CN111937112A - 电子枪、电子射线应用装置、使用电子枪的电子束射出方法以及电子束的焦点位置调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的课题在于提供一种在将电子枪搭载于合作伙伴装置后，可将电子束的焦点调整至短焦点侧以及长焦点侧的装置。本发明通过一种电子枪而可解决上述课题，其是一种包括光电阴极以及阳极的电子枪，进一步包括配置在该光电阴极与该阳极之间的中间电极。该中间电极具有使自该光电阴极射出的电子束通过的电子束通过孔，且于该电子束通过孔中形成有漂移空间。该漂移空间在透过施加电压而在该光电阴极与该阳极之间形成电场时，得以忽略该电场的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子枪、电子射线应用装置、使用电子枪的电子束射出方法以及电子束的焦点位置调整方法。
背景技术
已知有搭载光电阴极(photocathode)的电子枪、包含该电子枪的电子显微镜、自由电子激光(free electron laser；FEL)加速器、检查装置等电子射线应用装置(以下将自电子射线应用装置卸下电子枪的装置记为“合作伙伴装置(partner device)”)(参照发明专利文献1)。
具备电子枪的装置以获得明亮的影像及高分辨率者为佳。为此，首先将电子枪搭载于合作伙伴装置时或更换电子枪时，为了使由电子枪射出的电子束与合作伙伴装置的电子光学系统(electron optical system)的光轴一致，一般会进行调整电子束的入射轴的作业。此外，除了电子束的入射轴的调整外，为了使电子束聚焦在合作伙伴装置的预定位置，一般亦进行调整焦点位置的作业。
作为调整电子束的焦点位置的方法，除了调整电子枪的安装位置之外，已知在光电阴极与阳极(anode)之间设置韦乃特(Wehnelt)电极(参照发明专利文献2及发明专利文献3)。通过施加电压于韦乃特电极，可集中(narrow down)自光电阴极射出的电子束，其结果在于，相较于未使用韦乃特电极的情况，可将焦点位置移到电子枪侧。
在先技术文献
专利文献：
专利文献1：国际公开第2015/008561号公报。
专利文献2：国际公开第2011/034086号公报。
专利文献3：日本特表2002-539633号公报。
发明内容
如上所述，通过使用韦乃特电极，在将电子枪搭载于合作伙伴装置后，可在固定电子枪的状态下改变电子枪的焦点位置。但依据电子枪的搭载位置，亦有欲将焦点控制在自电子枪远离的方向(以下亦记载为“长焦点侧”)的情况。然而，本发明人等发现在使用韦乃特电极时存在以下的问题。
(1)韦乃特电极使用于为了将焦点位置透过在施加电压时集中电子束而调整至电子枪侧(以下亦记载为“短焦点侧”)。因此，通常只能调整至短焦点侧。
(2)当将电子枪搭载于合作伙伴装置时，施加在韦乃特电极的电压的上下限值的中间值左右的施加电压的状态假定为初期设定。此情况下，通过调整施加在韦乃特电极的电压值，在将电子枪搭载于合作伙伴装置后，在原理上可将电子束的焦点调整至短焦点侧及长焦点侧。然而，韦乃特电极透过在电极上施加电压所产生的电场(electric field)而集中电子束。为此，仅有在电子束通过韦乃特电极的时才能调整电子束的宽度，故即便可以调整焦点位置至短焦点侧及长焦点侧，调整的范围也很窄。
(3)目前，在将电子枪搭载于合作伙伴装置后，将电子束的焦点调整至短焦点侧及长焦点侧，换句话说调整至两个不同方向的方法(装置)，只知道有韦乃特电极。
发明人在致力于研究的时，新研发出通过(1)在光电阴极与阳极之间设置中间电极、(2)于该中间电极中设置有形成了透过施加电压而在光电阴极与阳极之间形成电场时，能够忽略电场的影响的漂移空间(drift space)的电子束通过孔、(3)将由光电阴极射出的电子束通过形成有漂移空间的电子束通过孔而射出至阳极侧时，在漂移空间内扩展电子束的宽度的新方法(装置)，而可将电子束的焦点位置调整至短焦点侧及长焦点侧的任一方向。
在此，本发明所公开的目的在于提供一种使用了能够将电子束的焦点位置调整至短焦点侧及长焦点侧的任一方向的新颖装置(方法)的电子枪、电子射线应用装置、使用电子枪的电子束射出方法以及电子束的焦点位置调整方法。本发明所公开的其他任意附加的功效在实施方式中更为明了。
本发明涉及以下所述的一种电子枪、电子射线应用装置、使用电子枪的电子束射出方法以及电子束的焦点位置调整方法。
(1)一种电子枪，包括：
光电阴极；以及
阳极；
其中该电子枪进一步包括：
中间电极，其配置在该光电阴极与该阳极之间；
其中该中间电极具有：
电子束通过孔，其使自该光电阴极射出的电子束通过；
其中，于该电子束通过孔中形成有漂移空间，其在透过施加电压而在该光电阴极与该阳极之间形成电场时，得以忽略该电场的影响。
(2)如上述(1)所述的电子枪，其中：
当该中间电极如下界定时，具有D/(a/2+b/2)大于1的关系，这里：
该电子束通过孔的中心轴方向的长度为D；
该电子束通过孔的电子束的入口的截面长为a；
该电子束通过孔的电子束的出口的截面长为b。
(3)如上述(1)或(2)所述的电子枪，其包括驱动部，该驱动部用于将该中间电极在该光电阴极与该阳极之间向该电子束通过孔的中心轴方向驱动。
(4)如上述(1)至(3)中任一项所述的电子枪，其中该中间电极的该电子束通过孔的中心轴方向的长度D可变。
(5)如上述(1)至(4)中任一项所述的电子枪，其包括电源，该电源使该光电阴极与该阳极之间形成电场，且施加电压于该中间电极。
(6)如上述(5)所述的电子枪，其中当界定该光电阴极的电压为第一电压，该阳极的电压为第二电压时，该电源可在较该第一电压相对为正，且较该第二电压相对为负的范围内向该中间电极施加电压。
(7)如上述(1)至(6)中任一项所述的电子枪，其包括驱动部，该驱动部用于将该光电阴极和/或该阳极朝向该电子束通过孔的中心轴方向驱动。
(8)一种电子射线应用装置，包括上述(1)至(7)中任一项所记载的电子枪，该电子射线应用装置自由电子激光加速器、电子显微镜、电子射线全像术装置、电子射线图案化装置、电子射线绕射装置、电子射线检查装置、电子射线金属层积造型装置、电子射线微影术装置、电子射线加工装置、电子射线硬化装置、电子射线灭菌装置、电子射线杀菌装置、电浆产生装置、原子状元素产生装置、旋转偏极电子射线产生装置、阴极发光装置或逆光子放射摄谱术装置。
(9)一种使用电子枪的电子束射出方法，包括：
电子束射出步骤，自光电阴极朝向阳极射出电子束；
漂移空间通过步骤，使自该光电阴极射出的电子束形成于中间电极的电子束通过孔，且使可忽略透过施加电压而在该光电阴极与该阳极之间形成的电场的影响；以及
电子束会聚步骤，该漂移空间通过步骤后的电子束朝向该阳极会聚。
(10)一种电子束的焦点位置调整方法，在自上述(9)所记载的使用电子枪的电子束射出方法的电子束射出步骤(ST1)至电子束会聚步骤(ST3)之间包括：电子束宽度调整步骤。
通过本发明的公开，即便是在将电子枪搭载于合作伙伴装置的后，亦可将电子束的焦点位置调整至短焦点侧及长焦点侧的任一方向。
附图说明
图1是显示电子枪1以及搭载电子枪1的装置的示意图。
图2是显示电子枪1以及搭载电子枪1的装置的示意图。
图3是用于说明中间电极2的概要的图。
图4是用于说明通过在阴极3与阳极4之间设置具有漂移空间24的中间电极2，而得以调整焦点距离的原理的图。
图5是用于说明通过在阴极3与阳极4之间设置具有漂移空间24的中间电极2，而得以调整焦点距离的原理的图。
图6是用于说明焦点位置调整的实施方式1的概要的图。
图7是用于说明焦点位置调整的实施方式2的概要的图。
图8是用于说明焦点位置调整的实施方式3的概要的图。
图9是用于说明焦点位置调整的实施方式3的概要的图。
图10是用于说明焦点位置调整的实施方式4的概要的图。
图11是用于说明焦点位置调整的实施方式5的概要的图。
图12是用于说明电子束射出方法的实施方式的图。
图13是用于说明实施例1的图。
图14是用于说明实施例2的图。
图15是用于说明实施例3的图。
具体实施方式
以下边参照附图，边详细说明电子枪、电子射线应用装置、使用电子枪的电子束射出方法以及电子束的焦点位置调整方法。此外，于本说明书中，对于具有相同功能的构件，标上相同或是类似的符号。然后，对于标上相同或是类似符号的构件，有省略重复说明的情况。
[电子枪的实施方式]
参考图1来说明电子枪的构造示例的概要。图1显示电子枪1以及搭载电子枪1的合作伙伴装置E的示意图。
电子枪1的实施方式至少具备中间电极2、光电阴极3以及阳极4。再者，亦可因应需求而使具备电源6及光源7作为构成电子枪1的组件。此外，电源6及光源7亦可在使电子枪1作动时额外安装。
中间电极2具有使自光电阴极3射出的电子束通过的电子束通过孔21。此外，在电子束通过孔21中形成有能够忽略在光电阴极3与阳极4之间的电压差所形成的电场的影响的漂移空间。有关于中间电极2的详细构造在下文说明。
在图1所记载的示例中，中间电极2、光电阴极3、阳极4配置在真空腔CB内。光电阴极3因应由光源7照射的激发光L的受光而射出电子束B。更具体而言，光电阴极3中的电子通过激发光L被激发，受到激发的电子再由光电阴极3射出。射出的电子通过透过阳极4及阴极3所形成的电场而形成电子束B。此外，有关于本说明书中“光电阴极”与“阴极”的记载，虽然在表示射出电子束的意思的情况下记载为“光电阴极”，而在表示“阳极”的相对极的意思的情况下记载为“阴极”，但有关于符号，不论是“光电阴极”或“阴极”在任何情况都使用3。
在图1所记载的示例中，虽然激发光L自光电阴极3的正面照射，但取而代的，亦可使激发光L自光电阴极3的背面照射。此外，在图1所记载的示例中，光电阴极3配置在具备电子束通过孔5h的光电阴极收容容器5内。在光电阴极收容容器5内，亦可配置有为了进行光电阴极3的EA(electron affinity；电子亲和力)表面处理(换句话说，降低电子亲和力的处理)的处理材料5m。
用于形成光电阴极3的光电阴极材料只要能够透过照射激发光而射出电子束者即可，而不特别限制，可列举需EA表面处理的材料、不需EA表面处理的材料等。作为需EA表面处理的材料可列举如：III-V族半导体材料、II-VI族半导体材料等。具体而言可列举：AlN、Ce-2Te、GaN、一种以上的碱金属与Sb的化合物、AlAs、GaP、GaAs、GaSb、InAs等，及其等的混晶等。作为其他示例可列举金属，具体而言可列举：Mg、Cu、Nb、LaB6、SeB6、Ag等。透过将该光电阴极材料进行EA表面处理即可制作光电阴极3，该光电阴极3不仅通过半导体的隙能(gapenergy)所对应的近紫外-红外光波长区域而变得可选择激发光，亦通过半导体的材料或结构的选择而使电子束的用途所对应的电子束源(electron beam source)性能(量子产率(quantum yield)、耐久性、单色性(monochromaticity)、时间反应性(timeresponsiveness)、旋转偏极(spin polarization)度)变得可能。
再者，作为不需EA表面处理的材料可列举如：Cu、Mg、Sm、Tb、Y等单一金属，亦或是合金、金属化合物，或是钻石、WBaO、Cs2Te等。-不需EA表面处理的光电阴极利用已知的方法(例如参照日本发明专利第3537779号)制作即可。当使用不需EA表面处理的光电阴极作为光电阴极3的情况下，则可不必配置光电阴极收容容器5。
阳极4只要是可和阴极3形成电场者则不特别限制，可使用在电子枪领域中通常被使用的阳极。
在电子枪1的实施方式中，只要可由阴极3朝向阳极4射出电子束B，则不特别限制电源的配置。例如当规定阴极3的电压为第一电压、阳极4的电压为第二电压时，只要能够满足以下的条件即可：
(1)透过以第二电压较第一电压相对为正的方式设置电位差，而使阴极3与阳极4之间形成电场；
(2)于中间电极2中，在较第一电压相对为正且较第二电压相对为负的范围内施加电压。
此外，施加在中间电极2的电压，只要是在较第一电压相对为正且较第二电压相对为负的范围内，亦可为可变的。
更具体而言，在图1所示的示例中，具备第一电源6a及第二电源6b的两个电源。在图1所示的示例中，可透过利用第一电源6a向阴极3(“光电阴极3”或是“光电阴极3-+光电阴极收容容器5”)施加电压，使阴极3与阳极4之间产生电位差而形成电场。此外，可利用电2电源6b向中间电极2施加电压。
再者，在图2所示的示例中，显示所具备的电源6的一示例。在图2所示的示例中，在连接电源6与中间电极2的电路中设置第一电阻8a，且在连接电源6与阳极4的电路的较朝向中间电极2的电路分支点的靠近阳极4侧，设置第二电阻8b。第一电阻8a及第二电阻8b的电阻值以下列方式适当调整即可。
(1)透过以第二电压较第一电压相对为正的方式设置电位差，而使阴极3与阳极4之间形成电场；
(2)于中间电极2中，在较第一电压相对为正且较第二电压相对为负的范围内施加电压。
再者，第一电阻8a及第二电阻8b可为固定电阻亦可为可变电阻。
此外，虽然省略图示，但亦可具备向阴极3施加电压的电源、向中间电极2施加电压的电源以及向阳极4施加电压的电源，亦即三个电源6。电源6可使用在电子枪领域中通常被使用的电源。
电源7只要是可透过向光电阴极3照射激发光L而射出电子束B者则不特别限制。光源7可列举如：高输出(瓦特级)、高频率(数百MHz)、超短脉冲雷射光源、价格相对低廉的雷射二极管、LED(light-emitting diode；发光二极管)等。照射的激发光L不论是脉冲光或连续光都可，只要根据目的适当调整即可。在图1所记载的示例中，光源7配置在真空腔CB外。取而代的，亦可将光源7配置在真空腔CB内。
(中间电极2的概要)
参照图3对中间电极2的概要作说明。图3A阴极3、中间电极2、阳极4的概要截面图。图3B是图3A的X-X’截面图。图3C是图3A的Y-Y’截面图。在图3所示的示例中，中间电极2形成中空的圆筒。中间电极2的内部形成有让自光电阴极3射出的电子束通过的电子束通过孔21，且在电子束通过孔21的光电阴极3侧形成有电子束的入口22，并在电子束通过孔21的阳极4侧形成有电子束的出口23。如图3A所示，透过在阴极3与阳极4之间以产生电位差的方式施加电压，并亦在中间电极2施加电压，在阴极3与中间电极2之间以及中间电极2与阳极4之间产生电场EF。
然而，产生的电场EF对空隙内的电子束的运动所强力波及的影响的范围在空隙的开口部为圆形的情况下，将该圆作为最大截面所包含的球内。换句话说，在将图3B所示的电子束的入口22的直径规定为a的情况下，以电子束通过孔21的电子束的入口22的中心作为球心的半径a/2的球内，会强力受到产生的电场EF的影响。同样地，在将图3C所示的电子束的出口23的直径规定为b的情况下，以电子束通过孔21的电子束的出口23的中心作为球心的半径b/2的球内，会受到产生的电场EF的影响。因此，在将电子束通过孔21的中心轴方向的长度规定为D的情况下，当D/(a/2+b/2)大于1时，在电子束通过孔21内形成有不受电场EF的影响的漂移空间24。此外，于本说明书中，“中心轴方向”指链接电子束的入口22的中心与电子束的出口23的中心的方向。
如上所述，当D/(a/2+b/2)大于1时，会形成漂移空间24。虽然只要D/(a/2+b/2)大于1则不特别限制，但为了扩大焦点位置的调整范围，漂移空间24具有一定的长度者为佳，例如1.5以上、2以上、3以上、4以上、5以上等，适当地设定即可。另一方面，只要是在由光电阴极3射出的电子束能够通过电子束通过孔21的范围内，则D/(a/2+b/2)不特别具有上限。然而，若是D/(a/2+b/2)过大的话，换句话说，若是电子束通过孔21的长度D过长的话，会有电子枪1的尺寸变大的问题。因此，由装置设计上的观点来看，D/(a/2+b/2)在1000以下为佳，并根据需求适当地设定为500以下、100以下、50以下等即可。
此外，在图3所示的示例中，虽然中间电极2为中空的圆筒形，而电子束通过孔21为圆锥形，但只要中间电极2具有电子束通过孔21，且让漂移空间24形成，则不特别限制其形状。例如电子束通过孔21的截面亦可为多边形，而此情况下，只要将“a”和“b”作为多边形的外接圆的直径即可。在此情况下，只要将连结了外接圆的中心的线作为“中心轴方向”即可。再者，在电子束通过孔21的截面为椭圆的情况下，只要将“a”和“b”作为椭圆的长轴即可。在此情况下，只要将连结了长轴的中间点的线作为“中心轴方向”即可。此外，在图3A所示的示例中，虽然电子束的入口22小于出口23，换句话说，呈a<b的关系，但a与b的关系亦可为a＝b或是a>b。此外，在图3A所示的示例中，虽然链接了电子束的入口22与出口23的线在截面视下呈直线，但亦可在截面视下呈非直线。例如，亦可使电子束通过孔21的中央部的截面(形成漂移空间的部分的截面)的长度大于a和b，而使电子束通过孔21略呈桶状。此外，虽然电子束的宽度会在漂移空间24内增大，但宽度增加的电子束以不碰撞到电子束通过孔的壁面者为佳。为此，电子束通过孔21的截面的大小，依据焦点位置的调整范围来计算欲增大的电子束的宽度加以适当地决定即可。
虽然中间电极2只要配置在阴极3与阳极4之间即可，但若中间电极2的配置位置太靠近阴极3或阳极4的话，换句话说，若超过放电极限的话，电子束会变得无法飞行。因此，中间电极2只要配置在和阴极3与阳极4的距离不超过放电极限即可。
此外，在图3所示的示例中，虽然中间电极2以单一构件形成，但只要阴极3与阳极4之间所形成的电场EF不会从电子束的入口22及出口23以外的部分进入电子束通过孔21的话，中间电极2亦可组合有复数个构件的分割结构。
制作中间电极2的材料只要是导体则不特别限制，可列举SUS规格(Steel SpecialUse Stainless)的不锈钢等金属。
参照图4及图5来说明通过在阴极3与阳极4之间设置具有漂移空间24的中间电极2而可调整焦点距离的原理。图4用于说明中间电极2与阳极4之间的原理的附图。图5用于说明阴极3与中间电极2之间的原理的附图。
基于以下原理，已知当电子束通过电场时会自电场受力。
原理1：电子束自其中心轴越向外侧的部位，受力越强。
原理2：电子束在单位长度上，跨过越多的等位线(equipotential line)，受力越强。
原理3：当电子束跨过等位线时，其行进方向的能量越大，则垂直方向(相对于行进方向)的受力变小。
电子束的形状基于上述原理并依据受力的总和而决定。亦即，通过调整透过上述原理的受力的平衡，而得以成形电子束形状，其结果可调整焦点位置。
首先，参照图4来说明中间电极2与阳极4之间的原理。如图4A所示，在中间电极2与阳极4之间因电位差而产生电场EF。此时，在电场EF内形成等位线EL，且相对于等位线EL产生法向力(normal force)ELV。亦即，电子束受此法向力ELV的影响。
接着针对自中间电极2朝向阳极4所射出的电子束进行会聚的动作作说明。如图4A所示，虽然在中间电极2的电子束出口中，等位线EL会进入中间电极2的空隙内，但随着偏离中心轴方向，法向力ELV的角度相对于中心轴方向由平行变成具有一角度。换句话说，虽然等位线EL与中心轴方向相交的部分的法向力ELV会赋予相对于电子束呈直行方向的力，但越是偏离相交的部分，则会根据法向力ELV的向量分布(vector component)，将电子束向中心轴方向集中的力也会越大。因此，由于刚通过漂移空间24的电子束宽度越大，则相对于电子束所赋予的向中心轴方向集中的力也会越大(原理1)，而使焦点成为在短焦点侧。
接着针对刚通过漂移空间24的电子束宽度的大小相同的情况下的焦点位置的第一调整例作说明。图4B显示虽然中间电极2与阳极4的距离相同，但改变中间电极2与阳极4之间的电位差的示例。如图4B所示，当使中间电极2与阳极4之间的电位差大于图4A时，随着所产生的电场变大，等位线EL的密度也变大。换句话说，施加在电子束的力会变大(原理2)。因此，将通过通过漂移空间24而使宽度变大的电子束向中心轴方向集中的力，会变成大于图4A所示的示例，且焦点向短焦点侧移动。反的，当使中间电极2与阳极4之间的电位差小于图4A时，则焦点向长焦点侧移动。
图4C显示有关于刚通过漂移空间24的电子束宽度的大小相同的情况下的焦点位置的第二调整例。图4C显示虽然中间电极2与阳极4的电位差相同，但改变中间电极2与阳极4之间的距离的示例。如图4C所示，当使中间电极2与阳极4之间的距离短于图4A时，等位线EL的密度会变大。换句话说，以相较于图4A的短时间(短距离)，对电子束施加向中心轴方向集中的力。因此，由于将通过通过漂移空间24而使宽度变大的电子束向中心轴方向集中的每一单位距离的力，会变成大于图4A所示的示例(原理2)，而使焦点向短焦点侧移动。反的，当使中间电极2与阳极4之间的距离长于图4A时，则焦点向长焦点侧移动。
接着参照图5来说明阴极3与中间电极2之间的原理。如图5A所示，阴极3与中间电极2之间因电位差而产生电场EF。此时，同于图4A，在电场EF内形成等位线EL，且相对于等位线EL产生法向力ELV。亦即，射出的电子束受此法向力ELV的影响。
接着针对自阴极3射出的电子束进入中间电极2时的电子束的宽度的第一调整例作说明。图5B显示虽然阴极3与中间电极2的距离相同，但改变阴极3与中间电极2之间的电位差的示例。如图5B所示，当使阴极3与中间电极2之间的电位差大于图5A时，随着所产生的电场变大，等位线EL的密度也变大。换句话说，由于行进方向的能量变大，故垂直方向(相对于行进方向)所受的力会变小(原理3)。亦即，欲使电子束扩展的力会变小。此时，虽然基于原理2亦会受到欲扩展电子束的力，但比起此影响，因使原理3更占优势的条件(电位差、电极间距离)，故使图5B所示的示例中自阴极3射出的电子束进入中间电极2时的宽度会变成小于图5A所示的示例。
反的，当使阴极3与中间电极2之间的电位差小于图5A时，由于沿着中心轴方向直行的力会变成小于图5A所示的示例，故垂直方向(相对于行进方向)所受的力会变大(原理3)。亦即，因欲使电子束扩展的力会变大，故电子束会更宽于图5A所示的示例。然后，随着漂移空间24内未产生电场，具有在漂移空间24的入口扩展的方向的能量的电子束的宽度，在漂移空间24内变得更大。
接着针对自阴极3射出的电子束进入中间电极2时的电子束的宽度的第二调整例作说明。图5C显示虽然阴极3与中间电极2的电位差相同，但改变阴极3与中间电极2之间的距离的示例。如图5C所示，当使阴极3与中间电极2之间的距离短于图5A时，等位线EL的密度会变大。换句话说，由于行进方向的能量变大，故垂直方向(相对于行进方向)所受的力会变小(原理3)。亦即，欲使电子束扩展的力会变小。此时，虽然基于原理2亦会受到欲扩展电子束的力，但比起此影响，因使原理3更占优势的条件(电位差、电极间距离)，故使图5C所示的示例中自阴极3射出的电子束进入中间电极2时的宽度会变成小于图5A所示的示例。
反的，当使阴极3与中间电极2之间的距离长于图5A时，随着等位线EL的密度变小，沿着中心轴方向直行的力亦会变成小于图5A所示的示例。在此情况下，垂直方向(相对于行进方向)所受的力会变强(原理3)。亦即，欲使电子束扩展的力会变大。藉此，电子束的宽度会变成更宽于图5A所示的示例。然后，随着漂移空间24内未产生电场，具有在漂移空间24的入口扩展的方向的能量的电子束的宽度，在漂移空间24内变得更大。
再者，虽然省略详细的说明，但当漂移空间24越长，电子束在通过漂移空间24的期间，其宽度也会越大。因此，本说明书所记载的电子枪通过下列组合：中间电极2与阳极4之间的等位线EL的密度的调整(中间电极2与阳极4的距离的调整、电位差的调整)、阴极3与中间电极2之间的等位线EL的密度的调整(阴极3与中间电极2的距离的调整、电位差的调整)，以及漂移空间24的长度的调整，而使电子枪在搭载至合作伙伴装置后，能够将焦点位置适当地调整至长焦点侧及短焦点侧的任一方向。
接着针对焦点位置的调整的各种实施方式作说明。
(焦点位置调整的实施方式1)
图6用于说明焦点位置调整的实施方式1的概要的附图。在图6中，显示以一定的电压差施加于阴极3和阳极4，并通过改变施加于中间电极2的电压值而调整焦点位置的示例。如图6A至图6C所示，将阴极3的电压设定为-50kV、阳极4的电压设定为0kV，而施加在中间电极2的电压在图6A中为-20kV、在图6B中为-30kV、在图6C中为-40kV。如此一来，阴极3与中间电极2之间的电压差在图6A中会是30kV、在图6B中会是20kV、在图6C中会是10kV。亦即，若使施加于中间电极2的电压越接近阴极3的电压的值，阴极3与中间电极2之间的电位差也会越小。然后，随着电位差越小阴极3与中间电极2之间的等位线密度亦越小，使得自光电阴极3射出的电子束B由图6A至图6C依序变得越容易朝向中间电极2扩展。更进一步地，随着在中间电极2中形成有漂移空间，使得易扩展的电子束B在漂移空间内更为扩展。
另一方面，随着阴极3与阳极4呈一定的电位差，中间电极2与阳极4之间的电位差会与阴极3与中间电极2之间的电位差相反。亦即，随着中间电极2与阳极4之间的电位差由图6A至图6C依序变大，中间电极2与阳极4之间的等位线密度亦依序变大。更进一步地，随着从漂移空间离开的电子束宽度由图6A至图6C依序变大，从中间电极2离开的电子束B亦相较于图6A，图6C所示的示例较易被会聚。亦即，当中间电极2与阳极4之间的电位差越大，亦越能够将焦点位置F移动至短焦点侧。如上所述，在焦点位置调整的实施方式1中，不须变更阴极3、中间电极2以及阳极4的配置，仅需改变施加在中间电极2的电压即可调整焦点位置F。
(焦点位置调整的实施方式2)
图7用于说明焦点位置调整的实施方式2的概要的附图。在图7中，显示使阴极3与阳极4之间的电压差以及施加在中间电极2的电压值呈一定，且在阴极3与阳极4之间具备将中间电极2向电子束通过孔21的中心轴方向驱动的驱动部9的示例。虽然在图7所示的示例中，显示通过将马达9a固定于中间电极2，将固定在马达9a的轴的小齿轮接合(engage)至齿条9b的齿条与小齿轮(rack and pinion)结构而驱动中间电极2的示例，但只要能够将中间电极2向中心轴方向驱动，则不特别限制驱动部9。
在图7所示的示例中，随着在阴极3与阳极4之间变更中间电极2的位置，阴极3与中间电极2的距离、中间电极2与阳极4之间的距离也会改变。另一方面，随着阴极3与阳极4的电位差以及施加在中间电极2的电压呈一定，通过变更中间电极2的位置，阴极3与中间电极2之间的等位线密度以及中间电极2与阳极4之间的等位线密度也会改变。更具体而言，虽然阴极3与中间电极2的电位差相同，但随着阴极3与中间电极2之间的等位线密度由图7A至图7C依序变小，电子束B也变得越容易扩展。更进一步地，随着在中间电极2中形成有漂移空间，使得易扩展的电子束B在漂移空间内更为扩展。
另一方面，中间电极2与阳极4之间的等位线密度会与阴极3与中间电极2之间的等位线密度相反。亦即，中间电极2与阳极4之间的等位线密度由图7A至图7C依序变大。更进一步地，随着从漂移空间离开的电子束宽度由图7A至图7C依序变大，从中间电极2离开的电子束B亦由图7A至图7C依序变得容易会聚。亦即，当中间电极2与阳极4之间的距离越短，亦越能够使焦点位置F位于短焦点侧。如上所述，在焦点位置调整的实施方式2中，通过将中间电极2的位置向中心轴方向变更，即可调整焦点位置F。
(焦点位置调整的实施方式3)
图8及图9用于说明焦点位置调整的实施方式3的概要的附图。首先，参照图8A及图8B来说明在实施方式3所使用的中间电极2的概要。实施方式3的中间电极2具有中心轴方向的长度为可变的机构。于图8A及图8B所示的示例中，中间电极2被分割成中间电极第一部位2a以及中间电极第二部位2b。然后，中间电极第二部位2b通过与实施方式2相同的齿条与小齿轮结构而相对于中间电极第一部位2a可滑动。藉此得以变更中间电极2的中心轴方向的长度。此外，图8所示的示例仅为一范例，只要能够变更中间电极2的中心轴方向的长度，中心轴方向的长度可变的机构则不特别限制。亦可将例如构成齿条与小齿轮结构的马达9a固定在中间电极第一部位2a。此外，亦可中间电极第一部位2a的外周表面与中间电极第二部位2b的内周表面呈可旋转的方式接合而切割螺杆，且将中间电极第一部位2a或中间电极第二部位2b的一方固定于电子枪1，并赋予中间电极第一部位2a或中间电极第二部位2b的另一边旋转方向的力，藉此使中间电极第一部位2a或中间电极第二部位2b边旋转边伸缩。亦或可以将中间电极2形成手风琴状，而可向中心轴方向伸缩的方式形成。
此外，在图8A及图8B所示的示例中，阴极3与阳极4之间的距离呈固定。因此，当伸长中间电极2时，中间电极2与阳极4之间的距离会缩短。亦即，图8A及图8B显示组合了调整漂移空间的长度以及中间电极2与阳极4之间的距离的示例。取而代的，虽然省略图示，但亦可利用绝缘性材料等来连接中间电极第二部位2b与阳极4。此情况下，随着中间电极2与阳极4之间的距离呈一定，只要调整漂移空间的长度就调整了焦点位置。当然，亦可将中间电极第二部位2b与阳极4的连接变换成利用绝缘性材料等来连接阴极3与中间电极第一部位2a。
接着参照图9来说明有关于焦点位置调整的实施方式3。此外，在图9A至图9C中，为了简化说明，省略中间电极2的详细结构的记载，而以变更了中间电极2的长度的附图作说明。再者，在图9A至图9C中，虽然省略图标，但其显示通过利用绝缘性材料来连接中间电极2与阳极4，而使中间电极2与阳极4的距离呈一定的情况的示例。亦即，其显示利用中间电极2的长度来调整焦点位置F的示例。在焦点位置调整的实施方式3中，使阴极3与阳极4的电位差以及施加在中间电极2的电压呈一定。藉此，如图9A至图9C所示，随着阴极3与中间电极2之间的等位线密度相同，到达漂移空间时的电子束B的宽度(扩展对象)相同。另一方面，随着漂移空间由图9A至图9C依序变长，电子束B在通过漂移空间当中，电子束B亦在漂移空间内由图9A至图9C依序变得更宽。另一方面，随着中间电极2与阳极4的距离一定，中间电极2与阳极4之间的等位线密度亦相同。然而，随着漂移空间由图9A至图9C依序变长，则从漂移空间离开的电子束B的宽度亦由图9A至图9C依序变大，其结果使从漂移空间离开的电子束B向中心轴方向集中的力由图9C至图9A依序变大。因此，从中间电极2离开的电子束B越朝向图9C越容易会聚。亦即，使中间电极2的漂移空间越长，越能够使焦点位置F向短焦点侧移动。如上所述，在焦点位置调整的实施方式3中，通过将中间电极2的长度向中心轴方向变更以调整漂移空间的长度，而可调整焦点位置F。
(焦点位置调整的实施方式4)
图10用于说明焦点位置调整的实施方式4的概要的附图。在焦点位置调整的实施方式4中，显示通过使阳极4向中心轴方向移动而调整中间电极2与阳极4的距离的示例。此外，虽然省略图示，但阳极4向中心轴方向的移动只要阳极4可以移动则不特别限制，使用图8所示的驱动部即可。在图10A至图10C所示的示例中，使阴极3与阳极4的电位差、中间电极2的长度以及施加在中间电极2的电压呈一定。因此，如图10A至图10C所示，随着阴极3与中间电极2之间的等位线密度以及漂移空间的长度相同，在从漂移空间离开前的电子束B的宽度(扩展对象)亦相同。
另一方面，随着中间电极2与阳极4的距离由图10A至图10C依序变大，中间电极2与阳极4之间的等位线密度亦由图10A至图10C依序变小。因此，虽然在从漂移空间离开前的电子束B的宽度自图10A至图10C都相同，但使电子束B向中心轴方向会聚的力则由图10A至图10C依序变弱。亦即，当中间电极2与阳极4之间的距离越长，越能够使焦点位置F在长焦点侧。如上所述，在焦点位置调整的实施方式4中，通过使阳极4的位置向中心轴方向变更，而可调整焦点位置F。
(焦点位置调整的实施方式5)
图11用于说明焦点位置调整的实施方式5的概要的附图。在焦点位置调整的实施方式5中，显示通过以阴极3取代实施方式4的阳极4而向中心轴方向移动，以调整阴极3与中间电极2的距离的示例。此外，虽然省略图标，但阴极3向中心轴方向的移动只要阴极3可以移动则不特别限制，使用图8所示的驱动部即可。在图11A至图11C所示的示例中，使阴极3与阳极4的电位差、中间电极2的长度以及施加在中间电极2的电压呈一定。因此，虽然阴极3与中间电极2的电位差相同，但随着阴极3与中间电极2之间的等位线密度由图11A至图11C依序变大，电子束B在进入中间电极2的漂移空间时的宽度亦由图11A至图11C依序变小。因此，从漂移空间离开时的电子束B的宽度亦由图11A至图11C依序变小。
另一方面，随着中间电极2与阳极4的距离一定，中间电极2与阳极4之间的等位线密度亦相同。然而，随着从漂移空间离开时的电子束B的宽度由图11C至图11A依序变大，其结果使从漂移空间离开后的电子束B向中心轴方向集中的力由图11C至图11A依序变大。因此，从中间电极2离开的电子束B越朝向图11A越容易会聚。亦即，使阴极3与中间电极2之间的距离越短，越能够使焦点位置F位于长焦点侧。如上所述，在焦点位置调整的实施方式5中，通过使阴极3的位置向中心轴方向变更，而可调整焦点位置F。
此外，焦点位置调整的实施方式1至实施方式5可分别单独实施，亦可将实施方式1至实施方式5组合而实施。
(电子束射出方法的实施方式)
参照图12来说明有关于电子束射出方法的实施方式。射出方法的实施方式至少包括电子束射出步骤(ST1)、漂移空间通过步骤(ST2)及电子束会聚步骤(ST3)。在电子束射出步骤(ST1)中，通过自光源向光电阴极照射激发光，而自光电阴极朝向阳极射出电子束。在漂移空间通过步骤中(ST2)中，自光电阴极射出的电子束通过在配置于阴极与阳极之间的中间电极2的电子束通过孔所形成的漂移空间。通过漂移空间可忽略透过施加电压而在阴极与阳极之间形成的电场的影响，而使电子束在漂移空间内扩展。接着，在电子束会聚步骤(ST3)中，自漂移空间通过后的电子束朝向阳极会聚，其结果可在合作伙伴装置上聚集焦点。
(电子束的焦点位置调整方法的实施方式)
如上所述，由于使电子束在漂移空间内扩展的漂移空间通过步骤(ST2)本发明人等研发出的新颖步骤，故包括该步骤的电子束射出方法亦为新颖的方法。接着，除了该新颖的电子束射出方法外，再加上积极调整电子束的宽度的电子束宽度调整步骤，藉此得以将电子束射出方法作为电子束的焦点位置调整方法而使用。电子束宽度调整步骤只要在电子束射出步骤(ST1)至电子束会聚步骤(ST3)之间实施，则在任何的步骤间和/或过程中实施都可。
例如，在电子束射出步骤(ST1)与漂移空间通过步骤(ST2)之间实施电子束宽度调整步骤的情况下，只要实施变更阴极与中间电极之间的电位差和/或距离的步骤即可。通过该步骤，透过变更阴极与中间电极之间的等位线密度，而可调整电子束的宽度(以下记载为“第一电子束宽度调整步骤”)。
此外，在漂移空间通过步骤(ST2)中实施电子束宽度调整步骤的情况下，只要实施变更中间电极2的长度的步骤即可。通过该步骤，随着变更可忽视电场的影响的漂移空间的长度，而可调整漂移空间的长度，藉此得以调整电子束的宽度(以下记载为“第二电子束宽度调整步骤”)。
此外，在电子束会聚步骤(ST3)中实施电子束宽度调整步骤的情况下，只要实施变更中间电极与阳极之间的电位差和/或距离的步骤即可。通过该步骤，透过变更中间电极与阳极之间的等位线密度，而可调整电子束的宽度(以下记载为“第3电子束宽度调整步骤”)。
第一电子束宽度调整步骤、第二电子束宽度调整步骤以及第3电子束宽度调整步骤可单独实施，亦可组合实施。
搭载电子枪的电子射线应用装置E可列举搭载电子枪的已知装置。可列举例如：自由电子激光(free electron laser)加速器、电子显微镜、电子射线全像术(electron-beamholography)装置、电子射线图案化装置(electron-beam lithography；EB lithography)、电子射线绕射(electron-beam diffraction)装置、电子射线检查装置、电子射线金属层积造型装置、电子射线微影术(electron lithography)装置、电子射线加工装置、电子射线固化装置、电子射线灭菌装置、电子射线杀菌装置、电浆产生装置、原子元素产生装置、自旋极化(spin polarization)电子射线产生装置、阴极发光(cathodoluminescence；CL)装置，以及逆光子放射摄谱术(inverse photoemission spectroscopy；IPES)装置等。
以下公开实施例，将本案所记载的实施方式具体作说明，但此实施例仅是为了用于说明实施方式者。并非表示其用来限定本案所公开的发明的范围，亦并非用于作为限制的目的。
(实施例)
<实施例1>
参考图13来针对实施例1作说明。图13A用于显示实施例1的条件的附图，其进行了以下模拟：施加在阴极3的电压为-50kV、阳极4的电压为0kV、阴极3与中间电极2之间隔为2mm、中间电极2的长度为40mm、电子束通过孔为直径4mm的圆筒状、使中间电极2与阳极4之间隔为8mm的固定值、仅使施加在中间电极2的电压为可变值。图13B显示仿真结果的附图。图13B的纵轴为电子束的直径、横轴为自光电阴极3起算的距离、图13B中的箭头为阳极4的位置、箭头的右侧显示在合作伙伴装置内电子束聚集焦点的位置。如图13B所示，当施加在中间电极2的电压值以外的条件为相同的情况下，施加在中间电极2的电压值越靠近阴极3的电压值则焦点位置越向短焦点侧移动，而施加在中间电极2的电压值越远离阴极3的电压值则焦点位置越向长焦点侧移动。藉此确认如下事项：通过调整施加在中间电极2的电压，换句话说，通过调整阴极3与中间电极2之间的等位线密度(第一电子束宽度调整步骤)，以及通过调整中间电极2与阳极4之间的等位线密度(第3电子束宽度调整步骤)，而得以将焦点位置向短焦点侧及长焦点侧的任一方向调整。
<实施例2>
参考图14来针对实施例2作说明。图14A用于显示实施例2的条件的附图，其进行了以下模拟：施加在阴极3的电压为-50kV、阳极4的电压为0kV、中间电极2的长度为25mm、电子束通过孔为直径4mm的圆筒状、使施加在中间电极2的电压为-38kV的固定值、光电阴极3与中间电极2之间隔为dmm、使中间电极2与阳极4之间隔为15-dmm的可变值。图14B显示仿真结果的附图。图14B的纵轴为电子束的直径、横轴为自光电阴极3起算的距离、图14B中的箭头为阳极4的位置、箭头的右侧显示在合作伙伴装置内电子束聚集焦点的位置。如图14B所示，当中间电极2的位置以外的条件为相同的情况下，阴极3与中间电极2之间隔越宽则焦点位置越向短焦点侧移动，而阴极3与中间电极2之间隔越窄则焦点位置越向长焦点侧移动。藉此确认如下事项：通过在阴极3与阳极4之间调整中间电极2的位置，换句话说，通过调整阴极3与中间电极2之间的等位线密度(第一电子束宽度调整步骤)，以及通过调整中间电极2与阳极4之间的等位线密度(第3电子束宽度调整步骤)，而得以将焦点位置向短焦点侧及长焦点侧的任一方向调整。
(实施例3)
参考图15来针对实施例3作说明。图15A用于显示实施例3的条件的附图，其进行了以下模拟：施加在阴极3的电压为-50kV、阳极4的电压为0kV、阴极3与中间电极2的距离为2mm、中间电极2与阳极4的距离为8mm、电子束通过孔为直径4mm的圆筒状、使施加在中间电极2的电压为-38kV的固定值、使中间电极2的长度为25mm、30mm、40mm的可变值。图15B显示仿真结果的附图。图15B的纵轴为电子束的直径、横轴为自阴极3起算的距离、图15B中的箭头为阳极4的位置、箭头的右侧显示在合作伙伴装置内电子束聚集焦点的位置。如图15B所示，当中间电极2的长度以外的条件为相同的情况下，中间电极2的长度越短则焦点位置越向长焦点侧移动，而中间电极2的长度越长则焦点位置越向短焦点侧移动。藉此确认如下事项：通过调整中间电极2的长度，换句话说，通过调整能够忽视电场的影响的漂移空间的长度(第二电子束宽度调整步骤)，而得以将焦点位置向短焦点侧及长焦点侧的任一方向调整。
工业实用性
利用本说明书所述的电子枪、电子射线应用装置、及使用电子枪的电子束射出方法，则即便在将电子枪搭载于合作伙伴装置的后，亦可将电子束的焦点位置向短焦点侧及长焦点侧的任一方向调整。因此，本发明对于制造搭载电子枪的装置的业者、使用该装置或对准入射轴的方法的业者极为有用。
符号说明：
1 电子枪
2 中间电极
2a 中间电极第一部位
2b 中间电极第二部位
3 阴极、光电阴极
4 阳极
5 光电阴极收容容器
5h 电子束通过孔
5m 处理材料
6 电源
6a 第一电源
6b 第二电源
7 光源
8a 第一电阻
8b 第二电阻
9 驱动部
9a 马达
9b 齿条
21 电子束通过孔
22 电子束的入口
23 电子束的出口
24 漂移空间
71
B 电子束
CB 真空腔
D 电子束通过孔的中心轴方向的长度
E 电子射线应用装置
EF 电场
EL 等位线
ELV 相当于等位线的法线方向的力
F 焦点
L 激发光
a 电子束入口的直径
b 电子束出口的直径
Claims (10)
1.一种电子枪，包括：
光电阴极；以及
阳极；
其中所述电子枪进一步包括：
中间电极，其配置在所述光电阴极与所述阳极之间；
其中所述中间电极具有：
电子束通过孔，其使自所述光电阴极射出的电子束通过；
其中，在所述电子束通过孔中形成有漂移空间，其在透过施加电压而在所述光电阴极与所述阳极之间形成电场时，能够忽略所述电场的影响，并且扩展通过的电子束的宽度。
2.如权利要求1所述的电子枪，其中，
当所述中间电极如下规定时，具有D/(a/2+b/2)大于1的关系，这里：
所述电子束通过孔的中心轴方向的长度为D；
所述电子束通过孔的电子束的入口的截面长为a；
所述电子束通过孔的电子束的出口的截面长为b。
3.如权利要求1或2所述的电子枪，其包括驱动部，所述驱动部用于将所述中间电极在所述光电阴极与所述阳极之间向所述电子束通过孔的中心轴方向驱动。
4.如权利要求1至3中任一项所述的电子枪，其中所述中间电极的所述电子束通过孔的中心轴方向的长度D可变。
5.如权利要求1至4中任一项所述的电子枪，其包括电源，所述电源使所述光电阴极与所述阳极之间形成电场，且施加电压于所述中间电极。
6.如权利要求5所述的电子枪，其中当界定所述光电阴极的电压为第一电压，所述阳极的电压为第二电压时，所述电源可在较所述第一电压相对为正，且较所述第二电压相对为负的范围内向所述中间电极施加电压。
7.如权利要求1至6中任一项所述的电子枪，其包括驱动部，所述驱动部用于将所述光电阴极和/或所述阳极朝向所述电子束通过孔的中心轴方向驱动。
8.一种电子射线应用装置，包括权利要求1至7中任一项所记载的电子枪，
所述电子射线应用装置是自由电子激光加速器、电子显微镜、电子射线全像术装置、电子射线图案化装置、电子射线绕射装置、电子射线检查装置、电子射线金属层积造型装置、电子射线微影术装置、电子射线加工装置、电子射线硬化装置、电子射线灭菌装置、电子射线杀菌装置、电浆产生装置、原子状元素产生装置、旋转偏极电子射线产生装置、阴极发光装置或逆光子放射摄谱术装置。
9.一种使用电子枪的电子束射出方法，包括：
电子束射出步骤，自光电阴极朝向阳极射出电子束；
漂移空间通过步骤，使自所述光电阴极射出的电子束通过漂移空间，所述漂移空间形成于中间电极的电子束通过孔，并可忽略透过施加电压而在所述光电阴极与所述阳极之间形成的电场的影响，且扩展通过的电子束的宽度；以及
电子束会聚步骤，所述漂移空间通过步骤后的电子束朝向所述阳极会聚。
10.一种电子束的焦点位置调整方法，在自权利要求9所述的使用电子枪的电子束射出方法的电子束射出步骤(ST1)至电子束会聚步骤(ST3)之间包括：
电子束宽度调整步骤。
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