JPH0689679A

JPH0689679A - 強力コヒーレント電子パルス源

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Publication number: JPH0689679A
Application number: JP5009691A
Authority: JP
Inventors: Hans-Werner Dr Fink; ハンス・ヴェルナー・フィンク; Heinz Schmidt; ハインツ・シュミット
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1992-04-01
Filing date: 1993-01-25
Publication date: 1994-03-29
Anticipated expiration: 2013-03-04
Also published as: DE69205676D1; EP0563500B1; JP2720907B2; EP0563500A1

Abstract

(57)【要約】【目的】電子源／対象配置での振動に対する過敏性が
なく静止物体以外の物体も検査することができる電子パ
ルス源を提供すること。【構成】１ｋｅＶ未満のエネルギの強力コヒーレント
電子パルス源は、真空外被９内で相互に整列された極先
鋭電子射出尖状部１０とアノード１１とを備え、１００
ボルト〜５００ボルトの振幅と可変パルス速度とを有す
るパルス状電位が尖状部１０とアノード１１との間に印
加される。尖状部１０はアノード１１に対して負に保持
され、尖状部１０の表面電界はパルス状電位において１
０⁷Ｖ／ｃｍを越える。アノード１１の開口に物体１４
を配置すると、射出された電子の球面波はスクリーン１
３上に干渉パターン（ゲーバー・ホログラム又は伝送ホ
ログラム）を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特に電子的なマイクロ
スコピー（ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）及びスペクトロスコ
ピー（ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）に用いるための強力
コヒーレント電子パルス用電界放出源に関する。

【０００２】

【従来の技術】パルス状粒子ビームは、良好な時間解像
度を持つ測定が重要な場合には、いつでも関心事とな
る。これは、常に２つの共役的な機械的観測対象、即
ち、位置と運動量に対して必要となる。第１の観測対象
は、実空間における時間依存事象を解くべきマイクロス
コピーの領域を意味する。第２の観測対象は、パルス状
ビームによる飛翔時間の測定を用いて運動量、エネルギ
及び質量のスペクトラムを明かにするスペクトロスコピ
ーを意味する。

【０００３】自由電子を発生する電界放出源は当該技術
では公知である。殆どの場合、それらは尖状部の形状を
取る。したがって、それらは時として点源（ｐｏｉｎｔ
ｓｏｕｒｃｅ）とも呼ばれ、原子の大きさの実空間に
おける体積として一般的に定義されており、点源が射出
する電子の波長に相当する。しかし、従来の尖状部は、
この定義に実際に合うほど十分に尖っていなかった。ま
た、小さな焦点を形成するには電子光学レンズの使用を
必要とした。更に、これらのレンズによって種々の収差
が現れ、加えて焦点領域にクーロン反発の問題が発生す
ることも、よく知られていることである。

【０００４】できるだけ鋭い尖状部、即ち１つの原子か
らなるものを導入することにより、電子源の技術は新た
な局面に到達した。これについては、エッチ．ダブリ
ュ．フィンク（Ｈ．Ｗ．Ｆｉｎｋ）他の論文「コヒーレ
ント点源電子ビーム」（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ
ｎｏｌ．Ｂ８（６），Ｎｏｖ．／Ｄｅｃ．１９９
０、ｐｐ．１３２３／４）を参照されたい。ある種の用
途では単原子の尖状部の使用を必要とするが、殆どの場
合、約１００個の原子を含んだ半球状の尖状部によっ
て、有用な結果が実際には得られている。このような尖
状部は、従来の尖状部に対して、「極先鋭」（ｕｌｔｒ
ａｓｈａｒｐ）と呼ばれている。以後にあげる本発明の
実施例の記載では、この種の尖状部に基づいている。

【０００５】極先鋭尖状部は、コヒーレントな電子ビー
ム源として、それらビーム源に近接して設けられた物体
のホログラムを形成するために既に用いられている。こ
の主題に関する論文の一例が、エッチ．ダブリュ．フィ
ンク他著の論文「低エネルギ電子を用いたホログラフ
ィ」（Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６５，Ｎｏ．１
０，１９９０年９月，ｐｐ．１２０４−１２０６）であ
る。この文献に記載されている投影顕微鏡は、電子用の
点源、検査対象を保持する穿孔されたアノード及び二次
元的な電子検出器を備えている。

【０００６】別の２件の論文、即ち、エッチ．ダブリ
ュ．フィンク他の「レンズを用いない電子的ホログラフ
ィ」（ＬａＲｅｃｈｅｒｃｈｅ，Ｖｏｌ．２２，Ｎ
ｏ．２３４，７／８月，１９９１，ｐｐ．９６４−９６
６）、及び、エッチ．ダブリュ．フィンク他の「無レン
ズ低エネルギ電子ホログラフィにおける原子解像度」
（Ｐｈｙ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６７，Ｎｏ．１２，１９
９１年９月，ｐｐ．１５４３−１５４６）において説明
されているように、これらの顕微鏡は電磁レンズなしで
動作するので、これを用いた場合に起こる全ての不利益
を回避することができる。

【０００７】このように、原子レベルでの論理的解像度
により、物体のホログラフィ画像を得ることが可能であ
るが、まだ最新の電子源にはその固有の少なくとも２つ
の重大な欠点がある。１つの欠点は、電子源／対象配置
の振動に対する過敏性に関するものである。振動が疑似
的に一層広い源を形成し得るため、電子源のコヒーレン
スが失われ、したがって画像が不鮮明になってしまう。
別の欠点は、移動物体又は観察中に変化する物体に関す
る情報を得ることが必要であるにも拘わらず、静止物体
しか検査できないことである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、上述の欠点を克服し、振動に対する過敏性がな
く、移動物体又は観察中に変化する物体に関する情報を
得ることが可能なコヒーレント電子パルス源を提供する
ことである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の目的は、本発明に
よれば、１ｋｅＶ未満のエネルギの強力なコヒーレント
電子パルス源によって達成することができる。この電子
パルス源は、真空外被内に相互に整列されて配置された
極先鋭電子射出尖状部とアノードとを備えている。１０
０ボルトと５００ボルトの間の範囲の振幅と可変パルス
速度とを有するパルス状電位が尖状部とアノードとの間
に印加される。尖状部はアノードに対して負であり、尖
状部は、その表面の電界が前記パルス状電位において１
０⁷Ｖ／ｃｍを越える先鋭度を有する。

【００１０】

【実施例】本発明の好適な実施例の詳細を、図面を参照
しながら、その一例を以下に説明する。

【００１１】図１は、本発明による電子パルス源の全体
構成を示すものである。尖状部（電子点源）１は真空外
被２内に配置され、その長軸は真空外被２の軸と整列さ
れている。尖状部１は、エッチ．ダブリュ．フィンクの
「走査トンネル顕微鏡用の単原子尖状部」（ＩＢＭ
Ｊ．Ｒｅｓ．Ｄｅｖ．，Ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．５，１９
８６年９月，ｐｐ．４６０−４６５）に記載されている
種類のものでもよいが、前記のように、頂点に１つ以上
の原子を有する尖状部を用いることもできる。

【００１２】尖状部１は真空貫通接続部４及びコンデン
サ５を介してパルス発生器３に接続され、約５０Ωの抵
抗を有する抵抗器６により尖状部１はアースに接続され
る。パルス発生器３は、以下に説明するように、パルス
速度が可変の−１００ボルトと−５００ボルトとの間の
パルス電圧を尖状部１に供給するように構成されてい
る。

【００１３】真空外被２内には、更に電子検出器７が配
置されている。電子検出器は公知であり、本発明に関す
る用途にふさわしい電子検出器は数種類存在する。これ
については、ジェイ．エル．ワイザ（Ｊ．Ｌ．Ｗｉｚ
ａ）の「マイクロチャンネル板状検出器」（Ｎｕｃｌｅ
ａｒＩｎｓｔｒ．＆Ｍｅｔｈｏｄｓ，Ｖｏｌ．１６
２，１９７９年，ｐｐ．５８７−６０１）、及び、イ
ー．エー．カーズ（Ｅ．Ａ．Ｃｕｒｚ）の「チャンネル
電子乗算器」（ＡｍｅｒｉｃａｎＬａｂｏｒａｔｏｒ
ｙ（１９７９年３月）からの複製）を参照されたい。

【００１４】例えば、チャンネル板状検出器を用いる場
合、尖状部１から射出される電子がその表面にほぼ垂直
に当るように配置しなければならない。また、チャンネ
ルトロン（ｃｈａｎｎｅｌｔｒｏｎ）型検出器を用いる
場合、その入力円錐体を尖状部１の軸と整列させるのが
好ましい。電子検出器７は従来の表示及び／又は記録ユ
ニット８と接続してもよい。

【００１５】尖状部１に対して正の電位を有する電子検
出器７を用いる場合、尖状部１の表面での電界が約１０
⁷Ｖ／ｃｍの値を越えるならば、電界放出によって自由
電子が尖状部から射出され、電子はポテンシャル井戸か
ら「抜け出して」（ｔｕｎｎｅｌｏｕｔ）正電子検出
器７に到達することができる。この比較的大きい電界強
度は、非常に先鋭な尖状部１、特に、その頂点に１つの
原子しかない尖状部を用いれば、容易に達成することが
できる。

【００１６】有用な時間決定型（ｔｉｍｅ−ｒｅｓｏｌ
ｖｅｄ）の構成を特徴付ける重要なパラメータは、ある
検出器レベルの信号を発生させる電子の数と電子ビーム
のパルス長とである。

【００１７】わずか数ナノメータの解像度を備えた従来
の電子顕微鏡では、二次元的電子検出器に高いコントラ
ストの画像を発生するために、そして数分の１秒のタイ
ムフレーム内に約１０⁸の電子を必要とする。繰り返し
時間が通常の数分の１秒より短い場合、空間周波数の著
しい喪失を生じる。勿論、従来の電子顕微鏡は数１０キ
ロボルト台の加速電圧で動作するので、これらの電子は
非常に高いエネルギを有することになる。

【００１８】これに対して、本発明による電子源の尖状
部１から射出された自由電子は、１００ｅＶから５００
ｅＶの範囲のエネルギのみを有する。電子顕微鏡技術の
知識を有する者には自明なように、低エネルギ電子ビー
ムは、例えば、従来の電子顕微鏡に用いられている通常
の高エネルギ電子ビームによる衝撃を与えられると直ち
に破壊されてしまうような生物的事象の研究に役立つ。

【００１９】本発明によれば、尖状部１とアノードとの
間の電位は高周波数でパルス化される。典型的なパルス
長を２００ｎｓとし、パルス・デューティ比を１とする
と、１秒当り２．５×１０⁶個のパルスが発生され、各
パルスにはｎ＝５×１０¹⁴／２．５×１０⁶ ＝２×１０⁸ 個の電子が含まれる。

【００２０】このように、本発明による電子源は従来の
電界電子顕微鏡とほぼ同数の電子を得ることができる
が、得られた電子は１／１００も少ないエネルギを有す
る。

【００２１】次に図２を参照すると、本発明の電子源の
可能な応用の１つは、電子ビームの軌道に配置された物
体の原子的解像度での画像処理である。真空外被９内に
おいて、先鋭な電界放射尖状部１０と例えば金属板のア
ノード１１との間に１００Ｖ程度のパルス状電位が印加
される。パルス周波数は約５ＭＨｚと仮定することがで
き、したがって、各々１０⁸個の電子の輝度を有するパ
ルス長１００ｎｓのパルスが得られる。したがって、コ
ヒーレントな放射の球面波が尖状部１０から射出され、
アノード１１の開口１２を通過する。この球面波は、開
口１２の縁によって制限されない限り、スクリーン１３
に向かって拡がる。スクリーン１３は尖状部１と対向し
て設けられ、尖状部１０／アノード１２の距離に対して
大きな距離で、電子ビームの軸に直交する向きに配置さ
れている。

【００２２】電子ビーム内の開口１２の前に物体１４を
配置することによって、電子の球面波が局部的に回折さ
れることになり、スクリーン１３に到達する波頭が、同
心円状の環の形状の干渉パターンをスクリーン上に発生
し、環の相互間隔は、元の波と回折された波との間の位
相差の関数となる。

【００２３】一般的に、次の２つの場合が区別されなく
てはならない：（１）物体がその位置において電子ビームの直径より小
さい場合（ゲーバー・ホログラム）。スクリーン１３上
の干渉パターン（ホログラム）は、電子ビームの乱され
なかった部分（通常は基準ビームと呼ばれる）と物体に
よって回折された該当部分のビームとの重畳によって発
生される。

【００２４】（２）物体が非常に大きく、電子ビームを
完全に隠してしまう場合（伝送ホログラム）。明かに、
この場合、物体は少なくとも部分的には電子ビームに対
して透明である。干渉パターンは、物体を通過して乱さ
れなかった電子及び通過中に物体の原子（又は分子）と
相互作用した電子によって発生される。

【００２５】ホログラムの再生は当該技術では公知であ
る。簡単に言えば、ホログラムは、それを発生した時に
用いられた放射と同じ球面波で「照射」しなければなら
ない。観測者に対してホログラムのどちら側が照射され
るかにしたがって、観測者は実像又は共役像を見ること
になる。

【００２６】図３の構成において、検査すべき物体１５
は、アノード１８の開口１７を覆って配置された薄膜１
６（電子に対して透明である）上に支持されている。尖
状部１９とアノード１８との間の距離ｄは、微視的に、
例えばｄ＝１０ｎｍに選択され、アノード１８とスクリ
ーン２０との間の距離Ｄは、巨視的に、例えばＤ＝１０
ｃｍに選択された。この構成によって得られる倍率Ｍは
幾何学的であり、Ｍ＝Ｄ／ｄ＝１０⁶で与えられる。

【００２７】図１及び図２に示した構成では、尖状部に
よって射出されたパルス状電子を直接用いたが、図４
は、通常の真空をヘリウムや水素のような気体雰囲気で
置き換えた実施例を示している。したがって、パルス状
電子ビームは気体分子と相互作用し、場合によって、イ
オン化されたヘリウム又はＨ2（プロトン）が存在す
る。このような構成によって、例えば１００ｎｓの間隔
で、アノード２５の開口２４を覆う薄い膜２３上に支持
された物体２２を電荷が飛び越すときの電荷２１の移動
が監視できる。

【００２８】同様に、発生すべき干渉パターンのための
反応に関係する原子／分子が十分にあるなら、化学反応
を原子レベルで観察することも可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上、この発明を若干の実施例を参照し
ながら詳細に説明したところから明らかなとおり、この
発明のコヒーレント電子パルス源によれば、電子源／対
象配置の振動に対する過敏性がなくなり、しかも、静止
物体しか検査できないという従来の欠点を克服すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電子パルス源の第１実施例の全体
的構成を示す図。

【図２】本発明に係る電子パルス源の第２実施例を示す
図。

【図３】電子パルス源の配置を説明するための図。

【図４】本発明に係る電子パルス源の別の実施例を示す
図。

【符号の説明】

１、１０、１９極先鋭電子射出尖状部７、１１、１８、２５アノード２、９真空外被１２、１７開口１１、１８金属シート１３、２０スクリーン２３膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ハインツ・シュミットスイス国ツェーハー−8942 オーバーリーデン、ビィッケルシュトラーセ 10番地

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１ｋｅＶ未満のエネルギの強力コヒーレン
ト電子パルス源であって、極先鋭電子射出尖状部（１、
１０、１９）とアノード（７、１１、１８、２５）とを
備え、両者が真空外被（２、９）内に相互に整列配置さ
れている強力コヒーレント電子パルス源において、１００ボルトと５００ボルトの間の範囲の振幅と可変パ
ルス速度とを有するパルス状電位を、前記尖状部（１、
１０、１９）と前記アノード（７、１１、１８、２５）
との間に印加し、前記尖状部（１、１０、１９）を前記
アノード（７、１１、１８、２５）に対して負とし、前
記尖状部（１）の表面における電界が前記パルス状電位
において１０⁷Ｖ／ｃｍを越える先鋭度を前記尖状部が
有することを特徴とする強力コヒーレント電子パルス
源。
【請求項２】請求項１記載の強力コヒーレント電子パル
ス源であって、前記アノードは、前記真空外被（２）の
外部に設けられた記録ユニットに画像データを供給する
ように接続された電子検出器（７）であることを特徴と
する強力コヒーレント電子パルス源。
【請求項３】請求項１に記載の強力コヒーレント電子パ
ルス源であって、２００ｎｓの典型的なパルス長と１の
デューティ・ファクタとを有する前記パルス状電位によ
り、前記尖状部（１、１０、１９）が１秒当り約２．５
×１０⁶個のパルスを射出し、各パルスは約２×１０⁸個
の電子を供給することを特徴とする強力コヒーレント電
子パルス源。
【請求項４】請求項１に記載の強力コヒーレント電子パ
ルス源であって、前記アノードは、前記尖状部（１０、
１９）の軸と整列された開口（１２、１７）を有する金
属シート（１１、１８）として設計されており、スクリ
ーン（１３、２０）が前記尖状部（１０、１９）に対向
して、前記開口（１２、１７）を通過する電子ビームの
軸に対して直交する向きに配置され、前記開口（１２、
１７）と前記スクリーン（１３、２０）との間の距離
は、前記尖状部（１０、１９）と前記アノード（１１、
１８）との間の距離より大きいことを特徴とする強力コ
ヒーレント電子パルス源。
【請求項５】請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載
の強力コヒーレント電子パルス源であって、前記真空外
被（２、９）は、水素及びヘリウムを含む群から選択さ
れた気体の雰囲気を含んでおり、前記尖状部（１、１
０、１９）から射出されたパルス状電子は、これによっ
て前記ガスの分子と相互作用を行ない、少なくともその
一部をイオン化することを特徴とする強力コヒーレント
電子パルス源。
【請求項６】請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載
の強力コヒーレント電子パルス源であって、前記アノー
ド（２５）の前記開口（２４）を被覆する薄い膜（２
３）上に物体（２２）が配置され、前記のパルス状のイ
オン化された気体雰囲気によって、電荷（２３）が前記
物体（２２）を横切って移動する際の電荷の移動の観察
を可能とすることを特徴とする強力コヒーレント電子パ
ルス源。