JP2008041289A - 電界放出型電子銃およびそれを用いた電子線応用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、繊維状炭素物質から構成される電子源を搭載した電界放出型電子銃の、電子線の光軸調整を容易にすることにある。また、電子銃より狭エネルギー幅の電子線を得ることにある。さらに該電界放出型電子銃を搭載した高分解能な電子線応用装置を提供することにある。
【解決手段】本発明の課題を達成するための手段は、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子源と、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、該繊維状炭素物質がバンドギャップを有する物質で被覆されていることにある。また、本発明の電界放出型電子銃を各種電子線応用装置に適用することである。
【選択図】図２

Description

本発明は、電界放出型電子銃を用いた電子線応用装置に関する。

カーボンナノチューブから構成される電界放出型電子源（以下、カーボンナノチューブ電子源とする）は、従来の電界放出型電子源に比べ、高輝度かつ高安定な電界放出電流が得られることで知られている。しかしながら、カーボンナノチューブ電子源からの電子線パターンは、カーボンナノチューブの先端形状に強く依存し、カーボンナノチューブ先端が閉構造かつ対称な形状の場合には、Hata, K.:Surf. Sci. 490, 296-300 (2001) （非特許文献１）に開示されているような対称性のある均一なビームパターンが得られるが、現状、カーボンナノチューブ先端形状を制御する技術はなく、カーボンナノチューブ先端が閉構造であっても、非対称な形状の場合が多い。その場合には、M.J.Fransen:Appl.Surf.Sci.146,312-327 (1999)（非特許文献２）に開示されているような非対象な電子線パターンが得られる。さらには、電子線パターン中心部に高輝度のビームパターンが出現しないことも多い。

Hata, K.:Surf. Sci. 490, 296-300 (2001) M.J.Fransen:Appl.Surf.Sci.146,312-327 (1999)

電子顕微鏡に電子源を搭載する場合、電子源から放出される電子線が、絞り等の複数の孔を通過して、試料に到達する試料電流が最大になるように、電子源をある範囲内で機械的に傾けることにより、電子線の光軸を調整する。電子線パターン中心部の輝度が低く、高輝度のパターンが電子源の機械的調整範囲を越えて、パターン中心からずれている場合、十分な像コントラストを得るのに必要な試料電流を確保するために、電子源からの全放出電流を不必要に増加させなければならない。これは、放出電子のベルシェ効果の影響が増大し、放出電子のエネルギー分布が広がり、電子顕微鏡の分解能が低下するといった問題が生じる。

本発明の第一の目的は、電子線の光軸調整が容易かつ狭エネルギー幅の電子線が得られる繊維状炭素物質から構成される電子源を搭載した電界放出型電子銃を提供することにある。

本発明の第二の目的は、該電界放出型電子銃を搭載した高分解能な電子線応用装置を提供することにある。

本発明の特徴は下記の電界放出型電子銃を適用した各種電子線応用装置にある。

本発明の目的を達成するための手段は、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子源と、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半導体または絶縁体で被覆することにある。該繊維状炭素物質を被覆している物質の厚さは１０ｎｍ以下にすることが好ましい。電子源からの放出電子の狭エネルギー幅化の観点から、該繊維状炭素物質の直径が５０ｎｍ以上であること、さらには、該繊維状炭素物質が窒素またはホウ素を含有するものであることが好ましい。特に、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子源と、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、該繊維状炭素物質から放出される電子線の発散角が２００mradの範囲内における放出電流の全放出電流に対する割合が５％以上であることにある。

また、他の本願発明の特徴は、上記の電子銃を用いた電子顕微鏡及び電子線描画装置である。

本発明によれば、電子線の光軸調整が容易かつ狭エネルギー幅の電子線が得られる繊維状炭素物質から構成される電子源を搭載した電界放出型電子銃、および該電界放出型電子銃を搭載することにより、高分解能な電子線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。

本発明の特徴である電界放出型電子銃構成を図１に示す。電子銃は半導体あるいは絶縁体で被覆された繊維状炭素物質と、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る電子源と、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から構成される。

図２に本実施例に係る電子源の先端部の詳細構成を示す。電子源は、図２（ｃ）に示すような半導体あるいは絶縁体の被覆層１５で被覆された繊維状炭素物質１４と導電性基材から構成されている。図２（ａ），（ｂ）に示すように、繊維状炭素物質と導電性基材の接合部は導電性被覆層１１により補強されている。

被覆層の材質としては、半導体あるいは絶縁体が好ましい。これらの物質はバンドギャップを有する物質であり、そのために本発明の効果が生じると考える。バンドギャップとは、半導体，絶縁体のバンド構造において、電子に占有された最も高いエネルギーバンド（価電子帯）の頂上から、最も低い空のバンド（伝導帯）の底までの間のエネルギー準位、またはそのエネルギーの差である。図３にバンドギャップを有する物質が被覆されたカーボンナノチューブからの電界電子放出のメカニズムを示す。カーボンナノチューブから放出された電子が、被覆層を透過する際に、被覆層を構成する原子と衝突し、散乱される。バンドギャップが無ければ、被覆層からも電子放出が生じ、真空中に放出される電子のエネルギー幅が増大してしまうが、バンドギャップがあると、バンドギャップには電子が詰まっていないので、そこから電子が放出されず、カーボンナノチューブからの電子のみが散乱・分散されて真空中に放出されることとなる。

従って、バンドギャップを有する物質（特に絶縁体，半導体等）にて電子線放出部を被覆すれば、同様の効果が得られる。具体的な被覆層の材質としては、ＭｇＯ，ＺｒＯ等の酸化物、ＳｉＣ，ＷＣ，ＴｉＣ等の炭化物、ＢＮ，ＧａＮ等の窒化物等が挙げられる。

バンドギャップの有無は走査型トンネル顕微鏡などにより直接、被覆層の電子状態を計測することによってわかる。また、電子状態を計測しなくとも、組成分析により構成成分が絶縁体または半導体であって、結晶質であればバンドギャップを有するものと判断できる。特に、ＭｇＯ，ＳｉＣはＣＮＴのフェルミエネルギー近傍にバンドギャップが存在するため好ましいと考える。また、カーボンナノチューブへの濡れ性等を考慮して、被覆層は異なる複数の物質が積層された構造でも良い。

被覆層の厚さは、理論上電子がトンネルする厚さが限られるため１０ｎｍ以下にすることが好ましい。１０ｎｍより厚くなると、カーボンナノチューブからの放出電子が被覆層を透過しない場合が生ずるためである。

繊維状炭素物質としては、カーボンナノチューブあるいは炭素繊維が好ましい。炭素繊維としては、例えば気相成長法等により作製したカーボンファイバーが挙げられる。その形状は、電界放出特性，電気抵抗，耐久性の点から、直径は５０ｎｍ以上、長さは数100ｎｍ〜数１０μｍであり、先端が閉構造であることが好ましい。また、電界放出特性のうち、特に放出電子のエネルギー幅およびバンドギャップを有する物質で構成される被覆層との濡れ性の観点から、窒素またはホウ素を含有するカーボンナノチューブがより好ましい。また、窒素、ホウ素のような原子価が３価および５価の元素を含有することにより、繊維状炭素物質がヘテロ化され、エネルギー幅が小さい（低ΔＥ化できる）という効果が得られうる。

繊維状炭素物質、特にカーボンナノチューブへの被覆層の形成法としては、レーザーアブレーション法，電子線蒸着法，ＣＶＤ法等が挙げられるが、特に限定されるものではない。また、これらの方法により、被覆層を形成した後、熱処理することにより、被覆層の結晶化あるいは結晶性の向上を図ることがより好ましい。また、被覆層は少なくとも繊維状炭素物質先端部の電子線の放出位置に必要であるが、繊維状炭素物質全体に被覆してもよい。

導電性基材の材質としては、導電が可能であれば特に限定されるものではないが、耐熱性，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鋭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たり、その平坦面にカーボンナノチューブが収まる溝を形成したりしても良い。

次に、繊維状炭素物質と導電性基材の接合部における導電性被覆層の形成方法について述べる。チャンバー内に導電性元素を含むガス(例えば、Ｗ(ＣＯ)₆) を導入し、繊維状炭素物質と導電性基材の接触部分に電子線を照射することにより、導電性元素（金属タングステン）を析出させることができ、導電性被覆層を形成できる。この方法により、導電性基材より突出しているカーボンナノチューブへの導電性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、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カーボンナノチューブ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するからである。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以下の電子線が好ましく、ガスとしても１００ｋｅＶ以下の電子線で分解し、かつ１００℃以下で気化するカーボンや白金，金，タングステン等の金属を主成分とする有機金属ガスやフッ化ガスが好適である。これらのガスに電子線を照射することにより、繊維状炭素物質と導電性基材との接合部のみに導電性被覆層を局所的に形成させることができる。

なお、電界放出型電子銃の構成は図１で示したものに限定されることはなく、本発明の電子源の特性が十分引出せる構成であれば、他の電界放出型電子銃、例えば磁界重畳型電子銃等の従来周知の構成を採用できる。

図４はカーボンナノチューブ電子源における被覆層の電子線パターンへの影響を示す。図４（ａ）が被覆前、図４（ｂ）が被覆後である。前述したように、バンドギャップを有する物質を被覆することにより、カーボンナノチューブからの放出電子が散乱され、ビームパターンが均一化することがわかった。被覆前に電子線が蛍光板に照射される部分より、被覆後の電子線が照射される範囲が拡張していることが明らかである。特に、被覆前には電子線が照射されず暗部となっている中央部が、被覆後では電子線が照射されている。

また、カーボンナノチューブに被覆層を設けた場合、電子線の発散角が２００mradの範囲内における放出電流の全放出電流に対する割合は５％以上であった。なお、先端部の形状が理想的で、電子線の放出時に５員環パターンが６個出現する場合の２００mradの範囲内の割合が５％である。

従って、電子線照射範囲が大きくなるために、電子線を適用した装置の光軸調整が容易となる。また、ＣＮＴ先端部の形状に問題があって電子線の放出がうまくできず、製品に使用した場合に電子線量が不十分となるために不良品の原因となっていたカーボンナノチューブについても、上記被覆層の形成により電子源として使用が可能となる。従って、このような電子源を使用し電子顕微鏡や電子線描画装置を製造することにより、これらの装置の歩留まりが大きく向上することとなる。

図５に上記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１６から放出される電子線に沿って、アライメントコイル１７，コンデンサレンズ１８，非点補正コイル１９，偏向，走査コイル２０，対物レンズ２１，対物レンズ絞り２２が配置されている。試料２３は、試料ステージ２４に設置され、電子線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２５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線は陽極で加速され、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２６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。

本発明の電子銃を走査型電子顕微鏡に適用することにより、電子線の光軸調整が容易かつ高分解能な走査型電子顕微鏡を実現することが可能となる。

また、基本構成が図５と同様の電子光学系を有する装置、例えば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、同様の効果が得られる。通常の電子顕微鏡と測長ＳＥＭとは、電子源から試料ステージまでの基本となる構成は同様であり、試料ステージの構成および画像処理による測長システムを搭載している点が異なる。試料ステージを高速に駆動できるメカ構造および制御システム，画像処理システム等を有する。

さらに、電界放出型電子銃を搭載する電子顕微鏡の構成は図５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従来公知の構成を採用でき、電子線の輝度のばらつきを解消できる。

図６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１６から電界放射により得られた電子線をコンデンサレンズ１８で絞り、対物レンズ２１で試料２３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、試料への電子線照射の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、電子線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線を偏光，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線を照射し、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電子源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のため、確実な描画を行うことができなかった。本発明の電子銃を適用することにより、前記課題を解決できる。なお、特にＭｇＯを用いてカーボンナノチューブを被覆すると、電流が安定する。

本実施例に係る電界放出型電子銃構成を示す。 本実施例に係る電界放出型電子源の先端部の詳細構成を示す。 本実施例に係る電子源における電界電子放出のメカニズムを示す。 カーボンナノチューブ電子源における被覆層の電子線パターンへの影響を示す。 本実施例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図を示す。 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…繊維状炭素物質が接合された導電性基材、２…導電性フィラメント、３…電極支持台、４…電極、５…加熱電源、６…引出電極電源、７…加速電極電源、８…引出電極、９…加速電極、１０…カーボンナノチューブ、１１…導電性被覆層、１２…導電性基材、
１３…導電性基材先端部に形成した平坦面、１４…繊維状炭素物質、１５…被覆層（バンドギャップを有する物質）、１６…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…ブランキング電極。

Claims (10)

1. 繊維状炭素物質と、前記繊維状炭素物質を支持する導電性基材と、前記繊維状炭素物質より電子を電界放出させる引出装置と、前記電子を加速する加速装置とを有する電界放出型電子銃であって、前記繊維状炭素物質の電界放出部位が半導体または絶縁体を含む被覆層で被覆されていることを特徴とする電界放出型電子銃。
2. 請求項１に記載された電界放出型電子銃であって、前記被覆層は酸化物，炭化物，窒化物を含むことを特徴とする電界放出型電子銃。
3. 請求項１または２に記載された電界放出型電子銃であって、前記電界放出部位の被覆層の厚みが１０ｎｍ以下であることを特徴とする電界放出型電子銃。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載された電界放出型電子銃であって、前記被覆層が複数層よりなり、少なくとも最表面層が半導体または絶縁体よりなる層であることを特徴とする電界放出型電子銃。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載された電界放出型電子銃であって、
   前記繊維状炭素物質の直径が５０ｎｍ以上であることを特徴とする電界放出型電子銃。
6. 請求項１ないし４のいずれかに記載された電界放出型電子銃であって、
   前記繊維状炭素物質は窒素またはホウ素を含有することを特徴とする電界放出型電子銃。
7. 電子線源より発生した電子線を試料に照射し、試料観察を行う電子顕微鏡であって、
   前記電子線源はカーボンナノチューブと、カーボンナノチューブを固定する導電性基材とを有し、
   前記カーボンナノチューブの電子線発生部が半導体あるいは絶縁体で被覆されていることを特徴とする電子顕微鏡。
8. 請求項７に記載された電子顕微鏡において、試料ステージと、前記試料ステージを駆動する駆動装置と、前記駆動装置を制御する制御装置と、試料より得られる情報を画像処理する測長システムとを有することを特徴とする電子顕微鏡。
9. 電子線源より発生した電子線を試料に照射し、試料に電子線による描画を行う電子線描画装置において、
   前記電子線源はカーボンナノチューブと、カーボンナノチューブを固定する導電性基材とを有し、
   前記カーボンナノチューブの電子線発生部が半導体あるいは絶縁体で被覆されていることを特徴とする電子線描画装置。
10. 請求項１ないし４のいずれかに記載された電界放出型電子銃であって、
    前記繊維状炭素物質は原子価が３価または５価の元素を含有することを特徴とする電界放出型電子銃。
    
    

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