WO2021210382A1 - 電子銃、電子線適用装置、および、電子ビームの射出方法 - Google Patents

電子銃、電子線適用装置、および、電子ビームの射出方法 Download PDF

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photocathode
electron beam
electron
heating
substrate
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智博 西谷
佐藤　大樹
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株式会社Ｐｈｏｔｏ ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｏｕｌ
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    • H01J37/3174—Particle-beam lithography, e.g. electron beam lithography

Definitions

  • the disclosure in this application relates to an electron gun, an electron beam application device, and an electron beam emitting method.
  • Patent Document 1 discloses an electron microscope apparatus using a photocathode that irradiates excitation light from a light source and emits an electron beam.
  • Patent Document 1 discloses that the excitation light intensity is increased and Cs is vapor-deposited to restore the electron beam intensity.
  • the intensity of the electron beam emitted from the photocathode is measured by using the measurement electron beam shielded by the electron beam shielding member, and the intensity of the electron beam emitted from the photocathode is adjusted according to the measurement result.
  • Electron guns are also known (see Patent Document 2).
  • the present inventors have newly found that the life of the photocathode can be extended by emitting an electron beam while the photocathode is heated.
  • an object of the disclosure of the present application is to provide an electron gun capable of extending the life of the photocathode, an electron beam application device equipped with the electron gun, and an electron beam emitting method.
  • Other optional additional effects of the disclosure in this application will be manifested in the form for carrying out the invention.
  • a substrate having a photocathode film formed on the first surface and A light source for irradiating the photocathode film with excitation light With the anode A heating device for heating the photocathode membrane and / or the substrate, An output regulator that adjusts the heating temperature of the heating device, Including, electron gun.
  • An output regulator that adjusts the heating temperature of the heating device, Including, electron gun.
  • a substrate having a photocathode film formed on the first surface and A light source for irradiating the photocathode film with excitation light With the anode A heating device for heating the photocathode membrane and / or the substrate, With a vacuum chamber Including A heating device is placed outside the vacuum chamber and the photocathode membrane and / or substrate is heated from outside the vacuum chamber. Electron gun. (5) Further including an output adjusting device for adjusting the heating temperature of the heating device. The electron gun according to (4) above. (6) A measuring unit that measures the change in intensity of the electron beam emitted from the photocathode film due to deterioration of the photocathode film.
  • a control unit that controls an output adjusting device according to the measurement result of the measuring unit is further included.
  • the control unit adjusts the intensity of the electron beam emitted from the photocathode film according to the measurement result of the measurement unit.
  • An electron beam application device including the electron gun according to any one of (1) to (7) above.
  • the electron beam application device is Free electron laser accelerator, electronic microscope, Electron holography equipment, Electron beam lithography system, Electron diffractometer, Electron beam inspection device, Electron beam metal lamination molding equipment, Electron beam lithography equipment, Electron beam processing equipment, Electron beam curing device, Electron beam sterilizer, Electron beam sterilizer, Plasma generator, Atomic element generator, Spin polarized electron beam generator, Cathodoluminescence device or Back-photoelectron spectrometer, Electron beam application device. (9) A method of emitting an electron beam, which is a method of emitting an electron beam.
  • the electron beam is A substrate having a photocathode film formed on the first surface and A light source for irradiating the photocathode film with excitation light, With the anode A heating device for heating the photocathode membrane and / or the substrate, Ejected from an electron gun, including
  • the injection method is An electron beam emission step in which the photocathode film is irradiated with excitation light from a light source while heating the photocathode film and / or the substrate, and an electron beam is emitted from the photocathode film in response to the reception of the excitation light. Including the injection method.
  • Photocathode temperature adjusting step for adjusting the heating temperature of the photocathode film and / or the substrate,
  • the injection method according to (9) above which comprises. (11) Further includes a measuring unit for measuring a change in intensity of an electron beam emitted from the photocathode film due to deterioration of the photocathode film. A photocathode temperature adjustment step is performed according to the measurement result of the measuring unit.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an electron gun 1A according to the first embodiment and a counterpart device E equipped with the electron gun 1A.
  • 2A and 2B are diagrams showing an embodiment of another arrangement of the heating device 5 in the electron gun 1A according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing an electron gun 1B and a counterparty device E equipped with the electron gun 1B according to the second embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an electron gun 1C according to a third embodiment and a counterpart device E equipped with the electron gun 1C.
  • FIG. 5 is a diagram showing an outline of an electron beam shielding member.
  • FIG. 6 is a diagram showing another example of the measuring unit in the electron gun 1C according to the third embodiment.
  • FIG. 7A is a diagram showing the measurement result of Example 1
  • FIG. 7B is a diagram showing the measurement result of Comparative Example 1.
  • FIG. 8A is a diagram showing the measurement result of Example 2
  • FIG. 8B is a diagram showing the measurement result of Comparative Example 2.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an electron gun 1A according to the first embodiment and a counterpart device E equipped with the electron gun 1A.
  • FIG. 2 is a diagram showing another embodiment of the arrangement of the heating device 5.
  • the electron gun 1A includes at least a photocathode 2, a light source 3, an anode 4, a heating device 5, and an output adjusting device 6.
  • the photocathode 2 is formed by adhering the photocathode film 22 to the first surface 21a of the substrate 21. Further, in the example shown in FIG. 1, electrons are emitted from the photocathode film 22 in response to the reception of the excitation light L incident from the second surface 21b side opposite to the first surface 21a on which the photocathode film 22 is formed. The beam B is emitted. Therefore, it is desirable that the substrate 21 is a transparent substrate 21.
  • the transparent substrate 21 is not particularly limited as long as it can transmit the excitation light from the light source 3. For example, quartz glass and sapphire glass can be mentioned.
  • the substrate 21 When the excitation light L from the light source 3 is irradiated from the first surface 21a side of the substrate 21, the substrate 21 does not need to be transparent, and if the photocathode film 22 can be adhered, quartz glass or sapphire It may be other than glass.
  • the photocathode film 22 is not particularly limited as long as it can emit an electron beam by irradiating it with excitation light, and examples thereof include materials that require EA surface treatment and materials that do not require EA surface treatment.
  • FIG. 2A shows an example using a material that requires EA surface treatment.
  • materials that require EA surface treatment include group III-V semiconductor materials and group II-VI semiconductor materials. Specific examples thereof include AlN, Ce 2 Te, GaN, compounds of one or more kinds of alkali metals and Sb, AlAs, GaP, GaAs, GaSb, InAs and the like, and mixed crystals thereof. Other examples include metals, and specific examples thereof include Mg, Cu, Nb, LaB 6 , SeB 6 , and Ag.
  • the photocathode film 22 in which the EA surface 22b is formed on the photocathode film base material 22a can be produced.
  • the photocathode film 22 not only enables selection of excitation light in the near-ultraviolet-infrared wavelength region according to the gap energy of the semiconductor, but also has electron beam source performance (quantum yield, durability) according to the application of the electron beam. Properties, monochromaticity, time responsiveness, spin polarization) are made possible by selecting the material and structure of the semiconductor.
  • FIG. 2B shows an example in which a material that does not require EA surface treatment is used.
  • materials that do not require EA surface treatment include simple metals such as Cu, Mg, Sm, Tb, and Y, alloys, metal compounds, diamonds, WBaO, and Cs 2 Te.
  • the photocathode film 22c that does not require EA surface treatment may be produced by a known method (see, for example, Japanese Patent No. 35737779).
  • the light source 3 is not particularly limited as long as it can emit the electron beam B by irradiating the photocathode 2 with the excitation light L.
  • Examples of the light source 3 include a high output (watt class), a high frequency (several hundred MHz), an ultrashort pulse laser light source, a relatively inexpensive laser diode, and an LED.
  • the excitation light L to be irradiated may be either pulsed light or continuous light, and may be appropriately adjusted according to the intended purpose.
  • the light source 3 is arranged outside the vacuum chamber CB and the excitation light L is irradiated from the second surface 21b side of the photocathode 2. However, instead, the light source 3 is evacuated. It may be arranged in the chamber CB.
  • the anode 4 is not particularly limited as long as it can form an electric field with the cathode 3, and an anode generally used in the field of electron guns can be used.
  • the photocathode 2 and the anode 4 are arranged in the vacuum chamber CB.
  • the electrons in the photocathode 2 are excited by the excitation light L, and the excited electrons are ejected from the photocathode 2.
  • the emitted electrons form an electron beam B by the electric field formed by the anode 4 and the cathode 2.
  • an electric field can be formed by arranging the power supply so that a potential difference is generated between the cathode 3 and the anode 4.
  • the heating device 5 is used to heat the photocathode film 22 and / or the substrate 21. As shown in Examples described later, when the photocathode film 22 is irradiated with the excitation light L and the electron beam B is emitted, the photocathode 2 (photocathode film 22) is heated and the excitation light L is irradiated. The life of the photocathode 2 is extended, in other words, the deterioration rate of the photocathode film 22 is slowed down.
  • the heating device 5 is not particularly limited as long as it can heat the photocathode film 22 when emitting the electron beam B. Further, the heating device 5 may directly heat the photocathode film 22, or may indirectly heat the photocathode film 22 by directly heating the substrate 21. Further, the heating device 5 may further indirectly heat the photocathode film 22 by indirectly heating the substrate 21.
  • the heating device 5 is incorporated in the holder 7 that holds the substrate 21.
  • the heating device 5 include a heater capable of heating by energization such as a resistance heating heater and a high frequency heating device.
  • the heating device 5 is incorporated in the holder 7, and the substrate 21 is heated by heating the holder 7, and the photocathode film 22 is heated by heating the substrate 21. That is, the heating device 5 indirectly heats the substrate 21 and the photocathode film 22.
  • the holder 7 is preferably made of a material having good thermal conductivity. Examples of the material include metals such as titanium, molybdenum, their alloys, Inconel, and stainless steel (SUS).
  • the end portions of the heating device 5 and the substrate 21 are not in contact with each other.
  • the heating device 5 may be arranged so as to be in direct contact with the substrate 21.
  • a condenser lens may be arranged in the holder 7 when the holder 7 is included.
  • the condensing lens When the condensing lens is provided, the photocathode film 22 can be irradiated while condensing the excitation light L from the light source 3. Therefore, when the condenser lens is provided, the electron beam B having a smaller size and stronger intensity can be emitted from the photocathode film 22.
  • the photocathode film 22 When the photocathode film 22 deteriorates, the photocathode film 22 is regenerated by heating the photocathode 2.
  • the regeneration of the photocathode film 22 means (1) when a photocathode film base material 22a that requires EA surface treatment is used, the EA surface 22b is cleaned by heating, and the surface treatment described later is performed. It means retreatment with a material (reformation of the EA surface). (2) When a photocathode film 22c that does not require EA surface treatment is used, dirt adhering to the surface of the photocathode film 22c is removed by heating. Means to do.
  • the heating device 5 can be used for both the regeneration of the photocathode film 22 and the extension of the life of the photocathode 2.
  • the temperature at which the photocathode film 22 is regenerated varies depending on the composition (crystal structure) of the photocathode film 22, but becomes extremely high.
  • the heating temperature of the photocathode 2 (photocathode film 22) when emitting the electron beam B is too high, the photocathode film 22 may be destroyed. Therefore, the temperature at which the photocathode film 22 and / or the substrate 21 is heated when the electron beam B is emitted is lower than the temperature at which the photocathode film 22 is regenerated.
  • the electron gun 1A is provided with an output adjusting device 6 for adjusting the heating temperature of the heating device 5 so that the photocathode 2 can be heated to a different temperature.
  • the output adjusting device 6 may control the current value output to the resistance heating heater.
  • the output adjusting device 6 may control the alternating current output to the coil.
  • the lower limit of the heating temperature of the photocathode film 22 when emitting the electron beam B may be higher than room temperature, for example, 50 ° C. or higher, 75 ° C. or higher, 100 ° C. or higher, 120 ° C. or higher, 140 ° C. or higher, 160 ° C. As described above, it may be appropriately adjusted according to the material forming the photocathode film 22 such as 180 ° C. or higher. Further, the upper limit of the heating temperature of the photocathode film 22 when emitting the electron beam B is a temperature at which the photocathode film 22 is not damaged by heating, in other words, a temperature lower than the temperature at which the photocathode film 22 is regenerated. do it.
  • the output adjusting device 6 may adjust the output of the heating device 5 that directly or indirectly heats the photocathode film 22 so that the photocathode film 22 (photocathode 2) is in the above temperature range.
  • the heating device 5 can switch between at least two temperatures, a temperature at which the photocathode film 22 is regenerated and a temperature suitable for emitting the electron beam B. Therefore, the output adjusting device 6 can be said to be a device capable of supplying at least two outputs having different intensities to the heating device 5.
  • the output adjusting device 6 and the heating device 5 may be connected by an electric wire or the like.
  • the electron gun 1A optionally additionally accommodates a drive device 8 for moving the holder 7 up and down with respect to the traveling direction of the electron beam B, and a photocathode.
  • a drive device 8 for moving the holder 7 up and down with respect to the traveling direction of the electron beam B, and a photocathode.
  • An example is shown in which the surface treatment material 91 for EA surface treatment of the photocathode 2 is arranged in the container 9 and the storage container 9.
  • the drive device 8 includes the drive unit 81 in the vacuum chamber, the output adjusting device 6 and the heating device 5 may be connected via the drive unit 81 in the vacuum chamber.
  • the drive device 8 is not particularly limited as long as the photocathode 2 can be moved (moved via the holder 7 in the example shown in FIG. 1).
  • the drive device described in International Publication No. 2015/008561 and International Publication No. 2018/186294 can be used. The matters described in WO 2015/008561 and WO 2018/186294 are
  • the material of the storage container 9 is not particularly limited, and is formed of, for example, a heat-resistant material such as glass, molybdenum, ceramic, sapphire, titanium, tungsten, tantalum, etc. that can withstand heat of 300 ° C. or higher, more preferably 400 ° C. be able to.
  • a heat-resistant material such as glass, molybdenum, ceramic, sapphire, titanium, tungsten, tantalum, etc. that can withstand heat of 300 ° C. or higher, more preferably 400 ° C. be able to.
  • the surface treatment material 91 arranged inside the storage container 9 is not particularly limited as long as it is a material capable of EA surface treatment.
  • the elements constituting the surface treatment material 91 include Li, Na, K, Rb, Cs, Te, Sb and the like.
  • Li, Na, K, Rb, and Cs spontaneously ignite by themselves and cannot be stored or used. Therefore, Li, Na, K, Rb, and Cs need to be used in the form of a composite element of these elements and a compound containing these elements.
  • the surface treatment material 91 when an element selected from Li, Na, K, Rb, and Cs is used as the surface treatment material 91, it is mixed with compounds such as Cs 2 CrO 4 , Rb 2 CrO 4 , Na 2 CrO 4 , and K 2 CrO 4. It is preferable to use a reducing agent that suppresses the generation of impurity gas in combination.
  • the surface treatment material 91 is vaporized in the storage container 9 using a heating means and deposited on the photocathode 2.
  • FIG. 1 an example in which the heating device 5 is arranged in the holder 7 is shown.
  • FIG. 2 an example is shown in which the heating device 5 is directly arranged on the substrate 21 and heated without using the holder 7 for holding the substrate 21.
  • FIG. 2A an example in which the heating device 5 is directly arranged on the substrate 21 is shown.
  • an adhesive having a heat resistance higher than the upper limit of the heating temperature of the heating device 5 such as an inorganic adhesive is used to bond the heating device 5 to the substrate 21.
  • the heating device 5 is arranged above the substrate 21, but the heating device 5 may be arranged sideways or below the substrate 21.
  • the holding member 51 of the heating device 5 is provided in order to strengthen the holding of the heating device 5 with respect to the substrate 21 .
  • the sandwiching member 51 can sandwich the substrate 21 and the heating device 5, and is not particularly limited as long as it has heat resistance.
  • the holding member 51 having a substantially concave shape may be made of the material forming the holder 7.
  • FIGS. 2A and 2B an example in which a rod 23 for moving the photocathode 2 in the vertical direction is formed on the substrate 21 is shown.
  • the photocathode 2 may be driven in the vertical direction by engaging the drive unit 81 in the vacuum chamber of the drive device 8 shown in FIG. 1 with the rod 23.
  • the rod 23 may be formed of a transparent material or a hollow member through which the excitation light L can pass.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing an electron gun 1B and a counterparty device E equipped with the electron gun 1B according to the second embodiment.
  • the electron gun 1B according to the second embodiment includes a heating device 52 that is arranged outside the vacuum chamber CB and that heats the photocathode film 22 and / or the substrate 21 from the outside of the vacuum chamber CB.
  • the heating device 5 and the output adjusting device 6 of the electron gun 1A according to the first embodiment are different from the electron gun 1A according to the first embodiment in that the heating device 5 and the output adjusting device 6 are optional additions, and the other points are the same as those of the first embodiment. be. Therefore, in the second embodiment, the points different from those in the first embodiment will be mainly described, and the repetitive description of the matters explained in the first embodiment will be omitted. Therefore, it goes without saying that the matters explained in the first embodiment can be adopted in the second embodiment even if they are not explicitly explained in the second embodiment.
  • the heating device 52 included in the electron gun 1B according to the second embodiment heats the photocathode film 22 and / or the substrate 21 from the outside of the vacuum chamber CB. Therefore, the heating device 52 is not particularly limited as long as it is a heating device capable of heating a heating object at a distant place, such as a lamp heater, a laser heater, a high frequency heating device, and a resistance heating heater.
  • the heating device 52 is not used for the purpose of regenerating the photocathode 2, but is used for the purpose of extending the life of the photocathode 2. Therefore, since the heating device 52 may be driven by one kind of preset output, the output adjusting device 6 is not indispensable in the electron gun 1B according to the second embodiment. However, for the purpose of extending the life of the photocathode 2, it is not excluded to heat the photocathode film 22 and / or the substrate 21 at two or more different temperatures. Therefore, the electron gun 1B according to the second embodiment may optionally additionally include an output adjusting device 6 for adjusting the output of the heating device 52.
  • the output adjusting device 6 may adjust the current value for adjusting the intensity of the lamp heater, the laser heater, or the like.
  • the output adjusting device 6 may control the current value output to the resistance heating heater.
  • the output adjusting device 6 may control the alternating current output to the coil.
  • the photocathode film 22 may be directly heated from the outside of the vacuum chamber CB by using a lamp heater, a laser heater, a resistance heating heater, a high frequency heating device or the like. By heating the substrate 21, the photocathode film 22 may be heated via the substrate 21.
  • the heating device 5 for regenerating the photocathode 2 is not essential as a means for solving the problem of the present application.
  • the electron gun 1B according to the second embodiment may include a heating device 5.
  • the heating device 5 for reproducing the photocathode 2 and for extending the life of the photocathode 2 can be shared.
  • the heating device 52 which is used more frequently than the heating device 5 for regeneration of the photocathode 2 can be arranged outside the vacuum chamber CB. Therefore, in the electron gun 1B according to the second embodiment, even if the heating device 52 fails, the heating device 52 can be replaced without opening the vacuum chamber CB.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an electron gun 1C according to a third embodiment and a counterpart device E equipped with the electron gun 1C.
  • FIG. 5 is a diagram showing an outline of the electron beam shielding member 11a.
  • the electron gun 1C according to the third embodiment outputs according to the measurement results of the measuring unit 11 for measuring the intensity change due to the deterioration of the photocathode of the electron beam B emitted from the photocathode 2 and the measuring unit 11. It is different from the electron gun 1A according to the first embodiment and the electron gun 1B according to the second embodiment in that it includes a control unit 12 for controlling the adjusting device 6, and is the same in other respects. Therefore, in the third embodiment, the differences from the first embodiment and the second embodiment will be mainly described, and the matters already explained in the first embodiment and the second embodiment will be repeated. The description is omitted. Therefore, it goes without saying that the matters explained in the first embodiment and the second embodiment can be adopted in the third embodiment even if they are not explicitly explained in the third embodiment. ..
  • the measuring unit 11 is formed by the electron beam shielding member 11a and the measuring instrument 11b arranged in the electron gun 1C.
  • a control unit 12 that controls the output adjusting device 6 according to the measurement result of the measuring unit 11 is provided.
  • the electron beam shielding member 11a includes a hole 11a1 through which a part of the electron beam B emitted from the photocathode 2 passes.
  • the width of the holes 11a1 is smaller than the width of the electron beam B.
  • the portion of the electron beam B that overlaps with the hole 11a1 is an electron. It passes through the beam shielding member 11a.
  • the difference that did not pass through the holes 11a1 is shielded by the electron beam shielding member 11a.
  • the electron beam shielded by the electron beam shielding member 11a is used as a "measurement electron beam", and the intensity is measured by the measuring instrument 11b.
  • D2 is not particularly limited as long as it has a size that allows a desired amount of electron beam to pass through.
  • the size of D1 with respect to D2 is not particularly limited as long as a measurement electron beam that can be measured by the measuring instrument 11b can be obtained.
  • D1 with respect to D2 becomes larger, the amount of electron beams for measurement increases and the measurement accuracy in the measuring instrument 11b improves, but among the electron beams B emitted from the photocathode 2, the amount of electron beams entering the counterpart device E is small. As a result, the operating efficiency of the electron beam application device deteriorates.
  • D1 is too small with respect to D2, the amount of the measuring electron beam becomes small, and the measurement accuracy in the measuring instrument 11b becomes low. Therefore, the sizes of D1 and D2 may be appropriately adjusted while considering the measurement accuracy and the operating efficiency.
  • the material of the electron beam shielding member 11a is not particularly limited as long as it is a conductor or a semiconductor.
  • a conductor a metal such as stainless steel (SUS) or copper can be mentioned.
  • the measuring instrument 11b measures the intensity of the electron beam B by using the measuring electron beam which is a part of the electron beam B shielded by the electron beam shielding member 11a.
  • the measuring instrument 11b is not particularly limited as long as the intensity of the electron beam B can be measured.
  • the electron beam shielding member 11a is a conductor
  • a current is generated between the electron beam shielding member 11a and the measuring instrument 11b by the measuring electron beam. Therefore, the intensity of the electron beam B can be measured as a current value in the measuring instrument 11b.
  • the current value may be measured using a known ammeter. Since the measured current value depends on the intensity of the electron beam B, the change in the intensity of the electron beam B can be monitored by monitoring the change in the current value. It is also possible to use a semiconductor as the electron beam shielding member 11a and measure the current value generated by the measurement electron beam hitting the semiconductor.
  • the measuring instrument 11b may measure the intensity of the electron beam B by the fluorescence intensity instead of the current value. More specifically, a conductor coated with a fluorescent material in advance may be used as the electron beam shielding member 11a, and the fluorescence intensity emitted by the measurement electron beam hitting the fluorescent material may be measured by the measuring device 11b. The fluorescence intensity may be measured using a known fluorometer.
  • the electron beam shielding member 11a is used to measure the intensity change of the electron beam B emitted from the photocathode 2 due to the deterioration of the photocathode 2, and the intensity change is measured according to the measurement result of the measuring unit 11. It is known that the intensity of the electron beam B emitted from the photocathode 2 is adjusted by adjusting the intensity of the light source 3 and the like.
  • Patent Document 2 describes that the control unit 12 adjusts the temperature of the photocathode 2 by controlling the output adjusting device 6 according to the measurement result of the measuring unit 11. Different from the described controls.
  • FIGS. 4 and 5 show an example in which the measuring unit 11 is formed only by the configuration provided by the electron gun 1C, if the deterioration of the photocathode 2 can be measured, the measuring unit 11 will be shown in FIGS. 4 and 5. It is not limited to the example shown in 5.
  • FIG. 6 shows another example of the measuring unit 11.
  • the Faraday cup 11c instead of the electron beam shielding member 11a, the Faraday cup 11c may be provided in the counterpart device E, and the measuring unit 11 may be composed of the electron beam B captured by the Faraday cup 11c and the ammeter 11b.
  • the measuring unit 11 may be configured by combining a member that shields the electron beam B, such as an aperture included in the electron gun 1 or the other party device E, with an ammeter (measuring instrument) 11b. ..
  • the measuring instrument for measuring the leak current from the electron gun 1C (or the other party device E) and the ratio of the leak current to the amount of light indicate the electrons.
  • the measurement unit 11 may be configured by the calculation unit that calculates the intensity change of the beam B.
  • the measuring unit 11 may be configured with an ammeter that measures the current supplied to the photocathode from the accelerating power source accelerating the electron beam B.
  • the electron gun 1C according to the third embodiment can be controlled as illustrated below, for example.
  • the photocathode 2 is heated by the heating device 5 by starting the heating of the photocathode 2 according to the measurement result of the measuring unit 11 without heating the photocathode 2 at the start of the emission of the electron beam B. You may. In that case, the burden on the heating device 5 and the running cost can be reduced.
  • the heating temperature of the photocathode 2 is changed according to the measurement result of the measuring unit 11.
  • control unit 12 of the electron gun 1C may adjust the intensity of the electron beam B emitted from the photocathode 2 as necessary, in addition to controlling the output adjusting device 6.
  • the control illustrated below becomes possible.
  • Control of the light source 3 and the like and heating control by the heating device 5 may be combined and carried out.
  • Patent Document 2 Japanese Patent No. 6578529
  • Patent Document 2 Japanese Patent No. 6578529
  • Examples of the electron beam application device E on which the electron gun 1 is mounted include a known device on which the electron gun 1 is mounted.
  • free electron laser accelerator, electron microscope, electron beam holography device, electron beam drawing device, electron beam diffractometer, electron beam inspection device, electron beam metal lamination modeling device, electron beam lithography device, electron beam processing device, electron beam curing examples thereof include an apparatus, an electron beam sterilizer, an electron beam sterilizer, a plasma generator, an atomic element generator, a spin polarized electron beam generator, a cathode luminescence device, a back light electron spectroscope, and the like.
  • the excitation light L from the light source 3 is emitted while heating the photocathode film 22 and / or the substrate 21 using the electron gun 1 or the electron beam application device according to the first to third embodiments. It includes an electron beam emitting step of irradiating the photocathode 2 and emitting an electron beam B from the photocathode 2 in response to receiving the excitation light L.
  • the electron beam emitting method may carry out a photocathode temperature adjusting step for adjusting the heating temperature of the photocathode film 22 and / or the substrate 21, if necessary.
  • the output of the heating device 5 may be switched by the output adjusting device 6.
  • the operator may switch the output to the heating device 5 by the output adjusting device 6 at an arbitrary timing.
  • the output of the electron beam B emitted from the photocathode 2 is switched to the heating device 5 by the output adjusting device 6 according to the measurement result of the measuring unit 11 that measures the intensity change due to the deterioration of the photocathode 2. You may.
  • Example 1 As the light source 3, a laser light source (iBeamSmart manufactured by Toptica) was used.
  • the photocathode 2 was prepared by Daiki SATO et al. 2016 Jpn. J. Apple. Phys.
  • An InGaN photocathode was prepared by a known method described in 55 05FH05.
  • the EA treatment of the photocathode surface was performed by a known method.
  • the electron beam shielding member 11a was made of stainless steel. Further, a resistance heating heater made of tantalum was used for the heating device 5, and the heating device 5 was arranged so as to be in contact with the substrate 21. Further, the temperature of the photocathode 2 when a predetermined amount of current was passed through the heating device 5 was measured in advance to obtain a correlation between the current values required for setting the photocathode 2 to a desired temperature.
  • the photocathode 2 was irradiated with excitation light from the light source 3, and an acceleration voltage of 30 kV was applied between the photocathode 2 and the anode 4, so that the electron beam B was emitted from the photocathode 2.
  • the current value of the measurement electron beam acquired by the electron beam shielding member 11a was acquired by measuring and converting the voltage across the shunt resistance of 100 k ⁇ with a data logger (MW100 manufactured by Yokogawa Electric). The measurement was performed every second.
  • the current value measured by the measuring unit 11 was set to be about 2 ⁇ 10 -5 A, and the result of the current value measured by the measuring unit 11 was fed back to the light source 3 every 5 seconds.
  • FIG. 7A when the electron beam B was emitted while heating the photocathode 2 to about 100 ° C., a stable electron beam B could be emitted for about 28 hours.
  • FIG. 7B when the electron beam B was emitted without heating the photocathode 2, the stable electron beam B could be emitted for about 14 hours.
  • the photocathode 2 is heated while the electron beam is being emitted, it is assumed that the energy dispersion of the electron beam B becomes large. Therefore, even a person skilled in the art cannot assume that the electron beam B is emitted while heating the photocathode 2.
  • Example 2 The experiment was carried out in the same procedure as in Example 1 except that GaAs was used instead of the InGaN photocathode. GaAs was produced by the molecular beam epitaxy method (MBE). The measurement result is shown in FIG. 8A.
  • MBE molecular beam epitaxy method
  • the life of the photocathode can be extended by using the electron gun, the electron beam application device, and the electron beam emitting method disclosed in this application. Therefore, it is useful for those who handle electron guns.
  • 1,1A ... electron gun 2 ... photocathode, 21 ... substrate, 21a ... first surface of substrate, 21b ... second surface of substrate, 22 ... photocathode film, 22a ... photocathode film group requiring EA surface treatment Material, 22b ... EA surface, 22c ... EA surface treatment-free photocathode film, 23 ... rod, 3 ... light source, 4 ... anode, 5 ... heating device, 51 ... sandwiching member, 52 ... heating device, 6 ... output adjustment Device, 7 ... Holder, 8 ... Drive device, 81 ... Chamber drive device, 9 ... Storage container, 91 ... Surface treatment material, 11 ... Measuring unit, 11a ...
  • Electron beam shielding member 11a1 ... Hole, 11b ... Measuring instrument, 11c ... Faraday cup, 12 ... Control unit, B ... Electron beam, CB ... Vacuum chamber, D1 ... Electron beam width, D2 ... Hole width, E ... Anode device, L ... Excitation light

Abstract

フォトカソードを長寿命化できる電子銃を提供することを課題とする。　フォトカソード膜を第１面に形成した基板と、フォトカソード膜に励起光を照射するための光源と、アノードと、フォトカソード膜及び／又は基板を加熱するための加熱装置と、加熱装置の加熱温度を調整する出力調整装置と、を含む、電子銃により、課題を解決できる。

Description

電子銃、電子線適用装置、および、電子ビームの射出方法
　本出願における開示は、電子銃、電子線適用装置、および、電子ビームの射出方法に関する。
　フォトカソードを搭載した電子銃、当該電子銃を含む電子顕微鏡、自由電子レーザー加速器、検査装置等の電子線適用装置（以下、電子線適用装置から電子銃を除いた装置を「相手側装置」と記載することがある。）が知られている。例えば、特許文献１には、光源から励起光を照射して電子ビームを射出するフォトカソードを用いた電子顕微鏡装置が開示されている。
　電子顕微鏡装置等の電子線適用装置では、電子ビームの射出を安定的に維持することが必要である。しかしながら、フォトカソードは、光照射を継続することにより電子射出特性が劣化し、射出される電子量が減少するため、フォトカソードを用いた電子ビーム源は、使用時間とともに電子ビームの強度が減少する。そのため、特許文献１では、励起光強度を増大させることや、Ｃｓの蒸着を行い、電子ビームの強度を回復することが開示されている。
　また、電子ビーム遮蔽部材により遮蔽した測定用電子ビームを用いることでフォトカソードから射出された電子ビームの強度を測定し、測定結果に応じて、フォトカソードから射出される電子ビームの強度を調整する電子銃も知られている（特許文献２参照）。
特開２００２－３１３２７３号公報 特許第６５７８５２９号公報
　特許文献１および２に記載されているとおり、フォトカソードを使用し続けることでフォトカソードの機能が劣化した場合には、励起光強度を増大させることや、Ｃｓの再蒸着を行うことで、電子ビームの強度を回復することは知られている。しかしながら、フォトカソードを用いた電子銃を搭載した電子線適用装置の稼働率を向上させるためには、Ｃｓを再蒸着する頻度が少ない、換言すると、フォトカソードの寿命が長い程好ましい。しかしながら、フォトカソードを用いた電子銃において、フォトカソードを長寿命化する方法は知られていない。
　本発明者らは、鋭意研究を行ったところ、フォトカソードを加熱した状態で電子ビームを射出すると、フォトカソードの寿命を長くできることを新たに見出した。
　そこで、本出願の開示の目的は、フォトカソードを長寿命化できる電子銃、当該電子銃を搭載した電子線適用装置、および、電子ビームの射出方法を提供することにある。本出願における開示のその他の任意付加的な効果は、発明を実施するための形態において明らかにされる。
（１）フォトカソード膜を第１面に形成した基板と、
　フォトカソード膜に励起光を照射するための光源と、
　アノードと、
　フォトカソード膜及び／又は基板を加熱するための加熱装置と、
　加熱装置の加熱温度を調整する出力調整装置と、
を含む、電子銃。
（２）真空チャンバーを更に含み、
　加熱装置が真空チャンバー内に配置され、且つ、基板を直接または間接的に加熱する、
上記（１）に記載の電子銃。
（３）基板を保持するホルダーを含み、
　加熱装置がホルダーに配置される、
上記（２）に記載の電子銃。
（４）フォトカソード膜を第１面に形成した基板と、
　フォトカソード膜に励起光を照射するための光源と、
　アノードと、
　フォトカソード膜及び／又は基板を加熱するための加熱装置と、
　真空チャンバーと、
を含み、
　加熱装置が真空チャンバー外に配置され、且つ、フォトカソード膜及び／又は基板を真空チャンバーの外から加熱する、
電子銃。
（５）加熱装置の加熱温度を調整する出力調整装置を更に含む、
上記（４）に記載の電子銃。
（６）フォトカソード膜から射出された電子ビームのフォトカソード膜の劣化に伴う強度変化を測定する測定部と、
　測定部の測定結果に応じて、出力調整装置を制御する制御部を更に含む、
上記（１）～（３）、（５）の何れか一つに記載の電子銃。
（７）測定部の測定結果に応じて、制御部がフォトカソード膜から射出される電子ビームの強度を調整する、
上記（６）に記載の電子銃。
（８）上記（１）～（７）のいずれか一つに記載の電子銃を含む電子線適用装置であって、
　電子線適用装置は、
　　自由電子レーザー加速器、
　　電子顕微鏡、
　　電子線ホログラフィー装置、
　　電子線描画装置、
　　電子線回折装置、
　　電子線検査装置、
　　電子線金属積層造形装置、
　　電子線リソグラフィー装置、
　　電子線加工装置、
　　電子線硬化装置、
　　電子線滅菌装置、
　　電子線殺菌装置、
　　プラズマ発生装置、
　　原子状元素発生装置、
　　スピン偏極電子線発生装置、
　　カソードルミネッセンス装置、または、
　　逆光電子分光装置
である、
電子線適用装置。
（９）電子ビームの射出方法であって、
　電子ビームは、
　　フォトカソード膜を第１面に形成した基板と、
　　フォトカソード膜に励起光を照射するための光源と、
　　アノードと、
　　フォトカソード膜及び／又は基板を加熱するための加熱装置と、
を含む電子銃から射出され、
　射出方法が、
　　フォトカソード膜及び／又は基板を加熱しながら、光源からの励起光をフォトカソード膜へ照射し、励起光の受光に応じてフォトカソード膜から電子ビームを射出する電子ビーム射出ステップ、
を含む、射出方法。
（１０）フォトカソード膜及び／又は基板の加熱温度を調整するフォトカソード温度調整ステップ、
を含む、上記（９）に記載の射出方法。
（１１）フォトカソード膜から射出された電子ビームのフォトカソード膜の劣化に伴う強度変化を測定する測定部を更に含み、
　測定部の測定結果に応じて、フォトカソード温度調整ステップが実施される、
上記（１０）に記載の射出方法。
　フォトカソードを加熱しながら電子ビームを射出すると、フォトカソードを長寿命化できる。
図１は、第１の実施形態に係る電子銃１Ａ、および、電子銃１Ａを搭載した相手側装置Ｅを模式的に示す図である。 図２ＡおよびＢは、第１の実施形態に係る電子銃１Ａにおいて、加熱装置５のその他の配置の実施形態を示す図である。 図３は、第２の実施形態に係る電子銃１Ｂ、および、電子銃１Ｂを搭載した相手側装置Ｅを模式的に示す図である。 図４は、第３の実施形態に係る電子銃１Ｃ、および、電子銃１Ｃを搭載した相手側装置Ｅを模式的に示す図である。 図５は、電子ビーム遮蔽部材の概略を示す図である。 図６は、第３の実施形態に係る電子銃１Ｃにおいて、測定部のその他の例を示す図である。 図７Ａは実施例１の測定結果、図７Ｂは比較例１の測定結果を示す図である。 図８Ａは実施例２の測定結果、図８Ｂは比較例２の測定結果を示す図である。
　以下、図面を参照しつつ、電子銃、電子線適用装置、および、電子ビームの射出方法について詳しく説明する。なお、本明細書において、同種の機能を有する部材には、同一または類似の符号が付されている。そして、同一または類似の符号の付された部材について、繰り返しとなる説明が省略される場合がある。
　また、図面において示す各構成の位置、大きさ、範囲などは、理解を容易とするため、実際の位置、大きさ、範囲などを表していない場合がある。このため、本出願における開示は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、範囲などに限定されない。
（電子銃の第１の実施形態）
　図１および図２を参照して、第１の実施形態に係る電子銃１Ａについて説明する。図１は、第１の実施形態に係る電子銃１Ａ、および、電子銃１Ａを搭載した相手側装置Ｅを模式的に示す図である。図２は、加熱装置５の配置のその他の実施形態を示す図である。
　第１の実施形態に係る電子銃１Ａは、フォトカソード２と、光源３と、アノード４と、加熱装置５と、出力調整装置６とを少なくとも具備している。
　図１に示す例では、フォトカソード２は、基板２１の第１面２１aにフォトカソード膜２２を接着することで形成されている。また、図１に示す例では、フォトカソード膜２２が形成された第１面２１ａとは反対側の第２面２１ｂ側から入射される励起光Ｌの受光に応じて、フォトカソード膜２２から電子ビームＢを射出する。そのため、基板２１は透明基板２１であることが望ましい。透明基板２１は、光源３からの励起光を透過することができれば特に制限はない。例えば、石英ガラスやサファイアガラスがあげられる。なお、光源３からの励起光Ｌを基板２１の第１面２１ａ側から照射する場合は、基板２１は透明である必要はなく、フォトカソード膜２２を接着できるものであれば、石英ガラスやサファイアガラス以外であってもよい。
　フォトカソード膜２２は、励起光を照射することで電子ビームを射出できれば特に制限はなく、ＥＡ表面処理が必要な材料、ＥＡ表面処理が不要な材料等が挙げられる。図２Ａは、ＥＡ表面処理が必要な材料を用いた例を示している。ＥＡ表面処理が必要な材料としては、例えば、ＩＩＩ－Ｖ族半導体材料、ＩＩ－ＶＩ族半導体材料が挙げられる。具体的には、ＡｌＮ、Ｃｅ２Ｔｅ、ＧａＮ、１種類以上のアルカリ金属とＳｂの化合物、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ等およびそれらの混晶等が挙げられる。その他の例としては金属が挙げられ、具体的には、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｎｂ、ＬａＢ６、ＳｅＢ６、Ａｇ等が挙げられる。これらのＥＡ表面処理が必要なフォトカソード膜基材２２ａの表面をＥＡ表面処理することで、フォトカソード膜基材２２ａにＥＡ表面２２ｂが形成されたフォトカソード膜２２を作製することができる。該フォトカソード膜２２は、半導体のギャップエネルギーに応じた近紫外－赤外波長領域で励起光の選択が可能となるのみでなく、電子ビームの用途に応じた電子ビーム源性能（量子収量、耐久性、単色性、時間応答性、スピン偏極度）が半導体の材料や構造の選択により可能となる。
　また、図２Ｂは、ＥＡ表面処理が不要な材料を用いた例を示している。ＥＡ表面処理が不要な材料としては、例えば、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｙ等の金属単体、或いは、合金、金属化合物、又は、ダイアモンド、ＷＢａＯ、Ｃｓ２Ｔｅ等が挙げられる。ＥＡ表面処理が不要であるフォトカソード膜２２ｃは、公知の方法（例えば、特許第３５３７７７９号等を参照）で作製すればよい。
　光源３は、フォトカソード２に励起光Ｌを照射することで、電子ビームＢを射出できるものであれば特に制限はない。光源３は、例えば、高出力（ワット級）、高周波数（数百ＭＨｚ）、超短パルスレーザー光源、比較的安価なレーザーダイオード、ＬＥＤ等があげられる。照射する励起光Ｌは、パルス光、連続光のいずれでもよく、目的に応じて適宜調整すればよい。なお、図１に記載の例では、光源３が、真空チャンバーＣＢ外に配置され励起光Ｌが、フォトカソード２の第２面２１ｂ側から照射されているが、代替的に、光源３を真空チャンバーＣＢ内に配置してもよい。
　アノード４は、カソード３と電界を形成できるものであれば特に制限はなく、電子銃の分野において一般的に用いられているアノードを使用することができる。
　図１に示す例では、フォトカソード２、アノード４は、真空チャンバーＣＢ内に配置されている。フォトカソード２中の電子は、励起光Ｌによって励起され、励起された電子が、フォトカソード２から射出される。射出した電子は、アノード４とカソード２とによって形成される電界により、電子ビームＢを形成する。なお、本明細書中における「フォトカソード」と「カソード」との記載に関し、電子ビームＢを射出するという意味で記載する場合には「フォトカソード」と記載し、「アノード」の対極との意味で記載する場合には「カソード」と記載することがあるが、符号に関しては、「フォトカソード」および「カソード」のいずれの場合でも２を用いる。
　カソード２からアノード４に向けて電子ビームＢが射出できれば、電源の配置に特に制限はない。図１に示す例では、カソード３とアノード４との間に電位差が生じるように電源を配置することで、電界を形成できる。
　加熱装置５は、フォトカソード膜２２及び／又は基板２１を加熱するために用いられる。後述する実施例に示すとおり、励起光Ｌをフォトカソード膜２２に照射し、電子ビームＢを射出する際に、フォトカソード２（フォトカソード膜２２）を加熱した状態で励起光Ｌを照射すると、フォトカソード２の寿命が長くなる、換言すると、フォトカソード膜２２の劣化速度が遅くなる。
　加熱装置５は、電子ビームＢを射出する際に、フォトカソード膜２２を加熱することができれば特に制限はない。また、加熱装置５は、フォトカソード膜２２を直接加熱してもよいし、基板２１を直接加熱することで間接的にフォトカソード膜２２を加熱してもよい。更に、加熱装置５は、基板２１を間接的に加熱することで、フォトカソード膜２２を更に間接的に加熱してもよい。
　図１に示す例では、加熱装置５は、基板２１を保持するホルダー７に組み込まれている。加熱装置５としては、例えば、抵抗加熱ヒーター等の通電により加熱できるヒーター、高周波加熱装置が挙げられる。図１に示す例では、加熱装置５は、ホルダー７に組み込まれており、ホルダー７を加熱することで基板２１を加熱し、基板２１が加熱することでフォトカソード膜２２を加熱している。つまり、加熱装置５は、間接的に基板２１およびフォトカソード膜２２を加熱している。したがって、ホルダー７は熱伝導性のよい材料で形成されることが好ましい。材料としては、例えば、チタン、モリブデン、それらの合金、インコネル、ステンレス・スチール（ＳＵＳ）等の金属が挙げられる。
　なお、図１に示す例では、加熱装置５と基板２１の端部は非接触である。代替的に、加熱装置５が基板２１に直接接触するように配置してもよい。また、図１には図示は省略されているが、ホルダー７を含む場合は、ホルダー７に集光レンズを配置してもよい。集光レンズを具備する場合は、光源３からの励起光Ｌを集光しながら、フォトカソード膜２２に照射することができる。したがって、集光レンズを具備する場合は、サイズが小さく且つより強度の強い電子ビームＢを、フォトカソード膜２２から射出できる。
　フォトカソード膜２２が劣化した時には、フォトカソード２を加熱することでフォトカソード膜２２を再生する。なお、本明細書において、フォトカソード膜２２の再生とは、（１）ＥＡ表面処理が必要なフォトカソード膜基材２２ａを用いた場合は、ＥＡ表面２２ｂを加熱によりクリーニングし、後述する表面処理材料で再処理（ＥＡ表面の再形成）することを意味し、（２）ＥＡ表面処理が不要なフォトカソード膜２２ｃを用いた場合は、フォトカソード膜２２ｃの表面に付着した汚れを加熱により除去することを意味する。第１の実施形態に係る電子銃１Ａでは、加熱装置５を、フォトカソード膜２２の再生とフォトカソード２の長寿命化の両方に用いることができる。
　ところで、フォトカソード膜２２を再生する際の温度は、フォトカソード膜２２の組成（結晶構造）により異なるが、非常に高温になる。一方、電子ビームＢを射出する際のフォトカソード２（フォトカソード膜２２）の加熱温度が高すぎると、フォトカソード膜２２が破壊される可能性がある。したがって、電子ビームＢを射出する際にフォトカソード膜２２及び／又は基板２１を加熱する温度は、フォトカソード膜２２を再生する際の温度より低くなる。
　そのため、第１の実施形態に係る電子銃１Ａでは、フォトカソード２を異なる温度に加熱できるようにするため、加熱装置５の加熱温度を調整するための出力調整装置６を備えている。例えば、加熱装置５が抵抗加熱ヒーターの場合は、出力調整装置６は、抵抗加熱ヒーターに出力する電流値を制御すればよい。高周波加熱装置の場合は、出力調整装置６は、コイルに出力する交流電流を制御すればよい。
　電子ビームＢを射出する際のフォトカソード膜２２の加熱温度の下限は、室温よりも高ければよく、例えば、５０℃以上、７５℃以上、１００℃以上、１２０℃以上、１４０℃以上、１６０℃以上、１８０℃以上等、フォトカソード膜２２を形成する材料に応じて適宜調整すればよい。また、電子ビームＢを射出する際のフォトカソード膜２２の加熱温度の上限は、加熱によりフォトカソード膜２２が壊れない温度、換言すれば、フォトカソード膜２２を再生する際の温度より低い温度とすればよい。フォトカソード膜２２の組成および結晶構造により異なるものの、例えば、６００℃以下、５５０℃以下、５００℃以下、４５０℃以下、３００℃以下、２５０℃以下、２００℃以下等が挙げられる。
　出力調整装置６は、フォトカソード膜２２（フォトカソード２）が上記の温度範囲となるように、フォトカソード膜２２を直接または間接的に加熱する加熱装置５の出力を調整すればよい。上記のとおり、加熱装置５は、フォトカソード膜２２を再生する温度と、電子ビームＢを射出する際の好適な温度の少なくとも２つの温度に切り替えが可能である。したがって、出力調整装置６は、加熱装置５に対して少なくとも２つの強度の異なる出力を供給できる装置ということができる。出力調整装置６と加熱装置５は、図１では図示は省略するが、電線等で接続すればよい。
　また、図１に示す第１の実施形態に係る電子銃１Ａは、任意付加的に、ホルダー７を電子ビームＢの進行方向に対して上下動させるための駆動装置８、フォトカソードを収容する収容容器９、収容容器９内でフォトカソード２をＥＡ表面処理するための表面処理材料９１を配置した例が示されている。駆動装置８が真空チャンバー内駆動部８１を含む場合、出力調整装置６と加熱装置５の接続は、真空チャンバー内駆動部８１を介して接続してもよい。駆動装置８は、フォトカソード２を移動（図１に示す例ではホルダー７を介して移動）できれば特に制限はない。例えば、国際公開第２０１５／００８５６１号、国際公開第２０１８／１８６２９４号に記載の駆動装置を用いることができる。国際公開第２０１５／００８５６１号および国際公開第２０１８／１８６２９４号に記載された事項は、本明細書に含まれる。
　収納容器９の材料に特に制限はなく、例えば、ガラス、モリブデン、セラミック、サファイア、チタン、タングステン、タンタル等の３００℃以上、より好ましくは４００℃の熱に耐えることのできる耐熱性材料で形成することができる。
　収納容器９の内部に配置される表面処理材料９１は、ＥＡ表面処理することができる材料であれば、特に制限はない。表面処理材料９１を構成する元素として、例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｔｅ、Ｓｂ等が例示される。なお、前記元素の中で、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓは単体では自然発火してしまい、保存・利用ができない。このため、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓに関しては、これらの元素の複合元素、これらの元素を含む化合物の形態で使用する必要がある。一方、化合物の形態で使用する場合は、前記元素の蒸着時に不純物ガスが発生しないようにする必要がある。したがって、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓから選択される元素を表面処理材料９１として使用する場合は、Ｃｓ２ＣｒＯ４、Ｒｂ２ＣｒＯ４、Ｎａ２ＣｒＯ４、Ｋ２ＣｒＯ４等の化合物と不純物ガスの発生を抑える還元剤を組合せて用いることが好ましい。表面処理材料９１は、加熱手段を用いて収納容器９内で気化され、フォトカソード２に蒸着される。
　図１に示す例では、加熱装置５がホルダー７に配置される例が示された。一方、図２に示す例では、基板２１を保持するホルダー７を用いず、基板２１に加熱装置５を直接配置し加熱する例が示されている。
　図２Ａに示す例では、基板２１に加熱装置５を直接配置する例が示されている。基板２１に加熱装置５を直接配置する場合は、例えば、無機系接着剤等、加熱装置５の加熱温度の上限より高い耐熱性を有する接着剤を用いて、加熱装置５を基板２１に接着すればよい。なお、図２Ａに示す例では、加熱装置５は基板２１の上方に配置した例が示されているが、加熱装置５は基板２１の側方、或いは、下方に配置されてもよい。
　図２Ｂに示す例では、基板２１に対する加熱装置５の保持をより強固とするために、加熱装置５の挟持部材５１を具備した例が示されている。挟持部材５１は、基板２１と加熱装置５を挟持でき、耐熱性があれば特に制限はない。例えば、ホルダー７を形成する材料で、略凹部状の挟持部材５１を作製すればよい。
　また、図２Ａおよび図２Ｂに示す例では、フォトカソード２を上下方向に移動させるためのロッド２３が基板２１に形成された例が示されている。図２Ａおよび図２Ｂに示す例では、図１に示す駆動装置８の真空チャンバー内駆動部８１をロッド２３に係合することで、フォトカソード２を上下方向に駆動すればよい。また、光源３を基板２１の第２面２１ｂ側から照射する場合は、ロッド２３を透明材料または励起光Ｌが通過できる中空部材で形成すればよい。
（電子銃の第２の実施形態）
　図３を参照して、第２の実施形態に係る電子銃１Ｂについて説明する。図３は、第２の実施形態に係る電子銃１Ｂ、および、電子銃１Ｂを搭載した相手側装置Ｅを模式的に示す図である。
　第２の実施形態に係る電子銃１Ｂは、真空チャンバーＣＢの外側に配置され、且つ、フォトカソード膜２２及び／又は基板２１を真空チャンバーＣＢの外から加熱する加熱装置５２を具備し、第１の実施形態に係る電子銃１Ａの加熱装置５および出力調整装置６が任意付加事項となる点で第１の実施形態に係る電子銃１Ａと異なり、その他の点は第１の実施形態と同じである。したがって、第２の実施形態では、第１の実施形態と異なる点を中心に説明し、第１の実施形態において説明済みの事項についての繰り返しとなる説明は省略する。よって、第２の実施形態において明示的に説明されなかったとしても、第２の実施形態において、第１の実施形態で説明済みの事項を採用可能であることは言うまでもない。
　第２の実施形態に係る電子銃１Ｂが具備する加熱装置５２は、真空チャンバーＣＢの外側からフォトカソード膜２２及び／又は基板２１を加熱する。そのため、加熱装置５２は、ランプヒーター、レーザーヒーター、高周波加熱装置、抵抗加熱ヒーター等、離れた箇所の加熱対象物を加熱できる加熱装置であれば特に制限はない。
　第２の実施形態に係る電子銃１Ｂにおいて、加熱装置５２は、フォトカソード２の再生用の用途には使用されず、フォトカソード２の長寿命化の用途で使用される。したがって、予め設定した１種類の出力で加熱装置５２を駆動してもよいことから、第２の実施形態に係る電子銃１Ｂにおいて、出力調整装置６は必須ではない。しかしながら、フォトカソード２の長寿命化を目的として、異なる２以上の温度でフォトカソード膜２２及び／又は基板２１を加熱することを排除するわけではない。したがって、第２の実施形態に係る電子銃１Ｂは、任意付加的に、加熱装置５２の出力を調整する出力調整装置６を具備してもよい。加熱装置５２がランプヒーター、レーザーヒーター等の場合は、出力調整装置６は、ランプヒーター、レーザーヒーター等の強度を調整するための電流値を調整すればよい。加熱装置５２が抵抗加熱ヒーターの場合、出力調整装置６は、抵抗加熱ヒーターに出力する電流値を制御すればよい。加熱装置５２が高周波加熱装置の場合、出力調整装置６は、コイルに出力する交流電流を制御すればよい。また、第２の実施形態に係る電子銃１Ｂの場合、ランプヒーター、レーザーヒーター、抵抗加熱ヒーター、高周波加熱装置等を用い、真空チャンバーＣＢの外側からフォトカソード膜２２を直接加熱してもよいし、基板２１を加熱することで、基板２１を介してフォトカソード膜２２を加熱してもよい。
　なお、第２の実施形態に係る電子銃１Ｂにおいて、フォトカソード２の再生用の加熱装置５は、本出願の課題を解決するための手段として必須ではない。しかしながら、任意付加的に、第２の実施形態に係る電子銃１Ｂは、加熱装置５を具備してもよい。
　第１の実施形態に係る電子銃１Ａの場合、フォトカソード２の再生用とフォトカソード２の長寿命化用の加熱装置５を共通化できるという効果を奏する。一方、第２の実施形態に係る電子銃１Ｂの場合、フォトカソード２の再生用の加熱装置５より使用頻度が高い加熱装置５２を、真空チャンバーＣＢの外側に配置することができる。したがって、第２の実施形態に係る電子銃１Ｂでは、加熱装置５２が故障した場合でも、真空チャンバーＣＢを開けることなく、加熱装置５２の交換が可能となる効果を奏する。
（電子銃の第３の実施形態）
　図４および図５を参照して、第３の実施形態に係る電子銃１Ｃについて説明する。図４は、第３の実施形態に係る電子銃１Ｃ、および、電子銃１Ｃを搭載した相手側装置Ｅを模式的に示す図である。図５は、電子ビーム遮蔽部材１１ａの概略を示す図である。
　第３の実施形態に係る電子銃１Ｃは、フォトカソード２から射出された電子ビームＢのフォトカソードの劣化に伴う強度変化を測定する測定部１１、および、測定部１１の測定結果に応じて出力調整装置６を制御する制御部１２、を具備する点で第１の実施形態に係る電子銃１Ａおよび第２の実施形態に係る電子銃１Ｂと異なり、その他の点は同じである。したがって、第３の実施形態では、第１の実施形態および第２の実施形態と異なる点を中心に説明し、第１の実施形態および第２の実施形態において説明済みの事項についての繰り返しとなる説明は省略する。よって、第３の実施形態において明示的に説明されなかったとしても、第３の実施形態において、第１の実施形態および第２の実施形態で説明済みの事項を採用可能であることは言うまでもない。
　図４に示す例では、電子銃１Ｃ内に配置した電子ビーム遮蔽部材１１ａと測定器１１ｂとで測定部１１を形成している。そして、測定部１１の測定結果に応じて出力調整装置６を制御する制御部１２を具備している。
　電子ビーム遮蔽部材１１ａは、フォトカソード２から射出された電子ビームＢの一部が通過する孔１１ａ１を備える。孔１１ａ１の幅は、電子ビームＢの幅よりも小さいものとなっている。図５に例示されるように、電子ビーム遮蔽部材１１ａに到達時の電子ビームＢの幅をＤ１、孔１１ａ１の幅をＤ２とした場合、電子ビームＢの内、孔１１ａ１と重なる部分が、電子ビーム遮蔽部材１１ａを通過する。一方、電子ビームＢの内、孔１１ａ１を通過しなかった差分が電子ビーム遮蔽部材１１ａによって遮蔽される。そして、電子ビーム遮蔽部材１１ａによって遮蔽された電子ビームが「測定用電子ビーム」として利用され、測定器１１ｂにおいて強度が測定される。なお、Ｄ２は所望の量の電子ビームが通過できる大きさであれば特に制限はない。また、Ｄ２に対するＤ１の大きさも、測定器１１ｂで測定可能な測定用電子ビームが得られれば特に制限はない。Ｄ２に対するＤ１が大きくなるほど測定用電子ビームの量が多くなり、測定器１１ｂにおける測定精度が向上するが、フォトカソード２から射出した電子ビームＢの内、相手側装置Ｅに入る電子ビーム量は少なくなり、電子線適用装置の運転効率は悪くなる。逆に、Ｄ２に対するＤ１が小さすぎると、測定用電子ビームの量が少なくなり、測定器１１ｂにおける測定精度が低くなる。したがって、測定精度と運転効率を考慮しながら、Ｄ１およびＤ２の大きさは適宜調整すればよい。
　電子ビーム遮蔽部材１１ａの材料は、導体や半導体であれば特に制限はない。例えば、導体ならば、ステンレス・スチール（ＳＵＳ）や銅等の金属があげられる。
　測定器１１ｂは、電子ビーム遮蔽部材１１ａによって遮蔽された電子ビームＢの一部である測定用電子ビームを利用して、電子ビームＢの強度を測定する。測定器１１ｂは、電子ビームＢの強度が測定できれば特に制限はない。例えば、電子ビーム遮蔽部材１１ａが導体の場合、測定用電子ビームによって、電子ビーム遮蔽部材１１ａと測定器１１ｂとの間に電流が生じる。そのため、電子ビームＢの強度は、測定器１１ｂにおいて電流値として測定できる。なお、電流値は公知の電流計を用いて測定すればよい。そして、測定した電流値は、電子ビームＢの強度に依存したものとなるので、電流値の変化をモニタすることで、電子ビームＢの強度の変化をモニタできる。また、電子ビーム遮蔽部材１１ａとして半導体を用い、測定用電子ビームが半導体に当たることで生じた電流値を測定することもできる。
　また、測定器１１ｂは、電流値に代え、蛍光強度により電子ビームＢの強度を測定してもよい。より具体的には、電子ビーム遮蔽部材１１ａとして蛍光材料をあらかじめ塗布した導体を用い、測定用電子ビームが蛍光材料に当たることで発光した蛍光強度を測定器１１ｂで測定してもよい。なお、蛍光強度は公知の蛍光光度計を用いて測定すればよい。
　特許文献２に記載のとおり、電子ビーム遮蔽部材１１ａを用いて、フォトカソード２から射出された電子ビームＢのフォトカソード２の劣化に伴う強度変化を測定し、測定部１１の測定結果に応じて、光源３の強度等を調整することで、フォトカソード２から射出される電子ビームＢの強度を調整することは知られている。一方、第３の実施形態に係る電子銃１Ｃでは、測定部１１の測定結果に応じて制御部１２が出力調整装置６を制御することでフォトカソード２の温度を調整する点で特許文献２に記載の制御と異なる。
　なお、図４および図５には、電子銃１Ｃが具備する構成のみで測定部１１を形成する例が示されているが、フォトカソード２の劣化が測定できれば、測定部１１は図４および図５に示す例に限定されない。例えば、図６は測定部１１のその他の例を示している。図６に示す例では、電子ビーム遮蔽部材１１ａに代え、相手側装置Ｅにファラデーカップ１１ｃ設け、ファラデーカップ１１ｃで捕捉した電子ビームＢと電流計１１ｂで測定部１１を構成してもよい。
　また、図示は省略するが、電子銃１或いは相手側装置Ｅが備えるアパーチャー等の電子ビームＢを遮蔽する部材と電流計（測定器）１１ｂを組み合わせることで、測定部１１を構成してもよい。或いは、光源３の光量と電子ビームＢの強度とは相関関係があることから、電子銃１Ｃ（或いは相手側装置Ｅ）からのリーク電流を測定する測定器と、光量に対するリーク電流の比から電子ビームＢの強度変化を演算する演算部とで、測定部１１を構成してもよい。更に代替的に、電子ビームＢを加速している加速電源からフォトカソードに供給している電流を測定する電流計で測定部１１を構成してもよい。
　第３の実施形態に係る電子銃１Ｃは、制御部１２を具備することで、例えば、以下に例示する制御が可能となる。
（１）電子ビームＢの射出開始時にはフォトカソード２を加熱せずに、測定部１１の測定結果に応じてフォトカソード２の加熱を開始することで、加熱装置５によるフォトカソード２の加熱を行ってもよい。その場合、加熱装置５の負担とランニングコストを軽減できる。
（２）測定部１１の測定結果に応じて、フォトカソード２の加熱温度を変化させる。
　また、第３の実施形態に係る電子銃１Ｃの制御部１２は、出力調整装置６の制御に加え、必要に応じて、フォトカソード２から射出する電子ビームＢの強度を調整してもよい。その場合、例えば、以下に例示する制御が可能となる。
（１）電子ビームＢの強度が低下した際には、先ず光源３等を調整することで電子ビームＢの強度を調整し、光源３等の調整が難しくなった後に、加熱装置５によるフォトカソード２の加熱を行ってもよい。その場合、加熱装置５の負担とランニングコストを軽減できる。
（２）光源３等の制御と加熱装置５による加熱制御を組み合わせて実施してもよい。
　なお、電子ビームの強度の調整は、特許文献２に記載されている。特許文献２（特許第６５７８５２９号公報）に記載された事項は、本明細書に含まれる。
（電子線適用装置の実施形態）
　電子銃１を搭載する電子線適用装置Ｅは、電子銃１を搭載する公知の装置が挙げられる。例えば、自由電子レーザー加速器、電子顕微鏡、電子線ホログラフィー装置、電子線描画装置、電子線回折装置、電子線検査装置、電子線金属積層造形装置、電子線リソグラフィー装置、電子線加工装置、電子線硬化装置、電子線滅菌装置、電子線殺菌装置、プラズマ発生装置、原子状元素発生装置、スピン偏極電子線発生装置、カソードルミネッセンス装置、逆光電子分光装置等が挙げられる。
（電子ビームの射出方法の実施形態）
　電子ビームの射出方法は、第１乃至第３の実施形態に係る電子銃１または電子線適用装置を用い、フォトカソード膜２２及び／又は基板２１を加熱しながら、光源３からの励起光Ｌをフォトカソード２へ照射し、励起光Ｌの受光に応じてフォトカソード２から電子ビームＢを射出する電子ビーム射出ステップを含む。
　電子ビーム射出方法は、必要に応じて、フォトカソード膜２２及び／又は基板２１の加熱温度を調整するフォトカソード温度調整ステップを実施してもよい。フォトカソード温度調整ステップは、出力調整装置６により加熱装置５の出力を切り替えればよい。出力調整装置６による加熱装置５への出力の切り替えは、操作者が任意のタイミングで行ってもよい。或いは、フォトカソード２から射出された電子ビームＢのフォトカソード２の劣化に伴う強度変化を測定する測定部１１の測定結果に応じて、出力調整装置６による加熱装置５への出力の切り替えを行ってもよい。
　以下に実施例を掲げ、本出願で開示する実施形態を具体的に説明するが、この実施例は単に実施形態の説明のためのものである。本出願で開示する発明の範囲を限定したり、あるいは制限することを表すものではない。
　＜実施例１＞
　光源３には、レーザー光源（Ｔｏｐｔｉｃａ製ｉＢｅａｍＳｍａｒｔ）を用いた。フォトカソード２は、Ｄａｉｋｉ　ＳＡＴＯ　ｅｔ　ａｌ．　２０１６　Ｊｐｎ．　Ｊ．　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　５５　０５ＦＨ０５に記載された公知の方法で、ＩｎＧａＮフォトカソードを作製した。フォトカソード表面のＥＡ処理は、公知の方法により行った。電子ビーム遮蔽部材１１ａは、ステンレスを用いて作製した。また、加熱装置５には、タンタル製の抵抗加熱ヒーターを用い、加熱装置５が基板２１に接するように配置した。また、加熱装置５に所定量の電流を流した際のフォトカソード２の温度を予め測定し、フォトカソード２を所望の温度とする際に必要な電流値の相関関係を得た。
　光源３からフォトカソード２に励起光を照射し、フォトカソード２とアノード４との間には３０ｋＶの加速電圧を印加することで、フォトカソード２から電子ビームＢを射出させた。そして、電子ビーム遮蔽部材１１ａによって取得した測定用電子ビームの電流値は、１００ｋΩのシャント抵抗の両端の電圧をデータロガー（横河電気製ＭＷ１００）で測定し変換することで取得した。測定は１秒ごとに行った。測定部１１で測定する電流値が約２×１０-5Ａとなるように設定し、測定部１１で測定した電流値の結果を５秒ごとに光源３へフィードバックした。また、励起光Ｌの照射と同時に、フォトカソード２の温度が約１００℃となるように、加熱装置５に電流を流し加熱した。測定結果を図７Ａに示す。
＜比較例１＞
　加熱装置５を加熱せず、室温（約２７℃）で励起光Ｌをフォトカソード２に照射した以外は、実施例１と同様の手順で実験を行った。測定結果を図７Ｂに示す。
　図７Ａに示すとおり、フォトカソード２を約１００℃に加熱しながら電子ビームＢを射出した場合、約２８時間にわたり、安定的な電子ビームＢを射出することができた。一方、図７Ｂに示すとおり、フォトカソード２を加熱せずに電子ビームＢを射出した場合には、安定的な電子ビームＢを射出できたのは約１４時間であった。一般的に、電子ビームを射出している状態でフォトカソード２を加熱すると、電子ビームＢのエネルギー分散が大きくなると想定される。したがって、当業者であっても、フォトカソード２を加熱しながら電子ビームＢを射出することは想定し得ない。本出願における開示では、フォトカソード２を加熱しながら電子ビームＢを射出することで、フォトカソード２を長寿命化（安定的な電子ビームＢを生成できる時間の延長）できるという、当業者であっても想定し得ない効果を奏することを確認した。
＜実施例２＞
　ＩｎＧａＮフォトカソードに代え、ＧａＡｓを用いた以外は、実施例１と同様の手順で実験を行った。ＧａＡｓは、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）で作製した。測定結果を図８Ａに示す。
＜比較例２＞
　ＩｎＧａＮフォトカソードに代え、ＧａＡｓを用いた以外は、比較例１と同様の手順で実験を行った。測定結果を図８Ｂに示す。
　図８Ａに示すとおり、フォトカソード２を約１００℃に加熱しながら電子ビームＢを射出した場合、約３．５時間にわたり、安定的な電子ビームＢを射出することができた。一方、図８Ｂに示すとおり、フォトカソード２を加熱せずに電子ビームＢを射出した場合には、安定的な電子ビームＢを射出できたのは約１．９時間であった。
　以上の結果より、フォトカソード膜２２を形成する半導体の種類を変えても、フォトカソード２を加熱しながら電子ビームＢを射出した場合には、フォトカソード２を長寿命化することができた。フォトカソード膜２２の耐熱温度は、半導体の種類により変わる。したがって、実施例１および２の結果から、フォトカソード２の加熱の上限は、半導体の種類に応じて、好適な温度を設定すればよいことを確認した。
　本出願で開示する電子銃、電子線適用装置、および、電子ビームの射出方法を用いると、フォトカソードを長寿命化できる。したがって、電子銃を扱う業者にとって有用である。
１，１Ａ…電子銃、２…フォトカソード、２１…基板、２１ａ…基板の第１面、２１ｂ…基板の第２面、２２…フォトカソード膜、２２ａ…ＥＡ表面処理が必要なフォトカソード膜基材、２２ｂ…ＥＡ表面、２２ｃ…ＥＡ表面処理が不要なフォトカソード膜、２３…ロッド、３…光源、４…アノード、５…加熱装置、５１…挟持部材、５２…加熱装置、６…出力調整装置、７…ホルダー、８…駆動装置、８１…チャンバー内駆動装置、９…収容容器、９１…表面処理材料、１１…測定部、１１ａ…電子ビーム遮蔽部材、１１ａ１…孔、１１ｂ…測定器、１１ｃ…ファラデーカップ、１２…制御部、Ｂ…電子ビーム、ＣＢ…真空チャンバー、Ｄ１…電子ビームの幅、Ｄ２…孔の幅、Ｅ…相手側装置、Ｌ…励起光
 

Claims (11)

  1. 　フォトカソード膜を第１面に形成した基板と、
    　フォトカソード膜に励起光を照射するための光源と、
    　アノードと、
    　フォトカソード膜及び／又は基板を加熱するための加熱装置と、
    　加熱装置の加熱温度を調整する出力調整装置と、
    を含む、電子銃。
  2. 　真空チャンバーを更に含み、
    　加熱装置が真空チャンバー内に配置され、且つ、基板を直接または間接的に加熱する、
    請求項１に記載の電子銃。
  3. 　基板を保持するホルダーを含み、
    　加熱装置がホルダーに配置される、
    請求項２に記載の電子銃。
  4. 　フォトカソード膜を第１面に形成した基板と、
    　フォトカソード膜に励起光を照射するための光源と、
    　アノードと、
    　フォトカソード膜及び／又は基板を加熱するための加熱装置と、
    　真空チャンバーと、
    を含み、
    　加熱装置が真空チャンバー外に配置され、且つ、フォトカソード膜及び／又は基板を真空チャンバーの外から加熱する、
    電子銃。
  5. 　加熱装置の加熱温度を調整する出力調整装置を更に含む、
    請求項４に記載の電子銃。
  6. 　フォトカソード膜から射出された電子ビームのフォトカソード膜の劣化に伴う強度変化を測定する測定部と、
    　測定部の測定結果に応じて、出力調整装置を制御する制御部を更に含む、
    請求項１～３、５の何れか一項に記載の電子銃。
  7. 　測定部の測定結果に応じて、制御部がフォトカソード膜から射出される電子ビームの強度を調整する、
    請求項６に記載の電子銃。
  8. 　請求項１～７のいずれか一項に記載の電子銃を含む電子線適用装置であって、
    　電子線適用装置は、
    　　自由電子レーザー加速器、
    　　電子顕微鏡、
    　　電子線ホログラフィー装置、
    　　電子線描画装置、
    　　電子線回折装置、
    　　電子線検査装置、
    　　電子線金属積層造形装置、
    　　電子線リソグラフィー装置、
    　　電子線加工装置、
    　　電子線硬化装置、
    　　電子線滅菌装置、
    　　電子線殺菌装置、
    　　プラズマ発生装置、
    　　原子状元素発生装置、
    　　スピン偏極電子線発生装置、
    　　カソードルミネッセンス装置、または、
    　　逆光電子分光装置
    である、
    電子線適用装置。
  9. 　電子ビームの射出方法であって、
    　電子ビームは、
    　　フォトカソード膜を第１面に形成した基板と、
    　　フォトカソード膜に励起光を照射するための光源と、
    　　アノードと、
    　　フォトカソード膜及び／又は基板を加熱するための加熱装置と、
    を含む電子銃から射出され、
    　射出方法が、
    　　フォトカソード膜及び／又は基板を加熱しながら、光源からの励起光をフォトカソード膜へ照射し、励起光の受光に応じてフォトカソード膜から電子ビームを射出する電子ビーム射出ステップ、
    を含む、射出方法。
  10. 　フォトカソード膜及び／又は基板の加熱温度を調整するフォトカソード温度調整ステップ、
    を含む、請求項９に記載の射出方法。
  11. 　フォトカソード膜から射出された電子ビームのフォトカソード膜の劣化に伴う強度変化を測定する測定部を更に含み、
    　測定部の測定結果に応じて、フォトカソード温度調整ステップが実施される、
    請求項１０に記載の射出方法。
     
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