CN103843104A

CN103843104A - 电子枪以及带电粒子束装置

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Publication number: CN103843104A
Application number: CN201280039808.XA
Authority: CN
Inventors: 渡边俊一; 大西崇; 小濑洋一; 中村邦康; 森山胜; 铃木友则
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2032-05-22
Also published as: CN103843104B; JP5687157B2; US20140197336A1; WO2013027448A1; JP2013045525A; DE112012003176B4; DE112012003176T5; US9293293B2

Abstract

本发明提供一种电子枪以及带电粒子束装置。减少由设于电子枪中的引出电极的光阑所产生的二次电子的量来抑制闪光的产生。若对电子枪中的最接近于电子源(1)的引出电极(5)的光阑(7A)涂敷碳等二次电子发射率小的薄膜，则能够减少二次电子的产生量。因为成为闪光的产生原因的由引出电极(5)所产生的二次电子减少，所以结果闪光减少。此外，通过在引出电极(5)组装2枚光阑(7A、7B)，并对该2枚光阑赋予成为与引出电极(5)相等电位的电位，从而能够消除从引出电极(5)的下部向上部渗出的电场。其结果，当电子束与引出电极(5)发生碰撞时所产生的二次电子不会受到从引出电极(5)通过的方向上的力，其结果闪光减少。

Description

电子枪以及带电粒子束装置

技术领域

本发明涉及组装了肖特基电子源和电场发射电子源的电子枪、以及搭载这些电子枪的带电粒子束装置。

背景技术

因为肖特基电子枪、电场发射电子枪能够稳定地取出窄能量宽度且高亮度的电流，所以作为扫描型电子显微镜(SEM)、透过型电子显微镜(TEM)等的带电粒子束装置的电子枪而被使用。尤其是，由于具有窄能量宽度、高亮度等的特征，因此能够作为分析用的电子显微镜等的电子枪来使用。

图3是以肖特基电子枪为例来示意性表示以往的电子枪的构成的图。电子枪至少由如下那样的构成要素构成，即：电子源1，其前端被尖锐化且包含钨单晶原料；丝极2，其被焊接于电子源1且对电子源1进行加热；氧化锆3，其被涂敷于电子源1；抑制器电极4，其对从丝极2产生的热电子进行抑制；引出电极5，其对电子源1的前端赋予用于引出电子的强电场；和一个或多个加速电极6，使所引出的电子加速成规定的能量。图3的电子枪是加速电极为1段的情况。此外，在引出电极5中组装了用于对所通过的电子(电子束)进行限制的光阑7。

电子源1对接地电位施加负的电位V0。当丝极2中流经电流时，丝极2被加热成约1800K，被涂敷于电子源1的氧化锆3朝向电子源1的前端扩散。此时，电子源1的前端面、即单晶中的(100)面的功函数减少成约2.8eV。在此，若相对于电子源1而对引出电极5施加正的电压V1，则基于肖特基效应，从电子源1的前端附近的电场变强而功函数变低的电子源1的结晶面(严格来讲，除了电子源前端的(100)面之外，电子源前端附近的侧面的(101)面、(001)面等、与(100)面垂直的4次对称的结晶面)朝向引出电极5发射电子(电子束)。

从电子源1发射的电子之中通过了引出电极5的电子，由加速电极6被加速成规定的加速电压而从电子枪发射。自电子枪发射的电子，由未图示的聚焦透镜、物镜等被缩小成特定的倍率而向样品照射。

在电子显微镜中，通过检测电子与样品发生碰撞时的、因电子与样品之间的相互作用所产生的二次电子、透过电子、反射电子，从而对样品的微细构造进行观察、分析。

在此，当由荧光板等对电子束的射点进行观察时，有时会在主要射束的周边确认出被称作闪光的明亮度。

图4是表示实际上观察到的电子束射点的主要射束30、和闪光31的图，该图(a)是其照片图，该图(b)是其示意图。该闪光31成为电子显微镜的观察像的S／N下降、分辨率下降、分析时的系统峰值的产生的原因。

如图5所示，在现有专利文献1中，认为闪光的原因是从电子源(钨单晶)1的前端附近的侧面的结晶面1b(例如(010)面、(001)面等)发射的电子束B2由引出电极5反射后的电子(电子束R)。

其中，主要射束B1自电子源1的前端面1a(即(100)面)发射。在现有专利文献1(日本特开2008-117662号公报)中，作为闪光应对策略，如图6所示，在电子束通路中设置多枚(例如2枚)的光阑7、8，在几何学上限制电子所通过的角度。其结果，在几何上限制因从电子源1的前端侧面发射的电子束所引起的来自引出电极的反射电子束R。在此，其特征在于，当在引出电极5中组装了光阑7、8的情况下，将所通过的电子的角度限制为6°。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-117662号公报

发明内容

发明要解决的课题

在电子枪中，即便是来自引出电极的侧面的反射电子R之外的原因，也会产生闪光。其原因在于，通过实验确认出在闪光中存在相对于主要射束的能量而具有低数kV的能量的成分，这是由与反射电子不同的原因所产生的。

自电子源1发射的电子之中通过引出电极5的电子为1／100以下，大部分与引出电极5以及光阑7发生碰撞。例如，从电子源发射的全部电流为数～数100μA，相对于此，通过组装于引出电极5的光阑7的电流为数10～数100nA。

图7示出组装于引出电极5的以往的光阑7的详情。附图标记7′为光阑7的射束通过孔。形成光阑7的板70包括厚度为10～50μm的钼，在该钼板70的表面，以防止由氧化膜所引起的带电为目的而涂敷有厚度为10～50nm的铂钯71。当电子与设于引出电极5的光阑7发生碰撞时，基于电子和铂钯的相互作用而产生二次电子e2(参照图8)。除此之外，如图8所示，在组装于引出电极5的光阑7的上方，渗出引出电极5和加速电极6(参照图3)所产生的电场。基于该电场，由光阑7所产生的二次电子e2在通过光阑7(孔7′)的方向上受到力。通过了光阑7的二次电子e2进一步被加速而从电子枪发射。由该光阑7所产生的二次电子e2的电子束，在电子显微镜中，与从电子源1直接发射的一次电子即主要射束相比，为低能量且观测为在空间上扩展的闪光。该闪光成为分辨率下降、S／N下降、分析时的系统峰值的原因。

在现有专利文献1中，关于由这样的光阑7所产生的二次电子的课题的认识以及解决手段，却没有任何公开。

本发明正是鉴于以上的点而完成的，其目的在于减少由设于引出电极的光阑所产生的二次电子的量来抑制闪光的产生。

用于解决课题的手段

本发明为了解决上述课题，基本上如下所述那样构成。

(1)即，一种电子枪，其特征在于，具备：电子源；引出电极，其为了从所述电子源引出电子而对该电子源赋予电场；和加速电极，其将由所述引出电极所引出的电子加速到规定的加速电压为止；在所述引出电极设有使来自所述电子源的电子的一部分通过的光阑，所述光阑设有1枚以上，至少对最接近所述电子源的光阑的基材表面，作为二次电子发射率小的材料，施加基于在与所述光阑发生碰撞的一次电子的照射能量为2kV～3kV的情况下具有0.6以下的二次电子发射率的材料的涂敷。

优选，对所述光阑的基材表面施加的涂敷的材料例如为碳或硼。

所述电子枪作为适用对象优选的是肖特基电子枪或电场发射电子枪，但是并不限定于此，也可是其他的电子枪，是可适用于具有相同课题的电子枪。

(2)进而，本申请发明也提出一种除了上述的构成之外还在所述引出电极设有上下2枚所述光阑，并将这些光阑的电位设为与所述引出电极相等的电位的电子枪。

如上述(1)的构成所示那样，通过将设于引出电极5的光阑7的基板表面的材料变更成二次电子发射率低的材料，从而能够减少因一次电子束(从电子源发射的电子束)与光阑7发生碰撞而从光阑基材表面发生的二次电子的产生量。

进而，如(2)那样，通过将设于引出电极的上下2枚光阑的电位控制成与引出电极相等的电位，从而能够消除从引出电极的下部向上部渗出的电场。由此，纵使从光阑阀基材表面产生(发射)二次电子，也能防止该二次电子通过光阑。

发明效果

根据本发明，能够减少由设于引出电极的光阑所产生的二次电子的量。因此，通过抑制闪光的产生，从而在以电子显微镜等观察样品时，能够观察高分辨率且S／N高的图像。进而，分析时的系统峰值也会消除。

进而，除了上述构成之外，还选择性采用对上下2枚光阑进行与引出电极相等电位控制的技术，从而纵使如上述那样产生了二次电子，也可抑制该二次电子通过光阑，所以能够更有效地防止因二次电子所引起的闪光的产生。

附图说明

图1是表示成为本发明的适用对象的肖特基电子枪的第1实施例的简要图。

图2是对组装于上述实施例的引出电极的光阑的一半进行切割来表示的立体图。

图3是表示以往的肖特基电子枪的一例的简要图。

图4是表示以电子显微镜观察的闪光的图像的一例的图，图4(a)是其照片图，图4(b)是其示意图。

图5是表示在现有技术中产生闪光的原因的简要图。

图6是对从电子源的侧面发射的电子由引出电极反射的反射电子进行限制的现有技术的简要图。

图7是对组装于引出电极的以往的光阑的一半进行切割来表示的立体图。

图8是示出了在现有技术中由组装于引出电极的光阑所产生的二次电子通过光阑的样态的概念图。

图9是表示使光阑二重化时的引出电极的光阑附近的电位分布的概念图。

图10是组装了本发明所涉及的电子枪的电子显微镜系统的简要图。

图11是在控制PC中显示出的电子枪的控制画面的简要图。

图12是表示本发明的第2实施例的简要图。

具体实施方式

根据图1、图2、图9～图13的实施例来说明本发明的实施方式。

[实施例1]

图1的实施例(实施例1)作为适用对象的一例而示出肖特基电子枪。

在图中，关于电子源(发射器)1、丝极2、氧化锆3、抑制器电极4、引出电极5、以及加速电极6，与图3所示的以往的构成要素相比并没有改变。

即，在电子枪驱动时，包含钨单晶原料的电子源1通过丝极2而被加热到约1800K。此时，涂敷于电子源的氧化锆3扩散，电子源1的前端表面的结晶面(100)的功函数下降到约2.8eV。在此，若相对于电子源1而对于引出电极5赋予上述功函数以上的正的电位，则电子源1的前端附近的电场变强，从电子源1发射电子。自电子源1发射的电子之中，通过了设于引出电极5的光阑7A、8A的电子，由加速电极6被加速到规定的加速电压为止而作为电子枪的电子束被发射。另一方面，无法通过引出电极5的电子，虽然在与引出电极5发生碰撞时大部分被引出电极5吸收，但是根据现有技术，如已经叙述的那样，一部分的电子基于光阑构件、引出电极与一次电子的相互作用而产生二次电子或反射电子。

在本实施例中，第一：为了抑制这样的二次电子的产生而施加如下那样的手段。

一个手段为：在引出电极5设置多个例如上下2枚光阑7A、8A，其中至少在上侧的光阑7A的基材(例如钼)70的表面，如图2所示那样涂敷二次电子发射率小的材料72。作为优选的涂层72而列举碳或硼。

在使来自电子源的电子以电子照射能量2kV～3kV与靶子发生碰撞的情况下，碳的二次电子发射率为0.2～0.6，铂的情况下的二次电子发射率为1.0～1.5(关于该二次电子发射率，例如已经在A DATA BASE ONELECTRON-SOLID INTERACTIONS、David Joy；URL：rsh.nst.pku.edu.cn／software／database0101.doc中公开。)。由此，在光阑7A的基材70的表面涂敷了碳膜72的情况下，能够使从光阑7A发射的二次电子(即，使来自电子源1的一次电子与光阑7A发生碰撞时所产生的二次电子)较之以往的光阑7而减少到1／5～2／5。图2所示的碳膜72被施加于光阑7A的基材70的至少上表面、即来自电子源的一次电子束碰到的表面。为使从电子源发射的一次电子不透过碳膜72，虽然碳膜72应该加厚，但是因为若过厚则涂层易剥离，所以碳膜72的膜厚期望为500nm以下。通常优选的涂层的膜厚为50nm～200nm。

这样，通过将碳膜作为光阑的涂层材来使用，从而能够减少由设于引出电极的光阑所产生的二次电子的量。根据本实施例，在以电子显微镜观察样品时，通过抑制闪光的产生，从而能够观察高分辨率且S／N高的图像。

另外，关于上述涂层材72，即便针对硼，也能达成与碳同样的较低的二次电子发射率。关于硼的二次电子发射率，在使来自电子源的电子以电子照射能量2kV～3kV与硼发生碰撞的情况下，为0.4以下。

本申请发明的技术思想基本上为：在设于电子枪的引出电极的光阑的基材表面，作为二次电子发射率小的材料，涂敷在与所述光阑发生碰撞的一次电子的照射能量为2kV～3kV的情况下具有0.6以下的二次电子发射率的材料，如果满足上述二次电子发射率，则施加于光阑的基材表面的基材也可使用除了碳、硼之外的材料。

进而，上下2枚光阑7A以及光阑8A的电位设为与引出电极5的电位相同。

在图9中示出此时的光阑7A、8A附近的电位分布的概要。在图9中，因为光阑7A与光阑8A之间的空间的电位是与引出电极5相等的电位，所以在空间内电场变为零。由此，在加速电极6与引出电极5之间形成的电场在该空间被缓和，不会自光阑7A向上部渗出。在本实施例中，虽然如已经叙述的那样，以二次电子发射率小的材料对光阑7A施加涂层72，但是纵使在光阑7A附近发生电子束碰撞而生成了二次电子，在加速电极6与引出电极5之间形成的电场也在该空间被缓和，不会自光阑7A向上部渗出，所以不会通过光阑7A，而在引出电极5之中散射的同时被吸收。

另一方面，因为在光阑8A的上部存在电场的渗出，所以在通过光阑7A的主要的电子束(一次电子)与光阑8A发生碰撞的情况下产生二次电子。该二次电子会通过组装于引出电极5的光阑8A。此时，如果光阑8A也以二次电子产生率小的材料(例如碳、硼等)进行涂敷，则可以有效地抑制二次电子的产生，但是取而代之，基于如下那样的构造上的考虑，也能够有效地抑制来自光阑8A的二次电子产生。

即，在几何学上将光阑8A的孔径设得大于光阑7A的孔径，以使主要的电子不与光阑7A的基材70发生碰撞。进而，为使电场不向光阑7A的上部渗出，期望2枚光阑的距离设为光阑8A的内径的1倍以上。例如，在光阑7A的内径为0.5mm、且电子源1的前端与光阑7A之间的距离为1.5mm的情况下，光阑8A的内径设定为0.6mm，2枚光阑7A、8A的距离设定为0.6mm以上。另一方面，若2枚光阑7A、8A的距离变长，则引出电极5会变厚，故也存在电子枪的光学特性恶化这一问题。由此，期望二枚光阑7A、7B的距离设为光阑8A的内径的1倍～3倍。

另外，在本实施例中，通过设置2枚光阑7A、8A，从而也可起到与已经叙述的现有专利文献1(日本特开2008-117662号公报)同样的效果、即起到防止由本申请的图6所示那样的引出电极所反射的电子束R的通过的效果。

根据本实施例，通过了引出电极5的电子，由加速电极6被加速到规定的能量而自电子枪发射。因为被发射的电子全部是由电子源1发射的电子，所以在以电子显微镜进行观察的情况下不会产生闪光，能够获得高分辨率且S／N高的图像。此外，分析时的系统峰值也能够消除。

在图10中，作为搭载了本发明所涉及的电子枪的带电粒子束装置的一例，示出透过型电子显微镜(TEM／STEM)系统的概要。电子显微镜由下述部件构成，即：主体10，其包括上述实施例的电子枪13；电源11，其供给用于驱动主体的电压或电流；控制装置12，其通过控制电源的输出来控制主体10。

其中，主体10由下述部件等构成，即：电子枪13，其产生并辐射已加速成任意能量的电子；照射系统14，其朝向样品控制被辐射的电子；样品台16，其保持样品15并使之在任意方向上移动；二次电子检测器17a，其用于检测电子与样品发生碰撞时的信号；散射电子检测器17b；透过电子检测系统17c的其他的检测系统；成像系统18，其控制透过样品的电子的倍率或角度；排气系统19，其对装置整体进行真空排气。电源11除了对电子枪10的各电极赋予电位的电压源、在照射系统14、成像系统18的透镜中流动电流的电流源之外，还由用于驱动主体10各部的电源和用于驱动控制装置12的电源等构成。

控制装置12起到通过控制电源11的输出来进行主体10的控制的作用。关于电子枪，由控制装置12对加速电压、引出电压、丝极电流等进行控制，而控制成将具有任意的加速能量的电子仅发射任意的量。在电子枪13中具有在上述实施例中叙述过的光阑7A和光阑8A，由二次电子发射率小的材料对其中的至少光阑7A施加涂敷，在光阑7A、8A之间赋予与引出电极相同的电位。另外，在图10中，虽然示出透过型电子显微镜(TEM／ATEM)的简要图，但是在上述实施例中叙述过的电子枪13，即便是搭载于扫描电子显微镜(SEM)的情况也能期待同样的效果。

图11是在控制装置的监视器上显示出的电子枪控制的画面的一例。该图为肖特基电子枪的控制画面。在画面的左侧显示出设定值，在右侧显示出HV-ON按钮和读取值。在画面的左侧，预先设定加速电压(V0)、引出电压(V1)、丝极电流(If)。当按下HV-ON按钮时，对电子源1施加负的加速电位(-V0)。此外，在丝极2中流动电流，电子源1被加热。在对电子源1充分加热之后，若相对于电子源而对引出电极5施加正的引出电压(V1)，则自电子源1发射电子。在此，关于发射电流(Ie)，检测因从电子源1发射的电子、或者被引出电极5吸收的电子所引起的电流。适用于本实施例的2枚光阑7A、8A的电位如已经叙述的那样控制成与引出电极相等的电位。在图11中，虽然作为读取值而显示出加速电压、引出电压、丝极电流、发射电流，但是既可以显示所有值，也可以选择必要的值来进行显示。

[实施例2]

图12表示组装了多段的加速电极的本发明的其他实施例(实施例2)。本实施例与实施例1之间的差异点在于，在实施例1中加速电极6为一段，相对于此，在实施例2中例示加速电极设为3段的肖特基电子枪。关于光阑7A、8A的构成，与实施例1相同。关于本实施例的基本动作、其作用效果的说明，因为与图1相同，因此省略。

在本实施例中，向加速电极6a施加相对于电子源1而具有正的电位的控制电压V2。加速电极6c被接地，加速电极6a与6b之间、以及6b与6c之间由分割电阻9分压成相等电压((V0-V2)／2)。在此，控制电压V2用于控制通过加速电极6时的电子的轨道。

即便在本实施例中，自电子枪发射的电子也全部成为自电子源1发射的电子。由此，在以电子显微镜进行观察的情况下不产生闪光，能够获得高分辨率且S／N高的图像。此外，分析时的系统峰值也能够消除。

图1、图12所示的实施例均示出关于肖特基电子枪的实施例，但是在电场发射电子枪的情况下也能获得同样的效果。在电场发射电子枪的情况下，作为电子源也使用钨单晶，进而引出电极、加速电极也与肖特基电子枪同样地配置。在其中的引出电极设置与已经叙述的实施例1以及2同样的光阑7A、8B。在电场发射电子枪的情况下，如众所周知的那样为利用了电场发射现象的电子枪，进而在室温下进行动作的点以及需要超高真空的点不同于肖特基电子枪，但是关于光阑7A、8A的构成，因为与肖特基电子枪相同，因此省略关于实施例的图示。

在上述实施例中，例示了将2枚光阑7A、8A设于引出电极的情形，但是光阑也可以为1枚或3枚以上，以二次电子发射率小的构件来至少涂敷其中最接近电子源的光阑7A。

进而，适用对象不限于电子显微镜(TE／STEM／SEM)，也可适用于其他的带电粒子装置。

符号说明

1…单晶钨电子源、2…丝极、3…氧化锆、4…抑制器电极、5…引出电极、6、6a、6b、6c…加速电极、7、8…光阑、7A、8A…光阑、70…光阑的基材、71…用于防止带电的涂层、72…用于减少二次电子产生量的涂层、9…分割电阻、10…主体、11…电源、12…控制装置、13…电子枪、14…照射系统、15…样品、16…样品台、17a…二次电子检测器、17b…散射电子检测器、17c…透过电子检测器、18…成像系统、19…排气系统。

Claims

1.一种电子枪，其特征在于，具备：

电子源；

引出电极，其为了从所述电子源引出电子而对该电子源赋予电场；和

加速电极，其将由所述引出电极所引出的电子加速到规定的加速电压为止，

在所述引出电极设有使来自所述电子源的电子的一部分通过的光阑，

所述光阑设有1枚以上，至少对最接近所述电子源的光阑的基材表面施加基于在与所述光阑发生碰撞的一次电子的照射能量为2kV～3kV的情况下具有0.6以下的二次电子发射率的材料的涂敷。

2.根据权利要求1所述的电子枪，其特征在于，

对所述光阑的基材表面施加的所述涂敷的材料为碳或硼。

3.根据权利要求1或2所述的电子枪，其特征在于，

所述电子枪为肖特基电子枪或电场发射电子枪。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的电子枪，其特征在于，

在所述引出电极设有上下2枚所述光阑，将这些光阑的电位设为与所述引出电极相等的电位。

5.根据权利要求4所述的电子枪，其特征在于，

设于所述引出电极的所述光阑之中，下侧的光阑的内径大于上侧的光阑的内径。

6.根据权利要求5所述的电子枪，其特征在于，

所述电子枪为肖特基电子枪，设于所述引出电极的2枚所述光阑的间隔为下侧的光阑的内径的1倍以上。

7.根据权利要求5或6所述的电场发射电子枪，其特征在于，

所述电子枪为电场发射电子枪，设于所述引出电极的2枚所述光阑的间隔为下侧的光阑的内径的2倍以上。

8.一种带电粒子束装置，其特征在于，具备：

主体，其包括权利要求1至7中任一项所述的所述电子枪；

电源，其供给用于驱动所述主体的电压或电流；和

控制装置，其通过控制所述电源的输出来控制所述主体。