JP4365765B2

JP4365765B2 - 電子銃及び電子ビーム装置

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Publication number: JP4365765B2
Application number: JP2004307538A
Authority: JP
Inventors: 村淳木
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2004-10-22
Filing date: 2004-10-22
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2024-10-22
Also published as: JP2006120470A

Description

本発明は、電子顕微鏡等の電子ビーム装置に用いられる電子銃及び当該電子銃を備えた電子ビーム装置に関する。

透過形電子顕微鏡等の電子ビーム装置においては、電子ビーム源としての電子銃が備えられている。この電子銃において、内部にウイーンフィルタからなるモノクロメータが設けられているものがある。

このような電子銃では、電子源であるエミッタから引き出された電子がモノクロメータに入射すると、入射した電子の内、特定のエネルギーを有する電子のみがモノクロメータを通過することとなる。そして、モノクロメータを通過した特定のエネルギーを有する電子は、所定の加速電圧により加速され、電子ビームとして電子銃から放出される。

電子銃内において、エミッタから引き出された電子がモノクロメータに入射する際には、エミッタとモノクロメータとの間に設けられた絞り部材（入射絞り）の孔を電子が通過するようになされている。このように、電子がモノクロメータに入射する前段で絞り部材の孔を通過することにより、モノクロメータに入射する電子の入射角度を制限することができる。これにより、モノクロメータの作用によって発生する電子ビームの収差の増大を防ぐことができる。

この絞り部材の設置として、モノクロメータ（単色分光計フィルタ組立体）の入口側であって当該モノクロメータ自体に、アパーチャが形成された絞り部材を固定して取り付けるものがある（例えば、特許文献１参照）。

特表平１０−５１０６７４

上述のようにエミッタとモノクロメータとの間に配置された絞り部材には、エミッタから引き出された電子が照射されることとなる。このように絞り部材に電子が照射されると、その絞り部材の表面状態（例えば、表面の酸化状態）や当該表面上にある異物の存在によって、当該絞り部材が帯電することがある。そして、絞り部材が一旦帯電してしまうと、エミッタから引き出されて当該絞り部材に照射される電子の軌道に影響を与えてしまうこととなり、当該電子のモノクロメータへの入射角度の制限を適正に行うことが困難となる。

このように、絞り部材が帯電してしまった場合には、当該絞り部材を新しいものと交換する必要がある。しかしながら、従来技術においては、この絞り部材を交換することを考慮した電子銃の設計はなされていなかった。

なお、参考として、上記例のようにモノクロメータ自体に絞り部材を固定して取り付けた場合において当該モノクロメータを交換する際には、モノクロメータを電子ビーム装置から一旦取り外し、当該モノクロメータに取り付けられている絞り部材を交換した後、そのモノクロメータを当該電子ビーム装置に取り付け直す必要があった。

この場合、モノクロメータの当該装置からの取り外し及び当該装置への取り付けは、非常に手間と時間がかかるものであるため、作業効率が良くない。

また、上記電子銃においては、最も良い性能を得るためには、エミッタの中心軸、絞り部の孔の中心軸、及びモノクロメータの作用軸が同軸上に位置するように軸調整する必要がある。このためには、絞り部材の孔の中心軸は、モノクロメータの作用軸に対して独立して位置調整できるようにしてあるほうが好ましい。

ここで、上記例においては、モノクロメータ自体に絞り部材が固定して取り付けられているので、モノクロメータの作用軸に対する絞り部材の孔の中心軸の位置が固定されることとなる。この場合では、モノクロメータの作用軸に対して絞り部材の孔の中心軸を独立して位置調整することができない。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、絞り部材の交換を効率良く行えるとともに、絞り部材の孔の中心軸がモノクロメータの作用軸に対して独立して位置調整可能となる電子銃及び当該電子銃を備える電子ビーム装置を提供することを目的とする。

本発明に基づく電子銃は、電子源と、電子源からの電子が通過する開口部を有する引出電極と、引出電極の開口部を通過した電子が入射するフィルタリング手段と、フィルタリング手段を通過した電子を加速するための加速電極とを備える電子銃において、フィルタリング手段への電子の入射角度を規定するための孔が形成された入射絞りを引出電極の開口部に設置したことを特徴とする。

また、本発明に基づく電子ビーム装置は、上記電子銃を備えることを特徴とする。

本発明では、引出電極とフィルタリング手段とを備える電子銃において、フィルタリング手段への電子の入射角度を規定する入射絞りを引出電極に設置している。

よって、入射絞りを交換する際に、モノクロメータに相当するフィルタリング手段を装置から取り外す必要がないので、当該交換作業を効率良く行うことができる。

また、入射絞りが引出電極に取り付けられているので、引出電極を電子の通路に対して直交する方向に移動させることにより、入射絞りの孔の中心軸がフィルタリング装置の作用軸に対して独立して位置調整可能となるので、軸調整を容易に行うことができる。

以下、図面を参照して、本発明における電子銃及び当該電子銃を備えた電子ビーム装置について説明する。

図１は、本発明における電子ビーム装置を示す概略構成図であって、当該電子ビーム装置は、透過形電子顕微鏡の構成となっている。同図において、５１は電子ビーム源としての電子銃である。電子銃５１からは、所定の加速電圧により加速された電子ビーム５２が放出される。

電子銃５１から放出された電子ビーム５２は、第１集束レンズ５３及び第２集束レンズ５４により集束されて試料５９上に照射される。そして、試料５９を透過した電子ビーム６０は、対物レンズ５５、中間レンズ５６、及び投影レンズ５７によって、投影レンズ５７の後段側に位置する撮像手段５８のスクリーン部５８ａに拡大結像される。なお、第１集束レンズ５３及び第２集束レンズ５４により照射系が構成される。また、対物レンズ５５、中間レンズ５６、及び投影レンズ５７により結像系が構成される。

このようにして撮像手段５８のスクリーン部５８ａに結像された電子ビーム６０の像は、試料５９の透過像として撮像手段５９により撮像される。撮像手段５９によって撮像された当該透過像は、図示しない表示手段により表示され、また必要に応じて図示しない記憶手段に透過像データとして記憶される。

このような構成からなる電子ビーム装置において、その電子銃５１の内部にフィルタリング手段となるモノクロメータが設けられたものがある。本発明における内部にモノクロメータが設けられた電子銃５１を図２に示す。ここで、図２は、本発明における電子銃の構成を示す断面図である。

図２において、１０は外筒であり、この外筒１０は、鏡筒部１０ａに載置されている。当該外筒１０の内側には内筒８が配置されている。内筒８は、上側内筒部８ｆ及び下側内筒部８ｇからなり、環状の支持部８ａを介して筒状の支持部材９上に載置されている。これにより内筒８は、支持部材９により支持される。この支持部材９は絶縁材料から構成されており、外筒１０と内筒８とは電気的に絶縁されている。なお、外筒１０と内筒８との間の空間１１には、ＳＦ_６等からなる絶縁ガスが充填されており、内筒８には外筒１０に対して所定の負の高圧電位が印加されている。

内筒８の内部の上側には、電子源となるエミッタ１が設けられている。このエミッタ１の基端部は、内筒８の内側上面（天井面）８ｂに絶縁支持部１ａを介して支持されている。内筒８及び支持部材９の内部空間１２は、真空に排気される。

また、エミッタ１の先端部１ｃに対向するように、２つの引出電極２，３が設けられている。当該引出電極２，３には、それぞれエミッタ１からの電子５２ａが通過する開口２ｂ，３ｂが形成されている。この引出電極２，３は、エミッタ１の先端部１ｃから電子５２ａを引き出したり、当該先端部１ｃからの電子５２ｃの出射角度を調整するためのものである。各引出電極２，３は、それぞれ絶縁支持部２ａ，３ａを介して内筒８の内側側面８ｃ（上側内筒部８ａの内側側面）に支持されている。なお、引出電極３の位置は、図示しない手段により位置調整可能となっている。

後段側に位置する引出電極（第１の電極）３のさらに後段には、モノクロメータ（フィルタリング手段）５が設けられている。このモノクロメータ５は、ケース５ａと、当該ケース５ａの内部に収納されているフィルタ５ｃとを備えている。ケース５ａの上部には、エミッタ１から引き出されて引出電極２，３の開口２ｂ，３ｂを通過した電子５２ａが入射する入射用開口５ｂが形成されている。当該入射用開口５ｂに入射した電子５２ａは、この入射用開口５ｂを介してケース５ａ内部に配置されたフィルタ５ｃに到達する。なお、当該入射用開口５ｂは円形とされており、その直径は２〜３ｍｍとなっている。また、ケース５ａは絶縁支持部５ｅを介して内筒８の内側側面８ｃ（下側内筒部８ｇの内側側面）に支持されており、これによりモノクロメータ５が内筒８に支持されている。

ここで、当該引出電極３における下面、すなわちモノクロメータ５との対向面３ｃには、絞り部材（入射絞り）４が設けられている。当該絞り部材４には、エミッタ１から引き出された電子５２ａが通過する孔４ａが形成されている。この絞り部材４に形成された孔４ａは、モノクロメータ５への電子の入射角度を規定するためのものであり、モノクロメータ５の入射用開口５ｂよりも狭い円形とされており、当該孔４ａの直径は１００〜５００μｍとなっている。この絞り部材４の孔４ａを電子５２ａが通過することにより、モノクロメータに入射する電子５２ａの入射角度を制限することができる。なお、エミッタ１の中心軸、絞り部材４の孔４の中心軸、及びモノクロメータ５の作用軸は、同軸上に位置するように各軸の位置が調整されつつ組み立てられる。

モノクロメータ５内のフィルタ５ｃはウイーンフィルタの構成とされており、電子５２ａの内の特定のエネルギーを有する電子のみが当該フィルタ５ｃを通過することとなる。このようにしてフィルタ５ｃを通過した特定のエネルギーを有する電子は、ケース５ａに形成された出射用開口５ｄを介して出射される。

当該出射用開口５ｄの後段側には、２つの加速電極（第２の電極）６，７が配置されている。当該加速電極６，７には、エミッタ１に対して所定の加速電圧が印加されている。これにより、出射用開口５ｄから出射された電子は、加速電極６，７により加速される。なお、これら加速電極６，７は、支持部材９を貫通して当該支持部材９に固定されている。

このようにして、加速電極６，７により加速された電子は、電子ビーム５２として電子銃５１から放出され、試料５９（図１参照）に向けて照射される。電子銃５１から放出された電子ビーム５２は、上述したように、照射系を構成する第１集束レンズ５３及び第２集束レンズ５４により集束されて試料５９上に照射される。

そして、試料５９を透過した電子ビーム６０は、対物レンズ５５、中間レンズ５６、及び投影レンズ５７からなる結像系により撮像手段５９のスクリーン部５８ａに拡大結像される。これにより結像された像は、透過像として撮像手段５８により撮像されて観察されることとなる。

本発明における電子銃５１は、上述したように、モノクロメータ（フィルタリング手段）５の入射用開口５ｂよりも狭く形成された孔４ａを有する絞り部材４が、引出電極（第１の電極）３におけるモノクロメータ５との対向面３ｃに配置されている。

従って、絞り部材４がチャージアップにより帯電され、当該絞り部材４の交換を行う際に、モノクロメータ５を装置から取り外す必要がないので、当該交換作業を効率良く行うことができる。

このときの交換作業は、以下のようにして行われる。まず、外筒１０を鏡筒部１０ａから取り外す。これにより、内筒８が露出されることとなる。次いで、内筒８を構成する上側内筒８ｆを下側内筒８ｇから取り外し、これにより上側内筒部８ｆと下側内筒部８ｇとが分離される。このとき、内筒８の内部空間１２の圧力は大気圧としておく。ここで、上側内筒部８ｆには引出電極３が取り付けられている状態であり、また下側内筒部８ｇにはモノクロメータ５が取り付けられている状態となっている。

下側内筒部８ｇから上側内筒部８ｆを取り外した後、上側内筒部８ｆに取り付けられている引出電極３に配置された絞り部材４を、新しい絞り部材を交換する。その後、上側内筒部８ｆを下側内筒部８ｇに取り付ける。そして、外筒１０を鏡筒部１０ａに取り付ける。以上が当該交換作業の手順である。

また、エミッタ１と絞り部材４とモノクロメータ５との軸合わせは治具等を用いて行われるが、引出電極３に対する絞り部材４の取付位置を調整することにより、絞り部材４の孔４ａの中心がエミッタ１とモノクロメータ５とを結ぶ軸に対して独立して位置調整可能とすることができるので、軸調整を容易に行うことができる。

次に、本発明における変形例を図３参照しながら説明する。ここで、図３は、本発明における電子銃の変形例の構成を示す断面図である。

図３に示す電子銃６１においては、各構成要素の配置は、上述の図２に示す電子銃５１と同様である。そして、図３の電子銃６１では、絞り部材４の孔４ａの位置調整を行うための具体的機構となる絞り部材位置調整機構（軸調整手段）２３が付加されている。

この絞り部材位置調整機構２３は、内筒８の側部８ｅを貫通するロッド２１と、当該ロッド２１の基端部と内筒８の側部８ｅとを連結するベローズ２２を備えている。ロッド２１の先端部は、引出電極３を支持する絶縁支持部３ａの基端部に接触している。絶縁支持部３ａの当該基端部は、内筒８の内側側面８ｃに形成された凹部８ｄ内に支持されている。なお、絞り部材位置調整機構２３は、内筒８の周囲に複数個（図３では２個のみ図示）設けられている。

絶縁支持部３ａに支持されている引出電極３におけるモノクロメータ５との対向面３ｃには、絞り部材４が設けられている。当該絞り部材４には、エミッタ１から引き出された電子５２ａが通過する孔４ａが形成されている。ここで、モノクロメータ５の入射用開口５ｂは、上述の例と同様に、直径が２〜３ｍｍとされた円形となっている。また、絞り部材４に形成された孔４ａも、上述の例と同様に、直径が１００〜５００μｍとされた円形となっている。

このような構成において、絞り部材位置調整機構２３のロッド２１を図示しない駆動手段によって適宜移動させることによって、絶縁支持部３ａを介して引出電極３の位置を調整することができる。これにより。引出電極３に配置された絞り部材４の孔４ａの中心軸に位置調整を行うことができる。すなわち、引出電極３を電子の通路に対して直交する方向に移動させることにより、絞り部材４の孔４ａの中心軸がモノクロメータ５の作用軸に対して独立して位置調整可能となるので、軸調整を容易に行うことができる。

この変形例においても、絞り部材４が帯電した後に当該絞り部材４の交換を行う際に、モノクロメータ５を装置から取り外す必要がないので、当該交換作業を効率良く行うことができる。また、絞り部材４が引出電極３に配置されているので、絞り部材位置調整機構２３によって引出電極３の位置を調整することにより、絞り部材４の孔４ａの中心軸がモノクロメータ５の作用軸に対して独立して位置調整可能となるので、軸調整を容易に行うことができる。

なお、上述した各実施例においては、絞り部材４を引出電極３の下面（モノクロメータとの対向面）３ｃに配置したが、これに限定されるものではない。この例の他に、絞り部材４を引出電極３の上面に配置するようにしても良い。また、他の引出電極である引出電極２の下面もしくは上面に配置するようにしても良い。しかしながら、上記の各実施例のように、絞り部材４をモノクロメータ５に近接して位置する引出電極３の下面３ｃに配置したほうが、絞り部材４がモノクロメータ５に最も接近することとなるので好ましい実施の形態となる。

本発明における電子ビーム装置を示す概略構成図である。本発明における電子銃の構成を示す断面図である。本発明における電子銃の変形例の構成を示す断面図である。

符号の説明

１…エミッタ（電子源）、２…引出電極、２ａ…開口部、３…引出電極（第１の電極）、３ａ…開口部、４…絞り部材、４ａ…孔、５…モノクロメータ（フィルタリング手段）、５ａ…ケース、５ｂ…入射用開口、６，７…加速電極（第２の電極）、５２…電子ビーム、５２ａ…電子線

Claims

電子源と、電子源からの電子が通過する開口部を有する引出電極と、引出電極の開口部を通過した電子が入射するフィルタリング手段と、フィルタリング手段を通過した電子を加速するための加速電極とを備える電子銃において、フィルタリング手段への電子の入射角度を規定するための孔が形成された入射絞りを引出電極の開口部に設置したことを特徴とする電子銃。
前記引出電極における前記フィルタリング手段との対向面に前記入射絞りを取り付けたことを特徴とする請求項１記載の電子銃。
前記引出電極を入射絞りとともに電子の通路に対して直交する方向に移動させる軸調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項１若しくは２記載の電子銃。
前記入射絞りに形成された孔の直径は、１００〜５００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至３何れかに記載の電子銃。
請求項１乃至４何れかに記載の電子銃を備えた電子ビーム装置。