JP2011159602A

JP2011159602A - 電子源，電子銃、それを用いた電子顕微鏡装置及び電子線描画装置

Info

Publication number: JP2011159602A
Application number: JP2010022655A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Fujieda; 正藤枝; Makoto Okai; 誠岡井; Suguru Oshima; 卓大嶋; Fukurai Cho; 福來趙
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2011-08-18
Anticipated expiration: 2030-02-04
Also published as: JP5063715B2; US20110186735A1

Abstract

【課題】現用のＺｒ／Ｏ／Ｗ電子源よりも電子放出面の仕事関数を減少させ、狭エネルギー幅かつ高電流密度の放出電子が得られ、長寿命な電子源を提供し、高分解能像が短時間に得られる電子顕微鏡や高スループットな電子線描画装置を実現する。
【解決手段】先端を針状にした金属からなる針状電極１０４と、前記針状電極を加熱する発熱体１０３からなる電子源において、前記電子源は前記発熱体により加熱可能な拡散源を有し、酸素を含むバリウム化合物と炭素粒子の混合物を拡散源１０６とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子源，電子銃、それを用いた電子顕微鏡装置及び電子線描画装置に関する。

高輝度かつ高安定な電子ビームが得られるショットキーエミッション電子源（以下、ＳＥ電子源）は、半導体プロセスにおける微細加工パターンの観察や寸法測定を行う測長用の走査型電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）や汎用の高分解能電子顕微鏡に搭載されている。現用のＳＥ電子源は、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ₂）からなる拡散源（以下、ＺｒＯ₂拡散源）が設置された軸方位が＜１００＞の単結晶タングステン針がＷフィラメントに接続されている（以下、Ｚｒ／Ｏ／Ｗ電子源）。このＷフィラメントを約１８００Ｋ程度に通電加熱することにより、ＺｒＯ₂拡散源が熱分解し、ジルコニウム（Ｚｒ）及び酸素（Ｏ）がＷ針表面を拡散し、Ｗ針先端の（１００）表面にＺｒ−Ｏ被覆層が形成される。これにより、（１００）の仕事関数が４.５ｅＶから約２.８ｅＶに低下し、微小な（１００）のみが電子放出領域になるので、従来の熱電子源よりも高輝度の電子ビームが得られる。さらに、この電子源は冷電界放出電子源よりも低い真空度でも安定に動作するとともに、表面清浄化のための加熱フラッシングが不要であるため、連続動作が可能であり、使い易いという特徴を有している。

ところで、電子源からエネルギー幅の狭い放出電子を得ることが、電子線応用装置の分解能向上のために必要である。前記Ｚｒ／Ｏ／Ｗの場合、エネルギー幅の狭いショットキー放出領域でのエネルギー幅は約０.４ｅＶである。ショットキー放出電子は熱励起されたものであるから、エネルギー幅を狭めるためには動作温度の低下が必要となる。しかし、動作温度の低下は放出電流を減少させるので、それを補うために仕事関数の減少が必要となる。

特許文献１では、酸素を含むアルカリ金属あるいはアルカリ土類金属の化合物に、原子番号３〜６，１１〜１６，１９〜３４，３７〜５３，５５〜８４，８８〜９４の元素、もしくはこれらの元素を含む化合物のうちの、一種類、もしくは二種類以上の混合物を還元剤として添加した拡散源を開示している。具体的には、炭酸バリウム（ＢａＣＯ₃），炭酸カルシウム（ＣａＣＯ₃），炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ₃）、および還元剤として、Ａｌ粉末を混合した拡散源の実施例が開示されている。この場合、１０００Ｋ程度の低温で動作し、前記Ｚｒ／Ｏ／Ｗよりも狭エネルギー幅な電子が放出するとともに、１００倍程度大きな放射角電流密度が得られることが開示されている。しかしながら、１０００Ｋ程度の動作温度では、電子放出が数時間しか継続せず、再度１５００Ｋ以上に加熱しなければならないためという問題があった。ＢａＯはそのままでは拡散しづらいが、金属Ｂａになると拡散し易くなることが知られている。１０００Ｋ程度における動作時間が短かった原因は、ＢａＯが十分熱分解されず、吸着物質であるＢａ，Ｏの生成量が不十分であったことにある。

特開平１１−２２４６２９号公報

本発明の目的は、現用のＺｒ／Ｏ／Ｗ電子源よりも電子放出面の仕事関数を減少させ、狭エネルギー幅かつ高電流密度の放出電子が得られ、長寿命な電子源を提供することにある。

上記目的を達成するため鋭意検討した結果、本発明者らは、先端を針状にした金属からなる針状電極と、前記針状電極を加熱する発熱体からなる電子源において、前記電子源は前記発熱体により加熱可能な拡散源を有し、酸素を含むバリウム化合物と炭素粒子の混合物を拡散源とした。これにより、１０００Ｋから１２００Ｋの動作温度で、狭エネルギー幅かつ高電流密度の放出電子が長時間得られることを見出した。

炭素粒子としては、好ましくは、フラーレン，カーボンナノチューブ，グラファイト，カーボンブラック，ケッチェンブラックのうちの少なくとも１種である。

本発明によれば、現用のＺｒ／Ｏ／Ｗ電子源よりも電子放出面の仕事関数を減少させ、狭エネルギー幅かつ高電流密度の放出電子が得られ、長寿命な電子源と、それを用いた電子銃，電子顕微鏡装置及び電子線描画装置を提供できる。

本発明の第１の実施例の説明図。（ａ）サプレッサ電極を配置した本発明の電子源を模式的に示す図。（ｂ）針状電極先端を模式的に示す図。（ｃ）拡散源の長寿命化を図った本発明のサプレッサ電極を配置した電子源を模式的に示す図。本発明の電子銃を模式的に示す図。本発明の電子銃を搭載した走査型電子顕微鏡を模式的に示す図。本発明の電子銃を搭載した電子線描画装置を模式的に示す図。

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。

本発明の第１の実施例について、図１を用いて説明する。

絶縁硝子１０１にロウ付けされた導電端子１０２に、Ｖ字型に成型された直径０.１２７mmのタングステン（Ｗ）フィラメントからなる発熱体１０３をスポット溶接により接続
した。その後、Ｗフィラメントの頂点に、直径０.１２７mmで、長さ方向の結晶方位が＜１００＞であるＷ＜１００＞単結晶をスポット溶接し、電解研磨によりその先端を曲率半径１μｍ程度に先鋭化して、針状電極１０４とした。また、針状電極先端以外からの熱電子放出を防ぐためのサプレッサ電極１０５を設置した。

次に、平均粒径数μｍの炭酸バリウム（ＢａＣＯ₃）に還元剤である平均粒径０.１μｍ〜１μｍのグラファイト粒子を１：１mol％の割合で混合したものを、エチルセルロースを含む有機溶媒に混ぜた。これらを超音波分散法により均一混合した後、有機溶媒をある程度揮発させてペースト状にしたものを拡散源１０６とし、針状電極１０４の中間部に塗布した。

なお、炭酸バリウムの最終分解物質であるバリウムの蒸発を抑制し、拡散源の長寿命化を図る目的で、図１（ｃ）に示すように、拡散源１０６をタングステン管１０７で覆うような構造としても良い。この場合、拡散源を支持するために、針状電極１０４を絶縁硝子１０１にロウ付けした方が良い。

その後、真空度１０^-6Ｐａ程度の真空中でＷフィラメントを通電加熱し、針状電極を６００Ｋ程度にし、前記拡散源中の水分，有機物を蒸発させた。

その後、真空度１０^-7Ｐａ程度の真空中でＷフィラメントを通電加熱し、針状電極を１１００Ｋ程度に加熱した。この状態で、針状電極先端に対向して電界放出パターンを観察するための蛍光板を配置し、蛍光板を接地したまま、針状電極に負の引出し電圧を印加した。なお、針状電極先端以外からの熱電子放出を防ぐためのサプレッサ電極を設置し、サプレッサ電極には針状電極に対して、数百Ｖの負電圧を印加した。

暫くすると、放出電流が徐々に増加してゆき、電子放射軸上の高輝度の電子放出パターンが出現した。これは、１１００ＫでＢａＣＯ₃がグラファイト粒子により還元され、遊離したＢａとＯが針状電極の先端へ拡散し、図１（ｂ）に示す先端中央の（１００）表面に優先的に吸着し、仕事関数が局所的に減少したためである。また、この状態が少なくとも１０００時間以上持続することを確認した。更に、蛍光板の後方に配置したファラデーカップにより放射角電流密度を測定した。その結果、同条件で測定したＺｒ／Ｗ／Ｏ電子源よりも１００倍程度大きな放射角電流密度が得られた。

比較のために、熱力学的には炭素よりも還元力の強いＳｉ，Ｔｉ，Ａｌ粉末を前記同様、それぞれＢａＣＯ₃に１：１mol％の割合で添加した拡散源を評価した。その結果、ＢａＣＯ₃とグラファイト粒子を混合した拡散源を用いた場合と同じ放射角電流密度が得られる温度が、１００Ｋ以上高かった。これは、Ｓｉ，Ｔｉ，Ａｌ等の金属微粒子は大気中に曝されると、粉末表面に酸化物が形成され、還元力が低下するためであると考えられる。

酸素を含むバリウム化合物としては、ＢａＣＯ₃の他に、ＢａＯ，Ｂａ(ＯＨ)₂、またはＢａＡｌ_xＯ_y（ｘ＜ｙ）等の複酸化物、更にはＢａＣＯ₃にＳｒＣＯ₃やＣａＣＯ₃等のＢａ以外の炭酸塩を複合添加したものが挙げられる。

酸素を含むバリウム化合物の還元剤である炭素粒子としては、グラファイト粒子の他に、フラーレン，カーボンナノチューブ，カーボンブラック，ケッチェンブラック等黒鉛結晶を含み、導電性を有する炭素粒子が好ましい。また、これら炭素粒子の粒径は、酸素を含むバリウム化合物粒子の粒径よりも小さい方が好ましい。なぜならば、バリウム化合物粒子に対する炭素粒子の添加割合が同じ場合、炭素粒子径がバリウム化合物粒子径よりも大きい場合、炭素粒子径が小さい場合に比べ、バリウム化合物粒子と炭素粒子の接触面積が減少し、還元反応効率が低下するとともに、炭素粒子と接触していないバリウム化合物が還元されずに残存し、拡散源の寿命がその分短くなるからである。

還元剤である炭素の酸素を含むバリウム化合物に対する割合は、０.１〜２.０mol％の範囲が好ましい。なぜならば、０.１mol％より少ない場合には、炭素粒子と接触しないバリウム化合物粒子が存在し、還元されずに残存する。２.０mol％より多い場合には、還元に寄与しない炭素粒子が存在し、その分ＢａＣＯ₃が減少し、拡散源の寿命が短くなるからである。

また、電子放出させる前に、拡散源から遊離するＢａやＯの針状電極先端への拡散を阻害する針状電極表面の付着物を除去するために、針状電極に正電位を印加して、針先端を電界蒸発により清浄化させた。この場合、清浄化しない場合に比べ、短時間で放出電流が安定化した。なお、１８００Ｋ以上の一般的な加熱フラッシングでは、拡散源中のバリウム化合物が消失してしまうという問題があった。

本発明の第２の実施例について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の電子銃を模式的に示す図である。

本発明の電子銃は、実施例１に記載の電子源２０１と、針状電極から電子を放出させる引出し電極２０２と、針状電極先端以外からの熱電子放出を防ぐためのサプレッサ電極２０３と、針状電極から放出された電子を加速する加速電極２０４と、Ｗフィラメントからなる発熱体２０９を通電加熱するための加熱電源２０８を備えている。引出し電極は、引出し電極電源２０５により、針状電極に対してプラス電圧を印加する。サプレッサ電極は、バイアス電源２０６により、針状電極に対してマイナス電圧を印加する。また、加速電極は、加速電極電源２０７により、針状電極に対してプラス電圧を印加する。なお、電子放出前に針状電極表面の付着物を除去する際には、引出し電極のみに、針状電極に対してマイナス電圧を印加する。

これにより、電子銃から狭エネルギー幅かつ高電流密度で、長期間安定な放出電流が得られる。

本発明の第３の実施例について、図３を用いて説明する。

図３は、本発明の電子銃を搭載した走査型電子顕微鏡の構成を模式的に示す図である。
電子銃３０１より放射される電子線は、コンデンサレンズ３０２および対物レンズ３０３を主とする電子光学部品類により、試料３０４上に焦点を結ぶ。なお、この電子軌道３０５も同時に示してある。この焦点位置を偏向器３０６によりスキャンし、試料から発生する二次電子を電子検出器３０７で検出し、電気信号に変換することによりＳＥＭ像が得られる。

本発明の電子銃を搭載することにより、従来の装置と比べて、高分解能な電子顕微鏡像が短時間に得られるとともに、長期的に安定動作する走査型電子顕微鏡を実現することができる。また、半導体プロセスにおける微細加工パターンの観察や寸法測定を行う測長用の走査型電子顕微鏡も図３と同様の構成であるため、電子銃３０１を搭載することにより、同様の効果を得ることができる。

ここでは、本発明の電子銃を搭載した電子顕微鏡装置として、図３に示す走査型電子顕微鏡の構成図を用いて説明したが、これに限定されず、本発明の電子銃の特性が十分引き出せる構成であれば、いかなる構成の装置にも適用できる。

本発明の第４の実施例について、図４を用いて説明する。

図４は、本発明の電子銃を搭載した電子線描画装置を模式的に示す図である。

電子線描画装置は、コンデンサレンズ４０２の間に、電子線をオン／オフするためのブランカー４０９を設ける点以外は、図３の走査型電子顕微鏡と同様の構成である。電子線描画装置は、電子線に感応する電子線レジストを塗布した試料４０４に細く絞った電子線を照射することにより、微細パターンを形成するものである。

本発明の電子銃４０１を搭載することにより、従来に比べ、描画速度が向上するとともに、高精細なパターンを描画することができる。

１０１絶縁硝子
１０２導電端子
１０３タングステンフィラメントからなる発熱体
１０４針状電極
１０５，２０３サプレッサ電極
１０６拡散源
１０７タングステン管
２０１電子源
２０２引出し電極
２０４加速電極
２０５引出し電極電源
２０６バイアス電源
２０７加速電極電源
２０８加熱電源
３０１，４０１電子銃
３０２，４０２コンデンサレンズ
３０３，４０３対物レンズ
３０４，４０４試料
３０５，４０５電子軌道
３０６，４０６偏向器
３０７，４０７電子検出器
３０８，４０８試料ステージ
４０９ブランカー

Claims

先端を針状にした金属からなる針状電極と、前記針状電極を加熱する発熱体からなる電子源において、
前記電子源は、前記発熱体により加熱可能な拡散源を有し、前記拡散源は、酸素を含むバリウム化合物と炭素粒子の混合物であることを特徴とする電子源。
請求項１において、前記炭素粒子が、フラーレン，カーボンナノチューブ，グラファイト，カーボンブラック及びケッチェンブラックから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする電子源。
請求項１または２において、前記拡散源における前記酸素を含むバリウム化合物に対する前記炭素の割合が、０.１〜２.０mol％であることを特徴とする電子源。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子源と、
前記電子源の前記針状電極の先端以外からの熱電子放出を抑制するためのサプレッサ電極と、
前記電子源から電子を放出させる引出し電極と、前記電子源から放出された電子を加速する加速電極と、
を具備することを特徴とする電子銃。
請求項４に記載の電子銃から放出される電子線を試料に照射し、前記試料の観察を行うことを特徴とする電子顕微鏡装置。
請求項４に記載の電子銃から放出される電子線を試料に照射し、前記試料に電子線による描画を行うことを特徴とする電子線描画装置。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子源の動作方法であって、前記電子源から電子放出させる前に、前記針状電極に正電位を印加して、前記針先端表面を清浄化させることを特徴とする電子源の動作方法。
請求項７において、前記電子源から電子放出させる際に、前記針状電極を１０００Ｋから１２００Ｋに加熱することを特徴とする電子源の動作方法。