JP5386229B2 - 電子銃 - Google Patents

Description

本発明は、電子銃に関し、特に高輝度な電子線を発生する冷電界放射（Cold−ＦＥ）電子銃に関する。

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など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）に照射する。そして、照射された試料を透過する透過電子や、試料と電子線の相互作用により発生する反射電子，二次電子を検出し、試料の拡大観察を行うことをその原理としている。この電子顕微鏡において、電子線の生成を担う電子銃の担う役割は大きい。

電子顕微鏡の典型的な構造は、電子線を生成する電子銃を備え、これと照射系および対物レンズなどの電磁レンズ、および電子線の検出装置を組み合わせたものである。ここで、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）、かつ試料上で小さく絞られた状態で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あたり面積あ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、もと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。

冷陰極電界放出型（Ｃ−ＦＥ型）電子銃は、高輝度な電子銃として高分解能を有する電子顕微鏡に広く用いられている。この電子銃の電子線生成の原理は、電界研磨により細く尖らせたタングステン単結晶先端部に強い電場を発生させ、この強電場により電子線を引き出している。冷陰極電界放出電子源は他の電子源に比べ点光源に近く、高い輝度の電子線を得ることができることに加え、引き出される電子線の個々の電子が持つエネルギーのばらつき（エネルギー幅ΔＥ）の小さい電子線を得ることができる。

従来、この冷陰極電界放出型電子源と、Butlerらによって１９６６年に実用化された静電レンズ構造を組み合わせた構造の電子銃が広く用いられている。

Butler型静電レンズを備えた典型的な冷陰極電界放出型電子銃の構造を図１に示す。電子源１０１と引出電極１１０との電位差（Ｖ₁）が、引出電源１０５によって印加され、これが電子源１０１の先端部（図の電子源１０１の最下部）に作る電場によって、電子源１０１で電界放出が起き、電子線が放出される。放出された電子線のうち、引出電極１１０に設けられた絞り１０９を通過した電子線は、引出電極１１０と陽極１０７との間に設けられたButler型電極１０３，１０４によって形成された電場の静電レンズ作用によって収束されつつ、引出電極と陽極の間の電位差（Ｖ₀−Ｖ₁）により加速（加速電位の大きさ｜Ｖ₀｜＞引出電位の大きさ｜Ｖ₁｜のとき）ないし減速（｜Ｖ₀｜＜｜Ｖ₁｜のとき）され、試料に向けて出射する。

この構造は、電子銃の構造を簡易に、比較的小さくすることができ、そのため超高真空を実現する上で利点がある。また、静電レンズにより、電子線の加速と収束を同時に行うことができる点で利点がある。

しかしながら、この電子銃は取り出せる総電流量がショットキー電子源などの他の電子源に比べて低く、大電流を取り出そうとするとチップから広い角度で放出する電子線を使う必要がある。たとえばチップ（陰極）の全放射電流量の数パーセントを取り出そうとすると、静電レンズの収差の影響で輝度（実効輝度）が大きく低下するという欠点があった。より大きな電流を取り出そうとするとこの現象は顕著に起こる。静電レンズではこの収差の低減が難しい。このため、元素分析などの目的で高い照射電流を必要とする分析電子顕微鏡では、輝度やエネルギー幅を犠牲にし、ショットキー電子源（熱電界放射型電子源）など他の電子源が使われている場合が多い。

一方、従来の熱陰極電界放出型電子銃に対して、電子銃の輝度向上の目的で、磁界レンズを用いて電子線を収束する電子銃が考案されている。

特許文献１に示すように電子銃直下に磁場による収束レンズを設けたものよりも、収差低減の面で、電子源が磁場中にあるもの（immersion type，界浸型）と呼ばれる形式のものが多数考案され、特許文献２〜７に示すようにその詳細構造についても公知例が存在する。

これらの公知例において示される構造は、一般に熱陰極電界放出型電子銃を示しており、これらと冷陰極電界放出型電子銃では、サプレッサの有無という大きな違いがある。熱陰極電界放出型電子銃に特徴的に備えられているサプレッサには、電子源に対し負の電位が印加されており、電子源に近接し熱されたフィラメントから放出される熱電子を反射し、サプレッサ内に閉じ込める役割を持つ。

これに対し、冷陰極電界放出型電子銃ではフィラメントは加熱されておらず、熱電子も放出されないため、サプレッサは不要である。冷陰極電界放出型電子銃で電子源に近接して設けられる電極は引出電極のみであり、これは電子源の先端部分に大きな電場を発生させ、先端からの電界放出を起こすものである。

この構造の違いがあるため、磁場レンズを備えた界浸型電子銃においても、熱陰極電界放出型電子銃と冷陰極電界放出型電子銃で最適な構造が大きく異なり、後述の理由により、公知例の構造をそのまま冷陰極電界放出型電子銃に適用しても高い性能を発揮することはできない。

特開昭６４−７６６５４号公報 特開平２−２９７８５２号公報 特開２０００−３６８９号公報 特開２０００−９０８６６号公報 特開２０００−２８５８３９号公報 特開平６−１６２９７９号公報 特開２００６−２１０２５４号公報

本発明は、低収差の冷陰極型電子銃を提供することで、大電流においても高輝度の電子銃を提供することを目的とする。

本発明は、電子線を陰極から引き出し、引き出された電子線を収束する電界放出型電子銃において、レンズ磁界中に陰極が配置されるように磁場レンズを備え、陰極から電子を引き出すための引出電極を、絞り構造のない円筒形で構成したことを特徴とする。

別の表現をすれば、レンズ磁界中に陰極が配置されるように磁場レンズを備え、陰極から電子を引き出すための引出電極と電子線を加速する陽極の間で形成される電界による収束作用が、前記磁場レンズの磁場による収束作用が大きいことを特徴とする。

本発明によれば、磁場を用いて電子線を収束する機能を持つ電子銃において、付随して発生する静電レンズ作用を低減し、収差が少なく輝度が高い電子銃を提供することができる。

Butler型静電レンズを備えた冷陰極電界放出型電子銃の構造。 本発明の一実施形態である界浸型冷陰極電界放出電子銃の構造。 本発明の一実施形態である界浸型冷陰極電界放出電子銃の構造。 本発明の一実施形態である界浸型冷陰極電界放出電子銃の構造。 本発明の一実施形態である界浸型冷陰極電界放出電子銃の構造。 本発明の一実施形態である加速管を備えた１００ｋＶ〜３００ｋＶの加速電圧をもつ電子銃の界浸型電子銃の構造。 本発明の一実施形態である界浸型冷陰極電界放出電子銃の構造。 円筒形の引出電極の印加電圧とチップ先端の電界強度の関係。 磁場界浸型冷陰極電界放出電子銃の輝度とButler型静電レンズを備えた冷陰極電界放出電子銃の輝度の理論解析結果。 磁場界浸型冷陰極電界放出電子銃の輝度と、引出電極開口部最小部内径をφ１mm，φ２mmとした場合の輝度の比較。

本発明について、以下実施例を用いて詳細に説明する。

本発明を実施する形態の例として、界浸型冷陰極電界放出電子銃の形態を図２に示す。

図２は本発明に係る電子銃の構造を示したものである。電子源１０１，電子源保持部１０２，引出電極２０３，陽極２０４，磁路２０７，永久磁石２０９は図示されていない真空容器内にあり、１０^-8Ｐａ程度の超高真空に保たれている。加速電源１０６によって、電子源１０１には接地部１０８を基準として電位Ｖ₀（負電位）が印加されている。さらに、引出電源１０５により、この電子源電位を基準として、引出電極２０３に電圧Ｖ₁（正電圧，数ｋＶ）が印加されている。この電位（Ｖ₁）によって電界放出が起こり、電子源１０１から（エネルギーＶ₀−Ｖ₁をもった）電子線が放出される。この電子線は、磁場レンズ、本実施例では永久磁石２０９および磁路２０７が電子線通路上に発生する磁場によって収束され、また陽極２０４に向けて加速される。ここで磁場レンズは電磁石ではなく永久磁石２０９により生成されるが、これは電磁石を電子銃の超高真空内かつ高電圧部分に導入する場合の困難から選択されたものである。永久磁石２０９とパーマロイなどの高透磁率材料で形成された磁路２０７が作る磁場は静的であり強度を調整することはできないが、電子源２０１の位置を磁場に対して上下させることで、実効的な磁場レンズ強度を変化させることができ、これを用いて仮想光源位置のような電子光学的条件を調整することが可能である。そのため、電子源保持部１０２には図示されていない位置調整機構が存在する。

ここで、引出電極２０３はアノード側が開いた絞り構造のない円筒形をしている。引出電極の役割は電子源先端に高電場を発生させることであるから、一見引出電極は電子源と陽極の間に位置する必要があるように思える。従来の冷陰極型電界放出電子銃の典型的な構造を示した図１に見られるように、引出電極は１１０のように電子源の陽極側に絞り構造を持つカップ型の構造が用いられる例が多い。

これに対し、本実施例では引出電極２０３には絞り構造が存在しない。

電子源１０１は直径が数マイクロメートルの鋭くとがった先端を持ち、一方、引出電極は１０〜数１０ミリメートル単位の巨視的な構造を持つ。陰極先端部の半球形の曲率半径をｒ（〜１μｍ）、陽極と陰極の距離をＲ（〜１０mm）、陽極と陰極の間の電位差をＶとするとき、陰極の先端にかかる電界強度Ｆは、次式で表される。

Ｆ＝２Ｖ／｛ｒlog_e(４Ｒ／ｒ)｝
Ｒとｒの関係より、電界強度ＦがほとんどＲに関係なく、Ｖとｒのみに依存することがわかる。この非対称性から、電子源先端部分の電場強度は電子源先端径などの電子源構造によりほぼ決まり、引出電極の位置や構造にはほとんど依存しないことが分かった。よって、引出電極が円筒形であっても電界放出は起こり、本発明はこの現象を用いている。

ある円筒形の引出電極の、印加電圧と、チップ先端の電界強度の関係（理論解析結果）を図８に示す。横軸が引出電極内径φｄで、縦軸がチップ先端に４×１０¹⁹Ｖ／ｍ（計算値）の電界を発生させるために必要な引出電圧（Ｖ₁）である。

引出電極を絞り構造のない円筒形とする利点は、絞り部分に発生していた電位勾配の不連続点が解消し、引出電極２０３と陽極２０４の間に存在していた静電レンズ効果が低減されることである。本発明の利点は、収差の大きい静電レンズ構造ではなく磁場レンズによって収束させることで、電子銃全体の収差を低減することにあるが、この際、電場による収束効果はできるだけ低減することが望ましい。引出電極を陽極側に向けて開いた構造とし、電子線通路に絞り構造を設けないことで、電場による収束力を弱めることができ、この結果として収差を低減することができる。

ある形状を仮定した磁場界浸型冷陰極電界放出電子銃の輝度の理論解析結果を、従来型の（磁場界浸型でない）冷陰極電界放出電子銃と比較したものを図９に示す。グラフの横軸はプローブ電流であり、縦軸は解析より求められる輝度である。チップからの放出電流のうち中央付近の小さな角度で放射された電流のみを利用する場合、電子銃の輝度は軸上輝度に一致して輝度は界浸型電子銃においても、従来型電子銃においても同じである（グラフの右端）。しかし、大角度で放出された電流を収集することによって取出電流量を大きくしてゆくと、電子銃の持つ収差の影響で輝度が低下しはじめる。この際、収差の小さい磁場界浸型冷陰極電界放出電子銃では、より高い電流まで、輝度を保ったまま取り出せることがわかる。この比較においては、輝度の落ち始める取出電流量でおよそ十倍程度、同じ輝度を保ったまま、界浸型冷陰極電界放出電子銃がより高い電流量を得られることがわかる。

実施例１の変形例として、引出電極の形状が完全に円筒形でなく、若干の絞り構造を持っても、電場レンズによる収束力および収差を低く抑えたまま、主として磁場レンズにより電子線を収束するという目的を達成することができる。

引出電極が円筒形でない場合を図３に示す。図３においては引出電極３０３が電場によるレンズ作用が生じない程度に突起部が設けられている。このときの引出電極開口部最小部内径３１０は２mm以上とることが望ましい。

形状を仮定した理論解析結果の一例を図１０に示す。図９のグラフに、最小部分の内径ｄｓを１mmφ，２mmφとしたときの理論解析結果を重ねたものである。最小部分の内径を１mmφとすると、輝度の低下は従来型冷陰極電界放出電子銃とほとんどかわりない状態まで低下してしまう。２mmφとすれば輝度の低下は少なくなり、界浸型電子銃（円筒型電極）に近づくが、界浸型電子銃の利点を生かすためには、最小部分の内径が少なくとも２mm以上なければならないことがわかる。

さらに、引出電極の陽極側の端部が電子源に対し陽極側であっても陰極側であっても電場レンズによる収束力および収差を低く抑えたまま、主として磁場レンズにより電子線を収束するという目的を達成することができる。

引出電極端部の位置に関する他の実施例を、図４，図５に示す。

図４においては引出電極４０３が図２の引出電極２０３よりも陽極４０４側に延びている。電子線通路から永久磁石２０９や磁路２０７全体を隠すように、磁路下面４１０よりも陽極２０４側に延びてもよく、この場合も電場レンズ効果はそれほど大きくならない。図５に示すように、電子源１０１よりも引出電極５０３の陽極２０４側端部が上（陽極と反対側）に位置していてもよい。

図４の変形例として図７を挙げる。図４における引出電極７０３をさらに陽極２０４側に延長し、磁路２０７を覆うように面状の部分を付加したものが、図７である。図７において、引出電極７０３は陽極２０４に対向して磁路２０７を覆う形状となっており、陽極２０４に衝突し散乱した散乱電子７１１の反射が磁路７０７に到達しにくくなっている。この構造によれば、散乱電子７１１による磁路７０７からのガス放出を防ぐことができる。引出電極７０３は散乱電子７１１の衝突にあってもガス放出が少なくなるよう、金メッキ等の表面処理が行われており、またヒータ７１０によって電子銃使用前に十分加熱し、脱ガスを行う。なお、ヒータ７１０および引出電極７０３はこの際、磁路２０７との間に隙間を設けるか、または断熱材を挟み込み、磁路２０７との熱絶縁を図るのが望ましい。これにより、ヒータ７１０の加熱によって永久磁石７０９の熱減磁の可能性を低減することができるからである。

実施例１−３の構造は、より高圧で、加速管を備えた電子銃にも容易に応用が可能である。加速管を備え、１００ｋＶ〜３００ｋＶの加速電圧をもつ電子銃の界浸型電子銃構造について図６に示す。この構造においても、同様に電子源６０１にＶ₀、引出電極６０３に電子源１０１に対する電位Ｖ₁が与えられ、電子線が電子源から引き出される。この電子線は電子源に対しＶ₂の電位を持つ第二陽極６０４との電位差によって初期加速され、さらに接地電位をもつ陽極６１４まで、中間電極６１０〜６１３を備えた図示されていない加速管内部を加速される。図６の構造においては、第二陽極６０４および中間電極６１０〜６１３の電子線通路径は図３の引出電極３０３と少なくとも同程度に大きく取られ、加速電場がつくるレンズ効果を低く抑えている。

ところで、図１の構造を持つ従来の冷陰極電界放出型電子銃においては、電子源１０１より放射した電子線は、引出電極絞り１０９により大部分がさえぎられ、一部のみが絞りを通じて陽極１０７にむけて加速されていた。しかし、今回の発明による図２の電子銃構造によれば、引出電極２０３に絞り構造がないため、電子線は陽極２０４に直接照射される。

図２の冷陰極電界放出型界浸型電子銃において、陽極２０４付近にヒータ２１０を設け、電子銃稼働前に真空中での陽極２０４の部品加熱を実施することで、放出ガスを抑えることができる。同様に、図６の加速管を持つ冷陰極電界放出型電子銃においても、陽極６１４付近にヒータ６１７を備えると、放出ガスを抑えることができる。

上記実施例では、電子線を収束させる磁場レンズとして、永久磁石を用いている。上記実施例では、空容器に永久磁石を配置して、その真空容器を電子銃室内に配置する例を示した。このような構成によれば、上記の窒化チタンコーティング処理されたサマリウムコバルト磁石でなくても、電子銃室内の真空度を劣化させることなく、本願の効果を得ることができる。

なお、上記の方法に限られず、窒化チタンコーティング処理された永久磁石（例えば、サマリウムコバルト磁石）を用いると、電子銃室の真空度を劣化させることがなく、電子銃室内に直接持ち込むことができることが実験の結果わかった。また、電子銃室の外に永久磁石を配置することもできる。このような構成によっても、電子銃室内の真空度を劣化させることなく、本願の効果を得ることができる。

上記は永久磁石を用いて説明をしたが、電磁コイルを用いて磁場を発生させたとしても、本願の効果を得ることができる。

これらの実施態様によれば、従来の冷陰極電界放出型電子銃に比べ、収差の小さい電子銃を提供することができる。結果として、電子源からの広い角度で放出された電子線についても（大電流であっても）、電子線に相対的なぼけを生じさせることなく、収集し、利用することが可能である。

電子顕微鏡のあらゆる使用条件において、通常の冷陰極型電解放出電子銃と同等の実効輝度を得ようとした場合、本発明では、従来型の冷陰極電界放出型電子銃に比べて全放射電流量を約１０分の１程度に低く抑えたまま取り出し電流量を確保することができる。このことにより、放射電流量の安定性が高く、また放射電子のエネルギー分布ΔＥの小さい、高い性能をもった電子銃が得られる。

また元素分析機能を備えた電子顕微鏡など、１ｎＡ以上の相対的な大電流を利用する電子顕微鏡に対しても、スポット径が小さく輝度が高い電子線を供給することができる。

本発明は、走査電子顕微鏡，透過電子顕微鏡，走査透過電子顕微鏡をはじめ、その他の電子線を用いた電子線装置の電子源として用いることができる。

１０１ 電子源
１０２ 電子源保持部
１０３，１０４ Butler電極
１０５ 引出電源
１０６ 加速電源
１０７，２０４，６１４ 陽極
１０８ 接地部
１０９ 引出電極絞り
１１０，２０３，３０３，４０３，５０３，６０３ 引出電極
２０７ 磁路
２０９ 永久磁石
２１０，６１７，７１０ ヒータ
３１０ 引出電極最小開口部内径
４１０ 磁路下面
６０４ 第二陽極
６１０，６１１，６１２，６１３ 中間電極
６１５ ブリーダー抵抗
６１６ Ｖ₂電源
７０３ 引出電極（シールド兼）
７１１ 散乱電子

Claims (7)

1. 電子線を陰極から引き出し、引き出された電子線を収束する電界放出型電子銃において、
   レンズ磁界中に陰極が配置されるように、電子銃を構成する真空容器の内側に磁場レンズを備え、陰極から電子を引き出すための引出電極を、絞り構造のない円筒形で構成したことを特徴とする電界放出型電子銃。
2. 請求項１の電界放出型電子銃において、前記磁場レンズは、永久磁石によって構成されることを特徴とする電界放出電子銃。
3. 請求項１の電界放出型電子銃において、前記陰極の位置を、電子線と平行な方向に移動する移動機構を備えたことを特徴とする電界放出型電子銃。
4. 請求項１の電界放出型電子銃において、電子線を加速する陽極を加熱する加熱手段を備えたことを特徴とする電界放出型電子銃。
5. 請求項１の電界放出型電子銃において、前記引出電極を加熱する加熱手段を備えたことを特徴とする電界放出型電子銃。
6. 請求項５の電界放出型電子銃において、ヒータおよび引出電極と永久磁石磁路および永久磁石との間に熱絶縁構造を設けたことを特徴とする電界放出型電子銃。
7. 電子線により試料を加工，検査する電子線装置において、請求項１の電界放出型電子銃を搭載した電子線装置。

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