JP6910682B2 - 減速比可変球面収差補正静電レンズ、広角エネルギーアナライザ、及び、二次元電子分光装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＸＰＳ（光電子分光装置）、ＡＥＳ（オージェ電子分光装置）などの電子分光装置に関するものである。

電子分光装置は、試料から放出される電子のエネルギー分布、放出角度分布を測定することによって、試料の表面および深さ方向の元素の組成や化学結合状態、さらにはエネルギーバンド構造、原子配列構造の詳しい分析が可能な装置であり、これまでに性能、効率性、利便性を追求した様々な形態の装置が開発されている。
電子分光装置では、エネルギーアナライザの入射部分にインプットレンズと呼ばれる静電レンズが用いられることが多く、この静電レンズは、試料から放出される電子をできるだけ多く取り込み、その電子を減速させてからアナライザに入射させることにより、エネルギー分解能を向上させることができる。
通常の静電レンズでは、球面収差によって、大きな開き角のビームを一点に集束させることが困難であり、取り込み角は±２０°程度が限界であったが、球面メッシュを用いることで感度を上げることが可能であり、取り込み角は±３０°程度まで改善された（特許文献１を参照）。
また、非球面メッシュの球面収差補正作用を応用し、複数の電極を用いて最適な電場を作り出すことで、球面メッシュを用いるよりも広い取り込み角を実現できる球面収差補正静電レンズが知られている（特許文献２，３，非特許文献１を参照）。

特許文献３に開示された静電レンズを用いると、一点から出た荷電粒子を大きな取り込み角で取り込み、減速した上で収束させることが可能になる。図２７に、従来の球面収差補正減速型静電レンズの一例を示す。ここで、取り込み角は±５０°に設定されている。このレンズは第０電極〜第４電極（ＥＬ０〜ＥＬ４）で構成されており、第０電極には回転楕円面メッシュが設けられている。第０電極（ＥＬ０）をグラウンド電位に設定し、第１電極〜第４電極（ＥＬ１〜ＥＬ４）に、荷電粒子を減速して収束させるための適切な負または正の電圧を印加する。より詳しくは、負の電荷をもった粒子の場合には、適切な負の電圧を第１電極〜第４電極（ＥＬ１〜ＥＬ４）に印加し、正の電荷をもった粒子の場合には、適切な正の電圧を第１電極〜第４電極（ＥＬ１〜ＥＬ４）に印加する。これらの電圧印加によって生成される減速型の収束電場の様子を、図中に等電位線によって示している。

球面収差補正減速型静電レンズは、一般の静電レンズと同様、軸対称な電極で構成され、等電位面は等電位線を静電レンズの中心軸周りに回転させた回転面となる。通常の球面収差補正減速型静電レンズにおいて、減速型の収束電場の実質的な分布域は、図２７に示したように、メッシュ電極（Ｍｅｓｈ）から静電レンズの内径程度の広がりをもった領域となる。広い入射角範囲の荷電粒子は、メッシュ電極を通過すると等電位面に垂直な内側の方向に力を受け、単調に減速されながら曲げられ、静電レンズの出口位置に収束する。このとき荷電粒子の運動エネルギーはεＥ_ｋ（０＜ε＜１）となる。
ここで、Ｅ_ｋは静電レンズの入口での運動エネルギー、εは出口での運動エネルギーのＥ_ｋに対する比である（以下、εを減速比という）。本明細書において、減速比が高いとはεの値が小さいことを意味し、減速比が低いとはεの値が大きいことを意味する。
図２７に示す球面収差補正減速型静電レンズにおいて、減速比εは第４電極（ＥＬ４）に印加される電圧によって決定される。１ｋｅＶの電子に対して第４電極（ＥＬ４）には−７９４Ｖの電圧が印加されるため、この球面収差補正減速型静電レンズの減速比εは 、（１０００−７９４）／１０００＝約１／５となる。図２７に示す球面収差補正減速型静電レンズにおいて、減速比εを変化させることは可能であるが、この場合、収束性が著しく低下し、広い入射角範囲にわたって荷電粒子を収束させることが困難になるという問題がある。

一方、材料の特性や機能を原子配列構造やバンド構造等の微視的な視点から詳しく解析するには、高いエネルギー分解能をもった分析器が必要になる。これは、電子の束縛エネルギーの差が１ｅＶ程度またはそれ以下と僅かであっても、原子配列構造やバンド構造等の微視的な構造が違ったものになるため、物性に大きな影響を与える可能性があるからである。電子の束縛エネルギーの差が１ｅＶ程度以下の異なる原子・電子構造を明確に区別して測定するには、少なくとも０．１〜０．３ｅＶ程度の絶対分解能が必要である。

０．１ｅＶの絶対分解能を得るために分析器に求められる相対分解能は、運動エネルギーが１００ｅＶの場合、１／１０００になり、運動エネルギーが１ｋｅＶの場合、１／１００００になる。Ｘ線光電子回折（ＸＰＤ：X-ray Photoelectron Diffraction）や光電子ホログラフィーでは、光電子の放出角度分布を測定することにより、特定の原子周りの原子配列構造の情報を得ることができるが、そのためには光電子の出射エネルギーを数百ｅＶ以上に設定する必要がある。このようなエネルギー領域において、高いエネルギー分解能を達成するには、試料から放出された電子をエネルギー選別部に入射させる前に、その運動エネルギーを減少させる必要がある。ここで、エネルギー選別部は、荷電粒子の軌道を運動エネルギーに応じて振り分けたり、スリットやアパチャーの挿入によって特定エネルギーの荷電粒子を選択したりするものである。

電子分光装置の中で最も普及しているのが静電半球型エネルギーアナライザ（ＣＨＡ；Concentric Hemispherical Analyzer）である。ＣＨＡの場合、半径の異なる２つの半円球からなる静電半球部がエネルギー選別部に該当する。一般に、エネルギー選別部のサイズを大きくすることによりエネルギー分解能を向上させることは可能であるが、製作コスト、維持コスト、利便性を鑑みると、装置サイズをあまり大きくすることはできない。そのため、ＣＨＡを含む様々なエネルギーアナライザにおいて、エネルギー選別部の相対分解能は、比較的小型のエネルギーアナライザに対応する１／２００から１／１０００程度にとどまっている。
ＣＨＡの利点は、高エネルギー分解能を容易に達成できることであるが、その反面、放出角度分布の測定の効率は極めて低く、より高度な分析を行う上で大きな障害となるといった問題が指摘されている。

このように、エネルギー選別部だけの作用で高いエネルギー分解能を得るのは困難である。そこで、ＣＨＡでは、静電半球部と組み合わせたインプットレンズによって減速が行えるようになっている。エネルギー選別部の相対分解能が１／２００〜１／１０００の分析器において、減速によって荷電粒子の運動エネルギーを１／１０にできれば、入射エネルギー（分析器に入射する荷電粒子の運動エネルギー）の１／２０００〜１／１００００の分解能が可能になる。
可能な絶対分解能ΔＥは、エネルギー選別部の相対分解能ｒ、減速比ε、入射エネルギーＥ_ｋを用いて、ΔＥ＝ｒεＥ_ｋで表される。必要な減速比εは、この式と求める絶対分解能から算出される。ＸＰＤや光電子ホログラフィーに適した運動エネルギーＥ_ｋは５００ｅＶ〜１０００ｅＶ程度である。Ｅ_ｋ＝１ｋｅＶにおいて、０．１ｅＶの絶対分解能を達成するには、ΔＥ＝ｒεＥ_ｋの式から、１／１０〜１／５０程度の減速比が必要になる。ここで１／５０程度の高い減速比は、高エネルギー分解能の小型分析器を実現しようとする場合に必要になると推察する。また、１０００ｅＶよりも高いエネルギー領域において、０．１ｅＶ程度またはそれ以下の分解能を達成しようとする場合、より高い減速比が必要になる。

一般に、高い減速比の設定では、高エネルギー分解能が見込まれる反面、検出感度は低減速比の場合と比較して大きく低下したものになる可能性がある。したがって、低エネルギー分解能でも支障のない測定では減速比を低く設定し、高エネルギー分解能が必要な場合のみ高い減速比で測定するというように、減速比は幅広く変えられることが好ましい。

特開平８−１１１１９９号公報 特許第４８０２３４０号公報 特許第４９００３８９号公報

H. Matsuda et al., "Development of display-type ellipsoidal mesh analyzer: Computational evaluation and experimental validation", Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, Volume 195, Page 382-398, August (2014).

高エネルギー分解能、かつ、放出角度分布を広い取り込み立体角にわたって同時に測定できる電子分光装置を実現するには、静電レンズの収束性能が重要になる。また通常、エネルギーアナライザは、エネルギー選別部の入口にスリット又はアパチャーを挿入して高エネルギー分解能を達成するが、入口に生じる静電レンズの球面収差による拡がりが、スリット幅又はアパチャー径より大きい場合には角度の情報が失われることになる。

上述の如く、通常の静電レンズでは、球面収差が大きく、球面収差によって取り込み角は±２０°程度が限界であり、取り込み角を±数度以下にしなければ収束させることができなかったが、球面メッシュを用いることで感度を上げることが可能であり、さらに、図２７に示すような、非球面メッシュの球面収差補正静電レンズでは、複数の電極を用いて最適な電場を作り出すことで、より広い取り込み角を実現できており、±５０°の取り込み角にわたって、球面収差をほぼ完全に補正することが可能である。
しかし、図２７に示すような球面収差補正減速型静電レンズの場合、減速比は約１／５で固定されており、より高エネルギー分解能を達成するには、より高い減速比が必要になるものの、静電レンズをより高い減速比に設定しようとすると静電レンズの収束性が著しく低下するといった問題がある。

また、二次元電子分光装置における現状の構成は、装置サイズがかなり大きいことが問題である。装置サイズが大きくなると、製作コストや維持コストが高くなり、設置場所にも大きな制約を受けることになる。
さらに、二次元電子分光装置において、高エネルギー分解能の二次元角度パターンの測定は、静電レンズが出力する広角の二次元角度パターンをＣＨＡに入射させることによって行われるが、ＣＨＡで得られるのは細長いスリットを通った一次元の角度パターンであり、二次元角度パターンを再構成するために、ＣＨＡ入射前にディフレクタを用いて二次元パターンの位置を少しずつ変えて多数の一次元パターンを取得することが行われることから、測定に多くの時間がかかってしまい、リアルタイムの観察は不可能であるという問題がある。

上記の問題点に鑑み、本発明は、減速比を幅広い範囲にわたって可変調整でき、高エネルギー分解能の二次元放出角度分布測定を広い取り込み立体角にわたって同時に測定できるコンパクトな二次元電子分光装置、並びに、該装置を構成する減速比可変球面収差補正静電レンズと広角エネルギーアナライザを提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明の減速比可変球面収差補正静電レンズは、点源に対し凹面状を有する軸対称または実質的に軸対称な非球面メッシュおよび軸対称または実質的に軸対称な単一乃至は複数の電極から成り、点源から発生した荷電粒子の球面収差を調整する静電レンズと、静電レンズと同軸に配置される軸対称な電極であって、減速電場を成形する平面グリッドが該減速電場の出口側に設けられた減速電場生成電極から構成される。そして、点源から発生した荷電粒子が静電レンズによりレンズ出口に収束するように、メッシュ形状と電極の電位及び配置が調整され、減速電場生成電極が収束点の前段に設けられ印加電位を調整することによって荷電粒子の減速比を制御し、平面グリッドにより、減速比によらず、収束角をほぼ一定に保ち得る特徴を有する。

上記構成によれば、点源から放出される荷電粒子を広立体角範囲にわたり取り込み、減速比を可変調整できる。本発明の減速比可変球面収差補正静電レンズの電極に負電位を印加すれば電子を収束し、正電位を印加すれば陽イオンを収束できる。
本発明の減速比可変球面収差補正静電レンズは、従来技術の球面収差補正静電レンズとエネルギーアナライザのインプットレンズの２つの機能を１つのレンズで実現できる。
ここで、非球面メッシュの形状の具体的な態様としては、メッシュ開口部の中心付近からメッシュ中心の位置までを長軸とする略回転楕円体で、メッシュ開口部付近は内側に凸の曲率で広がる形状であり、メッシュ形状と電極の電位及び配置が調整されることにより、特定エネルギーの荷電粒子線を±６０°程度の広い角度で取り込み収束させることが可能になる。
なお、非球面メッシュの形状パラメータについては、上述の特許文献２，３や非特許文献１に開示している。

従来の静電レンズでは、減速比を高くすると収束角が増大するが、平面グリッドを設けることにより、減速比によらず、収束角をほぼ一定に保つことができ、これにより、エネルギー分解能を大幅に向上することが可能になる。
平面グリッドは、静電レンズの外部から挿入および抜去し得る機構を備えることでもよい。
また、平面グリッドは、開口サイズが異なる複数のグリッド付き開口部と、開口部の切替え機構から成ることでもよい。
また、平面グリッドは、開口エリアが可変のグリッド付き開口部から成り、開口エリアの開口を絞ることによりグリッドのサイズを変化できることでもよい。

本発明の減速比可変球面収差補正静電レンズにおいて、点源から発生した荷電粒子の取り込み角を制限する開口サイズが異なる複数の開口部と、開口部の切替え機構を更に備え、開口部を切替えることにより、荷電粒子の取り込み角を制御できることでもよい。

本発明の減速比可変球面収差補正静電レンズにおいて、減速比を制御する減速電場生成電極が、少なくとも２段構成であることでもよい。

次に、本発明の二次元電子分光装置について説明する。
本発明の二次元電子分光装置は、上述の本発明の減速比可変球面収差補正静電レンズと、静電レンズのレンズ出口側に設けられた投影レンズから構成される。
本発明の二次元電子分光装置は、好ましくは、円筒鏡型エネルギーアナライザ（ＣＭＡ；Cylindrical Mirror Analyzer）や静電半球型エネルギーアナライザ（ＣＨＡ；Concentric Hemispherical Analyzer）のように入射角と出射角が１対１で対応するエネルギーアナライザが更に設けられ、静電レンズのレンズ出口側にエネルギーアナライザ、エネルギーアナライザの出口側に投影レンズが配置される。エネルギーアナライザの後段に投影レンズを配置することにより、二次元放出角度分布を広い取り込み立体角にわたって同時に測定することが可能になる。
ここで、円筒鏡型エネルギーアナライザ（ＣＭＡ）は、通常、半径の異なる２つの円筒電極が同軸に配置されていることが特徴であり、電子銃は通常、内円筒電極の内側に配置され、軸上に置かれた試料に電子線が照射されるように構成されている（図２８を参照）。電子線の照射によって試料から放出されたオージェ電子は、内円筒の一部に設けられた円筒形状グリッドを通過して、円筒対称電場に入射し、その後、電子は円筒対称電場によって曲げられ、内円筒に設けられたもう一つの円筒形状グリッドを通って円筒対称電場の外に出て軸上に収束する。
また、静電半球型エネルギーアナライザ（ＣＨＡ）は、通常、前述のとおり、半径の異なる２つの半円球からなる静電半球部とインプットレンズで構成され、静電半球部がエネルギー選別部として機能するものである。

本発明の二次元電子分光装置は、更に好ましくは、円筒鏡型エネルギーアナライザではなく、その替わりに広角エネルギーアナライザを備える。
ここで、本発明の広角エネルギーアナライザは、円筒鏡型エネルギーアナライザの２つの円筒形状グリッドに替えて、２枚のトロイダルグリッドを用い、かつ、各グリッドの軸方向の長さを大きくし、荷電粒子の取り込み角を広げた構成を有する。
広角エネルギーアナライザを用いることにより、取り込み角は円筒鏡型エネルギーアナライザと比較して２〜１０倍程度になり、減速比可変球面収差補正静電レンズを、直接、エネルギーアナライザに組み合わせることが可能になり、従来装置と比較して、装置サイズを大幅に小さくすることができ、大幅な感度や機能の向上が期待できる。

本発明の減速比可変球面収差補正静電レンズによれば、広い取り込み立体角にわたって荷電粒子を収束でき、かつ、減速比を幅広い範囲にわたって可変調整できるといった効果がある。
また、本発明の広角エネルギーアナライザによれば、高エネルギー分解能と大幅な感度向上が図れるといった効果がある。
そして、本発明の二次元電子分光装置によれば、高エネルギー分解能の二次元放出角度分布測定を広い取り込み立体角にわたって同時に測定でき、かつ、コンパクトな装置構成にできるといった効果がある。

減速比可変球面収差補正静電レンズの構成説明図 実施例１の減速比可変球面収差補正静電レンズの構成説明図 実施例１の減速比可変球面収差補正静電レンズの減速比の説明図 実施例１の減速比可変球面収差補正静電レンズにおける荷電粒子のレンズ出口の軌道の説明図 実施例２の減速比可変球面収差補正静電レンズの構成説明図 実施例２の減速比可変球面収差補正静電レンズにおける出射角の説明図 実施例３の減速比可変球面収差補正静電レンズの構成説明図 実施例３の減速比可変球面収差補正静電レンズの減速比の説明図 実施例３の減速比可変球面収差補正静電レンズにおける荷電粒子のレンズ出口の軌道の説明図 実施例４の減速比可変球面収差補正静電レンズの構成説明図 実施例４の減速比可変球面収差補正静電レンズの減速比の説明図 実施例５の減速比可変球面収差補正静電レンズの構成説明図 実施例６の減速比可変球面収差補正静電レンズの構成説明図 実施例７の減速比可変球面収差補正静電レンズの構成説明図 実施例８の減速比可変球面収差補正静電レンズの構成説明図 実施例９の二次元電子分光装置の構成説明図 実施例９の二次元電子分光装置のエネルギー分解能の説明図 実施例１０の二次元電子分光装置の構成説明図（１） 実施例１２の二次元電子分光装置の構成説明図（２） 実施例１２の広角エネルギーアナライザの構成説明図 実施例１２の広角エネルギーアナライザの電子軌道の説明図 実施例１２の広角エネルギーアナライザの収差、入射角と出射角の説明図 実施例１２の広角エネルギーアナライザの透過率の説明図 実施例１２の広角エネルギーアナライザのエネルギー分解能の説明図 実施例１３の広角エネルギーアナライザの構成説明図 実施例１４の二次元電子分光装置の構成説明図 先行技術の球面収差補正減速型静電レンズの構成説明図 従来の円筒鏡型エネルギーアナライザの構成説明図 従来の円筒鏡型エネルギーアナライザにおける荷電粒子軌道、収差、入射角と出射角の説明図 実施例９の二次元電子分光装置のエネルギー分解能の測定結果を示す図

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。

まず、図１を参照して、減速比可変球面収差補正静電レンズの基本構成について説明する。減速比可変球面収差補正静電レンズは、点源１に対し凹面状を有する軸対称な非球面メッシュ２および軸対称な６つの電極（ＥＬ０〜ＥＬ５）から構成される。試料３に対して励起ビームを照射すると、照射点となる点源１から一定の開き角をもって、荷電粒子（電子あるいはイオン）が放出される。励起ビームは、励起ビームを通す穴４を通って試料３に照射される。点源１から発生した荷電粒子の取り込み角は±６０°程度の場合、励起ビームを通す穴４は、レンズの軸に対して、７５°以上になるように配置される。

電極の配置と電位について一例を説明する。それぞれの電極ＥＬ０〜ＥＬ５は、同軸のリング状の電極である。静電レンズを構成する５つの電極ＥＬ０〜ＥＬ４の内、図１に示すように、電極ＥＬ０は、非球面メッシュ２と接続されており、０Ｖとなるようにアースに繋がれている。これは、試料３と同電位とするためである。３つの電極ＥＬ１〜ＥＬ３は、順番に、点源１から遠ざかるように配置され、かつ、電子ビームの外周の外側に電極の先端部が配置されるように、電極の内径が大きくなっている。電極ＥＬ４は、最も離れた位置に配置され、軸方向に長く延びた形状となっている。

非球面メッシュの形状について説明する。非球面メッシュ２は、メッシュ開口部の中心付近からメッシュ中心の位置までを長軸とする略回転楕円体である。点源から放出する荷電粒子に対して、相対的に中心軸方向の力が増大するように電場を生成すべく、非球面メッシュ２の形状は球面ではなく、軸方向に長軸をもつ回転楕円面に近い形状としている。

図２は、実施例１の減速比可変球面収差補正静電レンズの構成を示している。実施例１の減速比可変球面収差補正静電レンズは６つの電極（ＥＬ０〜ＥＬ５）から構成され、この静電レンズの特徴は大きな開き角の荷電粒子を２段階で減速して収束させることである。第１段階の減速は、試料３側の５つの電極（ＥＬ０〜ＥＬ４）による減速電場（第一減速電場１１）によって荷電粒子が減速される（第１段減速）。ここで荷電粒子は入射時の１／５程度まで減速される。その後、出口側に設けた減速電場（第二減速電場１２）によって該荷電粒子はさらに減速され（第２段減速）、静電レンズの出口位置５に収束される。
実施例１において減速比は１／１０に設定されている。本実施例の減速比可変球面収差補正静電レンズでは、少なくとも減速比が１／５〜１／２０の範囲において、印加電圧のみの調整によって高い収束を得ることが可能である。

図３は、本実施例の減速比可変球面収差補正静電レンズにおいて、減速比１／５〜１／１００の設定において印加電圧のみの調整によって得られた電場分布と荷電粒子軌道を示している。図３（ａ）に示す減速比１／５の場合は、第二減速電場を無くし（ゼロにし）て、第一減速電場のみが調整される。図３（ａ）に示す減速比１／５の場合の電場分布と荷電粒子軌道は、図２７に示した従来の球面収差補正減速型静電レンズの電場分布と荷電粒子軌道と同じになる。図３（ａ）〜３（ｅ）に示されている重要なポイントは、図３（ｄ）（ｅ）に示すように、減速比を高くするにつれて荷電粒子軌道の収束角が大きくなることである。また、減速比が１／５０〜１／１００において収束が著しく低下することも注目すべきポイントである。

これらのポイントは、図４のグラフにおいてより明確に示されている。図４の左のグラフは、図３の各減速比の静電レンズにおいて、点源１から入射角α[ｄｅｇ]で入った荷電粒子が静電レンズの出口で見出される位置を光軸からの高さｘｆ[ｍｍ]で示している。図４の右のグラフは、荷電粒子軌道の静電レンズ出口での角度（出射角β[ｄｅｇ]）を示している。
減速比が１／５、１／１０、１／２０のときは、ほぼ全入射角にわたって高い収束が得られ、収束角は、それぞれ、約±７．１°、約±９．０°、約±１２．７°となっている。
一方、減速比が１／５０、１／１００では、大きな球面収差が発生し、出射角βが著しく増加している。入射角α＝２０°に対して出射角βは、それぞれ、約−１０．２°、約−２１．１°となっている。出射角βが大きくなると、後段に設ける投影レンズまたはエネルギーアナライザ等の許容取り込み角を超える場合が多くなる。

例えば、一般的なエネルギーアナライザである静電半球型エネルギーアナライザ（ＣＨＡ）の取り込み角は±６〜７°程度となっている。また、他の多くのエネルギーアナライザも取り込み角は±７°または±８°程度が限界となっている。このようなエネルギーアナライザを、本実施例の減速比可変球面収差補正静電レンズの後段に配置して、静電レンズの減速比を１／１０程度またはそれよりも高い設定にすると、角度の情報が失われることになる。したがって、減速比可変球面収差補正静電レンズをこのようなエネルギーアナライザと組み合わせて用いる場合には、静電レンズの収束角を±７°程度以下になるように電位を調整する。

図５は、実施例２の減速比可変球面収差補正静電レンズの構成を示している。実施例２の減速比可変球面収差補正静電レンズは７つの電極（ＥＬ０〜ＥＬ６）から構成され、この静電レンズの特徴は大きな開き角の荷電粒子を３段階で減速して収束させることである。第１段階の減速は、試料３側の５つの電極（ＥＬ０〜ＥＬ４）による減速電場（第一減速電場１１）によって荷電粒子が減速される（第１段減速）。ここで荷電粒子は入射時の１／５程度まで減速される。その後、静電レンズ中央に設けた減速電場（第二減速電場１２）によって該荷電粒子は入射時の１／５〜１／６程度まで減速され（第２段減速）、さらに、静電レンズの出口側に設けられた減速電場（第三減速電場１３）によって減速され（第３段減速）、静電レンズの出口位置５に収束される。

上述の実施例１において減速比は１／１０に設定されていたが、実施例２において減速比は１／２０に設定されている。第一減速電場１１と第二減速電場１２を併せて調整することによって、荷電粒子が第三減速電場１３に入る前に、荷電粒子の軌道の高さと方向を微調整することが可能になる。これによって、球面収差をより小さくしたり、収束角を減少させたりすることが可能になる。
図６は、実施例２（３段階減速）の減速比可変球面収差補正静電レンズにおいて得られた出射角βを、上述の実施例１（２段階減速）の場合と比較して示したものである。入射角αに対する出射角βは、減速比εが１／２０、１／５０、１／１００において、実施例２（３段階減速）が実施例１（２段階減速）の場合と比べて、それぞれ、４％、１２％、２３％程度減少していることがわかる（図中、実線プロットが実施例２の静電レンズであり、点線プロットが実施例１の静電レンズである）。以上のとおり、減速比可変球面収差補正減速型レンズを２段階減速から３段階減速に変更することによって、出射角βを減少させることが可能である。

実施例２で述べたとおり、減速比可変球面収差補正静電レンズを２段階減速から３段階減速に変更することによって出射角を減少させることが可能であるが、実施例２の減速比可変球面収差補正静電レンズにおいて、減速比を１／２０程度またはそれより大きい設定にすると、収束角を±１０°程度以下にすることが困難になるといった問題がある。本実施例では、収束角を更に小さくすることができる減速比可変球面収差補正静電レンズについて説明する。
図７は、実施例３の減速比可変球面収差補正静電レンズの構成を示している。図７に示す静電レンズは、上述の実施例１の減速比可変球面収差補正静電レンズ（図２を参照）の第５電極（ＥＬ５）に変更を施したものであり、第５電極（ＥＬ５）に平面グリッド６が設けられていることが特徴である。平面グリッド６は、第５電極と一体であってもよいし、着脱自在に取り外しができる設計であってもよい。図７に示す実施例３の静電レンズでは、平面グリッド６が取り外しできる設計となっている。平面グリッド６は、具体的には、金属リング７に金属グリッド８がスポット溶接またはその他の方法により取り付けられた構成である。この金属リング７と第５電極（ＥＬ５）はネジ（図示せず）によって固定される。金属リング７には、ネジによって電極（ＥＬ５）に固定するためのネジ穴９（キリ穴とネジ頭部を材料に埋め込み面一にするための座グリ穴）が設けられている。

図７に示す実施例３の静電レンズを用いた場合の荷電粒子の軌道は、減速比を１／２０に設定した場合のものである。収束角は、第５電極（ＥＬ５）に平面グリッド６を用いない場合で、前述の図６に示したとおり、出射角βは±１２°程度であるが、平面グリッド６を用いることによって、±７°程度に減少させることが可能である。

図８及び図９を参照して、実施例３の減速比可変球面収差補正静電レンズの減速比と荷電粒子の静電レンズ出口の軌道について説明する。図８は、減速比を１／１０，１／２０，１／５０，１／１００と変化させたときの荷電粒子の軌道の変化を示している。図９は、図８のレンズ設定で得られる球面収差と収束角を示している。図９が示す重要なポイントは、荷電粒子の軌道の収束角が、減速比によらず、ほぼ一定（±７°程度）に保たれるということである。また、収束も大幅に改善されることが平面グリッド６を用いた本実施例の減速比可変球面収差補正静電レンズの特徴である。

図１０は、実施例４の減速比可変球面収差補正静電レンズの構成を示している。図１０は、実施例２の３段階の減速比可変球面収差補正静電レンズに対して、実施例３で示した平面グリッド６を設けたものである。平面グリッド６は第６電極（ＥＬ６）に設けられている。また、図１１は、減速比を１／１０，１／２０，１／５０，１／１００と変化させたときに得られる球面収差と収束角を示している。実施例３の２段階減速の結果（図９に示すグラフ）と比較すると、特に、減速比が１／５０，１／１００において球面収差が減少し、収束が改善されていることがわかる。

図１２は、実施例５の減速比可変球面収差補正静電レンズの構成を示している。平面グリッド６は、実施例３（図７を参照）や実施例４（図１０を参照）の静電レンズの構成では、金属リングを介して特定の電極にネジ留めされているが、本実施例の静電レンズのように、平面グリッドを外部から挿入することも可能である。
すなわち、図１２に示す平面グリッド２０のように、金属グリッド８が設けられた開口プレート２１を光軸に対して直交するように、直線的に導入する機構の先端に取り付けて挿入することができる。或は、図示しないが、回転機構を用いて、金属グリッド８が設けられた開口プレート２１を光軸に対して直交するように挿入することも可能である。このような機構が設けられていれば、状況に応じて、平面グリッドを使ったり使わなかったりといったフレキシブルな設定で測定を行うことができる。

平面グリッド使用のデメリットとしては、平面グリッドの開口率による分析器感度の低下が挙げられる。荷電粒子が平面グリッドを通過するとき、平面グリッドの各孔は微小な静電レンズとして作用し、軌道が僅かながら曲げられる。この作用によって角度パターンや拡大像がぼける可能性がある。この微小なレンズ作用を無視できるくらいまで小さくするには、平面グリッドの目開きを１０μｍ程度またはそれ以下にする必要がある。
平面グリッドの目開きが１００μｍ程度以上でよい場合、開口率６０％以上の市販の金属製の平面グリッドを利用することができるが、目開きを１０μｍ程度またはそれ以下にする場合、そのような高い開口率を達成することは容易ではなく、感度が低くなる。したがって、例えば、荷電粒子の運動エネルギーの測定において、狙いとするシグナルのピーク位置が他のシグナルのピーク位置から十分離れていてあまり高いエネルギー分解能を必要としない場合は、平面グリッドを退避させ、低い減速比で測定するという選択肢が有効になる。また、強度の低いシグナルをとらえて二次元放出角度分布を測定する実験においては、時間の浪費を避けるため、まず、感度ができるだけ高くなる設定でシグナルのピーク位置を確認し、その後、高エネルギー分解能で二次元角度分布を広い取り込み立体角にわたって同時測定できる設定に切り替えて測定を行うことが望ましい。
本実施例の静電レンズの構成のように、挿入／抜去が可能な平面グリッドを備えた減速比可変球面収差補正静電レンズは、このような測定において有効に利用することができる。

図１３は、実施例６の減速比可変球面収差補正静電レンズの構成を示している。図１３に示すように、本実施例の減速比可変球面収差補正静電レンズでは、試料３上の点源から荷電粒子が放出する角度を制限する開口を、静電レンズの入口に設けている。本実施例の静電レンズでは、開口面積が異なる複数の開口２４が設けられた回転プレート２５と、図示しない回転機構（回転プレートの回転軸２６を回転させる機構）が用いられる。回転プレート２５には、その回転中心から所定の距離だけ離れた円周上のいくつかの点を中心として半径の異なる円形の開口２４が設けられる。

図１３に示す構成では、円形プレートに８つの開口２４が設けられており、最大の開口はレンズの入口と同じ大きさ、その他の開口は、大きい方から、受け入れ角が±５０°、±４５°、±４０°、±３５°、±３０°、±２０°、±１０°となっている。回転プレート２５の形状、大きさ、設ける穴の数等は、設計次第であり、様々な変化が可能である。回転プレート２５と回転機構は、第０電極（ＥＬ０）または絶縁部材や静電レンズのカバー部材等に取り付けられる。
回転プレート２５と回転機構の取り付け位置は、回転プレート２５の回転中心の静電レンズ中心軸からの距離と各開口中心を通る円周の半径が一致するように決定される。その結果、回転プレート２５を回転することによって任意の開口が静電レンズ入口の中心位置に移動されることになる。

本実施例の減速比可変球面収差補正静電レンズによって取り込まれた荷電粒子は、この静電レンズによって収束された後、直接、または後段に設けられた電子光学系を通って、ＭＣＰ（マイクロチャンネルプレート）などの検出器で処理される。検出器がＭＣＰのスクリーンのように二次元検出器の場合、スクリーンには二次元放出角度分布や試料の拡大像が映し出されることになる。本実施例の静電レンズの構成を用いて、角度を制限するによって、拡大像の空間分解能を向上させることが可能になる。また、本実施例の静電レンズの後段に、投影レンズやエネルギーアナライザを設けて二次元放出角度分布を測定する場合、減速比や後段の電子光学系の性能次第では、取り込み角を制限した方がシグナル・ノイズ比（ＳＮ比）の高いデータが得られることになる。

図１４は、実施例７の減速比可変球面収差補正静電レンズの構成を示している。図１４に示す本実施例の静電レンズは、角度を制限する平面グリッド付き開口プレート２７を備える。本実施例の静電レンズでは、半径の異なる４つの平面グリッド付き開口２４が一列に並んだ開口プレート２７が第６電極（ＥＬ６）の前に配置されている。それぞれの平面グリッド付き開口２４は、開口プレート２７をスライドさせることによって、各々を静電レンズの中心軸に移動することができる。最大の開口は、すべての入射角の荷電粒子軌道を通すサイズを有し、その他の開口は、荷電粒子軌道の角度広がりを制限するサイズとなっている。開口プレート２７の配置や大きさは、図１４に示したものに限定されるものではなく、様々な設計変更が可能である。

例えば、平面グリッド付き開口が円周上に並んだ円形の開口プレートを用いることも可能である。この場合、それぞれの開口は回転機構により静電レンズの中心軸に移動されることになる。また、開口プレートには、平面グリッド付き開口に加えて、平面グリッド無しの開口を設けてもよい。目的や状況に応じて様々な開口を切り替えて使用することにより、荷電粒子のエネルギー分布、二次元放出角度分布の測定、拡大像の観察等において、効率的で質の高い分析が可能になる。

図１５は、実施例８の減速比可変球面収差補正静電レンズの構成を示している。図１５に示す本実施例の静電レンズは、グリッド付き可変開口絞り２８を有する開口プレート３０を備える。開口プレート３０において、金属グリッド８は、可変開口絞り用リング状フレーム２９に固定される。また、可変開口絞り２８は、金属グリッド８の前または後ろで動く。なお、可変開口絞り２８は、カメラの絞りと同様の技術を用いる。図１５（ｂ）は、開口を広げた状態で、すべての入射角の荷電粒子軌道を通す設定となっている。これに対して、図１５（ａ）は、開口を狭めた状態で、荷電粒子軌道の角度広がりを制限する設定となっている。グリッド付き可変開口絞り２８は、上述の実施例７（図１４を参照）で示したような開口プレート２７と違って、連続的に開口サイズを変えられることが特徴である。これは即ち、目的や状況に応じて最適な開口サイズを選択できることを意味する。

図１６は、二次元電子分光装置の一実施形態の構成を示している。図１６に示す二次元電子分光装置は、実施例４の３段階減速の減速比可変球面収差補正静電レンズ１０と、投影レンズ５０とから構成され、静電レンズ１０の後段には、二次元放出角度分布や試料の拡大像をスクリーン５１に投影するための投影レンズ５０が、アパチャー４０を介して設けられている。二次元放出角度分布と拡大像の切り替えは、投影レンズ５０に印加する電圧を変えることによって行われる。投影レンズ５０には、従来の電子レンズを用いることができる。

図１６に示す二次元電子分光装置の例においては、４つの円筒電極（Ｐ−ＥＬ１〜Ｐ−ＥＬ４）からなる投影レンズ５０が用いられる。エネルギー分析は、減速比可変球面収差補正減速型レンズの収束位置にアパチャー４０を挿入することにより行われる。本実施例の二次元電子分光装置のエネルギー分解能を電子軌道計算によってシミュレーションした結果を図１７に示す。シミュレーションは、静電レンズ入口に正対した試料にビームを試料面から測って１５°の角度で照射するという条件で行ったものである。図１７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、減速比が１／５、１／５０の場合の結果である。エネルギー分解能は、試料３に照射されたビームのスポットの大きさに大きく依存し、このスポットが小さいほど高いエネルギー分解能が得られる。ビームのスポットは、ビーム径とビームの入射方向によって決まる。ビームの入射方向については、試料３の面に対して垂直に近いほど、スポットが小さくなり、高いエネルギー分解能が可能であるが、取り込み角が±５０°に及ぶ広角レンズにおいてレンズ部材と干渉しないビーム軌道を確保するには、ビームとレンズ中心軸のなす角度は７０〜７５°程度以上に設定する必要がある。このため、ビームと試料３の面とのなす角度を１５°に設定している。

図１７に示すエネルギー分解能のグラフは、ビーム径φを０．２ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０５ｍｍとした場合のシミュレーション結果が示されている。ビーム径φは、電子銃や放射光において実際に利用可能な範囲のものである。図１７（ａ）によると、減速比を１／５に設定した場合、アパチャー径１ｍｍの設定に対して、ビーム径φが０．２ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０５ｍｍにおいて、エネルギー分解能（ΔＥ／Ｅ_０）は、それぞれ、３．８×１０^−３、２．１×１０^−３、１．３×１０^−３となる。また、図１７（ｂ）によると、減速比を１／５０に設定した場合、エネルギー分解能（ΔＥ／Ｅ_０）は、それぞれ、３．２×１０^−３、１．７×１０^−３、１．０×１０^−３に向上することがわかる。
実際の測定結果を図３０（１）に示す。図３０（１）は、１０６０（ｅＶ）のエネルギーの電子線（e-beam）を試料に当てて、反射してきた電子のエネルギー分布の測定結果を示している。図に示すとおり、弾性散乱ピーク（elastic peak）が、１０６０（ｅＶ）のところに観測されており、弾性散乱ピークの半値幅は、約２（ｅＶ）であり、エネルギー分解能として、２／１０６０＝０．００２が得られていることがわかる。このことは、図１７に示すエネルギー分解能の予想（シミュレーション結果）において、Ｄａｐ＝１のところでは、試料に当てるビーム径φが変わってとしても、大体０．００２（０．２％）近辺であることと対応しており、図１７に示すエネルギー分解能の予想がほぼ正しいことを示している。
なお、従来技術の球面収差補正静電レンズを用いた二次元電子分光装置（非特許文献１を参照）では、入射角とアパチャー径を上記と同じ条件に設定したシミュレーション結果において、エネルギー分解能は、ビーム径φが０．２ｍｍ、０．１ｍｍにおいて、それぞれ、７．１×１０^−３、５．０×１０^−３となっており、図３０（２）に示すとおり、１０００（ｅＶ）のエネルギーの電子線を試料に当てて、反射してきた電子のエネルギー分布の測定結果において、弾性散乱ピークの半値幅から算出したエネルギー分解能は０．７％である。
このように、二次元電子分光装置において、本発明の減速比可変球面収差補正静電レンズを用いることによって、従来の球面収差補正静電レンズを用いた二次元電子分光装置よりも、エネルギー分解能が数倍向上することがわかる。

図１８は、二次元電子分光装置の他の実施形態の構成を示している。図１８に示す二次元電子分光装置は、実施例４の３段階減速の減速比可変球面収差補正静電レンズ１０と、従来から知られている円筒鏡型エネルギーアナライザ（ＣＭＡ）６０と、投影レンズ５０及びスクリーン５１とから構成されている。静電レンズ１０の後段には、ＣＭＡ６０がアパチャー４０を介して設けられている。そして、ＣＭＡ６０の後段に、二次元放出角度分布や試料の拡大像をスクリーン５１に投影するための投影レンズ５０がアパチャー４１を介して設けられている。二次元放出角度分布と拡大像の切り替えは、投影レンズに印加する電圧を変えることによって行われる。投影レンズ５０には、従来の電子レンズを用いることができる。
なお、本実施例では、実施例４の３段階減速の減速比可変球面収差補正静電レンズ１０を用いたが、実施例１の２段階減速の減速比可変球面収差補正静電レンズや、その他の実施例２，３，５〜８の減速比可変球面収差補正静電レンズを用いても構わない。

図２０は、二次元電子分光装置の他の実施形態の構成を示している。図２０に示す二次元電子分光装置は、実施例４の３段階減速の減速比可変球面収差補正静電レンズ１０と、前述の静電半球型エネルギーアナライザ（ＣＨＡ）８０と、投影レンズ５０及びスクリーン５１とから構成されている。静電レンズ１０の後段には、ＣＨＡ８０がアパチャー４０を介して設けられている。そして、ＣＨＡ８０の後段に、二次元放出角度分布や試料の拡大像をスクリーン５１に投影するための投影レンズ５０がアパチャー４１を介して設けられている。二次元放出角度分布と拡大像の切り替えは、投影レンズに印加する電圧を変えることによって行われる。投影レンズ５０には、従来の電子レンズを用いることができる。
ここで、ＣＨＡ８０は、半径の異なる２つの半円球からなる静電半球部のみの構成であってもよいし、インプットレンズを伴った構成であってもよい。
なお、本実施例では、実施例４の３段階減速の減速比可変球面収差補正静電レンズ１０を用いたが、実施例１の２段階減速の減速比可変球面収差補正静電レンズや、その他の実施例２，３，５〜８の減速比可変球面収差補正静電レンズを用いても構わない。

本実施例では、本発明の広角エネルギーアナライザの一実施形態について説明する。まず、図２８を参照して、従来から知られている円筒鏡型エネルギーアナライザ（ＣＭＡ）６０の構成について説明する。ＣＭＡ６０は、オージェ電子分光に用いられている。図２８（１）に示すように、ＣＭＡ６０は、半径の異なる２つの円筒電極（６１，６２）が同軸に配置されていることが特徴である。通常、電子銃６３は円筒電極６１の内側に配置され、軸上に置かれた試料６５に電子線６４が照射される。電子線６４の照射によって試料６５から放出されたオージェ電子は、内円筒の一部に設けられた円筒状グリッド６６を通過して、円筒対称電場に入射する。その後、電子は円筒対称電場によって曲げられ、内円筒に設けられたもう一つの円筒状グリッド６７を通って円筒対称電場の外に出て軸上に収束する。

図２８（２）では、一平面内の軌道しか描かれていないが、実際には、０°〜３６０°の全方位角にわたって電子が取り込まれるため、ＣＭＡ６０は取り込み立体角の大きなアナライザとして知られている。ＣＭＡ６０の内円筒の半径と電位をそれぞれＲ_ｉｎ、Ｖ_ｉｎとすると、中心軸から垂直方向にＲ離れた位置の電位は下記式１で表される。ここでＥは電子の運動エネルギー、ｅは電気素量、Ｋは無次元のパラメータである。

外円筒の半径Ｒ_ｏｕｔとその電位Ｖ_ｏｕｔ（Ｖ(Ｒ_ｏｕｔ)）を式１に代入するとパラメータＫが決まる。図２９(ａ)、(ｂ)は、それぞれ、パラメータＫが１．３１と１．３３の場合の電子軌道（図２９左図）と収差曲線（図２９右上図）および入射角と出射角の関係を表すグラフ（図２９右下図）である。
図２９(ａ)、(ｂ)の各左図は、パスエネルギーＥ_０の電子に対してのみ示されているが、図２９(ａ)、(ｂ)の各右図はパスエネルギーＥ_０およびＥ_０から±０．５％、±１％異なる運動エネルギーの電子に対する結果も示されている。
図２９(ａ)のＫ＝１．３１と図２９(ｂ)のＫ＝１．３３の違いは、それぞれの右上図のグラフ中のＥ＝Ｅ_０での収差曲線を比べると明らかである。Ｋ＝１．３１の場合、停留点が１つに対して、Ｋ＝１．３３の場合は停留点が２つある。その結果として、Ｋ＝１．３１の場合は収差がほぼゼロとなる角度範囲が存在するのに対して、Ｋ＝１．３３の場合、そのような角度範囲は存在しない。その代わり、Ｋ＝１．３３の場合、収差が一定の大きさ以下となる角度範囲がＫ＝１．３１の場合よりも大きくなっている。なお、Ｋ＝１．３１の場合の停留点が通常用いられている入射角α= ４２．３°である。

このように従来のＣＭＡは、０°〜３６０°の全方位角をカバーするものの、図２９（ａ），（ｂ）の右上図の収差曲線が示すように、取り込める入射角範囲はあまり大きくないことがわかる。Ｋ＝１．３１の場合、有効な取り込み角は、１２°（±６°）程度、Ｋ＝１．３３の場合でも、有効な取り込み角は１５°（±７．５°）程度となる。この取り込み角を広げることができれば、従来のオージェ電子分光装置において、大幅な感度や機能の向上が期待できる。

次に、本実施例の広角エネルギーアナライザについて説明する。図２０は、本実施例の広角エネルギーアナライザの構成を示している。図２０に示す広角エネルギーアナライザ７０では、従来のＣＭＡでは円筒形状の２つの円筒状グリッドが用いられているが、これらをトロイダル面に整形された２つのトロイダルグリッド（７６，７７）に置き換え、さらに、トロイダルグリッドの光軸方向の長さを、従来のＣＭＡの円筒形状グリッドよりも大きくすることによって、取り込み角を大幅に広げることを可能にしている。
なお、図２０に示す広角エネルギーアナライザでの軌道では、一平面内の軌道しか描かれていないが、実際には、０°〜３６０°の全方位角にわたって電子が取り込まれて分光される。

ここで、トロイダル面とは、タイヤやドーナツの表面のように、円をその中心を通らない直線を軸として回転したときに生ずる曲面である。
広角エネルギーアナライザ７０の構成は、ＣＭＡの構成（図２８（１）を参照）と同様に、半径の異なる二つの円筒電極（７１，７２）が同軸に配置され、軸上の試料（Sample plane）から放出されたオージェ電子は、内側の円筒電極７１の一部に設けられたトロイダルグリッド７６を通過して、円筒対称電場に入射する。その後、電子は円筒対称電場によって曲げられ、内円筒に設けられたもう一つのトロイダルグリッド７７を通って回転対称電場の外に出て軸上に収束する（Focusing plane）。

図２０において、広角エネルギーアナライザ７０の内円筒の半径Ｒ_ｉｎ、外円筒の半径Ｒ_ｏｕｔ、内円筒の電位Ｖ_ｉ１、外円筒の電位Ｖ_ｏ１、２つのトロイダルグリッドのそれぞれの電位Ｖ_ｇ１，Ｖ_ｇ２、外円筒とトロイダルグリッドに挟まれた電極の電位Ｖ_ｓ１，Ｖ_ｓ２を調整して、試料（Sample plane）から放出されたオージェ電子を軸上に収束させる。
図２１に、広角エネルギーアナライザ７０の電子軌道の一例を示す。図２１に示す電子軌道は、パスエネルギーＥ_０の電子に対してのみ示されている。図２８（２）に示すＣＭＡの軌道を比べると、広角エネルギーアナライザの方が電子の取り込み立体角は更に広くなっていることがわかる。

次に、図２２を参照して、本実施例の広角エネルギーアナライザの収差、入射角αと出射角βについて説明する。本実施例の広角エネルギーアナライザは、０°〜３６０°の全方位角をカバーし、図２２（ａ）の収差曲線が示すように、有効な取り込み角は、４０°（±２０°）程度であり、電子の取り込み立体角が広いことが確認できる。また、図２２（ｂ）が示すように、入射角αと出射角βは１対１で対応しており、歪みのない二次元放出角度分布が広い取り込み立体角にわたって得られることが確認できる。このように、広角エネルギーアナライザでは、従来のＣＭＡと比べて、電子の取り込み立体角が広く、オージェ電子分光装置において、大幅な感度や機能の向上が期待できる。

図２３を参照して、本実施例の広角エネルギーアナライザの透過率について説明する。
試料から放出されるオージェ電子を励起する電子線電子ビーム径φが１ｍｍの場合と０．１ｍｍの場合について、それぞれの透過率特性を図２３（ａ）、（ｂ）に示す。グラフ中、アパチャー径Ｄ_ａｐが０．１，０．５，１，２，３（ｍｍ）の場合を異なる線種で描いている。ビーム径φ＝１ｍｍの場合、アパチャー径Ｄ_ａｐが約２ｍｍ以下のときに１％以下のエネルギー分解能となるが、アパチャー径Ｄ_ａｐが０．５ｍｍ以下では透過率が顕著に低下している。一方、ビーム径φ＝０．１ｍｍの場合、アパチャー径Ｄ_ａｐが約２ｍｍ以下のときに１％以下の分解能になるのは同じであるが、アパチャー径Ｄ_ａｐが０．５ｍｍであっても透過率特性が良いことがわかる。

図２４を参照して、本実施例の広角エネルギーアナライザのエネルギー分解能について説明する。図２４のグラフから、広角エネルギーアナライザのエネルギー分解能（ΔＥ／Ｅ_０）は、試料から放出されるオージェ電子を励起する電子線のビーム径φが１ｍｍの場合には、アパチャー径Ｄ_ａｐが約１ｍｍより大きい範囲で、アパチャー径とともに単調に減少する関数となっている。同様に、ビーム径φが０．５ｍｍの場合にはアパチャー径Ｄ_ａｐが約０．５ｍｍより大きい範囲で、ビーム径φが０．２ｍｍの場合にはアパチャー径Ｄ_ａｐが約０．２ｍｍより大きい範囲で、ビーム径φが０．１ｍｍの場合にはアパチャー径Ｄ_ａｐが約０．１ｍｍより大きい範囲で、エネルギー分解能はアパチャー径とともに単調に減少する関数となっている。
したがって、広角エネルギーアナライザのエネルギー分解能は、ビーム径φに影響を受け、ビーム径φが小さいほどエネルギー分解能（ΔＥ／Ｅ_０）が向上することがわかる。

図２５を参照して、広角エネルギーアナライザの他の実施形態について説明する。
上述の実施例１２の広角エネルギーアナライザでは、２つのトロイダルグリッドを用いているが、本実施例の広角エネルギーアナライザでは、１つのトロイダルグリッドを用いて構成される。図２５（ａ）に示す広角エネルギーアナライザ７８では、試料面（Sample plane）側はトロイダルグリッド７６を用い、収束面（Focusing plane）側はＣＭＡと同様の円筒状グリッド６７を用いる構成である。一方、図２５（ｂ）に示す広角エネルギーアナライザ７９では、試料面（Sample plane）側はＣＭＡと同様の円筒状グリッド６６を用い、収束面（Focusing plane）側はトロイダルグリッド７７を用いる構成である。これらの構成によって、従来の円筒鏡型エネルギーアナライザよりも大きな取り込み立体角で電子を取り込み収束させることが可能である。

図２６は、二次元電子分光装置の他の実施形態の構成を示している。図２６に示す二次元電子分光装置は、実施例２の３段階減速の減速比可変球面収差補正静電レンズ１０と、実施例１１の広角エネルギーアナライザ７０と、投影レンズ５０及びスクリーン５１とから構成されている。静電レンズ１０の後段には、実施例１２の広角エネルギーアナライザ７０がアパチャー４０を介して設けられている。そして、実施例１２の広角エネルギーアナライザ７０の後段に、二次元放出角度分布や試料の拡大像をスクリーン５１に投影するための投影レンズ５０がアパチャー４１を介して設けられている。二次元放出角度分布と拡大像の切り替えは、投影レンズ５０に印加する電圧を変えることによって行われる。投影レンズ５０には、従来の電子レンズを用いることができる。
なお、本実施例では、実施例２の３段階減速の減速比可変球面収差補正静電レンズを用いたが、実施例１の２段階減速の減速比可変球面収差補正静電レンズや、その他の実施例３〜８の減速比可変球面収差補正静電レンズを用いても構わない。

本発明の減速比可変球面収差補正静電レンズ、広角エネルギーアナライザ、及び、二次元電子分光装置は、角度分解光電子分光による結晶表面のバンド分散測定やフェルミ面マッピング、深さ方向の組成分析、電子回折、光電子回折・ホログラフィーによる原子構造解析などに有用である。

１ 点源
２ 非球面メッシュ
３ 試料
４ 励起ビームを通す穴
５ 出口位置
６，２０ 平面グリッド
７ 金属リング
８ 金属グリッド
９ ネジ用の穴
１０ 静電レンズ
１１ 第一減速電場
１２ 第二減速電場
１３ 第二減速電場
２１，２７，３０ 開口プレート
２４ 開口
２５ 回転プレート
２６ 回転軸
２８ 可変開口絞り
２９ リング状フレーム
４０，４１ アパチャー
５０ 投影レンズ
５１ スクリーン
６０ 円筒鏡型エネルギーアナライザ（ＣＭＡ）
６１，６２ 円筒電極
６６，６７ 円筒状グリッド
７０，７８，７９ 広角エネルギーアナライザ
７１，７２ 円筒電極
７６，７７ トロイダルグリッド
８０ 静電半球型エネルギーアナライザ（ＣＨＡ）
ＥＬ０〜ＥＬ６ 電極

Claims (13)

1. 点源に対し凹面状を有する軸対称または実質的に軸対称な非球面メッシュおよび軸対称または実質的に軸対称な単一乃至は複数の電極から成り、点源から発生した荷電粒子の球面収差を調整する静電レンズと、
   前記静電レンズと同軸に配置される軸対称な電極であって、減速電場を成形する平面グリッドが該減速電場の出口側に設けられた減速電場生成電極、
   から構成され、
   点源から発生した荷電粒子が前記静電レンズによりレンズ出口に収束するように、前記メッシュ形状と前記電極の電位及び配置が調整され、
   前記減速電場生成電極が収束点の前段に設けられ印加電位を調整することによって荷電粒子の減速比を制御し、前記平面グリッドにより、減速比によらず、収束角をほぼ一定に保ち得ることを特徴とする減速比可変球面収差補正静電レンズ。
2. 前記平面グリッドは、前記静電レンズの外部から挿入および抜去し得る機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の減速比可変球面収差補正静電レンズ。
3. 前記平面グリッドは、開口サイズが異なる複数のグリッド付き開口部と、
   前記開口部の切替え機構から成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の減速比可変球面収差補正静電レンズ。
4. 前記平面グリッドは、開口エリアが可変のグリッド付き開口部から成り、
   前記開口エリアの開口を絞ることによりグリッドのサイズを変化できることを特徴とする請求項１又は２に記載の減速比可変球面収差補正静電レンズ。
5. 点源から発生した荷電粒子の取り込み角を制限する開口サイズが異なる複数の開口部と、
   前記開口部の切替え機構を更に備え、
   前記開口部を切替えることにより、荷電粒子の取り込み角を制御し得ることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の減速比可変球面収差補正静電レンズ。
6. 減速比を制御する前記減速電場生成電極が、少なくとも２段構成であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の減速比可変球面収差補正静電レンズ。
7. 請求項１〜６の何れかの減速比可変球面収差補正静電レンズと、
   前記静電レンズのレンズ出口側に設けられた投影レンズ、から成る二次元電子分光装置。
8. 円筒鏡型エネルギーアナライザが更に設けられ、
   前記静電レンズのレンズ出口側に前記エネルギーアナライザ、前記エネルギーアナライザの出口側に前記投影レンズが配置されたことを特徴とする請求項７に記載の二次元電子分光装置。
9. 静電半球型エネルギーアナライザが更に設けられ、
   前記静電レンズのレンズ出口側に前記エネルギーアナライザ、前記エネルギーアナライザの出口側に前記投影レンズが配置されたことを特徴とする請求項７に記載の二次元電子分光装置。
10. 前記円筒鏡型エネルギーアナライザは、２枚の円筒形状グリッドに替えて、２枚のトロイダルグリッドを用い、かつ、各グリッドの軸方向の長さを大きくし、荷電粒子の取り込み角を広げた広角エネルギーアナライザであることを特徴とする請求項８に記載の二次元電子分光装置。
11. 請求項１０に記載の二次元電子分光装置に用いられる前記広角エネルギーアナライザ。
12. 前記平面グリッドは、開口サイズが異なる複数のグリッド付き開口部を有することを特徴とする請求項１に記載の減速比可変球面収差補正静電レンズ。
13. 前記平面グリッドは、開口エリアが可変のグリッド付き開口部を有することを特徴とする請求項１に記載の減速比可変球面収差補正静電レンズ。

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