WO2015008561A1 - 電子親和力の低下処理装置に用いられる活性化容器及びキット、該キットを含む電子親和力の低下処理装置、フォトカソード電子ビーム源、並びに、フォトカソード電子ビーム源を含む電子銃、自由電子レーザー加速器、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、電子線フォログラフィー顕微鏡、電子線描画装置、電子線回折装置及び電子線検査装置 - Google Patents

電子親和力の低下処理装置に用いられる活性化容器及びキット、該キットを含む電子親和力の低下処理装置、フォトカソード電子ビーム源、並びに、フォトカソード電子ビーム源を含む電子銃、自由電子レーザー加速器、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、電子線フォログラフィー顕微鏡、電子線描画装置、電子線回折装置及び電子線検査装置 Download PDF

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electron
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electron beam
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国立大学法人名古屋大学
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Definitions

  • the present invention relates to an activation container and kit used for an electron affinity reduction processing apparatus, an electron affinity reduction processing apparatus including the kit, a photocathode electron beam source, an electron gun including a photocathode electron beam source, and free electrons
  • the present invention relates to a laser accelerator, a transmission electron microscope, a scanning electron microscope, an electron beam holography microscope, an electron beam drawing device, an electron beam diffractometer, and an electron beam inspection device. And the electron affinity of the photocathode material in a single vacuum chamber without separately providing a vacuum chamber for reducing the re-electron affinity of the photocathode and an electron beam source chamber for disposing the photocathode and emitting electrons.
  • GaAs-type photocathode electron beam sources have so far been used as spin-polarized electron beam sources with a high degree of polarization, and physical particle and hadron physics experiments (precise measurement of the Weinberg angle).
  • a 1 kW infrared free electron laser as a high-intensity electron beam source capable of high current with high repetition and short pulses.
  • the GaAs photocathode electron beam source has become a promising candidate for a high-brightness electron beam source capable of large current with low emittance (area occupied by the beam in the phase space) used in the next generation accelerator for radiation source, It is considered as the only practical high-performance spin-polarized electron beam source in the “International Linear Collider Project”, a linear next-generation accelerator future project that approaches the mystery of the birth of the universe.
  • GaAs type photocathode electron beam sources are regarded as promising electron beam sources for next-generation electron microscopes because of their high repetition rate, short pulse, high brightness, and high spin polarization.
  • a GaAs type photocathode electron beam source has a negative electron affinity (Negative Electron Affinity (hereinafter, “negative electron affinity” may be referred to as “NEA”) surface: a vacuum level lower than the conduction band bottom. Is used).
  • NAA Negative Electron Affinity
  • FIG. 1 shows the concept of electron beam generation from a GaAs-type photocathode electron beam source. A three-step model of (1) excitation process, (2) diffusion process, and (3) escape process, which will be described next, is described below. (See Non-Patent Document 1).
  • Excitation light is incident on the photocathode to excite valence band electrons to the conduction band (excitation process).
  • Electrons excited to the conduction band diffuse to the surface (diffusion process).
  • the GaAs semiconductor has an electron affinity of about 4 eV (energy difference between the vacuum level and the conduction band bottom), and the following process is required to form the NEA surface state.
  • a p-type doped GaAs semiconductor is heated in vacuum to remove and clean surface impurities such as oxides and carbides. Thereby, band bending is caused in the surface region, and the vacuum level can be lowered by about half ( ⁇ B ) of the semiconductor band gap.
  • ⁇ B half
  • cesium is first vapor-deposited so that a minute photocurrent can be obtained on the crystal surface. Repeat alternately until obtained.
  • the NEA surface state can be formed by lowering the remaining vacuum level ( ⁇ D ) (see Non-Patent Document 1).
  • the NEA surface state means that the energy level of the vacuum level of the photocathode is lower than the energy level of the conduction band bottom by the above process. However, even if the energy level of the vacuum level of the photocathode is higher than the energy level at the bottom of the conduction band, electrons can be emitted from the photocathode into the vacuum. Even after the photocathode is processed to the NEA surface state, if the electron emission is continued, the energy level of the vacuum level of the photocathode returns from a lower level to a higher level than the energy level at the bottom of the conduction band. May be released.
  • “electron affinity reduction process” means a process for reducing the energy level of the vacuum level of the photocathode to a level at which electrons can be emitted.
  • “electron affinity reduction treatment” refers to “EA surface treatment”
  • “electron affinity reduction treatment” refers to a state where the energy level of the vacuum level of the photocathode has been reduced to a level at which electrons can be emitted.
  • surface refers to a state where the energy level of the vacuum level of the photocathode has been reduced to a level at which electrons can be emitted.
  • the EA surface is deteriorated by adsorption of a small amount of residual gas such as H 2 O, CO, CO 2 or the like, and backflow of ionized residual gas to the EA surface. Therefore, in order to stably extract an electron beam from a photocathode for a long period of time, an ultra-high vacuum is required for processing and maintenance. Further, the amount of electrons that can be extracted from the photocathode that has been subjected to the EA surface treatment is finite, and after emitting a certain amount of electron beam, the surface of the photocathode needs to be subjected to the EA surface treatment again.
  • FIG. 3 is an overall photograph of an electron gun 10 using a conventional photocathode having an EA surface treatment, which includes at least an EA surface treatment chamber 11, an electron gun chamber 12, and an EA surface-treated photocathode transport means 13. .
  • the EA surface-treated photocathode needs to be loaded into the electron gun without being exposed to the outside air while maintaining the ultra-high vacuum state after performing the EA treatment in an ultra-high vacuum.
  • the EA surface treatment needs to be performed again on the photocathode, but conventionally, the EA surface treatment chamber and the electron gun chamber had to be provided separately.
  • the conventional EA surface treatment employs a method of directly depositing the surface treatment material on the photocathode in the chamber.
  • the EA surface treatment material is converted into the electron gun chamber. This is because the EA surface treatment material adhering to various devices in the chamber, particularly in the vicinity of the electrode, causes generation of a field emission dark current, and the function of the electron gun is remarkably deteriorated.
  • the EA surface treatment chamber and the electron gun chamber are provided separately, first, two chambers are required to be in an ultra-high vacuum state, and further, photo processed in the EA surface treatment chamber while maintaining the ultra-high vacuum state. Since the transport means 13 for transporting the cathode to the electron gun chamber is necessary, there is a problem that the electron gun apparatus becomes very large. In addition, while maintaining an ultra-high vacuum, the EA surface-treated photocathode is moved and mounted from the EA surface treatment chamber to the electron gun chamber, and the EA surface treatment is performed from the electron gun chamber during the re-EA surface treatment of the photocathode. Since it is necessary to move and attach to the chamber, it is necessary to design the apparatus precisely and to perform an appropriate operation so that the photocathode does not fall off during transport, and there is a problem that apparatus management becomes complicated.
  • the present invention is an invention made to solve the above-mentioned problems, and as a result of extensive research, an activation container is provided in a chamber that can be brought into an ultra-vacuum state, and a surface treatment material is disposed in the activation container. EA surface treatment can be performed by evaporating and evaporating the vaporized surface treatment material on the photocathode material in an activation vessel. Further, by using the chamber, the photocathode is re-EA surface treated after a certain period of time.
  • EA surface treatment of photocathode material and re-EA surface treatment of photocathode using a single vacuum chamber (hereinafter referred to as “EA surface treatment of photocathode material and reEA surface treatment of photocathode”)
  • EA surface treatment of photocathode material and reEA surface treatment of photocathode when it corresponds to both “photocathode material” and “photocathode”, “photocathode (material)” Sometimes referred to as.) was newly found to be able to.
  • a hole through which electrons can pass is formed in the activation container, and when light is irradiated with the photocathode treated with the EA surface placed in the activation container, the electrons are passed through the holes formed in the activation container. Since it can be emitted, it can be used as an electron beam source by using a single vacuum chamber, and the electron beam source of the present invention can be used as an electron beam source for various devices such as an electron gun.
  • an object of the present invention is to provide an activation container and kit used for an electron affinity reduction processing apparatus, an electron affinity reduction processing apparatus including the kit (hereinafter, also simply referred to as “processing apparatus”), Photocathode electron beam source, electron gun including photocathode electron beam source, free electron laser accelerator, transmission electron microscope, scanning electron microscope, electron beam holography microscope, electron beam drawing apparatus, electron beam diffraction apparatus and electron It is to provide a line inspection apparatus.
  • the present invention provides an activation container and kit for use in an electron affinity reduction processing apparatus, a processing apparatus, a photocathode electron beam source, an electron gun including a photocathode electron beam source, a free electron laser accelerator, and a transmission
  • the present invention relates to a scanning electron microscope, a scanning electron microscope, an electron beam holography microscope, an electron beam drawing apparatus, an electron beam diffraction apparatus, and an electron beam inspection apparatus.
  • the surface treatment material is vaporized, and the vaporized surface treatment material is used for an electron affinity reduction treatment apparatus for treating a photocathode material with an electron affinity reduction treatment and / or a photocathode with a reelectron affinity reduction treatment.
  • An activation container wherein the activation container includes a hole through which electrons can pass.
  • the activation container according to (1) wherein the activation container is formed of a material selected from a conductive material or an insulating material.
  • a kit for use in an electron affinity reduction treatment apparatus comprising the activation container according to any one of (1) to (8) above and a surface treatment material.
  • the lid and the photocathode holder include a hole made of a light-transmitting material or transmitting light.
  • An apparatus for reducing electron affinity comprising the kit according to any one of (9) to (16), a vacuum chamber, and a vacuum pump.
  • a photocathode electron beam source comprising the electron affinity lowering apparatus according to (17), an anode, and a light source.
  • An electron gun comprising the photocathode electron beam source according to (18).
  • a free electron laser accelerator comprising the photocathode electron beam source according to (18).
  • (21) A transmission electron microscope comprising the photocathode electron beam source according to (18).
  • (22) A scanning electron microscope comprising the photocathode electron beam source according to (18).
  • An electron beam holography microscope comprising the photocathode electron beam source according to (18).
  • An electron beam drawing apparatus comprising the photocathode electron beam source according to (18).
  • An electron beam diffraction apparatus comprising the photocathode electron beam source described in (18) above.
  • (26) An electron beam inspection apparatus comprising the photocathode electron beam source according to (18).
  • the present invention provides an EA surface treatment using a single vacuum chamber by disposing an activation vessel in the vacuum chamber that includes a hole through which electrons can pass and can vaporize the surface treatment material. Since it can be used as a beam source, an EA surface treatment chamber and a transport means for transporting the photocathode are unnecessary, and the apparatus can be miniaturized. In addition, since it is not necessary to transport the photocathode between different vacuum chambers, the photocathode is not dropped or damaged during transportation between the vacuum chambers as in the prior art, and the operability is improved.
  • the activation container and kit of the present invention can be set in an electron gun chamber of a conventional electron gun, and the processing apparatus can be replaced with a conventional electron gun chamber.
  • the operability of an existing electron gun can be improved without purchasing a gun.
  • the electron beam source according to the present invention is applied to an electron gun, a free electron laser accelerator, a transmission electron microscope, a scanning electron microscope, an electron beam holography microscope, an electron beam drawing device, an electron beam diffraction device, an electron beam inspection device, and the like. Since it can be used as an electron beam source of an existing apparatus, it is possible to reduce the size of the apparatus, improve operability, and improve functions not available with conventional electron beam sources.
  • FIG. 1 shows the concept of electron beam generation from a GaAs photocathode electron beam source.
  • FIG. 2 shows a procedure for forming the EA surface state.
  • FIG. 3 is a drawing-substituting photograph showing an overall image of an electron gun using a conventional photocathode having an EA surface treatment.
  • FIG. 4 is a schematic view illustrating an example of an embodiment of the activation container 20 of the present invention and a kit 40 including the activation container 20 and the surface treatment material 30.
  • FIG. 5 is a schematic view of an example of a surface treatment material incorporating a heating means.
  • FIG. 6 is a diagram showing electric field simulation around the electrodes.
  • FIG. 1 shows the concept of electron beam generation from a GaAs photocathode electron beam source.
  • FIG. 2 shows a procedure for forming the EA surface state.
  • FIG. 3 is a drawing-substituting photograph showing an overall image of an electron gun using a conventional photocathode having an EA
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of the positional relationship when the photocathode holder 51 is inserted into the hole 21 of the activation container 20 of the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing another embodiment of the relationship between the hole 21 provided in the activation container 20 and the photocathode holder 51.
  • FIG. 9 shows an example of the direction control means provided in the activation container.
  • FIG. 10 is a diagram showing an outline of the positional relationship when the photocathode (material) is subjected to EA surface treatment using the kit 40 of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example in which a shield 54 is provided on the photocathode rod 50.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example in which a shield 54 is provided on the activation container 20.
  • FIG. 13 is a schematic view showing another embodiment of the kit 40 of the present invention.
  • FIG. 14 is a schematic view showing another embodiment of the kit 40 of the present invention.
  • FIG. 15 is a schematic view showing another embodiment of the kit 40 of the present invention.
  • FIG. 16 is a schematic view showing another embodiment of the kit 40 of the present invention.
  • FIG. 17 is a schematic view showing an example of the processing apparatus 60 of the present invention.
  • FIG. 18 is a schematic view showing an example of an electron beam source (bipolar structure) of the present invention.
  • FIG. 19 is a schematic view showing an example of an electron beam source (tripolar structure) of the present invention.
  • FIG. 20 is a drawing-substituting photograph showing the appearance of a fixing member having the surface treatment material produced in Example 2 attached to the tip.
  • FIG. 20 is a drawing-substituting photograph showing the appearance of a fixing member having the surface treatment material produced in Example 2 attached to the tip.
  • FIG. 21 is a drawing-substituting photograph showing the appearance of the kit produced in Example 2.
  • FIG. 22 is a drawing-substituting photograph that was taken from the photocathode side after the photocathode 52 was produced in Example 3 and the vacuum chamber and activation container were removed.
  • FIG. 23 is a graph showing the degree of recovery of quantum efficiency when EA surface reprocessing of the photocathode is performed in Example 4.
  • the activation container, kit, processing apparatus, photocathode electron beam source of the present invention, and electron gun including a photocathode electron beam source, a free electron laser accelerator, a transmission electron microscope, a scanning electron microscope, and an electron beam A holographic microscope, an electron beam drawing apparatus, an electron beam diffraction apparatus, and an electron beam inspection apparatus will be described in detail.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for illustrating an example of an embodiment of the kit 40 including the activation container 20 of the present invention and the activation container 20 and the surface treatment material 30.
  • the activation container 20 can arrange a surface treatment material, which will be described later, to vaporize the surface treatment material, and subject the photocathode (material) to EA surface treatment with the vaporized surface treatment material.
  • a container that can means a container that can.
  • the activation container 20 of the present invention can be used in an EA surface treatment and an electron beam source by being disposed in a vacuum chamber to be described later. It is different from the processing chamber.
  • the activation container 20 of the present invention includes at least a hole 21 through which electrons emitted from the photocathode pass.
  • the hole 21 may be at least large enough to allow electrons to pass.
  • the hole 21 has a size of 1 to 10 mm.
  • the size may be 50 ⁇ m to 5 mm.
  • a photocathode holder which will be described later, can be inserted into the hole 21, and in this case, the hole 21 may have a size that allows the photocathode holder to be inserted, and may be larger than the above numerical range.
  • the material of the activation container 20 forms with a heat resistant material which can endure the heat
  • the kit 40 of the present invention includes at least the activation container 20 and the surface treatment material 30.
  • the surface treatment material 30 of the present invention means a material for EA surface treatment of a photocathode (material), and is not particularly limited as long as it is a material capable of EA surface treatment, and Li, Na, K, Rb. , Cs, Te, Sb and the like. Of these elements, Li, Na, K, Rb, and Cs ignite spontaneously and cannot be stored or used. Therefore, it is necessary to use them in the form of compound elements containing the elements and compounds containing the elements. There is. On the other hand, when used in the form of a compound, it is necessary to prevent the generation of impurity gas during the deposition of the element.
  • the surface treatment material 30 when an element selected from Li, Na, K, Rb, and Cs is used as the surface treatment material 30, a compound such as Cs 2 CrO 4 , Rb 2 CrO 4 , Na 2 CrO 4 , K 2 CrO 4 It is preferable to use a combination of reducing agents that suppress the generation of impurity gases.
  • the surface treatment material 30 is vaporized in the activation container 20 by using a heating means and is deposited on the photocathode (material).
  • the heating means is not particularly limited as long as the surface treatment material 30 can be vaporized, and the surface treatment material 30 disposed inside may be indirectly heated by heating the entire activation container 20, or the surface treatment may be performed. Only material 30 may be heated directly.
  • heating means such as an electric heating coil is formed in the activation container 20, or, as will be described later, since the kit of the present invention is used in the vacuum chamber, the entire vacuum chamber is made up of an electric heating coil and a lamp.
  • heating is performed using a heater or the like, and the activation container 20 in the vacuum chamber is heated to a temperature at which the surface treatment material 30 is vaporized.
  • FIG. 5 (1) shows an example in which the heating means 31 is incorporated in the surface treatment material 30.
  • the heating means 31 such as a heating wire is inserted into the center of the surface treatment material 30, and a cut 32 is formed in the longitudinal direction. It is formed in a substantially rectangular shape.
  • the notch 32 becomes larger due to heating, and the surface treatment material 30 can be vaporized from the enlarged notch 32. Is vaporized from the notch 32 with directivity, so that the surface treatment material 30 vaporized only in the direction of the photocathode (material) can be scattered.
  • the surface treatment material 30 shown in FIG. 5 may be formed as described above, or a commercially available material may be used.
  • an alkaline dispenser manufactured by SAES Getters is known as an alkali metal material.
  • FIG. 5 (3) shows another example of the surface treatment material 30 combined with the heating means.
  • a basket portion is formed by spiraling the heating means 31 such as a heating wire, and the surface treatment material is formed in the basket portion.
  • the surface treatment material 30 may be scattered by putting 30 and energizing the heating means 31.
  • the example shown in FIG. 5 (3) can be used for an element that does not ignite under natural conditions and can be stored and used as a single element. For example, it is preferable when Te or Sb is used as the surface treatment material 30.
  • the surface treatment material 30 combined with the heating means 31 may be arranged in the activation container 20 by connecting an electric wire for energization, or the surface treatment material 30 (not shown) separate from the activation container 20.
  • the fixing member may be attached and inserted into the activation container 20 through the fixing member.
  • the fixing member may be formed of a heat-resistant and insulating material such as ceramic or sapphire.
  • the surface treatment material 30 provided in the activation container 20 may be a single surface treatment material 30 along the shape inside the activation container 20 or in any shape, or a plurality of surface treatment materials 30. May be arranged at appropriate intervals.
  • the direction control means which controls the scattering direction of the vaporized surface treatment material 30, which will be described later, or when using the surface treatment material 30 shown in FIG.
  • the direction control means is not provided, it is preferably provided at the bottom of the activation container 20.
  • the activation container 20 can be used as a part of the electrode in addition to the EA surface treatment of the photocathode (material).
  • FIG. 6 shows an electric field simulation diagram around the electrode, and the electric field at the end of the electrode is generated so as to go around the end of the electrode.
  • the electric fields of the photocathodes are preferably parallel.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an example of the positional relationship when the photocathode holder 51 is inserted into the hole 21 of the activation container 20 of the present invention.
  • the photocathode 52 shown in FIG. 7 is attached to the surface of the photocathode holder 51 provided at the tip of the photocathode rod 50 on the side opposite to the photocathode rod 50. What is necessary is just to adjust the magnitude
  • the photocathode holder 51 When the photocathode holder 51 is inserted into the hole 21 formed in the activation container 20 so that the photocathode 52 is exposed to the outside, and the photocathode 52 and the activation container 20 are integrated into an electrode, The electric field wraps around the edge, and the electric field near the photocathode 52 can be made parallel.
  • the activation vessel 20 When the activation vessel 20 is a part of the electrode, it is necessary to energize the photocathode 52, and therefore the activation vessel 20 must be formed of a conductive material, such as molybdenum, titanium, tungsten, tantalum, stainless steel. And the like.
  • the activation container 20 When the activation container 20 is not used as a part of the electrode, the activation container 20 may be formed of an insulating material, and materials such as glass, ceramic, and sapphire can be used.
  • FIG. 8 is a view showing another embodiment of the relationship between the hole 21 provided in the activation container 20 and the photocathode holder 51.
  • the photocathode holder 51 is not inserted into the hole 21, and the photocathode 52 attached to the photocathode holder 51 is arranged in the hole 21 portion of the activation container 20.
  • the hole 21 may be at least large enough to allow electrons to pass.
  • the size may be 1 nm to 10 mm, or 50 ⁇ m to 5 mm.
  • the photocathode 52 may be irradiated with light from an oblique direction, and the bottom of the activation container 20 is directed toward the hole 21 in order to increase the prospective angle of light irradiation and enable light to be irradiated from a wider range of angles. It may be tapered so that the thickness is reduced. The taper angle may be appropriately adjusted depending on the size of the hole 21 and the incident angle of light.
  • the activation container 20 may be formed by dissolving the above material and pouring it into a mold, or may be formed by cutting.
  • the shape of the activation container 20 is not particularly limited as long as the photocathode holder 51 can be disposed in the activation container 20, and may be appropriately selected from a cylindrical shape, a polygonal cylindrical shape, and the like.
  • the activation container 20 may be formed with direction control means for controlling the scattering direction of the vaporized surface treatment material 30.
  • FIG. 9 shows an example of direction control means.
  • FIG. 9 (1) shows that two direction control plates 33 are formed so as to sandwich the surface treatment material 30, and the vaporized surface treatment material 30 is scattered.
  • the angle to be adjusted can be adjusted to an angle larger than 0 degree and smaller than 90 with respect to the surface connecting the ends of the holes 21.
  • the direction control plate 33 may be one as shown in FIG.
  • the direction control plate 33 may be manufactured at the same time as the activation container 20 is manufactured, or may be separately manufactured and fixed by welding or the like.
  • FIG. 9 (3) shows another embodiment of the direction control means.
  • a container 35 having an opening 34 that opens in only one direction is produced, and the activation container 20 is provided. You may arrange
  • the direction control plate 33 and the container 35 may be made of a material used for the activation container 20 or different materials.
  • the surface treatment material 30 disposed inside the direction control means may be the surface treatment material 30 in which the heating means 31 is incorporated, or only the surface treatment material 30 may be disposed. When only the surface treatment material 30 is disposed, the entire activation container 20 may be heated, or a heating means such as a heating wire may be disposed in advance in a portion where the surface treatment material 30 is disposed.
  • the photocathode material for forming the photocathode 52 is not particularly limited as long as it can perform EA surface treatment, and examples thereof include III-V group semiconductor materials and II-V group semiconductor materials. Specifically, AlN, Ce 2 Te, GaN, K 2 CsSb, AlAs, GaP, GaAs, GaSb, InAs, and the like can be given. Other examples include metals, specifically, Mg, Cu, Nb, LaB6, SeB6, Ag, and the like.
  • the photocathode 52 can be produced by subjecting the photocathode material to EA surface treatment, and the photocathode 52 can select electron excitation light in the near ultraviolet-infrared wavelength region according to the gap energy of the semiconductor.
  • electron beam source performance (quantum yield, durability, monochromaticity, time response, spin polarization) according to the application of the electron beam can be selected by selecting a semiconductor material and structure.
  • the light source used for electronic excitation is not only a high-power (watt class) -high frequency (several hundred MHz) -short pulse (several hundred femtosecond) laser, but also a relatively inexpensive laser diode. It is possible to generate a high-performance beam.
  • the photocathode holder 51 for attaching the photocathode 52 can be made of molybdenum, titanium, tantalum, stainless steel, or the like.
  • the photocathode rod 50 can be made of molybdenum, titanium, tantalum, stainless steel, or the like.
  • the kit 40 of the present invention may include a photocathode holder 51 and a photocathode rod 50 to which the above photocathode material is attached.
  • FIG. 10 is a diagram showing an outline of the positional relationship when EA surface treatment is performed using the kit 40 of the present invention.
  • the photocathode drive means 53 pulls the photocathode holder 51 into the activation container 20 as shown in FIG.
  • the photocathode (material) 52 attached to the photocathode holder 51 is positioned in the activation container 20.
  • the photocathode driving means 53 is formed in the activation container 20.
  • the location of the photocathode (material) 52 is not particularly limited as long as the position of the photocathode (material) 52 can be changed.
  • the photocathode driving means 53 only needs to be able to change the position of the photocathode (material) 52 attached to the photocathode holder 51, and can drive either the photocathode rod 50 or the photocathode holder 51. Good.
  • the photocathode driving means 53 is not particularly limited as long as the position of the photocathode (material) 52 can be changed, and a known driving means such as a motor may be used.
  • the position of the photocathode (material) 52 inside the activation container 20 during the EA surface treatment is determined by the diffusion direction and range of the surface treatment material 30 and the photocathode (material) 52 attached to the photocathode holder 51. In consideration of the size, it is preferable to adjust so that the surface treatment material 30 can be deposited on the photocathode (material) 52. After the photocathode (material) 52 is pulled up inside the activation container 20, the hole 21 is in a released state. At this time, if the angle 42 formed by the extension line 41 of one bottom surface portion of the hole 21 of the activation container 20 and the extension line 41 of the other bottom surface portion is 180 degrees or more, the bottom surface portion itself is the surface treatment material 30.
  • Scattering can be controlled in the internal direction of the activation container 20, and the surface treatment material 30 vaporized from the holes 21 can be prevented from leaking, which is preferable.
  • the angle 42 of the bottom surface is 210 degrees or more.
  • the angle of the bottom surface is an angle when the surface treatment material 30 in which the direction control means and the heating means 31 are inserted to form the cuts 32 is not used, but the surface on which the heating means 31 is inserted and the cuts 32 are formed.
  • the position of the surface treatment material 30 and the angle of the bottom surface portion are not particularly limited, and a line connecting the surface treatment material 30 and the surface treatment material 30 as shown in FIG.
  • the surface treatment material 30 is preferably vaporized and scattered in a direction in which the angle X at which the surface treatment material 30 scatters is 0 degree or more, and more preferably 15 degrees or more.
  • the upper limit of the angle of vaporization / scattering is about 90 degrees because the surface treatment material 30 leaking upward is very small if the inner size of the activation container 20 and the size of the photocathode holder 51 are substantially the same. What is necessary is just to adjust suitably in consideration of the size of the inside of the activation container 20 and the size of the photocathode (material) 52 attached to the photocathode holder 51 or already attached.
  • FIG. 11 shows an example in which a shield 54 is provided on the photocathode rod 50, and the shield 54 may have the same shape as the inner shape of the activation container 20.
  • FIG. 12 shows an example in which a shield 54 is provided on the activation container 20.
  • the shield 54 may be formed with a hole having the same size as the photocathode rod 50.
  • the shield 54 may be formed from a material such as glass, molybdenum, ceramic, sapphire, titanium, tungsten, tantalum, or the like.
  • the angle of the bottom of the activation container 20 is adjusted and / or the scattering direction of the surface treatment material 30 is controlled and / or a shield is provided, so that the photocathode (material) 52 is deposited.
  • Most of the surface treatment material 30 that was not deposited is deposited on the inner wall of the container 40, and there is almost no surface treatment material 30 that leaks from the hole 21 into the vacuum chamber. Therefore, since the surface treatment material 30 does not adhere to the outer peripheral portion of the activation container 20, it is possible to prevent the occurrence of a field emission dark current.
  • FIG. 13 is a schematic view showing another embodiment of the kit 40 of the present invention.
  • the kit 40 of this embodiment in addition to the hole 21, a hole 23 through which light from the light source passes is formed in the activation container 20.
  • the EA surface treatment and the electron emission can be performed without moving the photocathode (material) 52 by adjusting the angle of the hole 23, that is, the incident angle of light and the scattering direction of the surface treatment material 30.
  • photocathode driving means 53 for adjusting the position of the photocathode (material) 52 may be provided.
  • the hole 23 portion can be covered with glass or the like.
  • the surface treatment material 30 does not leak from the hole 21.
  • the photocathode holder 51 having the same size as the inside of the activation container 20 it is possible to eliminate almost all the holes communicating from the activation container 20 to the outside, and the surface treatment material 30 of the activation container 20 can be removed. Less likely to leak out.
  • the direction control means for the surface treatment material 30 may not be provided.
  • FIG. 14 is a schematic view showing another embodiment of the kit 40 of the present invention.
  • the kit 40 of the present embodiment has holes 21 and holes 23 similar to those of the embodiment shown in FIG.
  • a photocathode holder 51 is provided on a lid 45 that can slide in a substantially sealed state with respect to the activation container 20, and a photocathode (material) 52 is activated in the photocathode holder 51. It is affixed in the direction facing the inside of the chemical container 20. Also in the present embodiment, the EA surface treatment and the electron emission are performed without moving the photocathode (material) 52 by adjusting the angle of the hole 23, that is, the incident angle of light and the scattering direction of the surface treatment material 30.
  • lid driving means for adjusting the position of the lid 45 may be provided.
  • the lid driving means may be formed using a motor or the like, similar to the photocathode driving means 53, and may be formed in the activation container 20 or the vacuum chamber.
  • the lid 45 may be formed of a material such as glass, molybdenum, ceramic, sapphire, titanium, tungsten, or tantalum. Moreover, what is necessary is just to form the hole 21 and the hole 23 similarly to embodiment shown in FIG.
  • FIG. 15 shows an embodiment in which the hole 23 through which light from the light source passes and the hole 21 through which electrons pass are made common in the activation container 20 in the embodiment shown in FIG.
  • light is emitted from behind the anode, which will be described later, and the electrons emitted from the photocathode 52 are also passed through the hole 21 by irradiating the photocathode 52 with light through the hole 21.
  • the size of the hole 21 may be the above size.
  • the hole 23 through which light from the light source passes and the hole 21 through which electrons pass may be shared.
  • FIG. 16 shows the activation container 20 in the embodiment shown in FIG. 13 provided with a hole 24 for irradiating the photocathode holder 51 with light instead of the hole 23 for irradiating the photocathode 52 with light from the light source.
  • An example is shown.
  • electrons can be emitted by applying light to the photocathode 52 from the side of the photocathode holder 51 where the photocathode 52 is not attached (in the direction of the photocathode rod 50).
  • the light that has passed through the photocathode holder 51 is further provided between the photocathode holder 51 and the photocathode 52, passes through the substrate for manufacturing the semiconductor element of the photocathode 52, and passes through the photocathode 52. Need to reach the light. Therefore, it is necessary to form the substrate from a light-transmitting material such as sapphire or to form a hole in the substrate for light to pass through.
  • the substrate is necessary when a semiconductor material is used as the photocathode material, but is not necessary when a metal material is used as the photocathode material.
  • the hole 24 is formed in the photocathode holder 51.
  • the hole 24 is formed. There is no need to form.
  • the holes 24 may be formed in the lid 45 and the photocathode holder 51, and the lid 45 and the photocathode holder 51 are made of a light-transmitting material. You may produce using.
  • a substrate for manufacturing the semiconductor element of the photocathode 52 may be formed of a light-transmitting material, or a hole through which light passes may be formed in the substrate.
  • FIG. 17 is a schematic view showing an example of the processing apparatus 60 of the present invention.
  • the processing apparatus 60 of the present invention includes the above-described kit 40 in a vacuum chamber 61, and includes a vacuum pump 62 for bringing the vacuum chamber 61 into a vacuum state. Further, depending on the photocathode (material), for example, a cylinder 63 filled with a gas necessary for EA surface treatment such as oxygen, NF 3 , and N 2 , and a tube 64 for blowing the gas in the cylinder 63 onto the photocathode 52. May be included.
  • a gas necessary for EA surface treatment such as oxygen, NF 3 , and N 2
  • a tube 64 for blowing the gas in the cylinder 63 onto the photocathode 52.
  • a known vacuum chamber 61 capable of withstanding the above conditions and a vacuum pump capable of achieving the above vacuum state 62 may be used.
  • the vacuum chamber 61 include a stainless steel chamber, a titanium chamber, and a ⁇ metal chamber.
  • the vacuum pump 62 include a turbo pump, an ion pump, an evaporation getter pump, and a non-evaporation getter pump. .
  • the EA surface treatment of the photocathode material using the treatment apparatus 60 of the present invention and the re-EA surface treatment of the photocathode 52 after a lapse of a certain time can be performed by the following procedure. (1) Before the photocathode holder 51 with the photocathode material attached is introduced into the vacuum chamber 61, it is covered with impurities in the atmosphere. Therefore, the photocathode holder 51 with the photocathode material attached is heated in a vacuum at 300 to 700 ° C. for 10 minutes to 1 hour to remove and clean surface impurities such as oxides and carbides. What is necessary is just to adjust a heating temperature and time suitably according to the photocathode material to be used.
  • the surface treatment material 30 is vapor-deposited so that a minute photocurrent can be obtained on the crystal surface of the photocathode material. Thereafter, the surface treatment material 30 is vapor-deposited every time the photocurrent is saturated, and oxygen if necessary. , NF 3 , N 2, etc. are added alternately until the maximum photocurrent is obtained.
  • the EA surface state can be formed by lowering the remaining vacuum level ( ⁇ D ).
  • the gas may be added by providing a gas cylinder 63 outside the vacuum chamber 61 and spraying the photocathode material from the cylinder 63 through the pipe 64. Note that when a plurality of types of surface treatment materials 30, for example, Cs and Te, Cs and Sb, etc. are deposited on the photocathode material, it is not necessary to add gas. (3) After emitting electrons for a certain period of time, the EA surface is reprocessed by performing the procedure of (2) above.
  • FIG. 18 is a schematic view showing an example of the electron beam source of the present invention.
  • the electron beam source of the present invention includes an anode 71 provided in the vacuum chamber 61 and a light source 72 provided outside the vacuum chamber 61 in addition to the processing apparatus 60.
  • the anode 71 a known material used in an electron gun or the like, for example, titanium, molybdenum, stainless steel, or the like can be used.
  • a known light source can be used as the light source 72, and examples thereof include a laser diode, a pulse laser, a solid laser, and a gas laser. Light from the light source 72 may be irradiated through a light transmission window (not shown) formed in the vacuum chamber 61.
  • an optical system (mirror system) (not shown) is used to cause the photocathode 52 at a desired angle. What is necessary is just to adjust suitably so that it can irradiate. As described above, the light from the light source may be applied to the photocathode 52 through the anode 71.
  • the example shown in FIG. 18 is an example of a bipolar structure in which the photocathode 52 is negative and the anode 71 is positive.
  • the activation vessel 20 is formed of a conductive material, and the photocathode 52 By using the cathode 52 in a state where it does not come into contact with the activation container 20, it can be used as a tripolar structure.
  • a voltage V B of the voltage V A and the activation vessel 20 of the photocathode 52, and V A ⁇ V B, V A and V B are both may be less 0V.
  • the bipolar structure shown in FIG. 18 can maximize the electric field intensity, so that a large current value can be obtained and the spread of electrons can be suppressed. Therefore, it is useful as an application requiring a large current, for example, an electron beam source such as an accelerator.
  • the tripolar structure shown in FIG. 19 can stabilize the current and adjust the spread of electrons. Therefore, it is useful as an electron beam source for an electron microscope or an electron beam drawing apparatus.
  • the EA surface treatment of the photocathode 52 and the operation of taking out the electrons as the electron beam source are performed separately.
  • the electron beam source using the processing apparatus of the present invention is in the activation vessel 20. Since it is possible to reprocess the EA surface without changing the position of the photocathode 52, it is possible to irradiate the photocathode 52 with light and extract electrons while depositing the surface treatment material 30 on the photocathode 52. it can. In that case, it is not necessary to stop taking out electrons for reprocessing the EA surface, and it is possible to perform continuous operation for a long time.
  • the electron beam source 70 of the present invention eliminates the need for a transport means for transporting the EA surface treatment chamber and the photocathode, which is necessary for a conventional electron beam source, and can reduce the size of the apparatus. Further, an electron beam source using a photocathode treated with an EA surface can generate not only high brightness but also a short pulse or spin-polarized electron beam at a high repetition frequency, and has a high variety of capabilities.
  • equipment using an electron beam source that has conventionally required the above-mentioned capabilities, such as an electron gun, a free electron laser accelerator, a transmission electron microscope (TEM), a scanning electron microscope (SEM), and an electron beam holography microscope It can be used as an electron beam source for an electron beam drawing apparatus, an electron beam inspection apparatus or the like. Furthermore, when performing EA surface treatment and taking out electrons simultaneously, it can be used as an electron beam source in the field of processing equipment such as an electron beam drawing apparatus that requires continuous operation.
  • the activation container was formed by cutting and surface polishing using molybdenum as a material.
  • the bottom surface was circular, the diameter was 68 mm, and the hole diameter was 11 mm.
  • FIG. 20 is a photograph showing the appearance of a fixing member to which the prepared surface treatment material is attached at the tip.
  • the photocathode holder 51 was made of molybdenum and had a diameter of about 34 mm. Next, a sapphire substrate on which a GaN semiconductor was grown was pasted with indium melted on molybdenum to produce a photocathode holder 51 on which a photocathode material was pasted.
  • FIG. 21 is a photograph showing the appearance of the kit produced in Example 2.
  • Example 3 The kit prepared in Example 2 was placed in a vacuum chamber (Spherical Chamber manufactured by Kimball Physics). A ribbon heater was used as a heating means, and suction was performed with a vacuum pump (ULVAC ion pump or SAES Getter non-evaporable getter pump) to a vacuum chamber of 10 -9 Pa in an ultra-vacuum state. The photocathode material was heated at about 550 ° C. for 1 hour to remove surface impurities such as oxides and carbides. Next, the surface treatment material produced in Example 2 was energized through a fixing member attached to the tip and heated to about 600 ° C.
  • the EA surface treatment of the photocathode material was performed by spraying the surface treatment material and oxygen five times to produce a photocathode 52.
  • FIG. 22 shows that after the photocathode 52 was fabricated in Example 3, the photocathode holder 51 was left at the position during EA surface treatment (position shown in FIGS. 10 and 21), the vacuum chamber and the activation container were removed, and the photocathode 52 was removed. It is the photograph of the photocathode holder 51 which affixed the fixing member and photocathode 52 which were image
  • Example 4 The same procedure as in Example 3 except that the procedure for removing surface impurities such as oxides and carbides of Example 3 was omitted for photocathodes whose surface was deteriorated by light irradiation (quantum efficiency was reduced by about two digits).
  • the EA surface was reprocessed according to the procedure.
  • FIG. 22 is a diagram showing the reprocessing time of the EA surface and the degree of recovery of the quantum efficiency. The quantum efficiency was derived by measuring the output and photocurrent of irradiated light. As is clear from FIG. 23, it was confirmed that the quantum efficiency was recovered with the start of reprocessing of the EA surface.

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Abstract

　フォトカソード材料をＥＡ表面処理すること、又は、フォトカソードを再ＥＡ表面処理することを可能とした電子親和力の低下処理装置、及び、当該装置を備えた電子線装置を提供する。表面処理材料（３０）を気化し、該気化した表面処理材料（３０）でフォトカソード材料（５２）に対して電子親和力の低下処理、又は、フォトカソード（５２）に対して電子親和力の再低下処理をするための電子親和力の低下処理装置に用いられる活性化容器（２０）であって、電子が通過できる孔を含むことを特徴とする活性化容器（２０）。

Description

電子親和力の低下処理装置に用いられる活性化容器及びキット、該キットを含む電子親和力の低下処理装置、フォトカソード電子ビーム源、並びに、フォトカソード電子ビーム源を含む電子銃、自由電子レーザー加速器、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、電子線フォログラフィー顕微鏡、電子線描画装置、電子線回折装置及び電子線検査装置
　本発明は、電子親和力の低下処理装置に用いられる活性化容器及びキット、該キットを含む電子親和力の低下処理装置、フォトカソード電子ビーム源、並びに、フォトカソード電子ビーム源を含む電子銃、自由電子レーザー加速器、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、電子線フォログラフィー顕微鏡、電子線描画装置、電子線回折装置及び電子線検査装置に関し、特に、従来のようにフォトカソード材料を電子親和力の低下処理及びフォトカソードを再電子親和力の低下処理するための真空チャンバーと、フォトカソードを配置し電子を放出する電子ビーム源チャンバーを別々に設けることなく、単一の真空チャンバー内でフォトカソード材料の電子親和力の低下処理及びフォトカソードの再電子親和力の低下処理を繰り返し行うことができ、且つ電子の放出を行うことができる、電子親和力の低下処理装置に用いられる活性化容器及び該活性化容器を含むキット、該キットを含む電子親和力の低下処理装置、フォトカソード電子ビーム源、並びに、フォトカソード電子ビーム源を含む電子銃、自由電子レーザー加速器、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、電子線フォログラフィー顕微鏡、電子線描画装置、電子線回折装置及び電子線検査装置に関するものである。
　ＧａＡｓ型半導体のフォトカソードを利用した電子ビーム源（ＧａＡｓ型フォトカソード電子ビーム源）は、これまで、高い偏極度を持つスピン偏極電子ビーム源として素粒子・ハドロン物理実験（Ｗｅｉｎｂｅｒｇ角の精密測定）や高繰り返し短パルスで大電流可能な高輝度電子ビーム源として１ｋＷの赤外自由電子レーザー発生など、加速器科学分野に貢献している。
　さらに、ＧａＡｓ型フォトカソード電子ビーム源は、次世代の放射光源用加速器に用いる低エミッタンス（位相空間中でビームの占める面積）で大電流可能な高輝度電子ビーム源の有力候補になっており、宇宙誕生の謎に迫る線形型の次世代加速器将来計画「国際リニアコライダー計画」では、唯一の実用的高性能スピン偏極電子ビーム源と考えられている。
　一方、半導体デバイスの微細化や機能材料の高度化には、原子スケールでの詳細な構造解析や元素分析とともに、構造内の電気的、磁気的特性計測が不可欠と考えられている。この要求に対して既存の性能を超える次世代の観測、計測技術が求められており、それには、要素技術である電子ビーム源の高性能化が不可欠である。ＧａＡｓ型フォトカソード電子ビーム源は、高繰り返し短パルス、高輝度と高スピン偏極の性能から、次世代の電子顕微鏡に用いる電子ビーム源として有力視されている。
　ところで、ＧａＡｓ型フォトカソード電子ビーム源は、負電子親和力（Ｎｅｇａｔｉｖｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ａｆｆｉｎｉｔｙ（以下、「負電子親和力」を「ＮＥＡ」と記載することがある。）表面：伝導帯底よりも真空準位が低くなる状態）を利用している。ＮＥＡ表面を利用することで、価電子帯から伝導帯底のポテンシャルレベルへ光励起した電子をそのまま真空中へ電子ビームとして取り出すことができる。図１は、ＧａＡｓ型フォトカソード電子ビーム源からの電子ビーム生成の概念を示しており、次に説明する、（１）励起過程、（２）拡散過程、（３）脱出過程、の３ステップモデルの現象論で説明することができる（非特許文献１参照）。
（１）フォトカソードへ励起光を入射し、価電子帯電子を伝導帯へ励起する（励起過程）。
（２）伝導帯へ励起された電子は、表面へと拡散する（拡散過程）。
（３）表面まで到達した電子は、表面障壁をトンネルし、真空中へ脱出する（脱出過程）。
　ＧａＡｓ半導体では、約４ｅＶの電子親和力（真空準位と伝導帯底のエネルギー差）があり、ＮＥＡ表面状態を形成するためには、次のプロセスが必要である。
（１）初めにｐ型ドーピングのＧａＡｓ半導体を真空中で加熱し、酸化物や炭化物などの表面不純物を除去し清浄にする。これにより、表面領域にバンドベンディングを生じさせ、真空準位を半導体のバンドギャップの半分程度（φＢ）下げることができる。
（２）次に結晶表面に微小の光電流が得られるように、図２に示すように、まずセシウムを蒸着し、その後、光電流の飽和毎にセシウム蒸着と酸素付加を最大の光電流が得られるまで交互に繰り返す。この方法により、残りの真空準位（φＤ）を下げることで、ＮＥＡ表面状態を形成することができる（非特許文献１参照）。
　なお、ＮＥＡ表面状態とは、上記プロセスにより、フォトカソードの真空準位のエネルギーレベルを伝導帯底のエネルギーレベルより低い状態にすることを意味する。しかしながら、フォトカソードの真空準位のエネルギーレベルが伝導帯底のエネルギーレベルより高くてもフォトカソードから真空中へ電子を放出することもできる。また、フォトカソードをＮＥＡ表面状態に処理した後であっても、電子の放出を続けるとフォトカソードの真空準位のエネルギーレベルが伝導帯底のエネルギーレベルより低いレベルから高いレベルに戻りながら、電子を放出する場合もある。したがって、フォトカソードを電子ビーム源として使用する場合は、フォトカソードの真空準位のエネルギーレベルを可能な限り低下させることが好ましいが、ＮＥＡ表面状態にする又は維持することは必須ではない。したがって、本発明において「電子親和力の低下処理」とは、フォトカソードの真空準位のエネルギーレベルを、電子が放出できるレベルまで低下させるための処理を意味する。以下、「電子親和力の低下処理」のことを「ＥＡ表面処理」、「電子親和力の低下処理」によりフォトカソードの真空準位のエネルギーレベルが電子が放出できるレベルまで低下している状態を「ＥＡ表面」と記載することがある。
　ところで、ＥＡ表面は、微量なＨ2Ｏ、ＣＯ、ＣＯ2等の残留ガスの吸着やイオン化した残留ガスのＥＡ表面への逆流で劣化する。そのため、フォトカソードから長期間安定的に電子ビームを取り出すためには、処理と維持のために超高真空度が必要である。また、ＥＡ表面処理したフォトカソードから取り出せる電子の量は有限であり、一定量の電子ビームを放出した後は、フォトカソード表面を再度ＥＡ表面処理する必要がある。
　図３は、従来のＥＡ表面処理したフォトカソードを用いた電子銃１０の全体写真であり、ＥＡ表面処理チャンバー１１、電子銃チャンバー１２、ＥＡ表面処理したフォトカソードの搬送手段１３を少なくとも含んでいる。上記のとおり、ＥＡ表面処理したフォトカソードは、ＥＡ処理を超高真空中で行った後に超高真空状態を保ったまま外気に晒すことなく電子銃に装填する必要があり、また、一定時間経過したフォトカソードは再度ＥＡ表面処理する必要があるが、従来は、ＥＡ表面処理チャンバーと電子銃チャンバーは別々に設ける必要があった。その理由は、従来のＥＡ表面処理はチャンバー内で直接フォトカソードに表面処理材料を蒸着する方法を採用しているが、ＥＡ表面処理を同一チャンバー内で行うと、ＥＡ表面処理材料が電子銃チャンバー及びチャンバー内の各種装置に付着してしまい、特に電極付近に付着したＥＡ表面処理材料は電界放出暗電流の発生の原因となり、電子銃の機能が著しく低下するためである。
　しかしながら、ＥＡ表面処理チャンバーと電子銃チャンバーを別々に設ける場合、先ず、超高真空状態にするチャンバーが２個必要であり、更に、超高真空状態を維持したままＥＡ表面処理チャンバーで処理したフォトカソードを電子銃チャンバーに搬送するための搬送手段１３が必要であることから、電子銃装置が非常に大型化するという問題がある。また、超高真空を維持した状態で、ＥＡ表面処理チャンバーから電子銃チャンバーにＥＡ表面処理したフォトカソードを移動・装着し且つフォトカソードの再ＥＡ表面処理の際には電子銃チャンバーからＥＡ表面処理チャンバーに移動・装着する必要があるため、装置を精密に設計し、且つフォトカソードを搬送中に脱落しないように適切な操作をする必要があり、装置管理が煩雑になるという問題がある。
ＭＲＳ－Ｊ　ＮＥＷＳ，Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．２，Ｍａｙ　２００８
　本発明は、上記した問題点を解決するためになされた発明であり、鋭意研究を行ったところ、超真空状態にできるチャンバー内に活性化容器を設け、該活性化容器内で表面処理材料を気化し、該気化した表面処理材料を活性化容器内でフォトカソード材料に蒸着することでＥＡ表面処理ができること、更に、前記チャンバーを用い、一定時間経過後にフォトカソードを再ＥＡ表面処理することで、単一の真空チャンバーを用いてフォトカソード材料のＥＡ表面処理及びフォトカソードの再ＥＡ表面処理（以下、「フォトカソード材料のＥＡ表面処理及びフォトカソードの再ＥＡ表面処理」を「ＥＡ表面処理」と記載することもある。また、「フォトカソード材料」及び「フォトカソード」の何れにも該当する場合は「フォトカソード（材料）」と記載することもある。）ができることを新たに見出した。
　そして、前記活性化容器に電子が通過できる孔を形成し、ＥＡ表面処理したフォトカソードを前記活性化容器に配置したまま光を照射すると、前記活性化容器に形成された孔をとおして電子を放出することができるので、単一の真空チャンバーを用いて電子ビーム源にできること、そして、本発明の電子ビーム源は、電子銃等の様々な装置の電子ビーム源として用いることができることを新たに見出し、本発明を完成した。
　すなわち、本発明の目的は、電子親和力の低下処理装置に用いられる活性化容器及びキット、該キットを含む電子親和力の低下処理装置（以下、単に「処理装置」と記載することもある。）、フォトカソード電子ビーム源、並びに、フォトカソード電子ビーム源を含む電子銃、自由電子レーザー加速器、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、電子線フォログラフィー顕微鏡、電子線描画装置、電子線回折装置及び電子線検査装置を提供することにある。
　本発明は、以下に示す、電子親和力の低下処理装置に用いられる活性化容器及びキット、処理装置、フォトカソード電子ビーム源、並びに、フォトカソード電子ビーム源を含む電子銃、自由電子レーザー加速器、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、電子線フォログラフィー顕微鏡、電子線描画装置、電子線回折装置及び電子線検査装置に関する。
（１）表面処理材料を気化し、該気化した表面処理材料でフォトカソード材料を電子親和力の低下処理及び／又はフォトカソードを再電子親和力の低下処理するための電子親和力の低下処理装置に用いられる活性化容器であって、該活性化容器が、電子が通過できる孔を含むことを特徴とする活性化容器。
（２）前記活性化容器が、導電性材料又は絶縁性材料から選択される材料で形成されることを特徴とする上記（１）に記載の活性化容器。
（３）フォトカソードホルダーの位置を変えるための駆動手段を更に含むことを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の活性化容器。
（４）気化した表面処理材料の飛散方向を制御する方向制御手段を更に含むことを特徴とする上記（１）～（３）の何れか一に記載の活性化容器。
（５）表面処理材料を加熱するための加熱手段を更に含むことを特徴とする上記（１）～（４）の何れか一に記載の活性化容器。
（６）気化した表面処理材料が活性化容器外に漏洩することを防止するためのシールドを更に含むことを特徴とする上記（１）～（５）の何れか一に記載の活性化容器。
（７）前記孔が、前記フォトカソードホルダーを挿入できる大きさであることを特徴とする上記（１）～（６）の何れか一に記載の活性化容器。
（８）光を通過するための孔を更に含むことを特徴とする上記（１）～（６）の何れか一に記載の活性化容器。
（９）上記（１）～（８）の何れか一に記載の活性化容器、及び表面処理材料を含むことを特徴とする電子親和力の低下処理装置に用いられるキット。
（１０）前記表面処理材料が、加熱手段を挿通したものであることを特徴とする上記（９）に記載のキット。
（１１）フォトカソード材料又はフォトカソードを貼り付けたフォトカソードホルダーを更に含むことを特徴とする上記（９）又は（１０）に記載のキット。
（１２）気化した表面処理材料が活性化容器外に漏洩することを防止するためのシールドが形成されたフォトカソードロッドを更に含むことを特徴とする上記（１１）に記載のキット。
（１３）前記活性化容器に対して摺動可能な蓋を更に含み、前記フォトカソード材料又はフォトカソードを貼り付けたフォトカソードホルダーが前記蓋に形成されていることを特徴とする上記（１１）に記載のキット。
（１４）前記フォトカソードホルダーが、光透過性材料で作製される又は光を透過する孔を含むことを特徴とする上記（１１）又は（１２）に記載のキット。
（１５）前記蓋及び前記フォトカソードホルダーが、光透過性材料で作製される又は光を透過する孔を含むことを特徴とする上記（１３）に記載のキット。
（１６）前記フォトカソード材料又はフォトカソードと、前記フォトカソードホルダーの間に基板を含み、該基板が光透過性材料で作製される又は光を透過する孔を含むことを特徴とする上記（１１）～（１５）の何れか一に記載のキット。
（１７）上記（９）～（１６）の何れか一に記載のキット、真空チャンバー及び真空ポンプを含むことを特徴とする電子親和力の低下処理装置。
（１８）上記（１７）に記載の電子親和力の低下処理装置、アノード及び光源を含むことを特徴とするフォトカソード電子ビーム源。
（１９）上記（１８）に記載のフォトカソード電子ビーム源を含むことを特徴とする電子銃。
（２０）上記（１８）に記載のフォトカソード電子ビーム源を含むことを特徴とする自由電子レーザー加速器。
（２１）上記（１８）に記載のフォトカソード電子ビーム源を含むことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
（２２）上記（１８）に記載のフォトカソード電子ビーム源を含むことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
（２３）上記（１８）に記載のフォトカソード電子ビーム源を含むことを特徴とする電子線フォログラフィー顕微鏡。
（２４）上記（１８）に記載のフォトカソード電子ビーム源を含むことを特徴とする電子線描画装置。
（２５）上記（１８）に記載のフォトカソード電子ビーム源を含むことを特徴とする電子線回折装置。
（２６）上記（１８）に記載のフォトカソード電子ビーム源を含むことを特徴とする電子線検査装置。
　本発明は、電子が通過できる孔を含み、表面処理材料を気化することができる活性化容器を真空チャンバー内に配置することで、単一の真空チャンバーを用いてＥＡ表面処理ができること、並びに電子ビーム源とすることができるので、ＥＡ表面処理チャンバー及びフォトカソードを搬送する搬送手段が不要となり、装置を小型化することができる。
　また、フォトカソードを異なる真空チャンバー間で搬送する必要が無いことから、従来のように真空チャンバー間を搬送中にフォトカソードが脱落したり破損したりする恐れが無く、操作性が向上する。
　本発明の活性化容器、キットは、従来の電子銃の電子銃チャンバーにセットすることが可能であり、また、処理装置は従来の電子銃チャンバーと置換することが可能であるので、新規に電子銃を購入することなく、既存の電子銃の操作性を向上することができる。
　更に、本発明の電子ビーム源を、電子銃、自由電子レーザー加速器、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、電子線フォログラフィー顕微鏡、電子線描画装置、電子線回折装置及び電子線検査装置等の既存の装置の電子ビーム源として用いることができるので、前記装置の小型化、操作性の向上及び従来の電子ビーム源では得られなかった機能の向上を図ることができる。
図１は、ＧａＡｓ型フォトカソード電子ビーム源からの電子ビーム生成の概念を示している。 図２は、ＥＡ表面状態の形成手順を示している。 図３は、図面代用写真で、従来のＥＡ表面処理したフォトカソードを用いた電子銃の全体像を示す写真である。 図４は、本発明の活性化容器２０、並びに活性化容器２０及び表面処理材料３０を含むキット４０の実施形態の一例を示すための概略図である。 図５は、加熱手段を組み込んだ表面処理材料の一例の概略図である。 図６は、電極回りの電界シミュレーションを示す図である。 図７は、本発明の活性化容器２０の孔２１に、フォトカソードホルダー５１を挿入した際の位置関係の一例を示す概略図である。 図８は、活性化容器２０に設ける孔２１とフォトカソードホルダー５１との関係の他の実施形態を示す図である。 図９は、活性化容器に設ける方向制御手段の例をしている。 図１０は、本発明のキット４０を用いて、フォトカソード（材料）をＥＡ表面処理する際の位置関係の概略を示す図である。 図１１は、フォトカソードロッド５０にシールド５４を設けた例を示す図である。 図１２は、活性化容器２０にシールド５４を設けた例を示す図である。 図１３は、本発明のキット４０の他の実施形態を示すための概略図である。 図１４は、本発明のキット４０の他の実施形態を示すための概略図である。 図１５は、本発明のキット４０の他の実施形態を示すための概略図である。 図１６は、本発明のキット４０の他の実施形態を示すための概略図である。 図１７は、本発明の処理装置６０の一例を示す概略図である。 図１８は、本発明の電子ビーム源（２極構造）の一例を示す概略図である。 図１９は、本発明の電子ビーム源（３極構造）の一例を示す概略図である。 図２０は、図面代用写真で、実施例２で作製した表面処理材料を先端に取り付けた固定部材の外観を示す写真である。 図２１は、図面代用写真で、実施例２で作製したキットの外観を示している。 図２２は、図面代用写真で、実施例３でフォトカソード５２を作製した後、真空チャンバーと活性化容器を取り外し、フォトカソード側から撮影した写真である。 図２３は、実施例４でフォトカソードのＥＡ表面再処理を行った際の量子効率の回復程度を示すグラフである。
　以下に、本発明の活性化容器、キット、処理装置、フォトカソード電子ビーム源、並びに、フォトカソード電子ビーム源を含む電子銃、自由電子レーザー加速器、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、電子線フォログラフィー顕微鏡、電子線描画装置、電子線回折装置及び電子線検査装置について詳しく説明する。
　図４は、本発明の活性化容器２０、並びに活性化容器２０及び表面処理材料３０を含むキット４０の実施形態の一例を示すための概略図である。
　本発明において、活性化容器２０とは、後述する表面処理材料を内部に配置して該表面処理材料を気化することができ、該気化した表面処理材料でフォトカソード（材料）をＥＡ表面処理することができる容器を意味する。なお、本発明の活性化容器２０は、後述する真空チャンバー内に配置して使用されることで、単一の真空チャンバーをＥＡ表面処理及び電子ビーム源にできるものであって、従来のＥＡ表面処理チャンバーとは異なるものである。本発明の活性化容器２０は、少なくともフォトカソードから放出される電子が通過する孔２１を含んでいる。孔２１は少なくとも電子が通過できる大きさであればよいが、加工の容易性、及びフォトカソード５２から放出される電子と孔２１の角度や位置関係の調整を容易にするため、１ｎｍ～１０ｍｍの大きさであってもよく、５０μｍ～５ｍｍの大きさでもよい。また、後述するフォトカソードホルダーを孔２１に挿入することもでき、その場合、孔２１はフォトカソードホルダーを挿入できる大きさであればよく、上記の数値範囲より大きくてもよい。
　活性化容器２０の材料に特に制限は無く、例えば、ガラス、モリブデン、セラミック、サファイア、チタン、タングステン、タンタル等の３００℃以上、より好ましくは４００℃の熱に耐えることができる耐熱性材料で形成することができる。
　本発明のキット４０は、活性化容器２０及び表面処理材料３０を少なくとも含んでいる。本発明の表面処理材料３０とは、フォトカソード（材料）をＥＡ表面処理するための材料を意味し、ＥＡ表面処理することができる材料であれば特に制限は無く、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｔｅ、Ｓｂ等の元素が挙げられる。なお、前記元素の中で、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓは単体では自然発火してしまい、保存・利用ができないため、前記元素の複合元素、前記元素を含む化合物の形態で使用する必要がある。一方、化合物の形態で使用する場合は、前記元素の蒸着時に不純物ガスが発生しないようにする必要がある。したがって、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓから選択される元素を表面処理材料３０として使用する場合は、Ｃｓ2ＣｒＯ4、Ｒｂ2ＣｒＯ4、Ｎａ2ＣｒＯ4、Ｋ2ＣｒＯ4等の化合物と不純物ガスの発生を抑える還元剤を組合せて用いることが好ましい。前記表面処理材料３０は、加熱手段を用いて活性化容器２０内で気化されフォトカソード（材料）に蒸着される。
　加熱手段としては、表面処理材料３０を気化できれば特に制限は無く、活性化容器２０全体を加熱することで内側に配置されている表面処理材料３０を間接的に加熱してもよいし、表面処理材料３０のみを直接加熱してもよい。前者の方法としては、活性化容器２０に電熱コイル等の加熱手段を形成する、又は、後述するように、本発明のキットは真空チャンバー内で用いられることから、真空チャンバー全体を電熱コイル、ランプヒーター等を用いて加熱し、真空チャンバー内の活性化容器２０を前記表面処理材料３０が気化する温度まで加熱する方法が挙げられる。
　また、後者の方法としては、図５に示すように、加熱手段を組み合わせた表面処理材料３０が挙げられる。図５（１）は表面処理材料３０の中に加熱手段３１を組み込んだ例を示しており、表面処理材料３０の中心部に電熱線等の加熱手段３１を挿通し、長手方向に切込み３２を入れた略長方形状に形成されている。加熱手段３１に通電すると、図５（２）に示すように、切込み３２が加熱により大きくなり、大きくなった切込み３２から、表面処理材料３０を気化することができ、その際、表面処理材料３０は切込み３２から指向性を持って気化することから、フォトカソード（材料）の方向のみに気化した表面処理材料３０を飛散することができる。図５に示す表面処理材料３０は、上記のように形成してもよいし、市販されている材料を用いてもよい。例えば、アルカリ金属材料としてはＳＡＥＳ　Ｇｅｔｔｅｒｓ社製のアルカリディスペンサーが知られている。
　図５（３）は加熱手段を組み合わせた表面処理材料３０の他の例を示しており、電熱線等の加熱手段３１を螺旋にすることでバスケット部を形成し、該バスケット部に表面処理材料３０を入れ、加熱手段３１に通電することで、表面処理材料３０を飛散させてもよい。図５（３）に示す例は、自然条件下で発火せず、元素単体で保存・利用できる元素に使用することができ、例えば、表面処理材料３０として、Ｔｅ、Ｓｂを用いる場合に好ましい。
　前記加熱手段３１と組み合わせた表面処理材料３０は、通電するための電線を繋げて活性化容器２０内に配置してもよいし、活性化容器２０とは別の図示していない表面処理材料３０の固定部材に取り付け、該固定部材を介して活性化容器２０に挿入してもよい。固定部材はセラミック、サファイア等の耐熱性かつ絶縁性の材料で形成すればよい。活性化容器２０内に設ける表面処理材料３０は、活性化容器２０の内側の形状に沿った又は任意の形状の単一の表面処理材料３０であってもよいし、複数個の表面処理材料３０を適当な間隔で配置してもよい。また、後述する気化した表面処理材料３０の飛散方向を制御する方向制御手段を設ける場合、又は図５（２）に示す表面処理材料３０を用いる場合は、表面処理材料３０を設ける位置に特に制限は無いが、方向制御手段を設けない場合は、活性化容器２０の底部に設けることが好ましい。
　活性化容器２０は、フォトカソード（材料）をＥＡ表面処理することに加え、電極の一部として用いることもできる。図６は、電極回りの電界シミュレーション図を示しており、電極の端の部分の電場は、電極の端部を回り込むように発生している。一般的に、フォトカソードの電場は平行になっていることが好ましい。
　図７は、本発明の活性化容器２０の孔２１に、フォトカソードホルダー５１を挿入した際の位置関係の一例を示す概略図である。なお、図７に示すフォトカソード５２は、フォトカソードロッド５０の先端に設けられたフォトカソードホルダー５１の、フォトカソードロッド５０と反対側の面に貼り付けられている。フォトカソードホルダー５１に貼り付けられるフォトカソード５２の大きさは適宜調整すればよい。活性化容器２０に形成した孔２１にフォトカソード５２を外部に晒すようにフォトカソードホルダー５１を挿入し、フォトカソード５２及び活性化容器２０を一体化して電極とした場合は、活性化容器２０の端部で電界は回り込み、フォトカソード５２付近の電場を平行にすることができる。活性化容器２０を電極の一部とする場合は、フォトカソード５２と通電する必要があることから、活性化容器２０を導電性材料で形成する必要があり、モリブデン、チタン、タングステン、タンタル、ステンレス等の材料が挙げられる。活性化容器２０を電極の一部として使用しない場合は、活性化容器２０を絶縁性材料で形成すればよく、ガラス、セラミック、サファイア等の材料が挙げられる。
　図８は、活性化容器２０に設ける孔２１とフォトカソードホルダー５１との関係の他の実施形態を示す図である。本実施形態では、フォトカソードホルダー５１は孔２１に挿入されず、フォトカソードホルダー５１に貼り付けられたフォトカソード５２が活性化容器２０の孔２１の部分に配置するようになっている。本実施形態の場合は、孔２１は少なくとも電子が通過できる大きさであればよいが、上記のとおり、加工の容易性、及びフォトカソード５２から放出される電子と孔２１の角度や位置関係の調整を容易にするため、１ｎｍ～１０ｍｍの大きさにしてもよく、５０μｍ～５ｍｍの大きさでもよい。また、フォトカソード５２に光を斜めから照射することもあり、光照射の見込み角を大きくし、より広範囲の角度から光を照射できるようにするため、活性化容器２０の底部を孔２１に向かって厚みが薄くなるようにテーパー状にしてもよい。テーパーの角度は、孔２１の大きさ、光の入射角により適宜調整すればよい。
　活性化容器２０は、上記材料を溶解し鋳型に流し込んで形成してもよいし、切削加工で形成してもよい。また、活性化容器２０の形状は、フォトカソードホルダー５１を活性化容器２０内に配置することができれば形状に特に制限は無く、円筒形、多角形筒形等、適宜選択すればよい。
　活性化容器２０には、気化した表面処理材料３０の飛散方向を制御する方向制御手段を形成してもよい。図９は方向制御手段の例を示しており、例えば、図９（１）は、２枚の方向制御板３３を、表面処理材料３０を挟むように形成し、気化した表面処理材料３０が飛散する角度を、孔２１の端部を結んだ面に対して０度より大きく、９０より小さい角度で調整できるようにしている。また、フォトカソードホルダー５１の大きさが活性化容器２０の内側の大きさとほぼ同じの場合は、図９（２）に示すように、方向制御板３３は１枚であってもよい。方向制御板３３は、活性化容器２０を作製する際に同時に作製してもよいし、別途作製して溶接等により固定してもよい。
　図９（３）は方向制御手段の他の実施形態を示しており、方向制御板３３に換え、一方向のみに開口している開口部３４を有する容器３５を作製し、活性化容器２０に溶接等により配置してもよい。開口部３４は、方向制御板３３と同様、飛散する角度を０度より大きく、９０より小さい角度となるように、開口部３４の形状を適宜調整すればよい。方向制御板３３及び容器３５は、活性化容器２０に用いられる材料で作製してもよいし、異なる材料でもよい。方向制御手段の内側に配置される表面処理材料３０は、上記の加熱手段３１を組み込んだ表面処理材料３０であってもよいし、表面処理材料３０のみを配置してもよい。表面処理材料３０のみを配置する場合は、活性化容器２０全体を加熱してもよいし、表面処理材料３０を配置する部分に予め電熱線等の加熱手段を配置しておいてもよい。
　フォトカソード５２を形成するためのフォトカソード材料は、ＥＡ表面処理ができるものであれば特に制限は無く、例えば、ＩＩＩ－Ｖ族半導体材料、ＩＩ－Ｖ族半導体材料が挙げられる。具体的には、ＡｌＮ、Ｃｅ2Ｔｅ、ＧａＮ、Ｋ2ＣｓＳｂ、ＡｌＡｓ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＡｓ等が挙げられる。その他の例としては金属が挙げられ、具体的には、Ｍｇ、Ｃｕ、Ｎｂ、ＬａＢ６、ＳｅＢ６、Ａｇ等が挙げられる。前記フォトカソード材料をＥＡ表面処理することでフォトカソード５２を作製することができ、該フォトカソード５２は、半導体のギャップエネルギーに応じた近紫外－赤外波長領域で電子励起光が選択可能となるのみでなく、電子ビームの用途に応じた電子ビーム源性能（量子収量、耐久性、単色性、時間応答性、スピン偏極度）が半導体の材料や構造の選択により可能となる。それにより、電子励起に用いる光源は高出力（ワット級）－高周波数（数百ＭＨｚ）－短パルス（数百フェムト秒）のレーザーのみならず、比較的安価なレーザーダイオードでも、これまでにない高性能なビーム生成をすることが可能である。
　また、フォトカソード５２を貼り付けるためのフォトカソードホルダー５１は、モリブデン、チタン、タンタル、ステンレス等から作製することができる。また、フォトカソードロッド５０は、モリブデン、チタン、タンタル、ステンレス等から作製することができる。本発明のキット４０には、上記のフォトカソード材料が張り付けられたフォトカソードホルダー５１、フォトカソードロッド５０が含まれていてもよい。
　図１０は、本発明のキット４０を用いて、ＥＡ表面処理する際の位置関係の概略を示す図である。例えば、図７に示す活性化容器２０の孔２１にフォトカソードホルダー５１を挿入した位置から、フォトカソード駆動手段５３により図１０に示すようにフォトカソードホルダー５１を活性化容器２０の内部に引上げ、フォトカソードホルダー５１に貼り付けられているフォトカソード（材料）５２が活性化容器２０内に位置するようにする。なお、図１０に示す例ではフォトカソード駆動手段５３を活性化容器２０に形成しているが、フォトカソード（材料）５２の位置を変えることができれば、設ける場所は特に制限は無く、キット４０とは別体、例えば、後述する真空チャンバーに設けてもよい。また、フォトカソード駆動手段５３は、フォトカソードホルダー５１に貼り付けられているフォトカソード（材料）５２の位置を変えることができればよく、フォトカソードロッド５０、フォトカソードホルダー５１の何れを駆動してもよい。フォトカソード駆動手段５３は、フォトカソード（材料）５２の位置を変えることができるものであれば特に制限は無く、モーター等の公知の駆動手段を用いればよい。
　ＥＡ表面処理時の活性化容器２０の内部におけるフォトカソード（材料）５２の位置は、表面処理材料３０の拡散方向及び範囲と、フォトカソードホルダー５１に貼り付けられているフォトカソード（材料）５２のサイズを考慮し、表面処理材料３０がフォトカソード（材料）５２に蒸着できるように調整することが好ましい。なお、フォトカソード（材料）５２を活性化容器２０の内部に引き上げた後は、孔２１は解放状態になる。その際、活性化容器２０の孔２１の一方の底面部の延長線４１と他方の底面部の延長線４１が形成する角度４２が１８０度以上であれば、底面部分自体が表面処理材料３０の飛散を活性化容器２０の内部方向に制御することができ、孔２１から気化した表面処理材料３０が漏出することを防止できるので好ましい。フォトカソード（材料）５２への効率的な蒸着及び孔２１から漏出する表面処理材料３０をより漏出し難くするために、前記底面の角度４２は２１０度以上とすることがより好ましい。なお、前記の底面の角度は、方向制御手段、加熱手段３１を挿入し切込み３２を形成した表面処理材料３０を用いない場合の角度であるが、加熱手段３１を挿入し切込み３２を形成した表面処理材料３０又は方向制御手段を設ける場合は、表面処理材料３０を配置する位置及び底面部の角度は特に制限は無く、図１０に示すように表面処理材料３０と表面処理材料３０を結んだ線と表面処理材料３０が飛散する角度Ｘが０度以上の方向に表面処理材料３０を気化・飛散することが好ましく、１５度以上がより好ましい。
　一方、気化・飛散する角度の上限は、活性化容器２０の内側の大きさとフォトカソードホルダー５１の大きさがほぼ同じであれば上方に漏出する表面処理材料３０は非常に少ないので、約９０度とすればよく、活性化容器２０の内側の大きさとフォトカソードホルダー５１に貼り付ける又は既に貼り付けられたフォトカソード（材料）５２のサイズを考慮し適宜調整すればよい。
　活性化容器２０の上部からの表面処理材料３０の漏出をより減少する場合は、表面処理材料３０の飛散方向の調整に加え、シールドを設けてもよい。図１１はフォトカソードロッド５０にシールド５４を設けた例を示しており、シールド５４は活性化容器２０の内側の形状と同じ形状であればよい。
　また、図１２は活性化容器２０にシールド５４を設けた例を示している。シールド５４は、フォトカソードロッド５０と同じ大きさの孔を形成すればよい。シールド５４は、例えば、ガラス、モリブデン、セラミック、サファイア、チタン、タングステン、タンタル等の材料から形成すればよい。
　本発明においては、上記のとおり活性化容器２０の底部の角度を調整、及び／又は表面処理材料３０の飛散方向を制御、及び／又はシールドを設けることで、フォトカソード（材料）５２に蒸着しなかった表面処理材料３０の大部分は容器４０の内壁に蒸着し、孔２１から真空チャンバー内に漏出する表面処理材料３０は殆ど無い。したがって、活性化容器２０の外周部に表面処理材料３０が付着しないので、電界放出暗電流の発生等を防止することができる。
　図１３は、本発明のキット４０の他の実施形態を示すための概略図である。本実施形態のキット４０には孔２１に加え、光源からの光を通過する孔２３が活性化容器２０に形成されている。本実施形態のキットの場合、孔２３の角度、つまり光の入射角度と表面処理材料３０の飛散方向を調整すれば、フォトカソード（材料）５２を移動することなく、ＥＡ表面処理と電子の放出をすることができるが、勿論、フォトカソード（材料）５２の位置を調整するフォトカソード駆動手段５３を設けてもよい。また、孔２３は光を通せばよいことから孔２３部分をガラス等で被覆することができる。孔２１の大きさは上記のとおりであるので、孔２１から表面処理材料３０が漏出することはない。また、活性化容器２０の内側とほぼ同じ大きさのフォトカソードホルダー５１を用いた場合、活性化容器２０から外部に連通する孔をほとんどなくすことができ、表面処理材料３０が活性化容器２０の外に漏出する可能性がより少なくなる。本実施形態の場合は、活性化容器２０の外に表面処理材料３０が漏出する孔がほとんどないことから、表面処理材料３０の方向制御手段は設けなくてもよい。
　図１４は、本発明のキット４０の他の実施形態を示すための概略図である。本実施形態のキット４０は、図１３に示す実施形態と同様の孔２１及び孔２３が形成されている。また、本実施形態のキットには、活性化容器２０に対してほぼ密封状態で摺動可能な蓋４５にフォトカソードホルダー５１が設けられ、該フォトカソードホルダー５１にフォトカソード（材料）５２が活性化容器２０の内部に向く方向に貼り付けられている。本実施形態の場合も、孔２３の角度、つまり光の入射角度と表面処理材料３０の飛散方向を調整すれば、フォトカソード（材料）５２を移動することなく、ＥＡ表面処理と電子放出をすることができるが、蓋４５の位置を調整するための図示していない蓋駆動手段を設けてもよい。蓋駆動手段は、フォトカソード駆動手段５３と同様、モーター等を用いて形成すればよく、活性化容器２０又は真空チャンバー内に形成すればよい。蓋４５は、ガラス、モリブデン、セラミック、サファイア、チタン、タングステン、タンタル等の材料で形成すればよい。また、孔２１及び孔２３は、図１３に示す実施形態と同様に形成すればよい。
　図１５は、図１３に示す実施形態における活性化容器２０において、光源からの光が通過する孔２３と電子が通過する孔２１を共通化した実施形態を示している。図１５に示す実施形態では、後述するアノードの後方から光を射出し、孔２１を通過してフォトカソード５２に光を照射することでフォトカソード５２から放出した電子も孔２１を通過するようにしている。孔２１の大きさは上記の大きさでよい。また、図１４に示す実施形態においても、図１５に示す実施形態と同様に、光源からの光が通過する孔２３と電子が通過する孔２１を共通化してもよい。
　図１６は、図１３に示す実施形態における活性化容器２０において、光源からの光をフォトカソード５２に照射するための孔２３に換え、フォトカソードホルダー５１に光を照射するための孔２４を設けた例を示している。図１６に示す実施形態では、フォトカソードホルダー５１のフォトカソード５２を貼り付けていない側（フォトカソードロッド５０の方向）からフォトカソード５２に光をあてることで、電子を放出することができる。本実施形態の場合、フォトカソードホルダー５１を通過した光は、更にフォトカソードホルダー５１とフォトカソード５２の間に設けられ、フォトカソード５２の半導体素子を作製するための基板を通過してフォトカソード５２に光が到達する必要がある。したがって、前記基板はサファイア等の光透過性の材料で形成するか、又は光が通過するための孔を前記基板に形成する必要がある。なお、前記基板はフォトカソード材料として半導体材料を用いた場合は必要であるが、フォトカソード材料として金属材料を用いた場合には必要ない。また、図１６に示す例は、フォトカソードホルダー５１に孔２４を形成しているが、フォトカソードホルダー５１を、例えば、サファイア等の光透過性の材料を用いて作製した場合は、孔２４を形成する必要は無い。図１４に示す実施形態においても、図１６に示す実施形態と同様に、蓋４５及びフォトカソードホルダー５１に孔２４を形成してもよいし、蓋４５及びフォトカソードホルダー５１を光透過性の材料を用いて作製してもよい。更に、フォトカソード５２の半導体素子を作製するための基板を光透過性の材料で形成するか、又は光が通過するための孔を前記基板に形成すればよい。
　図１７は、本発明の処理装置６０の一例を示す概略図である。本発明の処理装置６０は、上記のキット４０を、真空チャンバー６１内に配置し、前記真空チャンバー６１を真空状態にするための真空ポンプ６２を含んでいる。また、フォトカソード（材料）に応じて、例えば、酸素、ＮＦ3、Ｎ2等のＥＡ表面処理に必要な気体を充填したボンベ６３及び該ボンベ６３の気体をフォトカソード５２に吹き付けるための管６４を含んでいてもよい。
　ＥＡ表面処理は、約６００℃の温度で実施され、１０-5Ｐａ以下にする必要があることから、上記条件に耐えることができる公知の真空チャンバー６１及び上記真空状態にすることができる真空ポンプ６２を用いればよい。真空チャンバー６１は、例えば、ステンレス製チャンバー、チタン製チャンバー、μメタル製チャンバー等が挙げられ、真空ポンプ６２としては、例えば、ターボポンプ、イオンポンプ、蒸発ゲッターポンプ、非蒸発ゲッターポンプ等が挙げられる。
　本発明の処理装置６０を用いたフォトカソード材料のＥＡ表面処理、及び一定時間経過後のフォトカソード５２の再ＥＡ表面処理は次の手順で実施することができる。
（１）フォトカソード材料が貼り付けられたフォトカソードホルダー５１を真空チャンバー６１に導入する前は、大気中の不純物で覆われている。その為、フォトカソード材料が貼り付けられたフォトカソードホルダー５１を真空中で３００～７００℃、１０分～１時間加熱し、酸化物や炭化物などの表面不純物を除去し清浄にする。加熱温度及び時間は、用いるフォトカソード材料に応じて適宜調整すればよい。これにより、フォトカソード材料にバンドベンディングを生じさせ、真空準位をフォトカソード５２を形成する半導体のバンドギャップの半分程度（φＢ）下げることができる。
（２）フォトカソード材料の結晶表面に微小の光電流が得られるように、まず表面処理材料３０を蒸着し、その後、光電流の飽和毎に表面処理材料３０の蒸着と、必要に応じて酸素、ＮＦ3、Ｎ2等の気体の付加を最大の光電流が得られるまで交互に繰り返す。この方法により、残りの真空準位（φＤ）を下げることで、ＥＡ表面状態を形成することができる。気体の付加は、真空チャンバー６１の外部に気体のボンベ６３を設け、当該ボンベ６３から管６４をとおして、フォトカソード材料に吹き付ければよい。なお、複数種類の表面処理材料３０、例えば、Ｃｓ及びＴｅ、Ｃｓ及びＳｂ等をフォトカソード材料に蒸着する場合は、気体の付加は必要ない。
（３）一定時間電子の放出を行った後、上記（２）の手順を行うことで、ＥＡ表面の再処理を行う。
　図１８は、本発明の電子ビーム源の一例を示す概略図である。本発明の電子ビーム源は、処理装置６０に加え、真空チャンバー６１内に設けられたアノード７１及び真空チャンバー６１の外側に設けられた光源７２を含んでいる。アノード７１は、電子銃等に用いられている公知のもの、例えば、チタン、モリブデン、ステンレス等を用いることができる。また、光源７２は、公知の光源を用いることができ、例えば、レーザーダイオード、パルスレーザー、固体レーザー、気体レーザー等が挙げられる。光源７２からの光は、真空チャンバー６１に形成した図示しない光透過用窓をとおして照射すればよく、その際、図示しない光学系（ミラー系）を用いて、フォトカソード５２に所望の角度で照射できるように適宜調整すればよい。なお、上記のとおり、光源からの光は、アノード７１をとしてフォトカソード５２に照射してもよい。
　上記図１８に示す例は、フォトカソード５２がマイナス、アノード７１がプラスの２極構造の例であるが、図１９に示すように、活性化容器２０を導電性材料で形成し、且つ、フォトカソード５２を活性化容器２０に接触しない状態で使用することで３極構造として用いることもできる。３極構造で用いる場合は、フォトカソード５２の電圧ＶＡと活性化容器２０の電圧ＶＢを、ＶＡ≠ＶＢとし、ＶＡとＶＢはともに０Ｖ以下とすればよい。
　図１８に示す２極構造は、電界強度を最大にできるため、大きな電流値を得ることができ、また、電子の広がりを押えられる。したがって、大電流を要する用途、例えば、加速器等の電子ビーム源として有用である。一方、図１９に示す３極構造は、電流を安定化できるとともに、電子の広がりを調節することができる。したがって、電子顕微鏡や電子線描画装置等の電子ビーム源として有用である。
　上記に記載した例は、フォトカソード５２のＥＡ表面処理と電子ビーム源として電子を取り出す操作を別々に行っているが、本発明の処理装置を用いた電子ビーム源は、活性化容器２０内でフォトカソード５２の位置を変えずにＥＡ表面の再処理をすることが可能なことから、フォトカソード５２に表面処理材料３０を蒸着しながら、フォトカソード５２に光を照射して電子を取り出すこともできる。その場合、ＥＡ表面の再処理のために電子の取り出しを中止する必要が無く、長時間の連続操業をすることが可能となる。
　本発明の電子ビーム源７０は、従来の電子ビーム源に必要であった、ＥＡ表面処理チャンバー及びフォトカソードを搬送する搬送手段が不要となり、装置を小型化することができる。また、ＥＡ表面処理したフォトカソードを用いた電子ビーム源は、高輝度だけでなく、高繰返し周波数で短パルスやスピン偏極した電子ビームの生成が可能であり、高度かつ多彩な能力を持つ。したがって、従来から前記能力が必要とされる電子ビーム源を用いた機器、例えば、電子銃、自由電子レーザー加速器、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、電子線フォログラフィー顕微鏡、電子線描画装置、電子線検査装置等の電子ビーム源として使用することができる。更に、ＥＡ表面処理と電子の取り出しを同時に行う場合には、連続操作が必要な電子線描画装置等の加工機器分野の電子ビーム源として使用することができる。
　以下に実施例を掲げ、本発明を具体的に説明するが、この実施例は単に本発明の説明のため、その具体的な態様の参考のために提供されているものである。これらの例示は本発明の特定の具体的な態様を説明するためのものであるが、本願で開示する発明の範囲を限定したり、あるいは制限することを表すものではない。
＜実施例１＞
〔活性化容器の作製〕
　活性化容器は、材料としてモリブデンを用い、切削および表面研磨により形成した。底面は円形状で、直径は６８ｍｍ、孔の直径は１１ｍｍであった。
〔キットの作製〕
＜実施例２＞
〔表面処理材料を先端に取り付けた固定部材の作製〕
　切削および焼入れで作製したセラミック製の固定部材３６の先端に、Ｃｓ２ＣｒＯ４の中心に加熱用配線を挿通した表面処理材料３０（ＳＡＥＳ　Ｇｅｔｔｅｒｓ社製）を４つ取り付けた。加熱用配線に通電して加熱するための銀製電線は、固定部材３６の中に配線した。図２０は作製した表面処理材料を先端に取り付けた固定部材の外観を示す写真である。
〔フォトカソードロッド、及びフォトカソード材料を貼り付けたフォトカソードホルダー作製〕
　フォトカソードロッド５０はチタンで作製した。フォトカソードホルダー５１はモリブデンで作製し、直径は約３４ｍｍであった。次に、ＧａＮ半導体を成長させたサファイア製の基板を、モリブデン上に溶かしたインジウムにより貼り付けることでフォトカソード材料を貼り付けたフォトカソードホルダー５１を作成した。
　実施例１で作製した活性化容器２０に、表面処理材料３０を取り付けた固定部材３６、及びフォトカソードロッド５０の先端に設けられ表面にフォトカソード材料を貼り付けたフォトカソードホルダー５１を挿入して、キットを作製した。図２１は、実施例２で作製したキットの外観を示す写真である。
〔フォトカソードの作製〕
＜実施例３＞
　実施例２で作製したキットを、真空チャンバー（Ｋｉｍｂａｌｌ　Ｐｈｙｓｉｃｓ社製Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　Ｃｈａｍｂｅｒ）内に設置した。加熱手段としてリボンヒーターを用い、真空ポンプ（アルバック社製イオンポンプ、またはＳＡＥＳ　Ｇｅｔｔｅｒ社製非蒸発ゲッターポンプ）で吸引して真空チャンバー内を１０-9Ｐａまで、超真空状態に吸引を行った。約５５０℃で１時間、フォトカソード材料を加熱し、酸化物や炭化物などの表面不純物を除去した。次に、実施例２で作製した表面処理材料を先端に取り付けた固定部材に通電して約６００℃に加熱して表面処理材料を気化し、フォトカソード材料の表面にＣｓを１０分蒸着し、引き続き、酸素（９９．９９９％）をフォトカソード材料に２分吹き付けた。表面処理材料と酸素の吹き付けは、５回行うことで、フォトカソード材料のＥＡ表面処理を行い、フォトカソード５２を作製した。
　図２２は、実施例３でフォトカソード５２を作製した後、フォトカソードホルダー５１をＥＡ表面処理時の位置（図１０及び図２１に示す位置）のまま、真空チャンバーと活性化容器を取り外し、フォトカソード５２側から撮影した固定部材及びフォトカソード５２を貼り付けたフォトカソードホルダー５１の写真である。図２２から明らかなように、固定部材の内側にセシウムが蒸着（写真中の楕円で囲んだ灰黄色の部分）することを確認した。本発明の活性化容器により、気化したセシウムの内、フォトカソード（材料）に蒸着しなかったセシウムは活性化容器内に張り付くことから、活性化容器外へのセシウムの回り込みをほとんど抑えられていることが分かった。
〔フォトカソードの再ＥＡ表面処理〕
＜実施例４＞
　光照射により表面劣化（量子効率で２ケタ程度低下したもの）したフォトカソードに対して、実施例３の酸化物や炭化物などの表面不純物を除去する手順を省略した以外は実施例３と同様の手順でＥＡ表面の再処理を行った。図２２はＥＡ表面の再処理時間と量子効率の回復程度を示す図である。量子効率は照射した光の出力と光電流を測定して導出した。図２３から明らかなように、ＥＡ表面の再処理の開始とともに量子効率（Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）が回復することが確認できた。

Claims (26)

  1. 　表面処理材料を気化し、該気化した表面処理材料でフォトカソード材料を電子親和力の低下処理及び／又はフォトカソードを再電子親和力の低下処理するための電子親和力の低下処理装置に用いられる活性化容器であって、該活性化容器が、電子が通過できる孔を含むことを特徴とする活性化容器。
  2. 　前記活性化容器が、導電性材料又は絶縁性材料から選択される材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の活性化容器。
  3. 　フォトカソードホルダーの位置を変えるための駆動手段を更に含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の活性化容器。
  4. 　気化した表面処理材料の飛散方向を制御する方向制御手段を更に含むことを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載の活性化容器。
  5. 　表面処理材料を加熱するための加熱手段を更に含むことを特徴とする請求項１～４の何れか一項に記載の活性化容器。
  6. 　気化した表面処理材料が活性化容器外に漏洩することを防止するためのシールドを更に含むことを特徴とする請求項１～５の何れか一項に記載の活性化容器。
  7. 　前記孔が、前記フォトカソードホルダーを挿入できる大きさであることを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の活性化容器。
  8. 　光を通過するための孔を更に含むことを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の活性化容器。
  9. 　請求項１～８の何れか一項に記載の活性化容器、及び表面処理材料を含むことを特徴とする電子親和力の低下処理装置に用いられるキット。
  10. 　前記表面処理材料が、加熱手段を挿通したものであることを特徴とする請求項９に記載のキット。
  11. 　フォトカソード材料又はフォトカソードを貼り付けたフォトカソードホルダーを更に含むことを特徴とする請求項９又は１０に記載のキット。
  12. 　気化した表面処理材料が活性化容器外に漏洩することを防止するためのシールドが形成されたフォトカソードロッドを更に含むことを特徴とする請求項１１に記載のキット。
  13. 　前記活性化容器に対して摺動可能な蓋を更に含み、前記フォトカソード材料又はフォトカソードを貼り付けたフォトカソードホルダーが前記蓋に形成されていることを特徴とする請求項１１に記載のキット。
  14. 　前記フォトカソードホルダーが、光透過性材料で作製される又は光を透過する孔を含むことを特徴とする請求項１１又は１２に記載のキット。
  15. 　前記蓋及び前記フォトカソードホルダーが、光透過性材料で作製される又は光を透過する孔を含むことを特徴とする請求項１３に記載のキット。
  16. 　前記フォトカソード材料又はフォトカソードと、前記フォトカソードホルダーの間に基板を含み、該基板が光透過性材料で作製される又は光を透過する孔を含むことを特徴とする請求項１１～１５の何れか一項に記載のキット。
  17. 　請求項９～１６の何れか一項に記載のキット、真空チャンバー及び真空ポンプを含むことを特徴とする電子親和力の低下処理装置。
  18. 　請求項１７に記載の電子親和力の低下処理装置、アノード及び光源を含むことを特徴とするフォトカソード電子ビーム源。
  19. 　請求項１８に記載のフォトカソード電子ビーム源を含むことを特徴とする電子銃。
  20. 　請求項１８に記載のフォトカソード電子ビーム源を含むことを特徴とする自由電子レーザー加速器。
  21. 　請求項１８に記載のフォトカソード電子ビーム源を含むことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
  22. 　請求項１８に記載のフォトカソード電子ビーム源を含むことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
  23. 　請求項１８に記載のフォトカソード電子ビーム源を含むことを特徴とする電子線フォログラフィー顕微鏡。
  24. 　請求項１８に記載のフォトカソード電子ビーム源を含むことを特徴とする電子線描画装置。
  25. 　請求項１８に記載のフォトカソード電子ビーム源を含むことを特徴とする電子線回折装置。
  26. 　請求項１８に記載のフォトカソード電子ビーム源を含むことを特徴とする電子線検査装置。
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