JPH10302711A - オメガ型エネルギーフィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ドリフト長を短くして小型にすると共にフィ
ルタの計算で求めた条件からのずれを少なくし、メリッ
トファンクションを大きくする。 【解決手段】 ４つの磁場領域Ｍ₁、Ｍ₂、Ｍ₃、Ｍ₄によ
り入射窓面Ｉからスリット面Ｓまでの電子ビームの軌道
を順次Ω字状に偏向するオメガ型エネルギーフィルタに
おいて、Ｍ₃ の出射側端面からＭ₄ の入射側端面までの
距離Ｌ₄ を５０√Ｕ^* ／√Ｕ^* （２００）ｍｍ以下と
し、偏向角Φを１２０°±５°の範囲とした。また、Ｍ
₂ とＭ₃ との間の中心面からＭ₃ の入射側端面までの距
離Ｌ₃ は、２０√Ｕ^* ／√Ｕ^* （２００）ｍｍ≧Ｌ₃
≧１０√Ｕ^* ／√Ｕ^* （２００）ｍｍの範囲とし、Ｍ₄
の出射側端面からスリット面までの距離Ｌ₅は、３０√
Ｕ^* ／√Ｕ^*（２００）ｍｍ≦Ｌ₅ ≦５０ｍｍ√Ｕ^* ／
√Ｕ^*（２００）の範囲とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明の属する技術分野】本発明は、４つの磁場領域に
より入射窓から出射窓（スリット面）までの電子ビーム
の軌道を順次Ω字状に偏向するオメガ型エネルギーフィ
ルタに関する。

【0002】

【従来の技術】図１は電子光学系にオメガ型エネルギー
フィルタを組み込んだ電子顕微鏡の構成例を示す図、図
２はＡタイプのオメガ型エネルギーフィルタの構成を説
明するための図、図３はＢタイプのオメガ型エネルギー
フィルタの構成を説明するための図、図４はＡタイプの
オメガ型エネルギーフィルタの基本軌道を説明するため
の図、図５はＢタイプのオメガ型エネルギーフィルタの
基本軌道を説明するための図、図６は物面（試料面）上
の図形、瞳面 上の像とスリット面上でのビームの形状
の関係等について説明する図である。

【0003】電子光学系にオメガ型エネルギーフィルタを組
み込んだ電子顕微鏡では、図１に示すように電子銃１１
で発生した電子ビームをコンデンサレンズ１２、対物レ
ンズ１３を通して試料１４に照射し、中間レンズ１５、
入射窓１６、オメガ型エネルギーフィルタ１７、スリッ
ト（出射窓）１８、投影レンズ１９を通して蛍光板２０
に試料の像を投影している。

【0004】このオメガ型エネルギーフィルタは、Ω字状の
軌道に配置した４つの磁場領域Ｍ ₁、Ｍ ₂、Ｍ ₃、Ｍ ₄
（ビームの曲率半径Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃、Ｒ₄、偏向角Φ）に
順次ビームを通すことによって入射ビームと出射ビーム
とが同一直線上に並ぶようにしたものであり、図２及び
図３にＡタイプ、Ｂタイプそれぞれのその光軸を含むマ
グネットポールピースの形状と電子軌道の例を示してい
る。

【0005】この図２及び図３に示した２つの例は、それぞ
れ異なる光学設定条件の下で設計されたものである。こ
こで、電子の光軸の方向をｚ、磁界の方向をｙ、これら
に直交する磁極面に平行な方向をｘと表す。図２に示し
た磁極面に平行方向ｘにも磁界方向ｙにも３回の結像を
行うものがＡタイプと呼ばれ、図３に示した磁極面に平
行方向ｘに３回、磁界方向ｙに２回の結像を行うものが
Ｂタイプと呼ばれている。その基本的光学系の違いは、
光軸を直線に直して描いた図４に示すＡタイプの軌道図
及び図５に示すＢタイプの軌道図において明らかであ
る。

【0006】さて、フィルタの直前に、中間レンズ１５を用
いて、ビームを収束する面を入射窓面I、フィルタの直
後に、スリットを挿入する面をスリット面Ｓ（＝出射窓
面）と呼ぶことにすると、フィルタは、入射窓面Ｉに始
まってスリット面Ｓで終わる。この両面において高さ零
となる様な軌道（この両面で光軸の中心を通るビームの
軌道）をｘγ、ｙδとする。同じく、この両面において
高さが零でない様な軌道（この両面で光軸の中心を通ら
ないビームの軌道）をｘα、ｙβとする。又、この両面
で、電子顕微鏡の回折図形が投影される様に電子顕微鏡
を調節した場合に、蛍光板２０上に像が結ぶ様になる。
そしてスリットよりも手前（スリットよりもフィルタの
中心寄り）に虚像が形成され、スリットの後方に置かれ
たラウンドレンズ（投影レンズ１９）を通して初めて蛍
光板２０上に実像が形成される。上記の虚像が形成され
る面を（出射側のの）瞳面と呼ぶ。そして、この瞳面上
の虚像はアクロマティックな性質を有していて、ビーム
のエネルギによらない。一方、スリット面においてはビ
ームのエネルギに応じて分散を生じ、イソクロマティッ
クな性質を有している。

【0007】オメガ型エネルギーフィルタは、２次収差のい
くつかを零にし残りの収差も小さくするために（アイコ
ナル法で表現したとき、１８個の２次収差のうち５個が
零になる。従って残りは１３個）、第２の磁場領域Ｍ₂
と第３の磁場領域Ｍ₃の間の面を対称面（中心面）とし
て、その前後でのビーム軌道が対称となるように設計さ
れている。また、出射側の瞳面からスリット面までの距
離をLLとすると、入射ビーム側の瞳面は、入射窓面から
距離LLに位置するように中間レンズ１５を用いて調整さ
れる。

【0008】この様な条件の下で、ＡタイプとＢタイプの違
いは、ｙ方向（磁界方向）の軌道において、Ａタイプが
図４に示すように対称面でｙβ＝０、ｙδ′＝０である
のに対して、Ｂタイプが図５に示すように対称面でｙ
β′＝０、ｙδ＝０である。ここで ′はｚ（ｚは、電
子の光軸の方向）に関する微分、すなわち軌道の傾きで
ある。ｘ軌道は、両タイプとも同じであって、対称面で
ｘα＝０、ｘγ′＝０となる。

【0009】このような条件を選ぶと、Ａタイプでは、図４
に示すようにｘγ軌道は３回フォーカスするのに対し、
ｙδ軌道も３回フォーカスするが、Ｂタイプでは、図５
に示すようにｘγは３回フォーカスするものの、ｙδは
２回のみのフォーカスとなる。即ち、これによって像は
裏返し（鏡に映った像）になる。このような２つのタイ
プのオメガ型エネルギーフィルタがあることは古くから
知られている。これまで開発された全てのエネルギーフ
ィルタ（本件の発明者が開発したものを除く）でＡタイ
プが採用されてきた。その理由は、Lanio（”High reso
lution imaging magnetic energy filters with simple
structure”Optik 73(1986)99-107）によれば、Ｂタイ
プの２次収差が大きいことによる。

【0010】オメガ型エネルギーフィルタは、中心面対称を
持つことにより、出射側の瞳面上での２次収差を殆どキ
ャンセルすることができる。このことはオメガ型エネル
ギーフィルタを使うと、瞳面上において歪みのない像が
得やすく、また、オメガ型エネルギーフィルタを入れる
ことによって像がボケることがないという、イメージン
グフィルタにとって極めて大きな利点が得られる。

【0011】ここで、物面（試料面）上の図形、瞳面 上の
像とスリット面上でのビームの形状の関係等について図
６を用いて説明する。図（Ａ）は、物面上に描いたいく
つかの同心円状の図形を表している。図（Ｂ）は、物面
上に描かれた図形の情報を持ったビームが対物後方焦点
面で焦点を結んでいることを表している。図（Ｃ）は、
中間レンズを用いて、対物後方焦点面での焦点をフィル
タの入射窓面上に投影したビームを表している。図
（Ｅ）は、上記の如く中間レンズを操作することによっ
て、物面上に描かれた図形が入射瞳面上に投影される像
を示している。このとき、像の同心円の最大のものの半
径をｒiと表す。

【0012】図（Ｄ）は、入射窓面上でのビームの大きさ
と、入射瞳面上の像の大きさ（半径ｒi）と、両者間の
距離LLとの幾何学的な関係を示す図である。

【0013】図（Ｆ）は、入射瞳面上の像がそのままフィル
タを経て出射瞳面上に投影さる像を表している。なお、
上記の図（Ａ）〜（Ｆ）での像やビームは、判りやすく
するため、倍率や大きさを揃えて表示した。そして、こ
こまでにおいては、像やビームは歪みは生じていない
し、また、ボケに関してもほとんど観測されない。

【0014】図（Ｇ）は、出射瞳面を経たビームがスリット
面上に達したときのビームの形状を表している。ビーム
は三角形状に歪んでいることが判る。図（Ｈ）は、これ
を拡大表示し、瞳面上の同心円状の像に対応させて示し
た図である。これを見ると、図（Ｆ）の円形の像（正確
には、円の周縁部を表す像）は、外側になる程、図
（Ｈ）では図の左側にずれていることが判る。

【0015】この様に、スリット面上ではコマ状収差のため
視野の外側のビームは視野の中心付近のビームに対し
て、ビームの分散方向即ち図の左側方向にズレている。
このためスリット幅を大きく取らないと、広い視野の顕
微鏡像が取れないという問題が生ずる。しかしながら、
スリット幅を大きくとると同一視野において、中心付近
と周辺とでエネルギーの値が異なるという不都合を生ず
る。これは、中心面対称にしたことによる収差補償がス
リット面ではほとんど効果がないためである。そこで、
オメガ型エネルギーフィルタの形状の最適化のために
は、スリット面での収差を小さくするように選ぶことが
大切になってくる。

【0016】

【発明が解決しようとする課題】図７はオメガ型エネル
ギーフィルタの設計パラメータを説明するための図、図
８は偏向角Φによる依存性を説明するための図、図９は
偏向角Φとフィルタ形状との関係を説明するための図で
ある。

【0017】出射側瞳面（exit pupil plane）における収差
ΔＸ_P、ΔＹ_Pと、スリット面（slit plane）における収
差ΔＸ_S、ΔＹ_Sの大きさは、収差係数（Ａααα、…
…、Ｂαββ、……、Ｃαα、……）と、出射側瞳面上
からスリット面上の（収差を含まない）ビームの大きさ
を見込む角α、βと、スリット面上から出射側瞳面上の
像の大きさを見込む角γ、δに依存する。ただし、上記
の出射側瞳面上から見込むスリット面上のビームの大き
さは、収差を含まないとしたときのビームの大きさであ
って、収差を含んでいる実際のビームではない（図６
（Ｄ）参照）。なお、α、γはｘ軸方向の、β、δはｙ
軸方向の角度である。物面におけるビームの大きさは対
物絞りによって制限される。そして、更に入射窓面に達
するビームは、中間レンズの倍率によっても制限され
る。このため、そのビームの大きさは、中間レンズの倍
率が低倍の場合は高々５μｍ程度であり、中間レンズを
高倍率で使用した場合にはこれよりずっと小さな値とな
る。従って、入射瞳面からこのビームを見込む角は十分
小さい。そして、このビームがそのままフィルタを経て
出射瞳面に達する。しかしスリット面上では、このビー
ムはスリット面の収差によってかなり広がってしまう。
そこで入射窓面でのビームの径を５μｍ程度と見積も
り、これをスリット面上の収差を含まないビームの大き
さと見なし、LLを１００ｍｍとすれば、このスリットを
通り抜ける収差を含まないビームを出射瞳面から見込む
角α、βは、０．００５／１００＝５×１０^-5ｒａｄと
なる。これに対して、スリット面から瞳面上の像を見込
む角γ、δは、１０^-2ｒａｄ程度なので、両者の間に
は、２００倍の開きがある。

【0018】収差の大きさは、収差係数と角度の積である。
上記の如く、角α、βと角γ、δではその大きさに大き
な開きがあるため、収差の大きさは、角度の大きい特定
の角γ、δに関係する係数だけが支配的となる。その結
果、スリット面上では収差ΔＸ_Sのみが大きく現れるこ
とになり、ΔＸ_S＝（ｒi ²／LL² ）（Ａγγγ＋Ｂγδ
δ／２）と近似することができる。ここで、ｒi はフィ
ルタの瞳面上の像の高さ、LLは出射側瞳面からスリット
面までの距離、Ａγγγ、Ｂγδδはそれぞれ収差係数
である。

【0019】スリット面上において、収差によるビームの拡
がりが大きくても、分散Ｄが大きければ、エネルギーの
選択に支障はない。そこで、フィルタの性能を表す指標
として、メリットファンクション（merit function）Ｍ Ｍ＝Ｄｒi ²／ΔＸ_S 即ち、 Ｍ＝（ＤLL²）／（Ａγγγ＋Ｂγδδ／２） が採用できる。このＭが大きいほどスリット面上での収
差による影響が小さい。図７において、対称面寄りの磁
場領域Ｍ₃のビーム回転半径をＲ₃、その入射側端面角度
をθ₁、出射側端面角度をθ₂とし、スリット寄りの磁場
領域Ｍ₄ のビーム回転半径をＲ₄、その入射側端面角度
をθ₃、出射側端面角度をθ₄、それぞれの偏向角をΦと
する。また、対称面（中心面）から対称面寄りの磁場領
域Ｍ₃の入射側端面までの距離（ドリフト長）をＬ₃、磁
場領域Ｍ₃の出射側端面から磁場領域Ｍ₄の入射側端面ま
での距離をＬ₄、スリット寄りの磁場領域Ｍ₄の出射側端
面からスリット面Ｓまでの距離をＬ₅とし、出射側瞳面
からスリット面までの距離をLLする。

【0020】この場合、一般にフィルタの形状を規定するパ
ラメータには、距離Ｌ₃ 、Ｌ₄、Ｌ₅ 、磁場領域の回転
半径Ｒ₃ 、Ｒ₄ 、偏向角Φ及び距離LLの７つがある。磁
場領域は４つあるが、中心面対称の要請から、自由度は
２つの磁場領域に対してしかない。また、各磁場領域の
端面角度θ₁、θ₂、θ₃ 、θ₄ は、フォーカスを得るた
めに自動的に値が決まるので、選択の余地がない。これ
らのパラメータのうち、距離LLは外部条件によって設定
されるので、ここでの最適化には使用しない。

【0021】これらのうち、回転半径Ｒ₄ を一定の５０ｍｍ
として、偏向角Φに対するメリットファンクションＭの
値を種々の回転半径Ｒ₃ に対して求めると、図８（Ａ）
に示すようになった。すなわち、Φ＝１１０°でＭは最
大となり、またその時、回転半径Ｒ₃ が大きいほどよ
い。ただ、ここで示した範囲を外れると、フォーカスで
きなかったり、分散Ｄが小さすぎたりする。従来から、
偏向角Φの最適範囲は９５〜１１５°程度といわれてお
り、図８（Ａ）はそれを裏付ける結果となった。

【0022】図８（Ｂ）は、図８（Ａ）の場合の偏向角Φに
対するＬ₄ の変化を示したものであるが、偏向角Φが大
きくなるほどＬ₄ の値が小さくなっていることが分か
る。なお、図８の偏向角による依存性は、次のような拘
束条件の下に求めたものである。 （１）０≦θ₁、θ₂、θ₃、θ₄ ≦４５°（負の値は含
まない） （２）分散Ｄ≧√Ｕ^*／√Ｕ^*（２００）μｍ／ｅＶ （Ｕ^* は相対論補正を行った加速電圧；Ｕ^* （２００）
は２００ｋＶでの値、以下同じ） （３）２０√Ｕ^* ／√Ｕ^* （２００）ｍｍ≦２×Ｌ₃ 、
Ｌ₄ 、Ｌ₅≦２００√Ｕ^*／√Ｕ^*（２００）ｍｍ 条件（１）、（３）は実際的な要求で、形状のシミュレ
ーション上は、これらの条件を外しても、より大きなＭ
の値が求められる可能性がある。

【0023】図９（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、図８の中から
３つの場合を選んでそのフィルタ形状と中心ビーム軌道
を示したものである。図から明らかに偏向角Φが小さい
場合には図９（Ａ）に示すように入出射ビームと直角方
向へのフィルタの幅が長くなっていることが分かる。逆
に、偏向角Φが大きいほどこの幅は図９（Ｃ）に示すよ
うに短い。

【0024】電子顕微鏡の装置の高さは、その鏡筒の途中に
フィルタを入れることによってその分だけ更に高くな
る。この装置の高さがあまり高くなると、通常の研究室
に入らなくなったり、あるいは床振動の影響を受けやす
くなったりして好ましくない。この意味での高さ（ビー
ム進行方向のフィルタの長さ）が一番小さくなるのは偏
向角Φが１１０°の場合である。上記は高さについて述
べたが、横方向についてもフィルタが大きくなれば鏡筒
の重量的なバランス悪くなり、床振動の影響を受けやす
くなる。従って、高さだけではなく横方向の大きさも重
要となる。

【0025】以上エネルギフィルタの理論的乃至数値シミュ
レーション的検討を行ってきた。しかし、実は実際の装
置製作上の観点から深く考察してみると、上記（３）の
条件「２０√Ｕ^* ／√Ｕ^*（２００）ｍｍ≦２×Ｌ₃、Ｌ
₄、Ｌ₅≦２００√Ｕ^* ／√Ｕ^*（２００）ｍｍ」は、あ
まり適切でないことが分かった。即ち、下記の如き実際
の装置製作に係わる問題が内在するのである。

【0026】Ｌ₃、Ｌ₄、Ｌ₅は、フィルタのない空間の長さ
で、ドリフトと呼ばれるが、その中でビームは直進す
る。いま、フリンジでのビームの偏向作用などの見積も
りにわずかなずれがあった場合を考えてみよう。フィル
タの形状は、フィルタが作る磁界分布の計算値に基づい
て決められるので、この見積もりに狂いがあると、磁場
領域からのビームの出射角度が設定からずれる。このず
れは、フィルタに入射するビームの位置を若干ずらすこ
とによって補正することは可能である。従って、磁場領
域Ｍ₁の入射側と磁場領域Ｍ₄の出射側につながるドリフ
トについては、ビーム入射位置の調整によってその狂い
をカバーすることができる。しかしながら、磁場領域Ｍ
₁、Ｍ₂間、磁場領域Ｍ₂ 、Ｍ₃間、及び磁場領域Ｍ₃ 、
Ｍ₄間については、各磁場領域を独立に調整できない限
り、そのビーム出射位置の狂いをカバーする方法がな
い。勿論、各磁場領域の間に偏向コイルを入れたり、独
立に各磁場領域の機械的位置を調節できる機構を入れる
ことは原理的に可能であるが、このような調整機構を入
れることは、フィルタをいたずらに複雑にするばかり
で、最終の性能を向上させるために有効であることはむ
しろ少ない。

【0027】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するものであって、ドリフト長を短くして小型にす
ると共にフィルタの計算で求めた条件からのずれを少な
くし、メリットファンションを大きくするものである。

【0028】そのために本発明は、４つの磁場領域Ｍ₁、
Ｍ₂、Ｍ₃、Ｍ₄により入射窓面から出射窓（スリット
面）までの電子ビームの軌道を順次Ω字状に偏向するオ
メガ型エネルギーフィルタにおいて、第３の磁場領域Ｍ
₃の出射側端面から第４の磁場領域Ｍ₄の入射側端面まで
の距離Ｌ₄を５０√Ｕ^*／√Ｕ^* （２００）ｍｍ以下と
し、偏向角Φを１２０°±５°の範囲としたことを特徴
とするものである。

【0029】更に、第２の磁場領域Ｍ₂と第３の磁場領域Ｍ₃
との間の対称面（中心面）から第３の磁場領域Ｍ₃の入
射側端面までの距離Ｌ₃は、２０√Ｕ^* ／√Ｕ^*（２０
０）ｍｍ≧Ｌ₃ ≧１０√Ｕ^* ／√Ｕ^*（２００）ｍｍの
範囲としたことを特徴とするものである。

【0030】更にまた、第４の磁場領域Ｍ₄の出射側端面か
ら出射窓（スリット面）までの距離Ｌ₅は、３０√Ｕ^*
／√Ｕ^*（２００）ｍｍ≦Ｌ₅≦５０√Ｕ^* ／√Ｕ^*（２
００）ｍｍの範囲としたことを特徴とするものである。

【0031】或いは、４つの磁場領域Ｍ₁、Ｍ₂、Ｍ₃、Ｍ₄に
より入射窓から出射窓（スリット面）までの電子ビーム
の軌道を順次Ω字状に偏向するオメガ型エネルギーフィ
ルタにおいて、第３の磁場領域Ｍ₃の出射側端面から第
４の磁場領域Ｍ₄ の入射側端面までの距離Ｌ₄を、第４
の磁場領域Ｍ₄ のビームの曲率半径Ｒ₄以下とし、偏向
角Φを１２０°±５°の範囲としたことを特徴とするも
のである。

【0032】更に、第２の磁場領域Ｍ₂ と第３の磁場領域Ｍ
₃ との間の対称面（中心面）から第３の磁場領域Ｍ₃の
入射側端面までの距離Ｌ₃ は、２Ｒ₄／５≧Ｌ₃ ≧Ｒ₄
／５の範囲としたことを特徴とするものである。

【0033】更にまた、第４の磁場領域Ｍ₄ の出射側端面か
ら出射窓（スリット面）までの距離Ｌ₅ は、３Ｒ₄／５
≦Ｌ₅≦Ｒ₄の範囲としたことを特徴とするものである。

【0034】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。

【0035】図１０は本発明に係るオメガ型エネルギーフィ
ルタの実施の形態を説明するための図、図１１は第４の
磁場領域の出射側端面からスリット面までの距離Ｌ₅と
メリットファンクションＭと分散Ｄとの関係を示す図で
ある。

【0036】オメガ型エネルギーフィルタは、先に述べたよ
うに構成される。すなわち、オメガ型エネルギーフィル
タは、４つの磁場領域Ｍ₁、Ｍ₂、Ｍ₃、Ｍ₄により入射窓
面Ｉからスリット面Ｓまでの電子ビームの軌道を順次Ω
字状に偏向するものであり、第２の磁場領域Ｍ₂ と第３
の磁場領域Ｍ₃ との間に対称面（中心面）を有する。そ
して、図７に示すように対称面寄りの磁場領域Ｍ₃ のビ
ーム回転半径をＲ₃ 、その入射側端面角度をθ1、出射
側端面角度をθ₂ とし、スリット寄りの磁場領域Ｍ₄ の
ビーム回転半径をＲ₄ 、その入射側端面角度をθ₃ 、出
射側端面角度をθ₄ 、それぞれの偏向角をΦとする。ま
た、対称面（中心面）から対称面寄りの磁場領域Ｍ₃ の
入射側端面までの距離（ドリフト長）をＬ₃ 、磁場領域
Ｍ₃ の出射側端面から磁場領域Ｍ₄の入射側端面までの
距離をＬ₄ 、スリット寄りの磁場領域Ｍ₄ の出射側端面
からスリット面Ｓまでの距離をＬ₅ とし、出射側瞳面か
らスリット面までの距離をLLする。

【0037】まず、計算と実際の僅かな狂い、或いは装置の
組み立て上における精度の狂いが生じても、その影響を
できるだけ受け難くするにはどのような装置設計が望ま
しいかを考えてみることにする。例えば磁場領域Ｍ₁か
ら出たビームが設計値に対して１°だけ多く偏向されて
出てきたとしよう。すると、磁場領域Ｍ₂に入る時点
で、この狂いは、Ｌ4 ×tan １°だけの入射位置のずれ
となる。すると、磁場領域Ｍ₂では、磁路長が長くなる
ため、ますます多く偏向を受けることになり、中心ビー
ムは、磁場領域Ｍ₂ 、Ｍ₃間で入射ビームに対して平行
に進むことができない、この平行性が崩れると、中心面
対称が維持できなくなり、歪み収差発生のもとともるば
かりでなく、その他の条件も設計時から大きくずれるこ
とになるため好ましくない。この影響をできる限り減ら
すためには、距離Ｌ₄を短くすることである。

【0038】そこで、上記従来の技術で説明したこれまでの
条件 （１）０≦θ₁ 、θ₂、θ₃、θ₄≦４５°（負の値は含
まない） （２）分散Ｄ≧√Ｕ^* ／√Ｕ^*（２００）μｍ／ｅＶ （３）２０√Ｕ^* ／√Ｕ^*（２００）ｍｍ≦２×Ｌ₃、Ｌ
₄、Ｌ₅≦２００√Ｕ* ／√Ｕ^*（２００）ｍｍ に対して、上記理由により、 （４）Ｌ₄≦５０√Ｕ^* ／√Ｕ^*（２００）ｍｍ の条件を加えた。これによって、入出射ビームと直角方
向へのフィルタの幅を短く、即ちフィルタの横方向の大
きさは小さくなる。なお、Ｌ₄ ／Ｒ₄ ≦１である。

【0039】このような条件により最適化した場合のＭと偏
向角Φの関係を示したものが図１０である。図１０に示
す関係から明らかなようにこれまで予想されていた条件
とは異なり、偏向角Φは１２０°で最高のメリットファ
ンクションＭを示した。しかし、１２６°以上では、上
記（１）〜（４）の条件を満足する解は得られなかっ
た。なお、この最適化の過程において、他の寸法の最適
条件は次の通りであった。

【0040】距離Ｌ₃ はできる限り短い方がよい。これは、
次のように考える。従来実用化されているフィルタで
は、この距離Ｌ₃ の位置に６極補正子などを挿入してい
ることが多く、距離Ｌ₃ は大きく取られていた。そこで
この６極補正子などを挿入しなくともよければ、即ち設
計・製造の誤差が無視できる程度になれば挿入不要とな
る。ただ、Ｍ₂、Ｍ₃の磁極端面の４極子場成分を用い、
磁界と平行な方向のフォーカスを得ているので、そのフ
リンジ磁界を確保するため、２Ｌ₃ ≧２０√Ｕ^* ／√Ｕ
^*（２００）ｍｍの条件は残した。その結果、補正子な
どを入れるゆとりのない２０√Ｕ^* ／√Ｕ^* （２００）
ｍｍ≧Ｌ₃≧１０√Ｕ^* ／√Ｕ^* （２００）ｍｍの範囲
が最適条件となった。

【0041】また、距離Ｌ₅はできるだけ大きくした方が図
１１（Ｂ）に示すように分散Ｄが大きくなる。しかし、
逆に距離Ｌ5 が小さいほど、図１１（Ａ）に示すように
メリットファンクションＭは大きくなる傾向がある。そ
こで、条件（２）を満たす範囲で、できるだけ短い距離
Ｌ₅ を設定すると、分散Ｄ≧√Ｕ^* ／√Ｕ^* （２００）
μｍ／ｅＶ以上となる距離Ｌ₅ の最低値は、３０√Ｕ^*
／√Ｕ^*（２００）ｍｍであり、Ｍ≧１５以上となる距
離Ｌ₅ は、Ｌ₅ ≦５０√Ｕ^* ／√Ｕ^* （２００）ｍｍで
ある。したがって、３０√Ｕ^* ／√Ｕ^* （２００）ｍｍ
≦Ｌ₅ ≦５０√Ｕ^* ／√Ｕ^* （２００）ｍｍの範囲であ
ればよい。

【0042】更にまた、Ｌ₄等の寸法をＲ₄を基準にして規定
することも考えられる。上記シミュレーションは、装置
のコンパクト化を目標に、Ｒ₄ を一定の５０ｍｍとして
行ったものであるが、仮にＲ₄ を２倍の１００ｍｍにす
れば、装置全体の大きさが２倍になり、メリットファン
クションＭもまた２倍の値になる。何故なら、分散Ｄ、
瞳面上の像の高さｒiは２倍、収差ΔＸ_Sは２の２乗倍と
なるから、メリットファンクションＭの式 Ｍ＝Ｄｒi ²／ΔＸ_S から、Ｍも２倍となる。この様に考えると、メリットフ
ァンクションＭの値はＲ4に比例して変化するが、Ｒ₄と
他のＲ₃やＬ₄等の寸法との相対的な関係や、これらの寸
法を決める評価の結論は変わらないはずである。例え
ば、図１０において縦軸の値が２倍になるだけで、横軸
及びグラフの形は変わらない。従って、Ｌ₄等の寸法を
Ｒ₄を基準にして規定することができる。

【0043】逆に言えば、Ｒ₄ を５０ｍｍとすれば、実用
上、装置のコンパクトさと性能を満たしており、Ｒ₄ を
５０ｍｍ以下とすれば、装置はよりコンパクトにはなる
が、性能に不満を来すかも知れないし、Ｒ₄ を５０ｍｍ
以上とすれば、性能はより満足できるようになるが、装
置の大きさに不満を来すかも知れないと言うこともでき
る。

【0044】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、第３の磁場領域Ｍ₃ の出射側端面から第４の
磁場領域Ｍ₄ の入射側端面までの距離Ｌ₄ を５０√Ｕ^*
／√Ｕ^*（２００）ｍｍ以下あるいはＲ₄以下とし、偏向
角Φを１２０°±５°の範囲としたので、入出射ビーム
と直角方向へのフィルタの幅を短くすることができ、ド
リフト長を短くして小型にすることができる。しかも、
フィルタの計算で求めた条件からのずれを少なくし、メ
リットファンクションを大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図1】 電子光学系にオメガ型エネルギーフィルタを
組み込んだ電子顕微鏡の構成例を示す図である。

【図2】 Ａタイプのオメガ型エネルギーフィルタの構
成を説明するための図である。

【図3】 Ｂタイプのオメガ型エネルギーフィルタの構
成を説明するための図である。

【図4】 Ａタイプのオメガ型エネルギーフィルタの基
本軌道を説明するための図である。

【図5】 Ｂタイプのオメガ型エネルギーフィルタの基
本軌道を説明するための図である。

【図6】 物面上の図形、瞳面上の像とスリット面上で
のビーム形状の関係

【図7】 オメガ型エネルギーフィルタの設計パラメー
タを説明するための図である。

【図8】 偏向角による依存性を説明するための図であ
る。

【図9】 偏向角とフィルタ形状との関係を説明するた
めの図である。

【図10】 本発明に係るオメガ型エネルギーフィルタの
実施の形態を説明するための図である。

【図11】 第４の磁場領域の出射側端面からスリット面
までの距離Ｌ5とメリットファンクションＭと分散Ｄと
の関係を示す図である。

【符号の説明】

Ｍ₁…第１の磁場領域、Ｍ₂…第２の磁場領域、Ｍ₃…第
３の磁場領域、Ｍ₄…第４の磁場領域、Ｉ…入射窓面、
Ｓ…スリット面

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項1】 ４つの磁場領域Ｍ₁、Ｍ₂ 、Ｍ₃ 、Ｍ₄ に
   より入射窓から出射窓（スリット面）までの電子ビーム
   の軌道を順次Ω字状に偏向するオメガ型エネルギーフィ
   ルタにおいて、第３の磁場領域Ｍ₃ の出射側端面から第
   ４の磁場領域Ｍ₄ の入射側端面までの距離Ｌ₄ を５０√
   Ｕ^* ／√Ｕ^* （２００）ｍｍ（ここでＵ^* は相対論補正
   を行った加速電圧；Ｕ^* （２００）は２００ｋＶでの
   値）以下とし、偏向角Φを１２０°±５°の範囲とした
   ことを特徴とするオメガ型エネルギーフィルタ。
2. 【請求項2】 第２の磁場領域Ｍ₂ と第３の磁場領域Ｍ₃
   との間の対称面（中心面）から第３の磁場領域Ｍ₃ の入
   射側端面までの距離Ｌ₃は、２０√Ｕ^* ／√Ｕ^* （２０
   ０）ｍｍ≧Ｌ₃ ≧１０√Ｕ^* ／√Ｕ^* （２００）ｍｍの
   範囲としたことを特徴とする請求項１記載のオメガ型エ
   ネルギーフィルタ。
3. 【請求項3】 第４の磁場領域Ｍ₄ の出射側端面から出
   射窓（スリット面）までの距離Ｌ₅は、３０√Ｕ^* ／√
   Ｕ^* （２００）ｍｍ≦Ｌ₅ ≦５０√Ｕ^* ／√Ｕ^* （２０
   ０）ｍｍの範囲としたことを特徴とする請求項１記載の
   オメガ型エネルギーフィルタ。
4. 【請求項4】 ４つの磁場領域Ｍ₁、Ｍ₂、Ｍ₃、Ｍ₄によ
   り入射窓から出射窓（スリット面）までの電子ビームの
   軌道を順次Ω字状に偏向するオメガ型エネルギーフィル
   タにおいて、第３の磁場領域Ｍ₃の出射側端面から第４
   の磁場領域Ｍ₄の入射側端面までの距離Ｌ₄ を、第４の
   磁場領域Ｍ₄ のビームの曲率半径Ｒ₄以下とし、偏向角
   Φを１２０°±５°の範囲としたことを特徴とするオメ
   ガ型エネルギーフィルタ。
5. 【請求項5】 第２の磁場領域Ｍ₂ と第３の磁場領域Ｍ₃
   との間の対称面（中心面）から第３の磁場領域Ｍ₃ の
   入射側端面までの距離Ｌ₃ は、２Ｒ₄／５≧Ｌ₃≧Ｒ₄ ／
   ５の範囲としたことを特徴とする請求項４記載のオメガ
   型エネルギーフィルタ。
6. 【請求項6】 第４の磁場領域Ｍ₄ の出射側端面から出
   射窓（スリット面）までの距離Ｌ₅ は、３Ｒ₄／５≦Ｌ₅
   ≦Ｒ₄の範囲としたことを特徴とする請求項４記載のオ
   メガ型エネルギーフィルタ。