JP2001526446A - パターン化した負電子親和力フォトカソードを利用した電子ソース - Google Patents
パターン化した負電子親和力フォトカソードを利用した電子ソースInfo
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Abstract
(57)【要約】
【解決手段】 電子ソースは，光透過性基板(１２)上の負電子親和力フォトカソードおよび電子を伝導帯へ励起するべくフォトカソード(１０)の基板を通過した光線(２２)を導くための光線ジェネレータ(５０)を含む。フォトカソード(１０)は，少なくとも１つの大きさが約２ミクロン以下の電子放出活性領域を有する。電子ソースはさらに電子を電子ビームに成形するための電子光学部材およびフォトカソードを高真空に維持するための真空エンクロージャを含む。フォトカソード(１０)は放出領域を画成するためにパターン化される。パターン化されたマスクが活性層の放出表面上に配置してもよく，活性層内に埋め込まれてもよく，または活性層と基板(１２)との間に配置されてもよい。
Description
【０００１】関連出願 この出願は，米国特許第５,６８４,３６０号として特許されている，１９９５
年７月１０に出願された米国出願第０８／４９９，９４５号の一部継続出願とな
った，１９９７年５月２７日に出願された米国出願第０８／８６３,４９３号の 一部継続出願である。
年７月１０に出願された米国出願第０８／４９９，９４５号の一部継続出願とな
った，１９９７年５月２７日に出願された米国出願第０８／８６３,４９３号の 一部継続出願である。
【０００２】発明の分野 本発明は，電子ビームソースに関し，とくに，高輝度かつ小径の電子ビームを
生成するためにひとつ以上の超微小活性放出領域を有する負電子親和力フォトカ
ソードを利用する電子ソースに関する。
生成するためにひとつ以上の超微小活性放出領域を有する負電子親和力フォトカ
ソードを利用する電子ソースに関する。
【０００３】発明の背景 高解像度電子ビーム装置は，走査電子マイクロスコープ，欠陥検出ツール，Ｖ
ＬＳＩテストツール，およびマスク形成およびウエハ露出ツールを含む。概して
，これらの装置は電子ソースおよび電子を電子ビームへ加速するためのおよび電
子をターゲット上で集束させるための電子光学装置を含む。これらの装置は高輝
度かつソースサイズの小さい電子ソースを必要とする。しばしば電場放出電子ソ
ースが高解像電子ビーム装置で使用されてきた。
ＬＳＩテストツール，およびマスク形成およびウエハ露出ツールを含む。概して
，これらの装置は電子ソースおよび電子を電子ビームへ加速するためのおよび電
子をターゲット上で集束させるための電子光学装置を含む。これらの装置は高輝
度かつソースサイズの小さい電子ソースを必要とする。しばしば電場放出電子ソ
ースが高解像電子ビーム装置で使用されてきた。
【０００４】 負電子親和力(negative electron affinity(ＮＥＡ))フォトカソード電子ソー
スが従来技術において提案された。負電子親和力フォトカソードは，フェルミレ
ベルに関して伝導帯を上げるために大量にＰドープされた，通常ガリウムヒ素の
ようなＩＩＩ−Ｖ化合物の半導体を含む。半導体表面は，バルク内の伝導帯が真
空レベルより上（すなわち，負電子親和力状態）であるように，仕事関数を低下
させる２〜３層の単分子層厚である，活性化層で被覆される。A.Herrera-Gomez およびW.E.SpicerによるSPIE Vol.２０２２, Photodetectors and Power Meters
(１９９３)（５１頁）に記載されるように，電子が表面の拡散長内（典型的に 数ミクロン）で光エネルギーにより伝導帯に励起されると，それらのほとんどが
真空へ逃げる確率が高いところの表面へ拡散する。
スが従来技術において提案された。負電子親和力フォトカソードは，フェルミレ
ベルに関して伝導帯を上げるために大量にＰドープされた，通常ガリウムヒ素の
ようなＩＩＩ−Ｖ化合物の半導体を含む。半導体表面は，バルク内の伝導帯が真
空レベルより上（すなわち，負電子親和力状態）であるように，仕事関数を低下
させる２〜３層の単分子層厚である，活性化層で被覆される。A.Herrera-Gomez およびW.E.SpicerによるSPIE Vol.２０２２, Photodetectors and Power Meters
(１９９３)（５１頁）に記載されるように，電子が表面の拡散長内（典型的に 数ミクロン）で光エネルギーにより伝導帯に励起されると，それらのほとんどが
真空へ逃げる確率が高いところの表面へ拡散する。
【０００５】 ＮＥＡフォトカソード電子ソースに関するほとんどの先行の技術開発は，反射
モードのフォトカソードで行われてきた。このモードにおいて，光線がカソード
の放出表面上に入射し，また放出された電子を加速しかつ集束するための電子光
学装置をカソード面の上方に設置する必要性から，光線を集束するための最終レ
ンズをフォトカソードに近接して配置することは不可能であった。これは，典型
的に少なくとも数十ミクロンの大きなスポットサイズおよび放出領域を生じさせ
る低い開口数(numerical aperture)のイメージングを要求する。
モードのフォトカソードで行われてきた。このモードにおいて，光線がカソード
の放出表面上に入射し，また放出された電子を加速しかつ集束するための電子光
学装置をカソード面の上方に設置する必要性から，光線を集束するための最終レ
ンズをフォトカソードに近接して配置することは不可能であった。これは，典型
的に少なくとも数十ミクロンの大きなスポットサイズおよび放出領域を生じさせ
る低い開口数(numerical aperture)のイメージングを要求する。
【０００６】 Doctoral Thesis, Cornell University Dept. of Electrical Engineering ( １９９０)に説明されるように，C. Sanfordは，集積ゲート電極を有するＮＥＡ フォトカソードとともに，自立薄膜透過モードフォトカソードを製作した。前者
のケースでは，光学装置の最終レンズはカソードから１０センチメートル離れて
いた。放出領域は直径がほぼ１５ミクロンであると推定された。第２のケースで
は，フラッド・イルミネーション(flood illumination)が使用され，放出領域は
直径１００ミクロン以上であった。
のケースでは，光学装置の最終レンズはカソードから１０センチメートル離れて
いた。放出領域は直径がほぼ１５ミクロンであると推定された。第２のケースで
は，フラッド・イルミネーション(flood illumination)が使用され，放出領域は
直径１００ミクロン以上であった。
【０００７】 カソードとしてＮＥＡ活性フォトエミッタを使用する電子ビームソースを含む
走査電子ビーム装置が，１９８９年４月１１日に発行されたLangerらによる米国
特許第４,８２０,９２７号に開示されている。開示された電子ソースは透過モー
ドで動作し，１８．７５ミクロンの典型的カソード放出直径を有する旨が記載さ
れている。１９９０年１１月１３日に発行された米国特許第４,９７０,３９２号
は高輝度電子ソースの必要性を強調しているが，放出領域の重要性の議論は含ま
れていない。フォトカソードを利用する電子ビームソースはまた，１９８４年７
月１７日に発行されたOettingerらによる米国特許第４,４６０,８３１号，１９ ９１年８月１３日に発行されたSmithらによる米国特許第５,０３９,８６２号， および１９９０年３月６日に発行されたMiyawakiらによる米国特許第４,９０６,
８９４号に開示されている。開示された電子ソースおよび装置は本発明が与え得
る小さいスポットサイズを達成することはできず，したがって以下の理由から，
高性能電子ビーム設備に必要な高輝度を与えることができない。
走査電子ビーム装置が，１９８９年４月１１日に発行されたLangerらによる米国
特許第４,８２０,９２７号に開示されている。開示された電子ソースは透過モー
ドで動作し，１８．７５ミクロンの典型的カソード放出直径を有する旨が記載さ
れている。１９９０年１１月１３日に発行された米国特許第４,９７０,３９２号
は高輝度電子ソースの必要性を強調しているが，放出領域の重要性の議論は含ま
れていない。フォトカソードを利用する電子ビームソースはまた，１９８４年７
月１７日に発行されたOettingerらによる米国特許第４,４６０,８３１号，１９ ９１年８月１３日に発行されたSmithらによる米国特許第５,０３９,８６２号， および１９９０年３月６日に発行されたMiyawakiらによる米国特許第４,９０６,
８９４号に開示されている。開示された電子ソースおよび装置は本発明が与え得
る小さいスポットサイズを達成することはできず，したがって以下の理由から，
高性能電子ビーム設備に必要な高輝度を与えることができない。
【０００８】 ＮＥＡフォトカソードの放出表面に小さなスポットサイズを得ることは，幾つ
かの理由で非常に重要なことである。第１に，小さいスポットサイズが，表面状
態でトラップされる電子の数を最小化することによって量子効率とソース輝度を
最大化するために使用され得る。第２に，電子ビームリソグラフィーに最も関連
して，放出スポットサイズの縮小が，０．１ミクロンメートルの特徴サイズを得
るのに必要な装置の反倍率(demagnification)の低下を考慮に入れてなされる。 典型的に放出電流の１％以下を使用する現用の電子ビーム設備とは対照的に，０
．１ミクロンメートル径の放出領域が使用されるときにウエハに到達するように
，より小さい反倍率が，ソースによって生成された電流のほぼ１００％を許容す
る。ソースによって生成された電流の全てがビームの空間電荷ブルーイング（sp
ace charge blueing）に寄与することから，放出領域を制限することによってウ
エハに配分される電流の小部分を最大化することが重要である。例えば，Schnei
derらの“Semiconductor on Glass Photocathodes as High Performance Source
s for Parallel Electron Beam Lithography”（J. Vac. Sci. Technol.，Part B ，Vol.６，No.６，３７８２〜３７８６頁，１９９６年１１月〜１２月）を参照
。
かの理由で非常に重要なことである。第１に，小さいスポットサイズが，表面状
態でトラップされる電子の数を最小化することによって量子効率とソース輝度を
最大化するために使用され得る。第２に，電子ビームリソグラフィーに最も関連
して，放出スポットサイズの縮小が，０．１ミクロンメートルの特徴サイズを得
るのに必要な装置の反倍率(demagnification)の低下を考慮に入れてなされる。 典型的に放出電流の１％以下を使用する現用の電子ビーム設備とは対照的に，０
．１ミクロンメートル径の放出領域が使用されるときにウエハに到達するように
，より小さい反倍率が，ソースによって生成された電流のほぼ１００％を許容す
る。ソースによって生成された電流の全てがビームの空間電荷ブルーイング（sp
ace charge blueing）に寄与することから，放出領域を制限することによってウ
エハに配分される電流の小部分を最大化することが重要である。例えば，Schnei
derらの“Semiconductor on Glass Photocathodes as High Performance Source
s for Parallel Electron Beam Lithography”（J. Vac. Sci. Technol.，Part B ，Vol.６，No.６，３７８２〜３７８６頁，１９９６年１１月〜１２月）を参照
。
【０００９】 パターン化したガリウム・ヒ素表面上にＮＥＡを達成するための技術が，E．
Dantosらの“Selective Emission of Electrons from Patterned Negative Elec
tron Affinity Cathodes”（IEEE Trans. On Electron Devise，Vol.４１，No. ３，６０７〜６１１頁，１９９４年３月）に開示される。これには，その上に大
型の電極構造物を組み立てたフォトカソードが記載される。
Dantosらの“Selective Emission of Electrons from Patterned Negative Elec
tron Affinity Cathodes”（IEEE Trans. On Electron Devise，Vol.４１，No. ３，６０７〜６１１頁，１９９４年３月）に開示される。これには，その上に大
型の電極構造物を組み立てたフォトカソードが記載される。
【００１０】発明の概要 本発明の第１の態様にしたがって，負電子親和力フォトカソードが，光透過性
基板と，この基板上に配置した負電子親和力活性層と，この活性層に付随したパ
ターン化したマスクとから成る。このマスクは，基板を通じて導かれた光線によ
って活性層が誘発されるときに負電子親和力によって電子を放出する活性層の領
域を画成する１つ以上の開口を有する。
基板と，この基板上に配置した負電子親和力活性層と，この活性層に付随したパ
ターン化したマスクとから成る。このマスクは，基板を通じて導かれた光線によ
って活性層が誘発されるときに負電子親和力によって電子を放出する活性層の領
域を画成する１つ以上の開口を有する。
【００１１】 第１の実施例では，マスクは，活性層の放出表面上に配置される遮蔽層(block
ing layer)から成る。第２の実施例では，マスクは，活性層内に配置された、埋
め込まれた遮蔽層から成る。第３の実施例では，マスクは，活性層と基板との間
に配置される遮蔽層から成る。マスクは，活性層によって放出される電子を遮蔽
するための電子遮蔽層，または活性層において基板を通じて導かれる光線を遮蔽
するための光遮蔽層を含み得る。マスクは，金属層，半導体層，誘電性の層，ま
たは活性層の電気的に不活性な領域を含み得る。
ing layer)から成る。第２の実施例では，マスクは，活性層内に配置された、埋
め込まれた遮蔽層から成る。第３の実施例では，マスクは，活性層と基板との間
に配置される遮蔽層から成る。マスクは，活性層によって放出される電子を遮蔽
するための電子遮蔽層，または活性層において基板を通じて導かれる光線を遮蔽
するための光遮蔽層を含み得る。マスクは，金属層，半導体層，誘電性の層，ま
たは活性層の電気的に不活性な領域を含み得る。
【００１２】 ここで，パターン化したマスクは光遮蔽層であり，フォトカソードは，さらに
，パターン化したマスクの開口に配置される高屈折率を有する材料を含み得る。
高屈折率材料は開口を通過する光を増加させるために，開口に隣接するレンズの
ように形付けられる。
，パターン化したマスクの開口に配置される高屈折率を有する材料を含み得る。
高屈折率材料は開口を通過する光を増加させるために，開口に隣接するレンズの
ように形付けられる。
【００１３】 本発明の他の態様にしたがって，電子ソースが提供される。電子ソースは，光
透過性基板と，この基板上に配置される負電子親和力活性層と，この活性層に付
随したマスクとから成る。マスクは，電子を放出するための活性層の領域を画成
する１つ以上の開口を有する。電子ソースは，さらに，活性層の伝導帯に電子を
励起するべく活性層に光透過性基板を通じて光線を導くための光線ジェネレータ
と，活性層の放出表面から放出される電子を電子ビームに成形するための電子光
学素子と，高真空に活性層を維持するための真空エンクロージャであって，活性
層の伝導帯の電子が，活性層に隣接する真空エンクロージャの電子よりも高いエ
ネルギーを有し，活性層の放出表面から真空エンクロージャへ高い確率で放出さ
れるように，活性層を高真空に維持する，真空エンクロージャとから成る。
透過性基板と，この基板上に配置される負電子親和力活性層と，この活性層に付
随したマスクとから成る。マスクは，電子を放出するための活性層の領域を画成
する１つ以上の開口を有する。電子ソースは，さらに，活性層の伝導帯に電子を
励起するべく活性層に光透過性基板を通じて光線を導くための光線ジェネレータ
と，活性層の放出表面から放出される電子を電子ビームに成形するための電子光
学素子と，高真空に活性層を維持するための真空エンクロージャであって，活性
層の伝導帯の電子が，活性層に隣接する真空エンクロージャの電子よりも高いエ
ネルギーを有し，活性層の放出表面から真空エンクロージャへ高い確率で放出さ
れるように，活性層を高真空に維持する，真空エンクロージャとから成る。
【００１４】 本発明のその他の態様にしたがって，負電子親和力フォトカソードが，光透過
性基板と，この基板上に配置した負電子親和力活性層とから成る。この活性層は
，放出表面を有し，この放出表面に平行な方向にバンドギャップに関して横方向
に勾配付け（laterally graded）される。この横方向に勾配付けされた活性層は
，基板を通じて導かれた光線によって活性層が誘発されたときに負電子親和力に
よって電子を放出するための低いバンドギャップ領域を画成する。横方向に勾配
付けされた活性層は，さらに，この低いバンドギャップ領域を取り囲む高いバン
ドギャップ領域を画成する。
性基板と，この基板上に配置した負電子親和力活性層とから成る。この活性層は
，放出表面を有し，この放出表面に平行な方向にバンドギャップに関して横方向
に勾配付け（laterally graded）される。この横方向に勾配付けされた活性層は
，基板を通じて導かれた光線によって活性層が誘発されたときに負電子親和力に
よって電子を放出するための低いバンドギャップ領域を画成する。横方向に勾配
付けされた活性層は，さらに，この低いバンドギャップ領域を取り囲む高いバン
ドギャップ領域を画成する。
【００１５】 本発明のその他の態様にしたがって，負電子親和力フォトカソードが，光透過
性基板と，この基板上に配置される不活性層と，基板から不活性層の表面へと不
活性層を通じて伸びる負電子親和力活性材料の１つ以上の柱状物（pillar）とか
ら成る。柱状物は，基板を通じて導かれた光線によって柱状物が誘発されたとき
に負電子親和力によって電子を放出するための領域を画成する。
性基板と，この基板上に配置される不活性層と，基板から不活性層の表面へと不
活性層を通じて伸びる負電子親和力活性材料の１つ以上の柱状物（pillar）とか
ら成る。柱状物は，基板を通じて導かれた光線によって柱状物が誘発されたとき
に負電子親和力によって電子を放出するための領域を画成する。
【００１６】詳細な説明 本発明に従う電子ソースを利用する電子ビーム装置の例のブロック図が図１に
示されている。フォトカソード１０は光透過性基板１２の表面上に配置されてい
る。図２には，拡大された基板１２の部分的断面図およびフォトカソード１０が
示されている。該フォトカソード１０は動作中に超高真空環境を維持する真空エ
ンクロージャ１４内に配置される。該真空エンクロージャ１４は以下に説明する
ような光線の透過用の真空窓１６を含む。他の構成において，光透過性基板１２
は真空エンクロージャ壁の一部を形成してもよい。光線ジェネレータ２０は光線
２２を真空窓１６および基板１２を通じてフォトカソード１０の活性領域２６（
図２）へ導く。光線２２によってフォトカソード１０の活性領域２６は真空エン
クロージャ１４により画成された真空領域へ電子を放出することができる。電子
光学素子３２によって，電子は電子ビーム３０に成形される。
示されている。フォトカソード１０は光透過性基板１２の表面上に配置されてい
る。図２には，拡大された基板１２の部分的断面図およびフォトカソード１０が
示されている。該フォトカソード１０は動作中に超高真空環境を維持する真空エ
ンクロージャ１４内に配置される。該真空エンクロージャ１４は以下に説明する
ような光線の透過用の真空窓１６を含む。他の構成において，光透過性基板１２
は真空エンクロージャ壁の一部を形成してもよい。光線ジェネレータ２０は光線
２２を真空窓１６および基板１２を通じてフォトカソード１０の活性領域２６（
図２）へ導く。光線２２によってフォトカソード１０の活性領域２６は真空エン
クロージャ１４により画成された真空領域へ電子を放出することができる。電子
光学素子３２によって，電子は電子ビーム３０に成形される。
【００１７】 発明の重要な態様にしたがって，フォトカソード１０の活性放出領域２６は，
好適には約２ミクロン以下であり最も好適には約１ミクロン以下である，フォト
カソード１０の表面に平行な寸法ｄを有する。典型的に，活性領域２６は多少円
形であるが，それに限定されるものではない。例えば，活性領域２６は幅が上記
寸法ｄであるような線分形状であってもよい。付加的に，該活性領域はフォトカ
ソード１０上の所定のパターンから成る。非常に小さい活性領域２６（約２ミク
ロン以下の寸法ｄ）を使用する利点が以下に議論される。フォトカソード１０は
図２および以下に説明されるようにひとつの活性放出領域２６を有する。変形的
に，フォトカソード１０は２つ以上の活性放出領域２６を有することもできる。
好適には約２ミクロン以下であり最も好適には約１ミクロン以下である，フォト
カソード１０の表面に平行な寸法ｄを有する。典型的に，活性領域２６は多少円
形であるが，それに限定されるものではない。例えば，活性領域２６は幅が上記
寸法ｄであるような線分形状であってもよい。付加的に，該活性領域はフォトカ
ソード１０上の所定のパターンから成る。非常に小さい活性領域２６（約２ミク
ロン以下の寸法ｄ）を使用する利点が以下に議論される。フォトカソード１０は
図２および以下に説明されるようにひとつの活性放出領域２６を有する。変形的
に，フォトカソード１０は２つ以上の活性放出領域２６を有することもできる。
【００１８】 フォトカソード１０の活性放出領域２６は２つの方法で画成される。最初のア
プローチにおいて，活性放出領域は光線２２によって画成され，それは光線２２
の直接の結果である。典型的に，活性領域２６の寸法ｄは光線の断面口径にほぼ
等しい。電子放出の活性領域２６は，フォトカソード１０内の電子の横方向への
広がりのために光線２２より幾分大きい。このアプローチにおいて，光線２２の
移動により活性領域２６はフォトカソード１０に対して移動する。
プローチにおいて，活性放出領域は光線２２によって画成され，それは光線２２
の直接の結果である。典型的に，活性領域２６の寸法ｄは光線の断面口径にほぼ
等しい。電子放出の活性領域２６は，フォトカソード１０内の電子の横方向への
広がりのために光線２２より幾分大きい。このアプローチにおいて，光線２２の
移動により活性領域２６はフォトカソード１０に対して移動する。
【００１９】 第２のアプローチにおいて，活性放出領域２６はフォトカソード１０の表面修
正によって予め画成される。例えば，フォトカソード１０は，活性領域２６を画
成する少なくとも１つの開口を有するアルミニウムのような薄い遮蔽層で被覆さ
れている。変形的なアプローチにおいて，フォトカソード１０は活性領域２６を
除く表面領域にわたってイオンインプランテーションにさらされる。該イオンイ
ンプランテーションは，電子エミッタとしての効果を減少させる欠陥をフォトカ
ソード材料内に生成する。活性領域２６がフォトカソードの表面修正によって画
成されるとき，電子放出は光線２２によって生成される。しかし，活性領域２６
はフォトカソード１０に関する位置に固定されている。さらに，活性領域２６の
寸法は表面修正によって画成されるため，光線２２は活性領域２６と同じだけ小
さい必要はない。
正によって予め画成される。例えば，フォトカソード１０は，活性領域２６を画
成する少なくとも１つの開口を有するアルミニウムのような薄い遮蔽層で被覆さ
れている。変形的なアプローチにおいて，フォトカソード１０は活性領域２６を
除く表面領域にわたってイオンインプランテーションにさらされる。該イオンイ
ンプランテーションは，電子エミッタとしての効果を減少させる欠陥をフォトカ
ソード材料内に生成する。活性領域２６がフォトカソードの表面修正によって画
成されるとき，電子放出は光線２２によって生成される。しかし，活性領域２６
はフォトカソード１０に関する位置に固定されている。さらに，活性領域２６の
寸法は表面修正によって画成されるため，光線２２は活性領域２６と同じだけ小
さい必要はない。
【００２０】 フォトカソード１０は負電子親和力フォトカソードである。負電子親和力電子
放出の基本原理が図３に示される。フォトカソードは，フェルミレベルに関して
伝導帯を上げるための，亜鉛，マグネシウム，または炭素のような材料を大量に
ｐ型ドープ(１〜５×１０19)されたガリウム・ヒ素などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体から成る。洗浄された半導体表面は，２〜３層の単分子層厚の活性化層を形
成するべく，セシウムおよび酸素にさらされる。該活性化層は，バルク内の伝導
帯が真空レベル以上（すなわち，負電子親和力状態）であるように，仕事関数を
低下させる。表面の拡散長（典型的に，２〜３ミクロン）以内の電子が，価電子
帯から伝導帯へ励起されると，その多くは表面へ拡散され，高い確率で表面から
真空へ逃げてしまう。
放出の基本原理が図３に示される。フォトカソードは，フェルミレベルに関して
伝導帯を上げるための，亜鉛，マグネシウム，または炭素のような材料を大量に
ｐ型ドープ(１〜５×１０19)されたガリウム・ヒ素などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体から成る。洗浄された半導体表面は，２〜３層の単分子層厚の活性化層を形
成するべく，セシウムおよび酸素にさらされる。該活性化層は，バルク内の伝導
帯が真空レベル以上（すなわち，負電子親和力状態）であるように，仕事関数を
低下させる。表面の拡散長（典型的に，２〜３ミクロン）以内の電子が，価電子
帯から伝導帯へ励起されると，その多くは表面へ拡散され，高い確率で表面から
真空へ逃げてしまう。
【００２１】 概して，フォトカソードは上記した負電子親和力状態に合致するあらゆる材料
であり得る。典型的に，フォトカソードは半導体材料である。典型的に，ガリウ
ム，アルミニウムおよびインジウムのようなＩＩＩ族原子と，リン，ヒ素および
窒素のようなＶ族原子の化合物が使用される。他の適当なＮＥＡ材料として，ダ
イヤモンド，炭化ケイ素，窒化アルミニウム，および窒化ガリウムが含まれる。
いくつかのＮＥＡ材料は活性化層を必要としない。変形的に，活性化層はセシウ
ムのみまたはセシウムおよび三フッ化窒素にさらされることで形成され，さらに
潜在的に仕事関数の低い他の材料も使用され得る。好適にはフォトカソード１０
は，活性領域２６の寸法を増加させる該フォトカソード内の電子の横方向への広
がりを制限するべく非常に薄い。好適なカソード１０の厚さは約１０ミクロン以
下である。
であり得る。典型的に，フォトカソードは半導体材料である。典型的に，ガリウ
ム，アルミニウムおよびインジウムのようなＩＩＩ族原子と，リン，ヒ素および
窒素のようなＶ族原子の化合物が使用される。他の適当なＮＥＡ材料として，ダ
イヤモンド，炭化ケイ素，窒化アルミニウム，および窒化ガリウムが含まれる。
いくつかのＮＥＡ材料は活性化層を必要としない。変形的に，活性化層はセシウ
ムのみまたはセシウムおよび三フッ化窒素にさらされることで形成され，さらに
潜在的に仕事関数の低い他の材料も使用され得る。好適にはフォトカソード１０
は，活性領域２６の寸法を増加させる該フォトカソード内の電子の横方向への広
がりを制限するべく非常に薄い。好適なカソード１０の厚さは約１０ミクロン以
下である。
【００２２】 付加的にフォトカソード１０は，フォトカソードの厚さを通じて電場を生成す
るバンドギャップ傾斜を含む。バンドギャップ傾斜については，１９７１年１２
月２８日に発行されたAntypasらの米国特許第３,６３１,３０３号に説明されて いる。該バンドギャップ傾斜はフォトカソード材料の成分における密度勾配によ
って生成される。例えば，アルミニウム・ガリウム・ヒ素フォトカソードは，そ
の厚さを通じてアルミニウムの密度変化を有する。フォトカソード材料内の電場
の目的は，フォトカソード表面に向かう電子を真空へ導きかつフォトカソード材
料内の電子の横方向移動を制限することである。指摘したように，電子の横方向
移動はフォトカソード１０の活性放出領域の横方向寸法を増加させる傾向がある
。
るバンドギャップ傾斜を含む。バンドギャップ傾斜については，１９７１年１２
月２８日に発行されたAntypasらの米国特許第３,６３１,３０３号に説明されて いる。該バンドギャップ傾斜はフォトカソード材料の成分における密度勾配によ
って生成される。例えば，アルミニウム・ガリウム・ヒ素フォトカソードは，そ
の厚さを通じてアルミニウムの密度変化を有する。フォトカソード材料内の電場
の目的は，フォトカソード表面に向かう電子を真空へ導きかつフォトカソード材
料内の電子の横方向移動を制限することである。指摘したように，電子の横方向
移動はフォトカソード１０の活性放出領域の横方向寸法を増加させる傾向がある
。
【００２３】 適当なフォトカソード１０の例が図２を参照して説明される。反射防止被膜４
０は光透過性基板１２の表面に付着されている。実質的に基板１２は光線２２の
波長の光を透過させなければならない。好適な基板はガラスまたはサファイアで
ある。該反射防止被膜は，基板ガラスとカソード組立体の間のインターフェイス
における放射光の反射を最小化するよう選択された厚さおよび屈折率を有する材
料の多層から成る。適当な反射防止被膜として，励起波長の４分の１の厚さを有
する窒化シリコンおよび酸化シリコンが含まれる。フォトカソード１０は，反射
防止被膜４０と，表面活性化層４６を有する活性層４４の間の拡散遮蔽層４２を
含む。好適実施例において，拡散遮蔽層４２は，再結合を促進することなく活性
層の伝導帯内の電子の拡散に対するエネルギー障壁を形成しながら放射波長での
吸収を最小化する，典型的に４００オングストロームから２〜３ミクロンの厚さ
を有するＡｌＧａＡｓ層またはＡｌＧａＡｓＰ層から成る。活性層は，１ミクロ
ン以下の厚さを有するＧａＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＡｓ，またはＩｎＧａＡ
ｓＰから成り，活性化層４６は２〜３個の原子厚のＣｓxＯyから成る。
０は光透過性基板１２の表面に付着されている。実質的に基板１２は光線２２の
波長の光を透過させなければならない。好適な基板はガラスまたはサファイアで
ある。該反射防止被膜は，基板ガラスとカソード組立体の間のインターフェイス
における放射光の反射を最小化するよう選択された厚さおよび屈折率を有する材
料の多層から成る。適当な反射防止被膜として，励起波長の４分の１の厚さを有
する窒化シリコンおよび酸化シリコンが含まれる。フォトカソード１０は，反射
防止被膜４０と，表面活性化層４６を有する活性層４４の間の拡散遮蔽層４２を
含む。好適実施例において，拡散遮蔽層４２は，再結合を促進することなく活性
層の伝導帯内の電子の拡散に対するエネルギー障壁を形成しながら放射波長での
吸収を最小化する，典型的に４００オングストロームから２〜３ミクロンの厚さ
を有するＡｌＧａＡｓ層またはＡｌＧａＡｓＰ層から成る。活性層は，１ミクロ
ン以下の厚さを有するＧａＡｓ，ＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＡｓ，またはＩｎＧａＡ
ｓＰから成り，活性化層４６は２〜３個の原子厚のＣｓxＯyから成る。
【００２４】 フォトカソードは，活性化層が汚染されずかつ妥当な時間間隔内でその保全性
を維持するように，超真空に維持される。活性化層の汚染は，カソードの仕事関
数を減少させるという効果を減少させ，負電子親和力状態を低減しまたは消滅さ
せる。負電子親和力フォトカソードとの関連で議論される真空レベルはカソード
表面のすぐ上の電子の最小エネルギーであり，この値以下のエネルギーを有する
フォトカソード内部の電子は逃げることができず表面で捕捉され，それによって
表面捕捉電子密度が増す。
を維持するように，超真空に維持される。活性化層の汚染は，カソードの仕事関
数を減少させるという効果を減少させ，負電子親和力状態を低減しまたは消滅さ
せる。負電子親和力フォトカソードとの関連で議論される真空レベルはカソード
表面のすぐ上の電子の最小エネルギーであり，この値以下のエネルギーを有する
フォトカソード内部の電子は逃げることができず表面で捕捉され，それによって
表面捕捉電子密度が増す。
【００２５】 光線ジェネレータ２０は所望の波長および密度の光を生成するための光源５０
，およびフォトカソード１０の表面において光を小さい直径のビームに集束する
ための光学素子５２を含む。光源５０はレーザーまたは広帯域光源から成る。該
広帯域光源は所望の波長または波長範囲の光を生成するために適当な光学フィル
ターを含む。ＩＩＩ−Ｖ族材料から組み立てられたフォトカソードに関して，典
型的に波長は３００〜８００ナノメートルの範囲である。選択された波長は，電
子を伝導帯へ励起するためのフォトカソード材料の吸収帯域およびフォトカソー
ドの厚さに依存する。光源５０のパワーレベルは比較的低い。典型的に，１０ミ
リワット／放出領域以下のパワーレベルがフォトカソード１０の励起に要求され
る。光学素子５２は，ソース５０により生成された光をフォトカソード１０にお
いて所望の非常に小さい断面寸法を有する光線２２へ変換する。上記したように
，光線２２の断面寸法は好適には約２０ミクロン以下である。この寸法は，フォ
トカソード１０の活性領域２６上の回折制限された(diffraction-limited)最小 のスポットサイズのために，高い開口数を用いて，フォトカソード上にアパーチ
ャのイメージを集束する２つ以上のレンズを使って達成される。光学素子５２は
真空窓１６および基板１２の球面収差の補正を伴う。完全に球面および他の収差
の補正された光学装置に対する回折制限スポットサイズの公称値は，直径=波長 ／（２×ＮＡ）であり，ここでＮＡは開口数であり，それはビームの集束半角の
正弦と集束が生じている媒体の屈折率の積である。好適な開口数は少なくとも０
．５である。
，およびフォトカソード１０の表面において光を小さい直径のビームに集束する
ための光学素子５２を含む。光源５０はレーザーまたは広帯域光源から成る。該
広帯域光源は所望の波長または波長範囲の光を生成するために適当な光学フィル
ターを含む。ＩＩＩ−Ｖ族材料から組み立てられたフォトカソードに関して，典
型的に波長は３００〜８００ナノメートルの範囲である。選択された波長は，電
子を伝導帯へ励起するためのフォトカソード材料の吸収帯域およびフォトカソー
ドの厚さに依存する。光源５０のパワーレベルは比較的低い。典型的に，１０ミ
リワット／放出領域以下のパワーレベルがフォトカソード１０の励起に要求され
る。光学素子５２は，ソース５０により生成された光をフォトカソード１０にお
いて所望の非常に小さい断面寸法を有する光線２２へ変換する。上記したように
，光線２２の断面寸法は好適には約２０ミクロン以下である。この寸法は，フォ
トカソード１０の活性領域２６上の回折制限された(diffraction-limited)最小 のスポットサイズのために，高い開口数を用いて，フォトカソード上にアパーチ
ャのイメージを集束する２つ以上のレンズを使って達成される。光学素子５２は
真空窓１６および基板１２の球面収差の補正を伴う。完全に球面および他の収差
の補正された光学装置に対する回折制限スポットサイズの公称値は，直径=波長 ／（２×ＮＡ）であり，ここでＮＡは開口数であり，それはビームの集束半角の
正弦と集束が生じている媒体の屈折率の積である。好適な開口数は少なくとも０
．５である。
【００２６】 光線２２が基板１２を通じてフォトカソード１０の一方へ透過し，電子ビーム
３０がフォトカソード１０の他方から放出されるところの図１の透過構成は，非
常に小さい活性領域２６を達成する際に有利である。特に，透過構成により，光
学素子の最終レンズはフォトカソード１０に近接配置されかつ大きな開口数を有
し，したがって光線２２は非常に小さい直径を有することができる。
３０がフォトカソード１０の他方から放出されるところの図１の透過構成は，非
常に小さい活性領域２６を達成する際に有利である。特に，透過構成により，光
学素子の最終レンズはフォトカソード１０に近接配置されかつ大きな開口数を有
し，したがって光線２２は非常に小さい直径を有することができる。
【００２７】 真空エンクロージャ１４は，該真空エンクロージャ１４内部を典型的に１０-9 トル以下の超高真空に維持するために，適当なコンジットを通じて真空ポンプ５
６または真空ポンプの組み合わせへ連結される。典型的に，必要な真空レベルは
１０-10〜１０-11トルの範囲である。好適には，光線２２が通過するところの真
空窓１６は非常に低い光学収差を有する。真空窓１６は平坦であるか，または光
学素子５２からの光線２２をさらに集束させるためのレンズ形状であってもよい
。実質的に真空窓１６は光線２２の波長に対して透過性でなければならない。真
空エンクロージャ１４はメイン電子ビームカラムから電子ソース領域への汚染物
質の移動速度を制限するための回折制限アパーチャ５８を含む。電子光学素子３
２は，電極５４ａ，５４ｂ，５４ｃのような１つ以上の電極を含み，それらは電
子ビーム３０を成形するべく電極を適宜付勢する電源５５へ接続されている。電
子ビーム３０はアパーチャ５８を通ってメイン電子ビームカラム６０へ達する。
電子ビームカラムは真空エンクロージャ６２，半導体ウエハのような被処理体６
４，および電子光学素子６６を含む。概して，電子ビームカラムは，応用のため
の真空を作成するのに必要な器具，被処理体６４を横切ってビームを走査するた
めの器具，被処理体からばらまかれた電子または他の粒子を集めるための器具，
被処理体を移動するための器具および応用に必要な他の機能を組み込む。電子ビ
ームカラムの設計および組立に関する技術は当業者に周知である。電子ソースは
，基板１２上のフォトカソード１０，光線ジェネレータ２０，真空エンクロージ
ャ１４および電子光学素子３２から成る。電子ソースはフォトカソードの交換用
のロードロック（図示せず）およびフォトカソードの熱クリーニングおよび活性
化用の活性化領域（図示せず）などの付加的な特徴を含みこともできる。
６または真空ポンプの組み合わせへ連結される。典型的に，必要な真空レベルは
１０-10〜１０-11トルの範囲である。好適には，光線２２が通過するところの真
空窓１６は非常に低い光学収差を有する。真空窓１６は平坦であるか，または光
学素子５２からの光線２２をさらに集束させるためのレンズ形状であってもよい
。実質的に真空窓１６は光線２２の波長に対して透過性でなければならない。真
空エンクロージャ１４はメイン電子ビームカラムから電子ソース領域への汚染物
質の移動速度を制限するための回折制限アパーチャ５８を含む。電子光学素子３
２は，電極５４ａ，５４ｂ，５４ｃのような１つ以上の電極を含み，それらは電
子ビーム３０を成形するべく電極を適宜付勢する電源５５へ接続されている。電
子ビーム３０はアパーチャ５８を通ってメイン電子ビームカラム６０へ達する。
電子ビームカラムは真空エンクロージャ６２，半導体ウエハのような被処理体６
４，および電子光学素子６６を含む。概して，電子ビームカラムは，応用のため
の真空を作成するのに必要な器具，被処理体６４を横切ってビームを走査するた
めの器具，被処理体からばらまかれた電子または他の粒子を集めるための器具，
被処理体を移動するための器具および応用に必要な他の機能を組み込む。電子ビ
ームカラムの設計および組立に関する技術は当業者に周知である。電子ソースは
，基板１２上のフォトカソード１０，光線ジェネレータ２０，真空エンクロージ
ャ１４および電子光学素子３２から成る。電子ソースはフォトカソードの交換用
のロードロック（図示せず）およびフォトカソードの熱クリーニングおよび活性
化用の活性化領域（図示せず）などの付加的な特徴を含みこともできる。
【００２８】 上記したように，電子放出のためのフォトカソード１０の活性領域２６は光線
２２自身によって，または１つ以上の予め画成された活性領域を確立するための
フォトカソード１０の表面の修正によって確立される。活性電子放出領域を制限
するべく表面修正を使用する基本概念は，電子が予め画成された領域からのみ放
出されるようにフォトカソードの表面または表面付近構造を変更することである
。高分解能リソグラフィー技術を使えば，活性領域は光線によって画成される活
性領域よりも非常に小さい構造を有することができる。例えば，０．１ミクロン
以下の電子放出用の活性領域が形成される。付加的に，もし非放出表面上の材料
が表面捕捉電荷を集め除去する際に有効であれば，それによって表面捕捉電荷に
よるカットオフの可能性が減少する点で有利である。
２２自身によって，または１つ以上の予め画成された活性領域を確立するための
フォトカソード１０の表面の修正によって確立される。活性電子放出領域を制限
するべく表面修正を使用する基本概念は，電子が予め画成された領域からのみ放
出されるようにフォトカソードの表面または表面付近構造を変更することである
。高分解能リソグラフィー技術を使えば，活性領域は光線によって画成される活
性領域よりも非常に小さい構造を有することができる。例えば，０．１ミクロン
以下の電子放出用の活性領域が形成される。付加的に，もし非放出表面上の材料
が表面捕捉電荷を集め除去する際に有効であれば，それによって表面捕捉電荷に
よるカットオフの可能性が減少する点で有利である。
【００２９】 ひとつのアプローチは，フォトカソード１０の表面上に蒸着されるか，または
該表面付近の構造物若しくは該表面上に成長した金属層７０（図２の点線で示さ
れる）を使用することである。プラチナまたはアルミニウムである金属層７０は
活性放出領域２６の所望の寸法ｄに対応する寸法の開口を備える。該金属層は覆
われた領域からの放出を遮蔽しかつただの半導体材料よりも効果的に捕捉電荷を
伝導する。他の半導体または半金属のような他の材料が，表面上に蒸着されても
よく，または制限活性領域以外からの電子の放出を遮蔽するための構造物内へ成
長してもよい。オーミック接触が活性放出領域を画成するために使用される。
該表面付近の構造物若しくは該表面上に成長した金属層７０（図２の点線で示さ
れる）を使用することである。プラチナまたはアルミニウムである金属層７０は
活性放出領域２６の所望の寸法ｄに対応する寸法の開口を備える。該金属層は覆
われた領域からの放出を遮蔽しかつただの半導体材料よりも効果的に捕捉電荷を
伝導する。他の半導体または半金属のような他の材料が，表面上に蒸着されても
よく，または制限活性領域以外からの電子の放出を遮蔽するための構造物内へ成
長してもよい。オーミック接触が活性放出領域を画成するために使用される。
【００３０】 電子を放出しないフォトカソード１０の領域はイオンインプランテーションな
どの他の方法で処置され，これらの領域から電子が放出されないように材料の性
質を変更する。イオンインプランテーションは非放出領域内に高密度の欠陥を生
成し，それが電子放出を防止しかつ該処置領域内に進入した表面捕捉電子の再結
合を加速させる。
どの他の方法で処置され，これらの領域から電子が放出されないように材料の性
質を変更する。イオンインプランテーションは非放出領域内に高密度の欠陥を生
成し，それが電子放出を防止しかつ該処置領域内に進入した表面捕捉電子の再結
合を加速させる。
【００３１】 約２ミクロン以下の極端に小さい活性放出領域を有するＮＥＡフォトカソード
の使用は，現在使用している電場放出電子ソースを含む高性能，高解像度電子ビ
ーム装置においてこの構成を使用できる可能性を生む多くの利点をもたらす。重
要な利点は，電流密度を制限する表面捕捉電子が高速で活性放出領域から移動す
るにしたがって，より小さい放出領域からより高輝度が得られるということであ
る。図３に示されるように，半導体が負電子親和力状態であるとき，伝導帯内の
電子のエネルギーは固体のすぐ外側の電子のエネルギーよりも高い。典型的に，
これは，ＮＥＡ状態が達成されるまでの大量のｐドーピングおよび仕事関数を低
下させる活性化層の適用によって達成される。伝導帯に励起された電子は熱くな
り表面に拡散し，そこで放出されるかまたは表面領域内で捕捉される。捕捉電子
は表面の空乏領域の電場を消去する双極子を形成し，それは放出が遮蔽されるま
でバルク伝導帯最小値に関して真空エネルギーレベルを上昇させる。A．Herrera
-GomezおよびW.E.SpicerによるSPIE Vol.２０２ ２, Photodetectors and Power
Meters(１９９３),５１頁に記載されているように，ＮＥＡフォトカソードから
の大きな放出領域上でこのような効果の明白な証拠が発見され，捕捉電子がホー
ルトンネル効果または空乏領域を越えた熱電子放出によって消去されることが発
見された。カソードを誘発する光の量の増加はあるレベル以上に放出を増加させ
ることはないので，これらのホールの到達速度はカソードから放出される電流密
度を制限する。
の使用は，現在使用している電場放出電子ソースを含む高性能，高解像度電子ビ
ーム装置においてこの構成を使用できる可能性を生む多くの利点をもたらす。重
要な利点は，電流密度を制限する表面捕捉電子が高速で活性放出領域から移動す
るにしたがって，より小さい放出領域からより高輝度が得られるということであ
る。図３に示されるように，半導体が負電子親和力状態であるとき，伝導帯内の
電子のエネルギーは固体のすぐ外側の電子のエネルギーよりも高い。典型的に，
これは，ＮＥＡ状態が達成されるまでの大量のｐドーピングおよび仕事関数を低
下させる活性化層の適用によって達成される。伝導帯に励起された電子は熱くな
り表面に拡散し，そこで放出されるかまたは表面領域内で捕捉される。捕捉電子
は表面の空乏領域の電場を消去する双極子を形成し，それは放出が遮蔽されるま
でバルク伝導帯最小値に関して真空エネルギーレベルを上昇させる。A．Herrera
-GomezおよびW.E.SpicerによるSPIE Vol.２０２ ２, Photodetectors and Power
Meters(１９９３),５１頁に記載されているように，ＮＥＡフォトカソードから
の大きな放出領域上でこのような効果の明白な証拠が発見され，捕捉電子がホー
ルトンネル効果または空乏領域を越えた熱電子放出によって消去されることが発
見された。カソードを誘発する光の量の増加はあるレベル以上に放出を増加させ
ることはないので，これらのホールの到達速度はカソードから放出される電流密
度を制限する。
【００３２】 非常に小さい活性放出領域に対して，捕捉電子は代替経路を有する。捕捉電子
密度および表面電圧の高い横方向勾配により，捕捉電子は放出領域外へ横に拡散
およびドリフトしやすくなり，双極子を減少させる。図４Ａおよび図４Ｂに示さ
れるように，この効果は小さい直径の活性放出領域に対して顕著である。図４Ａ
の曲線７２は比較的広い活性放出領域に対する捕捉電子密度勾配を示し，図４Ｂ
の曲線７４は非常に小さい直径の活性放出領域内で生じるより高い捕捉電子密度
勾配を示す。より高い勾配は，活性領域からの捕捉電子のより速い拡散およびド
リフトを生成する。
密度および表面電圧の高い横方向勾配により，捕捉電子は放出領域外へ横に拡散
およびドリフトしやすくなり，双極子を減少させる。図４Ａおよび図４Ｂに示さ
れるように，この効果は小さい直径の活性放出領域に対して顕著である。図４Ａ
の曲線７２は比較的広い活性放出領域に対する捕捉電子密度勾配を示し，図４Ｂ
の曲線７４は非常に小さい直径の活性放出領域内で生じるより高い捕捉電子密度
勾配を示す。より高い勾配は，活性領域からの捕捉電子のより速い拡散およびド
リフトを生成する。
【００３３】 １．７４ミクロンの直径の放出領域を使った実験により，ＤＣ電流密度は，Ｎ
ＥＡカソードを使って報告されたものより１００倍以上の値を示した。フォトカ
ソード活性領域はほぼ１．５ミクロン厚であったため，光線の直径はおそらくそ
れより非常に小さかった。最小の横方向拡散で電子を押し出すためのバンドギャ
ップ傾斜を有するより薄いカソードは，回折制限スポットサイズまたは表面上の
放出制御アパーチャのサイズによって最終的に制限されるより小さい活性放出領
域を達成する。捕捉電子の横方向拡散およびドリフトの速度はおよそ１／ｄ2に 比例し，ここで，ｄは活性放出領域の直径である。したがって，５ミクロンの活
性領域から０．５ミクロンの活性領域に変化すると，１００倍以上の捕捉電子の
移動をもたらし，その結果ほぼ１００倍以上の放出電流密度の増加につながる。
したがって，最小の可能活性放出領域は輝度に関して非常に重要であることがわ
かる。
ＥＡカソードを使って報告されたものより１００倍以上の値を示した。フォトカ
ソード活性領域はほぼ１．５ミクロン厚であったため，光線の直径はおそらくそ
れより非常に小さかった。最小の横方向拡散で電子を押し出すためのバンドギャ
ップ傾斜を有するより薄いカソードは，回折制限スポットサイズまたは表面上の
放出制御アパーチャのサイズによって最終的に制限されるより小さい活性放出領
域を達成する。捕捉電子の横方向拡散およびドリフトの速度はおよそ１／ｄ2に 比例し，ここで，ｄは活性放出領域の直径である。したがって，５ミクロンの活
性領域から０．５ミクロンの活性領域に変化すると，１００倍以上の捕捉電子の
移動をもたらし，その結果ほぼ１００倍以上の放出電流密度の増加につながる。
したがって，最小の可能活性放出領域は輝度に関して非常に重要であることがわ
かる。
【００３４】 小さい活性放出領域の第２の利点は，高分解能電子ビーム装置に必要な減少し
た反倍率(demagnification)である。実際の電子レンズにおける反倍率の量は（ 典型的に，２５×またはそれ以下に）制限されているので，より小さい活性放出
領域の使用は便利なサイズの電子ビーム装置の構造の鍵である。そのような装置
のほとんどは現に１０ナノメートル以下の有効ソースサイズを有する電場放出ソ
ースを採用しているので，ＮＥＡソースは同じプローブサイズを達成するために
付加的な反倍率を採用する。もしこの反倍率がひとつのレンズで達成されるべき
であれば，ソースサイズは１ミクロンより非常に小さく，できれば０．２５ミク
ロンまたはこれよりも小さくなければならない。
た反倍率(demagnification)である。実際の電子レンズにおける反倍率の量は（ 典型的に，２５×またはそれ以下に）制限されているので，より小さい活性放出
領域の使用は便利なサイズの電子ビーム装置の構造の鍵である。そのような装置
のほとんどは現に１０ナノメートル以下の有効ソースサイズを有する電場放出ソ
ースを採用しているので，ＮＥＡソースは同じプローブサイズを達成するために
付加的な反倍率を採用する。もしこの反倍率がひとつのレンズで達成されるべき
であれば，ソースサイズは１ミクロンより非常に小さく，できれば０．２５ミク
ロンまたはこれよりも小さくなければならない。
【００３５】 より低い反倍率はカラムデザインの単純化に加え多くの利点を有する。もし多
重ビームまたはパターンがカソード表面から被処理体へ投影されると，被処理体
のより大きい領域がさらされる。カソードの制限領域のみからの放出は小さい収
差で被処理体上に集束されるため，このことは重要である。したがって，より多
くの放出ポイントが使用され，またはターゲットウエハ上の大きな領域が一回に
書かれるので，より高いスループットが実現できる。以下に説明するように，活
性放出領域は光学素子を使ってカソード表面を横切って走査され，それによって
電子光学素子走査の必要性を除去する。この場合，より低い反倍率はより大きい
走査場を意味する。
重ビームまたはパターンがカソード表面から被処理体へ投影されると，被処理体
のより大きい領域がさらされる。カソードの制限領域のみからの放出は小さい収
差で被処理体上に集束されるため，このことは重要である。したがって，より多
くの放出ポイントが使用され，またはターゲットウエハ上の大きな領域が一回に
書かれるので，より高いスループットが実現できる。以下に説明するように，活
性放出領域は光学素子を使ってカソード表面を横切って走査され，それによって
電子光学素子走査の必要性を除去する。この場合，より低い反倍率はより大きい
走査場を意味する。
【００３６】 最後に，非常に小さい活性放出領域の使用は，（たとえ使用量が同じのままで
も，反倍率が小さいために）放出電流の総量を減少させる。多重ビームおよびカ
ソード投影装置において，その装置の大きな問題であるビームとビームの相互作
用が減少する。固定電流密度に対して，より小さい放出領域はエネルギーの広が
りによって誘導されるより少ない空間電荷を与えることが知られている。小さい
エネルギーの広がりがＮＥＡカソードの魅力的な特徴であるため，これは重要な
考察である。カソード寿命を非常に縮める毒性ガスの電子誘発脱着(electron-st
imulated desorption)および残留ガスのイオン化が比例して減少するため，より
少量の放出電流はカソード寿命を増加させる。
も，反倍率が小さいために）放出電流の総量を減少させる。多重ビームおよびカ
ソード投影装置において，その装置の大きな問題であるビームとビームの相互作
用が減少する。固定電流密度に対して，より小さい放出領域はエネルギーの広が
りによって誘導されるより少ない空間電荷を与えることが知られている。小さい
エネルギーの広がりがＮＥＡカソードの魅力的な特徴であるため，これは重要な
考察である。カソード寿命を非常に縮める毒性ガスの電子誘発脱着(electron-st
imulated desorption)および残留ガスのイオン化が比例して減少するため，より
少量の放出電流はカソード寿命を増加させる。
【００３７】 光線ジェネレータ２０の異なる実施例が図５〜８に示されている。上記したよ
うに，２つ以上の対応する光線をフォトカソードに導くことによって，２つ以上
の電子ビームがフォトカソード１０から放出される。各電子ビームは２ミクロン
以下の寸法を有するフォトカソードの超小活性領域から放出される。各電子ビー
ムは光線によって誘発される。適当な光線ジェネレータが図５および図６に略示
される。
うに，２つ以上の対応する光線をフォトカソードに導くことによって，２つ以上
の電子ビームがフォトカソード１０から放出される。各電子ビームは２ミクロン
以下の寸法を有するフォトカソードの超小活性領域から放出される。各電子ビー
ムは光線によって誘発される。適当な光線ジェネレータが図５および図６に略示
される。
【００３８】 図５において，光源８０はビームスプリッター８２へ光線を導く。該ビームス
プリッター８２は入射ビームを２つ以上の光線に分割し，それらは集束光学素子
８４ａ，８４ｂ，８４ｃ，および８４ｄを通じて導かれ，光線８６ａ，８６ｂ，
８６ｃ，および８６ｄがそれぞれ生成される。好適には，各光線はフォトカソー
ド１０の表面において２ミクロン以下の断面直径を有し，フォトカソード１０の
対応する活性領域からの電子の放出を誘発する。図５の光線ジェネレータは異な
る数の光線を生成するように設計され得ることがわかる。
プリッター８２は入射ビームを２つ以上の光線に分割し，それらは集束光学素子
８４ａ，８４ｂ，８４ｃ，および８４ｄを通じて導かれ，光線８６ａ，８６ｂ，
８６ｃ，および８６ｄがそれぞれ生成される。好適には，各光線はフォトカソー
ド１０の表面において２ミクロン以下の断面直径を有し，フォトカソード１０の
対応する活性領域からの電子の放出を誘発する。図５の光線ジェネレータは異な
る数の光線を生成するように設計され得ることがわかる。
【００３９】 図６には，２つ以上の光線を生成するための他の光線ジェネレータが示されて
いる。別々の光源９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，および９０ｄは光を集束光学素子９
２ａ，９２ｂ，９２ｃ，および９２ｄに導き，光線９４ａ，９４ｂ，９４ｃ，お
よび９４ｄをそれぞれ生成する。光線はフォトカソード１０に導かれ，対応する
電子ビームを生成する。図６の実施例の利点は，光源９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，
および９０ｄが変調，パワーレベルなどに関して独立に制御される点である。
いる。別々の光源９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，および９０ｄは光を集束光学素子９
２ａ，９２ｂ，９２ｃ，および９２ｄに導き，光線９４ａ，９４ｂ，９４ｃ，お
よび９４ｄをそれぞれ生成する。光線はフォトカソード１０に導かれ，対応する
電子ビームを生成する。図６の実施例の利点は，光源９０ａ，９０ｂ，９０ｃ，
および９０ｄが変調，パワーレベルなどに関して独立に制御される点である。
【００４０】 光線ジェネレータ２０の他の実施例において，２以上の光源から出力された光
を集束するために，単一の集束光学素子が使用される。この実施例において，光
源は互いに近接していなければならない。半導体レーザーまたは発光ダイオード
のモノリシックアレイが使用され，または多重モノリシックレーザーまたはダイ
オードが，光源のアレイを作り出すためにファイバー連結される。この場合，多
くの独立にアドレス可能で，近接配置された（ほぼ，１００ミクロン以下）光源
が，小さい収差（光軸から離れると増加する）を有する単一レンズ装置によって
イメージされる。
を集束するために，単一の集束光学素子が使用される。この実施例において，光
源は互いに近接していなければならない。半導体レーザーまたは発光ダイオード
のモノリシックアレイが使用され，または多重モノリシックレーザーまたはダイ
オードが，光源のアレイを作り出すためにファイバー連結される。この場合，多
くの独立にアドレス可能で，近接配置された（ほぼ，１００ミクロン以下）光源
が，小さい収差（光軸から離れると増加する）を有する単一レンズ装置によって
イメージされる。
【００４１】 変調性能を有する光線ジェネレータ２０の実施例が図７に示されている。光源
１００は光モジュレータ１０２を通じて光を集束光学素子１０４へ導く。集束光
学素子１０４は光線１０６をもたらし，それはフォトカソード１０の活性放出領
域に導かれる。光モジュレータ１０２は例えば，正弦波またはパルスなどの所望
の波形を有する入力変調信号にしたがって光線１０６を変調する。光線１０６は
ギガヘルツ帯域までの周波数で変調される。変形的に，光源１００は変調信号に
よって制御されることもできる。例えば，変調信号はレーザーダイオードに印加
される。
１００は光モジュレータ１０２を通じて光を集束光学素子１０４へ導く。集束光
学素子１０４は光線１０６をもたらし，それはフォトカソード１０の活性放出領
域に導かれる。光モジュレータ１０２は例えば，正弦波またはパルスなどの所望
の波形を有する入力変調信号にしたがって光線１０６を変調する。光線１０６は
ギガヘルツ帯域までの周波数で変調される。変形的に，光源１００は変調信号に
よって制御されることもできる。例えば，変調信号はレーザーダイオードに印加
される。
【００４２】 光線走査を利用する光線ジェネレータ２０の実施例が図８に示されている。光
源１１０は光を集束光学素子１１２を通じて光線スキャナー１１４へ導く。該ス
キャナー１１４は，スキャナー１１４に印加される走査信号により所定の範囲に
わたって走査される光線１１６を与える。光線１１６はフォトカソード１０の所
定の領域にわたって走査され，該光線１１６の走査にしたがってフォトカソード
１０を横切って移動する電子ビームが生成される。
源１１０は光を集束光学素子１１２を通じて光線スキャナー１１４へ導く。該ス
キャナー１１４は，スキャナー１１４に印加される走査信号により所定の範囲に
わたって走査される光線１１６を与える。光線１１６はフォトカソード１０の所
定の領域にわたって走査され，該光線１１６の走査にしたがってフォトカソード
１０を横切って移動する電子ビームが生成される。
【００４３】 図１および図５〜８に示される光線ジェネレータのさまざまな組み合わせが本
発明の態様内で利用されることがわかる。例えば，図５および６に示される多重
光線が図７に示されるように変調され，および／または図８に示されるように走
査される。さまざまな光線ジェネレータが，フォトカソードの活性放出領域が入
射光線によって画成されるところのモードで，または活性放出領域がフォトカソ
ード１０の表面修正により予め画成されるところのモードで利用され得る。光線
の走査が，表面修正によって予め画成される１つ以上の活性放出領域を有するフ
ォトカソードとともに使用されるとき，電子ビームは光線がフォトカソードの予
め画成された活性放出領域にわたって走査されるときのみ生成される。
発明の態様内で利用されることがわかる。例えば，図５および６に示される多重
光線が図７に示されるように変調され，および／または図８に示されるように走
査される。さまざまな光線ジェネレータが，フォトカソードの活性放出領域が入
射光線によって画成されるところのモードで，または活性放出領域がフォトカソ
ード１０の表面修正により予め画成されるところのモードで利用され得る。光線
の走査が，表面修正によって予め画成される１つ以上の活性放出領域を有するフ
ォトカソードとともに使用されるとき，電子ビームは光線がフォトカソードの予
め画成された活性放出領域にわたって走査されるときのみ生成される。
【００４４】 パターン化した負電子親和力フォトカソードのそれぞれ異なった実施例が図９
〜１５に示され，これら実施例について以下で説明する。図９〜１５において，
同様の構成成分については同一の参照番号で示す。パターン化は，比較的大きい
領域の負電子親和力フォトカソード上に１つ以上の小さい活性放出領域を設ける
ために使用される。典型的に，パターン化したフォトカソードは，異なった時間
または同時に使用され得る多数の活性放出領域を有する。図９〜１５には，活性
層は，理解を容易にするため，単一の層で示される。しかし，図２に関連して上
説したように，典型的に，ＮＥＡフォトカソードが，反射防止コーティングと，
拡散遮蔽層と，活性層と，活性化層とを含むことは理解できる。ＮＥＡフォトカ
ソードは，活性層においてドープレベルを変更したものも含み得る。
〜１５に示され，これら実施例について以下で説明する。図９〜１５において，
同様の構成成分については同一の参照番号で示す。パターン化は，比較的大きい
領域の負電子親和力フォトカソード上に１つ以上の小さい活性放出領域を設ける
ために使用される。典型的に，パターン化したフォトカソードは，異なった時間
または同時に使用され得る多数の活性放出領域を有する。図９〜１５には，活性
層は，理解を容易にするため，単一の層で示される。しかし，図２に関連して上
説したように，典型的に，ＮＥＡフォトカソードが，反射防止コーティングと，
拡散遮蔽層と，活性層と，活性化層とを含むことは理解できる。ＮＥＡフォトカ
ソードは，活性層においてドープレベルを変更したものも含み得る。
【００４５】 パターン化したＮＥＡフォトカソードの第１の実施例が図９に示される。ＮＥ
Ａフォトカソード２００は，光透過性基板２０４上の活性層２０２を含む。パタ
ーン化したマスク２１０が，活性層２０２の放出表面２０８上に形成される。パ
ターン化したマスク２１０は，活性層２０２からの電子の放出を許す開口２１２
を有する。開口２１２を除き，マスク２１０は，活性層２０２からの電子の放出
を遮蔽する。活性層２０２からの電子の放出は，光線２１６によって誘発される
。パターン化したマスク２１０は，開口２１２を除く活性層２０２からの電子の
放出を遮蔽するための遮蔽層を形成する。好適に，開口２１２は非常に小さく，
典型的にその直径が２ミクロメートル以下であり，よって，非常に小さい放出領
域を画成する。
Ａフォトカソード２００は，光透過性基板２０４上の活性層２０２を含む。パタ
ーン化したマスク２１０が，活性層２０２の放出表面２０８上に形成される。パ
ターン化したマスク２１０は，活性層２０２からの電子の放出を許す開口２１２
を有する。開口２１２を除き，マスク２１０は，活性層２０２からの電子の放出
を遮蔽する。活性層２０２からの電子の放出は，光線２１６によって誘発される
。パターン化したマスク２１０は，開口２１２を除く活性層２０２からの電子の
放出を遮蔽するための遮蔽層を形成する。好適に，開口２１２は非常に小さく，
典型的にその直径が２ミクロメートル以下であり，よって，非常に小さい放出領
域を画成する。
【００４６】 遮蔽層２１０は，周囲の領域よりも高い仕事関数を有する材料または非常に高
い電子の再結合速度を有する材料で活性層２０２の表面２０８をパターン化する
ために，エピタキシーまたはリソグラフィーを使用して形成され得る。活性層２
０２は，上述したように形成され得る。活性層の放出表面上の遮蔽層２１０は，
小さいホールを有する比較的薄い層である。一般に，遮蔽層は，適当な遮蔽特性
を有する金属材料，誘電材料または半導体材料であり得る。遮蔽層は，プラチナ
またはパダジウムのような材料または他の高仕事関数材料から組み立てられるか
，または活性層と同一の化学組成物（ただし，電気的に不活性）を有する材料の
表面を含み得る。電気的な不活性は，例えば，イオンインプランテーションまた
はプロトンインプランテーションによって達成され得る。１つの例では，図９の
構造物は，まず，フォトカソードの基本構造をエピタキシャル成長させ，次に，
リソグラフィー，エピタキシー，蒸着および／またはエッチングによって遮蔽層
２１０を形成することによって組み立てられる。
い電子の再結合速度を有する材料で活性層２０２の表面２０８をパターン化する
ために，エピタキシーまたはリソグラフィーを使用して形成され得る。活性層２
０２は，上述したように形成され得る。活性層の放出表面上の遮蔽層２１０は，
小さいホールを有する比較的薄い層である。一般に，遮蔽層は，適当な遮蔽特性
を有する金属材料，誘電材料または半導体材料であり得る。遮蔽層は，プラチナ
またはパダジウムのような材料または他の高仕事関数材料から組み立てられるか
，または活性層と同一の化学組成物（ただし，電気的に不活性）を有する材料の
表面を含み得る。電気的な不活性は，例えば，イオンインプランテーションまた
はプロトンインプランテーションによって達成され得る。１つの例では，図９の
構造物は，まず，フォトカソードの基本構造をエピタキシャル成長させ，次に，
リソグラフィー，エピタキシー，蒸着および／またはエッチングによって遮蔽層
２１０を形成することによって組み立てられる。
【００４７】 ＮＥＡフォトカソード２２８の第２の実施例が図１０に示される。開口２３２
を有するパターン化した遮蔽層２３０が活性層２０２内に埋め込まれ，または配
置される。遮蔽層２３０は，活性層２０２の放出表面２０８へ向けてドリフト／
拡散させるように励起電子を遮るために，高い再結合速度または低い電気的活性
度を有する材料の活性層２０２の内部に形成される。埋め込まれた遮蔽層２３０
は，開口２３２を通じて電子を通過させるがその他の電子の放出を遮蔽する。図
１０のフォトカソードは，まず，基板２０４上に活性層の一部分を成長させ，次
に，パターン化した遮蔽層２３０を形成することによって組み立てられ得る。好
適に，遮蔽層２３０は，プラチナ，パラジウム，またはチタニウム・タングステ
ンのような金属，アルミニウム・ガリウム・ヒ素のような励起光学フォトンのエ
ネルギーよりも大きいバンドギャップを有する半導体材料である。次に，負電子
親和力に活性され得る一様な表面層を与えるために，活性層２０２の付加的な材
料が，エピタキシャル成長または他の成長技術によって蒸着され得る。活性層２
０２は，任意に，上述したように，勾配付けしたバンドギャップまたはバンドギ
ャップ傾斜をもつように形成され得る。活性層２０２は，基板２０４付近の領域
に大きいバンドギャップの半導体合金，そして放出表面２０８付近に小さいバン
ドギャップの半導体合金で形成される。この構造は，活性層２０２での電子の横
方向拡散を低減し，これにより，放出スポットサイズを低減する。埋め込まれた
遮蔽層２３０は，図９に示す構成よりも，放出表面を汚染しにくく，また放出表
面をより一様にする，という利点がある。しかし，図１０の構成は，図９の構成
よりも組み立てが困難である。
を有するパターン化した遮蔽層２３０が活性層２０２内に埋め込まれ，または配
置される。遮蔽層２３０は，活性層２０２の放出表面２０８へ向けてドリフト／
拡散させるように励起電子を遮るために，高い再結合速度または低い電気的活性
度を有する材料の活性層２０２の内部に形成される。埋め込まれた遮蔽層２３０
は，開口２３２を通じて電子を通過させるがその他の電子の放出を遮蔽する。図
１０のフォトカソードは，まず，基板２０４上に活性層の一部分を成長させ，次
に，パターン化した遮蔽層２３０を形成することによって組み立てられ得る。好
適に，遮蔽層２３０は，プラチナ，パラジウム，またはチタニウム・タングステ
ンのような金属，アルミニウム・ガリウム・ヒ素のような励起光学フォトンのエ
ネルギーよりも大きいバンドギャップを有する半導体材料である。次に，負電子
親和力に活性され得る一様な表面層を与えるために，活性層２０２の付加的な材
料が，エピタキシャル成長または他の成長技術によって蒸着され得る。活性層２
０２は，任意に，上述したように，勾配付けしたバンドギャップまたはバンドギ
ャップ傾斜をもつように形成され得る。活性層２０２は，基板２０４付近の領域
に大きいバンドギャップの半導体合金，そして放出表面２０８付近に小さいバン
ドギャップの半導体合金で形成される。この構造は，活性層２０２での電子の横
方向拡散を低減し，これにより，放出スポットサイズを低減する。埋め込まれた
遮蔽層２３０は，図９に示す構成よりも，放出表面を汚染しにくく，また放出表
面をより一様にする，という利点がある。しかし，図１０の構成は，図９の構成
よりも組み立てが困難である。
【００４８】 埋め込まれた遮蔽層２３０は，遮蔽層２３０と基板２０４との間の活性層２０
２の一部分に放出される電子を遮蔽し，放出表面２０８に到達させない。遮蔽層
２３０は，開口２１２を通過するものを除き，遮蔽層２３０と放出表面２０８と
の間の活性層２０２の一部分に到達する光線２１６を遮蔽する。
２の一部分に放出される電子を遮蔽し，放出表面２０８に到達させない。遮蔽層
２３０は，開口２１２を通過するものを除き，遮蔽層２３０と放出表面２０８と
の間の活性層２０２の一部分に到達する光線２１６を遮蔽する。
【００４９】 パターン化したＮＥＡフォトカソード２３８の第３の実施例が図１１に示され
る。開口２４２を有するパターン化した遮蔽層２４０が，活性層２０２と基板２
０４との間に形成される。遮蔽層２４０は，光線２１６が活性層２０２で電子を
励起できる領域を制限する光遮蔽近接マスクのように機能する。遮蔽層２４０は
，プラチナ，パラジウムまたはチタニウム・タングステンのような不透明材料ま
たは反射材料であり，活性層２０２の裏側に蒸着され得る。光線２１６は，遮蔽
層２４０の開口２４２を通過して活性層２０２へ入る。放出される電子は，電子
を放出する活性層２０２の表面２０８へ拡散する。
る。開口２４２を有するパターン化した遮蔽層２４０が，活性層２０２と基板２
０４との間に形成される。遮蔽層２４０は，光線２１６が活性層２０２で電子を
励起できる領域を制限する光遮蔽近接マスクのように機能する。遮蔽層２４０は
，プラチナ，パラジウムまたはチタニウム・タングステンのような不透明材料ま
たは反射材料であり，活性層２０２の裏側に蒸着され得る。光線２１６は，遮蔽
層２４０の開口２４２を通過して活性層２０２へ入る。放出される電子は，電子
を放出する活性層２０２の表面２０８へ拡散する。
【００５０】 図１１に示す構成の不利点は，電子が活性層２０２の放出表面２０８へ移動す
ると，活性層２０２内で拡散して広がる点である。これは，放出スポットサイズ
の不所望な増加を招く。
ると，活性層２０２内で拡散して広がる点である。これは，放出スポットサイズ
の不所望な増加を招く。
【００５１】 この困難性を軽減するパターン化したＮＥＡフォトカソード２４８の第４の実
施例が図１２に示される。活性層２５０が，上述したように，勾配付けしたバン
ドギャップまたはバンドギャップ傾斜をもつように形成される。活性層２５０は
，遮蔽層２４０付近の領域に大きいバンドギャップの半導体合金，そして放出表
面２０８付近に小さいバンドギャップの半導体合金で形成される。この構造は，
活性層２５０の励起電子にポテンシャル勾配を受けさせ，横方向に拡散する前に
，電子を放出表面２０８へ強制的に導く。
施例が図１２に示される。活性層２５０が，上述したように，勾配付けしたバン
ドギャップまたはバンドギャップ傾斜をもつように形成される。活性層２５０は
，遮蔽層２４０付近の領域に大きいバンドギャップの半導体合金，そして放出表
面２０８付近に小さいバンドギャップの半導体合金で形成される。この構造は，
活性層２５０の励起電子にポテンシャル勾配を受けさせ，横方向に拡散する前に
，電子を放出表面２０８へ強制的に導く。
【００５２】 図１１に示す構成の追加的な欠点は，近接マスクの開口が光線２１６の波長の
半分以下である場合，このマスクを通じる光学的透過が非常に小さくなることで
ある。これは，例えば，６００ナノメートルの波長を有する光線と，１００ナノ
メートルの遮蔽層の開口とを使用する，対象の応用の場合によくある。
半分以下である場合，このマスクを通じる光学的透過が非常に小さくなることで
ある。これは，例えば，６００ナノメートルの波長を有する光線と，１００ナノ
メートルの遮蔽層の開口とを使用する，対象の応用の場合によくある。
【００５３】 この困難性を軽減するパターン化したＮＥＡフォトカソード２５８の第５の実
施例が図１３に示される。アルミニウム・ガリウム・ヒ素または誘電体のような
高屈折率（例えば３．０）を有する材料２６０が，遮蔽層２４０の開口２４２に
蒸着される。高屈折率材料２６０は，開口２４２を取り囲む基板２０４の領域に
蒸着され得る。高屈折率材料２６０は，遮蔽層２４０とのインターフェースにお
ける有効波長を低減させる。さらに，高屈折率材料２６０の表面は，図１３に示
すように，レンズ素子のように形付けられ，開口２４２に光線２１６を収束させ
ることができる。高屈折率材料２６０は，遮蔽層２４０の開口２４２を通じて送
られる光の量を十分に増加させる。
施例が図１３に示される。アルミニウム・ガリウム・ヒ素または誘電体のような
高屈折率（例えば３．０）を有する材料２６０が，遮蔽層２４０の開口２４２に
蒸着される。高屈折率材料２６０は，開口２４２を取り囲む基板２０４の領域に
蒸着され得る。高屈折率材料２６０は，遮蔽層２４０とのインターフェースにお
ける有効波長を低減させる。さらに，高屈折率材料２６０の表面は，図１３に示
すように，レンズ素子のように形付けられ，開口２４２に光線２１６を収束させ
ることができる。高屈折率材料２６０は，遮蔽層２４０の開口２４２を通じて送
られる光の量を十分に増加させる。
【００５４】 パターン化したＮＥＡフォトカソードの第６の実施例が図１４に示される。活
性層２７０が，低いバンドギャップ領域２７２と高いバンドギャップ領域２７４
とを含むように，放出表面２０８に平行に，横方向に勾配付けされる。高いバン
ドギャップ領域２７４は，低いバンドギャップ領域２７２の周囲を取り囲む。活
性層２７０の低いバンドギャップ領域２７２内に放出される電子は，放出表面２
０８に向けて拡散し，表面２０８から放出される。活性層２７０で横方向に拡散
する電子の傾向は，周囲の高いバンドギャップ領域２７４によって抑制され，こ
れにより，放出スポットサイズが低減される。横方向に勾配付けされた活性層２
７０は，低いバンドギャップ領域２７２内に電子を制限し，横方向のポテンシャ
ル勾配を与えて，放出スポットサイズを制御する。横方向に勾配付けされた活性
層２７０は，例えば，エピタキシャル材料の多数のスタックを使用して活性層を
横方向に成長させることによって形成され得る。横方向に勾配付けされた活性層
を形成する他のやり方は，選択される領域にバンドギャップを交互に設けるべく
リソグラフィーを使用することによって活性層材料のバンドギャップを交互に設
けることである。
性層２７０が，低いバンドギャップ領域２７２と高いバンドギャップ領域２７４
とを含むように，放出表面２０８に平行に，横方向に勾配付けされる。高いバン
ドギャップ領域２７４は，低いバンドギャップ領域２７２の周囲を取り囲む。活
性層２７０の低いバンドギャップ領域２７２内に放出される電子は，放出表面２
０８に向けて拡散し，表面２０８から放出される。活性層２７０で横方向に拡散
する電子の傾向は，周囲の高いバンドギャップ領域２７４によって抑制され，こ
れにより，放出スポットサイズが低減される。横方向に勾配付けされた活性層２
７０は，低いバンドギャップ領域２７２内に電子を制限し，横方向のポテンシャ
ル勾配を与えて，放出スポットサイズを制御する。横方向に勾配付けされた活性
層２７０は，例えば，エピタキシャル材料の多数のスタックを使用して活性層を
横方向に成長させることによって形成され得る。横方向に勾配付けされた活性層
を形成する他のやり方は，選択される領域にバンドギャップを交互に設けるべく
リソグラフィーを使用することによって活性層材料のバンドギャップを交互に設
けることである。
【００５５】 パターン化したＮＥＡフォトカソード２７８の第７の実施例が図１５に示され
る。ガリウム・ヒ素のような活性陰極材料の柱状物２８０が，金属（プラチナ，
パラジウムまたはチタニウム・タングステン），誘電体（ガラスのようなもの）
または高いバンドギャップの半導体（アルミニウム・ガリウム・ヒ素等）のよう
な不活性材料の層２８４に埋設される。一様な放出表面を与えるために，活性材
料の一様な表面層２９０が，任意に，不活性層２８４および活性柱状物２８０上
に配置される。この実施例では，光線２１６は，活性柱状物２８０でのみキャリ
ヤーを励起し得る。励起電子が柱状物２８０を通じて拡散すると，励起電子は，
活性材料と不活性材料との間のインターフェースで再結合され，または柱状物２
８０の表面で放出され得る。
る。ガリウム・ヒ素のような活性陰極材料の柱状物２８０が，金属（プラチナ，
パラジウムまたはチタニウム・タングステン），誘電体（ガラスのようなもの）
または高いバンドギャップの半導体（アルミニウム・ガリウム・ヒ素等）のよう
な不活性材料の層２８４に埋設される。一様な放出表面を与えるために，活性材
料の一様な表面層２９０が，任意に，不活性層２８４および活性柱状物２８０上
に配置される。この実施例では，光線２１６は，活性柱状物２８０でのみキャリ
ヤーを励起し得る。励起電子が柱状物２８０を通じて拡散すると，励起電子は，
活性材料と不活性材料との間のインターフェースで再結合され，または柱状物２
８０の表面で放出され得る。
【００５６】 上記したパターン化したＮＥＡフォトカソードのいずれの構造に関する放出領
域および／または量子効率に関して，その性能を向上させるために，バンドギャ
ップ傾斜が使用され得る。
域および／または量子効率に関して，その性能を向上させるために，バンドギャ
ップ傾斜が使用され得る。
【００５７】 電子を放出する同一の側から照射する反射モードフォトカソードを使用して小
さい放出領域が達成され得る。上述した技術のうちの幾つか（特に，表面パター
ン化，表面平行バンドギャップ勾配付けおよび柱状物を用いるアプローチ）は，
この場合，小さい放出領域を与える手助けをし得る。この場合，光透過性基板お
よび反射防止層が不必要である。しかし，このアプローチには幾つかの不利点が
ある。第１に，光学素子を陰極表面に接近したところに配置できないため，小さ
い光学スポットを達成することが非常に困難である。大きい光学スポットは，光
を所望の放出領域から放出させる効率を低減する。多数の放出領域の場合におい
ては，１つのスポットに照射する光が他のスポットで放出させることがないよう
に，放出領域を十分に離さなければならない。大きい光学スポットにより，個々
の放出領域の間隔をより離さなければならず，電子光学素子において付加的な収
差を生じ，より多くの電子に軸ズレが生じる。最後に，放出表面上に光学素子を
配置することは，電子光学素子の設計を非常に複雑化し，その性能を劣化させ得
る。
さい放出領域が達成され得る。上述した技術のうちの幾つか（特に，表面パター
ン化，表面平行バンドギャップ勾配付けおよび柱状物を用いるアプローチ）は，
この場合，小さい放出領域を与える手助けをし得る。この場合，光透過性基板お
よび反射防止層が不必要である。しかし，このアプローチには幾つかの不利点が
ある。第１に，光学素子を陰極表面に接近したところに配置できないため，小さ
い光学スポットを達成することが非常に困難である。大きい光学スポットは，光
を所望の放出領域から放出させる効率を低減する。多数の放出領域の場合におい
ては，１つのスポットに照射する光が他のスポットで放出させることがないよう
に，放出領域を十分に離さなければならない。大きい光学スポットにより，個々
の放出領域の間隔をより離さなければならず，電子光学素子において付加的な収
差を生じ，より多くの電子に軸ズレが生じる。最後に，放出表面上に光学素子を
配置することは，電子光学素子の設計を非常に複雑化し，その性能を劣化させ得
る。
【００５８】 光を使用して放出を誘発することに加えて，電子を伝導帯に電気的に注入する
ことが望ましい。例えば，接合部が放出表面下に形成され，次に，バイアスされ
て，電子が伝導帯に配置され，ここから電子が放出され得る。このバイアスを制
御することによって，放出が制御できる。この場合，前述した理由の全てのため
，上述した幾つかの技術を利用して，放出領域を限定することが望ましい。
ことが望ましい。例えば，接合部が放出表面下に形成され，次に，バイアスされ
て，電子が伝導帯に配置され，ここから電子が放出され得る。このバイアスを制
御することによって，放出が制御できる。この場合，前述した理由の全てのため
，上述した幾つかの技術を利用して，放出領域を限定することが望ましい。
【００５９】 本発明の好適実施例が示されかつ説明されたが，請求の範囲に記載された発明
の態様から離れることなくさまざまな変更および修正が可能であることは当業者
の知るところである。
の態様から離れることなくさまざまな変更および修正が可能であることは当業者
の知るところである。
【図１】 図１は，本発明に従う電子ソースを利用する電子ビーム装置の一例のブロック
図である。
図である。
【図２】 図２は，図１の電子ソース内のフォトカソードの部分断面図である。
【図３】 図３は，負電子親和力光放出を示すエネルギーレベル図である。
【図４】 図４ＡおよびＢは，比較的大きい領域と比較的小さい放出領域に対する捕捉電
子密度と半径の関数を表すグラフである。
子密度と半径の関数を表すグラフである。
【図５】 図５は，光線ジェネレータの異なる実施例のブロック図である。
【図６】 図６は，光線ジェネレータの異なる実施例のブロック図である。
【図７】 図７は，光線ジェネレータの異なる実施例のブロック図である。
【図８】 図８は，光線ジェネレータの異なる実施例のブロック図である。
【図９】 図９は，本発明に従って電子ソースの電流密度を計測するための実験設備のブ
ロック図である。
ロック図である。
【図１０】 図１０は，図９の電子ソース内で使用された電子光学素子のシミュレーション
を示したものである。
を示したものである。
【図１１】 図１１は，図９の電子ソース内の電流密度と光パワーの関係を示すグラフであ
る。
る。
【図１２】 図１２は，電子を放出表面へ導くためのバンドギャップ傾斜と遮蔽層とを有す
る負電子親和力フォトカソードの断面図である。
る負電子親和力フォトカソードの断面図である。
【図１３】 図１３は，遮蔽層の開口に配置される高屈折率の材料と遮蔽層を含む負電子親
和力フォトカソードの断面図である。
和力フォトカソードの断面図である。
【図１４】 図１４は，横方向に勾配付けされた活性層を有する負電子親和力フォトカソー
ドの断面図である。
ドの断面図である。
【図１５】 図１５は，不活性の層に配置した活性材料の柱状物を有する負電子親和力フォ
トカソードの断面図である。
トカソードの断面図である。
１０・・・フォトカソード １２・・・光透過性基板 ２２・・・光線 ５０・・・光線ジェネレータ
【手続補正書】
【提出日】平成１２年６月２３日（２０００．６．２３）
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 コステロ，ケネス・エー アメリカ合衆国カリフォルニア州94587， ユニオン・シティー，アナハイム・ループ 5003 (72)発明者 マッコード，マーク・エー アメリカ合衆国カリフォルニア州94040， マウンテン・ビュー，ボニタ・ストリート 1273 (72)発明者 ピーズ，アール・ファビアン アメリカ合衆国カリフォルニア州94025， メンロ・パーク，フレモント・ストリート 570 (72)発明者 バウム，アーロン・タブリュ アメリカ合衆国カリフォルニア州94110， サンフランシスコ，ナトマ・ストリート 960，アパートメント３
Claims (26)
- 【請求項１】負電子親和力フォトカソードであって， 光透過性基板， 前記基板上に配置した負電子親和力活性層，および 前記活性層に付随したパターン化したマスクであって，前記マスクは，前記基
板を通じて導かれた光線によって前記活性層が誘発されたときに負電子親和力に
よって電子を放出するための前記活性層の領域を画成する１つ以上の開口を有す
る，ところのマスク， から成る負電子親和力フォトカソード。 - 【請求項２】請求項１の負電子親和力フォトカソードであって， 前記マスクが，前記活性層の放出表面上の遮蔽層から成る，ところの負電子親
和力フォトカソード。 - 【請求項３】請求項２の負電子親和力フォトカソードであって， 前記遮蔽層が，金属層からなる，ところの負電子親和力フォトカソード。
- 【請求項４】請求項２の負電子親和力フォトカソードであって， 前記遮蔽層が，半導体層からなる，ところの負電子親和力フォトカソード。
- 【請求項５】請求項２の負電子親和力フォトカソードであって， 前記遮蔽層が，誘電性の層からなる，ところの負電子親和力フォトカソード。
- 【請求項６】請求項１の負電子親和力フォトカソードであって， 前記マスクが，前記活性層内に配置した，埋め込まれた遮蔽層から成る，とこ
ろの負電子親和力フォトカソード。 - 【請求項７】請求項１の負電子親和力フォトカソードであって， 前記マスクが，前記活性層と前記基板との間に配置した遮蔽層である，ところ
の負電子親和力フォトカソード。 - 【請求項８】請求項１の負電子親和力フォトカソードであって， 前記マスクが，前記活性層によって放出される電子を遮蔽するための電子遮蔽
層から成る，ところの負電子親和力フォトカソード。 - 【請求項９】請求項１の負電子親和力フォトカソードであって， 前記マスクが，前記基板を通じて導かれた光線を遮蔽するための光遮蔽層から
成る，ところの負電子親和力フォトカソード。 - 【請求項１０】請求項９の負電子親和力フォトカソードであって， 前記１つ以上の開口に配置される高屈折率を有する材料からさらに成る負電子
親和力フォトカソード。 - 【請求項１１】請求項１０の負電子親和力フォトカソードであって， 前記高屈折率の材料が，前記１つ以上の開口に隣接したレンズのように形付け
られる，ところの負電子親和力フォトカソード。 - 【請求項１２】請求項１の負電子親和力フォトカソードであって， 前記活性層が，前記活性層内に放出される電子を前記活性層の放出表面に向け
て導くための電場を生成するためのその厚さを通じるバンドギャップ傾斜を含む
，負電子親和力フォトカソード。 - 【請求項１３】請求項１の負電子親和力フォトカソードであって， 前記１つ以上の開口が，約２ミクロメートル以下の寸法を有する，ところの負
電子親和力フォトカソード。 - 【請求項１４】請求項１の負電子親和力フォトカソードであって， 前記マスクが，前記活性層の電気的不活性領域から成る，ところの負電子親和
力フォトカソード。 - 【請求項１５】請求項１の負電子親和力フォトカソードであって， 前記マスクが，前記活性層上または前記活性層内に配置した金属遮蔽層から成
る，ところの負電子親和力フォトカソード。 - 【請求項１６】電子ソースであって， 光透過性基板， 前記基板上に配置した負電子親和力活性層であって，前記活性層が，伝導帯を
有する，活性層， 前記活性層に付随したパターン化したマスクであって，前記マスクが，電子を
放出するための前記活性層の領域を画成する１つ以上の開口を有する，マスク， 前記活性層の伝導帯に電子を励起するべく前記活性層に前記光透過性基板を通
じて光線を導くための光線ジェネレータ， 前記活性層の放出表面から放出された電子を電子ビームに成形するための電子
光学素子，および 前記活性層を高真空に維持するための真空エンクロージャであって，前記活性
層の伝導帯の電子が，前記活性層に隣接する前記真空エンクロージャの電子より
も高いエネルギーを有し，前記活性層の放出領域から前記真空エンクロージャへ
高い確率で放出される，真空エンクロージャ， から成る電子ソース。 - 【請求項１７】請求項１６の電子ソースであって， 前記マスクが，前記活性層の放出表面上の遮蔽層から成る，ところの電子ソー
ス。 - 【請求項１８】請求項１６の電子ソースであって， 前記マスクが，前記活性層内に配置した，埋め込まれた遮蔽層から成る，とこ
ろの電子ソース。 - 【請求項１９】請求項１６の電子ソースであって， 前記マスクが，前記活性層と前記基板との間に配置した遮蔽層からなる，とこ
ろの電子ソース。 - 【請求項２０】請求項１６の電子ソースであって， 前記マスクが，前記活性層によって放出される電子を遮蔽するための電子遮蔽
層から成る，ところの電子ソース。 - 【請求項２１】請求項１６の電子ソースであって， 前記マスクが，前記活性層において前記光透過性基板を通じて導かられる光線
を遮蔽するための光遮蔽層から成る，ところの電子ソース。 - 【請求項２２】請求項１６の電子ソースであって， 前記マスクが，前記活性層の電気的不活性領域からなる，ところの電子ソース
。 - 【請求項２３】電子ビーム装置であって， 電子ソースであって， 光透過性基板， 前記基板上に配置した負電子親和力活性層であって，前記活性層が伝導帯を有
する，活性層， 前記活性層に付随したパターン化したマスクであって，前記マスクが，電子を
放出するための前記活性層の領域を画成する１つ以上の開口を有する，マスク， 前記活性層の伝導帯に電子を励起するべく前記活性層に前記光透過性基板を通
じて光線を導くための光線ジェネレータ， 前記活性層の放出領域から放出された電子を電子ビームに成形するためのソー
ス電子光学素子，および 前記活性層を高真空に維持するためのソース真空エンクロージャであって，前
記活性層の伝導帯の電子が，前記活性層に隣接する前記ソース真空エンクロージ
ャの電子よりも高いエネルギーを有し，前記活性層の放出領域から前記ソース真
空エンクロージャへ高い確率で放出される，ソース真空エンクロージャ， から成る電子ソース， 前記電子ソースから前記電子ビームを受け，前記電子ビームで処理するための
被処理体を保持するためのメイン真空エンクロージャ，および 前記電子ビームを前記被処理体に導くための，前記メイン真空エンクロージャ
内に配置したメイン電子光学素子， から成る電子ビーム装置。 - 【請求項２４】負電子親和力フォトカソードであって， 光透過性基板， 前記基板上に配置した負電子親和力活性層であって，この活性層が，放出表面
を有し，前記放出表面に平行な方向に，バンドギャップに関して横方向に勾配付
けされ，この横方向に勾配付けされた活性層は，前記基板を通じて導かれた光線
によって前記活性層が誘発されるときに負電子親和力によって電子を放出するた
めの低いバンドギャップ領域を画成し，この横方向に勾配付けされた活性層は，
前記低いバンドギャップ領域を取り囲む高いバンドギャップ領域をさらに画成す
る，活性層， から成る負電子親和力フォトカソード。 - 【請求項２５】負電子親和力フォトカソードであって， 光透過性基板， 前記基板上に配置した不活性層， 前記基板から前記不活性層の表面へと前記不活性層を通じて伸びる負電子親和
力活性材料の1つ以上の柱状物であって，前記柱状物は，前記基板を通じて導か れた光線によって前記柱状物が誘発されるときに負電子親和力によって電子を放
出するための領域を画成する，柱状物， から成る負電子親和力フォトカソード。 - 【請求項２６】請求項２５の負電子親和力フォトカソードであって， 前記不活性層および前記柱状物を被覆する負電子親和力活性材料の層からさら
に成る負電子親和力フォトカソード。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US08/987,397 | 1997-12-09 | ||
| US08/987,397 US5932966A (en) | 1995-07-10 | 1997-12-09 | Electron sources utilizing patterned negative electron affinity photocathodes |
| PCT/US1998/025820 WO1999030348A1 (en) | 1997-12-09 | 1998-12-04 | Electron sources utilizing patterned negative electron affinity photocathodes |
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|---|---|
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|---|---|---|---|
| JP2000524807A Pending JP2001526446A (ja) | 1997-12-09 | 1998-12-04 | パターン化した負電子親和力フォトカソードを利用した電子ソース |
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