JP5071699B2 - Apparatus for local coating of high quantum efficiency material on cathode tip of photocathode type electron beam source - Google Patents
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Description
この出願の発明は、フォトカソード型電子線源の陰極先端部への高量子効率物質の局所被覆装置に関するものである。より詳細には、この出願の発明は、高量子効率物質を陰極先端部の限定された微小領域に被覆することができ、発生する電子ビームの輝度および干渉性を向上させた電子線源を提供することができる、フォトカソード型電子線源の陰極先端部への高量子効率物質の局所被覆装置に関するものである。 The invention of this application relates to a device for locally coating a high quantum efficiency material on the cathode tip of a photocathode type electron beam source. More specifically, the invention of this application provides an electron beam source capable of coating a high-efficiency material on a limited minute region of the cathode tip and improving the brightness and coherence of the generated electron beam. The present invention relates to a device for locally coating a high quantum efficiency material on the cathode tip of a photocathode electron beam source.
なお、この出願の明細書において、「局所」とは、フォトカソード型電子線源の陰極先端部の限定された微小領域のことを意味する。 In the specification of this application, “local” means a limited minute region of the cathode tip of the photocathode type electron beam source.
従来より、電子顕微鏡、電子線加速器およびＸ線発生装置用等の電子線源として、電界放射型電子線源や熱電子放出型電子線源が一般的に使用されており、とくに電界放射型電子線源は今日最高輝度の電子線源として様々な分野に利用されている。しかしながら、最高輝度の電子線源とされる電界放射型電子線源を搭載した電子顕微鏡でさえも、現在実用的に放出される電子の総電流はわずか１μＡ程度となっている。 Conventionally, field emission type electron beam sources and thermionic emission type electron beam sources have been generally used as electron beam sources for electron microscopes, electron beam accelerators and X-ray generators. The radiation source is used in various fields as an electron beam source having the highest luminance today. However, even in an electron microscope equipped with a field emission electron beam source that is the electron beam source with the highest luminance, the total current of electrons that are practically emitted at present is only about 1 μA.
ところで、光学顕微鏡では凸レンズと凹レンズを組み合わせて球面収差を完全に除去できるため、その像分解能は原理的分解能である可視光の波長程度を有している。これに対して透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）では実用的な磁界凹レンズを作製することが原理的に不可能なため、球面収差を除去できず、その像分解能は原理的分解能である電子の波長（２００ｋｅＶで０．０２５１オングストローム）に比べて１００倍も低く、光学顕微鏡における虫眼鏡程度の像分解能を有するにすぎない。ＴＥＭの加速電圧を２００ｋＶから１０００ｋＶとして電子の波長を短くしても、像分解能の向上は１０％程度でしかない。 By the way, in an optical microscope, since spherical aberration can be completely removed by combining a convex lens and a concave lens, the image resolution thereof is about the wavelength of visible light, which is a fundamental resolution. On the other hand, a transmission electron microscope (TEM) is impossible in principle to produce a practical magnetic concave lens. Therefore, spherical aberration cannot be removed, and the image resolution is the wavelength of electrons (the fundamental resolution). It is 100 times lower than that at 200 keV (0.0251 angstrom), and only has an image resolution equivalent to that of a magnifying glass in an optical microscope. Even if the electron voltage is shortened by setting the TEM acceleration voltage from 200 kV to 1000 kV, the improvement in image resolution is only about 10%.
しかし、極めて輝度の高い電子線源をＴＥＭに使用して、良質なホログラムが得られれば、ホログラムから像への再生において光学用の凸レンズと凹レンズを組み合わせてホログラムが有する球面収差を完全に除去しながら像再生ができ、ＴＥＭの分解能を現状の１００倍以上の原理的分解能にまで向上させることができる。これはＴＥＭが考案されてまもなく、Ｄ．Ｇａｂｏｒが提案した方法であるが、現在もっとも高い輝度・干渉性を有する電界放射型電子線源であっても、その輝度がまだ不十分なため、分解能向上の効果は小さい。 However, if an electron beam source with extremely high brightness is used for the TEM and a good quality hologram is obtained, the spherical aberration of the hologram can be completely removed by combining an optical convex lens and concave lens in the reproduction from the hologram to the image. Thus, the image can be reproduced, and the resolution of the TEM can be improved to a theoretical resolution that is 100 times or more the current resolution. This is shortly after the TEM was invented. Although it is a method proposed by Gabor, even the field emission type electron beam source having the highest luminance and coherence at present is not sufficiently effective in improving the resolution because the luminance is still insufficient.
そこで、新しい電子線源としてフォトカソード型電子線源が注目されている。フォトカソード型電子線源は光電効果を利用しており、先端部に量子効率（１個の光子の光電効果によって放出される光電子の個数の割合（％））の高い物質を被覆させた陰極に対してレーザー光等の光を照射し、光電子を放出させることによって電子線源として使用することができる。 Therefore, a photocathode type electron beam source has attracted attention as a new electron beam source. The photocathode type electron beam source uses a photoelectric effect, and a cathode covered with a substance having a high quantum efficiency (ratio of the number of photoelectrons emitted by the photoelectric effect of one photon). On the other hand, it can be used as an electron beam source by emitting light such as laser light and emitting photoelectrons.
ここで、図１の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、それぞれ熱電子放出型電子線源、電界放出型電子線源およびフォトカソード型電子線源からの電子ビームの輝度比較のために電子ビームの集束の様子を示す。また、図２の（ａ）、（ｂ）に、それぞれ熱電子放出型電子線源および電界放出型電子線源における電子線の集束用電極の概要を模式的に示す。電子ビームの輝度βは、図１（ａ）に示すように、電子ビームによる電流をＩ、クロスオーバー位置での電子ビームの面積をＳ、立体角をωとすると、β＝Ｉ／（Ｓ・ω）で表される。 Here, in FIGS. 1A, 1B, and 1C, for comparing the brightness of electron beams from a thermionic emission electron beam source, a field emission electron beam source, and a photocathode electron beam source, respectively. Figure 6 shows how the electron beam is focused. FIGS. 2A and 2B schematically show an outline of an electron beam focusing electrode in a thermionic emission electron beam source and a field emission electron beam source, respectively. As shown in FIG. 1A, the brightness β of the electron beam is expressed as follows: β = I / (S · ω).
図１に示すように、フォトカソード型電子線源以外の電子線源では電子ビームが一度発散してから収束されるので、先端部を小さくしても立体角ωは大きくなる。これに対して、フォトカソード型電子線源では、レーザー照射領域が陰極先端部の面積よりも小さければ電子ビームの発散がないため（電子は先端部の表面の法線方向（電場の方向）に放出）、立体角ωを小さくできる。このことと、フォトカソード型電子線源では、実用的には、他のタイプの電子線源に比べて１０，０００倍以上もの個数（電流）の電子が放出できることとから、他のタイプの電子線源よりも遥かに高い輝度の電子線源となることが期待される。 As shown in FIG. 1, in the electron beam sources other than the photocathode type electron beam source, the electron beam diverges once and then converges, so that the solid angle ω is increased even if the tip portion is reduced. On the other hand, in the photocathode type electron beam source, if the laser irradiation area is smaller than the area of the cathode tip, there is no divergence of the electron beam (electrons are in the normal direction (electric field direction) of the surface of the tip. The solid angle ω can be reduced. This is because, in practical use, the photocathode type electron beam source can emit 10,000 times more electrons (current) than other types of electron beam sources. It is expected to be an electron beam source with a brightness much higher than that of the radiation source.
なお、フォトカソード型電子線源の陰極先端部に通常の金属を被覆し、そこにレーザー光を照射してもＣｓ3Ｓｂ等の高量子効率物質に比べれば光電子の放出効率（量子効率）
は１００万分の１以下であり、無視できるほどに小さいものとなる。
Even if a normal metal is coated on the cathode tip of a photocathode type electron beam source and irradiated with laser light, the emission efficiency (quantum efficiency) of photoelectrons is higher than that of a high quantum efficiency material such as Cs 3 Sb.
Is less than 1 / 1,000,000 and is negligibly small.
ところで、フォトカソード型電子線源で最も重要な要素であるＣｓ3Ｓｂに代表される
量子効率の高い物質は化学的に極めて活性であり、微量の酸素と反応するとその量子効率が時間とともに減少することが知られており、この傾向は高量子効率物質の温度が高くなるほど顕著となる。そのため、高量子効率物質をガラス管中に真空封入し、温度が上昇しないように弱い光を照射して使用していた。したがって、高量子効率物質を陰極先端部に被覆した従来のフォトカソード電子線源では、放出される電子の総電流量が不十分で、その輝度も抑えられ、さらにガラス管の中でしか使用できなかった。
By the way, a substance with high quantum efficiency represented by Cs 3 Sb, which is the most important element in the photocathode type electron beam source, is chemically extremely active, and its quantum efficiency decreases with time when it reacts with a small amount of oxygen. It is known that this tendency becomes more pronounced as the temperature of the high quantum efficiency material increases. For this reason, a high quantum efficiency substance is sealed in a glass tube and irradiated with weak light so that the temperature does not rise. Therefore, in the conventional photocathode electron beam source in which the cathode tip is coated with a high quantum efficiency material, the total amount of emitted electrons is insufficient, its luminance is suppressed, and it can be used only in a glass tube. There wasn't.
これらの問題を解決するため、この出願の発明の発明者（木本高義）は、特許文献１および特許文献２（特許文献１の分割出願）において新規なフォトカソード型電子線源およびその作製方法ならびにその電子線源への高量子効率物質の被覆方法を提案した。
In order to solve these problems, the inventor of the present invention (Takayoshi Kimoto) proposed a novel photocathode-type electron beam source and a method for producing the same in
特許文献１では、図３に示しているように陰極先端部を冷却するために、陰極ユニット（１００）において、ペルチェ冷却効率の高いｎ型半導体とｐ型半導体（図３ではｎ型Ｂｉ2Ｔｅ3（１０１）とｐ型Ｂｉ2Ｔｅ3（１０２））を直接接合して陰極（１０３）を構成し、この陰極（１０３）が熱伝導率および電気伝導率の高い陰極基盤（１０４）と接合されている。そしてｎ型Ｂｉ2Ｔｅ3（１０１）とｐ型Ｂｉ2Ｔｅ3（１０２）の接合面が吸熱面となるように陰極ユニット（１００）の陰極端子（１０５）および陰極基盤（１０４）を介して電流を流し、陰極先端部（１０６）の局所冷却を行っている。これにより、熱伝導のみで陰極先端部を冷却するよりは遥かに冷却効率が高く、レーザー照射される陰極先端部の入熱をより効果的に除くことができるようになった。また、陰極ユニット（１００）の取り扱いが、グローブ付きの不活性中作業カバーを取り付けた電子線源で行い、酸素に晒されることによる量子効率の減少を防止した。なお、（１０７）は補強用絶縁物、（１０８）は高量子効率物質であるＣｓ3Ｓｂである。
In
また、特許文献１および特許文献２では、フォトカソード型電子線源の陰極先端部への高量子効率物質の被覆をグローブ付きの不活性ガス中作業用カバーが取り付けてある被覆装置内において行い、酸素に晒されることによる量子効率の減少を防止している。すなわち、グローブ付きの不活性ガス中作業用カバーが取り付けてある被覆装置内において、真空状態で陰極ユニットの陰極先端部に高量子効率物質を被覆させた後に、真空排気を停止させ、被覆装置内及び不活性ガス中作業用カバー内を超高純度の不活性ガスで大気圧まで充満させ、不活性ガス中作業用カバーのグローブが使用できる状態にした後に、陰極ユニット全体を、グローブを用いて密閉性容器に超高純度不活性ガスとともに閉じ込め、その後密閉性容器を被覆装置から取り出すようにした。図４に、不活性ガス中作業用カバーのグローブが利用できる蒸着装置および電子線発生装置における陰極ユニットの陰極先端部への蒸着、陰極ユニットの蒸着装置からの取出し、蒸着済み陰極ユニットの電子線発生装置への取付け、電子線発生装置の作動の一連の作業の流れをわかりやすくまとめて示す。
図５は、図４の不活性ガス中作業用カバーを拡大して示す図である。また、図６に陰極ユニット全体を密閉性容器に閉じ込める様子を示す。図４〜図６の各符号の名称についてはこの出願の明細書の図面の簡単な説明の欄の符号の説明の項に列記してある。
Further, in
FIG. 5 is an enlarged view of the work cover for inert gas in FIG. FIG. 6 shows a state in which the entire cathode unit is confined in an airtight container. The names of the respective symbols in FIGS. 4 to 6 are listed in the description of the symbols in the brief description column of the drawings of the specification of this application.
以上のようにして従来技術の有する問題点が解決されたわけであるが、陰極先端部に用いるペルチェ冷却効率の高い物質自体は一般に脆い性質を有するため、先鋭化が難しかったり、外力が働くと破壊にいたるおそれがある等の解決すべき課題があった。 As described above, the problems of the prior art have been solved. However, since the substance with high Peltier cooling efficiency used for the cathode tip is generally brittle, it is difficult to sharpen or break when external force is applied. There was a problem to be solved such as the possibility of reaching
そこで、この出願の発明の発明者（木本高義）は、特許文献３においてこれらの問題を改善した冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用陰極を提案した。
Therefore, the inventors of the invention of this application (Takayoshi Kimoto) proposed a cooled high quantum efficiency photocathode-type cathode for an electron beam source in
特許文献３のフォトカソード型電子線源用陰極を図７に示す。図７（ａ）はフォトカソード型電子線源に用いる陰極ユニット（１１０）の全体図であり、図７（ｂ）はその陰極ユニット（１１０）の陰極（１１１）および陰極基盤（１１２）の要部拡大図である。図７（ｃ）はそれらの変形例を示す図、図７（ｄ）は陰極先端部（１１５）の拡大図である。図７（ｂ）に示されているように、ｎ型Ｂｉ2Ｔｅ3（１１３）およびｐ型Ｂｉ2Ｔｅ3（１１４）が、それぞれ銅製の２つの陰極基盤（１１２）に半田を用いて接合され、さらにｎ型Ｂｉ2Ｔｅ3（１１３）とｐ型Ｂｉ2Ｔｅ3（１１４）のそれぞれに熱伝導率および電気伝導率の高い物質である銅からなる陰極先端部（１１５）が半田を用いて接合されている。陰極先端部（１１５）の先端面は僅かに凹面であり、その凹面に高量子効率物質であるＣｓ3Ｓｂ（１１６）が被覆されている。このような構成においては、ペルチェ効果を示
す物質（１１３）、（１１４）どうしの接触はなく、熱伝導率および電気伝導率の高く、先鋭化が容易に行える銅を用いて陰極先端部（１１５）としているので、特許文献１において残っていた課題は解決された。
しかしながら、上記のような冷却式高量子効率フォトカソード型電子線源用電極をＴＥＭ等の電子顕微鏡、加速器、Ｘ線発生装置等用の電子線源において利用し、それらの性能を飛躍的に向上させるためには、さらに次のような解決すべき課題があった。 However, the above-mentioned cooling type high quantum efficiency photocathode type electron beam source electrode is utilized in electron beam sources for electron microscopes such as TEM, accelerators, X-ray generators, and the performance is dramatically improved. In order to make this happen, there were the following problems to be solved.
すなわち、フォトカソード型電子線源で陰極先端部に照射するレーザー光は、量子力学的な制約により、そのビーム径を可視光の波長以下には細くすることができない。また、幾何学的な制約により陰極先端部は収束用光学レンズからある程度離さざるを得ないために、レーザー光のビーム径は上記限界値よりも大きくなる。さらに、先鋭化された陰極先端部には蒸着により高量子効率物質がその全体に被覆されていたため、ある程度の広がりをもったレーザー照射領域から電子が放出されることになり、輝度を高くできても電子線の干渉性を高めることには制約があった。 That is, the laser beam emitted to the cathode tip by the photocathode electron beam source cannot be made thinner than the wavelength of visible light due to quantum mechanical restrictions. Further, since the cathode tip must be separated from the converging optical lens to some extent due to geometric restrictions, the beam diameter of the laser light becomes larger than the above limit value. Furthermore, since the sharpened tip of the cathode is coated with a high quantum efficiency material on its entirety by vapor deposition, electrons are emitted from a laser irradiation region having a certain extent, and the brightness can be increased. However, there was a limitation in increasing the coherence of the electron beam.
この出願の発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、輝度および干渉性の両方が格段に高く、ＴＥＭ等の電子顕微鏡、加速器、Ｘ線発生装置等用の電子線源として利用した場合、それらの性能を飛躍的に向上させることのできるフォトカソード型電子線源を実現する、フォトカソード型電子線源の陰極先端部への高量子効率物質の局所被覆装置を提供することを課題とする。 The invention of this application has been made in view of the actual state of the prior art, and both the brightness and the coherence are remarkably high, and an electron beam source for an electron microscope such as a TEM, an accelerator, an X-ray generator, etc. Provided is a device for locally coating a high quantum efficiency material on the cathode tip of a photocathode type electron beam source that realizes a photocathode type electron beam source capable of dramatically improving the performance of the photocathode type. This is the issue.
この出願の発明は、上記課題を解決するため、第１には、被覆された高量子効率物質より電子が放出される側からのレーザー照射方式のフォトカソード型電子線源の陰極先端部表面に高量子効率物質を被覆する装置において、先端を尖らせた陰極の先端部表面と、高量子効率物質被覆物の構成物質が放出される放出源との間に、陰極先端部表面への被覆領域を制限するための微***を有する絞りを陰極先端面に非密着で配置し、複数の構成物質が同位置に付着されて高量子効率物質が形成され、陰極先端部にアースに対して負の電圧を印加でき、かつ、ファラデーカップと、ファラデーカップの底部中央から、高量子効率物質が被覆された陰極先端部に外部光電効果を引き起こすためのレーザー光を照射するための光ファイバーとからなり、陰極先端部への被覆の終了後にレーザー光を陰極先端部に照射し、陰極先端部から外部光電効果により放出される電子ビームを電流値として測定し、その結果に基づいて被覆状態を調べるための移動可能な被覆状態検査手段を有し、前記ファラデーカップの入口近くに陰極先端部から放出される電子ビームの進行方向を偏向させる偏向手段を設けたことを特徴とする被覆された高量子効率物質より電子が放出される側からのレーザー照射方式のフォトカソード型電子線源の陰極先端部への高量子効率物質の局所被覆装置を提供する。
In order to solve the above problems, the invention of this application firstly, on the surface of the cathode tip portion of the photocathode type electron beam source of the laser irradiation type from the side where electrons are emitted from the coated high quantum efficiency material. In an apparatus for coating a high quantum efficiency material, a coating area on the cathode tip surface between the tip surface of the cathode having a sharp tip and the emission source from which the constituent material of the high quantum efficiency material coating is emitted A diaphragm having a minute hole for limiting the flow rate is arranged in a non-contact manner on the cathode tip surface, a plurality of constituent materials are attached at the same position to form a high quantum efficiency material , and the cathode tip is negative with respect to the ground. A voltage can be applied, and comprises a Faraday cup and an optical fiber for irradiating a laser beam for causing an external photoelectric effect on the cathode tip coated with a high quantum efficiency material from the center of the bottom of the Faraday cup, To irradiate the cathode tip with laser light after the coating of the pole tip, measure the electron beam emitted from the cathode tip by the external photoelectric effect as a current value, and investigate the coating state based on the result A coated high quantum efficiency material comprising a movable coating state inspection means and a deflecting means for deflecting a traveling direction of an electron beam emitted from a cathode tip near the entrance of the Faraday cup Provided is a local coating apparatus of a high quantum efficiency material on the cathode tip of a photocathode electron beam source of a laser irradiation system from the side from which electrons are emitted.
また、第２には、上記第１の発明において、被覆装置が真空蒸着方式の装置であることを特徴とする局所被覆装置を提供する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a local coating apparatus according to the first invention, wherein the coating apparatus is a vacuum deposition apparatus.
また、第３には、上記第１または第２の発明において、絞りを加熱する絞り加熱手段を有することを特徴とする局所被覆装置を提供する。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the local coating apparatus according to the first or second aspect of the present invention, further comprising a diaphragm heating means for heating the diaphragm.
また、第４には、上記第３の発明において、絞り加熱手段が、通電加熱手段と光ファイバーを介したレーザー加熱手段を併用したものであることを特徴とする局所被覆装置を提供する。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the local coating apparatus according to the third invention, wherein the aperture heating means is a combination of a current heating means and a laser heating means via an optical fiber.
また、第５には、上記第１から第４の発明のいずれかにおいて、複数の放出源を有し、これらの放出源が搭載用部材上に搭載され、陰極先端部の中心と絞りの穴中心とを結ぶ軸が、放出源から被覆物構成物質が放出される幾何学的範囲に収まるように搭載用部材が移動可能となっていることを特徴とする局所被覆装置を提供する。 According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects of the present invention, a plurality of emission sources are provided, these emission sources are mounted on the mounting member, and the center of the cathode tip and the aperture hole There is provided a local coating apparatus characterized in that a mounting member is movable so that an axis connecting with a center is within a geometric range in which a coating constituent material is released from a release source.
また、第６には、上記第５の発明において、搭載用部材上の複数の放出源の間に、放射熱を遮蔽する板を設けたことを特徴とする局所被覆装置を提供する。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the local coating apparatus according to the fifth aspect, wherein a plate for shielding radiant heat is provided between the plurality of emission sources on the mounting member.
また、第７には、上記第１から第６の発明のいずれかにおいて、放出源の上に、被覆物構成物質が放出される開口を有し、放射熱を遮蔽するための絶縁性の板を設けたことを特徴とする局所被覆装置を提供する。 According to a seventh aspect of the present invention, in any one of the first to sixth aspects of the invention, the insulating plate for shielding the radiant heat has an opening through which the covering material is emitted on the emission source. A local coating device is provided.
また、第８には、上記第１から第７のいずれかの発明において、陰極を組み込みフォトカソード型電子線源に装着される陰極ユニットを取り付けるための絶縁性陰極ユニット搭載台を有するとともに、絞りを固定保持する絞りユニットが、絶縁性陰極ユニット搭載台の窪み開口部に固定されるようになっていることを特徴とする局所被覆装置を提供する。 According to an eighth aspect of the present invention, in any one of the first to seventh aspects of the present invention, an insulating cathode unit mounting base for mounting a cathode unit in which a cathode is incorporated and mounted on a photocathode type electron beam source is provided. There is provided a local coating apparatus characterized in that a diaphragm unit for fixing and holding the base plate is fixed to a recessed opening of an insulating cathode unit mounting base.
また、第９には、上記第８の発明において、絞りユニットに固定された絞りの穴の位置が、絶縁性陰極ユニット搭載台の窪み開口部内で調整可能であり、実体顕微鏡による陰極先端部と絞りの穴中心との軸合わせを行うことができるようになっていることを特徴とする局所被覆装置を提供する。 Ninthly, in the eighth invention, the position of the aperture hole fixed to the aperture unit can be adjusted within the recess opening of the insulating cathode unit mounting base, Provided is a local coating apparatus characterized by being able to perform axial alignment with the aperture hole center.
また、第１０には、上記第１から第９の発明において、絞りが、十分な機械的強度を有し、かつ、微細な穴を集束イオンビーム、電界研磨あるいは放電加工を用いて１個ないしは２個以上開けたものであることを特徴とする局所被覆装置を提供する。 According to a tenth aspect of the present invention, in the first to ninth inventions, the diaphragm has a sufficient mechanical strength, and one or more fine holes are formed using a focused ion beam, electric field polishing or electric discharge machining. Provided is a local coating device characterized by being opened two or more.
また、第１１には、上記第１から第９の発明において、絞りが、絞りの中央部に所要の大きさの窪みを形成したものに、集束イオンビームを走査用電極板のコンピュータ制御により任意の形状の１個ないしは２個以上の微細な穴を開けたものであることを特徴とする局所被覆装置を提供する。 Eleventhly, in the first to ninth inventions described above, the focused ion beam can be arbitrarily controlled by computer control of the scanning electrode plate in the diaphragm having a recess of a required size formed in the central portion of the diaphragm. There is provided a local coating apparatus characterized in that one or two or more fine holes having a shape of 1 are formed.
また、第１２には、上記第１から第１１の発明のいずれかにおいて、ペルチェ冷却効果の高い組合せの物質を接合した陰極の陰極先端部を被覆対象とし、この陰極に電流を流す電源を備え、電流を流す向きの選択により陰極先端部に対する加熱と冷却の選択が行える
ことを特徴とする局所被覆装置を提供する。
According to a twelfth aspect, in any one of the first to eleventh inventions, a cathode tip portion of a cathode bonded with a combination of substances having a high Peltier cooling effect is covered, and a power source is provided for supplying current to the cathode. The present invention provides a local coating apparatus characterized in that heating and cooling of the cathode tip can be selected by selecting the direction in which current flows.
また、第１３には、上記第１２の発明において、陰極先端部を加熱する通電加熱手段を有し、この通電加熱手段による加熱と、陰極に陰極先端部が加熱される方向に電流を流すことによる加熱との併用により、陰極先端部が加熱されるようになっていることを特徴とする局所被覆装置を提供する。 Further, in the thirteenth aspect, in the twelfth aspect of the invention, there is provided an energization heating means for heating the cathode tip, and a current is passed through the cathode in a direction in which the cathode tip is heated. There is provided a local coating apparatus characterized in that the cathode tip is heated by the combined use with heating by.
また、第１４には、上記第１２の発明において、陰極先端部を冷却するための水冷金属板とペルチェ冷却サーモモジュールとの組合せを有し、この組合せによる冷却と、陰極に陰極先端部が冷却される方向に電流を流すことによる冷却との併用により、陰極先端部が冷却されるようになっていることを特徴とする局所被覆装置を提供する。 Fourteenth, in the twelfth invention, has a combination of a water-cooled metal plate and a Peltier cooling thermo module for cooling the cathode tip, and cooling by this combination and cooling of the cathode tip to the cathode. The local coating device is characterized in that the tip of the cathode is cooled by the combined use of cooling by passing an electric current in the direction to be applied.
また、第１５には、上記第１から第１４の発明のいずれかにおいて、陰極先端部と放出源との間に、放出源から被覆物構成物質以外の不純物が到達することを防止するための移動可能なマスクを有することを特徴とする局所被覆装置を提供する。 According to a fifteenth aspect, in any one of the first to fourteenth aspects, an impurity other than the coating constituent material can be prevented from reaching the cathode tip and the emission source from the emission source. There is provided a local coating apparatus characterized by having a movable mask.
さらに、第１６には、上記第１ないし第１５の発明のいずれかにおいて、ファラデーカップに取り付ける光ファイバー先端近傍に外部光電効果を引き起こすためのレーザー光集束用レンズを設けたことを特徴とする局所被覆装置を提供する。
Further, in a sixteenth aspect of the present invention , in any one of the first to fifteenth inventions , a laser light focusing lens for causing an external photoelectric effect is provided near the tip of an optical fiber attached to a Faraday cup. Providing equipment.
この出願の発明によれば、前記構成を採用したので、以下のような顕著なる効果を得ることができる。
１）フォトカソード型電子線源から発生する電子ビームの干渉性を電界放出型電子線源と同等以上に向上できる。
２）レーザー光はその中心部ほど輝度が高いため、また、クロスオーバー位置での電子ビームの開き立体角（ω）が小さくなるため、発生する電子ビームの輝度が向上し、電界放射型電子線源より遥かに高くなる。
３）高量子効率物質が被覆される領域を自由な形にできるため、発生する電子ビームの断面を自由な形にできる。これは他の電子線源では不可能なことであり、思いがけない科学的進歩がもたらされる可能性がある。
４）高量子効率物質が被覆される範囲がレーザー光の輝度変化がその範囲内でなくなる程小さくすることにより、電子ビームの輝度をその断面内で一定とすることができる。これも他の電子線源では不可能である。
５）陰極先端部への高量子効率物質の被覆効率の向上を図ることができる。
６）ＴＥＭの分解能が原理的分解能まで飛躍的に向上することが期待されるのみならず、コヒーレント電子線回折、元素分析の位置制度の向上、磁束の観察精度の向上等をもたらす。
According to the invention of this application, since the above configuration is adopted, the following remarkable effects can be obtained.
1) The coherence of an electron beam generated from a photocathode type electron beam source can be improved to be equal to or higher than that of a field emission type electron beam source.
2) The brightness of the laser beam is higher at the center, and the open solid angle (ω) of the electron beam at the crossover position is reduced, so that the brightness of the generated electron beam is improved and a field emission electron beam is obtained. Much higher than the source.
3) Since the region covered with the high quantum efficiency material can be made free, the cross section of the generated electron beam can be made free. This is not possible with other electron beam sources and can lead to unexpected scientific progress.
4) By making the range covered with the high quantum efficiency material so small that the change in luminance of the laser beam is not within the range, the luminance of the electron beam can be made constant in the cross section. This is also impossible with other electron beam sources.
5) The coating efficiency of the high quantum efficiency material on the cathode tip can be improved.
6) Not only is the TEM resolution expected to dramatically improve to the fundamental resolution, but also the coherent electron beam diffraction, the elemental analysis position system, the magnetic flux observation accuracy, etc. are brought about.
したがって、この出願の発明にしたがって作製された陰極をフォトカソード型電子電源を組み込み、ＴＥＭ等の電子顕微鏡、加速器、Ｘ線発生装置等用の電子線源として利用した場合、それらの性能を飛躍的に向上させることのできる電子線源が実現できる。そして、電子顕微鏡、電子線加速器、Ｘ線発生装置等の性能向上により、材料開発、物性研究、基礎物理等の研究が進展すれば、光学分野におけるレーザーの発明にも匹敵する経済的効果が期待される。 Therefore, when a cathode manufactured in accordance with the invention of this application is incorporated with a photocathode-type electron power source and used as an electron beam source for an electron microscope such as a TEM, an accelerator, an X-ray generator, etc., the performance is dramatically improved. An electron beam source that can be improved greatly can be realized. And if the research of material development, physical properties research, basic physics, etc. advances by improving the performance of electron microscopes, electron beam accelerators, X-ray generators, etc., economic effects comparable to the invention of lasers in the optical field are expected. Is done.
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。 The invention of this application has the features as described above, and an embodiment thereof will be described below.
この出願の発明によるフォトカソード型電子線源の陰極先端部に高量子効率物質を被覆する局所被覆装置は、陰極先端部と、高量子効率物質被覆物の構成物質が放出される放出源との間に、陰極先端部への被覆領域を制限するための穴を有する絞りを配置したことを特徴とする。このような構成により、陰極先端部中央に高量子効率物質を局所被覆することができ、輝度と干渉性を同時に大幅に向上させたフォトカソード型電子線源が実現できる。 A local coating apparatus for coating a cathode tip of a photocathode type electron beam source according to the invention of this application with a high quantum efficiency material includes a cathode tip and an emission source from which a constituent material of the high quantum efficiency material coating is emitted. A diaphragm having a hole for restricting a covering area to the cathode tip portion is disposed therebetween. With such a configuration, a high quantum efficiency substance can be locally coated at the center of the tip of the cathode, and a photocathode type electron beam source can be realized in which brightness and coherence are greatly improved simultaneously.
図８は、この出願の発明によるフォトカソード型電子線源の陰極先端部に高量子効率物質を被覆する局所被覆装置の一実施形態を示す概念図である。この実施形態は、陰極は図７のものと同様な構造のものを用い、高量子効率物質としてＣｓ3Ｓｂを蒸着法により陰
極先端部に被覆する場合の例である。
FIG. 8 is a conceptual diagram showing an embodiment of a local coating apparatus for coating a cathode tip of a photocathode type electron beam source according to the invention of this application with a high quantum efficiency material. In this embodiment, the cathode has the same structure as that shown in FIG. 7, and Cs 3 Sb is coated as a high quantum efficiency material on the cathode tip by vapor deposition.
この出願の発明による被覆装置で用いる絞りは、固定式のものでも可動式のものでもよい。絞りは白金、タンタル、カーボン等の材料を用いて作製することができる。絞りの形状は、絞りが組み込まれるユニットやホルダーにより適宜の形状とすることができるが、通常、円板状のものが使用される。絞りに形成する穴の形状、寸法は電子線源の用途に応じて適宜設定することができるが、たとえばＴＥＭ等の電子顕微鏡の電子線源の陰極作製に使用する場合、通常、直径０．０１〜１００μｍ程度の円形穴とする。 The diaphragm used in the coating apparatus according to the invention of this application may be a fixed type or a movable type. The aperture can be made using a material such as platinum, tantalum, or carbon. The shape of the diaphragm can be an appropriate shape depending on the unit or holder in which the diaphragm is incorporated, but a disk-shaped one is usually used. The shape and size of the hole formed in the aperture can be appropriately set according to the use of the electron beam source. For example, when used for producing a cathode of an electron beam source of an electron microscope such as TEM, the diameter is usually 0.01. A circular hole of about 100 μm is used.
絞りに小さな穴を開ける方法としては、電解研磨、放電加工、集束イオンビーム穿孔等がある。このうちで、最も小さな穴を開けることができ、しかも穴の形状を制御できる方法は図９に示す集束イオンビーム穿孔である。現在の技術では集束イオンビームの直径は１０ｎｍ（ナノメートル）（＝１００オングストローム）以下にまで集束できることから、最小１０ｎｍ以下の穴までを穿孔することができる。また、イオンビーム走査用電極間に印加する電圧をコンピュータ制御することにより、自由な形状の穴を開けることが可能となる。例えば、図１０に示すように、集束イオンビーム穿孔により、三角形の穴を開けた絞りＡを作製して使用すれば、断面が三角形の電子ビームを得ることができる。蒸発物質は真空中を直線的に飛ぶため、陰極先端部には絞りに開けた穴の大きさに比例し、絞りの穴の形状と同じ形状の領域に局所的な被覆を形成することができる。また、同じく図１０に示すように、近接した２個の微小丸穴（例えば、穴径が１０ｎｍで中心間距離が１５ｎｍ）を開けた絞りＢを作製して使用すれば、近接した２本の極細の電子ビーム（１５ｎｍ離れた直径１０ｎｍのビーム）を得ることができる。これは他のタイプの電子線源では不可能なことである。後者の例の２本の電子ビームを用いれば、電子の干渉性に関する基礎物理の研究等にも応用できる。 As a method for making a small hole in the diaphragm, there are electrolytic polishing, electric discharge machining, focused ion beam drilling, and the like. Among them, the method that can make the smallest hole and control the shape of the hole is focused ion beam drilling shown in FIG. With the current technology, the diameter of the focused ion beam can be focused to 10 nm (nanometer) (= 100 angstroms) or less, so that a hole having a diameter of 10 nm or less can be drilled. Further, by controlling the voltage applied between the ion beam scanning electrodes by a computer, it is possible to make a hole having a free shape. For example, as shown in FIG. 10, an electron beam having a triangular cross section can be obtained by producing and using a diaphragm A having a triangular hole by focused ion beam drilling. Since the evaporating substance flies linearly in the vacuum, a local coating can be formed in the area of the same shape as the shape of the aperture hole in the cathode tip, which is proportional to the size of the aperture in the aperture. . Similarly, as shown in FIG. 10, if a diaphragm B having two adjacent minute round holes (for example, a hole diameter of 10 nm and a center-to-center distance of 15 nm) is prepared and used, An ultrafine electron beam (a beam with a diameter of 10 nm separated by 15 nm) can be obtained. This is not possible with other types of electron beam sources. If the two electron beams in the latter example are used, the present invention can be applied to basic physics research related to electron coherence.
絞りは、ユニット化してあるいはホルダーに支持させて用いることができる。たとえば円板状の絞りを絞り保持板で挟持して絞り収納円筒内に収納し、押え部材で固定してユニット化することができる。 The diaphragm can be used as a unit or supported by a holder. For example, a disc-shaped aperture can be sandwiched between aperture holding plates and stored in an aperture storage cylinder, and fixed with a pressing member to form a unit.
絞りは、陰極先端部へ高量子効率物質を被覆する際に蒸着物による目詰まりを防ぐため加熱することが好ましい。その場合、タンタル等の抵抗線を用いた通電加熱や光ファイバーを用いたレーザー加熱を用いることができ、両者を併用すると加熱効果がすぐれたものとなる。加熱温度は蒸着物の溶融温度より高い温度に設定する。目詰まりを効果的に防止するため、絞りの温度を測定するための熱電対を絞りに取り付けて、加熱制御を行うようにしてもよい。 The diaphragm is preferably heated in order to prevent clogging due to the deposit when the cathode is coated with a high quantum efficiency material. In that case, current heating using a resistance wire such as tantalum or laser heating using an optical fiber can be used, and when both are used in combination, the heating effect is excellent. The heating temperature is set to a temperature higher than the melting temperature of the deposit. In order to effectively prevent clogging, a thermocouple for measuring the temperature of the throttle may be attached to the throttle to control heating.
この出願の発明の局所被覆装置で被覆する高量子効率物質としては、Ｃｓ3Ｓｂ、Ｎａ2ＫＳｂ、Ｒｂ3Ｓｂ、ＣｓＩ等、高量子効率を示す物質であれば適宜のものが使用可能で
あるが、特に好ましいものとしてはＣｓ3Ｓｂが挙げられる。
As the high quantum efficiency material to be coated with the local coating apparatus of the invention of this application, any material that exhibits high quantum efficiency, such as Cs 3 Sb, Na 2 KSb, Rb 3 Sb, and CsI, can be used. However, Cs 3 Sb is particularly preferable.
この出願の発明の局所被覆装置において被覆対象となる陰極は、フォトカソード型電子線源に使用される陰極であれば適宜のものが使用可能であるが、特に好ましいものとしてはこの出願の発明の発明者が特許文献３において提案した冷却式のものが挙げられる。このタイプの陰極では、ペルチェ冷却効率の高い組合せの物質を利用しているが、熱伝導率および電気伝導率の高い物質からなる陰極先端部を介してペルチェ効果が働くため、陰極先端部の先鋭化が容易であり、強度も十分なものとなる。ペルチェ冷却効率の高い組合せの物質としては、一部のｎ型半導体とｐ型半導体の組合せ（ビスマス・テルル系、鉛・テルル系、シリコン・ゲルマニウム系等）に代表される熱電半導体の組合せを用いることができ、特にｎ−Ｂｉ2Ｔｅ3とｐ−Ｂｉ2Ｔｅ3の組合せを用いることが好ましい。また、熱伝導率および電気伝導率の高い物質としては、銅、銀または金を好適に用いることができる。銅または銀を用いる場合、表面に金メッキを施して表面酸化による熱接触や電気抵抗の発生をなくすことが好ましい。また、陰極は特許文献３に示すように陰極基盤、陰極端子、ウェネルトキャップ等を備えた陰極ユニットとして使用することが好ましい。
As the cathode to be coated in the local coating apparatus of the invention of this application, any cathode can be used as long as it is a cathode used in a photocathode type electron beam source. The cooling type which the inventor has proposed in
この出願の発明の局所被覆装置における高量子効率物質の放出源としては、蒸着法を用いる場合、高量子効率物質を構成する元素を蒸着ボートに収容させたものとすることができる。たとえば高量子効率物質としてＣｓ3Ｓｂを用いる場合、Ｃｓ用蒸着ボートとＳｂ
用蒸着ボートを蒸着ボート取付台上に載置する。両蒸着ボート間には放射熱を遮蔽する板を設けることが好ましい。また、蒸着ボート取付台は公知のアクチュエータで移動可能とし、ストッパーにより各蒸着ボートの位置を規制することが好ましい。各蒸着ボートが規制されたとき、中心合わせされた絞りの穴中心及び陰極先端部の中心とを結ぶ線が、蒸着する元素を収容した蒸着ボートの出口穴（蒸着ボートの上部中心にある蒸着物の出口の面積）に含まれるようにする。
As a high quantum efficiency substance emission source in the local coating apparatus of the invention of this application, when a vapor deposition method is used, an element constituting the high quantum efficiency substance can be accommodated in a vapor deposition boat. For example, when Cs 3 Sb is used as a high quantum efficiency material, a Cs vapor deposition boat and Sb
The vapor deposition boat is placed on the vapor deposition boat mounting base. It is preferable to provide a plate for shielding radiant heat between the two evaporation boats. Further, it is preferable that the vapor deposition boat mounting base is movable by a known actuator, and the position of each vapor deposition boat is regulated by a stopper. When each evaporation boat is regulated, the line connecting the center of the centered aperture hole and the center of the cathode tip is the outlet hole of the evaporation boat containing the element to be evaporated (deposited material at the upper center of the evaporation boat) To be included in the exit area).
放出源の上には、被覆物構成物質が放出される開口を有し、放射熱を遮蔽するための絶縁性の板を設けることが好ましい。 It is preferable to provide an insulating plate for shielding the radiant heat on the emission source.
また、陰極先端部と放出源との間に、放出源から被覆物構成物質以外の不純物が到達することを防止するための移動可能なマスクを設けることも被覆物の高量子効率を維持するために好ましい。たとえば蒸着法を用いた場合、蒸着ボートの温度が低く、被覆物構成物質が蒸発しないときでも、蒸着ボートから不純物が蒸発して陰極先端部に付着することがあり、上記のようなマスクを設置するとでこのような不純物の付着が防止できる。 In order to maintain the high quantum efficiency of the coating, it is also possible to provide a movable mask between the cathode tip and the emission source to prevent impurities other than the coating constituent materials from reaching the emission source. Is preferable. For example, when the vapor deposition method is used, impurities may evaporate from the vapor deposition boat and adhere to the tip of the cathode even when the temperature of the vapor deposition boat is low and the coating material does not evaporate. Then, such adhesion of impurities can be prevented.
この出願の発明の局所被覆装置では、陰極を組み込み、フォトカソード型電子線源に装着される陰極ユニットを取り付けるための絶縁性陰極ユニット搭載台を用いることができる。この絶縁性陰極ユニット搭載台は、陰極を組み込んだ陰極ユニットを、陰極先端部が放出源を向く方向に載置、収容するすり鉢状の空間を有し、その底部中央には窪み開口部が設けられ、そこに絞りを固定保持する絞りユニットを固定するように構成する。 In the local coating apparatus of the invention of this application, an insulating cathode unit mounting base for incorporating a cathode and attaching a cathode unit mounted on a photocathode type electron beam source can be used. This insulating cathode unit mounting base has a mortar-shaped space in which a cathode unit incorporating a cathode is placed and accommodated in a direction in which the cathode tip faces the emission source, and a hollow opening is provided in the center of the bottom. The diaphragm unit for fixing and holding the diaphragm is fixed thereto.
この場合、絞りユニットに固定された絞りの穴の位置が、絶縁性陰極ユニット搭載台の窪み開口部内で調整可能であり、実体顕微鏡による陰極先端部の中心と絞りの穴中心との軸合わせを行うことができるようにする。軸合わせを行うため窪み開口部は水平面方向に位置調整するための遊びを有する構造となっており、軸合わせが終わると絞りユニットを押えネジ等の固定手段によりその位置で固定できるようにする。 In this case, the position of the aperture hole fixed to the aperture unit can be adjusted within the recessed opening of the insulating cathode unit mounting base, and the center of the cathode tip and the aperture hole center by the stereomicroscope can be aligned. To be able to do. In order to perform axial alignment, the recess opening has a structure for adjusting the position in the horizontal plane direction. When the axial alignment is completed, the aperture unit can be fixed at that position by a fixing means such as a presser screw.
この出願の発明の局所被覆装置では、たとえばＣｓ3Ｓｂのような高量子効率物質を被
覆する際に、化学反応を促進するため陰極先端部を加熱することが好ましく、また、被覆された高量子効率物質の量子効率をできるだけ高く維持するため被覆直後は陰極先端部を速やかに冷却することが好ましい。
In the local coating apparatus of the invention of this application, when coating a high quantum efficiency material such as Cs 3 Sb, it is preferable to heat the cathode tip in order to promote a chemical reaction. In order to maintain the quantum efficiency of the efficient substance as high as possible, it is preferable to immediately cool the cathode tip immediately after coating.
陰極先端部の加熱は、ペルチェ冷却効果の高い組合せの物質を接合した陰極の陰極先端部を被覆対象とした場合、タンタル線等の抵抗線を用いた通電加熱と、陰極に陰極先端部が加熱される方向に電流を流すことによる加熱との併用により行うことが好ましい。 When the cathode tip of the cathode bonded with a combination of substances having a high Peltier cooling effect is to be coated, the cathode tip is heated by energization using a resistance wire such as a tantalum wire, and the cathode tip is heated to the cathode. It is preferable to carry out by using together with heating by passing an electric current in the direction.
また、陰極先端部の冷却は、陰極先端部を冷却するための水冷金属板とペルチェ冷却サーモモジュールとの組合せによる冷却と、陰極に陰極先端部が冷却される方向に電流を流すことによる冷却との併用により行うことが好ましい。 The cathode tip is cooled by a combination of a water-cooled metal plate and a Peltier cooling thermo module for cooling the cathode tip, and by cooling the cathode by passing a current in the direction in which the cathode tip is cooled. It is preferable to carry out by using together.
この出願の発明の局所被覆装置では、被覆終了後において陰極先端部の温度をできるだけ低くすることにより、陰極先端部に被覆した高量子効率物質の量子効率をできるだけ高く維持するため、絶縁性陰極ユニット搭載台等の周辺部品の温度が高くならないようにする必要がある。そのため、絶縁性陰極ユニット搭載台等を水冷銅製基盤に載せ、銅製基盤を不凍液で冷却することが好ましい。 In the local coating apparatus of the invention of this application, the insulating cathode unit is used to maintain the quantum efficiency of the high quantum efficiency material coated on the cathode tip as high as possible by making the temperature of the cathode tip as low as possible after the coating is completed. It is necessary to prevent the temperature of peripheral parts such as the mounting base from becoming high. Therefore, it is preferable to place an insulating cathode unit mounting base on a water-cooled copper base and cool the copper base with antifreeze.
陰極先端部への高量子効率物質の局所被覆にはいくつかの技術的困難が伴い、被覆膜の厚さ等への留意、最適な蒸着条件の模索等を行う必要がある。そのため、高量子効率物質を局所被覆した直後にその被覆状態を確認することが望ましい。そこで、この出願の発明の局所被覆装置では、局所被覆直後の被覆状態をその場確認するための被覆状態検査手段（光電子検出手段）を設けるようにしている。図１１に、被覆状態検査手段の概念図を示す。 There are some technical difficulties associated with local coating of a high quantum efficiency material on the tip of the cathode, and it is necessary to pay attention to the thickness of the coating film and to search for optimum deposition conditions. Therefore, it is desirable to check the coating state immediately after the high quantum efficiency substance is locally coated. Therefore, the local coating apparatus of the invention of this application is provided with a coating state inspection means (photoelectron detection means) for confirming the coating state immediately after the local coating in situ. FIG. 11 shows a conceptual diagram of the covering state inspection means.
この被覆状態検査手段は、ファラデーカップを利用したもので、その底部中央にはレーザー照射のための光ファイバーの先端部が挿入され、ファラデーカップは電流計に接続され、陰極先端部から放出される電子ビームによる電流を検出し、その結果に基づいて局所被覆の良否を検査することができる。ファラデーカップは、陰極先端部と放出源の制限された空間を移動可能に設置されるため、上記のような改造をしてある。陰極先端部から放出される電子ビームはそのまま直進すると光ファイバー（電気的絶縁物）に衝突するので、ファラデーカップの入口近傍には電子ビームの進行方向を偏向させる電極板や磁界発生コイル等の偏向手段を設ける。また、絞りの穴径が小さい場合等には、ファラデーカップに飛び込む電子の数が少ないため、その電子数を増大する目的で、陰極先端部に照射されるレーザー光を平行光とすることが好ましく、そのため光ファイバーの先端近傍にレーザー光集束用の凸レンズを設ける。 This coating state inspection means uses a Faraday cup, and the tip of an optical fiber for laser irradiation is inserted in the center of the bottom, the Faraday cup is connected to an ammeter, and the electrons emitted from the cathode tip The current by the beam can be detected, and the quality of the local coating can be inspected based on the result. Since the Faraday cup is movably installed in a space where the cathode tip and the emission source are limited, the Faraday cup has been modified as described above. When the electron beam emitted from the cathode tip directly travels straight, it collides with an optical fiber (electrical insulator). Therefore, deflection means such as an electrode plate or a magnetic field generating coil that deflects the traveling direction of the electron beam near the entrance of the Faraday cup. Is provided. In addition, when the aperture hole diameter is small, the number of electrons jumping into the Faraday cup is small. Therefore, for the purpose of increasing the number of electrons, it is preferable that the laser light irradiated to the cathode tip is made parallel light. Therefore, a convex lens for focusing the laser beam is provided near the tip of the optical fiber.
この出願の発明の局所被覆装置による局所被覆は、特許文献１、２に示すようなグローブ付き不活性ガス中作業カバーを利用して行うことができ、このようにすると酸素に晒されることによる量子効率の低下を防止することができる。
The local coating by the local coating apparatus of the invention of this application can be performed by using a work cover in an inert gas with a glove as shown in
図１２に、この出願の発明により陰極先端部に局所被覆された高量子効率物質（Ｃｓ3
Ｓｂ）にレーザー照射を行い、電子ビームが放出される概念図を示す。
FIG. 12 shows a high quantum efficiency material (Cs 3) locally coated on the cathode tip according to the invention of this application.
A conceptual diagram in which an electron beam is emitted by laser irradiation in Sb) is shown.
以下、この出願の発明の実施例を示すが、もちろん、この出願の発明は以下の例および上記実施形態に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能である。 Examples of the invention of this application will be described below, but the invention of this application is of course not limited to the following examples and the above-described embodiments, and various aspects are possible for details.
図１３に、この出願の発明によるフォトカソード型電子線源の陰極先端部への高量子効率物質の局所被覆装置の一実施例を示す。 FIG. 13 shows an embodiment of a device for locally coating a high quantum efficiency material on the cathode tip of a photocathode electron beam source according to the invention of this application.
図１２において、（１０）は陰極ユニット、（３０）は絞りユニット、（４０）は蒸着ユニット、（５０）は絶縁性陰極ユニット搭載台、（８０）は被覆状態検査ユニットである。 In FIG. 12, (10) is a cathode unit, (30) is an aperture unit, (40) is a vapor deposition unit, (50) is an insulating cathode unit mounting base, and (80) is a covering state inspection unit.
この実施例で用いる陰極ユニット（１０）は、図７に示したものと同様な冷却型陰極（１１）を用いたものである。陰極（１１）は、図１４に拡大して示すように、ペルチェ冷却効率の高いｎ型Ｂｉ2Ｔｅ3（１２）およびｐ型Ｂｉ2Ｔｅ3（１３）が、それぞれ無酸素銅製で表面にＮｉメッキ後に金メッキした２つの陰極基盤（１４）に融点が２２１℃と高い半田を用いて接合し、さらにｎ型Ｂｉ2Ｔｅ3（１２）およびｐ型Ｂｉ2Ｔｅ3（１３）のそれぞれに熱伝導率および電気伝導度の高い物質である銅からなる陰極先端部（１５）を融点が２２１℃の半田を用いて接合されている。接合に融点が２２１℃と高い半田を使用するのは陰極先端部（１５）に高量子効率物質（この例ではＣｓ3Ｓｂ）を局所被覆する
際に陰極先端部（１５）を１３０℃程度に加熱するので、半田が溶融しないようにするためである。陰極先端部（１５）の先端面は図１２に示すように僅かに凹面であり、高量子効率の局所被覆前に金メッキを施してある。陰極基盤（１４）は絶縁陰極基盤（１６）で支持された陰極端子（１７）と接合されている。この陰極端子（１７）には着脱可能な陰極端子用コンタクト（１７’）が取り付けられている。また、陰極基盤（１４）と陰極先端部（１５）にはそれぞれの温度を測定するための二対の熱電対（１８）、（１９）の先端がそれぞれネジ止めされている。この二対の熱電対（１８）、（１９）にそれぞれ銀蝋で接合された熱電対端子（２０）には熱電対端子用コンタクト（２０’）が取り付けられている。また、陰極ユニット（１０）には、ウェネルトキャップ（２２）が取り付けられている。
The cathode unit (10) used in this example uses a cooled cathode (11) similar to that shown in FIG. As shown in an enlarged view in FIG. 14, the cathode (11) is made of n-type Bi 2 Te 3 (12) and p-type Bi 2 Te 3 (13) having high Peltier cooling efficiency, each made of oxygen-free copper and Ni on the surface. The two cathode substrates (14) gold-plated after plating are joined using a solder having a high melting point of 221 ° C., and further heat conduction to each of n-type Bi 2 Te 3 (12) and p-type Bi 2 Te 3 (13). The cathode tip (15) made of copper, which is a material having a high rate and electrical conductivity, is joined using solder having a melting point of 221 ° C. Solder having a high melting point of 221 ° C. is used for bonding when the cathode tip (15) is locally coated with a high quantum efficiency material (Cs 3 Sb in this example) at about 130 ° C. This is because heating is performed so that the solder does not melt. The tip surface of the cathode tip (15) is slightly concave as shown in FIG. 12, and is gold-plated before local coating with high quantum efficiency. The cathode substrate (14) is joined to the cathode terminal (17) supported by the insulated cathode substrate (16). A detachable cathode terminal contact (17 ′) is attached to the cathode terminal (17). Moreover, the tips of two pairs of thermocouples (18) and (19) for measuring the respective temperatures are screwed to the cathode base (14) and the cathode tip (15). A thermocouple terminal contact (20 ′) is attached to the thermocouple terminal (20) joined to the two thermocouples (18) and (19) with silver wax. A Wehnelt cap (22) is attached to the cathode unit (10).
この実施例では、高量子効率物質を陰極先端部（１５）に局所被覆することを可能にするため、絞りユニット（３０）を使用し、予め陰極ユニット（１０）を搭載した絶縁性陰極ユニット搭載台（５０）内に装着する。絞りユニット（３０）は、図１５に示すように、白金からなり１０μｍ径の微細な穴（３２）を開けた直径が２ｍｍで厚さが０．２ｍｍの円板状の絞り（３１）を一対の銅製絞り保持板（３３ａ）で保持してステンレス鋼製絞り収納円筒（３４）内に収容して絞り固定用ネジ（３５）で固定する。絞り（３１）の微細な穴（３２）は、図９に示す集束イオンビーム穿孔により形成した。なお、図１５において、（３３ｂ）と（３３ｄ）はスペーサー（１）とスペーサー（２）、（３３ｃ）と（３３ｅ）は空間である。 In this embodiment, in order to allow a high quantum efficiency material to be locally coated on the cathode tip (15), the diaphragm unit (30) is used, and the cathode unit (10) is mounted in advance. Install in the base (50). As shown in FIG. 15, the aperture unit (30) includes a pair of disc-shaped apertures (31) made of platinum and having fine holes (32) each having a diameter of 10 μm and a diameter of 2 mm and a thickness of 0.2 mm. Are held in a stainless steel diaphragm housing cylinder (34) and fixed with a diaphragm fixing screw (35). The fine hole (32) of the diaphragm (31) was formed by focused ion beam drilling shown in FIG. In FIG. 15, (33b) and (33d) are spacers (1) and (2), and (33c) and (33e) are spaces.
この実施例では、絞り（３１）を絞りユニット（３０）の絞り収納用円筒（３４）内に収納した例を述べているが、この出願の発明によれば、これ以外に、絞り収容用円筒を用いずに、絞り保持板やスペーサーを微小ネジで一体化させたものも利用することができる。これは、なるべく絞り（３１）の周辺のみを２００℃以上（Ｃｓ3Ｓｂを被覆した場合
）の高温にして絶縁性陰極ユニット（５０）の昇温を抑えるものである。この場合、絞り保持板と絶縁性陰極ユニット（５０）の間に熱伝導の小さな絶縁性のスペーサーを設け、加熱のためのタンタル巻線（６１）と熱電対（６５）を直接絞り保持板に接するようにする。このようにすると、蒸着中の絶縁性陰極ユニット（５０）の温度が低くなるために、蒸着後の陰極ユニット（１０）が高温にならず、蒸着後すばやく陰極ユニット（１０）が
取出せる利点がある。
In this embodiment, an example in which the diaphragm (31) is housed in the diaphragm housing cylinder (34) of the diaphragm unit (30) is described. However, according to the invention of this application, in addition to this, the diaphragm housing cylinder. It is also possible to use a diaphragm holding plate and a spacer integrated with a micro screw without using the. This is to suppress the temperature rise of the insulating cathode unit (50) by setting the temperature only around the aperture (31) as high as 200 ° C. or higher (when coated with Cs 3 Sb) as much as possible. In this case, an insulating spacer with small heat conduction is provided between the diaphragm holding plate and the insulating cathode unit (50), and the tantalum winding (61) and the thermocouple (65) for heating are directly attached to the diaphragm holding plate. Make contact. If it does in this way, since the temperature of the insulating cathode unit (50) during vapor deposition will become low, the cathode unit (10) after vapor deposition will not become high temperature, but there exists an advantage which can take out a cathode unit (10) quickly after vapor deposition. is there.
蒸着ユニット（４０）は、図１３に示すように、Ｓｂ用蒸着ボート（４１）とＣｓ用蒸着ボート（４２）を備え、これらの蒸着ボート（４１）、（４２）は蒸着ボート取付台（４３）上に載置固定される。Ｓｂ用蒸着ボート（４１）にはＳｂ粉末が収容され、Ｃｓ用蒸着ボート（４２）にはＣｓ2ＣｒＯ4とＡｌ（還元剤）及びＷ（蒸発スピード調節剤）の各粉末が収容される。蒸着ボート取付台（４３）は図示しないアクチュエータにより図１３において矢印で示すように往復動作可能となっている。また、その往復動作はストッパー（４４）、（４５）で規制され、蒸着ボート取付台（４３）がストッパー（４４）と接したときには、Ｃｓ用蒸着ボート（４２）の放出口（４２ａ）の中に、絞り（３１）の穴（３２）の中心軸と陰極先端部（１５）の中心軸（両者はほぼ一致）が入るようになっている。また、蒸着ボート取付台（４３）がストッパー（４５）と接したときには、Ｓｂ用蒸着ボート（４１）の放出口（４１ａ）の中心軸と絞り（３１）の穴（３２）の中心軸と陰極先端部（１５）の中心軸が一致するようになっている。ストッパー（４４）、（４５）は円板状のストッパー取り付け板（４６）に取付固定されている。また、蒸着ボート取付台（４３）上にはＳｂ蒸着用ボート（４１）とＣｓ用蒸着ボート（４２）の間に互いの蒸着ボート（４１）、（４２）からの放射熱を遮断するための蒸着ボート間放熱防止用衝立（４７）が設けてある。さらに、蒸着ボート（４１）、（４２）の上部にも、これらからの放射熱を遮断するための円板状の放熱遮断板（４８）が設けられ、蒸着状態にある蒸着ボート（４１）あるいは（４２）の放出口（４１ａ）あるいは（４２ｂ）の上には蒸着ビームが通過する蒸着物放出用穴（４９）が形成されている。 As shown in FIG. 13, the vapor deposition unit (40) includes an Sb vapor deposition boat (41) and a Cs vapor deposition boat (42). These vapor deposition boats (41) and (42) are vapor deposition boat mounts (43). ) Mounted and fixed on top. The Sb vapor deposition boat (41) contains Sb powder, and the Cs vapor deposition boat (42) contains Cs 2 CrO 4 , Al (reducing agent) and W (evaporation speed adjusting agent) powders. The vapor deposition boat mount (43) can be reciprocated as shown by arrows in FIG. 13 by an actuator (not shown). Further, the reciprocal movement is restricted by the stoppers (44) and (45), and when the vapor deposition boat mounting base (43) comes into contact with the stopper (44), the inside of the discharge port (42a) of the Cs vapor deposition boat (42). Further, the central axis of the hole (32) of the aperture (31) and the central axis of the cathode tip (15) (both are substantially coincident) are inserted. When the vapor deposition boat mounting base (43) is in contact with the stopper (45), the central axis of the discharge port (41a) of the Sb vapor deposition boat (41), the central axis of the hole (32) of the aperture (31), and the cathode The center axis of the tip (15) is made to coincide. The stoppers (44) and (45) are fixedly attached to a disc-like stopper mounting plate (46). Further, on the vapor deposition boat mounting base (43), between the Sb vapor deposition boat (41) and the Cs vapor deposition boat (42), the radiation heat from the mutual vapor deposition boats (41), (42) is cut off. A partition (47) for preventing heat radiation between the vapor deposition boats is provided. Further, a disk-shaped heat radiation blocking plate (48) for blocking radiant heat from these is also provided on the upper part of the vapor deposition boats (41), (42), and the vapor deposition boat (41) in the vapor deposition state or On the discharge port (41a) or (42b) of (42), a deposit discharge hole (49) through which the deposition beam passes is formed.
絶縁性陰極ユニット搭載台（５０）は、たとえば機械加工が容易なマッコールを用いて作製され、陰極ユニット（１０）を搭載するための搭載スペースを備え、その底部（５１）はすり鉢状となっており、すり鉢状底部（５１）の中央には窪み開口部（５２）が形成されている。この窪み開口部（５２）内に絞りユニット（３０）が装着され、絞りユニット押えネジ（５３）により押さえつけ固定されるようになっている。 The insulating cathode unit mounting base (50) is manufactured using, for example, McCall, which is easy to machine, and has a mounting space for mounting the cathode unit (10), and the bottom (51) has a mortar shape. A hollow opening (52) is formed at the center of the mortar-shaped bottom (51). A diaphragm unit (30) is mounted in the hollow opening (52) and is fixed by being pressed by a diaphragm unit pressing screw (53).
ここで、絶縁性陰極ユニット搭載台（５０）の窪み開口部（５２）へ絞りユニット（３０）を位置調整（絞り（３１）の穴（３２）の中心軸と陰極先端部（１５）の中心軸を一致させる）して固定するための位置調整機構を図１６に示す。位置調整機構（５５）には実体顕微鏡（５６）を用いる。実体顕微鏡（５６）の検鏡台には図１３とは上下を反対にした状態で、陰極ユニット（１０）を搭載した絶縁性陰極ユニット搭載台（５０）が載置できるようになっている。実体顕微鏡（５６）はＣＣＤカメラ（５８）に接続されており、観察対象がＣＣＤカメラ（５８）は図示しないＣＲＴモニターの画面に映し出されるようになっている。なお、（５９）は中間鏡筒である。 Here, the position of the aperture unit (30) is adjusted to the hollow opening (52) of the insulating cathode unit mounting base (50) (the central axis of the hole (32) of the aperture (31) and the center of the cathode tip (15)). FIG. 16 shows a position adjusting mechanism for fixing by aligning the axes. A stereomicroscope (56) is used for the position adjustment mechanism (55). An insulative cathode unit mounting table (50) on which the cathode unit (10) is mounted can be placed on the spectroscopic table of the stereomicroscope (56) in a state where the top and bottom of FIG. The stereomicroscope (56) is connected to the CCD camera (58), and the CCD camera (58) is displayed on the screen of a CRT monitor (not shown). Reference numeral (59) denotes an intermediate lens barrel.
この実施例では、高量子効率物質（Ｃｓ3Ｓｂ）を陰極先端部（１５）に局所被覆する
際、絞り（３１）の穴（３２）が、放出された高量子効率物質の構成物質の付着により目詰まりするのを防止するため、絞り（３１）を２００℃程度に加熱する。この加熱は、絞り加熱用タンタル巻線（６３）による通電加熱と、絞り加熱用レーザー導入用光ファイバー（６４）を介してレーザー光を照射するレーザー加熱とを併用して行う。このため、絶縁性陰極ユニット搭載台（５０）内には、絞り加熱用タンタル巻線（６３）を通す巻線用通路と、絞り加熱用レーザー導入用光ファイバー（６４）を通す光ファイバー用通路が形成されている。また、絞り（３１）の温度を測定して加熱制御を行うために、絞り温度測定用熱電対（６５）が取り付けられる。このため、絶縁性陰極ユニット搭載台（５０）内には絞り温度測定用熱電対（６５）を通すための熱電対用通路が形成されている。また、窪み開口部（５２）には絞り加熱用タンタル線（６１）と絞り温度測定用熱電対（６５）を取り付けるための円板状の取り付け用銅板（６７）が絞りユニット（３０）と接触して設けられている。絞り加熱用タンタル線（６３）と絞り温度測定用熱電対（６５）の取り
付け用銅板（６７）への取付は絶縁性陰極ユニット搭載台（５０）に開けられたネジ穴へのネジ止めにより行われる。
In this example, when the high quantum efficiency material (Cs 3 Sb) is locally coated on the cathode tip (15), the hole (32) of the aperture (31) is attached to the constituent material of the released high quantum efficiency material. In order to prevent clogging, the aperture (31) is heated to about 200 ° C. This heating is performed by using a combination of current heating by the tantalum heating tantalum winding (63) and laser heating by irradiating laser light through the optical fiber (64) for introducing the laser for diaphragm heating. For this reason, in the insulating cathode unit mounting base (50), there are formed a winding passage for passing the tantalum heating tantalum winding (63) and an optical fiber passage for passing the squeezing heating laser introducing optical fiber (64). Has been. Further, in order to control the heating by measuring the temperature of the throttle (31), a thermocouple (65) for throttle temperature measurement is attached. Therefore, a thermocouple passage is formed in the insulating cathode unit mounting base (50) for passing the thermocouple (65) for restricting temperature measurement. In addition, a disk-shaped mounting copper plate (67) for attaching a tantalum wire for drawing heating (61) and a thermocouple for measuring the drawing temperature (65) is in contact with the drawing unit (30) in the hollow opening (52). Is provided. The tantalum wire (63) for heating the diaphragm and the thermocouple (65) for measuring the diaphragm temperature are attached to the mounting copper plate (67) by screwing into a screw hole formed in the insulating cathode unit mounting base (50). Is called.
絶縁性陰極ユニット搭載台（５０）は、陰極先端部（１５）に局部被覆後の高量子効率物質の量子効率をできるだけ高く維持する必要から、絶縁性陰極ユニット搭載台（５０）の周辺部品の温度が高くならないように、水冷銅製基盤（６８）に載せ、不凍液で冷却するようにしてある。 Since the insulating cathode unit mounting base (50) needs to maintain the quantum efficiency of the high quantum efficiency material after the local coating on the cathode tip (15) as high as possible, the peripheral parts of the insulating cathode unit mounting base (50) In order to prevent the temperature from becoming high, it is placed on a water-cooled copper base (68) and cooled with antifreeze.
また、この実施例では、化学反応を促進させてより量子効率の高いＣｓ3Ｓｂの局所被
覆を得るため、蒸着の際には、陰極先端部（１５）を１３０℃に加熱する。そのため電源（ＰＷ）に陰極先端部加熱用タンタル巻線（６９）をスイッチ（ＳＷ２）を介して接続する。また、陰極（１１）のペルチェ冷却効果の高い組合せの物質を接合を利用して、接合面において発熱が起こる方向（ｐ−Ｂｉ2Ｔｅ3→ｎ−Ｂｉ2Ｔｅ3）に電流が流れるようにする。
In this example, the cathode tip (15) is heated to 130 ° C. during vapor deposition in order to promote chemical reaction and obtain a local coating of Cs 3 Sb with higher quantum efficiency. Therefore, the cathode tip heating tantalum winding (69) is connected to the power source (PW) via the switch (SW2). Further, by using a combination of materials having a high Peltier cooling effect of the cathode (11), current flows in a direction (p-Bi 2 Te 3 → n-Bi 2 Te 3 ) in which heat is generated on the bonding surface. To do.
また、この実施例では、陰極先端部（１５）に局所被覆したＣｓ3Ｓｂの量子効率をよ
り高く維持するため、蒸着直後に陰極先端部（１５）を速やかに冷却させる。そのため市販ペルチェ冷却サーモモジュール（７０）を用いる。このペルチェ冷却サーモモジュール（７０）はタンタル線急冷用銅板（７１）と陰極先端等急冷用銅板（７２）とに接する側が冷却面となり、水冷アルミニウム板（７３）に接する側が発熱面となるように配される構成となっている。また、ｎ型Ｂｉ2Ｔｅ3からｐ型Ｂｉ2Ｔｅ3の向きに電流が流れるように、陰極用コンタクト冷却用銅線（７４）に電流を流して、陰極先端部（１５）の局所冷却を行うようにする。なお、タンタル線急冷用銅板（７１）には銅線取り付け用ネジ（７５ａ）、（７５ｂ）が設けられ、陰極先端等急冷用銅板（７２）には銅線取り付け用ネジ（７６ａ）、（７６ｂ）が設けられている。
In this example, in order to maintain higher quantum efficiency of Cs 3 Sb locally coated on the cathode tip (15), the cathode tip (15) is quickly cooled immediately after vapor deposition. Therefore, a commercially available Peltier cooling thermo module (70) is used. In this Peltier cooling thermo module (70), the side in contact with the tantalum wire quenching copper plate (71) and the quenching copper plate (72) such as the cathode tip is the cooling surface, and the side in contact with the water-cooled aluminum plate (73) is the heating surface. It is the composition which is arranged. Further, a current is passed through the cathode contact cooling copper wire (74) so that a current flows in the direction from n-type Bi 2 Te 3 to p-type Bi 2 Te 3 , thereby locally cooling the cathode tip (15). To do. Copper wire mounting screws (75a) and (75b) are provided on the tantalum wire rapid cooling copper plate (71), and copper wire mounting screws (76a) and (76b) are provided on the rapid cooling copper plate (72) such as the cathode tip. ) Is provided.
また、この実施例では、陰極先端部（１５）と蒸着ユニット（４０）との間に、蒸着ユニット（４０）から被覆物構成物質以外の不純物が到達することを防止するマスク（７７）が移動可能に設けれている。 Further, in this embodiment, a mask (77) for preventing impurities other than the covering constituent material from reaching the cathode tip (15) and the vapor deposition unit (40) from the vapor deposition unit (40) is moved. It is possible.
さらに、この実施例では、局所被覆が成功したことを確認してから陰極ユニットをＴＥＭ等の電子線発生装置に移す作業に入れるようにするための蒸着直後その場確認のためと局所被覆の条件捜しのために、被覆状態検査ユニット（８０）を設ける。被覆状態検査ユニット（８０）は、金属製円筒からなるファラデーカップ（８１）を利用して構成される。通常のファラデーカップの構造を図１７に示す。電子やイオンの入口をある程度狭くすれば、２次電子の逃げを防止できるため、ビーム電流を正確に測定できる。 Furthermore, in this embodiment, after confirming that the local coating has been successful, the conditions for the local coating and for the in-situ confirmation immediately after the vapor deposition for putting the cathode unit into the work of transferring to the electron beam generator such as TEM For searching, a covering state inspection unit (80) is provided. The covering state inspection unit (80) is configured using a Faraday cup (81) made of a metal cylinder. The structure of a normal Faraday cup is shown in FIG. If the entrance of electrons and ions is narrowed to some extent, the escape of secondary electrons can be prevented, so that the beam current can be measured accurately.
この実施例のファラデーカップ（８１）は、陰極先端部（１５）と蒸着ユニット（４０）の間の制限された空間内に移動可能に配置しなければならないため、図１８、図１９に示すように改造を行っている。すなわち、ファラデーカップ（８１）の底部から光ファイバー（８３）の先端が突出するように挿入され、レーザー光（８４）の照射を行うようになっている。ファラデーカップ（８１）は電流計（８５）に接続され、レーザー照射により陰極先端部（１５）から放出される電子ビーム（８６）による電流を検出できるようになっている。ファラデーカップ（８１）は絶縁用ファラデーカップ台座（８７）に取り付けられる。 Since the Faraday cup (81) of this embodiment must be movably disposed in a limited space between the cathode tip (15) and the vapor deposition unit (40), as shown in FIGS. Has been remodeled. That is, the optical fiber (83) is inserted so that the tip of the optical fiber (83) protrudes from the bottom of the Faraday cup (81), and the laser beam (84) is irradiated. The Faraday cup (81) is connected to an ammeter (85) so as to be able to detect a current due to an electron beam (86) emitted from the cathode tip (15) by laser irradiation. The Faraday cup (81) is attached to the insulating Faraday cup base (87).
陰極先端部（１５）からの電子ビーム（８６）はそのまま直進すると光ファイバー（電気的絶縁物）に衝突してチャージアップするので、ファラデーカップ（８１）の入口近傍には絶縁板（８８）を介して電極板（８９）を設ける。この電極板（８９）により電子ビーム（８６）の進行方向は図示のように僅かに曲げられる。なお、図中（９０）は電流計
（８５）に接続される導線、（９１）は光ファイバー（８３）の芯である。
When the electron beam (86) from the cathode tip (15) goes straight as it is, it collides with an optical fiber (electrical insulator) and charges up, so an insulating plate (88) is interposed near the entrance of the Faraday cup (81). An electrode plate (89) is provided. By this electrode plate (89), the traveling direction of the electron beam (86) is slightly bent as shown. In the figure, (90) is a conducting wire connected to the ammeter (85), and (91) is the core of the optical fiber (83).
絞り（３１）の穴（３２）がある程度大きい場合には、電流計（８５）として高感度の電流計を用いることにより、陰極先端部（１５）からの電子ビーム（８６）が検出できる。 When the aperture (32) of the aperture (31) is somewhat large, the electron beam (86) from the cathode tip (15) can be detected by using a highly sensitive ammeter as the ammeter (85).
また、絞り（３１）の穴（３２）をより小さくする場合には、陰極先端部（１５）に照射されるレーザー光（８４）の強度は小さくなるため、ファラデーカップ（８１）に飛び込む電子の個数（電流）が少なくなり、電流計（８５）でその電流を検出できなくなる。さらに、レーザー光（８４）が放出される光ファイバー（８３）の芯（９１）の内側のコアーの直径が小さいと、コアー部が絞り（３１）の穴（３２）の中心軸と陰極先端部（１５）の中心軸を包含するようにして、レーザー光（８４）が陰極先端部（１５）に照射されるようにするためには、極めて高精度でファラデーカップ（８１）の位置調整を行う必要がある。したがって、その場合、図２０に示すように、レンズ取り付け用円筒（９２）を設けてその中を光ファイバー（８３）の先端を挿入するとともに、光ファイバー（８３）の先端近傍に凸レンズ（９３）を設けて、レーザー光（８４）を平行に近いビームにする。 Further, when the hole (32) of the diaphragm (31) is made smaller, the intensity of the laser beam (84) irradiated to the cathode tip (15) is reduced, so that the electrons jumping into the Faraday cup (81) are reduced. The number (current) decreases, and the current cannot be detected by the ammeter (85). Further, when the diameter of the inner core of the core (91) of the optical fiber (83) from which the laser beam (84) is emitted is small, the core portion becomes the central axis of the hole (32) of the aperture (31) and the cathode tip ( 15) It is necessary to adjust the position of the Faraday cup (81) with extremely high accuracy so that the laser beam (84) is applied to the cathode tip (15) so as to include the central axis of 15). There is. Therefore, in this case, as shown in FIG. 20, a lens mounting cylinder (92) is provided, and the tip of the optical fiber (83) is inserted therein, and a convex lens (93) is provided near the tip of the optical fiber (83). Thus, the laser beam (84) is made into a nearly parallel beam.
また、電子ビーム（８６）の加速電圧（運動エネルギー）が大きい場合には、同じく図２０に示すように電極板（８９）の代わりに磁界発生用コイル（９４）を設けて、磁場によって電子ビーム（８６）を曲げるようにする。 When the acceleration voltage (kinetic energy) of the electron beam (86) is large, a magnetic field generating coil (94) is provided instead of the electrode plate (89) as shown in FIG. (86) is bent.
蒸着した高量子効率物質が本来の量子効率を有しているか否かは、放出される電子ビームの電流値から判断できる。この手法は、将来フォトカソード型電子線源が実用化された場合、陰極ユニットを販売する企業等における検査手段をも提供する。 Whether or not the deposited high quantum efficiency material has the original quantum efficiency can be determined from the current value of the emitted electron beam. This technique also provides inspection means in companies that sell cathode units when photocathode electron beam sources are put into practical use in the future.
次に、上記構成の実施例の局所被覆装置による被覆操作について説明する。 Next, the coating operation by the local coating apparatus of the embodiment having the above-described configuration will be described.
先ず、図１３、図１４に示す構造の陰極ユニット（１０）を用意する。陰極先端部（１５）の径は２００μｍである。また、図１５に示すように白金からなり１０μｍ径の微細な穴（３２）を集束イオンビーム穿孔により直径が２ｍｍで厚さが０．２ｍｍの円板状の絞り（３１）を作製する。この絞り（３１）を一対の銅製絞り保持板（３３）で保持してステンレス鋼製絞り収納用円筒（３４）内に収容して絞り固定用ネジ（３５）で固定して絞りユニット（３０）とする。 First, a cathode unit (10) having the structure shown in FIGS. 13 and 14 is prepared. The diameter of the cathode tip (15) is 200 μm. Further, as shown in FIG. 15, a disc-shaped diaphragm (31) having a diameter of 2 mm and a thickness of 0.2 mm is produced by focusing ion beam drilling of a fine hole (32) made of platinum and having a diameter of 10 μm. The diaphragm (31) is held by a pair of copper diaphragm holding plates (33), accommodated in a stainless steel diaphragm storage cylinder (34), and fixed by a diaphragm fixing screw (35), and a diaphragm unit (30). And
次に、図１６に示すように、陰極ユニット（１０）をマッコール製の絶縁性陰極ユニット搭載台（５０）に搭載し、窪み開口部（５２）を上にした状態で絶縁性陰極ユニット搭載台（５０）を実体顕微鏡（５５）の検鏡台上に載せて、陰極先端部（１５）にピントを合わせる。ＣＣＤカメラ（５８）で撮影された陰極先端部（１５）のＣＲＴモニター画面を観ながら、陰極先端部（１５）の中心がＣＲＴモニター画面の中心に位置するように、絶縁性陰極ユニット搭載台（５０）を微動させる。次に、絞りユニット（３０）をピンセットでつかみ、絶縁性陰極ユニット搭載台（５０）の窪み開口部（５２）の中に入れてから、絞り（３１）にピントが合うようにする。絞り（３１）の穴（３２）の中心がＣＲＴモニター画面の中心に一致するように絞りユニット（３０）を水平面内で微動させ、その後、絞りユニット押えネジ（５３）を用いて絞りユニット（３０）を固定する。 Next, as shown in FIG. 16, the cathode unit (10) is mounted on an insulating cathode unit mounting base (50) made by McCall, and the insulating cathode unit mounting base is placed with the hollow opening (52) facing upward. (50) is placed on the spectroscopic table of the stereomicroscope (55) and focused on the cathode tip (15). While observing the CRT monitor screen of the cathode tip (15) photographed by the CCD camera (58), the insulating cathode unit mounting base (so that the center of the cathode tip (15) is positioned at the center of the CRT monitor screen) 50) is moved slightly. Next, the diaphragm unit (30) is grasped with tweezers, put into the recessed opening (52) of the insulating cathode unit mounting base (50), and then the diaphragm (31) is focused. The aperture unit (30) is slightly moved in the horizontal plane so that the center of the hole (32) of the aperture (31) coincides with the center of the CRT monitor screen, and then the aperture unit (30) is used by using the aperture unit holding screw (53). ).
次に、図１３に示すように、陰極ユニット（１０）を搭載し、絞りユニット（３０）を固定した絶縁性陰極ユニット搭載台（５０）を装置本体の水冷銅製基盤（６８）に載せ、各種配線の接続、各種部材の駆動準備を行う。また、蒸着装置内を真空度が１×１０-4Ｐａよりも高い高真空にする。 Next, as shown in FIG. 13, an insulating cathode unit mounting base (50) on which the cathode unit (10) is mounted and the aperture unit (30) is fixed is placed on the water-cooled copper base (68) of the apparatus main body, Connect the wiring and prepare for driving various members. Moreover, the inside of a vapor deposition apparatus is made into the high vacuum whose vacuum degree is higher than 1 * 10 <-4> Pa.
次に、スイッチ（ＳＷ２）をオンにして、加熱用タンタル巻線（６１）による通電加熱と、絞り過熱用レーザー導入用光ファイバー（６２）を介するレーザー加熱の併用により、絞り（３１）を２００℃に加熱する。一方、Ｓｂ用蒸着ボート（４２）を５００℃まで加熱して陰極先端部（１５）にＳｂを所要量蒸着する。この蒸着の際、絞りユニット（３０）の絞り（３１）により陰極先端部（１５）にＳｂが局所被覆される。その後、陰極先端部加熱用タンタル巻線（６９）による通電加熱と、陰極（１１）のペルチェ冷却効果の高い組合せの物質を接合を利用した加熱（ｎ−Ｂｉ2Ｔｅ3（１２）→ｐ−Ｂｉ2Ｔｅ3（１３）の電流方向）の併用により、陰極先端部（１５）を約１３０℃に加熱してから、Ｃｓ用蒸着ボート（４１）を７００℃まで加熱してＣｓの蒸着を行う（なお、膜を厚くする場合には、Ｓｂの蒸着とＣｓの蒸着を繰り返す）。陰極先端部（１５）には、絞り（３１）により、Ｓｂと同形状の膜が同じ位置に同じ大きさで蒸着され、陰極先端部（１５）が加熱されていることから、ＳｂとＣｓが反応し、高量子効率Ｃｓ3Ｓｂの局所被覆が形成さ
れる。局所被覆の径は１０μｍであった。
Next, the switch (SW2) is turned on, and the diaphragm (31) is heated to 200 ° C. by the combined use of energization heating by the heating tantalum winding (61) and laser heating through the optical fiber (62) for introducing the diaphragm overheating laser. Heat to. On the other hand, the Sb deposition boat (42) is heated to 500 ° C. to deposit a required amount of Sb on the cathode tip (15). During this deposition, Sb is locally coated on the cathode tip (15) by the diaphragm (31) of the diaphragm unit (30). Thereafter, heating using a tantalum coil for heating the cathode tip portion (69) and a combination of materials having a high Peltier cooling effect for the cathode (11) (n-Bi 2 Te 3 (12) → p- The cathode tip (15) is heated to about 130 ° C. by the combined use of Bi 2 Te 3 (13) (current direction), and then the Cs deposition boat (41) is heated to 700 ° C. to deposit Cs. (Note that when the film is thickened, the deposition of Sb and the deposition of Cs are repeated). A film having the same shape as Sb is deposited at the same position and in the same size on the cathode tip (15) by the diaphragm (31), and the cathode tip (15) is heated. Reacts to form a local coating with high quantum efficiency Cs 3 Sb. The diameter of the local coating was 10 μm.
蒸着が終了すると、スイッチＳＷ２をオフとし、通電加熱を停止してから、図１３の水冷アルミニウム板（７３）の中に予め冷却してあった不凍液を流して水冷アルミニウム板（７３）を急冷するとともに、市販のペルチェ冷却サーモモジュール（７０）にタンタル線急冷用銅板（７１）と陰極先端等冷却用銅板（７２）の接合面が吸熱側になるように電流を流してタンタル線急冷用銅板（７１）と陰極先端等冷却用銅板（７２）を急冷し、熱伝導によって陰極先端部加熱用タンタル巻線（６９）、陰極端子用コンタクト（１７’）および陰極端子（１７）を急冷して陰極先端部（１５）を急冷する。同時にスイッチ（ＳＷ１）をオンにして、陰極（１１）のペルチェ冷却効果の高い組合せの物質を接合を利用した冷却（ｐ−Ｂｉ2Ｔｅ3（１３）→ｎ−Ｂｉ2Ｔｅ3（１２）の電流方向）を併用する。これにより、局所被覆したＣｓ3Ｓｂの量子効率ができるだけ高い状態で維持される。 When the vapor deposition is completed, the switch SW2 is turned off to stop the energization heating, and then the water-cooled aluminum plate (73) is rapidly cooled by flowing an antifreeze liquid that has been cooled in advance into the water-cooled aluminum plate (73) of FIG. At the same time, a current is passed through a commercially available Peltier cooling thermo module (70) so that the joining surface between the tantalum wire quenching copper plate (71) and the cathode tip cooling copper plate (72) is on the heat absorption side, and the tantalum wire quenching copper plate ( 71) and the cooling copper plate (72) such as the cathode tip are rapidly cooled, and the cathode tip heating tantalum winding (69), the cathode terminal contact (17 ') and the cathode terminal (17) are quenched by heat conduction. The tip (15) is quenched. At the same time, the switch (SW1) is turned on to cool the cathode (11) with a combination of materials having a high Peltier cooling effect (p-Bi 2 Te 3 (13) → n-Bi 2 Te 3 (12) (Current direction). As a result, the quantum efficiency of the locally coated Cs 3 Sb is maintained as high as possible.
なお、マスク（７７）の移動は必要に応じて行う。 The mask (77) is moved as necessary.
局所被覆の形成後、被覆状態検査ユニット（８０）により、局所被覆したＣｓ3Ｓｂの
蒸着状態を検査する。図１８、図１９あるいは図２０の装置により、光ファイバー（８３）からレーザー光（８４）を陰極先端部（１５）に照射し、放出される電子ビーム（８６）をファラデーカップ（８１）で受け、その電流を電流計（８５）で検出し、蒸着の良否を確認する。良好な蒸着であれば、特許文献２に示されるグローブ付きの不活性ガス中作業用カバーを用いて陰極ユニット（１０）を蒸着装置から取り出して電子線源を有する装置（ＴＥＭ等）に装填できるようにする。その作業の様子は図４〜図６に示すような手順である。
After the formation of the local coating, the coating state inspection unit (80) inspects the vapor deposition state of the locally coated Cs 3 Sb. 18, 19, or 20, a laser beam (84) is applied to the cathode tip (15) from the optical fiber (83), and the emitted electron beam (86) is received by the Faraday cup (81). The current is detected by an ammeter (85), and the quality of vapor deposition is confirmed. If the vapor deposition is good, the cathode unit (10) can be taken out of the vapor deposition apparatus using the work cover in an inert gas with a glove shown in Patent Document 2 and loaded into an apparatus (TEM or the like) having an electron beam source. Like that. The state of the work is a procedure as shown in FIGS.
１０ 陰極ユニット
１１ 陰極
１２ ｎ型Ｂｉ2Ｔｅ3
１３ ｐ型Ｂｉ2Ｔｅ3
１４ 陰極基盤
１５ 陰極先端部
１６ 絶縁陰極基盤
１７ 陰極端子
１７’ 陰極端子用コンタクト
１８、１９、６５ 熱電対
２０ 熱電対端子（４個のうちのふたつ）
２０’ 熱電対端子用コンタクト（４個のうちのふたつ）
２２ 陰極ウェネルト
３０ 絞りユニット
３１ 絞り
３２ 微細な穴
３３ 絞り保持板
３３ａ 銅製絞り保持板
３３ｂ スペーサー（１）
３３ｃ 空間
３３ｄ スペーサー（２）
３３ｅ 空間
３４ 絞り収容円筒
３５ 絞り固定用ネジ
４０ 蒸着ユニット
４１ Ｓｂ用蒸着ボート
４２ Ｃｓ用蒸着ボート
４３ 蒸着ボート取り付け台
４４、４５ ストッパー
４６ ストッパー取り付け板
４７ 蒸着ボート間放熱防止用衝立
４８ 放熱遮蔽版
４９ 蒸着物放出用穴
５０ 絶縁性陰極ユニット搭載台
５１ すり鉢状底部
５２ 窪み開口部
５３ 絞りユニット押えネジ
５５ 位置調整機構
５６ 実体顕微鏡
５８ ＣＣＤカメラ
５９ 中間鏡筒
６３ 絞り加熱用タンタル巻線
６４ 絞り加熱用光ファイバー
６５ 絞りの温度測定用熱電対線
６７ 絞り加熱用タンタル線と熱電対の取り付け用銅板
６８ 水冷銅製基盤
６９ 陰極先端部加熱用タンタル巻線
７０ ペルチェ冷却サーモモジュール
７１ タンタル線急冷用銅板
７２ 陰極先端等急冷用銅板
７３ 水冷アルミニウム板
７４ 陰極用コンタクト冷却用銅線
７５ａ 銅線取り付け用ネジ（８個のうちのひとつ）
７５ｂ 銅線取り付け用ネジ
７６ａ 銅線取り付け用ネジ
７６ｂ 銅線取り付け用ネジ
７７ マスク
８０ 被覆状態検査ユニット
８１ ファラデーカップ
８３ 光ファイバー
８４ レーザー光
８５ 電流計
８６ 電子ビーム
８７ 絶縁用ファラデーカップ台座
８８ 絶縁板
８９ 電極板
９０ 導線
９１ 光ファイバーの芯（内側にコアー、外側にクラッド）
９２ レンズ取り付け用円筒
９３ 凸レンズ
９４ 磁界発生コイル
１００ 陰極ユニット
１０１ ｎ型Ｂｉ2Ｔｅ3
１０２ ｐ型Ｂｉ2Ｔｅ3
１０３ 陰極
１０４ 陰極基盤
１０５ 陰極端子
１０６ 陰極先端部
１０７ 補強用絶縁物
１０８ 高量子効率物質（Ｃｓ3Ｓｂ）
１１０ 陰極ユニット
１１１ 陰極
１１２ 陰極基盤
１１３ ｎ型Ｂｉ2Ｔｅ3
１１４ ｐ型Ｂｉ2Ｔｅ3
１１５ 陰極先端部
１１６ 高量子効率物質（Ｃｓ3Ｓｂ）
１５１ 不活性ガス中作業用カバー
１５２ バルブ
１５３ バルブ
１５４ フランジ巻上げ下ろしハンドル
１５５ 陰極ユニット密閉容器出入口
１５６ 蓋
１５７ グローブ
１５８ 内側ポケット
１５９ 真空フランジ
１６０ Ｏリング
１６１ ボルト
１６２ ナット
１６３ Ｏリング
１６４ Ｏリング締めつけリング
１６５ カバーシート
２０１ 不活性ガス中作業用カバー
２０２ バルブ
２０３ バルブ
２０４ フランジ巻上げ下ろしハンドル
２０５ 陰極ユニット密閉容器出入口
２０６ 蓋
２０７ グローブ
２０８ 内側ポケット
２０９ 真空フランジ
３００ 陰極ユニット
３０１ 密閉容器
３０２ Ｏリング
３０３ 蝶ネジ
３０４ 超高純度不活性ガス
10
13 p-type Bi 2 Te 3
14
20 'Thermocouple terminal contacts (two of the four)
22
75b Copper
92
102 p-type Bi 2 Te 3
103
110
114 p-type Bi 2 Te 3
115
151 Cover for working in
Claims (16)
The tip of the cathode with a sharp tip in a device that coats the surface of the cathode tip of the photocathode type electron beam source of the laser irradiation method from the side where electrons are emitted from the coated high quantum efficiency material Between the surface of the cathode and the emission source from which the constituent material of the high quantum efficiency material coating is emitted, a stop having a microhole for limiting the coating area on the cathode tip is not adhered to the cathode tip. A plurality of constituent materials are attached at the same position to form a high quantum efficiency material , a negative voltage can be applied to the cathode tip with respect to the ground, and from the center of the bottom of the Faraday cup and the Faraday cup, It consists of an optical fiber for irradiating laser light to cause external photoelectric effect on the cathode tip coated with high quantum efficiency material, and after the coating on the cathode tip is finished, the laser light is applied to the cathode tip A movable covering state inspection means for measuring the covering state based on the result of measuring an electron beam emitted from the tip of the cathode by the external photoelectric effect as a current value, and entering the Faraday cup photocathode type laser irradiation method from a side of electrons from the high quantum efficiency material coated, characterized in Rukoto provided deflection means close to deflect the traveling direction of the electron beam emitted from the cathode tip is released A device for locally coating a high quantum efficiency material on the cathode tip of an electron beam source.
16. The local coating apparatus according to claim 1, wherein a laser beam focusing lens for causing an external photoelectric effect is provided in the vicinity of the tip of an optical fiber attached to the Faraday cup.
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