JPH11260312A - オメガ型エネルギーフィルタ - Google Patents
オメガ型エネルギーフィルタInfo
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- JPH11260312A JPH11260312A JP10056324A JP5632498A JPH11260312A JP H11260312 A JPH11260312 A JP H11260312A JP 10056324 A JP10056324 A JP 10056324A JP 5632498 A JP5632498 A JP 5632498A JP H11260312 A JPH11260312 A JP H11260312A
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- type energy
- magnetic field
- magnet
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/44—Energy spectrometers, e.g. alpha-, beta-spectrometers
- H01J49/46—Static spectrometers
- H01J49/48—Static spectrometers using electrostatic analysers, e.g. cylindrical sector, Wien filter
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- G—PHYSICS
- G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
- G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
- G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
- G21K1/08—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means
- G21K1/093—Deviation, concentration or focusing of the beam by electric or magnetic means by magnetic means
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- Analytical Chemistry (AREA)
- Electron Tubes For Measurement (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 小さい収差の３磁石系のオメガ型エネルギー
フィルタを実現する。 【解決手段】 入射絞り面からスリット面までの電子ビ
ームの軌道を連続的にΩ字状に偏向するオメガ型エネル
ギーフィルタにおいて、電子ビームの軌道を含む平面に
垂直な対称面を有し、電子ビームの入射側から偏向角を
Φ、２Φ、Φとした３つの磁場領域Ｍ１、Ｍ２３、Ｍ４
からなり、各磁極端面とビーム回転半径をパラメータと
して用いフォーカス合わせを行う。前記偏向角Φは １０２°≦Φ≦１１５° の範囲に選定し、前記２Φの偏向角を有する磁場領域の
ビーム回転半径Ｒ３を前記Φの偏向角を有する磁場領域
のビーム回転半径Ｒ４より小さくする。
フィルタを実現する。 【解決手段】 入射絞り面からスリット面までの電子ビ
ームの軌道を連続的にΩ字状に偏向するオメガ型エネル
ギーフィルタにおいて、電子ビームの軌道を含む平面に
垂直な対称面を有し、電子ビームの入射側から偏向角を
Φ、２Φ、Φとした３つの磁場領域Ｍ１、Ｍ２３、Ｍ４
からなり、各磁極端面とビーム回転半径をパラメータと
して用いフォーカス合わせを行う。前記偏向角Φは １０２°≦Φ≦１１５° の範囲に選定し、前記２Φの偏向角を有する磁場領域の
ビーム回転半径Ｒ３を前記Φの偏向角を有する磁場領域
のビーム回転半径Ｒ４より小さくする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、入射絞り面からス
リット面までの電子ビームの軌道を連続的にΩ字状に偏
向するオメガ型エネルギーフィルタに関する。
リット面までの電子ビームの軌道を連続的にΩ字状に偏
向するオメガ型エネルギーフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】図１０は電子光学系にオメガ型エネルギ
ーフィルタを組み込んだ電子顕微鏡の構成例を示す図、
図１１はＡタイプのオメガ型エネルギーフィルタの構成
を説明するための図、図１２はＢタイプのオメガ型エネ
ルギーフィルタの構成を説明するための図、図１３はＡ
タイプのオメガ型エネルギーフィルタの基本軌道を説明
するための図、図１４はＢタイプのオメガ型エネルギー
フィルタの基本軌道を説明するための図である。
ーフィルタを組み込んだ電子顕微鏡の構成例を示す図、
図１１はＡタイプのオメガ型エネルギーフィルタの構成
を説明するための図、図１２はＢタイプのオメガ型エネ
ルギーフィルタの構成を説明するための図、図１３はＡ
タイプのオメガ型エネルギーフィルタの基本軌道を説明
するための図、図１４はＢタイプのオメガ型エネルギー
フィルタの基本軌道を説明するための図である。
【０００３】電子光学系にオメガ型エネルギーフィルタ
を組み込んだ電子顕微鏡では、図１０に示すように電子
銃１１で発生した電子ビームをコンデンサレンズ１２、
対物レンズ１３を通して試料１４に照射し、中間レンズ
１５、入力絞り１６、オメガ型エネルギーフィルタ１
７、スリット１８、投影レンズ１９を通して蛍光板２０
に試料の観察像を投影している。このオメガ型エネルギ
ーフィルタは、Ω字状の軌道に配置した４つの磁石Ｍ
１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４（ビームの回転半径Ｒ１、Ｒ２、
Ｒ３、Ｒ４）に連続してビームを通すことによって入射
ビームと出射ビームとが同一直線上に並ぶようにしたも
のであり、図１１及び図１２にその光軸を含むマグネッ
トポールピースの形状と電子軌道の２つの例を示してい
る。
を組み込んだ電子顕微鏡では、図１０に示すように電子
銃１１で発生した電子ビームをコンデンサレンズ１２、
対物レンズ１３を通して試料１４に照射し、中間レンズ
１５、入力絞り１６、オメガ型エネルギーフィルタ１
７、スリット１８、投影レンズ１９を通して蛍光板２０
に試料の観察像を投影している。このオメガ型エネルギ
ーフィルタは、Ω字状の軌道に配置した４つの磁石Ｍ
１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４（ビームの回転半径Ｒ１、Ｒ２、
Ｒ３、Ｒ４）に連続してビームを通すことによって入射
ビームと出射ビームとが同一直線上に並ぶようにしたも
のであり、図１１及び図１２にその光軸を含むマグネッ
トポールピースの形状と電子軌道の２つの例を示してい
る。
【０００４】このようにオメガ型エネルギーフィルタを
透過電子顕微鏡の結像レンズ系の中間あるいは後方に挿
入した装置は、電子線エネルギー分光結像法（ＥＳＩ）
のための装置して近年盛んに用いられるようになった。
オメガ型エネルギーフィルタやアルファ型エネルギーフ
ィルタ等の装置では、入射ビームの光軸と出射ビームの
光軸とが一直線上にあるため、結像レンズ系の中間に挿
入して用いられ、インコラム型のＥＳＩ装置と呼ばれて
いる。これに対して、単一セクター型磁石と、多極子補
正装置を組み合わせたフィルタは、出射ビームの光軸が
入射ビームからおよそ９０°の方向に変化するため、顕
微鏡筒の後ろに設置され、ポストコラム型のフィルタと
呼ばれる。
透過電子顕微鏡の結像レンズ系の中間あるいは後方に挿
入した装置は、電子線エネルギー分光結像法（ＥＳＩ）
のための装置して近年盛んに用いられるようになった。
オメガ型エネルギーフィルタやアルファ型エネルギーフ
ィルタ等の装置では、入射ビームの光軸と出射ビームの
光軸とが一直線上にあるため、結像レンズ系の中間に挿
入して用いられ、インコラム型のＥＳＩ装置と呼ばれて
いる。これに対して、単一セクター型磁石と、多極子補
正装置を組み合わせたフィルタは、出射ビームの光軸が
入射ビームからおよそ９０°の方向に変化するため、顕
微鏡筒の後ろに設置され、ポストコラム型のフィルタと
呼ばれる。
【０００５】オメガ型エネルギーフィルタは、インコラ
ム型フィルタの代表的なものであり、このフィルタは、
元々キャスターンヘンリー型フィルタと呼ばれた磁界プ
リズム−静電ミラー−磁界プリズムの組み合わせからな
るインコラム型フィルタの静電ミラーを磁界プリズムで
置き換えて、すべての偏向要素を磁界で構成したものに
始まる。そこで１９７０年代にフランスで開発されたフ
ィルタは、３つの磁界で構成されていたが、その後ドイ
ツでフィルタの収差理論などの研究が行われ、３つの磁
石を用いるよりも、４つの磁石を用いる方が有利である
ことが明らかにされ、その後の研究は４つの磁石を用い
る系で検討がなされた。
ム型フィルタの代表的なものであり、このフィルタは、
元々キャスターンヘンリー型フィルタと呼ばれた磁界プ
リズム−静電ミラー−磁界プリズムの組み合わせからな
るインコラム型フィルタの静電ミラーを磁界プリズムで
置き換えて、すべての偏向要素を磁界で構成したものに
始まる。そこで１９７０年代にフランスで開発されたフ
ィルタは、３つの磁界で構成されていたが、その後ドイ
ツでフィルタの収差理論などの研究が行われ、３つの磁
石を用いるよりも、４つの磁石を用いる方が有利である
ことが明らかにされ、その後の研究は４つの磁石を用い
る系で検討がなされた。
【０００６】一様場を有するセクター型磁石では、磁極
面に並行な方向ｘ、即ちエネルギー分散を生じる方向に
はビームの収束作用を有するものの、磁界方向ｙには収
束作用はない。そこでオメガ型エネルギーフィルタの場
合、磁極端面に傾斜をつけて、端面傾斜が作る４極子レ
ンズ作用によって磁界方向の収束を得ている。図１１及
び図１２に示した２つの例は、実は異なる光学設定条件
の下で設計されたものであり、図１１に示した磁極面に
平行方向ｘにも磁界方向ｙにも３回の結像を行うものが
Ａタイプと呼ばれ、図１２に示した磁極面に平行方向ｘ
に３回、磁界方向ｙに２回の結像を行うものがＢタイプ
と呼ばれている。その基本的光学系の違いは、光軸を直
線に直して描いた図１３に示すＡタイプの軌道図及び図
１４に示すＢタイプの軌道図において明らかである。
面に並行な方向ｘ、即ちエネルギー分散を生じる方向に
はビームの収束作用を有するものの、磁界方向ｙには収
束作用はない。そこでオメガ型エネルギーフィルタの場
合、磁極端面に傾斜をつけて、端面傾斜が作る４極子レ
ンズ作用によって磁界方向の収束を得ている。図１１及
び図１２に示した２つの例は、実は異なる光学設定条件
の下で設計されたものであり、図１１に示した磁極面に
平行方向ｘにも磁界方向ｙにも３回の結像を行うものが
Ａタイプと呼ばれ、図１２に示した磁極面に平行方向ｘ
に３回、磁界方向ｙに２回の結像を行うものがＢタイプ
と呼ばれている。その基本的光学系の違いは、光軸を直
線に直して描いた図１３に示すＡタイプの軌道図及び図
１４に示すＢタイプの軌道図において明らかである。
【０００７】ここで、ｘα、ｙβの両軌道は、最終的に
検出器上に結ぶ像の軌道である。一方、ｘγ、ｙδは前
段のレンズによってフィルタの入射窓にフォーカスし、
フィルタ通過後、スリット上にフォーカスする軌道でこ
の分散を生じさせる。分散したビームの一部を残してほ
かのエネルギーのビームを切り捨てるのが、スリットの
役割である。一方、検出器上の像はスリットを通過した
エネルギー範囲のビームによって形成されるが、分散を
有したままではぼけの原因となるので、像面上では分散
が消滅していなければならない。これはアクロマティッ
ク条件と呼ばれている。さらに、オメガ型エネルギーフ
ィルタでは、中心面対称な軌道を取ることによって、像
面上の開口収差と歪み収差をうち消していることが大き
な特徴である。
検出器上に結ぶ像の軌道である。一方、ｘγ、ｙδは前
段のレンズによってフィルタの入射窓にフォーカスし、
フィルタ通過後、スリット上にフォーカスする軌道でこ
の分散を生じさせる。分散したビームの一部を残してほ
かのエネルギーのビームを切り捨てるのが、スリットの
役割である。一方、検出器上の像はスリットを通過した
エネルギー範囲のビームによって形成されるが、分散を
有したままではぼけの原因となるので、像面上では分散
が消滅していなければならない。これはアクロマティッ
ク条件と呼ばれている。さらに、オメガ型エネルギーフ
ィルタでは、中心面対称な軌道を取ることによって、像
面上の開口収差と歪み収差をうち消していることが大き
な特徴である。
【０００８】オメガ型エネルギーフィルタは、２次収差
のいくつかを零にし残りの収差も小さくするために、第
２の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３の間の面を対称面（中心
面）として、その前後でのビーム軌道が対称となるよう
に設計されている。即ち、像面からスリット面までの距
離をＬＬとすると、入射ビームの像面は、絞り面から距
離ＬＬに位置するように調整される。この様な条件の下
で、ＡタイプとＢタイプの違いは、ｙ方向（磁界方向）
の軌道において、Ａタイプが図１３に示すように対称面
でｙβ＝０、ｙδ′＝０であるのに対して、Ｂタイプが
図１４に示すように対称面でｙβ′＝０、ｙδ＝０であ
る。ここで「 ′」はＺに対する微分、すなわち軌道の
傾きである。ｘ軌道は、両ビームにおいて同一条件で、
いずれのタイプでも対称面でｘα＝０、ｘγ′＝０とな
る。
のいくつかを零にし残りの収差も小さくするために、第
２の磁石Ｍ２と第３の磁石Ｍ３の間の面を対称面（中心
面）として、その前後でのビーム軌道が対称となるよう
に設計されている。即ち、像面からスリット面までの距
離をＬＬとすると、入射ビームの像面は、絞り面から距
離ＬＬに位置するように調整される。この様な条件の下
で、ＡタイプとＢタイプの違いは、ｙ方向（磁界方向）
の軌道において、Ａタイプが図１３に示すように対称面
でｙβ＝０、ｙδ′＝０であるのに対して、Ｂタイプが
図１４に示すように対称面でｙβ′＝０、ｙδ＝０であ
る。ここで「 ′」はＺに対する微分、すなわち軌道の
傾きである。ｘ軌道は、両ビームにおいて同一条件で、
いずれのタイプでも対称面でｘα＝０、ｘγ′＝０とな
る。
【０００９】このような初期条件を選ぶと、Ａタイプで
は、図１３に示すようにｘγ軌道は３回フォーカスする
のに対し、ｙδ軌道も３回フォーカスするが、Ｂタイプ
では、図１４に示すようにｘγは３回フォーカスするも
のの、ｙδは２回のみのフォーカスとなる。即ち、像は
裏返しになる。このような２つのタイプのオメガ型エネ
ルギーフィルタがあることは古くから知られている。
は、図１３に示すようにｘγ軌道は３回フォーカスする
のに対し、ｙδ軌道も３回フォーカスするが、Ｂタイプ
では、図１４に示すようにｘγは３回フォーカスするも
のの、ｙδは２回のみのフォーカスとなる。即ち、像は
裏返しになる。このような２つのタイプのオメガ型エネ
ルギーフィルタがあることは古くから知られている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】さて、オメガ型エネル
ギーフィルタにおいて、スリット面上にｘγ、ｙδ軌道
をフォーカスさせ、像面上にｘα、ｙβ軌道をフォーカ
スさせるためには、あわせて４つのパラメータが必要で
ある。これらの調整を全て磁極端面傾斜角によって行う
ためには、２つの磁石による４つの端面を利用するのが
便利である。磁石は４つあるが、中心対称を維持しなけ
ればならないので、２つの磁石の形状を決定すると、残
りの２つの磁石の条件は自動的に決まる。これが、４つ
の磁石が用いられる基本的な理由である。
ギーフィルタにおいて、スリット面上にｘγ、ｙδ軌道
をフォーカスさせ、像面上にｘα、ｙβ軌道をフォーカ
スさせるためには、あわせて４つのパラメータが必要で
ある。これらの調整を全て磁極端面傾斜角によって行う
ためには、２つの磁石による４つの端面を利用するのが
便利である。磁石は４つあるが、中心対称を維持しなけ
ればならないので、２つの磁石の形状を決定すると、残
りの２つの磁石の条件は自動的に決まる。これが、４つ
の磁石が用いられる基本的な理由である。
【００１１】一方、オメガ型エネルギーフィルタと類似
のインコラム型のエネルギーフィルタとして、アルファ
型エネルギーフィルタが知られている。アルファ型エネ
ルギーフィルタは、全磁石の偏向角の合計が３６０°に
なるフィルタで、最初と、最後の磁石に対して、その中
間の磁石の極性が同一で、これが逆転しているため全磁
石の偏向角が０°となるオメガ型エネルギーフィルタと
区別される。アルファ型エネルギーフィルタは最初の磁
石と最後の磁石が共用されるので、見かけ上はオメガ型
エネルギーフィルタに比べて磁石が一つ少ない。アルフ
ァ型エネルギーフィルタも最初提案されたときは２磁石
系であり、やがて３磁石系が提案されたが、２磁石系も
用いられている。
のインコラム型のエネルギーフィルタとして、アルファ
型エネルギーフィルタが知られている。アルファ型エネ
ルギーフィルタは、全磁石の偏向角の合計が３６０°に
なるフィルタで、最初と、最後の磁石に対して、その中
間の磁石の極性が同一で、これが逆転しているため全磁
石の偏向角が０°となるオメガ型エネルギーフィルタと
区別される。アルファ型エネルギーフィルタは最初の磁
石と最後の磁石が共用されるので、見かけ上はオメガ型
エネルギーフィルタに比べて磁石が一つ少ない。アルフ
ァ型エネルギーフィルタも最初提案されたときは２磁石
系であり、やがて３磁石系が提案されたが、２磁石系も
用いられている。
【００１２】本発明は、小さい収差の３磁石系のオメガ
型エネルギーフィルタを実現するものである。
型エネルギーフィルタを実現するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】そのために本発明は、入
射絞り面からスリット面までの電子ビームの軌道を連続
的にΩ字状に偏向するオメガ型エネルギーフィルタにお
いて、電子ビームの軌道を含む平面に垂直な対称面を有
し、電子ビームの入射側から偏向角をΦ、２Φ、Φとし
た３つの磁場領域を持ち、各磁極端面とビーム回転半径
をパラメータとして用いフォーカス合わせを行うことを
特徴とするものであり、前記偏向角Φを１０２°≦Φ≦
１１５°の範囲に選定し、前記２Φの偏向角を有する磁
場領域のビーム回転半径Ｒ３を前記Φの偏向角を有する
磁場領域のビーム回転半径Ｒ４より小さくしたことを特
徴とするものである。
射絞り面からスリット面までの電子ビームの軌道を連続
的にΩ字状に偏向するオメガ型エネルギーフィルタにお
いて、電子ビームの軌道を含む平面に垂直な対称面を有
し、電子ビームの入射側から偏向角をΦ、２Φ、Φとし
た３つの磁場領域を持ち、各磁極端面とビーム回転半径
をパラメータとして用いフォーカス合わせを行うことを
特徴とするものであり、前記偏向角Φを１０２°≦Φ≦
１１５°の範囲に選定し、前記２Φの偏向角を有する磁
場領域のビーム回転半径Ｒ３を前記Φの偏向角を有する
磁場領域のビーム回転半径Ｒ４より小さくしたことを特
徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図１は本発明に係るオメガ型エ
ネルギーフィルタの実施の形態を示す図、図２はオメガ
型エネルギーフィルタの設計パラメータを説明するため
の図、図３はオメガ型エネルギーフィルタにおける像面
とスリット面の関係を示す図、図４は種々のオメガ型エ
ネルギーフィルタについてＬ３を変えて求めた収差を示
す図、図５はＬ３の端面のみをフリンジング磁界なしに
して求めた収差を示す図である。図中、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ
２３、Ｍ３、Ｍ４は磁石、Ｒ３、Ｒ４はビーム回転半
径、Ｌ３、Ｌ４は空間の長さを示す。
を参照しつつ説明する。図１は本発明に係るオメガ型エ
ネルギーフィルタの実施の形態を示す図、図２はオメガ
型エネルギーフィルタの設計パラメータを説明するため
の図、図３はオメガ型エネルギーフィルタにおける像面
とスリット面の関係を示す図、図４は種々のオメガ型エ
ネルギーフィルタについてＬ３を変えて求めた収差を示
す図、図５はＬ３の端面のみをフリンジング磁界なしに
して求めた収差を示す図である。図中、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ
２３、Ｍ３、Ｍ４は磁石、Ｒ３、Ｒ４はビーム回転半
径、Ｌ３、Ｌ４は空間の長さを示す。
【００１５】図１において、磁石Ｍ１は、電子入力側に
あって偏向角がΦの磁場領域（方向変換領域）を有する
磁石であり、磁石Ｍ４は、磁石Ｍ１と対称位置の電子出
力側にあって偏向角がΦの磁場領域を有する磁石であ
る。磁石Ｍ２３は、磁石Ｍ１と磁石Ｍ４の中間にあって
偏向角が２Φの磁場領域を有する磁石であり、従来の中
心面（対称面）から中心面寄りの磁石の入射側端面まで
の距離（ドリフト長）Ｌ３をゼロにすることにより２つ
の磁石を１つにしたものである。本発明は、このように
３つの磁場領域を有し、これら３つの偏向角が、電子入
射側からおおむねΦ、２Φ、Φであり、電子ビームの軌
道を含む平面に垂直な中心面を有する３磁石系のオメガ
型エネルギーフィルタを構成したものである。
あって偏向角がΦの磁場領域（方向変換領域）を有する
磁石であり、磁石Ｍ４は、磁石Ｍ１と対称位置の電子出
力側にあって偏向角がΦの磁場領域を有する磁石であ
る。磁石Ｍ２３は、磁石Ｍ１と磁石Ｍ４の中間にあって
偏向角が２Φの磁場領域を有する磁石であり、従来の中
心面（対称面）から中心面寄りの磁石の入射側端面まで
の距離（ドリフト長）Ｌ３をゼロにすることにより２つ
の磁石を１つにしたものである。本発明は、このように
３つの磁場領域を有し、これら３つの偏向角が、電子入
射側からおおむねΦ、２Φ、Φであり、電子ビームの軌
道を含む平面に垂直な中心面を有する３磁石系のオメガ
型エネルギーフィルタを構成したものである。
【００１６】従来の４磁石系のオメガ型エネルギーフィ
ルタにおいて、図２に示すように中心面寄りの磁石Ｍ３
のビーム回転半径をＲ３、その入射側端面角度をθ１、
出射側端面角度をθ２とし、スリット寄りの磁石Ｍ４の
ビーム回転半径をＲ４、その入射側端面角度をθ３、出
射側端面角度をθ４、偏向角をΦとする。また、中心面
から中心面寄りの磁石Ｍ３の入射側端面までの距離（ド
リフト長）をＬ３、磁石Ｍ３の出射側端面から磁石Ｍ４
の入射側端面までの距離をＬ４、スリット寄りの磁石Ｍ
４の出射側端面からスリット面までの距離をＬ５とし、
像面からスリット面までの距離をＬＬとする。
ルタにおいて、図２に示すように中心面寄りの磁石Ｍ３
のビーム回転半径をＲ３、その入射側端面角度をθ１、
出射側端面角度をθ２とし、スリット寄りの磁石Ｍ４の
ビーム回転半径をＲ４、その入射側端面角度をθ３、出
射側端面角度をθ４、偏向角をΦとする。また、中心面
から中心面寄りの磁石Ｍ３の入射側端面までの距離（ド
リフト長）をＬ３、磁石Ｍ３の出射側端面から磁石Ｍ４
の入射側端面までの距離をＬ４、スリット寄りの磁石Ｍ
４の出射側端面からスリット面までの距離をＬ５とし、
像面からスリット面までの距離をＬＬとする。
【００１７】オメガ型エネルギーフィルタの基本光学特
性を決める形状因子は、上記の回転半径Ｒ３、Ｒ４、端
面角度θ１、θ２、θ３、θ４、距離Ｌ３、Ｌ４、Ｌ
５、ＬＬの１０個である。この他に磁石の実際の端面と
磁界分布の実効端面との距離もパラメータとなり得る
が、ここでは省略して考える。これらの１０個のパラメ
ータのうち、端面角度θ１、θ２、θ３、θ４を、像面
及び回折面で非点なしフォーカス（ｘ方向とｙ方向とで
フォーカス位置が一致すること）を得るための調整用に
用いる。なお、これらをパラメータとして距離Ｌ３、Ｌ
４、Ｌ５等で調整することも可能である。
性を決める形状因子は、上記の回転半径Ｒ３、Ｒ４、端
面角度θ１、θ２、θ３、θ４、距離Ｌ３、Ｌ４、Ｌ
５、ＬＬの１０個である。この他に磁石の実際の端面と
磁界分布の実効端面との距離もパラメータとなり得る
が、ここでは省略して考える。これらの１０個のパラメ
ータのうち、端面角度θ１、θ２、θ３、θ４を、像面
及び回折面で非点なしフォーカス（ｘ方向とｙ方向とで
フォーカス位置が一致すること）を得るための調整用に
用いる。なお、これらをパラメータとして距離Ｌ３、Ｌ
４、Ｌ５等で調整することも可能である。
【００１８】オメガ型エネルギーフィルタの図３（Ａ）
に示す像面（Pupil plane)と図３（Ｃ）に示すスリット
面（Slit Plane) における収差ΔＸP 、ΔＹP 、Δ
ＸS 、ΔＹS は、図３（Ｅ）のように表され、その大き
さは収差係数（Ａααα、……、Ｂαββ、……、Ｃα
α、……）と、像面又はスリット面とビームのなす角
α、β、γ、δに依存する。α、γはｘ軸に対する角度
であり、β、δはｙ軸に対する角度である。物面におけ
るビームの大きさは対物絞りによって制限されるが、こ
の大きさは低倍の場合でも５μｍ程度であり、フィルタ
の前方の中間レンズを高倍率で使用した場合にはこれよ
りずっと小さな値となる。しかし、スリット面上では、
スリット面の収差によってビームが広がっているので、
像を見込むビームの角度はずっと大きなものとなる。ス
リットを通り抜けるビームの半径を５０μｍとすれば、
α、βは、０．０５／１００＝５×１０-4ｒａｄとな
る。これに対して、γ、δは、１０-2ｒａｄ程度なの
で、両者の間には１００倍の開きがある。収差の大きさ
は、収差係数と角度の積であるが、α、βとγ、δでそ
の大きさに大きな開きがあるため、収差量を決める収差
係数は、特定の係数だけが支配的となる。
に示す像面（Pupil plane)と図３（Ｃ）に示すスリット
面（Slit Plane) における収差ΔＸP 、ΔＹP 、Δ
ＸS 、ΔＹS は、図３（Ｅ）のように表され、その大き
さは収差係数（Ａααα、……、Ｂαββ、……、Ｃα
α、……）と、像面又はスリット面とビームのなす角
α、β、γ、δに依存する。α、γはｘ軸に対する角度
であり、β、δはｙ軸に対する角度である。物面におけ
るビームの大きさは対物絞りによって制限されるが、こ
の大きさは低倍の場合でも５μｍ程度であり、フィルタ
の前方の中間レンズを高倍率で使用した場合にはこれよ
りずっと小さな値となる。しかし、スリット面上では、
スリット面の収差によってビームが広がっているので、
像を見込むビームの角度はずっと大きなものとなる。ス
リットを通り抜けるビームの半径を５０μｍとすれば、
α、βは、０．０５／１００＝５×１０-4ｒａｄとな
る。これに対して、γ、δは、１０-2ｒａｄ程度なの
で、両者の間には１００倍の開きがある。収差の大きさ
は、収差係数と角度の積であるが、α、βとγ、δでそ
の大きさに大きな開きがあるため、収差量を決める収差
係数は、特定の係数だけが支配的となる。
【００１９】いま、中心面の両側のドリフト空間の長さ
Ｌ３に着目してみると、オメガ型エネルギーフィルタの
収差は、像面上およびスリット面上で図３のように示さ
れるが、これらの２次収差のうちで長さＬ３によって大
きく変化するのはＣβδ、Ｂαβδ、Ｂγββである。
これらはいずれも像面上の収差に関係している。種々の
オメガ型エネルギーフィルタについて長さＬ３を変えて
求めた収差を示したのが図４であり、ここでＤを分散と
すると、縦軸は（Ｃβδ＋Ｂαβδ＋Ｂγββ）／Ｄで
ある。この３つの収差係数の合計は、長さＬ３を小さく
するほど減少の傾向を示すが、Ｌ３＜５ｍｍ付近から上
昇に転ずる。すなわち、長さＬ３が小さすぎると収差の
増大を招くのである。しかしここで注意しなければなら
ないのは、長さＬ３を５ｍｍより小さくした場合には、
フリンジング磁界分布が鋭くなってしまうことである。
鋭いフリンジング磁界によって収差が増大した可能性が
ある。そこで便宜的にＬ３の端面のみをフリンジング磁
界なしにして計算してみると、図５に示すように収差の
増大はほとんどないことがわかる。この場合、Ｌ３＝０
というのは、磁石Ｍ２と磁石Ｍ３が接触し、一つの磁石
Ｍ２３になったものである。これは３磁石系となり、図
１に示すよう磁石Ｍ１と磁石Ｍ４とを１つの磁石で構成
すると３つの磁場領域を実質的に２磁石で実現できる。
Ｌ３に着目してみると、オメガ型エネルギーフィルタの
収差は、像面上およびスリット面上で図３のように示さ
れるが、これらの２次収差のうちで長さＬ３によって大
きく変化するのはＣβδ、Ｂαβδ、Ｂγββである。
これらはいずれも像面上の収差に関係している。種々の
オメガ型エネルギーフィルタについて長さＬ３を変えて
求めた収差を示したのが図４であり、ここでＤを分散と
すると、縦軸は（Ｃβδ＋Ｂαβδ＋Ｂγββ）／Ｄで
ある。この３つの収差係数の合計は、長さＬ３を小さく
するほど減少の傾向を示すが、Ｌ３＜５ｍｍ付近から上
昇に転ずる。すなわち、長さＬ３が小さすぎると収差の
増大を招くのである。しかしここで注意しなければなら
ないのは、長さＬ３を５ｍｍより小さくした場合には、
フリンジング磁界分布が鋭くなってしまうことである。
鋭いフリンジング磁界によって収差が増大した可能性が
ある。そこで便宜的にＬ３の端面のみをフリンジング磁
界なしにして計算してみると、図５に示すように収差の
増大はほとんどないことがわかる。この場合、Ｌ３＝０
というのは、磁石Ｍ２と磁石Ｍ３が接触し、一つの磁石
Ｍ２３になったものである。これは３磁石系となり、図
１に示すよう磁石Ｍ１と磁石Ｍ４とを１つの磁石で構成
すると３つの磁場領域を実質的に２磁石で実現できる。
【００２０】こうしてみると、３磁石系と、４磁石系を
比較したとき、４磁石系の収差が小さいということはな
いと結論することができる。すなわち４磁石系が１９７
０年代に選ばれて、それ以降ずっと４磁石系のみについ
て研究が行われてきたのは、設計の便宜上の問題であっ
たことになる。
比較したとき、４磁石系の収差が小さいということはな
いと結論することができる。すなわち４磁石系が１９７
０年代に選ばれて、それ以降ずっと４磁石系のみについ
て研究が行われてきたのは、設計の便宜上の問題であっ
たことになる。
【００２１】電子入力側の磁石Ｍ１と電子出力側の磁石
Ｍ４で電子ビームの軌道は、図１から明らかなように偏
向角Φを大きくすると、また、磁石Ｍ２３と磁石Ｍ４の
磁極間の空間の長さＬ４を大きくすると、中心面に近づ
き、さらにそれらを大きくしてゆくと、中心面の反対側
にはみ出してしまう。このような場合には、フォーカス
合わせのための端面傾斜角が反対向きになって、フォー
カスができなくなる恐れがあるので、かかる不具合を回
避するためには、空間の長さＬ４、偏向角Φ、ビーム回
転半径Ｒ３を制限することが必要となる。これらは、次
の式によって制限される。
Ｍ４で電子ビームの軌道は、図１から明らかなように偏
向角Φを大きくすると、また、磁石Ｍ２３と磁石Ｍ４の
磁極間の空間の長さＬ４を大きくすると、中心面に近づ
き、さらにそれらを大きくしてゆくと、中心面の反対側
にはみ出してしまう。このような場合には、フォーカス
合わせのための端面傾斜角が反対向きになって、フォー
カスができなくなる恐れがあるので、かかる不具合を回
避するためには、空間の長さＬ４、偏向角Φ、ビーム回
転半径Ｒ３を制限することが必要となる。これらは、次
の式によって制限される。
【００２２】Ｒ３／ tan（Φ−９０）＞Ｌ４ 例えば２００ｋＶにおいて、１μｍ／ｅＶという実用的
分散を得るために、磁極３のビーム回転半径Ｒ３を５０
mmに選んだ場合、磁極間の空間の長さＬ４の最大値は、 Φ＝１０２°の場合 Ｌ４＜２３５mm Φ＝１１５°の場合 Ｌ４＜１０７mm となる。
分散を得るために、磁極３のビーム回転半径Ｒ３を５０
mmに選んだ場合、磁極間の空間の長さＬ４の最大値は、 Φ＝１０２°の場合 Ｌ４＜２３５mm Φ＝１１５°の場合 Ｌ４＜１０７mm となる。
【００２３】また、上記本発明に係るオメガ型エネルギ
ーフィルタのような３磁石系においては、既に述べたよ
うに必要な４つのフォーカスに対して３つの磁極端面し
か持たないので、磁極端面以外のパラメータを４つの軌
道の全てをフォーカスさせるために使わなければならな
い。そこで、本発明では、このパラメータとして磁石の
ビーム回転半径を採用する。
ーフィルタのような３磁石系においては、既に述べたよ
うに必要な４つのフォーカスに対して３つの磁極端面し
か持たないので、磁極端面以外のパラメータを４つの軌
道の全てをフォーカスさせるために使わなければならな
い。そこで、本発明では、このパラメータとして磁石の
ビーム回転半径を採用する。
【００２４】次に、本発明に係る３磁石系のオメガ型エ
ネルギーフィルタについて、収差の小さい最適条件を求
める。図６は電子ビームの偏向角Φを種々に変えた場合
の磁石３のビーム回転半径Ｒ３の変化を示す図、図７は
電子ビームの偏向角Φを変えた場合の分散の変化を示す
図である。ここで、磁石４のビーム回転半径Ｒ４は一定
値６５ｍｍである（２００ｋｖにおいて）。以下、他の
加速電圧については、例えばＲ３の場合であれば、Ｒ３
｛Ｕ* ／Ｕ＊（２００ｋＶ）｝1/2 によって求めること
ができるので、２００ｋｖを一例として述べる。この図
６から、Ｒ３はΦを大きくするほど増大することがわか
る。Φが１１５°を越えたあたりで広がっているのは、
この領域ではフォーカスがかなり困難になるために、極
端な条件に振れやすいためである。ここに示した例で
は、Φは１０２°から１２０°までであるが、これ以外
の角度では収差の小さい条件の下でフォーカスを得るこ
とが困難であった。ここに示した結果は、次のような条
件を満足するフィルタ形状を求めたものである。
ネルギーフィルタについて、収差の小さい最適条件を求
める。図６は電子ビームの偏向角Φを種々に変えた場合
の磁石３のビーム回転半径Ｒ３の変化を示す図、図７は
電子ビームの偏向角Φを変えた場合の分散の変化を示す
図である。ここで、磁石４のビーム回転半径Ｒ４は一定
値６５ｍｍである（２００ｋｖにおいて）。以下、他の
加速電圧については、例えばＲ３の場合であれば、Ｒ３
｛Ｕ* ／Ｕ＊（２００ｋＶ）｝1/2 によって求めること
ができるので、２００ｋｖを一例として述べる。この図
６から、Ｒ３はΦを大きくするほど増大することがわか
る。Φが１１５°を越えたあたりで広がっているのは、
この領域ではフォーカスがかなり困難になるために、極
端な条件に振れやすいためである。ここに示した例で
は、Φは１０２°から１２０°までであるが、これ以外
の角度では収差の小さい条件の下でフォーカスを得るこ
とが困難であった。ここに示した結果は、次のような条
件を満足するフィルタ形状を求めたものである。
【００２５】 （１）Ａγγγ、Ｂγδδ／２＜５００ｍｍ （２）Ｂαβδ、Ｂγββ／２、Ｃβδ＜１０００ｍｍ （３）Ｄispersion １μｍ／ｅＶ ａｔ ２００ｋＶ （４）端面傾斜角０＜θ２、θ３、θ４＜４５° 分散も図７に示すようにΦを大きくするほど増大する。
【００２６】図８はＮｏｎ−Ｉｓｏｃｈｒｏｍａｔｉｓ
ｉｔｙを評価するための評価関数Ｍを偏向角Φに対して
示す図であり、評価関数Ｍは、Φが１１３°あたりから
減少していることがわかる。しかしいずれの場合もＭ＞
１０を満足している。図９は像面上の収差の目安となる
Ｂαβδ＋Ｂγββ＋Ｃβδを示す図である。いずれの
角度においても、合計３５００以下を示すことができ
た。
ｉｔｙを評価するための評価関数Ｍを偏向角Φに対して
示す図であり、評価関数Ｍは、Φが１１３°あたりから
減少していることがわかる。しかしいずれの場合もＭ＞
１０を満足している。図９は像面上の収差の目安となる
Ｂαβδ＋Ｂγββ＋Ｃβδを示す図である。いずれの
角度においても、合計３５００以下を示すことができ
た。
【００２７】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、従来の４磁石系のオメガ型エネルギーフィル
タにおける中心面の両側のドリフト空間の長さをゼロに
して３磁石系でオメガ型エネルギーフィルタを構成する
ので、収差が上記ドリフト空間の影響を受けなくなり収
差を小さくすることができ、フィルタを小型化すること
ができる。しかも、そのことにより必要な４つのフォー
カスに対して３つの磁極端面しか持たなずパラメータが
１つ少なくなるが、ビーム回転半径により補うことがで
きる。
によれば、従来の４磁石系のオメガ型エネルギーフィル
タにおける中心面の両側のドリフト空間の長さをゼロに
して３磁石系でオメガ型エネルギーフィルタを構成する
ので、収差が上記ドリフト空間の影響を受けなくなり収
差を小さくすることができ、フィルタを小型化すること
ができる。しかも、そのことにより必要な４つのフォー
カスに対して３つの磁極端面しか持たなずパラメータが
１つ少なくなるが、ビーム回転半径により補うことがで
きる。
【図１】 本発明に係るオメガ型エネルギーフィルタの
実施の形態を示す図である。
実施の形態を示す図である。
【図２】 オメガ型エネルギーフィルタの設計パラメー
タを説明するための図である。
タを説明するための図である。
【図３】 オメガ型エネルギーフィルタにおける像面と
スリット面の関係を示す図である。
スリット面の関係を示す図である。
【図４】 種々のオメガ型エネルギーフィルタについて
Ｌ３を変えて求めた収差を示す図である。
Ｌ３を変えて求めた収差を示す図である。
【図５】 Ｌ３の端面のみをフリンジング磁界なしにし
て求めた収差を示す図である。
て求めた収差を示す図である。
【図６】 電子ビームの偏向角Φを種々に変えた場合の
磁石３のビーム回転半径Ｒ３の変化を示す図である。
磁石３のビーム回転半径Ｒ３の変化を示す図である。
【図７】 電子ビームの偏向角Φを変えた場合の分散の
変化を示す図である。
変化を示す図である。
【図８】 Ｎｏｎ−Ｉｓｏｃｈｒｏｍａｔｉｓｉｔｙを
評価するための評価関数Ｍを偏向角Φに対して示す図で
ある。
評価するための評価関数Ｍを偏向角Φに対して示す図で
ある。
【図９】 像面上の収差の目安となるＢαβδ＋Ｂγβ
β＋Ｃβδを示す図である。
β＋Ｃβδを示す図である。
【図１０】 電子光学系にオメガ型エネルギーフィルタ
を組み込んだ電子顕微鏡の構成例を示す図である。
を組み込んだ電子顕微鏡の構成例を示す図である。
【図１１】 Ａタイプのオメガ型エネルギーフィルタの
構成を説明するための図である。
構成を説明するための図である。
【図１２】 Ｂタイプのオメガ型エネルギーフィルタの
構成を説明するための図である。
構成を説明するための図である。
【図１３】 Ａタイプのオメガ型エネルギーフィルタの
基本軌道を説明するための図である。
基本軌道を説明するための図である。
【図１４】 Ｂタイプのオメガ型エネルギーフィルタの
基本軌道を説明するための図である。
基本軌道を説明するための図である。
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ２３、Ｍ３、Ｍ４…磁石、Ｒ３、Ｒ４…
ビーム回転半径、Ｌ３、Ｌ４…空間の長さ
ビーム回転半径、Ｌ３、Ｌ４…空間の長さ
Claims (3)
- 【請求項１】 入射絞り面からスリット面までの電子ビ
ームの軌道を連続的にΩ字状に偏向するオメガ型エネル
ギーフィルタにおいて、電子ビームの軌道を含む平面に
垂直な対称面を有し、電子ビームの入射側から偏向角を
Φ、２Φ、Φとした３つの磁場領域を持ち、各磁極端面
とビーム回転半径をパラメータとして用いフォーカス合
わせを行うことを特徴とするオメガ型エネルギーフィル
タ。 - 【請求項２】 前記偏向角Φを １０２°≦Φ≦１１５° の範囲に選定したことを特徴とする請求項１記載のオメ
ガ型エネルギーフィルタ。 - 【請求項３】 前記２Φの偏向角を有する磁場領域のビ
ーム回転半径Ｒ３を前記Φの偏向角を有する磁場領域の
ビーム回転半径Ｒ４より小さくしたことを特徴とする請
求項１記載のオメガ型エネルギーフィルタ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05632498A JP3571523B2 (ja) | 1998-03-09 | 1998-03-09 | オメガ型エネルギーフィルタ |
| US09/264,913 US6307205B1 (en) | 1998-03-09 | 1999-03-09 | Omega energy filter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05632498A JP3571523B2 (ja) | 1998-03-09 | 1998-03-09 | オメガ型エネルギーフィルタ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11260312A true JPH11260312A (ja) | 1999-09-24 |
| JP3571523B2 JP3571523B2 (ja) | 2004-09-29 |
Family
ID=13024009
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05632498A Expired - Fee Related JP3571523B2 (ja) | 1998-03-09 | 1998-03-09 | オメガ型エネルギーフィルタ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6307205B1 (ja) |
| JP (1) | JP3571523B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1124251A2 (de) * | 2000-02-08 | 2001-08-16 | LEO Elektronenmikroskopie GmbH | Elektronenerergiefilter mit magnetischen Umlenkbereichen |
| JP2003297271A (ja) * | 2002-04-03 | 2003-10-17 | Hitachi High-Technologies Corp | モノクロメータ付走査形電子顕微鏡 |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE60037071T2 (de) * | 1999-06-01 | 2008-02-28 | Jeol Ltd. | Magentischer Energiefilter |
| JP2002025485A (ja) * | 2000-07-06 | 2002-01-25 | Jeol Ltd | エネルギーフィルタ |
| US7022987B2 (en) | 2001-02-20 | 2006-04-04 | Carl Zeiss Nis Gmbh | Particle-optical arrangements and particle-optical systems |
| DE10107910A1 (de) * | 2001-02-20 | 2002-08-22 | Leo Elektronenmikroskopie Gmbh | Teilchenstrahlsystem mit einem Spiegelkorrektor |
| US20080116390A1 (en) * | 2006-11-17 | 2008-05-22 | Pyramid Technical Consultants, Inc. | Delivery of a Charged Particle Beam |
| US8183526B1 (en) * | 2011-02-11 | 2012-05-22 | Electron Optica | Mirror monochromator for charged particle beam apparatus |
-
1998
- 1998-03-09 JP JP05632498A patent/JP3571523B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1999
- 1999-03-09 US US09/264,913 patent/US6307205B1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1124251A2 (de) * | 2000-02-08 | 2001-08-16 | LEO Elektronenmikroskopie GmbH | Elektronenerergiefilter mit magnetischen Umlenkbereichen |
| EP1124251A3 (de) * | 2000-02-08 | 2006-02-01 | LEO Elektronenmikroskopie GmbH | Elektronenerergiefilter mit magnetischen Umlenkbereichen |
| JP2003297271A (ja) * | 2002-04-03 | 2003-10-17 | Hitachi High-Technologies Corp | モノクロメータ付走査形電子顕微鏡 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US6307205B1 (en) | 2001-10-23 |
| JP3571523B2 (ja) | 2004-09-29 |
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