JP5337083B2 - 磁場界浸型電子銃及び電子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子源が磁場内にある電子銃及びこの種の電子銃を備える電子線装置に関する。

電子顕微鏡は、電子銃から出射される電子線を電子レンズや偏向器等の電子光学系を用いて制御しながら観察対象の物質（試料）に照射し、照射された試料を透過する透過電子、試料と電子線の相互作用により発生する反射電子、二次電子等を検出し、試料の拡大観察を行うことを原理とする。このため、電子顕微鏡において、電子線を生成する電子銃が担う役割は大きい。

電子顕微鏡は、典型的には、電子線を生成する電子銃と、照射系及び対物レンズ等の電磁レンズと、電子線の検出装置との組み合わせで構成される。電磁レンズは、電子線を輸送し、収束させ、試料に照射する役割を担う。高分解能かつ短時間で明瞭な観察画像を得るためには、電子線を明るく（照射電流が多く）すると共に、小さく絞った状態の電子線を試料に照射する必要がある。

このとき、試料上に小さくかつ明るい電子線スポットを形成するためには、電子銃の輝度を高くする必要がある。ここで、電子線の輝度は、光源の立体角当たり、面積当たりの電流量として定義されるが、電子光学の原理上、電磁レンズ等によってエネルギーを変えず輸送された電子線の輝度は元の輝度を上回ることができない。このため、より高い輝度の電子顕微鏡を得るためには、高輝度の電子銃が必要となる。

高輝度の電子銃を得るために利用される電子銃の一つに磁場界浸型電子銃がある。磁場界浸型電子銃は、バトラー型等の静電レンズに代わり、磁場によって電子線を収束する磁場レンズ（磁石レンズ）を電子銃内に設け、電子銃の担う電子線収束作用の短焦点化と低収差化を実現したものである。

因みに、電子源（陰極）の直下に磁場による集束レンズを設ける電子銃には特許文献１に示すものがあり、電子源（陰極）が磁場中にある界浸型（immersion type）の電子銃には特許文献２〜７に示すものがある。特許文献２〜７は、エミッタを電界下で加熱して電子を放出させる熱陰極電界放出型電子銃を示している。熱陰極電界放出型電子銃にはサプレッサが特徴的に設けられる。サプレッサは、電子源に対して負の電位を印加することで、電子源（陰極）の近接位置のフィラメントから放出される熱電子を反射してサプレッサ内に閉じ込める役割を持つ。熱陰極電界放出型電子銃に磁場レンズを追加する構造では、このサプレッサや引出電極を磁路の一部に取り込むなどしながら、電子源（陰極）の周辺に磁場を発生させる構造が採用される。

特公平６−５４６４３号公報 特許２７７５０７１号公報 特開２０００−３６８９号公報 特開２０００−９０８６６号公報 特開２０００−２８５８３９号公報 特許第２８３５２６５号公報 特開２００６−２１０２５４号公報

本願発明者は、かかる磁場界浸型電子銃について鋭意検討した結果、電子源（陰極）の近傍への組み込みに適した構造の永久磁石磁路を提供し、動作の安定性が高い磁場界浸型電子銃を実現するに至った。

本発明に係る磁場界浸型電子銃は、磁石レンズを構成する３つの磁極間に２つのギャップを有するダブルギャップを採用し、永久磁石を配置しない側のギャップに電子源（陰極）を配置し、永久磁石を位置しない側のギャップに発生する磁場によって電子線を収束する。

本発明によれば、磁石レンズの磁路を小型化できる。これにより、小型で安定度の高い磁場界浸型電子銃や当該電子銃を搭載する電子線装置を提供できる。

電子顕微鏡の概略構成例を示す図。 実施例に係る電子銃の断面構造例を示す図。 典型的な磁路構造を説明する図（基本磁路）。 ダブルギャップ型の磁路構造を説明する図（検討例）。 ダブルギャップ型の磁路構造を説明する図（検討例）。 実施例に係る電子銃の磁路構造を説明する図。 加速管を有する実施例に係る電子銃の断面構造例を示す図。

以下、図面に基づいて、本発明の実施例を説明する。なお、後述する装置構成や処理動作の内容は発明を説明するための一例であり、本発明は、後述する装置構成や処理動作に既知の技術を組み合わせた発明や後述する装置構成や処理動作の一部を既知の技術と置換した発明も包含する。

以下では、電子線装置の一例として、冷陰極電界放出磁場界浸型電子銃を備える走査型電子顕微鏡について説明する。もっとも、電子銃は、冷陰極電界放出型に限らず、ショットキー型の電子銃や熱電子放出型（LaB6、タングステンヘアピン等）の電子銃でも良い。因みに、走査型電子顕微鏡は、高分解能型、分析型、測長型のいずれでも良い。また、電子線装置は、走査型電子顕微鏡に限らず、透過型電子顕微鏡、走査透過型電子顕微鏡、電子線描画装置でも良い。

[実施例１]
まず、冷陰極電界放出磁場界浸型電子銃の１つ目の実施例を説明する。図１には、実施例に係る冷陰極電界放出磁場界浸型電子銃を備える走査型電子顕微鏡（以下単に「電子顕微鏡」という。）の構造例を示す。電子顕微鏡は、電子線１０７を試料１０６に照射し、反射、透過又は散乱された電子線を観測することにより、試料１０６の構造等の観察に使用される。図１に示す電子顕微鏡は、電子線１０７を生成する電子銃１０１、電子線１０７を収束して試料１０６に照射する電子光学系１０２、試料を移動させるステージ１０３、反射電子又は二次電子を観測する電子検出器１０４、制御装置１０５、不図示の真空排気装置を装置の本体内に備えている。

制御装置１０５は、電子銃１０１、電子光学系１０２、ステージ１０３、電子検出器１０４、真空排気装置等への電力の供給と制御、操作者の操作入力に対する情報処理と処理結果の操作者への表示を実行する。真空排気装置は、電子銃１０１の内部、電子光学系１０２の内部、ステージ１０３の周辺を真空排気し、電子線１０７の通過に適した真空度に保つために用いられる。この装置構成において、電子銃１０１は、制御装置１０５の制御の下、電子線１０７を生成する役割を担う。

図２に、電子顕微鏡に搭載する磁場界浸型の電子銃１０１の構造例を示す。図２は、回転軸対称の構造を有する電子銃１０１を、回転軸を通る面で破断して示す内部構造例を示している。電子銃１０１は、電子源２０１、電子源保持部２０２、引出電極２０３、陽極２０４、引出電源２０５、加速電源２０６、磁石レンズ２０７、接地部２０８、永久磁石２０９を備えている。

引出電極２０３には、引出電源２０５より数キロボルトの電圧(Ｖ_１ )が印加されている。このため、引出電極２０３と電子源２０１の先端部との間には強い電場が発生し、電子源２０１の先端部から電子が放出される。また、軸中心に孔が形成された円盤状の陽極２０４には、引出電源２０５よりも更に大きい電圧（Ｖ_０ ）が加速電源２０６によって印加されている。この陽極２０４と引出電極２０３との電位差(Ｖ_０−Ｖ_１)により、電界放出の原理によって電子源２０１の先端部から放出された電子は加速され、軸中心に形成された孔を通過して電子銃１０１の外部に出射される。

この実施例で使用する磁石レンズ２０７は、磁極間に２つのギャップ（上ギャップ２１３、下ギャップ２１４）を備え、その片方に永久磁石２０９を配置する「ダブルギャップ型」と呼ばれる構造を採用する。ダブルギャップ型の磁石レンズ２０７は、円筒形の孔を中心部に備えるリング形状の３枚の磁極（上磁極２１０、中磁極２１１、下磁極２１２）を同軸線上に並べ、上磁極２１０と下磁極２１２を外磁路２１５で磁気的に接続し、磁力線の通路を確保している。円筒形の孔を中心部に有するリング形状の永久磁石２０９は、上磁極２１０と中磁極２１１の間に配置され、電子銃１０１の軸方向（図の上下方向）に磁化されている。永久磁石２０９が発生する磁力線により磁路を磁化させることで磁極間に磁場を発生させている。

永久磁石２０９を用いた磁石レンズ２０７の最小構成単位は、永久磁石２０９及び上下の磁路である。典型的な磁路構造を図３に示す。図３は、永久磁石２０９を、同軸線上に配置した上磁極２１０と下磁極２１２で挟んだ際に生じる磁路の様子を表している。ただし、実施例に係る電子銃１０１の内部で使用する永久磁石２０９の磁路は、図３に示すようなシングルギャップ型の構造ではなく、図４に示すようなダブルギャップ型の構造を採用する。

図４に示すダブルギャップ型の電子銃は、図３に示す電子銃を構成する上磁極の更に上側にもう一つ別の磁極を配置し、この新たな磁極と下磁極との間を円筒状の外磁路で接続する構造を採用する。この構造により、中心軸に沿って３つの磁極と２つのギャップ２１３、２１４が出現する。ダブルギャップ型の構造を採用することで、図３に示す構造では外部空間に漏れ出していた磁束３０３を無くすことができる。

図４に示すように磁路をダブルギャップ型に組み立てると、磁石レンズは、中心軸に沿って各ギャップの位置に２つのピークをもつ磁場を発生する。なお、ダブルギャップ型の磁路内にも、もれ磁場４０２や磁場４０３が発生する。しかし、磁路の外側に磁力線が漏れることはほとんどない。

図４では、ダブルギャップ型の磁石レンズの軸に沿って発生する磁場強度４０１の分布を正弦波形で示している。グラフの横軸は、ｚ軸（図の上下方向）上における各位置での磁場の強度を示す。軸上の磁場強度４０１は、上ギャップ２１３と下ギャップ２１４の対応位置にそれぞれピークを有し、各ピークにおける磁場の向きは互いに反対である。また、磁路の外側の磁場強度を速やかにゼロに近づけることができる。

ここで、永久磁石の磁路を更に小型化することを検討する。電子銃の限られた体積内に磁石レンズを収容するためには、及び／又は、電子銃構造の小型化と簡略化のためには、磁極などの厚みを薄くすることが大きな利点となる。

図２に示したように、本実施例における永久磁石２０９の磁路は高電位にあり、下磁極２１２は陽極２０４と対向する位置にある。なお、陽極２０４は、図２においては例として、接地電位（接地部２０８）に置かれている。このため、下磁極２１２と陽極２０４の距離２１７を大きくして放電を防ぎ、電子銃の動作の安定化を図ることは、磁路の小型化が必須である。一方、磁石レンズが発生する磁場は電子線を収束する効果があり、この十分な収束効果のためには磁場を軸上に発生させる必要がある。

磁路の小型化には、（１）内部の空間を小さくする方法と、（２）磁路を薄くする方法の２つが考えられる。

磁路内の空間は、磁路内を通過する磁力線に対して、電気回路における絶縁部のような働きをする。例えば電子銃の内部には、図４に示したように多少の漏れ磁場４０２が発生するが、磁路内の空間は、漏れ磁場４０２を小さくする働きがある。ただし、磁路内の空間を狭くすると漏れ磁場４０２が増え、ギャップ部分に発生する軸上磁場の低下の原因となる。従って、ギャップは、むやみに小さくすることはできない。

一方、磁路を薄くすると、高透磁率材料といえども磁路材料が磁気的に飽和する原因となる。ダブルギャップ型の磁路においては、同じ厚みの磁極を使用するにあたり、特に永久磁石が置かれた側の外磁路（図４の場合であれば下磁極）において磁場が飽和する可能性が高くなる。

図５に、図４のダブルギャップ型の磁路において下磁極を薄くした場合の磁力線を模式的に示す。下磁極２１２は、図１の構造において陽極２０４との対向する位置にあり、距離２１７を広げるためにも磁路を薄くしたい部分であるが、下ギャップ２１４に永久磁石２０９が配置された状態で下磁極２１２の磁路を薄くすると磁力線が集中し、図５に示すように下磁極２１２において磁気的な飽和が起き易い。磁性材料の飽和が起きると、図５に示すように、中心軸に沿って発生される磁場強度５０１の一部は電子銃の外側の空間を通って永久磁石２０９に帰還するようになり、磁路の外側にもう一つ別の軸上磁場のピークが出現する。この磁路の外側に出現する新たな磁場は、電子線の光学条件としての収差を拡大させ、性能を低下させる要因となる。

そこで、本実施例では、図２に示したように、永久磁石２０９をダブルギャップの上ギャップ２１３側に配置し、電子源（陰極）２０１を永久磁石２０９が無い側のギャップ（下ギャップ２１４）の中央付近に配置する構造を採用する。すなわち、永久磁石２０９を上磁極２１０と中磁極２１１の間に配置し、電子源（陰極）２０１を中磁極２１１と下磁極２１２の間に配置する。

図６に、この構造を採用する電子銃１０１に発生する磁力線を模式的に示す。実施例に係る構造の場合でも、磁路に磁力線が集中して飽和が発生する可能性はある。しかし、図６に示すように、最も磁力線が集中するのは上磁極２１０であり、この部分に十分な厚みを持たせれば飽和を回避することができる。その一方、図６に示すように、下磁極２１２や外磁路２１５の下部（中磁極２１０と下磁極２１１の間）における磁力線の集中は相対的に少なく済む。

従って、実施例で採用する電子銃１０１の場合には、下磁極２１２や外磁路２１５の厚みを持たせる必要がない。すなわち、３枚の磁極のうち電子線の放出される下磁極２１２の一枚の磁極の厚みを他の２枚の磁極（すなわち、上磁極２１０及び中磁極２１１）より薄くできる。また、３枚の磁極を結合する外磁路２１５の厚みを図２に示すように電子線の出力側ほど薄くなるように形成することができる。例えば外磁路２１５の外形をテーパ形状に形成することができる。因みに、図６では磁力線の説明を主とするため、上電極２１０の厚みと下磁極２１２の厚みをほぼ同じに表すと共に、外磁路２１５の厚みについても全て同じ厚みとして表している。

結果的に、実施例に係る電子銃１０１の場合には、下磁極２１２と陽極２０４との間の距離２１７を、図４の構造を採用する場合よりも広げることができる。このことは、電子銃の耐電圧を高められることを意味する。すなわち、放電確率を下げ、電子銃の安定的な動作に大きく寄与する。また、下磁極２１２の厚みを小さくできることで、下磁極２１２と陽極２０４との距離２１７が従来構造と同じであったとしても、少なくとも下磁極２１２の厚み分、電子銃１０１を小型化することができる。

[実施例２]
続いて、冷陰極電界放出磁場界浸型電子銃の２つ目の実施例を説明する。この実施例２においては、実施例１で説明した電子銃に対し、直流高電圧により電子線を加速する加速管（第二陽極７０４及び中間電極７１０〜７１３）を追加する。なお、電子顕微鏡の構造については、実施例１と同様であるので説明を省略する。

図７に、加速管を備える磁場界浸型電子銃の構造例を示す。なお、図７には図２との対応部分に同一符号を付して示す。この電子銃の場合、 100ｋＶ〜 300ｋＶの加速電圧（直流高電圧）を印加することができる。

図７に示す電子銃の場合も、電子源２０１には加速電源２０６により電圧（Ｖ_０ ）が与えられ、引出電極２０３には引出電源２０５より電圧（Ｖ_１ ）が与えられ、電子源２０１から電子線を引き出す構造を採用する。図７に示す電子銃の場合、下磁極２１２と対向する第二陽極７０４に、引出電源２０５よりも更に大きい電圧（Ｖ_２ ）がＶ_２ 電源７１６より印加される。このため、電子源２０１の先端部から放出された電子は、第二陽極７０４と引出電極２０３との電位差(Ｖ₂−Ｖ_１)により初期加速され、更に接地電位をもつ陽極７１４まで、中間電極７１０〜７１３を備えた図示されていない加速管内部を加速される。これら中間電極７１０〜７１３も軸中心部に孔を有するリング形状を有している。なお、各中間電極７１０〜７１３に印加する電圧は、加速電源２０６の電圧（Ｖ_０ ）とＶ_２ 電源７１６の電圧（Ｖ_２ ）をブリーダー抵抗７１５で分圧することにより発生する。

図７の構造においては、ダブルギャップ型の磁石レンズ２０７の上ギャップ２１３に永久磁石２０９を配置することにより、第二陽極７０４と下磁極２１２の間の距離７１７を広く取ることが可能になる。

これらの実施例によれば、従来型の磁場界浸型電子銃に比べ、同一の磁場強度を持ちながら磁路外に磁束の漏れのない小型の磁石レンズを提供することができる。結果的に電子銃の小型化に寄与し、電子銃の放電頻度を少なくし、安定的な動作が可能である電子銃を提供することができる。

１０１…電子銃、１０２…電子光学系、１０３…ステージ、１０４…電子検出器、１０５…制御装置、１０６…試料、１０７…電子線、２０１…電子源、２０２…電子源保持部、２０３…引出電極、２０４…陽極、２０５…引出電源、２０６…加速電源、２０７…磁石レンズ、２０８…接地部、２０９…永久磁石、２１０…上磁極、２１１…中磁極、２１２…下磁極、２１３…上ギャップ、２１４…下ギャップ、２１５…外磁路、２１６…軸上磁場強度、２１７…下磁極と陽極間の距離、３０１…永久磁石の磁化、３０２…磁路の磁化、３０３…空間における磁束、４０１…軸上の磁場強度、４０２…磁路内部空間の漏れ磁場、４０３…軸上磁場を形成する空間における磁場、５０１…軸上の磁場強度、５０２…磁路の飽和部分、６０１…２つのピークを持つ軸上磁場強度分布、７０３…引出電極、７０４…第二陽極、７１０…中間電極、７１１…中間電極、７１２…中間電極、７１３…中間電極、７１５…ブリーダー抵抗、７１６…Ｖ２電源、７１７…下磁極と第二陽極間の距離。

Claims (8)

1. 磁石レンズの磁場内に電子源が配置される磁場界浸型電子銃において、
   前記磁場レンズが中心軸に孔を有する３つの磁極を同軸線上に配置したダブルギャップ型の磁路を有し、かつ、前記３つの磁極の間に構成される２つのギャップのうち電子源の存在しない側のギャップに永久磁石を配置する構造を有する
   ことを特徴とする磁場界浸型電子銃。
2. 請求項１に記載の磁場界浸型電子銃において、
   前記３つの磁極のうち電子線が外部に放出される側の１つの磁極の厚みが他の２つの磁極よりも薄い
   ことを特徴とする磁場界侵型電子銃。
3. 請求項１に記載の磁場界浸型電子銃において、
   前記３つの磁極を磁気的に接続する外磁路のうち電子線が外部に放出される側の厚みが他端側の厚みよりも薄い
   ことを特徴とする磁場界侵型電子銃。
4. 請求項１に記載の磁場界浸型電子銃において、
   電子線を直流高電圧により加速する加速管を有する
   ことを特徴とする磁場界侵型電子銃。
5. 磁石レンズの磁場内に電子源が配置される磁場界浸型電子銃を有する電子線装置において、
   前記磁場界浸型電子銃は、前記磁場レンズが中心軸に孔を有する３つの磁極を同軸線上に配置したダブルギャップ型の磁路を有し、かつ、前記３つの磁極の間に構成される２つのギャップのうち電子源の存在しない側のギャップに永久磁石を配置する構造を有する
   ことを特徴とする電子線装置。
6. 請求項５に記載の電子線装置において、
   前記磁場界浸型電子銃における前記３つの磁極のうち電子線が外部に放出される側の１つの磁極の厚みが他の２つの磁極よりも薄い
   ことを特徴とする電子線装置。
7. 請求項５に記載の電子線装置において、
   前記磁場界浸型電子銃における前記３つの磁極を磁気的に接続する外磁路のうち電子線が外部に放出される側の厚みが他端側の厚みよりも薄い
   ことを特徴とする電子線装置。
8. 請求項５に記載の電子線装置において、
   前記磁場界浸型電子銃が、電子線を直流高電圧により加速する加速管を有する
   ことを特徴とする電子線装置。

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