JP6694515B2 - 電子線装置 - Google Patents

Description

本発明は電子線装置に関する。

電子顕微鏡は光学限界を超えた空間分解能をもち、ｎｍからｐｍオーダの微細構造の観察と組成の分析ができる。このため、材料や物理学、医学、生物学、電気、機械などの工学分野で広く利用されている。電子顕微鏡のなかでも、簡便に試料表面の観察を行える装置として走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）がある。近年、ＳＥＭには試料の極表面の観察や、炭素系化合物などの軽元素物質の観察が求められている。これらの観察は、試料に到達する電子線のエネルギーを５ｋｅＶ程度以下に低くした「低加速観察」で実現できる。しかし、低加速観察時の空間分解能は対物レンズの色収差によって悪化する問題がある。色収差は電子線のエネルギーのばらつきを小さくすることで低減する。そこで、低加速観察でも高い分解能を得るために、電子線のエネルギーのばらつきを低減すること、すなわち単色な電子線が必要となる。

電子線の単色性は電子線を放出する電子源の性能で決まる。そこで、最適な電子源を選ぶことで低加速観察時の高分解能化が可能である。現在、実用化されている電子源は主に、熱電子源、冷陰極電界放出（Ｃｏｌｄ Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ＣＦＥ）電子源、ショットキー電子源の三種類がある。

熱電子源はタングステン（以下、Ｗ）製のフィラメントを２５００℃程度に加熱し続けることで、熱電子を放出する電子源である。Ｗを加熱するとＷ内の電子のエネルギーがフェルミ準位よりも高くなり、一部の電子のエネルギーは仕事関数を超え、これらの電子は真空中に放出する。電子線のエネルギーのばらつきは、そのエネルギー分布の半値全幅（以下、エネルギー幅）で表される。熱電子源のエネルギー幅は３ｅＶから４ｅＶ程度であり、三種類の電子源のなかでも最も大きく、低加速観察時に高分解能を得るには難しい電子源である。

熱電子源が放出する電子線のエネルギー幅が大きい理由は、加熱をすることで電子が熱エネルギー分のばらつきをもち、これがそのまま放出されるためである。加熱温度が高いほどエネルギー幅は広がる。そこで、Ｗ以外の材料を使うことで加熱温度を下げた熱電子源や、電子放出部の先端形状をμｍオーダに細めた熱電子源が実用化されている。しかし、いずれもエネルギー幅は２ｅＶ以上程度と依然大きい。

ＣＦＥ電子源は熱電子源とは電子放出の原理が異なり、量子力学的トンネル効果で電子を放出させる電子源である。先端を先鋭化させたＷ針を負極にして引出電圧をかけると、先端に電界が集中し、電子が放出する。この現象を電界放出と呼ぶ。先端の電界は−数Ｖ／ｎｍである。電界放出では主にＷ内の電子のうち、フェルミ準位近傍のエネルギーをもつ電子がポテンシャル障壁をすり抜けて真空中に放出する。ＣＦＥ電子源が放出する電子線のエネルギー幅は０．３ｅＶから０．４ｅＶと狭く、三種類の電子源のなかでも最も小さい。低加速観察時に高分解能を得るためにはＣＦＥ電子源が最も適した電子源である。なお、ＣＦＥ電子源を加熱して用いると、フェルミ準位よりも高いエネルギーの電子が増え、電子線のエネルギー幅がわずかに広がる。このため一般的に、ＣＦＥ電子源は室温、またはそれ以下の温度で使用する。これが冷陰極と呼ばれる理由である。

ＣＦＥ電子源のＷ針の先端は、電界集中を起こすために曲率半径５０ｎｍから１５０ｎｍ程度に先鋭化する。この先端は非常に微小であるため、先端表面は結晶面が組み合わさった構造となる。また、結晶面の配置は結晶構造を反映して一定の規則で並ぶ。結晶面の仕事関数は面ごとに異なり、微小な先端表面での結晶構造を反映した値となる。仕事関数が低いほど電界放出する電流量は大きくなる。また、電子線の安定性や輝度も結晶面ごとに異なる。Ｗでは主に仕事関数が４．３ｅＶの｛３１０｝面や、仕事関数が４．５ｅＶの｛１１１｝面から放出する電子線をプローブ電流として用いる。

なお、先端形状や結晶面の大きさ、仕事関数は、電子源に用いる材料によって異なる。このため、材料によって電子線の特性は変わり、最適な電子放出面も変わる。これまで、種々のＷ以外のＣＦＥ電子源の研究がなされているが、いずれも実用化には至っていない。例えば、非特許文献１には、低仕事関数が期待される六硼化セリウム（以下、ＣｅＢ_６）を用いたＣＦＥ電子源が記載されている。

ショットキー電子源は熱電子を放出させる点で熱電子源と同じであるが、表面の仕事関数を低下させたことに特徴がある。電子源にはＺｒＯを被覆したＷ＜１００＞単結晶針を用い、その先端曲率はＣＦＥ電子源よりもやや太い曲率半径０．５μｍ、から１μｍ程度である。この電子源を１４００℃から１６００℃に加熱し続けると、被覆したＺｒＯが｛１００｝面に特異的に作用し、仕事関数を低下させる。さらに、先端に電界を印加するとショットキー効果が生じ、実効的な仕事関数がさらに下がる。この結果、｛１００｝面の仕事関数は２．８ｅＶ程度となる。この面から放出する電子線のエネルギー幅は熱電子源よりも狭くなり、０．６ｅＶから１ｅＶ程度になる。このエネルギー幅は三種類の電子源のうち中間に位置する。ＺｒＯ以外の被覆材料を用いたショットキー電子源の研究もなされているが、ほとんどが実用化には至っていない。

二本正昭、大阪大学博士論文、第５章、ｐ６６−７１、１９８１年

ＣＦＥ電子源の単色性をさらに向上することで、低加速観察時のＳＥＭの空間分解能をより向上することができる。電界放出の原理から、電子放出面の仕事関数が低いほど電子線のエネルギー幅も狭くなる。そこで、仕事関数の低い材料でＣＦＥ電子源を作ることで、単色性を向上できる可能性がある。

しかし、電子源を実用的に使うためには、電子源の性能に加えて、電子線の再現性、すなわち、特定の結晶面から繰り返し電子線が放出することや、電子線の電流量やエネルギー幅などの特性が毎回一定の範囲内にあることが課題となる。

ＣＦＥ電子源で再現性の良い電子線を得るためには、電子源表面を原子レベルで制御する必要がある。電界放出で得られる電子線は、電子源表面の仕事関数と電界集中度に大きく影響される。仕事関数は電子源の材料と結晶方位で決まる。しかし、真空中の残留ガスが吸着すると表面の電気双極子が変化し、仕事関数も変化する。そこで、吸着ガスを除去する清浄化方法が必要となる。電界集中度は表面の原子構造で決まり、尖った部分ほど電界が集中する。しかし、表面には電子線によってイオン化された残留ガスが衝突し、スパッタリングされて原子構造が変化する。そこで、原子構造の修復方法が必要となる。

これらの方法を行わない場合、電子線の電流量やエネルギー幅は時間とともに変化し、電子顕微鏡の観察像が変化する。また、電子線が突然得られなくなる、または、電子線が過剰に放出して電子源が破損するなどの不具合が生じる。

再現性の良い電子線を得るための表面制御方法は、ＣＦＥ電子源に用いる材料によって異なる。従来のＷを用いたＣＦＥ電子源では、Ｗを瞬間的に約２０００℃以上で加熱するフラッシングを行うことで、この表面制御を行うことができる。フラッシングを行うことで熱エネルギーによって吸着ガスが脱離する。また、半溶融状態になることで表面の原子構造が修復される。この結果、フラッシングをするたびに表面が初期状態に戻り、再現性の良い電子線が得られた。

一方、Ｗ以外の材料を用いた場合の表面制御方法は確立しておらず、実用化に至っていない。非特許文献１にはＣｅＢ_６を用いたＣＦＥ電子源から電子線を放出させる方法として、アルミフラックス法で作製したＣｅＢ_６＜１００＞単結晶を真空中で１４００℃から１５００℃の範囲内で加熱することが記載されている。

しかし、表面の仕事関数や、電子線の特性についての記載はなく、発明者等が検討した結果、その他の文献に記載されていない課題として、電子線の再現性が十分でないことがわかった。この原因は表面の清浄化と修復に加えて、表面に露出する原子種の制御が必要となるためと考えられる。ＣｅＢ_６はＷと違って二元系の材料であり、表面にＣｅが露出すると仕事関数が低くなるが、Ｂが露出すると仕事関数が高くなる。このため、再現性の良い電子線を得るためにはＣｅとＢの露出割合を制御することが必要となる。しかしながら、その制御方法は確立しておらず、ＣｅＢ_６を用いたＣＦＥ電子源をＳＥＭに搭載し、低加速観察で高い空間分解能を安定的に得ることは困難であった。

本発明の目的は、ＣＦＥ電子源にＣｅＢ_６を用いて低加速観察する場合であっても、高い空間分解能を安定して得られる電子線装置を提供することにある。

上記目的を達成するための一実施形態として、冷陰極電界放出電子源を備えた電子線装置において、
前記冷陰極電界放出電子源の電子線の放出部はＣｅの六硼化物であり、前記六硼化物は｛３１０｝面から電子線を放出し、前記｛３１０｝面の前記Ｃｅの原子数は、前記｛３１０｝面の六個の硼素からなる硼素分子数よりも多いことを特徴とする電子線装置とする。

また、他の形態として、冷陰極電界放出電子源を備えた電子線装置において、
前記冷陰極電界放出電子源の電子線の放出部はＣｅの六硼化物であり、
前記六硼化物の｛３１０｝面を含む面から放出される電子線のエネルギー分布の半値全幅は、０．２７ｅＶ以下であることを特徴とする電子線装置とする。

また、他の形態として、冷陰極電界放出電子源を備えた電子線装置において、
前記冷陰極電界放出電子源の電子線の放出部はＣｅの六硼化物であり、
前記六硼化物の｛３１０｝面を含む面から放出される電子線の放射角電流密度ＪΩ（μＡ／ｓｒ）と、前記冷陰極電界放出電子源が放出する全電流量Ｉｔ（μＡ）との比ＪΩ／Ｉｔが６以上であることを特徴とする電子線装置とする。

本発明によれば、ＣＦＥ電子源にＣｅＢ_６を用いて低加速観察する場合であっても、高い空間分解能を安定して得られる電子線装置を提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第１の実施例に係る電子線装置に搭載されるＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の側面図である。 図１に示すＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の表面制御プロセスのフローチャートである。 図２に示す先端成形プロセス（電界蒸発）前後のＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源先端のＦＩＭ像であり、（ａ）が電界蒸発前、（ｂ）が電界蒸発後を示す。 図１に示すＣＦＥ電子源に用いるＣｅＢ_６の単位格子を表した原子モデルの斜視図である。 図１に示すＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源における先端部の縦断面を示す原子モデルである。 電界蒸発したＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を異なる温度で２分間加熱し、ＦＥＭ像を測定した結果を示し、（ａ）は９００℃、（ｂ）は１０００℃、（ｃ）は１１００℃、（ｄ）は１２００℃、（ｅ）は１３００℃、（ｆ）は１４００℃、（ｇ）は１５００℃、（ｈ）は１６００℃であり、（ｉ）はＦＥＭパターン説明図である。 電界蒸発したＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を異なる温度で２分間加熱した後に測定した、各加熱温度と、トータル電流１０ｎＡを得るのに必要な引出電圧との関係を示すグラフである。 電界蒸発したＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を、加熱温度を８００℃にして異なる時間加熱した場合のＦＥＭ像を示し、（ａ）は２分、（ｂ）は２時間、（ｃ）は２２時間の場合である。 図２に示す表面再構成プロセスＳ１３を行う前後のＦＩＭ像とＦＥＭ像を示し、（ａ）はＳ１３前のＦＩＭ像、（ｂ）はＳ１３後のＦＩＭ像、（ｃ）はＳ１３前のＦＥＭ像、（ｄ）はＳ１３後のＦＥＭ像である。 図２に示す表面再構成プロセスＳ１３を行う前後のＦＮプロットである。 Ｗ−ＣＦＥ電子源のＦＥＭ像を蛍光板で測定した結果である。 ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源のＦＥＭ像を蛍光板で測定した結果である。 Ｗ−ＣＦＥ電子源とＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の電子線の集中度を比較した結果である。 Ｗ−ＣＦＥ電子源及びＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源が放出する電子線のエネルギー幅の計算結果である。 本発明の第１の実施例に係る、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を搭載した電子線装置（ＳＥＭ）の概略構成断面図である。 図１４に示すＳＥＭを用いた場合の観察手順を示すフローチャートである。 表面にガスが吸着したＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を加熱した後のＦＥＭ像を示し、（ａ）は加熱前、（ｂ）は８００℃、（ｃ）９００℃、（ｄ）は１０００℃の場合である。 本発明の第２の実施例に係る、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を搭載した電子線装置（ＳＥＭ）の概略構成断面図である。 図１７に示すＳＥＭを用いた場合の、ＳＥＭ内での電子放出面の再形成プロセスを含む観察手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の電界放出電子源の構造及び製造方法の実施の形態を説明する。実施例ではＳＥＭを例に説明するが、本発明はこれに限らず透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）や走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）、ＥＢ露光装置等を含む電子線装置に適用することができる。なお、以下の図面では、発明の構成を分かりやすくするために、各構成の縮尺を適宜変更している。結晶面の表記はミラー指数に則り、面の指定は（）で示す。また、これと等価な面郡は｛ ｝で示す。結晶軸は[ ]で示し、これと等価な軸は＜ ＞で示す。

以下図１を用いて、ＣｅＢ_６を用いたＣＦＥ電子源（以下、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源）の構成を説明する。図１は本実施例に係るＳＥＭに搭載されるＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源である。以下で電子源の各部分の説明をする。

ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源は、ＣｅＢ_６＜３１０＞単結晶９０１を保持部９０２で保持し、保持部９０２を加熱部９０３で保持する。加熱部９０３の両端はそれぞれ二つの加熱電極９０４に接続する。加熱電極９０４は絶縁部９０５で保持する。二つの加熱電極９０４はそれぞれ二つのピン９０６と電気的に接続する。

ＣｅＢ_６＜３１０＞単結晶９０１には、フローティングゾーン法などで成長させた大型結晶を切削して細分化した小型結晶を用いる。大型結晶を細分化して使用することで、高純度の結晶を大量に低コストで調達できる利点がある。また、結晶の寸法のばらつきも低減でき、個体差が生じなくなる利点がある。不純物や欠陥のない結晶を使うことで、得られる電子線の再現性も向上する。

大型結晶の大きさは直径数ｍｍから数十ｍｍ、長さは数十ｍｍ程度である。細分化したＣｅＢ_６＜３１０＞単結晶９０１の大きさは、直径が０．１ｍｍから１ｍｍ程度、長さが１ｍｍから５ｍｍ程度である。なお、ＣｅＢ_６＜３１０＞単結晶９０１は円柱に限らず、四角形や多角径、楕円などの断面をもった柱構造でも良い。

ＣｅＢ_６＜３１０＞単結晶９０１の先端は電界放出を可能にするために電解研磨で先鋭化する。電解研磨はｍｍオーダの結晶の先端をｎｍオーダにまで先鋭化でき、ＣＦＥ電子源を低コストで大量生産できる利点がある。電解研磨した電子源先端の曲率半径は５０ｎｍから５００ｎｍとする。ＣｅＢ_６は後述の表面制御を行うことで表面の仕事関数が低くでき、電界放出に必要な引出電圧が低くなる。このため、従来のＷを用いたＣＦＥ電子源よりも曲率半径を大きくしても十分な電界集中ができ、電子を放出できる。曲率半径を大きくすると電子線の放出部分の面積が広がり、大電流が得られるとともにエネルギー幅も低減できる。また、電子放出後の電子間のクーロン相互作用が小さくなり、電子線の輸送時の不要なエネルギー幅の増大が起こりにくくなる利点がある。この効果を得るためには、先端の曲率半径を３００ｎｍから５００ｎｍにすることが望ましい。

ＣｅＢ_６＜３１０＞単結晶９０１の大きさは０．１ｍｍから１ｍｍ程度であることから、人の手や、機械を用いて電子源へと組み立てることができる。この結果、電子源を低コストで大量生産できる利点がある。また、この程度の大きさであれば、組み立てに専用の工具を用いることで、各要素の取り付け位置や寸法、角度のばらつきを低減できる。この結果、電子源全体としての個体差を低減できる利点がある。

一方、ＣｅＢ_６＜３１０＞単結晶９０１に直径が数十から数百ナノメートル程度のナノワイヤを用いることも可能ではあるが、ナノメートルオーダの結晶を電子源として組み立てるためには、集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）とＳＥＭの複合機を用いて、電子顕微鏡下でマニュピレータを用いた組立が必要となる。この作業は長時間を要し、コストが大きくなる。また、結晶の個体差がそのまま電子源の個体差となり、性能にばらつきが生じる。このため、生産性を向上させる上で課題となる。その他に、ナノワイヤのように先端の半径が細すぎると、電流量を大きくできない課題もある。一方、適当なナノワイヤを選定することで、切削することなく利用できる利点がある。

結晶軸に＜３１０＞を選ぶ理由は発明者の発見に基づいており、後述する表面制御方法によって｛３１０｝面から特性の良い電子線が得られるためである。単結晶を用いた電子源では、結晶軸に対応した結晶面が先端中央に現れ、この面から放出する電子線は軸上を通過する。電子顕微鏡では軸上の電子線をプローブ電流として用い、レンズ等を用いて試料に照射する。このため、利用したい結晶面を電子源の先端中央の軸上に配置することが適している。一方、軸外から放出する電子線を偏向器で曲げて軸上に導くことも可能である。この場合、電子顕微鏡の構成は複雑になるが、＜１００＞軸などその他の結晶軸の電子源を用いて｛３１０｝面から放出する電子線を利用することもできる。

電子放出源にＣｅＢ_６を選ぶ理由は、仕事関数が低いことの他に、フェルミ準位の状態密度が高いことがあげられる。Ｃｅは４ｆ軌道に電子をもつ。ｆ電子のエネルギー準位は局在化し、Ｃｅの場合、フェルミ準位に位置して、その状態密度を高くする。電界放出はフェルミ準位近傍の電子を放出することから、この準位の状態密度が高く、局在化しているほどエネルギー幅は狭くなる。また、フェルミ準位付近の状態密度が高い場合、表面にガス吸着があっても、状態密度の変化は相対的に小さくなる。この結果、電子線の再現性が良くなる利点がある。

ランタンを除くランタノイド（プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム）はこの４ｆ軌道を有することから、これらの材料、またはこれらの六硼化物を用いたＣＦＥ電子源についても、ＣｅＢ_６と同様にフェルミ準位の状態密度が高くなる利点があり、ＣＦＥ電子源に適する。

保持部９０２はＣｅＢ_６＜３１０＞単結晶９０１を固定し、電気的にも接続する。ＣｅＢ_６は加熱するとほとんどの金属と化学反応する特徴があることから、保持部９０２にはカーボンやレニウム、タンタルなどのＣｅＢ_６と反応性が小さい導電性物質を用いる。または、これらの材料を表面に成膜した金属、または、これら材料を複数組み合わせた部品でも良い。また、保持部９０２に電気抵抗の高い材料を用い、保持部９０２自身も通電加熱によって高温になるようにしても良い。

加熱部９０３は保持部９０２を固定するとともに、ＣｅＢ_６＜３１０＞単結晶９０１を加熱する。加熱部９０３にはＷやタンタルなどの線を用い、通電加熱する。加熱によるＣｅＢ_６先端の表面再構成については後述する。

加熱電極９０４には加熱部９０３の両端を固定する。加熱電極９０４はピン９０６と電気的に接続し、ピン９０６を介して外部の加熱電源に接続する。この加熱電源から電流を流すことで、加熱部９０３を通電加熱する。

絶縁部９０５は加熱電極９０４を固定するとともに、二つの加熱電極９０４をそれぞれ電気的に絶縁する部品である。また絶縁部９０５を電子顕微鏡の電子銃内部に固定することで、電子源全体を保持する。

以上、図１の電子源構造を用いることで、高純度で個体差の少ないＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を低コストで大量生産することができる。

次に、図２から図１０を用いてＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源から再現性の良い電子線を得るための表面制御プロセスについて説明する。

図２はＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の表面制御プロセスのフローチャートである。図１のＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を電解研磨したままの状態で用いた場合、電子放出面が一定とならず、得られる電子線の特性も毎回異なる。このため、再現性の良い電子線を得ることができないことがわかった。そこで、図２に示す表面制御プロセスを行うことで再現性の良い電子線を得ることができる。

図２のフローチャートに示すように、まず、先鋭化プロセスＳ１１において、前述したＣｅＢ_６＜３１０＞単結晶９０１の電解研磨を行い、先端をｎｍオーダに先鋭化する。次に、先端成形プロセスＳ１２において、電解研磨した先端表面にある凹凸や歪みを除去し、先端表面を原子レベルで球状に成形する。次に、表面再構成プロセスＳ１３において、成形した先端表面にファセット構造を作り、｛３１０｝面にＣｅを偏析させる。次に、電子線放出プロセスＳ１４において、電子源から電子線を電界放出させる。最後に、パターン検査Ｓ１５において、放出した電子線のエミッションパターンを調べ、所望のパターンが得られたかを確認する。所望のパターンが得られなかった場合、得られるまで表面再構成プロセスＳ１３を追加で行う。以下でそれぞれのプロセスを説明する。

先端成形プロセスＳ１２では、電界蒸発を用いて電子源先端を球状に成形する。電解研磨はｍｍオーダの結晶の先端をｎｍオーダにまで先鋭化できることから、電子源を大量生産するのに適した方法である。しかし、発明者等が検討した結果、研磨された先端の表面形状は原子レベルでは荒く、凹凸や歪みが生じる問題があることがわかった。従来のＣＦＥ電子源の材料であるＷは表面張力が強いため、フラッシングをして先端を半溶融状態にすると自然に球状に丸まる。この結果、先端表面の凹凸や歪みが取れ、一定の形状にできていた。

一方、ＣｅＢ_６は表面張力の弱い材料であり、加熱をしても先端が丸まることはなく、凹凸や歪みが残ったまま昇華する。このような形状が不均一な電子源を電界放出させると、電子源ごとに電子放出箇所が異なり、電子線の特性も異なる。また、電子源が破損することも多い。従って、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を加熱のみで用いることはできない。

そこで、ＣｅＢ_６先端の凹凸と歪みを除去するために、電界蒸発を行ったところ、再現性の良い電子線が得られることが分かった。そこで本プロセスでは電界蒸発のステップを取り入れることとした。電界蒸発とは電子源に＋数十Ｖ／ｎｍの正極の電界を印加することで、先端表面の原子をイオン化し、徐々に剥ぎ取る方法である。電界蒸発は電界強度が強い箇所で優先的に起こる。このため、表面の尖った箇所やステップ部の原子が蒸発し、時間をかけることで全面を蒸発できる。やがて、電界蒸発が十分進むと、電子源先端は電界強度が全面にわたって均一となる球状になる。この形状をＦｉｅｌｄ Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ Ｅｎｄ Ｆｏｒｍと呼ぶ。

電界蒸発は真空中でも行えるが、ＨｅやＮｅ、Ｈ_２といった結像ガスを１０^−３Ｐａから１０^−２Ｐａ程度導入して行うことで、電子源先端の表面像を観察しながら行うことができる。この観察手法を電界イオン顕微鏡（Ｆｉｅｌｄ Ｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＦＩＭ）と呼ぶ。結像ガスは電子源先端でイオン化し、放射状に放出する。対向面にマイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）をおき、放出したイオンを検出することで電子源先端の表面像を原子分解能で観察できる。

図３は電界蒸発前後のＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源先端のＦＩＭ像である。図３を用いて先端成形プロセスＳ１２による表面形状の変化を説明する。ＦＩＭ像では輝点の一つ一つが原子に対応し、電界が集中する尖った箇所や原子ステップの原子ほど明るく表示される。また、平坦面であるファセットは尖った箇所がないため暗くなる。

図３（ａ）に示すように電界蒸発する前のＦＩＭ像では、（１００）面と（１１０）面のファセットが斜めに歪んでいる。これは、先端表面が歪んでいることを表している。図３（ｂ）は電界蒸発した後の同じ電子源のＦＩＭ像である。図３（ｂ）では（１００）面と（１１０）面のファセットが円形になっている。この結果から、電界蒸発で電子源先端の歪みが除去され、均一な球状に成形されることがわかる。

次に、表面再構成プロセスＳ１３では、電界蒸発した電子源の表面にＣｅを偏析させ、仕事関数を低減する。発明者等が検討した結果、電界蒸発したままの電子源表面にはＢが露出するため、仕事関数が高く、電子源には適さない問題があることがわかった。そこで、表面再構成プロセスＳ１３で電子源に適した表面に変化させる。以下でＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の表面にＢが露出する理由と、その表面にＣｅを露出させる方法を説明する。

図４はＣｅＢ_６の単位格子を表した原子モデルである。ＣｅＢ_６は体心立方格子をもち、Ｃｅ原子と、六個のＢ原子からなる正八面体構造のＢ_６の分子をもつ。一つのＣｅ原子のまわりに八つのＢ_６分子が配置する。

図５はＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源先端の原子モデルである。なお、この図では説明のために＜１００＞結晶軸をもったＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を示した。ＣｅＢ_６はＣｅ原子層とＢ_６分子層が交互に重なった構造をもつ。Ｂ−Ｂ間の結合力は強い一方、Ｃｅ−Ｃｅ間やＣｅ−Ｂ間の結合力は弱い。このため、ＣｅＢ_６を電界蒸発した場合、表層のＢが蒸発して下層からＣｅが現れたとしても、Ｃｅは直ちに蒸発する。この結果、図５に示したように電子源表面には主にＢが露出する。

ここで、電子源の先端表面にＢが露出すると仕事関数は高くなり、電子放出に必要な引出電圧は高くなる。また、電子線のエネルギー幅は広くなる。このため、電子源として利用するには適さない。ＣｅＢ_６をＣＦＥ電子源として用いるためには、表面にＣｅを露出させ、仕事関数を低下させることが望ましい。そこで、発明者らは電界蒸発したＣｅＢ_６を一定時間加熱することで、表面の再構成が起こり、仕事関数を低化できることを見いだした。

図６は電界蒸発したＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を異なる温度で２分間加熱し、電界放出顕微鏡（Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＦＥＭ）像を測定した結果である。この図を用いて加熱による表面再構成を説明する。

ＦＥＭとは電子源から電界放出した電子線を蛍光板やＭＣＰ上に投影し、そのエミッションパターンから電子源表面の電子放出箇所を調べる方法である。電界集中度が高く、仕事関数が低い箇所ほど明るくなる。また、パターンの対称性と強度から電子源表面の電子放出面の配置や対応する結晶面、表面状態の違いがわかる。

図６（ａ）に示すように、９００℃で加熱したＦＥＭ像には対称性のあるパターンは見られないが、図６（ｂ）に示すように、１０００℃で加熱したＦＥＭ像には｛３１０｝面と｛２１０｝面から電子が放出し、（１００）を中心とした４回対称の十字パターンが現れている。図６（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）に示すように、１１００℃から１３００℃に加熱したＦＥＭ像もほぼ同様であり、｛３１０｝面と｛２１０｝が電子放出し、（１００）面からの電子放出はなくなっている。図６（ｆ）に示すように、１４００℃で加熱したＦＥＭ像では、（２１０）面からの電子放出がなくなり、（３１０）面のみとなっている。図６（ｇ）に示すように、１５００℃で加熱したＦＥＭ像では｛３１０｝面よりも（１００）面の付近で電子放出が起こっている。図６（ｈ）に示すように、１６００℃で加熱したＦＥＭ像では電子放出箇所に対称性がなくなり、一部から強い電子放出が起きている。

図６（ｉ）は得られたＦＥＭ像の概念図である。図６に示したＦＥＭ像はＭＣＰを用いて測定し、エミッションパターンの一部を拡大して観察している。これら図６（ａ）から（ｈ）の結果から１０００℃から１４００℃に加熱することで電界蒸発した先端の表面状態が変わり、｛３１０｝面から電子線が放出することがわかった。なお、この加熱プロセスは１０^−８Ｐａ以下の真空中で行うことで、複数の異なるＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源で行っても再現し、再現性の良い電子放出面と電子線の特性を得ることができた。１０^−７Ｐａ以上の圧力で行う場合、表面に吸着物が付きやすくなり、電子放出面が変わることがあった。このため、１０^−８Ｐａ以下の圧力下で加熱することが適する。

図７は各加熱温度において、トータル電流１０ｎＡを得るのに必要な引出電圧を測定した結果である。電界蒸発したままのＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源は、表面の仕事関数が高いことから、必要な引出電圧は１．２ｋＶと高い。一方、１０００℃から１５００℃に加熱することで引出電圧は０．４５ｋＶまで減少した。すなわち、この温度で加熱することで仕事関数が下がり、電子放出に適した表面が形成されたことがわかる。１６００℃では引出電圧がさらに０．１５ｋＶまで低下している。これは電子源表面が蒸発し、一部に突起が生じたためである。蒸発した表面から放出する電子線には再現性がないことから、１６００℃の加熱は適さない。

図６と図７の結果を合わせると、１０００℃から１３００℃の加熱によって｛３１０｝面と｛２１０｝面に、１４００℃で｛３１０｝面に電界放出に適した低仕事関数な表面が形成されることがわかる。また、１５００℃以上では表面が次第に崩れ、１６００℃では表面の蒸発が起こる。従って、加熱時間を２分とした場合、１０００℃から１４００℃に加熱することで｛３１０｝面から電子線が得られるとわかる。

非特許文献１に記載のＦＥＭ像と本実施例のＦＥＭ像は異なることから、両者の電子源先端表面の結晶面の配置やファセット構造、仕事関数などの表面状態は異なり、得られる電子線の特性も異なると考えられる。

低仕事関数の表面はＣｅが表面に露出しない限り得られないことから、加熱によって｛３１０｝面にＣｅが偏析し、仕事関数が低下したと考えられる。前述したようにＣｅ−Ｃｅ間、またはＣｅ−Ｂ間の結合はＢ−Ｂ間の結合よりも弱い。従って、加熱状態のＣｅＢ_６ではＣｅ原子がＢ_６格子を抜けて拡散移動できる。加熱によってＣｅＢ_６内部からＣｅが析出し、表面のＢを覆ってＣｅが露出する。また、電子源の根元部分の表面にあるＣｅが表面拡散で先端まで移動する。この拡散移動したＣｅが特に｛３１０｝面に優先的に偏析し、表面が再構成されたことで低仕事関数化したと考えられる。

図５に示したように、電界蒸発したＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の（３１０）面において、最表層に露出したＣｅの数は単位格子あたり１個、Ｂ_６分子は３個となる。このとき、ＣｅとＢの原子数の比は1対１８、（３１０）面の全原子数のうち５％がＣｅとなる。

表面再構成を行うことで、（３１０）面に露出するＣｅの数はこの状態よりも増え、低仕事関数化が起こる。単位格子中にＣｅの吸着サイトは２箇所あり、この一箇所にＣｅが埋まったとすると、真空側に露出したＣｅの数は２個、Ｂ_６分子の数は２個となる。このとき、Ｃｅの数とＢ_６分子数が等しくなり、これよりもＣｅの数が多いとＣｅに起因した仕事関数の低下が顕著になると考えられる。このときのＣｅとＢの原子数の比は２対１２、（３１０）面の最表層の原子数の１４％がＣｅとなる。

より好適には、Ｃｅが２箇所の吸着サイトに埋まることで、Ｃｅによる低仕事関数化が顕著になる。このとき、単位格子面中のＣｅの数は３個、Ｂ_６分子の数は１個となる。ＣｅとＢの原子数の比は１対６となり、（３１０）面の最表層の原子数の３３％がＣｅになる。ＣＦＥ電子源は室温以下で動作させることから、二原子層以上のＣｅの吸着も可能と考えられる。従って、表面のＣｅの原子数が３３％以上にＣｅが表面に偏析することも可能と考えられる。

表面再構成は加熱温度を下げ、加熱時間を長くすることでも行える。図８は加熱温度を８００℃にし、２２時間まで加熱した場合のＦＥＭ像である。図８（ａ）に示すように、２分間の加熱では電子放出面は得られなかったが、図８（ｂ）に示すように、２時間では図６（ｂ）の１０００℃で２分間加熱した場合と同様のＦＥＭ像が得られた。また、図８（ｃ）に示すように、２２時間では、図６（ｃ）の１１００℃で２分間加熱した場合と同様のＦＥＭ像が得られた。

加熱温度を７００℃にした場合でも、数十時間加熱することで同様のＦＥＭ像が得られ、表面再構成ができる。低温で長時間を必要とする理由は、Ｃｅの拡散速度が温度の指数乗に比例するためである。原理的には、より低い温度でも表面再構成は可能であるが、数日から数十日の加熱時間を要するため、実用性が低下する。

逆に、加熱温度を高くするほど、短い加熱時間で表面再構成を行うことができる。例えば１２００℃以上の加熱であれば、約２０秒以下で再構成が完了する。より高温にすることで数秒以下にすることもできる。ただし、加熱温度を上げて短時間にするほど、表面が崩れる可能性が高まる。また、加熱温度にも上限があり、１５００℃以上では図６（ｇ）に示したように表面状態が崩れ始め、適さない。従って実用的な時間と表面が崩れるリスクを最小限にするために、１０００℃から１４００℃で、５秒以上１０分以下程度の加熱が好ましい。加熱時間を長くし、加熱温度を下げて用いることで、表面が崩れる危険性なく、再現性の良い電子放出面を作ることができる。

表面再構成によって電子源表面に露出する原子種だけでなく、表面構造にも変化が生じる。図９は表面再構成プロセスＳ１３を行う前後のＦＩＭ像とＦＥＭ像である。ここで、ＦＩＭとＦＥＭの電子源先端表面の拡大率はほぼ同じである。従って、ＦＩＭ像にある結晶面はＦＥＭ像のほぼ同じ位置にある。ＦＩＭ像とＦＥＭ像を比較することで、どの結晶面から電子が放出しやすいかを調べることが出来る。

図９（ａ）に示すように、表面再構成を行う前のＦＩＭ像は、電界蒸発したままのＦｉｅｌｄ Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ Ｅｎｄ Ｆｏｒｍを表している。このＦＩＭ像には（１００）面と（２１０）面、そして（１１０）面の一部のファセットが見られるが、全体に輝点が生じており、電子源先端が球状に成形されていることを示している。図９（ｃ）はこの電子源表面から電界放出させた場合のＦＥＭ像である。電界蒸発した表面は（１００）面から電子が放出する。しかし、前述したように表面にＢが露出していることから仕事関数が高く、トータル電流１０ｎＡを得るのに必要な引出電圧は１．２ｋＶと高い。

図９（ｂ）に示すように、表面再構成を行った後のＦＩＭ像は、（１００）面と（２１０）面、（１１０）面の暗い領域が広がっている。これはファセットが成長し、平坦な領域が増えたことを示している。その他に、｛３１１｝面と｛２１１｝面にもファセットが生じており、表面はＦｉｅｌｄ Ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ Ｅｎｄ Ｆｏｒｍからファセットが組み合わさった多角形形状のＴｈｅｒｍａｌ Ｅｎｄ Ｆｏｒｍに変化している。（３１０）面を取り囲むように自己組織化的にファセットが生じることで、（３１０）面は表面全体の曲率に比べて尖った部分になる。この結果、局所的に電界集中度が上がる。従って、仕事関数の低下に加えて、この形状の変化も（３１０）面から電界放出しやすくなる原因である。図９（ｄ）が図９（ｂ）の表面に対応したＦＥＭ像である。｛３１０｝面と｛２１０｝面から電子放出しており、その引出電圧は０．４５ｋＶに低下した。

電子源表面にイオンが衝突し、原子構造が変わったとしても、再度、表面再構成プロセスＳ１３を行うことで表面は図９（ｂ）に示したＴｈｅｒｍａｌ Ｅｎｄ Ｆｏｒｍに戻る。従って、表面再構成プロセスＳ１３で電子源先端の原子構造の修復が可能である。

図１０は表面再構成プロセスＳ１３を行う前後のＦｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ（ＦＮ）プロットである。この結果から、表面再構成後の仕事関数がわかる。

電界放出で得られる電子線の電流量Ｉ（Ａ）と引出電圧Ｖ（Ｖ）との間には定数ＡとＢを用いて以下の式が成り立つ。

この式から、横軸に１／Ｖ、縦軸にｌｎ（Ｉ／Ｖ^２）をプロットすると結果は直線になる。これが図１０のＦＮプロットである。ここで、直線の傾きである定数Ｂは、仕事関数φ（ｅＶ）と電子源の先端表面全体を平均した電界集中係数β（１／ｍ）を用いて以下の式で表される。

従って、二つの直線の傾きを比べることで仕事関数を求めることができる。表面再構成前の傾きは−２１８５８、表面再構成後の傾きは−８５２５である。また、表面再構成前の表面にはＢが露出しており、その仕事関数はＢ単体の仕事関数４．６ｅＶ程度と考えられる。これらの値と式（２）から、表面再構成後の表面の仕事関数は２．４６ｅＶ程度となる。この結果から、加熱によってＣｅＢ_６表面の仕事関数が４．６ｅＶから２．４６ｅＶに低下したことがわかる。

電子線放出プロセスＳ１４ではＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源に引出電圧を印加して電界放出させる。

パターン検査Ｓ１５では得られたＦＥＭ像を検査する。得られたＦＥＭ像が図６（ｂ）から図６（ｆ）のＦＥＭ像で示した｛３１０｝面からの４回対象のエミッションパターンであれば、表面の再構成が完了し、電子源として利用できる。また、後述する放射角電流密度とトータル電流の比や、エネルギー幅、または、引出電圧に対するトータル電流とプローブ電流量、引出電圧の変化に対するこれら電流量の変化率、これら電流の時間変化などを同時に測定して所望の電子線の性能を発揮しているかを検査する。

以上の図２から図１０で説明した表面制御プロセスを用いることで、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の｛３１０｝面を低仕事関数化でき、この面から再現性の良い電子線を得ることができる。

次に、図１１Ａ、図１１Ｂから図１３を用いてＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源から得られる電子線の特性を説明する。図１１Ａ及び図１１ＢはそれぞれＷ＜３１０＞単結晶を用いたＣＦＥ電子源（以下、Ｗ−ＣＦＥ電子源）とＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源のＦＥＭ像を蛍光板で測定した結果を示す。従来のＷ−ＣＦＥ電子源と比べて、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源は、中心にコンファインした電子線が得られる特徴がある。

図１１Ａに示すように、Ｗ−ＣＦＥ電子源のＦＥＭ像は広範な領域で電子放出があり、｛３１０｝面の他に｛３１１｝面や｛１１１｝面からも電子放出がある。一方、図１１Ｂに示すように、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源のＦＥＭ像には｛３１０｝面と｛２１０｝面からの電子放出が主であり、それ以外の結晶面からの電子放出は少ない。すなわち、電子線の放出領域は狭い領域にのみコンファインしている。これは、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を用いることで少ないトータル電流で高いプローブ電流を得ることができることを意味する。

トータル電流が少ないと、引出電極に当たる電流量が減り、ここから放出する電子衝撃脱離ガスが減って真空度の悪化が少なくなる。この結果、大電流を放出しても安定な電子線が得られる。その他に、トータル電流が少ないことで、その反射電子がプローブ電流に混入することも少なくなる。この結果、電子顕微鏡の観察像にフレアが生じることを防ぐことができる。

図１２はＷ−ＣＦＥ電子源とＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の電子線の集中度を比較した結果である。なお、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源は、＜３１０＞単結晶と、＜１００＞単結晶を用いた二つの電子源について、これらの（３１０）面から放出する電子線をプローブ電流として用い、その特性を調べた。この図を用いて、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の電子線がどれだけコンファインしているか説明する。

ここで、電子線の集中度はプローブ電流の放射角電流密度ＪΩ（μＡ／ｓｒ）をトータル電流Ｉｔ（μＡ）で割った値として定義した。放射角電流密度とは単位立体角あたりに得られるプローブ電流の値であり、この値が大きいほど電子顕微鏡では明るい像が得られる。

一般的に、放射角電流密度ＪΩはトータル電流Ｉｔを増やすほど増える。しかし、図１１Ａで示したようにＷ−ＣＦＥ電子源では｛３１０｝面以外からも多くの電子を放出するため、プローブとして用いられない無駄な電子の放出が多い。その電子線の集中度ＪΩ／Ｉｔはおよそ３となる。一方、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の場合、電子放出面は主に｛３１０｝面と｛２１０｝面のみであり、無駄となる電子が少ない。ＣｅＢ_６＜１００＞単結晶を用いたＣＦＥ電子源のＪΩ／Ｉｔは６以上、ＣｅＢ_６＜３１０＞単結晶を用いたＣＦＥ電子源のＪΩ／Ｉｔは１３以上となる。この結果から、Ｗ−ＣＦＥ電子源に比べ、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の｛３１０｝面を用いることで、ＪΩ／Ｉｔは２倍以上になり、コンファインした電子線が得られる。

ＣｅＢ_６＜３１０＞単結晶の方がＣｅＢ_６＜１００＞単結晶よりもＪΩ／Ｉｔが大きい理由は、電子源先端中央の最も電界が集中する位置に（３１０）面が配置され、プローブ電流が増強されるためである。以上の結果から、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を用いることでＪΩ／Ｉｔは６以上となり、Ｗ−ＣＦＥ電子源と比べてコンファインしたプローブ電流が得られることがわかる。

図１３はＷ−ＣＦＥ電子源とＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源が放出する電子線のエネルギー幅の計算結果である。図１３を用いて、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を用いることで狭いエネルギー幅が得られることを説明する。電界放出で得られる電子線のエネルギー分布Ｐ（Ｅ）ｄＥは以下の式で表される。

ここで、ｍ（ｋｇ）は電子の質量、ｈ（Ｊｓ）はプランク定数、ｈ_ｂ（Ｊｓ）はディラック定数、ｋ（Ｊ／Ｋ）はボルツマン定数、Ｔ（Ｋ）は温度、Ｆ（Ｖ／ｍ）は電界強度、ｅ（ｃ）は素電荷、φ’（Ｊ）は単位をジュールに変換した仕事関数、ｔとｖは補正項である。なお、ｈ_ｂはプランク定数ｈを２πで割ったディラック定数の慣用文字ではないが、当該文字が本出願では使用不適合文字に該当するため仮にｈ_ｂを用いた。上記式（３）（４）（５）を用いて仕事関数４．３ｅＶのＷ（３１０）と仕事関数２．４６ｅＶのＣｅＢ_６（３１０）面から放出する電子線のエネルギー分布を計算し、エネルギー幅を求めた結果が図１３である。

Ｗ−ＣＦＥ電子源から得られる電子線のエネルギー幅は一般的に０．４ｅＶ程度までであることから、使用する電流密度は１×１０^１３Ａ／ｍ^２以下と考えられる。このときのＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源のエネルギー幅は０．２７ｅＶ以下となり、Ｗ−ＣＦＥ電子源よりもエネルギー幅が低下することがわかる。使用する電流密度によってエネルギー幅の差は異なるが、Ｗと比較してＣｅＢ_６のエネルギー幅は０．０８ｅＶから０．１４ｅＶ程度低下する。この結果から、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源をＳＥＭに搭載することで低加速観察時に高い空間分解能を得ることができるとわかる。

次に、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を用いることで高い輝度が得られることを説明する。電界放出で得られる電子線の換算軸上輝度Ｂ_０／Ｖ_０ （Ａ／ｍ^２ｓｒＶ）は以下の式で表される。

ここで、Ｂ_０（Ａ／ｍ^２ｓｒ）は軸上輝度、Ｖ_０（Ｖ）は加速電圧、ｊ（Ａ／ｍ^２）は電流密度、ｅ（ｃ）は素電荷、ｄは式（５）で表されるエネルギーである。軸上輝度は微小面積と微小立体角あたりの電流量の極限として表される。また、軸上輝度は加速電圧に比例するため、軸上輝度を加速電圧で割った換算軸上輝度で電子源自体の性能を比べる。

電流密度ｊが１×１０^１２Ａ／ｍ^２の条件において、Ｗ−ＣＦＥの換算軸上輝度は９．６×１０^１１Ａ／ｍ^２ｓｒＶとなるのに対し、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の換算軸上輝度は１．８×１０^１２Ａ／ｍ^２ｓｒＶとなる。この差はＷ−ＣＦＥ電子源とＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の仕事関数の差に由来し、どの電流密度においてもＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の換算軸上輝度はＷ−ＣＦＥ電子源の約２倍程度になる。従ってＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を電子顕微鏡に用いることで電流量が増加することができる。また、電子線の干渉性を高めることができるので、透過電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）や走査透過電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＥＭ）の性能も向上できる。

以上、図１１Ａ、図１１Ｂから図１３で説明したように、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を用いることで高い電子線の集中度と狭いエネルギー幅、高い輝度を得ることができ、電子顕微鏡の性能を向上することができる。

次に図１４から図１６を用いてＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を搭載したＳＥＭの構成とその操作方法を説明する。

図１４はＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を搭載したＳＥＭである。ＳＥＭの鏡体は電子銃９２１とカラム９２２、試料室９２３から構成される。電子銃９２１はイオンポンプ９２４と非蒸発ゲッター（Ｎｏｎ Ｅｖａｐｏｒａｂｌｅ Ｇｅｔｔｅｒ：ＮＥＧ）ポンプ９２５で排気し、その圧力は１０^−８Ｐａから１０^−１０Ｐａ程度にする。電子銃９２１とカラム９２２は差動排気構造をもたせ、イオンポンプ９２６とイオンポンプ９２７で排気する。試料室９２３はターボ分子ポンプ９２８で排気する。

電子銃９２１の内部にＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源９２９を配置する。ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源９２９は事前にその他の真空容器内において図２で示した表面制御プロセスを行い、電子放出面を形成した後にＳＥＭに搭載する。電子銃９２１の圧力を１０^−８Ｐａ以下に保つことで、電子源表面へのガス吸着を低減し、電子線の電流の時間変化を最小限にする。ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源９２９の対向面には引出電極９３０を配置する。引出電源９４１を用いて、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源９２９が負極となるように、引出電極９３０との間に引出電圧を印加することでＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源９２９から電子線９３１を電界放出させる。加速電源９４２を用いて、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源９２９と加速電極９３２の間に加速電圧を印加する。この電位差に従って電子線９３１は引出電極９３０と加速電極９３２の間で加減速される。引出電極９３０と加速電極９３２はバトラーレンズ構造をもち、収差を低減する。なお、このバトラーレンズの集光作用によって電子線の放射各電流密度は増加する。この増加分は加速電圧と引出電圧の比に比例する。ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の仕事関数は従来のＷ−ＣＦＥ電子源よりも低いことから、必要な引出電圧は低くなる。この結果、バトラーレンズによる放射角電流密度の向上効果はより大きくなる。

その後、電子線９３１をコンデンサレンズ９３３によって集光し、絞り９３４によって使用する立体角を決める。さらに電子線９３１をコンデンサレンズ９３５と対物レンズ９３６で微小スポットに縮小し、図示していないスキャンコイルで走査しながら試料９３７に照射する。なお、対物レンズ９３６と試料９３７の間には減速電界を印加し、低加速観察時の空間分解能を向上する。電子線９３１を照射することで試料９３７からは二次電子が放出する。この二次電子を検出器９３８で検出することで試料像を取得し、これを表示器（表示部）９４３を介してユーザーに表示する。

ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源９２９には加熱電源９４４を接続し、加熱部９０３を通電加熱することで、ＣｅＢ_６＜３１０＞単結晶９０１を加熱できる。なお、加熱電源９４４や、引出電源９４１、加速電源９４２、検出器９３８、コンデンサレンズ９３３、コンデンサレンズ９３５、対物レンズ９３６、絞り９３４は制御器（制御部）９４５と接続しており、ユーザーが表示器９４３を介して動作条件を変更できる。例えば、表示器９４３を介して、加熱電源に対し、加熱温度、加熱時間、チップ製作時に取得された加熱温度に対応した電流、電圧、電力のいずれか、ないしはこれらの組合せ、または加熱強度を表すレベルを選択し、これらを入力することが可能である。また各機器の状態を常時モニタリングすることで、ユーザーの指示がなくともＳＥＭ全体を最適な状態に維持する。

図１５はＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を搭載したＳＥＭの観察手順を示すフローチャートである。ユーザーが観察を始める場合、まず清浄化プロセスＳ５１において、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の先端表面に吸着した残留ガスを除去する。次に電子線放出プロセスＳ５２において、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源から電子線を放出させる。電流検査Ｓ５３において電子線の電流量を測定し、あらかじめ定めた基準を満たせば試料観察Ｓ５４を開始する。基準を満たさなかった場合は、電子銃９２１内で表面再構成プロセスＳ５５を行い、電子源表面を初期状態に戻す。以下で各プロセスを説明する。

清浄化プロセスＳ５１において、ＣｅＢ_６＜３１０＞単結晶９０１を瞬間的に９００℃以上に加熱して、表面の吸着ガスを脱離する。図１６は、表面にガスが吸着したＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を加熱した後のＦＥＭ像である。この実験では、図２の表面制御プロセスを完了したＣｅＢ_６―ＣＦＥ電子源を一度大気中におき、再び真空容器内に入れて温度を変えて加熱し、ＦＥＭを行った。

図１６（ａ）に示すように、吸着表面のＦＥＭ像には対称性のあるエミッションパターンは得られず、パターンは明滅して常に変化した。図１６（ｂ）に示すように、８００℃で加熱したＦＥＭ像にも対称性のあるエミッションパターンは得られなかったが、図１６（ｃ）に示すように、９００℃で加熱したＦＥＭ像では図６（ｃ）の１１００℃で２分間加熱し、表面再構成を行った後と同様の｛３１０｝面と｛２１０｝面からの電子放出が再び得られた。また、吸着表面に比べて電界放出に必要な引出電圧は低減した。図１６（ｄ）に示すように、１０００℃で加熱したＦＥＭ像でも図１６（ｃ）と同様の対称性のあるＦＥＭ像が得られた。加熱温度をさらに上げ１５００℃以上にすると、エミッションパターンが崩れ始めた。この結果から、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の表面を清浄化するためには９００℃以上１４００℃以下で加熱すれば良いことがわかる。なお、吸着ガスは瞬間的に脱離することから、加熱時間は１秒、またはそれ以下でも良い。加熱時間を数分と長くすることもできるが、効果に違いはなかった。この９００℃以上１４００℃以下で数秒以下の加熱を断続的に行うことで、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の表面を清浄に保つことができ、仕事関数を一定にすることができる。

ユーザーが清浄化プロセスＳ５１を行う場合、表示器９４３に付属した入力部を介して任意の加熱条件を設定して入力できる。このときの設定量は、加熱温度や加熱時間、または電子源作製時に校正した電子源の温度に対応する通電電流、電圧、電力のいずれか、ないしはこれらの組み合わせなどがある。または、予め設定された加熱強度を表すレベルを選択しても良い。Ｗ−ＣＦＥ電子源では吸着ガスの脱離に２０００℃以上の加熱を必要としたが、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源では９００℃以上と低温で清浄化できることがわかった。この違いは材料と残留ガスとの結合エネルギーの差によるものであり、ＣｅＢ_６の方がＷと比べて結合エネルギーが小さいためである。また、９００℃以上の加熱はＣｅＢ_６表面の再構成を行うための温度も含む。従って、清浄化プロセスＳ５１を行うことで表面にＣｅを偏析させ、形状を修復する作用もある。なお、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源は、制御器によって加熱電源を制御することにより、断続的に９００℃以上１４００℃以下に加熱することができる。

特に超高真空中の残留ガスの主成分である水素とＣｅＢ_６との結合エネルギーは小さく、水素のみであるならば４００℃以上の低温加熱で脱離できた。そこで、ＳＥＭ観察中に断続的にＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を４００℃から７００℃に数秒間加熱することで、水素の吸着を最小限にし、表面の仕事関数の変化を少なくできる。また、この低温であれば表面の原子の移動も少なく電子線の特性は変化しない。また、数秒以下であるならば観察を邪魔することもない。この結果、ユーザーを煩わせることなく常に安定な電子線を得ることができる。なお、本処理はあらかじめ設定された加熱強度と実行時間、実行間隔のスケジュールに基いて自動的に実行することも可能である。

電子線放出プロセスＳ５２では、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源９２９と引出電極９３０との間に引出電圧を印加することで電子線を電界放出させる。

電流検査Ｓ５３では、絞り９３４などで電子線の電流量を測定し、予め定めた基準を満たすか検査する。この基準は、例えば前述の放射角電流密度ＪΩとトータル電流Ｉｔとの比が６以上であることや、ある引出電圧に対するトータル電流とプローブ電流量、引出電圧の変化に対するこれら電流量の変化率、これら電流の時間変化などを用いる。電子線の電流量がこの基準を満たさない場合、電子源の表面状態に異常があると判断できる。そこで、電子銃９２１内で表面再構成プロセスＳ５５を再び行い、再度、電子源表面に電子放出面を形成する。表面再構成プロセスＳ５５は図２で説明した表面再構成プロセスＳ１３と同様である。例えば、電子源表面に残留ガスのイオンが衝突し、スパッタリングされて表面形状が変化した場合でも、この表面再構成プロセスＳ５５を行うことで、ファセットの成長が起こり、原子構造を初期状態に戻すことができる。また、Ｃｅが再び表面に偏析することで低い仕事関数の表面が得られる。なお、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源は、制御器によって加熱電源を制御することにより、７００℃以上１４００℃以下、望ましくは１０００℃以上１４００℃以下に制御することができる。

試料観察Ｓ５４で、ユーザーは任意の試料の観察や分析を行う。

以上図１４から図１６で説明したＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を搭載したＳＥＭを用いることで、優れた特性をもつ電子線を再現性良く得ることができ、低加速観察時でも高い空間分解能を安定して得ることができる。

なお、ＳＥＭに搭載するＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源９２９は、事前にその他の真空容器内において図２で示した先端成形プロセスＳ１２までを行ったものでも良い。この場合、表面再構成プロセスＳ１３をＳＥＭ内で行い、電子放出面を形成する。ＳＥＭ内でパターン検査Ｓ１５は行えないことから、図１５に示した電流検査Ｓ５３を用いて、電子放出面が形成できたかを判断する。先端成形プロセスＳ１２までを行った電子源を搭載することで、表面にＢが露出した電子源を大気中で輸送することになり、表面のＣｅが酸化されるのを防ぐことができる。この結果、Ｃｅが酸化されなくなることから、ＳＥＭ内で表面再構成することでＣｅの偏析が容易に行えるようになる。

以上本実施例によれば、ＣＦＥ電子源にＣｅＢ_６を用いて低加速観察する場合であっても、高い空間分解能を安定して得られる電子線装置を提供することができる。また、ＣＦＥ電子源の温度が所定の温度（例えば、７００℃以上１４００℃以下）となるように加熱電源を制御する制御器を備えることにより、電子線装置内で表面再構成を行うことができる。

本発明の実施例２に係る、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を搭載したＳＥＭについて説明する。なお、実施例１に記載され本実施に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。本実施例では図１７から図１８を用いて、電子銃内でＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源の先端成形プロセスと表面再構成プロセスを行うＳＥＭを説明する。本構成を用いることで、電子源に重度の異常があった場合でも電子源を交換することなく、電子放出面を再形成し、観察を再開できる。

図１７は本実施例の電子銃内で先端成形プロセスを行うＳＥＭの概略構成断面図である。実施例１の図１４で示したＳＥＭの構成と異なり、加速電源９４２に代えて正極と負極の両極を切り替えて印加できる両極電源９６１を備える。その他に、ＮＥＧポンプ９２５にＮＥＧ加熱電源９６２を接続し、制御器９４５でＮＥＧポンプ９２５を加熱制御できる。

ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源９２９を誤って１６００℃以上に加熱した場合、図６（ｈ）のＦＥＭ像で示したように表面の蒸発が起こり、電子線の再現性がなくなる。この電子源から再現性の良い電子線を再び得るためには、電子源に図２で示した表面再構成プロセスＳ１３を行うのみでは不十分なことが多く、先端成形プロセスＳ１２も行う必要がある。そこで、本実施例では電子銃内で先端成形プロセスを行えるようにし、電子源表面に重度の異常があった場合でも、その場で電子放出面を修復する。

図１８はＳＥＭ内で電子放出面の再形成を行うフローチャートである。電子源の異常が確認された場合、先端成形プロセスＳ７１で電界蒸発を行い、電子源先端を球状に成形する。次に、表面再構成プロセスＳ７２で電子源の加熱を行い、表面にＣｅを偏析させて｛３１０｝面に電子放出面を形成する。次に、電子線放出プロセスＳ７３で電子源から電界放出させ、電子線を放出する。電流検査Ｓ７４で電子線の電流を測定し、基準を満たせば試料観察Ｓ７５を行う。基準を満たさなかった場合、表面再構成プロセスＳ７２を再び行う。以下で各プロセスを説明する。

電子源の異常は、電界放出させた電子線の電流が予め定めた基準を満たさず、表面再構成プロセスを複数回行っても基準を満たさなかった場合などに相当する。異常の判断基準はＪΩ／Ｉｔ＞６を満たさないことや、引出電圧に対するトータル電流やプローブ電流量が規定した範囲外になること、引出電圧の変化に対するこれら電流の変化率が規定した範囲外になること、これら電流の時間変化の割合が規定した範囲外になることなどがある
先端成形プロセスＳ７１では図１７で示した電子銃９２１内でＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源９２９の電界蒸発を行う。そのために、まず、ＮＥＧ加熱電源９６２を用いてＮＥＧポンプ９２５を加熱し、ＮＥＧポンプ９２５が吸蔵している水素を放出させる。このときの加熱温度と銃内の圧力との関係は事前に校正しておき、銃内の圧力を１０^−５Ｐａから１０^−２Ｐａ程度まで上昇させる。

次に、両極電源９６１を用いて、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源９２９と引出電極９３０間に電圧を印加する。このとき、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源９２９が正極となり、その先端表面には＋数十Ｖ／ｎｍの電界をかける。この結果、表面の電界蒸発が起こり、電子源表面に生じた凹凸や歪み、または加熱では除去できない不純物などを取り除いて球状に成形する。このときの印加電圧と電界蒸発の速度は事前に校正しておき、最適な電圧を印加する。電圧の印加条件は、装置に記録されたチップ製造時の電界蒸発電圧値を基準に、定められた上限値をもつ電圧を段階的に加算して印加することで行う。さらに望むべくは印加される電圧はパルス状とし、蒸発速度を制御することで電子源先端を最適形状にする。

ここで、電子銃９２１内に水素を導入したことで、電界蒸発に必要な印加電圧が低減する。これは水素が電子源表面に化学的な作用をし、電界蒸発させやすくするためである。印加電圧が低減できることから、電子銃９２１内の耐電圧の仕様を低く出来る利点がある。

ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源９２９の電界蒸発の終了後、ＮＥＧポンプ９２５の加熱を止め、電子銃９２１を再び１０^−８Ｐａ以下に排気する。

なお、導入するガスは水素以外の活性ガスでも良い。これらのガスの導入は、電子銃９２１にこれらのガスを封入した高圧ボンベを取り付け、バリアブルリークバルブを介して導入することで実現できる。

その他に、導入ガスはＨｅやＮｅ、Ａｒなどの不活性ガスでも良い。これらのガスは電界蒸発に必要な電圧を下げる効果はないが、不要な放電を防ぐ利点がある。また、電界蒸発は真空中でも行うことができる。この場合、ＮＥＧポンプ９２５の加熱は不要となる。

表面再構成プロセスＳ７２ではＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を電子銃内で一定時間加熱することで｛３１０｝面にＣｅを偏析させ、電子放出面を形成する。そのプロセスは、図２に示す表面再構成プロセスＳ１３と同様である。

電子線放出プロセスＳ７３は図１７で示した引出電源９４１を用いて、ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源９２９と引出電極９３０との間に引出電圧を印加することでＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源９２９から電子線９３１を電界放出させる。

電流検査Ｓ７４では、絞り９３４などで電子線９３１の電流量を測定し、予め定めた基準を満たすか検査する。この基準は、図１５の電流検査Ｓ５３と同様である。電子線の電流量がこの基準を満たせば、ユーザーは試料観察Ｓ７５を開始する。これにより、優れた特性をもつ電子線を再現性良く得ることができ、低加速観察時でも高い空間分解能を安定して得ることができる。電子線の電流量がこの基準を満たさない場合、電子源表面の電子放出面の形成が不十分であると判断できる。そこで、電子銃９２１内で表面再構成プロセスＳ７２を再び行い、再度、電子源表面に電子放出面を形成する。

なお、本実施例では、電子銃内で先端成形プロセスを行えることから、事前に図２で示した先鋭化プロセスＳ１１までを行った電子源を搭載し、電子銃内で初めて残りの先端成形プロセスＳ１２以降の表面制御プロセスを行うこともできる。この場合、事前に表面制御プロセスを行うためのその他の真空容器を設けなくて良く、製造コストを低減できる利点がある。

以上、図１７から図１８で説明したＳＥＭを用いることで、電子源に重度の異常があった場合でも電子源を交換することなく、電子放出面を再形成し、観察を再開できる。なお、実施例１と実施例２はＳＥＭへの搭載例を示したが、その他の、例えば、ＴＥＭやＳＴＥＭ、ＦＩＢ−ＳＥＭ、電子線露光装置などの電子線装置にＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源を搭載することで、これら装置の性能も向上できる。

本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、電子源が電界蒸発するように両極電源を制御する制御器を備えることにより、電子線装置内で先端成形を行うことができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

９０１…ＣｅＢ_６＜３１０＞単結晶、９０２…保持部、９０３…加熱部、９０４…加熱電極、９０５…絶縁部、９０６…ピン、９２１…電子銃、９２２…カラム、９２３…試料室、９２４…イオンポンプ、９２５…ＮＥＧポンプ、９２６…イオンポンプ、９２７…イオンポンプ、９２８…ターボ分子ポンプ、９２９…ＣｅＢ_６−ＣＦＥ電子源、９３０…引出電極、９３１…電子線、９３２…加速電極、９３３…コンデンサレンズ、９３４…絞り、９３５…コンデンサレンズ、９３６…対物レンズ、９３７…試料、９３８…検出器、９４１…引出電源、９４２…加速電源、９４３…表示器（表示部）、９４４…加熱電源、９４５…制御器（制御部）、９６１…両極電源、９６２…ＮＥＧ加熱電源、Ｓ１１…先鋭化プロセス、Ｓ１２…先端成形プロセス、Ｓ１３…表面再構成プロセス、Ｓ１４…電子線放出プロセス、Ｓ１５…パターン検査、Ｓ５１…清浄化プロセス、Ｓ５２…電子線放出プロセス、Ｓ５３…電流検査、Ｓ５４…試料観察、Ｓ５５…表面再構成プロセス、Ｓ７１…先端成形プロセス、Ｓ７２…表面再構成プロセス、Ｓ７３…電子線放出プロセス、Ｓ７４…電流検査、Ｓ７５…試料観察。

Claims (15)

1. 冷陰極電界放出電子源を備えた電子線装置において、
   前記冷陰極電界放出電子源の電子線の放出部はＣｅの六硼化物であり、前記六硼化物は｛３１０｝面から電子線を放出し、前記｛３１０｝面の前記Ｃｅの原子数は、前記｛３１０｝面の六個の硼素からなる硼素分子数よりも多いことを特徴とする電子線装置。
   
2. 請求項１に記載の電子線装置において、
   前記六硼化物の｛２１０｝面と｛２１１｝面にはファセットが形成されていることを特徴とする電子線装置。
3. 請求項１に記載の電子線装置において、
   前記{３１０}面は、柱状の前記六硼化物の先端が電解研磨で先鋭化された後、電界蒸発、加熱されて形成されていることを特徴とする電子線装置。
4. 請求項３に記載の電子線装置において、
   前記六硼化物の加熱温度は、７００℃以上１４００℃以下であることを特徴とする電子線装置。
5. 請求項１に記載の電子線装置において、
   前記冷陰極電界放出電子源を加熱する加熱電源と、
   前記冷陰極電界放出電子源を断続的に９００℃以上１４００℃以下の温度となるように前記加熱電源を制御する制御部と、を更に有することを特徴とする電子線装置。
6. 請求項３に記載の電子線装置において、
   前記冷陰極電界放出電子源を加熱する加熱電源と、
   前記加熱電源に対し、加熱温度、加熱時間、チップ製作時に取得された加熱温度に対応した電流、電圧、電力のいずれか、ないしはこれらの組合せ、または加熱強度を表すレベルを選択し、これらを入力する表示部と、を更に有することを特徴とする電子線装置。
7. 請求項１に記載の電子線装置において、
   前記｛３１０｝面の表面の全原子数のうち前記Ｃｅの原子数の割合が３３％以上であることを特徴とする電子線装置。
   
8. 冷陰極電界放出電子源を備えた電子線装置において、
   前記冷陰極電界放出電子源の電子線の放出部はＣｅの六硼化物であり、
   前記六硼化物の｛３１０｝面を含む面から放出される電子線のエネルギー分布の半値全幅は、０．２７ｅＶ以下であることを特徴とする電子線装置。
   
9. 請求項８に記載の電子線装置において、
   前記六硼化物の｛２１０｝面と｛２１１｝面にはファセットが形成されていることを特徴とする電子線装置。
10. 請求項８に記載の電子線装置において、
    前記{３１０}面は、柱状の前記六硼化物の先端が電解研磨で先鋭化された後、電界蒸発、加熱されて形成されていることを特徴とする電子線装置。
11. 請求項１０に記載の電子線装置において、
    前記六硼化物の加熱温度は、７００℃以上１４００℃以下であることを特徴とする電子線装置。
12. 冷陰極電界放出電子源を備えた電子線装置において、
    前記冷陰極電界放出電子源の電子線の放出部はＣｅの六硼化物であり、
    前記六硼化物の｛３１０｝面を含む面から放出される電子線の放射角電流密度ＪΩ（μＡ／ｓｒ）と、前記冷陰極電界放出電子源が放出する全電流量Ｉｔ（μＡ）との比ＪΩ／Ｉｔが６以上であることを特徴とする電子線装置。
    
13. 請求項１２に記載の電子線装置において、
    前記六硼化物の｛２１０｝面と｛２１１｝面にはファセットが形成されていることを特徴とする電子線装置。
14. 請求項１２に記載の電子線装置において、
    前記{３１０}面は、柱状の前記六硼化物の先端が電解研磨で先鋭化された後、電界蒸発、加熱されて形成されていることを特徴とする電子線装置。
15. 請求項１４に記載の電子線装置において、
    前記六硼化物の加熱温度は、７００℃以上１４００℃以下であることを特徴とする電子線装置。

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