JP4368501B2

JP4368501B2 - 電子放射陰極の使用方法

Info

Publication number: JP4368501B2
Application number: JP2000174762A
Authority: JP
Inventors: 良典照井; 直弥工藤; 勝義角田
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2000-06-12
Filing date: 2000-06-12
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2020-06-12
Also published as: JP2001357810A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子顕微鏡、電子ビーム露光機、電子ビームテスター、測長機等の電子ビーム源として用いられる電子放射陰極に関わり、ことにその長寿命を達成するための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、より高輝度の電子ビームを得るために、タングステン単結晶からなる針状電極を用いた電子放射陰極が利用されている。この電子放射陰極は、軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶チップ（以下、単にＷチップという）に、ジルコニウム及び酸素からなる被覆層（以下、ＺｒＯ被覆層という）を設け、該ＺｒＯ被覆層の存在によってタングステン単結晶の（１００）面の仕事関数を約２．８ｅＶに低下させたもので、前記Ｗチップの先端部に形成された（１００）面に相当する微小な結晶面のみが電子放出領域となるので、従来の熱陰極よりも高輝度の電子ビームが得られ、しかも長寿命である特徴を有する。また冷電界放射陰極よりも安定で、低い真空度でも動作し、使い易いという特徴を有している。
【０００３】
電子放射陰極は、絶縁碍子に固定された金属支柱に設けられたタングステンワイヤーの所定の位置に電子ビームを放射するＷチップが溶接等により固着され、また前記タングステンワイヤー等からの熱電子の放射を抑制する電界を形成するためのサプレッサー電極等から構成されている。
【０００４】
そして、電子放射陰極においては、Ｗチップの一部に、ジルコニウム酸化物からなるジルコニウムと酸素の供給源、即ち、リザーバーが設けられている。Ｗチップの表面はＺｒＯ被覆層で覆われており、Ｗチップはタングステンワイヤーにより通電加熱されて、一般に１８００Ｋ程度の温度下で使用され、Ｗチップ表面のＺｒＯ吸着層は蒸発により消耗する。しかし、リザーバーよりジルコニウム及び酸素が拡散することにより、Ｗチップの表面に連続的に供給されるので、結果的にＺｒＯ吸着層が維持される。
【０００５】
前述の電子放射陰極の構造と動作説明は、ジルコニウムと酸素からなるＺｒＯ被覆層を設けた電子放射陰極（ＺｒＯ／Ｗエミッターという）に関するものであるが、前記ＺｒＯ／Ｗエミッター以外にも、ハフニウム酸化物をハフニウムと酸素の供給源としてＨｆＯ被覆層を設けた電子放射陰極（ＨｆＯ／Ｗエミッターという）が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
半導体検査装置などでは高輝度で長寿命を有するＺｒＯ／Ｗエミッターが広く使用されており、前記用途分野に適用した場合には、市販のＺｒＯ／Ｗエミッターにおいても１８００Ｋの動作温度で約１年の寿命が得られている。しかしながら、前記と同じ電子放射陰極を分析用途のＳＥＭやＴＥＭに適用した場合には、その寿命が２０００−５０００時間程度と短く、しかもばらつきが大きく、満足できる結果が得られない。
【０００７】
本発明者は、前記の分析用途分野における、寿命が短く、ばらつくという問題についていろいろ検討した結果、被覆層の供給源の変態点が動作温度よりも低いために、電子放射陰極の動作温度を設定する際に、被覆層を構成する物質の温度が変態点を通過し、その時生じる体積変化により、供給源にクラックが入り、次第に脱落することに原因していること、そして、被覆層を構成する物質を供給する供給源が常にその物質の変態点未満の温度に維持するように電子放射陰極を動作させるときに前記問題を解決できることを見出し、本発明に至ったものである。
【０００８】
即ち、本発明は、ＳＥＭやＴＥＭなどの分析用途の如くに、ＯＮ−ＯＦＦ動作の激しい電子線利用機器に適用しても、繰り返しの昇降温操作に耐えてリザーバーが脱落し難く、その結果、長寿命で、信頼性高く電子放射陰極を使用することができるという電子放射陰極の使用方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、金属基体と、前記金属基体の表面を被覆し、金属基体の仕事関数を低下させるための被覆層と、前記被覆層を構成する物質を供給するための供給源とを有する電子放射陰極の使用方法であって、前記供給源を構成する物質の変態点よりも、低い温度で動作させることを特徴とする電子放射陰極の使用方法であり、好ましくは、金属基体がタングステン、モリブデン、タンタルまたはレニウムから選ばれた一つであることを特徴とする前記の電子放射陰極の使用方法であり、更に好ましくは、供給源が、酸化ジルコニウム又は酸化ハフニウムであることを特徴とする前記の電子放射陰極の使用方法である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、供給源（リザーバー）を構成する物質の変態点よりも、低い温度で動作することにより、昇降温の際に変態温度を通過することがないので、反復昇降温を行ってもリザーバーにクラックが入ることなく、脱落を防ぐことが出来る。
【００１１】
ＺｒＯ／Ｗエミッターにおいてはリザーバーを構成する物質の変態点は１２００−１５００Ｋであり、ＨｆＯ／Ｗエミッターにおいてはリザーバーを構成する物質の変態点は１９００−２１００Ｋである。従って、本発明の実施態様として、ＺｒＯ／Ｗエミッターにおいては１２００Ｋ未満、ＨｆＯ／Ｗエミッターにおいては１９００Ｋ未満の動作温度に設定することにより、反復昇降温を行っても、リザーバーが脱落することを防止でき、高い信頼性を得ることが出来る。また、Ｚｒ、Ｈｆの酸化物は相互に全率で固溶するので、混合して用いることもできるが、電子放射特性の均一性の上から、なるべく単独で用いることが望ましい。
【００１２】
本発明に用いる金属基体については、一般的にタングステンが選択されるが、タングステン以外にモリブデン、タンタル、レニウムも用いることができる。また、前記金属基体の被覆層を設ける部分は、タングステン、モリブデンの場合その（１００）面が一般的である。
【００１３】
【実施例】
〔実施例１、２、比較例１、２〕
絶縁碍子にロウ付けされた金属支柱にタングステンワイヤーをスポット溶接により固定した後、＜１００＞方位の単結晶タングステン細線を寸断したＷチップを前記タングステンワイヤーにスポット溶接して取り付け、更に、Ｗチップの先端を電解研磨して鋭利な先端とすることで、電子放射陰極中間体を得た。
【００１４】
市販水素化ジルコニウム粉末を、酢酸イソアミルを分散媒として、乳鉢上で粉砕、混合してスラリーを得た。前記スラリーを前記電子放射陰極中間体のＷチップ（Ｗチップのタングステンワイヤーへの固定位置とＷチップ先端との中央の位置）に塗布して、リザーバを予備形成した。スラリー中の酢酸イソアミルが蒸発した後、１×１０^-9Ｔｏｒｒ（１．３×１０^-7Ｐａ）の超高真空中でタングステンワイヤーに通電してＷチップを１８００Ｋに加熱し、水素化ジルコニウムをジルコニウムと水素に熱分解してリザーバを焼成、固化した。更に、酸素雰囲気下３×１０^-6Ｔｏｒｒ（４．０×１０^-4Ｐａ）で２０時間加熱し、リザーバ中のジルコニウムを酸化、焼成並びに拡散をさせて、Ｗチップの表面にＺｒＯ被覆層を形成してＺｒＯ／Ｗエミッターを作製した。
【００１５】
上記手順で得られた５個の電子放射陰極のそれぞれについて、１×１０^-9Ｔｏｒｒ（１．３×１０^-7Ｐａ）の超高真空下で、通電加熱により１８００Ｋまで昇温と冷却（通電の停止）とを２００回繰り返した後、リザーバの状態を観察した（比較例１）。また、上記と同じ操作で得た５個の電子放射陰極について１×１０^-9Ｔｏｒｒ（１．３×１０^-7Ｐａ）の超高真空下で、通電加熱により１１５０Ｋまで昇温と冷却（通電の停止）とを２００回繰り返した後、リザーバの状態を観察した（実施例１）。
【００１６】
また、水素化ジルコニウムを水素化ハフニウムに代えることでＨｆＯ／Ｗエミッターを作製して、同様の実験を行った。ただし、被覆層形成と加熱冷却する際の昇温時の温度をそれぞれ、２１５０Ｋ（比較例２）及び１８００Ｋ（実施例２）とした。
【００１７】
表１に実施例１、２、比較例１、２の結果を示す。昇温温度がリザーバーの変態点より高い比較例１、比較例２では７０回以下の昇降温回数でリザーバーが脱落したが、昇温温度がリザーバーの変態点より低い実施例１、実施例２では２００回の昇降温でも脱落は認められなかった。
【００１８】
【表１】

【００１９】
〔実施例３、４、比較例３、４〕
更に、上記評価に用いたものとは別に、電子放射陰極を上記手順で作製し、実際に走査型電子顕微鏡に搭載し、実使用状況下での加熱冷却の反復回数と寿命を調べた。なお、ＺｒＯ／Ｗについては動作温度を１８００Ｋ（比較例３）、１１５０Ｋ（実施例３）とし、ＨｆＯ／Ｗについては動作温度を２１５０Ｋ（比較例４）、１８００Ｋ（実施例４）とした。
【００２０】
この結果を表２に示した。動作温度がリザーバーの変態点より高い比較例３、比較例４では６０００時間未満の寿命であったが、動作温度がリザーバーの変態点より低い実施例３、実施例４では８０００時間以上の長寿命が得られた。
【００２１】
【表２】

【００２２】
【発明の効果】
本発明の電子放射陰極の使用方法は、被覆層を構成する物質を供給する供給源が常にその物質の変態点未満の温度に維持するように電子放射陰極を動作させるので、従来の使用方法に比べ、加熱冷却の繰り返しを受けてもリザーバの脱落が無く、安定して長寿命が達成され、ＳＥＭやＴＥＭなど分析用途の如く、ＯＮ−ＯＦＦ動作の激しい電子線利用機器に好適な方法である。

Claims

金属基体と、前記金属基体表面を被覆し、金属基体の仕事関数を低下させるための被覆層と、前記被覆層を構成する物質を供給するための供給源とを有する電子放射陰極の使用方法であって、前記供給源が、酸化ハフニウムであり、１９００Ｋ未満で動作させることを特徴とする電子放射陰極の使用方法。
金属基体がタングステン、モリブデン、タンタルまたはレニウムから選ばれた一つであることを特徴とする請求項１記載の電子放射陰極の使用方法。