JP6466020B1 - 電子銃、電子線適用装置、電子銃による電子射出方法、および、電子ビームの焦点位置調整方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1)ウェーネルト電極は、電圧を印加した際に電子ビームを絞ることで焦点位置を電子銃側(以下、「短焦点側」と記載することがある。)に調整するために用いられる。したがって、通常は短焦点側への調整しかできない。
(2)電子銃を相手側装置に搭載する際に、ウェーネルト電極に印加する電圧の上下限値の中間値程度の電圧を印加する状態を初期設定と仮定する。その場合、ウェーネルト電極に印加する電圧値を調整することで、電子銃を相手側装置に搭載した後に、電子ビームの焦点を短焦点側および長焦点側に調整することは、原理的には可能である。しかしながら、ウェーネルト電極は、電極に電圧を印加することで発生した電界により電子ビームを絞る。そのため、電子ビームの幅を調整できるのは、電子ビームがウェーネルト電極を通過する間のみとなることから、仮に短焦点側および長焦点側に焦点位置を調整できたとしても、調整する範囲が狭い。
(3)現状では、電子銃を相手側装置に搭載した後に、電子ビームの焦点を短焦点側および長焦点側、換言すると、2つの異なる方向に調整する方法(装置)は、ウェーネルト電極以外に知られていない。
アノードと、
を含む電子銃であって、
前記電子銃は、
前記フォトカソードと前記アノードとの間に配置する中間電極
を更に含み、
前記中間電極は、
前記フォトカソードから射出した電子ビームが通過する電子ビーム通過孔を有し、
前記電子ビーム通過孔には、電圧の印加により前記フォトカソードと前記アノードとの間に電界が形成された際に、前記電界の影響を無視できるドリフトスペースが形成されている
電子銃。
(2)前記中間電極は、
前記電子ビーム通過孔の中心軸方向の長さをD、
前記電子ビーム通過孔の電子ビームの入口の断面長をa、
前記電子ビーム通過孔の電子ビームの出口の断面長をb、
と規定した際に、
D/(a/2+b/2)が1より大きい関係を有する
上記(1)に記載の電子銃。
(3)前記中間電極を、前記フォトカソードと前記アノードとの間で、前記電子ビーム通過孔の中心軸方向に駆動するための駆動部を含む
上記(1)または(2)に記載の電子銃。
(4)前記中間電極の前記電子ビーム通過孔の中心軸方向の長さDが可変である
上記(1)〜(3)の何れか一つに記載の電子銃。
(5)前記フォトカソードと前記アノードとの間に電界を形成し、前記中間電極に電圧を印加する電源を含む、
上記(1)〜(4)の何れか一つに記載の電子銃。
(6)前記フォトカソードの電圧を第1電圧、前記アノードの電圧を第2電圧と規定した際に、
前記電源は、前記第1電圧より相対的にプラスで、前記第2電圧より相対的にマイナスの範囲内で前記中間電極に電圧を印加できる
上記(5)に記載の電子銃。
(7)前記フォトカソード、及び/又は、前記アノードを、前記電子ビーム通過孔の中心軸方向に駆動するための駆動部を含む
上記(1)〜(6)の何れか一つに記載の電子銃。
(8)上記(1)乃至(7)のいずれか一つに記載の電子銃を含む電子線適用装置であって、
前記電子線適用装置は、
自由電子レーザー加速器、
電子顕微鏡、
電子線ホログラフィー装置、
電子線描画装置、
電子線回折装置、
電子線検査装置、
電子線金属積層造形装置、
電子線リソグラフィー装置、
電子線加工装置、
電子線硬化装置、
電子線滅菌装置、
電子線殺菌装置、
プラズマ発生装置、
原子状元素発生装置、
スピン偏極電子線発生装置、
カソードルミネッセンス装置、または、
逆光電子分光装置
である
電子線適用装置。
(9)電子銃による電子ビームの射出方法であって、
前記射出方法は、
フォトカソードからアノードに向けて電子ビームを射出する電子ビーム射出工程、
前記フォトカソードから射出した電子ビームが、中間電極の電子ビーム通過孔に形成され、且つ、電圧の印加により前記カソードと前記アノードとの間に形成された電界の影響を無視できるドリフトスペースを通過するドリフトスペース通過工程、
前記ドリフトスペース通過工程後の電子ビームが、前記アノードに向けて収束する電子ビーム収束工程、
を含む
電子銃による電子ビームの射出方法。
(10)上記(9)に記載の電子銃による電子ビームの射出方法の電子ビーム射出工程(ST1)から電子ビーム収束工程(ST3)の間において、
電子ビーム幅調整工程を含む、
電子ビームの焦点位置調整方法。
図1を参照して、電子銃の構成例の概略について説明する。図1は、電子銃1、および、電子銃1を搭載した相手側装置Eを模式的に示す図である。
(1)第1電圧より相対的に第2電圧がプラスになるように電位差を設けることでカソード3とアノード4との間に電界が形成され、
(2)中間電極2には、第1電圧より相対的にプラス、第2電圧より相対的にマイナスとなる範囲内で電圧が印加され、
ればよい。
なお、中間電極2に印加される電圧は、第1電圧より相対的にプラス、第2電圧より相対的にマイナスの範囲内であれば可変であってもよい。
(1)第1電圧より相対的に第2電圧がプラスになるように電位差を設けることでカソード3とアノード4との間に電界が形成され、
(2)中間電極2には、第1電圧より相対的にプラス、第2電圧より相対的にマイナスとなる範囲内で電圧が印加される、
ように、適宜調整すればよい。また、第1抵抗8a及び第2抵抗8bは、固定抵抗であってもよいし、可変抵抗であってもよい。
図3を参照して中間電極2の概略について説明する。図3Aは、カソード3、中間電極2、アノード4の概略断面図、図3Bは図3AのX−X’断面図、図3Cは図3AのY−Y’断面図である。図3に示す例では、中間電極2は中空の円筒で形成されている。中間電極2は、内部にフォトカソード3から射出した電子ビームが通過する電子ビーム通過孔21が形成され、電子ビーム通過孔21のフォトカソード3側には電子ビームの入口22、電子ビーム通過孔21のアノード4側には電子ビームの出口23が形成されている。カソード3とアノード4との間に電位差が生じるように電圧を印加し、中間電極2にも電圧を印加することで、図3Aに示すように、カソード3と中間電極2との間、中間電極2とアノード4との間には、電界EFが発生する。
原理1:電子ビームは、その中心軸から外側の部位であるほど、より強い力を受ける。
原理2:電子ビームは、単位長さ当たり、多くの等電位線を横切るほど、より強い力を受ける。
原理3:電子ビームは、等電位線を横切るとき、その進行方向のエネルギーが大きいほど、垂直方向(進行方向に対して)に受ける力は小さくなる。
(焦点位置調整の第1の実施形態)
図6は、焦点位置調整の第1の実施形態の概略を説明するための図である。図6では、カソード3とアノード4に印加する電圧差は一定で、中間電極2に印加する電圧値を変化させることで、焦点位置を調整する例を示している。図6A乃至6Cに示すように、カソード3の電圧を−50kV、アノード4の電圧を0kVに設定し、中間電極2には、図6Aでは−20kV、図6Bでは−30kV、図6Cでは−40kVの電圧を印加したとする。そうすると、カソード3と中間電極2との間の電圧差は、図6Aでは30kV、図6Bでは20kV、図6Cでは10kVとなる。つまり、中間電極2に印加する電圧を、カソード3の電圧に近い値にするほど、カソード3と中間電極2の間の電位差は小さくなる。そして、電位差が小さいほど、カソード3と中間電極2との間の等電位線の密度は小さくなることから、フォトカソード3から射出した電子ビームBは、図6Aから図6Cの順に、中間電極2に向けて広がりやすくなる。更に、中間電極2にはドリフトスペースが形成されていることから、広がりやすい電子ビームBは、ドリフトスペース内で更に広がる。
図7は、焦点位置調整の第2の実施形態の概略を説明するための図である。図7では、カソード3とアノード4との間の電圧差および中間電極2に印加する電圧値を一定とし、カソード3とアノード4との間で、中間電極2を電子ビーム通過孔21の中心軸方向に駆動する駆動部9を具備した例を示している。図7に示す例では、中間電極2にモータ9aを固定し、モータ9aの軸に固定したピニオンをラック9bに係合するラックアンドピニオン構造により、中間電極2を駆動する例を示しているが、中間電極2を中心軸方向に駆動することができれば駆動部9は特に制限はない。
図8及び図9は、焦点位置調整の第3の実施形態の概略を説明するための図である。先ず、図8A及び図8Bを参照して、第3の実施形態で用いる中間電極2の概略を説明する。第3の実施形態の中間電極2は、中心軸方向の長さが可変となる機構を有している。図8A及び図8Bに示す例では、中間電極2は、中間電極第1部分2aと中間電極第2部分2bに分割されている。そして、中間電極第2部分2bが、第2の実施形態と同様のラックアンドピニオン構造により、中間電極第1部分1aに対して摺動可能となっている。したがって、中間電極2の中心軸方向の長さを変えることができる。なお、図8に示す例は、単なる例示で、中間電極2の中心軸方向の長さを変えることがでれば、中心軸方向の長さが可変となる機構は特に制限はない。例えば、ラックアンドピニオン構造を構成するモータ9aが、中間電極第1部分2aに固定されていてもよい。また、中間電極第1部分1aの外周面と中間電極第2部分2bの内周面が回転可能に係合するようにネジが切られ、中間電極第1部分1aまたは中間電極第2部分2bの一方を電子銃1に固定し、中間電極第1部分1aまたは中間電極第2部分2bの他方に回転方向の力を付与することで、中間電極第1部分1aまたは中間電極第2部分2bが回転しながら伸縮するようにしてもよい。或いは、中間電極2を蛇腹状に形成し、中心軸方向に伸縮可能となるように形成してもよい。
図10は、焦点位置調整の第4の実施形態の概略を説明するための図である。焦点位置調整の第4の実施形態では、アノード4を中心軸方向に移動することで、中間電極2とアノード4との距離を調整する例を示している。なお、図示は省略するが、アノード4の中心軸方向への移動は、アノード4が移動できれば特に制限はなく、図8に示すような駆動部を用いればよい。図10A乃至図10Cに示す例では、カソード3とアノード4の電位差、中間電極2の長さ、および、中間電極2に印加する電圧は一定にしている。そのため、カソード3と中間電極2との間の等電位線の密度、および、ドリフトスペースの長さは同じであることから、図10A乃至図10Cに示すように、ドリフトスペースを出るまでの電子ビームBの幅(広がり具合)は同じである。
図11は、焦点位置調整の第5の実施形態の概略を説明するための図である。焦点位置調整の第5の実施形態では、第4の実施形態のアノード4に代え、カソード3を中心軸方向に移動することで、カソード3と中間電極2との距離を調整する例を示している。なお、図示は省略するが、カソード3の中心軸方向への移動は、カソード3が移動できれば特に制限はないが、図8に示すような駆動部を用いればよい。図11A乃至図11Cに示す例では、カソード3とアノード4の電位差、中間電極2の長さ、および、中間電極2に印加する電圧は一定にしている。そのため、カソード3と中間電極2の電位差は同じであるが、図11Aから図11Cの順にカソード3と中間電極2との間の等電位線の密度が大きくなることから、電子ビームが中間電極2のドリフトスペースに入る時の幅は、図11Aから図11Cの順に小さくなる。したがって、ドリフトスペースから出る際の電子ビームBの幅も、図11Aから図11Cの順に小さくなる。
図12を参照して、電子ビームの射出方法の実施形態について説明する。射出方法の実施形態は、電子ビーム射出工程(ST1)、ドリフトスペース通過工程(ST2)、電子ビーム収束工程(ST3)を少なくとも含んでいる。電子ビーム射出工程(ST1)では、光源から励起光をフォトカソードに照射することで、フォトカソードからアノードに向けて電子ビームを射出する。ドリフトスペース通過工程(ST2)では、フォトカソードから射出した電子ビームが、カソードとアノードとの間に配置した中間電極2の電子ビーム通過孔に形成されたドリフトスペースを通過する。ドリフトスペースは、電圧の印加によりカソードとアノードとの間に形成された電界の影響を無視できることから、電子ビームはドリフトスペース内で広がる。そして、電子ビーム収束工程(ST3)では、ドリフトスペース通過後の電子ビームがアノードに向けて収束し、その結果、相手側装置で焦点を結ぶことができる。
上記のとおり、電子ビームをドリフトスペース内で広げるドリフトスペース通過工程(ST2)は、本発明者が見出した新規の工程であることから、当該工程を含む電子ビームの射出方法は新規の方法である。そして、当該新規の電子ビームの射出方法に加え、電子ビームの幅を積極的に調整する、電子ビーム幅調整工程を追加することで、電子ビームの射出方法を、電子ビームの焦点位置調整方法として用いることができる。電子ビーム幅調整工程は、電子ビーム射出工程(ST1)から電子ビーム収束工程(ST3)の間で実施されれば、任意の工程間及び/又は行程中に実施すればよい。
図13を参照して、実施例1について説明する。図13Aは、実施例1の条件を示すための図で、カソード3に印加する電圧は−50kV、アノード4の電圧は0kV、カソード3と中間電極2との間隔は2mm、中間電極2の長さは40mm、電子ビーム通過孔は直径4mmの円筒状、中間電極2とアノード4との間隔は8mmの固定値とし、中間電極2に印加する電圧のみ可変値として、シミュレーションを行った。図13Bはシミュレーション結果を示す図である。図13Bの縦軸が電子ビームの直径、横軸がフォトカソード3からの距離で、図13B中の矢印がアノード4の位置となり、矢印より右側が相手側装置内で電子ビームが焦点を結ぶ位置を表す。図13Bに示すように、中間電極2に印加する電圧値以外の条件が同じ場合、中間電極2に印加する電圧値がカソード3の電圧値に近いほど焦点位置が短焦点側に移動し、中間電極2に印加する電圧値がカソード3の電圧値から離れるほど焦点位置が長焦点側に移動した。したがって、中間電極2に印加する電圧を調整すること、換言すると、カソード3と中間電極2との間の等電位線の密度を調整(第1電子ビーム幅調整工程)、および、中間電極2とアノード4との間の等電位線の密度を調整(第3電子ビーム幅調整工程)することで、焦点位置を短焦点側と長焦点側の何れの方向にでも調整ができることを確認した。
図14を参照して、実施例2について説明する。図14Aは、実施例2の条件を示すための図で、カソード3に印加する電圧は−50kV、アノード4の電圧は0kV、中間電極2の長さは25mm、電子ビーム通過孔は直径4mmの円筒状、中間電極2に印加する電圧は−38kVの固定値とし、フォトカソード3と中間電極との間隔はdmm、中間電極2とアノード4との間隔は15−dmmの可変値として、シミュレーションを行った。図14Bはシミュレーション結果を示す図である。図14Bの縦軸が電子ビームの直径、横軸がカソード3からの距離で、図14B中の矢印がアノード4の位置となり、矢印より右側が相手側装置内で電子ビームが焦点を結ぶ位置を表す。図14Bに示すように、中間電極2の位置以外の条件が同じ場合、カソード3と中間電極2との間隔が広いほど焦点位置が短焦点側に移動し、カソード3と中間電極2との間隔が狭いほど焦点位置が長焦点側に移動した。したがって、カソード3とアノード4との間で中間電極2の位置を調整すること、換言すると、カソード3と中間電極2との間の等電位線の密度を調整(第1電子ビーム幅調整工程)、および、中間電極2とアノード4との間の等電位線の密度を調整(第3電子ビーム幅調整工程)することで、焦点位置を短焦点側と長焦点側の何れの方向にでも調整ができることを確認した。
図15を参照して、実施例3について説明する。図15Aは、実施例3の条件を示すための図で、カソード3に印加する電圧は−50kV、アノード4の電圧は0kV、カソード3と中間電極2との距離は2mm、中間電極2とアノード4との距離は8mm、電子ビーム通過孔は直径4mmの円筒状、中間電極2に印加する電圧は−38kVの固定値とし、中間電極2の長さを25mm、30mm、40mmの可変値として、シミュレーションを行った。図15Bはシミュレーション結果を示す図である。図15Bの縦軸が電子ビームの直径、横軸がカソード3からの距離で、図15B中の矢印がアノード4の位置となり、矢印より右側が相手側装置内で電子ビームが焦点を結ぶ位置を表す。図15Bに示すように、中間電極2の長さ以外の条件が同じ場合、中間電極2の長さが短いほど焦点位置が長焦点側に移動し、中間電極2の長さが長いほど焦点位置が短焦点側に移動した。したがって、中間電極2の長さ調整すること、換言すると、電界の影響を無視できるドリフトスペースの長さを調整(第2電子ビーム幅調整工程)することで、焦点位置を短焦点側と長焦点側の何れの方向にでも調整ができることを確認した。
Claims (10)
- フォトカソードと、
アノードと、
を含む電子銃であって、
前記電子銃は、
前記フォトカソードと前記アノードとの間に配置する中間電極
を更に含み、
前記中間電極は、
前記フォトカソードから射出した電子ビームが通過する電子ビーム通過孔を有し、
前記電子ビーム通過孔には、電圧の印加により前記フォトカソードと前記アノードとの間に電界が形成された際に、前記電界の影響を無視でき、且つ、通過する電子ビームの幅を広くするためのドリフトスペースが形成されている
電子銃。 - 前記中間電極は、
前記電子ビーム通過孔の中心軸方向の長さをD、
前記電子ビーム通過孔の電子ビームの入口の断面長をa、
前記電子ビーム通過孔の電子ビームの出口の断面長をb、
と規定した際に、
D/(a/2+b/2)が1より大きい関係を有する
請求項1に記載の電子銃。 - 前記中間電極を、前記フォトカソードと前記アノードとの間で、前記電子ビーム通過孔の中心軸方向に駆動するための駆動部を含む
請求項1または2に記載の電子銃。 - 前記中間電極の前記電子ビーム通過孔の中心軸方向の長さDが可変である
請求項1〜3の何れか一項に記載の電子銃。 - 前記フォトカソードと前記アノードとの間に電界を形成し、前記中間電極に電圧を印加する電源を含む、
請求項1〜4の何れか一項に記載の電子銃。 - 前記フォトカソードの電圧を第1電圧、前記アノードの電圧を第2電圧と規定した際に、
前記電源は、前記第1電圧より相対的にプラスで、前記第2電圧より相対的にマイナスの範囲内で前記中間電極に電圧を印加できる
請求項5に記載の電子銃。 - 前記フォトカソード、及び/又は、前記アノードを、前記電子ビーム通過孔の中心軸方向に駆動するための駆動部を含む
請求項1〜6の何れか一項に記載の電子銃。 - 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の電子銃を含む電子線適用装置であって、
前記電子線適用装
置は、
自由電子レーザー加速器、
電子顕微鏡、
電子線ホログラフィー装置、
電子線描画装置、
電子線回折装置、
電子線検査装置、
電子線金属積層造形装置、
電子線リソグラフィー装置、
電子線加工装置、
電子線硬化装置、
電子線滅菌装置、
電子線殺菌装置、
プラズマ発生装置、
原子状元素発生装置、
スピン偏極電子線発生装置、
カソードルミネッセンス装置、または、
逆光電子分光装置
である
電子線適用装置。 - 電子銃による電子ビームの射出方法であって、
前記射出方法は、
フォトカソードからアノードに向けて電子ビームを射出する電子ビーム射出工程、
前記フォトカソードから射出した電子ビームが、中間電極の電子ビーム通過孔に形成され、電圧の印加により前記カソードと前記アノードとの間に形成された電界の影響を無視でき、且つ、通過する電子ビームの幅を広くするためのドリフトスペースを通過するドリフトスペース通過工程、
前記ドリフトスペース通過工程後の電子ビームが、前記アノードに向けて収束する電子ビーム収束工程、
を含む
電子銃による電子ビームの射出方法。 - 請求項9に記載の電子銃による電子ビームの射出方法の電子ビーム射出工程(ST1)から電子ビーム収束工程(ST3)の間において、
電子ビーム幅調整工程を含む、
電子ビームの焦点位置調整方法。
Priority Applications (8)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018194848A JP6466020B1 (ja) | 2018-10-16 | 2018-10-16 | 電子銃、電子線適用装置、電子銃による電子射出方法、および、電子ビームの焦点位置調整方法 |
CN201980023850.4A CN111937112B (zh) | 2018-10-16 | 2019-08-07 | 电子枪、电子射线应用装置以及电子束射出方法 |
EP19874594.5A EP3764387A4 (en) | 2018-10-16 | 2019-08-07 | ELECTRON GUN, ELECTRON BEAM APPLICATION DEVICE, ELECTRON EMISSION PROCESS USING AN ELECTRON GUN, AND ELECTRON BEAM FOCAL POSITION ADJUSTMENT METHOD |
KR1020207029333A KR102521402B1 (ko) | 2018-10-16 | 2019-08-07 | 전자 총, 전자선 적용 장치, 전자 총에 의한 전자 사출 방법, 및, 전자 빔의 초점 위치 조정 방법 |
US17/044,856 US11195685B2 (en) | 2018-10-16 | 2019-08-07 | Electron gun, electron beam applicator, method for releasing electrons using electron gun, and method for adjusting focal position of electron beam |
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