JP2007123134A - 電界放出形電子銃 - Google Patents

Abstract

【課題】 電界放出型電子銃を搭載する電子線装置において、試料上の電子線スポットの周りに拡がる散乱電子を除去する。
【解決手段】 引出電極５と加速電極６の間にリペラ電極１０を配置し、リペラ電極１０に所定の電圧を印加するためのリペラ電源１１を設ける。エミッタから引き出された電子が引出電極５に衝突して発生し加速電極６側に流れ込む二次電子ＳＥはリペラ電極１０により跳ね返されて試料には到達しない。
【選択図】図２

Description

本発明は電子顕微鏡等に搭載される電界放出形電子銃（以下、ＦＥＧと略称する）に関わり、詳しくは試料面上に照射される散乱電子の量を大幅に減少させるように改良した電界放出形電子銃に関する。

ＦＥＧは、放射する電子線のエネルギー幅が極めて小さく、高輝度が得られるので、観察・分析の性能向上に適しており、電子顕微鏡を始めとして多くの電子線装置に使われている。ＦＥＧは、電子を放出するエミッタと引出電極の間に電圧を印加して、エミッタ先端部に形成された強電界によりエミッタから電子を引き出すようにしている。このＦＥＧには、エミッタを加熱するサーマルタイプと加熱しないコールドタイプがある。エミッタから引き出された電子は加速電極（陽極又はアノードに同じ）により加速されて試料上に照射される。

図１は、従来のサーマルタイプのＦＥＧ断面の概略構成例を示した図である。図1において、電子銃１には、エミッタ２、エミッタ２の側面などから発生する熱電子を抑制するためのサプレッサ電極４、エミッタから電子を引き出すための引出電極５、電子に所定のエネルギーを与えるための加速電極６が配置されている。それぞれの電極は略円盤形状を為し、各電極の中央に電子線の通過する孔が設けられている。サプレッサ電極４と引出電極５には、それぞれサプレッサ電源７と引出電源８から必要な電圧が供給される。加速電極９は接地電位に保たれ、エミッタ２には加速電源９から負の高電圧が印加される。エミッタから放出された電子は、各電極の中央に設けられている孔を通過して所定のエネルギーを得るようになっている。なお図１の構成例では、サーマルタイプのＦＥＧのためエミッタ加熱電源３とサプレッサ電極４、サプレッサ電源７が構成されているが、コールドタイプのＦＥＧでは不要である。

図４に、従来のサーマルタイプのＦＥＧの電極と電位の関係を表すグラフを示す。縦軸は電子線ＥＢの光軸上の電位（−Ｖ）を表し、負に大きい方向を上方としている。また横軸は光軸上のエミッタからの距離を表している。エミッタ位置の電位は、絶対値が加速電圧に等しい負電位（−ＶＡ）となっており、サプレッサ電極位置の電位は、エミッタの電位より僅かに絶対値が大きい負電位（−ＶＡ−ＶＳ）となっている。引出電極にはエミッタから電子を引き出すための正電圧ＶＥが印加されるため、引出電極位置の電位はエミッタより絶対値が小さい負電位（−ＶＡ＋ＶＥ）となっている。加速電極位置の電位は接地電位（−Ｖ＝０）に等しくなっている。

D.W. McComb and G.C. Weatherly, Ultramicroscopy 68, 61-67 (1997) 特開平５−２７５０４０号広報

ＦＥＧにおいては、エミッタから発生した電子を引き出す際に、引出電極に一般的に２〜４ｋＶ程度の引出電圧を印加する。この場合、引き出された電子は必ずしも引出電極の中央に設けられた孔を全て通過するとは限らず、孔の周りに衝突する割合も大きい。一次電子に与えられる２〜４ｋＶ程度の電圧は、一次電子が金属等に衝突して二次電子を発生させる効率の最も高い電圧領域である。そのため、引出電極の孔の周辺からは一次電子の衝突によって発生した多くの二次電子が、引出電極のアースに対する電圧に相当する加速電圧（ＶＡ−ＶＥ）を有して加速電極側に流れてくる。

図１において、引出電極５の中央の穴周辺で発生した二次電子ＳＥが加速電極６の側に向かう様子を模式的に示している。このようにして発生した電子の発生領域は、ＦＥＧのエミッタから引き出される本来の領域の大きさに比べて桁違いに大きい。また、これら電子の持つ電圧に換算したエネルギーは、本来の加速電圧ＶＡから引出電圧ＶＥに相当する分だけ低い加速電圧（ＶＡ−ＶＥ）となり、加速電極の後に配置された電子レンズによる収束条件が加速電圧ＶＡの電子とは異なるため正しく収束しないことになる。これら二つの理由により、本来の加速電圧ＶＡを有する電子によって試料面上に細く絞られた電子線スポットが形成されても、その周りにそれよりも加速電圧の低い電子による拡がった電子線スポットが生じてしまう。

本来の電子線スポットの周りに拡がる邪魔な電子は一般に散乱電子と呼ばれる。図７はこの様子を模式的に示したもので、横軸は試料面上の距離、縦軸は電子線の強度分布を表す。（ａ）は 散乱電子が生じていない場合、（ｂ）は広がりを持つ散乱電子が生じている場合を示している。（ｂ）の状態では、走査電子顕微鏡の画像の分解能や画質に悪影響を及ぼし、分析の際には分析を目的とする領域の外側部分からの信号を検出して分析してしまうなど著しい不都合を生じる（例えば、非特許文献１を参照）。

一方、高温に加熱したＷ（タングステン）フィラメントやＬａＢ６（６ホウ化ランタン）を電子源に用いる電子銃は、ＦＥＧが必要とする引出電極のような加速電圧に対して電圧差を有する電極を持たない。ＷフィラメントやＬａＢ６を用いる電子銃を搭載した装置においては、本来の電子線スポットに対する散乱電子の強度の割合は、ＦＥＧを搭載する装置に比べて数１０分の１以下である。引出電極を有しない電子銃を搭載する装置においては、電子線通路に設けられた各種絞りの孔の周辺に衝突した電子が散乱電子の主なものとなるが、これら電子は飛行方向が本来の電子線の光軸に対してある角度を有しているため、散乱電子を防止するための絞りを設けることによってその大部分を除去することが可能である（例えば、特許文献１の特開平５−２７５０４０号広報を参照）。

しかし、ＦＥＧの場合は、引出電極の中央に設けられた孔の壁面で発生した電子が引出電極と加速電極との間の電界によってその軌道を曲げられ、結果として光軸に一致し又は光軸近傍で平行な軌道を有するようになることもある。このような電子を主とする散乱電子は、単に電子線通路に絞りを追加しただけでは取り除くことができない。

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、試料面上に照射される散乱電子の量を大幅に減少させることにより、走査電子顕微鏡像の分解能及び画質の向上と分析精度の向上を可能とするＦＥＧを提供することを目的とする。

上記の問題を解決するために、本発明は、
エミッタと、前記エミッタから電子を引き出す引出電極と、前記引出電極から引き出した電子を加速する加速電極とを有する電界放出形電子銃であって、
前記引出電極を挟んで前記エミッタと対向する側に配置されるリペラ電極と、前記リペラ電極に所定の電圧を印加するリペラ電源を備え、
前記リペラ電極の電位が前記エミッタの電位と前記引出電極の電位との間の電位となるように、前記リペラ電源により前記リペラ電極に所定の電圧を印加するようにしたことを特徴とする。

また本発明は、前記リペラ電極が前記引出電極と前記加速電極との間に配置されることを特徴とする。

また本発明は、前記リペラ電極が前記引出電極を挟んで前記エミッタと対向する側に配置されることを特徴とする。

本発明によれば、エミッタと、前記エミッタから電子を引き出す引出電極と、前記引出電極から引き出した電子を加速する加速電極とを有する電界放出形電子銃であって、前記引出電極を挟んで前記エミッタと対向する側に配置されるリペラ電極と、前記リペラ電極に所定の電圧を印加するリペラ電源を備え、前記リペラ電極の電位が前記エミッタの電位と前記引出電極の電位との間の電位となるように、前記リペラ電源により前記リペラ電極に所定の電圧を印加するようにしたので、
引出電極の中心に設けられた孔の近傍で生じた引出電極の電位に相当する加速電圧を有する電子をリペラ電極が形成する電場で抑止することにより、試料面上に達しないようにできる。そのため、本来の電子線スポットよりも拡がって試料面上に照射される散乱電子強度を大幅に減少させることができる。これにより、走査電子顕微鏡像の分解能及び画質の向上と分析精度の向上を図ることができる。

以下図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
図２は、本発明を実施するための電子銃１００の概略構成例を示す図である。なお、図２において、図１の電子銃１と同じ又は類似の動作を行うものには共通の符号を付し説明の重複を避ける。図２においては、引出電極５と加速電極６の間にリペラ電極１０が配置され、さらにリペラ電極１０に所定の電圧を印加するためのリペラ電源１１が設けられている。

図５に、電子銃１００の電極と電位の関係を表すグラフを示す。図４と同様に、縦軸は電子線ＥＢの光軸上の電位（−Ｖ）で負に大きい方向を上方とし、横軸は光軸上のエミッタからの距離を表している。また、図４と同じため図中には示していないが、光軸上のサプレッサ電極位置の電位は（−ＶＡ−ＶＳ）、引出電極位置の電位は（−ＶＡ＋ＶＥ）である。加速電極位置の電位は接地電位（−Ｖ＝０）に等しくなっている。

リペラ電極には、引出電極の電位に相当する加速電圧（ＶＡ−ＶＥ）を有する電子を引き出し電極側に跳ね返すために、リペラ電極の電位が引出電極の電位（−ＶＡ＋ＶＥ）より負の方向に大きくなるような電圧（−ＶＲ）が印加されている。即ち、光軸上のリペラ電極位置の電位は（−ＶＡ＋ＶＥ−ＶＲ）となっている。リペラ電極に印加する電圧（−ＶＲ）は、少なくともリペラ電極位置の電位が（−ＶＡ）と（−ＶＡ＋ＶＥ）の間の電位となるような電圧であれば良いが、エミッタから引き出された電子が引出電極に衝突して発生する二次電子が持つ電圧に換算したエネルギーは、引出電極の電位に対してせいぜい数１０Ｖでしかないので、実際にはＶＲも数１０Ｖ程度に設定すれば充分である。図２中に、引出電極５の中央に設けられた孔の近傍で発生した二次電子ＳＥが加速電極６の側に流れ込んだとき、リペラ電極１０によって跳ね返される様子を模式的に示す。

次に、本発明の別の実施形態について説明する。図３は本発明を実施するための電子銃２００の概略構成例を示す図である。なお、図３において図１の電子銃１と同じ又は類似の動作を行うものには共通の符号を付し、説明の重複を避ける。図３においては、加速電極６を挟んで引出電極５と反対側にリペラ電極２０が配置され、さらにリペラ電極２０に所定の電圧を印加するためのリペラ電源２１が設けられている。

図６に、電子銃２００の電極と電位の関係を表すグラフを示す。図４と同様に、縦軸は電子線ＥＢの光軸上の電位（−Ｖ）で負に大きい方向を上方とし、横軸は光軸上のエミッタからの距離を表している。また、図４と同じため示していないが、図６において、光軸上のサプレッサ電極位置の電位は（−ＶＡ−ＶＳ）、引出電極位置の電位は（−ＶＡ＋ＶＥ）である。加速電極位置の電位は接地電位（−Ｖ＝０）に等しくなっている。

リペラ電極には、引出電極の電位に相当する加速電圧を有する電子を加速電極側に跳ね返すために、リペラ電極の電位が引出電極の電位（−ＶＡ＋ＶＥ）より負の方向に大きくなるような電圧（−ＶＲ′）が印加されている。リペラ電極に印加する電圧（−ＶＲ′）は、少なくともリペラ電極位置の電位が（−ＶＡ）と（−ＶＡ＋ＶＥ）の間の電位となるような電圧であれば良い。

なお、図３においては、接地電位に接続されたリペラ電源２１からリペラ電極２０に電圧（−ＶＲ′）を印加するようになっているが、リペラ電源２１の正電位側を引出電極の電位に等しくなるように接続し、リペラ電極２０に負電圧（−ＶＲ）を印加するようにしても良い。この時、光軸上のリペラ電極位置の電位は（−ＶＡ＋ＶＥ−ＶＲ）となる。図３中に、引出電極５の中央に設けられた孔の近傍で発生した二次電子ＳＥが加速電極６の側に流れ込んだとき、リペラ電極１０によって跳ね返される様子を模式的に示す。

なお図２及び図３の構成例では、サーマルタイプのＦＥＧのためエミッタ加熱電源３とサプレッサ電極４、サプレッサ電源７が構成されているが、コールドタイプのＦＥＧでは不要である。

以上述べたように、リペラ電極を設けることによって、引出電極の中央に設けられた孔の近傍で発生した二次電子を試料に照射させないようにして、電子線スポットの周りに拡がる散乱電子を除去することができる。これにより、本発明のＦＥＧを搭載する装置において、ＦＥＧの持つ性能を生かした高分解能且つ良質の画像による走査電子顕微鏡像の観察と正しい分析を行うことが可能となる。

従来の電界放出形電子銃の概略構成例。 本発明の実施の形態１における電界放出形電子銃の概略構成例。 本発明の実施の形態２における電界放出形電子銃の概略構成例。 従来の電界放出形電子銃の電極と電位の関係を説明するための図。 本発明の実施の形態１における電界放出形電子銃の電極と電位の関係を説明するための図。 本発明の実施の形態２における電界放出形電子銃の電極と電位の関係を説明するための図。 電子線スポットの周りに拡がる散乱電子が無い場合とある場合を比較比較した模式図。

符号の説明

（同一または類似の動作を行うものには共通の符号を付す。）
ＥＢ 電子線 ＳＥ 二次電子
１、１００、２００ 電子銃 ２ エミッタ
３ 加熱電源 ４ サプレッサ電極
５ 引出電極 ６ 加速電極
７ サプレッサ電源 ８ 引出電源
９ 加速電源 １０、２０ リペラ電極
１１、２１ リペラ電源

Claims (3)

1. エミッタと、前記エミッタから電子を引き出す引出電極と、前記引出電極から引き出した電子を加速する加速電極とを有する電界放出形電子銃であって、
   前記引出電極を挟んで前記エミッタと対向する側に配置されるリペラ電極と、前記リペラ電極に所定の電圧を印加するリペラ電源を備え、
   前記リペラ電極の電位が前記エミッタの電位と前記引出電極の電位との間の電位となるように、前記リペラ電源により前記リペラ電極に所定の電圧を印加するようにしたことを特徴とする電界放出形電子銃。
2. 前記リペラ電極が前記引出電極と前記加速電極との間に配置されることを特徴とする請求項１の電界放出形電子銃。
3. 前記リペラ電極が前記引出電極を挟んで前記エミッタと対向する側に配置されることを特徴とする請求項１の電界放出形電子銃。
   
   

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