JP7418366B2 - 電子線干渉計 - Google Patents

Description

本発明は、電子線干渉計に関し、より具体的には電子線を用いた干渉技術に関する。

可視光線やレーザー光線または電子線を用いた干渉計は、光源から出射される一本の光線を二つの光線に分割して、当該二つの光線の間の位相差を測定する光学機器であり、従来から、試料の物理量計測や量子現象の観察に用いられている。

可視光線やレーザー光線を用いた干渉計において、一本の光線を二本に分ける手法としては、振幅分割形ビームスプリッターを用いるのが一般的である。例えば、振幅分割形干渉計のひとつであるマッハ・ツェンダー干渉計は、二つのビームスプリッターと二つのミラーで構成されている。

電子線を用いた干渉計では、直径１μｍ以下程度のフィラメント電極とその両側に配置された平行平板電極から構成される電子線バイプリズムを用いた波面分割形の電子線干渉計による電子線ホログラフィーが行われている。
この場合、はじめに、試料を透過した物体波と真空中を通過した参照波とを電子線バイプリズムを用いて重ね合わせることで、干渉縞（ホログラム）を得る。次に、得られたホログラムに位相再生演算を施すことで、試料によって生じた位相変調を位相像として可視化する。このように、電子線ホログラフィーでは、位相像を得るために２段階の工程を必要とする。また、電子線ホログラフィーでは、位相像を得るまでに演算処理が必須であることから、計算機の性能が向上したとしても、リアルタイムでの観察が難しいという問題がある。

さらに、電子線ホログラフィーでは、観察領域となる干渉領域の幅が、試料面に照射された電子波の試料面内方向の可干渉距離によって制限される。ここで、高い輝度の光源を用いることにより、或いは試料面に照射される電子波の照射電流密度を低くすることによって、上記の可干渉距離を大きくすることはできる。一方、光源の輝度には物理的な限界があることから、単位時間当たりの計測感度が制限される。そのため、電子線ホログラフィーでは、時間分解能や可干渉距離が制限されることになる。

電子線ホログラフィーのような波面分割形の電子線干渉計では上記のような課題があることから、電子線にて振幅分割形の干渉計測を行うために、電子線における振幅分割形ビームスプリッターとして、複数枚の単結晶薄膜を設置した電子線干渉計の結果が報告されている。かかる単結晶薄膜の材料は、金（Ａｕ）やシリコン（Ｓｉ）などであり、単結晶薄膜の厚さは数十ナノメートル程度である。

非特許文献１および非特許文献２では、３枚の単結晶薄膜を組み合わせた結果の報告がなされている。また、非特許文献３では、２枚の単結晶薄膜とミラーとして作用するレンズを組み合わせたマッハ・ツェンダー形の振幅分割形電子線干渉計が提案されている。

次に、図１を参照して、従来技術の一例として、３枚の単結晶薄膜を組み合わせた電子線干渉計を説明する。

図１に示す電子線干渉計は、光線の進行方向における上流側（図１中の上段）から順に、電子線を出射する電子源１と、上段絞り１０４と、上段単結晶薄膜１０５と、中段単結晶薄膜１０６と、下段単結晶薄膜１０７と、下段絞り１０８と、を備える。これら各部は、図示しない筐体内に組付けられる。図１中の各々の矢印は、電子源１から出射（放出）された電子線（照射電子線２）が分岐して進行する様子および各々の電子線の光路を示すものである。

かかる電子線干渉計において、電子源１から放出された照射電子線２は、上段絞り１０４を通過して上段単結晶薄膜１０５を照射する。かかる照射電子線２は、上段単結晶薄膜１０５を通過する際に、透過波５と、複数の回折波６とに分けられて、分けられた各々の電子線は、中段単結晶薄膜１０６を照射する。

そして、透過波５と複数の回折波６は、中段単結晶薄膜１０６を通過することにより、それぞれの透過波と複数の回折波とに分けられて、下段単結晶薄膜１０７を照射する。下段単結晶薄膜１０７を通過した電子線は、それぞれの透過波と回折波において、透過波と回折波とに分けられる。下段単結晶薄膜１０７の下流側には下段絞り１０８が配置されており、３枚の単結晶薄膜（１０５、１０６、１０７）によって生成された複数の透過波と回折波のうち、同じ光路を進行している電子線が通過するように配置されている。このような振幅分割型の電子線干渉計では複数の回折波が同じ光路を通過するため、位相像を直接観察できる可能性を有しているが、実用化はされていない。

振幅分割型の電子線干渉計が実用化された場合、位相像の直接観察が可能となるため、電子線ホログラフィーのような再生演算処理が不要になる。さらに、振幅分割型の電子線干渉計によれば、電子線の可干渉領域と照射領域とを一致させることが可能になる。言い換えると、振幅分割型の電子線干渉計を用いることで、リアルタイムで広い領域における位相像の直接観察ができるようになる。

L. Marton, J. A. Simpson, J. A. Suddeth (1953) Electron interferometer. Phys. Rev. 90, 490－491. L. Marton, J. A. Simpson, J. A. Suddeth (1954) An electron interferometer, Rev. Sci. Instr. 25, 1099 T. Akashi, Y. Takahashi, K. Harada (2020) Development of a Mach-Zhender type electron interferometer. Microscopy doi: 10.1093/jmicro/dfaa040.

本発明者らは、振幅分割型電子線干渉計の実現に向け、電子顕微鏡をベースにビームスプリッターの最適な向きや大きさ、ミラーとして作用するレンズの強度条件探索など鋭意研究を進めたところ、実用化には以下の重要な課題があることを見出した。
具体的には、本発明者らは、振幅分割型電子線干渉計の設計ないし制作段階で、図１で説明した上段単結晶薄膜１０５に対応する上段（光路における最上流側）のビームスプリッターの材質や形状等を変えて種々の実験を行った。
しかしながら、いずれの場合も図１で説明したように、透過波と複数の回折波が生成されることとなり、ビームスプリッターによって透過波と１本の回折波だけ生成することが困難であることが分かった。そして、回折波が複数生成されることにより、進行方向における下流側で回折波同士さらには透過波と回折波の干渉等が発生しやすくなり、電子線の光路を決定することが困難となり、ひいては正確な位相差を測定ないし決定することができなくなることが判明した。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、ビームスプリッターによって生成される複数の回折波から不要な回折波を遮蔽し必要な物体波と参照波を選択することによって、正確な位相差の測定および量子現象観察などが可能となるマッハ・ツェンダー形の振幅分割型の電子線干渉計を提供することを目的とする。

本発明に係る電子線干渉計は、
入射された電子線を、試料物体を透過させるための物体波と複数の参照波とに分けて出射する第１のビームスプリッターと、
前記第１のビームスプリッターから出射された複数の前記参照波の光路を、前記物体波の進路に近づくように導く第１のビームガイド部と、
前記電子線の進路における前記第１のビームスプリッターの下流に配置され、前記物体波と一つの前記参照波とを干渉させるように導く第２のビームガイド部と、
前記電子線の進路における前記第１のビームスプリッターと前記第２のビームガイド部との間に配置され、前記物体波と一つの前記参照波とを透過させ、残りの前記参照波を遮蔽する第１の遮蔽部と、
を備える。

本発明によれば、ビームスプリッターによって生成される複数の回折波から不要な回折波を遮蔽し必要な物体波と参照波を選択することによって、正確な位相差の測定および量子現象観察などが可能となるマッハ・ツェンダー形の振幅分割型の電子線干渉計を提供することができる。

従来技術の一例である３枚の単結晶薄膜を組み合わせた電子線干渉計を説明するための模式図である。 本発明の実施例１を説明するための振幅分割型電子線干渉計の模式図である。 本発明の振幅分割型電子線干渉計において、電子線選択絞りの形状を説明する図であり、電子線選択絞りの穴径の決定方法を示す模式図である。 本発明の振幅分割型電子線干渉計において、電子線選択絞りの形状を示す模式図である。 本発明の振幅分割型電子線干渉計において、電子線選択絞りの穴の形状の一具体例としての、四角穴の電子線選択絞りを示す図である。 本発明の振幅分割型電子線干渉計において、電子線選択絞りの穴の形状の一具体例としての、二つ穴の電子線選択絞りを示す図である。 本発明の振幅分割型電子線干渉計において、電子線選択絞りの穴の形状の一具体例としての、隣り合っていない電子線を選択する二つ穴の電子線選択絞りを示す図である。 本発明の振幅分割型電子線干渉計にて単結晶薄膜を微動させることによって位相シフト法を実行する振幅分割型電子線干渉計の構成図である。 本発明の振幅分割型電子線干渉計にて位相板を配置することによって位相シフト法を実行する振幅分割型電子線干渉計の構成図である。 本発明の振幅分割型電子線干渉計にて電子線バイプリズムを配置することによって縞走査法を実行する振幅分割型電子線干渉計の構成図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明を適用した振幅分割型電子線干渉計の実施形態および実施例について説明する。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これは本願の理解のためのものであり、本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。

最初に、本発明者らが見出した技術的課題のより詳細な内容を説明する。本発明者らは、上述のように、振幅分割型電子線干渉計を作り上げる過程で、透過波と複数の回折波が生成されることにより、正確な位相差の測定等が困難になることが判明した。より具体的には、振幅分割型電子線干渉計で電子線を分割するために用いるビームスプリッターとしては、回折格子、あるいは回折格子として機能する単結晶薄膜が好適であり、特に、透過波の透過性等の観点からは、後者すなわち単結晶薄膜を使用することが望ましいと考えられる。

一方で、種々の実験を行うも、かかる単結晶薄膜に照射された電子線（図１の照射電子線２を参照）に、理想的な一次元回折を起こさせることが極めて困難であるとの認識を得るに至った。これは、単結晶薄膜が三次元構造体であることに起因するものと考えられる。

より詳しくは、入射する電子線に対して単結晶薄膜を傾斜させることにより、透過波の進行方向を許容値以内に収めつつ、複数の回折波についても或る程度一次元に近い回折状態を得ることはできた。しかしながら、この場合でも、複数の回折波について完全な一次元回折を得ることが困難であることに加え、電子線の高次の回折までは制御することができなかった。

総じて、電子源から放出された照射電子線で単結晶薄膜に電子線を照射すると、図１で説明したように、透過波と複数の回折波が生成されることとなり、加えて、ビームスプリッターとして回折格子などを用いた場合でも同様の課題が生じ得ることが判明した。

また、振幅分割型電子線干渉計では、当該装置の小型化等の観点からは、少なくとも電子線の進行方向に沿って二つ以上のビームスプリッター（望ましくは二つ以上の単結晶薄膜）を配置することが必要となる。そして、電子線の進行方向に沿って二つ以上の単結晶薄膜を配置した振幅分割型電子線干渉計では、電子線が単結晶薄膜を通過するたびに透過波と回折波が生成される。そのため、かかる振幅分割型電子線干渉計によれば、図１で説明した従来の電子線干渉計と同様に、同じ電子線光路を複数の電子線が通過することになり、このため電子線光路を決定することが困難となり、ひいては正確な位相差を測定ないし決定することができない。

上記のような技術的課題に鑑みて、本発明者らは、さらなる鋭意検討の末、以下のような基本的構成を備える振幅分割型の電子線干渉計を案出した。

すなわち、本実施形態に係る電子線干渉計は、入射された電子線を、試料物体を透過させるための物体波と複数の参照波とに分けて出射する第１のビームスプリッターと、第１のビームスプリッターから出射された複数の参照波の光路を、物体波の進路に近づくように導く第１のビームガイド部と、電子線の進路における第１のビームスプリッターの下流に配置され、物体波と一つの参照波とを干渉させるように導く第２のビームガイド部と、電子線の進路における第１のビームスプリッターと第２のビームガイド部との間に配置され、物体波と一つの参照波とを透過させ、残りの参照波を遮蔽する第１の遮蔽部と、を備える。

かかる構成の電子線干渉計によれば、生成される複数の回折波から不要な回折波を遮蔽し必要な物体波と参照波を選択することによって、最終的に一つの物体波と一つの参照波を選択することができるため、電子線の光路を選択的に設定できるようになる。そして、電子線の光路を選択的に設定することにより、物体波と参照波の正確な位相差が測定できることから、リアルタイムで広い領域における位相像を高感度で直接観察できる。さらに、上記構成を備える電子線干渉計によれば、量子実験への適用が可能となるため、量子現象の検証などを行うことができる。

以下、上述した基本的構成を備えたマッハ・ツェンダー形の振幅分割型の電子線干渉計の種々の実施例について、図２以下を参照して説明する。

図２は、二つのビームスプリッター（単結晶薄膜）、二つのビームガイド部（それぞれ光学レンズ）、対物絞り等を備え、上記の二つの単結晶薄膜の間に電子線選択絞り機構を設けた電子線干渉計および制御装置等の構成図である。なお、図１で説明した従来構成と同一または同等の部分については同一または類似の符号を付して、適宜その説明を省略する場合がある。

図２に示す第１実施例では、二つの単結晶薄膜として、各々、例えばシリコンなどの単結晶から薄膜に加工された単結晶薄膜を用いて振幅分割型電子線干渉計を製造することを前提とする。ここで、単結晶薄膜は、回折格子と同等の機能を有するが、上述のような課題を内包している。なお、二つの単結晶薄膜の代わりに、各々、集束イオンビーム加工装置等で製作された回折格子を用いて振幅分割型電子線干渉計を製造してもよく、この場合においても同様の作用効果が得られる。

この振幅分割型電子線干渉計は、電子線の進行方向または進路における上流側（図２中の上段）から順に、電子線を出射する電子源１と、上段単結晶薄膜３と、転写レンズ７と、試料保持膜９と、電子線選択絞り１１と、下段単結晶薄膜１５と、対物レンズ２０と、対物絞り２１と、撮像部２６と、を備える。これら各部は、電子顕微鏡の筐体を模したまたは流用した筒状の筐体６０内に配置されている。

上記のうち、上段単結晶薄膜３は、本発明の「第１のビームスプリッター」に対応する。また、転写レンズ７は本発明の「第１のビームガイド部」に対応し、電子線選択絞り１１は、本発明の「第１のビームガイド部」に対応する。さらに、下段単結晶薄膜１５、対物レンズ２０、および対物絞り２１は、本発明の「第２のビームガイド部」に対応し、このうち、下段単結晶薄膜１５は本発明の「第２のビームスプリッター」に、対物絞り２１は本発明の「第２の遮蔽部」に、各々対応する。

加えて、図２に示すように、振幅分割型電子線干渉計は、図２中の上段から順に、上段単結晶薄膜配置装置４と、試料配置装置１０と、電子線選択絞り配置装置１２と、下段単結晶薄膜配置装置１６と、対物絞り配置装置２２とが筐体６０に組付けられ、それぞれ、筐体６０に対して移動可能に設けられている。
上記のうち、上段単結晶薄膜配置装置４は、その一端側（基端部）が筐体６０の側面（溝部）に組付けられ、上段単結晶薄膜配置装置４の他端側（先端部）は、上段単結晶薄膜３を筐体６０内の平面略中央（電子源１の光軸上）の位置に保持する役割を担う。また、試料配置装置１０は、その一端側（基端部）が筐体６０の側面（溝部）に組付けられ、試料配置装置１０の他端側（先端部）は、試料保持膜９を筐体６０内の平面略中央の位置に保持する役割を担う。さらに、試料保持膜９は、検査ないし観測対象となる試料物体８を電子源１の光軸上の位置に保持する役割を担う。
ここで、試料物体８は、一般的には、電子顕微鏡で観察されている厚さ数十ナノメートルから数マイクロメートル程度の薄膜や液体や気体などである。なお、試料物体８は、かかる例に限定されるものではなく、検査ないし観測対象とされ得る他の種々の物体が含まれる。
また、電子線選択絞り配置装置１２は、その一端側（基端部）が筐体６０の側面（溝部）に組付けられ、電子線選択絞り配置装置１２の他端側（先端部）は、下段単結晶薄膜１５を筐体６０内の平面略中央（電子源１の光軸上）の位置に保持する役割を担う。さらに、対物絞り配置装置２２は、その一端側（基端部）が筐体６０の側面（溝部）に組付けられ、対物絞り配置装置２２の他端側（先端部）は、対物絞り２１を筐体６０内の適宜の位置に保持する役割を担う。

次に、本実施例における振幅分割型電子線干渉計の動作等を説明する。
本実施例の振幅分割型電子線干渉計では、電子源１から放出された照射電子線２は、図２に示すように、上段単結晶薄膜３を照射する。この例では、上段単結晶薄膜３は、上述した上段単結晶薄膜配置装置４によって筐体６０内の略中央で固定的に配置されている。他の例として、上段単結晶薄膜３は、図示しない単結晶薄膜微動装置などに搭載されることにより、筐体６０内の略中央で微動する構成としてもよい。この点、後述する下段単結晶薄膜１５についても同様であり、これら単結晶薄膜３，１５の配置方法や微動動作の有無については、目的や試料物体８の種類等に応じて選択できる。

かくして、電子源１から放出された照射電子線２は、上段単結晶薄膜３を通過し、この際に、上段単結晶薄膜３の回折格子としての機能により、電子線の照射方向となる線軸（便宜のため以下は「光軸」という）に沿って進む透過波５と、光軸から所定角度で回折する複数の回折波６とが生成される。そして、これら透過波５および複数の回折波６は、第１のビームガイド部としての転写レンズ７を通過する（透過される、以下、透過の場合も単に「通過」という。）ことにより、各々の回折波６が屈折する。図２に示す例では、転写レンズ７を通過した透過波５は光軸上に沿って進み、複数の回折波６は、転写レンズ７により屈折させられ、各々、光軸に向かう方向に進行することにより、後述する物体波１３の進路に近づくように導かれる。

かくして、転写レンズ７を通過した透過波５は、試料保持膜９の上に配置された試料物体８を照射し、試料物体８によって電子線の位相が変化した物体波１３として進行する。一方、転写レンズ７を通過した回折波６は、試料物体８を照射することなく、試料物体８の周囲の空間を通過し、位相が変化しない参照波１４として進行する。

図２では、透過波５が試料物体８を照射する構成を例示しているが、この逆の構成、すなわち物体波として回折波６を用いて試料物体を照射し、参照波として透過波５を試料物体の無い空間を通過させてもよい。
また、この例では、試料物体８は、上述した試料保持膜９および試料配置装置１０によって筐体６０内の略中央で固定的に配置されている。他の例として、試料物体８は、図示しない試料微動装置などに搭載されることにより、筐体６０内の略中央で微動する構成としてもよい。さらに、上述のように回折波６を用いて試料物体を照射する構成とする場合、複数の回折波６が通過する位置（光軸の周囲の位置）に、各々の試料物体を配置し、複数の試料物体を配置する構成としてもよい。総じて、試料物体８の配置方法や微動動作の有無については、目的や試料物体８の種類等に応じて選択できる。

上述のように、図２に示す実施例では、試料物体８の下流側に、電子線選択絞り配置装置１２および電子線選択絞り１１が配置されている。このうち、電子線選択絞り１１は、物体波１３と一つの参照波１４のみが通過する位置に配置され、他の参照波１４の通過を阻む（すなわち不必要な電子線を遮蔽する）役割を担う。
かかる電子線選択絞り１１は、不必要な電子線を遮蔽するため、例えば０.５ｍｍ程度の厚さを有するモリブデンなどが用いられる。この例では、電子線選択絞り１１は、上述した電子線選択絞り配置装置１２によって筐体６０内の上述した位置に固定的に配置されている。他の例として、電子線選択絞り１１は、図示しない電子線選択絞り微動装置などに搭載されることにより、筐体６０内で微動する構成としてもよい。すなわち、電子線選択絞り１１の配置方法や微動動作の有無については、目的や試料物体８の種類等に応じて選択できる。

かくして、電子線選択絞り１１を通過した２つの電子線すなわち、物体波１３と一つの参照波１４は、それぞれ、下段単結晶薄膜１５を照射し、下段単結晶薄膜１５を通過する際に、物体波の透過波１７、物体波の回折波１８、参照波の透過波２３、物体波の回折波２４などの複数の電子線に分岐され、複数の回折波を生成する。
そして、下段単結晶薄膜１５を通過した物体波の透過波１７、物体波の回折波１８、参照波の透過波２３、物体波の回折波２４などの電子線は、それぞれが対物レンズ２０を通過する。

図２に示す例では、対物レンズ２０の下方（下流側）に対物絞り２１が配置されており、この対物絞り２１は、物体波の回折波２４と参照波の透過波２３のみを通過させ、他の電子線の通過を阻む（すなわち不必要な電子線を遮蔽する）役割を担う。
かかる対物絞り２１は、不必要な電子線を遮蔽するため、例えば０.５ｍｍ程度の厚さを有するモリブデンなどが用いられる。なお、対物絞り２１は、基本的には１つの物体波と１つの参照波が通過するような配置または構成であれば良いことから、通過させる電子線は図２に示す例に限定されるものではない。

対物絞り２１を通過した一つの物体波（物体波の回折波２４）と一つの参照波（参照波の透過波２３）は、観察位置に配置された撮像部２６に到達して干渉が発生し、かかる撮像部２６を通じて撮像された画像により、干渉縞・位相像２５を観察することができる。

一例では、撮像部２６は、電子顕微鏡フィルムやＣＣＤカメラなどの電子線検出器が用いられる。以下、撮像部２６をカメラ２６と称する場合がある。

なお、上述した筐体６０内の電子光学部品は、適宜の時期に、図示しない真空ポンプによって吸引および廃棄することができる。かかる真空系の構成については、本願発明の干渉計とは直接の関係がないため、図示および説明を割愛する。

次に、上述した電子線選択絞り１１の絞り穴（本発明の「開口」に対応し、以下、単に「穴」という場合がある）の穴径の決定方法について、図３Ａを参照して説明する。ここでは、一般的に普及している丸形の絞り穴を転写レンズ７の焦点面に配置し、隣り合った物体波と参照波を選択するときにおいて説明する。

電子線選択絞り１１の穴径３４は、上段単結晶薄膜３の格子間隔２７と転写レンズの焦点距離３２から決定することができる。電子線選択絞り１１の絞り位置における物体波と参照波の距離Ｄ（図３Ａ中の符号３３で示す両矢印を参照）は、転写レンズ７の焦点距離をｆ（同、符号３２で示す両矢印参照）、上段単結晶薄膜３によるブラッグ回折角をθ（同、符号２９で示す両矢印参照）とすると、下記式で与えられる。

上式中、ｎは整数であり、λは電子線の波長であり、ｄは上段単結晶薄膜３の格子間隔である。図３Ａ中、光軸から左側に回折角θで進行する参照波２９をｎ＝１、光軸から左側に回折角２θで進行する参照波３０をｎ＝２、光軸から右側に回折角θで進行する参照波３１をｎ＝－１と示す。この例では、電子線選択絞り１１で選択する（通過させる）電子線は、物体波１３とｎ＝１の参照波２９であり、このためｎ＝２またはｎ＝－１などの参照波（３０、３１）は遮蔽する必要がある。
そのため、使用する上段単結晶薄膜３の格子間隔に応じて、電子線選択絞り１１の穴径３４を変更する。上記に鑑みて、電子線選択絞り１１の必要な穴径３４（図３Ａ中に両矢印で示す穴の直径２Ｒ）は、下記式で与えられる。

上記式に示されるように、上段単結晶薄膜３の格子間隔ｄと転写レンズ７の焦点距離ｆを用いて、電子線選択絞り１１の穴径３４（＝２Ｒ）を設定することができる。なお、電子線選択絞り１１の穴径２Ｒは、厳密に調整する必要は無いことから、異なる穴径を複数有する絞り配置機構を用いてもよいし、穴径そのものを自動で調整する機器を用いてもよい。

図３Ａに示す例は、図２で上述した構成の変形例であり、電子線選択絞り１１を電子線選択絞り微動装置３５に配置し、かかる電子線選択絞り微動装置３５をプロセッサ等からなる電子線選択絞り微動制御装置３６で制御することにより、電子線選択絞り１１の穴径３４（２Ｒ）や穴の位置を調整ないし制御できるようにした構成例である。

また、図３Ｂに示す例は、電子線選択絞り１１の穴径３４を調整するための他の一例として、異なる穴径（３４、３４Ａ、３４Ｂ）による複数の穴（開口）を有する電子線選択絞り１１が電子線選択絞り微動制御装置３５に搭載されており、電子線選択絞り微動制御装置３６によって、使用する穴径を変更できるようにした構成例を示している。

さらに、電子線選択絞り１１の穴の形状は、上述したような円形だけでなく、他の形状としてもよく、かかる具体例につき図４Ａ～図４Ｃを参照して説明する。
図４Ａは、電子線選択絞り１１の穴の形状を四角形（矩形）とした場合の構成例であり、かかる四角形の穴で物体波１３とｎ＝１の参照波３７を選択し（通過させ）、かつ、ｎ＝２の参照波３０やｎ＝－１の参照波３１を遮蔽している様子を示す図である。

また、図４Ｂは、電子線選択（通過）用の二つの穴が形成された電子線選択絞り１１の構成例であり、一方の穴で物体波１３を選択し（通過させ）、かつ、他方の穴でｎ＝１の参照波３７を選択し（通過させ）、かつ、ｎ＝２の参照波３０およびｎ＝－１の参照波３１を遮蔽している様子を示す図である。なお、図４Ｂでは、電子線選択絞り１１に形成された穴が二つとも円形であるが、各々の穴の形状はこれに限定されるものではなく、楕円形、スリット状、あるいは種々の多角形など、任意の形状とされ得る。

また、二つの穴が配置された電子線選択絞り１１を用いる場合、図４Ａおよび図４Ｂに示すような構成例、すなわち物体波１３と、物体波１３の隣にある参照波３７を選択する構成に限られるものではない。具体的には、例えば図４Ｃに示すように、電子線選択絞り１１に設けられた一方の穴で物体波１３を選択し（通過させ）、かつ、他方の穴でｎ＝２の参照波３０を選択し（通過させ）、かつ、ｎ＝１の参照波３７およびｎ＝－１の参照波３１を遮蔽する構成としてもよい。あるいは、図示しない更に他の構成例として、電子線選択絞り１１に設けられた一方の穴で物体波１３を選択し（通過させ）、かつ、他方の穴でｎ＝－１の参照波３１を選択し（通過させ）、かつ、ｎ＝１の参照波３７およびｎ＝－２の参照波３０を遮蔽する構成としてもよい。

なお、上述した第１実施例では、第１のビームガイド部および第２のビームガイド部として、各々レンズを用いる構成としたが、レンズに代えて電子線を反射するミラーを使用してもよい。

図５を参照して、本発明を適用した振幅分割型電子線干渉計の第２実施例として、単結晶薄膜微動制御装置を利用した位相シフト法の実施例を説明する。一般に、位相シフト法は、干渉縞を連続的に動かすことができることから、位相計測の感度が高い手法と考えられるため、図５に示す第２実施例で採用することとした。以下に説明する第２実施例～第４実施例に関しては、主として第１実施例と異なる部分を説明し、第１実施例と同じ部分については、同一の符号を付して適宜その説明を省略する。

図２と比較して分かるように、図５に示す第２実施例の振幅分割型電子線干渉計は、基本的な構成は第１実施例（図２）と同じであり、以下の点で相違する。
すなわち、第２実施例の振幅分割型電子線干渉計では、上段単結晶薄膜３および下段単結晶薄膜１５を筐体６０内でそれぞれ微振動させるための構成として、上段単結晶薄膜３には上段単結晶薄膜微動制御装置３９が備えられ、下段単結晶薄膜１５には下段単結晶薄膜微動制御装置４１が備えられている。

また、この振幅分割型電子線干渉計では、干渉縞・位相像２５を観察する上述したカメラ２６には、カメラ制御装置４２が接続されている。さらに、これら上段単結晶薄膜微動制御装置３９、下段単結晶薄膜微動制御装置４１、およびカメラ制御装置４２は、システム制御装置４３に接続され、システム制御装置４３から出力される制御信号に基づいて動作するようになっている。

かかる第２実施例の振幅分割型電子線干渉計では、システム制御装置４３の制御の下、上段単結晶薄膜３または下段単結晶薄膜１５を微動させることにより、（静止状態の）試料物体８への電子線の照射の際に発生する干渉縞の位相が少しずつ移動する。このため、第２実施例によれば、カメラ２６による少ない撮影枚数で短時間かつ高精度に、位相シフト法を用いた広範囲の計測や検査等が可能となる。位相シフト法を用いた振幅分割型電子線干渉計の動作の概要としては、電子源１からの電子線の照射の際に、システム制御装置４３の制御によって、上段単結晶薄膜３または下段単結晶薄膜１５を水平方向に少しずつ移動させると同時に、カメラ制御装置４２の制御によりカメラ２６を駆動して、発生した干渉縞・位相像２５（図５を参照）を撮影する。かかる撮影で得られた複数枚の干渉縞・位相像２５は、例えばＨＤＤなどの補助記憶装置４４に保存され、ＰＣなどの解析システム装置４５によって位相を計測することができる。

なお、図５に示す例では、上段単結晶薄膜３、下段単結晶薄膜１５の両方に微動制御装置（３９、４１）を設け、各々の薄膜３，１５を独立的に微振動させることができる構成としたが、かかる構成に限定されない。他の例として、上段単結晶薄膜３、下段単結晶薄膜１５のいずれか一方に微動制御装置（３９、４１）を設け、いずれかの薄膜３，１５を微振動させる構成としてもよい。あるいは他の例として、システム制御装置４３により、各々の薄膜３，１５を同時に同一方向に微振動させるように微動制御装置（３９、４１）を制御してもよい。

図６は、本発明を適用した振幅分割型電子線干渉計の第３実施例を説明する図である。この第３実施例では、振幅分割型電子線干渉計において、位相板を利用して位相シフト法を実現する。

第１実施例の図２と比較して分かるように、図６に示す第３実施例の振幅分割型電子線干渉計では、試料物体８が保持される試料保持膜９の下段（光線進行方向における下流側）かつ下段単結晶薄膜１５の上段（同、上流側）に、位相板４６が配置されている。

この位相板４６は、透過する電子線（この例では透過波５の左隣に発生した回折波６に基く参照波１４）の位相を変化させる（例えば位相を遅らせるように位相差を与える）板状の光学部品である。

望ましくは、位相板４６を透過する電子線の位相を、任意ないし所望の状態に可変できる（すなわち位相板４６の透過時に発生する位相差を制御できる）構成とするとよい。一具体例では、位相板４６に図示しないリング状の微小電極を取り付けるとともに、かかる微小電極に不図示の電源装置を接続して、位相板４６に電圧を印加する構成とする。ここで、位相板４６およびその電源装置は、本発明の「位相操作部」に対応する。この場合、微小電極に印加する電圧を変えることにより、位相板４６を透過する電子線の位相を変化させることで、透過時に与えられる位相差を制御することができる。なお、位相板４６を透過する電子線の位相を可変できるようにする構成は上記例に限られるものではなく、他にも例えば位相板４６をカーボン製の薄膜を用いて構成するなど、種々の構成を採用することができる。

位相板４６は、図６に示すように、位相板配置装置４７によって筐体６０内に支持されている。位相板配置装置４７は、その一端側（先端側）で上述した位相板４６を保持する。また、位相板配置装置４７の基端側は、筐体６０の側面の溝に対して移動可能に組付けられるとともに、図示しないアクチュエータ等を備えた位相板制御装置４８に接続されている。そして、電子線選択絞り１１を通過する参照波１４が位相板４６を通過するように、位相板配置装置４７に設置された位相板４６の位置を、位相板制御装置４８を用いて調整する。

また、この振幅分割型電子線干渉計は、図５で上述した第２実施例と同様に、干渉縞・位相像２５を観察するカメラ２６にカメラ制御装置４２が接続されている。そして、第３実施例では、上述した位相板制御装置４８およびカメラ制御装置４２は、システム制御装置４３によって集中的に制御される。

かかる第３実施例の振幅分割型電子線干渉計では、システム制御装置４３の制御の下、位相板４６を用いた位相シフト法が可能である。例えば、上述のように、位相板４６に加えられる電圧を少しずつ変化させる場合、位相板４６の下流側の参照波１４の位相が少しずつ変化することから、カメラ２６での撮影対象となる干渉縞・位相像２５の位相も移動する。したがって、位相板４６に印加する電圧を少しずつ変化させると同時にカメラ制御装置４２によってカメラ２６を稼働させて、干渉縞・位相像２５の位相が変化してゆく様子を撮影することができる。こうして得られた複数枚の干渉縞・位相像２５の画像は、補助記憶装置４４に保存され、さらには、かかる複数枚の画像を解析システム装置４５で解析することによって、位相を計測することができる。

図７は、本発明を適用した振幅分割型電子線干渉計の第４実施例を説明する図である。この第４実施例では、振幅分割型電子線干渉計による、電子線バイプリズムを利用した縞走査法を実現する。

一般に、縞走査法は、干渉縞を連続的に動かすことにより、位相計測の感度を高めることができる手法として知られている。本実施例において、電子線バイプリズム（図７中の符号４９および破線で囲った領域を参照）は、電子線の進行方向と平行な平行平板（破線領域内の２つの矩形部分）の間に、電極フィラメント（同、略円形の部分）を備える。そして、電子線バイプリズムは、電極フィラメントに電圧を印加することで発生するフィラメント電極と平行平板の間の電場により電極フィラメントの左右を通過する電子線を、電極フィラメントに近づける方向もしくは遠ざける方向に偏向させる機能を有する。

図２および図６と比較して分かるように、図７に示す第４実施例の振幅分割型電子線干渉計の基本的構成は、第１実施例および第３実施例と同じである。
一方、第４実施例では、電子線選択絞り１１を通過する物体波１３と参照波１４が、電子線バイプリズム４９を通過するように、電子線バイプリズム４９が、電子線選択絞り１１の下流側かつ下段単結晶薄膜１５の上流側の位置に配置されている。この点、電子線選択絞り１１を通過する参照波１４のみを位相板４６に通過させる構成の第３実施例とは異なる。

本実施例において、電子線バイプリズム４９の位置は、図７に模式的に示す電子線バイプリズム制御装置５０を用いて調整することができる。
加えて、電子線バイプリズム４９には不図示の電源装置（本発明の「進行方向制御部」に対応する）が接続されており、電子線バイプリズム４９に電圧を可変的に印加できるようになっている。かかる構成を備えた第４実施例の振幅分割型電子線干渉計によれば、電子線バイプリズム４９に印加する電圧や電子線バイプリズム４９の位置を変化させることによって、物体波１３と参照波１４の進行方向を僅かに変化させる（すなわち物体派と一つの参照派の進行方向を制御する）ことができる。

また、干渉縞・位相像２５を撮影ないし観察するカメラ２６にはカメラ制御装置４２が配置され、電子線バイプリズム制御装置５０およびカメラ制御装置４２はシステム制御装置４３によって制御されている。
かくして、この第４実施例では、下段単結晶薄膜１５の上流側に配置され、入射される物体波と一つの参照波の進行方向を操作して出射する進行方向操作部（電子線バイプリズム４９およびその電源装置）を備える構成とすることにより、電子線バイプリズム４９を用いた縞走査法を実現することができる。すなわち、電子線バイプリズム４９に印加する電圧や電子線バイプリズム４９の位置を少しずつ変化させると同時に、カメラ制御装置４２によってカメラ２６を稼働させることにより、干渉縞・位相像２５の進行方向が変化する様子を撮影することができる。こうして得られた複数枚の干渉縞・位相像２５の画像は、補助記憶装置４４に保存され、さらには、かかる複数枚の画像を解析システム装置４５で解析することによって、位相を計測することができる。

以上、詳細に説明したように、本発明を適用した各実施例の振幅分割型電子線干渉計によれば、生成される複数の回折波から不要な回折波を遮蔽し必要な物体波と参照波を選択することによって、最終的に一つの物体波と一つの参照波を選択することができるため、電子線の光路を選択的に設定できるようになる。そして、電子線の光路を選択的に設定することにより、物体波と参照波の正確な位相差が測定できることから、リアルタイムで広い領域における位相像を高感度で直接観察できる。さらに、上記構成を備える電子線干渉計によれば、量子実験への適用が可能となるため、量子現象の検証などを行うことができる。

したがって、本発明によれば、ビームスプリッターによって生成される複数の回折波から不要な回折波を遮蔽し必要な物体波と参照波を選択することによって、正確な位相差の測定および量子現象観察などが可能となるマッハ・ツェンダー形の振幅分割型の電子線干渉計を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、さまざまな変形例が含まれる。たとえば、上記した種々の実施例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したのであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１：電子源
２：照射電子線
３：上段単結晶薄膜（第１のビームスプリッター）
４：上段単結晶薄膜配置装置
５：透過波
６：回折波
７：転写レンズ（第１のビームガイド部）
８：試料物体
９：試料保持膜
１０：試料配置装置
１１：電子線選択絞り
１２：電子線選択絞り配置装置
１３：物体波
１４：参照波
１５：下段単結晶薄膜
１６：下段単結晶薄膜配置装置
１７：物体波の透過波
１８：物体波の回折波
１９：参照波の回折波
２０：対物レンズ（第２のビームガイド部）
２１：対物絞り
２２：対物絞り配置装置
２３：参照波の透過波
２４：物体波の回折波
２５：干渉縞・位相像
２６：カメラ（撮像部）
２７：上段単結晶薄膜の格子間隔（ｄ）
２８：回折角（θ）
２９：回折角（２θ）
３０：参照波（ｎ＝２）
３１：参照波（ｎ＝－１）
３２：転写レンズの焦点距離（ｆ）
３３：物体波と参照波との距離（Ｄ）
３４：電子線選択絞りの穴径（２Ｒ）
３５：電子線選択絞り微動装置
３６：電子線選択絞り微動制御装置
３７：参照波（ｎ＝１）
３８：上段単結晶薄膜微動装置
３９：上段単結晶薄膜微動制御装置
４０：下段単結晶薄膜微動装置
４１：下段単結晶薄膜微動制御装置
４２：カメラ制御装置
４３：システム制御装置
４４：補助記憶装置
４５：解析システム装置
４６：位相板
４７：位相板配置装置
４８：位相板制御装置
４９：電子線バイプリズム
５０：電子線バイプリズム制御装置
６０：筐体
６１：光軸
０４：上段絞り
１０５：上段単結晶薄膜
１０６：中段単結晶薄膜
１０７：下段単結晶薄膜
１０８：下段絞り

Claims (11)

1. 入射された電子線を、試料物体を透過させるための物体波と複数の参照波とに分けて出射する第１のビームスプリッターと、
   前記第１のビームスプリッターから出射された複数の前記参照波の光路を、前記物体波の進路に近づくように導く第１のビームガイド部と、
   前記電子線の進路における前記第１のビームスプリッターの下流に配置され、前記物体波と一つの前記参照波とを干渉させるように導く第２のビームガイド部と、
   前記電子線の進路における前記第１のビームスプリッターと前記第２のビームガイド部との間に配置され、前記物体波と一つの前記参照波とを透過させ、残りの前記参照波を遮蔽する第１の遮蔽部と、
   前記電子線の進路における前記第１のビームスプリッターの下流で前記第１の遮蔽部の上流に配置され、前記試料物体を保持する試料保持部と、を備え、
   前記第１のビームスプリッターは、回折格子としての機能を備え、
   前記第１の遮蔽部は、前記物体波と一つの前記参照波とを通過させる形状の開口を備え、前記開口の径は、前記回折格子の格子間隔に応じて設定される、
   電子線干渉計。
2. 請求項１に記載の電子線干渉計において、
   前記第２のビームガイド部は、
   前記第１の遮蔽部を透過して入射された前記物体波および一つの前記参照波を、複数の物体波と複数の参照波とに分けて出射する第２のビームスプリッターと、
   前記第２のビームスプリッターから出射された前記複数の前記物体波と前記複数の前記参照波のうち、前記物体波と一つの前記参照波とを透過させ、残りの前記参照波を遮蔽する第２の遮蔽部と、
   を備える電子線干渉計。
3. 請求項１に記載の電子線干渉計において、
   前記第１の遮蔽部は、前記物体波を通過させる第１の開口と、一つの前記参照波を通過させる第２の開口とを備える、
   電子線干渉計。
4. 請求項１に記載の電子線干渉計において、
   前記物体波および一つの前記参照波を前記開口に通するように、前記第１の遮蔽部の位置を調整する位置調整部を備える、
   電子線干渉計。
5. 請求項２に記載の電子線干渉計において、
   前記第２のビームスプリッターの上流側に配置され、入射される前記一つの前記参照波の位相を操作して出射する位相操作部を備え、
   前記第２の遮蔽部は、前記物体波と、前記位相操作部により位相が操作された前記一つの前記参照波と、を透過させる、
   電子線干渉計。
6. 請求項５に記載の電子線干渉計において、
   前記位相操作部は、前記参照波を透過させる位相板を備える、
   電子線干渉計。
7. 請求項６に記載の電子線干渉計において、
   さらに、前記位相操作部は、前記位相板に印加する電圧を変化させることにより前記参照波の前記位相を制御する位相制御部を備える、
   電子線干渉計。
8. 請求項２に記載の電子線干渉計において、
   前記第２のビームスプリッターの上流側に配置され、入射される前記物体波と前記一つの前記参照波の進行方向を操作して出射する進行方向操作部を備え、
   前記第２の遮蔽部は、前記進行方向操作部により進行方向が操作された前記物体波および前記一つの前記参照波を透過させる、
   電子線干渉計。
9. 請求項８に記載の電子線干渉計において、
   前記進行方向操作部は、前記物体波と前記一つの前記参照波を通過させる電子線バイプリズムを備える、
   電子線干渉計。
10. 請求項９に記載の電子線干渉計において、
    さらに、前記進行方向操作部は、前記電子線バイプリズムの電極に印加する電圧を変化させることにより前記物体波と前記一つの前記参照波の前記進行方向を制御する進行方向制御部を備える、
    電子線干渉計。
11. 請求項１に記載の電子線干渉計において、
    第１のビームガイド部および第２のビームガイド部は、各々レンズである、
    電子線干渉計。

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