JP2009170427A - Electron beam device - Google Patents

Electron beam device Download PDF

Info

Publication number
JP2009170427A
JP2009170427A JP2009024473A JP2009024473A JP2009170427A JP 2009170427 A JP2009170427 A JP 2009170427A JP 2009024473 A JP2009024473 A JP 2009024473A JP 2009024473 A JP2009024473 A JP 2009024473A JP 2009170427 A JP2009170427 A JP 2009170427A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
cathode
electron gun
luminance
dac
lens
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2009024473A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Mamoru Nakasuji
護 中筋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to JP2009024473A priority Critical patent/JP2009170427A/en
Publication of JP2009170427A publication Critical patent/JP2009170427A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a beam with high luminance exceeding a Langmuir limit and high emittance for achieving a multiple beam inspection device with high resolution and a high throughput. <P>SOLUTION: An electron gun includes a flat-face cathode, a drawer electrode or an anode, and a Wehnel electrode shaped like a portion of cone. An electron gun current Ie (mA) is set by a relation with a distance Dac (mm) between a cathode and anode in a range of: 0.388/Dac-0.046≤Ie≤92.8/Dac+9.28, Dac≥3 mm, or 0.388/Dac-0.046≤Ie≤22/Dac+32.7, Dac<3 mm. Alternatively, the electron gun current Ie (mA) is limited in a numerical value (a formula abbreviated) by a relation with a cathode radius. Of the relation between luminance B and cathode current density Jc, a simulation value 571 (dashed line) and an actual measurement value 572 match each other comparatively well, and the luminance exceeds a Langmuir limit 573. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、超高輝度が得られる電子銃に関し、またその様な電子銃を用い、表面にパターンが形成された試料の評価をするための電子線装置に関し、より詳細には、半導体製造各工程後等におけるウエハ等の試料に電子ビームを照射し、その表面の性状に応じて変化する二次電子等を捕捉して画像データを形成し、該画像データに基づいて試料表面に形成されたパターンの欠陥等を高スループットで評価するための電子線装置に関する。   The present invention relates to an electron gun capable of obtaining ultra-high brightness, and relates to an electron beam apparatus for evaluating a sample having a pattern formed on the surface using such an electron gun. An electron beam is irradiated to a sample such as a wafer after the process, etc., and secondary electrons that change according to the surface properties are captured to form image data, which is formed on the sample surface based on the image data. The present invention relates to an electron beam apparatus for evaluating pattern defects and the like with high throughput.

半導体製造プロセスにおいて、デザインルールは45nmの時代を迎えようとしており、また生産形態はDRAMに代表される少品種大量生産からSOC(Silicon on chip)のように多品種少量生産へ移行しつつある。それに伴い、製造工程数が増加し、工程毎の歩留まり向上は必須となり、プロセス起因の欠陥検査が重要になる。
そして、半導体デバイスの高集積化及びパターンの微細化に伴い、高分解能、高スループットの検査装置が要求されている。45nmデザインルールのウエハの欠陥を調べるためには、40nm以下の分解能が必要であり、デバイスの高集積化による製造工程の増加により、検査量が増大するため、高スループットが要求されている。また、デバイスの多層化が進むにつれて、層間の配線をつなぐビアのコンタクト不良(電気的欠陥)を検出する機能も、検査装置に要求されている。
このような状況において、1本の光軸の近傍に複数のビームを形成し高スループット化する装置が検討されている。(Mamoru Nakasuji etal, Jpn. J,Appl.,Phys.,Vol 44,No.7B 2005,P5570)この様なマルチビーム装置では高輝度は勿論、高エミッタンスの電子銃が要求される。
ERL放射光源の入射用に用いる電子源では、超高輝度で大ビーム電流の電子銃が要求される。(西谷他、第53回応用物理学関連講演会講演予講習No2, 2006 春p798)
電子銃の輝度に関しては、Langmuir限界と呼ばれる最高値があると、従来から信じられていた。それは、次式で示される値であった。
カソード電流密度をJc,とすると、得られる最大電流密度Jmax は、
Jmax = Jc(1+eφ/kT)sin2α (1)
最大輝度Bmaxは、
Bmax = Jmax/πsin2α = Jc(1+eφ/kT)/π (2)
例えば、Jc =10A/cm2, φ=4500Vでは、e=1.6x10-19, k =1.38x10-23
を(2)式に代入すると、Bmax =9.23x104 A/cm2sr となる。
しかし、これらの式は、電子銃が光学モデルに合うと仮定して得られる式で、光学モデルから外れている場合は、このような限界の有無は不明である。言い方を変えれば、このような値より遙かに大きい輝度をうるには、光学モデルから著しくはずれた電子ビームを作れば、得られる可能性がある。
In the semiconductor manufacturing process, the design rule is about to reach 45 nm, and the production form is shifting from small-quantity mass production represented by DRAM to high-variety small-quantity production such as SOC (Silicon on chip). Along with this, the number of manufacturing processes increases, and it is essential to improve the yield for each process, and defect inspection due to the process becomes important.
Along with the high integration of semiconductor devices and the miniaturization of patterns, high resolution and high throughput inspection apparatuses are required. In order to examine defects in wafers having a 45 nm design rule, a resolution of 40 nm or less is required, and the amount of inspection increases due to an increase in manufacturing process due to high integration of devices, so high throughput is required. In addition, as the number of devices increases, the inspection apparatus is also required to have a function of detecting a contact failure (electrical defect) of a via that connects wirings between layers.
In such a situation, an apparatus for forming a plurality of beams in the vicinity of one optical axis and increasing the throughput has been studied. (Mamoru Nakasuji et al, Jpn. J, Appl., Phys., Vol 44, No. 7B 2005, P5570) Such a multi-beam apparatus requires an electron gun with high emittance as well as high luminance.
The electron source used for the incidence of the ERL radiation source requires an electron gun with an extremely high brightness and a large beam current. (Nishitani et al., 53rd Applied Physics Related Lecture Preliminary Lecture No2, 2006 Spring p798)
With regard to the brightness of the electron gun, it was traditionally believed that there was a maximum value called the Langmuir limit. It was a value indicated by the following formula.
If the cathode current density is Jc, the maximum current density Jmax obtained is
Jmax = Jc (1 + eφ / kT) sin 2 α (1)
Maximum brightness Bmax is
Bmax = Jmax / πsin 2 α = Jc (1 + eφ / kT) / π (2)
For example, when Jc = 10 A / cm 2 and φ = 4500 V, e = 1.6 × 10 −19 , k = 1.38 × 10 −23
Is substituted into equation (2), Bmax = 9.23 × 10 4 A / cm 2 sr.
However, these equations are obtained on the assumption that the electron gun matches the optical model, and if it is out of the optical model, the existence of such a limit is unknown. In other words, in order to obtain a brightness much higher than such a value, an electron beam that deviates significantly from the optical model may be obtained.

上記した従来装置における電子銃は、カソード表面に高電界がかかる様曲率半径の小さい凸型の球面形状を有するカソードと平面アノード、平面ウエーネルト電極を有する3電極電子銃が主流であった。しかしながら、この様な電子銃の輝度は限界があり、所望の輝度より遥かに小さいという問題があった。
更に、これに関し曲率半径25〜40μRの球面カソードと平面アノード及び平面ウエーネルト電極を有する3電極電子銃で、Langmuir限界を超えるシムレーション結果が提案されている。(特開2003−2977272、特開2004−22235、特開2003−323860)しかしこのような電子銃では、カソード寸法が小さいので、少しの組み立て精度の悪さ等で、シムレーション結果の性能が、実際には得られていない問題があった。
As the electron gun in the above-described conventional apparatus, a three-electrode electron gun having a convex spherical surface with a small curvature radius, a flat anode, and a flat Wehnelt electrode, in which a high electric field is applied to the cathode surface, has been mainstream. However, the brightness of such an electron gun is limited, and there is a problem that it is much smaller than the desired brightness.
Further, a simulation result exceeding the Langmuir limit has been proposed for a three-electrode electron gun having a spherical cathode with a curvature radius of 25 to 40 μR, a planar anode and a planar Wehnelt electrode. (JP 2003-2977272, JP 2004-22235, JP 2003-323860) However, in such an electron gun, the cathode dimensions are small. Had a problem that was not obtained.

また、従来のタイプの電子銃ではカソードの近辺で電流密度が高いため、カソード付近でビームエネルギーの小さい時に電子同士が相互作用を起こしエネルギー幅が拡がる問題点があった。本発明は上記問題点を解決するためのもので、Langmuir限界を超える輝度を確実に得られる電子銃を提供し、更にマルチビーム発生に適し、エネルギー幅の小さい電子銃を提供する事を目的とし、さらに本発明で得られる電子銃の性能を充分生かせるマルチビームの電子光学系を提供することも目的とする。   Further, the conventional type electron gun has a problem that the current density is high in the vicinity of the cathode, so that when the beam energy is small in the vicinity of the cathode, electrons interact with each other and the energy width is widened. An object of the present invention is to solve the above-described problems, and to provide an electron gun that can reliably obtain luminance exceeding the Langmuir limit, and to provide an electron gun that is suitable for multi-beam generation and has a small energy width. It is another object of the present invention to provide a multi-beam electron optical system that can fully utilize the performance of the electron gun obtained in the present invention.

上記した目的を達成するために、本発明に係る電子線装置においては、円形平面のカソード、凸面の形状を有する引出し電極又はアノード、円錐の一部の形状のウエーネルト電極を有する電子銃とし、電子銃電流を
0.388/Dac -0.046 ≦ Ie ≦ 92.8/Dac + 9.28、 Dac≧3mm, あるいは
0.388/Dac - 0.046 ≦ Ie ≦22/Dac + 32.7、 Dac <3mm. の範囲内の値にする様にした。さらに、上記の手段において、上記カソード半径は、20μm〜500μmの範囲とした。
In order to achieve the above-described object, in the electron beam apparatus according to the present invention, an electron gun having a circular flat cathode, an extraction electrode or anode having a convex shape, and a Wehnelt electrode having a partial cone shape is used. Gun current
0.388 / Dac -0.046 ≤ Ie ≤ 92.8 / Dac + 9.28, Dac ≥ 3 mm, or
0.388 / Dac-0.046 ≤ Ie ≤ 22 / Dac + 32.7, Dac <3 mm. Further, in the above means, the cathode radius is in the range of 20 μm to 500 μm.

また、負の電子親和力を有する光陰極のカソード、平面の一部の形状を有する引出し電極又はアノード、及び円錐台形状のウエーネルト電極を有し、カソード電流をmA, カソード半径Rcをμmとした時、カソード電流を,
0.5+0.0098Rc<カソード電流<2.3+0.026Rc の範囲内の値にした。
更に上記手段において、カソード曲率半径を1.5mm以上の凹面、凸面あるいは平面とした。
In addition, when it has a cathode of a photocathode having a negative electron affinity, an extraction electrode or an anode having a part of a plane shape, and a Wehnelt electrode having a truncated cone shape, when the cathode current is mA and the cathode radius Rc is μm Cathode current,
The value was within the range of 0.5 + 0.0098Rc <cathode current <2.3 + 0.026Rc.
Further, in the above means, the cathode curvature radius is a concave surface, a convex surface or a flat surface of 1.5 mm or more.

更に、円形のカソード、平面の一部の形状を有する引出し電極又はアノード、及び円錐台形状のウエーネルト電極を有し、上記アノードとカソード間に形成される電界強度を1.6〜5.53kV/mmの範囲内とした。   Furthermore, it has a circular cathode, an extraction electrode or anode having a shape of a part of a plane, and a frustoconical Wehnelt electrode, and the electric field strength formed between the anode and the cathode is in the range of 1.6 to 5.53 kV / mm. It was inside.

さらに、円形のカソード、平面の一部の形状を有する引出し電極又はアノード、及び円錐台形状のウエーネルト電極を有し、上記カソード直径を、20μm〜500μmの範囲とし、カソードとアノード間距離を0.8〜3mmの範囲とした。   Furthermore, it has a circular cathode, an extraction electrode or anode having a shape of a part of a plane, and a frustoconical Wehnelt electrode, the cathode diameter is in the range of 20 μm to 500 μm, and the distance between the cathode and anode is 0.8 to The range was 3 mm.

円形のカソード、平面の一部の形状を有する引出し電極又はアノード、及び円錐台形状のウエーネルト電極を有し、上記円錐台形状のウエーネルト電極とビーム外周との角度は、69.4〜93.2度にした。ただし、ビーム外周はカソード外周とアノード位置での光軸とを結んだ円錐で近似した。   It has a circular cathode, an extraction electrode or anode having a shape of a part of a plane, and a frustoconical Wehnelt electrode, and the angle between the frustoconical Wehnelt electrode and the beam periphery is 69.4 to 93.2 degrees did. However, the beam periphery was approximated by a cone connecting the cathode periphery and the optical axis at the anode position.

光陰極のカソード、ウエーネルト電極、引き出し電極又はアノード電極を有し、上記カソードから放出させた電子線が、カソードから引き出し電極間はそのビーム径を単調に減少させ、引き出し電極の後方で最小ビーム径を形成するよう制御するようにした。
さらに、上記手段において、上記カソード直径は、40μm〜1000μmの範囲とした。
また、上記第1の手段の電子銃の後方にレンズを設け、該レンズの励磁あるいは励起電圧を調整して、電子銃輝度を調整するようにした。
It has a photocathode cathode, Wehnelt electrode, extraction electrode or anode electrode, and the electron beam emitted from the cathode monotonously decreases the beam diameter between the cathode and the extraction electrode, and the minimum beam diameter behind the extraction electrode Was controlled to form.
Further, in the above means, the cathode diameter is in the range of 40 μm to 1000 μm.
Further, a lens is provided behind the electron gun of the first means, and the excitation or excitation voltage of the lens is adjusted to adjust the brightness of the electron gun.

更に、光陰極のカソード、ウエーネルト電極、引き出し電極又はアノード電極を有し、カソード電流Ie を
0.5+0.0098Rc > Ie > 2.4+0.026Rc
とした。なお、この手段において上記カソード半径は20〜500μmの範囲とした。
Furthermore, it has a cathode of cathode, Wehnelt electrode, extraction electrode or anode electrode, and cathode current Ie
0.5 + 0.0098Rc>Ie> 2.4 + 0.026Rc
It was. In this means, the cathode radius was in the range of 20 to 500 μm.

更に、光陰極のカソード、ウエーネルト電極、引き出し電極又はアノード電極を有し、カソード電流Ie を
Ie > 1.4+0.019Rc
とした。なお、上記第1の手段において上記カソードとアノード間にかかる電界強度は、1.6kV/mm 以上とした。
Furthermore, it has a cathode of cathode, Wehnelt electrode, extraction electrode or anode electrode, and cathode current Ie
Ie> 1.4 + 0.019Rc
It was. Note that the electric field strength applied between the cathode and the anode in the first means was 1.6 kV / mm or more.

更に、円形平面の光電子放出カソード、ウエーネルト電極、平面の形状を有する引出し電極又はアノード、円錐の一部の形状のウエーネルト電極を有する電子銃とし、電子銃電流をカソード半径から決まる所定値流す様にした。また、上記手段の電子銃の後方にレンズを設け、該レンズの励磁あるいは励起電圧を調整して、電子銃輝度を調整するようにした。   Furthermore, the electron gun has a circular plane photoelectron emission cathode, Wehnelt electrode, a planar extraction electrode or anode, and a cone-shaped Wehnelt electrode so that the electron gun current flows at a predetermined value determined by the cathode radius. did. Further, a lens is provided behind the electron gun of the above means, and the excitation or excitation voltage of the lens is adjusted to adjust the electron gun brightness.

また、上記第1の手段の電子銃から放出された電子線で開口を照射しその開口で整形された電子線で試料面を走査し、走査点から放出された2次電子を検出し、試料面の情報を得るようにした。
更に、上記最後の手段において上記電子銃と開口間に2段のコンデンサーレンズを設け、第1コンデンサーレンズと開口間にクロスオーバを形成しないで上記開口を照射する電流密度を調整するようにした。
Further, the aperture is irradiated with the electron beam emitted from the electron gun of the first means, the sample surface is scanned with the electron beam shaped by the aperture, the secondary electrons emitted from the scanning point are detected, and the sample is detected. The information of the face was obtained.
Further, in the last means, a two-stage condenser lens is provided between the electron gun and the opening, and the current density for irradiating the opening is adjusted without forming a crossover between the first condenser lens and the opening.

また、プランクの常数をh、照射レーザー波長をν、カソードの仕事関数をeφとしたとき、カソード励起レーザー波長はhν= eφで決まる限界波長の±20%以内の波長を用いた。
更に、カソードを冷却し、カソード励起レーザー波長はhν= eφで決まる限界波長の0〜−10%以内の波長を用いるようにした。
さらに、光陰極のカソード、平面の一部の形状を有する引出し電極又はアノード、及び円錐台形状のウエーネルト電極を有し、カソード電流をmA, カソード半径Rcをμmとした時、カソード電流を 0.0107Rc<カソード電流<0.06Rc の範囲内の値にした。
When the Planck constant is h, the irradiation laser wavelength is ν, and the work function of the cathode is eφ, the cathode excitation laser wavelength is within ± 20% of the limit wavelength determined by hν = eφ.
Further, the cathode was cooled, and the wavelength of the cathode excitation laser was used within the range of 0 to −10% of the limit wavelength determined by hν = eφ.
Furthermore, it has a cathode of a photocathode, an extraction electrode or anode having a shape of a part of a plane, and a frustoconical Wehnelt electrode. When the cathode current is mA and the cathode radius Rc is μm, the cathode current is 0.0107 Rc. <Cathode current <0.06 Rc.

また、カソード電流:Ieを
0.0062Rc -0.0487 ≦ Ie ≦ 0.101Rc + 4.73 Rc≧ 0.3mm, あるいは
0.0062Rc - 0.0487 ≦ Ie ≦0.0266Rc -0.225 Rc < 0.3mm. の範囲内の値にした。さらに、
電子銃電流:Ieを
0.204/Dac - 0.0086 ≦ Ie ≦40/Dac - 2.24 の範囲内の値にした。
Also, cathode current: Ie
0.0062Rc -0.0487 ≤ Ie ≤ 0.101Rc + 4.73 Rc ≥ 0.3mm, or
The value was within the range of 0.0062Rc-0.0487 ≤ Ie ≤ 0.0266 Rc -0.225 Rc <0.3 mm. further,
Electron gun current: Ie
The value was within the range of 0.204 / Dac-0.0086 ≤ Ie ≤ 40 / Dac-2.24.

表1は、Langmuir 限界を超える輝度を得るのに用いた電子銃モデル例である。このようなモデルでMEBS社シュミレーションソフト“Source”を用いて、計算を行った。また、”sourcea”を行うための条件も表1の最後に記載した。表1、2で太字はパラメータとして変化させた箇所である。シミュレーション手順は、
・ ウエーネルト電圧をある値に設定し、”SourceV を実行するとカソード電流Ie が算出される。
・ “SourceA“を実行するとカソード電流密度Jc とクロスオーバ径Dco、クロスオーバ位置:Zco が算出される。
・ “SourceB”を実行すると輝度の放出角度依存性が出力される。軸上輝度Bと。輝度が軸上輝度の90%又は110%になる放出角を読み取り、該放出角と上記クロスオーバの積からエミッタンスが算出される。
Table 1 shows an example of an electron gun model used to obtain luminance exceeding the Langmuir limit. Calculations were performed using MEBS simulation software “Source” with such a model. The conditions for performing “sourcea” are also listed at the end of Table 1. In Tables 1 and 2, the bold letters are the parts changed as parameters. The simulation procedure is
・ When the Wehnelt voltage is set to a certain value and “SourceV” is executed, the cathode current Ie is calculated.
• When “SourceA” is executed, the cathode current density Jc, the crossover diameter Dco, and the crossover position: Zco are calculated.
・ When “SourceB” is executed, the emission angle dependency of luminance is output. With on-axis brightness B. The emission angle at which the luminance is 90% or 110% of the on-axis luminance is read, and the emittance is calculated from the product of the emission angle and the crossover.

図1は、本発明に係る電子銃の概念的断面モデル図である。形状は光軸4の回わりに回転対称形で、平面引き出し電極電子銃である。カソード1は電子線放出面が平面円板状で、LaB,CeB,W−ZrO等の低仕事関数材料あるいは光陰極である。ウエーネルト電極2は、円錐台の内面の一部の形状であるのは従来の電子銃と共通であるが、その位置と寸法は次の特徴がある。カソードの外周からアノード位置で光軸と交わる仮想的な円錐を仮定し、この円錐とθw度の角度差を有し、カソード外周と同じZ座標、R座標はカソード外周+100μm位置から始まる円錐2で示したウエーネルトを設けた。円錐7は近似的にビームの外周である。ビーム外周面はビーム電流を変えると変化するため仮想円錐は上記の様に定義した。ここでは上記ウエーネルト角:θwは90.5度とした。アノード電極のカソード側端5には放電を避けるため曲面にした。ビームが通る穴は光軸と平行な0.2mmRの穴とした。カソード1はウエーネルト2に対して組み込み前に大気中で軸あわせ可能の構造とし、これら2電極とアノードとは図示の無い電子銃外側に設けた微調整機構によってビームを見ながら軸調整を行えるようにした。 FIG. 1 is a conceptual cross-sectional model diagram of an electron gun according to the present invention. The shape is a rotationally symmetric shape around the optical axis 4 and is a planar extraction electrode electron gun. The cathode 1 is a flat disk-shaped electron beam emission surface, and is a low work function material such as LaB 6 , CeB 6 , W-ZrO, or a photocathode. The Wehnelt electrode 2 has a shape of a part of the inner surface of the truncated cone in common with the conventional electron gun, but its position and size have the following characteristics. Assuming a virtual cone that intersects the optical axis at the anode position from the outer circumference of the cathode, this cone has an angle difference of θw degrees, and the same Z coordinate and R coordinate as the cathode outer circumference are the cone 2 starting from the cathode outer circumference + 100 μm position. The indicated Wehnelt was provided. The cone 7 is approximately the outer circumference of the beam. Since the outer circumferential surface of the beam changes when the beam current is changed, the virtual cone is defined as described above. Here, the Wehnelt angle: θw was 90.5 degrees. The cathode side end 5 of the anode electrode was curved to avoid discharge. The hole through which the beam passes was a 0.2 mmR hole parallel to the optical axis. The cathode 1 is structured so that it can be aligned with the Wehnelt 2 in the atmosphere before being installed. The two electrodes and the anode can be adjusted while viewing the beam by a fine adjustment mechanism provided outside the electron gun (not shown). I made it.

図1のモデルでの電子銃で、カソード半径Rcを80、100、120、140, 160, 180, 200 μmRと変化させたシミュレーション結果を図2に示した。アノード電圧:4.5kV,カソード:0V, ウエーネルト電圧を変えて電子銃電流を変化させた。電子銃631、電流を変えて輝度を変化させた。図2で横軸は電子銃電流Ie(mA), 縦軸は輝度(x10A/cm2sr)、エミッタンス(μmmrad)、及びカソード電流密度Jc(A/cm2)である。図1で、カソードとアノード電極間距離:Dacは1.2mmである。
20はカソード半径80μm、21はカソード半径100μm、22は、カソード半径120μm、23はカソード半径140μm、24はカソード半径160μm、25はカソード半径180μm、26はカソード半径200μmの電子銃である。点線はエミッタンスであり、直線に近い実線はカソード電流密度であり、実線の曲線は輝度である。カソード半径に依存して変わるが、80μmRc以外の各電子銃は特定のIeで輝度が大きくなり、Langmuir限界値を遙かに超えた値が得られている。用いたシミュレーションはカソードでの電子の初期速度分布は無視した計算のため、輝度の絶対値はやや信頼性に欠けるが、初期エネルギー幅は計算に用いられているので相対値は真値に近いと考えられる。
100μmRcで6.4mA, 120μmRc で7.26mA, 140μmRc で8.4mA, 160μmRc で10.1mA, 180μmRc で12mA、200μmRc で12.8mAで高輝度が得られている。これらの電子銃電流は、従来の高輝度電子銃では、数100μA以下であったのに対して、本結果は、10倍以上の電子銃電流にしているのが特徴である。即ち電子銃電流を大きくすることによって、光学モデルからはずした条件にすることによって、Langmuir限界値を遙かに超えた値が得られたといえる。
100、120、及び140μmRcの電子銃ではIe を増加すると輝度は増加し、超高輝度になった直後、急減している。これに対して180μmRc と200μmRc では、電子銃電流Ieを上げていくと一度輝度が大幅に小さくなり、更にIeを上げると超高輝度が得られているのが見られる。従って180μmRc と200μmRc電子銃では、超高輝度条件を探すには、輝度が低下する条件を探し、その電子銃電流より少し大きい電子銃条件を調べればよい。
また、最大輝度が得られるカソード電流Iemaxとそのカソード半径Rcの比(Iemax/Rc)を算出すると、100、120、140,160、180、200μmRcで順に、0.064、0.0605、0.06、0.0631、0.066、0.064(mA/μm)が得られた。従って、カソード半径(μm)に0.0638を掛けた
値のカソード電流で、Langmuir限界値を遙かに超えた輝度が得られる。
FIG. 2 shows the simulation results when the cathode radius Rc is changed to 80, 100, 120, 140, 160, 180, and 200 μmR in the electron gun of the model of FIG. Anode voltage: 4.5 kV, cathode: 0 V, electron gun current was changed by changing the Wehnelt voltage. The brightness of the electron gun 631 was changed by changing the current. In FIG. 2, the horizontal axis represents the electron gun current Ie (mA), and the vertical axis represents the luminance (x10 5 A / cm 2 sr), emittance (μmmrad), and cathode current density Jc (A / cm 2 ). In FIG. 1, the distance between the cathode and the anode electrode: Dac is 1.2 mm.
20 is a cathode radius of 80 μm, 21 is a cathode radius of 100 μm, 22 is a cathode radius of 120 μm, 23 is a cathode radius of 140 μm, 24 is a cathode radius of 160 μm, 25 is a cathode radius of 180 μm, and 26 is an electron gun with a cathode radius of 200 μm. The dotted line is emittance, the solid line near the straight line is the cathode current density, and the solid curve is the luminance. Although it changes depending on the cathode radius, the brightness of each electron gun other than 80 μm Rc increases at a specific Ie, and a value far exceeding the Langmuir limit value is obtained. Since the simulation used ignores the initial velocity distribution of electrons at the cathode, the absolute value of luminance is somewhat unreliable, but the initial energy width is used in the calculation, so the relative value is close to the true value. Conceivable.
High luminance is obtained at 6.4 mA at 100 μm Rc, 7.26 mA at 120 μm Rc, 8.4 mA at 140 μm Rc, 10.1 mA at 160 μm Rc, 12 mA at 180 μm Rc, 12.8 mA at 200 μm Rc. While these electron gun currents are several hundred μA or less in the conventional high-intensity electron gun, this result is characterized in that the electron gun current is 10 times or more. That is, it can be said that a value far exceeding the Langmuir limit value was obtained by increasing the electron gun current and changing the condition from the optical model.
In the 100, 120, and 140 μm Rc electron guns, the luminance increases as Ie increases, and rapidly decreases immediately after the super high luminance is achieved. On the other hand, at 180 μm Rc and 200 μm Rc, it can be seen that once the electron gun current Ie is increased, the luminance is greatly reduced, and when Ie is further increased, ultra-high luminance is obtained. Therefore, in the 180 μm Rc and 200 μm Rc electron guns, in order to search for the ultra-high brightness condition, it is only necessary to search for the condition for decreasing the brightness and to check the electron gun condition slightly larger than the electron gun current.
Further, when the ratio (Iemax / Rc) of the cathode current Iemax and the cathode radius Rc at which the maximum luminance can be obtained is calculated, 0.064, 0.0605, 0.06, 0.0631, 0.066, 0.064 (in order of 100, 120, 140, 160, 180, 200 μm Rc). mA / μm) was obtained. Accordingly, a luminance far exceeding the Langmuir limit value can be obtained with a cathode current obtained by multiplying the cathode radius (μm) by 0.0638.

図3は図2から、輝度―エミッタンス曲線および輝度―カソード電流密度特性に変えたグラフである。右下がりの曲線は輝度―エミッタンス曲線で、ここでは図の右、あるいは上の曲線が高性能である。水平に近い実線のデータは、輝度―カソード電流密度特性であり、図の下の線が高性能である。31, 32, 33、34の各曲線はわずかに右上がりになっているのは、図2の輝度最大値より低電子銃電流側をグラフ化したからである。35,36の各曲線はわずかに右下がりになっているのは、図2の輝度最大値より高電子銃電流側をグラフ化したからである。30, 31、32、33、34、35, 36は順に80μmRc, 100μmRc, 120μmRc, 140μmRc, 160μmRc, 180μmRc, 及び200μmRcである。37はLangmuir限界値のJc依存性で、従来の理論では、37の右にはB-Jcの曲線は存在しない筈である。38は(輝度)x(エミッタンス) に比例する値で、この点線に平行な線が、輝度―エミッタンス特性で、より右上の動作点では、開口でビームを遮らない場合に得られる最大電流が見積もれる。34, 35, 36の曲線の傾斜は、38の傾斜より垂直に近いので同じ電子銃では、低輝度、高エミッタンス条件が大きいビーム電流が得られる。31, 32, 33曲線の傾斜は、38の傾斜より水平に近いので同じ電子銃では、高輝度、低エミッタンス条件が大きいビーム電流が得られる
この図で次のような事が言える。
1)平面カソード平面アノード電極電子銃は、100μmRcから200μmRcでLangmuir限界値を遙かに超える特性が得られる。
2)カソード半径が大きいほうが、小さいカソード電流密度でLangmuir限界値を超える高輝度が得られる。
3)80μRc では上記条件ではLangmuir限界値を超える高輝度は得られなかった。
4)超高輝度条件を探すには、カソード半径Rc(μm)とし、Rc x 0.0638 (mA)の電子銃電流を調べればよい。
3
図4は高輝度が得られなかった場合、図5は高輝度が得られる場合の電子軌道をカソード半径80μm電子銃で比較した例である。カソード1、ウエーネルト2、アノード3、光軸4は図1と同じである。42、43、44は、それぞれ0、100,4400Vの等電位線である。図4ではクロスオーバ41がカソードとアノード間に形成されている。図5では光軸に近い軌道40では、アノード電極を過ぎるまで、クロスオーバを作らず、層流モデルに近い軌道になっている。図4と図5の比較から、クロスオーバを作る光学モデルに近い電子軌道ではなく、層流モデルに近い電子軌道になる様電子銃条件を制御することが、超高輝度を得る1条件であると言える。
以上述べた様に、カソード半径に依存する所定の電子銃電流を流せば、超高輝度が得られることを示した。しかし、これらの電流は大きいので、より小さい電流でLangmuir限界値を超える高輝度が得られるかを調べた。図6は図1のモデルの後方に静電レンズを設けた場合である。3枚の電極61,62,63をもうけ、61,63にアノードと同電位、中央電極62に種々の電圧を与えて、シミュレーションを行った。図6のモデル例を表2に示した。”Sourcea”を実行するための.com データは表1のものと同じである。
FIG. 3 is a graph obtained by changing the luminance-emittance curve and luminance-cathode current density characteristics from FIG. The curve to the lower right is the luminance-emittance curve, where the right or upper curve in the figure is the high performance. The solid line data near the horizontal is the luminance-cathode current density characteristic, and the lower line in the figure shows the high performance. The curves 31, 32, 33, and 34 are slightly raised to the right because the lower electron gun current side is graphed from the maximum brightness value in FIG. The reason why each curve of 35 and 36 is slightly lower right is that the high electron gun current side is graphed from the maximum luminance value in FIG. 30, 31, 32, 33, 34, 35, and 36 are 80 μm Rc, 100 μm Rc, 120 μm Rc, 140 μm Rc, 160 μm Rc, 180 μm Rc, and 200 μm Rc in this order. 37 is the Jc dependence of the Langmuir limit, and according to conventional theory, there should be no B-Jc curve to the right of 37. 38 is a value proportional to (luminance) x (emittance) 2. The line parallel to this dotted line is the luminance-emittance characteristic. At the upper right operating point, the maximum current obtained when the beam is not blocked by the aperture is I can estimate. Since the slopes of the curves 34, 35, and 36 are closer to the vertical than the slope of 38, the same electron gun can provide a beam current with a low luminance and a high emittance condition. Since the slopes of curves 31, 32, and 33 are closer to the horizontal than slope of 38, the same electron gun can produce a beam current with high brightness and low emittance conditions.
1) A planar cathode planar anode electrode gun can obtain characteristics far exceeding the Langmuir limit value at 100 μm Rc to 200 μm Rc.
2) When the cathode radius is large, high luminance exceeding the Langmuir limit value can be obtained at a small cathode current density.
3) At 80 μRc, high luminance exceeding the Langmuir limit value was not obtained under the above conditions.
4) To search for ultra-high brightness conditions, the cathode radius Rc (μm) should be used, and the electron gun current of Rc x 0.0638 (mA) should be examined.
Three
FIG. 4 shows an example in which high brightness is not obtained, and FIG. 5 is an example in which electron trajectories when high brightness is obtained are compared with an electron gun having a cathode radius of 80 μm. The cathode 1, Wehnelt 2, anode 3, and optical axis 4 are the same as in FIG. 42, 43, and 44 are equipotential lines of 0, 100, and 4400V, respectively. In FIG. 4, a crossover 41 is formed between the cathode and the anode. In FIG. 5, the trajectory 40 close to the optical axis is a trajectory close to the laminar flow model without crossover until the anode electrode is passed. From the comparison between FIG. 4 and FIG. 5, controlling the electron gun condition so that the electron orbit is close to the laminar flow model rather than the electron orbit close to the optical model that creates the crossover is one condition for obtaining ultra-high brightness. It can be said.
As described above, it was shown that ultra-high brightness can be obtained by applying a predetermined electron gun current depending on the cathode radius. However, since these currents are large, it was investigated whether high luminance exceeding the Langmuir limit value could be obtained with a smaller current. FIG. 6 shows a case where an electrostatic lens is provided behind the model of FIG. The simulation was performed by providing three electrodes 61, 62, 63, applying the same potential to the anode 61, 63, and applying various voltages to the central electrode 62. An example model of FIG. 6 is shown in Table 2. The .com data for running “Sourcea” is the same as in Table 1.

結果を図7及び図8に示す。図7は輝度(実線)、エミッタンス(点線)及びカソード電流密度(実線)の電子銃電流Ie依存性である。中央電極62に与えた電位は、それぞれ、71,は12.5kV, 72は14kV; 73は15kV; 74は12kV; 75は4.5kV である。アノード電位が0Vの場合は、これらの値から4.5kVを差し引く必要がある。カソード半径Rcは140μmの場合についての結果である。レンズの励起が無い75が9.4mAで高輝度になっているのに対して、12.5kVでは4.75mA; 14kV では5.7mA, 15kVでは7.25mA; 12kVでは 9.23mA でそれぞれ最高輝度が得られている。つまり、レンズを通すことによって、より小さい電流で最高輝度が得られている。
全てのレンズ条件に共通して、電子銃電流Ieを上げていくと輝度が単純増加し、更にIeを上げると超高輝度が得られ、その後輝度が急減し、最低輝度になる。エミッタンスは輝度が最大になった条件で最小になり、その後輝度の急減に一致して最大になっているのが見られる。従って超高輝度条件を探すには、輝度を測定可能な開口を設け輝度測定を行うか、あるいはエミッタンスが大きくなる条件を探し、その電子銃電流より少し小さい電子銃条件を調べればよい。
The results are shown in FIGS. FIG. 7 shows the dependence of the luminance (solid line), emittance (dotted line), and cathode current density (solid line) on the electron gun current Ie. The potential applied to the central electrode 62 is 12.5 kV for 71, 14 kV for 72, 15 kV for 73, 12 kV for 74, and 4.5 kV for 75, respectively. When the anode potential is 0V, 4.5 kV must be subtracted from these values. The cathode radius Rc is the result for the case of 140 μm. The 75 without lens excitation is 9.4 mA, and the brightness is high at 15.4 kV, 4.75 mA at 14 kV; 5.7 mA at 14 kV, 7.25 mA at 15 kV, and 9.23 mA at 12 kV. Brightness is obtained. That is, the maximum brightness is obtained with a smaller current by passing the lens.
In common with all lens conditions, the brightness simply increases as the electron gun current Ie is increased, and an ultrahigh brightness is obtained when the electron gun current Ie is further increased. It can be seen that the emittance is minimized under the condition where the luminance is maximized and then maximized in accordance with the sudden decrease in luminance. Therefore, in order to search for the ultra-high luminance condition, an aperture capable of measuring luminance is provided and luminance measurement is performed, or a condition for increasing emittance is searched for, and an electron gun condition slightly smaller than the electron gun current is examined.

図8は図7を輝度B -エミッタンスE特性(ほぼ右下がりの曲線群)とB-Jc(カソード電流密度)で示したものである。81,82,83,84,85,86はそれぞれ、12.5kV, 13kV, 14kV, 12kV, 4.5kV の電圧をレンズの中央電極に印加した場合である。これらの電圧は、カソードを0Vとした場合の値で、カソードがー4.5kVの場合は、4.5kVを引いた値となる。37はLangmuir 限界で、従来の理論ではこの線の右側にはB-Jc特性のデータは存在しない筈である。38は図3で説明した直線で、ここでもB-E特性の傾斜が38の傾斜より大きいので、得られる最大ビーム電流は、低輝度、高エミッタンス条件の方が大きくなる。レンズ作用が無い場合のB-E曲線86がレンズ作用のある場合81,82,83,84,85より上にあるので、残念ながらレンズ作用を利用すると、同じ輝度で得られる最大ビーム電流は小さくなる。   FIG. 8 shows FIG. 7 in terms of luminance B − emittance E characteristics (substantially lowering curve group) and B-Jc (cathode current density). Reference numerals 81, 82, 83, 84, 85, and 86 denote cases where voltages of 12.5 kV, 13 kV, 14 kV, 12 kV, and 4.5 kV are applied to the central electrode of the lens, respectively. These voltages are values when the cathode is set to 0 V. When the cathode is −4.5 kV, these voltages are values obtained by subtracting 4.5 kV. 37 is the Langmuir limit, and in the conventional theory, there should be no B-Jc characteristic data on the right side of this line. Reference numeral 38 denotes the straight line described with reference to FIG. 3. Here, since the slope of the B-E characteristic is larger than the slope of 38, the maximum beam current obtained is larger under the low luminance and high emittance conditions. Since the BE curve 86 without lens action is above 81, 82, 83, 84, and 85 with lens action, unfortunately the maximum beam current that can be obtained with the same brightness is reduced when the lens action is used.

図9は、なぜレンズを通すと輝度が向上するかを調べるため、カソードの面から垂直に放出された電子の軌道を示した図である。91に示した様に、カソードから等間隔で放出された軌道は、空間電荷効果のため中央で密度が小さくなっているのがみられる。しかし、レンズを通過した後、92に示した様に評価面6では密度分布が大幅に改善され、空間電荷効果による輝度の低下を補っているといえる。93は正電圧駆動レンズの等ポテンシャル分布である。   FIG. 9 is a diagram showing the trajectory of electrons emitted perpendicularly from the surface of the cathode in order to investigate why the luminance is improved by passing through the lens. As shown by 91, the orbits emitted from the cathode at equal intervals are seen to have a lower density at the center due to the space charge effect. However, after passing through the lens, it can be said that the density distribution on the evaluation surface 6 is greatly improved as shown at 92, and the decrease in luminance due to the space charge effect is compensated. Reference numeral 93 denotes an equipotential distribution of the positive voltage driving lens.

図10は負電圧駆動レンズを用いた場合の軌道を示したものである。図9の場合と同様に、レンズに入射する前101に比較してレンズを通過後密度分布が大幅に改善され、高輝度を裏づけている。103は負電圧駆動レンズの等ポテンシャル分布である。   FIG. 10 shows the trajectory when a negative voltage driving lens is used. As in the case of FIG. 9, the density distribution after passing through the lens is significantly improved as compared with 101 before entering the lens, which supports high luminance. Reference numeral 103 denotes an equipotential distribution of the negative voltage driving lens.

図11は円錐ウエーネルトの角度を変化させてシュミレーションした結果である。カソード半径Rcは80μmの結果である。ウエーネルト電極とビーム外周の近似的な面との角度を、93.2度、90.5度、83.6度、69.4度及び57.6度の場合を順に、110、111、112,113,114,に示した。点線はエミッタンス、右上がりの実線はカソード電流密度、右肩で急に上昇しているのが輝度である。ウエーネルト電極とビーム外周の近似的な面との角度が93.2度から69.4度のものは、1x10A/cm2srを超える超高輝度が得られているが、57.6度の条件では、最高輝度は4.6x10A/cm2sr であった。このことから、ウエーネルト電極とビーム外周の近似的な面との角度は69.4度より大きい必要がある。
ここで、ウエーネルト角度:90.5度:111と69.4度:113を比較すると、Langmuir限界を超える輝度が得られるカソード電流の比は2.8mA/3.6mA=0.777倍である。
FIG. 11 shows the result of simulation by changing the angle of the conical Wehnelt. The result is that the cathode radius Rc is 80 μm. The angles of the Wehnelt electrode and the approximate surface of the beam periphery are shown as 110, 111, 112, 113, and 114 in the order of 93.2 degrees, 90.5 degrees, 83.6 degrees, 69.4 degrees, and 57.6 degrees, respectively. The dotted line is emittance, the solid line rising to the right is the cathode current density, and the brightness is sharply rising on the right shoulder. Ultra high brightness exceeding 1x10 6 A / cm 2 sr is obtained when the angle between the Wehnelt electrode and the approximate surface of the beam is 93.2 ° to 69.4 °, but the maximum brightness is obtained at 57.6 °. Was 4.6 × 10 5 A / cm 2 sr. For this reason, the angle between the Wehnelt electrode and the approximate surface of the beam periphery needs to be larger than 69.4 degrees.
Here, when the Wehnelt angle: 90.5 degrees: 111 and 69.4 degrees: 113 are compared, the ratio of the cathode current at which the luminance exceeding the Langmuir limit is obtained is 2.8 mA / 3.6 mA = 0.777 times.

図12は、図11の結果を輝度B−エミッタンスE特性(右下がりの曲線)とB-Jc特性で表したグラフである。120、121、122、123、及び124はそれぞれウエーネルト電極とビーム外周の近似的な面との角度が、93.2度、90.5度、83.6度、69.4度及び57.6度の場合である。37は、カソード温度1800KでのLangmuir 限界で、従来の理論では、この右側にはB-Jc特性は存在しない。121:92度はB-E特性が右側にあり、おなじエミッタンスで大きい輝度が得られ、良い性能である。120:90.5度はカソード電流密度が高すぎる。123:69.5度はカソード電流密度が低い特徴がある。以上から、ウエーネルト電極とビーム外周の近似的な面との角度は、69.4〜90.5度が最適で、67.5度より大きければLangmuir限界を超える輝度が得られる。124: 57.6 度は、値は小さいがLangmuir限界を超える輝度が得られている。   FIG. 12 is a graph showing the result of FIG. 11 in terms of luminance B-emittance E characteristics (curved downwards) and B-Jc characteristics. 120, 121, 122, 123, and 124 are cases where the angles of the Wehnelt electrode and the approximate surface of the beam periphery are 93.2 degrees, 90.5 degrees, 83.6 degrees, 69.4 degrees, and 57.6 degrees, respectively. 37 is the Langmuir limit at a cathode temperature of 1800K. According to the conventional theory, there is no B-Jc characteristic on the right side. At 121: 92 degrees, the B-E characteristic is on the right side, and the same emittance provides high brightness, which is a good performance. At 120: 90.5 degrees, the cathode current density is too high. 123: 69.5 degrees is characterized by low cathode current density. From the above, the optimum angle between the Wehnelt electrode and the approximate surface of the beam periphery is 69.4 to 90.5 degrees, and if it is larger than 67.5 degrees, luminance exceeding the Langmuir limit can be obtained. 124: At 57.6 degrees, the value is small but the luminance exceeds the Langmuir limit.

図13はカソード半径Rcを40、80、120、160、及び200μmの電子銃について電子銃電流Ieを変化させてシュミレーションした結果である。レンズ電圧は12.5kVであり、図7の説明で述べたように、Langmuir限界を超える輝度が得られるカソード電流が最も小さくなった条件である。また、ウエーネルト角は90.5度、カソードとアノード間隔Dacは1.2mmである。これらの結果は、順に130,131,132,133、及び134に示した。直線に近い実線はカソード電流密度(単位はA/cm2)実線の曲線は輝度(単位は10A/cm2sr)点線の曲線はエミッタンス(μmmrad)であり、横軸はカソード電流Ie,単位はmAである。輝度が最大になるカソード電流値は、40〜200μmRcに対して、順に1.82, 2.93, 4.24, 5.4, 6.58 mA である。これらの電流値は、
Ie = 0.5 + 0.0304Rc
の直線上にほぼ乗っている。従って Langmuir限界を超える輝度が得られる条件は、カソード電流(mA) =0.5 + 0.0304 Xカソード半径(μm)にすれば良い。レンズを使わない場合の結果、カソード電流=0.0658 X Rcを考慮すれば、レンズ条件が最適でない場合は、これら2つの式の間であるから、
0.5+0.0304Rc<カソード電流<0.0658Rc (3)
である。
FIG. 13 shows the result of simulation by changing the electron gun current Ie for electron guns having cathode radii Rc of 40, 80, 120, 160, and 200 μm. The lens voltage is 12.5 kV, and as described in the explanation of FIG. 7, this is a condition in which the cathode current at which the luminance exceeding the Langmuir limit is obtained is the smallest. The Wehnelt angle is 90.5 degrees, and the distance between the cathode and the anode Dac is 1.2 mm. These results are shown in the order of 130, 131, 132, 133, and 134. The solid line near the straight line is the cathode current density (unit: A / cm 2 ) The solid curve is the luminance (unit: 10 5 A / cm 2 sr) The dotted curve is the emittance (μmmrad), and the horizontal axis is the cathode current Ie, The unit is mA. The cathode current values at which the luminance is maximized are 1.82, 2.93, 4.24, 5.4, and 6.58 mA in order for 40 to 200 μm Rc. These current values are
Ie = 0.5 + 0.0304Rc
It is almost on the straight line. Therefore, the condition for obtaining luminance exceeding the Langmuir limit may be the cathode current (mA) = 0.5 + 0.0304 X cathode radius (μm). As a result of not using the lens, considering the cathode current = 0.0658 X Rc, if the lens condition is not optimal, it is between these two formulas,
0.5 + 0.0304Rc <Cathode current <0.0658Rc (3)
It is.

図14は図13の結果を輝度B−エミッタンスE特性(右下がりの曲線)とB-Jc特性で表したグラフである。140, 141, 142, 143,及び144 はカソード半径Rcが40、80、120、160、及び200μmの電子銃に対応する。輝度―カソード電流密度特性がほぼ水平に近い所ではLangmuir限界に対応する直線37の右側にあり、輝度が急速に大きくなる条件にも対応しているので、上で述べた“Langmuir限界を超える輝度が得られる条件は、カソード電流>0.5 + 0.0304 Xカソード半径(μm)にすれば良い。”の主張を支持している。
輝度―カソード電流密度特性で、カソード半径が大きいほうが、小さいカソード電流密度でLangmuir限界を超える輝度が得られる。また、顕著ではないがB-E特性で、カソード半径が小さい方が同じ輝度で大きいエミッタンスが得られる傾向がある。
FIG. 14 is a graph showing the result of FIG. 13 in terms of luminance B-emittance E characteristics (curved downward curve) and B-Jc characteristics. 140, 141, 142, 143, and 144 correspond to electron guns having cathode radii Rc of 40, 80, 120, 160, and 200 μm. When the luminance-cathode current density characteristic is almost horizontal, it is on the right side of the straight line 37 corresponding to the Langmuir limit, and also corresponds to the condition where the luminance increases rapidly. It is sufficient that the cathode current is greater than 0.5 + 0.0304 X cathode radius (μm).
In the luminance-cathode current density characteristics, the larger the cathode radius, the higher the luminance exceeding the Langmuir limit with a small cathode current density. In addition, although it is not remarkable, there is a tendency to obtain a large emittance with the same luminance when the cathode radius is small with BE characteristics.

図15はカソードとアノード間間隔:Dcaをパラメータとし、電子銃電流Ieを変化させてシュミレーションした結果である。カソード半径Rcは120μm、レンズ電圧は14kV, ウエーネルト角度は90.5度の条件とした。Dac は3, 2.8, 1.8, 1.6、1.2, 及び1mmの寸法で行った。これらの結果は、順に150, 151, 152, 153、154及び155 に示した。点線の曲線はエミッタンス(μmmrad)、実曲線は輝度(x10A/cm2sr), 直線に近い曲線はカソード電流密度(A/cm2)で前のグラフも今後のグラフもこれは、光軸近くの値である。カソードとアノード間間隔:Dcaが3mmの電子銃では、輝度は最大でも5.6x10A/cm2sr にしかならなかた。カソードとアノード間間隔:Dca が2.8mm以下の条件では、輝度は1x10A/cm2srを遙かに超える値が得られた。カソードとアノード間には4.5kVの電圧が印加されているので、このことから、カソードとアノード間の電界強度は、ほぼ1.6〜4.5kV/mm であれば、Langmuir限界を超える輝度が得られると言える。
更に、151と154をLangmuir限界を超える輝度が得られるIeを比較すると、Dac:1.2mmでは2.5 mA に対してDac:2.8 mmでは4.5mAである。従って、Dac:1.2mmの図13の結果をDac2.8mmの場合に換算すると、(3)式は(4)式になる。
0.278 + 0.0169Rc<カソード電流<0.0658Rc (4)
さらに、最適ウエーネルト角度を用いると、[0026]で述べた比0.777倍を考慮すると、(4)は、
0.168 + 0.0131Rc<カソード電流<0.0658Rc (5)
になる。
FIG. 15 shows a simulation result by changing the electron gun current Ie with the distance between the cathode and the anode: Dca as a parameter. The cathode radius Rc was 120 μm, the lens voltage was 14 kV, and the Wehnelt angle was 90.5 degrees. Dac was performed with dimensions of 3, 2.8, 1.8, 1.6, 1.2, and 1 mm. These results are shown in the order of 150, 151, 152, 153, 154 and 155. The dotted curve is emittance (μmmrad), the solid curve is luminance (x10 5 A / cm 2 sr), the curve close to the straight line is the cathode current density (A / cm 2 ). The value is near the axis. Distance between cathode and anode: With an electron gun with a Dca of 3 mm, the brightness was only 5.6 × 10 5 A / cm 2 sr at maximum. The distance between the cathode and the anode: When the Dca was 2.8 mm or less, the luminance was much higher than 1 × 10 7 A / cm 2 sr. Since a voltage of 4.5 kV is applied between the cathode and the anode, if the electric field strength between the cathode and the anode is approximately 1.6 to 4.5 kV / mm, the luminance exceeds the Langmuir limit. It can be said that
Further, when Ie that obtains luminance exceeding the Langmuir limit is compared between 151 and 154, it is 2.5 mA at Dac: 1.2 mm and 4.5 mA at Dac: 2.8 mm. Therefore, when the result of FIG. 13 with Dac: 1.2 mm is converted into the case of Dac 2.8 mm, equation (3) becomes equation (4).
0.278 + 0.0169Rc <Cathode current <0.0658Rc (4)
Furthermore, using the optimal Wehnelt angle, considering the ratio of 0.777 times described in [0026], (4)
0.168 + 0.0131Rc <cathode current <0.0658Rc (5)
become.

図16は図15の結果を輝度B−エミッタンスE特性(右下がりの曲線)とB-Jc特性で表したグラフである。Dcaが3, 2.8, 2.2, 1.8, 1.4, 及び1mmの寸法の特性が、順に160, 161, 162, 163及び164 に対応している。輝度B−エミッタンスE特性から160のDac が3mmの場合が良くない。また、この条件では、輝度も最大でも5.6x10A/cm2sr であるがB-Jc 特性が直線37の右側にあるのでLangmuir限界を超える輝度は得られている。
カソードとアノード間の電界強度が大きいものは、同じ輝度では大きいエミッタンスが得られる傾向がある代わりに高輝度でのカソード電流密度か大きい問題がある。従ってこの図からも、カソードとアノード間の電界強度は、ほぼ1.6〜4.5kV/mm の条件が最適である。
FIG. 16 is a graph showing the result of FIG. 15 in terms of luminance B-emittance E characteristics (curved downward curve) and B-Jc characteristics. The characteristics with dimensions of Dca of 3, 2.8, 2.2, 1.8, 1.4, and 1 mm correspond to 160, 161, 162, 163, and 164, respectively. From the luminance B-emittance E characteristic, it is not good that Dac of 160 is 3 mm. Under this condition, the luminance is 5.6 × 10 5 A / cm 2 sr at the maximum, but the luminance exceeding the Langmuir limit is obtained because the B-Jc characteristic is on the right side of the straight line 37.
When the electric field strength between the cathode and the anode is large, there is a tendency that high emittance tends to be obtained at the same luminance, but there is a problem that the cathode current density at high luminance is large. Therefore, also from this figure, the optimum electric field strength between the cathode and the anode is approximately 1.6 to 4.5 kV / mm.

次にカソード温度を変化させた場合について図17及び図18で述べる。レンズの無い図1のモデルで、カソード半径140μmRc,アノードーカソード間距離Dac: 1.2mm、ウエーネルト角度:90.5度の構造で、カソード温度を、1800K, 1100K, 450K, 292K について計算し、結果を順に170, 171、172、及び173に示した。1800K では、CeB6カソードで、仕事関数は2.35eV とし、1100KはBa等の酸化物陰極で仕事関数は1.15eV ,450K では光陰極カソードを想定したが、仕事関数と照射レーザエネルギーとの差が0.1eV以下のレーザーとカソード材料とを仮定した。292Kは。負の電子親和力を有する光陰極を仮定し、仕事関数はー0.01eVとした。
実線の曲線は輝度(x105A/cm2sr), 点線はエミッタンス(μmmrad)、直線に近い実線はカソード電流密度であり、各温度条件で同じカソード電流:Ieではほとんど同じ値であった。1800Kの170では、Ieが増加すると輝度が減少し始め、9.2mA で最小値になり、その直後最大値になり、その後急速に減少する。エミッタンスはこれと対照的に、一定値から急減し、最初より小さい値に落ち着く。171の1100K ではIeが増加すると輝度が減少し始め、7.25mA で最小値になり、その直後7.55mAで最大値になり、その後急速に減少する。エミッタンスはこれと対照的に、一定値から急減し、最初より小さい値に落ち着く。450K の172 では、前記2者と異なり、Ieが増加すると輝度は単調増加し、4.2mA で最大値になり、その後急速に減少する。エミッタンスはこれと対照的に、一定値から急減し、すぐ急速増加し、最大値を取る。173の292K では450Kとほぼ同じIe 依存性をしめし、輝度最大になる電子銃電流Ieは4.02mAで、1800K の場合9.45mAに比べると大幅に減少する。従って、酸化物陰極、光電子カソードあるいは、負の電子親和力をもつカソードでは、LaB6やCeB6の熱カソードに比べて、容易にLangmuir限界を超える輝度が得られると言える。
292K と1800K とをLangmuir限界を超える輝度が得られるIeを比較すれと、
4.02/9.45 = 0.425倍である。従って、負の電子親和力を有する光陰極の場合は、Langmuir限界を超える輝度が得られる条件は、
0.0714 + 0.00557Rc<カソード電流<0.0658Rc (6)
になる。これについては図26で更に詳しく述べる。
Next, the case where the cathode temperature is changed will be described with reference to FIGS. 1 model without lens, cathode radius 140μmRc, anode-cathode distance Dac: 1.2mm, Wehnelt angle: 90.5 degrees, cathode temperature calculated for 1800K, 1100K, 450K, 292K, and the results in order 170, 171, 172, and 173. At 1800K, CeB6 cathode, the work function is 2.35eV, 1100K is an oxide cathode such as Ba, and the work function is 1.15eV, 450K, the photocathode cathode is assumed, but the difference between work function and irradiation laser energy Was assumed to be 0.1 eV or less of laser and cathode material. 292K. Assuming a photocathode having a negative electron affinity, the work function was set to -0.01 eV.
The solid line is the luminance (x10 5 A / cm 2 sr), the dotted line is the emittance (μmmrad), the solid line close to the straight line is the cathode current density, and the cathode current density at the same temperature: Ie is almost the same value. At 170 of 1800K, as Ie increases, the luminance begins to decrease, reaches a minimum value at 9.2 mA, immediately thereafter reaches a maximum value, and then decreases rapidly. In contrast to this, the emittance drops rapidly from a constant value and settles to a smaller value at the beginning. At 1100 K of 171, the luminance starts to decrease as Ie increases, reaches a minimum value at 7.25 mA, immediately thereafter reaches a maximum value at 7.55 mA, and then decreases rapidly. In contrast to this, the emittance drops rapidly from a constant value and settles to a smaller value at the beginning. At 450K 172, unlike the above two, as Ie increases, the luminance increases monotonically, reaches a maximum at 4.2 mA, and then decreases rapidly. In contrast, the emittance rapidly decreases from a certain value, increases rapidly, and takes a maximum value. In 173 at 292K, the same Ie dependency as in 450K is shown, and the electron gun current Ie at which the luminance becomes maximum is 4.02 mA, and in the case of 1800 K, it is greatly reduced compared to 9.45 mA. Therefore, it can be said that an oxide cathode, a photoelectron cathode, or a cathode having a negative electron affinity can easily obtain luminance exceeding the Langmuir limit as compared with a LaB6 or CeB6 thermal cathode.
Comparing 292K and 1800K with Ie that gives a luminance exceeding the Langmuir limit,
It is 4.02 / 9.45 = 0.425 times. Therefore, in the case of a photocathode having a negative electron affinity, the condition for obtaining a luminance exceeding the Langmuir limit is
0.0714 + 0.00557Rc <Cathode current <0.0658Rc (6)
become. This will be described in more detail with reference to FIG.

図18は図17の結果を、輝度B−エミッタンスE特性(右下がりの曲線)とB-Jc特性で表したグラフである。B-Jc 特性では、輝度が最大値を取る値からIeの大きい側のデータのみを使用した。図18では、カソード温度の1800K, 1100K, 450K, 292K の結果を順に180, 181、182、及び183に示した。カソード温度が1100K, 450K, 292K の場合のLangmuir限界は、(2)式から算出し、39,185,186に示した。
B―E特性から、輝度が1x10A/cm2sr 程度の条件では、光電子陰極ではCeB6や酸化物陰極に比較して大きいエミッタンスが得られる。
B-Jc 特性で、180は直線37より右、181は直線39より右、182は185より右、184は186より右にそれぞれデータが存在し、低い温度でのLangmuir限界を超える輝度が得られると言える。
FIG. 18 is a graph showing the results of FIG. 17 in terms of luminance B-emittance E characteristics (curved downwards) and B-Jc characteristics. For the B-Jc characteristics, only the data on the larger Ie side from the value with the maximum luminance was used. In FIG. 18, the results of the cathode temperatures of 1800K, 1100K, 450K, and 292K are shown as 180, 181, 182, and 183 in order. The Langmuir limit when the cathode temperature is 1100 K, 450 K, and 292 K was calculated from the equation (2) and shown in 39,185,186.
From B-E characteristics, the condition of about luminance 1x10 6 A / cm2sr, optoelectronic cathode obtained large emittance compared to CeB6 or oxide cathode.
B-Jc characteristics, 180 is right from line 37, 181 is right from line 39, 182 is right from 185, 184 is right from 186, and brightness exceeding the Langmuir limit at low temperature is obtained. It can be said.

図7で静電レンズを設けた場合より小さい電流でLangmuir限界値を超える高輝度が得られることを示した。静電レンズを電磁レンズに変えた場合にLangmuir限界値を超える高輝度が得られるかを調べた。ボーア径1mmR,ギャップ1mmの電磁レンズに種々の励磁ATを与えて、シミュレーションを行った。 結果を図19及び図20に示す。図19は輝度(実線)、エミッタンス(点線)及びカソード電流密度の電子銃電流Ie依存性である。励磁ATは、それぞれ、191,は500AT, 192は550AT; 193は600AT; 194は400AT; 195は0AT である。
レンズの励起が無い195が9.4mAで高輝度になっているのに対して、500ATでは4.6 mA; 550AT では5.85 mA, 600ATでは7.4 mA; 400ATでは 8.6 mA でそれぞれ最高輝度が得られている。つまり、磁気レンズを通すことによって、より小さい電流で最高輝度が得られている。
全てのレンズ条件に共通して、電子銃電流Ieを上げていくと輝度が単調増加し、更にIeを上げると超高輝度が得られ、その後輝度が急減し、最低輝度になる。エミッタンスは輝度と逆にIeを増加すると、単調増加し、最小エミッタンスになった後、急増しているのが見られる。従って超高輝度条件を探すには、輝度を測定可能な開口を設け輝度測定を行うか、あるいはエミッタンスが大きくなる条件を探し、その電子銃電流より少し小さい電子銃条件を調べればよい。
FIG. 7 shows that high luminance exceeding the Langmuir limit value can be obtained with a smaller current when the electrostatic lens is provided. We investigated whether high luminance exceeding the Langmuir limit value was obtained when the electrostatic lens was changed to an electromagnetic lens. A simulation was performed by applying various excitation AT to an electromagnetic lens having a Bohr diameter of 1 mmR and a gap of 1 mm. The results are shown in FIGS. FIG. 19 shows the electron gun current Ie dependence of luminance (solid line), emittance (dotted line), and cathode current density. Excitation AT is 191, 500 AT, 192 is 550 AT; 193 is 600 AT; 194 is 400 AT; 195 is 0 AT, respectively.
The 195 without lens excitation has a high brightness at 9.4 mA, whereas the 500AT is 4.6 mA; the 550AT is 5.85 mA, the 600AT is 7.4 mA, and the 400AT is 8.6 mA. ing. In other words, the maximum luminance is obtained with a smaller current by passing the magnetic lens.
In common with all lens conditions, the luminance increases monotonously when the electron gun current Ie is increased, and when the electron gun current Ie is further increased, ultra-high luminance is obtained, and then the luminance decreases rapidly and becomes the minimum luminance. It can be seen that the emittance increases monotonously as Ie increases, and increases rapidly after reaching the minimum emittance. Therefore, in order to search for the ultra-high luminance condition, an aperture capable of measuring luminance is provided and luminance measurement is performed, or a condition for increasing emittance is searched for, and an electron gun condition slightly smaller than the electron gun current is examined.

図20は図19を輝度:B -エミッタンス:E特性(ほぼ右下がりの曲線群)とB-Jc(カソード電流密度)で示したものである。201、202、203、204、205、206はそれぞれ順に、500、550、600、400、0 AT, の励磁をレンズに与えた場合である。37はLangmuir 限界で、従来の理論ではこの線の右側にはB-Jc特性のデータは存在しない筈である。38は図3で説明した直線で、ここでもB-E特性の傾斜が38の傾斜より大きいので、得られる最大ビーム電流は、低輝度、高エミッタンス条件の方が大きくなる。レンズ作用が無い場合のB-E曲線206がレンズ作用のある場合201, 202, 203, 204, 205より上にあるので、残念ながらレンズ作用を利用すると、同じ輝度で得られるビーム電流は小さくなる。   FIG. 20 shows FIG. 19 in terms of luminance: B − emittance: E characteristics (substantially downward curve group) and B-Jc (cathode current density). Reference numerals 201, 202, 203, 204, 205, and 206 denote cases where excitation of 500, 550, 600, 400, and 0 AT, respectively, is given to the lens. 37 is the Langmuir limit, and in the conventional theory, there should be no B-Jc characteristic data on the right side of this line. 38 is the straight line described with reference to FIG. 3. Here, since the slope of the BE characteristic is larger than the slope of 38, the maximum beam current obtained is larger under the low luminance and high emittance conditions. Since the B-E curve 206 without lens action is above 201, 202, 203, 204, and 205 with lens action, unfortunately, if the lens action is used, the beam current obtained with the same brightness is reduced.

図21は、電磁レンズを用いるとなぜ高輝度条件が得られる場合があるかを調べるため、電子軌道を示したものである。この場合静電レンズの中央電極211に印加される電圧は、この前後の電極電圧と同じで4.5kV である。210の縦線は、等磁気ポテンシャル線で、レンズ位置を示している。静電レンズの図4,図5の場合と同じくレンズに入射前と評価面6とでは、後者の軌道の密度のバラツキが大幅に改善されている。更に、光軸近くの軌道のクロスオーバ212が光軸から遠い軌道のクロスオーバ213よりカソードに近い側に形成されているのが見える。これは負の球面収差が発生していることになる。負の球面収差が発生するのは、アノード穴のレンズ作用と空間電荷効果であり、アノード穴のレンズ作用は、ビーム電流に依存しないので、従来の電子銃と大きくことなるのは、電子銃電流が大きいことによる空間電荷効果で発生した大きい負の球面収差を電子銃と磁気レンズが作る正の球面収差で打ち消した条件で高輝度が発生していると解釈できる。この解釈が正しいかは分からないが、レンズで輝度を変えられないとの常識は、少なくともシミュレーション上は否定されたことになる。   FIG. 21 shows an electron trajectory in order to investigate why a high brightness condition may be obtained when an electromagnetic lens is used. In this case, the voltage applied to the central electrode 211 of the electrostatic lens is the same as the electrode voltage before and after this, and is 4.5 kV. The vertical line 210 is an isomagnetic potential line and indicates the lens position. As in the case of the electrostatic lens in FIGS. 4 and 5, the variation in the density of the latter orbit is greatly improved before entering the lens and on the evaluation surface 6. Further, it can be seen that the crossover 212 of the track near the optical axis is formed closer to the cathode than the crossover 213 of the track far from the optical axis. This means that negative spherical aberration has occurred. Negative spherical aberration occurs due to the lens action of the anode hole and the space charge effect, and the lens action of the anode hole does not depend on the beam current. It can be interpreted that high luminance is generated under the condition that the large negative spherical aberration caused by the space charge effect due to the large is canceled by the positive spherical aberration generated by the electron gun and the magnetic lens. I don't know if this interpretation is correct, but the common sense that the brightness cannot be changed by the lens has been denied at least in the simulation.

図22は、光陰極電子銃を用いた電子銃の実施の形態である。カソード1、ウエーネルト2、アノード3は光軸4のまわりに軸対象である。ウエーネルトとビーム外周との角度が69.4度以上と比較的大きいので、アノードとウエーネルトの間からレンズ222を通し、レーザー光源223からのレーザー光をカソード1の電子線放出面に照射する。電極電圧はハーメチックシール221から供給する。224は電子銃に接続される光学系の一部である。 FIG. 22 shows an embodiment of an electron gun using a photocathode electron gun. The cathode 1, Wehnelt 2 and anode 3 are axial objects around the optical axis 4. Since the angle between the Wehnelt and the beam outer periphery is relatively large at 69.4 degrees or more, the lens 222 is passed through between the anode and the Wehnelt, and the laser beam from the laser light source 223 is irradiated onto the electron beam emission surface of the cathode 1. The electrode voltage is supplied from the hermetic seal 221. Reference numeral 224 denotes a part of an optical system connected to the electron gun.

図23は、高輝度電子銃が使用される電子光学系である。高輝度を有効利用して1本の光軸のまはりに大電流のマルチビームを形成できる。当然光軸から離れた位置にもビームが形成されるので、1本のビームの場合より細かい注意が必要である。電子銃はカソード1、ウエーネルト2、アノード3を有する3電極電子銃である。電子銃から放出されたビームは軸あわせ偏向器234でコンデンサーレンズ235に軸あわせされる。コンデンサーレンズ235で収束されたビームは2段の軸あわせ偏向器236,237で第2コンデンサーレンズ238とマルチ開口239に軸あわせされる。マルチ開口で成型されたマルチビームは回転調整レンズ243で縮小され、2段の軸あわせ偏向器245,247でNA 開口242と縮小レンズ243への軸あわせが行われ、244にマルチビームの縮小像を作り、静電偏向器245と電磁偏向器246とで光軸のオフセットが修正され、対物レンズ248に垂直入射し、試料面250にマルチビームを照射し走査する。試料面を走査するのは、静電偏向器245に重畳された走査信号と静電偏向器247とで行われる。249はマルチビームの軸上色収差を低減するための軸対称電極で、正の高電圧が印加される。試料面から放出された2次電子は電磁偏向器246及び251で一次光学系から離され静電偏向器255で垂直に直される。対物レンズ248、静電レンズ253、及び2段レンズ256,258で拡大され検出器259で各マルチビームからの2次電子が独立に検出される。
対物レンズ248は、レンズギャップ467が試料250の側に形成された電磁レンズであり、軸上色収差が小さく、さらに、軸対称電極249に高電圧を印加することにより、軸上色収差がより低減される構成を有している。該対物レンズの断面図を図46に示す。レンズ励磁コイル461の周りをパーマロイコア460の外側磁極とパメンジュールコアより成る内側磁極462で囲まれた構造で、断面がL字型の非磁性金属部材463と2本のO−リング465とで真空封じされる。Оーリングの当たる面464はコア460とコア462間の磁気抵抗を小さくするため、図示したテーパー状、あるいはOーリング側に凹の曲面形状が良い。固定ねじ468で光軸方向に2個のコア460と462を固定できるので、高精度に製作できる。以上をまとめると、内側磁極と外側磁極で形成される磁気ギャップが試料方向にある磁気レンズで、内側磁極を飽和磁束密度の大きい強磁性体で、外側磁極を高透磁率材料で製作し、内側磁極の外側で外側磁極コアとの接続部に断面が3角形あるいは該3角形の最大辺が凹面形状の強磁性体リングを有する様にすればよい。この結果、2つの磁極の接続部での磁気抵抗が小さくなり、このレンズの軸上磁場分布が単1ピークになり、このレンズの収差を小さくできる。
図24は図23の電子光学系の1次系のみを偏向を無視単純化した図を詳細にした図である。
図24で244はマルチ開口239の結像を示す線である。241はクロスオーバの結像を示した線である。電子銃から放出されるビームのクロスオーバを2段のレンズ235及び238でマルチ開口239の先で拡大像にし、かつ拡大率を調整可能にした。この結果、マルチ開口での電流密度を大きくし、照射強度一様性の良い領域をマルチ開口全体に丁度広げる調整を可能にした。この場合、2段のコンデンサーレンズの間でクロスオーバを作らないので、空間電荷効果によるエネルギー幅の増加が少なく、負の電子親和力を有する光陰極を用いた効果が大きい。
FIG. 23 shows an electron optical system in which a high-intensity electron gun is used. A high current multi-beam can be formed on a single optical axis using the high luminance effectively. Of course, since a beam is also formed at a position away from the optical axis, it is necessary to be more careful than in the case of a single beam. The electron gun is a three-electrode electron gun having a cathode 1, Wehnelt 2 and an anode 3. The beam emitted from the electron gun is aligned with the condenser lens 235 by the alignment deflector 234. The beam converged by the condenser lens 235 is aligned with the second condenser lens 238 and the multi-aperture 239 by the two-stage alignment deflectors 236 and 237. The multi-beam formed by the multi-aperture is reduced by the rotation adjusting lens 243, and the two-stage alignment deflectors 245 and 247 are used to align the NA aperture 242 and the reduction lens 243. The offset of the optical axis is corrected by the electrostatic deflector 245 and the electromagnetic deflector 246, and is incident perpendicularly on the objective lens 248, and the sample surface 250 is irradiated with a multi-beam and scanned. The sample surface is scanned by the scanning signal superimposed on the electrostatic deflector 245 and the electrostatic deflector 247. Reference numeral 249 denotes an axially symmetric electrode for reducing the longitudinal chromatic aberration of the multi-beam, and a positive high voltage is applied thereto. Secondary electrons emitted from the sample surface are separated from the primary optical system by electromagnetic deflectors 246 and 251 and are vertically corrected by electrostatic deflector 255. The object is enlarged by the objective lens 248, the electrostatic lens 253, and the two-stage lenses 256 and 258, and the detector 259 detects secondary electrons from each multi-beam independently.
The objective lens 248 is an electromagnetic lens in which a lens gap 467 is formed on the side of the sample 250. The axial chromatic aberration is small. It has the composition which is. A cross-sectional view of the objective lens is shown in FIG. The lens excitation coil 461 is surrounded by an outer magnetic pole 460 made of a permalloy core 460 and an inner magnetic pole 462 made of a pamentule core, and includes a non-magnetic metal member 463 having an L-shaped cross section and two O-rings 465. Vacuum sealed. The O-ring contact surface 464 may have a tapered shape as shown in the drawing or a concave curved surface on the O-ring side in order to reduce the magnetic resistance between the core 460 and the core 462. Since the two cores 460 and 462 can be fixed in the optical axis direction by the fixing screw 468, it can be manufactured with high accuracy. To summarize, the magnetic gap formed by the inner magnetic pole and the outer magnetic pole is a magnetic lens in the sample direction. What is necessary is just to make it have a ferromagnetic ring having a triangular cross section or a concave shape on the maximum side of the triangle at the connection portion with the outer magnetic pole core outside the magnetic pole. As a result, the magnetoresistance at the connection between the two magnetic poles is reduced, the axial magnetic field distribution of this lens has a single peak, and the aberration of this lens can be reduced.
FIG. 24 is a detailed diagram showing only the primary system of the electron optical system of FIG.
In FIG. 24, 244 is a line showing the image of the multi-aperture 239. Reference numeral 241 denotes a line indicating crossover imaging. The crossover of the beam emitted from the electron gun is enlarged by the two-stage lenses 235 and 238 at the tip of the multi-aperture 239, and the magnification can be adjusted. As a result, the current density in the multi-aperture is increased, and an adjustment with a wide uniformity of irradiation intensity over the entire multi-aperture is made possible. In this case, since no crossover is formed between the two-stage condenser lenses, the increase in the energy width due to the space charge effect is small, and the effect of using the photocathode having a negative electron affinity is great.

図25はカソード曲率半径を平面:252 のみでなく、5mmRの凸面:253、凹面:251;
1.5mmの凸面:250、凹面:254と変化させシミュレーションした結果を示したものである。カソード半径は200μmに固定した。レンズ電圧は12.5kV, ウエーネルト角度θwは90.5度、Dac は1.2mmである。平面カソード252ではカソード電流7.6mA で最大輝度になるのに対して、1.5mm凸面では6.4mA で最大輝度になっている。Langmuir限界を超える輝度が得られるカソード電流条件は、6.4/7.6 = 0.842倍に減少している。従って、Dac:2.5mm,最適ウエーネルト角度:69.5度の(5)式は、左辺が0.842倍され、
0.141 + 0.0142Rc<カソード電流<0.0658Rc (7)
になる。
1.5mmRの凹面ではLangmuir限界を超える輝度が得られるカソード電流条件Ieは9.38mAと大きいが、その場合のカソード電流密度Jc は26A/cm2 から23A/cm2 に減少する特徴がある。Ie は9.38/7.6 = 1.234 倍になるので、(5)式は、左辺が1.234 倍され、
0.207 + 0.0162Rc<カソード電流<0.06Rc (8)
になる。
FIG. 25 shows not only the radius of curvature of the cathode as flat: 252 but also a convex surface of 5 mmR: 253, concave surface: 251;
The simulation results are shown with the convex surface of 1.5 mm: 250 and the concave surface: 254. The cathode radius was fixed at 200 μm. The lens voltage is 12.5 kV, the Wehnelt angle θw is 90.5 degrees, and the Dac is 1.2 mm. The flat cathode 252 has a maximum luminance at a cathode current of 7.6 mA, while the 1.5 mm convex surface has a maximum luminance at 6.4 mA. Cathode current conditions that can achieve brightness exceeding the Langmuir limit are reduced to 6.4 / 7.6 = 0.842 times. Therefore, in equation (5) with Dac: 2.5 mm and optimum Wehnelt angle: 69.5 degrees, the left side is multiplied by 0.842.
0.141 + 0.0142Rc <cathode current <0.0658Rc (7)
become.
Cathode current condition Ie for obtaining luminance exceeding the Langmuir limit is as large as 9.38 mA with a concave surface of 1.5 mmR, but the cathode current density Jc in this case is characterized by decreasing from 26 A / cm 2 to 23 A / cm 2. Since Ie is multiplied by 9.38 / 7.6 = 1.234, the left side of Equation (5) is multiplied by 1.234,
0.207 + 0.0162Rc <cathode current <0.06Rc (8)
become.

図26は図25を輝度:B -エミッタンス:E特性(ほぼ右下がりの曲線群)とB-Jc(カソード電流密度)特性:ほぼ水平の線とで示したものである。260、261, 262, 263, 264, 265 & 266はそれぞれカソード曲率半径:1.5mmの凸、3mmの凸、5mmの凸、フラット、5mmの凹、3mmの凹、1.5mmの凹に対応する。260の1.5mmの凸カソードでは、B-E曲線が最も左側に位置し、同じ輝度で得られる最大電流は小さく、最悪であり、B-Jc特性も上側に位置し、最悪、これに対して266の1.5mm凹面カソードは、B-E特性は右側に位置し、しかもB-Jc特性も最も下側に位置し、最良である。   FIG. 26 shows FIG. 25 with luminance: B − emittance: E characteristics (substantially lowering curve group) and B-Jc (cathode current density) characteristics: substantially horizontal lines. 260, 261, 262, 263, 264, 265 & 266 respectively correspond to cathode curvature radii: 1.5mm convex, 3mm convex, 5mm convex, flat, 5mm concave, 3mm concave, 1.5mm concave. In the 260mm 1.5mm convex cathode, the BE curve is located on the left side, the maximum current that can be obtained with the same brightness is small and worst, and the B-Jc characteristic is also located on the upper side. The 1.5mm concave cathode is the best with BE characteristics located on the right side and B-Jc characteristics located on the bottom side.

図27は負の電子親和力を有する光陰極のカソード、平面の一部の形状を有する引出し電極又はアノード、及び円錐台形状のウエーネルト電極を有する電子銃のシミュレーション結果である。Dac:1.2mm、θw:90.2度、レンズ;6.5kV , カソード温度293K 、カソード仕事関数:−0.01 eV の条件で、カソード半径Rcを30, 40、80, 120, 160, 200 μmと変化させた。結果を順に、270、271、272、273、274、275、276、277に示す。点線はエミッタンス(μmmrad)、実線は輝度(1x106A/cm2sr)、少し右上がりの線はカソード電流密度(A/cm2)である。各カソード半径での最大輝度が得られるカソード電流Ie を図から読み取ると、順に1.85、2.2、2.95、3.55、4.4、6.1、7.05、8.9 mA、が得られた。これらの数字は、後(図45)で使う。
図28は図27を輝度:B -エミッタンス:E特性(ほぼ右下がりの曲線群)とB-Jc(カソード電流密度)特性:ほぼ水平の線とで示したものである。カソード半径Rcを30, 40、80, 120, 160, 200 μmと変化させた結果を順に、280、281、282、283、284、285、2876、287に示す。
FIG. 27 shows a simulation result of an electron gun having a cathode of a photocathode having a negative electron affinity, an extraction electrode or anode having a shape of a part of a plane, and a Wehnelt electrode having a truncated cone shape. Dac: 1.2 mm, θw: 90.2 degrees, lens; 6.5 kV, cathode temperature 293 K, cathode work function: −0.01 eV, cathode radius Rc was changed to 30, 40, 80, 120, 160, 200 μm It was. The results are shown in order at 270, 271, 272, 273, 274, 275, 276, 277. The dotted line is the emittance (μmmrad), the solid line is the luminance (1 × 10 6 A / cm 2 sr), and the slightly upward line is the cathode current density (A / cm 2 ). When the cathode current Ie that gives the maximum luminance at each cathode radius was read from the figure, 1.85, 2.2, 2.95, 3.55, 4.4, 6.1, 7.05, and 8.9 mA were obtained in this order. These numbers will be used later (FIG. 45).
FIG. 28 shows FIG. 27 with luminance: B − emittance: E characteristics (substantially lowering curve group) and B-Jc (cathode current density) characteristics: substantially horizontal lines. The results of changing the cathode radius Rc to 30, 40, 80, 120, 160, and 200 μm are shown in order as 280, 281, 282, 283, 284, 285, 2876, and 287, respectively.

図29はカソード仕事関数:−0.01eV, 動作温度293K, Dac:2.5mm, θw:90.5度、でカソード半径Rcをパラメータとしたシミュレーション結果である。Rc を、20, 100, 200, 300, 400,及び500μmとした結果を、順に290, 291, 292, 293, 294,及び295に示した。各カソード半径で、最大輝度が得られるカソード電流Ie は順に、0.361, 1.8, 2.45, 3.39, 4.34及び5.36mAであった。これらの数字は後(図45)で使う。
図30は図29を輝度:B -エミッタンス:E特性(ほぼ右下がりの曲線群)とB-Jc(カソード電流密度)特性:ほぼ水平の線とで示したものである。カソード半径Rcを20, 100、200, 300, 400,及び 500 μmと変化させた結果を順に、300、301、302、303、304、及び305、に示す。Langmuir 限界の線:186の右側に非常に小さいカソード電流密度Jc でB-Jc 曲線が存在している。即ち、Rcが20, 100、200, 300, 400,及び 500 μmと変化させた時、カソード電流密度Jc は順に、30、13、7.7、6、5.1、4.6 A/cm2 でLangmuir 限界をこえている。このように、小さい電流密度でLangmuir 限界を超える輝度がえられるのは非常に実用性がある。
FIG. 29 shows the simulation results with cathode work function: −0.01 eV, operating temperature 293 K, Dac: 2.5 mm, θw: 90.5 degrees, and cathode radius Rc as a parameter. The results obtained when Rc was 20, 100, 200, 300, 400, and 500 μm were shown in order of 290, 291, 292, 293, 294, and 295, respectively. For each cathode radius, the cathode current Ie that gives the maximum luminance was 0.361, 1.8, 2.45, 3.39, 4.34, and 5.36 mA in this order. These numbers will be used later (FIG. 45).
FIG. 30 shows FIG. 29 with luminance: B − emittance: E characteristics (substantially lowering curve group) and B-Jc (cathode current density) characteristics: substantially horizontal lines. The results of changing the cathode radius Rc to 20, 100, 200, 300, 400, and 500 μm are shown in order of 300, 301, 302, 303, 304, and 305, respectively. On the right side of the Langmuir limit line: 186, there is a B-Jc curve with a very small cathode current density Jc. That is, when Rc is changed to 20, 100, 200, 300, 400, and 500 μm, the cathode current density Jc is 30, 13, 7.7, 6, 5.1, 4.6 A / cm2 in order, exceeding the Langmuir limit. Yes. Thus, it is very practical to obtain a luminance exceeding the Langmuir limit with a small current density.

図31はカソード仕事関数:−0.01eV, 動作温度293K, Dac: 0.8 mm, θw:90.5度、でカソード半径Rcをパラメータとしたシミュレーション結果である。Rc を、20, 30、40、120, 200, 300, 400,及び500μmとした結果を、順に310, 311, 312, 313, 314,及び315に示した。各カソード半径で、最大輝度が得られるカソード電流Ie は順に、1.78、2.98、3.42、5.38、7.69、10.2, 12.76、及び15.4mAであった。これらの数字は後(図45)で使う。
図32は図31を輝度:B -エミッタンス:E特性(ほぼ右下がりの曲線群)とB-Jc(カソード電流密度)特性:ほぼ水平の線とで示したものである。カソード半径Rcを20, 30、40、120, 200, 300, 400,及び500μmとした結果を、順に320, 321, 322, 323, 324,及び325に示した。Langmuir 限界の線:186の右側にB-Jc 曲線が存在している。即ち、Rcを20, 30、40、120、200, 300, 400,及び 500 μmと変化させた時、カソード電流密度Jc は順に、160、100、49、38、30、27、26 A/cm2 でLangmuir 限界をこえている。このカソードとアノード間距離Dac:0.8mmでの特徴は、Langmuir 限界を超える輝度でのエミッタンスEが非常に大きいことである。例えば輝度1x107A/cm2srで図30と図32を比較すると、前者のDac:2.5mmでは1.4 〜9μmmrad であるのに対して、後者のDac:0.8mmでは、12〜65μmmradの値である。高輝度で高エミッタンスが得られるのは非常に実用性がある。
ここで光陰極について検討する。カソードの仕事関数をeφ、照射レーザー波長をλ、そのホトンエネルギーをhν(eV), カソード温度をT(K)、とすると、ベルシェ効果を無視したビームエネルギー幅δEは
δE2 =( kT)2 + (hν-eφ)2 (7)
になる。従ってエネルギー幅δEを小さくするにはレーザー波長のエネルギーをカソード材料の仕事関数より僅かに大きい値とし、かつカソード温度を低くすればよい。
カソード温度が低い場合の結果を次に示す。図33はカソード仕事関数:―0.01eV, 動作温度77K, Dac: 2.5 mm, θw:90.5度、でカソード半径Rcをパラメータとしたシミュレーション結果である。Rc を、2, 100, 200, 300, 400,及び500μmとした結果を、順に330, 331, 332, 333, 334,及び335に示した。各カソード半径で、最大輝度が得られるカソード電流Ie は順に、0.321、0.923、1.485、2.13、2.83及び3.69 mAであった。これらの数字は後(図45)で使う。
図34は図33を輝度:B -エミッタンス:E特性(ほぼ右下がりの曲線群)とB-Jc(カソード電流密度)特性:ほぼ水平の線とで示したものである。カソード半径Rcを20, 100, 200, 300, 400,及び500μmとした結果を、順に340, 341, 342, 343, 344,及び345に示した。Langmuir 限界の線:186の右側にB-Jc 曲線が存在している。即ち、Rcを20, 100、200, 300, 400,及び 500 μmと変化させた時、カソード電流密度Jc は順に、28、91、59、46、30、27 A/cm2 でLangmuir 限界をこえている。このカソードとアノード間距離Dac:2.5mmでの特徴は、Langmuir 限界を超える輝度での電流密度Jcとカソード電流Ieが非常に小さいことである。このように高輝度が小さい電流密度Jcとカソード電流Ieで高エミッタンスが得られるのは非常に実用性がある。
図35はカソード材料の仕事関数をeφと光電限界波長との関係を示したものである。350, 351, 352, 353, 354, 355,及び356は順にPt上のCs,Pt上のK,Ba,Al,Ag,Pt及びWである(電気通信学会編、通信工学ハンドブック、丸善、1957年、p470)。太い線はhν= eφで決まる限界波長である。金属材料ではW以外はこの直線より限界波長は長波長側へ20%程度シフトしている。逆にタングステン:Wでは短波長側にシフトしている。これらは表面の汚染によって仕事関数が変化した結果、及びカソード温度に依存する熱運動のためより小さいエネルギーの光子で電子放出を可能にする効果だと推測できる。この様に仕事関数の変化を考慮し、367、358で示した範囲内のレーザー波長でカソードを励起するのが好ましい。例えばCeBカソード359では、490〜550nmの範囲で、527nm,532nm;LaBでは410〜550nmの範囲で、532nm, 527nmの波長で、いずれも半導体励起固体レーザ(緑色)が良い。プランクの常数をh、波長をν、カソードの仕事関数をeφとしたとき、カソード励起レーザー波長はhν= eφで決まる限界波長の±20%以内の波長を用いればよい。カソードを冷却した場合は、カソード励起レーザー波長はhν= eφで決まる限界波長の0〜-10%以内の波長を用いればよい。
FIG. 31 shows the simulation results with cathode work function: −0.01 eV, operating temperature 293 K, Dac: 0.8 mm, θw: 90.5 degrees, and cathode radius Rc as a parameter. The results of setting Rc to 20, 30, 40, 120, 200, 300, 400, and 500 μm are shown in 310, 311, 312, 313, 314, and 315 in this order. For each cathode radius, the cathode current Ie that gave the maximum brightness was 1.78, 2.98, 3.42, 5.38, 7.69, 10.2, 12.76, and 15.4 mA in this order. These numbers will be used later (FIG. 45).
FIG. 32 shows FIG. 31 with luminance: B − emittance: E characteristic (substantially downward curve group) and B-Jc (cathode current density) characteristic: substantially horizontal line. The results of setting the cathode radius Rc to 20, 30, 40, 120, 200, 300, 400, and 500 μm are shown in 320, 321, 322, 323, 324, and 325 in this order. Langmuir limit line: B-Jc curve exists on the right side of 186. That is, when Rc is changed to 20, 30, 40, 120, 200, 300, 400, and 500 μm, the cathode current density Jc is 160, 100, 49, 38, 30, 27, 26 A / cm in order. 2 exceeds the Langmuir limit. A feature of this cathode-anode distance Dac: 0.8 mm is that the emittance E at a luminance exceeding the Langmuir limit is very large. For example, when FIG. 30 and FIG. 32 are compared at a luminance of 1 × 10 7 A / cm 2 sr, the former Dac: 2.5 mm is 1.4 to 9 μmmrad, whereas the latter Dac: 0.8 mm is 12 to 65 μmmrad. is there. It is very practical to obtain high emittance with high brightness.
Here, the photocathode is examined. Assuming that the work function of the cathode is eφ, the irradiation laser wavelength is λ, the photon energy is hν (eV), and the cathode temperature is T (K), the beam energy width δE ignoring the Bercher effect is
δE 2 = (kT) 2 + (hν-eφ) 2 (7)
become. Therefore, in order to reduce the energy width ΔE, the energy of the laser wavelength may be set to a value slightly larger than the work function of the cathode material and the cathode temperature may be lowered.
The results when the cathode temperature is low are shown below. FIG. 33 shows the simulation results with cathode work function: −0.01 eV, operating temperature 77 K, Dac: 2.5 mm, θw: 90.5 degrees, and cathode radius Rc as a parameter. The results of setting Rc to 2, 100, 200, 300, 400, and 500 μm are shown in 330, 331, 332, 333, 334, and 335 in this order. For each cathode radius, the cathode current Ie that gives the maximum luminance was 0.321, 0.923, 1.485, 2.13, 2.83, and 3.69 mA in this order. These numbers will be used later (FIG. 45).
FIG. 34 shows FIG. 33 with luminance: B − emittance: E characteristic (substantially lowering curve group) and B-Jc (cathode current density) characteristic: substantially horizontal line. The results of setting the cathode radius Rc to 20, 100, 200, 300, 400, and 500 μm are shown in order of 340, 341, 342, 343, 344, and 345. Langmuir limit line: B-Jc curve exists on the right side of 186. That is, when Rc is changed to 20, 100, 200, 300, 400, and 500 μm, the cathode current density Jc is 28, 91, 59, 46, 30, 27 A / cm 2 in order and exceeds the Langmuir limit. ing. A feature of the cathode-anode distance Dac: 2.5 mm is that the current density Jc and the cathode current Ie at a luminance exceeding the Langmuir limit are very small. Thus, it is very practical to obtain a high emittance with the current density Jc and the cathode current Ie having a small high luminance.
FIG. 35 shows the relationship between eφ and the photoelectric limit wavelength as the work function of the cathode material. 350, 351, 352, 353, 354, 355, and 356 are Cs on Pt, K, Ba, Al, Ag, Pt, and W on Pt in this order (Institute of Electrical Communication, Communication Engineering Handbook, Maruzen, 1957) Year, p470). The thick line is the critical wavelength determined by hν = eφ. For metallic materials, except W, the critical wavelength is shifted about 20% from the straight line toward the long wavelength side. Conversely, tungsten: W is shifted to the short wavelength side. It can be inferred that these are the result of changing the work function due to surface contamination, and the effect of allowing electron emission with smaller energy photons due to thermal motion depending on the cathode temperature. Thus, considering the change in work function, it is preferable to excite the cathode with a laser wavelength within the range indicated by 367 and 358. For example, in the CeB 6 cathode 359, in the range of 490 to 550 nm, 527 nm and 532 nm; in LaB 6 in the range of 410 to 550 nm and at wavelengths of 532 nm and 527 nm, both are semiconductor-pumped solid lasers (green). When the Planck constant is h, the wavelength is ν, and the work function of the cathode is eφ, the cathode excitation laser wavelength may be a wavelength within ± 20% of the limit wavelength determined by hν = eφ. When the cathode is cooled, the cathode excitation laser wavelength may be 0 to -10% of the limit wavelength determined by hν = eφ.

次に高輝度がなぜ得られるかを調べるため、カソード仕事関数−0.01eV, 動作温度293K, Dac: 0.8 mm, θw:90.5、カソード半径Rc: 0.5mm での条件で、普通輝度、中程度の輝度、及び高輝度での電子軌道を比較する。これらの軌道を作成する場合、カソード中心付近の軌道のみを出力するため、表2の斜体字で22と記した数字を55に変更した結果である。レンズは励起していない。
これに関連して、空間電荷効果を低減するため、アノード後面に小開口を設け、不要な周辺ビームをなるべく早く取り除くのが良い。
図36は普通輝度で、360の軌道で乱れがあるのが見られる。
図37は中程度の輝度で、370、371で軌道は密集し過ぎ、372で軌道は疎になっているのが見られる。
図38は高輝度での軌道で、非常に乱れの無い層流に近い軌道が得られた。層流に近い軌道では、軌道が互いに交差することが無いので、電子同士の衝突が少なくベルシェ効果でエネルギー幅が拡がる効果が少なく、しかもビームが最小径になるのがカソードから1.5mmで、アノード位置:0.8mm より後方でビームは充分に加速されているので電子同志の相互作用はさらに小さい。当然この様な層流に近い電子軌道では、光学モデルから大きくはずれているので、Langmuir 限界を超える輝度が得られても何も矛盾はない。結局カソードでは電流密度が小さく、ビーム径がアノードを過ぎるまでは単調減少する軌道になるようウエーネルト電圧を制御すれば、高輝度でエネルギー幅の小さいビームが得られ、軸上色収差が小さく、大電流を小さく絞れる。
Next, in order to investigate why high brightness is obtained, normal brightness, medium brightness under the conditions of cathode work function −0.01eV, operating temperature 293K, Dac: 0.8 mm, θw: 90.5, cathode radius Rc: 0.5mm Compare electron trajectories at brightness and high brightness. When these trajectories are created, only the trajectory near the center of the cathode is output, so that the number written as 22 in italic letters in Table 2 is changed to 55. The lens is not excited.
In this connection, in order to reduce the space charge effect, it is preferable to provide a small opening on the rear surface of the anode to remove unnecessary peripheral beams as soon as possible.
FIG. 36 shows normal brightness and a disturbance in 360 orbits.
FIG. 37 shows medium brightness, with the trajectories being too dense at 370 and 371 and the trajectory being sparse at 372.
FIG. 38 shows a trajectory with high brightness and a trajectory close to a laminar flow without any disturbance. In orbits close to laminar flow, the orbits do not cross each other, so there is little impact between electrons and the effect of expanding the energy width due to the Bercher effect, and the beam has a minimum diameter of 1.5 mm from the cathode. Position: Behind 0.8mm, the beam is sufficiently accelerated, so the interaction between electrons is even smaller. Naturally, such an electron orbit close to the laminar flow is far from the optical model, so there is no contradiction even if a luminance exceeding the Langmuir limit is obtained. After all, if the Wehnelt voltage is controlled so that the current density is small at the cathode and the beam diameter monotonously decreases until the beam diameter passes the anode, a beam with high brightness and a small energy width can be obtained, the axial chromatic aberration is small, and the large current Can be squeezed small.

図39は熱電子カソードでLangmuir 限界を超える輝度のカソード電流Ieの各カソード半径での最小値を調べた結果である。カソード半径Rcを80、100、200、300、400及び500μmにし、レンズ条件は12.5kV,Dac:2.5mm、2.35 eV, ウエーネルト角度:90.5度の電子銃について電子銃電流Ieを変化させてシュミレーションした。結果は、順に390, 391, 392,393,394,395 及び396に示した。直線に近い実線はカソード電流密度(単位はA/cm2)実線の曲線は輝度(単位は10A/cm2sr)点線の曲線はエミッタンス(μmmrad)であり、横軸はカソード電流Ie,単位はmAである。輝度が大きくなるカソード電流値は、順に1.81, 2.31, 3.26, 4.69,6.25 mA である。500μm半径カソードはこの条件では上記限界を超えられなかった。これらの数字は後(図45)で使用する。
図40は図39の結果を輝度B−エミッタンスE特性(右下がりの曲線)とB-Jc特性で表したグラフである。400、401、402、403、404、及び405 はカソード半径Rcが80、100、200、300、400、及び500μmの電子銃に対応する。輝度―カソード電流密度特性がほぼ水平に近い所ではLangmuir限界に対応する直線37の右側にあり、“Langmuir限界を超える輝度が得られている。カソード半径500μmの405の曲線は、37の右には出ていなく上記限界を超えられなかった。
FIG. 39 shows the result of examining the minimum value at each cathode radius of the cathode current Ie having a luminance exceeding the Langmuir limit in the thermoelectron cathode. Simulation was performed by changing the electron gun current Ie for an electron gun having a cathode radius Rc of 80, 100, 200, 300, 400, and 500 μm, lens conditions of 12.5 kV, Dac: 2.5 mm, 2.35 eV, and Wehnelt angle: 90.5 degrees. . The results are shown in order at 390, 391, 392, 393, 394, 395 and 396. The solid line near the straight line is the cathode current density (unit: A / cm 2 ) The solid curve is the luminance (unit: 10 5 A / cm 2 sr) The dotted curve is the emittance (μmmrad), and the horizontal axis is the cathode current Ie, The unit is mA. The cathode current values for increasing the brightness are 1.81, 2.31, 3.26, 4.69, and 6.25 mA in this order. The 500 μm radius cathode could not exceed the above limit under these conditions. These numbers will be used later (FIG. 45).
FIG. 40 is a graph showing the result of FIG. 39 in terms of luminance B-emittance E characteristics (curved downward curve) and B-Jc characteristics. 400, 401, 402, 403, 404, and 405 correspond to electron guns having cathode radii Rc of 80, 100, 200, 300, 400, and 500 μm. When the luminance-cathode current density characteristic is almost horizontal, it is on the right side of the straight line 37 corresponding to the Langmuir limit. “A luminance exceeding the Langmuir limit is obtained. The curve of 405 with a cathode radius of 500 μm is on the right side of 37. Did not come out and the above limit was not exceeded.

図41は熱電子カソードでLangmuir 限界を超える輝度の各カソード半径での最大値を調べた結果である。カソード半径Rcを80、100、200、300、400及び500μmにし、レンズ励起なし,Dac:0.8mm、仕事関数:2.35 eV, ウエーネルト角度:90.5度の電子銃について電子銃電流Ieを変化させてシュミレーションした。結果は、順に410, 411, 412, 413, 414, 415 及び416に示した。直線に近い実線はカソード電流密度(単位はA/cm2)実線の曲線は輝度(単位は10A/cm2sr)点線の曲線はエミッタンス(μmmrad)であり、横軸はカソード電流Ie,単位はmAである。輝度が大きくなるカソード電流値は、順に
1.81, 2.31, 3.26, 4.69,6.25 mA である。500μm半径カソードはこの条件では上記限界を超えられなかった。これらの数字は後(図45)で使用する。
図42は図41の結果を輝度B−エミッタンスE特性(右下がりの曲線)とB-Jc特性で表したグラフである。420、421、422、423、424、及び425 はカソード半径Rcが80、100、200、300、400、及び500μmの電子銃に対応する。輝度―カソード電流密度特性がほぼ水平に近い所ではLangmuir限界に対応する直線37の右側にあり、“Langmuir限界を超える輝度が得られている。カソード半径500μmの405の曲線は、37の右には出ていなく上記限界を超えられなかった。
FIG. 41 shows the result of investigating the maximum value at each cathode radius of the luminance exceeding the Langmuir limit in the thermoelectron cathode. Simulation by changing the electron gun current Ie for an electron gun with cathode radius Rc of 80, 100, 200, 300, 400 and 500 μm, no lens excitation, Dac: 0.8 mm, work function: 2.35 eV, Wehnelt angle: 90.5 degrees did. The results are shown in 410, 411, 412, 413, 414, 415 and 416 in this order. The solid line near the straight line is the cathode current density (unit: A / cm 2 ) The solid curve is the luminance (unit: 10 5 A / cm 2 sr) The dotted curve is the emittance (μmmrad), and the horizontal axis is the cathode current Ie, The unit is mA. The cathode current value that increases the brightness
1.81, 2.31, 3.26, 4.69, and 6.25 mA. The 500 μm radius cathode could not exceed the above limit under these conditions. These numbers will be used later (FIG. 45).
FIG. 42 is a graph showing the result of FIG. 41 in terms of luminance B-emittance E characteristics (curved downwards) and B-Jc characteristics. 420, 421, 422, 423, 424, and 425 correspond to electron guns having cathode radii Rc of 80, 100, 200, 300, 400, and 500 μm. When the luminance-cathode current density characteristic is almost horizontal, it is on the right side of the straight line 37 corresponding to the Langmuir limit. “A luminance exceeding the Langmuir limit is obtained. The curve of 405 with a cathode radius of 500 μm is on the right side of 37. Did not come out and the above limit was not exceeded.

図43は図33と同様にカソード仕事関数:―0.01eV, 動作温度77K, Dac: 2.5 mm, θw:90.5度、でカソード半径Rcをパラメータとしたシミュレーション結果である。但し、ここでは、空間電荷効果を減少させるため、アノード後面に小開口(43.1μmR)を設け、ビーム電流を1/10 以下に減少させた。Rc を、2, 100, 200, 300, 400,及び500μmとした結果を、順に430, 431, 432, 433, 434,及び435に示した。各カソード半径で、最大輝度が得られるカソード電流Ie は順に、0.323、0.868、1.47、2.038、2.791及び3.561 mAであった。これらの数字は図33の結果とほとんど差はない。また、この図では、クロスオーバZ位置:Zco の値(ほぼ山形の実線)も表示した。20μmRcでは、Zco が負の値になったが、Rcが100〜400μmでは、10mm前後の値であった。500μmRc では表示しなかった。開口位置は、アノード後面Z=3.6mmであるから、クロスオーバを形成する前でビーム電流を1/10 以下に減少させた場合も“Langmuir限界を超える輝度が得られている。
図44は図43を輝度:B -エミッタンス:E特性(ほぼ右下がりの曲線群)とB-Jc(カソード電流密度)特性:ほぼ水平の線とで示したものである。カソード半径Rcを20, 100, 200, 300, 400,及び500μmとした結果を、順に440, 441, 442, 443, 444,及び445に示した。Langmuir 限界の線:186の右側にB-Jc 曲線が存在している。即ち、Rcを20, 100、200, 300, 400,及び 500 μmと変化させた時、カソード電流密度Jc は順に、28、91、59、46、30、27 A/cm2 でLangmuir 限界をこえている。この場合と図4をエミッタンスで比較すると、ビーム電流が1/10 以下に減少しているにもかかわらず、エミッタンスは減少せず、むしと微増している。ビーム電流が1/10 以下に減少すれば、確実に、空間電荷効果は1/10 以下に減少するので、この様に電子銃が作るクロスオーバより手前にビームの大部分を取り除く開口を設けることは実用性がある。
今まで説明してきたLangmuir 限界をこえる輝度が得られるカソード電流のカソード半径依存性を図45にまとめた。
450:図41の結果をまとめた。 ; Ie = 10.5 + 0.0296Rc 120 < Rc ≦ 500
451:図41の結果をまとめた。 ; Ie = 0.116Rc Rc ≦ 120 μm
452:図2図の結果をまとめた。 ; Ie = 0.0645Rc
453:図31の結果をまとめた。 ; Ie = 2.6 + 0.0254Rc
454: 図13の結果をまとめた。 ; Ie = 0.9 + 0.027Rc
455: 図 27の結果をまとめた。 ; Ie = 1.5 + 0.0183Rc
456: 図 29の結果をまとめた。 ; Ie = 1 + 0.0086Rc
457: 図 33 & 34図の結果をまとめた。 ; Ie = 0.4 + 0.0064Rc
この図から、カソード半径Rcが、120μmよりちいさいかあるいは等しいとき、
0.4 +0.0064Rc ≦ Ie ≦ 0.116 Rc の範囲で、Langmuir 限界をこえる輝度が得られる条件を作れる。
また、カソード半径Rcが、120μmより大きいとき、
0.4 + 0.0064Rc ≦ Ie ≦ 10.5+0.0296 Rc の範囲で、Langmuir 限界をこえる輝度が得られる条件を作れる。
さらに、高輝度、高エミッタンスを得たい場合は、451又は450と453の間の範囲のカソード電流にすればよい、即ちカソード半径Rcが、120μmより小さいかあるいは等しいとき、
2.6 + 0.0254Rc ≦ Ie ≦ 0.116 Rc の範囲 にすればよく、カソード半径Rcが、120μmより大きいとき、
2.6 + 0.0254Rc ≦ Ie ≦ 10.5+0.0296 Rc の範囲にすればよい。
また、比較的小さいカソード電流あるいは、比較的小さいカソード電流密度で、Langmuir 限界をこえる輝度を得たい場合は、457と453の間の範囲のカソード電流にすればよい。即ち、0.4 + 0.0064Rc ≦ Ie ≦ 2.6 + 0.0254Rc の範囲にすればよい。
さらに、カソード半径は、比較的小さいカソード電流でLangmuir 限界をこえる輝度が得られるのは、20≦Rc(μm)≦200であり、比較的小さいカソード電流密度でLangmuir 限界をこえる輝度が得られるのは、200≦Rc(μm)≦500である。
FIG. 43 shows a simulation result in which the cathode work function is −0.01 eV, the operating temperature is 77 K, the Dac is 2.5 mm, θw is 90.5 degrees, and the cathode radius Rc is a parameter, as in FIG. However, here, in order to reduce the space charge effect, a small opening (43.1 μmR) was provided on the rear surface of the anode, and the beam current was reduced to 1/10 or less. The results of setting Rc to 2, 100, 200, 300, 400, and 500 μm are shown in the order of 430, 431, 432, 433, 434, and 435. The cathode current Ie at which the maximum luminance was obtained at each cathode radius was 0.323, 0.868, 1.47, 2.038, 2.791, and 3.561 mA in this order. These numbers are almost the same as the results of FIG. Further, in this figure, the value of the crossover Z position: Zco (substantially solid mountain line) is also displayed. At 20 μm Rc, Zco had a negative value, but when Rc was 100 to 400 μm, the value was around 10 mm. Not displayed at 500 μm Rc. Since the aperture position is the anode rear surface Z = 3.6 mm, even when the beam current is reduced to 1/10 or less before the crossover is formed, the luminance exceeding the “Langmuir limit” is obtained.
FIG. 44 shows FIG. 43 with luminance: B − emittance: E characteristics (substantially lowering curve group) and B-Jc (cathode current density) characteristics: substantially horizontal lines. The results of setting the cathode radius Rc to 20, 100, 200, 300, 400, and 500 μm are shown in order of 440, 441, 442, 443, 444, and 445. Langmuir limit line: B-Jc curve exists on the right side of 186. That is, when Rc is changed to 20, 100, 200, 300, 400, and 500 μm, the cathode current density Jc is 28, 91, 59, 46, 30, 27 A / cm 2 in order and exceeds the Langmuir limit. ing. Comparing this case with FIG. 4 in terms of emittance, the emittance does not decrease but slightly increases despite the beam current decreasing to 1/10 or less. If the beam current is reduced to 1/10 or less, the space charge effect is surely reduced to 1/10 or less. Thus, an opening that removes most of the beam before the crossover created by the electron gun is provided. Is practical.
FIG. 45 summarizes the cathode radius dependence of the cathode current at which the luminance exceeding the Langmuir limit described so far can be obtained.
450: The results of FIG. 41 are summarized. ; Ie = 10.5 + 0.0296Rc 120 <Rc ≤ 500
451: The results of FIG. 41 are summarized. ; Ie = 0.116Rc Rc ≤ 120 μm
452: The results of FIG. 2 are summarized. ; Ie = 0.0645Rc
453: The results of FIG. 31 are summarized. ; Ie = 2.6 + 0.0254Rc
454: The results of Figure 13 are summarized. ; Ie = 0.9 + 0.027Rc
455: The results of Figure 27 are summarized. ; Ie = 1.5 + 0.0183Rc
456: The results of Figure 29 are summarized. ; Ie = 1 + 0.0086Rc
457: The results of Fig. 33 & 34 are summarized. ; Ie = 0.4 + 0.0064Rc
From this figure, when the cathode radius Rc is less than or equal to 120 μm,
In the range of 0.4 + 0.0064Rc ≤ Ie ≤ 0.116 Rc, you can create a condition that provides brightness that exceeds the Langmuir limit.
When the cathode radius Rc is larger than 120 μm,
In the range of 0.4 + 0.0064Rc ≤ Ie ≤ 10.5 + 0.0296 Rc, conditions can be created to obtain brightness exceeding the Langmuir limit.
Furthermore, when high brightness and high emittance are desired, the cathode current in the range between 451 or 450 and 453 may be set, that is, when the cathode radius Rc is smaller than or equal to 120 μm,
2.6 + 0.0254Rc ≤ Ie ≤ 0.116 Rc, and when cathode radius Rc is greater than 120μm,
2.6 + 0.0254Rc ≤ Ie ≤ 10.5 + 0.0296 Rc may be set.
In order to obtain luminance exceeding the Langmuir limit with a relatively small cathode current or a relatively small cathode current density, a cathode current in the range between 457 and 453 may be used. That is, the range may be 0.4 + 0.0064Rc ≦ Ie ≦ 2.6 + 0.0254Rc.
Furthermore, the cathode radius is 20 ≦ Rc (μm) ≦ 200, and the brightness exceeding the Langmuir limit can be obtained with a relatively small cathode current, and the brightness exceeding the Langmuir limit can be obtained with a relatively small cathode current density. Is 200 ≦ Rc (μm) ≦ 500.

以上の実施の形態では電子銃電流の比較的大きい範囲で超高輝度が得られた。より使い易い電子銃を得るには、より小さい電子銃電流でLangmuir limitを超える超高輝度を得る条件を調べた。電子銃モデルは図47に示した。カソード:471, ウエーネルト: 472, 凸型球面アノード: 473, の後方に静電レンズ: 474を設け、静電レンズ電極474に与える電圧やウエーネルトと光軸との角度を最適化した。475は光軸であり、476は評価面である。     In the above embodiment, ultra-high brightness was obtained in a relatively large range of electron gun current. In order to obtain an easy-to-use electron gun, the conditions for obtaining ultra-high brightness exceeding the Langmuir limit with a smaller electron gun current were investigated. The electron gun model is shown in FIG. The electrostatic lens: 474 is provided behind the cathode: 471, Weinert: 472, convex spherical anode: 473, and the voltage applied to the electrostatic lens electrode 474 and the angle between the Wehnelt and the optical axis are optimized. 475 is an optical axis, and 476 is an evaluation surface.

図48はカソード半径Rcを10μmに固定し、カソードとアノード間距離Dacを10mm、6mm、4mm及び3mmと変化した結果をそれぞれ481, 482, 483 及び484に示す。これらのDac の条件ではそれぞれ電子銃電流が13.3, 24, 40.8 及び61 μAで超高輝度が得
ではではの逆数(1/Dac)を横軸にプロットした図を図53、54に示した。
FIG. 48 shows the results when the cathode radius Rc is fixed at 10 μm and the distance Dac between the cathode and the anode is changed to 10 mm, 6 mm, 4 mm and 3 mm, respectively at 481, 482, 483 and 484. 53 and 54 are graphs in which the abscissa (1 / Dac) is plotted on the horizontal axis when the electron gun current is 13.3, 24, 40.8, and 61 μA under these Dac conditions and the super high brightness is obtained.

図49はカソード半径Rcを300μmに固定し、カソードとアノード間距離Dacを10mm、6mm及び4mmと変化した結果をそれぞれ491, 492, 及び493に示す。これらのDac の条件ではそれぞれ電子銃電流が1.82, 4.55 及び7.76 mAで超高輝度が得られている。超高輝度が得られた電子銃電流Ie(max B)を縦軸、カソードとアノード間距離の逆数(1/Dac)を横軸にプロットした図を図53と54に示した。 FIG. 49 shows the results when the cathode radius Rc is fixed to 300 μm and the distance Dac between the cathode and the anode is changed to 10 mm, 6 mm and 4 mm, respectively at 491, 492 and 493. Under these Dac conditions, ultra high brightness is obtained at electron gun currents of 1.82, 4.55 and 7.76 mA, respectively. FIGS. 53 and 54 are graphs in which the electron gun current Ie (max B) at which ultra-high luminance is obtained is plotted on the vertical axis and the reciprocal of the distance between the cathode and the anode (1 / Dac) is plotted on the horizontal axis.

図50はカソードとアノード間距離Dacを10mmに固定し、カソード半径Rcを10μm、300μm及び500μmと変化した結果をそれぞれ501, 502, 及び503に示す。これらのRc の条件ではそれぞれ電子銃電流が0.00133, 1.82 及び3.05 mAで超高輝度が得られている。超高輝度が得られた電子銃電流Ie(max B)を縦軸、カソード半径Rcを横軸にプロットした図を図52に示した。 FIG. 50 shows the results obtained by fixing the cathode-anode distance Dac to 10 mm and changing the cathode radius Rc to 10 μm, 300 μm and 500 μm, respectively at 501, 502 and 503. Under these Rc conditions, ultra-high brightness is obtained at electron gun currents of 0.00133, 1.82 and 3.05 mA, respectively. FIG. 52 shows a graph in which the electron gun current Ie (max B) at which ultra-high luminance is obtained is plotted on the vertical axis and the cathode radius Rc is plotted on the horizontal axis.

図51はカソードとアノード間距離Dacを4 mmに固定し、カソード半径Rcを10μm、100μm、200μm、300μm、500μm及び700μmと変化した結果をそれぞれ511, 512, 513, 514, 515及び516に示す。これらのRc の条件ではそれぞれ電子銃電流が0.0408, 2.4, 5.23, 9.75 及び11.8 mAで超高輝度が得られている。超高輝度が得られた電子銃電流Ie(max B)を縦軸、カソード半径Rcを横軸にプロットした図を図52の直線522及び523に示した。 FIG. 51 shows the results when the cathode-to-anode distance Dac is fixed to 4 mm and the cathode radius Rc is changed to 10 μm, 100 μm, 200 μm, 300 μm, 500 μm and 700 μm, respectively at 511, 512, 513, 514, 515 and 516. . Under these Rc conditions, ultra high brightness is obtained at electron gun currents of 0.0408, 2.4, 5.23, 9.75 and 11.8 mA, respectively. A graph in which the electron gun current Ie (max B) at which ultra-high brightness is obtained is plotted on the vertical axis and the cathode radius Rc is plotted on the horizontal axis is shown by straight lines 522 and 523 in FIG.

図52において、カソードとアノード間隔Dacが10mmの場合はカソード半径Rcと最大輝度を与える電子銃電流Ieの関係はほぼ直線521に乗っている。またカソードとアノード間隔Dacが4mmの場合はカソード半径Rcと最大輝度を与える電子銃電流Ieの関係はRcが300μm以下ではほぼ直線522に乗り、Rcが300μm以上ではほぼ直線523に乗っている。直線521、522及び523はそれぞれ次式で与えられる。
521: Ie = 0.0062Rc - 0.0487、
522: Ie = 0.0266Rc -0.225,
523: Ie = 0.0101Rc + 4.73, ここでIe : mA, Rc: μm
従ってカソードとアノード間隔Dacが4mmから10mmの範囲
では超高輝度が得られるIeの条件は、
0.0062Rc -0.0487 ≦ Ie ≦ 0.101Rc + 4.73 Rc≧ 0.3mm, あるいは
0.0062Rc - 0.0487 ≦ Ie ≦0.0266Rc -0.225 Rc < 0.3mm. の範囲内の値にすればよい。
In FIG. 52, when the distance between the cathode and the anode Dac is 10 mm, the relationship between the cathode radius Rc and the electron gun current Ie giving the maximum luminance is almost on a straight line 521. When the distance between the cathode and the anode Dac is 4 mm, the relationship between the cathode radius Rc and the electron gun current Ie giving the maximum luminance is almost on the straight line 522 when Rc is 300 μm or less, and almost on the straight line 523 when Rc is 300 μm or more. Straight lines 521, 522, and 523 are given by the following equations, respectively.
521: Ie = 0.0062Rc-0.0487,
522: Ie = 0.0266Rc -0.225,
523: Ie = 0.0101Rc + 4.73, where Ie: mA, Rc: μm
Therefore, in the range of the cathode-anode distance Dac from 4 mm to 10 mm, the Ie condition for obtaining ultra-high brightness is
0.0062Rc -0.0487 ≤ Ie ≤ 0.101Rc + 4.73 Rc ≥ 0.3mm, or
A value in the range of 0.0062Rc−0.0487 ≦ Ie ≦ 0.0266Rc−0.225 Rc <0.3 mm.

図53,54において最大輝度が得られる電子銃電流Ieを縦軸、カソードとアノード間間隔Dacの逆数(1/Dac)を横軸で表示すると、カソード半径300μmの場合は直線531に、カソード半径10μmの場合は直線532にほぼ乗っている。直線531及び532はそれぞれ次式で与えられる。
531: Ie = 0.0204/Dac - 0.0086、
532: Ie = 40/Dac - 2.24, ここでIe : mA, Dac: mm
従ってカソード半径Rcが10μmから300μmの範囲
では超高輝度が得られるIeの条件は、
電子銃電流:Ieを
0.204/Dac - 0.0086 ≦ Ie ≦40/Dac - 2.24 の範囲内の値にすればよい。
図54の縦軸は100μm以下であり、非常に小さい電子銃電流で超高輝度が得られている。このような条件では空間電荷効果によるエネルギー幅の増加も小さくなる。
53 and 54, when the electron gun current Ie for obtaining the maximum luminance is displayed on the vertical axis and the reciprocal (1 / Dac) of the cathode-anode interval Dac is displayed on the horizontal axis, the cathode radius is shown as a straight line 531 when the cathode radius is 300 μm. In the case of 10 μm, it is almost on the straight line 532. Straight lines 531 and 532 are given by the following equations, respectively.
531: Ie = 0.0204 / Dac-0.0086,
532: Ie = 40 / Dac-2.24, where Ie: mA, Dac: mm
Therefore, the condition of Ie for obtaining ultra-high luminance when the cathode radius Rc is in the range of 10 μm to 300 μm is:
Electron gun current: Ie
A value within the range of 0.204 / Dac-0.0086 ≤ Ie ≤ 40 / Dac-2.24 may be used.
The vertical axis in FIG. 54 is 100 μm or less, and ultra-high brightness is obtained with a very small electron gun current. Under such conditions, the increase in energy width due to the space charge effect is also small.

以上はシミュレーションについてのみ述べた。過去の実験結果とシミュレーション結果とを比較した結果を次に示す。
図55はM. Nakasuji and H. Wada, J. Vac. Sci. & Technol., 17(6) Nov. /Dec. 1980 p1367に掲載された図である。実測データ551と552についてシミュレーションを行った。結果を図56と57に示す。ここでカソード電流密度は実測がないのでシミュレーションの値を用いた。図56で561はビームエネルギー20keV, カソード温度1800KでのLangmuir limit, 562は シミュレーションの値、563は実測である。輝度の実測値はシミュレーションの値よりやや小さい値であるが、Langmuir limitは十分超えている。輝度がシミュレーションの値より小さいのは電子銃電極の組立て精度の不十分さ等で予想できる。
図57で、573はビームエネルギー20keV, カソード温度1800KでのLangmuir limit, 571は シミュレーションの値、572は実測である。輝度が小さい領域ではシミュレーション値571と実測値572は比較的良く一致しているので、これらの実験値は信頼でき、1点のみだがLangmuir limitを十分超えた実測値もある。これらの比較から前に述べたシムレーションは実現可能であると言える。
The above describes only the simulation. The results of comparing past experimental results with simulation results are shown below.
FIG. 55 is a diagram published in M. Nakasuji and H. Wada, J. Vac. Sci. & Technol., 17 (6) Nov./Dec. 1980 p1367. Simulation was performed on the actual measurement data 551 and 552. The results are shown in FIGS. Here, since the cathode current density is not actually measured, a simulation value is used. In FIG. 56, 561 is a Langmuir limit at a beam energy of 20 keV and a cathode temperature of 1800 K, 562 is a simulation value, and 563 is an actual measurement. The measured luminance value is slightly smaller than the simulation value, but the Langmuir limit is well exceeded. It can be predicted that the luminance is smaller than the simulation value due to insufficient assembly accuracy of the electron gun electrode.
In FIG. 57, 573 is a beam energy of 20 keV, a cathode temperature of 1800 K, a Langmuir limit, 571 is a simulation value, and 572 is an actual measurement. Since the simulation value 571 and the actual measurement value 572 are relatively well matched in the low luminance region, these experimental values are reliable, and there are some actual measurement values that sufficiently exceed the Langmuir limit. From these comparisons, it can be said that the simulation described above is feasible.

以上、本発明に係る電子線装置の発明を実施するための最良の形態を説明したところから理解されるように、本発明は、Langmuir限界を超える輝度が得られる電子銃を利用可能にし、エネルギー幅が小さいと予想される電子銃が得られる。従って、1本の光軸の周りに複数の細く絞った大電流のマルチビームを形成し、また光軸から遠い位置にあるビームからの2次電子検出も問題なく可能にし、電子銃から試料面までの距離を短くでき空間電荷効果でのボケも小さくできる。さらに、アノード背面に小開口を設け光軸から遠いビームを電子銃に近い場所で取り除けば、空間電荷効果によるエネルギー幅の増加も小さくなる。さらに、100μm以下の小さい電子銃電流で超高輝度が得られるので空間電荷効果によるエネルギー幅の増加も小さくなる。   As described above, as can be understood from the description of the best mode for carrying out the invention of the electron beam apparatus according to the present invention, the present invention makes it possible to use an electron gun capable of obtaining luminance exceeding the Langmuir limit, An electron gun that is expected to be small in width is obtained. Therefore, a plurality of narrowly focused multi-current multi-beams are formed around one optical axis, and secondary electron detection from a beam far from the optical axis is possible without any problem. Can be shortened, and the blur due to the space charge effect can be reduced. Furthermore, if a small opening is provided on the back surface of the anode and a beam far from the optical axis is removed at a position close to the electron gun, the increase in energy width due to the space charge effect is reduced. Furthermore, since ultra-high brightness can be obtained with a small electron gun current of 100 μm or less, the increase in energy width due to the space charge effect is also reduced.

本発明に係る電子銃のモデル図である。It is a model figure of the electron gun which concerns on this invention. 図1に示した電子銃で、カソード半径をパラメータとしたシミュレーション例である。2 is a simulation example using the cathode radius as a parameter in the electron gun shown in FIG. 図2の結果をB-E表示とB-Jc表示とした図。The figure which made the result of FIG. 2 the B-E display and the B-Jc display. Langmuir限界を超えていない場合の電子軌道図である。It is an electron orbit diagram when not exceeding the Langmuir limit. Langmuir限界を超えた輝度が得られた場合の電子軌道図である。It is an electron orbit diagram when the brightness | luminance exceeding Langmuir limit is acquired. 図1に示した電子銃に静電レンズを追加したモデル図である。FIG. 2 is a model diagram in which an electrostatic lens is added to the electron gun shown in FIG. 1. 図6に示した電子銃で、レンズ電圧をパラメータとしたシミュレーション例である。7 is a simulation example using the lens voltage as a parameter in the electron gun shown in FIG. 6. 図7の結果をB-E表示とB-Jc表示とした図。横軸は、輝度(x105A/cm2sr)、縦軸はエミッタンス(μmmrad)とカソード電流密度:Jc(A/cm2)The figure which made the result of FIG. 7 the BE display and the B-Jc display. The horizontal axis is luminance (x10 5 A / cm 2 sr), and the vertical axis is emittance (μmmrad) and cathode current density: Jc (A / cm 2 ) Langmuir限界を超えた輝度が得られた場合の電子軌道図で、レンズは正の高電圧を与えた場合。In the electron trajectory diagram when the brightness exceeding the Langmuir limit is obtained, the lens gives a positive high voltage. Langmuir限界を超えた輝度が得られた場合の電子軌道図で、レンズは負の高電圧を与えた場合。In the electron trajectory when luminance exceeding the Langmuir limit is obtained, the lens is given a negative high voltage. 図6に示した電子銃で、ウエーネルト角度をパラメータとしたシミュレーション例である。7 is a simulation example using the Wehnelt angle as a parameter in the electron gun shown in FIG. 6. 図11の結果をB-E表示とB-Jc表示とした図。The figure which made the result of FIG. 11 the B-E display and the B-Jc display. 図6に示した電子銃で、カソード半径をパラメータとしたシミュレーション例である。FIG. 7 is a simulation example using the cathode radius as a parameter in the electron gun shown in FIG. 6. FIG. 図13の結果をB-E表示とB-Jc表示とした図。横軸は、輝度(x105A/cm2sr)、縦軸はエミッタンス(μmmrad)とカソード電流密度:Jc(A/cm2)The figure which made the result of FIG. 13 the BE display and the B-Jc display. The horizontal axis is luminance (x10 5 A / cm 2 sr), and the vertical axis is emittance (μmmrad) and cathode current density: Jc (A / cm 2 ) 図6に示した電子銃で、カソードとアノード間距離をパラメータとしたシミュレーション例である。FIG. 7 is a simulation example using the distance between the cathode and the anode as a parameter in the electron gun shown in FIG. 6. FIG. 図15の結果をB-E表示とB-Jc表示とした図。横軸は、輝度(x105A/cm2sr)、縦軸はエミッタンス(μmmrad)とカソード電流密度:Jc(A/cm2)The figure which made the result of FIG. 15 the BE display and the B-Jc display. The horizontal axis is luminance (x10 5 A / cm 2 sr), and the vertical axis is emittance (μmmrad) and cathode current density: Jc (A / cm 2 ) 図1に示した電子銃で、カソード温度をパラメータとしたシミュレーション例である。2 is a simulation example using the cathode temperature as a parameter in the electron gun shown in FIG. 1. 図17の結果をB-E表示とB-Jc表示とした図。横軸は、輝度(x105A/cm2sr)、縦軸はエミッタンス(μmmrad)とカソード電流密度:Jc(A/cm2)The figure which made the result of FIG. 17 the BE display and the B-Jc display. The horizontal axis is luminance (x10 5 A / cm 2 sr), and the vertical axis is emittance (μmmrad) and cathode current density: Jc (A / cm 2 ) 図6に示した電子銃に電磁レンズを追加し、レンズ励磁ATをパラメータとしたシミュレーション例であり、静電レンズは動作していない。This is a simulation example in which an electromagnetic lens is added to the electron gun shown in FIG. 6 and the lens excitation AT is a parameter, and the electrostatic lens is not operating. 図19の結果をB-E表示とB-Jc表示とした図。横軸は、輝度(x105A/cm2sr)、縦軸はエミッタンス(μmmrad)とカソード電流密度:Jc(A/cm2)The figure which made the result of FIG. 19 BE display and B-Jc display. The horizontal axis is luminance (x10 5 A / cm 2 sr), and the vertical axis is emittance (μmmrad) and cathode current density: Jc (A / cm 2 ) Langmuir限界を超えた輝度が得られた場合の電子軌道図で、電磁レンズが動作した場合。When the electromagnetic lens is operated in the electron orbit diagram when the brightness exceeding the Langmuir limit is obtained. 光陰極電子銃を用いた電子銃の実施の形態である。1 is an embodiment of an electron gun using a photocathode electron gun. 高輝度電子銃が使用される電子光学系である。This is an electron optical system in which a high-intensity electron gun is used. 高輝度電子銃が使用される電子光学系の1次光学系である。This is the primary optical system of the electron optical system that uses a high-intensity electron gun. 図6に示した電子銃で、カソード曲率半径をパラメータとしたシミュレーション例である。7 is a simulation example using the cathode radius of curvature as a parameter in the electron gun shown in FIG. 6. 図25の結果をB-E表示とB-Jc表示とした図。横軸は、輝度(x10A/cm2sr)、縦軸はエミッタンス(μmmrad)とカソード電流密度:Jc(A/cm2)。The figure which made the result of FIG. 25 the BE display and the B-Jc display. The horizontal axis represents luminance (x10 5 A / cm 2 sr), and the vertical axis represents emittance (μmmrad) and cathode current density: Jc (A / cm 2 ). 光陰極を用いた電子銃で、カソード半径:Rcをパラメータとしたシミュレーション結果である。This is a simulation result with an electron gun using a photocathode and a cathode radius: Rc as a parameter. 図25の結果をB-E表示とB-Jc表示とした図。横軸は、輝度(x10A/cm2sr)、縦軸はエミッタンス(μmmrad)とカソード電流密度:Jc(A/cm2)。The figure which made the result of FIG. 25 the BE display and the B-Jc display. The horizontal axis represents luminance (x10 6 A / cm 2 sr), and the vertical axis represents emittance (μmmrad) and cathode current density: Jc (A / cm 2 ). 光陰極を用いた電子銃で、カソード半径:Rcをパラメータとしたシミュレーション結果である。Dac: 2.5mm。This is a simulation result with an electron gun using a photocathode and a cathode radius: Rc as a parameter. Dac: 2.5mm. 図29の結果をB-E表示とB-Jc表示とした図。横軸は、輝度(x10A/cm2sr)、縦軸はエミッタンス(μmmrad)とカソード電流密度:Jc(A/cm2)。The figure which made the result of FIG. 29 the BE display and the B-Jc display. The horizontal axis represents luminance (x10 5 A / cm 2 sr), and the vertical axis represents emittance (μmmrad) and cathode current density: Jc (A / cm 2 ). 光陰極を用いた電子銃で、カソード半径:Rcをパラメータとしたシミュレーション結果である。Dac: 0.8mm。This is a simulation result with an electron gun using a photocathode and a cathode radius: Rc as a parameter. Dac: 0.8mm. 図31の結果をB-E表示とB-Jc表示とした図。横軸は、輝度(x10A/cm2sr)、縦軸はエミッタンス(μmmrad)とカソード電流密度:Jc(A/cm2)。The figure which made the result of FIG. 31 the BE display and the B-Jc display. The horizontal axis represents luminance (x10 5 A / cm 2 sr), and the vertical axis represents emittance (μmmrad) and cathode current density: Jc (A / cm 2 ). 77Kに冷却した光陰極を用いた電子銃で、カソード半径:RcとLangmuir限界を超えた輝度が得られるカソード電流Ieとの関係。The relationship between the cathode radius Ic and the cathode current Ie, which gives a luminance exceeding the Langmuir limit, with an electron gun using a photocathode cooled to 77K. 図33の結果をB-E表示とB-Jc表示とした図。横軸は、輝度(x10A/cm2sr)、縦軸はエミッタンス(μmmrad)とカソード電流密度:Jc(A/cm2)。The figure which made the result of FIG. 33 the BE display and the B-Jc display. The horizontal axis represents luminance (x10 5 A / cm 2 sr), and the vertical axis represents emittance (μmmrad) and cathode current density: Jc (A / cm 2 ). 仕事関数と光電限界波長との関係Relationship between work function and photoelectric limit wavelength 普通輝度電子銃での電子軌道Electron trajectory with a normal-brightness electron gun 中程度の輝度の電子銃での電子軌道高輝度Electron trajectory high brightness with medium brightness electron gun 高輝度電子銃での電子軌道Electron trajectory with high-intensity electron gun 熱電子カソードでの輝度、エミッタンス、カソード電流密度のカソード電流依存性Cathode current dependence of brightness, emittance, and cathode current density at a thermionic cathode 図39の結果をB-E表示とB-Jc表示とした図。横軸は、輝度(x10A/cm2sr)、縦軸はエミッタンス(μmmrad)とカソード電流密度:Jc(A/cm2)。The figure which made the result of FIG. 39 the BE display and the B-Jc display. The horizontal axis represents luminance (x10 5 A / cm 2 sr), and the vertical axis represents emittance (μmmrad) and cathode current density: Jc (A / cm 2 ). 1800K,Dac:.8mm、θw:90.5度での光陰極を用いた電子銃で、カソード半径:Rcをパラメータとしたシミュレーション結果。1800K, Dac :. Simulation results with an electron gun using a photocathode at 8 mm and θw: 90.5 degrees, with the cathode radius: Rc as a parameter. 図41の結果をB-E表示とB-Jc表示とした図。横軸は、輝度(x10A/cm2sr)、縦軸はエミッタンス(μmmrad)とカソード電流密度:Jc(A/cm2)。The figure which made the result of FIG. 41 the BE display and the B-Jc display. The horizontal axis represents luminance (x10 5 A / cm 2 sr), and the vertical axis represents emittance (μmmrad) and cathode current density: Jc (A / cm 2 ). 光陰極を用いたカソードを77Kに冷却し、アノード後面に小開口を設けた電子銃で、カソード半径:Rcをパラメータとしたシミュレーション結果であり、Dac: 2.5 mm。This is an electron gun in which a cathode using a photocathode is cooled to 77K and a small opening is provided on the rear surface of the anode, and is a simulation result with a cathode radius: Rc as a parameter. Dac: 2.5 mm. 図43の結果をB-E表示とB-Jc表示とした図。横軸は、輝度(x10A/cm2sr)、縦軸はエミッタンス(μmmrad)とカソード電流密度:Jc(A/cm2)。The figure which made the result of FIG. 43 the BE display and the B-Jc display. The horizontal axis represents luminance (x10 5 A / cm 2 sr), and the vertical axis represents emittance (μmmrad) and cathode current density: Jc (A / cm 2 ). カソード半径:RcとLangmuir限界を超える輝度が得られるカソード電流Ieとの関係。Cathode radius: The relationship between Rc and the cathode current Ie at which luminance exceeding the Langmuir limit is obtained. 磁気ギャップが試料側にある対物レンズ。An objective lens with a magnetic gap on the sample side. 電子銃モデル。Electronic gun model. 図47に示した電子銃で、カソードとアノード間隔Dacをパラメータとしたシミュレーション例である。47 is a simulation example of the electron gun shown in FIG. 47 with the cathode-anode distance Dac as a parameter. 図47に示した電子銃で、カソード半径Rcを0.3 mmとし、カソードとアノード間隔Dacをパラメータとしたシミュレーション例である。47 is a simulation example of the electron gun shown in FIG. 47 with a cathode radius Rc of 0.3 mm and a cathode-anode distance Dac as a parameter. 図47に示した電子銃で、カソード半径Rcをパラメータとしたシミュレーション例である。47 is a simulation example with the cathode radius Rc as a parameter in the electron gun shown in FIG. 図47に示した電子銃で、カソードとアノード間隔Dacを4 mmに固定し、カソード半径Rc をパラメータとしたシミュレーション例である。47 is a simulation example in which the distance between the cathode and the anode Dac is fixed to 4 mm and the cathode radius Rc is a parameter in the electron gun shown in FIG. カソード半径:RcとLangmuir限界を超える輝度が得られるカソード電流Ieとの関係。Cathode radius: The relationship between Rc and the cathode current Ie at which luminance exceeding the Langmuir limit is obtained. カソードとアノード間間隔DacとLangmuir限界を超える輝度が得られるカソード電流Ieとの関係。Relationship between cathode-anode spacing Dac and cathode current Ie that provides brightness exceeding the Langmuir limit. 図53の縦軸を拡大した図。The figure which expanded the vertical axis | shaft of FIG. 過去の実測データ。Past measured data. 過去の実測データとシミュレーションとの比較。Comparison between past actual measurement data and simulation. カソード曲率半径480μmでの過去の実測データとシミュレーションとの比較。Comparison between past measurement data and simulation at a cathode curvature radius of 480 μm.

7:仮想円錐台、5:アノード穴の放電回避の曲面、6:評価面、61,62,63:静電レンズ、254:1次ビームの走査に同期して軸を補正する2段の静電偏向器、259:マルチビームの検出器、242:電子銃のクロスオーバの結像を示す線、244:マルチ開口からのビームの結像線、
7: Virtual frustum, 5: Curved surface for avoiding discharge of anode hole, 6: Evaluation surface, 61, 62, 63: Electrostatic lens, 254: Two-stage static for correcting axis in synchronization with scanning of primary beam Electro-deflector, 259: Multi-beam detector, 242: Line indicating electron gun cross-over imaging, 244: Beam imaging line from multi-aperture,

Claims (6)

電子銃の後方にレンズを設けた装置であって、平面のカソード、引出し電極又はアノード、円錐の一部の形状のウエーネルト電極を有する電子銃を有し、電子銃電流: Ieの単位をmA, カソードとアノード間距離:Dac、単位mmとした時、
0.388/Dac -0.046 ≦ Ie ≦ 92.8/Dac + 9.28、 Dac≧3mm, あるいは
0.388/Dac - 0.046 ≦ Ie ≦22/Dac + 32.7、 Dac <3mm.
の範囲内の値にする、又は, カソード半径Rcの単位をμmとした時、電子銃電流Ieを 0.0062Rc -0.0487 ≦ Ie ≦ 0.101Rc + 4.73 Rc≧ 0.3mm, あるいは
0.0062Rc - 0.0487 ≦ Ie ≦0.0266Rc -0.225 Rc < 0.3mm.
の範囲内の値にした事を特徴とする電子線装置。
A device provided with a lens behind the electron gun, having a flat cathode, an extraction electrode or anode, an electron gun having a Wehnelt electrode in the shape of a part of a cone, and the unit of the electron gun current: Ie is mA, Distance between cathode and anode: Dac, when unit is mm,
0.388 / Dac -0.046 ≤ Ie ≤ 92.8 / Dac + 9.28, Dac ≥ 3 mm, or
0.388 / Dac-0.046 ≤ Ie ≤22 / Dac + 32.7, Dac <3mm.
Or when the unit of the cathode radius Rc is μm, the electron gun current Ie is 0.0062Rc -0.0487 ≤ Ie ≤ 0.101Rc + 4.73 Rc ≥ 0.3 mm, or
0.0062Rc-0.0487 ≤ Ie ≤ 0.0266Rc -0.225 Rc <0.3mm.
An electron beam apparatus characterized by having a value within the range.
請求項1において、上記レンズの励磁あるいは励起電圧を調整して、電子銃輝度を調整する事を特徴とする電子線装置。 2. The electron beam apparatus according to claim 1, wherein the brightness of the electron gun is adjusted by adjusting excitation or excitation voltage of the lens. 請求項1において、上記カソードとアノード間にかかる電界強度を、1.6 kV/mm 以上とした事を特徴とする電子線装置。 2. The electron beam apparatus according to claim 1, wherein the electric field strength applied between the cathode and the anode is 1.6 kV / mm or more. 請求項1において、電子銃電流:Ieを
0.0107Rc< Ie <0.06Rc の範囲内の値にした事を特徴とする電子線装置。
In claim 1, the electron gun current: Ie
An electron beam apparatus characterized by having a value within a range of 0.0107Rc <Ie <0.06Rc.
請求項1において、上記レンズは内側磁極と外側磁極で形成される磁気ギャップが試料方向にある磁気レンズで、内側磁極を飽和磁束密度の大きい強磁性体で、外側磁極を高透磁率材料で製作し、内側磁極の外側で外側磁極コアとの接続部に断面が3角形あるいは該3角形の最大辺が凹面形状の強磁性体リングを有する事を特徴とする電子線装置。 2. The lens according to claim 1, wherein the magnetic gap formed by the inner magnetic pole and the outer magnetic pole is a magnetic lens in the sample direction, the inner magnetic pole is made of a ferromagnetic material having a high saturation magnetic flux density, and the outer magnetic pole is made of a high permeability material. An electron beam apparatus characterized by having a ferromagnetic ring having a triangular cross section or a concave shape on the maximum side of the triangular shape at the connection portion with the outer magnetic pole core outside the inner magnetic pole. 請求項1において、上記内側磁極をパーメンジュールとし、外側磁極をパーマロイとする事を特徴とする電子線装置。 2. The electron beam apparatus according to claim 1, wherein the inner magnetic pole is a permendur and the outer magnetic pole is a permalloy.
JP2009024473A 2006-07-26 2009-02-05 Electron beam device Pending JP2009170427A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009024473A JP2009170427A (en) 2006-07-26 2009-02-05 Electron beam device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006224699 2006-07-26
JP2009024473A JP2009170427A (en) 2006-07-26 2009-02-05 Electron beam device

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008168639A Division JP2008293986A (en) 2006-07-26 2008-06-27 Electron beam device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2009170427A true JP2009170427A (en) 2009-07-30

Family

ID=40168460

Family Applications (3)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008168639A Pending JP2008293986A (en) 2006-07-26 2008-06-27 Electron beam device
JP2008326774A Pending JP2009110971A (en) 2006-07-26 2008-12-24 Electron beam device
JP2009024473A Pending JP2009170427A (en) 2006-07-26 2009-02-05 Electron beam device

Family Applications Before (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008168639A Pending JP2008293986A (en) 2006-07-26 2008-06-27 Electron beam device
JP2008326774A Pending JP2009110971A (en) 2006-07-26 2008-12-24 Electron beam device

Country Status (1)

Country Link
JP (3) JP2008293986A (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11335608B2 (en) 2020-04-15 2022-05-17 Kla Corporation Electron beam system for inspection and review of 3D devices

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06139983A (en) * 1992-10-28 1994-05-20 Nikon Corp Charged particle beam device
JPH11176366A (en) * 1997-12-10 1999-07-02 Nikon Corp Pierce type electron gun
JP3914750B2 (en) * 2001-11-20 2007-05-16 日本電子株式会社 Charged particle beam device with aberration correction device
JP2003173756A (en) * 2001-12-05 2003-06-20 Ebara Corp Electron beam device and manufacturing method of device using the same
JP2004200111A (en) * 2002-12-20 2004-07-15 Ebara Corp Electron beam device and manufacturing method of device using the device
JP2005174568A (en) * 2003-12-08 2005-06-30 Ebara Corp Object lens, electron beam device, and manufacturing method of device using them
US7176610B2 (en) * 2004-02-10 2007-02-13 Toshiba Machine America, Inc. High brightness thermionic cathode

Also Published As

Publication number Publication date
JP2008293986A (en) 2008-12-04
JP2009110971A (en) 2009-05-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3093867B1 (en) X-ray generator and adjustment method therefor
US8168951B2 (en) Charged particle beam apparatus
JP5172154B2 (en) Magnetically amplified inductively coupled plasma source for focused ion beam systems
US7439506B2 (en) Method and an apparatus of an inspection system using an electron beam
US9257257B2 (en) Electron beam control method, electron beam generating apparatus, apparatus using the same, and emitter
JP4685115B2 (en) Electron beam exposure method
US20070228922A1 (en) Electron gun and electron beam apparatus field of invention
JP2004534360A (en) Electron beam device and device manufacturing method using the electron beam device
JP2007265931A (en) Inspection device and inspection method
US11201032B2 (en) Electron emitter and method of fabricating same
US6646261B2 (en) SEM provided with a secondary electron detector having a central electrode
JP5439498B2 (en) electronic microscope
JP2008123891A (en) Charged beam device and its lens body
Ul-Hamid et al. Components of the SEM
US11232924B2 (en) Method of operating a charged particle gun, charged particle gun, and charged particle beam device
US7335879B2 (en) System and method for sample charge control
US9697983B1 (en) Thermal field emitter tip, electron beam device including a thermal field emitter tip and method for operating an electron beam device
JP2009170427A (en) Electron beam device
JP2008053226A (en) Electron gun and electron beam device
CN212587450U (en) Magnetic lens component for charged particle beam device, lens and charged particle beam device
WO2022076162A1 (en) Electron source with magnetic suppressor electrode
JP2004193017A (en) Scanning electron beam apparatus
JP2004247321A (en) Scanning electron microscope
JPH03230464A (en) Scanning type electron microscope
JP2005158642A (en) Pattern evaluation method, and manufacturing method of device

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20090728

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090825

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20091117