JP3553359B2

JP3553359B2 - 電子線源

Info

Publication number: JP3553359B2
Application number: JP06198298A
Authority: JP
Inventors: 幸松谷
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1998-02-27
Filing date: 1998-02-27
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2018-02-27
Also published as: JPH11250845A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子顕微鏡などに用いる電子線源に関し、特に電子線源の電子光学的輝度や陰極の寿命等を直接指定できるようにした電子線源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子顕微鏡等の電子線源には様々なタイプのものがあるが、安定した電子線電流を得るため、金属の熱電子放出を利用した陰極が広く用いられている。ところで、金属の熱電子放出を利用する従来の電子線源においては、線源の電子光学的な輝度βや陰極（カソード）の寿命τなどを、操作表示部に数値的にあるいは視覚的に直接指定する機能を備えていない。したがって、例えば、線源の輝度βを変更する場合には、陰極先端とウエーネルト（グリッド）との距離を手動で変えるか、又は陰極とウエーネルト間の電圧（バイアス電圧）の設定を手動で変えることによって、試行錯誤的にエミッション電流を変え、このエミッション電流の大きさから線源の輝度βの大小を経験的に決めている。また、陰極の寿命に関しては、陰極の加熱量を示す加熱量設定つまみの位置やコード番号の値、あるいは陰極電流の大小関係を読み取ることによって、陰極寿命の長短を経験的に決めている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電子線源においては、上記のように電子線源の輝度βや、陰極の寿命τ等を、操作表示部において数値的あるいは視覚的に直接指定することができないため、電子線源の他のファクタの数値や条件に基づいて、これらの輝度βや寿命τを経験的に類推するしかなく、これらの輝度βや寿命τを他のファクタの数値や条件に基づいて類推する場合でも、定量的な情報が直接的に操作表示部に示されないため、これらの輝度βや寿命τの大小関係を直接的に確認することができないという問題があった。このように、オペレータにとって重要な数値が間接的にしか類推できないということは、オペレータにとって電子線源の操作運用を困難ならしめている。
【０００４】
本発明は、従来の電子線源における上記問題点を解消するためになされたもので、電子線源の輝度あるいは陰極の寿命を直接指定することができ、操作性を向上させた電子線源を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、本発明は、陰極と、陰極加熱装置と、前記陰極からの熱電子放出を制御するバイアス電圧を印加する電極と、陽極とを備えた電子線源において、予め設定された加速電圧のもとで、陰極の寿命を指定する手段又は電子線源の電子光学的輝度を指定する手段と、前記陰極寿命指定手段又は電子光学的輝度指定手段の指定値に基づいて前記陰極加熱装置の加熱量を設定制御する手段とを備えていることを特徴とするものである。
【０００６】
このように、陰極の寿命を指定する手段又は電子線源の電子光学的輝度を指定する手段と、陰極寿命指定手段又は輝度指定手段の指定値に基づいて陰極加熱装置の加熱量を設定制御する手段とを備えているので、陰極の寿命を直接指定するか又は電子線源の輝度を直接設定して陰極加熱を制御することができ、操作性を向上させた電子線源を実現することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、実施の形態について説明する。図１は、本発明に係る電子線源の実施の形態を示す概略構成図である。図１において、１は陰極で、該陰極１は陰極加熱電源２によって加熱されるようになっており、この陰極加熱電源２には陰極加熱電流をモニタする装置が含まれている。また、陰極１に電位（−Ｖａ）を供給するため、陰極加熱電源２はバイアス切換装置３を介して高圧電源４に接続されている。そして、高圧電源４と陰極加熱電源２との間には帰還抵抗５が接続されており、エミッション電流Ｉｅが変化しても陰極１の電位（加速電圧Ｖａに対応）が一定に保たれるようになっている。６はウエーネルトで、陰極１からの熱電子放出を制御するバイアス電圧（−Ｖｇ）が印加されている。７は陽極で接地されており、陽極７と陰極１との間の電位差が加速電圧Ｖａになる。また、高圧電源４には陰極１から放出されるエミッション電流Ｉｅを検出するためのエミッション電流検出器８が接続されている。なお、図１において、Ｉ_Ｌはバイアス切換装置３を流れる電流、Ｉ_Ｏは帰還抵抗５を流れる電流である。
【０００８】
９は操作表示部・制御部で、コンピュータ制御装置又はこれに相当する機能を含むもので、該操作表示部・制御部９は信号線１０を介して陰極加熱電源２，バイアス切換装置３，高圧電源４に接続されており、電子線の加速電圧Ｖａの指定部や、電子線源の輝度β及び陰極の寿命τの指定部、並びにこれらの表示部、更にはこれらの指定に基づく陰極加熱電流の設定制御、バイアス切換装置の切り換え制御、陰極加熱電流のモニタ信号の読み込み、エミッション電流の読み込み等の動作を行うようになっている。
【０００９】
次に、このように構成されている電子線源における電子線源の輝度β及び陰極の寿命τの指定の原理について説明する。一般に、金属の熱電子放出を利用した陰極において、陰極の温度をＴ〔Ｋ〕，陰極の材質によって決まる仕事関数をφ［ｅＶ］とすると、熱電子放出による陰極の電流密度Ｊｓ［Ａｃｍ^−２］は、次式（１）で示すＲｉｃｈａｒｄｓｏｎ−Ｄｕｓｈｍａｎの公式で与えられる。
Ｊｓ＝ＡＴ^２ｅｘｐ（−φ／ｋＴ）・・・・・・・・・（１）
ここで、Ａは常数で、理論値はＡ＝１２０．４Ａｃｍ^−２Ｋ^−２であるが、陰極の表面状態によって変化することが知られている。なお、ｋはＢｏｌｔｚｍａｎｎ定数（＝８．６１７×１０^−５ｅＶＫ^−１）である。
【００１０】
ところで、電子線源の電子光学的な輝度β〔Ａｃｍ^−２ｓｒ^−１〕は、単位面積・単位立体角内に得られるビーム電流Ｉｐ［Ａ］として定義されている。電子線源の実質的な光源としての有効半径をｒ［ｃｍ］，ビームの開き各（半頂角）をα［ｒａｄ］とすると、光源の電流密度は、Ｊ＝Ｉｐ／（πｒ^２）に相当するため、αが小さい場合には、次式（２）が与えられる。
β＝Ｊ／（πα^２）・・・・・・・・・・・・・・・（２）
【００１１】
一方、電子に対する加速電圧をＶａ，電子の電荷の絶対値をｅ〔Ｃ〕とすると、電子線をレンズ系を用いて集束しても、得られる最大電流密度Ｊｍ［Ａｃｍ^−２］は、Ｌａｎｇｍｕｉｒの熱的制限による式で制限されるため、αが小さい場合には、次式（３）で表される。
Ｊｍ＝Ｊｓ（１＋ｅＶａ／ｋＴ）ｓｉｎ^２α≒Ｊｓ（ｅＶａ／ｋＴ） α^２・・・・・・（３）
したがって、電子光学的な理論的最大輝度は、次式（４）で表される。
β＝Ｊｍ／πα^２≒（Ｊｓ／π）・（ｅＶａ／ｋＴ）・・・・・（４）
【００１２】
したがって、加速電圧Ｖａにおいて、輝度βの値を指定すれば、（１），（４）式から陰極の温度Ｔが定まる。すなわち、（１）式を（４）式に代入し、数値計算により温度Ｔが求められる。例えば、陰極として線径が約０．１ｍｍのタングステンのヘアピン型のフィラメントを用いた場合、φ＝４．４ｅＶ，Ａ＝１２０Ａｃｍ^−２Ｋ^−２，Ｖａ＝２５ｋＶと仮定すると、輝度β＝０．８６×１０^５及び３．７×１０^５〔Ａｃｍ^−２ｓｒ^−１〕に対する陰極の温度Ｔは、それぞれ２６００及び２８００〔Ｋ〕となる。この温度Ｔは、陰極加熱電源２に設定された加熱量を示す値Ｆｃ（例えば加熱電流Ｉｆや加熱電圧Ｖｆに相当）によって設定できる。より正確な加熱を行うには、実際に流れた加熱電流Ｉｆをモニタして所定の加熱量とすればよい。
【００１３】
陰極から放出される電子の量（エミッション電流Ｉｅ，すなわち陰極の電流密度Ｊに陰極微小表面積ｄｓを乗じた積分値∫Ｊｄｓ）を決めるファクタには、陰極の温度Ｔの他に、陰極１の電位（−Ｖａ）とウエーネルト６の電位（−Ｖｇ）がある。すなわち、図２に示すように、Ｖａを大又はＶｇを小とするとエミッション電流Ｉｅが大きくなり、Ｖａを小又はＶｇを大とするとエミッション電流Ｉｅは小さくなる。また通常は、安定なエミッション電流Ｉｅを得るために、図２に示すように、温度Ｔの変化でエミッション電流Ｉｅが大幅に変化する温度制限領域ではなく、温度Ｔが多少変化してもエミッション電流Ｉｅがあまり変化しない空間電荷制限領域で使用される。
【００１４】
前記陰極加熱電源２に設定された加熱量を示す値Ｆｃ付近に対応する温度Ｔが、陰極の電子放出が温度制限領域から空間電荷制限領域に移る部分（飽和点、図２において点線で示す部分）であれば、指定された電子線源の輝度βが陰極の加熱し過ぎなしに得られる。この表面の各温度Ｔにおける電流密度Ｊｓから、陰極の形状（特に表面積）に応じた、すなわち各電流密度Ｊｓに表面積ｄｓを乗じた積分値∫Ｊｓｄｓより、エミッション電流Ｉｅが得られる。
【００１５】
例えば、線径が約０．１ｍｍのヘアピン型のタングステンフィラメントの場合、Ｔ＝２６００及び２８００〔Ｋ〕に対して、それぞれ電流密度Ｊｓ＝２及び１０〔Ａｃｍ^−２〕が得られ、これら電流密度に対応して、装置に固有な値ではあるが、それぞれエミッション電流Ｉｅ＝２０及び１００〔μＡ〕が近似的に求められる。したがって、加速電圧Ｖａと電子線源の輝度βを指定することにより、これらの指定値を満たすエミッション電流Ｉｅが定められることになる。
【００１６】
また、陰極の温度Ｔと陰極の蒸発率Ｒｔの関係や、陰極の蒸発率Ｒｔと陰極の寿命τについては、様々な文献で紹介がなされている。例えば、線径が０．１ｍｍのヘアピン型のタングステンフィラメントの場合は、温度Ｔ＝２６００及び２８００〔Ｋ〕に対して、それぞれ陰極の寿命τ＝６００及び５０〔ｈｏｕｒ〕が近似的に得られる。逆に、寿命τの値を指定することにより、陰極の蒸発率Ｒｔと温度Ｔが定まり、この温度Ｔと加速電圧Ｖａから、陰極の輝度βと電流密度Ｊｓが求められ、設定すべきエミッション電流Ｉｅが定められる。
【００１７】
以上、電子線源における輝度β及び陰極の寿命τの指定の原理について説明したが、次に、図１に示した実施の形態における電子線源の輝度β及び陰極の寿命τの具体的な指定動作について説明する。まず、電子線源の輝度βを指定する場合について説明する。与えられた加速電圧Ｖａ＝Ｖａ_１に対し、操作表示部・制御部９の指定部において電子線源の輝度β＝β_１を数値で（又は輝度が高、中、低などと感覚的に）指定し表示する。この輝度β_１の指定により、操作表示部・制御部９においては、加速電圧Ｖａ_１，輝度β_１という条件下で、陰極加熱電源２による陰極加熱が飽和点から著しく離れた加熱にならないように、陰極加熱電流Ｉｆ_１＝Ｉｆ（Ｖａ_１，β_１）を、加速電圧Ｖａと輝度βのテーブルＴＡから選び出し、陰極加熱電源２に設定を指令する。
【００１８】
次に、操作表示部・制御部９において、指定輝度β_１が得られるエミッション電流Ｉｅ_１＝Ｉｅ（Ｖａ_１，β_１）を、加速電圧Ｖａと輝度βのテーブルＴＢから選び出す。そして、この選び出されたエミッション電流Ｉｅ_１に最も近いエミッション電流が流れるように、バイアス切換装置３に対してバイアスの切り換えを指令する。図１に示す最も簡単な実施の形態においては、複数個のバイアス抵抗の中から適切な抵抗値のものを選ぶことにより、所定のバイアスの設定を行う。
【００１９】
実際のエミッション電流Ｉｅｓは、エミッション電流検出器８で検出され、操作表示部・制御部９は、検出したエミッション電流Ｉｅｓの値が、前記テーブルＴＢから選び出されたエミッション電流Ｉｅ_１より大きければ、バイアス切換装置３のバイアス抵抗値を大きい方に切り換えて、エミッション電流を小さくし、検出エミッション電流Ｉｅｓが選出エミッション電流Ｉｅ_１より小さければ、バイアス切換装置３のバイアス抵抗値を小さい方に切り換えて、エミッション電流を大きくするように、バイアス切換装置３へ指令を行う。そして、操作表示部・制御部９は、サンプリングした検出エミッション電流Ｉｅｓのうち、｜（Ｉｅｓ−Ｉｅ_１）／Ｉｅ_１｜の値が最も小さくなるようなバイアス抵抗値を選び、バイアス切換装置３にこの抵抗値の設定の指令をする。
【００２０】
この後、陰極１の加熱し過ぎを避けて陰極１の寿命を伸ばすため、必要に応じて電子線源の飽和点判定を実施することができる。本実施の形態においては詳細な説明は省略するが、この飽和点の判定は、陰極温度Ｔの変化に対するエミッション電流Ｉｅや電子ビーム電流の変化分を測定して行うものであり、この飽和点の設定は自動的に行うこともできる。この飽和領域では陰極加熱を変更してもエミッション電流の変化は少ないので、最初に指定した輝度がこの段階でずれることは実質的にない。以上のようにして、電子線源の輝度を、陰極の寿命を必要以上に縮めることなく指定することができる。
【００２１】
次に、陰極の寿命の指定について説明する。操作表示部・制御部９において陰極１の寿命τ＝τ_１を指定すると、寿命までの陰極１の蒸発率Ｒｔが指定されたことになる。この蒸発率Ｒｔを与える陰極温度Ｔは、陰極１の材質によって決まる。次に、これにより決まる陰極温度Ｔと、与えられた加速電圧Ｖａ＝Ｖａ_１に対し、陰極の各材質に関して使用可能な電子線源の輝度β_１が、β_１＝β（Ｖａ_１，τ_１）として、加速電圧Ｖａと寿命τのテーブルＴＣから求められる。使用可能な輝度β_１が求められると、先に述べた手順に従って目的とする陰極加熱を行うことができる。
【００２２】
上記実施の形態の説明においては、電子線源の電子光学的な輝度βや陰極の寿命τを指定して陰極の加熱条件を設定するようにした構成のものを示しているが、前記の説明から明らかなように、輝度βや寿命τを指定する代わりに、予め設定された加速電圧Ｖａのもとで、エミッション電流Ｉｅを指定して、このエミッション電流Ｉｅで飽和点付近になるように陰極を加熱することもできる。すなわち、指定されたエミッション電流Ｉｅ_１に最も近いエミッション電流が流れるようにバイアス切換装置３に対してバイアスの切り換えを指令して、陰極の加熱を行うことができる。
【００２３】
また、上記実施の形態においては、例えばタングステンなど単一の材質で構成した一種類の陰極を用いている場合について説明を行ったが、陰極の材質を操作表示部・制御部９で指定し表示できるようにし、そして指定した材質の陰極に適するように、飽和点からあまり離れていない陰極加熱電流Ｉｆ_１＝Ｉｆ（Ｖａ_１，β_１）を求めるテーブルＴＡ，エミッション電流Ｉｅ_１＝Ｉｅ（Ｖａ_１，β_１）を求めるテーブルＴＢ，輝度β_１＝β（Ｖａ_１，τ_１）を求めるテーブルＴＣを、それぞれ切り換えて用いるように構成することもできる。
【００２４】
また、上記実施の形態においては、加速電圧Ｖａと共に電子線源の輝度β，又は陰極の寿命τを指定して表示するようにしたものを示したが、図３に示すように加速電圧Ｖａと共に電子線源の輝度βを指定した場合、陰極の温度Ｔが定まり、陰極温度Ｔが定まると陰極の材質により蒸発率Ｒｔが定まり、したがって、陰極の寿命τが定まることになるので、指定した電子線源の輝度βと共に寿命τを表示するように構成することができる。また同様に、加速電圧Ｖａと共に陰極の寿命τを指定し表示した場合には、これらの条件下で得られる輝度βを同時に表示することができる。
【００２５】
また、陰極加熱電源２又は操作表示部・制御部９の内部に、陰極１を加熱した時間を測定するタイマー（又はタイマーの働きをするソフトウエア）を設けて、図３に示すように陰極使用時間ｔｕを操作表示部・制御部９に表示できるようにすると共に、指定した寿命τに対して残りの寿命τｒ＝τ−ｔｕを操作表示部・制御部９に表示するように構成することもできる。
【００２６】
また、陰極１の寿命に至るまでの間に、輝度β（ｎ）を変えたり、寿命τ（ｎ）を変更して用いる場合には（但しｎは変更した順番を表し、ｎ＝１，２，３，・・・・・ｍとする）、各陰極温度Ｔ（ｎ）に対する陰極の蒸発率Ｒｔ（ｎ）と使用時間ｔｕ（ｎ），並びに陰極の蒸発量の限界値Ｅｃから、ｍ回目の指定以降に許容される残りの蒸発量Ｅｒ（ｍ）は、次式（５）で求められる。
Ｅｒ（ｍ）＝Ｅｃ −ΣＲｔ（ｎ）・ｔｕ（ｎ）・・・・・・（５）
残りの寿命τｒ（ｍ）は、次式（６）で表される。
τｒ（ｍ）＝Ｅｒ（ｍ）／Ｒｔ（ｍ）・・・・・・・・・・（６）
これらの演算を操作表示部・制御部９で行い、全体の使用時間Σｔｕ（ｎ）等と共に操作表示部・制御部９に表示することもできる。なお、上記総和記号Σにおける総和範囲は、ｎ＝１からｎ＝ｍ−１までである。
【００２７】
また、加速電圧Ｖａを変更すると、前記（４）式からわかるように、得られる最大輝度βは変化する。予め指定された寿命τ，したがって指定された陰極温度Ｔに対し、空間電荷制限領域において最大の輝度βが得られるように、バイアス切換装置を調整することができる。すなわち、陰極温度Ｔに対して使用可能な電子線源の輝度βが加速電圧と寿命のテーブルＴＣから求められ、この輝度βが得られるエミッション電流が加速電圧と輝度のテーブルＴＢから選び出され、このエミッション電流が流れるようにバイアス切換装置が調整される。これにより陰極の寿命期間中効率よく電子線源を動作させることができる。
【００２８】
また、予め指定された輝度βに対し、もし変更された加速電圧Ｖａで前記指定輝度βが実現できる場合には、前記（４）式からわかるように、輝度βを一定に保つように陰極の温度Ｔを変更することもできる。
【００２９】
【発明の効果】
以上実施の形態に基づいて説明したように、本発明によれば、電子線源の輝度又は陰極の寿命を指定し、それに基づいて陰極加熱を制御して電子線源を動作させることができ、輝度や陰極を従来のように経験や感に頼って設定する必要がなく、操作性を向上させた電子線源を実現することができる。また、陰極の寿命と電子線源の輝度とを対にして表示することが可能となるので、電子線源の所望動作態様の選定を容易に行うことができる。また、指定あるいは設定された電子線源の輝度や陰極の使用時間の表示に加えて、陰極の残りの使用可能な時間を表示することが可能なので、電子線源の陰極の交換時期等を容易に把握することができる。また、バイアス電圧切換装置の切換制御手段に、指定された寿命と加速電圧に対し、電子線源の輝度が常に最大になるようにバイアス電圧を制御する制御モードを備えることにより、陰極の寿命期間中効率よく電子線源を動作させることが可能となる。また、陰極加熱装置の制御手段及びバイアス電圧切換装置の切換制御手段に、予め指定された輝度が理論的に実現できる範囲内で、指定された加速電圧が変更されても常に一定になるように陰極加熱及びバイアス電圧を制御する制御モードを設けることにより、電子線源からのビームを集束する場合、加速電圧を変えてもビームの集束状態の変化を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子線源の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】飽和点におけるエミッション電流を説明するための陰極温度とエミッション電流の関係を示す図である。
【図３】図１に示した実施の形態における操作表示部・制御部における輝度の指定と寿命等の表示態様を示す図である。
【符号の説明】
１陰極
２陰極加熱電源
３バイアス切換装置
４高圧電源
５帰還抵抗
６ウエーネルト
７陽極
８エミッション電流検出器
９操作表示部・制御部
１０信号線

Claims

陰極と、陰極加熱装置と、前記陰極からの熱電子放出を制御するバイアス電圧を印加する電極と、陽極とを備えた電子線源において、予め設定された加速電圧のもとで、陰極の寿命を指定する手段又は電子線源の電子光学的輝度を指定する手段と、前記陰極寿命指定手段又は電子光学的輝度指定手段の指定値に基づいて前記陰極加熱装置の加熱量を設定制御する手段とを備えていることを特徴とする電子線源。
電子線源のエミッション電流を切り換えるためのバイアス電圧切換装置と、該バイアス電圧切換装置を切り換え制御する手段とを備え、前記予め設定された加速電圧のもとで、陰極の寿命又は電子光学的輝度を指定した場合、エミッション電流が、前記加速電圧と陰極の寿命の組み合わせ又は前記加速電圧と電子光学的輝度の組み合わせで決定されるエミッション電流に最も近い値になるように、前記バイアス電圧切換装置を制御するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の電子線源。
前記陰極加熱装置において設定された加熱量Ｆc(n)〔ｎは異なる設定をした順番を示す整数〕と、該加熱量で陰極を加熱する設定時間ｔu(n)とをモニタする表示手段を備え、該表示手段には前記指定された電子線源の寿命に対する前記加熱量及び加熱時間に基づく残りの陰極使用可能時間を表示するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子線源。
前記バイアス電圧切換装置切換制御手段は、指定された寿命と加速電圧に対し、電子線源の電子光学的輝度が常に最大になるようにバイアス電圧を制御する制御モードを備えていることを特徴とする請求項２記載の電子線源。
前記陰極加熱装置制御手段及びバイアス電圧切換装置切換制御手段は、指定された電子線源の電子光学的輝度が、加速電圧を変えても理論的に実現できる範囲内で常に一定になるように、陰極の加熱量及びバイアス電圧をそれぞれ制御する制御モードを備えていることを特徴とする請求項２記載の電子線源。