JP5675968B2 - 粒子源及びその粒子源を用いたデバイス - Google Patents

Description

本発明は、粒子源に関するものである。より具体的には、電子顕微鏡、集束イオンビーム装置、微焦点X線管、電子ビーム型リソグラフィ装置、イオンビームリソグラフィ装置に用いられる粒子源及びその製造方法に関するものである。本発明は、さらには、粒子源を用いるデバイスに関するものである。

ミクロ・ナノメートルの検出及び製造などの各分野において、電子顕微鏡、集束イオンビーム装置、微焦点X線管、電子ビーム型リソグラフィデバイス、イオンビーム型リソグラフィデバイスなどのいずれも重要な役割を果たしている。

電子が発生する電子源及びイオンが発生するイオン源（「粒子源」と総称する。通常は、１本の針金である）は、これらの結像システムの肝心な部品である。結像システムの解像度、コントラストなどの重要な性能は、最終的に粒子源の性能に決定されている。

最も常用されている電子源は、ショットキー電界放射電子源であり、伝統的な熱電子源に比べると、寿命が長いメリットを有しているが、等価直径が大きい、解像度が低い、輝度が高くなくかつ電子のエネルギーの均一性がよくないなどのデメリットも有している。現在、性能が優れている冷電界放射電子源は、等価直径が非常に小さくて、高電圧時には、輝度がショットキー電界電子源よりかなり高いというメリットがあるが、低圧時には輝度が急激に悪化してしまいと考えられている。しかし、多くの材料、特に生物のサンプルについては、低圧モデル下でサンプルを測定しなければ、そのサンプルに損傷を与えてしまうことになる。

ガス電界イオン放射源は、非常に早く既に出現されており、等価直径が小さくてイオンのエネルギー分布が均一であるメリットを有しているが、ビームストリーム密度が高くなく、かつミクロナノ加工プロセスによって針先のサイズを制限し、イオン源の発散角が非常に大きいため、集束イオンビームシステムに応用することができない。現在、最も常用されているイオン源は、液体金属のイオン源であり、ビームストリーム密度が非常に高いが、等価直径が大きくかつイオンのエネルギー分布がムラを有している。近年、ガス電界放射イオン源は、ピラミッド型の原子レベルの針先の開発が成功したため、集束イオンへの応用が可能となるが、そのビームストリーム密度が低すぎるデメリットは、依然として、その応用を大きく制限している。特に、ミクロナノ製造への応用が制限されている。

そのため、ビームストリーム密度が高く、ビームストリーム角、等価直径及びエネルギーの分散度ともに小さい粒子ストリームを供給する粒子源が要求されている。電子源について、その放射される電子ビームが良好的な空間干渉性を有することも望んでいる。

本発明の１つの形態は、緩やかな頂部を有する台座と、台座の頂部上の微小な突起が形成される針先とを備える粒子源を提供する。

また、上記針先は、頂部の中心に形成されていることが好ましい。

また、上記台座及び上記針先は、中心の軸線に対して対称することが好ましい。

また、台座の曲率半径は、数十ナノメートルからミクロンのレベルであることが好ましい。

また、針先の曲率半径は、サブナノメートルから数十ナノメートルのレベルであることが好ましい。

また、台座の曲率半径と針先の曲率半径の比は、３：１より大きいことが好ましい。

また、針金に対して電界エッチングを行うことによって粒子源の台座を形成し、
電界エッチング及び電界蒸発のそれぞれによって側面と上方から針金のヘッドを減少させ、粒子源の針先を形成することが好ましい。

また、針金の材料は、タングステン、タンタル、レニウム、モリブデン、ハフニウム、ニオビウムのうち何れか１種であることが好ましい。

また、針先は、最少には原子数が１つである、予め定められた最頂層の原子数を有することが好ましい。

また、上記粒子源は、電子源あるいはイオン源であることが好ましい。

また、真空の環境内に針金を設置して活性ガスを導入し、針金の温度に対して調節を行うと共に、針金に対して正の高電圧Ｖを印加することによって、針金のヘッドの側面においてエッチング領域を形成し、このエッチング領域内で電界エッチングを行い、電界エッチングにより、針金のヘッドの頂端における表面の電界を、針金の材料の電界蒸発の電界より大きくなるまで増強させ、上記針金のヘッドの頂端における金属原子を蒸発させ、電界エッチングによって電界蒸発を触発した後、針金のヘッド形状が台座と台座上にある針先とから構成されることになるまで、電界エッチングと電界蒸発との二種のメカニズムを互いに調節し、針金の側面で電界エッチングを発生させ、台座を形成し、電界エッチング及び電界蒸発のそれぞれによって側面と上方から針金のヘッドを減少させ、粒子源の針先を形成し、予め定められた形状を有する針金のヘッドが得られた時、電界エッチング及び電界蒸発を停止することを備える方法で形成されることが好ましい。

また、電界エッチングが針金の側面で発生し、粒子源の台座を形成し、電界エッチング及び電界蒸発のそれぞれによって側面と上方から針金のヘッドを減少させ、粒子源の針先を形成したことが好ましい。

また、急速に針金の温度を、活性ガスの沸点より低く下げることで針金の表面の活性ガスの遷移速度を減少させ、その後、正の高電圧Ｖを切って電界エッチング及び電界蒸発を停止させることが好ましい。

また、電圧を切った後に、針金の温度を上昇させて、その表面に吸着された活性ガスの分子を取り除くことが好ましい。

本発明のもう１つの形態によれば、以上に記載の粒子源を含むデバイスを提供する。そのデバイスは、電子顕微鏡、集束イオンビーム装置、微焦点X線管、電子ビーム型リソグラフィ装置、イオンビーム型リソグラフィ装置などであってもよい。

図面を参考しながら以下の詳しい説明を行うことによって、本発明の上記及びその他のメリットが明らかになる。なお、図面は説明のために用いられるものであり、本発明を限定するものではない。図面は、比例に基づいて作成したものではなく、その形状が模式的に示したものであり、実際の製品の形状と厳密に対応するものではない。
本発明の実施例に係る粒子源の構造を示した図である。 本発明の実施例に係る粒子源と既存技術のピラミッド型粒子源とを電子源として用いられる時の比較例を示した図である。 本発明の実施例に係る粒子源と既存技術のピラミッド型粒子源とをイオン源として用いられる時の比較例を示した図である。 本発明の実施例に係る粒子源の製造装置を示した図である。 本発明の実施例に係る粒子源の製造方法の模式図である。 本発明の実施例に係る粒子源の製造方法の模式図である。 本発明の実施例に係る粒子源の製造方法の模式図である。 本発明の実施例に係る粒子源の製造方法の各段階におけるタングステン線のヘッドの状態を示した図である。 本発明の実施例に係る粒子源の製造方法の各段階におけるタングステン線のヘッドの状態を示した図である。 本発明の実施例に係る粒子源の製造方法の各段階におけるタングステン線のヘッドの状態を示した図である。 本発明の実施例に係る粒子源の製造方法の各段階におけるタングステン線のヘッドの状態を示した図である。 本発明の実施例に係る粒子源の製造方法の各段階におけるタングステン線のヘッドの状態を示した図である。

以下は、図面を参考しながら、本発明の好ましい実施の形態を述べる。以下に示した実施の形態は、ただ例示に過ぎず、これに限るものではないと理解すべきである。また、それらの実施の形態は、本発明の原理を説明するためのものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものではないと理解すべきである。

図１は、本発明の実施例に係る電子源あるいはイオン源として利用可能な粒子源１００の構造を示した模式図である。

粒子源１００は、図１に示したように、針先１１０と台座１２０を含む。針先１１０は、台座１２０上にある微小な突起として形成されている。針先１１０は、頂部の曲率半径がサブナノメートルから数十ナノメートルのレベルまでであるが、最頂部にある一層の原子の数は、最小として１つだけにしてもよい。台座１２０の頂部は、緩やかな突起が形成され、また、中心軸に対して対称となることが好ましい。台座１２０における曲率半径が数十ナノメートルからミクロンのレベルまでであることが好ましい。また、針先１１０が台座１２０の真中央に位置することが好ましい。台座１２０の曲率半径が、針先１１０の曲率半径より遥かに大きい。本発明の実施例によれば、台座１２０の曲率半径と針先１１０の曲率半径との比は、３：１より大きい。

粒子源１００は、大きいサイズの台座上に１つの微小な針先が形成されることによってレンズの効果が生じることができるため、非常に小さいビームストリーム角を取得することができる。本発明の実施例によれば、粒子ビームを、極めて狭いビームストリーム角内に制限したことで、ビームストリーム密度を顕著的に向上することができる。

このような構造を有する粒子源が電子源として用いられる時、その電流の利用率が高いと共に空間電荷の総量が減少し、空間のクーロン斥力が減少したため、電子エネルギーの均一性を向上することができた。このような構造を有する粒子源が電子源として用いられる時、針先１１０の頂部に１つの原子しか存在しないことをさせることで、このような電子ビームは、良好的な電子干渉性を持つことになる。

図２Ａは、本発明の実施例に係る粒子源１００と既存技術のピラミッド型粒子源（米国の特許ＵＳ７３６８７２７Ｂ２）とを電子源として用いられる時の比較例を示した模式図である。本発明の実施例の粒子源１００のビームストリーム角が、既存技術のピラミッド型粒子源のビームストリーム角より遥かに小さくなったため、引き出し電極を通過する電流の割合が既存技術のピラミッド型粒子源より遥かに大きいことが分かる。

このような構造を有する粒子源が、イオン源として用いられる時、台座が比較的に大きい表面積を有しているため、より多いガスを引きつけて針先へ供給できるので、大電流を実現することができる。図２Ｂは、本発明の実施例に係る粒子源１００と既存技術のピラミッド型粒子源とをイオン源として用いられる時の比較例を示した模式図である。大きさが同じぐらい場合に、本発明の実施例に係る粒子源１００の台座の表面積が、既存技術のピラミッド型粒子源の台座の面積より遥かに大きいため、もっとも多くのガスを引きつけることができ、より大きいイオンの電流が発生することができることが分かる。

図３は、本発明の実施例に係る粒子源の製造装置の模式図を示す。図３に示したように、真空の環境内に針金を設置し、針金を冷却させると共に活性ガスを導入する。針金に対して正の高電圧Ｖが印加される。

この針金は、例えば、タングステン、タンタル、レニウム、モリブデン、ハフニウム、ニオビウムなど金属（例えば、融点が２２００℃より高い）であってもよい。また、冷却された後の針金の表面に活性ガスを吸着させ、後述のエッチング領域が適切な幅を有するが好ましい。活性ガスは、Ｏ_２、Ｎ_２、ＣＯ、ＣＯ_２、その他の酸素元素あるいは窒素元素を含む活性ガスのうちの１種あるいはこれらの組み合せであってもよい。活性ガスの圧力強度が、電界エッチングが適切な速度を決定する。活性ガスの圧力強度は、この活性ガスの放電の圧力強度より小さい。正の高電圧Ｖは、針金のヘッドの頂端表面における電界が活性ガスの電離電界より大きくさせたことで、針金を予め定められた位置に後述のエッチング領域を発生させる。

針金のヘッド（底部と針先を含む）が、図３に示したように、軸対称の形状を有していることが好ましい。針金は、例えば、電気化学エッチング前処理によって次第に細くなる形状のヘッドを有することができ、ヘッドの半径が、ナノメートルからサブミクロンのレベルまでであり、前記ヘッドが軸線対称の形状を有することが好ましい。

本発明の実施例に係る粒子源の製造方法は、電界エッチング及び電界蒸発とを結合した工程である。即ち、正の高電圧Ｖによって針金のヘッドにエッチング領域を発生し、このエッチング領域内に電界エッチングが生じることと、電界エッチングによって針金のヘッドの頂端における表面の電界が、金属材料の電界蒸発の電界より大きいまで増強させ、この箇所の金属原子を蒸発させることと、電界エッチングによって電界蒸発を触発した後に、この時の正の高電圧Ｖは、一定の正の高電圧であることが好ましいため、電界エッチングと電界蒸発との２種のメカニズムを互いに調節して常に１つの動的な平衡状態に保つように確保したことで、針金のヘッドの形状が、大きい台座と台座上にある小さい針先とから構成されるまで、途切れなく変化させることと、電界エッチングが側面で発生し、台座が形成し、針金のヘッドが電界エッチング及び電界蒸発のそれぞれによって、側面及び上方から減少し、粒子源の針先が形成されこととを含む。この製作の原理に基づいて、針先の曲率半径の原子レベルへの精確な制御及び底部の曲率半径のナノレベルへの精確な制御を実現することができる。

まず、図４Ａを参考しながら、電界エッチングの工程について説明する。針金は、冷却させると共に、活性ガスの雰囲気に設置しておく。そして、針金に対して正の高電圧Ｖを印加したことによって、針金の表面で電界が形成される。この電界の強度は、下部からヘッドまで順次に増加していく。

活性ガスの針金の表面における分布は、対応する位置における電界強度に関連している。活性ガスは、電界強度がガスの電離電界強度（Ｅ_I）より上回る場合、針金の表面から離れた一定の距離（約０.４ｎｍ）のところに電離され、真空中において直接針金の表面に到達することができない。このため、電界強度がＥ_Iより大きい区域に分布された活性ガスは、主に、フィールド遷移に由来する。すなわち、電界強度が低いの針金表面に吸着された活性ガスが、電界の作用下で、針金の表面に沿って電界強度の低い位置から電界強度の高い位置へと移動する。これらの活性ガスは、針金の表面（０.４ｎｍの内で）に密着して分布されるので、電離されない。これらの活性ガスが、針先のヘッドへ遷移する工程で、針金の表面の電界が電界エッチングの電界閾値Ｅ_Ｃを超えれば、電界エッチングが触発され、活性ガスを絶えずに消費していくため、活性ガスの針金の表面における濃度が、電界の増加（すなわち、底部から先端への方向）によって減少していく。その分布の上限は、エッチングを触発可能な最高な位置であり、電界強度Ｅ_upと対応している。ここで、電界強度がＥ_Ｃの位置と、この最高な位置Ｅ_upとの間の区域を、エッチング領域と定義する。電界閾値Ｅ_Ｃは、針金の材料と活性ガスの成分により決定される。

針金の表面に吸着された活性ガスの数量と、活性ガスが針金の表面に沿った遷移速度とが、電界エッチングの速度及び精度に影響を与えている。

エッチング速度は、針金の表面に吸着された活性ガスの数量の増加によって増加していく。導入された活性ガスの濃度が、大きいほど（即ち、圧力強度が高いほど）、針金の表面に吸着される活性ガスが多くなり、エッチング速度が速くなる。それ以外に、活性ガスは、温度が低いほど、針金の表面に吸着されやすくなるが、温度を下げることで、活性ガスが針金の表面に沿って遷移する遷移速度が下がることによって、エッチング速度を下げることになる。また、針金の表面は、その電界が強いほど、活性ガスを引きつけやすくなる。しかし、当業者は、エッチング速度が速い時、エッチングの精度が下がる恐れがあると理解できる。このため、実際の要求に応じて、導入した活性ガスの圧力強度、針金の温度及び正の高電圧Ｖの数値を調節することによって、エッチングの速度や精度を調節できる。

活性ガスは、針金の表面に沿って遷移する遷移速度が速ければ、エッチングの速度が速くなる。上記遷移速度が、主に２つの要因によって決定される。すなわち、その（１）、電界が針金の表面に沿った接線方向の勾配の分布：この分布は主に針金の表面の幾何形状及び材料の属性などの要素に決定され、その（２）、活性ガスの熱運動エネルギー：針金の温度を調節することによって、その表面に吸着される活性ガスの熱運動エネルギーの大きさを変更することができ、その遷移速度の変更を行う。

針金の温度が低いほど、活性ガスの遷移速度が低くなり、エッチング領域が狭くなり、エッチングに対して制御可能な精度が高くなるが、エッチングの速度が遅くなる。その反面、針金の温度が高いほど、エッチング領域が広くなり、エッチング精度が低くなり、エッチング速度が速くなる。そのため、針金の温度を制御することで、電界エッチングの工程を制御でき、所望のエッチング精度及び速度を得ることができる。

図４Ａに示したように、エッチングを始める時、電界強度が針金の頂端においてガスの電離電界強度（Ｅ_I）を上回り、針金の頂端には活性ガスが存在せず、すなわち、エッチング領域が針金の頂端まで一定の距離を持つことになる。針金のヘッドの曲率半径の大きさに応じて、適切な正の高電圧が選択される。本発明の実施例において、正の高電圧Ｖの範囲は、３ｋＶ〜１００ｋＶである。図４Ｂに示したように、エッチングの工程において、活性ガスによって針金の側面を絶えずにエッチングしていき、エッチング領域の曲率が大きくなるのて、頂部が緩やかな台座が形成される。具体的に、活性ガスと金属の表面にある原子との結合が発生したことによって、金属原子とその他の隣り合う金属原子との結合力を弱めさせ、強い電界の作用下で、活性ガスと金属原子との結合物は、金属の表面から蒸発される。この工程は、電界エッチングと称する。

次に、図４Ｂを参考しながら、電界蒸発の工程について説明する。電界エッチングの進行につれ、針金のエッチング領域より上にある頂部における曲率半径が小さくなることで、頂部の電界Ｅ_ｔｏpが、ずっと強くなっていて、Ｅ_ｔｏpが金属の材料の自身の電界蒸発の電界Ｅ_Ｐ以上になった時には、頂部の金属原子が、強い電界の作用下で直接に金属の表面から引っ張り出されることが引き起こす。この工程は、電界蒸発と称する。このため、電界エッチングによって針金のヘッドを両側から絶えずに減少させていき、電界蒸発によって、ヘッドのサイズを上方から絶えずに減少させる。

電界蒸発及び電界エッチングの進行につれ、針金のヘッドが減少していく。ヘッドが所望の形状までに減少した場合、電界蒸発及び電界エッチングを停止させる。これによって、図４Ｃに示したように、大きい台座と小さい針先を有する粒子源を取得した。電界蒸発及び電界エッチングを停止した後、活性ガスを排出し、その後、他方の正の高電圧を印加することによって、針先の最頂層の表面において電界蒸発が発生し、針先上に付着された非金属原子あるいは分子（例えば、活性ガスの分子）を取り除くと共に、針先における金属原子を選択的に取り除くことによって、最終的に、予め定められた最頂層の原子数を有する針先が得られる。

本発明の実施例によれば、所望の形状のヘッドを獲得する時に、急速に針金の温度を、活性ガスの沸点より低く下げることで、針金の表面における活性ガスの遷移速度を減少させた後、正の高電圧を切って電界エッチング及び電界蒸発を停止すること好ましい。また、針金の温度を下げ、正の高電圧を切る前に、活性ガスの導入を停止することが好ましい。正の高電圧を切った後、針金の温度を適切な温度（例えば、ガスの融点以上である。好ましい実施例において、室温の３００Ｋ程度）に上昇させることで、表面に吸着された活性ガスの分子を取り除く。

本発明の実施例によれば、一定の正の高電圧下で、電界エッチングと電界蒸発とを互いに調節し、常に１つの動的な平衡状態を保つようにする。電界エッチングは、エッチング領域の曲率半径を大きくさせるので、電界が小さくなる。この時、ヘッドの中心区域のサイズが小さくなり、曲率半径が小さくなって、電界が強められるため、電界蒸発が引き起こす。針金のヘッド中心区域の曲率半径は、電界蒸発によって大きくなり、縦方向から、中心区域のサイズを減少していく。中心区域の表面の電界は、常に電界蒸発の電界Ｅ_Ｐを維持しているため、中心区域の幾何形状の変化によって底部の電界とヘッドの電界との差を小さくなる。これも台座の部分の電界が大きくなることを引き起こすことになる。ここで、注意すべきのは、台座の電界の全体的な傾向がだんだん減少していくので、該当台座のある区域の電界がＥ_Ｃより小さく減少した時、この区域の電界エッチングが停止することになる。

また、結像ガスを導入して電界エッチング及び電界蒸発の工程を観測することが可能である。図３に示したように、針金が真正面に導電性スクリーンを設置する。結像ガスは、例えば、Ｈｅ、Ｎｅなど不活性ガスである。高電圧が発生する強い電界の作用下で、分極された結像ガスの分子が針先に引きつけられ、針先のヘッドに到達した後に電離され、スクリーンに衝突することで、ライトスポットが発生する。各ライトスポットは、一つの原子の像に対応している。それによって、針金のヘッドの状態を観察することができる。本発明の実施例によれば、結像を補助するために、針金と電気伝導のスクリーンの前にマイクロチャネルプレートＭＣＰを設置しておく。

針金のヘッドの状態を観察することによって、所望の粒子源が獲得された際に、電界エッチング及び電界蒸発を停止させ、精確的に粒子源形状を制御することができる。本発明の実施例によれば、電界エッチング及び電界蒸発を停止させた後に、電界蒸発のみで、精確的に針先の最頂層の原子の数量を制御することができる。特に、電子源として最頂層に１つの原子のみ存在する針先を獲得することができる。このような針先を有する場合、粒子源として良好な干渉性を備える。ここで、当業者は、この観察工程が必ずしも必要ではないと理解すべきである。実験によってプロセスのパラメーターを特定した後に、この観察工程を省略してもよい。

本発明の実施例によれば、精確的に針先と底部の曲率半径（Ｒ_Tｉp及びＲ_Ｂａｓｅ）を制御することができる。以上に述べたように、正の高電圧Ｖは、エッチングの工程中において、一定の値に維持している。電界エッチングにより電界蒸発が触発されると、電界エッチング及び電界蒸発への相互の調節の工程を同時に実現する。この時、同期に観察することによって、針先の変化を監視する。予め定められた形状の粒子源が得られた時に、電界エッチング及び電界蒸発を停止させ、針先の曲率半径Ｒ_Tｉpを原子レベルまで精確的に制御することができる。

針先の最頂層の電界Ｅ_ｔｏpは、電界蒸発を開始した後に、針金の材料の電界蒸発の電界Ｅ_Ｐに維持される。Ｅ_Ｐは、材料と結晶面とによって決定される定数である。説明上、便宜を図るため、ここでは、電界イオンと電界放射顕微鏡の分野において通常よく使用されているパラメーター、即ち電界増強因子βを導入する。電界増強因子βは、下記のように定義される。

Ｅ_ｔｏp=Ｅ_Ｐ=Ｖ/β，つまり、β=Ｖ/Ｅ_Ｐ （１）

βは、針先からスクリーンまでの距離ｄと、台座及び針先の曲率半径（Ｒ_Tｉp及びＲ_Ｂａｓｅ）とによって決定され、以下のような関数として表すことができる。

製作の工程において、電界エッチング及び電界蒸発が発生した区域の大きさは、ミクロンレベルであり、電界イオン顕微鏡においてｄの設置（センチメートルレベル）より遥かに小さいため、ｄが常数と見なすことができ、数式（２）の変数のうち、ｄを除くことができる。また、Ｒ_TｉpがＲ_Ｂａｓｅより遥かに小さいため、（２）式を下記のように書き換えることができる。

ただし、

及び

は台座と針先のそれぞれの電界増強因子であり、それぞれの曲率半径によって決定される。

数式（１）と数式（３）とを結合して、下記の数式が得られる。

ここで、数式１に示したように、精確的にＲ_Tｉpつまり

を制御することができる。また、Ｅ_Ｐは、材料の自身によって決定される。このため、

つまりＲ_Ｂａｓｅは、Ｖの数値を調節することによって、精確的に制御することができる。

以下、単結晶のタングステン線（<１１１>向き）を例として、本発明の実施例に係る粒子源の製造方法について説明する。タングステン線を、１０Ｋ−２００Ｋに冷却し、例えば９０Ｋに冷却する。そして、活性ガスＯ_２を導入する。ここで、活性ガスの圧力強度の範囲は、１０^-６Ｐａから０.１Ｐａであり、例えば、１×１０^-３Ｐａを採用する。そして、タングステン線に対して３ｋＶ−１００ｋＶ範囲の正の高電圧Ｖ、例えば５ｋＶを印加する。結像ガスＨｅを導入ることによって、タングステン線に対向するスクリーン上に、タングステン線のヘッドの状態の観察を行う。電界エッチング及び電界蒸発を行うことによって、図１に示したような形状の粒子源が得られる。

上述した通り、スクリーン上で、針先の状態を観察することによって、精確的に針先の原子の個数を制御できる。針先は、最頂層の原子の個数が要求に達する時、針先の温度を、Ｏ_２の沸点（ここで、３０Ｋである）より低くなるように下げ、正の高電圧を切り、電界エッチング及び電界蒸発を停止することによって、所望の形状の粒子源が得られる。その後、表面に吸着された酸素の分子を、大量に揮発させるように温度を適宜に上昇させ（例えば３００Ｋまでに上昇させ）てもよい。停止した後に、針先の表面には非金属原子あるいは分子（例えば、活性ガスの分子）が付着される恐れがある。このため、電界蒸発を制御することのみで、これらの原子あるいは分子を取り除き、この箇所にある金属原子を選択的に取り除くことで、予め定められた最頂層の原子数を有する針先が得られる。また、最頂層の原子数が最少に１つになってもよい。

以上の例示は、本発明の説明したものであり、本発明に対する限定にならない。針金は、上述した通り、タングステン、タンタル、レニウム、モリブデン、ハフニウム、ニオビウムなどであってもよい。任意の材料に対しても、正の高電圧を、針金のヘッドの頂端における表面の電界が活性ガスの電離電界より大きくなるように制御し、活性ガスの圧力強度がこの活性ガスの放電の圧力強度より低く制御し、活性ガスの分子が針金の表面に吸着できるように針金の冷却温度を制御する。電界エッチング及び電界蒸発の開始後、正の高電圧Ｖが一定の値に保つことが好ましい。

例えば、活性ガスがＯ_２である場合、圧力強度の範囲が１０^-６Ｐａから１０^-１Ｐａになるようにガスを制御することができる。活性ガスがＮ_２である場合、圧力強度の範囲が１０^-６Ｐａから１０^-２Ｐａになるようにガスを制御することができる。活性ガスがＣＯである場合、圧力強度の範囲が１０^-６Ｐａから１０^-１Ｐａになるようにガスを制御することができる。

例えば、活性ガスがＯ_２である場合、温度の範囲が１０Ｋ〜２００Ｋになるように、針金の温度を制御することができる。活性ガスがＮ_２である場合、温度の範囲が１０Ｋ〜２００Ｋになるように、針金の温度を制御することができる。活性ガスがＣＯである場合、温度の範囲が１０Ｋ〜２００Ｋになるように、針金の温度を制御することができる。正の高電圧については、３ｋＶ〜１００ｋＶ内の値を採用してもよい。

以上の数値の範囲が、ただ選択可能な例示に過ぎず、本発明の原理及び工程に対する理解を助けるものであって、決してこの範囲以外のパラメーターで本発明を実現できないことを意味しないことは、当業者が理解すべきである。図５Ａ〜５Ｅは、単結晶のタングステン線を例として本発明による粒子源の製造方法の各段階におけるタングステン線のヘッドの状態を示している。ここで、タングステン線を９０Ｋに冷却させ、活性ガスＯ_２を導入する。また、活性ガスの圧力強度は、１×１０^-３Ｐａであって、タングステン線に対して５ｋＶの正の高電圧Ｖを印加している。

図５Ａは、タングステン線のヘッドの初期状態を示している。図５Ｂ〜５Ｄは、それぞれ、活性ガスを導入てから１時間、２時間及び２.５時間経過後の状態を示している。図５Ｅは、３時間後の最終状態を示しており、画面中心のライトスポットは、針先に一つの原子がしか存在しないことを表す。

本発明の方法によれば、電子顕微鏡に用いられる電子源、イオン顕微鏡に用いられるイオン源、電子ビーム型リソグラフィ装置に用いられる電子源、イオンビーム型リソグラフィ装置に用いられるイオン源、微焦点X線管に用いられる電子源を製造することができる。また、その他の用途に用いられる粒子源も製造することができる。本発明の方法によれば、精確的に粒子源とする針先の原子数を制御することができる。例えば、最少には原子数を１つに制御することができる。

本発明の方法によれば、ビームストリーム密度が高く、ビームストリーム角、等価直径、エネルギー分散度ともに小さい粒子ストリームを放射する粒子源を提供することができる。本発明に基づいて取得した電子源により放射された電子ビームは、良好な空間干渉性を有している。

以上、具体的実施例に基づいて本発明の原理について説明した。当業者は、以上に列挙した各詳細が本発明を説明するためのものであって、本発明への制限にはならないことを理解すべきである。以上の方法に含まれたステップは、本発明の目的を実現さえできれば、異なる順で実行してもよい。また、本発明の保護範囲は、請求の範囲及びそれに等価な範囲によって限定されるものである。

Claims (14)

1. 緩やかな頂部を有する台座と、
   台座の頂部上の微小な突起が形成される針先とを、備え、
   台座と針先は、針金に対して正の高電圧Ｖを付与するとともに電界エッチングおよび電界蒸発を同時に与えることにより、針金から形成され、
   電界エッチングおよび電界蒸発を停止させる際には、急速に針金の温度を、活性ガスの沸点より低く下げることで針金の表面の活性ガスの遷移速度を減少させ、
   その後、針金に付与される正の高電圧Ｖを切って、電界エッチング及び電界蒸発を停止させることを特徴とする粒子源。
2. 上記針先は、頂部の中心に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の粒子源。
3. 上記台座及び上記針先は、中心の軸線に対して対称することを特徴とする請求項１また２に記載の粒子源。
4. 台座の曲率半径は、数十ナノメートルからミクロンのレベルであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の粒子源。
5. 針先の曲率半径は、サブナノメートルから数十ナノメートルのレベルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の粒子源。
6. 台座の曲率半径と針先の曲率半径の比は、３：１より大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の粒子源。
7. 針金に対して電界エッチングを行うことによって粒子源の台座を形成し、
   電界エッチング及び電界蒸発のそれぞれによって側面と上方から針金のヘッドを減少させ、粒子源の針先を形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の粒子源。
8. 針金の材料は、タングステン、タンタル、レニウム、モリブデン、ハフニウム、ニオビウムのうち何れか１種であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の粒子源。
9. 針先は、最少には原子数が１つである、予め定められた最頂層の原子数を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の粒子源。
10. 上記粒子源は、電子源あるいはイオン源であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の粒子源。
11. 真空の環境内に針金を設置して活性ガスを導入し、針金の温度に対して調節を行うと共に、針金に対して正の高電圧Ｖを印加することによって、針金のヘッドの側面においてエッチング領域を形成し、このエッチング領域内で電界エッチングを行い、
    電界エッチングにより、針金のヘッドの頂端における表面の電界を、針金の材料の電界蒸発の電界より大きくなるまで増強させ、上記針金のヘッドの頂端における金属原子を蒸発させ、
    電界エッチングによって電界蒸発を触発した後、針金のヘッド形状が台座と台座上にある針先とから構成されることになるまで、電界エッチングと電界蒸発との二種のメカニズムを互いに調節し、針金の側面で電界エッチングを発生させ、台座を形成し、電界エッチング及び電界蒸発のそれぞれによって側面と上方から針金のヘッドを減少させ、粒子源の針先を形成し、
    予め定められた形状を有する針金のヘッドが得られた時、電界エッチング及び電界蒸発を停止することを備える方法で形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の粒子源。
12. 電界エッチングが針金の側面で発生し、粒子源の台座を形成し、
    電界エッチング及び電界蒸発のそれぞれによって側面と上方から針金のヘッドを減少させ、粒子源の針先を形成したことを特徴とする請求項１１に記載の粒子源。
13. 電圧を切った後に、針金の温度を上昇させて、その表面に吸着された活性ガスの分子を取り除くことを特徴とする請求項１２に記載の粒子源。
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の粒子源を含むデバイス。

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