WO2005098896A1

WO2005098896A1 - 電子線干渉装置および電子顕微鏡

Info

Publication number: WO2005098896A1
Application number: PCT/JP2005/003865
Authority: WO
Inventors: Ken Harada; Tetsuya Akashi; Yoshihiko Togawa; Tsuyoshi Matsuda
Original assignee: Riken
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2005-10-20
Also published as: US20080302965A1; JP4512183B2; JP2007115409A; US7816648B2

Description

明細書

電子線干渉装置および電子顕微鏡

技術分野

[0001] 本発明は、電子線バイプリズムを用いた波面分割型の電子線干渉装置および電子顕微鏡に関する。

背景技術

[0002] 光学干渉装置には、大別して振幅分割法によるものと波面分割法によるものがある力電子線干渉装置では、 1個の電子線バイプリズムを用いた波面分割型の干渉計のみが実用に供されている。この型の干渉計では、原理的に干渉縞間隔 sと干渉領域幅 Wを独立にコントロールできず、例えば試料が大きレ、など広レ、干渉領域幅を必要とする場合には、干渉縞間隔が狭多数本の干渉縞からなる干渉像 (ホログラム）、すなわち高レ、搬送空間周波数で記録された画像を解析しなければならなかった。また、逆に試料が小さく狭い範囲に高い搬送空間周波数の干渉像が必要な場合でも、必要な高搬送空間周波数を作り出した時には干渉領域幅が広がってしまい、空間的可干渉性の劣化からコントラストの低い干渉縞からなる（品質の低い)干渉像を解析しなければならなかった。

[0003] 本願発明者らは、これらの問題点に対応するために、 PCTZJP2005Z000111 の発明を提案した。図 1は PCTZJP2005/000111の図 3で説明された電子線バィプリズムを用いた干渉光学系を示す図である。本願の背景技術として、これを、ここで簡単に説明しておく。

[0004] 図 1において、 1は電子源、 2は光軸、 3は試料、 5は対物レンズ、 7は上段電子線バィプリズム直上の電子源像面、 11は観察面、 12は観察面上の試料の像、 13はフィルムあるいはカメラ等の撮像手段である。 21および 23は物体波および参照波を示す。 31は対物レンズによる試料の像面、 32は対物レンズによる試料の像、 33は拡大レンズ、 35は拡大レンズ 33による電子源の像面、 9は対物レンズによる試料の像面 31 上に設けられた上段電子線バイプリズムのフィラメント電極で、その直径は dである。 9は拡大レンズ 33による電子源の像面 35と観察面 11との間に設けられた下段電子線バイプリズムのフィラメント電極で、その直径は dである。また、観察面 11上に現れる干渉縞の干渉縞間隔 sと干渉領域幅 Wを撮像手段 13の下に模式的に表示した。ここで、電子源 1は、図では、単一のブロックで示している力光源、加速管さらには照射光学系を含むものである。ここで示した電子線バイプリズムは、電界型のものの模式図であり、中央に極細線のフィラメント電極とその電子線が通る遥か外側左右に接地電極を備えた構造をしており、中央のフィラメント電極に電圧を印加して電子線を偏向させる。図 1および以後の図では、中央のフィラメント電極の断面のみを小円で示すものとする。また、電子線バイプリズムの機能に着目した説明では、電子線バイプリズムとのみ表記し、中央のフィラメント電極に着目した説明では電子線パイプリズムのフィラメント電極と表記する。また電子光学系では、電子レンズは通常磁界型の電磁レンズが用いられるため、電子線の経路には光軸を回転中心とした回転が含まれるが、図 1では電磁レンズによる電子線の回転を無視し、電子光学系として同一の平面を記載してレ、る。以降の光学系を示す図におレ、ても同様である。

[0005] 電子源 1で発生された電子線は光軸 2の一方側に配置された試料 3を透過する物体波 21と試料 3の無い側を透過する参照波 23とに分かれる。物体波 21と参照波 23 とを識別しやすいように、物体波 21のみにパターン表示を付した。物体波 21および参照波 23は対物レンズ 5で屈折されて上段電子線バイプリズム直上の電子源像面 7 で交叉して拡大レンズ 33の方に進む。物体波 21および参照波 23は対物レンズによる試料の像面 31上で試料像 32を形成するとともに、像面 31上で上段電子線パイプリズムの位置を通過する。上段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9に印加される電圧による偏向で電子線は互いに光軸 2に向かわせられる。 25および 27は下段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9により偏向された物体波 21および参照波 23の仮想的な電子源像である。 26および 28は上段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9により偏向された物体波 21および参照波 23の実電子源像である。 Yは上段電子 u r 線バイプリズムのフィラメント電極 9による電子源像の光軸からのスプリット距離、 Yは下段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9による仮想的な電子源像の実電子源像

26からのスプリット距離であり、式（1)、（2)の様に表される。

[0006] [数 1]

[0007] ほ ]

観察面 11は上段電子線バイプリズムのフィラメント電極の像面であるため、上段電子線バイプリズムでの偏向作用は像形成に関係なぐ波面のオーバーラップは生じない。しかし、電子線への偏向は実として行なわれているため、実電子源像のスプリット 26, 28が生じている。これは下段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9による

b 仮想的な電子源像のスプリット 25 , 27と本質的に同じものである。

[0008] 図 1に示す構成で、両バイプリズム 9、 9を同時に作用させた場合の試料面へ逆投

u b

影した干渉縞は式（3)、（4)の様に表される。以下、試料面へ逆投影した干渉縞の干渉縞間隔 sと干渉領域幅 Wは下付きの添え字 Objを付して表すものとする。

[0009] 圖

_SQbj一 ^a bj D_b

bM ^bObj ^Yv + ^Yu

_ . ^a bj , "3(お M - 3)λ

½ ^Obj ²ta 3 (½ ~ - L_b) + _ub₃ (b_0bj- - bi)J

(₃₎

[0010] 國

1 1

d,' (4)

^MM ^M0bj M 式（3)、（4)は干渉領域幅 W が上段電子線バイプリズムによる偏向角度ひに依

Obj u 存しないことを意味しており、このこと力干渉縞間隔 s と干渉領域幅 W の独立し

Obj Obj たコントロールを可能にする。すなわち、

(1)下段電子線バイプリズム→干渉領域幅 w を定める。

Obj

(2)上段電子線バイプリズム→干渉縞間隔 s を調整する。

Obj

という手順で独立操作が可能となる。さらに、下段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9が拡大レンズ 33による電子源の像面 35の位置に置かれている（D -L =0)場 b b b 合を考えてみると、この場合には式（3)により干渉縞間隔 s は偏向角度 α に依存し

Obj b ない。すなわちこの光学条件では、干渉縞間隔 s と干渉領域幅 W に関して完全

Obj Obj

に独立なコントロールが可能となる。

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0011] PCTZJP2005Z000111の発明により、干渉縞間隔 s と干渉領域幅 W を独

Obj Obj 立にコントロールできる電子線干渉装置は実現できた。し力ながら、通常の電子顕微鏡では、試料、対物レンズ、電子線バイプリズムのフィラメント電極のいずれもが光軸の軸方向にほとんど移動できない構造であるため、図 1に示した従来の 2段の電子線バイプリズムを用いる結像光学系では、対物レンズの使用条件はほぼ一意に定まつてしまい自由度が無い。すなわち、試料は対物レンズの倍率 b /a だけ拡大さ

Obj Obj

れて上段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9の位置する対物レンズによる試料の像面 31上に投影され、この状態に一意に定まる。被観察試料の像 32と上段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9 の相対的な大きさもこの条件で定まる。これは、レンズなどの機械的な位置を自由に変更できなレ、電子顕微鏡では顕著な欠点であつた。

[0012] 電子線バイプリズムを用いた干渉光学系では、電子線バイプリズムのフィラメント電極の像、もしくはフィラメント電極の陰は観察不能領域であり、この領域の広さは被観察試料の大きさ、範囲に直接に影響を与える。すなわち、被観察試料の像とフィラメント像もしくはフィラメント電極の陰の相対的なサイズは、自由に選べなければならなレ、。従来の 2段の電子線バイプリズムを用いる結像光学系では、電子顕微鏡の光学系全体を作り直したり、最適な径の電子線バイプリズムのフィラメント電極に交換するなどの方法により対応をしていたが、光学系全体の変更は煩雑である上、最終倍率の低下を招くなどの問題が発生したり、電子線バイプリズムのフィラメント電極のサイズは直径 1 μ m以下で目視できる限界を超えており、最適なフィラメント電極の製作、選定、さらにこれを交換するには技術的に多大の困難を伴っていた。

[0013] 制限視野絞りも、絞り位置に投影される試料像との相対的な大きさが実効的なサイズであり、対物レンズの倍率に応じて、数種類の径の絞り孔が装置側に用意され、実験者はその中から適当な物を選んで使用していた。上述のとおり、対物レンズの使用条件が一意に定まっているため、仮に孔径の微調整であっても、実験中その場でのサイズ変更は、技術的に困難な状況であった。さらに、観察条件が大きく異なる場合には、予め径の異なる絞りを電子顕微鏡にセットしておかねば成らず、そのためには、顕微鏡鏡体の真空を破る必要があった。

課題を解決するための手段

[0014] 本発明は、上記課題を解決するために、被観察試料 3の直下に置かれる対物レンズ 5を 2枚のレンズからなる 2段構成の組み合わせレンズ系とし、おのおのの対物レンズを独立にその焦点距離を調整することによって、対物レンズ以外の結像レンズを調整することなぐ被観察試料と上段のフィラメント電極との相対倍率を自由に変更できるようにするものである。すなわち、対物レンズを 2段のレンズ系で構成し、上段電子線パイプリズムのフィラメント電極 9が配される像面 31に結像される試料像の倍率に拡大のみならず縮小まで含めた自由度を持たせる。そして、下段電子線パイプリズムのフィラメント電極 9は、拡大レンズ 33による電子源像面 35と観察面 11との間に設ける。

[0015] 制限視野絞り孔との相対倍率についても全く同様の対策をとることができる。すなわち、制限視野絞り孔が試料の像面 31に配される場合、 2段の対物レンズを各々独立に調整することによって、絞り孔と試料との相対倍率を任意に設定できる。

発明の効果

[0016] 本発明によれば、電子線干渉装置の対物レンズ以外の結像レンズを調整することなぐ被観察試料の像と上段電子線パイプリズムのフィラメント電極の相対倍率を自由に変更できるため、上段電子線パイプリズムのフィラメント電極 9のサイズを交換することなく、試料上の電子線パイプリズムのフィラメント電極のフィラメントの陰の範囲、すなわち観察不可領域の幅を任意にコントロールできる。これは、従来型の電子線ノィプリズムが 1つの干渉装置に対しても、同等の効果を期待できる。

[0017] さらに、上述の上段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9を制限視野絞りの孔と置き換えると、直ちに被観察試料と制限視野絞りの孔径の相対倍率を自由に変更できる光学系であることがわかる。これは電子光学上相対的に、制限視野絞りの孔径を自由に設定できることを意味しており、従来の制限視野絞りの様に、孔径の異なる複数の孔を用意する必要がないことを示している。すなわち、干渉を伴わない電子線光学系装置においても有効な発明である。

発明を実施するための最良の形態

[0018] 図 2は対物レンズを 2段のレンズ系で構成した本発明の実施例を示す電子線干渉装置の干渉光学系を示す図である。 2段の電子線バイプリズムを用いて電子線干渉をコントロールする点は、図 1と同じである。

[0019] 図 2において、 51は第 1対物レンズ、 52は第 2対物レンズ、 61は第 1対物レンズ 51 により形成される電子源 1の像面、 63は第 1対物レンズ 51により形成される試料 3の像面である。第 2対物レンズ 52の電子線の進行方向下流側に形成される電子源 1の像面 7以降は、図 1と同じ構成をしている。すなわち、仮に図 2の像面 63に試料を配置させた光学系を考えれば、図 1に示した装置と等価となる。図 1と図 2を比較して明らかなように、本発明による光学系（図 2)は、試料と電子線干渉装置の間にレンズを新たに加えて 2段のレンズ系からなる対物レンズとし、各々のレンズの焦点距離を任意にコントロールすることによって試料と干渉装置との関係に自由度を持たせている

。これにより、真空装置であり機械的位置の移動が困難であるために電子線装置が一般に持っている、光学パラメータに対する自由度の欠如を補っている。

[0020] 図 2の構成によれば、両バイプリズムを同時に作用させた場合の干渉縞は式（5)、 ( 6)の様に表される。

[0021] [数 5] ^aObj\ ^aObj2 a_M a (b_M - ₃)λ

bObj\ ^bObj2 ^bM (½— 3— ^L ） + 3 (^bObj2― ^b2 )

[0022] ほ女 6]

式（3)、（4)との対比ができるように表記した力これから明らかなように、第 1対物レンズ 51の与える倍率 M が式（3)、（4)全体に乗算された形式となっている。これは

Objl

、実際の試料位置が、試料の像面 63ではなく第 1対物レンズ 51を介した上方にあることを考慮すると簡単に理解される。

[0023] 図 3は、図 2に示す本発明の実施例の構成で、 D =Lとなる位置に下段電子線バ

b b

ィプリズムのフィラメント電極 9を置いた場合の干渉光学系を示す図である。この場合

b

には、両バイプリズムを同時に作用させた場合の干渉縞は式（7)、（8)の様に表される。

[0024] [数 7]

[0025] [数 8]

式（7)、（8)から明らかなように、干渉縞間隔 s は上段電子線バイプリズムによる偏

Obj

向角度ひのみに依存し、干渉領域幅 w は下段電子線バイプリズムによる偏向角

u Obj

度ひにのみに依存している。すなわち、干渉縞間隔 s と干渉領域幅 W とは、完 b Obj Obj

全に独立にコントロールすることが可能であることを示している。

[0026] 図 2、図 3で説明した光学系の構成は、図 1に示した光学系の構成と比べて、第 1対物レンズ 51と第 2対物レンズ 52の 2段のレンズ系で構成された対物レンズと言う点を除けば差異はない。したがって、干渉縞を記述する諸式（5)、（6)も 2段対物レンズの合成の倍率 M ^:M X M を定義すれば、式（3)、（4)に一致する。これらの事

Obj Objl Obj 2

実は、本発明が図 1に示した干渉光学系に何らの機能的欠点を与えないことを意味している。すなわち、対物レンズ系が新たにもたらす自由度の増加力そのまま干渉装置の自由度の増加、被観察対象の広範として、装置の性能 ·操作性の向上に反映される。

[0027] (実験結果）

図 4A—図 4Cは、 2段のレンズ系で構成された対物レンズの効果を検証するための実験結果を示す図である。

[0028] 図 4A—図 4Cは、上段の電子線バイプリズムのフィラメント電極 9の像が黒い帯状の陰として、試料であるカーボン薄膜上の金微粒子が模様として、それぞれ観察されている様子を示す図である。各図中の文字 Aは、同一の金微粒子、補助線は観察された微粒子の位置関係から求めた試料と電子線バイプリズムのフィラメント電極との相対回転角度を示している。

[0029] 図 4Aは上段の電子線バイプリズムのフィラメント電極 9の位置、すなわち、第 2対物レンズ 52による試料の像面 31に試料 (金微粒子）を 286倍に拡大結像した図である。フィラメント電極の実径 0. に対して、実効的に十分細いフィラメント径が得られている。図 4Bは、同様にして、 39倍、図 4Cは 2. 7倍での写真である。これらの画像の撮影では両バイプリズムは、ともに作用させていない。また拡大レンズ 33の倍率はいずれの場合も同じであり、 4200倍である。

[0030] 図 4A—図 4Cを対比して分かるように、金微粒子が相対的に小さくなり、同時に観察視野が広がっていくことが分かる。図 4Cで見られる丸い構造は、マイクログリッドと呼ばれる試料支持膜の一部である。図 4A—図 4Cを通して、上段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9が同一位置となるようにして同一試料位置を観察している。フィラメント電極 9に対する光学系の諸条件が一定であることは、フィラメント電極 9の像の太さ、位置が変化してレ、なレ、ことから明らかである。

[0031] ホログラフィーを行う際の干渉縞の縞間隔 s 、干渉領域幅 W も電子線バイプリズ

Obj Obj

ムのフィラメント電極の像と同様に、図 4A—図 4Cにおいて相対的に変化する。すなわち、高分解能（図 4A)から低倍観察条件（図 4C)までを、 2段の対物レンズの組み合わせのみにより作り出すことができる。

[0032] また、試料像と電子線バイプリズムのフィラメント電極の像の相対角度も変化している。この実験例では、試料の相対倍率と相対角度の両方が同時に変化しているが、これは第 1対物レンズの倍率を第 2対物レンズの倍率より極端に大きくした使用法に起因しており、第 1、第 2の対物レンズを同程度の倍率で用いれば、相対倍率を一定に保ったまま、角度だけを任意にコントロールすることが可能である。すなわち、電子線バイプリズムフィラメント電極、或いは試料ホルダーに回転機構が備わってレ、なくても、 2段の対物レンズの使い方によりこれらの相対角度をコントロールすることが可能である。

[0033] さらに、第 1対物レンズ 51を強励磁（強拡大）条件で使用すれば、第 1対物レンズによる電子源像の位置 61を第 1対物レンズの後焦点面近傍に固定できる。ホログラフィ一光学系では、光源の位置が変化すると、干渉条件 (干渉領域幅や干渉縞間隔)が変化するため、光源が固定できると、観察倍率の変更など試料の観察条件による干渉条件の設定し直し作業から開放され、実験の自由度が広がる。

[0034] また、第 1対物レンズ 51をオフまたは弱励磁とし、第 2対物レンズ 52を用いて試料像を結像させることも可能となる。これは試料に対して磁場フリーでの観察を可能とし、磁性在材料の磁区構造のホログラフィー観察を可能とするものである。さらに、これは縮小光学系を形成しているため、低倍率での広範囲のホログラフィー観察光学系でもある。

[0035] (制限視野絞りを備えている電子顕微鏡への応用）

上述の説明は、電子線バイプリズムのフィラメント電極に対する 2段構成の対物レンズの効果にっレ、て説明したが、本発明の 2段構成の対物レンズは制限視野絞りにおレ、ても大きな効果をもたらす。

[0036] 従来の電子顕微鏡では制限視野絞りを用いる場合、大きさの異なる孔径の絞りを装置内に複数用意しておき、実験に際して必要な径の孔を選択して光軸上に配置すると言う対策がとられていた。しかし、本発明では、制限視野絞りの絞り孔径を変更することなく試料サイズに対して相対的に異なる大きさの絞り孔を作り出すことが可能である。

[0037] 図 5A—図 5Cは、図 4A—図 4Cの実験結果を利用して作図した制限視野絞りへの本発明の適用の効果を説明する図である。すなわち、図 4A—図 4Cの実験と同一の条件で、上段電子線バイプリズムフィラメント電極 9の位置に制限視野絞りを置いたときの実験結果に代えて作図したものである。上段電子線バイプリズムフィラメント電極 9 の代わりに制限視野絞りが置かれれば、実際は図 5A—図 5Cでは、フィラメントの影はなくなるはずである力図 5A—図 5Cと図 4A—図 4Cの実験結果との対比をしやすくするために、フィラメントの陰を残した状態の作図とした。

[0038] 図 5A—図 5Cでも、図 4A—図 4Cと同様に、金微粒子が相対的に小さくなり、同時に観察視野が広がってレ、くことになり、一方で、制限視野絞りに対する光学系の諸条件が一定であるため、制限視野絞りの大きさ、位置が変化しないことは容易に理解できる。従って、本発明によれば、 1つの絞り孔を任意の大きさの制限視野絞りとして用いることが可能となり、空いたスペースを例えば絞り箔加熱装置やシャッターなど異なる機構に有効利用することが可能となる。

[0039] また、上記の上段電子線バイプリズムフィラメント電極 9と試料像との関係のように、 u

相対回転角度もコントロールできるため、通常の円形絞り孔だけでなぐ楕円形や四辺形など回転対称でない様々な形状の絞り孔についても、従来法よりも容易に実験に供することが可能となる。

[0040] (応用への提案）

(1)制限視野ホログラフィー

電子線ホログラフィーに於いては、従来型の 1つの電子線バイプリズムを用いる場合であっても、 2段バイプリズム光学系を用いる PCT/JP2005/000111の場合であっても、制限視野絞りと電子線バイプリズムとは光学系として同じ位置、または近傍に位置するため、併用（両方同時に使用する）することはほとんどできなかった。むしろ、制限視野絞りを改造して電子線バイプリズムとして供する場合など、共用できても併用することは不可能だった。本発明によれば、対物レンズが 2段レンズ系から構成されるため、対物レンズ系の中間に試料の像面（例えば図 2における像面 63)が存在する。この面に制限視野絞りを配置すれば、電子線バイプリズムとは全く独立に取り扱うことが可能となり、両者の併用が可能となる。

[0041] (2)極微領域電子線回折への応用

通常極微領域電子線回折を行う場合には、電子線を絞り込み、所定の細い電子ビームにして試料のしかるべき部分に照射して、電子線回折像を得ている。このとき電子ビームは自ら収束ビームとなっているため、回折電子線は角度分布を持ち、回折像では各々の回折点が広がりを持った円像となってしまっている。また、通常の収束ビームは高電流密度となってレ、るため、電子線照射による試料の局所加熱や試料破損、試料汚染など、通常の試料像観察で生じない新たな問題が発生することが多い

[0042] 本発明により、試料像を絞り孔径に対して十分に大きく拡大すれば、相対的に極微径の制限視野絞りを作成することも容易である。この極微径絞り孔を用いた電子線回折は、試料への照射電子線とは全く独立に行なえるため、通常の試料観察と全く同じ電子線密度での照射しか与えず、上述の試料の局所加熱や試料破損、試料汚染などの問題を原理的に回避できる。

[0043] (3)高倍率電子顕微鏡への応用

通常の電子顕微鏡の拡大光学系の上部に本発明の 2段構成の対物レンズを付加した構成の電子顕微鏡とする。図 6は、 2段対物レンズ 51, 52の下流に、 3段の拡大光学系 33 -33と 1段の投射レンズ 34を配置し、都合 4段の拡大系を備えた構成に

1 3

よる電子顕微鏡の光学系を示す図である。また、図 6では電子源 1から放出される電子線の代表の軌跡と試料 3の先端および根元位置で散乱される電子線の代表的な軌跡のみを示した。以下の図でも同じである。

[0044] これは通常の電子顕微鏡よりも全レンズ数が 1つ増えている。これにより、像の最終拡大倍率を 1桁程度増すことが可能となり、 1000万倍の拡大が可能となる。また、磁性材料などの観察時に第 1対物レンズ 51をオフとしても、 10万倍程度の拡大率を確保できる、その上、第 2対物レンズ 52に高性能のレンズを用いれば、それに見合った分解能を確保できる。従来の電子顕微鏡では、最終拡大倍率 100万倍程度であつた。さらに、磁場観察時に対物レンズをオフとすると、最終倍率は 1万倍以下となってしまい微細な試料は観察できなかった。本発明ではこれらの制約を回避できる。

[0045] (4)高分解能電子線ホログラフィーへの応用

電子線バイプリズムのフィラメント電極に対して、試料を強拡大する光学系を構成すると、得られる干渉縞間隔は、相対的に大変に細かな縞となる。ホログラフィ一にて記録される縞間隔は、再生像の空間分解能を定めるため、原子レベルの高分解能ホログラフィー、結晶格子像ホログラフィーに於いては、試料像に対して原子サイズ以下の細力な縞を作成、記録することが重要となる。

[0046] 本発明によれば、上記の通り、試料の相対倍率を拡大してフィラメント電極像と合せることができる上、干渉縞間隔を独立にコントロールして細力べ作り出すことができる。さらに全体のレンズ数が増しているため、形成された細力な縞を十分な大きさに拡大した上で、記録することが可能である。

[0047] 図 7Aは、カーボン薄膜上の金微粒子である。規則正しく配列した白点が金の結晶格子像であり、各々の白点の位置が、単原子位置に対応する。結晶配列が微粒子の中心を対称軸として 5回対称の配列をしている。これは金など面心立方結晶の代表的な微粒子形状、五角十面体構造である。微粒子の中央部の帯の様に見える部分力この実験で構成した干渉領域である。この中におよそ 600本の干渉縞を作り出している。

[0048] 図 7Bは図 7Aの枠で囲った部分の拡大像である。金の 1原子像中に約 40本の干渉縞 (縞間隔:約 5pm (ピコメートル) )が記録されている。この干渉縞による搬送空間周波数は約 20011m—¹であり、電子顕微鏡の対物レンズが情報伝達できる解像限界（ SOnnT¹)を十分に超えている。すなわち、これほどに細力な干渉縞による高分解能ホログラフィーによれば、ホログラム再生時の情報の混在（物体像の自己相関関数と物体波関数の重畳）が発生することなぐ厳密に物体波のみの画像再生、およびそれによる電子レンズの収差補正等の画像処理が可能となる。

[0049] (5) 3段対物レンズ光学系への応用

本発明を発展'応用すれば、対物レンズが 3段のレンズ系からなる光学系を考案することができる。この光学系の概略を図 8に示す。この光学系では、レンズ数が増えたことによる、電子線バイプリズムのフィラメント電極、もしくは制限視野絞り孔との相対倍率の増大、最大到達倍率のさらなる増大だけでなぐレンズの追加による光学系構成自由度のさらなる増加が利用できる。すなわち、電子線バイプリズムのフィラメント電極、もしくは制限視野絞り孔との相対倍率を任意の状態に保ったまま、フィラメント電極と試料との相対角度をも、自由に扱えるようになる。試料、もしくはフィラメント電極、或いは制限視野絞りに回転機構が備わっていない場合でも、必要を十分に満たした実験が可能となる。

[0050] (6) 3段および 4段のバイプリズムを用レ、る応用形態の例

図 9は、上段のバイプリズム、第 3の中間バイプリズムおよび下段のバイプリズムを備えたホログラフィー顕微鏡の光学系の例について示す図である。図において図 6と同じもの、または、同等の働きをするものには同じ参照符号を付した。上段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9は第 2対物レンズ 52による試料の像面 64上に設け、中間電子線バイプリズムのフィラメント電極 9を第 1拡大レンズ 33の上部に設ける例である。下段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9は第 1拡大レンズ 33の作る光源 b 1

の像面 41上に設ける。試料像 32は第 1拡大レンズ 33、さらに第 2拡大レンズ 33と

1 2 順に拡大投影され、第 3拡大レンズ 33および投射レンズ 34でさらに拡大されて、観

3

察面 11に最終拡大像を得る。

[0051] 図 9の例では、干渉縞間隔 sを変化させるのは、上段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9および中間電子線バイプリズムのフィラメント電極 9のいずれの電圧を変化させても良いから、上段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9および中間電子線ノィプリズムのフィラメント電極 9の電圧を小さくすることが出来、耐圧上有利となる。中間電子線バイプリズムのフィラメント電極 9の配置の位置はこの他にも、 PCT/JP 2005Z000111で述べたように、色々ありうる。

[0052] 図 10は、図 9と同様に第 3の中間バイプリズムを用いる他に、第 4のバイプリズムをさらに用いるホログラフィー顕微鏡の光学系の例を示す図である。上段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9 は第 2対物レンズ 52の像面 64上に設け、中間バイプリズムのフィラメント電極 9は、第 1拡大レンズ 33の下部の光源の像面 41上に設ける。下

i 1

段バイプリズムのフィラメント電極 9は第 2拡大レンズ 33の下部の光源の像面 42上

b 2

に設け、第 4のバイプリズムのフィラメント電極 9を、第 1拡大レンズ 33の試料の像面

4 1

43上に設ける。干渉縞間隔 sを変化させるための電圧制御を、上段バイプリズムのフイラメント電極 9および第 4のバイプリズムのフィラメント電極 9とに分けることが出来る

4

とともに、干渉領域幅 Wを変化させるための電圧制御も下段バイプリズムのフィラメント電極 9と中間バイプリズムのフィラメント電極 9とに分けることが出来るから、それぞ b i

れのバイプリズムのフィラメント電極の電圧を小さくすることが出来、耐圧上有利となる

[0053] 本発明では、 PCT/JP2005/000111の発明にカロえて、電子線の 2段対物レンズの倍率制御干渉領域幅と干渉縞間隔を任意にコントロールできるものである。したがって、 PCT/JP2005/000111の発明と同様、以下の応用が可能である。

[0054] (7)電子線の空間的可干渉性 (コヒーレンス度）の計測と輝度の算出

(8)時間コヒーレンスの観測

(9)高搬送空間周波数ホログラムの作成

(10)量子細線、量子ドットの作成

産業上の利用可能性

[0055] 本発明によれば、電子線干渉装置の対物レンズのみの調整で、観察不可領域の幅を任意にコントロールできる干渉装置、さらには、制限視野絞りの孔径を自由に設定できる電子顕微鏡を実現できる。

図面の簡単な説明 [図 1]PCTZJP2005Z000111の図 3で説明された 2段の電子線バイプリズムを用レ、た干渉光学系を示す図である。

[図 2]対物レンズを 2段のレンズ系で構成した本発明の実施例を示す電子線干渉装置の干渉光学系を示す図である。

[図 3]図 2に示す本発明の実施例の構成で、 D =Lとなる位置に下段電子線パイプ

b b

リズムのフィラメント電極 9を置いた場合の干渉光学系を示す図である。

b

[図 4A]上段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9の位置、すなわち、第 2対物レンズ 52の像面 31に試料 (金微粒子）を 286倍に拡大結像した図である。

[図 4B]上段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9の位置、すなわち、第 2対物レンズ 52の像面 31に試料 (金微粒子）を 39倍に拡大結像した図である。

[図 4C]上段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9の位置、すなわち、第 2対物レンズ 52の像面 31に試料 (金微粒子）を 2. 7倍に拡大結像した図である。

[図 5A]図 4Aの実験結果を利用して作図した制限視野絞りへの本発明の適用の効果を説明する図である。

[図 5B]図 4Bの実験結果を利用して作図した制限視野絞りへの本発明の適用の効果を説明する図である。

[図 5C]図 4Cの実験結果を利用して作図した制限視野絞りへの本発明の適用の効果を説明する図である。

[図 6]2段対物レンズ 51， 52の下流に、 3段の拡大光学系 33— 33と 1段の投射レン

1 3

ズ 34を配置し、都合 4段の拡大系を備えた構成による電子顕微鏡の光学系を示す図である。

[図 7A]高分解能電子線ホログラフィーによるカーボン薄膜上の金微粒子像を示す図である。

[図 7B]図 7Aの枠で囲った部分の拡大像を示す図である。

[図 8]対物レンズを 3段のレンズ系とした本発明の応用形態の光学系を示す図である

[図 9]上段のバイプリズム、第 3の中間バイプリズムおよび下段のバイプリズムを備えたホログラフィー顕微鏡の光学系の例について示す図である。 [図 10]図 9と同様に第 3の中間バイプリズム、さらに第 4のバイプリズムを用いるホログラフィー顕微鏡の光学系の例を示す図である。

符号の説明

1…電子源、 2…光軸、 3…試料、 5…対物レンズ、 7…上段電子線バイプリズムのフイラメント電極直上の電子源像面、 9…上段電子線バイプリズムのフィラメント電極、 9 …下段電子線バイプリズムのフィラメント電極、 9…第 3の電子線バイプリズムのフィ b i

ラメント電極、 9…第 4の電子線バイプリズムのフィラメント電極、 11…観察面、 12· · ·

4

観察面 11上の試料の像、 13…フィルムあるいはカメラ等の撮像手段、 21…物体波、 23…参照波、 25, 27…拡大レンズ 33による電子源の像面 35上の仮想的な電子源位置（電子源の虚像）、 26, 28…拡大レンズ 33による電子源の像面 35上の電子源の実像、 31…対物レンズまたは対物レンズ系による試料の像面、 32…対物レンズまたは対物レンズ系による試料像、 33…拡大レンズ、 33…第 1拡大レンズ、 33…第 2

1 2 拡大レンズ、 33…第 3拡大レンズ、 34…投射レンズ、 35…拡大レンズ 33による電子

3

源の像面、 41…第 1拡大レンズ 33による電子源の像面、 42…第 2拡大レンズ 33に

1 2 よる電子源の像面、 43…第 1拡大レンズ 33による試料の像面、 51…第 1対物レンズ、 52…第 2対物レンズ、 53…第 3対物レンズ、 61…第 1対物レンズによる電子源の像面、 62…第 2対物レンズによる電子源の像面、 63…第 1対物レンズによる試料の像面、 64…第 2対物レンズによる試料の像面、 a…対物レンズ 5または第 1対物レンズ 5 1と電子源 1との距離、 a…第 2対物レンズ 52と電子源の像面 61との距離、 a…拡大

2 3 レンズ 33と電子源像面 7との距離、 a …対物レンズ 5と試料 3との距離、 a …第 1

Obj Objl 対物レンズ 51と試料 3との距離、 a …第 2対物レンズ 52と試料の像面 63との距離

Obj 2

、 a …拡大レンズ 33と試料の像面 31との距離、 b…対物レンズ 5または第 1対物レ

M 1

ンズ 51と当該レンズによる電子源の像面 7または 61との距離、 b…第 2対物レンズ 5

2

2と電子源像面 7との距離、 b…拡大レンズ 33と拡大レンズ 33による電子源の像面 3

3

5との距離、 b …対物レンズ 5と試料の像面 31との距離、 b …第 1対物レンズ 51

Obj Objl

と当該レンズによる試料の像面 63との距離、 b …第 2対物レンズ 52と試料の像面

Obj 2

31との距離、 b …拡大レンズ 33と観察面 1 1との距離、 λ…電子源 1から放出される

Μ

電子線の波長、 α …上段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9による電子線の偏向角度、ひ …下段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9による電子線の偏向角度 b b

、 L…下段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9と観察面 11との距離、 D…上段 b b u 電子線バイプリズムのフィラメント電極 9直上の電子源像面 7と対物レンズによる試料の像面 31との距離、 D…拡大レンズ 33による電子源の像面 35と観察面 11との距離

b

、 d…上段電子線バイプリズムのフィラメント電極 9の直径、 d…下段電子線バイプリ u u b

ズムのフィラメント電極 9の直径、 M …対物レンズ 5または対物レンズ系（第 1対物

b Obj

レンズ 51および第 2対物レンズ 52)による試料に対する倍率、 M …第 1対物レン

Objl

ズ 51による試料に対する倍率、 M …第 2対物レンズ 52による第 1対物レンズ 51が

Obj 2

像面 63に作る像に対する倍率、 M …拡大レンズ 33による試料像 32に対する倍率

Claims

請求の範囲

[1] 電子線の光源と、前記光源力放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持装置と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と前記試料像を観察あるいは記録するための装置を有するとともに、電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より電子線の進行方向下流側に位置する前記レンズ系の対物レンズが各々独立して焦点距離が制御できる 2段のレンズ系により構成されるレンズで、該 2段レンズ系よりなる対物レンズの下流側に形成される前記試料の像面位置で光軸と直交する平面内に配置された上段バイプリズムと、前記結像レンズ系の 1つもしくは複数のレンズを介して前記上段バィプリズムの前記光軸上の位置より電子線の進行方向下流側で前記上段パイプリズムの位置する平面と互いに平行な平面内に配置される下段バイプリズムとを備えるとともに、前記上段バイプリズムと前記下段バイプリズムにそれぞれ独立に電圧を印加することにより、光軸を含む電子光学系の同一平面内で電子線を偏向させることを特徴とする電子線干渉装置。

[2] 前記光軸に直交し、前記上段バイプリズムが位置する平面に、前記 2段レンズ系により構成される対物レンズの各々のレンズを調整することによって、任意の倍率で前記試料の像を結像することを特徴とする請求項 1に記載の電子線干渉装置。

[3] 前記下段バイプリズムが、前記上段バイプリズムよりも電子線の進行方向下流側に位置する 1つあるいは複数の結像レンズの下流側で、該結像レンズの形成する光源の像の下流側に位置する請求項 1または請求項 2に記載の電子線干渉装置。

[4] 前記下段バイプリズムが、前記上段バイプリズムよりも電子線の進行方向下流側に位置する 1つあるいは複数の結像レンズの下流側で、該結像レンズの形成する光源の像面に位置する請求項 1または請求項 2に記載の電子線干渉装置。

[5] 前記下段バイプリズムが、前記上段バイプリズムよりも電子線の進行方向下流側に位置する 1つあるいは複数の結像レンズの下流側で、該結像レンズと該結像レンズの形成する光源の像の間に位置する請求項 1または請求項 2に記載の電子線干渉装置。

[6] 前記上段バイプリズムよりも電子線の進行方向下流側に位置し、前記上段バイプリズムと前記下段バイプリズムにそれぞれ独立に電圧を印加することにより、作り出される電子線の電子光学系の光軸を含む同一平面内での偏向作用と同じ平面内で電子線に対する偏向作用を生じるように前記光軸に直交する平面内に配置され、前記両ノィプリズムとは独立に電圧が印加されて、前記両バイプリズムとは独立に電子線に偏向作用を生じさせる第 3のバイプリズムを備えることを特徴とする請求項 1から請求項 5のいずれかに記載の電子線干渉装置。

[7] 前記上段のバイプリズムよりも電子線の進行方向下流側に位置し、前記上段パイプリズムと前記下段バイプリズムにそれぞれ独立に電圧を印加することにより、作り出される電子線の電子光学上の光軸を含む同一平面内での偏向作用と同じ平面内で電子線に対する偏向作用を生じるように前記光軸に直交する平面内に配置され、前記両バイプリズムとは独立に電圧の印加が行なえることによって、独立に電子線に偏向作用を生じさせることが可能な第 3のバイプリズムを備えるとともに、前記電子線の偏向面と同じ平面内で電子線を偏向させるように前記光軸に直交する平面内に配置され、前記 3個のバイプリズムとは独立に電圧を印加することによって、独立に電子線に偏向作用を生じさせることが可能な第 4のノくィプリズムを備えることを特徴とする請求項 1から請求項 5のいずれかに記載の電子線干渉装置。

[8] 電子線の光源と、前記光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持装置と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と前記試料像を観察あるいは記録するための装置を有するとともに、電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より電子線の進行方向下流側に位置する前記レンズ系の対物レンズが各々独立して焦点距離が制御できる 3段もしくは 3段以上の複数段のレンズにより構成されるレンズ系で、該複数段のレンズ系よりなる対物レンズの下流側に形成される前記試料の像面位置で光軸と直交する平面内に配置された上段のバイプリズムと、前記結像レンズ系の 1つもしくは複数のレンズを介して前記上段バイプリズムの前記光軸上の位置より電子線の進行方向下流側で前記上段バイプリズムの位置する平面と互いに平行な平面内に配置される下段のノィプリズムとを備えるとともに、それら前記上段バイプリズムと前記下段バイプリズムにそれぞれ独立に電圧を印加することにより、光軸を含む電子光学上の同一平面内で電子線を偏向させることを特徴とする電子線干渉装置。

[9] 前記上段のバイプリズムが位置する光軸に直交する平面に、前記複数段のレンズ系により構成される対物レンズの各々のレンズを調整することによって、任意の倍率で前記試料の像を結像することを特徴とする請求項 8に記載の電子線干渉装置。

[10] 前記上段のバイプリズムよりも電子線の進行方向下流側に位置し、前記上段パイプリズムと前記下段バイプリズムにそれぞれ独立に電圧を印加することにより、作り出される電子線の電子光学上の光軸を含む同一平面内での偏向作用と同じ平面内で電子線に対する偏向作用を生じるように前記光軸に直交する平面内に配置され、前記両バイプリズムとは独立に電圧の印加が行なえることによって、独立に電子線に偏向作用を生じさせることが可能な第 3のバイプリズムを備えることを特徴とする請求項 8または請求項 9に記載の電子線干渉装置。

[11] 前記上段のバイプリズムよりも電子線の進行方向下流側に位置し、前記上段パイプリズムと前記下段バイプリズムにそれぞれ独立に電圧を印加することにより、作り出される電子線の電子光学上の光軸を含む同一平面内での偏向作用と同じ平面内で電子線に対する偏向作用を生じるように前記光軸に直交する平面内に配置され、前記両バイプリズムとは独立に電圧を印加することによって、独立に電子線に偏向作用を生じさせることが可能な第 3のバイプリズムを備えるとともに、前記電子線の偏向面と同じ平面内で電子線を偏向させ得るように前記光軸に直交する平面内に配置され、前記 3個のバイプリズムとは独立に電圧の印加を行うことによって、独立に電子線に偏向作用を生じさせることが可能な第 4のバイプリズムを備えることを特徴とする請求項 8または請求項 9に記載の電子線干渉装置。

[12] 電子線の光源と、該光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持装置と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と前記試料像を観察あるいは記録するための装置を有するとともに、電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より電子線の進行方向下流側に位置する前記レンズ系の対物レンズが各々独立して焦点距離が制御できる 2段のレンズ系により形成され、光軸上前記 2段のレンズ系の電子線の進行方向下流側に電子線の通過領域を制限できる孔を保持するとともに、その孔が前記光軸と直交する平面内で移動することが可能な装置を備えることを特徴とする電子顕微鏡

[13] 前記電子線の通過領域を制限できる孔を保持するとともに、その孔が前記光軸と直交する平面内、あるいは、前記光軸方向に移動することが可能な装置が、前記 2段のレンズ系により構成される対物レンズ系による前記試料の像面に位置する請求項 12 に記載の電子顕微鏡。

[14] 前記電子線の通過領域を制限できる孔、あるいは該孔が位置する光軸に直交する平面に、 2段のレンズ系により構成される対物レンズの各々のレンズを調整することによって、任意の倍率で前記試料の像を結像することを特徴とする請求項 12または請求項 13に記載の電子顕微鏡。

[15] 電子線の光源と、該光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持装置と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と前記試料像を観察あるいは記録するための装置を有するとともに、電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より電子線の進行方向下流側に位置する前記レンズ系の対物レンズが各々独立して焦点距離が制御できる 2段のレンズ系により構成され、電子線の進行方向に対して、光軸上前記 2段のレンズの間に電子線の通過領域を制限できる孔を保持するとともに、その孔が前記光軸と直交する平面内で移動することが可能な装置を備えることを特徴とする請求項 1から請求項 11のレ、ずれかに記載の電子線干渉装置。

[16] 前記電子線の通過領域を制限できる孔、あるいは該孔が位置する光軸に直交する平面に、 2段のレンズ系により構成される対物レンズの電子線の進行方向上流側のレンズが、前記試料の像を結像することを特徴とする請求項 1から請求項 11および請求項 15のいずれかに記載の電子線干渉装置。

[17] 電子線の光源と、前記光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持装置と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と前記試料像を観察あるいは記録するための装置を有するとともに、電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より電子線の進行方向下流側に位置する前記レンズ系の対物レンズが各々独立して焦点距離が制御できる 3段もしくは 3段以上の複数段のレンズ系により形成され、光軸上該複数段のレンズ系の電子線の進行方向下流側に電子線の通過領域を制限できる孔を保持するとともに、前記孔が前記光軸と直交する平面内で移動することが可能な装置を備えることを特徴とする請求項 1から請求項 11のいずれかに記載の電子線干渉装置。

[18] 前記電子線の通過領域を制限できる孔、あるいは該孔が位置する光軸に直交する平面に、前記複数段のレンズ系により構成される対物レンズによる前記試料の像を結像することを特徴とする請求項 1から請求項 11および請求項 17のいずれかに記載の電子線干渉装置。

[19] 前記電子線の通過領域を制限できる孔、あるいは該孔が位置する光軸に直交する平面に、前記複数段のレンズ系により構成される対物レンズの各々のレンズを調整することによって、任意の倍率で前記試料の像を投影することを特徴とする請求項 1 から請求項 11および請求項 17および請求項 18のいずれかに記載の電子線干渉装置。

[20] 電子線の光源と、該光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持装置と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と前記試料像を観察あるいは記録するための装置を有するとともに、電子線の光軸上で前記試料の配置される位置より電子線の進行方向下流側に位置する前記レンズ系の対物レンズが各々独立して焦点距離が制御できる 3段もしくは 3段以上の複数段のレンズ系により構成され、電子線の進行方向に対して、光軸上前記複数段のレンズのレ、ずれかの間に電子線の透過領域を制限できる孔を保持するとともに、前記孔が前記光軸と直交する平面内で移動することが可能な装置を備えることを特徴とする請求項 1から請求項 11のいずれかに記載の電子線干渉装置。

[21] 前記複数段のレンズ系により構成される対物レンズの内、前記電子線の通過領域を制限できる孔が位置する光軸に直交する平面より電子線の進行方向上流側に位置する 1段あるいは複数段の対物レンズによって前記試料の像を前記孔、あるいは前記孔が位置する光軸に直交する平面に結像することを特徴とする請求項 1から請求項 11および請求項 20のレ、ずれかに記載の電子線干渉装置。前記複数段のレンズ系により構成される対物レンズの内、前記電子線の通過領域を制限できる孔が位置する光軸に直交する平面より電子線の進行方向上流側に位置する 1段あるいは複数段の対物レンズの各々のレンズを調整することによって、任意の倍率で前記試料の像を前記孔、あるいは前記孔が位置する光軸に直交する平面に結像することを特徴とする請求項 1から請求項 11および請求項 20および請求項 21のいずれかに記載の電子線干渉装置。