JP2010238367A

JP2010238367A - 高効率ダイヤモンド電子銃

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Publication number: JP2010238367A
Application number: JP2009081735A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Ueda; 暁彦植田; Kazuhiro Ikeda; 和寛池田; Natsuo Tatsumi; 夏生辰巳; Yoshiki Nishibayashi; 良樹西林; Takahiro Imai; 貴浩今井
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-10-21

Abstract

【課題】電子線及び電子ビーム機器や真空管、特に、電子顕微鏡や電子ビーム描画装置等の電子光学機器に使用される、高輝度高安定性を有する電子ビームが得られる電子銃を提供する。
【解決手段】電子光学機器に使用される電子銃であって、電子放出部分がダイヤモンドであり、総電子放出電流が５０μＡ以下の時、電子放出の立体角０．０００２ｓｒの範囲内の電流が総電子放出電流の０．０２５％以上であることを特徴とする電子銃により解決される。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子顕微鏡、電子ビーム露光機などの電子線及び電子ビーム機器、進行波管、マイクロ波管など真空管に用いられる電子銃であって、全電子放出電流に対するビーム電流が大きく効率の良いダイヤモンド電子銃に関する。

電子はマイナスの電荷を持ち、質量が極めて小さいため、電子を一方向に揃えて走らせた電子ビームは以下のような特徴を有している。（１）電界や磁界で方向や収束度を制御できる。（２）電界による加減速で広範囲なエネルギーが得られる。（３）波長が短いため、細く絞り込むことができる。このような特徴を活かした電子顕微鏡や、電子ビーム露光機が広く普及している。

現在、電子顕微鏡用途としてよく使用されている陰極として、例えば、特許文献１〜３によれば、熱電子源としては安価タングステンフィラメントや、輝度の高い電子ビームが得られるＬaＢ₆等からなるホウ化物フィラメントがある。また、さらに高輝度でエネルギー幅の狭い陰極として、量子効果によるトンネル現象を利用した電界放出電子源として先鋭化タングステンや、電界によるショットキー効果を利用した熱電界放出電子源としてＺrＯ／Ｗが用いられている。

一方、電子顕微鏡においては、ＬＳＩプロセスにおける測長検査などナノサイズの微細構造を高精度に観察したいという要求があることから、輝度が高く安定した電流の電子ビームが得られる電子銃が求められている。

その要求される電子ビーム輝度は１×１０⁹Ａ／ｍ²ｓｒ、電子ビーム電流安定性は５％未満で、これをビーム引出電圧３ｋＶ以上１０ｋＶ以下で実現することである。ここで、電子ビームとは電子顕微鏡の試料室のサンプルステージ上で得られる電子線を指す。また安定性とは、電流をサンプリング周波数１０Ｈｚ以上で１時間以上測定した後、すべてのサンプリングデータを平均して得られる平均電流値の何％以内にすべてのサンプリングデータが入るかということを示す指標と定義する。

上記の従来電子源のうち輝度要求を満たすことができるのは、トンネル効果を利用した電界放出電子源である先鋭化タングステンを搭載した電子銃のみである。しかしながら、このような高輝度ビームを得ようとすると安定性は５％以上と悪くなるためにユーザ要求を満たすことができなかった。ここで、電子銃とは、少なくとも電子源と電子源の電子放出部から一定の距離を置いて配置した引出電極アパーチャプレートを構成要素として含むと定義する。

特公昭６３−０１５６９３号公報特開平０３−１２９６５１号公報特開平０８−０１７３７３号公報

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、電子線及び電子ビーム機器や真空管、特に、電子顕微鏡や電子ビーム描画装置等の電子光学機器に使用される、高輝度高安定性を有する電子ビームが得られる電子銃を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電子銃は、電子放出部分がダイヤモンドであり、総電子放出電流が２μＡ以下の時、電子放出の立体角０．０００２ｓｒの範囲内の電流が総電子放出電流の０．０２５％以上であることを特徴とする。

本発明の高効率ダイヤモンド電子銃は、総電子放出電流に対する電子放出の立体角０．０００２ｓｒの範囲内の電流が従来の電子銃と比べて大きい。つまり、従来の電界放出電子銃と比べて少ない総電子放出電流で同じビーム電流を得ることができる。総電子放出電流が少ないので、真空中で電子銃周辺の残留ガスと放出電子が衝突して発生するイオンが電子放出部に衝突する結果発生する電子放出の不安定性を大幅に改善することができる。従って、本発明の電子銃から従来の電界放出電子銃と同じビーム電流を取り出しても優れた安定性を得ることができる。

本発明によれば、真空管、電子ビーム分析装置、加速器、殺菌用電子線照射装置、Ｘ線発生装置、樹脂用照射装置、電子ビーム加熱装置など電子線を使う全ての機器に使用可能であり、高輝度且つ高安定な電子ビームが得られる高効率ダイヤモンド電子銃が実現される。特に、半導体デバイス測長検査用電子顕微鏡において、本発明の電子銃を使用すれば、従来の電子銃では不可能であった高速・高精度での観察を実現することができる。

本発明による電界放出電子銃の電子源部分の一例を示す図である。図１におけるチップ１１の拡大図である。本発明による電界放出電子銃の電子源部分の構成の一例を示す図である。本発明による電界放出電子銃から電子を放出させる際の構成の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る高効率ダイヤモンド電子銃の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、本発明による高効率ダイヤモンド電子銃の電子源部分の一実施形態を示す平面図である。電子源１０は、電子放出部分であるチップ１１、チップ１１を挟持するための支柱１２、支柱を固定するためのベース１３、チップに支柱１２を経由して放出電子を供給するための給電端子１４で構成される。

チップ１１にはダイヤモンド単結晶が使用される。ダイヤモンド単結晶は、混入している不純物や欠陥の種類によって、Ｉａ型、Ｉｂ型、ＩＩａ型、ＩＩｂ型等分類されるがいずれを使用しても構わない。チップ１１のダイヤモンド単結晶には、ホウ素ドープダイヤモンドエピタキシャル薄膜、あるいはリンドープダイヤモンドエピタキシャル薄膜が少なくとも一部に形成されていると、チップ１１の導電性向上に寄与するために好ましい。
サイズは、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下の直方体空間に収まる形状である。この範囲内の大きさであることによって、ＬaＢ₆やＺrＯ／Ｗ等の従来電子源を搭載した電子銃と互換性を有する結果、これらが使用されている電子顕微鏡に本発明の電子銃を搭載することが可能となる。

チップ１１は図２に示すように先鋭突起２０を有し、その先端に電界を印加することによって電界放出電子を得る。先鋭突起２０は、角錐台部２１の平面上に形成されているが、加工が困難なダイヤモンドを電子源として使用するために、従来の電子源にはないユニークな構造となっている。先鋭突起２０の高さは１０μｍ以上で先端曲率半径は０．０１μｍ以上０．２μｍ以下、最先端部の表面粗さは１ｎｍ以下である。

先鋭突起２０以外の部分は、ダイヤモンド単結晶をレーザ加工と研磨加工することにより作製する。角錐台部２１は、加工及び先鋭突起部の電界集中のし易さを考えると角錐台高さは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、角錐台面のサイズは２０μｍ角〜１００μｍ角の範囲内であることが好ましい。表面は研磨加工により鏡面仕上げとするが、少なくとも角錐台上面は鏡面仕上げとする。

先鋭突起２０は、角錐台上面にフォトリソグラフィ法で円柱状のエッチングマスクを形成して、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）でエッチングマスクが消失するまで角錐台上面をエッチングすることにより形成する。エッチングは酸素とＣＦ₄の混合ガス雰囲気中で実施し、マスクは直径１μｍφ〜１０μｍφ、高さ０．１μｍ〜１０μｍの範囲で設定し、マスクのエッジ部の輪郭度が１０ｎｍ以下となるように丁寧にフォトリソグラフィを実施する。マスク材としてはＴi、Ｍo、Ｗ等の金属、ＳiＯ₂、ＳiＯＮ等のセラミックが使用可能である。

先鋭突起２０の先端部分の表面粗さはエッチングマスクが消失する直前のエッチング速度と関係し、遅いほど表面が滑らかになる。エッチングが進むにつれてマスク直下の突起が高くなっていくと共にマスク厚は薄くなっていくが、エッチング条件によってはマスクが径方向にも縮小し、この場合、突起先端に向かって先細りの形状となる。このようなエッチング条件として、圧力０．５Ｐa〜５０Ｐa、ＣＦ₄：酸素ガス混合比１：１００〜１０：１、高周波電力５０Ｗ〜５００Ｗの範囲内から選択し、エッチング途中でマスクの直径が０．２μｍ前後に縮小したことを確認したら、エッチング速度を０．１μｍ／ｈ以下にする。こうすることによって、先鋭突起２０先端の電子放出部分の面粗さは１ｎｍ以下と原子レベルにまで滑らかな表面に仕上がる。

上記のチップ構成を満たすことによって所望の電子銃性能が得られる結果、ユーザ要求のビーム性能を得ることができる。先鋭突起２０の形状は突起先端に電界が集中し易くなるように、上述のように突起先端に向かって先細りの形状であることが好ましい。

支柱１２は信頼性の観点から、１０００℃以上でもチップ１１を保持する力を失わない弾性を有する金属を使用することが望ましい。具体的にはモリブデンを含む合金が好適に使用可能であるが、モリブデン、タングステン、タンタルといった高融点金属単体も使用可能である。ベース１３はアルミナやステアタイトといった絶縁性を有するセラミックが好適に使用可能である。給電端子１４にはコバール等の金属が用いられる。

本発明の電子銃の電子源部分は少なくとも上記の構成部品を有しているが、図３の断面図に示すように、支柱１２、サプレッサ３０、チップ締め付けネジ３１及びナット３２、熱分解炭素スペーサ３３等の構成部品が存在しても本発明の範囲内である。サプレッサ３０は、その他の構成部品を覆い、チップ１１が突き出すように開口部を設けた金属部品であって、チップ１１以外の部分からの電子放出を抑える機能を有する。チップ締め付けネジ３１及びナット３２は、支柱１２がチップ１１を挟持する力を補助するためのものである。熱分解炭素スペーサ３３は、チップ１１の加熱が必要な際にチップ１１と支柱１２の接触部分の間に挟むものである。

図４は、本発明による電子銃から電子放出させる際の構成の一実施形態を示す断面図である。電子源１０上にアパーチャプレート４０を設置して、アパーチャプレート４０に引出電圧、すなわちチップ１１に対して正の電圧を印加することにより電子ビーム（エミッション電子）４１を引き出す。

図４の電子ビーム引き出し構成において、電子銃から所望の性能を引き出すために、アパーチャプレート４０の孔の直径が８００μｍ以下、厚みが６００μｍ以下で、チップ１１先端とアパーチャプレート４０のチップ１１側の面との距離が５０μｍから２０００μｍとする。このような構成とすることによって、真空度１．２×１０^-7Ｐａ以下、チップ１１の温度が１０００℃以下、引出電圧３ｋＶから１０ｋＶの間で所望の電子銃性能が引き出される結果、ユーザ要求のビーム性能を得ることができる。

総電子放出電流に対するビーム電流の効率は、電子放出部の形状が球面に近いほど向上する。しかしながら、従来の冷陰極電界放出電子源である先鋭化タングステンは、電子放出部先端を形成する手法として電界研磨を使用するために、理想的な球面を形成することができなかった。その結果として、総電子放出電流に対するビーム電流の効率を向上させて安定性を改善することに着目されていなかった。また、ダイヤモンドの電子放出性能が優れていることは公知であるが、加工が困難な材料であり、電子放出部の先端を球面に加工することが難しかった。

しかしながら、本発明者らによる鋭意研究の結果、ダイヤモンドの電子放出部先端の加工方法として反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を選択し、加工条件出しに専念することでこれまで数ｎｍであった球面の表面粗さ１ｎｍ以下と原子レベルにまで滑らかにすることに成功しほぼ理想的な球面の形成に成功することができた。こうして作製した電子銃で総電子放出電流に対するビーム電流の効率を向上させることに成功して、安定性を大幅に改善するに至った。

本発明の高効率ダイヤモンド電子銃について、実施例に基づいてさらに具体的に説明する。
［実施例１］
図１に示すような電子銃の電子源部分として、電子源ａを作製した。チップ１１は以下のようにして作製した。
まず、Ｉｂ型のダイヤモンド単結晶を使用した。このダイヤモンド単結晶をＳＩＭＳ分析したところ、ダイヤモンド中に４０ｐｐｍの窒素が混入していることがわかった。これを、サイズ０．６ｍｍ角×２．５ｍｍの角柱形状のＩｂ型ダイヤモンド単結晶をレーザ加工機で切り出した。結晶方位は長手方向を＜１１０＞とした。この基材の０．６ｍｍ×２．５ｍｍの１面にダイヤモンドの気相成長装置を用いてリンドープエピタキシャル薄膜を２μｍ成長させた。次に、研磨加工で角柱全体を鏡面研磨すると共に片端に角錐台部を形成した。角錐台の高さは０．３ｍｍ、角錐台面は５０μｍ角とした。
そして、フォトリソグラフィ法を利用して角錐台面の中央に７μｍφ×２μｍのＳiＯ₂からなる円柱状のエッチングマスクを形成し、反応性イオンエッチングにより酸素とＣＦ₄の混合ガス雰囲気でエッチングマスクが消失するまでエッチングして、角錐台部上に高さ１０μｍ、先端曲率半径０．２μｍの円錐状突起を形成した。エッチング条件は、圧力６Ｐa、ＣＦ₄：酸素ガス混合比１：１０、高周波電力４５０Ｗとした。エッチングマスクの直径が１００ｎｍになったのを確認した後、エッチングでの高周波電力及びガス圧を下げて５０Ｗ及び１Ｐaとすることにより、エッチング速度を５μｍ／ｈから０．１μｍ／ｈに落とした。こうして、先鋭突起２０先端の電子放出部分の面粗さを０．９ｎｍにした。
上記チップ１１以外の電子源ａの構成として、支柱１２にはタングステン、ベース１３にはアルミナ、給電端子１４にはコバールをそれぞれ使用した。

次に、作製した電子源ａを図４に示すような電子銃の構成で電子顕微鏡の電子銃室内に組み込んだ。アパーチャプレート４０の穴の直径は８００μｍ、厚みは６００μｍで、チップ１１先端とアパーチャプレート４０のチップ１１側の面との距離を２０００μｍとした。

真空度１．２×１０^-8Ｐa、チップ１１の温度を１０００℃にして、引出電圧１０ｋＶを引加したところ、総電子放出電流６．５μＡが得られ、電子放出の立体角０．０００２ｓｒの範囲内の電流は２ｎＡで、総電子放出電流の０．０３％であった。このときの電子放出の安定性は２．８％であった。

［比較例１］
市販の電子顕微鏡に搭載されている先鋭化タングステンを使用した以外は実施例１の電子源ａと同様の電子銃構成で実験した。電子放出の立体角０．０００２ｓｒの範囲内の電流２ｎＡの時の総電子放出電流は５０μＡで、総電子放出電流の０．００４％であった。このときの電子放出の安定性は１０％であった。

１０電子源
１１チップ
１２支柱
１３ベース
１４給電端子
２０先鋭突起
２１角錐台部

３０サプレッサ
３１チップ締め付けネジ
３２チップ締め付けナット
３３熱分解炭素スペーサ
４０アパーチャプレート
４１電子ビーム（エミッション電子）

Claims

電子光学機器に使用される電子銃であって、電子放出部分がダイヤモンドであり、総電子放出電流が５０μＡ以下の時、電子放出の立体角０．０００２ｓｒの範囲内の電流が総電子放出電流の０．０２５％以上であることを特徴とする電子銃。