JPH11509360A - 超微小放出領域を有する負電子親和力フォトカソードを利用した電子ソース - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電子ソースは，透光基板上の負電子親和力フォトカソード及び電子を伝導帯へ励起するべくフォトカソードの基板を通過した光線を導くための光線ジェネレータを含む。該フォトカソードは，少なくとも一つの大きさが約２ミクロン以下の電子放出活性領域を有する。当該電子ソースはさらに電子を電子ビームに成形するための電子光学部材及び該フォトカソードを高真空に維持するための真空エンクロージャを含む。ひとつの実施例において，フォトカソードの活性放出領域は該フォトカソードに入射する光線によって画成される。他の実施例において，フォトカソードの活性放出領域はフォトカソードの表面修正によって予め画成される。ソースはフォトカソードの超小活性放出領域から非常に高輝度をもたらす。

Description

【発明の詳細な説明】 超微小放出領域を有する負電子親和力 フォトカソードを利用した電子ソース 発明の分野 本発明は，電子ビームソースに関し，特に，高輝度かつ小径の電子ビームを生 成するためにひとつ以上の超微小活性放出領域を有する負電子親和力フォトカソ ードを利用する電子ソースに関する。 発明の背景 高解像度電子ビーム装置は，走査電子マイクロスコープ，欠陥検出ツール，Ｖ ＬＳＩテストツール，及びマスク形成及びウエハ露出ツールを含む。概して，こ れらの装置は電子ソース及び電子を電子ビームへ加速するための及び電子をター ゲット上で集束させるための電子光学素子を含む。これらの装置は高輝度かつソ ースサイズの小さい電子ソースを要求する。しばしば電場放出電子ソースが高解 像電子ビーム装置で使用されてきた。 負電子親和力(negative electron affinity(ＮＥＡ))フォトカソード電子ソー スが従来技術において提案された。該負電子親和力フォトカソードは，フェルミ レベルに関して伝導帯を上げるために大量にＰドープされた，概してガリウムヒ 素のようなIII-Ｖ化合物の半導体を含む。該半導体表面は，バルク内の伝導帯が 真空レベルより上（すなわち，負電子親和力状態）であるように，仕事関数を低 下させる２〜３層の単分子層厚の活性化層で被覆される。Ａ.Ｈerrera-Ｇomez及 びＷ.Ｅ.ＳpicerによるＳＰＩＥ Ｖol.2022,Ｐhotodetectors and Ｐower Ｍete rs(1993),p51に記載されるように，電子が表面の拡散長内（典型的に２，３ミク ロン）で光エネルギーにより伝導帯に励起されると，それらのほとんどが真空へ 逃げる確率が高いところの表面へ拡散する。 ＮＥＡフォトカソード電子ソースに関するほとんどの先行技術は，反射モード のフォトカソードで実行されてきた。このモードにおいて，光線はカソードの放 出面上に入射し，また放出された電子を加速しかつ集束するための電子光学素子 をカソード面の上方に設置する必要性から，光線を集束するための最終レンズを フォトカソードに近接して配置することは不可能であった。これは，典型的に少 なくとも２０〜３０ミクロンの大きなスポットサイズ及び放出領域を生じさせる 低い開口数(numerical aperture)のイメージングを要求する。 Ｄoctoral Ｔhesis,Ｃomell Ｕniversity Ｄept．of Ｅlectrical Ｅngineeri ng(1990)で説明されるように，Ｃ.Ｓanfordは，集積ゲート電極を有するＮＥＡ フォトカソードとともに，自立薄膜透過モードフォトカソードを制作した。後者 のケースでは，光学素子の最終レンズはカソードから１０センチメートル離れて いた。放出領域は直径がほぼ１５ミクロンであると推定された。第２のケースで は，フラッド・イルミネーション(flood illumination)が使用され，放出領域は 直径１００ミクロン以上であった。 カソードとしてＮＥＡ活性フォトエミッタを使用する電子ビームソースを含む 走査電子ビーム装置が，1989年４月11日に発行されたＬangerらによる米国特許 第4,820,927号に開示されている。開示された電子ソースは透過モードで動作し ，18.75ミクロンの典型的カソー ド放出直径を有する旨が記載されている。1990年11月13日に発行された米国特許 第4,970,392号は高輝度電子ソースの必要性を強調しているが，放出領域の重要 性の議論は含まれていない。また，フォトカソードを利用する電子ビームソース は，1984年７月17日に発行されたＯettingerらによる米国特許第4,460,831号，1 991年８月13日に発行されたＳmithらによる米国特許第5,039,862号，及び1990年 ３月６日に発行されたＭiyawakiらによる米国特許第4,906,894号に開示されてい る。開示された電子ソース及び装置は本発明が与え得る小さいスポットサイズを 達成することはできず，したがって以下の理由から，高性能電子ビームに必要な 高輝度を与えることができない。 発明の概要 本発明にしたがって，電子ソースは光透過性基板上の負電子親和力フォトカソ ードと，電子をフォトカソードの伝導帯へ励起するべく光透過性基板を通じて光 線をフォトカソードへ導くための光線ジェネレータとから成る。フォトカソード は少なくともひとつの電子放出用の活性領域を有する。該活性領域は約２ミク ロン以下の寸法を有する。該電子ソースはさらにフォトカソードの活性領域から 放出された電子を電子ビームに成形するための電子光学素子及び超高真空でフォ トカソードを維持するための真空エンクロージャから成る。 ひとつの実施例において，フォトカソードの活性領域はフォトカソード上に入 射する光線によって画成される。光線ジェネレータは好適には光を生成するため の光源と，フォトカソードにおいて所定の寸法を有する光線へ光を集束されるた めの光学エレメントとから成る。他の構成において，光線ジェネレータはフォト カソードの対応する２つ以上の活性領域において２つ以上の光線を導き，それに よって２つ以上の電子ビームを生成するための手段を含むこともできる。さらに 他の構成において，光線ジェネレータは光線をカソード表面にわたって走査し， それによって電子光学素子に関して電子ビームを移動させるための手段を含むこ ともできる。光線は連続波または変調波である。 他の実施例において，フォトカソードの活性領域はフォトカソードの表面修正 によって予め画成される。 活性領域はフォトカソード内またはフォトカソード上の遮断層(blocking layer) によって確立される。金属または半金属薄膜から成る遮断層は，フォトカソード の活性放出領域を画成する少なくとも一つの開口を有する。該遮断層は活性放出 領域を画成する一つ以上の開口を有するオーミック接触から成る。変形的に，フ ォトカソードの表面は，活性放出領域を除いて電子の再結合を生じさせる高密度 の欠陥を有するように処置される。 典型的に，フォトカソードはIII-Ｖ族化合物のような半導体から成る。さらに ，フォトカソードはカソードの表面における仕事関数を低下させるための活性化 層を含むこともできる。典型的に，フォトカソードの活性光吸収領域は，活性領 域からの電子の横方向拡散を制限するために１ミクロン以下の厚さを有する。フ ォトカソードは，フォトカソード内に電場を生成するためにその厚さを通じてバ ンドギャップ傾斜を備える。 本発明の電子ソースはフォトカソードの非常に小さい活性放出領域内で非常に 高輝度を達成し，その結果高い電流密度を与える。電子ビームは小さい直径を有 するため，高分解能電子ビーム装置において低い反倍率(demagnification)が要 求される。 図面の簡単な説明 本発明をより理解するために，ここに参考として以下の図面が添付されている 。 図１は，本発明に従う電子ソースを利用する電子ビーム装置の一例のブロック 図である。 図２は，図１の電子ソース内のフォトカソードの部分断面図である。 図３は，負電子親和力光放出を示すエネルギーレベル図である。 図４Ａ及びＢは，比較的大きい領域と比較的小さい放出領域に対する捕捉電子 密度と半径の関数を表すグラフである。 図５〜８は，光線ジェネレータの異なる実施例のブロック図である。 図９は，本発明に従って電子ソースの電流密度を計測するための実験設備のブ ロック図である。 図１０は，図９の電子ソース内で使用された電子光学素子のシミュレーション を示したものである。 図１１は，図９の電子ソース内の電流密度と光パワーの関係を示すグラフであ る。 詳細な説明 本発明に従う電子ソースを利用する電子ビーム装置の例のブロック図が図１に 示されている。フォトカソード10は光透過性基板12の表面上に配置されている。 図２には，拡大された基板12の部分的断面図及びフォトカソード10が示されてい る。該フォトカソード10は動作中に超高真空環境を維持する真空エンクロージャ 14内に配置される。該真空エンクロージャ14は以下に説明するような光線の透過 用の真空窓16を含む。他の構成において，光透過性基板12は真空エンクロージャ 壁の一部を形成してもよい。光線ジェネレータ20は光線22を真空窓16及び基板12 を通じてフォトカソード10の活性領域26（図２）へ方向付ける。光線22によって フォトカソード10の26の活性領域は真空エンクロージャ14により画成された真空 領域へ電子を放出することができる。電子光学素子32によって，電子は電子ビー ム30に成形される。 発明の重要な態様にしたがって，フォトカソード10 の活性放出領域26は，好適には約２ミクロン以下であり最も好適には約１ミクロ ン以下である，フォトカソード10の表面に平行な寸法ｄを有する。典型的に，活 性領域26は多少円形であるが，それに限定されるものではない。例えば，活性領 域26は幅が上記寸法ｄであるような線分形状であってもよい。付加的に，該活性 領域はフォトカソード10上の所定のパターンから成る。非常に小さい活性領域26 （約２ミクロン以下の寸法ｄ）を使用する利点が以下に議論される。フォトカソ ード10は図２及び以下に説明されるようにひとつの活性放出領域26を有する。変 形的に，フォトカソード10は２つ以上の活性放出領域26を有することもできる。 フォトカソード10の活性放出領域26は２つの方法で画成される。最初のアプロ ーチにおいて，活性放出領域は光線22によって画成され，それは光線22の直接の 結果である。典型的に，活性領域26の寸法ｄは光線の断面口径にほぼ等しい。電 子放出の活性領域26は，フォトカソード10内の電子の横方向への広がりのために 光線22より幾分大きい。このアプローチにおいて， 光線22の移動により活性領域26はフォトカソード10に対して移動する。 第２のアプローチにおいて，活性放出領域26はフォトカソード10の表面修正に よって予め画成される。例えば，フォトカソード10は，活性領域26を画成する少 なくとも一つの開口を有するアルミニウムのような薄い遮断層で被覆されている 。変形的なアプローチにおいて，フォトカソード10は活性領域26を除く表面領域 にわたってイオンインプランテーションにさらされる。該イオンインプランテー ションは，電子エミッタとしての効果を減少させる欠陥をフォトカソード材料内 に生成する。活性領域26がフォトカソードの表面修正によって画成されるとき， 電子放出は光線22によって生成される。しかし，活性領域26はフォトカソード10 に関する位置に固定されている。さらに，活性領域26の寸法は表面修正によって 画成されるため，光線22は活性領域26と同じだけ小さい必要はない。 フォトカソード10は負電子親和力フォトカソードである。負電子親和力電子放 出の基本原理が図３に示される。フォトカソードは，フェルミレベルに関して伝 導帯を上げるための，亜鉛，マグネシウム，または炭素のような材料を大量にｐ 型ドープ(１〜５×10¹⁹)されたガリウムヒ素などのIII-Ｖ族化合物半導体から成 る。洗浄された半導体表面は，２〜３層の単分子層厚の活性化層を形成するべく ，セシウム及び酸素にさらされる。該活性化層は，バルク内の伝導帯が真空レベ ル以上（すなわち，負電子親和力状態）であるように，仕事関数を低下させる。 表面の拡散長（典型的に，２〜３ミクロン）以内の電子が，価電子帯から伝導帯 へ励起されると，その多くは表面へ拡散され，高い確率で表面から真空へ逃げて しまう。 概して，フォトカソードは上記した負電子親和力状態に合致するあらゆる材料 であり得る。典型的に，フォトカソードは半導体材料である。典型的に，ガリウ ム，アルミニウム及びインジウムのようなIII族原子と，リン，ヒ素及び窒素の ようなＶ族原子の化合物が使用される。他の適当なＮＥＡ材料として，ダイヤモ ンド，炭化ケイ素，窒化アルミニウム，及び窒化ガリウムが含まれる。いくつか のＮＥＡ材料は活性化層を必要としない。変形的に，活性化層はセシウムのみま たは セシウム及び三フッ化窒素にさらされることで形成され，さらに潜在的に仕事関 数の低い他の材料も使用され得る。好適にはフォトカソード10は，活性領域26の 寸法を増加させる該フォトカソード内の電子の横方向への広がりを制限するべく 非常に薄い。好適なカソード10の厚さは約10ミクロン以下である。 付加的にフォトカソード10は，フォトカソードの厚さを通じて電場を生成する バンドギャップ傾斜を含む。バンドギャップ傾斜については，1971年12月28日に 発行されたＡntypasらの米国特許第3,631,303号に説明されている。該バンドギ ャップ傾斜はフォトカソード材料の成分における密度勾配によって生成される。 例えば，アルミニウム・ガリウム・ヒ素フォトカソードは，その厚さを通じてア ルミニウムの密度変化を有する。フォトカソード材料内の電場の目的は，フォト カソード表面に向かう電子を真空へ導きかつフォトカソード材料内の電子の横方 向移動を制限することである。指摘したように，電子の横方向移動はフォトカソ ード10の活性放出領域の横方向寸法を増加させる傾向がある。 適当なフォトカソード10の例が図２を参照して説明される。反射防止被膜40は 光透過性基板12の表面に付着されている。実質的に基板12は光線22の波長の光を 透過させなければならない。好適な基板はガラスである。該反射防止被膜は，基 板ガラスとカソード組立体の間のインターフェイスにおける放射光の反射を最小 化するよう選択された厚さ及び屈折率を有する材料の多層から成る。適当な反射 防止被膜として，励起波長の４分の１の厚さを有する窒化シリコン及び酸化シリ コンが含まれる。フォトカソード10は，反射防止被膜40と，表面活性化層46を有 する活性層44の間の拡散遮断層42を含む。好適実施例において，拡散遮断層42は ，再結合を促進することなく活性層の伝導帯内の電子の拡散に対するエネルギー 障壁を形成しながら放射波長での吸収を最小化する，典型的に400オングストロ ームから２〜３ミクロンの厚さを有するＡlＧaＡsまたはＡlＧaＡsＰ層から成る 。活性層は，１ミクロン以下の厚さを有するＧaＡs，ＧaＡsＰ，ＡlＧaＡs，ま たはＩnＧaＡsＰから成り，活性化層46は２〜３個の原子厚のＣs_xＯ_yから成る。 フォトカソードは，活性化層が汚染されずかつ妥当な時間間隔内でその保全性 を維持するように，超真空に維持される。活性化層の汚染は，カソードの仕事関 数を減少させるという効果を減少させ，負電子親和力状態を低減しまたは消滅さ せる。負電子親和力フォトカソードとの関連で議論される真空レベルはカソード 表面のすぐ上の電子の最小エネルギーであり，この値以下のエネルギーを有する フォトカソード内部の電子は逃げることができず表面で捕捉され，それによって 表面捕捉電子密度が増す。 光線ジェネレータ20は所望の波長及び密度の光を生成するための光源50，及び フォトカソード10の表面において光を小さい直径のビームに集束するための光学 素子52を含む。光源50はレーザーまたは広帯域光源から成る。該広帯域光源は所 望の波長または波長範囲の光を生成するために適当な光学フィルターを含む。II I-Ｖ族材料から組み立てられたフォトカソードに関して，典型的に波長は300〜8 00ナノメートルの範囲である。選択された波長は，電子を伝導帯へ励起するため のフォトカソード材料の吸収帯域及びフォトカソード の厚さに依存する。光源50のパワーレベルは比較的低い。典型的に，10ミリワッ ト以下のパワーレベルがフォトカソード10の励起に要求される。光学素子52は， ソース50により生成された光をフォトカソード10において所望の非常に小さい断 面寸法を有する光線22へ変換する。上記したように，光線22の断面寸法は好適に は約20ミクロン以下である。この寸法は，フォトカソード10の活性領域26上の回 折制限された(diffraction-limited)最小のスポットサイズのために，高い開口 数を用いて，フォトカソード上にアパーチャのイメージを集束する２つ以上のレ ンズを使って達成される。光学素子52は真空窓16及び基板12の球面収差の補正を 伴う。完全に球面及び他の収差の補正された光学装置に対する回折制限スポット サイズの公称値は，直径=波長／（２×ＮＡ）であり，ここでＮＡは開口数であ り，それはビームの集束半角の正弦と集束が生じている媒体の屈折率の積である 。好適な開口数は少なくとも0.5である。 光線22が基板12を通じてフォトカソード10の一方へ透過し，電子ビーム30がフ ォトカソード10の他方から 放出されるところの図１の透過構成は，非常に小さい活性領域26を達成する際に 有利である。特に，透過構成により，光学素子の最終レンズはフォトカソード10 に近接配置されかつ大きな開口数を有し，したがって光線22は非常に小さい直径 を有することができる。 真空エンクロージャ14は，該真空エンクロージャ14内部を典型的に10^-9トル以 下の超高真空に維持するために，適当なコンジットを通じて真空ポンプ56または 真空ポンプの組み合わせへ結合される。典型的に，必要な真空レベルは10^-10〜1 0^-11トルの範囲である。好適には，光線22が通過するところの真空窓16は非常に 低い光学収差を有する。真空窓16は平坦であるか，または光学素子52からの光線 22をさらに集束させるためのレンズ形状であってもよい。実質的に真空窓16は光 線22の波長に対して透過性でなければならない。真空エンクロージャ14はメイン 電子ビームカラムから電子ソース領域への汚染物質の移動速度を制限するための 回折制限アパーチャ58を含む。電子光学素子32は，電極54a，54b，54cのような 一つ以上の電極を含み，それらは電子ビーム30を形成するべく電極を適宜付勢す る電源 55へ接続されている。電子ビーム30はアパーチャ58を通ってメイン電子ビームカ ラム60へ達する。電子ビームカラムは真空エンクロージャ62，半導体ウエハのよ うな被処理体64，及び電子光学素子66を含む。概して，電子ビームカラムは，応 用のための真空を作成するのに必要な器具，被処理体64を横切ってビームを走査 するための器具，被処理体からばらまかれた電子または他の粒子を集めるための 器具，被処理体を移動するための器具及び応用に必要な他の機能を組み込む。電 子ビームカラムの設計及び組立に関する技術は当業者に周知である。電子ソース は，基板12上のフォトカソード10，光線ジェネレータ20，真空エンクロージャ14 及び電子光学素子32から成る。電子ソースはフォトカソードの交換用のロードロ ック（図示せず）及びフォトカソードの熱クリーニング及び活性化用の活性化領 域（図示せず）などの付加的な特徴を含みこともできる。 上記したように，電子放出のためのフォトカソード10の活性領域26は光線22自 身によって，または一つ以上の予め画成された活性領域を確立するためのフォト カソード10の表面の修正によって確立される。活性電子放出領域を制限するべく 表面修正を使用する基本概念は，電子が予め画成された領域からのみ放出される ようにフォトカソードの表面または表面付近構造を変更することである。高分解 能リソグラフィー技術を使えば，活性領域は光線によって画成される活性領域よ りも非常に小さい構造を有することができる。例えば，0.1ミクロン以下の電子 放出用の活性領域が形成される。付加的に，もし非放出表面上の材料が表面捕捉 電荷を集め除去する際に有効であれば，それによって表面捕捉電荷によるカット オフの可能性が減少する点で有利である。 ひとつのアプローチは，フォトカソード10の表面上に蒸着されるか，または該 表面付近の構造物若しくは該表面上に成長した金属層70（図２の点線で示される ）を使用することである。アルミニウムである金属層70は活性放出領域26の所望 の寸法ｄに対応する寸法の開口を備える。該金属層は覆われた領域からの放出を 遮断しかつただの半導体材料よりも効果的に捕捉電荷を伝導する。他の半導体ま たは半金属のような他の 材料が，表面上に蒸着されてもよく，または制限活性領域以外からの電子の放出 を遮断するための構造物内へ成長してもよい。オーミック接触が活性放出領域を 画成するために使用される。 電子を放出しないフォトカソード10の領域はイオンイオンプランテーションな どの他の方法で処置され，これらの領域から電子が放出されないように材料の性 質を変更する。イオンインプランテーションは非放出領域内に高密度の欠陥を生 成し，それが電子放出を防止しかつ該処置領域内に進入した表面捕捉電子の再結 合を加速させる。 約２ミクロン以下の極端に小さい活性放出領域を有するＮＥＡフォトカソード の使用は，現在使用している電場放出電子ソースを含む高性能，高解像度電子ビ ーム装置においてこの構成を使用できる可能性を生む多くの利点をもたらす。こ れらの利点の最も重要な点は，電流密度を制限する表面捕捉電子が高速で活性放 出領域から移動するにしたがって，より小さい放出領域からより高輝度が得られ るということである。図３に示されるように，半導体が負電子親和力状態である とき，伝導帯内の電子のエネルギーは固体のすぐ外側の電子のエネルギーよりも 高い。典型的に，これは，ＮＥＡ状態が達成されるまでの大量のｐドーピング及 び仕事関数を低下させる活性化層の適用によって達成される。伝導帯に励起され た電子は熱くなり表面に拡散し，そこで放出されるかまたは表面領域内で捕捉さ れる。捕捉電子は表面の空乏領域の電場を消去する双極子を形成し，それは放出 が遮断されるまでバルク伝導帯最小値に関して真空エネルギーレベルを上昇させ る。Ａ.Ｈerrera-Ｇomez及びＷ.Ｅ.ＳpicerによるＳＰＩＥ Ｖol.202 2,Ｐhotod etectors and Ｐower Ｍeters(1993),p.51に記載されているように，ＮＥＡフォ トカソードからの大きな放出領域上でこのような効果の明白な証拠が発見され， 捕捉電子がホールトンネル効果または空乏領域を越えた熱電子放出によって消去 されることが発見された。カソードを誘発する光の量の増加はあるレベル以上に 放出を増加させることはないので，これらのホールの到達速度はカソードから放 出される電流密度を制限する。 非常に小さい活性放出領域に対して，捕捉電子は代 替経路を有する。捕捉電子密度及び表面電圧の高い横方向勾配により，捕捉電子 は放出領域外へ横に拡散及びドリフトしやすくなり，双極子を減少させる。図４ Ａ及び図４Ｂに示されるように，この効果は小さい直径の活性放出領域に対して 顕著である。図４Ａの曲線72は比較的広い活性放出領域に対する捕捉電子密度勾 配を示し，図４Ｂの曲線74は非常に小さい直径の活性放出領域内で生じるより高 い捕捉電子密度勾配を示す。より高い勾配は，活性領域からの捕捉電子のより速 い拡散及びドリフトを生成する。 1.74ミクロンの直径の放出領域を使った実験により，ＤＣ電流密度は，ＮＥＡ カソードを使って報告されたものより１００倍以上の値を示した。フォトカソー ド活性領域はほぼ1.5ミクロン厚であったため，光線の直径はおそらくそれより 非常に小さかった。最小の横方向拡散で電子を押し出すためのバンドギャップ傾 斜を有するより薄いカソードは，回折制限スポットサイズまたは表面上の放出制 御アパーチャのサイズによって最終的に制限されるより小さい活性放出領域を達 成する。捕捉電子の横方向拡散及びドリフトの速度はお およそ１／ｄ²に比例し，ここで，ｄは活性放出領域の直径である。したがって ，５ミクロンの活性領域から0.5ミクロンの活性領域に変化すると，100倍以上の 捕捉電子の移動をもたらし，その結果ほぼ100倍以上の放出電流密度の増加につ ながる。したがって，最小の可能活性放出領域は輝度に関して非常に重要である ことがわかる。 小さい活性放出領域の第２の利点は，高分解能電子ビーム装置に必要な減少し た反倍率(demagnification)である。実際の電子レンズにおける反倍率の量は（ 典型的に，25×またはそれ以下に）制限されているので，より小さい活性放出領 域の使用は便利なサイズの電子ビーム装置の構造の鍵である。そのような装置の ほとんどは現に10ナノメートル以下の有効ソースサイズを有する電場放出ソース を採用しているので，ＮＥＡソースは同じプローブサイズを達成するために付加 的な反倍率を採用する。もしこの反倍率がひとつのレンズで達成されるべきであ れば，ソースサイズは１ミクロンより非常に小さくできれば0.25ミクロンでなけ ればならない。 より低い反倍率はカラムデザインの単純化に加え多くの利点を有する。もし多 重ビームまたはパターンがカソード表面から被処理体へ投影されると，被処理体 のより大きい領域がさらされる。カソードの制限領域のみからの放出は小さい収 差で被処理体上に集束されるため，このことは重要である。したがって，より多 くの放出ポイントが使用され，またはターゲットウエハ上の大きな領域が一回に 書かれるので，より高いスループットが実現できる。以下に説明するように，活 性放出領域は光学素子を使ってカソード表面を横切って走査され，それによって 電子光学素子走査の必要性を除去する。この場合，より低い反倍率はより大きい 走査場を意味する。 最後に，非常に小さい活性放出領域の使用は，（たとえ使用量が同じのままで も，反倍率が小さいために）放出電流の総量を減少させる。 多重ビーム及びカ ソード投影装置において，その装置の大きな問題であるビームとビームの相互作 用が減少する。固定電流密度に対して，より小さい放出領域はエネルギーの広が りによって誘導されるより少ない空間電荷を与える ことが知られている。小さいエネルギーの広がりがＮＥＡカソードの魅力的な特 徴であるため，これは重要な考察である。カソード寿命を非常に縮める毒性ガス の電子誘発脱着(electron-simulated desorption)及び残留ガスのイオン化が比 例して減少するため，より少量の放出電流はカソード寿命を増加させる。 光線ジェネレータ20の異なる実施例が図５〜８に小されている。上記したよう に，２つ以上の対応する光線をフォトカソードに導くことによって，２つ以上の 電子ビームがフォトカソード10から放出される。各電子ビームは２ミクロン以下 の寸法を有するフォトカソードの超小活性領域から放出される。各電子ビームは 光線によって誘発される。適当な光線ジェネレータが図５及び図６に略示される 。 図５において，光源80はビームスプリッター82へ光線を導く。該ビームスプリ ッター82は入射ビームを２つ以上の光線に分割し，それらは集束光学素子84a，8 4b，84c，及び84dを通じて導かれ，光線86a，86b，86c，及び86dがそれぞれ生成 される。好適には，各光線はフォトカソード10の表面において２ミクロン以下 の断面直径を有し，フォトカソード10の対応する活性領域からの電子の放出を誘 発する。図５の光線ジェネレータは異なる数の光線を生成するように設計され得 ることがわかる。 図６には，２つ以上の光線を生成するための他の光線ジェネレータが示されて いる。別々の光源90a，90b，90c，及び90dは光を集束光学素子92a，92b，92c， 及び92dに導き，光線94a，94b，94c，及び94dをそれぞれ生成する。光線はフォ トカソード10に導かれ，対応する電子ビームを生成する。図６の実施例の利点は ，光源90a，90b，90c，及び90dが変調，パワーレベルなどに関して独立に制御さ れる点である。 光線ジェネレータ20の他の実施例において，２以上の光源から出力された光を 集束するために，単一の集束光学素子が使用される。この実施例において，光源 は互いに近接していなければならない。半導体レーザーまたは発光ダイオードの モノリシックアレイが使用される。この場合，多くの独立にアドレス可能で，近 接配置された（ほぼ，100ミクロン以下）光源が，小さい収差（光軸から離れる と増加する）を有する単一 レンズ装置によってイメージされる。 変調性能を有する光線ジェネレータ20の実施例が図７に示されている。光源10 0は光を光モジュレータ102を通じて集束光学素子104へ導く。集束光学素子104は 光線106をもたらし，それはフォトカソード10の活性放出領域に導かれる。光モ ジュレータ102は例えば，正弦波またはパルスなどの所望の波形を有する入力変 調信号にしたがって光線106を変調する。光線106はギガヘルツ帯域までの周波数 で変調される。変形的に，光源100は変調信号によって制御されることもできる 。例えば，変調信号はレーザーダイオードに印加される。 光線走査を利用する光線ジェネレータ20の実施例が図８に示されている。光源 110は光を集束光学素子112を通じて光線スキャナー114へ導く。該スキャナー114 は，スキャナー114に印加される走査信号により所定の範囲にわたって走査され る光線116を与える。光線116はフォトカソード10の所定の領域にわたって走査さ れ，該光線116の走査にしたがってフォトカソード10を横切って移動する電子ビ ームが生成される。 図１及び図５〜８に示される光線ジェネレータのさ まざまな組み合わせが本発明の態様内で利用されることがわかる。例えば，図５ 及び６に示される多重光線が図７に示されるように変調され，及び／または図８ に示されるように走査される。さまざまな光線ジェネレータが，フォトカソード の活性放出領域が入射光線によって画成されるところのモードで，または活性放 出領域がフォトカソード10の表面修正により予め画成されるところのモードで利 用され得る。光線の走査が表面修正によって予め画成される１つ以上の活性放出 領域を有するフォトカソードに関連して使用されるとき，電子ビームは光線がフ ォトカソードの予め画成された活性放出領域にわたって走査されるときのみ生成 される。 本発明を実証するための実験が図９〜１１に関連して説明される。フォトカソ ード上の非常に小さい活性放出領域を達成するべく設定された実験装置が図９に 示されている。５ミリワットのヘリウム-ネオンレーザー120からの光はレンズ12 2により集束され，鏡124及び126によってマイクロスコープ対物レンズ128内に導 かれる。該マイクロスコープ対物レンズ128は，３ミク ロンの寸法のピンホールを有するアパーチャプレート130を通じて光を集束させ る。マイクロスコープ対物レンズ132はピンホールからの光を集めかつそれを中 間イメージに集束させるのに使用される。該中間イメージはレンズ134及び136の ２つのレンズによって，フォトカソード活性放出領域上に集束される。レンズ装 置は，フォトカソードが載置されているところの真空容器の球面収差を補償する よう，ＳuperＯＳＬＯソフトによって設計されている。ピンホールからの光を集 める6.3×の対物レンズ132に関して，最終イメージは３×だけピンホールから反 倍率される。レンズ装置はフォトカソード表面上に最上のイメージングを達成す るべくわずかに移動される。フォトダイオード137が入射光の強度を感知する。 フォトカソード138は超高真空チューブ140内に載置される。真空チューブ140は ，磁場からチューブをシールドするべく光線用の開口を有する磁気シールド142 によって包囲されている。フォトカソード138は上記図２との関連で与えられた 例で特定された構造を有する。フォトカソードの活性層は洗浄され，エッチング され，また超高真空装置内に送られて，そ こで当該活性層の表面は負電子親和力となるようセシウム及び酸素にさらされる 。フォトカソード構造物は真空チューブ140の入口端上でシールされている。該 チューブは環状アルミナスペーサのスタック及びシリンダ内に鑞付けされたコバ ー(kovar)電極から成り，該シリンダの一端は光ファイバー出力上に被覆された アルミ化蛍光体144から成る出力によって終端され，該光ファイバー出力は蛍光 体上のイメージを簡単に結像する表面へ運ぶ。電極は２つの基本的タイプのもの ，すなわちチューブの内部空間に伸張しない単純な環状電極であって外部電場を 除外しチューブに関して均一電場を画成する電極と，電子光学素子としてのアパ ーチャを有するチューブ内に伸張する特殊電極である。フォトカソード及び蛍光 体と同様に特殊電極は，ＤＣ電源によって直接付勢される。環状電極は，できる だけ均一電場に近似する電場を確立するべく，電極間距離に比例するレジスタ値 を有するレジスタ連鎖によって付勢される。電極150及び152は図１０に示される ような２つの電極レンズを実行するのに使用される。該レンズは，フォトカソー ドから真空チューブ140の対端 の蛍光体144上へ放出される電子を集束するために使用される。特殊電極は５ミ ルコバーから成り，該チューブが鑞付けされた後に炭素で蒸着された。したがっ て，カソード及びチューブの蛍光体端部に露出したすべての領域が被覆されてい る。図１０は，フォトカソード138の表面の蛍光体144上への倍率5.4×イメージ ングをシミュレーションしたものである。放出された電子は加速され，かつ14.8 ミリメートル先の蛍光体144上に集束される。 フォトカソード，蛍光体，及び特殊電極（レンズエレメント）に印加された電 圧が図１０に示されている。蛍光体上に結像した電子によってたたかれた後，蛍 光体によって放出された光は，フォトカソードの放出領域の拡大されたイメージ に対応する。このようにして，放出領域はほぼ1.74ミクロンの直径であると計測 され，それは過去に報告されたものより非常に小さい このサイズの放出領域から達成可能な電流密度が調査された。光光学素子は固 定したままで，電子光学素子がカソード表面において高い電場（3,000Ｖ/mm）を 与えるべく交換される。フォトカソード138は-20ボルトであった。第１電極150 は1,000ボルト，第２電極152は-10ボルト，及びコレクタは放出電子を集めるた めに０ボルトに設定された。この構成は，フォトカソード上の大きな電場を維持 しながら電子誘発脱着を最小化するものである。光線からフィルターを除去する ことによって，光レベルは増加し，放出された電子電流が計測された。その結果 が図１１に示されている。活性放出領域の直径は電流が増加しても一定のままで あると仮定すると，電流密度はスポットの直径（1.74ミクロン）にわたる均一放 出を仮定することによって近似可能である。この技術によれば，最高電流レベル で１平方センチ当たり841アンペアが得られた。スポットサイズの不確定は電流 密度のほぼ±50％の不確定に変換されるが，この測定によって示された電流密度 は，実質的に負電子親和力フォトカソードの過去の報告よりも高い。 本発明の好適実施例が示されかつ説明されたが，請求の範囲に記載された発明 の態様から離れることなくさまざまな変更及び修正が可能であることは当業者の 知るところである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年５月２２日 【補正内容】 図１１は，図９の電子ソース内の電流密度と光パワーの関係を示すグラフであ る。 詳細な説明 本発明に従う電子ソースを利用する電子ビーム装置の例のブロック図が図１に 示されている。フォトカソード10は光透過性基板12の表面上に配置されている。 図２には，拡大された基板12の部分的断面図及びフォトカソード10が示されてい る。該フォトカソード10は動作中に超高真空環境を維持する真空エンクロージャ 14内に配置される。該真空エンクロージャ14は以下に説明するような光線の透過 用の真空窓16を含む。他の構成において，光透過性基板12は真空エンクロージャ 壁の一部を形成してもよい。光線ジェネレータ20は光線22を真空窓16及び基板12 を通じてフォトカソード10の活性領域26（図２）へ方向付ける。光線22によって フォトカソード10の活性領域26は真空エンクロージャ14により画成された真空領 域へ電子を放出することができる。電子光学素子32によって，電子は電子ビーム 30に成形される。 発明の重要な態様にしたがって，フォトカソード10 なくとも一つの活性領域を有するところのフォトカソードと， 電子を前記フォトカソードの伝導帯内へ励起するために，光線を前記光透過性 基板を通じて前記フォトカソードの予め画成された活性領域に導くための光線ジ ェネレータと， 前記フォトカソードの活性領域から放出された電子を電子ビームに成形するた めの電子光学素子と， 前記フォトカソードの伝導帯内の電子が，前記フォトカソードに隣接する真空 エンクロージャ内の電子よりも高いエネルギーを有しかつ前記フォトカソードの 予め画成された活性領域から真空エンクロージャ内へ放出される高い確率を有す るように，前記フォトカソードを高真空に維持するための真空エンクロージャと ， から成る電子ソース。 ２８．請求項２７に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードの予め画成 された活性領域は前記フォトカソード上の遮断層によって確立され，該遮断層は 前記フォトカソードの活性領域を画成する開口を有す る， ところの電子ソース。 ２９．請求項２７に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードの予め画成 された活性領域は，該活性領域を除く前記フォトカソードの表面付近の高密度の 結晶欠陥によって確立される， ところの電子ソース。 ３０．請求項２７に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードは前記フォ トカソード内に電場を生成するための，その厚さを通じたバンドギャップ傾斜を 含む， ところの電子ソース。 ３１．電子ビーム装置であって， (１)電子ソースであって， 光透過性基板上の負電子親和力フォトカソードであって，該フォトカソードは 伝導帯及び少なくとも一つの電子放出用の活性領域を有し，該活性領域は一つ以 上の約２ミクロン以下の寸法を有するところのフォトカソードと， 電子を前記フォトカソードの伝導帯内へ励起するた めに，光線を前記光透過性基板を通じて前記フォトカソードの活性領域に導くた めの光線ジェネレータと， 前記フォトカソードの活性領域から放出された電子を電子ビームに成形するた めの電子光学素子と， 前記フォトカソードの伝導帯内の電子が，前記フォトカソードに隣接する真空 エンクロージャ内の電子よりも高いエネルギーを有しかつ前記フォトカソードの 活性領域から真空エンクロージャ内へ放出される高い確率を有するように，前記 フォトカソードを高真空に維持するための真空エンクロージャと， から成る電子ソースと， (２)前記電子ソースから前記電子ビームを受け取るための，及び前記電子ビーム による処理用の被処理体を保持するためのメイン真空エンクロージャと， (３)前記メイン真空エンクロージャ内に配置された，前記電子ビームを前記被処 理体に方向付けるためのメイン電子光学素子と， から成る装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 バウム，アーロン，ダブリュー アメリカ合衆国カリフォルニア州94110, サンフランシスコ，ナインティーンス・ス トリート3543 (72)発明者 コステロ，ケネス，エー アメリカ合衆国カリフォルニア州94587, ユニオンシティ，アナハイム・ループ5003 (72)発明者 ピース，アール，ファビアン アメリカ合衆国カリフォルニア州94025− 5127，メンロパーク，フレモント・ストリ ート570

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電子ソースであって， 光透過性基板上の負電子親和力フォトカソードであって，該フォトカソードは 伝導帯及び少なくとも一つの電子放出用の活性領域を有し，該活性領域は一つ以 上の約２ミクロン以下の寸法を有するところのフォトカソードと， 電子を前記フォトカソードの伝導帯内へ励起するために，前記光透過性基板を 通じて光線を前記フォトカソードの活性領域に導くための光線ジェネレータと， 前記フォトカソードの活性領域から放出された電子を電子ビームに成形するた めの電子光学素子と， 前記フォトカソードの伝導帯内の電子が，前記フォトカソードに隣接する真空 エンクロージャ内の電子よりも高いエネルギーを有しかつ前記フォトカソードの 活性領域から真空エンクロージャ内へ放出される高い確率を有するように，前記 フォトカソードを高真空に維持するための真空エンクロージャと， から成る電子ソース。 ２．請求項１に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードの活性領域は前 記フォトカソード上に入射する光線によって画成される， ところの電子ソース。 ３．請求項１に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードの活性領域は予 め画成される， ところの電子ソース。 ４．請求項１に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードの活性領域は前 記フォトカソード上の遮断層によって予め画成され，該遮断層は前記フォトカソ ードの活性領域を画成する開口を有する， ところの電子ソース。 ５．請求項１に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードの活性領域は， 該活性領域を除く前記フォトカソードの表面付近の高密度の結晶欠陥によって予 め画成される， ところの電子ソース。 ６．請求項１に記載された電子ソースであって，前記フォトカソードは前記フォ トカソードの表面での仕事関数を低下させる活性化層を含む， ところの電子ソース。 ７．請求項１に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードは半導体材料か ら成る， ところの電子ソース。 ８．請求項７に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードはさらに前記フ ォトカソードの表面の仕事関数を低下させるための活性化層から成る， ところの電子ソース。 ９．請求項８に記載の電子ソースであって，前記活性化層は酸化セシウムから成 る， ところの電子ソース。 １０．請求項１に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードはIII-Ｖ族化 合物から成る， ところの電子ソース。 １１．請求項１０に記載の電子ソースであって，前記光線は約300〜800ナノメー トルの範囲の波長を有する， ところの電子ソース。 １２．請求項１に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードは約１ミクロ ン以下の厚さを有する， ところの電子ソース。 １３．請求項１に記載の電子ソースであって，前記光線ジェネレータは２つ以上 の光線を２つ以上の対応する前記フォトカソードの活性領域に導くための手段を 含む， ところの電子ソース。 １４．請求項１に記載の電子ソースであって，前記光線ジェネレータは前記光線 を前記フォトカソードの表面にわたって走査するための手段を含む， ところの電子ソース。 １５．請求項１に記載の電子ソースであって，前記光線ジェネレータは光を生成 するための光源と，前記光を前記フォトカソードにおいて所定の寸法を有する前 記光線に集束させるための光学エレメントとから成る， ところの電子ソース。 １６．請求項１５に記載の電子ソースであって，前記光源はレーザーから成る， ところの電子ソース。 １７．請求項１に記載の電子ソースであって，前記光 線は吸収スペクトル及び前記フォトカソードの厚さに基づいて選択された波長を 有する， ところの電子ソース。 １８．請求項１に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードは前記フォト カソード内に電場を生成するための，その厚さを通じたバンドギャップ傾斜を含 む， ところの電子ソース。 １９．請求項１に記載の電子ソースであって，前記光線ジェネレータは前記光線 を時間の関数として変調するための手段を含む， ところの電子ソース。 ２０．請求項１に記載の電子ソースであって，前記光線は，前記フォトカソード に衝突するとき，２ミクロン以下の断面寸法を有する， ところの電子ソース。 ２１．請求項１に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードはＡlＧaＡs またはＡlＧaＡsＰの拡散遮断層と，ＧaＡs,ＧaＡsＰ,ＡlＧaＡs,またはＩnＧa ＡsＰの活性層と，Ｃs_xＯ_yの活性化層から成る， ところの電子ソース。 ２２．電子ソースであって， 光透過性基板上の負電子親和力フォトカソードであって，伝導帯を有するとこ ろのフォトカソードと， 電子を前記フォトカソードの伝導帯内へ励起するために，光線を前記光透過性 基板を通じて前記フォトカソードに導くための光線ジェネレータであって，前記 光線は約２ミクロン以下の寸法を有する電子放出用の活性領域を生成するべく選 択された前記フォトカソードにおける断面領域を有するところの光線ジェネレー タと， 前記フォトカソードの活性領域から放出された電子を電子ビームに成形するた めの電子光学素子と， 前記フォトカソードの伝導帯内の電子が，前記フォトカソードに隣接する真空 エンクロージャ内の電子よりも高いエネルギーを有しかつ前記フォトカソードの 活性領域から真空エンクロージャ内へ放出される高い確率を有するように，前記 フォトカソードを高真空に維持するための真空エンクロージャと， から成る電子ソース。 ２３．請求項２２に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードはIII-Ｖ族 化合物の活性層と，酸化セシウムから成る活性化層とから成る， ところの電子ソース。 ２４．請求項２２に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードは約１ミク ロン以下の厚さを有する， ところの電子ソース。 ２５．請求項２２に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードは前記フォ トカソード内に電場を生成するための，その厚さを通じたバンドギャップ傾斜を 含む， ところの電子ソース。 ２６．請求項２２に記載の電子ソースであって，前記光線は，前記フォトカソー ドに衝突するとき，約２ミクロン以下の断面寸法を有する， ところの電子ソース。 ２７．電子ソースであって， 光透過性基板上の負電子親和力フォトカソードであって，伝導帯及び少なくと も一つの電子放出用に予め画成された活性領域を有するところのフォトカソー ドと， 電子を前記フォトカソードの伝導帯内へ励起するために，光線を前記光透過性 基板を通じて前記フォトカソードの予め画成された活性領域に導くための光線ジ ェネレータと， 前記フォトカソードの活性領域から放出された電子を電子ビームに成形するた めの電子光学素子と， 前記フォトカソードの伝導帯内の電子が，前記フォトカソードに隣接する真空 エンクロージャ内の電子よりも高いエネルギーを有しかつ前記フォトカソードの 予め画成された活性領域から真空エンクロージャ内へ放出される高い確率を有す るように，前記フォトカソードを高真空に維持するための真空エンクロージャと ， から成る電子ソース。 ２８．請求項２７に記載の電子ソースであって，前記予め画成された活性領域は 約２ミクロン以下の一つ以上の寸法を有する， ところの電子ソース。 ２９．請求項２８に記載の電子ソースであって，前記 フォトカソードの予め画成された活性領域は前記フォトカソード上の遮断層によ って確立され，該遮断層は前記フォトカソードの活性領域を画成する開口を有す る， ところの電子ソース。 ３０．請求項２８に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードの予め画成 された活性領域は，該活性領域を除く前記フォトカソードの表面付近の高密度の 結晶欠陥によって確立される， ところの電子ソース。 ３１．請求項２８に記載の電子ソースであって，前記フォトカソードは前記フォ トカソード内に電場を生成するための，その厚さを通じたバンドギャップ傾斜を 含む， ところの電子ソース。 ３２．電子ビーム装置であって， (１)電子ソースであって， 光透過性基板上の負電子親和力フォトカソードであって，該フォトカソードは 伝導帯及び少なくとも一つの電子放出用の活性領域を有し，該活性領域は一つ 以上の約２ミクロン以下の寸法を有するところのフォトカソードと， 電子を前記フォトカソードの伝導帯内へ励起するために，光線を前記光透過性 基板を通じて前記フォトカソードの活性領域に導くための光線ジェネレータと， 前記フォトカソードの活性領域から放出された電子を電子ビームに成形するた めの電子光学素子と， 前記フォトカソードの伝導帯内の電子が，前記フォトカソードに隣接する真空 エンクロージャ内の電子よりも高いエネルギーを有しかつ前記フォトカソードの 活性領域から真空エンクロージャ内へ放出される高い確率を有するように，前記 フォトカソードを高真空に維持するための真空エンクロージャと， から成る電子ソースと， (２)前記電子ソースから前記電子ビームを受け取るための，及び前記電子ビーム による処理用の被処理体を保持するためのメイン真空エンクロージャと， (３)前記メイン真空エンクロージャ内に配置された，前記電子ビームを前記被処 理体に方向付けるためのメイン電子光学素子と， から成る装置。