WO2023233657A1 - 電子線応用装置及び電子ビーム発生方法 - Google Patents

電子線応用装置及び電子ビーム発生方法 Download PDF

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WO2023233657A1
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pulsed light
light
photocathode
electron beam
pulsed
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French (fr)
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卓 大嶋
達朗 井手
英郎 森下
大地 高根
洋一 小瀬
純一 片根
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株式会社日立ハイテク
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/06—Electron sources; Electron guns
    • H01J37/073—Electron guns using field emission, photo emission, or secondary emission electron sources

Definitions

  • the present invention relates to an electron beam application device and an electron beam generation method.
  • an electron source with high brightness and a narrow energy width of the emitted electron beam is essential. Furthermore, in recent years, technology for pulsing the electron beam that serves as a probe has been progressing in order to capture high-speed temporal changes in addition to high spatial resolution.
  • a photocathode which generates pulsed electrons when a light pulse is incident on it, is extremely useful for capturing rapidly changing phenomena.
  • negative electron affinity NAA is created by lowering the work function of the semiconductor surface containing GaAs or the like with Cs, O, etc., and emitting electrons excited in the conduction band through band-to-band transition upon light incidence into the vacuum.
  • Photoexcited electron sources using electron affinity are characterized by high brightness. Although it is a planar electron source and the focus size of the excitation light, which is the size of the light source, is large at about 1 ⁇ m, the emitted electrons have good straightness.
  • Patent Document 1 discloses an electron gun using this photocathode.
  • a transparent substrate specifically a photoelectric film pasted on a transparent substrate, is used as the photocathode, and a condensing lens with a large numerical aperture (NA) of about 0.5 is placed close to the transparent substrate.
  • NA numerical aperture
  • An electron gun structure is shown in which the excitation light is focused to the diffraction limit on a photoelectric film to create a small electron light source, and the electron beam is emitted from this into a vacuum.
  • Patent Document 2 the excitation light incident on the photocathode is made into two laser beams, one of which is radially polarized, and the electric field vector created at the condensing position is made perpendicular to the photocathode surface, thereby increasing the effective efficiency of the photocathode. It has been disclosed that it lowers the work function.
  • laser light with a wavelength of 760 to 800 nm is suitable as an excitation light source, and examples of this light source include semiconductor diodes and solid-state lasers using light-emitting crystals. These devices are useful for various measurements because they can extract pulsed light and control the pulse width and interval using electrical and optical signals.
  • the size of the cathode region that emits electrons is the size of the spot where the excitation light is focused on the photocathode. This size is determined by the wavelength of the excitation light, and it is difficult to make it smaller than that.
  • Patent Document 2 even if a radially polarized beam is irradiated to generate an electric field vector perpendicular to the photocathode surface, the electric field caused by light oscillates over time, so electron emission will increase or decrease. This limits the improvement in brightness.
  • An electron beam application device that is an embodiment of the present invention includes a photocathode including a photoelectric film, a first pulsed light source that emits a first pulsed light, and a wavelength longer than the first pulsed light. a second pulsed light source that emits a second pulsed light having an annular light intensity distribution; and an excitation light optical system that combines and emits an optical path of the first pulsed light and a second pulsed light. , a condenser lens that condenses the first pulsed light and second pulsed light emitted from the excitation light optical system onto a photocathode, and an electron optical system that irradiates the sample with an electron beam emitted from the photocathode. Be prepared.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an electron beam application device.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of an excitation light optical system. It is a timing chart of pulsed light. This is an example of a light modulator (phase mask). It is a light intensity and electron distribution diagram by the first pulsed light.
  • FIG. 7 is a light intensity distribution diagram of second pulsed light. It is an electron distribution map by the first and second pulsed light. 6 is a diagram for explaining the effect of second pulsed light in Example 1.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the effect of second pulsed light in Example 1.
  • FIG. FIG. 3 is a diagram showing the configuration of an excitation light optical system. This is an example of a spiral phase plate.
  • FIG. 6 is a light intensity distribution diagram of second pulsed light formed by a spiral phase plate.
  • 7 is a diagram for explaining the effect of second pulsed light in Example 2.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the effect of second pulsed light in Example 2.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the effect of second pulsed light in Example 2.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of an excitation light optical system.
  • 7 is a diagram for explaining the effect of second pulsed light in Example 2.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the effect of second pulsed light in Example 2.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the effect of second pulsed light in Example 2.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the effect of second pulsed light in Example 2.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of a radially polarized beam.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of a radially polarized beam. 7 is a diagram for explaining the effect of second pulsed light in Example 3.
  • FIG. It is a timing chart of pulsed light.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a second pulsed light focusing optical system.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a second pulsed light focusing optical system.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an electron beam application device.
  • the photocathode 1 receives pulsed excitation light 12 from its upper surface, and generates a pulsed electron beam from its lower surface where the pulsed excitation light 12 is incident. Electrons emitted from the photocathode 1 are accelerated by the electric field between the opposing extraction electrodes 3 and guided as a pulsed electron beam 13 from the opening 14 of the vacuum vessel 9 to the electron optical system. As an example of an electron optical system, a scanning electron microscope (SEM) is shown here. The pulsed electron beam 13 taken out from the aperture 14 is reduced by two electron lenses 17 and an objective lens 29 and focused onto the sample 20.
  • SEM scanning electron microscope
  • An SEM image of the sample surface is obtained using a deflector 18 for scanning the focal position and an electron detector 19 for measuring signal electrons generated from the sample by irradiation with the pulsed electron beam 13, making it possible to observe the fine structure.
  • an aperture 38 is provided in the trajectory of the electron beam to limit the opening angle of the electron beam, and is adjusted in conjunction with the electron lens 17 to obtain an optimal trajectory shape.
  • the photocathode 1 is an electron source that utilizes a phenomenon known as negative electron affinity.
  • the photoelectric film 10 of the photocathode 1 is a p-type semiconductor, and GaAs is typically used. In order to reduce the work function, for example, Cs and oxygen are adsorbed on the surface.
  • a preparation room for this purpose is provided adjacent to the electron gun 15, and the surface of the photocathode 1 moved to the preparation room is adjusted.
  • the following treatment is performed to adjust the cathode surface. Oxides and carbides on the semiconductor surface are removed using a heater. It is even more effective to perform the cleaning treatment by generating atomic hydrogen. Thereafter, by adsorbing vaporized Cs on the semiconductor surface in an oxygen atmosphere, the work function of the semiconductor surface is lowered, and a state where the vacuum level is lower than that of the conductor inside the cathode film is obtained.
  • the wavelength of the excitation light must be 850 nm or less, and more preferably 780 nm to 660 nm. If the conduction band electrons spread within the photoelectric film 10, the light source size will increase, resulting in a decrease in brightness, which is not desirable for an electron gun for a microscope. Therefore, the thickness of the photoelectric film 10 must be approximately 1 ⁇ m or less. In addition, a sufficient concentration of p-type impurities is required. In order to support the photoelectric film 10, it is attached to a transparent substrate 11 that does not absorb excitation light to form a photocathode 1.
  • the transparent substrate 11 of the photoelectric film 10 made of GaAs a semiconductor with a wider band gap such as glass or GaP can be used.
  • the photoelectric film 10 may be attached directly to the transparent substrate 11, or may be attached via an intermediate layer. Further, when a semiconductor is used as the transparent substrate 11, the photoelectric film 10 may be formed by epitaxial growth, and in that case, the photoelectric film 10 may be formed after growing a buffer layer to be an intermediate layer.
  • An accelerating voltage to the electron source is applied by an accelerating power source 5 via a cathode holder 4 that is in electrical contact with the photoelectric film 10, and the pulsed electron beam 13 generated from the photocathode 1 is connected to the extraction electrode 3. be accelerated.
  • the vacuum chamber 9 of the electron gun 15 is evacuated by a vacuum evacuation device (not shown), preferably an ion pump and a non-evaporative getter pump.
  • the condensing lens 2 that condenses the pulsed excitation light 12 onto the photocathode 1 is a lens that has been corrected for spherical aberration so that the focus created on the photoelectric film 10 through the transparent substrate 11 is minimized.
  • the diameter of the parallel light is 4 to 4.2 mm, and the NA (Numerical Aperture) is 0.5.
  • excitation light laser light
  • a diameter of about 1 ⁇ m (half width) is obtained on the photoelectric film 10, as shown by solid line A in FIG. 4A.
  • Parallel pulsed excitation light 12 is emitted from a first pulsed light source 7 located outside the vacuum vessel 9 and is brought into the vacuum vessel 9 via the excitation light optical system 21 and the window 6.
  • the excitation light optical system 21 is provided with a second pulsed light source 8 having a longer wavelength (for example, 850 nm).
  • the configuration of the excitation light optical system 21 is shown in FIG. 2A.
  • the first pulsed light 27 emitted from the first pulsed light source 7 passes through the optical coupler 24 and heads toward the photocathode 1 as pulsed excitation light 12.
  • the second pulsed light 28 emitted from the second pulsed light source 8 also passes through the trajectory of the pulsed excitation light 12 and is irradiated onto the photoelectric film 10 by the condensing lens 2.
  • the second pulsed light source 8 is connected to the excitation light optical system 21 via the fine adjustment mount 51, and the second pulsed light 28 is reflected by the fine adjustment mount 51 toward the photocathode 1 by the optical coupler 24.
  • the light is adjusted so that it matches the optical path of the pulsed excitation light 12 and goes toward the photocathode.
  • the second pulsed light 28 is laser light obtained by modulating the long wavelength pulsed light 52 emitted from the long wavelength pulsed light source 22 with a wavelength of 850 nm by the optical modulator 23.
  • FIG. 3 shows an example of modulation by the optical modulator 23 using a phase mask that creates a phase difference between the center and the outer periphery of the laser beam.
  • FIG. 3 shows a plan view and a cross-sectional structure of a central portion of a phase mask used as the optical modulator 23.
  • the optical modulator 23 is a plate that is transparent to the wavelength of the second pulsed light 28 and has a refractive index n, and is provided with a circular phase shift region 40 at the center. There is a step difference between the phase shift region 40 and the peripheral region.
  • the second pulsed light 28 obtained has a phase shift of ⁇ between the central part and the outer peripheral part, and the light intensity distribution delivered to the photoelectric film 10 through the condensing lens 2 has a dark ring in the center as shown in FIG. 4B. It becomes band-shaped.
  • D is the diameter of the second pulsed light 28.
  • Equation 2 is a condition when the light intensity of the second pulsed light 28 is uniform. For example, when the second pulsed light 28 has an intensity distribution like a Gaussian beam, the diameter is adjusted accordingly. It is necessary to set it to d.
  • the wavelength of 850 nm of the second pulsed light 28 is an example, and the wavelength of the second pulsed light 28 is determined to approximately match the bandgap energy of the semiconductor GaAs forming the photoelectric film 10. It is permissible as long as the wavelength is such that stimulated emission occurs and electrons excited in the photoelectric film 10 are recombined. Therefore, if the photoelectric film 10 is made of a crystal other than GaAs, the wavelength will be determined by its physical properties, and if it has a superlattice structure, the wavelength will be equivalent to the gap energy of the mini-band formed. The condition is that the wavelength causes stimulated emission.
  • the optical coupler 24 that couples the optical path of the first pulsed light 27 and the optical path of the second pulsed light 28
  • a half mirror, a polarizing beam splitter, a dichroic mirror, etc. can be used as the optical coupler 24 so that the wavelength of the first pulsed light 27 is transmitted and the second pulsed light 28 is reflected and enters the orbit of the pulsed excitation light 12, the loss of light can be reduced. It is possible to create a system with a small number of systems.
  • FIG. 5A electrons in the valence band in the photoelectric film 10 are excited by the incidence of the first pulsed light 27 into the conduction band beyond the energy gap Eg, and energy is released by phonon scattering etc. It shows a state in which it loses its energy and temporarily accumulates at the bottom of the conduction band.
  • the spatial distribution of electrons in the conduction band at this time is shown by the broken line B in FIG. 4A.
  • the intensity distribution of the first pulsed light 27 shown by the solid line A in the figure has a width of about 1.5 ⁇ m at half maximum due to scattering and diffusion of electrons. Since these electrons are emitted into a vacuum, the source size of the electron beam is wider than the intensity distribution of the excitation light, with a half-width of about 1.5 ⁇ m.
  • the second pulsed light 28 When the second pulsed light 28 is introduced into the state shown in FIG. 5A with the pulse intensity (pulse height), pulse width, and timing optimized, the second pulsed light 28 hits as shown in FIG. 5B.
  • stimulated emission occurs in which electrons in the conduction band and holes in the valence band immediately recombine and emit light.
  • the light intensity distribution of the second pulsed light 28 is annular and weak at the center as shown in Figure 4B, so the distribution of electrons in the conduction band changes from broken line B to solid line C as shown in Figure 4C.
  • the half width can be narrowed to 1 ⁇ m or less. Since electrons are emitted into the vacuum according to the spread of the solid line C, the source size of the electron beam can be narrowed to about 0.8 ⁇ m in half width.
  • the condenser lens 2 As the condenser lens 2 and focusing the excitation light to the diffraction limit, it was possible to obtain an intensity distribution with a diameter of about 1.2 to 1.5 ⁇ m.
  • the electron emission region can be reduced by 67 to 53%, and the area can be reduced by about 44 to 28%, so for the same total current, the brightness can be reduced by 2 to 3%. Can be doubled.
  • the outer part of the conduction band electrons generated in the photoelectric film 10 by the first pulsed light 27 is annihilated by the second pulsed light 28, thereby generating a high-intensity electron beam.
  • the second pulsed light 28 has the function of recombining excited electrons with holes by stimulated emission, and also has the function of exciting electrons in the valence band to the conduction band. Therefore, it is necessary to optimize the intensity and timing of both pulsed lights so that the second pulsed light 28 is mostly used for stimulated emission.
  • the adjustment means for both pulsed lights will be explained.
  • the vertical axis is the intensity I
  • the horizontal axis is time, showing the temporal change in both pulsed light intensities.
  • the pulse of the first pulsed light 27 has an intensity Ip 1 and a pulse width Tp 1 .
  • the pulse width Tp 1 is a time that can be selected according to the purpose of the experiment, and its characteristic value is 1 p second or more, and nanosecond or microsecond orders are also possible.
  • the intensity Ip 1 is set according to the brightness required for the electron gun.
  • the pulse of the second pulsed light 28 has an intensity Ip 2 and a pulse width Tp 2 .
  • the delay time Tr for the start of the second pulsed light 28 from the start of the first pulsed light 27 and the end delay time Td for the end of the second pulsed light 28 from the end of the first pulsed light 27 to determine the pulse width Tp 2 are determined by preliminary experiments. Optimized.
  • a control signal 33 indicating the height and timing of each pulse is sent from the main body control device 32 to the excitation light control device 31, and the excitation light control device 31 controls the first pulsed light source. 7 and the second pulsed light source 8 to adjust their timing and intensity by emitting respective laser control signals 37.
  • the start delay time Tr is selected from 0 to 0.1 picoseconds
  • the end delay time Td is selected from about 0 to 1 picoseconds.
  • the brightness of the pulsed electron beam is monitored and adjusted to the highest brightness.
  • the brightness of the pulsed electron beam 13 can be determined from the resolution and brightness of the SEM image obtained by the electron optical system.
  • the brightness of the pulsed electron beam 13 can be more easily determined.
  • the electron beam reduced by the plurality of electron lenses 17 passes through the aperture 38 with the amount of current reduced to limit the aperture angle, so the Faraday cup 35 is inserted at a position closer to the sample than the aperture 38. It needs to be closer to 20.
  • the brightness information thus obtained is fed back to the main body control device 32 in order to optimize the conditions of the electron gun 15.
  • the energy distribution of the electron source in this example is 0.1 to 0.2 eV, compared to 0.3 eV for a cold cathode field emission (CFE) electron source using a tungsten filament and 0.8 eV for a Schottky emission (SE) electron source. They are well-equipped and can improve resolution by reducing chromatic aberration, especially at low accelerations. For example, when the accelerating power source 5 is -2 kV, the electron beam 13 emitted from the electron gun has a radiation angular current density of 39 mA/sr or more.
  • Example 1 With the configuration of Example 1, a small electron light source diameter of 800 nm is obtained, and in order to enable observation with a resolution of 1 nm or less, the size of the electron beam probe that forms an image on the sample is 0.8 nm or less.
  • the total reduction ratio by the electron lens 17 and objective lens 29 of the housing 16 may be about 1/1000.
  • the electron beam that can pass through the aperture 38 has a half-angle ⁇ s of beam opening on the light source side of the electron gun 15. is within an extremely narrow range of 5 ⁇ rad or less.
  • the probe current of electrons irradiated onto the sample 20 is about 10 pA, and observation can be performed with high sensitivity and in a short time.
  • the depth of focus is approximately 100 nm as spot diameter/ ⁇ o.
  • the electron beam 13 is a pulsed electron beam, it is also useful in time-resolved measurements.
  • FIG. 6 shows a modification of the excitation light optical system 21.
  • the excitation light optical system 21 in FIG. 6 includes a monitor optical system 46 that measures reflected light 47 from the photocathode 1 in order to facilitate optimization of the excitation light optical system 21.
  • a reflected light separator 25 that separates reflected light 47 in the lateral direction (x direction) is provided in the optical path.
  • a polarized beam splitter PBS: Polarized Beam Splitter
  • a quarter wavelength plate 42 is provided below this.
  • the pulsed excitation light 12 that passes through the reflected light separator 25 is linearly polarized light with an electric field component parallel to the plane of the paper, and becomes circularly polarized light when it passes through the quarter-wave plate 42.
  • the circularly polarized light that passes through the condenser lens 2 and is reflected from the photocathode 1 is converted into linearly polarized light that has an electric field component perpendicular to the plane of the paper as it passes through the quarter-wave plate from bottom to top, so the reflected light It is reflected by the separator (PBS) 25, and only the reflected light 47 from the photocathode 1 is introduced into the monitor optical system 46.
  • the condensing position and focal shape of the excitation light on the photocathode 1 can be enlarged and observed. I can do it.
  • the optical paths of the first pulsed light 27 and the second pulsed light 28 are adjusted so that their focal positions coincide.
  • the optical path of the second pulsed light 28 is aligned with the optical path of the first pulsed light 27 by adjusting the position and angle of the second pulsed light source 8 using the fine adjustment mount 51.
  • the monitor optical system 46 is provided with a light attenuating means such as an ND filter 45 in order to optimize the amount of observation light for the image sensor 41.
  • the monitor optical system 46 may be provided with a removable polarizer 43.
  • the reflected light 47 which is linearly polarized light, cannot pass through.
  • the stimulated emission light obtained by inputting the first pulsed light 27 and the second pulsed light 28 is circularly polarized light, and therefore can be observed on the image sensor 41.
  • the incident positions of the first pulsed light 27 and the second pulsed light 28 can be adjusted by adjusting the intensity and shape of the stimulated emission light.
  • the polarizer is not limited to a removable type, and it is also possible to use, for example, a polarizer that can switch the polarization direction of light that can pass therethrough.
  • An optical signal may be used for timing adjustment in the laser control signal 37 from the excitation light control device 31 shown in FIG. 1 to the first pulsed light source 7 and the second pulsed light source 8.
  • timing can be adjusted using a device called an optical delay, which sets the delay time of optical propagation by adjusting the optical path length, which is advantageous for minute time adjustments.
  • the optical modulator 23 is not limited to that shown in FIG. 3, and a spatial phase modulator such as a liquid crystal element may be used.
  • a spiral phase plate shown in FIG. 7A may be used as a phase modulator that forms a donut-shaped focal point with a dark central portion on the photocathode 1.
  • the spiral phase plate 70 is circular, and in this example, it is divided into eight parts in the circumferential direction, and the height changes counterclockwise from the divided area 71-0 to the divided area 71-7, and the phase changes by ⁇ /4 in each stage. changes.
  • the height h of the step between the divided regions adjacent in the counterclockwise direction is set to be (Equation 3).
  • the polarization of the second pulsed light 28 that has passed through the spiral phase plate becomes spiral, and the intensity pattern of the focused light formed on the photocathode 1 is as shown in Figure 7B, with the width of the dark part at the center can be made narrower than in the case of the phase plate having the structure of FIG.
  • the spiral phase plate may have a structure in which it is divided into 8 or more fine divisions or whose height changes continuously, and the same effect can be obtained if the phase difference is 2 ⁇ in one revolution.
  • the photoelectric film 10 is not limited to GaAs, but other materials that emit electrons due to negative electron affinity can be used.
  • GaP GaP
  • a mixed crystal such as GaAs-GaP, GaAs-AlAs, or a superlattice can be used.
  • the wavelength of the second pulsed light 28 needs to be selected depending on the material and structure of the photoelectric film 10.
  • the pulse widths of the first pulsed light 27 and the second pulsed light 28 in this embodiment are typically selected between 1 psec and 1 ⁇ sec.
  • the light intensity it is possible to widen the usable pulse width, and for example, it may be continuous light with a time width from milliseconds to several tens of seconds or more depending on the observation time of an electron microscope.
  • either the first pulsed light 27 or the second pulsed light 28 may be pulsed light, and the other may be continuous light.
  • infrared light is used for the second pulsed light source 8 in the configuration of the electron beam application device shown in FIG.
  • the wavelength does not cause interband transition in the photoelectric film 10, but has the energy to excite electrons from the valence band to the acceptor level and generate holes.
  • Wide-gap semiconductors such as GaN and diamond have a much larger dielectric breakdown field than the semiconductors Si and GaAs, and as a result can transport large quantities of electrons in the bulk, making them extremely promising as electron sources that require large current densities. It is.
  • p-type doping does not go well.
  • the energy Ea from the valence band of the acceptor level generated in the forbidden band is as small as 0.05 eV, and even at room temperature, thermal energy
  • electrons enter the acceptor and become negatively charged, creating holes in the valence band from which electrons have escaped.
  • These holes can move around as charge carriers, increasing electrical conductivity and redistributing themselves to soften external electric fields, minimizing the width of the depletion layer near the surface.
  • the energy Ea of the acceptor level is about 0.1 eV for GaN and 0.5 eV for diamond, and it is not possible to increase the hole density by thermal excitation at room temperature.
  • the band gap energy Eg that is classified as a wide gap semiconductor, but here, a semiconductor with a band gap energy Eg of 3 eV or more is defined as a wide gap semiconductor.
  • FIGS. 8A to 8C A model of the energy structure of a GaN-based wide-gap semiconductor doped with p-type impurities used as the photoelectric film 10 is shown in FIGS. 8A to 8C.
  • FIG. 8A shows a model in which the work function is lowered by adsorbing Cs and oxygen on the surface of the photoelectric film 10 in a vacuum, and no light is irradiated. Since the acceptor is hardly charged and has a low hole density, there are no charge carriers, and the area near the surface is depleted due to the difference between the internal potential and the surface potential.
  • the second pulsed infrared light is irradiated.
  • the energy hv 2 of the second pulsed light is greater than the energy Ea of the acceptor level, and as shown in FIG. 8B, holes are generated when the acceptor is charged by electrons in the valence band.
  • h Planck's constant
  • ⁇ 2 is the frequency of the second pulsed light.
  • the internal electric field becomes small due to the high density of holes, forming a very narrow depletion layer on the surface.
  • the first pulsed light 27 with energy h ⁇ 1 ( ⁇ 1 is the frequency of the first pulsed light 27) is incident, the electrons excited in the conduction band due to interband transition as shown in FIG. 8C , released into a vacuum at high density.
  • the wavelength of the second pulsed light is sufficiently lower than the band gap energy and has an energy higher than the acceptor level energy Ea, and is 1 ⁇ m or more, with a long wavelength limit of 12 ⁇ m for GaN and 2.45 ⁇ m for diamond. , can be determined for each bandgap energy.
  • the infrared light that generates holes is continuously irradiated, it will cause a rise in the temperature of the photoelectric film 10, which will cause Cs evaporation and crystal deterioration, making it impossible to stably emit electrons as an electron source, so synchronize with the first pulsed light 27. It is effective to irradiate at the same time as the first pulsed light 27 or slightly before the irradiation. This relationship is shown in FIG. The vertical axis is the intensity I, and the horizontal axis is time, showing the temporal change in both pulsed light intensities.
  • the pulse of the first pulsed light 27 has an intensity Ip 1 and a pulse width Tp 1
  • the pulse of the second pulsed light 27 has an intensity Ip 2 and a pulse width Tp 2
  • the leading time of the rising of the second pulsed light relative to the rising of the first pulsed light 27 - Tr, and the leading time of the falling of the second pulsed light relative to the falling of the first pulsed light 27 - Td are from 0 to
  • information such as the amount of probe current and resolution in the electron optical system is fed back so that it is optimized within a few p seconds and the maximum brightness is obtained as well as the intensities Ip 1 and Ip 2 . It is determined.
  • the wide gap material of the photoelectric film 10 is not limited to GaN or diamond, but may also be a mixed crystal such as AlGaN or GaInN, or a superlattice of these and GaN.
  • the light that generates the holes is produced by directly irradiating long-wavelength infrared rays onto the condensing position of the first pulsed light 27 on the photocathode (in this case, the optical path of the first pulsed light 27 and the second (Since it is not necessary to combine the optical paths of the pulsed lights, the excitation light optical system 21 can be made unnecessary.)
  • light of two wavelengths may be used in combination.
  • FIG. 10 shows an example of the configuration of the excitation light optical system 21 in this case.
  • the optical coupler 24b matches the optical path of the third pulsed light 54 from the third pulsed light source 53 with the optical path of the second pulsed light 52 emitted from the second pulsed light source 22, and
  • the photocathode 1 is irradiated with the pulsed light 52 and the third pulsed light 54.
  • the wavelengths of the second pulsed light 52 and the third pulsed light 54 are long wavelengths that do not cause interband transition in the photoelectric film 10, and the energy difference between the two is equal to or greater than the acceptor level energy Ea. do it like this.
  • the refractive index of the condenser lens 2 can be used under conditions close to ideal.
  • each energy is preferably set to 1/2 or less of the band gap energy Eg.
  • the intensity of the second pulsed light 52 and the third pulsed light 54 and the irradiation timing of the first pulsed light 27 are adjusted to match the intensity of the second pulsed light 52 and the third pulsed light 54.
  • the irradiation timing is determined by feeding back information such as the amount of probe current and resolution in the electron optical system.
  • infrared light irradiation has the effect of increasing the brightness not only for photoelectric films containing wide-gap semiconductors but also for photoelectric films 10 such as GaAs whose band gap energy Eg is around 1 eV.
  • FIG. 11B shows a state in which electrons are trapped in the surface level, and as a result, the electron potential energy on the surface of the photoelectric film 10 increases, so that the amount of electron emission decreases. This is one of the causes of brightness limitations.
  • the brightness can be reduced. can be prevented.
  • the potential energy of the surface level is near the center of the forbidden band, and in the case of GaAs, is about 0.7 eV, half of the band gap energy Eg. Therefore, when the energy h ⁇ 2 of the second pulse light is set to 0.7 eV or more and less than 1.4 eV, electrons captured in the surface level are excited and removed by drift or diffusion in the solid, or released into vacuum. Electron emission continues and high brightness is achieved.
  • the timing of the second pulsed light relative to the first pulsed light 27 may be adjusted so that they are irradiated at the same time, or the irradiation timing of the second pulsed light is slightly delayed, as shown in FIG. 2B.
  • radially polarized long wavelength light is used as the second pulsed light in the configuration of the electron beam application device shown in FIG.
  • a light source that generates a long wavelength radially polarized beam is used as the second pulsed light source 8.
  • the electric field direction 55 of the light in the cross section of parallel light is radial, and at the focal point formed on the photocathode 1 by the condenser lens 2, as shown in FIG. 12B.
  • the electric field direction becomes perpendicular to the surface of the photoelectric film 10.
  • radial polarized light For example, a radially-variant waveplate or a conical Brewster prism can be used to convert linearly polarized light. In the second pulsed light source 8, these optical elements may be applied instead of the optical modulator 23. In addition, radial polarized light can also be generated using a technique such as applying a pulse voltage to an antenna with a fine structure pattern.
  • FIG. 13 shows an energy model when a radial polarized beam is irradiated in a state where the photoelectric film 10 is irradiated with the first pulsed light 27 to cause electron emission.
  • the vacuum level 60 when the second pulsed light is not irradiated changes uniformly with respect to the distance z. This is because an electric field is applied between the photocathode 1 and the extraction electrode 3 due to the potential difference between them (see FIG. 1).
  • the speed of the emitted electrons is low in the immediate vicinity of the surface of the photoelectric film 10 shown as region S in FIG.
  • the vacuum level 61 (dashed line) where a negative electric field is superimposed on the surface and the surface A state is obtained in which the vacuum level 62 (dotted line) oscillates over time with a superimposed positive electric field.
  • FIG. 14 shows the irradiation timing of the first pulsed light 27 and the second pulsed light with time on the horizontal axis.
  • a waveform 81 shows the intensity I of the first pulsed light 27, and a waveform 82 shows the time change of the electric field F on the surface of the photoelectric film 10 due to the second pulsed light.
  • the space charge effect can be reduced and the brightness of the photoelectric film 10 can be increased.
  • the pulse width Tp 1 of the first pulsed light is 1 ps
  • the time of the positive part of the oscillating electric field of the second pulsed light needs to be >1 ps, so for example, the oscillation period is 2 ps.
  • the frequency becomes 0.5 THz and the wavelength becomes 600 ⁇ m.
  • the pulse width Tp 2 of the second pulsed light is several p seconds
  • the leading time -Tr of the rise of the second pulsed light with respect to the rise of the first pulsed light 27 is also about several ps.
  • the magnitude of the lead time -Tr is optimized based on the brightness measurement results in the electron optical system.
  • the frequency of the second pulsed light is selected to be on the order of terahertz.
  • the first pulsed light 27 has a shorter pulse width of 0.1 psec
  • the second pulsed light has a wavelength of 60 ⁇ m or more.
  • FIGS. 15A and 15B show an example of a suitable focusing optical system for the second pulsed light in this embodiment.
  • the first pulsed light 27 is focused toward the photocathode 1 by the focusing lens 2.
  • the condenser lens 2 since the refractive index has wavelength dependence, if the wavelength of the second pulsed light is too long for the condenser lens 2, the condenser lens 2 may not be able to sufficiently condense the second pulsed light. be. In such cases, it is effective to use a mirror with small wavelength dependence of light.
  • a reflective objective lens 56 using a mirror may be used.
  • the second pulsed light passes through a hole formed in the upper part of the concave mirror 57, is reflected by the convex mirror 58, and is focused onto the photocathode 1 by the concave mirror 57.
  • a dichroic mirror is used for the convex mirror 58 so that the first pulsed light 27 can pass therethrough.
  • the second pulsed light may be introduced from a direction different from that of the first pulsed light 27 and focused by a parabolic mirror 59 (in this case, the second pulsed light 27 may be focused by a parabolic mirror 59, etc. Since it is not necessary to combine the optical path of the pulsed light 27 and the optical path of the second pulsed light, the excitation light optical system 21 can be made unnecessary).
  • the second pulsed light when the second pulsed light is a parallel beam, a parabolic mirror 59 is used, whereas when the second pulsed light is a diverging beam from a small point light source, the parabolic mirror 59 is used. , it is preferable to use an ellipsoidal mirror.
  • the second pulsed light may be focused by these mirrors by placing a mirror on the lower surface of the photocathode 1, that is, on the opposite side of the focusing lens 2 with the photocathode 1 in between. Furthermore, a reflective objective lens 56 or a parabolic mirror 59 may be used to focus the first pulsed light 27.
  • the photoelectric film 10 of the photocathode 1 is not limited to GaAs, but may be GaP, AlGaAs, GaN, InGaN, etc. Also, a metal film such as gold can reduce the space charge effect during electron emission.
  • the present invention has been specifically described above based on the embodiments, it is not limited thereto, and various changes can be made without departing from the gist thereof. It is effective to apply each of the embodiments not only individually but also in combination.
  • a scanning electron microscope has been described as an example of an electron beam application device
  • the present invention can be applied to various electron beam application devices such as a transmission electron microscope and a scanning transmission electron microscope.
  • it is not limited to electron beam application equipment equipped with an electron detector that detects electrons (secondary electrons, backscattered electrons, etc.) generated by irradiation with an electron beam, but also other detectors such as a detector that detects characteristic X-rays. It may be equipped with a container. In either case, by obtaining a high-intensity pulsed electron beam, it becomes possible to further increase the resolution of microscopic images, speed up measurements, and improve functionality.

Abstract

フォトカソードから放出される電子ビームの高輝度化するため、光電膜を備えるフォトカソードに第一のパルス光に加え、第一のパルス光よりも長波長である第二のパルス光を照射する。電子線応用装置の一態様では、フォトカソード（1）と、第一のパルス光を放出する第一のパルス光源（7）と、輪帯状の光強度分布を有する第二のパルス光を放出する第二のパルス光源（8）と、第一のパルス光の光路と第二のパルス光の光路とを結合させて出射する励起光光学系（21）と、励起光光学系から出射された第一のパルス光及び第二のパルス光をフォトカソードに集光する集光レンズ（2）と、フォトカソードから放出される電子ビームを試料（20）に照射する電子光学系とを備える。

Description

電子線応用装置及び電子ビーム発生方法
　本発明は電子線応用装置及び電子ビーム発生方法に関する。
　高分解能の電子顕微鏡においては、輝度が高く、放出する電子ビームのエネルギー幅が狭い電子源が必須である。さらに、近年、高い空間分解能に加えて高速の時間変化をとらえる目的で、プローブとなる電子ビームをパルス化する技術が進歩しつつある。高速で変化する現象をとらえるために、光パルス入射によりパルス電子を発生するフォトカソードは極めて有用である。なかでも、GaAsなどを含む半導体表面をCs, O等で低仕事関数化し、光入射によりバンド間遷移で伝導帯中に励起された電子を真空中に放出する、負の電子親和力（NEA：Negative Electron Affinity）を利用した光励起電子源は輝度が高いという特徴がある。平面状の電子源であり、光源サイズとなる励起光の焦点サイズは1μｍ程度と大きいものの、放出電子の直進性がよいためである。
　特許文献１にはこのフォトカソードを用いた電子銃が開示されている。フォトカソードとして透明基板、具体的には透明な基板上に光電膜を貼り付けたものを用い、透明基板に近接して置いた開口数（NA: Numerical aperture）が大きい0.5程度の集光レンズで励起光を光電膜上に回折限界まで集束させることで小さな電子光源とし、ここから真空中に放出される電子線を利用する電子銃構造が示されている。
　特許文献２にはフォトカソードに入射する励起光を２つのレーザー光とし、一方をラジアル偏光とし、集光位置にできる電場ベクトルをフォトカソード表面に対して垂直とすることでフォトカソードの実効的な仕事関数を下げることが開示されている。
特開２００１－１４３６４８号公報 特開２００８－２８８０９９号公報
　電子源として光励起電子源を用いる電子顕微鏡のさらなる高分解能化のためには、光励起電子源をより高輝度化することが望まれるが、励起光の強度を上げていっても、連続光で得られるプローブ電流は途中から増加しない。放出電流量の増加に伴う発熱量や表面に蓄積する電荷量が増加し、これらが放出電流の制限となるためである。この解決策の一つが励起光をパルス化することである。これにより熱や表面電荷の蓄積を緩和することができる。GaAsを主体とするフォトカソードの場合、励起光源としては波長760～800nmのレーザー光が適しており、この光源としては半導体ダイオードや発光する結晶を用いた固体レーザーなどがある。これらはパルス光を取り出すことができ、かつ、パルス幅や間隔を電気信号や光信号で制御できるために様々な測定に有用である。
　しかしながら、励起光をパルス化してもなお輝度の制限は存在する。電子源の輝度は放出源の面積が小さい程高くなるが、光励起電子源の場合、電子を放出するカソード領域の大きさは励起光をフォトカソード上に集光させたスポットの大きさであり、この大きさは励起光の波長で決まり、それ以上に小さくすることは困難である。
　また、フォトカソードの光電膜として、より電流密度の高い電気伝導を可能にするGaN、InGaNなどのワイドギャップ半導体を用いる場合には、内部にドープしたアクセプタのイオン化エネルギーが大きく、室温ではホール密度が低いため電気抵抗が高く、放出電流密度の制限となっていた。
　また、特許文献２に示されるように、ラジアル偏光ビームを照射してフォトカソード表面と垂直な電場ベクトルを生じさせても、光による電場は時間的に振動しているため、電子放出は増減することになり、輝度の向上の制限となる。
　本発明の一実施の形態である電子線応用装置は、光電膜を備えるフォトカソードと、第一のパルス光を放出する第一のパルス光源と、第一のパルス光よりも長波長であって輪帯状の光強度分布を有する第二のパルス光を放出する第二のパルス光源と、第一のパルス光の光路と第二のパルス光の光路とを結合させて出射する励起光光学系と、励起光光学系から出射された第一のパルス光及び第二のパルス光をフォトカソードに集光する集光レンズと、フォトカソードから放出される電子ビームを試料に照射する電子光学系とを備える。
　フォトカソードから放出される電子ビームの高輝度化が可能になる。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
電子線応用装置の概略図である。 励起光光学系の構成を示す図である。 パルス光のタイミングチャートである。 光変調器の例（位相マスク）である。 第一のパルス光による光強度及び電子分布図である。 第二のパルス光による光強度分布図である。 第一及び第二のパルス光による電子分布図である。 実施例１における第二のパルス光の作用を説明するための図である。 実施例１における第二のパルス光の作用を説明するための図である。 励起光光学系の構成を示す図である。 スパイラル位相板の例である。 スパイラル位相板により形成される第二のパルス光の光強度分布図である。 実施例２における第二のパルス光の作用を説明するための図である。 実施例２における第二のパルス光の作用を説明するための図である。 実施例２における第二のパルス光の作用を説明するための図である。 パルス光のタイミングチャートである。 励起光光学系の構成を示す図である。 実施例２における第二のパルス光の作用を説明するための図である。 実施例２における第二のパルス光の作用を説明するための図である。 実施例２における第二のパルス光の作用を説明するための図である。 ラジアル偏光ビームの説明図である。 ラジアル偏光ビームの説明図である。 実施例３における第二のパルス光の作用を説明するための図である。 パルス光のタイミングチャートである。 第二のパルス光の集光光学系の構成を示す図である。 第二のパルス光の集光光学系の構成を示す図である。
　以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
　図１は電子線応用装置の概略図である。フォトカソード1は、上面からパルス励起光12が入射され、パルス励起光12が入射した部分の下面からパルス電子ビームを発生する。フォトカソード1から放出された電子は対向する引き出し電極3との間の電界により加速され、パルス電子ビーム13として真空容器9の開口部14から電子光学系に導かれる。電子光学系の例として、ここでは、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）の例を示している。開口部14から取り出されるパルス電子ビーム13は二つの電子レンズ17及び対物レンズ29により縮小され、試料20上に焦点を結ぶ。焦点位置を走査するための偏向器18と、パルス電子ビーム13の照射により試料から発生する信号電子を計測する電子検出器19とにより試料表面のSEM像が得られ、微細構造の観察が可能となる。なお、電子ビームの軌道中には電子ビームの開き角を制限するアパーチャ38が設けられ、電子レンズ17と連動して最適な軌道形状となるように調節される。
　フォトカソード1は負の電子親和力として知られている現象を利用する電子源である。フォトカソード1の光電膜10はp型の半導体であり、代表的なものとしてGaAsが用いられる。仕事関数を低減するため、その表面には例えばCsと酸素を吸着させている。
　図示していないが、このための準備室が電子銃15に隣接して設けられており、準備室に移動させたフォトカソード1の表面を調整する。カソード表面の調整には以下のような処理を行う。加熱ヒーターにより半導体表面の酸化物、炭化物を除去する。原子状水素を発生させてクリーニング処理を行うと一層効果がある。その後、酸素雰囲気の中で気化させたCsを半導体表面に吸着させることにより、半導体表面の仕事関数が低下し、真空準位がカソード膜内部の伝導体よりも低い状態が得られる。この結果、p型半導体のバンド間遷移に十分なエネルギーの励起光12の入射により価電子帯から伝導帯に励起された電子は、すでに真空準位よりもポテンシャルエネルギーの高い状態であり、膜表面の電界により真空中に放出される。
　GaAsの場合、励起光の波長は850nm以下であることが必要であり、より好適には780nm～660nmとするとよい。光電膜10内で伝導帯電子が広がってしまうと光源サイズが大きくなる結果、輝度が低下し、顕微鏡向けの電子銃には好ましくないため、光電膜10の厚さは1μｍ程度以下とする必要があり、さらにp型不純物も十分な濃度が必要である。光電膜10を支えるために励起光を吸収しない透明基板11に貼り付けてフォトカソード1とする。GaAsを材料とする光電膜10の透明基板11として、ガラスあるいはGaP等のよりバンドギャップの広い半導体を用いることができる。光電膜10は、透明基板11に直接貼り付けてもよいし、中間層を介して貼り付けてもよい。また、透明基板11として半導体を用いる場合は、エピタキシャル成長により光電膜10を形成してもよく、その場合、中間層となるバッファ層を成長させた上に光電膜10を形成してもよい。
　電子源への加速電圧は、光電膜10に電気的に接触しているカソードホルダ4を介して加速電源5により与えられ、フォトカソード1から発生したパルス電子ビーム13は引き出し電極3との間で加速される。なお、電子銃15の真空容器9は、図示していない真空排気装置、好適にはイオンポンプと非蒸発ゲッタポンプにより排気されている。
　フォトカソード1に対してパルス励起光12を集光する集光レンズ2は透明基板11を通って光電膜10に作る焦点が最小になるように球面収差補正のなされたレンズであり、本例では平行光の直径4～4.2mmであり、NA（Numerical Aperture）は0.5である。この結果、660nmの波長の励起光（レーザー光）の場合、図４Ａの実線Aとして示されるように、光電膜10上で直径1μｍ（半値幅）程度が得られる。平行なパルス励起光12は真空容器9外にある第一のパルス光源7から発し、励起光光学系21と窓6とを介して真空容器9内にもたらされる。一方、励起光光学系21にはより長波長（例えば、850nm）の第二のパルス光源8が設けられている。
　励起光光学系21の構成を図２Ａに示す。第一のパルス光源7から放出される第一のパルス光27は光結合器24を透過してパルス励起光12としてフォトカソード1に向かう。第二のパルス光源8から放出される第二のパルス光28も、パルス励起光12の軌道を通って集光レンズ2により光電膜10に照射される。第二のパルス光源8は微調整マウント51を介して励起光光学系21に接続され、微調整マウント51により第二のパルス光28は光結合器24によりフォトカソード1に向けて反射させられることにより、パルス励起光12の光路と一致してフォトカソードに向かうように調整される。第二のパルス光28は波長850nmの長波長パルス光源22より放出された長波長パルス光52を光変調器23により変調したレーザー光である。
　光変調器23による変調の例としてレーザー光の中心と外周とで位相差をつける位相マスクを用いる例を図３に示す。図３には光変調器23として用いる位相マスクの平面図及び中心部の断面構造を示している。光変調器23は、第二のパルス光28の波長に対して透明で屈折率ｎの板であり、中心に円形の位相シフト領域40が設けられている。位相シフト領域40と周辺領域とは段差がある。この結果、得られる第二のパルス光28は中心部分と外周部分の位相がπずれており、集光レンズ２を通って光電膜10にもたらす光強度分布は図４Ｂのような中心が暗い輪帯状となる。
　位相シフト領域40により光の位相をπシフトさせるため、位相シフト領域40の段差の高さｈ（図３参照）は（数１）を満たす必要がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　光変調器23を石英板（n=1.46）で作製し、第二のパルス光28の波長が850nmの場合には、h=924nmとなる。また、中心部分の光強度を最低にする、すなわち光強度分布を輪帯状にするには、位相シフト領域40の直径ｄ（図３参照）を（数２）で決まるサイズとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、Ｄ（図３参照）は第二のパルス光28の直径である。なお、（数２）は第二のパルス光28の光強度が均一な場合の条件であり、例えば第二のパルス光28がガウシアンビームのような強度分布を有する場合には、それに応じた直径ｄとする必要がある。
　なお、第二のパルス光28の波長の850nmは例示であり、第二のパルス光28の波長は、光電膜10を構成する半導体GaAsのバンドギャップエネルギーとほぼ一致するように定められる。誘導放出を発生させて光電膜10中に励起された電子を再結合させる波長である限り許容される。したがって、光電膜10がGaAs以外のほかの結晶となればその物性により定まる波長、また、超格子構造を備える場合は、形成されるミニバンドのギャップエネルギーに相当する波長になるが、この場合も誘導放出させる波長であるということが条件となる。
　また、第一のパルス光27の光路と第二のパルス光28の光路を結合する光結合器24としては、ハーフミラー、偏光ビームスプリッタ、ダイクロイックミラーなどを用いることができる。光結合器24にダイクロイックミラーを用いて、第一のパルス光27の波長は透過し、第二のパルス光28は反射してそれぞれパルス励起光12の軌道に入るようにすると、光の損失の少ない系とすることができる。
　光電膜10に第一のパルス光27と空間変調された第二のパルス光28を照射することの作用を説明する。図５Ａに、第一のパルス光27の入射により光電膜10中で価電子帯（Valence band）の電子がエネルギーギャップEgを超えて伝導帯（Conduction band）中に励起され、フォノン散乱などによりエネルギーを失い伝導帯の底に一時たまる状態を示している。このときの伝導帯の電子の空間分布が図４Ａの破線Bである。同図実線Aで示した第一のパルス光27の強度分布より電子の散乱や拡散により半値幅で1.5μｍ程度の広がりになる。この電子が真空中に放出されるため、電子ビームのソースサイズは励起光の強度分布よりも広い、半値幅で1.5μｍ程度になる。
　図５Ａの状態に、第二のパルス光28をパルス強度（パルス高さ）、パルス幅及びタイミングを最適化して入射されると、図５Ｂに示すように、第二のパルス光28が当たったところでは伝導帯の電子と価電子帯のホールとが直ちに再結合して光を放出するという誘導放出が発生する。第二のパルス光28の光強度分布は図４Ｂのように輪帯状で中心部分が弱くなっているため、伝導帯中の電子の分布は、図４Ｃに示すように破線Bから実線Cになり、半値幅で1μｍ以下に狭くすることができる。実線Cの広がりに応じて電子が真空中に放出されるため、電子ビームのソースサイズは半値幅で0.8μｍ程度に狭めることが可能になる。
　負の電子親和力を利用した電子源では、電子を放出する領域を小さくすることが電子ビームの高輝度化に極めて有効である。放出領域の面積が大きくても、放出電子の電流密度が同じであれば原理的には高輝度化可能であるものの、高輝度条件では数A/mm2という大電流密度が必要となる。この電流密度で例えば放出領域のサイズを1mm2とすると、数Aの大電流を流すことが必要になる。この場合、発熱によってGaAs光電膜が溶けたり、Csが蒸発したり、あるいは光電膜表面に表面電荷が蓄積するといった副作用が生じ、電子放出を持続させることが困難になる。このような副作用を避けるためには、電子放出領域の面積をできるだけ小さくしてトータルの電流量を低下させる必要がある。
　従来、集光レンズ2として非球面レンズを使用し、励起光を回折限界まで絞ることで、直径1.2～1.5μｍ程度の強度分布とすることができた。これに対して、第二のパルス光28を用いることによって、電子の放出領域を67～53％、面積にして44～28％程度縮小できるため、同じトータル電流であれば、輝度を2～3倍にすることができる。
　このように本実施例では、第一のパルス光27で光電膜10中に生成した伝導帯の電子の外側の部分を第二のパルス光28で消滅させることで、高輝度電子ビームを生成する。第二のパルス光28は、励起された電子を誘導放出によりホールと再結合させる作用をもつ一方で、価電子帯の電子を伝導帯に励起させる作用ももっている。このため、第二のパルス光28がほぼ誘導放出のために使用されるよう、両パルス光の強度とタイミングを最適化する必要がある。
　両パルス光の調整手段について説明する。図２Ｂは、縦軸は強度I、横軸は時間であり、両パルス光強度の時間変化を示している。第一のパルス光27のパルスは強度Ip1、パルス幅Tp1である。パルス幅Tp1は実験の目的に合わせて選べる時間であり、特徴的な値としては１ｐ秒以上でナノ秒、マイクロ秒オーダーでも可能である。強度Ip1は電子銃として必要な輝度に合わせて設定される。これに対して第二のパルス光28のパルスは強度Ip2、パルス幅Tp2である。パルス幅Tp2を決定する第一のパルス光27開始からの第二のパルス光28開始遅れ時間Tr、第一のパルス光27終了からの第二のパルス光28終了遅れ時間Tdは予備実験により最適化される。
　これを実現するため、図１に示すように、本体制御装置32から励起光制御装置31に各パルスの高さとタイミングを示す制御信号33が送られ、励起光制御装置31は第一のパルス光源7と第二のパルス光源8に対してそれぞれのレーザー制御信号37を発してタイミングと強度を調整する。
　開始遅れ時間Tr、終了遅れ時間Tdの大きさについて、原理的には、第一のパルス光27により伝導帯に生成される電子はフェムト秒のオーダーでフォノン散乱によりエネルギーを失い伝導帯の底にたまるが、その後１ピコ秒程度の時間でホールと再結合して消えるので、開始遅れ時間Trは0～0.1ピコ秒、終了遅れ時間Tdは0～1ピコ秒程度から選ばれる。開始遅れ時間Tr、終了遅れ時間Tdを最適化するため、パルス電子ビームの輝度をモニタし、最も高輝度となるように調整する。パルス電子ビーム13の輝度は、電子光学系で得られるSEM像の分解能と明るさから把握できる。また、ファラデーカップ35を電子光学系の中心軸34中に挿入して電流検出器36によりプローブ電流を測定することにより、より簡便にパルス電子ビーム13の輝度を把握することができる。ただし、後述するように、複数の電子レンズ17により縮小された電子ビームは開き角制限のために電流量を減じてアパーチャ38を通過するため、ファラデーカップ35の挿入位置は、アパーチャ38よりも試料20寄りとする必要がある。このようにして得られた輝度情報は、電子銃15の条件最適化のために本体制御装置32にフィードバックされる。
　以上のようにして輝度を高めたパルス電子ビーム13を走査電子顕微鏡に用いることで、より高分解能観察が可能となる。あるいは従来装置と同じ分解能でもプローブ電流を増加できるためより高速な観察が可能になる。特に、本実施例の電子源のエネルギー分布は0.1～0.2eVと、タングステンフィラメントを用いた冷陰極電界放出（CFE）電子源の0.3eVやショットキ―放出（SE）電子源の0.8eVに比べてよくそろっており、特に低加速で色収差低減による分解能向上が可能である。例えば、加速電源5を－2kVとした場合、電子銃から放出される電子ビーム13は放射角電流密度にして39 mA/sr以上が得られる。
　実施例１の構成により小さい電子の光源径800nmが得られ、分解能1nm以下の観察を可能にするために、試料上に結像する電子線プローブのサイズは0.8nm以下とする場合、電子光学系筐体16の電子レンズ17と対物レンズ29によるトータルの縮小率を1/1000程度とすればよい。例えば、対物レンズ29の試料20上への開き半角αoを10mradとなるようにアパーチャ38と光学条件を調節する場合、アパーチャ38を通過できる電子ビームは、電子銃15の光源側のビーム開き半角αsは５μrad以下と極めて狭い範囲のものとなる。この場合でも試料20上に照射する電子のプローブ電流は10pA程度が得られ、感度よく短時間で観察可能である。焦点深度はスポット径／αoとして、100nm程度である。
　また、電子ビーム13がパルス電子ビームであることから時間分解測定においても有用である。
　図６に励起光光学系21の変形例を示す。図６の励起光光学系21には、励起光光学系21の最適化を容易化するためのフォトカソード1からの反射光47を計測するモニタ光学系46を備えている。反射光47を横方向（x方向）に分離する反射光分離器25を光路中に設ける。ここでは、一例として、反射光分離器25に偏光ビームスプリッタ（PBS：Polarized Beam Splitter）を用い、この下に1/4波長板42を設ける。反射光分離器25を透過するパルス励起光12は紙面と平行な電場成分の直線偏光であり、1/4波長板42を通過することにより円偏光となる。集光レンズ2を通過してフォトカソード1から反射する円偏光は、1/4波長板を下から上に通過する際に紙面と垂直な電場成分を持つ直線偏光に変換されるため、反射光分離器（ＰＢＳ）25により反射され、フォトカソード1からの反射光47のみがモニタ光学系46に導入される。反射光47が結像レンズ44を含む結像光学系により撮像素子41上に結像されることにより、フォトカソード1上での励起光の集光位置と焦点形状とを拡大して観察することができる。観察される励起光の集光位置と焦点形状から、第一のパルス光27と第二のパルス光28の焦点位置が一致するように両者の光路を調整される。本構成例では、微調整マウント51により第二のパルス光源8の位置と角度を調整することにより、第一のパルス光27の光路に第二のパルス光28の光路をあわせている。また、モニタ光学系46では、撮像素子41にとって観察光量を最適化するためにNDフィルタ45のような減光手段を設けている。
　さらに、モニタ光学系46に着脱式の偏光子43を設けてもよい。偏光子43を挿入することで直線偏光である反射光47は通過できなくなる。一方、第一のパルス光27と第二のパルス光28とを入射することによって得られる誘導放出光は円偏光であるので、撮像素子41上で観測できる。誘導放出光の強度や形状で第一のパルス光27と第二のパルス光28との入射位置の調整を行うことができる。なお、着脱式に限られず、例えば通過可能な光の偏光方向を切り替え可能な偏光子を使用することも可能である。
　以下、細部の変形例について述べる。
　図１に示した励起光制御装置31から第一のパルス光源7と第二のパルス光源8へのレーザー制御信号37においてタイミング調整のために光信号を用いてもよい。光信号の場合、オプティカルディレーと呼ばれる、光路長を調節することで光伝搬の遅れ時間を設定する装置を用いてタイミング調整することができ、微小時間の調整に有利である。
　また、光変調器23は図３に示したものに限られず、液晶素子などの空間位相変調器を用いてもよい。さらに、フォトカソード1上で中心部分が暗いドーナツ状の焦点形状とする位相変調器として図７Ａに示すスパイラル位相板を用いてもよい。スパイラル位相板70は円形であり、この例では円周方向に８分割され、分割領域71-0から分割領域71-7まで反時計回りに高さが変わっており、一段でπ/4ずつ位相が変化する。反時計回りに隣接する分割領域の段差の高さｈは（数３）となるようにする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　スパイラル位相板を通過した第二のパルス光28は偏光がらせん状になり、集光されてフォトカソード1上に形成される光の強度パターンは図７Ｂのようになり、中心の暗い部分の幅を図３の構造を有する位相板の場合より狭くすることができる。スパイラル位相板を使用する場合には、第一のパルス光27との調整により、より狭い直径0.5μｍほどの電子線の放出源とすることができるので、電子ビームの輝度を4倍以上とすることができる。スパイラル位相板は8分割以上の細かい分割や連続的に高さを変える構造でもよく、一周して２πの位相差となれば同様の効果が得られる。
　また、光電膜10としてGaAsに限られず、他の負の電子親和力により電子放出する材料を用いることができる。例えばGaPや、GaAs-GaP、GaAs-AlAs等の混晶や超格子を用いることができる。第二のパルス光28の波長は光電膜10の材料、構造に応じて選択する必要があることは上述の通りである。
　また、本実施例における第一のパルス光27および第二のパルス光28のパルス幅は典型的には1ｐ秒から1μ秒の間で選ばれる。しかし、光強度を調節することで、その利用パルス幅を広げることが可能であり、例えば、電子顕微鏡の観察時間に応じたミリ秒から数十秒以上の時間幅の連続光としてもよい。
　また、電子線応用装置によって、使用する時間のみ電子ビームの光源サイズを小さくして高輝度化すればよい場合もあり得る。この場合、第一のパルス光27もしくは第二のパルス光28のどちらか一方をパルス光とし、他方を連続光としてもよい。
　本実施例では、図１の電子線応用装置の構成において、第二のパルス光源8に赤外光を用いる。その波長は、光電膜10のバンド間遷移を起こさないが、価電子帯からアクセプタ準位に電子を励起し、ホール（正孔）を生成するエネルギーをもつものである。
　GaN、ダイヤモンドなどのワイドギャップ半導体は、絶縁破壊電界が半導体のSiやGaAsよりもはるかに大きく、この結果バルク中の電子を大量に輸送できるために、大電流密度が必要な電子源として極めて有望である。しかし、GaNやGaInN系の超格子や混晶を負の電子親和力により電子放出させようとすると、電流密度を大きくすることができない。この大きな原因として、p型のドーピングがうまく行かないことにある。
　例えば、Siのような半導体中にアクセプタとなる不純物をドープすると、禁制帯中に生じるアクセプタ準位（acceptor level）の価電子帯からのエネルギーEaは0.05eVと小さく、室温であっても熱エネルギーにより電子がアクセプタに入り負に帯電し、価電子帯には電子の抜けたホールが生じる。このホールは電荷のキャリアとして動き回ることができるので、電気伝導度を高めたり、外部からの電界を緩和するように再分布して表面付近にできる空乏層幅を最小にしたりする。これに対して、ワイドギャップ材の場合、アクセプタ準位のエネルギーEaはGaNで0.1eV、ダイヤモンドで0.5eV程度であり、室温においては熱励起でホール密度を上げることはできない。なお、ワイドギャップ半導体に分類するバンドギャップエネルギーEgに明確な定義はないが、ここではバンドギャップエネルギーEgが3eV以上のものをワイドギャップ半導体とする。
　光電膜10として用いられるp型の不純物をドープしたGaN系ワイドギャップ半導体のエネルギー構造のモデルを図８Ａ～Ｃに示す。真空中で、光電膜10の表面にCsや酸素を吸着させて仕事関数を下げた状態で、光照射していない場合のモデルが図８Ａである。アクセプタはほとんど帯電しておらず、ホール密度も低いために、電荷のキャリアがおらず、内部のポテンシャルと表面のポテンシャルの差で表面近傍は空乏化している。ここに励起光を照射してバンド間遷移により電子とホールを生成しても、電荷のキャリアがほとんどないために、電子とホールの引力や、表面にたまる電荷によるポテンシャル上昇により放出電流密度が十分大きくならず、電子源としては輝度の極めて低いものになる。
　この状態で、赤外の第二のパルス光を照射する。第二のパルス光のエネルギーｈν２はアクセプタ準位のエネルギーEa以上であり、図８Ｂに示すように価電子帯の電子がアクセプタを帯電させることでホールが生成される。なお、ｈはプランク定数、ν２は第二のパルス光の振動数である。この結果、高密度のホールにより内部の電界は小さくなり、表面にごく狭い空乏層を形成する。この状態で、エネルギーｈν１（ν１は第一のパルス光27の振動数）の第一のパルス光27を入射すると、図８Ｃに示すようにバンド間遷移で伝導帯に励起された電子は、高密度で真空中に放出される。
　第二のパルス光の波長としては、バンドギャップエネルギーより十分低く、かつ、アクセプタ準位のエネルギーEa以上のエネルギーであり、波長にして１μｍ以上、長波長限界はGaNで12μｍ、ダイヤモンドで2.45μｍと、バンドギャップエネルギーごとに決めればよい。
　ホールを生成する赤外光は連続照射すると光電膜10の温度上昇を招き、Cs蒸発や結晶の劣化などを招き、電子源として安定な電子放出ができなくなるので、第一のパルス光27に同期させて照射することが効果的であり、タイミングとしては第一のパルス光27照射と同時かやや先行させる。この関係を図９に示す。縦軸は強度I、横軸は時間であり、両パルス光強度の時間変化を示している。第一のパルス光27のパルスは強度Ip1、パルス幅Tp1、第二のパルス光のパルスは強度Ip2、パルス幅Tp2である。第一のパルス光27の立ち上がりに対する第二のパルス光の立ち上がりの先行時間－Tr、及び第一のパルス光27の立下りに対する第二のパルス光の立下りの先行時間－Tdは、0から数ｐ秒程度の間で最適化され、強度Ip1, Ip2とともに、最大の輝度が得られるように、実施例１と同様、電子光学系におけるプローブ電流量や分解能などの情報がフィードバックされて決定される。
　光電膜10のワイドギャップ材料は、GaN、ダイヤモンドに限られず、AlGaN、GaInNなどの混晶やこれらとGaNなどとの超格子を用いてもよい。
　ここで、ホールを生成する光は、長波長の赤外線を直接、フォトカソード上の第一のパルス光27の集光位置に照射する（この場合は、第一のパルス光27の光路と第二のパルス光の光路を結合する必要がないので励起光光学系21を不要にできる）のに代えて、２つの波長の光を組合せて用いてもよい。図１０に、この場合の励起光光学系21の構成例を示す。光結合器24bにより、第三のパルス光源53からの第三のパルス光54の光路を、第二のパルス光源22より放出された第二のパルス光52の光路に一致させて、第二のパルス光52及び第三のパルス光54をフォトカソード1に照射する。第二のパルス光52と第三のパルス光54のそれぞれの波長は、光電膜10においてバンド間遷移を引き起こさないような長波長で、両者のエネルギーの差がアクセプタ準位のエネルギーEa以上となるようにする。この構成では、第二のパルス光52及び第三のパルス光54として可視光あるいは近赤外光を使えるために、集光レンズ2の屈折率が理想的に近い条件で使える。したがって、赤外光を直接照射するよりも、光の照射による温度上昇が生じる範囲を電子放出源近傍のみの最低限としながら、ホール密度を上げることができる。また、共鳴的にアクセプタの帯電とホールの生成が可能となるので、反応断面積（scattering cross section）が大きくなり、効率が高くなるという利点がある。
　なお、第二のパルス光52と第三のパルス光54とを同時照射すると、二光子吸収によりバンド間遷移が生じるおそれがある。このバンド間遷移を防ぐために、それぞれのエネルギーをバンドギャップエネルギーEgの1/2以下にするとよい。また、最大の輝度が得られるように、第二のパルス光52及び第三のパルス光54の強度及び第一のパルス光27の照射タイミングに対する第二のパルス光52及び第三のパルス光54の照射タイミングは、実施例１と同様、電子光学系におけるプローブ電流量や分解能などの情報がフィードバックされて決定される。
　なお、赤外光照射は、ワイドギャップ半導体を含む光電膜のみならず、GaAsなどの、バンドギャップエネルギーEgが1eV前後である光電膜10に対しても輝度を高める効果がある。
　GaAsもしくはGaAsを主体とする光電膜10を負の電子親和力の電子源とした場合、電子放出初期においては図１１Ａに示すように、第一のパルス光27によるエネルギーｈν１の光励起により伝導帯に励起された電子は、低下した真空準位を超えて真空中に放出される。しかし時間経過とともに表面の内部で散乱された電子が、表面準位（surface state）のような抜けにくい準位にトラップされる。図１１Ｂは電子が表面準位にトラップされた状態を示し、これにより光電膜10表面の電子ポテンシャルエネルギーが増加するため、電子放出量が減少する。これが輝度の制限の原因の一つとなっている。
　そこで、赤外光である第二のパルス光を入射し、図１１Ｃのように表面準位にトラップされた電子を光によって伝導帯もしくは真空準位にまで励起して取り除くことにより、輝度の低下を防ぐことができる。表面準位のポテンシャルエネルギーは禁制帯の中央付近であり、GaAsの場合、バンドギャップエネルギーEgの半分の0.7eV程度である。したがって第二のパルス光のエネルギーｈν２を0.7eV以上で1.4eV未満とすると、表面準位にとらえられた電子を励起し、固体中でドリフト、拡散により除去、あるいは真空中に放出することで電子放出が持続し、高輝度化が達成される。
　この場合の第一のパルス光27に対する第二のパルス光のタイミングは、同時に照射するか、あるいは図２Ｂのように、第二のパルス光の照射タイミングを少し遅らせるように調整するとよい。
　本実施例では、図１の電子線応用装置の構成において、第二のパルス光としてラジアル偏光した長波長光を用いる。このため、第二のパルス光源8として長波長のラジアル偏光ビームを発生する光源を用いる。ラジアル偏光ビームでは、図１２Ａに示すように平行光の断面における光の電場方位55が放射状になっており、集光レンズ2によりフォトカソード1に形成される焦点においては、図１２Ｂに示すように電場方位が光電膜10表面と垂直になる。
　このようなラジアル偏光の発生方法としては、様々な技術が開発されている。例えば、ラジアル／アジマス変換プレート（Spatially-variant waveplate）あるいは円錐ブリュースタープリズムを用いて直線偏光を変換することができる。第二のパルス光源8において、光変調器23に代えてこれらの光学素子を適用すればよい。他にも、微細構造パターンのアンテナにパルス電圧を印加する、などの手法を用いてラジアル偏光を発生させることもできる。
　第一のパルス光27を光電膜10に照射して電子放出を行わせる状態において、ラジアル偏光ビームを照射した場合のエネルギーモデルを図１３に示す。第二のパルス光を照射しない場合の真空準位60は距離ｚに対して一様に変化している。これは、フォトカソード1と引き出し電極3の間の電位差により両者の間に電界がかかっているからである（図１参照）。この状態で光電膜10から電子放出させる場合、図１３中に領域Ｓとして示す光電膜10表面のごく近傍では放出電子の速度は小さい。このため、放出電子密度を大きくしていくと、電子の速度が遅いために、領域Ｓでは先に出た電子が後から来る電子の放出を阻害したり、両者間のクーロン力により、エネルギー幅が広がったり、横方向に軌道が広がったりといった現象が発生する。これらは空間電荷効果と呼ばれ、真空中に電子放出する電子源の輝度の制限になったり、エネルギー分布を広げてしまったりと、電子顕微鏡向けの電子ビームの品質劣化を招く。
　これに対して、ラジアル偏光した第二のパルス光を集束させて照射すると、図１３に示すように、表面に対して負の電場が重畳された真空準位61（破線）と表面に対して正の電場が重畳された真空準位62（点線）の間を時間的に振動する状態が得られる。空間電荷効果を低減するには領域Ｓ中の電子をより短時間で加速するとよい。すなわち、正の電場が重畳された真空準位62の状態にあるタイミングで、第一のパルス光27を照射し、光電膜10から電子放出させるとよい。
　図１４に時間を横軸にとり、第一のパルス光27と第二のパルス光の照射タイミングを示す。波形８１は第一のパルス光27の強度I、波形８２は第二のパルス光による光電膜10表面の電界Fの時間変化を示している。上述の通り、第二のパルス光による電界Fが正である時間帯に第一のパルス光27を照射することにより空間電荷効果を低減でき、光電膜10の高輝度化を図ることができる。第一のパルス光のパルス幅Tp1を1ｐ秒とすると、第二のパルス光の振動する電界の正の部分の時間は＞1ｐ秒とする必要があるので、例えば、振動周期は2ｐ秒とすると、周波数にして0.5THz、波長にして600μｍとなる。第二のパルス光のパルス幅Tp2は数ｐ秒であり、第一のパルス光27の立ち上がりに対する第二のパルス光の立ち上がりの先行時間－Trも数ｐ秒程度となる。実施例１と同様、先行時間－Trの大きさは電子光学系での輝度計測結果に基づき最適化される。
　第一のパルス光27のパルス幅の時間を短くしてゆくと第二のパルス光の周波数はテラヘルツオーダーが選ばれる。例えば、第一のパルス光27のパルス幅がより短い0.1ｐ秒である場合には、第二のパルス光の波長は60μｍ以上とされる。
　このように、本実施例では正の電場が重畳されているタイミングで電子放出するため、図１３に示されるように、正の電場が重畳された真空準位62により加速され、真空中では電子のエネルギーは保存されるので、加速は時間的に変化する電界により多少異なるとしても、同じポテンシャルエネルギーから放出された電子は、光電膜10から十分離れたところでは決まった速度となる。このことは電子源から放出される電子ビームのエネルギーの広がりは狭いまま電子光学系へと導かれることにより、色収差低減による分解能向上や、短パルスの実験が行えるという利点がある。
　図１５Ａ，Ｂに本実施例における第二のパルス光向けの好適な集束光学系の例を示す。第一のパルス光27は集光レンズ2によりフォトカソード1に向かって集光される。一方、屈折率には波長依存性があるため、集光レンズ2に対して第二のパルス光の波長が長すぎると、集光レンズ2では第二のパルス光を十分に集光できない場合がある。このような場合には、光の波長依存性の小さいミラーを使うことが有効である。例えば、図１５Ａのように、ミラーを用いる反射対物レンズ56を用いるとよい。第二のパルス光は凹面ミラー57の上部に空いた穴を通って、凸面ミラー58により反射され、凹面ミラー57によりフォトカソード1に集光される。凸面ミラー58には第一のパルス光27が透過できるよう、ダイクロイックミラーを用いる。
　あるいは、図１５Ｂのように、第二のパルス光を第一のパルス光27とは別の方向から導入し、放物面ミラー59などで集光してもよい（この場合は、第一のパルス光27の光路と第二のパルス光の光路を結合する必要がないので励起光光学系21を不要にできる）。図１５Ｂのように、第二のパルス光が平行ビームである場合には、放物面ミラー59を用いるのに対して、第二のパルス光が小さい点光源からの発散ビームである場合には、楕円面ミラーを用いるとよい。
　これらミラーによる第二のパルス光の集光はフォトカソード1の下面、すなわちフォトカソード1を挟んで集光レンズ2の反対側にミラーを配置して行ってもよい。さらに、第一のパルス光27の集束に反射対物レンズ56や放物面ミラー59を用いてもよい。
　フォトカソード1の光電膜10としては、GaAsに限らず、GaP, AlGaAs, GaN, InGaNなどでもよく、また、金などの金属膜でも電子放出時の空間電荷効果を低減することができる。
　以上、本発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能なものである。各実施例を単独でなく組み合わせて適用しても効果がある。また、電子線応用装置の例として走査電子顕微鏡を例に説明したが、透過電子顕微鏡、走査透過電子顕微鏡などの各種電子線応用装置に適用できる。また、電子ビームが照射されることにより発生する電子（二次電子、反射電子等）を検出する電子検出器を備える電子線応用装置に限られず、特性Ｘ線を検出する検出器など他の検出器を備えていてもよい。いずれも、高輝度なパルス電子ビームが得られることで、顕微鏡画像の更なる高分解能化や測定の高速化、高機能化が可能となる。
1：フォトカソード、2：集光レンズ、3：引き出し電極、4：カソードホルダ、5：加速電源、6：窓、7：第一のパルス光源、8：第二のパルス光源、9：真空容器、10：光電膜、11：透明基板、12：パルス励起光、13：パルス電子ビーム、14：開口部、15：電子銃、16：電子光学系筐体、17：電子レンズ、18：偏向器、19：電子検出器、20：試料、21：励起光光学系、22：長波長パルス光源、23：光変調器、24, 24b：光結合器、25：反射光分離器、27：第一のパルス光、28：第二のパルス光、29：対物レンズ、31：励起光制御装置、32：本体制御装置、33：制御信号、34：中心軸、35：ファラデーカップ、36：電流検出器、37：レーザー制御信号、38：アパーチャ、40：位相シフト領域、41：撮像素子、42：1/4波長板、43：偏光子、44：結像レンズ、45：ＮＤフィルタ、46：モニタ光学系、47：反射光、51：微調整マウント、52：長波長パルス光、53：第三のパルス光源、54：第三のパルス光、55：電場方位、56：反射対物レンズ、57：凹面ミラー、58：凸面ミラー、59：放物面ミラー、60, 61, 62：真空準位、70：スパイラル位相板、71-0～7：分割領域、81, 82：波形。

Claims (15)

  1. 　光電膜を備えるフォトカソードと、
    　第一のパルス光を放出する第一のパルス光源と、
    　前記第一のパルス光よりも長波長であって輪帯状の光強度分布を有する第二のパルス光を放出する第二のパルス光源と、
    　前記第一のパルス光の光路と前記第二のパルス光の光路とを結合させて出射する励起光光学系と、
    　前記励起光光学系から出射された前記第一のパルス光及び前記第二のパルス光を前記フォトカソードに集光する集光レンズと、
    　前記フォトカソードから放出される電子ビームを試料に照射する電子光学系とを備える電子線応用装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記第二のパルス光の波長は、前記光電膜において励起された電子を誘導放出によりホールと再結合させる波長である電子線応用装置。
  3. 　請求項１において、
    　前記第二のパルス光源は、前記第二のパルス光の光強度分布を輪帯状とする光変調器を備え、
    　前記光変調器は、位相マスクあるいは空間位相変調器、またはスパイラル位相板である電子線応用装置。
  4. 　請求項１において、
    　前記励起光光学系は、前記フォトカソードからの反射光を計測するモニタ光学系を備え、
    　前記モニタ光学系は、前記第一のパルス光及び前記第二のパルス光の光路に挿入される1/4波長板と、前記第一のパルス光及び前記第二のパルス光の光路に挿入され、前記1/4波長板を通過した反射光を前記第一のパルス光及び前記第二のパルス光の光路から分離する反射光分離器と、前記反射光分離器からの反射光を撮像装置に結像させる結像光学系を備える電子線応用装置。
  5. 　請求項４において、
    　前記モニタ光学系は、前記結像光学系と前記反射光分離器との間に前記反射光分離器からの反射光と同じ偏光方向の光を通過できなくする偏光子を挿入可能とされている電子線応用装置。
  6. 　請求項１において、
    　前記第一のパルス光及び前記第二のパルス光の光強度、及び前記第一のパルス光の前記フォトカソードへの照射タイミングに対する前記第二のパルス光の前記フォトカソードへの照射タイミングを制御する制御装置と、
    　前記電子光学系は、前記試料に照射される前記電子ビームの開き角を制限するアパーチャを備え、
    　前記第二のパルス光の光強度、及び前記第一のパルス光の前記フォトカソードへの照射タイミングに対する前記第二のパルス光の前記フォトカソードへの照射タイミングは、前記電子光学系が前記電子ビームを前記試料に照射することによって得られる前記試料の像または前記アパーチャを通過した前記電子ビームの電流量に基づき最適化される電子線応用装置。
  7. 　光電膜を備えるフォトカソードと、
    　第一のパルス光を放出する第一のパルス光源と、
    　赤外光である第二のパルス光を放出する第二のパルス光源と、
    　前記第一のパルス光を前記フォトカソードに集光する集光レンズと、
    　前記フォトカソードから放出される電子ビームを試料に照射する電子光学系とを備える電子線応用装置。
  8. 　請求項７において、
    　前記光電膜はバンドギャップエネルギーが3eV以上のワイドギャップ半導体を含み、
    　前記第二のパルス光のエネルギーは、前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップエネルギーよりも低く、前記ワイドギャップ半導体のアクセプタ準位のエネルギー以上である電子線応用装置。
  9. 　請求項７において、
    　前記第二のパルス光の波長は、前記光電膜の表面準位にトラップされた電子を伝導帯または真空準位まで励起させることが可能な波長である電子線応用装置。
  10. 　光電膜を備えるフォトカソードと、
    　第一のパルス光を放出する第一のパルス光源と、
    　第二のパルス光を放出する第二のパルス光源と、
    　第三のパルス光を放出する第三のパルス光源と、
    　前記第二のパルス光の光路と前記第三のパルス光の光路とを結合させる第１の光結合器と、前記第１の光結合器からのパルス光と前記第一のパルス光とを結合させる第２の光結合器とを有する励起光光学系と、
    　前記励起光光学系から出射された前記第一のパルス光、前記第二のパルス光及び前記第三のパルス光を前記フォトカソードに集光する集光レンズと、
    　前記フォトカソードから放出される電子ビームを試料に照射する電子光学系とを備え、
    　前記光電膜はバンドギャップエネルギーが3eV以上のワイドギャップ半導体を含み、
    　前記第二のパルス光のエネルギーと前記第三のパルス光のエネルギーとの差は、前記ワイドギャップ半導体のアクセプタ準位のエネルギー以上である電子線応用装置。
  11. 　請求項１０において、
    　前記第二のパルス光のエネルギーと前記第三のパルス光のエネルギーは、それぞれ前記ワイドギャップ半導体のバンドギャップエネルギーの１／２以下である電子線応用装置。
  12. 　光電膜を備えるフォトカソードと、
    　第一のパルス光を放出する第一のパルス光源と、
    　前記第一のパルス光よりも長波長であってラジアル偏光した第二のパルス光を放出する第二のパルス光源と、
    　前記第一のパルス光を前記フォトカソードに集光する集光レンズと、
    　前記第二のパルス光を前記フォトカソード上の前記第一のパルス光の集光位置に集光させる集束光学系と、
    　前記第一のパルス光の前記フォトカソードへの照射タイミングに対する前記第二のパルス光の前記フォトカソードへの照射タイミングを制御する制御装置と、
    　前記フォトカソードから放出される電子ビームを試料に照射する電子光学系とを備え、
    　前記制御装置は、前記第二のパルス光の照射により前記光電膜表面の電界が正である時間帯に前記第一のパルス光を照射するよう制御する電子線応用装置。
  13. 　請求項１２において、
    　前記第一のパルス光の光路と前記第二のパルス光の光路とを結合させて出射する励起光光学系を備え、
    　前記集束光学系は反射対物レンズを備える電子線応用装置。
  14. 　請求項１２において、
    　前記第二のパルス光は前記第一のパルス光とは異なる方向から入射され、ミラーにより前記フォトカソード上の前記第一のパルス光の集光位置に集光される電子線応用装置。
  15. 　光電膜を備えるフォトカソードから電子ビームを発生させる電子ビーム発生方法であって、
    　第一のパルス光を集光レンズにより前記フォトカソード上に集光させ、
    　前記第一のパルス光よりも長波長であって輪帯状の光強度分布を有する第二のパルス光を、前記フォトカソード上の前記第一のパルス光の集光位置に集光させる電子ビーム発生方法。
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