ウィーンフィルタ

【課題】ウィーンフィルタ内で静電偏向場、及び静磁偏向場に付随して発生する六極子場に対して、静電六極子場を積極的に発生させ、３回非点を補正する。
【解決手段】静電場発生部４は、この１２極型ウィーンフィルタが適用されるモノクロメータにおいてスリット上でビームを絞るために、ユーザが操作部６を使って操作した指示にしたがって、各電源の印加電圧を調整し、静電偏向場、静電四極子場、静電六極子場のような多重極静電場を発生する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡のエネルギーフィルタ、マスフィルタ、スピンローテイタ、モノクロメータ、エネルギーアナライザ等で用いられるウィーンフィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、荷電粒子線をエネルギーによって選択するために、ウィーンフィルタが利用されている。加速された電子線などの荷電粒子線は、電場に対してはプラス極方向に偏向され、磁場に対しては荷電粒子線の進行方向と磁場とに垂直な方向に偏向される。ウィーンフィルタは、この性質を利用したもので、荷電粒子線の進行方向に直行する面内において互いに直交する電場と磁場を配置することで、荷電粒子線を特定方向に直進させるものである。
【０００３】
このウィーンフィルタは、電子顕微鏡のエネルギーフィルタ、マスフィルタ、スピンローテイタ、モノクロメータ、エネルギーアナライザ等で用いられる。特に、モノクロメータは、電子線を単色化するために、入射される電子線について所定のエネルギーを有する成分のみを透過させる。モノクロメータ付電子銃では、分析電子顕微鏡を用いた電子エネルギー損失分光の分解能の向上を目的とし、電子銃の直下にエネルギー選択スリットとともに用いられる。モノクロメータは、電子線を電子のエネルギーに応じて分散させる光学素子と、エネルギーに応じて分散された電子線から所望の成分を選択するスリットから構成される。電子線をエネルギーに応じて分散させる光学素子として、ウィーンフィルタが用いられる。
【０００４】
図１３はウィーンフィルタ内静電場発生方向を示す図である。また、図１４はウィーンフィルタ内静磁場発生方向を示す図である。従来のウィーンフィルタは光軸と直交する平面上にそれぞれ垂直に静電偏向場（Ｅ１）、静磁偏向場（Ｂ１）を発生し、さらに非点なし結像型ウィーンフィルタでは前記偏向場に加えて静電四極子場（Ｅ２）、静磁四極子場（Ｂ２）を重畳させる。なお、図１３及び図１４において、電子銃の進行方向は、紙面表から裏へと進むとする。
【０００５】
前記電磁場を発生可能なウィーンフィルタとして、１２極型ウィーンフィルタが提案されている。下記特許文献１には、Ｚ軸にほぼ平行な光軸を有し、少なくとも、Ｘ軸方向に双極子電場を生成し、Ｙ軸方向に双極子磁場を生成するウィーンフィルタにして、Ｚ軸方向において光軸にほぼ平行に伸びる１２個の極を有し、かつ、ＸＹ面内において、光軸に面する各極の先端部が、光軸を中心として１２回の回転対称性を有するウィーンフィルタが記載されている。また、下記特許文献２にも１２極型ウィーンフィルタが記載されている。
【０００６】
図１５は電磁場を発生可能な１２極型ウィーンフィルタの概略図である。図中時計周りに極Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７，Ｐ８，Ｐ９，Ｐ１０，Ｐ１１及びＰ１２が形成されている。極Ｐ２，Ｐ５及びＰ８，Ｐ１１は、ウィーンフィルタの外側で機械的に接続されている。
【０００７】
この１２極型ウィーンフィルタが前記図１３及び図１４に示したような電場及び磁場を発生するために、各極に与える電界及び磁界の方向は、以下のとおりである。
【０００８】
すなわち、図１３に方向を示した静電偏向場（Ｅ１）の発生のためには、極Ｐ８，Ｐ９，Ｐ１０，Ｐ１１を＋極にし、Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４，Ｐを−極にする。また、同様に図１３に示した静電四極子場（Ｅ２）の発生のためには、極Ｐ３，Ｐ４，Ｐ９，Ｐ１０を＋極にし、極Ｐ１，Ｐ６，Ｐ７，Ｐ１２を−極にする。
【０００９】
また、図１４に方向を示した静磁偏向場（Ｂ１）の発生のためには、極Ｐ１，Ｐ２，Ｐ１１，Ｐ１２をＮ極にし、極Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７，Ｐ８をＳ極にする。また、同様に図１４に示した静磁四極子場（Ｂ２）の発生のためには、極Ｐ２，Ｐ８をＮ極、極Ｐ５，Ｐ１１をＳ極にする。
【００１０】
なお、図１５において、Ａ−Ａ‘、Ｂ−Ｂ’は静磁偏向場（Ｂ１）を励磁するコイルであり、Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆは静磁四極子場（Ｂ２）を励磁するコイルである。また、Ｇ−Ｇ‘、Ｈ−Ｈ’はアライメントコイルであり、本発明には本質的に関係ない。
【００１１】
以上に説明したように、従来の１２極型ウィーンフィルタでは、各電極電源の組み合わせで静電偏向場、静電四極子場を発生させていた。
【特許文献１】特開２００３−２３４０７７号公報
【特許文献２】特開２００４−０９５４８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、ウィーンフィルタは強力な静電、及び静磁偏向場を用いてエネルギー分散を発生させる。偏向場は静電、または静磁ポテンシャル表記で光軸を原点とした１次の対称性を持った奇関数の分布をもった場で表すことが出来る。一方、六極子場は３次の対称性を持った奇関数の分布をもった場であり、偏向場に付随して発生する。即ち、光軸上の偏向場に対して光軸から離れた位置での偏向場の強度に差が生じた場合、この差が六極子場成分として現れる。偏向場の均一度が高い場合、六極子場は弱くなり、均一度が低い場合は六極子場が強く現れる。
【００１３】
六極子場は電子線に対して三回非点収差を引き起こす。三回非点収差は光源像のボケを引き起こし、ウィーンフィルタを搭載したモノクロメータにおいてはエネルギー選択面でのビーム径の増大はエネルギー分解能の低下を引き起こし、さらに、エネルギー選択スリットによるエネルギー選択効率の低下を引き起こし、モノクロメータでの電子線の単色化を行う際ビーム電流量の低下を招く。ビーム電流量の低下は電子線の輝度の低下を引き起こし、通常の電子顕微鏡としての性能の低下を招く。
【００１４】
本発明は、前記実情に鑑みてなされたものであり、ウィーンフィルタ内で静電偏向場、及び静磁偏向場に付随して発生する六極子場に対して、静電六極子場を積極的に発生させ、３回非点を補正することを目的とする。
【００１５】
本発明を導入することにより、ウィーンフィルタを搭載したモノクロメータにおいて、エネルギー分解能の改善が見込まれ、さらに、エネルギー選択を行った場合でのビーム電流の低減を抑えることが可能になる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係るウィーンフィルタは、前記課題を解決するために、Ｚ軸にほぼ平行な光軸を有し、この光軸に直交する二つの軸をＸ軸及びＹ軸としたとき、Ｘ軸方向に静電偏向場を生成し、Ｙ軸方向に静磁偏向場を生成するウィーンフィルタにして、Ｚ軸方向において光軸に平行に伸びる２ｎ（ｎは４以上の整数）個の極を有し、かつＸＹ面内において、光軸に面する各極の先端部が、光軸を中心として回転対称性を有するウィーンフィルタにおいて、前記２ｎ個の極に独立に電源を供給する５つの独立制御可能な電源部を制御することにより前記静電偏向場に加えて静電四極子場、さらに静電六極子場を発生する静電場発生手段を備え、前記静電場発生手段により前記静電六極子場を積極的に発生させ、３回非点を補正する。
【００１７】
ウィーンフィルタの偏向場に付随して発生する六極子場によるビームの三回非点の発生方向は電場、磁場に依らず同一であり、図１６のようになる。これに対して、図１５において極Ｐ２，Ｐ５，Ｐ９，Ｐ１０を＋極とし、極Ｐ３，Ｐ４，Ｐ８，Ｐ１１を−極として電圧を印加する。なお、極２，５と極８，１１は機械的に接触されている。もちろん、＋、−の符号が逆転しても問題ない。
【００１８】
これにより、上で述べた機械的、及び電気的構成を変えないまま六極子電界を発生可能になり、モノクロメータの性能に大きく影響を及ぼす３回非点を補正可能になる。
【００１９】
また、静電場の対称性を保つため、それぞれの極へかける印加電圧の絶対値は同一に揃える必要があるが、ウィーンフィルタの機械的構成から来る対称性の問題のため、表２に記述される電圧が印加される。即ち、六極子場発生時での極Ｐ１，Ｐ６，Ｐ７，Ｐ１２には０が、Ｐ２，Ｐ５には＋１．４７＊Ｖ３が、Ｐ９，Ｐ１０には＋Ｖ３が、そしてＰ８，Ｐ１１には−１．４７＊Ｖ３が、Ｐ３，Ｐ４には−Ｖ３が印加されて電極間での電位のバランスを取っている。ここで示された１．４７の係数は、理論計算から求めた理想状態での数値であり、実施に当たっては、各電極の製作時の加工精度や、組み立て精度による誤差が発生する為、＋側と−側での係数が必ずしも一致するとは限らないし、また、この１．４７の係数が保証されるものとは限らない。そのため、これらの係数を独立に任意の値に設定出来るような電気回路が必要となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るウィーンフィルタによれば、ウィーンフィルタ内で静電偏向場、及び静磁偏向場に付随して発生する六極子場に対して、静電六極子場を積極的に発生させ、３回非点を補正する。例えば、ウィーンフィルタを用いたモノクロメータ付き電子銃において、ウィーンフィルタ内に六極子電界を重畳させることにより、ウィーンフィルタにより発生する収差のひとつである３回非点を補正し、エネルギー選択スリット上によりビームを絞ることを可能にする。
【００２１】
３回非点を低減し、スリット上でビームを絞ることが出来るようになることにより、モノクロメータ付き電子銃のエネルギー分解能が向上できるようになる。
【００２２】
３回非点を低減し、スリット上でビームを絞ることが出来るようになることにより、エネルギー選択効率が上がり、モノクロメータで電子ビームを単色化させる際にビーム電流量の低減を抑えることが可能になる。
【００２３】
モノクロメータで電子ビームを単色化させる際にビーム電流量の低減を抑えることが可能になることにより、モノクロメータ付き電子銃の電子線輝度の低下を極力抑えることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。この実施の形態は１２極型ウィーンフィルタである。図１は１２極型ウィーンフィルタの断面図である。図２は１２極型ウィーンフィルタのＹＺ平面に沿う断面図である。図３は１２極型ウィーンフィルタの静電場発生方向を示す図である。図４は１２極型ウィーンフィルタの静磁場発生方向を示す図である。
【００２５】
図１に示すように、この１２極型ウィーンフィルタは、Ｚ軸にほぼ平行な光軸ｏを有する。また１２極型ウィーンフィルタは、Ｚ軸方向において光軸ｏに平行に伸びる２×ｎ＝２×６＝１２個の極Ｐ１〜Ｐ１２を有する。極Ｐ１〜Ｐ１２は、時計周りに配置されている。この光軸ｏに直交する二つの軸をＸ軸及びＹ軸としたとき、ＸＹ面内において、光軸ｏに面する各極Ｐ１〜Ｐ１２の先端部は、光軸ｏを中心として回転対称性を有する。前記１２個の極Ｐ１〜Ｐ１２は、いずれも磁性材料からなる。この磁性材料は、例えば鉄、ニッケル、パーマロイ等を含む。
【００２６】
より詳細には、以下のとおりである。図１及び図２に示すように、この１２極型ウィーンフィルタは、荷電粒子線としての電子線が通過する円筒状空間２（その中心線は光軸ｏと一致する）の内部に、所望の分布の電磁場を生成するために、光軸ｏに平行に伸びる１２個の極Ｐ１〜Ｐ１２を有する。
【００２７】
１２極型ウィーンフィルタは、図３及び図４に示すように、Ｘ軸方向に静電偏向場Ｅ１を生成し、Ｙ軸方向に静磁偏向場Ｂ１を生成する。また、１２極型ウィーンフィルタが非点なし結像型ウィーンフィルタである場合には、静電偏向場Ｅ１に加えて静電四極子場Ｅ２、静磁偏向場Ｂ１に加えて静磁四極子場Ｂ２を重畳させる。この１２極型ウィーンフィルタは、さらに静電六極子場を発生する。
【００２８】
図５は、本発明の要部となる静電場発生部４と１２極型ウィーンフィルタの極（Ｐ１〜Ｐ１２）部３の各極と、５つの独立制御可能な電源部との接続図である。静電場発生部４は、１２極Ｐ１〜Ｐ１２に独立に電源を供給する５つの独立制御可能な電源部（電源ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤ及びＳＥ）５を制御することにより、静電偏向場Ｅ１に加えて静電四極子場Ｅ２、さらに静電六極子場を発生する。
【００２９】
静電場発生部４は、この１２極型ウィーンフィルタが適用される後述するモノクロメータにおいてスリット上でビームを絞るために、ユーザが操作部６を使って操作した指示にしたがって、各電源の印加電圧を調整し、静電偏向場、静電四極子場、静電六極子場のような多重極静電場を発生する。
【００３０】
静電場発生部４は、各電源（電源ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤ及びＳＥ）と、次の表１のように接続された１２極型ウィーンフィルタに、表２のような印加電圧を印加する。
【表１】

【００３１】
電源ＳＡは極Ｐ１，Ｐ６，Ｐ７及びＰ１２に接続される。電源ＳＢは極Ｐ２，Ｐ５に接続される。電源ＳＣは極Ｐ３，Ｐ４に接続される。電源ＳＤは極Ｐ８，Ｐ１１に接続される。電源ＳＥは極Ｐ９，Ｐ１０に接続される。
【表２】

【００３２】
表２は、多重極静電場として静電偏向場、静電四極場、静電六極部を発生するときの各電源への印加電圧を示している。静電偏向場の印加電圧をＶ１、静電四極場の印加電圧をＶ２、静電六極場の印加電圧をＶ３としている。静電偏向場を発生するために、電源ＳＡには０、電源ＳＢには−Ｖ１、電源ＳＣには−Ｖ１、電源ＳＤには＋Ｖ１、電源ＳＥには＋Ｖ１を印加する。図６は静電偏向場の発生図である。
【００３３】
静電四極場を生成するために、電源ＳＡには−Ｖ２、電源ＳＢには０、電源ＳＣには＋Ｖ２、電源ＳＤには０、電源ＳＥには＋Ｖ２を印加する。図７は静電四極場の発生図である。
【００３４】
静電六極場を生成するために、電源ＳＡには０、電源ＳＢには＋１．４７×Ｖ３、電源ＳＣには−Ｖ３、電源ＳＤには−１．４７×Ｖ３、電源ＳＥには＋Ｖ３を印加する。図８は静電六極場の発生図である。
【００３５】
そして、静電場発生部４は、静電六極子場を積極的に発生させ、３回非点を補正する。図９は、１２極型ウィーンフィルタと、三回非点発生方向を示す図である。図８に示す静電六極場の発生により、三回非点が補正できる。これにより、図１０に示すように、モノクロメータに適用した場合、エネルギー選択スリット上によりビームを絞ることを可能にする。
【００３６】
図１１は、１２極型ウィーンフィルタを適用したモノクロメータを有する電子光学系の構成図である。この電子光学系は、電子源１１の直下であって加速段１６の前段に、モノクロメータ１２を有している。モノクロメータ１２は、絞り１３、ウィーンフィルタ１４及びスリット１５からなる。ウィーンフィルタ１４は、１２極型ウィーンフィルタであり、図１〜図５に示した構成であり、静電場発生部４により、静電六極子場を積極的に発生させ、３回非点を補正する。
【００３７】
電子源１１から出射された電子線は、モノクロメータ１２によって、３回非点が補正されながら、所定のエネルギー分布幅を有する所定のエネルギーの成分が選択される。モノクロメータ１２で選択された成分からなる電子線は、加速部１６における静電勾配によって、加速され、集束レンズ１７によって試料１８に照射される。
【００３８】
この電子光学系では、モノクロメータ１２により、１２極型ウィーンフィルタ１４にて３回非点を低減し、スリット１５上でビームを絞ることが出来るようになるので、電子源１１のエネルギー分解能が向上できるようになる。また、３回非点を低減し、スリット上でビームを絞ることが出来るようになることにより、エネルギー選択効率が上がり、モノクロメータ１２で電子ビームを単色化させる際にビーム電流量の低減を抑えることが可能になる。また、モノクロメータ１２で電子ビームを単色化させる際にビーム電流量の低減を抑えることが可能になることにより、モノクロメータ付き電子銃（電子源）の電子線輝度の低下を極力抑えることが可能になる。
【００３９】
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。この他の実施の形態は、８極型ウィーンフィルタである。図１２は８極型ウィーンフィルタの断面図である。この８極型ウィーンフィルタは、Ｚ軸にほぼ平行な光軸ｏを有する。また８極型ウィーンフィルタは、Ｚ軸方向において光軸ｏに平行に伸びる２×ｎ＝２×４＝８個の極Ｐ１〜Ｐ８を有する。極Ｐ１〜Ｐ８は、時計周りに配置されている。この光軸ｏに直交する二つの軸をＸ軸及びＹ軸としたとき、ＸＹ面内において、光軸ｏに面する各極Ｐ１〜Ｐ８の先端部は、光軸ｏを中心として回転対称性を有する。前記８個の極Ｐ１〜Ｐ８は、いずれも磁性材料からなる。この磁性材料は、例えば鉄、ニッケル、パーマロイ等を含む。
【００４０】
この８極型ウィーンフィルタも、図３及び図４に示したのと同様な、Ｘ軸方向に静電偏向場Ｅ１を生成し、Ｙ軸方向に静磁偏向場Ｂ１を生成する。また、８極型ウィーンフィルタが非点なし結像型ウィーンフィルタである場合には、静電偏向場Ｅ１に加えて静電四極子場Ｅ２、静磁偏向場Ｂ１に加えて静磁四極子場Ｂ２を重畳させる。この８極型ウィーンフィルタは、さらに静電六極子場を発生する。
【００４１】
この８極型ウィーンフィルタにあっても、前記図５を準用すれば静電場発生部４が静電偏向場Ｅ１に加えて静電四極子場Ｅ２、さらに静電六極子場を発生することが分かる。
【００４２】
静電場発生部４は、各電源（電源ＳＡ，ＳＢ，ＳＣ，ＳＤ及びＳＥ）と、次の表３のように接続された８極型ウィーンフィルタに、表４のような印加電圧を印加する。
【表３】

【００４３】
電源ＳＡは極Ｐ１，Ｐ５に接続される。電源ＳＢは極Ｐ２，Ｐ４に接続される。電源ＳＣは極Ｐ３に接続される。電源ＳＤは極Ｐ６，Ｐ８に接続される。電源ＳＥは極Ｐ７に接続される。
【表４】

【００４４】
表４は、多重極静電場として静電偏向場、静電四極場、静電六極部を発生するときの各電源への印加電圧を示している。静電偏向場の印加電圧をＶ１、静電四極場の印加電圧をＶ２、静電六極場の印加電圧をＶ３としている。静電偏向場を発生するために、電源ＳＡには０、電源ＳＢには−Ｖ１、電源ＳＣには−Ｖ１、電源ＳＤには＋Ｖ１、電源ＳＥには＋Ｖ１を印加する。
【００４５】
静電四極場を生成するために、電源ＳＡには−Ｖ２、電源ＳＢには０、電源ＳＣには＋Ｖ２、電源ＳＤには０、電源ＳＥには−Ｖ２を印加する。
【００４６】
静電六極場を生成するために、電源ＳＡには０、電源ＳＢには＋１．４７×Ｖ３、電源ＳＣには−Ｖ３、電源ＳＤには−１．４７×Ｖ３、電源ＳＥには＋Ｖ３を印加する。
【００４７】
そして、静電場発生部４は、静電六極子場を積極的に発生させ、３回非点を補正する。この８極型ウィーンフィルタを、モノクロメータに適用した場合、エネルギー選択スリット上によりビームを絞ることを可能にする。
【００４８】
図１１に示した電子光学系における、モノクロメータに８極型ウィーンフィルタを適用できる。静電場発生部４により、静電六極子場を積極的に発生させ、３回非点を補正する。
【００４９】
電子源１１から出射された電子線は、モノクロメータ１２によって、３回非点が補正されながら、所定のエネルギー分布幅を有する所定のエネルギーの成分が選択される。モノクロメータ１２で選択された成分からなる電子線は、加速部１６における静電勾配によって、加速され、集束レンズ１７によって試料１８に照射される。
【００５０】
この電子光学系でも、モノクロメータ１２により、８極型ウィーンフィルタ１４にて３回非点を低減し、スリット１５上でビームを絞ることが出来るようになるので、電子源１１のエネルギー分解能が向上できるようになる。また、３回非点を低減し、スリット上でビームを絞ることが出来るようになることにより、エネルギー選択効率が上がり、モノクロメータ１２で電子ビームを単色化させる際にビーム電流量の低減を抑えることが可能になる。また、モノクロメータ１２で電子ビームを単色化させる際にビーム電流量の低減を抑えることが可能になることにより、モノクロメータ付き電子銃（電子源）の電子線輝度の低下を極力抑えることが可能になる。
【００５１】
なお、本発明のウィーンフィルタは、モノクロメータのみならず、電子顕微鏡のエネルギーフィルタ、マスフィルタ、スピンローテイタ、エネルギーアナライザ等で用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】１２極型ウィーンフィルタの光軸に直交するＸＹ面に沿う断面図である。
【図２】１２極型ウィーンフィルタのＹＺ面に沿う断面図である。
【図３】１２極型ウィーンフィルタの静電場発生方向を示す図である。
【図４】１２極型ウィーンフィルタの静磁場発生方向を示す図である。
【図５】静電場発生部と１２極型ウィーンフィルタの極（Ｐ１〜Ｐ１２）部の各極と、５つの独立制御可能な電源部との接続図である。
【図６】静電偏向場発生図である。
【図７】静電四極子場発生図である。
【図８】静電六極子場発生図である。
【図９】１２極型ウィーンフィルタと三回非点発生方向を示す図である。
【図１０】スリットと三回非点の関係を示す図である。
【図１１】１２極型ウィーンフィルタを適用したモノクロメータを備えた電子光学系の構成図である。
【図１２】八極子ウィーンフィルタのＸＹ面に沿った断面図である。
【図１３】ウィーンフィルタ内静電場発生方向図である。
【図１４】ウィーンフィルタ内静磁場発生方向図である。
【図１５】１２極型ウィーンフィルタの断面図である。
【図１６】三回非点発生方向を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
３極部
４静電場発生部
５電源部
６操作部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚ軸にほぼ平行な光軸を有し、この光軸に直交する二つの軸をＸ軸及びＹ軸としたとき、Ｘ軸方向に静電偏向場を生成し、Ｙ軸方向に静磁偏向場を生成するウィーンフィルタにして、Ｚ軸方向において光軸に平行に伸びる２ｎ（ｎは４以上の整数）個の極を有し、かつＸＹ面内において、光軸に面する各極の先端部が、光軸を中心として回転対称性を有するウィーンフィルタにおいて、
前記２ｎ個の極に独立に電源を供給する５つの独立制御可能な電源部を制御することにより前記静電偏向場に加えて静電四極子場、さらに静電六極子場を発生する静電場発生手段を備え、
前記静電場発生手段により前記静電六極子場を発生させ、３回非点を補正することを特徴とするウィーンフィルタ。

【図１】