TW202046365A - 電子槍、電子射線應用裝置以及電子槍之控制方法 - Google Patents

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Abstract

提供一種僅以電子槍所具備的構成就能夠直接監視從光電陰極所發射之電子束之強度的電子槍、搭載有電子槍的電子射線應用裝置以及電子槍之控制方法。電子槍係包括:光源;光電陰極,係因應來自光源的受光而發射電子束;陽極;電子束遮蔽構件,係可遮蔽電子束的一部分;及測量部,係使用藉由電子束遮蔽構件所遮蔽的測量用電子束,而測量從光電陰極所發射之電子束的強度。

Description

電子槍、電子射線應用裝置以及電子槍之控制方法
本案之揭示係有關一種電子槍、電子射線應用裝置以及電子槍之控制方法。
已知有一種搭載光電陰極(photocathode)的電子槍、包含該電子槍的電子顯微鏡、自由電子雷射(free electron laser;FEL)加速器、檢查裝置等電子射線應用裝置(以下有將自電子射線應用裝置卸下電子槍的裝置記載為「合作夥伴裝置(partner device)的情形」。例如,在發明專利文獻1中,已揭示一種使用了從光源照射激發光以發射電子束之光電陰極的電子顯微鏡裝置。
在電子顯微鏡裝置等電子射線應用裝置中,必須要穩定地維持電子束的發射。然而,光電陰極會因為持續進行光照射而使電子發射特性劣化,且使電子發射量減少,故使用了光電陰極的電子束源,其電子束的強度會隨著使用時間而減少。因此,在發明專利文獻1中,係揭示了要使激發光強度增大、或進行Cs的蒸鍍以恢復電子束之強度的內容。
[先前技術文獻]
[發明專利文獻]
[發明專利文獻1]日本特開2002-313273號公報
在發明專利文獻1所記載的電子顯微鏡裝置中,已記載了以電子槍控制器(controller)調整光源(LD)之功率(power)的內容。然而,從第11圖觀之,雖可理解到將陰極電流測量器的測量值予以反饋(feedback)至電子槍控制器之內容,但在說明書中並未記載要如何地調整光源(LD)的功率。不過,為了要調整從光電陰極所發射之電子束的強度,較佳為直接測量實際從光電陰極所發射之電子束的強度而非間接地測量電子束的強度,且根據該測量值進行調整。
此外,電子射線應用裝置會有只要更換電子槍的情形。不過,作為電子槍的種類,已知除了使用光電陰極的電子槍外,還有使用熱陰極或場發射器(field emitter)的電子槍。因此,亦假設在搭載著使用熱陰極或場發射器之電子槍的合作夥伴裝置中,新搭載使用光電陰極之電子槍的事例。然而,在該情形下,依合作夥伴裝置的構成而定,亦假設會有無法測量從使用光電陰極之電子槍所發射之電子束之強度的情形。現階段,尚未得知僅以電子槍所具備的構成就能夠直接監視從光電陰極所發射之電子束之強度的電子槍。
因此,本案中的揭示係提供一種僅以電子槍所具備的構成就能夠直接監視從光電陰極所發射之電子束之強度的電子槍、搭載有電子槍的電子射線應用裝置以及電子槍的控制方法。本案所揭示的其他任意附加的功效係在【實施方式】中更為明瞭。
(1)一種電子槍,其包括:
光源;
光電陰極,係因應來自光源的受光而發射電子束;
陽極;
電子束遮蔽構件,係可遮蔽電子束的一部分;及
測量部,係使用藉由電子束遮蔽構件所遮蔽的測量用電子束,而測量從光電陰極所發射之電子束的強度。
(2)如上述(1)所記載之電子槍,其更包括控制部,該控制部係依據測量部的測量結果而調整從光電陰極所發射之電子束的強度。
(3)如上述(2)所記載之電子槍,其中,控制部係控制要照射至光電陰極之光的強度。
(4)如上述(2)或(3)所記載之電子槍,其更包括可收納光電陰極的光電陰極收納容器;
在光電陰極收納容器的內部,配置有用以進行光電陰極之表面處理的表面處理材料;
控制部係將光電陰極收納於光電陰極收納容器中,且以表面處理材料進行光電陰極的表面處理。
(5)如上述(1)至(4)中任一項所記載之電子槍,其更包括中間電極,該中間電極係配置於光電陰極與陽極之間,且能夠藉由電壓的施加而改變電子束的寬度。
(6)如上述(1)至(5)中任一項所記載之電子槍,其中,光源係射出頻率調制光;
測量部係包括信號抽出器,該信號抽出器係抽出頻率調制光之調制頻 率所對應之頻率的信號。
(7)一種電子射線應用裝置,係包括上述(1)至(6)中任一項所記載之電子槍,電子射線應用裝置係自由電子雷射(free electron laser)加速器、電子顯微鏡、電子射線全像術(electron-beam holography)裝置、電子射線圖案化裝置(electron-beam lithography;EB lithography)、電子射線繞射(electron-beam diffraction)裝置、電子射線檢查裝置、電子射線金屬層積造型裝置、電子射線微影術(electron lithography)裝置、電子射線加工裝置、電子射線硬化裝置、電子射線滅菌裝置、電子射線殺菌裝置、電漿產生裝置、原子狀元素產生裝置、旋轉偏極(spin polarization)電子射線產生裝置、陰極發光(cathodoluminescence;CL)裝置、或逆光子放射攝譜術(inverse photoemission spectroscopy;IPES)裝置。
(8)一種電子槍之控制方法,該電子槍係包括:
光源;
光電陰極,係因應來自光源的受光而發射電子束;
陽極;
電子束遮蔽構件,係可遮蔽電子束的一部分;及
測量部,係使用藉由電子束遮蔽構件所遮蔽的測量用電子束,而測量從光電陰極所發射之電子束的強度;
控制方法係藉由包括將來自光源的激發光照射至光電陰極,且因應激發光的受光而從光電陰極發射電子束的步驟、及使用藉由電子束遮蔽構件所遮蔽的測量用電子束而測量電子束之強度的步驟,從而監視從光電陰極所發射之電子束的強度。
(9)如上述(8)所記載之電子槍之控制方法,其中,電子槍更包括控制部,該控制部係依據測量部的測量結果而調整從光電陰極所發射之電子束的強度;
控制方法係包括依據在測量電子束之強度的步驟中所測量之電子束的強度,而調整從光電陰極所發射之電子束之強度的步驟。
(10)如上述(9)所記載之電子槍之控制方法,其中,調整電子束之強度的步驟係控制要照射至光電陰極之光的強度。
(11)如上述(9)或(10)所記載之電子槍之控制方法,其中,電子槍更包括可收納光電陰極的光電陰極收納容器;
在光電陰極收納容器的內部,配置有用以進行光電陰極之表面處理的表面處理材料;
調整電子束之強度的步驟係將光電陰極收納於光電陰極收納容器中,且以表面處理材料進行光電陰極的表面處理。
(12)如上述(8)至(11)中任一項所記載之電子槍之控制方法,其中,電子槍更具備中間電極,該中間電極係配置於光電陰極與陽極之間;
且包括對於中間電極施加電壓以改變電子束之寬度的步驟。
(13)如上述(8)至(12)中任一項所記載之電子槍之控制方法,其中,激發光係頻率調制光;
測量電子束之強度的步驟係抽出頻率調制光之調制頻率所對應之頻率的信號而進行測量。
藉由本案的揭示,僅以電子槍所具備的構成就能夠直接監視從光電陰極所發射之電子束之強度。
1,1A,1B,1C,1D,1E:電子槍
2:光源
3:光電陰極
4:陽極
5:電子束遮蔽構件
6:測量部
7:控制部
8:光電陰極收納容器
8h:電子束通過孔
8m:表面處理材料
9:中間電極
21:衰減器
51:孔
61:信號抽出器
81:光電陰極驅動裝置
91:電子束通過孔
92:電子束的入口
93:電子束的出口
94:漂移空間
B:電子束
CB:真空腔
D1:電子束的寬度
D2:孔的寬度
E:合作夥伴裝置
EF:電場
F:焦點位置
L:激發光
S1:測量值
S2:參照信號
SA:信號
第1圖係顯示第一實施形態之電子槍1A、及搭載有電子槍1A之合作夥伴裝置的示意圖。
第2圖係顯示第一實施形態之電子束遮蔽構件的圖。
第3圖係顯示第二實施形態之電子槍1B、及搭載有電子槍1B之合作夥伴裝置的示意圖。
第4圖係顯示第三實施形態之電子槍1C、及搭載有電子槍1C之裝置的示意圖。
第5圖係顯示第四實施形態之電子槍1D、及搭載有電子槍1D之裝置的示意圖。
第6圖係顯示第四實施形態之中間電極的示意圖。
第7圖係用以說明焦點距離調整之一例的圖。
第8圖係顯示第五實施形態之電子槍1E、及搭載有電子槍1E之裝置的示意圖。
第9圖係顯示從檢測信號之中抽出參照信號之頻率所對應之頻率之信號之情形的示意圖。
第10圖係顯示實施例1之測量結果的圖表。
第11圖係顯示實施例2之測量結果的圖表。
以下一面參照圖式,一面詳細說明電子槍、電子射線應用裝 置以及電子槍之控制方法。另外,於本說明書中,對於具有相同功能的構件,係標上相同或是類似的符號。然後,對於標上相同或是類似符號的構件,有省略重複說明的情況。
此外,在圖式中所顯示之各構成的位置、大小、範圍等,為了易於理解起見,有未表示出實際的位置、大小、範圍等的情形。因此,本案中的揭示,未必限定於圖式所揭示的位置、大小、範圍等。
(方向的定義)
在本說明書中,將從光電陰極所發射之電子束行進的方向定義為Z方向。另外,Z方向係例如為鉛直朝下的方向,但Z方向不限定於鉛直朝下的方向。
(第一實施形態)
茲參照第1圖及第2圖來說明第一實施形態的電子槍1A。第1圖係顯示第一實施形態之電子槍1A、及搭載有電子槍1A之合作夥伴裝置E的示意圖。第2圖係顯示從垂直於Z方向的方向觀看時之電子束遮蔽構件5與從Z方向觀看時之電子束遮蔽構件5的圖。
第一實施形態中的電子槍1A係具備:光源2、光電陰極3、陽極4、電子束遮蔽構件5、及測量部6。
光源2只要是可藉由將激發光L照射於光電陰極3而可發射電子束B者則不特別限制。光源2係可列舉例如高輸出(瓦特級)、高頻率(數百MHz)、超短脈衝雷射光源、價格相對低廉之雷射二極體、LED(light-emitting diode;發光二極體)等。照射之激發光L不論是脈衝光或連續光皆可,只要根據目的適當調整即可。另外,於圖1所記載的例中,光源 2係配置在真空腔(chamber)CB外且激發光L從光電陰極3的正面側照射,但取而代之,亦可將光源2配置於真空腔CB內,且使激發光L從光電陰極3的背面照射。
在第1圖所記載之例中,光電陰極3、陽極4、電子束遮蔽構件5係配置於真空腔CB內。光電陰極3係因應從光源2所照射之激發光L的受光而發射電子束B。更具體而言,光電陰極3中的電子係藉由激發光L被激發,受到激發的電子再由光電陰極3發射。發射的電子係藉由透過陽極4及陰極3所形成的電場而形成電子束B。另外,有關於本說明書中「光電陰極」與「陰極」之記載,雖然在表示發射電子束的意思之情況下係記載為「光電陰極」,而在表示「陽極」的相對極之意思的情況下係記載為「陰極」,但有關於符號,不論是「光電陰極」或「陰極」係在任何情況皆使用3。
用以形成光電陰極3的光電陰極材料,只要是可藉由照射激發光而射出電子束則不特別限制,可列舉需要進行EA(electron affinity,電子親和力)表面處理的材料、和不需要進行EA表面處理的材料等。作為需要進行EA表面處理的材料,可列舉例如III-V族半導體材料、II-VI族半導體材料。具體而言,可列舉AlN、Ce2Te、GaN、一種以上的鹼金屬與Sb的化合物、AlAs、GaP、GaAs、GaSb、InAs等及該等的混晶等。作為其他例,可列舉金屬,具體而言,可列舉Mg、Cu、Nb、LaB6、SeB6、Ag等。藉由將前述光電陰極材料進行EA表面處理即可製作光電陰極3,該光電陰極3不僅在半導體的隙能(gap energy)所對應的近紫外-紅外光波長區域變得可選擇激發光,亦藉由半導體之材料或結構的選擇而使電子束的用途所對應的電子束源(electron beam source)性能(量子產率(quantum yield)、耐久性、 單色性(monochromaticity)、時間反應性(time responsiveness)、旋轉偏極(spin polarization)度)變得可能。
此外,作為不需要EA表面處理的材料,可列舉例如Cu、Mg、Sm、Tb、Y等金屬單體、或者合金、金屬化合物、或金剛石、WBaO、Cs2Te等。不需要進行EA表面處理的光電陰極係利用已知的方法(例如參照日本特許第3537779號等)製作即可。
陽極4只要是可和陰極3形成電場者則不特別限制,可使用在電子槍領域中一般被使用的陽極。
只要可由陰極3朝向陽極4發射電子束B,則不特別限制電源的配置。在第1圖所示之例中,係可透過在陰極3與陽極4之間以產生電位差之方式配置電源以形成電場。
電子束遮蔽構件5係具備供從光電陰極3所發射之電子束B之一部分通過的孔51。
在第一實施形態中,孔51的寬度係形成為較電子束B的寬度更小。如第2圖所例示,當將到達電子束遮蔽構件5時之電子束B的寬度設為D1、孔51的寬度設為D2時,電子束B中之與孔51重疊的部分會通過電子束遮蔽構件5。另一方面,電子束B中之未通過孔51的差量被電子束遮蔽構件5所遮蔽。再者,被電子束遮蔽構件5所遮蔽的電子束被利用作為「測量用電子束」,且在測量部6中被測量強度。另外,只要D2為可供所希望之量的電子束通過的大小則不特別限制。此外,D1相對於D2的大小,只要可獲得可在測量部6進行測量的測量用電子束,則不特別限制。D1相對於D2愈大,測量用電子束的量就愈多,測量部6的測量精確度則提升,但從光電陰極3 所發射之電子束B中之進入合作夥伴裝置E的電子束量會變少,電子射線應用裝置的運轉效率會變差。反之,若D1相對於D2過小,測量用電子束的量就會變少,測量部6的測量精確度變低。因此,一面考慮測量精確度與運轉效率,一面適當地調整D1及D2的大小即可。
另外,第1圖及第2圖係顯示從電子束B經常取得測量用電子束之例。在第一實施形態中,雖將孔51的寬度設為較電子束B的寬度為小,但孔51的寬度亦可較電子束B為大。此時,例如,亦能夠具備使未圖示之電子束遮蔽構件5移動的移動手段,且使之移動成使電子束B的一部分重疊於電子束遮蔽構件5,並在預定的時間點(timing)取得電子束B的一部分作為測量用電子束。
電子束遮蔽構件5的材料只要是導體或半導體則不特別限制。例如,若為導體,可列舉不鏽鋼(stainless steel)(SUS,Steel Use Stainless)或銅等金屬。
測量部6係利用相當於被電子束遮蔽構件5所遮蔽之電子束B之一部分的測量用電子束而測量電子束B的強度。測量部6若可測量電子束B的強度則不特別限制。例如,當電子束遮蔽構件5為導體時,會因為測量用電子束而於電子束遮蔽構件5與測量部6之間產生電流。因此,電子束B的強度係可在測量部6中測量作為電流值。另外,電流值係使用已知的電流計測量即可。再者,由於所測量的電流值係取決於電子束B的強度,因此藉由監視電流值的變化即可監視電子束B之強度的變化。此外,亦可使用半導體作為電子束遮蔽構件5,而測量因為測量用電子束碰撞半導體所產生的電流值。
此外,測量部6亦可藉由螢光強度取代電流值而測量電子束B的強度。更具體而言,亦可使用預先塗布有螢光材料的導體作為電子束遮蔽構件5,而以測量部6來測量因為測量用電子束碰撞螢光材料所發光的螢光強度。另外,螢光強度使用已知的螢光光度計測量即可。
第一實施形態係藉由在電子槍1A內配置電子束遮蔽構件5以遮蔽電子束B的一部分,從而可直接監視電子束B之強度的變化。因此,如後述之實施例所示,由於可即時地掌握電子束B之強度的變化,因此可達成在適當的時間點進行電子束強度之復原處理的效果。再者,可達成當在電子射線應用裝置運轉期間進行使電子束B之強度變化之調整的情形下,亦可即時地確認電子束B是否已成為預定之強度的效果。
此外,第一實施形態的電子槍1A係僅以電子槍1A所具備的構成,就可直接監視從光電陰極3所發射之電子束B的強度。因此,無論合作夥伴裝置E的構成為何,均可達成可監視電子束B之強度的效果。
(第二實施形態)
茲參照第3圖來說明第二實施形態的電子槍1B。第3圖係顯示第二實施形態之電子槍1B之一例的示意圖。
第二實施形態的電子槍1B係具備光源2、光電陰極3、陽極4、電子束遮蔽構件5、測量部6、及控制部7。
控制部7係依據測量部6所測量的測量結果而調整從光電陰極3所發射之電子束B的強度。當電子槍1B使用一定時間時,電子束B的強度會因為光電陰極3的劣化而降低,因此測量部6中的測量值亦會降低。再者,控制部7係當例如測量值較預先設定的臨限值更低時,藉由控制光源2 且使要照射至光電陰極3之激發光L的強度變化,即可調整從光電陰極3所發射之電子束B的強度。此外,控制部7係根據測量值而於各預定時間控制(反饋控制)光源2,從而可調整激發光L的強度以使電子束B成為所希望的強度。所要反饋控制的頻率,只要考慮電子束B之強度的安全性而適當地設定即可。例如,以秒單位至分單位進行反饋控制即可。另外,控制部7的控制係可使用例如PID(Proportional(比例)Integral(積分)Derivative(微分))控制等來進行。
照射至光電陰極3之激發光L的強度,如上所述,雖控制光源2即可,但亦可取而代之地使用衰減器(attenuator)21。藉由在光源2與光電陰極3之間配置衰減器21,雖然光源2所射出之光的強度相同,但可調整照射至光電陰極3之激發光L的強度。當然,亦可控制光源2與衰減器21之雙方。
第二實施形態的電子槍1B除第一實施形態之電子槍1A的效果外,還可獲得以下的相乘效果。
無論合作夥伴裝置E的構成為何,藉由電子槍1B側的構成,即可調整電子束B的強度。因此,為使從光電陰極3所發射之電子束B的強度成為一定,乃使用控制部7以控制光源2及/或衰減器21,從而可將強度變化較少之穩定的電子束B射入至合作夥伴裝置E。此外,要照射電子束B的對象,例如,若電子射線應用裝置為電子顯微鏡則為生物體或非生物體樣本,若為電子射線檢查裝置則為半導體基板等,各有不同。不過,照射電子束B的強度係依對象而有不同。此外,以電子顯微鏡的情形而言,為了確認試料的容易損壞性等,亦有使要照射至試料之電子束B的強度變化之情 形。第二實施形態的電子槍1B係具備控制部7,從而僅以電子槍1B側的構成就可將要射入於合作夥伴裝置E的電子束B調整為所希望的強度。另外,要射入至合作夥伴裝置E之電子束B的強度係先根據D1及D2的大小、測量部6所測量的測量值、以及實際照射至合作夥伴裝置E之照射電子束B之對象之電子束的強度的關係而製作表單(table),從而可藉由電子槍1側的構成進行調整。
(第三實施形態)
茲參照第4圖來說明第三實施形態的電子槍1C。第4圖係顯示第三實施形態之電子槍1C之一例的示意圖。
第4圖所示之第三實施形態的電子槍1C係具備光源2、光電陰極3、陽極4、電子束遮蔽構件5、測量部6、控制部7、及光電陰極收納容器8。光電陰極3係配置在具備有電子束通過孔8h的光電陰極收納容器8內。在光電陰極收納容器8內,係配置有用以將光電陰極3進行EA表面處理(亦即電子親和力的降低處理。另外,在本說明書中,亦有將進行EA表面處理乙事記載為「復原」之情形)的表面處理材料8m。
在第三實施形態中,控制部7係依據測量部6所測量的測量結果而進行光電陰極3的EA表面處理,從而復原電子束B的強度。在第三實施形態中,光電陰極收納容器8係可將後述之表面處理材料8m配置於內部以將表面處理材料8m予以氣化,且可藉由氣化的表面處理材料將光電陰極3進行EA表面處理的容器。光電陰極收納容器8係至少包含有供從光電陰極3所發射之電子通過的電子束通過孔8h。電子束通過孔8h只要是至少可供電子通過的大小即可,但為了加工的容易性、及易於進行從光電陰極3所發射之電 子與電子束通過孔8h之角度或位置關係的調整,可為1nm至10mm的大小,亦可為50μm至5mm的大小。
光電陰極收納容器8的材料不特別限制,例如可藉由玻璃、鉬(molybdenum)、陶瓷(ceramic)、藍寶石(sapphire)、鈦(titanium)、鎢(tungsten)、鉭(tantalum)等可承受300℃以上,尤佳為可承受400℃之熱的耐熱性材料所形成。
配置於光電陰極收納容器8之內部的表面處理材料8m,只要是能夠進行EA表面處理的材料,則不特別限制。作為構成表面處理材料8m的元素,可例示例如Li、Na、K、Rb、Cs、Te、Sb等。另外,在前述元素之中,Li、Na、K、Rb、Cs係單一成分就會自燃,無法保存利用。因此,關於Li、Na、K、Rb、Cs,必須以此等元素的複合元素、包含此等元素之化合物的形態來使用。另一方面,當以化合物的形態來使用的情形下,必須要使在前述元素進行蒸鍍時不會產生雜質氣體。因此,當使用從Li、Na、K、Rb、Cs所選擇的元素作為表面處理材料8m時,較佳為將Cs2CrO4、Rb2CrO4、Na2CrO4、K2CrO4等化合物與抑制雜質氣體之產生的還原劑予以組合進行使用。表面處理材料8m係使用加熱手段在光電陰極收納容器8內進行氣化,而被蒸鍍於光電陰極3。
在第三實施形態中,當測量部6所測量的測量值低於預先設定之臨限值時,控制部7係進行透過光電陰極驅動裝置81,使光電陰極3在光電陰極收納容器8內移動至蒸鍍位置,將表面處理材料8m氣化,而對於光電陰極3進行蒸鍍的控制,從而進行光電陰極3的EA表面處理。光電陰極驅動裝置81只要能夠移動光電陰極3則不特別限制,例如,可使用日本國際公 開第2015/008561號、日本國際公開第2018/186294號所記載的驅動裝置。日本國際公開第2015/008561號及日本國際公開第2018/186294號所記載的事項係包含在本說明書中。
另外,第4圖中雖省略了圖示,但控制部7亦可與第二實施形態同樣地,亦一併地調節從光源2照射至光電陰極3之激發光L的強度。例如,首先,藉由激發光L之強度的調整以進行電子束B之強度的調整,在激發光L的強度飽和之後,產生了電子束B之強度之降低的時候,亦可進行光電陰極3的EA表面處理。
第三實施形態的電子槍1C除第一及第二實施形態之電子槍1的效果外,還可獲得以下的相乘效果。
透過具備內部配置有表面處理材料8m的光電陰極收納容器8,即使當光電陰極3劣化的情形下,亦可使表面處理材料8m蒸鍍於光電陰極3。因此,能夠使從光電陰極3所發射之電子束B的強度在適當的時間點復原。
(第四實施形態)
茲參照第5圖至第7圖來說明第四實施形態的電子槍1D。第5圖係顯示第四實施形態之電子槍1D之一例的示意圖。第6圖係顯示中間電極之一例的示意圖。第7圖係用以說明焦點距離調整之一例的圖。
第四實施形態之電子槍1D係至少具備光源2、光電陰極3、陽極4、電子束遮蔽構件5、測量部6、及中間電極9。中間電極9係配置於光電陰極3與陽極4之間,具有供從光電陰極3所發射之電子束B通過的電子束通過孔91。再者,中間電極9係具有在通過電子束通過孔91時改變電子束B 的寬度,以調節電子束B之焦點之距離的功能。在第四實施形態中,係利用中間電極9所具有之改變電子束B之寬度的功能,而取得測量用電子束。
首先說明中間電極9的功能。在中間電極9的電子束通過孔91中係形成有漂移空間(drift space),該漂移空間係可忽視因為光電陰極3與陽極4之間的電位差所形成之電場的影響。再者,對於中間電極9係施加比施加於光電陰極3的電壓相對較大的電壓,且比施加於陽極4之電壓相對較小的電壓。
茲參照第6圖來說明中間電極9的概要。第6A圖係陰極3、中間電極9、陽極4的概略剖面圖,第6B圖係第6A圖之X-X’剖面圖,第6C圖係第6A圖之Y-Y’剖面圖。在第6圖所示之例中,中間電極9係以中空的圓筒形成。中間電極9係在內部形成有供從光電陰極3所發射之電子束通過的電子束通過孔91,而在電子束通過孔91的光電陰極3側形成有電子束的入口92,在電子束通過孔91的陽極4側則形成有電子束的出口93。透過在陰極3與陽極4之間以產生電位差的方式施加電壓,且亦對於中間電極9施加電壓,如第6A圖所示,在陰極3與中間電極9之間、及中間電極9與陽極4之間產生電場EF。
產生的電場EF對空隙內的電子束的運動所強力波及之影響的範圍在空隙的開口部為圓形的情況下,係將該圓作為最大剖面所包含的球體。因此,在將第6B圖所示之電子束之入口92的直徑規定為a、第6C圖所示之電子束之出口93的直徑規定為b、電子束通過孔91之中心軸方向的長度規定為D的情形下,當D/(a/2+b/2)大於1時,在電子束通過孔91內係形成有不受電場EF之影響的漂移空間94。另外,在本說明書中,「中心軸方向」係 指連結電子束的入口92之中心與電子束的出口93之中心的方向。
製作中間電極9的材料若為導體則不特別限制,可列舉不鏽鋼(SUS)等金屬。
第7圖係顯示進行焦點位置調整之一例者,其係顯示了施加於陰極3與陽極4的電壓差為一定,透過使施加於中間電極9的電壓值變化以調整焦點位置之例。如第7A圖至第7C圖所示,假設將陰極3的電壓設定為-50kV、陽極4的電壓設定為0kV,且對於中間電極9,在第7A圖中係施加了-20kV的電壓,在第7B圖中係施加了-30kV的電壓,在第7C圖中係施加了-40kV的電壓。如此一來,陰極3與中間電極9之間的電壓差,在第7A圖中係成為30kV,在第7B圖中係成為20kV,在第7C圖中係成為10kV。換言之,愈是使施加於中間電極9的電壓更接近陰極3之電壓的值,陰極3與中間電極9之間的電位差就愈小。再者,由於電位差愈小,陰極3與中間電極9之間之等位線的密度就愈小,因此從光電陰極3所發射的電子束B會按照從第7A圖至第7C圖的順序易於朝向中間電極9擴展。再者,由於中間電極9中形成有漂移空間,因此容易擴展的電子束B會在漂移空間內更為擴展。
另一方面,由於陰極3和陽極4的電位差為一定,因此中間電極9和陽極4之間的電位差會與陰極3和中間電極9之間的電位差呈現相反。換言之,由於中間電極9與陽極4之間的電位差會按照從第7A圖至第7C圖的順序變大,因此中間電極9與陽極4之間之等位線的密度亦變大。再者,由於離開漂移空間後之電子束的寬度會按照從第7A圖至第7C圖的順序變大,因此離開中間電極9後的電子束B,係以第7C圖所示之例比第7A圖所示之例更易於收斂。換言之,中間電極9與陽極4之間的電位差愈大,愈可使焦點 位置F移動至短焦點側。此外,亦可透過改變中間電極9的位置、大小來進行焦點位置調整。中間電極9在日本特許第6466020號公報中有更詳細地記載,日本特許第6466020號公報所記載的事項,係包含在本說明書中。
由於第四實施形態的電子槍1D係具有中間電極9,因此透過調整電子束B的焦點位置,即可調整到達電子束遮蔽構件5時之電子束B的寬度D1。因此,在通常運轉時將到達電子束遮蔽構件5時之電子束B的寬度D1設為較電子束遮蔽構件5之孔51的寬度D2更小,而在測量電子束B的強度時,藉由中間電極9增大到達電子束遮蔽構件5時之電子束B的寬度D1,亦可獲得測量用電子束。另外,第5圖雖顯示了具備有控制部7及光電陰極收納容器8的實施形態,但具備中間電極9的第四實施形態係可與第一至第三實施形態之任意的實施形態組合。
第四實施形態的電子槍1D,除第一至第三實施形態之電子槍1所可達成的效果外,還可獲得以下的相乘效果。
藉由在光電陰極3與陽極4之間配置中間電極9,可僅在監視電子束B的強度時使電子束B的寬度變化而取得測量用電子束。因此,通常運轉時電子束B不會被電子束遮蔽構件5所遮蔽,因此運轉效率獲得提升。此外,可將被用於焦點調整之用途上的中間電極9,亦用於取得測量用電子束之新的用途上。
(第五實施形態)
茲參照第8圖及第9圖來說明第五實施形態的電子槍1E。第8圖係顯示第五實施形態之電子槍1E之一例的示意圖。第9圖係顯示從檢測信號S1之中抽出參照信號S2之頻率所對應之頻率之信號之情形的示意圖。
第五實施形態之電子槍1E係至少具備光源2、光電陰極3、陽極4、電子束遮蔽構件5、測量部6、及信號抽出器61。
第五實施形態之光源2,係將經頻率調制後的頻率調制光予以射出的光源。以下說明光源2為將屬於頻率調制光之一種之脈衝光予以射出之脈衝光源之例。取而代之,光源2亦可為將脈衝光以外之頻率調制光予以射出的光源(例如將強度變化為正弦波狀之頻率調制光予以射出的光源)。此時,在以下的說明中,脈衝光被改稱為頻率調制光。另外,在本說明書中,頻率調制光係指光的強度周期性變化的光。此外,在本說明書中,脈衝光係指頻率調制光之中,周期性地存在光的強度實質地變為零的期間的光。
作為射出頻率調制光的光源2,可採用任意的構成。作為光源2的第一例,可使用利用了Q開關脈衝振盪的脈衝光源。此時,例如藉由對於光源2內所含之電氣光學元件施加電壓,使電氣光學元件的Q值變化。結果,獲得與電壓施加之時間點同步的脈衝光。作為光源2的第二例,可使用藉由機械性閘門(shutter)(包含所謂的光截波器(chopper))對連續雷射射束之輸出進行ON(接通)/OFF(關斷)的光源2。亦可取代機械性閘門,使用液晶閘門、電氣光學調制器、音響光學調制器而從連續雷射射束產生脈衝光。作為光源2的第三例,可使用半導體雷射光源。此時,藉由將流動於半導體元件的電流進行ON/OFF,可獲得脈衝光。作為光源2的第四例,可使用利用了鎖模(mode lock)法的脈衝光源。
信號抽出器61係從經由測量部6所測量的測量值S1之中,抽出激發光L(從光源2所射出的脈衝光)之脈衝頻率所對應之頻率的信號。 例如,信號抽出器61係從測量部6接收測量值S1,並且從光源2接收脈衝光之脈衝波形所對應的信號(參照信號S2)。再者,信號抽出器61係抽出來自測量部6之測量值S1中之上述之參照信號S2之頻率所對應之頻率的信號SA。另外,當從光源2所射出之光為脈衝光以外的光時,上述「脈衝頻率」改稱為「調制頻率」(亦即頻率調制光之強度變化的頻率)。脈衝頻率亦為調制頻率的一種。
作為信號抽出器61,係可使用例如已知的鎖相放大器((lock-in amplifier)。鎖相放大器係接收測量值S1及參照信號S2,且從測量值S1抽出參照信號S2之頻率所對應之頻率的信號SA。取而代之,亦可使用任意的電子電路(例如頻率濾波器(filter))以作為信號抽出器61,該任意的電子電路係從經由測量部6所測量的測量值之中,抽出參照信號之頻率所對應之頻率的信號。取而代之,更可使用電腦(computer)作為信號抽出器61。此時,電腦係使用從包含雜訊(noise)之信號抽出特定之頻率成分之任意的電腦程式(computer program),從檢測信號之中抽出參照信號之頻率所對應之頻率的信號。例如,電腦被輸入有經由測量部6所測量之測量值所對應的信號資料、及參照信號之頻率所對應的頻率資料,且電腦係使用上述的電腦程式而將上述的信號資料轉換為已強化過參照信號之頻率所對應之頻率成分後的資料並予以輸出。
使光源2動作的控制信號(例如,被輸入於光源之未圖示之電氣光學元件的電壓信號、使光源之機械性閘門驅動的驅動信號、及被輸入於半導體雷射的ON/OFF信號等),係具有與脈衝光之脈衝頻率相同的頻率。因此,可使用使光源2動作的控制信號以作為被輸入於信號抽出器61的 參照信號。另外,當使用利用了被動Q開關(passive Q-switch)的雷射光源、利用了鎖模法的雷射光源等作為光源2時,不需要將供頻率調制用的控制信號傳送至光源2。此時,亦可藉由光電二極體接收從光源2所射出之脈衝光的一部分,且使用經由該接收(受光)所產生的電氣信號,作為要輸入於信號抽出器61的參照信號。
如第9圖所例示,在從測量部6傳送至信號抽出器61的測量值S1中,係包含有各種雜訊。相對於此,測量值S1中之激發光L之脈衝頻率所對應之頻率的信號,極有可能是起因於電子束遮蔽構件5接收到脈衝狀的電子束B所產生的信號。換言之,測量值S1中之激發光L之脈衝頻率所對應之頻率的信號SA,係顯示被照射有脈衝狀之電子束B之區域(電子束遮蔽構件5)的信號,可謂為經去除雜訊後的電流值,正確地反映出電子束B的強度者。
另外,第8圖雖顯示了具備控制部7、光電陰極收納容器8、中間電極9、及衰減器21的實施形態,但具備信號抽出器61的第五實施形態係可與第一至第四實施形態中之任意的實施形態組合。
第五實施形態的電子槍1E,係除第一至第四實施形態之電子槍1所可達成的效果外,還可獲得以下的相乘效果。
藉由從經由測量部6所測量的電流值之中,抽出激發光L之脈衝頻率所對應之頻率的信號,即可有效地去除電流值中所含的雜訊成分。因此,即使測量用電子束的數量較少,亦可測量電子束B之強度的變化。
搭載電子槍的電子射線應用裝置E,係可列舉搭載電子槍的已知裝置。可列舉例如:自由電子雷射(free electron laser)加速器、電子 顯微鏡、電子射線全像術(electron-beam holography)裝置、電子射線圖案化裝置(electron-beam lithography;EB lithography)、電子射線繞射(electron-beam diffraction)裝置、電子射線檢查裝置、電子射線金屬層積造型裝置、電子射線微影術(electron lithography)裝置、電子射線加工裝置、電子射線硬化裝置、電子射線滅菌裝置、電子射線殺菌裝置、電漿產生裝置、原子狀元素產生裝置、旋轉偏極(spin polarization)電子射線產生裝置、陰極發光(cathodoluminescence;CL)裝置、及逆光子放射攝譜術(inverse photoemission spectroscopy;IPES)裝置等。
以下係揭示實施例,將本案所記載的實施態樣具體作說明,但此實施例僅是為了用以說明實施態樣者。並非表示其用來限定本案所揭示的發明之範圍,亦並非用以作為限制的目的。
<實施例1>
光源2係使用了雷射光源(Toptica製iBeamSmart)。光電陰極3係藉由Daiki SATO et al.2016 Jpn.J.Appl.Phys.55 05FH05所記載之已知的方法製作了InGN光電陰極。光電陰極表面的NEA(Negative Electron Affinity,負電子親和力)處理,係藉由已知的方法進行。電子束遮蔽構件5係使用不鏽鋼製作。
透過從光源2將雷射光照射至光電陰極3,且對於光電陰極3與陽極4之間施加30kV的加速電壓,而從光電陰極3發射電子束B。再者,藉由電子束遮蔽構件5所取得之測量用電子束的電流值,係藉由資料記錄器(data logger)(橫河電氣製MW100)測量並經轉換100kΩ分路電阻(shunt resistance)之兩端的電壓而取得。測量係依每秒進行。
第10圖顯示測量結果。橫軸係表示時間,縱軸係表示經由測量部6所測量的電流值。如第10圖所示,電流值隨著時間經過而減少。此係表示了隨著時間經過,陰極3劣化,且電子束B的強度減少。從以上的結果,已確認了透過在電子槍內設置電子束遮蔽構件5,且測量藉由將電子束B之一部分予以遮蔽所獲得之測量用電子束的強度,能夠即時地監視電子束B的強度。
<實施例2>
除將測量部6所要測量的電流值設定為約50nA,且將由測量部6所測量之電流值的結果依每五秒反饋至光源2以外,均以與實施例1相同的程序進行測量。
第11圖係顯示測量結果。如第11圖所示,已確認了透過根據由測量部6所測量的電流值進行反饋控制,可穩定地維持按照設定之電子束B的強度。此外,在測量途中,將測量部6要測量的電流值從50nA變更設定為20nA後,結果已確認了電子束B的強度會迅速地改變,而且穩定地發射出所設定之強度的電子束。再者,已確認了在中止了反饋控制之後,與實施例1同樣地,電子束B的強度降低。
從以上的結果,已確認了透過藉由控制部7反饋控制由測量部6所測量的結果,可從光電陰極3穩定地發射所設定之強度的電子束。此外,由於可穩定地發射所設定之強度的電子束,故亦可得知先根據D1及D2的大小、測量部6所獲得的測量值、以及實際被照射至合作夥伴裝置E之照射電子束B之對象之電子束的強度的關係而製作表單,從而可藉由電子槍1側的構成,控制實際被照射至合作夥伴裝置E之對象的電子束強度(電子 量)。
[產業上的可利用性]
利用本案所揭示之電子槍、電子射線應用裝置、及電子槍之控制方法,即可僅以電子槍側的構成監視電子束的強度,且可在適當的時間點調整及恢復電子束強度。因此,對於要處理電子槍的業者極為有用。
5:電子束遮蔽構件
51:孔
B:電子束
D1:寬度
D2:寬度

Claims (13)

  1. 一種電子槍,其包括:
    光源;
    光電陰極,係因應來自光源的受光而發射電子束;
    陽極;
    電子束遮蔽構件,係可遮蔽電子束的一部分;及
    測量部,係使用藉由電子束遮蔽構件所遮蔽的測量用電子束,而測量從光電陰極所發射之電子束的強度。
  2. 如請求項1所記載之電子槍,其更包括控制部,該控制部係依據測量部的測量結果而調整從光電陰極所發射之電子束的強度。
  3. 如請求項2所記載之電子槍,其中,控制部係控制要照射至光電陰極之光的強度。
  4. 如請求項2所記載之電子槍,其包括可收納光電陰極的光電陰極收納容器;
    在光電陰極收納容器的內部,配置有用以進行光電陰極之表面處理的表面處理材料;
    控制部係將光電陰極收納於光電陰極收納容器中,且以表面處理材料進行光電陰極的表面處理。
  5. 如請求項1至請求項4中任一項所記載之電子槍,其更包括中間電極,該中間電極係配置於光電陰極與陽極之間,且能夠藉由電壓的施加而改變電子束的寬度。
  6. 如請求項1至請求項4中任一項所記載之電子槍,其中,光源係射出頻率調制光;
    測量部係包括信號抽出器,該信號抽出器係抽出頻率調制光之調制頻率所對應之頻率的信號。
  7. 一種電子射線應用裝置,係包括請求項1至請求項6中任一項所記載之電子槍,電子射線應用裝置係自由電子雷射加速器、電子顯微鏡、電子射線全像術裝置、電子射線圖案化裝置、電子射線繞射裝置、電子射線檢查裝置、電子射線金屬層積造型裝置、電子射線微影術裝置、電子射線加工裝置、電子射線硬化裝置、電子射線滅菌裝置、電子射線殺菌裝置、電漿產生裝置、原子狀元素產生裝置、旋轉偏極電子射線產生裝置、陰極發光裝置、或逆光子放射攝譜術裝置。
  8. 一種電子槍之控制方法,該電子槍係包括:
    光源;
    光電陰極,係因應來自光源的受光而發射電子束;
    陽極;
    電子束遮蔽構件,係可遮蔽電子束的一部分;及
    測量部,係使用藉由電子束遮蔽構件所遮蔽的測量用電子束,而測量從光電陰極所發射之電子束的強度;
    控制方法係透過包括將來自光源的激發光照射至光電陰極,且因應激發光的受光而從光電陰極發射電子束的步驟、及使用藉由電子束遮蔽構件所遮蔽的測量用電子束而測量電子束之強度的步驟,而監視從光電陰極所發射之電子束的強度。
  9. 如請求項8所記載之電子槍之控制方法,其中,電子槍更包括控制部,該控制部係依據測量部的測量結果而調整從光電陰極所發射之電子束的強度;
    控制方法係包括依據在測量電子束之強度的步驟中所測量之電子束的強度,而調整從光電陰極所發射之電子束之強度的步驟。
  10. 如請求項9所記載之電子槍之控制方法,其中,調整電子束之強度的步驟係控制要照射至光電陰極之光的強度。
  11. 如請求項9所記載之電子槍之控制方法,其中,電子槍更包括可收納光電陰極的光電陰極收納容器;
    在光電陰極收納容器的內部,配置有用以進行光電陰極之表面處理的表面處理材料;
    調整電子束之強度的步驟係將光電陰極收納於光電陰極收納容器中,且以表面處理材料進行光電陰極的表面處理。
  12. 如請求項8至請求項11中任一項所記載之電子槍之控制方法,其中,電子槍更具備中間電極,該中間電極係配置於光電陰極與陽極之間;
    且包括對於中間電極施加電壓以改變電子束之寬度的步驟。
  13. 如請求項8至請求項11中任一項所記載之電子槍之控制方法,其中,激發光係頻率調制光;
    測量電子束之強度的步驟係抽出頻率調制光之調制頻率所對應之頻率的信號而進行測量。
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