透過電子顕微鏡
【課題】入射像面および入射瞳面を有し、試料を通過した電子の分析方法として１種類またはそれ以上の種類の分析方法を実施可能とする、適応性の高い分析系を備える透過電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】試料面内９ｂに試料を配置した透過電子顕微鏡は、対物レンズ１１ｂ、複数のレンズを有する第１投影レンズ系６１ｂ、複数のレンズを有する第２投影レンズ系６３ｂ、および分析系を備える。試料面９ｂは中間像面７１内に結像され、対物レンズ１１ｂの回折面１５ｂは中間回折面６７ｂ内に結像され、（ａ）中間像面は分析系の入射像面内に結像され、中間回折面は分析系の入射瞳面内に結像されるか、または、（ｂ）中間像面７１は入射瞳面６５ｂ内に結像され、中間回折面６７ｂは入射像面２１ｂ内に結像される。
【解決手段】試料面内９ｂに試料を配置した透過電子顕微鏡は、対物レンズ１１ｂ、複数のレンズを有する第１投影レンズ系６１ｂ、複数のレンズを有する第２投影レンズ系６３ｂ、および分析系を備える。試料面９ｂは中間像面７１内に結像され、対物レンズ１１ｂの回折面１５ｂは中間回折面６７ｂ内に結像され、（ａ）中間像面は分析系の入射像面内に結像され、中間回折面は分析系の入射瞳面内に結像されるか、または、（ｂ）中間像面７１は入射瞳面６５ｂ内に結像され、中間回折面６７ｂは入射像面２１ｂ内に結像される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１０年３月１日に独国で出願された、発明の名称を「透過電子顕微鏡」と題する特許出願第１０２０１０００９７０７．１号の優先権を主張するものであり、その内容は参照により本明細書に完全に援用される。
【０００２】
本明細書で開示する発明は、透過電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００３】
透過電子顕微鏡において、電子ビームを試料に導き、ビーム路における試料の下流に配置した分析系により、試料を通過した電子を検出する。検出した電子から、この試料に関する情報を得る。試料に入射する電子は試料と相互作用する。そのような相互作用の例としては、例えば、電子の散乱、ある角度での偏向、散乱電子の運動エネルギーの変化等が挙げられる。
【０００４】
試料を通過した電子の分析方法として考えられる種類の分析方法の１つとして、試料を通過した電子のうち、相互作用により大角度偏向された電子から、実質的に無散乱で通過した電子を分離することが挙げられる。散乱電子および非散乱電子は別々に検出することができ、例えば、実質的に無散乱で試料を通過した電子から、一般に明視野像と呼ばれる像を生成することができる。さらに、大角度偏向された電子から、一般に暗視野像と呼ばれる像を生成することができる。
【０００５】
試料を通過した電子の別の種類の分析方法として、電子の運動エネルギーを分析することが挙げられる。試料に入射する電子は、試料内において、電子のエネルギー損失の原因となるプロセスを励起することがある。例えば、試料の化学組成に関する情報は、そのようなエネルギー損失を分析することにより取得することができる。電子の運動エネルギー分析には、入射像面および入射瞳面を有するエネルギーフィルタを用いることができる。
【０００６】
試料を通過した電子のさらに別の分析方法として、試料を通過した電子ビームの異なる部分について異なる位相シフトを行い、続いてこのビーム部分を互いに重畳して、その結果として生じる干渉パターンを検出することが挙げられる。そのような分析は、一般に、位相差顕微鏡法として知られる。
【０００７】
試料を通過した電子のさらなる種類の分析方法として、バイプリズムを用いてイオンビームを２つのビーム部分に分離し、分離したビーム部分を互いに重畳して干渉パターンを生成することが挙げられる。この干渉パターンを分析することにより、試料に関する位相情報を取得することができる。そのような分析は、一般に、電子ビームホログラフィと呼ばれる。
【０００８】
試料を通過した電子の分析方法が異なる場合、分析系の構成も異なるものとする必要がある。一般に、同一または類似した構成の透過電子顕微鏡を用いて複数の異なる分析方法を実施することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願第７，７４１，６０２号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／００３５８５４号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】「ｃｈａｐｔｅｒ ＩＩＩ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ａｒｔｉｃｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｂｙ Ｌ． Ｒｅｉｍｅｒ， ｉｎ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ」 Ｖｏｌｕｍｅ ８１， Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９９１， ｐａｇｅｓ ６２ ｔｏ ７５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記の課題に鑑み、なされたものである。
【００１２】
本発明の目的は、入射像面および入射瞳面を有し、試料を通過した電子の分析方法として１種類またはそれ以上の種類の分析方法を実施可能とする、適応性の高い分析系を備える透過電子顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
いくつかの実施形態によれば、透過電子顕微鏡は分析系を備え、分析系は、透過電子顕微鏡のビーム路における上流側に入射像面および入射瞳面を有する。本明細書に記載の例示的な実施形態によれば、分析系は、エネルギーフィルタを有して構成し、エネルギーフィルタはその上流側に入射像面および入射瞳面を備え、その下流側に射出像面および射出瞳面を有する。射出像面は色消し像面と呼ぶこともでき、射出瞳面はスペクトル面と呼ぶこともできる。異なるエネルギーを有し、入射像面内の同じ位置から発生する電子の軌道は、射出像面内の同じ位置に集束される。一方、同じ運動エネルギーを有し、入射像面内の異なる位置から発生する電子の軌道は、射出像面内において、点状の位置または線状の位置等の同じ位置に集束されるが、異なるエネルギーを有する電子の軌道は、射出像面内において、異なる位置に集束される。
【００１４】
その他の実施形態によれば、透過電子顕微鏡は、透過電子顕微鏡のビーム路内における試料の下流に配置した対物レンズ、ビーム路における対物レンズの下流に配置した少なくとも２枚のレンズを有する第１投影レンズ系、および、ビーム路における第１投影レンズ系の下流に配置した少なくとも２枚のレンズを有する第２投影レンズ系を備える。
【００１５】
本明細書に記載の一実施形態によれば、対物レンズにより試料面を中間像面内に結像し、第１投影レンズ系により対物レンズの回折面を中間回折面内に結像し、第２投影レンズ系により中間像面および中間回折面を分析系の入射像面内および分析系の入射瞳面内にそれぞれ結像する。ここで、対物レンズの回折面を、対物レンズの後焦点面とも呼ぶ。
【００１６】
さらなる例示的な実施形態によれば、対物レンズにより試料面を中間像面内に結像し、第１投影レンズ系により対物レンズの回折面を中間回折面内に結像し、第２投影レンズ系により中間像面および中間回折面を分析系の入射瞳面内および分析系の入射像面内にそれぞれ結像する。
【００１７】
本明細書に記載の一実施形態によれば、分析系はエネルギーフィルタを有して構成する。
【００１８】
本開示において、用語「一つの面を別の面内に結像する」とは、２つの面の間に付加的な像面が存在しない一段構成、および、２つの面の間に１つまたはそれ以上の中間像面が存在する多段構成の両方を含むものである。具体的には、試料面と中間像面との間に、１つまたは複数の中間像面を設けることができる。同様に、回折面と中間回折面との間に付加的な中間回折面を設けることができる。さらに、対物レンズ、第１投影レンズ系、または第２投影レンズ系のレンズのうちの１枚またはそれ以上のレンズの励磁が変化すると、レンズ中間像面および／または中間回折面の各位置が顕微鏡のビーム路に沿って変化する場合がある。またさらに、中間像面と分析系の入射像面または入射瞳面との間に、付加的な中間像面を設けることができる。同様に、中間回折面と分析系の入射像面または入射瞳面との間に、付加的な中間回折面を設けることができる。
【００１９】
以上に説明したように試料面および対物レンズの回折面を多段結像することにより、対物レンズと分析系との間に付加的な部品を配置して、試料を通過した電子を分析するためのさらなる種類の分析方法を実施することが可能となる。さらに、上記のような、第１投影レンズ系および第２投影レンズ系を用いた多段結像を行うことにより、自由度がさらに高くなり、エネルギー分析等の分析系を用いた分析、および付加的な種類の分析の両方を最適化することが可能となる。
【００２０】
例示的な実施形態によれば、対物レンズの回折面を中間回折面内に結像する際の倍率は１より大きい。本明細書に記載の特定の実施形態によれば、この倍率は４〜８０の範囲内であり、さらに特定の実施形態によれば、この倍率は８〜４０の範囲内である。
【００２１】
いくつかの実施形態によれば、第１投影レンズ系は、対物レンズの下流であり中間像面の上流に配置した少なくとも２枚のレンズを備える。第１投影レンズ系のこれら少なくとも２枚のレンズを制御モジュールにより励磁して、対物レンズの回折面および中間回折面の結像倍率を変更できるようにする。特に、これら少なくとも２枚のレンズおよび制御モジュールは、結像倍率が４から８０、８から４０、または１２から３０へと変更されるように構成する。本明細書に記載の特定の実施形態によれば、これら少なくとも２枚のレンズおよび制御モジュールは、結像倍率を変更したときにビーム路に沿った中間回折面の位置が実質的に変化しないように構成する。
【００２２】
いくつかの実施形態によれば、第２投影レンズ系は、中間回折面を分析系の入射像面内に結像する際の結像倍率が３未満となるように構成する。特に、第２投影レンズ系は、中間回折面を分析系の入射像面内に結像する際の結像倍率が０．０５〜３の範囲内、または０．１〜１．５の範囲内となるように構成する。
【００２３】
例示的な実施形態によれば、第２投影レンズ系のレンズの主面が中間回折面に略一致するように、または、中間回折面近傍に位置するように、透過電子顕微鏡を構成する。本開示においては、中間回折面とレンズの主面との間の距離が５ｍｍ未満またはこのレンズの焦点距離の２分の１未満であれば、このレンズの主面を中間回折面の近傍に配置する。
【００２４】
実施形態によれば、透過電子顕微鏡は、中間回折面に、またはその近傍に配置した暗視野検出器を備え、試料内で大角度偏向された電子を検出する。偏向されずに試料を通過した電子または小角度偏向されて試料を通過した電子は、暗視野検出器により検出されない。
【００２５】
さらなる実施形態によれば、相変化素子を中間回折面内または中間回折面近傍に配置する。相変化素子は、相変化素子を通過する電子ビームの異なる２つの部分における相変化が異なるように構成する。この２つの異なる部分は、下流の像面内において、互いに干渉し合うことがあり、この２つの部分を検出して試料の位相差像を得ることができる。
【００２６】
さらなる実施形態によれば、透過電子顕微鏡は、回折面の下流であり分析系の上流におけるビーム路内に配置したバイプリズムを備える。バイプリズムにより、試料を通過した電子ビームを２つのコヒーレントなビーム部分に分離し、さらに、各ビーム部分を像面内で互いに重畳して、中間像面内に干渉パターンまたはホログラムが生成されるようにする。その干渉パターンを分析して、試料内での電子波において生じる相変化を測定することができる。
【００２７】
さらなる実施形態によれば、透過電子顕微鏡は、対物レンズの下流であって第１投影レンズ系の上流におけるビーム路内に配置した像補正器を備える。
【００２８】
本発明の上記特徴およびその他の有利な特徴は、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する本発明の例示的な実施形態により、さらに明らかになるであろう。本発明について可能な実施形態のすべてが、本明細書において定義した各利点のすべてを、または、いずれかを必ずしも示すとは限らないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】透過電子顕微鏡の概略図である。
【図２】図１に示す電子顕微鏡の各特性間の関係を示すグラフである。
【図３】エネルギーフィルタおよび暗視野検出器を備える透過電子顕微鏡の概略図である。
【図４】エネルギーフィルタおよび暗視野検出器を備える透過電子顕微鏡のビーム路を示す概略図である。
【図５】図４に示す電子顕微鏡の各特性間の関係を示すグラフである。
【図６】エネルギーフィルタおよび相変化素子を備える透過電子顕微鏡のビーム路を示す概略図である。
【図７】図６に示す電子顕微鏡の各特性間の関係を示すグラフである。
【図８】エネルギーフィルタおよびバイプリズムを備える透過電子顕微鏡のビーム路を示す概略図である。
【図９】図８に示す電子顕微鏡のいくつかの特性間の関係を示すグラフである。
【図１０】エネルギーフィルタおよびバイプリズムを備える透過電子顕微鏡のビーム路を示す概略図である。
【図１１】エネルギーフィルタおよび画像補正器を備える透過電子顕微鏡のビーム路を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に示す例示的な実施形態において、同様の機能および構成を有する部品にはできる限り同様の参照符号を付して示す。したがって、特定の実施形態における個々の部品の特徴を理解するためには、その他の実施形態および本発明の概要についての説明を参照されたい。
【００３１】
図１は、エネルギーフィルタを備える透過電子顕微鏡の概略図である。
【００３２】
透過電子顕微鏡１は、電子ビーム５を出射する電子ビーム源３を備える。出射した電子ビームは、電子光学レンズ７により、試料面９内に集束する。図１に示すレンズ７とは別に、例えば、集束レンズ、補正器、およびビーム偏向器等のレンズおよび電子光学素子を、源３と試料面９との間のビーム路内に付加的に配置することができる。レンズおよび補正器を付加的に設けることにより、試料面内にビームを小さく集束することができ、レンズおよび補正器を付加的に設けることにより、試料面内のビームの集束を横方向に変位させて透過電子顕微鏡を走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Scanning Transmission Electron Microscope）として動作させることができる。さらに、ビーム５で試料面９内の拡張領域を照射して、本顕微鏡を結像透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）として動作させることができる。
【００３３】
対物レンズ１１は、ビーム路において、試料面９の下流に配置する。対物レンズ１１により、試料面９を中間像面１３内に結像する。また、対物レンズ１１は回折面１５を有する。
【００３４】
投影レンズ系１７、および結像エネルギーフィルタを含む分析系は、ビーム路における対物レンズの下流に配置する。図１においては、例として、投影レンズ系として機能する３枚のレンズ１８を示す。なぜなら、投影レンズ系は、一般に、２枚以上のレンズを含むことができるからである。エネルギーフィルタ１９は、その上流側に、入射像面２１および入射瞳面６５を有し、その下流側、すなわち、出力側に、それぞれ、色消し像面２３およびスペクトル面２５を有する。スペクトル面において、試料を通過した電子のエネルギー損失スペクトルを生成する。
【００３５】
さらに、投影レンズ系１７により、対物レンズ１１の回折面１５をエネルギーフィルタ１９の入射像面２１内に結像する。モノクロメータの入射絞り２２を、エネルギーフィルタの入射像面２１内に配置することができる。
【００３６】
エネルギーフィルタ１９のスペクトル面２５にはスリット形状の絞りを設け、エネルギーフィルタを通過して絞りを通過可能となった電子の運動エネルギーの狭帯域を選択することができる。１枚またはそれ以上のレンズ２８を含む結像系２７をスペクトル面２５の下流に配置し、色消し像面２３を像面３１内に結像して、対物レンズ１１の回折面１５のエネルギーフィルタ処理した像が像面３１内に形成されるようにする。代案として、結像系２７により、スペクトル面２５を検出器上内に結像して、モノクロメータの入射絞り２２により選択した電子の角度範囲のエネルギー損失スペクトルを検出することができる。したがって、モノクロメータの入射絞り２２により、そのような検出における許容角が規定される。
【００３７】
図１に示す例示的な透過電子顕微鏡１は、３つの検出器３３，３５，および３７を備える。検出器３３は第１暗視野検出器であり、エネルギーフィルタ１９の入射像面２１上に、または、その近傍に配置される。検出器３５は第２暗視野検出器であり、ビーム路におけるエネルギーフィルタ１９の下流に配置される。検出器３７は明視野検出器であり、エネルギーフィルタ１９の下流に配置される。
【００３８】
エネルギーフィルタ１９の上流に配置された暗視野検出器３３は、リング形状の微細な断面を有する。例えば、暗視野検出器３３は、導光性材料製のプレートで構成することができ、プレートの、試料面９に対向する側にはシンチレーション物質を含むことができる。または、プレートの大部分にシンチレーション物質を含んで構成することができる。プレートは円形の絞りを備え、絞りの中心は、顕微鏡１のビーム路の光軸４３と一致する。試料を通過する際に小角度散乱した明視野電子および暗視野電子は、暗視野検出器３３の絞りを通過することができる。
【００３９】
試料面９の上流において電子ビーム５を成形し、電子が角度範囲内から試料面９に入射するようにする。したがって、試料面９内の一点に入射する電子の軌道の包絡線（エンベロープ）は円錐形状である。図１において、この円錐形状の半開口角をαＯで示す。試料面９を実質的に無散乱で通過した電子の軌道の包絡線も同様に半開口角αＯとなる。これらの電子を明視野電子と称する。明視野電子は、円形断面５１内で対物レンズ１１の後焦点面１５を通過する。円形断面５１の半径は、式ｒＢＦ＝ｆＯαＯを満たすものであり、ここで、ｆＯは対物レンズ１１の焦点距離であり、ｒＢＦは円形断面５１の半径である。
【００４０】
図１において、さらに、後焦点面１５内の円環断面５３を示す。ここで、試料面９内において大角度散乱した暗視野電子は断面５３を通過する。これらの暗視野電子は、回折面１５と共役な面であり回折面の下流にある面に配置した暗視野検出器により検出することができる。図１において、光軸４３に対する、これら暗視野電子の軌道の内側包絡線の角度をαＤＦｉで示し、図１において、光軸４３に対する、これら暗視野電子の軌道の外側包絡線の角度をαＤＦｏで示す。試料面９内で小角度散乱した暗視野電子は、回折面１５内における、円環面５３と円形面５１との間の環状領域を通過するが、これらの電子は検出器３３，３５，および３７のうちの１つでは検出されない。
【００４１】
非補正透過電子顕微鏡において用いられる半開口角αＯの各例示値は８ｍｒａｄとなるが、補正透過電子顕微鏡において用いられる半開口角αＯの各例示値は最大５０ｍｒａｄとなることがある。半開口角αＤＦの各例示値は、５０ｍｒａｄ〜１５０ｍｒａｄとなる。製造上の制約により、暗視野検出器３３の絞り４５の最小直径は、例えば、２ｍｍより大きくなる。一方、モノクロメータの入射絞り２２により規定された、エネルギーフィルタ１９の面２１内の入射像領域の直径の値は、例えば、３００μｍ未満となるはずである。暗視野検出器３３内の絞り４５が所与の最小直径であるときに、小角度散乱した暗視野電子を検出できるようにするため、１より大きい結像倍率で回折面１５を面２１内に結像することが必要な場合がある。この目的のため、投影レンズ系１７において回折面１５を面２１内に結像するための結像倍率は１〜２０の範囲内とすることができる。しかしながら、このような拡大結像を行うことにより、結果として、エネルギーフィルタ１９の入射像面２１内の明視野像２２の直径も拡大し、エネルギーフィルタ１９のエネルギー分解能が減少する。
【００４２】
図２に、エネルギーフィルタ１９の入射像面２１内の像領域の半径Ｒと例示的なエネルギーフィルタのエネルギー分解能ｄＥとの関係を示す。例示的なエネルギーフィルタは、例えば、非特許文献１にて説明されるような、二次補正オメガフィルタとして構成する。
【００４３】
図２に示すグラフによれば、入射像領域の直径２Ｒが３００μｍであるとき、エネルギー分解能は約０．３ｅＶとなる。これは、運動エネルギーが０．８ｅＶずつ変化する電子ビームを用いる透過電子顕微鏡においては、十分な値である。しかしながら、運動エネルギー幅を０．１ｅＶまで減少させるためにモノクロメータを有する透過電子顕微鏡を用いる場合、入射像領域の直径２Ｒが３００μｍでは不適切なことがある。なぜなら、エネルギー分解能は、入射電子ビームではなく、エネルギーフィルタにより制限されるからである。
【００４４】
図２から明らかなように、暗視野検出器３３を用いて小角度散乱する暗視野電子を検出することと、高エネルギー分解能を得ることとは相反する関心事である。
【００４５】
図３は、これらの相反する関心事を満たす透過電子顕微鏡１ａの概略図である。透過電子顕微鏡１ａは、半開口角αＯを有する電子ビーム５ａを試料面９ａ上に導くように構成した、ビーム源およびさらなるビーム生成部品（図３には図示せず）を備える。対物レンズ１１ａ、投影レンズ系１７ａ、およびエネルギーフィルタ１９ａは、試料面９ａの下流に配置する。投影レンズ系１７ａは二段構成であり、少なくとも２枚のレンズを有する第１投影レンズ系６１、および少なくとも２枚のレンズを有する投影レンズ系６３を備える。エネルギーフィルタ１９ａは、その上流側に、入射像面２１ａおよび入射瞳面６５ａを有し、その下流側に、色消し像面２３ａおよびスペクトル面２５ａを有する。図３には図示しないが、さらなるレンズおよび検出器をスペクトル面２５ａの下流に配置することができる。
【００４６】
投影レンズ系１７ａは、試料面９ａをエネルギーフィルタ１９ａの入射瞳面６５内に結像し、対物レンズ１１ａの回折面１５ａをエネルギーフィルタ１９ａの入射像面２１ａ内に結像するように構成する。ここで、２枚またはそれ以上のレンズを有する第１投影レンズ系６１により、回折面１５ａは中間回折面６７内に結像され、この中間回折面６７も同様に、２枚またはそれ以上のレンズ６４を有する第２投影レンズ系６３によりエネルギーフィルタ１９ａの入射像面２１ａ内に結像される。回折面１５ａは中間回折面６７内に倍率Ｍ１で拡大結像され、倍率Ｍ１は、例えば、８〜４０の範囲内にある。角度αＯの値は、例えば、１０ｍｒａｄから５０ｍｒａｄであり、対物レンズ１１ａの焦点距離ｆＯは、例えば、１．７ｍｍ、明視野回折像５１ａの直径、すなわちΦＤｉｆｆ＝２ｆＯαＯは、３４μｍ〜１７０μｍとなる。回折面５１ａの明視野像は、第１投影レンズ系６１により、中間回折面６７内において明視野像６９として結像され、この明視野像６９の直径は、ΦＢＦ＝Ｍ１ΦＤｉｆｆとなる。この直径は、例えば、αＯ＝５０ｍｒａｄおよびＭ１＝４のとき、約１．４ｍｍであり、また、この直径は、例えば、αＯ＝１０ｍｒａｄおよびＭ１＝４０のときも約１．４ｍｍとなる。
【００４７】
図示の例において、暗視野検出器３３ａを中間回折面６７内に配置して、試料面９ａで大角度散乱した電子を検出する。一方、小角度散乱した明視野電子および暗視野電子は暗視野検出器３３ａを通過する。
【００４８】
第２投影レンズ系６３により、中間回折面６７をエネルギーフィルタ１９ａの入射像面２１ａ内に倍率Ｍ２で結像して、入射像面２１ａ内の回折像２２ａの直径が、図示の例において、３００μｍ未満となるようにし、エネルギーフィルタ１９ａが所望の高分解能となるようにする。この目的のため、第２投影レンズ系６３による結像の倍率Ｍ２を、例えば、０．１〜１．５の範囲内とすることができ、特に、この倍率Ｍ２は１未満とすることができる。
【００４９】
中間回折面６７および中間回折面６７内の暗視野検出器３３ａの配列を介して、回折面１５ａをエネルギーフィルタ１９ａの入射像面２１ａ内に多段結像することにより、複数の利点をもたらすことができる。すなわち、（ａ）暗視野検出器３３ａの絞り４５ａが所与の直径を有するとき、試料面９ａ内で比較的小角度散乱した暗視野電子の検出も可能になる。なぜなら、第１投影レンズ系６１による結像倍率は１より大きいからである。（ｂ）中間回折面６７をエネルギーフィルタ１９ａの入射像面２１ａ内にさらに結像する際には、必要に応じて、倍率１未満の縮小結像とすることができ、後段のエネルギーフィルタ処理対象の回折像２２ａの直径を制限して、エネルギーフィルタ１９ａのエネルギー分解能が所望の低い値となるようにすることができる。また、（ｃ）対物レンズ１１ａとエネルギーフィルタ１９ａとの間に付加的な空間が生じ、以下にさらに詳細に説明するように、この空間に、暗視野検出器３３ａ、または、相変化素子もしくはバイプリズム等の付加的な部品をさらに設けることができる。
【００５０】
図３における各線７１は、回折面１５ａ、中間回折面６７、エネルギーフィルタ１９ａの入射像面２１ａ、およびエネルギーフィルタ１９ａの色消し像面２３ａが、共役な面であること、すなわち、投影レンズ系１７ａおよびエネルギーフィルタ１９ａにより互いの面内に結像される面であることを示す。
【００５１】
図４に、透過電子顕微鏡１ｂのビーム路の一部を概略的に示す。図４において、各レンズを両矢印で示す。また、図４には、ビーム路の軸方向光線および視野光線を示す。
【００５２】
透過電子顕微鏡１ｂは、ビーム源、レンズ、および偏向器（図４には図示せず）を備える。偏向器は、電子ビームを試料面９ｂ内に集束し、ビーム集束位置を試料面９ｂ内の領域にわたり走査するように構成する。したがって、透過電子顕微鏡１ｂは走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）として動作させることができる。透過電子顕微鏡１ｂは、さらに、入射像面２１ｂおよび入射瞳面６５ｂを有するエネルギーフィルタ（図４には図示せず）を備える。投影レンズ系１７ｂの各レンズは、試料面９ｂとエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｂとの間に配置し、投影レンズ系１７ｂは、２枚のレンズ６２ｂ１および６２ｂ２を備える第１投影レンズ系６１ｂ、および３枚のレンズ６４ｂ１、６４ｂ２、および６４ｂ３を備える第２投影レンズ系６３ｂを備える。第１投影レンズ系６１ｂは、対物レンズ１１ｂと協働して、試料面９ｂを中間像面７１内に結像し、ここで、中間像面７１の位置は光軸４３ｂに沿って変化させることができる。第１投影レンズ系６１ｂは、さらに、対物レンズ１１ｂの回折面１５ｂを中間回折面６７ｂ内に結像する。
【００５３】
図４に示す例において、暗視野検出器３３ｂを中間回折面６７ｂ内に配置する。暗視野検出器３３ｂは、試料面９ｂにおいて閾値散乱角よりも大きい角度で散乱した電子を検出するように構成し、試料面で散乱しなかった電子または試料面９ｂ内で閾値散乱角よりも小さい角度で散乱した電子は検出器を通過させるように構成する。この閾値散乱角は、回折面１５ｂを中間回折面６７内に結像する際の倍率を調整することにより、調整できる。この結像倍率は、レンズ６２ｂ１およびレンズ６２ｂ２の励磁を調整および変更することにより、調整および変更することができる。このようにレンズ６２ｂ１およびレンズ６２ｂ２の励磁を変更しても、透過電子顕微鏡１ｂの光軸４３ｂに沿った中間回折面６７ｂの位置は変更されず選択した倍率とは無関係となるようにする。しかしながら、倍率を変更したときに中間回折面６７ｂの位置は変更されなくても、中間像７１の位置を光軸４３ｂに沿って変化させずに維持することは不可能である。回折面１５ｂを中間回折面６７ｂ内に結像する際の倍率を変更した場合、中間像７１の位置は光軸４３ｂに沿って変化することになる。
【００５４】
図４に、第１投影レンズ系６１ｂのレンズ６２ｂ１およびレンズ６２ｂ２を上記のように励磁するように構成した第１制御モジュール５９、および第２投影レンズ系６３ｂのレンズ６４ｂ１、レンズ６４ｂ２、およびレンズ６４ｂ３を上記のように励磁するように構成した第２制御モジュール６０を概略的に示す。各レンズのコイルに供給する電流を調整することにより、レンズの励磁を行う。
【００５５】
第２投影レンズ系６３ｂにより、中間回折面６７ｂをエネルギーフィルタの入射像面２１ｂ内に結像し、また、中間像面７１ｂをエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｂ内に結像する。ここで、中間回折面６７ｂを入射像面２１ｂ内に結像する際の倍率を調整して、エネルギーフィルタの入射像面２１ｂ内の像の直径が所望の値を超えないようにすることができる。ここで、所望の値とは、エネルギーフィルタのエネルギー分解能も所望の値を超えないように選択した値のことである。したがって、第１投影レンズ系６１ｂにより回折面１５ｂを中間回折面６７ｂ内に結像する際の倍率を変更した場合は、レンズ６４ｂ２およびレンズ６４ｂ３により中間回折面６７ｂをエネルギーフィルタの入射像面２１ｂ内に結像する際の倍率を変更する必要がある。第１投影レンズ系６１ｂによる倍率を変更することにより中間像７１の位置も光軸４３ｂに沿って変化するため、中間回折面６７ｂ内に位置するレンズ６４ｂ１の焦点距離も、レンズ６４ｂ２およびレンズ６４ｂ３による倍率の変更に伴って変更する必要があり、そうすることで中間像面７１をエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｂ内に正確に結像できるようにする。
【００５６】
この目的のため、レンズ６４ｂ１は、その主面が中間回折面６７ｂと一致するように配置することができ、または、その主面が中間回折面６７ｂ近傍に位置するように配置することができる。このような配置は、レンズ６４ｂ１の焦点距離の変化が回折面の結像に実質的に影響を及ぼさない点において有利である。レンズ６４ｂ１の励磁を利用して、回折面の結像に実質的に影響を及ぼすことなく、中間像面の結像を調整することができる。
【００５７】
図５は、レンズ６４ｂ１の焦点距離ｆＰ１と、回折面１５ｂを中間回折面６７ｂ内に結像する際の倍率ＭＤＺとの間の依存関係を複数の線で表すグラフであり、各線は、固定値Ｍ２に対する、中間回折面６７ｂをエネルギーフィルタの入射像面２１ｂ内に結像する際の倍率の依存性を示す。
【００５８】
図６に、さらなる例として、透過電子顕微鏡１ｃのビーム路の一部を概略的に示す。透過電子顕微鏡１ｃのビーム路は、図４および図５を参照して説明した上記の走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）のビーム路と次の点で同様である。すなわち、投影レンズ系１４ｃ、および入射瞳面６５ｃならびに入射像面２１ｃを有するエネルギーフィルタが、顕微鏡のビーム路における対物レンズ１１ｃの下流に配置されている点で同様である。さらに、投影レンズ系１７ｃは、試料面９ｃを中間像面７１ｃ内に結像し、また、対物レンズ１１ｃの回折面１５ｃを中間回折面６７ｂ内に結像する第１投影レンズ系６１ｃを備える。図４を参照して説明した例とは異なり、図６に示す例においては、試料面９ｃの拡張領域を電子ビームで照射する。この照射される拡張領域の直径は、一般に、約１μｍ〜１００μｍとすることができる。照射する電子ビームは平行光線とすることができ、試料面に入射する電子の開口角は、図４を参照して説明したＳＴＥＭにおける開口角の、１０分の１または１００分の１とすることができる。したがって、図６を参照して説明するタイプの透過電子顕微鏡において試料を照射する電子ビームの開口角または円錐角の例示値は０．１ｍｒａｄから１ｍｒａｄとすることができる。図６に示す例が、図４に示す例とさらに異なる点は、エネルギーフィルタの入射像面２１ｃ内に結像するのは中間回折面６７ｃではないことである。具体的には、図６に示す例における中間回折面はエネルギーフィルタの入射瞳面内に結像されるが、本例においては、中間像面７１ｃがエネルギーフィルタの入射像面２１ｃ内に結像される。
【００５９】
相変化素子７５は、中間回折面６７ｃ内に配置される。相変化素子７５は、試料において散乱し、光軸４３ｂから遠く離れて中間回折面６７ｂを通過する軌道上を移動する電子群と、実質的に散乱せずに試料を通過し、光軸から近い距離で中間回折面６７ｃと交差する軌道上を移動する電子群との間に、位相シフトを発生させるように構成する。異なる位相にシフトした２つの電子群を中間回折面６７ｃの下流に位置する中間像面７７ｃ内で互いに重畳し、これらの電子群が中間像面７７ｃ内で相互干渉することにより、試料面９ｃの位相差像を生成する。中間像面７７ｃは、レンズ６４ｃ１の励磁を適切に調整することにより主軸４３ｃに沿って配置することができ、レンズ６４ｃ２およびレンズ６４ｃ３により位相差像をエネルギーフィルタの入射像面２１ｃ内に結像する一方、中間回折面６７ｃもエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｃ内に同時内に結像するようにする。したがって、エネルギーフィルタの下流の色消し像面において、試料面９ｃのエネルギーフィルタ処理した位相差像を生成することができる。
【００６０】
適切な相変化素子として複数のタイプがある。相変化素子の一例は特許文献１に記載され、その内容は参照により本明細書に完全に援用される。この例によれば、光軸から閾値半径内の距離を隔てて相変化素子を通過する電子は、静電ポテンシャルを通過するが、この静電ポテンシャルは、光軸から閾値半径を超えた距離を隔てて相変化素子を通過する電子が通過する静電ポテンシャルとは異なる。相変化素子のさらなるタイプは、特許文献２に開示され、その内容は参照により本明細書に完全に援用される。この例によれば、相変化素子は、電子が通過する薄い円形リングを備え、このリング部分を通過する電子が、リングの内側の円形状の絞りを通過する電子に対して、位相シフトするように構成する。
【００６１】
相変化素子により、２つの電子群に対して異なる位相シフトを行う。２つの電子群とは、すなわち、光軸から閾値半径内の距離を隔てて相変化素子を通過する電子群と、光軸から閾値半径を超えた距離を隔てて相変化素子を通過する電子群のことである。この閾値半径により、試料内で分散する電子に対する、対応分散角を規定する。ここで、閾値角より小さい角度で散乱する電子は電子の第１群を構成し、閾値角より大きい角度で散乱する電子は電子の第２群を構成する。望ましくは、この閾値散乱角を調整する。閾値散乱角を調整するには、相変化素子の第１半径を変更する、すなわち、相変化素子の幾何学的形状を変更する。しかしながら、相変化素子の幾何学的形状を変更するのは容易なことではない。
【００６２】
図示の例においては、相変化素子７５を配置した中間回折面６７ｃに回折面１５ｃを結像する際の倍率を変更することにより、閾値散乱角を変更する。図６を参照して説明した例の第１投影レンズ系６１ｃは、回折面１５ｃを中間回折面６７ｃ内に結像する際の倍率を変更するために、レンズ６２ｃ１およびレンズ６２ｃ２の励磁を変更するが、その一方で中間回折面６７ｃの光軸７３ｃに沿った位置を維持することができるように構成する。しかしながら、回折面１５ｃを中間回折面６７ｃ内に結像する際の倍率を変更した場合、第１投影レンズ系６１ｃにより試料面９ｃを結像した中間像面７１ｃの位置も同様に変化する。中間像面７１ｃ位置のそのような変位は、レンズ６４ｃ１の焦点距離を変更することにより補償することができる。レンズ６４ｃ１の焦点距離を調整して、レンズ６４ｃ１により面７７ｃ内に中間像を生成し、その中間像をレンズ６４ｃ２およびレンズ６４ｃ３によりエネルギーフィルタの入射像面２１ｃ内に結像するようにする。図示の例において、第１投影システムにより試料面９ｃを中間像面７１ｃ内に結像する際は、倍率１未満の縮小結像とすることができ、一方、面７７ｃ内の中間像をエネルギーフィルタの入射像面２１ｃ内に結像する際は、倍率が１よりも大きい拡大結像とすることができる。
【００６３】
また、透過電子顕微鏡１ｃは、上記のように、各レンズのコイルに供給する電流を調整することにより、第１投影レンズ系６１ｃのレンズ６２ｃ１およびレンズ６２ｃ２を励磁するように構成した第１制御モジュール（図６には図示せず）、および第２投影レンズ系６３ｃのレンズ６４ｃ１、レンズ６４ｃ２、およびレンズ６４ｃ３を励磁するように構成した第２制御モジュール（図６には図示せず）を備える。
【００６４】
図７は、投影レンズ系１７ｃによる結像、すなわち、対物レンズ１１ｃの仮想中間像面７８をエネルギーフィルタの入射像面２１ｃ内に結像する際の倍率Ｍ（Ｉｍａｇｅ）の、中間回折面６７ｃをエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｃ内に結像する際の倍率Ｍ（Ｐｒｏｊ Ｚｏｏｍ）に対する依存性を複数の線で表すグラフである。
【００６５】
図８に、さらなる例示的な透過電子顕微鏡１ｄのビーム路の一部を概略的に示す。図８に示す透過電子顕微鏡１ｄは、図６および図７を参照して説明した上記の透過電子顕微鏡と次の点で同様である。すなわち、対物レンズ１１ｄおよび投影レンズ系１７ｄにより、試料面９ｄをエネルギーフィルタの入射像面２１ｄ内に結像し、対物レンズ１１ｄの回折面１５ｄをエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｄ内に結像する。
【００６６】
透過電子顕微鏡１ｄは、任意選択の試料分析法として、電子線ホログラフィーを行うように構成する。この目的のため、試料面９ｄ内の試料をコヒーレントな電子ビームで照射する。ここで、この試料の配置は、物体波を生成する照射ビームの一部のみが試料を通過するようにし、照射ビームのその他の部分が試料を真空でバイパスして試料を通過したビームの一部に対する参照波を提供するような配置とする。
【００６７】
投影レンズ系１７ｄの第１投影レンズ系６１ｄは、２枚のレンズ６２ｄ１および６２ｄ２を備え、対物レンズ１１ｄの回折面１５ｄを中間回折面６７ｄ内に結像し、また、試料面９ｄを中間像面７７ｄ内に結像する。バイプリズム８１を、ビーム路内における中間回折面６７ｄの下流であって中間像面７７ｄの上流に配置する。バイプリズム８１により、中間回折面６７ｄ内に２つの仮想コヒーレント源画像を生成し、物体波と参照波との間の干渉により、中間像面７７ｄの領域において干渉パターンが生成されるようにする。この干渉パターンは、試料に関する位相情報を含み、干渉パターンを分析することにより試料の特性に関する情報を取得することができる。
【００６８】
バイプリズムに関しては複数の選択肢がある。１つの選択肢として、接地電位にある２枚のプレートの間に細い帯電繊維を配置した、メーレンシュテット型のバイプリズムがある。この繊維に正電位を印加した場合、繊維をバイパスする電子の軌道は光軸４３ｄに向かって偏向し、中間回折面６７ｄ内に２つの仮想コヒーレント源画像が生成される。
【００６９】
有利には、第１投影レンズ系６１ｄのレンズ６２ｄ１およびレンズ６２ｄ２を励磁して、回折面（フーリエ面）６７ｄおよび像面７７ｄが光軸４３ｄに沿って位置するようにし、バイプリズム８１が回折面６７ｄと像面７７ｄとの間に対称に位置するようにする。対称に位置するとは、バイプリズム８１と回折面６７ｄとの間の距離が、バイプリズム８１と像面７７ｄとの間の距離に等しいことを意味する。
【００７０】
投影レンズ系１７ｄの第２投影レンズ系６３ｄは、２枚のレンズ６４ｄ１および６４ｄ２を備え、中間回折面６７ｄをエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｄ内に結像し、また、中間像面７７ｄをエネルギーフィルタの入射像面２１ｄ内に結像して、エネルギーフィルタ処理された画像または非弾性の干渉画像、およびエネルギー損失スペクトルをエネルギーフィルタの下流において記録できるようにする。
【００７１】
レンズ６２ｄ１およびレンズ６２ｄ２の励磁を偏向することにより、距離ｂを変更することができる。距離ｂを変更した結果、投影レンズ系６１ｄの中間像面７７ｄに試料面９ｄを結像する際の倍率ＭＢＩが変化する。バイプリズム８１の中間回折面６７ｄおよび中間像面７７ｄからの距離がどちらも距離ｂとなる条件を満たす倍率として、２つの異なる倍率、すなわち、ＭＢＩ（高）およびＭＢＩ（低）がある。同様に、２つの異なる倍率、すなわち、ＭＦＥＩ（高）およびＭＦＥＩ（低）、ならびに対応するレンズ６４ｄ１および６４ｄ２の励磁により、第２投影レンズ系６３ｄにおいて中間回折面６７ｄをエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｄ内に結像し、中間像面７７ｄをエネルギーフィルタの入射像面２１ｄ内に結像することができる。
【００７２】
また、透過電子顕微鏡１ｄは、上記のように、各レンズのコイルに供給する電流を調整することにより、第１投影レンズ系６１ｄのレンズ６２ｄ１および６２ｄ２を励磁するように構成した第１制御モジュール（図８には図示せず）、および第２投影レンズ系６３ｄのレンズ６４ｄ１およびレンズ６４ｄ２を励磁するように構成した第２制御モジュール（図８には図示せず）を備える。
【００７３】
図９に、投影レンズ系１７ｄ内の倍率と距離ｂとの間の依存関係を示す。具体的には、図９は、試料面９ｄを像面７７ｄ内に結像する際の高倍率ＭＢＩ（高）および低倍率ＭＢＩ（低）、像面７７ｄをエネルギーフィルタの入射像面２１ｄ内に結像する際の高倍率ＭＦＥＩ（高）および低倍率ＭＦＥＩ（低）、およびＭＢＩ（高）×ＭＦＥＩ（高）の積に対する、中間回折面６７ｄと中間像面７７ｄとの間の距離２ｂの依存性を示すグラフである。
【００７４】
図１０は、さらなる例示的な透過電子顕微鏡のビーム路の概略図である。図１０に示す透過電子顕微鏡１ｅの構成は、図８および図９を参照して説明した上記の透過電子顕微鏡と次の点で同様である。すなわち、バイプリズム８１ｅは、対物レンズ１１ｅの下流のビーム路上であって、対物レンズ１１ｅの回折面１５ｅと対物レンズ１１ｅの像面８７ｅとの間に配置する。透過電子顕微鏡１ｅは、さらに、入射瞳面６５ｅおよび入射像面２１ｅを有するエネルギーフィルタまたはその他の分析系を備える。透過電子顕微鏡１ｅの投影レンズ系１７ｅは、対物レンズ１１ｅの像面８７の下流に配置した、３枚のレンズ６４ｅ１、６４ｅ２、および６４ｅ３を有する第２投影レンズ系６３ｅを備える。第２投影レンズ系６３ｅにより、対物レンズ１１ｅの像面８７をエネルギーフィルタの入射像面２１ｅ内に結像し、また、対物レンズ１１ｅの回折面１５ｅをエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｅ内に結像する。
【００７５】
図２〜図９を参照して説明した上記の透過電子顕微鏡において第１投影レンズ系６１のレンズ６２が励磁されていなければ、上記の透過電子顕微鏡のいずれにおいても図１０に示すビーム路を得ることができる。
【００７６】
図１１に、例示的な補正透過電子顕微鏡を概略的に示す。図１１に示す透過電子顕微鏡１ｆの構成は、相変化素子７５ｆおよびエネルギーフィルタ１９ｆが、ビーム路における対物レンズ１１ｆの下流に配置される点で、図６および図７を参照して説明した上記の顕微鏡と同様である。相変化素子７５ｆは中間回折面６７ｆ内に配置され、中間回折面６７ｆ内には対物レンズ１１ｆの後焦点面１５ｆが多段結像により結像される。相変化素子を配置した中間回折面６７ｆは、エネルギーフィルタ１９ｆの入射瞳面６５ｆ内に結像され、一方、試料面９ｆは、エネルギーフィルタ１９ｆの入射像面２１ｆに多段結像により結像される。
【００７７】
この目的のため、透過電子顕微鏡１ｆは投影レンズ系１７ｆを備える。投影レンズ系１７ｆは、第１投影レンズ系６１ｆを有して構成される。第１投影レンズ系６１ｆは２枚のレンズ６２ｆ１および６２ｆ２を有し、レンズ６２ｆ１および６２ｆ２は、相変化素子７５ｆの上流に配置され、回折面１５ｆを中間回折面６７ｆ内に結像する際の倍率を調整するように構成される。投影レンズ系１７ｆの第２投影レンズ系６３ｆは、３枚のレンズ６４ｆ１、６４ｆ２、および６４ｆ３を有し、中間回折面６７ｆをエネルギーフィルタ１９ｆの入射瞳面６５ｆ内に結像するように構成され、相変化素子７５ｆの上流における面７１ｆ内で生成した試料面９ｆの中間像をエネルギーフィルタ１９ｆの入射像面２１ｆ内に結像するように構成される。
【００７８】
図１１に示す透過電子顕微鏡１ｆは、図６および図７を参照して説明した上記の透過電子顕微鏡と次の点において異なる。すなわち、透過電子顕微鏡１ｆは、対物レンズ１１ｆと投影レンズ系１７ｆとの間のビーム路内に設けた補正器１０１を備える。補正器は、対物レンズ１１ｆにより発生するオープニングエラーまたは球面収差等の結像誤差を低減または補償するように構成される。この目的のため、補正器１０１は、２つの六極子１０３および１０４、対物レンズ１１ｆと六極子１０３との間に配置したレンズ１０５および１０６、六極子１０３と六極子１０４との間に配置したレンズ１０７および１０８、ならびに六極子１０４の下流に配置したレンズ１０９を備える。図１１に示す例において、第１投影レンズ系６１ｆのレンズ６２ｆ１および補正器１０１の最終レンズ１０９として、同じ１枚のレンズを共通に用いる。しかしながら、第１投影レンズ系６１ｆのレンズ６２ｆ１および補正器１０１の最終レンズ１０９として、それぞれ別個のレンズを設けることも可能である。
【００７９】
図１１に示す例示的な透過電子顕微鏡１ｆは、位相差分析を行うため、エネルギーフィルタ１９ｆおよび相変化素子６７ｆを備える。透過電子顕微鏡１ｆには補正器１０１を設けて結像誤差を低減する。同様に、図１〜図１０を参照して説明した上記の透過電子顕微鏡のビーム路中において、対物レンズの下流に補正器を挿入して、ビーム路を変更することもできる。すなわち、図３、図４、および図５を参照して説明した、エネルギーフィルタおよび暗視野検出器を有する上記の透過電子顕微鏡において、補正器を用いることができる。同様に、図８、図９、および図１０を参照して説明した、エネルギーフィルタおよびバイプリズムを有する上記の透過電子顕微鏡において、補正器を用いることができ、ホログラフィー分析を行うことができる。
【００８０】
図１１に、結像誤差を低減および補正する補正器を有する透過電子顕微鏡の例を示す。上記の全ての例において、補正器を対物レンズの下流に配置して結合誤差を低減することができる。または、補正器を含まない構成とすることもできる。
【００８１】
透過電子顕微鏡の上記の例において、対物レンズの下流に投影レンズ系を設ける。投影レンズ系は、第１投影レンズ系および第２投影レンズ系を備え、第１投影レンズ系の下流であり第２投影レンズ系の上流において、対物レンズの回折面の中間像を生成する。第１投影レンズ系および第２投影レンズ系は、第１投影レンズ系による結像倍率を変更したときに回折面における中間像の位置がビーム路に沿って変化しないような構成とする。
【００８２】
回折面の中間像を生成する面内またはその近傍には、複数の電子光学素子を配置することができる。そのような素子の例として、検出器および相変化素子がある。
【００８３】
第２投影レンズ系の下流には分析系を設ける。これには少なくとも次の３つの選択肢がある。すなわち、（ａ）第２投影レンズ系の下流にエネルギーフィルタを設けることができ、最終投影レンズ系をエネルギーフィルタの下流であり検出器の上流に設ける。（ｂ）さらに、最終投影レンズ系を第２投影レンズ系の下流に設け、検出器を最終投影レンズ系の下流に設け、投影レンズ系と最終投影レンズ系との間にはエネルギーフィルタを設けない。（ｃ）いわゆるポストカラムエネルギーフィルタを第２投影レンズ系の下流に配置することができ、ポストカラムエネルギーフィルタの下流であり検出器の上流に、１個またはそれ以上の四極子を含む光学系を設ける。
【００８４】
以上において説明した全ての例における１個またはそれ以上の検出器は、光位置センサとすることができ、または、光位置センサではない検出器とすることもできる。
【００８５】
本発明を特定の例示的な実施形態に基づき説明したが、種々の代案、変更、および変形が当業者にとって明白であろうことは明らかである。したがって、本明細書において説明した本発明の具体例としての実施形態は、例示を目的としたものであり、決して本発明を限定するものではない。以下の特許請求の範囲により定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、種々の変更が可能である。
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１０年３月１日に独国で出願された、発明の名称を「透過電子顕微鏡」と題する特許出願第１０２０１０００９７０７．１号の優先権を主張するものであり、その内容は参照により本明細書に完全に援用される。
【０００２】
本明細書で開示する発明は、透過電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００３】
透過電子顕微鏡において、電子ビームを試料に導き、ビーム路における試料の下流に配置した分析系により、試料を通過した電子を検出する。検出した電子から、この試料に関する情報を得る。試料に入射する電子は試料と相互作用する。そのような相互作用の例としては、例えば、電子の散乱、ある角度での偏向、散乱電子の運動エネルギーの変化等が挙げられる。
【０００４】
試料を通過した電子の分析方法として考えられる種類の分析方法の１つとして、試料を通過した電子のうち、相互作用により大角度偏向された電子から、実質的に無散乱で通過した電子を分離することが挙げられる。散乱電子および非散乱電子は別々に検出することができ、例えば、実質的に無散乱で試料を通過した電子から、一般に明視野像と呼ばれる像を生成することができる。さらに、大角度偏向された電子から、一般に暗視野像と呼ばれる像を生成することができる。
【０００５】
試料を通過した電子の別の種類の分析方法として、電子の運動エネルギーを分析することが挙げられる。試料に入射する電子は、試料内において、電子のエネルギー損失の原因となるプロセスを励起することがある。例えば、試料の化学組成に関する情報は、そのようなエネルギー損失を分析することにより取得することができる。電子の運動エネルギー分析には、入射像面および入射瞳面を有するエネルギーフィルタを用いることができる。
【０００６】
試料を通過した電子のさらに別の分析方法として、試料を通過した電子ビームの異なる部分について異なる位相シフトを行い、続いてこのビーム部分を互いに重畳して、その結果として生じる干渉パターンを検出することが挙げられる。そのような分析は、一般に、位相差顕微鏡法として知られる。
【０００７】
試料を通過した電子のさらなる種類の分析方法として、バイプリズムを用いてイオンビームを２つのビーム部分に分離し、分離したビーム部分を互いに重畳して干渉パターンを生成することが挙げられる。この干渉パターンを分析することにより、試料に関する位相情報を取得することができる。そのような分析は、一般に、電子ビームホログラフィと呼ばれる。
【０００８】
試料を通過した電子の分析方法が異なる場合、分析系の構成も異なるものとする必要がある。一般に、同一または類似した構成の透過電子顕微鏡を用いて複数の異なる分析方法を実施することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願第７，７４１，６０２号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／００３５８５４号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】「ｃｈａｐｔｅｒ ＩＩＩ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｏｄｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ａｒｔｉｃｌｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｂｙ Ｌ． Ｒｅｉｍｅｒ， ｉｎ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ」 Ｖｏｌｕｍｅ ８１， Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ， １９９１， ｐａｇｅｓ ６２ ｔｏ ７５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記の課題に鑑み、なされたものである。
【００１２】
本発明の目的は、入射像面および入射瞳面を有し、試料を通過した電子の分析方法として１種類またはそれ以上の種類の分析方法を実施可能とする、適応性の高い分析系を備える透過電子顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
いくつかの実施形態によれば、透過電子顕微鏡は分析系を備え、分析系は、透過電子顕微鏡のビーム路における上流側に入射像面および入射瞳面を有する。本明細書に記載の例示的な実施形態によれば、分析系は、エネルギーフィルタを有して構成し、エネルギーフィルタはその上流側に入射像面および入射瞳面を備え、その下流側に射出像面および射出瞳面を有する。射出像面は色消し像面と呼ぶこともでき、射出瞳面はスペクトル面と呼ぶこともできる。異なるエネルギーを有し、入射像面内の同じ位置から発生する電子の軌道は、射出像面内の同じ位置に集束される。一方、同じ運動エネルギーを有し、入射像面内の異なる位置から発生する電子の軌道は、射出像面内において、点状の位置または線状の位置等の同じ位置に集束されるが、異なるエネルギーを有する電子の軌道は、射出像面内において、異なる位置に集束される。
【００１４】
その他の実施形態によれば、透過電子顕微鏡は、透過電子顕微鏡のビーム路内における試料の下流に配置した対物レンズ、ビーム路における対物レンズの下流に配置した少なくとも２枚のレンズを有する第１投影レンズ系、および、ビーム路における第１投影レンズ系の下流に配置した少なくとも２枚のレンズを有する第２投影レンズ系を備える。
【００１５】
本明細書に記載の一実施形態によれば、対物レンズにより試料面を中間像面内に結像し、第１投影レンズ系により対物レンズの回折面を中間回折面内に結像し、第２投影レンズ系により中間像面および中間回折面を分析系の入射像面内および分析系の入射瞳面内にそれぞれ結像する。ここで、対物レンズの回折面を、対物レンズの後焦点面とも呼ぶ。
【００１６】
さらなる例示的な実施形態によれば、対物レンズにより試料面を中間像面内に結像し、第１投影レンズ系により対物レンズの回折面を中間回折面内に結像し、第２投影レンズ系により中間像面および中間回折面を分析系の入射瞳面内および分析系の入射像面内にそれぞれ結像する。
【００１７】
本明細書に記載の一実施形態によれば、分析系はエネルギーフィルタを有して構成する。
【００１８】
本開示において、用語「一つの面を別の面内に結像する」とは、２つの面の間に付加的な像面が存在しない一段構成、および、２つの面の間に１つまたはそれ以上の中間像面が存在する多段構成の両方を含むものである。具体的には、試料面と中間像面との間に、１つまたは複数の中間像面を設けることができる。同様に、回折面と中間回折面との間に付加的な中間回折面を設けることができる。さらに、対物レンズ、第１投影レンズ系、または第２投影レンズ系のレンズのうちの１枚またはそれ以上のレンズの励磁が変化すると、レンズ中間像面および／または中間回折面の各位置が顕微鏡のビーム路に沿って変化する場合がある。またさらに、中間像面と分析系の入射像面または入射瞳面との間に、付加的な中間像面を設けることができる。同様に、中間回折面と分析系の入射像面または入射瞳面との間に、付加的な中間回折面を設けることができる。
【００１９】
以上に説明したように試料面および対物レンズの回折面を多段結像することにより、対物レンズと分析系との間に付加的な部品を配置して、試料を通過した電子を分析するためのさらなる種類の分析方法を実施することが可能となる。さらに、上記のような、第１投影レンズ系および第２投影レンズ系を用いた多段結像を行うことにより、自由度がさらに高くなり、エネルギー分析等の分析系を用いた分析、および付加的な種類の分析の両方を最適化することが可能となる。
【００２０】
例示的な実施形態によれば、対物レンズの回折面を中間回折面内に結像する際の倍率は１より大きい。本明細書に記載の特定の実施形態によれば、この倍率は４〜８０の範囲内であり、さらに特定の実施形態によれば、この倍率は８〜４０の範囲内である。
【００２１】
いくつかの実施形態によれば、第１投影レンズ系は、対物レンズの下流であり中間像面の上流に配置した少なくとも２枚のレンズを備える。第１投影レンズ系のこれら少なくとも２枚のレンズを制御モジュールにより励磁して、対物レンズの回折面および中間回折面の結像倍率を変更できるようにする。特に、これら少なくとも２枚のレンズおよび制御モジュールは、結像倍率が４から８０、８から４０、または１２から３０へと変更されるように構成する。本明細書に記載の特定の実施形態によれば、これら少なくとも２枚のレンズおよび制御モジュールは、結像倍率を変更したときにビーム路に沿った中間回折面の位置が実質的に変化しないように構成する。
【００２２】
いくつかの実施形態によれば、第２投影レンズ系は、中間回折面を分析系の入射像面内に結像する際の結像倍率が３未満となるように構成する。特に、第２投影レンズ系は、中間回折面を分析系の入射像面内に結像する際の結像倍率が０．０５〜３の範囲内、または０．１〜１．５の範囲内となるように構成する。
【００２３】
例示的な実施形態によれば、第２投影レンズ系のレンズの主面が中間回折面に略一致するように、または、中間回折面近傍に位置するように、透過電子顕微鏡を構成する。本開示においては、中間回折面とレンズの主面との間の距離が５ｍｍ未満またはこのレンズの焦点距離の２分の１未満であれば、このレンズの主面を中間回折面の近傍に配置する。
【００２４】
実施形態によれば、透過電子顕微鏡は、中間回折面に、またはその近傍に配置した暗視野検出器を備え、試料内で大角度偏向された電子を検出する。偏向されずに試料を通過した電子または小角度偏向されて試料を通過した電子は、暗視野検出器により検出されない。
【００２５】
さらなる実施形態によれば、相変化素子を中間回折面内または中間回折面近傍に配置する。相変化素子は、相変化素子を通過する電子ビームの異なる２つの部分における相変化が異なるように構成する。この２つの異なる部分は、下流の像面内において、互いに干渉し合うことがあり、この２つの部分を検出して試料の位相差像を得ることができる。
【００２６】
さらなる実施形態によれば、透過電子顕微鏡は、回折面の下流であり分析系の上流におけるビーム路内に配置したバイプリズムを備える。バイプリズムにより、試料を通過した電子ビームを２つのコヒーレントなビーム部分に分離し、さらに、各ビーム部分を像面内で互いに重畳して、中間像面内に干渉パターンまたはホログラムが生成されるようにする。その干渉パターンを分析して、試料内での電子波において生じる相変化を測定することができる。
【００２７】
さらなる実施形態によれば、透過電子顕微鏡は、対物レンズの下流であって第１投影レンズ系の上流におけるビーム路内に配置した像補正器を備える。
【００２８】
本発明の上記特徴およびその他の有利な特徴は、添付の図面を参照して以下に詳細に説明する本発明の例示的な実施形態により、さらに明らかになるであろう。本発明について可能な実施形態のすべてが、本明細書において定義した各利点のすべてを、または、いずれかを必ずしも示すとは限らないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】透過電子顕微鏡の概略図である。
【図２】図１に示す電子顕微鏡の各特性間の関係を示すグラフである。
【図３】エネルギーフィルタおよび暗視野検出器を備える透過電子顕微鏡の概略図である。
【図４】エネルギーフィルタおよび暗視野検出器を備える透過電子顕微鏡のビーム路を示す概略図である。
【図５】図４に示す電子顕微鏡の各特性間の関係を示すグラフである。
【図６】エネルギーフィルタおよび相変化素子を備える透過電子顕微鏡のビーム路を示す概略図である。
【図７】図６に示す電子顕微鏡の各特性間の関係を示すグラフである。
【図８】エネルギーフィルタおよびバイプリズムを備える透過電子顕微鏡のビーム路を示す概略図である。
【図９】図８に示す電子顕微鏡のいくつかの特性間の関係を示すグラフである。
【図１０】エネルギーフィルタおよびバイプリズムを備える透過電子顕微鏡のビーム路を示す概略図である。
【図１１】エネルギーフィルタおよび画像補正器を備える透過電子顕微鏡のビーム路を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に示す例示的な実施形態において、同様の機能および構成を有する部品にはできる限り同様の参照符号を付して示す。したがって、特定の実施形態における個々の部品の特徴を理解するためには、その他の実施形態および本発明の概要についての説明を参照されたい。
【００３１】
図１は、エネルギーフィルタを備える透過電子顕微鏡の概略図である。
【００３２】
透過電子顕微鏡１は、電子ビーム５を出射する電子ビーム源３を備える。出射した電子ビームは、電子光学レンズ７により、試料面９内に集束する。図１に示すレンズ７とは別に、例えば、集束レンズ、補正器、およびビーム偏向器等のレンズおよび電子光学素子を、源３と試料面９との間のビーム路内に付加的に配置することができる。レンズおよび補正器を付加的に設けることにより、試料面内にビームを小さく集束することができ、レンズおよび補正器を付加的に設けることにより、試料面内のビームの集束を横方向に変位させて透過電子顕微鏡を走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Scanning Transmission Electron Microscope）として動作させることができる。さらに、ビーム５で試料面９内の拡張領域を照射して、本顕微鏡を結像透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）として動作させることができる。
【００３３】
対物レンズ１１は、ビーム路において、試料面９の下流に配置する。対物レンズ１１により、試料面９を中間像面１３内に結像する。また、対物レンズ１１は回折面１５を有する。
【００３４】
投影レンズ系１７、および結像エネルギーフィルタを含む分析系は、ビーム路における対物レンズの下流に配置する。図１においては、例として、投影レンズ系として機能する３枚のレンズ１８を示す。なぜなら、投影レンズ系は、一般に、２枚以上のレンズを含むことができるからである。エネルギーフィルタ１９は、その上流側に、入射像面２１および入射瞳面６５を有し、その下流側、すなわち、出力側に、それぞれ、色消し像面２３およびスペクトル面２５を有する。スペクトル面において、試料を通過した電子のエネルギー損失スペクトルを生成する。
【００３５】
さらに、投影レンズ系１７により、対物レンズ１１の回折面１５をエネルギーフィルタ１９の入射像面２１内に結像する。モノクロメータの入射絞り２２を、エネルギーフィルタの入射像面２１内に配置することができる。
【００３６】
エネルギーフィルタ１９のスペクトル面２５にはスリット形状の絞りを設け、エネルギーフィルタを通過して絞りを通過可能となった電子の運動エネルギーの狭帯域を選択することができる。１枚またはそれ以上のレンズ２８を含む結像系２７をスペクトル面２５の下流に配置し、色消し像面２３を像面３１内に結像して、対物レンズ１１の回折面１５のエネルギーフィルタ処理した像が像面３１内に形成されるようにする。代案として、結像系２７により、スペクトル面２５を検出器上内に結像して、モノクロメータの入射絞り２２により選択した電子の角度範囲のエネルギー損失スペクトルを検出することができる。したがって、モノクロメータの入射絞り２２により、そのような検出における許容角が規定される。
【００３７】
図１に示す例示的な透過電子顕微鏡１は、３つの検出器３３，３５，および３７を備える。検出器３３は第１暗視野検出器であり、エネルギーフィルタ１９の入射像面２１上に、または、その近傍に配置される。検出器３５は第２暗視野検出器であり、ビーム路におけるエネルギーフィルタ１９の下流に配置される。検出器３７は明視野検出器であり、エネルギーフィルタ１９の下流に配置される。
【００３８】
エネルギーフィルタ１９の上流に配置された暗視野検出器３３は、リング形状の微細な断面を有する。例えば、暗視野検出器３３は、導光性材料製のプレートで構成することができ、プレートの、試料面９に対向する側にはシンチレーション物質を含むことができる。または、プレートの大部分にシンチレーション物質を含んで構成することができる。プレートは円形の絞りを備え、絞りの中心は、顕微鏡１のビーム路の光軸４３と一致する。試料を通過する際に小角度散乱した明視野電子および暗視野電子は、暗視野検出器３３の絞りを通過することができる。
【００３９】
試料面９の上流において電子ビーム５を成形し、電子が角度範囲内から試料面９に入射するようにする。したがって、試料面９内の一点に入射する電子の軌道の包絡線（エンベロープ）は円錐形状である。図１において、この円錐形状の半開口角をαＯで示す。試料面９を実質的に無散乱で通過した電子の軌道の包絡線も同様に半開口角αＯとなる。これらの電子を明視野電子と称する。明視野電子は、円形断面５１内で対物レンズ１１の後焦点面１５を通過する。円形断面５１の半径は、式ｒＢＦ＝ｆＯαＯを満たすものであり、ここで、ｆＯは対物レンズ１１の焦点距離であり、ｒＢＦは円形断面５１の半径である。
【００４０】
図１において、さらに、後焦点面１５内の円環断面５３を示す。ここで、試料面９内において大角度散乱した暗視野電子は断面５３を通過する。これらの暗視野電子は、回折面１５と共役な面であり回折面の下流にある面に配置した暗視野検出器により検出することができる。図１において、光軸４３に対する、これら暗視野電子の軌道の内側包絡線の角度をαＤＦｉで示し、図１において、光軸４３に対する、これら暗視野電子の軌道の外側包絡線の角度をαＤＦｏで示す。試料面９内で小角度散乱した暗視野電子は、回折面１５内における、円環面５３と円形面５１との間の環状領域を通過するが、これらの電子は検出器３３，３５，および３７のうちの１つでは検出されない。
【００４１】
非補正透過電子顕微鏡において用いられる半開口角αＯの各例示値は８ｍｒａｄとなるが、補正透過電子顕微鏡において用いられる半開口角αＯの各例示値は最大５０ｍｒａｄとなることがある。半開口角αＤＦの各例示値は、５０ｍｒａｄ〜１５０ｍｒａｄとなる。製造上の制約により、暗視野検出器３３の絞り４５の最小直径は、例えば、２ｍｍより大きくなる。一方、モノクロメータの入射絞り２２により規定された、エネルギーフィルタ１９の面２１内の入射像領域の直径の値は、例えば、３００μｍ未満となるはずである。暗視野検出器３３内の絞り４５が所与の最小直径であるときに、小角度散乱した暗視野電子を検出できるようにするため、１より大きい結像倍率で回折面１５を面２１内に結像することが必要な場合がある。この目的のため、投影レンズ系１７において回折面１５を面２１内に結像するための結像倍率は１〜２０の範囲内とすることができる。しかしながら、このような拡大結像を行うことにより、結果として、エネルギーフィルタ１９の入射像面２１内の明視野像２２の直径も拡大し、エネルギーフィルタ１９のエネルギー分解能が減少する。
【００４２】
図２に、エネルギーフィルタ１９の入射像面２１内の像領域の半径Ｒと例示的なエネルギーフィルタのエネルギー分解能ｄＥとの関係を示す。例示的なエネルギーフィルタは、例えば、非特許文献１にて説明されるような、二次補正オメガフィルタとして構成する。
【００４３】
図２に示すグラフによれば、入射像領域の直径２Ｒが３００μｍであるとき、エネルギー分解能は約０．３ｅＶとなる。これは、運動エネルギーが０．８ｅＶずつ変化する電子ビームを用いる透過電子顕微鏡においては、十分な値である。しかしながら、運動エネルギー幅を０．１ｅＶまで減少させるためにモノクロメータを有する透過電子顕微鏡を用いる場合、入射像領域の直径２Ｒが３００μｍでは不適切なことがある。なぜなら、エネルギー分解能は、入射電子ビームではなく、エネルギーフィルタにより制限されるからである。
【００４４】
図２から明らかなように、暗視野検出器３３を用いて小角度散乱する暗視野電子を検出することと、高エネルギー分解能を得ることとは相反する関心事である。
【００４５】
図３は、これらの相反する関心事を満たす透過電子顕微鏡１ａの概略図である。透過電子顕微鏡１ａは、半開口角αＯを有する電子ビーム５ａを試料面９ａ上に導くように構成した、ビーム源およびさらなるビーム生成部品（図３には図示せず）を備える。対物レンズ１１ａ、投影レンズ系１７ａ、およびエネルギーフィルタ１９ａは、試料面９ａの下流に配置する。投影レンズ系１７ａは二段構成であり、少なくとも２枚のレンズを有する第１投影レンズ系６１、および少なくとも２枚のレンズを有する投影レンズ系６３を備える。エネルギーフィルタ１９ａは、その上流側に、入射像面２１ａおよび入射瞳面６５ａを有し、その下流側に、色消し像面２３ａおよびスペクトル面２５ａを有する。図３には図示しないが、さらなるレンズおよび検出器をスペクトル面２５ａの下流に配置することができる。
【００４６】
投影レンズ系１７ａは、試料面９ａをエネルギーフィルタ１９ａの入射瞳面６５内に結像し、対物レンズ１１ａの回折面１５ａをエネルギーフィルタ１９ａの入射像面２１ａ内に結像するように構成する。ここで、２枚またはそれ以上のレンズを有する第１投影レンズ系６１により、回折面１５ａは中間回折面６７内に結像され、この中間回折面６７も同様に、２枚またはそれ以上のレンズ６４を有する第２投影レンズ系６３によりエネルギーフィルタ１９ａの入射像面２１ａ内に結像される。回折面１５ａは中間回折面６７内に倍率Ｍ１で拡大結像され、倍率Ｍ１は、例えば、８〜４０の範囲内にある。角度αＯの値は、例えば、１０ｍｒａｄから５０ｍｒａｄであり、対物レンズ１１ａの焦点距離ｆＯは、例えば、１．７ｍｍ、明視野回折像５１ａの直径、すなわちΦＤｉｆｆ＝２ｆＯαＯは、３４μｍ〜１７０μｍとなる。回折面５１ａの明視野像は、第１投影レンズ系６１により、中間回折面６７内において明視野像６９として結像され、この明視野像６９の直径は、ΦＢＦ＝Ｍ１ΦＤｉｆｆとなる。この直径は、例えば、αＯ＝５０ｍｒａｄおよびＭ１＝４のとき、約１．４ｍｍであり、また、この直径は、例えば、αＯ＝１０ｍｒａｄおよびＭ１＝４０のときも約１．４ｍｍとなる。
【００４７】
図示の例において、暗視野検出器３３ａを中間回折面６７内に配置して、試料面９ａで大角度散乱した電子を検出する。一方、小角度散乱した明視野電子および暗視野電子は暗視野検出器３３ａを通過する。
【００４８】
第２投影レンズ系６３により、中間回折面６７をエネルギーフィルタ１９ａの入射像面２１ａ内に倍率Ｍ２で結像して、入射像面２１ａ内の回折像２２ａの直径が、図示の例において、３００μｍ未満となるようにし、エネルギーフィルタ１９ａが所望の高分解能となるようにする。この目的のため、第２投影レンズ系６３による結像の倍率Ｍ２を、例えば、０．１〜１．５の範囲内とすることができ、特に、この倍率Ｍ２は１未満とすることができる。
【００４９】
中間回折面６７および中間回折面６７内の暗視野検出器３３ａの配列を介して、回折面１５ａをエネルギーフィルタ１９ａの入射像面２１ａ内に多段結像することにより、複数の利点をもたらすことができる。すなわち、（ａ）暗視野検出器３３ａの絞り４５ａが所与の直径を有するとき、試料面９ａ内で比較的小角度散乱した暗視野電子の検出も可能になる。なぜなら、第１投影レンズ系６１による結像倍率は１より大きいからである。（ｂ）中間回折面６７をエネルギーフィルタ１９ａの入射像面２１ａ内にさらに結像する際には、必要に応じて、倍率１未満の縮小結像とすることができ、後段のエネルギーフィルタ処理対象の回折像２２ａの直径を制限して、エネルギーフィルタ１９ａのエネルギー分解能が所望の低い値となるようにすることができる。また、（ｃ）対物レンズ１１ａとエネルギーフィルタ１９ａとの間に付加的な空間が生じ、以下にさらに詳細に説明するように、この空間に、暗視野検出器３３ａ、または、相変化素子もしくはバイプリズム等の付加的な部品をさらに設けることができる。
【００５０】
図３における各線７１は、回折面１５ａ、中間回折面６７、エネルギーフィルタ１９ａの入射像面２１ａ、およびエネルギーフィルタ１９ａの色消し像面２３ａが、共役な面であること、すなわち、投影レンズ系１７ａおよびエネルギーフィルタ１９ａにより互いの面内に結像される面であることを示す。
【００５１】
図４に、透過電子顕微鏡１ｂのビーム路の一部を概略的に示す。図４において、各レンズを両矢印で示す。また、図４には、ビーム路の軸方向光線および視野光線を示す。
【００５２】
透過電子顕微鏡１ｂは、ビーム源、レンズ、および偏向器（図４には図示せず）を備える。偏向器は、電子ビームを試料面９ｂ内に集束し、ビーム集束位置を試料面９ｂ内の領域にわたり走査するように構成する。したがって、透過電子顕微鏡１ｂは走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）として動作させることができる。透過電子顕微鏡１ｂは、さらに、入射像面２１ｂおよび入射瞳面６５ｂを有するエネルギーフィルタ（図４には図示せず）を備える。投影レンズ系１７ｂの各レンズは、試料面９ｂとエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｂとの間に配置し、投影レンズ系１７ｂは、２枚のレンズ６２ｂ１および６２ｂ２を備える第１投影レンズ系６１ｂ、および３枚のレンズ６４ｂ１、６４ｂ２、および６４ｂ３を備える第２投影レンズ系６３ｂを備える。第１投影レンズ系６１ｂは、対物レンズ１１ｂと協働して、試料面９ｂを中間像面７１内に結像し、ここで、中間像面７１の位置は光軸４３ｂに沿って変化させることができる。第１投影レンズ系６１ｂは、さらに、対物レンズ１１ｂの回折面１５ｂを中間回折面６７ｂ内に結像する。
【００５３】
図４に示す例において、暗視野検出器３３ｂを中間回折面６７ｂ内に配置する。暗視野検出器３３ｂは、試料面９ｂにおいて閾値散乱角よりも大きい角度で散乱した電子を検出するように構成し、試料面で散乱しなかった電子または試料面９ｂ内で閾値散乱角よりも小さい角度で散乱した電子は検出器を通過させるように構成する。この閾値散乱角は、回折面１５ｂを中間回折面６７内に結像する際の倍率を調整することにより、調整できる。この結像倍率は、レンズ６２ｂ１およびレンズ６２ｂ２の励磁を調整および変更することにより、調整および変更することができる。このようにレンズ６２ｂ１およびレンズ６２ｂ２の励磁を変更しても、透過電子顕微鏡１ｂの光軸４３ｂに沿った中間回折面６７ｂの位置は変更されず選択した倍率とは無関係となるようにする。しかしながら、倍率を変更したときに中間回折面６７ｂの位置は変更されなくても、中間像７１の位置を光軸４３ｂに沿って変化させずに維持することは不可能である。回折面１５ｂを中間回折面６７ｂ内に結像する際の倍率を変更した場合、中間像７１の位置は光軸４３ｂに沿って変化することになる。
【００５４】
図４に、第１投影レンズ系６１ｂのレンズ６２ｂ１およびレンズ６２ｂ２を上記のように励磁するように構成した第１制御モジュール５９、および第２投影レンズ系６３ｂのレンズ６４ｂ１、レンズ６４ｂ２、およびレンズ６４ｂ３を上記のように励磁するように構成した第２制御モジュール６０を概略的に示す。各レンズのコイルに供給する電流を調整することにより、レンズの励磁を行う。
【００５５】
第２投影レンズ系６３ｂにより、中間回折面６７ｂをエネルギーフィルタの入射像面２１ｂ内に結像し、また、中間像面７１ｂをエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｂ内に結像する。ここで、中間回折面６７ｂを入射像面２１ｂ内に結像する際の倍率を調整して、エネルギーフィルタの入射像面２１ｂ内の像の直径が所望の値を超えないようにすることができる。ここで、所望の値とは、エネルギーフィルタのエネルギー分解能も所望の値を超えないように選択した値のことである。したがって、第１投影レンズ系６１ｂにより回折面１５ｂを中間回折面６７ｂ内に結像する際の倍率を変更した場合は、レンズ６４ｂ２およびレンズ６４ｂ３により中間回折面６７ｂをエネルギーフィルタの入射像面２１ｂ内に結像する際の倍率を変更する必要がある。第１投影レンズ系６１ｂによる倍率を変更することにより中間像７１の位置も光軸４３ｂに沿って変化するため、中間回折面６７ｂ内に位置するレンズ６４ｂ１の焦点距離も、レンズ６４ｂ２およびレンズ６４ｂ３による倍率の変更に伴って変更する必要があり、そうすることで中間像面７１をエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｂ内に正確に結像できるようにする。
【００５６】
この目的のため、レンズ６４ｂ１は、その主面が中間回折面６７ｂと一致するように配置することができ、または、その主面が中間回折面６７ｂ近傍に位置するように配置することができる。このような配置は、レンズ６４ｂ１の焦点距離の変化が回折面の結像に実質的に影響を及ぼさない点において有利である。レンズ６４ｂ１の励磁を利用して、回折面の結像に実質的に影響を及ぼすことなく、中間像面の結像を調整することができる。
【００５７】
図５は、レンズ６４ｂ１の焦点距離ｆＰ１と、回折面１５ｂを中間回折面６７ｂ内に結像する際の倍率ＭＤＺとの間の依存関係を複数の線で表すグラフであり、各線は、固定値Ｍ２に対する、中間回折面６７ｂをエネルギーフィルタの入射像面２１ｂ内に結像する際の倍率の依存性を示す。
【００５８】
図６に、さらなる例として、透過電子顕微鏡１ｃのビーム路の一部を概略的に示す。透過電子顕微鏡１ｃのビーム路は、図４および図５を参照して説明した上記の走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）のビーム路と次の点で同様である。すなわち、投影レンズ系１４ｃ、および入射瞳面６５ｃならびに入射像面２１ｃを有するエネルギーフィルタが、顕微鏡のビーム路における対物レンズ１１ｃの下流に配置されている点で同様である。さらに、投影レンズ系１７ｃは、試料面９ｃを中間像面７１ｃ内に結像し、また、対物レンズ１１ｃの回折面１５ｃを中間回折面６７ｂ内に結像する第１投影レンズ系６１ｃを備える。図４を参照して説明した例とは異なり、図６に示す例においては、試料面９ｃの拡張領域を電子ビームで照射する。この照射される拡張領域の直径は、一般に、約１μｍ〜１００μｍとすることができる。照射する電子ビームは平行光線とすることができ、試料面に入射する電子の開口角は、図４を参照して説明したＳＴＥＭにおける開口角の、１０分の１または１００分の１とすることができる。したがって、図６を参照して説明するタイプの透過電子顕微鏡において試料を照射する電子ビームの開口角または円錐角の例示値は０．１ｍｒａｄから１ｍｒａｄとすることができる。図６に示す例が、図４に示す例とさらに異なる点は、エネルギーフィルタの入射像面２１ｃ内に結像するのは中間回折面６７ｃではないことである。具体的には、図６に示す例における中間回折面はエネルギーフィルタの入射瞳面内に結像されるが、本例においては、中間像面７１ｃがエネルギーフィルタの入射像面２１ｃ内に結像される。
【００５９】
相変化素子７５は、中間回折面６７ｃ内に配置される。相変化素子７５は、試料において散乱し、光軸４３ｂから遠く離れて中間回折面６７ｂを通過する軌道上を移動する電子群と、実質的に散乱せずに試料を通過し、光軸から近い距離で中間回折面６７ｃと交差する軌道上を移動する電子群との間に、位相シフトを発生させるように構成する。異なる位相にシフトした２つの電子群を中間回折面６７ｃの下流に位置する中間像面７７ｃ内で互いに重畳し、これらの電子群が中間像面７７ｃ内で相互干渉することにより、試料面９ｃの位相差像を生成する。中間像面７７ｃは、レンズ６４ｃ１の励磁を適切に調整することにより主軸４３ｃに沿って配置することができ、レンズ６４ｃ２およびレンズ６４ｃ３により位相差像をエネルギーフィルタの入射像面２１ｃ内に結像する一方、中間回折面６７ｃもエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｃ内に同時内に結像するようにする。したがって、エネルギーフィルタの下流の色消し像面において、試料面９ｃのエネルギーフィルタ処理した位相差像を生成することができる。
【００６０】
適切な相変化素子として複数のタイプがある。相変化素子の一例は特許文献１に記載され、その内容は参照により本明細書に完全に援用される。この例によれば、光軸から閾値半径内の距離を隔てて相変化素子を通過する電子は、静電ポテンシャルを通過するが、この静電ポテンシャルは、光軸から閾値半径を超えた距離を隔てて相変化素子を通過する電子が通過する静電ポテンシャルとは異なる。相変化素子のさらなるタイプは、特許文献２に開示され、その内容は参照により本明細書に完全に援用される。この例によれば、相変化素子は、電子が通過する薄い円形リングを備え、このリング部分を通過する電子が、リングの内側の円形状の絞りを通過する電子に対して、位相シフトするように構成する。
【００６１】
相変化素子により、２つの電子群に対して異なる位相シフトを行う。２つの電子群とは、すなわち、光軸から閾値半径内の距離を隔てて相変化素子を通過する電子群と、光軸から閾値半径を超えた距離を隔てて相変化素子を通過する電子群のことである。この閾値半径により、試料内で分散する電子に対する、対応分散角を規定する。ここで、閾値角より小さい角度で散乱する電子は電子の第１群を構成し、閾値角より大きい角度で散乱する電子は電子の第２群を構成する。望ましくは、この閾値散乱角を調整する。閾値散乱角を調整するには、相変化素子の第１半径を変更する、すなわち、相変化素子の幾何学的形状を変更する。しかしながら、相変化素子の幾何学的形状を変更するのは容易なことではない。
【００６２】
図示の例においては、相変化素子７５を配置した中間回折面６７ｃに回折面１５ｃを結像する際の倍率を変更することにより、閾値散乱角を変更する。図６を参照して説明した例の第１投影レンズ系６１ｃは、回折面１５ｃを中間回折面６７ｃ内に結像する際の倍率を変更するために、レンズ６２ｃ１およびレンズ６２ｃ２の励磁を変更するが、その一方で中間回折面６７ｃの光軸７３ｃに沿った位置を維持することができるように構成する。しかしながら、回折面１５ｃを中間回折面６７ｃ内に結像する際の倍率を変更した場合、第１投影レンズ系６１ｃにより試料面９ｃを結像した中間像面７１ｃの位置も同様に変化する。中間像面７１ｃ位置のそのような変位は、レンズ６４ｃ１の焦点距離を変更することにより補償することができる。レンズ６４ｃ１の焦点距離を調整して、レンズ６４ｃ１により面７７ｃ内に中間像を生成し、その中間像をレンズ６４ｃ２およびレンズ６４ｃ３によりエネルギーフィルタの入射像面２１ｃ内に結像するようにする。図示の例において、第１投影システムにより試料面９ｃを中間像面７１ｃ内に結像する際は、倍率１未満の縮小結像とすることができ、一方、面７７ｃ内の中間像をエネルギーフィルタの入射像面２１ｃ内に結像する際は、倍率が１よりも大きい拡大結像とすることができる。
【００６３】
また、透過電子顕微鏡１ｃは、上記のように、各レンズのコイルに供給する電流を調整することにより、第１投影レンズ系６１ｃのレンズ６２ｃ１およびレンズ６２ｃ２を励磁するように構成した第１制御モジュール（図６には図示せず）、および第２投影レンズ系６３ｃのレンズ６４ｃ１、レンズ６４ｃ２、およびレンズ６４ｃ３を励磁するように構成した第２制御モジュール（図６には図示せず）を備える。
【００６４】
図７は、投影レンズ系１７ｃによる結像、すなわち、対物レンズ１１ｃの仮想中間像面７８をエネルギーフィルタの入射像面２１ｃ内に結像する際の倍率Ｍ（Ｉｍａｇｅ）の、中間回折面６７ｃをエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｃ内に結像する際の倍率Ｍ（Ｐｒｏｊ Ｚｏｏｍ）に対する依存性を複数の線で表すグラフである。
【００６５】
図８に、さらなる例示的な透過電子顕微鏡１ｄのビーム路の一部を概略的に示す。図８に示す透過電子顕微鏡１ｄは、図６および図７を参照して説明した上記の透過電子顕微鏡と次の点で同様である。すなわち、対物レンズ１１ｄおよび投影レンズ系１７ｄにより、試料面９ｄをエネルギーフィルタの入射像面２１ｄ内に結像し、対物レンズ１１ｄの回折面１５ｄをエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｄ内に結像する。
【００６６】
透過電子顕微鏡１ｄは、任意選択の試料分析法として、電子線ホログラフィーを行うように構成する。この目的のため、試料面９ｄ内の試料をコヒーレントな電子ビームで照射する。ここで、この試料の配置は、物体波を生成する照射ビームの一部のみが試料を通過するようにし、照射ビームのその他の部分が試料を真空でバイパスして試料を通過したビームの一部に対する参照波を提供するような配置とする。
【００６７】
投影レンズ系１７ｄの第１投影レンズ系６１ｄは、２枚のレンズ６２ｄ１および６２ｄ２を備え、対物レンズ１１ｄの回折面１５ｄを中間回折面６７ｄ内に結像し、また、試料面９ｄを中間像面７７ｄ内に結像する。バイプリズム８１を、ビーム路内における中間回折面６７ｄの下流であって中間像面７７ｄの上流に配置する。バイプリズム８１により、中間回折面６７ｄ内に２つの仮想コヒーレント源画像を生成し、物体波と参照波との間の干渉により、中間像面７７ｄの領域において干渉パターンが生成されるようにする。この干渉パターンは、試料に関する位相情報を含み、干渉パターンを分析することにより試料の特性に関する情報を取得することができる。
【００６８】
バイプリズムに関しては複数の選択肢がある。１つの選択肢として、接地電位にある２枚のプレートの間に細い帯電繊維を配置した、メーレンシュテット型のバイプリズムがある。この繊維に正電位を印加した場合、繊維をバイパスする電子の軌道は光軸４３ｄに向かって偏向し、中間回折面６７ｄ内に２つの仮想コヒーレント源画像が生成される。
【００６９】
有利には、第１投影レンズ系６１ｄのレンズ６２ｄ１およびレンズ６２ｄ２を励磁して、回折面（フーリエ面）６７ｄおよび像面７７ｄが光軸４３ｄに沿って位置するようにし、バイプリズム８１が回折面６７ｄと像面７７ｄとの間に対称に位置するようにする。対称に位置するとは、バイプリズム８１と回折面６７ｄとの間の距離が、バイプリズム８１と像面７７ｄとの間の距離に等しいことを意味する。
【００７０】
投影レンズ系１７ｄの第２投影レンズ系６３ｄは、２枚のレンズ６４ｄ１および６４ｄ２を備え、中間回折面６７ｄをエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｄ内に結像し、また、中間像面７７ｄをエネルギーフィルタの入射像面２１ｄ内に結像して、エネルギーフィルタ処理された画像または非弾性の干渉画像、およびエネルギー損失スペクトルをエネルギーフィルタの下流において記録できるようにする。
【００７１】
レンズ６２ｄ１およびレンズ６２ｄ２の励磁を偏向することにより、距離ｂを変更することができる。距離ｂを変更した結果、投影レンズ系６１ｄの中間像面７７ｄに試料面９ｄを結像する際の倍率ＭＢＩが変化する。バイプリズム８１の中間回折面６７ｄおよび中間像面７７ｄからの距離がどちらも距離ｂとなる条件を満たす倍率として、２つの異なる倍率、すなわち、ＭＢＩ（高）およびＭＢＩ（低）がある。同様に、２つの異なる倍率、すなわち、ＭＦＥＩ（高）およびＭＦＥＩ（低）、ならびに対応するレンズ６４ｄ１および６４ｄ２の励磁により、第２投影レンズ系６３ｄにおいて中間回折面６７ｄをエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｄ内に結像し、中間像面７７ｄをエネルギーフィルタの入射像面２１ｄ内に結像することができる。
【００７２】
また、透過電子顕微鏡１ｄは、上記のように、各レンズのコイルに供給する電流を調整することにより、第１投影レンズ系６１ｄのレンズ６２ｄ１および６２ｄ２を励磁するように構成した第１制御モジュール（図８には図示せず）、および第２投影レンズ系６３ｄのレンズ６４ｄ１およびレンズ６４ｄ２を励磁するように構成した第２制御モジュール（図８には図示せず）を備える。
【００７３】
図９に、投影レンズ系１７ｄ内の倍率と距離ｂとの間の依存関係を示す。具体的には、図９は、試料面９ｄを像面７７ｄ内に結像する際の高倍率ＭＢＩ（高）および低倍率ＭＢＩ（低）、像面７７ｄをエネルギーフィルタの入射像面２１ｄ内に結像する際の高倍率ＭＦＥＩ（高）および低倍率ＭＦＥＩ（低）、およびＭＢＩ（高）×ＭＦＥＩ（高）の積に対する、中間回折面６７ｄと中間像面７７ｄとの間の距離２ｂの依存性を示すグラフである。
【００７４】
図１０は、さらなる例示的な透過電子顕微鏡のビーム路の概略図である。図１０に示す透過電子顕微鏡１ｅの構成は、図８および図９を参照して説明した上記の透過電子顕微鏡と次の点で同様である。すなわち、バイプリズム８１ｅは、対物レンズ１１ｅの下流のビーム路上であって、対物レンズ１１ｅの回折面１５ｅと対物レンズ１１ｅの像面８７ｅとの間に配置する。透過電子顕微鏡１ｅは、さらに、入射瞳面６５ｅおよび入射像面２１ｅを有するエネルギーフィルタまたはその他の分析系を備える。透過電子顕微鏡１ｅの投影レンズ系１７ｅは、対物レンズ１１ｅの像面８７の下流に配置した、３枚のレンズ６４ｅ１、６４ｅ２、および６４ｅ３を有する第２投影レンズ系６３ｅを備える。第２投影レンズ系６３ｅにより、対物レンズ１１ｅの像面８７をエネルギーフィルタの入射像面２１ｅ内に結像し、また、対物レンズ１１ｅの回折面１５ｅをエネルギーフィルタの入射瞳面６５ｅ内に結像する。
【００７５】
図２〜図９を参照して説明した上記の透過電子顕微鏡において第１投影レンズ系６１のレンズ６２が励磁されていなければ、上記の透過電子顕微鏡のいずれにおいても図１０に示すビーム路を得ることができる。
【００７６】
図１１に、例示的な補正透過電子顕微鏡を概略的に示す。図１１に示す透過電子顕微鏡１ｆの構成は、相変化素子７５ｆおよびエネルギーフィルタ１９ｆが、ビーム路における対物レンズ１１ｆの下流に配置される点で、図６および図７を参照して説明した上記の顕微鏡と同様である。相変化素子７５ｆは中間回折面６７ｆ内に配置され、中間回折面６７ｆ内には対物レンズ１１ｆの後焦点面１５ｆが多段結像により結像される。相変化素子を配置した中間回折面６７ｆは、エネルギーフィルタ１９ｆの入射瞳面６５ｆ内に結像され、一方、試料面９ｆは、エネルギーフィルタ１９ｆの入射像面２１ｆに多段結像により結像される。
【００７７】
この目的のため、透過電子顕微鏡１ｆは投影レンズ系１７ｆを備える。投影レンズ系１７ｆは、第１投影レンズ系６１ｆを有して構成される。第１投影レンズ系６１ｆは２枚のレンズ６２ｆ１および６２ｆ２を有し、レンズ６２ｆ１および６２ｆ２は、相変化素子７５ｆの上流に配置され、回折面１５ｆを中間回折面６７ｆ内に結像する際の倍率を調整するように構成される。投影レンズ系１７ｆの第２投影レンズ系６３ｆは、３枚のレンズ６４ｆ１、６４ｆ２、および６４ｆ３を有し、中間回折面６７ｆをエネルギーフィルタ１９ｆの入射瞳面６５ｆ内に結像するように構成され、相変化素子７５ｆの上流における面７１ｆ内で生成した試料面９ｆの中間像をエネルギーフィルタ１９ｆの入射像面２１ｆ内に結像するように構成される。
【００７８】
図１１に示す透過電子顕微鏡１ｆは、図６および図７を参照して説明した上記の透過電子顕微鏡と次の点において異なる。すなわち、透過電子顕微鏡１ｆは、対物レンズ１１ｆと投影レンズ系１７ｆとの間のビーム路内に設けた補正器１０１を備える。補正器は、対物レンズ１１ｆにより発生するオープニングエラーまたは球面収差等の結像誤差を低減または補償するように構成される。この目的のため、補正器１０１は、２つの六極子１０３および１０４、対物レンズ１１ｆと六極子１０３との間に配置したレンズ１０５および１０６、六極子１０３と六極子１０４との間に配置したレンズ１０７および１０８、ならびに六極子１０４の下流に配置したレンズ１０９を備える。図１１に示す例において、第１投影レンズ系６１ｆのレンズ６２ｆ１および補正器１０１の最終レンズ１０９として、同じ１枚のレンズを共通に用いる。しかしながら、第１投影レンズ系６１ｆのレンズ６２ｆ１および補正器１０１の最終レンズ１０９として、それぞれ別個のレンズを設けることも可能である。
【００７９】
図１１に示す例示的な透過電子顕微鏡１ｆは、位相差分析を行うため、エネルギーフィルタ１９ｆおよび相変化素子６７ｆを備える。透過電子顕微鏡１ｆには補正器１０１を設けて結像誤差を低減する。同様に、図１〜図１０を参照して説明した上記の透過電子顕微鏡のビーム路中において、対物レンズの下流に補正器を挿入して、ビーム路を変更することもできる。すなわち、図３、図４、および図５を参照して説明した、エネルギーフィルタおよび暗視野検出器を有する上記の透過電子顕微鏡において、補正器を用いることができる。同様に、図８、図９、および図１０を参照して説明した、エネルギーフィルタおよびバイプリズムを有する上記の透過電子顕微鏡において、補正器を用いることができ、ホログラフィー分析を行うことができる。
【００８０】
図１１に、結像誤差を低減および補正する補正器を有する透過電子顕微鏡の例を示す。上記の全ての例において、補正器を対物レンズの下流に配置して結合誤差を低減することができる。または、補正器を含まない構成とすることもできる。
【００８１】
透過電子顕微鏡の上記の例において、対物レンズの下流に投影レンズ系を設ける。投影レンズ系は、第１投影レンズ系および第２投影レンズ系を備え、第１投影レンズ系の下流であり第２投影レンズ系の上流において、対物レンズの回折面の中間像を生成する。第１投影レンズ系および第２投影レンズ系は、第１投影レンズ系による結像倍率を変更したときに回折面における中間像の位置がビーム路に沿って変化しないような構成とする。
【００８２】
回折面の中間像を生成する面内またはその近傍には、複数の電子光学素子を配置することができる。そのような素子の例として、検出器および相変化素子がある。
【００８３】
第２投影レンズ系の下流には分析系を設ける。これには少なくとも次の３つの選択肢がある。すなわち、（ａ）第２投影レンズ系の下流にエネルギーフィルタを設けることができ、最終投影レンズ系をエネルギーフィルタの下流であり検出器の上流に設ける。（ｂ）さらに、最終投影レンズ系を第２投影レンズ系の下流に設け、検出器を最終投影レンズ系の下流に設け、投影レンズ系と最終投影レンズ系との間にはエネルギーフィルタを設けない。（ｃ）いわゆるポストカラムエネルギーフィルタを第２投影レンズ系の下流に配置することができ、ポストカラムエネルギーフィルタの下流であり検出器の上流に、１個またはそれ以上の四極子を含む光学系を設ける。
【００８４】
以上において説明した全ての例における１個またはそれ以上の検出器は、光位置センサとすることができ、または、光位置センサではない検出器とすることもできる。
【００８５】
本発明を特定の例示的な実施形態に基づき説明したが、種々の代案、変更、および変形が当業者にとって明白であろうことは明らかである。したがって、本明細書において説明した本発明の具体例としての実施形態は、例示を目的としたものであり、決して本発明を限定するものではない。以下の特許請求の範囲により定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、種々の変更が可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料面内に試料を配置することのできる透過電子顕微鏡であって、
前記透過電子顕微鏡のビーム路における前記試料面の下流に配置した対物レンズ、
前記ビーム路における前記対物レンズの下流に配置した、複数のレンズを有する第１投影レンズ系、
前記ビーム路における前記第１投影レンズ系の下流に配置した、複数のレンズを有する第２投影レンズ系、および
前記ビーム路における前記第２投影レンズ系の下流に配置した、少なくとも１枚のレンズを含む分析系、
を備え、
前記対物レンズ、前記第１投影レンズ系、前記第２投影レンズ系、および前記分析系は、
前記対物レンズおよび前記第１投影レンズ系により、前記試料面を中間像面内に結像し、
前記第１投影レンズ系により、前記対物レンズの回折面を中間回折面内に結像し、および
（ａ）前記第２投影レンズ系により、前記中間像面を前記分析系の入射像面内に結像して前記中間回折面を前記分析系の入射瞳面内に結像するか、または
（ｂ）前記第２投影レンズ系により、前記中間像面を前記分析系の前記入射瞳面内に結像して前記中間回折面を前記分析系の前記入射像面内に結像するように、
構成されることを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の透過電子顕微鏡であって、前記分析系はエネルギーフィルタを有することを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項１または２に記載の透過電子顕微鏡であって、さらに、
前記第１投影レンズ系の前記複数のレンズのうち少なくとも２枚のレンズを励磁して前記対物レンズの前記回折面を前記中間回折面内に結像する際の倍率を変更できるように構成した第１制御モジュールを備える、透過電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項３に記載の透過電子顕微鏡であって、
前記第１制御モジュールは、前記対物レンズの前記回折面を前記中間回折面内に結像する際の倍率を変更したときに前記中間回折面の位置が前記ビーム路に沿って実質的に変化しないように、前記第１投影レンズ系の前記複数のレンズのうち少なくとも２枚のレンズを励磁するように構成されることを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡であって、前記対物レンズの前記回折面を前記中間回折面内に結像する際の倍率は１より大きいことを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項５に記載の透過電子顕微鏡であって、前記対物レンズの前記回折面を前記中間回折面内に結像する際の倍率は４〜８の範囲内または８〜４０の範囲内であることを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡であって、さらに、
前記第２投影レンズ系の前記複数のレンズのうち少なくとも２枚のレンズを励磁するように構成した第２制御モジュールを備え、
前記第２制御モジュールは、前記透過電子顕微鏡の２つの動作モードを切り替えるように構成され、
前記透過電子顕微鏡の第１動作モードにおいて、前記中間像面は前記分析系の前記入射像面内に結像され、前記中間回折面は前記分析系の前記入射瞳面内に結像され、
前記透過電子顕微鏡の第２動作モードにおいて、前記中間像面は前記分析系の前記入射瞳面内に結像され、前記中間回折面は前記分析系の前記入射像面内に結像されることを特徴とする、
透過電子顕微鏡。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡であって、前記中間回折面を前記エネルギーフィルタの前記入射瞳面内に結像する際の倍率は３未満であることを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項９】
請求項８に記載の透過電子顕微鏡であって、前記中間回折面を前記エネルギーフィルタの前記入射瞳面内に結像する際の倍率は、０．０５〜３の範囲内または０．１〜１．５の範囲内であることを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡であって、
前記第２投影レンズ系は前記中間回折面内に配置したレンズを備えることを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡であって、さらに、
前記中間回折面内に配置した暗視野検出器を備えることを特徴とする、
透過電子顕微鏡。
【請求項１２】
請求項１１に記載の透過電子顕微鏡であって、
前記暗視野検出器は、前記ビーム路の主軸から離間した検出領域を含み、前記主軸から遠く離れて前記中間回折面と交差する軌道上を移動する電子は前記検出領域に入射するが、前記主軸から近い距離において前記中間回折面と交差する軌道上を移動する電子は前記暗視野検出器を回避することができるようにしたことを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡であって、さらに、前記中間回折面内に配置した相変化素子を備える、透過電子顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１３に記載の透過電子顕微鏡であって、
前記相変化素子は、前記ビーム路の主軸から離間した相変化領域を含み、前記主軸から遠く離れて前記中間回折面と交差する軌道上を移動する電子は、前記相変化領域を通過すると、前記主軸から近い距離において前記中間回折面と交差する軌道上を移動する電子に対して、位相シフトされることを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡であって、さらに、前記対物レンズの前記回折面と前記エネルギーフィルタとの間のビーム路中に配置したバイプリズムを備える、透過電子顕微鏡。
【請求項１６】
請求項１５に記載の透過電子顕微鏡であって、
（ｃ）前記ビーム路において、前記第１投影レンズ系により生成される前記中間回折面が前記バイプリズムの上流に配置され、および／または、
（ｄ）前記ビーム路において、前記第１投影レンズ系により生成される前記中間像面が前記バイプリズムの下流に配置されるように、
前記バイプリズム、ならびに前記第１投影レンズ系および前記第２投影レンズ系の前記複数のレンズを構成することを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項１７】
請求項１６に記載の透過電子顕微鏡であって、
前記第１投影レンズ系の前記中間回折面と前記バイプリズムとの間の距離は、前記バイプリズムと前記第１投影レンズ系により生成される前記中間像面との間の距離と実質的に等しいことを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡であって、さらに、
前記対物レンズと前記第１投影レンズ系との間の前記ビーム路中に配置した像補正器を備える、透過電子顕微鏡。
【請求項１９】
請求項１８に記載の透過電子顕微鏡であって、前記像補正器は少なくとも１個の六極子を含むことを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項１】
試料面内に試料を配置することのできる透過電子顕微鏡であって、
前記透過電子顕微鏡のビーム路における前記試料面の下流に配置した対物レンズ、
前記ビーム路における前記対物レンズの下流に配置した、複数のレンズを有する第１投影レンズ系、
前記ビーム路における前記第１投影レンズ系の下流に配置した、複数のレンズを有する第２投影レンズ系、および
前記ビーム路における前記第２投影レンズ系の下流に配置した、少なくとも１枚のレンズを含む分析系、
を備え、
前記対物レンズ、前記第１投影レンズ系、前記第２投影レンズ系、および前記分析系は、
前記対物レンズおよび前記第１投影レンズ系により、前記試料面を中間像面内に結像し、
前記第１投影レンズ系により、前記対物レンズの回折面を中間回折面内に結像し、および
（ａ）前記第２投影レンズ系により、前記中間像面を前記分析系の入射像面内に結像して前記中間回折面を前記分析系の入射瞳面内に結像するか、または
（ｂ）前記第２投影レンズ系により、前記中間像面を前記分析系の前記入射瞳面内に結像して前記中間回折面を前記分析系の前記入射像面内に結像するように、
構成されることを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の透過電子顕微鏡であって、前記分析系はエネルギーフィルタを有することを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項１または２に記載の透過電子顕微鏡であって、さらに、
前記第１投影レンズ系の前記複数のレンズのうち少なくとも２枚のレンズを励磁して前記対物レンズの前記回折面を前記中間回折面内に結像する際の倍率を変更できるように構成した第１制御モジュールを備える、透過電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項３に記載の透過電子顕微鏡であって、
前記第１制御モジュールは、前記対物レンズの前記回折面を前記中間回折面内に結像する際の倍率を変更したときに前記中間回折面の位置が前記ビーム路に沿って実質的に変化しないように、前記第１投影レンズ系の前記複数のレンズのうち少なくとも２枚のレンズを励磁するように構成されることを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡であって、前記対物レンズの前記回折面を前記中間回折面内に結像する際の倍率は１より大きいことを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項５に記載の透過電子顕微鏡であって、前記対物レンズの前記回折面を前記中間回折面内に結像する際の倍率は４〜８の範囲内または８〜４０の範囲内であることを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡であって、さらに、
前記第２投影レンズ系の前記複数のレンズのうち少なくとも２枚のレンズを励磁するように構成した第２制御モジュールを備え、
前記第２制御モジュールは、前記透過電子顕微鏡の２つの動作モードを切り替えるように構成され、
前記透過電子顕微鏡の第１動作モードにおいて、前記中間像面は前記分析系の前記入射像面内に結像され、前記中間回折面は前記分析系の前記入射瞳面内に結像され、
前記透過電子顕微鏡の第２動作モードにおいて、前記中間像面は前記分析系の前記入射瞳面内に結像され、前記中間回折面は前記分析系の前記入射像面内に結像されることを特徴とする、
透過電子顕微鏡。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡であって、前記中間回折面を前記エネルギーフィルタの前記入射瞳面内に結像する際の倍率は３未満であることを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項９】
請求項８に記載の透過電子顕微鏡であって、前記中間回折面を前記エネルギーフィルタの前記入射瞳面内に結像する際の倍率は、０．０５〜３の範囲内または０．１〜１．５の範囲内であることを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡であって、
前記第２投影レンズ系は前記中間回折面内に配置したレンズを備えることを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡であって、さらに、
前記中間回折面内に配置した暗視野検出器を備えることを特徴とする、
透過電子顕微鏡。
【請求項１２】
請求項１１に記載の透過電子顕微鏡であって、
前記暗視野検出器は、前記ビーム路の主軸から離間した検出領域を含み、前記主軸から遠く離れて前記中間回折面と交差する軌道上を移動する電子は前記検出領域に入射するが、前記主軸から近い距離において前記中間回折面と交差する軌道上を移動する電子は前記暗視野検出器を回避することができるようにしたことを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡であって、さらに、前記中間回折面内に配置した相変化素子を備える、透過電子顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１３に記載の透過電子顕微鏡であって、
前記相変化素子は、前記ビーム路の主軸から離間した相変化領域を含み、前記主軸から遠く離れて前記中間回折面と交差する軌道上を移動する電子は、前記相変化領域を通過すると、前記主軸から近い距離において前記中間回折面と交差する軌道上を移動する電子に対して、位相シフトされることを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡であって、さらに、前記対物レンズの前記回折面と前記エネルギーフィルタとの間のビーム路中に配置したバイプリズムを備える、透過電子顕微鏡。
【請求項１６】
請求項１５に記載の透過電子顕微鏡であって、
（ｃ）前記ビーム路において、前記第１投影レンズ系により生成される前記中間回折面が前記バイプリズムの上流に配置され、および／または、
（ｄ）前記ビーム路において、前記第１投影レンズ系により生成される前記中間像面が前記バイプリズムの下流に配置されるように、
前記バイプリズム、ならびに前記第１投影レンズ系および前記第２投影レンズ系の前記複数のレンズを構成することを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項１７】
請求項１６に記載の透過電子顕微鏡であって、
前記第１投影レンズ系の前記中間回折面と前記バイプリズムとの間の距離は、前記バイプリズムと前記第１投影レンズ系により生成される前記中間像面との間の距離と実質的に等しいことを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の透過電子顕微鏡であって、さらに、
前記対物レンズと前記第１投影レンズ系との間の前記ビーム路中に配置した像補正器を備える、透過電子顕微鏡。
【請求項１９】
請求項１８に記載の透過電子顕微鏡であって、前記像補正器は少なくとも１個の六極子を含むことを特徴とする、透過電子顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−１８１５０１（Ｐ２０１１−１８１５０１Ａ）
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−４３２７９（Ｐ２０１１−４３２７９）
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（５０４０２０４５２）カール・ツァイス・エヌティーエス・ゲーエムベーハー (36)
【氏名又は名称原語表記】Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ ＮＴＳ ＧｍｂＨ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１５日（２０１１．９．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４３２７９（Ｐ２０１１−４３２７９）
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（５０４０２０４５２）カール・ツァイス・エヌティーエス・ゲーエムベーハー (36)
【氏名又は名称原語表記】Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ ＮＴＳ ＧｍｂＨ
【Ｆターム（参考）】
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