DE112018007279T5

DE112018007279T5 - Elektronenstrahl-Anwendungsgerät

Info

Publication number: DE112018007279T5
Application number: DE112018007279.7T
Authority: DE
Inventors: Takashi Ohshima; Hiroyuki Minemura; Manabu Shiozawa; Hideo Morishita
Original assignee: Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2018-05-21
Publication date: 2020-12-03
Anticipated expiration: 2038-05-22
Also published as: US20210319970A1; WO2019224872A1; DE112018007279B4; JP6945071B2; CN112106166A; CN112106166B; JPWO2019224872A1

Abstract

In einer photoangeregten Elektronenquelle kann eine Kondensorlinse, die unter der Annahme ausgelegt ist, dass das Anregungslicht ein transparentes Substrat mit vorgegebener Dicke und vorgegebenem Brechungsindex durchsetzt, den Brennpunkt des Anregungslichts bei einem anderen transparenten Substrat nicht gut auf einen Photokathodenfilm fokussieren. Daher wird zwischen der Photokathode und der Kondensorlinse eine optische Platte zur Korrektur der sphärischen Aberration angeordnet, die bei der Wellenlänge des Anregungslichts den gleichen Brechungsindex hat wie das Substrat der Photokathode. Alternativ wird eine optische Einrichtung zur Korrektur der sphärischen Aberration vorgesehen, die so ausgelegt ist, dass sie das zu der Kondensorlinse emittierte Parallellicht bündelt oder fokussiert. Dadurch lassen sich Flimmer des Elektronenstrahls verringern und die Helligkeit der photoangeregten Elektronenquelle erhöhen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Elektronenstrahl-Anwendungsgerät wie etwa ein Elektronenmikroskop.
Stand der Technik
Hochauflösende Elektronenmikroskope nach dem Stand der Technik verwenden als Elektronenquelle mit hoher Helligkeit eine Kaltkathoden-Feldemissionselektronenquelle oder eine Schottky-Elektronenquelle. Diese Elektronenquellen haben die Form einer Nadel mit kleiner Spitze, wobei die virtuelle Größe einer Elektronenquelle mehrere nm oder mehrere 10 nm beträgt. Demgegenüber ist eine mit negativer Elektronenaffinität arbeitende photoangeregte Elektronenquelle eine ebene Elektronenquelle, wobei die Brennpunktgröße des Anregungslichts, die die Größe der Elektronenquelle ist, sogar etwa 1 µm beträgt. Da von einer photoangeregten Elektronenquelle emittierte Elektronen hochgeradlinig sind, ist durch Erhöhen der Stromdichte eine erhöhte Helligkeit zu erwarten.
JP 2001 143648 A offenbart eine photoangeregte Elektronenquelle, wobei eine Elektronenkanone mit einem Aufbau gezeigt ist, bei dem als Photokathode ein transparentes Substrat, insbesondere ein solches mit einem an einem Glas angebrachten Photokathodenfilm, dient, eine kleine Elektronenquelle durch Fokussieren von Anregungslicht auf den Photokathodenfilm mittels einer nahe dem transparenten Substrat angeordneten Kondensorlinse erzeugt wird und von dieser Elektronenquelle im Vakuum emittierte Elektronenstrahlen verwendet werden.
Wie in JP 2009 266809 A gezeigt, befindet sich als für hohe Helligkeit geeignete Photokathode eine Halbleiter-Photokathode in Entwicklung, bei der eine Photokathodenschicht auf einem Halbleitersubstrat mittels Halbleiterkristallzüchtung gebildet wird.
Wie in Kuwahara u.a., „Coherence of a spin-polarized electron beam emitted from a semiconductor photocathode in a transmission electron microscope", Applied Physics Letters, Band 105, Seite 193101, 2014 gezeigt, hat eine Halbleiter-Photokathode ähnliche Eigenschaften wie die Schottky-Elektronenquelle.
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Bei Verwendung einer photoangeregten Elektronenquelle ist es erforderlich, das den Brennpunkt des Anregungslichts mit einer Kondensorlinse auf den Photokathodenfilm der Photokathode zu fokussieren. Dabei durchsetzt das Anregungslicht das transparente Substrat der Photokathode und fokussiert den Brennpunkt auf den Photokathodenfilm. In der Photokathode, bei der der Photokathodenfilm an dem Glassubstrat angebracht ist, lässt sich unter Verwendung der Kondensorlinse eine Elektronenkanone realisieren, die unter der Annahme, dass das Anregungslicht das Glassubstrat mit vorgegebener Dicke und vorgegebenem Brechungsindex durchsetzt, optimal ausgelegt ist. In den letzten Jahren wird andererseits eine Photokathode mit höherer Helligkeit unter Verwendung eines Verfahrens mit Kristallzüchtung in einer Halbleiter-Photokathode realisiert. Wird in der Halbleiter-Photokathode ein Verbundhalbleiter-Einkristallsubstrat, wie GaP, verwendet, so ändert sich der Brechungsindex in Abhängigkeit von dessen Material. Daher kann eine Kondensorlinse, die unter der Annahme, dass das Anregungslicht das transparente Substrat mit der vorgegebenen Dicke und dem vorgegebenen Brechungsindex durchsetzt, optimal ausgelegt ist, bei einem anderen transparenten Substrat den Brennpunkt des Anregungslichts nicht gut auf den Photokathodenfilm fokussieren.
Wird für das transparente Substrat der Photokathode beispielsweise ein Glas mit einer Dicke von 1,2 mm und einem Brechungsindex n = 1,5 verwendet, so kann für eine magneto-optische Platte als Kondensorlinse eine billige asphärische Linse mit gutem Leistungsvermögen verwendet werden. Wird jedoch das transparente Substrat durch eine andere Photokathode ersetzt, so vermag diese Kondensorlinse den Brennpunkt nicht richtig auf den Photokathodenfilm zu fokussieren. Wird ferner die Kondensorlinse für jede Photokathode neu ausgelegt, so nimmt die Anzahl der Herstellschritte zu, und damit steigen auch die Kosten.
Problemlösung
Ein Elektronenstrahl-Anwendungsgerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst ein Substrat und einen Photokathodenfilm, eine Kondensorlinse zum Sammeln von Anregungslicht auf die Photokathode, eine der Photokathode zugewandte Ausziehelektrode zum Beschleunigen eines von dem Photokathodenfilm der Photokathode erzeugten Elektronenstrahls durch Sammeln des Anregungslichts mit der Kondensorlinse und Emittieren des das Substrat der Photokathode auf dem Photokathodenfilm durchsetzenden Anregungslichts und ein elektronenoptisches System, in dem der von der Ausziehelektrode beschleunigte Elektronenstrahl geführt wird. Zwischen der Photokathode und der Kondensorlinse ist eine optische Platte zur Korrektur der sphärischen Aberration angeordnet, deren Brechungsindex bei der Wellenlänge des Anregungslichts gleich dem Brechungsindex des Substrats der Photokathode ist.
Ferner umfasst ein Elektronenstrahl-Anwendungsgerät eine Parallellichtquelle, eine optische Einrichtung zur Korrektur der sphärischen Aberration, die so gestaltet ist, dass sie den von der Parallellichtquelle emittierten parallelen Lichtstrahl divergieren lässt oder fokussiert, eine Photokathode mit einem Substrat und einen Photokathodenfilm, eine Kondensorlinse zum Sammeln von Anregungslicht auf die Photokathode, wobei das die optische Einrichtung zur Korrektur der sphärischen Aberration durchsetzende parallele Licht als Anregungslicht emittiert wird, eine der Photokathode zugewandte Ausziehelektrode zum Beschleunigen eines vom Photokathodenfilm der Photokathode erzeugten Elektronenstrahls durch Bündeln des Anregungslichts mit der Kondensorlinse und Emittieren des das Substrat der Photokathode auf dem Photokathodenfilm durchsetzenden Anregungslichts sowie ein elektronenoptisches System, in dem der von der Ausziehelektrode beschleunigte Elektronenstrahl geführt wird.
Weitere technische Probleme und neue Eigenschaften ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
Vorteilhafte Wirkungen
Durch Erhöhung der Helligkeit und gleichzeitige Verringerung von Flimmern des Elektronenstrahls lässt sich ein hochauflösendes Elektronenstrahl-Anwendungsgerät, etwa ein Elektronenmikroskop, schaffen.
Figurenliste
In den Zeichnungen zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Elektronenstrahl-Anwendungsgeräts mit einer photoangeregten Elektronenkanone;
2A ein Diagramm der Lichtintensitätsverteilung in der Brennebene einer Kondensorlinse bei einem transparenten Substrat;
2B ein Diagramm der Lichtintensitätsverteilung in der Brennebene der Kondensorlinse bei einem transparenten Substrat;
3 ein Diagramm der Relation zwischen der Größe der sphärischen Aberration am Brennpunkt der Kondensorlinse und der Dicke des transparenten Substrats;
4A eine schematische Darstellung eines Beispiels für den Aufbau einer optischen Einrichtung zur Korrektur der sphärischen Aberration;
4B eine schematische Darstellung eines Steuermechanismus für die optische Einrichtung zur Korrektur der sphärischen Aberration;
5A eine schematische Darstellung einer Elektronenkanone mit einer Aktivierungskammer;
5B eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein Kathodenpaket;
6 eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine Photokathode; und
7 ein Diagramm zum Effekt der Photokathode nach 6.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben.
1 eine schematische Darstellung eines Elektronenstrahl-Anwendungsgeräts mit einer photoangeregten Elektronenkanone. Handelt es sich bei dem Gerät um ein Elektronenmikroskop, so wird ein von der photoangeregten Elektronenkanone 22 erzeugter Elektronenstrahl 13 hoher Helligkeit in ein Gehäuse 23 eines angeschlossenen elektronenoptischen Systems eingeleitet, so dass das Elektronenstrahl-Anwendungsgerät als Mikroskop mit Komponenten wie einer Elektronenlinse 24 arbeitet.
In der Elektronenkanone 22 wird das Anregungslicht 12, das von einer außerhalb des Vakuumbehälters 9 angeordneten Parallellichtquelle 7 erzeugt wird, durch ein Fenster 6 in den Vakuumbehälter 9 eingeführt und mit einer Kondensorlinse 2 auf eine Photokathode 1 fokussiert. Bezüglich der Kondensorlinse bestehen keine besonderen Beschränkungen, wobei sich die Kosten durch Verwendung beispielsweise einer bei optischen Platten eingesetzten Linse reduzieren lassen. Im vorliegenden Beispiel wird als Kondensorlinse 2 eine asphärische Linse mit einer Brennweite f = 4,2 mm und einer numerischen Apertur (NA) = 0,5 verwendet, die nach einem Glasformverfahren zum Einsatz bei magneto-optischen Platten hergestellt wird. Die lichtbrechende Oberfläche dieser asphärischen Linse ist so optimiert, dass das Anregungslicht beim Durchsetzen eines Glases mit einer Dicke von 1,2 mm und einem Brechungsindex n = 1,5 bis zu einer Wellenlängengrenze fokussiert werden kann.
Die Photokathode 1 wird hauptsächlich von einem transparenten Substrat 11 und einem Photokathodenfilm 10 gebildet. Das Licht wird an der Seite des transparenten Substrats 11 emittiert, und an der Fläche des Photokathodenfilms 10 wird ein Elektronenstrahl erzeugt. Der Elektronenstrahl 13 wird von einem elektrischen Feld zwischen der Photokathode 1 und einer dieser zugewandten Ausziehelektrode 3 beschleunigt, durchsetzt eine Öffnung 14 und wird in das Gehäuse 23 des elektronenoptischen Systems emittiert. Die Photokathode 1 ist in einem Kathodenhalter 4 untergebracht und zur Definition der Beschleunigungsenergie des erzeugten Elektronenstrahls mit einer Beschleunigungsenergiequelle 5 elektrisch gekoppelt. Die Photokathode 1 arbeitet mit einem als Elektronenquelle mit negativer Elektronenaffinität bekannten Phänomen. Der Photokathodenfilm 10 ist ein p-Halbleiter, wobei typisch GaAs verwendet wird. Zur Verringerung der Austrittsenergie findet an der Oberfläche des Photokathodenfilms 10 eine Cs-Adsorption statt. Für ein epitaktisches Wachstum des Photokathodenfilms besteht das transparente Substrat 11 aus einem (100)-orientierten GaP-Einkristall mit einer Dicke von 0,4 bis 0,5 mm.
2A zeigt die Lichtintensitätsverteilung, wenn das Licht das transparente Substrat 11 durchsetzt und durch die Kondensorlinse 2 auf den Photokathodenfilm 10 fokussiert wird. Die ausgezogene Linie 201 zeigt die Lichtintensitätsverteilung für den Fall, dass das transparente Substrat 11 ein GaP-Substrat mit einer Dicke von 0,5 mm ist. Zum Vergleich zeigt die gestrichelte Linie 202 die Lichtintensitätsverteilung in dem Fall, dass das transparente Substrat 11 ein Glassubstrat mit einer Dicke von 1,2 mm und einem Brechungsindex n = 1.5 ist. An der Abszisse ist die Verschiebung gegenüber der Brennpunktstelle (der Stelle maximaler Lichtintensität) aufgetragen und an der Ordinate die relative Lichtintensität, speziell die relative Lichtintensität in dem Fall, dass die maximale Lichtintensität auf dem Glassubstrat gleich 1 ist. Da die Kondensorlinse 2 so ausgelegt ist, dass sie den kleinsten Fleckdurchmesser hat, wenn das Licht das Glassubstrat mit der Dicke von 1,2 mm und dem Brechungsindex n = 1,5 durchsetzt, lässt sich Leistung der so ausgelegten Kondensorlinse 2 nicht verifizieren, wenn das Licht das GaP-Substrat mit der Dicke von 0,5 mm durchsetzt. 2B ist eine vergrößerte Darstellung der ausgezogenen Linie. Die Wellenlänge des auf das transparente GaP-Substrat emittierten Lichts beträgt 780 mm. Die Wellenlänge des Lichts kann eine der Wellenlängen sein, für die GaP hohe Durchlässigkeit aufweist. Dabei ist die Halbwertsbreite des Mittelstrahls 211 äußerst schmal bei etwa 0,6 mm, wobei zu erkennen ist, dass Flimmer 212 über einen am Mittelstrahl 211 zentrierten Bereich mit einem Durchmesser von etwa 10 µm auftreten. Im Ergebnis überlagern diese Flimmer auch den von dem Photokathodenfilm 10 erzeugten Elektronenstrahl 13. Wird der Elektronenstrahl 13 über eine Probe zur Erzeugung eines zweidimensionalen Bildes getastet, so tritt in diesem bei hochauflösender Betrachtung eine Unschärfe auf.
Dies kommt daher, dass der Brechungsindex von GaP n = 3,2 beträgt und größer ist als der von Glas mit n = 1,5, und die sphärische Aberration groß wird. Da die durch die sphärische Aberration verursachten Flimmer in der Brennebene des Anregungslichts zunehmen, wird der erzeugte Elektronenstrahl von im Durchmesser großen Flimmern überlagert.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist deshalb im Strahlengang des Anregungslichts eine optische Einheit zur Korrektur der sphärischen Aberration 8 (im Folgenden kurz „Aberrations-Korrektureinheit“) vorgesehen. Genauer gesagt, gibt es zwei Typen: Es wird eine optische Einrichtung zur Korrektur der sphärischen Aberration 20 (im Folgenden kurz „Aberrations-Korrektureinrichtung“) zwischen der Parallellichtquelle 7 und der Kondensorlinse 2 und/oder eine optische Platte zur Korrektur der sphärischen Aberration 21 (im Folgenden kurz „Aberrations-Korrekturplatte“) zwischen der Kondensorlinse 2 und der Photokathode 1 verwendet. Werden alle sphärischen Aberrationen korrigiert, wie die gestrichelte Linie 202 in 2A zeigt, so wird eine Lichtintensitätsverteilung mit minimalen Flimmern erzielt, wobei auch die Flimmer in dem Elektronenstrahl 13 minimiert sind. Andererseits beträgt im Falle der gestrichelten Linie 202 die Halbwertsbreite des Mittelstrahls 0,8 µm und ist größer als im Fall der ausgezogenen Linie 201. Da die sphärische Aberration bei Verringerung der Halbwertsbreite des Mittelstrahls zunimmt, lässt sich die Größe der sphärische Aberration einstellen und dann anwenden, wenn die für die Beobachtung optimale Bedingung zwischen der ausgezogenen Linie 201 und der gestrichelten Linie 202 liegt.
Im Folgenden wird eine spezielle Konfiguration der Aberrations-Korrektureinheit 8 beschrieben. Bei der Aberrations-Korrekturplatte 21 handelt es sich um eine Platte mit einem Brechungsindex gleich dem des Photokathodensubstrats bei der Wellenlänge des Anregungslichts. Besonders zweckmäßig ist der Einsatz eines Substrats aus dem gleichen Material wie das transparente Substrat 11. Wird für das transparente Substrat 11 ein GaP-Substrat verwendet, so wird GaP vorzugsweise auch für die Aberrations-Korrekturplatte 21 verwendet. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Größe der sphärischen Aberration am Brennpunkt der Kondensorlinse 2 und der Dicke des transparenten Substrats. Bei Glas (n = 1,5) hat die sphärische Aberration, wie die gestrichelte Linie 302 zeigt, ihr Minimum bei einer Dicke von 1,2 mm. Demgegenüber tritt bei dem GaP-Substrat, wie die ausgezogene Linie 301 zeigt, eine große sphärische Aberration bei einer Dicke von 0,5 mm auf, während sie bei eine Dicke von 1,7 mm minimal ist. Wird als Aberrations-Korrektureinheit 8 die Aberrations-Korrekturplatte 21 aus GaP-Einkristall verwendet, so liegt die gesamte Dicke des transparenten Substrats 11 und der Korrekturplatte 21 für vollständige Korrektur bei 1,7 mm. Daher kann, wenn das transparente Substrat 11 der Photokathode 1 eine Dicke von 0,5 mm hat, die Korrekturplatte 21 eine Dicke von 1,2 mm haben. Um statt einer vollständigen Korrektur einen Korrekturzwischenwert zu erreichen, sollte die Aberrations-Korrekturplatte 21 eine Dicke unter 1,2 mm haben.
Vorstehend ist hier ein Beispiel beschrieben worden, bei dem als transparentes Substrat 11 der Photokathode 1 ein GaP-Substrat verwendet wird; es kann aber auch eine Photokathode, die mit einem anderen transparenten Substrat arbeitet, entsprechend dem Brechungsindex korrigiert werden. Wird als transparentes Substrat 11 der Photokathode 1 beispielsweise ein Kristall wie etwa AlAs, GaAlAs, ZnSe, GaN oder GaInN verwendet, so lässt sich dadurch, dass eine Aberrations-Korrekturplatte 21 aus dem gleichen Material eingesetzt und deren Dicke für den gewünschten Korrekturbetrag optimiert wird, ein geeigneter Korrekturbetrag wählen und eine hochauflösende Betrachtung ohne Ändern der Kondensorlinse erreichen.
Oben ist gesagt worden, dass die Photokathode 1 den Photokathodenfilm 10 und das transparente Substrat 11 aufweist; im Falle einer Halbleiter-Photokathode können aber zwischen diesen beiden Teilen eine Zwischenschicht und eine Pufferschicht vorgesehen werden, um bei Ausbildung einer Photokathodenschicht auf dem transparenten Substrat eine gewünschte Kristallstruktur zu erhalten. Ähnliche Wirkungen lassen sich auch in einer derartigen Photokathode 1 erreichen. Die besagte Zwischenschicht und dergleichen muss ausreichend dünner sein als das transparente Substrat 11, damit das an der Seite des transparenten Substrats 11 emittierte Anregungslicht sie durchsetzen kann.
Wie andererseits in 4A gezeigt, umfasst die Aberrations-Korrektureinrichtung 20 eine erste konvexe Linse 30 und eine zweite konvexe Linse 31, die einander zugewandt sind und zu denen das Anregungslicht 12 emittiert wird, sowie einen Mechanismus 32 zur Justierung der Linsenposition durch genaue Bewegung der zweiten konvexen Linse 31 in Richtung der optischen Achse des Anregungslichts 12. Ist der Abstand zwischen den Hauptflächen der beiden konvexen Linsen gleich der Summe ihrer Brennweiten, so tritt das emittierte Anregungslicht 12 als Parallellichtstrahl (ausgezogene Linien 12a) aus. Durch Einstellen dieses Abstandes wird das hindurchtretende Licht zu einem divergenten Strahl (gepunktete Linien 12b) oder einem konvergenten Strahl (gestrichelte Linien 12b). Somit lässt sich die sphärische Aberration des Brennpunktes der Kondensorlinse 2 korrigieren. In 4A wird die zweite konvexe Linse 31 genau bewegt; der gleiche Effekt lässt sich durch genaue Bewegung der ersten konvexen Linse 30 oder beider Linsen erzielen, solange der Abstand zwischen den beiden konvexen Linsen 20 und 31 geändert wird.
4B zeigt einen Steuermechanismus für die Aberrations-Korrektureinrichtung 20. Als Lichtquelle 43 dient eine Laserdiode, wobei das divergente Licht von der Lichtquelle 43 mit einer Kollimatorlinse 42 in das parallele Anregungslicht 12 umgewandelt wird. Die Parallellichtquelle 7 in 1 hat einen Aufbau entsprechend der Lichtquelle 43 und der Kollimatorlinse 42. Das Anregungslicht 12 durchsetzt einen Strahlteiler 40, tritt durch das Fenster 6 in eine Vakuumkammer der Elektronenkanone ein und wird durch die Kondensorlinse 2 auf die Photokathode 1 fokussiert. Das von dem Photokathodenfilm reflektierte Licht 46 wird durch die Kondensorlinse 2 in paralleles Licht umgewandelt, durch den Strahlteiler 40 seitlich abgelenkt und durch eine Abbildungslinse 44 vergrößert und auf ein Bildgebungselement 41 projiziert. Ist die Intensität des reflektierten Lichts 46 für das Bildgebungselement 41 zu hoch, so wird sie durch ein Filter 45 mit neutraler Dichte (ND-Filter) gedämpft, um die räumliche Lichtintensitätsverteilung zu messen. Hat die Kondensorlinse 2 eine Brennweite f = 4,2 mm und wird als Abbildungslinse 44 eine Linse mit einer Brennweite f =1000 mm verwendet, so wird auf das Bildgebungselement 41 ein 23,8-faches Bild des Photokathodenfilms projiziert. Dementsprechend sind bei Betrachtung dieses Ausgangs mit einem PC oder dergleichen die dem Brennpunkt überlagerten Flimmer zu beobachten. Der Elektronenstrahl lässt sich dadurch optimieren, dass beim Betrachten eines vergrößerten Bildes des Brennpunktes zwischen dem Strahlteiler 40 und der Kondensorlinse 2 die Aberrations-Korrektureinrichtung 20 so eingestellt wird, dass das Flimmerbild für das elektronenoptische System optimal wird. Der Zielbrennpunkt und die Flimmerform werden als Bedingung für das beste Beobachtungsergebnis durch den Elektronenstrahl bestimmt.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel beschreibt einen Fall, bei dem als Beispiel für die Gestaltung der Aberrations-Korrektureinrichtung 20 sowohl die erste als auch die zweite Linse konvexe Linsen sind uns die gleiche Brennweite haben; der gleiche Effekt lässt sich auch dann erhalten, wenn die Aberrations-Korrektureinrichtung 20 aus Linsen unterschiedlicher Brennweiten aufgebaut ist und der Durchmesser des Lichtstrahls geändert werden muss. Ferner kann eine der Linsen eine konkave Linse sein. Da in diesem Fall die Aberrations-Korrektureinrichtung 20 keinen Sammelpunkt hat und der Abstand zwischen den beiden Linsen verkleinert werden kann, ergibt sich der Vorteil, dass die Aberrations-Korrektureinrichtung 20 kompakter sein kann. Ferner kann die Aberrations-Korrektureinrichtung 20 aus einer größeren Anzahl von Linsen aufgebaut sein, wobei sich die gleiche Wirkung erzielen lässt, wenn diese die Funktion einer leichten Divergenz oder Bündelung des Parallellichts haben.
Wie oben beschrieben, ist die Aberrations-Korrekturplatte 21 zwischen der Kondensorlinse 2 und der Photokathode 1 vorgesehen, wobei sich die Aberrations-Korrektureinrichtung 20 mit dem in 4B gezeigten Mechanismus justieren lässt. Zwar ist die Aberrations-Korrektureinrichtung 20 in dem gezeigten Beispiel in Atmosphäre angeordnet, doch lässt sich der gleiche Effekt bei Anordnung im Vakuum erhalten.
Weiterhin zeigt das Beispiel nach 4B, dass als Lichtquelle eine Laserdiode dient. Wenn mit pulsierendem oder mit hochintensivem Licht gearbeitet wird oder wenn die Wellenlänge geändert werden muss, werden optische Komponenten auf einem optischen Tisch oder dergleichen angeordnet, um als Lichtquelle ein optisches Lichtquellensystem zu bilden, von dem aus das Anregungslicht mit einer optischen Faser eingeleitet wird. In diesem Fall entspricht das Ende der festen optischen Faser der Lichtquelle 43.
Wird ferner als Lichtquelle 43 eine Laserdiode verwendet und ist das Anregungslicht 12 polarisiert, so lässt sich die Transmission des Anregungslichts 12 erhöhen, indem als Strahlteiler 40 ein Polarisierungsstrahlteiler verwendet wird. Dabei wird die Polarisationsebene des reflektierten Lichts 46 gedreht, so dass es nicht zu der Lichtquelle 43 zurückkehrt, indem direkt unter dem Polarisierungsstrahlteiler 40 eine Viertelwellenlängenplatte vorgesehen wird, wodurch sich das zu der Laserdiode 43 zurückkehrende Licht minimieren und der Betrieb stabilisieren lässt.
In 5A und 5B ist ein Beispiel für den Einbau der Aberrations-Korrekturplatte 21 gezeigt. Die Elektronenemissionsfläche der Photokathode 1 ist empfindlich, wobei ihre Leistungsfähigkeit durch den Einfluss von Gasrückständen sinkt. Deshalb ist, wie in 5A gezeigt, nahe der Elektronenkanone 22 eine Aktivierungskammer 53 vorgesehen. Die Aktivierungskammer 53 ist immer mit einem Mechanismus zur Oberflächenreinigung, Cs-Dampfabscheidung, Sauerstoffeinleitung und dergleichen (nicht gezeigten) Einrichtungen ausgestattet, um eine verschlechterte Oberfläche des Photokathodenfilms 10 zu reaktivieren und dadurch die Leistungsfähigkeit der Photokathode 1 über lange Zeit zu erhalten. Dabei wird die Photokathode 1 durch einen Transportmechanismus 52 zwischen der Elektronenkanone 22 (dem Vakuumbehälter 9) und der Aktivierungskammer 53 hin und her bewegt. Um diese Bewegung zu erleichtern, ist die Photokathode 1 als Kathodenpaket 50 in einem Halter 51 untergebracht. 5B zeigt ein Beispiel für den Aufbau des Kathodenpakets 50. Dadurch, dass die Photokathode 1 in dem Halter 51 so untergebracht ist, dass die Aberrations-Korrekturplatte 21 in Kontakt mit dem Substrat der Photokathode 1 steht, lassen sich Verluste aufgrund von Reflexion an der GaP-Substrat/Vakuum-Grenzfläche wirksam reduzieren. In der Elektronenkanone 22 ist ein Kathodenträger 54 vorgesehen, wobei das Kathodenpaket 50 auf dem Kathodenträger 54 platziert ist und als Elektronenquelle dient. Ein Vorteil besteht ferner darin, dass dann, wenn zwischen der Aktivierungskammer 53 und der Elektronenkanone 22 (dem Vakuumbehälter 9) ein Absperrventil vorgesehen ist, die Photokathode 1 und die Aberrations-Korrekturplatte 21 ausgetauscht werden können, indem unter Aufrechterhaltung des Vakuums im Innern der Elektronenkanone die Aktivierungskammer 53 zur Atmosphäre geöffnet wird. Auch in dem vorliegenden Beispiel kann dann, wenn die Photokathode ein transparentes Substrat aus einem anderen Material aufweist, das Kathodenpaket 50 zusammen mit der Aberrations-Korrekturplatte 21 aus dem gleichen Material bestehen wie das transparente Substrat.
6 zeigt die Photokathode 1, die in dem Elektronenstrahl-Anwendungsgerät des vorliegenden Ausführungsbeispiels verwendet werden kann. Bei einer Halbleiter-Photokathode wird normalerweise mit Kristallwachstum gearbeitet, so dass die Flächenorientierung der Oberfläche des Photokathodenfilms wegen des einfachen Kristallwachstums eine (100)-Ebene ist. Bei der Photokathode nach 6 ist die Oberfläche des Photokathodenfilms jedoch in einer (110)-Ebene orientiert. Zwar hängt die Flächenorientierung von Kristallwachstumsbedingungen und dergleichen ab, doch besteht auch dann kein Problem, wenn die Flächenorientierung innerhalb von ±4 Grad abweicht. Als transparentes Substrat 11 wird ein GaP-Einkristall verwendet, auf dem eine AlGaAs-Pufferschicht 60 mit einer Dicke von etwa 1 µm epitaktisch aufgewachsen wird. Für das Material der Pufferschicht 60 bestehen keine Beschränkungen; es kann aus Materialien ausgewählt werden, die eine passende Gitterkonstante aufweisen, so dass in dem GaAs, dem Material des Photokathodenfilms 10, keine Spannung entsteht, die einen größeren Bandabstand haben als GaAs und die für das Anregungslicht transparent sind. Auf der Pufferschicht 60 wird als Photokathodenfilm 10 p-leitendes GaAs gezüchtet. Wichtig ist, dass die Dicke des Photokathodenfilms 10 kleiner als der Fleckdurchmesser des Anregungslichts und gleich oder kleiner als 0,1 µm ist. Ein Merkmal der in 6 gezeigten Photokathode 1 besteht darin, dass der obere Grenzwert der Stromdichte größer ist als bei einer Photokathode mit (100)-Ebene nach dem Stand der Technik, so dass sich im Ergebnis höhere Helligkeit erzielen lässt.
Anhand von 7 wird folgender Effekt beschrieben. In dem Diagramm ist an der Abszisse die Störstoffkonzentration der Oberflächenschicht des Photokathodenfilms und an der Ordinate die Helligkeits-Obergrenze der Photokathode aufgetragen. Die gestrichelte Kurve 71 zeigt die Charakteristik der Photokathode, bei der die Oberfläche des GaAs-Photokathodenfilms in der (100)-Ebene orientiert ist, während die ausgezogene Kurve 72 die Charakteristik der Photokathode zeigt, bei der die Oberfläche des GaAs-Photokathodenfilms in der (110)-Ebene orientiert ist. Im Falle des Photokathodenfilms 10 mit auf der GaAs-(100)-Oberfläche gewachsenem Kristall erhöhen unmittelbar nach dem Beginn der Elektronenemission die im Oberflächenniveau eingefangenen Elektronen das Elektronenpotential an der Oberfläche, so dass die Stromdichte sofort abnimmt und die Dichte des Stroms, der von dem Photokathodenfilm 10 konstant emittiert werden kann, sehr begrenzt ist. Um dies zu verhindern, ist es wirksam, die Konzentration der p-Störstoffe in der Nähe der Oberfläche zu erhöhen und in der Nähe der Oberfläche angesammelte Ladungen durch Rekombination mit Löchern im Leitungsband zu entfernen. Wie mit der gestrichelten Kurve 71 gezeigt, steigt dadurch das durch Erhöhen der Störstoffkonzentration in der Oberflächenschicht erhaltene Maximum der Helligkeit; steigt jedoch die Anzahl der Störstoffatome zu stark an, so nimmt das Helligkeitsmaximum aufgrund von Gitterdefekten und Zunahme von inaktiven Störstoffe ab. Für hohe Helligkeit besteht somit eine optimale Störstoffkonzentration. Demgegenüber lässt sich das Oberflächenniveau, das ein Hindernis für hohe Helligkeit darstellt, durch die Wahl der Flächenorientierung verringern. Da die GaAs-(110)-Ebene in der Bandlücke ein geringes Oberflächenniveau aufweist, lässt sich, wie mit der ausgezogenen Kurve 72 dargestellt, der obere Helligkeitsgrenzwert erhöhen. Das transparente Substrat 11 beschränkt sich nicht auf ein solches aus einem GaAs-Einkristall, solange es sich um einen für das Anregungslicht transparenten Einkristall handelt, wobei auch Einkristallsubstrate aus AlAs, GaAlAs, ZnSe, GaN und GalnN verwendet werden können.
Einer der Gründe für die hohe Helligkeit der Photokathode, die mit GaAs als Material des Photokathodenfilms 10 arbeitet, besteht übrigens darin, dass der im Vakuum emittierte Elektronenstrahl auf einen engen Winkel konzentriert ist (der Emissionswinkel klein ist). An Grenzen von Bereichen mit unterschiedlicher Masse werden Wellen aufgrund von Wellenlängenänderungen gebrochen. Daher verringert sich der Elektronenemissionswinkel bei Emission im Vakuum gegenüber einem Bereich mit geringer effektiver Masse. Die effektive Masse des Leitungsbandes von GaAs beträgt das 0,067-Fache der Masse mo im Vakuum. Wegen der obigen Beziehung lässt sich hohe Helligkeit durch Ausbilden des Photokathodenfilms 10 aus einem Material mit geringerer Masse als GaAs erzielen. Beispielsweise ist es zweckmäßig, einen Kristall (Mischkristall) zu verwenden, bei dem InAs mit GaAs gemischt ist, etwa Ga_xIn_(1-x)As, die effektive Masse in der Nähe von X = 0,7 bei 0,05m₀ liegt und die effektive Masse von GaAs 74% beträgt. In diesem Fall beträgt der Emissionswinkel des Ga_xIn_(1-x)As-Photokathodenfilms 86% eines Emissionswinkels des GaAs-Photokathodenfilms. Im Ergebnis steigt die Helligkeit auf das 1,34-Fache. Ist die Oberfläche des Photokathodenfilms in der (110)-Ebene orientiert, so lässt sich auch in diesem Fall eine höhere Helligkeit erzielen, da das Oberflächenniveau verringert ist und eine höhere Stromdichte erreicht werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Photokathode
2: Kondensorlinse
3: Ausziehelektrode
4: Kathodenhalter
5: Beschleunigungsenergiequelle
6: Fenster
7: Parallellichtquelle
8: Optische Einheit zur Korrektur der sphärischen Aberration
9: Vakuumdruckbehälter
10: Photokathodenfilm
11: Transparentes Substrat
12: Anregungslicht
13: Elektronenstrahl
14: Öffnung
20: Optische Einrichtung zur Korrektur der sphärischen Aberration
21: Optische Platte zur Korrektur der sphärischen Aberration
22: Photoangeregte Elektronenkanone
23: Gehäuse des elektronenoptischen Systems
24: Elektronenlinse
30: Erste konvexe Linse
31: Zweite konvexe Linse
32: Mechanismus zur Justierung der Linsenposition
40: Strahlteiler
41: Bildgebungselement
42: Kollimatorlinse
43: Lichtquelle
44: Abbildungslinse
45: ND-Filter
46: Reflektiertes Licht
50: Kathodenpaket
51: Halter
52: Transportmechanismus
53: Aktivierungskammer
54: Kathodenträger
60: Pufferschicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2001143648 A [0003]
JP 2009266809 A [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Kuwahara u.a., „Coherence of a spin-polarized electron beam emitted from a semiconductor photocathode in a transmission electron microscope“, Applied Physics Letters, Band 105, Seite 193101, 2014 [0005]

Claims

Elektronenstrahl-Anwendungsgerät mit einer Photokathode mit einem Substrat und einem Photokathodenfilm, einer Kondensorlinse zum Sammeln von Anregungslicht auf die Photokathode, einer der Photokathode zugewandten Ausziehelektrode zum Beschleunigen eines vom Photokathodenfilm der Photokathode erzeugten Elektronenstrahls durch Sammeln des Anregungslichts mit der Kondensorlinse und Emittieren des das Substrat der Photokathode auf dem Photokathodenfilm durchsetzenden Anregungslichts und einem elektronenoptischen System, in dem der von der Ausziehelektrode beschleunigte Elektronenstrahl geführt wird, wobei zwischen der Photokathode und der Kondensorlinse eine optische Platte zur Korrektur der sphärischen Aberration angeordnet ist, deren Brechungsindex gleich ist dem Brechungsindex des Substrats der Photokathode bei der Wellenlänge des Anregungslichts.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Material der optischen Platte zur Korrektur der sphärischen Aberration das gleiche ist wie das des Substrats der Photokathode.
Gerät nach Anspruch 2, wobei bei einer Dicke L, bei der die Größe der sphärischen Aberration minimal ist, wenn das Anregungslicht auf das Material des Substrats der Kondensorlinse fokussiert wird, die Summe aus der Dicke der optischen Platte zur Korrektur der sphärischen Aberration und der Dicke des Substrats der Photokathode gleich oder kleiner als L ist.
Gerät nach Anspruch 1, ferner mit einem Kathodenpaket, in dem die optische Platte zur Korrektur der sphärischen Aberration und die Photokathode in einem Halter derart untergebracht sind, dass die Korrekturplatte und das Substrat miteinander in Berührung stehen, und einem Kathodenträger, auf dem das Kathodenpaket angeordnet ist.
Gerät nach Anspruch 4 ferner mit einem Vakuumbehälter, in dem die Kondensorlinse, die Ausziehelektrode und der Kathodenträger angeordnet sind, und einer mit dem Vakuumbehälter verbundenen Aktivierungskammer zum Reaktivieren des Photokathodenfilms der Photokathode, wobei das Kathodenpaket von einem Transportmechanismus (52) zwischen dem Vakuumbehälter und der Aktivierungskammer bewegt wird.
Gerät nach Anspruch 1 ferner mit einer Parallellichtquelle und einer optischen Einrichtung zur Korrektur der sphärischen Aberration, die so gestaltet ist, dass sie das von der Parallellichtquelle emittierte parallele Licht divergieren lässt oder fokussiert, wobei das die Korrektureinrichtung durchsetzende parallele Licht als Anregungslicht zu der Kondensorlinse emittiert wird.
Elektronenstrahl-Anwendungsgerät mit einer Parallellichtquelle, einer optischen Einrichtung zur Korrektur der sphärischen Aberration, die so gestaltet ist, dass sie das von der Parallellichtquelle emittierte parallele Licht divergieren lässt oder fokussiert, einer Photokathode mit einem Substrat und einem Photokathodenfilm, einer Kondensorlinse zum Sammeln von Anregungslicht auf die Photokathode, wobei das die optische Einrichtung zur Korrektur der sphärischen Aberration durchsetzende parallele Licht als Anregungslicht emittiert wird, einer der Photokathode zugewandte Ausziehelektrode zum Beschleunigen eines vom Photokathodenfilm der Photokathode erzeugten Elektronenstrahls durch Sammeln des Anregungslichts mit der Kondensorlinse und Emittieren des das Substrat der Photokathode auf dem Photokathodenfilm durchsetzenden Anregungslichts und einem elektronenoptischen System, in dem der von der Ausziehelektrode beschleunigte Elektronenstrahl geführt wird.
Gerät nach Anspruch 7, wobei die optische Einrichtung zur Korrektur der sphärischen Aberration eine erste Linse, in die das parallele Licht emittiert wird, eine zweite Linse, in die das die erste Linse durchsetzende parallele Licht emittiert wird, und einen Linseneinstellmechanismus zum Justieren des Abstands zwischen der ersten und der zweiten Linse aufweist, und mindestens eine der beiden Linsen eine konvexe Linse ist.
Gerät nach Anspruch 7, wobei zwischen der Photokathode und der Kondensorlinse eine optische Platte zur Korrektur der sphärischen Aberration mit einem Brechungsindex gleich dem Brechungsindex des Substrats der Photokathode bei der Wellenlänge des Anregungslichts angeordnet ist.
Gerät nach Anspruch 1 oder 7, wobei in der Photokathode das Material des Photokathodenflms GaAs und die Oberfläche des Photokathodenflms in einer (110)-Ebene orientiert ist.
Gerät nach Anspruch 1 oder 7, wobei in der Photokathode das Material des Photokathodenflms ein Mischkristall aus GaAs und InAs und die effektive Masse des Leitungsbandes des Mischkristalls kleiner als die des Leitungsbandes von GaAs ist.
Gerät nach Anspruch 11, wobei die Oberfläche des Photokathodenflms in einer (110)-Ebene orientiert ist.