JP4584015B2 - 電界放射型電子銃を用いた電子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、電界放射型電子銃（以下、ＦＥＧと略称する）を用いた電子線装置において、エミッション電流を測定する技術に関する。

ＦＥＧは、放射する電子線のエネルギー幅が極めて小さく、高輝度が得られるので、観察・分析の性能向上に適しており、電子顕微鏡を始めとして多くの電子線装置に使われている。ＦＥＧは、電子を放出するエミッタと引出電極の間に電圧を印加し、エミッタ先端部に形成された強電界によりエミッタから電子を引き出すようにしている。このＦＥＧには、エミッタを加熱するサーマルタイプと過熱しないコールドタイプがある。エミッタから引き出された電子は加速電極により加速されて試料上に照射される。実際には加速電極は接地電位に保たれ、加速電圧に相当する負電位がエミッタに印加されるようになっている。

図２は、サーマルタイプのＦＥＧを用いた電子線装置のＦＥＧ周辺の概略回路構成例を示した図である。図２において、電子銃１内にエミッタ１ａと引出電極３が配置されている。その他、エミッタ加熱電源２、引出電極に電圧を印加するための引出電極電源４、エミッタ１ａに加速電圧を印加するための加速電圧電源９、エミッタ１ａと加速電圧電源９の出力点の間に流れる電流を検出するための抵抗値Ｒｅを持つ検出抵抗５、検出抵抗５の両端間に生ずる電圧降下による電位差により電流Ｉｅを計測する計測回路６、加速電圧と同じ電位上に配置されている計測回路６から接地電位の回路に信号を取り出すためのアイソレータ７、エミッション電流表示装置８が構成されている。基準電圧電源10から出力される基準電圧に加速電圧電源９の持つ所定の増幅率を乗じた電圧が電子線ＥＢの加速電圧（接地電位に対して負電位）としてエミッタに印加されるようになっている。
なお図２の構成例では、サーマルタイプのＦＥＧのためエミッタ加熱電源２が構成されているが、コールドタイプのＦＥＧでは不要である。また、実際の電子線装置では、引出電極４の他にも種々のレンズ電極や、電圧発生回路、電子線を細く集束するための電子レンズなどを備えるが省略している。

上述したように、ＦＥＧは放射する電子線のエネルギー幅が極めて小さく、高輝度が得られるという利点がある。しかしその反面、エミッション電流が変動しやすく、また休止状態からの立ち上げ時に、注意して引出電極に電圧を印加する必要があるなどの点で、タングステンまたは６ホウ化ランタンをフィラメント部材として用いる電子銃より取り扱いが難しい。従って、ＦＥＧが正常に動作しているかを判断するためにエミッション電流の状態を把握することが重要である。

特開平７−８５８３０号公報 特開平８−４５４５５号公報

特許文献１の特開平７−８５８３０号公報（段落［０００６］）には、ＦＥＧの各電極電源とエミッタとの間に流れる電流を検出するための抵抗を設け、電圧降下により生ずる抵抗両端間の電位差を測ることによりエミッション電流を検出する方法が述べられている。上記した図２中の検出抵抗５とエミッション電流計測回路６は、特開平７−８５８３０号公報に示されている方法と同じ方法でエミッション電流を計測しようとするために配置されている。

電子銃から放出された電子は、キルヒホッフの法則により最終的に電子銃1の加速電圧電源９に流れ込む。従って、図２に示すように、エミッタ１ａと加速電圧電源９の間に直列に検出抵抗５を入れ、電圧降下により生ずる抵抗両端間の電位差を計測すればエミッション電流を計測することができる。しかし、この方法では検出抵抗５による電圧降下分が加速電圧電源９の出力に加算され、所望の加速電圧に誤差を生ずるという問題がある。図２において、加速電圧電源９の出力電圧をＶａとした時、実際にエミッタに印加される加速電圧をＶａｃｃとすると、
Ｖａｃｃ＝Ｖａ+Ｉｅ×Ｒｅ …（１）
となり、エミッション電流を計測することによって、エミッタに印加する所望の加速電圧Ｖａに対して、実際の加速電圧は検出抵抗５による電圧降下分（Ｉｅ×Ｒｅ）だけ変化してしまう。エミッタに印加される加速電圧は負の値であるので、加速電圧の絶対値は小さくなる。これを避けようとして抵抗値Ｒｅを小さくすると、電圧降下すなわちＩｅの測定誤差が大きくなるという問題がある。

上記の問題を避けるため、特許文献２の特開平８−４５４５５号公報（段落［００１２］）は、引出電極に入射する電子を検出することによりエミッション電流を測定する方法が述べられている。図３は、引出電極に入射する電子を検出することによりエミッション電流を測定する方法を説明するための図である。
図３において、エミッタ１ａから放射された電子は、引出電極３に流れ込む電子（電流Ｉｅ）とそれ以外の電極や試料を通ってグランドに流れ込む電子に分かれる。電流Ｉｅと抵抗値Ｒｅによる電圧降下分をＩｅ計測回路６で計測することによりＩｅを計測することができる。検出抵抗５は加速電圧電源９とエミッタ１ａ間の回路外に位置しているため、Ｉｅ計測回路６で計測される電圧降下分は加速電圧に影響を及ぼさない。

本来のエミッション電流はエミッタから放出される全ての電子について測るべきであるが、これまでは、全エミッション電流に対するＩｅ以外の電流の割合が、全エミッション電流の代わりにＩｅを使用しても実用的には充分な程度に小さかった。しかし、元々Ｉｅと全エミッション電流の比率はエミッタ先端の形状に大きく依存している。そのため、ＦＥＧの性能が向上し、より高輝度になってくると、全エミッション電流に対するＩｅの割合が低下するため、Ｉｅのみを計測しても正確にエミッタの状態を反映しているとはいえないという問題が起きてきた。本発明は、上記の問題に鑑みて、加速電圧に影響を及ぼすことなく、エミッション電流を正しく計測できる方法の提供を目的としている。

上記問題を解決するため、本発明は、
エミッタ及び各種電極を備える電界放射型電子銃と、前記エミッタに所望の加速電圧を印加するための所定の増幅率を持つ加速電圧電源と、前記所望の加速電圧に応じて前記加速電圧電源に必要な基準電圧を与えるための基準電圧電源とを備える電子線装置において、
前記エミッタと前記加速電圧電源の間に配置されて前記エミッタに流れる全電流を検出するための検出手段と、前記検出手段から得られる検出出力に基づいて求めた補正電圧と前記基準電圧との加算値を前記加速電圧電源に入力する入力手段を備えたことを特徴とする。

また本発明は、前記検出手段は、前記エミッタに流れる全エミッション電流を検出するための検出抵抗と、前記検出抵抗の両端間に電圧降下により生じる電位差を検出するためのエミッション電流計測回路であることを特徴とする。

また本発明は、前記入力手段は、前記補正電圧と前記基準電圧を加算するために前記加速電圧電源と前記基準電圧電源との間に配置された加算器と、前記電位差に基づいて前記補正電圧を求めるために前記検出手段と前記加算器との間に配置された演算回路を備えることを特徴とする。

また本発明は、前記検出抵抗の両端間に電圧降下により生じる電位差を前記加速電圧電源の所定の増幅率で除した値を前記補正電圧として前記演算回路によって求めることを特徴とする。

本発明によれば、エミッタと加速電圧電源の間に流れる全電流を検出するための検出抵抗と、前記検出抵抗の電圧降下により生ずる両端間の電位差を検出する検出手段と、前記検出手段から得られる検出出力に基づいて求めた補正電圧と前記基準電圧電源との加算値を前記加速電圧電源に入力する入力手段を備えたので、
前記電位差と加速電圧電源の出力電圧を加算した電圧を、実際のエミッタに印加される所望の加速電圧とすることができる。そのため、エミッタに印加する所望の加速電圧に誤差を生ずることなく、エミッタ電流を正確に計測できるので、エミッタの動作状態を常に正しく把握することが可能となり、エミッタの保護、装置の立ち上げなどがやり易くなった。また所望の加速電圧に正しく設定して試料の観察・分析等が行えるので、データの信頼性が向上した。

図１に、本発明を実施するサーマルタイプのＦＥＧを用いた電子線装置のＦＥＧ周辺の概略回路構成例を示す。図２、図３に示した従来構成例と同一または類似の構成要素には、説明の重複を避けるため同じ番号を付与している。
図１において、図２に示した従来構成例に、加算器11、演算回路12が加えられ、アイソレータ７の出力電圧が演算回路12を介して加算器11に入力されるように構成されている。

前述の式（１）で示したように、単に電子銃１と加速電源９の間に検出抵抗５を入れただけでは、エミッタ電流Ｉｅを計測することによって、エミッタに印加する所望の加速電圧Ｖａに対して、実際の加速電圧は、検出抵抗５の電圧降下分（Ｉｅ×Ｒｅ）だけ変化してしまう。そのため本発明においては、基準電圧電源10から加速電圧電源９に入力する電圧に、電圧降下分（Ｉｅ×Ｒｅ）に基づいて求めた補正電圧を加えることにより、加速電圧電源の出力とエミッション電流の検出抵抗による電圧降下分を加えた電圧が、実際のエミッタ1ａに印加される所望の加速電圧となるようにしている。

図１において、加速電圧電源９の増幅率をＫ、所望の加速電圧に応じた基準電圧電源10の出力電圧をＶｒ、アイソレータ７の出力から演算回路12を介して加算器11に入力する上記の補正電圧をＶｅとする。補正電圧Ｖｅは以下の考え方により求めることができる。

検出抵抗５による電圧降下のない場合、加速電圧電源９からの出力電圧Ｖａが所望の加速電圧となるので、このときのＶａは、
Ｖａ＝Ｋ×Ｖｒ …（２）
で与えられる。次に、補正電圧Ｖｅが加算器11に加えられた時の加速電圧電源９からの出力電圧をＶａｅとおくと、
Ｖａｅ＝Ｋ×（Ｖｒ−Ｖｅ） …（３）
である。式（３）において、補正電圧Ｖｅは基準電圧Ｖｒと逆極性の電圧を加算することを意味している。またこの時、検出抵抗５による電圧降下分が加算されるので、実際にエミッタ1ａに印加される加速電圧Ｖａｃｃは、
Ｖａｃｃ＝Ｖａｅ＋Ｉｅ×Ｒｅ …（４）
である。ここで、式（４）で与えられる電圧が所望の加速電圧となるようにＶｅを決めれば良い。すなわち、式（３）のＶａｅを式（４）に代入し、式（２）のＶａと式（４）のＶａｃｃが等しいとおけば、
Ｋ×Ｖｒ＝Ｋ×（Ｖｒ−Ｖｅ）＋Ｉｅ×Ｒｅ …（５）
が得られる。式（５）をＶｅについて解けば、
Ｖｅ＝Ｉｅ×Ｒｅ／Ｋ …（６）
となる。従って、補正電圧Ｖｅは、エミッション電流計測回路６からアイソレータ７を経て送られてきた検出抵抗５の電圧降下分Ｉｅ×Ｒｅに基づき、演算回路12により式（６）のように設定すれば良い。

以上に述べた方法によって、電位差（Ｉｅ×Ｒｅ）と加速電圧電源９の出力電圧Ｖａを加算した電圧が実際のエミッタ１ａに印加される所望の加速電圧となるので、加速電圧に電圧降下の影響を及ぼすことなくエミッション電流を正しく計測できる。

上記に説明した実施の形態はサーマルタイプのＦＥＧを例にとったが、コールドタイプのＦＥＧにも適用できる。その場合、図１中のエミッタ加熱電源２は構成から除かれる。

以上述べた方法によって、ＦＥＧを用いた電子線装置において、加速電圧に対して電圧降下の影響を与えること無く、エミッション電流の正確な計測が可能である。

以上の説明においては、電界放射型電子銃を搭載した電子線装置に適用した例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、荷電粒子線を加速して試料に照射し、観察、分析、加工等を行う一般の荷電粒子線装置に適用が可能である。

本発明を実施する電子線装置のサーマルタイプＦＥＧ周辺の概略回路構成例と動作を説明するための図。 従来の電子線装置のサーマルタイプＦＥＧ周辺の概略回路構成例とエミッション電流を測定する方法を説明するための図。 従来の電子線装置のサーマルタイプＦＥＧにおいて、引出電極に入射する電子を検出することによりエミッション電流を測定する方法を説明するための図。

符号の説明

（同一または類似の動作を行うものには共通の符号を付す。）
ＥＢ 電子線
１ 電子銃（ＦＥＧ） １ａ エミッタ
２ エミッタ加熱電源 ３ 引出電極
４ 引出電極電源 ５ 検出抵抗（Ｒｅ）
６ エミッション電流計測回路 ７ アイソレータ
８ エミッション電流表示装置 ９ 加速電圧電源
10 基準電圧電源 11 加算器
12 演算回路

Claims (4)

1. エミッタ及び各種電極を備える電界放射型電子銃と、前記エミッタに所望の加速電圧を印加するための所定の増幅率を持つ加速電圧電源と、前記所望の加速電圧に応じて前記加速電圧電源に必要な基準電圧を与えるための基準電圧電源とを備える電子線装置において、
   前記エミッタと前記加速電圧電源の間に配置されて前記エミッタに流れる全電流を検出するための検出手段と、前記検出手段から得られる検出出力に基づいて求めた補正電圧と前記基準電圧との加算値を前記加速電圧電源に入力する入力手段を備えた、ことを特徴とする電子線装置。
2. 前記検出手段は、前記エミッタに流れる全エミッション電流を検出するための検出抵抗と、前記検出抵抗の両端間に電圧降下により生じる電位差を検出するためのエミッション電流計測回路である、ことを特徴とする請求項１に記載の電子線装置。
3. 前記入力手段は、前記補正電圧と前記基準電圧を加算するために前記加速電圧電源と前記基準電圧電源との間に配置された加算器と、前記電位差に基づいて前記補正電圧を求めるために前記検出手段と前記加算器との間に配置された演算回路を備える、ことを特徴とする請求項１乃至２に記載の電子線装置。
4. 前記検出抵抗の両端間に電圧降下により生じる電位差を前記加速電圧電源の所定の増幅率で除した値を前記補正電圧として前記演算回路によって求める、ことを特徴とする請求項１乃至３に記載の電子線装置。
   

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