JP2010061898A

JP2010061898A - 電子源及び電子機器

Info

Publication number: JP2010061898A
Application number: JP2008224597A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Morishita; 利幸森下
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2008-09-02
Publication date: 2010-03-18

Abstract

【課題】電子源及び電子源を利用した機器において、より低温で動作し、よりエネルギー幅が小さい低仕事関数を有し、さらに高い角電流密度で長時間安定動作するようにする。
【解決手段】絶縁碍子と、絶縁碍子に取り付けられた２つの導電端子と、導電端子同士を渡るように取り付けられたフィラメントと、フィラメントに取り付けられた棒状のロッドと、ロッドの中腹に取り付けられた拡散源を有し、ロッドがタングステン、モリブデン、タンタル、レニウムからなる群から選ばれる少なくとも１種以上からなる金属の＜１００＞方位単結晶で形成され、ロッドの先端部には｛１００｝結晶面を露出した電子放出面が形成され、拡散源は酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウムの複合酸化物からなる電子源である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子線を放射する電子源、この電子源を利用した電子機器に関する。電子機器としては、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、オージェ電子分光装置をはじめとする表面分析装置、半導体プロセス用電子線機器又は電子線露光機がある。

電子源として、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、一端部に｛１００｝結晶面が露出した電子放出面を有し、Ｈｏ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｓｍ及びＰｒからなる群から選ばれる１種以上の金属元素酸化物を含む拡散源を有する電子源がある（特許文献１）。
特開２００８−０９８０８７号公報。

電子源及び電子源を利用した機器にあっては、より低温で動作し、よりエネルギー幅が小さい低仕事関数を有し、さらに高い角電流密度で長時間安定動作するものが要求されている。本発明は、これら課題を解決したものである。

本発明は、絶縁碍子と、絶縁碍子に取り付けられた２つの導電端子と、導電端子同士を渡るように取り付けられたフィラメントと、フィラメントに取り付けられた棒状のロッドと、ロッドの中腹に取り付けられた拡散源を有し、ロッドがタングステン、モリブデン、タンタル、レニウムからなる群から選ばれる少なくとも１種以上からなる金属の＜１００＞方位単結晶で形成され、ロッドの先端部には｛１００｝結晶面を露出した電子放出面が形成され、拡散源は酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウムの複合酸化物からなる電子源である。

拡散源に用いる酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウムの複合酸化物は、複合酸化物の酸化バリウムの組成比が３０ｍｏｌ％以上、酸化カルシウムの組成比が１０〜３５ｍｏｌ％であるのが好ましい。酸化バリウムの組成比が低いと拡散源が蒸発しにくいという傾向にあり、高いと逆に蒸発しやすいという傾向にある。酸化カルシウムの組成比が低いと蒸発し易いという傾向にあり、高いと蒸発しにくいという傾向にある。酸化アルミニウムも同様に、組成比が低いと蒸発し易いという傾向にあり、高いと蒸発しにくいという傾向にある。電子源の動作温度は、９００Ｋ以上１２５０Ｋ以下であるのが好ましい。

他の発明は、請求項１ないし３のいずれか記載の電子源を取り付けた電子機器であり、電子機器としては走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、表面分析装置、半導体プロセス用電子線機器又は電子線露光装置がある。

本発明の電子源は、より低い動作温度９００Ｋから１２５０Ｋでより長く動作することが可能である。

本発明の電子機器は、走査型電子顕微鏡や半導体プロセス用電子線機器の分解能を向上させることができ、電子線露光装置で描画する際に微細な描画をすることができ、さらに、透過型電子顕微鏡の感度を向上させることができた。

本発明の最良の形態について、説明する。

拡散源は、炭酸バリウム（ＢａＣＯ_３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の複合酸化物を用い、優れた電子放出特性を有する好ましい形態は、炭酸バリウムの組成が３０ｍｏｌ％以上、炭酸カルシウムの組成が１０〜３５ｍｏｌ％となるモル比で混合し、大気中にて１２００℃、５０時間加熱し、複合酸化物の焼結体を形成したものである。さらに好ましい形態は、炭酸バリウム、炭酸カルシウム、酸化アルミニウムを６：１：２のモル比で混合したものである。

本発明の実施例１について、図及び表を用いて、詳細に説明する。

図１は、本実施例の電子源の構成図である。この電子源は、絶縁碍子５と、絶縁碍子５に取り付けられた２つの導電端子４と、導電端子４同士を渡るように取り付けられたフィラメント３と、フィラメント３に取り付けられた棒状のロッド１と、ロッドの中腹に取り付けられた拡散源２を有する。

ロッド１は、タングステンの＜１００＞方位単結晶で形成されたものであり、ロッド１の先端部には｛１００｝結晶面を露出した電子放出面が形成され、拡散源２は酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウムの複合酸化物からなる電子源である。フィラメント３はタングステンで形成した。

ロッド１はフィラメント３に溶接されたものである。フィラメント３の両端は２本の導電端子４に固定され、導電端子４は絶縁碍子５にロウ付けされたものである。ロッド１は、導電端子４、フィラメント３を介して、通電ジュール加熱されたものである。ロッド１の先端には、水酸化ナトリウム水溶液を用いた電解研磨により、曲率半径が約１μｍの先鋭端（図示省略）を形成した。

拡散源２は、炭酸バリウム（ＢａＣＯ_３）、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）を、5：3：２のモル比で混合し、大気中にて１２００℃、５０時間加熱し、複合酸化物の焼結体を形成したものを酢酸イソアミルを分散媒として乳鉢により破砕、混合分散してスラリーにし、このスラリーをロッド１の中腹部に、塗布、乾燥させたものである（図２参照）。

この電子源を真空度１０^−１０Ｔｏｒｒの環境下に置いた状態で、導電端子４を介して通電してロッド１の温度を１５００Ｋ程度で数分加熱し、拡散源２を焼結させる。その後ロッド１の温度を９００Ｋから１２５０Ｋの範囲に調整する。

スラリー中の酢酸イソアミルが蒸発した後の電子源を、電子放出特性の評価装置に設置したときの模式図が図３である。

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。ロッド１の先端とサプレッサー電極６の距離は０．２５ｍｍ、サプレッサー電極６と引き出し電極７も距離は０．６ｍｍ、引き出し電極７の孔径は０．６ｍｍ、サプレッサー電極６の孔径は０．４ｍｍである。

フィラメント３はフィラメント加熱電源１４に接続され、更に高圧電源１３に接続され、ロッド１とフィラメント３に対して負の高電圧、即ちエミッター電圧Ｖ_Ｅが印加される。サプレッサー電極６はバイアス電源１２に接続され、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_ｂ、が印加される。これによりフィラメント３からの放射熱電子を遮る。電子源からの全放射電流Ｉ_ｔは高圧電源１３とアース間に置かれた電流計１５により測定される。ロッド１の先端から放出した電子線１６は引き出し電極７の孔を通過して、蛍光板８に到達する。蛍光板８に到達した電流Ｉ_Ｓ（以降スクリーン電流という。）は電流計１７により測定される。蛍光板８の中央にはアパーチャー９（小孔）が有り、通過してカップ状電極１０に到達したプローブ電流Ｉ_ｐは微小電流計１１により測定される。なおアパーチャー９とロッド１の先端との距離とアパーチャー９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Ｉ_ｐ／ωとなる。

ロッド１を１８００Ｋに１分程度加熱して先端表面を清浄化し、１１５０Ｋに再調整後サプレッサー電極６にバイアス電圧Ｖ_ｂ＝−３００Ｖの電圧を印加して、続いてエミッター電圧Ｖ_Ｅ＝−６．０ｋＶの高電圧を印加して数時間から数１０時間維持する。

この維持の間に徐々に全放出電流が増し、エミッター電圧を−４．５ｋＶまで下げ数時間電子放出を継続したところ、蛍光板８上の中心のみが明るくなり、電子放出角度分布が軸上を中心に狭い領域に閉じこめられていることを確認できた。

更に動作温度を様々に変えて安定に動作する温度領域を調べ、スクリーン電流Ｉ_Ｓ、角電流密度Ｉ_ｐ／ω対エミッター電圧、即ち電流対電圧特性を測定した。電流対電圧特性を測定する際のバイアス電圧Ｖ_ｂはエミッター電圧Ｖ_Ｅの１／１０とした。

（実施例2）表1に示すように、拡散源２を構成する複合酸化物が、酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウムの構成比が6：1：２のとき、低温安定動作領域は９００Ｋ、高温動作領域は１２５０Ｋであった。安定動作領域の判別は、蛍光板の中心にのみ電子放出分布パターンで観察し、プローブ電流Ｉ_ｐのドリフトが１０時間あたり５％以下である最低温度を低温安定動作領域、最高温度を高温安定動作領域とした。

（比較例１）比較例１は、実施例１の拡散源をＺｒＯとした以外は同様なものである。この比較例１の低温安定動作領域は１６５０Ｋ、高温動作領域は１８５０Ｋであった。本実施例１の電子源は比較例よりも低い温度域（９００Ｋから１２５０Ｋの間）で安定動作が認められた。また、実施例１の電子源を用いた走査型電子顕微鏡や半導体プロセス用機器に適用した結果、ＺｒＯ／Ｗ電子源を用いたものより、分解能を向上させることができた。

実施例１と比較例１の電子源における実効仕事関数の温度依存性を、図４に示す。酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウムの複合酸化物を拡散源とした実施例１の電子源はＺｒＯ／Ｗ電子源よりも遙かに低い実効仕事関数を有することが確認された。

以下に、実効仕事関数の決定にあっては、以下の方法を示す。

ロッド１の先端に形成された｛１００｝結晶面の半径を走査型電子顕微鏡観察により測定する。この結晶面は電子放出面に相当しスクリーン電流Ｉ_ｓをπ（半径）^２により除することにより電流密度Ｊを算出する。動作温度毎に（電流密度Ｊの対数）対（エミッター電圧の絶対値）^１／２の図を作成して直線でフィッティングし、（エミッター電圧の絶対値）^１／２をゼロ外挿することによりゼロ電界に相当する電流密度（飽和電流密度）を算出する。

飽和電流密度Ｊと動作温度Ｔ、仕事関数φの関係はＲｉｃｈａｒｄｓｏｎの式より以下の通りとなる（Ｓ.Ｇ.Ｃｈｒｉｓｔｏｖ，ｐｈｙｓ.ｓｔａｔ.ｓｏｌ. １７，１１，１９６６，ｐ２２）
Ｊ＝ＡＴ^２ｅｘｐ（−φ/ｋ_ＢＴ）
ここでＪは飽和電流密度、ｋＢはボルツマン定数、φは仕事関数、Ｔは絶対温度である。

Ｒｉｃｈａｒｄｏｓｏｎ定数Ａを理論値１２０Ａ／ｃｍ^２／Ｋ^２としたときの仕事関数を実効仕事関数φ_Ｅとすると、
φ_Ｅ＝−ｋ_ＢＴｌｎ（Ｊ/１２０Ｔ^２）
となり、飽和電流密度Ｊ、動作温度Ｔから実効仕事関数φ_Ｅが決定された。

図５に、ＺｒＯ／Ｗ電子源と本実施例１による酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウムの複合酸化物を拡散源とした電子源の角電流密度Ｉｐ／ω対エミッター電圧の関係を示した。本実施例による電子源はＺｒＯ／Ｗ電子源よりも高い角電流密度を示して、電子源としてより高性能であることが確認できた。

（実施例２、３、4、比較例２）実施例２、３の電子源は、実施例１に対して拡散源２の構成材料を表１に示す比率にした以外は、実施例１と同様なものである。また、実施例4の電子源は、拡散源２の構成材料の比率は実施例３と同様であるが、ロッドの素材をモリブデンにしてある。比較例２は、実施例１の拡散源の構成材料を表１に示した素材・比率にした以外は、実施例１と同様なものである。

表１に示すように、長時間動作させた結果、他の酸化物よりも長時間動作することが確認できた。表への記載は省略したが、実施例２、３、4の電子源を走査型電子顕微鏡に搭載して１１００Ｋで動作して加速電圧１ｋＶで観察を行ったところ、いずれも、ＺｒＯ／Ｗ電子源の場合に比べて分解能が約４０％向上した。

本発明の電子源の使用方法によれば、前記効果を達成せしめることができるので、産業上極めて有用である。

電子源の構成図スラリーをロッドの一部に塗布して、拡散源を形成する様子を示した図電子放出特性の評価装置の構成図。ＺｒＯ／Ｗ電子源と酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウムの複合酸化物を拡散源とした電子源の実効仕事関数の温度依存性ＺｒＯ／Ｗ電子源と酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウムの複合酸化物を拡散源とした電子源の角電流密度Ｉｐ／ω対エミッター電圧の関係

符号の説明

１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サプレッサー電極
７引き出し電極
８蛍光板
９アパーチャー
１０カップ状電極
１１プローブ電流測定用微小電流計
１２バイアス電源
１３高圧電源
１４ファイラメント加熱電源
１５全放出電流測定用電流計
１６放出電子線
１７スクリーン電流測定用微小電流計

Claims

絶縁碍子と、絶縁碍子に取り付けられた２つの導電端子と、導電端子同士を渡るように取り付けられたフィラメントと、フィラメントに取り付けられた棒状のロッドと、ロッドの中腹に取り付けられた拡散源を有し、ロッドがタングステン、モリブデン、タンタル、レニウムからなる群から選ばれる少なくとも１種以上からなる金属の＜１００＞方位単結晶で形成され、ロッドの先端部には｛１００｝結晶面を露出した電子放出面が形成され、拡散源は酸化バリウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウムの複合酸化物からなる電子源。
複合酸化物の酸化バリウムの組成比が３０ｍｏｌ％以上、酸化カルシウムの組成比が１０〜３５ｍｏｌ％である請求項１記載の電子源。
動作温度が９００Ｋ以上１２５０Ｋ以下である請求項１又は２記載の電子源。
請求項１ないし３のいずれか記載の電子源を取り付けた電子機器。