JPH11135047A - 透過型電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 透過型電子鎮微鏡ＴＥＭにおいて電子ビーム
を単色化して空間分解能を向上させる。 【解決手段】 リターディンク型モノクロメータ部３０
は、ＦＥＧの第１陽極（引き出し電極）２２と第２陽極
２３との間に配置されている。リターディンク型モノク
ロメータ部３０は減速部、ウィーンフィルタ及び加速部
を含んでいる。出射スリット３１は、リターディンク型
モノクロメータ部３０のウィーンフィルタの中心に対し
て物面と対称となる位置に配置されている。ＦＥＧ１の
陰極２１から引き出された電子ビームはリターディンク
型モノクロメータ部３０によって単色化されるので、色
収差を改善することができ、空間分解能を向上させるこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、透過型電子顕微鏡（以
下、ＴＥＭと称す）に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】図４に
高空問分解能ＴＥＭの概略の構成例を示す。図４におい
て、１は電子銃、２は電子を加速するための加速部、３
はアパーチャ、４はコンデンサレンズ、５は対物レン
ズ、６は試料ステージを示す。なお、図４では試料ステ
ージ６より下流側の投影レンズ系及び蛍光スクリーン等
については省略している。また、本明細書中において、
光軸に沿った電子銃側を上流、その反対側を下流と称す
ることにする。従って、図４ではコンデンサレンズ４は
対物レンズ５の上流側で、加速部２の下流側に配置され
ているということになる。さて、電子銃１から放出され
た電子ビームは加速部２によって所定の加速電圧で加速
される。高空間分解能ＴＥＭでは加速電圧は２００ｋＶ
以上となされるのが通常であるので、電子ビームは加速
部２において２００ｋＶ以上の所定の加速電圧で加速さ
れることになる。ここで、加速部２は内部放電を避ける
ために複数の加速管で構成されるのが通常であるが、図
４では一つ一つの加速管を省略して一つのブロックとし
て示している。図５は、一例として、電子銃に熱電子放
出型電子銃の一種であるＬａＢ６を採用した場合の加速
部の構造を示す。図５の例では、第１の陽極電極とそれ
に続く５段の加速電極であるところの５個の加速管から
成っている。また、電子銃１としては電界放射型電子銃
（ＦＥＧ）が用いられる場合が多くなってきている。加
速部２で所定の加速電圧で加速された電子ビームはアパ
ーチャ３を通ってコンデンサレンズ４で収束され、対物
レンズ５によって試料ステージ６に至ることになる。な
お、コンデンサレンズ４は複数段のレンズで構成される
のが通常であるが、図４では一つのブロックとして示し
ている。対物レンズ５についても同様に一つのブロック
として示している。このような構成において、電子銃の
改良、あるいは球面収差や色収差を改善するための対物
レンズ５をはじめとする各レンズの構造の研究によって
空間分解能の向上が図られてきているのであるが、電子
銃の改良に関しては本発明の主旨から外れるのでここで
は考えないとして、対物レンズ５等の球面収差は極限ま
で改善されてきていると考えられるのに対して、本発明
者は色収差については未だ改善の余地があることを見い
出した。本発明はこのような点に鑑みてなされたもので
あり、色収差を改善することにより空間分解能を従来よ
り改善することができる透過型電子顕微鏡を提供するこ
とを目的とするものである。なお、色収差は色収差係
数、電子銃のエネルギー幅と加速電圧の比、及び電子ビ
ームの開き角に比例する。これらの項のうち、以下では
電子線のエネルギー幅をモノクロメータを用いることに
よって小さくする方法について述べるものである。

【０００３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の透過型電子顕微鏡は、多段加速を必要と
する加速電圧が２００ｋＶ以上である透過型電子顕微鏡
において、試料ステージの上流側にモノクロメータを備
えることを特徴とする。ここで、モノクロメータは、電
子ビームを所定の加速電圧で加速する加速部と試料ステ
ージとの間に設けることもでき、また、電子ビームを所
定の加速電圧で加速する加速部の上流側に設けることも
できる。そして、モノクロメータを電子ビームを所定の
加速電圧で加速する加速部の上流側に設ける場合には、
モノクロメータは、電子銃の第１陽極と、第２陽極との
間に設けることができる。更に、モノクロメータを、電
子銃の第１陽極と、第２陽極との間に設ける場合、当該
モノクロメータの出射側に設けられる電子ビームのエネ
ルギーを選択するためのスリットは、加速部の上流側に
設けるようにしてもよく、加速部の下流側に設けるよう
にしてもよい。ここで、モノクロメータには、モノクロ
メータへの入射電子ビームを減速する減速部と、モノク
ロメータからの出射電子ビームを加速する加速部とを設
ける。またこのとき、減速部は多段の減速電極からな
り、加速部は多段の加速電極からなるようにしてもよ
い。更に、このモノクロメータを電子顕微鏡本体の加速
部の上流に設ける場合は、前記モノクロメータに設ける
加速部は省略して、その下流にある電子顕微鏡本体の加
速部で兼用してもよい。そして、このようなモノクロメ
ータとしてはウィーンフィルタを用いて構成することが
できる。

【０００４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ実施の形
態について説明するが、まず、本発明の原理について説
明する。ところで、色収差は電子ビームの持つエネルギ
ー幅に比例することが知られている。即ち、電子ビーム
の全ての電子のエネルギーは同一ではなく、あるエネル
ギーを中心としてあるエネルギー幅に分布しているので
あり、色収差はそのエネルギー幅に比例するのである。
そこで、電子ビームの持つエネルギー幅を小さくすれば
色収差をより小さくすることができ、その結果として空
間分解能を従来より向上させることができることがわか
る。つまり、電子ビームをよリ単色化するのである。な
お、電子銃から放出される電子ビームの持つエネルギー
幅は、コールドタイプのＦＥＧが最良で、０．４ｅＶ程
度であり、この様なＦＥＧを採用し、最高に設計された
高分解能ＴＥＭの空間分解能は、０．１ｎｍに近づくと
ころまで来ている。電子ビームを単色化するためにはモ
ノクロメータを用いればよく、そのモノクロメータとし
ては、所定の条件を満足するエネルギーを有する荷電ビ
ームのみを通過させることができるフィルタ、例えばウ
ィーンフィルタ、オメガフィルタ等を用いることができ
る。以下においては、構造が簡単である等の理由からウ
ィーンフイルタを用いるものとする。さて、以上のこと
から、モノクロメータのエネルギー分散は大きい方が望
ましいことは明らかである。モノクロメータのエネルギ
ー分散が大きければ、特定のエネルギーのみを有する電
子ビームが得易くなるからである。しかし、例えば加速
電圧が２００ｋＶの透過電子顕微鏡において、単にウィ
ーンフィルタを用いて２００ｋｅＶのエネルギーを有す
る電子ビームのみを得ようとすると、当該ウィーンフィ
ルタの光軸方向の長さは非常に大きなものとなってしま
い、実用的とはいえない。そこで、モノクロメータとし
てはリターデインク型のモノクロメータを用いるのが望
ましいものである。リターデインク型モノクロメータの
構成例を図６に示す。図６はモノクロメータとしてウィ
ーンフィルタを用いた場合のリターディンク型モノクロ
メータの構成例を示す図であり、図中、１０は減速部、
１１はウィーンフィルタ、１２は加速部、１３は出射ス
リットを示している。図７は、ウィーンフィルタ１１の
構造を説明する図である。図中の記号ｚは、電子ビーム
の光軸を示し、Ｎ及びＳは、対となる磁極を示し、同じ
く２重丸で囲まれた＋及び−の記号は、対となる電極を
示している。更に、減速部１０および加速部１２は、透
過電子顕微鏡本体の加速部と同様に、例えば加速電圧が
２００ｋＶ以上では、多段電極による多段減速、多段加
速とする。これら多段電極の加速部及び加速部は、先に
図５で示したものをそのまま用いればよい。図６におい
て、電子ビームは減速部１０で１ｋｅＶ程度以下、好ま
しくは５００ｅＶ程度以下、更に好ましくは２０ｅＶ〜
２００ｅＶ程度に減速されてウィーンフィルタ１１に入
射する。ウィーンフィルタ１１ではウィーン条件を満足
するエネルギーを有する電子ビームだけが直進し、直進
した電子ビームは加速部１２において減速部１０に入射
する前のエネルギーまで加速されて出射スリット１３か
ら出射される。この出射スリット１３は、ウィーンフィ
ルタ１１によってエネルギー分散された電子ビームの中
から出射する電子ビームのエネルギーを選択する機能を
有しているものである。なお、図６において、図中のＡ
点を当該リターデインク型モノクロメータの物面の位
置、Ｂ点をウィーンフィルタ１１の中心とすると、出射
スリット１３はＢ点に対してＡ点と対称となるように配
置される。これによって、多くの収差係数の値はゼロに
なり、よりよい操作条件が得られるようになる。この図
６に示す構成は、一般にリターディンク型ウィーンフィ
ルタと称されているものと同じであるが、このような構
成のモノクロメータによれば、電子ビームを減速した後
にウィーンフィルタ１１によってエネルギー分散を生じ
させ、更に出射スリット１３によって出射する電子ビー
ムのエネルギーを選択できるので、電子ビームを良好に
単色化できるものである。以上、本発明の原理について
説明したが、以下に本発明の実施形態について説明す
る。図１は本発明に係る透過型電子顕微鏡の第１の実施
形態を示す図であり、図中、１４、１５はコンデンサレ
ンズ、２０はリターディンク型モノクロメータを示す。
なお、図４、図６に示すものと同等なものについては同
一の符号を付して重複する説明を省略する。また、ここ
では電子銃１としてはＦＥＧを用いるものとするが、Ｌ
ａＢ6等の電子銃を用いることもできることは当然であ
る。また、加速電圧は２００ｋＶであるとする。図１で
は、リターディンク型モノクロメータ２０は、加速部２
と試料ステージ６との間に配置されている。さて、電子
銃１から放出された電子ビームは加速部２によって加速
電圧である２００ｋＶまで加速される。加速部２で加速
された電子ビームはコンデンサレンズ１４によって収束
され、更にアパーチャ３を通ってリターディンク型モノ
クロメータ２０に入射される。このリターディンク型モ
ノクロメータ２０は、図６に示すと同じく、減速部１
０、ウィーンフィルタ１１、加速部１２、出射スリット
１３で構成されており、また、出射スリット１３は、ウ
ィーンフィルタ１１の中心に対して、当該リターディン
ク型モノクロメータ２０の物面(図１には図示せず)と対
称となる位置に配置されている。ここでは、加速電圧が
２００ｋＶと高いので、上記の加速部２は勿論、モノク
ロメータ２０の減速部１０及び加速部１２も、先に図５
で示したような多段の加速電極からなる加速管が採用さ
れる。そして、リターディンク型モノクロメータ２０か
ら出射した電子ビームはコンデンサレンズ１５で収束さ
れ、対物レンズ５によって試料ステージ６に至ることに
なる。なお、コンデンサレンズ１４、１５はそれぞれ複
数段のレンズで構成されるのが通常であるが、図１では
共に一つのブロックとして示している。この構成によれ
ば、電子ビームはリターディンク型モノクロメータ２０
によって良好に単色化され、その単色化された電子ビー
ムが試料ステージ６に到達することになるので、色収差
を改善することができ、以て空間分解能を向上させるこ
とができる。実際、最高に設計された高分解能ＴＥＭに
モノクロメータを導入することによって、電子ビームの
持つエネルギー幅は０．１ｅＶ以下の値が得られ、その
空間分解能は、０．０３ｎｍに達した。次に、本発明の
第２の実施形態について、図２を参照して説明する。な
お、図２においても電子銃１としてＦＥＧを用いるもの
とする。図２において、２１はＦＥＧの陰極、２２は第
１陽極、２３は第２陽極、３０はリターディンク型モノ
クロメータ部、３１は出射スリットを示している。な
お、図１に示すものと同等なものについては同一の符号
を付して重複する説明を省略する。この構成では、リタ
ーディンク型モノクロメータ部３０は、ＦＥＧの第１陽
極２２と第２陽極２３との間に配置されている。図２で
はリターディンク型モノクロメータ部３０は一つのブロ
ックとして示しているが、この内部には減速部、ウィー
ンフィルタ及び加速部を含んでいるものであり、このリ
ターディンク型モノクロメータ部３０と、第２陽極２３
の下流に配置された出射スリット３１とでリターディン
ク型モノクロメータが構成されている。この出射スリッ
ト３１は、リターディング型モノクロメータ部３０のウ
ィーンフィルタの中心に対して物面（図２には図示せ
ず）と対称となる位置に配置されている。なお上記は、
正確な説明を期すよう、出射スリットを物面と対称とな
る位置に配置するために、出射スリット３１は第２陽極
２３の下流に配置いたが、装置の構造を簡略化するため
等の理由によっては、逆に、出射スリット３１は第２陽
極２３の上流側に配置されることもあり、更に、第２陽
極２３は、加速部の最初の電極で兼用することもある得
る。また、第１陽極２２は陰極２１から電子ビームを引
き出すためのものであり、引き出し電極と称されること
もあるものである。この第１電極２２に印加される電圧
（引き出し電圧）は通常２ｋＶ〜４ｋＶ程度である。第
２陽極２３は陰極２１から引き出された電子ビームを所
定のエネルギーまで加速するものである。つまり、この
構成ではリターディンク型モノクロメータはＦＥＧの内
部に組み込まれているのであり、ＦＥＧの陰極２１から
引き出された電子ビームはリターディンク型モノクロメ
ータ部３０によって単色化され、第２陽極２３、出射ス
リット３１を通過して加速部２で所定の加速電圧まで加
速されることになるので、色収差を改善することがで
き、その結果として空間分解能を向上させることができ
ることは明らかである。なお、加速部２の下流側は図４
に示すと同様である。この構成では、図１に示す構成に
比較して当該ＴＥＭ全体の大きさを小さくすることがで
きる。即ち、図１に示す構成では、加速電圧が２００ｋ
Ｖとなされているので、上述したように加速部２は複数
の加速管で構成されることになるが、電子ビームを２０
０ｋＶで加速するための加速部２の光軸方向の長さは大
きなものとなる。そして、加速部２で加速された電子ビ
ームがリターディンク型モノクロメータ２０に入射する
ことになるのであるが、上述したように減速部１０では
１ｋｅＶ程度以下、好ましくは５００ｅＶ程度以下、更
に好ましくは２０ｅＶ〜２００ｅＶ程度まで減速させる
必要がある。このように２００ｋｅＶのエネルギーの電
子ビームを２０ｅＶ〜２００ｅＶ程度まで減速させるた
めには、この減速部１０の光軸方向の長さは加速部２と
同程度必要となり、この減速部１０は大きなものとな
る。更に、加速部１２は、２０ｅＶ〜２００ｅＶ程度の
エネルギーの電子ビームを２００ｋｅＶまで加速する必
要があるので、この加速部１２の光軸方向の長さは減速
部１０と同程度必要であり、やはり大きなものとなる。
このように、図１に示す構成では当該ＴＥＭの鏡筒は非
常に大きなものとなってしまうのである。これに対し
て、ＦＥＧの第１陽極２２に印加される電圧は、上述し
たように２ｋＶ〜４ｋＶ程度であり、減速部を持たない
モノクロメータでは十分には単色化できないものの、加
速電圧に比較すると２桁小さいので、図２に示すように
第１陽極２２の直ぐ下流にリターディンク型モノクロメ
ータ部３０を配置した場合には、このリターデインク型
モノクロメータ部３０の減速部及び加速部の光軸方向の
長さは図１に示す場合に比較すると小さくてよく、従っ
て、当該ＴＥＭの鏡筒の長さを短くすることができるの
である。また、リターデインク型モノクロメータ部３０
の加速部を省略して、その下流にある透過型電子顕微鏡
本体の加速部で兼用してもよい。更にまた、場合によっ
ては、出射スリットを第２陽極２３の直ぐ下流に設ける
のではなく、第２陽極２３の直ぐ上流に設けて、構造を
より簡略化することも考えられる。以上が本発明の第２
の実施形態であるが、次に本発明の第３の実施形態につ
いて図３を参照して説明する。図２に示す構成と、図３
に示す構成とでは出射スリット３１の位置のみが異なっ
ている。即ち、図２に示す構成では出射スリット３１は
第２陽極２３の直下流に配置されているのに対して、図
３では出射スリット３１は加速部２の下流に配置されて
いる。この図３に示す構成においても電子ビームが単色
化されること、従って色収差が改善でき、空間分解能を
向上できることは明らかである。このような構成をとる
のはコストの低減を図るためである。即ち、図２の構成
においては、出射スリット３１は加速部２の上流に配置
されているので、２００ｋＶ程度の高電圧中に置かれる
ことになり、当該出射スリット３１を手動で操作するこ
とはできず、出射スリット３１を操作するについては何
等かの機構による自動制御を行わざるを得ない。従っ
て、そのような自動制御を行うための制御回路、及びそ
の電源等は加速部２に印加される加速電圧の高圧上に置
かなければならないので、その分コストが掛かってしま
う。これに対して、図３に示すように出射スリット３１
を加速部２の下流に配置すると、加速部２の最下段の加
速管は接地されるので、この出射スリット３１は手動操
作が可能となり、図２に示す場合のように出射スリット
３１を自動制御するための回路、その電源あるいは出射
スリット３１を駆動するための機構等が全く不要となる
のでコストを低減することが可能となるのである。た
だ、図３に示す構成では、出射スリット３１をリターデ
ィンク型モノクロメータ部３０のウィーンフィルタの中
心に対して物面（図３には図示せず）と対称となる位置
に配置するという対称条件を満足させることができない
ので、デフォーカス状態で使用するか、またはフォーカ
スをさせても対称条件が外れるのでリターディンク型モ
ノクロメータの２次収差が大きくなる等の不都合が生じ
る可能性はあるが、色収差を改善でき、従って空間分解
能を向上させることはできるものである。以上、本発明
の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態
に限定されるものではなく種々の変形が可能であること
は当業者に明らかである。特に、リターディンク型モノ
クロメータを設ける位置については上記実施形態に限ら
ず試料ステージの上流側であれば適宜な位置を選択する
ことができるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る透過型電子顕微鏡の第１の実施形
態を示す図である。

【図２】本発明に係る透過型電子顕微鏡の第２の実施形
態を示す図である。

【図３】本発明に係る透過型電子顕微鏡の第３の実施形
態を示す図である。

【図４】従来の高空問分解能ＴＥＭの概略の構成例を示
す図である。

【図５】加速部の構造例を示す図である。

【図６】リターディンク型モノクロメータの構成例を示
す図である。

【図７】ウィーンフィルタの構造例を示す図である。

【符号の説明】

１…電子銃、２…加速部、３…アパーチャ、４…コンデ
ンサレンズ、５…対物レンズ、６…試料ステージ、１０
…減速部、１１…ウィーンフィルタ、１２…加速部、１
３…出射スリット、１４、１５…コンデンサレンズ、２
０…リターディンク型モノクロメータ、２１…ＦＥＧの
陰極、２２…第１陽極、２３…第２陽極、３０…リター
ディンク型モノクロメータ部、３１…出射スリット。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも加速電圧が２００ｋＶ以上であ
   って、試料ステージの上流側にモノクロメータを備えた
   透過型電子顕微鏡において、該モノクロメータは、該モ
   ノクロメータへの入射電子ビームを減速する減速部と、
   該モノクロメータからの出射電子ビームを加速する加速
   部とを設けられてなるリターディング型モノクロメータ
   であることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
2. 【請求項２】請求項１において、前記リターディング型
   モノクロメータは、電子顕微鏡本体の加速部と前記試料
   ステージとの間に設けられたことを特徴とする請求項１
   記載の透過型電子顕微鏡。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記リターデ
   ィング型モノクロメータの減速部は多段の減速電極から
   なり、加速部は多段の加速電極からなることを特徴とす
   る請求項１または２記載の透過型電子顕微鏡。
4. 【請求項４】電子ビームを所定の加速電圧で加速する加
   速部の上流側に、モノクロメータを備えた透過型電子顕
   微鏡において、該モノクロメータは、該モノクロメータ
   への入射電子ビームを減速する減速部を設けられてなる
   リターディング型モノクロメータであることを特徴とす
   る透過型電子顕微鏡。
5. 【請求項５】請求項４において、前記リターディング型
   モノクロメータは、電子銃の第１陽極と第２陽極との間
   に設けられてなることを特徴とする請求項４記載の透過
   型電子顕微鏡。
6. 【請求項６】請求項５において、前記モノクロメータの
   出射側に設けられる電子ビームのエネルギーを選択する
   ためのスリットは、前記電子ビームを所定の加速電圧で
   加速する加速部の上流側に設けられてなることを特徴と
   する請求項５記載の透過型電子顕微鏡。
7. 【請求項７】請求項５において、前記モノクロメータの
   出射側に設けられる電子ビームのエネルギーを選択する
   ためのスリットは、前記電子ビームを所定の加速電圧で
   加速する加速部の下流側に設けられてなることを特徴と
   する請求項５記載の透過型電子顕微鏡。
8. 【請求項８】請求項４において、前記リターディング型
   モノクロメータは、電子銃の引き出し電極と前記加速部
   との間に設けられてなることを特徴とする請求項４記載
   の透過型電子顕微鏡。
9. 【請求項９】請求項８において、前記モノクロメータの
   出射側に設けられる電子ビームのエネルギーを選択する
   ためのスリットは、前記電子ビームを所定の加速電圧で
   加速する加速部の上流側に設けられてなることを特徴と
   する請求項８記載の透過型電子顕微鏡。
10. 【請求項１０】請求項８において、前記モノクロメータ
    の出射側に設けられる電子ビームのエネルギーを選択す
    るためのスリットは、前記電子ビームを所定の加速電圧
    で加速する加速部の下流側に設けられてなることを特徴
    とする請求項８記載の透過型電子顕微鏡。