【発明の詳細な説明】
シールドされたカソードを有する電子ソース 発明の分野
本発明は，電子ビームソースに関し，特に，シールドが広範囲カソードの前方
に配置されるところの電子ソースに関する。
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，VL
SIテストツール，及びマスク形成及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及び電子を電子ビームへ加速するための及び電子をターゲッ
ト上で集束させるための電子光学素子を含む。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要求する。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。
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。該
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，概してガリウムヒ素のようなIII-Ｖ族化合物の半導体を
含む。該半導体表面は，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層の単分子層厚の活
性化層で被覆される。R.L.BellによるNegative Electron Affinity Devices,Cla
rendon Press,New York,1973に記載されるように，電子が表面の拡散長内（典型
的に２，３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。
動作中，直径の小さい光ビームはカソードの活性領域を照らし，電子を放出さ
せる。典型的に高輝度電子ソースは，カソード上に小さい活性放出領域を与える
ことによって達成される。活性放出領域はしばしばカソードの放出表面の全領域
と比較して小さい。電子が比較的大きい領域のカソードの比較的小さい活性領域
から放出されるところの，このタイプのカソードはここでは広範囲カソードと呼
ばれる。
多くの場合，広範囲カソードは汚染に対して非常に敏感でありかつ電子ビーム
ソース内の多くの汚染源に晒されるとき制限された寿命のみを与える。電子ビー
ム装置内のカソードの交換はしばしば長く危険な処理のため，カソードのより長
い時間間隔は重要な技術的利点を表す。
高真空若しくは超高真空装置内で，カソードの汚染はいくつかのソースから生
じ，それは，(1)装置の表面からのガスの脱離及び装置内の物体の内側からのガ
スの拡散から成る通常のガス抜き，(2)表面をたたく電子によってイオンとして
及び中性粒子としての両方でガスが開放されるところの電子刺激脱離，及び(3)
より貧弱な真空レベルにおいて装置の部品からのガスの逆流を含む。電子ビーム
カラム内でこれらの３つのソースの全てはカソードを汚染するガスを製造する。
電子は放出領域からカラムへ通過しなければならないため，カソードの放出ソー
スは汚染のソースから物理的に完全にシールドされることはできない。ほとんど
のイオンがカソードに達するのをブロックする電場を作ることは可能である。ま
た，カソードと中性汚染物のほと
んどのソースとの間のライン・オブ・サイト(line-of-sight)を除去するべく電
子ビームカラム内でセクター磁石を使用することも可能である。しかし，両方の
アプローチで，特にセクター磁石はかなり複雑でありかつ装置に対して高価であ
る。
さらに，NEAフォトカソードに伴う問題は典型的にフォトカソード表面を活性
化するのに使用されるセシウムに関連する。カソードから電子ビームカラムの他
の部品へ移動するセシウムは，絶縁体の電気的破壊を容易にし，かつほとんどす
べての材料の仕事関数を下げ，それによって異なる電圧での両電極間で真空電気
的破壊の危険を増加させる。
従来の電子ビームカラムはカソードを直接的に覆うかなり大きな開口部を有す
る陽極を利用していた。しかし，印加される電圧及び印加されうる最大電場上の
制限のために，陽極とカソードとの距離はカラムからカソードをほとんどシール
ドしないことが有効であるような距離であり，あらゆる場合において，カソード
はアーク，イオン，イオンから放出されたガス，暗電流及び迷光により放出され
た電子から保護されない。
さらに，あらゆるセシウム若しくは他の活性材料はカソード表面の回りの領域内
に含まれず，絶縁体が保護されない。
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4,8
20,927号に開示されている。開示された電子ソース内で，陽極はカソードの上に
向けて配置され，その結果強い正電場がカソードの非放出領域に印加される。非
放出領域は仮想的に放出領域と同じ汚染に晒される。フォトカソードを利用する
電子ビームソースは，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，1990年11月13日に発行されたOettingerらによる米国特許第4,970,
392号，1991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，及び
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内で，カソードの放出及び非放出領域は汚染に晒され，
及び絶縁体及び電極表面のような電子ビームソースの機器はカソード材料によっ
て汚染され得る。これらの問題及び欠点が解決されるところの電子ビームソース
を与えることが所望される。
発明の概要
本発明にしたがって，電子ビームソースは，電子の放出用の活性領域を含む電
子放出面を有する広範囲カソード及び，カソードの電子放出表面に近接配置され
た導体シールドから成るカソードシールド組立体から成る。シールドは活性領域
と一列をなす開口部を有する。さらに，電子ビームソースはカソードの活性領域
から電子の放出を刺激するための手段，カソードの活性領域から電子ビーム内へ
放出される電子を形成するための電子光学素子，及び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から成る。
シールドは放出表面の非放出領域を汚染から保護する。加えて，該シールドは
カソード材料が電子ビームソースの機器を汚染することを抑制する。
一つの実施例において，該シールドはカソードのポテンシャルにほぼ等しいポ
テンシャルで付勢されている。他の実施例において，該シールドはカソードのポ
テンシャルより負のポテンシャルで付勢されている。
好適にカソードは，光透過基板上に形成された負の電子親和力のフォトカソー
ドから成る。この場合，刺激するための手段は，光透過基板を通じて光ビームを
フォトカソードの活性領域に方向付けるための光ビームジェネレータから成る。
本発明の特徴に従い，さらに電子ビームソースは，開口部と新しい活性領域が
一列をなすようにシールド内で開口部に関してカソードを移動するための手段を
含む。活性領域が汚染されるかさもなければ性能が低下するとき，カソードは一
度もしくはそれ以上の回数移動させられる。結果として，カソードの寿命は延長
される。
本発明の他の特徴にしたがって，シールド組立体はカソードに面したシールド
の面上にゲッター材料(getter material)を含む。該ゲッター材料はセシウム，
ジルコニウムマトリクス非蒸発性ゲッター，チタニウム及びそれらの組み合わせ
から成るグループから選択される。
本発明のさらに他の特徴にしたがって，シールド組
立体は活性材料をカソードの電子放出面に与えるための活性材料のソースを含む
。活性材料のソースはセシウムソースから成っても良い。
図面の簡単な説明
本発明をより理解するために，ここに参考として以下の図面が添付されている
。
図１は，本発明に従う電子ビーム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２は，図１の電子ビームソース内のフォトカソードの部分断面図である。
図３は，本発明に従うシールドを組み込む電子ビームソースの一例の断面略示
図である。
図４は，本発明に従うシールドを組み込む電子ビームソースの実施例の単純化
された断面図である。
図５は，発明の他の実施例を示すカソード及びシールドを表す略示図である。
詳細な説明
本発明に従う電子ビームソースを利用する電子ビーム装置の実施例のブロック
図が図１に示されている。フォトカソード10が光透過基板12の表面上に配置され
ている。基板12及びフォトカソード10の部分的拡大図が図２に示されている。フ
ォトカソード10は動作中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
されている。真空エンクロージャ14は以下に説明されるように，光ビームの透過
用の真空窓16を含む。択一的構成において，光透過基板12は真空エンクロージャ
壁の一部を形成する。光ビームジェネレータ20は真空窓16及び基板12を通じて光
ビームをフォトカソード10の活性放出領域26（図２参照）へ向ける。光ビーム22
によってフォトカソード10の活性放出領域26は，真空エンクロージャ14によって
画成される真空領域内へ電子を放出する。電子は電子光学素子32によって電子ビ
ーム30へ成形される。
フォトカソード10の活性放出領域26は高輝度を達成するためにフォトカソード
10の表面と平行な小さい寸法dを有する。典型的に，活性領域26は大体円形であ
るが，円形に限定されない。例えば，活性領域26は線の形状でも良く，その場合
線の幅が上記寸法dを有する。付加的に，活性領域はフォトカソード10上の所定
の模様から成ることもできる。フォトカソード10は図２に
示され上述されたような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つ若しくはそれ以上の活性放出領域26を有することもできる。活性
放出領域は電子が放出されるところのフォトカソードの領域であるが，放出面は
放出領域及び非放出領域を含む。典型的に，フォトカソード10は活性放出領域26
と比較して大きい電子放出領域を有する。したがって，非放出領域に対する放出
領域の比は小さい。
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。第１のアプロ
ーチにおいて，活性放出領域は，光ビーム22によって画成され，及びそれの直接
的結果である。典型的に，活性領域26の寸法dは光ビーム22の断面直径にほぼ等
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
ため光ビーム22よりいくらか大きい。このアプローチにおいて，光ビーム22の移
動によって活性領域26はフォトカソード10に対して移動する。
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
よって予め定められる。例えば，フォトカソード10はアルミニウムのような薄い
ブロック層で被膜され，活性領域26を画成する少なくとも一つの開口部を有する
。変形的アプローチにおいて，フォトカソード10は，ひとつ若しくはそれ以上の
活性領域を除きその表面領域に渡ってイオン注入に晒される。該イオン注入はフ
ォトカソード材料内に欠点を生成し，それは電子エミッタとしての効果を減少さ
せる。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
出は光ビーム22によって生じる。しかし，活性領域26はフォトカソード10に関す
る位置に固定される。付加的に，活性領域26が表面修正によって画成されるため
，光ビーム22は活性領域26と同じぐらい小さいように要求されない。活性放出領
域の模様は表面修正によって予め定められる。一つ若しくはそれ以上のパターン
化された活性放出領域は，活性領域へ光ビームを方向付けることによって電子を
放出するよう刺激される。さらに，光ビームは，活性領域が汚染させるかさもな
ければ性能が低下するに従い，異なる活性放出領域へ続けて方向付けられる。
フォトカソード10は負の電子親和力のフォトカソードであってもよい。該フォ
トカソードはしばしばガリ
ウム砒素のようなIII-Ｖ族化合物であって，フェルミレベルに関して伝導帯を上
げるために，亜鉛，マグネシウム若しくは炭素のような材料で高濃度pドープ（1
-5×1019）された半導体から成る。洗浄された半導体面は２，３の単一層厚の活
性層を形成するべくセシウム及び酸素に晒される。活性化層は仕事関数を減少さ
せ，その結果バルクの伝導帯が真空レベルより上であり負の電子親和力の状態で
ある。電子が表面の拡散長（典型的に２，３マイクロメートル）内で価電子帯か
ら伝導帯へ励起されるとき，多くの電子が表面で拡散し，そこでそれらは表面か
ら真空へ逃げる高い確率を有する。
概して，フォトカソードは上で特定された負の電子親和力条件に一致するあら
ゆる材料である。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，アルミニウム及びインジウムのようなIII族材料並びにリン，砒素及び窒
素のようなＶ族の材料の化合物が使用される。他の適当なNEA材料はダイヤモン
ド，炭化シリコン，窒化アルミニウム及びｐ窒化ガリウムを含む。いくつかのNE
A材料は活性層を要求しな
い。変形的に，活性層はセシウムのみ若しくはセシウム及び窒素の三窒化物に晒
されることによって形成される。他にポテンシャル的に低い仕事関数材料を使用
してもよい。フォトカソード10は好適にはフォトカソード内の電子の横方向の広
がりを制限するために非常に薄く，それは活性領域26の寸法を増加させる。カソ
ード10の好適厚さは約１マイクロメーター若しくはそれ以下である。
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作るバ
ンドギャップ傾斜を含む。概してバンドギャップ傾斜はAntypasらにより1971年1
2月28日に発行された米国特許第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内の密度傾斜によって生成される。例えば，
アルミニウムガリウム砒化物フォトカソードはその厚さを通じてアルミニウムの
変化する密度を有する。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に方向付けること及びフォトカソード材料内の電子の横方
向への移動を制限することである。示されるように，電子の横方向の移動はフォ
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にある。
適当なフォトカソード10の実施例が図２に示されている。非反射被膜40は光透
過性基板12の表面に固定される。実質的に基板12は波長若しくは光ビーム22の波
長に対して透明でなければならない。好適基板はガラスである。非反射被膜は，
基板ガラスとカソード構造との間のインターフェースにおいて照明光の反射を最
小にするべく選択された厚さ及び屈折率を有する材料のひとつもしくはそれ以上
の層から作られている。適当な非反射被膜は励起波長の４分の１の厚さを有する
シリコン窒化物及びシリコンオキシ窒化物を含む。フォトカソード10は非反射被
膜40上の拡散ブロック層42と，それに続く表面活性層46を有する活性層44を含む
。好適実施例において，拡散ブロック層42は典型的にほぼ400オングストローム
から２〜３マイクロメーターの厚さを有するAlGaAs若しくはAlGaAsP層から成り
，それ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エネルギー
障壁を形成しながら照明波長において吸収を最小化する。活性層は約１マイク
ロメータ若しくはそれ以下の厚さを有するGaAs，GaAsAl，若しくはInGaAsPから
成り，活性層46は２〜３の原子層厚であるCsxOyから成る。
フォトカソードは超高真空で維持されるため，活性層は汚染されず，また妥当
な時間間隔の間元のままを維持する。活性層の汚染はカソードの仕事関数を低下
させる効果を減少させ，負電子親和力の状態をかなり減少させもしくは消去する
。負電子親和力フォトカソードとの関連で議論された真空レベルは，カソードの
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
フォトカソード内の電子は逃げることができず表面にトラップされ，そこでそれ
は表面にトラップされた電子密度に貢献する。
光ビームジェネレータ20は所望の波長及び強度の光を生成するための光源50及
び，フォトカソード10の表面に小さい直径ビームへ光を集束させるための光学素
子52を含む。光源50はレーザー若しくは広帯域光源から成る。広帯域光源は，所
望の波長若しくは波長の範囲の光を生成するために適当な光学フィルタを含むこ
ともできる。III-Ｖ族で作られたフォトカソードに対し
て，典型的に波長は300〜800ナノメートルの範囲内にある。選択された波長は伝
導帯へ電子を励起させるためにフォトカソード材料の吸収帯及び，フォトカソー
ドの厚さに依存している。光源50のパワーレベルは比較的低い。典型的に，10ミ
リワット以下のパワーレベルはフォトカソード10の励起のために要求される。光
学素子52は光源50によって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ビーム22へ変換する。上記したように，好適には光
ビーム22の断面寸法は約20マイクロメートル以下である。この寸法は，フォトカ
ソード10の活性領域26上の最小の回折制限されたスポットサイズに対して，高い
開口率を使って，フォトカソード上のアパーチャのイメージを集束するために２
つ若しくはそれ以上のレンズの装置を使用して達成される。光学素子52は真空窓
16及び基板12の球面収差に対する補正を組み込むこともできる。球面及び他の収
差に対して完全に補正された光学装置に対する公称回折制限されたスポットサイ
ズは，直径＝波長／(2×NA)であり，ここでNAは開口率であり，それは集束が生
じるところの媒体の屈折
率掛けるビームの収束のセミアングルの正弦として定義される。好適な開口率は
少なくとも0.5である。
光ビーム22が基板12を通じてフォトカソード10の一方側に透過され，電子ビー
ム30がフォトカソード10の他方側から放出されるところの図１に示された透過構
成は非常に小さい活性領域を達成するのに有利である。特に，透過構成は，光学
素子の最終レンズがフォトカソード10の近くに配置されること及び大きな開口率
を有することを許し，したがって光ビーム22が非常に小さい直径を有することを
許す。
真空エンクロージャ14は，エンクロージャ14の内部を典型的に10-9トル以下の
超高真空で維持するために，適当なコンジットを通じて真空ポンプ56若しくは真
空ポンプの組み合わせへ結合される。典型的に，要求される真空レベルは10-10
〜10-11トルの範囲内にある。光ビーム22が通過する真空窓16は好適には非常に
低い光学収差を有する。真空窓16は平坦若しくは光学素子52からの光ビームをさ
らに集束させるためのレンズの形であってもよい。真空窓16は実質的に光ビーム
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内へ汚染物を移動する
速度を制限するための拡散制限アパーチャ58を含む。電子光学素子32は電子ビー
ム30を形成するために電極を適当に付勢する電源55へ結合された電極54a，54b及
び54cのような一つ若しくはそれ以上の電極を含むこともできる。
電子ビーム30はアパーチヤ58を通じてメイン電子ビームカラム60内へ通過する
。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処理体を
載置するためのステージ64及び電子光学素子66を含む。概して電子ビームカラム
は，アプリケーション用に真空を作るために，アプリケーションに対して適当な
プローブ内へ電子ビームを形成するために，被処理体を横切ってビームを走査す
るために，被処理体からばらまかれた電子若しくは他の粒子を集めるために，被
処理体及びアプリケーションに要求される他の機能を移動するために，必要なす
べての機器を組み込む。電子ビームカラムの設計及び組立用の技術は概して当業
者に周知である。
電子ビームソースは，基板12上のフォトカソード10
，光ビームジェネレータ20，真空エンクロージャ14及び電子光学素子32から成る
。電子ビームソースは以下に詳しく述べるカソードシールドも含む。電子ビーム
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）及びフォトカソ
ードの熱洗浄及び活性化のための活性化領域（図示せず）のような付加的な特徴
を含むことができる。
上記したように，電子放出用のフォトカソード10の活性領域26は光ビーム22そ
れ自身によって，若しくは一つ若しくはそれ以上の予め定義された活性領域を確
立するためにフォトカソード10の表面の修正によって確立される。活性電子放出
領域を制限するために表面修正を使用する基本理念はフォトカソードの表面若し
くは表面構造付近を変更することであり，その結果，電子は予め定義された領域
からのみ放出される。高分解能リソグラフイー技術を使用することによって，活
性領域は，活性領域を光ビームで画成することによって可能なものより非常に微
細な構造を有することができる。例えば，0.1マイクロメーターより小さい電子
の放出用の活性領域が組み立てられる。加えて，もし非
放出面上の材料が表面トラップされた電荷を集めかつ除去するのに有効であり，
それによって表面トラップされた電子によるカットオフの確率を減少させること
は有利である。
ひとつのアプローチは図２の点線で示された，フォトカソード10の表面上に付
着された若しくはその表面付近若しくは表面上の構造体内で成長する金属層70を
使用することである。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部を備える。金属層は覆われた領域からの放出をブロ
ックし，裸の半導体材料より効果的にトラップされた電荷を遠くに導く。他の半
導体若しくは半金属のような他の材料は，制限された活性領域からの物を除いて
電子の放出をブロックするために表面上に付着されるかまたは構造体内で成長す
る。活性放出領域を画成するためにオーミック接触が使用される。
電子を放出しないフォトカソード10の領域は材料の性質を変化させるためにイ
オン注入のような他の方法で処理されそれによって電子がこれらの領域から放出
されるのが防止される。イオン注入は非放出領域内に
高密度の欠点を生成し，それは電子放出を防止し及び処理領域内に入った表面に
トラップされた電子の再結合を早める。
本発明に従って，電子ビームソースはフォトカソードの電子放出面に近接して
配置されたシールドを備える。該シールドはフォトカソードの活性放出領域と一
列をなす開口部を有し，フォトカソードの放出面に対し離隔関係で配置される。
したがって，シールドは上記された汚染源からの汚染に対しフォトカソードの活
性放出領域以外のすべてを保護する。さらに，シールドによりカソード活性材料
のようなカソード材料が電子ビームカラムの機器を汚染することを防ぐ。好適に
は該シールドは，活性放出領域が放出表面の全領域の比較的小さい画分であると
ころの広範囲カソードとともに使用される。したがって，フォトカソード活性放
出領域が汚染されるか若しくは性能が劣化するとき，フォトカソードは新しい活
性放出領域を画成するために光ビーム及びシールドに関して移動される。カソー
ド移動は広範囲フォトカソードに対し複数回繰り返され，それによってフォトカ
ソードの寿命が延長され
る。
本発明に従うカソードシールド組立体を組み込む電子ビームソースの部分的断
面略示図が図３に示されている。広範囲NEAフォトカソード100は上記のように組
み立てられる。該フォトカソード100は活性放出領域104を有する電子放出面102
を含む。レーザービームのような光ビーム110は活性放出領域104に方向付けられ
，電子を放出する。電子は電子光学素子120によって電子ビーム112内で形成され
る。典型的に，フォトカソード100は図１及び２との関連で上述したように光透
過性基板122上に形成される。動作中，電子は活性放出領域104から放出されるが
，放出面102の残りの部分は放出しない。
シールド130は放出領域102に近接して配置される。好適には，シールド130は
少なくとも放出面102と同じ大きさの領域を有し，かつ活性放出領域104と一列を
なす開口部132を含む。開口部132は活性放出領域104と電子ビームカラムの残り
の部分との間に電子ビーム112用のライト・オブ・サイト(light-of-sight)通路
を与える。開口部132は少なくとも活性放出領域104と同じ大きさ
でなければ成らず，活性放出領域104より大きくてもよい。ひとつの実施例にお
いて，開口部132は1.5から30マイクロメーターの活性放出領域に対して約１mmの
直径を有する。好適には，シールド130は導体材料から組み立てられ，最も好適
には高真空で低い脱ガスによって特徴づけられる導体材料である。適当な材料の
例はモリブデン及びスチールを含む。典型的に，シールド130は放出面102と近接
して離隔されるが接触しない関係で放出面102と概して平行に配置される。一つ
の実施例において，該シールド130は放出面102から約0.5mm離隔されている。
シールド130はシールドにバイアス電圧を印加する電圧源138に電気的に結合さ
れている。好適には，該シールド130はフォトカソード100のポテンシャルにほぼ
等しいか若しくはフォトカソード100より負のポテンシャルでバイアスされる。
シールド130がフォトカソード100に関して負のポテンシャルを有するとき，スト
レイライト若しくはいわゆる暗電流放出により電子の放出は抑制される。したが
って，シールドとカソードとの間の真空領域において電子シミュレートされた脱
離が
避けられる。さらに，カソード上の正電場の不在は仮想的に正イオンがこれらの
領域内のカソードを打たないことを保証する。該シールドは，カソードをたたき
それを劣化させたイオンの衝撃を引きつけかつ吸収する。
シールド130は電子ビームカラム内のソースによって生成された汚染物質を活
性放出領域104を除く放出領域102に達するのを抑制する。したがって，ほとんど
の放出面102は汚染されずに残り，活性放出領域104が汚染され若しくは性能が劣
化する後の時間に電子の放出用に使用されてもよい。好適実施例において，フォ
トカソード100は移動装置150に機械的に結合されている。例えば，移動装置150
は，調節ネジ若しくは真空エンクロージャの外部に設置された他の機構へ真空ベ
ローズを通じて結合された軸を含む。択一的に，移動装置150は電気的に作用さ
れる配置装置である。活性放出領域104が汚染若しくは他の理由により性能が劣
化するとき，移動装置150はシールド130内の開口部132に関してかつ光ビーム110
に関してフォトカソード100を移動するために使用される。これによって放出表
面102の新し
い領域が活性放出領域になる。この処理は，フォトカソード100の放出面102が効
果的に使用されるまで，複数回繰り返される。この手続は，従来技術のフォトカ
ソードに比べフォトカソード100の使用寿命を大きく増加させた。放出面102は活
性放出領域を除いて汚染から保護されるため，新しい活性放出領域を使用するべ
くフォトカソードを移動する手続が可能である。
シールド130の他の利点は，フォトカソードに典型的に使用されてる活性材料
に関する。典型的な活性材料はセシウムである。上記したように，セシウムがフ
ォトカソードから逃げかつ電子ビームカラム内の絶縁体及び電極を汚染するとき
，アーキングの確率が増加する。シールド130は，フォトカソード100の細い放出
領域内でセシウム及び他の活性材料並びにカソードで製造された他のあらゆる汚
染物質を含み，電子ビームカラム内の機器の汚染を減少させる。
本発明にしたがって，多くの付加的で有利な特徴がカソードシールド組立体内
に組み込まれている。一つの実施例において，放出面102に面するシールド130の
表面152は，シールド130とフォトカソード100との間の
空間に達した汚染物質を吸収するためのゲッタリング(gettering)材料を組み込
むことができる。ゲッタリング材料の例として，セシウム，ジルコニウム・マト
リクス・非蒸発・ゲッター(NEG)及びチタンを含む。付加的に，フォトカソード
活性材料の一つまたはそれ以上のソースがシールド130上に載置されている。一
つの実施例において，通常セシウムチャネルとして周知のセシウムソース156及
び158がシールド130上に載置される。セシウムソースはセシウム原子をフォトカ
ソード100の放出面102の方へ方向付ける。加えて，シールド組立体はシールド13
0上の一つ若しくはそれ以上のヒーターワイヤーのようなヒーター，または冷却
溶媒の通過用のシールド130上のコンジットのような活性冷却を組み込むことも
できる。これらの特徴は，特定のアプリケーションに対して要求されるように，
別々に若しくは組み合わせて利用されることが理解できるであろう。
本発明に従うカソードシールド組立体を組み込む電子ビームソースの実施例が
図４に示されている。カソード200は光透過性基板202上に配置されている。光ビ
ーム206はフォトカソード200の活性放出領域208に方
向付けられ，電子を放出させる。放出された電子は電子光学素子216によって電
子ビーム210内に形成される。シールド220はフォトカソード200の放出面208に近
接して配置される。シールド220は活性放出領域208と一列をなす開口部222を有
する。図４の実施例において，シールド220はモリブデンから組み立てられ，か
つそこに載置されたセシウム源224及び226を有する。シールド220は電子ビーム
ソースの動作において有利な構造を有する。特に，シールド220はフラストコニ
カル(frustconical)形状である面224を含み，フォトカソード200の方へ内側に傾
斜している。開口部222を囲むシールド220の環状部230はフォトカソード200に実
際と同じぐらい近接配置されているがフォトカソード200に接触はしていない。
この構成は電子ビーム210上のシールド220のあらゆる電子光学的効果を最小化す
る。
本発明のカソードシールド組立体の他の実施例は図５に説明され，それはカソ
ード及びシールドの単純化された略示表現である。フォトカソード300は光透過
性基板302上に配置されている。光ビーム304はフォトカソード300の活性放出領
域306へ方向づけられる。シー
ルド310はフォトカソード300に近接配置されている。シールド310はフォトカソ
ード300の活性放出領域306の方向へ内側に傾斜した部分312を含む。傾斜した部
分312は薄い導体薄膜320で覆われている開口部を画成する。薄膜320は活性放出
領域316と一列をなすアパーチャ322を有する。該アパーチャ322は電子ビームカ
ラムへの電子ビーム324用の通路を与える。薄膜320はダメージを受けたり，異な
る直径のアパーチャが所望されるとき交換される。
図４内に示されたタイプの及び上記されたシールド組立体は電子ビームソース
内に組み込まれていた。１mmの直径の開口部を有するモリブデンシールドはNEA
フォトカソードに近接配置されていた。したがって，放出領域を含む直径１mmの
範囲はそれに印加される正電場を有し，電子ビームカラムからの汚染に晒されて
いた。シールド組立体は上記されたようにセシウムソース及びジルコニウム・マ
トリクス・NEAゲッターを含んでいた。該シールドはほぼ0.5mmだけフォトカソー
ドから離隔された。活性放出領域はレーザーエネルギーによって照らし出され，
約30ナノアンペアの電
子電流を電子ビームカラムに分配した。この装置におて，フォトカソードの動作
中に，放出は毎時約0.15％の速度で崩壊することがわかった。崩壊を経験した領
域はシールド内の開口部（直径1mm）を通じて晒される領域に制限された。この
領域の外側において，電子を放出するカソードの能力は減少しなかった。カソー
ドは，直径18mmのカソードに対してカソードの新規な領域からの放出を得るべく
，この実施例ではほぼ0.5mmの短い距離のみ移動されなければならないので，寿
命は500倍以上延長される。
本発明はここまでNEAフォトカソードとの関係で説明されてきた。しかし，本
発明のシールドはあらゆるカソードとともに利用され，フォトカソードに限定さ
れない。例えば，電子放出は適当な電圧の印加によって刺激される。概して，シ
ールドはカソード，典型的に広範囲カソードに近接配置される。このシールドは
カソードの活性放出領域と一列をなす開口部を有する。このシールドはカソード
の非放出領域を汚染から保護しかつカソード材料を含むので，その結果それらは
電子ビームカラムの他の機器の汚染から抑制され
る。カソード寿命は，活性領域からの放出が劣化されるとき開口部に関してカソ
ードを移動することによって非常に延長される。
本発明の好適実施例で考慮されることが示されかつ説明されてきたが，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及び修正が可能
であることは当業者には明白である。
【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項
【提出日】平成１０年１２月２２日（１９９８．１２．２２）
【補正内容】
請求の範囲
１．電子ビームソースであって，
電子の放出用の活性領域を含む電子放出面を有するカソードであって，前記放
出面は前記活性領域より大きな領域を有する，カソードと，
前記カソードの電子放出面に近接配置された導電シールドから成るカソードシ
ールド組立体であって，前記シールドは前記活性領域と一列をなす開口部を有す
る，カソードシールド組立体と，
前記カソードの前記活性領域から電子の放出を刺激する手段と，
前記カソードの前記活性領域から放出された電子を電子ビームに形成するため
の電子光学素子と，
高真空で前記カソードを維持するための真空エンクロージャと，
から成る電子ビームソース。
２．請求項１に記載の電子ビームソースであって前記カソードは光透過性基板上
の負の電子親和力フォトカソードから成り，前記刺激するための手段は光透過基
板を通過して前記フォトカソードの活性領域へ光ビームを方向づけるための光ビ
ームジェネレータから成る，ところの電子ビームソース。
３．請求項１に記載の電子ビームソースであって，前記シールドはモリブデン及
びスチールから成る集合から選択された材料から成る，ところの電子ビームソー
ス。
４．請求項１に記載の電子ビームソースであって，前記シールドは前記カソード
の電子放出面との関係で離隔されて載置されている，ところの電子ビームソース
。
５．請求項１に記載の電子ビームソースであって，前記シールド組立体は前記カ
ソードに面する前記シールドの表面上にゲッター材料を含む，ところの電子ビー
ムソース。
６．請求項５に記載の電子ビームソースであって，前記ゲッター材料はセシウム
，ジルコニウム・マトリクス・非蒸発ゲッター，チタン及びそれらの組み合わせ
から成る集合から選択される，ところの電子ビームソース。
７．請求項１に記載の電子ビームソースであって，前記シールド組立体は前記カ
ソードのポテンシャルとほぼ等しいポテンシャルで前記シールドを付勢するため
の手段を含む，ところの電子ビームソース。
８．請求項１に記載の電子ビームソースであって，前記シールド組立体は前記カ
ソードのポテンシャルより負のポテンシャルで前記シールドを付勢するための手
段を含む，ところの電子ビームソース。
９．請求項１に記載の電子ビームソースであって，前記シールド組立体は前記カ
ソードの電子放出面へ活性材料を与えるために活性材料のソースを含む，ところ
の電子ビームソース。
１０．請求項９に記載の電子ビームソースであって，前記活性材料のソースはセ
シウムソースから成る，ところの電子ビームソース。
１１．請求項１に記載の電子ビームソースであって，さらに新しい活性領域が開
口部と一列をなすように前記シールド内の開口部に関して前記カソードを移動す
るための手段を含む，電子ビームソース。
１２．請求項１に記載の電子ビームソースであって，
前記シールド組立体は前記シールド内の開口部を覆う導体薄膜を含み，前記薄膜
は前記活性領域と一列をなすアパーチャを有する，ところの電子ビームソース。
１３．請求項１に記載の電子ビームソースであって，前記シールド組立体は前記
シールドを加熱するための手段を含む，ところの電子ビームソース。
１４．請求項１に記載の電子ビームソースであって，前記シールド組立体は前記
シールドを冷却するための手段を含む，ところの電子ビームソース。
１５．電子ビームソースであって，
光透過性基板上の負の電子親和力のフォトカソードであり，前記フォトカソー
ドは伝導帯及びその一部として電子放出用の活性領域を含む電子放出面を有する
，フォトカソードと，
前記フォトカソードの電子放出面に近接配置されたシールドから成るカソード
シールド組立体であり，前記シールドは前記活性領域と実質的に直接に一列をな
す開口部を有する，カソードシールド組立体と，
前記フォトカソードの伝導帯へ電子を励起するために光ビームを前記光透過基
板を通過して前記フォトカ
ソードの活性領域へ方向づけるための光ビームジェネレータと，
前記フォトカソードの活性領域から放出された電子を電子ビームに形成する前
記フォトカソードの放出面と実質的に直角の方向へ放出された電子を加速するた
めの電子光学素子と，
前記フォトカソードの伝導帯内の電子が前記フォトカソードに隣接する真空エ
ンクロージャ内の電子より高いエネルギーを有するように，かつ前記フォトカソ
ードの活性領域から真空エンクロージャ内への放出の高い確率を有するように，
高真空において前記フォトカソードを維持するための真空エンクロージャと，か
ら成る電子ビームソース。
１６．請求項１５に記載の電子ビームソースであって，前記シールドはモリブデ
ン及びスチールから成る集合から選択された材料から成る，ところの電子ビーム
ソース。
１７．請求項１５に記載の電子ビームソースであって，前記シールド組立体は前
記フォトカソードに面する前記シールドの表面上にゲッター材料を含む，とこ
ろの電子ビームソース。
１８．請求項１７に記載の電子ビームソースであって，前記ゲッター材料はセシ
ウム，ジルコニウム・マトリクス・非蒸発ゲッター，チタン及びそれらの組み合
わせから成る集合から選択される，ところの電子ビームソース。
１９．請求項１５に記載の電子ビームソースであって，前記シールド組立体は前
記フォトカソードのポテンシャルとほぼ等しいポテンシャルで前記シールドを付
勢するための手段を含む，ところの電子ビームソース。
２０．請求項１５に記載の電子ビームソースであって，前記シールド組立体は前
記フォトカソードのポテンシャルより負のポテンシャルで前記シールドを付勢す
るための手段を含む，ところの電子ビームソース。
２１．請求項１５に記載の電子ビームソースであって，前記シールド組立体は前
記フォトカソードの電子放出面へ活性材料を与えるために活性材料のソースを含
む，ところの電子ビームソース。
２２．請求項２１に記載の電子ビームソースであっ
て，前記活性材料のソースはセシウムソースから成る，ところの電子ビームソー
ス。
２３．請求項１５に記載の電子ビームソースであって，さらに新しい活性領域が
開口部と一列をなすように前記シールド内の開口部に関して前記カソードを移動
するための移動手段を含む，電子ビームソース。
２４．請求項１５に記載の電子ビームソースであって，前記シールド組立体は前
記シールド内の開口部を覆う導体薄膜を含み，前記薄膜は前記活性領域と一列を
なすアパーチャを有する，ところの電子ビームソース。
２５．請求項１５に記載の電子ビームソースであって，前記シールド組立体は前
記シールドを加熱するための手段を含む，ところの電子ビームソース。
２６．請求項１５に記載の電子ビームソースであって，前記シールド組立体は前
記シールドを冷却するための手段を含む，ところの電子ビームソース。
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フロントページの続き
(72)発明者 シュナイダー，ジェームス，イー，ジュニ
ア
アメリカ合衆国オハイオ州45014，フェア
フィールド，グレゴリアン・ドライブ
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