CN113692635A - 电子射线应用装置及电子射线应用装置的电子束的射出方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适用于包括光电阴极的电子枪的电子射线应用装置以及该电子射线应用装置的电子束的射出方法。本发明包括电子枪部分、本体部分以及控制部的电子射线应用装置。所述电子枪部分包括光源、通过接收自光源所照射的激发光而射出电子束的光电阴极、以及阳极。所述本体部分包括用以将自所述电子枪部分照射的电子束进行聚焦的物镜。所述控制部至少用以根据自所述光电阴极射出的电子束的尺寸而控制所述物镜的聚焦强度。

Description

电子射线应用装置及电子射线应用装置的电子束的射出方法
技术领域
本发明涉及一种电子射线应用装置及电子射线应用装置的电子束的射出方法。
背景技术
已知有包括电子枪的电子显微镜等。作为电子枪的种类，已知有热电子发射(thermionic emission)型、电场发射(field emission；FE)型、肖特基(Schottky)型等。然而，从电子枪所射出的电子束具有会扩散的能量。由于电子显微镜必须获得明亮的图像、高分辨率，因此在将自电子枪射出的电子束照射至样品之前采取了各式各样的措施。图1搭载了热电子发射型的电子枪的电子显微镜的概要示意图。在图1所示的示例中，(1)重复以聚光透镜(condenser lens)将自电子枪照射的电子束进行聚焦，并以光圈(aperture)去除成为像差(aberration)的原因的电子束的周边部分等；(2)最后使用物镜将质量经提升的电子束照射于样品，以进行检测(参照非专利文献1)。
相较而言，已知有包括与上述为不同种类的光电阴极(photocathode)的电子枪，以及包括该电子枪的电子射线应用装置(参照专利文献1)。在专利文献1所记载的搭载有光电阴极的电子枪通过将激发光照射至光电阴极，而得以射出明亮又鲜明的电子束，由此正在进行包括光电阴极的电子枪的开发。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5808021号公报。
非专利文献
非专利文献1：Man-Jin Park1 et al.,“Design and fabrication of ascanningelectron microscope using a finite element analysis for electron opticalsystem”,Journal of Mechanical Science and Technology,22(2008),p1734～1746
发明内容
发明要解决的问题
在电子枪的种类当中，热电子射出型在探针(probe)电流量、电流稳定度、价格等面向上优异，而被大量地使用在通用型SEM(scanning electron microscope；扫描式电子显微镜)、EPMA(electron probe micro analyzer；电子探针微量分析器)、欧杰(Auger)分析装置等。因此，搭载有电子枪的电子射线应用装置的电子束的控制如非专利文献1所记载，大多为使用热电子射出型的电子枪的情况的控制的研究示例。
如上所述，由于搭载有光电阴极的电子枪能够射出明亮又鲜明的电子束，因此近年来开发正在进行中。然而，搭载有光电阴极的电子枪还在开发途中，在现阶段尚停留在以包括光电阴极的电子枪取代电子射线应用装置的电子枪部分的状况。因此，在现阶段几乎尚未研究包括具有光电阴极的电子枪的电子射线应用装置的电子束的控制。
本发明人等在经致力研究后，新研发出：
(1)相较于自热电子射出型等的电子枪射出的电子束，自光电阴极射出的电子束能获得更加平行的电子束；
(2)自光电阴极射出的电子束的尺寸(电子束的直径)根据被照射的激发光的尺寸而确定；
(3)为此，只要因应自光电阴极射出的电子束的尺寸而控制物镜(objectivelens)的聚焦强度，即可将电子束进行聚焦；以及
(4)其结果使电子束的控制变得简单。
在此，本发明所公开内容的目的有关适用于包括光电阴极的电子枪的电子射线应用装置及该电子射线应用装置的电子束的射出方法。
解决问题的手段
本发明涉及以下所示的电子射线应用装置及电子射线应用装置的电子束的射出方法。
(1)本发明的电子射线应用装置包括：
电子枪部分；
本体部分；以及
控制部；
所述电子枪部分包括：
光源；
光电阴极，通过接收自光源照射的激发光而射出电子束；以及
阳极；
所述本体部分包括：
物镜，用以将自所述电子枪部分照射的电子束进行聚焦；
所述控制部至少用以根据自所述光电阴极射出的电子束的尺寸而控制所述物镜的聚焦强度。
(2)如上述(1)所记载的电子射线应用装置，其中，所述控制部用以控制自所述光源照射的激发光的强度。
(3)如上述(1)或(2)所记载的电子射线应用装置，其进一步包括：
激发光尺寸控制部件，用以控制自所述光源照射至所述光电阴极的激发光的尺寸；
所述激发光尺寸控制部件配置于所述光源与所述光电阴极之间。
(4)如上述(1)至(3)中的任一项所记载的电子射线应用装置，其中：
所述物镜静电透镜；
所述控制部用以控制流入所述静电透镜的电压值。
(5)如上述(1)至(4)中的任一项所记载的电子射线应用装置，其中：
在所述光电阴极与所述阳极之间配置有中间电极；
所述中间电极具有：
电子束通过孔，用以供自光电阴极射出的电子束通过；
在电子束通过孔中形成有漂移空间，所述漂移空间在通过施加电压而在光电阴极与阳极之间形成电场之际可忽视电场的影响。
(6)如上述(1)至(5)中的任一项所记载的电子射线应用装置，其中，自所述光电阴极射出的所述电子束在所述光电阴极与所述物镜之间未持有焦点。
(7)如上述(5)所记载的电子射线应用装置，其中，自所述光电阴极射出的所述电子束在所述光电阴极与所述物镜之间持有焦点。
(8)如上述(1)至(7)中的任一项所记载的电子射线应用装置，其中，所述电子射线应用装置选自于：
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)本发明的射出方法，电子射线应用装置的电子束的射出方法，其中：
所述电子射线应用装置包括电子枪部分、本体部分以及控制部；
所述电子枪部分包括：
光源；
光电阴极，通过接收自光源照射的激发光而射出电子束；以及
阳极；
所述本体部分包括：
物镜，用以将自所述电子枪部分照射的电子束进行聚焦；
所述射出方法包括：
电子束射出步骤，通过接收自光源照射的激发光而自光电阴极射出电子束的步骤；
电子束行进步骤，在所述电子束射出步骤所射出的电子束朝向配置于本体部分的物镜而进行行进的步骤；以及
电子束聚焦步骤，利用所述物镜将通过所述电子束行进步骤而抵达本体部分的所述电子束进行聚焦的步骤；
在所述电子束行进步骤中，自所述光电阴极射出的所述电子束在抵达所述物镜之前是以未持有焦点的状态进行行进。
(10)如上述(9)所记载的射出方法，其中，在所述电子束聚焦步骤中，为了控制所述电子束的聚焦的程度，所述控制部控制所述物镜的聚焦强度。
(11)如上述(9)或(10)所记载的射出方法，其中，在所述电子束射出步骤之前，包括激发光强度控制步骤，其为所述控制部控制自所述光源所照射的所述激发光的强度的步骤。
(12)如上述(9)至(11)中的任一项所记载的射出方法，其中：
在所述光源与所述光电阴极之间，配置有激发光尺寸控制部件，所述激发光尺寸控制部件用以控制自所述光源照射至所述光电阴极的激发光的尺寸；
在所述电子束射出步骤之前，所述控制部通过所述激发光尺寸控制部件执行控制自光电阴极所照射的电子束的尺寸的电子束尺寸控制步骤。
(13)如上述(9)至(12)中的任一项所记载的射出方法，其中：
在所述光电阴极与所述阳极之间，配置有中间电极；
在所述电子束行进步骤中，所述控制部以下列方式控制中间电极，以使自所述光电阴极射出的所述电子束：
在所述光电阴极与所述物镜之间，以未持有焦点的方式进行行进；或
在所述光电阴极与所述物镜之间，以持有焦点的方式进行行进。
发明效果
通过本发明的公开内容，可简化在包括具有光电阴极的电子枪的电子射线应用装置中的电子束的控制。
附图说明
图1是搭载有热电子发射型的电子枪的电子显微镜的概要示意图。
图2是采用了扫描式电子显微镜装置(scanning electron microscope；SEM)作为第一实施方式的电子射线应用装置1A时的示意截面图。
图3是射出方法的第一实施方式的流程图。
图4是有关第二实施方式的电子射线应用装置1B的示意截面图。
图5是有关第三实施方式的电子射线应用装置1C的示意截面图。
图6是有关第四实施方式的电子射线应用装置1D的示意截面图。
图7是图7A阴极3、中间电极8、阳极4的示意截面图；图7B图7A的X-X’截面图；图7C图7A的Y-Y’截面图。
图8是用以说明受到在阴极3、中间电极8以及阳极4之间所产生的电场的影响的电子的动向的示意图。
图9是用以说明有关第四实施方式的电子射线应用装置1D的中间电极8的技术上的意义的示意图。
图10是附图代用照片，在虚线左侧的是在比较例1所拍摄的样品的画面，而右侧的是在实施例1所拍摄的样品的画面。
具体实施方式
以下，一边参照附图，一边针对电子射线应用装置及电子射线应用装置的电子束的射出方法进行详细说明。此外，在本说明书中，对于具有相同功能的部件赋予相同或类似的符号。再者，关于标示有相同或类似的符号的部件，会有省略重复的说明的情形。
此外，在附图中所示的各结构的位置、大小、范围等，为了易于理解，而有未表示出实际的位置、大小、范围等的情形。因此，本案中的公开内容不必然限定于附图所公开内容的位置、大小、范围等。
(方向的定义)
在本说明书中，将自光电阴极射出的电子束行进的方向定义为Z方向。此外，虽然Z方向例如竖直朝下的方向，但Z方向并不限定于竖直朝下的方向。
(电子射线应用装置1A的第一实施方式)
参照图2来说明第一实施方式的电子射线应用装置1A。图2采用了扫描式电子显微镜装置(scanning electron microscope：SEM)作为第一实施方式的电子射线应用装置1A时的示意截面图。
第一实施方式的电子射线应用装置1A包括电子枪部分1a、本体部分1b以及控制部1c。
电子枪部分1a至少包括光源2、光电阴极3以及阳极4。也可任意附加地包括用以容纳光电阴极3的光电阴极收纳容器5。又可任意附加地包括用以在光电阴极3与阳极4之间产生电场的第一电源6a。
本体部分1b至少包括物镜(objective lens)7。此外，虽然图2因例示了SEM作为电子射线应用装置1A的示例，而例示出扫描线圈(scanning coil)SC、样品(sample)S及检测器(detector)D，但作为电子射线应用装置1A并非为必须的结构，而对于SEM而言为必须的任意附加的结构。在将电子射线应用装置1A作为SEM以外的装置使用的情况下，只要在除了本说明书所公开内容的电子射线应用装置1A的结构之外，附加对于该装置而言所必须的结构即可。此外，在图2所示的SEM的示例中，扫描线圈SC被使用于将自光电阴极3射出的电子束B在样品S上进行扫描。虽然省略了附图，但扫描线圈SC通过控制部1c所控制。
光源2只要是能够通过将激发光L照射于光电阴极3以射出电子束B者则无特别限制。光源2可列举例如高输出(瓦特级)、高频率(数百MHz)、超短脉冲雷射(pulse laser)光源、价格相对低廉的雷射二极管(laser diode)、LED(light-emitting diode；发光二极管)等。照射的激发光L可为脉冲光、连续光的任一者，只要根据目的而适当调整即可。此外，在图2所示的示例中，光源2配置在真空腔室(vacuum chamber)CB外且激发光L从光电阴极3的第一面(阳极4侧的面)照射。也可替代地设定为：在后述的光电阴极基板以透明材料形成的情况下，将光源2配置于真空腔室CB的上方，且使激发光L从光电阴极3的背面(与第一面为相反侧的面)照射。又，光源2也可配置于真空腔室CB内。
光电阴极3依据从光源2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。射出的电子通过利用阳极4和阴极3所形成的电场而形成电子束B。此外，有关本说明书中的“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”，但关于符号，不论是“光电阴极”或“阴极”的情况皆使用3。
光电阴极3以石英玻璃或蓝宝石(sapphire)玻璃等基板、及粘接于基板的第一面(阳极4侧的面)的光电阴极膜(省略附图)所形成。用以形成光电阴极膜的光电阴极材料，只要是可通过照射激发光而射出电子束则无特别限制，可列举需要进行EA表面处理(电子亲和力的降低处理)的材料、和不需要进行EA表面处理的材料等。作为需要进行EA表面处理的材料，可列举例如III-V族半导体材料、II-VI族半导体材料。具体而言，可列举AlN、Ce2Te、GaN、一种以上的碱金属与Sb的化合物、AlAs、GaP、GaAs、GaSb、InAs等及该等混晶等。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。通过将所述光电阴极材料进行EA表面处理即可制作光电阴极3，该光电阴极3不仅在半导体的隙能(gap energy)所对应的近紫外-红外光波长区域使激发光的选择变为可能，而且还可使电子束的用途所对应的电子束源性能(量子产率(quantum yield)、耐久性、单色性、时间反应性、旋转偏极度(spin polarization degree)通过半导体的材料或构造的选择而变为可能。
此外，作为不需要EA表面处理的材料，可列举例如Cu、Mg、Sm、Tb、Y等金属单体、或者合金、金属化合物、或金刚石、WBaO、Cs2Te等。不需要进行EA表面处理的光电阴极利用已知的方法(例如参照日本特许第3537779号等)制作即可。日本特许第3537779号所记载的内容通过参照将其整体包含在本说明书中。如上所述，光电阴极3通过将光电阴极膜粘接于基板的第一面而形成。因此，光电阴极3不会像光电阴极一样包含着带圆的前端部。也即，光电阴极3被剔除具有用以释放电子的带圆的前端部。
阳极4只要是能够与阴极3形成电场者则无特别限制，可使用在电子枪领域中一般被使用的阳极。
在光电阴极收纳容器5中，包括用以供自光电阴极3射出的电子束B通过的电子束通过孔5h。又可根据需要，在光电阴极收纳容器5内也可配置用以将光电阴极3进行EA表面处理(换句话说电子亲和力的降低处理)的表面处理材料5m。表面处理材料5m只要是能够进行EA表面处理的材料则无特别限制。表面处理材料5m可列举例如Li,Na,K,Rb,Cs,Te,Sb,Cs2CrO4,Rb2CrO4,Na2CrO4,K2CrO4等。
第一电源6a只要能够在阴极3与阳极4之间形成电场，通过激发光L的照射使自光电阴极3射出的电子束B朝向阳极4射出，则在电源的配置上无特别限制。在图1所示的示例中，通过以在阴极3与阳极4之间产生电位差的方式配置第一电源6a而可形成电场。
物镜7用以将自光电阴极3射出的电子束B进行聚焦。通过物镜7所产生的电子束B的聚焦强度通过后述的控制部1c所控制。因此，有关第一实施方式的电子射线应用装置1A可通过控制部1c控制分辨率(resolution)或对比(contrast)。物镜7只要能够控制电子束B的聚焦强度则无特别限制。可列举例如静电透镜(electrostatic lens)(电场透镜(staticlens))或磁场(magnetic field)透镜(电磁透镜)、其等的组合等。在静电透镜的情况下，可通过控制施加的电压来控制电子束B的聚焦强度。在磁场透镜的情况下，可通过控制电流来控制电子束B的聚焦强度。此外，作为磁场透镜的一个方式，也可使用永久磁铁(permanentmagnet；PM)，此情况下，可通过控制电子束的加速电压、自阳极4的物理上的距离来控制电子束B的收敛(convergent)位置。
为了将电子束B聚焦至预定的尺寸，则必须根据抵达物镜7时的电子束B的尺寸来控制物镜7的聚焦强度。自光电阴极3射出的电子束B的尺寸根据照射于光电阴极3的激发光L的尺寸而确定。接着，相较于自现有技术的电子枪所射出的电子束B，自光电阴极3所射出的电子束B，其电子束B的发散非常小。换句话说，不易发散且具指向性的电子束B会被射出。
因此，只要对下列各项经各种变更时的分辨率或对比进行实测，且只要是相同的条件，则再现性很高。
(1)在阴极3的电子束的初期放射(emittance)；
(2)激发光L的尺寸；
(3)阴极3与阳极4之间的电压、距离以及电场分布；
(4)阳极4与物镜7的距离；
(5)物镜7的聚焦强度。
控制部1c具有内存(memory)，通过将此实测数据(data)储存在内存内，可基于在阴极3的电子束的初期放射、激发光L的尺寸、阴极3与阳极4之间的电压、距离及电场分布、阳极4与物镜7的距离等信息，计算出为了使聚焦后的电子束B成为预定的尺寸所需的物镜7的聚焦强度，而对物镜7进行控制。
此外，上述的示例例示控制部1c的控制的一个示例，只要可以使电子束B成为预定的尺寸的方式进行聚焦，则控制部1c也可利用其他的方法来控制物镜7。例如在将上述(1)至(4)的至少一者作为固定值的情况下，则有关该固定值的数据也可不包含于内存内。又虽然在上述的示例中例示了参照实测资料的示例，但也可自实测资料制作相关方程式(correlation equation)，并从相关方程式来计算出物镜7的聚焦强度。
或者，电子的动向可利用(1)至(4)的条件进行模拟(simulation)。因此，也可利用模拟取代实测值来计算出物镜7的聚焦强度。
接着，控制部1c通过基于所计算出的聚焦强度来控制驱动源71，控制施加于物镜7的电流值、电压值等，以控制物镜7的聚焦强度。作为驱动源71，只要使用一般直流稳定化电源即可。此外，在使用永久磁铁作为物镜7的情况下，控制部1c只要控制电子束B的加速电压、也或是样品S与物镜7的距离即可。更具体而言，在图2所示的示例中，只要通过控制自第一电源6a施加于阴极3的电压值，而控制阴极3与阳极4之间的电场强度即可。再者，在控制样品S与物镜7的距离的情况下，只要设置能够使样品S及/或物镜7在Z轴方向移动的工作台(stage)(省略附图)，并由控制部1c进行工作台的控制即可。工作台的控制只要例如控制驱动源71，以控制流入工作台所包括的马达的电流即可。
(电子射线应用装置的电子束的射出方法的第一实施方式)
参照图2及图3，针对电子射线应用装置的电子束的射出方法(以下会有仅记载为“射出方法”的情形)的第一实施方式进行说明。图3是射出方法的第一实施方式的流程图。
在第一步骤(ST1)中，进行电子束射出步骤。在电子束射出步骤(ST1)中，如图2所示，自光源2朝向光电阴极3照射激发光L，并自光电阴极3射出电子束B。
在第二步骤(ST2)中，进行电子束行进步骤。在电子束行进步骤(ST2)中，自光电阴极3射出的电子束B通过在阴极3与阳极4之间所形成的电场而朝向配置于本体部分的物镜7行进。在第一实施方式的射出方法中，在电子束行进步骤(ST2)，换句话说，自光电阴极3射出的电子束B在抵达物镜7之前是以未持有焦点的方式进行行进为特征所在。此外，在本说明书中，“焦点”指在电子束B的束径被压挤后，电子束B的束径再次变宽的点的意思。
在现有技术的电子射线应用装置中，自电子枪射出的电子束B以容易发散为前提所作的设计。更具体而言，电子射线应用装置的本体部分必须重复地以聚光透镜将已抵达的容易发散的电子束进行压挤，并去除电子束周边部分的质量不良的电子等，最后再使用物镜来控制分辨率或对比。相较而言，在第一实施方式中，并不需要用以裁切(cut)聚光透镜或电子束周边部分的光圈等部件。因此，自光电阴极3射出的电子束B在光电阴极3与物镜7之间的行进中不持有焦点。第一实施方式的电子射线应用装置1A，换句话说可以说是在本体部分1b不包含有物镜以外的用以聚焦电子束的部件的电子射线应用装置。
在第三步骤(ST3)中，进行电子束聚焦步骤。在电子束聚焦步骤(ST3)中，利用物镜7将利用电子束行进步骤(ST2)而抵达本体部分1b的电子束B进行聚焦。对于要将电子束B聚焦到什么样的程度，只要控制物镜7的聚焦强度即可。
现有技术的电子射线应用装置因下列因素而使用抵达本体部分后的电子束进行了为了分辨率或对比控制的电子束的控制。
(1)自电子枪射出的电子束以会发散为前提所作的设计；
(2)因此，为了提升分辨率或对比，裁切掉电子束周边部分的质量不良的电子束，而仅将质量良好的中心部分的电子束进行聚焦来使用；
(3)利用聚光透镜将电子束聚焦至何种程度、利用光圈将电子束裁切至何种程度、利用物镜将电子束聚焦至何种程度，并非单独控制各个部件，而是必须使相互的部件产生关联性以整体进行控制；
(4)若是当所述(3)所记载的控制包含有电子束的尺寸或强度等控制时，则必须因应电子束的条件而再次计算在所述(3)所记载的控制参数，其结果使控制变得过度复杂。
相较而言，第一实施方式的电子射线应用装置1A及使用了该电子射线应用装置1A的电子束的射出方法不需要聚光透镜与其附加的光圈。因此，能够同时达成以下多个效果。
(a)能够使电子射线应用装置1A的本体部分小型化。
(b)由于自光电阴极3射出的电子束B较现有技术质量更良好的电子束，因而不需裁切周边部分的电子束。由此，由于能够直接使用自光电阴极3所射出的电子束，故可利用能量分散小的大电流。因此在第一实施方式的电子射线应用装置1A中，能够以高分辨率、高扫描速度等获得成像。
(c)由于自光电阴极3射出的电子束B较现有技术质量更良好的电子束，因而不需裁切周边部分的电子束。由此，由于能够直接使用自光电阴极3所射出的电子束，故可达到省能源化。
(d)由于控制部1c所控制的本体部分1b的控制对象仅为物镜7的聚焦强度，因此控制机构很简单。为此，即使是在例如以手动等控制了激发光L的尺寸的情况下，只要将该信息输入(input)至控制部1c，就能够简单地控制物镜7的聚焦强度。
(e)自光电阴极3射出的电子束B的强度(电子的量)取决于(dependent on)激发光L的强度，且电子束B的尺寸(直径)取决于激发光L的尺寸(直径)。其次，只要电子束B的尺寸相同，即使改变电子束B的强度，只要物镜7的聚焦强度相同，就不会在电子束B的聚焦强度上有所变更。因此，在判断第一实施方式的电子射线应用装置1A必须通过例如监测器(monitor)等控制分辨率或明亮度等的情况下，即使以手动操控光源2的强度，也不会在电子束B的聚焦程度上有所变更。由此，在电子射线应用装置1A的操作(operation)中，可在不变更电子束B的聚焦程度(焦点尺寸)的下来提升分辨率或明亮度的控制性。
(电子射线应用装置1的第二实施方式及射出方法的第二实施方式)
参照图4，针对电子射线应用装置1及射出方法的第二实施方式进行说明。图4是有关第二实施方式的电子射线应用装置1B的示意截面图。电子射线应用装置1B除了在控制部1c对物镜7的聚焦强度进行控制且也控制光源2之外，与第一实施方式的电子射线应用装置1A相同。因此，虽然在第二实施方式中以控制部1c的控制为中心作说明，但会与已在第一实施方式中说明的事项重复的说明予以省略。
在第一实施方式的电子射线应用装置1A中，光源2的强度的控制以手动来执行。相较而言，在第二实施方式中，控制部1c通过除了物镜7的聚焦强度之外也控制光源2来控制激发光L的强度。在使用第二实施方式的电子射线应用装置1B的情况下，可达成例如能够使激发光L的强度控制自动化的效果。
当使用了第二实施方式的电子射线应用装置1B的射出方法必须变更电子束B的强度之际，只要在电子束射出步骤(ST1)之前，执行使控制部1c控制自光源2照射的激发光L的强度的激发光强度控制步骤即可。
(电子射线应用装置1的第三实施方式及射出方法的第三实施方式)
参照图5，针对电子射线应用装置1及射出方法的第三实施方式进行说明。图5是有关第三实施方式的电子射线应用装置1C的示意截面图。电子射线应用装置1C除了在进一步包括配置于光源2与光电阴极3之间，且用以控制自光源2照射至光电阴极3的激发光L的尺寸的激发光尺寸控制部件21，以及控制部1c控制物镜7的聚焦强度且也控制激发光尺寸控制部件21之外，与第一实施方式的电子射线应用装置1A相同。因此，虽然在第三实施方式中以激发光尺寸控制部件21以及控制部1c的控制为中心作说明，但会与已在第一实施方式中说明的事项重复的说明予以省略。
激发光尺寸控制部件21只要能够对自光源2照射且照射至光电阴极3的激发光L的尺寸进行变更则无特别限制。可列举例如光学透镜(optical lens)、可变光圈(irisdiaphragm)等。
作为电子射线应用装置1C，例如当在样品S表面上的电子束尺寸(探针尺寸(probesize))的调整等之际，具有欲固定物镜7的聚焦强度以控制电子束B的直径的情形。又在样品S表面上的电子束尺寸(探针尺寸)的调整中，当超过基于电子束B的直径的调整范围而进行调整等之际，具有欲控制物镜7的聚焦强度与电子束B的直径两者的情形。在第三实施方式的电子射线应用装置1C中，除了在第一实施方式的电子射线应用装置1A所达成的效果之外，也达成能够使物镜7的聚焦强度与自光电阴极3所射出的电子束B的直径两者产生关联性以进行控制的效果。
当使用了第三实施方式的电子射线应用装置1C的射出方法必须变更电子束B的尺寸之际，只要在电子束射出步骤(ST1)之前，执行使控制部1c通过激发光尺寸控制部件21控制自光电阴极3照射的电子束B的尺寸的电子束尺寸控制步骤即可。
(电子射线应用装置1的第四实施方式及射出方法的第四实施方式)
参照图6至图9，针对电子射线应用装置1及射出方法的第四实施方式进行说明。图6有关第四实施方式的电子射线应用装置1D的示意截面图。电子射线应用装置1D除了在光电阴极3与阳极4之间配置有中间电极8，且任意附加地配置有第二电源6b之外，与第一实施方式的电子射线应用装置1A相同。因此，虽然在第四实施方式中以中间电极8以及控制部1c的控制为中心作说明，但会与已在第一实施方式中说明的事项重复的说明予以省略。
中间电极8被使用于对自光电阴极3射出的电子束B在抵达物镜7时的电子束B的束径进行调整。
(中间电极8的概要)
首先，参照图7来说明中间电极8的概要。图7A阴极3、中间电极8、阳极4的示意截面图；图7B图7A的X-X’截面图；图7C图7A的Y-Y’截面图。在图7所示的示例中，中间电极8形成为中空的圆筒。中间电极8在内部形成有供自光电阴极3所射出的电子束通过的电子束通过孔81，在电子束通过孔81的光电阴极3侧形成有电子束入口82，且在电子束通过孔81的阳极4侧形成有电子束出口83。通过以在阴极3与阳极4之间产生电位差的方式使用第一电源6a及第二电源6b施加电压，且也对中间电极8施加电压，则如图7A所示，在阴极3与中间电极8之间、中间电极8与阳极4之间产生电场EF。
然而，所产生的电场EF强力影响空隙内的电子束的运动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7B所示的电子束入口82的直径规定为a的情形下，则以电子束通过孔81的电子束入口82的中心作为球心的半径a/2的球内，将会强力受到所产生的电场EF的影响。同样地，在将图7C所示的电子束出口83的直径规定为b的情况下，则以电子束通过孔81的电子束出口83的中心作为球心的半径b/2的球内，将会受到所产生的电场EF的影响。因此，在将电子束通过孔81的中心轴方向的长度规定为D的情况下，在D/(a/2+b/2)比1大的状况中，在电子束通过孔81内会形成不受电场EF的影响的漂移空间84。
如上所述，在D/(a/2+b/2)比1大的情况下，会形成漂移空间84。虽然只要D/(a/2+b/2)比1大则无特别限制，但因漂移空间84具有一定程度的长度较佳，则适当地设定为例如1.5以上、2以上、3以上、4以上、5以上等即可。相较而言，自光电阴极3射出的电子束只要是在可通过电子束通过孔81的范围内，则D/(a/2+b/2)并无特别的上限。然而，当D/(a/2+b/2)变大，换句话说，当电子束通过孔81的长度D过长时，则会有电子枪部分1b变得大型化的问题。因此，从装置设计上的观点而言，D/(a/2+b/2)较佳地设定在1000以下，且根据需要而适当地设定在500以下、100以下、50以下等皆可。
此外，在图7所示的示例中，虽然中间电极8中空的圆筒形，而电子束通过孔81圆锥形，但只要中间电极8具有电子束通过孔81，且形成有漂移空间84，则形状并无特别限制。例如，电子束通过孔81的截面也可为多角形，在此情况下，只要将“a”与“b”设定为多角形的外接圆的直径即可。此情况下，只要将连结外接圆的中心的线设定为“中心轴方向”即可。又，在电子束通过孔81的截面为椭圆的情况下，只要将“a”与“b”设定为椭圆的长轴即可。此情况下，只要将连结长轴的中间点的线设定为“中心轴方向”即可。再者，在图7所示的示例中，虽然电子束入口82比电子束出口83小，换句话说，虽然a＜b的关成立，但a与b也可为a＝b或a＞b的关。此外，在图7A所示的示例中，虽然链接电子束入口82与电子束出口83的线段在截面视下为直线，但也可使其在截面视下为非直线。例如，也可通过使电子束通过孔81的中央部的截面(形成漂移空间的部分的截面)的长度比a与b长，而使电子束通过孔81成为大致桶状。此外，虽然电子束的束径在漂移空间84内变宽，但较佳地设定为使束径变宽的电子束不会冲击电子束通过孔的壁面。因此，电子束通过孔81的截面的大小，只要基于焦点的调整范围而计算并适当地确定要将电子束的束径增宽至何种程度即可。
虽然中间电极8只要配置在阴极3与阳极4之间即可，但当中间电极8的配置位置过于接近阴极3或阳极4时，换句话说，超过放电极限时，则电子束即不再飞行。因此，中间电极8只要以阴极3与阳极4的距离不会超过放电极限的方式配置即可。
此外，在图7所示的示例中，虽然中间电极8形成为单一的部件，但只要在阴极3与阳极4之间所形成的电场EF不会从电子束入口82与电子束出口83以外的部分进入电子束通过孔81内的话，也可为将多个部件组合而成的分割构造。
接着参照图8及图9来说明在阴极3与阳极4之间设置了具有漂移空间84的中间电极8的情况下的电子(电子束)的动向。图8用以说明受到在阴极3、中间电极8以及阳极4之间所产生的电场的影响的电子的动向的示意图。图9A显示在第一条件下射出电子束时的第一电子束B1朝向物镜7行进之际的动向的示意截面图，以及图9B显示在第二条件下射出电子束时的第二电子束B2朝向物镜7行进之际的动向的示意截面图。
已知当电子束(电子)通过电场(EF)时，基于以下的原理而自电场受力。
原理1：电子束自其中心轴越向外侧的部位所受到的力越强。
原理2：电子束每单位长度所跨越的等电位线越多，则所受到的力越强。
原理3：电子束在跨越等电位线时，其行进方向的能量越大，则垂直方向(相对于行进方向)上所受到的力越小。
更具体而言，如图8所示，在阴极3与中间电极8，以及中间电极8与阳极4之间，因电位差而产生电场EF。此时，在电场EF内形成等电位线EL，且相对于等电位线EL而产生法线方向的力ELV。也即，电子束(电子)受到该法线方向的力ELV的影响。因此，如图8所示，虽然电子束B的中心的电子(图中的箭头Bc)仅接收直行方向的力，但电子束B的周边部分的电子(省略附图)则接收扩展至外侧的力。
接着参照图9A至图9C来说明有关第四实施方式的电子射线应用装置1D的中间电极8的技术上的意义。此外，图9A至图9C显示未使物镜7发挥功能的状态下的电子束B。又在图9A至图9C所示的电压值为了容易理解而作的示例，实际上具有与施加在中间电极8的电压值不同的情形。
首先，在图9A及图9B所示的示例中，作为将阴极3与中间电极8之间、中间电极8与阳极4之间的电场从第一条件变更为第二条件的方法，变更施加于中间电极8的电压。在图9A及图9B所示的示例中，施加于阴极3的电压(-50kV)与施加于阳极4(0kV)的电压差固定，且将施加于中间电极8的电压值变更为第一条件(图9A、-20kV)、第二条件(图9B、-30kV)。阴极3与中间电极8之间的电压差，在图9A中变成30kV，在图9B中变成20kV。也即，当越使施加于中间电极8的电压越接近阴极3的电压的值，则阴极3与中间电极8之间的电位差就越小。其次，由于当电位差越小，阴极3与中间电极8之间的等电位线的密度就会越小，因此从光电阴极3射出的电子束，图9B所示的第二电子束B2较图9A所示的第一电子束B1变得更容易扩展。进一步地，由于在中间电极8形成有漂移空间，因此容易扩展的第一电子束B1、第二电子束B2在漂移空间内会更为扩展。
相较而言，由于阴极3与阳极4的电位差呈固定，因此中间电极8与阳极4之间的电位差，会变得和阴极3与中间电极8之间的电位差相反。也即，由于相较于图9A，图9B的中间电极8与阳极4之间的电位差会变得较大，因此中间电极8与阳极4之间的等电位线的密度也会变大。进一步地，由于离开漂移空间后的电子束的束径，图9B会变得较图9A大，因此离开中间电极8的电子束，相较于图9A的第一电子束B1，图9B所示的第二电子束B2较容易聚焦。也即，当中间电极8与阳极4之间的电位差越大，则越能够使焦点F移动至短焦点侧。因此，通过利用中间电极8来调整电子束B的焦点F的位置，而得以调整电子束B抵达物镜7时的电子束B的束径。在图9A及图9B所示的示例中，即使在使用了中间电极8的情况下，也与第一实施方式同样地，电子束B在光电阴极3与物镜7之间不持有焦点。
相较而言，图9C显示通过使施加于中间电极8的负的电压值较图9B所示的示例更大(-40kV)，则电子束B3在光电阴极3与物镜7之间持有焦点F的示例。在图9C所示的示例中，通过使焦点F的位置控制在光电阴极3与物镜7之间，而得以控制自焦点F变宽的电子束B3抵达物镜7时的束径。如图9C所示，在电子射线应用装置1D包括中间电极8的情况下，除了图9A及图9B所示的示例之外，也可使用中间电极8的功能而使焦点F定位在光电阴极3与物镜7之间。此外，通过包括中间电极8，光电阴极3与物镜7之间的焦点的数量为1。
第四实施方式的电子射线应用装置1D的控制部1c通过除了在物镜7的聚焦强度的控制之外，也控制自第二电源6b施加于中间电极8的电压值，而可控制焦点F的位置。
使用了第四实施方式的电子射线应用装置1D的射出方法，在必须变更电子束B抵达物镜7时的束径之际，只要在电子束射出步骤(ST1)之前，执行利用控制施加于中间电极8的电压值来控制电子束B的焦点F的位置的电子束焦点位置控制步骤即可。
第四实施方式的电子射线应用装置1D除了第一实施方式的电子射线应用装置1A所达成的效果之外，也通过包括中间电极8而可达成以下的效果。
(1)虽然自光电阴极3射出的电子束B相对地较笔直地行进，但持有些许的扩展性。然而，通过使用中间电极8来控制焦点的位置，则能够控制入射至物镜7时的电子束B的尺寸。
(2)为了提高自光电阴极3射出的电子束B的平行度，被认为要缩短光电阴极3与阳极4之间的距离来加强电场。然而，若是缩短光电阴极3与阳极4之间的距离来加强电场的话，则会因在电子枪内部的部件之间的电场强度变强而产生变得容易放电的问题。相较而言，当使用中间电极8时，由于能够控制抵达物镜7时的电子束的尺寸，因此能够一边维持不产生放电的范围的电场强度，一边使所需的尺寸的电子束抵达物镜7。
此外，上述的第一实施方式至第四实施方式示出了本案所公开内容的电子射线应用装置1以及电子射线应用装置的电子束的射出方法的一个示例，也可进行各种设计变更。也可例如将选自第一实施方式至第四实施方式的任意的实施方式进行组合。
电子射线应用装置可列举搭载了电子枪的已知的装置。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 holography)装置、电子射线图案化(patterning)装置、电子射线绕射(electron 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、电子射线硬化装置、电子射线灭菌装置、电子射线杀菌装置、电浆产生(plasma generation)装置、原子状元素产生(atomic element generation)装置、旋转偏极(spin polarization)电子射线产生装置、阴极发光(cathode luminescence；CL)装置、逆光子放射摄谱术(inverse photoemission spectroscopy；IPES)装置等。
以下虽然举出实施例来具体说明本案所公开内容的实施方式，但此实施例仅用以说明实施方式。并非表示用以限定或是限制本案所公开内容的发明的范围。
(实施例)
<实施例1>
[电子枪部分的制作]
在光源2上使用了雷射光源(Toptica制iBeamSmart)。光电阴极3利用记载于DaikiSATO et al.2016 Jpn.J.Appl.Phys.55 05FH05的已知的方法而制造了InGaN(氮化铟镓)光电阴极。光电阴极表面的NEA处理通过已知的方法来进行。
[电子射线应用装置(SEM)的制作]
将市售SEM的电子枪部分替换成制作完成的电子枪部分。此外，市售SEM的规格在电子枪上使用冷电场发射电子源(cold field emission electron source；CFE)，电子束的加速电压最大可为30Kv，且能够在最大80万倍下观察。再者，设计为通过利用多个聚光透镜等来控制抵达本体部分的电子束，而使电子束以预定的尺寸入射至物镜。在实施例1中，改良成使市售SEM的聚光透镜不产生功能，换句话说，以仅使用物镜来聚焦已入射至本体部分的电子束的方式予以改良而制作完成。
<比较例1>
仅将市售SEM的电子枪部分替换成制作完成的电子枪部分，并将聚光透镜发挥功能的状态者作为比较例1的SEM。
接着，利用在实施例1及比较例1所制作完成的SEM，在同一条件下进行了样品的拍摄。在图10的虚线左侧的是以比较例1所拍摄的样品的画面，而右侧的是以实施例1所拍摄的样品的画面。由图10可清楚确定，相较于比较例1，以实施例1所制作完成的SEM具有更优异的分辨率。现有技术的SEM搭载了射出的电子束会发散的电子枪。因此，为了获得质量良好的电子束，被认为必须要有聚光透镜及光圈的组合。然而，已确认了在使用包括光电阴极的电子枪作为电子射线应用装置的电子束源的情况下，聚光透镜及光圈的组合会成为欲获得高分辨率的阻碍因素。
产业上的可利用性
当使用本申请所公开内容的电子射线应用装置及电子射线应用装置的电子束的射出方法时，因控制简单而能够小型化，且更进一步地能够进行光源的控制。因此，对于电子射线应用装置的业者而言具有益处。
(符号说明)
1,1A～1E:电子射线应用装置、1a:电子枪部分、1b:本体部分、1c:控制部、2:光源、21:激发光尺寸控制部件、3:光电阴极/阴极、4:阳极、5:光电阴极收纳容器、5h:电子束通过孔、5m:表面处理材料、6a:第一电源、6b:第二电源、7:物镜、71:驱动源、8:中间电极、81:电子束通过孔、82:电子束入口、83:电子束出口、84:漂移空间、B:电子束、D:检测器、CB:真空腔室、EF:电场、EL:等位线、ELV:针对EL的法线方向的力、F:焦点、L:激发光、S:样品、SC:扫描线圈。

Claims (13)

1.一种电子射线应用装置，包括：
电子枪部分；
本体部分；以及
控制部；
所述电子枪部分包括：
光源；
光电阴极，通过接收自所述光源照射的激发光而射出电子束；以及
阳极；
所述本体部分包括：
物镜，用以将自所述电子枪部分照射的所述电子束进行聚焦；
所述控制部至少用以根据自所述光电阴极射出的电子束的尺寸而控制所述物镜的聚焦强度。
2.如权利要求1所述的电子射线应用装置，其中，所述控制部用以控制自所述光源照射的激发光的强度。
3.如权利要求1或2所述的电子射线应用装置，其进一步包括：
激发光尺寸控制部件，用以控制自所述光源照射至所述光电阴极的激发光的尺寸；
所述激发光尺寸控制部件配置于所述光源与所述光电阴极之间。
4.如权利要求1至3中任一项所述的电子射线应用装置，其中：
所述物镜静电透镜；
所述控制部用以控制流入所述静电透镜的电压值。
5.如权利要求1至4中任一项所述的电子射线应用装置，其中：
在所述光电阴极与所述阳极之间配置有中间电极；
所述中间电极具有：
电子束通过孔，用以供自所述光电阴极射出的电子束通过；
在所述电子束通过孔中形成有漂移空间，所述漂移空间在通过施加电压而在所述光电阴极与所述阳极之间形成电场之际可忽视电场的影响。
6.如权利要求1至5中任一项所述的电子射线应用装置，其中，自所述光电阴极射出的所述电子束在所述光电阴极与所述物镜之间未持有焦点。
7.如权利要求5所述的电子射线应用装置，其中，自所述光电阴极射出的所述电子束在所述光电阴极与所述物镜之间持有焦点。
8.如权利要求1至7中任一项所述的电子射线应用装置，其中，所述电子射线应用装置选自于：
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。
9.一种电子射线应用装置的电子束的射出方法，其中：
所述电子射线应用装置包括电子枪部分、本体部分以及控制部；
所述电子枪部分包括：
光源；
光电阴极，通过接收自所述光源照射的激发光而射出所述电子束；以及
阳极；
所述本体部分包括：
物镜，用以将自所述电子枪部分照射的所述电子束进行聚焦；
所述射出方法包括：
电子束射出步骤，通过接收自所述光源照射的所述激发光而自所述光电阴极射出所述电子束的步骤；
电子束行进步骤，在所述电子束射出步骤所射出的所述电子束朝向配置于所述本体部分的所述物镜而进行行进的步骤；以及
电子束聚焦步骤，利用所述物镜将通过所述电子束行进步骤而抵达所述本体部分的所述电子束进行聚焦的步骤；
在所述电子束行进步骤中，自所述光电阴极射出的所述电子束在抵达所述物镜之前是以未持有焦点的状态进行行进。
10.如权利要求9所述的射出方法，其中：
在所述电子束聚焦步骤中，为了控制所述电子束的聚焦的程度，所述控制部控制所述物镜的聚焦强度。
11.如权利要求9或10所述的射出方法，其中：
在所述电子束射出步骤之前，包括激发光强度控制步骤，其为所述控制部控制自所述光源所照射的所述激发光的强度的步骤。
12.如权利要求9至11中任一项所述的射出方法，其中：
在所述光源与所述光电阴极之间，配置有激发光尺寸控制部件，所述激发光尺寸控制部件用以控制自所述光源照射至所述光电阴极的激发光的尺寸；
在所述电子束射出步骤之前，所述控制部通过所述激发光尺寸控制部件执行控制自所述光电阴极所照射的电子束的尺寸的电子束尺寸控制步骤。
13.如权利要求9至12中任一项所述的射出方法，其中：
在所述光电阴极与所述阳极之间，配置有中间电极；
在所述电子束行进步骤中，所述控制部以下列方式控制所述中间电极，以使自所述光电阴极射出的所述电子束：
在所述光电阴极与所述物镜之间，以未持有焦点的方式进行行进；或
在所述光电阴极与所述物镜之间，以持有焦点的方式进行行进。
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