CN112106166A - 电子射线应用装置 - Google Patents
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Abstract
在光激发电子源中，在以透过具有特定的厚度和折射率的透明基板为前提设计成最适合的聚光透镜中，若透明基板不同，就不能使激发光的焦点良好地形成在光电膜上。因此，在光电阴极(1)与聚光透镜(2)之间，配置在激发光的波长下具有与光电阴极的基板的折射率相等的折射率的光球面像差校正板(21)。或者，设置使向聚光透镜照射的平行光发散或会聚的光球面像差校正器(20)。由此，可抑制电子束的闪耀，能实现光激发电子源的高亮度化。
Description
技术领域
本发明涉及电子显微镜等电子射线应用装置。
背景技术
在高分辨率的电子显微镜中，在过去，使用冷阴极电场发射电子源、肖特基电子源作为高亮度电子源。它们的前端为小的针形状，虚拟光源尺寸为数nm到数十nm。与此相对，利用了负的电子亲和力的光激发电子源是平面状的电子源，成为光源尺寸的激发光的焦点尺寸大到1μm左右。由于来自光激发电子源的发射电子的直线前进性良好，因此期待加大电流密度来实现高亮度化。
在专利文献1中公开了光激发电子源。示出一种电子枪结构，在该电子枪结构中，作为光电阴极，使用在透明基板上具体来说在玻璃上贴附光电阴极膜(光电膜)而成的器件，通过用接近透明基板设置的聚光透镜将激发光会聚在光电膜上来形成小的电子光源，并利用从这里发射到真空中的电子射线。作为适合高亮度化的光电阴极，近年来，如专利文献2所示那样，正在推进使用半导体的晶体生长技术在半导体基板上形成光电阴极层的半导体光电阴极的开发。如非专利文献1所示那样，在半导体光电阴极中也出现了示出与肖特基电子源相同程度的特性的器件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2001-143648号公报
专利文献2：JP特开2009-266809号公报
非专利文献
非专利文献1：Kuwahara等、“Coherence of a spin-polarized electron beamemitted from a semiconductor photocathode in a transmission electronmicroscope”Applied Physics Letters、Vol.105、p.193101、2014年
发明内容
发明要解决的课题
在利用光激发电子源的情况下，需要通过聚光透镜使激发光的焦点形成在光电阴极的光电膜上。这时，激发光透过光电阴极的透明基板而将焦点形成在光电膜上。在将光电膜贴附于玻璃基板的光电阴极中，能使用以透过具有给定的厚度、折射率的玻璃基板为前提而设计成最适合的聚光透镜来实现电子枪。另一方面，在近年的半导体光电阴极中，通过使用晶体生长技术来实现更高亮度的光电阴极。在半导体光电阴极中所用的GaP等化合物半导体单晶基板的情况下，由于折射率根据其材料而发生改变，因此在以透过具有特定的厚度和折射率的透明基板为前提而设计成最适合的聚光透镜中，若透明基板不同，就不能使激发光的焦点良好地形成在光电膜上。
例如，作为光电阴极的透明基板，若以使用厚度1.2mm、折射率n＝1.5的玻璃为前提，则作为聚光透镜，能使用低价且性能良好的光磁盘用的非球面透镜。但若替换成透明基板不同的光电阴极，则在该聚光透镜中，就不再能将焦点合适地形成在光电膜上。此外，若按每种光电阴极重新设计聚光透镜，则工时就会增加，与此相伴，成本也会增大。
用于解决课题的手段
本发明的一实施方式的电子射线应用装置具有：光电阴极，具有基板和光电膜；聚光透镜，将激发光向光电阴极聚光；引出电极，与光电阴极对置配置，通过利用聚光透镜使激发光聚光并透过光电阴极的基板入射，来使从光电阴极的光电膜产生的电子束加速；和电子光学系统，对通过引出电极加速的电子束进行引导，在光电阴极与聚光透镜之间，配置在激发光的波长下具有与光电阴极的基板的折射率相等的折射率的光球面像差校正板。
或者，具有：平行光源；光球面像差校正器，入射来自平行光源的平行光，使平行光发散或会聚；光电阴极，具有基板和光电膜；聚光透镜，被照射透过光球面像差校正器的平行光来作为激发光，将激发光向光电阴极聚光；引出电极，与光电阴极对置配置，通过利用聚光透镜使激发光聚光并透过光电阴极的基板入射，来使从光电阴极的光电膜产生的电子束加速；和电子光学系统，对通过引出电极加速的电子束进行引导。
其他课题和新颖的特征会根据本说明书的记述以及附图而得以明确。
发明效果
通过使得在抑制电子束的闪耀(flare)的同时能够进行高亮度化，可达成电子显微镜等电子射线应用装置的高分辨率化。
附图说明
图1是具有光激发电子枪的电子射线应用装置的概略图。
图2A是表征透明基板内的聚光透镜的焦点面中的光强度分布的图。
图2B是表征透明基板内的聚光透镜的焦点面中的光强度分布的图。
图3是表征聚光透镜的焦点处的球面像差量与透明基板的厚度的关系的图。
图4A是表示光球面像差校正器的结构例的图。
图4B是表示光球面像差校正器的控制机构的图。
图5A是设置激活室的电子枪的概略图。
图5B是阴极包的示例。
图6是光电阴极的示例。
图7是说明图6的光电阴极的效果的图。
具体实施方式
以下，基于附图来说明本发明的实施例。
在图1示出具有光激发电子枪的电子射线应用装置的概略图。若设电子射线应用装置是电子显微镜，则从光激发电子枪22产生的高亮度电子束13就被引导至所连接的电子光学系统壳体23，通过电子透镜24等构成部件来作为显微镜起作用。
电子枪22将由设置于真空容器9外的平行光源7产生的激发光12从窗6导入到真空容器9内，通过聚光透镜2使光集束在光电阴极1上。聚光透镜并没有特别限定，例如，能通过转用光盘用途等的透镜来谋求低成本化。在该示例中，作为聚光透镜2，使用在光磁盘用途中以玻璃模制法形成且焦距f＝4.2mm、NA(Numerical Aperture)＝0.5的非球面透镜。该非球面透镜的折射面被最佳化，使得在透过厚度1.2mm、折射率n＝1.5的玻璃时，能使激发光聚光到基于波长的极限程度。
光电阴极1主要包含透明基板11和光电膜10，从透明基板11侧入射激发光，从光电膜10的表面产生电子束。电子束13由光电阴极1与对置的引出电极3之间的电场加速，通过开口部14后入射到电子光学系统壳体23。光电阴极1被收入在阴极固定器4，与加速电源5电连接，对产生的电子束的加速能量进行规定。光电阴极1利用了作为基于负的电子亲和力的电子源而已知的现象，光电膜10是p型的半导体，作为代表性的材料，使用GaAs，且对表面实施用于降低功函数的Cs吸附等。在透明基板11中，为了使光电膜10的晶体进行外延生长而使用厚度0.4～0.5mm的GaP(100)单晶。
在图2A示出通过聚光透镜2而透过透明基板11并在光电膜10聚光的光强度分布。实线201表示透明基板11是厚度0.5mm的GaP基板的情况下的光强度分布。作为比较例，将透明基板11是厚度1.2mm、折射率n＝1.5的玻璃基板的情况下的光强度分布作为虚线202来示出。在此，横轴表示从焦点位置(光强度为最大的位置)的偏移，纵轴表示光的相对强度，具体说是将玻璃基板中的最大光强度设为1时的相对强度。由于聚光透镜2被设计成使得透过厚度1.2mm、折射率n＝1.5的玻璃基板时的点径成为最小，因此在透过厚度0.5mm的GaP基板的情况下，不能发挥如聚光透镜2的设计那样的性能。图2B放大示出实线201。照射到GaP透明基板的光的波长设为780nm。光的波长从相对于GaP具有高的透过率的波长中选择即可。这时，中心束211的半值宽度极窄，窄到0.6μm左右，但能看到遍及以中心束211为中心的直径10μm左右的区域出现了闪耀212。其结果，在从光电膜10产生的电子束13中也有闪耀重叠。若扫描该电子束13来形成二维像，就会在高分辨率观察时在二维像中产生模糊。
其原因在于，若GaP的折射率n＝3.2，就比玻璃的折射率n＝1.5大，因此球面像差就会变大。由于在激发光的焦点面，球面像差所引起的闪耀增加，因而在产生的电子束中重叠直径大的闪耀。
因此，在本实施例中，在激发光的光路内设置光球面像差校正单元8。具体有2种，能使用放入到从平行光源7到聚光透镜2之间的光球面像差校正器20、或放入到聚光透镜2与光电阴极1之间的光球面像差校正板21中的至少任意一者或两者。若球面像差全部被校正，就能得到图2A中的虚线202那样的闪耀最小的光强度分布，电子束13的闪耀也变得最小。另一方面，在虚线202的情况下，中央束的半值宽度为0.8μm，与实线201的情况相比更加扩展。由于处于若中央束的半值宽度变窄则球面像差就变大的关系，因此，在实线201与虚线202的中间存在最适合观察的条件的情况下，调整球面像差量来使用即可。
对光球面像差校正单元8的具体结构进行说明。光球面像差校正板21是在激发光的波长下具有与光电阴极的基板的折射率相等的折射率的板。具体地，在方便使用与透明基板11相同材料的基板且使用GaP基板来作为透明基板11的情况下，可以在光球面像差校正板21中也使用GaP。在图3示出基于聚光透镜2的焦点处的球面像差量与透明基板的厚度的关系。在玻璃(n＝1.5)的情况下，如虚线302那样，在厚度1.2mm时，球面像差量成为最小点。另一方面，在GaP基板的情况下，成为如实线301那样，在厚度0.5mm时产生大的球面像差量，但在厚度1.7mm附近，球面像差量示出最小点。在使用包含GaP单晶的光球面像差校正板21来作为光球面像差校正单元8的情况下，为了设为全校正，而使透明基板11以及光球面像差校正板21的厚度之和成为1.7mm即可，因此在光电阴极1的透明基板11的厚度为0.5mm的情况下，将光球面像差校正板21的厚度设为1.2mm即可。为了不设为全校正而是设为中间的校正量，从不足1.2mm的厚度中选择光球面像差校正板21的厚度即可。
另外，作为光电阴极1的透明基板11，这里说明了使用GaP基板的示例，但即使是使用其他透明基板的光电阴极，也能对应于折射率进行校正。例如，在作为光电阴极1的透明基板11而使用AlAs、GaAlAs、ZnSe、GaN、GaInN等晶体的情况下，同样使用相同材质的光球面像差校正板21，并将其厚度最佳化以便成为所期望的校正量，由此，不变更聚光透镜，就能选择适当的校正量来实现高分辨率的观察。
另外，虽然说明了光电阴极1具有光电膜10和透明基板11的要旨，但在半导体光电阴极的情况下，为了在透明基板上形成光电阴极层的情况下得到所期望的晶体结构，有时会在两者之间形成中间层、缓冲层。在这样的光电阴极1中也能得到同样的效果。另外，该中间层等由于从透明基板11侧照射激发光，因此需要与透明基板11相比充分薄，使激发光透过。
另一方面，光球面像差校正器20如图4A所示那样，具有：入射激发光12的相互对置的第1凸透镜30以及第2凸透镜31；和使第2凸透镜31在激发光12的光轴方向上微动的透镜位置调整机构32。在两凸透镜的主面间的距离与两者的焦距之和相同的情况下，入射的激发光12原样不变地作为平行光(实线12a)通过。通过调整该距离，从而通过光就稍稍成为发散束(点线12b)或会聚束(虚线12c)，由此，能校正聚光透镜2的焦点的球面像差。在图4A中使第2凸透镜31微动，但只要第1凸透镜30与第2凸透镜31之间的距离改变即可，因此使第1凸透镜30微动，或使两者微动也能得到同样的效果。
在图4B示出光球面像差校正器20的控制机构。光源43是激光二极管，来自光源43的发散光由准直透镜42设为平行的激发光12。图1的平行光源7是相当于光源43以及准直透镜42的结构。激发光12通过分束器40后从窗6进入到电子枪的真空室内，通过聚光透镜2而在光电阴极1聚光。从光电膜反射的反射光46通过聚光透镜2而成为平行光，通过分束器40而在横向上折弯，通过成像透镜44而被放大投影在摄像元件41上。在反射光46的强度对摄像元件41而言过高的情况下，通过ND(Neutral Density，中性密度)滤光器45使其适当衰减来测定光强度的空间分布。在此，在聚光透镜2的焦距f为4.2mm的情况下，若在成像透镜44中使用焦距f＝1000mm的透镜，则将光电膜上的23.8倍的像投影在摄像元件41上，因此，通过由PC等来监控该输出，能观察在焦点重叠的闪耀。通过在观察焦点的放大像的同时调整设置于分束器40与聚光透镜2之间的光球面像差校正器20，以使得该闪耀像变得最适合电子光学系统，能进行电子束的最佳化。将设为目标的焦点、闪耀形状决定成使得基于电子束的观察结果成为最优的条件。
在本实施例中，作为构成光球面像差校正器20的示例，说明了第1透镜和第2透镜都是凸透镜且两者的焦距相同的示例，但在想要改变光的直径的情况下，用焦距不同的透镜来构成也具有同样的效果。进而，也可以用凹透镜来构成一方透镜。在该情况下，由于在光球面像差校正器20之中没有聚光点，且能将两透镜间隔取得窄，因此具有能更紧凑的优点。另外，也可以用更多的透镜来构成，只要具有将平行光稍稍发散或聚光的功能，就能得到同样的作用。
另外，也可以如上述那样，在聚光透镜2与光电阴极1之间放入光球面像差校正板21，进而通过图4B所示的机构来调整光球面像差校正器20。另外，光球面像差校正器20示出放置于大气中的示例，但放置于真空内也能得到同样的效果。
进而，在图4B的示例中说明了使用激光二极管来作为光源的要旨，在使用脉冲光、高强度光的情况下，或想要改变波长的情况下等，在光学台等配置光学部件类来形成成为光的产生源的光源光学系统，从光源光学系统用光纤来导入激发光。在该情况下，固定的光纤端相当于光源43。
进而，在光源43中使用激光二极管且激发光12发生偏振的情况下，通过使用偏振分束器来作为分束器40，能加大激发光12的透过率。这时，通过在偏振分束器40的正下方放入1/4波长板来使反射光46的偏振面旋转而不返回光源43，能使向激光二极管43的返回光最小，能使动作稳定化。
在图5A、B示出光球面像差校正板21的安装例。光电阴极1的电子发射面表面敏感，会因残留气体的影响而性能降低。因此，如图5A所示那样，与电子枪22相邻地设置激活室53。在激活室53中常备未图示的表面清洁化、Cs蒸镀、氧导入等的机构，并能通过将劣化的光电膜10的表面再激活来长时间地维持光电阴极1的性能。这时，光电阴极1通过运送机构52而在电子枪22(真空容器9)与激活室53之间往返。为了使该往返容易，将光电阴极1设为阴极包50而收纳于固定器51。在图5B示出阴极包50的结构例。通过将光球面像差校正板21与光电阴极1的基板相接地接收纳于固定器51，具有GaP基板/真空界面处的反射所引起的损耗变小的效果。在电子枪22内设置阴极台54，在这里放置阴极包50，用作电子源。另外，若在激活室53与电子枪22(真空容器9)之间设置闸阀，就具有能将电子枪内保持成真空不变地将激活室53对大气开放来更换光电阴极1、光球面像差校正板21这样的优点。在本例中，也是只要是使用其他材质的透明基板的光电阴极，就能同与透明基板相同材质的光球面像差校正板21一起设为阴极包50。
在图6中示出能在本实施例的电子射线应用装置中使用的光电阴极1。在半导体光电阴极中，通常从晶体生长的容易度出发，而使晶体以使光电膜表面的面方位成为(100)面的方式进行生长，但在图6的光电阴极中，将光电膜表面的面方位设为(110)面。另外，面方位虽然也取决于晶体生长条件等，但±4度以内的面方位的偏离也没有关系。设使用GaP单晶来作为透明基板11，在其上使AlGaAs的缓冲层60外延生长1μm左右。缓冲层60的材料并不限于此，从满足如下条件的材料中选择即可：晶格常数匹配成尽量不给作为光电膜10材料的GaAs带来应变，且带隙比GaAs宽，相对于激发光是透明的。在缓冲层60之上使p型GaAs生长，来作为光电膜10。光电膜10的厚度与激发光的点径相比充分小这一点很重要，设为0.1μm以下。作为图6所示的光电阴极1的特征，与现有的使用(100)面的光电阴极相比，电流密度的上限变高，其结果，具有达成更高亮度这样的优点。
使用图7来说明效果。图表的横轴是光电膜表面层的杂质浓度，纵轴是光电阴极的亮度的上限。GaAs光电膜表面的面方位为(100)面的光电阴极所示出的特性是特性71(虚线)，GaAs光电膜表面的面方位为(110)面的光电阴极所示出的特性是特性72(实线)。在GaAs(100)面上晶体生长而成的光电膜10的情况下，由于在电子刚刚开始发射之后起，陷入到表面能级的电子使表面的电子势能上升，因此电流密度立即降低，能从光电膜10稳定地发射的电流密度受到很大限制。为了防止这种情况，使表面附近的p型杂质浓度较浓，并使蓄积于表面层的电荷与价电子带的空穴再耦合而将其除去是有效。因此，如特性71(虚线)所示那样，通过提高表面层的杂质浓度而得到的亮度的最大值上升，但若杂质原子过于增多，就会由于晶格缺陷、未激活的杂质增多而使亮度的最大值减少。为此，存在为了高亮度化而最适合的杂质浓度。与此相对，能通过选择面方位来减少成为高亮度化的障碍的表面能级。GaAs(110)面由于带隙中的表面能级少，因此如特性72(实线)所示那样，能使亮度的上限更大。另外，透明基板11只要相对于激发光是透明的单晶，就并不限于GaP单晶基板，还能使用AlAs、GaAlAs、ZnSe、GaN、GaInN等单晶基板。
另外，使用GaAs作为光电膜10的材料的光电阴极的亮度高的原因之一在于，发射到真空中的电子束集中在窄的角度(发射角窄)。在有效质量不同的区域的界面，波由于波长改变而进行折射。由此，在从小的有效质量的区域向真空发射时，电子的发射角变窄。GaAs的导带的有效质量是真空中的质量m0的0.067倍。根据上述关系，通过用有效质量比GaAs进一步小的材料来形成光电膜10，能实现高亮度化。作为一例，设为将InAs与GaAs混合而成的晶体(混晶)是有效的，作为GaXIn(1-X)As，X＝0.7附近的情况下的有效质量成为0.05m0，成为GaAs的有效质量的74％。在该情况下，GaXIn(1-X)As光电膜的发射角成为GaAs光电膜的发射角的86％。其结果，亮度成为1.34倍。在该情况下，也是若将光电膜表面的面方位设为(110)面，则表面能级就变少，能得到更高的电流密度，因此可达成进一步的高亮度化。
附图标记说明
1：光电阴极、
2：聚光透镜、
3：引出电极、
4：阴极固定器、
5：加速电源、
6：窗、
7：平行光源、
8：光球面像差校正单元、
9：真空容器、
10：光电膜、
11：透明基板、
12：激发光、
13：电子束、
14：开口部、
20：光球面像差校正器、
21：光球面像差校正板、
22：光激发电子枪、
23：电子光学系统壳体、
24：电子透镜、
30：第1凸透镜、
31：第2凸透镜、
32：透镜位置调整机构、
40：分束器、
41：摄像元件、
42：准直透镜、
43：光源、
44：成像透镜、
45：ND滤光器、
46：反射光、
50：阴极包、
51：固定器、
52：运送机构、
53：激活室、
54：阴极台、
60：缓冲层。
Claims (12)
1.一种电子射线应用装置，其特征在于，具有：
光电阴极，具有基板和光电膜；
聚光透镜，将激发光向所述光电阴极聚光；
引出电极，与所述光电阴极对置配置，通过利用所述聚光透镜使所述激发光聚光并透过所述光电阴极的基板入射，来使从所述光电阴极的光电膜产生的电子束加速；和
电子光学系统，对通过所述引出电极加速的所述电子束进行引导，
在所述光电阴极与所述聚光透镜之间，配置在所述激发光的波长下具有与所述光电阴极的基板的折射率相等的折射率的光球面像差校正板。
2.根据权利要求1所述的电子射线应用装置，其特征在于，
所述光球面像差校正板的材料与所述光电阴极的基板的材料相同。
3.根据权利要求2所述的电子射线应用装置，其特征在于，
若将在利用所述聚光透镜使所述激发光聚光在所述光电阴极的基板的材料时球面像差量最小的厚度设为L，
则所述光球面像差校正板的厚度与所述光电阴极的基板的厚度之和为L以下。
4.根据权利要求1所述的电子射线应用装置，其特征在于，
所述电子射线应用装置具有：
阴极包，将所述光球面像差校正板和所述光电阴极收纳于固定器，并使得所述光球面像差校正板和所述光电阴极的基板相接；和
阴极台，载置所述阴极包。
5.根据权利要求4所述的电子射线应用装置，其特征在于，
所述电子射线应用装置具有：
真空容器，配置所述聚光透镜、所述引出电极以及所述阴极台；和
激活室，与所述真空容器连接，用于将所述光电阴极的光电膜再激活，
所述阴极包通过运送机构在所述真空容器与所述激活室之间运送。
6.根据权利要求1所述的电子射线应用装置，其特征在于，
所述电子射线应用装置具有：
平行光源；和
光球面像差校正器，入射来自所述平行光源的平行光，使所述平行光发散或会聚，
将透过所述光球面像差校正器的所述平行光作为所述激发光向所述聚光透镜照射。
7.一种电子射线应用装置，其特征在于，具有：
平行光源；
光球面像差校正器，入射来自所述平行光源的平行光，使所述平行光发散或会聚；
光电阴极，具有基板和光电膜，
聚光透镜，被照射透过所述光球面像差校正器的所述平行光来作为激发光，将所述激发光向所述光电阴极聚光；
引出电极，与所述光电阴极对置配置，通过利用所述聚光透镜使所述激发光聚光并透过所述光电阴极的基板入射，来使从所述光电阴极的光电膜产生的电子束加速；和
电子光学系统，对通过所述引出电极加速的所述电子束进行引导。
8.根据权利要求7所述的电子射线应用装置，其特征在于，
所述光球面像差校正器具有：
第1透镜，入射所述平行光；
第2透镜，入射透过所述第1透镜的所述平行光；和
透镜位置调整机构，调整所述第1透镜与所述第2透镜的距离，
所述第1透镜和所述第2透镜的至少一者是凸透镜。
9.根据权利要求7所述的电子射线应用装置，其特征在于，
在所述光电阴极与所述聚光透镜之间，配置在所述激发光的波长下具有与所述光电阴极的基板的折射率相等的折射率的光球面像差校正板。
10.根据权利要求1或7所述的电子射线应用装置，其特征在于，
所述光电阴极将所述光电膜的材料设为GaAs，且所述光电膜表面的面方位是(110)面。
11.根据权利要求1或7所述的电子射线应用装置，其特征在于，
所述光电阴极将所述光电膜的材料设为GaAs与InAs的混晶，并使所述混晶的导带的有效质量比GaAs的导带的有效质量小。
12.根据权利要求11所述的电子射线应用装置，其特征在于，
所述光电膜表面的面方位是(110)面。
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