JP2007087676A - 電界放出型電子銃およびそれを用いた電子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
繊維状炭素物質先端部を破壊することなく、その先端部に存在するアモルファスカーボンを除去することができる手段を有する電界放出型電子銃およびその運転方法を提供することにある。
【解決手段】
本発明の課題を解決するための手段は、単一の繊維状炭素物質とそれを支持する導電性基材から構成される電界放出型陰極と、電子を電界放出させる引出装置と、電子を加速させる加速装置を有する電界放出型電子銃に、該電界放出型陰極を加熱する手段および該電界放出型陰極に電子を電界放出させない極性の電圧を印加する手段を具備することにある。
【選択図】図３

Description

本発明は、電界放出型電子銃およびそれを搭載した電子ビーム応用装置に関する。

従来、電界放出型陰極として単結晶タングステン陰極が唯一実用化されている。単結晶タングステン陰極を使用した電界放出型電子銃を２〜１２時間使用すると、陰極表面の形状変化および陰極表面へのガス吸着により、エミッション電流が不安定になる。そのため、定期的にタングステン陰極を通電加熱する加熱フラッシング作業（以下、フラッシングと記述する）が必要である。フラッシングを行うことによって、陰極表面が溶融し、イオン衝撃で形成された凹凸が修復するとともに、陰極表面の吸着原子が離脱するため、エミッション電流が安定化する。

また、陰極表面の吸着原子を離脱させることは電界蒸発法によっても達成される。これは、陰極先端に高電界を印加することによって、電界と吸着原子の電気的ダイポールとの相互作用力が吸着原子の陰極への束縛力を超える時に生ずる吸着原子の離脱を利用するものである。特開昭５２−１２７０６０（特許文献１）号公報には、炭素材料，炭化物材料、あるいは棚化物材料からなる電界放出型陰極表面の清浄化法として、電界蒸発法が開示されている。この場合、陰極表面の平滑化はなされないし、必要もない。

特開昭５２−１２７０６０号公報

カーボンナノチューブを電界放出型陰極に使用すると、電界放出電子のエネルギー幅が狭く、高輝度な電子線が得られ、低電圧で電子放出できるものの、電界放出特性が安定せず、安定なエミッション電流を得ることができないという問題がある。本発明の第一の目的は上記の特性とともにエミッション電流が安定な電子ビーム応用装置を提供することにある。

図１は導電性基材に単一のカーボンナノチューブを接合した電界放出型陰極におけるカーボンナノチューブ先端部のＳＥＭ写真である。これより、アモルファスカーボン層（図中点線部分）がカーボンナノチューブ最外層に存在しているのがわかる。

カーボンナノチューブと導電性基材との接合は電子顕微鏡内で電子線を照射して行われる。電子顕微鏡の試料室中には微量の炭化水素が存在し、カーボンナノチューブに電子線が照射されると、この炭化水素が分解され、アモルファスカーボンがカーボンナノチューブ表面に生成する。このようなアモルファスカーボン層がカーボンナノチューブ先端に存在すると、電界放出特性に悪影響を及ぼすとともに、安定なエミッション電流を得ることができない。このアモルファスカーボンを除去するためには、カーボンナノチューブ陰極に高電界を印加し、アモルファスカーボンの電界蒸発およびイオン衝撃により除去することが可能である。しかしながら、この方法ではアモルファスカーボンのみならず、カーボンナノチューブを構成するカーボン原子も除去され、カーボンナノチューブ先端部が破壊され、図２に示すように先端が開いてしまうという問題が生じる。

本発明の第二の目的は、繊維状炭素物質先端部を破壊することなく、その先端部に存在するアモルファスカーボンを除去することができる手段を有する電界放出型電子銃およびその運転方法を提供することである。

本発明の第二の目的を達成するための手段は、単一の繊維状炭素物質とそれを支持する導電性基材から構成される電界放出型陰極と、電子を電界放出させる引出装置と、電子を加速させる加速装置を有する電界放出型電子銃に、該電界放出型陰極を加熱する手段と、該電界放出型陰極に電子を電界放出させない極性の電圧を印加する手段とを具備することにある。電界放出させない極性の電圧とは、具体的には前記の電界放出させる電圧と逆の極性の電圧である。

本発明の電界放出型電子銃の運転方法は、該電界放出型陰極を一定時間加熱しながら、該電界放出型陰極に、電子を電界放出させない極性の電圧を印加した後に、電子を電界放出させるものである。これにより、繊維状炭素物質の先端部を破壊することなく、その先端部に存在するアモルファスカーボンの厚さを１ｎｍ以下にすることができる。本発明の第二の目的を達成するための手段は、本発明の電界放出型電子銃およびその運転方法を各種電子ビーム応用装置に適用することである。

本発明によれば、上記装置，運転方法を使用することにより、電界放出型電子銃の繊維状炭素物質先端部を破壊することなく、その先端部に存在するアモルファスカーボンを除去することができる。

また、エミッション電流が安定な電子ビーム応用装置を提供することができる。

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。

本実施例に係る電子銃構成を図３に示す。本実施例に係る電子銃は単一の繊維状炭素物質とそれを支持する導電性基材から構成される電界放出型陰極と、電子を電界放出させる引出電極１１と、電子を加速させる加速電極１２と、該引出電極−該陰極間に両極性の電圧を印加できる引出電源９と、該加速電極に電圧を印加する加速電源１０と、電界放出型陰極を通電加熱する加熱電源７と、電界放出型陰極に電子を電界放出させない極性の電圧を印加する電源９とから構成される。

次に、本発明の電界放出型電子銃の具体的な運転方法について図３を用いて説明する。加熱電源７により陰極を８００℃以上に通電加熱した状態で、引出電源９により陰極から電子を電界放出させない極性の電圧、つまりこの場合、引出電極１１に対して正の電圧を陰極に印加する。この印加電圧は電界蒸発あるいはイオン衝撃により、繊維状炭素物質先端に存在するアモルファスカーボンが除去される程度の電圧が必要である。発明者らの実験によれば、電子を放出させるために必要な引出電圧の１０倍程度の電圧を印加することにより、繊維状炭素物質先端に存在するアモルファスカーボンを除去することができた。電子銃構造により異なるが、引出電圧は１００Ｖ〜１ｋＶ、浄化電圧は１ｋＶ〜２０ｋＶ程度である。浄化電圧が大きすぎると、ＣＮＴ先端が破壊され、小さすぎると、アモルファスカーボンが完全に除去されないこととなった。

浄化処理の時間は、ＣＮＴに付着しているアモルファスカーボンの厚さや浄化処理に使用する電圧によって異なるが、非常に長時間の浄化により、アモルファスカーボンが除去された後も電圧印加し続けると、ＣＮＴ自体がイオン衝撃により破壊されるので好ましくない。

浄化処理のためには、ＣＮＴ先端のみが８００℃程度で加熱されていればよく、通電加熱以外の方法としては、ヒータであぶる等の加熱，間接加熱等が挙げられる。なお、温度制御，簡易性の点から通電加熱が好ましい。

また、陰極を加熱せずに、正電圧印加により繊維状炭素物質先端に存在するアモルファスカーボンを除去した場合、図２に示したように、繊維状炭素物質の先端構造が破壊してしまうことも確認している。発明者らは、正電圧印加と同時に、陰極を８００℃以上に加熱することにより、繊維状炭素物質先端部が自己修復することを見出した。この操作により、図４に示すように、繊維状炭素物質の先端構造を破壊することなく、アモルファスカーボンを除去・浄化することが可能となる。以後、この操作を加熱・電界同時クリーニングとよぶ。

なお、加熱・電界同時クリーニングを行った後は、通常の電界放出型電子銃の運転方法と同様に、通電加熱を終了し、引出電源の極性を切換え、陰極に負電圧を印加し、陰極より電子をエミッションさせる。なお、加熱・電界同時クリーニングは通常、陰極交換時の初回運転前に行えば良い。いったんアモルファスカーボンが除去されれば、大気開放しない限りは再付着することは考えにくいため、浄化処理は陰極交換時に一度行えばそれ以降は必要ないと思われるからである。

ここで、加熱・電界同時クリーニングを行うためには、繊維状炭素物質とそれを支持する基材との接合強度および接合部の耐熱性が大きな課題となる。以下に、繊維状炭素物質とそれを支持する基材との具体的な接合法について説明する。

図５に本実施例に係る電界放出型陰極先端部のＳＥＭ写真を示す。電界放出型陰極は単一のカーボンナノチューブ等の繊維状炭素物質と導電性基材とそれを支持する絶縁性の支持台および電極から構成されている。繊維状炭素物質と導電性基材の接合部は導電性被覆層により補強されている。

導電性基材の材質としては、特に限定されるものではないが、融点，耐酸化性，機械的強度の点から、貴金属（具体的には、金，銀，白金族），結晶質カーボンあるいは高融点金属（具体的には、タングステン，タンタル，ニオブ，モリブデン等）が好ましい。

また、導電性基材の中心軸と繊維状炭素物質とのなす角度を制御できるように、化学エッチング等で先端を銑利化させた導電性基材先端部にＦＩＢ加工等により平坦面を形成させる。なお、カーボンナノチューブから放出される電子ビームの放射角を考慮すると、導電性基材の中心軸とカーボンナノチューブとのなす角度を±５°以下にしなければ、電子ビームの光軸調整が困難になる。

次に、導電性基材への繊維状炭素物質の取付け部分の少なくとも一部に、導電性被覆層を形成させることで、十分な接合強度を確保する方法について述べる。導電性元素を含むガスを導入したチャンバー内で、接触部分の少なくとも一部に電子ビームを照射することにより、短時間で十分な厚さの導電性被覆層を形成させることができる。この方法により、導電性基材より突出している繊維状炭素物質へ導電性被覆元素を付着させることなく、繊維状炭素物質と導電性基材との接合部のみを局所的に被覆し、接合補強することができる。前記導電性元素を含むガスとしては、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ガスは使用できない。これは、高エネルギー重イオンビームが繊維状炭素物質に照射されてしまうと、繊維状炭素物質自体が一瞬で損傷を受けてしまい、破断したり、照射欠陥が生じたりしてしまうからである。このため、ガスを分解させるのに用いる粒子線としては繊維状炭素物質に損傷を与えない１００ｋｅＶ以下の電子ビームが好ましく、ガスとしても１００ｋｅＶ以下の電子ビームで分解し、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あるいは、室温で気体であるフッ化タングステン等が好適である。これらのガスに電子ビーム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局所的に形成させることができる。

上記方法で作製された単一の繊維状炭素物質から構成される電界放出型陰極を用いることによって、本発明に係る加熱・電界同時クリーニングが実現可能となる。

（電子ビーム応用装置への適用例１）
図６に本発明の電子銃を用いた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の全体構成図を示す。走査型電子顕微鏡は、電子銃から放出される電子ビームに沿って、アライメントコイル，コンデンサレンズ，非点補正コイル，偏向・走査コイル，対物レンズ，対物絞りが配置されている。試料は、試料ステージに設置され、電子ビームが照射されるようになっている。試料室内の側壁部に二次電子検出器が設けられている。また、試料室は排気系によって高真空に保持されるようになっている。このように構成されることから、電子銃から放出された電子ビームは陽極で加速され、電子レンズによって集束されて試料上の微小領域に照射される。この照射領域を二次元走査し、試料から放出される二次電子，反射電子等を二次電子検出器により検出し、その検出信号量の違いを基に拡大像を形成する。

本発明の電子銃およびその運転方法を走査型電子顕微鏡に適用することにより、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長時間連続して安定に得られる走査型電子顕微鏡を実現することが可能となる。

なお、本発明の電子銃およびその運転方法は、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にも適用できる。なお、測長ＳＥＭの電子光学系の基本構成は図６と同様である。

なお、電界放出型電子銃を搭載する走査型電子顕微鏡の構成は図６で示したものに限定されることはなく、電界放出型電子銃の特性が十分引出せる構成であればこれまでに開発された技術を採用できる。

（電子ビーム応用装置への適用例２）
図７は本発明の電子銃を搭載した電子線描画装置の全体構成例である。電子光学系の基本構成は前記した走査型電子顕微鏡とほぼ同様である。電子銃から電界放射により得られた電子ビームをコンデンサレンズで絞り、対物レンズで試料上に絞込み、ナノメータオーダーのビームスポットを得る。この時、試料への電子ビーム照射のＯＮ／ＯＦＦを制御するブランキング電極の中心は、コンデンサレンズで作られるクロスオーバ点に一致した方が良い。

電子線描画は、電子ビームをブランキング電極でＯＮ／ＯＦＦしながら、偏光・走査コイルにより試料上で電子ビームを偏光，走査させながら照射することで実施される。

電子線描画装置は、電子線に感応するレジストを塗布した試料基板に電子ビームを照射し、各種回路パターンを形成するものであるが、各種回路パターンの高精細化に伴い、極細プローブ径が得られる電子銃が必要になってきている。従来は、タングステンフィラメントやＬａＢ₆ からなる熱電子放出型電子源が使用されてきたが、これらの電子銃はビーム電流を多くとれる利点があるものの、絶対的なエミッタ先端半径の大きさに起因する非点収差が大きく、２０ｎｍ以下の描画を行うことができない。そのため、最近、単結晶タングステン陰極から構成される電界放出型電子銃を使用するようになったが、ビーム電流の少なさと、ビーム電流の不安定さという新たな間題があり、確実な描画を行うために、電子ビームの露光量すなわち露光時間を増やさなければならず、効率が悪いという課題がある。これらの課題は、本発明の電子銃およびその運転方法を適用することにより解決できる。

導電性基材に単一のカーボンナノチューブを接合した電界放出型陰極におけるカーボンナノチューブ先端部のＳＥＭ写真を示す。 導電性基材に単一のカーボンナノチューブを接合した電界放出型陰極における先端部が破壊され、開いたカーボンナノチューブ先端部のＳＥＭ写真を示す。 本実施例に係る電界放出型電子銃の構成図を示す。 本発明に係る加熱・電界同時クリーニングによりアモルファスカーボンが除去された電界放出型陰極におけるカーボンナノチューブ先端部のＳＥＭ写真を示す。 本実施例に係る電界放出型陰極の先端部のＳＥＭ写真を示す。 本発明に係る電界放出型電子銃を用いた走査型電子顕微鏡の全体構成例を示す。 本発明に係る電界放出型電子銃を用いた電子線描画装置の全体構成例を示す。

符号の説明

１…カーボンナノチューブ、２…アモルファスカーボン層、３…単一の繊維状炭素物質、４…導電性フィラメント、５…電極支持台、６…電極、７…加熱電源、８…通電加熱スイッチ、９…両極性の引出電源、１０…加速電源、１１…引出電極、１２…加速電極、
１３…導電性被覆層、１４…導電性基材、１５…導電性基材先端部に形成した平坦面、
１６…本発明に係る電子銃、１７…アライメントコイル、１８…コンデンサレンズ、１９…非点補正コイル、２０…偏向，走査コイル、２１…対物レンズ、２２…対物レンズ絞り、２３…試料、２４…試料ステージ、２５…排気系、２６…二次電子検出器、２７…ブランカ。

Claims (8)

1. 単一の繊維状炭素物質とそれを支持する導電性基材から構成され、第一の電圧を印加することにより電界放出を行う電界放出型陰極と、電子を電界放出させる引出装置と、電子を加速させる加速装置とを有する電界放出型電子銃において、
   該電界放出型陰極を加熱する手段と、前記第一の電圧と逆の極性の電圧を印加する手段とを有することを特徴とする電界放出型電子銃。
2. 単一の繊維状炭素物質とそれを支持する導電性基材から構成される電界放出型陰極と、電子を電界放出させる引出装置と、電子を加速させる加速装置を有する電界放出型電子銃において、
   該繊維状炭素物質を被覆しているアモルファス層の厚さが１ｎｍ以下かつその先端が閉じていることを特徴とする電界放出型電子銃。
3. 請求項１，２に記載の単一の繊維状炭素物質が、カーボンナノチューブであることを特徴とする電界放出型電子銃。
4. 単一の繊維状炭素物質とそれを支持する導電性基材から構成される電界放出型陰極と、電子を電界放出させる引出装置と、電子を加速させる加速装置を有する電界放出型電子銃の運転方法において、一定時間、該電界放出型陰極を加熱しながら該電界放出型陰極に電子を電界放出させない極性の電圧を印加した後に、電子を電界放出させることを特徴とする電界放出型電子銃の運転方法。
5. 請求項４に記載された電界放出型電子銃の運転方法であって、
   引出電極と電源で構成される引出装置の引出電極をグランド電位とし、前記電子源に負電圧を印加して電子を電界放出させ、前記電子源に正電圧を印加して浄化処理を行うことを特徴とする電界放出型電子銃の運転方法。
6. 請求項１〜３に記載の電界放出型電子銃を搭載したことを特徴とする電界放出型電子顕微鏡。
7. 請求項１〜３に記載の電界放出型電子銃を搭載したことを特徴とする測長ＳＥＭ。
8. 請求項１〜３に記載の電界放出型電子銃を搭載したことを特徴とする電子線描画装置。
   
   

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