JP4753032B2 - 熱電子放出型電子銃 - Google Patents

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１０８の下流側の筒体に進む。鏡筒部１０８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および外部から入射する熱量Ｑｘ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、第１の筒体１０２と第３の筒体１０３との間の機械的結合を高める連結部材１０７を加熱するに必要な熱量Ｑｍ４、磁気シールド１０５を加熱するに必要な熱量Ｑｍ５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、連結部材１０７からの放熱熱量Ｑｒ４、磁気シールド１０５からの放熱熱量Ｑｒ５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および外部から入射される熱量Ｑｘの和と、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）＋（Ｑｍ５＋Ｑｒ５）−Ｑｘ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。

また、外部から入射される熱量Ｑｘが変動した場合には、上記した熱平衡式が成立しなくなるため、熱平衡状態を保持することが困難となり、放出される電子線が変動するおそれがあるという問題もある。

ここで、熱電子放出型電子銃と外部との間に既存の断熱材料を装着し、この断熱材料によって外部との間の熱伝達を遮断することが考えられる。しかしながら、既存の断熱材料によって熱伝達を遮断するには、ある程度の厚さが必要であり、外筒体や磁気シールドの大気側に断熱材料を装着した場合には、その断熱材料の厚みの分だけ熱電子放出型電子銃の外形寸法が大きくなるという問題がある。

また、外筒体と磁気シールドとのに間は断熱材料を装着するに十分な隙間がないため、断熱材料を装着することができないという問題がある。仮に、外筒体と磁気シールドとのに間の隙間を、断熱材料が装着できる程度に広げた場合には、熱電子放出型電子銃の外形寸法が更に大きくなることになる。

そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、熱電子放出型電子銃の外形寸法を大きくすることなく、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する。

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、熱電子放出型電子銃の各部分の表面に断熱塗料を塗布し、この断熱塗料層によって外部との間の熱伝達を低減する。この断熱塗料層の厚さは、既存の断熱材料と比較して十分に薄くすることができるため、熱電子放出型電子銃の外形寸法が大きくなることはない、また、外筒体と磁気シールドとのに間の隙間に設けることも容易である。

断熱塗料層を形成する断熱塗料は、例えば、セラミック粒子、又はセラミック中空粒子を含む塗料を用いることができる。

本発明の断熱塗料層は、熱電子放出型電子銃の各部分に設けることができ、例えば、熱電子放出型電子銃を構成する外筒部の大気側、磁気シールド部材の片面あるいは両面、排気管の大気側等の設ける他に、熱伝達経路となる部材の一部あるいは全部とすることができる。この断熱塗料を塗布することで、各外筒部からの放熱、磁気シールド部材からの放熱および加熱、外部との間に熱の出入りを抑制することができる。

外筒部の大気側に断熱塗料層を設ける態様は、フィラメント周辺部を覆う第１の外筒部と、熱電子を外部に放出するレンズ系を収納する第３の外筒部と、第１の外筒部と第３の外筒部とを接続すると共に、外周部分にアライメントコイルを有する第２の外筒部とを備え、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、第１〜第３の外筒部の少なくとも何れか一つの外筒部の大気側に断熱塗料層を備える。この断熱塗料層によって、外筒部から外部への放熱、および外部から当該外筒部への吸熱を抑制する。

この態様によれば、フィラメントから発熱する熱の周囲への放熱と外部から流入する熱を抑制することで、金属外筒の放熱量を減らし、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。

また、磁気シールド部材の片面あるいは両面に断熱塗料層を設ける態様は、上述した態様と同様に、フィラメント周辺部を覆う第１の外筒部と、熱電子を外部に放出するレンズ系を収納する第３の外筒部と、第１の外筒部と第３の外筒部とを接続すると共に、外周部分にアライメントコイルを有する第２の外筒部とを備え、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、第１〜第３の外筒部の外周部分を覆う磁気シールド部材とを備え、磁気シールド部材の少なくとも一方の面に断熱塗料層を備える。この断熱塗料層によって、磁気シールド部材から外部への放熱、又は外部から磁気シールド部材への吸熱、あるいはその両方を抑制する。

この態様によれば、磁気シールド部材の加熱と磁気シールド部材からの放熱および外部からの熱の流入を抑制することで、従来磁気シールド部材から放熱していた熱量または磁気シールド部材から流入する熱量を遮断することで、外乱に影響を少なくすることができる。

上述した熱電子放出型電子銃が備える他の部材に断熱塗料層を設ける態様は、第２の外筒部の外側において、第１の外筒部と第３の外筒部とを接続する連結部材を備え、この連結部材の少なくとも一方の面に断熱塗料層を備える。この断熱塗料層によって、連結部材から外部への放熱、又は外部から連結部材への吸熱、あるいはその両方を抑制する。

また、排気管に断熱塗料層を設ける態様は、フィラメント周辺部を覆う第１の外筒部を備え、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内を排気するための排気管を第１の外筒部に有し、この排気管の大気側に断熱塗料層を備える。この断熱塗料層によって、排気管から外部への放熱、および外部から排気管への吸熱を抑制する。

断熱材として断熱塗料を用いることによって、熱電子放出型電子銃の細部にも隙間なく断熱材を設ける処理を行うことができ、また、その処理作業も安価とすることができる。また塗布によるため、断熱材料からの発塵がなく、クリーンルームなどのクリーン環境での使用に適している。また、断熱材のためのスペースを確保するために熱電子放出型電子銃の構造を改変する必要がないため、従来の構造のままで断熱塗料層を形成することができる。また、断熱塗料は、各種の色を選択することができるため、意匠性の向上も図ることができる。

本発明によれば、熱電子放出型電子銃の外形寸法を大きくすることなく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、図２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、フィラメントから放出された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８の下流側の筒体（第２の外筒３および第３の外筒４）に進む。鏡筒部８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８の最外周部分には、磁気シールド５が設けられている。

第１の外筒２には、フィラメント１１が収納される内部を排気するための排気管６が設けられ、この排気管６を通して外部に備えた真空ポンプによって真空排気が行われる。

また、第１の外筒２と第３の外筒４との間には、上述した第２の外筒３の外側に連結部材７が設けられる。この連結部材７は、第１の外筒２と第３の外筒４との機械的な結合強度を高めるものである。この連結部材の形状は、必ずしも筒体である必要はなく、第１の外筒２と第３の外筒４とを機械的な結合する構成であれば、一部に切り欠き部分を有して構成としてもよい。

本発明の熱電子放出型電子銃１は、各部分の表面に断熱塗料を塗布することによって形成される断熱塗料層を有する。

この断熱塗料層は、例えば、鏡筒部８を構成する第１の外筒〜第３の外筒の大気側、磁気シールド部５の片面あるいは両面、排気管６の大気側、連結部材の片面あるいは両面、あるいは、熱電子放出型電子銃を構成する各部において、外部との間で熱の出入りが行われる部分に形成することができる。

図１、図２において、第１の外筒２の大気側に断熱塗料層２２を設け、第２の外筒３の大気側に断熱塗料層２３を設け、第３の外筒４の大気側に断熱塗料層２４を設ける構成と示している。これらの各断熱塗料層２２，２３，２４は、各筒体２〜４の熱を大気側に逃がすことを抑制する他、大気側から各筒体２〜４に対して熱が入り込むことを抑制する。

なお、ここで、第１〜第３の各外筒２〜４の真空側には断熱塗料層を設けない構成とすることにより、塗料に含まれる成分が真空側に浮遊して真空状態を悪化させることを抑制することができる。

鏡筒部８の外周を覆う磁気シールド５には、その片面あるいは両面に断熱塗料層２５を設ける。図１，図２では、磁気シールド５の外側の面に断熱塗料層２５ａを設け、内側の面に断熱塗料層２５ｂを設ける構成を示している。磁気シールド部５の内側の面に設けた断熱塗料層２５ｂは、磁気シールド５の内側の鏡筒８からの熱が磁気シールド部５に伝達することを抑制し、また、外部からの熱が磁気シールド５を通して内部に伝達することを抑制する。また、磁気シールド部５の外側の面に設けた断熱塗料層２５ａは、磁気シールド５の熱が外部に伝達すること、外部からの熱が磁気シールド５を介して内部に伝達することを抑制する。

排気管６には、その大気側に断熱塗料層２６を設ける。排気管６は第１の外筒２と接触しているため、排気管６は第１の外筒２と大気側との間の熱伝達の経路となる。そこで、この排気管６の大気側に断熱塗料層２６を設けることによって、排気管６と大気側との間の熱伝達を抑制し、延いては、大気側と第１の外筒２との間において排気管６を経路とする熱伝達を抑制する。

連結部材７には、その片面あるいは両面に断熱塗料層２７を設ける。図１，図２では、連結部材７の外側の面に断熱塗料層２７ａを設け、内側の面に断熱塗料層２７ｂを設ける構成を示している。連結部材７の内側の面に設けた断熱塗料層２７ｂは、第１の外筒３との間における熱伝達を抑制し、連結部材７の外側の面に設けた断熱塗料層２７ａは、磁気シールド５との間における熱伝達を抑制する。

また、上記した各部分の他に、熱伝達経路なる部材の一部あるいは全部に断熱塗料を塗布して断熱塗料層を形成し、熱伝達経路を遮断する。

図３は、本発明の熱電子放出型電子銃の他の構成例を説明するための図である。図３において、第２の外筒３の内壁部に薄肉の金属膜４１を設けて導電体とする。第２の外筒３は、石英ガラスや硬質ガラスのガラス管による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。

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８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４２を用いた簡易な挿入構造とすることができる。図３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４２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。

上記した構成において、断熱塗料としてセラミック粒子、セラミック中空粒子を含む塗料を用いることができる。この断熱塗料を塗布して形成される断熱塗料層の膜厚は、例えば、０．５ｍｍ程度で十分な断熱効果を得ることができる。この断熱塗料として、例えば、シスタコートと呼ばれる塗料を用いてもよい。

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の他の概略構成を説明するための断面図である。 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…排気管、７…連結部材、８…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、２２，２３，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ，２６，２７ａ，２７ｂ…断熱塗料層、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４１…薄肉金属膜、４２…Ｏリング。

Claims (5)

1. 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覆う第１の外筒部と、
   前記熱電子を外部に放出するレンズ系を収納する第３の外筒部と、
   前記第１の外筒部と第３の外筒部とを接続すると共に、外周部分にアライメントコイルを有する第２の外筒部とを備え、
   前第１〜第３の外筒部の少なくとも何れか一つの外筒部の大気側に断熱塗料層を備え、当該外筒部から外部への放熱、および外部から当該外筒部への吸熱を抑制することを特徴とする、熱電子放出型電子銃。
2. 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覆う第１の外筒部と、
   前記熱電子を外部に放出するレンズ系を収納する第３の外筒部と、
   前記第１の外筒部と第３の外筒部とを接続すると共に、外周部分にアライメントコイルを有する第２の外筒部と、
   前記第１〜第３の外筒部の外周部分を覆う磁気シールド部材とを備え、
   前記磁気シールド部材の少なくとも一方の面に断熱塗料層を備え、当該磁気シールド部材から外部への放熱、又は外部から当該磁気シールド部材への吸熱、あるいはその両方を抑制することを特徴とする、熱電子放出型電子銃。
3. 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覆う第１の外筒部と、
   前記第１の外筒部に設けてフィラメント周辺部内を排気するための排気管とを備え、
   前記排気管の大気側に断熱塗料層を備え、当該排気管から外部への放熱、および外部から当該排気管への吸熱を抑制することを特徴とする、熱電子放出型電子銃。
4. 前記第２の外筒部の外側において、前記第１の外筒部と第３の外筒部とを接続する連結部材を備え、
   前記連結部材の少なくとも一方の面に断熱塗料層を備え、当該連結部材から外部への放熱、又は外部から当該連結部材への吸熱、あるいはその両方を抑制することを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱電子放出型電子銃。
5. 前記断熱塗料層を形成する断熱塗料は、セラミック粒子、又はセラミック中空粒子を含む塗料であ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。

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