JP5934965B2

JP5934965B2 - 電子線装置

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Publication number: JP5934965B2
Application number: JP2012100545A
Authority: JP
Inventors: 俊明谷垣; 真二会沢; 強松田; 研原田; 高橋　由夫; 由夫高橋
Original assignee: Hitachi Ltd; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: Hitachi Ltd; RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: EP2662880A2; US8772715B2; US20130284925A1; JP2013229190A; EP2662880A3

Description

本発明は、電子線を利用する装置に係り、特に電子顕微鏡などを用いた電子線干渉技術に関する。

電子線干渉装置は電子線の位相変化を計測することにより、物質あるいは真空中の電磁場を定量的に計測する手法である。図1Ａに従来型電子線ホログラフィーにおける干渉光学系を示す。電子源１より発せられた電子線２は図示するように進む。第１の照射電子レンズ３と第２の照射電子レンズ４により電流密度が調整され、第２の照射電子レンズ４と対物レンズ５との間の光軸片側に試料６が置かれ、対物レンズの物面４２上の試料６を電子線が照射する。対物レンズの作用により得られる像は拡大レンズ９により拡大され、物面上の第１の領域の試料を通過した電子線７と物面上の第２の領域を通過した電子線８は第２の電子線バイプリズム１０により内側に曲げられ、観察面１１において重畳され干渉し干渉縞が検出される。得られた干渉縞から位相再生を行い、試料６による電子線の位相変化を求める。

電子線バイプリズムは電子線進行方法と平行な平行平板の間に、電極フィラメントを設置し、電極フィラメントに電位を印加することで発生する、フィラメント電極と平行平板との間の電場により、電極フィラメントの左右を通過する電子線を光軸にたいして、内側もしくは外側に偏向する機能を有する。一般的に、光軸に対して回転する機構、光軸に対して垂直な面内で電子線バイプリズムを移動させる機構を有するシステムが市販されている。

この方法においては、第１の領域を通過する電子線７と第２の領域を通過する電子線８は試料位置において隣り合っている。試料面換算での干渉領域の幅は、試料面に照射された電子線の試料面内方向の可干渉距離によって制限される(非特許文献１参照)。このような装置に関連する特許文献として、特許文献１、２などがある。

特開２００６−１６４８６１号公報特開２０１１−２４９１９１号公報

Tonomura A. (1987) Applications of electron holography. Rev. Mod. Phys. 59: 639−669.

本発明の課題を説明するため、図２を用いて、上述した電子線干渉装置における可干渉距離を説明する。図２に示すような構成において、電子源１０１、電子源の大きさ１０２、電子源１０１から試料面１０４までの距離１０３、試料面１０４の関係において、開き角をβとし、電子線の波長をλとし、可干渉距離をL_Cとしたとき以下の式（１）を満たす関係にある。

また、可干渉距離Ｌ_Ｃとしたとき、得られる最大の干渉領域の幅Ｗ_ｍａｘは以下の式（２）を満たす関係にある。

実際の電子線装置においては、電子光学上、電子源と、照射レンズ系、対物レンズ系もしくは結像レンズ系の作用により、縮小もしくは拡大された電子源の像は等価である。また、物面も、試料６が照射レンズ系、対物レンズ系もしくは結像レンズ系のレンズの作用により電子線光軸上の試料位置とは別の位置に拡大もしくは縮小される像面と等価である。

照射電子線の試料面における可干渉距離の制限により、薄膜試料の内部を観察する目的で干渉領域の幅を大きくするに従い、干渉縞コントラストが失われ、可干渉距離より干渉幅を広くすることは出来なかった。このため、従来型電子線ホログラフィーではコントラストの高い干渉縞は狭い干渉領域内でしか観察できなかった。

また、試料に収束した電子線が照射されることによる帯電が第２の領域を通過する電子線８に影響を与え干渉縞を歪ませるため、精度の高い位相再生像を得ることが困難になってくることも問題点であった。この他に、漏れ磁場の大きい試料もこの問題に該当し、やはり、もれ磁場が第２の領域を通過する電子線８に影響を与え干渉縞を歪ませ、高精度位相解析を妨げていた。これを解決するには、第１の領域におかれた試料を透過する電子線７と第２の領域を通過する電子線８の試料面上での面内距離を離すことが必要である。

電子線を照射系に配置した電子線バイプリズムで分離して、試料面の異なる領域を照射する、試料の像を結像する目的の対物レンズを備えない方法が、走査干渉電子顕微鏡として特許文献１に提案されている。この手法は試料面において真空領域と試料上を収束電子プローブで照射し、下側の検出器にて真空を通過する電子線と試料を透過する電子線の干渉縞を検出し、位相情報を得ながら、プローブもしくは試料を走査し試料面内における電磁場情報を得る方法である。この手法の場合、一度条件を決めればデータ取得が容易であること、倍率変更が容易であること、ノイズに対する位相情報の信号の比が高いことなどがこの手法の特徴である。一方、試料を収束電子線が照射することになり、走査中のある観察点においてコーン状の電子プローブが照射した領域全ての電磁場情報を得るため、試料に厚さがある場合には、コーン状の電子プローブが試料を通過する際の、試料の上面もしくは、下面の位置での電子線の大きい方の径だけ分解能が広がることになる。例えば、トモグラフィーの様に二次元の投影位相情報が横方法にぼやけていない像を必要とする手法への適用は不向きであるといえる。

一方、図１Ｂに示す、試料面において第１の領域におかれた試料６を透過する電子線７と、第２の領域を通過する電子線８の距離を置き試料を照射する方法を、本発明者等は特許文献２に提案した。この方法は照射系に第１の電子線バイプリズム１２を設置し、この第１の電子線バイプリズム１２により電子波を分離し、進行方向を偏向させ、試料面において第１の領域（試料）を透過する電子線７と第２の領域を通過する電子線８の距離を置き試料を照射し、試料位置より電子線進行方向の下流にある第２の電子線バイプリズム１０により電子線を偏向し、観察面１１において干渉させ干渉縞を検出する方法である。この時、試料面上での第１の領域（試料）を透過する電子線７と第２の領域を通過する電子線８の面内方向に可干渉な電子線は分離されて照射されているため、試料面上での第１の領域（試料）を透過する電子線７と第２の領域を通過する電子線８の距離を、第１の電子線バイプリズム１２により電子線を分離しなかった場合の、照射電子線の面内方向の可干渉距離より離しても、コントラストの高い干渉縞を得ることが原理上は可能である。

しかしながら、実際の電子線装置においては、上記分離照射の効果を得るためには、電子線の干渉性を試料面上で得るための照射系の装置構成および照射系のレンズ電流の使用条件の最適化が必要であった。具体的には電子光学上の試料面における電子線の干渉が起こる領域を第１の電子線バイプリズムの電極フィラメントが隠してしまうと、干渉縞そのものが得られなくなる問題があった。

本発明は、上記の課題を解決し、照射系バイプリズムを用いて試料に電子線を分離照射し、干渉縞を得る電子線装置であって、バイプリズムの影の影響、すなわち、可干渉な電子線がバイプリズムに遮られ、観察面１１に到達しなくなるという影響を排除し、またバイプリズムにより試料面上で電子線を分離して照射する距離を調整可能な電子線装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明においては、電子線装置であって、電子源と、電子源から放出された電子を所定の速度からなる電子線とする加速管と、電子線を試料に照射する照射レンズ系と、試料を保持する試料保持部と、試料の像を結像する、少なくとも１つの電子レンズからなる対物レンズ系と、対物レンズ系により結像された試料の像を結像する結像レンズ系と、結像レンズ系による試料の像を観察する観察面と、観察面上に結像された試料の像を観察もしくは記録する観察記録系と、加速管と照射レンズ系との間に設置され、電子線を第１の電子線と第２の電子線に分離する、第１の電子線バイプリズムと、結像レンズ系に設置され、第１の電子線と第２の電子線とを観察面上において重畳する、少なくとも１つの電子線バイプリズムとを備え、照射レンズ系の光学作用により、試料の位置する対物レンズ系の物面上における、第１の電子線と第２の電子線の電流密度と、第１の電子線バイプリズムと試料の位置する対物レンズ系の物面との電子光学上の距離を制御し、第１の電子線と第２の電子線それぞれが、対物レンズ系の物面上において互いに異なる第１の領域と第２の領域を照射し、観察面上の第1の電子線と第２の電子線との重畳領域が観察記録系により観察もしくは記録される構成の電子線装置を提供する。

また、上記の目的を達成するため、本発明においては、光軸を挟んだ１対の平行平板接地電極と平行平板電極の中央部に光軸と直交して配された電極フィラメントからなる電子線バイプリズムを備えた電子線装置であって、電子源と、電子源から放出された電子を所定の速度からなる電子線とする加速管と、電子線を試料に照射する照射レンズ系と、試料を保持する試料保持部と、試料の像を結像する少なくとも１つの電子レンズからなる対物レンズ系と、対物レンズ系により結像された試料の像を結像する結像レンズ系と、結像レンズ系による試料の像を観察する観察面と、観察面上に結像された試料の像を観察もしくは記録する観察記録系と、照射レンズ系に設置され、電子線を第１の電子線と、第２の電子線に分離する、第１の電子線バイプリズムと、結像レンズ系に設置され、第1の電子線と第２の電子線とを、観察面上において重畳する、少なくとも１つの電子線バイプリズムとを備え、電子線の波長をλ、電子光学上の第１の電子線バイプリズムに属する電極フィラメント面での電子線の可干渉距離をＬ_Ｃ１、電子光学上の電子源から発せられた電子線の電子光学上の第１の電極フィラメント面に対する開き角β１、電子光学上の第１の電子線バイプリズムに属する電極フィラメントの直径をｄ１としたとき、照射レンズ系の光学作用により、試料の位置する対物レンズ系の物面上における第１の電子線と第２の電子線の電流密度と、第１の電子線バイプリズムと試料の位置する対物レンズ系の物面との電子光学上の距離を制御することにより、照射レンズ系の光学作用により、以下の式（３）あるいは（４）を満たす構成の電子線装置を提供する。

更に、本発明においては、上記の目的を達成するため、電子線装置であって、電子源と、電子源から放出された電子を所定の速度からなる電子線とする加速管と、電子線を試料に照射する少なくとも１つの電子レンズからなる照射レンズ系と、試料を保持する試料保持部と、試料の像を結像する少なくとも１つの電子レンズからなる対物レンズ系と、対物レンズ系により結像された試料の像を結像する結像レンズ系と、結像レンズ系による前記試料の像を観察する観察面と、観察面上に結像された試料の像を観察もしくは記録する観察記録系と、照射レンズ系と試料との間に設置され、電子線を試料を通過する第１の電子線と、試料を通過しない第２の電子線に分離する、第１の電子線バイプリズムと、結像レンズ系に設置され、第1の電子線と第２の電子線とを、観察面上において重畳する、少なくとも１つの電子線バイプリズムとを備え、照射レンズ系の光学作用により、試料の位置する対物レンズ系の物面上における第１の電子線と第２の電子線の電流密度を制御し、照射レンズ系により結像される電子源と試料の位置する対物レンズ系の物面との電子光学上の距離を制御し、第１の電子線バイプリズムと試料の位置する対物レンズ系の物面との電子光学上の距離を制御することにより、第１の電子線と第２の電子線それぞれが、試料の位置する対物レンズ系の物面上において互いに異なる第１の領域と第２の領域を照射し、観察面上の第1の電子線と第２の電子線との重畳領域が観察記録系により観察もしくは記録される構成の電子線装置を提供する。

本発明によれば、第１の領域におかれた試料を透過する電子線と、第２の領域を通過する電子線の試料面上での面内距離と電流密度が制御可能となり、結像系の第２の電子線バイプリズムにより、第１の電子線と第２の電子線を観察面上で重畳させ、高いコントラストのホログラムを得ることが可能となる。また、薄膜試料のエッジからみて内側の領域を高い倍率で、コントラストの高いホログラムを、高い電流密度で得ることが可能となり、ホログラムを位相再生する際の再生位相像のノイズを軽減し、高精度位相解析が可能となる。

従来方法による、電子線装置の一例の模式図である。従来方法による、電子線装置の他の例の模式図である。本発明の原理構成に係る電子線の可干渉距離を示す模式図である。第１の実施例に係る、第１の電子線バイプリズム、第１の照射電子レンズ、第２の照射電子レンズ、試料の順に構成された、電子線装置の模式図である。第１の実施例の上部光学系の模式図である。本発明の原理に関し、電子光学上の光源、電子線バイプリズム、試料の位置関係を示す模式図である。第２の実施例に係る、第１の電子線バイプリズム、第１の照射電子レンズ、試料の順に構成された、電子線装置の模式図である。第２の実施例の上部光学系の模式図である。第３の実施例に係る、第１の照射電子レンズ、第１の電子線バイプリズム、第２の照射電子レンズ、試料の順に構成された、電子線装置の模式図である。第３の実施例の上部光学系の模式図である。第４の実施例に係る、第１の照射電子レンズ、第１の電子線バイプリズム、第２の照射電子レンズ、第３の照射電子レンズ、試料の順に構成された、電子線装置の模式図である。第４の実施例の上部光学系の模式図である。第５の実施例に係る、第１の照射電子レンズ、第２の照射電子レンズ、第１の電子線バイプリズム、第３の照射電子レンズ、試料の順に構成された、電子線装置の模式図である。第５の実施例の上部光学系の模式図である。第６の実施例に係る、第１の照射電子レンズ、第２の照射電子レンズ、第１の電子線バイプリズム、試料の順に構成された、電子線装置の模式図である。第６の実施例の上部光学系の模式図である。第７の実施例に係る、第１の照射電子レンズ、第２の照射電子レンズ、第３の照射電子レンズ、第１の電子線バイプリズム、試料の順に構成された、電子線装置の模式図の模式図である。第７の実施例の上部光学系の模式図である。第８の実施例に係る、第１の実施例と結像系の二段バイプリズムを組み合わせた電子線装置の模式図である。第８の実施例の電子線装置による、電子線を分離した様子を示す電子顕微鏡像を説明するための図である。第８の実施例の電子線装置により、干渉縞コントラストと、干渉している二つの波の試料面上での距離の関係を説明するための図である。第８の実施例の電子線装置による、薄膜試料エッジから離れた場所の電子線干渉像を説明するための図である。

本発明の種々の電子線装置の実施例を図面に従い説明する前に、図３の模式図を用いて、本発明の電子線装置、すなわち、透過型電子顕微鏡を利用した干渉顕微鏡の原理構成を説明する。なお、後に説明するように、図３は、透過型電子顕微鏡を利用した干渉顕微鏡の第１の実施例の一構成を示す図でもあるが、以下に説明する原理構成は、他の図面を用いて説明する他の実施例の構成の電子線装置においても同様に適用できる。

図３において、電子源１が電子線の流れる方向の最上流部に位置し、第１引き出し電極１３、第２引き出し電極１４、加速電極１５に電圧が印加され、電子源１から放出された電子線は、加速され、第１の電子源１６に収束される。本明細書では、第１引き出し電極１３、第２引き出し電極１４、加速電極１５をまとめて加速管３９と定義する。印加される電圧の制御により、電子線はその波長が変化し、その軌道も変化する。従って、電子光学上の第１の電子源１６を図中に改めて描いている。

本構成において、第１の電子源１６から電子線の流れる方向の下流方向、すなわち加速管３９と第１の照射電子レンズ３との間に位置する第１の電子線バイプリズム１２により、電子線は光軸に対して内側に偏向され、第１の照射電子レンズ３に向かう。第１の照射電子レンズ３と第２の照射電子レンズ４の作用により、試料６のおかれた第１の領域を透過する電子線７と、試料６のおかれていない第２の領域を通過する電子線８の試料面上での電流密度が制御され、試料面上の二つの領域をそれぞれ二つの電子線７、８が照射する。

試料６の像は、試料６よりも下流側に設置された対物レンズ５にて結像される。この結像作用は、対物レンズ５よりも下流側の拡大レンズ９に引き継がれ、最終的に電子線装置である透過型電子顕微鏡を利用した干渉顕微鏡の観察面１１に結像される。なお、数番１７は、第１の電子源が結像される第２の電子源面を示している。

また、試料面を通過した第１の領域におかれた試料６を透過する電子線７と第２の領域を通過する電子線８は、第１の電子線バイプリズム１２の作る影の領域に設置された第２の電子線バイプリズム１０によって電子線が光軸に対し偏向され、電子線装置の観察面１１上で重畳され、干渉することによってホログラムが得られる。得られたホログラムは、電子顕微鏡フィルムやＣＣＤカメラなどの電子線検出器３７によって検出される。

図３の電子線装置において、それぞれの電子源１、加速管３９、への印加電圧、試料微動機構３６、および電子レンズの励磁状態、電子線バイプリズムへの印加電圧は制御パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３４に接続された制御系３８でコントロールされている。実際の電子線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、電子線の透過する領域を制限する絞り機構などが存在し、それらの要素もまた制御ＰＣ３４に接続された制御系３８でコントロールされている。しかし、これらの装置は本明細書に開示される電子線装置には直接的な関係が無いので、この図では割愛する。

なお、制御用ＰＣ３４は、相互に接続された処理部である中央処理部(ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ：ＣＰＵ)、記憶部であるメモリ、入出力インタフェース部等を有する通常のコンピュータ構成を備えている。本明細書においては、装置の制御を行う、これらのＰＣ３４、制御系３８を纏めて装置の制御部と呼ぶ場合がある。なお、この制御部は一台のコンピュータで構成されている必要はなく、例えば電子線バイプリズムを制御するコンピュータを、電子線装置を構成する他の要素を制御するコンピュータと別に備えるよう構成することもできる。この場合は、複数のコンピュータを纏めて制御部と称する。また、この模式図に示すごとく、電子光学要素は真空容器である顕微鏡本体３３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。真空系についても、本願発明の電子線装置とは直接の関係がないため図示、説明は割愛する。

以上説明した構成の電子線装置と、試料と電子線検出器の間に、一個でなく複数のバイプリズムを装備するホログラフィー電子顕微鏡と組み合わせると、干渉縞間隔、干渉領域の幅が任意に調整可能となる。複数のバイプリズムを装備するホログラフィー電子顕微鏡自身は、例えば、本発明者等による特開２００６−２１６３４５号公報、特開２００６−３１３０６９号公報に詳細が開示されているので、ここでは記述しない。

図４は、図３の電子線装置に示される、第1の電子源１６から対物レンズ５直下の第２の電子源面１７までの光学系を抜き出して示す模式図である。以下、本明細書において、この図に示す範囲の光学系をまとめて上部光学系と定義する。図４において、電子光学上の電子源面１８は、第１の電子源１６が第３の照射電子レンズ３と第４の照射電子レンズ４のレンズ作用により結像される面であり、電子光学上の第１の電極フィラメント面１９は、第１の電子線バイプリズム１２の電極フィラメントが、第３の照射電子レンズ３と第４の照射電子レンズ４のレンズ作用により結像される面であり、電子光学上の試料面２０は、実際に試料が存在する面に等しい。

なお、本明細書では、電子線光軸上において、第１の電子源１６の位置する面もしくは第１の電子源１６が照射系の電子レンズの作用により虚像もしくは実像として結像される面と、第１の電子線バイプリズム１２の位置する面もしくは第１の電子線バイプリズム１２が照射系の電子レンズの作用により虚像もしくは実像として結像される面と、試料が位置する面もしくは試料が照射系の電子レンズの作用により虚像もしくは実像として結像される面と、が電子レンズを間に挟まずに位置する位置関係にあるこれら三つの面に着目し、それぞれ、電子光学上の電子源面１８、電子光学上の第１の電極フィラメント面１９、電子光学上の試料面２０と定義する。

図５は、図４に示される、電子光学上の電子源面１８、電子光学上の第１の電極フィラメント面１９、試料面２０の関係を示す。
図５にはそれぞれ、電子光学上の電子源面１８に電子光学上の電子源２１が位置し、電子光学上の第１の電子線バイプリズムの電極フィラメント２２、電子光学上の電子源２１から発せられた電子線の電子光学上の第１の電極フィラメント面に対する開き角β１、電子光学上の第１の電極フィラメント面での電子波の可干渉距離Ｌ_Ｃ１、電子光学上の第１の電極フィラメント２２の直径ｄ１、電子光学上の電子源２１から電子光学上の第１の電極フィラメント面までの距離２６、電子光学上の第１の電極フィラメント２２から電子光学上の試料面２０までの距離２７、電子光学上の電子源２１から電子光学上の試料面２０までの距離２８、電子光学上の試料面２０での電子波の可干渉距離２９、電子光学上の試料面上で発生する第１の電極フィラメントのフレネル縞３０、電子光学上の試料面上での第１の電極フィラメントのエッジから１本目のフレネル縞までの距離３１を示す。

図３〜図５に示す電子線装置においては、前記の第１の照射電子レンズ３と第２の照射電子レンズ４の作用により、第１の領域におかれた試料６を透過する第１の電子線７と、第２の領域を通過する第２の電子線８の試料面上での電流密度が制御され、電子光学上の電子源の位置する面と電子光学上の試料面との間の距離２８と電子光学上の第１の電極フィラメントから電子光学上の試料面までの距離２７が制御され、電子光学上の電子源２１から電子光学上の第１の電極フィラメント面までの距離２６が制御され、電子光学上の電子源２１から発せられた電子線の電子光学上の第１の電極フィラメント面に対する開き角β１が制御され、前記電子線の波長をλとし、電子光学上の電子源２１から発せられた電子線の電子光学上の開き角β１、電子光学上の第１の電極フィラメントの直径ｄ１とすることにより、前記の式（３）を満たす関係に制御することができる。

もしくは、第１の照射電子レンズ３と第２の照射電子レンズ４の作用により、第１の領域におかれた試料６を透過する電子線７と、第２の領域を通過する電子線８の試料面上での電流密度が制御され、電子光学上の第１の電極フィラメント面での電子波の可干渉距離をＬ_Ｃ１とし、電子光学上の第１の電極フィラメントの直径をｄ１とし、前記の式（４）を満たす関係に制御することができる。

図３に示した電子線装置の構成において、式（３）もしくは式（４）が満たされる関係にあるとき、試料面上における電子線の可干渉領域を第１の電子線バイプリズムの影が隠してしまう問題が解決される。

更には、電子光学上の第１の電極フィラメントから電子光学上の試料面までの距離をＬ２とし、以下の式（５）を満たす関係にあるよう制御する。

この式（５）が満たされる関係にあるとき、電子光学上の第1の電子線バイプリズム位置が電子光学上の試料位置と同じ位置になった場合に生じる第１の電子線バイプリズムにより試料面上で電子線を分離して照射する距離を調整する機能が失われる問題が発生しない。

図３に示した電子線装置の構成において、第１の照射電子レンズ３と第２の照射電子レンズの作用により、第１の領域におかれた試料を透過する電子線７と第２の領域を通過する電子線８の試料面上での電流密度が制御され、電子光学上の第１の電極フィラメント２２から電子光学上の試料面２０までの距離２７をＬ２とし、上記の式（５）を満たす関係に制御することができる。

以上説明した原理構成は、図３以外の装置構成においても同様に適用可能である。以下、本発明の種々の実施例を図面に従い説明する。

第１の実施例は透過型電子顕微鏡を利用した干渉顕微鏡に関する実施例である。
図３は、上述の通り、第１の実施例に関する電子線装置の光学系を模式的に示す図である。なお、図３の電子線装置は、汎用型の透過型電子顕微鏡を干渉顕微鏡に用いる場合を想定した模式図であるが、実施例１はこの模式図に記載の形態に限るものではない。また、図４は、図３に示す実施例１の電子線装置の上部光学系を示す。図５は、図４に示される、電子光学上の電子源面、電子光学上の第１の電極フィラメント面、試料面の関係を示すが、先に説明をした通りであり、ここでは説明を省略する。

図３に示す実施例１の電子線装置において、電子源１が電子線の流れる方向の最上流部に位置し、加速管３９を構成する第１引き出し電極１３、第２引き出し電極１４、加速電極１５に電圧が印加され、電子源１から放出された電子線は、加速され、第１の電子源１６を作る。

本実施例の構成にあって、第１の電子線バイプリズムは、第１の電子源１６の下流側であって、照射系電子レンズの上流側に位置する。すなわち、第１の電子源１６から電子線の下流方向、加速管３９と第１の照射電子レンズ３との間に位置する、第１の電子線バイプリズム１２により、電子線は光軸に対して偏向され、第１の照射電子レンズ３に向かう。
第１の照射電子レンズ３と第２の照射電子レンズ４の作用により、第１の領域におかれた試料６を透過する電子線７と、第２の領域を通過する電子線８の試料面上での電流密度と位置が制御され、試料面上の二つの領域をそれぞれ二つの電子線が照射する。

本実施例の電子線装置おいて、第１の電子線バイプリズム１２を照射系電子レンズの上流側に設置したことにより、電子線バイプリズム位置での可干渉距離と、フィラメント径の関係が変化しないので、ユーザは、どれくらいの照射電流密度で、どの位置に照射するかのみ意識すれば良い。また、第１の電子線バイプリズム１２の下流側に設置された、照射系電子レンズにより、バイプリズムを縮小して試料面上に投影でき、試料面上でのバイプリズムの影を小さくすることが可能となる。

すなわち、第１の電子線バイプリズム１２には制御ＰＣ３４に接続された制御系３８より、任意の電位を印加することが可能であり、試料６の位置における、第１の領域におかれた試料を透過する電子線７と、第２の領域を通過する電子線８の試料面上での距離を任意にコントロールすることが出来る。また、試料６の位置における、第１の領域におかれた試料６を透過する電子線７と、第２の領域を通過する電子線８の試料面上での距離は、照射系のレンズ作用によってもコントロールすることが出来る。照射電子レンズをさらに増やした、複数枚の照射電子レンズを有する装置構成においては、試料６の位置における、第１の領域におかれた試料を透過する電子線７と第２の領域を通過する電子線８の試料面上での距離の制御範囲を広げることが可能となる。

また、試料面上での電流密度を変化させるために照射系のレンズ作用を変化させる際、電子線が顕微鏡内を螺旋状に回転しながら収束される関係上、試料位置における第１の領域におかれた試料を透過する電子線７と、第２の領域を通過する電子線８の位置関係が面内に回転し、その距離が変化する。そこで、試料面上での電流密度を変化させても、試料面における第１の領域における試料を透過する電子線７と、第２の領域を通過する電子線８の位置関係が面内で回転しないようにするため、照射系のレンズ電流と連動して、バイプリズムの向きを光軸に垂直な面内に回転させることで対応する可能である。

すなわち、この連動関係は装置固有に決まった関係となるため、制御ＰＣ３４のメモリ等に連動操作のデータファイルを記憶しておき、照射系のレンズ電流を変化させると同時に記憶したデータファイルを呼び出し、制御系３８により第１の電子線バイプリズムの向きを、データファイルに登録されている方向に登録されている量回転させることが出来る。この制御により、ユーザはストレス無く、試料面上での電流密度を変化させ、第１の領域における試料を透過する電子線７と、第２の領域を通過する電子線８の試料面内回転方向の位置関係を容易に保持することが出来る。

試料６を透過した電子線は電子線の進行方向に、試料６よりも下流側の対物レンズ５にて結像される。この結像作用以降は先に説明した通りであるので、ここでは説明を省略する。

なお先に、照射系のレンズ電流とバイプリズムの向きを連動させることで、特定の干渉条件を安定して提供できることを説明したように、結像系においても同様に結像系レンズ電流と結像系バイプリズムそれぞれの向きを連動させ回転させることは有効である。これら連動条件は制御ＰＣ３４にメモリされ、必要なときに呼び出され適切な操作を行う。また、拡大レンズをさらに増やし、複数枚の拡大レンズを有する装置構成においては、拡大倍率、結像系での電子線バイプリズムの電極フィラメントと像面の位置関係、および、結像系での電子線バイプリズムの電極フィラメントと電子線が収束する位置の関係を制御する範囲を広げることが可能となり、観察倍率、干渉縞間隔、干渉領域の幅を任意に制御することが可能となる。この結像系における装置構成とその制御に関しては、本発明者等によるＷＯ２０１０／０２６８６７号公報にその詳細が記載されているので、ここではその詳細の記載はしない。

また、電子線検出器３７にて検出された干渉縞は即座に制御系３８を介し制御ＰＣ３４で再生処理され、再生像がモニタ３５に映し出される。再生処理は既に確立された方法（非特許文献１参照）であるためここでは詳細を記載しない。
以上、詳述したように、本実施例の電子線装置、すなわち、透過型電子顕微鏡を利用した干渉顕微鏡にあって、第１の電子線バイプリズムは、第１の電子源の下流側であって、照射系電子レンズの上流側に設置したことにより、電子線バイプリズム位置での可干渉距離と、フィラメント径の関係が変化しないので、ユーザは、どれくらいの照射電流密度で、どの位置に照射するかのみ意識すれば良く、また、第１の電子線バイプリズムの下流側に設置された、照射系電子レンズにより、バイプリズムを縮小して試料面上に投影でき、試料面上でのバイプリズムの影を小さくすることが可能となる。

図６は、第２の実施例に係る電子線装置を示す模式図である。また、図７は図６の電子線装置の上部光学系を示す模式図である。全体装置構成は実施例１と類似しているため、実施例１と同じ部分の記載は省略し、装置構成の異なる上部光学系の説明を行う。

本実施例の電子線装置、すなわち、透過型電子顕微鏡を利用した干渉顕微鏡にあっても、第１の電子線バイプリズムは、第１の電子源の下流側であって、照射系電子レンズの上流側に位置している。しかしながら、図７に明らかなように、本実施例の電子線装置においては、照射系電子レンズは、第１の照射電子レンズ３のみから構成され、第２の照射電子レンズ４が省略されており、最も簡略な構成で所望の透過型電子顕微鏡を利用した干渉顕微鏡を構成することが可能である。

すなわち、実施例２の電子線装置おいては、第１の電子源１６から電子線の下流方向、加速管３９と第１の照射電子レンズ３との間に位置する、第１の電子線バイプリズム１２により、電子線は光軸に対して偏向され、第１の照射電子レンズ３に向かう。第１の照射電子レンズ３の作用により、第１の領域におかれた試料を透過する電子線７と、第２の領域を通過する電子線８の試料面上での電流密度と位置が制御され、試料面上の二つの領域をそれぞれ二つの電子線が照射する。

これにより、実施例１と同様、第１の電子線バイプリズムは、第１の電子源の下流側であって、照射系電子レンズの上流側に設置したことにより、電子線バイプリズム位置での可干渉距離と、フィラメント径の関係が変化しないので、ユーザは、どれくらいの照射電流密度で、どの位置に照射するかのみ意識すれば良く、また、第１の電子線バイプリズムの下流側に設置された、照射系電子レンズにより、バイプリズムを縮小して試料面上に投影でき、試料面上でのバイプリズムの影を小さくすることが可能となる。更に、電子線装置の簡略化を図ることができる。

図８は、第３の実施例に係る電子線装置を示す模式図である。図９はその上部光学系を示す。電子線装置全体構成は実施例１と類似しているため、実施例１と同じ部分の記載は省略し、装置構成の異なる上部光学系の説明のみ行う。本実施例の電子線装置の上部光学系の特徴は、第１の電子線バイプリズムが、照射系電子レンズの内部、すなわち、照射系電子レンズを構成する第１、第２の照射電子レンズの間に設置し、第２の照射電子レンズの作用により、試料に対して電子線を並行照射することにある。

図９において明らかなように、実施例３の電子線装置においては、第１の電子源１６から電子線の下流方向に、第１の照射電子レンズ３、第１の電子線バイプリズム１２、第２の照射電子レンズ４、試料６の順に配置される。この配置構成により、第１の照射電子レンズ３と第２の照射電子レンズ４の間に位置する、第１の電子線バイプリズム１２により、電子線は光軸に対して偏向され、第２の照射電子レンズ４に向かう。

本実施例の構成により、第１の照射電子レンズ３と第２の照射電子レンズ４の作用により、第１の領域におかれた試料６を透過する電子線７と第２の領域を通過する電子線８の試料面上での電流密度と位置が制御され、試料面上の二つの領域をそれぞれ二つの電子線が照射する。また、本実施例では、第２の照射レンズ４の作用により、試料に対して電子線を並行照射することが可能となる。

図８に示した電子線装置の構成において、式（３）もしくは式（４）が満たされる関係にあるとき、試料面上における電子線の可干渉領域を第１の電子線バイプリズムの影が隠してしまう問題が解決される。更には、式（５）を満たす関係にあるときに、第１の電子線バイプリズムにより試料面上で電子線を分離して照射する距離を調整する機能が失われる問題が解決される。

図１０は、第４の実施例に係る電子線装置を示す模式図である。図１１はその上部光学系を示している。実施例３同様、電子線装置全体構成は実施例１と類似しているので、実施例１と同じ部分の記載は省略し、装置構成の異なる上部光学系の説明のみ行う。なお、本実施例は、実施例３と同様、第１の電子線バイプリズムが、照射系電子レンズの内部、すなわち、第１、第２の照射電子レンズの間に設置されているが、実施例３との違いは、第２の照射電子レンズ４の下流に第３の照射電子レンズ３２が設置され、この第３の照射電子レンズの作用により、試料に対して電子線平行照射してことにある。

図１１において、第１の電子源１６から電子線の下流方向に、第１の照射電子レンズ３、第１の電子線バイプリズム１２、第２の照射電子レンズ４、第３の照射電子レンズ３２、試料６の順に配置される。第１の照射電子レンズ３と第２の照射電子レンズ４の間に位置する、第１の電子線バイプリズム１２により、電子線は光軸に対して偏向され、第２の照射電子レンズ４に向かう。

また、第１の照射電子レンズ３と第２の照射電子レンズ４と第３の照射電子レンズ３２の作用により、第１の領域におかれた試料６を透過する電子線７と第２の領域を通過する電子線８の試料面上での電流密度と位置が制御され、試料面上の二つの領域をそれぞれ二つの電子線が照射することが可能となる。

図１２は、第５の実施例による電子線装置の模式図を示す。図１３はその上部光学系を示す。装置構成は実施例１、４と類似しているため、実施例１、４と同じ部分の記載は省略し、装置構成の異なる上部光学系の記載をここでは行う。なお、本実施例は、第１の電子線バイプリズムが、照射系電子レンズの内部に設置されているが、実施例４との違いは、第１の電子線バイプリズムの位置が、第２の照射電子レンズ４と第３の照射レンズ３２の間に設置されている点にある。

図１３において明らかなように、本実施例の電子線装置においては、第１の電子源１６から電子線の下流方向に、第１の照射電子レンズ３、第２の照射電子レンズ４、第１の電子線バイプリズム１２、第３の照射電子レンズ３２、試料６の順に配置される。第２の照射電子レンズ４と第３の照射電子レンズ３２の間に位置する、第１の電子線バイプリズム１２により、電子線は光軸に対して偏向され、第３の照射電子レンズ３２に向かう。

以上の構成により、第１の照射電子レンズ３と第２の照射電子レンズ４と第３の照射電子レンズ３２の作用により、第１の領域におかれた試料６を透過する電子線７と第２の領域を通過する電子線８の試料面上での電流密度と位置が制御され、試料面上の二つの領域をそれぞれ二つの電子線が照射することが可能となる。

図１４は、第６の実施例に係る電子線装置の模式図を示す。図１５はその上部光学系を示す。電子線装置の全体構成は実施例１と類似しているため、実施例１と同じ部分の記載は省略し、装置構成の異なる上部光学系の記載をここでは行う。本実施例の電子線装置の構成の特徴は、第１の電子線バイプリズムの位置が、照射系電子レンズの下流側であって、試料面２０の上流側にある点にある。このように、照射系電子レンズの下流側にバイプリズムを設置することにより、試料とバイプリズムの関係が変化しないので、印加電圧に対する試料面での分離幅が一定となり、装置のユーザが分離幅を制御する際に簡便である。

また、従来の電子顕微鏡のように、照射系にバイプリズムを設置するためのポートがない電子線装置を基に、試料ホルダーにバイプリズムを搭載した構造とすることにより、簡易に上記の効果を得ることができる。

すなわち、図１５の上部光学系で明らかなように、第１の電子源１６から電子線の下流方向に、第１の照射電子レンズ３、第２の照射電子レンズ４、第１の電子線バイプリズム１２、試料６の順に配置される。第２の照射電子レンズ４と試料の間に位置する、第１の電子線バイプリズム１２により、電子線は光軸に対して偏向され、第１の領域のおかれた試料６を透過する電子線７と、第２の領域を通過する電子線８の試料面上での位置が制御され、試料に向かう。これにより、第１の照射電子レンズ３と第２の照射電子レンズ４の作用により、第１の領域におかれた試料６を透過する電子線７と、第２の領域を通過する電子線８の試料面上での電流密度が制御され、試料面２０上の二つの領域をそれぞれ二つの電子線が照射する。

本実施例の構成においては、照射系電子レンズの下流側にバイプリズムを設置することにより、試料とバイプリズムの関係が変化しないので、印加電圧に対する試料面での分離幅が一定となり、装置のユーザが分離幅を制御する際に簡便である。また、照射系にバイプリズムを設置するためのポートがない電子線装置を基に、試料ホルダーにバイプリズムを搭載した構造とすることにより、簡易に所望の効果を得ることができる。

図１４に示した電子線装置の構成において、式（３）もしくは式（４）が満たされる関係にあるとき、試料面上における電子線の可干渉領域を第１の電子線バイプリズムの影が隠してしまう問題が解決される。更には、式（５）を満たす関係にあるときに、第１の電子線バイプリズムにより試料面上で電子線を分離して照射する距離を調整する機能が失われる問題が解決される。

図１６は第７の実施例に係る電子線装置の模式図を示す。図１７はその上部光学系を示す。本実施例の電子線装置の全体構成は実施例１、実施例６と類似しているため、実施例１、実施例６と同じ部分の記載は省略し、装置構成の異なる上部光学系の記載をここでは行う。本実施例の電子線装置の構成の特徴は、第６の実施例同様に、第１の電子線バイプリズムの位置が、照射系電子レンズの下流側であって、試料面２０の上流側にある点にあり、また、実施例６との差異は、第２の照射電子レンズ４下流であって、第１の電子線バイプリズム１２の上流に第３の照射電子レンズ３２が設置されている点にある。

すなわち、第１の電子源１６から電子線の下流方向に、第１の照射電子レンズ３、第２の照射電子レンズ４、第３の照射電子レンズ３２、第１の電子線バイプリズム１２、試料６の順に配置される。この第３の照射電子レンズ３２と試料６の間に位置する、第１の電子線バイプリズム１２により、電子線は光軸に対して偏向され、第１の領域におかれた試料６を透過する電子線７と第２の領域を通過する電子線８の試料面上での位置が制御され、試料に向かう。

これにより、第１の照射電子レンズ３と第２の照射電子レンズ４と第３の照射電子レンズ３２の作用により、第１の領域におかれた試料６を透過する電子線７と、第２の領域を通過する電子線８の試料面上での電流密度が制御され、試料面上の二つの領域をそれぞれ二つの電子線が照射することが可能となる。また、第６の実施例同様、照射系電子レンズの下流側にバイプリズムを設置することにより、試料とバイプリズムの関係が変化しないので、印加電圧に対する試料面での分離幅が一定となり、装置のユーザが分離幅を制御する際に簡便である。また、照射系にバイプリズムを設置するためのポートがない電子線装置を基に、試料ホルダーにバイプリズムを搭載した構造とすることにより、簡易に上記の効果を得ることができる。

図１８は、実施例８の電子線装置を示す模式図を示す。本実施例の電子線装置の全体構成は実施例１と類似しているため、実施例１と同じ部分の記載は省略する。第１の実施例同様、本実施例において、第１の電子線バイプリズムは、第１の電子源１６の下流側であって、照射系電子レンズの上流側に位置する。第１の実施例の構成との差異は、第３の電子線バイプリズムを用いる点にある。

図１８の電子線装置において、第１の電子源１６から電子線の下流方向、加速管３９と第１の照射電子レンズ３との間に位置する、第１の電子線バイプリズム１２により、電子線は光軸に対して偏向され、第１の照射電子レンズ３に向かう。第１の照射電子レンズ３と第２の照射電子レンズ４の作用により、第１の領域におかれた試料６を透過する電子線７と、第２の領域を通過する電子線８の試料面上での電流密度と位置が制御され、試料面上の二つの領域をそれぞれ二つの電子線が照射する。

更に、本実施例の電子線装置においては、対物レンズ５と拡大レンズ９の間に、対物レンズ５の作用により試料の像が結像される像面に、第３の電子線バイプリズム４１の電極フィラメントが配置され、拡大レンズ９の作用により結像される像面の間の、第３の電子線バイプリズム４１の陰の位置に第２の電子線バイプリズム１０が配置される。

本実施例の構成により、第２の電子線バイプリズム１０、第３の電子線バイプリズム４１へ印加する電圧をコントロールすることにより、電子線干渉縞間隔、干渉領域の幅を任意に制御することが可能となる。

また、図１８に示した電子線装置の構成においても、式（３）もしくは式（４）が満たされる関係にあるとき、試料面上における電子線の可干渉領域を第１の電子線バイプリズムの影が隠してしまう問題が解決される。更には、式（５）を満たす関係にあるときに、第１の電子線バイプリズムにより試料面上で電子線を分離して照射する距離を調整する機能が失われる問題が解決される。

続いて、図１９、図２０、図２１を用いて、第８の実施例の電子線装置の測定結果等を従来構成の場合と比較して本願発明の効果を説明する。装置構成は実施例８で説明した電子線装置を用い、第１の電子線バイプリズム３がない場合を、従来の電子線を分離し試料を照射しない場合とし、第１の電子線バイプリズム３により電子線を分離し試料を照射する本願発明の方法と比較して示す。

図１９は、電子線を分離した様子を示す電子顕微鏡像を示す図である。図１９の（ａ）は第１の電子線バイプリズム３がない場合において、非特許文献１に記載の楕円ビームを試料面上に照射し、結像系に特開２００６−２１６３４５号公報、特開２００６−３１３０６９号公報に記載の二段電子線バイプリズムを配置し、結像系の第３の電子線バイプリズム４１に電圧を印加しない場合に得られた、試料を照射する電子線の像を示す。

第１の領域におかれた試料を透過する電子線２０１と第２の領域を通過する電子線２０２は第３の電子線バイプリズムの陰２０３を挟んで位置している。ここで、第２の電子線バイプリズム１０に電圧６０Ｖを印加し、第１の領域におかれた試料を透過する電子線２０１と第２の領域を通過する電子線２０２を重畳させた像を、図１９の（ｂ）に示す。得られた干渉領域２０４の試料面換算の干渉領域幅Ｗは４１ｎｍであった。干渉している二つの波の試料面上での距離Ｄは、試料面換算の干渉領域幅Ｗに、試料面換算の第３の電子線バイプリズムの陰２０３の幅９ｎｍを加えた距離５０ｎｍである。

一方、本願発明の方法で電子線を分離して照射した場合、第１の電子線バイプリズム１２に０．６Ｖの電圧を印加すると、図１９の（ｃ）に示す様に、試料面上での第１の領域（試料）を透過する電子線２０１と第２の領域を通過する電子線２０２の試料面上で分離した電子線の間の陰２０５の幅ｄは３８ｎｍとなり、図１９の（ｄ）に示す様に、１２ｎｍの干渉領域幅Ｗを得るため、第３の電子線バイプリズム４１に６０Ｖの電圧を印加した。この場合の干渉している二つの波の試料面上での距離Ｄは試料面換算の干渉領域幅Ｗ１２ｎｍに試料面換算の分離した電子線の間の陰２０５の幅３８ｎｍを加えた距離５０ｎｍである。

そして、カーボン膜上の白金蒸着粒子を薄膜試料とし、本願発明の手法により、第１の電子線バイプリズム１２に０．６Ｖの電圧を印加し、第１の領域におかれたカーボン膜上白金蒸着粒子を透過する電子線２０７と、第２の領域を通過する電子線２０８を分離した様子を図１９の（ｅ）に示す。同図において、破線２０９は薄膜試料エッジである。

第１の電子線バイプリズム１２に４．０Ｖの電圧を印加すると、図１９の（ｆ）に示す様に、第１の領域におかれたカーボン膜上白金蒸着粒子を透過する電子線２０７と、第２の領域を通過する電子線２０８の試料面上で分離した電子線の間の陰２０５の幅ｄは１９０ｎｍとなった。

この結果は、本願発明の電子線装置において、第１の電子線バイプリズム１２に印加する電圧により、第１の領域におかれた試料を透過する電子線２０１と、第２の領域を通過する電子線２０２の試料面上での距離を、自由に制御することが可能であることを示す。

図２０は、電子線を分離せずに試料に照射する方法と、電子線を分離し、試料に照射する本願発明の方法における、干渉している二つの波の試料面上での距離Ｄに対する、干渉縞コントラストの変化を示すグラフである。横軸は距離Ｄ、縦軸は干渉縞コントラストを示す。干渉している二つの波の試料面上での距離Ｄは、第３の電子線バイプリズム４１に印加する電圧でコントロールし、干渉縞間隔が０．２９ｎｍとなる様に、第２の電子線バイプリズムに印加する電圧をコントロールした。

電子線を分離して照射しない場合は、干渉している二つの波の試料面上での距離Ｄと干渉領域幅Ｗは連動しこれらを独立してコントロールすることは出来ない。一方、電子線を分離し、試料に照射する本願発明の方法の場合、干渉している二つの波の試料面上での距離Ｄと、干渉領域幅Ｗをそれぞれ制御できるため、図２０の電子線を分離し、試料に照射した場合の干渉縞のコントラスト２１１を得る際には、干渉領域幅Ｗが１２ｎｍになるように第１の電子線バイプリズム１２に印加する電圧と、第３の電子線バイプリズム４１に印加する電圧をコントロールした。図２０に示すように、電子線を分離せずに試料に照射した場合の干渉縞のコントスト２１０は干渉している二つの波の試料面上での距離Ｄが６０ｎｍ以上になるとほとんど干渉縞のコントラストが得ることができない。

一方、電子線を分離し、試料に照射した場合の干渉縞のコントラスト２１１は、干渉している二つの波の試料面上での距離Ｄが４００ｎｍにおいても０．４（４０％）以上を維持している。この結果は、本願発明の手法により、試料面に到達する電子波の干渉性を保持したまま、第１の電子線バイプリズム１２により電子波を分離し、試料面上の離れた場所を照射することが可能であることを示している。

図２１は薄膜試料エッジ２０９から離れた薄膜内部の位置において、高分解能ホログラム（干渉像）観察を行った結果を示す。図２１の（ａ）に薄膜試料内部の第１の領域（物体波）２１２と干渉縞を得る際に第１の領域に重畳させた第２の領域（参照波）２１３の位置関係を示す。干渉している二つの波の試料面上での距離Ｄは５０ｎｍであった。図２１の（ｂ）に得られたホログラム（干渉像）を示す。ホログラムの取得条件は干渉縞間隔０．０７ｎｍ、露光時間１．５ｓ、ＣＣＤ上での倍率は６，０００，０００倍であった。

干渉している二つの波の試料面上での距離Ｄを５０ｎｍとし、電子線を分離せずに試料に照射した場合のホログラム（干渉像）を図２１の（ｃ）に、電子線を分離し、試料に照射した場合のホログラム（干渉像）を図２１の（ｄ）に示す。電子線を分離せずに試料に照射した場合の干渉縞２１５のコントラストは６％であったが、電子線を分離し、試料に照射した場合の干渉縞のコントラスト２１６は３４％であった。また上記観察おいて、試料面上における照射電子線の可干渉距離より。第１の電子線バイプリズムからのフレネル縞の一本面までの距離が小さくなるように制御されている。

この結果は、本願発明の電子線装置の構成を用いることにより、電子線を分離して試料を照射することにより、従来の電子線を分離して試料を照射しない方法に比べ、薄膜試料のエッジから、離れた領域において、コントラストの高いホログラム（干渉像）を得ることが可能であることを示している。

以上詳述した本発明によれば、加速管と照射系の間、もしくは照射系、もしくは照射系と試料面の間に設置された第1の電子線バイプリズムにより、電子線を分離し、干渉性を保持したまま、第１の領域におかれた試料を透過する電子線と、第２の領域を通過する電子線の試料面上での面内距離を離し、照射系レンズの作用により、第１の領域におかれた試料を透過する第１の電子線と、第２の領域を通過する電子線の試料面上での電流密度が制御可能となり、結像系の第２の電子線バイプリズムにより、第１の電子線と第２の電子線を観察面上で重畳させ、高いコントラストのホログラムを得ることが可能となる。

その結果、従来の電子線ホログラフィーでは観察出来なかった、薄膜試料のエッジからみて内側の領域を高い倍率で、コントラストの高いホログラムを、高い電流密度で得ることが可能となり、ホログラムを位相再生する際の再生位相像のノイズを軽減し、高精度位相解析が可能となる。

また、ホログラムを得る際、試料に電子線が照射されることによる帯電が第２の領域を通過する電子線に影響を与え干渉縞を歪ませる場合や、漏れ磁場の大きい試料による、もれ磁場が第２の領域を通過する電子線に影響を与え干渉縞を歪ませる場合に、位相解析精度を低下させていた問題に対し、第１の領域におかれた試料を透過する電子線と、第２の領域を通過する電子線の試料面上での面内距離を調整し離すことが可能となり、この場合においても、従来の電子線ホログラフィーに比べ精度の高い位相再生像を得ることが可能となる。

本発明の電子線装置によれば、ナノ構造の解析と、ナノスケールの構造が有する磁場や電場の観察、材料中の電子スピンの分布などを自在に観察することが出来るようになり、基礎材料、半導体デバイス、スピントロニクス材料もしくはスピントロニクスデバイスの研究および開発に活用できると期待される。

１電子源
２電子線
３第１の照射電子レンズ
４第２の照射電子レンズ
５対物レンズ
６試料
７第１の領域を通過する電子線
８第２の領域を通過する電子線
９拡大レンズ
１０第２の電子線バイプリズム
１１観察面
１２第１の電子線バイプリズム
１３第一引き出し電極
１４第二引き出し電極
１５加速電極
１６第１の電子源
１７対物レンズ直下の第２の電子源面
１８電子光学上の電子源面
１９電子光学上の第１の電極フィラメント面
２０電子光学上の試料面
２１電子光学上の電子源
２２電子光学上の第１の電子線バイプリズム
２６電子光学上の電子源から電子光学上の第１の電極フィラメント面までの距離
２７電子光学上の第１の電極フィラメントから電子光学上の試料面までの距離
２８電子光学上の電子源から電子光学上の試料面までの距離
２９電子光学上の試料面での電子波の可干渉距離
３０電子光学上の試料面上で発生する第１の電極フィラメントのフレネル縞
３１電子光学上の試料面上での第１の電極フィラメントのエッジから１本目のフレネル縞までの距離
３２第３の照射電子レンズ
３３顕微鏡本体
３４制御ＰＣ
３５モニタ
３６試料微動機構
３７電子線検出器
３８制御系
３９加速管
４０電子光学上の電子源の大きさ
４１第３の電子線バイプリズム
４２対物レンズの物面
１０１電子源
１０２電子源の大きさ
１０３電子源から試料面までの距離
１０４試料面
２０１第１の領域（試料）を透過する電子線
２０２第２の領域を通過する電子線
２０３第３の電子線バイプリズムの陰
２０４干渉領域
２０５試料面上で分離した電子線の間の陰
２０６干渉領域
２０７第１の領域（カーボン膜上白金蒸着粒子）を透過する電子線
２０８第２の領域を通過する電子線
２０９薄膜試料エッジ
２１０電子線を分離せずに試料に照射した場合の干渉縞のコントスト
２１１電子線を分離し、試料に照射した場合の干渉縞のコントラスト
２１２薄膜試料内部の第１の領域（物体波）
２１３干渉縞を得る際に第１の領域の像に重畳させた第２の領域（参照波）
２１４領域
２１５電子線を分離せずに試料に照射した場合の干渉縞
２１６電子線を分離し、試料に照射した場合の干渉縞

Claims

電子線装置であって、
電子源と、
前記電子源から放出された電子を所定の速度からなる電子線とする加速管と、
前記電子線を試料に照射する照射レンズ系と、
前記試料を保持する試料保持部と、
前記試料の像を結像する、少なくとも１つの電子レンズからなる対物レンズ系と、
前記対物レンズ系により結像された前記試料の像を結像する結像レンズ系と、
前記結像レンズ系による前記試料の像を観察する観察面と、
前記観察面上に結像された前記試料の像を観察もしくは記録する観察記録系と、
前記加速管と前記照射レンズ系との間に設置され、前記電子線を第１の電子線と第２の電子線に分離する、第１の電子線バイプリズムと、
前記結像レンズ系に設置され、前記第１の電子線と前記第２の電子線とを前記観察面上において重畳する、少なくとも１つの電子線バイプリズムとを備え、
前記照射レンズ系の光学作用により、前記試料の位置する前記対物レンズ系の物面上における、前記第１の電子線と前記第２の電子線の電流密度と、
前記第１の電子線バイプリズムと前記試料の位置する前記対物レンズ系の物面との電子光学上の距離を制御し、
前記第１の電子線と前記第２の電子線それぞれが、前記対物レンズ系の物面上において互いに異なる第１の領域と第２の領域を照射し、
前記観察面上の前記第1の電子線と前記第２の電子線との重畳領域が前記観察記録系により観察もしくは記録される、
ことを特徴とする電子線装置。
請求項１記載の電子線装置であって、
前記第１の電子線バイプリズムによる前記電子線への偏向作用により、もしくは当該偏向作用と前記照射レンズ系による前記第１の電子線と前記第２の電子線への光学作用とにより、前記第１の領域と前記第２の領域との位置を制御する、
ことを特徴とする電子線装置。
請求項１もしくは２記載の電子線装置であって、
前記第１の電子線が照射する前記対物レンズ系の物面上の領域が前記試料内もしくは試料外のいずれか一方であり、
前記第２の電子線が照射する前記対物レンズ系の物面上領域が前記第１の電子線が照射しなかった他方の領域であること
を特徴とする電子線装置。
請求項１から３のいずれか１項記載の電子線装置であって、
前記結像レンズ系に備えられた電子線バイプリズムが、前記第１の電子線バイプリズムがつくる陰の空間に配される、
こと
を特徴とする電子線装置。
請求項１から４のいずれか１項記載の電子線装置であって、
前記第１の電子線バイプリズムと、前記結像レンズ系に設置された電子線バイプリズムとが、
光軸を含む電子光学上同一平面内において前記第１の電子線と前記第２の電子線を偏向させる、
ことを特徴とする電子線装置。
請求項１から５のいずれか１項記載の電子線装置であって、
前記第１の電子線バイプリズムと、前記結像レンズ系に設置された電子線バイプリズムとによる前記第１の電子線と前記第２の電子線への偏向作用により、
前記観察面上の前記重畳領域内に電子線干渉縞が形成される、
ことを特徴とする電子線装置。
請求項１から６のいずれか１項記載の電子線装置であって、
前記結像レンズ系に設置された電子線バイプリズムは、第２の電子線バイプリズムと第３の電子線バイプリズムであり、
前記対物レンズ系もしくは前記結像レンズ系に属する複数の電子レンズと、前記第２の電子線バイプリズムと、前記第３の電子線バイプリズムとが２段電子線バイプリズム干渉光学系を構成する、
ことを特徴とする電子線装置。
光軸を挟んだ１対の平行平板接地電極と前記平行平板電極の中央部に前記光軸と直交して配された電極フィラメントからなる電子線バイプリズムを備えた電子線装置であって、
電子源と、
前記電子源から放出された電子を所定の速度からなる電子線とする加速管と、
前記電子線を試料に照射する照射レンズ系と、
前記試料を保持する試料保持部と、
前記試料の像を結像する少なくとも１つの電子レンズからなる対物レンズ系と、
前記対物レンズ系により結像された試料の像を結像する結像レンズ系と、
前記結像レンズ系による前記試料の像を観察する観察面と、
前記観察面上に結像された前記試料の像を観察もしくは記録する観察記録系と、
前記照射レンズ系に設置され、前記電子線を第１の電子線と、第２の電子線に分離する、第１の電子線バイプリズムと、
前記結像レンズ系に設置され、前記第1の電子線と前記第２の電子線とを、前記観察面上において重畳する、少なくとも１つの電子線バイプリズムとを備え、
前記電子線の波長をλ、電子光学上の前記第１の電子線バイプリズムに属する電極フィラメント面での前記電子線の可干渉距離をＬ_Ｃ１、電子光学上の前記電子源から発せられた電子線の電子光学上の前記第１の電子線バイプリズムに属する電極フィラメント面に対する開き角β１、電子光学上の前記第１の電子線バイプリズムに属する電極フィラメントの直径をｄ１としたとき、
前記照射レンズ系の光学作用により、前記試料の位置する前記対物レンズ系の物面上における前記第１の電子線と前記第２の電子線の電流密度と、
前記第１の電子線バイプリズムと前記試料の位置する前記対物レンズ系の物面との電子光学上の距離を制御することにより、
前記照射レンズ系の光学作用により、以下の式（３）あるいは（４）を満たすことを特徴とする電子線装置。
請求項８記載の電子線装置であって、
前記電子光学上の第１の電子線バイプリズムに属する電極フィラメントから前記電子光学上の前記試料の位置する前記対物レンズ系の物面までの距離をＬ２とし、
以下の式（５）を満たす
ことを特徴とする電子線装置。
請求項８または９記載の電子線装置であって、
前記照射レンズ系が２つの照射電子レンズから構成され、
前記電子線の進行方向の上流側から第１の照射電子レンズ、前記第１の電子線バイプリズム、第２の照射電子レンズ、の順に配置されている、
ことを特徴とする電子線装置。
請求項８または９記載の電子線装置であって、
前記照射レンズ系が３つの照射電子レンズから構成され、
前記電子線の進行方向の上流側から第１の照射電子レンズ、前記第１の電子線バイプリズム、第２の照射電子レンズ、第３の照射電子レンズ、の順に配置されている、
ことを特徴とする電子線装置。
請求項８または９記載の電子線装置であって、
前記照射レンズ系が３つの照射電子レンズから構成され、
前記電子線の進行方向の上流側から第１の照射電子レンズ、第２の照射電子レンズ、前記第１の電子線バイプリズム、第３の照射電子レンズ、の順に配置されている、
ことを特徴とする電子線装置。
請求項８または９記載の電子線装置であって、
前記照射レンズ系が３つの照射電子レンズから構成され、
前記電子線の進行方向の上流側から第１の照射電子レンズ、第２の照射電子レンズ、第３の照射電子レンズ、前記第１の電子線バイプリズム、の順に配置されている、
ことを特徴とする電子線装置。
請求項８から１３のいずれか１項記載の電子線装置であって、
前記第１の電子線バイプリズムによる前記電子線への偏向作用により、もしくは当該偏向作用と前記照射レンズ系による前記第１の電子線と前記第２の電子線への光学作用とにより、前記対物レンズ系の物面上において互いに異なる第１の領域と前記第２の領域との位置を制御する、
ことを特徴とする電子線装置。
請求項８から１４のいずれか１項記載の電子線装置であって、
前記第１の電子線が照射する前記対物レンズ系の物面上の領域が前記試料内もしくは試料外のいずれか一方であり、
前記第２の電子線が照射する前記対物レンズ系の物面上領域が前記第１の電子線が照射しなかった他方の領域であること
を特徴とする電子線装置。
請求項８から１５のいずれか１項記載の電子線装置であって、
前記結像レンズ系に設置された電子線バイプリズムが、前記第１の電子線バイプリズムがつくる陰の空間に配される、
ことを特徴とする電子線装置。
請求項８から１６のいずれか１項記載の電子線装置であって、
前記第１の電子線バイプリズムと、前記結像レンズ系に設置された電子線バイプリズムとが、前記光軸を含む電子光学上同一平面内において、前記第１の電子線と前記第２の電子線を偏向させる、
とを特徴とする電子線装置。
請求項８から１７のいずれか１項記載の電子線装置であって、
前記第１の電子線バイプリズムと、前記結像レンズ系に設置された電子線バイプリズムとによる前記第１の電子線と前記第２の電子線への偏向作用により、前記観察面上に構成された前記重畳領域内に電子線干渉縞が記録可能な倍率で形成される、ことを特徴とする電子線装置。
請求項８から１８のいずれか１項記載の電子線装置であって、
前記結像レンズ系に第２の電子線バイプリズムと第３の電子線バイプリズムとが備えられ、
前記対物レンズ系もしくは前記結像レンズ系に属する複数の電子レンズと前記第２の電子線バイプリズムと前記第３の電子線バイプリズムとが２段電子線バイプリズム干渉光学系を構成する、
ことを特徴とする電子線装置。
電子線装置であって、
電子源と、
前記電子源から放出された電子を所定の速度からなる電子線とする加速管と、
前記電子線を試料に照射する少なくとも１つの電子レンズからなる照射レンズ系と、
前記試料を保持する試料保持部と、
前記試料の像を結像する少なくとも１つの電子レンズからなる対物レンズ系と、
前記対物レンズ系により結像された試料の像を結像する結像レンズ系と、
前記結像レンズ系による前記試料の像を観察する観察面と、
前記観察面上に結像された前記試料の像を観察もしくは記録する観察記録系と、
前記照射レンズ系と前記試料との間に設置され、前記電子線を前記試料を通過する第１の電子線と、前記試料を通過しない第２の電子線に分離する、第１の電子線バイプリズムと、
前記結像レンズ系に設置され、前記第1の電子線と前記第２の電子線とを、前記観察面上において重畳する、少なくとも１つの電子線バイプリズムとを備え、
前記照射レンズ系の光学作用により、前記試料の位置する前記対物レンズ系の物面上における前記第１の電子線と前記第２の電子線の電流密度を制御し、
前記照射レンズ系により結像される前記電子源と前記試料の位置する前記対物レンズ系の物面との電子光学上の距離を制御し、
前記第１の電子線バイプリズムと前記試料の位置する前記対物レンズ系の物面との電子光学上の距離を制御することにより、
前記第１の電子線と前記第２の電子線それぞれが、前記試料の位置する前記対物レンズ系の物面上において互いに異なる第１の領域と第２の領域を照射し、
前記観察面上の前記第1の電子線と前記第２の電子線との重畳領域が前記観察記録系により観察もしくは記録される、
ことを特徴とする電子線装置。