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特許7379712エネルギーフィルタ、およびそれを備えたエネルギーアナライザおよび荷電粒子ビーム装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-06
(45)【発行日】2023-11-14
(54)【発明の名称】エネルギーフィルタ、およびそれを備えたエネルギーアナライザおよび荷電粒子ビーム装置
(51)【国際特許分類】
H01J 37/05 20060101AFI20231107BHJP
H01J 37/244 20060101ALI20231107BHJP
H01J 37/12 20060101ALI20231107BHJP
H01J 37/28 20060101ALN20231107BHJP
【ＦＩ】
H01J37/05
H01J37/244
H01J37/12
H01J37/28 B
【請求項の数】
19
(21)【出願番号】P 2022538493
(86)(22)【出願日】2020-07-20
(86)【国際出願番号】 JP2020027993
(87)【国際公開番号】W WO2022018782
(87)【国際公開日】2022-01-27
【審査請求日】2022-12-21
(73)【特許権者】
【識別番号】501387839
【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク
(74)【代理人】
【識別番号】110002572
【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】本田 和広
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 博之
(72)【発明者】
【氏名】土肥 隆
(72)【発明者】
【氏名】松永 宗一郎
【審査官】大門 清
(56)【参考文献】
【文献】特開２００３－３３１７６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－２０４３７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－８７３３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１２－１０４４８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００２－５００４１４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１８７４３６（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｊ ３７／０５
Ｈ０１Ｊ ３７／２４４
Ｈ０１Ｊ ３７／１２
Ｈ０１Ｊ ３７／２８
Ｈ０１Ｊ ４９／４４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームのエネルギー分散ΔＥを抑えるエネルギーフィルタであって、開口部を有する単孔電極対と、当該開口部の半径よりも大きい半径を有する空洞部であって、前記開口部の中心を光軸として回転対称に設けられた空洞部と、を有する減速電極と、
前記減速電極の前段に設けられた第１電極と、
前記減速電極の後段に設けられた第２電極と、
を備えるエネルギーフィルタ。
【請求項2】
請求項１において、前記減速電極の光軸方向の幅をＤ、前記開口部の半径をＲとすると、前記減速電極はＤ／Ｒ≧５の関係を有する、エネルギーフィルタ。
【請求項3】
請求項１において、前記第１電極と前記第２電極にそれぞれ所定の電位が印加されることによって発生する電界が前記空洞部の内部に侵界し、前記荷電粒子ビームのエネルギーと抗する電位の鞍点が形成される、エネルギーフィルタ。
【請求項4】
請求項３において、前記エネルギーフィルタは、前記鞍点と交わる前記光軸の近傍で、前記荷電粒子ビームのエネルギー選別を行うハイパスフィルタとして作用する、エネルギーフィルタ。
【請求項5】
請求項１において、さらに、前記荷電粒子源と前記第１電極との間に配置され、前記減速電極の入り口近傍に前記荷電粒子ビームの集束点を形成する集束レンズ系を備える、エネルギーフィルタ。
【請求項6】
請求項５において、前記集束点を通過した前記荷電粒子ビームは、前記光軸と平行に前記減速電極の前記空洞部に入射する、エネルギーフィルタ。
【請求項7】
請求項５において、前記集束レンズ系は、前記荷電粒子源を物点とし、前記集束点を像点とした拡大系であるエネルギーフィルタ。
【請求項8】
請求項５において、前記集束レンズ系は、少なくとも二段の集束レンズを含み、当該二段の集束レンズの間に中間集束点を有し、
前記二段の集束レンズのうち、前記荷電粒子源から近位に位置する上流側の集束レンズは、前記荷電粒子源を物点とし、前記中間集束点を像点とする縮小系を構成し、
前記二段の集束レンズのうち、前記荷電粒子源から遠位に位置する下流側の集束レンズは、前記中間集束点を物点とし、前記減速電極の入り口近傍に形成された前記集束点を像点とする拡大系を構成する、エネルギーフィルタ。
【請求項9】
請求項２において、前記単孔電極対において前記荷電粒子ビームの入口側に配置される単孔電極の焦点ｆと前記開口部の半径Ｒとの関係が、ｆ＝λＲ、λ＝０．６４±０．０５として表されるエネルギーフィルタ。
【請求項10】
請求項５において、さらに、前記集束レンズ系と、前記減速電極と、前記第１電極と、前記第２電極と、を絶縁体で保持する保持材と、
外部の浮遊磁場を遮蔽するシールド部材と、
を備えるエネルギーフィルタ。
【請求項11】
請求項１０において、前記シールド部材は、透磁率の高い磁性体で構成され、前記集束レンズ系を構成する電極に接続されているエネルギーフィルタ。
【請求項12】
請求項１において、前記第１電極に印加される電圧は、前記荷電粒子ビームの加速電圧に等しく、
前記第２電極に印加される電圧は、可変である、エネルギーフィルタ。
【請求項13】
請求項１のエネルギーフィルタと、前記エネルギーフィルタの後段に配置されたファラデーカップと、
前記ファラデーカップに流入する荷電粒子ビームの電流量を計測する電流計と、
前記電流量に基づいて、前記荷電粒子ビームのエネルギー分散ΔＥの値を算出するΔＥ計測制御器と、を備え、
前記ΔＥ計測制御器は、
前記減速電極に電圧Ｖｒを印加した時の前記電流計で計測した電流量Ｉｐ（Ｖｒ）からその微分値を計測する処理と、
前記電圧Ｖｒに対する前記電流量Ｉｐ（Ｖｒ）の微分値で示されるスベクトルの半値幅を前記荷電粒子ビームのエネルギー分散ΔＥの値として算出する処理と、
を実行するエネルギーアナライザ。
【請求項14】
請求項１３において、前記ΔＥ計測制御器は、前記電流量Ｉｐ（Ｖｒ）の微分値が最大になる電圧Ｖｒまたは電流量Ｉｐ（Ｖｒ）の変曲点となる電圧Ｖｒを前記減速電極に印加するエネルギーアナライザ。
【請求項15】
試料に荷電粒子ビームを照射して前記試料の情報を取得する荷電粒子ビーム装置であって、請求項１のエネルギーフィルタと、
前記エネルギーフィルタの前段に配置された荷電粒子源と、
前記エネルギーフィルタを構成する最前段の電極に前記荷電粒子源から荷電粒子を引き出す電圧を印加する電源と、
を備える荷電粒子ビーム装置。
【請求項16】
請求項１５において、さらに、前記エネルギーフィルタの後段に配置され、前記荷電粒子ビームを前記試料に集束させる電子レンズを備える荷電粒子ビーム装置。
【請求項17】
請求項１６において、さらに、前記エネルギーフィルタと前記電子レンズとの間に配置された絞りを有し、
前記絞りが、前記エネルギーフィルタの出口近傍に集束点を有し、当該集束点から放射される荷電粒子の放射角度を制限することによって、前記エネルギーフィルタを通過した前記荷電粒子ビームの高エネルギー側のエネルギーを持つ荷電粒子の一部を制限する荷電粒子ビーム装置。
【請求項18】
請求項１７において、前記エネルギーフィルタの後段に配置された絞りと、
前記絞りの後段に配置されるファラデーカップと、
前記ファラデーカップに流入する荷電粒子ビームの電流量を計測する電流計と、
前記電流量に基づいて、前記荷電粒子ビームのエネルギー分散ΔＥの値を算出するΔＥ計測制御器と、
前記ファラデーカップの位置を動かす駆動部と、
を備え、
前記ΔＥ計測制御器は、
前記減速電極に電圧Ｖｒを印加した時の前記電流計で計測した電流量Ｉｐ（Ｖｒ）からその微分値を計測する処理と、
前記電圧Ｖｒに対する前記電流量Ｉｐ（Ｖｒ）の微分値で示されるスベクトルの半値幅を前記荷電粒子ビームのエネルギー分散ΔＥの値として算出する処理と、
前記電流量Ｉｐ（Ｖｒ）の微分値が最大になる電圧Ｖｒまたは電流量Ｉｐ（Ｖｒ）の変曲点となる電圧Ｖｒを前記減速電極に印加する処理と、を実行し、
前記電圧Ｖｒを前記減速電極に印加した後、前記駆動部は、前記ファラデーカップを前記光軸から外す荷電粒子ビーム装置。
【請求項19】
請求項１５において、さらに、前記試料から放出される荷電粒子を収集するインプットレンズと、
荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、備え、
前記エネルギーフィルタは、前記インプットレンズで収集された荷電粒子のエネルギー選別をし、
前記荷電粒子検出器は、前記エネルギーフィルタで選別された前記荷電粒子を検出する荷電粒子ビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、エネルギーフィルタ、およびそれを備えたエネルギーアナライザおよび荷電粒子ビーム装置に関する。
【背景技術】
【0002】
荷電粒子を試料に照射することにより試料情報を解析あるいは画像化する装置には、例えば、走査型電子顕微鏡（以下ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭ）等がある。装置の性能を主に左右するのは荷電粒子源から放射された荷電粒子ビームの特性であり、その一例として、荷電粒子ビームが持つエネルギー分散（以下、ΔＥ；エネルギー分解能ともいう。なお、エネルギー分散とはエネルギーがばらつく現象を言い、エネルギー分解能とは装置の特性を示す）があげられる。ΔＥが大きいと、電子レンズで荷電粒子ビームを集束する際に色収差としてビームぼけを発生させるため、ΔＥの小さい荷電粒子源、および色収差を小さくする低収差電子レンズの開発が進められてきた。ΔＥは熱によって増加することから、荷電粒子源の温度を室温で動作させる冷陰極電子源や、色収差を電子光学的に補正する収差補正レンズが開発されてきた。しかしながら、これらの安定動作条件は厳しく、今日要求されるより小さいΔＥを安定して得ることは困難となってきている。
【0003】
その他の技術として、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームをエネルギーフィルタに入射させ、エネルギー分別した荷電粒子ビームを形成する技術がある。その一例として、ウィーンフィルタ、オメガフィルタが挙げられる。これらは、磁場及び電場を組み合わせて荷電粒子のエネルギー分散軌道を光軸上に発生させるものである。光軸は直線或いは曲線をなし、磁場及び電場を組み合わせる。このため、装置構成が複雑であり、簡易に使用できるとは限らない。そこで、簡易性の観点から、従来から減速型のエネルギーフィルタが使用されてきた。
【0004】
図１は、従来の減速型のエネルギーフィルタの構成例を示す図である。エネルギーフィルタは中心部に減速電極があり、減速電極は光軸に対してその両側に同電位の電極に挟まれている構成となっている。光軸の両側に配置された電極には入射する荷電粒子と同電位の電圧が印加される。また、減速電極には荷電粒子のエネルギーに抗する電圧が印加される。これらの電極は、減速電源から設定される設定電圧より大きいエネルギーを持つ荷電粒子のみ通過させるハイパスフィルタとして作用する。従って、減速型エネルギーフィルタは、ウィーンフィルタやオメガフィルタのようにバンドパスフィルタとして動作しない。このため、その用途を異にするが構造が簡便である。また、減速型エネルギーフィルタは、減速電圧を走査しつつ計測した透過電流を減速電圧で微分をとることによって、エネルギースペクトルを容易に得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】米国特許出願公開第２０１０／０１８７４３６号明細書
【文献】米国特許第８，８０３，１０２号明細書
【文献】特開２００９－２８９７４８号公報
【非特許文献】
【0006】
【文献】’Evaluation of electron energy spread in CsBr based photocathodes’, J. Vac. Sci. Technol. B 26(6), Nov/Dec 2008
【文献】’Performance computations for a high-resolution retarding field electron energy analyzer with a simple electrode configuration’, J. Phys. D: Appl. Phys., 14(1981) 769-78
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、減速型エネルギーフィルタのエネルギー分解能の値は、光軸上では極めて小さい（分解能が高い（良い）＝分解能の値が小さい）が、電位分布が光軸から外れると勾配を持つことによって、急速にエネルギー分解能が悪くなる（分解能の値が大きくなり）ため、今日要求されるエネルギー分解能（例えば、ΔＥ＝～１ｍＶ）を実現するのは極めて困難である。従って、入射荷電粒子をエネルギーフィルタに垂直に入射しなければならず、荷電粒子源をエネルギーフィルタから十分に遠い位置におく必要がある。よって、装置が巨大化するとともに、入射できる電流量が極めて小さくなり、計測時間が長くなるという課題がある。また、エネルギー分散点が光軸上の一点に集束されるため、エネルギーがゼロ近傍で荷電粒子密度が高まり、クーロン効果でエネルギー分散が大きくなるという課題もある。さらに、減速型レンズでは、開口部近傍に集束点が自然に形成されるが、集束点とエネルギー分散点（ゼロポテンシャルの点）が近くにあると、上述したように入射条件が厳しくなってしまう。減速電極の厚くすることによって、集束点とエネルギー分散点との距離を少し離すことができるが、電極の内壁に荷電粒子が衝突しだし、壁面のコンタミの原因となって、エネルギー分解能が劣化するという課題ある。
【0008】
本開示は、このような状況に鑑み、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームのエネルギー分散を小さくする、小型の高分解能エネルギーフィルタ（フィルタ内部では、エネルギー分散を大きくする）を実現する技術を提案する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するための一手段として、本開示は、荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームのエネルギー分散ΔＥを抑えるエネルギーフィルタであって、
開口部を有する単孔電極対と、当該開口部の半径よりも大きい半径を有する空洞部であって、開口部の中心を光軸として回転対称に設けられた空洞部と、を有する減速電極と、
減速電極の前段に設けられた第１電極と、
減速電極の後段に設けられた第２電極と、
を備えるエネルギーフィルタを提案する。
開口部を有する単孔電極対と、当該開口部の半径よりも大きい半径を有する空洞部であって、開口部の中心を光軸として回転対称に設けられた空洞部と、を有する減速電極と、
減速電極の前段に設けられた第１電極と、
減速電極の後段に設けられた第２電極と、
を備えるエネルギーフィルタを提案する。
【0010】
本開示に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、本開示の態様は、要素及び多様な要素の組み合わせ及び以降の詳細な記述と添付される請求の範囲の様態により達成され実現される。
本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではないことを理解する必要がある。
本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではないことを理解する必要がある。
【発明の効果】
【0011】
本開示に技術によれば、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームのエネルギー分散を小さくする、小型の高分解能エネルギーフィルタ（フィルタ内部では、エネルギー分散を大きくする）、およびそれを備えるエネルギーアナライザや荷電粒子ビーム装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】従来の減速型のエネルギーフィルタの構成例を示す図である。
【図2】本実施形態による荷電粒子ビームシステム３０の構成例を示す図である。
【図3】本実施形態によるエネルギーフィルタ１の構成例を示す断面図である。
【図4A】減速電極１－２の両側の電界が同じ場合を示す図である。
【図4B】減速電極１－２の両側の電界が異なる場合を示す図である。
【図4C】減速電極１－２の両側の電界が同じ場合の電位分布と電子軌道を示す図である。
【図4D】減速電極１－２の両側の電界が異なる場合の電位分布と電子軌道を示す図である。
【図5B】本実施形態のエネルギーフィルタ１におけるエネルギー分散点２１の近傍を通る荷電粒子ｂ２－２の軌道を示す概略図である。
【図6A】電極空洞１－２ａを有する減速電極１－２に平行に入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。
【図6B】電極空洞１－２ａを有さない減速電極１－２に平行に入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。
【図6C】電極空洞１－２ａを有さず、かつ肉薄の減速電極１－２に平行に入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。
【図6D】電極空洞１－２ａを有する減速電極１－２の近傍に形成される集束点ａ２０－１に集束するように入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。
【図6E】電極空洞１－２ａを有さない減速電極１－２の近傍に形成される集束点ａ２０－１に集束するように入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。
【図6F】電極空洞１－２ａを有さず、かつ肉薄の減速電極１－２の近傍に形成される集束点ａ２０－１に集束するように入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。
【図7】荷電粒子２が電子ビームの場合に減速電極１－２に０［Ｖ］を印加した時の軸上電位の例を示す図である。
【図8】本実施形態（減速電極１－２に電極空洞１－２ａを形成する場合）において、荷電粒子源９からエネルギーフィルタ１の出口までの荷電粒子ビーム１０の軌道を示す図である。
【図9A】図９Ａは、減速電極１－２の前段に配置されている第２電極１－５に３０００Ｖ、減速電極１－２の後段に配置されている加速電極１－３に１５００Ｖを印加した場合の荷電粒子２の軌道の計算例を示す図である。
【図9B】第２電極１－５に３０００Ｖ、加速電極１－３に３０００Ｖを印加した場合の荷電粒子２の軌道の計算例を示す図である。
【図10A】光軸１８からの入射オフセット量を１．５ｕｍ～２．０ｕｍとして荷電粒子２を平行入射させる場合の荷電粒子２の軌道を示す図である。
【図10B】光軸１８からの入射オフセット量を０．１５ｕｍ～０．２０ｕｍとして荷電粒子２を平行入射させる場合の荷電粒子ビーム１０の軌道を示す図である。
【図11】減速電極１－２の入り口側の単孔電極の焦点距離をｆとし、焦点ｆだけ減速電極１－２の上流側の位置に集束点ａ２０－１を設定し、集束点ａ２０－１に集束する角度で電子を入射する場合を示す図である。
【図12】第２電極１－５、単孔レンズ、および加速電極１－３の位置関係および印加電圧を示す図である。
【図13】Ｄ／Ｒに対するＧ＝Φｚ（ｚ＝０）／Φ１の値の変化を示すグラフである。
【図14A】荷電粒子源として冷陰極電子源を想定した場合のバンドパスフィルタとしての作用を示す図である。
【図14B】荷電粒子源としてショットキー電子源を想定した場合のバンドパスフィルタとしての作用を示す図である。
【図15A】電流Ｉｐ（Ｖｒ）とＩｐ（Ｖｒ）のＶｒでの微分ｄＩｐ（Ｖｒ）／ｄＶｒとの関係を示す図である。
【図15B】透過関数ｆ（Ｖｒ｜Ｅ）の形（一例）を示す図である。
【図16】本実施形態による減速電極１－２の周辺部の構成例を示す図である。
【図17】本実施形態によるエネルギーフィルタ１の構成例を示す図である。
【図18】本実施形態によるエネルギーフィルタ１を備える荷電粒子ビーム装置の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
本実施形態は、荷電粒子源から放射された荷電粒子ビームを、電子レンズを用いて試料面上に照射することにより試料情報を解析或いは画像化する技術に関する。
荷電粒子ビーム装置においては、荷電粒子ビームのエネルギー分散を小さくする（エネルギー分解能を高くする（エネルギー分解能の値を小さくする））が所望されるが、そのためにはエネルギーフィルタ内のエネルギー分散を大きくすることが必要である。エネルギーフィルタ内のエネルギー分散を大きくするには、エネルギーフィルタのサイズを大きくしなければならない。しかし、本実施形態では、上述のように、エネルギーフィルタのサイズを小さくすることを１つの課題としている。そこで、本実施形態では、エネルギーフィルタのサイズを小さくしつつ、エネルギーフィルタ内のエネルギー分散を大きくするために、エネルギーフィルタの減速電極に空洞を設けるようにしている。
荷電粒子ビーム装置においては、荷電粒子ビームのエネルギー分散を小さくする（エネルギー分解能を高くする（エネルギー分解能の値を小さくする））が所望されるが、そのためにはエネルギーフィルタ内のエネルギー分散を大きくすることが必要である。エネルギーフィルタ内のエネルギー分散を大きくするには、エネルギーフィルタのサイズを大きくしなければならない。しかし、本実施形態では、上述のように、エネルギーフィルタのサイズを小さくすることを１つの課題としている。そこで、本実施形態では、エネルギーフィルタのサイズを小さくしつつ、エネルギーフィルタ内のエネルギー分散を大きくするために、エネルギーフィルタの減速電極に空洞を設けるようにしている。
【0014】
以下、添付図面を参照して本開示の実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。また、以下の実施形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った具体的な実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。
【0015】
本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。
【0016】
さらに、以下の実施形態の説明では、荷電粒子ビームを使用した走査型荷電粒子顕微鏡とコンピュータシステムとで構成される荷電粒子ビームシステムに本開示の技術を適用した例を示す。走査型荷電粒子顕微鏡とは、例えば、電子ビームを使用した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）やイオンビームを使用した走査イオン顕微鏡等が挙げられる。また、走査型電子顕微鏡の例としては、走査型電子顕微鏡を用いた検査装置、レビュー装置、汎用の走査型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡を備えた試料加工装置や試料解析装置等が挙げられ、本開示はこれらの装置にも適用が可能である。しかし、この実施の形態は限定的に解釈されるべきではなく、例えば、電子ビームやイオンビーム等の荷電粒子ビームを使用する荷電粒子ビーム装置、また一般的な観察装置に対しても、本開示は適用され得る。
【0017】
また、以下に説明する実施形態の機能、動作、処理、フローにおいては、主に「コンピュータシステム」「制御装置」「ΔＥ計測制御器」を主語（動作主体）として各要素や各処理についての説明を行うが、「荷電粒子ビームシステム」を主語（動作主体）とした説明としてもよい。
【0018】
＜荷電粒子ビームシステムの構成例＞
図２は、本実施形態による荷電粒子ビームシステム３０の構成例を示す図である。荷電粒子ビームシステム３０は、電子レンズを用いて荷電粒子ビームを試料１４面上に集束させ、試料１４から得られた二次荷電粒子を検出することによって、試料１４の情報を解析或いは画像化する装置である。
図２は、本実施形態による荷電粒子ビームシステム３０の構成例を示す図である。荷電粒子ビームシステム３０は、電子レンズを用いて荷電粒子ビームを試料１４面上に集束させ、試料１４から得られた二次荷電粒子を検出することによって、試料１４の情報を解析或いは画像化する装置である。
【0019】
荷電粒子ビームシステム３０は、荷電粒子源９と、荷電粒子源９から放出される荷電粒子ビーム１０のビーム径を制限する絞り１１と、荷電粒子ビーム１０の電流量を計測するファラデーカップ１５および電流計１６と、荷電粒子ビーム１０を試料１４上に集束させる、それぞれ少なくとも１つの電子レンズ１２および対物レンズ１３と、荷電粒子源９と絞り１１との間の光軸１８上に荷電粒子源９から放出される荷電粒子ビーム１０のエネルギーを分離するエネルギーフィルタ１と、ファラデーカップ１５および電流計１６から計測した電流値に基づいてΔＥを計算するΔＥ計測制御器１７と、荷電粒子ビーム１０の照射によって試料１４から得られる二次電子を検出する二次電子検出器３４と、荷電粒子ビーム１０の照射によって試料１４から得られる後方散乱電子を検出する後方散乱電子検出器３３と、上述した各構成要素を制御する制御装置３２と、記憶装置（メモリ）３６と、入出力装置３７と、を備えている。なお、制御装置３２およびΔＥ計測制御器１７によってコンピュータシステムが構成されている。
【0020】
荷電粒子源９には第１加速電源（図示せず）から電圧７が印加されており、第１加速電源の出力電圧上に引出電源（図示せず）が設置され、引出電源の出力電圧８上にエネルギーフィルタ１が設置されている。エネルギーフィルタ１は、入射する荷電粒子ビーム１０のハイパスフィルタとして作用し、エネルギー分離された荷電粒子ビーム１０を出力する。エネルギー分離された荷電粒子ビーム１０は、絞り１１でビーム径が制限された後、ファラデーカップ１５に入射する。そして、ファラデーカップ１５に接続された電流計１６が、エネルギー分離された荷電粒子ビーム１０の電流量を計測する。また、ΔＥ計測制御器１７は、計測した電流量を基に、減速電源４を介して、エネルギーフィルタ１を構成する減速電極１－２（第２図に示す）に印加する電圧を制御して、エネルギーフィルタ１を通過する荷電粒子ビームのΔＥが最小になるように調整する。
【0021】
エネルギーフィルタ１の調整が終了すると、駆動部（図示せず）がファラデーカップ１５を光軸１８から外す。そして、エネルギーフィルタ１によってエネルギー分離された荷電粒子ビーム１０は、下流にある電子レンズ１２と対物レンズ１３を介して試料１４上に集束する。エネルギー分離された荷電粒子ビームのエネルギー分解能の値ΔＥは、エネルギーフィルタ１に入射される前より小さくなっており、試料１４上に集束された荷電粒子ビーム１０のビーム径がより小さくなっている。
【0022】
なお、荷電粒子ビームシステム３０には、偏向器（図示せず）が光軸１８上に配置されている（例えば、電子レンズおよび対物レンズ１３の周辺部に配置）。制御装置３２は、当該偏向器を用いて、荷電粒子ビーム１０を試料１４上で走査する。二次電子検出器３４や後方散乱電子検出器３３は、荷電粒子ビーム１０の試料１４上での走査と同期して、試料１４から得られる二次電子や後方散乱電子を検出する。制御装置３２は、これらの検出信号を信号処理することによって空間分解能の高い画像を生成する。また、制御装置３２は、例えば、生成した画像を入出力装置３７に出力し、前述の信号処理に伴う一連のデータや情報を記憶装置３６に記録する。
【0023】
＜エネルギーフィルタ１の構成例＞
図３は、エネルギーフィルタ１の構成例を示す断面図である。エネルギーフィルタ１は、光軸１８を中心として回転対称（断面図のため、図３では光軸線対称）に配置された、減速電極１－２と、加速電極１－３と、第１電極１－１と、第１集束電極１－４と、第２電極１－５と、第２集束電極１－６と、第３電極１－７と、電極保持材１－８と、を備える。電極保持材１－８は、絶縁体で構成され、減速電極１－２と、加速電極１－３と、第１電極１－１と、第１集束電極１－４と、第２電極１－５と、第２集束電極１－６と、第３電極１－７と、を保持する。
図３は、エネルギーフィルタ１の構成例を示す断面図である。エネルギーフィルタ１は、光軸１８を中心として回転対称（断面図のため、図３では光軸線対称）に配置された、減速電極１－２と、加速電極１－３と、第１電極１－１と、第１集束電極１－４と、第２電極１－５と、第２集束電極１－６と、第３電極１－７と、電極保持材１－８と、を備える。電極保持材１－８は、絶縁体で構成され、減速電極１－２と、加速電極１－３と、第１電極１－１と、第１集束電極１－４と、第２電極１－５と、第２集束電極１－６と、第３電極１－７と、を保持する。
【0024】
第１電極１－１と第２電極１－５と第３電極１－７とは、シールド１－９と接続し同電位となる。シールド１－９は、透磁率の高い部材（例えば、パーマロイ）で作製されており、外部の浮遊磁場を遮蔽している。同様にして、第１電極１－１と第２電極１－５と第３電極１－７も透磁率の高い部材（例えば、パーマロイ）で作製されている場合もある。第１集束電極１－４は、他の電極から絶縁されており、第１電極１－１と第２電極１－５とともに一つの静電レンズを形成している。同様にして、第２集束電極１－６も他の電極から絶縁されており、第２電極１－５と第３電極１－７とともに一つの静電レンズを形成している。なお、各電極は円盤形状をなし、中心部に孔が形成されている。また、電極保持材１－８は、円筒状に構成され、その内部に各電極を保持している。
【0025】
減速電極１－２には、光軸１８を中心として回転対称に空洞が設けられている（電極空洞１－２ａ）。また、電極空洞１－２ａの両側には単孔電極１－２－１および１－２－２が形成されるが、単孔電極の径は両側で同じでもよいし、異なっていてもよい。減速場と加速場とが電極空洞１－２ａの内部で接することでエネルギー分散点（分散面）２１となる鞍点が形成される。エネルギー分散点２１となる鞍点の位置は、電極空洞１－２ａを形成する両側にある２つの単孔電極１－２－１および１－２－２の径と減速電極１－２の両側に形成される電界強度の強さによって変化する。減速電極１－２の両側に形成される電界強度の強さは同じ場合もあるし、異なる場合もある。
【0026】
＜減速電極１－２の電極空洞１－２ａ内の電位分布と電子軌道＞
図４Ａは、減速電極１－２の両側の電界が同じ場合を示す図である。図４Ｂは、減速電極１－２の両側の電界が異なる場合を示す図である。図４Ｃは、減速電極１－２の両側の電界が同じ場合の電位分布と電子軌道を示す図である。図４Ｄは、減速電極１－２の両側の電界が異なる場合の電位分布と電子軌道を示す図である。また、非対称の単孔電極径或いは非対称の電界強度としても、エネルギーフィルタとしての機能は変わらない。以下、２つの単孔電極の径は同じものとし、両側の電界強度も同じとして説明する。
図４Ａは、減速電極１－２の両側の電界が同じ場合を示す図である。図４Ｂは、減速電極１－２の両側の電界が異なる場合を示す図である。図４Ｃは、減速電極１－２の両側の電界が同じ場合の電位分布と電子軌道を示す図である。図４Ｄは、減速電極１－２の両側の電界が異なる場合の電位分布と電子軌道を示す図である。また、非対称の単孔電極径或いは非対称の電界強度としても、エネルギーフィルタとしての機能は変わらない。以下、２つの単孔電極の径は同じものとし、両側の電界強度も同じとして説明する。
【0027】
エネルギー分散点２１は、エネルギーフィルタ１の入り口より遠い位置（電極空洞１－２ａの内部）にあるため、同電位以上の荷電粒子を通過させる断面積が大きく、エネルギー分解能を高めることができる。
【0028】
図５Ａは、従来（図１）のエネルギーフィルタにおけるエネルギー分散点２１の近傍を通る荷電粒子ａ２－１の軌道を示す概略図である。図５Ｂは、本実施形態のエネルギーフィルタ１におけるエネルギー分散点２１の近傍を通る荷電粒子ｂ２－２の軌道を示す概略図である。図５Ａにおける等電位線ａ１９－１は、減速電極１－２の肉厚が薄く、かつ、電極空洞１－２ａを形成していない場合（従来例）の等電位分布である。この等電位分布は、減速電極１－２の入り口開口部に近い部分に形成される。一方、図５Ｂにおける等電位線ｂ１９－２は、減速電極１－２に電極空洞１－２ａが形成されている場合（本実施形態）の等電位分布である。この等電位分布は、減速電極１－２の入り口開口部から遠い部分（減速電極１－２のほぼ中心部）に形成される。
【0029】
従来例および本実施形態のいずれの場合も、減速電極１－２に印加された減速電位によって荷電粒子２（荷電粒子ａ２－１および荷電粒子ｂ２－２）は、減速電極１－２の入り口開口部近傍に集束点ａ２０－１を持つことになる。電極空洞１－２ａがない場合（図５Ａ）、エネルギー分散点２１は、集束点ａ２０－１の近くに形成され、かつ、等電位線ａ１９－１もエネルギー分散点２１で密になる。このため、荷電粒子線ａ２－１が光軸１８から離れて入射する場合には、等電位線ａ１９－１で反射されて下流に通過できず、かろうじて光軸１８から離れずに入射する荷電粒子のみ下流（エネルギーフィルタ１の出口）側に通過できる。一方、電極空洞１－２ａを持つ場合（図５Ｂ）は、エネルギー分散点２１が集束点ａ２０－２の距離を置いて遠くに形成され、かつ、等電位線ｂ１９－２もエネルギー分散点２１で粗密となる、このため、荷電粒子線ｂ２－２は、光軸１８から離れて入射する場合でも、等電位線ｂ１９－２に反射されずに下流側に通過することができる。
【0030】
＜減速電極１－２に入射する荷電粒子２の軌道の計算結果例＞
図６は、減速電極１－２に入射する荷電粒子２の軌道の計算結果例を示す図である。図６Ａは、電極空洞１－２ａを有する減速電極１－２に平行に入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。図６Ｂは、電極空洞１－２ａを有さない減速電極１－２に平行に入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。図６Ｃは、電極空洞１－２ａを有さず、かつ肉薄の減速電極１－２に平行に入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。図６Ｄは、電極空洞１－２ａを有する減速電極１－２の近傍に形成される集束点ａ２０－１集束するように入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。図６Ｅは、電極空洞１－２ａを有さない減速電極１－２の近傍に形成される集束点ａ２０－１集束するように入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。図６Ｆは、電極空洞１－２ａを有さず、かつ肉薄の減速電極１－２の近傍に形成される集束点ａ２０－１集束するように入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。いずれの場合も減速電極１－２の開口径は同じである。
図６は、減速電極１－２に入射する荷電粒子２の軌道の計算結果例を示す図である。図６Ａは、電極空洞１－２ａを有する減速電極１－２に平行に入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。図６Ｂは、電極空洞１－２ａを有さない減速電極１－２に平行に入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。図６Ｃは、電極空洞１－２ａを有さず、かつ肉薄の減速電極１－２に平行に入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。図６Ｄは、電極空洞１－２ａを有する減速電極１－２の近傍に形成される集束点ａ２０－１集束するように入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。図６Ｅは、電極空洞１－２ａを有さない減速電極１－２の近傍に形成される集束点ａ２０－１集束するように入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。図６Ｆは、電極空洞１－２ａを有さず、かつ肉薄の減速電極１－２の近傍に形成される集束点ａ２０－１集束するように入射する荷電粒子２の軌道を示す図である。いずれの場合も減速電極１－２の開口径は同じである。
【0031】
平行入射の場合は、荷電粒子２は、光軸１８から、０．１μｍ～５μｍのオフセットを持たせ、荷電粒子２の入射エネルギーを３０００．００１Ｖとしている。集束入射の場合は、減速電極１－２の上流側（減速電極１－２の入口側）から３２μｍに集束点ａ２０－１を形成し、集束点ａ２０－１に向かう角度を、０．５ｍｒａｄ～７．８ｍｒａｄまで持たせ、荷電粒子２の入射エネルギーを３０００．００１Ｖ及び３０００．０１Ｖとした。
【0032】
それぞれの入射条件（平行入射の場合は光軸１８から、０．１μｍ～５μｍのオフセット、集束入射の場合は集束点ａ２０－１に０．５ｍｒａｄ～７．８ｍｒａｄの角度）に対して、光軸１８上を平行に入射する３０００．０００Ｖの荷電粒子２は反射されるように減速電極１－２に電圧が印加されている。即ち、減速電極１－２には、荷電粒子源９に印加されている電圧と概略同電位の電圧を印加して、加速されたエネルギーをキャンセルする。通常、減速電極に印加されている電位と光軸上の電位とはオフセットがあるため、荷電粒子ビームが電子ビームや負イオンビーム（例えば、Ｂ２
－イオンビーム、Ｈ－イオンビーム等）である場合は、負極性（マイナス極性）の電圧を印加し、荷電粒子ビームが正イオンビーム（例えば、Ｇａ＋イオンビーム、Ｎｅ＋イオンビーム、Ｈｅ＋イオンビーム等）である場合は正極性（プラス極性）の電圧を印加する。
【0033】
図６の計算結果からも分かるように、減速電極１－２内に電極空洞１－２ａを設けた場合には、エネルギーフィルタ１内におけるエネルギー分散を大きくすることができ、その結果、出力の荷電粒子ビームのエネルギー分散を小さくすることが可能となる。
＜光軸上の電位および荷電粒子２の減速電極通過条件について＞
＜光軸上の電位および荷電粒子２の減速電極通過条件について＞
【0034】
図７は、荷電粒子２が電子ビームの場合に減速電極１－２に０［Ｖ］を印加した時の軸上電位の例を示す図である。減速電極１－２に０［Ｖ］を印加していても減速電極１－２の両側に存在する電界が界侵して、軸上電位にオフセットを生じさせる。図７において、Φ（０，０）Ｖがオフセットとなっている。
【0035】
【表1】
【0036】
表１は、エネルギー差１ｍＶの荷電粒子２が減速電極１－２を通過できる入射条件の計算結果例を示す表である。平行入射の場合、表１（ａ）に示すように、電極空洞１－２がある場合、電極空洞１－２がない場合に比べて６倍～８倍光軸１８からオフセットがある入射条件（２．４ｕｍのオフセット）でもエネルギー分解能ΔＥ＝１ｍＶで荷電粒子ビーム１０のエネルギー選別できる。
【0037】
図６Ｃおよび表１（ｃ）に示すように、従来の薄肉減速電極を用いた場合は、入射条件が光軸１８からオフセット０．３ｕｍ以下で平行にしないとエネルギー分解能ΔＥ＝～１ｍＶを計測できないことが分かる。また、図６Ｅ及び表１（ｂ）に示すように、入射条件を集束入射条件にすることで最大許容入射角を肉厚ではあるが電極空洞１－２がない場合には２．２ｍｒａｄ以下にすることが可能である。さらに、図６Ｄ及び表１（ｂ）に示すように、電極空洞１－２がある場合には最大許容入射角を７．８ｍｒａｄとすることができる。しかしながら、図６Ｃおよび表１（ｃ）に示すように、薄肉電極の場合にはほとんど改善することはできない。これは、図５に示したように、集束点ａ２０－１とエネルギー分散点２１との距離が近いためである。
【0038】
図６Ｂおよび表１（ｂ）、図６Ｅおよび表１（ｂ）に示すように、電極空洞１－２ａがない場合は、平行入射或いは集束入射としても、荷電粒子２が減速電極１－２の内壁に衝突してしまい、減速電極１－２を通過することができない。特に、集束入射の場合は、荷電粒子２のエネルギーを３０００．００１Ｖ及び３０００．０１Ｖとした。図６Ｄに示すように、電極空洞１－２がある場合は、どちらのエネルギーを持つ電子も通過できるが、図６Ｅに示すように、電極空洞１－２がない場合は、３０００．１Ｖのエネルギーを持つ電子は壁に衝突してしまっている。従って、一様なエネルギーを持つ電子を検出するためには入射角度を制限しなければならず、最大入射角が２．２ｍｒａｄとなる。
【0039】
＜第１集束電極１－４の配置条件＞
図８は、本実施形態（減速電極１－２に電極空洞１－２ａを形成する場合）において、荷電粒子源９からエネルギーフィルタ１の出口までの荷電粒子ビーム１０の軌道を示す図である。
図８は、本実施形態（減速電極１－２に電極空洞１－２ａを形成する場合）において、荷電粒子源９からエネルギーフィルタ１の出口までの荷電粒子ビーム１０の軌道を示す図である。
【0040】
図８において、第３電極１－７には、荷電粒子源９から荷電粒子ビーム１０を引き出すための電圧（例えば、数ｋＶ）が印加され、引き出し電極として作用する。荷電粒子源９から放出された荷電粒子ビーム１０は、第３電極１－７に装着された制限絞り（図示していない）によって制限され、荷電粒子ビーム１０の一部の荷電粒子ビームのみが下流側に透過する。透過した荷電粒子ビーム１０は、第２集束電極１－６に印加された電圧（例えば、数１００Ｖ）によって、第２電極１－５と第１集束電極１－４との間に集束点が持つことになる。その後、第１集束電極１－４に印加された電圧（例えば、数１００Ｖ）によって荷電粒子ビーム１０は減速電極１－２の入り口開口部近傍に集束点ａ２０－１を持つことになる。集束作用は、第１集束電極１－４に印加された電圧による集束作用だけでなく、第１電極１－１と減速電極１－２との間に形成される減速電界のレンズ作用も効いている。集束点ａ２０－１を通過後、荷電粒子ビーム１０を形成している荷電粒子は、その各々が持つエネルギーと入射条件に応じてエネルギー分散点２１で分散される。
【0041】
図６および表１に示すように、減速電極１－２に入射する条件によって、エネルギーフィルタ１のエネレギー分解能が容易に変動してしまう。図３および図８に示す第１電極１－１と第１集束電極１－４と第２電極１－５とで構成される集束レンズは、減速電極１－２への荷電粒子ビーム１０の入射条件を安定化する手段であり、要求されるエネルギー分解能に応じて入射角を制御するものである。また、図５および図６に示すように、入射角度が小さい方がエネルギー分解能は高くなる。従って、第１電極１－１と第１集束電極１－４と第２電極１－５とで構成される集束レンズの角度倍率が小さくなるように、第２電極１－５と第１集束電極１－４との間にある集束点と第１集束電極１－４の中心との距離Ｌ１ａと、第１集束電極１－４の中心と減速電極１－２の入り口開口部に形成される集束点ａ２０－１との距離Ｌ１ｂとの間に、Ｌ１ａ＜Ｌ１ｂとなるように、第１集束電極１－４が配置される。
【0042】
＜第２電極１－５への印加電圧の差異による荷電粒子２の軌道の差異＞
図９は、第２電極１－５への印加電圧の差異による荷電粒子２の軌道の差異を示す図である。図９Ａは、減速電極１－２の前段に配置されている第２電極１－５に３０００Ｖ、減速電極１－２の後段に配置されている加速電極１－３に１５００Ｖを印加した場合の荷電粒子２の軌道の計算例を示す図である。図９Ｂは、第２電極１－５に３０００Ｖ、加速電極１－３に３０００Ｖを印加した場合の荷電粒子２の軌道の計算例を示す図である。荷電粒子２の入射条件は、両者とも、光軸１８からのオフセット量を１．５ｕｍ～２．０ｕｍとして平行入射するものとし、荷電粒子２のエネルギーを３０００．０００Ｖ、３０００．００１Ｖ、３０００．０１０Ｖ、３０００．１００Ｖとしている。また、減速電極１－２には３０００．０００Ｖのエネルギーを有する荷電粒子２が反射するように設定している。
図９は、第２電極１－５への印加電圧の差異による荷電粒子２の軌道の差異を示す図である。図９Ａは、減速電極１－２の前段に配置されている第２電極１－５に３０００Ｖ、減速電極１－２の後段に配置されている加速電極１－３に１５００Ｖを印加した場合の荷電粒子２の軌道の計算例を示す図である。図９Ｂは、第２電極１－５に３０００Ｖ、加速電極１－３に３０００Ｖを印加した場合の荷電粒子２の軌道の計算例を示す図である。荷電粒子２の入射条件は、両者とも、光軸１８からのオフセット量を１．５ｕｍ～２．０ｕｍとして平行入射するものとし、荷電粒子２のエネルギーを３０００．０００Ｖ、３０００．００１Ｖ、３０００．０１０Ｖ、３０００．１００Ｖとしている。また、減速電極１－２には３０００．０００Ｖのエネルギーを有する荷電粒子２が反射するように設定している。
【0043】
図９Ａに示すように、加速電極１－３に１５００Ｖが印加されている場合には、３０００．１００Ｖの荷電粒子のみ通過することが分かる。これは、荷電粒子２は、あるエネルギー以上でないものはエネルギーに相当する電位を超えることはできないからである。一方、図９Ｂに示すように、加速電極１－３に３０００Ｖを印加すると、３０００．００１Ｖ以上の荷電粒子２を全て通すようになる。従って、エネルギーフィルタ１は１ｍＶのエネルギー分解能（元々３ｋＶのエネルギーを有する電子を１ｍＶ単位で分離する）を持つことが分かる。
【0044】
また、図９Ｂに示すように、減速電極１－２の内部の電極空洞１－２ａ内に減速電極１－２の中心に対称に減速電場と加速電場の等電位分布ができる。このため、減速電極１－２に入射した荷電粒子２は、電極空洞１－２ａ内でエネルギー分散を受けた後も集束作用を受ける。エネルギー分散点２１を通過した荷電粒子２は、減速電極１－２の出口開口部の近傍に集束点ｂ２０－２を形成する。集束点ｂ２０－２に形成される荷電粒子ビーム径は収差によりわずかにぼけるが、光源として使用するに十分に小さい。また、図９Ｂに示すように、大きなエネルギーを持つ荷電粒子ほど電極空洞１－２ａ内で光軸１８から離軸した後、集束点ｂ２０－２に集束する。このため、集束点ｂ２０－２を通過した荷電粒子２はエネルギーの高いものほど発散することになる。
【0045】
＜光軸からの入射オフセット量の差異による荷電粒子２の軌道の差異＞
図１０は、光軸からの入射オフセット量の差異による荷電粒子２の軌道の差異を示す図である。図１０Ａは、光軸１８からの入射オフセット量を１．５ｕｍ～２．０ｕｍとして荷電粒子２を平行入射させる場合の荷電粒子２の軌道を示す図である。荷電粒子２のエネルギーを３０００．０００Ｖ、３０００．００１Ｖ、３０００．０１０Ｖ、３０００．１００Ｖとして、減速電極１－２を通過後の荷電粒子ビーム１０の軌道を計算している。また、荷電粒子ビーム１０は、集束点ｂ２０－２を輝点として、加速電極１－３に印加された電圧によって放射軌道を取るが、エネルギーの高い荷電粒子２ほど放射角度が大きくなっていることが分かる。
図１０は、光軸からの入射オフセット量の差異による荷電粒子２の軌道の差異を示す図である。図１０Ａは、光軸１８からの入射オフセット量を１．５ｕｍ～２．０ｕｍとして荷電粒子２を平行入射させる場合の荷電粒子２の軌道を示す図である。荷電粒子２のエネルギーを３０００．０００Ｖ、３０００．００１Ｖ、３０００．０１０Ｖ、３０００．１００Ｖとして、減速電極１－２を通過後の荷電粒子ビーム１０の軌道を計算している。また、荷電粒子ビーム１０は、集束点ｂ２０－２を輝点として、加速電極１－３に印加された電圧によって放射軌道を取るが、エネルギーの高い荷電粒子２ほど放射角度が大きくなっていることが分かる。
【0046】
図１０Ｂは、光軸１８からの入射オフセット量を０．１５ｕｍ～０．２０ｕｍとして荷電粒子２を平行入射させる場合の荷電粒子ビーム１０の軌道を示す図である。図１０Ａと同様に、エネルギーの高い荷電粒子２ほど放射角度が大きくなるが、その程度は小さくなっている。従って、荷電粒子２入射角度によってエネルギーによる放射角度が変化する。つまり、エネルギーフィルタ１において、エネルギー分解能の高いハイパスフィルタとして作用するが、絞り１１はビーム径を制限してエネルギーに関して若干エネルギー分解能の低いローバスフィルタとして作用する。そして、ハイパスフィルタとローパスフィルタを組み合わせることによって、バンドパスフィルタを形成することができる。
【0047】
＜単孔電極の焦点ｆと単孔電極の半径Ｒとの関係＞
図９および図１０において、減速電極１－２に入射する荷電粒子２の入射条件を平行としたが、入射条件は平行に限定されることはなく、減速電極１－２入り口近傍に集束点ａ２０－１を形成し、集束点ａ２０－１に集束する角度で集束入射としても同様である。図１１は、減速電極１－２の入り口側の単孔電極の焦点距離ｆとし、焦点ｆだけ減速電極１－２の上流側の位置に集束点ａ２０－１を設定し、集束点ａ２０－１に集束する角度で電子を入射する場合を示す図である。この場合、電子は、減速電極１－２の電極空洞１－２ａ内をｚ軸（光軸）に平行に進む。但し、エネルギーの小さい電子は電極空洞１－２ａ内でエネルギー分散を受け、電極空洞１－２ａ内に形成される鞍点でエネルギー分離される。
図９および図１０において、減速電極１－２に入射する荷電粒子２の入射条件を平行としたが、入射条件は平行に限定されることはなく、減速電極１－２入り口近傍に集束点ａ２０－１を形成し、集束点ａ２０－１に集束する角度で集束入射としても同様である。図１１は、減速電極１－２の入り口側の単孔電極の焦点距離ｆとし、焦点ｆだけ減速電極１－２の上流側の位置に集束点ａ２０－１を設定し、集束点ａ２０－１に集束する角度で電子を入射する場合を示す図である。この場合、電子は、減速電極１－２の電極空洞１－２ａ内をｚ軸（光軸）に平行に進む。但し、エネルギーの小さい電子は電極空洞１－２ａ内でエネルギー分散を受け、電極空洞１－２ａ内に形成される鞍点でエネルギー分離される。
【0048】
ここで、単孔レンズの焦点距離ｆは、Davisson Calbickの式として、以下の式（１）のように表すことができる。なお、図１２は、第２電極１－５、単孔レンズ、および加速電極１－３の位置関係および印加電圧を示す図である。
【0049】
【数1】
【0050】
ここで、Φｚは軸上電位を、ｚ＝０は単孔レンズの中心位置を表している。第２電極１－５の電位をΦ１ｋＶ、加速電極１－３の電位を０ｋＶとすると、第２電極１－５と単孔レンズ（前段の単孔電極）の間に生じる電界Ｅ１はΦ１／Ｌ、単孔レンズ（後段の単孔電極）と加速電極１－３の間に生じる電界Ｅ２は０である。すると式（１）は、以下の式（２）のようになる。
【0051】
【数2】
【0052】
一方、システムの次元が決まれば、Φ（ｚ＝０）＝Ｇ*Φ１となり（Ｇ＝Φｚ（ｚ＝０）／Φ１）、ｆ＝４Ｇ*Ｌと表される（Ｇは係数）。４Ｇ*Ｌを数値解析的に算出すると、４Ｇ*Ｌ≒０．６４Ｒとなる。そして、減速電極１－２の入口側と出口側との距離（減速電極１－２の幅：電極幅）をＤとすると、減速電極１－２の次元がＤ／Ｒ≧５のとき、焦点距離ｆは、システムの次元に依らず、単孔電極の半径Ｒのみに依存し、ｆ＝λＲ、λ＝０．６４±０．０５（λ：無次元の係数）で表わすことができる。ここで、０．０５は、装置間における経験上の機差（誤差）を示す数値である。
【0053】
図１３は、Ｄ／Ｒに対するＧ＝Φｚ（ｚ＝０）／Φ１の値の変化を示すグラフである。図１３からは、Ｄ／Ｒ≧５のときには、減速電極１－２の電極幅Ｄ、減速電極１－２の開口半径Ｒ、減速電極１－２と第２電極１－５との距離Ｌのそれぞれの値に依らずにＧの値が０．６４に収束することが分かる。よって、Ｇ＝０．６４のとき、単孔レンズの焦点距離ｆは、変動せずに安定する。
【0054】
＜バンドパスフィルタの作用＞
図１４は、エネルギーフィルタ１のバンドパスフィルタとして作用を示す図である。図１４において、横軸Ｅはエネルギーを示し、縦軸は’１’に規格した荷電粒子ビーム１０の荷電粒子数を示す。図１４Ａは、荷電粒子源として冷陰極電子源を想定した場合のバンドパスフィルタとしての作用を示す図である。この場合、冷陰極電子源のエネルギースペクトルは高エネルギー側で急峻に小さくなり、低エネルギー側で緩やかに減衰する形（Ｄａ（Ｅ））をしている。これは冷陰極電子源が室温で動作することと、エネルギー障壁をトンネル効果で透過するためフェルミレベルの電子が散乱されずに放出され、それより下のエネルギーの電子は散乱を受けて放出されるためである。
図１４は、エネルギーフィルタ１のバンドパスフィルタとして作用を示す図である。図１４において、横軸Ｅはエネルギーを示し、縦軸は’１’に規格した荷電粒子ビーム１０の荷電粒子数を示す。図１４Ａは、荷電粒子源として冷陰極電子源を想定した場合のバンドパスフィルタとしての作用を示す図である。この場合、冷陰極電子源のエネルギースペクトルは高エネルギー側で急峻に小さくなり、低エネルギー側で緩やかに減衰する形（Ｄａ（Ｅ））をしている。これは冷陰極電子源が室温で動作することと、エネルギー障壁をトンネル効果で透過するためフェルミレベルの電子が散乱されずに放出され、それより下のエネルギーの電子は散乱を受けて放出されるためである。
【0055】
また、図１４Ａに示すように、エネルギーフィルタ１によるハイパスフィルタ２２は高いエネルギー分解能を持つため、急峻に低エネルギー側の電子を遮蔽することができる。一方、絞り１１によるローバスフィルタ２３は、前述したように若干エネルギー分解能が低い。ただし、図１４Ａに示すように、冷陰極電子源の高エネルギー側のエネルギースペクトルは急峻なため、急峻に変化するエネルギーにハイパスフィルタ２２を合わせれば、ローパスフィルタ２３が作用しない領域（絞り１１でローパスフィルタ２３が構成されるため、ローパスフィルタ２３の傾斜部分に作用しない領域が存在）であっても、ローパスフィルタの有無に関係なく、エネルギースペクトルＤａ（Ｅ）をΔＥの小さい（Δεａ）エネルギースペクトルＤａ＊（Ｅ）に変換できる。
【0056】
図１４Ｂは、荷電粒子源としてショットキー電子源を想定した場合のバンドパスフィルタとしての作用を示す図である。ショットキー電子源は約１８００Ｋの熱を加えられているため、冷陰極電子源に比べそのエネルギースペクトルＤｂ（Ｅ）は幅が広い。幅広のエネルギースペクトルを有する場合には、図１４Ｂに示すように、高エネルギー側でもローパスフィルタ２３が作用して、エネルギースペクトルＤｂ（Ｅ）をΔＥの小さい（Δεｂ）エネルギースペクトルＤｂ＊（Ｅ）に変換できる。
【0057】
＜エネルギーアナライザを動作させる場合＞
上述のエネルギーフィルタ１を備えるエネルギーアナライザ３１（図２参照）を用いて、荷電粒子源９から放出された荷電粒子ビーム１０のエネルギー分散ΔＥを計測する場合は、絞り１１を光軸１８から（図示しない駆動部を用いて）外し、ファラデーカップ１５を光軸１８上に（図示しない駆動部を用いて）配置する。そして、ΔＥ計測制御器１７は、荷電粒子ビーム１０が上述したエネルギーフィルタ１への入射条件（表１参照）を満足するように、第２集束電極１－６に印加される第２集束電源からの電圧６と、第１集束電極１－４に印加される第１集束電源からの電圧３と、減速電極１－２に印加される減速電源からの電圧４と、加速電極１－３に印加される加速電源からの電圧５と、をそれぞれ適切な値に制御する。
上述のエネルギーフィルタ１を備えるエネルギーアナライザ３１（図２参照）を用いて、荷電粒子源９から放出された荷電粒子ビーム１０のエネルギー分散ΔＥを計測する場合は、絞り１１を光軸１８から（図示しない駆動部を用いて）外し、ファラデーカップ１５を光軸１８上に（図示しない駆動部を用いて）配置する。そして、ΔＥ計測制御器１７は、荷電粒子ビーム１０が上述したエネルギーフィルタ１への入射条件（表１参照）を満足するように、第２集束電極１－６に印加される第２集束電源からの電圧６と、第１集束電極１－４に印加される第１集束電源からの電圧３と、減速電極１－２に印加される減速電源からの電圧４と、加速電極１－３に印加される加速電源からの電圧５と、をそれぞれ適切な値に制御する。
【0058】
＜ΔＥ計測制御器１７の作用＞
ここでは、ΔＥ計測制御器１７の動作および作用について詳述する。図２に示されるように、第３電極１－７（図３参照）には引出電源の出力電圧８（数ｋＶ）が印加されている。例えば、荷電粒子源９には第１加速電源からの電圧７（－３０００．０００Ｖ）が印加されている。引出電源の出力電圧８として＋３０００．０００Ｖが第３電極１－７に印加されている。この場合、ＧＮＤ電位は荷電粒子源９からみて＋３０００．０００Ｖのポテンシャルとなる。また、引出電源の出力電圧８（＋３０００．０００Ｖ）で引き出された荷電粒子ビーム１０のエネルギーも荷電粒子源９からみて＋３０００．０００Ｖである。従って、減速電極１－２に適切な電圧Ｖｒが印加され、電極空洞１－２ａの中心近傍の光軸１８上に－３０００．０００Ｖのポテンシャル障壁が形成されれば、＋３０００．０００Ｖより小さいエネルギーを持つ荷電粒子２は、ポテンシャル障壁によってすべて反射される。
ここでは、ΔＥ計測制御器１７の動作および作用について詳述する。図２に示されるように、第３電極１－７（図３参照）には引出電源の出力電圧８（数ｋＶ）が印加されている。例えば、荷電粒子源９には第１加速電源からの電圧７（－３０００．０００Ｖ）が印加されている。引出電源の出力電圧８として＋３０００．０００Ｖが第３電極１－７に印加されている。この場合、ＧＮＤ電位は荷電粒子源９からみて＋３０００．０００Ｖのポテンシャルとなる。また、引出電源の出力電圧８（＋３０００．０００Ｖ）で引き出された荷電粒子ビーム１０のエネルギーも荷電粒子源９からみて＋３０００．０００Ｖである。従って、減速電極１－２に適切な電圧Ｖｒが印加され、電極空洞１－２ａの中心近傍の光軸１８上に－３０００．０００Ｖのポテンシャル障壁が形成されれば、＋３０００．０００Ｖより小さいエネルギーを持つ荷電粒子２は、ポテンシャル障壁によってすべて反射される。
【0059】
エネルギーフィルタ１を通過した荷電粒子ビーム１０はエネルギーフィルタ１と同電位であるファラデーカップ１５まで直進するため、荷電粒子ビーム１０はすべてファラデーカップ１５で検出される。従って、ファラデーカップ１５で検出される電流Ｉｐ（Ｖｒ）は減速電極１－２に印加される電圧Ｖｒの関数となり、式（３）で表される。
【0060】
【数3】
【0061】
式（３）において、Ｄ（Ｅ）は荷電粒子源９から放射された荷電粒子ビーム１０のエネルギースペクトルを示し、ｆ（Ｖｒ｜Ｅ）は荷電粒子２のエネルギーがＥの場合に減速電極１－２に電圧Ｖｒが印加された時のエネルギーフィルタ１を透過する荷電粒子ビーム１０の透過率を示す。式（１）に示すように、電流Ｉｐ（Ｖｒ）はＤ（Ｅ）とｆ（Ｖｒ｜Ｅ）とのコンボリューションで表される。
【0062】
図１５Ａは、電流Ｉｐ（Ｖｒ）とＩｐ（Ｖｒ）のＶｒでの微分ｄＩｐ（Ｖｒ）／ｄＶｒとの関係を示す図である。図１５Ａからは、エネルギーＥを持つ荷電粒子ビーム１０に対して減速電圧Ｖｒが小さいと荷電粒子ビーム１０はすべてエネルギーフィルタ１を透過するが、減速電圧Ｖｒがある値近傍になると荷電粒子ビーム１０の一部は透過できなくなり、ある値以上ですべて反射することが分かる。以下の式（４）は、Ｉｐ（Ｖｒ）の微分を示す式である。
【0063】
【数4】
【0064】
Ｉｐ（Ｖｒ）の微分は、荷電粒子のエネルギー分布Ｄε（Ｅ）を示すが、エネルギー分布Ｄε（Ｅ）の形は、透過関数ｆ（Ｖｒ｜Ｅ）の形による。
【0065】
図１５Ｂは、透過関数ｆ（Ｖｒ｜Ｅ）の形（一例）を示す図である。図１５Ｂによれば、透過関数ｆ（Ｖｒ｜Ｅ）は、エネルギーＥがＶｒより十分小さければｆ（Ｖｒ｜Ｅ）＝１となるが、Ｖｒ近傍で減衰し、十分Ｖｒより大きいとｆ（Ｖｒ｜Ｅ）＝０となることが分かる。また、Ｖｒの近傍での減衰幅εの大きさによって、観測されるエネルギースベクトルＤε（Ｅ）となる。式（４）に示すように、減衰幅εが十分小さければＤε（Ｅ）は荷電粒子ビーム１０のエネルギースベクトルＤ（Ｅ）に等しくなる。従って、荷電粒子ビーム１０のエネルギースベクトルＤ（Ｅ）を精度よく計測するためには、減衰幅εが小さいエネルギーフィルタ１が必要であることがわかる。
【0066】
本実施形態によるエネルギーフィルタ１の減衰幅εは、｜ε｜＜１ｍＶと極めて小さく、計測されるエネルギースベクトルＤε（Ｅ）は、Ｄε（Ｅ）≒Ｄ（Ｅ）とみなすことができる。
【0067】
荷電粒子ビーム１０のエネルギー分散ΔＥは、エネルギースベクトルＤε（Ｅ）あるいはＤ（Ｅ）の半値幅で表すことができる。Ｄε（Ｅ）の半値幅をエネルギー分散ΔＥとすると、ΔＥ計測制御器１７は、減速電極１－２に印加する電圧Ｖｒを走査して式（３）および式（４）からＤε（Ｅ）を算出することにより、エネルルギー分散ΔＥを求めることができる。
【0068】
絞り１１が光軸１８上に挿入されていない場合、計算されたエネルギー分散ΔＥは、荷電粒子源９から放出された荷電粒子ビーム１０のエネルギー分散ΔＥとみなすことができる。一方、絞り１１が光軸１８上に挿入された場合、絞り１１を通過した荷電粒子ビームはその高エネルギー側の一部を絞り１１によって制限を受けるため、より小さなエネルギーΔＥの値となる。
【0069】
以上のように、ΔＥ計測制御器１７は、エネルギー分散ΔＥを上述した手順によって計測し、エネルギー分散ΔＥの値が最小となるように減速電極１－２に印加する電圧Ｖｒを調節する。エネルギー分散ΔＥの値が最小になるＶｒは数式（４）に示すＩｐの微分値が最大となるＶｒ或いは変曲点となるＶｒの近傍にある。従って、ＶｒをＩｐの微分値が最大となる値或いは変曲点となる値に設定することもできる。
【0070】
＜減速電極１－２の周辺部の構成例＞
図１６は、本実施形態による減速電極１－２の周辺部の構成例を示す図である。減速電極１－２については図２等にも示されているが、エネルギーアナライザ３１から減速電極１－２の周辺部の構成のみを抽出してここで改めて説明する。
図１６は、本実施形態による減速電極１－２の周辺部の構成例を示す図である。減速電極１－２については図２等にも示されているが、エネルギーアナライザ３１から減速電極１－２の周辺部の構成のみを抽出してここで改めて説明する。
【0071】
減速電極周辺部は、光軸１８を中心として回転対称に配置された、減速電極１－２と、加速電極１－３と、第１電極１－１と、を含む。減速電極１－２、加速電極１－３、および第１電極１－１は、それぞれ所定の幅を有する円盤状の部材で構成される。
【0072】
減速電極１－２、加速電極１－３、および第１電極１－１は、絶縁体である電極保持材１－８で保持されている。第１電極１－１は、シールド１－９と接続し、同電位となる。シールド１－９は、透磁率の高い部材（例えば、パーマロイ）で作製されており、外部の浮遊磁場を遮蔽している。同様に、第１電極１－１も透磁率の高い部材（例えば、パーマロイ）で作製することができる。
【0073】
減速電極１－２は、光軸１８を中心として回転対称に設けられた空洞を有している（電極空洞１－２ａ）。荷電粒子源９と減速電極１－２との間には、複数の電子レンズがあり（図２参照）、エネルギーフィルタ１には、荷電粒子源９から放出された荷電粒子ビーム１０を入射される。
【0074】
＜エネルギーフィルタ１の構成例＞
図１７は、本実施形態によるエネルギーフィルタ１の構成例を示す図である。エネルギーフィルタ１については図２等にも示されているが、エネルギーアナライザ３１からエネルギーフィルタ１の構成のみを抽出してここで改めて説明する。
図１７は、本実施形態によるエネルギーフィルタ１の構成例を示す図である。エネルギーフィルタ１については図２等にも示されているが、エネルギーアナライザ３１からエネルギーフィルタ１の構成のみを抽出してここで改めて説明する。
【0075】
エネルギーフィルタ１は、光軸１８を中心として回転対称に設けられた、減速電極１－２と、加速電極１－３と、第１電極１－１と、第１集束電極１－４と、第２電極１－５とを含む。減速電極１－２、加速電極１－３、第１電極１－１、第１集束電極１－４、および第２電極１－５は、絶縁体である電極保持材１－８で保持されている。第１電極１－１と第２電極１－５とは、シールド１－９と接続し同電位となる。シールド１－９は、透磁率の高い部材（例えば、パーマロイ）で作製されており、外部の浮遊磁場を遮蔽している。同様に、第１電極１－１と第２電極１－５も透磁率の高い部材（例えば、パーマロイ）で作製することができる。
【0076】
減速電極１－２は、光軸１８を中心として回転対称に設けられた空洞を有している（電極空洞１－２ａ）。荷電粒子源９とエネルギーフィルタ１との間には図、複数の電子レンズがあり（図２参照）、エネルギーフィルタ１には、荷電粒子源９から放出された荷電粒子ビーム１０を入射される。
【0077】
＜エネルギーフィルタ１を備える荷電粒子ビーム装置の構成例＞
図１８は、本実施形態によるエネルギーフィルタ１を備える荷電粒子ビーム装置の構成例を示す図である。
図１８における荷電粒子ビーム装置は、エネルギーフィルタ1を用いて、荷電粒子ビーム１０を試料１４に照射して試料１４から放出される二次電子２５を検出する。図示していない荷電粒子源から放出された荷電粒子ビーム１０は、図示していない電子レンズによって試料１４上に集束される。試料１４から放出された二次電子２５は、インプットレンズ２６を介してエネルギーフィルタ１に入射する。そして、エネルギーフィルタ１によってエネルギー選別された荷電粒子が二次電子検出器２４で検出される。インプットレンズ２６とエネルギーフィルタ１との間にはアライナ２７が配置され、エネルギーフィルタ１の入射条件（表１参照）を満たすように、二次電子２５が偏向される。試料１４に入射する荷電粒子ビーム１０は、図示していない偏向器によって試料１４上で走査され、最終的に二次電子検出器２４で同期して検出される。これにより、エネルギー選別された二次電子像を得ることが可能となる。
図１８は、本実施形態によるエネルギーフィルタ１を備える荷電粒子ビーム装置の構成例を示す図である。
図１８における荷電粒子ビーム装置は、エネルギーフィルタ1を用いて、荷電粒子ビーム１０を試料１４に照射して試料１４から放出される二次電子２５を検出する。図示していない荷電粒子源から放出された荷電粒子ビーム１０は、図示していない電子レンズによって試料１４上に集束される。試料１４から放出された二次電子２５は、インプットレンズ２６を介してエネルギーフィルタ１に入射する。そして、エネルギーフィルタ１によってエネルギー選別された荷電粒子が二次電子検出器２４で検出される。インプットレンズ２６とエネルギーフィルタ１との間にはアライナ２７が配置され、エネルギーフィルタ１の入射条件（表１参照）を満たすように、二次電子２５が偏向される。試料１４に入射する荷電粒子ビーム１０は、図示していない偏向器によって試料１４上で走査され、最終的に二次電子検出器２４で同期して検出される。これにより、エネルギー選別された二次電子像を得ることが可能となる。
【0078】
＜実施形態のまとめ＞
（i）本実施形態のエネルギーフィルタによれば、エネルギー分散ΔＥの値が大きい荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームのΔＥを小さくでき、ΔＥの小さくなった荷電粒子ビームを電子レンズによってより小さく試料上に集束できるようになる。また、装置を大型化することなく、ΔＥの小さな荷電粒子ビームを形成することができる。さらに、荷電粒子ビームのΔＥを高いエネルギー分解能（例えば、ΔＥ＝～数ｍＶ）で計測でき、荷電粒子源の性能評価を行うことができる。また、減速電極に空洞が設けられていることによってエネルギー分散した荷電粒子が減速電極の内壁に衝突しないため内壁がコンタミで汚れることがなく、減速電極空洞中の電場を安定に維持することができ、エネルギー分解能の経年変化がない。
（i）本実施形態のエネルギーフィルタによれば、エネルギー分散ΔＥの値が大きい荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームのΔＥを小さくでき、ΔＥの小さくなった荷電粒子ビームを電子レンズによってより小さく試料上に集束できるようになる。また、装置を大型化することなく、ΔＥの小さな荷電粒子ビームを形成することができる。さらに、荷電粒子ビームのΔＥを高いエネルギー分解能（例えば、ΔＥ＝～数ｍＶ）で計測でき、荷電粒子源の性能評価を行うことができる。また、減速電極に空洞が設けられていることによってエネルギー分散した荷電粒子が減速電極の内壁に衝突しないため内壁がコンタミで汚れることがなく、減速電極空洞中の電場を安定に維持することができ、エネルギー分解能の経年変化がない。
【0079】
（ii）より具体的には、本実施形態によるエネルギーフィルタには、開口部を有する単孔電極対を有する減速電極に開口部の半径Ｒよりも大きい半径を有する空洞部を設けている。このような空洞部を減速電極内に設けることにより、エネルギーフィルタ内の荷電粒子ビームのエネルギー分散を大きくすることができ、その結果、エネルギーフィルタから出力される荷電粒子ビームのエネルギー分散を小さく（エネルギー分解能を高く（エネルギー分解能の値を小さく））することが可能となる。また、このような空洞部を設けることにより、減速電極のサイズを大きくすることなく減速電極内の空間を大きくすることができるので、エネルギーフィルタ自体のサイズ、延いてはエネルギーアナライザおよび荷電粒子線装置の装置サイズも小さくすることが可能となる。
【0080】
減速電極の光軸方向の幅をＤとすると、減速電極はＤ／Ｒ≧５の関係を有するように構成される。このようにすると、減速電極の単孔電極対において荷電粒子ビームの入口側に配置される単孔電極の焦点ｆと開口部の半径Ｒとの関係は、以下の式（５）で表される。
［数５］
ｆ＝λＲ、λ＝０．６４±０．０５（λ：無次元の係数） （５）
即ち、単孔電極の焦点ｆは、減速電極の幅Ｄの値に依らずに、開口部の半径Ｒのみで決定される値となる。この場合、減速電極の前段と後段に配置される第１電極（上流側）と第２電極（下流側）にそれぞれ所定の電位を印加することによって発生する電界は、減速電極の空洞部の内部に侵界し、荷電粒子ビームのエネルギーと抗する電位の鞍点（エネルギー分散点）が形成される。また、当該エネルギーフィルタは、鞍点と交わる光軸の近傍で、荷電粒子ビームのエネルギー選別を行う、エネルギー分解能が高いハイパスフィルタとして作用する。
［数５］
ｆ＝λＲ、λ＝０．６４±０．０５（λ：無次元の係数） （５）
即ち、単孔電極の焦点ｆは、減速電極の幅Ｄの値に依らずに、開口部の半径Ｒのみで決定される値となる。この場合、減速電極の前段と後段に配置される第１電極（上流側）と第２電極（下流側）にそれぞれ所定の電位を印加することによって発生する電界は、減速電極の空洞部の内部に侵界し、荷電粒子ビームのエネルギーと抗する電位の鞍点（エネルギー分散点）が形成される。また、当該エネルギーフィルタは、鞍点と交わる光軸の近傍で、荷電粒子ビームのエネルギー選別を行う、エネルギー分解能が高いハイパスフィルタとして作用する。
【0081】
エネルギーフィルタは、複数の集束レンズで構成される集束レンズ系を有するが、この集束レンズ系は、少なくとも二段の集束レンズを含み、当該二段の集束レンズの間に中間集束点を有する。そして、二段の集束レンズのうち、荷電粒子源から近位に位置する上流側の集束レンズ（第２集束電極１－６）は、荷電粒子源を物点とし、中間集束点を像点とする縮小系を構成する。一方、二段の集束レンズのうち、荷電粒子源から遠位に位置する下流側の集束レンズ（第１集束電極１－４）は、中間集束点を物点とし、減速電極の入り口近傍に形成された集束点を像点とする拡大系を構成する。このとき、当該中間集束点と下流側の集束レンズとの距離L１ａと、下流側の集束レンズと集束レンズ系の集束点との距離Ｌ１ｂとの関係がＬ１ａ＜Ｌ１ｂとなるように、下流側の集束レンズ（第１集束電極１－４）が配置される。これにより、集束レンズ系の角度倍率を小さくすることが可能となり、よって荷電粒子ビームの減速電極への入射角を小さくすることができるため、荷電粒子ビームのエネルギー分解能を高くすることが可能となる。
【0082】
なお、第１電極（第１電極１－１）に印加される電圧は荷電粒子ビームの加速電圧に等しく設定されるが、第２電極（加速電極１－３）に印加される電圧は可変とすることができる。第２電極への印加電圧を制御することにより、荷電粒子ビームを１ｍＶの分解能で分離するエネルギーフィルタを実現することができる。
【0083】
（iii）上記エネルギーフィルタをエネルギーアナライザに組み込むことができる。このとき、エネルギーアナライザは、エネルギーフィルタに加え、当該エネルギーフィルタの後段に配置されたファラデーカップと、ファラデーカップに流入する荷電粒子ビームの電流量を計測する電流計と、電流量に基づいて、荷電粒子ビームのエネルギー分散ΔＥの値を算出するΔＥ計測制御器と、を備える。そして、ΔＥ計測制御器は、減速電極に電圧Ｖｒを印加した時の電流計で計測した電流量Ｉｐ（Ｖｒ）からその微分値を計測する処理と、電圧Ｖｒに対する電流量Ｉｐ（Ｖｒ）の微分値で示されるスベクトルの半値幅を荷電粒子ビームのエネルギー分散ΔＥの値として算出する処理と、を実行し、電流量Ｉｐ（Ｖｒ）の微分値が最大になる電圧Ｖｒまたは電流量Ｉｐ（Ｖｒ）の変曲点となる電圧Ｖｒを減速電極に印加する。
【0084】
（iv）本実施形態によるエネルギーフィルタあるいはエネルギーアナライザは、例えば、ＳＥＭ、ＴＥＭ、ＳＴＥＭ、ＡＵＧＥＲ、ＦＩＢ、ＰＥＥＭ、およびＬＥＥＭなどの荷電粒子ビーム装置に適用することができる。
【0085】
（iv）以上、本実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、以下に示す請求の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本開示の技術の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、本開示の技術の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0086】
１ エネルギーフィルタ
１－１ 第１電極
１－２ 減速電極
１－３ 加速電極
１－４ 第１集束電極
１－５ 第２電極
１－６ 第２集束電極
１－７ 第３電極
１－８ 電極保持材
２ 荷電粒子
２－１ 荷電粒子ａ
２－２ 荷電粒子ｂ
３ 第１集束電源からの電圧
４ 減速電源からの電圧
５ 第２加速電源からの電圧
６ 第２集束電源からの電圧
７ 第１加速電源からの電圧
８ 引出電源の出力電圧
９ 荷電粒子源
１０ 荷電粒子ビーム
１１ 絞り
１２ 電子レンズ
１３ 対物レンズ
１４ 試料
１５ ファラデーカップ
１６ 電流計
１７ ΔＥ計測制御器
１８ 光軸
１９ 等電位線
１９－１ 等電位線ａ
１９－２ 等電位線ｂ
２０ 集束点
２０－１ 集束点ａ
２０－２ 集束点ｂ
２１ エネルギー分散点
２２ ハイパスフィルタ
２３ ローパスフィルタ
２４、３４ 二次電子検出器
２５ 二次電子
２６ インプットレンズ
２７ アライナ
３０ 荷電粒子ビームシステム
３１ エネルギーアナライザ
３２ 制御装置
３３ 後方散乱電子検出器
３５ コンピュータシステム
３６ 記憶装置
３７ 入出力装置
１－１ 第１電極
１－２ 減速電極
１－３ 加速電極
１－４ 第１集束電極
１－５ 第２電極
１－６ 第２集束電極
１－７ 第３電極
１－８ 電極保持材
２ 荷電粒子
２－１ 荷電粒子ａ
２－２ 荷電粒子ｂ
３ 第１集束電源からの電圧
４ 減速電源からの電圧
５ 第２加速電源からの電圧
６ 第２集束電源からの電圧
７ 第１加速電源からの電圧
８ 引出電源の出力電圧
９ 荷電粒子源
１０ 荷電粒子ビーム
１１ 絞り
１２ 電子レンズ
１３ 対物レンズ
１４ 試料
１５ ファラデーカップ
１６ 電流計
１７ ΔＥ計測制御器
１８ 光軸
１９ 等電位線
１９－１ 等電位線ａ
１９－２ 等電位線ｂ
２０ 集束点
２０－１ 集束点ａ
２０－２ 集束点ｂ
２１ エネルギー分散点
２２ ハイパスフィルタ
２３ ローパスフィルタ
２４、３４ 二次電子検出器
２５ 二次電子
２６ インプットレンズ
２７ アライナ
３０ 荷電粒子ビームシステム
３１ エネルギーアナライザ
３２ 制御装置
３３ 後方散乱電子検出器
３５ コンピュータシステム
３６ 記憶装置
３７ 入出力装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図15A】
【図15B】
【図16】
【図17】
【図18】