JP2008091307A - 電子源 - Google Patents

Abstract

【課題】電子源を用いる装置が外部より振動を受けても、安定した電子線を与える電子源を提供する。
【解決手段】絶縁碍子に一対の導電端子を設け前記導電端子間に張ったフィラメントに電子放射部を有するチップを接合してなる電子源であって、チップの電子放射部とは異なる端部が、絶縁碍子に固定されていることを特徴とする電子源であり、好ましくは、チップの電子放射部とは異なる端部が、絶縁碍子にろう付けされた金属ピンを介して絶縁碍子に固定され、さらに好ましくは前記フィラメントに曲部を設けていることを特徴とする前記の電子源。
【選択図】図３

Description

本発明は、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光、電子線露光機、ウェハ検査装置などの電子源に関する。

近年、熱陰極よりも長寿命でより高輝度の電子ビームを得るために、タングステン単結晶の針状電極にジルコニウムと酸素の被覆層を設けた陰極を用いた電子源が用いられている（以下、「ＺｒＯ／Ｗ電子源」と記す。）（非特許文献１参照）。
Ｄ．Ｔｕｇｇｌｅ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１６，ｐ１６９９（１９７９）

ＺｒＯ／Ｗ電子源は、軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶の針状の陰極に、酸化ジルコニウムからなる拡散源を設け、ジルコニウム及び酸素を拡散することにより被覆層（以下、「ＺｒＯ被覆層」という。）を形成し、該ＺｒＯ被覆層によってタングステン単結晶の（１００）面の仕事関数を４．５ｅＶから約２．８ｅＶに低下させたもので、前記陰極の先端部に形成された（１００）面に相当する微小な結晶面のみが電子放出領域となるので、従来の熱陰極よりも高輝度の電子ビームが得られ、しかも長寿命であるという特徴を有する。また冷電界放射電子源よりも安定で、低い真空度でも動作し、使い易いという特徴を有している（非特許文献２参照）。
Ｍ．Ｊ．Ｆｒａｎｓｅｎ，"Ｏｎ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＺｒＯ／Ｗ Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｅｍｉｔｔｅｒ"， ＡＤＶＡＮＣＥＳ ＩＮ ＩＭＡＧＩＮＧ ＡＮＤ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＰＨＹＳＩＣＳ， ＶＯＬ．ＩＩＩ， ｐ９１−１６６，１９９９ ｂｙ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ．

ＺｒＯ／Ｗ電子源は、図１に示すように、絶縁碍子５に固定された導電端子４に設けられたタングステン製のフィラメント３の所定の位置に電子ビームを放射するタングステンの＜１００＞方位の針状の陰極１が溶接等により固着されている。陰極１の一部には、ジルコニウムと酸素の拡散源２が設けられている。図示していないが陰極１の表面はＺｒＯ被覆層で覆われている。

陰極１はフィラメント３により通電加熱されて一般に１８００Ｋ程度の温度下で使用されるので、陰極１表面のＺｒＯ被覆層は蒸発により消耗する。しかし、拡散源２よりジルコニウム及び酸素が拡散することにより、陰極１の表面に連続的に供給されるので、結果的にＺｒＯ被覆層が維持される。

ＺｒＯ／Ｗ電子源の陰極１の先端部はサプレッサー電極と引き出し電極の間に配置され使用される。陰極１には引き出し電極に対して負の高電圧が印加され、更にサプレッサー電極には陰極１に対して数百ボルト程度の負の電圧が印加され、フィラメント３からの熱電子を抑制する。

ＺｒＯ／Ｗ電子源は、低加速電圧で用いられる測長ＳＥＭやウェハ検査装置において、０．１〜０．２ｍＡ／ｓｒ程度の角電流密度での動作により、プローブ電流が安定していて且つエネルギー幅の拡がりが抑えられるため、高分解能のＳＥＭ像を得ることができる電子源として広く用いられている。

比較的高倍率でＳＥＭ像をみる際、装置周辺からの振動によりノイズが発生し、分解能が得られず、測長などを行うことができない場合がある。このノイズは、ＺｒＯ／Ｗ電子源のタングステンフィラメントが共振周波数により、振動していることが原因であることがわかっている。

この振動を抑制するため、装置の外側に防振構造を設けることにより、対処することが試みられているが、完全に共振しないようにするためには、装置として大がかりなものになってしまうという問題がある。即ち、本発明の目的は、電子源を用いる装置が外部より振動を受けても、安定した電子線を与える電子源を提供することである。

本発明は、絶縁碍子に一対の金属支柱を設け前記金属支柱間に張ったフィラメントに一端に電子放射部を有するチップを接合してなる電子源において、チップの電子放射部とは異なる端部が、絶縁碍子に固定されていることを特徴とする電子源であり、好ましくは、チップの電子放射部とは異なる端部が、絶縁碍子にろう付けされた金属を介して絶縁碍子に固定されていることを特徴とする前記の電子源である。

また、本発明は、前記フィラメントにおけるチップとの接合部分から導電端子に固定されている部分までの間に曲部を設けていることを特徴とする前記の電子源である。

また、本発明は、チップがモリブデンまたはタングステンの＜１００＞方位の単結晶からなり、チップの一部にＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、またはランタノイド系列から選ばれた金属元素の酸化物からなる拡散源を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電子源である。

本発明の電子源は、チップの電子放射部とは異なる端部が、絶縁碍子に接合された構造を有しているので、電子源が実用に供されたときに、装置周辺からの振動により電子源が共振してノイズを発生することが防止されるので、例えば高倍率でＳＥＭ像を観察する場合においても、高分解能な電子線を提供できるという効果が得られる。

以下、電子顕微鏡、電子線露光機、測長ＳＥＭ等に用いられる電子放射陰極を例に本発明を説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。

即ち、本発明の技術思想は、チップがモリブデンまたはタングステンの＜１００＞方位の単結晶からなり、チップの一部にＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、またはランタノイド系列から選ばれた金属元素の酸化物からなる拡散源を有する電子源について好ましく適用できるが、これに制限されるものではない。

以下、本発明の具体的な実施態様について図２を参照しながら説明する。

絶縁碍子５に固定された導電端子４にタングステン或いはタングステン合金製のワイヤーからなるフィラメント３を溶接により取り付ける。次にフィラメント３の所定の位置に、電子ビームを放射するタングステンの＜１００＞方位の単結晶ニードル１を溶接等により固着する。更に、本発明に於いては、陰極１の電子放射部とは異なる端部を、絶縁碍子５に固定することを特徴としている。当該構造を採用することで、外界からの振動によるカソードの共振によるノイズの発生が極めて小さく押さえることができ、当該電子源を用いた装置では、その外側に防振構造などを設けることなく高分解能が得られ、低いコストで高信頼性を達成することができるという格別の効果が得られる。

前記特定の構造を達成する手段としては、絶縁碍子５にろう付け等の手段で固定された金属６に陰極１を溶接等により固定する方法が容易であり、好ましい。前記金属６は図２に例示する通りに絶縁碍子５の中央部一個所で固定するのみで十分である。

フィラメント３の形状としては、図３に示すように、陰極１との接合部分から前記金属端子６に固定されている部分までの間に曲部を設けていることがより好ましい。すなわち、フィラメント３に通電して加熱したときに、フィラメント３は熱膨張するが、陰極１が絶縁碍子５に固定されているため、陰極１及びフィラメント３自身に応力が加わり、陰極１またはフィラメント３が変形して得られる電子線についてその信頼性を損ねることがある。予め、フィラメント３に曲部を設け、熱膨張によって発生する応力をこの曲部により緩和させることで、陰極１及びフィラメント３の塑性変形を防止し、信頼性の高い電子源を提供することが可能となる。なお、図３ではフィラメントを「Ｓ字」のごとく曲部を形成しているが、本発明はこれに制限されるものではない。

次に、陰極１の先端部を電解研磨により尖鋭化し、その中央部側面にジルコニウム源を形成して約１０^−４Ｐａの酸素存在下で加熱して陰極１の先端部にまでジルコニウムと酸素を拡散させ（以降、酸素処理と呼ぶ）、しかる後に各種の電極を取り付けて約１０^−７Ｐａの真空下で電圧を印加することで、陰極１の先端部の形状を形成させるものである。

（実施例１）
図２に例示した通りに、絶縁碍子にロウ付けされた一対の導電端子にタングステン製のフィラメントをスポット溶接により固定した。次に、＜１００＞方位の単結晶タングステン陰極をフィラメントにスポット溶接により取り付けた。さらに、陰極の電子放射部とは異なる端部を、絶縁碍子中央部に固定された金属端子にスポット溶接により固定した。

次に陰極の先端部を電解研磨により尖鋭化した。次に水素化ジルコニウムを粉砕して酢酸イソアミルと混合しペースト状にしたものを陰極の一部に塗布し、約１０^−４Ｐａの酸素存在下で加熱して酸素処理を行い、図２に示す構造の電子源を得た。

前記の電子源をＳＥＭの試料室に入れて、陰極の軸方向が走査方向になるようにして設置し、陰極先端近傍の側面がモニター上にＳＥＭ像として得られるように位置調整を行った。音源として、周波数を任意の範囲、モード、スピードでスイープ可能なソフトウエア（Ｔｅｓｔ Ｔｏｎｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）を用い、ＰＣにスピーカーをつないだ。所定音量で前記作製したカソードが入った試料室の外側近傍の所定位置、方向にスピーカーを固定した。

ＳＥＭの倍率を５万倍とし、モニター上の画像操作時間を８０秒とした。また、音響発生条件は、周波数範囲を１０００から４０００Ｈｚとして、その範囲をリニアに８０秒でスイープする設定とした。共振による振動により、走査中該当する周波数で横方向に画像がずれ、このずれ幅の２倍をこの条件における振幅とした。

（実施例２）
図３に示す通りに、陰極１との接合部分から金属端子６までにＳ字状の曲がり部を設けた形状であること以外は、実施例１と同様の方法で作製したものを、実施例１と同様に共振試験を実施した。

（比較例）
実施例１において、チップを金属へ接合しないこと以外は実施例１と同様の方法で図１に示す構造の電子源を作製し、実施例１と同様に共振試験を実施した。

実施例１、実施例２および比較例を各ｎ＝３で試験した共振試験結果を表１に示す。共振試験において、共振周波数はほぼ同様であったが、振幅が実施例１、実施例２とも著しく抑制されていることが確認された。

本発明の電子源は、特定な構造を有していて、外部からの振動の影響を受けにくいので、安定した電子線を提供できる特徴があり、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光、電子線露光機、ウェハ検査装置などいろいろな電子線利用装置に適用でき、産業上非常に有用である。

比較例に係る、従来公知の電子源の構造図 本発明の実施例に係る電子源の構造図 本発明の他の実施例に係る電子源の構造図

符号の説明

１： 陰極
２： 拡散源
３： フィラメント
４： 導電端子
５： 絶縁碍子
６： 金属端子

Claims (4)

1. 絶縁碍子に一対の導電端子を設け前記導電端子間に張ったフィラメントに一端に電子放射部を有するチップを接合してなる電子源であって、チップの電子放射部とは異なる端部が、絶縁碍子に固定されていることを特徴とする電子源。
2. チップの電子放射部とは異なる端部が、絶縁碍子にろう付けされた金属を介して絶縁碍子に固定されていることを特徴とする請求項１記載の電子源。
3. 前記フィラメントにおける前記チップとの接合部分から前記導電端子に固定されている部分までの間に曲部を設けていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電子源。
4. チップがモリブデンまたはタングステンの＜１００＞方位の単結晶からなり、チップの一部にＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、またはランタノイド系列から選ばれた金属元素の酸化物からなる拡散源を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電子源。

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