特許7505794球面収差調整カソードレンズ、球面収差補正静電型レンズ、電子分光装置、及び光電子顕微鏡
(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】2024-06-17
(45)【発行日】2024-06-25
(54)【発明の名称】球面収差調整カソードレンズ、球面収差補正静電型レンズ、電子分光装置、及び光電子顕微鏡
(51)【国際特許分類】
H01J 37/153 20060101AFI20240618BHJP
【ＦＩ】
H01J37/153 Z
【請求項の数】
25
(21)【出願番号】P 2021565660
(86)(22)【出願日】2020-12-17
(86)【国際出願番号】 JP2020047288
(87)【国際公開番号】W WO2021125297
(87)【国際公開日】2021-06-24
【審査請求日】2023-11-16
(31)【優先権主張番号】P 2019227788
(32)【優先日】2019-12-17
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】504261077
【氏名又は名称】大学共同利用機関法人自然科学研究機構
(74)【代理人】
【識別番号】110000822
【氏名又は名称】弁理士法人グローバル知財
(72)【発明者】
【氏名】松田 博之
(72)【発明者】
【氏名】松井 文彦
【審査官】中尾 太郎
(56)【参考文献】
【文献】特開昭６２－１７７８４３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０８－１１１１９９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－３２４１１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第６１０４０２９（ＵＳ，Ａ）
【文献】国際公開第２００６／００８８４０（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｊ ３７／１５３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
レンズ軸上に点源が配置される点源電極と、前記点源から発生した荷電粒子を引き込むための引き込み電極とで構成されるカソードレンズにおいて、前記引き込み電極は、レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、端部に開口面が形成された突壁部を有し、前記開口面に平面グリッド部が形成されたことを特徴とする球面収差調整カソードレンズ。
【請求項2】
前記点源電極は、ａ）レンズ軸に垂直な平面状電極、又は、
ｂ）レンズ軸に垂直な平面状電極であってレンズ軸方向に軸対称な凸部を有し該凸部の上部中央に前記点源が配置された電極、又は、
ｃ）先端部に前記点源が配置された軸対称又はロッド状の電極であって、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートの前記貫通穴の位置もしくは前記貫通穴を通った位置に前記先端部が配置された電極、
の何れかであることを特徴とする請求項１に記載の球面収差調整カソードレンズ。
【請求項3】
前記引き込み電極は、前記ベース面が対向するように配置された第１及び第２の引き込み電極であり、前記点源電極が２つの前記ベース面の間に配置されたデュアル型の請求項１に記載の球面収差調整カソードレンズ。
【請求項4】
前記点源電極は、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートもしくは平面グリッドがレンズ軸と垂直に配置されたものであり、前記点源としてガス状の分子又は粒子を用い、
前記穴あきプレートと前記平面グリッドは、レンズ軸上に貫通穴に対して噴射するガスを供給もしくは回収するために、内部又は表面に前記ガスの流路が設けられることを特徴とする請求項１に記載の球面収差調整カソードレンズ。
【請求項5】
前記点源電極は、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートもしくは平面グリッドがレンズ軸と垂直に配置されたものであり、前記点源としてガス状の分子又は粒子を用い、
前記穴あきプレートと前記平面グリッドは、レンズ軸上に貫通穴に対して噴射するガスを供給もしくは回収するために、内部又は表面に前記ガスの流路が設けられることを特徴とする請求項３に記載の球面収差調整カソードレンズ。
【請求項6】
前記引き込み電極は、前記突壁部の高さｈと前記平面グリッド部の径Ｄのアスペクト比（ｈ／Ｄ）が０．１～０．５であることを特徴とする請求項１、２、４の何れかに記載の球面収差調整カソードレンズ。
【請求項7】
前記引き込み電極は、前記突壁部の高さｈと前記平面グリッド部の径Ｄのアスペクト比（ｈ／Ｄ）が０．１～０．５であることを特徴とする請求項３又は５に記載の球面収差調整カソードレンズ。
【請求項8】
前記点源としてガス状の分子又は粒子を用い、前記点源電極において、前記穴あきプレート又は平面グリッドを配置する替わりに、
前記引き込み電極の印加電圧により電場を調整する電場調整手段を備え、
前記電場調整手段により、前記点源の周辺に平行電場を形成させ、一方の前記引き込み電極で負の荷電粒子を引き込み、他方の前記引き込み電極で正の荷電粒子を引き込むことを特徴とする請求項３、５、７の何れかに記載の球面収差調整カソードレンズ。
【請求項9】
請求項１、２、４、６の何れかの球面収差調整カソードレンズと、前記引き込み電極の前記突壁部と対向する軸対称な凹面形状を有するメッシュ電極と、
中心軸が一致するように配置された軸対称の複数のリング状電極、
を備え、
前記点源から発生した荷電粒子の球面収差を補正し、収束ビームを生成することを特徴とする球面収差補正静電型レンズ。
【請求項10】
請求項３、５、７、８の何れかの球面収差調整カソードレンズと、それぞれの前記引き込み電極において、
前記突壁部と対向する軸対称な凹面形状を有するメッシュ電極と、
中心軸が一致するように配置された軸対称の複数のリング状電極、
を備え、
前記点源から発生した荷電粒子をそれぞれの前記引き込み電極で引き込み、球面収差を補正し、収束ビームを生成することを特徴とするデュアル型球面収差補正静電型レンズ。
【請求項11】
前記メッシュ電極は、前記凹面形状の深さｄと開口半径Ｒの比（ｄ／Ｒ）が１以下であることを特徴とする請求項９に記載の球面収差補正静電型レンズ。
【請求項12】
前記メッシュ電極は、前記凹面形状の深さｄと開口半径Ｒの比（ｄ／Ｒ）が１以下であることを特徴とする請求項１０に記載のデュアル型球面収差補正静電型レンズ。
【請求項13】
請求項９又は１１の球面収差補正静電型レンズと請求項１０又は１２のデュアル型球面収差補正静電型レンズの何れかの静電型レンズと、前記静電型レンズと同軸に配置される軸対称な減速レンズと、
前記減速レンズの出口に配置されるアパーチャと、
前記アパーチャの出口側に配置され前記静電型レンズと共軸に配置される平面コリメータプレートと、
前記アパーチャを通過した荷電粒子が前記平面コリメータプレートに対して垂直に入射するように前記静電型レンズと同軸に配置される軸対称なメッシュ電極及びリング状電極、
を備えることを特徴とする電子分光装置。
【請求項14】
請求項９又は１１の球面収差補正静電型レンズと請求項１０又は１２のデュアル型球面収差補正静電型レンズの何れかの静電型レンズと、前記静電型レンズの出口に配置されるアパーチャと、
前記アパーチャの出口側に配置され前記静電型レンズと同軸に配置される軸対称な加速レンズと、
前記加速レンズと共軸に配置される平面コリメータプレートと、
前記加速レンズを通過した荷電粒子が前記平面コリメータプレートに対して垂直に入射するように前記静電型レンズと同軸に配置される軸対称なメッシュ電極及びリング状電極、
を備えることを特徴とする光電子顕微鏡。
【請求項15】
請求項９又は１１の球面収差補正静電型レンズと請求項１０又は１２のデュアル型球面収差補正静電型レンズの何れかの静電型レンズと、前記静電型レンズと同軸に配置される軸対称な減速レンズと、
前記減速レンズの出口に配置されるアパーチャと、
前記アパーチャの出口側に配置される内外球からなる静電半球部、
を備えることを特徴とする電子分光装置。
【請求項16】
レンズ軸上に点源が配置される点源電極と、前記点源から発生した荷電粒子を引き込むための引き込み電極とで構成されるカソードレンズにおいて、前記引き込み電極は、レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、端部に開口面が形成された突壁部を有し、前記突壁部の内面形状が外側にテーパ状に拡がった端部に前記開口面が形成され、
前記点源電極は、
ａ）レンズ軸に垂直な平面状電極、又は、
ｂ）レンズ軸に垂直な平面状電極であってレンズ軸方向に軸対称な凸部を有し該凸部の上部中央に前記点源が配置された電極、又は、
ｃ）先端部に前記点源が配置された軸対称又はロッド状の電極であって、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートの前記貫通穴の位置もしくは前記貫通穴を通った位置に前記先端部が配置された電極、
の何れかであることを特徴とする球面収差調整カソードレンズ。
【請求項17】
前記引き込み電極は、前記ベース面が対向するように配置された第１及び第２の引き込み電極であり、前記点源電極が２つの前記ベース面の間に配置されたデュアル型の請求項１６に記載の球面収差調整カソードレンズ。
【請求項18】
前記点源電極は、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートもしくは平面グリッドがレンズ軸と垂直に配置されたものであり、前記点源としてガス状の分子又は粒子を用い、
前記穴あきプレートと前記平面グリッドは、レンズ軸上に貫通穴に対して噴射するガスを供給もしくは回収するために、内部又は表面に前記ガスの流路が設けられることを特徴とする請求項１６に記載の球面収差調整カソードレンズ。
【請求項19】
前記点源電極は、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートもしくは平面グリッドがレンズ軸と垂直に配置されたものであり、前記点源としてガス状の分子又は粒子を用い、
前記穴あきプレートと前記平面グリッドは、レンズ軸上に貫通穴に対して噴射するガスを供給もしくは回収するために、内部又は表面に前記ガスの流路が設けられることを特徴とする請求項１７に記載の球面収差調整カソードレンズ。
【請求項20】
前記点源としてガス状の分子又は粒子を用い、前記点源電極において、前記穴あきプレート又は平面グリッドを配置する替わりに、
前記引き込み電極の印加電圧により電場を調整する電場調整手段を備え、
前記電場調整手段により、前記点源の周辺に平行電場を形成させ、一方の前記引き込み電極で負の荷電粒子を引き込み、他方の前記引き込み電極で正の荷電粒子を引き込むことを特徴とする請求項１７又は１９に記載の球面収差調整カソードレンズ。
【請求項21】
請求項１６又は１８の球面収差調整カソードレンズと、前記引き込み電極の前記突壁部と対向する軸対称な凹面形状を有するメッシュ電極と、
中心軸が一致するように配置された軸対称の複数のリング状電極、
を備え、
前記点源から発生した荷電粒子の球面収差を補正し、収束ビームを生成することを特徴とする球面収差補正静電型レンズ。
【請求項22】
請求項１７、１９、２０の何れかの球面収差調整カソードレンズと、それぞれの前記引き込み電極において、
前記突壁部と対向する軸対称な凹面形状を有するメッシュ電極と、
中心軸が一致するように配置された軸対称の複数のリング状電極、
を備え、
前記点源から発生した荷電粒子をそれぞれの前記引き込み電極で引き込み、球面収差を補正し、収束ビームを生成することを特徴とするデュアル型球面収差補正静電型レンズ。
【請求項23】
請求項２１の球面収差補正静電型レンズと請求項２２のデュアル型球面収差補正静電型レンズの何れかの静電型レンズと、前記静電型レンズと同軸に配置される軸対称な減速レンズと、
前記減速レンズの出口に配置されるアパーチャと、
前記アパーチャの出口側に配置され前記静電型レンズと共軸に配置される平面コリメータプレートと、
前記アパーチャを通過した荷電粒子が前記平面コリメータプレートに対して垂直に入射するように前記静電型レンズと同軸に配置される軸対称なメッシュ電極及びリング状電極、
を備えることを特徴とする電子分光装置。
【請求項24】
請求項２１の球面収差補正静電型レンズと請求項２２のデュアル型球面収差補正静電型レンズの何れかの静電型レンズと、前記静電型レンズの出口に配置されるアパーチャと、
前記アパーチャの出口側に配置され前記静電型レンズと同軸に配置される軸対称な加速レンズと、
前記加速レンズと共軸に配置される平面コリメータプレートと、
前記加速レンズを通過した荷電粒子が前記平面コリメータプレートに対して垂直に入射するように前記静電型レンズと同軸に配置される軸対称なメッシュ電極及びリング状電極、
を備えることを特徴とする光電子顕微鏡。
【請求項25】
請求項２１の球面収差補正静電型レンズと請求項２２のデュアル型球面収差補正静電型レンズの何れかの静電型レンズと、前記静電型レンズと同軸に配置される軸対称な減速レンズと、
前記減速レンズの出口に配置されるアパーチャと、
前記アパーチャの出口側に配置される内外球からなる静電半球部、
を備えることを特徴とする電子分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、試料に紫外線やＸ線などの光又は電子線を照射して、表面から出てきた荷電粒子を取り込んで収束させる静電型レンズと、紫外光電子分光法（UPS：Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy）やＸ線光電子分光法（XPS：X-ray Photoelectron Spectroscopy)などの光電子分光装置、オージェ電子分光装置、角度分解光電子分光装置、光電子回折装置など各種の電子分光装置、及び光電子顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【0002】
電子分光装置において、感度はエネルギー分解能と共に最も重要な性能の一つである。光電子又はオージェ電子の測定において、シグナルが微弱でほとんどノイズに埋もれている場合、十分なＳＮ比(Signal to Noise ratio)を得るには溜め込み時間を大幅に増やして測定する必要がある。しかしながら、これでは測定が効率的に行えないだけでなく、放射光施設の利用時間や励起光源の持続時間といった時間的制約により連続測定時間を制限せざるを得ないことも少なくない。また、有機材料などの放射線損傷を受けやすい試料や経時変化しやすい試料においては、長時間測定が阻まれ、多くの場合、微弱なシグナルが十分捉えられていないのが実状である。
新しい半導体材料や超伝導材料の研究においては、高度なドーピング技術が用いられ、極微量のドーパントであっても材料に大きな変化をもたらし得ることが知られている。このようなドーパントからの微弱なシグナルを捉えることは、新しい材料の開発において極めて重要である。
新しい半導体材料や超伝導材料の研究においては、高度なドーピング技術が用いられ、極微量のドーパントであっても材料に大きな変化をもたらし得ることが知られている。このようなドーパントからの微弱なシグナルを捉えることは、新しい材料の開発において極めて重要である。
【0003】
また、マイクロ、ナノデバイスや微小なドメインが多数形成される多結晶材料、多磁区材料等の研究においては、マイクロプローブ又は制限視野アパーチャを用いた微小領域分析が重要になる。しかし、より小さな領域を測定対象としようとするときシグナル強度の低下が避けられない。このようなことから、新たな電子分光装置の開発においては、感度の向上が一つの重要なポイントになる。
【0004】
電子分光装置では、試料から放出された電子のエネルギー分布の測定に加えて、放出角度分布の測定が可能である。エネルギー分布の測定では元素の組成の情報が得られ、放出角度分布の測定では深さ方向の組成情報や電子状態情報が得られる。また、光電子放出過程では試料面内方向の運動量が保存されるため、光電子の運動エネルギーと放出角度を測定することによって、物質中における電子の運動量の情報が得られる。紫外線やＸ線を試料に照射し、エネルギーを価電子帯に合わせて光電子の運動エネルギーと放出角度分布を測定することにより、物質のエネルギーバンド構造を評価し、物質の性質をほぼ決定することができる。さらに、内殻からの光電子放出では、運動エネルギーが数百ｅＶ以上になると、光電子放出原子とその周りにある散乱原子を結ぶ方向に、前方収束ピークと呼ばれる強いピークが現れる。このピークを広い角度範囲にわたって測定することによって、特定原子の周りの原子配列の様子を直接的に捉えることが可能になる。また、前方収束ピークの周りに形成される回折リングの直径から原子間距離を割り出すことも可能である。上記のように、電子分光装置による放出角度分布の測定は、他の分析手法では困難な原子レベルの詳細な情報を得ることを可能にし、新しい材料の開発や未知の物性発現機構の研究を行う上で非常に強力な手法となる。
【0005】
現在、様々な方法で放出角度分布の測定が行われているが、カイ・シーグバーンらによって“高分解能光電子分光法”が確立された１９６０年代から１９９０年頃までの黎明期においては、特定の方向の電子のみを取り込んで分析する静電半球型アナライザーが広く用いられてきた。この静電半球型アナライザーは、高エネルギー分解能を達成できる反面、放出角度分布の測定は、試料又はアナライザーを少しずつ回転しながら行われるため、広い立体角にわたるデータを取得するには膨大な時間がかかってしまい、逆格子空間の広い領域を測定対象とすることは困難であった。
【0006】
また、“角度分解光電子分光”は、１９９０年頃から二つの異なる考え方のアプローチで開発が進められてきた。一つは上記の“高分解能光電子分光法”の開発の流れの中で新たな技術を導入していくというものであり、もう一つは角度分布測定に焦点を合わせた新たな方法を開発するというものであった。
【0007】
図１６は、前者の考え方の下で開発された角度分解電子分光装置の概略図である。角度分解電子分光装置１００の基本部分は、試料１０１から放出された電子を取り込んで収束させるインプットレンズ１０２、内球と外球からなる静電半球部（ＣＨＡ）１０３、静電半球部１０３の入口に設けられたスリット１０４、静電半球部１０３の出口に設けられた検出器１０５からなる。インプットレンズの減速比とスリット幅の両方又は何れかを変えることによってエネルギー分解能が調整される。測定には、エネルギースペクトルの位置依存性の二次元情報が一度に得られる「顕微スペクトルモード」（Transmissionモード、Spatialモードともいう）と、エネルギースペクトルの角度分布の二次元情報が一度に得られる「角度分解スペクトルモード」（Diffractionモード、Angularモードともいう）が用いられる。
【0008】
顕微スペクトルモードと角度分解スペクトルモードの切り替えはレンズ電圧によって行われる。顕微スペクトルモードでは、像面がスリット位置に、一方、角度分解スペクトルモードでは、回折面（角度分布）がスリット位置にくるようにレンズ電圧が調整される。角度分解スペクトルモードでは、静電半球部１０３の出口において、入口と出口を結ぶ方向にエネルギー分散が形成され、それと垂直の方向に一次元の角度分布が形成される。ここで、一度に測定できる角度範囲はインプットレンズの取り込み角に依存する。上記基本構成の電子分光装置が、幾つかのメーカーによって開発、販売され、広く利用されるに至ったが、通常のインプットレンズを用いた装置では球面収差が大きく、広い範囲の放出角度分布を一度に測定することができないという問題があった。
【0009】
一方、角度分解測定に焦点を合わせた方法として、１９９０年頃から二次元放出角度分布を一度に測定する電子分光装置の開発が行われてきた。図１７は、大門らによって開発された二次元球面鏡分析器（ＤＩＡＮＡ：Display-type Spherical Mirror Analyzer）の概略図である（非特許文献１）。ＤＩＡＮＡ１１０では、放射光（ＳＲ）光源やＵＶランプからの光又は電子銃１１１からの電子線の照射によって試料１１２から放出された電子が、半球グリッド１１３とその外側のリング状電極（１１４，１１５）の間に形成される球対称電場に入射し、その中で楕円軌道を描き、１８０°向きを変えたところで再び半球グリッド１１３を通過して電場の外に出て、アパーチャ１１６の位置に収束する。リング状電極（１１４，１１５）には、球対称電場を形成する役目と同時にパスエネルギーより高いエネルギーの電子を阻止する役目が与えられる。パスエネルギーよりも低いエネルギーの電子は、球対称電場によって向きが反転して一部がアパーチャ１１６を通過する。そこで、スクリーン１１７手前には、パスエネルギーより低いエネルギーの電子を阻止するためのハイパスフィルターが設けられている。ハイパスフィルターは、図１７に示すように、阻止電位グリッド１１８を含む複数のグリッドで構成されている。パスエネルギーとその近傍のエネルギーをもつ電子だけが、ハイパスフィルターを通過でき、スクリーン１１７にはエネルギーが選択された二次元放出角度分布が表示される。ＤＩＡＮＡは±５０°又は±６０°の取り込み角を有し、その大きな立体角にわたって二次元放出角度分布を歪なく一度に測定できることが特徴である。その実力は真空紫外～軟Ｘ線の光を用いたバンド分散構造の測定（非特許文献２、３）や原子配列構造の測定（非特許文献４、５）で発揮された。ここで、設定されたパスエネルギーは、数１０ｅＶから１ｋｅＶに及ぶ。この広いエネルギー範囲で±５０°の放出角度分布を一度に測定できる分析器は、長い間、ＤＩＡＮＡの他になかった。
【0010】
しかし、ＤＩＡＮＡは、エネルギー分解能がパスエネルギーの０．５％程度とあまり良くないといった問題があった。光電子ホログラフィーや立体原子写真といった原子構造解析は、光電子の運動エネルギーを概ね５００～１０００ｅＶに設定して行われるが、この場合、エネルギー分解能は数ｅＶ～５ｅＶ程度となる。数ｅＶ～５ｅＶ程度のエネルギー分解能では、化学シフトやスピン軌道分裂などエネルギーピークの近い電子状態を分離して区別することが困難である。
【0011】
そこで、新しい二次元電子分析器（ＤＥＬＭＡ：Display-type ellipsoidal mesh analyzer）の開発が行われた（非特許文献６）。図１８に、二次元電子分析器（ＤＥＬＭＡ）の概略図を示す。ＤＥＬＭＡ１２０には、広角静電型レンズ１２１であるＷＡＡＥＬ（Wide-acceptance-angle electrostatic lens）が新たに開発され、対物レンズとして用いられている。ＷＡＡＥＬの入口には、回転楕円面の楕円面メッシュ電極１２２が設けられており、これにより±４５°の取り込み角が達成されている。ＤＥＬＭＡ１２０は、図１７のＤＩＡＮＡ１１０と違って、基本部分がレンズで構成されており、広角静電型レンズ１２１（ＷＡＡＥＬ）の後段には複数のアインツェルレンズ１２３が配置されている。エネルギー分析は、広角静電型レンズ１２１（ＷＡＡＥＬ）の出口位置にアパーチャ１２４を挿入することによって行われる。この場合の可能なエネルギー分解能は０．３％程度である。
【0012】
ＤＥＬＭＡ１２０では、試料の二次元実空間像を取得できる「顕微イメージングモード」と、二次元放出角度分布情報を取得できる「角度分布モード」で測定が行われ、顕微イメージングモードでは試料の拡大像が検出器１２９のスクリーンに投影され、角度分布モードでは±４５°に及ぶ二次元放出角度分布が検出器１２９のスクリーンに投影される。顕微イメージングモードで試料の拡大像を観察し、調べたい領域を光軸に合わせて、視野制限を目的としてアパーチャ（１２４，１２７）を挿入し、角度分布モードに切り替えることによって、特定の微小領域からの二次元放出角度分布の測定が可能になる。図１８（２）に示すように、ＤＥＬＭＡは、図１６に示した角度分解電子分光装置と同様に、静電半球部（ＣＨＡ）１２５と組み合わされており、高エネルギー分解能の測定も可能になっている。静電半球部（ＣＨＡ）１２５は、その試料面とＤＥＬＭＡ１２０の検出器入射面１２８が一致するように組み合わされている。高エネルギー分解能で測定するときは、ＤＥＬＭＡの検出器を引っ込めて、二次元放出角度分布をＣＨＡのインプットレンズに入射させる。このとき、ＣＨＡの入口にスリット（図示せず）を入れておくことによって、ＣＨＡの出口に設けられた検出器（図示せず）には、エネルギーが分解された一次元の角度分布が得られる。ＤＥＬＭＡ１２０のレンズシステムには、静電型ディフレクター１２６が設けられており、これで二次元放出角度分布を振りながらＣＨＡに入れて多数の一次元角度分布を取得してそれらを合成することによって、高エネルギー分解能の二次元放出角度分布を得ることが可能である。
上記のような静電型ディフレクター１２６を用いたスキャニングによって二次元放出角度分布を得る方法は、図１６に示した角度分解電子分光装置においても導入がなされ、現在、広く用いられるようになってきている。
上記のような静電型ディフレクター１２６を用いたスキャニングによって二次元放出角度分布を得る方法は、図１６に示した角度分解電子分光装置においても導入がなされ、現在、広く用いられるようになってきている。
【0013】
図１９（１）（２）は、特許文献１及び非特許文献７に記載の球面収差補正静電型レンズを示し、図２０（１）（２）は、特許文献２及び非特許文献８に記載の球面収差補正減速型レンズを示している。図１９（１）（２）に示す球面収差補正静電型レンズは、楕円面メッシュ電極を用いたアインツェル型レンズであり、出口では試料から出た時と同じ運動エネルギーの電子が得られる。図２０（１）（２）に示す球面収差補正減速型レンズは、楕円面メッシュ電極を用いた減速型レンズであり、出口では試料から出た時の約１／５の運動エネルギーの電子が得られる。図１９（２）及び図２０（２）に示すように、計算では、いずれのレンズも、最大±６０°の取り込み角にわたって球面収差を補正できることが示されている。楕円面メッシュ電極は、いずれも、楕円の長軸を回転軸とした回転楕円面の部分形状であって、図１９（１）及び図２０（１）に示すように、取り込み角が±５０°の場合は、回転楕円面の約半分、図１９（２）及び図２０（２）に示すように、取り込み角が約±５５°～±６０°の場合は回転楕円面の半分以上を占める形状となる。このように入口が狭まった楕円面メッシュ電極を高精細、高透過率、かつ高精度で作製することは困難である。また、図１９（１）及び図２０（１）に示すように、回転楕円面の約半分をメッシュ形状とする楕円面メッシュ電極であっても、図１９（３）に示すメッシュ深さｄとメッシュ電極の開口半径Ｒとの比（ｄ／Ｒ）が大きいメッシュを、高精細、高透過率、かつ高精度で作製することは容易ではない。図１９（１）（２）及び図２０（１）（２）に示すレンズでは、メッシュ深さｄとメッシュ電極の開口半径Ｒとの比（ｄ／Ｒ）は１．５～２．４である。
【0014】
図１８に示した二次元電子分析器ＤＥＬＭＡ１２０には、図１９に示した球面収差補正静電型レンズが用いられている。ただし、取り込み角は±４５°に設定されている。取り込み角を±５０°又は±６０°の設計にすると、試料周辺の空間が狭くなり、試料に照射する照射ビームの入射角度が著しく制限される。照射ビームの試料面からの角度が小さい場合には、照射スポットは入射方向に長く伸びた形状になる。高いエネルギー分解能、高い感度を得るには、照射スポットはできるだけ小さいことが望ましい。ＤＥＬＭＡでは、試料をレンズに正対させたとき、照射ビームの試料面からの角度は１５°となっている。
【0015】
本発明者らは、広い取り込み角を有する平行ビーム二次元電子分析器を既に開発している（特許文献３を参照）。図２１は、平行ビーム二次元電子分析器の概略図である。平行ビーム二次元電子分析器１３０の基本部分は、楕円面メッシュ電極１３２、複数の軸対称電極１３３ａ～１３３ｅ、平面コリメータ電極１３４、検出器１３５から構成される。試料１３１から放出された電子は、分析器に取り込まれ、±６０°の取り込み角にわたって平行化されて平面コリメータ電極１３４に入射する。平面コリメータ電極１３４は、無数の長孔が空いたプレート又は薄膜であり、グラファイト等の電子吸収材で孔の壁と表面をコートしておくと、パスエネルギーおよびパスエネルギー近傍の電子のみが平面コリメータ電極１３４を通過し、それ以外の電子は平面コリメータ電極１３４に衝突し電子吸収材に吸収される。これによりエネルギー分析が可能であるが、エネルギー分解能と感度は二律背反の関係にあり、平面コリメータ電極１３４の孔のアスペクト比を大きくして高いエネルギー分解能を得ようとすると、検出感度の著しい低下が避けられないといった問題があった。
【0016】
一方で、２０００年頃から、光電子顕微鏡（ＰＥＥＭ：Photoemission Electron microscopy）にエネルギーフィルターを組み合わせた分析器が開発されている。図２２は、ＰＥＥＭとハイパスフィルターを組み合わせた分析器の概略構成図である（非特許文献９）。分析器１４０のスクリーン１４１には、レンズ電圧に応じて、試料１４２の拡大像又は二次元放出角度分布が投影される。ハイパスフィルターを備えたことによりフェルミ面のマッピングが行えるようになっている。さらに、ＰＥＥＭのレンズ系に静電半球型アナライザーを組み合わせた分析器が開発され、ＡＲＰＥＳ（角度分解光電子分光）測定を高いエネルギー分解能で効率的に行うことが可能となっている。これら分析器、および、ＰＥＥＭの技術を利用した同様の分析器においては、いずれも、正対した試料１４２と対物レンズ１４３の入口との間には数１０ｋＶの高電圧が印加され、試料から放出された電子は、放出と同時に強い加速電場で加速され対物レンズ１４３に取り込まれる。これにより大きな取り込み角が達成されている。具体的には、数１０ｅＶ以下の低エネルギーの電子に対しては、ほぼ±９０°の取り込み角が達成される。しかし、電源や耐電圧の問題により、加速電圧を数１０ｋＶから更に上げていくことは難しい。その結果、数１０ｅＶ以上の電子に対しては、取り込み角は運動エネルギーが大きくなるにしたがって著しく減少するという問題があった。
【0017】
図２３は、このことを説明するための簡単な計算結果である。試料面と対物レンズ入口の間に一様な加速電場をかけたときの電子軌道を示している。点線は、対物レンズ入口からとった虚像線である。図２３（１）は、電荷素量ｅを乗じた加速電圧Ｕａと電子の試料面での運動エネルギーＥ０との比（ｅＵａ／Ｅ０）が１０００の場合、例えば、加速電圧２０ｋＶに対して、Ｅ０が２０ｅＶの場合の結果である。この場合、虚像線がほぼ一点に収束することがわかる。また、試料面での出射角が虚像面では大きく減少していることもわかる。その結果、対物レンズによる球面収差が著しく低下し、非常に大きな取り込み角が達成される。図２３（２）は、比（ｅＵａ／Ｅ０）が１０の場合、例えば、加速電圧２０ｋＶに対してＥ０が２ｋｅＶの場合の結果である。この場合、虚像面において大きな球面収差が発生する。また、図２３（１）の場合と比較して対物レンズへの入射角が著しく増加していることも分かる。その結果、カソードレンズと組み合わせる対物レンズにおいても大きな球面収差が発生し、取り込み角が著しく減少することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0018】
【文献】特許第４８０２３４０号公報
【文献】特許第４９００３８９号公報
【文献】国際公開パンフレットＷＯ２０１７／０１０５２９
【非特許文献】
【0019】
【文献】H. Daimon,“New display-type analyzer for the energy and the angular distribution of charged particles”, Rev. Sci. Instrum. 59, 545 (1988).
【文献】F. Matsui, et al., “Three-dimensional band mapping of graphite”, Appl. Phys. Lett. 81, 2556 (2002).
【文献】F. Matsui, et al., “Atomic-orbital analysis of the Cu Fermi surface by two-dimensional photoelectron spectroscopy”, Phys. Rev. B 72, 195417 (2005).
【文献】F. Matsui, T. Matsushita and H. Daimon, “Stereo atomscope and diffraction spectroscopy--Atomic site specific property analysis”, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 178-179, 221 (2010).
【文献】F. Matsui, et al., “Selective detection of angular-momentum-polarized Auger electrons by atomic stereography”, Phys. Rev. Lett. 114, 015501 (2015).
【文献】H. Matsuda, et al., ”Development of display-type ellipsoidal mesh analyzer: Computational evaluation and experimental validation”, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 195 (2014) 382.
【文献】H. Matsuda, H. Daimon, M. Kato and M. Kudo, “Approach for simultaneous measurement of two-dimensional angular distribution of charged particles: Spherical aberration correction using an ellipsoidal mesh”, Phys. Rev. E 71, 066503 (2005).
【文献】H. Matsuda and H. Daimon, “Approach for simultaneous measurement of two-dimensional angular distribution of charged particles. II. Deceleration and focusing of wide-angle beams using a curved mesh lens”, Phys. Rev. E 74, 036501 (2006).
【文献】M. Kotsugi et al., “Microspectroscopic two-dimensional Fermi surface mapping using a photoelectron emission microscope”, Rev. Sci. Instrum., 74, 2754 (2003).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0020】
上述したとおり、高エネルギー分解能の角度分解電子分光装置（図１６参照）は、基本部分が、試料から放出された電子を取り込んで収束させるインプットレンズ、内球と外球からなる静電半球部、静電半球部の入口に設けられたスリット、静電半球部の出口に設けられた検出器から構成され、角度分解スペクトルモードにおいて、一度に測定できる一次元の放出角度分布は、インプットレンズの取り込み角によって決定される。メッシュ電極あるいはグリッド電極を用いない従来型のインプットレンズの場合、取り込み角が±１０°程度以下であるが、例えば、特許文献１，２によれば、楕円面メッシュを用いて、取り込み角は±５０°又は±６０°程度まで拡げることが可能であることが知られ、これまでに±４５°程度の取り込み角を有する球面収差補正静電型レンズが開発されている。しかしながら、±４５°程度の取り込み角では、まだ半球立体角の１／４～１／３程度の領域しか捉えることができないため、角度分解スペクトルモードでより広い角度範囲の放出角度分布を測定する上で、また、顕微スペクトルモードで電子分光装置の感度を向上する上で、更に大きな取り込み角が望まれており、究極的には±９０°（全角）の取り込み角の要望がある。
【0021】
また、特許文献１，２に開示された球面収差補正レンズにおいて、楕円面メッシュのメッシュ深さｄとメッシュ電極の開口半径Ｒとの比（ｄ／Ｒ）が、取り込み角±５０°では１．５～１．７程度必要となり、取り込み角±６０°では２．０～２．４程度が必要となる。このような形状のメッシュを、高精細、高透過率、かつ、高精度に作製することは容易ではないため、このような楕円面メッシュを用いずに取り込み角を拡げる手段が求められている。
【0022】
一方、ＰＥＥＭと静電半球型アナライザーを組み合わせた分析器は、試料から放出された電子を、試料と対物レンズ入り口の間に高電圧を印加して加速して取り込むことによって、大きな取り込み角を達成する。しかしながら、ＰＥＥＭのように電子を加速して取り込む方法で従来のカソードレンズを用いる場合では、取り込み角はエネルギーの増加と共に著しく減少し、分析する電子の運動エネルギーＥ０が数１０ｅＶ以下の場合、ほぼ±９０°の取り込み角が達成されるが、電子の運動エネルギーＥ０が大きくなると取り込み角は著しく低下する。
このことは図２４から理解される。図２４（１）、（２）は図２３のカソードレンズにおいて、加速電圧を２０ｋＶとし、試料面での出射電子の運動エネルギーを２０ｅＶから２ｋｅＶまで変化させたときの虚像面での球面収差と出射角βの変化を示すグラフである（横軸は試料面での出射角α）。
ＰＥＥＭのレンズ系と静電半球型アナライザーを組み合わせた高エネルギー分解能の分析器において、レンズの収束性能は、エネルギー分解能と取り込み角を決める重要な性能となる。カソードレンズの球面収差が比較的小さい場合でも、その後段に設ける拡大レンズ系によって収差は拡大され、またレンズ系自体の収差も加わって、レンズ系の出口では大きな収差となり得る。静電半球部の入口には高いエネルギー分解能を得るために幅が１ｍｍ程度以下のスリットが挿入される。そのため、静電半球部の入口において大きな収差が発生すると、試料面での出射角が小さい電子を除いてほとんどの電子がスリットによって阻止され、取り込み角が小さくなる。多くの場合、静電半球型アナライザーに用いられるインプットレンズの倍率は５倍程度である。また、多くのインプットレンズにおいて、球面収差を小さく抑えて収束ビームを生成できる取り込み角は±５°程度以下である。
このような考察を踏まえて図２４を見ると、従来のカソードレンズを用いて高エネルギー分解能の全角取り込み光電子分析器を達成できるのは、電子の運動エネルギーがせいぜい１００～２００ｅＶ程度までと理解できる。また、光電子回折や光電子ホログラフィーなどの原子構造解析がよく行われる５００ｅＶ～１ｋｅＶ程度のエネルギー領域では、取り込み角は±２０°程度以下になるという問題がある。
このことは図２４から理解される。図２４（１）、（２）は図２３のカソードレンズにおいて、加速電圧を２０ｋＶとし、試料面での出射電子の運動エネルギーを２０ｅＶから２ｋｅＶまで変化させたときの虚像面での球面収差と出射角βの変化を示すグラフである（横軸は試料面での出射角α）。
ＰＥＥＭのレンズ系と静電半球型アナライザーを組み合わせた高エネルギー分解能の分析器において、レンズの収束性能は、エネルギー分解能と取り込み角を決める重要な性能となる。カソードレンズの球面収差が比較的小さい場合でも、その後段に設ける拡大レンズ系によって収差は拡大され、またレンズ系自体の収差も加わって、レンズ系の出口では大きな収差となり得る。静電半球部の入口には高いエネルギー分解能を得るために幅が１ｍｍ程度以下のスリットが挿入される。そのため、静電半球部の入口において大きな収差が発生すると、試料面での出射角が小さい電子を除いてほとんどの電子がスリットによって阻止され、取り込み角が小さくなる。多くの場合、静電半球型アナライザーに用いられるインプットレンズの倍率は５倍程度である。また、多くのインプットレンズにおいて、球面収差を小さく抑えて収束ビームを生成できる取り込み角は±５°程度以下である。
このような考察を踏まえて図２４を見ると、従来のカソードレンズを用いて高エネルギー分解能の全角取り込み光電子分析器を達成できるのは、電子の運動エネルギーがせいぜい１００～２００ｅＶ程度までと理解できる。また、光電子回折や光電子ホログラフィーなどの原子構造解析がよく行われる５００ｅＶ～１ｋｅＶ程度のエネルギー領域では、取り込み角は±２０°程度以下になるという問題がある。
【0023】
かかる状況に鑑みて、本発明は、深さｄと開口半径Ｒとの比（ｄ／Ｒ）が約１．５以上と大きいメッシュ電極を用いることなく、０～２ｋｅＶに及ぶ広いエネルギー範囲において、ほぼ±９０°（全角）の取り込み角または非常に大きな取り込み角を可能にするカソードレンズと球面収差補正静電型レンズ、及び、それを用いた高エネルギー分解の広角電子分析器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0024】
上記課題を解決するために、本発明の球面収差調整カソードレンズは、レンズ軸上に点源が配置される点源電極と、点源から発生した荷電粒子を引き込むための引き込み電極とで構成されるカソードレンズにおいて、点源電極は、以下の１ａ）～１ｄ）の何れかの電極であり、引き込み電極は、以下の２ａ）、２ｂ）の何れかの電極を用いるものである。
（点源電極）
１ａ）レンズ軸に垂直な平面状電極。
１ｂ）レンズ軸に垂直な平面状電極が更にレンズ軸方向に軸対称な凸部を有し、凸部の上部中央に上記点源が配置された電極。
１ｃ）レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートもしくは平面グリッドがレンズ軸と垂直に配置された電極。
１ｄ）先端部に点源が配置された軸対称もしくはロッド状の電極であって、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートの貫通穴の位置又は貫通穴を通して先端部が配置された電極。
（引き込み電極）
２ａ）レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部を有し、開口面に平面グリッド部が形成された電極。
２ｂ）レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部を有し、突壁部の内面形状が外側にテーパ状に拡がった端部に開口面が形成された電極。
（点源電極）
１ａ）レンズ軸に垂直な平面状電極。
１ｂ）レンズ軸に垂直な平面状電極が更にレンズ軸方向に軸対称な凸部を有し、凸部の上部中央に上記点源が配置された電極。
１ｃ）レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートもしくは平面グリッドがレンズ軸と垂直に配置された電極。
１ｄ）先端部に点源が配置された軸対称もしくはロッド状の電極であって、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートの貫通穴の位置又は貫通穴を通して先端部が配置された電極。
（引き込み電極）
２ａ）レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部を有し、開口面に平面グリッド部が形成された電極。
２ｂ）レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部を有し、突壁部の内面形状が外側にテーパ状に拡がった端部に開口面が形成された電極。
【0025】
すなわち、本発明の球面収差調整カソードレンズのバリエーションは以下の１）、２Ａ)、２Ｂ)、３Ａ)、３Ｂ）、４）の６通りのタイプがある。
タイプ１）点源電極：レンズ軸に垂直な平面状電極、又は、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートもしくは平面グリッドがレンズ軸と垂直に配置された電極である。
引き込み電極：レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部を有し、開口面に平面グリッド部が形成されている。
タイプ２Ａ）点源電極：レンズ軸に垂直な平面状電極であってレンズ軸方向に軸対称な凸部を有し、凸部の上部中央に点源が配置されている。
引き込み電極：レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部を有し、開口面に平面グリッド部が形成されている。
タイプ２Ｂ）点源電極：先端部に点源が配置された軸対称又はロッド状の電極であって、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートの貫通穴の位置に、又は、貫通穴を通して先端部が配置されている。
引き込み電極：レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部を有し、開口面に平面グリッド部が形成されている。
タイプ３Ａ）点源電極：レンズ軸に垂直な平面状電極であってレンズ軸方向に軸対称な凸部を有し、凸部の上部中央に点源が配置されている。
引き込み電極：レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部を有し、突壁部の内面形状が外側にテーパ状に拡がった端部に上記開口面が形成されている。
タイプ３Ｂ）点源電極：先端部に点源が配置された軸対称又はロッド状の電極であって、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートの貫通穴の位置に、又は、貫通穴を通して先端部が配置されている。
引き込み電極：レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部を有し、突壁部の内面形状が外側にテーパ状に拡がった端部に上記開口面が形成されている。
タイプ４）点源電極：レンズ軸に垂直な平面状電極、又は、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートもしくは平面グリッドがレンズ軸と垂直に配置された電極である。
引き込み電極：レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部を有し、突壁部の内面形状が外側にテーパ状に拡がった端部に上記開口面が形成されている。
タイプ１）点源電極：レンズ軸に垂直な平面状電極、又は、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートもしくは平面グリッドがレンズ軸と垂直に配置された電極である。
引き込み電極：レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部を有し、開口面に平面グリッド部が形成されている。
タイプ２Ａ）点源電極：レンズ軸に垂直な平面状電極であってレンズ軸方向に軸対称な凸部を有し、凸部の上部中央に点源が配置されている。
引き込み電極：レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部を有し、開口面に平面グリッド部が形成されている。
タイプ２Ｂ）点源電極：先端部に点源が配置された軸対称又はロッド状の電極であって、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートの貫通穴の位置に、又は、貫通穴を通して先端部が配置されている。
引き込み電極：レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部を有し、開口面に平面グリッド部が形成されている。
タイプ３Ａ）点源電極：レンズ軸に垂直な平面状電極であってレンズ軸方向に軸対称な凸部を有し、凸部の上部中央に点源が配置されている。
引き込み電極：レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部を有し、突壁部の内面形状が外側にテーパ状に拡がった端部に上記開口面が形成されている。
タイプ３Ｂ）点源電極：先端部に点源が配置された軸対称又はロッド状の電極であって、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートの貫通穴の位置に、又は、貫通穴を通して先端部が配置されている。
引き込み電極：レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部を有し、突壁部の内面形状が外側にテーパ状に拡がった端部に上記開口面が形成されている。
タイプ４）点源電極：レンズ軸に垂直な平面状電極、又は、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートもしくは平面グリッドがレンズ軸と垂直に配置された電極である。
引き込み電極：レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部を有し、突壁部の内面形状が外側にテーパ状に拡がった端部に上記開口面が形成されている。
【0026】
ここで、突壁部とは、少なくとも内面形状がベース面から軸方向に向けて軸対称な突起形状を呈しているものである。
本発明の球面収差調整カソードレンズにおいて、点源としてガス状の分子又は粒子を用いる場合、穴あきプレートと平面グリッドは、レンズ軸上の貫通穴に対して噴射するガスを供給もしくは回収するために、内部又は表面にガスの流路が設けられた方がよい。
本発明の球面収差調整カソードレンズにおいて、引き込み電極は、突壁部の高さｈと平面グリッド部の径Ｄのアスペクト比（ｈ／Ｄ）が０．１～０．５であることが好ましい。アスペクト比（ｈ／Ｄ）が０に近づくと、球面収差が広角側で著しく増加することになり、一方、アスペクト比（ｈ／Ｄ）が０．６程度以上になると、広角側の電子軌道の一部が突壁部の壁に引っかかって、その軌道の電子がカソードレンズを通過できなくなるからである。
本発明の球面収差調整カソードレンズにおいて、点源としてガス状の分子又は粒子を用いる場合、穴あきプレートと平面グリッドは、レンズ軸上の貫通穴に対して噴射するガスを供給もしくは回収するために、内部又は表面にガスの流路が設けられた方がよい。
本発明の球面収差調整カソードレンズにおいて、引き込み電極は、突壁部の高さｈと平面グリッド部の径Ｄのアスペクト比（ｈ／Ｄ）が０．１～０．５であることが好ましい。アスペクト比（ｈ／Ｄ）が０に近づくと、球面収差が広角側で著しく増加することになり、一方、アスペクト比（ｈ／Ｄ）が０．６程度以上になると、広角側の電子軌道の一部が突壁部の壁に引っかかって、その軌道の電子がカソードレンズを通過できなくなるからである。
【0027】
また、本発明のデュアル型の球面収差調整カソードレンズは、レンズ軸上に点源が配置される点源電極と、点源から発生した荷電粒子を引き込むための引き込み電極とで構成されるカソードレンズにおいて、点源電極は、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレート又は平面グリッドがレンズ軸と垂直に配置され、そして、引き込み電極は、レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて内面形状が軸対称で端部に開口面が形成された突壁部を有し、当該開口面に平面グリッド部が形成され、又は、突壁部の端部から延設され外側に拡がるテーパ状突壁部と拡がった端部に開口面が形成された第１及び第２の電極を備え、第１及び第２の電極の２つのベース面が対向するように配置され、上記点源電極が２つのベース面の間に配置されている。
【0028】
本発明のデュアル型の球面収差調整カソードレンズにおいて、点源としてガス状の分子又は粒子を用いる場合、穴あきプレートと平面グリッドは、レンズ軸上の貫通穴に対して噴射するガスを供給もしくは回収するために、内部又は表面にガスの流路が設けられた方がよい。
後述する実施例のように、穴あきプレート又は平面グリッドのレンズ軸上に薄膜試料を配置し、またはレンズ軸上の貫通穴に対して横からガスを噴射し、それに光を照射する。このときに出てくる電子やイオンを、点源の左右の第１及び第２の電極を通して、最大で４πステラジアン（全立体角）で検出することができる。
後述する実施例のように、穴あきプレート又は平面グリッドのレンズ軸上に薄膜試料を配置し、またはレンズ軸上の貫通穴に対して横からガスを噴射し、それに光を照射する。このときに出てくる電子やイオンを、点源の左右の第１及び第２の電極を通して、最大で４πステラジアン（全立体角）で検出することができる。
【0029】
本発明のデュアル型の球面収差調整カソードレンズにおいて、引き込み電極は、突壁部の高さｈと平面グリッド部の径Ｄのアスペクト比（ｈ／Ｄ）が０．１～０．５であることが好ましい。
【0030】
本発明のデュアル型の球面収差調整カソードレンズは、点源としてガス状の分子又は粒子を用い、点源電極において、穴あきプレート又は平面グリッドを配置する替わりに、引き込み電極の印加電圧により電場を調整する電場調整手段を備え、この電場調整手段により、点源の周辺に平行電場を形成させ、一方の引き込み電極で負の荷電粒子を引き込み、他方の引き込み電極で正の荷電粒子を引き込むことでもよい。
【0031】
本発明の球面収差補正静電型レンズは、本発明の球面収差調整カソードレンズと、引き込み電極の突壁部と対向する軸対称な凹面形状を有するメッシュ電極と、中心軸が一致するように配置された軸対称の複数のリング状電極を備え、点源から発生した荷電粒子の球面収差を補正し、収束ビームを生成する。
レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称な突壁部を有する引き込み電極と、軸対称な凹面形状を有するメッシュ電極と、同軸に配置された軸対称の複数のリング状電極とを組み合わせて静電型レンズを構成する。ここで、メッシュ電極は、凹面形状の深さｄと開口半径Ｒの比（ｄ／Ｒ）が１以下であり、電極の作製の困難性を低減できる。
レンズ軸が垂線となるベース面から軸方向に向けて軸対称な突壁部を有する引き込み電極と、軸対称な凹面形状を有するメッシュ電極と、同軸に配置された軸対称の複数のリング状電極とを組み合わせて静電型レンズを構成する。ここで、メッシュ電極は、凹面形状の深さｄと開口半径Ｒの比（ｄ／Ｒ）が１以下であり、電極の作製の困難性を低減できる。
【0032】
本発明のデュアル型球面収差補正静電型レンズは、本発明のデュアル型の球面収差調整カソードレンズと、それぞれの引き込み電極において、突壁部と対向する軸対称な凹面形状を有するメッシュ電極と、中心軸が一致するように配置された軸対称の複数のリング状電極を備え、点源から発生した荷電粒子をそれぞれの引き込み電極で引き込み、球面収差を補正し、収束ビームを生成する。メッシュ電極は、凹面形状の深さｄと開口半径Ｒの比（ｄ／Ｒ）が１以下であり、加工の困難性を軽減できる。
【0033】
本発明の第１の観点による電子分光装置は、本発明の球面収差補正静電型レンズと本発明のデュアル型球面収差補正静電型レンズの何れかの静電型レンズと、静電型レンズと同軸に配置される軸対称な減速レンズと、減速レンズの出口に配置されるアパーチャと、アパーチャの出口側に配置され静電型レンズと共軸に配置される平面コリメータプレートと、アパーチャを通過した荷電粒子が平面コリメータプレートに対して垂直に入射するように静電型レンズと同軸に配置される軸対称なメッシュ電極及びリング状電極とを備える。
【0034】
本発明の光電子顕微鏡は、本発明の球面収差補正静電型レンズと本発明のデュアル型球面収差補正静電型レンズの何れかの静電型レンズと、静電型レンズの出口に配置されるアパーチャと、アパーチャの出口側に配置され静電型レンズと同軸に配置される軸対称な加速レンズと、加速レンズと共軸に配置される平面コリメータプレートと、加速レンズを通過した荷電粒子が平面コリメータプレートに対して垂直に入射するように静電型レンズと同軸に配置される軸対称なメッシュ電極及びリング状電極とを備える。
【0035】
本発明の第２の観点による電子分光装置は、本発明の球面収差補正静電型レンズと本発明のデュアル型球面収差補正静電型レンズの何れかの静電型レンズと、静電型レンズと同軸に配置される軸対称な減速レンズと、減速レンズの出口に配置されるアパーチャと、アパーチャの出口側に配置される内外球からなる静電半球部を備える。
【発明の効果】
【0036】
本発明のカソードレンズ及びそれを用いた球面収差補正静電型レンズによれば、メッシュ電極の深さｄと開口半径Ｒとの比（ｄ／Ｒ）が大きく高精細・高透過率・高精度作製が困難な楕円面メッシュを用いることなく、±９０°または非常に大きな取り込み角を達成でき、かつ、分析する電子の運動エネルギーが光電子ホログラフィーなどの原子構造解析に適した数百ｅＶ程度以上の大きなエネルギーであっても、±９０°または非常に大きな取り込み角を達成できるといった効果がある。
【0037】
ＰＥＥＭに用いられている従来の広角取り込みレンズにおいて、±９０°の取り込み角が達成できるのは電子の運動エネルギーが数１０ｅＶ以下の場合に限られるが、本発明の球面収差補正静電型レンズでは、少なくとも２ｋｅＶ程度まで±９０°の取り込み角を達成できる。試料から放出された全方位（±９０°）の電子を本発明の球面収差補正静電型レンズで取り込み、全角にわたって球面収差を補正し、開き角が±１０°程度以下の収束ビームを生成することができる。また本発明の球面収差補正静電型レンズは、従来の角度分解電子分光装置の静電半球部（静電半球型アナライザー）と容易に組み合わせることができ、広いエネルギー領域で全角取り込みの高エネルギー分解能電子分光装置が実現できるといった効果がある。これにより、角度分布モードでは、光電子回折や光電子ホログラフィーの測定でよく用いられる５００～１０００ｅＶ程度の比較的高いエネルギー領域においても、全角（±９０°）にわたる放出角度分布を一度に測定できる。ただし、静電半球部の出口に検出器を設けた場合、一度に測定できる角度範囲は一次元となるので、上記検出器の代わりに投影レンズ系を置き、その後段に検出器を配置し、さらに静電半球部の出口にスリットまたはアパーチャを挿入することによって、エネルギーが選択された±９０°の二次元放出角度分布を一度に測定することも可能になる。広いエネルギー範囲において±９０°の取り込み角が達成されると、光電子のもつバンド分散構造や原子配列構造の情報を余すことなく引き出すことが可能になる。また、感度は概ね取り込み立体角に比例することから、スペクトル測定モードでは感度が大幅に向上する。
【0038】
また、本発明の球面収差補正静電型レンズで用いられるメッシュ電極は、従来の球面収差補正静電型レンズで用いられるメッシュ電極と比較して、メッシュ深さｄと開口半径Ｒの比（ｄ／Ｒ）をかなり小さくすることができる。具体的には、比（ｄ／Ｒ）は１．０以下に小さくできる。これによってメッシュ電極の加工の難しさが大幅に軽減され、高精細、高透過率、かつ高精度なメッシュ電極を作製することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】本発明の球面収差補正静電型レンズの概略図（実施例１）
【図2】球面収差補正静電型レンズの説明図
【図3】カソードレンズの説明図
【図4】本発明の球面収差補正静電型レンズの概略図（実施例２）
【図5】本発明の球面収差補正静電型レンズの概略図（実施例３）
【図6】本発明の球面収差補正静電型レンズの概略図（実施例４）
【図7】各種パラメータの説明図
【図8】パラメータに応じて変動する取り込み角の特性説明図（１）
【図9】パラメータに応じて変動する取り込み角の特性説明図（２）
【図10】パラメータに応じて変動する取り込み角の特性説明図（３）
【図11】点源電極における凸部上部中央の点源の配置の仕方の説明図
【図12】本発明の球面収差補正静電型レンズと平行ビーム発生装置を組み合わせた電子分光装置の第１の実施形態の概略図
【図13】本発明の球面収差補正静電型レンズと静電半球型アナライザーを組み合わせた電子分光装置の第２の実施形態の概略図
【図14】本発明の球面収差補正静電型レンズと静電半球型アナライザーを組み合わせた電子分光装置の第３の実施形態の概略図
【図15】本発明のデュアル型の球面収差調整カソードレンズの説明図
【図16】従来技術の角度分解電子分光装置の概略図
【図17】従来技術の二次元表示型球面鏡分析器ＤＩＡＮＡの概略図
【図18】従来技術の二次元表示型楕円面メッシュ分析器ＤＥＬＭＡの概略図
【図19】従来技術の球面収差補正静電型レンズの概略図
【図20】従来技術の球面収差補正減速型レンズの概略図
【図21】従来技術の平行ビーム二次元光電子分析器の概略図
【図22】従来技術のエネルギーフィルターを備えた光電子顕微鏡ＰＥＥＭの概略図
【図23】従来技術のＰＥＥＭに用いられる従来のカソードレンズの特徴の説明図
【図24】従来技術のＰＥＥＭに用いられる従来のカソードレンズの問題点の説明図
【発明を実施するための形態】
【0040】
以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
【実施例1】
【0041】
図１は、本発明の球面収差補正静電型レンズの第１の実施形態の概略図を示している。実施例１の球面収差補正静電型レンズ１は、前述のタイプ１に相当するものであり、レンズ軸上に点源１１が配置される点源電極１２と、点源１１から発生した荷電粒子を引き込むための引き込み電極１３と、引き込み電極１３と対向する軸対称な凹面形状を有するメッシュ電極１４と、中心軸が一致するように配置された軸対称の４つのリング状電極１５ａ（ＥＬ１～ＥＬ４）と１つの円筒状電極１５ｂ（ＥＬ５）を備える。ここで、“軸対称”は内面形状が軸対称であることを意味する。点源電極１２と引き込み電極１３でカソードレンズ１９が構成されている。
カソードレンズ１９の点源電極１２は、レンズ軸に垂直な平面状電極であり、引き込み電極１３は、レンズ軸が垂線となるベース面１３ａから軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、端部に開口面が形成された突壁部１３ｂを有し、突壁部１３ｂの開口面に、平面グリッド部１６が形成されている。球面収差補正静電型レンズでは、カソードレンズ１９を示す点線枠内の拡大図に示すように、試料に紫外線やＸ線などの光を照射１７して、試料表面から出てきた電子を取り込んでアパーチャ１８の位置に収束させる。光を照射する替わりに試料に電子線を照射することも可能である。ただし、電子線は、光の照射１７のように照射しようとしても電場の作用を受けて曲がるため、光とは別の方法で照射することが望ましい。例えば、レンズ軸上に穴が開けられた点源電極の穴の位置に薄膜試料を貼り付けて、図の左側から電子線を照射し、右側に出てきた電子を球面収差補正静電型レンズで取り込む方法が有効である。ここで、平面グリッドを点源電極とし、レンズ軸上に薄膜試料を貼り付けてもよい。また、薄膜試料の替わりに、ガス状の分子または粒子を試料として用いることができる。ガス状の分子などの試料を用いる場合には、貫通穴が開けられた点源電極の穴の位置にガス状の分子などを噴射する。または、ガス状の分子などを平面グリッドのレンズ軸上に噴射してもよい。
カソードレンズ１９の点源電極１２は、レンズ軸に垂直な平面状電極であり、引き込み電極１３は、レンズ軸が垂線となるベース面１３ａから軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、端部に開口面が形成された突壁部１３ｂを有し、突壁部１３ｂの開口面に、平面グリッド部１６が形成されている。球面収差補正静電型レンズでは、カソードレンズ１９を示す点線枠内の拡大図に示すように、試料に紫外線やＸ線などの光を照射１７して、試料表面から出てきた電子を取り込んでアパーチャ１８の位置に収束させる。光を照射する替わりに試料に電子線を照射することも可能である。ただし、電子線は、光の照射１７のように照射しようとしても電場の作用を受けて曲がるため、光とは別の方法で照射することが望ましい。例えば、レンズ軸上に穴が開けられた点源電極の穴の位置に薄膜試料を貼り付けて、図の左側から電子線を照射し、右側に出てきた電子を球面収差補正静電型レンズで取り込む方法が有効である。ここで、平面グリッドを点源電極とし、レンズ軸上に薄膜試料を貼り付けてもよい。また、薄膜試料の替わりに、ガス状の分子または粒子を試料として用いることができる。ガス状の分子などの試料を用いる場合には、貫通穴が開けられた点源電極の穴の位置にガス状の分子などを噴射する。または、ガス状の分子などを平面グリッドのレンズ軸上に噴射してもよい。
【0042】
図１に示すグラフは、球面収差補正静電型レンズにおいて、点源からの出射角α（－９０°～９０°）に対する球面収差ＳＡ（Spherical Aberration）を示している。上記の構成の点源電極１２と引き込み電極１３とで構成されるカソードレンズ１９を備える球面収差補正静電型レンズ１によれば、メッシュ電極の深さｄと開口半径Ｒとの比（ｄ／Ｒ）が大きいメッシュ（具体的にはｄ／Ｒが１．５程度以上のメッシュ）を用いることなく、±９０°の取り込み角を達成できていることがわかる。図１の球面収差補正静電型レンズにおいて、ｄ／Ｒは、約０．９０である。
【0043】
図２および図３を参照して、点源電極１２と引き込み電極１３とで構成されるカソードレンズ１９について説明する。引き込み電極１３は、突壁部１３ｂの高さｈと平面グリッド部１６の直径Ｄとのアスペクト比（ｈ／Ｄ）で特徴づけられる。高さｈは、平面状の点源電極１２に対向する引き込み電極１３のベース面１３ａから軸方向に向けて突出した突壁部１３ｂの高さ、すなわち、ベース面１３ａからの平面グリッド部の高さである。なお、引き込み電極は、図２に示したような凸型形状でなくても、内面形状が軸対称な突起形状を有していればよい。
【0044】
図２および図３に示すように、点源１１となる試料を取り付けた平面状の点源電極１２を、突壁部を有し該突壁部の開口面に平面グリッド部が形成された引き込み電極１３の内面の凹側に、引き込み電極１３から一定の距離を隔てて対向するように配置する。点源電極１２と引き込み電極１３との間に高電圧を印加して、試料から放出された電子を取り込む設定において、各電極の形状、配置、印加電圧を調整することにより、±９０°の取り込み角にわたって、虚像における球面収差を小さな値に調整し、カソードレンズの後段に配置されるレンズにおいて収束ビームを生成することが可能になる。
なお、図３（２）に示すように、点源１１となる試料を取り付けた平面状の点源電極１２に対向する引き込み電極に突壁部がなく、平面グリッド部１６だけで構成される場合には、虚像において大きな球面収差となってしまう。図３（１）（２）は、いずれも、点源１１での電子の運動エネルギーを１ｋｅＶ、点源電極１２と平面グリッド部１６間の電圧を２０ｋＶとした場合の結果である。
なお、図３（２）に示すように、点源１１となる試料を取り付けた平面状の点源電極１２に対向する引き込み電極に突壁部がなく、平面グリッド部１６だけで構成される場合には、虚像において大きな球面収差となってしまう。図３（１）（２）は、いずれも、点源１１での電子の運動エネルギーを１ｋｅＶ、点源電極１２と平面グリッド部１６間の電圧を２０ｋＶとした場合の結果である。
【0045】
ここで、図１に示した球面収差補正静電型レンズの計算条件をまとめる。出射電子の運動エネルギーは１ｋｅＶ、平面状の点源電極１２はグラウンド電位に設定され、引き込み電極１３は２０ｋＶ、４つのリング状電極１５ａ（ＥＬ１～ＥＬ４）と円筒状電極１５ｂ（ＥＬ５）には、それぞれ、２０ｋＶ，１０.９ｋＶ，８．２ｋＶ，７．２ｋＶ，０Ｖの電位が与えられている。引き込み電極１３とメッシュ電極１４およびリング状電極ＥＬ１は同電位である。なお、点源電極１２はグラウンド電位ではなく任意の電位Ｖｓに設定されてもよい。この場合、各電極には上記電位にＶｓを加算した電位が与えられる。
平面状の点源電極１２と引き込み電極１３の距離は１０ｍｍ、引き込み電極１３の内面凸部のアスペクト比ｈ／Ｄ（図２参照）は０．３に設定されている。直径Ｄは２０ｍｍである。原点Ｏからメッシュの任意の点Ｍまでの距離をρ、直線ＯＭとレンズ軸Ｚのなす角度をαとすると、メッシュ電極の形状は下記の式によって与えられている。
平面状の点源電極１２と引き込み電極１３の距離は１０ｍｍ、引き込み電極１３の内面凸部のアスペクト比ｈ／Ｄ（図２参照）は０．３に設定されている。直径Ｄは２０ｍｍである。原点Ｏからメッシュの任意の点Ｍまでの距離をρ、直線ＯＭとレンズ軸Ｚのなす角度をαとすると、メッシュ電極の形状は下記の式によって与えられている。
【0046】
【数1】
【0047】
ここで、ｂはρ0－ρ１、ρ１は（ＬM２＋Ｒ２）の平方根、αmaxはarctan(Ｒ／ＬM）、ａ１＋ａ２＋・・・＋ａｎ＝１、ＬMは原点Ｏからメッシュ電極までの距離、Ｒはメッシュ電極の開口半径、ρ0は原点Ｏからメッシュの頂点Ｔまでの距離である。図１の静電レンズにおいては、ｎ＝３に設定され、各パラメータは、ＬM＝３７．０ｍｍ、Ｒ＝２０．０ｍｍ、ρ0＝５５．１８ｍｍ、ａ１＝０．９６、ａ２＝０．０３、ａ３＝０．０１で与えられている。
【0048】
図１の球面収差補正静電型レンズにおいて、各電極に印加する電圧を１ｋｅＶの運動エネルギーに対してのみ示したが、１ｋｅＶ以外の運動エネルギーに対応するには、各電極に印加する電圧を運動エネルギーに比例して変化させればよい。１ｋｅＶよりもずっと高い運動エネルギーに対しては、かなりの高電圧が必要となるが、２ｋｅＶ程度であれば、印加電圧は最大４０ｋＶ程度で済むため、十分対応可能である。また、２ｋｅＶより高いエネルギー領域においても、相応の高圧電源を用意し、十分な耐電圧性をもった設計とすることで対応できる可能性がある。
一方、低エネルギー側への対応は、印加電圧を運動エネルギーに比例して変える方法で、特に問題ないと考える。ただし、運動エネルギーがほぼゼロまたは非常に小さい場合、電極部材の表面ポテンシャルの乱れや地磁気などの影響により電子軌道が乱れることを避けるために、点源での運動エネルギーよりも大きな運動エネルギーをもってアパーチャ位置に収束するように、各電極に印加する電圧を調整することが望ましい。
上記の方法により、少なくとも、０～２ｋｅＶ程度の広いエネルギー範囲において、±９０°の取り込み角を有する収束レンズを提供することが可能である。また、２ｋｅＶより高いエネルギー領域においても、電源と耐電圧性が許せば、±９０°の取り込み角を有する収束レンズを提供することが可能である。さらに、電源または耐電圧性に制限がある場合でも、各電極の形状、配置、印加電圧を最適化することにより、±９０°または非常に大きな取り込み角を有する収束レンズを提供できる可能性がある。
一方、低エネルギー側への対応は、印加電圧を運動エネルギーに比例して変える方法で、特に問題ないと考える。ただし、運動エネルギーがほぼゼロまたは非常に小さい場合、電極部材の表面ポテンシャルの乱れや地磁気などの影響により電子軌道が乱れることを避けるために、点源での運動エネルギーよりも大きな運動エネルギーをもってアパーチャ位置に収束するように、各電極に印加する電圧を調整することが望ましい。
上記の方法により、少なくとも、０～２ｋｅＶ程度の広いエネルギー範囲において、±９０°の取り込み角を有する収束レンズを提供することが可能である。また、２ｋｅＶより高いエネルギー領域においても、電源と耐電圧性が許せば、±９０°の取り込み角を有する収束レンズを提供することが可能である。さらに、電源または耐電圧性に制限がある場合でも、各電極の形状、配置、印加電圧を最適化することにより、±９０°または非常に大きな取り込み角を有する収束レンズを提供できる可能性がある。
【0049】
また、球面収差補正静電型レンズの透過率と収束性能は、メッシュ電極１４と平面グリッド部１６のパフォーマンスに依存する。まず、平面グリッド部１６は高い透過率と高い形状精度を比較的容易に達成することができ、透過率は８０～９０％程度に設定することが可能である。一方、メッシュ電極１４の透過率は、現状の技術では、６０～７０％程度が限界である。その結果、平面グリッド部１６とメッシュ電極１４を合わせた全体の透過率は５０～６０％程度が現状で可能な値である。メッシュ電極１４のメッシュ形状については、図１に示した球面収差補正静電型レンズの場合、メッシュの深さｄと開口半径Ｒの比（ｄ／Ｒ）が１以下の約０．９となっている。なお、二次元電子分析器（ＤＥＬＭＡ）に用いられている球面収差補正静電型レンズの場合、楕円面メッシュ電極のメッシュの深さｄと開口半径Ｒの比（ｄ／Ｒ）は約１．７、特許文献１及び非特許文献７に記載の球面収差補正静電型レンズ、特許文献２及び非特許文献８に記載の球面収差補正減速型レンズの場合、ｄ／Ｒは１．５～２．４であり、図１の静電型レンズにおけるｄ／Ｒはこれらと比較してかなり小さな値となっている。図１の静電型レンズの場合には、メッシュ電極の加工の難易度が大幅に軽減され、より高精度のメッシュ電極を作製することが可能である。
【0050】
本実施例の球面収差補正静電型レンズの引き込み電極１３のアスペクト比（ｈ／Ｄ）を０（ゼロ）に設定すると、引き込み電極１３の平面グリッド部１６とベース面１３ａが面一になる。これにより、試料が取り付けられた平面状の点源電極１２と引き込み電極１３の間には一様な電場が形成される。一様な電場が形成される場合には、球面収差は、図１に示すグラフと比較して、広角側で著しく増加することになる。このため、高い収束性能を得るには、アスペクト比を調整することが望ましい。ただし、アスペクト比を０に設定すると、軸が傾いていなければ多少の軸ズレは許容されるというメリットが生じる。
【0051】
図１に示す本実施例の球面収差補正静電型レンズでは、メッシュ電極１４が取り付けられたリング状電極ＥＬ１の後段に３つのリング状電極（ＥＬ２～ＥＬ４）とさらにその後段に１つの円筒状電極１５ｂ（ＥＬ５）が組み合わされているが、組み合わせる電極の数はこれに限定されるものではない。
本発明の球面収差補正静電型レンズは、前述のとおり、少なくとも、０～２ｋｅＶのエネルギー範囲において、±９０°の取り込み角を有する“全角取り込み球面収差補正静電型レンズ”として設計できる。しかし、設計によっては、あるいは、エネルギーによっては、全角取り込みとならない場合もある。したがって、本発明の球面収差補正静電型レンズは、特に明記しない限り、全角または非常に大きな取り込み角を有する静電型レンズを表すものとする。
本発明の球面収差補正静電型レンズは、前述のとおり、少なくとも、０～２ｋｅＶのエネルギー範囲において、±９０°の取り込み角を有する“全角取り込み球面収差補正静電型レンズ”として設計できる。しかし、設計によっては、あるいは、エネルギーによっては、全角取り込みとならない場合もある。したがって、本発明の球面収差補正静電型レンズは、特に明記しない限り、全角または非常に大きな取り込み角を有する静電型レンズを表すものとする。
【実施例2】
【0052】
図４は、本発明の球面収差補正静電型レンズの第２の実施形態の概略図を示している。第２の実施形態の球面収差補正静電型レンズ２は、前述のタイプ２Ａに相当するものであり、レンズ軸上に点源が配置される点源電極２２と、点源から発生した荷電粒子を引き込むための引き込み電極１３と、引き込み電極１３と対向する軸対称な凹面形状を有するメッシュ電極１４と、中心軸が一致するように配置された軸対称の４つのリング状電極（ＥＬ１～ＥＬ４）と１つの円筒状電極（ＥＬ５）を備える。
【0053】
図４に示すように、カソードレンズ２９は、レンズ軸に垂直な平面状電極であってレンズ軸方向に軸対称な凸部を有し、凸部の上部中央に点源が配置された点源電極２２と、図１で示した球面収差補正静電型レンズ１と同様、レンズ軸が垂線となるベース面１３ａから軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部１３ｂを有し、突壁部１３ｂの開口面に平面グリッド部１６が形成された引き込み電極１３とで構成される。そして、点源電極２２を、引き込み電極１３の内面の凹側に、引き込み電極から一定の距離を隔てて対向するように配置させて、点源電極２２と引き込み電極との間に高電圧を印加して、試料から放出された電子を取り込む。球面収差補正静電型レンズ２では、各電極の形状、配置、印加電圧を調整することにより、試料に紫外線やＸ線などの光を照射することで試料表面から出てきた電子を±９０°の取り込み角にわたって取り込み、小さな球面収差に補正して、アパーチャ１８の位置に収束ビームを生成する。
なお、点源電極は、先端部に点源が配置された軸対称の電極、又は、先端部に点源が配置されたロッド状の電極であって、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートの貫通穴の位置に、又は、貫通穴を通して先端部が配置されていてもよい。これにより点源のレンズ軸方向の位置が微調整できるようになる。これは前述のタイプ２Ｂに相当するものである。ここで、先端部に点源が配置された軸対称な電極とレンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートは、必ずしも同電位である必要はない。例えば、絶縁体の試料の場合、帯電によって試料表面の電場が不均一になり測定結果に大きな影響を及ぼすことがあるが、試料にバイアス電圧を印加することによって、これを解消することができる。また、ロッド状の電極は、軸対称ではない細いストレート形状の電極も許容される。
なお、点源電極は、先端部に点源が配置された軸対称の電極、又は、先端部に点源が配置されたロッド状の電極であって、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートの貫通穴の位置に、又は、貫通穴を通して先端部が配置されていてもよい。これにより点源のレンズ軸方向の位置が微調整できるようになる。これは前述のタイプ２Ｂに相当するものである。ここで、先端部に点源が配置された軸対称な電極とレンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートは、必ずしも同電位である必要はない。例えば、絶縁体の試料の場合、帯電によって試料表面の電場が不均一になり測定結果に大きな影響を及ぼすことがあるが、試料にバイアス電圧を印加することによって、これを解消することができる。また、ロッド状の電極は、軸対称ではない細いストレート形状の電極も許容される。
【0054】
図４に示すグラフは、球面収差補正静電型レンズ２において、点源からの出射角α（－９０°～９０°）に対する球面収差ＳＡを示している。上記の構成の点源電極２２と引き込み電極１３とで構成されるカソードレンズ２９を備える球面収差補正静電型レンズ２によれば、メッシュ電極の深さｄと開口半径Ｒとの比（ｄ／Ｒ）が大きいメッシュを用いることなく、±９０°の取り込み角を達成できていることがわかる。球面収差補正静電型レンズ２において、ｄ／Ｒは、約０．９６である。球面収差補正静電型レンズ２によって、入射角±９０°にわたって球面収差をほぼゼロにすることが可能である。
【実施例3】
【0055】
図５は、本発明の球面収差補正静電型レンズの第３の実施形態の概略図を示している。第３の実施形態の球面収差補正静電型レンズ３は、前述のタイプ３Ａに相当するものであり、レンズ軸上に点源が配置される点源電極２２と、点源から発生した荷電粒子を引き込むための引き込み電極３３と、引き込み電極３３と対向する軸対称な凹面形状を有するメッシュ電極１４と、中心軸が一致するように配置された軸対称の４つのリング状電極（ＥＬ１～ＥＬ４）と１つの円筒状電極（ＥＬ５）を備える。
【0056】
カソードレンズ３９は、レンズ軸に垂直な平面状電極であってレンズ軸方向に軸対称な凸部を有し凸部の上部中央に点源が配置された点源電極２２と、レンズ軸が垂線となるベース面３３ａから軸方向に向けて軸対称に内面形状が形成され、かつ、端部に開口面が形成された突壁部３３ｂを有し、突壁部３３ｂの端部から延設され外側に拡がる（突壁部の内面形状が外側にテーパ状に拡がる）テーパ状突壁部３３ｃが形成された引き込み電極３３とで構成される。そして、点源電極２２を、引き込み電極３３の内面の凹側に、引き込み電極から一定の距離を隔てて対向するように配置させて、点源電極２２と引き込み電極との間に高電圧を印加して、試料から放出された電子を取り込む。球面収差補正静電型レンズ３では、各電極の形状、配置、印加電圧を調整することにより、試料に紫外線やＸ線などの光を照射することで試料表面から出てきた電子を±９０°の取り込み角にわたって取り込み、小さな球面収差に補正して、アパーチャ１８の位置に収束ビームを生成する。
なお、点源電極は、先端部に点源が配置された軸対称又はロッド状の電極であって、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートの貫通穴の位置に、又は、貫通穴を通して先端部が配置されていてもよい。これにより点源のレンズ軸方向の位置が微調整できるようになる。これは前述のタイプ３Ｂに相当するものである。ここで、タイプ２Ｂの場合と同様、先端部に点源が配置された軸対称な電極とレンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートは、必ずしも同電位である必要はない。また、先端部に点源が配置されたロッド状の電極は、軸対称ではない細いストレート形状の電極も許容される。
なお、点源電極は、先端部に点源が配置された軸対称又はロッド状の電極であって、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートの貫通穴の位置に、又は、貫通穴を通して先端部が配置されていてもよい。これにより点源のレンズ軸方向の位置が微調整できるようになる。これは前述のタイプ３Ｂに相当するものである。ここで、タイプ２Ｂの場合と同様、先端部に点源が配置された軸対称な電極とレンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートは、必ずしも同電位である必要はない。また、先端部に点源が配置されたロッド状の電極は、軸対称ではない細いストレート形状の電極も許容される。
【0057】
図５に示すグラフは、球面収差補正静電型レンズ３において、点源からの出射角α（－９０°～９０°）に対する球面収差ＳＡを示している。上記の構成の点源電極２２と引き込み電極３３とで構成されるカソードレンズ３９を備える球面収差補正静電型レンズ３によれば、メッシュ電極の深さｄと開口半径Ｒとの比（ｄ／Ｒ）が大きいメッシュを用いることなく、±９０°の取り込み角を達成できていることがわかる。球面収差補正静電型レンズ３において、ｄ／Ｒは、約０．９８である。球面収差補正静電型レンズ３によって、入射角±８０°にわたって球面収差をほぼゼロにすることが可能である。
【実施例4】
【0058】
図６は、本発明の球面収差補正静電型レンズの第４の実施形態の概略図を示している。第４の実施形態の球面収差補正静電型レンズ４は、前述のタイプ４に相当するものであり、レンズ軸上に点源が配置される点源電極１２と、点源から発生した荷電粒子を引き込むための引き込み電極３３と、引き込み電極３３と対向する軸対称な凹面形状を有するメッシュ電極１４と、中心軸が一致するように配置された軸対称の４つのリング状電極（ＥＬ１～ＥＬ４）と１つの円筒状電極（ＥＬ５）を備える。
【0059】
カソードレンズ４９は、レンズ軸に垂直な平面状電極である点源電極１２と、レンズ軸が垂線となるベース面３３ａから軸方向に向けて軸対称な突壁部３３ｂを有し、突壁部３３ｂの開口面から外側に拡がるテーパ状突壁部３３ｃが形成された引き込み電極３３とで構成される。そして、点源電極１２を、引き込み電極３３の内面の凹側に、引き込み電極から一定の距離を隔てて対向するように配置させて、点源電極１２と引き込み電極との間に高電圧を印加して、試料から放出された電子を取り込む。球面収差補正静電型レンズ４では、各電極の形状、配置、印加電圧を調整することにより、試料に紫外線やＸ線などの光を照射することで試料表面から出てきた電子を±９０°の取り込み角にわたって取り込み、小さな球面収差に補正して、アパーチャ１８の位置に収束ビームを生成する。
【0060】
図６に示すグラフは、球面収差補正静電型レンズ４において、点源からの出射α（－９０°～９０°）に対する球面収差ＳＡを示している。上記の構成の点源電極１２と引き込み電極３３とで構成されるカソードレンズ４９を備える球面収差補正静電型レンズ４によれば、メッシュ電極の深さｄと開口半径Ｒとの比（ｄ／Ｒ）が大きいメッシュを用いることなく、非常に大きな取り込み角を達成できていることがわかる。球面収差補正静電型レンズ４において、ｄ／Ｒは、約０．９２である。但し、球面収差補正静電型レンズ４の場合、取り込み角が±７０°程度以上になると大きな球面収差が発生するという課題は残る。
【実施例5】
【0061】
実施例１～４の球面収差補正静電型レンズのカソードレンズ（１９，２９，３９，４９）において、図７に示す各種パラメータ（点源電極と引き込み電極のベース面との距離Ｌ、点源電極の凸部の高さａ、点源電極の凸部の半径ｒ０、引き込み電極の突壁部の高さｈ、引き込み電極の突壁部の直径Ｄ）がどのような効果をもつかシミュレーションした結果を以下に示す。
【0062】
図８～１０は、それぞれ上記のパラメータの変化によって、虚像における球面収差がどのように変化するかを示したものである。それぞれの図の（２）に、点源からの出射角α（０°～９０°）に対する球面収差ＳＡ（ｍｍ）を示している。
図８は、図７（１）のカソードレンズにおいて、突壁部のアスペクト比（ｈ／Ｄ）の変化を考慮している。この図より、アスペクト比（ｈ／Ｄ）が０から０．５と増加するにしたがって球面収差ＳＡが減少することが分かる。図８（２）の一点鎖線は、グリッドを用いない図７（２）のカソードレンズのｈ／Ｄ＝０．４の場合の結果である。グリッドを用いない場合でも、平行電場の場合（図７（１）のカソードレンズのｈ／Ｄ＝０の場合）と比較すると球面収差は小さくなっているが、グリッドを用いた図７（１）のカソードレンズの方がアスペクト比（ｈ／Ｄ）の調整によって球面収差をより小さくすることができる。なお、アスペクト比（ｈ／Ｄ）の上限は約０．６である。これは、アスペクト比（ｈ／Ｄ）が０．６程度以上になると、広角側の電子軌道の一部が突壁部の壁に引っかかって、その軌道の電子がカソードレンズを通過できなくなるためである。
なお、図１に示した球面収差補正静電型レンズにおいて、アスペクト比（ｈ／Ｄ）は０．３である。これは、カソードレンズの後段に配置されるメッシュ電極、リング状電極、円筒状電極の各種パラメータの調整とともにアスペクト比（ｈ／Ｄ）の最適化を行った結果である。また、図６に示した球面収差補正静電型レンズにおいて、アスペクト比（ｈ／Ｄ）は０．４である。ただし、カソードレンズと組み合わせるメッシュ電極、リング状電極、円筒状電極の設計によっては、本発明の球面収差補正静電型レンズにおける最適なアスペクト比（ｈ／Ｄ）は、０．１～０．５の範囲で変化し得る。また、点源と引き込み電極のベース面との距離Ｌに対する直径Ｄの大きさは球面収差補正静電型レンズの最適化の計算において決定される。実施例１～４の球面収差補正静電型レンズにおいて、Ｄ／Ｌは２．０程度となる。
図９は、レンズ軸方向に軸対称な凸部を有する点源電極の凸部のパラメータの効果を考慮したものである。ここで、パラメータは、図７（３）に示した凸部の高さａと半径ｒ０である。高さａを大きくすると球面収差は減少し、また、半径ｒ０を小さくしても球面収差は減少する。その結果、凸部を細長い円柱形状にすることにより球面収差を大幅に減少させることができる。しかし、この場合、試料は円柱上面の狭い領域に固定することになり、実用性に難が生じる。
そこで、図１０では、レンズ軸方向に軸対称な凸部を有する点源電極の凸部のパラメータと引き込み電極の突壁部のパラメータ（アスペクト比（ｈ／Ｄ））の組み合わせを考慮している（図７（４）、（５）に対応）。図９（２）と図１０（２）において、実線曲線は、いずれも、点源電極の凸部の高さａと半径ｒ０を、点源と引き込み電極のベース面との距離Ｌに対する相対値として、ａ／Ｌ＝０．６とｒ０／Ｌ＝０．４で与えた場合の結果である。このときの電子軌道（虚像）をそれぞれ図９（１）、図１０（１）の左側に示している。これら電子軌道の比較、または、図９（２）と図１０（２）の実線曲線の比較から分かるように、レンズ軸方向に軸対称な凸部を有する点源電極に軸対称な突壁部を有する引き込み電極を組み合わせることにより、球面収差を大幅に減少させることができる。また、点源電極の凸部の半径ｒ０を小さくすることによって、球面収差はさらに減少させることができ、図１０（２）の一点鎖線で示すように、負の球面収差を発生させることも可能である。図８に示したように、引き込み電極の突壁部のアスペクト比（ｈ／Ｄ）だけでも球面収差をかなり調整することができるが、点源電極に凸部形状を与え、高さａと半径ｒ０のパラメータを加えることにより球面収差をかなり有効に調整することが可能になる。
なお、図７（７）、（８）は、それぞれ、前述のタイプ２Ｂ、３Ｂに相当するものであり、図７（６）は、前述のタイプ２Ｂのアスペクト比（ｈ／Ｄ）が０の場合に相当するものである。前述のタイプ２Ｂ、３Ｂでは、点源の高さａを微調整して球面収差を有効に調整することができる。
図８は、図７（１）のカソードレンズにおいて、突壁部のアスペクト比（ｈ／Ｄ）の変化を考慮している。この図より、アスペクト比（ｈ／Ｄ）が０から０．５と増加するにしたがって球面収差ＳＡが減少することが分かる。図８（２）の一点鎖線は、グリッドを用いない図７（２）のカソードレンズのｈ／Ｄ＝０．４の場合の結果である。グリッドを用いない場合でも、平行電場の場合（図７（１）のカソードレンズのｈ／Ｄ＝０の場合）と比較すると球面収差は小さくなっているが、グリッドを用いた図７（１）のカソードレンズの方がアスペクト比（ｈ／Ｄ）の調整によって球面収差をより小さくすることができる。なお、アスペクト比（ｈ／Ｄ）の上限は約０．６である。これは、アスペクト比（ｈ／Ｄ）が０．６程度以上になると、広角側の電子軌道の一部が突壁部の壁に引っかかって、その軌道の電子がカソードレンズを通過できなくなるためである。
なお、図１に示した球面収差補正静電型レンズにおいて、アスペクト比（ｈ／Ｄ）は０．３である。これは、カソードレンズの後段に配置されるメッシュ電極、リング状電極、円筒状電極の各種パラメータの調整とともにアスペクト比（ｈ／Ｄ）の最適化を行った結果である。また、図６に示した球面収差補正静電型レンズにおいて、アスペクト比（ｈ／Ｄ）は０．４である。ただし、カソードレンズと組み合わせるメッシュ電極、リング状電極、円筒状電極の設計によっては、本発明の球面収差補正静電型レンズにおける最適なアスペクト比（ｈ／Ｄ）は、０．１～０．５の範囲で変化し得る。また、点源と引き込み電極のベース面との距離Ｌに対する直径Ｄの大きさは球面収差補正静電型レンズの最適化の計算において決定される。実施例１～４の球面収差補正静電型レンズにおいて、Ｄ／Ｌは２．０程度となる。
図９は、レンズ軸方向に軸対称な凸部を有する点源電極の凸部のパラメータの効果を考慮したものである。ここで、パラメータは、図７（３）に示した凸部の高さａと半径ｒ０である。高さａを大きくすると球面収差は減少し、また、半径ｒ０を小さくしても球面収差は減少する。その結果、凸部を細長い円柱形状にすることにより球面収差を大幅に減少させることができる。しかし、この場合、試料は円柱上面の狭い領域に固定することになり、実用性に難が生じる。
そこで、図１０では、レンズ軸方向に軸対称な凸部を有する点源電極の凸部のパラメータと引き込み電極の突壁部のパラメータ（アスペクト比（ｈ／Ｄ））の組み合わせを考慮している（図７（４）、（５）に対応）。図９（２）と図１０（２）において、実線曲線は、いずれも、点源電極の凸部の高さａと半径ｒ０を、点源と引き込み電極のベース面との距離Ｌに対する相対値として、ａ／Ｌ＝０．６とｒ０／Ｌ＝０．４で与えた場合の結果である。このときの電子軌道（虚像）をそれぞれ図９（１）、図１０（１）の左側に示している。これら電子軌道の比較、または、図９（２）と図１０（２）の実線曲線の比較から分かるように、レンズ軸方向に軸対称な凸部を有する点源電極に軸対称な突壁部を有する引き込み電極を組み合わせることにより、球面収差を大幅に減少させることができる。また、点源電極の凸部の半径ｒ０を小さくすることによって、球面収差はさらに減少させることができ、図１０（２）の一点鎖線で示すように、負の球面収差を発生させることも可能である。図８に示したように、引き込み電極の突壁部のアスペクト比（ｈ／Ｄ）だけでも球面収差をかなり調整することができるが、点源電極に凸部形状を与え、高さａと半径ｒ０のパラメータを加えることにより球面収差をかなり有効に調整することが可能になる。
なお、図７（７）、（８）は、それぞれ、前述のタイプ２Ｂ、３Ｂに相当するものであり、図７（６）は、前述のタイプ２Ｂのアスペクト比（ｈ／Ｄ）が０の場合に相当するものである。前述のタイプ２Ｂ、３Ｂでは、点源の高さａを微調整して球面収差を有効に調整することができる。
【実施例6】
【0063】
上述の実施例２，３の球面収差補正静電型レンズにおける点源電極のように、レンズ軸に垂直な平面状電極であってレンズ軸方向に軸対称な凸部を有し、凸部の上部中央に点源が配置されている場合に、凸部の上部中央に点源を配置させるやり方について、図１１を参照して説明する。
点源は、図１１（ａ）のように凸部１２ａの上部中央に点源１１が配置されるという配置だけでなく、図１１（ｂ）又は図１１（ｃ）のように、点源支持移動装置１２ｂを介して凸部１２ａの上部中央に配置することも可能である。点源支持移動装置１２ｂは、先端部に点源１１が配置された軸対称もしくはロッド状の電極であって、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートの貫通穴の位置もしくは貫通穴を通った位置に先端部が配置されたものである。図１１（ｂ）と図１１（ｃ）では、点源支持移動装置１２ｂを用いて試料を操作し、試料上の点源１１の位置を微調整１２ｃすることができる。
点源は、図１１（ａ）のように凸部１２ａの上部中央に点源１１が配置されるという配置だけでなく、図１１（ｂ）又は図１１（ｃ）のように、点源支持移動装置１２ｂを介して凸部１２ａの上部中央に配置することも可能である。点源支持移動装置１２ｂは、先端部に点源１１が配置された軸対称もしくはロッド状の電極であって、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレートの貫通穴の位置もしくは貫通穴を通った位置に先端部が配置されたものである。図１１（ｂ）と図１１（ｃ）では、点源支持移動装置１２ｂを用いて試料を操作し、試料上の点源１１の位置を微調整１２ｃすることができる。
【実施例7】
【0064】
図１２は、本発明の電子分析器の第１の実施形態の概略図である。本実施例の電子分析器は、従来の平行ビーム二次元電子分析器の前段に、上述した実施例１の球面収差補正静電型レンズと複数の軸対称電極からなる「加速／減速レンズ」を設けたものである。ここで、加速／減速レンズは、電圧の切り替えにより減速レンズ又は加速レンズになるレンズとして定義する。図１２に示す電子分析器では、本発明の球面収差補正静電型レンズ６１によって全角（±９０°）にわたり放出電子を取り込んで収束させ、平行ビーム二次元電子分析器６３によってエネルギーが分析された二次元放出角度分布を全角にわたって一度に測定することができる。加速／減速レンズ６２は、後述するように、この電子分析器に特有の効果を与える。なお、球面収差補正静電型レンズ６１は、実施例１～４で示した球面収差補正静電型レンズの何れを用いてもよい。
【0065】
まず、図１２（１）では、角度分布モードで用いる構成を示す。角度分布モードにおいては、加速／減速レンズは「減速レンズ」として用いられる。この減速レンズは、電子が平行ビーム二次元電子分析器６３の平面コリメータ電極６４に入る前に運動エネルギーを下げて、エネルギー分解能を向上するために用いられる。また、加速／減速レンズ６２の出口には直径の異なる孔がいくつか開けられた挿入式のアパーチャプレート又はアイリス式のアパーチャ６５が設けられる。このアパーチャ６５と減速レンズによってエネルギー分解能向上と感度が調整される。減速することによって電子軌道の角度の広がりが大きくなるが、これは平行ビーム二次元電子分析器６３にとっては好都合である。その理由は、入射角が大きいほどエネルギー分解能が高くなるためである。
【0066】
次に、図１２（２）は、イメージングモードで用いる構成を示している。イメージングモードにおいては、試料の拡大像を観察して、調べたい領域を光軸上に合わせる光電子顕微鏡として利用することができる。ここで、加速／減速レンズ６２は「加速レンズ」として用いられる。加速レンズにするのは、平面コリメータ電極６４には角度分布モードにおいて平行ビームからずれた電子を阻止するために電子吸収材がコートされているためである。角度分布モードでは、低エネルギーの電子が平面コリメータ電極６４を通過し、平行からずれた電子は電子吸収材に吸収されるが、一方、イメージングモードでは平行に近いビームは得られるが、角度分布モードのような平行ビームにはならないため、エネルギーが低い電子は、ほとんど電子吸収材に吸収されてしまい、像を得るのが困難である。
そこで、電子を加速して結像することにより、電子が平面コリメータ電極６４を通過できるようにしている。イメージングモードで拡大像を観察し、調べたい領域を光軸上に合わせた後、制限視野のためにアパーチャ６５を球面収差補正静電型レンズ６１の出口に挿入することにより、調べたい微小領域を分析領域として選択する。なお、この状態で、角度分布モードにすることにより、調べたい微小領域の二次元放出角度分布を全角にわたって一度に取得することが可能となる。また、この分析器はコンパクトに設計することができ、他の分析装置と組み合わせることも容易なため、様々な変化、応用が期待できる。
そこで、電子を加速して結像することにより、電子が平面コリメータ電極６４を通過できるようにしている。イメージングモードで拡大像を観察し、調べたい領域を光軸上に合わせた後、制限視野のためにアパーチャ６５を球面収差補正静電型レンズ６１の出口に挿入することにより、調べたい微小領域を分析領域として選択する。なお、この状態で、角度分布モードにすることにより、調べたい微小領域の二次元放出角度分布を全角にわたって一度に取得することが可能となる。また、この分析器はコンパクトに設計することができ、他の分析装置と組み合わせることも容易なため、様々な変化、応用が期待できる。
【実施例8】
【0067】
図１３は、本発明の電子分析器の第２の実施形態の概略図である。図１３に示すように、電子分析器の基本部分は、インプットレンズ１０２、内球と外球からなる静電半球部（ＣＨＡ）１０３、静電半球部１０３の出口に設けられた検出器１０５からなる。本実施例の電子分析器では、電子分析器の静電半球部の前段に配置されるインプットレンズの更に前段に、実施例１の球面収差補正静電型レンズ１を用いる。本実施例の電子分析器においては、球面収差補正静電型レンズの収束角が重要になる。この収束角がインプットレンズの取り込み角よりも大きい場合、せっかく全角で取り込んでも、インプットレンズで取りこぼしが生じる。基礎研究や応用研究で広く用いられている商用の角度分解電子分光装置は、取り込み角が、概ね±６°～±１５°となっている。図１に示した実施例１の球面収差補正静電型レンズは、収束角が±１０°の設計になっているが、収束角を±６°に設定して設計することもできる。これにより取りこぼしの問題は解消されるが、収束角が小さい設計にするとレンズの長さが長くなる。逆に、収束角が大きくても問題ない場合は、レンズの長さは短くて済む。
【0068】
したがって、コンパクトな電子分析器の開発においては、組み合わせる分析器の取り込み角に応じて、球面収差補正静電型レンズを設計すればよい。スペクトルモードでの感度は概ね取り込み立体角に比例し、取り込み立体角は、取り込み角を±θで表すとき、１－cos（θ）に比例する。そのため、取り込み角が±６°の電子分光装置において、収束角が±６°に設定された全角取り込み球面収差補正静電型レンズを組み合わせることにより、取り込み立体角は、（１－cos（９０°）／（１－cos（６°））＝１８３倍に拡大され、感度は、球面収差補正静電型レンズの透過率の見込み値０．５～０．６を乗じて、９１～１１０倍となる。
【0069】
同様に、取り込み角が±１５°の電子分光装置に、本実施例の球面収差補正静電型レンズを組み合わせると１５～１８倍の感度の向上が期待できる。また、角度分布モードでは、全範囲（±９０°）の一次元の放出角度分布とエネルギー分散を同時に測定することができる。全角にわたる二次元放出角度分布の測定には前述した静電型ディフレクターによるスキャンニングの方法を用いることができ、これにより、高エネルギー分解能の全角二次元放出角度分布を広いエネルギー範囲で測定することが可能となる。なお、実施例１の球面収差補正静電型レンズを用いるのではなく、実施例２～４の何れかの球面収差補正静電型レンズを用いても構わない。
【実施例9】
【0070】
図１４は、本発明の電子分析器の第３の実施形態の概略図である。図１４に示すように、電子分析器は、図１３に示す第２の実施形態の電子分析器と同様に、内球と外球からなる静電半球部の前段のインプットレンズ１０２の更に前段に実施例１の球面収差補正静電型レンズ１を用いる。第３の実施形態の電子分析器は、図１３に示す第２の実施形態の電子分析器と異なり、静電半球部（ＣＨＡ）１０３の出口にエネルギー選択用のスリットまたはアパーチャ１０４が設けられ、その後段に投影レンズ１０６と検出器１０５が設けられる。これにより、広いエネルギー範囲において、高分解能でエネルギー分解された二次元放出角度分布を全角にわたって一度に測定できる。
【実施例10】
【0071】
図１５は、本発明のデュアル型の球面収差調整カソードレンズの概略図である。第１の実施形態のデュアル型の球面収差調整カソードレンズは、図１５（１）に示すように、レンズ軸上に点源が配置される点源電極５２と、点源から発生した荷電粒子を引き込むための２つの引き込み電極（５３ａ，５３ｂ）とで構成されるカソードレンズである。点源電極５２として、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレート５１がレンズ軸と垂直に配置されている。また、引き込み電極（５３ａ，５３ｂ）は、レンズ軸が垂線となるベース面（５４ａ，５４ｂ）から軸方向に向けて軸対称な突壁部（５５ａ，５５ｂ）を有し、突壁部５５の開口面に、平面グリッド部（５６ａ，５６ｂ）が形成される第１及び第２の２つの電極（５３ａ，５３ｂ）を左右に備え、点源電極５２が２つのベース面（５４ａ，５４ｂ）の間に配置される。
また、第２の実施形態のデュアル型の球面収差調整カソードレンズは、図１５（２）に示すように、点源電極５２は、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレート５１がレンズ軸と垂直に配置され、引き込み電極（５３ａ，５３ｂ）は、レンズ軸が垂線となるベース面（５４ａ，５４ｂ）から軸方向に向けて軸対称な突壁部（５５ａ，５５ｂ）を有し、突壁部（５５ａ，５５ｂ）の開口面から外側に拡がるテーパ状突壁部（５７ａ，５７ｂ）が形成される第１及び第２の２つの電極（５３ａ，５３ｂ）を左右に備え、点源電極５２が２つのベース面（５４ａ，５４ｂ）の間に配置される。
また、第２の実施形態のデュアル型の球面収差調整カソードレンズは、図１５（２）に示すように、点源電極５２は、レンズ軸上に貫通穴を有する穴あきプレート５１がレンズ軸と垂直に配置され、引き込み電極（５３ａ，５３ｂ）は、レンズ軸が垂線となるベース面（５４ａ，５４ｂ）から軸方向に向けて軸対称な突壁部（５５ａ，５５ｂ）を有し、突壁部（５５ａ，５５ｂ）の開口面から外側に拡がるテーパ状突壁部（５７ａ，５７ｂ）が形成される第１及び第２の２つの電極（５３ａ，５３ｂ）を左右に備え、点源電極５２が２つのベース面（５４ａ，５４ｂ）の間に配置される。
【0072】
ここで、図１５（３）に示すように、穴あきプレート５１は、レンズ軸上に位置する中央部に貫通穴５１ａが開いており、グラフェンのような薄い試料を貼り付け、あるいは、レンズ軸上の貫通穴５１ａにガスを噴射し、それに光を照射する。穴あきプレート５１は、噴射するガスを供給もしくは回収するために、プレート内部にガス流路５１ｂが設けられている。光の照射によって出てくる電子やイオンを左右の電極を通して、最大で４πステラジアン（全立体角）で検出する。中央の電極によって、左右対称な電位分布が形成でき、両側で電子または同種の荷電粒子を検出することができる。電圧のかけ方を変えれば、左右で正と負の荷電粒子のコインシデンス（coincidence）測定も可能である。なお、穴あきプレート５１は、ガス流路５１ｂとは別に電子を通すパス（図示せず）を内部に設けることによって、上記の光の替わりに電子を照射することも可能である。
なお、引き込み電極（５３ａ，５３ｂ）の平面グリッド部（５６ａ，５６ｂ）とベース面（５４ａ，５４ｂ）の距離や電極の形状は、左右対称である必要は特になく、非対称であっても構わない。また、点源電極５２には、レンズ軸上に穴あきプレート５１を用いたが、穴あきプレート５１の替わりに平面グリッドを用いてもよい。さらに、穴あきプレート５１の内部にガス流路を設けるのではなく、プレート表面にガス流路を設けてもよい。
なお、引き込み電極（５３ａ，５３ｂ）の平面グリッド部（５６ａ，５６ｂ）とベース面（５４ａ，５４ｂ）の距離や電極の形状は、左右対称である必要は特になく、非対称であっても構わない。また、点源電極５２には、レンズ軸上に穴あきプレート５１を用いたが、穴あきプレート５１の替わりに平面グリッドを用いてもよい。さらに、穴あきプレート５１の内部にガス流路を設けるのではなく、プレート表面にガス流路を設けてもよい。
【0073】
点源としてガス状の分子又は粒子を用いる場合、デュアル型の球面収差調整カソードレンズは、図１５のように穴あきプレート（または平面グリッド）を配置する替わりに、引き込み電極の印加電圧により電場を調整する電場調整手段によって点源の周辺に平行電場を形成させ、一方の引き込み電極で負の荷電粒子を引き込み、他方の引き込み電極で正の荷電粒子を引き込む設計とすることもできる。ここで、電場調整手段として、対向する２つの引き込み電極の間に１つまたは複数のリング状電極を配置して、２つの引き込み電極およびリング状電極に印加する電圧を調整することによって、平行電場を形成し易くすることができる。
【0074】
上述のデュアル型の球面収差調整カソードレンズにおいて、それぞれの引き込み電極の後段に、図１に示した球面収差補正静電型レンズのように、引き込み電極と対向する軸対称な凹面形状を有するメッシュ電極と、中心軸が一致するように配置された複数のリング状電極と１つまたは複数の円筒状電極を備えて、点源から発生した荷電粒子をそれぞれの引き込み電極で引き込み、球面収差を補正し、収束ビームを生成するデュアル型球面収差補正静電型レンズを提供することができる。
【0075】
また、上述のデュアル型球面収差補正静電型レンズのそれぞれの静電型レンズの後段に、図１２のように、複数の軸対称電極からなる「加速／減速レンズ」と平行ビーム二次元電子分析器を配置して電子分析器を設計することができる。この電子分析器によって、４πステラジアン（全立体角）にわたって放出された荷電粒子を２つの静電型レンズで取り込んで分析することが可能になる。
【0076】
また、上述のデュアル型球面収差補正静電型レンズのそれぞれの静電型レンズの後段に、図１３のように、インプットレンズ、内球と外球からなる静電半球部、その出口に検出器を配置して電子分析器を設計することができる。さらに、それぞれの静電半球部の出口に検出器を配置する替わりに、エネルギー選択用のスリットまたはアパーチャ、その後段に投影レンズと検出器を設ける設計とすることもできる。これにより、広いエネルギー範囲において、４πステラジアン（全立体角）にわたって放出された荷電粒子をそれぞれの静電型レンズで取り込んで、全立体角にわたる二次元放出角度分布を高エネルギー分解能で一度に測定する電子分析器を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【0077】
本発明は、静電型レンズ、電子分光装置、および光電子顕微鏡に有用である。
【符号の説明】
【0078】
１～４，６１ 球面収差補正静電型レンズ
１１ 点源
１２，２２，５２ 点源電極
１２ａ 凸部
１２ｂ 点源支持移動装置
１３，３３，５０，５３ａ，５３ｂ 引き込み電極
１３ａ，３３ａ，５４ａ，５４ｂ ベース面
１３ｂ，３３ｂ，５５ａ，５５ｂ 突壁部
３３ｃ，５７ａ，５７ｂ テーパ状突壁部
１４ メッシュ電極
１５ａ リング状電極
１５ｂ 円筒状電極
１６，５６ａ，５６ｂ 平面グリッド部
１８，６５，１１６，１２４，１２７ アパーチャ
１９，２９，３９，４９ カソードレンズ
５１ 穴あきプレート
５１ａ 貫通穴
５１ｂ ガス流路
６２ 加速／減速レンズ
６３ 平行ビーム二次元電子分析器
６４ 平面コリメータ電極
１００ 電子分光装置
１０１，１１２，１３１，１４２ 試料
１０２ インプットレンズ
１０３ 静電半球部（ＣＨＡ）
１０４ スリットまたはアパーチャ
１０５，１３５ 検出器
１０６ 投影レンズ
１１０ ＤＩＡＮＡ
１１１ 電子銃
１１３ 半球グリッド
１１４，１１５ リング状電極
１１７，１４１ スクリーン
１１８ 阻止電位グリッド
１２０ ＤＥＬＭＡ
１２１ 広角静電型レンズ
１２２，１３２ 楕円面メッシュ電極
１２３ アインツェルレンズ
１２５ 静電半球部（ＣＨＡ）
１２６ 静電型ディフレクター
１２９ 検出器
１３０ 平行ビーム二次元電子分析器
１３３ａ～１３３ｅ 軸対称電極
１３４ 平面コリメータ電極
１４０ 分析器
１４３ 対物レンズ
１１ 点源
１２，２２，５２ 点源電極
１２ａ 凸部
１２ｂ 点源支持移動装置
１３，３３，５０，５３ａ，５３ｂ 引き込み電極
１３ａ，３３ａ，５４ａ，５４ｂ ベース面
１３ｂ，３３ｂ，５５ａ，５５ｂ 突壁部
３３ｃ，５７ａ，５７ｂ テーパ状突壁部
１４ メッシュ電極
１５ａ リング状電極
１５ｂ 円筒状電極
１６，５６ａ，５６ｂ 平面グリッド部
１８，６５，１１６，１２４，１２７ アパーチャ
１９，２９，３９，４９ カソードレンズ
５１ 穴あきプレート
５１ａ 貫通穴
５１ｂ ガス流路
６２ 加速／減速レンズ
６３ 平行ビーム二次元電子分析器
６４ 平面コリメータ電極
１００ 電子分光装置
１０１，１１２，１３１，１４２ 試料
１０２ インプットレンズ
１０３ 静電半球部（ＣＨＡ）
１０４ スリットまたはアパーチャ
１０５，１３５ 検出器
１０６ 投影レンズ
１１０ ＤＩＡＮＡ
１１１ 電子銃
１１３ 半球グリッド
１１４，１１５ リング状電極
１１７，１４１ スクリーン
１１８ 阻止電位グリッド
１２０ ＤＥＬＭＡ
１２１ 広角静電型レンズ
１２２，１３２ 楕円面メッシュ電極
１２３ アインツェルレンズ
１２５ 静電半球部（ＣＨＡ）
１２６ 静電型ディフレクター
１２９ 検出器
１３０ 平行ビーム二次元電子分析器
１３３ａ～１３３ｅ 軸対称電極
１３４ 平面コリメータ電極
１４０ 分析器
１４３ 対物レンズ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
