JP4789122B2 - 電子源 - Google Patents

Description

本発明は、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭともいう）、オージェ電子分光、電子線露光機、ウェハ検査装置などの電子源に関する。

近年、熱陰極よりも長寿命で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の針状電極にジルコニウムと酸素の被覆層を設けた陰極を用いた電子源が用いられている（以下、ＺｒＯ／Ｗ電子源と記す）（非特許文献１参照）。

ＺｒＯ／Ｗ電子源は、軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶の針状の陰極に、酸化ジルコニウムからなる拡散源を設け、ジルコニウム及び酸素を拡散することにより被覆層（以下、ＺｒＯ被覆層という）を形成し、該ＺｒＯ被覆層によってタングステン単結晶の（１００）面の仕事関数を４．５ｅＶから約２．８ｅＶに低下させたものである。このＺｒＯ／Ｗ電子源は、前記陰極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という特徴を有する。また冷電界放射電子源よりも安定で、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（非特許文献２参照）。

ＺｒＯ／Ｗ電子源は、図１に示すように、絶縁碍子５に固定された導電端子４に設けられたタングステン製のフィラメント３の所定の位置に電子ビームを放射するタングステンの＜１００＞方位の針状の陰極１が溶接等により固着されている。陰極１の一部には、ジルコニウムと酸素の拡散源２が設けられている。図示していないが陰極１の表面はＺｒＯ被覆層で覆われている。

陰極１はフィラメント３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るので、陰極１表面のＺｒＯ被覆層は蒸発により消耗する。しかし、拡散源２よりジルコニウム及び酸素が拡散することにより、陰極１の表面に連続的に供給されるので、結果的にＺｒＯ被覆層が維持される。

ＺｒＯ／Ｗ電子源の陰極１の先端部はサプレッサー電極と引き出し電極の間に配置され使用される。陰極１には引き出し電極に対して負の高電圧が印加され、更にサプレッサー電極には陰極１に対して数百ボルト程度の負の電圧が印加され、フィラメント３からの熱電子を抑制する。

ＺｒＯ／Ｗ電子源は、低加速電圧で用いられる測長ＳＥＭやウェハ検査装置において、０．１〜０．２ｍＡ／ｓｒ程度の角電流密度での動作により、プローブ電流が安定していて且つエネルギー幅の拡がりが抑えられるため、高分解能のＳＥＭ像を得ることができる電子源として広く用いられている。
Ｄ．Ｔｕｇｇｌｅ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１６，ｐ１６９９（１９７９） Ｍ．Ｊ．Ｆｒａｎｓｅｎ，"Ｏｎ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ＺｒＯ／Ｗ Ｓｃｈｏｔｔｋｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｅｍｉｔｔｅｒ"，ＡＤＶＡＮＣＥＳ ＩＮ ＩＭＡＧＩＮＧ ＡＮＤ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＰＨＹＳＩＣＳ， ＶＯＬ．ＩＩＩ， ｐ９１−１６６，１９９９ ｂｙ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ．

従来、走査型電子顕微鏡により、比較的高倍率でＳＥＭ像をみる際、装置周辺からの振動によりノイズが発生し、分解能が得られず、測長などを行うことができない場合がある。このノイズは、ＺｒＯ／Ｗ電子源のタングステンフィラメントが共振周波数により、振動していることが原因であることがわかっている。

上記電子源に起因する振動を抑制するため、装置の外側に防振構造を設けることにより、対処することが試みられているが、完全に共振しないようにするためには、装置として大がかりなものになってしまうという問題がある。即ち、本発明の目的は、電子源を用いる装置が外部より振動を受けても、安定した電子線を与える電子源を提供することである。

本発明は以下の構成を要旨とするものである。
（１）絶縁碍子に設けた一対の導電端子間に張ったフィラメントに、電子放射部となる尖鋭化した端部を有するロッド状の陰極を接合してなる電子源であって、陰極の電子放射部とは異なる端部が、絶縁碍子にろう付けされた金属ピンを介して絶縁碍子に固定されていることを特徴とする電子源。
（２）陰極の電子放射部とは異なる端部が、前記金属ピンに溶接により固定されている上記（１）に記載の電子源。
（３）陰極がモリブデンまたはタングステンの＜１００＞方位の単結晶からなり、陰極の一部にジルコニウム、ハフニウム、チタン、スカンジウム、イットリウム、バリウムから選ばれた元素の酸化物を拡散源として有する上記（１）または（２）に記載の電子源。
（４）ジルコニウムの酸化物を拡散源として有する上記（３）に記載の電子源。
（５）陰極がタングステンからなる上記（３）または（４）に記載の電子源。
（６）フィラメントがタングステンまたはタングステン合金からなる上記（１）〜（５）のいずれか一項に記載の電子源。
（７）上記（１）〜（６）のいずれか一項に記載の電子源を使用した電子線利用装置。

本発明の電子源は、ヘアピン型のフィラメントに接合されたロッド状の陰極の尖鋭化した電子放射部とは異なる端部を絶縁碍子に固定した構造を有しているので、電子源が実用に供されたときに、周辺からの振動により電子源が共振してノイズを発生することが防止されるため、例えば、高倍率でＳＥＭ像を観察する場合においても、高分解能な電子線を提供できるという効果が得られる。

比較例に係る、従来公知の電子源の構造図。 本発明に係る電子源の一例についての構造図。

符号の説明

１： 陰極
２： 拡散源
３： フィラメント
４： 導電端子
５： 絶縁碍子
６： 金属ピン
８： 陰極の電子放射部と異なる端部

本発明の電子源は、上記したようにロッド状の陰極の尖鋭化した電子放射部とは異なる端部が絶縁碍子に固定されている特定な構造を有していて、外部からの振動の影響を受けにくいので、安定した電子線を提供できる特徴があり、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光、電子線露光機、ウェハ検査装置などの電子線利用装置に適用できる。以下、電子顕微鏡、電子線露光機、測長ＳＥＭ等に用いられる電子放射陰極を例に本発明を説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。

即ち、本発明の電子源における陰極はモリブデンまたはタングステンの＜１００＞方位の単結晶からなり、かつ、陰極の一部にジルコニウム、ハフニウム、チタン、スカンジウム、イットリウム、及びバリウムからなる群から選ばれた元素の酸化物を拡散源として有する。

本発明の電子源において、陰極（本発明ではチップと言う場合がある）の材料はタングステンであることが好ましい。また、陰極の一部にジルコニウムの酸化物を拡散源として有することが特に好ましい。また、陰極は、例えば断面が円形、楕円形、矩形などのロッド状の形状を有し、その断面の直径（断面が円形でない場合は相当する円形の直径）が好ましくは０．０５〜０．５ｍｍ、長さが１〜１０ｍｍが好ましい。

上記フィラメントの材料としては、タングステン、モリブデン、タンタルが例示されるが、なかでもタングステン或いはタングステンを含む合金製であることが好ましく、特にタングステンが好ましい。フィラメントは、好ましくは剛性を有する針状であり、断面の直径が好ましくは０．０５〜０．５ｍｍであり、その長さは、陰極と絶縁碍子とを結ぶ長さとして、０．３〜０．８ｃｍであるのが好適である。フィラメントはヘアピン型の形状が好ましい。

本発明の絶縁碍子の材料としては、アルミナ、ジルコニア、マイカセラミックスが例示されるが、なかでも、アルミナが好ましい。絶縁碍子は、例えば、直径が０．５〜２．０ｃｍ、高さが０．５〜２．０ｃｍの円柱状であるのが好適である。また、該絶縁碍子に設けられる導電端子の材料としては、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、チタンが例示されるが、なかでも、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金が好ましい。また、該導電端子の形状は、ロッド状を有し、その断面の直径（断面が円形でない場合は相当する円形の直径）が好ましくは０．０５〜０．５ｃｍ、長さが０．２〜２．０ｃｍが好ましい。

本発明において、フィラメントを上記絶縁碍子に固定するための金属ピンとしては、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、チタンが例示されるが、なかでも、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金が好ましい。また、該金属ピンの形状はロッド状を有し、その断面の直径（断面が円形でない場合は相当する円形の直径）が好ましくは０．０５〜０．５ｃｍ、長さが０．２〜２．０ｃｍが好ましい。また、絶縁碍子に金属ピンをろう付けする際の、ろう付けの材料としては、銀ろうが好ましい。

以下、本発明の電子源の具体的な実施態様について図２を参照しながら説明する。
絶縁碍子５に固定された導電端子４にタングステン或いはタングステン合金製のワイヤーからなるヘアピン型フィラメント３を溶接により取り付ける。次にフィラメント３の所定の位置に、電子ビームを放射するタングステンの＜１００＞方位の単結晶からなるニードル状の陰極１を溶接等により接合して固着する。この場合、陰極１を接合する位置としては、ヘアピン型フィラメント３のヘアピン部が好ましい。

更に、本発明は、フィラメント３に接合された陰極１の電子放射部とは異なる端部８、すなわち、反対側の端部８を、絶縁碍子５に固定することを特徴としている。このように陰極１の電子放射部とは異なる端部８を絶縁碍子５に固定する構造を採用することで、外部からの振動によって生じる陰極の共振によるノイズの発生を極めて小さく抑えることができる。その結果、本発明の電子源を用いた装置では、その外側に防振構造などを設けることなく高分解能が得られ、低いコストで高信頼性を達成することができるという格別の効果が得られる。

前記陰極１の電子放射部とは異なる端部８を絶縁碍子５に固定する手段としては、絶縁碍子５に埋め込み、埋め込み部をろう付けで固定された金属ピン６に対して、陰極１を溶接等により固定する方法が、陰極１を絶縁碍子５に容易かつ確実に固定できる。この場合、絶縁碍子５に固定された直径が０．５〜５ｍｍの金属ピンを使用すると、前記金属ピン６は図２に例示するように陰極１を絶縁碍子５の中央部に一個所で十分に固定できるので好ましい。

次に、陰極１の電子放射部を形成する先端部を電解研磨により尖鋭化し、陰極１の中央部側面に拡散源２として、例えばジルコニウム源を形成し、次いで、好ましくは約１０^−４Ｐａの酸素存在下で加熱することにより陰極１の先端部にまでジルコニウムと酸素を拡散させる処理（以下、酸素処理と呼ぶ）を行う。
しかる後に、例えば、引き出し電極を陰極１の前面に取り付け、好ましくは約１０^−７Ｐａの真空下で引き出し電極と陰極１との間に電圧を印加することで、陰極１の先端部に＜１００＞結晶面からなる電子放射部を形成する。上記において、陰極１は、電子放射部を形成する先端部を事前に尖鋭に加工してからフィラメント３に接合してもよい。

以下に、実施例及び比較例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはもちろんである。
（実施例）
絶縁碍子にろう付けされた一対の導電端子にタングステン製のフィラメントをスポット溶接により固定した。そして、＜１００＞方位の単結晶タングステン陰極をフィラメントにスポット溶接により取り付けた。さらに、フィラメントに取り付けられた陰極の電子放射部とは異なる端部を、絶縁碍子中央部にろう付け固定された金属ピンにスポット溶接により固定した。

次に、陰極の先端部を電解研磨により尖鋭化した。次いで水素化ジルコニウムを粉砕して酢酸イソアミルと混合しペースト状にしたものを陰極の一部に塗布して拡散源を形成し、約１０^−４Ｐａの酸素存在下で加熱して酸素処理を行い、図２に示す構造の電子源を得た。

前記の電子源をＳＥＭの試料室に入れて、陰極の軸方向が走査方向になるようにして設置し、陰極先端近傍の側面がモニター上にＳＥＭ像として得られるように位置調整を行った。音源として、周波数を任意の範囲、モード、スピードでスイープ可能なソフトウエア（Ｔｅｓｔ Ｔｏｎｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）を備えたスピーカーを用い、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）にスピーカーをつないだ。そして、前記作製した陰極（電子源）が入った試料室の外側近傍の所定位置・方向にスピーカーを固定した。

ＳＥＭの倍率を５万倍とし、モニター上の画像操作時間を８０秒とした。また、音響発生条件は、周波数範囲を１０００から４０００Ｈｚとして、その範囲をリニアに８０秒でスイープする設定とした。共振による振動により、走査中該当する周波数で横方向に画像がずれるので、このずれ幅の２倍をこの条件における振幅とした。

（比較例）
図１に示す従来構造の電子源、即ち、陰極を金属ピンにスポット溶接すること以外は実施例と同様の方法で作製した電子源について、実施例と同様に共振試験を実施した。

実施例および比較例を各ｎ＝３で試験した結果を表１に示す。表１に示すように共振周波数はほぼ同様であったが、振幅が実施例において著しく抑制されていることが確認された。

本発明の電子源は、特定な構造を有していて、外部からの振動の影響を受けにくいので、安定した電子線を提供できる特徴があり、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光、電子線露光機、ウェハ検査装置などいろいろな電子線利用装置に適用でき、産業上非常に有用である。

なお、２００６年９月５日に出願された日本特許出願２００６−２４０１００号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。

Claims (7)

1. 絶縁碍子に設けた一対の導電端子間に張ったフィラメントに、電子放射部となる尖鋭化した端部を有するロッド状の陰極を接合してなる電子源であって、陰極の電子放射部とは異なる端部が、絶縁碍子にろう付けされた金属ピンを介して絶縁碍子に固定されていることを特徴とする電子源。
2. 陰極の電子放射部とは異なる端部が、前記金属ピンに溶接により固定されている請求項１に記載の電子源。
3. 陰極がモリブデンまたはタングステンの＜１００＞方位の単結晶からなり、陰極の一部にジルコニウム、ハフニウム、チタン、スカンジウム、イットリウム、及びバリウムからなる群から選ばれた元素の酸化物を拡散源として有する請求項１または２に記載の電子源。
4. ジルコニウムの酸化物を拡散源として有する請求項３に記載の電子源。
5. 陰極がタングステンからなる請求項３または４に記載の電子源。
6. フィラメントがタングステンまたはタングステン合金からなる請求項１〜５のいずれか一項に記載の電子源。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の電子源を使用した電子線利用装置。

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