JP2010135068A - 荷電粒子装置用部品とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子源あるいはイオン源において、ろう材を使用せず、引き出し電極と絶縁碍子との接合位置精度を向上させた部品を作製し、放出される荷電粒子のアライメントエラーを小さくし、更に、ろう材を使用しないことからコスト面で有利な荷電粒子装置用部品を提供する。
【解決手段】金属製部品と絶縁性部品からなる複数の部品から構成される荷電粒子装置用部品において、金属製部品と絶縁性部品を結合する筒状の嵌合部を有し、該勘合部の外筒が金属であり内筒が絶縁物であって、室温における該外筒の内寸が該内筒の外寸より僅かに小さく、該嵌合部が外筒と内筒を焼き嵌めにより結合されたことを特徴とする前記の荷電粒子装置用部品。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子顕微鏡、電子線露光機、半導体検査装置、電子ビームテスタ、ウエハ検査装置、オージェ電子分光装置などの電子源として用いられる電子源、および半導体製造工程におけるマスクの製作、修正、配線修正、イオン顕微鏡、また、分析の分野における試料の断面切り出し、微少領域の二次イオン質量分析などに用いられる集束イオンビームを形成するための液体金属イオン源、あるいはこれらの装置に用いられる電極等の荷電粒子装置用部品に関する。

半導体検査装置や電子顕微鏡などの電子線利用装置、およびマスクリペアやイオン顕微鏡や分析分野における試料の断面切り出し装置などの集束イオンビーム装置に用いられる電子源あるいはイオン源等の荷電粒子装置用部品の基本構造は軸対称であることが一般的であり、筒状の部品が連結されている構造となっている。例えば、半導体検査装置や電子顕微鏡などの電子線利用装置に利用される電子源の構成部品は、電子およびイオンを放出させるためのチップ、チップを加熱するためのヒータ、ヒータを保持するための端子、端子を絶縁・保持するための碍子がチップを中心軸とした軸対称に連結されている。

近年、チップから電子を放出させるための引き出し電極、引き出し電極とチップを絶縁するための碍子を上記陰極およびイオン源に備えたものがあり、あらかじめチップと引き出し電極の位置が決まっていることから、若干の調整で、電子線あるいは集束イオンビーム利用装置へ搭載できるという特徴を有している。また、これらの金属部品および絶縁部品の多くは筒状あるいは柱状であり、細長く連結されていることが一般的である（特許文献１参照）。
特開平０９−０８２２５５号公報。

電子線を発生する電子銃や、発生した電子線の軌道を制御する鏡筒などを構成するセラミックと金属部品はろう付けにより接合される（特許文献２〜７参照）。しかし、ろう付けの際にろう材が液相となるため部品相互の位置ずれが発生しやすい。このため部品同士の同軸度ずれが大きくなり電子ビームあるいはイオンビームのアライメントエラーの原因となっている。
特開平０６−２５１６９７号公報。 特開平１０−３４０６８３号公報。 特開２００２−３７３６０１号公報。 特開２０００−２６０３７１号公報。 特開平０９−１４７７５５号公報。 特許第２９２２９４５号公報。

本発明は、ろう材を使用せず、引き出し電極と絶縁碍子との接合位置精度を向上させた部品を作製し、上記アライメントエラーを小さくし、更に、ろう付け法によらず高温プロセスを介しないことからコスト面で有利な荷電粒子装置用部品を提供することを目的になされたものである。

即ち、本発明は、以下に示す通りのものである。
（１）金属部品と絶縁部品とを含む荷電粒子装置用部品において、金属部品と絶縁部品とが筒状の嵌合部で結合され、前記金属部品が該嵌合部の外筒を構成し、前記絶縁部品が該嵌合部の内筒を構成し、該嵌合部が前記外筒と前記内筒を焼き嵌めにより結合していること特徴とする荷電粒子装置用部品。
（２）嵌合部の基本形状が円筒形状であることを特徴とする（１）の荷電粒子装置用部品。
（３）金属部品がチタン若しくはチタン合金またはモリブデンからなり、絶縁部品がアルミナからなることを特徴とする（１）または（２）の荷電粒子装置用部品。
（４）（１）〜（３）のいずれか一項に記載の荷電粒子装置用部品に、更に焼き嵌めによって金属部品または絶縁部品が結合されていることを特徴とする荷電粒子装置用部品。
（５）荷電粒子装置用部品が電子源、電子源構造体、液体金属イオン源、液体金属イオン源構造体、電子源または液体金属イオン源に用いる電極、及び鏡筒のいずれかであることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれか一項に記載の荷電粒子装置用部品。
（６）タングステン単結晶またはモリブデン単結晶のチップからなる電子放射源を有することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれか一項に記載の荷電粒子装置用部品。
（７）タングステン単結晶またはモリブデン単結晶のチップの一部に金属酸化物からなる金属と酸素の供給源を有することを特徴とする（６）の荷電粒子装置用部品。
（８）前記供給源が、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド系列元素、バリウム、ストロンチウム、カルシウムの群から選ばれた元素を含有する金属酸化物からなることを特徴とする（７）の荷電粒子装置用部品。
（９）希土類元素またはバリウムの六ほう化物単結晶チップからなる電子源を有することを特徴とする（１）乃至（５）のいずれか一項に記載の荷電粒子装置用部品。
（１０）金属部品と絶縁部品とを含む荷電粒子装置用部品の製造方法であって、金属部品と絶縁部品とが筒状の嵌合部で結合されるように、前記金属部品が該嵌合部の外筒に、前記絶縁部品が該嵌合部の内筒に予め構成し、前記外筒部を加熱し室温または冷却された前記内筒部に嵌合することで、前記嵌合部が前記外筒と前記内筒を焼き嵌めにより結合しているようにすることを特徴とする荷電粒子装置用部品の製造方法。
（１１）嵌合する際に、前記内筒部を液体窒素により冷却することを特徴とする（１０）の荷電粒子装置用部品の製造方法。

本発明の荷電粒子装置用部品は、従来公知のろう付けによって得られる荷電粒子装置用部品に比較して、低コストで得られるし、しかも荷電粒子装置に用いて電子ビームやイオンビームのアライメントエラーを小さくできる効果が得られる。
例えば、電子源において、チタン製の引き出し電極とチタン製の制御電極とは絶縁されている必要があるが、現在のろう付け法により引き出し電極とアルミナ製の絶縁碍子とを接合した場合の引き出し電極と制御電極との同軸度は部品のろう付けの直径が約１３ｍｍの場合、０．１ｍｍの精度である。これに対して、本発明の荷電粒子装置用部品を用いた場合に、引き出し電極と制御電極との同軸度は機械加工精度並に向上し、例えば０．０２ｍｍにまで向上できるという際立った効果が得られる。

加えて、チタンとアルミナの熱膨張係数はほぼ同じなので、例えば前記電子源に関して、チタン製の制御電極とアルミナ製の絶縁碍子とチタン製の引き出し電極と焼き嵌めにより一体化して得られた組合わせ部品に、更に別のアルミナ製の部品またはチタン製の部品を更に焼き嵌めして部品点数の大きな組み合わせ部品とすることができ、しかも前記精度で連結することができる効果が得られる。

本発明は荷電粒子装置用部品に関するものである。当該荷電粒子装置用部品としては、電子源、前記電子源の特性付与前の構造体である電子源構造体、液体金属イオン源、前記液体金属イオン源の特性付与前の構造体である液体金属イオン源構造体、電子源または液体金属イオン源に用いる引き出し電極や制御電極などの電極、及び前記電子源や液体金属イオン源等が搭載される荷電粒子装置に使用できる鏡筒が挙げられる。

以下、電子顕微鏡、電子線露光機、半導体検査装置などの電子線利用装置に用いられる電子源の一種である電子放射陰極を例に本発明を詳説するが、本発明はこれに制限されるものではない。

電子源は、電子放射源となるチップ、チップを加熱、保持するためのフィラメント、フィラメントを保持するための端子、端子を絶縁、保持するための碍子、更に、放射される電子を制御するための制御電極、チップから電子を引き出すための引き出し電極、引き出し電極と、制御電極を絶縁するための碍子とからなるのが一般的である。

図１は従来技術によって組み立てられた電子源の概略図である。図２は本発明の荷電粒子装置用部品の一例としての電子源の概略図である。本発明に於いては、引き出し電極と絶縁碍子の接合を従来公知のろう材を使用せず、焼き嵌めによって実施することである。即ち、本発明の電子源は、図２に例示する形状を有しており、引き出し電極、絶縁碍子、制御電極が焼き嵌めによって接合していることを特徴としている。

本発明において、嵌合部の形状については円形状のものが、金属部品の外筒、絶縁部品の内筒を準備するに加工が容易であること、嵌め合い作業が容易で確実な嵌め合い状態が得やすいことから、好ましい。

焼き嵌める際の外筒と内筒の寸法については、用いる金属部品と絶縁部品の材質、寸法、形状等を考慮して適宜定めればよい。金属部品としてチタン若しくはチタン合金またはモリブデンからなり、絶縁部品がアルミナからなる場合には、焼き嵌め直径に対する焼き嵌め代の比が２．０×１０^−４〜１．３×１０^−３が好ましい範囲である。１．３×１０^−３以上になると焼き嵌め後に部品が破壊してしまうことがあるし、一方で２．０×１０^−４以下になると使用に耐える接合強度が得られなくなる場合がある。電子源に適用すれば、引き出し電極、制御電極のそれぞれの焼き嵌め部の焼き嵌め代は、絶縁碍子の焼き嵌め部の直径に対して３〜１１×１０^−４とするのが好ましい。

本発明において、金属部品は鉄、鋼やステンレス等の鉄合金、アルミニウムやアルミニウム合金、チタンやチタン合金等いろいろな金属材質のものが使用できるが、荷電粒子装置用には、高真空条件にさらされてもガス発生し難く、また磁性を帯びず、良好な電子ビームやイオンビームが得やすいという理由で、チタン若しくはチタン合金またはモリブデンが好ましい。

絶縁部品は、電気絶縁性で適度の強度を有する材質のものが選択され、このようなものとして、アルミナ、ステアタイト、ガラスセラミックス等が挙げられるが、荷電粒子装置用として、高真空条件にさらされてもガス発生し難く、高電圧に曝されても優れた電気絶縁性を保持できるアルミナが好ましく選択される。特に、金属部品がチタン、チタン合金、モリブデンのいずれかであるときには、熱膨張率が大きく違わないアルミナと組み合わせる時、焼き嵌め作業が容易であり、好ましい選択である。

以下、タングステン単結晶のチップからなる電子放射源を有する電子源を例に、本発明の製造方法について詳しく説明する。尚、当該電子源としては、前記の電子源とともに、電子放射源にモリブデン単結晶のチップを有するものであっても、希土類元素またはバリウムの六ほう化物単結晶チップからなるものであっても適用ができるし、特に、前者に関しては、チップの一部に金属酸化物からなる金属と酸素の供給源を有し、前記供給源が、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド系列元素、バリウム、ストロンチウム、カルシウムの群から選ばれた元素を含有する金属酸化物からなる電子源等の実用に供されている従来公知の電子源にも適用できる。

先ず、従来の引き出し電極付き電子源の製造方法について説明する。本発明および従来の引き出し電極付き電子源を構成する部品としては、電子放射源となるチップ、チップを加熱、保持するためのフィラメント、フィラメントを保持するための端子、端子を絶縁、保持するための碍子、更に、放射される電子を制御するための制御電極、電子をチップから引き出すための引き出し電極、引き出し電極と制御電極を絶縁するための碍子とからなる。

まず、従来技術に於いては、絶縁碍子の端子にタングステンワイヤーからなるＶ型フィラメントを取り付け、その先端部に軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶チップを溶接固定した後、タングステン単結晶チップの先端部を電解研磨法にて尖鋭化し、タングステン単結晶チップの中央部にジルコニウムを取り付けて約１０^−４Ｐａの酸素存在下で加熱してタングステン単結晶チップの先端部にまでジルコニウムと酸素を拡散させ、しかる後に制御用電極を取り付ける。次に、制御用電極を取り付けた電子源を引き出し電極に碍子をろう付けした部品に組み込み、チップの高さと同軸を調整した後、この部品を約１０^−７Ｐａの真空下で電圧を印加することで、タングステン単結晶チップの先端部の形状を形成させて、良好な電子放射が得られる電子源を完成させる。

本発明に於いては、予め引き出し電極と絶縁碍子と制御電極にはそれぞれに、焼き嵌めを実施するための接合部（外筒、内筒）を設けてある。

従来技術と同様、絶縁碍子の端子にタングステンワイヤーからなるＶ型フィラメントを取り付け、その先端部に軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶チップを溶接固定した後、タングステン単結晶チップの先端部を電解研磨法にて尖鋭化し、タングステン単結晶チップの中央部にジルコニウムを取り付けて約１０^−４Ｐａの酸素存在下で加熱してタングステン単結晶チップの先端部にまでジルコニウムと酸素を拡散させる。

次に、ホットプレートなどで引き出し電極を２５０℃に加熱しておき、室温あるいは液体窒素で冷却した碍子を加熱された引き出し電極に嵌め込む。接合された引き出し電極と碍子の部品を室温に戻す。次に、制御電極を２５０℃に加熱する。次に、先程の引き出し電極と碍子の部品を室温に戻すあるいは液体窒素で冷却しておき、加熱された制御電極に嵌め込む。

前記操作で一体化された引き出し電極、碍子、制御電極の組み合わせ部品に、前記のチップ、フィラメント、端子、碍子の組み合わせ部品を組み込み、同軸、高さを調整する。しかる後に約１０^−７Ｐａの真空下で電圧を印加することでタングステン単結晶チップの先端部の形状を形成させる。

（実施例１〜５）
図２に示される電子源を作製し、本発明の効果の実証を試みた。
室温での焼き嵌め直径（内径）１５．７９７ｍｍのチタン製引き出し電極をホットプレートにて２５０℃に加熱しておいたものに、室温にした焼き嵌め直径（外径）１５．８０３ｍｍのアルミナ製碍子を嵌め込んだ。次に、室温での焼き嵌め直径（外径）１５．７９７ｍｍのチタン製の制御電極をホットプレートにて２５０℃に加熱しておいたものに室温にした先程の引き出し電極付き碍子を嵌め込んだ。

次に、絶縁碍子の端子にタングステンワイヤーからなるＶ型フィラメントを取り付け、その先端に軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶ニードルを溶接して固定した。次にタングステン単結晶ニードルを電解研磨法により、先端部の形状加工を行った。

前記タングステン単結晶ニードルの中央部に水素化ジルコニウム粉を塗布し、酸素ガスを導入した１×１０^−４Ｐａの減圧下で１８００Ｋになるようフィラメント電流を設定し、２０時間加熱した。その結果、チップ先端半径が０．５μｍの先端部を有する電子源構造体を作製した。

前記電子源構造体に前記の焼き嵌めによって作製した引き出し電極、碍子、制御電極の組み合わせ部品を組み込み、チップ高さ、同軸の調整を行い、３方向からのＭ２のねじによって固定し、完成させた。この時、各部品を組み立てる時間をストップウォッチにて測定した。

前記の引き出し電極等を付けた電子源構造体を１×１０^−７Ｐａの真空中で１８００Ｋに保ちながら、制御電極を−３００Ｖに、引き出し電極を３ｋＶとし、タングステン単結晶ニードルに電圧を印可し、電子放射を開始した。引き出し電極を通過した軸上電流をモニターし、電流が安定するまで電子放射を維持し、電子源を完成させた。完成した電子源の各部位の組み立て寸法精度をマイクロメータ付きの投影機にて５０倍の倍率で測定した。この様にして５個の電子源を作製した。前記電子源のそれぞれについて、走査型電子顕微鏡に搭載して、電子ビームのアライメント補正量を測定した。測定結果を表１に示した。

（実施例６〜１０）
アルミナ碍子および引き出し電極付きアルミナ碍子を液体窒素で冷却したこと以外は実施例１〜５と同操作をして電子源を５個作製し、実施例１〜５と同じ評価を行った。結果を表1に示す。

（比較例１〜１０）
引き出し電極、碍子、制御電極の接合を従来技術通りにろう付けで行ったこと以外は実施例１〜５と同操作をして電子源を１０個作製した。実施例１〜５と同じ評価を行った。結果を表1に示す。

本発明の電子源は、実施例からも明らかな通りに、同軸精度が良く、アライメントエラーが小さく、安定した電子ビームを容易に得ることができる特徴を有しているので、高分解能ＳＥＭ、半導体検査装置などの荷電粒子装置用の部品として好適であり、特に電子源、液体金属イオン源などの荷電粒子供給源として用いて好適であり、産業上非常に有用である。

本発明の製造方法は、前記特徴のある荷電粒子装置用部品を安定して、生産性高く提供できる特徴があり、産業上大いに利用できる。

比較例に係る従来公知の荷電粒子装置用部品の構造図。 本発明に係る荷電粒子装置用部品の一例についての構造図。

符号の説明

１：チップ
２：拡散源
３：フィラメント
４：端子
５：絶縁碍子
６：制御電極
７：ねじ
８：絶縁碍子
９：引き出し電極
１０：ろう付け部

Claims (11)

1. 金属部品と絶縁部品とを含む荷電粒子装置用部品において、金属部品と絶縁部品とが筒状の嵌合部で結合され、前記金属部品が該嵌合部の外筒を構成し、前記絶縁部品が該嵌合部の内筒を構成し、該嵌合部が前記外筒と前記内筒を焼き嵌めにより結合していること特徴とする荷電粒子装置用部品。
2. 嵌合部の基本形状が円筒形状であることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子装置用部品。
3. 金属部品がチタン若しくはチタン合金またはモリブデンからなり、絶縁部品がアルミナからなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の荷電粒子装置用部品。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の荷電粒子装置用部品に、更に焼き嵌めによって金属部品または絶縁部品が結合されていることを特徴とする荷電粒子装置用部品。
5. 荷電粒子装置用部品が電子源、電子源構造体、液体金属イオン源、液体金属イオン源構造体、電子源または液体金属イオン源に用いる電極、及び鏡筒のいずれかであ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荷電粒子装置用部品。
6. タングステン単結晶またはモリブデン単結晶のチップからなる電子放射源を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の荷電粒子装置用部品。
7. タングステン単結晶またはモリブデン単結晶のチップの一部に金属酸化物からなる金属と酸素の供給源を有することを特徴とする請求項６記載の荷電粒子装置用部品。
8. 前記供給源が、ジルコニウム、チタン、ハフニウム、スカンジウム、イットリウム、ランタノイド系列元素、バリウム、ストロンチウム、カルシウムの群から選ばれた元素を含有する金属酸化物からなることを特徴とする請求項７記載の荷電粒子装置用部品。
9. 希土類元素またはバリウムの六ほう化物単結晶チップからなる電子源を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の荷電粒子装置用部品。
10. 金属部品と絶縁部品とを含む荷電粒子装置用部品の製造方法であって、金属部品と絶縁部品とが筒状の嵌合部で結合されるように、前記金属部品が該嵌合部の外筒に、前記絶縁部品が該嵌合部の内筒に予め構成し、前記外筒部を加熱し室温または冷却された前記内筒部に嵌合することで、前記嵌合部が前記外筒と前記内筒を焼き嵌めにより結合しているようにすることを特徴とする荷電粒子装置用部品の製造方法。
11. 嵌合する際に、前記内筒部を液体窒素により冷却することを特徴とする請求項１０記載の荷電粒子装置用部品の製造方法。