DE112020002156T5

DE112020002156T5 - Laserlichtquelle und photoelektronenmikroskop

Info

Publication number: DE112020002156T5
Application number: DE112020002156.4T
Authority: DE
Inventors: Shik Shin; Toshiyuki Taniuchi; Shinichi Imai; Kazuo Fujiura; Yasunori Furukawa
Original assignee: University of Tokyo NUC; Oxide Corp
Current assignee: University of Tokyo NUC; Oxide Corp
Priority date: 2019-06-03
Filing date: 2020-06-01
Publication date: 2022-02-24
Also published as: US20220276187A1; JPWO2020246438A1; CN114128060A; WO2020246438A1

Abstract

Eine hochenergetische und leistungsstarke Laserlichtquelle und ein Photoemissionselektronenmikroskop, das diese Laserlichtquelle verwendet, werden bereitgestellt. Die Laserlichtquelle 2 ist zur Verwendung in einem Photoemissionselektronenmikroskop bestimmt, das ein Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 emittiert, und umfasst: eine erste Laserlichtquelle 100, die dazu konfiguriert ist, ein kohärentes Dauerstrichlicht 100a zu emittieren, einen optischen Resonator 110 mit einem Strahlengang, in welchem das kohärente Dauerstrichlicht 100a umläuft, und mit einem nichtlinearen optischen Element 114, das in diesem Strahlengang angeordnet ist, und eine Quasi-Dauerstrichlichtquelle 120, die dazu konfiguriert ist, ein kohärentes Quasi-Dauerstrichlicht 120a zu emittieren, dessen Wellenlänge kürzer ist als die des kohärenten Dauerstrichlichts 100a und das eine etwa rechteckige Ausgangswellenform aufweist. Wenn das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht 120a von außerhalb des optischen Resonators 110 auf das nichtlineare optische Element 114 einfällt, während das kohärente Dauerstrichlicht 100a in den optischen Resonator 110 eintritt, um im Strahlengang umzulaufen, wird vom nichtlinearen optischen Element 114 das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht 7 emittiert, dessen Wellenlänge kürzer ist als die des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserlichtquelle und ein Photoemissionselektronenmikroskop.
Stand der Technik
Es sind Photoemissionselektronenmikroskope bekannt, die eine Probe mit einem hochenergetischen Laserlicht als Anregungslicht bestrahlen und von der Probe emittierte Photoelektronen detektieren und abbilden. Ein Photoemissionselektronenmikroskop ist ein Elektronenprojektionsmikroskop, das durch Bestrahlen mit Anregungslicht von einem Material emittierte Photoelektronen vergrößert und abbildet. Diese Technik wird zur chemischen Abbildung und magnetischen Abbildung eines Materials verwendet, um eine räumliche Auflösung von etwa 20 nm zu erreichen. Insbesondere, wenn ein Anregungslicht verwendet wird, dessen Photonenenergie größer ist als eine Austrittsarbeit, ist es möglich, einen Kontrast zu erhalten, der stark von der Größe der Austrittsarbeit abhängig ist, und die Leitfähigkeit, die Valenz, die Kristallinität, den Magnetismus und dergleichen sichtbar zu machen.
Wie oben erwähnt, ist das Photoemissionselektronenmikroskop eine Vorrichtung, die es ermöglicht, eine Struktur oder physikalische Eigenschaften eines Materials mit hoher Auflösung zweidimensional sichtbar zu machen, und es ist zu erwarten, dass sie in vielen Bereichen industrielle Anwendungen finden wird. Um dies zu erreichen, muss die Messzeit bei gleichbleibend hoher Auflösung verkürzt werden. Um die Messzeit zu verkürzen, ist es erforderlich, eine Probe mit einem hochenergetischen Anregungslicht hoher Intensität zu bestrahlen, um eine ausreichende Photoelektronendichte und dadurch einen hohen Kontrast zu erhalten.
Zum Beispiel offenbart Patentliteratur 1 ein Verfahren zum Erzeugen eines Dauerstrich (CW)-Laserlichts mit hoher Energie (kurzer Wellenlänge), das eine Technik zur Summenfrequenzerzeugung verwendet. Das heißt, Patentliteratur 1 offenbart eine Laservorrichtung, die ein erstes Laserlicht und ein zweites Laserlicht in einen Resonator eintreten lässt, der ein nichtlineares optisches Element in einem umlaufenden Strahlengang aufweist, das erste Laserlicht im Strahlengang umlaufen lässt und das nichtlineare optische Element durchlaufen lässt und das zweite Laserlicht einmal durch das nichtlineare optische Element durchlässt, wodurch eine Summenfrequenz erzeugt und ein drittes Laserlicht ausgegeben wird, dessen Wellenlänge kürzer ist als die des zweiten Laserlichts.
Liste der Bezugsliteratur
Patentliteratur
Patentliteratur 1:

Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2004-055695

Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
In der Laservorrichtung, die in Patentliteratur 1 offenbart wird, wird ein Grundwellenlicht (erstes Laserlicht) im Resonator eingeschlossen, um das photoelektrische Feld im Resonator zu verstärken, was eine streng kontrollierte optische Weglänge im Resonator erfordert. Doch wenn die Intensität des ersten Laserlichts und des zweiten Laserlichts erhöht wird, um die Intensität des dritten Laserlichts zu erhöhen, ändert sich aufgrund einer übermäßigen Wärmebelastung und dergleichen der Brechungsindex einer optischen Komponente wie z. B. des nichtlinearen optischen Elements im Resonator, was zu einer Änderung der Resonatorlänge führt. Dies hat zur Folge, dass das zweite Laserlicht im Resonator nicht mehr schwingen kann und die Laservorrichtung nicht mehr funktioniert.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht des Vorstehenden ersonnen, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer hochenergetischen und leistungsstarken Laserlichtquelle und eines Photoemissionselektronenmikroskops, das diese Laserlichtquelle verwendet.
Lösung des Problems
Eine erfindungsgemäße Laserlichtquelle ist eine Laserlichtquelle für ein Photoemissionselektronenmikroskop, das ein kohärentes Licht emittiert. Die Laserlichtquelle umfasst: eine erste Laserlichtquelle, die dazu konfiguriert ist, ein kohärentes Dauerstrichlicht zu emittieren; einen optischen Resonator mit einem Strahlengang, in welchem das kohärente Dauerstrichlicht umläuft, und mit einem nichtlinearen optischen Element, das im Strahlengang angeordnet ist; und eine Quasi-Dauerstrichlichtquelle, die dazu konfiguriert ist, ein kohärentes Quasi-Dauerstrichlicht zu emittieren, dessen Wellenlänge kürzer ist als die des kohärenten Dauerstrichlichts, und das eine etwa rechteckige Ausgangswellenform aufweist. Wenn das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht von außerhalb des optischen Resonators auf das nichtlineare optische Element einfällt, während das kohärente Dauerstrichlicht in den optischen Resonator eintritt, um im Strahlengang umzulaufen, wird vom nichtlinearen optischen Element das kohärente Licht emittiert, dessen Wellenlänge kürzer ist als die des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts.
Ein erfindungsgemäßes Photoemissionselektronenmikroskop umfasst die obige Laserlichtquelle.
Vorteilhafte Wirkung der Erfindung
Wenn der vorliegenden Erfindung gemäß ein kohärentes Quasi-Dauerstrichlicht mit einer etwa rechteckigen Wellenform auf das nichtlineare optische Element einfällt, während ein kohärentes Dauerstrichlicht in einem Strahlengang in einem Resonator umläuft, wird vom nichtlinearen optischen Element ein kohärentes Licht emittiert, dessen Wellenlänge kürzer ist als die des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts. Daher gibt es eine Periode, in der im nichtlinearen optischen Kristall keine Lichtabsorption vorhanden ist oder eine Lichtabsorptionsmenge klein ist, wodurch die Lichtabsorption in diesem Ausmaß unterdrückt wird, die Wärmebelastung des nichtlinearen optischen Elements reduziert wird und die effektive Leistung einer Laserlichtquelle erhöht wird. Dadurch ist es möglich, den Messdurchsatz zu erhöhen, indem die Bestrahlung mit einer höheren Intensität durchgeführt wird als üblich.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht einer Gesamtkonfiguration eines Photoemissionselektronenmikroskops, das eine Laserlichtquelle gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet.
2 ist eine schematische Ansicht einer Gesamtkonfiguration gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine schematische Ansicht, die eine Beziehung zwischen einer Ausgabe von Licht mit einer zweiten Wellenlänge und einer Ausgabe von Licht mit einer dritten Wellenlänge darstellt.
4 ist eine schematische Ansicht, die ein Verfahren darstellt, um einen Aufnahmezeitpunkt mit einem Photoemissionselektronenmikroskop mit einem Zeitpunkt zu synchronisieren, an dem die Ausgabe eines kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts einen hohen Pegel annimmt.
5 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Durchschnittsleistung eines kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts mit einer Wellenlänge von 266 nm und einer Durchschnittsleistung eines Quasi-Dauerstrichlaserlichts mit einer Wellenlänge von 213 nm zeigt.
6A ist eine schematische Ansicht, die eine Detektionstiefe veranschaulicht, wenn die Laserlichtquelle ein kohärentes Licht mit kurzer Wellenlänge emittiert.
6B ist eine schematische Ansicht, die eine Detektionstiefe veranschaulicht, wenn die Laserlichtquelle ein kohärentes Licht mit langer Wellenlänge emittiert.

Beschreibung von Ausführungsformen
(1) Zu einem Photoemissionselektronenmikroskop, das eine Laserlichtquelle gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet
Eine Laserlichtquelle gemäß den Ausführungsformen wird als Lichtquelle eines Photoemissionselektronenmikroskops verwendet. Im Folgenden wird eine Laserlichtquelle gemäß den Ausführungsformen anhand einer Lichtquelle beschrieben, die für ein in 1 dargestelltes Photoemissionselektronenmikroskop 1 verwendet wird. Das im Folgenden beschriebene Photoemissionselektronenmikroskop 1 dient nur der Veranschaulichung, und verschiedene Modifikationen können an einer Konfiguration des Photoemissionselektronenmikroskops 1 vorgenommen werden. Die Laserlichtquelle gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann als Lichtquelle für Photoemissionselektronenmikroskope jedes anderen Typs verwendet werden.
Zunächst wird eine Gesamtkonfiguration des Photoemissionselektronenmikroskops 1 beschrieben. Wie in 1 gezeigt, umfasst das Photoemissionselektronenmikroskop 1 eine Laserlichtquelle 2, eine Wellenlängenplatte 3, ein Bestrahlungslinsensystem mit einer Fokussierlinse 4 und einer Objektivlinse 6, einen Strahlseparator 5, eine Kammer 10, einen Energieeinstellmechanismus 13, eine Stromquelle 14, ein erstes Elektronenlinsensystem 21, einen Energieanalysator 22, einen Energieschlitz 23, ein zweites Elektronenlinsensystem 24 und einen Elektronenstrahldetektor 25.
Die Laserlichtquelle 2 ist ein Laseroszillator, der als kohärentes Licht ein Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 emittiert. Das Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 ist ein Laserlicht mit einer etwa rechteckigen Ausgangswellenform (Intensität), die abwechselnd einen Emissionszustand (auch als „hoher Pegel“ bezeichnet) und einen Ruhezustand (auch als „niedriger Pegel“ bezeichnet) aufweist. Im niedrigen Pegelzustand ist die Ausgabe des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 bevorzugt unterbrochen, doch eine geringe Ausgabe kann ohne komplette Unterbrechung zugelassen werden. Wie oben beschrieben, bedeutet der Begriff „Quasi-Dauerstrich (QCW)“, wie er hier verwendet wird, dass die Ausgangswellenform etwa rechteckig ist.
Der Ausdruck „etwa rechteckig“ bedeutet, dass die Wellenform genau rechteckig oder annähernd rechteckig ist. Die Wellenform kann zum Beispiel eine rechteckige Wellenform mit abgerundeten Ecken, eine trapezförmige Wellenform, in welcher eine Oberseite kürzer ist als eine Unterseite, eine rechteckige Wellenform mit einer bogenförmigen Oberseite, eine bogenförmige Wellenform, eine rechteckige Wellenform mit einer welligen Oberseite und eine Wellenform mit mindestens einer Spitze sein. In den Ausführungsformen ist das Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 ein Laserlicht mit einer derartigen Ausgangswellenform. Die Wellenlänge des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 ist so gewählt, dass die Energie hv des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 höher ist als eine Austrittsarbeit ϕ einer Messprobe 30, die das Messobjekt ist, sodass bei Bestrahlung mit dem Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 Photoelektronen von der Messprobe 30 emittiert werden können. Das heißt, die Energie ist so eingestellt, dass sie höher ist als die Austrittsarbeit ϕ eines Materials, das eine äußerste Schicht eines Beobachtungsbereichs der Messprobe 30 bildet. Wie oben beschrieben, ist die Wellenlänge des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 der Austrittsarbeit ϕ des Materials der Messprobe 30 entsprechend auf geeignete Weise gewählt. Die Konfiguration der Laserlichtquelle 2 wird weiter unten beschrieben.
Die Wellenlängenplatte 3 ist ein Element, um die Polarisation des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 zwischen einer linearen Polarisation und einer rechts/links-zirkularen Polarisation umzuschalten. Im Allgemeinen wird das Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 durch die Wellenlängenplatte 3 linear polarisiert. Zur Messung der magnetischen Eigenschaften der Messprobe 30 anhand des magnetischen Zirkulardichroismus wird das Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 jedoch durch die Wellenlängenplatte 3 rechts- und links-zirkular polarisiert.
Im Bestrahlungslinsensystem fokussiert die Fokussierlinse 4 das Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 auf die Objektivlinse 6, und die Objektivlinse 6 fokussiert das Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 auf eine Oberfläche der Messprobe 30, um die Messprobe 30 mit dem Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 zu bestrahlen. Die Objektivlinse 6 ist so angeordnet, dass die Position des Brennpunkts nahe an der Oberfläche der Messprobe 30 liegt. Die Fokussierlinse 4 und die Objektivlinse 6 sind bekannte Linsen und können zum Beispiel der Größe des Bestrahlungsbereichs des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7, das heißt, der Größe des Beobachtungsbereichs der Messprobe 30 entsprechend gewählt sein. In den Ausführungsformen fokussiert das Bestrahlungslinsensystem das Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 auf einen Teil der Oberfläche der Messprobe 30, um einen Lichtpunkt zu erzeugen, das Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 kann jedoch auch auf die Gesamtoberfläche der Messprobe 30 fokussiert werden, wodurch es möglich ist, die ganze Messprobe 30 auf einmal zu beobachten. Der Strahlseparator 5 wird weiter unten beschrieben.
Die Kammer 10 weist eine Struktur mit hoher Luftdichtigkeit auf, und eine Vakuumpumpe wie z. B. eine Turbomolekularpumpe (nicht dargestellt) ist mit der Kammer 10 verbunden. Der Innenraum der Kammer 10 wird durch die Vakuumpumpe auf einen bestimmten Vakuumgrad (1.0×10^-5 bis 10^-8 Torr) eingestellt. In der Kammer 10 sind ein Tisch 11, auf dem die Messprobe 30 platziert ist, und das Objektiv 6 angeordnet. In den Ausführungsformen sind die Kammer 10 und der Strahlseparator 5 miteinander verbunden, und die Objektivlinse 6 ist am Strahlseparator 5 befestigt. Der Strahlseparator 5 und die Objektivlinse 6 sind in 1 jedoch der Einfachheit halber separat dargestellt. Ein Antriebsmechanismus 12 ist mit dem Tisch 11 verbunden, um den Tisch 11 in drei Achsrichtungen zu bewegen, die orthogonal zueinander sind. In den Ausführungsformen hat der Tisch 11 eine Auflagefläche 11a, auf der die Messprobe 30 platziert werden kann, und die Auflagefläche 11a ist orthogonal zur optischen Achse des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 angeordnet.
Die Messprobe 30 ist so auf der Auflagefläche 11a des Tischs 11 in der Kammer 10 angeordnet, dass das Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 senkrecht auf die Oberfläche einfällt.
Das Photoemissionselektronenmikroskop 1 umfasst die Stromquelle 14, deren Minuspol mit dem Tisch 11 verbunden ist, und deren Pluspol an Masse G angeschlossen ist, sodass eine negative Spannung an die Messprobe 30 angelegt werden kann. Die Stromquelle 14 ist eine herkömmliche Stromquelle, die in der Lage ist, eine Hochspannung auszugeben. In den Ausführungsformen wird durch die Stromquelle 14 eine Spannung von - 20 kV an die Messprobe 30 angelegt. Dadurch wird zwischen der Messprobe 30 und dem Strahlseparator 5, an welchem keine Spannung anliegt, ein elektrisches Feld erzeugt. Dieses elektrische Feld erleichtert die Emission von Photoelektronen von der Messprobe 30 und beschleunigt die zum Strahlseparator 5 emittierten Photoelektronen, sodass Elektronenstrahlen 27 in den Strahlseparator 5 eingeleitet werden. Eine große Anzahl emittierter Photoelektronen wird hier zusammen als Elektronenstrahlen 27 bezeichnet.
Das Photoemissionselektronenmikroskop 1 umfasst den Energieeinstellmechanismus 13 zwischen der Stromquelle 14 und dem Tisch 11. Der Energieeinstellmechanismus 13 ist eine Stromquelle, die dazu konfiguriert ist, eine bestimmte Spannung STV auszugeben. Der Energieeinstellmechanismus 13 und die Stromquelle 14 sind in Reihe geschaltet, sodass eine Gesamtspannung aus STV und der Ausgangsspannung der Stromquelle 14 an die Messprobe 30 angelegt werden kann. Der Energieeinstellmechanismus 13 ermöglicht die Einstellung der Energie Ep der von der Messprobe 30 emittierten Photoelektronen durch Einstellen des Werts von STV. Wenn die kinetische Energie der Photoelektronen als Ek bezeichnet wird, ist die Energie Ep der Photoelektronen in den Ausführungsformen durch Ep = 20 kV + Ek - STV gegeben. Die kinetische Energie Ek der Photoelektronen wird durch Anregung von Elektronen in der mit dem Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 bestrahlten Messprobe 30 erzeugt und hängt von der Energie E der Elektronen in einem Material ab. Daher ist auch die Energie Ep der Photoelektronen von der Energie E der Elektronen im Material abhängig.
Der Strahlseparator 5 lässt das Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 durch, das durch die Fokussierlinse 4 auf die Objektivlinse 6 fokussiert wurde, und lenkt die Elektronenstrahlen 27, die von der Messprobe 30 emittiert wurden und eingetreten sind, zum ersten Elektronenlinsensystem 21 ab, um den Strahlengang des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 vom Strahlengang der Elektronenstrahlen 27 zu trennen. Der Strahlseparator 5 weist eine Austrittsöffnung auf, die mit dem ersten Elektronenlinsensystem 21 verbunden ist, um die abgelenkten Elektronenstrahlen 27 durch die Austrittsöffnung in das erste Elektronenlinsensystem 21 eintreten zu lassen. Das erste Elektronenlinsensystem 21 umfasst eine Vielzahl von Elektronenlinsen zur Fokussierung der einfallenden Elektronenstrahlen 27. Das erste Elektronenlinsensystem 21 ist an seinem einen Ende mit dem Strahlseparator 5 verbunden und an seinem anderen Ende mit dem Energieanalysator 22 verbunden, um die Elektronenstrahlen 27 auf den Energieanalysator 22 zu fokussieren und die Elektronenstrahlen 27 in den Energieanalysator 22 eintreten zu lassen.
Der Energieanalysator 22 ist ein bekannter Energieanalysator, der die einfallenden Elektronenstrahlen 27 der Energie Ep der Photoelektronen nach aufspaltet und der Energie Ep nach aufgespaltete Elektronenstrahlen 27 ausgibt. Der Energieanalysator 22 hat eine halbkugelförmige Form mit einem flachen Abschnitt, auf dem eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung für die Strahlen vorgesehen sind. Der Energieanalysator 22, dessen Eintrittsöffnung mit dem ersten Elektronenlinsensystem 21 und dessen Austrittsöffnung mit dem zweiten Elektronenlinsensystem 24 verbunden ist, spaltet die aus dem ersten Elektronenlinsensystem 21 eintretenden Elektronenstrahlen 27 der Energie Ep der Photoelektronen nach auf und gibt die Elektronenstrahlen 27 an das zweite Elektronenlinsensystem 24 aus.
Der Energieschlitz 23 ist an der Austrittsöffnung des Energieanalysators 22 vorgesehen. Der Energieschlitz 23 ist ein herkömmlicher durchgehender Spalt, der linear in einem plattenförmigen Element vorgesehen ist. Der Energieschlitz 23 lässt den Elektronenstrahl 27, der den Schlitz bestrahlt, durch, und sperrt die Elektronenstrahlen 27, die das plattenförmige Element bestrahlen. In der Praxis werden die Elektronenstrahlen 27, die das plattenförmige Element bestrahlen, nicht komplett gesperrt, und ein Teil der Elektronenstrahlen 27 wird ebenfalls durch den Energieschlitz 23 gelassen. Da nur ein Teil der Elektronenstrahlen 27, die das plattenförmige Element bestrahlen, durch den Energieschlitz 23 durchgelassen werden, senkt der Energieschlitz 23 die Intensität der Elektronenstrahlen 27 mit Ausnahme der des Elektronenstrahls 27, der den Schlitz bestrahlt. In den Ausführungsformen beträgt die Breite des Spalts des Energieschlitzes 23 40 µm.
Da der Energieschlitz 23 an der Austrittsöffnung des Energieanalysators 22 liegt, wird ein Elektronenstrahl 27 unter den Elektronenstrahlen 27, die durch den Energieanalysator 22 aufgespaltet wurden, durch den Energieschlitz 23 durchgelassen und tritt in das zweite Elektronenlinsensystem 24 ein. Da die Elektronenstrahlen 27 durch den Energieanalysator 22 der Energie Ep der Photoelektronen nach aufgespaltet wurden, wird dabei auch eine Durchgangsposition des Elektronenstrahls 27 in der Austrittsöffnung abhängig von der Energie Ep der Photoelektronen bestimmt. Deshalb ist es möglich, die Energie Ep der Photoelektronen, die vom Elektronenstrahldetektor 25 detektiert werden, zu wählen, indem die Position des Energieschlitzes 23 eingestellt wird. Die Energie Ep der Photoelektronen ist von der Energie E der Elektronen in einem Material (in der Messprobe 30) abhängig. Durch Ändern der Position des Energieschlitzes 23 ist es daher möglich, die Energie E in der Messprobe 30 zu wählen, und die in der Messprobe 30 zu detektierenden Elektronen zu wählen.
Gleichzeitig ist es möglich, die Energie Ep der Photoelektronen durch Ändern des Werts von STV zu ändern, da die Energie Ep der Photoelektronen durch Ep = 20 kV + Ek - STV gegeben wird. Durch Ändern des Werts von STV ist es daher möglich, die Energie Ep der vom Elektronenstrahldetektor 25 detektierten Photoelektronen und die in der Messprobe 30 zu detektierenden Elektronen zu wählen.
Das zweite Elektronenlinsensystem 24 umfasst eine Vielzahl von Elektronenlinsen, um den einfallenden Elektronenstrahl 27 auf den Elektronenstrahldetektor 25 zu projizieren.
Der Elektronenstrahldetektor 25 ist ein zweidimensionaler Photoelektronendetektor, der dazu konfiguriert ist, ein Photoelektron des projizierten Elektronenstrahls 27 zu detektieren und auf der Basis der Intensität des detektierten Photoelektrons ein Bild der Messprobe 30 zu erzeugen. Der Elektronenstrahldetektor 25 ist mit einem PC (nicht dargestellt) verbunden und kann das erzeugte Bild zum PC senden, um es in einem Speichergerät des PCs zu speichern oder das Bild auf einem Bildschirm des PCs anzuzeigen, was es einem Bediener des Photoemissionselektronenmikroskops 1 ermöglicht, das Bild zu prüfen.
Als nächstes wird eine Arbeitsweise des Photoemissionselektronenmikroskops 1 beschrieben. Zuerst wird im Photoemissionselektronenmikroskop 1 die Messprobe 30 auf die Auflagefläche 11a des Tischs 11 in der Kammer 10 gelegt. Dann wird die Kammer 10 im Photoemissionselektronenmikroskop 1 evakuiert, und der Antriebsmechanismus 12 bewegt den Tisch 11 in eine Ausgangsposition, wobei der Tisch 11 so bewegt wird, dass die Position des Brennpunkts der Objektivlinse 6 nahe an der Oberfläche der Messprobe 30 liegt. Die Laserlichtquelle 2 im Photoemissionselektronenmikroskop 1 wird eingeschaltet, um die Messprobe 30 mit dem Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 zu bestrahlen.
Wie oben beschrieben, ist die Wellenlänge des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 so gewählt, dass die Energie hv des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 höher ist als die Austrittsarbeit ϕ der äußersten Schicht (Pt in den Ausführungsformen) der Messprobe 30. Daher tritt ein photoelektrischer Effekt auf, wenn die Messprobe 30 mit dem Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 bestrahlt wird, und Elektronen der Messprobe 30 werden angeregt, um aus dem mit dem Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 bestrahlten Bereich eine große Anzahl von Photoelektronen (Elektronenstrahlen 27) zu emittieren. Der Strahlseparator 5 lässt die Elektronenstrahlen 27 in das erste Elektronenlinsensystem 21 eintreten, und das erste Elektronenlinsensystem 21 fokussiert die Elektronenstrahlen 27 auf den Energieanalysator 22.
Der Energieanalysator 22 spaltet die Elektronenstrahlen 27 der Energie Ep der Photoelektronen nach auf, und ein Elektronenstrahl 27, der in das zweite Elektronenlinsensystem 24 eintritt, wird durch den Energieschlitz 23 selektiert. Das zweite Elektronenlinsensystem 24 projiziert den Elektronenstrahl 27, der durch den Energieschlitz 23 durchgelassen wurde, auf den Elektronenstrahldetektor 25. Der Elektronenstrahldetektor 25 detektiert ein Photoelektron des projizierten Elektronenstrahls 27 und erzeugt ein Bild auf der Basis der Intensität des detektierten Photoelektrons. Auf diese Weise erfasst das Photoemissionselektronenmikroskop 1 ein Bild des mit dem Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 bestrahlten Bereichs der Messprobe 30.
Nach der Bilderfassung in der Ausgangsposition bewirkt das Photoemissionselektronenmikroskop 1, dass der Antriebsmechanismus 12 den Tisch 11 bewegt, um eine Position des Bestrahlungspunkts des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 auf der Oberfläche der Messprobe 30 zu verschieben, und erfasst erneut ein Bild des mit dem Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 bestrahlten Bereichs der Messprobe 30. Indem das Photoemissionselektronenmikroskop 1 die Bilderfassung und die Tischbewegung auf diese Weise wiederholt, um die gesamte Oberfläche der Messprobe 30 abzutasten, erfasst sie ein Bild der Gesamtoberfläche der Messprobe 30. Die Bewegungsmenge des Tischs wird unter Berücksichtigung der Größe der Bestrahlungsstelle des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 und anderer Faktoren auf geeignete Weise so eingestellt, dass ein Bild der Gesamtoberfläche der Messprobe 30 erzeugt wird.
(2) Zur Laserlichtquelle gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
Im Folgenden wird zunächst eine allgemeine Konfiguration der Laserlichtquelle gemäß den Ausführungsformen beschrieben. Wie in 2 gezeigt, umfasst die Laserlichtquelle 2 eine erste Laserlichtquelle 100, die dazu konfiguriert ist, ein kohärentes Dauerstrichlicht 100a zu emittieren, einen optischen Resonator 110 mit einem Strahlengang, in welchem das kohärente Dauerstrichlicht 100a umläuft, und mit einem nichtlinearen optischen Element 114, das im Strahlengang angeordnet ist, und eine Quasi-Dauerstrichlichtquelle 120, die dazu konfiguriert ist, ein kohärentes Dauerstrichlicht 120a zu emittieren, das eine Wellenlänge hat, die kürzer ist die des kohärenten Dauerstrichlichts 100a, und das eine etwa rechteckige Ausgangswellenform aufweist. In den Ausführungsformen umfasst die Laserlichtquelle 2 außerdem einen Photodetektor 103 und ein Steuergerät 101, das dazu konfiguriert ist, einen hochreflektierenden Spiegel mit Piezoantrieb 112 (der weiter unten beschrieben wird) auf der Basis eines Detektionssignals vom Photodetektor 103 zu steuern.
Die erste Laserlichtquelle 100 ist eine Dauerstrichlichtquelle, die ein Dauerstrichlaserlicht emittiert, das als das kohärente Dauerstrichlicht 100a dient. Beispiele für eine Dauerstrichlaserlichtquelle umfassen einen Nd:YAG-Laser, der mit einer Wellenlänge von 1064 nm schwingt, ein Einfrequenz-Faserlaser mit Nd oder Yb als aktives Material, der mit einer ähnlichen Frequenz wie der Nd:YAG-Laser arbeitet, sowie ein Festkörperlaser und ein Halbleiterlaser auf der Basis von Keramiken oder Polykristallen mit denselben oder ähnlichen Grundkristallen oder Bestandselementen. Je nach Leistung kann jeder Einfrequenzlaser auf geeignete Weise verwendet werden, sofern er eine Frequenzstabilität in einem kontrollierbaren Resonatorlängenbereich erreichen kann. In den Ausführungsformen wird als erste Laserlichtquelle 100 ein Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm verwendet, der CW-Laserlicht mit einer Schwingfrequenzstabilität von 1 MHz oder weniger und einer Dauerstrichleistung von 10 W erzeugt. Das kohärente Dauerstrichlicht 100a weist bevorzugt einen Wellenlängenbereich von 750 nm bis 2100 nm auf. Als erste Laserlichtquelle 100, die das kohärente Dauerstrichlicht 100a emittiert, ist eine Laserlichtquelle mit einem Wellenlängenspektrum einer einzigen Frequenz und einem schmalen Band erwünscht, um das elektrische Feld durch den optischen Resonator 110 zu verstärken. Die Wellenlänge von 750 nm bis 2000 nm ermöglicht die Summenfrequenzerzeugung in einem ultravioletten Bereich, der für das Photoemissionselektronenmikroskop geeignet ist, wobei das von der Laserlichtquelle emittierte Laserlicht als Grundwelle verwendet wird.
In einem Wellenlängenbereich von 750 nm bis 1000 nm kann zum Beispiel eine Einfrequenz-Halbleiterlaserlichtquelle verwendet werden. In einem Wellenlängenbereich von 1030 nm bis 1080 nm kann ein Festkörperlaser, ein Faserlaser oder eine Kombination daraus als Hybridlaser mit Yb (Ytterbium) als aktives Material verwendet werden. In einem Wellenlängenbereich von 950 nm bis 1080 nm kann ein Festkörperlaser mit Nd (Neodym) als aktives Material verwendet werden. In einem Wellenlängenbereich von 1400 nm bis 1600 nm kann ein Faserlaser mit Er (Erbium) als aktives Hauptmaterial verwendet werden. In einem Wellenlängenbereich von 1900 nm bis 2100 nm kann ein Festkörperlaser oder ein Faserlaser mit Tm (Thulium) als aktives Material verwendet werden.
Der optische Resonator 110 umfasst einen Impedanzanpassungsspiegel 111, den hochreflektierenden Spiegel mit Piezoantrieb 112, einen ersten hochreflektierenden Spiegel 113, einen zweiten hochreflektierenden Spiegel 115 und das nichtlineare optische Element 114. Im optischen Resonator 110 bilden diese vier Spiegel den Strahlengang. Das kohärente Dauerstrichlicht 100a tritt in den optischen Resonator 110 ein, durchläuft den Impedanzanpassungsspiegel 111 und läuft im Strahlengang in der Reihenfolge des Impedanzanpassungsspiegels 111, des hochreflektierenden Spiegels mit Piezoantrieb 112, des ersten hochreflektierenden Spiegels 113, des zweiten hochreflektierenden Spiegels 115 und des Impedanzanpassungsspiegels 111 um. Das nichtlineare optische Element 114 ist zwischen dem ersten hochreflektierenden Spiegel 113 und dem zweiten hochreflektierenden Spiegel 115 so im Strahlengang angeordnet, dass das kohärente Dauerstrichlicht 100a das nichtlineare optische Element 114 durchlaufen kann, während es im Strahlengang umläuft. Das nichtlineare optische Element 114 ist ein Kristall, der auf das durchlaufende Laserlicht einen nichtlinearen optischen Effekt wie z. B. eine Wellenlängenkonversion ausübt. Beispiele für ein nichtlineares optisches Element sind ein CLBO (CsLiB₆O₁₀: Cäsium-Lithium-Borat)-Kristall oder ein β-BBO (β-BaB₂O₄: Beta-Barium-Borat)-Kristall.
Der Impedanzanpassungsspiegel 111 ist ein Spiegel, der das kohärente Dauerstrichlicht 100a mit einer Wellenlänge von 1064 nm, das von der ersten Laserlichtquelle 100 emittiert wird, in den optischen Resonator 110 einleitet, und für Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm hochtransparent ist. Der Impedanzanpassungsspiegel 111 ist so gewählt, dass er eine Durchlässigkeit hat, die einem internen Verlust des optischen Resonators 110 in Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm genau entspricht, das heißt, einer Summe aus einem internen Verlust und einem Wellenlängenkonversionsverlust des nichtlinearen optischen Elements 114 und der optischen Verluste der vier obigen Spiegel, aus denen der optische Resonator 110 zusammengesetzt ist. Dadurch können das kohärente Dauerstrichlicht 100a und der optische Resonator 110 impedanzangepasst werden. Obwohl der optische Resonator 110 in Bezug auf das kohärente Dauerstrichlicht 100a hochreflektierend ist, kann das kohärente Dauerstrichlicht 100a den optischen Resonator 110 durchlaufen, wenn die Wellenlänge des kohärenten Dauerstrichlichts 100a an die Resonatorlänge des optischen Resonators 110 angepasst ist. Mit anderen Worten, wenn diese Bedingungen erfüllt sind, wird das kohärente Dauerstrichlicht 100a in den optischen Resonator 110 eingeleitet, und die elektrische Feldstärke des kohärenten Dauerstrichlichts 100a im optischen Resonator 110 erreicht ein Maximum. Die Resonatorlänge ist eine Länge des Strahlengangs, in welchem das obige kohärente Dauerstrichlicht 100a umläuft.
Der erste hochreflektierende Spiegel 113 ist ein verlustarmer Spiegel, der in Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm einen Reflexionsgrad von 99 % aufweist. Der zweite hochreflektierende Spiegel 115 ist ein Spiegel, der Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm mit einer bestimmten Durchlässigkeit durchlässt und einem Teil des im Strahlengang umlaufenden kohärenten Dauerstrichlichts 100a den Eintritt in den Photodetektor 103 ermöglicht, der außerhalb des optischen Resonators 110 angeordnet ist.
Der hochreflektierende Spiegel mit Piezoantrieb 112 umfasst einen verlustarmen Spiegel, der in Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge von 1064 nm einen Reflexionsgrad von 99 % aufweist, und ein piezoelektrisches Element, das auf einem Spiegelsockel vorgesehen ist, und ist über eine Leitung 102 mit dem Steuergerät 101 verbunden. Durch die Ausgabe des Photodetektors 103 wird das piezoelektrische Element des hochreflektierenden Spiegels mit Piezoantrieb 112 vom Steuergerät 101 zur Rückkopplungsregelung so angesteuert, dass die Wellenlänge des kohärenten Dauerstrichlichts 100a und die Resonatorlänge anpassbar sind. Anstelle des piezoelektrischen Elements des hochreflektierenden Spiegels mit Piezoantrieb 112 kann auch ein Schwingspulenmotor verwendet werden. Statt nur eines vom piezoelektrischen Element und vom Schwingspulenmotor zu verwenden, können beide gleichzeitig als Hybrid-Typ verwendet werden. Die Wellenlänge des kohärenten Dauerstrichlichts 100a und die Resonatorlänge des optischen Resonators 110 können angepasst werden, indem die Frequenz des kohärenten Dauerstrichlichts 100a geändert wird. In diesem Fall wird die Ausgabe des Photodetektors 103 zur ersten Laserlichtquelle 100 rückgeführt, um die Frequenz des kohärenten Dauerstrichlichts 100a so zu steuern, dass die Wellenlänge an die Resonatorlänge angepasst wird.
Die Quasi-Dauerstrichlichtquelle 120 ist eine Lichtquelle, die dazu konfiguriert ist, ein kohärentes Quasi-Dauerstrichlicht 120a zu emittieren, dessen Wellenlänge kürzer ist als die des kohärenten Dauerstrichlichts 100a, und das eine etwa rechteckige Ausgangswellenform aufweist. Die Quasi-Dauerstrichlichtquelle 120 ist so angeordnet, dass das emittierte kohärente Quasi-Dauerstrichlicht 120a von außerhalb des optischen Resonators 110 direkt auf das nichtlineare optische Element 114 einfällt. Die Quasi-Dauerstrichlichtquelle 120 umfasst eine zweite Laserlichtquelle 121, die dazu konfiguriert ist, ein kohärentes Dauerstrichlicht zu emittieren, dessen Wellenlänge kürzer ist als die des kohärenten Dauerstrichlichts 100a, und einen Wellenformwandler 122, der dazu konfiguriert ist, die Ausgangswellenform des kohärenten Dauerstrichlichts, das von der zweiten Laserlichtquelle 121 emittiert wird, in eine etwa rechteckige Wellenform umzuwandeln.
Die zweite Laserlichtquelle 121 ist eine CW-Laserlichtquelle, die ein CW-Laserlicht emittiert, das als das kohärente Dauerstrichlicht (dessen Wellenlänge kürzer ist als die des kohärenten Dauerstrichlichts 100a) dient. In den Ausführungsformen wird als zweite Laserlichtquelle 121 ein tief ultravioletter Festkörperlaser (hergestellt durch OXIDE Corporation: Produktbezeichnung Frequad-M) verwendet, der eine Dauerschwingung von Licht mit einer einzigen Wellenlänge von 266 nm durchführt, und die Dauerstrichleistung ist 1 W. Die Wellenlänge der zweiten Laserlichtquelle 121 liegt bevorzugt in einem Bereich von 210 nm bis 360 nm. Der Grund ist, dass solch ein Wellenlängenbereich aufgrund des nichtlinearen Effekts des nichtlinearen optischen Elements 114 (das weiter unten beschrieben wird) die Wellenlängenkonversion fördert und es der Laserlichtquelle 2 ermöglicht, ein kohärentes Licht mit hoher Energie zu emittieren. Der Wellenformwandler 122 ist ein optischer Modulator, der die Ausgangswellenform des CW-Lasers zu einem Rechteck oder anderen Formen moduliert. Der optische Modulator moduliert die Ausgabe des CW-Lasers mit einer Trägerwelle, die eine Rechteckwelle ist, um einen Laserstrahl mit einer etwa rechteckigen Ausgangswellenform zu erzeugen. Auf diese Weise erzeugt die Quasi-Dauerstrichlichtquelle 120 das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht 120a, dessen Wellenlänge kürzer ist als die des kohärenten Dauerstrichlichts 100a und das eine etwa rechteckige Ausgangswellenform hat, und emittiert das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht 120a zum nichtlinearen optischen Element 114.
Der optische Modulator kann die Wellenform der Trägerwelle ändern, um die Ausgangswellenform des Lasers zu einer beliebigen Wellenform zu modulieren. Anstelle des optischen Modulators kann auch ein optischer Chopper als Wellenformwandler 122 verwendet werden. Die Quasi-Dauerstrichlichtquelle 120 muss den Wellenformwandler 122 nicht umfassen. In diesem Fall wird die Ausgangswellenform des Laserlichts in eine Rechteckwelle umgewandelt, indem der an der zweiten Laserlichtquelle 121 anliegende Stromwert gesteuert wird und die Intensität des von der zweiten Laserlichtquelle 121 ausgegebenen CW-Laserlichts verändert wird, wodurch das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht 120a erzeugt wird. Alternativ dazu kann die zweite Laserlichtquelle 121 ein CW-Laserlicht emittieren, das wiederholt ein und aus geschaltet wird, um das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht 120a zu erzeugen. Unter diesen Verfahren zur Erzeugung des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a können das Verfahren mit dem optischen Modulator und das Verfahren zur Steuerung der Stromzufuhr nicht nur eine Änderung im Tastverhältnis des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a, sondern auch die Umwandlung der Ausgangswellenform in eine andere Form als die Rechteckwelle beinhalten.
Hier fallen in der in 2 gezeigten Laserlichtquelle 2 das CW-Laserlicht mit einer Wellenlänge von 1064 nm (erste Wellenlänge λ₁), das von der ersten Laserlichtquelle 100 emittiert wird, und das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht 120a mit einer Wellenlänge von 266 nm (zweite Wellenlänge λ₂), das von der Quasi-Dauerstrichlichtquelle 120 emittiert wird, auf das nichtlineare optische Element 114 ein. Dabei wird aufgrund des nichtlinearen optischen Effekts im nichtlinearen optischen Element 114 durch Summenfrequenzerzeugung ein kohärentes Licht mit einer dritten Wellenlänge λ₃ erzeugt, die anders als die erste Wellenlänge λ₁ und die zweite Wellenlänge λ₂ ist. Das Verhältnis dieser Wellenlängen wird als 1/λ₁ + 1/λ₂ = 1/λ₃ ausgedrückt. In den Ausführungsformen ist das Licht der zweiten Wellenlänge das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht 120a mit einer etwa rechteckigen Ausgangswellenform. Daher wird, wie in 3 gezeigt, durch das nichtlineare optische Element 114 als kohärentes Licht das Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 erzeugt, das eine Wellenlänge von 213 nm hat, die kürzer ist als die zweite Wellenlänge, und das eine ähnliche Ausgangswellenform wie die des Lichts der zweiten Wellenlänge (kohärentes Quasi-Dauerstrichlicht 120a) hat, und das Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 wird vom optischen Resonator 110 der Laserlichtquelle 2 emittiert.
In den Ausführungsformen wird das Licht der dritten Wellenlänge (Quasi-Dauerstrichlaserlicht), das ein kohärentes Quasi-Dauerstrichlicht ist, mit einem kohärenten Quasi-Dauerstrichlicht als Licht der zweiten Wellenlänge zur Summenfrequenzerzeugung erzeugt, statt einen CW-Laser zu verwenden. Der Grund dafür wird im Folgenden beschrieben. In einem CLBO-Kristall oder β-BBO-Kristall, der typischerweise als nichtlineares optisches Element zur Summenfrequenzerzeugung verwendet wird, ist die Lichtabsorption bei einer Wellenlänge von 1064 nm gering, und die Wärmeerzeugung ist gering. Daher ändert sich die optische Weglänge bei einer wärmebedingten Änderung des Brechungsindexes kaum. Daher bleibt die Resonatorlänge des optischen Resonators 110 erhalten, und die elektrische Feldstärke des Lichts mit einer Wellenlänge von 1064 nm bleibt erhalten, solange das CW-Laserlicht mit der zweiten Wellenlänge nicht auf das nichtlineare optische Element 114 einfällt. Im CLBO-Kristall oder β-BBO-Kristall ist die Lichtabsorption bei einer Wellenlänge von 266 nm, der zweiten Wellenlänge, und bei einer Wellenlänge von 213 nm, der dritten Wellenlänge des durch die Summenfrequenz erzeugten Lichts, jedoch nicht vernachlässigbar. Wenn das CW-Laserlicht als Licht der zweiten Wellenlänge verwendet wird, tritt deshalb aufgrund der Lichtabsorption durch das nichtlineare optische Element insbesondere bei hoher Leistung eine erhebliche Wärmeentwicklung auf, und die Resonatorlänge ändert sich mit der wärmebedingten Änderung des Brechungsindexes, weshalb die Bedingungen für eine stabile Wellenlängenkonversion nicht erfüllt werden können. Das heißt, wenn die einfallende Intensität des Lichts der zweiten Wellenlänge erhöht wird, um eine leistungsstarke Summenfrequenzerzeugung zu erhalten, kann es vorkommen, dass die Summenfrequenzausgabe nicht erhöht wird und schließlich stoppt.
Dagegen ist in der Ausgabe des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a eine Periode mit niedrigem Pegel (Stoppzustand) vorhanden, weshalb es möglich ist, die Lichtabsorption durch das nichtlineare optische Element 114 im optischen Resonator 110 während der Periode mit niedrigem Pegel zu unterdrücken, die Wärmebelastung des nichtlinearen optischen Elements 114 zu reduzieren und die effektive Leistung der Laserlichtquelle 2 zu erhöhen. Aus diesen Gründen wird in den Ausführungsformen das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht 120a als Licht der zweiten Wellenlänge für die Summenfrequenzerzeugung verwendet.
In den Ausführungsformen wird die Laserlichtquelle 2 so gesteuert, dass der Zeitpunkt der Aufnahme mit dem Photoemissionselektronenmikroskop 1 mit dem Zeitpunkt synchronisiert wird, an dem die Ausgabe des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 einen hohen Pegel annimmt. Das heißt, die Laserlichtquelle 2 gibt ein Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 aus, das während der Aufnahme mit dem Photoemissionselektronenmikroskop 1 einen hohen Pegel hat und während eines Zeitintervalls zwischen den Aufnahmen (z.B. während der Zeit zum Bewegen des oben beschriebenen Lichtpunkts, zum Umschalten zwischen den Aufnahmebedingungen (z.B. Polarisierung, Wellenlänge, Strom oder Spannung) des Photoemissionselektronenmikroskops 1 oder zur Anregung der Probe (z.B. durch Anlegen eines Stroms oder Magnetfelds)) einen niedrigen Pegel hat.
Indem die Laserlichtquelle 2 für das Photoemissionselektronenmikroskop 1 auf diese Weise verwendet wird, um den Aufnahmezeitpunkt mit dem Photoemissionselektronenmikroskop 1 mit den Zeitpunkt zu synchronisieren, an dem die Ausgabe des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 einen hohen Pegel annimmt, treten die Lichtabsorption und die Wärmeerzeugung im nichtlinearen optischen Element 114 des optischen Resonators 110 nur auf, wenn die Bestrahlung mit Licht für die Aufnahme mit dem Photoemissionselektronenmikroskop 1 erforderlich ist, und da in anderen Perioden keine Lichtabsorption und Wärmeerzeugung auftritt (in manchen Fällen tritt nur eine schwache Lichtabsorption und Wärmeerzeugung auf, die nicht zur Temperaturänderung beiträgt), ist es möglich, die Wärmeerzeugung im nichtlinearen optischen Element 114 wirksam zu unterdrücken und die effektive Leistung der Laserlichtquelle 2 zu erhöhen.
Wie in 4 gezeigt, kann die Synchronisation zwischen dem Zeitpunkt der Aufnahme mit dem Photoemissionselektronenmikroskop 1 mit dem Zeitpunkt, an dem die Ausgabe des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 einen hohen Pegel annimmt, zum Beispiel realisiert werden, indem der Zeitpunkt des Ein- und Ausschaltens des Elektronenstrahldetektors 25 des Photoemissionselektronenmikroskops 1 mit dem Zeitpunkt synchronisiert wird, an dem die Ausgabe des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 einen hohen Pegel und einen niedrigen Pegel annimmt. Das heißt, ein Steuergerät (nicht dargestellt) des Photoemissionselektronenmikroskops 1 oder das Steuergerät 101 der Laserlichtquelle sendet ein Synchronisationssignal zum Elektronenstrahldetektor 25 des Photoemissionselektronenmikroskops 1 und zum Wellenformwandler 122 der Quasi-Dauerstrichlichtquelle 120 der Laserlichtquelle 2, um den Elektronenstrahldetektor auf der Basis des Synchronisationssignals einzuschalten und die Wellenlängenkonversion zu beginnen.
Alternativ dazu kann anstelle des Einschaltzeitpunkts des Elektronenstrahldetektors 25 der Endzeitpunkt der Verschiebung des Lichtpunkts des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 durch Bewegen des Tischs 11 mit dem Antriebsmechanismus 12 verwendet werden. Es ist nicht erforderlich, den Zeitpunkt der Aufnahme mit dem Photoemissionselektronenmikroskop 1 komplett mit dem Zeitpunkt zu synchronisieren, an dem die Ausgabe des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 einen hohen Pegel annimmt, und ein gewisses Maß an Abweichung ist akzeptabel. Ferner kann die Zeitperiode der Aufnahme mit dem Photoemissionselektronenmikroskop 1 länger eingestellt sein als die Zeitperiode, in der die Ausgabe des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 hoch ist, oder umgekehrt kürzer.
Wenn die Zeitperiode der Aufnahme mit dem Photoemissionselektronenmikroskop 1 wie oben beschrieben mit der Zeitperiode synchronisiert ist, in der die Ausgabe der Laserlichtquelle 2 auf einem hohen Pegel ist, moduliert der Wellenformwandler 122 die Ausgabe der zweiten Laserlichtquelle 121 so, dass ein Tastverhältnis D des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a (Licht der zweiten Wellenlänge) zur Ausgabe des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 gegeben wird durch D = Zeitperiode des hohen Pegels / (Zeitperiode des hohen Pegels + Zeitperiode des niedrigen Pegels) = Zeitperiode der Aufnahme / (Zeitperiode der Aufnahme + Zeitintervall zwischen Aufnahmen).
Das Tastverhältnis D der Ausgabe des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a ist bevorzugt auf 50 % oder weniger eingestellt. Indem die Ausgabe des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a so moduliert wird, dass das Tastverhältnis D 50 % oder weniger beträgt, ist es möglich, die Ausgangsleistung des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 (Licht der dritten Wellenlänge) im Vergleich zu dem Fall, wenn das Tastverhältnis D 100 % beträgt (d. h., wenn es nicht moduliert wird), zu erhöhen. Die Untergrenze des Tastverhältnisses D kann unter Berücksichtigung der Zeitperiode der Aufnahme mit dem Photoemissionselektronenmikroskop 1 oder der Spitzenleistung des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a auf geeignete Weise eingestellt werden. Versuchsergebnisse, die dies belegen, sind in 5 dargestellt. 5 ist ein Graph, in welchem die Horizontalachse eine Durchschnittsleistung des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a mit einer Wellenlänge von 266 nm und die Vertikalachse eine Durchschnittsleistung des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 mit einer Wellenlänge von 213 nm darstellt, und der eine Beziehung zwischen der Durchschnittsleistung des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a und der Durchschnittsleistung des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 veranschaulicht, das durch das nichtlineare optische Element 114 aus dem kohärenten Quasi-Dauerstrichlicht 120a erzeugt wird. Die Leistung der ersten Laserlichtquelle 100 war auf 5 W eingestellt.
Wie in 5 gezeigt, nimmt mit zunehmender Durchschnittsleistung des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a auch die Durchschnittsleistung des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 zu, wenn D 100 % beträgt, doch in einem Bereich, in dem die Durchschnittsleistung des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a 0,5 W übersteigt, nimmt die Durchschnittsleistung des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 ab. Bei D 50 % ist dagegen zu erkennen, dass die Durchschnittsleistung des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 höher ist, als wenn D in gesamten Bereich 100 % ist, und dass die Differenz mit zunehmender Durchschnittsleistung des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a größer wird.
Wenn zum Beispiel die Leistung des kohärenten Dauerstrichlichts 100a (Licht der ersten Wellenlänge), das von der ersten Laserlichtquelle 100 emittiert wird, 5 W ist, die Spitzenleistung des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a (Licht der zweiten Wellenlänge) 1 W ist und das Tastverhältnis D 50 % beträgt, ist die Durchschnittsleistung des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a 0,5 W, und die Durchschnittsleistung des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 ist 0,16 W. Dieser Wert ist etwa doppelt so hoch wie die Durchschnittsleistung des Quasi-Dauerstrichlichts 7, wenn das Tastverhältnis D 100 % beträgt. Diese Ergebnisse bestätigen, dass die Spitzenleistung des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a (Licht der zweiten Wellenlänge) auf 1 W eingestellt werden kann. Durch weiteres Verringern des Tastverhältnisses D und Verlängern der Periode mit niedrigem Pegel ist es möglich, die Wärmeerzeugung im nichtlinearen optischen Element 114 zu unterdrücken und die Spitzenleistung des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a (Licht der zweiten Wellenlänge) auf 1 W oder mehr einzustellen.
(3) Arbeitsweise und Wirkung
Die Laserlichtquelle 2 gemäß den Ausführungsformen wird für das Photoemissionselektronenmikroskop 1 verwendet, das das Quasi-Dauerstrichlaserlicht (kohärentes Licht) 7 emittiert, und umfasst die erste Laserlichtquelle 100, die dazu konfiguriert ist, das kohärente Dauerstrichlicht 100a zu emittieren, den optischen Resonator 110 mit einem Strahlengang, in welchem das kohärente Dauerstrichlicht 100a umläuft, und mit dem nichtlinearen optischen Element 114, das in diesem Strahlengang angeordnet ist, und eine Quasi-Dauerstrichlichtquelle 120, die dazu konfiguriert ist, das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht 120a zu emittieren, dessen Wellenlänge kürzer ist als die des kohärenten Dauerstrichlichts 100a und das eine etwa rechteckige Ausgangswellenform aufweist. Wenn das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht 120a von außerhalb des optischen Resonators 110 auf das nichtlineare optische Element 114 einfällt, während das kohärente Dauerstrichlicht 100a in den optischen Resonator 110 eintritt, um im Strahlengang umzulaufen, wird vom nichtlinearen optischen Element 114 das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht 7 emittiert, dessen Wellenlänge kürzer ist als die des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 120a.
Da in der Laserlichtquelle 2 das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht mit einer etwa rechteckigen Ausgangswellenform auf das nichtlineare optische Element einfällt, während das kohärente Dauerstrichlicht im Strahlengang im Resonator umläuft, und das kohärente Licht emittiert wird, dessen Wellenlänge kürzer ist als die des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts, ist eine Periode vorhanden, in welcher im nichtlinearen optischen Kristall keine Lichtabsorption vorhanden ist oder die Lichtabsorption klein ist, wodurch die Lichtabsorption in diesem Ausmaß unterdrückt wird, die Wärmebelastung des nichtlinearen optischen Elements reduziert wird und die effektive Leistung einer Laserlichtquelle erhöht wird. Darüber hinaus ist es möglich, die Lebensdauer des Lasers zu erhöhen und Schäden an der Probe zu reduzieren. Daher ist es möglich, durch eine höhere Bestrahlungsintensität als üblich den Messdurchsatz zu erhöhen, ohne die Lebensdauer des Lasers zu verkürzen.
(4) Andere Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die erste und zweite Ausführungsform beschränkt, und verschiedene Varianten sind im Rahmen der Erfindung möglich. Auch wenn in den obigen Ausführungsformen der Singlemode-Laser, der eine Dauerschwingung bei einer einzigen Wellenlänge von 266 nm durchführt, als zweite Laserlichtquelle 121 der Quasi-Dauerstrichlichtquelle 120 verwendet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Als zweite Laserlichtquelle 121 der Quasi-Dauerstrichlichtquelle 120 kann ein Multimode-Laser verwendet werden, der eine Multimode-Schwingung durchführt. Durch Verwenden des Multimode-Lasers als zweite Laserlichtquelle 121 kann die Linienbreite des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 verbreitert werden, und wenn der Multimode-Laser für das Photoemissionselektronenmikroskop 1 verwendet wird, ist es möglich, auf der Oberfläche der Messprobe 30 erzeugte Speckles zu reduzieren, das Rauschen im Aufnahmebild zu verringern und die Bildauflösung zu erhöhen.
Als zweite Laserlichtquelle 121 der Quasi-Dauerstrichlichtquelle 120 kann ein wellenlängendurchstimmbarer Laser verwendet werden, wodurch die Wellenlänge (dritte Wellenlänge) des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7, das von der Laserlichtquelle 2 als kohärentes Licht emittiert wird, durchstimmbar ist. Als Lichtquelle können wellenlängendurchstimmbare Laser verschiedenen Typs verwendet werden. Wenn die Quasi-Dauerstrichlichtquelle 120 zum Beispiel einen wellenlängendurchstimmbaren Titan-Saphir-Laser als zweite Laserlichtquelle 121 verwendet, was es ermöglicht, die Wellenlänge des Laserlichts von der zweiten Laserlichtquelle 121 unter Verwendung einer zweiten harmonischen Welle und einer dritten harmonische Welle des wellenlängendurchstimmbaren Titan-Saphir-Lasers auf 210 nm bis 360 nm einzustellen, ist es der Quasi-Dauerstrichlichtquelle 120 möglich, das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht 120a im gleichen Wellenlängenbereich zu erzeugen. Dadurch ist die Laserlichtquelle 2 in der Lage, das Quasi-Dauerstrichlaserlicht 7 durch die Summenfrequenz mit einer Wellenlänge von 175 nm bis 267 nm zu emittieren.
Durch Verwenden solch einer wellenlängendurchstimmbaren Laserlichtquelle 2 für das Photoemissionselektronenmikroskop 1 ist es möglich, Information über die Messprobe in einer gewünschten Tiefenrichtung zu erfassen. Es ist bekannt, dass die Detektionstiefe eines Photoemissionselektronenmikroskops stark von der Anfangsgeschwindigkeit der emittierten Photoelektronen abhängt. Wenn die kinetische Energie von Photoelektronen etwa 20 eV oder kleiner ist, nimmt eine inelastische mittlere freie Weglänge der Elektronen mit abnehmender kinetischer Energie zu, wodurch die Detektionstiefe bekanntlich zunimmt. Die kinetische Energie von Photoelektronen ist weitgehend von der Wellenlänge einer Lichtquelle abhängig. Je länger die Wellenlänge ist, umso geringer ist die Photonenenergie und umso größer ist daher die Detektionstiefe.
Die Ausnutzung dieser Eigenschaft ermöglicht es, eine innere Struktur der Messprobe direkt zu beobachten. 6A und 6B sind schematische Darstellungen zur Veranschaulichung solch einer Beobachtungsmethode. Angenommen, auf der Oberfläche der Messprobe sei eine metallische Cu-Schicht vorgesehen. Die Austrittsarbeit von Cu beträgt 4,5 eV. Dabei wird die Photonenenergie der Laserlichtquelle 2 so eingestellt, dass sie höher ist als die Austrittsarbeit von Cu, das heißt, die Wellenlänge des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 wird auf 275 nm oder weniger eingestellt. Hier wurden zwei Messungen durchgeführt, die erste mit der Photonenenergie des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 von 5,8 eV (hν₁), und die zweite mit der Photonenenergie von 4,6 eV (hν₂).
Bei der ersten Messung (hν₁) ist die kinetische Energie der Photoelektronen maximal um 1,2 eV höher als bei der zweiten Messung (hν₂), weshalb die Detektionstiefe gering ist. Dadurch ist es möglich, Information über einen Bereich zu erhalten, der relativ nahe an der Probenoberfläche liegt ( 6A). Bei der zweiten Messung (hν₂) dagegen beträgt die Anfangsgeschwindigkeit maximal nur 0,1 eV, weshalb die Detektionstiefe groß ist. Dadurch ist es möglich, Information über einen Bereich zu erhalten, der relativ weit im Inneren der Probe liegt (6B).
Herkömmlich wurde eine Wellenlängenumschaltung wie oben beschrieben durchgeführt, indem in einer Ultrakurzpuls-Lichtquelle ein optisch-parametrischer Verstärker oder dergleichen verwendet wurde. Die Ultrakurzpulse verursachen jedoch einen großen Raumladungseffekt zwischen den emittierten Photoelektronen, was zu einer Verschlechterung der räumlichen Auflösung eines Photoemissionselektronenmikroskops führt. Da die Laserlichtquelle 2 gemäß dieser Variante die wellenlängendurchstimmbare Quasi-Dauerstrichlichtquelle 120 verwendet, ist es möglich, Messungen mit beliebig änderbarer Detektionstiefe durchzuführen und zugleich eine Verschlechterung der räumlichen Auflösung durch den Raumladungseffekt zu unterdrücken.
Zu den Hauptursachen einer Verschlechterung der räumlichen Auflösung eines Photoemissionselektronenmikroskops gehören neben verschiedenen Abbildungsfehlern des Elektronenlinsensystems der Raumladungseffekt und eine geringe kinetische Energie der Photoelektronen. Wie bereits erwähnt, kann der Raumladungseffekt reduziert werden, indem satt einer Pulslichtquelle eine Quasi-Dauerstrichlichtquelle verwendet wird. Dagegen hängt die geringe kinetische Energie der Photoelektronen mit einer Beugungsgrenze von Elektronen zusammen. Um diese Beugungsgrenze zu überwinden, müssen Photoelektronen mit einer hohen kinetischen Energie emittiert werden, was eine Lichtquelle mit möglichst hoher Photonenenergie erfordert. Auch wenn die Laserlichtquelle eine höhere Helligkeit als eine Lampenlichtquelle hat, ist schwierig, eine Quasi-Dauerstrichlichtquelle mit hoher Photonenenergie, d.h., mit kurzer Wellenlänge zu realisieren. Die erfindungsgemäße Laserlichtquelle emittiert Quasi-Dauerstrichlicht und ist in der Lage, ein Quasi-Dauerstrichlaserlicht mit einer hohen Photonenenergie von etwa 6,0 eV (Wellenlänge von 367 nm) zu emittieren. Daher ist es möglich, die zwei oben beschriebenen Ursachen der Verschlechterung der räumlichen Auflösung gleichzeitig zu beseitigen. Um zum Beispiel eine höhere räumliche Auflösung zu erreichen, wird die Laserwellenlänge so kurz wie möglich eingestellt, indem die wellenlängendurchstimmbare Laserlichtquelle gemäß der Variante verwendet wird, und dann wird die Messung durchgeführt.
In der erfindungsgemäßen Laserlichtquelle 2 ist es möglich, die Linienbreite des von der Laserlichtquelle 2 emittierten Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 (kohärentes Licht) beliebig einzustellen, indem die Linienbreite des Laserlichts (kohärentes Dauerstrichlicht), das von der zweiten Laserlichtquelle 121 der Quasi-Dauerstrichlichtquelle 120 emittiert wird, auf geeignete Weise geändert wird. Unter Ausnutzung dieser Eigenschaft wird zum Beispiel als zweite Laserlichtquelle 121 eine Laserlichtquelle mit Singlemode-Schwingung verwendet, wie in den obigen Ausführungsformen, was eine Verringerung der Linienbreite des Quasi-Dauerstrichlaserlichts 7 ermöglicht. Daher ist es durch Verwenden der Laserlichtquelle 2 für das Photoemissionselektronenmikroskop 1 möglich, die Energieauflösung der photoelektronenspektroskopischen Messung zu erhöhen.
Zur Durchführung der photoelektronenspektroskopischen Messung wird die kinetische Energieverteilung der von der Probe emittierten Photoelektronen mit einem Energieanalysator analysiert. Die Energieauflösung ist hauptsächlich von der Energieauflösung des Energieanalysators und der Linienbreite der Laserlichtquelle abhängig. Mit abnehmender Linienbreite nimmt die Streuung der Photonenenergie ab, wodurch sich die Energieauflösung der Messung erhöht.
Herkömmlich wurde ein Beugungsgitter oder ein Etalon verwendet, um die Linienbreite der Lichtquelle zu reduzieren, was eine Erhöhung der Energieauflösung ermöglicht. Da in diesem herkömmlichen Verfahren die Lichtintensität jedoch durch das Gitter oder das Etalon reduziert wird, ist die Signalintensität bei der photoelektronenspektroskopischen Messung umso geringer, je kleiner die Linienbreite ist, wodurch der Messdurchsatz gesenkt wurde. Demgegenüber ist es der der vorliegenden Erfindung gemäß möglich, die Linienbreite in der Phase der Laserschwingung beliebig einzustellen. Dadurch ist es möglich, die obige Reduktion in der Signalintensität zu vermeiden und sowohl eine hohe Energieauflösung als auch einen hohen Messdurchsatz zu erreichen.
Bezugszeichenliste

1: Photoemissionselektronenmikroskop
2: Laserlichtquelle
7: Quasi-Dauerstrichlaserlicht
13: Energieeinstellmechanismus
14: Stromquelle
21: erstes Elektronenlinsensystem
22: Energieanalysator
23: Energieschlitz
24: zweites Elektronenlinsensystem
25: Elektronenstrahldetektor
27: Elektronenstrahl

Claims

Laserlichtquelle für ein Photoemissionselektronenmikroskop, das ein kohärentes Licht emittiert, wobei die Laserlichtquelle umfasst: eine erste Laserlichtquelle, die dazu konfiguriert ist, ein kohärentes Dauerstrichlicht zu emittieren; einen optischen Resonator mit einem Strahlengang, in welchem das kohärente Dauerstrichlicht umläuft, und mit einem nichtlinearen optischen Element, das in diesem Strahlengang angeordnet ist; und eine Quasi-Dauerstrichlichtquelle, die dazu konfiguriert ist, ein kohärentes Quasi-Dauerstrichlicht zu emittieren, dessen Wellenlänge kürzer ist als die des kohärenten Dauerstrichlichts, und das eine etwa rechteckige Ausgangswellenform aufweist, wobei wenn das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht von außerhalb des optischen Resonators auf das nichtlineare optische Element einfällt, während das kohärente Dauerstrichlicht in den optischen Resonator eintritt, um im Strahlengang umzulaufen, vom nichtlinearen optischen Element das kohärente Licht emittiert wird, dessen Wellenlänge kürzer ist als die des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts.
Laserlichtquelle nach Anspruch 1, wobei das nichtlineare optische Element CLBO oder β-BBO ist.
Laserlichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei das kohärente Dauerstrichlicht eine Wellenlänge von 750 nm bis 2100 nm hat.
Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht eine Wellenlänge von 210 nm bis 360 nm hat.
Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Quasi-Dauerstrichlichtquelle umfasst: eine zweite Laserlichtquelle, die dazu konfiguriert ist, ein kohärentes Dauerstrichlicht zu emittieren; und einen optischen Modulator, der dazu konfiguriert ist, eine Ausgangswellenform des kohärenten Dauerstrichlichts, das von der zweiten Laserlichtquelle emittiert wird, zu einer etwa rechteckigen Ausgangswellenform zu modulieren.
Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Quasi-Dauerstrichlichtquelle eine zweite Laserlichtquelle umfasst, die dazu konfiguriert ist, ein kohärentes Dauerstrichlicht mit wiederholter Unterbrechung der Emission zu erzeugen, um das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht zu erzeugen.
Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Quasi-Dauerstrichlichtquelle so gesteuert wird, dass der Zeitpunkt, an dem eine Ausgabe der Laserlichtquelle einen hohen Pegel annimmt, mit dem Zeitpunkt der Aufnahme mit dem Photoemissionselektronenmikroskop synchronisiert wird.
Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht ein Tastverhältnis von 50 % oder weniger hat.
Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei eine Spitzenleistung des kohärenten Quasi-Dauerstrichlichts 1 W oder mehr beträgt.
Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Quasi-Dauerstrichlichtquelle wellenlängendurchstimmbar ist.
Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Quasi-Dauerstrichlichtquelle einen wellenlängendurchstimmbaren Titan-Saphir-Laser aufweist und dazu konfiguriert ist, das kohärente Quasi-Dauerstrichlicht aus einer zweiten harmonischen Welle oder einer dritten harmonischen Welle des wellenlängendurchstimmbaren Titan-Saphir-Lasers zu erzeugen.
Laserlichtquelle nach Anspruch 5 oder 6, wobei die zweite Laserlichtquelle dazu konfiguriert ist, eine Multimode-Schwingung des kohärenten Dauerstrichlichts durchzuführen.
Photoemissionselektronenmikroskop, umfassend die Laserlichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12.