JPH02297852A - 荷電粒子ビーム発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、電子ビーム露光装置、電子顕微鏡。

イオンビーム露光装置などに組み込まれる装置、特に、
電界放出型電子銃および熱電界放出型電子銃への適用に
好適な荷電粒子ビーム発生装置に関するものであり、さ
らに詳しくは、利用できるビーム放出角を輝度を低下さ
せずに大きくし、ビーム電流の利用効率を向上させるこ
とのできる荷電粒子ビーム発生装置に関するものである
。

［従来の技術ｌ ＬＳＩ製造工程において微細バタンを描画する電子ビー
ム露光装置においては、描画分解能と描画速度を向上さ
せるため、電子銃の輝度の向上が要求されている。また
電子顕微鏡においても、観察分解能の向上のため、電子
銃の輝度向上が要求されている。

電子銃の輝度Ｂは、エミッタから放出されるビームの角
度電流密度（単位立体胸当たりの電流）工゛、収差を考
慮したビーム放出源の半径ｒ、ビーム放出角（半開き角
）Ｓを用いて、以下のように表わされる。

Ｂ＝Ｉ′／πｒ　”　　　　　　　　　　　　　（１）
ｒ　＝　［ｒ＋”　＋　（０，２５Ｃ＊ｓ”）”＋　（
０，５Ｃｃｓ△Ｖ／Ｖ、）”＋（０，６え／ｓ）”］　
　””　　　　　　　　　　　（２）ここで、ｒｏは収
差を無視したときのビーム放出源の半径、Ｃ，は電子銃
の球面収差係数（物面換算）　、　Ｃｅは電子銃の色収
差係数（物面換算）、△Ｖは電子ビームのエネルギ分散
、■、はビーム加速電圧、えは加速電圧Ｖ、における電
子の波長である。式（１）および（２）より、輝度Ｂを
高めるためには、■収差を無視したときのビーム放出源
の半径ｒ０を小さくすること、■球面収差係数Ｃ，，色
収差係数ｃｃを小さくすること、が必要なことがわかる
。このため、先端が尖った電界放出型エミッタ、および
熱電界放出型エミッタと、収差係数の小さい磁界レンズ
を組み合わせた電子銃が、電子ビーム発生装置として使
われ始めている。

磁界レンズを備えた電界放出型の荷電粒子ビーム発生装
置の第１の例として、エム、トロイヨン（Ｍ、Ｔｒｏｙ
ｏｎ）　Ｖ前段加速磁界レンズを組み込んだ高電流効率
電界放出電子銃（Ｈｉｇｈ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｅｆｆｉ
ｃＬ−ｅｎｃｙ　ｆｉｅｌｄ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｇｕ
ｎ　ｓｙｓｔｅｍ　　ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔ−ｉｎｇ　
ａ　ｐｒｅａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ　ｍａｇｎｅｔｉｃ
　１ｅｎｓＪｌ　　［オブテーク（Ｏｐｔｉｋ）５７．
ＮＯ，３（１９８０）４０１ベージ］に掲載されている
電子銃を第１３図に示す。排気口２を通し、図示しない
排気系によって高真空に排気可能な鏡筒１内に電子銃が
収容されている。電子銃は先端の尖ったタングステンチ
ップで形成されたエミッタ３と、第１陽極５．コイル６
およびボールピース７から構成される磁界レンズ４およ
び第２陽極８を具えている。この例では鏡筒の内面は磁
気シールド９で覆われている。

エミッタ３に所望の電圧−Ｖ、　（負の値）を印加し、
第１陽極５およびボールピース７に電圧−Ｖ、＋Ｖ、　
（以下、ｖｏを引出し電圧と呼５）を印加することによ
り、エミッタ３の先端から電子ビームｌＯが電界放出さ
れる。第２陽極８は接地されており、第２陽極８とエミ
ッタ３の電位差■、がビーム加速電圧となる。第１陽極
５およびボールピース７は磁性体で形成されており、コ
イル６に電流ＮＩを流すことにより第１陽極５とボール
ピース７の間に集束磁界が生じる。この集束磁界により
電子ビームｌＯをボールピース７と第２陽極８の中間に
集束させる。加速電圧Ｖ、＝９０ｋＶ、引出し電圧Ｖ、
　＝　１．８５ｋＶ、　Ｄイル電流ＮＩ　＝　３８０Ａ
Ｔにおいて、この電子銃の球面収差係数Ｃ１は２ｍｍ　
、色収差係数ｃｃは１．３ｍｍであり、この値は現在実
現されている電界放出型電子銃の収差係数の下限に近い
値である。

前記第１の従来例の、磁界レンズを備えた電界放出型電
子銃のボールピースとエミッタの配置関係、および光軸
上の磁束密度分布を第１４図に模式的に示す。１１はボ
ールピース７とコイル６とで形成されるレンズの主面を
、曲線１３は光軸１２上の磁束密度を、示す。この従来
の電子銃では、ボールピース７の内径は上部から下部ま
で一様であり、エミッタ３はボールピースの二つの端面
７Ａと７Ｂが形成する空間であるギャップの上部、換言
すると上側の端面７Ａより上部にある。このような従来
の電子銃においては、磁束密度の最大値の位置はギャッ
プの中央であり、磁束密度の分布は対称分布となる。こ
のような構成では、レンズの主面１１はギャップのほぼ
中央に位置し、電子ビームＩＯは図示するように集束さ
れる。

電子銃において、一般に、物面換算した球面収差係数は
エミッタ先端とレンズ主面との距離ａが短いほど小さく
なる。第２図の電子銃においては、距離ａが小さいほど
球面収差係数Ｃ８が小さくなる。しかし、この第２図の
電子銃においては、エミッタ３をボールピースの端面７
Ａより上に配置しているため、距離ａをボールピース７
のギャップ長すの半分程度にしか短か（できない。この
ため球面収差係数０８を低減することにも限界があった
。

次に磁界レンズを備えた電界放出型の荷電粒子ビーム発
生装置の第２の従来例として、特開昭５１−８４５６８
号に記載されている電界放出型電子銃を第１５図に示す
。また、この電子銃中の電子ビーム軌道を第１６図に示
す。図中、第１３図上よび第１４図と同一符号は同−構
成例を示す。第１５図において、符号７ａ、　７ｂはボ
ールピースを示し、１４ａは引出し電極を示し、１４ｂ
は陽極を示す。引出し電極１４ａと陽極１４ｂとで静電
レンズを構成している。

第１６図において、符号１１ａは磁界レンズの主面を示
す。エミッタ３が磁束密度分布１３のピークより上に配
置された場合、主面１１ａは磁束密度分布１３のほぼピ
ークの位置に形成される。符号１１ｂは静電レンズの主
面、ｌｌｃは磁界レンズと静電レンズの合成されたレン
ズの主面である。エミッタ３から放射状に放出された電
子ビームｌＯは磁界レンズの集束作用により光軸１２と
平行に進むようになり、引出し電極１４ａの孔に導かれ
る。引出し電極１４ａを通った電子ビーム１０は静電レ
ンズの集束作用により集束点１０ａに集まる。この電子
銃では、エミッタ３近傍の磁界により放射状に広がる電
子ビームを抑制し、放出電流の大部分を静電レンズに導
くことができる。

第１６図に示すように、この第２の従来例の荷電粒子ビ
ーム発生装置では、放射状に出た電子ビームｌＯを光軸
１２に平行にする機能を磁界レンズに持たせている。こ
のため磁界レンズと静電レンズの合成されたレンズの主
面１１ｃは、磁界レンズの主面１１ａと静電レンズの主
面１１ｂのほぼ中央に形成される。一方、エミッタ３は
磁束密度分布１３のピーク（すなわち、主面１１ａ）よ
り上に配置されている。このため、エミッタ３と主面１
１ｃとの距離ａは主面１１ａと主面１１ｂとの距離の半
分程度にしか短（できない。前記したように、一般に、
物面換算した球面収差係数はエミッタ３とレンズ主面１
１ｃとの距離ａが短いほど小さくなる。しかし、この第
２の従来例の荷電粒子発生装置では、ビームの集束機能
を磁界レンズと静電レンズに分散させており（主に静電
レンズが担っている）、また、エミッタ３が磁束密度分
布のピークより上方のすそ部分に配置されており、その
結果、エミッタ３とレンズ主面１１ｃとの距離ａを短く
できず、前記第１の従来例と同様に球面収差Ｃ３を低減
できないという問題があった。

さらに、磁界レンズを備えた電界放出型の荷電粒子ビー
ム発生装置の第３の従来例として、Ｕｎｉｔｅｄ　５ｔ
ａｔｅｓ　Ｐａｔｅｎｔ　４３１５１５２に記載されて
いる電子ビーム装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｂｅａｍ　ａ
ｐｐａｒａｔｕｓ。

Ｋｅｎｎｅｔｈ　Ｃ，Ａ、Ｓｍ１ｔｈ、Ｎａｔｉｏｎａ
ｌ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　Ｄｅｖｅｌｏｐ−ｍｅｒ＋ｔ　
Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、Ｌｏｎｄｏｎ、Ｅｎｇｌａｎ
ｄ）を第１７図に示す、また、この第１７図の構造から
導かれる電子ビーム軌道を第１８図に示す。図中、第１
３図ないし第１６図と同一符号は、同一構成物を示す、
この電子ビーム装置は、エミッタ３の下方近傍に引出し
電極１４ａと２つの陽極１４ｂとからなる静電レンズが
設けられ、この静電レンズのさらに下方にコイル６とモ
ノボール型のボールピース７とを有してなる磁界レンズ
が設けられている構造の装置である。この構造から、磁
界レンズの主面１１はモノボール型のボールピース７の
ほぼ上端面に位置し、この磁束密度分布のピーク上方は
なだらかな形状となり、そのすそ端はエミッタ３のやや
上方に位置することになる。従って、この電子ビーム装
置において、エミッタ３は磁束密度分布のなだらかに推
移するピーク上方のすそ部分に位置する。これはエミッ
タ３とボールピース７との間に引出し電極１４ａ（静電
レンズ）がある構造から導かれるもので、この構造のた
めにエミッタ３とレンズ主面１１との距離ａが長くなっ
てしまっている。

一方、以上述べてきた従来の荷電粒子ビーム発生装置に
おいて、エミッタ３にジルコニウムタングステン熱電界
放出型チップを用いる場合、以下のような問題点が生じ
る。すなわちジルコニウムタングステン熱電界放出型チ
ップは、ディ、ダブリュ、タグル、およびエル、ダブリ
ュ、スワンソン（Ｄ、Ｗ、Ｔｕｇｇｌｅ　ａｎｄ　Ｌ、
Ｗ、Ｓｗａｎｓｏｎ）　ｒ　Ｚ　ｒ　ＯＺＷ熱電界型電
子源の放出特性（Ｅｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒ
ｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＺｒＯ／Ｗ　ｔｈｅｒｍ
ａｌ　ｆｉｅｌｄｅｌｅｃｔｒｏｎ　５ｏｕｒｃｅ）　
Ｊ　　［ジャーナル　オブ　バキューム　サイエンス　
アンド　テクノロジーＢ３（Ｊ、　Ｖａｃ、　Ｓｃｉ、
　Ｔｅｃｈｎｏｌ、　Ｂ３）、　Ｎｏ、　１（１９８５
）２２０ページ］に掲載されているように、放出角Ｓが
３５ｍｒａｄ以下の範囲で、角度電流密度のほぼ均一な
良好な電子放出特性が得られる。しかし従来の荷電粒子
ビーム発生装置では、球面収差係数０８が大きいため、
放出角Ｓの大きい領域で電子銃を使用すると電子銃の輝
度Ｂが著しく低下した。たとえば、第１３図に示した第
１の従来例の荷電粒子ビーム発生装置においてジルコニ
ウムタングステン熱電界放出型チップを用いた場合、電
子ビームの加速電圧■、を３０ｋＶ、エネルギ分散△Ｖ
を０．８ｅＶ　、角度電流密度■′を０．５ｍＡ／ｓｒ
、収差を無視したときのビーム放出源の半径ｒ０を０．
０１μｍ、球面収差係数０８を２ｍｍ　、色収差係数Ｃ
ｅを１　、３ｍｍとし、式（１）、　（２）を用いて放
出角Ｓと輝度Ｂとの関係を求めると、放出角Ｓが３５ｍ
ｒａｄのときの輝度Ｂは３０ＭＡ／ｃｍ”ｓｒとなり、
放出角Ｓが１５ｍｒａｄ以下のときの値に比べて１１５
に低下する。このため前記従来の荷電粒子ビーム発生装
置では、ビーム放出角Ｓが約１５ｍｒａｄ以下の範囲に
限られ、ジルコニウムタングステン熱電界放出型チップ
で利用できるビーム電流を十分活用できないという問題
があった。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は上述した従来の問題点、すなわち収差係数が大
きいこと、および放出角の大きい領域では輝度が著しく
低下することを改善し、収差係数が小さく、大きな放出
角でも輝度が高い荷電粒子ビーム発生装置を提供するこ
とを目的とする。

［課題を解決するための手段１ 前記目的に対し、本発明は、荷電粒子ビームを放出する
エミッタおよび、コイルと磁路な構成するボールピース
とを含む磁界レンズを有する荷電粒子ビーム発生装置に
おいて、前記磁界レンズによって形成される磁束密度分
布のピーク下方にエミッタの先端が位置するようにエミ
ッタが配置されていることを特徴とする。そのために、
本発明では、エミッタが上下２つの端面を有するボール
ピースの下端面寄りに配置されている構造となっている
。

また、本発明は、前記構成に加えて、前記コイルが環状
であり、前記ボールピースの上部の内径が前記エミッタ
を保持する機構より太き（、前記ボールピース下部の内
径が前記上部の内径より小さいことを特徴とする。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明するが、そ
の前に第１図および第２図を参照して本発明の詳細な説
明する。

第１図は本発明に係る装置におけるボールピースとエミ
ッタの配置および光軸上の磁束密度分布を示す模式図で
ある。

ボールピース１５の上部の内径ｐをエミッタ３の保持部
１６の外径ｑより大きくし、エミッタ３をボールピース
１５の作るギャップ（端面１５Ａと端面１５Ｂで挟まれ
た空間）の中の端面１５Ｂ寄りに配置している。また磁
束密度１７の最大点（ピーク）１７Ｍがボールピース１
５の作るギャップの中の端面１５Ｂ寄りにくるように、
ボールピース下部の内径ｔをボールピース上部の内径ｐ
に比べて小さくしている。エミッタ３の先端は、磁束密
度１７の最大点１７Ｍより下方に位置する。この状態で
コイル６の電流を第２図の場合に比べて大幅に増大させ
、磁束密度１７を大きくすると、レンズ主面１８はエミ
ッタ３のすぐ下に形成されるようになる。電子ビーム１
９は図示するように集束される。エミッタ３の先端と主
面１８との距離ａは、エミッタ３の先端とボールピース
１５の下部の、磁束密度１７が零になる面２０との距離
ｄを短（し、磁束密度１７を太き（すれば限り無（短く
することができる。

このように、本発明では、従来の電子銃においてはボー
ルピースのギャップのほぼ中央に形成されていた磁束密
度分布のピーク１７Ｍを、ギャップ（１５Ａと１５８に
挾まれた空間）のできるだけ下側に移動させ、同時にボ
ールピース１５の下端面１５Ｂより下への磁界のしみだ
しを極力抑えた。すなわち、磁束密度がボールピース１
５の下端面１５Ｂ付近で急激に減少するようにした。こ
の磁束密度分布の種々の位置にエミッタ３を配置したと
きの球面収差係数ＣＩ、色収差係数ｃｃ、および磁束密
度のピーク値Ｂｍの計算結果を第２１図に示す。計算に
は第３図の磁束密度分布を用い、ビーム１９の集束点１
０１が磁束密度のピーク１７Ｍから１００ｍｍの位置に
くるようにＢｍを設定した。エミッタ３の先端を磁束密
度分布の下方に配置するほど（Ｚｅが増大するほど）、
球面収差係数Ｃｍ、色収差係数ｃｃは減少し、磁束密度
のピーク値Ｂｍを大きく設定する必要が生じる。

エミッタの下方への移動に伴い、収差係数が減少するの
は、以下の理由による。すなわち、エミッタ先端３が磁
束密度のピーク１７Ｍより上方にあるとき、磁界レンズ
の主面１８は磁束密度のピーク１７Ｍ付近に形成される
。このためエミッタ先端３を磁束密度分布の下方に移動
させていくと、エミッタ先端３とレンズ主面１８との距
離ａは短くなり、収差係数が減少する。エミッタ先端３
がピーク１７Ｍより下方にあるとき、レンズ主面１８は
第１図に示すようにエミッタ先端３と磁束密度が零にな
る点２０との中間に形成される。エミッタ先端３を下方
に移動させていくと、エミッタ先端３と点２０との距離
ｄが短くなる。エミッタ３の先端と主面１８との距離ａ
は、距離ｄより小さいため、エミッタが下方へ移動する
のに伴い距離ａも減少し、収差係数が減少する。

エミッタの下方への移動に伴い、磁束密度のピークＢｍ
を大きくする必要があるのは以下の理由による。すなわ
ち、エミッタから放出された電子ビーム１９は、エミッ
タ３の先端から点２０までの領域で磁束密度１７に起因
する集束力を受け、その結果１点１０１に集束する。エ
ミッタを下方に移動させていくと、電子ビーム１９が集
束力を受ける距離ｄが短くなる。したがって、同一の点
１０１にビームを集束させるためには、強い集束力をビ
ームに与える必要がある。このため、磁束密度のピーク
Ｂｍを大きくする必要が生じる。

第２図より、収差係数を減少させるには、エミッタ３の
先端を下方へ移動させればよいことがわかる。しかしこ
れに伴い、磁界レンズのコイル電流を増大させて磁束密
度のピーク値Ｂｍを太き（する必要がある。従来の電子
銃では、電流増大に伴うコイルの発熱のため、磁束密度
のピーク値を１０−”Ｔ台か、それ以下にしか設定でき
なかった。

従って、エミッタ３の先端の位置は必然的に磁束密度の
ピークより上方に配置せざるを得なかった。本発明では
、コイルを銅バイブで形成し、その中に冷却水を流すこ
とによりコイルの温度上昇を防いだ。この結果、コイル
に大電流を流すことが可能となり、磁束密度のピーク値
Ｂ＋ｓを０．５Ｔまで増大させることができた。以上の
工夫により、エミッタ３の先端を磁束密度分布のピーク
１７Ｍより４ｍｍ下方に配置することができ、従来に比
べて収差係数を大幅に低減することが可能となった。

なお本発明において、第１図のように磁束密度分布のピ
ークをボールピースのギャップのできるだけ下側に移動
させ、同時にボールピースの下端面より下への磁界のし
みだしを極力抑えた理由は、これにより距離ｄ、走距離
を短くし収差係数を低減させるためである。

第４図に本発明を適用した電子銃の一実施例を示す、エ
ミッタ２１としてこの実施例ではジルコニウムタングス
テン熱電界型チップが用いられている。エミッタ２１は
フィラメント２２の尖端に取付けられ、フィラメント２
２はさらに絶縁碍子２３を貫通する端子電極２４に接続
されている。電極２４を介してエミッタ２１に電圧が印
加される。磁界レンズ２５は、環状のコイル２６、コイ
ル２６を囲み磁路を構成する第１のボールピース２７お
よび第１のボールピース２７と碍子２９によって電気的
に絶縁されてはいるが、磁気的に接続されて磁路な構成
する第２のボールピース２８を含んでいる。第１および
第２のボールピースは純鉄などの磁性体で作られている
。第１のボールピース２７の内径はサプレッサ電極３０
の保持板３１の外径より大きく、従ってエミッタ２１お
よびサプレッサ電極３０は磁界レンズ２５の内部に収容
される。磁気回路を構成する第１のボールピースの下端
面２７Ａと、第２のボールピースの端部上面２８Ａの間
に磁界が形成される。エミッタ２１はこれら両端面２７
Ａと２８Ａとの間に設置される。第２のボールピース２
８は第５図に示したように磁束密度最大の位置（ピーク
）がエミッタ２１に近づく（エミッタ２１の先端が磁束
密度ピーク４６Ｍの下方に位置する）ようにその内径を
前記第１のボールピース２７の内径よりも小さくしであ
る。

このように、本発明では、ボールピースの下部の内径（
第２のボールピース２８の内径）をボールピースの上部
の内径（第１のボールピース２７の内径）より小さくす
ることにより、磁束密度分布のピークをボールピースの
下端（第２のボールピース２８の端部上面２８Ａ）に近
づけると同時に、磁界のボールピース下方へのしみだし
を抑えている。

サプレッサ電極３０はエミッタ２１を包囲するように碍
子２３に取付けられ、かつ保持板３１によって保持され
ている。中心に細孔を有する引出し電極３２が、ねじ止
めまたは接着などの方法によって第２のボールピース２
８の中央部に固着されている。引出し電極３２の下方に
は中央に孔を有するレンズ電極３３が、さらにその下方
には中央に孔を有する接地電極３４が設けられている。

レンズ電極３３は絶縁碍子３５を介して鏡筒の外壁３６
に支持され、一方接他電極３４は直接外壁３６に支持さ
れてもよい。サプレッサ電極３０．保持板３１．引出し
電極３２．レンズ電極３３および接地電極３４はいずれ
もチタンなどの非磁性体で作られている。

コイル２６の下面はチタンなどの非磁性体で作られた真
空密閉板３７で覆われている。一方すブレツサ電極の保
持板３１は絶縁碍子３８を介してトッププレート３９に
支持されている。従って、第１のボールピース２７．第
２のボールピース２８．真空密閉板３７、碍子３８およ
びトッププレート３９は真空室を形成し、その内部を排
気孔４０を通して図示しない真空排気系によって高真空
に排気することができる。本実施例は、以上のように構
成され、内部にエミッタおよび磁界レンズを含む真空室
を鏡筒の外壁３６上に設置したものと言うこともできる
。チタンなどの非磁性体からできた支持体４１は後に説
明する磁気的な力による装置の変形または変位を防ぐた
めに第１および第２のボールピースの間に設けられてい
る。支持体４１には真空排気用の孔４１Ａがあけられて
いる。支持体４１と第１のボールピース２７とは絶縁碍
子４２によって電気的に絶縁されている。各絶縁碍子２
３，２９，３５．３８および４２はアルミナなとで作ら
れている。鏡筒の外壁３６およびトッププレート３９の
材質は磁性体でも非磁性体でもよいが、本実施例では非
磁性体を使用している。

例えば、エミッタ２１に一３０ｋＶ　、サプレッサ電極
３０ニー３０．３ｋＶ　、第２ボールピース２８および
引出し電極３２に一２５ｋＶが印加される。接地電極３
４は接地されている。レンズ電極３３には、後で説明す
るように、コイル２６に流す励磁電流に応じて０〜−２
６ｋＶの電圧が印加される。コイル２６には６０００〜
１２０００ＡＴの励磁電流を流す。第１ボールピース２
７、真空密閉板３７．鏡筒の外壁３６およびトッププレ
ート３９は接地されている。電子ビーム４３は、エミッ
タ２１と引出し電極３２の間に作られる電界により、エ
ミッタ２１の先端から引き出される。エミッタ２１の先
端付近には磁界レンズ２５によって作られる集束磁界が
形成されている。またエミッタ２１と接地電極３４の間
には、第２ボールピース２８および引出し電極３２、レ
ンズ電極３３、接地電極３４によって作られる集束電界
が形成されている。上記の集束磁界と集束電界の作用を
受け、電子ビーム４３は光軸４４上の集束点４５に集束
する。

磁界レンズ２５によって作られる光軸４４上の磁束密度
、およびエミッタ２１の磁束密度分布上での位置を前記
したように第５図に示した。磁束密度４６はコイル２６
にＮＩ＝１５００ＡＴの励磁電流を流したときの値であ
る。本実施例の装置では、第１ボールピース２７の内径
をサプレッサ電極の保持板３１の外径より太き（し、エ
ミッタ２１の先端を第１ボールピース２７と第２ボール
ピース２８の作るギャップ（端面２７Ａと端面２８Ａと
で挟まれた空間）の中の端面２８Ａ寄りに配置する構造
を取っている。また、第２ボールピース２８の内径を第
１ボールピース２７の上部の内径より小さくしている。

このため第５図に示すように、エミッタ２１の先端は磁
束密度の最大点（ピーク）４６Ｍの下方近傍にくる。ま
たコイル２６の励磁電流を従来の電子銃に比べて１０倍
以上太き（することにより、磁束密度４６を太き（して
いる０以上より、レンズ主面４７はエミッタ２１の先端
のすぐ下に形成され、球面収差係数を従来の電子銃のレ
ンズに比べて大幅に減少させることができる。たとえば
励磁電流を１１５００ＡＴにすると、球面収差係数Ｃ，
（物面換算）は０．７ｍｍ　、色収差係数Ｃｅ（物面換
算）は１．２ａｕｎとなり、第１３図に示した従来の荷
電粒子ビーム発生装置に比べ１色収差係数を増大させず
に球面収差係数を１／３に減少させることができる。

本発明においては、エミッタ２１とレンズ主面４７との
距離を短かくして球面収差係数を小さくするために、エ
ミッタ２１と磁界レンズ２５とを上述したように配置し
、さらに第２ボールピース２８の内径を小さくし、コイ
ル２６に大電流を流す。通常コイルに大電流を流すと、
コイルが発熱し、コイルおよびボールピースからのガス
放出により電子銃内の真空度が劣化する危険がある。し
かし、以下の構成によって防ぐことができる。すなわち
、第４図に示したように、ボールピースは、■コイルを
囲む部分２７と、■光軸に近い部分２８の少なくとも二
つに分割され、その間が電気的に絶縁されている。そし
てコイルを囲む部分は接地され、光軸に近い部分は、エ
ミッタからの電子放出に必要な電圧が印加できる。この
ようにボールピースが分割されているので、０リング４
８．４９．５０および５１を用いて完全にコイルと電子
銃内の真空室とを遮断できる。その結果、ボールピース
およびコイルが電気的に浮いている状態では実現困難で
あったコイルから出るガスの電子銃内への流入を防ぐこ
とができる。さらに大気中に露出されている第１のボー
ルピースが接地されているので、操作上の危険がなく、
かつ、装置の構造を簡単にできる。

第６図に２分割されたボールピースを有する本実施例の
磁界レンズにおけるボールピース近傍の磁力線の分布を
、第７図には比較のため、分割されていないボールピー
スを有する磁界レンズの磁力線の分布を示す。両図とも
エミッタ近傍での水平断面における磁力線分布を示した
ものである。

第６図に示した本実施例の装置の磁力線５３は、ギャッ
プ５２付近の空間を除いて、第７図に示したボールピー
スを分割していないときの磁力線５４と同じ分布をして
いる。すなわち光軸４４に近い空間、の磁束密度分布は
、ボールピースを分割した場合としない場合でほとんど
同じ分布となる。このためボールピースの分割はビーム
集束特性に悪影響を及ぼさない、ギャップ５２の長さを
第１ボールピース２７および第２ボールピース２８の厚
みの約１７５以下にすればコイル２６の励磁電流は、ボ
ールピースを分割していない装置の励磁電流に比べて８
％程度の増大に抑えることができる。ギャップ５２の位
置はギャップを横切る磁束の面密度を小さくする位置が
望ましく、さらに大気に露出されるボールピース部分が
全て接地電位とされる位置が好ましい、ギャップ５２の
長さは、第１および第２のボールピースの絶縁が保たれ
る範囲で短かいことが望ましく、ボールピースを３個以
上に分割して、各分割個所の耐圧を低くすることも好ま
しい、ボールピース間の絶縁にはアルミナなどの絶縁碍
子が用いられるが、°単にボールピースを分離固定し、
ギャップを真空空間として絶縁することもできる。引出
し電極３２へは第２のボールピース２８を経由して電界
が印加されるが、ボールピースが３個以上に分割される
場合は、その最内側のボールピースを経由して電界が印
加されることは当然である。このようにして、コイル２
６の励磁電流を増大させずにボールピースが２つまたは
それ以上に分割されている磁界レンズ２５を実現できる
。このため、第１ボールピース２７を接地することがで
き、第１ボールピース２７と真空密閉板３７との間の真
空密閉が可能となる。これによりコイル２６の脱ガスの
電子銃内への流入を防止することができ、コイル２６に
１００ＯＯＡＴ以上の大電流を流すことが可能となる。

なお、ボールピースを分割して、大気中に露出する部分
を接地電位とすることは、エミッタが磁気レンズの上部
に配置されている従来の装置に対しても、操作の安全性
、装置構造の簡単化の観点から有効である。

第８図にコイル２６の断面を示す。コイル２６は銅パイ
プ５５で形成している。５６は銅パイプで囲まれた空間
である。銅バイブの吸水口５７に冷却水の水を注入し、
空間５６を通った水は排水口５８から出る。銅バイブ５
５から発生する熱は、バイブ中を通る水を通してバイブ
外に放出されるため、コイル２６の温度はほとんど上昇
しない。たとえばコイル２６に１２０００ＡＴの励磁電
流を流した場合、コイル２６の温度上昇は１０℃以下と
なる。そのため、従来の電子銃のレンズに比べて１０倍
以上大きい励磁電流をコイル２６に流すことができる。

上述したボールピースの構造に加え、コイルを銅バイブ
で形成し、バイブの中に冷却水を流すことにより、ビー
ムを集束するために必要な強磁界を発生させることが可
能となった。なお、コイル２６を銅でなく、アルミニウ
ムなど、他の導電性かつ熱伝導性バイブで形成できるこ
とは当然である。さらに冷却用媒体として、液体窒素な
ど、水辺外の媒体を用い得ることも当然である。

本実施例の装置では、第２のボールピース２８と引出し
電極３２で形成される電極、レンズ電極３３および接地
電極３４により、電子ビーム４３を集束する静電レンズ
が形成されている。この構成では、通常はビーム集束機
能を磁界レンズ２５が担当し、上記静電レンズはビーム
の集束位置を調整する機能のみを担っている。しかし、
本構成でズームレンズを実現しようとする場合には、前
記静電レンズの強さを、磁界レンズ２５の強さに応じて
調整することにより、電子ビーム４３の集束点４５の位
置を変えずにレンズの倍率Ｍ２球面収差係数Ｃａｒ色収
差係数ｃｃを変化させることができる。すなわち本実施
例の装置では、上記静電レンズと磁界レンズ２５を組み
合わせることにより、ズームレンズを実現している。励
磁電流Ｎｌを所定の値に設定し、集束点４５の位置を固
定するようにレンズ電極３３の電圧ｖＬを調整したとき
の、ズームレンズの倍率Ｍ１球面収差係数Ｃ□色収差係
数ｃｃ、レンズ電極電圧■。

を第９図に示す。励磁電流ＮＩが６０００〜１１５００
ＡＴの範囲で、球面収差係数は約２倍変化する。式（２
）より、ビーム放出角Ｓが大きいときのビーム放出源の
半径ｒは球面収差係数Ｃ１に比例する。このため本実施
例の装置においては、ビーム集束点４５の位置を固定し
たまま、励磁電流ＮＩによってビーム放出源の半径ｒを
制御することが可能となる。これにより、ビーム集束点
４５の位置を変えずに電子銃の輝度Ｂ、エミツタンス２
ｓ−ｒの制御が可能となり、本実施例の装置が接続され
る電子光学系（対物レンズなど）の構造の自由度を増大
させることができる。

本実施例の装置では、コイル２６に約１００００ＡＴの
励磁電流を流すため、第１ボールピースの端面２７Ａと
第２ボールピースの上端面２８Ａとの間に約３００ｋｇ
の磁気的引力が働（。この力による装置の変形または変
位を防ぐために、第１ボールピース２７と第２ボールピ
ース２８との間に非磁性体の支持体４１が配置されてい
る。支持体４１の構造の一例を第１Ｏ図に示す。支持体
４１は光軸４４を中心軸とした円筒形状をしており、そ
の側面に真空引き用の孔４１Ａが開けられている。孔４
１Ａを介して、真空ポンプの引き口４０からエミッタ２
１付近を真空に排気することができる。本実施例の装置
では、以上の構造を取ることにより、高励磁電流下でも
ボールピースを破壊せず、かつエミッタ部分を超高真空
に真空排気することが可能となる。支持体４■の断面形
状が多角形である筒など、円筒形状以外でよ（、孔４１
Ａの形状が図示したように４角形に限られず、その数が
図示した３個に限られないことは言うまでもない。さら
に１個の有孔筒状の支持体でな（，３個以上の柱状体を
第１のボールピースと第２のボールピースの間に設け、
上述した磁気的な力に対抗させることができることも明
らかである。

第１Ｏ図に示した本発明の実施例の装置の、ビーム放出
角Ｓと輝度Ｂとの関係を第１１図に曲線ａで示す。ここ
で電子ビームの加速電圧Ｖ、は３０ｋＶ、エネルギ分散
△Ｖは０．８ｅＶ　、角度電流密度Ｉ′は０、５ｍＡ／
ｓｒ、収差を無視したときのビーム放出源の半径ｒ０は
０．０１μｍとした１曲線すは同じ条件における第１３
図に示した従来例の特性である。放出角ｓ　＝　３５ｍ
ｒａｄにおいて、本発明の実施例の装置の輝度Ｂは、従
来の装置に比べて３倍大きい。また放出角ｓ　＝　５０
ｍｒａｄ以上においては、６〜７倍大きい。

第１２図に本発明の荷電粒子ビーム発生装置の他の実施
例における磁束の分布を示す。本実施例はサプレッサ電
極５９を磁性材料で形成したものである。図には磁界レ
ンズとサプレッサ電極のみが示され、他の構成部分は図
示を省略しである。サプレッサ電極５９が磁性体で作ら
れているので、磁束６０はサプレッサ電極まで延びてい
る。そのためにサプレッサ電極５９が包囲しているエミ
ッタ近傍に磁位勾配が生じる。サプレッサ電極５９の形
状を選ぶことによって、この磁位勾配を制御し、収差係
数をさらに小さくすること、あるいはコイル２６に流す
電流を小さくすること、ができる、第１θ図に示したサ
プレッサ電極の保持板３１の少なくとも一部に磁性体を
用いることによって磁場勾配を制御することも可能であ
る。

以上、エミッタから放出される荷電粒子ビームが電子ビ
ームの場合を例に本発明を説明してきたが、荷電粒子が
ガリウムイオンなど電子以外の場合にも本発明が成り立
つのは自明である。また、タングステン電界放出型チッ
プ、ランタンへキサポライド熱放出型チップなど、ジル
コニウムタングステン熱電界放出型チップ以外のチップ
でエミッタを形成した場合にも本発明が成り立つのは自
明である。磁界レンズとして常伝導磁界レンズでな（超
伝導レンズを用いた場合にも本発明が成り立つのは自明
であり、さらにコイルからの脱ガスを低減し、またガス
を電子銃内に流入させないための方法として、■コイル
を真空密閉する方法、■コイルに導電性のバイブを用い
、その中に冷却水を流す方法、のいずれか一つを実施し
た場合、コイルに超伝導物質を使用しコイルの発熱を押
さえた場合、コイルを囲む領域、あるいはコイルの内部
に、コイルとは別に冷却水を流すパイプを設置し、コイ
ル力〒らの発熱を押さえた場合にも本発明が成り立つの
は自明である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明に係る荷電粒子ビーム発生
装置は、エミッタをその先端が磁束密度分布のピークよ
り下側にくるように配置し、さらに、ボールピースの下
部の内径をボールピース上部の内径より小さくすること
により、磁束密度のピークをボールピースの下端に近づ
けると同時に、磁界のボールピース下方へのしみだしを
抑えたことを特徴としており、本発明によれば、利用で
きるビーム放出角を輝度を低下させずに大きくし、ビー
ム電流の利用効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の荷電粒子ビーム発生装置における光軸
上の磁束密度およびエミッタ配置を示す模式図、 第２＠は本発明の荷電粒子ビーム発生装置を説明するた
めのもので、磁束密度分布の種々の位置にエミッタを配
置したときの球面収差係数ＣＩ、色収差係数ｃｃ、およ
び磁束密度のピーク値Ｂｍの計算結果を示す特性図、 第３図は前記球面収差係数０．９色収差係数Ｃｃを算出
するのに用いた磁束密度分布図、 第４図は本発明の荷電粒子ビーム発生装置の実施例の断
面図、 第５図は本発明の詳細な説明するための光軸上の磁束密
度分布およびエミッタ配置を示す模式第６図は本発明の
実施例の荷電粒子ビーム発生装置におけるボールピース
付近の磁力線図、第７図はボールピースを分割しない場
合のボールピース付近の磁力線図、 第８図は本発明の荷電粒子ビーム発生装置の実施例のコ
イルの構造を示す断面図、 第９図は本発明の荷電粒子ビーム発生装置の実施例にお
ける球面収差係数ｃｍ、色収差係数ｃｅ、倍率Ｍ、レン
ズ電極電圧ＶＬの励磁電流依存性を示す特性図、 第１Ｏ図は支持体を示す斜視図、 第１１図は本発明の実施例の輝度特性を従来の荷電粒子
ビーム発生装置の輝度特性と比較して示す特性図、 第１２図は本発明の他の実施例の部分断面図。 第１３図は第１の従来例の荷電粒子ビーム発生装置の断
面図、 第１４図は第１の従来例の荷電粒子ビーム発生装置にお
ける光軸上の磁束密度およびエミッタ配置を示す模式図
、 第１５図は第２の従来例の荷電粒子ビーム発生装置の断
面図、 第１６図は第２の従来例の荷電粒子ビーム発生装置にお
ける光軸上の磁束密度およびエミッタ配置を示す模式図
、 第１７図は第３の従来例の荷電粒子ビーム発生装置の断
面図、 第１８図は第３の従来例の荷電粒子ビーム発生装置にお
ける光軸上の磁束密度およびエミッタ配置を示す模式図
である。 ｌ・・・鏡筒、 ３・・・エミッタ、 ４・・・磁気レンズ、 ５・・・第１陽極、 ６・・・コイル、 ７．１５・・・ボールピース、 ８・・・第２陽極、 １５Ａ、　１５Ｂ・・・ボールピースの端面、１７．４
６・・・磁束密度、 １７Ｍ、　４６Ｍ・・・磁束密度のピーク（最大点）、
１８、４７・・・レンズ主面、 ２１・・・エミッタ、 ２５・・・磁気レンズ、 ２６・・・コイル、 ２７・・・第１のボールピース、 ２８・・・第２のボールピース、 ３０・・・サプレッサ電極、 ３２・・・引出し電極、 ３３・・・レンズ電極、 ３４・・・接地電極。 ３６・・・鏡筒外壁、 ３７・・・真空密閉板、 ３８・・・絶縁碍子、 ３９・・・トッププレート、 ４１・・・支持体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）荷電粒子ビームを放出するエミッタおよび、コイル
   と磁路を構成するボールピースとを含む磁界レンズを有
   してなり、 前記磁界レンズによって形成される磁束密度分布のピー
   クの下方に前記エミッタの先端が位置するようにエミッ
   タが配置されていることを特徴とする荷電粒子ビーム発
   生装置。 ２）前記コイルが環状であり、前記ボールピースの上部
   の内径が前記エミッタを保持する機構より大きく、前記
   ボールピース下部の内径が前記上部の内径より小さいこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の荷電粒子
   ビーム発生装置。 ４）前記ボールピースが、互いに電気的に絶縁された２
   個以上の部分に分割されていることを特徴とする特許請
   求の範囲第２項に記載の荷電粒子ビーム発生装置。 ５）前記ボールピースの分割された少なくとも１つと、
   １つ以上の電極とから構成されてビームの集束点位置を
   調整する静電レンズを具備することを特徴とする特許請
   求の範囲第３項に記載の荷電粒子ビーム発生装置。 ６）前記ボールピースの分割された少なくとも１つと１
   つ以上の電極とから構成されてビームの集束点位置を調
   整する静電レンズを具備することを特徴とする特許請求
   の範囲第４項に記載の荷電粒子ビーム発生装置。 ７）前記コイルを内部に冷媒を流すようにした導電性か
   つ熱伝導性のパイプにより構成したことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載の荷電粒子ビーム発生装置。 ８）前記コイルを内部に冷媒を流すようにした導電性か
   つ熱伝導性のパイプにより構成したことを特徴とする特
   許請求の範囲第２項に記載の荷電粒子ビーム発生装置。 ９）前記コイルを内部に冷媒を流すようにした導電性か
   つ熱伝導性のパイプにより構成したことを特徴とする特
   許請求の範囲第６項に記載の荷電粒子ビーム発生装置。 １０）荷電粒子ビームを放出するエミッタおよび、コイ
   ルと磁路を構成するボールピースとを含む磁界レンズを
   有してなり、 前記コイルが環状であり、前記ボールピースの上部の内
   径が前記エミッタを保持する機構より大きく、前記ボー
   ルピース下部の内径が前記上部の内径より小さく形成さ
   れ、 前記エミッタが前記ボールピースの上下２つの端面が形
   成する空間内の前記下端寄りに配置されていることを特
   徴とする荷電粒子ビーム発生装置。 １１）前記ボールピースが、互いに電気的に絶縁された
   ２個以上の部分に分割されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１０項に記載の荷電粒子ビーム発生装置。 １２）前記ボールピースの分割された少なくとも１つと
   、１つ以上の電極とから構成されてビームの集束点位置
   を調整する静電レンズを具備することを特徴とする特許
   請求の範囲第１１項に記載の荷電粒子ビーム発生装置。 １３）前記コイルを内部に冷媒を流すようにした導電性
   かつ熱伝導性のパイプにより構成したことを特徴とする
   特許請求の範囲第１０項に記載の荷電粒子ビーム発生装
   置。 １４）前記コイルを内部に冷媒を流すようにした導電性
   かつ熱伝導性のパイプにより構成したことを特徴とする
   特許請求の範囲第１１項に記載の荷電粒子ビーム発生装
   置。 １５）前記コイルを内部に冷媒を流すようにした導電性
   かつ熱伝導性のパイプにより構成したことを特徴とする
   特許請求の範囲第１２項に記載の荷電粒子ビーム発生装
   置。