CN110235217A - 电子源和使用它的电子束装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种即使在使用六硼化物的情况下，也能够长时间稳定地使用的电子源和使用它的电子束装置。电子源包括：金属制的灯丝(103)；金属管(112)，其被固定在灯丝(103)上，在外周具有以包围中心轴的方式配置在至少2轴方向上的多个凹部(117)；和柱状的六硼化物的针头(104)，其发射电子，从金属管(112)的内部向灯丝(103)的相反一侧突出地配置，且与金属管(112)的多个凹部(117)各自的底部接触。

Description

电子源和使用它的电子束装置
技术领域
本发明涉及电子源和使用它的电子束装置。
背景技术
作为电子显微镜等电子束装置中使用的电子源，有热电子源、场发射电子源、肖特基电子源等。在图1A～图1C中示出表示各电子源的工作原理的能量图。图1A所示的热电子源通过将加工为发夹状的钨(W)灯丝加热至2800K程度，使W固体内被热激励的电子超过W的功函数Φ(4.3～4.5eV)的势垒而将电子e导出至真空中。因为电子源被持续加热，所以没有电子源表面的污染，可以导出电流变动少的稳定的电子束。另一方面，因为电子源被加热至高温，所以发射电子的能量半宽值ΔE是3～4eV这样较宽，并且从被加热的部分整体发射电子，所以电子发射面积α较大，亮度B(单位面积、单位立体角的发射电流量)是105A/cm2sr程度这样较低。因此，也使用功函数Φ是2.6eV这样比W更低的LaB6等六硼化物电子源。LaB6热电子源因为功函数Φ较低，所以能够将工作温度降低至1700～1900K程度，因此能够将能量半宽值ΔE抑制为2～3eV，亮度B也能够提高至106A/cm2sr程度。专利文献1和2中，公开了对六硼化物加入而发射热电子的热电子源。这些电子源被用作虽然分辨能力低但易于使用且廉价的简易型电子显微镜用的电子源等。
图1B所示的场发射电子源，因为能够发射单色性好且高亮度的电子束，所以被用作高分辨能力的电子显微镜用的电子源。场发射电子源中广泛使用使前端变尖的钨(W)针头。通过使外部电场E集中在W针头前端而施加高电场，使W针头内的电子e量子力学性地透过实质上变薄的真空势垒而向真空中发射。因为能够在室温下工作，所以抽出的电子e的能量半宽值ΔE是0.3eV程度这样较窄，并且因为从非常尖的针头前端的较小的电子发射面积α发射电子，所以具有亮度是108A/cm2sr这样较高的特征。为了在场发射电子源中也进一步使能量宽度ΔE变窄、提高亮度B，也提出了使用功函数Φ较低的LaB6等六硼化物的纳米线的场发射电子源(例如专利文献3)。因为与W相比功函数势垒更低，所以能够以更低电场使电子透过而进行场发射，能够进一步减小能量半宽值ΔE。
另一方面，进行半导体器件的尺寸计测等的测长扫描电子显微镜中，如图1C所示使用将氧化锆(ZrO)涂敷在W针头上的肖特基电子源。肖特基电子源被持续加热至1800K程度，在W针头前端热扩散的ZrO使W针头表面的功函数Φ降低至2.6eV，并且越过被对针头前端施加的外部电场E和镜像势降低的功函数Φ的势垒(肖特基势垒)而发射热电子。肖特基电子源可以稳定地导出比场发射电子源更大的电流，但因为工作温度高，所以能量半宽值ΔE增大为0.5～1eV程度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭56-30930号公报
专利文献2：日本特开平01-7450号公报
专利文献3：国际公开第2014/007121号
发明内容
发明要解决的课题
热电子源和肖特基电子源被持续加热地使用。另一方面，在室温下使用的场发射电子源也在表面上吸附残留气体时，残留气体在电子发射表面上的吸附地点移动而使功函数变动，产生在发射电流中产生噪声等问题，所以需要定期的热闪蒸(或者退火，以下记为热闪蒸)。另外，为了防止对场发射电子源的气体吸附，也存在用作以1000～1300K程度的比较低的温度持续加热的热场发射电子源的情况。从而，电子源在灯丝自身是电子源的W热电子源以外，具有在能够全部加热的灯丝上接合了电子源的针头的结构。在图2中示出一般的电子源的结构。在芯柱101的2根电极针脚102上接合发夹型的灯丝103，进而在其前端接合了电子源的针头104。
钨(W)的场发射电子源中，在W的发夹型灯丝上通过点焊接合W针头，通过实施对灯丝以数秒程度的短时间、2300～2800K以上的高温通电加热的闪蒸处理、或者以比其略低的温度加热数分钟程度的退火处理，而使电子源表面的气体脱离而清洁化。同样地，ZrO/W肖特基电子源中，也在W灯丝上通过点焊接合W针头，在W针头的根部涂敷ZrO粉末并持续加热至1800K使用。这些电子源中W灯丝和W针头都是金属材料，能够容易地点焊。另外，因为是同一元素，所以即使高温加热也不会发生接合部因金属间化合物生成等而劣化等问题。
另一方面，将LaB6等六硼化物点焊在W灯丝上时，因加热而在六硼化物与W灯丝的点焊部形成金属间化合物，强度降低。另外，因为是热膨胀系数不同的异种材料的接合部，所以存在接合因热闪蒸引起的热应力导致的疲劳而破坏的可能性。
为了解决该问题，在专利文献1中，公开了并非将六硼化物直接点焊在W灯丝上，而是在六硼化物与钽等支持金属之间设置过渡金属二硼化物等的反应阻挡层的结构。但是，在专利文献2中指出了因为反应阻挡层与六硼化物的结合力不充分，所以长时间使用时六硼化物针头易于脱落的课题。为了解决该问题，在专利文献2中，公开了在六硼化物上直接使碳等的反应阻挡层、和过渡金属硼化物等的中间层、支承金属层叠层，在该支持金属层上点焊W灯丝的例子。但是，该结构中，电子源与灯丝的接合部是5～数十μm程度的蒸镀膜或烧结膜、金属箔的叠层物，机械强度不充分，所以可能存在点焊W灯丝时对针头的损伤、和长时间使用时的接合部的劣化等课题。
本发明的目的在于提供一种即使在使用六硼化物的情况下，也能够长时间稳定地使用的电子源和使用它的高亮度、高分辨的电子束装置。
用于解决课题的方法
作为用于达成上述目的的一个实施方式，采用一种电子源，其特征在于，包括：金属制的灯丝；
金属管，其被固定在所述灯丝上，在外周具有以包围中心轴的方式配置在至少2轴方向上的多个凹部；
柱状的六硼化物的针头，其发射电子，从所述金属管的内部向所述灯丝的相反一侧突出地配置，且与所述金属管的所述多个凹部各自的底部接触。
另外，采用一种电子束装置，其特征在于，具有：所述电子源；
载置样品的样品台；和
电子光学系统，其使从所述电子源发射的电子对所述样品台上的样品照射。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种即使在使用六硼化物的情况下，也能够长时间稳定地使用的电子源和使用它的电子束装置。
附图说明
图1A是表示电子显微镜等电子束装置中使用的热电子源的工作原理的能量图。
图1B是表示电子显微镜等电子束装置中使用的场发射电子源的工作原理的能量图。
图1C是表示电子显微镜等电子束装置中使用的肖特基电子源的工作原理的能量图。
图2是电子显微镜等电子束装置中使用的一般的电子源的结构图。
图3是表示各实施例的电子源中使用的六硼化物单晶的晶体结构(单位晶格)的立体图。
图4是表示各实施例的电子源中使用的六硼化物单晶的(013)面的原子结构的立体图。
图5是表示从六硼化物单晶中沿着(013)结晶轴切割出四棱柱的针头104的状况的示意图。
图6是用于说明实施例1的电子源中的金属管的制作方法的工序流程图，左上图表示准备金属片的工序，右上图表示从金属片制作半无缝管的工序，下图是使半无缝管成为较细的金属管、制作要求的长度的金属管的工序。
图7是制造实施例1的电子源的工序中的金属管与六硼化物针头的组装配置图。
图8是用于说明制造实施例1的电子源的工序中的金属管与六硼化物针头的接合方法的图。
图9是用于说明制造实施例1的电子源的工序中的金属管与六硼化物针头的接合结构的图，上图是金属管与六硼化物针头的接合部处的横截面图，左下图是表示金属管与六硼化物针头的接合结构的立体图，右下图是表示该接合结构的纵截面图。
图10是用于说明制造实施例1的电子源的工序中的金属管与六硼化物针头的接合方法的其他例子的图。
图11是用于说明制造实施例1的电子源的工序中的金属管与六硼化物针头的接合结构的其他例子的图，上图是金属管与六硼化物针头的接合部处的横截面图，左下图是表示金属管与六硼化物针头的接合结构的立体图，右下图是表示该接合结构的纵截面图。
图12是表示在制造实施例1的电子源的工序中，接合了六硼化物的金属管与灯丝接合，该灯丝与芯柱的电极接合的状态的结构图。
图13是用于说明实施例1的电子源的组装时的位置对齐夹具的图，上图是将接合了六硼化物针头的金属管与灯丝接合用的夹具的立体图，下图是将与接合了六硼化物针头的金属管接合的灯丝与芯柱的电极接合用的夹具的立体图。
图14A是用于说明在制造实施例1的电子源的工序中，通过电解磨削使针头前端尖锐化的工序的图。
图14B是表示通过电解磨削使实施例1的电子源的针头前端尖锐化的状况的SEM像。
图15是实施例1的电子源的结构图。
图16是用于说明实施例1的电子源中、金属管与六硼化物针头的接合结构的其他例子的图，上图是金属管与六硼化物针头的接合部处的横截面图，左下图是表示金属管与六硼化物针头的接合结构的立体图，右下图是表示该接合结构的纵截面图。
图17是从实施例1的电子源的六硼化物电子源针头得到的场发射显微镜像。
图18是表示对实施例1的电子源的六硼化物电子源针头连续加热的状况的照片。
图19是用于说明实施例2的电子枪中、金属管与六硼化物针头的接合结构的图，左图是表示金属管与六硼化物针头的接合结构的立体图，右图是金属管与六硼化物针头的接合部处的横截面图。
图20是用于说明实施例2的电子枪中、金属管与六硼化物针头的其他接合结构的图，左图是表示金属管与六硼化物针头的接合结构的立体图，右图是金属管与六硼化物针头的接合部处的横截面图。
图21是实施例3的电子束装置(搭载了六硼化物电子源的扫描电子显微镜)的概略整体结构截面图。
具体实施方式
发明人进行了研究，结果得知了特别是制作六硼化物的场发射电子源或热场发射电子源的情况下，对于钽或铌等的金属管、和在其内侧配置的六硼化物的针头，在金属管的外周，以包围中心轴的方式从至少2轴方向设置多个凹部，使上述多个凹部各自的底部分别与上述六硼化物针头的外周接触，由此能够形成即使长时间加热针头也不会脱落的牢固且具有可靠性的接合。得知了更优选在金属管的外周，也在金属管的轴向上偏离的部位设置多个凹部，凹部各自的底部分别与上述六硼化物的外周接触，由此能够形成更牢固、且没有光轴偏移的接合。
另外，得知了特别是制作六硼化物的热电子源或肖特基电子源的情况下，对于钽或铌等的金属管、和在其内侧配置的六硼化物的针头、和在其之间插入的石墨片或铼箔，在金属管的外周，以包围中心轴的方式从至少2轴方向设置多个凹部，使上述多个凹部各自的底部分别与上述六硼化物针头的外周上的石墨片或铼箔接触，由此能够形成即使长时间加热针头也不会脱落的牢固且具有可靠性的接合。得知了更优选在金属管的外周，也在金属管的轴向上偏离的部位设置多个凹部，凹部各自的底部分别与上述六硼化物的外周的石墨片或铼箔接触，由此能够形成更牢固、且没有光轴偏移的接合。
另外，进而得知了特别是制作六硼化物的热电子源或肖特基电子源的情况下，对于钽或铌等的金属管、和在其内侧配置的六硼化物的针头、和在其之间插入的玻璃碳，在金属管的外周，以包围中心轴的方式从至少2轴方向设置多个凹部，使上述多个凹部各自的底部分别与包覆上述六硼化物针头的外周上的玻璃碳或玻璃碳与硼化碳的混合物接触，由此能够形成即使长时间加热针头也不会脱落的牢固且具有可靠性的接合。得知了更优选在金属管的外周，也在金属管的轴向上偏离的部位设置多个凹部，凹部各自的底部分别与包覆上述六硼化物的外周的玻璃碳或玻璃碳与硼化碳的混合物接触，由此能够形成更牢固、且没有光轴偏移的接合。
以下，对于本发明，用实施例参考附图进行说明。另外，以下附图中，为了使发明的结构易于理解，而部分地使用透视图，或者使用粗线，或者适当变更各结构的比例尺。
(实施例1)
实施例1对于特别使用六硼化物作为场发射电子源的情况下的电子源的结构和制造方法用图3至图15进行说明。
首先，作为场发射电子源的材料使用稀土类或碱土类金属等的六硼化物。具体而言，能够使用镧系元素La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd等、碱土类金属Ca、Sr、Ba等，分别用LaB6、CeB6、PrB6、NdB6、SmB6、EuB6、GaB6、CaB6、SrB6、BaB6等化学式表达。
在图3中示出其单位晶格。成为6个硼原子202的块位于金属原子201的简单立方晶格的体心的晶体结构。这些材料、特别是使用了稀土类的材料一般而言熔点高，蒸气压低，硬度高，耐离子碰撞，并且比W功函数更低，适合作为电子源的材料。特别是CeB6与LaB6同样作为热电子源实际使用较多，并且-在价带中存在能量局域性强的f电子，与LaB6相比费米能级以下的电子状态密度更高，所以通过场发射而导出的电流量更多，适合作为场发射电子源用的六硼化物材料。
对于这些六硼化物，例如能够通过使用浮区法等的熔液(液相)晶体生长制造直径数mm、在晶体优先生长的晶体惯态面的(001)面方向上生长的长数十mm的大型的单晶105。在热电子源中使用的情况下，通过切削将该单晶105切割为数百μm见方、长数mm的针头，将(001)面用作电子发射面。另外，六硼化物的晶体结构如图3所示是将简单立方晶格，(001)面与(100)面和(010)面等是等价的。实施例1中为了方便而将图3的c轴定义为晶体惯态轴、c面即(001)面定义为晶体惯态面进行以下说明。
发明人进行了研究，结果得知了使用六硼化物作为场发射电子源的情况下，优选使用功函数比(001)面更低且可以得到高亮度的电子发射的(013)面作为电子发射面。在图4中示出(013)面的原子结构。
首先，使用X线劳厄法等，测定六硼化物的单晶105的结晶轴，沿着(013)结晶轴，即以相对于六硼化物的单晶105的长轴18.4°的角度通过切削切割出针头104。另外，切割出的针头104的截面形状是任意的，但优选切割为四棱柱或圆柱形状。本实施例中，切割出加工为边长200μm、长5mm的四棱柱的针头104。在图5中示意性地示出从单晶105沿着(013)结晶轴切割出四棱柱的针头104的状况。
接着，对于本实施例的电子源中、用于与针头104接合的金属管的制造方法进行说明。在图6中示出金属管112的制造工序。金属管112的材料适合使用钽和铌等高熔点金属且延展性好，易于通过拉拔加工制作微小的金属管，并且易于加工得到后述的凹部的材质。本实施例中，例如使用钽。
首先，如图6的左上图所示，准备钽金属片。接着，如图6右上图所示，将钽金属片106卷成圆筒，对金属片106的两端进行电子束焊而制作直径较粗的钽半无缝管108。符号107表示电子束焊接部。接着，如图6的下图所示，通过使用模具109反复进行拉拔加工而制作外径Φ0.6mm、内径Φ0.4mm、壁厚0.1mm的金属管110，进而对其用切割器111按每5mm切断而制作微小的金属管112。
本实施例中，因为如后所述将电子源的针头104插入金属管112内之后进行接合，所以优选将金属管112的内径设为针头的最大直径的1.1～1.5倍程度。如果是1.1倍以下则因为针头104的加工公差通常是10％程度，所以不能插入金属管112中的针头104的数量增加，电子源的制造成品率会降低。
另一方面，如果是1.5倍以上则针头104与金属管112的内径的尺寸差异过大，后述的形成凹部并接合的工序中的金属管112的变形量较多，导致组装精度降低和强度降低、金属管112的体积增加引起的热容量增加导致的耗电增大和加热响应性降低。从而，边长200μm(最大直径约282μm的四棱柱)的针头104的情况下，金属管112的内径优选为310～423μm程度。本实施例中将金属管112的内径设为400μm。
另外，本实施例中，如后所述需要在金属管112上点焊灯丝，并且需要长时间承受工作中的高温加热，所以金属管112需要充分的强度。因此，壁厚优选在100μm以上。另一方面，如果壁厚过厚则金属管112的热容量增加，导致电子源的加热响应性降低和加热电力的增加，所以壁厚优选在200μm以下。本实施例中将壁厚设为100μm。
接着，对于本实施例的接合方法进行说明。
首先，如图7所示，使用使具有能够插入金属管112的内部的直径、比金属管更短的引导销113垂直立起的底座114，使金属管112铅垂地立起。进而，将六硼化物的针头104从金属管112的上部插入。另外，本实施例中，引导销使用直径350μm、长1～3mm的。
通过调整引导销113的长度能够控制六硼化物的针头104从金属管112的内部突出的长度。例如，制作场发射电子源或肖特基电子源的情况下，因为如后所述通过电解磨削对六硼化物的针头104进行磨削，所以使突出量延长为2～3mm。另一方面，制作热电子源的情况下突出量为1～2mm程度即充分。
接着，如图8所示，对于六硼化物的针头104和金属管112，从与六硼化物的针头104的铅垂方向垂直的面内的正交的2轴、4方向用工具压接。图8中为了说明而仅示出了压接用的工具的刃115的部分。在压接用的工具的刃115的前端设置有用于在金属管112上形成凹部的突起，从2轴、4方向以均等的行程接近金属管112而从金属管112的外周压扁形成凹部。4个箭头表示将六硼化物的针头104与金属管112压接时的压接用工具的刃115的移动方向。
图9是用本实施例的方法接合的六硼化物的针头104和金属管112的示意图。在图9的上图中示出从六硼化物的针头104的前端侧观察的接合部的横截面图，在图9的左下图中示出表示金属管与六硼化物的针头的接合结构的立体图，在图9的右下图中示出表示该接合结构的六硼化物的针头104的铅垂方向中央的纵截面图。箭头表示将六硼化物的针头104与金属管112压接时的压接用工具的刃115的移动方向。
作业中，用实体显微镜116确认金属管112与六硼化物的针头104的位置关系，以四棱柱的六硼化物的针头104的各侧面与工具的刃115的行程方向一致的方式适当调整六硼化物的针头104的旋转轴。由此，从金属管112的外周以包围中心轴的方式形成多个凹部117，凹部117各自的底部与六硼化物针头的外周面接触，由此能够将六硼化物的针头104自动地与金属管112的中心轴对齐地固定。
通过使用本接合方法，能够用在2轴、4方向上形成的凹部117均等地将金属管112与六硼化物的针头104压接，得到机械上牢固的接合。另外，因为从2轴、4方向以均等的行程接近金属管112而从金属管112的外周压扁形成凹部117，所以能够使四棱柱形状的六硼化物的针头104与金属管112的中心轴自动地对齐地接合，组装精度提高，所以电子源的光轴对齐变得容易，成品率也提高。另外，因为引导销113插入的虚线的部分(图9的左下图)是不需要的，所以优选为了减少金属管112的热容量而用切割器切断。
图10是为了得到更牢固且能够进行更精密的光轴对齐的接合方法的改良例。本改良例中，压接用工具的刃115的突起部分分为上下2层，在金属管112的轴向上偏离的部位也形成凹部117。图11是接合后的六硼化物的针头104和金属管112的示意图。在图11的上图中示出从六硼化物的针头104的前端侧观察的接合部的横截面图，在图11的左下图中示出表示金属管与六硼化物的针头的接合结构的立体图，在图11的右下图中示出表示该接合结构的六硼化物的针头104的铅垂方向中央的纵截面图。箭头表示将六硼化物的针头104与金属管112压接时的压接用工具的刃115的移动方向。
通过在轴向上偏离的凹部117的部位也进行接合，接合力进一步提高，并且通过在轴向的2个部位接合，能够防止针头在接合部倾斜，具有进一步提高光轴对齐的精度的效果。另外，层数没有制约，但如果过多则形成凹部所需的金属管112变长，热容量增加，所以优选设为2层程度。
接着，如图12所示，将接合了六硼化物的针头104的金属管112与钨等的灯丝103直接点焊，进而将灯丝103的两端点焊在芯柱101的电极针脚102上。因为这些是金属之间的接合，所以通过点焊能够容易地得到牢固的接合。点焊时，如图13的上图所示，首先对于金属管112和钨等的灯丝103，使用位置对齐夹具124-1正确地进行位置对齐并点焊。接着，如图13的下图所示，对于芯柱101和金属管112，使用位置对齐夹具124-2正确地进行位置对齐并将灯丝103与电极针脚102点焊，由此金属管112和六硼化物的针头104的中心轴对齐，所以能够进行高精度的光轴对齐。由此，能够将使用了六硼化物的针头与具有机械强度的坚固的金属管牢固地接合，提供即使加热也能够长时间稳定地使用的六硼化物电子源。另外，能够提供组装精度提高且光轴对齐容易的六硼化物电子源的制造方法。
接着，通过电解磨削使六硼化物的针头前端尖锐化。电解磨削如图14A所示，能够通过将组装后的六硼化物的针头104的前端浸渍在硝酸等电解液118中，在形成为环状的铂等的相对电极119之间使用电源120施加交流或直流的电压而进行。图14B是电解磨削后的六硼化物针头的SEM照片的一例。可知六硼化物的针头前端因电解磨削而尖锐化。经过上述工序，图15所示的电子源100完成。
通过以上所述，能够完成本实施例的六硼化物的场发射电子源的基本结构。
另外，以上实施例中，使用了切削为四棱柱状的六硼化物的针头104。六硼化物的针头104也能够加工为圆柱状。图16是使用了圆柱状的针头104的情况的例子。在图16的上图中示出从六硼化物的针头104的前端侧观察的接合部的横截面图，在图16的左下图中示出表示金属管与六硼化物的针头的接合结构的立体图，在图16的右下图中示出表示该接合结构的六硼化物的针头104的铅垂方向中央的纵截面图。将圆柱状的六硼化物的针头104与金属管112接合的情况下，至少从与六硼化物的针头104的铅垂方向垂直的面内的等间隔的3轴、3方向用工具压接即可。另外，也能够与四棱柱的针头104的情况同样地，从2轴、4方向接合。另外，图16的上图和右下图的箭头表示将六硼化物的针头104与金属管112压接时的压接用工具的刃115整体的移动方向，图16的左下图的箭头表示压接用工具的刃的突起部的移动方向。
接着，将本电子源导入真空装置内，进行六硼化物场发射电子源的表面活性化。因为电解磨削后的六硼化物针头的表面形成了氧化物等，所以不能直接得到电子发射。于是，首先对六硼化物针头的表面施加正的高电场，通过电场蒸发除去氧化物等，使表面清洁化。
进而，通过1400～1800K程度数分钟的加热退火，得到以(013)面为电子发射面的场发射。在图17中示出对于从本实施例的六硼化物场发射电子源得到的电子发射面的模式用场发射显微镜(Field Emission Microscope，FEM)观察的结果。得到了4旋转对称的明亮的电子发射。
照片中央的暗部是(001)面，亮部是(013)面和与其等价的结晶面。
本实施例中，使钽或铌等的金属管112的凹部117与六硼化物的针头104直接接触地接合。因此，接合部被加热时生成金属间化合物，存在接合部劣化的可能性。但是，发明人进行了研究，结果得知了用作场发射电子源的情况下，仅在制作电子源的针头后最初的表面清洁化时需要以1400K～1800K程度的高温加热数分钟，但之后的防止气体吸附的闪蒸或低温退火处理只要1100K～1300K程度的低温即可。得知了因此钽或铌等与六硼化物的反应变得缓慢，金属间化合物的生成量非常少，不存在加热引起的接合强度降低。在图18中示出对本实施例的电子源连续加热并调查耐久性时的照片。从上方以U字状发光的部分是比色温度计121的灯丝。通过本试验确认了本实施例的六硼化物电子源的结构具有能够在1300K的加热下实用上地使用的3年以上的耐久性。
以上，根据本实施例，能够提供一种即使在使用六硼化物的情况下，也能够长时间稳定地使用的电子源。另外，能够提供一种将六硼化物作为场发射电子源的最佳的接合结构及其制造方法。另外，能够提供一种精度良好地进行六硼化物的微小针头的光轴对齐的接合方法，提高电子源制造的成品率。
(实施例2)
对于本实施例的电子源，使用图19、20和实施例1的附图的一部分进行说明。另外，关于实施例1中记载而本实施例中未记载的事项，只要没有特别的情况，就也能够应用于本实施例。
本实施例中，对于六硼化物的热电子源和肖特基电子源进行说明。使用六硼化物作为热电子源和肖特基电子源的情况下，工作温度需要提高至能够发射热电子的温度、能够形成肖特基势垒的温度。因此，实施例1的结构中，钽或铌等的金属管112与六硼化物的针头104的反应进展，接合部可能会劣化。于是，示出对实施例1进行了改良的牢固的接合结构，且防止因高温下的连续使用而生成金属间化合物、接合部劣化的结构和方法。
第一种是在金属管112与六硼化物的针头104之间插入石墨片或铼金属箔作为反应阻挡片122并接合的方法。图19是金属管112和六硼化物的针头104、和反应阻挡片122的配置图，左图是表示金属管与六硼化物的针头的接合结构的立体图，右图表示金属管与六硼化物针头的接合部处的横截面图。石墨片使用厚25μm的热分解石墨片，铼也使用厚25μm的金属箔。
这些材料都是即使在高温下也不与钽或铌和六硼化物反应，并且厚25μm这样充分薄而具有柔软性，所以不妨碍制造本实施例的电子源时的接合方法。通过该方法，使金属管112的多个凹部117各自的底部分别与六硼化物的针头104的外周上的石墨片或铼箔接触，由此即使长时间加热也不生成金属间化合物，能够得到六硼化物的针头不会脱落的牢固且具有可靠性的电子源。
第二种是在金属管112与六硼化物的针头104之间填充玻璃碳或玻璃碳与碳化硼等反应阻挡物的方法。具体而言，是将呋喃树脂或呋喃树脂与碳化硼粉末的混合物注入金属管112与六硼化物的针头104之间，之后使用实施例1所示的工具进行接合，进而在真空中烧结，使呋喃树脂碳化而得到玻璃碳等反应阻挡物123的方法。图20是金属管112和六硼化物的针头104、和反应阻挡物123的配置图，左图是表示金属管与六硼化物的针头的接合结构的立体图，右图表示金属管与六硼化物的针头的接合部处的横截面图。通过该方法，使金属管112的多个凹部117各自的底部分别与六硼化物的针头104的外周上的玻璃碳或玻璃碳与碳化硼等反应阻挡物接触，由此即使长时间加热也不生成金属间化合物，能够得到六硼化物的针头不会脱落的牢固且具有可靠性的电子源。
用作热电子源的情况下，不一定需要六硼化物的针头104的尖锐化。用作肖特基电子源的情况下，与实施例1同样地通过电解磨削使针头尖锐化。接着，将电子源导入真空装置内，进行表面活性化。用作热电子源的情况下通过加热至工作温度而自然地清洁化。用作肖特基电子源的情况下，首先与实施例1同样地使用电场蒸发法进行表面清洁化，接着高温加热而形成(013)面的电子发射面。肖特基电子源的情况下，如果直接持续加热则从晶体对表面持续扩散供给Ce，进而从外部施加电场E，由此能够用作越过被外部电场E和镜像势降低的肖特基势垒而发射热电子的肖特基电子源。另外，也能够将本实施例中说明的结构、即在金属管与六硼化物的针头之间设置反应阻挡片122或反应阻挡物123的结构用作场发射电子源。
以上，根据本实施例，能够提供一种即使在使用六硼化物的情况下，也能够长时间稳定地使用的电子源。另外，能够提供一种将六硼化物作为热电子源或肖特基电子源的最佳的接合结构及其制造方法。另外，能够提供一种精度良好地进行六硼化物的微小针头的光轴对齐的接合方法，提高电子源制造的成品率。
(实施例3)
对于实施例3用图21进行说明。另外，关于实施例1或2中记载而实施例3中未记载的事项，只要没有特别的情况，就也能够应用于实施例3。实施例3中，示出搭载了实施例1中制作的CeB6的场发射电子源100的扫描电子显微镜的例子。另外，实施例3中以使用了场发射电子源的扫描电子显微镜为例进行说明，但电子源和电子束装置的方式不限于此。
图21是实施例3的扫描电子显微镜的概略整体结构截面图。从场发射电子源的CeB6单晶的针头104发射的电子被阳极211加速而成为电子束230，被汇聚透镜215、物镜216、像散补正线圈217汇聚，被偏转扫描线圈218扫描而对样品219上的观察区域照射，发生的二次电子被二次电子检测器220检测。符号221是元素分析器。此时，从CeB6单晶针头104发射的电子，与W场发射电子源相比能量宽度更窄，单色性更好，所以汇聚透镜215、物镜216等中的色像差被减少，能够对样品219照射更集中的电子束230，能够得到高分辨的扫描电子显微镜图像。另外，因为与W场发射电子源相比亮度更高，所以拍摄时间更短，也能够缩短元素分析等的分析时间。这样，通过搭载实施例1中记载的场发射电子源，能够提高扫描电子显微镜的性能。
以上，根据本实施例，能够提供一种使用了即使在使用六硼化物的情况下、也能够长时间稳定地使用的电子源的高亮度、高分辨的电子束装置。
另外，本发明不限定于上述实施例，包括各种变形例。
例如，也可以列举使用热场发射电子源或肖特基电子源的测长SEM、使用热电子源的简易SEM、使用场发射电子源或热电子源的透过型电子显微镜等。
本发明包括以下实施方式。
(1)一种电子源，其特征在于，包括：
金属制的灯丝；
金属管，其被固定在所述灯丝上，在外周具有以包围中心轴的方式配置在至少2轴方向上的多个凹部；
石墨片或铼箔，其配置在所述金属管的内侧；和
柱状的六硼化物的针头，其发射电子，从所述金属管的内部向所述灯丝的相反一侧突出地配置，且与在所述金属管的所述多个凹部各自的底部配置的所述石墨片或所述铼箔接触。
(2)一种电子源，其特征在于，包括：
金属制的灯丝；
金属管，其被固定在所述灯丝上，在外周具有以包围中心轴的方式配置在至少2轴方向上的多个凹部；
柱状的六硼化物的针头，其发射电子，从所述金属管的内部向所述灯丝的相反一侧突出地配置，被玻璃碳或玻璃碳与硼化碳的混合物包覆，且与所述金属管的所述多个凹部接触。
(3)一种电子源的组装方法，其特征在于，具有：
第1工序，其准备柱状的六硼化物的针头、金属管、比所述金属管长度更短的引导销、金属制灯丝、和具有电极针脚的芯柱；
第2工序，其在所述金属管的内部顺次插入所述引导销和所述柱状的六硼化物的针头；
第3工序，其在所述金属管的外周以包围中心轴的方式至少从2轴方向用具有突起的接合工具的刃将所述金属管压接；
第4工序，其在所述柱状的六硼化物的针头未突出的一侧的所述金属管上安装所述灯丝；和
第5工序，其将所述灯丝与所述芯柱的所述电极针脚连接。
(4)如(3)所述的电子源的组装方法，其特征在于：
在所述第2工序之后，进而具有在所述柱状的六硼化物的针头与所述金属管之间插入石墨片或铼箔的工序。
(5)如(3)所述的电子源的组装方法，其特征在于：
在所述第2工序之后，进而具有在所述柱状的六硼化物的针头与所述金属管之间注入玻璃碳或玻璃碳与硼化碳的混合物的工序。
上述实施例是为了易于理解地说明本发明而详细说明的，并不限定于必须具备说明的全部结构。另外，能够将某个实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，也能够在某个实施例的结构上添加其他实施例的结构。另外，对于各实施例的结构的一部分，能够追加、删除、置换其他结构。
附图标记说明
100…电子源
101…芯柱
102…电极针脚
103…灯丝
104…针头
105…六硼化物单晶
106…金属片
107…电子束焊接部
108…半无缝管
109…模具
110…金属管
111…切割器
112…金属管
113…引导销
114…底座
115…接合工具的刃
116…实体显微镜
117…凹部
118…电解液
119…相对电极
120…电源
121…比色温度计
122…反应阻挡片
123…反应阻挡物
124-1、124-2…位置对齐夹具
201…金属原子
202…硼原子
211…阳极
215…汇聚透镜
216…物镜
217…像散补正线圈
218…偏转扫描线圈
219…样品
220…二次电子检测器
221…元素分析器
230…电子束。

Claims (13)

1.一种电子源，其特征在于，包括：
金属制的灯丝；
金属管，其被固定在所述灯丝上，在外周具有以包围中心轴的方式配置在至少2轴方向上的多个凹部；和
柱状的六硼化物的针头，其发射电子，从所述金属管的内部向所述灯丝的相反一侧突出地配置，且与所述金属管的所述多个凹部各自的底部接触。
2.一种电子源，其特征在于，包括：
金属制的灯丝；
金属管，其被固定在所述灯丝上，在外周具有以包围中心轴的方式配置在至少2轴方向上的多个凹部；
石墨片或铼箔，其配置在所述金属管的内侧；和
柱状的六硼化物的针头，其发射电子，从所述金属管的内部向所述灯丝的相反一侧突出地配置，且与在所述金属管的所述多个凹部各自的底部配置的所述石墨片或所述铼箔接触。
3.一种电子源，其特征在于，包括：
金属制的灯丝；
金属管，其被固定在所述灯丝上，在外周具有以包围中心轴的方式配置在至少2轴方向上的多个凹部；和
柱状的六硼化物的针头，其发射电子，从所述金属管的内部向所述灯丝的相反一侧突出地配置，被玻璃碳或玻璃碳与硼化碳的混合物包覆，且与所述金属管的所述多个凹部接触。
4.如权利要求1所述的电子源，其特征在于：
所述金属管与所述灯丝通过点焊接合。
5.如权利要求1所述的电子源，其特征在于：
所述金属管在所述多个凹部之外还在所述金属管的轴向的其他位置具有其他多个凹部。
6.如权利要求1所述的电子源，其特征在于：
所述六硼化物的针头是四棱柱形状，
所述多个凹部相对于所述四棱柱形状的六硼化物的针头，在2轴、4方向上形成。
7.如权利要求1所述的电子源，其特征在于：
所述六硼化物的针头为圆柱形状，
所述多个凹部相对于所述圆柱形状的六硼化物的针头，在3轴、3方向上形成。
8.如权利要求1所述的电子源，其特征在于：
所述金属管是钽制或铌制的。
9.如权利要求1所述的电子源，其特征在于：
所述金属管的内径在六硼化物的针头的最大直径的1.1～1.5倍的范围内。
10.如权利要求1所述的电子源，其特征在于：
所述金属管的壁厚在100～200μm的范围内。
11.一种电子束装置，其特征在于，具有：
电子源；
载置样品的样品台；和
电子光学系统，其使从所述电子源发射的电子对所述样品台上的样品照射，
所述电子源是权利要求1所述的电子源。
12.一种电子束装置，其特征在于，具有：
电子源；
载置样品的样品台；和
电子光学系统，其使从所述电子源发射的电子对所述样品台上的样品照射，
所述电子源是权利要求2所述的电子源。
13.一种电子束装置，其特征在于，具有：
电子源；
载置样品的样品台；和
电子光学系统，其使从所述电子源发射的电子对所述样品台上的样品照射，
所述电子源是权利要求3所述的电子源。
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