JP6929730B2 - 飛行時間型荷電粒子分光学 - Google Patents

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Description

本発明は、
‐ ビーム経路に沿って伝播する荷電粒子のパルスビームを生成するためのソースと、
‐ 前記ビーム経路内の照射位置で試料を保持するための試料ホルダと、
‐ 前記試料を通過した荷電粒子のエネルギー弁別検出を実行するための検出器装置と、
を備えた荷電粒子分光学を実行する装置に関する。
ここで使用される「通過する（traverse）」の用語は、試料を（通って）透過する又は試料（から）の反射とみなすことができる。
本発明は、この種の装置の使用方法にも関する。
本発明は、さらに、この種の装置が含まれる荷電粒子顕微鏡に関する。
荷電粒子顕微鏡法は、特に電子顕微鏡の形態で、顕微鏡の対象物を画像化するための周知かつますます重要な技術である。歴史的に、電子顕微鏡の基本的な分類は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、及び走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）のような多くの周知の装置種へと進化しており、また、例えば、所謂「デュアルビーム」ツール（例えばＦＩＢ−ＳＥＭ）などの、イオンビームミリング又はイオンビーム誘導デポジション（ＩＢＩＤ）などの補助作業を可能にする、「機械加工」集束イオンビーム（ＦＩＢ）を追加的に採用する種々のサブ種へも進化している。より詳しくは、
‐ ＳＥＭでは、スキャニング電子ビームによる試料の照射は、二次電子、後方散乱電子、Ｘ線及び陰極ルミネッセンス（赤外線、可視及び／又は紫外光子）の形での、試料からの「補助」放射の放出を引き起こし、例えば、この放出放射の１つ以上の成分が検出され、画像蓄積の目的で用いられる。
‐ ＴＥＭでは、試料を照射するのに用いられる電子ビームは、試料を貫通するのに十分なエネルギーを有するように選択される（そのために、一般に、通常ＳＥＭ試料の場合よりも試料が薄い）。試料から放出される透過電子は、その後画像を生成するために用いられる。このようなＴＥＭを走査モードで作動させると（ＳＴＥＭになり）、照射電子ビームの走査動作中に当該の画像が蓄積される。
ここで説明した事項のさらなる情報は、たとえば、次のWikipediaのリンクから得ることができる：
http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_microscope
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope
http://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_electron_microscopy
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_transmission_electron_microscopy
照射ビームとして電子を使用する代わりに、荷電粒子顕微鏡法は他の種の荷電粒子を用いて行うこともできる。この点に関して、「荷電粒子」という用語は、例えば、電子、正イオン（例えば、Ｇａ又はＨｅイオン）、負イオン、陽子及び陽電子を含むものとして広く解釈されるべきである。非電子ベースの荷電粒子顕微鏡法に関しては、例えば、以下のような参考文献からいくつかのさらなる情報を得ることができる。
https://en.wikipedia.org/wiki/Focused_ion_beam
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_Helium_Ion_Microscope
- W.H. Escovitz, T.R. Fox and R. Levi-Setti, Scanning Transmission Ion Microscope with a Field Ion Source, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 72(5), pp 1826-1828 (1975).
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22472444
荷電粒子顕微鏡は、画像化及び（局所的な）表面改質の実施（例えば、粉砕、エッチング、堆積など）に加えて、分光法の実施、ディフラクトグラムの検査などの他の機能も有することに留意すべきである。
すべての場合において、荷電粒子顕微鏡（ＣＰＭ）は、少なくとも以下の構成を含む。
− ショットキー電子ソース又はイオンガンなどの放射ソース。
− ソースからの「生の」放射ビームを操作する働きをし、収束、収差軽減、トリミング（開口によって、）、フィルタリングなどの特定の操作を実行する照射器。
原則的に１以上の（荷電粒子）レンズが含まれ、他のタイプの（粒子）光学構成要素も含まれうる。必要な場合には、照射器は、その出射ビームが調査される試料を横切って走査動作を行うように呼び出されうる偏向器システムを備えることができる。
− 検査中の試料が保持され、位置決めされる（例えば、傾斜され、回転される）、試料ホルダ。必要な場合には、このホルダは、試料に対してビームの走査動作を行わせるように移動されうる。一般に、そのような試料ホルダは、位置決めシステムに接続される。
− （照射を受けている試料からの放射の放出を検出するための）検出器。実質的に一体型又は複合型／分散型でありえ、検出される放射に依存して種々の異なる形態をとりうる。例えば、フォトダイオード、ＣＭＯＳ検出器、ＣＣＤ検出器、光電池、（シリコンドリフト検出器及びＳｉ（Ｌｉ）検出器のような）Ｘ線検出器などが含まれる。一般に、ＣＰＭはいくつかの異なる種類の検出器を含み、それらから選択されたものが異なる状況で呼び出される。
（例えば（Ｓ）ＴＥＭのような）透過型顕微鏡の場合、ＣＰＭは、具体的には、以下のものを含む。
‐ 試料（面）を透過した荷電粒子を実質的に取り込み、それらを、検出／画像装置、（ＥＥＬＳデバイスのような、ＥＥＬＳ＝電子エネルギー損失分光法）分光装置などの分析機器上へ導く（集束させる）結像系。上述の照射器と同様に、結像系は、収差軽減、トリミング（cropping）、フィルタリングなどの他の機能も実行することができ、一般に、１つ又は複数の荷電粒子レンズ及び／又は他の種類の粒子光学部品が含まれうる。
以下では、本発明は、例として、電子顕微鏡の特定の状況において、説明されるときがある。しかしながら、そのような単純化は、専ら明瞭性／説明のしやすさの目的を意図したものであり、限定的に解釈されるべきではない。
冒頭の段落に記載された装置の一実施例は、飛行時間型ＥＥＬＳ装置である。伝統的なＥＥＬＳでは、試料を通り抜け、それによって、分光識別特性を得る電子ビームは、電磁場を用いてビーム内の電子を横方向に偏向させる粒子プリズムなどの分散装置を通って導かれる。所与の電子の偏向半径はそのエネルギーに依存するので、この機構は、「多色性の（polychromatic）」試料後ビームをエネルギーソートされたサブビームの横方向配列に分解するために使用できる。しかし、このアプローチの欠点は、使用される分散装置が比較的高価で、かつ、かさばりがちであり、全体の構成が必然的に有意な横フットプリントを占めることである。今日まで商業的に実行可能ではない別の提案では、飛行時間型のアプローチが採用されており、そこで、試料後の電子速度は試料を通過する際に受けたエネルギー損失に依存する、ということが利用され、試料と使用される検出器構成との間の飛行時間差に変換される。しかしながら、試料後のビームの構成電子間の微小な飛行時間差は相互に弁別することが困難であり、このアプローチは比較的粗い（かつ今日まで許容できない）エネルギー分解能が欠点である。
この問題に対処することが、本発明の目的である。より詳しくは、大幅に改良されたエネルギー分解能を得ることができる、飛行時間型の荷電粒子分光学装置／方法を提供することが、本発明の目的である。さらに、この新規な装置／方法がこの領域の既存の提案より汎用性を有すべきであることは、本発明の目的である。
これらの目的及び他の目的は、上記の冒頭の段落に記載された装置において、前記ソースと前記検出器装置との間を前記ビーム経路が、
‐ 時間依存して加速する場を前記ビームに作用させるための活性化空洞と、
‐ 主ドリフト空間と、
‐ 前記照射位置と、
‐ 前記ビームのエネルギー差を飛行時間差に変換するための時間的集束空洞と、
‐ 副ドリフト空間と、
を連続的に通過することを特徴とする装置により達成される。
当業者によれば、ここで使用される「空洞」という用語は、しばしば無線周波数（ＲＦ）キャビティまたはマイクロ波キャビティと呼ばれる共振空洞を指すことが理解されるであろう。
本質的には、そのような構成の作動は、なかでも、以下の革新的な効果を引き出す。
‐ （パルスソースと試料との間の）活性化空洞は、ビームが試料に衝突する前に、ビーム内の相関エネルギー拡散（実際上は、焦点ぼかし）を意図的に導入するために使用される。これは、空洞内に時間依存加速場を生成することにより行われる。その結果、続く主ドリフト空間において、各荷電粒子パルスが適時に拡散し、その結果、（位相空間の保存による）瞬間的なエネルギー拡散の減少に導く。最終的に試料で拡散する低い瞬間的なエネルギーは、より良好なエネルギー分解能を意味する。類似のパルス拡散効果は、原則として、活性化空洞の使用なしで達成されることができる。しかしながら、そうすると、主ドリフト空間は（はるかに）長くなければならない。さらに、そのような構成では、本発明により提供されるビーム拡散効果の大きさを調整する（及びその符号を反転する）柔軟性を持たないであろう。
‐ （試料と検出器の配置の間の）時間的集束空洞は、検出器装置の位置（入射面）に「時間的な焦点」を形成する。すなわち、（試料との相互作用のない）名目上のビーム内の荷電粒子は、短縮された（最適には可能な限り最短の）時間的拡散で検出器配置に到着するようにされている。他方で、試料内でエネルギーを失った／得たビーム粒子は、異なる時間に到着する。副ドリフト空間は、この効果を強調するのに役立ち、エネルギーに対する到着時間の非常に正確な相関を可能にする時間的焦点をもたらす。さらに、ビーム内の全エネルギー拡散は、「相関」エネルギー拡散（平均エネルギーが到着時間に線形に依存する）に加えて、「無相関」（瞬間）エネルギー拡散からなり、この相関エネルギー拡散成分は、時間的集束空洞の作用の一部として、有利に除かれるように調整される（regulated away）ことができる。
‐ 活性化空洞は、所望のようにビームの位相空間を調整するために用いることができる。良好なエネルギー分解能を達成したい場合、ビームパルスは試料に達する前に引き伸ばされことができる。
これらの効果を利用して、本発明者らは、１ｅＶのエネルギー拡散を有する連続的な電子ビームから出発して、２ｍの総ビーム経路長に対して２０ｍｅＶの非常に良好なエネルギー分解能を実現した。このような全経路長は、例えば、粒子光学カラムが既にこの大きさのオーダーの事実上の長さを有するＴＥＭのようなＣＰＭにおける構成の組み込みと適合する。本発明の適用なしでは、ＣＰＭの粒子光学カラムを超える（著しく）長い必要経路長において、より粗い最適エネルギー分解能を受け入れなければならない。
本発明の実施形態において、前記活性化空洞及び前記時間的集束空洞のうちの少なくとも１つ（好ましくは両方とも）は、ＴＭ０１０空洞を含む。電磁気の分野の標準的な使用法によれば、記号「ＴＭ」は横磁場、すなわち縦方向磁場成分を有さない電磁場（その結果ｚ軸に沿ってＢ＝０である）を示し、３桁の下付き添字「０１０」は、空洞のマクスウェルの方程式に関連する境界条件を満たすために必要な波動ベクトルｋの整数固有値を意味する。ＴＭ０１０空洞は、（Ｘ軸から外側で測定された）半径ｒ＝０において、ゼロである方位磁場と、（時間変化する）非ゼロの軸上の縦方向電場とを有し、場の位相に依存して、進入するパルス列を伸張又は圧縮するために使用される。従って、これは、活性化空洞（軸伸長／デバンチング）及び／又は時間的集束空洞（軸圧縮／バンチング）の役割を果たすために適している。ＴＭ０１０モードの可能な代替物として、原則的に、ｒ＝０における縦電場を有する別のモノポールモード、より詳しくは、ｎ及びｐが整数であり、ｎ＞０及びｐ≧０である任意のＴＭ０ｎｐモードを使用できる。
本発明の特定の実施形態において、検出器装置は、ＴＭ１１０空洞から成る。ＴＭ１１０モードは、ｒ＝０で強い横方向磁場及びｒ＝０でゼロ電場を有する双極子モードである。本発明の検出器装置に組み込まれると、入射ビーム内の荷電粒子の横方向の偏向を生成するために使用できる。特定の粒子に対する前記横方向の偏向の振幅は、（これが、粒子が経験するであろう発振空洞場の位相を決定するため、）粒子が空洞に到着する時間に依存する。このようにして、異なる到着時間の（縦方向の）収集が、（横方向の）異なる偏向振幅の収集に変換され、その対応する強度／電流は、フォトダイオード、（固体状態の）光電子増倍管などの１つ以上の（固定又は可動の）線さを用いれ（別個に）記録されることができる。
可能性がある変形例として、例えば、アバランシェフォトダイオード／固体型光電子倍増管のピクセル化されたアレイのような、非常に早いサンプリング／リセットレートを有する検出器を用いて、このような横方向の偏向を回避することができ、代わりに、（異なる到着時間の）粒子の縦方向列を「直接」記録できる。
本発明の他の一実施例において、前記ソースは、ＴＭ１１０空洞から成る。（例えば、ショットキーガン又は液体金属イオンソースのような連続ソースからの）連続ビームをチョップするためにＴＭ１１０空洞を使用することは、一般的なＲＦ励起ソースを検出器装置内で上述のＴＭ１１０空洞と共有できるという点で有利であり、検出器装置の操作周波数とのソースパルスの便利な（半）自動）同期を可能にする。加えて、上記のＴＭ１１０空洞が、高コヒーレンスパルスを生成するために用いられることが可能である。このようなＴＭ１１０空洞の使用に代わるものとして、パルスレーザトリガを使用できる。例えば、金属箔又は板、ＬａＢ６フィラメント、ショットキーフィラメント等からの（電子又は正イオンの）レーザ誘導光電子放出のような場合である。
完全のために、前の２つの段落で言及したＴＭ１１０モードは、例えば、（ｚ軸から遠位の）空洞の壁の近くに配置されたヘルツ双極子ループアンテナの助けを借りて空洞内で励起され得ることに留意すべきである。この種類のアンテナは、例えば、
‐ 空洞の壁に小さい孔を作製するステップと、
‐ この孔を介して空洞の内部に同軸ケーブルの内導体を供給するステップであって、前記内導体が前記（導体）壁に接触しないようにする、ステップと、
‐ 前記壁の近位に前記内部導体内にループを作製するステップと、
‐ （例えば、ループの平面がｙ軸に対して垂直であり、ｙに平行な磁場を励起するように、）ループを適切に配向させるステップと、
‐ 前記同軸ケーブルを無線周波数（ＲＦ）発振励起ソース（電源／増幅段）に連結するステップと、
により提供されうる。
空洞の振動の挙動は、種々の方法で調整されることができる。例えば、前記発振励起ソースの周波数は、可変であり得る。代替的に、小さい伝導性（例えば金属）又は誘電性「プランジャ」（同調素子）は、例えば上述のアンテナの反対側の小さい孔を介して、空洞に部分的に入れられることが可能である。その場合、上記のプランジャの挿入の範囲は、空洞の共振振動数に影響する。なぜなら、
‐ 導電性プランジャを挿入すると、空洞の有効半径が局所的に減少し、共振周波数が増加し、
‐ 誘電体プランジャを挿入すると、空洞の実効誘電率が増加し、共振周波数が低下する、
からである。
言うまでもなく、空洞が共鳴励起されるとき（すなわち、発振励起ソースの周波数が空洞の共振周波数に一致するとき）、結果として得られる空洞内の電磁場は最大になる。当業者は、上記の概念に精通しており、特定の構成の詳細／要件に従ってそれらを実施し、最適化することが可能であり、特に、アンテナ（又は他の励起手段）の他の種類及び／又は位置、並びに、同調素子／プランジャの他の種類及び／又は位置を使用できることを理解するであろう。当業者は、上記の励起アンテナがＴＭ１１０の場合とは異なる配向を有することを除いて、上記のＴＭ０１０モードにも同様の考察が当てはまることを理解するであろう。本発明において、用いられる共振空洞の幾何学的形状に関しては、例えば、（実質的に円筒形状の）いわゆる「ピルボックス空洞」であってもよいが、例えば、（空洞壁近傍の磁場を低減することによりオーム損を低減することで）ＴＭ０１０モードに対してより電力効率的な傾向のある、他の形状、例えばいわゆる「ノーズコーン」又は「リエントラント（re-entrant）」空洞、であってもよい。ビームチョッピングＴＭ１１０空洞／モードの場合、適切な誘電材料を空洞に（部分的に）充填することにより、効率が改善される。
当業者は、最適な結果に達するために、上述の種々の空洞（例えば、ビームチョッピング空洞（ソース）、活性化空洞、時間的収束空洞及び横方向の偏向空洞（検出器装置）が、周波数／位相に関して相互に適合され得ることを理解するであろう。この点に関しては、例えば、それらの全てを、ＲＦ励起ソースへ、各空洞への経路の位相調整器で、連結できる。あるいは、各キャビティをそれ自身のＲＦ励起ソースに接続し、これらのソースを相互に適合するように同調させることができる。
特定の状況では、上記のような所与の空洞の役割を果たす／補完するために、複数のキャビティの直列アレイを使用することが有利であり得ることに留意すべきである。これは、例えば、もし単一空洞が、利用可能な空間内で十分に強い場のような、所与の補助的パラメータ内で満足な効果を生み出すことができない場合に有利でありえ、その場合連続した空洞は累積的な効果を生み出すために使用できる。上記の構成において、中間のドリフト空間がアレイの連続した部材の間に作成される場合、アレイの最後の空洞の後のターミナルのドリフト空間は短縮できる。複数の空洞直列アレイの特定の実施形態において、補助的ＴＭ０１０空洞が、時間的収束空洞の上流又は下流に直接設けられており、（ゼロ交差において、）前記時間的集束空洞内の励起の第２高調波及び逆位相を生成するように構成される。達成可能な分解能は、典型的には縦収差により制限されるが、一次「球面」収差を除去するように作用する前記補助空洞を追加することによって、改善できる。これを理解するために、時間的集束空洞の電界は、シヌソイド時間的形状を有する、ということに留意する必要があり、本発明は、ビームパルスが前記シヌソイドの十分に線形な部分の間（すなわちゼロ交点の付近）だけ、時間的集束空洞に入る場合には、最も最適に機能する。パルスが再圧縮前に「長すぎる」場合、時間的焦点は、従来の集束光学系の球面収差に類似した収差効果の影響を受ける。そのような線形性を保証する１つの方法は、ビームパルスを十分に短くすることである。しかしながら、これが（十分に）実現可能でない場合、前記補足空洞は、存在する非線形効果を緩和するように作用する。
上述したように（励起空洞を考察する場合）、本発明は以下の場合に有利に使用できる。
‐ 前記試料は、時間の関数として変化する特性を有し、
‐ 前記パルスビームは、前記試料の瞬時（分光）スナップショットの時間的な列を組み立てるために使用され、それにより前記特性の時間的変化を捕捉する。
そのようなシナリオは、試料に衝突するパルスビームがストロボ照明を提供し、（適切に同期した）検出器装置が、試料の対応する「フリーズフレーム」分光「結像」を取り込む、ストロボ写真に例えることができる。
通常、個々のパルスごとに比較的限られた数の荷電粒子が存在するので、十分な信号対雑音比を実現するためには、一般に「画像」当たり数パルスを収集する必要がある。この状況において、時間的プロセスの例は、例えば、相転位、プラズモン励起、機械振動、熱損失、化学反応、生物学的細胞分裂、結晶成長、試料挙動（例えば流動管を通過する試料）、などを含む。
本発明は、ここで、例示的な実施形態及び添付の概略的な図面に基づいてより詳細に説明される。
本発明の実施形態が実施される特定のタイプのＣＰＭの縦断面を示す図である。
図において、対応する特徴は、対応する参照符号を使用して表示されることができる。
実施態様１
図１は、現在の本発明の実施態様が実施されるＣＰＭ Ｍの実施態様を極めて模式的に示す図であり、この場合、ＣＰＭは（Ｓ）ＴＥＭであるが、本発明に照らして、それはまさに有効に、イオンベース顕微鏡又はプロトン顕微鏡、例えばＳＥＭであってもよい。図において、真空エンクロージャ２の中で、（例えばショットキー・エミッタのような）連続電子ソース４は、電子光学照射器６を通過する電子ビーム（Ｂ）を生成し、その後それらを（例えば、（局所的に）薄くされ／平坦化された）試料Ｓの選択された部分へ方向付け／集束させるのに役立つ。この照射器６は、電子−光軸Ｂ’を有し、一般的に様々な静電／磁気レンズ、（走査）偏向器８、補正器（例えば非点収差補正器）等を備える。典型的に、コンデンサシステムを備えることもできる（実際は、部材６の全体が、しばしばコンデンサシステムとも呼ばれる）。
試料Ｓは、試料ホルダＨに保持される。
ここでは例示されるように、このホルダＨ（内側エンクロージャ２）の部分は、位置決め装置（ステージ）によって、多自由度で位置決め／移動されることができる架台Ａ’に取り付けられる。例えば、架台Ａ’は、（とりわけ）Ｘ、Ｙ及びＺ方向（図示のデカルト座標系参照）において、移動可能であってもよく、Ｘに平行な長手軸周りに回転できる。
そのような運動は、軸Ｂ’に沿って伝搬する電子ビームによって、試料Ｓの異なる部分部が照射され／撮像され／検査されることができるようにするか、又は、（偏向器８を用いた）ビーム走査の代わりに実行されるべき走査動作を可能にするか、及び／又は、例えば集束イオンビーム（図示せず）によって、試料Ｓの選択された部分を機械加工されるようにする。
軸Ｂ’に沿って伝搬する（集束）電子ビームＢは、（例えば、）二次電子、後方散乱電子、Ｘ線及び光学放射（カソードルミネッセンス）を含む、様々な種類の「励起された」放射が試料Ｓから放出されるように、試料Ｓと相互作用する。必要に応じて、これらの放射種類の１つ以上は、例えば、複合シンチレータ／光電子増倍管又はＥＤＸ（エネルギー分散Ｘ線分光法）モジュールでありうるセンサ２２を用いて、検出されることができる。このような場合には、画像／スペクトルは、基本的にＳＥＭと同じ原則を使用して構成されることができる。しかしながら、（Ｓ）ＴＥＭの基本的な重要性に代えて／加えて、試料Ｓを通過し（通り抜け）、そこから発生し（放出し）、軸Ｂ’に沿って（実質的には、一般にいくらかの偏向／散乱をともなって）伝搬し続ける電子を調査できる。そのような伝送された電子束は、通常、様々な静電／磁気レンズ、偏向器、（非点収差補正器のような）補正器等を含む、（対物レンズ／投影レンズが組み合わされた）結像系２４に入射する。通常の（非走査）ＴＥＭモードにおいて、この結像系２４は伝送された電子束を蛍光面２６上に集束させることができ、必要に応じて、（矢印２６’によって、模式的に示されるように）軸Ｂ’の経路の外へ出るように、格納され／引き出されることができる。試料Ｓ（の一部）の画像（又はディフラクトグラム）は、結像系２４によって、スクリーン２６上に形成され、これは、エンクロージャ２の適切な部位に位置するビューポート２８を介して視認される。スクリーン２６の引き込み機構は、例えば、性質上、機械的及び／又は電気的であり、ここには図示されていない。
スクリーン２６上の画像を視認する代わりに、撮像システム２４から発生される電子束の焦点深度が一般に非常に大きい（例えば、１メートルのオーダー）という事実を利用できる。従って、様々な種類のセンシング／分析装置が、スクリーン２６の下流で使用されることができる。例えば、
‐ ＴＥＭカメラ３０。カメラ３０では、電子束は、コントローラ１０により処理されることができて、例えば、フラットパネルディスプレイのような表示装置（図示せず）に表示されることができる静的画像（又はディフラクトグラム）を形成できる。必要でないときに、カメラ３０は、（矢印３０’によって、模式的に示されるように）軸Ｂ’の経路の外へ出るように、格納され／引き出されることができる。
‐ ＳＴＥＭ検出器３２。検出器３２からの出力は、試料Ｓ上のビームＢの（Ｘ，Ｙ）走査位置の関数として、記録されることができ、Ｘ，Ｙの関数として検出器３２からの出力の「マップ」である画像が構築されることができる。
一般に、検出器３２（例えば、毎秒１０６ポイント）は、カメラ３０（例えば、毎秒１０２画像）よりもはるかに高い取得レートを有する。従来のツールでは、カメラ３０内に特徴的に存在する画素のマトリクスとは対照的に、検出器３２は、カメラ３０内にある例えば２０ｍｍの直径を有する単一ピクセルを含むことができる。再び、必要ないときに、検出器３２は（矢印３２’によって、模式的に示されるように）軸Ｂ’の経路の外へ出るように、格納され／引き出されることができる（そのような格納は、例えば、ドーナツ型環状暗視野検出器３２の場合には必要ではない。このような検出器では、中心穴は、検出器が使用されていないときにビーム通過を可能にする）。
‐ カメラ３０又は検出器３２を使用した画像化の代わりに、以下に説明するように、本発明に従ってＥＥＬＳ分光法を実行するために使用されうる分光センサ３４を起動することもできる。
部材３０、３２及び３４の順序／位置は厳密ではない点に留意する必要があり、多くの可能な変形が考えられる。例えば、分光センサ３４は、撮像システム２４に組み込むこともできる（部材１８を再配置することを必要とする）。
コントローラ／コンピュータプロセッサ１０は、制御ライン（バス）１０’を介して様々な図示された構成要素に接続されていることに留意されたい。このコントローラ１０は、動作の同期、設定値の提供、信号の処理、計算の実行及び表示装置（図示せず）上へのメッセージ／情報の表示などの様々な機能を提供できる。言うまでもなく、（概略的に図示された）コントローラ１０は、（部分的に）エンクロージャ２の内側又は外側にあってもよく、所望に応じて単一または複合構造を有することができる。当業者は、エンクロージャ２の内部が厳密な真空に保たれる必要がないことを、理解するであろう。例えば、いわゆる「環境（Ｓ）ＴＥＭ」で、所与のガスの背景雰囲気は、故意に導かれて／エンクロージャ２の中で維持される。また、実際には、可能であれば、軸Ｂ’を本質的に抱持し、使用される電子ビームが通る（例えば１ｃｍのオーダーの直径の）小さい管の形態をとるように、エンクロージャ２の容積を制限することが有利であることが当業者には理解されよう。ただし、エンクロージャ２はソース４、試料ホルダＨ、スクリーン２６、カメラ３０、検出器３２、分光検出器３４等のような構造を収容するために拡張している。
本発明に照らして、顕微鏡Ｍは４つのＲＦ空洞１２，１４，１６及び１８を含み、その機能は以下のように説明できる。
‐ 空洞１２は、連続的／静電ソース４から発生するビームをパルス化するように、ビーム・チョッパーとして用いられるＴＭ１１０空洞である。連続的なソース４と共に、複合パルスソース４’を形成すると考えられ得る。
‐ 空洞１４は、上記及び請求項の記載のような活性化空洞として作用するＴＭ０１０空洞である。既に述べたように、試料Ｓの上流でビームＢのデバンチャ／伸長器として作用する。
活性化空洞１４と試料Ｓとの間には、主ドリフト空間１４’があり、空洞１６に到達する前に、空洞１４内に生成される比例位相空間変化（時間−エネルギー相関の変化）を増大された長手方向の広がりに与えることによって、一種の「エンハンサー」として働く。
‐ 空洞１６は、上記及び請求項の記載のような時間的集束空洞として作用するＴＭ０１０空洞である。既に述べたように、試料Ｓを通過した後、検出器装置３４’に入る前のビームＢのバンチャ／圧縮器として作用する。
時間的集束空洞１６と検出器装置３４’の間に、副ドリフト空間１６’があり、空洞１８に到達する前に、空洞１６内に生成される比例位相空間変化（時間−エネルギー相関の変化）を増大された長手方向の広がりに与えることによって、一種の「エンハンサー」として働く。
‐ 空洞１８は、横方向の偏向器として使用されるＴＭ１１０空洞であり、ビームＢ内の異なる到着時間の（長手方向の）収集を、異なる偏向振幅の（横方向の）収集に変換する役割を果たし、その対応する強度／電流がセンサ３４を用いて（別個に）登録されることができる。センサ３４と共に、それは、複合検出器装置３４’を形成すると考えられ得る。センサ３４は、例えば、（平行した／同時検出のための）フォトダイオードの横方向に延在する（ピクセル化された）アレイであるか、又は、（直列／順次検出のための）横方向に可動な、局所的なセンサでもよい。
これらの空洞１２、１４、１６及び１８は、ビーム経路Ｂ’上に配列され、ビームＢによって、それらが横切られるようにするために、各々は入口及び出口開口（通常、一対の、反対の位置に位置する、小さい、軸方向孔）が設けられている。
ＲＦ励起ソース２０（この場合は、共通ソースであるが、代替的に複数の分割ソースであってもよい）に、駆動ライン２０’及び調節装置２０ａを介して連結される。調節装置２０ａは、各空洞１２、１４、１６、１８に送信されている駆動波形の特性（例えば強度）の個別の調整のために使用可能である。（例えば、ＣＰＭ Ｍが分光データではなく画像を収集するために使用されているために）これらの空洞が必要でないときは、それらは単にスイッチオフされることができる。代替的に／付加的に、それらのうちの１以上は、それらをビーム経路Ｂの外へ出すように移動させる（かつ、必要なときに元の位置に戻す）ために用いられる格納機構に搭載されうる。
いくつかの設計指針を与えるために、以下の非限定的な仕様に言及する価値がある。
‐ ソース４から発生する電子の（平均）エネルギーは、３０ｋｅＶである。
‐ 全ての空洞１２、１４、１６、１８は、〜２．９９８ＧＨｚ（欧州規格ｓ−バンド）の周波数で励起される。
‐ チョッパ空洞１２から発生するパルスは、〜０．６ｅＶのＦＷＨＭ（半値幅）のエネルギー拡散と、〜１００ｆｓ（フェムト秒）の期間を有する。
‐ 主ドリフト空間１４’は、〜４０ｃｍの長さ、副ドリフト空間１６’は〜９５ｃｍの長さを有する。空洞１２と１８間の総ビーム経路の長さは、〜２メートルである。試料Ｓと空洞１６の間には、〜５ｃｍの（任意の）空間がある。
‐ 両ＴＭ０１０空洞１４、１６は、（ビームＢの方向において、）〜１７ｍｍの実効長を有する。
‐活性化空洞１４は、〜２．２ＭＶ／ｍの軸上ピーク電界で運転される。理想的な位相（パルスが空洞の中心にあるときに磁場のゼロ交差）で電子パルスを通過させると、約４７ｅＶのＦＷＨＭの全エネルギー拡散が生じる。そのようなパルスは、試料Ｓに到着する頃には、〜２．９ｐｓの時間的期間まで引き伸ばされる。
総エネルギー拡散はまだ〜４７ｅＶＦＷＨＭである、しかし、瞬間的な（無相関の）拡散は〜１８ｍｅＶ（ミリエレクトロンボルト）に減少する。
‐ 時間的集束空洞１６は、〜１１５ｋＶ／ｍのピークの電界を有する。それは空洞１４のそれほど強い必要はない。なぜならパルスはこの点ですでに伸長されているからである。
‐ 最後に、検出エネルギー分解能は、〜２３ｍｅＶである。これは試料の無相関のスプレッドよりいくらか高い。その理由は、次のことにある。検出はいくらか収差−特急である。これは、検出が幾分収差に制限されているため、標本における無相関な広がりよりも幾分高い。上述したように、補足的な第２高調波空洞はこのような収差を軽減することができ、それによりこの分解能をわずかに向上させることができ、より長いパルスで作動する場合には改善がより大きくなる。

Claims (9)

  1. 荷電粒子分光法を実行する装置であって、
    ‐ ビーム経路に沿って伝播する荷電粒子のパルスビームを生成するためのソースと、
    ‐ 前記ビーム経路内の照射位置で試料を保持するための試料ホルダと、
    ‐ 前記試料を通過した荷電粒子のエネルギー弁別検出を実行するための検出器装置と、
    を備える荷電粒子分光法を実行する装置において、
    前記ソースと前記検出器装置との間で、前記ビーム経路は、
    ‐ 時間依存加速場を前記ビームに作用させるための活性化空洞と、
    ‐ 主ドリフト空間と、
    ‐ 前記照射位置と、
    ‐ 前記ビームのエネルギー差を飛行時間差に変換するための時間的集束空洞と、
    ‐ 副ドリフト空間と、
    を連続的に通過する、ことを特徴とする装置。
  2. 少なくとも一つの前記活性化空洞及び前記時間的集束空洞は、ＴＭ０１０空洞を備える、
    請求項１に記載の装置。
  3. 前記検出器装置は、ＴＭ１１０空洞を備える、
    請求項１又は２に記載の装置。
  4. 前記ソースは、ＴＭ１１０空洞を備える、
    請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
  5. 補助的ＴＭ０１０空洞は、前記時間的集束空洞の上流又は下流に直接設けられ、前記時間的収束空洞内で励起の第二高調波及び逆相を生じるように構成される、
    請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
  6. 前記装置は、荷電粒子顕微鏡に含まれる、
    請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
  7. 前記荷電粒子分光法を実行する装置は、ＥＥＬＳモジュールである、
    請求項６に記載の装置。
  8. 荷電粒子分光法を実行する方法であって、
    ‐ ビーム経路に沿って伝播する荷電粒子のパルスビームを生成するためのソースを使用するステップと、
    ‐ 前記ビーム経路内の照射位置で試料を保持するステップと、
    ‐ 前記試料を通過した荷電粒子のエネルギー弁別検出を実行するための検出器装置を使用するステップと、
    を含む、荷電粒子分光法を実行する方法において、
    ‐ 前記照射位置の上流で、前記ビームに時間依存加速場を作用させるために活性化空洞を使用するステップ及び前記ビームに主ドリフト空間を通過させるステップと、
    ‐ 前記照射位置の下流かつ前記検出器装置の上流で、前記ビームのエネルギー差を飛行時間差に変換するために、時間的収束空洞を使用するステップ及び前記ビームに副ドリフト空間を通過させるステップと、
    を含む、ことを特徴とする方法。
  9. ‐ 前記試料は、時間の関数として変化する特性を有し、
    ‐ 前記パルスビームは、前記試料の瞬時分光スナップショットの時間的な列を組み立てるために使用され、それにより前記特性の時間的変化を捕捉する、
    請求項８に記載の方法。
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