JP4797072B2 - 電子線バイプリズムを用いた電子線装置および電子線バイプリズムを用いた電子線装置における浮遊磁場測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子線バイプリズム及び電子レンズを有する電子線装置と、その装置内部の電子線バイプリズムを用いた浮遊磁場測定方法に関する。

電子顕微鏡など電子光学系を有する電子線装置においては、通常電子レンズとして磁界型レンズが使用される。磁界型レンズは電子線の進行方向（電子光学系の光軸）と平行方向の局所的強磁場による結像作用を利用するもので、最も一般的に用いられている電子レンズである。電子レンズの磁場の強弱は焦点距離の変化に対応し、対物レンズではフォーカス調整に、結像レンズ系では像倍率の変更などに利用される。一方、電子線の進行方向と垂直方向の磁場は、ローレンツ力として電子線の進行方向を直接的に変更する。そのため、比較的弱磁場にて電子線の偏向器として用いられることが一般的である。

電子線の場合には光線と異なり、電子線の通過経路を真空排気しなければならないことから、電子光学系は、金属製の密閉容器内に構築されることが一般的である。このとき、真空容器を高透磁率材料（例えば、純鉄やパーマロイなど）とすることによって、容器外部の磁場が電子線の経路に侵入しないよう遮蔽することができ、比較的容易に磁場対策を採ることができる。ただし、磁場に対する遮蔽は電場に対する遮蔽とは異なり、高透磁率材料側に磁場を優先的に透過させることによって、相対的に対策を必要としている空間、部分の磁場強度を低下させているだけで、原理上完全には遮蔽し得ない。

このような事情から、高分解能像観察、特に収差補正装置を導入した高分解能像観察法、および電子線ホログラフィーなど高精度で電子線を制御しなければならない場合には、電子線の経路内に残存する浮遊磁場、とりわけ時間的に変動する磁場に対しては、細心の対策が必要とされる。特に、先述のとおり、光軸に垂直方向の磁場成分は、電子線を直接偏向させるため影響が大であり、その測定と対策は重要である。

一般的には、例えば非特許文献１に開示されているように、浮遊磁場が時間的に電子線を偏向することを利用してその浮遊磁場の大きさ、位置を推定する。図１３にその原理を模式的に示す。図１４（図１４Ａ、図１４Ｂ）に測定の状況および測定結果を示す。電子線の進行方向に幅ｌに渡って光軸２に垂直方向の磁場２６（磁束密度ΔB）があるとき、磁場中に入射した速度vの電子は、図１３のようなある１点２５を中心とした回転半径rの等速円運動を行う。その結果、電子線は偏向角ηを持って磁場領域２６を射出する軌道２７を描く。この偏向角ηは、電子が磁場より受けるローレンツ力と遠心力のつり合いより

と表わされる（但し、λ = h/mvを用いた）。ここでeは電子の電荷量、hはプランク定数、λは電子線の波長である。

この電子線への偏向角ηが時間的に変動するとき、偏向角ηを浮遊磁場存在領域の電子線の進行方向下流側、距離L_defの点で観察し（図１４A参照）、電子線のスポット１０の形状のゆがみ、もしくは分裂（ΔSource＝2ηL_def）として計測でき（図１４B参照）、浮遊磁場ΔBを求めている。

図１４より明らかなように、この従来の浮遊磁場測定方法では、高感度に測定するには、浮遊磁場の存在領域と電子線スポット１０の観察位置は離れている方が望ましく（L_def → 大）、また、スポット１０は小さく、かつ同時にスポット位置の観察倍率は高いことが望まれる。しかし、これらの条件を満たす光学系は、試料像観察条件からは大きく外れていることが多い。従って、浮遊磁場ΔBを測定しても、試料像観察時には別途に異なる光学系を構築しなければならず、測定結果が直接、観察像の良否に関係しない場合もある。

なお、電子線装置に関連するその他の技術として、特許文献１には、基本的な電子顕微鏡本体に加え、ホログラフィー観察において要求する空間分解能を入力する手段と、入力された値及び装置固有のパラメータから要求された空間分解能を実現する電子線バイプリズム位置及び試料位置を算出するための計算装置及び、得られた計算結果を実現するためのこれら二つの位置を移動させる機構を設けたものが開示されている。試料位置移動手段として、ネジのピッチを利用した回転式機構が開示されている。特許文献２には、電子線バイプリズムを２段用いることにより、干渉顕微鏡像のパラメータ（縞間隔、干渉領域幅）を独立に制御することが開示されている。

また、非特許文献２及び非特許文献４には、電子波の位相と磁場の関係、及びアハラノフ・ボーム効果に関する記載がある。また、非特許文献３には、電子レンズの収差の影響を受けず高コントラストで格子像を記録する方法として、暗視野格子を用いた結像実験に関する記載がある。さらに、非特許文献５には、２段電子線バイプリズム干渉計に関する記載がある。

特開２００７−３３５０８３号公報 特開２００５−１９７１６５号公報 後藤憲一、山崎修一 共編：詳解 電磁気学演習 （昭和58年）（共立出版）p400 A. Tonomura： Electron Holography, 2nd ed. (Springer, Heidelberg. Germany,1999) Chapter 5. Tetsuya Akashi、Akiara Sugawara、Takaho Yoshida、Tsuyoshi Matsuda、Ken Harada and Akira Tonomura： Proceedings of 16 th International Microscopy Congress (IMC16), (Sapporo, Japan, September 3 - 8, 2006) Vol. 2 , pp. 585. A. Tonomura： Electron Holography, 2nd ed. (Springer, Heidelberg. Germany,1999), Captor 6, page 52. Ken Harada, Akira Tonomura, Yoshihiko Togawa, Tetsuya Akashi and Tsuyoshi Matsuda： Applied Physics Letters, Vol. 84, (2004) 3229.

先述のごとく、浮遊磁場、特に光軸と垂直方向成分を有し、時間的にその強度、方位が変化する磁場は、その変動が電子顕微鏡において画像取得中（露光時間内）に作用した場合には、異なる画像が重畳されて観察・記録されることになり、電子顕微鏡像劣化の直接的原因となる。そのため、装置全体だけでなく、電子線の経路を集中的に高透磁率材料で覆ったり、あるいは、装置全体に問題となる浮遊磁場と逆方向でかつ同じ強度の磁場を積極的に印加することによって相殺するなどの対策が採られている。いずれにしても、電子顕微鏡像に直接影響を与えている浮遊磁場を測定することは、対策の方針を決定するためにも、対策の良否を評価するためにも重要である。

しかし、真空に封じられ、多数の電子レンズから構成される電子顕微鏡光学系においては、センサーを用いて浮遊磁場ΔBを検出することは現実的に困難であり、一般的には先述のとおり、電子ビームをスポット状にして、そのスポットの形状の不均一性（一方向への伸長）やスポットの分裂もしくは振動などを通じて測定、あるいは定性的な観察を行っているのみであった。この電子線のスポットを用いる方法は、スポットのサイズによって検出感度が異なること、通常の透過型電子顕微鏡においては、電子線のスポットを観察する光学系は試料像を結像観察するための光学系と異なることなどから、高分解能観察や、電子線ホログラフィーにおいては、電子線のスポットを拡大投影する光学系によって浮遊磁場の程度を評価しても、像観察に影響を与える浮遊磁場を評価できておらず、結局試行錯誤に磁場対策を行い、実験によって実際の像を観察して効果の程を知るしかなかった。

本発明の目的は、電子線装置内の電子光学系上に存在し、結像に影響を与える浮遊磁場を高感度に検出し、定量的に評価できる浮遊磁場の測定手法を提供することにある。

本発明の代表的なものの一例を示せば以下の通りである。即ち、本発明は、電子線の光源と、試料を保持するための試料保持機構と、前記光源から放出される前記電子線を前記試料に照射する照射光学系及び前記試料の像を結像するための対物レンズを含む結像光学系を有する電子光学系と、前記試料像を観察あるいは記録するための画像観察・記録装置を備えた電子線装置であって、前記試料保持機構、前記電子光学系、及び前記画像観察・記録装置を制御する情報処理装置を備え、前記電子光学系の光軸上に配置された電子線バイプリズムと前記電子光学系の電子レンズとによって干渉縞を発生させ前記干渉縞のコントラスト、もしくは前記電子線バイプリズムによる前記電子線の偏向角度を調整することによる前記干渉縞のコントラストの変化に基き、前記電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場を測定することを特徴とする。

なお、電子線に関しては照射光学系において空間的に可干渉な範囲内の電子線を用いる。

本発明によれば、試料観察時と同じ結像光学系、および光学条件において、浮遊磁場の影響を定量的かつ高精度に計測することが可能となり、光学系内に残存する浮遊磁場が観察像に与えている影響の程度、該浮遊磁場への対策の有効性の程度を測定・評価することが可能となる。

本発明は、電子線バイプリズムを用いて干渉光学系を構成し、高分解能像（格子像）観察光学系で格子像観察を行う光学条件にて干渉縞を観察し、観察される干渉縞のコントラストもしくはコントラスト変化の様子から、光学系中の浮遊磁場を測定する方法およびそれを可能とする装置を提供するものである。本方法の原理は、二波を干渉結像させる際に二波の経路が包む空間内に存在する時間的に変動する浮遊磁場によって生じる位相差（アハラノフ・ボーム効果による位相差（非特許文献４））の揺らぎを干渉縞のコントラストの劣化として評価するもので、電子線が浮遊磁場から受けるローレンツ力によって偏向される程度を測定する先述の電子線スポットの偏向検出方法とは原理的に異なる。

本発明では、電磁ノイズとしての浮遊磁場の強度、方位は時間的に常に揺らいでいるが、その揺らぎの程度は一連の干渉像観察の所要時間内には大きく変化しないとき、この揺らぎの程度を測定・評価するために、電子線バイプリズムを用いて電子線を二波に分割・干渉させることを測定の基本とする。電子線バイプリズムの電子線に対する偏向角度を変更し、その各々の状態での干渉縞を観察し、そのコントラストの変化の程度から当該干渉縞を形成するに至った二波の電子線経路中に存在する浮遊磁場の揺らぎの程度を測定する。二波の経路は空間的に離れるほど、すなわち電子線バイプリズムによる偏向角度が大きいほど該経路により包まれる空間が大きくなり、該閉空間内に取り込まれる浮遊磁場の量が増えるので該浮遊磁場を高感度に検出できる。

まず、本発明の浮遊磁場測定の原理に関して、以下、説明する。
＜１．電子線バイプリズム＞
本発明の説明においては、電子線バイプリズムが用いられる。電子線バイプリズムは光学におけるフレネルの複プリズムと同じ作用をする電子光学系における装置で、電界型と磁界型の２種類がある。このうち、広く普及しているものは電界型電子線バイプリズムで、図１に示すような形状をしている。すなわち、中央部の極細線電極９とその電極を挟む形で保持される平行平板型接地電極９９から構成される。例えば、中央極細線電極９に正電圧を印加すると、図１中に示したごとく、極細線電極９の近傍を通過する電子線は、中央極細線電極９の電位を感じて互いに向き合う方向に偏向される（電子線の軌道２７参照）。図１中の電子軌道２７と垂直に平面２２が描かれているが、これは電子線を波として表現するときの等位相面であり、通常は電子軌道と垂直を成す面で一般的には波面と呼ばれる。

中央極細線電極９から離れるほど電子線に作用する電位は小さくなるが作用している空間範囲が長いため、結果的には電子線の偏向角度は入射位置に依らず極細線電極への印加電圧に比例する。すなわち、αを電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度とすると、中央極細線電極９への印加電圧V_fと偏向係数kを用いてα=kV_fで表わされる簡単な関係を持つ。電子線の偏向角度αが入射位置に依らないことは電子光学装置としては重要な特徴で、平面波は平面波のまま伝播方向のみが偏向されて、電子線バイプリズムを射出することになる。これは光学ではちょうど２つのプリズムを合わせた複プリズムの効果に対応することから、電子線バイプリズムと呼ばれている。電子線を偏向させるために電位を用いるものを電界型電子線バイプリズム、磁界と電子線とのローレンツ力を用いるものを磁界型電子線バイプリズムと呼ぶ。

本発明では、電界型電子線バイプリズムを用いて説明を行う。しかし、本発明は電子線バイプリズムとして電子線が干渉させられる装置であれば電界型、磁界型に依らず構成可能であり、説明で用いる電界型電子線バイプリズムに限定するものではない。また、本発明において「電子線バイプリズム」と記載する場合には、中央極細線電極を含んで広義に電子線偏向装置としての電子線バイプリズム全体を意味し、電子光学系に置ける厳密な位置に言及する場合は原則として「電子線バイプリズムの中央極細線電極」と記載する。

電子線バイプリズムは光学におけるハーフミラーの様なビームスプリッターが無い電子線においては、電子線干渉を作り出すのに必須の装置である。その理由は図１にも明らかな様に、１つの電子線の波面２２を２波に分離するとともに互いに向き合う方向に偏向させる機能にある。この結果、電子線バイプリズムを通過し２波に分離された電子線は、電子線バイプリズムの電子線の流れの下流側で重畳され干渉縞８を生じさせる。このような電子光学系を総称して、電子線干渉光学系と呼ぶ。
＜２．二波の干渉と干渉縞＞
電子線ホログラフィーに代表される最も一般的な電子線干渉光学系は、図２に示すごとく１段の電子線バイプリズムを電子源の像１０（クロスオーバー）と干渉縞を観察する平面７の間に配置し、中央極細線電極９に正の電圧を印加することによって該中央極細線電極９の両側を通過した２つの電子線を該中央極細線電極９の後方（電子線の進行方向下流側）で重畳させて干渉縞８を得ている。このときの干渉縞間隔ｓと干渉領域幅Ｗとの間には一定の関係があり、以下の数式にて表わされる。

ここでα（rad）は電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度である。その他の文字については、図２中に示したとおり、Ｄは電子源の像面１０から干渉縞の観察面７までの距離、Ｌは電子線バイプリズムの中央極細線電極９と干渉縞の観察面７までの距離である。また、d_fは中央極細線電極９の直径である。

式（５）、（６）からわかるように干渉縞間隔ｓと干渉領域幅Ｗは、共に電子線の偏向角度αの関数となっており、中央極細線電極９への印加電圧Ｖ_fのみで互いに独立した制御を行うことは出来ない（例えば、非特許文献２参照）。

なお、図２では中央極細線電極９は紙面に垂直に配置されているものとし、電極の断面を小さな丸で示し、中央極細線電極９の両側の平行平板型接地電極９９は省略している。また、光源を含む照射光学系４を小さな四角形で描いているが、これは電子源（電子銃）１、加速管４０、コンデンサレンズ系（４１、４２）など、電子線の照射にまつわる装置部分をすべて含めた意図を持っている（図８参照）。光学系の模式図におけるこの照射系などの表示の省略は、必要に応じて、これ以降の図についても同様である。
＜３．二波干渉結像＞
本発明の方法では、同一光源から出発し異なる軌道を経由する二波の電子線の間に生じる干渉現象を利用する。２つの波に分割するために電子線バイプリズムを用いることは、上述のとおりであるが、これは干渉計としては波面分割型の干渉計に該当し、図３において干渉縞を観察する面７を試料位置３（対物レンズの物面）と見なして、格子像観察法と同様の光学系を構築する。通常の格子像観察と異なる点は、光軸に平行に伝播する波（格子像観察時には０次の透過波に相当する）のない、光軸に対称な角度γを持って伝播する２つの偏向波（g、−g）だけの厳密な二波結像に該当する点である。試料位置３における電子線が光軸２と成す角γは、電子線バイプリズムによる偏向作用によって生み出されたものであるが、偏向角αとは異なり、電子源１の位置にも依存する。この角度γは、結像レンズにて拡大作用を経ると、倍率に逆比例して小さくなる。

まず、図３の様に光学系の諸パラメータを定め、対物レンズの倍率をM_objとすると以下の諸式を得る。下付文字『_obj』は、対物レンズ透過後を意味する。

ここでaは対物レンズ５（対物レンズの主面）と試料位置３（対物レンズの物面）との距離、bは対物レンズ５（対物レンズ主面）と像面７１との距離である。

なお図３では、簡単のため磁界レンズによる光軸を中心とした電子線の回転及びそれに伴う像の回転を描いていないが、この省略によって本発明が議論する電子光学系の一般性を失うものではない。また、レンズ自身も主面を単線で表わす省略を行っている。図３以降の光学系を表わす図についても場合に応じて同様の省略を行う。

また、図３で描いた２つの偏向波（g、−g）で構成される干渉縞８は試料観察に置き換えると暗視野格子像と呼ばれるものに該当しており（非特許文献３参照）、二波は光軸に対して対称な角度関係を成すため電子レンズの収差の影響を受けない（厳密には収差の影響を相殺して結像する）特徴を持っている。パラメータDおよびLが既知であれば、フォーカス条件は試料位置３に対するインフォーカスでよい。
＜４．電子軌道と位相差＞
本発明の方法では、同一光源から出発し異なる軌道を経由する電子線の間に生じる干渉現象を利用する。図４は電子軌道２７と波面２２（等位相面）の関係を描いた模式図である。図４のような電子源１と観察点（光源の像１０）の関係の場合、電子源１からでた電子線が各々の軌道２７を経て観察点１０に達した時の電子線の位相差Δφは式（９）で表わされる（非特許文献４参照）。

式（９）右辺の第１項Δφ₁は幾何光学的光路差（波数の経路積分）、第２項Δφ₂は電場の寄与であり光線の場合の屈折率に相当する。第３項Δφ₃は磁場の寄与で、加速電圧（電子線の波長）に依存しないことを特徴とする。本発明では、電子顕微鏡像に与える浮遊磁場の影響を考察するため、幾何光学的位相差の第１項Δφ₁と磁場の寄与の第３項Δφ₃についてそれぞれ検討する。
＜５．幾何光学的光路への浮遊磁場の影響＞
本節では図５のごとく、２つの偏向波（g、−g）の経路中に浮遊磁場２４（磁束密度ΔB）が存在する場合を検討する。電子顕微鏡像の解像度など像質に最も大きな影響を与える対物レンズにおいては、試料ホルダー、対物絞りなどの電子光学部品がレンズ主面近傍に配置される構造となっており、そのため磁場遮蔽は他の部分と比較して弱いのが実状である。そこで、時間的に変動する浮遊磁場は、対物レンズによる電子源の像面３６（後側焦点面近傍）の電子線の流れの下流側の幅ｌの範囲に局所的に存在していると仮定する。上記の事情であるため、この仮定でも一般性は失わない。

図５に浮遊磁場の領域を含む場合の光学系を示す。ある瞬間を考えると、電子線バイプリズム９にて分割・偏向を受けた各々の電子軌道２７は、それぞれ浮遊磁場ΔBにてローレンツ力による偏向を受け、干渉縞８は横方向に移動する（図５では右方向）。像観察点は、高倍率のため光軸２のごく近傍のみであるから、観察像では干渉縞の縞位置が横に移動したように観察される。すなわち、観察された干渉縞の位相が変化することになる。観察点での干渉縞の位相の変化量Δφ₁を、浮遊磁場ΔBにより生じた虚光源１５からの光路長より求めると、虚光源１５の位置の変位量は１次近似の範囲（でｌηであることから、右側虚光源（偏向波g）からの光路長D_Rと、左側虚光源（偏向波−g ）からの光路長D_Lとは各々、

となる。以上より、光路差ΔD、および位相変化量Δφ₁を得る。

式（１３）より、浮遊磁場による干渉縞の幾何光学的光路差ΔDによる位相変化量Δφ₁は波長λに依存せず、浮遊磁場の強さ（磁束密度ΔB）と、その磁場の存在領域ｌに依存することがわかる。すなわち、時間的に変化する浮遊磁場ΔBが領域ｌに存在するとき、位相変化量Δφ₁分だけ異なる干渉縞が重畳されて観察されることになり、干渉縞のコントラストが劣化する。つまり、観察される縞のコントラストと浮遊磁場の間には一定の関係があり、その関係は一連の実験の時間内では一定とみなせる。
＜６．磁場に起因した位相差＞
式（９）の第３項のごとく、位相変化量Δφ₃に対する磁場の寄与は加速電圧に依存しない。ストークスの定理により、２つの軌道の間に存在する磁束密度Bで決まった変化を受ける（式（１４））。これがアハラノフ・ボーム効果（AB効果）である。（非特許文献４参照）

従って、二波の電子線で囲まれる浮遊磁場の存在領域Sの面積が求まれば、位相変化量Δφ₃が求められる。前節と同様に図６に示した光学系のパラメータ、および浮遊磁場の存在領域の場合、分割された電子線の軌道２７で囲まれる面積Sは式（１５）のように表わされる。

これより位相変化量Δφ₃は、式（１６）のように表わされる。

すなわち、式（１３）と同様に、時間的に変化する浮遊磁場ΔBが領域ｌに存在するとき、位相変化量Δφ₃分だけ異なる干渉縞８が重畳されて観察されることになり、干渉縞８のコントラストが劣化する。しかし、式（１３）とは異なり、式（１６）は実験者が変更可能なパラメータ（電子線バイプリズムによる偏向角度α、電子線バイプリズムと対物レンズ物面との距離L）を含んでいる。なお、電界型電子線バイプリズムの場合には、先述のとおり電子線に与える偏向角度αは、中央極細線電極９への印加電圧V_fと偏向係数kを用いてα=kV_fで表わされるため、電子線の軌道２７で囲まれる面積S、および位相変化量Δφ₃は、以下のごとく印加電圧V_fを変数として含む形式でも表わされる。

＜７．浮遊磁場の評価法＞
浮遊磁場ΔBが正負の方向に揺動するので、時間的に積分して表われる縞のにじみ量は、各々の位相変化量の絶対値の和として取り扱う。すなわち、式（９）、式（１３）と式（１６）より、二波の位相変化量Δφは式（１９）、

で表わされる。

つまり、観察される縞のコントラストと浮遊磁場の間には式（１９）に基づき一定の関係があるが、浮遊磁場からの寄与分（式（１６）に基づく位相差）には、実験者により以下のとおりパラメータを変更する余地が残されている。

（１） 電子線の加速電圧を変更し波長λを変更する。

（２） 電子線バイプリズムによる偏向角度αを変更する。

（３） 電子線バイプリズムの光軸上の位置Lを変更する。（L=0の時には、位相変化量Δφは最大となるが、そのままでは二波を重畳できず干渉縞を発生させられない。ダブル電子線バイプリズム干渉計は、これを補う技術であるが、これについては後述する。）
これらのパラメータ変更によって、浮遊磁場についての情報を得ることが可能である。この実験者によって変更可能なパラメータ（α、およびL）のうち、図６のごとく電子線バイプリズムによる偏向角度αを変更し、観察される干渉縞８のコントラスト変化より浮遊磁場ΔBを評価する方法およびそれを可能とする装置を提供することが、本発明の根幹である。

例えば、電子線バイプリズムによる偏向角度αを変更しながら干渉縞の観察を行い、干渉縞のコントラストが失われるときには時間的に変動する位相差がちょうど２π（Δφ = 2π）に達したときとみなし、そのときの偏向角α_limを求めると、式（１９）より浮遊磁場の強度ΔBについて、式（２０）の関係を得る。

式（２０）では浮遊磁場の存在領域ｌが未定であるが、通常、およそ対象としている電子レンズ（ここでは対物レンズ）の焦点距離ｆ程度と考えられるので、ｌ＝ｆとして、式（１）を得る。

この式（１）より、浮遊磁場を概算することが可能である。

なお、干渉縞のコントラスト消失は、例えば白画像（真空中の何も無い空間の画像）のコントラストとの比較において、干渉縞のコントラストがノイズレベル以下となり、実効的に干渉縞８が判別できなくなるときと考えればよい。

また、式（２０）において、浮遊磁場の存在領域ｌは、上記電子レンズの焦点距離ｆに限定されないことはいうまでも無い。例えば、電子レンズのポールピースギャップ間に浮遊磁場が存在していると見なせるときには、ギャップ長さＧを浮遊磁場の存在領域ｌに置き換えて、式（２０）から浮遊磁場ΔBの強度を求めても良い。その他、電子線装置内の浮遊磁場の存在領域を大まかに特定できる任意のパラメータを式（２０）の存在領域ｌの代わりに用いて式（１）相当の演算式を得ても良い。

本発明により浮遊磁場の測定を行う手順を、図７にフローチャートとして示す。それぞれを説明する。なお、必要な情報は観測者がコンピュータのモニタ画面などを通じて予め入力し、記憶手段に記録されているものとする。

（ステップ１）：干渉縞観察の光学系を決定する。すなわち、電子線の波長、干渉縞を作成する光学系を決定する。干渉光学系としては例えば、単電子線バイプリズム干渉系を用いるか、ダブル電子線バイプリズム干渉系を用いるか、あるいは、前方磁界レンズの結像効果を利用するか否かなどを定める。

（ステップ２）：観察条件を決定し、装置の光学系を定めた観察条件に合わせる。観察条件としては、干渉縞間隔、干渉縞領域幅、フォーカスはずれ量、記録時の倍率などがある。

（ステップ３）：干渉縞観察時と同一の条件にて白画像を取得し、その画像を記録媒体や記録装置に記録する。特に、画像への電子線のドーズ量が干渉縞観察時と同一になるよう調整を行う。

（ステップ４）：得られた白画像より、画像のノイズレベルを決定する。これには例えば、画像のフーリエ変換などを利用してもよい。

（ステップ５）： 中央極細線電極を観察視野中に合わせ込み、電子線に所定の偏向角度を与える。

（ステップ６）：光学系をステップ１で定めた観察条件に合わせる。

（ステップ７）：干渉縞を観察し、その画像を記録媒体や記録装置に記録する。

（ステップ８）：干渉縞のコントラストを評価する。
（ステップ９）：ステップ４で求めた画像のノイズレベルと比較する。

（１）ノイズレベルより干渉縞のコントラストの方が大きいとき（Ｙｅｓ）→電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度を増加させるために中央極細線電極へ印加する電圧を決定し（ステップ１０）、印加電圧を変更（増大）し（ステップ１１）ステップ６に戻る。

（２）ノイズレベルより干渉縞のコントラストの方が大きくないとき（Ｎｏ）→ステップ１２へ進む。

（ステップ１２）：電子線バイプリズムによる偏向角度、もしくは中央極細線電極への印加電圧を元に、分割された電子線軌道が包む閉空間の面積を算出し、その結果を記録装置に記録する。

（ステップ１３）：式（１）に基づき、浮遊磁場量ΔBを求め、記録装置に記録する。

（ステップ１４）：ステップ１３で求めた浮遊磁場量ΔBをモニタに表示する。

（ステップ１５）：一連の測定を終了する。

図７のフローチャートは、ステップ１、２の条件設定、ステップ９等の判定など、実験者がモニタ画面を見ながら必要な情報を装置に入力することで実現される。あるいは、図７のフローチャートに基づき、装置が浮遊磁場ΔBを自動測定するシステムを構築することも可能である。
＜８．浮遊磁場の評価精度＞
本手法が、どの程度浮遊磁場に対して感度を持っているか評価してみる。式（１）もしくは式（１９）の係数h／２eはちょうど超伝導磁束量子１個の保持する磁束量（Φ₀ ＝２×１０^-15Wb（ウェーバー））に対応している。また、項(Ｄ−Ｌ)／Ｄ×α_limは比較的自由に設定できるパラメータであり１０^-3〜１０^-4程度の値となる。すなわち、評価可能な浮遊磁場の強度ΔBは、１個の磁束量子が浮遊磁場の存在領域ｌで定まる面積（例えば浮遊磁場の存在領域ｌを対物レンズの焦点距離f程度とすると、f²〜３mm²）に存在する場合に対応する。これは大変に弱い磁場に相当する（例えば、地磁気３×１０^-5Wb／m²（＝０．３G（ガウス））は、磁束量子の面密度に直すと１５０００個／mm²に対応する）。従って本手法が、地磁気の１／１０⁵以下の弱磁場に対して評価可能な方法であることがわかる。
＜電子線装置＞
図８（図８Ａ，図８Ｂ）で電子線装置について説明する。図８Ａは、本発明が適用されるシステムとしての電子線装置の、通常の使用状態を模式的に示す図であり、図８Ｂは、本発明を適用して浮遊磁場の測定を行う際の、電子線装置の全体を模式的に示す図である。なお、図８（図８Aおよび図８B）は、汎用型の透過型電子顕微鏡を用いる場合を想定した模式図であるが、本発明はこの模式図に記載の形態に限るものではない。

まず、図８Ａの通常の装置の使用状態では、試料３が、試料保持機構３７に設置されている。電子源１が電子線の流れる方向の最上流部に位置し、電子源１を射出した電子線は加速管４０にて所定の速度の電子線とされた後、照射光学系４を構成する（第１の照射（コンデンサ）レンズ４１、第２の照射（コンデンサ）レンズコンデンサーレンズ４２）を経て試料３に照射される。試料３を透過した電子線は、電子線の進行方向に試料３よりも下流側の結像光学系を構成する対物レンズ５にて結像される。この結像作用は、対物レンズ５よりも下流側の結像光学系すなわち複数の結像レンズ系（第１の結像レンズ６１、第２の結像レンズ６２、第３の結像レンズ６３、第４の結像レンズ６４）に引き継がれ、最終的に電子線装置の観察・記録面８９に試料像８５が結像される。９４は対物絞りである。

観察・記録面８９に結像された試料の像８５、例えば格子像などは、画像観察・記録装置に記録される。すなわち、格子像あるいは干渉縞８は、制御ユニット７８で制御される電子顕微鏡フィルムやＣＣＤカメラなど画像観察・記録媒体７９を通じて画像記録装置７７に記録される。

電子源１、加速管４０への印加電圧、試料保持機構３７にマウントされた試料３の位置、および各電子レンズの励磁状態などは、装置全体を制御する情報処理装置である制御系コンピュータ５１及びこれに接続された各ユニットの制御系、すなわち電子源の制御ユニット１９、加速管の制御ユニット４９、第１の照射レンズの制御ユニット４８、第２の照射レンズの制御ユニット４７、試料の制御ユニット３９、対物レンズの制御ユニット５９、対物絞り９４を制御する制御ユニット６５、第１の結像レンズ６１の制御ユニット６９、第２の結像レンズ６２の制御ユニット６８、第３の結像レンズ６３の制御ユニット６７、第４の結像レンズ６４の制御ユニット６６、画像観察・記録媒体の制御ユニット７８でコントロールされている。５２は制御系コンピュータのモニタ、７６は画像観察・記録装置７７のモニタである。

実際の装置ではこの模式図で示した他に、電子線の進行方向を変化させる偏向系などが存在し、それらの装置もまたコンピュータ５１に接続された制御系でコントロールされている（特許文献１、２参照）。

制御系コンピュータ５１は、試料位置の制御のために必要な制御パラメータ値等をＧＵＩ等で入力する入力装置５３、演算手段、及び電子顕微鏡の観測条件探索あるいは動作制御のために必要となる情報を格納する記憶手段、例えばメモリや各種ストレージ装置、表示モニタを含む出力装置を備えている。記憶手段に格納される情報としては、装置が格子像観察に必要な条件を決定するのに必要な情報、例えば、試料の材料や観察条件関する情報などである。更に、上記の情報の探索あるいは動作制御を実行するための各種のソフトウェアが格納されており、演算手段によりこれらのソフトウェアが実行される。

なお、本発明には直接の関係が無い制御系に関しては、この図では割愛する。また、この模式図に示すごとく電子光学装置は真空容器１８中に組み立てられ、真空ポンプにて継続的に真空排気されているが、真空系についても本発明とは直接の関係がないため割愛する。

次に、本発明を適用して電子線装置内の浮遊磁場の測定を行う場合について説明する。

本発明においては、浮遊磁場の測定時に試料の観察は行わないが、電子線装置としては試料３の保持機構３７およびその制御系３９が備わっていることは、図８Ａに示したとおりである。

図８Ｂに示したように、浮遊磁場の測定時、電子線装置は、試料に代えて試料保持位置近傍から電子線の進行方向上流側に設置された電子線バイプリズム９１を使用する。電子線バイプリズム９１は、単独で設置しても良く、試料保持機構３７と一体的に構成し電子線装置に組み込むようにしても良い。あるいは電子線バイプリズム９１と試料保持機構３７を交換可能に構成しても良い。後で述べる実施例１によれば、第１の電子線バイプリズムは通常の試料位置よりも若干電子線の進行方向上流側に設置可能に構成されている。すなわち、浮遊磁場の測定を行う場合は、図８Ａの試料３に代えて、図８Ｂのように、第１の電子線バイプリズム（電子線バイプリズムの中央極細線電極９単独、または中央極細線電極９と平行平板接地電極９９の組み合わせ、以下同じ）が、試料位置の近傍から電子線の進行方向に若干上流側に設置される。第１の電子線バイプリズムは、その位置、電子線偏向角度の設定などが第１の電子線バイプリズム制御系９７にて行われる。第１の電子線バイプリズムには、光軸と平行に移動できる機構が備わっていれば、対物レンズ５の前方磁界の結像作用などを積極的に利用できる。

電子線装置内の試料３関連の装置と、電子線バイプリズムのどちらか一方は、光学系の構成上使用しない場合もあるが、その際は、電子線の邪魔にならない位置に調整すればよい。

また、後の実施例で述べるように、第１、第２の電子線バイプリズムを同時に使用する場合には、例えば第１の電子線バイプリズム９１は試料位置に設置され、第２の電子線バイプリズム９５は、対物レンズ５の下方に組み込むようにしても良い。すなわち、第２の電子線バイプリズム（電子線バイプリズムの中央極細線電極９単独、または中央極細線電極９と平行平板接地電極９９の組み合わせ、以下同じ）も使用する際は、対物レンズ５と第１の結像レンズ６１の間に、第２の電子線バイプリズム９５が設置される。第２の電子線バイプリズム９５は、その位置、電子線偏向角度の設定などが第２の電子線バイプリズム制御系９６にて行われる。第２の電子線バイプリズム９５においても、光軸と平行に移動する機構が備わっていれば、光学系への自由度が大きくなるため、なお良い。

対物レンズ５による結像作用は、対物レンズ５よりも下流側の複数の結像レンズ系（６１、６２、６３、６４）に引き継がれ、最終的に電子線装置の観察記録面８９に干渉縞８が結像される。干渉縞８は、画像観察・記録装置に記録される。すなわち、干渉縞８は、制御ユニット７８で制御される電子顕微鏡フィルムやＣＣＤカメラなど記録媒体７９を通じて画像記録装置７７に記録される。

制御系コンピュータ５１で実行されるソフトウェアには、格子像観察光学系や試料保持機構及び画像観察・記録装置等を統括制御し、図７のフローチャート等に基づく一連の演算処理を実行し、その結果をモニタ５２に表示するプログラムも含まれている。本発明による電子線装置は、電子光学系の光軸上に配置された電子線バイプリズムと電子線装置の電子レンズによって干渉縞を発生させ、電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度を調整することによる干渉縞のコントラスト、もしくは干渉縞のコントラストの変化から、電子線バイプリズムから観察記録装置までの電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場を測定する機能を有している。

すなわち、後で詳細に述べるように、制御系コンピュータ５１は、装置全体を制御し、試料像の観察や浮遊磁場の測定を行うための情報処理装置として機能するものである。

この場合、浮遊磁場を算出するために前記式（１）を用いる。あるいはまた、前記式（２０）中の浮遊磁場の存在領域ｌについて、前記したように、対物レンズ５の焦点距離ｆやポールピースギャップ長さなど、電子線装置内で磁場の残存する範囲を特定して、適宜設定し、前記式（１）に代わるものとして採用しても良い。

また、画像のノイズレベの設定や干渉縞のコントラストの観察、評価は、例えば、実験者がモニタ７６に表示される画像を見ながら行っても良い。

実験者は、モニタに表示された浮遊磁場の算出結果に基き、電子線装置に対して必要な磁場遮蔽対策を施し、例えば電子顕微鏡像観察の場合には、図８Ａの状態に戻して以降の実験に備える。

本発明の第一の実施例として、電子線装置における単電子線バイプリズムによる干渉縞観察光学系の具体的な構成例及びそれを用いた浮遊磁場の測定方法を、図９で説明する。
この実施例では、図８Ｂの第１の電子線バイプリズムのみを採用し、第２の電子線バイプリズムは設置しない。図９に、本発明を実施する場合の光学系を示す。図９の（Ａ）は、例えば通常の試料位置３の電子線の流れる方向の上流側Ｌの距離に電子線バイプリズム９をセットし、分割・偏向を受けた二波の電子線を通常の試料位置３の空間に重畳させ干渉縞８を発生させる。その干渉縞を対物レンズ５によって拡大結像し、対物レンズの像面７１に生じた干渉縞８をさらに電子線の進行方向下流側の第１の結像レンズ６１にて拡大することを表わした模式図である。７２は第１の結像レンズ６１による像面を示している。

図９の（Ｂ）は、図９の（Ａ）の光学系において電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度αをΔαだけ大きくしたときの模式図である。分割・偏向を受けた二波の電子線は、図９の（Ａ）の場合と比較して対物レンズ５の近傍で空間的にΔＳだけ余計に広がっている。すなわち、浮遊磁場の領域２４に存在し干渉縞８に与える浮遊磁場ΔBの影響の大きさは、二波に囲まれた閉空間の大きさ（式（１５）の面積S）に依存するので、浮遊磁場ΔBの影響の大きさは、電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度αに応じて幾何学的に一意に定まる。すなわち、光学系中に残存する浮遊磁場ΔBの大きさは、干渉縞８のコントラストの劣化として、直接的に観察・測定できる。これらの関係は、式（２０）にまとめた通りである。

情報処理装置は、電子光学系の光軸上に配置された電子線バイプリズム９と電子レンズによって干渉縞８を発生させ、電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度αを調整することによる干渉縞８のコントラスト、もしくは干渉縞のコントラストの変化から、電子線バイプリズムから観察記録装置（像面７２）までの電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場ΔBを測定し、モニタ５２に表示する。

なお、干渉現象を対象とする以上、電子線の空間的過干渉性は重要であり、照射光学系において空間的に可干渉な範囲内の電子線を用いることは当然である。

また、図９に示すとおり、電子線バイプリズム９を用いた干渉計では、原則として光軸に対称な二波に分割できるため、厳密に二波干渉として取り扱うことが可能であり、球面収差の影響も相殺されるため二波の相対的な位相差のみに注目できる利点がある。また、試料を透過せず真空中のみを伝播した電子線を用いて干渉現象を観察するため、ノイズの少ない高いコントラストの干渉縞から浮遊磁場の測定をスタートできる。

図９の例では、電子線バイプリズムの中央極細線電極９に正電位を与えて電子線を互いに向き合う方向に変更させ、試料位置３にて干渉縞を発生させている。電子線バイプリズムの中央極細線電極９に与える電位の大きさ、正負は、電子源の像１０と中央極細線電極９、そして干渉縞を発生させる位置に依存するためこの図の限りではない。しかし、試料を保持する空間（厳密には対物レンズの物面３４の位置）上に干渉縞を発生させ、それを後段の結像レンズ系で拡大して観察し、浮遊磁場の測定に供する点が、この発明の根幹である。これにより、試料観察時と同じ結像光学系、および光学条件で、浮遊磁場の影響を定量的かつ高精度に計測することが可能となる。

また、図９の（Ｂ）では、電子線バイプリズムの与える偏向角度αを増加させて二波の軌道に囲まれた閉空間の大きさを増大させたときには、試料位置に発生する干渉縞の縞間隔が小さくなり、干渉領域幅が増大している様子も示している。浮遊磁場の測定特には、この縞間隔の減少分を対物レンズ５より電子線の進行方向下流側ΔBの結像レンズ系６１の倍率を増大させることによって補い、最終的に記録される干渉縞の倍率を一定にする。これは、記録系の性能（例えば、MTF（Modulation Transfer Function））の影響を小さくするための施策である。図９の（Ｂ）では、干渉縞の最終倍率一定を示すため、結像レンズ６１の位置（レンズ主面の位置）を変更して描いているが、実際の電子顕微鏡においては、結像レンズ６１の焦点距離を変更することによって同等の効果を得ている。

本発明によれば、試料観察時と同じ結像光学系、および光学条件において、浮遊磁場の影響を定量的かつ高精度に計測することが可能となり、光学系内に残存する浮遊磁場が観察像に与えている影響の程度、該浮遊磁場への対策の有効性の程度を測定・評価することが可能となる。

なお、電子線に関しては照射光学系において空間的に可干渉な範囲内の電子線を用いることは当然である。

本発明の第二の実施例として、電子線装置における前方磁界レンズを用いる場合の干渉縞観察光学系の具体的な構成例及びそれを用いた浮遊磁場の測定方法を、図１０で説明する。

図１０は、対物レンズ５の前方磁界の結像作用を積極的に利用した干渉光学系による、浮遊磁場の測定方法を示す模式図である。

この実施例を適用する電子線装置は、図９に示した構成よりも電子線バイプリズムは電子線の流れの上流側に配置される。すなわち、対物レンズ５の通常試料位置３よりも電子線の流れの上流側の、前方磁界レンズの物面３８（縮小結像可能な位置）に電子線バイプリズムが配置される。

対物レンズ５の前方磁界を結像に用いる際（この使用法の場合には前方磁界レンズ５７と呼ぶ）には、対物レンズの通常試料位置３に対して、電子線の流れの上流側に試料を縮小結像可能な位置（前方磁界レンズの物面３８）が存在する。その前方磁界レンズの物面３８のさらに上流側、距離Lだけ離れたところに電子線バイプリズム９を配置し、前方磁界レンズの物面３８に形成されている干渉縞を通常試料位置３に縮小結像する。それ以降は、実施例１の記載と同じく、対物レンズ５、および電子線の流れの下流側の結像レンズ系を用いて拡大結像を行い、干渉縞を観察する。図１０においては、結像レンズ系以降の下流側のレンズ系を省略している。

前方磁界レンズ５７を用いる利点は、干渉縞を形成している電子線の角度を大きく取れる点である。一般的に結像光学系では、像倍率と角倍率とは逆数の関係にあるため、前方磁界レンズ５７を用いて縮小を行うと、その縮小倍率分だけ、逆に電子線バイプリズム９による電子線の偏向角度αを大きく取ることが可能となる。その結果、電子線バイプリズム９で分割・偏向された２つの電子線軌道による閉空間を大きく包むことが可能となり、浮遊磁場ΔBの測定感度を大きくとることが可能となる。

前方磁界レンズ５７による縮小結像を経由して、試料の像面７１に発生させられる干渉縞の縞間隔s_objと干渉領域幅W_objは、以下の式（２１）、（２２）で表わされる。

電子線の軌道２７で囲まれる面積S、および位相変化量Δφ₃は、式（１５）、式（１６）を求めたときと同様に、以下のごとく表わされる。

前方磁界レンズによる結像に関しては、a〜b_pre、b〜a_preの近似が成立することが多い。この場合には、式（２４）は、

と書き直すことが可能となり、式（１６）と比較して対物レンズ５の倍率M_obj=b/aだけ位相変化量が増大することがわかる。すなわち、浮遊磁場ΔBの測定感度を大きくとることが可能である。

情報処理装置は、電子光学系の光軸上に配置された電子線バイプリズムと電子線装置の電子レンズによって干渉縞を発生させ、電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度αを調整することによる干渉縞のコントラスト、もしくは干渉縞のコントラストの変化から、電子線バイプリズムから観察記録装置（像面７１）までの電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場ΔBを測定し、モニタ５２に表示する。

本発明によれば、試料観察時と同じ結像光学系、および光学条件において、浮遊磁場の影響を定量的かつ高精度に計測することが可能となり、光学系内に残存する浮遊磁場が観察像に与えている影響の程度、該浮遊磁場への対策の有効性の程度を測定・評価することが可能となる。

本発明の第三の実施例として、ダブル電子線バイプリズムによる干渉縞観察光学系の具体的な構成例及びそれを用いた浮遊磁場の測定方法を、図１１で説明する。
図１１に、電子線バイプリズムを２段に用いる場合の、本発明の実施例を示す。この実施例を適用する電子線装置は、図８Ｂに示したように、通常の試料位置３に相当する位置（Ｌ=0）に設置された第１の電子線バイプリズムに加えて、第１の結像レンズ６１と対物絞り９２の間の位置に、第２の電子線バイプリズム９５が設置されている。

式（２０）より、本実施例で浮遊磁場ΔBを感度よく検出するには、電子線バイプリズムと干渉縞を観察する面との距離Ｌを小さくすればよいことがわかる。Ｌ<0の負値まで採ればよいが、説明の煩雑を避けるためＬ=0の場合を検討する。この場合には、第１の電子線バイプリズム９１は通常の試料位置３に配されるので、電子線を偏向することは可能であるが、そもそも試料位置３で干渉縞は発生しない。すなわち、対物レンズ５の像面７１にても干渉縞８を認めることはできない。そこで、干渉を生じさせるために第２の電子線バイプリズム９５を必要とする。

図１１では、第１の電子線バイプリズム９１を通常の試料位置３に配置し、第２の電子線バイプイズム９５を対物レンズ５による光源の像面３６と対物レンズ５による試料の像面７１の間で、第１の電子線バイプリズムの中央極細線電極９１の陰の部分に配置している。試料の像面７１と光源の像面３６との距離をD₂、試料の像面７１と第２の電子線バイプリズム９５との距離をＬ₂とおくと、試料の像面７１に発生させられる干渉縞の縞間隔s_objと干渉領域幅W_objは、以下の式で表わされる。

これより、電子線の軌道２７で囲まれる面積S、および位相変化量Δφ₃は、式（１５）、式（１６）を求めたときと同様に、以下のごとく表わされる。

式（２８）、式（２９）は、式（１５）、式（１６）でＬ=0、γ=α₁とおいたときに一致する。なお、式（２８）式（２９）はいずれも第２の電子線バイプリズム９５に関するパラメータを含まないが、浮遊磁場測定位置を通過した後の電子線軌道に対する操作であることから、簡単に理解できる。すなわち、浮遊磁場を測定する際に、電子線への偏向角度の調整を行うには、第１の電子線バイプリズムを用いれば十分である。第２の電子線バイプリズムは、像検出装置にとって都合のよい縞間隔s_obj、干渉領域幅W_objとするための調整に使用するのが合理的であるだけでなく、電子線に対して一定の空間的可干渉性を保持したままの状態で一連の浮遊磁場の計測を実施できる。これについては後述する。

式（２０）を導いたときと同様に、例えば、第１の電子線バイプリズムによる偏向角度α₁を変更しながら干渉縞の観察を行い、干渉縞のコントラストが失われるときには時間的に変動する位相差がちょうど２π（Δφ = 2π）に達したときとみなし、そのときの偏向角度α_1limを求めると、式（１９）より浮遊磁場の強度ΔBについて、式（３０）の関係を得る。

式（２０）にて、Ｌ=0、α_lim =α_1limとおいたときに一致する。式（３０）では浮遊磁場の存在領域ｌが未定であるが、およそ対象としている電子レンズ（ここでは対物レンズ）の焦点距離ｆ程度と考えられるので、前述の式（２）を得る。

この式（２）より浮遊磁場ΔBを概算することが可能である。
情報処理装置は、電子光学系の光軸上に配置された電子線バイプリズムと電子線装置の電子レンズによって干渉縞を発生させ、電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度αを調整することによる干渉縞のコントラスト、もしくは干渉縞のコントラストの変化から、電子線バイプリズムから観察記録装置（像面７１）までの電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場ΔBを測定し、モニタ５２に表示する。

なお、干渉縞のコントラスト消失は、例えば白画像（真空中の何も無い空間の画像）のコントラストとの比較において、干渉縞のコントラストがノイズレベル以下となり、実効的に干渉縞８が判別できなくなるときとみなせることも、先述と同様である。

また、式（３０）に関しても、式（２０）の場合と同様に、浮遊磁場の存在領域ｌを、電子レンズのポールピースギャップ長さＧ、その他、電子線装置内の浮遊磁場の残存領域を特定できる任意のパラメータに置き換えて式（２）相当の演算式を得ても良いことは言うまでもない。

第２の電子線バイプリズム９５の有効な利用法は、先述のとおり干渉縞のコントロールである（特許文献２、非特許文献５参照）。ここで干渉縞の縞間隔s_objは、第１の電子線バイプリズム９１と第２の電子線バイプリズム９５の両偏向角度α₁、α₂の関数になっているのに対し、干渉領域幅W_objは第２の電子線バイプリズム９５の偏向角度のみによってコントロールされることがわかる。すなわち、電子線の可干渉性に直接関係している干渉領域幅W_objを変更することなく両電子線の偏向角度のみを変更し、両電子線軌道に囲まれる閉空間の大きさをコントロールすることが可能である。図１１中に示した２つの電子軌道がこれに該当する。観察される干渉縞のコントラスト変化から、電子線の可干渉性の要因を除外することが可能であり、浮遊磁場ΔBの測定において不明確さの少ない実験を行うことが可能となる。

ちなみに、第２の電子線バイプリズムを光源の像面３６上に配置したとき（すなわち、D₂- L₂=0）の時には、干渉縞縞間隔s_objは、第２の電子線バイプリズム９５による偏向角α₂には依存しなくなるため、干渉計としての電子光学系の取り扱いはより一層簡単になる。

本発明によれば、試料観察時と同じ結像光学系、および光学条件において、浮遊磁場の影響を定量的かつ高精度に計測することが可能となり、光学系内に残存する浮遊磁場が観察像に与えている影響の程度、該浮遊磁場への対策の有効性の程度を測定・評価することが可能となる。

本発明の第四の実施例として、前方磁界レンズを用いる場合のダブル電子線バイプリズムによる干渉縞観察光学系の具体的な構成例及びそれを用いた浮遊磁場の測定方法を、図１２で説明する。
図１２も実施例３と同じく、電子線バイプリズムを２段に用いる場合で、なおかつ、対物レンズ５の前方磁界の結像作用を積極的に利用したダブル電子線バイプリズム干渉光学系による、浮遊磁場の測定方法を示す模式図である。本実施例においては、第１の電子線バイプリズム９１は、試料位置３（対物レンズの物面）ではなく、対物レンズ５の電子線の流れの上流側、前方磁界レンズ５７の物面３８に配されている。

すなわち、第１の電子線バイプリズム９１の中央極細線電極の像９１は、前方磁界レンズ５７により、通常試料位置３（対物レンズの物面）に縮小結像される。

９３は、第１の電子線バイプリズムもしくは第１の電子線バイプリズムの中央極細線電極の前方磁界レンズ５７による像干渉、９５は第２の電子線バイプリズムもしくは第２の電子線バイプリズムの中央極細線電極である。

光学系としての取り扱いは、前記実施例３の場合とまったく同じであるが、前記実施例２に記載したとおり、光学系では一般に、像倍率と角倍率とは逆数の関係にあるため、前方磁界レンズ５７による縮小倍率分だけ、逆に第１の電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度は大きく取ることが可能となる。その結果、第１の電子線バイプリズムで分割・偏向された２つの電子線軌道による閉空間を大きく包むことが可能となり、浮遊磁場ΔBの測定感度を大きくとることが可能である。

本実施例における、前方磁界レンズによる縮小結像を経由して、像面７１に発生させられる干渉縞の縞間隔s_objと干渉領域幅W_objは、以下の式で表わされる。

電子線の軌道２７で囲まれる面積S、および位相変化量Δφ₃は、式（１５）、式（１６）を求めたときと同様に、以下のごとく表わされる。

情報処理装置は、電子線の波長、干渉縞を作成する光学系として、ダブル電子線バイプリズム干渉系と前方磁界レンズの結像効果を利用して干渉縞を発生させ、電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度αを調整することによる干渉縞のコントラスト、もしくは干渉縞のコントラストの変化から、電子線バイプリズムから観察記録装置（像面７１）までの電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場ΔBを測定し、モニタ５２に表示する。

前記、実施例２と同様に、前方磁界レンズ５７による結像に関しては、a〜b_pre、b〜a_preの近似が成立することが多い。この場合には、式（３４）は、

と書き直すことが可能となり、式（２９）と比較して、対物レンズ５の倍率M_obj=b/aだけ位相変化量が増大することがわかる。すなわち、浮遊磁場ΔBの測定感度を大きくとることが可能である。

なお、図１２では、第２の電子線バイプリズムを、対物レンズによる光源の像面３６に配置した（D₂-L₂=0）例を描いている。これは、前記のとおり、干渉光学系の取り扱いの自由度を高め、電子線干渉光学系としては有効な配置であるが、１例に過ぎないことは言うまでも無い。

本発明によれば、試料観察時と同じ結像光学系、および光学条件において、浮遊磁場の影響を定量的かつ高精度に計測することが可能となり、光学系内に残存する浮遊磁場が観察像に与えている影響の程度、該浮遊磁場への対策の有効性の程度を測定・評価することが可能となる。

次に、本発明の第五の実施例として、電子線バイプリズムの回転による浮遊磁場の方位角依存性の測定方式の具体的な構成例及びそれを用いた浮遊磁場の測定方法を、説明する。
本発明の浮遊磁場測定方法は、分離された二波の電子軌道が包む閉局面中に含まれる磁束密度の量を比較・判断する方法である。二波の電子軌道が包む閉局面は光軸を含む１平面のため、浮遊磁場に対する感度もこの平面を通過する磁束量に限られることになる。電子線の経路の全方位に渡って浮遊磁場を測定するためには、干渉にかかわる二波を回転させる、もしくは二波の分離をさまざまな方位角について行えばよい。そのための最も簡単な機構は、電子線バイプリズムを光軸に垂直な平面内で、光軸と平行な軸を中心に回転させられる構造である。２段の電子線バイプリズムを用いる場合には、それぞれの電子線バイプリズムを関連を持って回転運動させればよい。このような、機構、もしくは構造とすることによって、当該電子線装置は、電子線の経路に関して全方位方向の浮遊磁場を検出、測定することが可能となる。

本発明の原理に関し、電界型電子線バイプリズムと電子線の干渉の様子を示す模式図である。 本発明の原理に関し、１段の電子線バイプリズムによる干渉計の光学系を示す模式図である。 本発明の原理に関し、１段の電子線バイプリズムによる干渉縞とその拡大光学系を示す模式図である。 本発明の原理に関し、電子軌道と波面の関係を示す模式図である。 本発明の原理に関し、浮遊磁場による電子線の軌道の変化を示す模式図である。 本発明の原理に関し、１段の電子線バイプリズムによって電子軌道を偏向させたときの模式図である。 本発明の一実施例になる浮遊磁場測定の手順を示すフローチャートである。 本発明が適用されるシステムとしての電子線装置の通常の装置の使用状態を模式的に示す図である。 本発明を適用して浮遊磁場の測定を行う際の、電子線装置の全体を模式的に示す図である。 本発明の実施例１として、１段の電子線バイプリズムを用いた場合の本手法を示す模式図である。 本発明の実施例２として、前方磁界を干渉縞作製に用いた場合の１段の電子線バイプリズムによる干渉計の光学系を示す模式図である。 本発明の実施例３として、２段の電子線バイプリズムを用いた場合の本手法を示す模式図である。 本発明の実施例４として、前方磁界を干渉縞作製に用いた場合の２段の電子線バイプリズムによる干渉計の光学系を示す模式図である。 従来から知られている磁場（ローレンツ力）による電子線の偏向の原理を示す模式図である。 従来の方法による、磁場による電子線の偏向の測定の状況を示す模式図である。 従来の方法による、磁場による電子線の偏向の測定の結果を示す模式図である。

１…電子源もしくは電子銃、１０…照射光学系による電子源の像（クロスオーバー）、１１…対物レンズにより結像されたクロスオーバーの像、１５…浮遊磁場ΔBにより生じた虚光源、１８…真空容器、１９…電子源の制御ユニット、２…光軸、２２…電子線の波面、２４…浮遊磁場の領域、２５…磁場により円弧軌道を描く電子線の回転中心、２６…磁場の領域、２７…電子線の軌道、３…試料もしくは試料位置、３４…対物レンズの物面、３６…対物レンズによる光源の像面、３７…試料保持機構、３８…対物レンズの前方磁界レンズの物面、３９…試料の制御ユニット、４…照射光学系、４０…加速管、４１…第１の照射（コンデンサ）レンズ、４２…第２の照射（コンデンサ）レンズ、４７…第２の照射レンズの制御ユニット、４８…第１の照射レンズの制御ユニット、４９…加速管の制御ユニット、５…対物レンズ、５１…制御系コンピュータ、５２…制御系コンピュータのモニタ、５３…制御系コンピュータのインターフェース、５７…対物レンズの前方磁界レンズ、５９…対物レンズの制御ユニット、６１…第１の結像レンズ、６２…第２の結像レンズ、６３…第３の結像レンズ、６４…第４の結像レンズ、６５…対物絞りの制御ユニット、６６…第４の結像レンズの制御ユニット、６７…第３の結像レンズの制御ユニット、６８…第２の結像レンズの制御ユニット、６９…第１の結像レンズの制御ユニット、７…干渉縞の観察面、７１…対物レンズによる試料の像面、７２…第１の結像レンズによる試料の像面、７６…画像観察・記録装置のモニタ、７７…画像記録装置、７８…画像観察・記録媒体の制御ユニット、７９…画像観察・記録媒体、８…干渉縞、８５…試料の像、８９…観察・記録面、９…電子線バイプリズムもしくは電子線バイプリズムの中央極細線電極、９１…第１の電子線バイプリズムもしくは第１の電子線バイプリズムの中央極細線電極、９２…第１の電子線バイプリズムの中央極細線電極の前方磁界レンズ５７による像、９４…対物絞り、９５…第２の電子線バイプリズムもしくは第２の電子線バイプリズムの中央極細線電極、９６…第２の電子線バイプリズムの制御系、９７…第１の電子線バイプリズム制御系、９９…平行平板接地電極。

Claims (20)

1. 電子線の光源と、試料を保持するための試料保持機構と、前記光源から放出される前記電子線を前記試料に照射する照射光学系及び前記試料の像を結像するための対物レンズを含む結像光学系を有する電子光学系と、前記試料像を観察あるいは記録するための画像観察・記録装置を備えた電子線装置であって、
   前記試料保持機構、前記電子光学系、及び前記画像観察・記録装置を制御する情報処理装置を備え、
   前記電子光学系の光軸上に配置された電子線バイプリズムと前記電子光学系の電子レンズとによって干渉縞を発生させ前記干渉縞のコントラスト、もしくは前記電子線バイプリズムによる前記電子線の偏向角度を調整することによる前記干渉縞のコントラストの変化に基き、前記電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場を測定する
   ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置。
2. 請求項１において、
   前記干渉縞のコントラストの変化とは、前記干渉縞のコントラストが所定のレベルよりも小さくなる状態である
   ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置。
3. 請求項２において、
   前記干渉縞のコントラストが比較判断される所定のレベルを定めるのは、前記試料の像や該干渉縞を含まない電子線の露光像のコントラストであり、前記干渉縞にとってのノイズである
   ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置
4. 請求項１において、
   前記結像光学系は複数の電子レンズで構成されており、
   該装置内部の浮遊磁場をΔBとし、
   電子の電荷をeとし、
   プランク定数をhとし、
   該電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度をαとし、
   該電子線バイプリズムの電子線の進行方向の下流側第１番目に位置する電子レンズの焦点距離をfとし、
   該電子線バイプリズムの電子線の進行方向の下流側第１番目に位置する該電子レンズの主面と物面との距離をaとし、
   該電子レンズの電子線の進行方向の上流側に位置する光源の像と該電子レンズの物面との距離をDとし、
   該電子レンズの物面と該電子線バイプリズムとの距離をＬとし、
   該電子レンズの物面上に干渉縞が観察されない最小の電子線の偏向角度をα_limとするとき、
   前記浮遊磁場を下記の式（１）により評価する
   ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置。
   

   
5. 請求項１において、
   前記結像光学系は複数の電子レンズで構成されており、
   前記電子線バイプリズムより前記電子線の進行方向の下流側第１番目に位置する電子レンズにおいて、前記電子レンズの磁場中で前記上段の電子線バイプリズムの像が１回もしくは複数回結像するとともに該電子レンズの電子線の進行方向の下流側にも結像される電子光学系である
   ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置。
6. 請求項１において、
   前記電子線バイプリズムが、前記光軸に垂直な平面内で、該光軸を軸として回転するように構成されている
   ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置。
7. 請求項１において、
   前記試料の通常の保持位置から前記電子線の電子線の進行方向上流側の位置に該試料に代えて前記電子線バイプリズムを設置し、前記試料の観察時と同じ前記結像光学系、および光学条件により、前記浮遊磁場を計測する
   ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置。
8. 請求項１において、
   前記浮遊磁場の測定により得られた浮遊磁場量ΔBをモニタに表示する
   ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置。
9. 電子線の光源と、試料を保持するための試料保持機構と、前記光源から放出される前記電子線を前記試料に照射する照射光学系及び前記試料の像を結像するための対物レンズを含む結像光学系を有する電子光学系と、前記試料像を観察あるいは記録するための画像観察・記録装置を備えた電子線装置であって、
   前記試料保持機構、前記電子光学系、及び前記画像観察・記録装置を制御する情報処理装置を備え、
   前記電子光学系の光軸上に配置された第１の電子線バイプリズムと、前記電子光学系の光軸上で、かつ前記第１の電子線バイプリズムが作り出す電子線の陰の部分に配置された第２の電子線バイプリズムによって発生させられる干渉縞のコントラスト、もしくは前記干渉縞のコントラストの変化から、前記第１の電子線バイプリズムから前記画像観察・記録装置までの電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場を測定する
   ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置。
10. 請求項９において、
    前記第１の電子線バイプリズムが前記第１の電子線バイプリズムより電子線の進行方向の下流側第１番目に位置する電子レンズの物面に配置される
    ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置。
11. 請求項９において、
    前記干渉縞のコントラストの変化とは前記干渉縞のコントラストが所定のレベルよりも小さくなる状態である
    ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置。
12. 請求項９において、
    前記干渉縞のコントラストが比較判断される所定のレベルを定めるのは、前記試料の像や該干渉縞を含まない電子線の露光像のコントラストであり、前記干渉縞にとってのノイズである
    ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置
13. 請求項９において、
    前記電子線装置による該装置内部の浮遊磁場の測定において、
    該装置内部の浮遊磁場をΔBとし、
    前記電子線の電荷をeとし、
    プランク定数をhとし、
    該第１の電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度をα₁とし、
    該第１の電子線バイプリズムの電子線の進行方向の下流側第１番目に位置する電子レンズの焦点距離をfとし、
    該電子線バイプリズムの電子線の進行方向の下流側第１番目に位置する該電子レンズの主面と物面との距離をaとし、
    該電子レンズの物面上に干渉縞が観察されない最小の電子線の偏向角度をα_1limとするとき、
    該浮遊磁場を下記の式（２）により評価する
    ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置。
    

    
14. 請求項９において、
    前記第１の電子線バイプリズムより前記電子線の進行方向の下流側第１番目に位置する電子レンズにおいて、前記電子レンズの磁場中で前記第１の電子線バイプリズムの像が１回もしくは複数回結像するとともに該電子レンズの電子線の進行方向の下流側にも結像される電子光学系である
    ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置。
15. 請求項９において、
    前記光軸に垂直な平面内で、該光軸を軸として前記第１の電子線バイプリズムを回転させるとともに、
    前記第２の電子線バイプリズムを、前記光軸に垂直な平面内で、該光軸を軸として第１の電子線バイプリズムと関連を持って回転させる
    ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置。
16. 電子線バイプリズムを用いた電子線装置における浮遊磁場測定方法であって、
    前記電子線装置は、電子線の光源と、試料を保持するための試料保持機構と、前記光源から放出される前記電子線を前記試料に照射する照射光学系及び前記試料の像を結像するための対物レンズを含む結像光学系を有する電子光学系と、前記試料像を観察あるいは記録するための画像観察・記録装置と、前記試料保持機構、前記電子光学系、及び前記画像観察・記録装置を制御する情報処理装置を備えており、
    前記電子光学系の光軸上に配置された電子線バイプリズムと前記電子線装置の電子レンズによって干渉縞を発生させ、
    前記電子線バイプリズムによる電子線の偏向角度を調整することによる前記干渉縞のコントラスト、もしくは前記干渉縞のコントラストの変化から、前記電子線バイプリズムから前記画像観察・記録装置までの電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場を測定し、
    前記浮遊磁場の測定により得られた浮遊磁場量ΔBをモニタに表示する
    ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置内の浮遊磁場測定方法。
17. 請求項１６において、
    前記電子線バイプリズムより前記電子線の進行方向の下流側第１番目に位置する電子レンズにおいて、前記電子レンズの磁場中で前記上段の電子線バイプリズムの像が１回もしくは複数回結像するとともに該電子レンズの電子線の進行方向の下流側にも結像される電子光学系である
    ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置内の浮遊磁場測定方法。
18. 請求項１６において、
    前記試料の通常の保持位置から前記電子線の電子線の進行方向上流側の位置に、該試料に代えて前記電子線バイプリズムを設置し、
    前記試料の観察時と同じ結像光学系、および光学条件において、前記浮遊磁場を計測する
    ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置内の浮遊磁場測定方法。
19. 請求項１６において、
    前記電子光学系の光軸上に配置された第１の電子線バイプリズムと、前記電子光学系の光軸上で、かつ前記第１の電子線バイプリズムが作り出す電子線の陰の部分に配置された第２の電子線バイプリズムによって発生させられる干渉縞のコントラスト、もしくは前記干渉縞のコントラストの変化から、前記浮遊磁場を測定する
    ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置内の浮遊磁場測定方法。
20. 請求項１６において、
    前記電子線バイプリズムを前記光軸に垂直な平面内で、該光軸と平行な軸を中心に回転させ、前記電子線の経路の全方位に渡って前記浮遊磁場を測定する
    ことを特徴とする電子線バイプリズムを用いた電子線装置内の浮遊磁場測定方法。

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