JP5114168B2 - 電界放出型電子源およびそれを用いた電子線応用装置 - Google Patents

Description

本発明は、グラファイトから構成される電子放出部位を有する電界放出型電子源、およびそれを用いた電子線応用装置に係る。

最近、陰極部先端に単一のカーボンナノチューブを固着した電界放出型電子源が提案されている。特開２００７−１７９８６７号公報（特許文献１）には、結晶質カーボンからなる基材上に、カーボンナノチューブのような繊維状炭素物質を導電性被覆層により接合した電子顕微鏡用電子源が提案されている。また、繊維状炭素物質には一定量のボロン，窒素，リン，硫黄を含有させて結晶化度を高くし、グラファイト構造の割合を高めている。

特開２００７−１７９８６７号公報

電界放出型電子源の電子放出部には雰囲気中のガスが吸着するため、使用前（真空中で電子を電界放出させる前）に繊維状炭素物質の先端表面に吸着したガス分子を加熱により除去する必要がある（以下、この加熱による吸着ガス分子の除去操作を加熱フラッシングという）。特開２００７−１７９８６７号公報（特許文献１）に記載されているような、カーボンナノチューブやカーボンファイバー等の繊維状炭素物質を導電性被覆層により基材上に接合した電子源では、加熱中に導電性被覆層が繊維状炭素物質表面や基材表面を拡散してしまい、繊維状炭素物質と基材との接合強度が低下してしまうという問題が生じる。

そこで本願発明の課題は、上記課題を解決し、加熱フラッシングを行うに充分な耐熱性を有する電界放出型電子源、およびそれを用いた電子線応用装置を提供することにある。

上記課題は、本願の特許請求の範囲に記載された発明により解決される。具体的には、電極に接続するフィラメント部と、該フィラメント部に一体形成された突起部とを有し、炭素からなる電子源であり、少なくとも該突起部の先端部分の最表面がグラファイト層であることを特徴とする。突起部は、先端部分が円錐状あるいは角錘状である。突起部は、内部まで炭素で充填された中実の構造を有することが好ましい。

繊維状炭素物質の先端形状は、ＣＶＤ法やアーク放電法等の従来の製造法では、制御することは困難であった。そのため、繊維状炭素物質を用いた電子源は、電界放出電子のエネルギー分布幅，電子を引き出すための引出電圧，ビームパターン等の電界放出特性の個体差が大きい。また、維状炭素物質の先端表面に欠陥が存在すると、放出電流が不安定になる。本願のような突起部を有する炭素基材では、機械切削，電解研磨，集束イオンビーム加工法等の手法により、前記突起部分の先端形状を容易に制御できる。そのため、電界放出電子のエネルギー分布幅やビームパターン等の電界放出特性の個体差をなくすことができる。また、本願のような炭素基材では、基材の形状をグラファイト層に欠陥のできにくい形状にすることができるので、安定した電界放出電流が得られる。グラファイト層の欠陥を低減するためには、突起部分の先端の開き角を１００°以上１３０°以下にすると、突起部の先端にある電子放出部位のグラファイト層の内部歪みが小さくなり、グラファイト層に欠陥が導入され難くなる。

上記電子源は、各種の電子線応用装置に使用できる。例えば、電界放出型電子銃、それを用いた電子顕微鏡，電子線描画装置が挙げられる。上記の本願の電子源を使用することにより、各応用装置は耐久性が向上するとともに、電子線の安定性，電子放出特性が向上し、高性能を達成しうる。

上記本願発明によれば、高い耐熱性を有する電子源を提供できる。また、当該電子源を備えることにより、耐久性の高い電子線応用装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明の電子源の構成を図１に示す。本発明の電子源は、電極に接続する炭素からなるフィラメント部分と、フィラメント部分の中心に一体形成された先端が円錐状あるいは角錘状の炭素からなる中実の突起部分から構成され、少なくとも突起先端部分の最表面がグラファイト層である。突起部分の最先端が電子放出部位となる。このようなグラファイト層は、前記突起の最先端の表面に基材と一体として形成されるため、加熱フラッシングを行うに十分な耐熱性を有する電子放出部位となる。

突起部分の曲率半径／開き角は、電子源の性能に大きな影響を与える。電界放出電子のエネルギー分布幅を狭くするためには、電子放出部位の曲率半径を大きくする必要がある。しかし、電子放出部位の曲率半径が大きくなると、引出電圧が高くなる。これらの点から、突起部分の先端の曲率半径は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。また、円錐状あるいは角錘状の先端部形状は、先端部に形成されるグラファイト層の内部歪みを小さくするため、開き角を１００°以上１３０°以下にすることが好ましい。このような形状を有すると、表面に形成されるグラファイト層に欠陥が導入され難い。その結果、電子放出電流が安定する。

このような電子源は、フィラメント部，突起部を有する炭素材に、グラファイト層を形成することにより製造される。突起先端部分のグラファイト層は、予め炭素膜を突起先端部分にコーティングし、不活性ガス雰囲気中でグラファイト化温度(２,０００℃以上）に加熱することにより形成される。電子源の炭素材全体を加熱し、全体にグラファイト層を設けても構わない。炭素膜は、各種蒸着法やＣＶＤ法等によりコーティングできる。また、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）中でピレンやフェナトレン等の炭素系ガスを導入しながら、突起先端部分に電子線を照射することによって、炭素系ガスの分解生成物である炭素膜を突起先端部分のみに局所形成することもできる。

このような電子源の突起部分の先端形状は、機械切削，電解研磨，集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工法等の手法により、グラファイト層を形成する前に加工しておくことで、容易に調整できる。加工の際には、加工条件の制御により曲率半径，開き角等を調整する。このような製法を用いると、各電子源の形状の固体差が少なくなる。その結果、放出電子のエネルギー分布幅，引出電圧，ビームパターン等の電界放出特性の個体差が低減され、電子源の歩留まりが向上する。

上記電子源は、種々の電子ビーム応用装置に使用することができる。電界放出型電子銃は、前記電子源を加熱する加熱装置と、電子源より電子を電界放出させる引出装置と、電子源より放出された電子を加速するための加速装置を有する。電子顕微鏡は、電子銃と、電子線が照射される位置に形成された試料ステージと、試料に照射されて得られる電子線を検出する電子線検出器を有する。電子線描画装置は、試料ステージと、前記電子線と試料ステージとの相対位置を制御する走査機構とを有する。

以下、実施例を用いて本発明の詳細を説明する。

図２は、本実施例の電界放出型電子銃の概略構成図である。本実施例では、上述の電子源を用いた電界放出型電子銃の構成例について説明する。電子銃は、電界放出型電子源と、電子を電界放出させる引出電極と、電子を加速させる加速電極と、該引出電極に電圧を印加する引出電極電源と、該加速電極に電圧を印加する加速電極電源と、該電子源のフィラメント部分を通電加熱する加熱電源から構成される。なお、引出電極や加速電極の形状，構成は、電子源の特性を十分引き出せる形態であれば、特にこれに限定されるものではない。電子源は、炭素からなり、電極に接続するフィラメント部分と、フィラメント部分の中心に一体形成された先端が円錐状あるいは角錘状の中実の突起部分を有する。突起部分の最先端部が電子放出部位であり、先端部分の最表面はグラファイト層で覆われている。グラファイト層の炭素より電子が放出されるため、グラファイト層は少なくとも一層必要である。

カーボンナノチューブなどの電界放出型電子源では、先端部の電子放出部位にガスが吸着しないと、電界放出電流が安定し、好ましい。しかし、先端部のグラファイト層には内部歪みが発生やすく、その歪み部分ではグラファイト層の欠陥が発生しやすい。グラファイト層の欠陥にはガスが吸着しやすくなるため、電界放出電流が不安定になる。カーボンナノチューブを形成する炭素層を薄くすると、先端部のひずみは低減されるが、強度が低下したり、製造が困難となったりする。さらに、固体間の不均一性は解消されない。先端形状が不均一であると、電子線を放出する方向が統一されず、装置に応用しにくい。また、カーボンナノチューブを電極と接続するための基材に接合すると、接合部の耐久性も勘案する必要がある。本実施例のような構成では、一体で形成されているので耐久性が向上する。

本発明の電子源を電界放出型電子銃に適用すると、放出電子のエネルギー分布幅が狭く、安定した電子線が得られる。また、加熱フラッシングを行うための十分な耐熱性を有する。さらに、電子源間の放出電子のエネルギー分布幅，引出電圧，輝度等の電界放出特性の差が少なくなり、電界放出型電子銃の歩留まりが向上する。

本実施例は、実施例１の電界放出型電子銃を走査型電子顕微鏡に用いた例である。図３に本発明の電界放出型電子銃を用いた走査型電子顕微鏡の全体構成図を示す。走査型電子顕微鏡は、電子銃から放出される電子線に沿って、アライメントコイル，コンデンサレンズ，非点補正コイル，偏向・走査コイル，対物レンズ，対物レンズ絞りから構成されている。試料は、試料ステージに設置され、電子線が照射されるようになっている。試料室内の側壁部には二次電子検出器が設けられている。また、試料室は排気系によって高真空に保持されるようになっている。電子銃から放出された電子線は陽極で加速され、電子レンズによって集束されて試料上の微小領域に照射される。この照射領域を二次元走査し、試料から放出される二次電子，反射電子等を二次電子検出器により検出し、その検出信号量の違いを基に拡大像を形成する。

実施例１の電界放出型電子銃を走査型電子顕微鏡に適用することで、低ノイズかつ高分解能な走査型電子顕微鏡を実現することが可能となる。また、電界放出型電子銃を搭載する電子顕微鏡の構成は図３に示したものに限定されることはなく、電界放出型電子銃の特性が十分引き出せる構成であれば従来公知の構成を採用できる。さらに、基本構成が電子顕微鏡と同様の電子光学系を有する電子線応用装置、例えば半導体プロセスにおける微細加工パターンの観察や寸法測長を行う測長ＳＥＭにも適用でき、同様の効果が得られる。

本実施例は、実施例１の電界放出型電子銃を電子線描画装置に用いた例である。図４は本実施例の電子線描画装置の全体構成図である。図４の電子光学系の基本構成は前記した図３の走査型電子顕微鏡とほぼ同様である。電子銃から電界放射により得られた電子ビームをコンデンサレンズで絞り、対物レンズで試料上に絞込み、ナノメータオーダーのビームスポットを得る。この時、試料への電子ビーム照射のＯＮ／ＯＦＦを制御するブランキング電極の中心は、コンデンサレンズで作られるクロスオーバ点に一致した方が良い。電子線描画は、電子ビームをブランキング電極でＯＮ／ＯＦＦしながら、偏向・走査コイルにより試料上で電子ビームを偏向，走査させながら照射することで実施される。

電子線描画装置は、電子線に感応するレジストを塗布した試料基板に電子ビームを照射し、各種回路パターンを形成するものであるが、各種回路パターンの高精細化に伴い、電子線プローブ径の極細化が求められている。従来は、タングステンフィラメントやＬａＢ₆からなる熱電子放出型電子源が使用されてきたが、これらの電子銃はビーム電流を多くとれる利点があるものの、絶対的な電子源先端半径の大きさに起因する非点収差が大きく、２０ｎｍ以下の描画を行うことができない。そのため、最近、単結晶タングステン電子源から構成される電界放出型電子銃を使用するようになったが、ビーム電流の少なさとビーム電流の不安定さのため、確実な描画を行うことができなかった。本発明の電子銃を適用することにより、前記課題を解決できる。

本発明の電子源の概略構成図である。 本発明の電界放出型電子銃の概略構成図。 本実施例に係る電子銃を用いた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の全体構成図。 本実施例に係る電子銃を用いた電子線描画装置の全体構成図。

符号の説明

１ フィラメント部分
２ 突起部分
３ グラファイト層
４ 電界放出型電子源
５ 電極
６ 引出電極
７ 加速電極
８ 引出電極電源
９ 加速電極電源
１０ 加熱電源
１１ 電界放出型電子銃
１２ アライメントコイル
１３ コンデンサレンズ
１４ 非点補正コイル
１５ 偏向，走査コイル
１６ 対物レンズ
１７ 対物レンズ絞り
１８ 試料
１９ 試料ステージ
２０ 二次電子検出器
２１ 排気系
２２ ブランキング電極

Claims (6)

1. 炭素よりなり、電極に接続されるフィラメント部と、該フィラメント部に一体として形成された突起部とを有する電子源であって、前記突起部の先端は円錐形状または角錘形状を有し、開き角が、１００°以上１３０°以下であり、前記突起部の最先端部にグラファイト層を有することを特徴とする電子源。
2. 請求項１に記載の電子源において、
   前記突起部分の最先端の曲率半径が、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする電子源。
3. 請求項１又は２に記載された電子源と、前記電子源を加熱する加熱装置と、前記突起部より電子を電界放出させる引出装置と、電界放出された電子を加速させる加速装置とを有することを特徴とする電界放出型電子銃。
4. 請求項３に記載された電界放出型電子銃と、前記電界放出型電子銃より放出された電子線が照射される位置に配置された試料ステージと、前記電界放出型電子銃より放出され、試料に照射されて得られる電子線を検出する電子線検出器とを有することを特徴とする電界放出型電子顕微鏡。
5. 請求項４に記載された電界放出型電子顕微鏡であって、前記電子線検出器は試料より発生する二次電子を検出する二次電子線検出器であり、前記二次電子線検出器より得られる情報により試料の寸法を計測することを特徴とする電界放出型電子顕微鏡。
6. 請求項３に記載された電界放出型電子銃と、前記電界放出型電子銃より放出された電子線が照射される位置に形成された試料ステージと、電子線をＯＮ／ＯＦＦしながら、試料上で電子線を偏向，走査する機構と、を有することを特徴とする電子線描画装置。

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