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発明の名称 電界放出型透過電子顕微鏡
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−215714
公開日 平成6年(1994)8月5日
出願番号 特願平4−145128
出願日 平成4年(1992)6月5日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】薄田 利幸
発明者 村越 久弥 / 市橋 幹雄
要約 目的
高輝度な電顕像観察と微小部分析を両立できる電界放出型透過電子顕微鏡を実現する。

構成
試料7から一番遠い位置に低収差コンデンサーレンズ4をおき、試料7とコンデンサーレンズ4の中点位置に短焦点コンデンサーレンズ5をおき、電顕像観察ではコンデンサーレンズ4とコンデンサーレンズ5を連動させてコンデンサーレンズの倍率を拡大系として動作させる。また、スポットを試料7上で小さく絞るには、コンデンサーレンズ5と試料7の間の試料に近い位置の低収差レンズコンデンサーレンズ6を駆動させて、コンデンサーレンズの倍率を縮小系で動作させる。
特許請求の範囲
【請求項1】 電界放出陰極から電子を電界放出させ所望の加速電圧まで加速する静電レンズと、コンデンサーレンズにより試料上に収束電子ビームを照射する手段とを備えた電界放出型透過電子顕微鏡において、上記コンデンサーレンズが、倍率の拡大と縮小を行う複合レンズ構成で構成されたことを特徴とする電界放出型透過電子顕微鏡。
【請求項2】 電界放出陰極から電子を電界放出させ所望の加速電圧まで加速する静電レンズと、コンデンサーレンズにより試料上に収束電子ビームを照射する手段とを備えた電界放出型透過電子顕微鏡において、上記コンデンサーレンズが上記試料から位置番遠い方から順に配置された第1、第2及び第3のコンデンサーレンズとをもち、上記試料と第1のコンデンサーレンズとの間の距離をL1とし、上記第2のコンデンサーレンズが試料から0.5L1(1±0.1)の位置に配置されることを特徴とする電界放出型透過電子顕微鏡。
【請求項3】 請求項2記載の電界放出型透過電子顕微鏡のコンデンサーレンズの倍率を拡大で用いるとき、上記第1及び第2のコンデンサーレンズを駆動することを特徴とする電界放出型透過電子顕微鏡の操作方法。
【請求項4】 請求項2記載の電界放出型透過電子顕微鏡のコンデンサーレンズの倍率を縮小で用いるとき、少なくとも上記第3のコンデンサーレンズを駆動することを特徴とする電界放出型透過電子顕微鏡の操作方法。
【請求項5】 電界放出陰極から電子を電界放出させ所望の加速電圧まで加速する静電レンズと、三つ以上の磁界型コンデンサーレンズにより試料上に収束電子ビームを照射する手段とを備えた電界放出型透過電子顕微鏡において、上記三つ以上の磁界型コンデンサーレンズの中で試料から遠い順に配置された少なくとも第1、第2及び第3の磁界型コンデンサーレンズのそれぞれの上磁極と下磁極の間隔をそれぞれ、S1、S2及びS3とし、上記第1、第2及び第3の磁界型コンデンサーレンズのそれぞれの上磁極と下磁極の孔径の平均値をそれぞれD1、D2、D3とし、S2+D2<S1+D1及びS2+D2<S3+D3が成り立つように上磁極と下磁極の間隔と上磁極と下磁極の孔径が設定されたことを特徴とする電界放出型透過電子顕微鏡。
【請求項6】 請求項5記載の電界放出型透過電子顕微鏡の磁界型コンデンサーレンズの倍率を拡大で用いるとき、上記第1及び第2の磁界型コンデンサーレンズを駆動することを特徴とする電界放出型透過電子顕微鏡の操作方法。
【請求項7】 請求項5記載の電界放出型透過電子顕微鏡の磁界型コンデンサーレンズの倍率を縮小で用いるとき、少なくとも第3の磁界型コンデンサーレンズを駆動することを特徴とする電界放出型透過電子顕微鏡の操作方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電界放出型透過電子顕微鏡、更に詳しく言えば、電界放出陰極から電子を電界放出させ所望の加速電圧まで加速する静電レンズに加え、コンデンサーレンズにより試料上に収束電子ビームを照射する電界放出型透過電子顕微鏡、特に、試料への照射条件を制御するコンデンサーレンズ部の構成及び操作に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の透過形電子顕微鏡は、電子ビームを発生する電子源として、例えばタングステンやLaB6を加熱して熱電子放出させる熱電子源や曲率半径の小さい針状陰極に強電界を印加して陰極から電子を電界放出させる電界放出電子源を用いてる。熱電子源を用いるものでは、熱電子源の光源径は2〜10μmもあり、高倍率観察で試料上の電子ビーム照射領域を1μm以下ににするためには、照射系の倍率は縮小となっている。この例に関しては、例えば特許公開公報 特開昭55−126951号に開示されている。また、電界放出電子源を用いるものは、照射系は静電レンズと一段のコンデンサーレンズより構成されている。この例に関しては、例えば特許公開公報 特開昭60−117534号にに開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】近年、高分解能像観察と微小部分析の機能を兼ね備えた透過電子顕微鏡が要求されている。これを実現するため、熱電子源を用いる透過電子顕微鏡の従来例では、高倍率観察及び微小部分析の両方において照射系の倍率は縮小になる。これは熱電子源の大きさが2〜10μmもあるため、高倍率観察時には像の明るさの低減を防ぐために、微小部分析には光源を大きく縮小するために必要となるのである。しかし、光源の輝度不足のため、分析に必要な照射電流を得るためには、試料上で電子ビームの径を10nm以下にすることはほとんど不可能である。
【0004】一方、熱電子源より高輝度で光源径の小さい電界放出電子源を搭載した電界放出型透過電子顕微鏡は、より高分解能で極微小部の分析ができる可能性がある。この電界放出型透過電子顕微鏡でこの高分解能像観察と微小部分析の二つの機能を実現する場合は、分析は照射系倍率を縮小、観察は倍率を拡大で用いる必要がある。すなわち、電界放出電子源は光源径が約10nmと小さいが、試料上で電子ビームを例えば1nm以下に小さく絞って試料の極微小部の微小部分析をするためには、照射系を1/10以下の縮小で用いる必要がある。
【0005】他方、高分解能の電子顕微鏡像を得るためには試料照射角を小さくする必要がある。図2に示すように、静電レンズ2によって電界放出電子源1から引き出し電圧V1で放出された電子線が加速電圧V0まで加速されて、コンデンサーレンズ8により試料7に結像するとし、絞り9で制限される陰極出射角をα、試料照射角をβとおく。照射系の倍率Mは、ヘルムホルツの関係式より、【数1】
となる。電界放出陰極1の放出角電流密度(単位立体角当たりの放出電流)をωとすると、絞り9で制限されるビーム電流IはI=πα2ωとなる。
【0006】ここで、電界放出陰極1として[310]方位のタングステンWを用いる場合は、最大でω〜50μA/srである。また、螢光板上で明るい拡大像を得るためにはI=4nA 程度のビーム電流が必要となり、その条件でのαを計算すると、α=5mradとなる。引き出し電圧V1は通常4kVから6kVの条件で使用する。引き出し電圧V1=6kV、加速電圧V0=200kV、α=5mradとして、倍率Mを計算すると、M=0.86/β(ただし、βの単位はmrad)
となる。したがって、高分解能観察に必要な0.5mrad以下の照射角βを得るためには倍率Mをできるだけ拡大にして用いる必要がある。
【0007】しかし、従来例ではコンデンサーレンズ8が一段構成であるため、コンデンサーレンズ8を用いて縮小から拡大まで倍率を大きく変化することはできない。このため、微小部分析において1nm以下の電子ビームを得るようなレンズ配置にした場合には、高倍率観察において拡大倍率が不足となるため、0.5mrad以下の照射角は得られず高分解能観察ができなくなる。また逆に、拡大倍率が大きくとれるレンズ配置にした場合には、1nm以下の微小部分析が不可能になってしまう。従って、この従来例では高分解能観察と極微小部分析を同一のコンデンサーレンズで両立することはできない。このように、従来の電界放出型透過電子顕微鏡は、照射系の拡大と縮小を同一のレンズ構成で実現するコンデンサの構成は全く存在しなかった。従って、本発明の目的は高輝度な電顕像観察と微小部分析を両立できる電界放出型透過電子顕微鏡を実現することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明よる電界放出型透過電子顕微鏡では、コンデンサーレンズを試料から一番遠い位置に配置された低収差の第1のコンデンサーレンズと、試料と第1のコンデンサーレンズとのほぼ中点位置に配置された短焦点の第2のコンデンサーレンズと、第2のコンデンサーレンズと試料との間に配置された低収差の第3のコンデンサーレンズの少なくとも3段の複合コンデンサで構成し、上記3つコンデンサーレンズを選択して駆動する駆動手段を設けた。そして、試料の電顕像観察では第1及び第2ののコンデンサーレンズを同時に連動させて駆動して複合コンデンサーレンズの倍率を拡大系で動作させる。また試料上でスポットを細く絞ってX線分析などを行う場合には、第3のコンデンサーレンズを駆動し、コンデンサーレンズの倍率を縮小系で動作させる。
【0009】
【作用】以下、本発明の原理を説明する。コンデンサーレンズとして通常用いる磁界形の薄肉レンズは、レンズ上磁極と下磁極との孔径の平均値をD、上磁極と下磁極の間隔をSとおくと、焦点距離f、球面収差係数Csは、それぞれ次式で近似される。
f/(S+D)=25/Ex2 (1)
【数2】
Cs=5.0f3/(S+D)2 (2)
ここで、Φ0は電子線の加速電圧(単位はボルト)、NIはレンズコイルのアンペア巻数である。(1)式より、同じレンズ励磁では(S+D)値が小さいレンズにすれば、短焦点が得られ、また、(2)式より、同じ焦点距離では(S+D)の大きいレンズを用いれば球面収差を小さくできることがわかる。
【0010】コンデンサーレンズを拡大で用いるためには、レンズ一段より少なくとも二段以上の構成としたほうが倍率を大きくできる。図3に示すように、試料から一番遠い第1のコンデンサーレンズ4、二番目に遠い第2コンデンサーレンズ5で試料7上に結像させる条件での照射系の倍率Mcは、レンズ4の物面−レンズ間距離、像面−レンズ間距離、焦点距離をそれぞれa1、b1、f1、レンズ5の物面−レンズ間距離、像面−レンズ間距離、焦点距離をそれぞれa2、b2、f2、C1−試料間距離をL1とすると、Mc=(b1/a1)*(b2/a2)=(1/a1){(−1/f2)b22+(l/f2)b2−L1} (3)で表わされる。
【0011】(3)式をb2について偏微分すると、∂Mc/∂b2=(1/a1f2)(L1−2b2)
となる。したがって、Mcはb2=2/L1の場合に最大値(L1/a1f2)*(L1/4−f2)をとる。すなわち、レンズ5の焦点距離が同じ条件では、レンズ5をレンズ4と試料の中点位置に置けば倍率が最大になる。また、レンズ4は試料から遠ざけ、レンズ5を短焦点で用いる方が倍率を大きくとることができる。ここでレンズ励磁Exは、レンズの磁路の磁気飽和で定まる上限値があるので、できるだけ小さな焦点距離を得るためには同じレンズ励磁で短焦点となる(S+D)の小さいレンズを用いた方が有利である。また、レンズ4は、レンズ収差によるぼけがレンズ5により大きく拡大されるので、できるだけ低収差のレンズを用いた方が良い。
【0012】次に試料7面上でスポットを絞る場合について述べる。最終段レンズで大きく縮小をとると、最終段レンズ以前の収差によるぼけは大きく縮小されるので、試料面上の収差によるぼけは主に最終段レンズからの寄与のみとなる。ここで、照射系を第1及び第2のコンデンサレンズ4、5のみの構成とすると、最終段は第2のレンズ5になる。しかし、第2のコンデンサレンズ5は短焦点を得るための寸法の小さいレンズであれば、(2)式より球面収差は寸法の小さいレンズほど大きくなってしまい、試料面上で小さなスポットが得られなくなる。
【0013】従って、小さなスポットを得るためには、短焦点の第2のコンデンサレンズとは異なる低収差のレンズを別に配置するのが必須となる。また、コンデンサーレンズをできるだけ試料に近づければ、コンデンサーレンズの倍率がより小さくなり、また焦点距離fも小さくなるのでレンズ収差も小さくなる。そこで第2のコンデンサレンズ5と試料7の間のできるだけ試料7に近い位置に第3のコンデンサーレンズを置き、第3のコンデンサーレンズを低収差の(S+D)の大きなレンズにすれば、試料7面上で大きく縮小された、収差によるぼけの小さい極微小スポットを得ることができる。
【0014】
【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて説明する。図1は本発明による電界放出型透過電子顕微鏡の1実施例の要部構成を示す図である。電界放出電子源1から放出された電子線は、静電レンズ2により所望の加速電圧V0まで加速された後、コンデンサーレンズで試料7へ照射される。コンデンサーレンズは、試料7から遠い位置から順に第1のコンデンサーレンズ4第2のコンデンサーレンズ5及び第3のコンデンサーレンズ6で構成される。
【0015】コンデンサーレンズ4と試料7間の距離L1はできるだけ大きい方が倍率を拡大にできるが、装置の全高を考慮に入れてここでは300mmとする。コンデンサーレンズ5は距離L1の中点位置、コンデンサーレンズ5−試料間距離L2=150mmの位置に置く。コンデンサーレンズ6は、試料7にできるだけ近い位置、ここではコンデンサーレンズ6−試料間距離L3=50mmに置く。コンデンサーレンズ4、5及び6の上磁極、下磁極間距離をそれぞれS1、S2及びS3、上磁極と下磁極との孔径の平均値をそれぞれD1、D2及びD3とする。コンデンサーレンズ5の寸法はできるだけ短焦点にするために、S2+D2を小さくとり、ここではS2+D2=10mmとする。コンデンサーレンズ4とコンデンサーレンズ5は収差を小さくする為に、寸法を大きくとる。ここではS1+D1=S3+D3=50mmとする。
【0016】電界放出電子源1から放出された電子線は、静電レンズ2によりレンズ作用を受ける。しかし、静電レンズ2はレンズ収差が大きいので、通常はレンズ作用が弱くなるように使用し、電子源1位置の後方100mmから2000mmに虚像で結像する条件で使用する。さらに、コンデンサーレンズ4と静電レンズ2との間の距離は静電レンズ2で所望の加速電圧まで加速する空間をとる必要があり、通常は500mm以上必要である。ここでは、静電レンズ2の結像位置とコンデンサーレンズ4との間の距離a1=1000mmとおいて、以下の計算を行う。
【0017】複合レンズを拡大系で用いるときは、コンデンサーレンズ4及び5を同時に駆動する。ここで、コンデンサーレンズ5のレンズ励磁Exを最大10までとれるとすると、コンデンサーレンズ5の最小の焦点距離fは(1)式より、f=2.5mmとなり、コンデンサーレンズ4及び5で拡大にしたときの倍率Mcは(3)式より、Mc=8850a1=8.85となる。ここで、コンデンサーレンズ5の位置をコンデンサーレンズ4−試料間の中点位置から10パーセントほどずらした場合、すなわちL2=0.4L1=120mm、L2=0.6L1=180mmの場合のコンデンサーレンズの倍率を計算すると、それぞれMc=8.46、8.52となり、約5パーセント倍率が小さくなるが、レンズの実装上コンデンサーレンズ5を中点位置におけない場合にはL2=0.5(1±0.1)L1の範囲に配置してもよい。
【0018】また、コンデンサーレンズ5の位置をさらにずらしたい場合には、コンデンサーレンズ5の寸法をさらに小さくすることで対応することができる。コンデンサーレンズ5の寸法S2+D2を、S2+D2=8mmとすると、コンデンサーレンズ5の最小の焦点距離fは(1)式より、f=2mmとなり、L1=300mm、L2=220mmの場合でも、コンデンサーレンズの倍率Mcは、Mc=8580a1=8.58となり、コンデンサーレンズ5レンズを試料7とコンデンサーレンズ4のほぼ中点位置におけない場合の倍率の劣化をコンデンサーレンズ5の寸法をさらに小さくすることで対応することができる。試料7上でできるだけスポットを絞るためにはコンデンサーレンズ6を駆動させる。コンデンサーレンズ6単独で駆動させた場合の倍率Mcは、Mc=b2/(a1+250)=0.04 となり、光源1を試料面7上で小さく縮小することができる。
【0019】試料7上の収差によるぼけdはコンデンサーレンズ6の縮小を大きくとれば、高加速電圧では、ほぼコンデンサーレンズ6の球面収差と回折収差で定まる。試料7上の照射角をβ、コンデンサーレンズ6の球面収差係数をCs、電子線の波長をλとすれば、球面収差、回折収差によるぼけds,dλは、それぞれ、ds=0.5Csβ3dλ=0.61λ/βとなる。dはdsとdλの二乗和平方根より定まり、その最小値dminは次式となる。
【数3】

ここで、(2)式に上記の値を代入すれば、Cs=250mmとなる。波長λとして、例えば、加速電圧200kVにおける値λ=0.0025nmを用いて(4)式に代入すると、dmin=1.08nmとなり、コンデンサーレンズ6に低収差レンズを用いれば、収差によるぼけも非常に小さくすることができる。
【0020】以上の構成を図4のレイダイヤグラムで示す。図4(a)、(b)、(c)、(d)において駆動されるレンズは太線で、駆動されない不稼働のレンズは細線で示す。コンデンサーレンズは三段レンズ構成とし、倍率の拡大は(a)に示すようにコンデンサーレンズ4とコンデンサーレンズ5を連動させて動作させる。縮小は(b)に示すようにコンデンサーレンズ6単独で駆動させる。ここで縮小については、(c)及び(d)にそれぞれ示すように、コンデンサーレンズ6に加え、コンデンサーレンズ4あるいはコンデンサーレンズ4、コンデンサーレンズ5を一緒に駆動させても良い。また、照射系の最終段に対物前方前磁場レンズを用いる場合でも、コンデンサーレンズは上記の構成のままで上述の機能を達成することが出来る。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように、本発明でコンデンサーレンズを三段構成とし、試料から一番遠い位置に低収差レンズコンデンサーレンズ4を置き、試料7とコンデンサーレンズ4のほぼ中点位置に短焦点コンデンサーレンズ5を置き、電顕像観察では、コンデンサーレンズ4とコンデンサーレンズ5を連動させてコンデンサーレンズの倍率を拡大系として動作させる。また、スポットを試料上で小さく絞るには、コンデンサーレンズ5と試料の間のできるだけ試料に近い位置の低収差レンズコンデンサーレンズ6を駆動させて、コンデンサーレンズの倍率を縮小系で動作させる。以上の構成により、高輝度な電顕像観察と元素分析を両立できる電界放出型透過電子顕微鏡のコンデンサーレンズを実現することができる。




 

 


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