JP3793618B2 - Electron source and electron beam irradiation apparatus equipped with the electron source - Google Patents

Electron source and electron beam irradiation apparatus equipped with the electron source Download PDF

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    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06Sources
    • H01J2237/063Electron sources
    • H01J2237/06308Thermionic sources
    • H01J2237/06316Schottky emission

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  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子顕微鏡や電子線描画装置などの電子線を使った応用装置において採用される電子源に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、新しい電子源として、タングステン(W)やモリブデン(Mo)等の耐高温金属材料の単結晶チップ表面に、例えば、Zr,Ti,Hf等と酸素原子をそれぞれ単原子程度吸着させる表面拡散形電子源が実用化されている。一般的な構成としては、Wヘアピンフィラメントの頂点に、一定の結晶方位を持つW単結晶線を接合し、この単結晶線先端を電解研磨し先鋭化している。そして、このWヘアピンフィラメントと単結晶線間に、水素化Zr等の水素化合物粉末を付着させ、酸素ガス分圧のある真空雰囲気中で熱処理することによりZr等の拡散を促進し、単結晶先端の特定結晶面にZrとOの吸着層を形成するものである(米国特許番号4,324,999 )。このような電子源を電界放出が起こらない弱い電界領域で使用する場合を特にショットキーエミッション(Schottky Emission )と呼んでいる。この電子源として、Zr/O/Wが実用化されている(ジャーナル,バキューム,サイエンス,テクノロジー,B3(1),1985,P220(J.Vac.Sci.Technol.B3(1) ,1985,p220))。この電子源に制御電極(一般にはサプレッサー電極と呼んでいる)と引出電極を付加し電子銃を構成する。その基本的な構造を図1に示す。1がW(100)の単結晶チップ,2がWの多結晶線からなるヘアピン形のフィラメント、4はフィラメント2がスポット溶接されているステンレス等の端子、5はセラミック碍子である。Wの単結晶チップ1よりも仕事函数が低いZrの酸化物補給源3が単結晶チップ1の中央部,付け根またはフィラメント2に付着した構造となっている。この酸化物補給源3を1500Kから1900K程度に加熱することで単結晶チップ1に沿ってチップ先端に熱拡散する。単結晶チップ1の先端に拡散していった金属(Zr)酸化物は単結晶チップ1の先端で酸素とZr単原子層を形成する。この時、表面拡散および、活性化エネルギーの高い特定の結晶面(100)に選択的に吸着形成する。(100)結晶面が単結晶チップ1の先端となるような単結晶線を用いると、単結晶チップ1の軸先端のみを仕事函数の低い状態に保つことができる。これにより、その部分から高い放出電子電流密度が得られる。そして、6はサプレッサー電極と呼ばれ、1500Kから1900Kで熱されたWヘアピンフィラメントからの熱電子を抑制する働きをする。7は引出電極であり、単結晶先端に電界を印加し、ショットキーエミッション(以下SEと略す)を取り出す働きをする。このSEは、電界放出と異なり先端に印加される電界強度は電界放出状態より極めて低い。従って、放出電子は熱電子であり、トンネル電子は含まれない。このことは、電界放出電子特有の放出電子流の変動がなく、極めて安定な放出電子電流が得られることになる。更に、通常の熱電子源、例えば、LaB6 やWヘアピンに比べその動作温度が低いため、放出される電子流のエネルギー幅を小さくすることができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記SE電子源から放出される電子線の量は前記文献に記述されているようにチップ先端の電界強度に依存している。このため引出電極に印加する引き出し電圧で電子線量を調整するのが一般的である。
【0004】
しかしながら引出電極を変化させるとその変化の度に光軸ずれを起こす等の問題がある。
【0005】
また制御電極とチップの間隙や制御電極と引出電極の間隙は図1からわかるように極めて小さい。このためそれらの電極に印加する電圧値は小さいことが望まれる。しかしながら、従来の電子銃の構造では電子線量の調整範囲が狭く、かつ、電極に印加する電圧も大きく放電し易いためチップ破損の原因となっていた。
本発明は、上記問題点を解決し得る電子源とその電子源を用いた電子線照射装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記目的を達成するために先端が15度以下のコーンアングルで形成された針状の陰極と、該陰極からの電子線量を制御するための制御電極と、前記針状の陰極から電子を引き出すための引出電極を備えた電子源を開示している。
【0007】
更に本発明構成によれば前記引出電極に印加する正電圧を一定にしつつ、前記制御電圧に印加する負電圧値を変化させることにより電子線量を変化させる電子線照射装置をも開示している。
【0008】
また陰極の先端を0.5μm 未満の先端曲率半径となるように形成した。
【0009】
以上のような構成とするのは以下のような理由に基づくものである。
【0010】
まず引出電圧で電子線量を調整するより、制御電極に印加する制御電圧で調整した方が光軸の変化が少ないなど利点が多い。つまり引出電圧一定のもとで、制御電圧の変化により全ての使用電子線量を調整することができれば理想的である。
【0011】
またSEチップの先端電界強度はその電子源自身の構造に依存している。
【0012】
その電界強度を左右する構造要因とは、文献ジャーナル,アプライ,フィジクス,Vol.44,No.5,1973(J.Appl.Phys.,Vol.44,No.51973) に記述されているように、2つのパラメータ,コーンアングル(2β)と曲率半径(r)である。
【0013】
図2に本実施例で使用した2種類のチップ先端のSEM写真を示す。倍率は両図共に1万倍である。図2(a)が従来使用していたチップでコーンアングル(2β)=26度,曲率半径(r)=0.55μm である。図2(b)が本発明であるチップ先端のSEM像であり、コーンアングル(2β)=8度,曲率半径(r)=0.30μm である。前記文献によれば、電界強度を強くするにはその両方のパラメータをできるだけ小さくすれば良い。これにより、小さな引き出し電圧でも大きな電界強度を作ることができる。しかしながら、上記文献には、制御電圧の影響に関してなんら記述がない。我々の実験から、制御電極に印加する制御電圧の作る電界も2つのパラメータを小さくすることにより強くなることがわかった。
【0014】
このため、上記構成によれば従来のものに比べて、一定の電圧変化に対する、チップ先端の電界強度変化をも大きくすることができる。
【0015】
本発明では更に制御電圧の調整により1つの引出電圧設定で、全ての使用電子線量の範囲をカバーできる電子源と、その電子源を備えた電子線照射装置の提供が可能となる。
【0016】
尚、SE電子源の放射電流密度Jは、以下の式で与えられる。Tはチップ温度、φは仕事関数、aは定数、Fは電界強度、kは定数である。
【0017】
J=120T^2exp(−(φ−a√F)/kT)(A/cm^2) …(1)
上式より明らかなように、放射電流密度はチップの温度T,放射面の仕事関数φ、そして、チップ先端の電界強度Fに依存している。そして、この電界強度Fはチップ自身のコーンアングルと曲率半径に依存しているし、SEチップと引出電極との間隔にも電界強度Fは依存している。図1で示したように、SEチップと引出電極との間隔は極めて小さくこれ以上調整するのは困難である。このため、コーンアングルと曲率半径の調整を実施し、制御電圧の任意の電圧範囲におけるチップ先端の電界強度の変化範囲を大きくすることができる。
【0018】
単に先鋭化することで電子線が放出しやすくなることは従来から知られていたが、本願発明では、15度以下に先鋭化したショットキーエミッション電子源と、電子線量の調整を制御電極に印加する制御電圧の制御によって行うという従来にない要件の組み合わせにより、制御電圧の変化に対して得られるプローブ電流の範囲が大きくなるため、結果引き出し電圧に印加する電圧の種類を極力減らすことが可能になる。
【0019】
仮に所望の電圧調整範囲を制御電極の調節範囲では得られない場合、引き出し電圧の調節をもって所望のプローブ電流の調節範囲を確保する必要があるが、引き出し電圧を変化させることによる他のパラメータ調整の手間や、光軸ずれ等の弊害を考えると1の引き出し電圧で所望のプローブ電流範囲を確保するのが理想的である。これは制御電極の変化によっては光軸、仮想光源の位置が変化しないという前提に基づくものである。
【0020】
以上述べたように、コーンアングルと曲率半径を調整し、しかも制御電極をもって電子線量を調節することにより、制御電圧の任意の電圧変化に対して電子源から放射される電子線量の変化範囲を大きくすることが可能となる。
【0021】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を以下に述べる。図3は、SE電子銃の評価を行う超高真空に排気されたテスト装置である。電子銃部と排気架台部とに分かれている。電子銃部を交換して、多くの電子銃の特性を評価する装置である。最初にSEチップを装着した電子銃部を排気架台に載せ、超高真空排気を実施する。超高真空に排気されたら、ヘアーピンフィラメントに定電流電源Vfより通電加熱する。SEチップの温度を1600Kから1800Kまでの任意の一定温度にする。
【0022】
そして、引出電極に直流高圧電源Veより正の電圧を供給することでSEチップ先端からSE電子が放出される。更に制御電極(サプレッサ電極)には、直流電圧電源Vsにより負の電圧を印加する。これによって電子線路外への電子の放出をなくしている。
【0023】
放出されたSE電子は図に示すように、大部分は絞り板に、その一部分がファラディカップに到達する。この時のエネルギーを決めているのが直流高圧電源Vaであり、測長
SEMでは低い加速電圧が使用されおよそ1kV以下である。このファラディカップに入射したSE電子をプローブ電流とし、実際の電子顕微鏡や電子線応用装置で使用する。開き角としては数mrad のオーダであり、電流は数pAから数100pAが得られる。引出電極に印加する引出電圧Veを一定にして、制御電圧をある範囲変化させ、そのとき得られるプローブ電流を測定する。
【0024】
このように電子線量の制御を制御電圧に印加された負電圧の電圧値に基づいて行うことにより、引出電圧によって電子線量を制御する必要がなくなり、引出電圧を固定できるため、軸ずれを起こすことなく容易に電子線量の設定を行うことができる。
【0025】
一般的に引出電圧を変化させると、引出電圧とビームを加速させる加速電圧の比が変わるため、静電レンズのレンズ作用により光軸位置が変わり、その結果軸ずれが起きる。
【0026】
本実施例では以上のことに鑑み、引出電圧を固定した状態で制御電圧を変化させている。
【0027】
そして本発明の実施例では以上の事実に鑑み、以上の測定を図2に示すコーンアングルと曲率半径が異なる2つのチップを用いて実施した。
【0028】
その結果を図4に示す。制御電圧の変化範囲は100Vから900Vである。図4から、従来チップ(old tip)ではプローブ電流の変化範囲は22pAから57pAであるのに比べ、本発明(new tip)では2.3pAから67pAと極めて大きな範囲で変化することができる。また、引出電圧Veも従来チップに比べ、1.5kV と小さくすることができる。
【0029】
以上のように、本発明の電子銃を採用すれば、引出電圧を小さくすることができ、しかも制御電圧の変化に対する、プローブ電流の変化範囲が大きくなる。このように制御電極の一定の変化に対して、プローブ電流の変化範囲はコーンアングルと曲率半径に依存している。
【0030】
更に走査型電子顕微鏡の中でも半導体を扱う装置に関してはチャージアップやコンタミネーションの影響を少なくするために、プローブ電流の減少化が要求される。これはプローブ電流の大きさが、チャージアップの発生頻度に比例し試料像障害を引き起こすこと、またコンタミネーションも同様にプローブ電流が試料汚染が激しくなるためである。このためプローブ電流は10pA以下の最低電流量が必要となる。この最低電流量を得るために実験を行った結果、コーンアングル15度,曲率半径0.5μm のチップを用いた際に初めて上述の条件に見合うような電子線量を得ることができた。(図4のラインA)15度より大なるコーンアングルでは最低電流量が10pAを越えてしまい所望の上述したような条件に適合しないことがわかった。
【0031】
従ってこれ以下のコーンアングルで電子源を形成すればプローブ電流の範囲を上述した条件に適合させることが可能になる。しかしながら先端形状を鋭角にするには高度な技術が要求され、現段階の形成技術では5〜6度が限界である。
【0032】
また先端曲率半径については、0.5μm 以上に形成するとショットキーエミッションが出づらくなり、上述したビーム電流量の範囲を得ることができなくなる。また0.2
μm 以下とすると電界放出による不安定なビームとなってしまう。
【0033】
上記実施例は、SE電子源について実施したが、同じような制御電圧でプローブ電流を可変する電子銃については同様の効果が得られることは明白である。例えば、TFE電子源,CFE電子源なども、制御電極を用いて実施可能である。
更にこれらの電子源を搭載する装置一般に適用可能であり、走査電子顕微鏡,透過電子顕微鏡,電子線描画装置等に適用しても同様の効果を得ることができる。
【0034】
本発明の実施例に示す電子源を電子線照射装置に適用するに際し、本発明の効果である、1個の引き出し電圧設定で必要なプローブ電流の可変範囲を得るには、陰極の先端を少なくとも15度以下にする必要があることが実験の結果わかった。
【0035】
【発明の効果】
本発明を採用したSE電子源を使った電子銃では、制御電圧の変化に対して、得られるプローブ電流の可変範囲が大きくなるため、1個の引き出し電圧に対して、広い範囲の電子線量の設定が可能となる。更にその結果、引出電圧を動かすことなく必要なプローブ電流の可変範囲を得ることができ、引出電圧を固定値とすることができるので、引出電圧の変化による軸ずれ防止にも寄与できる。しかも、その引き出し電圧の値も小さくなるため、放電によるチップの破損もなくなり、電子銃の安定度が増加する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 SE電子源の構成図。
【図2】 本発明と従来技術の陰極の電子顕微鏡写真。
【図3】 本発明チップと従来技術のチップのためのテスト装置を示す図。
【図4】 本発明チップと従来技術によるチップの比較図。
【符号の説明】
1…単結晶線、2…ヘアピンフィラメント、3…酸化物補給源、4…端子、5…セラミック碍子、6…制御電極、7…引出電極、8…SE電子、9…絞り板、10…ファラディカップ。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electron source employed in an application apparatus using an electron beam such as an electron microscope or an electron beam drawing apparatus.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as a new electron source, a surface diffusion type in which, for example, Zr, Ti, Hf, etc. and oxygen atoms are adsorbed on the surface of a single crystal chip of a high temperature resistant metal material such as tungsten (W) or molybdenum (Mo). An electron source has been put into practical use. As a general configuration, a W single crystal line having a certain crystal orientation is joined to the apex of a W hairpin filament, and the tip of the single crystal line is sharpened by electrolytic polishing. Then, a hydrogen compound powder such as hydrogenated Zr is attached between the W hairpin filament and the single crystal line, and heat treatment is performed in a vacuum atmosphere having a partial pressure of oxygen gas, thereby promoting the diffusion of Zr and the like. An adsorbed layer of Zr and O is formed on a specific crystal plane (US Pat. No. 4,324,999). The case where such an electron source is used in a weak electric field region where field emission does not occur is particularly called a Schottky emission. Zr / O / W has been put to practical use as this electron source (Journal, Vacuum, Science, Technology, B3 (1), 1985, P220 (J. Vac. Sci. Technol. B3 (1), 1985, p220). )). A control electrode (generally called a suppressor electrode) and an extraction electrode are added to the electron source to constitute an electron gun. The basic structure is shown in FIG. 1 is a W (100) single crystal chip, 2 is a hairpin-shaped filament made of a W polycrystalline wire, 4 is a terminal made of stainless steel or the like on which filament 2 is spot welded, and 5 is a ceramic insulator. A Zr oxide replenishment source 3 having a work function lower than that of the W single crystal chip 1 is attached to the center, root or filament 2 of the single crystal chip 1. The oxide replenishment source 3 is heated from about 1500 K to about 1900 K, and is thermally diffused along the single crystal chip 1 to the tip of the chip. The metal (Zr) oxide diffused to the tip of the single crystal tip 1 forms a Zr monoatomic layer with oxygen at the tip of the single crystal tip 1. At this time, it is selectively adsorbed and formed on a specific crystal plane (100) having high surface diffusion and activation energy. When a single crystal line whose crystal plane is the tip of the single crystal chip 1 is used, only the shaft tip of the single crystal chip 1 can be kept in a low work function state. Thereby, a high emission electron current density can be obtained from that portion. 6 is called a suppressor electrode, and functions to suppress thermionic electrons from the W hairpin filament heated at 1500K to 1900K. Reference numeral 7 denotes an extraction electrode, which functions to apply an electric field to the tip of the single crystal and extract Schottky emission (hereinafter abbreviated as SE). Unlike the field emission, this SE has a field intensity applied to the tip that is extremely lower than that in the field emission state. Therefore, the emitted electrons are thermal electrons, and tunnel electrons are not included. This means that there is no fluctuation of the emission electron flow peculiar to field emission electrons, and an extremely stable emission electron current can be obtained. Furthermore, since the operating temperature is lower than that of a normal thermionic source, for example, LaB 6 or W hairpin, the energy width of the emitted electron stream can be reduced.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The amount of electron beam emitted from the SE electron source depends on the electric field strength at the tip of the chip as described in the above document. For this reason, the electron dose is generally adjusted by the extraction voltage applied to the extraction electrode.
[0004]
However, when the extraction electrode is changed, there is a problem that the optical axis is shifted every time the change is made.
[0005]
Further, as can be seen from FIG. 1, the gap between the control electrode and the tip and the gap between the control electrode and the extraction electrode are extremely small. For this reason, the voltage value applied to these electrodes is desired to be small. However, in the structure of the conventional electron gun, the adjustment range of the electron dose is narrow, and the voltage applied to the electrode is large and easy to discharge.
An object of this invention is to provide the electron source which can solve the said problem, and the electron beam irradiation apparatus using the electron source.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in order to achieve the above object, a needle-like cathode whose tip is formed at a cone angle of 15 degrees or less, a control electrode for controlling an electron dose from the cathode, and an electron from the needle-like cathode Discloses an electron source having an extraction electrode for extracting the electron.
[0007]
Furthermore, according to the configuration of the present invention, there is also disclosed an electron beam irradiation apparatus that changes the electron dose by changing the negative voltage value applied to the control voltage while keeping the positive voltage applied to the extraction electrode constant.
[0008]
The tip of the cathode was formed to have a tip radius of curvature of less than 0.5 μm.
[0009]
The above configuration is based on the following reason.
[0010]
First, adjusting the control voltage applied to the control electrode is more advantageous than adjusting the electron dose with the extraction voltage, such as less change in the optical axis. In other words, it is ideal if all the used electron doses can be adjusted by changing the control voltage under a constant extraction voltage.
[0011]
Further, the electric field strength at the tip of the SE chip depends on the structure of the electron source itself.
[0012]
The structural factors that influence the electric field strength are the literature journal, Apply, Physics, Vol. 44, No. 5, 1973 (J. Appl. Phys., Vol. 44, No. 51973). 2 parameters, cone angle (2β) and radius of curvature (r).
[0013]
FIG. 2 shows SEM photographs of the tips of two types of chips used in this example. The magnification is 10,000 times in both figures. FIG. 2A shows a conventionally used chip having a cone angle (2β) = 26 degrees and a radius of curvature (r) = 0.55 μm. FIG. 2B is an SEM image of the tip of the present invention, where the cone angle (2β) = 8 degrees and the radius of curvature (r) = 0.30 μm. According to the above document, both parameters should be made as small as possible to increase the electric field strength. Thereby, a large electric field strength can be produced even with a small extraction voltage. However, the above document does not describe anything about the influence of the control voltage. From our experiments, it was found that the electric field generated by the control voltage applied to the control electrode also becomes stronger by reducing the two parameters.
[0014]
For this reason, according to the said structure, compared with the conventional thing, the electric field strength change of a chip | tip tip with respect to a fixed voltage change can also be enlarged.
[0015]
In the present invention, it is possible to provide an electron source that can cover the range of all the electron doses used by adjusting one control voltage by adjusting the control voltage, and an electron beam irradiation apparatus equipped with the electron source.
[0016]
The radiation current density J of the SE electron source is given by the following equation. T is the chip temperature, φ is the work function, a is a constant, F is the electric field strength, and k is a constant.
[0017]
J = 120T ^ 2exp (-(φ-a√F) / kT) (A / cm ^ 2) (1)
As is clear from the above equation, the radiation current density depends on the temperature T of the chip, the work function φ of the radiation surface, and the electric field strength F at the tip of the chip. The electric field strength F depends on the cone angle and the radius of curvature of the tip itself, and the electric field strength F also depends on the distance between the SE tip and the extraction electrode. As shown in FIG. 1, the distance between the SE tip and the extraction electrode is extremely small, and it is difficult to adjust further. For this reason, the cone angle and the curvature radius can be adjusted, and the change range of the electric field strength at the tip of the tip in an arbitrary voltage range of the control voltage can be increased.
[0018]
Although it has been conventionally known that electron beams are easily emitted by simply sharpening, in the present invention, a Schottky emission electron source sharpened to 15 degrees or less and an electron dose adjustment are applied to the control electrode. The combination of unprecedented requirements to control by controlling the control voltage increases the range of probe currents that can be obtained with respect to changes in the control voltage, so it is possible to reduce the types of voltages to be applied to the resulting extraction voltage as much as possible Become.
[0019]
If the desired voltage adjustment range cannot be obtained by the control electrode adjustment range, it is necessary to secure the desired probe current adjustment range by adjusting the extraction voltage, but other parameter adjustments by changing the extraction voltage are necessary. Considering troubles and adverse effects such as optical axis misalignment, it is ideal to secure a desired probe current range with one extraction voltage. This is based on the premise that the optical axis and the position of the virtual light source do not change depending on the change of the control electrode.
[0020]
As described above, by adjusting the cone angle and the radius of curvature, and adjusting the electron dose with the control electrode, the change range of the electron dose emitted from the electron source with respect to any voltage change of the control voltage is increased. It becomes possible to do.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Examples of the present invention are described below. FIG. 3 shows a test apparatus evacuated to an ultra-high vacuum for evaluating an SE electron gun. It is divided into an electron gun section and an exhaust mount section. This is an apparatus for evaluating the characteristics of many electron guns by exchanging the electron gun part. First, the electron gun with the SE chip mounted is placed on an exhaust stand and ultra-high vacuum exhaust is performed. When the vacuum is exhausted to ultra high vacuum, the hairpin filament is heated by energization from the constant current power source Vf. The temperature of the SE chip is set to an arbitrary constant temperature from 1600K to 1800K.
[0022]
Then, SE electrons are emitted from the tip of the SE chip by supplying a positive voltage from the DC high voltage power source Ve to the extraction electrode. Further, a negative voltage is applied to the control electrode (suppressor electrode) by a DC voltage power source Vs. This eliminates the emission of electrons outside the electron line.
[0023]
As shown in the figure, most of the emitted SE electrons reach the aperture plate, and a part thereof reaches the Faraday cup. The energy at this time is determined by the DC high-voltage power supply Va. In the length measuring SEM, a low acceleration voltage is used and it is about 1 kV or less. The SE electron incident on the Faraday cup is used as a probe current and used in an actual electron microscope or electron beam application apparatus. The opening angle is on the order of several mrad, and the current is several pA to several hundred pA. The extraction voltage Ve applied to the extraction electrode is kept constant, the control voltage is changed within a certain range, and the probe current obtained at that time is measured.
[0024]
By controlling the electron dose based on the voltage value of the negative voltage applied to the control voltage in this way, there is no need to control the electron dose by the extraction voltage, and the extraction voltage can be fixed, resulting in axis misalignment. It is possible to easily set the electron dose.
[0025]
Generally, when the extraction voltage is changed, the ratio between the extraction voltage and the acceleration voltage for accelerating the beam is changed, so that the optical axis position is changed by the lens action of the electrostatic lens, and as a result, the axis is shifted.
[0026]
In the present embodiment, in view of the above, the control voltage is changed with the extraction voltage fixed.
[0027]
And in the Example of this invention, in view of the above fact, the above measurement was implemented using two chips | tips from which the cone angle and curvature radius which are shown in FIG. 2 differ.
[0028]
The result is shown in FIG. The change range of the control voltage is 100V to 900V. From FIG. 4, the change range of the probe current is 22 pA to 57 pA in the conventional tip (old tip), and can be changed in a very large range from 2.3 pA to 67 pA in the present invention (new tip). Also, the extraction voltage Ve can be reduced to 1.5 kV as compared with the conventional chip.
[0029]
As described above, when the electron gun of the present invention is employed, the extraction voltage can be reduced and the change range of the probe current with respect to the change of the control voltage is increased. As described above, the change range of the probe current depends on the cone angle and the radius of curvature with respect to the constant change of the control electrode.
[0030]
Furthermore, in a scanning electron microscope, a device handling a semiconductor is required to reduce the probe current in order to reduce the influence of charge-up and contamination. This is because the magnitude of the probe current is proportional to the occurrence frequency of charge-up and causes a sample image failure, and also in the contamination, the probe current becomes heavily contaminated with the sample. For this reason, the probe current requires a minimum current amount of 10 pA or less. As a result of experiments to obtain this minimum current amount, it was possible to obtain an electron dose that met the above-mentioned conditions for the first time when a chip having a cone angle of 15 degrees and a curvature radius of 0.5 μm was used. (Line A in FIG. 4) It was found that at a cone angle larger than 15 degrees, the minimum current amount exceeds 10 pA and does not meet the desired conditions as described above.
[0031]
Therefore, if the electron source is formed with a cone angle smaller than this, the probe current range can be adapted to the above-mentioned conditions. However, advanced technology is required to make the tip shape an acute angle, and 5 to 6 degrees is the limit in the current formation technology.
[0032]
Further, when the tip radius of curvature is set to 0.5 μm or more, Schottky emission is difficult to occur, and the above-described range of the beam current amount cannot be obtained. Also 0.2
If it is less than μm, the beam becomes unstable due to field emission.
[0033]
Although the above embodiment is implemented for the SE electron source, it is obvious that the same effect can be obtained for an electron gun that varies the probe current with a similar control voltage. For example, a TFE electron source, a CFE electron source, and the like can be implemented using the control electrode.
Furthermore, the present invention can be applied to general apparatuses equipped with these electron sources, and the same effect can be obtained even when applied to a scanning electron microscope, a transmission electron microscope, an electron beam drawing apparatus, and the like.
[0034]
When the electron source shown in the embodiment of the present invention is applied to an electron beam irradiation apparatus, in order to obtain a variable range of probe current required for one extraction voltage setting, which is an effect of the present invention, at least the tip of the cathode is As a result of the experiment, it was found that it was necessary to make it 15 degrees or less.
[0035]
【The invention's effect】
In the electron gun using the SE electron source adopting the present invention, the variable range of the obtained probe current becomes larger with respect to the change of the control voltage, so that the electron dose in a wide range with respect to one extraction voltage. Setting is possible. Furthermore, as a result, a necessary variable range of the probe current can be obtained without moving the extraction voltage, and the extraction voltage can be set to a fixed value, which can contribute to prevention of misalignment due to a change in the extraction voltage. In addition, since the value of the extraction voltage is small, the chip is not damaged by the discharge, and the stability of the electron gun is increased.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an SE electron source.
FIG. 2 is an electron micrograph of the cathode of the present invention and the prior art.
FIG. 3 shows a test apparatus for the chip of the present invention and a prior art chip.
FIG. 4 is a comparison diagram of a chip of the present invention and a chip according to the prior art.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Single crystal wire, 2 ... Hairpin filament, 3 ... Oxide supply source, 4 ... Terminal, 5 ... Ceramic insulator, 6 ... Control electrode, 7 ... Extraction electrode, 8 ... SE electron, 9 ... Diaphragm plate, 10 ... Faraday cup.

Claims (3)

針状の陰極と、該陰極から電子を引き出す電界を形成するための引出電極と、前記陰極と引出電極の間に配置され、電子線の量を制御する制御電極とを具備する電子源であって、
前記陰極の先端角を5度以上、8度以下とし、当該陰極の先端形状を0.5μm 未満であって、0.2μm より大きな先端曲率半径とすると共に、前記制御電極には、前記引出電極に一定の正電圧を印加した状態において、前記陰極から放出される電子線量を制御し、前記引出電極によって引き出される電子線電流を変化させるために、可変可能な負電圧を印加する電源が接続されることを特徴とする電子源。
An electron source comprising a needle-like cathode, an extraction electrode for forming an electric field for extracting electrons from the cathode, and a control electrode disposed between the cathode and the extraction electrode and controlling the amount of electron beam. And
The cathode tip angle is 5 degrees or more and 8 degrees or less, the cathode tip shape is less than 0.5 μm and a tip radius of curvature greater than 0.2 μm, and the control electrode includes the extraction electrode A power supply for applying a variable negative voltage is connected to control the electron dose emitted from the cathode and change the electron beam current drawn by the extraction electrode in a state where a constant positive voltage is applied to the cathode. An electron source characterized by that.
先端角を5度以上、8度以下とし、先端形状を0.5μm未満であって、0.2μmより大きな先端曲率半径とした針状の陰極と、該陰極から電子を引き出すための電界を形成する引出電極と、前記陰極と引出電極の間に配置され電子線の量を制御する制御電極を備えた電子源を有する電子線照射装置であって、
前記引出電極に一定の正電圧を印加しつつ前記制御電極に負電圧を印加し、該負電圧値を変化させて、前記陰極から放出される電子線量を制御し、前記引出電極によって引き出される電子線電流を変化させるための制御手段を備えてなることを特徴とする電子線照射装置。
A needle-like cathode having a tip angle of 5 degrees or more and 8 degrees or less, a tip shape of less than 0.5 μm, and a tip curvature radius larger than 0.2 μm, and an electric field for extracting electrons from the cathode are formed. An electron beam irradiation apparatus having an extraction electrode, and an electron source provided with a control electrode disposed between the cathode and the extraction electrode to control the amount of electron beam,
Applying a negative voltage to the control electrode while applying a constant positive voltage to the extraction electrode, changing the negative voltage value to control the amount of electrons emitted from the cathode, and electrons extracted by the extraction electrode An electron beam irradiation apparatus comprising control means for changing a line current.
先端角が5度以上、8度以下であって、先端形状が0.5μm未満であって、0.2μmより大きな先端曲率半径である針状の陰極と、該陰極から電子を引き出すための電界を形成する引出電極と、前記陰極と引出電極との間に設置され、電子線の量を制御する制御電極を具備する電子源から電子線を照射するときに、前記引出電極に一定の正電圧を印加しつつ、前記制御電極に負電圧を印加し、該負電圧を変化させることで前記陰極から放出される電子線量を調整し、前記引出電極によって引き出される電子線電流を変化させることを特徴とする電子線量調整方法。  A needle-like cathode having a tip angle of 5 degrees or more and 8 degrees or less, a tip shape of less than 0.5 μm and a tip curvature radius larger than 0.2 μm, and an electric field for extracting electrons from the cathode A constant positive voltage applied to the extraction electrode when the electron beam is irradiated from an electron source provided with an extraction electrode that forms a control electrode and a control electrode that controls the amount of the electron beam. Applying a negative voltage to the control electrode while changing the voltage, adjusting the electron dose emitted from the cathode by changing the negative voltage, and changing the electron beam current drawn by the extraction electrode The electron dose adjustment method.
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Cited By (1)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210039442A (en) * 2018-09-25 2021-04-09 주식회사 히타치하이테크 Thermal field emission electron source and electron beam application device

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5065903B2 (en) 2005-11-08 2012-11-07 株式会社アドバンテスト Exposure method
GB2453302B (en) * 2006-06-30 2012-04-18 Shimadzu Corp Electron beam generating apparatus and methods of forming an emitter
JP5166551B2 (en) * 2008-12-16 2013-03-21 株式会社日立ハイテクノロジーズ Electron beam apparatus, electron beam application apparatus using the same, and electron source processing method
US8779376B2 (en) * 2012-01-09 2014-07-15 Fei Company Determination of emission parameters from field emission sources
EP2779201A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-17 ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft für Halbleiterprüftechnik mbH High brightness electron gun, system using the same, and method of operating the same
WO2020044389A1 (en) * 2018-08-27 2020-03-05 株式会社日立ハイテクノロジーズ Electron source, method for manufacturing same, and electron beam device in which same is used
KR102593548B1 (en) * 2018-12-05 2023-10-25 주식회사 히타치하이테크 Charged particle source, charged particle beam device
CN111722263B (en) * 2020-06-15 2022-08-23 电子科技大学 Faraday cup design for high-power electron beam spot measurement

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210039442A (en) * 2018-09-25 2021-04-09 주식회사 히타치하이테크 Thermal field emission electron source and electron beam application device
KR102523388B1 (en) * 2018-09-25 2023-04-20 주식회사 히타치하이테크 Thermofield emission electron sources and electron beam applications

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