ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ及び放出電子顕微鏡
【課題】 ウィーンフィルタの持つ収差補正の特性を十分に生かし、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えることができるウィーンフィルタ型アナライザの提供を目的とする。
【解決手段】 ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、電極１３とヨークレスコイル１４による磁極を１２極にしている。このため、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、２次収差、３次の開口収差までを消去できるような電場Ｅと磁場Ｂを発生することができるようになった。ヨークレスコイル１４は、磁極をコイルのみに置き換えたものであり、コイル受け台１５上に配設されている。磁極をヨークレスコイルに置き換えたことにより、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、アナライザの内径を大きくすることができ、感度を向上させることができた。また、磁性体を用いていないため、磁性体のヒステリシスを考慮しなくて良く、再現性の良い磁場を得ることができた。
【解決手段】 ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、電極１３とヨークレスコイル１４による磁極を１２極にしている。このため、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、２次収差、３次の開口収差までを消去できるような電場Ｅと磁場Ｂを発生することができるようになった。ヨークレスコイル１４は、磁極をコイルのみに置き換えたものであり、コイル受け台１５上に配設されている。磁極をヨークレスコイルに置き換えたことにより、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、アナライザの内径を大きくすることができ、感度を向上させることができた。また、磁性体を用いていないため、磁性体のヒステリシスを考慮しなくて良く、再現性の良い磁場を得ることができた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビーム光学の分野に分類され、特にウィーンフィルタを用いて特定のエネルギーを持つ電子線だけを選択するウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ及びウィーンフィルタ型エネルギーアナライザを電子レンズ系に設けたエネルギー選別型電子顕微鏡装置に関する。このエネルギー選別型電子顕微鏡装置は光電子分光装置と電子顕微鏡を組み合わせた装置であり、表面分析に広く応用される。
【背景技術】
【０００２】
エネルギーアナライザは、オージェ電子分光や光電子分光などの装置で用いられる他、電子顕微鏡において、特定のエネルギーを持った電子線だけを選んで結像させるエネルギー選別型電子顕微鏡（energy-filtering microscopy）のためにも用いられる。このような装置において、電子分光系としての性能、すなわちエネルギー分解能と感度を決める主たる要因の一つに、アナライザの収差がある。これは、アナライザの入口において許される電子ビームの開き角の上限を決めるものである。この収差を小さくすればするほど電子を取り込める角度が広がり、ある一定のエネルギー分解能のもとでの感度を向上させることができる。同じことであるが、ある一定の感度のもとでのエネルギー分解能を向上させることができる。逆に、この収差が大きいと、アナライザの出口、つまりエネルギー選別面においてビームがボケてしまい、エネルギー分解能と感度を損なうことになる。そこで、アナライザの収差を低減する問題は、電子分光装置の性能を向上させるための重要な課題となる。
【０００３】
従来、下記特許文献１に記載のように、エネルギーアナライザとしてウィーンフィルタが用いられている。ウィーンフィルタは、互いに直交する電場と磁場からなる。このウィーンフィルタにおいては、ある特定のエネルギーを持った電子に対しては、電場と磁場からの力が打ち消し合い、その電子はフィルタを通過できるが、そうでない電子は、偏向されて通過できなくなる。
【０００４】
ウィーンフィルタは、他の種類のエネルギーアナライザに比べて次の特徴がある。まず、他のアナライザが例外なく光軸が曲線であるのに対し、ウィーンフィルタだけが光軸が直線である。これは、電子分光系の他の光学要素が、ほとんどの場合軸対称レンズで構成されるという事実と整合し、軸合わせや光学調整を容易にする。これは特に、調整が微妙になるエネルギー選別型顕微鏡においては、非常に重要な長所となる。
【０００５】
また、他のエネルギーアナライザは、種類によって収差係数が決まってしまう。例えば、電子分光装置で最も多く用いられている静電半球エネルギーアナライザ（ＨＳＡ）では、その光軸の半径をｒ０ とすると、入射角α０ の時の出口でのエネルギー分散方向のビームの収差Δｘは、Δｘ＝２ｒ０α０２ で与えられる。この２ｒ０は２次の開口収差係数と呼ばれる。エネルギーアナライザの性能を決めるのは、エネルギー分散方向において入射角のｎ乗に比例する収差であり、これはｎ次の開口収差と呼ばれる。ｎが小さいほど収差の影響が大きく、２次が最低次である。開口収差が何次から始まるかでエネルギーアナライザの性能の程度が分かる。ＨＳＡでは、この収差を有効に補正する方法がなく、収差の程度としては大きい部類に入る。
【０００６】
これに対し、ウィーンフィルタでは、電場と磁場をつくる電極と磁極の形状、或いはそれらにかける電圧と励磁を調整することにより、収差補正が可能である。
【０００７】
図１７は、現在、エネルギー選別型Ｘ線光電子放出顕微鏡で使用されているウィーンフィルタ型アナライザの断面図である。このウィーンフィルタ型アナライザは、４つの電極１、２、３及び４と、２つの磁極５及び６からなる。図１７では、電極１と磁極５は、電極と磁極を兼ねた電磁極からなる。また、電極３と磁極６も、電極と磁極を兼ねた電磁極からなる。このウィーンフィルタ型アナライザの原理は直交した電場Ｅと磁場Ｂを使って、電子に働く静電気力とローレンツ力の釣り合いから特定運動エネルギーの電子を選別する。
【０００８】
図１８は、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザの電子の選別原理を示す図である。４つの電極１、２、３及び４によって形成された電場Ｅと、２つの磁極５及び６によって形成された磁場Ｂの中を電子が進行する。特定運動エネルギー以外の電子はスリット７を使って進行を遮断する。
【０００９】
ウィーンフィルタ内の電子の一次軌道方程式は下記（１）式及び（２）式によって表される。
【数１】
【数２】
【００１０】
ただし、（１）式及び（２）式にあって、ｘ，ｙは光軸ｚに直交しており、ｘ方向がエネルギー分散方向となる。またｖはウィーンフィルタ内の電子の速度であり、１／２ｍｖ２＝ｅφ０の関係を持つ。
【００１１】
特定運動エネルギーの電子を選別するための条件として（１）式の右辺を０にする直進条件が（３）式で与えられる。
【数３】
【００１２】
これは電揚Ｅと磁場Ｂの双極子成分を必要とするため、最低２個の電極と磁極を必要とする。またｘ方向とy方向のレンズ作用を同じにするための条件として（１）、（２）式の第２項目が同じになるための条件が（４）式で与えられる。
【数４】
【００１３】
これは少なくとも電場Ｅ、或いは磁場Ｂの４極子成分を必要とする。このため、ここで挙げている装置では、４つの電極１、２、３及び４を用いているわけである。
【００１４】
図１９は４極子成分を使用した場合（上図）と、２極子成分を使用した場合（下図）の電子の軌道を比較する図である。横軸は光軸ｚ上の距離である。ｚ軸上で像面が形成される位置を０として、前後の距離を±の数値で示している。縦軸は光軸ｚに垂直なｘ軸、ｙ軸上の距離を示している。光軸ｚの位置を０とし、上下の距離を±の数値で示している。この図からも４極子成分を使用した場合（上）の方が、入射する電子の角度を大きくし、かつ出口では電子の軌道を絞ることができるのが明らかである。
【００１５】
以上がここで挙げている装置のエネルギー分散の原理であるが、レンズ条件を含めた動作は以下の通りとなる。まず最初に減速レンズを使って電子の運動エネルギーをある一定量だけ下げる。そして、図１８のアナライザの入口に、図２０に示す回折面８、すなわち焦点を持ってくる。そしてアナライザの中心に像面９を持って来て、アナライザの出口にはその入口と共役になる回折面１０を持ってくる。すなわち、図２０に示すように、アナライザ入口のビームに対してアナライザのレンズ作用を使って出口に焦点を持ってくる。アナライザ内を通過する間に特定運動エネルギー以外の電子を分散させ、出口に設置されているスリット７を使って所望の運動エネルギーの電子を取り出す仕組みになっている。さらにスリット７を通過した電子は、加速レンズによって元の運動エネルギーまで加速される。
【特許文献１】特開平１１−２３３０６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、従来のウィーンフィルタ型アナライザでは、磁極に使うヨークがコア装置の大部分を占めるため、電子の通過する内径を大きくすることができず、そのため、ウィーンフィルタの性能を以下の理由から十分発揮することができなかった。
【００１７】
一つはウィーンフィルタの持つ収差補正の特性を十分に生かせないことである。仮にウィーンフィルタの持つ収差補正の特性を十分に生かして、アナライザの収差補正を行なった場合、大角度で入射する電子を取り込んでもアナライザ出力で与えられる収差が小さくなるためエネルギー分解能の低下を招くことがない。しかしながら、実際には大角度で入射する電子は、軌道の半径方向が大きくなる。光軸方向をｚとし、アナライザ入力ｚ＝ｚ０において、ｘ（ｚ０）＝０，ｘ'（ｚ０）＝tanα０の初期条件を与え、上記（１）式、（２）式を解くと軌道の半径方向の成分ｒが（５）式として与えられる。
【数５】
【００１８】
ただし、α０，Ｌはそれぞれ入射角度とアナライザの長さに対応する。（５）式より入射角度を大きくするほど、軌道の半径方向の成分ｒが大きくなることが分かる。したがって、アナライザで損失する電子に起因する感度の低下を招かずに収差補正を行なうためには、アナライザで損失する電子を低減するために、アナライザの内径を大きくすることが必要となる。
【００１９】
もう一つはエネルギー分解能を大きくすることができないことである。ウィーンフィルタのエネルギー分解能ΔＥは、（６）式で表される。
【数６】
【００２０】
ただし、ｄ，φ０はそれぞれアナライザ出力に対するスリット幅と電子の運動エネルギーである。（６）式からＬを大きくするほど、エネルギー分解能が向上することが分かる。すなわち光軸ｚ方向に長いウィーンフィルタほど性能の良いウィーンフィルタとなる。しかしながら（５）式から分かるようにＬを大きくすると軌道の半径方向の成分ｒ（ｚ）も大きくなるため、エネルギー分解能を向上させるためには、やはりアナライザの内径を大きくすることが必要となる。
【００２１】
このように磁極にヨークとコアを使用した場合、軌道の半径方向の成分ｒに制限され、アナライザのサイズを大きくすることは困難であり、アナライザの性能を十分に発揮することができなかった。
【００２２】
一方で、磁極を単にコイルに変更しただけでは磁場と電場を同一位置から発生することができない。特に双極子成分は電子に偏向を与える場であり、磁場と電場の光軸上のポテンシャル分布が大きく異なっていると、アナライザ内で収差を増大させることとなっていた。
【００２３】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、ウィーンフィルタの持つ収差補正の特性を十分に生かし、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えることができるウィーンフィルタ型アナライザの提供を目的とする。また、エネルギー分解能を向上させてアナライザの性能を十分発揮できるウィーンフィルタ型アナライザの提供を目的とする。
【００２４】
また、本発明は、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えことができ、材料の表面分析を高精度に行なうことができるエネルギー選別型電子顕微鏡の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明に係るウィーンフィルタ型エネルギーアナライザは、前記課題を解決するために、ウィーンフィルタを用いて特定のエネルギーを持つ電子を選択するウィーンフィルタ型エネルギーアナライザにおいて、真空部内の電子線の経路上に電場を形成するために真空部内に配置される複数ｎ（ｎは自然数）の電極と、前記真空部内に磁場を形成するために前記真空部外の大気中に配置される複数ｎのヨークレスコイルとを備え、さらに前記電場と前記磁場のそれぞれのポテンシャルの双極子成分とを一致させる。
【００２６】
このウィーンフィル型エネルギーアナライザは、真空中の電極と、磁極をコイルのみに置き換えて大気中に設置するヨークレスコイルとを備えるウィーンフィルタ型エネルギーアナライザであり、かつ電場のポテンシャルと前記磁場のポテンシャルの双極子成分とを一致させている。電場のポテンシャルと前記磁場のポテンシャルの双極子成分とを一致させるためには、アナライザ出入口の電場のポテンシャルの双極子成分の強度を下げて磁極のポテンシャルと一致させるよう電極にテーパを付けるという手段がある。また、アナライザ出入口の磁場のポテンシャルの双極子成分の強度を上げて電場のポテンシャルと一致させるようコイルの光軸方向の長さを電極より長くするという手段もある。
【００２７】
本発明に係るエネルギー選別型電子顕微鏡は、前記課題を解決するために、量子線を発生する量子線源と、前記量子線源から発生された量子線が照射される試料を載置する試料ステージと、前記試料ステージ上に載置された試料から放出された電子が入射されて特定のエネルギーを持った電子だけを選ぶウィーンフィルタ型エネルギーアナライザと、前記ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザにて選択された電子の像が結像されるスクリーンと、前記スクリーン上の像を撮影する撮影部と、前記撮影部により撮影された像を表示する表示部とを備え、前記ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザは、電子の通過する真空部内に電場を形成するために真空部内に配置される複数ｎ（ｎは自然数）の電極と、前記真空部内に磁場を形成するために前記真空部外の大気中に配置される複数ｎのヨークレスコイルとを備え、前記電場と前記磁場のそれぞれのポテンシャルの双極子成分とを一致させる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係るウィーンフィルタ型エネルギーアナライザは、ウィーンフィルタの持つ収差補正の特性を十分に生かし、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えることができる。また、エネルギー分解能を向上させてアナライザの性能を十分発揮できる
本発明に係るエネルギー選別型電子顕微鏡は、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えことができるので、材料の表面分析を高精度に行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。この実施の形態は、エネルギー選別型電子顕微鏡又は放出電子顕微鏡に用いられる電子レンズ系を構成するウィーンフィルタ型エネルギーアナライザである。ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザは、エネルギー選別型電子顕微鏡の電子線源から試料に照射された電子線により試料から放出された電子のうち、特定のエネルギーを持つ電子だけを選んで蛍光スクリーンに結像させる。
【００３０】
図１は、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１の側面側から見た断面図であり、入口１１−ＩＮを左側にし、出口１１−ＯＵＴを右側にした長手方向の断面を示している。図２、図３、図４は、図１中に示した入口１１−ＩＮ付近、中心１１−ＣＥＮ付近、出口１１−ＯＵＴ付近の各断面図であり、長手方向に垂直な方向の断面を示している。
【００３１】
ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、チャンバー１２内の真空中に設けた１２個の電極１３と、チャンバー１２外の大気中に設けた１２個のヨークレスコイル１４とを有してなる。すなわち、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、電極１３とヨークレスコイル１４による磁極を１２極にしている。このため、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、２次収差、３次の開口収差までを消去できるような電場Ｅと磁場Ｂを発生することができるようになった。
【００３２】
ヨークレスコイル１４は、磁極をコイルのみに置き換えたものであり、コイル受け台１５上に配設されている。磁極をヨークレスコイルに置き換えたことにより、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、アナライザの内径を大きくすることができ、感度を向上させることができた。また、磁性体を用いていないため、磁性体のヒステリシスを考慮しなくて良く、再現性の良い磁場を得ることができた。
【００３３】
また、このウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、光軸方向のアナライザの長さを従来のアナライザよりも長くしている。このため、エネルギーの分解能を向上させることができた。
【００３４】
また、シャント１７は、アナライザ入口１１−ＩＮ及び出口１１−ＯＵＴにてそれぞれ断面が矩形である。さらに、シャント１７は、チャンバー１２内部の真空中に配置されており、チャンバー１２の外部の大気側に配置された磁気遮蔽シールド１９と磁気的に閉じるように設計されている。このため、電場Ｅと磁場Ｂのポテンシャルの双極子成分のフリンジを一致させることができる。シャント１７は、減速レンズの減速電極の電位に等しい。
【００３５】
また、このウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、アナライザ入口１１−ＩＮ及び出口１１−ＯＵＴの電場Ｅのポテンシャルの双極子成分の強度を下げて磁極１４のポテンシャルと一致させるよう各電極１３に、入口１１−ＩＮ及び出口１１−ＯＵＴに向けて電極１３の厚みを滑らかに薄くするようなテーパを付けている。言い換えると、中心１１−ＣＥＮの周辺では断面の厚みを平行としているが、入口１１−ＩＮ及び出口１１−ＯＵＴに向けてテーパを付けて電極１３の厚みを徐々に薄くしている。
【００３６】
さらに、アナライザ入口１１−ＩＮ及び出口１１−ＯＵＴの磁場Ｂのポテンシャルの双極子成分の強度を上げて電場のポテンシャルと一致させるようヨークレスコイル１４の光軸ｚ方向の長さＭを電極の長さＮより長くしている（Ｍ＞Ｎ）。
【００３７】
なお、１２個の各電極１３間の間隙と、各電極１３とチャンバー１２の筐体との間隙はガイシ１６により絶縁されている。
【００３８】
図２に示した入口１１−ＩＮの断面図には、破線で電極１３を示している。入口ＩＮ付近では、矩形状のシャント１７によって電極１３は隠れているがシャント１７の延長上に電極１３が位置しているので、入口付近の電極１３の構成を明らかにするため記載している。つまり、アナライザ入口１１−ＩＮの磁場Ｂのポテンシャルの双極子成分の強度を上げて電場のポテンシャルと一致させるよう光軸ｚ方向の長さをＭとしたヨークレスコイル１４と、Ｍよりも短い長さＮの電極１３は、入口１１−ＩＮから若干中心側に向かったところでは、後述の開口１８に向かって同芯上にチャンバー１２の筐体を挟むよう重ねて配置されている。ただし、上述したように、１２個の電極１３はチャンバー１２の内部にあるので真空中に配置されているが、１２個のヨークレスコイル１４はチャンバー１２の外部にあるので大気中に配置されている。試料から放出された電子は入口ＩＮの開口１８からアナライザ１１内に入る。
【００３９】
図３に示した中央部１１−ＣＥＮ付近の断面図によれば、各電極１３は入口１１−ＩＮ付近及び出口１１−ＯＵＴ付近の各電極１３よりも厚くしているのが分かる。つまり、各電極１３は入口１１−ＩＮ付近及び出口１１−ＯＵＴ付近の方が中央部１１−ＣＥＮよりも薄くしてある。これにより、上述したように、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、アナライザ入口１１−ＩＮ及び出口１１−ＯＵＴの電場Ｅのポテンシャルの双極子成分の強度を下げて磁極１４のポテンシャルと一致させることができる。また、このウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、ＧＮＤ電位に等しい磁気シールド１９によって覆われている。磁気シールド１９は、チャンバー１２の外部の大気側に配置されているが、チャンバー１２内部の真空中に配置されているシャント１７とは磁気的に閉じるように設計されている。
【００４０】
図４に示した出口ＯＵＴ付近の断面図にも、破線で電極１３を示している。出口ＯＵＴ付近でも、シャント１７によって電極１３は隠れているがシャント１７の延長上に電極１３が位置しているので説明の都合上記載している。つまり、アナライザ出口１１−ＯＵＴの磁場Ｂのポテンシャルの双極子成分の強度を上げて電場のポテンシャルと一致させるよう光軸Ｌ方向の長さをＭとしたヨークレスコイル１４と、Ｍよりも短い長さＮの電極１３は、出口１１−ＯＵＴから若干中心側に向かったところでは、光軸ｘに向かって同心上にチャンバー１２の筐体を挟むよう重ねて配置されている。試料から放出された電子は出口ＯＵＴの開口２１の径に略等しい通過部を有するスリット５６によって選別されてアナライザ１１外に出る。スリット５６は、減速電極の電位に等しい。スリット５６によって選別されてアナライザ１１から出た電子は、電場形成用電極２０によって形成された電場の中を進行する。電場形成用電極２０は、減速電極の電位に等しい。
【００４１】
以下には、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１の形状を図１乃至図４に示した形状した理由を、前提となる要件と、特徴となる要件にしたがって説明する。
【００４２】
まず、電場ポテンシャル２８と磁場ポテンシャル２９の一致のための前提となる要件を説明する。ウィーンフィルタ型アナライザ内の電磁場は電場及び磁場のポテンシャルΦ（x,y）及びΨ（x、y)を多重展開することにより（７）式、（８）式で表される。
【数７】
【数８】
【００４３】
ここで、各項は、多極子成分のポテンシャルを表す。
【００４４】
収差補正を行うためにウィーンフィルタ型アナライザの持つ収差の定式化が必要であり、収差係数は、式中に現れる多極子成分ポテンシャルの係数E1,B1,E2,B2,E3,B3,E4,B4で表される。ここで述べられている収差補正とは収差係数をゼロにすることで、収差を消去することである。なおここで補正されるのは２次収差と３次開口収差である。収差係数がゼロになるようなポテンシャルの係数を電気的、磁気的に与えるためには、電極、磁極を多極に配置しなければならない。そして必要なポテンシャル分布を得るためには、必要とされる電圧値、電流値の計算法が確立されている必要がある。また電極と磁極を精度良く配置する必要がある。前者に関しては収差係数をゼロにするようなポテンシャルの係数と（７）式，（８）式を用いて電圧、電流値を算出することが出来なければならないが，このような計算例は電極が４つ，磁極が２つの多極子ウィーンフィルタ型アナライザでも応用されており，実現可能である。一方、多極子型の電極と磁極の精度を出すための配置は、偏向器を製作するための技術を用いれば十分可能である。
【００４５】
アナライザのエネルギー分散長を増すためには、アナライザ内を通過する電子の運動エネルギーが低い方が望ましい。そのため，アナライザ入口の直前に減速レンズを挿入する。この方式は、すでに多くのエネルギーアナライザで採用されている方式で技術的な面は十分確立している。
【００４６】
次に、ウィーンフィルタ型アナライザ１１を図１に示した形状にした理由の要部をなす、本発明の特徴となる要件を説明する。図５は、収差補正を行うことによって大角度で入射される電子を取り込んでも出口でのスポットサイズを小さくできることを示す図である。図５（ａ）は比較例として挙げたものであり、収差補正をしていない場合のアナライザ出口でのスポット形状である。ｘ軸及びｙ軸方向ともに収差が生じている。図５（ｂ）は収差補正をした場合のアナライザ出口でのスポット形状である。若干残っている収差は後段のスリットにより取り除くことが可能である。
【００４７】
また、図６は、収差を低減するために必要な電極、磁極の数は、ポテンシャルの多極子成分制御の観点から１２極が適することを、数値計算より示した図である。図６（ａ）は電極、磁極の数を８極として行なった収差補正の特性を示している。８極の場合の収差補正では、ｘ軸及びｙ軸に収差がかなり残っているのが分かる。図６（ｂ）は電極、磁極の数を１０極として行なった収差補正の特性を示している。まだ、ｘ軸及びｙ軸に収差が残っているのが分かる。図６（ｃ）は電極、磁極の数を１２極として行なった収差補正の特性を示している。図６（ａ）及び（ｂ）に示した８極及び１０極の収差よりも収差が補正されたのが分かる。また、図６（ｄ）は電極、磁極の数を１８極として行なった収差補正の特性を示しているが、図６（ｃ）に示した１２極の場合とほとんど変わらない補正状況なので、コストの面を考慮すれば、１２極が適すると判断できる。
【００４８】
図７は、電極及び磁極２５を１２個用いた１２極子のウィーンフィルタを示す図である。図７（ａ）は長手方向に沿って側面側から見た断面図であり、図７（ｂ）は長手方向に垂直な断面図である。１２個の電極及び磁極２５は、光軸Ｌに平行な軸ｚ方向に均一の厚さで形成されている。
【００４９】
このように、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザは、収差補正を行なうことが必要であり、さらに収差補正を効率よく行なうためにはポテンシャルの多極子成分制御を必要とするので、アナライザの構成は、電極、磁極が多数取り付けられた、例えば１２極子のような多極子型になる。この多極子型により、収差補正を行うことによって大角度で入射される電子を取り込んでも出口でのスポットサイズが小さく高エネルギー分解能を実現できる。
【００５０】
ところで、大角度でアナライザに入射される電子をエネルギー選別する際、少ないロスでアナライザ出口まで電子を輸送するために電子が通過する内径の大口径化を図る必要がある。大口径化を図るのには、磁極を構成するヨーク、コアを取り除くことによって磁極をコイルのみに置き換える方法がある。
【００５１】
図８（ｂ）は磁極をコイル２６にしたウィーンフィルタの構成を示す図である。同心円上に配設した１２個のコイル２６の内部には、同じく同心円上に１２個の電極２７を配設している。アナライザの内径はｄｂである。比較のため、図８（ａ）には電磁極２８を１２個用いたウィーンフィルタの構成を示す。アナライザの内径はｄａである。図８（ｂ）に示すように、磁極をコイル２６にしたウィーンフィルタの方がアナライザの内径ｄｂを拡大できることが分かる（ｄｂ＞ｄａ ）。
【００５２】
しかしながら、コイル２６は冷却方法の観点から真空内に配置することが困難であるため、電極２７とコイル２６を同一位置に配置することは難しく、光軸ｘ方向に同一長さの電極２７とコイル２６を配置しただけでは電子の偏向に寄与する電場Ｅ、磁場Ｂのポテンシャルの双極子成分を一致させることができなかった。
【００５３】
そこで、本実施の形態のウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、両者のポテンシャルの双極子成分を一致させるために電極形状とコイル、シャントに以下の（I）、（II）、（III）、（IV）に挙げる特徴を持たせて、上記図１、図２、図３及び図４の構成とした。
【００５４】
(I)アナライザ出入口の電場のポテンシャルの双極子成分の強度を下げるために電極にテーパを付けた。（II）アナライザ出入口の磁場のポテンシャルの双極子成分の強度を上げるためにコイルの光軸方向の長さを電極より長くした。（III）両者のポテンシャルの双極子成分のフリンジを一致させるためにシャント形状に特徴を持たせた。（IV）大気側に配置されている磁気遮蔽シールドと真空側に配置されているシャントが磁気的に閉じるようにした。
【００５５】
以上に挙げた特徴にしたがって、ウィーンフィルタ型アナライザ１１は多極化、磁極のコイル化、電極、磁極形状の最適化を実現した。このため、ウィーンフィルタ型アナライザ１１は高透過率のアナライザを実現できた。
【００５６】
図９は、ウィーンフィルタ型アナライザ１１を用いた収差補正の前後での光軸方向のポテンシャル分布を比較する図である。図９（ａ）は補正前のポテンシャルの分布を示し、図９（ｂ）は補正後のポテンシャルの分布を示す。収差補正前の光軸方向のポテンシャル（図９（ａ））では電場ポテンシャル２８と磁場ポテンシャル２９が不一致であるが、補正後の光軸方向のポテンシャル（図９（ｂ））では電場ポテンシャル２８と磁場ポテンシャル２９が一致した。
【００５７】
以上に説明したように、本実施の形態のウィーンフィルタ型アナライザ１１は、チャンバー内の真空中に１２個の電極１３と、チャンバー外の大気中に１２個のヨークレスコイル１４を有し、かつアナライザ出入口の電場Ｅのポテンシャルの双極子成分の強度を下げて磁極のポテンシャルと一致させるよう電極１３にテーパを付け、さらに、アナライザ出入口の磁場Ｂのポテンシャルの双極子成分の強度を上げて電場Ｅのポテンシャルと一致させるようにコイルの光軸方向の長さを電極の光軸方向の長さより長くしたので、ウィーンフィルタの持つ収差補正の特性を十分に生かし、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えることができる。また、エネルギー分解能を向上させてアナライザの性能を十分発揮することができる。
【００５８】
次に、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１を電子レンズ系に内蔵した、エネルギー選別型電子顕微鏡について説明する。
【００５９】
本手法は量子線（電子線、光子、荷電粒子等）を線源とすることができるが、量子線の一つの例である光子を使った場合を以下に説明する。
【００６０】
図１０はエネルギー選別型電子顕微鏡の正面図であり、図１１は側面図である。エネルギー選別型電子顕微鏡３０は、特性Ｘ線を発生する光源であるＸ線源３１と、Ｘ線源３１から発生された特性Ｘ線が照射される試料を乗せるためのステージ３２とその駆動機構である試料ステージ駆動機構３３と、試料を分析するための分析室３４と、試料の準備を行うための試料準備室３５と、試料準備室３５から分析室３４へ試料を移動するマニュピレータ３６と、分析室３４及び試料準備室３５を真空にする排気系３７と、排気系３７の排気システムをコントロールする排気系コントローラ３８とを備える。また、エネルギー選別型電子顕微鏡３０は、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１を内蔵する電子レンズ系３９と、電子レンズ系３９をコントロールする電子レンズ系コントローラ４０と、Ｘ線源３１によるＸ線の発生をコントロールするＸ線発生用コントローラ４１とを備える。また、エネルギー選別型電子顕微鏡３０は、電子レンズ系３９を制御するためのソフトがインストールされているシステム制御用パーソナルコンピュータ４２と、電子レンズ系３９を介して像を取得するＣＣＤカメラ４３と、ＣＣＤカメラ４３から得られた画像を写すＣＲＴ４４とを備える。
【００６１】
Ｘ線源３１は、試料表面の内殻電子及び二次電子を励起するための光源である。強い光源を用いるほど多くの光電子が得られる。ここでは、特性Ｘ線を用いて、分光結晶部（１０−６Ｐａ程度）において単色化、及び集光され、試料表面に光が照射される。Ｘ線光源３１は、図１０の正面図では紙面よりも手前側から、また図１１の側面図を見ると分かるように斜め下方向に向かって特性Ｘ線を出射する。Ｘ線源３１はＸ線発生コントローラ４１と電気的に接続している。Ｘ線発生コントローラ４１は、Ｘ線源３１にＸ線を発生させ、制御するための電源、及びコントローラを格納している。Ｘ線光源３１から出射された特性Ｘ線は、図示を省略する光路折曲部により光路が折り曲げられ、試料ステージ駆動機構３３のステージ３２上の試料に導かれる。つまり、Ｘ線光源３１と試料ステージ駆動機構３３は機械的に接続している。
【００６２】
試料ステージ駆動機構３３は、試料を乗せたステージ３２を、ｘ，ｙ，ｚなどの方向に動かしたり、θ，φなどの角度に傾けることができる。この試料ステージ駆動機構３３によって試料の位置が調整される。この試料ステージ駆動機構３３は、後述の分析室３４と機械的に接続している。
【００６３】
分析室３４は、内殻電子を用いて電子レンズ系を使い、試料を分析するための超高真空槽である。真空の度合いは１０−８Ｐａ程度である。また、試料準備室３５は、試料の挿入、表面の清浄を行なうための１０−６Ｐａ程度の超高真空槽である。試料準備室３５はマニュピレータ３６と機械的に接続している。また、分析室３４と試料準備室３５は、機械的に接続しており、試料準備室３５により挿入され、表面が清浄された試料は、マニュピュレータ３６によって分析室に移動される。
【００６４】
排気系３７は分析室３４、試料準備室３５を超高真空に排気するためのシステムを格納している。排気系３７は排気系コントローラ３８と電気的に接続しており、排気系コントローラ３８は排気系３７をコントロールするシステムを組み込んでいる。
【００６５】
電子レンズ系３９は、分析室３４と機械的に接続しており、試料からの放出電子が入射されると、電子を集光し、角度制限、視野制限を行なってから減速し、ウィーンフィルタ型アナライザ１１に通す。ウィーンフィルタ型アナライザ１１は前述したように、特定運動エネルギーの電子のみを選別し、蛍光スクリーンに結像させる。
【００６６】
電子レンズ系コントローラ４０は、電子レンズ系３９と電気的に接続しており、電子レンズ系３９の電圧、電流を制御するためのコントローラ、及び電源を格納している。電子レンズ系コントローラ４０は、システム制御用パーソナルコンピュータ４２にも電気的及び機械的に接続している。システム制御用パーソナルコンピュータ４２は、電子レンズ系３９に適切な電圧、電流を与えるためのソフトがインストールされている。
【００６７】
システム制御用パーソナルコンピュータ４２は、ＣＣＤカメラ４３及びＣＲＴ４４にも電気的に接続している。ＣＣＤカメラ４３は、電子レンズ系３９の蛍光スクリーン上に写された像を取得、保存するために使われる。ＣＲＴ４４は、ＣＣＤカメラ４３から得られた画像を映し出すための表示部である。また、システム制御用パーソナルコンピュータ４２は、試料ステージ駆動機構３３とも電気的に接続している。また、システム制御用パーソナルコンピュータ４２は、ＣＣＤカメラ４３から得られる画像信号を取り込み、保存する。
【００６８】
次に、図１０に示したエネルギー選別型電子顕微鏡３０の動作について説明する。
【００６９】
まず、排気系コントローラ３８のコントロールの基に排気系３７が試料準備室３５、分析室３４及び電子レンズ系３９内の排気を行なう。試料準備室３５により挿入され、表面が清浄された試料は、マニュピレータ３６によって分析室３４ないの試料ステージ３２に移動される。試料を載せた試料ステージ３２は、試料ステージ駆動機構３３の駆動によって適切な位置に移動される。
【００７０】
Ｘ線発生用コントローラ４１は、適切な管電圧、管電流をＸ線源（Ｘ線発生装置）３１に与える。Ｘ線源３１は、特性Ｘ線を発生し、この特性Ｘ線は分析室３４内の試料ステージ３２上の試料に照射される。システム制御用パーソナルコンピュータ４２は、電子レンズ系コントローラ４０へ適切な電圧値、電流値を信号を送信する。電子レンズ系コントローラ４０は、電子レンズ系３９に、システム制御用パーソナルコンピュータ４２の制御に基づいた適切な電圧、電流値を供給する。
【００７１】
すると、特性Ｘ線の照射により試料から放射された電子は電子レンズ系３９に入射し、集光され、角度制限、視野制限が行なわれてから減速され、ウィーンフィルタ型アナライザ１１を通される。ウィーンフィルタ型アナライザ１１は、前述した動作により、特定運動エネルギーの電子のみを選別し、蛍光スクリーンに結像させる。
【００７２】
蛍光スクリーン上に結像された像は、ＣＣＤカメラ４３によって撮影され、ＣＲＴ４４に画像化される。ＣＣＤカメラ４３によって撮影された画像信号は、システム制御用パーソナルコンピュータ４２に取り込まれ、内蔵のＨＤＤ，ＲＡＭなどの記憶媒体に保存される。
【００７３】
まず、図１２は、電子レンズ系３９の第１具体例である電子レンズ系３９−１の詳細な構成を示す図である。この構成図には、電子軌道及びポテンシャル分布も示している。以下の各具体例でも同様である。
【００７４】
電子レンズ系３９−１は、対物レンズ５１と、インプットレンズ５２と、インプットレンズ５２内の角度制限絞り５３と、同じくインプットレンズ５２内の視野制限絞り５４と、減速レンズ５５とを備える。また、電子レンズ系３９−１は、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１と、出口スリット５６と、投影レンズ５７と、電子の増倍機構であるＭＣＰ５８と、蛍光スクリーン５９とを備える。さらに、各レンズ間には、電子レンズ系の光軸を補正するための偏向器（図示せず）が設けられている。なお、電子レンズ系３９−１の電極間はガイシによって絶縁されている。
【００７５】
対物レンズ５１は、磁界型対物レンズを用いて、電子を集光するために用いられるレンズである。インプットレンズ５２は、像の拡大と像の形成に使われるレンズである。角度制限絞り５３は、試料から放出される光電子で電子レンズの光軸に対して大角度で入射する電子を制限するための開口で、これを使うことにより電子レンズの球面収差を低減することができる。視野制限絞り５４は、顕微鏡で観測する視野を制限するために用いられる。
【００７６】
減速レンズ５５は、アナライザに入射する電子の速度を減速するレンズである。アナライザ１１を通過する電子を遅くするほど、分散の効果を長い時間受けることができ、エネルギー分解能を上げることができる。このため、減速レンズ５５により電子を減速する。
【００７７】
ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、図１乃至図４などを用いて説明したように、チャンバー内の真空中に１２個の電極１３と、チャンバー外の大気中に１２個のヨークレスコイル１４を有し、かつアナライザ出入口の電場Ｅのポテンシャルの双極子成分の強度を下げて磁極のポテンシャルと一致させるよう電極１３にテーパを付け、さらに、アナライザ出入口の磁場Ｂのポテンシャルの双極子成分の強度を上げて電場Ｅのポテンシャルと一致させるようにコイルの光軸方向の長さを電極の光軸方向の長さより長くしたので、ウィーンフィルタの持つ収差補正の特性を十分に生かし、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えて、特定運動エネルギーの電子を選別することができる。また、エネルギー分解能を向上させてアナライザの性能を十分発揮して、特定運動エネルギーの電子を選別することができる。
【００７８】
出口スリット５６は、特定運動エネルギー付近の電子のみを通過するための仕切りである。投影レンズ５７は像を拡大するためのレンズである。ＭＣＰ５８は、輸送された電子を増倍して感度を上げるための電子の増倍機構である。蛍光スクリーン５９は、電子を実際の光に変換するための機構である。
【００７９】
したがって、この電子レンズ系３９−１を備えてなるエネルギー選別型電子顕微鏡３０を第１実施例とすると、この第１実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−１は、アナライザ１１で損失する電子を低減して感度の低下を抑えことができるので、材料の表面分析を高精度に行なうことができる。
【００８０】
これは、電子レンズ系３９−１内に設けたウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１が以下の効果を奏するからである。すなわち、エネルギー選別型電子顕微鏡３０−１の電子レンズ系３９−１に用いられるウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、電極とヨークレスコイルによる磁極を１２極にしているので、２次収差、３次の開口収差までを消去できるような電場Ｅと磁場Ｂを発生することができるようになった。また、磁極をヨークレスコイルに置き換えたことにより、アナライザの内径を大きくすることができ、感度を向上させることができた。また、磁性体を用いていないため、磁性体のヒステリシスを考慮しなくて良く、再現性の良い磁場を得ることができた。
【００８１】
また、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、光軸方向のアナライザの長さを長くしたので、エネルギーの分解能を向上させることができた。
【００８２】
また、電極にテーパを付けることにより、アナライザ出入口の電場のポテンシャルの双極子成分の強度を下げて静電ポテンシャルと磁場のスカラーポテンシャルの双極子成分を一致させることができた。また、コイルの光軸方向の長さを電極より長くして、アナライザ出入口の磁場のポテンシャルの双極子成分の強度を上げて静電ポテンシャルと磁場のスカラーポテンシャルの双極子成分を一致させることができた。
【００８３】
また、シャント形状を矩形にしたので、両者のポテンシャルの双極子成分のフリンジを一致させることができた。
【００８４】
また、大気側に配置されている磁気遮蔽シールドと真空側に配置されているシャントが磁気的に閉じるように設計したので、両者のポテンシャルの双極子成分のフリンジを一致させることができた。
【００８５】
図１３は、電子レンズ系３９−２の詳細な構成を示す図である。この電子レンズ系３９−２もウィーンフィルタ型アナライザ１１を有してなり、減速レンズ５５によりアナライザに入射する電子の速度を遅くしている構成であるが、電子レンズ系３９−１とは、出口スリット５６の後に、スティングメータ６０を用いていることが異なる。スティングメータは、投影レンズ５７の先端部分に配設されており、アナライザ１１から出た電子の非点収差を補正するためのレンズである。他の構成は電子レンズ系３９−１と同様であるので説明を省略する。
【００８６】
したがって、この電子レンズ系３９−２を備えてなる、第２実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−２は、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えことができ、さらに非点収差を補正できるので、材料の表面分析を高精度に行なうことができる。
【００８７】
図１４は、電子レンズ系３９−３の詳細な構成を示す図である。この電子レンズ系３９−３もウィーンフィルタ型アナライザ１１を有してなり、減速レンズ５５によりアナライザに入射する電子の速度を遅くしている構成であるが、第１の実施例である電子レンズ系３９−１とは、対物レンズ５１の後にカソードオブジェクティブレンズ６１を有していることが異なる。カソードオブジェクティブレンズ６１は、サンプルホルダーに電圧を印加することによって使用される。他の構成は電子レンズ系３９−１と同様であるので説明を省略する。
【００８８】
したがって、この電子レンズ系３９−３を備えてなる、第３実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−３も、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えことができるので、材料の表面分析を高精度に行なうことができる。
【００８９】
図１５は、電子レンズ系３９−４の詳細な構成を示す図である。この電子レンズ系３９−４もウィーンフィルタ型アナライザ１１を有してなり、減速レンズ５５によりアナライザに入射する電子の速度を遅くしている構成であるが、第１の実施例である電子レンズ系３９−１とは、対物レンズ５１の後にビームセパレータ６２を有していることが異なる。
【００９０】
この電子レンズ系３９−４を有する第４実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−４は、第１実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−１と異なり、Ｘ線源を用いるのではなく、電子銃を用いている。このため、図１０及び図１１に示した構成図においては、電子銃７１から試料ステージ３２上の試料に電子線を照射する。このため、電子銃コントローラ７２をＸ線発生用コントローラ４１の替わりに備えている。電子銃コントローラ７２は、電子銃７１と電気的に接続しており、電子銃７１から電子線を発生させ、制御するための電源、及びコントローラを格納している。
【００９１】
このため、図１５に示した電子レンズ系３９−４は、前述したように、対物レンズ５１の後にビームセパレータ６２を備え、電子銃７１より出射された電子線を試料表面に対して垂直に照射し、試料表面の反射電子をインプットレンズ５２へ導くのに用いられる。
【００９２】
したがって、この第４実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−４は、電子銃７１から出射された電子線を試料に照射し、試料から放出された電子を、アナライザで損失することなくよって感度の低下を抑えて、材料の表面分析を高精度に行なうことができる。
【００９３】
図１６は、電子レンズ系３９−５の詳細な構成を示す図である。この電子レンズ系３９−５は、第１の実施例である電子レンズ系３９−１とは異なり、対物レンズ５１の後にカソードオブジェクティブレンズ６１を有している。さらに、ウィーンフィルタ型アナライザ１１の出口スリット５６の手前に加速レンズ６３を備えている点が異なる。
【００９４】
加速レンズ６３は、後段の投影レンズ５７へ送られる電子を減速レンズ５５で減速される以前の速度に戻すためのレンズである。
【００９５】
したがって、第５実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−５は、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えことができるので、材料の表面分析を高精度に行なうことができる。
【００９６】
さらに、第６実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−６としては、第１実施例のＸ線源３１の替わりに紫外光源８１を用い、Ｘ線発生用コントローラ４１の替わりに紫外線発生用コントローラ８２を用いる構成の装置を挙げてもよい。紫外光源８１は、紫外線発生用コントローラ８２から適切な管電圧、管電流が供給されて、紫外線を発生し、試料ステージ３２上の試料に照射する。他の構成及び動作は省略する。
【００９７】
また、第７実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−７としては、第１実施例のＸ線源３１の替わりに放射線源９１を用い、Ｘ線発生用コントローラ４１の替わりに放射線発生用コントローラ９２を用いる構成の装置を挙げてもよい。放射線源９１は、放射線発生用コントローラ９２から適切な管電圧、管電流が供給されて、放射線を発生し、試料ステージ３２上の試料に照射する。他の構成及び動作は省略する。
【００９８】
なお、図１乃至図４に示したウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、静電ポテンシャルと磁場のスカラーポテンシャルの双極子成分を一致させるため、電極１３にテーパを付けてアナライザ出入口の電場Ｅのポテンシャルの双極子成分の強度を下げ、かつ、コイルの光軸方向の長さを電極の光軸方向の長さより長くしてアナライザ出入口の磁場Ｂのポテンシャルの双極子成分の強度を上げているが、必ずしも両方の手段を共に使う必要はない。いずれか一方の手段により、静電ポテンシャルと磁場のスカラーポテンシャルの双極子成分を一致させることができればそれでもよい。もちろん、磁極をヨークレスコイルに換えることによってアナライザの内径を大きくすることと共にいずれかの手段を用いることは必要である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザの側面側から見た断面図である。
【図２】ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザの入口付近の断面図である。
【図３】ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザの中心付近の断面図である。
【図４】ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザの出口付近の断面図である。
【図５】収差補正をしていない場合と収差補正をした場合のアナライザ出口でのスポット形状を示す図である。
【図６】電極、磁極の数を８極、１０極、１２極及び１８極として行なった収差補正の特性図である。
【図７】電極及び磁極を１２個用いた１２極子のウィーンフィルタ型エネルギーアナライザを示す図である。
【図８】電磁極を１２個用いたウィーンフィルタと１２個の電極と１２個のコイルを用いた１２極子のウィーンフィルタの断面図である。
【図９】補正前のポテンシャルの分布と、補正後のポテンシャルの分布を示す図である。
【図１０】エネルギー選別型電子顕微鏡の正面図である。
【図１１】エネルギー選別型電子顕微鏡の側面図である。
【図１２】電子レンズ系の第１具体例の詳細な構成を示す図である。
【図１３】電子レンズ系の第２具体例の詳細な構成を示す図である。
【図１４】電子レンズ系の第３具体例の詳細な構成を示す図である。
【図１５】電子レンズ系の第４具体例の詳細な構成を示す図である。
【図１６】電子レンズ系の第５具体例の詳細な構成を示す図である。
【図１７】従来のウィーンフィルタ型アナライザの断面図である。
【図１８】ウィーンフィルタ型アナライザの電子の選別原理を示す図である。
【図１９】４極子を使用した場合と、２極子を使用した場合の電子の軌道の比較図である。
【図２０】ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザにおける回折面と像面の位置を示す図である。
【符号の説明】
【０１００】
１１ ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ、１２ チャンバー、１３ 電極、１４ ヨークレスコイル、１５ ヨーク受け台、１６ ガイシ、１７ シャント、１９ 磁気シールド、２０ 電場形成用電極、３０ エネルギー選別型電子顕微鏡、３１ Ｘ線源、３２ 試料ステージ、３３ 試料ステージ駆動機構、３４ 分析室、３５ 試料準備室、３６ マニュピュレータ、３７ 排気系、３８ 排気系コントローラ、３９ 電子レンズ系、４０ 電子レンズ系コントローラ、４１ Ｘ線用発生コントローラ、４２ システム制御用パーソナルコンピュータ、４３ ＣＣＤカメラ、４４ ＣＲＴ、５１ 対物レンズ、５２ インプットレンズ、５３ 角度制限絞り、５４ 視野制限絞り、５５ 減速レンズ、５６ 出口スリット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビーム光学の分野に分類され、特にウィーンフィルタを用いて特定のエネルギーを持つ電子線だけを選択するウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ及びウィーンフィルタ型エネルギーアナライザを電子レンズ系に設けたエネルギー選別型電子顕微鏡装置に関する。このエネルギー選別型電子顕微鏡装置は光電子分光装置と電子顕微鏡を組み合わせた装置であり、表面分析に広く応用される。
【背景技術】
【０００２】
エネルギーアナライザは、オージェ電子分光や光電子分光などの装置で用いられる他、電子顕微鏡において、特定のエネルギーを持った電子線だけを選んで結像させるエネルギー選別型電子顕微鏡（energy-filtering microscopy）のためにも用いられる。このような装置において、電子分光系としての性能、すなわちエネルギー分解能と感度を決める主たる要因の一つに、アナライザの収差がある。これは、アナライザの入口において許される電子ビームの開き角の上限を決めるものである。この収差を小さくすればするほど電子を取り込める角度が広がり、ある一定のエネルギー分解能のもとでの感度を向上させることができる。同じことであるが、ある一定の感度のもとでのエネルギー分解能を向上させることができる。逆に、この収差が大きいと、アナライザの出口、つまりエネルギー選別面においてビームがボケてしまい、エネルギー分解能と感度を損なうことになる。そこで、アナライザの収差を低減する問題は、電子分光装置の性能を向上させるための重要な課題となる。
【０００３】
従来、下記特許文献１に記載のように、エネルギーアナライザとしてウィーンフィルタが用いられている。ウィーンフィルタは、互いに直交する電場と磁場からなる。このウィーンフィルタにおいては、ある特定のエネルギーを持った電子に対しては、電場と磁場からの力が打ち消し合い、その電子はフィルタを通過できるが、そうでない電子は、偏向されて通過できなくなる。
【０００４】
ウィーンフィルタは、他の種類のエネルギーアナライザに比べて次の特徴がある。まず、他のアナライザが例外なく光軸が曲線であるのに対し、ウィーンフィルタだけが光軸が直線である。これは、電子分光系の他の光学要素が、ほとんどの場合軸対称レンズで構成されるという事実と整合し、軸合わせや光学調整を容易にする。これは特に、調整が微妙になるエネルギー選別型顕微鏡においては、非常に重要な長所となる。
【０００５】
また、他のエネルギーアナライザは、種類によって収差係数が決まってしまう。例えば、電子分光装置で最も多く用いられている静電半球エネルギーアナライザ（ＨＳＡ）では、その光軸の半径をｒ０ とすると、入射角α０ の時の出口でのエネルギー分散方向のビームの収差Δｘは、Δｘ＝２ｒ０α０２ で与えられる。この２ｒ０は２次の開口収差係数と呼ばれる。エネルギーアナライザの性能を決めるのは、エネルギー分散方向において入射角のｎ乗に比例する収差であり、これはｎ次の開口収差と呼ばれる。ｎが小さいほど収差の影響が大きく、２次が最低次である。開口収差が何次から始まるかでエネルギーアナライザの性能の程度が分かる。ＨＳＡでは、この収差を有効に補正する方法がなく、収差の程度としては大きい部類に入る。
【０００６】
これに対し、ウィーンフィルタでは、電場と磁場をつくる電極と磁極の形状、或いはそれらにかける電圧と励磁を調整することにより、収差補正が可能である。
【０００７】
図１７は、現在、エネルギー選別型Ｘ線光電子放出顕微鏡で使用されているウィーンフィルタ型アナライザの断面図である。このウィーンフィルタ型アナライザは、４つの電極１、２、３及び４と、２つの磁極５及び６からなる。図１７では、電極１と磁極５は、電極と磁極を兼ねた電磁極からなる。また、電極３と磁極６も、電極と磁極を兼ねた電磁極からなる。このウィーンフィルタ型アナライザの原理は直交した電場Ｅと磁場Ｂを使って、電子に働く静電気力とローレンツ力の釣り合いから特定運動エネルギーの電子を選別する。
【０００８】
図１８は、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザの電子の選別原理を示す図である。４つの電極１、２、３及び４によって形成された電場Ｅと、２つの磁極５及び６によって形成された磁場Ｂの中を電子が進行する。特定運動エネルギー以外の電子はスリット７を使って進行を遮断する。
【０００９】
ウィーンフィルタ内の電子の一次軌道方程式は下記（１）式及び（２）式によって表される。
【数１】
【数２】
【００１０】
ただし、（１）式及び（２）式にあって、ｘ，ｙは光軸ｚに直交しており、ｘ方向がエネルギー分散方向となる。またｖはウィーンフィルタ内の電子の速度であり、１／２ｍｖ２＝ｅφ０の関係を持つ。
【００１１】
特定運動エネルギーの電子を選別するための条件として（１）式の右辺を０にする直進条件が（３）式で与えられる。
【数３】
【００１２】
これは電揚Ｅと磁場Ｂの双極子成分を必要とするため、最低２個の電極と磁極を必要とする。またｘ方向とy方向のレンズ作用を同じにするための条件として（１）、（２）式の第２項目が同じになるための条件が（４）式で与えられる。
【数４】
【００１３】
これは少なくとも電場Ｅ、或いは磁場Ｂの４極子成分を必要とする。このため、ここで挙げている装置では、４つの電極１、２、３及び４を用いているわけである。
【００１４】
図１９は４極子成分を使用した場合（上図）と、２極子成分を使用した場合（下図）の電子の軌道を比較する図である。横軸は光軸ｚ上の距離である。ｚ軸上で像面が形成される位置を０として、前後の距離を±の数値で示している。縦軸は光軸ｚに垂直なｘ軸、ｙ軸上の距離を示している。光軸ｚの位置を０とし、上下の距離を±の数値で示している。この図からも４極子成分を使用した場合（上）の方が、入射する電子の角度を大きくし、かつ出口では電子の軌道を絞ることができるのが明らかである。
【００１５】
以上がここで挙げている装置のエネルギー分散の原理であるが、レンズ条件を含めた動作は以下の通りとなる。まず最初に減速レンズを使って電子の運動エネルギーをある一定量だけ下げる。そして、図１８のアナライザの入口に、図２０に示す回折面８、すなわち焦点を持ってくる。そしてアナライザの中心に像面９を持って来て、アナライザの出口にはその入口と共役になる回折面１０を持ってくる。すなわち、図２０に示すように、アナライザ入口のビームに対してアナライザのレンズ作用を使って出口に焦点を持ってくる。アナライザ内を通過する間に特定運動エネルギー以外の電子を分散させ、出口に設置されているスリット７を使って所望の運動エネルギーの電子を取り出す仕組みになっている。さらにスリット７を通過した電子は、加速レンズによって元の運動エネルギーまで加速される。
【特許文献１】特開平１１−２３３０６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、従来のウィーンフィルタ型アナライザでは、磁極に使うヨークがコア装置の大部分を占めるため、電子の通過する内径を大きくすることができず、そのため、ウィーンフィルタの性能を以下の理由から十分発揮することができなかった。
【００１７】
一つはウィーンフィルタの持つ収差補正の特性を十分に生かせないことである。仮にウィーンフィルタの持つ収差補正の特性を十分に生かして、アナライザの収差補正を行なった場合、大角度で入射する電子を取り込んでもアナライザ出力で与えられる収差が小さくなるためエネルギー分解能の低下を招くことがない。しかしながら、実際には大角度で入射する電子は、軌道の半径方向が大きくなる。光軸方向をｚとし、アナライザ入力ｚ＝ｚ０において、ｘ（ｚ０）＝０，ｘ'（ｚ０）＝tanα０の初期条件を与え、上記（１）式、（２）式を解くと軌道の半径方向の成分ｒが（５）式として与えられる。
【数５】
【００１８】
ただし、α０，Ｌはそれぞれ入射角度とアナライザの長さに対応する。（５）式より入射角度を大きくするほど、軌道の半径方向の成分ｒが大きくなることが分かる。したがって、アナライザで損失する電子に起因する感度の低下を招かずに収差補正を行なうためには、アナライザで損失する電子を低減するために、アナライザの内径を大きくすることが必要となる。
【００１９】
もう一つはエネルギー分解能を大きくすることができないことである。ウィーンフィルタのエネルギー分解能ΔＥは、（６）式で表される。
【数６】
【００２０】
ただし、ｄ，φ０はそれぞれアナライザ出力に対するスリット幅と電子の運動エネルギーである。（６）式からＬを大きくするほど、エネルギー分解能が向上することが分かる。すなわち光軸ｚ方向に長いウィーンフィルタほど性能の良いウィーンフィルタとなる。しかしながら（５）式から分かるようにＬを大きくすると軌道の半径方向の成分ｒ（ｚ）も大きくなるため、エネルギー分解能を向上させるためには、やはりアナライザの内径を大きくすることが必要となる。
【００２１】
このように磁極にヨークとコアを使用した場合、軌道の半径方向の成分ｒに制限され、アナライザのサイズを大きくすることは困難であり、アナライザの性能を十分に発揮することができなかった。
【００２２】
一方で、磁極を単にコイルに変更しただけでは磁場と電場を同一位置から発生することができない。特に双極子成分は電子に偏向を与える場であり、磁場と電場の光軸上のポテンシャル分布が大きく異なっていると、アナライザ内で収差を増大させることとなっていた。
【００２３】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、ウィーンフィルタの持つ収差補正の特性を十分に生かし、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えることができるウィーンフィルタ型アナライザの提供を目的とする。また、エネルギー分解能を向上させてアナライザの性能を十分発揮できるウィーンフィルタ型アナライザの提供を目的とする。
【００２４】
また、本発明は、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えことができ、材料の表面分析を高精度に行なうことができるエネルギー選別型電子顕微鏡の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明に係るウィーンフィルタ型エネルギーアナライザは、前記課題を解決するために、ウィーンフィルタを用いて特定のエネルギーを持つ電子を選択するウィーンフィルタ型エネルギーアナライザにおいて、真空部内の電子線の経路上に電場を形成するために真空部内に配置される複数ｎ（ｎは自然数）の電極と、前記真空部内に磁場を形成するために前記真空部外の大気中に配置される複数ｎのヨークレスコイルとを備え、さらに前記電場と前記磁場のそれぞれのポテンシャルの双極子成分とを一致させる。
【００２６】
このウィーンフィル型エネルギーアナライザは、真空中の電極と、磁極をコイルのみに置き換えて大気中に設置するヨークレスコイルとを備えるウィーンフィルタ型エネルギーアナライザであり、かつ電場のポテンシャルと前記磁場のポテンシャルの双極子成分とを一致させている。電場のポテンシャルと前記磁場のポテンシャルの双極子成分とを一致させるためには、アナライザ出入口の電場のポテンシャルの双極子成分の強度を下げて磁極のポテンシャルと一致させるよう電極にテーパを付けるという手段がある。また、アナライザ出入口の磁場のポテンシャルの双極子成分の強度を上げて電場のポテンシャルと一致させるようコイルの光軸方向の長さを電極より長くするという手段もある。
【００２７】
本発明に係るエネルギー選別型電子顕微鏡は、前記課題を解決するために、量子線を発生する量子線源と、前記量子線源から発生された量子線が照射される試料を載置する試料ステージと、前記試料ステージ上に載置された試料から放出された電子が入射されて特定のエネルギーを持った電子だけを選ぶウィーンフィルタ型エネルギーアナライザと、前記ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザにて選択された電子の像が結像されるスクリーンと、前記スクリーン上の像を撮影する撮影部と、前記撮影部により撮影された像を表示する表示部とを備え、前記ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザは、電子の通過する真空部内に電場を形成するために真空部内に配置される複数ｎ（ｎは自然数）の電極と、前記真空部内に磁場を形成するために前記真空部外の大気中に配置される複数ｎのヨークレスコイルとを備え、前記電場と前記磁場のそれぞれのポテンシャルの双極子成分とを一致させる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明に係るウィーンフィルタ型エネルギーアナライザは、ウィーンフィルタの持つ収差補正の特性を十分に生かし、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えることができる。また、エネルギー分解能を向上させてアナライザの性能を十分発揮できる
本発明に係るエネルギー選別型電子顕微鏡は、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えことができるので、材料の表面分析を高精度に行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。この実施の形態は、エネルギー選別型電子顕微鏡又は放出電子顕微鏡に用いられる電子レンズ系を構成するウィーンフィルタ型エネルギーアナライザである。ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザは、エネルギー選別型電子顕微鏡の電子線源から試料に照射された電子線により試料から放出された電子のうち、特定のエネルギーを持つ電子だけを選んで蛍光スクリーンに結像させる。
【００３０】
図１は、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１の側面側から見た断面図であり、入口１１−ＩＮを左側にし、出口１１−ＯＵＴを右側にした長手方向の断面を示している。図２、図３、図４は、図１中に示した入口１１−ＩＮ付近、中心１１−ＣＥＮ付近、出口１１−ＯＵＴ付近の各断面図であり、長手方向に垂直な方向の断面を示している。
【００３１】
ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、チャンバー１２内の真空中に設けた１２個の電極１３と、チャンバー１２外の大気中に設けた１２個のヨークレスコイル１４とを有してなる。すなわち、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、電極１３とヨークレスコイル１４による磁極を１２極にしている。このため、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、２次収差、３次の開口収差までを消去できるような電場Ｅと磁場Ｂを発生することができるようになった。
【００３２】
ヨークレスコイル１４は、磁極をコイルのみに置き換えたものであり、コイル受け台１５上に配設されている。磁極をヨークレスコイルに置き換えたことにより、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、アナライザの内径を大きくすることができ、感度を向上させることができた。また、磁性体を用いていないため、磁性体のヒステリシスを考慮しなくて良く、再現性の良い磁場を得ることができた。
【００３３】
また、このウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、光軸方向のアナライザの長さを従来のアナライザよりも長くしている。このため、エネルギーの分解能を向上させることができた。
【００３４】
また、シャント１７は、アナライザ入口１１−ＩＮ及び出口１１−ＯＵＴにてそれぞれ断面が矩形である。さらに、シャント１７は、チャンバー１２内部の真空中に配置されており、チャンバー１２の外部の大気側に配置された磁気遮蔽シールド１９と磁気的に閉じるように設計されている。このため、電場Ｅと磁場Ｂのポテンシャルの双極子成分のフリンジを一致させることができる。シャント１７は、減速レンズの減速電極の電位に等しい。
【００３５】
また、このウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、アナライザ入口１１−ＩＮ及び出口１１−ＯＵＴの電場Ｅのポテンシャルの双極子成分の強度を下げて磁極１４のポテンシャルと一致させるよう各電極１３に、入口１１−ＩＮ及び出口１１−ＯＵＴに向けて電極１３の厚みを滑らかに薄くするようなテーパを付けている。言い換えると、中心１１−ＣＥＮの周辺では断面の厚みを平行としているが、入口１１−ＩＮ及び出口１１−ＯＵＴに向けてテーパを付けて電極１３の厚みを徐々に薄くしている。
【００３６】
さらに、アナライザ入口１１−ＩＮ及び出口１１−ＯＵＴの磁場Ｂのポテンシャルの双極子成分の強度を上げて電場のポテンシャルと一致させるようヨークレスコイル１４の光軸ｚ方向の長さＭを電極の長さＮより長くしている（Ｍ＞Ｎ）。
【００３７】
なお、１２個の各電極１３間の間隙と、各電極１３とチャンバー１２の筐体との間隙はガイシ１６により絶縁されている。
【００３８】
図２に示した入口１１−ＩＮの断面図には、破線で電極１３を示している。入口ＩＮ付近では、矩形状のシャント１７によって電極１３は隠れているがシャント１７の延長上に電極１３が位置しているので、入口付近の電極１３の構成を明らかにするため記載している。つまり、アナライザ入口１１−ＩＮの磁場Ｂのポテンシャルの双極子成分の強度を上げて電場のポテンシャルと一致させるよう光軸ｚ方向の長さをＭとしたヨークレスコイル１４と、Ｍよりも短い長さＮの電極１３は、入口１１−ＩＮから若干中心側に向かったところでは、後述の開口１８に向かって同芯上にチャンバー１２の筐体を挟むよう重ねて配置されている。ただし、上述したように、１２個の電極１３はチャンバー１２の内部にあるので真空中に配置されているが、１２個のヨークレスコイル１４はチャンバー１２の外部にあるので大気中に配置されている。試料から放出された電子は入口ＩＮの開口１８からアナライザ１１内に入る。
【００３９】
図３に示した中央部１１−ＣＥＮ付近の断面図によれば、各電極１３は入口１１−ＩＮ付近及び出口１１−ＯＵＴ付近の各電極１３よりも厚くしているのが分かる。つまり、各電極１３は入口１１−ＩＮ付近及び出口１１−ＯＵＴ付近の方が中央部１１−ＣＥＮよりも薄くしてある。これにより、上述したように、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、アナライザ入口１１−ＩＮ及び出口１１−ＯＵＴの電場Ｅのポテンシャルの双極子成分の強度を下げて磁極１４のポテンシャルと一致させることができる。また、このウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、ＧＮＤ電位に等しい磁気シールド１９によって覆われている。磁気シールド１９は、チャンバー１２の外部の大気側に配置されているが、チャンバー１２内部の真空中に配置されているシャント１７とは磁気的に閉じるように設計されている。
【００４０】
図４に示した出口ＯＵＴ付近の断面図にも、破線で電極１３を示している。出口ＯＵＴ付近でも、シャント１７によって電極１３は隠れているがシャント１７の延長上に電極１３が位置しているので説明の都合上記載している。つまり、アナライザ出口１１−ＯＵＴの磁場Ｂのポテンシャルの双極子成分の強度を上げて電場のポテンシャルと一致させるよう光軸Ｌ方向の長さをＭとしたヨークレスコイル１４と、Ｍよりも短い長さＮの電極１３は、出口１１−ＯＵＴから若干中心側に向かったところでは、光軸ｘに向かって同心上にチャンバー１２の筐体を挟むよう重ねて配置されている。試料から放出された電子は出口ＯＵＴの開口２１の径に略等しい通過部を有するスリット５６によって選別されてアナライザ１１外に出る。スリット５６は、減速電極の電位に等しい。スリット５６によって選別されてアナライザ１１から出た電子は、電場形成用電極２０によって形成された電場の中を進行する。電場形成用電極２０は、減速電極の電位に等しい。
【００４１】
以下には、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１の形状を図１乃至図４に示した形状した理由を、前提となる要件と、特徴となる要件にしたがって説明する。
【００４２】
まず、電場ポテンシャル２８と磁場ポテンシャル２９の一致のための前提となる要件を説明する。ウィーンフィルタ型アナライザ内の電磁場は電場及び磁場のポテンシャルΦ（x,y）及びΨ（x、y)を多重展開することにより（７）式、（８）式で表される。
【数７】
【数８】
【００４３】
ここで、各項は、多極子成分のポテンシャルを表す。
【００４４】
収差補正を行うためにウィーンフィルタ型アナライザの持つ収差の定式化が必要であり、収差係数は、式中に現れる多極子成分ポテンシャルの係数E1,B1,E2,B2,E3,B3,E4,B4で表される。ここで述べられている収差補正とは収差係数をゼロにすることで、収差を消去することである。なおここで補正されるのは２次収差と３次開口収差である。収差係数がゼロになるようなポテンシャルの係数を電気的、磁気的に与えるためには、電極、磁極を多極に配置しなければならない。そして必要なポテンシャル分布を得るためには、必要とされる電圧値、電流値の計算法が確立されている必要がある。また電極と磁極を精度良く配置する必要がある。前者に関しては収差係数をゼロにするようなポテンシャルの係数と（７）式，（８）式を用いて電圧、電流値を算出することが出来なければならないが，このような計算例は電極が４つ，磁極が２つの多極子ウィーンフィルタ型アナライザでも応用されており，実現可能である。一方、多極子型の電極と磁極の精度を出すための配置は、偏向器を製作するための技術を用いれば十分可能である。
【００４５】
アナライザのエネルギー分散長を増すためには、アナライザ内を通過する電子の運動エネルギーが低い方が望ましい。そのため，アナライザ入口の直前に減速レンズを挿入する。この方式は、すでに多くのエネルギーアナライザで採用されている方式で技術的な面は十分確立している。
【００４６】
次に、ウィーンフィルタ型アナライザ１１を図１に示した形状にした理由の要部をなす、本発明の特徴となる要件を説明する。図５は、収差補正を行うことによって大角度で入射される電子を取り込んでも出口でのスポットサイズを小さくできることを示す図である。図５（ａ）は比較例として挙げたものであり、収差補正をしていない場合のアナライザ出口でのスポット形状である。ｘ軸及びｙ軸方向ともに収差が生じている。図５（ｂ）は収差補正をした場合のアナライザ出口でのスポット形状である。若干残っている収差は後段のスリットにより取り除くことが可能である。
【００４７】
また、図６は、収差を低減するために必要な電極、磁極の数は、ポテンシャルの多極子成分制御の観点から１２極が適することを、数値計算より示した図である。図６（ａ）は電極、磁極の数を８極として行なった収差補正の特性を示している。８極の場合の収差補正では、ｘ軸及びｙ軸に収差がかなり残っているのが分かる。図６（ｂ）は電極、磁極の数を１０極として行なった収差補正の特性を示している。まだ、ｘ軸及びｙ軸に収差が残っているのが分かる。図６（ｃ）は電極、磁極の数を１２極として行なった収差補正の特性を示している。図６（ａ）及び（ｂ）に示した８極及び１０極の収差よりも収差が補正されたのが分かる。また、図６（ｄ）は電極、磁極の数を１８極として行なった収差補正の特性を示しているが、図６（ｃ）に示した１２極の場合とほとんど変わらない補正状況なので、コストの面を考慮すれば、１２極が適すると判断できる。
【００４８】
図７は、電極及び磁極２５を１２個用いた１２極子のウィーンフィルタを示す図である。図７（ａ）は長手方向に沿って側面側から見た断面図であり、図７（ｂ）は長手方向に垂直な断面図である。１２個の電極及び磁極２５は、光軸Ｌに平行な軸ｚ方向に均一の厚さで形成されている。
【００４９】
このように、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザは、収差補正を行なうことが必要であり、さらに収差補正を効率よく行なうためにはポテンシャルの多極子成分制御を必要とするので、アナライザの構成は、電極、磁極が多数取り付けられた、例えば１２極子のような多極子型になる。この多極子型により、収差補正を行うことによって大角度で入射される電子を取り込んでも出口でのスポットサイズが小さく高エネルギー分解能を実現できる。
【００５０】
ところで、大角度でアナライザに入射される電子をエネルギー選別する際、少ないロスでアナライザ出口まで電子を輸送するために電子が通過する内径の大口径化を図る必要がある。大口径化を図るのには、磁極を構成するヨーク、コアを取り除くことによって磁極をコイルのみに置き換える方法がある。
【００５１】
図８（ｂ）は磁極をコイル２６にしたウィーンフィルタの構成を示す図である。同心円上に配設した１２個のコイル２６の内部には、同じく同心円上に１２個の電極２７を配設している。アナライザの内径はｄｂである。比較のため、図８（ａ）には電磁極２８を１２個用いたウィーンフィルタの構成を示す。アナライザの内径はｄａである。図８（ｂ）に示すように、磁極をコイル２６にしたウィーンフィルタの方がアナライザの内径ｄｂを拡大できることが分かる（ｄｂ＞ｄａ ）。
【００５２】
しかしながら、コイル２６は冷却方法の観点から真空内に配置することが困難であるため、電極２７とコイル２６を同一位置に配置することは難しく、光軸ｘ方向に同一長さの電極２７とコイル２６を配置しただけでは電子の偏向に寄与する電場Ｅ、磁場Ｂのポテンシャルの双極子成分を一致させることができなかった。
【００５３】
そこで、本実施の形態のウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、両者のポテンシャルの双極子成分を一致させるために電極形状とコイル、シャントに以下の（I）、（II）、（III）、（IV）に挙げる特徴を持たせて、上記図１、図２、図３及び図４の構成とした。
【００５４】
(I)アナライザ出入口の電場のポテンシャルの双極子成分の強度を下げるために電極にテーパを付けた。（II）アナライザ出入口の磁場のポテンシャルの双極子成分の強度を上げるためにコイルの光軸方向の長さを電極より長くした。（III）両者のポテンシャルの双極子成分のフリンジを一致させるためにシャント形状に特徴を持たせた。（IV）大気側に配置されている磁気遮蔽シールドと真空側に配置されているシャントが磁気的に閉じるようにした。
【００５５】
以上に挙げた特徴にしたがって、ウィーンフィルタ型アナライザ１１は多極化、磁極のコイル化、電極、磁極形状の最適化を実現した。このため、ウィーンフィルタ型アナライザ１１は高透過率のアナライザを実現できた。
【００５６】
図９は、ウィーンフィルタ型アナライザ１１を用いた収差補正の前後での光軸方向のポテンシャル分布を比較する図である。図９（ａ）は補正前のポテンシャルの分布を示し、図９（ｂ）は補正後のポテンシャルの分布を示す。収差補正前の光軸方向のポテンシャル（図９（ａ））では電場ポテンシャル２８と磁場ポテンシャル２９が不一致であるが、補正後の光軸方向のポテンシャル（図９（ｂ））では電場ポテンシャル２８と磁場ポテンシャル２９が一致した。
【００５７】
以上に説明したように、本実施の形態のウィーンフィルタ型アナライザ１１は、チャンバー内の真空中に１２個の電極１３と、チャンバー外の大気中に１２個のヨークレスコイル１４を有し、かつアナライザ出入口の電場Ｅのポテンシャルの双極子成分の強度を下げて磁極のポテンシャルと一致させるよう電極１３にテーパを付け、さらに、アナライザ出入口の磁場Ｂのポテンシャルの双極子成分の強度を上げて電場Ｅのポテンシャルと一致させるようにコイルの光軸方向の長さを電極の光軸方向の長さより長くしたので、ウィーンフィルタの持つ収差補正の特性を十分に生かし、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えることができる。また、エネルギー分解能を向上させてアナライザの性能を十分発揮することができる。
【００５８】
次に、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１を電子レンズ系に内蔵した、エネルギー選別型電子顕微鏡について説明する。
【００５９】
本手法は量子線（電子線、光子、荷電粒子等）を線源とすることができるが、量子線の一つの例である光子を使った場合を以下に説明する。
【００６０】
図１０はエネルギー選別型電子顕微鏡の正面図であり、図１１は側面図である。エネルギー選別型電子顕微鏡３０は、特性Ｘ線を発生する光源であるＸ線源３１と、Ｘ線源３１から発生された特性Ｘ線が照射される試料を乗せるためのステージ３２とその駆動機構である試料ステージ駆動機構３３と、試料を分析するための分析室３４と、試料の準備を行うための試料準備室３５と、試料準備室３５から分析室３４へ試料を移動するマニュピレータ３６と、分析室３４及び試料準備室３５を真空にする排気系３７と、排気系３７の排気システムをコントロールする排気系コントローラ３８とを備える。また、エネルギー選別型電子顕微鏡３０は、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１を内蔵する電子レンズ系３９と、電子レンズ系３９をコントロールする電子レンズ系コントローラ４０と、Ｘ線源３１によるＸ線の発生をコントロールするＸ線発生用コントローラ４１とを備える。また、エネルギー選別型電子顕微鏡３０は、電子レンズ系３９を制御するためのソフトがインストールされているシステム制御用パーソナルコンピュータ４２と、電子レンズ系３９を介して像を取得するＣＣＤカメラ４３と、ＣＣＤカメラ４３から得られた画像を写すＣＲＴ４４とを備える。
【００６１】
Ｘ線源３１は、試料表面の内殻電子及び二次電子を励起するための光源である。強い光源を用いるほど多くの光電子が得られる。ここでは、特性Ｘ線を用いて、分光結晶部（１０−６Ｐａ程度）において単色化、及び集光され、試料表面に光が照射される。Ｘ線光源３１は、図１０の正面図では紙面よりも手前側から、また図１１の側面図を見ると分かるように斜め下方向に向かって特性Ｘ線を出射する。Ｘ線源３１はＸ線発生コントローラ４１と電気的に接続している。Ｘ線発生コントローラ４１は、Ｘ線源３１にＸ線を発生させ、制御するための電源、及びコントローラを格納している。Ｘ線光源３１から出射された特性Ｘ線は、図示を省略する光路折曲部により光路が折り曲げられ、試料ステージ駆動機構３３のステージ３２上の試料に導かれる。つまり、Ｘ線光源３１と試料ステージ駆動機構３３は機械的に接続している。
【００６２】
試料ステージ駆動機構３３は、試料を乗せたステージ３２を、ｘ，ｙ，ｚなどの方向に動かしたり、θ，φなどの角度に傾けることができる。この試料ステージ駆動機構３３によって試料の位置が調整される。この試料ステージ駆動機構３３は、後述の分析室３４と機械的に接続している。
【００６３】
分析室３４は、内殻電子を用いて電子レンズ系を使い、試料を分析するための超高真空槽である。真空の度合いは１０−８Ｐａ程度である。また、試料準備室３５は、試料の挿入、表面の清浄を行なうための１０−６Ｐａ程度の超高真空槽である。試料準備室３５はマニュピレータ３６と機械的に接続している。また、分析室３４と試料準備室３５は、機械的に接続しており、試料準備室３５により挿入され、表面が清浄された試料は、マニュピュレータ３６によって分析室に移動される。
【００６４】
排気系３７は分析室３４、試料準備室３５を超高真空に排気するためのシステムを格納している。排気系３７は排気系コントローラ３８と電気的に接続しており、排気系コントローラ３８は排気系３７をコントロールするシステムを組み込んでいる。
【００６５】
電子レンズ系３９は、分析室３４と機械的に接続しており、試料からの放出電子が入射されると、電子を集光し、角度制限、視野制限を行なってから減速し、ウィーンフィルタ型アナライザ１１に通す。ウィーンフィルタ型アナライザ１１は前述したように、特定運動エネルギーの電子のみを選別し、蛍光スクリーンに結像させる。
【００６６】
電子レンズ系コントローラ４０は、電子レンズ系３９と電気的に接続しており、電子レンズ系３９の電圧、電流を制御するためのコントローラ、及び電源を格納している。電子レンズ系コントローラ４０は、システム制御用パーソナルコンピュータ４２にも電気的及び機械的に接続している。システム制御用パーソナルコンピュータ４２は、電子レンズ系３９に適切な電圧、電流を与えるためのソフトがインストールされている。
【００６７】
システム制御用パーソナルコンピュータ４２は、ＣＣＤカメラ４３及びＣＲＴ４４にも電気的に接続している。ＣＣＤカメラ４３は、電子レンズ系３９の蛍光スクリーン上に写された像を取得、保存するために使われる。ＣＲＴ４４は、ＣＣＤカメラ４３から得られた画像を映し出すための表示部である。また、システム制御用パーソナルコンピュータ４２は、試料ステージ駆動機構３３とも電気的に接続している。また、システム制御用パーソナルコンピュータ４２は、ＣＣＤカメラ４３から得られる画像信号を取り込み、保存する。
【００６８】
次に、図１０に示したエネルギー選別型電子顕微鏡３０の動作について説明する。
【００６９】
まず、排気系コントローラ３８のコントロールの基に排気系３７が試料準備室３５、分析室３４及び電子レンズ系３９内の排気を行なう。試料準備室３５により挿入され、表面が清浄された試料は、マニュピレータ３６によって分析室３４ないの試料ステージ３２に移動される。試料を載せた試料ステージ３２は、試料ステージ駆動機構３３の駆動によって適切な位置に移動される。
【００７０】
Ｘ線発生用コントローラ４１は、適切な管電圧、管電流をＸ線源（Ｘ線発生装置）３１に与える。Ｘ線源３１は、特性Ｘ線を発生し、この特性Ｘ線は分析室３４内の試料ステージ３２上の試料に照射される。システム制御用パーソナルコンピュータ４２は、電子レンズ系コントローラ４０へ適切な電圧値、電流値を信号を送信する。電子レンズ系コントローラ４０は、電子レンズ系３９に、システム制御用パーソナルコンピュータ４２の制御に基づいた適切な電圧、電流値を供給する。
【００７１】
すると、特性Ｘ線の照射により試料から放射された電子は電子レンズ系３９に入射し、集光され、角度制限、視野制限が行なわれてから減速され、ウィーンフィルタ型アナライザ１１を通される。ウィーンフィルタ型アナライザ１１は、前述した動作により、特定運動エネルギーの電子のみを選別し、蛍光スクリーンに結像させる。
【００７２】
蛍光スクリーン上に結像された像は、ＣＣＤカメラ４３によって撮影され、ＣＲＴ４４に画像化される。ＣＣＤカメラ４３によって撮影された画像信号は、システム制御用パーソナルコンピュータ４２に取り込まれ、内蔵のＨＤＤ，ＲＡＭなどの記憶媒体に保存される。
【００７３】
まず、図１２は、電子レンズ系３９の第１具体例である電子レンズ系３９−１の詳細な構成を示す図である。この構成図には、電子軌道及びポテンシャル分布も示している。以下の各具体例でも同様である。
【００７４】
電子レンズ系３９−１は、対物レンズ５１と、インプットレンズ５２と、インプットレンズ５２内の角度制限絞り５３と、同じくインプットレンズ５２内の視野制限絞り５４と、減速レンズ５５とを備える。また、電子レンズ系３９−１は、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１と、出口スリット５６と、投影レンズ５７と、電子の増倍機構であるＭＣＰ５８と、蛍光スクリーン５９とを備える。さらに、各レンズ間には、電子レンズ系の光軸を補正するための偏向器（図示せず）が設けられている。なお、電子レンズ系３９−１の電極間はガイシによって絶縁されている。
【００７５】
対物レンズ５１は、磁界型対物レンズを用いて、電子を集光するために用いられるレンズである。インプットレンズ５２は、像の拡大と像の形成に使われるレンズである。角度制限絞り５３は、試料から放出される光電子で電子レンズの光軸に対して大角度で入射する電子を制限するための開口で、これを使うことにより電子レンズの球面収差を低減することができる。視野制限絞り５４は、顕微鏡で観測する視野を制限するために用いられる。
【００７６】
減速レンズ５５は、アナライザに入射する電子の速度を減速するレンズである。アナライザ１１を通過する電子を遅くするほど、分散の効果を長い時間受けることができ、エネルギー分解能を上げることができる。このため、減速レンズ５５により電子を減速する。
【００７７】
ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、図１乃至図４などを用いて説明したように、チャンバー内の真空中に１２個の電極１３と、チャンバー外の大気中に１２個のヨークレスコイル１４を有し、かつアナライザ出入口の電場Ｅのポテンシャルの双極子成分の強度を下げて磁極のポテンシャルと一致させるよう電極１３にテーパを付け、さらに、アナライザ出入口の磁場Ｂのポテンシャルの双極子成分の強度を上げて電場Ｅのポテンシャルと一致させるようにコイルの光軸方向の長さを電極の光軸方向の長さより長くしたので、ウィーンフィルタの持つ収差補正の特性を十分に生かし、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えて、特定運動エネルギーの電子を選別することができる。また、エネルギー分解能を向上させてアナライザの性能を十分発揮して、特定運動エネルギーの電子を選別することができる。
【００７８】
出口スリット５６は、特定運動エネルギー付近の電子のみを通過するための仕切りである。投影レンズ５７は像を拡大するためのレンズである。ＭＣＰ５８は、輸送された電子を増倍して感度を上げるための電子の増倍機構である。蛍光スクリーン５９は、電子を実際の光に変換するための機構である。
【００７９】
したがって、この電子レンズ系３９−１を備えてなるエネルギー選別型電子顕微鏡３０を第１実施例とすると、この第１実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−１は、アナライザ１１で損失する電子を低減して感度の低下を抑えことができるので、材料の表面分析を高精度に行なうことができる。
【００８０】
これは、電子レンズ系３９−１内に設けたウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１が以下の効果を奏するからである。すなわち、エネルギー選別型電子顕微鏡３０−１の電子レンズ系３９−１に用いられるウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、電極とヨークレスコイルによる磁極を１２極にしているので、２次収差、３次の開口収差までを消去できるような電場Ｅと磁場Ｂを発生することができるようになった。また、磁極をヨークレスコイルに置き換えたことにより、アナライザの内径を大きくすることができ、感度を向上させることができた。また、磁性体を用いていないため、磁性体のヒステリシスを考慮しなくて良く、再現性の良い磁場を得ることができた。
【００８１】
また、ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、光軸方向のアナライザの長さを長くしたので、エネルギーの分解能を向上させることができた。
【００８２】
また、電極にテーパを付けることにより、アナライザ出入口の電場のポテンシャルの双極子成分の強度を下げて静電ポテンシャルと磁場のスカラーポテンシャルの双極子成分を一致させることができた。また、コイルの光軸方向の長さを電極より長くして、アナライザ出入口の磁場のポテンシャルの双極子成分の強度を上げて静電ポテンシャルと磁場のスカラーポテンシャルの双極子成分を一致させることができた。
【００８３】
また、シャント形状を矩形にしたので、両者のポテンシャルの双極子成分のフリンジを一致させることができた。
【００８４】
また、大気側に配置されている磁気遮蔽シールドと真空側に配置されているシャントが磁気的に閉じるように設計したので、両者のポテンシャルの双極子成分のフリンジを一致させることができた。
【００８５】
図１３は、電子レンズ系３９−２の詳細な構成を示す図である。この電子レンズ系３９−２もウィーンフィルタ型アナライザ１１を有してなり、減速レンズ５５によりアナライザに入射する電子の速度を遅くしている構成であるが、電子レンズ系３９−１とは、出口スリット５６の後に、スティングメータ６０を用いていることが異なる。スティングメータは、投影レンズ５７の先端部分に配設されており、アナライザ１１から出た電子の非点収差を補正するためのレンズである。他の構成は電子レンズ系３９−１と同様であるので説明を省略する。
【００８６】
したがって、この電子レンズ系３９−２を備えてなる、第２実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−２は、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えことができ、さらに非点収差を補正できるので、材料の表面分析を高精度に行なうことができる。
【００８７】
図１４は、電子レンズ系３９−３の詳細な構成を示す図である。この電子レンズ系３９−３もウィーンフィルタ型アナライザ１１を有してなり、減速レンズ５５によりアナライザに入射する電子の速度を遅くしている構成であるが、第１の実施例である電子レンズ系３９−１とは、対物レンズ５１の後にカソードオブジェクティブレンズ６１を有していることが異なる。カソードオブジェクティブレンズ６１は、サンプルホルダーに電圧を印加することによって使用される。他の構成は電子レンズ系３９−１と同様であるので説明を省略する。
【００８８】
したがって、この電子レンズ系３９−３を備えてなる、第３実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−３も、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えことができるので、材料の表面分析を高精度に行なうことができる。
【００８９】
図１５は、電子レンズ系３９−４の詳細な構成を示す図である。この電子レンズ系３９−４もウィーンフィルタ型アナライザ１１を有してなり、減速レンズ５５によりアナライザに入射する電子の速度を遅くしている構成であるが、第１の実施例である電子レンズ系３９−１とは、対物レンズ５１の後にビームセパレータ６２を有していることが異なる。
【００９０】
この電子レンズ系３９−４を有する第４実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−４は、第１実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−１と異なり、Ｘ線源を用いるのではなく、電子銃を用いている。このため、図１０及び図１１に示した構成図においては、電子銃７１から試料ステージ３２上の試料に電子線を照射する。このため、電子銃コントローラ７２をＸ線発生用コントローラ４１の替わりに備えている。電子銃コントローラ７２は、電子銃７１と電気的に接続しており、電子銃７１から電子線を発生させ、制御するための電源、及びコントローラを格納している。
【００９１】
このため、図１５に示した電子レンズ系３９−４は、前述したように、対物レンズ５１の後にビームセパレータ６２を備え、電子銃７１より出射された電子線を試料表面に対して垂直に照射し、試料表面の反射電子をインプットレンズ５２へ導くのに用いられる。
【００９２】
したがって、この第４実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−４は、電子銃７１から出射された電子線を試料に照射し、試料から放出された電子を、アナライザで損失することなくよって感度の低下を抑えて、材料の表面分析を高精度に行なうことができる。
【００９３】
図１６は、電子レンズ系３９−５の詳細な構成を示す図である。この電子レンズ系３９−５は、第１の実施例である電子レンズ系３９−１とは異なり、対物レンズ５１の後にカソードオブジェクティブレンズ６１を有している。さらに、ウィーンフィルタ型アナライザ１１の出口スリット５６の手前に加速レンズ６３を備えている点が異なる。
【００９４】
加速レンズ６３は、後段の投影レンズ５７へ送られる電子を減速レンズ５５で減速される以前の速度に戻すためのレンズである。
【００９５】
したがって、第５実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−５は、アナライザで損失する電子を低減して感度の低下を抑えことができるので、材料の表面分析を高精度に行なうことができる。
【００９６】
さらに、第６実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−６としては、第１実施例のＸ線源３１の替わりに紫外光源８１を用い、Ｘ線発生用コントローラ４１の替わりに紫外線発生用コントローラ８２を用いる構成の装置を挙げてもよい。紫外光源８１は、紫外線発生用コントローラ８２から適切な管電圧、管電流が供給されて、紫外線を発生し、試料ステージ３２上の試料に照射する。他の構成及び動作は省略する。
【００９７】
また、第７実施例のエネルギー選別型電子顕微鏡３０−７としては、第１実施例のＸ線源３１の替わりに放射線源９１を用い、Ｘ線発生用コントローラ４１の替わりに放射線発生用コントローラ９２を用いる構成の装置を挙げてもよい。放射線源９１は、放射線発生用コントローラ９２から適切な管電圧、管電流が供給されて、放射線を発生し、試料ステージ３２上の試料に照射する。他の構成及び動作は省略する。
【００９８】
なお、図１乃至図４に示したウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ１１は、静電ポテンシャルと磁場のスカラーポテンシャルの双極子成分を一致させるため、電極１３にテーパを付けてアナライザ出入口の電場Ｅのポテンシャルの双極子成分の強度を下げ、かつ、コイルの光軸方向の長さを電極の光軸方向の長さより長くしてアナライザ出入口の磁場Ｂのポテンシャルの双極子成分の強度を上げているが、必ずしも両方の手段を共に使う必要はない。いずれか一方の手段により、静電ポテンシャルと磁場のスカラーポテンシャルの双極子成分を一致させることができればそれでもよい。もちろん、磁極をヨークレスコイルに換えることによってアナライザの内径を大きくすることと共にいずれかの手段を用いることは必要である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザの側面側から見た断面図である。
【図２】ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザの入口付近の断面図である。
【図３】ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザの中心付近の断面図である。
【図４】ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザの出口付近の断面図である。
【図５】収差補正をしていない場合と収差補正をした場合のアナライザ出口でのスポット形状を示す図である。
【図６】電極、磁極の数を８極、１０極、１２極及び１８極として行なった収差補正の特性図である。
【図７】電極及び磁極を１２個用いた１２極子のウィーンフィルタ型エネルギーアナライザを示す図である。
【図８】電磁極を１２個用いたウィーンフィルタと１２個の電極と１２個のコイルを用いた１２極子のウィーンフィルタの断面図である。
【図９】補正前のポテンシャルの分布と、補正後のポテンシャルの分布を示す図である。
【図１０】エネルギー選別型電子顕微鏡の正面図である。
【図１１】エネルギー選別型電子顕微鏡の側面図である。
【図１２】電子レンズ系の第１具体例の詳細な構成を示す図である。
【図１３】電子レンズ系の第２具体例の詳細な構成を示す図である。
【図１４】電子レンズ系の第３具体例の詳細な構成を示す図である。
【図１５】電子レンズ系の第４具体例の詳細な構成を示す図である。
【図１６】電子レンズ系の第５具体例の詳細な構成を示す図である。
【図１７】従来のウィーンフィルタ型アナライザの断面図である。
【図１８】ウィーンフィルタ型アナライザの電子の選別原理を示す図である。
【図１９】４極子を使用した場合と、２極子を使用した場合の電子の軌道の比較図である。
【図２０】ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザにおける回折面と像面の位置を示す図である。
【符号の説明】
【０１００】
１１ ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ、１２ チャンバー、１３ 電極、１４ ヨークレスコイル、１５ ヨーク受け台、１６ ガイシ、１７ シャント、１９ 磁気シールド、２０ 電場形成用電極、３０ エネルギー選別型電子顕微鏡、３１ Ｘ線源、３２ 試料ステージ、３３ 試料ステージ駆動機構、３４ 分析室、３５ 試料準備室、３６ マニュピュレータ、３７ 排気系、３８ 排気系コントローラ、３９ 電子レンズ系、４０ 電子レンズ系コントローラ、４１ Ｘ線用発生コントローラ、４２ システム制御用パーソナルコンピュータ、４３ ＣＣＤカメラ、４４ ＣＲＴ、５１ 対物レンズ、５２ インプットレンズ、５３ 角度制限絞り、５４ 視野制限絞り、５５ 減速レンズ、５６ 出口スリット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウィーンフィルタを用いて特定のエネルギーを持つ電子を選択するウィーンフィルタ型エネルギーアナライザにおいて、
電子線の経路上に電場を形成するために真空部内に配置される複数ｎ（ｎは自然数）の電極と、
前記真空部内に磁場を形成するために前記真空部外の大気中に配置される複数ｎのヨークレスコイルとを備え、
さらに前記電場と前記磁場のそれぞれのポテンシャルの双極子成分を一致させることを特徴とするウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ。
【請求項２】
前記複数ｎの各電極には、アナライザ入口及び出口の電場のポテンシャルの双極子成分の強度を下げて磁極のポテンシャルと一致させるように、入口及び出口に向けて厚みを滑らかに薄くするようにテーパを付けることを特徴とする請求項１記載のウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ。
【請求項３】
前記複数ｎの各ヨークレスコイルの光軸方向の長さは、アナライザ入口及び出口の磁場のポテンシャルの双極子成分の強度を上げて電場のポテンシャルと一致させるように、電極の長さより長くすることを特徴とする請求項１記載のウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ。
【請求項４】
エネルギーアナライザの出入り口にあるシャントも真空部内に配置されており、大気側に配置された磁気遮蔽シールドと磁気的に閉じていることを特徴とする請求項１記載のウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ。
【請求項５】
前記電極及びヨークレスコイルを１２個用いた１２極子のウィーンフィルタを用いることを特徴とする請求項１記載のウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ。
【請求項６】
量子線を発生する量子線源と、
前記量子線源から発生された量子線が照射される試料を載置する試料ステージと、
前記試料ステージ上に載置された試料から放出された電子が入射されて特定のエネルギーを持つ電子線を選択するウィーンフィルタ型エネルギーアナライザと、
前記ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザにて選択された電子による像が結像されるスクリーンと、
前記スクリーン上の像を撮影する撮影部と、
前記撮影部により撮影された像を表示する表示部とを備え、
前記ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザは、電子の通過する真空部内に電場を形成するために真空部内に配置される複数ｎ（ｎは自然数）の電極と、前記真空部内に磁場を形成するために前記真空部外の大気中に配置される複数ｎのヨークレスコイルとを備え、さらに前記電場と前記磁場のそれぞれのポテンシャルの双極子成分とを一致させることを特徴とするエネルギー選別型電子顕微鏡。
【請求項１】
ウィーンフィルタを用いて特定のエネルギーを持つ電子を選択するウィーンフィルタ型エネルギーアナライザにおいて、
電子線の経路上に電場を形成するために真空部内に配置される複数ｎ（ｎは自然数）の電極と、
前記真空部内に磁場を形成するために前記真空部外の大気中に配置される複数ｎのヨークレスコイルとを備え、
さらに前記電場と前記磁場のそれぞれのポテンシャルの双極子成分を一致させることを特徴とするウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ。
【請求項２】
前記複数ｎの各電極には、アナライザ入口及び出口の電場のポテンシャルの双極子成分の強度を下げて磁極のポテンシャルと一致させるように、入口及び出口に向けて厚みを滑らかに薄くするようにテーパを付けることを特徴とする請求項１記載のウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ。
【請求項３】
前記複数ｎの各ヨークレスコイルの光軸方向の長さは、アナライザ入口及び出口の磁場のポテンシャルの双極子成分の強度を上げて電場のポテンシャルと一致させるように、電極の長さより長くすることを特徴とする請求項１記載のウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ。
【請求項４】
エネルギーアナライザの出入り口にあるシャントも真空部内に配置されており、大気側に配置された磁気遮蔽シールドと磁気的に閉じていることを特徴とする請求項１記載のウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ。
【請求項５】
前記電極及びヨークレスコイルを１２個用いた１２極子のウィーンフィルタを用いることを特徴とする請求項１記載のウィーンフィルタ型エネルギーアナライザ。
【請求項６】
量子線を発生する量子線源と、
前記量子線源から発生された量子線が照射される試料を載置する試料ステージと、
前記試料ステージ上に載置された試料から放出された電子が入射されて特定のエネルギーを持つ電子線を選択するウィーンフィルタ型エネルギーアナライザと、
前記ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザにて選択された電子による像が結像されるスクリーンと、
前記スクリーン上の像を撮影する撮影部と、
前記撮影部により撮影された像を表示する表示部とを備え、
前記ウィーンフィルタ型エネルギーアナライザは、電子の通過する真空部内に電場を形成するために真空部内に配置される複数ｎ（ｎは自然数）の電極と、前記真空部内に磁場を形成するために前記真空部外の大気中に配置される複数ｎのヨークレスコイルとを備え、さらに前記電場と前記磁場のそれぞれのポテンシャルの双極子成分とを一致させることを特徴とするエネルギー選別型電子顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００６−２７８０６９（Ｐ２００６−２７８０６９Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−９３２４１（Ｐ２００５−９３２４１）
【出願日】平成１７年３月２８日（２００５．３．２８）
【出願人】（０００００４２７１）日本電子株式会社 (811)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月１２日（２００６．１０．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２８日（２００５．３．２８）
【出願人】（０００００４２７１）日本電子株式会社 (811)
【Ｆターム（参考）】
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