JP5690610B2 - Photoelectron microscope - Google Patents
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Description
本発明は、試料の実像だけでなく、散乱電子の角度情報も図形として観察することができる光電子顕微鏡に関する。 The present invention relates to a photoelectron microscope capable of observing not only a real image of a sample but also angle information of scattered electrons as a figure.
電子顕微鏡には、PEEM（光電子顕微鏡）、LEEM（低エネルギー電子顕微鏡）、TEM（透過型電子顕微鏡）、STEM（走査型透過電子顕微鏡）、SEM（走査型電子顕微鏡）などの種類があり、電子光学の立場から、PEEMは、LEEMと共通し、TEM/STEM/SEMとは著しく異なるものと認識されている。 Electron microscopes include PEEM (photoelectron microscope), LEEM (low energy electron microscope), TEM (transmission electron microscope), STEM (scanning transmission electron microscope), SEM (scanning electron microscope), etc. From the standpoint of optics, PEEM is common with LEEM and is recognized as being significantly different from TEM / STEM / SEM.
LEEM/PEEMでは、試料から反射または放出される電子のエネルギーが数ボルトからせいぜい数百ボルトの範囲で比較的低電圧であるため、電子をレンズ系に通すときに高電圧で加速させて高加速電圧のもとで試料の実像観察を行う。これに対して、TEM/STEMでは、全系を一定の加速電圧に固定して試料の実像観察を行うのが普通であり、SEMでは、逆に試料をビームが照射するときに電子を減速させて高分解能観察を行っている場合がある。 In LEEM / PEEM, the energy of the electrons reflected or emitted from the sample is relatively low in the range of several volts to at most several hundred volts. Therefore, when electrons are passed through the lens system, they are accelerated at a high voltage for high acceleration. Real image observation of the sample is performed under voltage. In contrast, in TEM / STEM, the entire system is usually fixed at a constant acceleration voltage, and the real image of the sample is observed. In SEM, the electron is decelerated when the sample is irradiated with the beam. In some cases, high-resolution observation is performed.
また、LEEM/PEEMでは、使用するレンズの収差が大きいこと、装置内部を超高真空状態に保つ必要があること、像観察よりも分析が主体であることなどの理由から、空間分解能がTEM/STEM/SEMに比べてかなり低い。 Also, LEEM / PEEM has a spatial resolution of TEM / PE because of the large aberration of the lens used, the need to keep the inside of the device in an ultra-high vacuum state, and the fact that analysis is more important than image observation. Much lower than STEM / SEM.
さらに、PEEMは、透過や反射電子ではないことから電子回折は存在しないが、後焦点面に電子ビームが収束したとき、そこにできる散乱電子の角度分布パターン（電子回折に類似のパターンであるので以下簡単のため電子回折像と記述する。）に、試料が有する対掌性などの情報が含まれていることが知られている。しかしながら、PEEMには、従来、電子回折像（ディフラクトグラム）を取り出す機構や、電子回折像を操作することによって新しい情報を取り出す機構などは備えられていなかった。これは、従来から市販されているPEEM（例えば、非特許文献１（第１図）参照）に、試料の近傍に位置する高電圧下の後焦点面にコントラスト絞りを設置できず、トランスファーレンズの後方にコントラスト絞りを設置しなければならないという問題があったからである。また、このPEEMに高倍率の対物レンズを用いると、トランスファーレンズの位置におけるディフラクトグラムは大きく縮小されるため、トランスファーレンズの後方に設置するコントラスト絞りとして、対物レンズの倍率分だけ小さい絞りを用いなければならないという問題があったからである。 Furthermore, PEEM has no electron diffraction because it is not a transmitted or reflected electron. However, when the electron beam converges on the back focal plane, the angle distribution pattern of scattered electrons formed there (because it is a pattern similar to electron diffraction). Hereinafter, it is known that it is referred to as an electron diffraction image for the sake of simplicity. However, PEEM has conventionally not been equipped with a mechanism for extracting an electron diffraction image (diffractogram) or a mechanism for extracting new information by manipulating the electron diffraction image. This is because the contrast diaphragm cannot be installed on the back focal plane under a high voltage located in the vicinity of the sample in PEEM (for example, see Non-Patent Document 1 (FIG. 1)) that is commercially available. This is because there was a problem that a contrast diaphragm had to be installed in the rear. Also, if a high-magnification objective lens is used for this PEEM, the diffractogram at the position of the transfer lens is greatly reduced, so a diaphragm that is smaller by the magnification of the objective lens is used as the contrast diaphragm installed behind the transfer lens. This is because there was a problem of having to.
本発明は、試料の実像だけでなく、電子回折像も観察することができる光電子顕微鏡を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the photoelectron microscope which can observe not only the real image of a sample but an electron diffraction image.
上記課題を解決するために、本発明に係る光電子顕微鏡は後述する構成を備える。より具体的には、本発明は、
（１）光源からの光を前方に配置されている試料に照射することにより前記試料から後方に向かって放出される光電子を対物レンズを介して結像させることで拡大像を得る光電子顕微鏡であって、
前記対物レンズは、前方から後方に向かって第１電極、第２電極、第３電極、および第４電極がこの順に配置されてなり、
前記第１〜第４の電極には前後方向に貫通する穴が形成されて、前記対物レンズは前方の前記試料の面から放出された前記光電子を当該穴を介して後方に通過させ、
前記第１の電極と前記第２の電極は、前記光源からの前記光が互いの電極間を通りつつ前記第１の電極の前記穴を介して前記試料に照射されるように設置されている光電子顕微鏡；
（２）前記試料に最も近く設置される電極において、前記試料から放出された光電子が通過する該電極の穴に近い部分が、少なくとも、前記光が照射される前記試料の面に対して平行に設置されている上記（１）に記載の光電子顕微鏡；
（３）前記光電子の進行方向に対して前記対物レンズの後方のアース電位の位置に対物絞りを備える上記（１）又は（２）に記載の光電子顕微鏡；
（４）前記対物絞りが可動絞りである上記（３）に記載の光電子顕微鏡；
（５）前記可動絞りが、前記光電子の進行方向に対して垂直な面で孔の位置を調整することができる上記（４）に記載の光電子顕微鏡；
（６）前記対物絞りが、前記光電子の進行方向に対して前後に移動可能である上記（３）〜（５）のいずれかに記載の光電子顕微鏡；
（７）前記対物レンズは、前記対物絞りの設置位置に該対物レンズの焦点面を合わせるための調節手段を有する上記（３）〜（６）のいずれかに記載の光電子顕微鏡；
（８）前記対物絞りの設置位置における電子回折パターンを検出する検出器と、前記電子回折パターンを前記検出器に拡大投影する中間レンズ及び投影レンズと、を備える上記（１）〜（７）のいずれかに記載の光電子顕微鏡；
（９）光電子顕微鏡が、分子又は物質のミクロレベル又はナノレベルでの鏡像異性関係を画像として観察可能なキラリティー（Chirality）光電子顕微鏡である上記（１）〜（８）のいずれかに記載の光電子顕微鏡；
（１０）光電子顕微鏡が、磁性体の磁区構造を観察することができる光電子顕微鏡である上記（１）〜（９）のいずれかに記載の光電子顕微鏡などである。
In order to solve the above-described problems, the photoelectron microscope according to the present invention has a configuration to be described later. More specifically, the present invention provides:
(1) a light from a light source in an optical electron microscope to obtain a magnified image of the photoelectrons emitted rearward from the sample by causing image through the objective lens by irradiating the sample being disposed in front And
The objective lens has a first electrode, a second electrode, a third electrode, and a fourth electrode arranged in this order from the front to the rear.
A hole penetrating in the front-rear direction is formed in the first to fourth electrodes, and the objective lens allows the photoelectrons emitted from the front surface of the sample to pass rearward through the hole,
The first electrode and the second electrode are installed such that the light from the light source is irradiated to the sample through the hole of the first electrode while passing between the electrodes. Photoelectron microscope;
(2) In the electrode installed closest to the sample, a portion close to the hole of the electrode through which photoelectrons emitted from the sample pass is at least parallel to the surface of the sample irradiated with the light The photoelectron microscope according to the above (1) installed;
(3) The photoelectron microscope according to (1) or (2), further including an objective aperture at a position of a ground potential behind the objective lens with respect to a traveling direction of the photoelectrons;
(4) The photoelectron microscope according to (3), wherein the objective aperture is a movable aperture;
(5) The photoelectron microscope according to (4), wherein the movable diaphragm can adjust the position of the hole in a plane perpendicular to the traveling direction of the photoelectrons;
(6) The photoelectron microscope according to any one of (3) to (5), wherein the objective aperture is movable back and forth with respect to a traveling direction of the photoelectrons;
(7) the objective lens, the optical electron microscope according to any one of the above (3) to (6) having adjusting means for adjusting the focal plane of the objective lens in the installation position of the objective aperture;
(8) The above (1) to (7) , comprising: a detector that detects an electron diffraction pattern at an installation position of the objective aperture; and an intermediate lens and a projection lens that enlarge and project the electron diffraction pattern onto the detector. Any one of the photoelectron microscopes;
(9) The photoelectron microscope according to any one of the above (1) to (8) , wherein the photoelectron microscope is a chirality photoelectron microscope capable of observing an image of a microscopic or nanoscopic enantiomeric relationship of molecules or substances. Photoelectron microscope;
(10) The photoelectron microscope according to any one of (1) to (9) , wherein the photoelectron microscope is a photoelectron microscope capable of observing a magnetic domain structure of a magnetic substance.
本発明によれば、試料の実像だけでなく、電子回折像も観察することができる光電子顕微鏡を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a photoelectron microscope capable of observing not only a real image of a sample but also an electron diffraction image.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態として説明する光電子顕微鏡の概略構成を示す図である。光電子顕微鏡１００は、光源からの光を試料Ｓに照射することにより試料Ｓから放出される光電子を加速電場によって加速し、光電子像をレンズによって拡大し、試料上で発生した光電子の強度分布を直接観察する電子顕微鏡である。前記光源からの光は、例えば、可視光、紫外線、Ｘ線、放射光などである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a photoelectron microscope described as an embodiment of the present invention. The photoelectron microscope 100 irradiates the sample S with light from a light source, accelerates photoelectrons emitted from the sample S by an accelerating electric field, enlarges the photoelectron image by a lens, and directly calculates the intensity distribution of photoelectrons generated on the sample. It is an electron microscope to observe. The light from the light source is, for example, visible light, ultraviolet light, X-rays, radiated light, or the like.
光電子顕微鏡１００は、対物レンズ１０、対物絞り（光電子顕微鏡では「コントラスト絞り」と呼ばれている。）２０、二段偏向・スティグメータ３０、中間レンズ４０，５０、投影レンズ６０、検出器７０などを備える。 The photoelectron microscope 100 includes an objective lens 10, an objective diaphragm (referred to as a “contrast diaphragm” in the photoelectron microscope) 20, a two-stage deflection / stigmator 30, intermediate lenses 40 and 50, a projection lens 60, a detector 70, and the like. Is provided.
対物レンズ１０は、加速電圧が印加される正の電極と、アース電極とを含む２以上の電極からなる。光電子顕微鏡１００において試料Ｓが高電圧下に設置される場合には、試料Ｓから最も遠くに設置される対物レンズ１０の電極はアース電位を有する。このような対物レンズ１０の一例として、４つの電極からなる対物レンズ１０ａの概略構成を図２に示す。対物レンズ１０ａは、第１電極１ａ、第２電極２ａ、第３電極３ａ、第４電極４ａなどの電極を備える。対物レンズ１０ａにおける４つの電極は、第１電極１ａ、第２電極２ａ、第３電極３ａ、第４電極４ａの順で、試料Ｓから近い位置に設置されており、試料Ｓから最も遠くに設置される第４電極４ａはアース電位を有する。 The objective lens 10 includes two or more electrodes including a positive electrode to which an acceleration voltage is applied and a ground electrode. When the sample S is placed under a high voltage in the photoelectron microscope 100, the electrode of the objective lens 10 placed farthest from the sample S has a ground potential. As an example of such an objective lens 10, FIG. 2 shows a schematic configuration of an objective lens 10a composed of four electrodes. The objective lens 10a includes electrodes such as a first electrode 1a, a second electrode 2a, a third electrode 3a, and a fourth electrode 4a. The four electrodes in the objective lens 10a are installed at positions closer to the sample S in the order of the first electrode 1a, the second electrode 2a, the third electrode 3a, and the fourth electrode 4a, and are installed farthest from the sample S. The fourth electrode 4a to be grounded has a ground potential.
対物レンズ１０ａの各電極は、試料Ｓに照射される光源からの光が第１電極１ａと第２電極２ａとの間を通り、光が照射されることにより試料Ｓから放出された光電子が各電極１ａ，２ａ，３ａ，４ａの穴を通るように設置されている。本実施の形態においては、第１電極１ａの穴の径は、第２電極２ａの穴の径より大きく設定されている（より具体的には、第１電極１ａの穴の直径を、第２電極２ａの穴の直径の３倍より大きく設定している。）。また、第１電極１ａは平面平板状であって、その平面が試料Ｓの面（光が照射される面）に対して平行に設置されている。さらに、対物レンズ１０ａの第４電極４ａは試料Ｓの面から46mmの位置に設置されている。このような対物レンズ１０ａを光電子顕微鏡１００に設置し、対物レンズ１０ａの第３電極３ａに2kV〜10kVの加速電圧を印加させた場合の対物絞り位置（対物焦点面）を調べた結果を図３に示す。図３に示すように、2kV〜10kVの電圧を第３電極３ａに印加させた場合には、対物絞り位置が試料Ｓの面から46mmよりも離れていた。このことから、光源からの光を２つの電極間を通るように電極を配置した対物レンズ１０ａを光電子顕微鏡１００に設けることにより、アース電位となる対物レンズ１０ａの後焦点面付近に対物絞り２０を設置できることが示された。また、図３から、対物レンズ１０ａの１つの電極（本実施例では第３電極３ａ）の電圧調節により、光軸方向で対物絞り２０の設置位置を正しく調節できることが示されたので、対物レンズ１０ａの電極の電圧調節によって電子回折像の形成に不要な電子ビームを排除することができ、もって高いコントラストで正しい像を得ることが可能となる。従って、対物レンズ１０ａを光電子顕微鏡１００に設けることにより、試料の実像だけでなく、対物レンズ１０ａの後焦点面にできる電子回折像も観察することができるようになる。これにより、物質表面や触媒、分子、粉末などの形態や化学構造などを観察・分析できるだけでなく、キラリティー（Chirality）を有する微小な物質の対掌性や磁性体、強誘電体などの磁区構造の観察も行うことが可能となる。 Each electrode of the objective lens 10a passes light between the first electrode 1a and the second electrode 2a through the light from the light source irradiated on the sample S, and each photoelectron emitted from the sample S when irradiated with the light. It is installed so as to pass through the holes of the electrodes 1a, 2a, 3a, 4a. In the present embodiment, the diameter of the hole of the first electrode 1a is set larger than the diameter of the hole of the second electrode 2a (more specifically, the diameter of the hole of the first electrode 1a is set to the second diameter). It is set to be larger than 3 times the diameter of the hole of the electrode 2a). The first electrode 1a has a flat plate shape, and the plane is set in parallel to the surface of the sample S (surface irradiated with light). Further, the fourth electrode 4a of the objective lens 10a is installed at a position 46 mm from the surface of the sample S. FIG. 3 shows the result of examining the objective aperture position (objective focal plane) when such an objective lens 10a is installed in the photoelectron microscope 100 and an acceleration voltage of 2 kV to 10 kV is applied to the third electrode 3a of the objective lens 10a. Shown in As shown in FIG. 3, when a voltage of 2 kV to 10 kV was applied to the third electrode 3a, the objective aperture position was farther from the surface of the sample S than 46 mm. For this reason, by providing the photoelectron microscope 100 with the objective lens 10a in which the electrode is arranged so that the light from the light source passes between the two electrodes, the objective aperture 20 is provided in the vicinity of the rear focal plane of the objective lens 10a at the ground potential. It was shown that it can be installed. Further, FIG. 3 shows that the installation position of the objective diaphragm 20 can be correctly adjusted in the optical axis direction by adjusting the voltage of one electrode (the third electrode 3a in this embodiment) of the objective lens 10a. By adjusting the voltage of the electrode 10a, an electron beam unnecessary for forming an electron diffraction image can be eliminated, and a correct image can be obtained with high contrast. Therefore, by providing the objective lens 10a in the photoelectron microscope 100, not only a real image of the sample but also an electron diffraction image formed on the back focal plane of the objective lens 10a can be observed. This enables not only observation and analysis of the surface, catalyst, molecule, powder, etc., chemical structure, etc., but also the antipodism of minute substances with chirality and magnetic domains such as magnetic substances and ferroelectric substances. It is also possible to observe the structure.
また、図３及び図４に示すように、対物レンズ１０ａの第３電極３ａ（V1-4）における電圧を低くすると、対物絞り位置（対物焦点面）が試料Ｓの面から遠くなり、対物レンズ１０ａの倍率が低くなる。このことから、対物レンズ１０ａの後焦点面が試料Ｓの面から離れると、対物レンズ１０ａの倍率が低くなる傾向にあることがわかる。従って、対物レンズ１０ａを備えた光電子顕微鏡１００は、対物レンズ１０ａの１つの電極の電圧調節により対物焦点面の位置を光軸方向に調整することができるので、対物焦点面に対物絞り２０の位置を手動で調整できるようにした光電子顕微鏡１００は、低倍率の試料の電子回折像も観察できるようになる。 Further, as shown in FIGS. 3 and 4, when the voltage at the third electrode 3a (V1-4) of the objective lens 10a is lowered, the objective aperture position (object focal plane) becomes far from the surface of the sample S, and the objective lens The magnification of 10a is lowered. From this, it can be seen that when the back focal plane of the objective lens 10a is separated from the surface of the sample S, the magnification of the objective lens 10a tends to decrease. Accordingly, the photoelectron microscope 100 including the objective lens 10a can adjust the position of the objective focal plane in the optical axis direction by adjusting the voltage of one electrode of the objective lens 10a. The photoelectron microscope 100 that can be adjusted manually can observe an electron diffraction image of a low-magnification sample.
なお、本実施の形態においては、第１電極１ａを平面平板状の構造とし、その平面が試料Ｓの面に対して平行に設置することとしているが、光電子が通過する第１電極１ａの穴に近い部分を平面平板状の構造とし、該平面が試料Ｓの面に対して平行になるように第１電極１ａを光電子顕微鏡１００に設置し、低倍率でも試料を観察できるようにしてもよい。 In the present embodiment, the first electrode 1a has a flat plate-like structure, and the plane is set parallel to the surface of the sample S. However, the hole of the first electrode 1a through which photoelectrons pass is provided. The first electrode 1a may be placed on the photoelectron microscope 100 so that the plane is parallel to the surface of the sample S so that the sample can be observed even at a low magnification. .
また、本実施の形態においては、試料Ｓに最も近く設置される２つの電極間（第１電極１ａと第２電極２ａとの間）を光源からの光が通るように対物レンズ１０ａの各電極を設けることとしているが、対物レンズ１０が３以上の電極を有する場合には、光源からの光が別の電極間を通るように対物レンズ１０の各電極を設置することとしてもよい。 Further, in the present embodiment, each electrode of the objective lens 10a passes through between two electrodes (between the first electrode 1a and the second electrode 2a) installed closest to the sample S so that light from the light source passes. However, when the objective lens 10 has three or more electrodes, each electrode of the objective lens 10 may be installed so that light from the light source passes between the other electrodes.
さらに、本実施の形態においては、対物レンズ１０の後焦点面を対物絞り２０の設置位置に細かく調節できるように、対物レンズ１０ａの第３電極３ａに様々な大きさの電圧を印加できるような構成としているが、試料Ｓから最も遠くに設置される電極以外の電極に様々な大きさの電圧を印加できるような構成としてもよい。 Furthermore, in the present embodiment, voltages of various magnitudes can be applied to the third electrode 3a of the objective lens 10a so that the back focal plane of the objective lens 10 can be finely adjusted to the installation position of the objective diaphragm 20. Although it is configured, it may be configured such that various voltages can be applied to electrodes other than the electrode installed farthest from the sample S.
対物絞り２０は、試料から放出され、対物レンズ１０を通過した電子ビームの角度を制限（調整）し、像のコントラストを増大させるものである。対物絞り２０には、光軸方向（Ｚ方向）に対して垂直な面（ＸＹ平面）に１以上の孔が設けられている。対物絞り２０は、１つの孔からなる固定絞りであってもよいが、異なる形状の孔を２以上有する可動絞り、孔の位置をＸＹ平面で調整することができる可動絞り、これらを併用できる可動絞りであってもよい。また、対物絞り２０は、光電子の進行方向、すなわち光軸（Ｚ軸）方向に対して前後に移動可能な固定絞りあるいは可動絞りであってもよい。このような対物絞り２０を、対物レンズ１０を備える光電子顕微鏡１００に設けることにより、アース電位である対物レンズ１０ａの後焦点面に対物絞り２０の位置を手動で調整することができるようになる。また、１以上の孔を有し、孔の位置をＸＹ平面で調整することができ、かつ、光軸方向に対して前後に移動可能な可動絞りを光電子顕微鏡１００に設けることにより、電子ビームの一部を絞りによって覆い隠すように孔の位置を調整して遮断し、孔を通過する残りの電子ビームによって作られる像、すなわち、キラリティー（Chirality）を有する微小な物質の鏡像異性関係（対掌性）を示す画像を観察することが可能となる。なお、対物絞り２０が有する孔は、どのような形状であってもよく、例えば、長方形、正方形、平行四辺形、扇形などの形状を挙げることができる。 The objective aperture 20 limits (adjusts) the angle of the electron beam emitted from the sample and passed through the objective lens 10 to increase the contrast of the image. The objective aperture 20 is provided with one or more holes in a plane (XY plane) perpendicular to the optical axis direction (Z direction). The objective diaphragm 20 may be a fixed diaphragm composed of one hole, but a movable diaphragm having two or more holes having different shapes, a movable diaphragm capable of adjusting the positions of the holes on the XY plane, and a movable diaphragm that can be used in combination. A diaphragm may be used. The objective diaphragm 20 may be a fixed diaphragm or a movable diaphragm that can move back and forth with respect to the traveling direction of photoelectrons, that is, the optical axis (Z-axis) direction. By providing such an objective aperture 20 in the photoelectron microscope 100 including the objective lens 10, the position of the objective aperture 20 can be manually adjusted on the back focal plane of the objective lens 10a that is at the ground potential. Further, by providing the photoelectron microscope 100 with a movable diaphragm having one or more holes, the position of the holes can be adjusted in the XY plane, and movable back and forth with respect to the optical axis direction, Adjust the position of the hole so as to cover part of it with a diaphragm, block it, and create the image created by the remaining electron beam that passes through the hole, that is, the enantiomeric relationship of a minute substance with chirality (vs. It is possible to observe an image that shows (palmability). In addition, the hole which the objective aperture 20 has may be what shape, for example, shapes, such as a rectangle, a square, a parallelogram, and a fan shape, can be mentioned.
二段偏向・スティグメータ３０は、二段の、偏向器と非点補正器との兼用器であり、対物絞り２０を通過した電子ビームを偏向し、これにより変化する非点収差を補正するものである。この二段偏向・スティグメータ３０を光電子顕微鏡１００に備えることにより、対物絞り２０を通過した電子ビームが作る像の方向による焦点のずれを補正することができるようになる。 The two-stage deflection / stigmeter 30 is a two-stage dual-purpose deflector and astigmatism corrector that deflects the electron beam that has passed through the objective aperture 20 and corrects astigmatism that changes thereby. It is. By providing the two-stage deflection / stigmator 30 in the photoelectron microscope 100, it becomes possible to correct the focus shift due to the direction of the image formed by the electron beam that has passed through the objective aperture 20.
中間レンズ４０，５０及び投影レンズ６０は、対物レンズ１０の後焦点面（対物絞り２０の設置位置）上の電子回折像を拡大投影するものである。これらを光電子顕微鏡１００に備えることにより、対物レンズ１０の後焦点面（対物絞り２０の設置位置）上にできる電子回折像を観察することができるようになる。なお、図１には示していないが、本実施の形態においては、光軸方向に対して中間レンズ４０の上流部分の対物レンズ１０によって作られる像面付近に視野制限絞りを設けることとしているが、視野制限絞りは設けていなくてもよい。上記のように視野制限絞りを光電子顕微鏡１００に設けた場合には、特定の領域から得られた電子回折像を拡大投影することができるようになる。 The intermediate lenses 40 and 50 and the projection lens 60 are for enlarging and projecting an electron diffraction image on the back focal plane of the objective lens 10 (position where the objective aperture 20 is installed). By providing these in the photoelectron microscope 100, it becomes possible to observe an electron diffraction image formed on the back focal plane of the objective lens 10 (the position where the objective aperture 20 is installed). Although not shown in FIG. 1, in the present embodiment, a field limiting aperture is provided in the vicinity of an image plane formed by the objective lens 10 upstream of the intermediate lens 40 with respect to the optical axis direction. The field-limiting aperture need not be provided. When the field limiting aperture is provided in the photoelectron microscope 100 as described above, an electron diffraction image obtained from a specific region can be enlarged and projected.
検出器７０は、試料の実像と電子回折像を検出するものである。試料の実像の検出から電子回折像の検出への切り替えは、中間レンズ４０，５０および投影レンズ６０の焦点を対物絞り２０上に形成された電子回折像に合わせることで実現することができる。検出器７０は、例えば、電子線強度を測定する半導体機器、マルチチャンネルプレート（ＭＣＰ）と蛍光板とＣＣＤとを含む機器、シンチレータと光電子増倍管とを含む機器などである。 The detector 70 detects a real image and an electron diffraction image of the sample. Switching from the detection of the real image of the sample to the detection of the electron diffraction image can be realized by matching the focal points of the intermediate lenses 40 and 50 and the projection lens 60 with the electron diffraction image formed on the objective aperture 20. The detector 70 is, for example, a semiconductor device that measures electron beam intensity, a device that includes a multichannel plate (MCP), a fluorescent plate, and a CCD, or a device that includes a scintillator and a photomultiplier tube.
対物レンズ１０ａを備えた光電子顕微鏡１００を用いて、対物レンズ１０ａの電圧を固定し、対物レンズ１０ａの後焦点面上の電子回折パターンを検出器７０に投影するディフラクトグラム観察モードに設定して、中間レンズ４０，５０又は投影レンズ６０への電圧の印加によりフォーカス合わせを行った場合の、カメラ長（試料から検出器との距離）と中間レンズ４０，５０又は投影レンズ６０の電圧との関係を図５に示す。なお、本実施の形態においては、中間レンズ４０，５０として、３つの円筒電極からなる静電レンズ（アインツェルレンズ）を用い、投影レンズ６０として、５つの電極からなるレンズを用いた。中間レンズ４０，５０への電圧の印加は、真ん中の第２電極に対して行った。投影レンズ６０への電圧の印加は、電子ビームの入射側から２番目と４番目の第２電極と第４電極に対して行った。図５に示されている横軸のカメラ長は、中間レンズ４０，５０又は投影レンズ６０によって得られる像の倍率に相当することから、各レンズ４０，５０，６０に印加する電圧を調節することによりカメラ長（像の倍率）を約一桁変化させることができることが示された。また、検出器７０上でのカメラ長から、試料から放出された電子ビームの角度を調べることができる。 Using the photoelectron microscope 100 provided with the objective lens 10a, the voltage of the objective lens 10a is fixed, and the diffractogram observation mode for projecting the electron diffraction pattern on the back focal plane of the objective lens 10a onto the detector 70 is set. The relationship between the camera length (distance from the sample to the detector) and the voltage of the intermediate lenses 40, 50 or the projection lens 60 when focusing is performed by applying a voltage to the intermediate lenses 40, 50 or the projection lens 60. Is shown in FIG. In the present embodiment, an electrostatic lens (Einzel lens) including three cylindrical electrodes is used as the intermediate lenses 40 and 50, and a lens including five electrodes is used as the projection lens 60. The application of voltage to the intermediate lenses 40 and 50 was performed on the second electrode in the middle. The voltage was applied to the projection lens 60 with respect to the second and fourth second and fourth electrodes from the electron beam incident side. Since the camera length on the horizontal axis shown in FIG. 5 corresponds to the magnification of the image obtained by the intermediate lens 40, 50 or the projection lens 60, the voltage applied to each lens 40, 50, 60 is adjusted. It was shown that the camera length (image magnification) can be changed by about one digit. Further, the angle of the electron beam emitted from the sample can be checked from the camera length on the detector 70.
上述においては、試料を高電圧下に設置し、試料から最も遠くに設置される対物レンズ１０の電極、中間レンズ４０，５０及び投影レンズ６０の両側の電極がアース電位にある場合に有用な光電子顕微鏡１００について説明したが、以下においては、試料をアース電位に設置し、レンズ系を高電圧下に設置する光電子顕微鏡１００について説明する。 In the above description, the photoelectron is useful when the sample is placed under a high voltage and the electrodes of the objective lens 10, the intermediate lenses 40 and 50 and the projection lens 60 placed farthest from the sample are at ground potential. The microscope 100 has been described. In the following, the photoelectron microscope 100 in which the sample is installed at the ground potential and the lens system is installed under a high voltage will be described.
図６は、試料をアース電位に設置し、レンズ系を高電圧下に設置する光電子顕微鏡１００に用いる対物レンズ１０の一例として、３つのコニカル型（円錐面形状）の電極からなる対物レンズ１０ｂの概略構成を示す図である。対物レンズ１０ｂは、電極１ｂ，２ｂ，３ｂから構成されている。試料から最も近くに設置される電極１ｂには高電圧（例えば、10kVあるいは15kVなど）の加速電圧が印加される。真ん中に設置されている電極２ｂは、フォーカス合わせに使用する電極で電圧の可変が可能となっている。試料から最も遠くに設置される電極３ｂには再び加速電圧が印加される。このような対物レンズ１０ｂを用いた場合の電子軌道を図７に示す。中段の図において軸上軌道の交わった点の平面（ＸＹ平面）に電子回折像ができる。下段の図において、試料の中心から離れた位置から光軸に平行に放出された電子が光軸と交わる点がフォーカス位置であり、この位置、すなわち、試料Ｓから最も遠くに設置される電極の凹部（穴）に対物絞り２０ｂが設置される。対物絞り２０ｂは、３軸方向で電気的に操作することができる絞りである。対物絞り２０ｂは、例えば、３次元（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸）でステージを電気的に操作することができるピエゾ駆動３軸ステージなどに絞りが設置された装置である。このような対物絞り２０ｂを用いることにより、高電圧領域にある対物絞り２０ｂを光軸方向に位置調整が行えるだけでなく、対物絞り２０ｂが有する１以上の孔の穴の位置合わせや、対物絞り２０ｂが有する２以上の異なる形状の孔の穴の選択などを行うことができるようになる。なお、この場合には、電源などは、加速電圧の高電圧下に設置される。上述のように、図６に示すような対物レンズ１０ｂ及び対物絞り２０ｂを光電子顕微鏡１００に設けることにより、試料ハンドリングが可能となり、真空系内の試料室を覗くことができる既存の装置や、高温や低温その他試料処理装置などを光電子顕微鏡１００に付加することができるようになる。 FIG. 6 shows an example of an objective lens 10b composed of three conical (conical surface) electrodes as an example of the objective lens 10 used in the photoelectron microscope 100 in which the sample is placed at the ground potential and the lens system is placed at a high voltage. It is a figure which shows schematic structure. The objective lens 10b is composed of electrodes 1b, 2b and 3b. An acceleration voltage of a high voltage (for example, 10 kV or 15 kV) is applied to the electrode 1b installed closest to the sample. The electrode 2b installed in the middle is an electrode used for focusing, and the voltage can be varied. The acceleration voltage is again applied to the electrode 3b that is placed farthest from the sample. FIG. 7 shows an electron trajectory when such an objective lens 10b is used. In the middle figure, an electron diffraction image is formed on the plane (XY plane) where the on-axis trajectories intersect. In the lower figure, the point where electrons emitted in parallel to the optical axis from a position away from the center of the sample intersect with the optical axis is the focus position, that is, the position of the electrode installed farthest from the sample S. The objective aperture 20b is installed in the recess (hole). The objective diaphragm 20b is a diaphragm that can be electrically operated in three axial directions. The objective diaphragm 20b is an apparatus in which a diaphragm is installed on, for example, a piezo-driven three-axis stage that can electrically operate the stage in three dimensions (X, Y, and Z axes). By using such an objective aperture 20b, not only can the position of the objective aperture 20b in the high voltage region be adjusted in the optical axis direction, but also the alignment of one or more holes in the objective aperture 20b, It becomes possible to select two or more differently shaped holes of 20b. In this case, the power source and the like are installed under a high acceleration voltage. As described above, by providing the objective lens 10b and the objective diaphragm 20b as shown in FIG. 6 in the photoelectron microscope 100, the sample handling becomes possible, and an existing apparatus that can look into the sample chamber in the vacuum system, or a high temperature It becomes possible to add a low-temperature or other sample processing apparatus to the photoelectron microscope 100.
Ｓ 試料
１ａ，１ｂ 第１電極
２ａ，２ｂ 第２電極
３ａ，３ｂ 第３電極
４ａ 第４電極
１０，１０ａ，１０ｂ 対物レンズ
２０，２０ｂ 対物絞り（コントラスト絞り）
３０ 二段偏向・スティグメータ
４０，５０ 中間レンズ
６０ 投影レンズ
７０ 検出器
１００ 光電子顕微鏡
S Sample 1a, 1b First electrode 2a, 2b Second electrode 3a, 3b Third electrode 4a Fourth electrode 10, 10a, 10b Objective lens 20, 20b Objective diaphragm (contrast diaphragm)
30 Two-stage deflection / stigmator 40, 50 Intermediate lens 60 Projection lens 70 Detector 100 Photoelectron microscope
Claims (10)
前記対物レンズは、前方から後方に向かって第１電極、第２電極、第３電極、および第４電極がこの順に配置されてなり、
前記第１〜第４の電極には前後方向に貫通する穴が形成されて、前記対物レンズは前方の前記試料の面から放出された前記光電子を当該穴を介して後方に通過させ、
前記第１の電極と前記第２の電極は、前記光源からの前記光が互いの電極間を通りつつ前記第１の電極の前記穴を介して前記試料に照射されるように設置されている、
ことを特徴とする光電子顕微鏡。 Light from a light source to an optical electron microscope to obtain a magnified image of the photoelectrons emitted from the sample backward by causing image through the objective lens by irradiating the sample being disposed in front,
The objective lens has a first electrode, a second electrode, a third electrode, and a fourth electrode arranged in this order from the front to the rear.
A hole penetrating in the front-rear direction is formed in the first to fourth electrodes, and the objective lens allows the photoelectrons emitted from the front surface of the sample to pass rearward through the hole,
The first electrode and the second electrode are installed such that the light from the light source is irradiated to the sample through the hole of the first electrode while passing between the electrodes. ,
A photoelectron microscope characterized by that.
前記電子回折パターンを前記検出器に拡大投影する中間レンズ及び投影レンズと、
を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光電子顕微鏡。 A detector for detecting an electron diffraction pattern at an installation position of the objective aperture;
An intermediate lens and a projection lens for enlarging and projecting the electron diffraction pattern onto the detector;
The photoelectron microscope according to any one of claims 1 to 7 , further comprising:
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