BeamSeparators

.スピン回転器
Spin Rotator
.ビームセパレータ
Beam Separator

index

EOS津野の
電子光学講座

　電子を試料などに垂直に当てて、試料から跳ね返ってきた電子を検出器などに入れる場合があります。例えばLEED と呼ばれる低加速電子を使った回折装置がそうです。この装置の場合は、検出器の真ん中に穴を明けて試料に当てる電子線をその穴から通してやり、反射してきた電子ビームは色々な方向に反射しますから検出器の広い面で受けてやります。入射電子は細く、反射電子は広がっています。垂直に反射するビームについてはあまり情報を持っていないので、検出器に穴を明ける方法で対応することが出来ました。
　しかし、一般的にはそう都合良くは行きません。反射ビームの全体を必要とする場合もありますし、試料のすぐ近くには対物レンズを置かなければならない場合もあります。このような色々な場合に対してはビームセパレータと呼ばれる、入射電子と反射電子の軌道を分けてやる光学機器が必要になります。ビームセパレータの用途は大きく分けて、次の3つが代表的なものです。
(1). SEM(走査型電子顕微鏡)の一次ビーム(入射ビーム)と二次電子の軌道を分離する。
(2). LEEM(低加速反射電子顕微鏡)の入射ビームと反射ビームを分離する。
(3). ミラー型収差補正器に入射するビームとこれから反射してきたビームの軌道を分ける。
ビームセパレータについてその原理をお話します。ビームセパレータには磁場型とウィーンフィルタ型とがあります。

プリズムアレイビームセパレータ
ビームセパレータには色々な型がこれまで提案されて来ました。それらの色々な型のほとんどすべてを電流の調節だけによって実現出来るのが、ここで紹介するプリズムアレイ・ビームセパレータです。そこで、ここではたったひとつのビームセパレータを使って、その電流の条件を変えることで多様なビームセパレータを実現し、ビームセパレータの全容をお話しすることにします。

図1と図2にここで使用するビームセパレータの形状を示します。図1の左側がビームが偏向をする面内の形状 (x,Y)、右側に3D画像の鉄ヨークとポールピースを半分カットして中のコイルが見えるようにした図、図2にはポールピースと外側ヨークとの関係を示すためのXZ断面を示しています。これらの図で、図1左の左側から水平方向(X)にビームが入ります。ビームの出て行く方向は色々ですそこのビームセパレータは電磁石が二重構造になっています。図1左側の図で桃色に塗られている部分と青く塗られている部分です。両者の間と、この桃色部分とさらにその外側のリターンヨークの間にコイルが入ります。外側コイルに流す電流(アンペアターンNI(out)=1に対して、内側コイルに流す電流NI(in)=0とした場合に、両ポールピースは同じ強さに励磁されます。NI(out)=1, NI(in)=-1とすると、内側の磁極には記事力が供給されず、内側磁極間は無磁場即ちドリフト空間となります。NI(out)=1, NI(in)=-2として初めて、外側磁極に対して内側磁極には向きが反対で強さの同じ磁場が形成されます。つまり、ビームの偏向方向が外側磁極を電子が通る時と内側磁極に入った後とで逆転することになります。トータルとして90°ビームを偏向するわけですが、内側磁極内では 90°を超えるビームを偏向することが出来るようになります。外側磁極内で反対向きに変更してくれるからで、合計で90°の偏向を達成すればよいからです。これは、後でお話しするスピン回転用の90°偏向磁石と似ています。トータルで90°になるように調節すると言う点においてです。どうしてそんな面倒なことをするかと言いますと、それは非点なし結像を実現するためです。御承知のように、一様場を使った偏向磁石では、偏向方向にビームの収束作用がありますが、磁場方向にはレンズ作用がありません。このレンズ作用を持たせるために、通常は磁石のポールピースの入口、出口の端面に傾斜角を付けて磁場方向 (Y)のフォーカスを作り出します。しかし、この作業は大変厄介なもので、適切な角度を見つけ出すためには何カ月ものシミュレーションの時間を必要とするのが普通です。エネルギーアナライザのようなそれ自身が装置開発の目標となるような機器の開発の場合には、アナライザの基本設計に一年と言った時間を費やするのは普通と考えられるかもしれませんが、ビームセパレータは一般的には補助的な光学機器です。別の目的のために必要となる道具で、この開発に長時間を費やしたくないのが普通です。そうした事情を踏まえて、登場したのがここでお話しているプリズムアレイ型のビームセパレータなのです。このビームセパレータは万能で、もしその必要があればシミュレーションなしでいきなり形状を決めて、作成してしまっても、実験だけによって使いこなして行くことが不可能ではありません。以下に、その理屈を詳しくご説明します。

図3に示したのは、外側と内側のマグネットに同じ向きで同じ強さの磁場を与えた場合に90°ビームが偏向するに必要な磁場強度を与えた場合の電子の軌道(a)と最終的に画面の下の方から-Y方向出て行く時のビーム形状を示したものです。軌道から見る限り、きれいに90°偏向して出て行っているように見えますが、最初に丸いビームを入れたにもかかわらず、ビームは縦長に変形しており、面内のX方向(b)図の水平方向ではフォーカス作用によってビームは細くなっていますが、画面に垂直なZ方向にはレンズ作用がないためにビームは大きく広がっています。 Y方向にレンズ作用がないのは、ビームが外側磁石に垂直に入っていますし、最後に外側磁石から出て行く時にも垂直に出て行っているからです。外側磁石と内側磁石の磁場の向きが同じですから、両磁石の間に切れ目があってそこでは磁場が弱くなっていま(図4の上の図参照)すから、その端面をビームが通る時に斜めに横切りますから少しだけここでレンズ作用を受けることになりますが、その大きさはごくわずかだと言うことです。

図4の上の図は図3の場合のX方向の磁場分布を示しています。内側用のコイルスペースで磁場の値がいったん下がっていますが、外側と内側で同じ磁場の値を示しています。このような磁場分布の谷間があり、ここで幾分のY方向フォーカス作用があるわけです。それを利用して、外側マグネットを3重にもして何段階ものフォーカスをさせようとした例も見られます。図4の下の図はNI(in)=-1とした場合の内側磁極の磁場がほとんどゼロになっていることが分かります。

次に、内側磁石の励磁をNI(in)=-1として、外側磁石による励磁を内側磁石内ではキャンセルし、図4の下の図に対応する内側磁石内をドリフト空間にした場合を見てみましょう。図5に90°偏向をさせた場合の軌道と、その時の出力時のスポットを示しています。おおむね非点の取れた分布になっており、内側のマグネットをドリフト空間にしたことによって、おおむね非点なし条件が達成されたことが分かります。スポットの縦横の長さを比べてみますと、若干横即ちZ方向に伸びていることが分かりますので、フリンジによるフォーカス作用が若干勝っている状態にありますので、内側マグネットの励磁を少しだけ減らしてやればより非点のない条件を見つけることが出来るものと思われます。

図6, 図7では、内側磁極に与える励磁を外側のそれのマイナス2倍、NI(in)=-2とすることで、内側磁極の磁場を外側と極性が反対で大きさが等しくなるようにした場合の軌道とその時の出力スポットを示しています。図6の場合、図5と同じ90°偏向が実現しています。また、図6では同時に反射ビームも描いています。試料で反射したビームで、シミュレーションでは、入射ビームの最終データの傾斜角をX', Y', Z'のいずれの符号も反転させ、反対向きにビームを発射させています。反射ビームの出口のスポットも描いています。ビームセパレータ内を二度通っていますが、特に収差が大きくなっている様子は見られず、またこの条件では非点のあまり見られない良好なビームが得られていることが分かります。

図7の場合にはビームは180°方向つまり直進しています。外側磁石と内側磁石の磁場の強さが同じで向きが逆の場合には、このような直進ビームを実現することが出来ます。但し、反射ビームをそのまま出した場合には入射ビームと同じ方向にビームが帰ってしまいますので、ビームセパレータとしての役割が果たせません。従って、90°方向に帰りのビームは曲げてやる必要がありますが、そのためには、内側磁石の励磁条件を変えてやる必要があります。プリズムアレイ型ビームセパレータが初めて提案された時は内側磁石は4分割されており、色々な条件に対応できると言うことが一つの特徴でした。その後、特に内側磁石を分割しなくても十分役割が果たせると言うことで、分割されるケースはなくなりましたが、この入射ビームが180°反射ビームが90°偏向と言う条件を満たすためには、内側磁石の分割が必要です。ここでは、磁石の形状を変えないで電流だけでどれだけのことが出来るかを調べていますので、この条件についてはモデルを示すだけに止めておきます。又、一次ビームを偏向させないで直進させることが重要な応用については、このようなChicane型と呼ばれるプリズムアレイを使う方法の他に Wienフィルタを用いる方法がありますので、これについては後で説明します。

第8図は内側マグネットの磁場の強さを外側の2倍にするため、内側の励磁に必要なアンペアターンを-3倍にした場合です。この場合にはビームは270°偏向、即ち反対向きに90°偏向してくれます。この場合の軌道の良い点は、電子軌道がマグネットのほぼ中心を通ってくれることです。90°偏向の場合にはマグネットの1/4の領域しか使われませんでしたが、270°偏向ではマグネット全体の面が使用されます。今までの軌道のようにフリンジ部分が電子軌道の主な通り道になると言うわけではありませんので、不確定要素が少なくなるように感じられます。図9には、いったん出たビームを反転させて戻してやったビームの軌道も描かせています。この場合にもほとんど非点のないきれいなビームが描かれています。沢山の領域を通り、大きな角度に偏向されるからと言って収差が増えるのではなく、むしろキャンセルされているようにも見えます。このあたりのことは、こうした広がったビームについてではなく、入射ビームを試料などに当てる所にレンズを入れてビームを絞ることで二次収差の発生などが起こっているかを見なければなりません。

このように、プリズムアレイ式のビームセパレータを用いれば、端面角度の計算などを行うことなく非点なし結像をするビームセパレータを得ることが出来ます。しかも、電流比を変えるだけで、90°、180°、270° の方向にビームを出してやることが出来ますので、必要な機器を色々な方向に取り付け、必要に応じて使い分けると言う利用方法を選択することも出来ます。例えば、直進軌道ではレンズ系だけの電子顕微鏡として使い、90°偏向方向には半球フィルタを付け、270°方向には別の検出器を繋げると言った、必ずしも戻ってくるビームがある場合にだけ必要となる機器ではなく、向きを振り分ける機器としての利用が考えられるわけです。