JP2004319149A - 電子源およびそれを用いた電子ビーム装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の分離独立した電子エネルギー分布を有し、少なくとも一つの電子エネルギー分布の半値幅が0.2eV 以下である電子ビームを電界放出する電子源4と、任意の電子エネルギー半値幅を有する電子ビームのみを選択的に取出せる機構6,7を有する電子ビーム装置である。
【効果】狭エネルギー幅かつ高輝度な電子ビームを得るための電子源および前記電子ビームを得るための簡便な方法を提供できるともに、この電子ビームを利用した高性能電子ビーム装置を提供できる。
【選択図】 図3
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は狭エネルギー幅かつ高輝度な電子ビームが得られる電子源およびそれを用いた電子顕微鏡,電子ビームを用いた描画装置および検査装置,電子線ホログラフィー装置等の電子ビーム装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電子顕微鏡の高分解能化や電子線描画装置等の電子ビーム加工装置の高精細加工の実現のためには、電子レンズの各収差を小さくする必要がある。前記収差の中でも色収差が最も大きな障害となっている。色収差を小さくするためには、レンズ自体の色収差係数を小さくすれば良いが、それには焦点距離との関係で一定の限界が存在する。色収差を小さくする別の方法は、一次電子ビームのエネルギー幅を小さくすることである。一次電子ビームの狭エネルギー幅化の従来手法として、▲1▼特許文献1に示されているように、電子源の後にエネルギーアナライザー(ウィーンフィルターなど)を配置し、特定のエネルギーを有する電子のみを取出す方法、▲2▼超伝導材料から構成される電子源を用いる方法、等が知られている。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−228162
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記方法では▲1▼電子ビーム量が少なく、得られる電子ビームの輝度が低い。そのため、電子顕微鏡やそれを用いた検査装置(測長SEM等)では、高輝度像が得られない、あるいは測定時間が長く,効率が悪い。また、電子線描画装置等の電子ビーム加工装置の場合には、加工時間が長く,効率が悪い。▲2▼装置が複雑かつ大掛かりになる等の問題がある。
【0005】
本発明の第一の目的は、狭エネルギー幅かつ高輝度な電子ビームを提供することである。第二の目的は、前記電子ビームを得るための簡易な方法を提供することである。第三の目的は、高性能電子ビーム装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の目的を達成するための手段は、複数の分離した電子エネルギー分布を有する電子ビームを電界放出することを特徴とする電子源を用いることである。
【0007】
また、前記複数の分離した電子エネルギー分布のうち、少なくとも一つの電子エネルギー分布の半値幅が0.2eV 以下であることを特徴とする電子源を用いることである。
【0008】
また、電子ビームの輝度が1.0×109A/sr/m2/V 以上であることを特徴とする電子源を用いることである。
【0009】
さらに、電子源の一部がカーボンナノチューブから構成されることを特徴とする電子源を用いることである。
【0010】
第二の目的を達成するための手段は、前記電子源から放出される電子ビームのうち、任意の電子エネルギー半値幅を有する電子ビームのみを選択的に取出せる機構を付与することである。
【0011】
第三の目的を達成するための手段は、本発明の電子源を電子ビーム装置へ適用することである。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【0013】
(実施例1)
本実施例に係る電子源を図1に示す。
【0014】
本実施例に係る電子源はカーボンナノチューブ1と導電性基材3とから構成されている。カーボンナノチューブは導電性基材先端部にFIB加工などにより形成させた平坦面に接合されている。さらに、カーボンナノチューブと導電性基材との接合部はカーボンあるいは高融点金属層2により強化されている。
【0015】
カーボンナノチューブを取付ける前記導電性基材としては、少なくとも最表面が酸化し難い貴金属(具体的には、金,銀,白金族)あるいは結晶質カーボンで形成されているものが好ましい。これは、導電性基材とカーボンナノチューブ接合界面に高電気抵抗率の酸化物層等が形成されていると、両者の接触抵抗が高くなり、電界放出特性に悪影響を与えるからである。
【0016】
カーボンナノチューブと導電性基材との接合部を強化する方法について以下に説明する。導電性元素を含む有機ガスを導入したチャンバー内で、接合部の少なくとも一部に電子線を照射することにより、局所的に導電性材料を被覆することで接合部を強化することができる。
【0017】
前記導電性元素を含む有機ガスとしては、FIB等で通常使用されているガリウムイオンビーム等の高エネルギー重イオンビームでしか分解しない有機ガスは使用できない。これは、高エネルギー重イオンがカーボンナノチューブに照射されてしまうと、カーボンナノチューブ自体が一瞬で損傷を受けてしまい、破断したり、照射欠陥が生じてしまうからである。このため、有機ガスを分解させるのに用いる粒子線としてはカーボンナノチューブに損傷を与えない数10keV以下の電子線が好ましく、有機ガスとしても数10keV以下の電子線で分解するもので、かつ100℃以下で気化するピレンモノマー,タングステンカルボニル等が好適である。これらの有機ガスに電子線を照射することにより、カーボンナノチューブと導電性基材との接合部のみにカーボン層やタングステン層等の導電性材料を形成させることができる。
【0018】
図2は本実施例に係る電子源からの電界放出電子のエネルギー分布の一例である。横軸は電界放出電子の相対エネルギー、縦軸は電界放出電子の相対数である。
【0019】
図2に示されるように、分離した2つのエネルギー分布が得られ、高エネルギー側に分布するE1 の半値幅は0.15eV と非常に小さかった。この場合の全エミッション電流は3μAであり、全エミッション電流が変化してもE1 の半値幅はほとんど一定であった。一般的には全エミッション電流が大きくなるほど、ベルシェ効果により電界放出電子のエネルギー幅が大きくなるが、本実施例に係る電子源は大エミッション電流下においても電界放出電子のエネルギー幅は非常に小さかった。
【0020】
図3は本実施例に係る電子ビーム装置の一部構成例を示す図である。
【0021】
本実施例に係る電子ビーム装置は図2に示した複数の分離したエネルギー分布を有する電子ビームを電界放出する電子源4、特定エネルギーの電子のみを取出すエネルギーフィルター6およびスリット7,電子レンズ8等から構成される。
【0022】
ここで、エネルギーフィルターにウィーンフィルターを用いた場合の電子ビームエネルギー分離の原理について以下に説明する。ウィーンフィルターに入射した複数の分離独立したエネルギー分布を有する電子ビームのうち、ウィーンフィルターの磁極と電極によって発生する磁界と電界により電子に逆向きに働くローレンツ力が釣り合うエネルギーを有した電子だけがウィーンフィルター内を直進することができ、その他のエネルギーを有する電子は偏向され、ウィーンフィルター後方に設けられたスリットによってその進行を阻止される。
【0023】
エネルギーフィルターとしては、光軸が直線であるウィーンフィルター等が好ましいが、特定エネルギーの電子のみを取出せるエネルギーフィルターであれば特にこれに限定されるものではない。
【0024】
また、本実施例では複数の完全に分離独立したエネルギー分布を有する電子ビームを用いるため、電子ビームのエネルギー分離が容易であり、エネルギーフィルターを簡易なものにすることが可能となる。また、エネルギーフィルター下方に設けられるスリット幅も従来よりも広くすることが可能であり、電子ビームの軸調整が容易である。
【0025】
なお、これらの構成は最も単純な基本構成例であり、本発明の目的を逸脱しない限りは種々の変更が可能であることは言うまでもない。
【0026】
以上、本実施例に係る電子源から放出される狭エネルギー幅の電子ビーム(E1)のみを簡易な方法で取出すことができ、狭エネルギー幅かつ高輝度な電子ビームをレンズ系へ導くことが可能である。
【0027】
(実施例2)
図4は図3に示される装置構成例を走査型電子顕微鏡(SEM)に適用した一例を示す図である。図4(a)は図1に示した電子源を有する電子銃の構成例を示すものであり、図4(b)にはその電子銃を搭載した走査型顕微鏡の構成例を示す。
【0028】
図4(a)に示される電子銃14は、電子源4と、電極11と、2つの電極を絶縁する電極支持台10,第一陽極12および第二陽極13により構成される。
【0029】
図4(b)に示される走査型顕微鏡は、電子銃14から放出された複数の分離独立したエネルギー分布を有する電子ビームを陽極で加速したのち、エネルギーフィルター6およびスリット7を通過させることにより、狭エネルギー幅の電子ビームのみを取出した後、電子レンズで試料22上に微小径に集束させた電子プローブを二次元走査し、試料から放出される二次電子,反射電子等の信号量の違いを基に拡大像を得る顕微鏡である。
【0030】
なお、電子を加速させる前記陽極は、エネルギーフィルターおよびスリットの下方に配置することも可能である。
【0031】
走査型顕微鏡本体は電子銃,エネルギーフィルター,電子レンズ,偏向・非点収差補正器から構成される電子光学系および試料室とこれらを真空に維持するための排気系から構成されている。
【0032】
電子ビーム特性を測定したところ、輝度が1.0×109A/sr/m2/V 以上と従来のW(310)単結晶から構成される電界放出型電子源の輝度に比べ、10倍以上高い値が得られた。また、放出電子のエネルギー分布を測定した結果、立体角電流密度が30μA/sr. の場合、エネルギーの半値幅が0.2eV 以下と従来W(310)単結晶電子源よりもかなり小さい値が得られた。
【0033】
以上、本発明を用いることにより狭エネルギー幅かつ高輝度な電子ビームが得られるため、従来機種と比べて格段に高分解能かつ高輝度な二次電子像や反射電子像が得られる走査型電子顕微鏡を実現することが可能である。
【0034】
また、半導体プロセスにおける微細加工パターンの観察や寸法測長を行う測長SEMに本実施例を適用すれば、高精度かつ高速な観察および測長が可能となる。
【0035】
なお、本実施例走査型電子顕微鏡の構成は図4で示したものに限定されることはなく、種々柔軟に変更できることは言うまでもない。
【0036】
さらに、走査型電子顕微鏡と同様に電子源から放出された電子ビームを複数の電子レンズで細く絞り、この電子ビームを走査コイルを用いて矩形状に走査して像を得る走査透過電子顕微鏡や電子源から放出された電子ビームを加速し、複数段の電子レンズを通して試料に照射し、試料を透過した電子ビームを対物レンズを含む複数の電子レンズで拡大し、蛍光スクリーンに像を映し出す透過型電子顕微鏡や透過電子顕微鏡とエネルギーアナライザー(EELS)を組合わせた元素分析装置においても電子光学系の基本原理は同じであるため、高分解能観察および高精度な元素分析が可能となる。
【0037】
(実施例3)
図5は実施例2に記載の電子光学系を適用した電子線描画装置の構成例である。
【0038】
電子光学系の基本構成は実施例2で示した走査型電子顕微鏡とほぼ同一である。
【0039】
なお、図5に示されるブランキング電極25は試料への電子ビーム照射のON/OFFを制御する電極である。
【0040】
以上、本発明を用いることにより狭エネルギー幅かつ高輝度な電子ビームが得られるため、高精細かつ高速な電子線描画が可能となる。
【0041】
(実施例4)
図6は実施例2に記載の電子光学系を適用した電子線ホログラフィー装置の構成例である。
【0042】
狭エネルギー幅かつ高輝度な電子ビームはコンデンサレンズ16で照射条件を調整され、試料22に照射する。対物レンズ19と中間レンズ27の間にアース電位の平行平板電極26とその中央に張られた細い芯線29から構成される電子線プリズム30が設けられている。その芯線29に正の電圧を印加すると芯線の両側を通る電子ビームはそれぞれ芯線の方へ曲げられ、下方で重畳される。この時、芯線の片側に試料22を透過しない電子ビームを通し、もう一方には試料の内部を透過した電子ビームを通すと、下方で2つの電子ビームが重畳し、干渉パターン31が形成される。この干渉パターンを下方の中間レンズ27および投射レンズ28等で拡大してホログラム32が得られる。
【0043】
本実施例の電子線ホログラフィー装置では狭エネルギー幅(高可干渉性)かつ高輝度な電子ビームを使用するため、高分解能かつ高輝度なホログラムを得ることができる。
【0044】
【発明の効果】
狭エネルギー幅かつ高輝度な電子ビームを得るための電子源および前記電子ビームを得るための簡便な方法を提供できるともに、この電子ビームを利用した高性能電子ビーム装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1に係る電子源の(a)側面図、(b)正面図。
【図2】実施例1に係る電子源から電界放出された電子ビームのエネルギー分布図。横軸は電界放出電子の相対エネルギー、縦軸は電界放出電子の相対数。
【図3】実施例1に係る電子ビーム装置の(a)一部構成図と、(b)得られた電子ビームのエネルギー分布図。横軸は電界放出電子の相対エネルギー、縦軸は電界放出電子の相対数。
【図4】実施例2に係る(a)電子銃の構成図と、(b)その電子銃を搭載した走査型顕微鏡の構成図。
【図5】実施例3に係る電子線描画装置の構成図。
【図6】実施例4に係る電子線ホログラフィー装置の構成図。
【符号の説明】
1…カーボンナノチューブ、2…カーボンまたは高融点金属層、3…導電性基材、4…電子源、5…複数の分離独立したエネルギー分布を有する電子ビーム、6…エネルギーフィルター、7…スリット、8…電子レンズ、9…導電性フィラメント、10…電極支持台、11…電極、12…第一陽極、13…第二陽極、14…電子銃、15…アライメントコイル、16…コンデンサレンズ、17…非点補正コイル、18…偏向,走査コイル、19…対物レンズ、20…対物レンズ絞り、21…二次電子検出器、22…試料、23…試料ステージ、24…排気系、25…ブランキング電極、26…平行平板電極、27…中間レンズ、28…投射レンズ、29…芯線、30…電子線プリズム、31…干渉パターン、32…ホログラム。
Claims (6)
- 複数の分離した電子エネルギー分布を有する電子ビームを電界放出することを特徴とする電子源。
- 前記複数の分離した電子エネルギー分布のうち、少なくとも一つの電子エネルギー分布の半値幅が0.2eV 以下であることを特徴とする請求項1に記載の電子源。
- 請求項1および請求項2に記載の電子ビームの輝度が1.0×109A/sr/
m2/V 以上であることを特徴とする電子源。 - 請求項1乃至請求項3に記載の電子源の一部がカーボンナノチューブから構成されることを特徴とする電子源。
- 請求項1乃至請求項4に記載の電子源を適用したことを特徴とする電子ビーム装置。
- 請求項1乃至請求項4に記載の電子源から放出される電子ビームのうち、任意の電子エネルギー半値幅を有する電子ビームのみを選択的に取出せる機構を付与したことを特徴とする電子ビーム装置。
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2003
- 2003-04-14 JP JP2003108675A patent/JP2004319149A/ja active Pending
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