JP2009205800A

JP2009205800A - 電子源

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Publication number: JP2009205800A
Application number: JP2006168665A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Terui; 良典照井; Morikazu Sakawa; 盛一坂輪
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2009-09-10
Also published as: WO2007148507A1

Abstract

【課題】余剰電流が従来のものより格段に少ない電子源を提供する。
【解決手段】一端部に電子放出部を有するタングステンまたはモリブデンの＜１００＞方位単結晶ロッド１からなり、該ロッドの一部に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を拡散源２として有し、該ロッドの側面が｛１００｝結晶面から１０°以上、好ましくは２２°以上４５°以内に傾斜した平面、更に好ましくは｛１１０｝結晶面からなる、または該ロッドの側面が単結晶ロッドの中心軸と１０°以上の角度をなす面からなる電子源である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子線露光機、ウェハ検査装置、電子線ＬＳＩテスターなどの高角電流密度動作を必要とする電子源に関する。

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）面の仕事関数を選択的に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。また冷電界放出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，"ＯｎｔｈｅＥｌｅｃｔｒｏｎ−ＯｐｔｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｅＺｒＯ／ＷＳｃｈｏｔｔｋｙＥｌｅｃｔｒｏｎＥｍｉｔｔｅｒ"，ＡＤＶＡＮＣＥＳＩＮＩＭＡＧＩＮＧＡＮＤＥＬＥＣＴＲＯＮＰＨＹＳＩＣＳ，ＶＯＬ．ＩＩＩ，ｐ９１−１６６，１９９９ｂｙＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ．

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線を放出するタングステンの＜１００＞方位の針状の単結晶ロッド１が溶接等により固着されている。この単結晶ロッドは電解研磨により先鋭端を有し、この先鋭端が電子放出部となる。単結晶ロッド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。図示していないが単結晶ロッド１の表面はＺｒＯ被覆層で覆われている。

単結晶ロッド１はフィラメント３により通電加熱されて通常は１８００Ｋ程度の温度下で使用されるので、単結晶ロッド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単結晶ロッド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電子源の単結晶ロッド１の先端部はサプレッサー電極６と引き出し電極７の間に配置され使用される（図２参照）。単結晶ロッド１すなわち陰極には引き出し電極７に対して負の高電圧が印加され、更にサプレッサー電極６には単結晶ロッド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からの熱電子放出を抑制する。

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は、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という理由で０．１〜０．２ｍＡ／ｓｒの角電流密度で動作される。

一方、電子線露光装置、及び電子線ＬＳＩテスター等においては、スループットが重視されるために０．４ｍＡ／ｓｒ程度の高い角電流密度で動作される。このようなスループットを重視する用途では、更に高い角電流密度動作が望まれ、１．０ｍＡ／ｓｒもの高い角電流密度での動作が要求されることがある。

しかしながら、一般に知られているＺｒＯ／Ｗ電子源においては、単結晶ロッドの先端はサブミクロンから１μｍ程度の曲率半径であり、（１）高角電流密度動作時に高々１．０ｍＡ／ｓｒ程度の角電流密度が上限であること、（２）この時、陰極と引き出し電極間に印加される引き出し電圧が４ｋＶ以上と大きく、チップ先端での電界強度が０．４×１０^９〜１．０×１０^９Ｖ／ｍと著しく高くなり、アーク放電による故障頻度が高くなる、といった欠点を有する（非特許文献３参照）。
Ｄ．Ｗ．Ｔｕｇｇｌｅ、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ３（１），ｐ２２０（１９８５）

これらの問題点を解決するために、円錐全角が２５°以上９５°以下の円錐台形部でその上面が直径が５μｍ以上２００μｍ以下の平坦な電子放出面であって、タングステンまたはモリブデンの単結晶からなり、その表面が２Ａ、３Ａまたは４Ａ族から選ばれた金属元素と酸素の被覆層により被覆される陰極を具備する電子源が提案されている（特許文献１参照）。
国際公開第２００４／０７３０１０号パンフレット

また、ＺｒＯ／Ｗ電子源におけるジルコニウムに替わる元素としてスカンジウム、バリウム、イットリウムなどの元素が知られている（非特許文献４、５参照）。
応用物理第７１巻第４号（２００２）４３８−４４２Ｐｒｏｃ．Ｉｎｔ．ＤｉｓｐｌａｙＷｏｒｋｓｈｏｐ２００３，１２１９−１２２２

しかし、このような従来公知の電子源は余剰電流が大きい問題点がある。以下製造方法も含めて詳細に説明する。

まず、絶縁碍子５にロウ付けされた導電端子４にタングステン製のフィラメント３をスポット溶接により固定する（図１参照）。次に機械加工により円柱状に加工したタングステン製＜１００＞方位の単結晶の一端部にダイヤモンドペーストと研磨盤を用いて円錐部全角２θ２０が９０°の円錐部９を形成し、更に円錐部９の頂点をダイヤモンドペーストで研磨して直径１５μｍの電子放出部８を形成して単結晶ロッド１とする（図３参照）。

この単結晶ロッド１を前記フィラメント３にスポット溶接により取り付ける。この単結晶ロッド１は陰極として機能する。

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単結晶ロッド１の一部に塗布する。酢酸イソアミルが蒸発した後、超高真空装置に導入する。続いて装置内を３×１０^−１０Ｔｏｒｒ（４×１０^−８Ｐａ）の超高真空中としてフィラメント３に通電して単結晶ロッド１を１８００Ｋに加熱し、水素化ジルコニウムを熱分解して金属ジルコニウムとする。続いて酸素ガスを導入して装置内を３×１０⁻⁶Ｔｏｒｒ（４×１０⁻⁴Ｐａ）として金属ジルコニウムを酸化し、酸化ジルコニウムからなるジルコニウムと酸素の拡散源２を形成する。

超高真空装置から取り出した電子源を図２に示す電極配置を有する測定装置に組込む。単結晶ロッド１の先端はサプレッサー電極６と引き出し電極７との間に配置される。尚、単結晶ロッド１の先端とサプレッサー電極６の距離は０．１５ｍｍ、サプレッサー電極６と引き出し電極７の距離は０．８ｍｍ、引き出し電極７の孔の直径は０．８ｍｍ、サプレッサー電極６の孔の直径は０．８ｍｍである。

フィラメント３はフィラメント加熱電源１６に接続され、更に高圧電源１５に接続され、引き出し電極７に対して負の高電圧がエミッター電圧Ｖ_Ｅとして印加される。また、サプレッサー電極６はバイアス電源１５に接続され、単結晶ロッド１とフィラメント３に対して更に負の電圧、バイアス電圧Ｖ_Ｓが印加される。これによりフィラメント３からの熱電子放出を遮る。電子源からの全放出電流Ｉ_ｔは高圧電源１６とアース間に置かれた電流計１８により測定される。単結晶ロッド１の先端から放出した放出電子線１９は引き出し電極７の孔を通過して、制限電極１１に到達する。制限電極１１の中央にはアパーチャー１２（小孔）が有り、通過してカップ状電極１３に到達したプローブ電流Ｉ_ｐは微小電流計１８により測定される。なおアパーチャー１２と単結晶ロッド１の先端との距離とアパーチャー１２の内径から算出される立体角をωとすると角電流密度I_p’ はＩ_ｐ／ωとなる。

続いて測定装置内を３×１０^−１０Ｔｏｒｒ（４×１０^−８Ｐａ）の超高真空中として単結晶ロッドを１７００Ｋまたは１８００Ｋに維持したままサプレッサーにバイアス電圧Ｖ_Ｓ＝−３００Ｖの電圧を印加し、続いてエミッター電圧Ｖ_Ｅ＝−３６００Ｖの高電圧を印加して数時間保持し、放出電流が安定したところで全放出電流Ｉ_ｔとプローブ電流Ｉ_ｐを測定する。

図４に、測定した角電流密度と全放出電流対エミッター電圧（ショットキー・プロット）を示す。ショットキー・プロットはあるエミッター電圧（以降、閾値電圧と記す）以上で直線からはずれて増加し、本来の電子放出部以外からの余剰電流が発生していることが分かる。

余剰電流は走査型電子顕微鏡や電子線露光装置といった電子光学機器に用いた場合、光源がぼけるなどの電子光学特性を劣化させる原因となる。また、電子線露光装置や電子線ＬＳＩテスターといった機器においては、光軸上の電子ビームを偏向により軸外へ逃がす際に、軸外の多量の余剰電流が軸上に流れ込むといった不都合が生じる。

また、この余剰電流はバイアス電圧を大きくする、あるいは単結晶ロッド１とサプレッサー電極６の幾何寸法や位置関係を調整することによりある程度回避される（特許文献２参照）が、閾値電圧が大きくなるだけであり、本質的な解決とはならない。

本発明者は、余剰電流の発生源を鋭意検討した結果、単結晶ロッド１の側面の（１００）結晶面から主として発生することを見いだした。即ち、図５に単結晶ロッドの形状と結晶方位の関係を示した。＜１００＞方位の単結晶ロッドが円柱状であるため、ロッドの側面の一部に４つの領域部分に（１００）面が段差状に現れる。この領域部分を図５に於いては太い曲線で示している。余剰電流が大きくなるのは、（１００）面がＺｒＯ吸着層に覆われて仕事関数が低下することにより、（１００）面からなる平坦部９と同様に電子が出やすくなったことに原因している。また、図６に標準投影図を併せて示した。

本発明は、公知技術の電子源の有する欠点を改善することを具体的課題としてなされたもので、余剰電流が従来のものより格段に少ない電子源を提供することを目的としている。

本発明は、一端部に電子放出部８を有するタングステンまたはモリブデンの＜１００＞方位単結晶ロッド１からなり、該ロッドの一部に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を拡散源２として有し、該ロッドの側面１０が｛１００｝結晶面から１０°以上、好ましくは２２°以上４５°以内に傾斜した平面、更に好ましくは｛１１０｝結晶面からなる電子源である。側面１０は複数の平面、あるいは複数の平面と曲面から成ってよい。

余剰電流は単結晶ロッドの側面１０に仕事関数が低い｛１００｝結晶面が露出することにより発生する。よって本発明に於いては、ロッドの幾何形状について側面１０に｛１００｝結晶面が現れないようにしているので、余剰電流を抑えることができる。

また本発明において、電子源は単結晶ロッド１の端部に円錐部９を有し、該円錐部頂上に電子放出部８を有することが出来る。

更に本発明における電子放出部８が平坦面の場合、該平坦面が（１００）結晶面と角度差で１°以内であることが好ましい。この平坦面の直径は２μｍ以上２００μｍ以下とすることが出来る。

また本発明の電子放出部８が球面の一部からなることも出来る。

本発明の電子源は、一端部に電子放出部を有する、タングステンまたはモリブデンの＜１００＞方位単結晶ロッドからなり、該ロッドの一部に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を拡散源として有する電子源であって、前記単結晶ロッドの側面からの余剰電流を効果的に抑制することができ、高角電流密度で動作し、信頼性の高い電子源である。

本発明の具体的な実施態様を、ジルコニウム酸化物を拡散源とした場合を例にとって以下に説明する。

＜１００＞方位のタングステン単結晶を放電加工により直方体形状に切り出し機械研磨により図７の形状に加工する。この時予めエックス線回折により結晶方位を調べておき図７においては側面１０の平面部が｛１００｝結晶面から１０°以上、好ましくは２２°以上４５°以内に傾斜した平面、更に好ましくは｛１１０｝結晶面とする。

頂点は更にダイヤモンド研磨剤により研磨して加工損傷を取り除き電子放出部８を設ける。円錐部９の全角２θ２０は２０〜１４０°で電子放出部８の直径は２〜２００μｍとする。また、単結晶ロッド１の端部に形成された平坦な電子放出面８は（１００）面と１°以内の角度差に収める。

この単結晶ロッド１を絶縁碍子５に導電端子４を介して取り付けられたタングステン製のフィラメント３にスポット溶接により取り付ける（図１参照）。

引き続いて水素化ジルコニウム粉末を乳鉢により粉砕して有機溶剤と混合しスラリー状にしたものを単結晶ロッド１の一部に塗布して、１×１０^−６Ｔｏｒｒ程度の酸素雰囲気中で加熱して水素化物を熱分解し更に酸化して酸化ジルコニウムからなる拡散源を形成すると同時にジルコニウムと酸素で単結晶ロッド１の表面を被覆する。

この単結晶ロッド１を引き出し電極７とサプレッサー電極６の間に配置して、引き出し電極７に対して単結晶ロッド１に数キロボルトの負の高電圧を印加し、サプレッサー電極６には単結晶ロッド１に対して数百ボルトの負の電圧を印加すると共にフィラメント３を通電加熱して単結晶ロッド１を１５００〜１９００Ｋに加熱することにより電子放出が行える。

本発明の電子源は、高い角電流密度で動作しても、全放出電流が数１０μＡ程度と低く、余剰電流が極めて低いため信頼性が高い。またこの電子源は１×１０^―８Ｔｏｒｒ以下の真空中で動作し、タングステンが母材となっているため長期の動作によっても陰極の消耗が極めて小さく特性の変化が少ない。また、陰極表面がイオン衝撃により荒らされても直ぐに平滑な表面に修復する。

なお、拡散源の原料として水素化ジルコニウムを例にとって説明したが、替わりに水素化チタンまたは水素化ハフニウムを用いてチタンまたはハフニウムと酸素で単結晶ロッド１を被覆した電子源とすることもできる。更にまた、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を直接塗布して拡散源を形成することもできる。

（実施例、比較例）
絶縁碍子５にロウ付けされた導電端子４にタングステン製のフィラメント３をスポット溶接により固定した。

タングステン単結晶を放電加工により長手方向が＜１００＞方位となる直方体形状に切り出し、機械研磨により図７の形状に加工する。なおエックス線回折を用いて結晶方位を調べて側面１０の平面部が｛１１０｝結晶面となるようにした。＜１００＞方位の単結晶ロッド１の一端部をダイヤモンドペーストと研磨盤を用いて直径２５μｍの電子放出部８を形成した。また、比較のために図３に示す側面が円柱状のものも作成した。なお比較例の電子源では電子放出部の直径は１５μｍである。

この単結晶ロッド１を前記フィラメント３にスポット溶接により取り付けた。この単結晶ロッド１は陰極として機能する。

次に水素化ジルコニウムを乳鉢により粉砕して酢酸イソアミルと混合しスラリー状にしたものを単結晶ロッド１の一部に塗布した。

酢酸イソアミルが蒸発した後、超高真空装置に導入し３×１０^−１０Ｔｏｒｒ（４×１０^−８Ｐａ）としてフィラメント３に通電して単結晶ロッド１を１８００Ｋに加熱し、水素化ジルコニウムを熱分解して金属ジルコニウムとした。更に酸素ガスを導入して装置内を３×１０⁻⁶Ｔｏｒｒ（４×１０⁻⁴Ｐａ）として金属ジルコニウムを酸化し、酸化ジルコニウムから成るジルコニウムと酸素の拡散源２を形成した。

この電子源を取り出し、電子放出特性測定装置に導入した。単結晶ロッド１の先端はサプレッサー電極６と引き出し電極７との間に配置される。尚、単結晶ロッド１の先端とサプレッサー電極６の距離は０．１５ｍｍ、サプレッサー電極６と引き出し電極７の距離は０．８ｍｍ、引き出し電極７の孔の直径は０．８ｍｍ、サプレッサー電極６の孔の直径は０．８ｍｍである。

フィラメント３はフィラメント加熱電源１７に接続され、更に陰極用高圧電源１６に接続され、引き出し電極７に対して負の高電圧、エミッター電圧Ｖ_Ｓが印加される。また、サプレッサー電極６はバイアス電源１５に接続され、単結晶ロッド１とフィラメント３に対して更に負の電圧、バイアス電圧Ｖ_Ｓ、が印加される。これによりフィラメント３からの熱電子放出を遮る。電子源からの全放出電流Ｉ_ｔは陰極用高圧電源１６とアース間に置かれた電流計１８により測定される。単結晶ロッド１の先端部の電子放出部８から放出した放出電子線１９は引き出し電極７の孔を通過して、制限電極１１に到達する。制限電極１１の中央にはアパーチャー１２（小孔）が有り、通過してカップ状電極１３に到達したプローブ電流Ｉ_ｐは微小電流計１４により測定される。なおアパーチャー１２と単結晶ロッド１の先端との距離とアパーチャー１２の内径から算出される立体角をωとすると角電流密度はＩｐ／ωとなる。また制限電極１１上には蛍光材を塗布して電子放出分布のパターンが目視により観察できるようにした。

この測定装置内を３×１０^−１０Ｔｏｒｒ（４×１０^−８Ｐａ）の超高真空中として単結晶ロッド１を１８００Ｋに維持してサプレッサー電極６にバイアス電圧Ｖ_Ｓ＝−３００Ｖの電圧を印加して、エミッター電圧Ｖ_Ｅ＝−３６００Ｖの高電圧を印加して数時間保持し、放出電流が安定したところで蛍光材を塗布した制限電極１１上のパターンを観察した。また全放出電流Ｉ_ｔとプローブ電流Ｉ_ｐ（角電流密度）のエミッター電圧依存性を測定した。

本発明による電子源と円柱形状の側面のロッドを有する比較例との電子放出特性の比較を以下に示す。

制限電極上で観察される電子放出角度分布を示す電子放出パターンを図８に示した。（ａ）が本発明によるものであり円状で軸上に閉じこめられたパターンが観察された。角度分布は全角で約０．２ラジアンであった。一方、比較例では（ｂ）に示すように中心の円状のパターンに加え４回対称で弧状の明るいパターンが観察された。この弧状のパターンが余剰電流に相当する。

次に全放出電流Ｉ_ｔとプローブ電流Ｉ_ｐ（角電流密度）のエミッター電圧依存性（ショットキー・プロット）を図９に示す。本発明による電子源ではエミッター電圧の絶対値の平方根が３０よりも大きな領域においても角電流密度と全放出電流のショットキー・プロットは直線的に増加しているが、比較例では概略５０以上で急増して余剰電流成分が発生していることがわかる。

表１にエミッター電圧が−３６００Ｖの時の角電流密度と全放出電流の比較を示した。

本発明の電子源は、電子放出部材である単結晶ロッドの側面からの余剰電流を効果的に抑制することができ、高角電流密度で動作して信頼性の高い電子源であるので、電子線露光機、ウェハ検査装置、電子線ＬＳＩテスターなどの高角電流密度動作を必要とする電子源に用いて好適であり、産業上非常に有用である。

ＺｒＯ／Ｗ電子源の構造図電子源の電子放出特性の測定装置の構成図従来公知の電子源に用いられる単結晶ロッドの形状従来公知の電子源の電子放射特性を示す図従来公知の電子源に用いられる単結晶ロッドの形状と結晶面との関係を示す図立方昌の標準投影図単結晶ロッドの形状の一形態（本発明の電子源にも適用できる）実施例、比較例に係る電子源の電子放出パターン実施例、比較例に係る電子源の電子放射特性を示す図

符号の説明

１単結晶ロッド
２拡散源
３フィラメント
４導電端子
５絶縁碍子
６サプレッサ電極
７引き出し電極
８電子放出部
９円錐部
１０側面
１１制限電極
１２アパーチャ
１３カップ状電極
１４微小電流計
１５バイアス電源
１６陰極用高圧電源
１７フィラメント加熱用電源
１８電流計
１９放出電子線
２０円錐部全角２θ

Claims

タングステンまたはモリブデンからなる＜１００＞方位の単結晶ロッドの一端部を電子放出部とし、しかも該ロッドの一部に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を拡散源として有する電子源であって、ロッドの側面が、ロッドの中心軸と平行な｛１００｝面から１０°以上傾斜した面からなることを特徴とする電子源。
前記ロッドの側面が｛１００｝面から２２〜４５°傾斜した面からなることを特徴とする請求項１に記載の電子源。
ロッドの側面が｛１１０｝面からなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電子源。
電子放出部が平坦面からなり、該平坦面が（１００）結晶面と角度差で１°以内であ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。
ロッドの端部に円錐部を有し、該円錐部頂上に電子放出部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電子源。
電子放出部を構成する平坦面の直径が２μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項５記載の電子源。
電子放出部が球面の一部からなることを特徴とする請求項1記載の電子源。