JP2008305597A - Electron emitting element, electron gun, and electron beam application device using it - Google Patents
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本発明は、電子放出素子,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。 The present invention relates to an electron-emitting device, an electron gun, and an electron beam application apparatus on which the electron-emitting device is mounted.
炭素を主成分とするカーボンナノチューブを電子源として用いた電子顕微鏡装置や電子線描画装置では、角電流密度が高く、これ高輝度な電子ビームが得られる(特開2004−79223号公報(特許文献1))。 An electron microscope apparatus or an electron beam drawing apparatus using carbon nanotubes containing carbon as a main component as an electron source has a high angular current density, and an electron beam with high brightness can be obtained (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-79223 (Patent Document). 1)).
しかしながら、観察や加工の対象となる試料の微細化により、さらに高輝度で狭エネルギー幅の電子放出素子,電子銃が求められている。また、高輝度を求め強電界をかけて電子線を照射すると、電子放出素子が破壊されやすく、耐久性に問題があるため輝度を上げにくい。 However, with the miniaturization of samples to be observed and processed, there is a need for electron emitters and electron guns with higher brightness and narrow energy width. In addition, when an electron beam is irradiated by applying a strong electric field in order to obtain high luminance, the electron-emitting device is easily destroyed and there is a problem in durability, so that it is difficult to increase the luminance.
そこで、本願発明の目的は高輝度・狭エネルギー幅の電子源・電子銃を提供することを目的とする。さらに、微細化する試料に対応可能な高分解能の電子顕微鏡,電子線描画装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an electron source / electron gun with high brightness and narrow energy width. Furthermore, it aims at providing the high-resolution electron microscope and electron beam drawing apparatus which can respond to the sample to refine | miniaturize.
上記課題を解決する本願発明の特徴は、特許請求の範囲に記載の発明であるが、炭素を主成分とするチューブ状物質のうち、特に先端部が太い直径の物質を電子放出源として使用したことにある。 A feature of the present invention that solves the above-mentioned problems is the invention described in the claims, but among the tube-shaped substances mainly composed of carbon, a substance having a particularly thick tip is used as an electron emission source. There is.
本発明の電子放出素子は、導電性の基材と、基材に固定されたチューブ状物質とからなる。基材は電子放出の際の電極として使用されてもよい。炭素を主成分とするチューブ状物質は、カーボンナノチューブ、またはカーボンナノチューブの一部に炭素以外の物質が混合された物質よりなる。 The electron-emitting device of the present invention comprises a conductive base material and a tubular substance fixed to the base material. The substrate may be used as an electrode for electron emission. The tube-shaped substance containing carbon as a main component is made of a carbon nanotube or a substance in which a substance other than carbon is mixed with a part of the carbon nanotube.
本願発明者らは、検討の結果、電子放出源より放出される放出電子のエネルギー幅を狭くするために、直径の太いチューブを用いることが有効であると考えた。これは、エミッションサイトとなる五員環の間隔を広くして、電子同士の空間反発を低減できるためである。従って、高輝度で狭エネルギー幅の電子線を放出する電子放出素子には、直径の太いチューブを用いることが有効である。 As a result of the study, the inventors of the present application have thought that it is effective to use a tube having a large diameter in order to narrow the energy width of emitted electrons emitted from the electron emission source. This is because the space repulsion between electrons can be reduced by widening the interval between the five-membered rings serving as emission sites. Therefore, it is effective to use a tube having a large diameter for an electron-emitting device that emits an electron beam with high brightness and a narrow energy width.
上記本発明によれば、高輝度,狭エネルギー幅の電子銃、及び高分解能の電子顕微鏡,電子線描画装置を提供できる。 According to the present invention, an electron gun having a high luminance and a narrow energy width, a high resolution electron microscope, and an electron beam drawing apparatus can be provided.
炭素を主成分として形成されるチューブ状物質は、半球状等の形状を有するキャップ部分と、ほぼ円柱形状を有する軸部分とよりなる。炭素またはその他の添加された元素が五員環構造,六員環構造の連続体よりなるシート状の物質を形成し、シート状の物質が積層された多層構造となって形成されている。六員環構造の連続体はほぼ平面となり、一部に含まれる五員環構造の部分で屈曲される。軸部分は、ほぼ六員環構造よりなり、五員環を複数有するキャップ部分と結合して端部に閉構造を有するチューブ形状を形成している。 The tube-shaped substance formed with carbon as a main component includes a cap portion having a hemispherical shape and a shaft portion having a substantially cylindrical shape. Carbon or other added elements form a sheet-like substance composed of a continuous body of a five-membered ring structure and a six-membered ring structure, and a multilayer structure in which sheet-like substances are laminated is formed. The continuum of the six-membered ring structure is substantially flat and is bent at the part of the five-membered ring structure included in a part. The shaft portion has a substantially six-membered ring structure, and is combined with a cap portion having a plurality of five-membered rings to form a tube shape having a closed structure at the end.
<細いカーボンナノチューブと太いカーボンナノチューブの例>
図1(a)は、直径が1〜10nm程度の細いカーボンナノチューブの模式図である。円筒が入れ子になった構造のシリンダー部分と、半球のドーム形状で入れ子になった構造のキャップ部分よりなる。計算上、五員環及び六員環よりなるカーボンナノチューブは、キャップ部分に6個の五員環を有し、その部分が頂点となるが、カーボンナノチューブの径が細いと実際にはほぼ半球状となる。
<Example of thin carbon nanotube and thick carbon nanotube>
FIG. 1A is a schematic diagram of a thin carbon nanotube having a diameter of about 1 to 10 nm. It consists of a cylinder part with a nested cylinder and a cap part with a hemispherical dome shape. In calculation, a carbon nanotube consisting of a five-membered ring and a six-membered ring has six five-membered rings in the cap part, and that part becomes the apex, but if the diameter of the carbon nanotube is thin, it is actually almost hemispherical. It becomes.
図1(b)は直径が30nm以上の太いカーボンナノチューブで、典型的に見られる形状の模式図である。全体的に柱状であるものの、シリンダー部分,ドーム部分ともに、ポリゴンが入れ子になった構造を有する。ポリゴンの頂点には、通常五員環が存在する。五員環は、計算上開き角が113度の時に、最も安定な構造である。 FIG. 1B is a schematic view of a typical shape of a thick carbon nanotube having a diameter of 30 nm or more. Although it is columnar as a whole, both the cylinder part and the dome part have a structure in which polygons are nested. There is usually a five-membered ring at the top of the polygon. The five-membered ring is the most stable structure when the opening angle is calculated to be 113 degrees.
<CNTの理想形と現実形>
図2(a)は、キャップ部分の6個の頂角の内、3個の頂角が同一平面にある理想的な形状の例である。実際には、図2(b)のような形状となる。図2(b)では、キャップ部分が、シリンダー部分と接合するため、キャップ部分に歪みが生じ、キャップ部分の力学的強度が弱くなることが懸念される。そのため、このようなチューブを電子源として用いた場合、印加電界によりキャップ構造が破損する可能性がある。本発明では、キャップ部分の形状を半球よりも大きな球体に近づけることにより、太いチューブのキャップ部分の強度を増すことができる。
<Ideal and real forms of CNT>
FIG. 2A is an example of an ideal shape in which three of the six apex angles of the cap portion are in the same plane. Actually, the shape is as shown in FIG. In FIG. 2B, since the cap portion is joined to the cylinder portion, there is a concern that the cap portion is distorted and the mechanical strength of the cap portion is weakened. Therefore, when such a tube is used as an electron source, the cap structure may be damaged by the applied electric field. In the present invention, the strength of the cap portion of the thick tube can be increased by bringing the shape of the cap portion closer to a sphere larger than the hemisphere.
ここで、キャップ部分の頂点のうち、チューブの中心軸に最も近い頂点と中心軸の距離が30ナノメートル以下で、さらに10nm以下であることが望ましい。これは、前記距離が30nm以上であると、放出電子ビームの軌道が中心軸からずれ、放出電子ビームを効率良く利用できないためである。 Here, among the vertices of the cap portion, the distance between the vertex closest to the central axis of the tube and the central axis is preferably 30 nanometers or less, and more preferably 10 nm or less. This is because when the distance is 30 nm or more, the orbit of the emitted electron beam is shifted from the central axis, and the emitted electron beam cannot be used efficiently.
また、チューブの構成元素は、炭素以外に、3族および5族の元素であっても良い。具体的には、窒素,ボロンなどを用いることが出来る。これらの非炭素元素は、チューブの構成元素として、2atom%以上含まれれば、電子状態密度を変調することにより、放出電子のエネルギー幅を狭窄化する効果がある。
In addition to carbon, the constituent elements of the tube may be
<非常に太いCNT>
図3(a)あるいは(b)に示すように、端部の閉構造部分の最外層は多面体構造を有する。直径が50nm以上の比較的太いチューブの場合、キャップ部分を構成する各平面の法線とチューブ状物質の長さ方向の中心軸とのなす角度が、キャップ構造の上方から見て、90度を超える平面が少なくとも一つ以上存在するような構造とすることにより、頂点の開き角を最も安定な113度にすることができるため、キャップ部分の歪みを緩和して、キャップ部分の力学的強度を飛躍的に向上させることができる。
<Very thick CNT>
As shown in FIG. 3A or 3B, the outermost layer of the closed structure portion at the end has a polyhedral structure. In the case of a relatively thick tube having a diameter of 50 nm or more, the angle formed between the normal line of each plane constituting the cap portion and the central axis in the length direction of the tubular substance is 90 degrees as viewed from above the cap structure. By using a structure in which at least one plane exceeding the plane is present, the opening angle of the apex can be set to the most stable 113 degrees. Therefore, the distortion of the cap portion is alleviated and the mechanical strength of the cap portion is reduced. It can be improved dramatically.
上記90度を越える平面が1つ以上ある場合に、幾何学的に頂点の開き角を113度にする構造をとることができる。 When there is one or more planes exceeding 90 degrees, it is possible to adopt a structure in which the opening angle of the vertex is geometrically 113 degrees.
<マッチ棒形状のCNT>
また、図4(a)あるいは(b)に示すように、直径が10nm程度の比較的細いナノチューブの場合は、キャップ領域を半球以上の球状とすることにより、キャップ部分の歪みを緩和して、キャップ部分の力学的強度を飛躍的に向上させることができる。
<Match rod shape CNT>
In addition, as shown in FIG. 4A or FIG. 4B, in the case of a relatively thin nanotube having a diameter of about 10 nm, the cap region is made hemispherical or more to reduce the distortion of the cap portion, The mechanical strength of the cap portion can be dramatically improved.
図1に示したチューブでは、キャップ領域に6個の五員環が含まれることが知られている。これに対して、図3および図4に示したチューブでは、キャップ部分に五員環が7個以上含まれている。なお、半球を越える球状構造を構成するためには、幾何学的に五員環が7個以上必要となる。 In the tube shown in FIG. 1, it is known that the cap region includes six five-membered rings. On the other hand, in the tube shown in FIGS. 3 and 4, the cap portion includes seven or more five-membered rings. In order to construct a spherical structure exceeding the hemisphere, seven or more five-membered rings are required geometrically.
<CNT製法>
直径の太いカーボンナノチューブは、気相成長法で形成することができる。直径の太いチューブとして、気相成長炭素繊維がよく知られている(特開昭58−197314号等)。また、その他公知の製法で作成したカーボンナノチューブより、先端部径が一定値以上のものを選択してもよい。
<CNT manufacturing method>
A carbon nanotube having a large diameter can be formed by a vapor phase growth method. Vapor-grown carbon fiber is well known as a tube having a large diameter (Japanese Patent Laid-Open No. 58-197314). Moreover, you may select a carbon nanotube with the front-end | tip part diameter more than a fixed value from the carbon nanotube produced by the other well-known manufacturing method.
(電子銃)
実施例1において、本発明の電子銃の例を説明する。図5は、本発明の電子銃の構成例を示す図である。本発明の電子放出素子は、炭素を主成分とするチューブ状物質一本を、導電性基材501に接合した構成を有する。
(Electronic gun)
In Example 1, an example of the electron gun of the present invention will be described. FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of the electron gun of the present invention. The electron-emitting device of the present invention has a configuration in which one tubular substance containing carbon as a main component is bonded to a
また、本発明の電子銃は、導電性基材501,電極502,電極支持台503から構成されるカソード電極508と、カソード電極から電子を放出させるための引出し電極504、および電子を加速するための加速電極505により構成される。引出し電極504は、引出し電極電源506により、カソード電極508に対して正の電圧を印加する。また、加速電極505は、加速電極電源507により、カソード電極に対してプラス電圧を印加する。これにより、高輝度でエネルギー幅の狭い電子銃を構成することができる。
In addition, the electron gun of the present invention includes a cathode electrode 508 composed of a
本実施例に使用するカーボンナノチューブは図3(a)に示すチューブであって、上記のような電子放出素子,電子銃は強電界をかけた際の強度が向上する。 The carbon nanotube used in this example is the tube shown in FIG. 3A, and the electron emitting element and the electron gun as described above have improved strength when a strong electric field is applied.
(電子銃)
次に、本発明の第二の実施例を図6を用いて説明する。第二の実施例では、引出し電極の代わりに、球面収差の少ない磁界レンズ604を用いた点が、第一の実施例と異なる。このような磁界界浸型電子銃構成により、高輝度でエネルギー幅の狭い電子銃を構成することができる。
(Electronic gun)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The second embodiment is different from the first embodiment in that a
(走査型電子顕微鏡)
次に、本発明の第三の実施例を図7を用いて説明する。図7には、本発明の電子銃を搭載した走査型電子顕微鏡の構成図を示す。走査型電子顕微鏡は、電子銃701から放出される電子ビームをアノード電極702,第一収束レンズ703,第二収束レンズ704,対物レンズ705で加工し、最後に走査コイル706でビーム走査し、サンプル707から放出される二次電子を二次電子検出器708で検出することにより、サンプル707の拡大像を得る装置である。図には電子軌道709も同時に示した。装置内は、高真空に保持され、サンプル707は装置外部から機械的に移動および回転させることができる。本発明の電子銃を走査型電子顕微鏡に搭載することにより、従来装置に比較して、格段に高分解能でかつ高輝度な二次電子像や反射電子像を短時間で得られる走査型電子顕微鏡を実現することができた。また、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定を行う測長用走査型電子顕微鏡も図7と同様の構成であるため、本発明の電子銃を搭載することにより、同様の効果を得ることができる。
(Scanning electron microscope)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows a configuration diagram of a scanning electron microscope equipped with the electron gun of the present invention. The scanning electron microscope processes an electron beam emitted from an
なお、本発明の電子銃を搭載した電子顕微鏡装置の構成は図7に示したものに限定されることなく、本発明の電子銃の特性が十分引き出せる構成であれば、いかなる装置構成を採用することが可能である。 The configuration of the electron microscope apparatus equipped with the electron gun of the present invention is not limited to that shown in FIG. 7, and any apparatus configuration may be adopted as long as the characteristics of the electron gun of the present invention can be sufficiently obtained. It is possible.
(電子線描画装置)
次に、本発明の第四の実施例を図8を用いて説明する。図8には、本発明の電子銃を搭載した電子線描画装置の構成例を示す。電子光学形の基本構成は、図7の走査型電子顕微鏡の場合と概ね同じであり、第一収束レンズ803と第二収束レンズ804の間に、電子ビームをオン/オフするためのブランカー810を設ける点が異なる。電子線描画装置は、電子線に感応する電子線レジストを塗布したサンプル807に細く絞った電子線を照射することにより、微細パターンを形成するものである。本発明の電子銃を搭載することにより、従来に比べ、格段に細いビーム径が得られるために、より微細なパターンを描画することができる。さらに、高輝度なビームが得られるために、従来に比べ、格段に高いスループットを実現することができる。
(Electron beam drawing device)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows a configuration example of an electron beam drawing apparatus equipped with the electron gun of the present invention. The basic configuration of the electron optical type is substantially the same as that of the scanning electron microscope of FIG. 7, and a blanker 810 for turning on / off the electron beam is provided between the first converging
501 素子一本を接合した導電性基材
502,602 電極
503,603 電極支持台
504 引出し電極
505,605 加速電極
506,606 引出し電極電源
507,607 加速電極電源
601 本発明の電子放出素子一本を接合した導電性基材
604 磁界レンズ
701,801 電子銃
702,802 アノード電極
703,803 第一収束レンズ
704,804 第二収束レンズ
705,805 対物レンズ
706,806 走査コイル
707,807 サンプル
708,808 二次電子検出器
709,809 電子軌道
810 ブランカー
501
Claims (7)
前記端部の閉構造部分の最外層が多面体構造を有し、
前記多面体構造を構成する平面の法線の少なくともいずれかは、前記チューブ状物質の長さ方向の軸とのなす角度が90度より大きいことを特徴とする電子放出素子。 An electron-emitting device comprising a tube-shaped substance whose main component is carbon having at least one end having a closed structure, and a conductive base material for fixing the tube-shaped substance,
The outermost layer of the closed structure portion of the end portion has a polyhedral structure;
The electron-emitting device according to claim 1, wherein an angle between at least one of the plane normals constituting the polyhedral structure and an axis in a length direction of the tubular substance is larger than 90 degrees.
前記端部の閉構造部分の最外層が球状構造であり、該球状構造が半球以上の球状であることを特徴とする電子放出素子。 An electron-emitting device comprising a tube-shaped substance whose main component is carbon having at least one end having a closed structure, and a conductive base material for fixing the tube-shaped substance,
An electron-emitting device, wherein the outermost layer of the closed structure portion at the end has a spherical structure, and the spherical structure is a hemisphere or more.
前記端部の閉構造部分の最外層は、複数の原子で構成される五員環構造及び六員環構造の連続体で形成されており、前記閉構造部分に五員環構造が7個以上存することを特徴とする電子放出素子。 An electron-emitting device comprising a tube-shaped substance whose main component is carbon having at least one end having a closed structure, and a conductive base material for fixing the tube-shaped substance,
The outermost layer of the closed structure portion at the end is formed of a continuum of a five-membered ring structure and a six-membered ring structure composed of a plurality of atoms, and the closed structure portion has seven or more five-membered ring structures. An electron-emitting device characterized by existing.
前記電子放出素子は、少なくとも一つの端が閉構造を有する炭素を主成分とするチューブ状物質と、前記チューブ状物質を固定する導電性基材よりなり、前記端部の閉構造部分の最外層が多面体構造を有し、前記多面体構造を構成する平面の法線の少なくともいずれかは、前記チューブ状物質の長さ方向の軸とのなす角度が90度を超えることを特徴とする電子銃。 An electron gun having a cathode made of an electron-emitting device, an extraction electrode for emitting electrons from the electron-emitting device, and an acceleration electrode for accelerating the emitted electrons,
The electron-emitting device includes a tube-shaped substance whose main component is carbon having at least one end having a closed structure, and a conductive base material for fixing the tube-shaped substance, and the outermost layer of the closed structure portion at the end. The electron gun has a polyhedral structure, and an angle between at least one of the normals of the planes constituting the polyhedral structure and an axis in the length direction of the tubular substance exceeds 90 degrees.
前記放出された電子を集束させるためのレンズ群を有する電子顕微鏡であって、
前記電子放出素子は、少なくとも一つの端が閉構造を有する炭素を主成分とするチューブ状物質と、前記チューブ状物質を固定する導電性基材よりなり、前記端部の閉構造部分の最外層が多面体構造を有し、前記多面体構造を構成する平面の法線の少なくともいずれかは、前記チューブ状物質の長さ方向の軸とのなす角度が90度以上であることを特徴とする電子顕微鏡。 A cathode made of an electron-emitting device, an extraction electrode for emitting electrons from the electron-emitting device, an acceleration electrode for accelerating the emitted electrons,
An electron microscope having a lens group for focusing the emitted electrons,
The electron-emitting device includes a tube-shaped substance whose main component is carbon having at least one end having a closed structure, and a conductive base material for fixing the tube-shaped substance, and the outermost layer of the closed structure portion at the end. Has an polyhedral structure, and at least one of the plane normals constituting the polyhedral structure has an angle of 90 degrees or more with the longitudinal axis of the tubular substance, .
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