JP6095338B2

JP6095338B2 - 電子銃および荷電粒子線装置

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Publication number: JP6095338B2
Application number: JP2012259638A
Authority: JP
Inventors: 圭吾糟谷; 猛川▲崎▼; 騰守谷; 忠夫古津
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2017-03-15
Anticipated expiration: 2032-11-28
Also published as: JP2014107143A

Description

本発明は、電子銃および荷電粒子線装置に関する。

本明細書の記載で真空に関して使用される用語を定義する。「真空度が高い」は圧力の値が小さい（または低い）ことを意味し、「真空度が低い」は圧力の値が大きい（または高い）ことを意味する。

荷電粒子線の一つである電子顕微鏡は電子線を試料に照射し、試料から放出する透過電子や二次電子、反射電子、またはＸ線などを検出することで、試料の形態と組成を拡大観察する装置である。電子顕微鏡には、分解能と干渉性が高く、明瞭で明るい観察像を得ることが求められる。そのためには、放出する電子線の平均輝度（以下、輝度）が高く、電流量が大きく、電流が安定な電子銃が必要である。輝度とは電子線の単位立体角、単位面積あたりの電流量と定義される。電子線の輝度はエネルギーを変えずに輸送した場合、レンズの収差などで低減し、電子源の輝度以上にすることはできない。そこで、電子銃には電子源の輝度を損なわずに電子線を放出させることが求められる。また、電子線の電流量と安定性は、電子銃から放出したときの特性のまま試料に到達し、観察像に影響する。よって、電子銃が電子顕微鏡の基本性能を左右しており、電子銃の担う役割は大きい。

輝度の高い電子銃として、冷陰極電界放出電子銃（Cold Field Emission Electron Gun：以下、ＦＥ電子銃）がある。ＦＥ電子銃の電子源には、主に先端を尖らせたタングステンの単結晶が用いられる。この先端に電界を集中させることで、トンネル効果で電子が放出し、輝度の高い電子線を得ることができる。

ＦＥ電子銃が放出する電子線の安定性は電子銃内の真空度に大きく影響される。電子源の先端に残留ガスが吸着すると表面の仕事関数が上がり、電子線の電流量が低下する。また、時間経過とともに電流にノイズが発生し、放電によって電子源が破損する場合がある。このため、電子銃の内部は真空ポンプで排気して、１０^−８Ｐａ程度の超高真空に維持する必要がある。一方、電子銃内の真空度を従来よりも高い極高真空領域にすることで電子線の安定性を向上することができる。

ＦＥ電子銃の真空度を悪化させる要因として、電子線を放出させたときに発生する電子衝撃脱離（Electron Stimulated Desorption：以下ＥＳＤ）ガスがある。ＥＳＤガスは電子銃内の部品に電子線が照射されると放出し、真空度を低下させて電子線の安定性を悪くする。ＥＳＤガスの発生量を低減する方法として、電子線が照射される部品を高温に加熱する方法がある。

輝度が高く、かつ大電流が得られる電子銃の構成として、特許文献１、２に記載の磁界重畳型の電子銃がある。磁界重畳型電子銃は磁界レンズの磁場中に電子源を配置する構成をもつ。従来の静電レンズを用いた電子銃では、電子源から放出する電子線を広い角度まで取り込み、大電流を使用すると、静電レンズの収差が大きくなって輝度が低下する。一方、磁界重畳型電子銃は、静電レンズよりも収差の小さい磁界レンズで一度電子線を収束させることで、大電流かつ高輝度の電子線を得ることができる。

特開２００６−３２４１１９号公報特開２００５−３１７５５８号公報

上記のＦＥ電子銃と磁界重畳とを組み合わせることで、高輝度で大電流の磁界重畳型ＦＥ電子銃が実現する。そこで、発明者等は、将来に向けてこの磁界重畳型ＦＥ電子銃の更なる高輝度・大電流の可能性について検討した。その結果、電子銃の輝度をさらに高くし、かつ安定性の高い電子線を得るためには、電子銃内で生じる収差をより低減し、かつ銃内の真空度を高く維持する必要があることが分かった。

電子銃内で生じる代表的な収差として、例えば、磁界レンズの球面収差と色収差、軸上と軸外の非点収差がある。これらの収差が大きくなると電子線の集光径が大きくなり、輝度が低下する。この収差を低減するためには電子源から放出された電子線を絞るためのシボリの穴径を小さくすることが有効である。

また、電子銃内の真空度を高く維持するためには、例えば、ＥＳＤガスの発生量を低減する必要がある。ＥＳＤガスは電子線が照射される部品を一度高温に加熱すると低減する。

そこで、磁界重畳型ＦＥ電子銃において、収差低減のためにシボリの穴径を縮小すると共に、ＥＳＤガス低減のために電子線が照射されるシボリを含めた部品の高温加熱を行ったところ、輝度が低下するという問題の生じることが判明した。

特許文献１、２には、シボリの穴径の縮小化による課題や部品の高温加熱に対する課題については何ら配慮されていない。

本発明は上記の課題を解決し、高輝度で安定な電子銃および高分解能な像を安定して得ることができる荷電粒子線装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための一実施形態として、電子源と、前記電子源から出射された電子線を絞るシボリと、前記シボリの保持具を備え、前記電子源と前記シボリの間に引出電圧を印加することで、前記電子源から電子線が放出する電子銃において、
前記保持具は、前記シボリを保持する保持部と、前記保持部を固定する固定部と、前記シボリを加熱する加熱機構と、前記加熱機構により加熱された前記シボリ及び前記保持部からの熱が前記固定部に流れるのを抑制するために前記保持部と前記固定部との間に設けられた断熱部と、を有することを特徴とする電子銃とする。

また、荷電粒子銃と、試料室と、前記試料室に配置される試料に前記荷電粒子銃から出射された荷電粒子線を照射する荷電粒子光学系とを備えた荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子銃は、
荷電粒子源と、前記荷電粒子源から出射された荷電粒子線を絞るシボリと、前記シボリの保持具を備え、
前記保持具は、前記シボリを保持する保持部と、前記保持部を固定する固定部と、前記シボリを加熱する加熱機構と、前記加熱機構により加熱された前記シボリ及び前記保持部からの熱が前記固定部に流れるのを抑制するために前記保持部と前記固定部との間に設けられた断熱部と、を有することを特徴とする荷電粒子線装置とする。

本発明によれば、高輝度で安定な電子銃および高分解能な像を安定して得ることができる荷電粒子線装置を提供することができる。

本発明の第１の実施例に係る電子銃（磁界重畳型ＦＥ電子銃）の一例を示す断面図である。図１に示した電子銃における磁界レンズの断面図である。図１に示した電子銃における磁界レンズの上面図である。図１に示した電子銃における磁界レンズの中心軸で発生する磁場の位置と強度を説明するための断面図である。図１に示した電子銃におけるシボリフランジの斜視図（右側は断面図）である。図１に示した電子銃におけるシボリフランジの断熱部で生じる熱歪みを説明するための斜視図である。図１に示した電子銃におけるシボリフランジの断熱部で生じる熱歪みを説明するための断面図である。本発明の第２の実施例に係る荷電粒子線装置（磁界重畳型ＦＥ電子銃を搭載した透過型電子顕微鏡）の断面図である。本発明の第３の実施例に係る荷電粒子線装置（磁界重畳型ＦＥ電子銃を搭載した走査型電子顕微鏡）の断面図である。本発明の第４の実施例に係る電子銃におけるシボリフランジの斜視図（右側は断面図）である。本発明の第５の実施例に係る電子銃（静電レンズ型ＦＥ電子銃）の一例を示す断面図である。本発明の第５の実施例に係る荷電粒子線装置（静電レンズ型ＦＥ電子銃を搭載した小型走査型電子顕微鏡）の一例を示す断面図である。

発明者等は、シボリの穴径を縮小すると共に、電子線が照射されるシボリを含めた部品の高温加熱により、輝度が低下する原因について検討した。その結果、シボリの保持具の熱変形に起因してシボリの位置が電子線の光軸から外れ、従来はシボリの穴径が１ｍｍφ程度の寸法を有していたため問題にならなかったものが、シボリの穴径を縮小したために顕在化したことが分かった。

さらに、磁界重畳型ＦＥ電子銃の場合には、磁界レンズのコイルを耐熱温度以上に加熱する危険があること、また、磁極を不均一に加熱すると磁場が軸回転対称性でなくなり、電子源と磁界レンズの磁場中心とが同一軸上から外れて軸上非点収差が増加することが分かった。本発明は上記新たな知見に基づいており、これらに対する対策から生まれたものである。

以下に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。なお、各実施例では電子線を用いた場合について説明するが、イオン等他の荷電粒子線にも適用することができる。また、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含有する。

本発明の第１の実施例について図１〜図５、図６Ａ、図６Ｂを用いて説明する。なお、同一符号は同一構成要素を表わす。図１は、本実施例に係る電子銃（磁界重畳型ＦＥ電子銃）構造の一例を示す断面図である。電子銃は中心軸で対称な構造をもち、図１は中心軸を通る面できった断面図である。

電子源１にはタングステンヘアピンの先端にとりつけた＜３１０＞結晶方位のタングステン単結晶を用いる。単結晶の先端は直径１００ｎｍに先鋭化し、先端中央には仕事関数が４．３ｅＶと低い（３１０）結晶面が配置される。電子源１は室温またはそれ以下の温度に冷却して電子線を放出させる。この結果、輝度が高く、エネルギー幅の狭い電子線が放出する。

電子源１はチップホルダー２を介してチップフランジ３に固定する。チップホルダー２は絶縁部分をもち、電子源１とチップフランジ３とは電気的に絶縁する。チップフランジ３は伸縮可能なベローズ４を介して、ヘッドフランジ５に接続する。ヘッドフランジ５は磁界レンズ６に固定し、磁界レンズ６は電子銃チャンバー７に固定する。電子銃チャンバー７には複数台のイオンポンプ８と複数台の非蒸発ゲッターポンプ９を接続する。チップフランジ３、ヘッドフランジ５、電子銃チャンバー７などは、パーマロイなどの高透磁率の材料で製作し、外部磁場を遮断する。この結果、内部の電子線は外部磁場の影響を受けにくくなる。

チップフランジ３、ヘッドフランジ５、磁界レンズ６、電子銃チャンバー７を接続すると、これらの内部は密封された容器となる。容器の内部はイオンポンプ８と非蒸発ゲッターポンプ９で排気する。イオンポンプ８は超高真空中にある希ガスとＣＯ、ＣＯ_２、ＣＨ_４などのガスを効率良く排気する。非蒸発ゲッターポンプ９は水素ガスを効率良く排気する。これらのポンプを組み合わせて排気することで、容器内を超高真空よりも真空度の高い１０^−９Ｐａから１０^−１０Ｐａ台の極高真空にする。

容器の内面と真空に面する全ての部品の表面は電解複合研磨を行い、中心線平均荒さを０．４μｍ以下にする。表面を平滑にすることで材料からの放出ガスが低減し、到達真空度が高くなる。さらに、高い真空度を得るためのベーキングなどの工程が短くてすむ。

これらの構成で真空度を高めることで、電子線の電流変化は小さくなり安定になる。また、従来の真空度では使用できなかった電子源の清浄表面から放出する電子線を使用できる。清浄表面の仕事関数は低いことから、従来のガス吸着した表面から放出する電子線よりも輝度が高く、エネルギー幅が狭い電子線が得られる。電子線の安定性は例えば、電子源から放出するプローブ電流がフラッシング直後の値から９０％まで減衰するのに要する時間が３００分以上になり、この間のプローブ電流の１分間あたりの触れ幅（ＰｅａｋｔｏＰｅａｋの絶対値）はプローブ電流の１０％以下になる。

磁界レンズ６の下にはシボリ１１を固定するための保持具（以下、シボリフランジ１０）を接続する。この接続は、磁界レンズ６の下面の外周部において嵌合で行い、磁界レンズ６とシボリフランジ１０の中心軸を一致させる。シボリフランジ１０の中心にはシボリ１１を取り付ける。シボリ１１の上部には反射電子捕獲機構（以下、キャップ１２）を固定する。シボリ１１とキャップ１２の側面には加熱機構（以下、ヒータ１３）を取り付け、シボリ１１とキャップ１２を局所的に加熱する。

チップフランジ３はベローズ４を介してヘッドフランジ５に固定されている。従って、図示していない微動機構をチップフランジ３の側面に取り付けることで、チップフランジ３とそれに固定されたチップホルダー２、電子源１の位置を水平と垂直方向にμｍオーダの精度で微調整する。

チップフランジ３を水平に動かすことで、電子源１の先端を磁界レンズ６の中心軸上に配置し、電子線がレンズの中心から外れることで生じる軸外非点収差を低減する。電子源１とチップホルダー２の直径は、直下にある磁界レンズ６の上磁極の孔径よりも小さくする。チップフランジ３を垂直下方向に動かすことで、電子源１を磁界レンズ６の内部に挿入する。電子源１の先端を磁界レンズの主面の近くに配置することで、磁界レンズ６の球面収差と色収差を低減する。

シボリフランジ１０の下方には非点補正器１４とＸ軸偏向器１５、Ｙ軸偏向器１６を取り付ける。磁界レンズ６の磁極の孔は、機械加工の精度によって真円から外れた非対称な形状になり、磁場に偏りをもつ場合がある。また、加工時の残留応力や、材質の磁気的不均一性などでも磁場の偏りが増す。この磁場の偏りが原因で、磁界レンズに軸上非点収差が生まれる。そこで、磁界レンズ６の直下に非点補正器１４を配置することで、軸上非点収差を補正する。

電子線の光軸をＺ軸とした場合、Ｘ軸偏向器１５とＹ軸偏向器１６は、電子線の進行角度をそれぞれＸ軸、Ｙ軸方向に調整する。電子線の進行方向を調整することで、電子銃の下方に配置する加速管やコンデンサレンズの中心軸上に電子線を入射させる。この結果、加速管やコンデンサレンズでの軸外非点収差が低減する。

電子線が高い電圧で加速されて速度が増えるほど、非点補正器１４による補正量と、Ｘ軸偏向器１５、Ｙ軸偏向器１６による偏向量、また磁界レンズ６による収束作用は小さくなる。そのため、これらを大型化して、コイルの巻き数を大きく、または、流す電流を大きくしなければならない問題がある。そこで、非点補正器１４とＸ軸偏向器１５、Ｙ軸偏向器１６、磁界レンズ６は、加速管などで電子線が高速に加速される手前の、引出電圧の電位の場所におく。電子源１には、磁界レンズ６に対して−２〜−５ｋＶ程度の引出電圧を印加して、電子線を放出させる。このときの電子線は、比較的速度が遅い状態にある。非点補正器１４と、Ｘ軸偏向器１５、Ｙ軸偏向器１６を磁界レンズ６と同じ電位にすると、この遅い電子がこれらの中を通過することになる。従って、小型でも十分な補正と偏向を行うことができる。

本電子銃における電子線の移動過程をまとめる。まず、電子源１に磁界レンズ６に対して負の引出電圧を印加し、電子源１の先端から電子線を放出させる。放出した電子線は磁界レンズ６によって収束されながら、シボリ１１の穴を通過する。観察に用いる電子線は、全放出電子のうちシボリ１１の穴を通過した中心軸付近のみの電子を使う。シボリ１１の穴を通過した電子線は非点補正器１４とＸ軸偏向器１５、Ｙ軸偏向器１６の中を通過して補正と偏向作用を受ける。その後、電子線は電子銃の下方に接続する図示していない加速管とコンデンサレンズの中を通過する。電子線は加速管によって加速されて速度を増し、コンデンサレンズで収束されて、観察試料に照射される。シボリ１１を通過した電子は、後段の別のシボリで量を減らされることはなく、全て試料に照射されて観察に用いられる。

図２に磁界レンズ６の詳しい断面図を示す。磁界レンズ６はコイル１０１と非磁性材料１０２とヨーク１０３などで構成する。ヨーク１０３は導電性があり、飽和磁束密度の高いパーメンジュールなどの材料で製作し、高い磁場を発生させる。コイル１０１は、セラミック材料などで絶縁被覆した導線で製作し、耐熱温度２５０℃から３００℃程度まで高める。

ヨーク１０３は電子線の中心軸を取り囲むように配置され、上磁極１０５と下磁極１０６とを備える。これら磁極は、コイル１０１の内側側面から磁界レンズの中心軸方向に向かって伸びる。上磁極１０５は下向きの傾きをもち、磁界レンズ６の上側に空間を作る。下磁極１０６は上向きの傾斜をもち、磁界レンズ６の下側に空間を作る。上磁極１０５と下磁極１０６との間隔は、中心軸に近づくほど狭くし、中心軸近傍で最も狭くする。この結果、中心軸近傍に強い磁場が集中する。この磁場によって、上磁極１０５と下磁極１０６の間にレンズの主面１０７を形成する。

上磁極１０５と下磁極１０６には、複数の排気口１０４を設け、真空排気のコンダクタンスを高める。これにより、電子源１の近傍の真空度がより高くなり、電子線の安定性が向上する。

図３に磁界レンズの上面図を示す。排気口１０４は、磁界レンズ６の中心軸に対して対称な位置に設け、磁場の経路が対称になるようにする。この結果、磁界レンズが発生させる磁場に偏りが生じるのを防ぎ、軸上非点収差の増加を防ぐ。排気口１０４を長穴や、長方形、台形、三角形など、またはそれらに類似したアスペクト比をもつ形状にすることで、開口面積が大きくなり、コンダクタンスがより向上する。このとき、排気口を磁界レンズの半径方向に伸びるように配置することで、磁極中の磁場の経路の断面積が低下するのを最小限に抑え、かつ中心軸上で高い磁場を発生させることを両立させる。また、排気口を開ける位置は、磁場の経路の断面積を著しく低下させない範囲で、電子源１に近い場所に開けることで、真空排気の経路の長さを短くでき、コンダクタンスが向上する。

図２に示したように、上磁極１０５の中心の孔径をｄ１（ｍｍ）、下磁極１０６の孔径をｄ２（ｍｍ）、孔径の平均値をＤ＝（ｄ１＋ｄ２）／２、上磁極と下磁極の最も中心軸に近い位置での間隔（ギャップ長）をＳ（ｍｍ）、電子源１の先端と主面１０７との距離をａ（ｍｍ）、磁界レンズ６の焦点距離をｆ（ｍｍ）とする。このとき、一般的な近似式として、磁界レンズの球面収差Ｃｓ（ｍｍ）と色収差Ｃｃ（ｍｍ）は物面換算でおおよそ次の式で表される。

この式（１）（２）からわかるように、距離ａを短くするほど球面収差と色収差は低減する。

磁界レンズの焦点距離ｆは観察目的に応じて任意の値を取る。ここで、電子線を収束させて実像を作る場合のために、ｆはａよりも小さくできる必要がある。電子線の電圧をＶ（Ｖ）、コイル１０１の巻き数をＮ、コイル１０１に流す電流をＩ（Ａ）とすると、焦点距離ｆは経験的に以下の式で表される。

この式（３）からわかるように、巻き数Ｎと流す電流Ｉを大きくするほど、焦点距離ｆが短くなる。

コイルに流す電流Ｉを大きくすると、コイルが発熱してヨーク１０３や非磁性材料１０２の温度が上昇し、これら材料からの脱ガス量が多くなる。従って、電子銃の真空度が低下する。そこで、図１に示したように磁界レンズ６の外側の側面、または上面などは外気にさらす。コイルに大きな電流を流し、発熱量が増加した場合でも、外気で冷却されることでヨーク１０３や非磁性材料１０２の温度は上がりにくくなる。この結果、真空度の低下はおこりづらくなる。

コイルの巻き数Ｎを大きくすると、コイルが大型化して電子銃が大きくなる。また、電子源を磁界レンズ内に挿入することが難しくなり、収差を増加させる。そこで、図２に示したように、磁界レンズの中心軸方向に傾斜をもって伸びる上磁極１０５と下磁極１０６をヨーク１０３に設ける。これにより、磁界レンズの中央部分の上下に十分な空間を作ることができる。図１に示すように、この磁界レンズ６の上下の空間内に電子源１やシボリ１１を配置することで電子銃を小型化できる。また、電子源１とシボリ１１を磁界レンズ内に挿入し、レンズの主面１０７の直近に置くことも容易になる。電子源１の先端を主面１０７の近くに配置することで、式（１）（２）のａが短くなり、球面収差と色収差が低減する。また、シボリ１１を主面１０７の近くに配置することで、後述のように、広角の電子が、使用する電子線に混入するのを防ぐ。また、磁界レンズ６の使用条件に依らずほぼ一定量の電流を使用できるようにする。

磁界レンズ６に磁極をもたせることで、電子源１とシボリ１１を主面１０７の直近に配置することと、磁極の孔径ｄ１、ｄ２、および、ギャップ長Ｓを小さくすることを両立できる。式（１）と（２）から、ＤとＳを大きくするほど収差を低減できる。一方、式（３）からＤとＳを小さくするほど、強い磁場が形成されて、短い焦点距離ｆを得ることができる。実現可能なコイルの巻き数Ｎと電流Ｉには上限があることから、実装上、ＤとＳを小さくすることが望ましい。典型的な使用条件では、ｆは１０ｍｍ以下、より好適には５ｍｍ以下であり、これを実現するためにｄ１、ｄ２、Ｓはおよそ２０ｍｍ以下、より好適には１０ｍｍ以下にする。ｄ１、ｄ２、Ｓを小さくすることで、コイル１０１の巻き数が少なくても、十分な強さの磁場を発生させて、任意の位置に電子線を収束できる。また、磁界レンズ６自体を小型化できる。さらに、コイル１０１に流す電流を小さくできるので、磁界レンズ６の温度上昇による真空度低下が起こりにくくなる。

電子源１の近い位置に磁界レンズ６の上磁極１０５を配置する。上磁極１０５と電子源１との間に引出電圧を印加することで、この間に電界を発生させる。先端を尖らせた電子源１に電界が集中することで、電子線が放出する。通常、上磁極とは別に引出電極を設ける場合、上磁極の孔径を大きくし、その中に引出電極を設ける必要がある。しかし、上磁極１０５を導電性にし、電子源の引出電極とすることで、上磁極の孔径を小さくできる。また、電子源１と磁界レンズの主面１０７との距離を短くできる。式（１）（２）（３）において、ａとＤが小さくなることから、球面収差と色収差が低減し、磁界レンズに強い磁場を発生させることができる。

図４に磁界レンズの中心軸で発生する磁場の強さの分布図を示す、なお、磁界レンズは軸対称の構造であることから、中心軸より左側の断面図のみを示し、右側に垂直方向の位置と対応した磁場の強さを示した。また、中心軸に最も近い場所での上磁極１０５の厚みをＬ１、下磁極の厚みをＬ２とした。

磁界レンズの中心軸には磁場分布１１０が形成される。磁場分布１１０は上磁極１０５と下磁極１０６との間に最も強いピークをもつ。このピークの位置付近に主面１０７が形成される。主面１０７から離れるほど磁場分布１１０の磁場の強さは低下するが、ギャップ長Ｓよりも広い範囲に磁場が発生する。これは上磁極１０５と下磁極１０６が厚みＬ１とＬ２をもち、それぞれの側面や主面１０７から見て反対側の面（上磁極の上面１０８や下磁極の下面１０９）などへも磁力線が広がって放出することが原因である。

電子源の先端がこの磁場の分布内にあると、放出した電子線がレンズ作用を受けて収束する。従来の静電レンズを用いた電子銃と比較した場合、磁界重畳型ＦＥ電子銃の収差が低減する。磁界重畳型ＦＥ電子銃で電子線の放射角を従来よりも広く用いることで、電流量が増え、かつ集光径が小さくなることから、大電流で高輝度な電子線を得ることができる。

電子源の先端の位置は、上磁極の上面１０８からＬ１離れた位置よりも内側であれば、磁場分布の中に入る。より好適には、電子源の先端を、上磁極の上面１０８よりも主面側（磁界レンズの内側）に配置することで強い磁場の中に入り、電子線をより収束させることができる。磁界レンズの焦点距離ｆを１０ｍｍ以下にするためには、上磁極１０５の厚みＬ１と下磁極１０６の厚みＬ２を１０ｍｍ以下にする。焦点距離ｆを５ｍｍ以下にするためには、Ｌ１とＬ２を５ｍｍ以下にする。

磁界レンズ６を以上の構成にすることで、電子銃を小型にでき、かつ電子源１とシボリ１１を磁界レンズ内に配置できる。この結果、磁界レンズの球面収差と色収差が低減する。また、磁極の中心の孔径とギャップ長を小さくできるので、短い焦点距離を実現できる。さらに、磁界レンズは外気に面していることから、コイルに大きい電流を流しても、温度上昇は小さくなる。この結果、電子銃の真空度は低下しにくくなる。

図５にシボリフランジ１０とこれに取り付けるシボリ１１、キャップ１２、ヒータ１３の斜視図を示す。なお、これらの部品は軸対称の構造をもつことから、中心軸より右側は断面図で示した。

シボリフランジ１０はシボリの保持部２０１と、断熱部２０２と、固定部２０３とで構成する。保持部２０１は円筒構造をもち、この中心軸上を電子線が通過する。シボリ１１は保持部２０１の中心穴内の段差をつけた箇所に配置する。この段差にはシボリ１１と同じ直径の溝を掘る。ここにシボリ１１を配置することで、シボリ１１とシボリフランジ１０との中心軸が一致する。保持部２０１の上部にはキャップ１２をネジ止めで接続する。キャップ１２と前述の保持部２０１の段差に挟まれてシボリ１１が固定される。磁界レンズ６とシボリフランジ１０は嵌合で接続し、中心軸が一致することから、磁界レンズ６とシボリ１１の中心軸も一致する。電子源１はチップフランジ３の位置を微調整させて、磁界レンズ６の中心軸上に配置されることから、磁界レンズ６と電子源１とシボリ１１は同一の中心軸上に配置される。この結果、電子線が磁界レンズの中心から外れることで生じる軸外非点収差が最小限になる。

シボリ１１の電子線が通る穴の直径（穴径）は０．１ｍｍから０．２ｍｍ程度が好適である。電子源１の先端とシボリ１１との距離および位置関係、そしてシボリ１１の穴の大きさによって、電子線の軌道と入射角、電流量が決まる。

保持部２０１にはヒータ１３を配置する。ヒータ１３はパイロティックボロンナイトライドなどの脱ガス量の少ない材料で製作する。電子銃内を１０^−９Ｐａ台以下の極高真空にすると、ＥＳＤガスによる真空度の低下が特に顕著になる。また電子線を大電流にするほど、ＥＳＤガスの発生量は増える。従って、真空度が低下して、電流が不安定になる。そこで、ヒータ１３で電子線が照射されるシボリ１１とキャップ１２を一度５００℃程度に加熱する。この結果、ＥＳＤガスの発生量が低減し、大電流の電子線を放出しても安定な電子線を得ることができる。

ヒータ１３は円筒構造にし、シボリ１１とキャップ１２の側面に接するように配置する。接触面積が大きくなることから、ヒータからの熱がシボリ１１とキャップ１２に効率的に伝わる。また、ヒータ１３をシボリ１１とキャップ１２の側方の直近の位置に配置することから、熱伝導の距離が短くなり、少ない熱入力で効率的にシボリ１１とキャップ１２を高温にすることができる。さらに、シボリ１１とキャップ１２以外の部品を加熱しにくいことから、後述する熱歪によるズレ量を低減できる。さらに、後述する断熱部２０２で熱伝導を抑制することで、シボリ１１とキャップ１２のみを局所的に高温にし、シボリフランジ１０全体の温度を上がりにくくする。

保持部２０１に取り付けられたシボリ１１とキャップ１２は、磁界レンズ６の下磁極１０６の中心孔内に挿入する。下磁極１０６の孔径ｄ２は、上述のように強い磁場を発生させるために狭くする。従って通常、シボリ１１とキャップ１２をこの狭小空間に配置し、さらにこれらの直近にヒータ１３を配置するのは難しい。特に、ヒータ１３をシボリ１１の上部に取り付けることは、電子源１と干渉して難しく、シボリ１１の下部に取り付けることは、熱を十分に伝えるための接触面積を確保しにくく難しい。しかし、ヒータ１３を円筒構造にし、シボリ１１とキャップ１２の側面に接して配置させ、シボリフランジ１０で磁界レンズ内に挿入する構造にすることで、狭小空間内の配置と、大きな接触面積による効率的な加熱を両立できる。

シボリ１１の表面とキャップ１２の内面は、金、白金、オスミウムなどの表面酸化膜が形成されにくい金属、または、タンタルなどの水素の拡散速度が遅い金属、または、チタンナイトライドなどの緻密で原子の拡散を遮断する金属をコーティングする。このコーティングをすることで、電子線が照射されたときに表面酸化膜から放出する有機系ガス、または、材料内部からの拡散に起因した水素などの放出が抑制される。この結果、ＥＳＤガスの放出量はさらに低減する。

キャップ１２は筒状の構造をもち、内面に凹凸構造を設ける。通常、シボリ１１に電子線が照射されると、そこから反射電子が放出し、電子銃内に広がる。反射電子がヒータ１３で高温に加熱していない電子銃内の部品に衝突すると、そこから多くのＥＳＤガスが放出して真空度が低下してしまう。そこで、筒状のキャップ１２をシボリ１１の上に取り付けることで、反射電子をキャップ１２の内部に閉じ込め、電子銃内の広い範囲に散逸するのを防ぐ。さらに、内面に凹凸構造をつけることで、反射電子が凸部に衝突してキャップ１２の内部に戻され、よりキャップ１２の外部に放出しにくくなる。キャップ１２はヒータ１３で一度高温に加熱されていることから、ＥＳＤガスの発生量は最小限に抑えられる。

保持部２０１とキャップ１２とヒータ１３の直径は磁界レンズ６の下磁極１０６の中心孔径ｄ２よりも小さくし、磁界レンズ内に挿入する。この結果、シボリ１１を磁界レンズの主面に近くに配置でき、さらに電子源１の先端とシボリ１１、およびキャップ１２との距離が短くなる。

通常、電子顕微鏡では目的に応じて磁界レンズの焦点距離を変え、電子線の収束位置（像面）を変える。このとき、シボリを磁界レンズの主面から離れて配置すると、像面の位置によって電子線の放射角が変わり、電流量が大きく変わってしまう。このため、電流調整用に新たな磁界レンズとシボリを後段に追加する必要が生じる。これらは電子顕微鏡の操作を複雑にするとともに、新たな収差を増やす原因になる。一方、シボリを磁界レンズの主面に近い位置に配置すると、磁界レンズの使用条件に依らず、ほぼ一定の放射角を使用することになり、一定の電流を得ることができる。

また、電子源１とシボリ１１の距離が近くなることで、電子源から放出する電子線のうち、放射角度の大きい電子（高角度電子）をシボリ１１で遮断することができる。高角度電子は電子源から放出したとき、水平方向のエネルギーを大きくもつ。この電子を使用すると、電子線のエネルギー幅が増加する。また、高角度電子が使用する電子線に含まれると、レンズの収差によって電子線の中心部分に入り込み、火面（カウスティク）を形成する。この火面は補正器や後段のシボリで除去できないことから、観察像の質を低下させる。しかし、前述のようにシボリ１１と電子源１の距離が近くなることで、高角度電子はシボリ１１を通過せず、使用する電子線に含まれなくなる。この結果、エネルギー幅の増加と、火面の発生を防ぐことができる。

その他に、電子源１とシボリ１１の距離が近くなることで、電子源１から放出する電子のうち、シボリ１１を通過して試料に照射されるプローブ電流と、その他の電流が早い段階で分離される。この結果、電子同士のクーロン力による反発（ベルシェ効果）でエネルギー幅が増加するのが抑えられる。

電子源１からみたシボリ１１の穴の立体角は、その他の図示していない後段のシボリの立体角よりも小さくする。シボリ１１の立体角を最も小さくすることで、電子源１に近い位置で観察に使用する電子のみを選別する。シボリ１１より後段では最小限の電子のみを輸送することから、上述の広角度電子の電子線への混入と、ベルシェ効果によるエネルギー幅の増加を最小限になる。

電子源１とキャップ１２の距離が近くなることで、電子源１から放出する全ての電子線をキャップ１２の内側に照射させることができる。よって、電子線が電子銃内に散逸させることがなくなり、ＥＳＤガスを発生させる頻度がより低下する。電子源１の先端がキャップ１２の中に入ると、電子源１のまわりの真空排気のコンダクタンスが低下し、真空度が低下する。そこで、キャップ１２は、シボリ１１の水平位置から電子源１の先端よりも下までの間に配置し、電子源１の側方にキャップ１２が配置されないようにする。

電子源から放出する電子線の放射角（半角）は最大で３０°程度であることを考慮すると、全ての電子線をキャップ１２内に入射させるためには、キャップ１２の内側の開口直径をＬとして、電子源１の先端とキャップ１２の上面との距離を３^１／２Ｌ／２以下にするのが望ましい。Ｌはｄ２よりも小さく、ｄ２は２０ｍｍ以下、より好適には１０ｍｍ以下であるので、電子源１の先端とキャップ１２の上面との距離は、１７ｍｍ以下、より好適には９ｍｍ以下とする。

ヒータ１３を用いたシボリ１１とキャップ１２の加熱は、電子銃を２００℃でベーキングしている最中に行う。このとき、ヒータ１３で発生した熱が磁界レンズに伝わると、コイル１０１の温度がさらに上がり、耐熱温度以上になる危険がある。また、上磁極１０５と下磁極１０６の中心孔の近傍の温度が上昇すると透磁率が変化する。温度上昇に偏りがあると、ベーキング後の磁界レンズの磁場に偏りが生じ、軸上非点収差が大きくなる。さらに、シボリフランジ１０全体が高温になると熱歪が生じ、シボリ１１の中心軸がずれて軸外非点収差が大きくなる。

そこで、ヒータ１３は磁界レンズ６の磁極と接触しないように配置し、熱が直接伝わらないようにする。さらに、保持部２０１の下部には断熱部２０２を設ける。断熱部２０２は０．５ｍｍ以下、より好適には０．２ｍｍ以下の薄肉円筒構造にする。ヒータ１３から発生した熱は、シボリフランジ１０を流れて磁界レンズ６に伝わるが、薄肉の断熱部２０２があることで熱伝導の経路の断面積が小さくなり、熱の移動量が低下する。この結果、シボリ１１とキャップ１２、および保持部２０１は５００℃程度まで局所的に加熱され、固定部２０３と磁界レンズ６の温度はほぼ上がらなくなる。コイル１０１と上磁極１０５、下磁極１０６の温度もほぼ上がらなくなることから、コイルの断線や、軸上非点収差、軸外非点収差の増加が防がれる。

図６Ａ、図６Ｂにヒータ１３を用いた加熱時の断熱部２０２の熱歪を示す。（図６Ａ：斜視図、図６Ｂ：断面図）。ヒータ１３の加熱によって保持部２０１が高温になり、熱伝導で断熱部２０２の上側の温度が特に上昇する。このとき、上板３０１に熱歪３０２が生じる。熱歪３０２に偏りがあると断熱部２０２が曲がり、シボリ１１の中心軸がずれる。この結果、軸外非点収差が増加する。
そこで、保持部２０１と断熱部２０２は軸対称の円筒構造にする。熱歪は軸対称で均等に全周にわたって生じることから、シボリ１１はずれにくくなる。また、円筒構造は軸方向、および半径方向の力に対して強く、座屈や塑性変形が起こりにくくなる。円筒の長さは短くするほど、熱歪みによる変形量も小さくなる。固定部２０３も軸対称の構造にすることで、さらに不均一な熱歪を起こさないようにする。

断熱部２０２の直径は保持部２０１より大きくし、薄肉円筒側面には環状の凸部（輪帯２０４）を一つ以上設ける。これにより、断熱部２０２の断面二次モーメントが増加し、熱歪で曲がりにくくなる。また、保持部２０１と断熱部２０２はモリブデンやタングステン、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素などの高耐熱材料で製作し、熱応力で塑性変形するのを防ぐ。アルミナ、ジルコニア、窒化珪素などの絶縁材料を用いる場合は、電子線が通過する側の面を金属薄膜でコーティングする。絶縁材量がチャージアップするのを防ぎ、電子線が曲げられなくする。

これらの構成によって、シボリ１１の軸がずれにくくなり、ヒータ１３で５００℃に加熱しても、加熱前後のシボリ１１の中心穴のズレは±１０μｍ以下に抑えられる。なお、輪帯２０４に代わって任意の凹凸構造を設けても、断面二次モーメントが増加し、同様の効果を得ることができる。

図５に示したように、高耐熱材料で製作された断熱部２０２は固定部２０３と溶接面２０５で溶接で接続する。なお、固定部２０３を同様の高耐熱材料で作成しても良く、この場合、溶接は不要になる。固定部２０３には凸部２０６を設け、磁界レンズ６と嵌合で接続する。固定部２０３と磁界レンズ６との接続は、磁界レンズ６下面の外周部で行う。この結果、固定部２０３の直径が大きくなり、ヒータ１３から磁界レンズ６までの熱伝導の経路が長くなる。従って、磁界レンズの温度が上昇しにくくなる。また、磁界レンズの外周部は磁極の中心とも離れていることから、磁極中心の温度が最も上がりにくくなる。

固定部２０３と磁界レンズ６とは、ネジ穴２０７でネジ止めで接続する。固定部２０３の底面には複数の排気口２０８を設け、電子源まわりの排気コンダクタンスを向上させる。排気口２０８はシボリフランジの中心軸に対して対称な位置に作り、熱歪に偏りが生じるのを防ぐ。また、排気口２０８は長穴にしても良い。

以上のシボリフランジ１０の構成によって、磁界レンズ６の温度を上げることなく電子線が照射される部品を局所的に高温にすることができる。この結果、ＥＳＤガスの発生量が低減し、大電流でも安定な電子線が得られる。また、シボリフランジ１０は高温加熱しても中心軸がずれにくいことから、軸外非点収差の増加による輝度の低下が防がれる。さらに、シボリ１１とキャップ１２を磁界レンズの主面１０７の近くに配置するので、磁界レンズの使用条件に依らず、一定の電流を得ることができる。また、電子線に広角電子が混入するのを防ぎ、放出する電子線を全てキャップ内に閉じ込めることができる。

以上、本実施例によれば、穴径の小さなシボリを用いて電子線が照射されるシボリを含めた部品の高温加熱を行うような場合であっても、高輝度で安定な電子銃を提供することができる。また、磁界重畳の場合には、更に大電流の電子線を得ることができる。

本発明に係る第２の実施例について図７を用いて説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

図７は本実施例に係る荷電粒子線装置の断面図であり、磁界重畳型ＦＥ電子銃を搭載した透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：以下、ＴＥＭ）の一例を示す。このＴＥＭでは、実施例１で説明した磁界重畳型ＦＥ電子銃４０１の下部に加速管４０２を配置する。加速管４０２は複数段の電極４０３を備える。それぞれの電極４０３は、絶縁材量で電気的に絶縁して保持する。加速管４０２の下部には複数台のイオンポンプ４０５と非蒸発ゲッターポンプ４０６を接続し、加速管４０２の内部を１０^−８Ｐａから１０^−９Ｐａ台に排気する。電子銃４０１と加速管４０２は差動排気構造をとる。電子銃４０１と加速管４０２にはタンク４０４を被せ、タンク内に六フッ化硫黄を充填する。これにより、加速管４０２の電極４０３間の放電が抑制される。

加速管４０２の下部には、コンデンサレンズ４０７と、対物レンズ４０８、中間レンズ４０９、投影レンズ４１０を接続する。対物レンズ４０８の磁極間に観察対象の試料４１１を配置する。電子銃４０１から放出した電子線は、コンデンサレンズ４０７で集光して、試料４１１に照射する。試料４１１から透過した電子は、対物レンズ４０８、中間レンズ４０９、投影レンズ４１０で拡大し、蛍光板４１２上に映す。鏡４１３に蛍光板４１２上の試料４１１の拡大像が映り、これをカメラ４１４で撮影する。各レンズの間にはイオンポンプ４１５、４１６、４１７を接続し、レンズ内を１０^−５Ｐａから１０^−６Ｐａ台に排気する。なお、このイオンポンプに加えて、ターボ分子ポンプを併用することで、真空排気の効率が良くなる。また、目的に応じて各レンズは複数段にしてもよい。

電子銃４０１の電子源１には、引出電圧電源４２１とフラッシング電源４１８をフィードスルー４２３を介して接続する。引出電圧電源４２１は、電子源１に−２ｋＶから−５ｋＶの引出電圧を印加し、電子線を放出させる。フラッシング電源４１８は、電子源１のフィラメントにパルス電流を流し、約２０００℃に加熱（フラッシング）する。これにより、電子源表面の吸着物を除去し、清浄表面を得る。また、電子線の放出中には、１０００℃以下の低温のフラッシング（マイルドフラッシング）を断続的に行う。これにより、電子線の電流の減衰がリセットされ、清浄表面から放出する安定で高い電流を持続して使用できる。

磁界レンズ６には、レンズ電源４１９を接続する。レンズ電源４１９は磁界レンズ６のコイル１０１に電流を流す。これにより、磁極間に磁場が発生し、電子線が収束される。

非点補正器１４と、Ｘ軸偏向器１５、Ｙ軸偏向器１６には電源４２０を接続する。電源４２０は、非点補正器１４と、Ｘ軸偏向器１５、Ｙ軸偏向器１６のそれぞれのコイルに電流を流し、電子線の補正と偏向を行う。レンズ電源４１９と電源４２０は、引出電圧電源４２１と連動し、引出電圧の変化に応じてコイルに流す電流量を変化させる。この結果、電子線の焦点位置と補正量、偏向量を一定に保つことができる。

加速管４０２の最上部と最下部の間には加速電圧電源４２２を接続し、３００ｋＶから１．２ＭＶの加速電圧を印加する。加速電圧を上げるほど、電子線の速度が増し、分解能が上がるとともに、厚い試料の観察が可能となる。

磁界レンズ６とレンズ電源４１９は、加速電圧と同じ電位におく。この結果、磁界レンズ６、非点補正器１４、Ｘ軸偏向器１５、Ｙ軸偏向器１６の中には、引出電圧でのみ加速された電子線が通過する。電子線の速度が遅いことから、装置が小型でも、十分な収束、補正、偏向を行うことができる。

フラッシング電源４１８と、レンズ電源４１９、電源４２０、引出電圧電源４２１、加速電圧電源４２２、コンデンサレンズ４０７、対物レンズ４０８、中間レンズ４０９、投影レンズ４１０は、制御器４２６と電気的に接続する。制御器４２６でこれらの稼動状態をモニタリングする。また、ユーザが制御器４２６を介してそれぞれの使用条件を変えることで、目的の観察を行う。

以上のように実施例１で説明した磁界重畳型ＦＥ電子銃をＴＥＭに搭載することで、大電流で輝度が高く、安定で、干渉性の良い電子線が得られる。この結果、高分解能の観察と広範囲の電子線ホログラフィー像の観察が可能となる。なお、磁界重畳が無い場合であっても、分解能の高い像を安定して得られる荷電粒子線装置を提供することができる。

本発明に係る第３の実施例について図８を用いて説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

図８は本実施例に係る荷電粒子線装置の断面図であり、磁界重畳型ＦＥ電子銃を搭載した、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）の一例を示す。このＳＥＭでは、実施例１で説明した磁界重畳型ＦＥ電子銃４０１の下方に単段の電極４０３を配置する。この電極４０３に０．１ｋＶから３０ｋＶ程度の加速電圧を印加し、電子線を加速する。電極４０３の下方にはコンデンサレンズ４０７と対物レンズ４０８を配置する。電子銃４０１から放出した、電子線は、コンデンサレンズ４０７と対物レンズ４０８で集光し、試料４１１に照射する。試料４１１から放出する二次電子を検出器４２４で検出し、観察像を得る。電極４０３を置く中間室は、イオンポンプ４０５で真空排気する。試料４１１を置く試料室４２７と、コンデンサレンズ４０７と対物レンズ４０８の間の中間室はターボ分子ポンプ４２５で真空排気する。電子銃４０１にはタンク４０４をかぶせる。

フラッシング電源４１８、レンズ電源４１９、電源４２０、引出電圧電源４２１、加速電圧電源４２２、制御器４２６の接続方法、及び電子線の放出とフラッシングの方法は実施例２で記載したＴＥＭへの搭載例と同様である。

以上のように、実施例１で説明した磁界重畳型ＦＥ電子銃をＳＥＭに搭載することで、大電流で輝度が高く、安定で、干渉性の良い電子線が得られる。この結果、高分解能で明るく明瞭な像観察が得られる。また、短時間でＳＮ比の高い組成分析を行うことができる。なお、磁界重畳が無い場合であっても、分解能の高い像を安定して得ることのできる荷電粒子線装置を提供することができる。

前述の実施例２と実施例３では、本発明の電子銃の搭載例として、ＴＥＭとＳＥＭを示した。ここで、実施例１で説明した磁界重畳型ＦＥ電子銃をその他の荷電粒子線装置、例えば、走査透過型電子顕微鏡、電子線描画装置に搭載しても、同様に大電流で輝度が高く、安定で、干渉性の良い電子線を得ることができる。また、実施例１で説明した磁界重畳型ＦＥ電子銃の磁界レンズは永久磁石を用いてもよい。

さらに、電子銃はＦＥ電子銃に限らず、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など）の電子銃でも良い。この場合、それぞれの輝度はＦＥ電子銃に劣るが、実施例１で説明した磁界重畳型ＦＥ電子銃において、電子源を他の電子源に置き換えた構成にすることで、磁界レンズの収差が低減し、電子銃の輝度の低下を最小限にできる。また、電子銃内の真空度を高く維持することができる。なお、磁界レンズを用いない場合であっても、電子銃の安定性が向上し、輝度の低下を最小限に抑えることができる。

本発明に係る第４の実施例について図９を用いて説明する。なお、実施例１乃至３のいずれかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

図９は本実施例に係る電子銃におけるシボリフランジの斜視図である。なお、シボリフランジは軸対称構造をもつことから、中心軸より右側は断面図で表した。また、シボリ１１、キャップ１２、ヒータ１３の構成とそれぞれのシボリフランジへの取り付け方、およびシボリフランジの磁界レンズ６への取り付け方は実施例１と同様である。

本実施例でのシボリフランジ１０は断熱部２０２を薄肉円筒とせず、熱伝導率の低いセラミック材料を用いた平板構造とする。シボリフランジ１０は保持部２０１と断熱２０２と固定部２０３で構成する。保持部２０１はシボリフランジ底面までの厚肉の円筒構造にする。保持部２０１はモリブデン、タングステンなどの高耐熱材料で製作する。保持部２０１の厚さを増し、高耐熱材料にすることで、熱応力によって曲がって塑性変形するのを防ぐ。また、保持部２０１は円筒構造であることから、熱歪が全周にわたって均等におこる。これらの結果、シボリ１１の中心軸はずれにくくなる。保持部２０１の上部にはシボリ１１とキャップ１２を取り付け、これらを磁界レンズ６の中に挿入する。

断熱部２０２は熱伝導の経路を長くするために、シボリフランジの底板の円板部分にする。断熱部２０２は、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素などの熱伝導率が低く、高強度の材料で製作する。ヒータ１３から発生した熱は、熱伝導率が低く、距離の長い断熱部２０２を通ることで伝わりにくくなる。この結果、保持部２０１とシボリ１１、キャップ１２のみが局所的に高温になり、固定部２０３の温度は上がりにくくなる。従って、磁界レンズ６のコイル１０１を耐熱温度以上に加熱する危険はない。また、磁極を高温にしないので、軸上非点収差の増加も防がれる。断熱部２０２には複数の排気口２０８を設け、真空排気のコンダクタンスを高める。排気口２０８はシボリフランジの中心軸に対して対称な位置に作り、熱歪に偏りが生じるのを防ぐ。また熱伝導の経路の断面積が減ることから、断熱性がさらに増す。

断熱部２０２は、保持部２０１と固定部２０３に溶接面２０５でそれぞれ接続する。固定部２０３は凸部２０６を用いて嵌合で磁界レンズ６と接続する。従って、シボリフランジ１０と磁界レンズ６の中心軸が一致する。

ここで、保持部２０１と固定部２０３を断熱部２０２と同じアルミナ、ジルコニア、窒化珪素などの熱伝導率が低い材料で作っても良い。この場合、熱伝導がさらに抑えられる。また、溶接面２０５で異種材料を接続する必要がなくなる。ただし、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素などのセラミック材料を用いる場合、電気伝導性がないことから、表面でチャージアップが起こる。電荷が溜まることで、電子線の軌道が曲げる恐れがある。そこで、セラミック材料の少なくとも電子線から見える面には、導電性の薄膜をコーティングし、チャージアップを防ぐ。

以上のシボリフランジ１０の構成によって、実施例１と同じく、磁界レンズ６の温度を上げることなく、電子線が照射される部品を局所的に高温にすることができる。この結果、ＥＳＤガスの発生量が低減し、大電流でも安定な電子線が得られる。また、シボリフランジ１０は高温加熱しても中心軸がずれにくいことから、軸外非点収差の増加による輝度の低下が防がれる。さらに、シボリ１１とキャップ１２を磁界レンズの主面の近くに配置するので、磁界レンズの使用条件に依らず、一定の電流を得ることができる。また、電子線に広角電子が混入するのを防ぎ、放出する電子線を全てキャップ内に閉じ込めることができる。

本発明に係る第５の実施例について図１０、図１１を用いて説明する。なお、実施例１又は４に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

図１０は本実施例に係る電子銃の断面図であり、実施例１で説明したシボリフランジ１０を磁界レンズがない静電レンズ型のＦＥ電子銃に適用した場合の一例を示す。本シボリフランジ１０は、電子源１とシボリ１１の中心軸がずれにくく、シボリ１１を局所加熱できるという効果をもつ。よって磁界重畳型でない静電レンズ型ＦＥ電子銃に搭載した場合、小型で真空度の高い電子銃を提供できる
電子源１には＜３１０＞結晶方位のタングステン単結晶を用いる。電子源１はチップホルダー２を介してチップフランジ３に固定する。チップフランジ３は伸縮可能なベローズ４を介して、ヘッドフランジ５に接続する。ヘッドフランジ５はチャンバー５０１に固定する。シボリフランジ１０は絶縁材５０２に固定して、電子源１の直下に配置する。チップフランジ３は図示していない微動機構を備える。この微動機構を用いて、電子源１の位置を水平と垂直方向に微調整する。

シボリフランジ１０は実施例１と同様の構成をもつ。シボリフランジ１０にはシボリ１１とキャップ１２とヒータ１３を取り付ける。ただし、本実施例ではシボリフランジ１０は排気口をもたず、シボリフランジ１０の上側の電子源１を配置する電子源室５０３と、下側の試料室４２７とを隔てる間壁の役割をもつ。シボリフランジ１０は絶縁材５０２で保持することから、チャンバー５０１とは電気的に絶縁される。チャンバー５０１はグランド電位にする。

電子源室５０３は、チップフランジ３と、ヘッドフランジ５、チャンバー５０１、シボリフランジ１０、絶縁材５０２とで囲まれた密封空間である。電子源室５０３にはイオンポンプ８と非蒸発ゲッターポンプ９を接続し、真空排気する。電子源室５０３と試料室４２７はシボリ１１の中心の穴でのみつながり、両者は差動排気構造をもつ。電子源室５０３の圧力は典型的には１０^−８Ｐａ以下である。電子源１の周囲に配置されるのは、下方のキャップ１２のみであり、側方には真空排気の遮蔽物がない。この結果、真空排気のコンダクタンスが高くなり、電子源１まわりの圧力は好適には１０^−９Ｐａ以下となる。よって、電子源１から安定な放出電流を得ることができる。

シボリ１１とキャップ１２は、ヒータ１３で５００℃まで加熱する。この結果、これらに電子線が照射された時に生じるＥＳＤガスが低減し、真空度を高く維持できる。電子源１とキャップ１２との距離を短くすることで、放出する電子線を全てキャップ１２内に入射させ、ＥＳＤガスの発生量を最小限にする。

シボリフランジ１０は、実施例１で記載したように耐熱材料で製作した薄肉円筒の断熱部を備える。この結果、シボリ１１とキャップ１２のみがヒータ１３で局所的に加熱される。通常、チャンバー５０１が高温になると、表面が酸化され、ガスケット面などが劣化する。この結果、リークが発生し、高い真空度が保てなくなる。この高温によるチャンバー５０１の劣化は、寸法の小さい小型ＳＥＭなどで特に顕著となる。しかし、シボリフランジ１０によってシボリ１１とキャップ１２のみが局所的に加熱され、チャンバー５０１の温度は上がりにくいことから、このチャンバー５０１の劣化はおこりにくくなる。

図１１に本実施例の静電レンズ型ＦＥ電子銃を適用した小型ＳＥＭの一例を示す。シボリフランジ１０の下方には、第１電極５０４を配置する。第１電極５０４の下方には第２電極５０５を配置する。第１電極５０４と第２電極５０５は絶縁物で接続し、電気的に絶縁する。第２電極５０５の下方に、観察する試料４１１を配置する。試料４１１が配置された試料室４２７は、ターボ分子ポンプ４２５で真空排気する。第１電極５０４の側方には、Ｘ軸偏向器１５とＹ軸偏向器１６を配置する。Ｘ軸偏向器１５とＹ軸偏向器１６を用いて電子線の進行方向を調整し、静電レンズの中心を通るようにする。

シボリフランジ１０にはフィードスルー４２３を介して引出電圧電源４２１を接続する。引出電圧電源４２１を用いて、電子源１に対してシボリフランジ１０に２〜５ｋＶの引出電圧を印加することで、キャップ１２と電子源１の間に電界が生じる。この結果、電子源１の先端に電界が集中して電子線が放出する。放出した電子線は、シボリ１１の中心の穴を通り、下方の第１電極５０４と第２電極５０５の中心の穴を通って試料室４２７に進む。このとき試料４１１には、シボリ１１によって制限された電流量が照射されることになる。シボリ１１以外に、電子線の電流を制限するその他のシボリを追加する必要がないことから、装置を簡略化できる。

第１電極５０４には、第２フィードスルー５０６を介して、対物電極電源５０７を接続する。第２電極５０５はグランド電位に接続する。シボリフランジ１０と第１電極５０４、第２電極５０５の電位はそれぞれ異なる。この結果、シボリフランジ１０と第１電極５０４との間、及び、第１電極５０４と第２電極５０５との間で静電レンズ作用が働き、電子線が集光される。集光された電子線は、試料４１１上を走査し、二次電子を放出する。この二次電子を検出器４２４で検出することで観察像を得る。Ｘ軸偏向器１５とＹ軸偏向器１６には、第２フィードスルー５０６を介して、電源４２０を接続する。電子線の集光を磁界レンズでなく静電レンズで行うことで、寸法が大きいヨークやコイルを配置する必要がなくなり、ＳＥＭの鏡筒の直径を７０ｍｍ以下にまで小型化できる。

シボリ１１と第１電極５０４、第２電極５０５の中心軸はあらかじめ組立て時に一致させておき、各静電レンズの軸外非点収差の増加を防ぐ。寸法の小さい小型ＳＥＭでは静電レンズの寸法も小さくなる。この結果、ヒータ１３を用いてシボリ１１を加熱して、中心軸がずれた場合の軸外非点収差の増加はより大きくなる。しかし、シボリフランジ１０は、実施例１に記載したように、加熱を行っても電子源１とシボリ１１の軸ずれがおこりにくい。この結果、小型ＳＥＭであっても軸外非点収差が増加しにくくなる。また、電子源１とシボリ１１の軸ずれが起こりにくいことから、出荷時に電子源１の位置を決めて以降、ユーザが微動機構で電子源１の位置を調整する必要はほぼなくなる。

電子源１には、フラッシング電源４１８と加速電圧電源４２２を接続する。フラッシング電源４１８は、電子源１のフィラメントにパルス電流を流し、フラッシングとマイルドフラッシングを行う。電子源１には、加速電圧電源４２２を用いてグランド電位に対して−０．１から−３０ｋＶの加速電圧をかける。この結果、電子線はこの加速電圧の速度で試料４１１に照射される。

フラッシング電源４１８、引出電圧電源４２１、加速電圧電源４２２、電源４２０、対物電極電源５０７は、制御器４２６と電気的に接続する。制御器４２６でこれらの稼動状態をモニタリングするとともに、動作を制御する。

以上のようにシボリフランジ１０を静電レンズ型電子銃に適用することで、小型でも軸外非点収差が小さく、真空度の高く、高輝度で安定性のよい小型ＳＥＭを実現できる
以上、本実施例によれば、穴径の小さなシボリを用いて電子線が照射されるシボリを含めた部品の高温加熱を行うような場合であっても、高輝度で安定な電子銃及び高分解能で安定な荷電粒子線装置を提供することができる。

以上、本願発明を詳細に説明したが、以下に主な発明の形態を列挙する。
（１）電子源とシボリと、シボリの保持具を備え、電子源とシボリの間に引出電圧を印加することで、電子源から電子線が放出する電子銃において、前記保持具はシボリを加熱する加熱機構を備え、前記保持具は、固定部と加熱機構との間に断熱部をもつことを特徴とする電子銃。
（２）前記電子銃において、前記断熱部が輪帯をもつ薄肉円筒構造であり、モリブデン、タングステン、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素などの耐熱材料で構成されることを特徴とする電子銃。
（３）前記電子銃において、磁界レンズを備え、電子源が磁界レンズの磁場中に配置され、シボリと加熱機構が磁界レンズ内に配置され、保持具が磁界レンズに固定され、加熱機構が磁界レンズの磁極と接触しないことを特徴とする電子銃。
（４）電子源と磁界レンズとを備え、磁界レンズの磁場中に電子源が配置される磁界重畳型電子銃において、磁界レンズの磁極は複数の排気口を備え、排気口は磁界レンズの中心軸に対して対称な位置に配置され、排気口は前記磁界レンズの中心軸から半径方向に広がる開口をもつことを特徴とする電子銃。

１…電子源、２…チップホルダー、３…チップフランジ、４…ベローズ、５…ヘッドフランジ、６…磁界レンズ、７…電子銃チャンバー、８…イオンポンプ、９…非蒸発ゲッターポンプ、１０…シボリフランジ、１１…シボリ、１２…キャップ、１３…ヒータ、１４…非点補正器、１５…Ｘ軸偏向器、１６…Ｙ軸偏向器、１０１…コイル、１０２…非磁性材料、１０３…ヨーク、１０４…排気口、１０５…上磁極、１０６…下磁極、１０７…主面、１０８…上磁極の上面、１０９…下磁極の下面、１１０…磁場分布、２０１…保持部、２０２…断熱部、２０３…固定部、２０４…輪帯、２０５…溶接面、２０６…凸部、２０７…ネジ穴、２０８…排気口、３０１…上板、３０２…熱歪、４０１…電子銃、４０２…加速管、４０３…電極、４０４…タンク、４０５…イオンポンプ、４０６…非蒸発ゲッターポンプ、４０７…コンデンサレンズ、４０８…対物レンズ、４０９…中間レンズ、４１０…投影レンズ、４１１…試料、４１２…蛍光板、４１３…鏡、４１４…カメラ、４１５…イオンポンプ、４１６…イオンポンプ、４１７…イオンポンプ、４１８…フラッシング電源、４１９…レンズ電源、４２０…電源、４２１…引出電圧電源、４２２…加速電圧電源、４２３…フィードスルー、４２４…検出器、４２５…ターボ分子ポンプ、４２６…制御器、４２７…試料室、５０１…チャンバー、５０２…絶縁材、５０３…電子源室、５０４…第１電極、５０５…第２電極、５０６…第２フィードスルー、５０７…対物電極電源。

Claims

電子源と、前記電子源から出射された電子線を絞るシボリと、前記シボリの保持具を備え、前記電子源と前記シボリの間に引出電圧を印加することで、前記電子源から電子線が放出する電子銃において、
前記保持具は、前記シボリを保持する保持部と、前記保持部を固定する固定部と、前記シボリを加熱する加熱機構と、前記加熱機構により加熱された前記シボリ及び前記保持部からの熱が前記固定部に流れるのを抑制するために前記保持部と前記固定部との間に設けられた断熱部と、を有し、
前記断熱部は、円筒構造を有すると共に、熱歪に対する強度を高めるための輪帯を有することを特徴とする電子銃。
請求項１に記載の電子銃において、
前記断熱部は、モリブデン、タングステン、アルミナ、ジルコニア、或いは窒化珪素で形成されていることを特徴とする電子銃。
請求項１又は２に記載の電子銃において、
前記保持具は、前記シボリの前記電子源側に筒状の反射電子捕獲機構を備え、
前記反射電子捕獲機構の側面には、前記加熱機構が配置されていることを特徴とする電子銃。
請求項１乃至３の何れか一項に記載の電子銃において、
前記電子銃は磁界レンズを備え、
前記電子源が前記磁界レンズの磁場中に配置され、
前記シボリと前記加熱機構が、前記磁界レンズ内に配置され、
前記保持具が前記保持具の固定部を介して前記磁界レンズに固定され、
前記加熱機構が、前記磁界レンズの磁極と接触しないように配置されていることを特徴とする電子銃。
請求項４に記載の電子銃において、
前記磁界レンズの磁極は複数の排気口を備え、
前記排気口は、前記磁界レンズの中心軸に対して対称な位置に配置され、かつ前記磁界レンズの中心軸から半径方向に広がる開口をもつことを特徴とする電子銃。
荷電粒子銃と、試料室と、前記試料室に配置される試料に前記荷電粒子銃から出射された荷電粒子線を照射する荷電粒子光学系とを備えた荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子銃は、
荷電粒子源と、前記荷電粒子源から出射された荷電粒子線を絞るシボリと、前記シボリの保持具を備え、
前記保持具は、前記シボリを保持する保持部と、前記保持部を固定する固定部と、前記シボリを加熱する加熱機構と、前記加熱機構により加熱された前記シボリ及び前記保持部からの熱が前記固定部に流れるのを抑制するために前記保持部と前記固定部との間に設けられた断熱部と、を有し、
前記断熱部は、円筒構造を有すると共に、熱歪に対する強度を高めるための輪帯を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項６に記載の荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子銃は磁界レンズを備え、
前記荷電粒子源が前記磁界レンズの磁場中に配置され、
前記シボリと前記加熱機構が、前記磁界レンズ内に配置され、
前記保持具が前記保持具の固定部を介して前記磁界レンズに固定され、
前記加熱機構が、前記磁界レンズの磁極と接触しないように配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項７に記載の荷電粒子線装置において、
前記磁界レンズは、前記荷電粒子線の中心軸を取り囲むように配置されるヨークと、前記ヨークから下向きに傾斜して設けられた上磁極と、前記ヨークから上向きに傾斜して設けられた下磁極と、を有し、前記上磁極と前記下磁極は、磁界レンズの中心軸方向に向かって伸びることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項８に記載の荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子源の先端は、前記ヨークの上端よりも下側に配置され、
前記シボリは、前記ヨークの下端よりも上側に配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項８又は９に記載の荷電粒子線装置において、
前記下磁極の内径は、前記加熱機構の外径よりも大きいことを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項８乃至１０の何れか一項に記載の荷電粒子線装置において、
前記上磁極および前記下磁極は、半径方向に伸びる排気口を有することを特徴とする荷電粒子線装置。