CN100585785C - 场致发射型电子枪及使用了该电子枪的电子束装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有不会破坏纤维状碳物质前端部，可去除其前端部存在的非晶碳的机构的场致发射型电子枪及其运转方法。为解决本发明的课题的机构的场致发射型电子枪，其包括：由单一的纤维状碳物质和支撑其的导电性基体材料构成的场致发射型阴极；使电子场致发射的引出装置；以及使电子加速的加速装置；该场致发射型电子枪具备：加热该场致发射型阴极的机构以及对该场致发射型阴极施加不使电子进行场致发射电的极性的电压的机构。
Description
技术领域
本发明涉及一种场致发射型电子枪及装备了该电子枪的电子束应用装置。
背景技术
以往，作为场致发射型阴极，单晶钨阴极是唯一被实用化了的。如果将使用了单晶钨阴极的场致发射型电子枪使用2～12小时，则由于阴极表面的形状变化及阴极表面对气体的吸附，发射电流会变得不稳定。为此，需要定期地对钨阴极进行通电加热的加热闪弧作业(以下称为闪弧)。通过进行闪弧，由于阴极表面熔融，由离子冲击形成的凹凸修复的同时，阴极表面的吸附原子脱离，所以发射电流稳定化。
另外，通过场致蒸发法也能实现使阴极表面的吸附原子脱离。这是通过向阴极前端施加高电场，利用电场与吸附原子的电偶极子的相互作用力超过阴极对吸附原子的束缚力时所产生的吸附原子的脱离。在日本特开昭52-127060(专利文献1)号公报中，作为由碳材料、碳化物材料或硼化物材料构成的场致发射型阴极表面的清洁方法，公开了场致蒸发法。在这种场合，既不进行也不需要阴极表面的平滑化。
发明内容
如果在场致发射型阴极上使用石墨纳米管，则场致发射电子的能量幅度窄，虽然能得到高亮度的电子射线，能以低电压进行电子发射，但存在的问题是，场致发射特性不稳定，不能得到稳定的发射电流。本发明的第一目的在于提供具有上述特性及发射电流稳定的电子束应用装置。
图1是将单一的石墨纳米管接合在导电性基体材料上的场致发射型阴极的石墨纳米管前端部的SEM照片。由此可以得知非晶石墨层(图中虚线部分)存在于石墨纳米管的最外层。
石墨纳米管与导电性基体材料的接合是在电子显微镜内照射电子射线进行的。在电子显微镜的试样室中存在微量的烃，在石墨纳米管上照射电子射线时，该烃被分解，在石墨纳米管表面生成非晶碳。如果在石墨纳米管前端存在这样的非晶碳层，则会对场致发射特性带来恶劣影响，同时不能得到稳定的发射电流。为了去除该非晶碳，可对石墨纳米管阴极施加高电场，能利用非晶碳的电场蒸发及离子冲击将其去除。但是，用该方法，不仅是非晶碳，构成石墨纳米管的碳原子也被去除，石墨纳米管前端部被破坏，会发生如图2所示的前端打开的问题。
本发明的第二目的在于提供具备不会破坏纤维状碳物质前端部并能去除该前端部存在的非晶碳的机构的场致发射型电子枪及其运转方法。
为实现本发明的第二目的的机构是场致发射型电子枪，其具有：由单一的纤维状碳物质和支撑其的导电性基体材料构成的场致发射型阴极；使电子场致发射的引出装置；以及使电子加速的加速装置；该场致发射型电子枪具备：加热该场致发射型阴极的机构；以及对该场致发射型阴极施加不使电子场致发射的极性的电压的机构。具体地说，所谓不进行场致发射的极性的电压是与上述的进行场致发射的电压相反极性的电压。
本发明的场致发射型电子枪的运转方法是，一面对该场致发射型阴极加热一定时间，一面对该场致发射型阴极施加不使电子场致发射的极性的电压后，使电子场致发射。由此，可以不破坏纤维状碳物质的前端部，能够使该前端部存在的非晶碳的厚度为1nm以下。为实现本发明的第二目的的机构是将本发明的场致发射型电子枪及其运转方法应用于各种电子束应用装置。
根据本发明，通过使用上述装置、运转方法，可以不破坏场致发射型电子枪的纤维状碳物质前端部，能够去除其前端部存在的非晶碳。
另外，能够提供发射电流稳定的电子束应用装置。
附图说明
图1表示的是将单一的石墨纳米管接合在导电性基体材料上的场致发射型阴极的石墨纳米管前端部的SEM照片。
图2表示的是将单一的石墨纳米管接合在导电性基体材料上的场致发射型阴极的前端部被破坏，打开了的石墨纳米管前端部的SEM照片。
图3表示的是本实施例的场致发射型电子枪的结构图。
图4表示的是本发明的通过加热、电场同时进行清理去除了非晶碳的场致发射型阴极的石墨纳米管前端部的SEM照片。
图5表示的是本实施例的场致发射型阴极的前端部的SEM照片。
图6表示的是使用了本发明的场致发射型电子枪的扫描型电子显微镜的整体结构例子。
图7表示的是使用了本发明的场致发射型电子枪的电子射线描绘装置的整体结构例子。
具体实施方式
下面，参照附图详细说明本发明的实施方式。
图3表示的是本实施例的电子枪结构。本实施例的电子枪包括：由单一的纤维状碳物质和支撑其的导电性基体材料构成的场致发射型阴极；使电子场致发射的引出电极11；使电子加速的加速电极12；能够在该引出电极-该阴极之间施加两个极性的电压的引出电源9；对该加速电极施加电压的加速电源10；对场致发射型阴极进行通电加热的加热电源7；以及对场致发射型阴极施加不使电子场致发射的极性的电压的电源9。
下面，用图3说明本发明的场致发射型电子枪的具体的运转方法。在利用加热电源7将阴极通电加热到800℃以上的状态下，利用引出电源9对阴极施加不使电子从阴极场致发射的极性的电压，即：这种场合，对阴极施加相对于引出电极11为正的电压。该施加电压需要通过场致蒸发或离子冲击能去除纤维状碳物质前端存在的非晶碳的程度的电压。根据本发明的发明人们的实验，通过施加为发射电子所需的引出电压的10倍左右的电压，则能够去除纤维状碳物质前端存在的非晶碳。随电子枪的构造而异，引出电压为100V～1kV左右，净化电压为1kV～20kV左右。如果净化电压过大，CNT前端被破坏，如果过小，则非晶碳不能完全去除。
净化处理的时间随附着在CNT上的非晶碳的厚度和净化处理所使用的电压而不同，但最好不要经时间非常长的净化，因为当去除了非晶碳后还继续施加电压时，CNT本身会由于离子冲击而被破坏。
为进行净化处理，只要仅将CNT前端加热到800℃左右即可，作为通电加热以外的方法，可列举用加热器烘烤等的加热、间接加热等。另外，从温度控制、简易性方面出发，最好是通电加热。
另外，在不加热阴极，通过施加正电压去除纤维状碳物质前端存在的非晶碳的场合，如图2所示，也确认了纤维状碳物质的前端构造被破坏了。发明者们发现，在施加正电压的同时，由于将阴极加热到800℃以上，纤维状碳物质前端部会自动修复。通过该操作，如图4所示，能够不破坏纤维状碳物质的前端部，而去除、净化非晶碳。以后，将该操作称为加热、电场同时清理。
另外，在进行了加热、电场同时清理后，与通常的场致发射型电子枪的运转方法同样，结束通电加热，切换引出电源的极性，对阴极施加负电压，从阴极发射电子。另外，加热、电场同时清理通常只要在阴极更换时的初次运转前进行即可。这是因为可以认为，若非晶碳一旦被去除，只要不是敞开在大气中，则难以再次附着，所以，净化处理只要在阴极更换时进行一次，以后就不需要了。
在此，为了进行加热、电场同时清理，纤维状碳物质与支撑其的基体材料的接合强度及接合部的耐热性成为大问题。以下，说明纤维状碳物质与支撑其的基体材料的具体的接合法。
图5表示的是本实施例的场致发射型阴极前端部的SEM照片。场致发射型阴极是由单一的石墨纳米管等的纤维状碳物质和导电性基体材料及支撑其的绝缘性的支撑座以及电极构成的。纤维状碳物质与导电性基体材料的接合部用导电性覆盖层加强。
作为导电性基体材料的材质，虽没有特别的限定，但从熔点、耐氧化性、机械强度方面出发，最好是贵金属(具体说是金、银、白金族)、晶质碳或高熔点金属(具体说是钨、钽、铌、钼等)。
另外，为了能控制导电性基体材料的中心轴与纤维状碳物质形成的角度，对于由化学蚀刻等使前端锐利化了的导电性基体材料前端部通过FIB加工等形成平坦面。另外，当考虑从石墨纳米管发射的电子束的发射角时，如果导电性基体材料的中心轴与石墨纳米管形成的角度不在±5°以下，则电子束的光轴调整变得困难。
下面，对通过在对导电性基体材料安装纤维状碳物质的部分的至少一部分上形成导电性覆盖层来确保充分的接合强度的方法进行叙述。在导入了包含导电性元件的腔内，通过对接触部分的至少一部分照射电子束，能够在短时间内形成足够厚度的导电性覆盖层。利用该方法，不会使导电性覆盖元素附着到从导电性基体材料突出的纤维状碳物质上，而只能局部覆盖纤维状碳物质与导电性基体材料的接合部，进行接合加强。作为包含上述导电性元素的气体，不能使用只能由在FIB等中通常所使用的镓离子束等的高能量重离子束分解的气体。这是因为，当高能量重离子束照射到纤维状碳物质上时，纤维状碳物质本身就会在一瞬间受到损伤，或断裂或发生照射缺陷。因此，作为用于分解气体的粒子射线，最好是不会对纤维状碳物质带来损伤的100keV以下的电子束，作为气体，也是由100keV以下的电子束分解且在100℃以下气化的芘单体、钨羧基或在室温下为气体的氟化钨等为最佳。通过对这些气体照射电子束，就能仅在石墨纳米管与导电性基体材料的接合部局部地形成碳层或钨层等的导电性材料。
通过使用按上述方法制作的单一的纤维状碳物质构成的场致发射型阴极，就能够实现本发明的加热、电场同时清理。
下面，说明对电子束应用装置的应用例1。
图6表示的使使用了本发明的电子枪的扫描型电子显微镜(SEM)的总体结构图。扫描型电子显微镜是沿着从电子枪发射的电子束配置有校准线圈、聚光透镜、像散修正线圈、偏转-扫描线圈、物镜、物镜光圈。试样设置于试样载物台上，以便照射电子束。在试样室内的侧壁部上设有二次电子检测器。另外，试样室通过排气系统以保持为高真空。由于这样的结构，从电子枪发射的电子束由阳极加速，通过电子透镜聚焦并照射到试样上的微小区域。对该照射区域进行二维扫描，利用二次电子检测器检测从试样发射的二次电子、反射电子等，以该检测信号量的不同为基准形成放大图像。
通过将本发明的电子枪及其运转方法应用到扫描型电子显微镜，与现有机种相比，能够实现长时间连续而稳定地得到极高的分辨率和高亮度的二次电子图像和反射电子图像的扫描型电子显微镜。
另外，本发明的电子枪及其运转方法还能够应用于进行半导体加工中的微细加工图案的观察和长度尺寸的测定的测长SEM。另外，测长SEM的电子光学系统的基本结构与图6同样。
另外，装备了场致发射型电子枪的扫描型电子显微镜的结构并不限定于图6所示的结构，只要是可充分发挥场致发射型电子枪的特性的结构就能够采用至今已开发的技术。
下面，说明对电子束应用装置的适用例2。
图7是装备了本发明的电子枪的电子射线描绘装置的整体构成例子。电子光学系统的基本结构与上述的扫描型电子显微镜大致相同。将从电子枪由场致发射得到的电子束用聚光透镜缩小，用物镜在试样上聚光，得到钠米级的电子束光点。这时，对试样进行电子束照射的ON/OFF控制的消隐电极的中心可以与由聚光透镜形成的交叉点一致。
电子射线描绘由消隐电极使电子束ON/OFF，同时利用偏振光、扫描线圈在试样上使电子束产生偏振光，通过边扫描边照射来实施。
电子线描绘装置虽然将电子束照射在涂敷了感应电子射线的保护膜的试样基板上，形成各种电路图案，但随着各种电路图案的高精细化，则需要可得到极细探针直径的电子枪。以往，虽然使用钨丝或由LaB6组成的热电子发射型电子源，但这些电子枪虽然有可得到较多射线束电流的优点，但源于绝对的发射极前端半径的大小引起的像散较大，不能够进行20nm以下的描绘。因此，最近，虽使用由单晶钨阴极构成的场致发射型电子枪，但存在射线束电流少和射线束电流不稳定的新问题，为了进行可靠的描绘，必须增加电子束的曝光量即曝光时间，存在效率不好的问题。这些问题能够通过使用本发明的电子枪及其运转方法来解决。
Claims (6)
1.一种场致发射型电子枪，具备：单一的纤维状碳物质和支撑其的导电性基体材料；从上述碳物质引出电子的引出电极；对上述引出电极施加电压的电源；以及使上述电子加速的加速电极；其特征在于，
具备加热上述碳物质的加热机构；
在上述碳物质和上述引出电极之间，施加上述碳物质比上述引出电极电位高的电压差1kV-20kV的电压，同时，由上述加热机构将上述碳物质加热到800℃以上，使上述碳物质的非结晶层的厚度为1nm以下且进行控制以使其前端闭合。
2.根据权利要求1所述的场致发射型电子枪，其特征在于：单一的纤维状碳物质是石墨纳米管。
3.一种场致发射型电子枪的运转方法，该场致发射型电子枪具备：单一的纤维状碳物质和支撑其的导电性基体材料；从上述碳物质引出电子的引出电极；对上述引出电极施加电压的电源；以及使上述电子加速的加速电极；其特征在于：
在上述碳物质和上述引出电极之间，施加上述碳物质比上述引出电极电位高的电压差1kV-20kV的电压，同时，由上述加热机构将上述碳物质保持在800℃以上，使上述碳物质的非结晶层的厚度为1nm以下且使其前端成为闭合的形状，然后，
使上述引出电极比上述碳物质电位高，从上述碳原子放出电子。
4.一种场致发射型电子显微镜，其特征在于：装备了权利要求1～3之一所述的场致发射型电子枪。
5.一种测长SEM，其特征在于：装备了权利要求1～3之一所述的场致发射型电子枪。
6.一种电子线描绘装置，其特征在于：装备了权利要求1～3之一所述的场致发射型电子枪。
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