JP2010238384A

JP2010238384A - 電子源及びその用途

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Publication number: JP2010238384A
Application number: JP2009082246A
Authority: JP
Inventors: Ryozo Nonogaki; 良三野々垣; Makoto Kanda; 誠神田
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2010-10-21

Abstract

【課題】電子源の拡散源の経時的な蒸発消耗に起因した温度上昇を抑制し、安定した電子線を与える電子源を提供する。
【解決手段】電子源を、タングステン又はモリブデンの＜１００＞方位の単結晶からなる陰極と、陰極の中腹部に設けられた拡散源と、拡散源の外周に設けられた高融点金属で形成する。他の発明は、タングステン又はモリブデンの＜１００＞方位の単結晶からなる陰極と、陰極の中腹部に設けられた高融点金属の多孔質体中に含有された拡散源を有する電子源である。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子源及び電子源が用いられる走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光装置、電子線露光機、ウエハ検査装置に関する。

電子源としては、特許文献１がある。
特開２００８−０９８０８７号公報

電子源の陰極の動作温度は、１７００Ｋより低いと陰極に残留ガスが吸着しやすくなって仕事関数増加によるビーム電流の不安定化が起こり、１９００Ｋより高いとＺｒＯ被覆層が安定に存在することができなくなってビーム電流の不安定化が起こるとともに、拡散源の蒸発消耗の促進による短寿命化が起こる。そのため、陰極の動作温度は、１８００Ｋ程度が適切である。

陰極の動作温度は、通電加熱するフィラメント電流値の調整により行なわれるため、フィラメント電流値を一定に維持しても陰極温度が経時的に上昇し１９００Ｋを超えることがある。

この課題を解決する手段として、装置に温度計測システムを備えて温度制御、すなわち、拡散源の消耗に応じてフィラメント電流を下げることで陰極を一定温度に保つ手段が考えられるが、温度計測装置の設置が困難であった。即ち、本発明の目的は、大きなビーム電流を得るために比較的高温で動作させていても、経時的な温度上昇が無く安定に動作させることが可能な電子源を提供することである。

本発明は、タングステン又はモリブデンの＜１００＞方位の単結晶からなる陰極と、陰極の中腹部に設けられた拡散源と、拡散源の外周に設けられた高融点金属を有する電子源である。この被覆材は、拡散源を覆う筒形状であるのが好ましく、被覆材はタングステンであることが好ましい。

本発明は、拡散源を高融点金属で被覆することで、蒸発消耗する拡散源の表面積の減少を抑えたものであり、高融点金属とは、融点が２５００Ｋより高い融点を有する金属をいい、具体的には、タングステン、モリブデンがある。

また、本発明は、タングステン又はモリブデンの＜１００＞方位の単結晶からなる陰極と、陰極の中腹部に設けられた高融点金属の多孔質体中に含有された拡散源を有する電子源である。この多孔質体はタングステンであることが好ましい。

拡散源は、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ又はランタノイド系列から選ばれた１種以上の元素の酸化物であることが好ましい。

他の発明は、これら電子源を有する走査型電子顕微鏡である。

他の発明は、これら電子源を有するオージェ電子分光装置である。

他の発明は、これら電子源を有する電子線露光機である。

他の発明は、これら電子源を有するウエハ検査装置である。

本発明の電子源は、拡散源を高融点金属で被覆することで、拡散源が蒸発消耗しても拡散源自体の表面積の減少を抑えることができ、電子源が一定のフィラメント電流下で動作されても、経時的な温度上昇が少なく安定に動作させることができる。

以下、電子顕微鏡、電子線露光機、測長ＳＥＭ等に用いられる電子放射陰極を例に本発明を説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。

本発明の技術思想は、陰極がタングステンの＜１００＞方位の単結晶からなり、陰極の一部にジルコニウムの酸化物を拡散源として有する電子源について好ましく適用できるが、これに制限されるものではない。

以下、本発明の具体的な実施形態について図を参照しながら詳細に説明する。

タングステンワイヤからなるフィラメント３をＶ字に曲げ、絶縁碍子５に固定された導電端子４に溶接により取り付ける。次にフィラメント３の頂部に、電子ビームを放射するタングステンの＜１００＞方位の単結晶からなる陰極１を溶接等により固着後、陰極１の先端部を電解研磨により尖鋭化する。

拡散源２の形成では、拡散源２の前駆体水素化ジルコニウムの粉末に有機溶剤などを添加してスラリー状にして＜１００＞方位のタングステン陰極１に付着させ水素化ジルコニウムの溜まりを形成する。次に高真空下で、タングステン陰極１を加熱し水素化ジルコニウムをジルコニウムと水素に分解し、ジルコニウムをタングステン陰極表面に拡散させた後、約１０^−４Ｐａの酸素存在下で加熱して陰極１の先端部にまでジルコニウムと酸素を拡散させる（以降、酸素処理という。）。

本発明では、拡散源２の外側が高融点金属の被覆材６で覆われた構造を特徴とする。被覆材６は、拡散源２からの輻射光が陰極１の外側に直接輻射されることを防ぐことができるものであればよい。例えば、熱ＣＶＤ法などのコーティング技術を用いて拡散源２に高融点金属を被覆しても構わない。ただし、コーティング技術での高融点金属の厚膜形成は難しいことから、拡散源２の蒸発消耗に対して被覆材６の形状をより長時間維持するためには、予め加工した被覆材６を拡散源２に被せる方法がより好ましい。

例えば、図３に示すように筒状の被覆材６を拡散源２に被せる方法が適用できる。この場合、拡散源２を形成する前に被覆材６を陰極１に配置しておき、上述したスラリー状にした水素化ジルコニウム粉末を陰極１と被覆材６の間に流し込むようにして水素化ジルコニウム溜まりを形成後、酸素処理を行なうことが好ましい。陰極１と被覆材６との間に隙間無く拡散源２を形成でき、被覆材６が拡散源２と強固に接合できるからである。

さらに被覆材６の形状を図４に示すようにすることで、陰極１の軸と被覆材６の軸とを合わせることが可能になり、被覆材６が陰極１の軸に対して傾いたりせず、また、その均等な厚みの拡散源２を陰極１と被覆材６との間に形成することができ、好ましい。

また、被覆材６の材質については、動作温度での消耗速度が拡散源２よりも遅い高融点金属であれば構わないが、陰極１の母材と同じタングステンであれは電子放射領域での低仕事関数化を阻害することがないので好ましい。

さらに本発明では、図５に示すような拡散源２が高融点金属の多孔質体７中に含有されていることを特徴とする電子源が提案されている。多孔質体７は、その孔に拡散源２を内包できるものであって、拡散源２からの輻射光が陰極１の外側に直接輻射されることを防ぐことができるものであればよい。例えば、従来の拡散源形成方法において、拡散源２の前駆体である水素化ジルコニウムと多孔質体７の元となる高融点金属の混合粉砕したものを、有機溶剤などを添加してスラリー状にし、陰極１に付着させ混合粉末の溜まりを形成後、酸素処理をおこなうことで、多孔性の高融点金属中に拡散源２が含有されたものを陰極１に形成することができる。

また、多孔質体７の材質については、動作温度での消耗速度が拡散源２よりも遅い高融点金属であれば構わないが、前記被覆材６と同様、陰極１の母材と同じタングステンであれは電子放射領域での低仕事関数化を阻害することがないので好ましい。

上記の各手法により組み立てられた電子源に、各種の電極を取り付けて約１０^−７Ｐａの真空下で電圧を印加し、陰極１の先端部の形状を形成させることで、本発明の電子源が作製できる。

当該構造を採用することで、拡散源２が蒸発消耗していっても輻射熱損失に関係する実効的な拡散源２の表面積の減少を抑えることが可能となり、電子源が実用に供されたときに、大きなビーム電流を得るために比較的高温で動作させていても、経時的な温度上昇が無く安定に動作させることができるという格別の効果が得られる。

（実施例１）
直径０．１２５ｍｍのタングステン製ワイヤをＶ字のごとく曲げたフィラメント３を絶縁碍子５にロウ付けされた一対の導電端子間にスポット溶接により固定した。＜１００＞方位の単結晶タングステン陰極１をフィラメント３にスポット溶接により取り付けた。次に陰極１の先端部を電解研磨により尖鋭化した。

図４に示すタングステンの被覆材６をタングステン単結晶陰極１の中央付近に配置させる。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陰極１と被覆材６の隙間に流し込み、約１０^−４Ｐａの酸素存在下で加熱して酸素処理を行い、図４に示す構造の電子源を得た。

図６に示す真空装置のように、陰極１の先端をサプレッサー電極８と引き出し電極９との間に配置した。陰極１はフィラメント加熱電源１１に接続され、更に高圧電源１３に接続され、引き出し電極９に対して負の高電圧が印加される。また、サプレッサー電極８はバイアス電源１２に接続され、陰極１に対して更に負の電圧が印加される。これによりフィラメント部からの熱電子の放射を抑える。陰極１の先端から放射した電子線１３は蛍光板１０に照射され、電子放射パターンを形成する。

電子放射開始時の陰極温度を１８００Ｋになるように放射温度計で計測しながらフィラメント電流を調整後、フィラメント電流を固定し、陰極温度の経時的な変化を放射温度計で測定した。

（実施例２）
陰極先端部を電解研磨により先鋭化するところまでは実施例１と同様に作製したものを用い、水素化ジルコニウムとタングステンをそれぞれ３：７の割合で混合粉砕して酢酸イソアミルと混合ペースト状にしたものを、陰極中央付近に付着させ混合粉末の溜まりを形成後、約１０^−４Ｐａの酸素存在下で加熱して酸素処理を行い、図５に示す構造の電子源を得た。

実施例１と同様、図６に示す真空装置を用いて電子放射開始時の陰極温度を１８００Ｋになるように放射温度計で計測しながらフィラメント電流を調整後、フィラメント電流を固定し、陰極温度の経時的な変化を放射温度計を用いて測定した。

（比較例）
前記実施例２の拡散源形成において、タングステンを含まない水素化ジルコニウムのみ粉砕して酢酸イソアミルと混合ペースト状にしたものを、陰極中央付近に付着させ混合粉末の溜まりを形成後、約１０^−４Ｐａの酸素存在下で加熱して酸素処理を行い、従来構造の図２に示す構造の電子源を得た。

実施例１、２と同様、図６に示す真空装置を用いて電子放射開始時の陰極温度を１８００Ｋになるように放射温度計で計測しながらフィラメント電流を調整後、フィラメント電流を固定し、陰極温度の経時的な変化を放射温度計で測定した。

実施例１、２及び比較例のフィラメント電流を固定した場合の経時的な陰極１の温度を放射温度計で測定した結果を図７に示す。実施例１及び実施例２の陰極温度はほとんど一定であり、また、電子放射も比較的安定であり実用上問題はないことが確認された。
一方、比較例の陰極温度は、経時的に増加し、次第に電子放射が不安定になっていく現象が認められた。

本発明の電子源は、拡散源が蒸発消耗していっても輻射熱損失に関係する実効的な拡散源の表面積の減少を抑えることが可能となり、電子源が実用に供されたときに、大きなビーム電流を得るために比較的高温で動作させていても、経時的な温度上昇が無く安定に動作させることができるという効果があり、信頼性の高い、安定した電子線を提供できる特徴があり、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光、電子線露光機、ウエハ検査装置などいろいろな電子線利用装置に適用でき、産業上非常に有用である。

本発明に係る電子源の一例ついての構造図比較例に係る、従来公知の電子源の構造図本発明に係る電子源の構造図（図１の電子源の拡大斜視図）本発明に係る電子源の一例についての構造図本発明に係る電子源の構造図（実施例１の電子源の拡大斜視図）本発明に係る電子源の構造図（実施例２の電子源の拡大断面図）電子放射特性の評価装置の構成図実施例１、２及び比較例において、フィラメント電流を固定した場合の経時的な陰極の温度変化を示したグラフ図

１：陰極
２：拡散源
３：フィラメント
４：導電端子
５：絶縁碍子
６：被覆材
７：多孔質体
８：サプレッサー電極
９：引き出し電極
１０：蛍光板
１１：フィラメント加熱電源
１２：バイアス電源
１３：高圧電源
１４：放射電子線

Claims

タングステン又はモリブデンの＜１００＞方位の単結晶からなる陰極と、陰極の中腹部に設けられた拡散源と、拡散源の外周に設けられた高融点金属を有する電子源。
被覆材が拡散源を覆う筒形状である請求項１記載の電子源。
被覆材がタングステンである請求項１又は２のいずれか記載の電子源。
タングステン又はモリブデンの＜１００＞方位の単結晶からなる陰極と、陰極の中腹部に設けられた高融点金属の多孔質体中に含有された拡散源を有する電子源。
多孔質体がタングステンである請求項４記載の電子源。
拡散源が、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ又はランタノイド系列から選ばれた１種以上の元素の酸化物である請求項１乃至５のいずれか一項記載の電子源。
請求項１乃至６のいずれか一項記載の電子源を有する走査型電子顕微鏡。
請求項１乃至６のいずれか一項記載の電子源を有するオージェ電子分光装置。
請求項１乃至６のいずれか一項記載の電子源を有する電子線露光機。
請求項１乃至６のいずれか一項記載の電子源を有するウエハ検査装置。