WO2015118624A1 - 荷電粒子線装置、光学装置、照射方法、回折格子システム、及び回折格子 - Google Patents

荷電粒子線装置、光学装置、照射方法、回折格子システム、及び回折格子 Download PDF

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charged particle
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diffraction
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研 原田
照生 孝橋
智広 岩根
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株式会社日立製作所
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Definitions

  • the present invention relates to a light beam including X-rays, and a charged particle beam or an uncharged particle beam such as an electron beam, a neutron beam, or an ion beam.
  • a fork-type diffraction grating that generates a helical wave having an equiphase surface in a spiral shape, a diffraction grating including an aperture that defines the outer shape of the grating, a diffraction grating system, and an optical apparatus or particle beam including the diffraction grating system
  • the present invention relates to an apparatus and a diffraction method using them.
  • Spiral wave> The helical wave that is the premise of the present application will be described by taking an optical wave as an example.
  • the phase of a propagating light wave is uniquely determined.
  • Surfaces having the same phase are called wavefronts, and wave types such as plane waves (see FIG. 1A) and spherical waves are classified based on the shape of the wavefront.
  • phase there is a case where there is a singular point where the phase is not uniquely determined.
  • a spiral wave having a helical shape centered on an axis having an equiphase surface (generally parallel to the optical axis).
  • This is a phase state where the phase changes by an integral multiple of 2 ⁇ when the azimuth is rotated once around the singular point (helical axis) when viewed along a plane perpendicular to the wave propagation direction.
  • It is a wave with The amount of change in phase that is an integral multiple of 2 ⁇ corresponds to a change in integral multiple of the wavelength in a propagating light wave.
  • FIG. 1 shows a spiral wave 21 whose phase changes by 2 ⁇ when the azimuth is rotated one revolution.
  • this 2 ⁇ -changing wave is referred to as a “helical wave of 1”.
  • the axis of the helical axis 22 is a singular point of the phase, and the phase cannot be determined.
  • FIG. 1 is a spiral wave 24 with a “helicalness of 2” whose phase changes by 4 ⁇ when the azimuth is rotated once.
  • the wavefront changes by two wavelengths when the azimuth is rotated once. Since the wavelength does not extend, as shown in Fig. 1 (d), consider a wavefront that is shifted by a half rotation, and the phase distribution shown in Fig. It is considered a model of a spiral wave. Having a singular point (helix axis 22) whose phase is not uniquely determined is the same as when the degree of helix is 1.
  • Other spirals can be considered by combining a plurality of wave fronts in accordance with the spiral degree as in FIG.
  • FIG. 2A is a diagram of a particle model in which a converging spiral wave is drawn with streamlines 27.
  • a streamline is drawn as a particle trajectory and a trajectory (streamline) is drawn in a direction perpendicular to the wavefront.
  • FIG. 2B depicts the intensity distribution of the wave on the convergence surface (diffractive surface 94), and the spiral wave is characterized by being a ring-shaped spot 97 at the convergence point. This ring shape is expressed by a Bessel function (cylindrical function). As shown in FIG. 2A, since the converging spiral wave (particle) propagates while twisting, the momentum can be transmitted in the direction perpendicular to the propagation direction.
  • the momentum can be transmitted to the sample in the direction in the plane.
  • it is a feature of the spiral wave that it is a wave capable of transmitting momentum.
  • a momentum that rotates counterclockwise is transmitted.
  • the total sum of momentum in all directions is zero.
  • This spiral wave is called a Laguerre-Gaussian beam or optical vortex (Hikari Uzu) in optics, and is a light wave that propagates while maintaining its orbital angular momentum, and can exert a force in an equiphase surface (wavefront). . Therefore, it becomes possible to give momentum to the irradiation target, and it has been put to practical use as a manipulation technique such as optical tweezers for manipulating particles about the size of a cell, laser processing or super-resolution microspectroscopy. Furthermore, since a plurality of orbital angular momentums can be inherent in the portion of the helical axis that is a phase singular point, it is attracting attention in the field of quantum information communication. In addition, X-rays are expected to develop new technical developments in physical properties analysis and structural analysis, such as analysis of magnetization state and 3D image of atomic arrangement.
  • topological charge inherent orbital angular momentum
  • helicalness including the meaning of topological charge
  • the spiral wave (electron spiral wave) in the electron beam propagates while maintaining the orbital angular momentum, so that it can create an application field as an unprecedented electron beam probe (incident beam).
  • an unprecedented electron beam probe incident beam.
  • the electron beam has the fundamental drawback that it is not sensitive to the magnetization parallel to the propagation direction, but the possibility of observing the magnetization in the electron beam propagation direction is possible with the electron spiral wave. There is.
  • Spiral wave generation> There are two ways to create a spiral wave. One is a method utilizing a fact that a thin film having a spiral shape (thickness distribution) is irradiated with a plane wave and the phase distribution of the transmitted wave becomes a spiral shape reflecting the thickness of the film. The other is a method using a diffracted wave by a diffraction grating (edge dislocation diffraction grating) including edge dislocations called a fork-type grating (FIG. 3 and Non-Patent Document 1).
  • the first method of irradiating a thin film with a plane wave is difficult to produce a spiral-shaped thin film when the wavelength is extremely short like an electron wave, and the second method using an edge dislocation diffraction grating is currently the mainstream. It has become.
  • a spiral wave 21 (a wave having an equiphase surface having a spiral shape) generated as a diffracted wave from the edge-shaped dislocation diffraction grating 91 is replaced by a ring-like diffraction spot 99 in the diffraction image 9.
  • a diffraction spot 97 is formed. If one of the ring-shaped diffraction spots can be spatially separated by the diffraction surface 94, the desired spiral wave 21 can be extracted.
  • the generation of the helical wave can control the degree of helical degree by the order of the edge dislocation. Further, the positive / negative of the degree of helix (helix right-handed or left-handed) can be controlled by positive / negative of Burgers vector of edge dislocation.
  • FIG. 4A is an electron microscope image of a third-order edge dislocation lattice 91 actually produced. Fabricated by processing into a silicon nitride membrane (thickness 200 nm) with a focused ion beam device. Three lattices are inserted from the upper side of FIG. 4A and concentrated in the center. That is, this concentrated portion is the position of the core of the edge dislocation, and the order in FIG. 4A is the third order. The order of the edge dislocations and the frequency of the generated spiral wave are basically the same.
  • FIG. 4B is a small-angle electron diffraction image 9 (recorded with a camera length of 150 m) obtained when the diffraction grating of FIG. 4A is irradiated with an electron beam with an acceleration voltage of 300 kV.
  • the first, second, and third order ring-shaped diffraction spots 97 are observed on the left and right of the 0th order spot 99 in the center, and the ring diameter increases as the diffraction order increases. From this, it can be seen that spiral waves having a spiral degree of ⁇ 3rd order, ⁇ 6th order, and ⁇ 9th order are generated. That is, the ring diameter of the diffraction spot directly represents the helical degree of the helical wave. As described above, it is possible to generate a plurality of types of helical waves 21 from the diffraction grating 91 including one edge dislocation.
  • the spiral wave can transmit the momentum in the rotational direction to a probe effective for high-contrast observation of an annular polymer material or magnetic material, or to the ring-shaped irradiation region of the spiral wave. Utilizing this, it has been considered as a probe for powering the gear of an object to be irradiated, such as a micromachine (MEMS), but only a circular irradiation probe has been generated. Therefore, the inventor of the present application has found a problem that transmission efficiency is low for general materials and irradiated samples.
  • MEMS micromachine
  • a charged particle beam device including a diffraction grating having edge dislocations on a grating surface and a control unit that irradiates the diffraction grating with a charged particle beam.
  • the control unit irradiates only a part of an irradiation region in the charged particle beam to the grating surface, and a part of the irradiation region in the charged particle beam includes an edge dislocation of the diffraction grating, It is characterized by that.
  • the irradiation method includes an irradiation step of irradiating a diffraction grating having edge dislocations on a grating surface with a charged particle beam, and a detection step of detecting the charged particle beam that has passed through the diffraction grating.
  • the irradiation step is a step of irradiating only a part of the irradiation region of the charged particle beam to the grating surface, and a part of the irradiation region of the charged particle beam is a blade shape of the diffraction grating. It includes dislocations.
  • the diffraction grating system includes a diffraction grating having edge dislocations on a grating surface, an outer shape of an opening surrounded by a closed curve, and an arbitrary position of the closed curve from a centroid point in the shape of the closed curve. And an aperture having a plurality of distances.
  • the irradiation method includes an irradiation step of irradiating a diffraction grating having edge dislocations on a lattice plane with a charged particle beam, an outer shape of the opening surrounded by a closed curve, and the shape of the closed curve
  • the diffraction grating according to the present application is a diffraction grating having edge dislocations on a grating surface, and the diffraction grating is surrounded by a closed curve on the outer surface of the grating surface, and a barycentric point in the shape of the closed curve There are a plurality of distances from a point to an arbitrary point of the closed curve, and the outer shape of the lattice plane is a triangle or N-gon (N is 5 or more).
  • the diffraction grating according to the present application is a diffraction grating having edge dislocations on a grating surface, and the diffraction grating is surrounded by a closed curve on the outer surface of the grating surface, and a barycentric point in the shape of the closed curve There are a plurality of distances from a point to an arbitrary point of the closed curve, and the outer shape of the lattice plane is a shape having a curve.
  • (a) It is a schematic diagram explaining how an opening device is comprised from two structures and an opening shape and a magnitude
  • (b) It is the schematic diagram which showed a mode that the opening device which consists of two structures, and an edge dislocation grating were installed adjacently. It is a schematic diagram which shows that an opening device with a plurality of openings is adjacent to the edge-shaped dislocation lattice and its position moves. It is a schematic diagram which shows an example in case an opening device and a blade-shaped dislocation lattice comprise an integral structure. It is a schematic diagram which shows the 1st example of the transmission electron microscope provided with the diffraction grating system.
  • the present invention controls an irradiation region such as a light wave or an electron wave by changing the outer shape (opening) of the diffraction grating including the edge dislocation to an arbitrary shape. Further, the outer shape and size of the diffraction grating including the edge dislocation is made smaller than the irradiation region of the light wave or the electron wave by using an aperture different from the diffraction grating. Can be realized by superimposing the shape and size of the opening on the shape of the spiral wave generated by reflecting the shape and size of the spiral wave on the diffraction surface. Specifically, the aperture device is realized by an optical system such as an aperture or an aperture.
  • the above-described aperture device is not limited to a single one, but can be a diffraction grating system in which a plurality of the aperture devices and a plurality of the edge dislocation diffraction gratings are combined.
  • a plurality of spiral waves can be generated on the diffraction surface with a higher degree of freedom.
  • an optical element such as a diaphragm hole
  • a spiral wave having a momentum of a predetermined direction, direction, and intensity is applied to the irradiated sample. Irradiate a predetermined part.
  • the diffraction grating system described above can control the diffraction spot of the spiral wave generated on the diffraction surface to an arbitrary shape and size. Furthermore, by using a diffraction grating system in which a plurality of the above-mentioned edge dislocation diffraction gratings are combined, various patterns can be drawn using a spiral wave on the diffraction surface. Then, by selecting a predetermined portion of the spiral wave constituting the pattern and irradiating the sample, a momentum of an arbitrary direction or an arbitrary intensity can be transmitted to the irradiated sample.
  • FIG. 5 shows variously shaped apertures 81 (left diagram) and the calculation results (right diagram) of their Fraunhofer diffraction images. From above, (a) a circular opening, (b) a triangular (regular triangle) opening, (c) a square (square) opening, and (d) a pentagonal (regular pentagon) opening.
  • the Fraunhofer diffraction image is obtained as a Fourier transform of the aperture shape as in the case of the diffraction grating.
  • the opening shape is reflected in the shape of the Fraunhofer diffraction image on the right side, but the diffraction image center 99 (referred to as the main maximum) is converged, and the opening shape is changed to the shape of the main maximum. It is difficult to find directly.
  • the opening shape can be known from the sub-maximum around the main maximum and the streak direction created by the sub-maximum.
  • the shape of the aperture converges to the central portion 99 of the Fraunhofer diffraction image, and in order to directly observe the shape, a small-angle diffractive optical system with a large observation magnification of the diffraction image, that is, a large camera length is used.
  • a corresponding optical system must be realized.
  • particle instruments such as optical instruments and electron microscopes, it is necessary to construct an optical system specially for this purpose.
  • FIG. 6 is shown.
  • the left figure of FIG. 6 is a simple grating (a set of the opening part 81 and the grating part 91) having the same shape as that of FIG. 5, and the right figure of FIG. 6 is a calculation of its Fraunhofer diffraction image (Fourier transform image). It is a result. They are (a) a circular opening, (b) a triangular (regular triangle) opening, (c) a square (square) opening, (d) a pentagon (regular pentagon) opening, and (e) a star opening.
  • Each diffraction pattern on the right side shows a diffraction spot (a zero-order diffraction spot 99 corresponding to the transmitted wave in the center, ⁇ 1st-order and ⁇ 2nd-order diffraction spots 97 on the left and right sides) corresponding to the grating interval.
  • a diffraction spot (a zero-order diffraction spot 99 corresponding to the transmitted wave in the center, ⁇ 1st-order and ⁇ 2nd-order diffraction spots 97 on the left and right sides) corresponding to the grating interval.
  • the above result can be considered as a result of convolution in the Fourier space between the diffraction grating and the aperture shape. That is, since convolution in the real space is a product in the inverse space, the diffracted wave from the diffraction grating is localized in a spatial frequency portion (diffraction point) corresponding to the grating interval of the diffraction grating. Further, since the product of the delta function localization and the Fraunhofer diffraction pattern reflecting the aperture shape is a delta function localization, a distribution as shown on the right side of FIG. 6 is obtained.
  • FIG. 7 is shown.
  • the Fraunhofer diffraction pattern of the opening shape (81) and the diffraction grating (91) is completely changed when edge dislocations are included in the diffraction grating.
  • the left diagram of FIG. 7 shows each lattice image in the case of a dislocation lattice including a third-order edge dislocation.
  • the right diagram of FIG. 7 shows the calculation result (right diagram) of the Fraunhofer diffraction image (Fourier transform image).
  • the lattice spacing of the basic lattice in the left diagram of FIG. 7 is the same as the lattice spacing of the simple lattice of FIG. 6, and the aperture shape and size are the same as in FIG.
  • (a) circular opening, (b) triangle (regular triangle) opening, (c) quadrangle (square) opening, (d) pentagon (regular pentagon) opening, and (e) star opening. is there.
  • the edge dislocation contained in the diffraction grating is the third order, the ⁇ 1st order diffraction spot of the diffraction image becomes a ring shape corresponding to the spiral wave of ⁇ 3 degrees. That is, as shown in FIG. 7A, it is understood that a ring-shaped diffraction spot is obtained when the grating outer shape is circular. This is as shown in FIG.
  • the outer shape of the diffraction grating is shown by (b) triangle (regular triangle) opening, (c) square (square) opening, (d) pentagon (regular pentagon) opening, and (e) star opening in FIG.
  • the diffraction pattern has a diffraction spot shape (99, 97) as shown on the right side of FIG. That is, as can be seen from this figure, the annular diffraction spot 97 has a shape reflecting the aperture shape. Also, the size of each annular diffraction spot increases as the diffraction order increases, reflecting the degree of spiral.
  • Each annular diffraction spot is rotated 90 degrees clockwise on the right side (plus side) of the diffraction image and 90 degrees counterclockwise on the left side (minus side) of the diffraction image.
  • This 90-degree rotation is an effect of Fourier transform, and the focus of the diffraction image can be measured from a characteristic shape using the degree of deviation of the rotation angle. This will be described later in Example 9.
  • the unique result when the diffraction grating is an edge dislocation grating as shown in FIG. 7 can also be considered as a result of convolution of the diffraction grating and the aperture shape. That is, when edge dislocations are included in the lattice plane, the diffracted wave from the diffraction grating is not localized in a delta function, but is a Bessel function (cylindrical function) in the spatial frequency portion corresponding to the lattice spacing of the diffraction grating. It is distributed in a ring shape depending on.
  • an annular diffraction spot having a distribution reflecting the aperture shape is obtained as a result of the product of the distribution having the Bessel function spread and the Fraunhofer diffraction pattern reflecting the aperture shape. That is, by using an edge dislocation diffraction grating, a diffraction spot having an aperture shape that could not be obtained unless an optical system was specially configured can be easily obtained even with conventional optical equipment or particle beam equipment. become.
  • the present application uses an edge-shaped dislocation diffraction grating, and the outer shape of the diffraction grating, that is, the opening shape of the diffraction grating is set to an arbitrary shape, and a new shape diffraction pattern can be observed and processed by a light beam or particle beam using the shape.
  • the present invention proposes a possible optical instrument or particle beam apparatus and a new diffraction method thereof.
  • FIG. 8 shows a first example for carrying out the present invention.
  • the plane wave 23 irradiated with the diffraction grating 91 including edge dislocations is configured differently from the prior art shown in FIG.
  • the opening shape 81 of the diffraction grating 91 including edge dislocations has a shape like the tip of an arrow (hereinafter referred to as an arrowhead shape), and as shown in FIG. The shape is reflected. Further, this shape is a diffraction pattern that is rotated clockwise / counterclockwise (in this case, rotated 90 degrees) in the left and right directions in the direction indicating the diffraction spot 99 of the transmitted wave.
  • One of the annular (arrowhead shape) diffraction spots can be spatially separated at the diffraction surface to form a predetermined spiral wave 21.
  • the outer shape of the edge dislocation lattice can be designed in accordance with the shape of a desired helical wave.
  • the degree of helical degree can be controlled by the order of the edge dislocation, and the positive / negative of the degree of spiraling (right-handed or left-handed of the spiral) can be controlled by positive / negative of Burgers vector of the edge dislocation.
  • FIG. 9A shows a third-order edge dislocation diffraction grating having a regular pentagonal shape with different opening sizes, and each Fourier transform image is shown in the right figure.
  • 9B shows an electron microscope image of an edge dislocation diffraction grating processed into a silicon nitride membrane (for example, a thickness of 200 nm by a focused ion beam apparatus) with reference to FIG. 9A.
  • the figure on the right shows a small-angle electron diffraction image obtained by irradiating the dislocation diffraction grating with an electron beam with an acceleration voltage of 300 kV.
  • the camera length in the right figure was recorded at 300m.
  • FIG. 10 shows an edge dislocation diffraction grating manufactured by rotating the orientation of the opening shape of a third-order edge dislocation grating having a square opening shape by 22.5 degrees. Each electron diffraction image is also shown in the right figure. All experimental conditions were the same as in FIG. From this figure, it can be seen that both the left and right diffraction spots rotate in the same direction with the azimuth rotation of the aperture shape. This property can be used for a focus measurement method for a diffraction image, which will be described later in Example 9. ⁇ Example 2> A second example for carrying out the present invention will be described with reference to FIGS. 11A and 11B. FIG.
  • FIG. 11A shows an example of a diffraction grating system in which the diffraction grating 91 and the aperture 83 are formed of separate structures.
  • the opening shape 81 is a part of the opening device 83.
  • the aperture 83 is shown adjacent to the upper side of the diffraction grating 91 having a third-order edge dislocation (grating is rectangular), the upper and lower relationship between the diffraction grating and the aperture, and the mutual relationship The distance is not limited to the configuration of FIG.
  • the relative position between the diffraction grating and the aperture may be changeable in both the horizontal direction and the vertical direction. That is, the positions of the diffraction grating 91 and the aperture device 83 may be changed.
  • FIG. 11B shows a shape when there is no rotational symmetry (in other words, when there is one rotational symmetry) when the center of gravity G of the opening shape formed of a closed curve is a symmetry axis.
  • FIG. 11B depicts the case where the center of the arc where the center of gravity G and the point H and the point I on the left side of the aperture shape are coincident with each other.
  • the distance from an arbitrary point on the closed curve to the center of gravity is determined only when the closed curve is an arc centered on the center of gravity.
  • point M and point N on the closed curve are two points on the same arc, but the center point G of the center of gravity and point M and point N do not coincide with each other.
  • the length of minute NG has a relationship of MG> NG. Since the straight line is considered to be an arc with an infinite distance to the center, the relationship between point K and point L is the same as point M and point N, and the relationship between the length of line segment KG and line segment LG is clear KG ⁇ LG.
  • FIG. 7 shows a circular opening ⁇ rotation symmetry.
  • FIG. 12 shows a third example for carrying out the present invention.
  • FIG. 12 shows a case where a part of the closed curve that defines the opening shape 81 of the opening device 83 shown in FIG. 11 is irradiated with a light beam or particle beam that irradiates a circular region.
  • the opening shape 81 of the light beam or particle beam that passes through the diffraction grating system as a result is the irradiated region of the opening of the opening device 83.
  • FIG. 13 shows a fourth example for carrying out the present invention.
  • FIG. 13 shows a structure in which a diffraction grating 91 including an edge dislocation and an aperture 83 are separated from each other, and the aperture 83 is disposed on the object plane and the diffraction grating 91 is disposed on the image plane via the lens 4. This is an example of a diffraction grating system.
  • the object plane and the image plane are described separately, but are optically equivalent planes and are not limited to the arrangement in this example. That is, the arrangement of the diffraction grating 91 and the aperture device 83 may be interchanged.
  • the optical system including the lens 4 may be an imaging optical system, and the number of lenses existing between the diffraction grating 91 and the aperture 83 is not particularly limited.
  • an optical system is inserted between the diffraction grating and the aperture as shown in FIG. 13, it can be effectively adjacent even if spatially separated, and the aperture or the diffraction grating has a moving mechanism, etc.
  • This is advantageous when installing mechanical additional devices. That is, the degree of freedom in design can be improved.
  • the enlargement or reduction action of the optical system can be used.
  • it is possible to improve the mechanical accuracy by making a large diffraction grating and then performing reduction projection in the optical system.
  • the magnification can be changed relatively with the object surface and the image surface fixed, so the aperture size is adjusted at the stage of use. -It can also be changed.
  • FIG. 13 shows an example in which the irradiation optical system is adjusted so that the light beam or the particle beam irradiates the entire opening of the aperture device, unlike FIG. 12, but the fourth and third embodiments contradict each other.
  • the third embodiment can be applied to the present embodiment instead of the embodiment. Incidentally, it should be noted that other embodiments can be compatible with each other unless otherwise noted.
  • FIG. 14A shows an example of a diffraction grating system in which the diffraction grating 91, the aperture 1 (831), and the aperture 2 (832) are arranged on the object plane and the image plane via the lens 4.
  • the aperturer 1 (831) and the aperturer 2 (832) are composed of two or more structures, and at least one of the structures is a diffraction plane including an edge dislocation on the object surface of the optical system. It is arranged on the image plane of the optical system adjacent to the grating.
  • the positional relationship of the structures constituting the aperture device is determined in consideration of the inversion of the image caused by the image formation.
  • FIG. 14A a single imaging optical system with one lens is assumed (the image is inverted before and after the lens with respect to the optical axis), so the first of the aperture device placed on the object surface of the lens.
  • Both the structure 2 and the second structure placed on the image plane of the lens are located on the left side in the figure, but are not limited to this arrangement.
  • the advantage obtained by arranging the diffraction grating and the aperture device separately in space is also described in the fourth embodiment.
  • an opening device is comprised from a some structure body, not only the magnitude
  • FIG. 15 (a) and Fig. 15 (c) depict the structures constituting the aperture device in the same plane. 14 may be considered as a configuration on the image plane, or may be considered as an opening device including two adjacent structures (831) and (832) as shown in FIG. 15 (e). Good.
  • FIG. 15B and FIG. 15D illustrate how the shape changes with the size of the opening by changing the relative positions of the two structures constituting the opening device.
  • FIG. 16A shows a sixth example for carrying out the present invention.
  • the aperture 83 is provided with apertures 81 having a plurality of shapes and sizes, and the aperture 83 can move on a plane substantially perpendicular to the optical axis.
  • FIG. 16B shows a seventh example for carrying out the present invention.
  • FIG. 16B is an example of the edge dislocation diffraction gratings (81) and (91) manufactured by integrating the diffraction grating 91 including the edge dislocation and the opening 81 as an integral structure.
  • the effects of the present embodiment include that it is stable because it is an integral structure as a whole, and that it is simple in operation such as alignment on the optical system.
  • FIG. 17 shows an eighth example for carrying out the present invention.
  • an electron beam will be described as an example unless otherwise specified.
  • the present invention is not limited to the electron beam.
  • FIG. 17 shows a system configuration assuming a general-purpose electron microscope having an acceleration voltage of about 300 kV, but is not limited to an electron microscope under these conditions.
  • a diffraction grating 91 including edge dislocations is installed in an irradiation optical system below the accelerating tube 40 together with the aperture 83, and the condenser lens 41 above the edge dislocation grating is disposed on the condenser lens 41.
  • the intensity of the electron beam 27 that irradiates the edge dislocation lattice 91, the size of the irradiation region, and the like are adjusted.
  • the relationship between the diffraction grating 91 and the aperture 83 shown in FIG. 17 is similar to that described in the second embodiment (FIG. 11A, etc.), but is not limited to this. It can respond to the forms in all the embodiments described in the above.
  • the aperture 83 may be positioned directly below the diffraction grating 91 or may be positioned below the second condenser lens 42.
  • the generation of a spiral wave is confirmed by observing a ring-shaped or annular diffraction spot in a small-angle diffraction image with an electron beam transmitted through an edge dislocation lattice. Further, the helical degree of the helical wave given by the product of the order of the edge dislocation of the edge dislocation grating used and the order of the diffraction spot can be evaluated from the size of the ring-shaped or annular diffraction spot.
  • the helical wave irradiated to the sample 3 is a convergent helical wave (annular diffraction spot) or a plane wave helical wave is determined by the second condenser lens 42 positioned between the edge dislocation diffraction grating 91 and the sample 3. Selectable. Then, a predetermined electron spiral wave is selected by the aperture element 15 above the sample 3 among the electron beams transmitted through the edge dislocation lattice 91, and the sample 3 is irradiated.
  • FIG. 17 illustrates a case where the sample 3 is irradiated with a first-order diffracted wave by the edge dislocation grating 91 as a convergent spiral wave. Observation of a sample by a convergent spiral wave or processing of the sample may be performed by an apparatus having this optical system.
  • the electron beam transmitted through the sample 3 is enlarged by the objective lens 5 and the imaging lens system (61, 62, 63, 64) downstream from the sample and formed on the image detection surface 89.
  • a scanning observation method is reasonable, but not limited to this.
  • a spiral wave that can irradiate a wide area where conventional transmission observation can be performed may be created.
  • an observation method that does not require wide area irradiation, such as high-resolution observation is also possible.
  • the imaged sample image 35 is observed on, for example, an image data monitor 76 screen through a detector 79 and a controller 78 or stored as image data in a recording device 77.
  • FIG. 18 shows a ninth example for carrying out the present invention.
  • FIG. 18 illustrates an optical system when the diffraction image 9 is observed.
  • FIG. 18 is a schematic diagram of a general-purpose electron microscope basically having the same configuration as FIG. The present invention is not limited to the electron microscope having the configuration depicted in FIG.
  • a system for measuring and adjusting the focus of a diffraction image using the present invention will be described.
  • the diffraction image is directly observed behind a sufficient propagation distance so as to satisfy the Fraunhofer diffraction condition shown in Expression (1) from an electron beam transmitted or reflected from the sample.
  • an electron microscope or the like is observed by forming an image of the focal position of the objective lens on the rear side of the sample on the observation surface with a lens system at a later stage.
  • the sample 3 is placed outside the electron beam path 27, and instead the edge dislocation lattice 91 is arranged in the path.
  • the outer shape of the edge dislocation grid 91 is adjusted to have a predetermined shape by the opening device 83, or as shown in FIG. 16B, the edge dislocation grid (81 and 91) having a predetermined opening shape is used. .
  • a diffraction image 9 reflecting the outer shape of the edge dislocation grating is formed on the image detection surface 89 adjusted to the diffraction image observation state.
  • the diffraction spot is not only the shape 97 of the annular diffraction spot reflecting the outer shape of the edge dislocation grating, but also depending on the focus position as the diffraction image 9,
  • the shape rotates azimuthally around the propagation direction of each diffracted wave in the diffraction plane. This rotation depends on the amount of defocus, and the rotation direction is reversed depending on whether the diffracted wave is positive or negative. Further, the higher the spiral wave, the smaller the rotation angle.
  • Fig. 19 shows the experimental results.
  • This figure is a diffraction image observed by changing the focus using the edge-shaped dislocation grating having the outermost diamond shape in FIG.
  • the annular diffraction spot showing a rhombic helical wave depending on the focus rotates in the diffraction plane.
  • the diffraction spot of the transmitted wave in the center changes in size in accordance with the amount of defocusing, whereas the annular diffraction spot reflecting the outer shape rotates in the diffraction plane but its size is large. There has been little change.
  • the object to be observed is an annular diffraction spot, and the receiver is hardly saturated in intensity.
  • the focus dependency on the shape and size of the annular diffraction spot is small, it is possible to determine the focus with high accuracy by paying attention to the shape of the annular diffraction spot.
  • FIG. 19 shows an annular diffraction spot having four rotational symmetry due to the rhombus shape. However, as shown in the arrowhead shape of FIG. If no shape is selected, misjudgment due to overlapping symmetry can be avoided even in the case of large focus modulation.
  • the diffraction image formed on the image detection surface 89 is observed on the screen of the image data monitor 76, for example, through the detector 79 and the controller 78 and stored as image data in the recording device 77, and is observed under different focus conditions.
  • the focus condition can be determined by comparing the recorded diffraction image with, for example, the image data monitor 76 screen.
  • the amount of defocus may be determined by image processing such as obtaining a correlation coefficient with a Fourier transform image of an edge dislocation lattice stored in advance in the system control computer 51. Then, the system control computer 51 can be used to perform feedback control on the second condenser lens 42 or the objective lens 5 to adjust the diffraction image 9 to the in-focus state.
  • the system control computer 51 may have the function as described above, or a separate image processing system (not shown) may be provided. It may be used.
  • the series of operations of the present invention can also be automated.
  • the edge dislocation gratings (81 and 91) and the sample 3 are exchanged, and an in-focus diffraction image of the sample is obtained.
  • the aperture element is arranged directly under the sample, a diffraction image only from a predetermined region of the sample can be obtained without changing the optical system.
  • Various methods can be used to create the diffraction image of the sample as described above, but it can be compatible with the method of measuring and adjusting the focus of the diffraction image of the present invention.
  • Example 10> A method for selecting the momentum of a spiral wave, particularly a device / method for determining and selecting a predetermined one direction will be described.
  • FIG. 2B is an example of a ring-shaped diffraction spot with the most common circular aperture.
  • FIG. 2A taking FIG. 2A as an example, assuming a spiral wave that rotates counterclockwise as it propagates from top to bottom, the momentum transmitted to the irradiated sample is also counterclockwise as shown by the arrows in the figure. Rotate. At this time, the sum of momentum in all directions in the diffraction plane 94 is zero.
  • the diffraction spot 97 enlarged and displayed in the right-hand drawing part in FIG. 20 is an example of a rectangular annular diffraction spot 97 obtained when the edge dislocation diffraction grating (83 and 91) having a rectangular opening is used. Since the momentum is transmitted along the diffraction spot shape, the momentum transmitted to the irradiated sample 3 also rotates in the counterclockwise direction along the rectangular side as indicated by an arrow in the figure. Even in this case, the combined sum of momentums in all directions of the diffraction plane 94 is zero.
  • the shape of the aperture can be reflected in the shape of the diffraction spot if it is an edge dislocation grating.
  • the Fourier transform image (simulation result) on the right side of FIG. 7 is an example of an annular diffraction spot reflecting various aperture shapes.
  • only a momentum in a predetermined direction is irradiated to a predetermined position of the sample by selecting a light beam or a particle beam that constitutes a part of the annular diffraction spot reflecting the aperture shape. It is a device / method.
  • FIG. 20 shows an aperture element 15 having a hole 16 having a predetermined shape for selectively transmitting part of a rectangular annular diffraction spot between the edge-shaped dislocation grating (83 and 91) having a rectangular opening and the irradiated sample 3.
  • FIG. 20 shows an aperture element 15 having a hole 16 having a predetermined shape for selectively transmitting part of a rectangular annular diffraction spot between the edge-shaped dislocation grating (83 and 91) having a rectangular opening and the irradiated sample 3.
  • FIG. 20 shows an aperture element 15 having a hole 16 having a predetermined shape for selectively transmitting part of a rectangular annular diffraction spot between the edge-shaped dislocation grating (83 and 91) having a rectangular opening and the irradiated sample 3.
  • the spatial distance between the sample and the aperture element corresponds to the amount of defocus in the diffraction image described in the ninth embodiment. Therefore, it is sufficient to make the aperture shape in advance considering the azimuth angle rotation of the annular diffraction spot, or the aperture size and shape so that the azimuth angle rotation of the annular diffraction spot does not become a problem.
  • the electron beam 27 that forms the diffraction spot of the outer straight line portion of the annular diffraction spot 97 can be irradiated to the sample, the above-described effect can be obtained. Therefore, the hole 16 having a predetermined shape for selectively transmitting a part of the rectangular annular diffraction spot is not necessarily required.
  • FIG. 21 shows an eleventh example for carrying out the present invention.
  • FIG. 21 shows a hole having a predetermined shape that selectively transmits a part of the rectangular annular diffraction spot 97 between the edge-shaped dislocation grating (not shown) having a rectangular opening and the irradiated sample 3.
  • 1 is a schematic diagram of an optical system in which an aperture element 15 having 16 is inserted.
  • the annular diffraction spot 97 that transmits the momentum to the rectangular counterclockwise rotation generated by the first-order diffracted wave and the first-order diffracted wave is selected, and the propagation direction is drawn downward in the drawing.
  • FIG. 15 indicates that different portions of the annular diffraction spot 97 are selected by moving, and as a result, the sample 3 is irradiated with a diffracted wave (spiral wave 21) having a momentum in different directions.
  • a diffracted wave spiral wave 21
  • FIG. 21 when the aperture element 15 is alternately moved left and right in the figure, an electron beam having a momentum of linear downward (on the left side of the annular diffraction spot) and linear upward (on the right side of the annular diffraction spot) with respect to the sample 3 is obtained. Can be irradiated alternately.
  • FIG. 21 shows an example in which momentum is transmitted alternately in two directions, but if the moving direction and order of the aperture elements are changed, the corresponding portions of the electron beam that forms the annular diffraction spot propagate in that order, The momentum in the corresponding direction is transmitted to the irradiated sample in the corresponding order. If the aperture shape of the edge dislocation lattice is changed, selective irradiation corresponding to the aperture shape can be performed, and a complicated momentum can be transmitted.
  • FIG. 22 shows a twelfth example for carrying out the present invention.
  • FIG. 22 shows a part of the space from the edge-shaped dislocation lattice (not shown) having a rectangular opening to the sample 3 as in FIG.
  • a deflector 85 is provided above the aperture element 15. ing.
  • FIG. 22 for the convenience of drawing, a parallel plate electrode type deflector 85 that can be deflected only in the left-right direction is illustrated.
  • the present application relates to the deflection direction, the deflection method, and the shape of the deflector as shown in FIG. It is not limited to.
  • the diaphragm element 15 is not moved, but the deflected diffracted wave 27 is deflected using the deflector 85, and a predetermined portion of the annular diffraction spot 97 is taken into the diaphragm hole 16. Further, by irradiating the sample 3 arranged below, a linear momentum is transmitted to the sample 3. When the spatial distance between the aperture element 15 and the sample 3 to be irradiated is short, the spiral wave 21 having different momentum can be irradiated to the same region on the sample 3 regardless of the deflection angle and direction. For example, as shown in FIG.
  • FIG. 23A illustrates a pattern of a plurality of spiral waves generated using a diffraction grating system including a plurality of edge dislocation diffraction gratings. Both are Fourier transform images by simulation.
  • the left side of FIG. 23A shows the edge dislocation diffraction gratings (81 and 91) having square, circular, and equilateral triangular openings in order of size, and the right side shows the simulation result of the Fourier transform image.
  • this is an example of a diffraction grating system in which both the opening shape 81 and the size of the plurality of edge dislocation diffraction gratings 91 are changed.
  • the basic grating interval and orientation that characterize the diffraction grating, and the orders of the edge dislocations included in the diffraction grating are all the same in the third order. Since the plurality of spiral waves generated by diffraction have the same basic lattice spacing and orientation, they are superimposed with their diffraction points coincident. Therefore, the diffraction surface is not a thin ring or ring, but is a diffraction spot 97 that overlaps and spreads. If the number of types of diffraction gratings constituting the diffraction grating system is increased, a spiral wave suitable for an irradiation probe of a normal transmission type device that is not a scanning type can be obtained. This can be said to be a spiral wave suitable for a probe that can irradiate a region having a certain spread on the sample at a time.
  • FIG. 23B The left side of FIG. 23B is an example of a diffraction grating system (81 and 91) in which the opening shape, size, and order of edge dislocations of the edge dislocation diffraction grating are the same, but the interval and orientation of the basic diffraction grating are changed. It is.
  • On the right is the simulation result of the Fourier transform image.
  • each edge-shaped dislocation diffraction grating 91 having a circular opening generates a ring-shaped diffraction spot 97 centered at a diffraction point corresponding to each grating interval and orientation in the diffraction surface.
  • a pattern can be drawn on the diffraction surface.
  • FIG. 23B is an example in which a pattern of five rings is drawn.
  • the edge dislocation diffraction grating 91 on the left side of the figure is also located at a position similar to the pattern on the diffraction plane to be generated.
  • the left and right sides of the figure are in a relationship between real space and inverse space, and the pattern on the diffraction surface does not depend on the position of each diffraction grating.
  • a spiral wave that irradiates the sample is selected using a diffraction grating system composed of a plurality of edge dislocation diffraction gratings. -Show the method of extraction.
  • the left side (a) of FIG. 24 shows a portion where the momentum of the annular diffraction spot 97 coincides with the diffraction surface by adjusting the orientation of the basic grating of the diffraction grating having a rectangular aperture shape including edge dislocations having different orders of magnitude.
  • 2 is an example of a diffraction grating system (81 and 91) designed to overlap within.
  • the right side (a) of FIG. 24 shows a Fourier transform image by simulation. Further, as can be seen from FIG. 24B, since the upper and lower annular diffraction spots 97 are partially overlapped, a diffraction pattern that draws the number “8” is obtained.
  • the central portion of the “8” pattern is obtained by doubling the intensity of the spiral wave because the annular diffraction spots 97 overlap so that the directions of the momentum of the corresponding spiral waves coincide with each other.
  • the intensity can also be controlled by superimposing diffraction spots.
  • FIG. 24 Two types of Fourier transform images are shown on the right side of FIG. 24 (a).
  • the upper stage is irradiated with two coherent waves (for example, a laser beam and a field emission electron beam).
  • the diffraction pattern from the upper and lower edge dislocation diffraction gratings is superimposed incoherently, although each diffraction image can be obtained by irradiation with coherent waves in each grating plane. Corresponds to the diffraction pattern of the case.
  • This incoherent superposition corresponds to, for example, a case where the distance between the two edge dislocation gratings is larger than the coherent distance of the wave to be irradiated. Comparing the upper and lower Fourier transform images, in the case of coherent superimposition (upper stage), it can be seen that the central portion where the upper and lower annular diffraction spots overlap has a fine and good linear intensity distribution as a result of interference. On the other hand, in the case of incoherent superimposition (lower stage), there is only an overlap of two upper and lower annular spots.
  • the interference of diffraction waves generated by each diffraction grating must be considered.
  • the upper and lower diffracted waves interfere and strengthen each other because the phases of the basic gratings of the respective diffraction gratings are in agreement.
  • the phase of the grating is shifted, conversely to this example, it may be possible to weaken as a result of interference. Thorough consideration is necessary when designing a diffraction grating system.
  • the left side (c) of Fig. 24 is a diffraction grating system (81 and 91) having a diffraction case having three rectangular openings in which the order of edge dislocations and the lattice spacing of the basic grating are different. This is also designed so that the portion of the annular diffraction spot 97 having the same momentum overlaps in the diffraction plane.
  • a Fourier transform image by simulation is shown on the right side of FIG. 24 (a), and a diffraction pattern is obtained in which the rectangular annular diffraction spots 97 are partially inscribed.
  • the portions where the annular diffraction spots are in contact with each other are overlapped so that the directions of the momentum of the corresponding spiral waves coincide with each other, so that the intensity of the spiral wave is increased ((d) in FIG. 24). reference).
  • the matching area depends on the inner figure, there is an effect of making the irradiation area compact as compared with FIG.
  • the diffraction grating including edge dislocations (1) Positive / negative and order of edge dislocations (2) Grating interval and orientation of basic diffraction grating (3) Opening shape and size of edge dislocation diffraction grating (4) Number of edge dislocation diffraction gratings
  • Electron source 15 ... Diaphragm element, 16 ... Diaphragm hole, 17 ... Control system of aperture, 18 ... Vacuum container, 19 ... Control system of electron source, 2 ... Optical axis, 21 ... Spiral wave, 22 ... Spiral wave , 23 ... plane wave, 27 ... particle stream stream and electron beam trajectory, 3 ... sample, 35 ... sample image, 39 ... sample holder control system, 4 ... lens, 40 ... acceleration tube, 41 ... First condenser lens 42 ... second condenser lens 47 ... second condenser lens control system 48 ... first condenser lens control system 49 ... accelerator tube control system 5 ... objective lens 51 ...
  • system control computer 52 ... System control computer monitor, 53 ... System control computer interface, 59 ... Objective lens control system, 61 ... First intermediate lens, 62 ... Second intermediate lens, 63 ... First projection lens, 64 ... 2 projection lens, 66 ... control system of second projection lens, 67 ... control system of first projection lens, 68 ... control system of second intermediate lens, 69 ... control system of first intermediate lens, 76 ... image data monitor, 77 ... Image data recording device, 78 ... Image data controller, 79 ... Image detector, 81 ... Opening, 83 ... Opening device, 831 ... Opening component, 832 ... Opening component remaining, 85 ... Deflector, 88 DESCRIPTION OF SYMBOLS ...
  • Control system of aperture device 89 ... Image detection surface, 9 ... Diffraction image, 91 ... Diffraction grating or edge dislocation diffraction grating, 93 ... Aperture device, 94 ... Diffraction surface, 96 ... Control system of diffraction grating, 97 ... Diffraction Wave spot, 99 ... Diffraction spot of transmitted wave

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Abstract

　刃状転位を含む回折格子の外形や大きさを、該回折格子とは別なる開口器用いることにより光波や電子波などの照射領域よりも小さくし、刃状転位回折格子が生成するらせん波の形状に開口の形状や大きさを重畳させ、回折面上でのらせん波の形状や大きさを開口の形状や大きさを反映したものとする。また、単一の開口器と単一の回折格子のペアによる回折格子システムだけでなく、複数の開口器と複数の刃状転位回折格子を組み合わせた回折格子システムとし、回折面上で複数のらせん波をより高い自由度で生成可能とする。

Description

[規則37.2に基づきISAが決定した発明の名称]　荷電粒子線装置、光学装置、照射方法、回折格子システム、及び回折格子
　本発明は、X線を含む光線、および電子線、中性子線、イオンビームなどの荷電粒子線または非荷電粒子線に関する。等位相面がらせん形状を成すらせん波を生成するフォーク型回折格子や、その格子外形を定める開口器を含んだ回折格子、回折格子システム、および該回折格子システムを備えた光学機器あるいは粒子線装置、そして、これらを用いた回折法に関する。
　＜１．らせん波＞
　本願の前提となるらせん波について、光波を例に説明する。コヒーレントな光学系においては、伝播する光波の位相は一意に定まる。その位相が等しい面を波面と呼び、その波面の形状から平面波（図１の(a)参照）、球面波など波動の分類が成されている。
　一方、位相が一意に定まらない特異点を持つ場合も存在する。例えば、等位相面がある軸（一般に光軸に平行）を中心にらせん形状をしたらせん波である。これは波の伝播方向に垂直な平面で切って見た場合に、特異点を中心（らせんの軸）として、方位角を１回転周回させたときに位相が2πの整数倍だけ変化する位相状態を持つ波のことである。2πの整数倍の位相の変化量は、伝搬する光波では波長の整数倍の変化に相当する。
　図１の(b)に方位角を１回転周回させたときに位相が2π変化するらせん波２１を示す。本願では、この2π変化する状態の波を「らせん度１」のらせん波と呼ぶ。図１の(b)から明らかな様に、らせん軸２２の軸上は位相の特異点となっており位相を定めることができない。
　図１の(c)は方位角を１回転周回させたときに位相が４π変化する「らせん度２」のらせん波２４である。伝搬する光波で考えると方位角を１回転周回させたときに２波長分だけ波面が変化することになる。波長が伸びることはないので、図１の(d)に示すように、ちょうど半回転ずれた波面を考え、両方の波面を合わせて図１の(e)に示した位相分布がらせん度２のらせん波のモデルと考えられている。位相が一意に定まらない特異点（らせんの軸２２）を持つことは、らせん度１の場合と同じである。他のらせん度でも、図１の(e)と同様にらせん度に合わせて、複数枚の波面の組み合わせで考えられる。
　図２Ａは収束するらせん波を流線２７で描いた粒子モデルの図である。簡単には、流線を粒子軌道と考えて、波面に垂直方向に軌道（流線）が描かれていると考えてよい。らせん度が大きくなるほど、ねじれの度合いが強くなる。
　図２Ｂは、収束面（回折面９４）での波動の強度分布を描いたもので、らせん波は収束点でリング状のスポット９７となることを特徴とする。このリング形状は、ベッセル関数（円筒関数）で表記される。図２Ａに示すごとく、収束するらせん波（粒子）はねじれながら伝搬するため伝搬方向の垂直方向に運動量を伝達できる。
　例えば収束面９４（図２Ｂに示されている平面）に試料を置いた場合には、当該試料に対して平面内の方向に運動量を伝達できる。このように、運動量を伝達することが可能な波であることが、らせん波の特徴である。図２Ｂに示した例では、反時計方向に回転する運動量が伝達される。また、運動量の全方位での合成和はゼロとなる。
　このらせん波は、光学ではラゲール・ガウシアンビームや光渦（ひかりうず）と呼ばれ、軌道角運動量を保持したまま伝播する光波であり、等位相面（波面）内に力を作用させることができる。そのため、照射対象に対して運動量を与えることが可能となり、例えば細胞程度の大きさの粒子を操作する光ピンセットなどのマニピュレーション技術、レーザー加工や超解像顕微分光法として実用化されている。さらには、位相特異点であるらせん軸の部分に複数の軌道角運動量を内在できることから量子情報通信の分野で注目されている。その他にも、X線では磁化状態や原子配列の立体像の解析など、物性解析、構造解析に新たな技術的展開が期待されている。
　なお、ここでいうトポロジカルチャージ(軌道角運動量の内在)は、らせんの巻きの強さを選べるところに利点がある。以降では、簡単のため、トポロジカルチャージの意味も含めて「らせん度」と呼ぶことにする。
　上述したように、電子線におけるらせん波（電子らせん波）は、軌道角運動量を保持したまま電子線が伝播するので、今までにない電子線のプローブ（入射ビーム）としての応用分野を生み出すと期待されている。例えば、磁化測定における高感度化や３次元状態の計測、たんぱく質分子や糖鎖の高コントラスト・高分解能観察などである。とりわけ、磁化観察においては、電子線は伝播方向と平行な磁化に対しては感度を持たない原理的な欠点を持っているが、電子らせん波では電子線の伝播方向の磁化を観察できる可能性がある。
　また、観測だけでなく、軌道角運動量を利用した加工や磁化制御などにも適用の可能性がある。そのため、スピン偏極電子線と並んで、次世代の電子線装置のプローブとして脚光を浴び始めている。すなわち、波動場・粒子を問わず、新しいプローブとして可能性があり、ここで述べた光波、電子線以外にもX線や中性子線、イオンビームに対しても応用展開が考えられる。
　＜２．らせん波の生成＞
　らせん波を作り出すには、２通りの方法が実現されている。１つはらせん形状（厚さ分布）をした薄膜に平面波を照射し、透過した波の位相分布が膜の厚さを反映してらせん形状となることを利用する方法である。もう1つが、フォーク型格子と呼ばれる刃状転位を含む回折格子（刃状転位回折格子）による回折波を利用する方法である（図３、及び非特許文献１）。薄膜に平面波を照射する第１の方法は、電子波のごとく波長が極端に短い場合に、らせん形状をした薄膜の作製が難しいため、現在は刃状転位回折格子を用いる第２の方法が主流となっている。
　次に、図３を用いて、刃状転位を含む回折格子（刃状転位回折格子）を用いる第２の方法について説明する。刃状転位回折格子９１から回折波として生成されたらせん波２１（等位相面がらせん形状を成している波）は、回折像９では通常の点状の回折スポット９９に代わり、リング状の回折スポット９７を成す。このリング状の回折スポットの１つを回折面９４で空間的に分離できれば、所望のらせん波２１を取り出すことができる。そして、らせん波の生成は、刃状転位の次数によってらせん度の度数を制御することができる。また、刃状転位のバーガースベクトルの正負によってらせん度の正負（らせんの右巻き、左巻き）も制御することができる。
　図４Ａは実際に作製した３次の刃状転位格子９１の電子顕微鏡像である。収束イオンビーム装置により窒化シリコンメンブレン（厚さ200nm）に加工を行い作製した。図４Ａの上側より格子が３本挿入され、中央部に集中している。すなわち、この集中部が刃状転位のコアの位置であり、図４Ａの次数は３次である。刃状転位の次数と生成されるらせん波の度数は、基本的に一致する。しかし、回折格子のコントラストが高く、高次の回折波が得られる場合には、刃状転位の次数と回折波の次数を乗算した積値のらせん度を持つらせん波も生成される。
　図４Ｂは、図４Ａの回折格子を加速電圧300kVの電子線で照射した際に得られた小角電子回折像９（カメラ長150mで記録）である。中央部の０次スポット９９の左右に±１次、±２次、±３次のリング状の回折スポット９７が観察されており、回折次数が高くなるほどリング径が大きくなる。このことから、らせん度が±３次、±６次、±９次のらせん波が生成されていることがわかる。すなわち、回折スポットのリング径は、らせん波のらせん度を直接表している。このように、１枚の刃状転位を含む回折格子９１から複数の種類のらせん波２１を生成させることが可能である。
J. Verbeeck et al., Nature, 467 (2010) 301.
　らせん波は、環状を成した高分子材料や磁性材料などの高コントラスト観察などに有効なプローブ、あるいはらせん波のリング状照射領域に回転方向の運動量を伝達することができる。これを利用して、例えばマイクロマシン（MEMS）のような被照射物の歯車に動力を与えるプローブと考えられてきたが、円形の照射プローブしか生成されていなかった。それ故、一般の材料、被照射試料にとって伝達の効率が悪いという課題を、本願発明者は見つけた。そして、円形の照射プローブ以外の形状の照射プローブを生成することによって、より効果的な、任意の形状を持ったらせん波、任意の方向に運動量を伝達できるらせん波、あるいはらせん波を制御できる装置や手法を発明した。
　上記課題を解決するため、本願に係る荷電粒子線装置は、格子面に刃状転位を有する回折格子と、前記回折格子に荷電粒子線を照射させる制御部と、を有する荷電粒子線装置において、前記制御部は、前記荷電粒子線における照射領域の一部のみを前記格子面に照射させ、前記荷電粒子線における照射領域の一部は前記回折格子の刃状転位を含む、
ことを特徴とする。
　また、別の形態として、本願に係る照射方法は、格子面に刃状転位を有する回折格子に荷電粒子線を照射させる照射ステップと、前記回折格子を通過した前記荷電粒子線を検出する検出ステップと、を有し、前記照射ステップは、前記荷電粒子線における照射領域の一部のみを前記格子面に照射させるステップであり、前記荷電粒子線における照射領域の一部は前記回折格子の刃状転位を含む、ことを特徴とする。
　また、別の形態として、本願に係る回折格子システムは、格子面に刃状転位を有する回折格子と、開口部の外形が閉曲線に囲まれ、かつ前記閉曲線の形状における重心点から前記閉曲線の任意の点までは距離が複数ある開口器と、を有することを特徴とする。
　また、別の形態として、本願に係る照射方法は、格子面に刃状転位を有する回折格子に荷電粒子線を照射させる照射ステップと、開口部の外形が閉曲線に囲まれ、かつ前記閉曲線の形状における重心点から前記閉曲線の任意の点までは距離が複数ある開口器に前記荷電粒子線を照射させる照射ステップと、前記開口部と前記回折格子とを通過した前記荷電粒子線を検出する検出ステップと、を有することを特徴とする。
　また、別の形態として、本願に係る回折格子は、格子面に刃状転位を有する回折格子であり、前記回折格子は前記格子面の外形が閉曲線に囲まれ、かつ前記閉曲線の形状における重心点から前記閉曲線の任意の点までは距離が複数あり、前記格子面の外形は３角形もしくはＮ角形（Ｎは５以上）の形状であることを特徴とする。
　また、別の形態として、本願に係る回折格子は、格子面に刃状転位を有する回折格子であり、前記回折格子は前記格子面の外形が閉曲線に囲まれ、かつ前記閉曲線の形状における重心点から前記閉曲線の任意の点までは距離が複数あり、前記格子面の外形は曲線を有する形状であることを特徴とする。
　本発明を用いることにより、任意の形状を持ったらせん波、または任意の方向に運動量を伝達できるらせん波を生成することができる。そして、それらを用いた効率的な観察や加工、エネルギー伝達を利用した装置や方法を提供することができる。
波面の例を示す模式図である。すなわち、(a)平面波、(b)らせん度１のらせん波、(c)らせん度２のらせん波、(d)(c)とは半回転ずれたらせん度２のらせん波、(e)(c)と(d)を合成したらせん度２のらせん波を示している。 流線で示した収束らせん波を示す模式図である。 収束面での波動の強度分布を示す模式図である。 ３次の刃状転位を含む回折格子かららせん波が生成される様子を示す模式図である。 ３次の刃状転位格子の電子顕微鏡像である。 ３次の刃状転位格子の小角電子回折像である。 (a)～(d)はさまざまな開口形状とそのフラウンホーファー回折像（フーリエ変換像）を示すシミュレーション結果である。 (a)～(e)はさまざまな開口形状を持つ単純格子とそのフーリエ変換像を示すシミュレーション結果である。 (a)～(e)はさまざまな開口形状を持つ３次の刃状転位格子とそのフーリエ変換像を示すシミュレーション結果である。 矢頭の開口形状を持つ３次の刃状転位を含む回折格子かららせん波が生成される様子を示す模式図である。 ３通りに大きさが異なる五角形開口を持つ３次の刃状転位格子とそのフーリエ変換像を示すシミュレーション結果である。 ３通りに大きさが異なる五角形開口を持つ３次の刃状転位格子の電子顕微鏡像と小角電子回折像の実験結果である。 ４通りに方位角が異なる正方形開口を持つ３次の刃状転位格子の電子顕微鏡像と小角電子回折像の実験結果である。 隣接した開口器と回折格子の一例を示す模式図である。 開口形状とその形状の重心点との関係を説明する模式図である。 開口器を光線あるいは粒子線が照射する様子を示す模式図である。 開口器と刃状転位格子がレンズを介して光学系上等価な面に配置される様子を示す模式図である。 開口器の一部の構造体と、開口器の残部構造体と刃状転位格子がレンズを介して光学系上等価な面に配置される様子を示す模式図である。 開口器と刃状転位格子の投影図を示す模式図である。 (a)開口器が２つの構造体から構成され、それぞれの構造体の相対位置によって開口形状・大きさが変化する様子を説明する模式図である。(b)２つの構造体からなる開口器と刃状転位格子とが隣接して設置される様子を示した模式図である。 複数の開口を持つ開口器が刃状転位格子に隣接し、その位置が移動することを示す模式図である。 開口器と刃状転位格子とが一体構造を成す場合の一例を示す模式図である。 回折格子システムを備えた透過型電子顕微鏡の第一の例を示す模式図である。 回折格子システムを備えた透過型電子顕微鏡の第二の例を示す模式図である。 ひし形の開口形状をした３次の刃状転位格子を異なるフォーカスで撮影した小角電子回折像である（実験結果）。 矩形絞り孔素子によりらせん波の運動量が１方向に選択される様子を示す模式図である。 矩形絞り孔素子が移動する様子を示す模式図である。 矩形絞り孔素子の上方の偏向器によりらせん波が偏向する様子を示す模式図である。 開口形状とその大きさの異なる複数の刃状転位格子とそのフーリエ変換像を示すシミュレーション結果である。 基本格子間隔と格子方位の異なる複数の刃状転位格子により回折像面にパターンを描く一例を示すシミュレーション結果である。 複数の刃状転位格子により回折像面にらせん波の運動量が重畳される一例を示すシミュレーション結果である。
　本発明は、刃状転位を含む回折格子の外形（開口）を任意の形状に変化させることにより、光波や電子波などの照射領域を制御する。また、刃状転位を含む回折格子の外形や大きさを、該回折格子とは別なる開口器を用いることにより光波や電子波などの照射領域よりも小さくする、これにより、刃状転位回折格子が生成するらせん波の形状に該開口の形状や大きさを重畳させ、回折面上でのらせん波の形状や大きさを該開口の形状や大きさを反映させることでも実現できる。開口器は、具体的にはアパーチャや絞り孔などの光学系で実現する。
　また、上記の開口器は単一のものだけでなく、複数の該開口器と複数の該刃状転位回折格子を組み合わせた回折格子システムとすることもできる。これにより、回折面上で複数のらせん波をより高い自由度で生成可能とする。さらに、絞り孔などの光学素子により、上記生成されたらせん波の所定の部位を選択する(例えば通過させる)ことにより、所定の方位、方向、強度の運動量を持ったらせん波を被照射試料の所定の部分に照射する。
　これにより、上述した回折格子システムは、その回折面に生成するらせん波の回折スポットを任意の形状や大きさに制御することができる。さらに、上述した刃状転位回折格子を複数組み合わせた回折格子システムとすることにより、回折面にらせん波を用いて様々なパターンを描くことが可能となる。そして、該パターンを構成するらせん波の所定の部分を選択して試料に照射することによって、任意の方向、または任意の強度の運動量を被照射試料に伝達することができる。
　次に、本願発明者が本願を発明するにあたり、検討した図面（図５から図６）を示す。すなわち、図５にはさまざまな形状をした開口８１（左図）とそのフラウンホーファー回折像の計算結果（右図）を示している。それぞれ上から、(a)円形開口、(b)三角形（正三角形）開口、(c)四角形（正方形）開口、(d)五角形（正五角形）開口である。
　一般に、ある形状をなした開口を平面波で照射し、その開口を透過した波と開口のエッジ部で回折された波との干渉を観察するとき、開口から十分に遠方で観察される回折パターンをフラウンホーファー回折像と呼ぶ。また、開口から近い距離での回折パターンをフレネル像と呼ぶ。フラウンホーファー回折像が観察されるための条件は、開口からの距離lと、開口の大きさ（直径d）、および照射する平面波の波長λで、式（１）のごとく与えられる。また一般に、フラウンホーファー回折像は回折格子の場合と同様に、開口形状のフーリエ変換として求められる。
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　図５において、それぞれ右側のフラウンホーファー回折像の形状には開口形状が反映されているが、回折像中心部９９（主極大と呼ぶ）は収束しており、主極大の形状に開口の形状を直接見出すことは難しい。しかし、主極大の周囲にある副極大、およびその副極大が作るストリークの方向から、開口形状を知ることはできる。
　これらの結果を踏まえると、開口の形状はフラウンホーファー回折像の中心部９９に収束し、その形状を直接観察するには回折像の観察倍率を大きく、すなわちカメラ長を大きくした小角回折光学系に対応した光学系が実現されなければならない。一般の光学機器や電子顕微鏡などの粒子線装置では、この目的のためには、特別に光学系を構築する必要がある。
　次に、図６を示す。図６の左図は図５と同じ形状をした開口を持つ単純格子（開口部８１と格子部９１の集合）であり、図６の右図はそのフラウンホーファー回折像（フーリエ変換像）の計算結果である。それぞれ(a)円形開口、(b)三角形（正三角形）開口、(c)四角形（正方形）開口、(d)五角形（正五角形）開口、(e)星形開口である。それぞれの右側の回折像には、格子の間隔に対応した回折スポット（中央部が透過波に該当する０次の回折スポット９９、左右それぞれ±１次、±２次の回折スポット９７）を示している。いずれの回折スポットも、直接開口形状を反映しているものではなく、図５と同様に、ストリークの方向から開口形状を知ることができる。
　上記の結果は、回折格子と開口形状とのフーリエ空間でのコンボリュージョンの結果と考えることができる。すなわち、実空間でのコンボリュージョンは逆空間での積となるため、回折格子からの回折波は、回折格子の格子間隔に対応した空間周波数部（回折点）に局在する。また、そのデルタ関数的な局在と開口形状を反映したフラウンホーファー回折パターンとの積の結果は、デルタ関数的な局在となるため、図６右側の様な分布が得られる。
　次に、図７を示す。この開口形状（８１）と回折格子（９１）とのフラウンホーファー回折パターンは、回折格子に刃状転位が含まれると一変する。図７の左図に、３次の刃状転位を含む転位格子の場合の、それぞれの格子像を示している。また、図７の右図にはそのフラウンホーファー回折像（フーリエ変換像）の計算結果（右図）を示している。図７の左図における基本格子の格子間隔は図６の単純格子の格子間隔と同じであり、また、開口形状・サイズも図６と同じ条件を用いた。図６と同じく、それぞれ上から(a)円形開口、(b)三角形（正三角形）開口、(c)四角形（正方形）開口、(d)五角形（正五角形）開口、(e)星形開口である。
　刃状転位格子の場合には、回折格子に含まれる刃状転位が３次のため、回折像の±１次の回折スポットは、±３度のらせん波に対応したリング状となる。すなわち図７の(a)のごとく、格子外形が円形の場合にはリング状の回折スポットが得られることがわかる。これは、図３に示したとおりである。
　一方、回折格子の外形が図７の(b)三角形（正三角形）開口、(c)四角形（正方形）開口、(d)五角形（正五角形）開口、(e)星形開口で示される場合の回折パターンは、図７の右側のような回折スポット（９９、９７）の形状になる。すなわち、本図からわかるように、開口形状を反映した形状の環状回折スポット９７となっている。また、各々の環状回折スポットのサイズは、らせん度を反映して回折次数が大きくなるほど、大きくなっている。そして、各環状回折スポットは、回折像右側（プラス側）が時計方向に９０度回転、回折像左側（マイナス側）が反時計方向に９０度回転をしている。この９０度の回転は、フーリエ変換による効果であり、この回転角のずれ具合を利用した特徴的な形状から、回折像のフォーカスを計測することが可能となる。これについては実施例９にて後述する。
　図６の説明にて述べたとおり、図７のように回折格子が刃状転位格子の場合の特異な結果も、回折格子と開口形状とのコンボリュージョンの結果と考えることができる。すなわち、刃状転位を格子面内に含む場合、回折格子からの回折波はデルタ関数的に局在するのではなく、回折格子の格子間隔に対応した空間周波数部にベッセル関数（円筒形関数）に依存したリング状に分布する。
　そのため、そのベッセル関数的な広がりを持つ分布と開口形状を反映したフラウンホーファー回折パターンとの積の結果により、開口形状を反映した分布を持つ環状回折スポットが得られる。すなわち、刃状転位回折格子を用いることにより、従来は特別に光学系を構成しなければ得られかなった開口形状を持つ回折スポットが、従来の光学機器、あるいは粒子線装置でも簡便に得られるようになる。
　本願は、刃状転位回折格子を用いるとともに、回折格子の外形、すなわち回折格子の開口形状を任意の形状とし、新たな形状の回折パターンの観察やその形状を用いた光線あるいは粒子線による加工が可能な光学機器あるいは粒子線装置、および、その新たな回折法を提案するものである。
＜実施例１＞
　図８に本発明を実施するための第１の例を示す。図３に示した従来の技術と異なる構成であり、刃状転位を含む回折格子９１を照射した平面波２３は回折格子を透過後、回折波としてらせん波２１を形成する。しかし、刃状転位を含む回折格子９１の開口形状８１が矢印の先端部（以下、矢頭形状）のような形状をしており、図７に示したように、環状回折スポット９７の形状に矢頭形状が反映される。また、本形状は透過波の回折スポット９９を指す方位に左右それぞれ時計/反時計方向に回転（ここでは９０度回転）した回折パターンとなる。
　この環状（矢頭形状）回折スポットの１つを回折面で空間的に分離して、所定のらせん波２１とすることができる。逆に述べるならば、所望のらせん波の形状に合わせて、刃状転位格子の外形形状を設計することができる。このとき、刃状転位の次数によってらせん度の度数が制御でき、また、刃状転位のバーガースベクトルの正負によってらせん度の正負（らせんの右巻き、左巻き）が制御できる。
　次に、図９Aの左図に、正五角形で大きさが異なる開口形状を持つ３次の刃状転位回折格子を示し、それぞれのフーリエ変換像を右図に示す。また図９Ｂの左図には、図９Ａを参考に、収束イオンビーム装置によって窒化シリコンメンブレン（例として厚さ200nm）に加工を行なった刃状転位回折格子の電子顕微鏡像を示し、その刃状転位回折格子を加速電圧300kVの電子線で照射して得られた小角電子回折像を右図に示す。なお、右図におけるカメラ長は300mにて記録した。
　ここから、図９Ａにおける計算結果と、図９Ｂにおける実験結果から、両者に対応関係があることがわかる。すなわち、（１）正五角形の開口形状を反映した環状回折スポットが得られていること、（２）その環状回折スポットの大きさが、回折スポットの次数（すなわち、らせん度の度数）と開口形の大きさに依存して変化する様子がわかる。また、（３）環状回折スポットの方位が左右のスポット（回折波の正負）で、反転している様子もわかる。よって、開口の大きさと形状を反映した環状回折スポットが得られることから、これらのパラメータに基づき、任意の形状の回折スポットを設計することが可能である。
　また、図１０の左図は、正方形の開口形状を持つ３次の刃状転位格子の開口形状の方位を22.5度ずつ回転させて作製した刃状転位回折格子を示している。また、それぞれの電子回折像も右図に示す。実験条件はすべて図９と同じとした。本図より、開口形状の方位角回転に伴って、左右の回折スポットが共に、同方向に回転することがわかる。本性質は、実施例９で後述する回折像のフォーカス計測方法などに用いることができる。
＜実施例２＞
　図１１Ａおよび図１１Ｂを用いて、本発明を実施するための第２の例を示す。図１１Ａは回折格子９１と開口器８３とが別なる構造体から構成された回折格子システムの例である。開口形状８１は開口器８３の一部である。３次の刃状転位を持つ回折格子９１（格子外形は矩形）の上側に隣接して開口器８３が設置されている様子を示しているが、回折格子と開口器の上下の関係、および相互の距離は、図１１の構成に限定するものではない。また、回折格子と開口器との相対位置は、水平方向・垂直方向ともに、変更可能であってもかまわない。すなわち、回折格子９１と開口器８３との位置が変わってもよい。
　図１１Ｂでは、閉曲線からなる開口形状の重心点Gを対称軸としたときに回転対称性のない場合（言い換えると１回の回転対称性を持つ場合）の形状を示している。図１１Ｂは、重心点Gと開口形状左側の点H、点Iが存する円弧の中心が一致している場合を描いているが、この場合には、線分HGと線分IGの長さは、HG=IGの関係がある。一般に、閉曲線上の任意の点から重心点までの距離がひとつに定まるのは、閉曲線が重心点を中心とする円弧の場合のみである。
　図１１Ｂの、閉曲線上の点M、点Nは同一円弧上の２点であるが、重心点Gと点M、点Nが存する円弧の中心点が一致していないため、線分MGと線分NGの長さは、MG>NGの関係となっている。直線は、中心までの距離が無限大の円弧と考えられるので、点Kと点Lの関係は点M、点Nと同様であり、線分KGと線分LGの長さの関係は、明らかにKG≠LGである。
　一般に、閉曲線で囲まれた形状の重心点から閉曲線までの距離が複数の場合には、１回の回転対称性のみを持つ。正多角形など特別な場合にのみ、対称性が高くなり、２以上の有限回の回転対称性を持つ場合がある。たとえば、先述の図７においては、図７(b)三角形（正三角形）開口→３回の回転対称、(c)四角形（正方形）開口→４回の回転対称、(d)五角形（正五角形）開口→５回の回転対称、(e)星形開口→５回の回転対称である。また、図８に示した矢頭形状は、１回の回転対称形状である。なお、図７(a)は円形開口→回転対称である。
　上記のように、回折格子９１の格子外形が従来のような矩形の場合であっても、開口器８３と組み合わせることにより、実施例１で述べたようならせん波を生成することができる。本実施例を用いると、加工難度が高い回折格子９１においても、形状に依存する精度低下やコストの増加を回避することができる。特に、刃状転移格子に起因する、次数の高い格子や、格子間隔が狭い格子において、高い効果を奏する。
＜実施例３＞
　図１２に本発明を実施するための第３の例を示す。図１２は、図１１にて示した開口器８３の開口形状８１を定める閉曲線の一部が、円形領域を照射する光線あるいは粒子線によって照射される場合を示している。図１２の例では、結果として回折格子システムを透過する光線あるいは粒子線の開口形状８１は、開口器８３の開口部の被照射領域となっている。
　従って、開口器８３の形状を変化させるだけでなく、光線あるいは粒子線の照射光学系の照射領域や照射強度を変化させる（すなわち光軸を偏向させる、レンズで収束させる）ことで、実施例２に準ずる制御を実現できることを示している。
＜実施例４＞
　図１３に本発明を実施するための第４の例を示す。図１３は、刃状転位を含む回折格子９１と開口器８３とが別なる構造体から構成され、かつ、レンズ４を介して開口器８３が物面に、回折格子９１が像面に配置された回折格子システムの例である。ここで、物面と像面は区別して記載したが、光学上では等価な面であり、この例の配置に限定するものではない。すなわち、回折格子９１と開口器８３とは配置を入れ替えてもかまわない。また、レンズ４を含む光学系は結像光学系であればよく、回折格子９１と開口器８３との間に存在するレンズの数は特に限定しない。
　図１３の様に回折格子と開口器との間に光学系が入ると、空間的に離れていても実効的に隣接させることが可能であり、開口器あるいは回折格子に移動機構を備えるなど、機械的な付加装置を設置させる際に有利である。すなわち、設計の自由度を向上させることができる。また、光学系の持つ拡大、あるいは縮小の作用を利用することができる。一例として、回折格子を大きく作製したのち、当該光学系中にて縮小投影させることで、機械的精度を向上させるなどの工夫が可能である。また、異なる例として、複数のレンズから構成される光学系の場合には、物面と像面を固定したまま、相対的に倍率を変更可能であるため、開口の大きさを使用段階で調整・変更可能とすることもできる。
　なお、図１３は図１２と異なり、光線あるいは粒子線が開口器の開口部全体を照射する様に照射光学系を調整した例を示しているが、実施例４と実施例３とは矛盾する実施例ではなく、本実施例に実施例３を適用することが可能である。ちなみに他の実施例同士も、特に言及がなければ両立しうることも併せて述べておく。
＜実施例５＞
　図１４Ａ及び図１４Ｂに本発明を実施するための第５の例を示す。図１４Ａは回折格子９１と開口器１（８３１），開口器２（８３２）とが、レンズ４を介して物面と像面に配置される回折格子システムの例である。ただし、開口器１（８３１），開口器２（８３２）が２つ以上の構造体から構成されるとともに、その構造体の少なくとも一方が光学系の物面に、他方が刃状転位を含む回折格子と隣接して光学系の像面に配置されている。また、結像によって像の反転が生じることを考慮して、開口器を構成する構造体の位置関係を定めている。
　よって、結果として図１４Ｂに示す開口形状の回折格子と同等の効果を奏する。また、開口器を構成する構造体の位置関係は、用いる光学系によって変更される。図１４Ａでは、１枚のレンズによる１回の結像光学系を想定している（光軸に対してレンズの前後で像が反転する）ため、レンズの物面に置いた開口器の第１の構造体とレンズの像面に置いた第２の構造体は、ともに図中左側に位置しているが、この配置に限定するものではない。
　図１４Ａのように、回折格子と開口器とが空間上分離して配置されることによって享受される利点は、実施例４でも説明した。そして実施例４の利点に加えて、開口器が複数の構造体から構成されることにより、開口の大きさだけでなく、形状の一部も変更可能である。その様子を図１５に示す。
　図１５の(a)と図１５の(c)とは、開口器を構成する構造体を同一平面状に描いたものである。図１４の像面上での構成と考えてもよいし、図１５の(e)に示すように、隣接する２つの構造体（８３１）、（８３２）から構成される開口器と考えてもよい。図１５の(b)と図１５の(d)は、開口器を構成する２つの構造体の相対位置が変化することによって、開口の大きさと共に形状が変化した様子を例示している。
　なお、本実施例では、開口器を構成する構造体を２つとして例示したが、２つに限定するものではない。多数の構造体を用いて開口を構成すれば、形状・大きさともに複数かつ複雑に構成可能である。
＜実施例６＞
　図１６Ａに、本発明を実施するための第６の例を示す。図１６Ａでは、開口器８３に複数の形状・大きさの開口８１が設けられており、その開口器８３が光軸に対して略垂直な平面上を移動可能であることが示されている。
　この例の様に１つの構造体から成る開口器の中に複数の開口８１が備えられていても、先述の実施例で述べた回折格子と開口器との水平方向・垂直方向の位置関係や、回折格子と開口器との間のレンズ系の有無などは、同時に実現可能であり、回折格子システムの構成として回折格子と開口器との配置の関係は、図１６Ａの例に限定するものではない。
　そして、本実施例のように、複数の形状・大きさの開口を有する開口器を用いることで、装置の運転中に簡便に（迅速に）開口の形状を変更することが可能となる。すなわち実験の精度や効率（時間短縮）の向上が実現できる。
＜実施例７＞
　図１６Ｂに本発明を実施するための第７の例を示す。図１６Ｂは、刃状転位を含む回折格子９１と開口８１とを一体構造として製作した刃状転位回折格子（８１）、（９１）の例である。本実施例における効果は、全体が一体構造であるため安定であること、光学系上での位置合わせなど、操作においても簡便であること、が挙げられる。図４Ａ、図４Ｂ、図９Ａ、図９Ｂに例示した実験では、この構成を使用した。
＜実施例８＞
　図１７に本発明を実施するための第８の例を示す。本実施例においては説明の便宜上、これ以後特に断らない限り、電子線を例示して説明を行うが、本発明が電子線に限定されるわけではない。そして図１７は、３００ｋＶ程度の加速電圧を持つ汎用型の電子顕微鏡を想定したシステム構成で描いているが、この条件の電子顕微鏡に限定するものではない。
　本実施例にて説明する装置（電子顕微鏡）は、刃状転位を含む回折格子９１が開口器８３とともに加速管４０下部の照射光学系中に設置され、刃状転位格子上側のコンデンサレンズ４１にて刃状転位格子９１を照射する電子線２７の強度、照射領域の大きさなどが調整される。
　図１７に示した回折格子９１と開口器８３との関係は、先述の実施例２（図１１Ａ等）にて説明した形態に近いが、これに限定するものではなく、原理的にはこれまでに説明したすべての実施例での形態に対応可能なものである。すなわち、例えば開口器８３は、回折格子９１の直下に位置してもよいし、第２コンデンサレンズ４２を介した下側に位置してもよい。
　そしてらせん波の生成は、刃状転位格子を透過した電子線による、小角回折像におけるリング状あるいは環状回折スポットの観察により確認される。また、用いた刃状転位格子の刃状転位の次数と回折スポットの次数の積で与えられるらせん波のらせん度は、リング状あるいは環状回折スポットの大きさから評価できる。
　試料３に照射するらせん波を収束らせん波（環状回折スポット）とするか平面波状らせん波とするかは、刃状転位回折格子９１と試料３との間に位置する第２コンデンサレンズ４２にて選択可能である。そして、刃状転位格子９１を透過した電子線のうち、所定の電子らせん波を試料３の上方の絞り孔素子１５にて選択し、試料３に照射する。
　図１７は刃状転位格子９１による１次の回折波を収束らせん波として試料３に照射する場合を例示している。収束らせん波による試料の観察、あるいは試料の加工はこの光学系を持つ装置によればよい。
　試料の透過像観察については、試料３を透過した電子線を試料より後段の対物レンズ５、および結像レンズ系（６１、６２、６３、６４）にて拡大し、像検出面８９に結像する。収束らせん波を用いる場合には、走査型の観察法が合理的ではあるが、これに限定するものではない。実施例１３にて後述するが、複数の刃状転位格子を用いて同じ照射光学系を用いる場合では、従来の透過型観察が可能な広い領域を照射可能ならせん波を作り出してもよい。一方、高分解能観察など広い領域照射を必要としない観察法も可能である。そして、結像された試料像３５は、検出器７９とコントローラ７８を経て、例えば画像データモニタ７６画面上で観察される、もしくは記録装置７７に画像データとして格納される。
　これら装置は、全体としてシステム化されており、オペレータはモニタ５２画面上で装置の制御状態を確認するとともに、インターフェース５３を介して、システム制御コンピュータ５１を用いる。すなわち制御部は、電子源１、加速管４０、各レンズ（４１、４２、５、６１、６２、６３、６４）、試料３、回折格子９１、開口器８３、絞り孔素子１５、検出器７９などを制御できる。なお、想定される電子線装置は、電子線の偏向系や真空排気系などを備えているが、図示および説明は省略する。
＜実施例９＞
　図１８に本発明を実施するための第９の例を示す。図１８は、回折像９を観察する際の光学系を例示している。基本的には図１７と同様の構成を持つ汎用型の電子顕微鏡の模式図である。図１８で描いている構成を持つ電子顕微鏡に限定するものではないことも、図１７と同様である。
　本発明を利用して回折像のフォーカスを計測・調整するシステムについて説明する。回折像は、試料を透過、あるいは反射した電子線から式（１）に示したフラウンホーファー回折条件を満たすよう十分な伝播距離だけ後方で直接観察する。また別の方法では、電子顕微鏡などでは試料後側の対物レンズの焦点位置をさらに後段のレンズ系で観察面上に結像することで観察されている。
　これらは試料を平行な電子線が照射することを前提とした方法であり、現実の回折像観察は、電子源の像を観察する光学系を構築すれば、試料の位置には関係なく、試料を透過あるいは反射した電子線による回折像を観察できる。すなわち、光学系における光源の位置は、実際の空間距離に関係なく試料にとっての無限大距離の位置、すなわちフラウンホーファー条件を満足する条件となっているためである。
　一方、試料の所定の領域からだけの情報をもった電子線による回折像を観察する場合には、制限視野絞りの利用など、光学系上での位置関係を厳密に考慮する必要がある。本実施例では簡単のため、電子源の像および観察する光学系のみを想定し、この光学系において、回折像のフォーカスを計測・調整するシステムについて説明する。
　図１８では、試料３は電子線の経路２７の外側に置かれ、代わって刃状転位格子９１が経路内に配置されている。刃状転位格子９１の外形は開口器８３により所定の形状になるよう調整されている、あるいは図１６Ｂに示したごとく、所定の開口形状を持った刃状転位格子（８１および９１）等とする。
　図１８の電子顕微鏡の光学系において、回折像観察状態に調整され像検出面８９上には、刃状転位格子の外形を反映した回折像９が結像されている。そして、らせん波となることにより、回折スポットは刃状転位格子の外形を反映した環状回折スポットの形状９７であるだけでなく、回折像９としてのフォーカス位置に依存して、その環状回折スポットの形状が回折面内でそれぞれの回折波の伝播方向を軸として方位角回転する。この回転は、フォーカスはずれ量に依存するとともに、回折波の正負で回転方向が逆転する。また、高次のらせん波ほど回転角度が小さくなる。
　図１９に実験結果を示す。本図は、図１０の最下段のひし形の外形を持つ刃状転位格子を用いて、フォーカスを変化させて観察した回折像である。上述のごとく、フォーカスに依存してひし形のらせん波を示す環状回折スポットが回折面内で回転していることがわかる。しかも、中央部の透過波の回折スポットは、フォーカスのはずれ量に対応してそのサイズが変化するのに対し、外形を反映した環状回折スポットは、回折面内で回転はしているがその大きさはほとんど変化していない。
　本現象を利用することで、この環状回折スポットの形状や大きさの変化に大きな影響を受けることなく、形状の回転のみを検出し、回転が所定の値（例えば無くなった条件）になった条件が回折像のインフォーカスであると定めることが可能である。すなわち、光学系の焦点を調整する際、熟練の技術を要することなく、高精度にフォーカス条件を定めることができる。
　従来の回折像は、各々の回折スポットが最も小さくシャープに見える条件をインフォーカスとして、経験的に決めることが多かった。図１９でも、中央部の透過波の回折スポットは、インフォーカスが最も小さくなっており、この手法自体は間違っていない。しかし、回折スポットは、電子線など波動が収束状態にあり、簡単に検出器の検出限界をオーバーする。CCD素子などの受像器では電荷が飽和状態となり、ハレーションを生じて強度分布にアーティファクトが入る。このため、厳密に回折スポットが最も小さくシャープに見える条件を定めることは困難であった。
　回折スポットの形状から求める本発明の手法では、観察する対象が環状回折スポットであり、強度的に受像器の飽和が生じ難い。また上述のごとく、環状回折スポットの形状や大きさに対するフォーカス依存性は小さいため、この環状回折スポットの形状に注目することで高精度なフォーカスの判断が可能である。
　さらに、刃状転位格子の外形から予め環状回折スポットの形状がわかっているため、シミュレーション結果と比較した判断も可能となる。また、図１９はひし形の外形のため４回の回転対称性を持った環状回折スポットであったが、図８の矢頭形状のごとく、１回の回転対称性を持った形状（回転対称性のない形状）を選べば、大きなフォーカス変調の場合でも、対称性の重複による誤判断を避けることができる。
　像検出面８９上に結像された回折像は、検出器７９とコントローラ７８を経て、例えば画像データモニタ７６画面上で観察されるとともに記録装置７７に画像データとして格納され、異なるフォーカス条件で観察・記録された回折像と、例えば画像データモニタ７６画面上で見比べてフォーカス条件を判断できる。または、例えば、システム制御コンピュータ５１内に予め格納された刃状転位格子のフーリエ変換像との相関係数を求めるなどの画像処理によりフォーカスはずれ量を判断してもよい。そして、システム制御コンピュータ５１を用いて、第２コンデンサレンズ４２あるいは対物レンズ５などにフィードバック制御をかけて、回折像９をインフォーカス状態に合わせこむ操作などが可能となる。これらフォーカスはずれ量の計測は、本質的には画像処理により求められるものであるから、上述のごとくシステム制御コンピュータ５１にその機能を持たせてもよいし、図示はしないが別途の画像処理システムを用いてもよい。また、本発明の一連の動作は自動化することも可能である。
　上述の操作より回折像のフォーカスが定まれば、刃状転位格子（８１および９１）と試料３とを入れ替え、試料のインフォーカスの回折像が得られる。図１８に示すごとく、試料の直下に絞り孔素子を配置すれば、光学系の変更を伴うことなく、試料の所定の領域からのみの回折像を得ることができる。試料の回折像の作り方は、上述のごとくさまざまな工夫が可能であるが、本発明の回折像のフォーカスを計測・調整する手法との両立は可能である。
＜実施例１０＞
　らせん波の持つ運動量を選択する方法、とりわけ所定の１方向に定めて選択する装置・手法について説明する。図２Ｂは最も一般的な円形開口によるリング状回折スポットの例である。また、図２Ａを例として、上から下への伝播に伴い反時計方向に回転するらせん波を想定すると、被照射試料に伝達される運動量も、図中に矢印で示したごとく反時計方向に回転する。このとき、回折面内９４の全方位での運動量の合成和はゼロとなる。
　一方、図２０の右側の引き出し部に拡大表示した回折スポット９７は、矩形開口の刃状転位回折格子（８３および９１）を用いた際に得られる長方形状の環状回折スポット９７の例である。回折スポット形状に沿って運動量が伝達されるため、被照射試料３に伝達される運動量も、図中に矢印で示したごとく長方形の辺に沿って、かつ、反時計方向に回転する。この場合でも、回折面内９４の全方位での運動量の合成和はゼロである。
　これまで述べてきた様に、刃状転位格子であれば開口形状を回折スポットの形状に反映させることが可能である。実際に、図７右側のフーリエ変換像（シミュレーション結果）は、様々な開口形状を反映した環状回折スポットの例である。本実施例１０で説明するのは、この開口形状を反映した環状回折スポットの一部を構成する光線あるいは粒子線を選択することにより、所定の方向の運動量のみを試料の所定の位置に照射する装置・手法である。
　図２０は矩形開口の刃状転位格子（８３および９１）と被照射試料３との間に、矩形形状の環状回折スポットの一部を選択透過させる所定の形状の孔１６を持つ絞り孔素子１５を挿入した光学系の模式図である。１次の回折波が作る長方形状の反時計回転に運動量を伝達する環状回折スポット９７の内、外側の直線部の回折スポットを作る電子線２７のみが、絞りに遮られることなく伝播し、試料３に直線状上向きの運動量を伝達する。試料上に移動可能な粒子、あるいは微小部品などが構成されていれば、それらは上向きの運動量を得ることができる。
　試料と絞り孔素子との空間的な距離は、実施例９で述べた回折像でのフォーカスはずれ量に相当する。そのため、あらかじめ環状回折スポットの方位角回転を考慮した絞り孔形状とする、あるいは環状回折スポットの方位角回転が問題とならないような大きさ・形状の絞り孔とすればよい。また、環状回折スポット９７の内、外側の直線部の回折スポットを作る電子線２７のみが試料に照射することができれば上記の効果を奏する。したがって、矩形形状の環状回折スポットの一部を選択透過させる所定の形状の孔１６は必ずしも必要としない。
＜実施例１１＞
　図２１に本発明を実施するための第１１の例を示す。図２１は図２０と同様に、矩形開口の刃状転位格子（図示は省略）と被照射試料３との間に、矩形形状の環状回折スポット９７の一部を選択透過させる所定の形状の孔１６を持つ絞り孔素子１５を挿入した光学系の模式図である。作図の煩雑を避けるため、１次の回折波と１次の回折波が作る長方形状の反時計回転に運動量を伝達する環状回折スポット９７のみを選び、伝播方向を紙面下向きに作図している。
　直線部の回折スポットを作る電子線２７のみが絞り孔１６に遮られることなく伝播し、試料３に直線状の運動量を伝達することに関しても図２０と同様であるが、図２１では絞り孔素子１５が移動することによって環状回折スポット９７の異なる部分を選択し、結果として試料３に対し異なる方向の運動量を持った回折波（らせん波２１）を照射することを示している。図２１において絞り孔素子１５が図中左右に交互に移動すれば、試料３に対し直線状下向き（環状回折スポットの左側）と直線状上向き（環状回折スポットの右側）の運動量を持つ電子線が交互に照射できる。
　図２１では上下２方向について交互に運動量を伝達する例であるが、絞り孔素子の移動方向や順番を変えると、環状回折スポットを結像する電子線のそれぞれ対応した部位がその順に伝播し、対応した方向の運動量が対応した順序に被照射試料に伝達される。刃状転位格子の開口形を変更すると、その開口形状に対応した選択照射ができ、複雑な運動量の伝達も可能となる。
＜実施例１２＞
　図２２に本発明を実施するための第１２の例を示す。図２２は図２１と同様に、矩形開口の刃状転位格子（図示は省略）から試料３までの空間の一部について作図しているが、絞り孔素子１５の上方に偏向器８５が備えられている。図２２では作図の都合上、図中左右方向のみに偏向可能な平行平板電極型偏向器８５が描かれているが、本願は偏向方向や偏向方法、および偏向器の形状に関して、図２２の形態に限定するものではない。
　図２２では、図２１と異なり絞り孔素子１５を移動させるのではなく、偏向器８５を用いて伝播する回折波２７に偏向を加え、環状回折スポット９７の所定の部分を絞り孔１６に取り込む。さらに下方に配置した試料３に照射することによって、試料３に直線状の運動量を伝達する。絞り孔素子１５と被照射試料３との空間距離が近い場合には、偏向の角度、方位にかかわらず試料３上の全く同じ領域に、異なる運動量を持つらせん波２１を照射できる。例えば、図２２に示した様に、交互に１８０度方位の変化する運動量を持つらせん波を照射すると、マイクロマシン（MEMS）の稼動部にピストン運動のエネルギーを与えることが可能となる。
＜実施例１３＞
　図２３Aに、複数の刃状転位回折格子からなる回折格子システムを用いて生成した複数のらせん波によるパターンを例示する。いずれも、シミュレーションによるフーリエ変換像である。図２３Aの左側は、大きさの順に正方形、円形、正三角形の開口形状を持つ刃状転位回折格子（８１および９１）と、右側はそのフーリエ変換像のシミュレーション結果である。言い換えるならば、複数の刃状転位回折格子９１の開口形状８１と大きさの両方を変化させた回折格子システムの例である。
　但し、回折格子を特徴付ける基本格子間隔と方位、そして回折格子に含まれる刃状転位の次数はいずれも３次で同じである。回折により生成される複数のらせん波は、基本格子間隔と方位が同じであるため、回折点を一致させて重畳される。そのため、回折面では細いリング状や環状ではなく、それらが重なって広がりを持った回折スポット９７となっている。回折格子システムを構成する回折格子の種類を増やせば、走査型ではない通常の透過型装置の照射プローブに適したらせん波を得ることができる。これは、試料上のある広がりを持った領域を一度に照射できるプローブに適したらせん波とも言える。
　図２３Ｂの左側は、刃状転位回折格子の開口形状、大きさ、刃状転位の次数は同一であるが、基本回折格子の間隔と方位を変化させた回折格子システム（８１および９１）の例である。右側はそのフーリエ変換像のシミュレーション結果である。シミュレーションから明らかなように、円形開口を持つ各刃状転位回折格子９１は、回折面内のそれぞれの格子間隔と方位に対応した回折点を中心としたリング状回折スポット９７を生成する。５つのリング状回折スポット９７が位置を変えて重畳された結果、回折面にパターンを描くことができる。
　図２３Ｂは、５つの輪のパターンを描いた例である。なお、図左側の各々の刃状転位回折格子９１とリング状回折スポット９７との対応をわかりやすくするため、図左側の刃状転位回折格子９１も、生成する回折面でのパターンと類似の位置に配置しているが、基本的には、図左側と右側は実空間と逆空間の関係であり、回折面でのパターンは各回折格子の配置の位置には依存しない。このように、重畳させることにより複雑な図形を描くことも可能である。
＜実施例１４＞
　図２４に、試料にらせん波を介して所定の方向、強度を持った運動量を伝達するために、複数の刃状転位回折格子からなる回折格子システムを用いて、試料を照射するらせん波を選択・抽出する方法を示す。
　図２４の左側(a)は次数の正負が異なる刃状転位を含む矩形の開口形状を持つ回折格子の基本格子の方位を調整することによって、環状回折スポット９７の運動量が一致する部分が回折面内で重畳するように設計された回折格子システム（８１および９１）の例である。図２４の右側(a)にシミュレーションによるフーリエ変換像を示す。また、図２４の(b)にてわかるように、上下の環状回折スポット９７が一部重なって生成されるため、数字の『８』の字を描くような回折パターンが得られる。この『８』の字パターン中央部は、それぞれの環状回折スポット９７が対応するらせん波の運動量の方向が一致するように重なっているため、らせん波の強度が倍増して得られる。このように、回折スポットの重ね合わせによっても強度を制御することができる。
　図２４(a)の右側には２種類のフーリエ変換像が示されているが、上段が２つの刃状転位回折格子が共にコヒーレントな波動（例えば、レーザー光線や電界放出電子線など）で照射された場合の回折像に対応しており、下段は各々の格子面内はコヒーレントな波動による照射で各々の回折像が得られるが、上下の刃状転位回折格子からの回折波はインコヒーレントに重畳される場合の回折像に対応している。
　このインコヒーレントな重畳とは、例えば２つの刃状転位格子の距離が、照射する波動のコヒーレント距離よりも大きく離れている場合などに該当する。上下のフーリエ変換像を比較すると、コヒーレントな重畳の場合（上段）には、上下の環状回折スポットが重なる中央部は、干渉の結果、細く良い直線状の強度分布となっていることがわかる。一方、インコヒーレントな重畳の場合（下段）では、上下２つの環状スポットの重なりでしかない。
　複数の回折格子を用いた回折格子システムの場合には、それぞれの回折格子が生成する回折波の干渉を考慮しなければならない。図２４の(a)の右側上段の回折像の例では、上下の回折波は干渉して強め合ったが、これは、各々の回折格子の基本格子の位相が一致していたためであり、基本格子の位相がずれている場合には、本例とは逆に、干渉の結果弱め合う場合も考えられる。回折格子システムを設計時に十分な検討が必要である。
　図２４の左側(c)は、刃状転位の次数と基本格子の格子間隔が異なる３つの矩形開口を持つ回折格からなる回折格子システム（８１および９１）である。これも、環状回折スポット９７のちょうど運動量が一致する部分が回折面内で重畳するように設計されている。図２４(a)右側にシミュレーションによるフーリエ変換像を示すが、矩形の環状回折スポット９７が一部内接する様に重なる回折パターンが得られる。この環状回折スポットが接する部分は、それぞれの環状回折スポットが対応するらせん波の運動量の方向が一致するように重なっているため、らせん波の強度が増加して得られる（図２４の(d)参照）。一致する領域が内側の図形に依存するものの、図２４の(b)に比べて照射領域をコンパクトにする効果がある。
　以上の様に、刃状転位を含む回折格子の、
（１）刃状転位の正負と次数
（２）基本回折格子の格子間隔と方位
（３）刃状転位回折格子の開口形状と大きさ
（４）刃状転位回折格子の数
の各々の条件をコントロールすることにより、回折面にらせん波を用いて様々なパターンを描くことが可能となる。該パターンを構成するらせん波の所定の部分を選択して試料に照射することによって、任意の方向、強度の運動量を被照射試料に伝達することが可能となる。
　最後に、中性子線について光学系を議論することに対して異存があるかもしれない点について、記載しておく。中性子線に対しても有効なレンズを開発し、結像光学系を組む試みは過去にある。そのため、本発明においては、原理的には他の荷電粒子線と同様の取り扱いが可能と考えている。
１…電子源、１５…絞り孔素子、１６…絞り孔、１７…絞りの制御系、１８…真空容器、１９…電子源の制御系、２…光軸、２１…らせん波、２２…らせん波の軸、２３…平面波、２７…粒子線の流線および電子線の軌道、３…試料、３５…試料の像、３９…試料保持装置の制御系、４…レンズ、４０…加速管、４１…第１コンデンサレンズ、４２…第２コンデンサレンズ、４７…第２コンデンサレンズの制御系、４８…第１コンデンサレンズの制御系、４９…加速管の制御系、５…対物レンズ、５１…システム制御コンピュータ、５２…システム制御コンピュータのモニタ、５３…システム制御コンピュータのインターフェース、５９…対物レンズの制御系、６１…第１中間レンズ、６２…第２中間レンズ、６３…第１投射レンズ、６４…第２投射レンズ、６６…第２投射レンズの制御系、６７…第１投射レンズの制御系、６８…第２中間レンズの制御系、６９…第１中間レンズの制御系、７６…画像データモニタ、７７…画像データ記録装置、７８…画像データコントローラ、７９…画像検出器、８１…開口、８３…開口器、８３１…開口器の構成部、８３２…開口器の構成残部、８５…偏向器、８８…開口器の制御系、８９…像検出面、９…回折像、９１…回折格子もしくは刃状転位回折格子、９３…開口器、９４…回折面、９６…回折格子の制御系、９７…回折波の環状スポット、９９…透過波の回折スポット

Claims (35)

  1. 　格子面に刃状転位を有する回折格子と、
    　前記回折格子に荷電粒子線を照射させる制御部と、
    を有する荷電粒子線装置において、
    　前記制御部は、前記荷電粒子線における照射領域の一部のみを前記格子面に照射させ、
    　前記荷電粒子線における照射領域の一部は前記回折格子の刃状転位を含む、
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記制御部は、前記荷電粒子線の照射箇所を制御し被照射物に対し所定の方向の運動量を与える、または前記荷電粒子線の照射強度を制御し前記被照射物に対し所定の大きさの運動量を与える制御を行う
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 　請求項２において、
    　前記制御部は、前記照射箇所または前記照射強度の制御を所定の順序で実行する
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  4. 　請求項１において、
    　前記制御部は、検出された回折像の形状に基づき、フォーカスの状態を計測する
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  5. 　請求項１において、
    　前記荷電粒子線ではなく、光線もしくは粒子線を用いることを特徴とする光学装置。
  6. 　格子面に刃状転位を有する回折格子に荷電粒子線を照射させる照射ステップと、
    　前記回折格子を通過した前記荷電粒子線を検出する検出ステップと、を有し、
    　前記照射ステップは、前記荷電粒子線における照射領域の一部のみを前記格子面に照射させるステップであり、
    　前記荷電粒子線における照射領域の一部は前記回折格子の刃状転位を含む、
    ことを特徴とする照射方法。
  7. 　請求項６において、
    　前記照射ステップは、前記荷電粒子線の照射箇所を制御し被照射物に対し所定の方向の運動量を与える、または前記荷電粒子線の照射強度を制御し前記被照射物に対し所定の大きさの運動量を与えるステップである
    ことを特徴とする照射方法。
  8. 　請求項７において、
    　前記照射ステップは、前記照射箇所または前記照射強度の制御を所定の順序で実行するステップである
    ことを特徴とする照射方法。
  9. 　請求項６において、
    　検出された回折像の形状に基づき、フォーカスの状態を計測する計測ステップを有する
    ことを特徴とする照射方法。
  10. 　請求項６において、
    　前記荷電粒子線ではなく、光線もしくは粒子線を用いることを特徴とする照射方法。
  11. 　格子面に刃状転位を有する回折格子と、
    　開口部の外形が閉曲線に囲まれ、かつ前記閉曲線の形状における重心点から前記閉曲線の任意の点までは距離が複数ある開口器と、
    を有することを特徴とする回折格子システム。
  12. 　請求項１１において、
    　前記回折格子と前記開口部とに荷電粒子線を照射させる制御部
    を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
  13. 　請求項１２において、
    　前記制御部は、前記荷電粒子線の照射箇所を制御し被照射物に対し所定の方向の運動量を与える、または前記荷電粒子線の照射強度を制御し前記被照射物に対し所定の大きさの運動量を与える制御を行う
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  14. 　請求項１３において、
    　前記制御部は、前記照射箇所または前記照射強度の制御を所定の順序で実行する
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  15. 　請求項１２において、
    　前記制御部は、検出された回折像の形状に基づき、フォーカスの状態を計測する
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  16. 　請求項１２において、
    　前記荷電粒子線ではなく、光線もしくは粒子線を用いることを特徴とする光学装置。
  17. 　格子面に刃状転位を有する回折格子に荷電粒子線を照射させる照射ステップと、
    　開口部の外形が閉曲線に囲まれ、かつ前記閉曲線の形状における重心点から前記閉曲線の任意の点までは距離が複数ある開口器に前記荷電粒子線を照射させる照射ステップと、
    　前記開口部と前記回折格子とを通過した前記荷電粒子線を検出する検出ステップと、
    を有することを特徴とする照射方法。
  18. 　請求項１７において、
    　前記照射ステップは、前記荷電粒子線の照射箇所を制御し被照射物に対し所定の方向の運動量を与える、または前記荷電粒子線の照射強度を制御し前記被照射物に対し所定の大きさの運動量を与えるステップである
    ことを特徴とする照射方法。
  19. 　請求項１８において、
    　前記照射ステップは、前記照射箇所または前記照射強度の制御を所定の順序で実行するステップである
    ことを特徴とする照射方法。
  20. 　請求項１７において、
    　検出された回折像の形状に基づき、フォーカスの状態を計測する計測ステップを有する
    ことを特徴とする照射方法。
  21. 　請求項１７において、
    　前記荷電粒子線ではなく、光線もしくは粒子線を用いることを特徴とする照射方法。
  22. 　格子面に刃状転位を有する回折格子であり、
    　前記回折格子は前記格子面の外形が閉曲線に囲まれ、かつ前記閉曲線の形状における重心点から前記閉曲線の任意の点までは距離が複数あり、
    　前記格子面の外形は３角形もしくはＮ角形（Ｎは５以上）の形状であることを特徴とする回折格子。
  23. 　請求項２２において、
    　前記回折格子と前記開口部とに荷電粒子線を照射させる制御部
    を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
  24. 　請求項２３において、
    　前記制御部は、前記荷電粒子線の照射箇所を制御し被照射物に対し所定の方向の運動量を与える、または前記荷電粒子線の照射強度を制御し前記被照射物に対し所定の大きさの運動量を与える制御を行う
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  25. 　請求項２４において、
    　前記制御部は、前記照射箇所または前記照射強度の制御を所定の順序で実行する
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  26. 　請求項２３において、
    　前記制御部は、検出された回折像の形状に基づき、フォーカスの状態を計測する
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  27. 　請求項２３において、
    　前記荷電粒子線ではなく、光線もしくは粒子線を用いることを特徴とする光学装置。
  28. 　格子面に刃状転位を有する回折格子であり、
    　前記回折格子は前記格子面の外形が閉曲線に囲まれ、かつ前記閉曲線の形状における重心点から前記閉曲線の任意の点までは距離が複数あり、
    　前記格子面の外形は曲線を有する形状であることを特徴とする回折格子。
  29. 　請求項２８において、
    　前記回折格子と前記開口部とに荷電粒子線を照射させる制御部
    を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
  30. 　請求項２９において、
    　前記制御部は、前記荷電粒子線の照射箇所を制御し被照射物に対し所定の方向の運動量を与える、または前記荷電粒子線の照射強度を制御し前記被照射物に対し所定の大きさの運動量を与える制御を行う
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  31. 　請求項３０において、
    　前記制御部は、前記照射箇所または前記照射強度の制御を所定の順序で実行する
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  32. 　請求項２９において、
    　前記制御部は、検出された回折像の形状に基づき、フォーカスの状態を計測する
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  33. 　請求項２９において、
    　前記荷電粒子線ではなく、光線もしくは粒子線を用いることを特徴とする光学装置。
  34. 　請求項２８において、
    　前記格子面の外形は前記曲線と直線とで構成された形状であることを特徴とする回折格子。
  35. 　請求項３４において、
    　前記回折格子と前記開口部とに荷電粒子線を照射させる制御部
    を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
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