JP6914666B2 - エネルギーフィルタおよび荷電粒子線装置 - Google Patents

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Description

本発明は、エネルギーフィルタおよび荷電粒子線装置に関する。
電子エネルギー損失分光法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｏｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、ＥＥＬＳ）は、試料に電子線を照射し、試料を透過した電子の損失エネルギー強度をスペクトルとして得る分析手法である。試料内で電子が損失するエネルギーは、試料を構成する元素や原子間の結合状態などに依存する。したがって、そのスペクトルを調べることで、試料に含まれる元素の種類や結合状態等を知ることができる。
透過電子顕微鏡法（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、ＴＥＭ）におけるエネルギーフィルタの基本的な機能は、分光とイメージングである。
分光モードでは、エネルギーフィルタのエネルギー分散面をスクリーンに結像して、エネルギースペクトルを取得することができる。特に、透過電子顕微鏡法にエネルギーフィルタに組み合わせた手法をＴＥＭ−ＥＥＬＳ、走査透過電子顕微鏡法（Ｓｃａｎｎｉｎｇ
Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、ＳＴＥＭ）にエネルギーフィルタを組み合わせた手法をＳＴＥＭ−ＥＥＬＳという。走査透過電子顕微鏡法では、原子分解能が透過電子顕微鏡法に比べて容易に得られる。そのため、近年、走査透過電子顕微鏡法を用いた原子分解能をもつ元素分布観察法が注目されている。
イメージングモードでは、エネルギーフィルタのアクロマティック面をスクリーンに結像して、ＴＥＭ像を取得することができる。さらに、エネルギー分散面にエネルギー選択スリットを置き、特定の損失エネルギーを持った電子のみを選択した状態にすることで、その損失エネルギーに対応するＴＥＭ像を得ることができる。また、元素に特有の損失エネルギーを選択することで、その元素の分布像を得ることもできる。このような手法を、Ｅｎｅｒｇｙ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ＴＥＭ（ＥＦ−ＴＥＭ）という。
エネルギーフィルタには、インカラム方式とポストカラム方式がある。インカラム方式では、エネルギーフィルタが透過電子顕微鏡の中間レンズと投影レンズとの間に置かれる。これに対し、ポストカラム方式では、エネルギーフィルタが投影レンズの後段（鏡筒の下）に置かれる。
インカラム方式の利点としては、エネルギーフィルタの構造の対称性によってエネルギーフィルタそのものから発生するいくつかの収差がキャンセルされるため、これらの収差に対する収差補正を行わなくてもよいこと、投影レンズによって像観察モードとスペクトル観察モードを容易に切り替えられること、投影レンズによって拡大される前にエネルギーフィルタによるフィルタリングが行われるため、低倍率から高倍率までの、広視野での観察に対応できることが挙げられる。インカラム方式の欠点としては、中間レンズと投影レンズとの間に配置されるため、装置（鏡筒）の高さが増し、耐震性の低下、振動による装置性能の低下を招く可能性があること、また、汎用の透過電子顕微鏡に後付けして拡張することが容易ではないこと等が挙げられる。
ポストカラム方式の利点としては、汎用の透過電子顕微鏡に後付けで装着することが容易であり、その際、装置の高さを変える必要がないことが挙げられる。ポストカラム方式の欠点としては、収差補正のための構成要素が多く必要であり、軸調整が単純ではなく、
かつ、コストが高くなること、透過電子顕微鏡と接続する際の光学的制約によって、低倍観察に不向きであること等が挙げられる。
インカラム方式では、収差補正のための構成要素を追加することが難しい。収差補正のための構成要素を配置するための空間を設けることによって、基本光学系の設計が制約を受けてしまうためである。収差補正のための構成要素を追加した収差補正Ωフィルタは、特許文献１および特許文献２に開示されている。
また、インカラム方式では、上記のように、装置の高さが増大してしまう問題がある。これに対して、特許文献３には、エネルギーフィルタによる電子線の偏向角度の合計を１８０°として、装置の高さの増大を抑制した１８０°反転型の収差補正Ωフィルタが開示されている。
特開２０００−３０６４５号公報 特開平７−３７５３６号公報 特開２００１−２４３９１０号公報
インカラム型エネルギーフィルタとしては、Ω型の他に、α型、γ型、マンドリン型など、種々のものが知られている。また、Ωフィルタの中でも、光学系の違いによりＡ−ｔｙｐｅ、Ｂ−ｔｙｐｅに分けられるが、以下で説明する技術内容はエネルギーフィルタ全般に共通であるため、ΩフィルタのＢ−ｔｙｐｅを例にとり説明する。
図２７は、従来のインカラム型エネルギーフィルタ（Ωフィルタ）を模式的に示す図である。図２７では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。なお、電子の進行方向をＺ方向、偏向磁場による電子の偏向方向をＸ方向、偏向磁場の磁力線の方向をＹ方向とする。
図２８は、従来のインカラム型エネルギーフィルタにおける電子線の軌道を示す図である。図２８では、ゼロロスビームＢ０の軌道、および分散ビームＢ１の軌道を図示している。
エネルギーフィルタの光学系には、入射側クロスオーバー面Ｓ１、入射側像面Ａ１、射出側クロスオーバー面（エネルギー分散面）Ｓ２、射出側像面（アクロマティック面）Ａ２が存在する。エネルギーフィルタの光学系は、この４つの重要な面によって特徴づけられる。
エネルギーフィルタの性能を発揮させるためには、入射側クロスオーバー面Ｓ１にクロスオーバーをフォーカスし、入射側像面Ａ１に像をフォーカスするように電子を入射させなければならない。エネルギーフィルタの射出側には、エネルギー分散を生じる面（エネルギー分散面Ｓ２）が入射側クロスオーバー面Ｓ１に対して鏡映対称の位置に形成され、エネルギー分散の無い面（アクロマティック面Ａ２）が入射側像面Ａ１に対して鏡映対称の位置に形成される。Ωフィルタのエネルギー分散能は、例えば、加速電圧２００ｋＶの電子線に対して１μｍ／ｅＶである。
図２９および図３０は、従来のインカラム型エネルギーフィルタとその前後の光学系の一例を示す図である。なお、図２９は、スクリーン１０２２にアクロマティック面Ａ２を
結像している状態を示し、図３０は、スクリーン１０２２にエネルギー分散面Ｓ２を結像している状態を示している。
Ωフィルタ１０１１と対物レンズ１００２との間には、通常、４段の中間レンズ１００４，１００６，１００８，１０１０が配置される。この４段の中間レンズ１００４，１００６，１００８，１０１０は、倍率、像回転、像フォーカス、クロスオーバーフォーカスの４つの自由度を持つ系を調整する。４段の中間レンズ１００４，１００６，１００８，１０１０は、入射側クロスオーバー面Ｓ１にクロスオーバーを結び（フォーカスし）、かつ、入射側像面Ａ１に像を結ぶ（フォーカスする）ように調整される。
Ωフィルタ１０１１の後段には、３段の投影レンズ１０１６，１０１８，１０２０が配置される。３段の投影レンズ１０１６，１０１８，１０２０の励磁を調整してスクリーン１０２２に結像される面を切り替えることによって、エネルギーロス像とエネルギースペクトルとを得ることができる。具体的には、エネルギーロス像を観察するためには、図２９に示すように、３段の投影レンズ１０１６，１０１８，１０２０によってアクロマティック面Ａ２をスクリーン１０２２に結像する。エネルギースペクトルを取得するためには、図３０に示すように、３段の投影レンズ１０１６，１０１８，１０２０によってエネルギー分散面Ｓ２をスクリーン１０２２に結像する。なお、ここでは、Ωフィルタ１０１１の後段に３段の投影レンズ１０１６，１０１８，１０２０が配置される場合について説明したが、投影レンズは２段であってもよい。
エネルギースリット１０１４は、特定の損失エネルギーを持った電子のみを選択するために用いられる。エネルギースリット１０１４で特定の損失エネルギーを持った電子のみを選択することにより、その損失エネルギーに対応するＴＥＭ像を得ることできる（ＥＦ−ＴＥＭ）。
入射絞り１０１２は、Ωフィルタ１０１１に入射する視野を制限するために用いられる。入射絞り１０１２でΩフィルタ１０１１に入射する視野を制御することにより、収差の影響の少ないスペクトルを得ることができる。
ここで、ＥＦ−ＴＥＭの性能を決めるのは、Ωフィルタの収差とΩフィルタの前後の光学系である。
図３１は、クロスオーバー面Ｓと像面Ａとの間の距離Ｌを説明するための図である。なお、以下では、入射側クロスオーバー面Ｓ１とエネルギー分散面Ｓ２とを区別する必要がない場合にはクロスオーバー面Ｓと記載する。同様に、入射側像面Ａ１とアクロマティック面Ａ２とを区別する必要がない場合には像面Ａと記載する。
距離Ｌが大きい場合、開き角α，βを小さくできるので、像面の収差を小さくするために有利である。しかしながら、距離Ｌを大きくすればいくらでも高性能になるかというと、次の理由で、単純にはそうならない。
与えられた距離Ｌに対して、Ωフィルタのマグネットの形状および配置を決定することで、Ωフィルタの収差係数が決まる。しかし、マグネットの形状および配置と収差係数との相関は複雑であり（複雑さはマグネットの数に比例する）、多くの場合、上述のメリットを相殺するか、またはそれ以上の収差係数の増大を生じる。
また、像面の収差が小さくなるように設計すると通常はエネルギー分散面の収差は悪化する傾向にある。また、その逆も言える。
他の方法として、エネルギーフィルタそのもののサイズを大きくすることで、距離Ｌを大きくすることが考えられる。この場合は、エネルギー分散も比例して大きくできるメリットがある。しかしながら、収差係数もエネルギーフィルタのサイズに比例して大きくなるため、上述の像面の収差に関するメリットは相殺され、期待されるほどには効果が得られない。また、装置サイズの増大、装置の重量の増大、コストの増大等の弊害が生ずる。加えて、エネルギー分散が大きすぎると、数千ｅＶのエネルギーレンジのＥＥＬＳを取得するためには低倍結像をしなければならず、スペクトルに歪みが生じてしまう場合がある。
このように、Ωフィルタの設計では、機械的なサイズ、クロスオーバー面Ｓと像面Ａの２次収差のバランス、前後の光学系との接続を考慮して計算が行われ、装置が最適化される。Ωフィルタの２次収差は対称性によっていくつかがキャンセルされるが、残りの収差は、歪みやボケとなってクロスオーバー面Ｓ、像面Ａの両方に現れる。図３２は、エネルギーフィルタの像面Ａに現れる収差を示す図である。図３３は、エネルギーフィルタのクロスオーバー面Ｓ（スリット面）に現れる収差を示す図である。
図３２および図３３に示す収差をキャンセルするための収差補正Ωフィルタは、上述した特許文献１および特許文献２に開示されている。しかしながら、これらの収差補正Ωフィルタでは、収差補正のための構成要素を追加しなければならず、構造が複雑になってしまう。
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、構造を単純化でき、かつ、低収差を実現できるエネルギーフィルタを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記エネルギーフィルタを含む荷電粒子線装置を提供することにある。
（１）本発明に係るエネルギーフィルタは、
荷電粒子線を偏向させる偏向磁場を発生させる第１セクターマグネットおよび第２セクターマグネットを含み、
前記第１セクターマグネットおよび前記第２セクターマグネットは、対称面に関して鏡映対称に構成され、
前記第１セクターマグネットの極性と前記第２セクターマグネットの極性は、同じであり、
前記第１セクターマグネットおよび前記第２セクターマグネットは、クロスオーバーおよび像を結像する光学系を構成し、
荷電粒子線の進行方向をＺ方向、前記偏向磁場による荷電粒子線の偏向方向をＸ方向、前記偏向磁場の磁力線の方向をＹ方向とした場合、
クロスオーバーのＸ方向の結像回数およびクロスオーバーのＹ方向の結像回数は、最初の入射側クロスオーバー面の結像を除いて１回であり、
最初の入射側クロスオーバー面を除いた場合、クロスオーバーのＸ方向の結像位置およびクロスオーバーのＹ方向の結像位置は、エネルギー分散面であり、
像のＸ方向の結像回数および像のＹ方向の結像回数は、最初の入射側像面の結像を除いて２回であり、
最初の入射側像面を除いた場合、像のＸ方向の結像位置および像のＹ方向の結像位置は、前記対称面とアクロマティック面であり、
像のＸ方向の結像およびＹ方向の結像において、前記対称面の位置には実像が形成され、
入射側クロスオーバー面とエネルギー分散面は、前記対称面に関して鏡映対称の位置にあり、
入射側像面とアクロマティック面は、前記対称面に関して鏡映対称の位置にある。
このようなエネルギーフィルタでは、収差補正装置を用いることなく、低収差を実現できる。したがって、このようなエネルギーフィルタでは、構造を単純化でき、かつ、低収差を実現できる。
（２）本発明に係るエネルギーフィルタにおいて、
前記第１セクターマグネットにおける荷電粒子線の偏向角度と前記第２セクターマグネットにおける荷電粒子線の偏向角度の和は、９０°以上２１０°以下であってもよい。
このようなエネルギーフィルタでは、装置の高さの増大を抑制することができる。
（３）本発明に係るエネルギーフィルタにおいて、
前記第１セクターマグネットにおける荷電粒子線の偏向角度と前記第２セクターマグネットにおける荷電粒子線の偏向角度の和は、１８０°であり、
前記第１セクターマグネットおよび前記第２セクターマグネットは、それぞれ互いに対向する２つの磁極対向面を有し、
前記第１セクターマグネットの２つの磁極対向面は平行であり、
前記第２セクターマグネットの２つの磁極対向面は平行であり、
前記第２セクターマグネットにおける荷電粒子線の中心軌道の半径をＲとした場合に、
エネルギー分散面とアクロマティック面との間の距離Ｌは、Ｌ＞３．６Ｒを満たしてもよい。
このようなエネルギーフィルタでは、構造を単純化でき、かつ、低収差を実現できる。
（４）本発明に係るエネルギーフィルタにおいて、
前記第１セクターマグネットにおける荷電粒子線の偏向角度と前記第２セクターマグネットにおける荷電粒子線の偏向角度の和は、９０°であり、
前記第１セクターマグネットおよび前記第２セクターマグネットは、それぞれ互いに対向する２つの磁極対向面を有し、
前記第１セクターマグネットの２つの磁極対向面は平行であり、
前記第２セクターマグネットの２つの磁極対向面は平行であり、
前記第２セクターマグネットにおける荷電粒子線の中心軌道の半径をＲとした場合に、
エネルギー分散面とアクロマティック面との間の距離Ｌは、Ｌ＞３．２Ｒを満してもよい。
このようなエネルギーフィルタでは、構造を単純化でき、かつ、低収差を実現できる。
（５）本発明に係るエネルギーフィルタにおいて、
前記第１セクターマグネットは、複数に分割され、
前記第２セクターマグネットは、複数に分割されていてもよい。
（６）本発明に係るエネルギーフィルタは、
荷電粒子線を偏向させる偏向磁場を発生させるセクターマグネットを含み、
前記セクターマグネットは、対称面に関して鏡映対称に構成され、
前記セクターマグネットは、クロスオーバーおよび像を結像する光学系を構成し、
荷電粒子線の進行方向をＺ方向、前記偏向磁場による荷電粒子線の偏向方向をＸ方向、前記偏向磁場の磁力線の方向をＹ方向とした場合、
クロスオーバーのＸ方向の結像回数およびクロスオーバーのＹ方向の結像回数は、最初の入射側クロスオーバー面の結像を除いて１回であり、
最初の入射側クロスオーバー面を除いた場合、クロスオーバーのＸ方向の結像位置およびクロスオーバーのＹ方向の結像位置は、エネルギー分散面であり、
像のＸ方向の結像回数および像のＹ方向の結像回数は、最初の入射側像面の結像を除いて２回であり、
最初の入射側像面を除いた場合、像のＸ方向の結像位置および像のＹ方向の結像位置は、前記対称面とアクロマティック面であり、
像のＸ方向の結像およびＹ方向の結像において、前記対称面の位置には実像が形成され、
入射側クロスオーバー面とエネルギー分散面は、前記対称面に関して鏡映対称の位置にあり、
入射側像面とアクロマティック面は、前記対称面に関して鏡映対称の位置にある。
このようなエネルギーフィルタでは、収差補正装置を用いることなく、低収差を実現できる。したがって、このようなエネルギーフィルタでは、構造を単純化でき、かつ、低収差を実現できる。
（７）本発明に係るエネルギーフィルタにおいて、
前記セクターマグネットは、互いに対向する２つの磁極対向面を有し、
前記セクターマグネットの２つの磁極対向面の傾斜角度は、平行ではなく、かつ、ラウンドレンズフォーカス条件を満たしていてもよい。
（８）本発明に係るエネルギーフィルタにおいて、
前記セクターマグネットにおける荷電粒子線の偏向角度は、１８０°であり、
前記セクターマグネットにおける荷電粒子線の中心軌道の半径をＲとした場合に、
エネルギー分散面とアクロマティック面との間の距離Ｌは、Ｌ＞３．５Ｒを満たしてもよい。
このようなエネルギーフィルタでは、構造を単純化でき、かつ、低収差を実現できる。
（９）本発明に係るエネルギーフィルタにおいて、
前記セクターマグネットにおける荷電粒子線の偏向角度は、９０°であり、
前記セクターマグネットにおける荷電粒子線の中心軌道の半径をＲとした場合に、
エネルギー分散面とアクロマティック面との間の距離Ｌは、Ｌ＞３．３Ｒを満たしてもよい。
このようなエネルギーフィルタでは、構造を単純化でき、かつ、低収差を実現できる。
（１０）本発明に係る荷電粒子線装置は、
本発明に係るエネルギーフィルタを含む。
このような荷電粒子線装置では、本発明に係るエネルギーフィルタを含むため、低コストで高性能な荷電粒子線装置を実現できる。
（１１）本発明に係る荷電粒子線装置において、
中間レンズと、
投影レンズと、
を含み、
前記エネルギーフィルタは、前記中間レンズと前記投影レンズとの間に配置されていてもよい。
このような荷電粒子線装置では、エネルギーフィルタの構造の対称性によってエネルギーフィルタそのものから発生するいくつかの収差がキャンセルされるため、これらの収差に対する収差補正を行わなくてもよい。さらに、このような荷電粒子線装置では、投影レンズによって像観察モードとスペクトル観察モードを容易に切り替えられることができる。さらに、このような荷電粒子線装置では、投影レンズによって拡大される前にエネルギーフィルタによるフィルタリングが行われるため、低倍率から高倍率までの、広視野での観察に対応できる。
（１２）本発明に係る荷電粒子線装置において、
前記中間レンズは、
前記エネルギーフィルタの入射側クロスオーバー面に試料の回折パターンをフォーカスし、
前記エネルギーフィルタの入射側像面に試料の像をフォーカスしてもよい。
（１３）本発明に係る荷電粒子線装置において、
前記中間レンズは、
前記エネルギーフィルタの入射側クロスオーバー面に試料の像をフォーカスし、
前記エネルギーフィルタの入射側像面に試料の回折パターンをフォーカスしてもよい。
本実施形態に係るエネルギーフィルタが搭載された電子顕微鏡を模式的に示す図。 本実施形態に係るエネルギーフィルタにおける電子線の軌道を示す図。 Ωフィルタ（Ｂ−ｔｙｐｅ）における電子線の軌道を示す図。 本実施形態に係るエネルギーフィルタの第２セクターマグネットを模式的に示す図。 本実施形態に係るエネルギーフィルタの第２セクターマグネットを模式的に示す断面図。 本実施形態に係るエネルギーフィルタの第２セクターマグネットを模式的に示す断面図。 距離Ｌに対するフォーカスパラメータを示すグラフ。 Ｕ−ｔｙｐｅおよびΩＢ−ｔｙｐｅの収差係数を計算した結果を示す表。 Ｕ−ｔｙｐｅおよびΩＢ−ｔｙｐｅの収差の光学的な計算条件と、収差を計算した結果を示す表。 Ｕ−ｔｙｐｅにおける、アクロマティック面とエネルギー分散面のスポットダイアグラムのシミュレーション結果を示す図。 ΩＢ−ｔｙｐｅにおける、アクロマティック面とエネルギー分散面のスポットダイアグラムのシミュレーション結果を示す図。 距離Ｌに対する、エネルギー分散面の分散方向の幾何収差ΔＥｘ、および色収差ΔＥｘｃを示すグラフ。 距離Ｌに対する、最終結像面に換算したアクロマティック面の幾何収差Δｆ、および色収差Δｃｆを示すグラフ。 第１変形例に係るエネルギーフィルタにおける電子線の軌道を示す図。 第１変形例に係るエネルギーフィルタの第２セクターマグネットを模式的に示す断面図。 第２変形例に係るエネルギーフィルタにおける電子線の軌道を示す図。 第２変形例に係るエネルギーフィルタの第２セクターマグネットを模式的に示す断面図。 第３変形例に係るエネルギーフィルタにおける電子線の軌道を示す図。 第４変形例に係るエネルギーフィルタにおける電子線の軌道を示す図。 第５変形例に係るエネルギーフィルタにおける電子線の軌道を示す図。 第５変形例に係るエネルギーフィルタにおける電子線の軌道を示す図。 第５変形例に係るエネルギーフィルタにおける電子線の軌道を示す図。 第５変形例に係るエネルギーフィルタにおける電子線の軌道を示す図。 第６変形例に係るエネルギーフィルタにおける電子線の軌道を示す図。 第６変形例に係るエネルギーフィルタのセクターマグネットを模式的に示す断面図。 第６変形例に係るエネルギーフィルタにおける電子線の軌道を示す図。 従来のインカラム型エネルギーフィルタを模式的に示す図。 従来のインカラム型エネルギーフィルタにおける電子線の軌道を示す図。 従来のインカラム型エネルギーフィルタとその前後の光学系の一例を示す図。 従来のインカラム型エネルギーフィルタとその前後の光学系の一例を示す図。 クロスオーバー面と像面との間の距離Ｌを説明するための図。 エネルギーフィルタの像面に現れる収差を示す図。 エネルギーフィルタのクロスオーバー面に現れる収差を示す図。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
また、以下では、本発明に係る荷電粒子線装置として、電子線を照射して試料の観察を行う電子顕微鏡を例に挙げて説明するが、本発明に係る荷電粒子線装置は電子線以外の荷電粒子線（イオン等）を照射して試料の観察を行う装置であってもよい。本発明に係る荷電粒子線装置としては、例えば、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）などが挙げられる。
１． エネルギーフィルタおよび電子顕微鏡
まず、本実施形態に係るエネルギーフィルタについて、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るエネルギーフィルタ１００が搭載された電子顕微鏡１を模式的に示す図である。電子顕微鏡１は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）である。
電子顕微鏡１は、図１に示すように、電子源２と、照射レンズ３と、対物レンズ４と、中間レンズ５と、エネルギーフィルタ１００と、投影レンズ６と、撮像装置７と、を含んで構成されている。
電子源２は、電子を発生させる。電子源２は、例えば、陰極から放出された電子を陽極で加速し電子線を放出する電子銃である。
照射レンズ３は、電子源２から放出された電子線を集束して試料９に照射する。照射レンズ３は、例えば、複数の電子レンズで構成されている。
対物レンズ４は、試料９を透過した電子線で透過電子顕微鏡像（ＴＥＭ像）を結像するための初段のレンズである。対物レンズ４は、試料９に強い磁場を与えるためのポールピースを有し、試料９はポールピースの中に配置される。
ここで、電子顕微鏡像（ＴＥＭ像）とは、「試料の像」もしくは「試料の回折パターン」を含む。なお、ＴＥＭ像を試料の像とする場合、クロスオーバーは、試料の回折パター
ンとなる。また、ＴＥＭ像を試料の回折パターンとする場合、クロスオーバーは試料の像となる。以下、ＴＥＭ像（もしくは単に「像」）、およびクロスオーバーという用語を上記意味で用いる。
中間レンズ５は、対物レンズ４とエネルギーフィルタ１００との間に４段設けられている。４段の中間レンズ５によって、倍率、像回転、像フォーカス、クロスオーバーフォーカスを調整することができる。４段の中間レンズ５は、エネルギーフィルタ１００の入射側クロスオーバー面Ｓ１にクロスオーバーを結び（フォーカスし）、かつ、入射側像面Ａ１に像を結ぶ（フォーカスする）。
電子顕微鏡１において試料像を観察する場合（試料像観察モード）、中間レンズ５は、エネルギーフィルタ１００の入射側クロスオーバー面Ｓ１に試料９の回折パターンをフォーカスし、エネルギーフィルタ１００の入射側像面Ａ１に試料９の像をフォーカスする。また、電子顕微鏡１において試料９の回折パターンを観察する場合（電子回折観察モード）、中間レンズ５は、エネルギーフィルタ１００の入射側クロスオーバー面Ｓ１に試料９の像をフォーカスし、エネルギーフィルタ１００の入射側像面Ａ１に試料９の回折パターンをフォーカスする。
エネルギーフィルタ１００は、中間レンズ５と投影レンズ６との間に配置されている。図示はしないが、電子顕微鏡１は、エネルギーフィルタ１００に入射する視野を制限するための入射絞りを有していてもよい。エネルギーフィルタ１００は、インカラム型エネルギーフィルタ（イメージングエネルギーフィルタ）である。エネルギーフィルタ１００を通る電子の軌道は、Ｕ字型（すなわち、電子線の偏向角度の合計は１８０°）である。
エネルギーフィルタ１００の光学系には、入射側クロスオーバー面Ｓ１、入射側像面Ａ１、エネルギー分散面（射出側クロスオーバー面）Ｓ２、アクロマティック面（射出側像面）Ａ２が存在する。
入射側クロスオーバー面Ｓ１には、中間レンズ５によってクロスオーバーがフォーカスされる。入射側像面Ａ１には、中間レンズ５によって像がフォーカスされる。エネルギーフィルタ１００は電子レンズと同様の結像作用を有しており、入射側クロスオーバー面Ｓ１はエネルギー分散面Ｓ２に投影され、入射側像面Ａ１はアクロマティック面Ａ２に投影される。
エネルギー分散面Ｓ２は、エネルギー分散を生じる面である。エネルギー分散面Ｓ２には、クロスオーバーが結像される。エネルギー分散面Ｓ２は、対称面Ｍに関し、入射側クロスオーバー面Ｓ１に対して鏡映対称の位置に形成される。
アクロマティック面Ａ２は、エネルギー分散の無い面である。アクロマティック面Ａ２には、像が結像される。アクロマティック面Ａ２は、対称面Ｍに関し、入射側像面Ａ１に対して鏡映対称の位置に形成される。図示はしないが、エネルギー分散面Ｓ２には、エネルギースリットが配置される。エネルギースリットで特定の損失エネルギーを持った電子のみを選択することにより、その損失エネルギーに対応するＴＥＭ像を得ることできる（ＥＦ−ＴＥＭ）。
エネルギーフィルタ１００は、第１セクターマグネット１０と、第２セクターマグネット２０と、を含んで構成されている。エネルギーフィルタ１００では、第１セクターマグネット１０の後段（後方、電子線の流れの下流側）に第２セクターマグネット２０が配置されている。第１セクターマグネット１０および第２セクターマグネット２０は、それぞれ電子線を偏向させる偏向磁場を発生させる。第１セクターマグネット１０および第２セ
クターマグネット２０は、クロスオーバーおよび像を結像する光学系を構成する。
第１セクターマグネット１０と第２セクターマグネット２０とは、対称面Ｍに関して対称に構成されている。すなわち、第１セクターマグネット１０がつくる偏向磁場と第２セクターマグネット２０がつくる偏向磁場とは、対称面Ｍに関して対称である。
第１セクターマグネット１０および第２セクターマグネット２０は、湾曲している。第１セクターマグネット１０の形状は、図１に示すように、中心Ｏ１０を中心とした扇型であり、中心角は９０°である。同様に、第２セクターマグネット２０の形状は、図１に示すように、中心Ｏ２０を中心とした扇型であり、中心角は９０°である。
第１セクターマグネット１０によって電子線の進行方向は９０°回転する。同様に第２セクターマグネット２０によって電子線の進行方向は９０°回転する。すなわち、第１セクターマグネット１０における電子線の偏向角度は、９０°である。同様に、第２セクターマグネット２０における電子線の偏向角度は、９０°である。
第１セクターマグネット１０における電子線の偏向角度と第２セクターマグネットにおける電子線の偏向角度との和は、１８０°である。したがって、エネルギーフィルタ１００に入射した電子線は、１８０°反転されて射出される。すなわち、エネルギーフィルタ１００に入射する電子線の中心軌道（光軸）とエネルギーフィルタ１００から射出する電子線の中心軌道（光軸）とは、平行である。
第１セクターマグネット１０の極性と第２セクターマグネット２０の極性は、同じである。ここで、極性とは、偏向磁場の磁力線の向き（磁界の向き）をいう。すなわち、第１セクターマグネット１０がつくる偏向磁場の磁力線の向きと第２セクターマグネット２０がつくる偏向磁場の磁力線の向きとは、同じである。
後述する図５に示す例では、第２セクターマグネット２０の磁力線の方向（磁場の方向）はＹ方向であり、磁力線の向きは＋Ｙ方向である。また、第１セクターマグネット１０の極性と第２セクターマグネットの極性とは同じであるため、第１セクターマグネット１０の磁力線の向きも＋Ｙ方向である。なお、図５に示す例では、磁極対向面２２はＳ極であり、磁極対向面２３はＮ極である。
第１セクターマグネット１０の入口には、シャント３０が設けられている。また、第１セクターマグネット１０の出口には、シャント３２が設けられている。同様に、第２セクターマグネット２０の入口には、シャント３２が設けられている。また、第２セクターマグネット２０の出口には、シャント３４が設けられている。図示の例では、第１セクターマグネット１０の出口と第２セクターマグネット２０の入口には、共通のシャント３２が設けられている。シャント３０，３２，３４は、セクターマグネット１０，２０が発生させる偏向磁場を減衰させて、セクターマグネット１０，２０の外に偏向磁場が漏れることを防ぐ。
投影レンズ６は、エネルギーフィルタ１００の後段（後方、電子線の下流側）に３段設けられている。３段の投影レンズ６の励磁を調整することによって、撮像装置７に結像される面を切り替えることができる。これにより、エネルギーロス像とエネルギースペクトルとを得ることができる。具体的には、エネルギーロス像を観察するためには、３段の投影レンズ６によってエネルギーフィルタ１００のアクロマティック面Ａ２を撮像装置７に結像する。また、エネルギースペクトルを取得するためには、３段の投影レンズ６によってエネルギーフィルタ１００のエネルギー分散面Ｓ２を撮像装置７に結像する。
なお、ここでは、エネルギーフィルタ１００の後段に３段の投影レンズ６が配置される場合について説明したが、投影レンズ６は２段であってもよい。
撮像装置７は、投影レンズ６によって結像されたエネルギーロス像やエネルギースペクトル、ＴＥＭ像等を撮影する。撮像装置７は、例えば、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ等のデジタルカメラである。
電子顕微鏡１は、２つの鏡筒８ａ，８ｂを有している。鏡筒８ａには電子源２、照射レンズ３、対物レンズ４、中間レンズ５が収容されている。鏡筒８ｂには投影レンズ６が収容されている。鏡筒８ａと鏡筒８ｂとは、架台（図示せず）上に平行に並んで配置されている。電子顕微鏡１では、２つの鏡筒８ａ，８ｂをつなぐ部分にエネルギーフィルタ１００が配置されている。
電子顕微鏡１では、電子源２から放出された電子線は、照射レンズ３によって集束されて試料９に照射される。試料９に照射された電子線は、試料９を透過して対物レンズ４によって結像される。そして、中間レンズ５によって入射側クロスオーバー面Ｓ１にクロスオーバーがフォーカスされ、入射側像面Ａ１に像がフォーカスされる。エネルギーフィルタ１００において、入射側クロスオーバー面Ｓ１にフォーカスされたクロスオーバーはエネルギー分散面Ｓ２に投影され、入射側像面Ａ１にフォーカスされた像はアクロマティック面Ａ２に投影される。投影レンズ６でアクロマティック面Ａ２を撮像装置７に結像することによってエネルギーロス像を観察することができる。また、投影レンズ６でエネルギー分散面Ｓ２を撮像装置７に結像することによってエネルギースペクトルを取得することができる。
次に、本実施形態に係るエネルギーフィルタ１００について、より詳細に説明する。図２は、本実施形態に係るエネルギーフィルタ１００における電子線の軌道を示す図である。図３は、比較例として、Ωフィルタ（Ｂ−ｔｙｐｅ）における電子線の軌道を示す図である。なお、エネルギーフィルタの中心の軸（光軸）は湾曲しているが、図２および図３では、便宜上、直線として描いている。
図２および図３には、エネルギーフィルタにおける電子線の４つの基本軌道ｘα，ｙβ，ｘγ，ｙδを示している。軌道ｘα、軌道ｙβは、像面の中心を通る軌道である。また、軌道ｘγ、軌道ｙδは、クロスオーバー面の中心を通る軌道である。なお、ｘｃｈｉは、エネルギー分散した電子の軌道である。
図２に示すエネルギーフィルタ１００では、軌道ｘγにおいて、中間レンズ５によって入射側クロスオーバー面Ｓ１に結像されたクロスオーバーは、エネルギー分散面Ｓ２に結像される。また、軌道ｙδにおいて、中間レンズ５によって入射側クロスオーバー面Ｓ１に結像されたクロスオーバーは、軌道ｘγと同様に、エネルギー分散面Ｓ２に結像される。
すなわち、エネルギーフィルタ１００では、クロスオーバーのＸ方向の結像回数は最初の入射側クロスオーバー面Ｓ１の結像を除いて１回であり、クロスオーバーのＹ方向の結像回数は最初の入射側クロスオーバー面Ｓ１の結像を除いて１回である。また、最初の入射側クロスオーバー面Ｓ１を除いた場合、クロスオーバーのＸ方向の結像位置およびクロスオーバーのＹ方向の結像位置は、エネルギー分散面Ｓ２である。
また、エネルギーフィルタ１００では、軌道ｘαにおいて、中間レンズ５によって入射側像面Ａ１に結像された像は、対称面Ｍとアクロマティック面Ａ２とに結像される。また、軌道ｙβにおいて、中間レンズ５によって入射側像面Ａ１に結像された像は、対称面Ｍ
とアクロマティック面Ａ２とに結像される。
すなわち、エネルギーフィルタ１００では、像のＸ方向の結像回数は最初の入射側像面Ａ１の結像を除いて２回であり、像のＹ方向の結像回数は最初の入射側像面Ａ１の結像を除いて２回である。また、最初の入射側像面Ａ１を除いた場合、像のＸ方向の結像位置および像のＹ方向の結像位置は、対称面Ｍおよびアクロマティック面Ａ２である。なお、像のＸ方向の結像およびＹ方向の結像において、対称面Ｍの位置には実像が形成される。また、入射側像面Ａ１およびアクロマティック面Ａ２に結像される像は虚像であり、結像位置は、軌道ｘα、軌道ｙβにおいて、破線で示す電子の軌道を延長した直線と光軸とが交わる位置である。
これに対して、図３に示すΩフィルタ（Ｂ−ｔｙｐｅ）では、クロスオーバーのＸ方向の結像回数は３回である（軌道ｘγ参照）。クロスオーバーのＸ方向の結像位置は、軌道ｘγとフィルタの光軸との３つの交点である。また、Ωフィルタ（Ｂ−ｔｙｐｅ）では、像のＸ方向の結像回数は２回である（軌道ｘα参照）。像のＸ方向の結像位置は、対称面Ｍおよびアクロマティック面Ａ２である。また、クロスオーバーのＹ方向の結像回数および像のＹ方向の結像回数は、それぞれＸ方向と比べて、１回少ない（軌道ｙδ、軌道ｙβ参照）。
このように、Ωフィルタ（Ｂ−ｔｙｐｅ）では、クロスオーバーのＹ方向の結像回数および像のＹ方向の結像回数が、それぞれＸ方向と比べて、１回少ない。そのため、Ωフィルタ（Ｂ−ｔｙｐｅ）では、像が反転する。また、Ωフィルタ（Ｂ−ｔｙｐｅ）では、Ｙ方向のフォーカス回数を少なくすることで、フォーカスに必要な磁極端面の角度（端面角度）の増大を抑え、それによって生じる収差を抑制している。
これに対して、エネルギーフィルタ１００では、上述したように、Ｘ方向およびＹ方向において、結像回数が同じであるため、Ωフィルタ（Ｂ−ｔｙｐｅ）で生じる像の反転が生じない。
以下では、図４〜図６を参照して第２セクターマグネット２０の構成について説明するが、第１セクターマグネット１０と第２セクターマグネット２０とは対称に構成されているため、第１セクターマグネット１０の構成も同様である。
図４〜図６は、本実施形態に係るエネルギーフィルタ１００の第２セクターマグネット２０を模式的に示す図である。なお、図５は、図４に示す第２セクターマグネット２０のＶ−Ｖ線断面図である。また、図６は、第２セクターマグネット２０の変形例を図示している。
具体的には、図５では、第２セクターマグネット２０の磁極対向面（Ｙ方向に対向する面）２２，２３が傾斜していない状態（すなわち傾斜角度θ＝０°の場合）を図示している。また、図６では、第２セクターマグネット２０の磁極対向面２２，２３が傾斜している状態（すなわち傾斜角度θ≠０°の場合）を図示している。
図４〜図６には、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。電子の進行方向をＺ方向とし、偏向磁場による電子の偏向方向をＸ方向とし、偏向磁場の磁力線の方向をＹ方向とする。
クロスオーバーと像を、それぞれＸ方向とＹ方向とでフォーカスさせるためには、自由度が４つ必要である。ここでは、クロスオーバー面Ｓ（エネルギー分散面Ｓ２）と像面（アクロマティック面Ａ２）との間の距離Ｌ、または等価であるが入射側クロスオーバー面
Ｓ１と入射側像面Ａ１との間の距離Ｌ（図１参照）が与えられたときの、フォーカスパラメータ（距離Ｌ１、距離Ｌ２、端面角度Ｔ１、端面角度Ｔ２）を計算する。エネルギーフィルタ１００は、構造が単純であるため、この４つ（距離Ｌ１、距離Ｌ２、端面角度Ｔ１、端面角度Ｔ２）以外にフォーカスパラメータはない。よって、与えられた距離Ｌに対して、距離Ｌ１、距離Ｌ２、端面角度Ｔ１、端面角度Ｔ２は、一意に定まる。なお、磁極対向面２２，２３の傾斜角度θもフォーカスパラメータになり得るがここでは考慮しない。
ここで、距離Ｌ１は、対称面Ｍと第２セクターマグネット２０の入口との間の距離である。第２セクターマグネット２０の入口は、電子線の中心軌道上における第２セクターマグネット２０の入口側の端面とシャント３２との中間点である。
距離Ｌ２は、第２セクターマグネット２０の出口とクロスオーバー面Ｓ（エネルギー分散面Ｓ２）との間の距離である。第２セクターマグネット２０の出口は、電子線の中心軌道上における第２セクターマグネット２０の出口側の端面とシャント３４との中間点である。
端面角度Ｔ１は、第２セクターマグネット２０の入口側の端面の角度である。端面角度Ｔ２は、第２セクターマグネット２０の出口側の端面の角度である。端面角度Ｔ１および端面角度Ｔ２は、Ｘ軸を０°として、反時計まわりを正とする。端面角度Ｔ１，Ｔ２をつけることで、Ｙ方向の集束作用を与えることができる。しかし、端面角度Ｔ１，Ｔ２が大きくなると、収差の増大を招きやすい。
図７は、与えられた距離Ｌに対するフォーカスパラメータ（距離Ｌ１、距離Ｌ２、端面角度Ｔ１、端面角度Ｔ２）を示すグラフである。図７に示すグラフは、偏向半径Ｒ＝１５０ｍｍ、偏向角Θ＝９０°、傾斜角度θ＝０°として、与えられた距離Ｌに対する距離Ｌ１、距離Ｌ２、端面角度Ｔ１、端面角度Ｔ２を計算した結果をプロットしたものである。
なお、偏向半径Ｒは、第２セクターマグネット２０における電子線の中心軌道の半径である。また、偏向角Θは、第２セクターマグネット２０における電子線の偏向角度である。また、傾斜角度θ（図６参照）は、第２セクターマグネット２０の磁極対向面２２，２３の傾斜角度である。ここでは、傾斜角度θ＝０°であるため、図５に示すように磁極対向面２２，２３は平行である。
図７に示すグラフより、偏向半径Ｒ＝１５０ｍｍ、偏向角Θ＝９０°、傾斜角度θ＝０°とした場合に、エネルギーフィルタ１００において、上述した図２に示すようにクロスオーバーと像とをＸ方向およびＹ方向とでフォーカス可能である距離Ｌの範囲は、距離Ｌ＝５３８ｍｍ以上である。すなわち、距離Ｌは、Ｌ＞３．６Ｒの範囲で設定可能である（表１参照）。
また、図７に示すグラフにより、偏向半径Ｒ＝１５０ｍｍ、偏向角Θ＝９０°、傾斜角度θ＝０°とした場合に、距離Ｌ２は８０ｍｍ以上９０ｍｍ以下の範囲であり、端面角度Ｔ１は２４°以上２６°以下の範囲であり、端面角度Ｔ２は−２５°以上−１８°以下の範囲であり、距離Ｌ１は、０ｍｍより大きく距離Ｌ２を超えない範囲である。
図６に示すように、第２セクターマグネット２０の磁極対向面２２，２３が傾斜している場合（傾斜角度θ≠０°の場合）、もしくは第２セクターマグネット２０の入口および出口の少なくとも一方に磁場４極子を配置した場合（後述する図１６、図１８参照）、Ｙ方向の集束作用を持たせることができる。そのため、端面角度Ｔ１，Ｔ２を小さくすることができる。よって、端面角度Ｔ１，Ｔ２は、上記の範囲に限定されない。
端面角度Ｔ１，Ｔ２を最も小さくできるのは、第２セクターマグネット２０がＸ方向およびＹ方向ともに常に同じ集束作用を持つ場合、すなわち、ラウンドレンズフォーカス（Ｒｏｕｎｄ Ｌｅｎｓ Ｆｏｃｕｓ）の場合である。このとき、距離ＸＣ＝２Ｒを満たす。すなわち、ｔａｎθ＝ｓ／４Ｒを満たす。このときの偏向角Θの範囲は理論的に決まっており、磁場のみの場合、２Θ＜２５４°であり、電場のみの場合、２Θ＜１８０°である。なお、ラウンドレンズフォーカスの場合、端面角度Ｔ１＝Ｔ２＝０°である。また、フォーカス可能である距離Ｌの範囲は、上記の範囲に限定されない（表１参照）。
ここで、距離ＸＣは、図６に示すようにＺ方向から見て、磁極対向面２２を含む平面と磁極対向面２３を含む平面とが交わる位置と、第２セクターマグネット２０における電子線の中心軌道と、の間の距離である。また、距離ｓは、ＹＺ平面における磁極対向面２２と磁極対向面２３との間の距離である。
第２セクターマグネット２０においてＸ方向およびＹ方向の集束作用は、最終結像面で一致すれば途中は異なっていてもよい。これをスティグマティックフォーカス（Ｓｔｉｇｍｔｔｉｃ Ｆｏｃｕｓ）という。
距離Ｌの範囲は、偏向角Θと磁極対向面２２，２３の傾斜角度θに依存する。後述する変形例（図２０〜図２３）に示す、２Θ＝９０°、２Θ＝１３５°、２Θ＝１８０°、２Θ＝２１０°の場合、クロスオーバーと像とをＸ方向およびＹ方向とでフォーカス可能である距離Ｌの最小値は、次表１のようになる。なお、偏向半径Ｒ＝１５０ｍｍとした。
Figure 0006914666
表１に示すように、スティグマティックフォーカス（Ｒ／Ｘｃ＝０）では、２Θ＝９０°、傾斜角度θ＝０°とした場合、フォーカス可能である距離Ｌの範囲は、距離Ｌ＝４７８．４ｍｍ以上である。すなわち、距離Ｌは、Ｌ＞３．２Ｒを満たす。また、２Θ＝１３５°、傾斜角度θ＝０°とした場合、フォーカス可能である距離Ｌの範囲は、距離Ｌ＝４１５．０ｍｍ以上であり、距離Ｌは、Ｌ＞２．８Ｒを満たす。また、２Θ＝１８０°、傾斜角度θ＝０°とした場合、フォーカス可能である距離Ｌの範囲は、距離Ｌ＝５３８．４ｍｍ以上であり、距離Ｌは、Ｌ＞３．６Ｒを満たす。また、２Θ＝２１０°、傾斜角度θ＝０°とした場合、フォーカス可能である距離Ｌの範囲は、距離Ｌ＝１０１８．０ｍｍ以上であり、距離Ｌは、Ｌ＞６．８Ｒを満たす。
また、ラウンドレンズフォーカス（Ｒ／Ｘｃ＝１／２）では、２Θ＝９０°、傾斜角度θ≠０°とした場合、フォーカス可能である距離Ｌの範囲は、距離Ｌ＝４９０．９ｍｍ以上であり、距離Ｌは、Ｌ＞３．３Ｒを満たす。また、２Θ＝１３５°、傾斜角度θ≠０°とした場合、フォーカス可能である距離Ｌの範囲は、距離Ｌ＝４３０．６ｍｍ以上であり、距離Ｌは、Ｌ＞２．９Ｒを満たす。また、２Θ＝１８０°、傾斜角度θ≠０°とした場合、フォーカス可能である距離Ｌの範囲は、距離Ｌ＝５２６．２ｍｍ以上であり、距離Ｌは、Ｌ＞３．５Ｒを満たす。また、２Θ＝２１０°、傾斜角度θ≠０°とした場合、フォーカス可能である距離Ｌの範囲は、距離Ｌ＝７８０．４ｍｍ以上であり、距離Ｌは、Ｌ＞
５．２Ｒを満たす。
上記では、第２セクターマグネット２０の構成について説明したが、上述したように、上記の内容は、第１セクターマグネット１０にも当てはまる。すなわち、例えば、第１セクターマグネット１０においても、クロスオーバー面Ｓ（入射側クロスオーバー面Ｓ１）と像面Ａ（入射側像面Ａ１）との間の距離Ｌは、Ｌ＞３．６Ｒを満たす。また、第１セクターマグネット１０において、距離Ｌ１は、対称面Ｍと第１セクターマグネット１０の出口との間の距離に対応する。また、距離Ｌ２は、第１セクターマグネット１０の入口とクロスオーバー面Ｓ（入射側クロスオーバー面Ｓ１）との間の距離に対応する。また、端面角度Ｔ１は、第１セクターマグネット１０の出口側の端面の角度に対応する。また、端面角度Ｔ２は、第１セクターマグネット１０の入口側の端面の角度に対応する。
エネルギーフィルタ１００、およびエネルギーフィルタ１００を含む電子顕微鏡１は、例えば、以下の特徴を有する。
エネルギーフィルタ１００では、クロスオーバーのＸ方向の結像回数およびクロスオーバーのＹ方向の結像回数は最初の入射側クロスオーバー面Ｓ１の結像を除いて１回であり、最初の入射側クロスオーバー面Ｓ１を除いた場合、クロスオーバーのＸ方向の結像位置およびクロスオーバーのＹ方向の結像位置はエネルギー分散面Ｓ２であり、像のＸ方向の結像回数および像のＹ方向の結像回数は最初の入射側像面Ａ１の結像を除いて２回であり、最初の入射側像面Ａ１を除いた場合、像のＸ方向の結像位置および像のＹ方向の結像位置は、対称面Ｍとアクロマティック面Ａ２である。そのため、エネルギーフィルタ１００では、後述する実施例に示すように、収差補正装置を用いることなく、低収差を実現できる。したがって、エネルギーフィルタ１００では、構造を単純化でき、かつ、低収差を実現できる。
また、エネルギーフィルタ１００では、第１セクターマグネット１０および第２セクターマグネット２０が、対称面Ｍに関して鏡映対称に構成されている。そのため、エネルギーフィルタ１００では、いくつかの収差（幾何収差の２次収差の一部等）をキャンセルすることができる。
エネルギーフィルタ１００では、第２セクターマグネット２０における電子線の中心軌道の半径をＲとし、偏向角Θ＝９０°、傾斜角度θ＝０°とした場合に、エネルギー分散面Ｓ２とアクロマティック面Ａ２との間の距離Ｌは、Ｌ＞３．６Ｒを満たす。同様に、第１セクターマグネット１０における電子線の中心軌道の半径をＲとした場合に、入射側クロスオーバー面Ｓ１と入射側像面Ａ１との間の距離Ｌは、Ｌ＞３．６Ｒを満たす。すなわち、第１セクターマグネット１０における電子線の偏向角度と第２セクターマグネット２０における電子線の偏向角度の和は、１８０°であり、距離Ｌは、Ｌ＞３．６Ｒを満たす。そのため、エネルギーフィルタ１００では、構造を単純化でき、かつ、低収差を実現できる。
エネルギーフィルタ１００では、第２セクターマグネット２０における電子線の中心軌道の半径をＲとし、偏向角Θ＝４５°、傾斜角度θ＝０°とした場合に、エネルギー分散面Ｓ２とアクロマティック面Ａ２との間の距離Ｌは、Ｌ＞３．２Ｒを満たす。同様に、第１セクターマグネット１０における電子線の中心軌道の半径をＲとした場合に、入射側クロスオーバー面Ｓ１と入射側像面Ａ１との間の距離Ｌは、Ｌ＞３．２Ｒを満たす。すなわち、第１セクターマグネット１０における電子線の偏向角度と第２セクターマグネット２０における電子線の偏向角度の和は、９０°であり、距離Ｌは、Ｌ＞３．２Ｒを満たす。そのため、エネルギーフィルタ１００では、構造を単純化でき、かつ、低収差を実現できる。
エネルギーフィルタ１００では、第１セクターマグネット１０における電子線の偏向角度と第２セクターマグネット２０における電子線の偏向角度の和は、１８０°である。そのため、電子顕微鏡１において、図１に示すように、２つの鏡筒８ａ，８ｂをつなぐ部分にエネルギーフィルタ１００を配置することができ、電子顕微鏡（鏡筒）の高さの増大を抑制することができる。
電子顕微鏡１は、構造を単純化でき、かつ、低収差を実現できるエネルギーフィルタ１００を含むため、低コストで高性能な電子顕微鏡を実現できる。また、電子顕微鏡１では、エネルギーフィルタ１００が低収差であるため、収差補正の必要がなく、軸調整が容易である。
電子顕微鏡１では、エネルギーフィルタ１００が、中間レンズ５と投影レンズ６との間に配置されている。そのため、電子顕微鏡１では、エネルギーフィルタの構造の対称性によってエネルギーフィルタそのものから発生するいくつかの収差がキャンセルされるため、これらの収差に対する収差補正を行わなくてもよい。さらに、電子顕微鏡１では、投影レンズ６によって像観察モードとスペクトル観察モードを容易に切り替えられることができる。さらに、電子顕微鏡１では、投影レンズによって拡大される前にエネルギーフィルタによるフィルタリングが行われるため、低倍率から高倍率までの、広視野での観察に対応できる。
２． 実施例
以下、実施例を挙げて本実施形態をさらに詳細に説明するが、本発明はこれによって制限されるものではない。
本実施例では、エネルギーフィルタ１００の偏向半径Ｒ＝１５０ｍｍ、距離Ｌ＝７００ｍｍとしたモデルを用いて、収差係数を計算した。以下では、計算に用いたエネルギーフィルタ１００のモデルを「Ｕ−ｔｙｐｅ」ともいう。
また、比較例として、Ωフィルタ（Ｂ−ｔｙｐｅ）の収差係数を計算した。比較例としてのΩフィルタ（Ｂ−ｔｙｐｅ）は、距離Ｌ＝９５ｍｍの典型的なモデルを用いた。以下では、計算に用いたΩフィルタ（Ｂ−ｔｙｐｅ）のモデルを「ΩＢ−ｔｙｐｅ」ともいう。
図８は、Ｕ−ｔｙｐｅおよびΩＢ−ｔｙｐｅの収差係数を計算した結果を示す表である。なお、図８に示す表において、収差係数は、図３２および図３３に示す収差係数に対応している。例えば、「Ａ＿ＡＡＧ」は「Ａ＿ααγ」を表している。すなわち、アンダーバー（＿）の後では、「Ａ」は「α」に対応し「Ｇ」は「γ」に対応している。また、「Ｂ」は「β」に対応し、「Ｄ」は「δ」に対応している。
図８に示すように、Ｕ−ｔｙｐｅの収差係数は、ΩＢ−ｔｙｐｅと比較して、大きいものや小さいものが混在しており、概して同程度であるといえる。
次に、Ｕ−ｔｙｐｅとΩＢ−ｔｙｐｅの収差（幾何収差と色収差）について比較する。色収差成分は、エネルギーロス幅ΔＥ＝５０ｅＶとして計算した。
図９は、Ｕ−ｔｙｐｅおよびΩＢ−ｔｙｐｅの収差の光学的な計算条件と、収差を計算した結果を示す表である。
電子顕微鏡の全体倍率を１００ｋと仮定する。なお、「Ｍ」は、試料面からアクロマテ
ィック面までの倍率である。「Ｍｐ」は、アクロマティック面からスクリーン（撮像装置）までの倍率（すなわち投影レンズの倍率）である。ここでは、電子顕微鏡全体の倍率が１００ｋであるため、「Ｍ」×「Ｍｐ」は１００ｋとなる。
また、「Ｒｉ」は、アクロマティック面上の像半径である。「Ｄｉ」は、エネルギー分散面上の像半径である。「γ」、「δ」は、クロスオーバーの開き角であり、「α」、「β」は、像の開き角である（図３１参照）。
また、「ΔＥｘ」はエネルギー分散面の分散方向の幾何収差であり、「ΔＥｘｃ」はエネルギー分散面の分散方向の色収差である。「Δ」はアクロマティック面の幾何収差であり、「Δｃ」はアクロマティック面の色収差である。「Δｆ」は最終結像面に換算したアクロマティック面の幾何収差であり、「Δｃｆ」は最終結像面に換算したアクロマティック面の色収差である。
図９に示す表から、Ｕ−ｔｙｐｅの性能は、アクロマティック面の収差に関して、ΩＢ−ｔｙｐｅに比べて二桁近く向上することがわかる。図９に示すように、Ｕ−ｔｙｐｅにおいて、最終結像面におけるアクロマティック面の収差（ボケ）は１０μｍ以下である。電子顕微鏡に撮像装置として搭載されるＣＣＤカメラの画素サイズは、一般的に１０μｍ程度である。したがって、Ｕ−ｔｙｐｅでは、電子顕微鏡の分解能に影響しない程度まで収差（ボケ）を小さくできるといえる。これにより、Ｕ−ｔｙｐｅでは、収差補正を必要としない。
さらに、Ｕ−ｔｙｐｅでは、エネルギー分散面における収差はΩＢ−ｔｙｐｅと同程度に抑えられている。これは、以下に示すＵ−ｔｙｐｅとΩＢ−ｔｙｐｅの、スポットダイアグラムの比較で明瞭に示されている。
図１０は、Ｕ−ｔｙｐｅにおける、アクロマティック面（最終結像面）とエネルギー分散面のスポットダイアグラム（収差図形）のシミュレーション結果を示す図である。図１１は、ΩＢ−ｔｙｐｅにおける、アクロマティック面（最終結像面）とエネルギー分散面のスポットダイアグラム（収差図形）のシミュレーション結果を示す図である。なお、図１０および図１１では、エネルギーロス幅ΔＥ＝５０ｅＶとして計算した。
図１０および図１１で示す収差は、エネルギーフィルタに起因する成分のみを示しており、他の結像レンズによる成分を含まない。また、比較しやすくするために、アクロマティック像は、最終的に結像されるスクリーン（φ１００ｍｍ）上に換算し、かつ、スポットの大きさを１００倍拡大して示している。
図１０および図１１に示すアクロマティック面（Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｉｍａｇｅ）では、二つの異なるエネルギーをもつ電子線（分散した電子線）のスポット形状を、それぞれ円周上において４５°間隔で示している。
収差がない場合にはそれぞれのスポットは理想的な点となるが、幾何収差および色収差がある場合にはぼけたスポットとなる。ΩＢ−ｔｙｐｅは、Ｙ（縦）方向のボケが特に大きい。Ｕ−ｔｙｐｅは、ΩＢ−ｔｙｐｅに比べて、ボケが小さく、ほぼ点として示されている。
図１０および図１１に示すエネルギー分散面（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｉｍａｇｅ）では、二つの異なるエネルギーをもつ電子線（分散した電子線）のスポット形状を示している。収差がない場合にはそれぞれのスポットは半径Ｄｉ＝０．０１ｍｍの丸いビームとなるが、幾何収差および色収差がある場合には三角形状のぼけたスポットとなる。
エネルギー分散面において、Ｕ−ｔｙｐｅにおけるスポットのボケは、ΩＢ−ｔｙｐｅにおけるスポットのボケと同程度であり、ボケは小さく抑えられている。
Ｕ−ｔｙｐｅとΩＢ−ｔｙｐｅとで、収差係数を比べてみると、同程度である。そのため、Ｕ−ｔｙｐｅには、ΩＢ−ｔｙｐｅに対してメリットが無いように見えるが、Ｕ−ｔｙｐｅとΩＢ−ｔｙｐｅとの本質的な違いは、Ｕ−ｔｙｐｅは、ΩＢ−ｔｙｐｅと比べて、距離Ｌが一桁大きいことである。
例えば、ΩＢ−ｔｙｐｅを距離Ｌ＝１００ｍｍに設定し、Ｕ−ｔｙｐｅを距離Ｌ＝１０００ｍｍに設定したとする。収差係数が同じであれば、Ｕ−ｔｙｐｅでは像の開き角α，βを一桁小さくできるため、アクロマティック面の収差は一桁小さくなる。Ｕ−ｔｙｐｅとΩＢ−ｔｙｐｅとで全体倍率を同じとすると、Ｕ−ｔｙｐｅでは中間レンズの倍率が大きくなるため、投影レンズの倍率は小さくなる。そのため、Ｕ−ｔｙｐｅではアクロマティック面の収差が最終結像面で増大することを抑制できる。すなわち、投影レンズの倍率が小さくなることにより、収差はさらに一桁小さくなる。したがって、Ｕ―ｔｙｐｅでは、ΩＢ−ｔｙｐｅと比べて、トータルとして収差を二桁程度小さくできる。
距離Ｌを大きくすると、それに合わせて、クロスオーバーの開き角γ，βを変えることなく、入射側像面を大きくする必要があるが、そのように中間レンズ結像系を設定することはきわめて容易である。なぜなら、中間レンズの励磁を変えることによって、像面のフォーカス位置を変えるだけだからである。これにより、射出側像面も大きくなるが、同様の理由で、投影レンズ結像系を設定することも容易である。
図１２は、与えられた距離Ｌに対する、エネルギー分散面の分散方向の幾何収差ΔＥｘ、および色収差ΔＥｘｃを示すグラフである。図１３は、与えられた距離Ｌに対する、最終結像面に換算したアクロマティック面の幾何収差Δｆ、および色収差Δｃｆを示すグラフである。
図１２および図１３に示すグラフから、Ｕ−ｔｙｐｅでは、アクロマティック面の幾何収差Δｆおよび色収差Δｃｆが１０μｍ以下となる距離Ｌ＝７００ｍｍ以上５０００ｍｍ以下の範囲がバランスのとれた性能を発揮できる。
３． 変形例
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。以下、本実施形態の変形例に係るエネルギーフィルタ２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００において、上述したエネルギーフィルタ１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
３．１． 第１変形例
図１４は、第１変形例に係るエネルギーフィルタ２００における電子線の軌道を示す図である。なお、図１４では、ゼロロスビームＢ０の軌道、および分散ビームＢ１の軌道を図示している。図１５は、第１変形例に係るエネルギーフィルタ２００の第２セクターマグネット２０を模式的に示す断面図である。
エネルギーフィルタ２００では、Ｘ方向およびＹ方向ともに常に同じ集束作用を有している。すなわち、エネルギーフィルタ２００では、ラウンドレンズフォーカスが形成されている。
エネルギーフィルタ２００では、第１セクターマグネット１０の磁極対向面の傾斜角度θおよび第２セクターマグネット２０の磁極対向面２２，２３の傾斜角度θを所定の値（ただし傾斜角度θ≠０°）とすることで、ラウンドレンズフォーカスを実現している。
エネルギーフィルタ２００では、第１セクターマグネット１０の端面角度Ｔ１＝０°、端面角度Ｔ２＝０°、および第２セクターマグネット２０の端面角度Ｔ１＝０°、端面角度Ｔ２＝０°である。
本変形例に係るエネルギーフィルタ２００では、上述したエネルギーフィルタ１００と同様の作用効果を奏することができる。
３．２． 第２変形例
図１６は、第２変形例に係るエネルギーフィルタ３００における電子線の軌道を示す図である。図１７は、第２変形例に係るエネルギーフィルタ３００の第２セクターマグネット２０を模式的に示す断面図である。
エネルギーフィルタ３００では、上述したエネルギーフィルタ１００と同様に、スティグマティックフォーカスが形成されている。
エネルギーフィルタ３００では、第１セクターマグネット１０の入口および出口、第２セクターマグネット２０の入口および出口に、それぞれ磁場４極子３１０を配置している。磁場４極子３１０は、電子線に対してＹ方向の集束作用を与えることができる。これにより、エネルギーフィルタ３００では、スティグマティックフォーカスを実現している。
エネルギーフィルタ３００では、第１セクターマグネット１０の端面角度Ｔ１＝０°、端面角度Ｔ２＝０°、および第２セクターマグネット２０の端面角度Ｔ１＝０°、端面角度Ｔ２＝０°である。
エネルギーフィルタ３００では、図１７に示すように、第２セクターマグネット２０の磁極対向面２２，２３は傾斜していない（傾斜角度θ＝０°）。同様に、第１セクターマグネット１０の磁極対向面は傾斜していない。
本変形例に係るエネルギーフィルタ３００では、上述したエネルギーフィルタ１００と同様の作用効果を奏することができる。
３．３． 第３変形例
図１８は、第３変形例に係るエネルギーフィルタ４００における電子線の軌道を示す図である。
エネルギーフィルタ４００では、上述したエネルギーフィルタ１００と同様に、スティグマティックフォーカスが形成されている。
エネルギーフィルタ４００では、第１セクターマグネット１０の出口および第２セクターマグネット２０の入口において、端面角度Ｔ１＝０°として、磁場４極子３１０を配置している。さらに、第１セクターマグネット１０の入口および第２セクターマグネット２０の出口において、端面角度Ｔ２≠０°としている。これにより、エネルギーフィルタ４００では、スティグマティックフォーカスを実現している。
また、例えば、図示はしないが、第１セクターマグネット１０の入口および第２セクターマグネット２０の出口において、端面角度Ｔ２＝０°として、磁場４極子３１０を配置
し、かつ、第１セクターマグネット１０の出口の端面角度および第２セクターマグネット２０の入口において端面角度Ｔ１≠０°としてもよい。
なお、図示はしないが、エネルギーフィルタ４００では、第２セクターマグネット２０の磁極対向面２２，２３は傾斜していない（傾斜角度θ＝０°）。同様に、第１セクターマグネット１０の磁極対向面は傾斜していない。
本変形例に係るエネルギーフィルタ４００では、上述したエネルギーフィルタ１００と同様の作用効果を奏することができる。
３．４． 第４変形例
図１９は、第４変形例に係るエネルギーフィルタ５００における電子線の軌道を示す図である。
エネルギーフィルタ５００では、図１９に示すように、第１セクターマグネット１０が複数に分割されており、同様に、第２セクターマグネット２０が複数に分割されている。
図示の例では、第１セクターマグネット１０は、第１部分１０ａと第２部分１０ｂとに分割されている。同様に、第２セクターマグネット２０は、第１部分２０ａと第２部分２０ｂとに分割されている。第１セクターマグネット１０の第１部分１０ａおよび第２部分１０ｂ、第２セクターマグネット２０の第１部分２０ａおよび第２部分２０ｂは、それぞれ同一の極性を有している。
第１セクターマグネット１０および第２セクターマグネット２０は、分割されていても、分割されていない場合と同様の機能を有する。
なお、第１セクターマグネット１０および第２セクターマグネット２０の分割数は特に限定されない。
本変形例に係るエネルギーフィルタ５００では、上述したエネルギーフィルタ１００と同様の作用効果を奏することができる。
３．５． 第５変形例
図２０〜図２３は、第５変形例に係るエネルギーフィルタ６００における電子線の軌道を示す図である。なお、図２０は、第１セクターマグネット１０における電子線の偏向角度と第２セクターマグネットにおける電子線の偏向角度との和が、９０°の場合を図示している。図２１は、第１セクターマグネット１０における電子線の偏向角度と第２セクターマグネットにおける電子線の偏向角度との和が、１３５°の場合を図示している。図２２は、第１セクターマグネット１０における電子線の偏向角度と第２セクターマグネットにおける電子線の偏向角度との和が、１８０°の場合を図示している。図２３は、第１セクターマグネット１０における電子線の偏向角度と第２セクターマグネットにおける電子線の偏向角度との和が、２１０°の場合を図示している。
図２０〜図２３に示すように、第５変形例によれば、第１セクターマグネットにおける電子線の偏向角度と第２セクターマグネット２０における電子線の偏向角度の和は、９０°以上２１０°以下の範囲であることができる。これにより、電子顕微鏡１において、２つの鏡筒８ａ，８ｂをつなぐ部分にエネルギーフィルタ６００を配置することができ、電子顕微鏡の高さの増大を抑制することができる。
図２０〜図２３に示すエネルギーフィルタ６００において、クロスオーバーと像とをＸ
方向およびＹ方向とでフォーカス可能である距離Ｌの最小値は、上述した通りである（表１参照）。
本変形例に係るエネルギーフィルタ６００によれば、上述したエネルギーフィルタ１００と同様の作用効果を奏することができる。
３．６． 第６変形例
図２４は、第６変形例に係るエネルギーフィルタ７００における電子線の軌道を示す図である。なお、図２４では、ゼロロスビームＢ０の軌道、および分散ビームＢ１の軌道を図示している。図２５は、第６変形例に係るエネルギーフィルタ７００のセクターマグネット７１０を模式的に示す断面図である。
エネルギーフィルタ７００では、上述したエネルギーフィルタ２００と同様に、ラウンドレンズフォーカスが形成されている。
上述したエネルギーフィルタ２００では、図１に示すように、対称面Ｍに関して鏡映対称な第１セクターマグネット１０および第２セクターマグネット２０を含んで構成されていたが、エネルギーフィルタ７００では、図２４に示すように、１つの（単体の）セクターマグネット７１０で構成されている。言い換えると、エネルギーフィルタ７００では、第１セクターマグネット１０および第２セクターマグネット２０が分離されておらず、一体に構成されている。
セクターマグネット７１０は、対称面Ｍに関して鏡映対称に構成されている。セクターマグネット７１０における電子線の偏向角度は、１８０°（Θ＝１８０°）である。
エネルギーフィルタ７００の光学条件は、上述したエネルギーフィルタ２００の光学条件と同様である。具体的には、エネルギーフィルタ７００は、上述したエネルギーフィルタ２００と同様に、クロスオーバーのＸ方向の結像回数およびクロスオーバーのＹ方向の結像回数は、最初の入射側クロスオーバー面Ｓ１の結像を除いて１回であり、最初の入射側クロスオーバー面Ｓ１を除いた場合、クロスオーバーのＸ方向の結像位置およびクロスオーバーのＹ方向の結像位置は、エネルギー分散面Ｓ２である。また、像のＸ方向の結像回数および像のＹ方向の結像回数は、最初の入射側像面Ａ１の結像を除いて２回であり、最初の入射側像面Ａ１を除いた場合、像のＸ方向の結像位置および像のＹ方向の結像位置は、対称面Ｍとアクロマティック面Ａ２である。また、像のＸ方向の結像およびＹ方向の結像において、対称面Ｍの位置には実像が形成される。また、入射側クロスオーバー面Ｓ１と、エネルギー分散面Ｓ２（射出側クロスオーバー面）は、対称面Ｍに関して鏡映対称の位置にあり、入射側像面Ａ１とアクロマティック面Ａ２（射出側像面）は、対称面Ｍに関して鏡映対称の位置にある。
セクターマグネット７１０の磁極対向面２２，２３の傾斜角度θは、ラウンドレンズフォーカス条件を満たしている。すなわち、セクターマグネット７１０の磁極対向面２２，２３の傾斜角度θは、ラウンドレンズフォーカスが実現できる角度（傾斜角度θ≠０°）になっている。セクターマグネット７１０の磁極対向面２２，２３の傾斜角度θは、ラウンドレンズフォーカス条件を満たしているため、端面角度Ｔ１＝Ｔ２＝０°である。
図２５に示すように、セクターマグネット７１０の磁極対向面２２，２３は、傾斜している（すなわち傾斜角度θ≠０°）。すなわち、セクターマグネット７１０の磁極対向面２２，２３は、平行でない。
また、距離Ｌ（図１参照）は、フォーカス可能である範囲の最小値をとる。このとき、
距離Ｌ１＝０ｍｍである。
図２４に示す例では、偏向角Θ＝１８０°であり、クロスオーバーと像とをＸ方向およびＹ方向とでフォーカス可能である距離Ｌ、距離Ｌ≒５２６ｍｍである。すなわち、距離Ｌは、Ｌ≒３．５Ｒでフォーカス可能である範囲の最小値である（ただし偏向半径Ｒ＝１５０ｍｍ）。
本変形例に係るエネルギーフィルタ７００によれば、上述したエネルギーフィルタ１００と同様の作用効果を奏することができる。
また、本変形例に係るエネルギーフィルタ７００では、セクターマグネット７１０における電子線の偏向角度は１８０°であり、セクターマグネット７１０は対称面Ｍで分離していない単体であり、セクターマグネット７１０の磁極対向面２２，２３の傾斜角度は、θ≠０°であり、かつ、ラウンドレンズフォーカス条件を満たしており、距離Ｌは、Ｌ≒３．５Ｒである。そのため、エネルギーフィルタ７００では、構造を単純化でき、かつ、低収差を実現できる。
なお、上記では、単体のセクターマグネット７１０における電子線の偏向角度が１８０°（Θ＝１８０°）の場合について説明したが、単体のセクターマグネットにおける電子線の偏向角度は１８０°に限定されない。
例えば、図２６に示すエネルギーフィルタ８００は、１つの（単体の）セクターマグネット８１０を含んで構成されており、セクターマグネット８１０における電子線の偏向角度は９０°（Θ＝９０°）である。図２６に示す例では、偏向角Θ＝９０°であり、クロスオーバーと像とをＸ方向およびＹ方向とでフォーカス可能である距離Ｌは、距離Ｌ≒４９１ｍｍである。すなわち、距離Ｌは、Ｌ≒３．３Ｒでフォーカス可能である範囲の最小値である（ただし偏向半径Ｒ＝１５０ｍｍ）。なお、セクターマグネット８１０のその他の構成は、セクターマグネット７１０と同様であり、その説明を省略する。
本変形例に係るエネルギーフィルタ８００によれば、上述したエネルギーフィルタ７００と同様の作用効果を奏することができる。
また、本変形例に係るエネルギーフィルタ８００では、セクターマグネット８１０における電子線の偏向角度は９０°であり、セクターマグネット８１０は対称面Ｍで分離していない単体であり、セクターマグネット８１０の磁極対向面の傾斜角度は、θ≠０°であり、かつ、ラウンドレンズフォーカス条件を満たしており、距離Ｌは、Ｌ≒３．３Ｒである。そのため、エネルギーフィルタ８００では、構造を単純化でき、かつ、低収差を実現できる。
なお、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態及び各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
１…電子顕微鏡、２…電子源、３…照射レンズ、４…対物レンズ、５…中間レンズ、６…投影レンズ、７…撮像装置、８ａ…鏡筒、８ｂ…鏡筒、９…試料、１０…第１セクターマグネット、１０ａ…第１部分、１０ｂ…第２部分、２０…第２セクターマグネット、２０ａ…第１部分、２０ｂ…第２部分、２２…磁極対向面、２３…磁極対向面、３０…シャント、３２…シャント、３４…シャント、１００…エネルギーフィルタ、２００…エネルギーフィルタ、３００…エネルギーフィルタ、３１０…磁場４極子、４００…エネルギーフィルタ、５００…エネルギーフィルタ、６００…エネルギーフィルタ、７００…エネルギーフィルタ、７１０…セクターマグネット、８００…エネルギーフィルタ、８１０…セクターマグネット、１００２…対物レンズ、１００４…中間レンズ、１００６…中間レンズ、１００８…中間レンズ、１０１０…中間レンズ、１０１１…Ωフィルタ、１０１２…入射絞り、１０１４…エネルギースリット、１０１６…投影レンズ、１０１８…投影レンズ、１０２０…投影レンズ、１０２２…スクリーン

Claims (13)

  1. 荷電粒子線を偏向させる偏向磁場を発生させる第１セクターマグネットおよび第２セクターマグネットを含み、
    前記第１セクターマグネットおよび前記第２セクターマグネットは、対称面に関して鏡映対称に構成され、
    前記第１セクターマグネットの極性と前記第２セクターマグネットの極性は、同じであり、
    前記第１セクターマグネットおよび前記第２セクターマグネットは、クロスオーバーおよび像を結像する光学系を構成し、
    荷電粒子線の進行方向をＺ方向、前記偏向磁場による荷電粒子線の偏向方向をＸ方向、前記偏向磁場の磁力線の方向をＹ方向とした場合、
    クロスオーバーのＸ方向の結像回数およびクロスオーバーのＹ方向の結像回数は、最初の入射側クロスオーバー面の結像を除いて１回であり、
    最初の入射側クロスオーバー面を除いた場合、クロスオーバーのＸ方向の結像位置およびクロスオーバーのＹ方向の結像位置は、エネルギー分散面であり、
    像のＸ方向の結像回数および像のＹ方向の結像回数は、最初の入射側像面の結像を除いて２回であり、
    最初の入射側像面を除いた場合、像のＸ方向の結像位置および像のＹ方向の結像位置は、前記対称面とアクロマティック面であり、
    像のＸ方向の結像およびＹ方向の結像において、前記対称面の位置には実像が形成され、
    入射側クロスオーバー面とエネルギー分散面は、前記対称面に関して鏡映対称の位置にあり、
    入射側像面とアクロマティック面は、前記対称面に関して鏡映対称の位置にある、エネルギーフィルタ。
  2. 請求項１において、
    前記第１セクターマグネットにおける荷電粒子線の偏向角度と前記第２セクターマグネットにおける荷電粒子線の偏向角度の和は、９０°以上２１０°以下である、エネルギーフィルタ。
  3. 請求項１または２において、
    前記第１セクターマグネットにおける荷電粒子線の偏向角度と前記第２セクターマグネットにおける荷電粒子線の偏向角度の和は、１８０°であり、
    前記第１セクターマグネットおよび前記第２セクターマグネットは、それぞれ互いに対向する２つの磁極対向面を有し、
    前記第１セクターマグネットの２つの磁極対向面は平行であり、
    前記第２セクターマグネットの２つの磁極対向面は平行であり、
    前記第２セクターマグネットにおける荷電粒子線の中心軌道の半径をＲとした場合に、
    エネルギー分散面とアクロマティック面との間の距離Ｌは、Ｌ＞３．６Ｒを満たす、エネルギーフィルタ。
  4. 請求項１または２において、
    前記第１セクターマグネットにおける荷電粒子線の偏向角度と前記第２セクターマグネットにおける荷電粒子線の偏向角度の和は、９０°であり、
    前記第１セクターマグネットおよび前記第２セクターマグネットは、それぞれ互いに対向する２つの磁極対向面を有し、
    前記第１セクターマグネットの２つの磁極対向面は平行であり、
    前記第２セクターマグネットの２つの磁極対向面は平行であり、
    前記第２セクターマグネットにおける荷電粒子線の中心軌道の半径をＲとした場合に、
    エネルギー分散面とアクロマティック面との間の距離Ｌは、Ｌ＞３．２Ｒを満たす、エネルギーフィルタ。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
    前記第１セクターマグネットは、複数に分割され、
    前記第２セクターマグネットは、複数に分割されている、エネルギーフィルタ。
  6. 荷電粒子線を偏向させる偏向磁場を発生させるセクターマグネットを含み、
    前記セクターマグネットは、対称面に関して鏡映対称に構成され、
    前記セクターマグネットは、クロスオーバーおよび像を結像する光学系を構成し、
    荷電粒子線の進行方向をＺ方向、前記偏向磁場による荷電粒子線の偏向方向をＸ方向、前記偏向磁場の磁力線の方向をＹ方向とした場合、
    クロスオーバーのＸ方向の結像回数およびクロスオーバーのＹ方向の結像回数は、最初の入射側クロスオーバー面の結像を除いて１回であり、
    最初の入射側クロスオーバー面を除いた場合、クロスオーバーのＸ方向の結像位置およびクロスオーバーのＹ方向の結像位置は、エネルギー分散面であり、
    像のＸ方向の結像回数および像のＹ方向の結像回数は、最初の入射側像面の結像を除いて２回であり、
    最初の入射側像面を除いた場合、像のＸ方向の結像位置および像のＹ方向の結像位置は、前記対称面とアクロマティック面であり、
    像のＸ方向の結像およびＹ方向の結像において、前記対称面の位置には実像が形成され、
    入射側クロスオーバー面とエネルギー分散面は、前記対称面に関して鏡映対称の位置にあり、
    入射側像面とアクロマティック面は、前記対称面に関して鏡映対称の位置にある、エネルギーフィルタ。
  7. 請求項６において、
    前記セクターマグネットは、互いに対向する２つの磁極対向面を有し、
    前記セクターマグネットの２つの磁極対向面の傾斜角度は、平行ではなく、かつ、ラウンドレンズフォーカス条件を満たしている、エネルギーフィルタ。
  8. 請求項７において、
    前記セクターマグネットにおける荷電粒子線の偏向角度は、１８０°であり、
    前記セクターマグネットにおける荷電粒子線の中心軌道の半径をＲとした場合に、
    エネルギー分散面とアクロマティック面との間の距離Ｌは、Ｌ＞３．５Ｒを満たす、エネルギーフィルタ。
  9. 請求項７において、
    前記セクターマグネットにおける荷電粒子線の偏向角度は、９０°であり、
    前記セクターマグネットにおける荷電粒子線の中心軌道の半径をＲとした場合に、
    エネルギー分散面とアクロマティック面との間の距離Ｌは、Ｌ＞３．３Ｒを満たす、エネルギーフィルタ。
  10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載のエネルギーフィルタを含む荷電粒子線装置。
  11. 請求項１０において、
    中間レンズと、
    投影レンズと、
    を含み、
    前記エネルギーフィルタは、前記中間レンズと前記投影レンズとの間に配置されている、荷電粒子線装置。
  12. 請求項１１において、
    前記中間レンズは、
    前記エネルギーフィルタの入射側クロスオーバー面に試料の回折パターンをフォーカスし、
    前記エネルギーフィルタの入射側像面に試料の像をフォーカスする、荷電粒子線装置。
  13. 請求項１１において、
    前記中間レンズは、
    前記エネルギーフィルタの入射側クロスオーバー面に試料の像をフォーカスし、
    前記エネルギーフィルタの入射側像面に試料の回折パターンをフォーカスする、荷電粒子線装置。
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