JP4753031B2

JP4753031B2 - 熱電子放出型電子銃

Info

Publication number: JP4753031B2
Application number: JP2006122214A
Authority: JP
Inventors: 正康鈴木
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2026-04-26
Also published as: JP2007294302A

Description

本発明は、フィラメントの加熱により熱電子を放出する熱電子放出型電子銃に関する。

電子線を１次ビームとして用いる装置として、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、等の観察装置、低速電子線回折法（ＬＥＥＤ）、高速反射電子線回折法（ＲＨＥＥＤ）、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）、電子エネルギー損失分光法（ＥＬＳ）等を利用した分析装置、電子ビーム露光装置等の加工装置、電子線高速アレイ検査装置等の検査装置などが知られている。

これらの装置に用いられる電子銃として、熱電子放出型や電界放出型が知られている。熱電子放出型電子銃は、フィラメントに電流を流すことで加熱し、この加熱により放出される熱電子を１次ビームとして用いる電子銃であり、安定した電子線電流が得られるため、広く利用されている。

例えば、走査電子顕微鏡は、一端に電子銃を備えた鏡筒部を有し、電子銃で発生した電子を鏡筒部の筒部を通して試料に照射する。この鏡筒部では、電子銃による電子線の発生、集束レンズによる電子プローブの形成や非点補正、走査コイルによる電子線の観察領域での走査等が行われ、対物レンズや対物レンズ絞りを経て試料に照射される。

試料への電子線照射によって試料からは二次電子や反射電子が放出される。二次電子は検出器に印加された正電位に引かれ、また、反射電子は自らのエネルギーで検出器に取り込まれて検出される。検出器で検出された信号は映像増幅器で信号増幅されると共に、走査回路からの走査信号で走査されて表示装置に表示される。

図４は、従来の熱電子放出型電子銃の一構成例を説明するための図である。図４において、電子銃１０１は、加熱によって熱電子を放出するフィラメント（カソード）１１１と、フィラメント１１１からの熱電子放出を集束して電子線束の電子密度を高めるウェーネルト１１２、及び集束した電子線を加速するアノードを備える。アノードはアース電位とし、フィラメント１１１には負電圧を印加し、ウェーネルト１１２にはフィラメント電圧よりも多少低い負電圧を印加してバイアス電圧とする。これによって、フィラメント１１１から放出された電子は、ウェーネルト１１２に印加されたバイアス電圧が作る電界によって軌道が修正され、ウェーネルト１１２の下方位置で一度集束した後、アノードによる加速電圧が作る電界によりアノードに向かって加速する。

アノードに向かって加速された電子は、アノードに開口されたアノードアパーチャ１１３を通過して、鏡筒部１０６の下流側の筒体に進む。鏡筒部１０６は、フィラメント１１１を内側に囲む第１の筒体１０２と、内部にレンズ系を収納する第３の筒体１０４と、第１の筒体１０２と第３の筒体１０４との間を繋ぐ第２の筒体１０３とを備える。ここで、第１の筒体１０２はフィラメント周辺部を形成し、第２の筒体１０３の外周部にはアライメントコイル１３１が設けられる。第３の筒体１０４内には、電子の下流側に向かって、集光レンズ１３２，収差補正レンズ１３３，対物レンズ１３４，補正レンズ１３５、およびデフレクタ１３６が設けられる。また、鏡筒部１０６の最外周部分には、磁気シールド１０５が設けられている。

熱電子放出型電子銃ではフィラメント電流を流してフィラメントを加熱することで行われる。この加熱されたフィラメントは、フィラメント全体から熱電子を放出するのではなく、主にフィラメントの先端部分から熱電子を放出する。そのため、電子放出源であるフィラメント先端部分の温度が重要である。

通常、フィラメント電流によって加熱されたフィラメントの熱は、輻射によってウェーネルトやウェーネルト取り付け部に放熱されるため、電子放出源であるフィラメント先端部分の温度が上昇しにくくなる。

図５はフィラメントの発熱熱量と放熱熱量との関係を説明するための図である。図５において、フィラメント１１１の発熱熱量Ｑ０は、各部を加熱するに必要な熱量Ｑｍと各部から放熱される熱量Ｑｒとにより消費される。加熱するに必要な熱量Ｑｍとしては、例えば、ウェーネルト１１２を加熱するに必要な熱量Ｑｍ１、第１の筒体１０２を加熱するに必要な熱量Ｑｍ２、第２の筒体１０３を加熱するに必要な熱量Ｑｍ３、磁気シールド１０５を加熱するに必要な熱量Ｑｍ４があり、また、放熱熱量Ｑｒとしては、例えば、１１２からの放熱熱量Ｑｒ１、第１の筒体１０２からの放熱熱量Ｑｒ２、第２の筒体１０３からの放熱熱量Ｑｒ３、磁気シールド１０５からの放熱熱量Ｑｒ４がある。

フィラメントに定電流を流したとき、フィラメント先端温度が所定温度で安定するためには、フィラメントの発熱熱量Ｑ０と、外周部での加熱熱量Ｑｍと放熱熱量Ｑｒとが熱的な平衡状態にある必要がある。この熱的な平衡状態は、Ｑ０＝（Ｑｍ１＋Ｑｒ１）−（Ｑｍ２＋Ｑｒ２）−（Ｑｍ３＋Ｑｒ３）−（Ｑｍ４＋Ｑｒ４）で表される。

したがって、フィラメントの発熱は、輻射によりウェーネルトやウェーネルト周辺の外筒を加熱し、さらに外筒全体へ熱が伝達されていく。そのため、電子放出源であるフィラメント先端部分の温度が上がりにくく、熱平衡に達するまでに長時間を必要とする。フィラメント先端の温度があがりにくいため、必要以上に大きなフィラメント電流を流さなければならない。フィラメント電流を大きくしてフィラメント先端部分の温度を上げると、フィラメント自体に大きな電流が流れることでフィラメント寿命が短くなるという問題がある。

また、フィラメントからの伝熱で加熱されたウェーネルトやウェーネルト取り付け部は、さらにその外側の大気に熱を放熱して熱損失が発生するため、電子銃全体の系の熱的な安定が得にくいという問題もある。

また、加熱される外筒体の表面積が大きい構成では、外筒体の表面から大気側に放出される放熱量が大きくなり、電子銃の系全体が熱平衡に達するまで長時間を要するという問題がある。また、大きな放熱面積は、雰囲気温度、気流などの外乱の影響を受けやすくなり、熱平衡に達するまでの時間が大きく変動するという問題もある。

そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、放熱や伝熱による熱損失を低減して、電子銃全体の系の熱的安定性を保つことを目的とし、また、フィラメント電流を低減してフィラメント寿命の短命化を抑制し、フィラメント寿命を延ばすことを目的とする。

また、印加電力に対するエミッション電流の利用効率を向上させることを目的とする。

本発明は、フィラメントの外周部分と金属外筒体との間に断熱材料を設けることによって、フィラメント外周部分から金属外筒体側への熱伝達により放出される熱を低減する。これによって、金属外筒の放熱面積を減らし、系全体が熱平衡の達するまでの時間を短縮すると共に、フィラメント電流の電流量を抑制し、フィラメントの寿命を延ばすことができる。

本発明の熱電子放出型電子銃は、フィラメントの加熱により熱電子を放出する熱電子放出型電子銃であり、フィラメント周辺部を構成する筒体の端部に設けたアノードアパーチャと、レンズ系を収納する金属筒との間に断熱材料からなる外筒を備える。外筒を断熱材料により形成することで、フィラメント周辺部から金属筒への熱伝達を断熱し、フィラメント周辺部から熱伝達で放出される熱量を低減する。

外筒を形成する断熱材料は、例えば石英ガラス、硬質ガラス、アルミナセラミック、プラスチック等の誘電体とすることができる。外筒を形成する断熱材料を誘電体とすることで、この外筒の外周に設けたアライメントコイルが発生する磁界作用による渦電流の発生を無くすことができる。渦電流はアライメントコイルの走査周波数を低下させる要因となるが、本発明によれば、渦電流を抑制することができるため、アライメントコイルの走査周波数を高めることができる。

また、誘電体の外筒の内壁に導電体を設ける構成とする。この導電体より、誘電体の外筒の内壁にチャージされる電荷によって電子ビームの軌道が変化することを防ぐことができる。導電体は、外筒の少なくとも内面と少なくとも何れか一方の端部の表面にニッケル又はクロム又は銅のメッキ層を設けることで構成することができる。ニッケルの場合には、無電界ニッケルメッキ層とすることができる。無電界ニッケルメッキ層の金属膜は１ミクロン程度が望ましい。このとき、外筒の少なくとも一方の端部を金属メッキすることで金属外筒体との間の電気的接触が容易となる。

また、本発明の熱電子放出型電子銃は、フィラメント周辺部とレンズ系を収納する金属筒との間に少なくとも一部が断熱材料からなる連結部材を備える。連結部材は、フィラメント周辺部と金属筒との間を連結する際の機械的強度を高める。連結部材を断熱材料とすることで、フィラメント周辺部から金属筒への熱伝達を断熱する。

また、連結部材は、少なくとも内面の表面又は外面の表面の少なくとも一部に、フィラメント周辺部と金属筒とを電気的に導通する金属メッキ層、あるいは配線を備える。この金属メッキ層、あるいは配線により、外筒間を同電位（グラウンド電位）として電気的導通を確保することができる。

本発明によれば、放熱や伝熱による熱損失を低減して、電子銃全体の系の熱的安定性を保つことができる。また、フィラメント電流を低減してフィラメント寿命の短命化を抑制し、フィラメント寿命を延ばすことができる。また、印加電力に対するエミッション電流の利用効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の熱電子放出型電子銃の概略構成を説明するための図であり、図２は本発明の熱電子放出型電子銃のフィラメント周辺部および外筒部を説明するための図である。

図１において、熱電子放出型電子銃１は前述した図４に示す構成と共通する構成を備える。熱電子放出型電子銃１は、加熱によって熱電子を放出するフィラメント（カソード）１１と、フィラメント１１からの熱電子放出を集束して電子線束の電子密度を高めるウェーネルト１２、及び集束した電子線を加速するアノードを備える。図１では、アノードは第１の外筒２の一部で構成され、電子を通すアノードアパーチャ１３が形成されている。

アノードはアース電位とし、フィラメント１１には負電圧を印加し、ウェーネルト１２にはフィラメント電圧よりも多少低い負電圧を印加してバイアス電圧とする。これによって、フィラメント１１から放出された電子は、ウェーネルト１２に印加されたバイアス電圧が作る電界によって軌道が修正され、ウェーネルト１２の下方位置で一度集束した後、アノードによる加速電圧が作る電界によりアノードに向かって加速する。

アノードに向かって加速された電子は、アノードに開口されたアノードアパーチャ１３を通過して、鏡筒部６の下流側の筒体に進む。鏡筒部６は、フィラメント１１を内側に囲む第１の外筒２と、内部にレンズ系を収納する第３の外筒４と、第１の外筒２と第３の外筒４との間を繋ぐ第２の外筒３とを備える。ここで、第１の外筒２はフィラメント周辺部を形成し、第２の外筒３の外周部にはアライメントコイル３１が設けられる。第３の外筒４内には、電子の下流側に向かって、集光レンズ３２，収差補正レンズ３３，対物レンズ３４，補正レンズ３５、およびデフレクタ３６が設けられる。また、鏡筒部６の最外周部分には、磁気シールド５が設けられている。

本発明の熱電子放出型電子銃１は、第２の外筒３を断熱材料により形成することで、フィラメント周辺部を構成する第１の外筒２と金属筒体により構成される第３の外筒４との間における熱伝達を遮断する。第２の外筒３は、低いガス透過性、低い水分吸着、および高強度等の特性を有する真空隔壁材が適当であり、例えば、ガラス材を用いることができる。ガラスの熱伝導率は、例えば０．６kcal/（ｍ²・ｈ・℃）である。一方、第３の外筒４は、例えば、アルミニウムの熱伝導率は２３６kcal/（ｍ²・ｈ・℃）であり、ステンレスの熱伝導率は１５kcal/（ｍ²・ｈ・℃）である。上記したように、ガラスの熱伝導率はアルミニウムやステンレスの熱伝導率よりも小さいため、外筒の一部にガラス材を用いることによって、第１の外筒２から第３の外筒４への熱伝達を減らすことができる。

第２の外筒３は、上記したガラス管として石英ガラスや硬質ガラスの誘電体を用いる他に、アルミナセラミックやプラスチック等の誘電体を用いることができる。このように、第２の外筒３として誘電体を用いる場合には、第２の外筒３の内壁に電気的にチャージされる場合がある。このように内壁にチャージされた電荷は、第２の外筒３の内部を通る電子ビームに影響して軌道を変化させるおそれがある。そこで、本発明の第２の外筒３の内壁を導電体として、電気的なチャージが発生しない構成とする。この構成として、ガラス管等の誘電体からなる筒体の内壁側にニッケル無電界めっき処理を施し、１ミクロン程度の金属膜をコーティングすることが望ましい。

図２は、この第２の外筒３の構成の一部を示している。図２において、第２の外筒３の内壁部に薄肉の金属膜を設けて導電体とする。このとき、第２の外筒３の少なくとも一方の端部にも金属めっき処理を施す。第２の外筒３を第１の外筒２と第３の外筒４との間に設置して鏡筒６を構成した際には、この第２の外筒３の両端部は、第１の外筒２および第３の外筒４と接触する。このとき、第２の外筒３の少なくとも一方の端部にも金属膜を設けることによって、第１の外筒２あるいは第３の外筒４と物理的に接触すると同時に電気的に接触させることができる、第２の外筒３を例えばアース電位に保持することができる。

なお、この第２の外筒３の全面を無電界めっきする他、一部の面のみを無電界めっきしてもよい。

また、第２の外筒３と金属外筒との接続部は、Ｏリングシールを用いた簡易な挿入構造とすることができる。図２は、第２の外筒３を金属外筒である第１の外筒２に取り付ける構成例を示している。第１の外筒２において、第２の外筒３が接触する位置に、第２の外筒３を挿入可能な径を有する凹部を形成して、この凹部の外周部分にＯロング２４を配置する。これによって、第２の外筒３を金属外筒に取り付けることができる。

なお、図２では第１の外筒２と第２の外筒３との接続部分を示しているが、第２の外筒２と第３の外筒４との接続部分にも同様の接続構造を適用することができる。

上記したＯリングシールを用いた簡易な挿入構造は取り付け強度が十分に得られない場合がある。本発明の熱電子放出型電子銃１は、第２の外筒３を両端の金属外筒に取り付ける際において十分な強度を得るために、第２の外筒３を挟む両端の金属外筒を連結部材２２によって転結する。

連結部材２２は熱伝達経路となるため、一部あるいは全部をガラス部材、セラミック部材、プラスチック部材等の断熱材料により形成し、これによって、熱伝達形成路を遮断する。

この連結部材２２を構成する断熱材料は誘電体であるため、両端の金属外筒間を同電位（グラウンド電位）とする。両端の金属外筒間を同電位（グラウンド電位）とする構成として、例えば、連結部材２２の表面に金属めっき処理を施して電気的導通を得る他、両端の金属外筒間に配線２３を施し、グランドに接続する。

また、連結部材２２の断熱性を高めるために、図３に示すように、連結部材２２が金属外筒（例えば、第１の外筒２）と接触する接触部分２２ａの面積を小さくする構成としたり、転結部材に壁部２２ｂの壁厚を薄くする構成とする。これによって、連結部材２２による熱伝達を低減することができる。

本発明の熱電子放出型電子銃は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、等の観察装置、低速電子線回折法（ＬＥＥＤ）、高速反射電子線回折法（ＲＨＥＥＤ）、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）、電子エネルギー損失分光法（ＥＬＳ）等を利用した分析装置、電子ビーム露光装置等の加工装置、電子線高速アレイ検査装置等の検査装置などに適用することができる。

本発明の熱電子放出型電子銃の概略構成を説明するための断面図である。本発明の熱電子放出型電子銃のフィラメント周辺部および外筒部を説明するための図である。本発明の熱電子放出型電子銃が備える連結部材を説明するための図である。従来の熱電子放出型電子銃の一構成例を説明するための図である。フィラメントの発熱熱量と放熱熱量との関係を説明するための図である。

符号の説明

１…熱電子放出型電子銃、２…第１の外筒、３…第２の外筒、４…第３の外筒、５…磁気シールド、６…鏡筒部、１１…フィラメント、１２…ウェーネルト、１３…アノードアパーチャ、２１…薄肉金属膜、２２…連結部材、２３…金属外筒、２４…Ｏリング、３１…アライメントコイル、３２…集光レンズ、３３…収差補正レンズ、３４…対物レンズ、３５…補正レンズ、３６…デフレクタ。

Claims

フィラメントの加熱により熱電子を放出する熱電子放出型電子銃において、
フィラメント周辺部を構成する筒体の端部に設けたアノードアパーチャと、レンズ系を収納する金属筒との間に断熱材料からなる外筒を備え、
当該外筒はフィラメント周辺部から金属筒への熱伝達を断熱することを特徴とする、熱電子放出型電子銃。
前記断熱材料は、誘電体であることを特徴とする、請求項１に記載の熱電子放出型電子銃。
前記誘電体は、石英ガラス、硬質ガラス、アルミナセラミック、プラスチックの何れか一つであることを特徴とする、請求項２に記載の熱電子放出型電子銃。
前記外筒の少なくとも内面と少なくとも何れか一方の端部は、表面にニッケル、クロム、銅の何れかのメッキ層を有することを特徴とする、請求項２又は３に記載の熱電子放出型電子銃。
フィラメント周辺部とレンズ系を収納する金属筒との間に少なくとも一部が断熱材料からなる連結部材を備え、
当該連結部材はフィラメント周辺部から金属筒への熱伝達を断熱することを特徴とする、請求項１から請求項４の何れか一つに記載の熱電子放出型電子銃。
前記連結部材は、少なくとも内面の表面又は外面の表面の少なくとも一部に、フィラメント周辺部と金属筒とを電気的に導通する金属メッキ層を有することを特徴とする、請求項５に記載の熱電子放出型電子銃。
前記連結部材は、少なくとも内面の表面又は外面の表面の少なくとも一部に、フィラメント周辺部と金属筒とを電気的に導通する配線を有することを特徴とする、請求項５に記載の熱電子放出型電子銃。