JP6449654B2 - 電子放出に関するデバイスおよび方法並びにこの電子放出系を有するデバイス - Google Patents

Description

本発明は、電子放出に関するデバイスと、これに対応する方法と、電子顕微鏡などの、放出デバイスを有するシステムと、この電子放出に関するデバイスまたは方法の使用方法と、に関する。

詳細には、本発明は、特に透過型または走査型電子顕微鏡法を対象とする加速高電圧電子源の分野に適用される。

周知の方式において、透過型電子顕微鏡法の原理は、光学顕微鏡法で用いられる光線の代わりに電子ビームを用いることである。電子顕微鏡法では、電子ビームに関連付けられた波長によって、光学顕微鏡法で得られる分解能より遥かに高い分解能を得ることができる。

しかしながら、電子の利用に関して様々な制約がある。特に、電子顕微鏡内で高真空が実現されなければならない。

さらに、透過型電子顕微鏡法を実行するのに、使用されるサンプルは、電子に対して可能な限り透過になるよう極度に薄くなければならない。この場合、電子ビームは、電磁レンズを介して観測するサンプル上で集束する。

透過型電子顕微鏡法の場合、サンプルを通過する電子のみが分析される。この場合、次の３種類の電子に分けられる。すなわち、透過されたがサンプルと反応していない電子と、サンプルの原子との相互作用に続いて、いかなるエネルギ損失も伴わずに拡散された電子と、入射電子とサンプルの原子の電子配列との相互作用に続いて、エネルギ損失を伴って拡散された電子と、である。透過された電子ビームおよび拡散された電子ビームを用いて、ＴＥＭとして知られる透過型電子顕微鏡法（Transmission Electron Microscopy；ＴＥＭ）で得られるイメージのコントラストを生成することができる。

電子銃には、２つの主要なファミリがある。すなわち、熱陰極電子銃と冷陰極電子銃とである。

いわゆる「冷陰極電子銃」そして「冷電界放出銃」とも呼ばれる（単に誤って「電界放出銃」と呼ばれることもある）２番目の電子銃ファミリにおいて、電子は、一般にタングステンなどの細い金属チップからトンネル効果によって遊離する（arrache's）。この金属チップは、ＧＶ／ｍクラスの高電界を受ける。この金属チップは加熱されず、このチップを介して電流は全く流れない。そして、チップは、例えば高電圧から浮遊接地（la masse flottante de la haute tension）に接続される。この結果は、チップが実質的に室温で維持されるということである。これにより、遊離した電子は、陰極と陽極との間に適用された加速電圧によって加速される。この加速電圧は１００ｋＶクラスである。高分解能電子顕微鏡において、この加速電圧は３００ｋＶに達することがある。同様に、「冷陰極」は、このデバイスの陰極を形成するチップの端部を意味する。

一般に、この冷陰極電子源は、エネルギ分散が低く、電子はトンネル効果によって遊離する。さらに、この冷電界放出源は、ほぼ点のようである。この場合、冷陰極電子源の強度および空間コヒーレンスは、熱陰極電子源より非常に高い。

しかしながら、これらの冷陰極電子源には、極高真空が必要である。この真空が存在しなければ、銃のチップは酸化し、放出効果は減衰する。

また、電子銃の様々な変形例が存在するが、例えば、熱電界放出電子銃（canon a` e'mission de champ thermo-assiste'）および電界効果銃（canons a` effet de champ）、いわゆる、酸化ジルコニウムタンクを有するタングステン陰極を用いたショットキー電子銃（canons Schottky）などがある。後者のタイプの銃は、インコヒーレント熱電子源（sources incohe'rentes thermoi:oniques）とコヒーレント冷電界放出源（sources cohe'rentes a` e'mission de champ froide）との間で巧く歩み寄っているが、冷陰極電子銃のすべての利点を有するわけではない。

独国特許出願公開第１９６ ０４ ２７２号および米国特許出願公開第２００４／０１２４３６５号には、熱電界放出電子銃または電界効果銃、いわゆるショットキー銃の実施形態が開示されている。光子ビームは、電子の放出を支援する。これらのデバイスでは、金属チップが加熱され、放出電子のかなりの部分は、この熱効果から生じる。したがって、これらのデバイスは、冷陰極電子銃を形成しない。また、これらのデバイスを用いて、冷陰極電子銃を用いて得られるのと同程度の輝度および同程度に良好な空間コヒーレンスを有する電子源を得ることはできないことに留意されたい。

電子ホログラフィ、特に暗視野ホログラフィの分野において、特に輝度およびコヒーレンスという観点での性能が要求される。これに関しては、冷電界放出電子源が最適である。

今日まで、電子顕微鏡法による動的プロセスの観察に異なるストラテジが用いられた。従来、調査されるプロセスの時間的尺度に従って、次の２つの手法に分けられる。すなわち、原位置のままの電子顕微鏡法および動的電子顕微鏡法である。

電子顕微鏡のビデオカメラとのインターフェイスに基づいて、原位置のままの顕微鏡法によって、一定の露光時間で連続する画像間の間隔がミリ秒クラスの画像を得ることができる。

今日、物理学、材料科学、化学および生物学における多くのプロセスは、ビデオ取得速度と互換でない特有の時間を有する。

具体的には、これらの超高速現象の観察専用の動的透過型電子顕微鏡（Dynamic Transmission Electron Microscope；ＤＴＥＭ）技術は、１９７０年代以来、いくつかの開発段階を経ている。１９８０年代の始めに、パルスレーザに結合された光電陰極を有する電子源を用いた超高速電子線回折技術が開発された。パルス光電陰極（photocathode pulse'e）の原理は、光電効果によって極度に短い電子パルスを放出することである。この場合、電磁波によって、少なくとも光電陰極を形成する材料の出力仕事量に等しいエネルギを有する電子が提供される。１９８０年代の終わりに、透過型電子顕微鏡におけるパルス光電陰極の実装が実演された。これらの開発によって、時間分解能がナノ秒クラスで空間分解能が約百ナノｍクラスの機器がもたらされた。

動的電子顕微鏡法は、２つの明確に区別可能な取得モードに分けられる。ワンショットモードまたはストロボモードである。

「ワンショット」手法において、ＴＥＭ観察は、サンプルの励起と同期して単一パケットの電子によって行われる。この作動モードにおける空間分解能は、実際、画像を作成するのに必要な電子がかなりの数であることと、空間電荷およびクーロン反発の影響とによって限定される。

ストロボ手法は、時間の経過に伴い定期的に移動する対象物を、各期間内の特定の瞬間に観察することから構成される。最近、この２番目のＤＴＥＭ手法は、フェムト秒化学における超高速光分光法の実験に関するA. Zewail他著「４次元電子断層撮影法（Four Dimensional Electron Tomography）」サイエンス、２０１０年、第３２８号、第１８７〜１９３頁）において改善されている。これにより、観察対象物は、高繰り返し周波数のフェムト秒レーザ（ＭＨｚ−ＧＨｚ）のパルス列から獲得された超短レーザパルス、いわゆる「ポンピング（pompe）」パルスによって循環的に励起される。このパルス列の他の部分を光電陰極上で集束することによって、ＴＥＭによるサンプルの観測（撮像、電子線回折またはエネルギ損失）を可能にする超短「プローブ」電子パケットの放出が誘発される。電子パルスのそれぞれは、調査されるサンプルにおける少数の電子（１−１０００）を含むのみである。したがって、十分なＳＮ比（signal-to-noise ratio）が得られるよう多数のパルスが検出器上で集積される。遅延線によってポンピングパルスとプローブパルスとの間の時間間隔を制御することによって、サイクルの異なる瞬間で対象物を調査することができる。この解決法によって、今日、光電陰極上に集束された高強度フェムト秒レーザパルスによる電子放出の誘発に基づいて、ＤＴＥＭにおいてサブピコ秒の時間分解能が得られる。

しかしながら、空間および時間コヒーレンスが低いこと、並びに、輝度が非常に減少することなどのパルス光電陰極の本質的欠陥により、ＴＥＭでは、これらを用いて得ることができる空間およびエネルギ分解能は限定される。さらに、これらの限定により、電子干渉測定またはコヒーレント電子線回折実験に関して、これらの使用が断定的に防除される。

本発明の目的は、上述した欠点を少なくとも一部解消する電子放出デバイスを提供することである。

より詳細には、本発明は、特に電子顕微鏡法および干渉測定の分野に関し、サブピコ秒のパルス幅（dure'e）で非常に高い電圧で加速される電子パルスを放出するのに適した電子放出デバイスを提供することを目的とする。

この目的のため、最初の態様によれば、本発明は、
−端部を有し冷陰極を形成するチップと、引き出し陽極と、チップと陽極との間に電位差を生成するのに適したコンポーネントと、を有する真空チャンバと、
−チャンバの外部の電磁波源と、
−電磁波源によって放出された電磁波を、チャンバの外部から内部へチップの近傍まで転送する系と、
−チャンバの内部に置かれ、電磁波を集束する系と、
−チャンバの外部に置かれ、集束系によってチップの端部上に集束される電磁波の位置合わせを可能にするのに適した、電磁波の位置合わせを行う系と、を有する電界効果電子放出デバイスを提案する。

この電子放出デバイスは、冷陰極電子銃デバイスのファミリに属する、すなわち、電子がトンネル効果によって遊離し、超高速パルス電界効果電子放出を確実に行うことができる。

好ましい実施例によれば、本発明に係る電子放出デバイスは、以下の特徴の１つまたは複数を、別々にまたは組み合わせて有する。
−電磁波源、転送系、集束系および位置合わせ系によって形成されたアセンブリは、電磁波が、チップの端部に、陰極の軸に対して０°または１８０°と異なる角度で到達するよう、電磁波を伝搬するのに適する。
−電磁波源、転送系、集束系および位置合わせ系によって形成されたアセンブリは、電磁波が、チップの端部に、例えば陰極の軸に対して４５°と１３５°との間の角度で到達するよう、電磁波を伝搬するのに適する。
−電磁波源、転送系、集束系および位置合わせ系によって形成されたアセンブリは、電磁波が、チップの端部に、陰極の軸に対して実質的に垂直で到達するよう、電磁波を伝搬するのに適する。
−転送系は、チャンバの外部から内部に電磁波を透過するのに適したエントリウィンドウと、チャンバの内部においてチップの端部の近傍まで電磁波を伝搬するのに適した中空チューブであって、該中空チューブは、実質的に１０ｋＶ／ｍｍと４０ｋＶ／ｍｍとの間の誘電係数を有する材料からなる中空チューブと、を有する。
−エントリウィンドウは、電磁波源によって放出された電磁波の波長に対して透過なセラミックスからなる。
−電磁波を集束する系は、チップの一方の側部に位置付けられた平面鏡とチップの他方の側部に位置付けられた放物線状または球状ミラーとを有し、それぞれのミラーはチップと同じ電位に接続される。
−位置合わせ系は、少なくとも２面の走査ミラーと、例えばテレスコピックまたはテレセントリック系などの光学系と、を有する。
−位置合わせ系は、チップの周囲の３次元のそれぞれにおける少なくとも０．５ｍｍに亙って、集束される電磁波による走査を実現するのに適する。
−チップは、
・異なる結晶軸に沿って方向付けられたタングステンチップと、
・炭素を有する材料からなる円錐形チップと、
・金チップと、を有するリストから選択される。
−電磁波源は、レーザであり、特にフェムト秒レーザである。
−電磁波源によって放出される電磁波の波長は、０．１μｍと８μｍとの間である。

また、第２の態様によれば、本発明は、先に記載した少なくとも１つの電子放出デバイスを有するシステムに関する。このシステムは、
・透過型または走査型電子顕微鏡と、
・超高速電子線回折デバイスと、
・電子線リソグラフィシステムと、を有するリストから選択される。

さらに、第３の態様によれば、本発明は、先に記載した電子放出デバイスと、電子光学コンポーネントを有する鏡筒と、電子放出デバイスによって放出された電子を加速する手段と、を有する電子顕微鏡に関する。

好ましい実施例によれば、電子を加速する手段は、数ｋＶと数ＭＶとの間の加速電圧を生成するよう適応する。

また、第４の態様によれば、本発明は、電界効果によって電子を放出する方法に関する。この方法は、
・先に記載した電子放出デバイスを提供するステップと、
・電子放出デバイスの電磁波源によって電磁波をチャンバの外部に放出するステップと、
・放出された電磁波を、チャンバの内部の方向へチップの近傍まで伝搬するステップと、
・電磁波をチャンバの内部でチップ上に集束するステップと、
・チップ上に集束される電磁波の位置合わせを行うステップであって、該ステップはチャンバの外部から実行される、位置合わせステップと、を有する。

また、第５の態様によれば、本発明によって、先に記載した電子放出デバイスまたは電子放出方法を使用して、電磁波源によって制御する方式で電子を放出する方法が提案される。

本発明に係る電子放出デバイスのブロック図である。 図１の電子放出デバイスの電磁波の転送系の一実施形態の断面透視概略図である。 図１の電子放出デバイスの電磁波の集束系の一実施形態の透視概略図である。 図３の集束系が作動するときの断面概略図である。 本発明に係る電子放出デバイスを有する電子顕微鏡の電子源の概略図である。

本発明の他の特徴および利点は、一例として挙げられる本発明の好ましい実施例に従った以下の記載を、添付図面を参照しながら読むことによって明らかになるであろう。

これらの異なる図において、同様の構成要素は同一の参照符号で示される。さらに、これらの異なる構成要素は、本発明の理解を容易にする図を示すことを目的とし、必ずしも等比で図示されるものではない。

図１は、本発明に係る冷電界効果電子放出デバイス１０を例示する。この電子放出デバイス１０は、チップ１４および引き出し陽極（anode extractrice）１６を有する真空チャンバ１２を有する。

この引き出し陽極１６は、例えば正にバイアスされた金属プレートである。

冷陰極を形成するチップ１４は、先端と呼ばれる端部１８を有する。これは、金属であり、非常に細いチップ形状で用意される。

例えば、チップ１４は、異なる結晶軸に沿って方向付けられたタングステンチップ、炭素を有する材料からなる円錐形チップ、金チップである。

冷陰極を形成するチップの先端の曲率半径は、チップの効果によって十分な電界を得ることができる５０ｎｍ以下であることが好ましい。

冷電界効果電子放出デバイス１０とは、チップ１４が作動するとき加熱されないことを意味する。

周知の方式において、陰極の先端は、引き出し陽極１６から１ｍｍと１５ｍｍとの間の最適化された距離で配置される。

さらに、電子放出デバイス１０は、チャンバ１２に接続され、このチャンバ１２の内部で、例えば圧力が１０^-9Ｐａに実質的に等しい超高真空などの真空を生成するのに適したポンプ系（syste`m de pompage）２０を有する。勿論、チャンバ１２は、この真空を支持するのに適した材料である。

例えば、ポンプ系２０は、陰極１４の近くに配置された１つもしくは複数のイオンポンプ並びに／または１つもしくは複数の溜め込み式ポンプを有する。周知の方式において、一般に（「非蒸発型ゲッタ（Non Evaporate Getter）」の頭文字によって）ＮＥＧポンプと呼ばれる溜め込み式ポンプは、本明細書に記載する特別な場合に電子放出デバイス１０が作動しているとき動的ポンプを改善するよう適応したいわゆる「ゲッタ（getter）」の非蒸発性材料（non-evaporable materials）を有する。

さらに、電子放出デバイス１０は、図１に図示されないが、チップ１４と引き出し陽極１６との間に電位差を生成するのに適したコンポーネントをさらに有する。

さらに、電子放出デバイス１０は、一般に「フラッシュ」と呼ばれ、チップ１４において弱電流を生成して流すのに適した陰極を洗浄する系を有してもよい。この洗浄系は、特に陰極の不純物を低減することができる。

さらに、電子放出デバイス１０は、電子放出デバイス１０を完全に乾燥する（e'tuvage complet）間にチップの近傍に配置された、例えば引き出し陽極の脱気を行う系などの引き出し陽極１６を洗浄する系を有してもよい。例えば、この脱気系は、加熱抵抗、ハロゲンランプまたはタングステンフィラメントさえ有し、これらによってチップに対面する引き出し陽極の面の方向にかなりの量の電子が放出される。

電子放出デバイス１０は、チャンバ１２の外部に電磁波源２２をさらに有する。電磁波源２２は、超高速である、すなわち、パルス幅が実質的に１ピコ秒未満である超短電磁波パルスを生成するのに適する。

電磁波源２２によって放出された電磁波は、０．１μｍと８μｍのとの間の波長を有することが好ましい。

例えば、電磁波源２２は、レーザであり、特に、放出波長が赤外線と紫外線との間のフェムト秒レーザなどのフェムト秒レーザである。

さらに、電磁波源２２は、チャンバ１２の外部に置かれた、電磁波源２２によって放出された電磁ビームの分極（polarisation）を調整する手段を有する。

電子放出デバイス１０は、電磁波源２２によって放出された電磁波を、チャンバ１２の外部から内部の方向へチップ１４の近傍まで転送する系２４をさらに有する。

チャンバの外部から内部へ電磁波を転送する系２４は、チップ１４の後方、すなわち引き出し陽極１６の反対側から、チップ１４の先端１８の近傍まで、電磁波を転送するのに用いることができることが好ましい。

このチップの後方から転送する系によって、引き出し陽極、電子を集束するのに適した陽極、いわゆる「銃レンズ」、放出電子を加速する手段、鏡筒および検出器などのチップのもとに配置された標準的な透過型電子顕微鏡の構成要素を変更しなくてよく、このため、その卓越した光学的性質を変えないまま保つことができる。

さらに、電子放出デバイス１０は、チャンバ１２の内部に置かれチップ１４の端部１８上に電磁波を集束する系２６と、チャンバ１２の外部に置かれ集束系２６によってチップ１４の端部上に集束される電磁波の位置合わせ（alignement）を可能にするのに適した電磁波の位置合わせ系２８と、を有する。

電磁波源２２、転送系２４、集束系２６および位置合わせ系２８によって形成されたアセンブリは、電磁波が陰極１４の軸に垂直にチップ１４の端部１８に到達することができるよう電磁波を伝搬するのに適する。

このアセンブリによって、電子が放出される方向すなわちチップの軸に平行にチップ上に到達する電磁波の分極が可能になる。

上記アセンブリの幾何学的配置が特に有利な実施形態に対応する場合、上記アセンブリの異なる幾何学的配置で本発明を適用可能であることに留意されたい。この場合、電磁波源２２、転送系２４、集束系２６および位置合わせ系２８によって形成されたアセンブリは、電磁波がチップ１４の軸に対して０°または１８０°と異なる角度でチップの端部１８に到達できるよう電磁波を伝搬するのに適する。これらの場合、チップ上に到達する電磁波の分極は、チップの軸に対して垂直でない。得られる効果は、チップ上に到達する電磁波の分極とチップの軸との間の角度のコサインの２乗に比例する。当業者は、求められる効果に応じて適した角度を選択してもよい。一実施形態によれば、電磁波源２２、転送系２４、集束系２６および位置合わせ系２８によって形成されたアセンブリは、電磁波がチップ１４の軸に対して４５°と１３５°との間の角度でチップの端部１８に到達できるよう電磁波を伝搬するのに適する。

この目的のため、転送系、集束系および位置合わせ系について以下で詳細に記載する。

図２は、図１の電子放出デバイスの電磁波を転送する系２４の一実施形態をより詳細に例示する図である。

転送系２４は、第１のウィンドウ３０と、中空チューブ３２と、以降エントリウィンドウ３６と呼ばれる第２のウィンドウ３６と、を有する。中空チューブ３２は、第１のウィンドウ３０とエントリウィンドウ３６との間に置かれる。

第１のウィンドウ３０は、電磁波源２２によって放出された電磁波をチューブ３２の外部から内部に透過するよう適応する。これは、電磁波源２２によって放出された電磁波の波長に対して透過な従来のガラスからなる。

中空チューブ３２は、チャンバ１２内で電磁波をチップ１４の端部１８の近傍まで伝搬するよう適応する。

中空チューブ３２は、誘電係数が実質的に１０ｋＶ／ｍｍと４０ｋＶ／ｍｍとの間である材料からなることが好ましい。特に、このチューブは、超純粋アルミナからなる。この材料の選択によって、中空チューブ３２の上流に配置され電位が地電位である放出デバイス１０の構成要素を、中空チューブ３２の下流に配置され平均電位が負の高加速電圧（−ＨＶ）で浮遊するチップ１４の周囲の領域から電気的に絶縁することができる。上流および下流という用語は、電磁波源２２によって放出された電磁波がチップ１４まで伝搬される方向に対する意味で用いられる。

さらに、チューブの材料および形状は、チューブの長さを最小にするのに適するよう選択される。例えば、２００ｋＶで作動する電子源に関して、長さを大きくせずに絶縁領域表面を大きくするよう適応した漏洩線を有する超純粋カットアルミナセラミックチューブによって、チューブの長さを１０ｃｍまで小さくしてかさ高性を最小にできることは、有利である。

転送系２４は、中空チューブ３２に接続され、中空チューブ３２の内部に（１０^-7Ｐａクラスの）標準的真空を生成して維持するのに適したポンプデバイス（図示せず）をさらに有する。

チューブの内部が真空に（in vacuo）維持されるこの転送系によって、電磁ビームを自在に伝搬することができる。これにより、物質媒体を通過することによって電磁パルスの特性上に与えられる影響（分散、自己位相変調）を最小にし、したがって電磁パルスの時間延長を最小にすることができる。

絶縁セラミックスを有し、電磁波源２２によって放出された電磁波の波長に対して透過なこの転送系によって、超高速電磁ビームは、超高真空（ＵＨＶ）領域においてチャンバ１２の外部からチャンバ１２の内部へ通過することができると同時に、チップ１４と引き出し陽極１６との間と、−ＨＶの浮遊領域と接地領域との間とにおける電気絶縁性を維持することができる。

エントリウィンドウ３６は、ＵＨＶ環境において中空チューブ３２を介してチップ１４へ、特にチャンバ１２の外部から内部へ、転送された電磁波を透過するよう適応する。このウィンドウは、電磁波源２２によって放出された電磁波の波長に対して透過な材料からなる。これは、セラミックス、特にアルミナに基づくセラミックスからなることによって、チップ１４と引き出し陽極１６との間で維持される引き出し電圧を絶縁できることが好ましい。

中空チューブ３２の下流の端部にこのエントリウィンドウ３６を配置することによって、標準的真空（１０^-7Ｐａ）に維持された領域の電磁ビームを、電界放出源の適切な作動に必要な超高真空領域（１０^-9Ｐａ）に移送することができる。

転送系２４のこの実施形態によって、電磁波を真空内でチャンバの外部から高加速電圧を有する浮遊領域へ自在に伝搬することができる。

転送系のより簡易な代替案として、走査型電子顕微鏡法、リソグラフィ、…などの適用が想定されてもよい。この代替案によれば、転送系は、中空チューブを有せず、前に記載した本実施例のエントリウィンドウ３６と同一の透過セラミックスからなる単一のウィンドウを有する。

図３および図４を考慮すると、電磁波を集束する系２６は、チップ１４のいずれかの側部に位置付けられた平面鏡５０と放物線状または球状ミラー５２とを有する。放物線状または球状ミラー５２は、チップ１４の端部１８から実質的に焦点距離に等しい距離だけ離して置かれる。これにより、焦点スポット（tache focale）のサイズを調整することができ、したがって電子放出を誘発するのに使用可能な電力密度を調整することができる。

それぞれのミラー５０、５２は、チップ１４と同じ誘電電位（−ＨＶ）に接続される。これにより、特に、破裂放電および真空に関する問題を回避することができる。

さらに、それぞれのミラーは、機械的にチップ１４に結合され、すなわちチップ１４に固定された支持具（support）に取り付けられ、引き出し陽極１６の中心に対するチップ１４の位置合わせ（alignement）中に事前に調整されたチップ１４に対するミラー５０、５２の位置合わせを保持することができる。

さらに、それぞれのミラー５０、５２は、低脱気材料で処理され、電磁波源２２によって放出された電磁ビームの波長において反射係数が最大となる反射面を有する。

作動するとき、符号５３が付され転送系２４によって転送された電磁ビームは、平面鏡５０によって放物線状または球状ミラー５２の方向へ反射され、今度は、このミラーによって、電磁ビームは、チップの端部の方向へ反射されチップ１４の端部上で集束する。

無論、例えばカセグレン（Cassegrain）タイプなどの反射光学部品を有する他の集束系が使用されてもよい。

図５は、本発明に係る電子放出デバイス１０を有する電子顕微鏡の電子源７０を例示する図である。

図５を考慮すると、位置合わせ系２８は、２つの走査ミラー５４、５６と、例えばテレスコピック（telescopic）またはテレセントリック（telecentric）系などの光学系５８と、それぞれがチャンバの外部に置かれた２つの平面鏡６０、６２と、を有する。

例えばテレスコピックまたはテレセントリック系などの光学系５８は、２つの走査ミラー５４、５６によって形成されたアセンブリと２つの平面鏡６０、６２によって形成されたアセンブリとの間に置かれる。

位置合わせ系２８は、チップの周囲の３次元のそれぞれにおける少なくとも０．５ｍｍに亙って、集束される電磁波による走査を実現する（re'aliser un balayage de l'onde e'lectromagne'tique focalise'e d'au moins 0,5 mm dans chacune des trois dimensions autour de la pointe）のに適する。

この目的のため、平面鏡６０、６２は、電磁ビームを粗く位置合わせするよう適応し、一方、走査ミラー５４、５６は、電磁ビームの位置合わせを正確に調整するよう適応する。

例えばテレスコピックまたはテレセントリック系などの光学系５８のレンズと、平面鏡６０、６２とは、正確で機械的な位置合わせの支持具によって、相互に対する位置を調整することができる。

さらに、例えばテレスコピックまたはテレセントリック系などの光学系５８のレンズの１つは、平行移動ステージに配置される。走査ミラー５４、５６は、（相互に垂直な第１および第２の方向によって規定される）電磁ビームに対して垂直な面でチップ上に集束する電磁ビームのスポットを移動するよう置かれ、平行移動ステージに配置されたレンズは、最初の２つの方向に垂直な第３の方向に沿ってスポットを移動するよう置かれる。

この位置合わせ系２８を用いて、電磁ビームの光路上に配置された異なる光学コンポーネント５４、５６、５８、６０、６２、５０、５２の位置および方向を調整することによって、チップの端部上に電磁ビームを集束する一方、チップを有するチャンバの外部からビームの３次元走査を行うことができる。

さらに、電子放出デバイスを作動しながら（ＵＨＶ、高加速電圧、引き出し電圧）、チップの端部上に集束されるビームの位置のこの調整を実現することができる。このため、この位置合わせ系２８によって、電子に関する放出条件の最適化における柔軟性が提供される。

このため、この電子放出デバイスの実施形態によって、電子放出電流を、焦点スポットの位置、すなわち位置合わせ系２８の異なる光学素子の位置に従わせることができ、これにより、放出量を最大にすることができる。

さらに、集束系２６は、それぞれのミラー５０、５２の方向および位置を調整する系（図示せず）を有してもよい。例えば、調整系は、スティックスリップタイプの平行移動に従って作動する機械的調心系またはピエゾチューブである。この場合、調整系は、電子放出デバイスを作動し始めるとき、高加速電圧の同じ浮遊電位でなければならない。

作動するとき、電磁波源２２は、チャンバ１２の外部に伝搬する電磁波を、一方では位置合わせ系２８を介して、そして他方では転送系２４を介して放出する。転送系によって、電磁波は、中空チューブ３２における標準真空領域中へ、チップ１４の近辺における超真空領域へと順次貫通することによって、チャンバ１２の外部から内部へ通過する。

次に、電磁ビームは、集束系によって冷陰極を形成するチップの端部上に集束される。さらに、電磁ビームの分極は、電子の放出方向に対して、すなわちチップに対して平行である。

高強度電界は、引き出し陽極１６から最適化された距離に配置された陰極１４の先端上に適用される。引き出し電圧と呼ばれる陽極１６のバイアス電圧が大きければ大きいほど、この電界はより高強度になる。同様に、陰極１４の先端が細ければ細いほど、この電界は、より高強度である。後者が十分であるとき、電子は、この特定の場合において電界効果と呼ばれるトンネル効果によって金属チップ１４から外部に引き出される（extraits）。

本発明によれば、電子の引き出しは、陰極１４の先端１８上に集束された電磁ビームによって誘発される。電界効果による電子の放出は準瞬時に起こるので、本発明によって、誘発に使用される電磁パルスのパルス幅に匹敵するかまたはより良いパルス幅を有する電子パルスを得ることができる。

実際、電子の引き出しは、チップ上に集束され電子の放出方向と平行に分極された電磁界によって促進される。このため、電界放出は、１つまたは複数の光子の吸収によって支援される電界放出によって、または、チップ１４の先端１８における電磁波の電力密度とチップ１４を構成する材料のタイプとに応じた光場放出（e'mission de champ optique）によって達成される。

電子の放出は、先端上に集束された電磁界によって誘発される一方、電子放出領域が小さいため標準冷電界放出陰極の例外的強度特性を保つ。

このため、本発明に係る電子放出デバイスは、超高速電磁波によって支援される電界放出によって超短パルスを伝達する。

上記電子放出デバイスは、電子放出方法の適用と、特に以下で記載する本発明に係る電子放出方法とに適応する。

本発明に係る電子を放出する方法は、先に記載した本発明に係る電子放出デバイスを提供するステップを有する。

さらに、この電子放出方法は、電子放出デバイスの電磁波源によってチャンバの外部に電磁波を放出するステップを有する。放出された電磁波の分極をチャンバ１２の外部から調整することによって、チップに対する方向付けが制御される。

この場合、放出された電磁波は、チャンバの外部から内部へチップの近傍まで伝搬される。

そして、電磁波は、チャンバの内部でチップ上に集束される。

さらに、この方法は、チップ上に集束された電磁波の位置合わせを行うステップであって、チャンバの外部から実現される位置合わせステップを有する。

この位置合わせステップは、例えば、機械的調心系、または、スティックスリップで作動するピエゾチューブによって、高電圧を適用せずに陰極の周囲に搭載された集束系を調整することによって、加速器の電圧が上がったときこれらをバイアスされたままにしない準備ステップを有する。

一旦、チップの近くに配置された、平面鏡５０と放物線状または球状ミラー５２とが粗く調心されると、チップはチャンバ内に配置される。

さらに、位置合わせステップは、２つの平面鏡６０、６２によって電子ビームの位置合わせを粗く行うステップと、それから、陰極のチップ上に集束された電磁ビームの位置を正確に調整するステップであって、該ステップは、例えばテレスコピックまたはテレセントリック系などの光学系５８と走査ミラー５４、５６とを組み合わせて用いることによってチャンバ１２の外部から実現されるステップと、を有する。さらに、先に記載した位置合わせ系は、電磁ビームの走査を陰極によって放出される電子の強度で制御することによって位置合わせステップを自動化して、放出量を最大にできるようにしてもよい。

図５を考慮すると、電子顕微鏡の電子源７０は、他のチャンバ７１をさらに有する。

ＵＨＶおよび高電圧下のチャンバ１２は、引き続き外部チャンバ７１と呼ばれるこの他のチャンバ７１の内部に置かれる。

外部チャンバ７１は、ＵＨＶおよび高電圧下のチャンバ１２を他のチャンバ７１の外部から電気的に絶縁するよう適合する。この目的のため、例えば、外部チャンバ７１は、特にＳＦ₆などの加圧絶縁ガスで満たされる。

このため、外部チャンバ７１の外部に置かれ電位が接地である電子放出デバイス１０の構成要素は、平均電位が負の高加速電圧（−ＨＶ）で浮遊する（flottant）チップ１４の周囲の領域から電気的に絶縁される。

さらに、転送系２４は、中空チューブ３２とエントリウィンドウ３６に固定して取り付けられたチップ１４との間にフレキシブル連結３４を有する。

図２を考慮すると、フレキシブル連結３４は、ベローズ、特に一緒に溶接されたウエハで形成されるベローズを有し、陰極１４が外部チャンバ７１および中空チューブ３２によって形成されたアセンブリに対して自由に動くことができるよう適応する。

さらに、フレキシブル連結３４は、中空チューブ３２とエントリウィンドウ３６との間に置かれる。

転送系２４および外部チャンバ７１のこの配置によって、電磁ビームは、加圧絶縁ガスを含む領域をビームの特性を変更せずに横断することができる一方、チップ１４は、外部チャンバ７１に対して自由に動くことができる。

他の態様によれば、本発明は、前に述べた少なくとも１つの電子放出デバイス１０を有する任意のシステムに関する。

特に、このシステムは、透過型または走査型電子顕微鏡、超高速電子線回折デバイスまたは電子線リソグラフィシステムである。

図５を参照すると、システムが透過型電子顕微鏡の電子源である場合について記載されている。

システムが電子顕微鏡である場合、後者は、図５に例示される電子源７０、鏡筒および例えばカメラなどの検出器を有する。

周知の方式において、鏡筒は、特に画像を形成するのに適した電子光学コンポーネントを有する。

特に、この鏡筒は、集光レンズ、対物レンズ、観察対象、中間レンズおよび投影レンズを有する。

図５を考慮すると、透過型電子顕微鏡の電子源７０は、電子放出デバイス１０によって放出された電子ビームを集束するデバイスを有する。この集束デバイスは、チャンバ１２の内部で引き出し陽極１６の下流に置かれる。これは、電子を集束するよう適応し現在「銃レンズ」と呼ばれる陽極７３を有する。

さらに、透過型電子顕微鏡の電子源７０は、外部チャンバ７１内部で集束デバイスの下流に置かれ電子放出デバイス１０によって放出される電子を加速する手段７４を有する。この場合、下流という用語は、チップ１４から引き出された電子の伝搬方向に対する意味である。

電子を加速する手段７４は、数ｋＶと数ＭＶとの間の加速電圧を生成するよう適応する。これらは、絶縁セラミックスによって分離されバイアスされた複数の陽極７６を有する。加速手段７４は、鏡筒７２の内部で、電子の伝搬方向においていわゆる「銃レンズ」の陽極の後に置かれる。

作動するとき、電子放出デバイス１０は、例えば先に記載した方法に従って電子を放出する。

次に、放出された電子は、銃レンズと呼ばれる第２の陽極を用いて集束され、そして、絶縁セラミックスによって分離された一連のバイアスされた陽極によって加速される。加速電圧は、一般に、１００ｋＶのクラスである。

電子を加速することによってこれらの波長を低減し、これにより、関連付けられた光学システム、この場合は透過型電子顕微鏡の分解能を増大させることができる。

本発明に係る電子放出デバイスは、電磁波源と電子顕微鏡などのシステムの高電圧冷電界放出電子源との結合に基づく。

まず、本発明に係る電子放出デバイスによって、超高速電磁波源、すなわち本明細書に記載した本実施例ではフェムト秒レーザ光源によって支援された超短電界効果パルスを伝達することができる。

このため、本発明に係る電子放出デバイスおよび電子放出方法を用いて、電磁波源によって制御する方式で電子を放出することができる。電磁波源によって、電子が放出される瞬間および／または放出される電子の個数を制御することができる。

このため、高電圧によって加速され超短電子パルスを伝達するこの電子放出デバイスによって、１ピコ秒より小さい時間分解能を用いた電子顕微鏡法および時間分解電子干渉法による観察が可能になる。実際、コヒーレント透過型電子顕微鏡検査技術を、本発明に係るこの電界効果電子放出デバイスに直接置き換えることによって、動的現象をサブピコ秒時間分解能まで観察することができる。

さらに、この電子源を用いて透過型電子顕微鏡（microscope e'lectronique en transmission：ＭＥＴ、または英語でTransmission Electron Microscope：ＴＥＭ）から回折パターンを生成することができる。このタイプの技術は、周知であり、超高速動特性に従ってナノ対象物の時間に応じた構造的変化を観察するのによく用いられ、ＴＥＭの技術的な複雑さからくる欠点を伴わない。さらに、本発明に係る電界効果電子放出デバイスを用いることによって、これらの回折技術を干渉測定技術と組み合わせ、このためコヒーレント電子線回折を実現することができる。

勿論、本発明は、記載および例示された実施例および実施形態に限定されないが、当業者によって利用可能な多くの代替が可能である。

Claims (13)

1. −端部を有し冷陰極を形成し室温に維持されるように構成されているチップと、引き出し陽極と、前記チップと前記引き出し陽極との間に電位差を生成するよう適応したコンポーネントと、を有する真空チャンバと、
   −前記チャンバの外部の電磁波源と、
   −前記電磁波源によって放出された電磁波を、前記チャンバの外部から内部へ前記チップの近傍まで転送する系と、
   −前記チャンバの内部に置かれ、前記電磁波を集束する系と、
   −前記チャンバの外部に置かれ、前記集束する系によって前記チップの端部上に集束される前記電磁波の位置合わせを行えるよう適応した、前記電磁波の位置合わせを行う系と、を有する電界効果電子放出デバイスであって、
   前記転送する系は、前記電磁波源によって放出され、前記位置合わせを行う系によって位置合わせをされ、前記転送する系によって前記チップの後部から転送され、前記集束する系によって集束される前記電磁波が、前記チップの軸線に対して４５°〜１３５°で前記チップの前記端部に伝播されるように、前記引き出し陽極の反対側の前記チップの側から前記端部の近傍まで前記電磁波を送るように構成された、電界効果電子放出デバイス。
2. 前記転送する系は、
   前記チャンバの外部から前記内部に前記電磁波を透過するよう適応したエントリウィンドウと、
   前記チャンバの内部において前記チップの端部の近傍まで前記電磁波を伝搬するよう適応した中空チューブであって、該中空チューブは、実質的に１０ｋＶ／ｍｍと４０ｋＶ／ｍｍとの間の誘電係数を有する材料からなる中空チューブと、を有する、請求項１に記載の電子放出デバイス。
3. 前記エントリウィンドウは、前記電磁波源によって放出された電磁波の波長に対して透過なセラミックスからなる、請求項２に記載の電子放出デバイス。
4. 前記電磁波を集束する系は、前記チップの一方の側部に位置付けられた平面鏡と前記チップの他方の側部に位置付けられた放物線状または球状ミラーとを有し、それぞれのミラーは前記チップと同じ電位に接続される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子放出デバイス。
5. 前記位置合わせを行う系は、少なくとも２面の走査ミラーと、テレスコピックまたはテレセントリック系である光学系と、を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電子放出デバイス。
6. 前記位置合わせを行う系は、前記チップの周囲の３次元のそれぞれにおける少なくとも０．５ｍｍに亙って、前記集束される電磁波による走査を実現するよう適応する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電子放出デバイス。
7. 前記チップは、
   −異なる結晶軸に沿って方向付けられたタングステンチップと、
   −炭素を有する材料からなる円錐形チップと、
   −金チップと、を有するリストから選択される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電子放出デバイス。
8. 前記電磁波源は、レーザである、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電子放出デバイス。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の少なくとも１つの電子放出デバイスを有し、
   −透過型または走査型電子顕微鏡と、
   −超高速電子線回折デバイスと、
   −電子線リソグラフィシステムと、を有するリストから選択される、システム。
10. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の電子放出デバイスと、
    電子光学コンポーネントを有する鏡筒と、
    前記電子放出デバイスによって放出される電子を加速する手段と、を有する、電子顕微鏡。
11. 前記電子を加速する手段は、数ｋＶと数ＭＶとの間の加速電圧を生成するよう適応する、請求項１０に記載の電子顕微鏡。
12. −請求項１〜８のいずれか一項に記載の電子放出デバイスを提供するステップと、
    −前記電子放出デバイスの前記電磁波源によって前記電磁波を前記チャンバの外部に放出するステップと、
    −前記転送する系によって前記引き出し陽極の反対側の前記チップの側から前記端部の近傍まで、前記放出された電磁波を前記チャンバの内部の方向へ伝搬するステップと、
    −前記集束する系によって前記電磁波を前記チャンバの内部で前記チップ上に集束するステップと、
    −前記チップ上に集束される電磁波の位置合わせを行うステップであって、該ステップは、前記位置合わせを行う系によって、前記電磁波源によって放出され、前記位置合わせを行う系によって位置合わせをされ、前記転送する系によって前記チップの後部から転送され、前記集束する系によって集束された前記電磁波が、前記チップの軸線に対して４５°〜１３５°で前記チップの前記端部に伝播されるように前記チャンバの外部から実行される、位置合わせステップと、を有する電界効果によって電子を放出する方法。
13. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の電子放出デバイス、または、請求項１２に記載の電子放出方法を使用して、前記電磁波源によって制御する方式で電子を放出する方法。

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