JP6055643B2 - 位相板 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子ビームシステムのための位相板に関する。

透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）は、例えばマイクロエレクトロニクス、材料科学、生物学のように広範な用途において用いることができる。透過型電子顕微鏡の概要は、Ｄ．Ｂ．ＷｉｌｌｉａｍｓおよびＣ．Ｂ．Ｃａｒｔｅｒ著、Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（第２版、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、２００９年）のＣｈａｐｔｅｒ１に見ることができる。

例えば生物学的その他の有機材料を含む試料のような、いわゆる「弱位相物体」を十分に撮像することは、従来のＴＥＭでは困難である。

弱位相物体においては、画像内の仮想的に全てのコントラストが、試料によって散乱した電子と散乱しなかった電子との間の干渉から生じる。したがって画像強度は、非散乱電子に対する散乱電子の位相シフトおよび試料の観察領域の空間周波数構成に依拠する。

例えば、Ｌ．ＲｉｅｍｅｒおよびＨ．Ｋｏｈｌ著、Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、Ｃｈａｐｔｅｒ６．２：Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｉｍａｇｅ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ（第５版、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、２００８年）に記載されているもののように、広く用いられている弱位相物体近似において、コントラストは位相コントラスト伝達関数（ＰＣＴＦ）によって表すことができる。ＰＣＴＦは、撮像電子波長、レンズ収差、レンズ焦点ぼけ、（弱位相物体）試料の観察試料領域の空間周波数構成に依拠する。弱位相物体と焦点ＴＥＭ画像については、低空間周波数における位相コントラスト（一般に約３ｎｍ以上の長さスケールを有する特性に対応する）は、ゼロに向かう傾向があり、より高い空間周波数成分において得られるコントラストの半分以下である。したがって、低空間周波数において生じる位相変化を区別することは困難である。しかし、特に生物学的試料については、重要な関心情報がこの長さスケールにおいて存在する。

コントラストは高空間周波数において良くなるが、あるレンズ配置においては、システムの撮影開口を通過することができる場合、高空間周波数におけるコントラストが反転する。原子解像度画像においては、これにより原子がその空間分離度に応じて黒点または白点として現れ、画像を解釈することがより困難になる。

これら課題に挑戦し解決するため、ＴＥＭオペレータは、異なる位相コントラスト伝達関数を有する複数の焦点外れ設定において画像を収集する。これにより、低空間周波数における位相コントラストをいくぶん向上させ、高空間周波数における反転が生じる周波数を変化させることができる。顕微鏡の詳細特性を与えられたオペレータは、複数の画像と画像処理ソフトウェアを用いて、画像コントラストをより容易に解釈できる単一の画像を構築することができる。

経験のあるＴＥＭオペレータのなかには、画像処理ソフトウェアの補助なしに、一連の画像を解釈し、試料内の位相変化を理解できる者もいる。しかし、異なる焦点外れ設定において複数画像を収集するアプローチは、欠点がある。第１に、試料が電子線を多量に受ける。一般に電子線は、試料が破損する可能性を低減するために最小化される。第２に、焦点外れの適正値を選択することと複数画像を解釈することは、多大なスキルと知識を必要とする。第３に、焦点外れされた画像では、顕微鏡の最高解像度（フォーカスされ、コントラスト反転なし）において、試料を直接的に観察することができない。

位相板は、広い周波数範囲にわたって位相コントラストを向上させることにより、これら課題を緩和する手段として用いられる。生物学的用途において用いられる電子顕微鏡についての位相板の評価は、Ｋｕｎｉａｋｉ Ｎａｇａｙａｍａ著、”Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｐｌａｔｅｓ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ”、Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ、Ｐ．３４５〜３５８、ｖｏｌｕｍｅ ３７（２００８年）が提供しており、その意図は低空間周波数位相コントラストを向上させることである。

特願Ｓ５８−１１２７１８号公報

Ｒ．ＤａｎｅｖおよびＫ．Ｎａｇａｙａｍａ著、Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｗｉｔｈ Ｚｅｒｎｉｋｅ Ｐｈａｓｅ Ｐｌａｔｅ、Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、８８、２４３（２００１年） Ｅ．Ｍａｊｏｒｏｂｉｔｓ、Ｂ．Ｂａｒｔｏｎ、Ｋ．Ｓｃｈｕｌｔｈｅｉｓｓ等による、Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｉｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｗｉｔｈ ａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ（Ｂｏｅｒｓｃｈ）ｐｈａｓｅ ｐｌａｔｅ、Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、１０７、２１３（２００７年）

よく知られている位相板の１つに、ゼルニケ位相板がある。これは、散乱電子の位相を非散乱電子に対してπ／２進め、これは顕微鏡の後焦点面の近傍および中央領域において現れる。最も単純な形態では、上記のような位相板は、後焦点面近傍に配置された連続フィルムまたは穴開フィルムから形成される。中央領域は周辺領域よりも薄く、穴開フィルムの場合はその部分には何もない。

このタイプのフィルムベース位相板において、フィルム内で不可避の散乱が生じる。したがって、このタイプの位相板を用いると、試料物体からの情報がいくらか失われる。またこのタイプの位相板は、ビームに誘起される帯電と汚染の影響を受ける。位相板はまた、エネルギー依存性を示す。さらに具体的な課題は、フィルム厚さすなわち位相シフトを正確に制御するのが困難なことである。さらには、フィルム厚さは汚染によって時間に応じて変化し得る。これら課題のうちいくつかの詳細は、非特許文献１に記載されている。

中央領域において静電アインツェルレンズ配置を用いてπ／２位相シフトを実現するゼルニケスタイルの位相板（１９４７年にＢｏｅｒｓｃｈによって最初に提案され、”ベルシュ位相板”として知られているもの）は、これら課題のいくつかを解決することができる。しかしこの位相板は、依然いくつかの課題がある。特に、中央の静電レンズのための支持構造が、特定の空間周波数成分をブロックする傾向がある。さらに、中央レンズのサイズが有限であるため、位相コントラスト伝達関数は、ある空間周波数以上（通常は約（１／６）ｎｍ^−１）においてのみ向上する。さらには、位相シフトは電子エネルギーとともに変化する。これに加え、この位相板は大きな断面領域を有するので、汚染され易く（特に非散乱ビーム焦点周辺の縁部上において）帯電し易い。この位相板は、電極に対して電気的に接触する必要があるので、製造および設置がより複雑である。また、いったん設置すると、位相板電圧を特定のビームエネルギーに対して調整する必要がある。これは例えば、非特許文献２に記載されている。

その他知られている位相板のタイプは、後焦点面近傍のビーム中央においてπ／２位相シフトを提供する磁気中央リングを有するゼルニケ型位相板であり、例えば特許文献１に記載されている。この構造も、いくつかの欠点がある。静電のものと同様に、中央開口のサイズが有限であるため、位相コントラスト伝達関数は、ある空間周波数以上のみにおいて向上する。この位相板も、特に中央の非散乱ビーム周辺の縁部において汚染され易い。また、静電のものと同様に、支持構造が特定の空間周波数成分をブロックする。

位相板のその他の形態は、ヒルベルト型位相板である。このタイプの位相板は、後焦点面（ＢＦＰ）もしくはその近傍、またはＢＦＰと共役な面において、半平面にわたってπ位相シフトを生成する。ゼルニケ型位相板と同様に、これは薄膜を用いて半平面にわたってπ位相シフトを生成することにより、実現できる。しかしこれは、帯電、汚染、情報ロス、エネルギー依存、フィルム厚さを正確に制御する困難さ、という同様の欠点を有する。さらに、得られる画像は、特定方向から照射されたように見え、影部アーチファクトが画像内に現れる。

ＢＦＰの中央にわたる磁気バーを用いるヒルベルト型位相板は、これら課題のいくつかを解決する。しかし、このタイプの位相板から最適なコントラストを得るためには、磁気バーを中央非散乱ビームのごく近傍に配置しなければならず、非散乱ビームを直接遮る場合もある。これは、汚染と帯電につながる。ヒルベルト型位相板から生成した画像は、一方から照射されたように見え、画像内に影のようなアーチファクトが現れる特性を有する。

本発明は、改善された位相板を提供しようとするものである。
本発明の第１側面によれば、スルーホールを有する支持部と、長さ方向に沿って磁化可能であり、部分的にスルーホールをまたがって延伸し、スルーホールよりも細い細長部材と、を備える、荷電粒子ビームシステムのための位相板が提供される。

本発明の第２側面によれば、スルーホールを有する支持部と、部分的にスルーホールをまたがって延伸し、スルーホールよりも細い磁性細長部材と、を備える、荷電粒子ビームシステムのための位相板が提供される。

したがって、磁束は磁性部材の端部から出るかまたは端部に入り、これによりスパイラル状の位相シフトを導入してスルーホールを通過するキャリアを帯電させることができる。磁性部材は、散乱ビームを交差する必要がなく、開口端部上の最小１点からビームに接近するのみでよい、小さな断面を有することができる。これにより、ビームに誘起される汚染を低減し、空間周波数成分をより広範に通過させることができる。また、低周波数カットオフを低減することができる。また、ヒルベルト型位相板と比較して、画像内の長距離影部アーチファクトを低減することができる。

細長部材は、１μｍ以下または５００ｎｍ以下の幅を有する
細長部材は幅ｗを有し、スルーホールは幅ｄを有し、ｄ≧２０ｗまたはｄ≧５０ｗである。

スルーホールは、スルーホール周辺上の第１点と第２点の間の中点を有し、細長部材は、同周辺上の第１点から中点と交差することなく第２点に向かって延伸している。ただし、細長部材は中点と交差してもよい。

スルーホールは概ね円形にすることができる。支持部は概ね板状である。支持部材の腕部は、スルーホールに向かって延伸しており、腕部は細長部材を支持している。

細長部材は、２００ｎｍ以下または１００ｎｍ以下の厚さを有する。細長部材は、少なくとも５ｎｍまたは少なくとも１０ｎｍの厚さを有する。細長部材は、ニッケル、コバルト、および／または鉄を含む。細長部材は、４×１０^−１５Ｗｂまたは４×１０^−１５Ｗｂの整数倍の磁束を有し、この磁束は光軸と平行な細長部材の横断面を通過する。したがって、細長部材は４×１０^−１５Ｗｂまたは４×１０^−１５Ｗｂの整数倍の磁束を光軸に対して垂直な平面内に方向付ける。

位相板は、細長部材を覆う導電層を備え、導電層は予備的に支持部を覆う。導電層は、金の層を含むことができる。導電層は、帯電を抑えるために用いることができ、そのため導電層は薄い。例えば１００ｎｍ以下または１０ｎｍ以下である。しかし用途によっては、位相板を用いてビーム形成開口を提供するので、導電層はより厚い。例えば約１μｍ以上である。

スルーホールは、直径または最大サイズｄを有し、これは最小１０μｍ、最小２０μｍ、最小５０μｍ、１００μｍ以下であってもよい。スルーホールは、直径または最大サイズｄを有し、これは最小１００μｍ、最小２００μｍ、最小５００μｍ、１０００μｍ以下であってもよい。用途によっては、例えば位相板がマイクロレンズ構成において用いられる場合、ｄは１０μｍ以下である。

スルーホールは直径または最大サイズｄを有し、細長部材は長さＬを有し、Ｌ≧ｄである。細長部材の長さＬは、Ｌ≧２ｄ、Ｌ≧５ｄ、またはＬ≧１０ｄであってもよい。

本発明の第３側面によれば、荷電粒子ビーム源と、対物レンズと、対物レンズの下流または上流に配置された位相板と、を備える荷電粒子ビームシステムが提供される。

位相板は、対物レンズの後焦点面またはその近傍に配置することができる。荷電粒子ビームシステムは、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、および／または走査型透過電子顕微鏡として動作することができる。

透過型電子顕微鏡の概略図である。 透過型電子顕微鏡内の位相板の位置と構造を示す。 走査型電子顕微鏡または走査型透過電子顕微鏡内の位相板の位置と構造を示す。 位相板の平面図である。 図４に示す位相板の断面図である。 図４に示す位相板の等角図である。 図４に示す位相板を通過する電子についての位相シフトを２次元グレースケールでプロットし、計算した磁力線を重ねたものである。 ３次元の陰影を付した面を、図４に示す位相板を通過する電子についての位相シフトを示す等高線とともに示す。 アジマス角にともなう理想スパイラル位相からの位相シフトの変化を示す。 位相板なしでシェルツァー焦点外れ条件において動作するゼルニケ位相板とヒルベルト位相板を用いてフォーカスした状態で動作する、従来の透過型電子顕微鏡の場合における、弱位相物体についての位相コントラスト伝達関数を示す。 ヒルベルト位相板を用いフォーカスした従来の透過型電子顕微鏡の位相コントラスト伝達関数を、２次元空間周波数空間における等高線を用いて、位相反転領域をハッチングして示す。 完全なスパイラル位相板を用いフォーカスした従来の透過型電子顕微鏡の位相コントラスト伝達関数を、２次元空間周波数空間における等高線を用いて、位相反転領域をハッチングして示す。 本発明の１モデルに係る位相板を用いフォーカスした従来の透過型電子顕微鏡の位相コントラスト伝達関数を、２Ｄ空間周波数空間における等高線を用いて、位相反転領域をハッチングして示す。 画像シミュレーションのために用いた液滴の断面を示す。 図１４に示す液滴を、１２ｎｍ直径の視野にわたって、位相板を用いないシェルツァー焦点外し条件における従来の透過型電子顕微鏡を用いて形成したシミュレート画像（ａ）、ゼルニケ位相板を用いてフォーカスしたシミュレート画像（ｂ）、ヒルベルト位相板を用いたシミュレート画像（ｃ）、および本発明に係る位相板を用いたシミュレート画像（ｄ）を示す。 シェルツァー焦点外し条件における従来の透過型電子顕微鏡を用いて形成した、図１４に示す液滴のシミュレート画像における絶対画像強度を、等高線によって示す。 ゼルニケ位相板を用いてフォーカスした従来の透過型電子顕微鏡を用いて形成した、図１４に示す液滴のシミュレート画像における絶対画像強度を、等高線によって示す。 ヒルベルト位相板を用いてフォーカスした従来の透過型電子顕微鏡を用いて形成した、図１４に示す液滴のシミュレート画像における絶対画像強度を、等高線によって示す。 本発明に係る位相板を用いてフォーカスした従来の透過型電子顕微鏡を用いて形成した、図１４に示す液滴のシミュレート画像における絶対画像強度を、等高線によって示す。 本発明に係る位相板の実施形態を介して形成した集束電子ビームの点広がり関数を、関連する波動関数位相の等高線とともに、強度の等高線によって示す。 図２０に示す点広がり関数のアジマス角０°と９０°における強度を、単一の円形開口を介して形成したビームについての比較点広がり関数とともに示す。 本発明の実施形態に係る位相板を製造するため用いられるシリコンフレーム上に支持される、シリコン窒化物薄膜の断面図を示す。 図４〜図７に示す位相板の製造方法のプロセスフロー図である。

本発明の実施形態を、添付する図面を参照して例示的に説明する。
図１は、電子顕微鏡１を示す。電子顕微鏡１は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）または走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）として動作することができる。顕微鏡１は、高真空または超高真空ポンプ装置（図示せず）に接続されたハウジング２（通常は「カラム」と呼ぶ）を備える。一端において、カラム２は電子源３を収容する。電子源３は、陰極４．引出電極５、陽極６を備える。陰極４と引出電極５の間のバイアスＶ_Ｅは、陰極４に電子ビーム８を出射させるために用いられる。陰極４と陽極６の間のバイアスＶ_Ｂ（以下では「ビーム電圧」と呼ぶ）は、電子ビーム８を加速するために用いることができる。約１０ｋＶから約１ＭＶの範囲にあるビーム電圧Ｖ_Ｂを用いることができ、通常は約１００ｋＶから約４００ｋＶの範囲である。

電子ビーム８は、光軸９に沿ってカラム２の反対端に向かって進み、集光レンズ１０、集光レンズ開口１０１、着脱可能試料１１、対物レンズ１２、対物レンズ１２の後焦点面１４もしくはその近傍または共役面１０２などの共役面近傍に配置された位相板１３、選択領域回折開口１０３、回折レンズ１０４、中間レンズ１５、および投影レンズ１６を経由して、検出器１７に到達する。特に偏向コイルや補正コイルなどのいくつかの要素は、明瞭化のため図１には示していない。

図２と図３を参照して、位相板１３は像平面１８における像１９の生成を補助する。像平面１８において、位相シフトの強度ハイライト領域は、試料１１内で変化する。位相板１３は、ＳＴＥＭまたは走査型電子顕微鏡の構成においては、集光レンズ開口位置１０１で用いることもできる。

図４、図５、図６は、位相板１３の詳細を示す。
位相板１３は、平坦で非磁性の支持部材２１を備える。支持部材２１は、上面２２と下面２３、上面２２と下面２３の間に広がる円形開口２４を備える。支持部材２１は、上面２２上において、細長磁性部材２５を支持する。この場合、細長磁性部材２５は、概ね矩形の横断面を有する薄くて細いストリップ形態（または「平坦バー」）を取る。磁性部材２５は、他の横断面形状を有することもできる。例えば磁性部材２５は、円形断面を有するロッド形態を取ることができる。

この場合において、開口２４は約５０μｍの直径ｄを有し、磁性部材２５は約２０ｎｍの厚さｔ、約２００ｎｍの幅ｗ、約１００μｍの長さＬ（すなわちＬ≒２ｄ）を有する。部材２５は、より短くても長くてもよく、Ｌ＞ｄであることが望ましい。磁性部材２５は、長軸２６と遠位端２７を有する。磁性部材２５は、顕微鏡内に存在する磁場の影響下または顕微鏡内に導入する前の外部磁場内において磁化され、その磁化２８は大部分が磁性部材２５に沿って揃えられている。

磁性部材２５の特性は、部材２５が遠位端２７から出る固定磁束を有するようになっている。断面を最小化するため、磁性部材２５は強磁性材料から作られることが望ましい。ただしフェリ磁性材料を用いることもできる。使用する材料の特性は、顕微鏡１内で使用している間、同材料が大部分の磁化２８を磁性部材２５に沿って整列して維持することができるようになっている。位相板１３が外部磁界のない状態で使用され、磁性部材２５が一般的な強磁性材料（例えばコバルトやパーマロイ）で形成されている場合、部材２５の厚さは、磁化２８が薄膜面内に確実に収まるようにするため（すなわち部材２５に沿うようにするため）、１ｎｍ以上であることが望ましい。

磁性部材２５の形状は、部材２５の中央部が単一の磁区を形成するようになっていることが望ましい。一般的には、およそ２００ｎｍ×２０ｎｍ×１００μｍ形状のコバルトまたはパーマロイのような強磁性材料により、中央領域が単一の磁区を形成し、磁化を軸２６に揃えることができる。

磁性部材２５は、支持部材２１の狭い片持ち梁腕部２９上で支持される。片持ち梁腕部２９は、支持部材２１の主部３０から延伸している。例えば銅を含む薄いスティッキング層（図示せず）を、支持部材２１と磁性部材２５の間に配置することもできる。金などの薄い導電保護層（図示せず）を磁性部材２５上に被せ、予備的に支持部材２１を覆って、入射する荷電粒子によって誘起される帯電を低減することができる。導電保護層は、顕微鏡装置の電気的グランドまたは同グランドに関連する電気的バイアスに接続することができる。実施形態によっては、磁性部材２５は支持せずに開口２４まで延伸することができる。これに代えて、オプションの放射状支持部材１０５、１０６などのような１以上の非磁性部材を用いて、開口端部と磁性部材２５の間のブリッジを形成し、磁性部材の遠位端２７を支持することができる。

位相板１３は、光軸９が交差する平面内、例えば光軸９を法線方向とする平面内に配置される。位相板１３は、対物レンズ１２の後焦点面１４近傍、共役面１０２のような後焦点面１４の共役面内、または電子プローブ形成システム内の開口を形成するプローブ近傍に配置することができる。

位相板１３は、磁性部材２５の遠位端２７が光軸９近傍に位置するように配置される。ＴＥＭについては、磁性部材２５は光軸９を交差またはまたがらないので、明視野像を収集することができる。ただし実施形態によっては、磁気部材２５は光軸を交差してまたがり、ＴＥＭ内で暗視野像を収集できるようにすることができる。ＳＴＥＭやＳＥＭのようなプローブ形成用途において、磁気部材２５は光軸９を交差しまたがることができる。位相板１３は、磁気部材２５が光軸９を交差する第１位置と交差しない第２位置の間で移動させることができる。

長軸２６と光軸９は、小距離をもって分離することができる。この距離は例えば、開口直径ｄの約１０％以内である。

図６に示すように、磁気部材２５またはその一部は、平面３１に向かって傾斜させることができる。平面３１は、光軸９に対して垂直である。遠位端２７近傍の磁気部材２５の１部分を傾斜させ、光軸９に対して４５°＜θ１＜１３５°の範囲で角度を形成することができる。支持部材２１と磁気部材２５の近位端は、光軸に対して垂直な平面に向かって傾斜した平面内に配置することができる。例えば、支持部材２１と光軸９の間の傾斜角θ２は、７０°＜θ２＜１１０°とすることができる。θ１とθ２が等しくない場合、図６に示すように磁気部材２５には屈折部１０７が存在する場合がある。

屈折部１０７は、バーの上面を被覆する際の積層状態を下面よりも伸縮させて上向きの屈折を形成することによって実現できる。

ＳＴＥＭのようなプローブ形成システムのプローブ形成開口１０１近傍、またはＴＥＭにおける共役面１０２のような後焦点面１２と共役もしくは等価な平面近傍において、通常は強い磁場は存在しない。したがって、位相板１３がこれら位置に配置されている場合、磁気部材２５は外部印加磁場がない環境下でその磁化を維持するように構成される。

一般的なＴＥＭ対物レンズの後焦点面位置１４において、磁場が存在する場合が（常にではないが）ある。対物レンズ１２（図１）は通常丸いので（すなわち回転対称）、この磁場Ｂ０は、軸方向成分と動径成分をともなって、メリジオナル面内に向けられる。したがって、磁気部材２５がメリジオナル面内に配置される場合、これにより磁気部材２５の軸２６と光軸９が交差し、磁気部材２５は軸２６と光軸９に沿った方向の成分を有する外部磁場にさらされる。

Ｂ０は通常、光軸に対して平行な１テスラ（Ｔ）オーダの成分Ｂ０ｚを有する。動径成分Ｂ０ｒは、円形レンズ内で第１次に対して級数展開Ｂ０ｒ＝−（１／２）Ｂ０ｚ’（ｚ）を用いることにより、得ることができる。Ｂ０ｚ’（ｚ）は通常、ＴＥＭの対物レンズ開口領域内において、１００Ｔ／ｍのオーダである。したがって、動径成分Ｂ０ｒの大きさは、軸からの距離ｒが２００μｍである場合、光軸９における０Ｔから１０ｍＴ近傍まで、線形に増加する。

ＯＯＭＭＦ（ＯＯＭＭＦユーザガイド、バージョン１．０、Ｍ．Ｊ．ＤｏｎａｈｕｅおよびＤ．Ｇ．Ｐｏｒｔｅｒ、ＮＩＳＴ、Ｇａｉｔｈｅｒｓｂｕｒｇ、ＭＤ（１９９９年９月））を用いたマイクロ磁場シミュレーションによれば、厚さ２０ｎｍ、幅２００ｎｍ、長さ１００μｍ、例えばパーマロイ（８０Ｎｉ／２０Ｆｅ）またはコバルトのような一般的な強磁性材料で構成された矩形バーは、外部印加磁界がゼロである環境において、磁化が軸２６に対して直接十分に沿った単一磁区状態を維持することができる。

さらにこれらシミュレーションによれば、厚さが幅よりも小さく厚さが２０ｎｍオーダの磁性バーは、通常の強磁性材料（例えばコバルトやパーマロイ）から形成されている場合、幅と長さの次元を含む平面３１ｂに対して垂直（すなわち厚さ方向）な外部磁界が存在する場合であっても、磁化２８が同平面に向かって方向付けられる傾向がある。例えば、コバルト（飽和磁化Ｍｓ＝１．４×１０^６Ａｍ^−１、交換結合Ａ＝１．４×１０^−１１Ｊ、異方性定数Ｋ＝０）で構成され上述のサイズを有するバーは、長軸に沿って磁化されてから最初に残留磁性状態となり、平面３１ｂに対して垂直に印加される１Ｔの磁場（通常は先に述べたＢ０ｚ）は、バー内の平均磁化を平面３１ｂから４３°程度の向きに方向付ける。したがって、磁化は平面３１ｂから完全に出てしまうことなく、その角度は９０°よりも遥かに小さい。他の強磁性材料において、同様の動作が見られる。例えばパーマロイのように飽和磁場がより小さい材料においては、平面３１ｂに対して垂直な保持磁場はより小さく、または同様の印加磁場についての平面からの磁化方向はより大きい。例えばパーマロイの場合、１Ｔの面外磁場は磁化をほぼ面外方向の角度に方向付ける。しかし、０．６Ｔの面外磁場は、磁化を平面３１ｂから４４°程度の角度に方向付けるに過ぎない。

１０ｍＴオーダの追加磁場については、先述の後焦点面における通常の動径方向磁場Ｂ０ｒは、シミュレーション上ではバー２５の長軸２６に沿って動作し、平面３１ｂ近傍の磁化を保持することを補助する。ただし、軸２６に沿った残留状態磁化成分が動径方向磁場と同方向である（すなわち反平行ではない）と仮定している。先述のように、磁性バー２５またはその一部は、光軸の垂直方向から傾斜させることができ、その角度はθ１および／またはθ２であり、９０°ではない。したがって、バー２５がＢ０ｚに対して垂直ではないため、バー２５の軸２６に沿って別の磁場成分が存在し得る。この磁場が軸２６に沿った残留状態磁化成分に対して揃えられている場合、平面３１ｂ近傍の磁化を保持することを補助できる。

一般にＴＥＭの後焦点面において存在する磁場内に配置された位相板磁性バー２５を用いると、θ１とθ２がともに約０°または１８０°となるように、または軸２６に沿ったＢ０ｚ成分が磁気バーを飽和させて単一磁区を形成するのに十分な角度となるように、開口を回転させることにより、磁性バーを初期単一磁区状態にしておくことができる。いったんこの状態になると、先述のように、磁性バー２５の平面３１に対する傾斜が減少した位置に開口を回転して戻すことができる。

ＯＯＭＭＦソフトウェアを用いて計算した磁化は、他のソフトウェアへエクスポートして長距離浮遊磁場を計算することができる。ここではＣｏｍｓｏｌ（Ｒ）４．１ソフトウェアを用いて、厚さ２５ｎｍ、幅２００ｎｍ、長さ１００μｍのサイズを有し、長さ方向に沿った均一磁化８×１０^５Ａｍ^−１を有する磁性バー２５から出る浮遊磁場Ｂを計算する。

図７は、Ｃｏｍｓｏｌ（Ｒ）を用いて計算した、先述のモデルのバー上における浮遊磁場３２、Ｂを表す一般的な磁束線を示す。この磁場Ｂ、３２は、遠位端２７から出るように示されているが、部材２５が反対方向に磁化されていれば、遠位端２７に向かって方向付けられている場合もある。

この均一な磁化近似は、ＯＯＭＭＦから正確にエクスポートした磁場を用いて生成したモデルと比較すると、妥当であると思われる。しかし、約１〜２μｍの長さを有する遠位端２７近傍の端部領域において、磁化は部材２５に沿って整列した状態から逸脱する場合がある。しかしこのエッジ効果は、磁性部材２５から離れた領域（例えば１０μｍ以上）に表れる遠方磁場パターンには顕著な影響を及ぼさない。

磁場Ｂが既知である場合、これはベクトルポテンシャルＡの回転とみなすことができ、光ｚ軸と平行に通過し磁場から得られる電子の位相シフトφは、標準位相物体近似を用いて得ることができる（例えば、“Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”、Ｇ．Ｆ．Ｍｉｓｓｉｒｏｌｉ、Ｇ．ＰｏｚｚｉおよびＵ．Ｖａｌｄｒｅ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅ：Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ １４（６）、６４９（１９８１年）参照）。

Ａ_ＺはベクトルポテンシャルＡのｚ成分、ｒは光（ｚ−）軸に対して垂直な位置ベクトル、ｌは光軸に対して平行な電子経路、ｅは素電荷、ｈはプランク定数である。通常の電子エネルギーが５ｋｅＶ以上であり、電子経路が軸に対して平行であると近似できれば、式（１）を用いることができる。式（１）は、平面３１に対して垂直な磁場成分が、観察可能な位相シフト効果を生成しないことを示す。このことは、図７に示す磁性バーのモデルにおいて仮定した均一磁化を用いることが妥当であることの根拠となる。

これに整合して、同じ箇所から開始して同じ経路で終了する２つの経路ｌ_１とｌ_２の間に現れる位相差Δφは、式（２）で表される。

これは、経路ｌ_１とｌ_２によって表される経路にわたる閉曲線積分であり、ｄｓは当該経路に沿った基本ベクトルである。ストークスの定理によれば、これはＡの回転の積分と等価であり、ｌ_１とｌ_２によって境界される閉曲面にわたる磁束密度Ｂと同等である。したがって、磁性バー２５を用いる場合、磁性バー断面の両側面間を横断する電子間で発生し得る最大位相差Δφ_ｍａｘは、式（３）で表される。

Φは、電子経路の主方向に対して平行な平面において磁性バーの横断面を通過する磁束である。この方向は、本例においては、式（１）において用いられる光軸に対して平行なｚ方向である。したがって、約２πの最大位相差を実現するため、磁性バーはｈ／ｅ＝約４．１３６×１０^−１５Ｗｂの磁束Φを含む。ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）およびこれらの合金（例えばパーマロイ）のような一般的な強磁性材料については、近似範囲０．６〜２．１Ｔの飽和磁化を有する場合、この磁束値は、約２×１０^−１５ｍ^２〜７×１０^−１５ｍ^２の断面領域を有する磁性部材２５において実現することができる。矩形断面を有し厚さ約２０ｎｍであるストリップまたはバーについては、これは約１００〜３５０ｎｍの幅に相当する。先述のように磁性バーを後焦点面における磁場内で用いることを意図している場合、磁化成分が面外方向に向かうこと、およびこれにともなって平面３１に対して垂直な平面内で断面を通過する磁束が減少することを許容する必要がある。

磁場Ｂを表す図７に示す通常モデル結果に基づいて、磁性部材２５は４×１０^−１５Ｗｂの磁束を含む。したがって、式（３）を用いて約２πの最大位相シフトを生成する。このモデルにおいて、遠位端２７は、明視野ＴＥＭ像を得るため開口の中心から１００ｎｍオフセットされている。Ｃｏｍｓｏｌ（Ｒ）モデルからベクトルポテンシャルＡを抽出し、Ｍａｔｌａｂ（Ｒ）の数値積分を介して式（１）を適用することにより、電子その他のバーを通過する荷電粒子の位相シフトを計算することができる。この位相シフトは、図７においてグレースケール３３で示されるとともに、図８において斜視図３４内の影平面として等高線３５とともに示されている。

図８に示すように、特に等高線３５を見ると、磁性部材２５の自由端２７（図４）によって生成される位相シフト３３は渦巻状であり、その中心は部材２５の端部２７近傍の点にある。しかし、磁性部材２５は完全な渦位相を生成しない。

図９は、様々な動径座標、ｒ＝５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、２５μｍについて、位相シフトからアジマス角を差し引いたもの（Φ−Φ_Ａ）をアジマス角Φ_Ａに対してプロットしたもの（３６）である。理想的な渦位相は、Φ_Ａ全体にわたって（Φ−Φ_Ａ）＝０である。しかし、この場合においては、最大０．５ラジアン程度の逸脱が観られる。

磁性部材２５を後焦点面１４またはその近傍に配置すると、ＴＥＭにおける試料画像のフーリエ変換において位相シフトが生成される。位相板１３は後焦点面１４において配置することができるが、必ずしもその必要はない。例えば、共役面１０２（図１）のような共役面に配置することもできる。

先述のように、ＴＥＭにおいて弱位相物体を撮影するためのコントラストは、通常は位相コントラスト伝達関数（ＰＣＴＦ）を用いて表される。ＰＣＴＦは、画像内におけるコントラストと（弱位相）物体の空間周波数成分の関係を表す。これは例えば、Ｊ．Ｃ．Ｈ．Ｓｐｅｎｃｅ著：Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（第３版、Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、２００３年）Ｃｈａｐｔｅｒ６、Ｌ．ＲｉｅｍｅｒおよびＨ．Ｋｏｈｌ著、Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：Ｐｈｙｓｉｃｓ ｏｆ Ｉｍａｇｅ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ（第５版、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ、２００８年）に記載されている。

図１０を参照して、前述のＳｐｅｎｃｅ著書およびＲｉｅｍｅｒとＫｏｈｌ著書のＣｈａｐｔｅｒ６．４に記載されている方法を用いて計算したＰＣＴＦを、正規化空間周波数ν_ｎｏｒｍに対してプロットしたものが示されている。ν_ｎｏｒｍ＝λ（Ｃ_Ｓ／λ）^１／４νであり、λは電子波長、Ｃ_Ｓは球面収差係数、νは空間周波数である。特性については、シェルツァー焦点外し条件における従来のＴＥＭ（ＣＴＥＭ）を用いたプロット４１、ゼルニケ位相板を用いてフォーカスしたプロット４２と４３、ヒルベルト位相板を用いてフォーカスした４３と４４、を前提とした。カットオフ周波数４２以上においては、ヒルベルト位相板とゼルニケ位相板は同様の特性を示した。シェルツァー焦点外し設定は、対物レンズが試料上で僅かに焦点を外されているものであり、その焦点外しの値はΔｚ＝１．２１（Ｃ_Ｓλ）^１／２である。これは、コントラスト反転のない最広の空間周波数通過バンドおよび通過バンド全体にわたって良好な強度を得るため、一般に用いられている。

これら特性４１、４２、４３、４４は、通常のＴＥＭにおける減衰包絡線の効果（例えば前述のＳｐｅｎｃｅ著書のＣｈａｐｔｅｒ３参照）を含む。これは、高周波数においてコントラストを低下させ、照射範囲が有限であることにともなう、システムにおけるレンズ不安定性と色収差による「輪郭ぼけ」の原因となる。減衰包絡線の形状は、式（４）で表される。

θは考慮している後焦点面地点において形成される角度であり、Δはフォーカス値の分散の標準偏差であり、λは電子波長であり、Ｊ_１（ｘ）は１次ベッセル関数であり、ｑは式（５）で表される。

θ_Ｃは照射半角であり、Ｋは後焦点面における散乱ベクトルであり（｜Ｋ｜＝ｓｉｎθ／λ）、Ｃ_Ｓは球面収差係数であり、Δｚは焦点外しの増分である。モデルについての減衰包絡線を形成する際に、Ｃ_Ｓ＝０．７ｍｍ、Δ＝４ｎｍ、θ_Ｃ＝１．５ｍｒａｄ、１００ｋＶのビーム電圧を想定する。したがって、特性４１、４２、４３、４４を「正規化」座標ν_ｎｏｒｍに対してプロットしたものは、汎用的なものではない。比較のため、この減衰包絡線を適用していない汎用的な特性を、同じフォーカス条件の下で、従来のＴＥＭおよびゼルニケ位相板を用いて、プロット４６として示した。

シェルツァー焦点外し設定で動作するＣＴＥＭについてのＰＣＴＦ４１から、低正規化空間周波数（例えばν_ｎｏｒｍ＜０．２）におけるコントラストが低く、約０．３未満またはピークコントラストの２０％未満であることは明らかである。フォーカス条件で動作するゼルニケ位相板にフィットしたＴＥＭのＰＣＴＦ４２、４３は、例えばν_ｎｏｒｍ＝０．２のときのコントラストが約２．０であるように、低空間周波数におけるコントラストが改善している。ただしカットオフ周波数４２以下ではコントラストの改善は見られない。これは、ゼルニケ位相板が有限サイズの中央領域を使用する必要があり、これが周辺領域よりも小さい位相遅延π／２を招くことによって生じる。中央領域の直径は、開口直径の約４％であるものと想定する。通常の５０μｍ開口であれば２μｍである。また、ゼルニケ位相板を用いるＴＥＭにおいてコントラスト反転が生じる周波数は、シェルツァー焦点外し条件で動作するＣＴＥＭよりも小さい。しかし、ゼルニケ位相板を用いる場合、Ｒ．Ｄａｎｅｖ、Ｋ．Ｎａｇａｙａｍａ、Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｗｉｔｈ Ｚｅｒｎｉｋｅ Ｐｈａｓｅ Ｐｌａｔｅ、Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、８８、２４３（２００１年）に記載されている、Δｚ＝０．７３（Ｃ_Ｓλ）^１／２のような焦点外し設定を用いる場合、第１通過バンド幅は増加するがそれでもＣＴＥＭにおいて得られるものよりは小さいことに留意されたい。

ＣＴＥＭ４１、４５とゼルニケ位相板を用いたＣＴＥＭのＰＣＴＦ４２、４３、４６は回転対称であり、したがって図１０において適切に表される。しかし、ヒルベルト位相板を用いるＣＴＥＭのＰＣＴＦ４４、４３は、回転対称ではない。図１１を参照して、ヒルベルト位相板を用いるＣＴＥＭのＰＣＴＦ振幅は、２次元正規化空間周波数座標空間上に等高線４７として示され、ハッチング領域４８はＰＣＴＦがπシフトしている（すなわち反転している）領域を示す。したがって、プロット４４は、ヒルベルトＰＣＴＦの振幅を示しているが、その位相は無視している。

Ｊ．Ｄ．Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ、ＳＰＩＥ（２０１０年）、Ｃｈａｐｔｅｒ４に記載されているように、これらＰＣＴＦを計算するために用いられる手法を、Ｍａｔｌａｂ（Ｒ）などの高速フーリエ変換技術と組み合わせて適用することにより、完全なスパイラル位相板および本発明に係る位相板についてのＰＣＴＦを判定することができる。

再び図９を参照して、完全なスパイラル位相板は、全てのｒについて特性Φ−Φ_Ａ＝０を示す。完全なスパイラル位相変化（図１２）を有する位相板を、上述のように適用されるＴＥＭ減衰包絡線とともに用いるＣＴＥＭにおけるＰＣＴＦ４９は、ヒルベルト位相板を用いるＣＴＥＭのＰＣＴＦ４７、４８と同様の態様により、等高線５０とＰＣＴＦ内のπ位相シフトを示すハッチング領域５１によって表されている。等高線５０とハッチングしたπ位相シフト領域５１の形状は、スパイラル状であることが見て取れる。

再び図１２を参照して、ＰＣＴＦ４９は空間周波数平面において、角度θ_νとともに変化しているように見える。特にθ_ν＝９０°のとき、空間周波数が０に接近するとともにＰＣＴＦは２に向かい、正規化空間周波数が１に向かうとともにＰＣＴＦ振幅は位相が反転する前に０に接近していることが見て取れる。したがって、θ_ν＝９０°の方向において、動作はヒルベルト位相板特性４３、４４と類似している。θ_ν＝０°の方向において、空間周波数が０に接近するとともに、ＰＣＴＦ４９は０に接近しており、正規化空間周波数が１に向かうとともにピーク値まで増加している。したがって、θ_ν＝０°の方向において、動作はＣＴＥＭ ＰＣＴＦ特性４１と類似している。

図８と図９に示す位相変化を有し、位相板１３を表すものとして先述した位相板についてのＰＣＴＦは、図１３のＰＣＴＦ５２と同様の手法によって計算される。この計算において、図５に示すように、ＴＥＭの明視野像を得るため、磁性バーは光軸９から１００ｎｍオフセットされている。等高線５３と位相反転を示すハッチング領域５４は、完全スパイラル位相板４９から得られるＰＣＴＦと同様のスパイラル形状を有する。しかし、θ_ν＝９０°の方向に沿って、完全スパイラルと比較してコントラストが減少していることが見て取れる。これは主に、磁性バー２５が後焦点面において散乱電子と交差し、空間周波数成分をブロックしていることに起因する。ゼルニケ位相板の特性４２、４３、４６とヒルベルト位相板の特性４４、４３、４６、４７、４８は、その物理構造を実現するため必要な支持構造によって空間周波数成分をブロックすることを考慮する必要はない。

先述の位相板と組み合わせてＴＥＭ内で実現される画像は、既知のＰＣＴＦおよびＭａｔｌａｂ（Ｒ）などのフーリエ変換手法を適用することにより、シミュレートすることができる。ただし、例えばＪ．Ｃ．Ｈ．Ｓｐｅｎｃｅ著：Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（第３版、Ｏｘｆｏｒｄ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ、２００３年）、Ｃｈａｐｔｅｒ３に記載されているように、標準弱位相物体近似の制約に留意されたい。画像シミュレーションを、対物レンズ開口半角（これは、画像内の高周波数成分についてのカットオフを決定する）に関する別制約の下で提示する。この制約条件において、対物レンズ開口半角は、全てのシミュレーションにおいて、従来のＴＥＭにおけるシェルツァー焦点外し設定の下でコントラスト反転なしの最大幅通過バンドを実現するため必要な半角に等しい。さらに、１００ｋＶ ＴＥＭにおいて一般的なパラメータとともに、先述の式（４）と式（５）に示す減衰包絡線を適用する。したがって、得られる画像は１００ｋＶ周辺においてＴＥＭ画像を最もよく表している。

回転対称の「液滴」試料物体からの画像を考慮する。試料は図１４のような断面を有しており、０．１ラジアンの位相遅延をもたらす均一な支持薄膜５５と、直径４ｎｍおよび０．０５ラジアンのピーク位相遅延を有する楕円キャップ中央凸部５６を備える。楕円キャップの中央は、ベース部下方における０．４２４ラジアンの位相遅延と等価な点にある。炭素でできた物体を１００ｋｅＶで撮影する場合、これは近似最大高さ０．７ｎｍ、１．４ｎｍ背面支持薄膜上の直径４ｎｍ、表面から５．９ｎｍ下方の楕円キャップ中心を有する物体に対応する。これは例えば、生物学的試料内の細胞膜上の球状タンパクを近似的に表す。

図１５を参照して、グレースケール画像５７、５８、５９、６０は、同レベルのコントラストと明度を提示するように調整されているが、絶対画像強度は表していない。

図１６、図１７、図１８、図１９を参照して、等高線６１、６２、６３、６４は、それぞれシミュレート画像５７、５８、５９、６０の絶対強度Ｉを示す。これら図面において、画像強度は｜Ψ｜^２に比例し、Ψは像平面における撮影粒子波動関数である。

画像コントラストは、式（６）を用いて計算される。

Ｉ_ｍａｘは画像内の最大強度であり、Ｉ_ｍｉｎは画像内の最小強度である。

図１６、図１７、図１８、図１９に示すように、本発明の実施形態に係る位相板をＣＴＥＭフォーカス条件で用いると、シェルツァー焦点外し条件において位相板なしで動作するＣＴＥＭおよびゼルニケ位相板を用いてフォーカス条件で動作するＣＴＥＭよりも強いコントラストを生成する。

本発明の位相板は、理想的なヒルベルト位相板を用いるＣＴＥＭより強いコントラストを生成しないが、図１８に示すように、長距離部分のアーチファクトが概ね弱く、および／または少なくなっている。

ヒルベルト位相板のアーチファクトは、アーチファクト６５、６６を含む長距離で浮き出た影部を表している（図１４ｃおよび図１８）。

図１８を参照して、「明るい」陰影アーチファクト６５は、等高線の強度が１．０３１８と１．０２１８であり、それぞれ約４ｎｍの距離および画像中心から６ｎｍ以上の距離まで延伸している。比較として、本発明の実施形態に係る図１９において、強度１．０３１８と１．０２１８の等高線は、ともに画像中心から２．５ｎｍ未満の距離まで延伸している。「暗い」陰影アーチファクト６６も同様である。ヒルベルト位相板（図１８）については、０．９８８１と０．９９８１の等高線は、それぞれ４ｎｍと６ｎｍ超まで延伸している。一方で本発明の位相板において、これら等高線は、画像中心から約２．５ｎｍ以下の距離まで延伸している。

これら試料画像を考慮すると、本発明によって得られる、ヒルベルト位相板と比較して減少した画像アーチファクトにより、ＴＥＭオペレータは、視野（ＦＯＶ）内のより大きな部分において、コントラストの方向を識別することができる。例えばヒルベルト位相板の円形ＦＯＶにおいて、画像は、ＦＯＶ外の形状から生じるコントラストとともに、６ｎｍ幅以上の外部環帯を有し得る。しかし、本発明に係る位相板については、図１９における最大空間延伸部分の等高線を考慮すると、環帯の幅は５ｎｍ以下である。

再び図４と図５を参照して、位相板１３は非散乱電子ビーム８と直接交差またはまたがる必要はない（図１および図２）。磁性部材２５の端部２７は、中心軸９からオフセットすることができる。完全に整列されたヒルベルト位相板とゼルニケ位相板のうちいくつかの形態は、非散乱電子ビームと直接交差する。非散乱ビームは弱位相物体において高い強度を有する場合があるので、ヒルベルト位相板とゼルニケ位相板のうちいくつかの形態は、電子ビーム起因の汚染や帯電のような電子ビームに起因するダメージを受け易い。

図３を参照して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）のような走査型プローブシステムにおいて、位相板１３はビーム形成（対物）開口位置１０１に配置される。この配置において、点電子源はＴＥＭアプリケーションにおいて考慮していた物体を置き換える。

先述のＴＥＭ画像強度をモデル化する手法と同じものを用いて、本発明に係る位相板のモデルを搭載したシステムにおいて、この点物体の画像強度を、図２０において等高線６７として示した。同手法は、集束ビーム点広がり関数（ＰＳＦ）として知られている。像平面内の空間座標ｒはα／λによって正規化されており、αは像平面における開口半角、λは電子波長である。画像強度も正規化され、像平面におけるビームに対して垂直な（ｒ，θ_Ｓ）座標系は中央最小強度を中心とする。

図２１を参照して、θ_Ｓ＝０°方向とθ_Ｓ＝９０°方向におけるＰＳＦ強度（それぞれ６８と６９）は、中央最小値を有する。比較のため、正規化座標軸原点は、最小強度を中心としておらず、標準円形開口から得られるＰＳＦ７０の最大強度を中心としている。

これら図面から、ＰＳＦは環形状を有するが、θ_Ｓ＝９０°方向６９に沿って非対称になっていることが分かる。ピーク強度は約θ_Ｓ＝９０°方向に沿って生じ、等高線６７から、ピーク１０８は三日月形状を有する（０．２０５と０．２１６における等高線を参照）。

再び図２０を参照して、生成したＰＳＦ波動関数は、破線の等高線７１とともに矢印で示す位相を有する。同位相は、環状ＰＳＦの正接方向の周りで−π〜＋πへ変化する。したがってビームは、マイクロ加工された回折格子によって生成されたビームにおいて存在するものと同様の渦度を有する。これについては、例えばＪ．Ｃ．ＩｄｒｏｂｏおよびＳ．Ｊ．Ｐｅｎｎｙｃｏｏｋ著、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、６０、１９５（２０１１年）を参照されたい。正接方向周りのビーム位相変化または渦度は、磁性部材２５の磁化方向によっては左巻きの場合もあるし右巻きの場合もある。

図２０と図２１は、本発明に係る位相板と、式（３）に基づくｈ／ｅ＝約４．１×１０^−１５Ｗｂの磁束を含むように磁化されて最大位相シフト２πを提供する磁性部材とから得られるＰＳＦを示しているが、磁性部材は最大位相シフトが約２πではない磁束を含むこともできる。この場合、ビームＰＳＦが最大「純」渦度を有するためには、バーが含む磁束が２πの整数倍近傍において最大位相シフトを生じさせる必要がある。「純」渦度とは、サイドローブが最小、１０８のような三日月形ピークが最小、またはその他の環状でない形状が最小である、最も環状な強度分散を有するビームＰＳＦを意味する。

図２０と図２１に示す例において、Φｅ／ｈに最も近い非ゼロ整数は１であり、強度が強い領域における環状ＰＳＦ周辺の波動関数の位相は、Δｐ＝２πを介して変化する。一般に、Φｅ／ｈが整数から離れている場合、ＰＳＦは少なくとも２つの、Φｅ／ｈ超およびΦｅ／ｈ未満の整数ｎに対応する支配的なモードを含む。これらモードは、Δｐ＝２πｎによって特徴付けられる。ｎ＝０モードは、磁性部材のない標準円形開口によって生じる、名目上均一なビームＰＳＦ波動関数位相に対応する。

本発明の構成は、例えばマイクロ加工格子を含むその他の構成よりも容易に、顕微鏡へ組み込んでビーム位相渦度を導入することができる。

図２２と図２３を参照して、位相板１３を製造する方法を説明する。
位相板１３は、シリコン支持部３８上に支持されたシリコン窒化物薄膜２１’を含む基板７２上に形成することができる（ステップＳ１）。薄膜２１は、約２００μｍ×２００μｍ四方および厚さ１００ｎｍのサイズを有することができる。

レジストの第１パターン層（図示せず）が形成される（ステップＳ２）。このステージは、アンダーカットレジストプロファイルを提供してその後のリフトオフを補助することができる２層の電子ビームレジストを用いるステップを含む場合がある。例えば、電子ビームレジストの第１層は、Ａｌｌｒｅｓｉｓｔ Ｇｍｂｈが提供するＡＲ−Ｐ６１７（共重合体 ＰＭＭＡ／ＭＡ １−メトキシ−２−プロパノール３３％）を含むことができる。このレジストは、５０００ｒｐｍで塗布することができ、１７０℃で固化する。電子ビームレジストの第２層は、９５０ｋ ＰＭＭＡ（アニソール２％）を含むことができる。このレジストは、５０００ｒｐｍで塗布することができ、１５０℃で固化する。高解像度電子ビームを用いてレジストを露出させ、例えばＩＰＡ：Ｈ_２Ｏ（３：１）を１０℃で３分間用いて加工する。

１以上の層をスパッタ積層またはＵＨＶ蒸発器により積層する（ステップＳ３）。この層は例えば、１０ｎｍの銅（Ｃｕ）などの接着促進層、２０ｎｍのコバルト（Ｃｏ）などの強磁性層、５ｎｍの金（Ａｕ）などの保護層を含むことができる。

所望しない金属化領域をアセトン内でリフトオフする（ステップＳ４）。
レジストの第２パターン層（図示せず）が形成される（ステップＳ５）。電子ビームレジスト層は、９５０ｋ ＰＭＭＡ（アニソール８％）を含むことができる。このレジストは、５０００ｒｐｍで塗布することができ、１２０℃で固化する。高解像度電子ビームを用いてレジストを露出させ、例えばＩＰＡ：Ｈ_２Ｏ（３：１）を１０℃で７分間用いて加工する。短時間の酸素プラズマディスカム（酸素プラズマバレルエッチャー内で３０秒１５０Ｗ）を用いて表面を確実に露出させることもできる。

開口をエッチングする（ステップＳ６）。このステージは、シリコン窒化物層を介してＣＦ_４／Ｏ_２を用いた反応イオンエッチングを含むことができる。一般的な条件は、４０ｓｃｃｍ ＣＦ_４と４ｓｃｃｍ Ｏ_２を用いて、４５秒３００Ｗ、２０ｍＴｏｒｒである。

第２マスクが除去される（ステップＳ７）。このステージは、低パワー酸素プラズマバレルエッチャーを例えば１５分間１５０Ｗで用いるステップを含むことができる。

最後に、構造物を両面から約７５ｎｍの金（Ａｕ）でスパッタ被覆することができる（ステップＳ８）。

実施形態によっては、支持部材２１は、入射する荷電粒子に対して不透明であるのに十分な厚さの材料層（または１以上の材料層）を備えることができる。この例においては、厚さ約７５ｎｍの金コーティングを支持部材２１と磁性部材２５の両面に適用する。これは約５ｋｅＶのエネルギーを有する電子に対して不透明である。これにより、図３に示すような、開口角が十分に制御され、プローブにおいて支持部材２１と磁性部材２５を介して散乱する電子の影響を低減した、５ｋｅＶ電子走査プローブを形成することができる。

支持部材２１と磁性部材２５は、衝突する荷電粒子に対して完全に不透明でなくともよい。例えば、ＴＥＭの位相板１３が後焦点面またはその共役面において用いられる場合、支持部材は、試料の高空間周波数成分を表す電子と最も多く交差する。したがって、これら電子が支持部材２１を通過して散乱する場合、これら高周波数成分に関する情報のみが失われ、得られる画像は一般に一貫性のない背景画像を提示する。さらに、このような高周波数成分から生じるコントラストは、一般に式（４）が表しているように減衰することに留意されたい。

磁性部材２５を介して生じる散乱も、得られる画像内において一貫性のない背景画像を提示し得るが、これにより生成された一貫性のない背景画像の強度は、磁性部材の幅を最小化することによって減少する。
磁性部材２５を分離して形成し、開口上に配置することもできる。

位相板１３は、ピエゾ駆動ユニットのようなマイクロ位置決め装置を用いて配置し、磁性部材２５を離れた対物レンズ開口（図示せず）の中心近傍および／または顕微鏡カラムの光学中心に揃えて、磁性部材をＴＥＭ後焦点面内の非散乱電子の中心位置近傍に位置決めすることができる。

位相板の特定の実施形態は、ＴＥＭおよび他のモードの荷電顕微鏡の利点を、特に走査型ＴＥＭ（ＳＴＥＭ）その他の後方散乱した荷電粒子を収集する走査型顕微鏡技術に提供することができる。例えばＳＴＥＭにおいて、集束電子プローブは試料全体にわたって走査され、散乱電子は検出および記録され、これにより電子散乱変化の画像を試料位置と比較することができる。

位相板をプローブ形成光学構成において配置することにより、渦度または軌道角運動量を有する荷電粒子ビームを生成することができる。このようなビームは、現在ではマイクロ加工格子をビーム経路に配置して軸外回折ビームを選択し、別の光学部品を通過させて集束プローブを形成することにより、生成することができる。例えばＪ．Ｃ．ＩｄｒｏｂｏおよびＳ．Ｊ．Ｐｅｎｎｙｃｏｏｋ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、６０、１９５（２０１１年）を参照されたい。このようなビームを用いて、材料の磁性特性を測定することができる。

本発明に係る位相板により、上記のようなビームを、単純な軸上構成によって生成することができる。この場合、位相板は従来のビーム制約開口位置に配置することができる。さらに、この軸上構成を用いて得られる渦状ビームは、非使用オーダにおいてビーム強度が失われる回折格子を用いて生成されたものよりも明るい。

先述の実施形態に対して多くの偏向を加え得ることを理解されたい。
顕微鏡は、走査型Ｈｅ^＋イオンシステムであってもよい。
コイル（図示せず）をバーの近位端上に配置してバー２５内の磁束を調整することもできる。

Claims (14)

1. 荷電粒子ビームシステム（１）において用いる位相板であって、
   スルーホール（２４）を有する支持部（２１）と、
   長さに沿った方向（２６）において磁化可能であり、部分的に前記スルーホールをまたがって延伸し、前記スルーホールよりも細い細長部材（２５）と、
   を備え、
   前記スルーホール（２４）は、前記スルーホール周辺上の第１点と第２点の間の中点を有し、前記細長部材は、前記周辺上の前記第１点から前記中点と交差することなく前記第２点に向かって延伸している
   ことを特徴とする位相板。
2. 前記細長部材（２５）は、１μｍ以下の幅を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の位相板。
3. 前記細長部材（２５）は幅ｗを有し、前記スルーホール（２６）は幅ｄを有し、ｄ≧２０ｗまたは少なくともｄ≧５０ｗである
   ことを特徴とする請求項１または２記載の位相板。
4. 前記スルーホール（２４）は直径または最大サイズｄを有し、前記細長部材（２５）は長さＬを有し、Ｌ≧ｄである
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の位相板。
5. 前記スルーホール（２４）は概ね円形である
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の位相板。
6. 前記支持部（２１）の腕部は、前記スルーホールに向かって延伸しており、前記腕部（２９）は、前記細長部材（２５）を支持している
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の位相板。
7. 前記細長部材（２５）は、２００ｎｍ以下の厚さを有する
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の位相板。
8. 前記細長部材（２５）は、少なくとも５ｎｍの厚さを有する
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の位相板。
9. 前記細長部材は、ニッケル、コバルト、および／または鉄を含む
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項記載の位相板。
10. 前記細長部材は、４×１０^−１５Ｗｂまたは４×１０^−１５Ｗｂの整数倍の磁束を有する
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の位相板。
11. 前記位相板は、前記細長部材（２５）を覆う導電層を備え、前記導電層は前記支持部（２１）を覆う
    ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項記載の位相板。
12. 荷電粒子ビーム源（３）と、
    対物レンズ（１２）と、
    前記対物レンズの下流または上流に配置された請求項１から１１のいずれか１項記載の位相板（１３）と、
    を備えることを特徴とする荷電粒子ビームシステム。
13. 前記位相板は、前記対物レンズの後焦点面またはその近傍に配置されている
    ことを特徴とする請求項１２記載の荷電粒子ビームシステム。
14. 透過型電子顕微鏡および／または走査型電子顕微鏡または走査型透過電子顕微鏡として動作することができる
    ことを特徴とする請求項１２または１３記載の荷電粒子ビームシステム。

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