JPS6191844A - 光励起による電子源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は光励起による電子源装置に関する。本発明によ
る装置は従来の熱電子放出や電界放射電子放出とは原理
は異にする光励起による電子放出を用いた新しい電子源
装置である。

従来技術、および発明が解決しようとする問題点 電子を物質内部から真空中へ放出さゼるには、仕事関数
Ｗと呼ばれるポテンシャル障壁を乗り超えるだけのエネ
ルギを与えてやらねばならない。

この放出の可能性には大別して３種類がある。

この可能性が第２図、第３図のエネルギ状態図を参照し
つつ説明される。第１の可能性は熱電子放出であって、
これは物体を加熱し、電子の運動エネルギを増加させ、
仕事関数Ｗよりも高いエネルギ状態にある電子密度を増
加させて電子放出に至る現象である。第２の可能性は電
界電子放出であって、これは物体に外から強い電界を印
加すると表面付近のポテンシャル障壁は薄くなりトンネ
ル効果により電子がしみ出す現象を利用したものである
（第２図）。第３の可能性は仕事関数Ｗよりも大なるエ
ネルギーｈνを有する光子を物体に入射し電子を励起し
て放出させるもの、すなわち光電子放出である（第３図
）。

一般に、電子源の評価は下記の諸観点すなわち、（ｉ）
十分な放出電流強度が得られること、（ｉｉ）電子顕微
鏡等、高精度が要求される使用時に重要な質の問題、す
なわち、放出電子のエネルギ分布や電流密度従って電子
源サイズ等によって評価されること、（ｉｉｉ　）運転
の容易さや寿命、および（ｉｖ）価格、等の観点からな
される。

従来、電子源に最も一般的に用いられてきたのは第４図
に示される熱電子放出による電子源である。これは直接
型又は傍熱型により陰極材料を高温に加熱するものであ
り、最も良く使用されているものでタングステンで２５
００℃以上に加熱するものであるが、大電流を得るため
に高温にすればするほど蒸発、酸化、阿結晶にょる脆化
等により寿命が短くなる欠点があった。次に電子ビーム
の質について見ると、一般に放出電子のエネルギー分布
中ΔＥは絶対温度Ｔに比例しΔＥｃ＜ｋ　Ｔ　（ｋ　：
ボルツマン定数）であるから、熱陰極を用いるこの方法
では本質的にエネルギー巾を狭めることはできない。ま
た、電子源の大きさけヘアピン型フィラメントで５０μ
ｍポイント型フィラメントで１０ｐｍ程度であり、更に
、〜放出源に近づけることは困難である。これら、電子
のエネルギー分布中や電子源の大きさはともに小さけれ
ば小さいほど良質と言うことが出来るが、以上のように
熱電子放出による電子源には質の向上に限界がある。

第５図に示される電界放出による電子源については、電
界電子放射が適正に作動するためには１０−　”　ｔｏ
ｒｒという超高真空が必須条件となるが、又、一方で電
子源を使用する目的上、試料の変換による装置への空気
の導入や試料の蒸発による汚染等は避けられないから、
これら相反する条件を満足させるために装置は大がかり
になり、運転能率も低下する。陰極材料には例えば、容
易電子放出方位に伸びた単結晶、例えばタングステンの
場合（３１０）方位、で先端の曲率半径約１０Ｏｎ＋＊
という高価なチップを用いている。放出電流の安定度に
ついては突発的なノイズの他に使用時間とともに電流強
度が低下するドリフト現象があり、再び高い電流値を得
るために、晴間的にチップを高温に加熱し表面を再活性
化するフラッシングを行うが、これが陰極チップの寿命
を決める一因となる。真空度が十分達成されないと放電
によりチップは破壊されるし、又、現時点では１００Ｋ
Ｖ以上に電子を加速することは実現されていない。した
がって電界放射による電子源は未だ一般的には用いられ
ていない。

本発明者は、これらの欠点を克服するために光電子放出
に注目した。光電効果又は光電子放出という現象は最も
基礎的な物理現象として良く知られているが、一般にそ
の放出電子数は極めて微小であって電子源としての応用
は省りみられなかった。

本発明者は、現在、存在するレーザー中、光子のエネル
ギｈνの高いもの即ち波長λの比較的短い（λメη／ν
）レーザーと適当な陰極材料を組み合わせることによっ
て十分、電子源として成り立ちうるだけの電流が得られ
るとの見込みのもとに実験をくりかえした。この実験の
結果にもとづき、本発明は従来の熱電子放出による電子
源、電界放射による電子源のもつ欠点を克服した、充分
実用に役立つ電子源を提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段 本発明においては、真空中に設置された光電子放出を行
うことができる材料からなる陰極、該陰極からの光電子
放出による電子をひき出すための陽極、該陰極材料の仕
事関数Ｗ（ｅＶ）の１．５倍より大なるエネルギ値ｈν
（ｅＶ）をもち、量子効率１０−Ｓ以上の値を実現する
振動数νの光を発する光源、および、該光源からの先を
該陰極へ指向させる光学系、を具備することを特徴とす
る光励起による電子源装置が提供される。

実施例 本発明の一実施例としての光励起による電子源装置が第
１図に示される。第１図装置は光学系と電子系とから成
る。

第１図装置は、光学系として、比較的短波長、主として
紫外線より短い波長域、の光を放出するレーザー等の強
力光源１１、必要に応じ、光を集束、発散、平行ビーム
化するレンズ、（なお図面には示されないが反射鏡、強
度や偏光度を調節すに組み込まれた電極部に導入する窓
（又はレンズ）１６等からなる光学機器系赤；を有する
。

また、第１図装置は、電子系として、真空中に設置され
た電子放出材料からなる陰極３１と電子を引き出すため
の陽極３３が設けられる。必要に応じ陰極と陽極の間に
電流調節のために設けられたグリッド３２を有する。

第１図装置はまた、目的に応じたエネルギを有する電子
を得るために陽極に引き続いて加速電極列５１、電子を
集束１発散させる電磁（又は静電）レンズ５２、エネル
ギー単色化のためのフィルター５３、電子が照射される
試料部７、試料部７から発せられる放射後の検出部８１
、および測定回路８２を有する。

いま、充分光電子放出を実現しうるだりの波長と出力を
有する光源１から発した光は光学機器系２により目的に
応じ適当な修正を受け、光を透過する窓から真空内に設
置された陰極部３１に照射され光電子を放出する。空間
電荷効果を調節し、解消しうるだけの電圧を陽極３３に
か、け電流として取り出される。必要に応じグリッド又
はウェーネルト電極３２により電流強度を調節あるいは
電子流を集束させる。電子源装置から出た電子は目的に
応し加速電極列５１によって適当に加速され、電磁レン
ズ５２により集束１発散させられ、電磁フィルター５３
によりエネルギーを選別された後、試料部７に至り、試
料の製造、成形、あるいは状態分析等が行われる。

発明者の行った実験の結果が下記の表に示される。

表における陰極材料のうち、５ｂ−Ｃｓ、、ＢａＯ等ば
仕事関数が小さく最も電子を放出しやすいものであるが
、大気に曝すと再活性化が不能になるため封じ切りでの
使用に限られる。このため、これらは後に挙げる応用面
の中で電子管等の用途に適している。

しかしながら、−ａの電子源の使用目的から言って大気
に曝してもくり返し使用可能な陰極材料を用いて、本方
法の有効性を実証することが必要であり、この意味でＬ
ａＢ６の結果は重要である。パルス発振レーザーによる
放出電流をパルス電流のピーク強度で示しであるが、パ
ルス大電流が得られることがわかる。また、波長が短く
なるほど量子効率が上昇し、大電流が得られやすくなる
。

発明者は実験の結果にもとづき、光源からの光のエネル
ギ値ｈν（ｅＶ）が陰極材料の仕事関数Ｗ（ｅＶ）の１
．５倍より大であることが必要であるとの見解に達した
。

ＬａＢ６陰極の光励起による電子放出に関し、光子エネ
ルギｈνと量子効率の関係をあられす特性が（ｌＯ） 第６図に示される。横軸の光子エネルギの２．６６ｅＶ
の値がＬａＢ６の仕事関数である。曲線Ｃ１はパルスエ
ネルギ１００μＪの場合、曲線Ｃ２はパルスエネルギ１
０μ、■の場合、曲線Ｃ３はパルスエネルギ０．８μＪ
の場合、曲線Ｃ４は文献に発表されているＬａｆｆｅｒ
ｔｙによるデータである。　また、陰極。

陽極間電圧とパルス放出電子流ピーク強度の関係をあら
れす特性が第７図に示される。曲線Ｄ１はＫｒＦについ
てｉｏμＪの場合、曲線Ｄ２はＡｒＦについて０．８μ
Ｊの場合、曲線Ｄ３はＫｒＦについて１１０μＪの場合
、曲線Ｄ４はＡｒＦについて１５μＪの場合、曲線Ｄ５
はＡｒＦについて１２０μＪの場合をそれぞれあられす
。

本発明の実施例に関し、陰極材料は大気に曝すと水分吸
収による変質、表面汚染等のため再活性化が困難になり
使用不能になるために封じ切り形態でのみ使用可能であ
る。大気に曝してもくり返し使用可能であるためにはＬ
ａＢ６（２，６６ｅＶ）、ＣｅＢ６（２，５９ｅＶ）、
ＴａＣ（３，５ｅＶ）、ＨｆＣ（３，５ｅＶ）、Ｗ（４
，３ｅＶ）、が適している。

第１図に示される装置においては、熱電子法と異なり、
冷陰極を用いるのであるから、加熱のため、陰極形状を
フィラメント状にする必要は必ずしも無く、平板、球杖
でも可能である。又、表面のみが電子放出に関与するの
であるから、電子放出材料を）１．盤上に蒸着、電着等
表面処理したものを陰極として用いることもできる。高
温加熱による蒸発、酸化、基盤への拡散や電界放射法の
ような強電界下の放電による破壊等、陰極材料を短寿命
化する要因を無くずことかできる。又、光電子放出は本
発明者らの実験によれば、通常の高真空装置で得られる
１Ｏ−７ｔｏｒｒ域の真空度で十分作動し超高真空を必
須とする電界放射法におけるような運転の困難さは無い
。

放出電子の質については、冷陰極であるから、温度効果
によるエネルギ分布巾は小さく、かつ電子源の大きさも
入射光を波長程度（約２００ｎｍ）まで絞り得るから、
極めて小さくすることが可能で良質電子源となる。もち
ろん、必要によって陰極を昇温し、熱陰極で、光電子放
出させることも可能である。

次に熱電子法や電界放射電子法において真空中で電子放
出になんらかの空間的、瞬間的変化を与えることは簡単
なことではない。しかし、第１図に示される装置におい
ては、真空外で光源やレンズ等の光学系を使用者自信が
調節することにより容易に達成することができる。例え
ば放出電流強度は入射光ビームの強度を偏光レンズや絞
りによって調節して変化し得るし、電子源の大きさは集
束１発散レンズや絞り等の使用により最小径、光−の波
長程度から、任意の大きさまで変えることができる。電
子源の形状も通常の円形の他に適当な絞りを用いれば、
ドーナツ状、角状等、任意に変化させることができる。

次に光子が入射してから、電子が放出されるまでの遅れ
時間は極めて小さく、ｐｓＳ’Ｈ域でも追随できるから
、入射光の瞬間的変化はすべて放出電流の変化として現
れる。連続光レーザー等を用いれば連続電流が得られ、
パルス光レーザーを用いれば、パルス電流を容易に得る
ことができる。パルス電流の反復周波数、パルス＋ｌ＋
、波高値もそれぞれパルスレーザ−光を調節することに
より変化さセられる。近年のパルス光発振レーザーはパ
ルス巾１Ｑｎｓからｐｓ領領域ものまで、開発されつつ
あり、これに応し、より短いパルス１１のパルス人電流
が得られる。これは、熱電子法、電界放射電子法では実
現困難なものである。価格面については光学系の費用が
あるが、電界放射銃のような超高真空を達成するための
大がかりな装置は必要とはせず運転も容易であるから、
この面でも有利である。

第１図に示される装置について注意すべきことはレーザ
ー等の光源は熱源の手段として用いられているのではな
く、あくまで光源として用いられていることである。熱
源としての使用には波長よりもレーザーの出力が問題に
なるが、第１図に示される装置においてむよ、陰極材料
との関連において、光電子放出をｎＪ能とするだけの十
分短い波長の光源がまず選択され、次にその出力が問題
になるのである。発明者は、レーザーの出力から考え、
電子源として充分な電流を引き出すためには量子効率が
１０−５以上になる光振動数領域が望ましいという見解
をもつ。短波長光を発振するレーザーの開発により、今
後、陰極材料の選択中は拡がるであろう。

本発明の実施にあたっては、前述の実施例のほか種々の
変形形態をとることができる。例えば光源として、連続
光発振レーザー、パルス光発振レーザー、ランプから発
した光を凹面鏡等を用い集光したもの、等を用いること
ができる。また、光源を除く光学系として、集束１発散
、平行ビーム化のためのレンズ、反射鏡、適当な形状、
大きさの絞り、偏向レンズ、石英、ＭｇＦ、等紫外線よ
り短い波長域の光を透過する材料からなる平行平板又は
レンズ状窓、等を用いることができる。

また、陰極部の構造として、ヘアピン型フィラメント、
ポイント型フィラメント、平板、ヘアピン型フィラメン
ト、ポイント型フィラメント、平板のいずれについても
加熱可能にしだ熱陰極併用のもの、いずれも表面処理に
より、電子放出能を変えることができるようにしたもの
、等を用いることができる。

第１図に示される装置は種々の方面に応用されることが
できる。例えば電子線レジスト等ＩＣやｔｓｒなとの電
子ビーム挿画装置；電子ビーム溶解装置、電子ビーム蒸
着装置等の試料作成装置；Ｘ線管、ブラウン管、撮像管
等の電子管の主ビームとして；または、透過形、走査形
、オージェ電子形等の各種電子顕微鏡、ＥＰＭ＾（電子
プローブマイクロアナリシス）等の分析装置、電子線超
音波顕微鏡、その他の顕微鏡；等に応用されることがで
きる。

発明の効果 本発明によれば、従来の熱電子放出による電子源、また
は電界放射による電子源のもつ欠点を克服した、充分実
用に役立つ電子源を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての光励起による電子源
装置を示す図、 第２図は、電子放出時の仕事関数と強電界をかけた時の
効果を説明する図、 第３図は光電子放出の原理を説明する図、第４図は熱電
子放出による電子源Ｌｚを模式的に示す図、 第５図は電界放射法による電子源装置を模式的に示す図
、 第６図は光子エネルギーと量子効率の関係をあられす特
性図、 第７図は陰極、陽極間型圧とパルス放出電子流ピーク強
度の関係をあられす特性図である。 （符号の説明） ■・・・光源、　　　　　　１１・・・レーザー光源、
１２、１３・・・レンズ、　　　　１４・・・絞り、１
５川レンズ、　　　　　１６・・・窓、２・・・真空槽
　　　　　　３１・・・陰極、３２・・・グリッド、　
　　　３３・・・陽極、４１・・・電源、　　　　　　
４２・・・ポテンシオメータ、５１・・・加速電極列、
　　５２・・・電磁レンズ、５３・・・フィルタ、　　
　６２．６３・・・電源、７・・・試料部、　　　　　
　８１・・・検出部、８２・・・測定回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、真空中に設置された光電子放出を行うことができる
   材料からなる陰極、 該陰極からの光電子放出による電子をひき出すための陽
   極、 該陰極材料の仕事関数Ｗ（ｅＶ）の１．５倍より大なる
   エネルギ値ｈν（ｅＶ）をもち、量子効率１０＾−＾５
   以上の値を実現する振動数νの光を発する光源、および
   、 該光源からの先を該陰極へ指向させる光学系、を具備す
   ることを特徴とする光励起による電子源装置。 ２、該陰極材料として稀土類元素の硼化物が用いられる
   特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３、該陰極材料としてアンチモン−セシウムが用いられ
   る特許請求の範囲第１項記載の装置。 ４、該陰極材料として酸化バリウムが用いられる特許請
   求の範囲第１項記載の装置。 ５、該光としてレーザー光が用いられる、特許請求の範
   囲第１項記載の装置。