JP2021082487A - 電子線適用装置および電子線適用装置における電子ビームの射出方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)フォトカソードから射出される電子ビームは、熱電子射出型等の電子銃から射出される電子ビームと比較すると、より平行な電子ビームが得られること、
(2)フォトカソードから射出される電子ビームのサイズ(電子ビームの径)は、照射される励起光のサイズにより決まること、
(3)そのため、フォトカソードから射出される電子ビームのサイズに応じてオブジェクティブレンズの集束強度を制御するのみで、電子ビームを集束できること、
(4)その結果、電子ビームの制御が簡単になること、
を新たに見出した。
本体部分と、
制御部と、
を含む電子線適用装置であって、
前記電子銃部分は、
光源と、
光源から照射された励起光を受光することで、電子ビームを射出するフォトカソードと、
アノードと、
を含み、
前記本体部分は、
前記電子銃部分から照射された電子ビームを集束するオブジェクティブレンズ、
を含み、
前記制御部は、少なくとも、前記フォトカソードから射出される電子ビームのサイズに応じて前記オブジェクティブレンズの集束強度を制御する、
電子線適用装置。
(2)前記制御部が、前記光源から照射される励起光の強度を制御する、
上記(1)に記載の電子線適用装置。
(3)前記光源から前記フォトカソードに照射する励起光のサイズを制御する励起光サイズ制御部材を更に含み、
前記励起光サイズ制御部材が、前記光源と前記フォトカソードの間に配置されている、
上記(1)または(2)に記載の電子線適用装置。
(4)前記オブジェクティブレンズが静電レンズであり、
前記制御部が、前記静電レンズに流す電圧値を制御する、
上記(1)〜(3)の何れか一つに記載の電子線適用装置。
(5)前記フォトカソードと前記アノードの間に、中間電極が配置され、
前記中間電極は、
フォトカソードから射出された電子ビームが通過する電子ビーム通過孔を有し、
電子ビーム通過孔には、電圧の印加によりフォトカソードとアノードとの間に電界が形成された際に、電界の影響を無視できるドリフトスペースが形成されている、
上記(1)〜(4)の何れか一つに記載の電子線適用装置。
(6)前記フォトカソードと前記オブジェクティブレンズの間で、前記フォトカソードから射出された前記電子ビームが焦点を持たない、
上記(1)〜(5)の何れか一つに記載の電子線適用装置。
(7)前記フォトカソードと前記オブジェクティブレンズの間で、前記フォトカソードから射出された前記電子ビームが焦点を持つ、
上記(5)に記載の電子線適用装置。
(8)前記電子線適用装置が、
自由電子レーザー加速器、
電子顕微鏡、
電子線ホログラフィー装置、
電子線描画装置、
電子線回折装置、
電子線検査装置、
電子線金属積層造形装置、
電子線リソグラフィー装置、
電子線加工装置、
電子線硬化装置、
電子線滅菌装置、
電子線殺菌装置、
プラズマ発生装置、
原子状元素発生装置、
スピン偏極電子線発生装置、
カソードルミネッセンス装置、または、
逆光電子分光装置
から選択される、
上記(1)〜(7)の何れか一つに記載の電子線適用装置。
(9)電子線適用装置における電子ビームの射出方法であって、
前記電子線適用装置は、電子銃部分と、本体部分と、制御部と、を含み、
前記電子銃部分は、
光源と、
光源から照射された励起光を受光することで、電子ビームを射出するフォトカソードと、
アノードと、
を含み、
前記本体部分は、
前記電子銃部分から照射された電子ビームを集束するオブジェクティブレンズ、
を含み、
前記射出方法は、
光源から照射される励起光を受光することで、フォトカソードから電子ビームを射出する電子ビーム射出工程と、
前記電子ビーム射出工程で射出された電子ビームが、本体部分に配置されたオブジェクティブレンズに向けて進行する電子ビーム進行工程と、
前記電子ビーム進行工程により本体部分に到達した前記電子ビームを、前記オブジェクティブレンズで集束する電子ビーム集束工程と、
を含み、
前記電子ビーム進行工程では、前記フォトカソードから射出された前記電子ビームが、前記オブジェクティブレンズに到達するまで焦点を持たないで進行する、
射出方法。
(10)前記電子ビーム集束工程において、前記電子ビームの集束の程度を制御するため、前記制御部が前記オブジェクティブレンズの集束強度を制御する、
上記(9)に記載の射出方法。
(11)前記電子ビーム射出工程の前に、前記制御部が前記光源から照射される前記励起光の強度を制御する励起光強度制御工程、
を含む、上記(9)または(10)に記載の射出方法。
(12)前記光源と前記フォトカソードの間に、前記光源から前記フォトカソードに照射する励起光のサイズを制御する励起光サイズ制御部材が配置され、
前記電子ビーム射出工程の前に、前記制御部は、前記励起光サイズ制御部材によりフォトカソードから照射される電子ビームのサイズを制御する電子ビームサイズ制御工程を実施する、
上記(9)〜(11)の何れか一つに記載の射出方法。
(13)前記フォトカソードと前記アノードの間に、中間電極が配置され、
前記電子ビーム進行工程において、前記フォトカソードから射出された前記電子ビームが、
前記フォトカソードと前記オブジェクティブレンズの間で焦点を持たないように進行する、または、
前記フォトカソードと前記オブジェクティブレンズの間で焦点を持つように進行する、
ように、前記制御部が中間電極を制御する、
上記(9)〜(12)の何れか一つに記載の射出方法。
本明細書において、フォトカソードから放出された電子ビームが進行する方向をZ方向と定義する。なお、Z方向は、例えば、鉛直下向き方向であるが、Z方向は、鉛直下向き方向に限定されない。
図2を参照して、第1の実施形態における電子線適用装置1Aについて説明する。図2は、第1の実施形態における電子線適用装置1Aとして走査型電子顕微鏡装置(SEM)を採用した場合の概略断面図である。
(1)カソード3での電子ビームの初期エミッタンス
(2)励起光Lのサイズ、
(3)カソード3とアノード4との間の電圧、距離および電界分布、
(4)アノード4とオブジェクティブレンズ7の距離、
(5)オブジェクティブレンズ7の集束強度、
を種々変更した際の分解能やコントラストを実測しておけば、同じ条件であれば再現性が高い。制御部1cはメモリを有し、この実測データをメモリに保存しておくことで、カソード3での電子ビームの初期エミッタンス、励起光Lのサイズ、カソード3とアノード4との間の電圧、距離および電界分布、アノード4とオブジェクティブレンズ7の距離、等の情報に基づき、集束後の電子ビームBを所望のサイズとするために必要なオブジェクティブレンズ7の集束強度を算出し、オブジェクティブレンズ7を制御できる。
図2および図3を参照して、電子線適用装置における電子ビームの射出方法(以下、単に「射出方法」と記載することがある。)の第1の実施形態について説明する。図3は、射出方法の第1の実施形態のフローチャートである。
(1)電子銃から射出された電子ビームは発散するという前提で設計されていること、
(2)そのため、分解能やコントラストを向上させるためには、電子ビーム周辺部分の質の悪い電子ビームをカットし、質のよい中心部分の電子ビームのみを集束して使用すること、
(3)コンデンサレンズで電子ビームをどの程度集束するのか、アパーチャーでどの程度の電子ビームをカットするのか、オブジェクティブレンズでどの程度の電子ビームを集束するのかは、各々の部材を単独制御するのではなく、相互の部材を関連付けて一体的に制御する必要があること、
(4)前記(3)に記載の制御に電子ビームのサイズや強度等の制御を含めると、電子ビームの条件に応じて、前記(3)に記載の制御パラメータを再計算する必要があり、その結果、制御が複雑になりすぎること、
から、分解能やコントラスト制御のための電子ビームの制御は、本体部分に到達した後の電子ビームで行っていた。一方、第1の実施形態に係る電子線適用装置1Aおよび該電子線適用装置1Aを用いた電子ビームの射出方法は、コンデンサレンズとそれらに付随するアパーチャーを要しない。したがって、以下の複数の効果を同時に達成できる。
(b)フォトカソード3から射出された電子ビームBは、従来よりも質のよい電子ビームであることから、周辺部分の電子ビームをカットする必要がない。したがって、フォトカソード3から射出した電子ビームをそのまま使用できるので、エネルギー分散が小さく、かつ大きな電流を利用することができる。したがって、第1の実施形態の電子線適用装置1Aでは、高分解能、高走査速度等で像を得ることができる。
(c)フォトカソード3から射出された電子ビームBは、従来よりも質のよい電子ビームであることから、周辺部分の電子ビームをカットする必要がない。したがって、フォトカソード3から射出した電子ビームをそのまま使用できるので、省エネ化できる。
(d)制御部1cが制御する本体部分1bの制御対象は、オブジェクティブレンズ7の集束強度のみであることから、制御機構がシンプルである。そのため、例えば、励起光Lのサイズをマニュアル等で制御した場合であっても、当該情報を制御部1cにインプットすれば、オブジェクティブレンズ7の集束強度を簡単に制御できる。
(e)フォトカソード3から射出される電子ビームBの強度(電子の量)は、励起光Lの強度に依存し、電子ビームBのサイズ(径)は、励起光Lのサイズ(径)に依存する。そして、電子ビームBのサイズが同じであれば、電子ビームBの強度を変えても、オブジェクティブレンズ7の集束強度が同じであれば、電子ビームBの集束程度に変更はない。したがって、第1の実施形態の電子線適用装置1Aは、例えばモニター等により分解能や明るさ等の制御が必要と判断した場合、マニュアルで光源2の強度を操作しても電子ビームBの集束程度に変更はない。したがって、電子線適用装置1Aの稼働中に、電子ビームBの集束程度(焦点サイズ)を変更することなく、分解能や明るさの制御性が向上する。
図4を参照して、電子線適用装置1および射出方法の第2の実施形態について説明する。図4は第2の実施形態に係る電子線適用装置1Bの概略断面図である。電子線適用装置1Bは、制御部1cがオブジェクティブレンズ7の集束強度の制御に加え、光源2も制御する以外は、第1の実施形態に係る電子線適用装置1Aと同じである。したがって、第2の実施形態では、制御部1cの制御を中心に説明をするが、第1の実施形態において説明済みの事項についての繰り返しとなる説明は省略する。
図5を参照して、電子線適用装置1および射出方法の第3の実施形態について説明する。図5は第3の実施形態に係る電子線適用装置1Cの概略断面図である。電子線適用装置1Cは、光源2とフォトカソード3の間に配置され、光源2からフォトカソード3に照射する励起光Lのサイズを制御する励起光サイズ制御部材21を更に具備し、制御部1cが、オブジェクティブレンズ7の集束強度の制御に加え、励起光サイズ制御部材21も制御する以外は、第1の実施形態に係る電子線適用装置1Aと同じである。したがって、第3の実施形態では、励起光サイズ制御部材21および制御部1cの制御を中心に説明をするが、第1の実施形態において説明済みの事項についての繰り返しとなる説明は省略する。
図6乃至図9を参照して、電子線適用装置1および射出方法の第4の実施形態について説明する。図6は第4の実施形態に係る電子線適用装置1Dの概略断面図である。電子線適用装置1Dは、フォトカソード3とアノード4との間に中間電極8が配置され、任意付加的に第2電源6bが配置されている以外は、第1の実施形態に係る電子線適用装置1Aと同じである。したがって、第4の実施形態では、中間電極8および制御部1cの制御を中心に説明をするが、第1の実施形態において説明済みの事項についての繰り返しとなる説明は省略する。
先ず、図7を参照して、中間電極8の概略について説明する。図7Aは、カソード3、中間電極8、アノード4の概略断面図、図7Bは図7AのX−X’断面図、図7Cは図7AのY−Y’断面図である。図7に示す例では、中間電極8は中空の円筒で形成されている。中間電極8は、内部にフォトカソード3から射出された電子ビームが通過する電子ビーム通過孔81が形成され、電子ビーム通過孔81のフォトカソード3側には電子ビームの入口82、電子ビーム通過孔81のアノード4側には電子ビームの出口83が形成されている。カソード3とアノード4との間に電位差が生じるように、第1電源6aおよび第2電源6bを用いて電圧を印加し、中間電極8にも電圧を印加することで、図7Aに示すように、カソード3と中間電極8との間、中間電極8とアノード4との間には、電界EFが発生する。
原理1:電子ビームは、その中心軸から外側の部位であるほど、より強い力を受ける。
原理2:電子ビームは、単位長さ当たり、多くの等電位線を横切るほど、より強い力を受ける。
原理3:電子ビームは、等電位線を横切るとき、その進行方向のエネルギーが大きいほど、垂直方向(進行方向に対して)に受ける力は小さくなる。
(2)フォトカソード3から射出される電子ビームBの平行性を高めるためには、フォトカソード3とアノード4との間の距離を短くし、電界を強くすることが考えられる。しかしながら、フォトカソード3とアノード4との間の距離を短くし、電界を強くすると、電子銃内部の部材間での電界強度が強くなるため放電しやすくなるという問題が発生する。一方、中間電極8を用いると、オブジェクティブレンズ7に到達する際の電子ビームのサイズを制御できることから、放電が起きない範囲の電界強度としながら、かつ所望のサイズの電子ビームをオブジェクティブレンズ7に到達できる。
[電子銃部分の作製]
光源2には、レーザー光源(Toptica製iBeamSmart)を用いた。フォトカソード3は、Daiki SATO et al. 2016 Jpn. J. Appl. Phys. 55 05FH05に記載された公知の方法で、InGaNフォトカソードを作製した。フォトカソード表面のNEA処理は、公知の方法により行った。
市販SEMの電子銃部分を作製した電子銃部分で置き換えた。なお、市販SEMの仕様は、電子銃がコールド型電界放出電子源(CFE)を用いており、電子ビームの加速電圧は最大で30kv、最大で80万倍での観察が可能である。また本体部分に到達した電子ビームを、複数のコンデンサレンズ等を用いて制御することで、電子ビームが所望のサイズでオブジェクティブレンズに入射するように設計されている。実施例1では、市販SEMのコンデンサレンズが機能しないように改良、換言すると、本体部分に入射した電子ビームをオブジェクティブレンズのみを用いて集束するように改良を加えることで作製した。
市販SEMの電子銃部分を作製した電子銃部分で単に置き換え、コンデンサレンズが機能した状態のものを比較例1のSEMとした。
Claims (13)
- 電子銃部分と、
本体部分と、
制御部と、
を含む電子線適用装置であって、
前記電子銃部分は、
光源と、
光源から照射された励起光を受光することで、電子ビームを射出するフォトカソードと、
アノードと、
を含み、
前記本体部分は、
前記電子銃部分から照射された電子ビームを集束するオブジェクティブレンズ、
を含み、
前記制御部は、少なくとも、前記フォトカソードから射出される電子ビームのサイズに応じて前記オブジェクティブレンズの集束強度を制御する、
電子線適用装置。 - 前記制御部が、前記光源から照射される励起光の強度を制御する、
請求項1に記載の電子線適用装置。 - 前記光源から前記フォトカソードに照射する励起光のサイズを制御する励起光サイズ制御部材を更に含み、
前記励起光サイズ制御部材が、前記光源と前記フォトカソードの間に配置されている、
請求項1または2に記載の電子線適用装置。 - 前記オブジェクティブレンズが静電レンズであり、
前記制御部が、前記静電レンズに流す電圧値を制御する、
請求項1〜3の何れか一項に記載の電子線適用装置。 - 前記フォトカソードと前記アノードの間に、中間電極が配置され、
前記中間電極は、
フォトカソードから射出された電子ビームが通過する電子ビーム通過孔を有し、
電子ビーム通過孔には、電圧の印加によりフォトカソードとアノードとの間に電界が形成された際に、電界の影響を無視できるドリフトスペースが形成されている、
請求項1〜4の何れか一項に記載の電子線適用装置。 - 前記フォトカソードと前記オブジェクティブレンズの間で、前記フォトカソードから射出された前記電子ビームが焦点を持たない、
請求項1〜5の何れか一項に記載の電子線適用装置。 - 前記フォトカソードと前記オブジェクティブレンズの間で、前記フォトカソードから射出された前記電子ビームが焦点を持つ、
請求項5に記載の電子線適用装置。 - 前記電子線適用装置が、
自由電子レーザー加速器、
電子顕微鏡、
電子線ホログラフィー装置、
電子線描画装置、
電子線回折装置、
電子線検査装置、
電子線金属積層造形装置、
電子線リソグラフィー装置、
電子線加工装置、
電子線硬化装置、
電子線滅菌装置、
電子線殺菌装置、
プラズマ発生装置、
原子状元素発生装置、
スピン偏極電子線発生装置、
カソードルミネッセンス装置、または、
逆光電子分光装置
から選択される、
請求項1〜7の何れか一項に記載の電子線適用装置。 - 電子線適用装置における電子ビームの射出方法であって、
前記電子線適用装置は、電子銃部分と、本体部分と、制御部と、を含み、
前記電子銃部分は、
光源と、
光源から照射された励起光を受光することで、電子ビームを射出するフォトカソードと、
アノードと、
を含み、
前記本体部分は、
前記電子銃部分から照射された電子ビームを集束するオブジェクティブレンズ、
を含み、
前記射出方法は、
光源から照射される励起光を受光することで、フォトカソードから電子ビームを射出する電子ビーム射出工程と、
前記電子ビーム射出工程で射出された電子ビームが、本体部分に配置されたオブジェクティブレンズに向けて進行する電子ビーム進行工程と、
前記電子ビーム進行工程により本体部分に到達した前記電子ビームを、前記オブジェクティブレンズで集束する電子ビーム集束工程と、
を含み、
前記電子ビーム進行工程では、前記フォトカソードから射出された前記電子ビームが、前記オブジェクティブレンズに到達するまで焦点を持たないで進行する、
射出方法。 - 前記電子ビーム集束工程において、前記電子ビームの集束の程度を制御するため、前記制御部が前記オブジェクティブレンズの集束強度を制御する、
請求項9に記載の射出方法。 - 前記電子ビーム射出工程の前に、前記制御部が前記光源から照射される前記励起光の強度を制御する励起光強度制御工程、
を含む、請求項9または10に記載の射出方法。 - 前記光源と前記フォトカソードの間に、前記光源から前記フォトカソードに照射する励起光のサイズを制御する励起光サイズ制御部材が配置され、
前記電子ビーム射出工程の前に、前記制御部は、前記励起光サイズ制御部材によりフォトカソードから照射される電子ビームのサイズを制御する電子ビームサイズ制御工程を実施する、
請求項9〜11の何れか一項に記載の射出方法。 - 前記フォトカソードと前記アノードの間に、中間電極が配置され、
前記電子ビーム進行工程において、前記フォトカソードから射出された前記電子ビームが、
前記フォトカソードと前記オブジェクティブレンズの間で焦点を持たないように進行する、または、
前記フォトカソードと前記オブジェクティブレンズの間で焦点を持つように進行する、
ように、前記制御部が中間電極を制御する、
請求項9〜12の何れか一項に記載の射出方法。
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