CN115668429A - 电子源、电子枪以及带电粒子束装置 - Google Patents

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Abstract

一种电子源，具备在沿着中心轴的方向上的一侧端部具有开口部的抑制电极以及前端从开口部突出的电子发射材料，其中，抑制电极在比开口部靠外周方向的位置还具备后退部，该后退部在沿着中心轴的方向上后退至比开口部远离电子发射材料的前端的位置，后退部的至少一部分具备配置为距开口部的中心为直径2810μm以内等的构造。由此，实现降低了因电子发射材料与抑制电极的轴偏离引起的装置性能的机械差异的电子源、电子枪、以及使用了该电子枪的电子显微镜等带电粒子束装置。

Description

电子源、电子枪以及带电粒子束装置
技术领域
本发明涉及供给向试样照射的电子束的电子源、电子枪以及使用了该电子枪的带电粒子束装置。
背景技术
带电粒子束装置是如下装置：向试样照射从电子源以及电子枪发射的电子束、将电子束照到X射线源的目标而发射的X射线、或者从离子源发射的离子束来对试样进行加工，或者利用从试样发射的二次电子、透射电子、反射电子、X射线等来生成观察图像。作为带电粒子束装置的例子，有电子显微镜、电子束描绘装置、X射线显微镜、CT、离子显微镜等。
在上述带电粒子束装置中，所生成的图像及其照射状态要求空间分辨率较高、反复观察、照射的情况下的再现性良好等。
例如，在电子显微镜中，为了实现较高的空间分辨率，向试样照射的电子束的亮度需要较高。作为发射亮度较高的电子束的电子源，广泛地使用肖特基电子源(SchottkyEmitter：以下称为SE电子源)、冷阴极场发射电子源(Cold Field Emitter：以下称为CFE电子源)。在专利文献1中记载了SE电子源的构造的一例。
再有，近年来，半导体设备的微细化和复杂化不断发展，在其制造工序的工艺管理中大多使用电子显微镜。在承担半导体的测量的电子显微镜中，除了要求上述的高分辨率性能以外，还要求在观察相同的试样的情况下无论哪个装置都得到相同尺寸的测量结果、即装置间的测定结果的机械差异较小。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平8-171879号公报
发明内容
发明所要解决的课题
如专利文献1所记载，SE电子源具备具有开口部的抑制电极、以及从前端部发射电子的作为电子发射材料即单晶线(以下称为芯片)，并且具有芯片的前端部(电子发射部)从抑制电极的开口部突出的构造。再有，在SE电子源中附加引出电极等而构成电子枪(SE电子枪)。在SE电子枪中，加热芯片且进行由引出电极进行的电场施加来从芯片前端发射电子。抑制电极具有如下功能：对芯片前端施加负电位，抑制从芯片前端部以外发射的不需要的热电子。
为了实现该功能，要求芯片和抑制电极的开口部的中心轴以较高的精度对位。因此，芯片和抑制电极的开口部以在机械方面成为同轴状的方式对位而组装，作为电子源形成为一体。该电子源搭载于电子显微镜等各装置，用于发射电子束。
此处，从发明人的研究的结果可知，对于每个电子源的个体，芯片的中心轴和抑制电极的开口部的中心轴例如在相对于抑制电极的开口直径为400μm左右的情况有时偏离几μm至几十μm。若芯片与抑制电极的中心轴偏离，则抑制电极生成的电场成为轴相对于芯片偏离的分布，在芯片的前方的空间产生与中心轴垂直的方向(横向)的电场。从芯片前端发射出的电子束因该电场而向横向弯曲，通过位于下游的透镜的轴外。其结果，在透镜中产生轴外像差，照射到试样的电子束的聚光直径变大，从而分辨率变差。
芯片与抑制电极的轴偏离量越大，则横向的电场越大。因此，电子束大幅度地弯曲，轴外像差也变大。芯片与抑制电极的轴偏离量按照每个电子源的个体而不同，因而轴外像差的大小也按照每个搭载有电子源的装置而变化，分辨率产生差异。其结果，产生电子显微镜等装置间的机械差异变大的课题。
除此之外，在芯片与抑制电极的轴偏离量特别大的情况下，电子束大幅度地弯曲，从而无法通过配置于下游的光圈、电极的开口。在该情况下，电子束无法到达试样，导致电子源、电子枪或电子显微镜的制造不良。这成为制造成本的增加、准备时间的增加等课题。
本发明的目的在于提供降低了机械差异的电子源、电子枪、以及使用了该电子枪的电子显微镜等带电粒子束装置。
用于解决课题的方案
作为本发明的一个实施方式的电子源，其特征在于，具有：抑制电极，其在沿着中心轴的方向上的一侧端部具有开口部；以及电子发射材料，其前端从开口部突出，抑制电极在比开口部靠外周方向的位置还具备后退部，该后退部在沿着中心轴的方向上后退至相比抑制电极的端部更远离电子发射材料的前端的位置，后退部的至少一部分配置为距开口部的中心为直径2810μm以内。
发明的效果如下。
根据本发明，能够提供降低了机械差异的电子源、电子枪、以及使用了该电子枪的电子显微镜等带电粒子束装置。通过本说明书的记载以及附图，其它课题和新特征会变得清楚。
附图说明
图1是示出实施例1的扫描电子显微镜的概要的图。
图2是说明现有的SE电子源的结构的图。
图3A是说明在现有的SE电子源中电子束弯曲的原理的图。
图3B是说明在现有的SE电子源中电子束弯曲的原理的图。
图4是说明实施例1的SE电子源的结构的图。
图5A是说明在现有的SE电子源中关于电子束的轨道的原理的图。
图5B是说明在现有的SE电子源中关于电子束的轨道的原理的图。
图5C是说明在实施例1的SE电子源中关于电子束的轨道的原理的图。
图5D是说明在实施例1的SE电子源中关于电子束的轨道的原理的图。
图6A是示出在实施例1的SE电子源中锥面的角度θ对电子束造成的影响的图。
图6B是示出在实施例1的SE电子源中锥面的角度θ对电子束造成的影响的图。
图7A是示出在现有的SE电子源中芯片与抑制电极的轴偏离量对电子束造成的影响的图。
图7B是示出在实施例1的SE电子源中芯片与抑制电极的轴偏离量对电子束造成的影响的图。
图7C是示出在现有类型和实施例1的SE电子源中芯片与抑制电极的轴偏离量对电子束造成的影响的图。
图8A是示出在实施例1的SE电子源中L和θ对电子束的影响的关系的图。
图8B是示出在实施例1的SE电子源中L和θ对电子束的影响的关系的图。
图9是示出在实施例1的SE电子源中需要的抑制电压的例子的图。
图10是示出在现有的SE电子源中变更了芯片的突出长度T的情况下对电子束的影响的图。
图11A是示出在实施例2的SE电子源中L和θ对电子束的影响的关系的图。
图11B是示出在实施例2的SE电子源中L和θ对电子束的影响的关系的图。
图12A是示出在实施例2的SE电子源中L和θ对电子束的影响的关系的图。
图12B是示出在实施例2的SE电子源中L和θ对电子束的影响的关系的图。
图13是示出在实施例2的SE电子源中T和L对电子束的影响的关系的图。
图14是说明实施例3的SE电子源的结构的图。
图15是说明实施例4的SE电子源的结构的图。
图16是说明实施例5的SE电子源的结构的图。
图17是说明实施例6的SE电子源的结构的图。
图18是说明实施例7的SE电子源的结构的图。
具体实施方式
以下，使用附图依次说明本发明的电子源、电子枪以及电子显微镜等带电粒子束装置的各种实施例。作为带电粒子束装置，存在如下电子显微镜：向试样照射电子束，检测从试样发射的二次电子、反射电子或透射电子等来生成试样的观察图像。以下，作为带电粒子束装置的一例，对电子显微镜之中的扫描电子显微镜进行说明，但本发明并不限定于此，也能够应用于其它电子显微镜、带电粒子束装置。
实施例1
图1示出实施例1的扫描电子显微镜的整体简要结构。扫描电子显微镜将从电子源101射出的电子束115一边向试样112扫描一边照射，利用检测器114检测从试样112发射的二次电子、反射电子等，生成试样112的观察图像。将聚光于微小点的电子束115在试样112上扫描，将电子束115所照射的位置与二次电子等的检测量关联地生成该观察图像。图中，将电子束115的射出方向设为Z轴，将与Z轴正交的水平轴设为X轴。
扫描电子显微镜具备筒体125和试样室113，筒体125的内部从上起分为第一真空室126、第二真空室127以及第三真空室128。在各个真空室的边界部分具有电子束115通过的光圈(未图示)，各真空室的内部通过差动排气而维持为真空。以下，说明各真空室的装置结构。
在第一真空室126的内部配置电子源101。电子源101使用SE电子源。SE电子源101由绝缘子116保持，与筒体125电绝缘。在SE电子源101的下方(下游)对置地配置引出电极102。在引出电极102的下方对置地配置加速电极103。由SE电子源101、引出电极102、加速电极103构成电子枪104。从SE电子源101发射电子束115，最终向试样112照射，从而得到观察图像。在下文中说明SE电子源101的详细结构。第一真空室126利用离子泵120和非蒸发吸气泵118进行真空排气，使压力为10－8Pa左右的超高真空，更优选为10－9Pa以下的极高真空。
在第二真空室127配置聚光透镜110。第二真空室127由离子泵121进行排气。
在第三真空室128配置检测器114。在第三真空室也配置离子泵(未图示)进行真空排气。
在试样室113配置物镜111和试样112。并且，虽然未图示，但也配置用于扫描电子束115的扫描偏转器等。试样室113由涡轮分子泵109进行真空排气。
下面，对上述各结构的作用和直到从SE电子源101发射出的电子束115生成观察图像为止的工序进行说明。
使用未图示的电源对电子枪104的各电极施加电压。对引出电极102施加相对于SE电子源101为正的引出电压V1，从SE电子源101发射电子束115。引出电压V1的大小典型地为1kV至10kV左右，更优选为2kV至6kV左右。对加速电极103施加相对于SE电子源101为0.5kV至100kV左右的加速电压V0，使电子束115加速。在引出电极102与加速电极103之间由电压差形成静电透镜。
在电子枪104的下方配置聚光透镜110，对从电子枪104射出的电子束115进行聚光，调整电子束115的电流量、开度角。此外，聚光透镜也可以设置多个，并且也可以配置于其它的真空室。并且，也可以将从电子源101到聚光透镜110为止作为电子枪104。
最后，利用配置于更下方的试样室113的物镜111将电子束115聚光于微小点，一边由未图示的扫描偏转器在试样112上扫描一边进行照射。此时，从试样112发射反映了表面形状、材质的二次电子、反射电子、X射线。通过由检测器114检测上述二次电子、反射电子、X射线，得到试样的观察图像。检测器114也可以设置多个，并且也可以配置于试样室113等其它真空室。
接着，图2中，作为在一般的扫描电子显微镜中使用的SE电子源，示出现有的SE电子源201的结构。现有的SE电子源201构成为具备作为电子发射材料的单晶线(以下称为芯片)202和抑制电极203。
芯片202是钨<100>取向的单晶线，其直径为0.12mm左右。芯片202的前端尖锐化，发射电子的前端部分的曲率半径为1μm以下左右。在芯片202的单晶线的中段等的一部分涂布氧化锆。芯片202焊接于灯丝206。灯丝206的两端与两个端子207连接。两个端子207由绝缘子208保持，分别电绝缘。两个端子207沿与SE芯片202同轴的方向延伸，并且经由未图示的馈通(feed through)而与电流源连接。
在这样的结构中，使电流稳定地流向端子207，对灯丝206进行通电加热，从而将芯片202从1500K加热到1900K。在该温度下，涂布于芯片202的氧化锆在表面扩散移动，被覆位于成为电子源的芯片202的前端中央的(100)晶面。若(100)面被氧化锆覆盖，则该部分的功函数降低。再有，如上所述地对配置于抑制电极203的下方的引出电极102(图1所示)施加几kV左右的引出电压V1，从而对尖锐化后的芯片202的前端在中心轴Z方向上施加108V/m左右的强引出电场。其结果，产生肖特基效应，功函数进一步降低。结果，热电子从被加热后的芯片202的前端的(100)面发射，得到电子束115。
作为典型的形状，抑制电极203是具有底面(平面)205的杯型的圆筒金属等。在该底面(平面)205配置开口部204。抑制电极203和开口部204被同轴加工，中心轴一致。该中心轴是与电子束115的射出方向相同的Z轴。芯片202配置在开口部204的内部，芯片202的前端从该开口部204突出一定的长度T地配置。芯片202的前端以外的部分被抑制电极203覆盖。
抑制电极203与绝缘子208嵌合而组装并被保持。抑制电极203和端子207由绝缘子208电绝缘。
在本例中，平面205是与中心轴Z垂直的平面部分。平面205的直径典型地为4mm至10mm左右。开口部204的直径d典型地为0.2mm至1.2mm左右，更优选为0.4mm左右。抑制电极203的侧面典型地具有与抑制电极203的中心轴Z平行的圆筒面210，在平面205与圆筒面210的连接部具有倒角部209。
如上所述，芯片202的前端从开口部204突出长度T地配置。芯片202的前端的突出长度T典型地为0.15mm至0.35mm左右，更优选为0.25mm左右。
对抑制电极203施加相对于芯片202典型地为－0.1kV至－1.2kV、更优选为－300V至－600V左右的负的抑制电压VS。利用负的抑制电压VS所形成的电场来抑制欲从芯片202的根部、灯丝206等芯片202的前端部以外的部位发射的不需要的热电子的发射。其结果，能够防止由不需要的热电子引起的电子束115的高亮度性能、高分辨率性能的劣化。
此外，芯片202的前端与图1所示的引出电极102的距离典型地为0.15mm至1.5mm左右。芯片202的前端与图1所示的加速电极103的距离典型地为1mm至50mm左右。
此处，由于抑制电极203与绝缘子208通过嵌合而组装，所以基本上以芯片202的中心轴与抑制电极203的开口部204的中心轴一致的方式一体形成。但是，在加工形成工序中，因机械公差、组装误差、热引起的应变的影响而产生偏离。因此，在现实中，芯片202的中心轴与开口部204的中心轴有时在抑制电极203的开口部204处在与Z轴正交的方向(X轴方向等)上偏离，该偏离量、即开口部204的面内的开口部204的中心与芯片202的偏离量(以下称为轴偏离量)Δ在现实中为几μm至几十μm左右，再有该轴偏离量Δ按照电子源的每个个体而不同。此外，由于抑制电极203的中心轴和开口部204的中心轴如上所述地被同轴加工，所以以下，关于芯片202与开口部204的轴偏离，有时称为芯片202与抑制电极203的轴偏离，是相同的含义。由于产生这样的轴偏离Δ，所以有电子束115的轨道弯曲这样的影响，其结果，如在下文中说明，产生因通过位于下游的透镜的轴外所致的轴外像差的发生等问题。
接下来，使用图3，对因芯片202与抑制电极203的开口部204的轴偏离而电子束115弯曲的原理的概要进行说明。图3中，在搭载于扫描电子显微镜的SE电子源101中，放大地示出芯片202的前端部分。此外，相同符号的结构是指与上述相同的结构，省略之后的说明。
图3A是芯片202与抑制电极203的轴一致的理想的情况下的示意图。在中心轴一致的情况下，如在下文中说明，对从芯片202的前端发射出的电子束115仅作用同轴状的抑制电极203所形成的Z轴对称的电场分布，仅受到电子束115的行进方向亦即Z方向的电场作用而沿Z方向直线前进，不会弯曲地沿中心轴前进。之后，电子束115在引出电极102、加速电极103的开口的中心轴上前进，因此不会产生轴外像差。
图3B是抑制电极203相对于芯片202产生了轴偏离的情况下的示意图。此外，如轴偏离矢量302所示，示出抑制电极203在图中向右方向偏离的情况。并且，虚线所示的抑制电极203示出未产生轴偏离的情况下的位置。
在芯片202与抑制电极203的中心轴偏离的情况下，在芯片202的电子束115的发射方向的前方的空间，如在下文中说明那样产生与中心轴垂直的方向(横向)(X方向)的电场301。从芯片202发射出的电子束115因该电场不仅在Z轴方向上受到力在横向上也受到力，从而弯曲。之后，电子束115通过由引出电极102和加速电极103形成的静电透镜的轴外。其结果，电子束115的轨道因轴外像差而紊乱，在试样112上聚光时的聚光直径变大，从而扫描电子显微镜的分辨率变差。此外，在加速电极103的下方存在聚光透镜110、物镜111。由于电子束115弯曲，所以在这些透镜中也产生轴外像差，使分辨率变差。
由于电子源101的轴偏离量Δ按照每个个体而不同，所以电子束115弯曲的大小也按照每个个体而不同。因此，按照每个搭载有电子源的扫描电子显微镜，轴外像差和分辨率不同，产生机械差异。若扫描电子显微镜存在机械差异，则例如在将半导体图案作为试样来测量图案的尺寸的情况下，在利用多个电子显微镜对相同尺寸的图案进行测量的情况下，导致得到与用于测量的扫描电子显微镜的机械差异对应的不同尺寸的测量结果，测量的可靠性、精度、再现性降低。该机械差异的问题成为伴随半导体图案的微细化而更容易显现的问题。
再有，若轴偏离Δ较大，电子束115弯曲的大小特别大，则无法通过引出电极102、加速电极103的开口、或者未图示的其它光圈，无法到达试样112。在该情况下，导致电子源、电子枪或扫描电子显微镜的制造不良，增加制造成本、准备时间。
为了解决上述问题，在实施例1中，使抑制电极305的形状为与现有的抑制电极203不同的形状。
图4示出实施例1的SE电子源101以及抑制电极305的结构。如图4所示，实施例1的抑制电极305与现有的抑制电极203不同，在作为其下表面(底面)的平面205的中心轴Z附近的位置具有锥面(锥部)306。该锥面306的作用，即使在如下文中说明那样芯片202和抑制电极305产生了轴偏离的情况下，电子束115也不会弯曲。
锥面306在与垂直于中心轴Z的面之间形成角度(锥角)θ。在锥面306与平面205(前方端部213)的连接部形成角部307。将自锥面306开始的位置(相当于角部307的位置)起并中心轴观察时的直径设为L。直径L为平面部205(前方端部213)的直径。
若用其它表现说明抑制电极305的结构，则如下。抑制电极305具有中心轴Z，具备成为沿着中心轴Z的方向上的两端部的前方端部213(平面205)和后方端部214，在前方端部213(平面205)，与抑制电极305同轴状地具备开口部204而配置芯片202。此处，芯片202的前端部从开口部204突出地配置并将发射电子束115的方向作为前方，将其相反方向作为后方。构成为，在前方端部213(平面205)的比开口部204靠外周方向的位置具备锥部306，该锥部306成为在Z方向上向比前方端部213(平面205)远离芯片202的前端的方向后退的面(后退部(面))212。
与现有的抑制电极203相比，抑制电极305是在平面205的面内使中心轴Z的附近部的面后退而形成后退部212(锥面306)的电极，平面部205的直径比现有结构小。
由于在中心轴Z的附近存在锥面306，即使在芯片202与抑制电极305产生了轴偏离的情况下，锥面306也对抑制电极305所形成的电场分布进行作用，如在下文中说明，电子束115不会弯曲。作为抑制电极的形状的参数的上述的直径L和角度θ如在下文中说明那样具有适当的设计范围。
与现有的SE电子源201相同，抑制电极305与绝缘子208嵌合而组装并被保持。
对由这样的实施例1的抑制电极的结构得到的效果进行说明。图5A～图5D中示出说明如下原理的说明图：在实施例1的SE电子源101中，即使芯片202与抑制电极305产生轴偏离，电子束115也不会弯曲。图5A、图5B示出使用现有类型的抑制电极203的情况下的状态，图5C、图5D示出使用实施例1的抑制电极305的情况下的状态。而且，图5A和图5C示出芯片202与开口部204没有轴偏离的情况，图5B和图5D示出存在轴偏离的情况。
首先，图5A是示出在现有的SE电子源201中没有轴偏离的情况下的电力线的示意图。电力线是示出在空间产生的电场的方向的假想线，示出电子所受到的力的方向。
如上所述，对抑制电极203施加相对于芯片202、引出电极102为负的电压。其结果，在芯片202的表面产生多个正电荷401，在抑制电极203的表面产生多个负电荷402。因此，从电荷401朝向负电荷402产生电力线403。在图5A的没有轴偏离的状态下，芯片202和抑制电极203具有相对于中心轴形成轴对称的构造。在该情况下，没有在中心轴上横穿的电力线，不会对从芯片202的前端发射的电子束115施加横向的力。因此，电子束115不会弯曲。
图5B是示出在现有的SE电子源201中在产生了轴偏离的情况下追加的电力线的示意图。抑制电极203相对于芯片202偏离相当于在图5A的状态新加上电荷。
设为从图5A的状态向图5B的状态，抑制电极203向轴偏离矢量302所示的方向、即图中右方向偏离了微小的量(轴偏离量Δ)。此外，图5B中的虚线示出轴偏离前的抑制电极203的位置，实线示出轴偏离后的抑制电极203的位置。此外，轴偏离量Δ严格来说定义为开口部204的面内的抑制电极的开口部204的中心轴与芯片202的中心轴的偏离，但作为大致相同的量，在图5等中简单地示出为开口部204的开口端部的位置从轴偏离前的状态变化(位移)至轴偏离后的状态时的位移量。
在开口部204中，着眼于抑制电极203接近芯片202的空间区域406。抑制电极203在该空间区域移动的情况等价于因轴偏离而对该空间加上新的负电荷405的情况。并且，由于空间区域406的图中左侧的空间成为抑制电极203的内部，所以不会产生电荷。因此，还加上抵消处于轴偏离前的负电荷402的正电荷420。再有，在空间区域406中，抑制电极203与芯片202的距离接近。因此，静电电容变大，与轴偏离前相比，该空间的负电荷的量增加。即，与正电荷420相比，负电荷405的数量变多。
另一方面，在开口部204中，着眼于抑制电极203远离芯片202的空间区域407。抑制电极203从该空间区域消失等价于对该部分施加新的正电荷404而抵消处于轴偏离前的负电荷421。并且，由于空间区域407的图中右侧新成为抑制电极203的表面，所以在此处加上负电荷422。再有，在空间区域407中，抑制电极203与芯片202的距离分离。因此，静电电容减少，与轴偏离前相比，该空间的负电荷的量减少。即，与负电荷422相比，正电荷404的数量变多。
这样，抑制电极203产生轴偏离的情况等价于在图5A所示的没有轴偏离的状态下的电荷分布中追加图5B所示的负电荷405和正电荷420、以及正电荷404和负电荷422的情况。
此处，图5B中，正电荷404和负电荷405在抑制电极203的真空侧表面露出，而且电荷量较多，在真空区域形成最强的电场。其结果，在芯片202的前方产生连结两电荷的新的电力线408。电力线408以横穿中心轴的方式横向(图中的X方向)产生，对从芯片202发射的电子束施加力。其结果，电子束在图中向右侧弯曲。这是电子束因抑制电极203的轴偏离而弯曲的原理。
图5C是示出在实施例1的SE电子源101中没有轴偏离的情况下的电力线的示意图。实施例1的SE电子源101在抑制电极305的下表面的轴附近具有锥面306。在没有轴偏离的情况下，与图5A相同，轴对称地产生正电荷401和负电荷402，产生电力线403。在该情况下，也不会产生横穿中心轴的电力线，从而电子束115不会弯曲。
图5D是示出在实施例1的SE电子源101中在向图中的右侧轴偏离了轴偏离量Δ的情况下追加的电力线的示意图。在实施例1的SE电子源101中，通过设置锥面306，在锥面也产生电荷，产生与电力线408反向的电力线412。其结果，缓和使电子束弯曲的力，并且进一步产生使电子束往回弯曲的力。此外，图中的虚线示出与图5C所示的情况相同的轴偏离前的抑制电极305的位置，实线示出轴偏离后的抑制电极305的位置。
更详细地说明图5D。在实施例1的SE电子源101中，在芯片202和抑制电极305发生了轴偏离的情况下，在开口部204中也产生新的正电荷404和负电荷422、以及新的负电荷405和正电荷420，从而产生电力线408。
此处，在实施例1的SE电子源101中，在锥面306也因轴偏离而产生等价的电荷。着眼于锥面306接近芯片202的空间区域413。处于该空间的抑制电极305消失的情况等价于在此处加上新的正电荷410而抵消处于轴偏离前的负电荷402的情况。并且，由于空间区域413的图中的右侧的空间新成为锥面306的表面，所以在此处加上负电荷423。再有，在空间区域413中，锥面306接近芯片202。其结果，芯片202对锥面306造成的电场的影响增加，(未图示的)引出电极102对锥面306造成的电场的影响减少。与芯片202相比，施加于引出电极102的电压较高，因此锥面306的电场减少。即，与负电荷423相比，正电荷410的数量变多。
另一方面，着眼于锥面306远离芯片202的空间区域414。抑制电极305在该空间移动的情况等价于在此处添加新的负电荷411的情况。并且，由于空间区域414的左侧成为抑制电极305的内部，所以加上抵消处于轴偏离前的负电荷的正电荷424。再有，在空间区域414中，锥面306远离芯片202。其结果，芯片202对锥面306造成的电场的影响减少，未图示的引出电极102对锥面306造成的电场的影响增加。与芯片202相比，施加于引出电极102的电压较高，因此锥面306的电场增加。即，与正电荷424相比，负电荷411的数量变多。
这样，在锥面306的表面，在空间区域413中正电荷410变多，在空间区域414中负电荷411变多。其结果，产生连结二者的新的电力线412。电力线412与开口部204产生的电力线408反向。这能够减弱在开口部204产生的电场，降低电力线408所产生的力，难以使电子束弯曲。
并且，在锥面306产生的正电荷410和负电荷411的电荷量越大，或者正电荷410和负电荷411的距离越近，则二者所形成的电场越强，电力线412带来的力也越强。因此，通过将电荷量和距离设为适当的量，也能够利用电力线412使因电力线408而弯曲了的电子束往回弯曲，使电子束返回到中心轴上。
另一方面，若过度增大电荷量或者使距离过度接近，则电力线412的力变得比电力线408的力过强，电子束向图中的左侧弯曲。在电力线412的力过剩的情况下，与现有的抑制电极203产生了轴偏离的情况相比，电子束弯曲的程度变大，与现有技术相比轴偏离的影响变大，问题反而变差。
在锥面306产生的正电荷410和负电荷411的电荷量、以及两电荷的距离由图4所示的锥面306的开始位置的直径L和锥面306的角度θ决定。直径L决定在锥面306产生的正和负的电荷间的距离。角度θ决定锥面306和其角部307的电场集中的程度，决定在锥面306和角部307产生的电荷量。因此，为了即使产生轴偏离也不会使电子束弯曲，需要在适当的范围内设计直径L和角度θ。
此处，在面产生的电荷所形成的电场与正和负的电荷间的距离、即面之间的距离成反比例而变弱。因此，为了利用锥面306在中心轴上产生充足的电场，需要将锥面306配置于中心轴附近。即，需要使直径L为一定距离以下。此外，在现有的抑制电极203中，虽然配置有倒角部209，但通常是为了避免抑制电极305的角部的电场集中等目的，未考虑倒角部209的开始位置的直径、即平面205的直径L，典型地具有4mm以上的较大的直径。在像这样直径L较大的情况下，无论在平面205的外侧设置怎样的构造，该构造在中心轴上形成的电场都极小，不会对电子束115造成影响。因此，在现有的抑制电极203中，无论倒角部209是怎样的形状、角度，都没有影响。在平面205的直径像这样较大的情况下，仅由开口部204所形成的电场决定横向的电场和电子束115的弯曲方式。
此外，上述的电子束115不会弯曲的原理也能够通过在中心轴附近设置与图4不同的形状来实现。在图5D所示的结构中，本质上，在比抑制电极305的开口部204靠外周方向且在中心轴附近的位置设有比抑制电极的最下表面205(前方端部213)朝向后方(图中上方)的面(后退部(面)212)，从而在轴偏离时在此处产生电荷，产生相反方向的电场。其结果，抵消开口部204所形成的电场，进而使电子束往回弯曲，从而电子束115不会弯曲。换言之，将从芯片202朝向试样的方向设为前方，将相反方向设为后方，在比抑制电极305的开口部204靠外周方向且在中心轴Z附近的位置设置比抑制电极305的最前表面(前方端部)213更向后方后退的面(后退面)(在实施例1中为锥部306)、即在中心轴方向上比前方端部213更远离(离开)芯片202的前端的部分作为后退部212的一部分。其结果，该后退面212的中心轴附近部分(在实施例1中为锥部306)产生与在轴偏离时开口部204产生的电场方向相反的电场。其结果，能够防止电子束弯曲。
作为图4的锥部306以外的后退面的例子，也可以是阶梯状的台阶(相当于θ＝90度(°))、球、椭圆等曲面、组合多个锥部、台阶、曲面而成的面。此外，阶梯状的台阶也能够认为是锥角度90°的锥部，球、椭圆等曲面也能够认为是由连续变化的无数不同的锥角度的微小部分形成的一种锥部。上述的其它形状作为其它实施例在下文中说明。
从此处开始，对抑制电极305的形状参数L、θ、以及抑制电极305与芯片202的轴偏离量Δ与电子束115的轨道的弯曲量(图5中的X方向的位移)的关系以及抑制电极305的形状参数的适当的设计范围进行说明。
首先，图6示出在实施例1的SE电子源101中锥面306的角度θ对电子束115造成的横向的弯曲(X方向的位移)的影响的一例。
图6A是在将锥面306的角度θ从0°变化到14°为止的情况下计算在中心轴Z上产生的与中心轴垂直的方向(X方向、横向)的电场EX的结果。此处，将芯片202的中心轴设为Z轴，将其垂直方向设为X轴，将芯片202的前端表面设为Z＝0，将试样侧设为Z＞0。作为计算条件的一例，将抑制电极305的前方端部213(平面205)的直径L、芯片202的突出长度T、开口部204的直径d、芯片202与抑制电极305的轴偏离量Δ分别设为L＝800μm、T＝250μm、d＝400μm、Δ＝1μm，将芯片202的电位设为0V，将引出电压V1设为2kV。并且，将抑制电压VS调整为施加于芯片202的前端的中心轴方向(Z方向)的电场在各形状中相等。横向的电场EX将θ＝0°时的最大电场的绝对值设为1来进行标准化。此外，θ＝0°是没有锥面306的条件，是现有的抑制电极203的形状。并且，上述的计算条件如上所述是一例，关于各种参数(计算条件)变化的情况，也能够如在下文中说明那样考察减少电子束的弯曲的效果的倾向。
在θ＝0°的情况下，在芯片202的前端附近产生EX＝－1的最大电场，随着Z变大而电场降低。在Z＝800μm附近，EX大致为0。若将θ设为2°，则芯片202前端的电场降低。若将θ增大为6°、10°、14°，则除了芯片202前端的电场逐渐减弱之外，以Z＝200μm附近为顶点产生+侧的电场。由于电场的正负反转，所以该+侧的电场以将在芯片附近一度弯曲的电子束拉回的方式发挥作用。
图6B是将锥面306的角度θ从0°变化到14°为止的情况下的电子束的轨道的计算结果。示出相对于Z轴上的距离Z的、电子束的轨道的X方向的位置(位移量或者离轴距离X)。纵轴X相对于横轴Z的变化率(dX/dZ)为电子束的轨道的斜率。此外，附图中，Z标记到20mm，示出到位于下游的加速电极103附近为止。并且，在θ＝0°的现有的抑制电极中，纵轴X将Z＝20mm时的电子束的离轴距离X设为1来进行标准化。抑制电极305的形状等参数与图6A相同。
在θ＝0°的现有的抑制电极的情况下，电子束向+侧弯曲，随着Z变大而从中心轴离开。随着增大θ，电子束的斜率(dX/dZ)降低，离轴量X也降低。若将Z＝20mm时的电子束的斜率(dX/dZ)与现有技术进行比较，则θ＝2°、6°、10°的斜率分别为80％、39％、0.1％。即，在θ＝10°的情况下，即使芯片202和抑制电极305产生轴偏离，电子束也成为几乎不弯曲的状态。由于电子束不弯曲，所以电子束在中心轴上前进，在静电透镜或其它透镜中不产生轴外像差。另一方面，在θ＝14°时，使电子束往回弯曲的力变得过强，电子束向－侧倾斜。若进一步增大θ，则电子束进一步向－侧倾斜，电子束的弯曲量有时比现有技术恶化。这样，为了与现有技术相比减少电子束的弯曲，需要使θ在一定的范围内。
接下来，使用图7，说明在实施例1的SE电子源101中芯片202与抑制电极305的轴偏离量Δ变大的情况下的影响的一例。
图7A示出在使用了现有的抑制电极203的SE电子源201中，在轴偏离量Δ从1μm增加到20μm的情况下，计算在中心轴Z上产生的、与中心轴垂直的方向(X方向、横向)的电场EX的结果。此外，横向的电场EX将轴偏离Δ＝1μm的情况下的最大电场的绝对值设为1来进行标准化。
EX与轴偏离量Δ大致成比例地增加，其分布成为相似形状。轴偏离量Δ＝1μm、5μm、10μm、20μm时的EX的最大值的绝对值为1、5、10、20。因此，横向的电场EX与轴偏离量Δ成比例地变大，电子束大幅度地弯曲。
图7B是在使用了实施例1的抑制电极305的SE电子源101中，在θ＝10°的条件下轴偏离量Δ增加的情况下的横向的电场EX的计算结果。此外，在其它计算中使用的条件与在图6中说明的条件相同。
关于实施例1的SE电子源101，EX也与轴偏离量Δ成比例地增加，其分布成为相似形状。但是，在实施例1的SE电子源101中，与轴偏离量Δ成比例地，在Z＝200μm附近具有顶点的+侧的电场也增加。其结果，即使轴偏离量Δ增加，与此相应地使电子束往回弯曲的力也增加，从而维持电子束不弯曲的状态。
图7C中，关于现有的SE电子源201和实施例1的SE电子源101，将轴偏离量Δ设为横轴，将Z＝20mm的位置处的电子束的斜率(dX/dZ)设为纵轴来示出。图7C的实施例1的抑制电极305的形状与图7B相同。此外，关于纵轴的电子束的斜率(dX/dZ)，在使用了现有的抑制电极203的SE电子源201中，将轴偏离量Δ＝1μm时的Z＝20mm处的斜率设为1来进行标准化。
在现有的抑制电极203中，电子束的斜率(dX/dZ)与轴偏离量Δ成比例地变大。另一方面，在实施例1的抑制电极305中，即使轴偏离量Δ增加，电子束的斜率也大致为0。这样，即使实施例1的抑制电极305产生轴偏离，也能够实现电子束115不弯曲的状态。
再有，现有技术中，在电子源的组装工序中设置基准，进行品质管理，以便芯片202与抑制电极203的轴偏离量为一定值以下。而且，在制造出的电子源中，轴偏离量Δ无法为一定值以下的个体为制造不良。另一方面，使用实施例1的抑制电极305，由于即使轴偏离量Δ较大，电子束115也不会弯曲，因此能够大幅度地放宽组装工序的基准。这具有降低电子源的制造成本、提高成品率、减少准备时间等效果。
基于以上的结果，对实施例1的抑制电极305的形状的适当设计进一步进行研究。
使用图8，在使用了实施例1的抑制电极305的SE电子源101中，说明适当的L与θ的关系。图8A示出在实施例1的抑制电极305中，计算在变更了L和θ的情况下得到的Z＝20mm时的电子束115的斜率(dX/dZ)的结果。将横轴设为L，将纵轴设为θ，显示将成为相同的电子束的斜率的点连结的等高线。此外，电子束的斜率以与使用了现有的抑制电极203的现有的SE电子源201的电子束的斜率相比的百分比来示出。图中的90％、50％、0％、－50％、－90％的线示出与现有的SE电子源201相比，电子束的斜率为90％、50％、0％、－50％、－90％。－所示的含义示出与现有技术相比电子束的斜率反转。在计算中使用的其它条件与图6相同。
在实施例1的SE电子源101中，原理上，L越短或θ越大，则锥面306所形成的电场越强。相反，在L过大或θ过小的情况下，锥面306所形成的电场变得非常弱，与现有技术相比，降低电子束的斜率的效果小到能够忽视的程度。另一方面，在L过小或θ过大的情况下，锥面306所形成的电场变得非常大，与现有技术相比，电子束的斜率向相反方向变得非常大。在该情况下，与现有的SE电子源201相比，电子束向相反方向大幅度地弯曲。因此，需要在适当的范围内设计直径L和角度θ。
作为使用了实施例1的抑制电极305的SE电子源101的效果，若将电子束115的斜率的绝对值比现有技术降低10％以上的情况即斜率的绝对值为现有的90％以下的情况设为阈值，则L和θ优选为在由图8A所示的90％至－90％的线包围的范围内设计。
更优选为，若将电子束115的斜率的绝对值比现有技术降低50％以上的情况即斜率的绝对值为现有的50％以下的情况作为阈值，则L和θ优选为在由图8A所示的50％至－50％的线包围的范围内设计。
进一步优选为，为了使电子束115的斜率为现有的0％，即，为了使电子束完全不弯曲，优选为以图8A所示的0％的线上的条件进行设计。
锥面306的角度θ优选最大为90°。在θ＝90°时，锥面306的形状不是锥形而是视为阶梯状的台阶。如图8A所示，在θ＝90°的条件下，使电子束的斜率为现有的90％的L约为2540μm。在其它θ的情况下，锥面306所形成的电场变弱，因而为了得到90％的斜率，需要使L比该值小。因此，在任一角度下，为了得到90％以下的电子束的斜率，都需要使L为2540μm以下。这成为将锥面306配置于轴附近时的一个基准。
同样，在θ＝90°的条件下，使电子束的斜率为现有的50％的L约为1940μm。因此，在任一角度下，为了得到50％以下的电子束的斜率，都需要使L为1940μm以下。
同样，在θ＝90°的条件下，使电子束的斜率为0％的L为1650μm。因此，在任一角度下，为了得到0％的电子束的斜率，都需要使L为1650μm以下。
图8B是将图8A的纵轴设为logθ的图。此外，θ的单位为度(°)，L的单位为μm。90％、50％、0％、－50％、－90％的线是通过将纵轴设为logθ并由以下的各个二次函数来近似。
90％、50％、0％、－50％、－90％的线依次如下表示。
logθ＝2.40×10－7×L2+3.18×10－4×L－4.08×10－1
logθ＝3.80×10－7×L2+6.77×10－5×L+3.92×10－1
logθ＝4.96×10－7×L2－8.31×10－5×L+7.43×10－1
logθ＝5.86×10－7×L2－1.81×10－4×L+9.49×10－1
logθ＝6.68×10－7×L2－2.68×10－4×L+1.08
因此，就实施例1的SE电子源101而言，另一个基准是在上述公式所包含的范围内使用L和θ进行设计。例如，在将电子束的斜率从现有的90％降低至－90％的情况下，使用上述的90％和－90％的情况下的式子，以满足2.40×10－7×L2+3.18×10－4×L－4.08×10－1≤logθ≤6.68×10－7×L2－2.68×10－4×L+1.08的关系的方式设计即可。
此处，图8A和图8B所示的适当的范围根据芯片的突出长度T、开口部204的直径、芯片或引出电极的形状、抑制电压、引出电压等其它条件而变化±20％左右。并且，很难通过对这些条件中的每一个进行区分来设定基准。因此，应该注意的是，上述的范围不是严格的，存在具有一定的似然度而变化的情况。
作为一例，本计算是芯片202的突出长度T＝250μm的结果，但横向的电场301的影响与突出长度成反比例地增减。其结果，电子束弯曲的程度变化，适当的L和θ的范围也变化。若T为200μm至300μm左右的接近250μm的值，则通过大致在图8所示的L和θ的范围内设计，与现有技术相比能够降低电子束的斜率。但是，在突出长度T脱离在该范围外的情况下，适当的L和θ在图8的范围内不充分。在下文中说明上述的突出长度不同的情况。
本计算是开口部204的直径为400μm的结果，但作为另一例，在使开口部204的直径更大的情况下，引出电极102对开口部204造成的电场的影响变强，正电荷404和负电荷405的电荷量增加。其结果，电子束115会更大地弯曲。此时，为了防止电子束115弯曲，需要与图8所示的范围相比增大角度θ且缩小直径L。通过进行与上述相同的计算可知：例如在开口部204的直径为600μm的情况下，直径L需要减小约20％。
接下来，对使用了实施例1的抑制电极305的SE电子源101需要的抑制电压进行说明。图9示出在θ＝10°的条件下变更直径L的情况下，计算为了使施加于芯片202的前端的中心轴方向(Z方向)的电场与现有技术相同所需的抑制电压的结果。其它的计算条件与图6相同。此外，纵轴将对使用了现有的抑制电极203的SE电子源201施加的抑制电压设为1来进行标准化。
实施例1的抑制电极305通过在中心轴的附近具有锥面306这样的后退面212，从而作为抑制电极305的本来目的的抑制施加于芯片202的前端的中心轴方向(Z方向)的电场的效果变弱。即，施加于芯片202的前端的中心轴方向的引出、加速电场变强。在该情况下，作为抑制电极的功能的抑制不需要的电子的效果降低，产生与现有技术相比过剩地发射不需要的电子的问题。为了进行对策，在实施例1中，需要使抑制电压VS比现有技术高，使芯片202的前端的中心轴方向的电场与现有技术相同。
图9所示的L＝400μm的计算结果是使锥面306的开始位置与开口部204的下表面一致的条件，是指没有平面205的形状。在该情况下，需要的抑制电压为1.54，必须比现有技术提高54％电压。这产生电源成本的增加、绝缘子208沿面放电的危险性增加的课题。并且，由于开口部204与锥面306的开始位置一致，所以电场集中于这一点，在与引出电极102之间进行空间放电的危险性增加。在引起上述的放电的情况下，芯片202的前端熔损，电子源变得无法使用。并且，通常，芯片的突出长度T以平面205为基准面，在实体显微镜下进行调整并组装，但由于没有平面205，该突出长度的调整变得困难，产生成品率变差、制造成本增加的问题。
如图9所示，使直径L比400μm大，即增大平面205的直径，来降低需要的抑制电压。并且，能够解决没有上述平面205的情况下的问题。尤其，图9所示的曲线图向下凸出，具有通过稍微增大L就能够大幅度地降低需要的抑制电压的优点。
作为L的大小的一个基准，若将在L＝400μm的情况下需要的抑制电压的增加量54％的一半的27％以下的情况、即在图9的纵轴中设为1.27以下的情况设为阈值，则实现该阈值的L为720μm以上。因此，使L为720μm以上，与没有平面205的情况相比，能够使需要的抑制电压的增加为一半以下。这样，在开口部204的直径d为400μm左右的典型的抑制电极中，作为一个方针得到了使L为720μm以上。
更优选为，将使在L＝400μm的情况下需要的抑制电压的增加量54％为三分之一的18％以下(纵轴为1.18以下)的情况设为阈值。实现该阈值的L为910μm以上。因此，通过使L为910μm以上，与没有平面205的情况相比，能够使需要的抑制电压的增加为三分之一以下。
若使L为2000μm以上，则需要的抑制电压为1.01以下，与现有技术相比几乎没有变化。但是，如上所述，锥面306所产生的电场与L成反比例地变小。因此，增大L来降低需要的抑制电压与防止电子束的弯曲成为折衷的关系。设计者鉴于整体的装置设计，决定电子束的弯曲量的允许值和抑制电压的增加的允许值，并基于此决定适当的L。之后，决定θ，在期望的范围内减少电子束的弯曲。或者，缓和芯片202和抑制电极305的中心轴的组装误差的调整基准。
本计算针对θ＝10°来进行，但对于其它角度θ也进行了相同的计算，计算的结果为与图9相似的计算结果。因此，在其它θ的情况下，通过使上述的L为720μm以上，与该θ时的没有平面205的情况相比，能够使需要的抑制电压的增加为一半以下。并且，通过使L为910μm以上，与该θ时的没有平面205的情况相比，能够使需要的抑制电压的增加为三分之一以下。
实施例2
在实施例1中示出了如下结构：在芯片202的突出长度T为200μm至300μm左右的条件下，在抑制电极305设置锥面306，防止在轴偏离时电子束弯曲。在实施例2中，使用与实施例1相同构造的抑制电极305以及SE电子源101，对芯片202的突出长度T为在实施例1中记载的上述范围以外的情况的结构进行说明。
图10示出在使用了现有的抑制电极203的SE电子源201中变更了芯片202的突出长度T的情况下的横向的电场EX。图10是变更为T＝150μm、250μm、350μm的情况下的计算结果。T＝250μm的结果相当于在实施例1的图6A中示出的θ＝0°的结果。并且，Z＝0设为T＝250μm时的芯片202的前端表面的位置。因此，T＝150μm时的芯片202的前端表面为Z＝－100μm，T＝350μm时的芯片202的前端表面为Z＝100μm。计算条件是将开口部204的直径d设为400μm、将引出电压V1设为2kV。并且，将抑制电压VS调整为施加于芯片202的前端的中心轴方向(Z方向)的电场在各形状中相等。芯片202与抑制电极203的轴偏离量Δ为1μm。作为纵轴的横向的电场EX是将T＝250μm时的最大电场的绝对值设为1来进行标准化。
在变更了T的情况下，开口部204所形成的横向的电场较大地变化。T＝250μm时的电场的峰值为－1，与此相对，T＝150μm时为－3.4，T＝350μm时为－0.33。其原因在于，将图5B所示的电力线408屏蔽的区域因芯片202的突出长度T而发生变化。
在使芯片202的突出长度T比250μm短的情况下，电场也侵入没有芯片202的区域，电子束会更加弯曲。因此，为了防止电子束的弯曲，需要增强图5D所示的反向的电场412。为了实现这一点，需要使锥面306的直径L更短，或者使角度θ更大。
在使芯片202的突出长度T比250μm长的情况下，芯片202移动的区域的电场被屏蔽，电子束变得更难以弯曲。因此，在实施例1所示的L和θ的情况下，使电子束过度地往回弯曲，电子束的斜率有可能比现有技术恶化。因此，需要使锥面306的L更长或者使θ更小。
使用图11，对在使用了实施例2的抑制电极305的SE电子源101中将突出长度T设为150μm的情况下的适当的L与θ的关系进行说明。图11A示出在实施例2的SE电子源101中，在T＝150μm的条件下计算在变更了L和θ的情况下得到的电子束的斜率的结果。此外，与在现有的SE电子源201中设为T＝150μm的情况下的电子束115的斜率相比，以百分比示出电子束115的斜率。在其它的计算中使用的条件与图10相同。
图11A所示的90％、50％、0％、－50％、－90％的各线与图8的各线相比，L更短，θ更大。
在θ＝90°的条件下，使电子束115的斜率成为现有的90％的L约为2110μm。在其它θ的情况下，锥面306所形成的电场变弱，因而为了得到90％的斜率，需要使L比该值小。因此，在任一角度下，为了得到90％以下的电子束的斜率，都需要使L为2110μm以下。
同样，在θ＝90°的条件下，使电子束115的斜率为现有的50％的L约为1450μm。因此，在任一角度下，为了得到50％以下的电子束的斜率，都需要使L为1450μm以下。
同样，在θ＝90°的条件下，使电子束115的斜率为0％的L为1130μm。因此，在任一角度下，为了得到0％的电子束的斜率，都需要使L为1130μm以下。
图11B是将图11A的纵轴设为logθ的图。θ的单位为度(°)，L的单位为μm，90％、50％、0％、－50％、－90％的线是通过将纵轴设为logθ并由以下的各个二次函数来近似。
90％、50％、0％、－50％、－90％的线依次如下表示。
logθ＝2.69×10－7×L2+3.64×10－4×L－2.21×10－2
logθ＝4.62×10－7×L2+1.70×10－4×L+0.74
logθ＝6.92×10－7×L2－6.94×10－6×L+1.08
logθ＝9.88×10－7×L2－2.25×10－4×L+1.31
logθ＝1.27×10－6×L2－4.18×10－4×L+1.45
因此，在使用了实施例2的抑制电极305的SE电子源101中，在突出长度T为150μm的情况下，一个方针是使用由上式包围的范围内的L和θ进行设计。例如，在将电子束的斜率从现有的90％降低至－90％的情况下，使用上述的90％和－90％的情况下的式子，以满足2.69×10－7×L2+3.64×10－4×L－2.21×10－2≤logθ≤1.27×10－6×L2－4.18×10－4×L+1.45的关系的方式设计即可。
并且，如在下文中说明，突出长度T与允许的L的范围存在比例关系。因此，T为150μm到250μm之间的L和θ的适当的范围处于图8和图11所示的范围的中间的区域。在实施例2中，作为一个阈值，在T比200μm小的情况下，使用图11所示的范围内的L和θ。若为该范围，则即使在T比200μm小的情况下，一般来说与现有技术相比也能够降低电子束的斜率。
接下来，使用图12，对在实施例2的SE电子源101中将突出长度T设为350μm的情况下的适当的L与θ的关系进行说明。图12A示出在使用了实施例2的抑制电极305的SE电子源101中，在T＝350μm的条件下计算在变更了L和θ的情况下得到的电子束的斜率的结果。此外，与在现有的SE电子源201中设为T＝350μm的情况下的电子束115的斜率相比，以百分比示出电子束115的斜率。在其它的计算中使用的条件与图10相同。
图12A所示的90％、50％、0％、－50％、－90％的各线与图8的各线相比，L更长，θ更小。
在θ＝90°的条件下，使电子束115的斜率为现有的90％的L约为2810μm。在其它θ的情况下，锥面306所形成的电场变弱，因而为了得到90％的斜率，需要使L比该值小。因此，在任一角度下，为了得到90％以下的电子束的斜率，都需要使L为2810μm以下。
同样，在θ＝90°的条件下，使电子束115的斜率为现有的50％的L约为2270μm。因此，在任一角度下，为了得到50％以下的电子束的斜率，都需要使L为2270μm以下。
同样，在θ＝90°的条件下，使电子束115的斜率为0％的L为1990μm。因此，在任一角度下，为了得到0％的电子束的斜率，都需要使L为1990μm以下。
图12B是将图12A的纵轴设为logθ的图。θ的单位为度(°)，L的单位为μm，90％、50％、0％、－50％、－90％的线通过将纵轴设为logθ并由以下的各个二次函数来近似。
90％、50％、0％、－50％、－90％的线依次如下表示。
logθ＝2.59×10－7×L2+1.82×10－4×L－6.04×10－1
logθ＝3.32×10－7×L2+5.07×10－5×L+1.26×10－1
logθ＝4.12×10－7×L2－8.01×10－5×L+4.75×10－1
logθ＝4.62×10－7×L2－1.49×10－4×L+6.76×10－1
logθ＝5.15×10－7×L2－2.29×10－4×L+8.10×10－1
因此，在实施例2的SE电子源101中，在突出长度T为350μm的情况下，一个方针是使用由上式包围的范围内的L和θ进行设计。例如，在将电子束的斜率从现有的90％降低至－90％的情况下，使用上述的90％和－90％的情况下的式子，以满足2.59×10－7×L2+1.82×10－4×L－6.04×10－1≤logθ≤5.15×10－7×L2－2.29×10－4×L+8.10×10－1的关系的方式设计即可。
T为250μm至350μm之间的L和θ的适当的范围处于图8和图12所示的范围的中间的区域。在实施例2中，作为一个阈值，在T比300μm大的情况下，使用图12所示的范围内的L和θ。若为该范围，则即使在T比300μm大的情况下，一般来说与现有技术相比也能够降低电子束的斜率。
进行以上的计算，在使用了实施例2的抑制电极305的SE电子源101中，如下求出用于在变更了突出长度T的情况下允许电子束115的斜率的量的L的最大值。图13示出在突出长度T＝150μm至350μm的情况下，在θ＝90°的条件下用于与现有技术相比使电子束的斜率为90％、50％、0％的L的值。
在θ＝90°以外的其它θ的情况下，锥面306所形成的电场变弱，需要进一步缩短L。因此，图13所示的L是为了获得各百分比的电子束115的斜率而允许的最大限度的L。即使是任一百分比的线，L与T都成为直线性的关系，L也与T成比例地变大。因此，即使是上述计算以外的突出长度，也能够知道适当的范围。
在突出长度350μm的情况下，为了成为现有的90％以下的斜率，如图12所示，至少需要使L为2810μm以下。并且，若为该L的值以下，则即使在突出长度比350μm短的情况下，也能够使电子束的斜率为90％以下。并且，图13所示的T和L能够以大致直线的关系近似，因此，换言之，若是满足电子束的斜率为90％的直线性的近似式即L≤3.53T+1607的L与T的关系，则能够使电子束的斜率为90％以下。此处，L和T的单位为μm。
同样，在突出长度350μm的情况下，为了成为现有的50％以下的斜率，如图12所示，至少需要使L为2270μm以下。并且，若为该L的值以下，则即使在突出长度比350μm短的情况下，也能够使电子束的斜率为50％以下。换言之，若是满足电子束的斜率为50％的直线性的近似式即L≤4.10T+861的L与T的关系，则能够使电子束的斜率为50％以下。
再有，同样，在突出长度350μm的情况下，为了成为现有的0％的斜率，如图12所示，至少需要使L为1990μm以下。并且，若为该L的值以下，则即使在突出长度比350μm短的情况下，也能够使电子束的斜率为0％。换言之，若是满足电子束的斜率为0％的直线性的近似式即L≤4.29T+522的L与T的关系，则能够使电子束的斜率为0％。
总结以上的结果可知，为了使电子束的倾斜量至少减少10％、即减少至90％以下的量，在突出长度T＝350μm的情况下，需要使直径L为2810μm以下。而且，可知：若为该L的值以下，则即使在突出长度比350μm短的情况下，也能够使电子束的斜率为90％以下。并且，如上所述，芯片202的突出长度T典型地大多使用150～350μm左右。因此，作为一个方针，能够得到使平面205(前方端部213)的直径L为2810μm以下。
实施例3
在实施例2中示出了如下结构：在芯片202的突出长度T不同的条件下，在抑制电极305设置锥面306来防止在轴偏离时电子束弯曲。在实施例3中，作为其它后退面的一例，成为使用阶梯状的台阶的结构。
图14示出实施例3的SE电子源501的结构。在实施例3中，在抑制电极305的下表面设有阶梯状的台阶502。即，将前方端部213(平面205)的直径设为L，在中心轴Z的附近设有在角部503成为θ＝90°的阶梯状的台阶502，由角部503、台阶502、平面部504形成后退部212。阶梯状的台阶502相当于在实施例1和实施例2中将锥部306的锥角度θ设为θ＝90°的状态。如上所述，θ越大，则在轴偏离时后退部212的后退面即锥部306所形成的电场越强。因此，与锥面306相比，具有通过使用阶梯状的台阶502就能够增大L的优点。此外，实施例3的抑制电极也能够认为是具有锥角90°的面(台阶)502和锥角0°的平面504的锥形状。
并且，在阶梯状的台阶502中的与平面205连接的角部503，因引出电压而电场集中，有可能放电。因此，角部503也可以进行倒角、圆角加工。
实施例4
在实施例3中，作为设于抑制电极305的其它后退面的一例，对使用了阶梯状的台阶的结构进行了说明。在实施例4中，作为其它后退面的一例，成为使用了楔形形状的面的结构。
图15示出实施例4的SE电子源505的结构。在实施例4中，在抑制电极305的下表面设有楔形形状的面506。楔形形状的面506相当于在实施例1和实施例2中将锥部306的锥角度θ设为θ＞90°的状态。在本结构中，也能够在轴偏离时产生反向的电场，来抑制电子束的弯曲。尤其，电场集中于楔形形状的面506的顶点507，从而在此处产生大量电荷，能够有效地抑制电子束115的弯曲。但是，相反地，对顶点507施加比实施例3所示的角部503更大的电场，放电的可能性进一步变大。因此，优选为θ≤90°。
实施例5
在实施例4中，作为设于抑制电极305的其它后退面的一例，对使用了楔形形状的面的结构进行了说明。在实施例5中，作为设于抑制电极305的其它后退面的一例，设为使用了曲面的结构。
图16示出实施例5的SE电子源510的结构。在实施例5中，在抑制电极305的下表面设有曲面511。即，成为在抑制电极305的通过中心轴Z的截面(图16的斜线部)中具有曲线部分511的构造。以下，将该截面上的曲线部简称为曲线部或曲面。根据其它表现，该曲面511能够表现为与垂直于中心轴的面所成的角(锥角)连续地变化的曲面部分。后退面即使是曲线部(曲面)，也是与抑制电极的前方端部213(平面205)相比在Z方向上远离芯片202的前端的面，从而后退。其结果，在轴偏离时，在曲面511产生图5D所示的正电荷410和负电荷411，能够以相同的原理防止电子束的弯曲。实施例5的情况下的平面205的直径L成为在曲线部(曲面)511开始的位置的直径。
曲线部(曲面)511也可以是球、椭圆或者任意的非球面。如上所述，曲线部(曲面)511可视为将无数个具有连续的微小角度变化的锥部分组合的面。因此，在将曲线部(曲面)511上的任意位置的直径视为新的L’，将在该位置的斜率的角度视为新的θ’的情况下，通过将至少一点以上的L’和θ’包含在图8至图11、图12的任一个所示的范围内，能够得到防止期望的电子束115弯曲的效果。由于曲线部(曲面)511不具有角部，所以具有缓和电场集中、减少放电的危险性的优点。
实施例6
在实施例5中，作为设于抑制电极305的其它后退面的一例，对使用了截面上的曲线部(曲面)的结构进行了说明。在实施例6中，作为设于抑制电极305的其它后退面的一例，成为组合了多个锥面、台阶的结构。
图17示出实施例6的SE电子源515的结构。在实施例6中，构成为在抑制电极305的下表面设置锥面516和锥面517以及阶梯状的台阶518，具备具有多个不同的锥角的部分。即使组合多个锥面、台阶、曲面，通过在轴偏离时上述面形成反向的电场，也能够防止电子束115的弯曲。反向的电场成为锥面516、锥面517以及阶梯状的台阶518所形成的电场之和。若将各个面的开始位置设为L1、L2、L3、将斜率的角度设为θ1、θ2、θ3，则L1与θ1、L2与θ2、L3与θ3的组合的至少一个以上被包含在图8至图11、图12所示的L与θ的范围内，从而能够得到防止期望的电子束弯曲的效果。此外，锥面、台阶的组合也可以进一步增加数量，锥面、台阶也可以替换为曲面、楔形形状的面。
实施例7
在实施例6中，作为设于抑制电极305的其它后退面的一例，对组合多个锥面、台阶的结构进行了说明。在实施例7中，作为设于抑制电极305的其它后退面的一例，设为单一的锥面的结构。
图18示出实施例7的SE电子源520的结构。在实施例7中，在抑制电极305的下表面设有单一的锥面306。在该实施例7的结构中，没有图4所示的平面205。这相当于在实施例1和实施例2中设为L＝d＝400μm的状态。在该条件下，通过将L与θ的关系、L与T的关系设计为满足在实施例1、实施例2中记载的关系，能够得到有效地抑制电子束115的弯曲的抑制电极305。
由于抑制电极305的下表面的加工变得简单，所以本结构具有能够降低制造成本的优点。但是，如上所述，电场集中于锥面306的前端521，有放电的危险性。并且，如上所述，在组装时芯片202的突出长度T的调整变得困难。除此之外，如图9所示，需要的抑制电压上升。因此，在其它设计事项允许的范围内，优选为如实施例1那样设置平面205的形状。
以上，对本发明的实施方式具体地进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施例，在不脱离其主旨的范围内能够进行各种变形。例如，关于图6至图13所示的计算结果，计算条件是一例，但不限定于此。并且，本发明通过使抑制电极305的形状对电子束115发挥作用而发现效果。因此，本发明的实施例中的电子源101、芯片202并不限定于在实施例中记载的SE电子源，也可以是CFE电子源、热电子源、光激发电子源等不同方式的电子源、芯片、离子源。即使是上述电子源、芯片、离子源，通过搭载与本发明的实施例相同的抑制电极，也能够得到相同的作用、效果。并且，芯片202的材料不限定于钨，也可以是LaB6、CeB6、碳系材料等其它材料。并且，也可以将在本发明的实施例中记载的电子源作为向X射线源的目标照射而发射X射线的X射线源来使用。除此之外，上述的实施例是为了容易理解地说明本发明而详细地对一例进行了说明，并不限定于具备所说明的结构。例如，作为电子显微镜的例子，对扫描电子显微镜(SEM)的例子进行了说明，但并不限定于此，能够应用于透射电子显微镜(TEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)等其它各种电子显微镜、带电粒子束装置。关于从试样产生的信号，也不限定于电子(二次电子、反射电子等)的情况，也可以检测特性X射线。并且，作为带电粒子束装置，不仅能够应用于电子显微镜，还能够应用于使用了电子束的电子束描绘装置、X射线显微镜、CT或者离子显微镜等。再有，也能够将某实施例的结构的一部分置换成其它实施例的结构，或者在某实施例的结构中增加其它实施例的结构。并且，也能够对各实施例的结构的一部分进行其它结构的追加、删除、置换。
符号说明
101—SE电子源，102—引出电极，103—加速电极，104—电子枪，109—涡轮分子泵，110—聚光透镜，111—物镜，112—试样，113—试样室，114—检测器，115—电子束，116—绝缘子，118—非蒸发吸气泵，120—离子泵，121—离子泵，122—离子泵，125—筒体，126—第一真空室，127—第二真空室，128—第三真空室，201—现有的SE电子源，202—芯片(作为电子发射材料的单晶线)，203—现有的抑制电极，204—开口部，205—平面(底面)，206—灯丝，207—端子，208—绝缘子，209—倒角部，210—圆筒面，212—后退部(面)，213—前方端部，214—后方端部，301—电场，302—轴偏离矢量，305—抑制电极，306—锥面(部)，307—角部，401—正电荷，402—负电荷，403—电力线，404—正电荷，405—负电荷，406—空间区域，407—空间区域，408—电力线，410—正电荷，411—负电荷，412—电力线，413—空间区域，414—空间区域，420—负电荷，421—负电荷，422—负电荷，423—负电荷，424—正电荷，501—SE电子源，502—台阶，503—角部，504—平面，505—SE电子源，506—楔形形状的面，507—顶点，510—SE电子源，511—曲面，515—SE电子源，516—锥面，517—锥面，518—台阶，520—SE电子源，521—前端。

Claims (17)

1.一种电子源，其特征在于，具有：
抑制电极，其在沿着中心轴的方向上的一侧端部具有开口部；以及
电子发射材料，其前端从上述开口部突出，
上述抑制电极在比上述开口部靠外周方向的位置还具备后退部，该后退部在沿着上述中心轴的方向上后退至比上述抑制电极的上述端部远离上述电子发射材料的上述前端的位置，
上述后退部的至少一部分配置为距上述开口部的中心为直径2810μm以内。
2.根据权利要求1所述的电子源，其特征在于，
上述抑制电极的上述端部是与上述中心轴垂直的平面。
3.根据权利要求2所述的电子源，其特征在于，
上述平面的直径为720μm以上。
4.根据权利要求1所述的电子源，其特征在于，
上述后退部具备锥部，该锥部与垂直于上述中心轴的面所成的角度具有至少两个以上的不同的角度。
5.根据权利要求1所述的电子源，其特征在于，
上述后退部具备与上述中心轴平行的部分。
6.根据权利要求1所述的电子源，其特征在于，
上述后退部具备曲面部分，该曲面部分与垂直于上述中心轴的面所成的角度连续地变化。
7.根据权利要求1所述的电子源，其特征在于，
上述后退部具备与垂直于上述中心轴的面形成角度θ的锥部，
上述锥部的至少一部分配置为距上述开口部的上述中心为直径L以内，
将上述直径L的单位设为μm，将上述角度θ的单位设为度即°，上述直径L和上述角度θ满足2.40×10－7×L2+3.18×10－4×L－4.08×10－1≤logθ≤6.68×10－7×L2－2.68×10－4×L+1.08的关系。
8.根据权利要求1所述的电子源，其特征在于，
上述后退部的至少一部分配置为距上述开口部的上述中心为直径L以内，
上述电子发射材料从上述开口部突出长度T，
将上述直径L以及长度T的单位均设为μm，上述直径L和上述长度T满足L＝3.53T+1607的关系。
9.根据权利要求1所述的电子源，其特征在于，
上述后退部具备与垂直于上述中心轴的面形成角度θ的锥部，
上述锥部的至少一部分配置为距上述开口部的上述中心为直径L以内，
上述电子发射材料从上述开口部突出的长度比200μm小，
将上述直径L的单位设为μm，将上述角度θ的单位设为度即°，上述直径L和上述角度θ满足2.69×10－7×L2+3.64×10－4×L－2.21×10－2≤logθ≤1.27×10－6×L2－4.18×10－4×L+1.45的关系。
10.根据权利要求1所述的电子源，其特征在于，
上述后退部具备与垂直于上述中心轴的面形成角度θ的锥部，
上述锥部的至少一部分配置为距上述开口部的上述中心为直径L以内，
上述电子发射材料从上述开口部突出的长度比300μm大，
将上述直径L的单位设为μm，将上述角度θ的单位设为度即°，上述直径L和上述角度θ满足2.59×10－7×L2+1.82×10－4×L－6.04×10－1≤logθ≤5.15×10－7×L2－2.29×10－4×L+8.10×10－1的关系。
11.一种电子枪，其特征在于，
具备权利要求1至10中任一项所述的电子源。
12.一种带电粒子束装置，其特征在于，
具备权利要求1至10中任一项所述的电子源或权利要求11所述的电子枪。
13.一种电子源，其特征在于，具有：
抑制电极，其在沿着中心轴的方向上的一侧端部具有开口部；以及
电子发射材料，其前端从上述开口部突出，
上述抑制电极在比上述开口部靠外周方向的位置还具备后退部，该后退部在沿着上述中心轴的方向上后退至比上述抑制电极的上述端部远离上述电子发射材料的上述前端的位置，
上述后退部具备锥部，该锥部与垂直于上述中心轴的面所成的角度具有至少两个以上的不同的角度。
14.一种电子源，其特征在于，具有：
抑制电极，其在沿着中心轴的方向上的一侧端部具有开口部；以及
电子发射材料，其前端从上述开口部突出，
上述抑制电极在比上述开口部靠外周方向的位置还具备后退部，该后退部在沿着上述中心轴的方向上后退至比上述抑制电极的上述端部远离上述电子发射材料的上述前端的位置，
上述后退部具备与垂直于上述中心轴的面形成角度θ的锥部，
上述锥部的至少一部分配置为距上述开口部的中心为直径L以内，
将上述直径L的单位设为μm，将上述角度θ的单位设为度即°，上述直径L和上述角度θ满足2.40×10－7×L2+3.18×10－4×L－4.08×10－1≤logθ≤6.68×10－7×L2－2.68×10－4×L+1.08的关系。
15.一种电子源，其特征在于，具有：
抑制电极，其在沿着中心轴的方向上的一侧端部具有开口部；以及
电子发射材料，其前端从上述开口部突出，
上述抑制电极在比上述开口部靠外周方向的位置还具备后退部，该后退部在沿着上述中心轴的方向上后退至比上述抑制电极的上述端部远离上述电子发射材料的上述前端的位置，
上述后退部的至少一部分配置为距上述开口部的中心为直径L以内，
上述电子发射材料从上述开口部突出长度T，
将上述直径L以及长度T的单位均设为μm，上述直径L和上述长度T满足L＝3.53T+1607的关系。
16.一种电子枪，其特征在于，具备权利要求13至15中任一项所述的电子源。
17.一种带电粒子束装置，其特征在于，具备权利要求13至15中任一项所述的电子源或权利要求16所述的电子枪。
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