特許 7455279 電子ビーム応用装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-14

(45)【発行日】2024-03-25

(54)【発明の名称】電子ビーム応用装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/073 20060101AFI20240315BHJP

【ＦＩ】

H01J37/073

【請求項の数】 17

(21)【出願番号】P 2023514307

(86)(22)【出願日】2021-04-16

(86)【国際出願番号】 JP2021015741

(87)【国際公開番号】W WO2022219814

(87)【国際公開日】2022-10-20

【審査請求日】2023-07-20

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】大嶋 卓

(72)【発明者】

【氏名】高武 直弘

(72)【発明者】

【氏名】森下 英郎

(72)【発明者】

【氏名】井手 達朗

(72)【発明者】

【氏名】小瀬 洋一

(72)【発明者】

【氏名】片根 純一

(72)【発明者】

【氏名】揚村 寿英

【審査官】中尾 太郎

(56)【参考文献】

【文献】特表２００３－５０６８２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０９３６７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２１６４１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】KLENKE A. et al，Coherent Beam Combination of Ultrafast Fiber Lasers，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，米国，IEEE，2018年02月27日，Vol. 24, No. 5，0902709

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ３７／０７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と光電膜を有するフォトカソードと、パルス励起光を発光する光源と、前記パルス励起光を前記フォトカソードに向けて集光する集光レンズとを備え、前記光電膜の前記パルス励起光が集光された位置からパルス電子ビームを放出させる電子銃と、
前記パルス電子ビームを試料に照射する電子光学系とを有し、
前記光源は、
レーザー光源と、
前記レーザー光源に電力を供給してパルスレーザー光を放出させる電源と、
前記レーザー光源が放出したパルスレーザー光を複数のパルスレーザー光に分配する光分配器と、
前記複数のパルスレーザー光ごとに設けられ、前記光分配器により分配されたパルスレーザー光の位相を調整する複数の位相調整器と、
前記複数のパルスレーザー光ごとに設けられ、前記光分配器により分配されたパルスレーザー光を増幅する複数の光増幅器と、
前記位相調整器で位相調整され、前記光増幅器で増幅された前記複数のパルスレーザー光を結合し、前記パルス励起光として出力する光結合器と、
前記複数の位相調整器それぞれの位相遅れ量を制御する位相制御装置とを備え、
前記位相制御装置は、前記集光レンズの光軸に対する前記パルス励起光の傾きが所定の値となる前記複数の位相調整器それぞれの位相遅れ量を示す位相遅れ量データを保持し、前記位相遅れ量データに基づき前記複数の位相調整器それぞれの位相遅れ量を設定する電子ビーム応用装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記光源は、前記電源及び前記位相制御装置を制御するコントローラをさらに備え、
前記コントローラは、前記レーザー光源の発光を制御するため前記電源に出力する発光制御信号と同期した位相制御信号を前記位相制御装置に出力し、
前記位相制御装置は、前記集光レンズの光軸に対する前記パルス励起光の傾きが互いに異なる値となる複数の前記位相遅れ量データを保持し、前記複数の位相調整器それぞれの位相遅れ量を設定する前記位相遅れ量データをパルスレーザー光ごとに切り替える電子ビーム応用装置。

【請求項3】

請求項２において、
制御装置をさらに有し、
前記電子光学系は、前記パルス電子ビームの軌道を制御するアライナまたは偏向器を備え、
前記制御装置は、前記発光制御信号と同期した偏向制御信号を前記アライナまたは前記偏向器に出力し、前記アライナまたは前記偏向器により偏向されたパルス電子ビームの軌道が同じになるよう制御する電子ビーム応用装置。

【請求項4】

請求項２において、
前記電子光学系は、前記パルス電子ビームを前記試料上で第１の方向に掃引する偏向器を備え、
前記試料上で前記パルス電子ビームが照射される位置の軌跡は、前記第１の方向に垂直な方向に等間隔で並ぶ電子ビーム応用装置。

【請求項5】

請求項４において、
前記パルス電子ビームが前記試料に照射されることにより発生する電子を検出する電子検出器を備える検出系と、
制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記発光制御信号と同期した弁別信号を前記検出系に出力し、
前記検出系は、前記パルス電子ビームが照射される位置を弁別して、前記電子検出器からの検出信号に基づく画像を形成する電子ビーム応用装置。

【請求項6】

請求項２において、
制御装置をさらに有し、
前記電子光学系は、前記パルス電子ビームの変動をモニタする電子ビームモニタを備え、
前記制御装置は、前記電子ビームモニタにより前記パルス電子ビームの電流量が低下していると判断した場合に、前記コントローラに前記パルス電子ビームの電流量を回復させるための制御信号を出力する電子ビーム応用装置。

【請求項7】

請求項６において、
前記コントローラは、前記制御信号を受けて、前記レーザー光源の出力、および／または前記光増幅器による増幅率を調整する電子ビーム応用装置。

【請求項8】

請求項６において、
前記コントローラは、前記制御信号を受けて、前記位相制御装置がパルスレーザー光ごとに前記複数の位相調整器それぞれの位相遅れ量を設定するために使用する前記位相遅れ量データを変更する電子ビーム応用装置。

【請求項9】

請求項１において、
前記レーザー光源の発光は、前記試料に照射する励起光と同期されている電子ビーム応用装置。

【請求項10】

請求項１において、
前記位相遅れ量データは、前記パルス励起光が前記集光レンズの光軸に平行になるときの前記複数の位相調整器それぞれの位相遅れ量を示し、
前記位相制御装置は、前記位相遅れ量データに基づき前記複数の位相調整器それぞれの位相遅れ量を設定する電子ビーム応用装置。

【請求項11】

請求項１０において、
前記光源は、前記パルス励起光が前記集光レンズの光軸に平行であることをモニタする光モニタを備え、
前記光モニタは、前記パルス励起光が入射され、その一部を反射する透過ミラーと、前記パルス励起光が前記集光レンズの光軸に平行であるときに前記透過ミラーからの反射光が受光面に垂直に入射するよう配置される光ディテクタとを備える電子ビーム応用装置。

【請求項12】

請求項１０において、
前記光源は、前記電源及び前記位相制御装置を制御するコントローラをさらに備え、
前記コントローラは、前記レーザー光源の発光を制御する発光制御信号を前記電源に出力し、
前記レーザー光源を第１のパルス幅で発光させているときには、前記位相制御装置は、前記位相遅れ量データに基づき前記複数の位相調整器それぞれの位相遅れ量を設定し、
前記レーザー光源を第１のパルス幅よりも長い第２のパルス幅で発光させているときには、前記位相制御装置は、前記パルス励起光の前記光電膜上での集光径が広がるよう、前記複数の位相調整器の少なくとも一つの位相遅れ量を変更する電子ビーム応用装置。

【請求項13】

請求項１において、
前記光電膜は、化合物半導体膜と前記化合物半導体膜の表面に設けられた仕事関数低下被膜とを有する電子ビーム応用装置。

【請求項14】

請求項１において、
前記光分配器及び光結合器はそれぞれ、回折光学素子とコリメータとを備え、
前記回折光学素子に垂直に入射されたパルスレーザー光は、複数のパルスレーザー光に分岐され、前記コリメータにより、前記複数のパルスレーザー光の光路は互いに平行とされる電子ビーム応用装置。

【請求項15】

請求項１において、
前記光源は、前記集光レンズの光軸に対する前記パルス励起光の傾きを検出する光モニタを備え、
前記光モニタは、前記パルス励起光が入射され、その一部を反射する透過ミラーと、光軸が前記集光レンズの光軸と垂直となるように配置され、前記透過ミラーからの反射光が入射される結像レンズと、前記結像レンズとの間隔が前記結像レンズの焦点距離となるように配置される撮像素子とを備える電子ビーム応用装置。

【請求項16】

請求項１において、
前記光分配器及び光結合器はそれぞれ、ハーフミラーで構成される電子ビーム応用装置。

【請求項17】

請求項１６において、
前記光源は、前記パルス励起光が前記集光レンズの光軸に平行であることをモニタする光モニタを備え、
前記光モニタは、前記光結合器からの非結合光をモニタする光ディテクタである電子ビーム応用装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は光励起電子源を用いる電子ビーム応用装置に関する。

【背景技術】

【0002】

高分解能の電子顕微鏡においては、輝度が高く、放出する電子ビームのエネルギー幅が狭い電子源が必須である。さらに、近年、高い空間分解能に加え、高速の時間変化をとらえる目的で、パルス化した電子ビームをプローブとして用いる顕微鏡観察技術が進歩しつつある。高速で変化する現象をとらえるために、光パルス入射によりパルス電子ビームを発生するフォトカソードは極めて有用である。なかでも、負の電子親和力（Negative Electron Affinity：ＮＥＡ）を利用した光励起電子源（フォトカソード）は平面状の電子源であり、光源サイズとなる励起光の焦点サイズは１μｍ程度と大きいものの、放出電子の直進性が良いために電流密度を大きくすることで高輝度化が期待される。

【0003】

特許文献１にはこのフォトカソードを用いた電子銃が開示されている。フォトカソードとして透明基板、具体的にはガラス上にフォトカソード膜（光電膜）を貼り付けたものを用い、透明基板に近接して置いた開口数（NA: Numerical aperture：ＮＡ）が大きい0.5程度の集光レンズで励起光を光電膜上に回折限界に集束することで小さな電子光源とし、ここから真空中に放出する電子線を利用する電子銃構造が示されている。高輝度化に適したフォトカソードとしては、特許文献２に示されるように、半導体の結晶成長技術を用いて半導体基板上にフォトカソード層を形成した半導体フォトカソードの開発が進められている。

【0004】

フォトカソードを励起させてパルス電子ビームを発生させる励起光にはパルスレーザー光を使用する。レーザー光の品質を落とさずに強度を増幅する手法として、コヒーレントビーム結合（Coherent Beam Combining）があり、この例は非特許文献１に示されている。この手法を用いて放出レーザー光の角度を高速で変える手法が、例えば非特許文献２に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００１－１４３６４８号公報

【文献】特開２００９－２６６８０９号公報

【非特許文献】

【0006】

【文献】T. Y. Fan, 「Laser Beam Combining for High-Power, High-Radiance Sources」, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 11, NO. 3, 2005年, P567-577

【文献】W. R. Huang, et al.「High speed, high power one-dimensional beam steering from a 6-element optical phased array」, OPTICS EXPRESS、Vol.20, No.16, 2012年, ｐ17311-17318

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

光励起電子源の高輝度化のため、励起光の強度を上げていっても、連続光では得られるプローブ電流は途中から飽和し、増加しない。パルス光で励起する場合でもパルス光の強度に対して直線的な増加をみせない。また、励起光の光源として半導体レーザー（レーザーダイオード）は、そのパルス幅や周波数を電気信号で制御できるため、光励起電子源用途の励起光源として優れている一方、出力可能な励起光の強度には上限がある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一実施の形態である電子ビーム応用装置は、基板と光電膜を有するフォトカソードと、パルス励起光を発光する光源と、パルス励起光をフォトカソードに向けて集光する集光レンズとを備え、光電膜のパルス励起光が集光された位置からパルス電子ビームを放出させる電子銃と、
パルス電子ビームを試料に照射する電子光学系とを有し、
光源は、レーザー光源と、レーザー光源に電力を供給してパルスレーザー光を放出させる電源と、レーザー光源が放出したパルスレーザー光を複数のパルスレーザー光に分配する光分配器と、複数のパルスレーザー光ごとに設けられ、光分配器により分配されたパルスレーザー光の位相を調整する複数の位相調整器と、複数のパルスレーザー光ごとに設けられ、光分配器により分配されたパルスレーザー光を増幅する複数の光増幅器と、位相調整器で位相調整され、光増幅器で増幅された複数のパルスレーザー光を結合し、パルス励起光として出力する光結合器と、複数の位相調整器それぞれの位相遅れ量を制御する位相制御装置とを備え、
位相制御装置は、集光レンズの光軸に対するパルス励起光の傾きが所定の値となる複数の位相調整器それぞれの位相遅れ量を示す位相遅れ量データを保持し、位相遅れ量データに基づき複数の位相調整器それぞれの位相遅れ量を設定する。

【発明の効果】

【0009】

高輝度なパルス電子ビームを放出する光励起電子源を備えた電子ビーム応用装置を提供する。

【0010】

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1A】光励起電子銃の構成例である。

【図1B】光電膜に形成される複数の電子源を示す図である。

【図1C】角度変調機能を有する励起光学系の構成例である。

【図1D】集光点ｓ_iでの光強度Ｉのタイムチャートである。

【図2A】光分配器または光結合器の構成例である。

【図2B】分配されたレーザー光の例である。

【図2C】分配されたレーザー光の例である。

【図2D】分配されたレーザー光の例である。

【図3】位相調整器の構成例である。

【図4A】半導体式増幅器を用いた光増幅器である。

【図4B】光ファイバー式増幅器を用いた光増幅器である。

【図5】光モニタの構成例である。

【図6】走査電子顕微鏡の概略構成である。

【図7A】実施例１の走査電子顕微鏡における電子光学系である。

【図7B】実施例１のパルス電子ビームのプローブ電流Ｉ_pのタイムチャートである。

【図8】励起光集束光学系の一例である。

【図9A】実施例２の検出系の構成例である。

【図9B】パルス電子ビームの走査例（ラスタースキャン方式）である。

【図9C】パルス電子ビームが照射される位置の軌跡を示す図である。

【図9D】パルス電子ビームが照射される位置ごとの検出信号の大きさを示す図である。

【図10】励起光学系の構成例である。

【図11A】励起光学系の構成例である。

【図11B】図１１Ａの励起光学系の光モニタの構成例である。

【発明を実施するための形態】

【実施例1】

【0012】

図１Ａにフォトカソードに複数の電子源を形成する光励起電子銃の構成を示す。透明基板１１に支持された光電膜１０に対して、平行光源７からのパルス励起光１２を集光レンズ２により集束させて照射する。パルス励起光１２（実線）の方向が励起光集束光学系の中心軸１０１と平行な場合、光電膜１０上の中心軸１０１の点からパルス電子ビーム１３が放出される。中心軸１０１は集光レンズ２の光軸である。励起光源である平行光源７は角度変調機能を有しており、励起光を放出する角度を変えることができるものとする。平行光源７が傾いたパルス励起光１２ｂ（破線）を発生すると、パルス励起光１２ｂは集光レンズ２の作用を受け、光電膜１０上の中心軸１０１とは離れた場所に焦点を結ぶ。この焦点と中心軸との距離をｒ、傾けたパルス励起光１２ｂの方向と中心軸１０１とのなす角度をθとすると、
ｒ＝ｆ・tanθ・・・（式１）
の関係が成り立つ。ここでｆは集光レンズ２の焦点距離である。このように、電子源の中心軸からの距離ｒは励起光の傾きθで決めることができる。

【0013】

平行光源７が傾きθを変えてパルス励起光１２ｂを照射することにより、カソード表面（光電膜）Ｐでは、図１Ｂに示すように、複数の電子源ｓ₁，ｓ₂，ｓ₃，ｓ₄が形成される。図１Ｂには、カソード表面Ｐと中心軸１０１との交点Ｏ₁をあわせて示している。上述したように、カソード表面Ｐにおける電子源ｓ_iと交点Ｏ₁との距離ｒ_iは、パルス励起光１２ｂの中心軸１０１に対する傾きθ_iに依存する。なお、図１Ｂの例では、電子源となる励起光の集光点ｓ_iに中心軸１０１上の点（交点Ｏ₁）を含んでいないが、点Ｏ₁の位置に励起光の集光点が形成されるようにしてもよい。傾きθは３次元空間における傾きであり、中心軸１０１の方向をｚ軸とし、ｘ軸とｙ軸で張られるｘｙ平面がｚ軸に垂直な平面であるとしたとき、距離ｒ及び傾きθは、それぞれｘ軸方向成分とｙ軸方向成分を有するベクトル（ｒ_x，ｒ_y），（θ_x，θ_y）として表現できる。

【0014】

図１Ｃに平行光源７の角度変調機能を有する励起光学系の構成例を示す。パルス光電源２５の電力によりレーザー光源２４からパルスレーザー光が放出される。レーザー光源２４は半導体レーザー（レーザーダイオード）とコリメータ―レンズの組み合わせにより構成され、パルスレーザー光を空間光として放出する。半導体レーザーは、出射するパルスレーザー光の繰り返し周期やパルス幅を、電源を制御することにより容易に調整できるため、電子顕微鏡などの電子ビーム応用装置の光源に適している。本実施例の励起光学系はパルスレーザー光をコヒーレントビーム結合により強度を高め、かつ放出方向（傾きθ）をパルス毎に制御して励起光１２や傾いた励起光１２ｂを生成する。励起光学系の構成要素として、一本のレーザー光を複数のレーザー光１０９に分配する光分配器１０３、分配されたレーザー光１０９の位相を調整する位相調整器１０４、分配されたレーザー光１０９を増幅する光増幅器１０５、増幅されたレーザー光１０９を再び一本のレーザー光にする光結合器１０６、および各位相調整器１０４での位相遅れを最適化する位相制御装置１０８を有している。光結合器１０６に入射されるレーザー光１０９のそれぞれの位相が一致している場合、結合後のレーザー光は中心軸１０１と平行な励起光１２となるのに対し、レーザー光１０９のそれぞれの位相が少しずつずれるよう各位相調整器１０４での位相遅れを設定することにより、結合後のレーザー光は中心軸１０１に対して傾いた励起光１２ｂとすることができる。

【0015】

光分配器１０３の構成例を図２Ａに示す。光分配器１０３は、回折光学素子（Diffractive Optical Element：ＤＯＥ）１１４とコリメータ１１５により構成される。ＤＯＥ１１４は、透明な材料の表面に微細な凹凸が設けられた光学素子である。ＤＯＥ１１４に垂直に入射されたレーザー光１１９は、ＤＯＥ表面の微細な凹凸で回折されることにより、複数のレーザー光に分岐され、コリメータ１１５により、互いに平行な光路をもつ、分配されたレーザー光１０９を得る。ＤＯＥ１１４で分岐されるレーザー光のパターンはＤＯＥ表面の凹凸形状にしたがって定まる。例えば、図２Ａに示すＡ－Ａ’断面でのレーザー光を図２Ｂに示す。光分配器１０３により、レーザー光１１９が、図２Ｂの４つの円で表したレーザー光１０９－１～４に分配されている。

【0016】

図２Ａに示す光学素子に対して、分配されたレーザー光１０９を図の右側から入射すると結合されたレーザー光１１９を得ることができ、この場合、図２Ａに示す光学素子は光結合器１０６として機能する。上述のように、レーザー光１１９がＤＯＥに垂直に出射されるには、分配されたレーザー光１０９の位相が一致している必要がある。

【0017】

このように光分配器１０３と光結合器１０６とを組み合わせることで、１本の光路の中に複数の分配された光路を設け、分配された光路それぞれにおける位相遅れを調整することで出射側の光路の傾きを変えることができる。図２Ｂは４本の光路に分配した例であるが、ＤＯＥ１１４の凹凸の設計により、分配する光路の数や配置を変更できる。例えば、図２Ｃは分配する光路の数を増やした例であり、図２Ｄは、中心部に回折しないで素子を通過する光路も設けた例である。また、図２Ａに示した透過型ＤＯＥではなく、反射型ＤＯＥを用いて構成することも可能である。この場合は、鏡などを追加して所望の光路を形成する必要がある。

【0018】

コリメータ１１５は、励起光１２の断面積がきわめて細い場合には単レンズを用いてもよいが、面積のある光線の場合は、コリメータ１１５は分配されたレーザー光１０９毎に最適化されたレンズアレーもしくはプリズムアレーを用いることが望ましい。

【0019】

位相調整器１０４は、例えば図３に示すように、電気光学素子５１とこれに電圧を加える電圧印加電源５２とで構成される。電源５２から印加される電圧に応じて、通過するレーザー光１０９の位相の変調を調整することができる。

【0020】

また、本実施例の励起光学系では、最終的に出力される励起光１２の強度を高めるため、分配された光路それぞれに光増幅器１０５を設けている。光増幅器１０５としてはコンパクトに構成できる半導体式増幅器（図４Ａ）、もしくは光ファイバー式増幅器（図４Ｂ）を適用できる。半導体式増幅器は、例えば図４Ａに示すように、半導体増幅素子５３とこれにバイアス電流を注入する電流印加電源５４とで構成される。電源５４から印加されるバイアス電流に応じて、通過するレーザー光１０９を増幅することができる。光ファイバー式増幅器は、例えば図４Ｂに示すように発光する元素を添加した光増幅ファイバー５５と、これにポンプ光を注入するためのポンプ光源５６と、カプラ５７より構成される。光増幅ファイバー５５としてよく知られているエルビウム（Ｅｒ³⁺）添加光ファイバーを用いる場合には、さらに波長変換器５８を光増幅ファイバー５５と光結合器１０６との間に設ける。これは、フォトカソード１としてＧａＡｓフォトカソードを使用する場合にはレーザー光１０９の波長は750～780 ｎｍとなるのに対して、エルビウム添加光ファイバーが増幅する帯域はおよそ1500 ｎｍである。このため、レーザー光源２４に用いる半導体レーザーとして1500 ｎｍ帯域のレーザー光を発光する半導体レーザーを用い、増幅後に波長変換器５８を入れて半分の波長のレーザー光に変換すればよい。なお、波長変換器５８による波長変換は光結合器１０６で結合されたレーザー光に対して行うことも可能であるが、結合後のレーザー光の強度が強く、波長変換器５８の破損を生じさせるおそれがある。そのため、ここでは結合前のレーザー光に対して波長変換を行っている。

【0021】

なお、励起光学系を構成する光学素子間における光の伝達は、空間光として伝搬させても光ファイバー中を伝搬させてもよい。空間光と光ファイバーとの接合は通常の技術、すなわちファイバー端とレンズのアラインメントにより行われる。

【0022】

励起光学系の位相調整器１０４のそれぞれに設定する位相遅れ量を決定するため、励起光学系が出射する励起光１２の状態を測定する光モニタ１０７が設けられている。図５に光モニタ１０７の構成を示す。光モニタ１０７は、透過ミラー１１１、結像レンズ１１０、撮像素子１１３を備える。透過ミラー１１１は、入射された励起光１２の大部分（例えば、90%以上）を透過させ、一部の励起光１２（例えば10%以下）を反射させる光学素子であり、透過ミラー１１１からの反射光をサンプル光１１２として取り出す。励起光学系が出射する励起光は平行光線であるので、図では平行光１２，１２ｂをそれぞれ３本の直線によって表現している。結像レンズ１１０の光軸は、中心軸１０１と直交するように配置されるとともに、結像レンズ１１０と撮像素子１１３との間隔は結像レンズ１１０の焦点距離とされている。焦点距離は、撮像素子１１３において以下に説明する調整を精度よく行えるような値となるように選択する。

【0023】

励起光学系が出射する励起光が中心軸１０１に平行であるときに、サンプル光１１２は撮像素子１１３で一点に集光される。位相制御装置１０８は、撮像素子１１３上に形成されるサンプル光像の形状が集光された状態の像となるよう、各位相調整器１０４の位相遅れ量を調整し、調整された各位相調整器１０４の位相遅れ量を示す位相遅れ量データをそのストレージに記憶する。このとき、光結合器１０６に入射される分配された光１０９それぞれの位相が一致するように調整されたことにより、励起光学系から傾き角θ＝０（（θ_x，θ_y）＝（０，０））の励起光１２が出射されることになる。

【0024】

続いて、位相制御装置１０８は、傾き角θ＝０の位相調整値から各位相調整器１０４の位相遅れ量を少しずつずらし、光モニタ１０７は撮像素子１１３上に形成されるサンプル光像の位置をモニタする。撮像素子１１３上のサンプル光像の位置は、図１Ｂに示したカソード表面Ｐ上の励起光の集光点に対応する。したがって、カソード表面Ｐ上の点Ｏ₁と集光点ｓ_iとの相対位置が、撮像素子１１３における傾き角θ＝０の位相調整値のときのサンプル光像の位置と各位相調整器１０４の位相遅れ量をずらしたときのサンプル光像の位置との相対位置に対応するよう、各位相調整器１０４の位相遅れ量を調整し、調整された各位相調整器１０４の位相遅れ量を示す位相遅れ量データをそのストレージに記憶する。集光点ｓ_i毎に同じ処理を繰り返すことで、各集光点（電子源）ｓ_iについての位相遅れ量データが位相制御装置１０８のストレージに記憶される。

【0025】

光励起電子銃の制御について図１Ｃ及び図１Ｄを用いて説明する。電子顕微鏡の制御装置から、光励起電子銃が発生させるパルス電子ビームの周期やパルス幅などの情報を含む制御信号２８がコントローラ２６に送られる。コントローラ２６は、パルス電子ビームの周期やパルス幅にあわせた励起光１２を発生させるよう、パルス光電源２５に発光制御信号２７ａを、位相制御装置１０８に発光制御信号２７ａと同期した位相制御信号２７ｂを出力する。

【0026】

本実施例の励起光学系では、励起光１２のパルス幅はマイクロ秒より長くとも、ピコ秒より短くても制御可能であるが、電子顕微鏡におけるパルス電子ビームの応用という観点からは、ナノ秒からピコ秒のパルス幅のビームの有用性が高い。また、本実施例の励起光学系は機械的な可動部品により励起光の放出方向を制御するものではないため、高速制御できることが利点である。走査型電子顕微鏡のスキャン中に各画素を１パルス以上の電子ビームで観測するためには、励起光の繰り返し周波数を１ＭＨｚあるいはそれ以上とすることが望ましい。本実施例の励起光学系では、100 ＭＨｚ程度までの繰り返し周波数の励起光を問題なく出射させることができる。

【0027】

図１Ｄに各集光点ｓ_i（ｉ＝１～４）での光強度Ｉのタイムチャートを示す。集光点ｓ_iは図１Ｂに示した集光点ｓ_iである。レーザー光源２４は周期ｔ_dでパルス幅ｔ_pのパルスレーザー光を放出し、位相制御装置１０８は、位相制御信号２７ｂを受けて、パルスレーザー光毎に、ストレージに格納した位相遅れ量データを位相調整器１０４に切り替え設定することにより、図１Ｂに示されるように、カソード表面Ｐの異なる場所に励起光を照射させる。各集光点ではそれぞれ周期Ｔのパルスレーザー光で励起されるので、各集光点（電子源）ｓ_iからは、タイミングがずれた同じタイムチャートでパルス電子ビームが放出されることになる。レーザー光源２４の周期ｔ_dと各電子源ｓ_iでの電子放出の周期Ｔとの関係は（式２）で表せる。
Ｔ＝ｎ・ｔ_d・・・（式２）
ｎは集光点の数であり、図１Ｄの例ではｎ＝４である。

【0028】

実施例１の光励起電子銃を用いた走査電子顕微鏡の概略構成（第１の電子顕微鏡構成）を図６に示す。光励起電子銃１５は真空容器９と図１Ａに示した励起光集束光学系とを含み、真空容器９中で、フォトカソード１は引き出し電極３に対して加速電源５から加速電圧－Ｖ₀が印加されたカソードホルダ４上に置かれ、フォトカソード１から発生するパルス電子ビーム１３は加速Ｖ₀で真空容器９の開口部１４を通って、電子光学筐体１６に入る。励起光１２は窓６を通って真空容器９中に取り込まれる。電子光学筐体１６は、コンデンサレンズ３１、電子レンズ１７、対物レンズ２９などの電子レンズ類により縮小されたパルス電子ビーム１３が試料２０に入射され、ここから発生する電子を電子検出器１９で電気信号に変換する。パルス電子ビーム１３は偏向器１８により試料２０上に入射する位置を変えられ、画像形成部（図示しない）は、この位置情報と電子検出器１９からの信号を画像として構成して走査電子顕微鏡像（ＳＥＭ画像）が得られる。

【0029】

図７Ａに図６に示した電子光学系の詳細を示す。電子光学系の光軸３４に対して離れた位置に形成された励起光の焦点（Ｓ_k）から放出されるパルス電子ビームの軌道３０は引き出し電極３を通過し、光軸３４に対して、より離軸する方向に進み、コンデンサレンズ３１により振り戻され、このままでは軌道３０ｂ（破線）をとるが、アライナ８によって偏向され、光軸３４に一致する軌道３０ａとなる。図１Ｄに示したように、時間によってフォトカソード１上の異なる電子源ｓ_i（ｉ＝１～ｎ）が電子放出するため、電子源ｓ_iから放出されるパルス電子ビームが同じ軌道３０ａとなって、試料上の同じ位置に照射されるよう、アライナ８の偏向量は電子源ｓ_iに応じて制御される。このため、アライナ８による電子ビームの偏向量（偏向の向き、大きさを含む）を制御するアライナ電源３３は、顕微鏡の制御装置３２から発光制御信号２７ａと同期して出力される偏向制御信号２８ｂによって制御される。アライナ８としては、電子ビームを磁界により偏向するもの、電界により偏向するものなどが用いられる。パルス電子ビームのパルス幅、あるいは次のパルス電子ビームの放出までの間隔が短い場合は、高速の静電アライナが好適である。この結果、試料２０に入射するパルス電子ビーム１３のプローブ電流Ｉ_pは図７Ｂに示すように、各電子源ｓ₁～ｓ₄からのパルス電子ビームのプローブ電流Ｉ_p1～Ｉ_p4の和となり、実質的な輝度は１本のパルス電子ビームの場合の４倍となる。なお、電子源の数は複数であれば高輝度化の効果があり、電子源の数を例えば１０、１００などと増加させることにより、さらに一層の高輝度化を達成することができる。

【0030】

なお、アライナ８はパルス電子ビーム１３を電子光学系の光軸３４に一致させるように偏向させる例で説明したが、１本のビームに見えれば同様の効果があるので、偏向後の軌道は傾いていてもよい。すなわち、電子源ｓ_i（ｉ＝１～ｎ）からのパルス電子ビームのアライナ８による偏向後の軌道が同じになっていればよい。

【0031】

さらに各電子源ｓ₁～ｓ₄からのパルス電子ビームの軌道を揃えるためにアライナ８ではなく、偏向器１８（図６参照）に対して、偏向信号に電子源の位置の違いによる軌道差を補正する信号を重畳させても同様の効果を得ることができる。この場合、偏向制御信号２８ｂは、偏向器１８に入力され、かつ電子源の位置と電子光学系の倍率及び回転角とに基づく補正情報を含む。

【0032】

励起光集束光学系の最適な一例を説明する。集光レンズ２に、透明基板１１を厚さ1.2 ｍｍ、屈折率が1.5 程度のガラス等とする場合に最適化された開口数（Numerical aperture）ＮＡ＝0.5、焦点距離ｆ＝4.2の非球面レンズを用いる場合、フォトカソード１に集光される励起光は軸中心からおよそ80 μｍ以内の場所では励起光の波長での回折限界まで絞り込まれている。このため、高い輝度を得るためには、中心軸から80 μｍ以内の領域に電子源ｓ_iが形成されるようにすればよい。このため、励起光の傾きθは中心軸から17 ｍｒａｄ以内を選ぶ。なお、高い輝度を得るには開口数が大きい、例えば、ＮＡを0.4 以上の集光レンズ２を用いることが望ましく、特に上記仕様を満たす非球面レンズは光学記録媒体用のピックアップとして利用されているため、低コストに入手できる利点を有している。

【0033】

光電膜１０としては、表面にＣｓを主とする仕事関数低下被膜を設けたｐ型ＧａＡｓを主成分とする化合物半導体膜を用い、負の電子親和力を用いた電子源（ＮＥＡ電子源）を形成する。発明者らの検討によれば、このような光電膜に連続発振した励起光を照射し続ける場合、電子源としての最大の輝度は１×１０⁷Ａ/ｓｒ/ｍ²/Ｖ程度であった。この値は、高分解能電子顕微鏡で用いられているＺｒ－Ｏ／Ｗを加熱して用いるＳＥ（Schottky Emission）電子源と同等である。これに対して、最高分解能の電子顕微鏡には、より輝度の高い冷陰極電界放出（Cold Field Emission：ＣＦＥ）電子源が用いられており、ＣＦＥ電子源はＳＥ電子源の１０倍程度の輝度を有しているため、少なくともこれと同等輝度の電子源を実現できなければ、ＮＥＡ電子源を用いた最高分解能の電子顕微鏡は実現できない。

【0034】

ＮＥＡ電子源に対して、連続発振した励起光ではなく、パルス幅10 ｎ秒程度のパルス励起光を照射すると、瞬間的にはＣＦＥ電子源と同等、あるいはＣＦＥ電子源を超える輝度が得られることが見出された。しかしながら、電子顕微鏡の電子源とするには、時間平均したプローブ電流量Ｉ_pが十分な値となる必要がある。このため、光電膜１０にパルス励起光を連続的に照射させたところ、単発のパルス励起光を照射したときの輝度値から期待されるプローブ電流量は得られなかった。すなわち、パルス励起光を連続的に照射して得られる電子源の特性は、連続発振した励起光を照射して得られる電子源の特性に近づくことが分かった。そこで、１つのＮＥＡ電子源ではパルス励起光を使っても、時間平均すると高輝度化は達成できないと結論付け、１つのフォトカソードに複数のＮＥＡ電子源を形成する本実施例の構成を想到するに至った。ＮＥＡ電子源の場合、フォトカソード上における励起光の集光点が電子源となるため、パルス励起光により瞬間的に輝度の高い電子ビームを発生させるＮＥＡ電子源を異なる場所に複数形成可能であり、ＮＥＡ電子源からのプローブ電流が重ならないように時間分割して電子ビームを発生させることで、電子光学系の高輝度電子源として利用することができる。電子光学系の電子源を高輝度化することによって、電子顕微鏡はさらなる高分解能化が可能となるとともに、プローブ電流が増加することにより測定の短時間化が達成される。時間分割する電子源の数を例えば１０、１００などと増加させることにより、さらに一層の高輝度化を達成することが容易になる。

【0035】

また、フォトカソード１として、透明基板１１に厚さ1.2 ｍｍのガラスを用いたフォトカソードではなく、より高輝度な単結晶半導体透明基板６０を用いたフォトカソードを用い、かつ、集光レンズ２には上述した非球面レンズをそのまま用いる場合には、図８に示すように、集光レンズ２とフォトカソード１との間に球面収差補整板６１を入れる。球面収差補整板６１の屈折率と厚さは、励起光が単結晶半導体透明基板６０内を通り、光電膜１０上に回折限界の小さい焦点を結ぶように決定される。

【0036】

ＮＥＡ電子源の特徴として、カソード表面の仕事関数を低減しているＣｓが徐々に蒸発するために、同じ強度の励起光を照射しても時間が経過するにつれて、放出されるプローブ電流が減少するという現象がある。このため、長時間プローブ電流を一定に保ちたい場合には、電子光学系におけるパルス電子ビームの電流量や輝度の低下を検知するため、図６に示すようにファラデーカップ３５を電子ビームの経路上に置いて、電流検出器３６によりパルス電子ビームの電流量の変動を検出する。制御装置３２は、検出された電流量が低下していると判断した場合には、平行光源７に制御信号２８を送る。制御信号２８を受けたコントローラ２６は、励起光１２の強度を調節するため、レーザー光源２４の出力、および／または光増幅器１０５の増幅率などを調節する。あるいは、コントローラ２６は、フォトカソード１上の電子源として使われていなかった位置に励起光を集光するよう、各位相調整器１０４での位相遅れ量の設定を別の位相遅れ量データに変更することにより、励起光１２ｂの傾きθ（θ_x、θ_y）を変更してもよい。この場合は、新たな電子源からパルス電子ビームを放出させることにより、プローブ電流量が回復する。

【0037】

図６では、ファラデーカップ３５は出し入れ式として、電流量モニタタイミングに合わせて、ファラデーカップを電子ビーム中に置いたり引き抜いたりすることが可能な構造としている。これに対して、ファラデーカップ３５を電子ビームの軌道上に固定して、継続的に電流量をモニタ可能にしてもよい。その場合は、中心に穴を設けるなどして試料２０に照射する電子ビームを通す構造とする。あるいは、標準試料から発生する二次電子や反射電子を電子検出器１９で検出した信号を用いてもよい。または、試料２０に流れ込む吸収電流をモニタしてもよい。吸収電流は、試料２０を載置する試料台を、電流計を介してＧＮＤに接続することで電子ビームの変動をモニタすることができる。

【0038】

本実施例の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、ポンプ・アンド・プローブ法による観察に有効である。ポンプ・アンド・プローブ法とは、試料をパルスレーザーなどにより励起させ、励起からの経過時間に伴い試料が変化していく様子をＳＥＭで観察するものである。ＳＥＭは、試料への励起光照射と同期させてパルス電子ビームを試料に照射し、発生する二次電子や反射電子の量を検出する。試料に対する励起光照射のタイミングからパルス電子ビーム照射のタイミングを変化させることによる、発生する二次電子や反射電子の量の変化から、試料の時間変化を捉えることができる。本実施例の電子銃は高輝度の電子源を実現できるため高分解能で微細構造を観察できる。上述のようにポンプ・アンド・プローブ法では、試料への励起光照射とパルス電子ビーム照射とを同期させる必要がある。このため、フォトカソード１に対する励起光（レーザー光源２４からのレーザー光）、もしくは試料に照射する励起光の一部を取り出し、他方の励起光のトリガーもしくは種光とすることにより、時間誤差（ジッター）の少ない高時間精度の測定が可能となる。

【0039】

また、フォトカソード１として上述した以外の半導体系の材料、例えばＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＡｓ、ＧａＰなどを用いてもよい。さらに、本実施例の電子銃構成は、量子効果が低く、通常は輝度の低い電子源となる金属系のフォトカソードの高輝度化にも有効である。一般に、金属やＬａＢ_６、ＣｅＢ_６のようなバンドギャップがない材料では光入射による電子放出の量子効率が低いため輝度が低く、電子顕微鏡のフォトカソードとして用いた場合には、空間分解能を高くすることが困難である。放出電流量を増やそうとして励起光の強度を上げると、材料へのダメージや蒸発によりカソードが破損してしまうためである。このようなフォトカソードに対しても、時間分割して電子放出位置を変えることでカソード面の損傷を最低限に抑えて高輝度化による高分解能、もしくは高速の観察が可能となる。

【実施例2】

【0040】

図７Ａの電子光学系では、複数のＮＥＡ電子源からのパルス電子ビームを試料２０の１点に照射するよう軌道の制御を行っているのに対し、このような軌道の制御をおこなうことなく、試料２０に照射してもよい。この場合、ＮＥＡ電子源からのパルス電子ビームは、電子源の位置に応じてそれぞれ異なった位置に照射されることになる。この場合の走査型電子顕微鏡の構成（第２の電子顕微鏡構成）は図６と同様であるが、電子ビームの軌道を制御するためのアライナ８または偏向器１８への偏向制御信号２８ｂは不要になる。ただし、後述するように、走査電子顕微鏡の空間分解能によっては、画像形成時に電子源に応じた検出信号の弁別が必要になるため、制御装置３２は、発光制御信号２７ａと同期して出力される弁別信号２８ｃを出力する。

【0041】

図９Ａに第２の電子顕微鏡構成の検出系を示す。図９Ａに示すように、パルス電子ビームの軌道制御を行わない場合、電子源ｓ₁～ｓ₄からのパルス電子ビームはそれぞれ、試料２０の位置ｐ₁～ｐ₄に、時間分割して入射される。図には、電子源ｓ₁からのパルス電子ビーム１３－１が試料２０の位置ｐ₁に入射されている様子を示している。パルス電子ビームが入射されることによって試料表面から発生する電子７３は電子検出器１９により検出される。

【0042】

パルス電子ビーム１３は、図９Ｂに示されるように、偏向器１８により試料２０表面のｘ－ｙ面上を偏向制御される。例えば、偏向器１８は、パルス電子ビームの電子軌道７２をまずｘ方向に掃引し、次にｙ方向に所定距離ずれた位置に移動して再度ｘ方向に掃引する方式（ラスタースキャン方式）により、二次元の測定領域を走査する。図９Ｃに走査方向と電子源ｓ₁～ｓ₄からのパルス電子ビームが照射される位置ｐ₁～ｐ₄との関係を示す。位置ｐ₁～ｐ₄は、電子軌道７２がｘ方向に掃引されたときの位置ｐ₁～ｐ₄の軌跡７４の隣接するもの同士のｙ方向の距離Ｌが等しくなるように配置されている。位置ｐ₁～ｐ₄は、各電子源に集光する励起光の傾きθ（θ_x，θ_y）により、したがって、励起光学系において各位相調整器１０４に設定される位相遅れ量により調整することができる。高精度の位置決めを行う場合には、所定のパターンを設けた校正用試料を用いてパルス電子ビームが照射される位置ｐ_１～ｐ_４をキャリブレーションするとよい。

【0043】

図９Ｄは、電子源ｓ₁～ｓ₄からのパルス電子ビーム１３を試料２０に照射することにより発生する電子が、電子検出器１９により検出されることによって出力される検出信号Ｓ_pの大きさを示したものである。パルス電子ビーム１３が照射された位置における試料２０の状態（形状、組成など）に応じて、強度の異なる検出信号Ｓ_pが出力される。

【0044】

ここで、図９Ａに示す位置ｐ₁～ｐ₄間の間隔が、所望の空間分解能よりも十分小さい場合は、各位置からの検出信号を弁別する必要なく、同一位置からの検出信号とみなして、ＳＥＭ像を形成すればよい。例えば、光電膜１０上の電子源ｓ₁～ｓ₄は最大で互いに100 μｍ離れており、電子光学系の縮小率が１／１０００であったとする。この場合、位置ｐ₁～ｐ₄の間は最大で100 ｎｍ離れることになる（なお、図９Ｃの例では、軌跡７４－１と軌跡７４－４との間の間隔である距離３Ｌが最大の距離である）。したがって、所望の空間分解能が100 ｎｍより大きい場合には、照射位置の異なるパルス電子ビームを１本のビームとして扱うことができる。

【0045】

これに対して、上述の例で所望の空間分解能が100 ｎｍ以下の場合には、電子源ｓ₁～ｓ₄からのパルス電子ビームを照射したときの検出信号を、それぞれ位置ｐ₁～ｐ₄からの検出信号として独立に扱う。このため、図９Ａの検出系では、電子検出器１９からの検出信号を増幅するプリアンプ７１と増幅された検出信号を弁別する検出信号弁別部７０を設けている。検出信号弁別部７０は制御装置３２からの弁別信号２８ｃにより、プリアンプ７１から出力される検出信号が、どの電子源からのパルス電子ビームを照射したことによって得られた検出信号であるかを弁別する。なお、ここでは、弁別信号２８ｃによりスイッチにより検出信号を弁別する例を示したが、検出信号をデジタル信号化した後、信号処理により弁別する構成としてもよい。

【0046】

画像形成部がこのように弁別した検出信号を試料上の異なる位置の検出信号として画像を形成することにより、第１の電子顕微鏡構成と同等の高解像画像を得ることができる。第２の電子顕微鏡構成の場合、パルス電子ビームの軌道を制御する第１の電子顕微鏡構成における掃引速度の１／４の掃引速度とすれば、図９Ｃに示すように、一度に４本のパルス電子ビームを掃引しているので、１枚のＳＥＭ画像を得るためのトータルのプローブ電流量は同じになるためである。

【0047】

また、第２の電子顕微鏡構成のより積極的な応用としては、試料上で測定したいポイントが限られている場合、そのポイントに配されるように位置ｐ_i（ｉ＝１～ｎ）を決めてパルス電子ビームを照射すると、きわめて高速な測定が可能となる。

【0048】

また、パルス電子ビームを発生させる励起光の繰り返し周波数を高速にすることで、測定時間を短縮できる一方、図９Ａのように電子検出器１９を時間分割により位置ｐ_iごとの検出信号を得る検出系の構成では、検出系の応答特性がパルス電子ビームの切り替え速度に追随できなくなる可能性がある。この場合には、検出系を投影光学系とし、位置ｐ_iごとの信号電子を投影光学系により拡大して撮像装置に結像させることでＳＥＭ像を得ることができる。投影光学系による検出系は、検出系のレスポンス速度が例えばシンチレータの残光特性などにより限界がくる場合にも有効である。

【0049】

図９Ｂにおいて、パルス電子ビームをラスタースキャンする例を示したが、これに限らず、ベクタースキャンやランダムスキャンなども用途に応じて適用可能である。

【実施例3】

【0050】

実施例１、実施例２では、フォトカソード１上の複数の位置を電子源としてパルス電子ビームを放出させる例であるが、フォトカソード１上の１か所を電子源としてパルス電子ビームを放出させることも可能である。この構成では電子源の輝度は実施例１、実施例２に及ばないものの、通常のＳＥＭなどの電子光学系がそのまま使えること、パルス電子ビームを放出させる繰り返し周波数を高くできるので、速いスキャンに対応できること、などの利点がある。レーザー光源２４としてダイオードレーザーが使えることで、安価であり、パルス幅や繰り返し周波数の選択肢が広く、任意の時間変化する周波数のパルス光も形成できるので、使い勝手がよい。

【0051】

図１０にフォトカソード１上に単一の電子源を形成する励起光学系の構成を示す。励起光学系の基本的な構成は図１Ｃに示した構成と同様であるため、同じ構成要素については同じ符号を付して示し、重複する説明は省略する。励起光１２が中心軸１０１に平行に出射しているかどうかを測定する光モニタ８０１が設けられている。光モニタ８０１は図５に示した構成をそのまま用いることも可能であるが、ここではより簡素化された構成の光モニタを示す。光モニタ８０１は透過ミラー８０２と光ディテクタ８０３を有している。光ディテクタ８０３は、励起光１２が中心軸１０１に平行であるときに、透過ミラー８０２からの反射光が受光面に垂直に入射するように配置されている。位相制御装置８０４は、励起光学系の各位相調整器１０４の位相遅れ量を調整し、光ディテクタ８０３は透過ミラー８０２からの反射光の強度をモニタし、検出される反射光の強度が最大になったときに、励起光１２は中心軸１０１に平行になっている。このときの各位相調整器１０４の位相遅れ量を位相制御装置８０４のストレージに記憶する。

【0052】

本実施例の電子銃構造は図１Ａあるいは図８と同じであり、適用される電子光学系は図６に示すものと同様だが、複数の電子源に対応するための構成は不要である。具体的には、図１０の励起光学系において位相制御装置８０４はパルスレーザー光毎に各位相調整器１０４の位相遅れ量を切り替えるための位相制御信号２７ｂは不要であり、図６の電子光学系において電子ビームの軌道を制御するためのアライナ８または偏向器１８への偏向制御信号２８ｂは不要である。

【0053】

光分配器１０３、光結合器１０６としてハーフミラーを使っても、同様の励起光学系を構成できる。図１１Ａに、その構成例を示す。ハーフミラーは入射されたレーザー光の半分を透過させ、レーザー光の半分を反射させる光学素子である。レーザー光源２４からのパルスレーザー光は光分配ハーフミラー９０１により透過光と反射光の２つのレーザー光に分配され、それぞれ位相調整器１０４と光増幅器１０５により、位相の調整と増幅がなされた後、再度光結合ハーフミラー９０３で結合され、１つの励起光１２となる。光分配ハーフミラー９０１からの透過光と反射光は進行方向が９０度の角度を持っているため、光結合ハーフミラー９０３で結合させるために、両方の光路にはミラー９０２が配置されている。図１０と同様に、励起光１２が中心軸１０１に出射しているかどうかを測定する光モニタ８０１が設けられている。位相制御装置９０４は、励起光学系の各位相調整器１０４の位相遅れ量を調整し、光ディテクタ８０３は透過ミラー８０２からの反射光の強度をモニタし、検出される反射光の強度が最大になったときに、励起光１２は中心軸１０１に平行になっている。このときの各位相調整器１０４の位相遅れ量を示す位相遅れ量データを位相制御装置９０４のストレージに記憶する。

【0054】

図１１Ｂに光モニタの別の構成例を示す。図１１Ｂの例では、光結合ハーフミラー９０３の励起光１２の取り出し方向とは反対側に設けた光ディテクタ９０５を光モニタとする。光分配ハーフミラー９０１で分配されたレーザー光の位相がずれたまま結合される場合には、位相のずれに応じて非結合光９０６が出射される。光ディテクタ９０５で検出される非結合光９０６が最小になるように各位相調整器１０４の位相遅れ量を調整する。

【0055】

なお、ハーフミラーではレーザー光は２本に分岐される。光分配ハーフミラー９０１からの透過光、反射光をそれぞれハーフミラーで分岐させることにより、合計４本に分岐することができる。このように、ハーフミラーを光分配器、光結合器として用いる場合にも、分岐数を任意に設定できる。

【0056】

ハーフミラーの代わりに偏向ビームスプリッタ（Polarizing Beam Splitter：ＰＢＳ）を用いても同様の励起光学系を構成できる。この場合、分配されたレーザー光１０９はそれぞれ直線偏光となるので、再結合させるときには、偏光状態についても調整する必要がある。

【0057】

高分解能観察時には、試料上での電子ビームの径を最小にするため、図１Ａあるいは図８に示すように平行光源７から放出する励起光１２は、フォトカソード１の光電膜１０上に最良の焦点を結ぶよう、平行で波面のそろったコヒーレント光であることが望ましい。この条件が乱れると、試料上での電子ビームの径が大きくなる。本実施例の励起光学系は、分配されたレーザー光の位相を制御することで、簡単に条件を変更できるため、分配されたレーザー光の位相がずれた状態を積極的に利用することもできる。

【0058】

例えば、励起光学系において分配されたレーザー光の位相を完全に合わせずに、１つ以上の位相調整器の位相遅れ量をずらすことにより、励起光１２の強度と平行性を劣化させると、集光レンズ２により形成される光電膜１０上の焦点も強度が下がり、集光径も広がることになる。この不完全な結合でのパルスレーザー光によりできるパルス電子ビームは光源径が広く電流量は少ないので、試料上に照射される電子線プローブは、径が大きく、電流量は減少する。この電子線プローブを観察用の電子線プローブのパルス幅よりも長くして試料に照射することにより、観察中の試料の帯電を除去することができる。これにより、ＳＥＭ観察中に他の条件を一切変えることなく帯電を防ぎながら観察できる。

【0059】

フォトカソード１の光電膜１０としては、前出のＧａＡｓ系のＮＥＡ電子源に限らず、ＧａＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＧａＮ，ＩｎＧａＮなどでもよく、また、金などの金属膜でもよい。

【0060】

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能なものである。例えば、電子顕微鏡の例として走査電子顕微鏡を例に説明したが、透過電子顕微鏡、走査電子顕微鏡などの各種電子ビーム応用装置に適用できる。また、電子ビームが照射されることにより発生する電子（二次電子、反射電子等）を検出する電子検出器を備える電子ビーム応用装置に限られず、特性Ｘ線を検出する検出器など他の検出器を備えていてもよい。

【符号の説明】

【0061】

１：フォトカソード、２：集光レンズ、３：引き出し電極、４：カソードホルダ、５：加速電源、６：窓、７：平行光源、８：アライナ、９：真空容器、１０：光電膜、１１：透明基板、１２：励起光、１３：パルス電子ビーム、１４：開口部、１５：光励起電子銃、１６：電子光学筐体、１７：電子レンズ、１８：偏向器、１９：電子検出器、２０：試料、２４：レーザー光源、２５：パルス光電源、２６：コントローラ、２７ａ：発光制御信号、２７ｂ：位相制御信号、２８：制御信号、２８ｂ：偏向制御信号、２８ｃ：弁別信号、２９：対物レンズ、３０：パルス電子ビームの軌道、３１：コンデンサレンズ、３２：制御装置、３３：アライナ電源、３４：電子光学系の光軸、３５：ファラデーカップ、３６：電流検出器、５１：電気光学素子、５２：電圧印加電源、５３：半導体増幅素子、５４：電流印加電源、５５：光増幅ファイバー、５６：ポンプ光源、５７：カプラ、５８：波長変換器、６０：単結晶半導体透明基板、６１：球面収差補整板、７０：検出信号弁別部、７１：プリアンプ、７２：パルス電子ビームの電子軌道、７３：電子、７４：軌跡、１０１：励起光集束光学系の中心軸、１０３：光分配器、１０４：位相調整器、１０５：光増幅器、１０６：光結合器、１０７：光モニタ、１０８：位相制御装置、１０９：分配されたレーザー光、１１０：結像レンズ、１１１：透過ミラー、１１２：サンプル光、１１３：撮像素子、１１４：回折光学素子、１１５：コリメータ、１１９：レーザー光、８０１：光モニタ、８０２：透過ミラー、８０３，９０５：光ディテクタ、８０４、９０４：位相制御装置、９０１：光分配ハーフミラー、９０２：ミラー、９０３：光結合ハーフミラー、９０６：非結合光。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図9C】

【図9D】

【図10】

【図11A】

【図11B】