JP3849353B2 - 透過型電子顕微鏡 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、透過型電子顕微鏡に係り、特に特定のエネルギーの電子を選択して結像する結像分光器すなわちエネルギーフィルターを搭載した透過型電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、原子レベルオーダで材料を観察し、かつ、原子レベルで観察された原子の種類や結合状態を同定することが半導体不良解析部門・新素材の研究分野などで極めて重要な要求となっている。
【０００３】
透過型電子顕微鏡 (Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）は、このような微小領域の構造解析に好適な装置である。ＴＥＭは、試料を透過した電子を電子レンズを用いて拡大結像する装置であり、波長の極めて短い電子線を用いることにより、原子レベルでの構造観察や解析を可能としている。
【０００４】
更に透過型電子顕微鏡で、特定領域の元素分析や状態分析を可能とする装置として、結像型のエネルギーフィルターを搭載したエネルギーフィルター透過型電子顕微鏡(Energy-Filtering ＴＥＭ：ＥＦ−ＴＥＭ)がある。このＥＦ−ＴＥＭで電子分光結像法による２次元像情報を得ることにより、試料の元素分析や状態分析が可能になる。
【０００５】
なお、電子分光結像法 (Electron Spectroscopic Imaging：ＥＳＩ）とは、試料でエネルギーを失った電子線のロスエネルギーとその強度から、試料内部で起こった現象や元素の種類、結合状態等を調べるための分析法 (Electron Energy Loss Spectroscopy：ＥＥＬＳ：エネルギー損失分光法)を発展させたものであり、ＥＥＬＳによる分析を２次元的な画像情報として得る方法である。
【０００６】
このようなエネルギーフィルターを搭載した透過型電子顕微鏡が、特公平6− 42358 号公報に開示されている。当該公報には、試料を透過した電子線を対物レンズ、及び３段の中間レンズでエネルギーフィルターの入力像面，入力クロスオーバー面にそれぞれ、試料の拡大像，回折像を形成することで、エネルギーフィルターの色消し像面に拡大像を投影し、エネルギー選択スリットに回折像を投影させ、最終像面に特定エネルギーの拡大像を形成する技術が開示されている。
【０００７】
また、当該公報には最終像面に特定エネルギーの回折像を形成するために、エネルギーフィルターの入力像面，入力クロスオーバー面にそれぞれ、試料の回折像，拡大像を形成する技術についても、併せて開示されている。
【０００８】
当該公報に開示されたＥＦ−ＴＥＭは、インカラム型と呼ばれ、ＴＥＭの中間レンズと投影レンズの間にエネルギーフィルターを挿入する構成からなるものである。このインカラム型のＥＦ−ＴＥＭは、エネルギーフィルターをＴＥＭの鏡筒下に取り付けるポストカラム型のＥＦ−ＴＥＭに対し、軸調整が容易であり、また収差補正のための構成要素が少なくて済む等、メリットが大きい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ポストカラム型のＥＦ−ＴＥＭに対し、優れた性能を持つインカラム型のＥＦ−ＴＥＭであるが、一方で以下のような問題を有している。
【００１０】
インカラム型のＥＦ−ＴＥＭは、電子銃，電子銃から発せられる電子線を試料に収束して照射するための収束レンズ，対物レンズ，試料を透過した電子線を結像するための中間レンズ系，エネルギーフィルター、及びエネルギーフィルターを通過した電子線を最終像面に投影するための投影レンズ系等の各構成要素が上方に向かって積み上げられるような構成からなる。
【００１１】
コイルと鉄覆からなるレンズやエネルギーフィルターは単体でもかなりの重量があり、これを積み上げるＥＦ−ＴＥＭは装置の重心が高くなる。重心が高くなると耐震性が低下し、転倒災害の危険性が増し、更に微小領域を観察するためのＴＥＭにおいて、観察視野の位置ずれ等の可能性も高くなる。以上のような弊害を解消するために、背の低いＥＦ−ＴＥＭの提供が望まれる。
【００１２】
一方、ＥＦ−ＴＥＭの装置性能は、中間レンズ系や投影レンズ系を構成するレンズの数に依存するところがある。即ちレンズの数が多いほど、倍率及びカメラ長の広範囲設定が可能となり、これらレンズの数を増やすことによって装置の基本性能を向上させることができる。またＥＦ−ＴＥＭの基本性能を向上するための他の要因として、エネルギーフィルターの入力クロスオーバー面と入力像面間の距離がある。この距離が長いほどエネルギーフィルターの性能が向上する。
【００１３】
このようにレンズの段数の増加や、入力クロスオーバー面−入力像面間の距離の増大は、ＥＦ−ＴＥＭの性能を向上する要因であるが、レンズの数の増加や、入力クロスオーバー面と入力像面間の距離の増大は、ＥＦ−ＴＥＭの身長の増大につながる。即ちＥＦ−ＴＥＭの基本性能の向上と耐震性の向上の両立は困難であった。
【００１４】
本発明は、ＥＦ−ＴＥＭの身長の増大を抑制、或いは減少しつつ、基本性能を向上するエネルギーフィルター透過型電子顕微鏡の提供を目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明では、電子銃から発生する電子線を試料に照射し、試料を透過した電子線をエネルギーフィルターでエネルギー分光し、観察面に投影する透過型電子顕微鏡において、前記エネルギーフィルターの入力クロスオーバー面に電子線の回折像、或いは試料像の虚像を形成すると共に、前記エネルギーフィルターの入力像面に、前記回折像或いは前記試料像の内、前記入力クロスオーバー面に形成される像とは異なる像の実像を形成するレンズを備えたことを特徴とする透過型電子顕微鏡を提供する。
【００１６】
また、試料を透過した電子線をエネルギーフィルターでエネルギー分光し、当該エネルギーフィルターでエネルギー分光した電子線の内、特定のエネルギーを持つ電子線をエネルギー選択スリットで選択し、観察面に投影する透過型電子顕微鏡において、前記エネルギーフィルターと前記選択スリットの間に、レンズを配置したことを特徴とする透過型電子顕微鏡を提供する。
【００１７】
以下、本発明の概要は発明の実施の形態の欄で詳細に説明する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
一般的な透過型電子顕微鏡と比較してＥＦ−ＴＥＭは、元素分析や状態分析といったような分析能力に加えて、ＴＥＭ像及び電子線回折像のコントラストが向上し、定量評価を可能にすること、厚い試料でも観察できること、生物切片においては無染色でも観察できること、エネルギーロススペクトルが得られること、汎用電子顕微鏡の付属装置との複合化を妨げないというメリットがあげられる。エネルギーフィルターは、インカラム型とポストカラム型に大きく分類することができる。インカラム型ＥＦ−ＴＥＭは、ＴＥＭの中間レンズ系と投影レンズ系の間にエネルギーフィルターを挿入するタイプのＴＥＭであり、一方、ポストカラム型はＴＥＭの鏡筒の下に取り付けるタイプのＴＥＭである。
【００１９】
インカラム型ＥＦ−ＴＥＭに採用されるエネルギーフィルターを図７に示す。これはγ型エネルギーフィルターである。エネルギーフィルター２６は、複数の磁極（この例では第一磁極４１，第二磁極４２の２つ）を持ち、それぞれが電子線４３を偏向する。第一磁極４１で偏向された電子線４３は、第二磁極４２で再び偏向され、第一磁極４１を通過して、最終的には入射時の光軸４に戻り、エネルギーフィルター２６を出射する。磁極４１と４２の形状や磁極間距離は、エネルギーフィルター２６の性能に大きく影響するので、シミュレーションで決定する。特に、電子線４３が磁極に入射及び出射する角度，磁極で偏向される角度，磁極間距離，磁極入出射端面における曲率などである。
【００２０】
エネルギーフィルター２６には、入射クロスオーバー面４４，入射像面４５，色消し像面４６，エネルギー分散面４７という４つの特別な意味を持つ面が存在する。エネルギーフィルター２６は、電子レンズと同様な結像作用を持ち、入射クロスオーバー面４４はエネルギー分散面４７に、また、入射像面４５は色消し像面４６に、倍率１で投影される。これらの面は、収差を低減することを目的としてエネルギーフィルター２６のフィルター中心線４８に関して対称的に配置される。
【００２１】
ＥＦ−ＴＥＭで試料の拡大像を観察するためには、入射クロスオーバー面４４に電子源像が形成され、かつ、入射像面４５に試料像が形成されるように、対物レンズと中間レンズ系を調整する。また、試料の回折像を観察するには、入射クロスオーバー面４４に試料像が形成され、かつ、入射像面４５に電子源像が形成されるように、対物レンズと中間レンズを調整する。
【００２２】
このようにして入射クロスオーバー面４４と入射像面４５に形成された試料像、または回折像を、エネルギーフィルター２６はエネルギー分散面４７と色消し像面４６に投影する。さらに、投影レンズ系は色消し像面４６に形成された試料像、または回折像を蛍光板２５や写真フィルムなどの観察面に拡大投影し、最終像を形成する。
【００２３】
エネルギー分散面４７には試料のエネルギーロススペクトルが形成されるので、エネルギー分散面４７に設置されているエネルギー選択スリット２４を用いて特定のエネルギーを選択する。こうすることで、最終像面（観察面）には、選択された特定エネルギーの試料の拡大像、または回折像が形成される。
【００２４】
倍率とカメラ長を変更するために投影レンズの励磁を変更すると、エネルギーフィルター２６独自の収差の影響を受ける場合があり、倍率及びカメラ長の可変範囲は狭い。通常は対物レンズと中間レンズの励磁を変更して倍率とカメラ長を変更する。
【００２５】
これらのレンズの励磁は、レンズコイルに流れる電流値を制御して行う。各レンズに供給する電流値の組み合わせをＲＯＭなどに記憶させ、目的の倍率やカメラ長の電流値を選ぶことにより、倍率やカメラ長を変更する。できるだけ広い倍率・カメラ長の範囲をカバーするためには、中間レンズの数を増やすと良い。
【００２６】
また、ＥＦ−ＴＥＭによる特定領域の分析精度や結果の信頼性はエネルギーフィルターの性能に依存するところが大きい。このエネルギーフィルターの性能を向上させる１つの方策として入射クロスオーバー面４４と入射像面４５の間の距離（以下、Ｌとする）を長くすることが挙げられる。このＬが長くなれば、エネルギーフィルター２６に入射する電子線の開き角が相対的に小さくなるからである。
【００２７】
図３〜図６にＬとさまざまな性能指数との関係を示す。図３では画像の歪みがＬが長くなるにつれて小さくなる様子がわかる。また図４ではエネルギー分散はＬにほぼ比例しており、Ｌを長くする方が有利なことが判る。図５は磁極入射端面の極率との関係である。極率が大きいとわずかな電子線のずれが磁極の入出射角度の変化として現れ、軸調整を困難にし、更には極めて高度な機械加工精度や組み立て精度が要求されることになる。図５によれば、Ｌを長くすることにより、磁極端面の曲率を小さくできることが判る。図６は、Ｌと第一磁極４１と第二磁極４２との関係である。これが小さいと、エネルギーフィルター２６自身が小さく、軽く構成できることが判る。
【００２８】
以上のようにＬを長くすることによって、エネルギーフィルターの性能を向上することが可能になる。
【００２９】
以上のようにレンズの段数やエネルギーフィルターのＬの長距離化はＥＦ−ＴＥＭの性能を向上する上で重要なファクターであるが、反面ＥＦ−ＴＥＭの身長の増大も意味する。本発明実施例装置によれば、レンズの段数やエネルギーフィルターのＬの増大を、ＥＦ−ＴＥＭの身長の増大を抑制、或いは減少しつつ、行うことが可能になる。以下、図面を参照して本発明実施例装置を詳細に説明する。
【００３０】
図８は本発明実施例装置によるエネルギーフィルターを搭載した透過型電子顕微鏡の一実施例のブロック図である。１は本発明によるエネルギーフィルターを搭載した透過型電子顕微鏡である。電子銃２から放出された照射電子線３０は集束レンズ１０によって試料３上に照射される。照射する際に、集束偏向コイル２０によってその照射位置と角度が決定される。集束偏向コイル２０は照射角度を一定に保ったまま位置だけを変えたり、照射位置を一定に保ったまま角度だけを変えたりすることもできる。
【００３１】
照射電子線３０はできるだけ一定のエネルギーになるように制御されているが、試料３を通過した透過電子線３１は試料３との相互作用により色々なエネルギーを含んでいる。対物レンズ１１，第一中間レンズ１２，第二中間レンズ１３，第三中間レンズ１４，第四中間レンズ１５は、対物レンズ１１の後ろ焦点面にできている回折パターンをエネルギーフィルター２６の入射クロスオーバー面に結像し、対物レンズ１１の像面をエネルギーフィルター２６の入射像面に結像する。エネルギーフィルター２６を通過した電子線はゼロロス電子線３２とロス電子線３３に分離され、エネルギー選択スリット２４で選択される。
【００３２】
エネルギー選択スリット２４を通過した電子線３４は第一投影レンズ１６，第二投影レンズ１７，第三投影レンズ１８で拡大され、蛍光板２５上に最終像を形成する。電子線偏向系２１，２２，２３は、エネルギーフィルター２６前後の電子線の光軸調整に用いる。制限視野絞り２７は、試料像の視野を選択するのに用いる。制限視野条件が成り立つときは、対物レンズ１１の像面と一致する。
【００３３】
図２は、本発明によるエネルギーフィルターを搭載した透過型電子顕微鏡１のエネルギーフィルター２６近辺の詳細図である。第三中間レンズ１４から第二投影レンズ１７の部分を表している。本実施例ではエネルギーフィルター２６はγ形エネルギーフィルターで構成されている。２８はエネルギーフィルター２６に入射する電子線の開き角を制限する入射絞りである。第一偏向コイル２１は、第三中間レンズ１４と第四中間レンズ１５の間に位置し、第二偏向コイル２２は、第四中間レンズ１５とエネルギーフィルター２６の間に位置し、第三偏向コイル２３は、エネルギーフィルター２６と第一投影レンズの間に位置する。エネルギー選択スリット２４は、第一投影レンズ１６と第二投影レンズ１７の間に位置する。
【００３４】
図１は本発明によるエネルギーフィルターを搭載した透過型電子顕微鏡１の光学系の模式図である。試料３の拡大像を形成する様子を表している。試料３から蛍光板２５まで示してある。電子レンズは、簡単のため楕円で表示した。散乱電子線３５は、試料で弾性散乱して回折された電子線の光路を表す。散乱電子線３５が光軸４と交わるところに試料３の拡大像５０〜５８ができる。矢印でその様子を表している。光軸４と平行な電子線３６は、試料３を平行に透過した電子線で、光軸４と交わるところに試料３の回折像（電子源像）６０〜６５ができる。
【００３５】
実線は実際の電子線の軌道を表し、点線は虚像が形成されるときの虚の電子軌道を表す。第四中間レンズ１５は、入射クロスオーバー面４４とエネルギーフィルター２６の間に配置されているので、実像として形成された第四中間回折像６３を入射クロスオーバー面４４の位置に第五中間回折像６４を虚像として形成し、同時に第四中間拡大像５３を入射像面４５の位置に第五中間拡大像５４を実像として形成する。
【００３６】
虚像は、物面の一点から出たすべての軌道が、レンズ界を出た後、交点を作らず、代わりに軌道の接線の前方への延長が一点に交わるとき、この交点に形成される。この虚像は、文字どおり実際には存在しない像であるが、当該虚像を形成するレンズ以下の光学系から見れば、恰もその個所に像が形成されているかのように捉えることができる。
【００３７】
即ちエネルギーフィルターの入力クロスオーバー面に疑似的に試料像を形成することでエネルギーフィルターに必要な光学条件を満足でき、更にエネルギーフィルターの入力像面と入力クロスオーバー面との間にレンズを配置することが可能になるので、エネルギーフィルターのＬ、或いはレンズの段数を、ＥＦ−TEMの身長の増大を抑制或いは減少しつつ、増やすことができる。
【００３８】
エネルギーフィルター２６は、入射クロスオーバー面４４にある第五中間回折像６４をエネルギー分散面４７上に第六中間回折像６５として結像する。また同時に入射像面４５にある第五中間拡大像５４を色消し像面４６に第六中間拡大像５５として結像する。第一投影レンズ１６は、エネルギーフィルター２６とエネルギー分散面４７の間に配置されているので、第六中間回折像６５をエネルギー選択スリット２４の位置にエネルギーロススペクトル６９として実像を形成し、同時に第六中間拡大像５５を第七中間拡大像５６として虚像を形成する。
【００３９】
続く第二投影レンズ１７と第三投影レンズ１８は、第一投影レンズ１６によって虚像として形成された第七中間拡大像５６を第八中間拡大像５７を経て最終拡大像５８を蛍光板２５上に形成する。
【００４０】
このようにエネルギーフィルター２６下にも中間回折像の虚像を形成することで、本来設けなければいけないエネルギーフィルターの色消し像面４６と、エネルギー分散面４７の距離を短縮することが可能になる。これはエネルギー分散面４７に配置されるべき、エネルギー選択スリット２４とエネルギーフィルター２６間の距離を減少させることにつながる。
【００４１】
また、本来エネルギーロススペクトルが設けられる筈のエネルギー分散面４７より、エネルギーフィルター２６側にエネルギーロススペクトル６９を形成するということは、エネルギーフィルター２６とエネルギー分散面４７の間に、エネルギーフィルターの色消し像面と、エネルギーロススペクトルの形成個所間の距離を短くするためのレンズが配置されていることに他ならない。
【００４２】
即ち、本発明実施例装置では、エネルギーフィルター２６とエネルギー選択スリット２４との間に、レンズを介在させることで、実際のエネルギーロススペクトル６９を、エネルギー分散面４７よりエネルギーフィルター２６側に形成し、更に当該レンズによってエネルギー分散面４７に中間回折像の虚像を形成することで、エネルギーフィルターに必要な光学条件を満足している。
【００４３】
以上のような構成によれば、エネルギーフィルター２６とエネルギー選択スリット６９の距離を短くすることができ、更に投影レンズを多く配置することが可能となる。
【００４４】
また上述したように色消し像面４６とエネルギー分散面４７との距離は、入射クロスオーバー面４４と入射像面４５の距離と等しくすることが、収差低減の観点で好ましい。本発明実施例装置では、エネルギーフィルター２６の上下に配置される第四中間レンズ１５と第一投影レンズ１６を、エネルギーフィルター２６に対して上下対称に配置することで、色消し像面４６とエネルギー分散面４７との距離、及び入射クロスオーバー面４４と入射像面４５との距離を等しくしているが、本発明はこのレンズの配置に限定されるものではない。
【００４５】
例えば入射クロスオーバー面４４に虚像を形成し、エネルギー分散面４７には虚像を形成しないということもできる。即ちエネルギーフィルターの入射側、或いは出射側のいずれか一方のみに本発明を適用し、他の一方は従来のように実像を形成しても良い。結果的に入力クロスオーバー面と入力像面の距離と、色消し像面とエネルギー分散面間の距離が同じであれば良い。
【００４６】
これまで説明してきたように、エネルギーフィルター２６の性能を向上させるためには、入射クロスオーバー面４４と入射像面４５の間の距離Ｌを長くすることが考えられる。本発明実施例装置と、前述した特公平6−42358号公報に開示のＥＦ−ＴＥＭで示されている方式とを比較して、本発明の優位性について以下に説明する。
【００４７】
この様子を図９に示す。図９（ａ）は特公平6−42358号公報の開示にされているＥＦ−ＴＥＭの光学系を示す図である。当該光学系には中間レンズ３段＋投射レンズ２段が設けられている。図９（ｂ）は、図９（ａ）と同じ光学系を採用しつつ、エネルギーフィルターの性能向上のため、距離Ｌを伸ばした例を示す図である。
【００４８】
図９（ｃ）（ｄ）は、図９（ａ）（ｂ）の光学系に対し、投射レンズを１段増やした例を示す図である。本発明の光学系を採用したＥＦ−ＴＥＭは図９（ｆ）に示した。図９（ｅ）は、本発明実施例装置の理解を助けるための図であり、構成は図９（ａ）と同じである。
【００４９】
まず、図９（ａ）と図９（ｆ）を比較すると、図９（ｆ）の方が、距離Ｌが長く、また中間レンズと投射レンズがそれぞれ１段増えていることが判る。しかも図９（ａ）と図９（ｆ）では、試料から観察面の距離が同じである。即ち、公知技術と比較すると、ＥＦ−ＴＥＭの身長の増加を抑制しつつ、レンズを複数設けることが可能となり、距離Ｌを長くすることが可能になる。
【００５０】
次に、図９（ｂ）と図９（ｆ）を比較すると、両者の距離Ｌは同じであるが、図９（ｂ）の方が試料から観察面までの距離が長いことが判る。即ち、公知技術では距離Ｌを長くするのに伴ってＥＦ−ＴＥＭの身長も長くなっていたが、本発明の採用によりＥＦ−ＴＥＭの身長の増大を抑制しつつ、距離Ｌを長くすることができる。
【００５１】
更に、図９（ｃ）と図９（ｆ）を比較すると、両者の投射レンズの数は同じであるが、図９（ｃ）の方が試料から観察面までの距離が長いことが判る。即ち、公知技術では投射レンズの数を増やしたことによってＥＦ−ＴＥＭの身長も長くなっていたが、本発明の採用によりＥＦ−ＴＥＭの身長の増大を抑制しつつ、レンズの段数を増やすことができる。
【００５２】
図１や図９に示した光学系は、２０万倍以上程度の強拡大倍率に有効な光学系である。図１０（ａ）に数万倍から３０万倍程度の中拡大倍率に有効な光学系と図１０（ｂ）に数千倍から数万倍程度の弱拡大倍率に有効な光学系を示す。強拡大倍率に有効な光学系では、中間レンズ１２〜１５で形成される中間拡大像のうち、第四中間拡大像５３が虚像となっており、これを除くすべての中間拡大像５０，５１，５２，５４が実像であったが、中拡大及び強拡大倍率に有効な光学系では、第二中間拡大像５１も虚像となっている。
【００５３】
図１１に、試料３のさらに低倍率像を実現するための光学系を示す。この光学系では、対物レンズ１１の励磁を下げて対物レンズ１１自身の倍率を下げることにより低倍率を実現することができる。この時、第一中間回折像は制限視野絞り２７近辺に生じさせることが可能で、制限視野絞り２７を対物絞りとして使用することも可能である。対物レンズ１１が弱励磁となっている関係上、第一中間拡大像５０は虚像となるが、第四中間拡大像５３と第五中間拡大像５４の位置関係は、第四中間レンズ１５の励磁を変えなければ、図１や図１０と同じ関係を保つこともできる。
【００５４】
図１２に、試料３の回折像を観察するための光学系を示す。対物レンズ１１の励磁は図１や図１０と同等である。中間レンズ１２〜１５は対物レンズ１１の後ろ焦点面にできる第一中間回折像６０をエネルギーフィルター２６の入射像面４５の位置に第五中間回折像６４として結像し、同時に対物レンズ１１の像面にできる第一中間拡大像５０をエネルギーフィルター２６の入射クロスオーバー面４４の位置に第五中間拡大像５４として結像する。エネルギーフィルター２６以下の光学系はこれまでと同等であり、単に拡大像と回折像の関係が入れ替わっているだけである。従って、蛍光板２５には最終回折像６８が形成される。第四中間回折像６３と第五中間回折像６４の位置関係は、第四中間レンズ１５の励磁を変えなければ、図１，図１０，図１１と同じ関係を保つこともできる。
【００５５】
ＥＦ−ＴＥＭに要求される機能の１つにＰＥＥＬＳがある。ＰＥＥＬＳ (Parallel EELS）とは、エネルギー分散面を投射レンズ系で拡大して観察することにより、直接ＥＥＬＳを取得する観察法である。ＰＥＥＬＳは、電荷結合素子 (Charge-Coupled Device：ＣＣＤ）、特にスロースキャンタイプのもの（Slow Scan ＣＣＤ）を用いると良い。この理由として、ダイナミックレンジが広く、実時間性に富み、デジタル信号処理が容易だからである。
【００５６】
ＰＥＥＬＳによる観察を行う際には、投影レンズ系の倍率を可変にし、スペクトルのエネルギー範囲やＳＳＣＣＤの画素当りのエネルギー分解能を最適に設定する。
【００５７】
図１３にＰＥＥＬＳを実現するための光学系を示す。エネルギーフィルター２６から上の光学系は図１，図１０，図１１，図１２と同等なのでここでは省略した。エネルギーロススペクトル６９を投影レンズ系１６〜１８で蛍光板２５上に結像する。拡大倍率は投影レンズの励磁を変えることにより実現できる。この配置は、長いＬを持つエネルギーフィルターであっても、通常の長さのＬを持つエネルギーフィルターであっても有効である。
【００５８】
エネルギーフィルター２６の光軸は、エネルギーフィルターを搭載した透過型電子顕微鏡１の光軸４と正確に一致していなければならない。倍率やカメラ長を変更すると、電子レンズの機械的な加工精度や組立精度等から発生する回転非対称性や、レンズ電流の設定誤差，ヒステリシスなどにより、入射クロスオーバー面４４や入射像面４５の位置や方向が変化することがある。これらを、エネルギーフィルターを搭載した透過型電子顕微鏡１に通常設けられている機械的調整機構で合わせ込むことは不可能であり、電磁的な要素により補正する操作が必要になる。
【００５９】
本発明によるエネルギーフィルターを搭載した透過型電子顕微鏡１には、第三中間レンズ１４と第四中間レンズ１５の間、第四中間レンズ１５とエネルギーフィルター２６の間、エネルギーフィルター２６と第一投影レンズ１６の間に電磁的な電子線偏向コイル２１〜２３を設けている。これらの偏向コイルは図２に示すように各電子レンズ１４，１５，１６やエネルギーフィルター２６の外部に配置されており、それぞれの要素と独立に製作することができる。
【００６０】
しかも、図１からも明らかなように、第一偏向コイル２１は第四中間回折像６３（回折像を観察するときは第四中間拡大像５３），第二偏向コイル２２は第五中間拡大像５４（回折像を観察するときは第五中間回折像６４），第三偏向コイル２３は第六中間拡大像５５（回折像を観察するときは第六中間回折像６５）の近辺に配置することができる。これらの中間像は全て実像であり、拡大像や回折像に新たに余分な収差を追加する影響は少ない。
【００６１】
また、倍率やカメラ長毎に偏向コイル２１〜２３に流す電流値を記憶させておけば、倍率やカメラ長を変更することに伴うエネルギーフィルター２６の光軸ずれを補正することが容易になる。
【００６２】
エネルギーフィルター２６の収差はあらかじめシミュレーションプログラムにより最小限に押さえられている。しかしながら、シミュレーション誤差やエネルギーフィルター２６の磁極４１，４２の加工精度や組立精度の限界により、シミュレーション通りの軌道を描くことが困難である。
【００６３】
特に問題となりやすいのは、入射クロスオーバー面４４からの広がりに関する収差で、エネルギー分散面４７における電子線の収束性に関係する。この収差が大きいと、最終拡大像５８または最終回折像６８において選択されたエネルギーに分布を生じることになる。この収差は、入射クロスオーバー面４４からの開き角の自乗に比例する収差であり、入射像面４５，色消し像面４６に六極子レンズを設けることで収差を補正することが可能となる。これらの六極子レンズは、第二偏向コイル２２，第三偏向コイル２３の偏向磁場に重畳することにより実現できる。
【００６４】
エネルギー選択スリット２４の開閉方向はエネルギー分散方向と一致しなければならない。公知例のＥＦ−ＴＥＭではエネルギーフィルター２６の真下に第一投影レンズ１６が配置されているので、エネルギー選択スリット２４上におけるエネルギー分散方向はエネルギーフィルター２６のエネルギー分散方向と一致する。しかし、電磁レンズは、コイルにより発生する磁界を狭い間隙から漏洩させてレンズ作用を持たせており、電子は漏洩磁界により回転してしまうので、本発明のように第一投影レンズ１６をエネルギーフィルター２６とエネルギー選択スリット２４の間に配置した場合、エネルギー選択スリット２４上におけるエネルギー分散方向は回転してしまう。
【００６５】
しかしながら、この回転角度は、第一投影レンズ１６の励磁に比例し、拡大像，回折像を観察する場合には常に一定値となる。したがって、エネルギー選択スリット２４上のエネルギー分散方向は容易に類推でき、スリットの開閉方向をエネルギー分散方向に一致させることは可能である。
【００６６】
また、スリットとレンズとの間の物理的な位置調整を行うことなく、第一投影レンズ１６によるエネルギー分散方向の回転をなくすには、第一投影レンズ１６にダブルギャップレンズを用いるとよい。ダブルギャップレンズとは、図１４のように、第一レンズコイル５と第二レンズコイル６がペアになったレンズである。
【００６７】
これらのコイルに逆向きの電流を流すことにより、第一間隙７と第二間隙８に発生する漏洩磁界はそれぞれ逆極性を持っており、光軸４を通った電子線に働く像回転効果は相殺し合う。つまり、エネルギー選択スリット２４の開閉方向とエネルギーフィルター２６のエネルギー分散方向は同じ方向とし、且つ所望の収束磁場を形成することができる。
【００６８】
なお、本発明の実施例で採用するレンズは、その組み合わせによって、所望の倍率，所望のカメラ長を得るのに必要なレンズ強度を発生するための電源と、当該電源を制御するための制御装置が設けられている。当該制御装置は、試料の拡大像、或いは試料の回折像観察のモード設定や、倍率やカメラ長の設定等を行うことにより、各レンズに適当な電流を流すように各電源を調節する。
【００６９】
図１，図１０，図１１，図１２で示したように、第四中間レンズ１５と第一投影レンズ１６は複雑な制御が必要ない。特に第四中間レンズ１５の励磁は一定にすることができる。第一投影レンズ１６も基本的には励磁は一定で、図１３に示したＰＥＥＬＳを行うときだけ、励磁が変化する。つまり、第四中間レンズ１５と第一投影レンズ１６の制御はＯＮ／ＯＦＦだけで済むことを意味し、電源，制御回路，制御ソフトが単純にでき、原価を下げることができる。これらのレンズに永久磁石レンズを用いれば、電源，制御回路，制御ソフトが不要となり、さらに原価を下げることができる。ＰＥＥＬＳを行うには、第一投影レンズ１６の代わりに用いる永久磁石レンズの光軸方向の位置を変化させればよい。
【００７０】
これまでは、γ形エネルギーフィルターについて説明してきたが、Ω形エネルギーフィルターやα型のエネルギーフィルターでも同様の効果が期待できる。
【００７１】
【発明の効果】
以上、本発明の構成によれば、ＥＦ−ＴＥＭにおいて、鏡体の身長を高くすることなく、入射クロスオーバー面と入力像面との間の距離を伸ばすことができるようになり、エネルギーフィルターＴＥＭの性能向上と共に、耐震性をも向上させることが可能になる。
【００７２】
また、ＥＦ−ＴＥＭの耐震性の向上と共に、中間レンズの段数や投射レンズの段数を増やすことが可能になるため、倍率やカメラ長の可変範囲を大きくすることが可能になる。
【００７３】
更にエネルギーフィルターとエネルギー分散面との間にレンズを介在させることで、レンズ段数の増加とＥＦ−ＴＥＭの長身長化の抑制の両立が可能になり、エネルギーフィルターＴＥＭの性能向上と共に、耐震性をも向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるエネルギーフィルターを搭載した透過型電子顕微鏡の一実施例の光学系の模式図である。
【図２】エネルギーフィルター近辺の詳細図である。
【図３】入射クロスオーバー面と入射像面の距離と、像歪みに関する収差係数の関係を表すグラフである。
【図４】入射クロスオーバー面と入射像面の距離と、エネルギー分散に関する収差係数の関係を表すグラフである。
【図５】入射クロスオーバー面と入射像面の距離と、磁極の曲率に関する収差係数の関係を表すグラフである。
【図６】入射クロスオーバー面と入射像面の距離と、磁極間距離の関係を表すグラフである。
【図７】γ形エネルギーフィルターの説明図である。
【図８】本発明によるエネルギーフィルターを搭載した透過型電子顕微鏡の一実施例のブロック図である。
【図９】公知例と本発明の構成の比較を表す図である。
【図１０】中拡大像と弱拡大像を観察するための光学系の模式図である。
【図１１】低倍率像を観察するための光学系の模式図である。
【図１２】回折像を観察するための光学系の模式図である。
【図１３】ＰＥＥＬＳを実現するための光学系の模式図である。
【図１４】ダブルギャップレンズのしくみを表す図である。
【符号の説明】
１…エネルギーフィルターを搭載した透過型電子顕微鏡、２…電子銃、３…試料、４…光軸、５…第一レンズコイル、６…第二レンズコイル、７…第一間隙、８…第二間隙、１０…集束レンズ、１１…対物レンズ、１２…第一中間レンズ、１３…第二中間レンズ、１４…第三中間レンズ、１５…第四中間レンズ、１６…第一投影レンズ、１７…第二投影レンズ、１８…第三投影レンズ、２０…集束偏向コイル、２１…第一偏向コイル、２２…第二偏向コイル、２３…第三偏向コイル、２４…エネルギー選択スリット、２５…蛍光板、２６…エネルギーフィルター、２７…制限視野絞り、２８…入射絞り、２９…対物絞り、３０…照射電子線、３１…透過電子線、３２…ゼロロス電子線、３３…ロス電子線、３４，４３…電子線、３５…散乱電子線、３６…光軸と平行な電子線、４１…第一磁極、４２…第二磁極、４４…入射クロスオーバー面、４５…入射像面、４６…色消し像面、４７…エネルギー分散面、４８…フィルター中心線、５０…第一中間拡大像、５１…第二中間拡大像、５２…第三中間拡大像、５３…第四中間拡大像、５４…第五中間拡大像、５５…第六中間拡大像、５６…第七中間拡大像、５７…第八中間拡大像、５８…最終拡大像、６０…第一中間回折像、６１…第二中間回折像、６２…第三中間回折像、６３…第四中間回折像、６４…第五中間回折像、６５…第六中間回折像、６６…第七中間回折像、６７…第八中間回折像、６８…最終回折像、６９…エネルギー選択スリット。

Claims (17)

1. 電子銃から発生する電子線を試料に照射し、試料を透過した電子線をエネルギーフィルターでエネルギー分光し、観察面に投影する透過型電子顕微鏡において、
   前記エネルギーフィルターの入力クロスオーバー面に電子線の回折像、或いは試料像の虚像を形成すると共に、前記エネルギーフィルターの入力像面に、前記回折像或いは前記試料像の内、前記入力クロスオーバー面に形成される像とは異なる像の実像を形成するレンズを備えたことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
2. 請求項１において、前記レンズは前記試料と前記エネルギーフィルターの間に配置される中間レンズ群を構成するレンズであることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
3. 請求項２において、前記中間レンズ群は、当該中間レンズ群のエネルギーフィルター側に配置されるレンズより陰極側に、前記回折像、或いは試料像の虚像を形成することを特徴とする透過型電子顕微鏡。
4. 請求項２において、前記中間レンズ群のエネルギーフィルター側に配置されるレンズは、永久磁石レンズであることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
5. 請求項２において、前記中間レンズ群のエネルギーフィルター側に配置されるレンズと、当該レンズより陰極側に配置されるレンズとの間に、電子線偏向器を配置したことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
6. 請求項２において、前記中間レンズ群のエネルギーフィルター側に配置されるレンズと、前記エネルギーフィルターとの間に、電子線偏向器を配置したことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
7. 請求項２において、前記中間レンズ群のエネルギーフィルター側に配置されるレンズと、前記エネルギーフィルターとの間に、六極子レンズを配置したことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
8. 請求項１において、前記エネルギーフィルターと前記観察面の間にはエネルギー選択スリットが配置されると共に、当該選択スリットと前記エネルギーフィルターの間にエネルギーロススペクトルを前記選択スリット上に形成するレンズを配置したことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
9. 請求項８において、前記選択スリットと前記エネルギーフィルターの間に配置されるレンズは、前記回折像、或いは試料像の虚像を前記選択スリットと前記観察面の間に形成することを特徴とする透過型電子顕微鏡。
10. 請求項８において、前記選択スリットと前記エネルギーフィルターの間に配置されるレンズは、磁界形レンズであって、収束磁場を発生するためのレンズギャップが２つ形成されていることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
11. 請求項１０において、前記２つのレンズギャップで形成される収束磁場は、一方のレンズギャップ間に発生する収束磁場によってもたらされる電子線の回転を、他のレンズギャップ間に発生する収束磁場で相殺するように設定されていることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
12. 請求項８において、前記エネルギーフィルターと前記観察面の間に配置されるレンズは、永久磁石レンズであることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
13. 請求項８において、前記選択スリットと前記エネルギーフィルターの間に配置されるレンズと、前記エネルギーフィルターの間に、電子線偏向器を配置したことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
14. 請求項８において、前記選択スリットと、前記エネルギーフィルターの間に配置されるレンズと、前記エネルギーフィルターの間に、六極子レンズを配置したことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
15. 請求項１において、前記エネルギーフィルターと前記観察面との間にはエネルギー選択スリットが配置されると共に、当該選択スリットと前記観察面の間には、前記回折像、或いは試料像の虚像が形成されることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
16. 請求項１において、前記エネルギーフィルターと前記観察面との間にはエネルギー選択スリットが配置され、当該選択スリットと前記エネルギーフィルターの間にはレンズが配置されると共に、エネルギーロススペクトルのエネルギー分散方向と、前記選択スリットの開口の開放方向がほぼ一致するように当該レンズのレンズ強度が設定されていることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
17. 請求項１において、前記観察面に試料像を形成する場合には、前記エネルギーフィルターの入力クロスオーバー面に前記回折像を形成し、前記観察面に電子回折像を形成する場合には、前記エネルギーフィルターの入力クロスオーバー面に前記試料像を形成するように前記レンズを制御する制御装置が設けられていることを特徴とする透過型電子顕微鏡。

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