JPWO2017022093A1 - 電子線干渉装置および電子線干渉方法 - Google Patents
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Abstract
Description
電子線バイプリズムは、電子線におけるビームスプリッターとして干渉光学系には不可欠の電子光学装置で、光学におけるフレネルの複プリズムと同じ作用をする。電子線を偏向させるために電界を用いるものを電界型電子線バイプリズム、磁界を用いるものを磁界型電子線バイプリズムと呼ぶ。
電界型電子線バイプリズムの構造は図1に示すように、中央部のフィラメント電極9とその電極を挟む形で保持される平行平板型接地電極99とから構成されている。例えば、フィラメント電極9に正電圧を印加すると、図1に示したごとく、フィラメント電極9の両側を通過する電子線27は、フィラメント電極の電位により互いに向き合う方向に同じ角度αだけ偏向され、電子線バイプリズムを通過し二波に分離された電子線は、電子線バイプリズムの後方で重畳され干渉縞8を生じさせる。逆にフィラメント電極9に負の電圧を印加すると、2つの電子線は互いに離れる方向に同じ角度だけ偏向される。
<干渉顕微鏡像の作成>
最も一般的な電子線干渉法として電子線ホログラフィーで用いられる光学系は、図2に示すごとく1段の電子線バイプリズム(フィラメント電極9と平行平板型接地電極99)を対物レンズ5と対物レンズ5による試料3の像面71との間に配置する電子線干渉光学系(1段電子線バイプリズム干渉計)である。フィラメント電極9に正の電圧を印加することによって、試料3を透過した電子線(物体波21:図2ではフィラメント電極9の右側を通過する電子線)と試料の無い側を透過した電子線(参照波23:図2ではフィラメント電極9の左側を通過する電子線)を重畳させて干渉顕微鏡像(88:試料像31に干渉縞8の重畳された画像(ホログラム))を得ている。すなわち、試料3が物体波21の波面に与える位相変化が、干渉縞8の変調として記録される。
<可干渉距離>
フェルミ粒子である電子の波動は、ボーズ粒子である光子の波動と異なり、1つの状態に縮退させることができない。そのため、厳密な意味でレーザーのような完全に可干渉(コヒーレント)な状態を作り出すことはできず、加速電圧の安定性を高めてエネルギー分布幅を小さくするとともに光源サイズをできるだけ小さくして電子の運動の角度分布(電子線の開き角)を小さくし、実効的に電子波の波面を広げる工夫をしている。この電子波が干渉可能な範囲を可干渉距離と呼ぶ。この距離は光源サイズと電子光学系にも依存するが、電磁場観察光学系の場合には、試料面上では2〜3μm程度が一般的な値である。
<磁場観察例>
一方、電磁場は遠距離場として、無限遠までその影響が伝達する場として知られている。例えば超伝導状態の鉛薄膜に発生した磁束量子の場合には、磁束量子の空間サイズは約0.2 μm径、磁束量は2.07×10-15 Wbと、いずれも大変小さいものであるが、干渉顕微鏡像で観察された磁力線は、真空中では5 μm四方にまで広がっている。さらに、位相差増幅(×16倍)によってこの磁力線分布を詳細に可視化すると、磁束量子の左右の磁力線が大きく曲がり、超伝導体中に回帰しているように見える。超伝導体は完全反磁性状態であるため、物理的にこのような磁力線分布は考え難く、参照波に漏洩した磁束量子自身の磁場によるアーティファクトと考えられた。そして、その観察結果は、シミュレーションにより、参照波に含まれた磁場が影響していることが明らかにされている。この様に参照波中に含まれる観察対象からの漏洩磁場は計測結果に影響を与え、高精度計測には対策を要するものであることがわかる。
<対策例>
上記のごとく、観察対象の電磁場が参照波へ混入あるいは漏洩する影響と、その結果による計測結果への歪の発生に対しては、以下の2つの手法が提案されている。
(1)照射光学系に備えられた電子線バイプリズムによって電子波を試料照射前に2つに分離し、参照波を物体からの漏洩電磁場の影響が無視できるくらいに遠方(40 μm程度)を透過させた後、結像系の電子線バイプリズムによって重畳・干渉させ、ホログラムとして記録する方法。(特許文献1や特許文献2)
(2)二波干渉の原理に基づき、参照波と物体波を交互に繰り返し干渉・記録させた複数枚のホログラムから、再生・積算処理を行うことにより、(1)と同様に、試料(物体)から十分に遠方(電磁場の影響が無視できる)を透過した電子線を参照波として利用する方法。(特許文献3)
具体的には、電界型の位相板など広範囲に電界が分布している場合の電界検出法および評価手法が求められている。
<実施例1>
軸対称電磁場の参照波中への漏洩の影響を軽減させた計測結果を得るための、本願における最も基本となる考え方を説明する。本願では軸対称な電磁場分布の対称性に着目した。図5aが図4bに示した位置関係で記録されたホログラムからの再生された波面25の断面模式図である。一方、図5bは、軸対象電磁場の対称中心を挟んだ図5aとは反対側の空間(図3では中央フィラメント9の左側)に、電子線バイプリズムを配置して記録・再生された波面25の断面摸式図である。図5aと図5bは、同じ物体波を記録・再生しているが、用いた参照波に含まれる漏洩電磁場による歪(図5a、図5bでは簡単のため傾斜のみを考えている)が対称な形状を成しているため、再生された波面(再生位相分布像)に反映された歪も対称形に表れている。
(1)観察領域の中央部に、例えば、点状電荷からなる軸対象電磁場が位置するように、光学系および試料位置を調整する。
(2)試料の観察領域(物体波の領域21R)を定め、その両側に参照波の領域23Rを見つける。物体波の領域を挟む対称な位置に参照波の領域23Rが得られるように、光学系および試料位置を調整する。(図6a)
(3)電子線バイプリズム9を物体波の領域21Rと第1の参照波の領域23R(図6aでは図中右側)の間に配置する。
(4)第1のホログラム88を記録する。(図6b)
(5)電子線バイプリズム9を物体波の領域21Rと第2の参照波の領域23R(図6aでは図中左側)の間に配置する。
(6)第2のホログラム88を記録する。(図6c)
上記から得られた、第1のホログラムと第2のホログラムからの再生位相分布像の取得に関する説明は後述する。なお上記説明では、電子線バイプリズムへ印加する電圧や、光学系での位置関係などは省略したが、ホログラムが記録できれば、電子線バイプリズムへの印加電圧や、光学系での位置関係などに依存するものではない。また、電子線バイプリズムと物体波の領域と参照波の領域の位置の調整(上記手順の(2))は、電子線バイプリズムを移動させてもよいし、試料を移動させてもよい。さらに、光学系の調整によって電子線バイプリズムと試料との相対位置を調整してもよい。
<実施例2>
干渉光学系とその設定条件から考察すると、電子線バイプリズムと物体波の領域と参照波の領域の位置の調整(基準となる参照波の交換)は、試料を移動させるのが最も合理的である。すなわち、光学系に全く変更を伴わずに、上記2枚のホログラムを記録できる方法が、最も高精度で本願手法を実施可能と考えられる。
<実施例3>
電子線バイプリズムと物体波の領域と参照波の領域の位置の調整(基準となる参照波の交換)は、試料を照射する照射電子線を偏向することによっても実現可能である。図8bは、試料3上側の光源の像1(クロスオーバー)の位置において第1の偏向器15により照射電子線に偏向を加え、試料3下側の光源の像11(クロスオーバー)の位置において第2の偏向器16により照射電子線に偏向を加えて(=すなわち、振り戻して)、電子線が光軸2上を伝搬する様子を描いた1段バイプリズム干渉系の光学系である。図8aには偏向器を描いていないが、図8a(a)と図8bとは、対を成す光学系である。
<実施例4>
2枚のホログラム中の試料位置に関しては、できるだけホログラム記録時にその位置合わせが完了していることが望ましい。その主な理由は、再生位相分布像に残留するアーティファクトを減少させることができるためである。また、他の利点としては、再生時の試料の位置合わせの手順・操作が簡略化できること、が挙げられる。
(1)1枚目のホログラムを撮影する。
(2)このとき、試料の観察倍率Mと記録される視野サイズlとバイプリズムフィラメント電極径dを、演算システム51に入力する。
(3)記録された1枚目のホログラムから、主たる干渉縞の方位(フィラメント電極の試料面状への投影方位)を求める。例えば、図9に示すように、ホログラムのフーリエ変換により、干渉縞の作るサイドスポットから方位を求められる。
(4)主たる干渉縞の方位と垂直方向に、距離(l+d)だけ試料をバイプリズムの方向に移動させる。
(5)第2のホログラムを撮影する。この時点においては、暫定的な扱いであり、(8)にて後述する条件をクリアすることで第2のホログラムとして確定する。
(6)第1のホログラムと暫定的な第2のホログラムの自己相関を求める。
(7)上記、自己相関において、2枚のホログラムが最も合致するように、位置の調整⇔自己相関の計測、を繰り返し行う。自己相関においては、例えば、フーリエ変換後のセンタースポットを利用すれば、干渉縞(サイドスポットに付随)の影響を受けずに演算が可能となる。
(8)上記2枚のホログラム画像が合致すれば、暫定的な第2のホログラムを正式に第2のホログラムとして確定させる。
<実施例5>
実施例1に記載した手順により記録された第1と第2のホログラムを再生し、参照波に漏洩した電磁場の影響を軽減する方法とその手順について図9を用いて説明する。試料には、例えばラテックス球などの帯電した球体を想定する。ホログラムからの物体波の再生には、最も汎用されているフーリエ変換法を用いた説明を行うが、フーリエ変換法に限定するものではなく、他の手法(例えば位相シフト法)でも、同様に実施可能なものである。
(1)第1と第2のホログラムを演算装置77に入力する。
(2)第1と第2のホログラムをそれぞれフーリエ変換する。フーリエ変換によりホログラムの自己相関としてのセンタースポットとホログラムの干渉縞からの回折に該当する2つのサイドスポットが得られる。
(3)左右どちらのサイドスポットを再生に用いるかを実験目的に応じて決定する。
(4)該当するサイドスポットをそれぞれ選択してフィルタリングし、フーリエ空間でセンタリングする。ここで注意しなければならない点は、サイドスポット選択の際に、第1と第2のホログラムで、左右反対のスポットを選択する点である。これはホログラムから物体波の再生時に同時に再生される共役な2つの再生波のうち、揃った位相分布を持つ再生波を選択することを意味している。
(5)逆フーリエ変換により各々の再生波の位相分布を求める。
(6)各々の再生波の位相分布の加算平均を取り、目的の位相分布とする。
<実施例6>
図11は、物体波の領域21Rと第1と第2の参照波の領域23Rと電子線バイプリズム9の位置関係が、90°だけ方位角回転した状態を示す模式図である。実施例1の図6aと同様の表示である。本願では、軸対称な電磁場を観察対象としているため、電磁場の漏洩の影響は方位角には依存しない。したがって、図6aにおける左右の関係が、図11では上下に変更されるだけで、手順、方法、および得られる結果に変化はない。但し、電子線バイプリズムは、方位角が回転されなければならない。第1と第2のホログラムの記録に際して、試料、または電子線バイプリズム、あるいは、光学系の調整により、物体波の領域と第1と第2の参照波の領域の位置が調整されなければならないのは、実施例1、実施例2もしくは実施例3と同じである。
<実施例7>
前述の実施例1から実施例6までに記載した本願手法を用いても、なお位相分布像に残存する歪を軽減する方法について説明する。すなわち、参照波の領域を、どの方位角から選ぶかによって、再生位相分布像に残存する歪を軽減する方法について説明する。
<実施例8>
実施例7と似た効果を奏するが、少し異なる概念に基づく説明をする。すなわち、実施例7の方法は、実施例1、もしくは実施例6で説明した第1と第2のホログラムのいずれかを第3と第4のホログラムとして、都合4枚のホログラムを記録・再生し、各々の再生位相分布の加算平均を取る方法、と言うこともできる。
<実施例9>
実施例8の考え方は、4回回転対称にホログラムを記録・再生し、総4枚の再生位相分布の相加平均を取ることによって、再生位相分布像に含まれる漏洩電磁場によるアーティファクトを除去する手法、と言い換えることができる。
<実施例10>
本願を実施可能な電子線干渉装置の例を図18に示す。すなわち、対物レンズ5の下部に第1の電子線バイプリズム91が配置され、対物レンズ5の像面に得られた干渉像を、対物レンズ後段の4段からなる拡大レンズ系(61、62、63、64)で、拡大して観察する電子線干渉装置である。第1の拡大レンズ61と第2の拡大レンズ62の間に第2の電子線バイプリズム92を配置した2段電子線バイプリズム干渉計の構成をとっている。観察記録面89に結像された干渉像88を画像観察・記録媒体79(例えばTVカメラやCCDカメラ)で記録し、位相分布像の再生処理や位相分布像の積算処理などは、例えば画像処理装置77などで行い、演算結果(再生された位相分布像87や加算平均された位相分布像86など)は表示装置76などを用いて表示されることを示している。
図18は、従来型の100kVから300kVタイプの電子顕微鏡を想定して、電子線バイプリズム(91、92)や、拡大結像系のレンズ(61、62、63、64)を描いているが、これらの電子顕微鏡光学系の構成要素は、この図に限られるものではない。また、干渉光学系としては2段バイプリズム干渉計を採用した構成(電子線バイプリズム91、92を含む)を描いているが、先述のとおり、2段バイプリズム干渉計は必須ではないが、本願においてはフレネル縞等のアーティファクトの軽減のためには採用することが望ましいものである。さらに、実際の装置ではこの図18に示した構成要素以外にも、電子線の進行方向を変化させる偏向系、電子線の透過領域を制限する絞り機構などが存在する。しかし、描画した以外の装置は、本発明には直接的な関係が無いので、この図では省略している。
電子光学系は真空容器18中に組み立てられ、真空ポンプにて継続的に排気されているが、真空排気系についても、本発明とは直接の関係が無いため省略する。他の図においても、このような省略は同様である。
Claims (10)
- 電子源から放出される電子線を試料に照射する照射光学系と、
前記電子線が照射される試料を保持するための試料保持装置と、
前記電子線が前記試料に照射されたことに起因する電子線を検出する検出光学系と、
前記電子線の光軸と垂直な面上において前記試料を含む物体波領域を透過した電子線、および第1の参照波領域を透過した電子線を干渉させ第1のホログラムを生じさせる電子線バイプリズムと、
前記第1のホログラムを記録する画像記録部と、
前記画像記録部に記憶された画像を演算する画像演算部と、を有する電子線干渉装置であって、
前記電子線バイプリズムは、前記物体波領域、および前記第1の参照波領域と前記光軸を挟んで相対する第2の参照波領域を透過した電子線を干渉させ第2のホログラムを生じさせ、
前記画像記録部は、前記第2のホログラムを記録し、
前記画像演算部は、前記第1のホログラムおよび前記第2のホログラムに基づき、
前記物体波領域の位相値を求めることを特徴とする電子線干渉装置。 - 請求項1に記載の電子線干渉装置であって、
前記試料保持装置が前記面上を移動させることによって、前記電子線バイプリズムに前記第1および第2のホログラムを生じさせることを特徴とする電子線干渉装置。 - 請求項1に記載の電子線干渉装置であって、
前記照射光学系が前記電子線の伝搬する方向に関して前記試料の上流側と下流側において前記電子線を偏向させることによって、前記電子線バイプリズムに前記第1および第2のホログラムを生じさせることを特徴とする電子線干渉装置。 - 請求項1に記載の電子線干渉装置であって、
前記画像演算部は、前記第1のホログラムから求めた第1の位相分布像と前記第2のホログラムから求めた第2の位相分布像との対応する位置での位相値の相加平均を求めることで、前記位相値を演算することを特徴とする電子線干渉装置。 - 請求項1に記載の電子線干渉装置であって、
前記第1のホログラムと前記第2のホログラムに記録される前記物体波領域は同じ領域であることを特徴とする電子線干渉装置。 - 請求項1に記載の電子線干渉装置であって、
前記照射光学系は、前記電子線バイプリズムを方位回転させることによって前記物体波領域、および第3の参照波領域を透過した電子線を干渉させ第3のホログラムを生じさせることを特徴とする電子線干渉装置。 - 請求項1に記載の電子線干渉装置であって、
前記試料を前記光軸に垂直な平面内、かつ前記光軸を回転の中心とし前記第1の参照波領域および前記第2の参照波領域回転対称となる位置へ移動させることによって、前記物体波領域、および第3の参照波領域を透過した電子線を干渉させ第3のホログラムを生じさせることを特徴とする電子線干渉装置。 - 請求項1に記載の電子線干渉装置であって、
前記画像演算部は、前記第1のホログラムと、前記第2のホログラムと、第3の参照波領域にて得られる第3のホログラムと、に基づき、前記物体波領域の位相値を求めることを特徴とする電子線干渉装置。 - 電子線バイプリズムを用いた電子線干渉法において、
前記光軸と垂直な試料の存する面上で試料を含む物体波領域と第1の参照波領域を定める第1設定ステップと、
前記第1の参照波領域と前記光軸を挟んで相対する第2の参照波領域を定める第2設定ステップと、
前記電子線バイプリズムによって前記物体波領域を透過した電子線と前記第1の参照波領域を透過した電子線とを干渉させた第1のホログラムと、前記電子線バイプリズムによって前記物体波領域を透過した電子線と前記第2の参照波領域を透過した電子線を干渉させた第2のホログラムと、を記録する記録ステップと、
前記第1のホログラムと前記第2のホログラムとに基づき、前記物体波の位相分布像または位相値を演算する演算ステップとを有することを特徴とする電子線干渉方法。 - 請求項9に記載の電子線干渉方法であって、
前記演算ステップは、前記第1のホログラムと、前記第2のホログラムと、第3の参照波領域にて得られる第3のホログラムと、に基づき、前記物体波の位相分布像または位相値を求めることを特徴とする電子線干渉方法。
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