JP5420678B2

JP5420678B2 - 電子線バイプリズム装置および電子線装置

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Inventors: 研原田; 昭菅沼; 騰守谷
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Description

本発明は電子線バイプリズム装置と該電子線バイプリズム装置が使用される電子顕微鏡、および電子線装置に関する。

電子線は物質との相互作用が大きく、それを利用して電子回折像観察・電子顕微鏡像観察などによる物質の構造解析や、電子線分光（試料透過後の電子線のエネルギー分析）などによる物質の元素分析など、電子線をプローブとして様々な計測に用いられている。これらの目的に供せられる電子線装置では、電子線が電界や磁界とも相互作用する性質を用いて、結像のための電子レンズや、電子線の伝播方位を制御するための偏向器、そして、電子線を分割し干渉させるための電子線バイプリズムなどが用いられている。これら偏向器や電子線バイプリズムについては、電界型、磁界型のいずれもが構成可能である。電子線への偏向作用は、電界型では電界の方向であるのに対して、磁界型では磁界と垂直方向である点が異なるが、基本的な効果は同等である。そのため、本願では説明の便宜上電界型について説明を行うが、電界型に限定するものではない。

＜偏向器＞
図１には、対向する２枚の平行平板電極からなる偏向器の断面を示す。紙面は電子線装置の光軸２を含む平行平板電極に垂直な平面（偏向面）であり、平行平板電極に電圧が印加されたとき発生する電界は、光軸２に垂直な方向（紙面上横方向）であり、光軸上上側から入射した電子線は進行方向の垂直方向に電磁力を受けてその軌道２７が偏向させられる。平行平板電極の両端部の電界の乱れを無視し、電極の範囲内にだけ電界が発生すると仮定する均一場近似を用いると、偏向角度βは電極の光軸方向の長さｌ、対向する電極間距離ｄ、電子線の加速電圧Ｖ_０、印加電圧Ｖ_ＢＤと偏向係数ｋ_ＢＤを用いて図１６の〔数１〕に示す簡単な関係で表される〔非特許文献１〕。本願では、以後、特に断らない限り均一場近似を用いて議論を進める。

電子軌道２７は、電界中では放物線を描くが、電界領域を射出後は直進する。図１に示した通り、光軸２に沿って入射した電子線の軌道２７をそのまま直線で延長した虚の軌道２８と、偏向器を射出した後の電子線の軌道を直線のまま遡った虚の軌道２９は、ちょうど平行平板電極の中央部で交差する。この２つの虚の直線軌道の交点を偏向点８３と呼ぶ。偏向点８３の位置する光軸に垂直な平面８３５は平行平板電極の中央に位置する。

偏向点が位置する光軸に垂直な平面は、干渉光学系を構築する上で重要となる。以後、本願では特に断らない限り、簡単のため偏向器内での電子軌道を直線で描画し、電子線は偏向点、もしくは偏向点を含む光軸に垂直な平面のみで所定の偏向が与えられると仮定する。光軸近傍での電子線の軌道を取り扱う近軸近似の範囲内では、この仮定は問題無く成立することが知られている。

＜２段偏向器＞
図２に２組の平行平板電極からなる２段偏向器と、その偏向器内で偏向される電子軌道２７を描いている。均一場近似を用いているため、電子線は上流側第１の偏向器内で放物線軌道を描いた後、第１の偏向器から下側第２の偏向器までは直線軌道を描き、第２の偏向器内で再び放物線軌道を描いている。

第２の偏向器を射出した電子線の軌道２７を直線のまま遡った虚の軌道２９は、第１偏向器と第２偏向器の間の電界の無い領域で光軸２に沿った入射電子線の虚の軌道２８と交わる。すなわち、２段偏向器においては、上下の偏向器の偏向角度β₁とβ₂を制御することにより、電界の有無にかかわらず合成された偏向点８６と該偏向点８６を含む光軸に垂直な平面８６５の位置を制御することが可能である。

図３は、第２の偏向器の印加電圧の正負を逆にした場合の電子軌道２７を例示したものである。偏向点８６は２段に構成された偏向器の範囲内だけでなく偏向器の外部で、かつ、実の電子軌道２７が光軸２と交わる様にも制御可能であることがわかる。図３では、第２の偏向器への印加電圧の正負を逆転させて、電子線の偏向方向を逆転させるよう描いているが、図３とは対抗する電極への印加電圧を制御して偏向の方向をコントロールすることも可能である。

＜電子線バイプリズム＞
電子線バイプリズムは、電子線におけるビームスプリッターとして干渉光学系には不可欠の電子光学装置である。入射する電子線を２つの電子線（２２、２４）に分離するとともに、光軸２からの距離に依らず、同じ角度αだけ２つの電子線を互いに光軸２に近づく方向、もしくは、互いに光軸２から離れる方向に偏向する特徴を持っている。

一般に電界型電子線バイプリズムは、導電性の極細線からなるフィラメント電極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。図４は、電界型電子線バイプリズムの断面図である。紙面は電子線装置の光軸２を含む電子線バイプリズムに垂直な平面であり、中央部の小円は、フィラメント電極９の断面を示している。例えば、フィラメント電極９に正電圧を印加すると、図４に示したごとく、フィラメント電極の両側を通過する電子線（２２、２４）は、フィラメント電極の電位により互いに向き合う方向に同じ角度αだけ偏向される。逆にフィラメント電極９に負の電圧を印加すると、２つの電子線は互いに離れる方向に同じ角度だけ偏向される。フィラメント電極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くなるため、結果的に電子線の偏向角度は入射位置に依らずフィラメント電極９への印加電圧に比例する。すなわち、a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、フィラメント電極９への印加電圧V_Fと偏向係数k_Fを用いて図１６に示す〔数２〕で表される簡単な関係を持つ。

このように電子線バイプリズムが電子線を、光軸２からの離心距離に依らず光軸２に対して対称に互いに向き合う方向、もしくは互いに離れる方向に同じ角度だけ偏向させる特徴は、光学における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。電子線が可干渉性を持つ場合には、電子線バイプリズムの下流側の分離された２つの電子線（２２、２４）が重畳する領域では干渉縞８が観察される。分離された２つの電子線の片側に物体の情報を持つ電子線（物体波２１）、別側の電子線を、例えば平面波のような既知の位相分布を持った電子線（参照波２３）として干渉させた像が干渉顕微鏡像（電子線ホログラム）である〔非特許文献２〕。

図１の偏向器で示した電子軌道２７と同様に、電子線バイプリズムの電子軌道（２２、２４）も虚の直線軌道（２８，２９）で表すことができ、偏向点８５は光軸に垂直なフィラメント電極９が置かれる平面８５５に位置する。

本願において「電子線バイプリズム」と記載する場合には、フィラメント電極を含んだ従来の電子線バイプリズムを総称し、本願の対象とする偏向機能を併せ持つ電子線バイプリズムは、その偏向機構を含めて「電子線バイプリズム装置」と呼ぶ。また、電子光学系に置ける厳密な位置に言及する場合には、例えば「電子線バイプリズムのフィラメント電極の位置」と記載する。

＜縞走査法＞
電子線による干渉顕微鏡像は像と干渉縞から構成されているため、その解析には縞解析の手法が利用でき、原理的にフーリエ変換法とは異なる位相情報抽出法（縞走査法〔特許文献１〕〔非特許文献３〕、モアレ法〔非特許文献４〕など）が可能である。とりわけ、物体波と参照波の位相差を利用して干渉縞の位相をコントロールして得られる複数枚の画像を利用する縞走査法は、再生像の空間分解能が干渉縞間隔に依存しない点で高分解能化が可能な方法である。その原理は、物体波と参照波の位相差を（２π）/ＭずつずらしながらＭ枚の干渉顕微鏡像を記録し、その複数の画像のｍ番目の強度分布をＩ（x,y;m）とするとき、図１６に示す〔数３〕に基づき物体波の位相分布Φ（x,y）を得るものである。位相差の変調に付随するコントラストの変調（正弦曲線）を決定しなければならない関係から、画像数Ｍは３以上という制限がある。

電子線干渉顕微鏡像の様に画像中に基本干渉縞が存在する場合には、〔数３〕は少し変更され、図１６に示す〔数４〕のごとくとなる。ここで、R_xは基本干渉縞の空間周波数（搬送空間周波数）で、干渉縞はX軸方向に配列していると仮定した表記である。基本干渉縞は物体波と参照波の相対角度に起因したもので、基本干渉縞による位相分布はX軸方向に直線的な傾斜をしており、補正することは容易である。

試料の像に干渉縞８が重畳された干渉顕微鏡像８８において実施される縞走査法の手順を図５に示す。図５（ａ）は１枚目の干渉顕微鏡像、（ｂ）は（ａ）の干渉顕微鏡像から物体波と参照波の位相差を２π/３だけずらした２枚目の干渉顕微鏡像、（ｃ）は（ｂ）の干渉顕微鏡像よりもさらに相対位相差を２π/３（Ａからは４π/３）だけずらした３枚目の干渉顕微鏡像である。この３枚の干渉顕微鏡像について、〔数４〕に基づく画像処理を施すことによって振幅分布像、位相分布像Φ（x,y）を得ることができる。使用する干渉顕微鏡像の枚数は、図５に例示した３枚の場合が最少枚数で、３枚以上であれば枚数には依存しない。図５（ａ）での干渉縞と干渉縞の間を埋める干渉縞を持つ干渉顕微鏡像（図５（ｂ）および（ｃ））を利用することから、この方法による空間分解能は干渉縞間隔には依存せず、高分解能化が可能である。しかし、物体波と参照波の位相差を制御した上で干渉顕微鏡像の観察・記録を行い、そのときの位相差を既知とした上で位相情報を抽出することから、干渉顕微鏡法としてはフーリエ変換法よりも高度な作業が必要とされる。そのため、一般的に普及するには至っていない。

とりわけ、電子光学系においては、物体波と参照波の位相差を高精度に制御する方法が実用化されておらず、試料の位置を移動させて記録後の画像処理によりその位置の移動を補正する方法、電子線バイプリズムを光軸およびフィラメント電極の双方に垂直な方向（図４では紙面の左右方向）に移動させる方法、電子線の試料への入射角度を電子線バイプリズムが定める偏向面内で変化させる方法などが試行されている程度である。

国際公開ＷＯ０１/７５３９４Ａ１特開２００５−１９７１６５号公報

裏克己：『ナノ電子光学』, 共立出版第２章 A. Tonomura： Electron Holography, 2nd ed. (Springer, Heidelberg. Germany,1999) Chapter 5. Q. Ru, J. Endo, T. Tanji and A. Tonomura：Applied Physics Letters, Vol. 59, (1991) 2372. Ken Harada, Keiko Ogai Ryuichi Shimizu：Journal of Electron Microscopy, Vol. 39, (1990) 470. Ken Harada, Akira Tonomura, Yoshihiko Togawa, Tetsuya Akashi and Tsuyoshi Matsuda： Applied Physics Letters, Vol. 84, (2004) 3229.

従来の電子線干渉法においては、電子線バイプリズムを光軸上かつ光軸に垂直な平面内に配置し、例えば電界型では、フィラメント電極の両側を通過する電子線を光軸に対称に、互いに向き合う方向、もしくは互いに離れる方向に同じ角度だけ偏向して、電子線バイプリズムの下流側で２つの電子線を重畳し、干渉顕微鏡像を計測していた。この方法は簡便な方法であるが、干渉顕微鏡像から再生される位相像の解像度は記録された干渉縞間隔よりも３倍大きく、低い空間分解能に留まる原理的な制約があった。

この制約を受けない、計測法の１つが縞走査法である。これは、物体波と参照波に位相差を与え、試料像に重畳された干渉縞だけを変調させた複数枚（最低３枚）の干渉顕微鏡像から演算処理により、記録系の空間分解能をそのまま位相像に反映させる干渉計測法である。現在までに試行されている縞走査法には、例えば、（１）試料の位置を移動させて記録後の画像処理によりその位置の移動を補正する方法、（２）電子線バイプリズムを光軸およびフィラメント電極の双方に垂直な方向に移動させる方法（３）電子線の試料への入射角度を変化させる方法、などがある。しかし、これらの手法は、実時間性に欠けたり、画像記録後の解析処理が煩雑になったり、位相差の変調に十分な精度が得られないなどの問題点があった。さらに、上記（１）から（３）の方法を従来型電子線干渉計で実行した場合には、干渉顕微鏡像に重畳されたフレネル縞も同時に変調されて新たなアーティファクトを生むため、縞走査法の原理から期待される精度は得られていないのが実情である。

本発明は電子線バイプリズム干渉計で好適な縞走査法を実現するための電子線バイプリズムを提供するために成されたもので、電子線バイプリズムの機能に一方向への偏向機能を付加することにより、フィラメント電極の左右を透過する電子線をそれぞれ異なる角度に偏向可能とするものである。具体的な構造は、電子線バイプリズムに加えて、光軸上２段の偏向器を付加するもので、２段の偏向器の偏向角度の大きさ・方向を制御することにより、偏向器の空間的位置にかかわらず、フィラメント電極の配置される面に偏向器による偏向点が位置する様に制御することを特徴とする。

２段電子線バイプリズム干渉光学系において縞走査法を実施する場合、本願による電子線バイプリズム装置を上段の電子線バイプリズムとして、そのフィラメント電極位置に試料の像を結像する光学系が最も好適と考えられる。電子線バイプリズムによる偏向点を含む平面も、偏向器による偏向点を含む平面も像面位置に一致しているため、電子線が偏向させられても観察・記録面で試料像の位置が移動することはなく、縞走査法が効果的に実施可能である。

本願によれば、フィラメント電極の左右両側を通過する電子線に対して光軸対称な偏向に加えて一方向への偏向が付加でき、結果として当該電子線バイプリズム装置を射出する左右の電子線にそれぞれ異なる偏向角度を与えることが可能となる。そのため、当該電子線バイプリズム装置よりも下流側の試料の像面において、物体波と参照波の位相差のコントロールが可能となる。すなわち、干渉顕微鏡像として記録される試料の像とその像に重畳された干渉縞との相対的な位置関係を、試料の像とその位置を変化させること無く高精度に変調させることができ、縞走査法が実施可能となる。

電界型偏向器と該偏向器による電子線の偏向を示す模式図である。２段に構成された電界型偏向器と該偏向器による電子線の偏向を示す模式図である。２段に構成された電界型偏向器と該偏向器による図２とは別なる電子線の偏向を示す模式図である。電子線バイプリズムと該電子線バイプリズムによる電子線の偏向を示す模式図である。（ａ）１枚目の干渉顕微鏡像、（ｂ）（ａ）から２π/３の干渉縞の位相がずれた２枚目の干渉顕微鏡像、（ｃ）（ｂ）から２π/３の干渉縞の位相がずれた（（ａ）からは４π/３の位相がずれた）３枚目の干渉顕微鏡像を示す図である。本発明の第１の実施例になる電子線バイプリズム装置の構成と、電子線の偏向を示す模式図である。（ａ）従来の電子線バイプリズムを光学複プリズムに置き換えたときの光源と光線と干渉縞の関係を示す模式図である。（ｂ）本発明の第一の実施例になる電子線バイプリズム装置を、対応する光学複プリズムに置き換えたときの光源と光線と干渉縞の関係を示す模式図である。本発明の第１の実施例になる電子線バイプリズム装置の外観全容を示す模式図である。（ａ）電子線の進行方向の上流側から、電子線バイプリズム、第１の偏向器、第２の偏向器の順に構成されている電子線バイプリズム装置、（ｂ）電子線の進行方向の上流側から、第１の偏向器、電子線バイプリズム、第２の偏向器の順に構成されている電子線バイプリズム装置、（ｃ）電子線の進行方向の上流側から、第１の偏向器、第２の偏向器、電子線バイプリズムの順に構成されている電子線バイプリズム装置を示す図である。本発明の第２の実施例になる電子線干渉光学系を示す模式図である。本発明の電子線干渉顕微鏡のシステム全容を示す模式図である。本発明の第３の実施例になる電子線干渉光学系を示す模式図である。本発明の第４の実施例になる電子線干渉光学系を示す模式図である。本発明の第５の実施例になる電子線干渉光学系を示す模式図である。本発明の第６の実施例になる電子線干渉光学系を示す模式図である。各数式を示す説明図である。

本発明における電子線バイプリズム装置の一例について以下具体例に沿って説明する。図６に電子線バイプリズム装置の機構を模式的に示す。最上段に電子線バイプリズムがあり、その電子線の進行方向下流側に２段からなる偏向器が配置されている。例えば、電子線バイプリズムによって分離され、光軸２に対称に互いに向き合う方向に角度αだけ偏向された２本の電子線（２２、２４）は、共に下流側の２段偏向器によって電子線バイプリズムのフィラメント電極９を含む平面（電子線バイプリズムの偏向点８５を含む光軸に垂直な平面８５５）内に偏向点を持ち８６、最終的に角度βだけ偏向を受けるとする。

このとき、光軸下向き（電子線の進行方向）にＺ軸をとり、進行方向右回りを角度の正方向と定めると、図６の紙面上左側の電子線２２は、電子線バイプリズムで−α、２段の偏向器で＋βの偏向を受け、該電子線バイプリズム装置を射出する電子線の光軸２に対する角度は−α＋βとなる。同様に紙面上右側の電子線２４は、電子線バイプリズムで＋α、２段の偏向器で＋βの偏向を受け、該電子線バイプリズム装置を射出する電子線の光軸２に対する角度は＋α＋βとなる。

結果的に、２つの電子線（２２、２４）の角度差は２αで、電子線バイプリズムのフィラメント電極９を通過後と変わっていない。しかし、電子線バイプリズム装置を射出後の２つの電子線（２２、２４）は角度βだけ一方向に傾き、光軸２に対して非対称となっている。

２つの偏向角αとβの関係は、上流側の電子線バイプリズムの偏向点８５を含む光軸に垂直な平面８５５と下流側の２段の偏向器の偏向点８６を含む光軸に垂直な平面８６５が一致した場合にのみ、この様な簡単な関係で記述することが可能となる。すなわち、下流側の２段の偏向器による偏向点８６を含む光軸に垂直な平面８６５の位置の制御が、２つの電子線（２２、２４）の位相差の制御にとって重要である。

図７は左右の電子線（２２、２４）の偏向角度が光軸２に対して非対称となる場合を、光学複プリズムに置き換えて示した例である。図７（ａ）は、従来の電子線バイプリズムに対応するフレネルの複プリズム４５とその偏向の様子を示している。

光源の実像１１から射出した光線（２２、２４）は光軸２上の伝播経路に配置された複プリズム４５により互いに光軸２に向き合う方向に偏向される。これは結果的に、虚の２つの光源１２から射出した２つの光線（２２、２４）に相当し、複プリズム４５の下流側で重畳され干渉縞８を発生させる。

図７（ｂ）は、本願による電子線バイプリズム装置に対応する複プリズム４６とその偏向の様子を示している。複プリズム４６の辺部の角度が左右で異なることにより、左右の光線（２２、２４）への偏向角度が異なっている。そのため、虚光源１２の位置が光軸２に対して非対称となり、結果として左右の光線（２２、２４）の位相差が干渉縞８の縞の位置を変化させる。

図８には、本願における電子線バイプリズム装置の外観の一例を示す。従来の電子線バイプリズムの機構内に、電子線バイプリズム９１に加えてさらに下流側に２段の偏向器（８１、８２）を組込んだ機構となっている。このため、電子線バイプリズム９１と２段の偏向器（８１、８２）は一体として、電子線装置の光軸２と垂直な面内で２方向（Ｘ、Ｙ軸方向）への微動、光軸２と平行な軸を回転軸とした方位角の回転、電子線の経路内への機構の着脱が可能である。電子線バイプリズム９１による光軸２を含む偏向面と２段の偏向器（８１、８２）のそれぞれの光軸２を含む偏向面は一致させる必要があるが、これは機械的精度によって達成させることが可能である。

続いて、電子線バイプリズムと２段偏向器の構成について以下説明する。

本例の電子線バイプリズム装置は、電子線バイプリズム９１と２段からなる偏向器（８１、８２）の３段構成となっている。そのため、光軸方向に配置する順序には、図９に示す３通りの構成が可能となる。すなわち、図９（ａ）は図６と同様の構成を表しており、電子線の進行方向順に上流側から、電子線バイプリズム９１、第１の偏向器８１、第２の偏向器８２の３段構成である。図９（ｂ）は、電子線バイプリズム９１と第１の偏向器８１の順が入れ替わり、第１の偏向器８１、電子線バイプリズム９１、第２の偏向器８２の順の３段構成である。図９（ｃ）は、電子線バイプリズム９１が最下流側に位置する構成で、第１の偏向器８１、第２の偏向器８２、電子線バイプリズム９１の順の３段構成である。いずれの構成においても、光軸下向き（電子線の進行方向）にＺ軸をとり、原点を電子線バイプリズムのフィラメント電極９と一致させ、進行方向右回りを角度の正方向と定めると、電子線バイプリズム９１による偏向点８５を含む光軸に垂直な平面８５５と２段偏向器（８１、８２）による合成された偏向点８６を含む光軸に垂直な平面８６５を一致させるための条件は、２段偏向器（８１、８２）の偏向角度と偏向器の位置を用いて図１６に示す〔数５〕のような関係式で表すことができる。

ここで、ｄ_１はＺ座標原点から見た第１の偏向器８１による偏向点のＺ座標値、ｄ_２はＺ座標原点から見た第２の偏向器８２による偏向点のＺ座標値であり、β_１は第１の偏向器８１による偏向角度、β_２は第２の偏向器８２による偏向角度である。定義に従いそれぞれ正負の値をとる。

〔数５〕に基づき２段の偏向器（８１、８２）の各々の偏向角度を制御するとき、２段の偏向器（８１、８２）による合成された偏向点８６を含む光軸に垂直な平面８６５は、常にＺ座標原点に垂直な平面に一致する。このときの２段の偏向器（８１、８２）による合成された偏向角度βは、β₁＋β₂（＝β）である。

図９の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を見比べれば明らかな様に、図９（ｂ）では、第１の偏向器８１と第２の偏向器８２による偏向角度はそれぞれ同方向であるのに対して、図９（ａ）、図９（ｃ）の構成では、第１の偏向器８１と第２の偏向器８２による偏向角度は互いに逆方向である。すなわち、電子線バイプリズム装置の耐電圧特性の観点からは、図９（ｂ）の構成が有利である。

各偏向器の偏向角度は、〔数５〕に基づき実験時に変更可能であるが、一方、各偏向器と電子線バイプリズム間の距離や偏向器の電極サイズなどは、機構の設計時に決まる定数である。すなわち〔数５〕から明らかな様に、偏向角度βと偏向器への印加電圧V_BDは比例関係にあるため、第１の偏向器８１への印加電圧と第２の偏向器８２への印加電圧の比が所定の一定値となるように制御すれば良い。なお、この２段の偏向器（８１、８２）による偏向角度βと電子線バイプリズム９１による偏向角度αは独立である。

続いて、２段電子線バイプリズム干渉計における縞走査法の構成の一例について以下説明する。図１０は、電子線バイプリズム装置９３を用いた２段電子線バイプリズム干渉計において縞走査法を実施するための光学系の構成例である。電子線バイプリズム装置９３は、図９（ａ）に示した上流側から、電子線バイプリズム９１、第１の偏向器８１、第２の偏向器８２、の３段構成の機構を用いている。

２段電子線バイプリズム干渉計において上段の電子線バイプリズムとして、電子線バイプリズム装置９３を用いており、試料の像面７１は、電子線バイプリズム９１のフィラメント電極の位置、すなわち電子線バイプリズム９１による偏向点８５を含む光軸に垂直な平面８５５に一致するよう構築されている。この結果、試料像面７１、電子線バイプリズム９１による偏向点８５を含む光軸に垂直な平面８５５、２段偏向器による偏向点８６を含む光軸に垂直な平面８６５が、電子光学上全て一致した平面内に構成される。これは、設計上、機械的に定まった電子線バイプリズムによる偏向点８５を含む光軸に垂直な平面８５５に対して、像面７１は対物レンズ５により合わせ込み、２段の偏向器（８１、８２）による偏向点８６を含む光軸に垂直な平面８６５は、先述のとおり第１の偏向器８１と第２の偏向器８２による偏向角度の調整により、それぞれ独立に合わせ込むことが可能である。

縞走査法の実施に当っては、
（１）上段の電子線バイプリズム（本願の電子線バイプリズム装置９３内の電子線バイプリズム９１）と下段の電子線バイプリズム９５により干渉顕微鏡像（８と３２）の干渉縞間隔・干渉領域幅を決定した後、
（２）本願による２段の偏向器（８１、８２）によって２つの電子波（２１、２３）の位相差を制御して干渉縞８の縞位置を変調する、
という手順となる。すなわち、電子線に対して対物レンズ５による試料３の結像と上段の電子線バイプリズム９１による干渉のための偏向が成された後に２段の偏向器（８１、８２）による偏向角度の変調操作とがこの順に実施されるため、本実施例で示した、電子線バイプリズム９１、第１の偏向器８１、第２の偏向器８２、の順の構成が、縞走査法にとって最も好適な構成である。

図１１に本願の電子線バイプリズム装置９３を上段の電子線バイプリズムとして搭載した電子顕微鏡システムの構成を模式的に示す。すなわち、対物レンズ５の下流側の電子線バイプリズム装置９３は、第１の電子線バイプリズム９１と下流側に２段の偏向器（８１、８２）を含む一体機構となっており、第１の結像レンズ６１を介した下流側に第２の電子線バイプリズム９５が配置されている。

第１、第２の電子線バイプリズム（９１、９５）により干渉縞間隔や干渉領域幅が定まった干渉顕微鏡像８８は、２段の偏向器（８１、８２）による偏向作用によって２つの電子波の位相差が制御され、干渉縞８の縞位置が変調される。所定の干渉条件に決定された試料の干渉顕微鏡像８８は、第１、第２、第３、第４の結像レンズ（６１、６２、６３、６４）を経て所定の倍率に調整され、観察記録面８９で画像観察・記録媒体７９（例えばＴＶカメラやＣＣＤカメラ）により記録される。

その後、演算処理装置７７により振幅像、位相像などに再生され、例えばモニタ７６などに表示される。

図１１は、従来型の加速電圧１００ｋＶから３００ｋＶの電子顕微鏡を想定して描いているが、図１１中の電子顕微鏡光学系の構成要素はこの図に限られるものではない。さらに、実際の装置ではこの図１１に示した構成要素以外に、電子線の進行方向を変化させる本願とは別なる偏向系、電子線の透過領域を制限する絞り機構などが存在する。しかし、これらの構成要素は本発明には直接的な関係が無いので、この図では省略している。さらに、電子光学系は真空容器１８中に組み立てられ真空ポンプにて継続的に排気されているが、真空排気系についても本発明とは直接の関係が無いため省略する。

次に、２段電子線バイプリズム干渉計における縞走査法の構成の別例を以下説明する。図１２は、電子線バイプリズム装置９３を用いた２段電子線バイプリズム干渉計において縞走査法を実施するための光学系の第２の構成例である。

電子線バイプリズム装置９３は、図９（ｂ）に示した、上流側から、第１の偏向器８１、電子線バイプリズム９１、第２の偏向器８２、の３段構成の機構を用いている。２段電子線バイプリズム干渉計において上段の電子線バイプリズムとして電子線バイプリズム装置９３を用いており、試料の像面７１は電子線バイプリズム９１のフィラメント電極位置、すなわち電子線バイプリズムによる偏向点８５を含む光軸に垂直な平面８５５に一致するよう構築される。

試料像面７１、電子線バイプリズムによる偏向点８５を含む光軸に垂直な平面８５５、２段の偏向器による偏向点８６を含む光軸に垂直な平面８６５が、電子光学上一致した面に構成される点は実施例２の構成例と同一である。そのため、機械的に定まった電子線バイプリズムによる偏向点８５を含む光軸に垂直な平面８５５に対して、像面７１は対物レンズ５により合わせ込み、２段の偏向器（８１、８２）による偏向点８６を含む光軸に垂直な平面８６５は第１の偏向器８１と第２の偏向器８２による偏向角度の調整により、それぞれ独立に合わせ込むことについても同様とする。

図９で説明した様に、本第２の構成例では、第１、第２の偏向器による偏向角度はそれぞれ同方向であり、偏向器の耐電圧特性の観点からは、本構成が最も有利である。電子顕微鏡への搭載の様子は、実施例２の図１１と同様であるため省略する。

次に、２段電子線バイプリズム干渉計における縞走査法の構成の別例を以下説明する。図１３は、電子線バイプリズム装置９３を用いた２段電子線バイプリズム干渉計において縞走査法を実施するための光学系の第３の構成例である。電子線バイプリズム装置９３は、図９（ｃ）に示した、上流側から、第１の偏向器８１、第２の偏向器８２、電子線バイプリズム９１、の３段構成の機構を用いている。

２段電子線バイプリズム干渉計において上段の電子線バイプリズムとして電子線バイプリズム装置９３を用いており、試料の像面７１は電子線バイプリズム９１のフィラメント電極位置、すなわち電子線バイプリズム９１による偏向点８５を含む光軸に垂直な平面８５５に一致するよう構築される。試料像面７１、電子線バイプリズム９１による偏向点８５を含む光軸に垂直な平面８５５、２段偏向器による偏向点８６を含む光軸に垂直な平面８６５が、電子光学上一致した点に構成される点は実施例２，３と同様である。

加えて、機械的に定まった電子線バイプリズムによる偏向点８５を含む光軸に垂直な平面８５５に対して、像面７１は対物レンズ５により合わせ込み、２段の偏向器による偏向点８６を含む光軸に垂直な平面８６５は第１、第２の偏向器（８１、８２）による偏向角度の調整により、それぞれ独立に合わせ込むことなどについても、実施例２，３での構成例と同様である。

例えば、図８で説明した一体型機構となった装置であれば、装置の上下を逆に設置することにより、本構成は直ちに実現可能である。

本構成は実施例２や実施例３と比較して試料の像面７１が最も下流側に位置するため、対物レンズ５による試料像３１の拡大率を、実施例３での第１の構成例や実施例４での第２の構成例よりも大きくすることが可能である。また、上記３つの構成例の中では最も縞間隔の狭い干渉顕微鏡像（８と３２）を得ることが可能である。電子顕微鏡への搭載の様子は、実施例３の図１１と同様であるため省略する。

図１４は、電子線バイプリズム装置９３を用いた従来型の干渉計（電子線バイプリズムは１つだけを使用する）において縞走査法を実施するための構成例である。電子線バイプリズムとして本願における電子線バイプリズム装置９３のみを利用し、本願における偏向器も１段のみを利用する。図１４では図９（ａ）の構成を想定するとともに、本願における第１の偏向器８１の偏向角度β₁をゼロ、すなわち第１の偏向器８１の平行平板電極には電圧を印加しない構成を想定している。本願における電子線バイプリズム装置９３の電子線バイプリズム９１を対物レンズ５と試料の像面７１との間に配置すると共に、第２の偏向器８２の偏向点８４を含む光軸に垂直な平面８４５が試料の像面７１に一致するように光学系を構築している。電子線バイプリズムにより定まった干渉顕微鏡像（８と３１）を構成する物体波２１と参照波２３の２つの電子波を、第２の偏向器８２で偏向する構成である。試料の像面位置７１で与えられる偏向であるため、試料像３１の位置は変化せず、物体波２１と参照波２３の２つの電子波の位相差のみが変調される。すなわち、縞走査法が可能である。但し、本光学系は従来型の干渉光学系であるため、２段電子線バイプリズム干渉計の利点である干渉縞間隔と干渉領域幅のコントロールや、干渉顕微鏡像へのフレネル縞の重畳回避などは実現不可能である。

なお、本構成例では、２段の偏向器のうち、下流側の第２の偏向器８２を用いるとしたが、第１の偏向器８１による偏向点８３を含む光軸に垂直な平面８３５であっても、第１と第２の偏向器による合成された偏向点８６を含む光軸に垂直な平面８６５であっても、試料の像面７１に一致させれば、同様の効果が得られる。

図１５は、本願による電子線バイプリズム装置９３を用いた従来型の干渉計（電子線バイプリズムは１つだけを使用する）において縞走査法を実施するための第２の構成例である。

電子線バイプリズムとして本願における電子線バイプリズム装置９３のみを利用し、本願における偏向器も１段のみを利用する点は、実施例５における第１の構成例と同様である。図１５では図９（ｃ）の構成を想定している。また、本願における第１の偏向器８１の偏向角度β₁をゼロ、すなわち第１の偏向器８１の平行平板電極には電圧を印加しない構成を想定している。本願における電子線バイプリズム装置９３の電子線バイプリズム９１を対物レンズ５による試料の像面７１と第１の結像レンズ６１との間に配置すると共に、第２の偏向器８２の偏向点８４を含む光軸に垂直な平面８４５が試料の像面７１に一致するように光学系を構築している。

ここで、電子線バイプリズム９１の位置が、試料像３１と結像レンズ６１の間であるため、干渉を作り出すためにフィラメント電極９に印加する電圧は負の電圧であり、印加電圧の正負が実施例６での光学系とは異なっているが、これは本質的な違いではない。未だ干渉を生じていない物体波２１と参照波２３の伝播方向を、試料３の像面７１に位置する第２の偏向器８２で偏向する構成である。試料の像面位置７１で与えられる偏向であるため、原理的には試料像３１および３２の位置は変化せず、結像レンズ６１を介した後に物体波２１と参照波２３の２つの電子線の位相差のみが変更される。

すなわち、縞走査法が可能である。但し、本光学系は従来型の干渉光学系であるため、２段電子線バイプリズム干渉計の利点である干渉縞間隔と干渉領域幅のコントロールや、干渉顕微鏡像へのフレネル縞の重畳回避などは実現困難である。なお、本構成例では、２段の偏向器のうち、下流側の第２の偏向器８２を用いるとしたが、第１の偏向器８１による偏向点８３を含む光軸に垂直な平面８３５であっても、第１と第２の偏向器による合成された偏向点８６を含む光軸に垂直な平面８６５であっても、試料の像面７１と一致させれば、同様の効果が得られる。これらの点も実施例５と同様である。

１…電子源もしくは電子銃、１１…対物レンズ下側の電子源の実像、１２…電子源の虚像、１１２…対物レンズ下側の電子源の虚像、１２１…第１拡大レンズ下側の電子源の実像、１２２…第１拡大レンズ下側の電子源の虚像、１３…光源の実像、１８…真空容器、１９…電子源の制御ユニット、２…光軸、２１…物体波、２２…物体波に対応する電子線の軌道、２３…参照波、２４…参照波に対応する電子線の軌道、２７…電子線の軌道、２８…入射電子線の虚の軌道、２９…偏向後の電子線の虚の軌道、３…試料、３１…対物レンズにより結像された試料の像、３２…第１の結像レンズにより結像された試料の像、３９…試料の制御ユニット、４０…加速管、４１…第１照射レンズ、４２…第２照射レンズ、４５…光学複プリズム、４６…左右非対称な偏向を実現する光学複プリズム、４７…第２照射レンズの制御ユニット、４８…第１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、５９…対物レンズの制御ユニット、６１…第１結像レンズ、６２…第２結像レンズ、６３…第３結像レンズ、６４…第４結像レンズ、６６…第４結像レンズの制御ユニット、６７…第３結像レンズの制御ユニット、６８…第２結像レンズの制御ユニット、６９…第１結像レンズの制御ユニット、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…画像表示装置、７７…画像記録・演算処理装置、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、８１…第１の偏向器、８２…第２の偏向器、８３…第１の偏向器による偏向点、８３５…偏向点８３を含む光軸に垂直な平面、８４…第２の偏向器による偏向点、８４５…偏向点８４を含む光軸に垂直な平面、８５…電子線バイプリズムによる偏向点、８５５…偏向点８５を含む光軸に垂直な平面、８６…第１の偏向器と第２の偏向器による合成された偏向点、８６５…偏向点８６を含む光軸に垂直な平面、８８…干渉顕微鏡像、８９…観察・記録面、９…電子線バイプリズムのフィラメント電極、９１…第１の電子線バイプリズム、９３…電子線バイプリズム装置、９５…第２の電子線バイプリズム、９６…第２の電子線バイプリズムの制御ユニット、９７…２段の偏向器の制御ユニット、９８…第１の電子線バイプリズムの制御ユニット、９９…平行平板接地電極

Claims

透過型電子顕微鏡もしくは試料を透過した電子線のエネルギー分析を行う電子線装置で使用される電子線バイプリズム装置であって、該電子顕微鏡もしくは該電子線装置の光軸に沿って光軸上を電子源から観察あるいは記録装置の方向に伝播する該電子線に対して、該電子線を分割かつ偏向させる電子線バイプリズムと、該電子線バイプリズムが定める該電子線の偏向面と該光軸を含む電子光学上の同一平面内で該電子線バイプリズムとは独立に該電子線に対して偏向作用を与える少なくとも２つの偏向器と、から構成され、
前記電子線バイプリズムと前記偏向器が、前記電子線の伝播する方向の順に、前記電子線バイプリズムと、第１の偏向器と、第２の偏向器と、から構成されることを特徴とする電子線バイプリズム装置。
前記第１の偏向器が前記電子線に与える偏向角度と、前記第２の偏向器が前記電子線に与える偏向角度がそれぞれ調整されることによって、前記電子線バイプリズムが前記電子線に与える前記光軸上の偏向位置と、前記第２の偏向器を射出した後の前記電子線の対応する前記光軸上の偏向位置とが、一致していることを特徴とする請求項１に記載の電子線バイプリズム装置。
前記光軸を含む前記電子線の偏向面内において、前記光軸を軸とし、前記電子線バイプリズムが前記電子線に与える偏向位置を原点としてＺ軸を定め、前記電子線の進行方向を正の方向、前記偏向面内の前記電子線の進行方向右回りを正の角度とし、
前記第１の偏向器が前記電子線に与える偏向角度をβ₁とし、
前記第２の偏向器が前記電子線に与える偏向角度をβ₂とし、
前記第１の偏向器の偏向位置のＺ軸上の座標をｄ₁とし、
前記第２の偏向器の偏向位置のＺ軸上の座標をｄ₂としたとき、
前記第１の偏向器と前記第２の偏向器が前記電子線へ与える偏向角度が以下の式の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の電子線バイプリズム装置。
前記電子線バイプリズムが前記電子線に与える偏向作用と、前記第１の偏向器が前記電子線に与える偏向作用と、前記第２の偏向器が前記電子線に与える偏向作用と、の少なくとも１つの偏向作用が、電界によるものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電子線バイプリズム装置。
前記電子線バイプリズムが前記電子線に与える偏向作用と、前記第１の偏向器が前記電子線に与える偏向作用と、前記第２の偏向器が前記電子線に与える偏向作用と、の少なくとも１つの偏向作用が、磁界によるものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電子線バイプリズム装置。
前記電子線バイプリズムと、前記電子線に偏向作用を与える前記第１の偏向器と、前記電子線に偏向作用を与える前記第２の偏向器とが、前記光軸に垂直な任意の方向に一体として移動可能であるとともに、前記光軸と平行な軸を中心として一体として回転可能であるとともに、前記電子線の光路上への挿入と前記電子線の光路上からの引出とが一体として成されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電子線バイプリズム装置。
電子線の光源と、該光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、該電子線が照射する試料を保持するための試料保持装置と、該試料の像を結像するための対物レンズを含む結像レンズ系と該試料像を観察あるいは記録するための装置を有する電子線装置であって、
該電子線装置の光軸上で該試料の配置される位置より該電子線の進行方向の下流側に該結像レンズ系に属する１つもしくは複数のレンズを介した該試料の像面位置に電子線バイプリズム装置が配置され、
該電子線の光軸上で該電子線バイプリズム装置よりも該電子線の進行方向の下流側に第２の電子線バイプリズムが配置され、
前記電子線バイプリズム装置が、該電子線装置の光軸に沿って前記光軸上を前記光源から前記観察あるいは記録するための装置の方向に伝播する該電子線に対して、該電子線を分割かつ偏向させる第１の電子線バイプリズムと、該電子線バイプリズムが定める該電子線の偏向面と該光軸を含む電子光学上の同一平面内で該電子線バイプリズムとは独立に該電子線に対して偏向作用を与える少なくとも２つの偏向器と、から構成されることを特徴とする電子線装置。
前記第２の電子線バイプリズムが、前記電子線バイプリズム装置によって作り出される電子線の陰の空間に位置することを特徴とする請求項７に記載の電子線装置。
前記電子線バイプリズムと前記偏向器が、前記電子線の伝播する方向の順に、前記電子線バイプリズムと、第１の偏向器と、第２の偏向器と、から構成されることを特徴とする請求項７もしくは８に記載の電子線装置。
前記電子線バイプリズムが前記電子線に与える偏向作用と、前記第１の偏向器が前記電子線に与える偏向作用と、前記第２の偏向器が前記電子線に与える偏向作用と、の少なくとも１つの偏向作用が、電界によるものであることを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の電子線装置。
前記電子線バイプリズムと、前記電子線に偏向作用を与える前記第１の偏向器と、前記電子線に偏向作用を与える前記第２の偏向器とが、前記光軸に垂直な任意の方向に一体として移動可能であるとともに、前記光軸と平行な軸を中心として一体として回転可能であるとともに、前記電子線の光路上への挿入と前記電子線の光路上からの引出とが一体として成されることを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載の電子線装置。