WO2023248272A1 - 電子顕微鏡およびその画像撮影方法 - Google Patents
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- H01J37/18—Vacuum locks ; Means for obtaining or maintaining the desired pressure within the vessel
Definitions
- the present invention relates to an electron microscope as an electron beam application device equipped with an electron gun using a photoelectric film, and an image capturing method thereof.
- a scanning electron microscope irradiates a sample with a focused electron beam (an electron beam can also be referred to as an electron beam), detects the emitted electrons, and displays the signal intensity at each irradiation point. ), it is possible to measure the surface morphology and composition distribution of a sample.
- a high-brightness electron source is required.
- Field emission (FE) electron sources which utilize electrons emitted by applying a strong electric field to the tip of a needle-shaped electrode, are widely used as high-brightness electron sources for SEMs.
- the energy width of the electron beam emitted from an electron source using a photoelectric film with a high-brightness NEA surface is smaller than that of a cold cathode type FE electron source, so the energy is approximately 1 keV or less, which is especially advantageous for observing the sample electrode surface. It has the feature of providing high observation performance under the following irradiation conditions.
- the vacuum level becomes lower than the energy level at the bottom of the conduction band of the photoelectric film.
- GaAs gallium arsenide
- the angular range of electrons emitted from the NEA surface of a photoelectric film composed of p-type GaAs is small, approximately 10 degrees or less, depending on the effective mass of electrons in GaAs.
- an electron gun that uses the NEA surface of a photoelectric film made of p-type GaAs consists of a differential pumping structure with several stages, and the emitted electron beam passes through an aperture placed between the differential pumping chambers. The trajectory is adjusted accordingly. This allows the electron beam emitted from the NEA surface to be used as an electron microscope probe.
- the electron beam passing holes of the differential exhaust aperture placed on the path of the electron beam serving as the probe are all placed at axially symmetrical positions, so that there is no space between the sample and the electron source. There exists a path through which gas molecules can pass unobstructed. In this case, gas molecules flow into the electron gun chamber from the sample chamber, which has a relatively low degree of vacuum. When gas molecules reach the vicinity of the electron emitting part of the photoelectric film, the NEA surface deteriorates due to gas adsorption to the photoelectric film.
- the NEA surface deteriorates due to a mechanism called ion feedback, in which electrons emitted from the photoelectric film collide with gas molecules, and the gas molecules are ionized, accelerated, and collide with the photoelectric film.
- ion feedback in which electrons emitted from the photoelectric film collide with gas molecules, and the gas molecules are ionized, accelerated, and collide with the photoelectric film.
- electron sources using a photoelectric film in which the active layer is made of p-type GaAs have problems such as reduced brightness characteristics caused by gas molecules, unstable emission current, and shortened lifetime of the NEA surface. Become.
- An electron microscope that is an embodiment of the present invention includes an excitation light source that generates excitation light, a photoelectric film (photocathode) formed on a transparent substrate, and a device that focuses the excitation light toward the photoelectric film.
- a condensing lens is disposed facing the photoelectric film, and the excitation light focused by the condensing lens is transmitted through the transparent substrate of the photoelectric film and is incident, thereby collecting electrons from the photoelectric film.
- an anode electrode that generates an electron beam and accelerates the electron beam; a first differential exhaust aperture that is disposed on the photoelectric film side and has a first passage hole; and a side closer to the sample than the first differential exhaust aperture.
- An electron microscope is provided with a second differential exhaust aperture having a second passage hole disposed in the electron optical system and arranged axially symmetrically with respect to the electron optical system, wherein the first passage hole of the first differential exhaust aperture is a deflector arranged axisymmetrically with respect to the electron optical system, arranged between the first differential exhaust aperture and the second differential exhaust aperture, and adjusting the trajectory of the electron beam. .
- the electron beam generated by irradiating excitation light off-axis of the anode electrode facing the photoelectric film is focused by the electrostatic lens action formed in the gap between the photoelectric film and the anode electrode, and then moves away from the axis of the anode electrode. deflected in the direction This deflected electron beam is passed through the first passage hole of the first differential exhaust aperture arranged non-axisymmetrically outside the optical axis, and then returned to the second differential exhaust aperture arranged axisymmetrically.
- the electron beam passing through the second passage hole is used as a probe of an electron microscope.
- the above electron gun structure is particularly useful for obtaining high spatial resolution in electron microscopes, such as the high brightness characteristics and monochromaticity of an electron source using a photoelectric film made of p-type GaA with an NEA surface.
- Gas molecules flowing into the electron gun chamber from a vacuum chamber with a relatively low degree of vacuum can be prevented from reaching the electron emitting portion of the photoelectric film without sacrificing the above features.
- This reduces the reduction in brightness characteristics caused by adsorption of gas molecules on the photoelectric film surface and ion feedback, stabilizes the emission current, and extends the life of the NEA surface.
- FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration example of an electron gun according to a first embodiment
- FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration example of an electron gun of a comparative example.
- 1 is a diagram showing a schematic configuration example and potential distribution of an electron gun according to a first example
- FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration diagram of a scanning electron microscope according to a first example.
- FIG. 3 is a diagram showing temporal fluctuations in cathode voltage according to the first example.
- 1 is a diagram schematically showing an electron beam control method according to a first embodiment
- FIG. FIG. 3 is a diagram showing a first configuration example of a first differential exhaust throttle according to the first embodiment.
- FIG. 7 is a diagram showing a second configuration example of the first differential exhaust throttle according to the first embodiment.
- FIG. 7 is a diagram showing a third configuration example of the first differential exhaust throttle according to the first embodiment.
- 7 is a graph showing the relationship between the off-axis amount of an excitation point and the deflection angle of an electron beam according to the first example.
- FIG. 7 is a diagram showing a fourth configuration example of the first differential exhaust throttle according to the first embodiment. It is a figure which shows the 5th example of a structure of the 1st differential exhaust throttle based on 1st Example. It is a figure which shows the 6th example of a structure of the 1st differential exhaust throttle based on 1st Example.
- FIG. 7 is a diagram schematically showing an excitation optical system and an electron gun according to a second embodiment.
- FIG. 7 is a diagram schematically showing an excitation optical system according to a third example.
- FIG. 7 is a diagram schematically showing an excitation optical system according to a fourth example.
- 3 is a flowchart showing an adjustment procedure for the electron gun according to the first embodiment.
- 3 is a flowchart showing an adjustment procedure for the electron gun according to the first embodiment.
- FIG. 3 is a diagram illustrating a passage hole of a differential exhaust aperture of an electron gun according to a first example and a passage hole of a differential exhaust aperture of an electron gun of a comparative example.
- 1 is a flowchart showing an image capturing method of an electron microscope according to a first embodiment.
- FIG. 1 is a diagram showing an example of a schematic configuration of an electron gun according to a first embodiment.
- FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration example of an electron gun of a comparative example.
- FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration example and potential distribution of an electron gun according to the first embodiment.
- FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration example of a scanning electron microscope according to the first embodiment.
- FIG. 15 is a diagram illustrating the passage hole of the differential exhaust aperture of the electron gun according to the example and the passage hole of the differential exhaust aperture of the electron gun of the comparative example.
- FIG. 1 shows an example of an electron gun structure according to an embodiment of the present invention.
- a configuration in which the electron gun 10 of this embodiment is mounted on a scanning electron microscope 100 will be described.
- a method for controlling the trajectory of the electron beam 5 emitted from the photoelectric film 1 will be mainly explained, and details of the configuration and mechanism of the excitation optical system will be shown in embodiment 2 and thereafter.
- the electron beam 5 can be referred to as an electron beam.
- the photoelectric film 1 is a photoelectric film whose surface has negative electron affinity (NEA).
- the configuration of the photocathode (photocathode) used in this example is as follows: A semiconductor photoelectric film (hereinafter referred to as photoelectric film) 1 that emits electrons upon irradiation with excitation light is formed on a transparent substrate 2.
- the photocathode will be referred to as a photoelectric film 1.
- the electron gun 10 of this embodiment includes a photoelectric film 1 formed on a transparent substrate 2, a condenser lens 3, and an excitation optical system that focuses and irradiates excitation light 15 from an excitation light source 14 onto the photoelectric film 1.
- the excitation optical system 4 includes an excitation light source 14, a viewing port 16, a condenser lens 3, a transparent substrate 2, and a photoelectric film 1) and a photocathode, and is arranged to face the photoelectric film 1. It is provided to maintain an extremely high vacuum around the anode electrode 6 and the photoelectric film 1 for accelerating the beam 5, and has a passage hole (first passage hole) 7A for the electron beam 5 at a non-axis symmetrical position.
- the deflector 9 can be configured with multiple stages, and is arranged between the first differential exhaust throttle 7 and the second differential exhaust throttle 8.
- the deflector 9 deflects the electron beam 5 that has passed through the passage hole 7A of the first differential exhaust aperture 7 onto the optical axis of the electron optical system before passing through the second differential exhaust aperture 8.
- the controller 24 controls the electron beam 5 to pass through the passage hole 8A of the second differential exhaust throttle 8.
- the above axis or optical axis is such that the electron optical system inside the electron microscope 100, including the electrode for extracting the electron beam 5 from the photoelectric film 1 and the lens 3 for focusing the electron beam 5, has an ideal axis-symmetrical structure.
- This is an expression that assumes that In the actual device configuration of the electron microscope 100, due to processing precision and assembly precision of parts and members, even if each component is axially symmetrical, the axes do not necessarily all overlap on the same straight line. Therefore, it is necessary to appropriately control the trajectory of the irradiated electron beam 5 using various alignment means such as the deflector 9 to adjust the axis for a specific component.
- the shafts to be passed through each component will be supplemented as appropriate in the description of the embodiments below.
- FIG. 1 illustrates an electron gun 10 in which a photoelectric film 1 is placed.
- the electron gun 10 is installed in an electron gun chamber (also referred to as a vacuum chamber) 11, and the inside of the electron gun chamber 11 is maintained at an extremely high vacuum by an evacuation equipment 13.
- An ion pump, a non-evaporative getter pump (NEG), or the like is used as the vacuum evacuation equipment 13 for maintaining the area around the photoelectric film 1 in an extremely high vacuum.
- the evacuation equipment 13 includes a first evacuation equipment 13a and a second evacuation equipment 13b.
- the photoelectric film 1 is placed in a vacuum chamber 11 together with a condensing lens 3, and excitation light 15 emitted from an excitation light source 14 placed outside the vacuum chamber 11 passes through a viewing port 16 and is emitted onto the back surface of the photoelectric film 1.
- the light is focused onto the photoelectric film 1 by the placed focusing lens 3. This focused position becomes an excitation point 17 of the photoelectric film 1, and the emitted electron beam 5 is used as a probe of the scanning electron microscope 100.
- a continuous electron beam referred to as continuous electron beam
- pulsed light is irradiated, the pulse width and pulse period are similar to that of the excitation light 15.
- a pulsed electron beam (referred to as a pulsed electron beam) 5 is emitted.
- the structure of the electron gun 10 of this embodiment is effective for both continuous electron beam and pulsed electron beam usage conditions.
- the excitation light 15 transmitted through the transparent substrate 2 can be condensed with a large numerical aperture of 0.5 or more.
- the condensing diameter of the excitation light 15 having the wavelength ⁇ that is condensed onto the photoelectric film 1 by the condensing lens 3 having the numerical aperture NA is approximately the same as ⁇ /NA.
- the size of the electron emission region of the photoelectric film 1 is approximately the same as the condensing diameter of the excitation light 15.
- the lower end of the conduction band becomes a higher energy level than the vacuum level, and the electron beam 5 excited from the valence band to the conduction band by the irradiation of the excitation light 15 becomes a photoelectric layer. It is efficiently discharged from the inside of the membrane 1 into the vacuum region.
- the active layer of the photoelectric film 1 is p-type GaAs
- the effective mass of electrons excited by light irradiation is as small as 0.067 times that of electrons in vacuum.
- the angle is small, about 10 degrees or less. Due to the above factors, high brightness characteristics can be obtained.
- the passage hole 7Ar provided in the first differential exhaust throttle 7r and the passage hole 8A provided in the second differential exhaust throttle 8 are arranged in a straight line, and the passage hole 7Ar and the passage hole 8A are both arranged in a straight line. , arranged in an axially symmetrical position.
- the passage hole 7A provided in the first differential exhaust aperture 7 of the scanning electron microscope 100 is non-axial with respect to the central axis 7ac of the first differential exhaust aperture 7. They are placed in symmetrical positions.
- the passage hole 8A provided in the second differential exhaust throttle 8 is provided at a position axially symmetrical with respect to the central axis 8ac of the second differential exhaust throttle 8.
- the passage hole 7Ar provided in the first differential exhaust aperture 7r of the scanning electron microscope 100r is located at a position axially symmetrical with respect to the central axis 7ac of the first differential exhaust aperture 7. It is provided. Further, the passage hole 8A provided in the second differential exhaust throttle 8 is provided at a position axially symmetrical with respect to the central axis 8ac of the second differential exhaust throttle 8.
- the applied voltage 19 to the photoelectric film 1 is set to V 0 ( ⁇ 0 V), and the applied voltage 20 to the anode electrode 6 is set to the ground potential (0 V), so that the energy of the electron beam 5 passing through the anode electrode 6 is , e is the elementary charge and the configuration is
- the anode electrode 6 has multiple stages, such as a first anode electrode for controlling the electric field strength near the photoelectric film 1 and a second anode electrode for accelerating after passing through the first anode electrode.
- the anode electrode may be configured so that different voltages can be applied.
- any point on the photoelectric film 1 can be the excitation point 17.
- the excitation light 15 is focused and irradiated so that the excitation point 17 on the photoelectric film 1 is off the axis of the anode electrode 6, the electron beam 5 emitted from the photoelectric film 1 is as shown in FIGS. 1 and 3.
- the light After being focused by the convex lens action 21, the light is deflected away from the axis (center axis) 12 of the anode electrode 6 by the concave lens action 22.
- the position of the excitation point 17 on the photoelectric film 1 is adjusted so that the electron beam 5 passes through the first differential pumping aperture 7 having a passage hole 7A at a non-axis symmetrical position.
- the deflection angle of the electron beam 5 due to the concave lens action 22 formed near the anode electrode 6 is assumed to be ⁇ 0.
- the deflection angle ⁇ 0 does not change even if the applied voltage 19 (V 0 ) to the photoelectric film 1 is changed.
- the off-axis amount (di) of the excitation point 17 is defined as the distance between the position of the excitation point 17 on the photoelectric film 1 and the position of the axis 12 of the anode electrode 6.
- the electron beam 5 deflected by the concave lens action 22 formed near the anode electrode 6 is caused to pass through the first differential pumping aperture 7 having a passage hole 7A at a non-axisymmetric position.
- a second differential exhaust throttle 8 disposed directly below the first differential exhaust throttle 7 has a passage hole 8A at an axially symmetrical position.
- an exhaust device exhaust pump
- the pressure range around the sample 23 can be set to, for example, several tens of Pa to several hundreds of Pa. Gas flows from the vacuum chamber side of the sample chamber 18, which has a relatively low degree of vacuum, into the vacuum chamber (for example, the electron gun chamber 11) on the electron gun 10 side, which has a high degree of vacuum.
- a deflector 9 is arranged between the first differential exhaust throttle 7 and the second differential exhaust throttle 8.
- the deflector 9 (9A, 9B: see FIG. 4) deflects the electron beam 5, which has passed through the passage hole 7A arranged at a non-axisymmetric position, through the passage hole 8A of the second differential exhaust aperture 8. pass.
- the position of the passage hole 7A is arranged in a non-axis symmetrical position, and the position of the passage hole 7A and the position of the passage hole 8A are not arranged in a straight line.
- the electron beam 5 is conveyed to the sample 23 by deflection control by the deflector 9 without shielding the central portion where the current density is high. Therefore, the electron beam 5 emitted from the photoelectric film 1 can be used as a probe electron beam for the electron microscope 100 without impairing the high brightness characteristic of the NEA surface.
- the probe electron beam 5 that can be used in this way has higher current stability than the configuration of the comparative example (see FIG. 2), and the gas molecules do not reach the NEA surface of the photoelectric film 1. can achieve longer service life. Further, as the life of the NEA surface of the photoelectric film 1 is extended, the frequency of surface activation treatment for regenerating the NEA surface of the photoelectric film 1 can be reduced, so that the downtime of the electron microscope 100 can be reduced.
- a multi-stage deflector 9 (9A, 9B: see FIG. 4) used for trajectory control to deflect back the electron beam 5 that has passed through the first differential exhaust aperture 7 having a passage hole 7A at a non-axisymmetric position is a static Either electric type (electric field type) or electromagnetic type (magnetic field type) may be used.
- electric field type electric field type
- electromagnetic field type electromagnetic field type
- the components mounted in the electron gun chamber 11 be made of a material that is heat resistant to 200° C. or higher and that releases less gas in an extremely high vacuum environment.
- deflection chromatic aberration in which the amount of deflection depends on the energy of the electron beam 5, becomes a problem.
- the adverse effects of this deflection chromatic aberration are likely to become apparent particularly under irradiation conditions where the irradiation energy of the electron beam 5 is low.
- FIG. 5 is a diagram showing temporal fluctuations in cathode voltage according to the first example.
- the electron lens 32 closest to the photoelectric film 1 is an electrostatic type Einzel lens.
- the electron beam 5 scans over the sample 23 while being focused by an objective lens 34 at the final stage, and signal electrons 35 generated at each point are detected by a detector 36 to obtain an SEM image.
- the alignment condition of the deflector 9 is the optimal alignment condition, if the cathode voltage 19 (V 0 ) is changed over time with an appropriate voltage amplitude ⁇ V (see Fig.
- the voltage amplitude ⁇ V of the cathode voltage 19 (V 0 ) during time fluctuation is determined so that image shaking can be determined with an appropriate amount of blur on the SEM image when performing the above alignment adjustment.
- An appropriate voltage amplitude ⁇ V is set within a range of 10% or less of the absolute value
- FIG. 6 is a diagram schematically showing an electron beam control method according to the first embodiment.
- the deflection angle of the electron beam 5 due to the concave lens action 22 formed between the photoelectric film 1 and the anode electrode 6 is ⁇ 0
- the first passage hole 7A having the passage hole 7A at a non-axisymmetric position is set as ⁇ 0 .
- the deflection angle of the electron beam 5 by the deflector 9A on the electron source (photoelectric film 1) side mounted between the differential exhaust aperture 7 and the second differential exhaust aperture 8 having a passage hole 8A in an axially symmetrical position is Let ⁇ 1 be the deflection angle of the electron beam 5 by the deflector 9B on the sample 23 side, and ⁇ 2 be the deflection angle of the electron beam 5.
- the distance to the deflection fulcrum due to the concave lens action 22 formed between the photoelectric film 1 and the anode electrode 6 is L0 , Deflection of the electron beam 5 by a deflector 9A on the electron source (photoelectric film 1) side mounted between the first differential exhaust aperture 7 and the second differential exhaust aperture 8 having a passage hole 8A in an axially symmetrical position.
- L 1 be the distance to the fulcrum
- L 2 be the distance to the fulcrum where the electron beam 5 is deflected by the deflector 9B on the sample 23 side.
- the condition that the aberration associated with the deflection is minimized corresponds to the condition that the image fluctuation of the SEM image is minimized when the cathode voltage 19 is varied over time.
- electrostatic type deflectors are used as the deflectors 9A and 9B, the following relational expression (Formula 1) holds true under the condition that the image fluctuation of the SEM image is minimized.
- a controller 24 which is a control device.
- the control device 24 changes the cathode voltage applied to the photoelectric film 1 over time and controls the deflection signal of the electron beam 5 by the deflector 9 in order to adjust the image shaking caused by the time fluctuation. Note that the above-described alignment adjustment of the electron beam 5 by changing the cathode voltage 19 (V 0 ) over time is for minimizing the adverse effects of chromatic aberration caused by the deflection system, and is not an essential control.
- the electron beam 5 only needs to be deflected in the direction in which the electron beam passage hole 7A, which is axisymmetric when viewed from the optical axis, is provided, so a deflector 9 capable of generating a dipole field is used.
- a deflector 9 capable of generating a dipole field.
- two stages of deflectors (9A, 9B) may be installed.
- a situation may occur in which desired alignment conditions cannot be obtained with the two-stage dipole field due to non-axisymmetric adverse effects such as fringe fields, leakage magnetic fields, and geomagnetism on the path of the electron beam 5.
- the deflector 9 is made of multipole electromagnetic poles with good symmetry so that multipole fields such as quadrupole fields, sextupole fields, and octupole fields can be generated. By configuring this, it is possible to obtain a sufficient degree of freedom for correcting adverse effects caused by asymmetry.
- FIG. 7A is a diagram showing a first configuration example of the first differential exhaust throttle according to the first embodiment.
- FIG. 7B is a diagram showing a second configuration example of the first differential exhaust throttle according to the first embodiment.
- FIG. 7C is a diagram showing a third configuration example of the first differential exhaust throttle according to the first embodiment.
- FIG. 8 is a graph showing the relationship between the off-axis amount of the excitation point and the deflection angle of the electron beam according to the first example.
- the simplest configuration of the first differential exhaust throttle 7 has a single throttle hole (passing hole) 7A arranged axisymmetrically, and the center of the central axis 7ac of the first differential exhaust throttle 7 is closed. It has a peeled structure (Fig. 7A).
- the off-axis eccentricity Lec of the aperture hole 7A is determined by the distance between the photoelectric film 1 and the anode electrode 6, the aperture diameter of the anode electrode 6, the off-axis amount di of the excitation point 17, and the mounting position of the anode electrode 6 and the off-axis aperture 7A. The distance depends on Lapt etc.
- the trajectory of the electron beam 5 is calculated in advance in consideration of the electrode structure inside the electron gun 10, and the mounting position of the first differential exhaust aperture 7 having the passage hole 7A at a non-axisymmetric position is determined.
- the diameter, off-axis eccentricity Lec, and off-axis amount di of the excitation point on the photoelectric film can be determined.
- a plurality of the first differential exhaust throttles 7 having the passage holes 7A at non-axisymmetric positions may be arranged in the shape of a throttle surface.
- FIG. 7B two off-axis throttle holes (passing holes) 7A are arranged in a non-axisymmetric arrangement
- FIG. 7C three throttle holes (passing holes) 7A are arranged in a non-axisymmetric arrangement.
- An example of the configuration is shown below.
- the non-axisymmetrically arranged passage hole 7A is a circular hole, but the shape of the throttle hole is not limited to a circle as long as the necessary differential pumping performance can be obtained, and may be a rectangle or an ellipse. It may be configured as a shaped passage hole.
- FIG. 8 shows the results of calculating the dependence on the amount of off-axis (di).
- the distance Lapt between the mounting position of the first differential exhaust aperture 7 having the passage hole 7A arranged non-axially symmetrically with respect to the anode electrode 6 is When 100 mm, the eccentricity Lec of the off-axis throttle hole (passing hole) 7A should be about 0.45 mm, and the diameter of the diameter of the passing hole 7A is at most ⁇ 0.6 mm.
- the first differential exhaust throttle 7 having the axisymmetrically arranged throttle hole (passing hole) 7A whose center is closed can be used as a differential exhaust throttle.
- FIG. 9A is a diagram showing a fourth configuration example of the first differential exhaust throttle according to the first embodiment.
- FIG. 9B is a diagram showing a fifth configuration example of the first differential exhaust throttle according to the first embodiment.
- FIG. 9C is a diagram showing a sixth configuration example of the first differential exhaust throttle according to the first embodiment.
- the electron beam 5 generated from the NEA surface of the photoelectric film 1 is directed in the direction of the electron beam passage hole (7A) of the first differential exhaust aperture 7 that is arranged in a non-axisymmetric manner. It is easier to use a configuration in which the second adjustment step is performed to control the deflection.
- the structure of the first differential exhaust aperture is set to be axially symmetrical to the center (central axis 7ac), in addition to the electron beam passage holes (7A) arranged non-axisymmetrically as shown in FIGS. 9A to 9C.
- a configuration having a passage hole (third through hole, third passage hole) 7C for the electron beam 5 emitted by the electron beam 5 can be considered.
- a shielding member also referred to as shielding means
- shielding means such as a shielding plate for shielding electron beams is inserted into and removed from the upper or lower part of the first differential exhaust throttle 7 in a straight direction from the atmospheric region. Use a straight line introduction machine that can be used.
- the electron beam 5 is conveyed to the sample 23 under axially symmetrical conditions, and the centering adjustment of the electron lens and the alignment adjustment of the electron beam 5 are completed. Thereafter, a shielding plate is used to block the electron beam 5 from passing through the center aperture hole 7C arranged axially symmetrically.
- a means for measuring the current of the electron beam 5 that has passed through the aperture hole 7C in the center may be mounted at the tip of the linear introduction device. good. In this case, the current measuring means can also be used as a shielding member for blocking the aperture hole 7C in the center.
- FIG. 13 is a flowchart showing the adjustment procedure for the electron gun according to the first embodiment.
- FIG. 13 shows the initial state of the aperture hole (passing hole) 7A having a non-axisymmetric arrangement, and the case where the electron beam 5 passing hole 7C is axially symmetrical in the center in addition to the non-axisymmetric aperture arrangement.
- a flowchart of the control procedure for the electron beam 5 during adjustment is shown. Each step (S10-S17) in FIG. 13 will be explained below.
- the excitation optical system is adjusted so that the excitation point 17 on the photoelectric film 1 is located off the axis of the anode electrode 6.
- the position of the excitation point 17 on the photoelectric film 1 is adjusted by applying the method described in Examples 2 to 4, which will be described later.
- the electron beam 5 passes through the passage hole 7C arranged axially symmetrically in the center, the electron beam 5 is made to reach an appropriate position at the position of the aperture hole (passing hole) 7A arranged non-axially symmetrically. Then, the optical path of the excitation optical system is adjusted.
- FIG. 14 is a flowchart showing the adjustment procedure for the electron gun according to the first embodiment.
- FIG. 14 shows a flowchart of the electron beam control procedure at the time of initial adjustment in the case where the aperture 7A, which is arranged non-axisymmetrically, does not have a central aperture hole.
- Each step (S20-S27) in FIG. 14 will be explained below.
- the electron beam 5 is used as a probe electron beam of the electron microscope 100 under the same conditions as when the first differential exhaust aperture 7 of the electron beam 5 is arranged axially symmetrically at the center and has the passage hole 7C. can be used.
- FIG. 16 is a flowchart showing an image capturing method using an electron microscope according to the first embodiment. Therefore, as shown in FIG. 16, the image capturing method using an electron microscope is as follows: 0) Initial setting process (see Figures 13 and 14), 1) A first step of generating an electron beam 5 from the excitation point 17 of the photoelectric film 1; 2) a second step of accelerating the electron beam 5 by the anode electrode 6; 3) a third step of passing the accelerated electron beam 5 through the first passage hole 7A provided at an axisymmetric position of the first differential exhaust throttle 7; 4) The trajectory of the electron beam 5 that has passed through the first passage hole 7A is adjusted by the deflector 9, and the electron beam is directed to the second passage hole 8A provided at an axially symmetrical position of the second differential exhaust throttle 8. a fourth step of passing 5; 5) A fifth step of irradiating the sample 23 with the electron beam 5 that has passed through the second passage hole 8A to obtain an observation image.
- Initial setting process see Figures 13 and 14
- the initial setting process (see FIGS. 13 and 14) of the image capturing method of the electron microscope is as follows. 6) a sixth step of arranging a current measuring means under the first passage hole 7A of the first differential exhaust aperture 7 and measuring the emission current of the photoelectric film 1; 7) A seventh step of adjusting the position of the excitation point 17 of the excitation light 15 on the photoelectric film 1 so that the measured emission current is maximized; 8) An eighth step of adjusting the deflector 9 so that the electron beam 5 that has passed through the first passage hole 7A reaches the sample 23.
- the electron gun 10 described above can reduce the adverse effects of gas molecules, so it can be used for in-situ environmentally controlled measurements of samples that require low vacuum conditions, such as biological samples such as cells, and reactions between solids and gases. It becomes possible to apply an electron source using a photoelectric film 1 having a NEA surface to an electron microscope equipped with a sample chamber 18 for the purpose of the present invention.
- the electron gun of the present invention is mounted on a scanning electron microscope has been described, but it is also possible to apply a similar electron gun structure to electron beam application devices such as a transmission electron microscope and a scanning transmission electron microscope. .
- FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration example of an excitation optical system and an electron gun according to the second embodiment.
- Example 2 the structure of the electron gun 10 described in Example 1 is modified so that the excitation light 15 is focused on the active layer of the photoelectric film 1 so that the excitation point 17 on the photoelectric film 1 is off-axis of the anode electrode 6.
- a configuration in which an excitation optical system 4 (see FIG. 1) for light irradiation is combined will be shown.
- the photoelectric film 1 is placed in a vacuum chamber (electron gun chamber) 11 together with a condensing lens 3, and excitation light 15 emitted from an excitation light source 14 placed outside the vacuum chamber 11 is shaped into parallel light by a collimator lens 51. After passing through the viewing port 16, the light is focused on the active layer of the photoelectric film 1 by the focusing lens 3.
- the excitation optical system is configured to reflect the reflected light from the photoelectric film 1 off the optical axis of the excitation optical system 4 and condense it onto the image sensor using a projection lens.
- System 4 may also be configured. 50 indicates the optical axis of the excitation optical system 4.
- the excitation wavelength is preferably 760 to 800 nm.
- the condensing lens 3 is arranged near the back surface of the photoelectric film 1, which is the electron emitting surface, the excitation light 15 transmitted through the transparent substrate 2 can be condensed with a large numerical aperture of 0.5 or more.
- the condensing diameter of excitation light of wavelength ⁇ condensed onto the photoelectric film by a condensing lens with numerical aperture NA is approximately the same as ⁇ /NA, and the optimum spot diameter is approximately ⁇ 1 ⁇ m in FWHM.
- the electron emission region is used as a point source with a size of about ⁇ 1 ⁇ m.
- any light source can be used as the excitation light source, such as a spatial light output or an optical fiber output, as long as it can output the intensity necessary for electron emission from the photoelectric film 1.
- FIG. 10 shows an example of the configuration of the excitation optical system 4 for making the excitation point 17 off the axis of the anode electrode 6 on the photoelectric film 1.
- the excitation optical system 4 includes a light source 14, a collimator lens 51, a condenser lens 3, a transparent electrode 2, a photoelectric film 1, and the like.
- Excitation light 15 emitted from the light source 14 is shaped into parallel light by the collimator lens 51, and is focused and irradiated onto the photoelectric film 1 by the condenser lens 3.
- the condenser lens 3 is fixed within the vacuum chamber of the electron gun 10.
- the light source 14 and collimator lens 51 of the excitation optical system 4 are fixed to the flange of the viewing port 16 using a special holder for fixing optical elements.
- the entire excitation optical system 4 can be positioned in any horizontal direction within the horizontal plane.
- the distance between the condensing lens 3 and the photoelectric film 1 is adjusted so that the diameter of the focused spot on the photoelectric film 1 is minimized by adjusting the amount of rotation of the screw part 53, which is a focal length adjustment mechanism.
- the mechanism for adjusting the position of the optical system 4 in the electron gun 10 using the photoelectric film 1 please refer to Fig. 3 of Journal of applied physics 103, 064905 (208).
- FIG. 10 shows a configuration in which the horizontal position of the excitation optical system 4 is adjusted so that the excitation point 17 is located at a distance (off-axis amount) di from the central axis of the anode electrode 6. .
- the position of the condenser lens 3 is adjusted so that the electron beam 5 passes through the non-axisymmetrically arranged single-hole aperture 7A shown in FIGS. 7A and 9A, and optimal excitation is achieved.
- the electron beam 5 emitted from the NEA surface of the photoelectric film 1 is used as a probe electron beam for an electron microscope.
- FIG. 11 is a diagram schematically showing an excitation optical system according to the third example.
- the excitation optical system 4 (see FIG. 1) is fixed, and the excitation light 15 can be focused and irradiated on a plurality of points on the photoelectric film 1.
- a configuration is shown in which a plurality of excitation points 17 on the photoelectric film 1 can be used without adjusting the optical path of the system 4.
- the photoelectric film 1 is placed in the vacuum chamber 11 together with the condensing lens 3, and the excitation light 15 emitted from the excitation light source 14 placed outside the vacuum chamber 11 is shaped into parallel light by the collimator lens 51, and the viewing port 16 After passing through, the light is focused on the active layer of the photoelectric film 1 by the focusing lens 3.
- an optical system is used to reflect the reflected light from the photoelectric film 1 off the optical axis of the excitation optical system 4 and focus it on the image sensor using a projection lens. 4 may be configured.
- the excitation wavelength is preferably 760 to 800 nm.
- the excitation light 15 transmitted through the transparent substrate 2 can be condensed with a large numerical aperture of 0.5 or more.
- the condensing diameter of the excitation light 15 of wavelength ⁇ focused on the photoelectric film 1 by the condensing lens 3 of numerical aperture NA is approximately the same as ⁇ /NA, and the optimum spot diameter is approximately ⁇ 1 ⁇ m in FWHM.
- the electron emission region is used as a point source with a size of about ⁇ 1 ⁇ m.
- FIG. 11 shows an example of the configuration of the excitation optical system 4 for setting the excitation point 17 off the axis of the anode electrode 6 on the photoelectric film 1.
- the excitation optical system 4 includes a light source 14, a collimator lens 51, a condenser lens 3, a transparent electrode 2, a photoelectric film 1, and the like.
- a case will be described in which the first differential exhaust throttle 7 having a plurality of passage holes 7A is combined in an axisymmetric arrangement such as in FIGS. 7B, 7C, 9B, and 9C.
- the excitation light source 14 is composed of a multi-core fiber 55, and the excitation light source 14 is connected to the multi-core fiber 55.
- the condenser lens 3 is fixed in the vacuum chamber 11 by a mechanism similar to that shown in FIG. 10, and is adjusted and fixed near the center of the anode electrode 6 according to the procedure described in the second embodiment.
- Excitation light 15 corresponding to the electron beam 5 passing through the aperture hole (passing hole) 7A arranged non-axisymmetrically passes through the off-axis of the collimator lens 51 and the condensing lens 3, and is focused on the active layer of the photoelectric film 1.
- the off-axis amount (di) of the condensing position of the excitation light 15 is within the maximum angle of view that can be condensed by the condensing lens 3, if the configuration of the optical system 4 is an axially symmetrical optical path. It is possible to obtain light condensing characteristics comparable to that of .
- the eccentricity Lec of the aperture hole (passing hole) 7A with a non-axisymmetric arrangement is such that the electron beam emitted from the position of the off-axis distance di of the excitation point passes through the aperture hole (passing hole) 7A with a non-axisymmetric arrangement. It is calculated based on electron trajectory calculations.
- the control system controller 24 is used to set the deflector 9 to the electron beam 5 after passing through the aperture hole (passing hole) 7A arranged non-axisymmetrically so as to correspond to the output of the excitation light source 14.
- Interlock control By switching the interlocking control of the output and polarization direction of the excitation light source 14 at regular intervals, the NEA surface of the photoelectric film 1 can have a long lifespan, making it possible to use it as a stable electron source for a long period of time. Become. At this time, it is possible to switch the excitation point 17 at time intervals of about nanoseconds by using a pulsed light source with a pulse width or pulse interval of about 1 nanosecond at the shortest as the excitation light source 14.
- the emission intensity of the electron beam 5 differs depending on the excitation point 17 on the photoelectric film 1
- the emission current of the photoelectric film 1 can be stabilized by changing the irradiation intensity of the excitation light for each excitation point 17. can be used.
- FIG. 12 is a diagram schematically showing an excitation optical system according to the fourth example.
- excitation light 15 is emitted to multiple points on the photoelectric film 1. This shows a configuration that can focus and irradiate light.
- the photoelectric film 1 is placed in the vacuum chamber 11 together with the condensing lens 3, and the excitation light 15 emitted from the excitation light source 14 placed outside the vacuum chamber 11 is shaped into parallel light by the collimator lens 51, and the viewing port 16 After passing through, the light is focused on the active layer of the photoelectric film 1 by the focusing lens 3.
- an optical system is used to reflect the reflected light from the photoelectric film 1 off the optical axis of the excitation optical system 4 and condense it onto the image sensor using a projection lens. 4 may be configured.
- the excitation wavelength is preferably 760 to 800 nm.
- the excitation light transmitted through the transparent substrate 2 can be condensed with a large numerical aperture of 0.5 or more.
- the condensing diameter of the excitation light 15 of wavelength ⁇ focused on the photoelectric film 1 by the condensing lens 3 of numerical aperture NA is approximately the same as ⁇ /NA, and the optimum spot diameter is approximately ⁇ 1 ⁇ m in FWHM.
- the electron emission region is used as a point source with a size of about ⁇ 1 ⁇ m.
- any light source can be used as the excitation light source 14, such as a spatial light output or an optical fiber output, as long as it can output the intensity necessary for electron emission from the photoelectric film 1.
- FIG. 12 shows an example of the configuration of the excitation optical system 4 for making the excitation point 17 off the axis of the anode electrode 6 on the photoelectric film 1.
- the excitation optical system 4 includes a light source 14, a collimator lens 51, a condenser lens 3, a transparent electrode 2, a photoelectric film 1, and the like.
- a case will be described in which the first differential exhaust throttle 7 having a plurality of passage holes 7A is combined in an axisymmetric arrangement such as in FIGS. 7B, 7C, 9B, and 9C.
- an optical element (wedge prism) 56 having a wedge-shaped cross section is arranged in the region between the collimator lens 51 and the condensing lens 3. .
- the parallel light incident on the wedge prism 56 is refracted as shown in FIG. 12 according to Snell's law.
- the angle at which the parallel light is refracted depends on the material (refractive index) of the wedge prism 56 and the angle of inclination of the inclined surface with respect to the optical axis.
- the refraction angle by the wedge prism 56 is determined.
- the refracted excitation light 15 passes off-axis of the condenser lens 3 and is focused on the active layer of the photoelectric film 1. If the angle of view is within the maximum angle of view that can be condensed by the condensing lens 3, condensing characteristics comparable to those obtained when the excitation optical system 4 has an axially symmetrical optical path can be obtained.
- the condenser lens 3 is fixed in a horizontal position near the center of the anode electrode 6 with its horizontal position adjusted. For this reason, the optical path is first adjusted without the wedge prism 56, and the position of the condenser lens 3 is adjusted to be near the center of the anode electrode 6.
- the excitation light can be bent in any direction.
- the wedge prism 56 is mounted on a rotating mechanism, and the electron beam 5 emitted from the off-axis excitation point of the anode electrode is passed through the non-axis symmetrically arranged aperture hole (passing hole) of the first differential exhaust aperture 7.
- the emitted electron beam 5 can be utilized by switching the excitation point 17 on the photoelectric film 1.
- control system controller 24 is used to control the rotation angle of the wedge prism 56 to correspond to the rotation angle of the wedge prism 56.
- a deflector 9 is controlled in conjunction with the electron beam 5.
- the emission intensity of the electron beam 5 differs depending on the excitation point 17 on the photoelectric film 1
- the emission current of the photoelectric film 1 can be stabilized by changing the irradiation intensity of the excitation light for each excitation point 17. can be used.
- Excitation point 18 ...sample chamber, 19...applied voltage to photoelectric film (cathode voltage), 20...applied voltage to anode electrode, 21...convex lens action of electrostatic lens, 22...concave lens action of electrostatic lens, 23...sample, 24...control system (control device, controller), 32...electron lens, 33...focal point of electron lens, 34...objective lens, 35...signal electron, 36...detector, 37...virtual light source, 50...optical axis of excitation optical system, 51 ... Collimator lens, 52 ... Push screw, 53 ... Screw parts, focal length adjustment mechanism, 55 ... Multicore fiber, 56 ... Wedge prism (optical element with wedge-shaped cross section)
Abstract
軸対称な電子銃構造では相対的に低真空の真空室より流入するガス分子の一部が光電膜に到達し、NEA表面の劣化とともに放出電流の不安定化や光電膜の短寿命化が課題となる。励起光源と、透明基板上に形成された光電膜と、励起光を光電膜に集光するための集光レンズと、励起光が光電膜に集光して照射されることで発生する電子線を加速させるアノード電極と、軸外に通過孔を持ち光電膜側に配置される第１の差動排気絞りと、光軸上に通過孔を持ち試料側に配置される第２の差動排気絞りを備える電子顕微鏡であって、第１の差動排気絞りと第２の差動排気絞りの間に電子線の軌道制御用の偏向器を備える。
Description
本発明は光電膜を用いた電子銃を搭載した電子線応用装置としての電子顕微鏡およびその画像撮影方法に関する。
集束した電子線（電子線は電子ビームと言い換えることができる）を試料に照射、走査して放出される電子を検出し、各照射点の信号強度を表示する走査電子顕微鏡（Scanning electron microscope：SEM）を用いることで、試料の表面形態や組成分布を計測することができる。SEMで高い空間分解能を得るには、高輝度な電子源が必要となる。SEM向けの高輝度電子源として、針状電極の先端に強電界を印加して放出される電子を利用する電界放出（Field emission：FE）電子源が広く利用されている。一方で近年、表面の電子親和力が負（Negative Electron Affinity：NEA）の光電膜を用いた電子源で、Schottky型FE電子源と同程度の高い輝度（～1×107 A/m2/sr/V）が報告されている（特許文献１）。
この高輝度なNEA表面を持つ光電膜を用いた電子源より放出される電子線のエネルギー幅は冷陰極型FE電子源よりも小さいため、特に試料極表面の観察で優位なエネルギー約1 keV以下の照射条件で、高い観察性能が得られる特長を持つ。
不純物濃度が高いp型の砒化ガリウム（GaAs）で構成される光電膜の表面にセシウムや酸素を吸着して仕事関数を下げると、真空準位が光電膜の伝導帯下端のエネルギー準位よりも低いNEA表面が得られ、ここに光照射すると光電膜の内部で励起された電子が効率よく放出される。特にp型GaAsで構成される光電膜のNEA表面より放出される電子の角度範囲はGaAs内の電子の有効質量などに依存して約10度以下と小さいため、励起光を集光して電子放出領域をφ1μm程度まで小さくしてポイントソース化することでSchottky型FE電子源と同程度の高い輝度特性が得られる。NEA表面より放出される電子線を安定的に利用するには光電膜の周囲を極高真空（典型的には10-8 Pa台以下）に維持する必要がある。このため、p型GaAsで構成される光電膜のNEA表面を利用した電子銃は数段の差動排気構造から成り、放出された電子線は差動排気室の間に配置される絞りを通過するように軌道が調整される。これにより、NEA表面より放出された電子線を電子顕微鏡のプローブとして利用することができる。
電子顕微鏡の筐体が軸対称構造の場合、プローブとなる電子線の経路上に配置される差動排気絞りの電子線通過孔はいずれも軸対称な位置に配置され、試料と電子源の間にガス分子が遮蔽されずに通過できる経路が存在することになる。この場合、相対的に真空度の低い試料室より電子銃室にガス分子が流入する。ガス分子が光電膜の電子放出部の近傍に到達すると、光電膜へのガス吸着によりNEA表面が劣化する。また、特に放出電流が大きいエミッション条件では、光電膜より放出される電子とガス分子が衝突し、ガス分子がイオン化して加速されて光電膜に衝突するイオンフィードバックと呼ばれる機構によりNEA表面が劣化する。このように、活性層がp型GaAsで構成される光電膜を用いた電子源では、ガス分子に起因する輝度特性の低下、放出電流の不安定化、NEA表面の短寿命化などが課題となる。
本発明の一実施の形態である電子顕微鏡は、励起光を発生させる励起光源と、透明基板上に形成された光電膜（フォトカソード）と、励起光を前記光電膜に向けて集光するための集光レンズと、前記光電膜に対向して配置され、前記集光レンズで集光された励起光が、前記光電膜の透明基板を透過して入射されることにより、前記光電膜から電子線が発生し、該電子線を加速させるアノード電極と、前記光電膜側に配置され、第１通過孔を持つ第１の差動排気絞りと、該第１の差動排気絞りよりも試料側に配置され、電子光学系に対し軸対称に配置された第２通過孔を持つ第２の差動排気絞りを備える電子顕微鏡であって、前記第１の差動排気絞りの第１通過孔は電子光学系に対し非軸対称に配置され、前記第１の差動排気絞りと第２の差動排気絞りの間に配置され、前記電子線の軌道を調整する偏向器と、で構成される。
光電膜と対向するアノード電極の軸外に励起光を照射して発生する電子線は、光電膜とアノード電極の間隙部に形成される静電レンズ作用によって収束された後にアノード電極の軸から遠ざかる方向に偏向される。この偏向された電子線を光軸外に非軸対称に配置した第１の差動排気絞りの第１通過孔を通過させ、再び振り戻して軸対称に配置された第２の差動排気絞りの第２通過孔を通過した電子線を電子顕微鏡のプローブとして利用する。
上記の電子銃構造とすることにより、特にNEA表面を持つp型GaAで構成される光電膜を用いた電子源が備える高輝度特性や単色性など、電子顕微鏡で高い空間分解能を得る上で有用な特長を損ねることなく、相対的に真空度の低い真空チャンバより電子銃室に流入するガス分子が光電膜の電子放出部に到達するのを阻止できる。これにより、光電膜表面へのガス分子の吸着やイオンフィードバックに起因する輝度特性の低下を軽減して放出電流を安定化するとともに、NEA表面を長寿命化できる。また、試料周囲の圧力が100 Pa程度の低真空環境で利用される電子顕微鏡に、NEA表面を持つ光電膜を用いた電子源を搭載して利用することが可能となる。以下に示す各実施例でその詳細を説明する。
以下，本発明の実施形態について，図面を用いて詳細に説明する。
図１は、第１の実施例に係る電子銃の概略構成例を示す図である。図２は、比較例の電子銃の概略構成例を示す図である。図３は、第１の実施例に係る電子銃の概略構成例および電位分布を示す図である。図４は、第１の実施例に係る走査電子顕微鏡の概略構成例を示す図である。図１５は、実施例に係る電子銃の差動排気絞りの通過孔と比較例の電子銃の差動排気絞りの通過孔を説明する図である。
図１に本発明の実施例の電子銃構造の一例を示す。図１では本実施例の電子銃１０を走査電子顕微鏡１００に搭載した場合の構成について説明する。本実施例では主に光電膜１より放出された電子線５の軌道制御方法について説明し、励起光学系の構成や機構の詳細は実施例２以降に示す。電子線５は電子ビームと言い換えることができる。光電膜１は、表面の電子親和力が負（Negative Electron Affinity：NEA）の光電膜である。
本実施例で使用されるフォトカソード（光陰極）の構成は、励起光照射により電子を放出する半導体光電膜（以下、光電膜という）１が透明基板２上に形成されているものとし、以下ではフォトカソードを光電膜１と表記する。本実施例の電子銃１０は、透明基板２の上に形成された光電膜１と、集光レンズ３と、光電膜１に励起光源１４の励起光１５を集光して照射する励起光学系４（励起光学系４は、励起光源１４，ビューイングポート１６，集光レンズ３，透明基板２，光電膜１を含む）と、フォトカソードに対向して配置され、光電膜１から発生する電子線５を加速するためのアノード電極６と、光電膜１の周囲を極高真空に維持するために設けられ、電子線５の通過孔（第１通過孔）７Ａを非軸対称な位置に持つ第１の差動排気絞り７と、電子線５の通過孔（第２通過孔）８Ａを軸対称な位置に持つ第２の差動排気絞り８と、偏向器９と、制御装置としてのコントローラ２４とを含んで構成される。
偏向器９は、複数段により構成することが可能であり、第１の差動排気絞り７と第２の差動排気絞り８の間に配置される。偏向器９は、第１の差動排気絞り７の通過孔７Ａを通過した電子線５を、第２の差動排気絞り８を通過する前に電子光学系の光軸の上に振り戻し、電子線５が第２の差動排気絞り８の通過孔８Ａを通過すように、コントローラ２４により制御される。
上記の軸または光軸は、電子線５を光電膜１から引出すための電極や電子線５を集束するためのレンズ３など、電子顕微鏡１００内部の電子光学系が理想的な軸対称構造となっていることを前提とする表現である。実際の電子顕微鏡１００の装置構成は部品や部材の加工精度や組立精度のために、各構成要素が軸対称な構成であっても、各軸が全て同じ直線上に重なるとは限らない。このため、偏向器９など各種アライメント手段を用いて、照射電子線５の軌道を適宜制御して特定の構成物に対し軸調整が必要となる。各構成物に対し通すべき軸について、以下の実施例の説明の中で適宜補足するものとする。
図１は光電膜１が置かれる電子銃１０を図示したものである。電子銃１０は、電子銃室（真空チャンバとも言う）１１内に設置されており、電子銃室１１の内部は、真空排気設備１３によって極高真空が維持される。光電膜１の周囲を極高真空に維持するための真空排気設備１３として、イオンポンプや非蒸発型ゲッターポンプ（NEG）などが利用される。真空排気設備１３は、第１真空排気設備１３ａと第２真空排気設備１３ｂとから構成されている。光電膜１は集光レンズ３とともに真空チャンバ１１内に置かれ、真空チャンバ１１外に置かれた励起光源１４より放出された励起光１５はビューイングポート１６を通過し、光電膜１の背面に置かれた集光レンズ３によって光電膜１に集光される。この集光位置が光電膜１の励起点１７となり、放出される電子線５が走査電子顕微鏡１００のプローブとして利用される。この時、励起光１５として光電膜１に連続光を照射すると連続的な電子線（連続電子線という）５が放出され、パルス光を照射すると励起光１５と同程度のパルス幅とパルス周期のパルス的な電子線（パルス電子線という）５が放出される。本実施例の電子銃１０の構造は連続電子線、パルス電子線、いずれの使用条件に対しても有効である。
図１に示すように、電子放出面となる光電膜１の裏面近傍に集光レンズ３を配置した場合、透明基板２を透過した励起光１５を0.5以上の大きい開口数で集光できる。開口数ＮＡの集光レンズ３により光電膜１に集光された波長λの励起光１５の集光径はλ／ＮＡと同程度となる。この時、光電膜１の電子放出領域のサイズ（仮想光源径）は励起光１５の集光径と同程度となる。光電膜１の表面をNEA活性化することで伝導帯の下端が真空準位よりも高いエネルギー準位となり、励起光１５の照射に伴い価電子帯から伝導帯に励起された電子線５は光電膜１の内部から真空領域に効率よく放出される。特に光電膜１の活性層がp型GaAsの場合、光照射に伴い励起された電子の有効質量は真空中の電子の0.067倍と小さいため、NEA表面から真空領域に放出される際の電子放出角が約10度以内と小さくなる。以上の要因により、高い輝度特性が得られる。
不純物濃度が高いp型GaAsから成る光電膜１を用いた電子源で高輝度が得られる一方、電子放出特性はNEA表面の状態に依存し、ガス分子の悪影響を受けやすい。この問題を軽減するために、各真空室に排気設備１３を接続して、各真空室の隔壁に電子線５を通過させるための直径約１ｍｍ以下の絞り孔（通過孔７Ａ、８Ａ）を設ける差動排気構造が電子銃室１１と試料室１８の間に複数設けられる。試料室１８の構成については、図４を参照できる。
しかし、図２に示す比較例の電子銃１０ｒの構造のように、電子銃室１１と試料室１８が一直線に配置された軸対称な電子顕微鏡１００ｒの構造では、相対的に真空度の低い試料室１８側の真空室から真空度の高い電子銃１０ｒ側の真空室（例えば、電子銃室１１）にガスが流入し、差動排気絞り８、７ｒを通過したガス分子の一部が電子源である光電膜１の表面に到達する。差動排気絞り８、７ｒの絞り孔の径（例えば、直径）を小さくすることで、ガス分子の到達量を低減できるが、図２の構成にした場合は電子銃室１１へのガス分子の流入に伴う悪影響を完全に排除することは難しい。
つまり、第１の差動排気絞り７ｒに設けた通過孔７Ａｒと第２の差動排気絞り８に設けた通過孔８Ａとが一直線に配置されており、通過孔７Ａｒと通過孔８Ａとはともに、軸対称な位置に配置されている。
図１５に示すように、本実施例では、走査電子顕微鏡１００の第１の差動排気絞り７に設けた通過孔７Ａは、第１の差動排気絞り７の中心軸７ａｃに対して非軸対称な位置に設けられている。一方、第２の差動排気絞り８に設けた通過孔８Ａは、第２の差動排気絞り８の中心軸８ａｃに対して軸対称な位置に設けられている。
これに対して、比較例では、走査電子顕微鏡１００ｒの第１の差動排気絞り７ｒに設けた通過孔７Ａｒは、第１の差動排気絞り７の中心軸７ａｃに対して軸対称な位置に設けられている。また、第２の差動排気絞り８に設けた通過孔８Ａは、第２の差動排気絞り８の中心軸８ａｃに対して軸対称な位置に設けられている。
上記の課題は、光電膜１より放出される電子線５の軌道を非軸対称に制御することで回避できる。本実施例では光電膜１への印加電圧１９をV0（＜0 V）、アノード電極６への印加電圧２０は接地電位（0 V）として、アノード電極６を通過した電子線５のエネルギーが、eを電荷素量として|eV0|となる構成について説明するが、各電極への印加電圧１９，２０の電圧値は上記の数値に限定されるものではない。また、アノード電極６は、光電膜１の近傍の電界強度を制御するための第１のアノード電極と、第１のアノード電極を通過後に加速するための第２のアノード電極となど、複数段のアノード電極の構成として、別々の電圧を印加できるように構成しても良い。
光電膜１とアノード電極６の印加電圧１９，２０をそれぞれV0（＜0 V）、0 Vとした場合、図３に示すように光電膜１の近傍に凸レンズ作用２１、アノード電極６の近傍に凹レンズ作用２２をもたらすレンズ電界が生じる。光電膜１は平面電子源のため、光電膜１の上の任意の点を励起点１７にできる。光電膜１の上の励起点１７がアノード電極６の軸外となるように励起光１５を集光して照射すると、光電膜１より放出された電子線５は、図１や図３に示すように、凸レンズ作用２１により集束された後に凹レンズ作用２２によりアノード電極６の軸（中心軸）１２から遠ざかるように偏向される。この電子線５が、非軸対称な位置に通過孔７Ａを持つ第１の差動排気絞り７を通過するように光電膜１の上の励起点１７の位置を調整する。アノード電極６の近傍に形成される凹レンズ作用２２による電子線５の偏向角をθ0とする。アノード電極６が接地電位（０V）の場合、励起点１７を固定すると光電膜１への印加電圧１９（V0）を変えても偏向角θ0は変わらない。これは、電子光学の法則に従い、各電極電圧を元々のn倍となるように変更した場合に、電子線５の中心軌道が保存されるためである。励起点１７の離軸量（di）は、光電膜１の上の励起点１７に位置とアノード電極６の軸１２の位置と間の距離とする。
アノード電極６の近傍に形成される凹レンズ作用２２により偏向された電子線５について、非軸対称な位置に通過孔７Ａを持つ第１の差動排気絞り７を通過させる。第１の差動排気絞り７の直下に配置される第２の差動排気絞り８は、軸対称な位置に通過孔８Ａを持つ。試料室１８において、試料２３の周囲の圧力範囲は、例えば、数10 Pa～数100 Paに設定できるように排気装置（排気ポンプ）が構成されている。相対的に真空度の低い試料室１８の真空室側から真空度の高い電子銃１０側の真空室（例えば、電子銃室１１）にガスが流入する。
図１、図４に示すように、第１の差動排気絞り７と第２の差動排気絞り８の間には偏向器９が配置される。偏向器９（９Ａ、９Ｂ：図４参照）によって、非軸対称な位置に配置された通過孔７Ａを通過した電子線５は振り戻され、第２の差動排気絞り８の通過孔８Ａを通過する。このような電子銃１０の構造とすることで、つまり、通過孔７Ａの位置は非軸対称な位置に配置されて、通過孔７Ａの位置と通過孔８Ａの位置とが一直線に配置されていない構成とされているので、通過孔８Ａを介して試料室１８側から上方側に直線的に飛来するガス分子は第１の差動排気絞り７によって遮蔽され、光電膜１のNEA表面には到達しない。一方で、電子線５は偏向器９による偏向制御により、電流密度の大きい中心部分が遮蔽されずに試料２３まで搬送される。このため、光電膜１から放出された電子線５は、NEA表面の特長である高輝度特性を損なわずに、電子顕微鏡１００のプローブ電子線として利用できる。このようにして利用できるプローブ電子線５は、比較例（図２参照）の構成と比べて電流安定性が高く、ガス分子が光電膜１のNEA表面に到達しないので、光電膜１のNEA表面の長寿命化が達成できる。そして、光電膜１のNEA表面の長寿命化に伴い光電膜１のNEA表面を再生するための表面活性化処理の頻度を少なくできるため、電子顕微鏡１００としてのダウンタイムを低減できる。
非軸対称な位置に通過孔７Ａを持つ第１の差動排気絞り７を通過した電子線５を振り戻す軌道制御に用いる複数段の偏向器９（９Ａ、９Ｂ：図４参照）は、静電型（電界型）、電磁型（磁界型）どちらの方式を用いても構わない。特に活性層がp型GaAsの光電膜１を用いる場合は、光電膜１の周囲を極高真空にするために真空立上げ時に電子銃１０を200℃以上の高温でベークアウトする必要がある。このため、電子銃室１１内に搭載される部品は200℃以上の耐熱性があることに加え、極高真空環境でガス放出が少ない部材で構成されることが好ましい。
ところで、電子線５を偏向制御する場合、偏向量が電子線５のエネルギーに依存する偏向色収差が問題となる。この偏向色収差の悪影響は、特に電子線５の照射エネルギーの低い照射条件で顕在化しやすい。NEA表面より放出される電子線５はエネルギー幅が小さい特長を活かすためには、偏向制御に伴う色収差が顕在化しないように偏向制御することが好ましい。偏向制御で生じる非対称性に伴う悪影響を最小限とするには、光電膜１に印加する陰極電圧１９（V0）を時間変動して電子線５をアライメント制御する方法が有効である（図５参照）。
次に、図４に示す電子顕微鏡の構成に基づき、最適なアライメント条件を得るための調整方法を以下に示す。図５は、第１の実施例に係る陰極電圧の時間変動を示す図である。
光電膜１に最も近い電子レンズ３２の集束点３３で偏向色収差を最小化することを考える。本実施例では、光電膜１に最も近い電子レンズ３２は静電型のアインツェルレンズを配置した場合について説明する。電子線５は最終段の対物レンズ３４により集束された状態で試料２３の上を走査し、各点で発生する信号電子３５が検出器３６によって検出されてSEM像が得られる。このようなSEM観察条件で偏向器９のアライメント条件が最適なアライメント条件となっている時に陰極電圧１９（V0）を中心として適切な電圧振幅ΔVで時間変動した場合（図５参照）、観察されるSEM像は一定の周期で像ボケの状態が変わり、インフォーカスとデフォーカスの状態を繰り返す。一方、偏向器９のアライメント条件が最適条件から外れている場合は、像ボケの時間変動に加えて一方向の像揺れが観測される。この像揺れは、陰極電圧１９（V0）を変えることで、照射エネルギーの異なる電子線５が試料２３上の別々の場所に到達することが要因で生じる。像揺れの振幅は電子銃１０の部分の偏向条件に依存し、像揺れの振幅が最小となる条件が最適な偏向器９のアライメント条件に対応する。なお、陰極電圧１９（V0）の時間変動時の電圧振幅ΔVは上記のアライメント調整を実施する際にSEM像上で適度なボケ量で像揺れが判別できるように決定されるもので、陰極電圧１９（V0）の絶対値|V0|の10 %以下の範囲で適切な電圧振幅ΔVが設定される。
図６は、第１の実施例に係る電子線の制御方法の概略を示す図である。
図６に示すように、光電膜１とアノード電極６の間に形成された凹レンズ作用２２に起因する電子線５の偏向角をθ0、非軸対称な位置に通過孔７Ａを持つ第１の差動排気絞り７と軸対称な位置に通過孔８Ａを持つ第２の差動排気絞り８の間に搭載された電子源（光電膜１）側の偏向器９Ａによる電子線５の偏向角をθ1、試料２３側の偏向器９Ｂによる電子線５の偏向角をθ2とする。電子線５の仮想光源位置３７を基準として、光電膜１とアノード電極６の間に形成された凹レンズ作用２２による偏向支点までの距離をＬ0、非軸対称な位置に通過孔７Ａを持つ第１の差動排気絞り７と軸対称な位置に通過孔８Ａを持つ第２の差動排気絞り８の間に搭載された電子源（光電膜１）側の偏向器９Ａによる電子線５の偏向支点までの距離をＬ1、試料２３側の偏向器９Ｂによる電子線５の偏向支点までの距離をＬ2とする。この時、偏向に伴う収差が最小となる条件は陰極電圧１９を時間変動した時にSEM像の像揺れが最小となる条件に対応する。偏向器９Ａと偏向器９Ｂに静電型の偏向器を用いた場合、SEM像の像揺れが最小となる条件では以下の関係式（式１）が成立する。
Ｌ0θ0+Ｌ1θ1+Ｌ2θ2 = 0 （式１）
以上のアライメント調整は光電膜１に最も近い電子レンズ３２で実施すれば、後段のアライメント調整は従来の電子顕微鏡で利用される調整方法と同様に調整することで、所望の照射性能が得られる。
以上のアライメント調整は光電膜１に最も近い電子レンズ３２で実施すれば、後段のアライメント調整は従来の電子顕微鏡で利用される調整方法と同様に調整することで、所望の照射性能が得られる。
これらの制御は制御装置であるコントローラ２４により実行される。制御装置２４は、光電膜１に印加する陰極電圧を時間変動させ、時間変動に伴う像揺れを調整するために、偏向器９による電子線５の偏向信号を制御する。なお、以上に示した、陰極電圧１９（V0）を時間変動する電子線５のアライメント調整は、偏向系に起因する色収差の悪影響を最小化するためのものであり、必須の制御ではない。特に偏向器９Ａおよび偏向器９Ｂを通過する際の電子線５のエネルギーが大きい条件では上記の制御を行う必要はなく、電子光学系の倍率制御によって試料２３上では上記の悪影響が充分に縮小される。また、偏向器９Ａおよび偏向器９Ｂを通過する際の電子線５のエネルギーが小さい条件であっても、低倍率の観察など、偏向系に起因する悪影響が顕在化しないような観察条件で利用される場合には、上記の制御は不要である。
理想的な電子銃１０の構成では、光軸から見て非軸対称な電子線通過孔７Ａが設けられる方向に電子線５を偏向制御すれば良いため、2極子場を発生できる偏向器９を複数段、最小の構成では２段の偏向器（９Ａ、９Ｂ）を設置すれば良い。しかし実際には、電子線５の経路上でフリンジ場、漏洩磁場、地磁気などの非軸対称な悪影響を受けて2段の2極子場では所望のアライメント条件が得られない状況が発生しうる。特に光電膜１への印加電圧１９（V0）を変えた場合に、|V0|が小さい条件（電子線の照射エネルギーが小さい条件）と|V0|が大きい条件（電子線の照射エネルギーが大きい条件）では非軸対称な悪影響が異なる場合が想定される。この状況を加味して最適なアライメント条件を得るために、偏向器９は4極子場、6極子場、8極子場などの多極子場を発生できるように対称性の良い多極子の電磁極で構成することにより、非対称性に起因する悪影響に対し充分な補正自由度を得ることができる。
次に光電膜１の直下に置かれる、非軸対称な位置に電子線通過孔７Ａを持つ第１の差動排気絞り７の詳細構造を以下に示す。図７Ａは、第１の実施例に係る第１の差動排気絞りの第１の構成例を示す図である。図７Ｂは、第１の実施例に係る第１の差動排気絞りの第２の構成例を示す図である。図７Ｃは、第１の実施例に係る第１の差動排気絞りの第３の構成例を示す図である。図８は、第１の実施例に係る励起点の離軸量と電子線の偏向角の関係を示すグラフである。
第１の差動排気絞り７の最も単純な構成は、単一の絞り孔（通過孔）７Ａを非軸対称に配置し、第１の差動排気絞り７の中心軸７ａｃの中心部が塞がれた構造である（図７Ａ）。絞り孔７Ａの軸外偏心量Lecは、光電膜１とアノード電極６の電極間距離、アノード電極６の開口径、励起点１７の離軸量di、アノード電極６と軸外絞り７Ａの搭載位置までの距離Laptなどに依存する。このため、電子銃１０内部の電極構造を考慮して事前に電子線５の軌道計算を実施し、非軸対称な位置に通過孔７Ａを持つ第１の差動排気絞り７の搭載位置、絞り径、軸外偏心量Lec、光電膜上の励起点の離軸量diを決定できる。なお、非軸対称な位置に通過孔７Ａを持つ第１の差動排気絞り７は絞り面状に複数配置される構造としても良い。
図７Ｂには、非軸対称な配置の軸外絞り孔（通過孔）７Ａが2つ配置される場合、図７Ｃには非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａが3つ配置される場合の構成例を示す。図７Ａ～Ｃでは非軸対称な配置の通過孔７Ａは円形の孔としているが、絞り孔の形状は必要な差動排気性能が得られる範囲であれば円形には限定されず、矩形や楕円形の通過孔として構成しても良い。
例として、図１に示す電極構造について、光電膜１とアノード電極６の距離を1 mm、1.5 mm、2 mm、2.5 mmとした場合の凹レンズ作用２２による偏向角θ0の、励起点１７の離軸量（di）に対する依存性を計算した結果を図８に示す。アノード電極６と非軸対称な配置の通過孔７Ａを持つ第１の差動排気絞り７の搭載位置の距離Laptを大きくすることで、非軸対称な配置の通過孔７Ａを持つ第１の差動排気絞り７の面上の電子線５の離軸量（di）を大きくすることができる。一方、電子線５が横方向に広がるため、通過孔７Ａの絞り径（平面視における通過孔７Ａの円形の孔の直径）を固定している場合は絞り孔を通過できる電子線５の電流量が制限される点に注意が必要となる。典型的には、光電膜１とアノード電極６の間隙距離1 mmの場合は、アノード電極６と非軸対称な配置の通過孔７Ａを持つ第１の差動排気絞り７の搭載位置の距離Laptを100 mmとすると、軸外絞り孔（通過孔）７Ａの偏心量Lecは0.45 mm程度にすればよく、通過孔７Ａの絞り径の直径は最大でφ0.6 mmの絞りとする。これにより、中心部が塞がれた非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａを持つ第１の差動排気絞り７を差動排気絞りとして利用することができる。
次に、非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａを持つ第１の差動排気絞り７を有する電子顕微鏡１００の調整方法について説明する。図９Ａは、第１の実施例に係る第１の差動排気絞りの第４の構成例を示す図である。図９Ｂは、第１の実施例に係る第１の差動排気絞りの第５の構成例を示す図である。図９Ｃは、第１の実施例に係る第１の差動排気絞りの第６の構成例を示す図である。
本実施例の電子銃１０の構造で光電膜１のNEA表面より発生する電子線５を電子顕微鏡１００のプローブ電子線として利用する場合、実用的には、まず、従来と同じように、第１の差動排気絞り７を軸対称な構成で調整する第１の調整工程の後に、電子線５を第１の差動排気絞り７の非軸対称な配置の電子線通過孔（７Ａ）の方向に偏向制御する第２の調整工程を実施する構成とした方が使いやすい。この観点で、第１の差動排気絞りの構造を図９Ａ～９Ｃのように非軸対称な配置の電子線通過孔（７Ａ）とは別に、中心部（中心軸７ａｃ）に軸対称な条件で放出された電子線５の通過孔（第３貫通孔、第３通過孔）７Ｃを持つ構成が考えられる。この構造を利用する場合、第１の差動排気絞り７の上部または下部に、電子線を遮蔽するための遮蔽板などの遮蔽部材（遮蔽手段ともいう）を大気領域から直線方向に部材を抜差しできる直線導入機を用いる。初期調整では軸対称な条件で電子線５を試料２３まで搬送して電子レンズの軸出し調整や電子線５のアライメント調整を完了させる。その後に、遮蔽板により電子線５が軸対称な配置の中心部の絞り孔７Ｃを通過できないように塞いだ状態にする。なお、集光レンズ３がアノード電極６の中心付近となるように位置調整するために中心部の絞り孔７Ｃを通過した電子線５の電流計測手段を直線導入機の先端部に搭載しても良い。この場合、電流計測手段は中心部の絞り孔７Ｃを塞ぐための遮蔽部材として利用することもできる。
次に、図１３を用いて、非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａと通過孔７Ｃとを持つ第１の差動排気絞り７（図９Ａ～図９Ｃ）を有する電子銃１０の調整手順を説明する。図１３は、第１の実施例に係る電子銃の調整手順を示すフローチャートである。図１３には、非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａについて、非軸対称な配置の絞り以外に中心部に軸対称な配置の電子線５の通過孔７Ｃを持つ場合について、初期調整時の電子線５の制御手順のフローチャートが示される。以下、図１３の各ステップ（Ｓ１０－Ｓ１７）について説明する。
（Ｓ１０）：電子銃１０の初期調整を開始する。
（Ｓ１１）：中心部の絞り孔７Ｃの直下に電流計測手段を配置する。
（Ｓ１２）：励起光１５を光電膜１に照射し、電流計測手段で電流を計測する。
（Ｓ１３）：計測電流が最大となるように光電膜１上の励起位置や励起光１５の集光性を調整する。
（Ｓ１４）：次に、励起光学系を調整して光電膜１上の励起点１７がアノード電極６の軸外となるように制御する。光電膜１上の励起点１７の位置の調整は、後述する実施例２～実施例４に記載される方法を適用するものとする。中心部の軸対称な配置の電子線５の通過孔７Ｃを通過させる場合を基準として、非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａの位置で電子線５が適切な位置に到達するように、励起光学系の光路が調整される。
（Ｓ１５）：以上の手順に従い、非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａを通過した電子が、電子顕微鏡１００の試料室１８に配置した試料２３まで電子線５が到達するように、偏向器９を調整する。
（Ｓ１６）：電子銃と試料室の間に設けられた差動排気の絞りを通過する条件では、試料室に搭載された検出器を用いた電子顕微鏡の観察画像により、電子線が試料室に到達することを確認できる。検出信号を確認し、観察画像が良好な場合（Ｙｅｓ）、Ｓ１７へ移行する。検出信号を確認し、観察画像が良好ではない場合（Ｎｏ）、Ｓ１１へ移行して、Ｓ１１－Ｓ１５を繰り替えし、実行する。
（Ｓ１７）：電子銃１０の初期調整を終了する。
次に、図１４を用いて、非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａ（通過孔７Ｃを有さない）を持つ第１の差動排気絞り７（図７Ａ～図７Ｃ）を有する電子銃１０の調整手順を説明する。図１４は、第１の実施例に係る電子銃の調整手順を示すフローチャートである。図１４には、非軸対称な配置の絞り７Ａが中心部の絞り孔を持たない場合について、初期調整時の電子線の制御手順のフローチャートが示される。以下、図１４の各ステップ（Ｓ２０－Ｓ２７）について説明する。
（Ｓ２０）：電子銃１０の初期調整を開始する。
（Ｓ２１）：非軸対称な配置の絞り７Ａが中心部の絞り孔を持たない場合は、中心部の軸対称な配置の電子線５の通過孔７Ｃを通過させる場合を基準とすることができないため、非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａの直下に電流計測手段を配置する。
（Ｓ２２）：励起光１５を光電膜１に照射し、電流計測手段で電流を計測する。
（Ｓ２３）：その計測電流が最大となるように光電膜１上の励起位置を調整する。
（Ｓ２４）：電流計測手段を非軸対称配置の絞り孔７Ａの下から移動させる。
（Ｓ２５）：電子顕微鏡１００の試料室１８に配置した試料２３まで電子線５が到達するように、偏向器９を調整する。
（Ｓ２６）：電子銃と試料室の間に設けられた差動排気の絞りを通過する条件では、試料室に搭載された検出器を用いた電子顕微鏡の観察画像により、電子線が試料室に到達することを確認できる。検出信号を確認し、観察画像が良好な場合（Ｙｅｓ）、Ｓ２７へ移行する。検出信号を確認し、観察画像が良好ではない場合（Ｎｏ）、Ｓ２１へ移行して、Ｓ２１－Ｓ２５を繰り替えし、実行する。
（Ｓ２７）：電子銃１０の初期調整を終了する。
以上により、実質的に中心部の軸対称な配置の電子線５の第１の差動排気絞り７に通過孔７Ｃがある場合と同様の条件で電子線５を電子顕微鏡１００のプローブ電子線として利用することができる。
図１６は、第１の実施例に係る電子顕微鏡の画像撮影方法を示すフローチャートである。したがって、電子顕微鏡の画像撮影方法は、図１６に示すように、以下のように、
０）初期設定工程（図１３、図１４参照）と、
１）光電膜１の励起点１７から電子線５を発生させる第１のステップと、
２）電子線５をアノード電極６により加速する第２のステップと、
３）第１の差動排気絞り７の非軸対称な位置に設けられた第１通過孔７Ａに、加速された電子線５を通過させる第３のステップと、
４）第１通過孔７Ａを通過した電子線５の軌道を偏向器９により調整して、第２の差動排気絞り８の軸対称な位置に設けられた第２通過孔８Ａに、電子線５を通過させる第４のステップと、
５）第２通過孔８Ａを通過した電子線５を試料２３に照射して観察画像を取得する第５のステップと、を含む。
０）初期設定工程（図１３、図１４参照）と、
１）光電膜１の励起点１７から電子線５を発生させる第１のステップと、
２）電子線５をアノード電極６により加速する第２のステップと、
３）第１の差動排気絞り７の非軸対称な位置に設けられた第１通過孔７Ａに、加速された電子線５を通過させる第３のステップと、
４）第１通過孔７Ａを通過した電子線５の軌道を偏向器９により調整して、第２の差動排気絞り８の軸対称な位置に設けられた第２通過孔８Ａに、電子線５を通過させる第４のステップと、
５）第２通過孔８Ａを通過した電子線５を試料２３に照射して観察画像を取得する第５のステップと、を含む。
そして、電子顕微鏡の画像撮影方法の初期設定工程（図１３、図１４参照）は、以下のように、
６）第１の差動排気絞り７の第１通過孔７Ａの下に電流計測手段を配置し、光電膜１の放出電流を計測する第６のステップと、
７）計測される放出電流が最大となるように、光電膜１上の励起光１５の励起点１７の位置を調整する第７のステップと、
８）第１通過孔７Ａを通過した電子線５が試料２３に到達するように、偏向器９を調整する第８のステップと、を含む。
６）第１の差動排気絞り７の第１通過孔７Ａの下に電流計測手段を配置し、光電膜１の放出電流を計測する第６のステップと、
７）計測される放出電流が最大となるように、光電膜１上の励起光１５の励起点１７の位置を調整する第７のステップと、
８）第１通過孔７Ａを通過した電子線５が試料２３に到達するように、偏向器９を調整する第８のステップと、を含む。
以上で説明した電子銃１０は、ガス分子の悪影響を軽減できるため、細胞などの生物系試料のように低真空条件が必要な試料や、固体とガスの反応をIn-situで環境制御計測するための試料室１８を備えた電子顕微鏡に対し、NEA表面を持つ光電膜１を用いた電子源を適用することが可能となる。
本実施例では本発明の電子銃を走査電子顕微鏡に搭載した場合について説明したが、同様の電子銃構造を透過電子顕微鏡や走査透過電子顕微鏡などの電子線応用装置に適用することも可能である。
次に、図１０を用いて、実施例２を説明する。図１０は、第２の実施例に係る励起光学系と電子銃の概略構成例を示す図である。
本実施例では、実施例１で説明した電子銃１０の構造に、光電膜１上の励起点１７がアノード電極６の軸外となるように、励起光１５を光電膜１の活性層に集光して照射するための励起光学系４（図１参照）を組合せた構成について示す。
光電膜１は集光レンズ３とともに真空チャンバ（電子銃室）１１内に置かれ、真空チャンバ１１外に置かれた励起光源１４より放出された励起光１５はコリメータレンズ５１によって平行光に成形され、ビューイングポート１６を通過後に集光レンズ３によって光電膜１の活性層に集光される。光電膜１に対する励起光１５の集光状態をモニタするために、光電膜１での反射光を励起光学系４の光軸外に反射させ、投影レンズにより撮像素子に集光するように励起光学系４を構成しても良い。５０は、励起光学系４の光軸を示す。
p型GaAsから成る光電膜１を用いる場合、励起波長は760～800 nmが好ましい。電子放出面となる光電膜１の裏面近傍に集光レンズ３を配置した場合、透明基板２を透過した励起光１５を0.5以上の大きい開口数で集光できる。開口数ＮＡの集光レンズにより光電膜に集光された波長λの励起光の集光径はλ／ＮＡと同程度となり、最適なスポット径はFWHMでφ1 μm程度となる。この時、電子放出領域のサイズはφ1 μm程度のポイントソースとして利用される。電子顕微鏡１００のプローブ電子線を連続電子線として利用する場合は連続光を、パルス電子線として利用する場合はパルス光を照射する。励起光源は空間光出力、光ファイバ出力など、光電膜１からの電子放出に必要な強度を出力できる光源であれば、どのようなものでも利用可能である。
光電膜１上のアノード電極６の軸外を励起点１７とするための励起光学系４の構成例を図１０に示す。励起光学系４は光源１４、コリメータレンズ５１、集光レンズ３、透明電極２、光電膜１などから成る。光源１４より放出された励起光１５はコリメータレンズ５１により平行光に成形され、集光レンズ３によって光電膜１に集光して照射される。集光レンズ３は電子銃１０の真空チャンバ内に固定されている。励起光学系４の光源１４とコリメータレンズ５１は光学素子を固定するための専用のホルダを用いてビューイングポート１６のフランジに固定される。電子銃１０の真空チャンバ１１の最上部に設置された4方向の押しネジ５２を調整することで、励起光学系４全体を水平面内の任意の水平方向に位置調整できる構成となっている。集光レンズ３と光電膜１の距離は、焦点距離の調整機構であるネジ部品５３の回転量を調整することで光電膜１上の集光スポット径が最小となるように調整される。光電膜１を用いた電子銃１０で、光学系４を位置調整するための機構の詳細は、Journal of applied physics 103, 064905 (208)のFig. 3を参照されたい。
図１０では、アノード電極６の中心軸から距離（離軸量）diだけ離軸した位置を励起点１７するように、励起光学系４の水平方向の位置を調整した時の構成を示している。上記の調整機構を利用することで、電子線５が図７Ａや図９Ａに示す非軸対称な配置の単孔絞り７Ａを通過するように、集光レンズ３の位置を調整して最適な励起点１７に設定する。このようにして、光電膜１のNEA表面より放出された電子線５を、電子顕微鏡のプローブ電子線として利用する。
次に、図１１を用いて実施例３を説明する。図１１は、第３の実施例に係る励起光学系の概略を示す図である。
本実施例では実施例１で説明した電子銃構造について、励起光学系４（図１参照）を固定して光電膜１上の複数の点に励起光１５を集光して照射でき、励起光学系４の光路を調整せずに光電膜１上の複数の励起点１７を利用できる構成を示す。
光電膜１は集光レンズ３とともに真空チャンバ１１内に置かれ、真空チャンバ１１外に置かれた励起光源１４より放出された励起光１５はコリメータレンズ５１によって平行光に成形され、ビューイングポート１６を通過後に集光レンズ３によって光電膜１の活性層に集光される。光電膜１に対する励起光１５の集光状態をモニタするために、光電膜１での反射光を励起光学系４の光軸外に反射させ、投影レンズにより撮像素子に集光するように光学系４を構成しても良い。p型GaAsから成る光電膜１を用いる場合、励起波長は760～800 nmが好ましい。電子放出面となる光電膜１の裏面近傍に集光レンズ３を配置した場合、透明基板２を透過した励起光１５を0.5以上の大きい開口数で集光できる。開口数ＮＡの集光レンズ３により光電膜１に集光された波長λの励起光１５の集光径はλ／ＮＡと同程度となり、最適なスポット径はFWHMでφ1 μm程度となる。この時、電子放出領域のサイズはφ1 μm程度のポイントソースとして利用される。電子顕微鏡１００のプローブ電子線を連続電子線として利用する場合は連続光を、パルス電子線として利用する場合はパルス光を照射する。
光電膜１上のアノード電極６の軸外を励起点１７とするための励起光学系４の構成例を図１１に示す。励起光学系４は光源１４、コリメータレンズ５１、集光レンズ３、透明電極２、光電膜１などから成る。この構成で図７Ｂ、図７Ｃ、図９Ｂ、図９Ｃなど非軸対称な配置に複数の通過孔７Ａを持つ第１の差動排気絞り７を組合せた場合について説明する。
励起光源１４は多心ファイバ５５で構成され、励起光源１４を多心ファイバ５５に接続する。集光レンズ３は図１０と同様の機構で真空チャンバ１１内に固定されており、実施例２で説明した手順に従いアノード電極６の中心付近に位置調整して固定される。この方式の場合、非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａに対応する励起光１５の光路は励起光学系４に対し非軸対称となる。非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａを通過させる電子線５に対応する励起光１５はコリメータレンズ５１と集光レンズ３の軸外を通り光電膜１の活性層に集光して照射されるが、励起光１５の集光位置の離軸量（di）が集光レンズ３で集光できる最大画角内におさまっていれば、光学系４の構成が軸対称な光路の場合と同程度の集光特性を得ることができる。
上記の構成により、励起光源１４の出力を切替えることで、非軸対称な配置の複数の絞り７Ａについて、電子線５の経路を切替えて使うことができる。多心ファイバ５５のファイバ端の間隔doと、コリメータレンズ５１の焦点距離fo、集光レンズ３の焦点距離fiを用いて、光電膜１上に集光される２点の励起点１７の間隔diの間には以下の関係式（式２）が成り立つ。
di = do × fi ／ fo （式２）
非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａの偏心量Lecは、励起点の離軸量diの位置から放出された電子線が非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａを通過するように、電子軌道計算に基づき算出される。
非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａの偏心量Lecは、励起点の離軸量diの位置から放出された電子線が非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａを通過するように、電子軌道計算に基づき算出される。
この時、制御系コントローラ２４を用いて、励起光源１４の出力に対応するように、非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａを通過した後の電子線５に対して偏向器９を連動制御する。励起光源１４の出力と偏向方向の連動制御を一定期間ごとに切り替えて利用することで、光電膜１のNEA表面を長寿命化でき、長期間に渡り安定な電子源として利用することが可能となる。この時、励起光源１４としてパルス幅やパルス間隔が最短で1ナノ秒程度のパルス光源を用いて、ナノ秒程度の時間間隔で励起点１７を切替えることが可能である。なお、光電膜１上の励起点１７に依存して電子線５の放出強度が異なる場合は、励起点１７ごとに励起光の照射強度を変えることで、光電膜１の放出電流を安定化して利用することができる。
次に、図１２を用いて実施例４を説明する。図１２は、第４の実施例に係る励起光学系の概略を示す図である。
本実施例では実施例１で説明した電子銃構造について、励起光学系４（図１参照）の光路上に配置した光学素子を利用して、光電膜１上の複数の点に励起光１５を集光して照射できる構成を示す。
光電膜１は集光レンズ３とともに真空チャンバ１１内に置かれ、真空チャンバ１１外に置かれた励起光源１４より放出された励起光１５はコリメータレンズ５１によって平行光に成形され、ビューイングポート１６を通過後に集光レンズ３によって光電膜１の活性層に集光される。光電膜１に対する励起光１５の集光状態をモニタするために、光電膜１での反射光を励起光学系４の光軸外に反射させ、投影レンズによって撮像素子に集光するように光学系４を構成しても良い。p型GaAsから成る光電膜１を用いる場合、励起波長は760～800 nmが好ましい。電子放出面となる光電膜１の裏面近傍に集光レンズ３を配置した場合、透明基板２を透過した励起光を0.5以上の大きい開口数で集光できる。開口数ＮＡの集光レンズ３により光電膜１に集光された波長λの励起光１５の集光径はλ／ＮＡと同程度となり、最適なスポット径はFWHMでφ1 μm程度となる。この時、電子放出領域のサイズはφ1 μm程度のポイントソースとして利用される。電子顕微鏡１００のプローブ電子線を連続電子線として利用する場合は連続光を、パルス電子線として利用する場合はパルス光を照射する。励起光源１４は空間光出力、光ファイバ出力など、光電膜１からの電子放出に必要な強度を出力できる光源であれば、どのようなものでも利用可能である。
光電膜１上のアノード電極６の軸外を励起点１７とするための励起光学系４の構成例を図１２に示す。励起光学系４は光源１４、コリメータレンズ５１、集光レンズ３、透明電極２、光電膜１などから成る。この構成で図７Ｂ、図７Ｃ、図９Ｂ、図９Ｃなど非軸対称な配置に複数の通過孔７Ａを持つ第１の差動排気絞り７を組合せた場合について説明する。
本実施例では励起光１５を励起光学系１４の光軸外に曲げるために、コリメータレンズ５１と集光レンズ３の間の領域に、断面がくさび形状の光学素子（ウェッジプリズム）５６を配置する。ウェッジプリズム５６に入射した平行光はスネルの法則に従い、図１２のように屈折する。平行光が屈折する角度はウェッジプリズム５６の材質（屈折率）や光軸に対する傾斜面の傾斜角度に依存する。このため、光電膜１のNEA表面で発生した電子線５が第１の差動排気絞り７の非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａを通過できる励起点の離軸量diに基づき、ウェッジプリズム５６による屈折角は決定される。
実施例３と同様に、屈折した励起光１５は集光レンズ３の軸外を通り光電膜１の活性層に集光して照射されるが、励起光１５の集光位置の離軸量diが集光レンズ３で集光できる最大画角内におさまっていれば、励起光学系４の構成が軸対称な光路の場合と同程度の集光特性を得ることができる。
実施例３と同様に、集光レンズ３はアノード電極６の中心付近に水平位置が調整され固定されることが好ましい。このため、はじめにウェッジプリズム５６がない状態で光路を調整し、集光レンズ３がアノード電極６の中心付近となるように位置を調整する。
ウェッジプリズム５６を励起光学系４の光軸のまわりに回転することで、励起光を任意の方向に曲げることができる。このため、ウェッジプリズム５６を回転機構に搭載し、アノード電極の軸外の励起点から放出された電子線５が第１の差動排気絞り７の非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａを通過できるように、ウェッジプリズム５６の回転角を制御することで、光電膜１上の励起点１７を切替えて放出される電子線５を利用することができる。
この時、制御系コントローラ２４を用いて、ウェッジプリズム５６の回転角に対応するように、第１の差動排気絞り７の非軸対称な配置の絞り孔（通過孔）７Ａを通過した後の電子線５に対して偏向器９を連動制御する。ウェッジプリズム５６の回転角と対応する偏向方向の連動制御を一定期間ごとに切り替えて利用することで、光電膜１のNEA表面を長寿命化でき、長期間に渡り安定な電子源として利用することが可能となる。この時、励起光源１４としてパルス幅やパルス間隔が最短で1ナノ秒程度のパルス光源を用いて、ナノ秒程度の時間間隔で励起点１７を切替えることが可能である。なお、光電膜１上の励起点１７に依存して電子線５の放出強度が異なる場合は、励起点１７ごとに励起光の照射強度を変えることで、光電膜１の放出電流を安定化して利用することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。
１…光電膜、２…透明基板、３…集光レンズ、４…光学系、励起光学系、５…電子、電子線、６…アノード電極、７…第１の差動排気絞り、７Ａ…非軸対称な配置の絞りの電子線通過孔（第１通過孔）、７Ｂ…絞り板の中心部、７Ｃ…絞り板の中心部の電子線通過孔（第３通過孔）、８…第２の差動排気絞り、８Ａ…軸対称な配置の絞りの電子線通過孔（第２通過孔）、９…複数段の偏向器、９Ａ…上側偏向器、９Ｂ…下側偏向器、１０…電子銃、１１…電子銃室、１２…アノード電極の軸、１３…排気系（イオンポンプ、NEGポンプ）、１４…光源、励起光源、１５…励起光、１６…ビューイングポート、１７…励起点、１８…試料室、１９…光電膜の印加電圧（陰極電圧）、２０…アノード電極の印加電圧、２１…静電レンズの凸レンズ作用、２２…静電レンズの凹レンズ作用、２３…試料、２４…制御系（制御装置、コントローラ）、３２…電子レンズ、３３…電子レンズの集束点、３４…対物レンズ、３５…信号電子、３６…検出器、３７…仮想光源、５０…励起光学系の光軸、５１…コリメータレンズ、５２…押しネジ、５３…ネジ部品、焦点距離の調整機構、５５…多心ファイバ、５６…ウェッジプリズム（断面がくさび形状の光学素子）
Claims (12)
- 励起光を発生させる励起光源と、
透明基板と光電膜を有するフォトカソードと、
前記励起光を前記フォトカソードに向けて集光する集光レンズと、
前記フォトカソードに対向して配置され、前記集光レンズで集光された励起光が、前記フォトカソードの透明基板を透過して入射されることにより、前記フォトカソードの前記光電膜の励起点から電子線が発生し、前記電子線を加速させるアノード電極と、
前記フォトカソードの側に配置され、電子光学系に対し非軸対称に配置された第１通過孔を持つ第1の差動排気絞りと、
該第1の差動排気絞りよりも試料の側に配置され、電子光学系に対し軸対称に配置された第２通過孔を持つ第２の差動排気絞りと、
前記第1の差動排気絞りと前記第２の差動排気絞りの間に配置され、前記電子線の軌道を調整する偏向器と、を備えることを特徴とする電子顕微鏡。 - 前記フォトカソードに印加する陰極電圧を時間変動させ、該時間変動に伴う像揺れを調整するために、前記偏向器による前記電子線の偏向信号を制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。
- 前記光電膜は，表面の電子親和力が負の半導体であることを特徴とする，請求項２に記載の電子顕微鏡。
- 前記励起光源と前記集光レンズと前記光電膜とを含む励起光学系の水平方向の位置を調整する調整機構を具備することを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の電子顕微鏡。
- 多心ファイバを有し、
前記多心ファイバに接続された前記励起光源の出力によって、前記光電膜上の前記励起点を切り替えることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の電子顕微鏡。 - 前記制御装置は、前記励起光源の出力と、前記偏向器による前記電子線の偏向方向を連動して制御することを特徴とする、請求項５に記載の電子顕微鏡。
- 前記第１の差動排気絞りは、電子光学系に対して軸対称な配置の第３通過孔を持つことを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の電子顕微鏡。
- 前記第１の差動排気絞りの前記第３通過孔を遮蔽する遮蔽手段を備えることを特徴とする、請求項７に記載の電子顕微鏡。
- 前記遮蔽手段は、電流計測手段を有することを特徴とする、請求項８に記載の電子顕微鏡。
- 前記試料が配置される試料室を有し、
前記試料の周囲の圧力範囲は数10Pa～数100Paに設定できることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の電子顕微鏡。 - 光電膜の励起点から電子線を発生させる第１のステップと、
前記電子線をアノード電極により加速する第２のステップと、
第１の差動排気絞りの非軸対称な位置に設けられた第１通過孔に、前記加速された前記電子線を通過させる第３のステップと、
前記第１通過孔を通過した前記電子線の軌道を偏向器により調整して、第２の差動排気絞りの軸対称な位置に設けられた第２通過孔に、前記電子線を通過させる第４のステップと、
前記第２通過孔を通過したら前記電子線を試料に照射して観察画像を取得する第５のステップと、を有する、電子顕微鏡の画像撮影方法。 - 請求項１１において、さらに、
前記第１の差動排気絞りの前記第１通過孔の下に電流計測手段を配置し、前記光電膜の放出電流を計測する第６のステップと、
計測される放出電流が最大となるように、前記光電膜の前記励起点の位置を調整する第７のステップと、
前記第１通過孔を通過した前記電子線が前記試料に到達するように前記偏向器を調整する第８のステップと、を含む初期設定工程を有する、電子顕微鏡の画像撮影方法。
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| WO2023248272A1 true WO2023248272A1 (ja) | 2023-12-28 |
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