JP4914178B2 - ショットキー電子銃及びショットキー電子銃を搭載する荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、ショットキー電子銃と、ショットキー電子銃を搭載する荷電粒子線装置に関する。

ショットキー電子銃は、狭エネルギー幅、高輝度で、高安定な電流を取ることができる電子源として知られており、荷電粒子線装置の電子銃の電子源として用いられる。特に電流安定性に優れるという特徴から、測長ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）などの半導体検査装置の電子源として用いられることが多い。また、安定な電流を取れるので、ＴＥＭなどによるＸ分析にも用いることができる。

Jon Orloff編「Handbook of Charged Particle Optics」 CRC Press (1997)

しかしながら、ショットキー電子銃を特定の条件で使用する場合、メインスポットの周囲に４回対称のフレアが観察される現象が発生するため、その使用条件が制限されてしまう問題があった。

図６は、ショットキー電子銃において４回対称のフレアが発生する様子を示す概略図である。ショットキー電子銃は、タングステン単結晶電子源１を加熱し、ジルコニウムをその先端部に拡散させることで、仕事関数の低くなる結晶面からショットキー効果により電子ビームを放出する。ここで、メインビーム５は（１００）面２から放出されるビームである。しかし、タングステン単結晶電子源先端を先鋭にエッチングした場合には、側面に（１０１）面、（００１）面などのような（１００）面に垂直な４回対称の結晶面３が現れる。これら４つの側面３も（１００）面２と同様に仕事関数が低くなるので、同様のショットキー効果により電子ビーム６が放出される。これら側面３から放出される電子ビーム６は、電子銃内に取り付けた絞りで大部分は制限されるが、一部は引出電極４の穴の側壁などに当たって散乱し、絞りを通過してしまう。絞りを通過したビームは４回対称のフレア７を形成する。図７は、４回対称のフレアが観察されたスポットパターンの例を示す画像である。メインビームによるメインスポット８の周囲に、４回対称のフレア９が観察されるのがわかる。

４回対称のフレアは、メインビームに比べて強度が弱いため、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）での通常の画像観察においては影響しないが、例えば走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Scanning Transmission Electron Microscope）でエネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-Ray）分析などの組成分析を行う際には、本来の元素成分が持つピークと違うピークのＸ線が周囲の元素から検出されるなどの影響の原因となることが判明している。

このような現象の改善策として、荷電粒子線装置の対物レンズの近傍に散乱電子防止用の絞りを追加する方法が知られている。しかし、ＳＥＭやＳＴＥＭにおいて対物レンズ近傍に散乱電子防止用の絞りを追加すると、観察できる視野が制限されてしまうという問題点があった。

上述したことを鑑み、本発明は、フレア成分の発生が少ないショットキー電子銃を提供することを目的とする。

本発明は、フレア成分の発生が少ないショットキー電子銃を搭載する荷電粒子線装置も提供する。

本発明は、上記課題を達成するために、酸化ジルコニウムが塗布され、先端を鋭くエッチングしたタングステン単結晶電子源から電子ビームを放出するための電界を与える引出電極か、前記引出電極によって引出された電子ビームを所定の加速電圧まで加速する加速電極に、通過する電子ビームの角度を制限する複数枚の絞りを設けたことによって上記課題を達成した。

好適には、前記複数枚の絞りは、引出電極部で６°以内の角度の電子ビームのみを通過させるようにする。
好適には、前記複数枚の絞りの枚数を２枚とする。

本発明の荷電粒子線装置は、上記本発明のショットキー電子銃を搭載した、走査電子顕微鏡、透過電子顕微鏡、走査透過電子顕微鏡、電子線描画装置などの荷電粒子線装置である。

本発明によれば、フレア成分の発生が少ないショットキー電子銃が実現する。

図１は、本発明のショットキー電子銃の構成の第１の例を示す断面図である。図１に示すショットキー電子銃は、先端が鋭くエッチングされたタングステン単結晶電子源１１と、タングステン単結晶電子源１１に溶接され、タングステン単結晶電子源１１を加熱するフィラメント１２と、タングステン単結晶電子源１１に塗布された酸化ジルコニウム１３と、フィラメント１２から発生する熱電子を抑制するサプレッサ電極１４と、タングステン単結晶電子源１１の先端から電子ビームを放出するための電界を与えるために用いられる引出電極１５と、引出された電子ビームを所定の加速電圧まで加速するための加速電極１６とを備える。

フィラメント１２に電流を流すと、タングステン単結晶電子源１１は約１８００Ｋに加熱され、酸化ジルコニウム１３がタングステン単結晶電子源の先端に向かって拡散する。このとき、タングステン単結晶電子源１１の先端面、（１００）面の仕事関数は、約２．８ｅＶに減少することになる。引出電極１５に電圧を加えると、（１００）面より電子ビーム（メインビーム）２０が引出され、引出電極１５を通過したメインビーム２０は加速電極１６により加速され、ショットキー電子銃より放出される。

引出電極１５には２枚の絞り５１および５２が設けられている。図２は、引出電極１５を拡大した図である。絞り５１および５２は、例えば、各々数１０μｍ厚のモリブデンによって形成され、互いに平行に配置される。絞り５１と絞り５２の間隔と、これらの絞りの径は、通過する電子ビームの角度を所定の値以下に制限するように設定される。例えば、図２に示すように、６°以内の入射角αの電子ビーム２０のみを通過させるようにすれば、ショットキー電子銃を使用する荷電粒子線装置におけるフレアの影響を有効に抑制することができる。絞りの径は、０．５ｍｍ〜１ｍｍ程度、絞りの間隔は、５ｍｍ〜１０ｍｍ程度が適当である。

引出電極１５に設けられた２枚の絞り５１および５２は、６°を超える入射角を持った電子ビームを制限することができる。よって、タングステン単結晶電子源１１の先端部の（０１０）面、（００１）面などの側面より放出される電子ビーム２１を制限することができ、タングステン単結晶電子源１１の先端部の下面（１００）面より放出するメインビーム２０のみをショットキー電子銃から放出することが可能となる。

この結果として、ショットキー電子銃を荷電粒子線装置で使用するときに、フレアの影響を減少させることが可能になる。

図３は、本発明のショットキー電子銃の構成の第２の例を示す断面図である。図３に示すショットキー電子銃は、先端が鋭くエッチングされたタングステン単結晶電子源３１と、タングステン単結晶電子源３１に溶接され、タングステン単結晶電子源３１を加熱するフィラメント３２と、タングステン単結晶電子源３１に塗布された酸化ジルコニウム３３と、フィラメント３２から発生する熱電子を抑制するサプレッサ電極３４と、タングステン単結晶電子源３１の先端から電子ビームを放出するための電界を与えるために用いられる引出電極３５と、引出された電子ビームを所定の加速電圧まで加速するための多段の加速電極３６、３７、３８とを備える。

フィラメント３２に電流を流すと、タングステン単結晶電子源３１は約１８００Ｋに加熱され、酸化ジルコニウム３３がタングステン単結晶電子源の先端に向かって拡散する。このとき、タングステン単結晶電子源３１の先端面、（１００）面の仕事関数は、約２．８ｅＶに減少することになる。引出電極３５に電圧を加えると、（１００）面より電子ビーム（メインビーム）２２が引出され、引出電極３５を通過したメインビーム２２は加速電極３６、３７および３８により加速され、ショットキー電子銃より放出される。

加速電極３６には２枚の絞り６１および６２が設けられている。これらの絞り６１および６２は、図１および２に示す例の絞り５１および５２と同様のものであり、例えば、各々数１０μｍ厚のモリブデンによって形成され、互いに平行に配置され、絞り６１と絞り６２の間隔と、これらの絞りの径は、通過する電子ビームの入射角を所定の値以下に制限するように設定される。よって、タングステン単結晶電子源３１の先端部の（０１０）面、（００１）面などの側面より放出される電子ビームを制限することができ、タングステン単結晶電子源１１の先端部の下面（１００）面より放出するメインビーム２２のみをショットキー電子銃から放出することが可能となる。

この結果として、ショットキー電子銃を荷電粒子線装置で使用するときに、フレアの影響を減少させることが可能になる。

絞り５１および５２の厚さは、穴の内側での電子ビームの散乱を防ぐため、できるだけ薄くすることが望ましい。

図３に示す構造は、寸法上の都合により図１に示す例のように引出電極に２枚の絞りを設けることが困難な場合、有効である。ただし、引出電極の電位に比べて加速電極の電位が著しく高い場合、メインビーム以外のフレア成分の原因となるビームの角度も小さくなるので、抑制することが困難になる。特に、ＴＥＭなどのように多段の加速電極を用いたショットキー電子銃にこの構造を採用する場合には、フレア成分の原因となるビームも後段の加速電極になるほど加速されてしまうので、１段目の加速電極に２枚の絞りを設けることが望ましい。

図４は、本発明のショットキー電子銃の構成の第３の例を示す断面図である。図４に示すショットキー電子銃は、先端が鋭くエッチングされたタングステン単結晶電子源４１と、タングステン単結晶電子源４１に溶接され、タングステン単結晶電子源４１を加熱するフィラメント４２と、タングステン単結晶電子源４１に塗布された酸化ジルコニウム４３と、フィラメント４２から発生する熱電子を抑制するサプレッサ電極４４と、タングステン単結晶電子源４１の先端から電子ビームを放出するための電界を与えるために用いられる引出電極４５と、引出された電子ビームを所定の加速電圧まで加速するための加速電極４６とを備える。

フィラメント４２に電流を流すと、タングステン単結晶電子源４１は約１８００Ｋに加熱され、酸化ジルコニウム４３がタングステン単結晶電子源の先端に向かって拡散する。このとき、タングステン単結晶電子源４１の先端面、（１００）面の仕事関数は、約２．８ｅＶに減少することになる。引出電極４５に電圧を加えると、（１００）面より電子ビーム２４が引出され、引出電極４５を通過した電子ビーム２４は加速電極４６により加速され、ショットキー電子銃より放出される。

加速電極４６には、筒型の電子線経路６０が取り付けられる。電子線経路６０の電子線の入射側の端には固定絞り６３が取り付けられ、出射側の端には可動絞り６４が取り付けられる。可動絞り６４は、互いに異なる径の複数の穴が設けられており、可動絞り６４を水平に移動させることにより、これらの穴を切り替えて使用することができる。

固定絞り６３および可動絞り６４も基本的には図１に示す例の絞り５１および５２と同様のものであり、例えば、各々数１０μｍ厚のモリブデンによって形成され、互いに平行に配置され、固定絞り６３と可動絞り６４の間隔と、固定絞り６３の径および可動絞り６４の各穴の径の組み合わせとは、通過する電子ビームの入射角を所定の値以下に制限するように設定される。電子線経路６０と固定絞り６３および可動絞り６４との組み合わせにより、図１および図３に示す例と同様のフレア抑制効果を得ることができる。

可動絞り６４の径を一定とした場合、加速電極４６を通過する電子ビーム２４を引出電極４５に投影したときの角度は、加速電極４６に印加される電圧により変化する。図４に示す構成では、加速電極４６に印加する電圧に応じて可動絞り６４の穴を切り替えることにより、引出電極４５に投影した電子ビームの角度を適当な範囲に制限することが可能になる。

図５は、本発明のショットキー電子銃を搭載した荷電粒子線装置の構成の一例を示す断面図である。図５に示す例において、ショットキー電子銃は図１に示す例のものを搭載している。ショットキー電子銃から放出される電子ビームは、コンデンサレンズ７１および対物レンズ７２により適当な倍率で縮小され、試料７３に照射される。

ここで、試料７３に照射される電子ビーム７４は、絞り５１および５２によって既にフレア成分が制限されているので、例えばＸ線分析を行う場合に、従来必須であった散乱電子絞り７５は必須ではなくなる。よって、従来不可能であった低倍率でのＸ線分析が可能となる。一方、本発明と散乱電子絞りを併用することで、さらにフレア成分を減少できるので、より高分解能なＸ線分析を実現することが可能となる。つまり、散乱電子絞りは、分析する領域や倍率に応じて使用を選択することになる。

図５に示す荷電粒子線装置の例では、図１に示すショットキー電子銃を搭載した例として説明しているが、図３又は図４に示すショットキー電子銃を搭載しても同様の効果を得ることができる。

本発明は、ショットキー電子源に利用可能である。

本発明のショットキー電子源の構成の第１の例を示す断面図である。 図１の引出電極を拡大した図である。 本発明のショットキー電子源の構成の第２の例を示す断面図である。 本発明のショットキー電子源の構成の第３の例を示す断面図である。 本発明のショットキー電子銃を搭載した荷電粒子線装置の構成の一例を示す断面図である。 ショットキー電子源において４回対称のフレアが発生する様子を示す概略図である。 ４回対称のフレアが観察されたスポットパターンの例を示す画像である。

符号の説明

１、１１、３１、４１ タングステン単結晶電子源
２ （１００）面
３ 側面
４、１５、３５、４５ 引出電極
７、９ フレア
８ メインスポット
１２、３２、４２ フィラメント
１３、３３、４３ 酸化ジルコニウム
１４、３４、４４ サプレッサ電極
１６、３６、３７、３８、４６ 加速電極
５、６、２０、２１、２２、２４、７４ 電子ビーム
５１、５２、６１、６２、 絞り
６３ 固定絞り
６４ 可動絞り
７１ コンデンサレンズ
７２ 対物レンズ
７３ 試料
７５ 散乱電子絞り

Claims (11)

1. 酸化ジルコニウムが塗布され、先端を鋭くエッチングしたタングステン単結晶電子源と、
   前記タングステン単結晶電子源を加熱するフィラメントと、
   前記フィラメントから発生する熱電子を抑制するサプレッサ電極と、
   前記タングステン単結晶電子源から電子ビームを放出するための電界を与える引出電極と、
   前記引出電極によって引出された電子ビームを所定の加速電圧まで加速する加速電極とを備え、
   前記引出電極は、通過する電子ビームの入射角を制限し、電子銃内の引出電極の側面に当たって散乱された電子の通過を妨げる複数枚の絞りを有することを特徴とするショットキー電子銃。
2. 前記複数枚の絞りは、６°以内の入射角の電子ビームのみを通過させることを特徴とする請求項１記載のショットキー電子銃。
3. 前記複数枚の絞りは、２枚の絞りから成ることを特徴とする請求項１記載のショットキー電子銃。
4. 前記複数枚の絞りは、６°以内の入射角の電子ビームのみを通過させることを特徴とする請求項３記載のショットキー電子銃。
5. 前記複数枚の絞りの間隔は、５ｍｍ−１０ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のショットキー電子銃。
6. 酸化ジルコニウムが塗布され、先端を鋭くエッチングしたタングステン単結晶電子源と、
   前記タングステン単結晶電子源を加熱するフィラメントと、
   前記フィラメントから発生する熱電子を抑制するサプレッサ電極と、
   前記タングステン単結晶電子源から電子ビームを放出するための電界を与える引出電極と、
   前記引出電極によって引出された電子ビームを所定の加速電圧まで加速する加速電極とを備え、
   前記加速電極は、通過する電子ビームの入射角を制限し、電子銃内の引出電極の側面に当たって散乱された電子の通過を妨げる複数枚の絞りを有することを特徴とするショットキー電子銃。
7. 前記複数枚の絞りは、６°以内の入射角の電子ビームのみを通過させることを特徴とする請求項６記載のショットキー電子銃。
8. 前記複数枚の絞りは、２枚の絞りから成ることを特徴とする請求項６記載のショットキー電子銃。
9. 前記複数枚の絞りは、６°以内の入射角の電子ビームのみを通過させることを特徴とする請求項８記載のショットキー電子銃。
10. 酸化ジルコニウムが塗布され、先端を鋭くエッチングしたタングステン単結晶電子源と、
    前記タングステン単結晶電子源を加熱するフィラメントと、
    前記フィラメントから発生する熱電子を抑制するサプレッサ電極と、
    前記タングステン単結晶電子源から電子ビームを放出するための電界を与える引出電極と、
    前記引出電極によって引出された電子ビームを所定の加速電圧まで加速する加速電極とを備え、
    前記加速電極は、筒型の電子線経路と、前記電子線経路の両端に各々設けられ、通過する電子ビームの入射角を制限し、電子銃内の引出電極の側面に当たって散乱された電子の通過を妨げる絞りとを有し、前記絞りのいずれか一方は、径を可変に選択できる可動式に構成されていることを特徴とするショットキー電子銃。
11. 請求項１記載のショットキー電子銃を搭載することを特徴とする荷電粒子線装置。

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