JP2007250491A

JP2007250491A - ＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃

Info

Publication number: JP2007250491A
Application number: JP2006075964A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tanaka; 浩田中
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】ＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃に関し、加速電圧に制限を受けずに、引出電極に起因するエミッターの先端近傍での圧力上昇を抑制して安定な動作を実現する。
【解決手段】引出電極６の開孔７は、直径がシミュレーションにおいてタングステンエミッター２から放出される電子の引出電極６に衝突する割合が１％以下となる開口径である円筒面８と直径がサプレッサー電極５の平坦部にかかる電界強度がＫｉｌｐａｔｒｉｃ臨界電界となる開口径である円筒面１０との間に存在する円筒面１１と、タングステンエミッター２の先端から０．１４ｍｍ後退した点を頂点とする頂角９０°の円錐面９を含むより外側の領域に存在し円筒面１１の下端に連なる回転対称曲面１２と、からなる側面形状を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子ビーム装置、特に、大電流で小直径なビームが必要とされる電子ビームテスターやオージェ電子分光装置、スポットビーム型電子ビーム露光装置等のプローブフォーミングシステムに使用されるＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃に関するものである。

半導体製造工程における微細パターン形成のために、電子ビーム露光の適用が検討され続けているが、この場合には、露光工程を工数を少なく行うために、各種のパターンを予め形成したマスクを利用し、このマスクに矩形電子ビームを通過させることによって一括露光しようとしている。

しかし、近年のさらなる微細化の進展とともに、従来のマスク露光では対処が困難になることが予想される。そこで、マスクを用いることなく、元となるパターンデータに応じて細く絞った電子ビームを電気的に直接操作するスポットビーム型の直接描画技術が再び脚光を浴びている。

このスポットビーム型の直接描画技術は、現時点では他の方法ではできないような細かいパターンを作成できる、ほとんど唯一と言ってよい技術であり、主導してきた先端的な半導体集積回路の研究開発にとどまらず、量子デバイスやＭＥＭＳ、さらには、次々世代の光ディスク原盤や磁気ディスク原盤の作成といった広範囲な研究開発に利用されるようになってきた。

現在、このような装置に用いる電子銃としては、動作が安定でかなりの高平均輝度が得られ、従来のＬａＢ₆電子銃よりも一桁以上高速に細かいパターンを描画することができる、ＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃（例えば、特許文献１乃至特許文献５参照）が広く用いられるようになってきた。

ここで、図８を用いて従来のＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子源を説明する。
図８参照
図８は、従来のＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子源の概略的構成図であり、軸方位が＜１００＞方位のタングステン単結晶からなるエミッター４１は、タングステン多結晶線からなるフィラメント４４を介して、絶縁碍子４５に固定された金属支柱４６に接続されるとともに、その先端部が、容器を兼ねるサプレッサー電極４２に設けた開口部４３から若干突出した構成となっている。

また、エミッター４１には、ジルコニウムと酸素の供給源となるリザーバー４７が設けられており、フィラメント４４に通電して１８００Ｋ程度に加熱することによって、リザーバー４７からジルコニウムと酸素とがエミッター４１の表面に沿って熱拡散することによって、エミッター４１の先端表面にジルコニウムと酸素とがそれぞれ単原子層ずつ吸着して、タングステンの仕事関数（約４．５ｅＶ）を約２．８ｅＶまで低下させ、それによって、高い放出電子電流密度が得られる。

このようなＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子源では、上述のように電子を放出するエミッター４１を１８００Ｋ程度の高温に加熱して使用しているため、エミッター４１とフィラメント４４とリザーバー４７がむき出しのままでは、不要な熱電子が大量に発生してしまう。
これを避けるために、エミッター４１よりも負の電位にしたサプレッサー電極４２と呼ばれる一種の抑制電極でエミッター４１とフィラメント４４とリザーバー４７を覆い、不要な熱電子発生の抑制と発生した熱電子の追い返しを行っている。

しかし、エミッター４１の先端には１Ｖ／ｎｍ程度以上の強い表面電界がかからなければならないために、針状のエミッター４１そのものはその先端がサプレッサー電極４２から０．２５ｍｍ程度突き出しており、電子銃に組み込む場合には、エミッター４１よりも数ｋＶ正の電位にした引出電極と対向している。

図９参照
図９は、引出電極を備えたＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃の概略的断面図であり、エミッター４１はサプレッサー電極４２から突き出して引出電極４８と対向しているため、突き出しているところの特に先端に近い部分からは、先端から放出されてビームとして利用する電子５０の他に、それと同程度〜１０倍程度の量の不要な電子５１が側方に向かって放出されることになる。
なお、引き出された電子５０の内、ビーム制限絞り５２に設けた開孔５３を通過した電子５４が実際に使用される電子ビームとなる。

従来のＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃における引出電極４８の開孔４９の直径は、低い引出電圧で効率良く必要な表面電界が得られるように、０．４〜０．６ｍｍ程度（大きくても１．０ｍｍ）で、不要な電子５１は引出電極４８を通過できずに衝突して素早く遮られる構造になっている。

この場合、不要な電子５１が引出電極４８に衝突した部分からは、電子衝撃脱離によるガス分子が発生し、エミッター４１の先端近傍の圧力を上昇させてしまう。
この場合、初期には電子５０，５０の放出が止まってしまう程激しい圧力上昇も、やがて定常的な状態に到達してエミッター４１からの電子放出とバランスするが、この圧力上昇が少ない程電子銃の動作は安定し、寿命も永くなる。

従来は、エミッター４１の先端に近い引出電極４８の開孔４９周辺でガス分子が発生するために、定常状態での圧力上昇は大きくなりやすく、安定動作を妨げる要因になっており、引出電極４８に衝突してしまう不要な電子５１が少ないことが、圧力上昇を少なくして真空の点で有利になることが指摘されている（例えば、特許文献６参照）。

このような問題を解決するためには、引出電極４８に設けている開孔４９の直径を大きくすれば良いが、そうすると、エミッター４１先端の表面電界強度を一定値に維持するためにはより高い引出電圧が必要になり、このために引出電極４８と対向するサプレッサー電極４２との電位差も大きくなり放電発生の危険度が高まる。

一方、エミッターの先端近傍でのガス分子発生の問題を回避するためには、発生原因となる引出電極を設けなければ良く、実際に、引出電極自体を設けずにエミッターを加速電位の陽極に十数ｍｍの間隔で対向させた電子銃も提案されている（例えば、特許文献７或いは非特許文献１参照）。

この場合には、確かにガス分子が発生する場所はエミッターから非常に遠く離れており、またガス分子が拡散できる広い空間が存在するので、陽極を衝撃する電子のエネルギーが高いためにより多量のガス分子が発生するにもかかわらず、エミッターの先端近傍での圧力上昇は低く抑えられると推定される。
特開平１０−０７４４４６号公報報特開平１０−２５５７０３号公報報特開平０８−１７１８７９号公報報特開平０９−２８３０６８号公報報特開２００２−２１６６８６号公報報特表２００２−５３８５９６号公報報特開平０５−２５８７０３号公報報 "Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｎｅｌｅｃｔｒｏｎ−ｂｅａｍｃｏｌｕｍｎ"Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ，Ｖｏｌ９，Ｎｏ．６，Ｎｏｖ／Ｄｅｃ１９９１

しかし、引出電極自体を設けずにエミッターを加速電位の陽極に対向させた場合には、加速電圧がエミッター先端の表面電界を直接決めるために、加速電圧はほとんど固定された一定値に限られてしまうという問題がある。

また、衝撃された陽極から発生するガス分子と二次電子が加速電圧下に直接さらされるために、電圧をささえる絶縁碍子の沿面放電を引き起しやすく、２０ｋＶを超える加速電圧の電子銃には適用することが難しいという問題がある。

したがって、本発明は、加速電圧に制限を受けずに、引出電極に起因するエミッターの先端近傍での圧力上昇を抑制して安定な動作を実現することを目的とする。

図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記課題を解決するために、本発明は、タングステンエミッター２とタングステンエミッター２の表面にジルコニウムと酸素とを供給するリザーバー３、及び、加熱手段であるタングステンフィラメント４からなる陰極１と、タングステンエミッター２の先端部分が突き出るための開口を有し陰極１を覆うサプレッサー電極５と、タングステンエミッター２から電子を放出させるためのエミッター先端の表面電界を発生させる引出電極６とを有するＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃であって、引出電極６の開孔７は、直径がシミュレーションにおいてタングステンエミッター２から放出される電子の引出電極６に衝突する割合が１％以下となる開口径である円筒面８と直径がサプレッサー電極５の平坦部にかかる電界強度がＫｉｌｐａｔｒｉｃ臨界電界となる開口径である円筒面１０との間に存在する円筒面１１と、タングステンエミッター２の先端から０．１４ｍｍ後退した点を頂点とする頂角９０°の円錐面９を含むより外側の領域に存在し円筒面１１の下端に連なる回転対称曲面１２と、からなる側面形状を有していることを特徴とする。

上述のように、開孔７の側面形状を規定することによって、電子が引出電極６に衝突することはほとんどなく、したがって、タングステンエミッター２の先端近傍での圧力上昇が小さいので、任意の加速電圧における安定した動作が可能になる。

この場合、特に、円筒面１１の直径を、シミュレーションにおいてエミッター１から放出される電子の引出電極６に衝突する割合が０となる開口径以上にすることが望ましく、それによって、電子の衝突を理論上０にすることができる。

また、具体的な装置寸法として規定するならば、開孔７は、直径が０．８ｍｍの円筒面８と直径が３．２０ｍｍの円筒面１０との間に存在する円筒面１１と、タングステンエミッター２の先端から０．１４ｍｍ後退した点を頂点とする頂角９０°の円錐面９を含むより外側の領域に存在し円筒面１１の下端に連なる回転対称曲面１２と、からなる側面形状を有するものである。

このように、開孔７の側面形状を規定することによって、ＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃において、電子が引出電極６に衝突することはほとんどなく、したがって、タングステンエミッター２の先端近傍での圧力上昇が小さいので、任意の加速電圧における安定した動作が可能になる。

特に、円筒面１１の直径を１．０７ｍｍ以上にすることによって、電子の衝突を理論上０にすることができる。

また、円筒面１１の直径を１．７６ｍｍ以下にすることによって、引出電極６とサプレッサー電極５との間の電位差も小さくなり、放電発生の危険性は大幅に低減する。

また、ＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃側の構成として、放出された電子のうち、使用しない余分な電子を遮蔽するビーム制限絞り１３を設けても良い。

この場合、引出電極６にはガス抜き用の開口を設けることが望ましく、それによって、使用開始前の真空引きの際に真空度をあげるための時間を短くすることができるとともに、電子の衝突によってガス分子が発生しても、ガス分子を迅速に排気することができるので、タングステンエミッター２の先端近傍での圧力上昇を小さくすることができる。

また、この場合、引出電極６とビーム制限絞り１３とに、ビーム制限絞り１３から見た放出角電流密度が０．２〜１ｍＡ／ｓｒ〔ステラジアン〕となる同一の電位を印加する機構を設けることが望ましい。

仮に、同一の電位を印加しない場合には、ビーム制限絞り１３の開孔１４の部分で収差が生じて、電子ビームの平均輝度が低下する。
また、タングステンエミッター２の先端形状は、高温下での物質移動によるだれと高電界下の静電圧力による尖頭化のバランスにより決まるが、このとき、ビーム制限絞り１３から見た放出角電流密度が、０．２ｍＡ／ｓｒ未満であれば高温の影響で先端が丸まり、１ｍＡ／ｓｒを超えると電界の影響で尖りすぎるので安定な先端形状が保てなくなる。

本発明によれば、エミッターから放出された電子が最初に衝突することでガス分子が発生する場所が、従来は引出電極であったものがビーム制限しぼりとなり、よりエミッターから遠くなるので、エミッターの先端近傍での圧力上昇は緩和され、それによって、電子銃の動作は安定し、寿命も永くなる。

また、引出電極を備えた構成であるので、加速電圧に制限を受けることがなく、より広範囲の装置に適用することが可能になる。

本発明は、タングステンエミッターとタングステンエミッターの表面にジルコニウムと酸素とを供給するリザーバー、及び、加熱手段であるタングステンフィラメントからなる陰極と、タングステンエミッターの先端部分が突き出るための開口を有し陰極を覆うサプレッサー電極と、タングステンエミッターから電子を放出させるためのタングステンエミッター先端の表面電界を発生させる引出電極とを有するＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃であって、引出電極の開孔は、直径がシミュレーションにおいてタングステンエミッターから放出される電子の引出電極に衝突する割合が１％以下となる開口径以上、具体的には、０．８ｍｍ以上、より好適には引出電極に衝突する割合が０となる開口径以上、具体的には、１．０７ｍｍ以上であり、且つ、直径がサプレッサー電極の平坦部にかかる電界強度がＫｉｌｐａｔｒｉｃ臨界電界となる開口径以下、具体的には３．２０ｍｍ以下、より好適には１．７６ｍｍ以下である円筒面と、タングステンエミッターの先端から０．１４ｍｍ後退した点を頂点とする頂角９０°の円錐面を含むより外側の領域に存在し円筒面の下端に連なる回転対称面と、からなる側面形状を有するものである。

また、ＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃側の構成として、ビーム制限絞りを設けても良く、その場合には引出電極とビーム制限絞りとに、ビーム制限絞りから見た放出角電流密度が０．２〜１ｍＡ／ｓｒとなる同一の電位を印加する機構を設ける。

ここで、図２及び図７を参照して、本発明の実施例１のＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃を説明する。
図２参照
図２は、本発明の実施例１のＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃の概略的構成図であり、電子源２０、引出電極３０及びビーム制限絞り３８から構成される。
なお、図示を省略しているが、引出電極３０及びビーム制限絞り３８はセラミック碍子等の絶縁部材を介して電子源２０に結合されている。

図３参照
図３は、電子源２０の概略的構成図であり、軸方位が＜１００＞方位のタングステン単結晶からなるエミッター２１は、タングステン多結晶線からなるフィラメント２４を介して絶縁碍子２５に固定された金属支柱２６に接続されるとともに、その先端部が、容器を兼ねるサプレッサー電極２２に設けた開口部２３から例えば、０．２５ｍｍ突出した構成となっている。
なお、符号２８は排気口であり、また、符号２９はネジ穴である。

また、エミッター２１には、ジルコニウムと酸素の供給源となるリザーバー２７が設けられており、フィラメント２４に通電して１８００Ｋ程度に加熱することによって、リザーバー２７からジルコニウムと酸素がエミッター２１の表面に沿って熱拡散することによって、エミッター２１の先端表面にはジルコニウムと酸素とがそれぞれ単原子層ずつ吸着し、先端部の曲率径は０．３〜１μｍ、例えば、０．３４μｍである。

図４参照
図４は、電子源、引出電極及びビーム制限絞りの配置関係を示す概略的要部断面図であり、エミッター２１の先端を通ってエミッター２１を貫く中心軸と引出電極３０に設けた開孔３１及びビーム制限絞り３８に設けた開孔３９の中心軸が一致するように配置する。

また、引出電極３０の厚さは例えば１ｍｍであり、サプレッサー電極２２との間隔が例えば０．４５ｍｍになるように配置し、一方の、厚さが例えば０．５ｍｍのビーム制限絞り３８とは例えば、１ｍｍの間隔で対向するように配置する。
なお、この引出電極３０には、真空引きを容易にするために、開口部３７が複数個設けられている。

図５参照
図５は、引出電極に設ける開孔の説明図であり、開孔３１の側面の円筒面３５は、直径０．８ｍｍ、好適には１．０７ｍｍの円筒面３２と、直径３．２０ｍｍ、好適には１．７６ｍｍの円筒面３４との間に存在し、円筒面３５の下端に連なる回転対称曲面３６は、エミッター２１の先端から０．１４ｍｍ後退した点を頂点とする頂角９０°の円錐面３３を含むより外側の領域、即ち、図における斜線の領域に存在する形状としたものである。

図６参照
図６は、引出電極に設ける開孔の側面形状を規定する根拠の説明図であり、図４に示した配置に対して行ったシミュレーションの結果を示した図である。
まず、円筒面３５の直径を大きくしていくと、０．７５ｍｍ位、確実には０．８ｍｍで引出電極３０に電子が衝突する割合は１％以下となり、１．０７ｍｍで完全に０になる。

一方、サプレッサー電極２２と引出電極３０との間の電界は、円筒面３５の直径とともに大きくなり、３．２０ｍｍにおいて高真空中の電極間に起こる放電発生の危険度をはかる尺度ととなるＫｉｌｐａｔｒｉｃ臨界電界１６．０５ｋＶ／ｍｍに達してしまう。
したがって、円筒面３５の直径は０．８〜３．２０ｍｍの範囲にする必要があるが、電子の衝突を完全に０にするためには、１．０７〜３．２０ｍｍにする必要がある。

但し、サプレッサー電極２２と引出電極３０との間の電界はより小さいほうが望ましいので、１．０７〜１．７６ｍｍ（１０ｋＶ／ｍｍとなる直径）の範囲が実用的である。

一方、円筒面３５の直径が１．０７ｍｍ近傍で小さい場合には、開孔３１の円筒部分を通過する間に電子は拡がるので、円筒面３５に衝突することになる。
そこで、シミュレーションの結果、エミッター２１の先端から０．１４ｍｍ後退した点を頂点とする頂角９０°の円錐面３３の外側の領域であれば電子の衝突が起こらないことが判明したので、円錐面３３に関する限定を加えたものである。

図７参照
図７は、電子の通過状態の説明図であり、エミッター２１から放出された電子は、ビーム制限絞り３８で遮られるものも含めて全て、引出電極３０には衝突せずにその開孔３１を通過していき、一部はビーム制限絞り３８の開孔３９を通過して行く。
この時、ビーム制限絞り３８の開孔３９を通過する電子を測ると、０．２ｍＡ／ｓｒの放出角電流密度が得られる。

なお、この場合、引出電極３０とビーム制限絞り３８には、同電位を印加しており、上述の場合には、ビーム制限絞り３８から見た放出角電流密度は０．２ｍＡ／ｓｒであるが、０．２〜１ｍＡ／ｓｒの範囲となる電位であれば良い。

このように、本発明の実施例１においては、引出電極３０に設ける開孔３１の側面形状を電子の衝突が実効的に０になるように下限を設定するとともに、放電が発生しない値を上限に設定しているので、電子放出中にエミッター２１の先端近傍での圧力上昇は小さく、したがって、安定した電子放出が可能になる。

また、引出電極３０をエミッター２１の近傍に設けているので、加速電圧に制限を受けることがなく、それによって、より広範囲の装置に適用することが可能になる。

以上、本発明の実施例を説明してきたが、本発明は実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、実施例においてはビーム制限絞りを電子銃に一体化しているが、ビーム制限絞りは電子銃を組み込む装置側の構成としても良いものであり、したがって、この場合の電子銃は、電子源と引出電極とで構成されることになる。

本発明の原理的構成の説明図である。本発明の実施例１のＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃の概略的構成図である。電子源の概略的構成図である。電子源、引出電極及びビーム制限絞りの配置関係を示す概略的要部断面図である。引出電極に設ける開孔の説明図である。引出電極に設ける開孔の側面形状を規定する根拠の説明図である。電子の通過状態の説明図である。従来のＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子源の概略的構成図である。引出電極を備えたＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃の概略的断面図である。

符号の説明

１陰極
２タングステンエミッター
３リザーバー
４タングステンフィラメント
５サプレッサー電極
６引出電極
７開孔
８円筒面
９円錐面
１０円筒面
１１円筒面
１２回転対称曲面
１３ビーム制限絞り
１４開孔
２０電子源
２１エミッター
２２サプレッサー電極
２３開口部
２４フィラメント
２５絶縁碍子
２６金属支柱
２７リザーバー
２８排気口
２９ネジ穴
３０引出電極
３１開孔
３２円筒面
３３円錐面
３４円筒面
３５円筒面
３６回転対称曲面
３７開口部
３８ビーム制限絞り
３９開孔
４１エミッター
４２サプレッサー電極
４３開口部
４４フィラメント
４５絶縁碍子
４６金属支柱
４７リザーバー
４８引出電極
４９開孔
５０電子
５１電子
５２ビーム制限絞り
５３開孔
５４電子

Claims

タングステンエミッターと前記タングステンエミッターの表面にジルコニウムと酸素とを供給するリザーバー、及び、加熱手段であるタングステンフィラメントからなる陰極と、前記タングステンエミッターの先端部分が突き出るための開口を有し前記陰極を覆うサプレッサー電極と、前記タングステンエミッターから電子を放出させるためのエミッター先端の表面電界を発生させる引出電極とを有する電子銃であって、前記引出電極の開孔は、直径がシミュレーションにおいて前記タングステンエミッターから放出される電子の前記引出電極に衝突する割合が１％以下となる開口径以上であり、且つ、直径が前記サプレッサー電極の平坦部にかかる電界強度がＫｉｌｐａｔｒｉｃ臨界電界となる開口径以下である円筒面と、前記タングステンエミッターの先端から０．１４ｍｍ後退した点を頂点とする頂角９０°の円錐面を含むより外側の領域に存在し、且つ、前記円筒面の下端に連なる回転対称曲面と、からなる側面形状を有していることを特徴とするＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃。
タングステンエミッターと前記タングステンエミッターの表面にジルコニウムと酸素とを供給するリザーバー、及び、加熱手段であるタングステンフィラメントからなる陰極と、前記タングステンエミッターの先端部分が突き出るための開口を有し前記陰極を覆うサプレッサー電極と、前記タングステンエミッターから電子を放出させるためのエミッター先端の表面電界を発生させる引出電極とを有する電子銃であって、前記引出電極の開孔は、直径が０．８ｍｍ以上３．２０ｍｍ以下である円筒面と、前記タングステンエミッターの先端から０．１４ｍｍ後退した点を頂点とする頂角９０°の円錐面を含むより外側の領域に存在し、且つ、前記円筒面の下端に連なる回転対称曲面と、からなる側面形状を有していることを特徴とするＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃。
上記引出電極の上記開孔側面の上記円筒面が、直径が１．０７ｍｍ以上１．７６ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２記載のＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃。
上記放出された電子のうち、使用しない余分な電子を遮蔽するビーム制限絞りを設けることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃。
上記引出電極とビーム制限絞りとに、前記ビーム制限絞りから見た放出角電流密度が０．２〜１ｍＡ／ｓｒとなる同一の電位を印加する機構を設けたことを特徴とする請求項４記載のＺｒＯ／Ｗエンハンスドショットキー放出型電子銃。