポールピース３１、コア３２およびポールピース＆コア４１に直接伝わることを防止し、ポールピース３１、コア３２およびポールピース＆コア４１の温度変化を軽減する。なお、磁性材料から構成されるポールピース３１、コア３２およびポールピース＆コア４１の磁気特性は、温度変化に敏感であり、温度変化により発生する静磁場強度が大きく変動する。

上述してきたように、本実施の形態１では、コア３２の飛行経路９０に沿った長さが、ポールピース３１よりも短くされ、間隙３７、３８が、コイル３６を構成するループ状の金属導体の断面の大きさと比較して大きなものとされるので、コイル３６が周囲のポールピース３１およびコア３２等に接することなく電流容量の大きなコイルを配設することができると共に、コイル３２で発生される熱の周囲への拡散を防止することができる。また、加工の工数が軽減される、コア３２およびポールピース３１を一体化した構造のポールピース＆コア４１を用いても同様のことができる。

また、本実施の形態１では、コイル３６および４６のみを、間隙３７、３８、４７、４８に配設することとしたが、コイル３６および４６を真空容器で囲み、周囲との断熱効果を高めることもできる。さらに、水冷パイプ等をコイル３６および４６に併設することで、コイル３６および４６を冷却することもできる。

また、本実施の形態１では、コア基板８３に装着されるコア３２およびポールピース３１を異なる構造体とし、コア基板９３に装着されるコア＆ポールピース４１を、コア３２およびポールピース３１が一体化された構造体としたが、２つのコア基板とも異なるコアおよびポールピースの構造体あるいは一体化されたコア＆ポールピースの構造体とすることもできる。
（実施の形態２）
ところで、上記実施の形態１では、コア基板８３に装着されるコア３２およびポールピース３１を異なる構造体としたが、コア基板８３およびコア３２を一体化された構造体とすることもできる。そこで本実施の形態２では、コア基板８３およびコア３２を一体化したエネルギーフィルタ６０を示すことにする。

ここで、エネルギーフィルタ６０は、エネルギーフィルタ１２と全く同様の機能を有し、図２に示すものと全く同様の外観を有する。
図６は、図２に示すエネルギーフィルタ１２のＡＡ′断面に相当するエネルギーフィルタ６０の断面を示す断面図である。エネルギーフィルタ６０は、コア基板部５３および６３、ポールピース５２および６２、ヨーク５４、５５、６４、６５、８７および９７、並びに、コイル３６および４６を含む。ここで、コイル３６および４６、並びに、ヨーク８７および９７は、背景技術の欄および実施の形態１で述べたものと全く同様であるので、詳しい説明を省略する。また、コア基板部５３、ポールピース５２、ヨーク５４および５５、並びにコイル３６は、コア基板部６３、ポールピース６２、ヨーク６４および６５、並びにコイル４６と、飛行経路９０を挟んで完全な対称構造を有し、機能的にも同様であるので、以下にコア基板部５３、ポールピース５２、ヨーク５４および５５、並びにコイル３６についてのみ説明する。

コア基板部５３は、概ね図３に示したコア３２、コア基板８３およびヨーク３４と同様の材質および機能を有し、コア３２に対応するコア５６、コア基板８３に対応するコア基板５８、およびヨーク３４に対応するヨーク５９からなる。なお、コア５６、コア基板５８およびヨーク５９の境界は、図６に示すコア基板部５３中に破線で示されている。また、コア５６は、飛行経路９０に沿った長さが、ポールピース５２より短いものとされる。なお、コア基板部６３にも同様のコア６６、コア基板６８およびヨーク６９が存在する。

また、図３に示される間隙３７および３８と同一位置に存在する間隙５７は、コア基板部５３に掘削等の加工を施し、コイル３６をコア基板部５３に埋め込むような溝として形成される。

ポールピース５２は、コア基板部５３のコア５６に配設され、飛行経路９０に沿って発生される静磁場を、均一度が高くレンズ効果を有するものとする。
ヨーク５４および５５は、図３に示すヨーク３４および３５と概ね同様の機能および構造を有する。しかし、ヨーク５４および５５は、ヨーク３４および３５のコア基板８３と接する部分に相当するヨーク５９が、コア基板部５３と一体構造とされる。また、コイル３６は、コア基板部５３の間隙５７に配設される。

図７は、図６に示すエネルギーフィルタ６０のＣＣ′の断面を示す図である。ヨーク８７および９７、並びに、側壁４２および４３に囲まれて、コア基板部５３、コイル３６、ヨーク５４および５５、並びに、ポールピース５２が存在する。ここで、コア基板部５３のコア５６は、飛行経路９０と直交する方向の幅が、ポールピース５２よりも大きなものとなっている。そして、ポールピース５２のｘｙ平面の面積をＡｐ、コア基板部５３のコア５６が有するｘｙ平面の面積をＡｃとすると、Ａｐ≦Ａｃとなっている。

ここで、間隙５７は、中央部分に形成されるコア基板部５３のコア５６を囲む溝からなり、この溝にコイル３６が配設される。コイル３６は、電流を流すことにより、紙面と垂直なｚ軸方向に静磁場を発生する。

なお、エネルギーフィルタ６０の動作は、図５を用いて説明したエネルギーフィルタ１２の動作と全く同様であるので説明を省略する。
上述してきたように、本実施の形態２では、コア基板部５３を、コイル３６が巻かれるコア５６、コア５６を裁置するコア基板５８およびヨーク５９からなる一体構造のものとしているので、コア５６、コア基板５８およびヨーク５９の形成を、例えば掘削加工のみを用いた間隙５７を形成する工程のみで済ませ、加工の工数を軽減することができる。

また、本実施の形態２では、対向する２つのポールピース５２および６２を支持するコア基板部５３および６３は共に同一構造のものとしたが、どちらか一方のみをコア５６、コア基板５８およびヨーク５９が一体化したものとし、もう一方は、実施の形態１で示した様な、コア３２、コア基板８３およびヨーク３４が独立した構造体のもの、あるいはポールピース＆コア４１のようなポールピースとコアが一体化した構造体のものを用いることもできる。

複数のエネルギーフィルタから構成されるオメガフィルタの全体構成を示すブロック図である。 エネルギーフィルタの外観を示す外観図である。 実施の形態１に示すエネルギーフィルタの断面を示す断面図である。 実施の形態１に示すエネルギーフィルタのもう１つの断面を示す断面図である。 実施の形態１のエネルギーフィルタの動作を示す模式図である。 実施の形態２に示すエネルギーフィルタの断面を示す断面図である。 実施の形態２に示すエネルギーフィルタのもう１つの断面を示す断面図である。 エネルギーフィルタの従来例を示す断面図である。

符号の説明

１ 電子ビーム
１０ オメガフィルタ
１１、１２，１３，１４、６０、８０ エネルギーフィルタ
１５ 基板
２０ 入力窓
２１ 出力窓
３１，５２，６２，８８ ポールピース
３２，５６，６６、８２、９２ コア
３２ コイル
３４、３５、４４，４５、５４，５５、６４，６５ ヨーク
５９，６９ ヨーク
８４、８５、８７、９７、９４、９５ ヨーク
３６、４６、８６，９６ コイル
３７、３８、４７、４８，５７，６７ 間隙
４１ ポールピース＆コア
４２、４３ 側壁
５３、６３ コア基板部
５８、６８、８３、９３ コア基板
８１、９１ ポールピース部
９０ 飛行経路

Claims (2)

1. 荷電粒子の円弧をなす飛行経路に沿って扇形の静磁場空間を形成し、前記円弧を含む円弧面と直交する直交方向から前記静磁場空間を挟みこむように対向配置される２つのポールピースと、
   ２つの前記ポールピースを、前記直交方向の静磁場空間の外側から支持し、前記飛行経路に沿った経路長さが前記ポールピースよりも短い２つのコアと、
   ２つの前記コアを前記直交方向の静磁場空間の外側から支持する２つのコア基板と、
   ２つの前記コア基板を磁気的に接続し、前記ポールピースの前記飛行経路に沿った２つの端部近傍に配置される一対のヨークと、
   前記コアは、前記円弧面に平行な方向であって、かつ前記飛行経路と直交する方向の幅を備え、
   前記コアに静磁場を発生させ、前記飛行経路に沿った前記コアおよび前記ヨーク間に形成される間隙に配設される２つのコイルと、
   を備えるエネルギーフィルタ。
2. 前記コアは、前記ポールピースと対向するｘｙ平面の面積が、前記ポールピースがコアと対向するｘｙ平面の面積以上の大きさを備えることを特徴とする請求項１に記載のエネルギーフィルタ。

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