JP2001319559A - 電子放射陰極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】オージェ電子分光装置等の用途に好適な、高角
電流密度で動作させても、全放射電流が低い電子放射陰
極を提供する。 【解決手段】タングステンまたはモリブデンの単結晶ニ
ードルにハフニウムと酸素の被覆層を設けた、１．０ｍ
Ａ／ｓｒの角電流密度で動作したときに全放射電流が３
５０μＡ以下である電子放射陰極であり、具体的には、
単結晶ニードル先端部の曲率半径が０．８〜２．０μｍ
である前記の電子放射陰極。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子顕微鏡、電子
線露光機、電子ビームテスタ、ウェハ検査装置、オージ
ェ電子分光装置などの電子源、ことにオージェ電子分光
装置、電子ビームテスタ、又は電子線露光機用の電子源
として用いられる電子放射陰極に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、より高輝度の電子ビームを得るた
めに、タングステン単結晶の針状電極を用いた電子放射
陰極が利用されている。この電子放射陰極は、軸方位が
＜１００＞方位からなるタングステン単結晶ニードル
に、ジルコニウム及び酸素からなる被覆層（以下、Ｚｒ
Ｏ被覆層という）を設け、該ＺｒＯ被覆層によってタン
グステン単結晶の（１００）面の仕事関数を４．５ｅＶ
から約２．８ｅＶに低下させたもので、前記ニードルの
先端部に形成された（１００）面に相当する微小な結晶
面のみが電子放出領域となるので、従来の熱陰極よりも
高輝度の電子ビームが得られ、しかも長寿命である特徴
を有する。また冷電界放射陰極よりも安定で、低い真空
度でも動作し、使い易いという特徴を有している。

【０００３】電子放射陰極は、図１に示すように、絶縁
碍子５に固定された導電端子４に設けられたタングステ
ン製のフィラメント３の所定の位置に電子ビームを放射
するタングステンの＜１００＞方位のニードル１が溶接
等により固着されている。ニードル１の一部には、ジル
コニウムと酸素の供給源、即ち、リザーバ２が設けられ
ている。図示していないがニードル１の表面はＺｒＯ被
覆層で覆われている。

【０００４】ニードル１はフィラメント３により通電加
熱されて一般に１８００Ｋ程度の温度下で使用されるの
で、ニードル１表面のＺｒＯ被覆層は蒸発により消耗す
る。しかし、リザーバー２よりジルコニウム及び酸素が
拡散することにより、ニードル１の表面に連続的に供給
されるので、結果的にＺｒＯ被覆層が維持される。

【０００５】半導体検査装置などでは、タングステンの
＜１００＞方位の単結晶ニードル１にジルコニウムと酸
素の被覆層を設けた電子放射陰極、いわゆるＺｒＯ／Ｗ
エミッター、が高輝度で長寿命を有することから広く使
用されている。ＺｒＯ／Ｗエミッターは低加速電圧で用
いられる測長ＳＥＭやウェハ検査装置においては、プロ
ーブ電流が安定していて且つエネルギー幅の拡がりが抑
えられるという理由で０．１〜０．２ｍＡ／ｓｒの角電
流密度で動作される。

【０００６】一方、電子ビームテスターや電子線露光装
置、及びオージェ分光装置等においては、スループット
が重視されるために０．４ｍＡ／ｓｒ程度の高い角電流
密度で動作される。このようなスループットを重視する
用途では、更に高い角電流密度動作が望まれ、１．０ｍ
Ａ／ｓｒもの高い角電流密度での動作が要求される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに動作角電流密度が高い領域では、陰極からの全放射
電流が３５０μAをこえ、引き出し電極や光軸上の金属
製絞りからのガス放出が著しくなり、電子線の気体への
衝突により生成したイオンがニードル１の先端表面を荒
らして電子放射特性を劣化させたり、著しい場合にはア
ーク放電を生じてニードル１の先端を損傷して故障に至
ることがある。

【０００８】本発明者は、上記の事情に鑑みていろいろ
検討した結果、高電流密度で動作させても、全放射電流
が低い電子放射陰極が得られ、前記課題が解決できるこ
とを見出し、本発明に至ったものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、タング
ステンまたはモリブデンの単結晶ニードルにハフニウム
と酸素の被覆層を設けた電子放射陰極であって、１．０
ｍＡ／ｓｒの角電流密度で動作したときに全放射電流が
３５０μA以下であることを特徴とする電子放射陰極で
あり、具体的には、単結晶ニードル先端部の曲率半径が
０．８〜２．０μｍであることを特徴とする前記の電子
放射陰極である。

【００１０】又、本発明は、オージェ電子分光装置、電
子ビームテスタ、又は電子線露光機用の電子放射陰極で
あることを特徴とする前記の電子放射陰極である。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明によれば、角電流密度が
１．０ｍＡ／ｓｒの動作条件において、全放射電流が３
５０μA以下に抑えられているので、引き出し電極や金
属製絞りからのガス放出が低減でき、電子放射特性を劣
化させること、更にニードル先端を損傷して故障するこ
とを防止できる。

【００１２】本発明の具体的な実施態様としては、タン
グステンまたはモリブデン単結晶＜１００＞方位のニー
ドルにハフニウムと酸素の被覆層を設けた電子放射陰極
（ＨｆＯ／Ｗエミッター）であって、ニードルの先端部
の曲率半径が特定範囲のもの、即ち０．８〜２．０μｍ
のもの、好ましくは０．８〜１．４μｍのものを選択す
れば良い。前記の特定な先端曲率半径のＨｆＯ／Ｗエミ
ッターのみが、前記課題を解決する前記電子放射特性、
即ち、角電流密度が１．０ｍＡ／ｓｒの動作条件におい
て、全放射電流が３５０μA以下であるという特性を示
すことができる。

【００１３】尚、本発明の電子放射陰極は、従来公知の
ＺｒＯ／Ｗエミッタと同様に、１×１０^-8Ｔｏｒｒ
（１．３×１０^-6Ｐａ）よりも高真空条件下で、１５０
０〜１９００Ｋ、好ましくは１７００〜１８５０Ｋの温
度範囲で用いることができる。

【００１４】又、本発明の電子放射陰極は、前記特性を
有しているが故に、高角電流密度動作を必要とする電子
線機器、例えばオージェ電子分光装置、電子ビームテス
タ、電子線露光機用の電子放射源として好適であり、こ
れらの機器における故障率の低下、スループットの向上
に効果がある。

【００１５】

【実施例】〔実施例１〜４、比較例１〜４〕絶縁碍子に
ロウ付けされた導電端子にタングステン製のフィラメン
トをスポット溶接により固定した後、＜１００＞方位の
単結晶タングステン細線を寸断したニードルを前記フィ
ラメントにスポット溶接により取り付け、更に、ニード
ルの先端を所望の曲率半径となるように電解研磨し、い
ろいろな先端曲率半径を有する電子放射陰極中間体を得
た。

【００１６】また、市販水素化ハフニウム粉末を、酢酸
イソアミルを分散媒として、乳鉢上で粉砕混合してスラ
リーを得た。前記スラリーを前記電子放射陰極中間体の
ニードル（フィラメントへの固定位置とニードルの先端
との中央の位置）に塗布して、リザーバを予備形成し
た。スラリー中の酢酸イソアミルが蒸発した後、１×１
０^-9Ｔｏｒｒ（１．３×１０^-7Ｐａ）の超高真空中でフ
ィラメント３に通電してニードル１を１８００Ｋに加熱
し、水素化ハフニウムをハフニウムと水素に熱分解して
リザーバを焼成、固化した。

【００１７】更に、酸素雰囲気下３×１０^-6Ｔｏｒｒ
（４．０×１０^-4Ｐａ）で２０時間加熱し、リザーバ中
のハフニウムを酸化、焼成並びに拡散をさせて、ニード
ルの表面にＨｆＯ被覆層を形成していろいろな先端曲率
半径を有するＨｆＯ／Ｗエミッター（実施例１〜４）を
作製した。また、水素化ハフニウムを水素化ジルコニウ
ムに代えたこと以外は上記と同じ手順で、いろいろな先
端曲率半径を有するＺｒＯ／Ｗエミッター（比較例１〜
４）を作製した。

【００１８】前記のＨｆＯ／Ｗエミッター、ＺｒＯ／Ｗ
エミッターについて、電子放射特性を図２に示す装置で
評価した。ニードル１の先端はサプレッサー電極６と引
き出し電極７との間に配置される。フィラメント３はフ
ィラメント加熱電源１４に接続され、更に高圧電源１３
に接続され、引き出し電極７に対して負の高電圧、即ち
引き出し電圧Ｖｅｘが印加される。また、サプレッサー
電極６はバイアス電源１２に接続され、ニードル１とフ
ィラメント３に対して更に負の電圧、バイアス電圧Ｖ
ｂ、が印加される。これによりフィラメント３からの放
射熱電子を遮る。電子放射陰極からの全放射電流Ｉｔは
高圧電源１３とアース間に置かれた電流計１５により測
定される。ニードル１の先端から放射した電子ビーム１
６は引き出し電極７の孔を通過して、遮蔽板８に到達す
る。遮蔽板８の中央にはアパーチャー９（小孔）が有
り、通過してカップ状電極１０に到達したプローブ電流
Ｉｐは微小電流計１１により測定される。

【００１９】アパーチャー９とニードル１の先端との距
離とアパーチャー９の内径から算出される立体角をωと
すると角電流密度はＩｐ／ωとなる。尚、ニードル１の
先端とサプレッサー電極６の距離は０．２５ｍｍ、サプ
レッサー電極６と引き出し電極７の距離は０．６mm、引
き出し電極７の孔径は０．６mm、サプレッサー電極６の
孔径は０．４mmである。

【００２０】この特性評価装置により１×１０^-9Ｔｏｒ
ｒ（１．３×１０^-7Ｐａ）の真空下でフィラメント３に
通電加熱してニードル１の温度を１８００Ｋとした．な
お、ニードル１の温度は放射温度計により測定した．次
にバイアス電圧Ｖｂを−３００Ｖ印加して角電流密度を
モニターしながら引き出し電圧Ｖｅｘを徐々に印加す
る。角電流密度が０．２ｍＡ／ｓｒになった時点で数時
間から数十時間放置して、電子放射特性が安定したのち
引き出し電圧を更に印加して１．０ｍＡ／ｓｒの角電流
密度に設定してその時の全放射電流Ｉｔを測定した。結
果を表１に示す。本発明のＨｆＯ／Ｗエミッターはいず
れも１．０ｍＡ／ｓｒ動作時の全放射電流が３５０μＡ
以下に抑制されている。

【００２１】

【表１】

【００２２】前記のＨｆＯ／Ｗエミッターと、ＺｒＯ／
Ｗエミッターとを、引き続いて、オージェ電子分光装置
の電子銃に取り付け、動作温度１８００Ｋ、動作角電流
密度１．０ｍＡ／ｓｒの条件下で実稼働を行い、信頼性
を評価した。結果を表２に示した。比較例のＺｒＯ／Ｗ
エミッターでは何れも６０００時間の稼働時間内にアー
ク放電によるニードルの損傷が発生し、寿命となった
が、本発明のＨｆＯ／Ｗエミッターでは何れも７０００
時間以上にわたり動作した。

【００２３】

【表２】

【００２４】

【発明の効果】本発明の電子放射陰極は、角電流密度が
１．０ｍＡ／ｓｒの動作条件において、全放射電流が３
５０μA以下に抑えられているので、従来問題となって
いた高角電流密度稼働下での、引き出し電極や金属製絞
りからのガス放出が低減でき、電子放射特性が劣化す
る、或いはニードル先端を損傷する等の問題が防止でき
る特徴を有している。

【００２５】本発明の電子放射陰極は、前記特徴を有す
るので、オージェ電子分光装置、電子ビームテスタ、電
子線露光機等の高スループットを期待する電子線利用機
器に高信頼性をもって適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 電子放射陰極の構造図。

【図２】 電子放射特性の評価装置の構成図．

【符号の説明】 １： ニードル ２： リザーバー ３： フィラメント ４： 導電端子 ５： 絶縁碍子 ６： サプレッサー電極 ７： 引き出し電極 ８： 遮蔽電極 ９： アパーチャー １０： カップ状電極 １１： プローブ電流測定用微小電流計 １２： バイアス電源 １３： 高圧電源 １４： フィラメント加熱電源 １５： 全放射電流測定用電流計 １６： 放射電子線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5C033 TT00 TT08 5C034 BB01 5C035 BB03 BB09 5F056 BA01 CB03 EA02

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】タングステンまたはモリブデンの単結晶ニ
   ードルにハフニウムと酸素の被覆層を設けた電子放射陰
   極であって、１．０ｍＡ／ｓｒの角電流密度で動作した
   ときに全放射電流が３５０μA以下であることを特徴と
   する電子放射陰極。
2. 【請求項２】単結晶ニードル先端部の曲率半径が０．８
   〜２．０μｍであることを特徴とする請求項１記載の電
   子放射陰極。
3. 【請求項３】オージェ電子分光装置、電子ビームテス
   タ、又は電子線露光機用の電子放射陰極であることを特
   徴とする請求項１又は請求項２記載の電子放射陰極。