JP3549005B2 - 電界放出型電子銃 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、走査型電子顕微鏡に用いられる電界放射型電子銃に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、走査電子顕微鏡における電子銃は、図５に示すように、陰極１である電界放射電子源（ＦＥチップ）から電子線を電界放出させて引き出す引出電極２と、陰極１から引き出された電子線を加速する加速電極３とから構成され、引出電極２及び加速電極３で形成された静電レンズ４が陰極１からの電子線を収束して、２次光源５を形成する。
【０００３】
ここで、陰極１に対して引出電極２に印加する電圧をＶ１、陰極１に対して加速電極３に印加する電圧をＶ２とし、引出電極２から陰極１までの距離をＬ１、引出電極２から２次光源５までの距離をＬ２とした場合に、Ｖ２／Ｖ１を変化すると２次光源５までの距離Ｌ２は、図６のように変化する。
【０００４】
すなわち、Ｖ２／Ｖ１＝１のとき、即ち等電位の時には、図６（Ａ）に示すように静電レンズの作用はなく、陰極１の位置から電子線が直線として放出され、２次光源５の位置は陰極１の位置と一致する。
【０００５】
Ｖ２／Ｖ１を１から増加又は減少させていくと２次光源５の位置は、図６（Ｂ）（Ｃ）に示すように陰極１の上方へ移動する。この上方の位置を図７に示すように虚像領域と呼ぶ。
【０００６】
さらに、Ｖ２／Ｖ１を増加又は減少させていくと、あるところで電子線は平行ビームとなる（図６（Ｄ）（Ｅ）参照）。このとき、２次光源５は上方の無限遠位置から手前側（下側）の無限遠位置へ移動する（図７参照）。
【０００７】
ここで、Ｖ２／Ｖ１を１から減少させた際に２次光源５が無限遠位置となったときのＶ２／Ｖ１の値を第１境界値Ａ１とし、又Ｖ２／Ｖ１を１から増加させた際に２次光源５が無限遠位置となったときのＶ２／Ｖ１の値を第２境界値Ａ２（Ａ１＜Ａ２）とする。さらに、Ｖ２／Ｖ１を増加又は減少させていくと、図７に示す実像領域に入るとともに２次光源５の位置は下から上の陰極１へ近かづいていく。そして、電子線は図６（Ｆ）（Ｇ）に示す状態となる。
【０００８】
走査型電子顕微鏡では、一般に２次光源５の位置が上述した虚像領域の範囲内となるように使用される。
【０００９】
走査型電子顕微鏡では、Ｘ線分析を効率よく行うため、加速電圧をある程度の分解能が得られるいわゆる高加速電圧（１５Ｋ〜３０ＫＶ）の範囲に設定して観察することが一般的である。その範囲で２次光源５が虚像領域となるように、電極形状が形成されている。しかし、第１境界値Ａ１を低くする試みは、ほとんどなされていなかった。
【００１０】
ところで、近年、非導電性の試料を直接観察したいという要望がでてきている。
【００１１】
この場合には、上述の通常の加速電圧で使用すると試料表面に電荷が蓄積（帯電現象）し、このため像のひずみや異常なコントラストが生じる等の弊害がある。この弊害を防止するために、より低い低加速電圧（１〜５ＫＶ）で観察することが要求され、電子銃の第１境界値Ａ１の値を小さくしなければならないという要求が高まってきた。
【００１２】
一方、電界放出型チップは、加速電圧が低くても、熱電子銃に比べ輝度が高く、見掛上の光源の大きさも小さいため、観察には十分な分解能を確保することが出来る利点がある。しかし、従来のタングステンタイプの電子銃の電極構造と組み合わせた場合、要求される低加速電圧域において、２次光源が実像域に移動したり、高加速電圧での２次光源位置から大きく隔たったりする。このため、電子レンズ系の構成を大幅に変更しなければならないなどの問題が生じる。
【００１３】
そこで、電界放出型チップを従来のタングステンタイプの電子銃の電極構造と組み合わせた場合でも、タングステンタイプの電子レンズ系の構成を変更せずに済むように、虚像領域を広げる電極構造が提案されている（特開平１−１８９８４３号公報参照）。
【００１４】
この提案された引出電極は、加速電極側の下面が凸の円錐形状であると共に、その円錐形状の頂点に凹状の円柱形の窪みを有し、その窪みの中心部に電子線が通過する孔を有している。
【００１５】
また、加速電極は、引出電極側の上面に円錐形の凹部が形成され、さらにこの円錐形の頂点側に連続形成された円柱形窪みを有し、この円柱窪みの中心部に電子線が通過する孔が形成されている。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、引出電極および加速電極は複雑な形状であり、精密に加工することが容易でないという問題があった。
【００１７】
この発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、虚像領域を拡大することができ、しかも、単純な形状の電極とすることのできる電界放出型電子銃を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記目的を達成するため、電子線を電界放出する陰極と、
前記陰極から電子線を電界放出させて引き出すための電界を前記陰極との間に形成する引出電極と、
前記陰極から電界放出されて前記引出電極を通過する電子線を加速する加速電極とを備えた電界放出型電子銃において、
前記陰極から引き出された電子線が通過する第１孔を前記引出電極の中心部に設け、
前記加速電極と対向する引出電極の下面を平面状に形成し、
前記引出電極と対向する加速電極の上面の中央に円柱状の凹部を設け、
前記凹部の底の中心部に前記電子線が通過する第２孔を設け、
前記引出電極の前記下面と、前記加速電極の前記上面との間の間隔をｈ２とし、前記加速電極の凹部の深さをｈ１とし、その凹部の内径をＤとしたとき、
１．７≦Ｄ／ｈ２
０．８≦ｈ１／Ｄ
となる関係を有することを特徴とする。
【００１９】
【実施例】
以下、この発明に係わる走査型電子顕微鏡の電界放射型電子銃の実施例を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１において、１１は電界放射型電子銃１０の陰極（ＦＥチップ）、１２は陰極１１から電子線を電界放出させて引き出すための電界を前記陰極との間に形成する引出電極、２０は引出電極１２を通過する電子線を加速する加速電極である。
【００２１】
［引出電極］
引出電極１２の中心部には、電子線が通過する内径ｄ１の第１孔１４が設けられ、加速電極に対向する下面１２ｃが平面状に形成されている。第１孔１４の内径ｄ１は電子線が通過する程度の径であれば足りる。一般的には１ｍｍ〜３ｍｍ程度である。
【００２２】
また、引出電極１２の厚さＨは１ｍｍ〜２ｍｍ程度である。
【００２３】
この引出電極１２には、陰極１１からの放出電流が所定の値（一例として略１０μＡ）となるように引出し電圧Ｖ１（通常３〜７ＫＶ）が印加される。
【００２４】
［加速電極］
引出電極１２に対向する加速電極２０の上面２０ａには、円柱状の凹部２１が設けられており、この凹部２１の中心部には電子線が通過する第２孔２２が設けられている。ここで、凹部２１の深さをｈ１、加速電極２０の凹部２１の内径をＤ、第２孔２２の径をｄ２、加速電極２０の上面２０ａと引出電極１２の下面１２ｃとの間隔をｈ２とする。また、加速電極２０の下面２０ｂは平面状に形成されている。
【００２５】
第２孔２２の内径ｄ２は、凹部２１の内径Ｄよりも小さく設定され（ｄ２＜＜Ｄ）、電子線が通過する程度であれば足り、一般的に数ｍｍ程度とされる。
【００２６】
このように、引出電極１２には第１孔１４を設けただけであり、また加速電極２０には円柱状の凹部２１と第２孔２２を設けただけなので各電極１２，２０の形状は単純なものであり、その加工は容易なものとなる。
【００２７】
加速電極２０には、陰極１１からの電子線を所定速度に加速するために加速電圧Ｖ２が印加される。そして、上述した引出電極１２及び加速電極２０で形成された静電レンズ２５が陰極１１から引き出された電子線を収束して、２次光源２５を形成する。
【００２８】
ここで、陰極１１に対して引出電極１２に印加する電圧をＶ１（１０００Ｖ）、陰極１１に対して加速電極２０に印加する電圧をＶ２とし、引出電極１２と陰極１１との距離をＳ０（Ｖ２／Ｖ１＝１のときの２次光源２５の距離）、Ｖ２／Ｖ１を変化させたときの引出電極１２と２次光源２５までの距離をＳとする。
【００２９】
このときの２次光源像２５の位置変化比Ｓ／Ｓ０は、磁場が存在しないことに留意しつつ、与えられた電極形状に関して有限要素法を利用して電極間の電位関数を得て、これに基づき下記近軸軌道方程式を解いて求められる。
【００３０】
有限要素法とは、電極形状に合わせて空間を微小な三角形で分割し、その中での電位の変化が１次関数で表されるようにとり、各要素でのエネルギー△Ｆを計算し、これを全空間について和をとり、その最小条件を作ることで電位関数を得るものである。
【００３１】
磁場が存在しないときの近軸軌道方程式は、
Ｕ´´＋（Φ´／２Φ）Ｕ´＋（Φ´´／４Φ）Ｕ＝０
で表される。
【００３２】
ただし、Ｕは、回転座標Ｘ，ＹをＵ＝Ｘ＋ｊＹとして与えたものであり、Φは電位関数を示す。
【００３３】
ここで、Ｖ１＝１０００Ｖ，
Ｄ＝４５ｍｍ
ｈ１＝７０ｍｍ
ｈ２＝１０ｍｍ
Ｓ０＝４ｍｍ
ｄ１，ｄ２＜＜Ｄ
とし、引出電極１２の印加電圧と加速電極２０の印加電圧の比Ｖ２／Ｖ１を変化させたときの２次光源像２５の位置変化比Ｓ／Ｓ０を上記近軸軌道方程式で求めた結果を図２に示す。
【００３４】
一般に、引出し電圧Ｖ１は、チップ先端（陰極１１先端）の曲率半径によって異なるが、放出電流が略１０μＡとなるように、通常３〜７ＫＶの間で使用される。一方、加速電圧Ｖ２は、高加速電圧（１５Ｋ〜３０ＫＶ）から低加速電圧（１〜５ＫＶ）の範囲で使用される。
【００３５】
これを考慮して、通常の走査型電子顕微鏡では、Ｖ２／Ｖ１が０．１〜１０の範囲で使用されている。
【００３６】
図２において、高加速電圧領域の上限値（Ｖ２／Ｖ１＝１０）付近について、考察してみると、Ｖ２／Ｖ１＝１０において、仮想電極である２次光源２５の位置Ｓと実際の電極位置Ｓ０との比（Ｓ／Ｓ０）は２．３５であり、Ｖ２ ／Ｖ１＝１５においてでさえＳ／Ｓ０は３．４のように十分小さい値をとる。
【００３７】
他方、低加速電圧領域の下限値（Ｖ２／Ｖ１＝０．１）付近について、考察してみると、Ｖ２／Ｖ１＝０．１において、仮想電極の像位置Ｓと実際の電極位置Ｓ０との比（Ｓ／Ｓ０）は４．７８であり、Ｖ２ ／Ｖ１＝０．０８におけるＳ／Ｓ０でも、６．４９のように１０よりも十分小さい値をとり、加速電圧を変更しても２次光源２５の位置は大きく変わらない良好な特性を示すことが分かる。
【００３８】
［適用範囲］
一般に、電子光学において、磁界がないときすべての電極電圧を同じ倍率で変えても電子の軌道は変わらず、電極電圧を変えないで電極寸法を同じ倍率で拡大、縮小すると軌道も同じ倍率で拡大・縮小されるという、相似則が適用できることが知られている。
【００３９】
そこで、電極形状の許容範囲を求めるため、通常の走査型電子顕微鏡において使用されるＶ２／Ｖ１をパラメータとし、そのパラメータの下限値を０．１、そのパラメータの上限値を１０として、加速電極２０の凹部２１の内径Ｄと、引出電極１２の下面１２ｃと加速電極２０の上面２０ａとの間隔ｈ２との比（Ｄ／ｈ２）と、加速電極２０の凹部２１の深さｈ１と加速電極２０の凹部２１の内径Ｄとの比（ｈ１／Ｄ）とを用いて、２次光源２５の位置の変化比の特性を近軸軌道方程式から求めた結果を図３に示す。
【００４０】
ここでは、Ｖ２／Ｖ１＝０．０８とＤ／ｈ２＝１．４を一定にしてｈ１／Ｄを変化させていったときのＳ／Ｓ０を求め、同様にして、Ｄ／ｈ２＝１．７１、Ｄ／ｈ２＝２、Ｄ／ｈ２＝２．６、Ｄ／ｈ２＝３．１、Ｄ／ｈ２＝３．７を一定にしてｈ１／Ｄを変化させていったときのＳ／Ｓ０を求めた。
【００４１】
また、同様に、Ｖ２／Ｖ１＝１０のとき、Ｄ／ｈ２＝１．４、Ｄ／ｈ２＝１．７１、Ｄ／ｈ２＝２、Ｄ／ｈ２＝２．６、Ｄ／ｈ２＝３．１、Ｄ／ｈ２＝３．７を一定にしてｈ１／Ｄを変化させていったときのＳ／Ｓ０を求めた。
【００４２】
図３を参照すると、低加速電圧領域の下限値近傍（Ｖ２／Ｖ１＝０．０８）においてｈ１／Ｄの値が小さすぎると２次光源２５の位置変化比Ｓ／Ｓ０が著しく大きくなり、またＤ／ｈ２の値が小さすぎると、どのようなｈ１／Ｄの値をとっても、２次光源２５の位置変化比Ｓ／Ｓ０が１０以下の値をとれない。
【００４３】
従って、ｈ１ ／Ｄ≧０．８、Ｄ／ｈ２≧１．７の範囲の電極形状を採用すれば、低加速電圧領域の下限値近傍のＶ２／Ｖ１＝０．０８付近においても、２次光源の位置変化比Ｓ／Ｓ０がさほど大きくなく十分使用可能な電子銃を形成することができる。すなわち、低加電圧速領域の下限値をＶ２／Ｖ１＝１からＶ２／Ｖ１＝０．０８まで下げることができ、虚像領域が広がることとなる（但し、ｈ１，ｈ２，Ｄ≠０とする）。
【００４４】
この低加速電圧領域の下限値を小さくすることができることにより、非導電性の試料上に電子線を連続して収束させても帯電現象を生じさせずに済み、この結果、像のひずみや異常なコントラストを生じさせることなく非導電性の試料を直接観察することができることとなる。
【００４５】
また、特にｈ１／Ｄの値を１．２≦ｈ１／Ｄ≦４とすれば、Ｄ／ｈ２の値を変化、すなわち引出電極１２の下面１２ｃと加速電極２０の上面２０ａとの間隔ｈ２の値を変えても２次光源２５の位置変化比Ｓ／Ｓ０の値は大きく変化しない。これは、低加電圧速領域の下限値近傍から高加速電圧領域の上限値近傍（Ｖ２／Ｖ１＝１０）までの範囲について云える。
【００４６】
この２次光源２５の位置変化比Ｓ／Ｓ０の値はさほど大きく変わらないことにより、２次光源２５の位置の移動にともなう加速電極２０の後の後段のレンズ系での補正の負担を軽減することができる。
【００４７】
また、Ｄ／ｈ２の値を２≦Ｄ／ｈ２≦３．１の範囲とすれば、ｈ１を変化させても、２次光源の位置変化比Ｓ／Ｓ０の値の変化はさらに小さなものとなる。このため、２次光源２５の位置の移動にともなう加速電極２０の後の後段のレンズ系での補正の負担をさらに軽減することができる。
【００４８】
さらに、ｈ１／Ｄの値を１．２≦ｈ１／Ｄ≦４の範囲とし、かつＤ／ｈ２の値を２≦Ｄ／ｈ２≦３．１の範囲とすれば、２次光源２５の位置変化比Ｓ／Ｓ０の値はほとんど一定となり、このためｈ１，ｈ２又はＤのいずれか一つの自由度が増えることとなり、設計上の選択の自由度が増えるという効果がある。
【００４９】
従って、この場合の電極形状は、形状自体が単純で製作し易いだけでなく、その製作精度も厳しい要求がなされない。また、２次光源２５の位置変化比Ｓ／Ｓ０の値はほとんど一定であるため、２次光源２５の位置の移動にともなう加速電極２０の後の後段のレンズ系での補正は不要となる。
【００５０】
図５は他の実施例を示すものである。この実施例では加速電極２０の上面２０ａを、半径ｒのＲ状に形成したものである。このＲ状により放電防止効果を図ったものである。
【００５１】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、電子線が通過する第１孔を引出電極の中心部に設け、加速電極と対向する引出電極の下面を平面状に形成し、前記引出電極と対向する加速電極の上面の中央に円柱状の凹部を設け、前記凹部の底の中心部に前記電子線が通過する第２孔を設けただけなので、引出電極および加速電極の形状は単純な形状なものである。
【００５２】
また、請求項１の発明によれば、高加速電圧領域の上限値をある程度の大きさに保ちつつ、低加速電圧領域の下限値を小さくすることができるので、高加速電圧領域から低加速電圧領域までの広い範囲を２次光源位置の虚像領域とすることができる。また、低加速電圧領域の下限値を小さくすることができるので、電子銃以降の集束レンズ系などによって非導電性の試料上に電子線を連続して収束させることができる。
【００５３】
さらに、１．７≦Ｄ／ｈ２、２≦ｈ１／Ｄ２の範囲では２次光源の位置変化比Ｓ／Ｓ０の値はさほど大きく変わらないので、２次光源位置の移動にともなう後段のレンズ系での補正の負担を軽減することができる。
【００５４】
請求項２の発明によれば、２≦Ｄ／ｈ２≦３．１なので、２次光源の位置変化比Ｓ／Ｓ０の値をさらに小さくすることができ、２次光源位置の移動にともなう後段のレンズ系での補正の負担をさらに軽減することができる。
【００５５】
請求項３の発明によれば、２≦ｈ１／Ｄ≦３．５なので、２次光源の位置変化比Ｓ／Ｓ０の値は殆ど一定となり、２次光源位置の移動にともなう後段のレンズ系での補正は不要となる。また、２≦Ｄ／ｈ２≦３．１の範囲内であれば、２次光源２５の位置変化比Ｓ／Ｓ０の値はほとんど一定となり、このためｈ１，ｈ２又はＤのいずれか一つの自由度が増えることとなり、設計上の選択の自由度が増える。また、この場合の電極形状は、形状自体が製作し易いだけでなく、その製作精度も緩いもので済むこととなる。
【００５６】
請求項４の発明によれば、加速電極の上面をＲ状に形成したので、放電防止効果が得るれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係わる電界放出型電子銃の構成を示した説明図である。
【図２】引出電極電圧と加速電極電圧の比と、陰極位置と２次光源位置の比との関係を表わしたグラフである。
【図３】２次光源像位置変化の特性を示したグラフである。
【図４】他の実施例を示した説明図である。
【図５】従来の電界放出型電子銃の構成を示した説明図である。
【図６】（Ａ）はＶ２／Ｖ１＝１のときの電子線の状態を示した説明図である。
（Ｂ）はＶ１＞Ｖ２のときの電子線の状態を示した説明図である。
（Ｃ）はＶ１＜Ｖ２のときの電子線の状態を示した説明図である。
（Ｄ）は電子線が平行ビームとなっている状態を示した説明図である。
（Ｅ）は電子線が平行ビームとなっている状態を示した説明図である。
（Ｆ）２次光源が実像領域に入っているときの電子線の状態を示した説明図である。
（Ｇ）２次光源が実像領域に入っているときの電子線の状態を示した説明図である。
【図７】Ｖ２／Ｖ１に対する２次光源位置を示す説明図である。
【符号の説明】
１１ 陰極
１２ 引出電極
１２ｃ 下面
１４ 第１孔
２０ 加速電極
２０ａ 上面
２１ 凹部
２２ 第２孔
Ｄ 凹部の内径
ｈ１ 凹部の深さ
ｈ２ 間隔

Claims (4)

1. 電子線を電界放出する陰極と、
   前記陰極から電子線を電界放出させて引き出すための電界を前記陰極との間に形成する引出電極と、
   前記陰極から電界放出されて前記引出電極を通過する電子線を加速する加速電極とを備えた電界放出型電子銃において、
   前記陰極から引き出された電子線が通過する第１孔を前記引出電極の中心部に設け、
   前記加速電極と対向する引出電極の下面を平面状に形成し、
   前記引出電極と対向する加速電極の上面の中央に円柱状の凹部を設け、
   前記凹部の底の中心部に前記電子線が通過する第２孔を設け、
   前記引出電極の前記下面と、前記加速電極の前記上面との間の間隔をｈ２とし、前記加速電極の凹部の深さをｈ１とし、その凹部の内径をＤとしたとき、
   １．７≦Ｄ／ｈ２
   ０．８≦ｈ１／Ｄ
   となる関係を有することを特徴とする電界放出型電子銃。
2. 前記内径Ｄと前記間隔ｈ２との比が
   ２≦Ｄ／ｈ２≦３．１
   となる関係を有することを特徴とする請求項１に記載の電界放出型電子銃。
3. 前記深さｈ１と前記内径Ｄとの比を
   １．２≦ｈ１／Ｄ≦３．５
   となる関係を有することを特徴とする請求項１ないし請求項２に記載の電界放出型電子銃。
4. 前記加速電極の上面をＲ状に形成したことを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の電界放出型電子銃。

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