JP2001006531A - Photocathode - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電子線装置などに
使用する陰極に関するものであり、さらに詳しくは光励
起電子を真空中に放射する光電陰極に関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cathode used for an electron beam device and the like, and more particularly to a photocathode which emits photoexcited electrons into a vacuum.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、電子顕微鏡や電子線露光装置の電
子源としては、カソードを加熱して、そこから放出され
る電子を使用する熱陰極が利用されてきた。しかしなが
ら、このような熱陰極においては、カソードの温度によ
って放出される電子数が変化したり、ショットノイズが
大きいという問題点があった。そこで、この問題点を克
服するものとして、薄膜技術を利用した薄膜冷陰極が注
目を集めている。また、薄膜技術を利用した薄膜冷陰極
は、それ自身がリソグラフィー等の微細加工技術を利用
して製作されているので、単位面積当たりに多数の電子
源を設けることができ、マスクレスリソグラフィー用の
電子源としても注目を集めている。2. Description of the Related Art Conventionally, as an electron source for an electron microscope or an electron beam exposure apparatus, a hot cathode that heats a cathode and uses electrons emitted from the cathode has been used. However, such a hot cathode has problems in that the number of emitted electrons varies depending on the temperature of the cathode and that shot noise is large. Therefore, as a means for overcoming this problem, a thin-film cold cathode utilizing thin-film technology has attracted attention. In addition, thin-film cold cathodes utilizing thin-film technology are themselves manufactured using microfabrication technology such as lithography, so that a large number of electron sources can be provided per unit area, and they are used for maskless lithography. It is also attracting attention as an electron source.
【０００３】このような薄膜冷陰極の一種として、光に
より電子放出体を励起して電子を放出させる光電陰極が
ある。例えば、Journal of Vacuum Science and Techno
logyB, vol.16, p3192 (1998)には、GaAs上にCsを成膜
した構造の光電陰極が記載されている。この光電陰極の
GaAs側にレーザー光を照射し、GaAs中の電子を励起す
る。励起された電子は、仕事関数の小さいCs表面から真
空中に放射される。[0003] As one type of such a thin film cold cathode, there is a photocathode which excites an electron emitter by light and emits electrons. For example, Journal of Vacuum Science and Techno
logyB, vol. 16, p3192 (1998) describes a photocathode having a structure in which Cs is formed on GaAs. This photocathode
The GaAs side is irradiated with laser light to excite electrons in GaAs. The excited electrons are emitted into a vacuum from the Cs surface having a small work function.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Csなど
の低仕事関数を有する金属は、イオン化エネルギーが小
さいため、大気中に曝すと直ちに酸化されるなど化学的
に極めて不安定である。そのため、これらの金属を使用
した光電電極は、表面汚染に対して非常に敏感であると
いう問題点を有していた。また、電子放出面に化学的に
安定な金などの金属を用いると、量子効率が悪く、得ら
れる放射電流が小さいという問題点があった。特に、マ
スクレスリソグラフィーに使用するような場合には、２
次元アレイ状に配置された光電陰極毎に光を照射しなけ
ればならないが、量子効率が悪いと大きな光量の光を照
射しなければならず、小さい面積に必要な光量の光を照
射することが事実上不可能であるという問題点があっ
た。However, metals having a low work function, such as Cs, have low ionization energies and are chemically very unstable such that they are immediately oxidized when exposed to the atmosphere. Therefore, the photoelectrode using these metals has a problem that it is very sensitive to surface contamination. In addition, when a metal such as gold, which is chemically stable, is used for the electron emission surface, there is a problem that the quantum efficiency is poor and the emission current obtained is small. In particular, when used for maskless lithography, 2
Light must be emitted to each photocathode arranged in a two-dimensional array, but if the quantum efficiency is poor, a large amount of light must be emitted, and the required amount of light can be applied to a small area. There was a problem that it was virtually impossible.
【０００５】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、化学的に安定な物質を電子放出面に用いても、
大きな放射電流が得られる光電陰極を提供することを課
題とする。The present invention has been made in view of such circumstances, and even when a chemically stable substance is used for the electron emission surface,
It is an object to provide a photocathode capable of obtaining a large emission current.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、透明基板と、透明基板の両面に形成さ
れ、光共振器としての機能を有するミラーと、一方のミ
ラーの面上に順に形成された電子供給膜と光電陰極膜と
を有してなることを特徴とする光電陰極（請求項１）で
ある。A first means for solving the above-mentioned problems includes a transparent substrate, a mirror formed on both surfaces of the transparent substrate and having a function as an optical resonator, and a surface of one of the mirrors. A photocathode comprising an electron supply film and a photocathode film formed in order on the photocathode.
【０００７】本手段においては、透明基板の両面に形成
された一対のミラーが光共振器としての機能を有するの
で、光電陰極膜が形成されていない側からミラーを介し
て透明基板中に光を照射すると、光増幅が行われ、増幅
された光で電子供給膜中の電子が励起されて光電陰極膜
の伝導帯上に移動する。本手段においては光増幅器を利
用して特定波長の光を増幅しているので、光電陰極膜と
して化学的に安定な材料を用いても、大きな放射電流を
得ることができる。In this means, since a pair of mirrors formed on both surfaces of the transparent substrate have a function as an optical resonator, light enters the transparent substrate through the mirror from the side where the photocathode film is not formed. Upon irradiation, light amplification is performed, and the electrons in the electron supply film are excited by the amplified light and move to the conduction band of the photocathode film. In this means, since light of a specific wavelength is amplified using an optical amplifier, a large emission current can be obtained even if a chemically stable material is used for the photocathode film.
【０００８】前記課題を解決するための第２の手段は、
透明基板と、透明基板の両面に形成され、光共振器とし
ての機能を有するミラーと、一方のミラーの面上に形成
された光電陰極膜とを有してなることを特徴とする光電
陰極（請求項２）である。[0008] A second means for solving the above problems is as follows.
A photocathode, comprising: a transparent substrate; mirrors formed on both surfaces of the transparent substrate and having a function as an optical resonator; and a photocathode film formed on one mirror surface. Claim 2).
【０００９】本手段においては、透明基板の両面に形成
された一対のミラーが光共振器としての機能を有するの
で、光電陰極膜が形成されていない側からミラーを介し
て透明基板中に光を照射すると、光増幅が行われ、増幅
された光で光電陰極膜が設けられている側のミラーの電
子が励起されて光電陰極膜の伝導帯上に移動する。本手
段においては光増幅器を利用して特定波長の光を増幅し
ているので、光電陰極膜として化学的に安定な材料を用
いても、大きな放射電流を得ることができる。In this means, since a pair of mirrors formed on both sides of the transparent substrate have a function as an optical resonator, light is transmitted into the transparent substrate through the mirror from the side where the photocathode film is not formed. Upon irradiation, light amplification is performed, and the amplified light excites electrons in the mirror on the side provided with the photocathode film, and moves onto the conduction band of the photocathode film. In this means, since light of a specific wavelength is amplified using an optical amplifier, a large emission current can be obtained even if a chemically stable material is used for the photocathode film.
【００１０】前記課題を解決するための第３の手段は、
透明基板と、透明基板の両面に形成され、光共振器とし
ての機能を有するミラーとを有してなり、一方のミラー
が光電陰極膜としての性質を併せ持っていることを特徴
とする光電陰極（請求項３）である。[0010] A third means for solving the above problems is as follows.
A photocathode, comprising: a transparent substrate; and mirrors formed on both surfaces of the transparent substrate and having a function as an optical resonator, wherein one of the mirrors also has a property as a photocathode film. Claim 3).
【００１１】本手段においては、光共振器により光増幅
が行われることは第１の手段、第２の手段と同じである
が、２枚のミラーのうち、光を入射する側でないミラー
に、光電陰極膜としての性質を併せ持たせるようにす
る。このことは、Al等の金属を用いれば実現できるが、
なるべく反射率が高く、かつ電子親和力が小さい金属を
用いることが好ましい。このような構造にすることによ
り、特別の光電陰極膜を設ける必要がないので、構成が
簡単になる。In this means, the optical amplification is performed by the optical resonator in the same manner as in the first means and the second means. A property as a photocathode film is also provided. This can be realized by using a metal such as Al,
It is preferable to use a metal having high reflectivity and low electron affinity as much as possible. With such a structure, there is no need to provide a special photocathode film, so that the structure is simplified.
【００１２】前記課題を解決するための第４の手段は、
前記第１の手段から第３の手段のうちいずれかであっ
て、前記光電陰極膜が、負又は小さい正の電子親和力を
有する材料からなることを特徴とするもの（請求項４）
である。A fourth means for solving the above-mentioned problem is as follows.
In any one of the first means to the third means, the photocathode film is made of a material having a negative or small positive electron affinity (claim 4).
It is.
【００１３】本手段においては、光電陰極膜が、負もし
くは小さい電子親和力を有する。負の電子親和力を有す
る場合は、光電陰極膜に到達した電子は、そのまま真空
中に放出されることになるので、電子放射効率が極めて
高くなる。正の電子親和力を持つ場合でも、その値が小
さければ、電子を少し励起するだけで真空中に放出する
ことができる。よって、この場合も、電子放射効率を高
めることができる。負または小さい電子親和力を有する
材料としては、ダイヤモンド又はダイヤモンドライクカ
ーボン等が使用できる。これらの材料は、化学的にも安
定であるので、光電陰極膜として好適である。その他の
ワイドバンドギャップ半導体も、このような材料として
用いることができる。In this means, the photocathode film has a negative or small electron affinity. In the case of having a negative electron affinity, the electrons that have reached the photocathode film are released as they are into vacuum, so that the electron emission efficiency becomes extremely high. Even if it has a positive electron affinity, if its value is small, electrons can be emitted into a vacuum with only a small excitation. Therefore, also in this case, the electron emission efficiency can be increased. Diamond or diamond-like carbon can be used as the material having a negative or small electron affinity. Since these materials are chemically stable, they are suitable as a photocathode film. Other wide band gap semiconductors can also be used as such a material.
【００１４】[0014]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
用いて説明する。図１は本発明の実施の形態の１例であ
る光電陰極の構成を示す概要図である。図１において、
１は透明基板、２ａは第１の金属ミラー薄膜、２ｂは第
２の金属ミラー薄膜、３は光電陰極膜、４は陽極、５は
励起光、６は真空、７は放射電子、３０は電子供給膜で
ある。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a photocathode as an example of an embodiment of the present invention. In FIG.
1 is a transparent substrate, 2a is a first metal mirror thin film, 2b is a second metal mirror thin film, 3 is a photocathode film, 4 is an anode, 5 is excitation light, 6 is vacuum, 7 is radiated electrons, and 30 is electrons It is a supply membrane.
【００１５】本実施の形態は、平行平板型二極管構造を
有する。励起光５に対して、光共振器構造になるよう
に、ガラス等の透明基板１の両面にAl等からなる第１の
金属ミラー薄膜２ａ、第２の金属ミラー薄膜２ｂがそれ
ぞれ形成されており、これらのミラーは励起光に対して
光共振器を構成するようになっている。第１の金属ミラ
ー薄膜２ａ上には、負又は小さい正の電子親和力を有す
る光電陰極膜３が、光電子陰極膜３に電子を供給するた
めの電子供給膜３０を介して形成されている。以後、第
１の金属ミラー薄膜２ａ側を基板表面、第２の金属ミラ
ー薄膜２ｂ側を基板裏面と呼ぶことにする。This embodiment has a parallel plate type diode structure. A first metal mirror thin film 2a and a second metal mirror thin film 2b made of Al or the like are formed on both surfaces of a transparent substrate 1 made of glass or the like so as to form an optical resonator structure for the excitation light 5. These mirrors constitute an optical resonator for the excitation light. On the first metal mirror thin film 2a, a photocathode film 3 having a negative or small positive electron affinity is formed via an electron supply film 30 for supplying electrons to the photoelectron cathode film 3. Hereinafter, the first metal mirror thin film 2a side will be referred to as the substrate front surface, and the second metal mirror thin film 2b side will be referred to as the substrate back surface.
【００１６】基板裏面から励起光５を照射すると、この
光は第２の金属ミラー薄膜２ｂを通って透明基板１内に
内に入り、第１の金属ミラー薄膜２ａ、第２の金属ミラ
ー薄膜２ｂからなる光共振器により光増幅を受ける。そ
の結果、電子供給膜３０には、増幅された光が照射され
ることになり、これにより、光電陰極膜３から放射電子
７が真空６中へ放射される。この放射電子７は陽極４に
印加されている電圧VAによって加速され、陽極４で回収
され電流IEが流れることになる。When the excitation light 5 is irradiated from the back surface of the substrate, this light passes through the second metal mirror thin film 2b and enters the transparent substrate 1, and the first metal mirror thin film 2a and the second metal mirror thin film 2b Optical amplification by an optical resonator consisting of As a result, the amplified light is irradiated to the electron supply film 30, whereby the emitted electrons 7 are emitted from the photocathode film 3 into the vacuum 6. The emitted electrons 7 are accelerated by the voltage VA applied to the anode 4, are collected by the anode 4, and the current IE flows.
【００１７】次に、図２を用いて、この実施の形態の動
作原理を示す。この例は、光電陰極膜３として、負の電
子親和力を有しているものを使用した場合の状態を示す
ものである。基板裏面から励起光５を照射すると第１の
金属ミラー薄膜２ａ及び第２の金属ミラー薄膜２ｂが光
共振器５ｃとして機能し、特定波長の光を効率よく照射
することができるようになる。Next, the operation principle of this embodiment will be described with reference to FIG. This example shows a state in which a film having a negative electron affinity is used as the photocathode film 3. When the excitation light 5 is irradiated from the back surface of the substrate, the first metal mirror thin film 2a and the second metal mirror thin film 2b function as an optical resonator 5c, so that light of a specific wavelength can be efficiently irradiated.
【００１８】光が照射された電子供給膜３０のフェルミ
準位30af近傍にいる電子供給膜３０中の電子30eは、光
励起30pによって光電陰極膜３の伝導帯3c上に励起され
る。この光電陰極膜中伝導電子3eは、光電陰極膜３中の
電界で加速および緩和3rを受け、表面に到達する。光電
陰極膜３は負の電子親和力を有するので、図に示すよう
に、光電陰極膜３表面に到達した電子は、そのまま真空
６へ放射される。これが放射電流IEとなる。Electrons 30e in the electron supply film 30 near the Fermi level 30af of the electron supply film 30 irradiated with light are excited on the conduction band 3c of the photocathode film 3 by photoexcitation 30p. The conduction electrons 3e in the photocathode film are accelerated and relaxed 3r by the electric field in the photocathode film 3, and reach the surface. Since the photocathode film 3 has a negative electron affinity, the electrons reaching the surface of the photocathode film 3 are radiated to the vacuum 6 as shown in the figure. This is the emission current IE.
【００１９】光電陰極膜３として、小さな正の電子親和
力を有したものを使用した場合の動作原理を図３に示
す。図３と図２の違いは、光電陰極膜３が正の電子親和
力を有しているため、光電陰極膜３の伝導体の上端の電
位より、それと接する真空の電位が低く、そのために図
に示すように障壁が形成されている点である。FIG. 3 shows the operation principle when a photocathode film 3 having a small positive electron affinity is used. The difference between FIG. 3 and FIG. 2 is that since the photocathode film 3 has a positive electron affinity, the potential of the vacuum in contact with the upper end of the conductor of the photocathode film 3 is lower than that of FIG. The point is that a barrier is formed as shown.
【００２０】基板裏面から励起光５を照射すると第１の
金属ミラー薄膜２ａ及び第２の金属ミラー薄膜２ｂが光
共振器５ｃとして機能し、特定波長の光を効率よく照射
することができるようになる。When the excitation light 5 is irradiated from the back of the substrate, the first metal mirror thin film 2a and the second metal mirror thin film 2b function as an optical resonator 5c so that light of a specific wavelength can be efficiently irradiated. Become.
【００２１】光が照射された電子供給膜３０のフェルミ
準位30af近傍にいる電子供給膜３０中の電子30eは、光
励起30pによって光電陰極膜３の伝導帯3c上に励起され
る。この光電陰極膜中伝導電子3eは、光電陰極膜３中の
電界で加速および緩和3rを受け、表面に到達する。光電
陰極膜３の伝導帯3cの上端は真空準位6vよりわずかに下
に来る。しかし、この形態でも熱的に励起した電子や、
裏面から増幅された励起光を利用することによって、真
空準位6vへの電子の供給は容易である。負または小さい
電子親和力を有する材料としては、ダイヤモンド又はダ
イヤモンドライクカーボン等が使用できる。Electrons 30e in the electron supply film 30 near the Fermi level 30af of the irradiated electron supply film 30 are excited on the conduction band 3c of the photocathode film 3 by photoexcitation 30p. The conduction electrons 3e in the photocathode film are accelerated and relaxed 3r by the electric field in the photocathode film 3, and reach the surface. The upper end of the conduction band 3c of the photocathode film 3 comes slightly below the vacuum level 6v. However, even in this form, the thermally excited electrons,
By using the excitation light amplified from the back surface, it is easy to supply electrons to the vacuum level 6v. Diamond or diamond-like carbon can be used as the material having a negative or small electron affinity.
【００２２】図４は、図１に示す光電陰極の製造方法の
例を示す。数百μｍ程度のガラスや石英等の透明基板１
を用意し（ａ）、その上にAlの第１の金属ミラー薄膜２
ａを蒸着等により成膜する（ｂ）。次に、電子供給膜３
０として、AlやAuを10〜100ｎｍ程度、蒸着等により形
成する（ｃ）。続いて、光電陰極膜３を成膜する
（ｄ）。この際、光電陰極膜３としてダイヤモンドやダ
イヤモンドライクカーボンを用いる場合、レーザアブレ
ーション法、マイクロ波プラズマ化学的気相成長法、熱
フィラメント化学的気相成長法を用いる。最後に基板裏
面に第２の金属ミラー薄膜２ｂを、蒸着等により成膜し
て完成となる（ｅ）。FIG. 4 shows an example of a method for manufacturing the photocathode shown in FIG. Transparent substrate 1 of glass, quartz, etc. of about several hundred μm
(A), and a first metal mirror thin film 2 of Al is formed thereon.
a is formed by vapor deposition or the like (b). Next, the electron supply film 3
As 0, Al or Au is formed to a thickness of about 10 to 100 nm by vapor deposition or the like (c). Subsequently, a photocathode film 3 is formed (d). At this time, when diamond or diamond-like carbon is used as the photocathode film 3, a laser ablation method, a microwave plasma chemical vapor deposition method, or a hot filament chemical vapor deposition method is used. Finally, a second metal mirror thin film 2b is formed on the back surface of the substrate by vapor deposition or the like to complete (e).
【００２３】なお、図示しないが、光電供給膜３０を成
膜せずに、第１の金属ミラー薄膜２ａそのものに光電子
供給膜としての機能をもたせたり、特別な光電陰極膜３
を成膜せず、第１の金属ミラー薄膜２ａそのものに、光
電陰極膜としての機能を併せ持たせることができる。Although not shown, the first metal mirror thin film 2a itself can have a function as a photoelectron supply film without forming the photoelectric supply film 30, or a special photocathode film 3 can be used.
Is not formed, the first metal mirror thin film 2a itself can also have a function as a photocathode film.
【００２４】[0024]
【発明の効果】以上説明したように、本発明のうち請求
項１に係る発明及び請求項２に係る発明においては、光
増幅が行われ、増幅された光で電子を励起しているの
で、光電陰極膜として化学的に安定な材料を用いても、
大きな放射電流を得ることができる。As described above, in the first and second aspects of the present invention, optical amplification is performed, and electrons are excited by the amplified light. Even if a chemically stable material is used for the photocathode film,
A large radiation current can be obtained.
【００２５】請求項３に係る発明においては、一方のミ
ラーが光電陰極膜としての性質を併せ持つので、構成が
簡単になる。According to the third aspect of the present invention, since one of the mirrors also has a property as a photocathode film, the structure is simplified.
【００２６】請求項４に係る発明においては、光電陰極
膜が、負又は小さい正の電子親和力を有する材料からな
るので、電子を大きく励起しなくても真空中に放出させ
ることができる。In the invention according to the fourth aspect, since the photocathode film is made of a material having a negative or small positive electron affinity, electrons can be emitted into a vacuum without greatly exciting.
【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]
【図１】本発明の実施の形態の１例である光電陰極の構
成を示す概要図である。FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a photocathode which is an example of an embodiment of the present invention.
【図２】図１に示す光電陰極の動作原理を示す図であ
る。FIG. 2 is a diagram showing the operation principle of the photocathode shown in FIG.
【図３】図１に示す光電陰極の動作原理を示す図であ
る。FIG. 3 is a diagram showing the operation principle of the photocathode shown in FIG.
【図４】図１に示す光電陰極の製造方法の例を示す図で
ある。FIG. 4 is a diagram showing an example of a method of manufacturing the photocathode shown in FIG.
１…透明基板 ２ａ…第１の金属ミラー薄膜 ２ｂ…第２の金属ミラー薄膜 ３…光電陰極膜 ４…陽極 ５…励起光 ６…真空 ７…放射電子 ３０…電子供給膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Transparent substrate 2a ... 1st metal mirror thin film 2b ... 2nd metal mirror thin film 3 ... Photocathode film 4 ... Anode 5 ... Excitation light 6 ... Vacuum 7 ... Emitted electron 30 ... Electron supply film
Claims (4)
れ、光共振器としての機能を有するミラーと、一方のミ
ラーの面上に順に形成された電子供給膜と光電陰極膜と
を有してなることを特徴とする光電陰極。1. A transparent substrate, a mirror formed on both surfaces of the transparent substrate and having a function as an optical resonator, and an electron supply film and a photocathode film sequentially formed on one mirror surface A photocathode characterized by comprising:
れ、光共振器としての機能を有するミラーと、一方のミ
ラーの面上に形成された光電陰極膜とを有してなること
を特徴とする光電陰極。2. A transparent substrate, a mirror formed on both surfaces of the transparent substrate and having a function as an optical resonator, and a photocathode film formed on one of the mirrors. Photocathode.
れ、光共振器としての機能を有するミラーとを有してな
り、一方のミラーが光電陰極膜としての性質を併せ持っ
ていることを特徴とする光電陰極。3. A semiconductor device comprising: a transparent substrate; and mirrors formed on both surfaces of the transparent substrate and having a function as an optical resonator, wherein one of the mirrors has a property as a photocathode film. Photocathode.
子親和力を有する材料からなることを特徴とする請求項
１から請求項３のうちいずれか１項に記載の光電陰極。4. The photocathode according to claim 1, wherein the photocathode film is made of a material having a negative or small positive electron affinity.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17114899A JP2001006531A (en) | 1999-06-17 | 1999-06-17 | Photocathode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17114899A JP2001006531A (en) | 1999-06-17 | 1999-06-17 | Photocathode |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001006531A true JP2001006531A (en) | 2001-01-12 |
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ID=15917889
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17114899A Pending JP2001006531A (en) | 1999-06-17 | 1999-06-17 | Photocathode |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001006531A (en) |
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