JPH0341937B2

JPH0341937B2 -

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Publication number: JPH0341937B2
Application number: JP58091396A
Authority: JP
Priority date: 1982-05-24
Filing date: 1983-05-24
Publication date: 1991-06-25
Also published as: EP0095969A1; US4544845A; DE3378443D1; EP0095969B1; FR2527383B1; FR2527383A1; JPS5942748A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、どんな種類の電子顕微鏡にも使え
る電子銃に関する。

この電子銃は一般に、電界カソードと、集束手
段と、所定の電位が加えられる少くとも１つのア
ノードを備えた加速手段とから成る。

イギリス特許第1291221号は、磁気レンズによ
る集束手段を開示しているが、これは高い加速電
圧で使用するのが困難である。

事実、この電界放射型電子銃（以下、電界放出
銃という）は静電収束によるもので、収差の面で
欠点を有する。

この発明は、磁気レンズを用いたよりいつそう
有利な解決策を提供するものである。

この発明の電子銃では、コイルと、磁気回路
と、エアギヤツプを有し電界放出カソード側のコ
イルと同軸状に位置され且つ２つの軸方向開孔を
与える２つの磁極片とで構成された磁気レンズ
に、電子抽出用の電位が加えられる。カソードに
最も近い電子の入口孔は出口孔より小さい直径を
有するが、いずれの直径も約10mm以下である。磁
極チツプを成す２つの磁極片間のエアギヤツプ
は、コイルの軸方向に沿つて、約３mm以下であ
る。このエアギヤツプの中間面とカソードの最も
近い先端との間の距離は、約５mm以下である。さ
らに、磁気レンズは、少なくとも中間電極で取り
囲まれてカソードとは反対側の中間電極の開口部
を通つて磁気レンズの軸に沿つて電子を通過させ
る中間電極を備え、磁気レンズのコイルは励起さ
れた時に磁気レンズによるカソードの結像点が、
中間電極の開口レベルと等しい位置にくる。

この発明の好適実施例では、入口孔が４mm以
下、特に0.5〜3.5mmの直径を有するのが好まし
く、又出口孔は３〜８mmの範囲で、特に４〜６mm
の直径を有するのが好ましい。

磁極チツプのエアギヤツプは、最大限約1.5mm
に等しい。さらに、エアギヤツプの中間面とカソ
ードの最も近い先端との間の距離は、1.5〜３mm
の範囲が好ましい。

この発明の別の特徴によれば、上記に加えて、
少くとも磁気レンズを取り囲み且つ磁気レンズの
軸に沿つて電子を通過させる中間電極が設けら
れ、磁気レンズによるカソードの結像点が、カソ
ードと対向した磁気レンズの側で、中間電極の開
口レベルとほゞ等しい位置に結ばれる。又、中間
電極はカソードをほゞ完全に取り囲み、さらに電
源も取り囲むことが好ましい。

この発明のその他の特徴及び利点は、図面を参
照した以下の詳細な説明から明らかになるであろ
う。

電子銃の軸方向断面を示す第１図において、上
方にエンドプレート１が位置し、その上にカバー
３が置かれ、６フツ化イオウ用のリザーバ２を形
成している。６フツ化イオウは、高圧部を取り巻
く周囲によく配置される媒体である。例えばプレ
キシガラスから成る支持スリーブ４がリザーバと
エンドプレートを貫いて延び、支持スリーブ４の
中には装置へと向かう給電ケーブル２３が収納さ
れている。

エンドプレート１の下方には、２重壁で、内側
がミユーメタル製のケーシング５から成る密閉容
器６が位置し、この密閉容器６の内部に電界放出
カソードとその集束手段が配置される。密閉容器
６の側面に広い開孔７が設けられ、超高真空発生
装置、例えばチタンの昇華作用を利用したイオン
ポンプ、への接続を可能としている。

支持スリーブ４を構成するスリーブ２４はアル
ミナ製の絶縁被覆２５で取り囲まれており、絶縁
被覆２５の上端はリザーバ２の内部まで延び、そ
こで終つている。絶縁被覆２５は“高電圧通路”
（以下この高電圧通路を符号２５で示す）を形成
すると同時に、真空気密シールの役割も果してい
る。また高電圧通路２５は、特に電界放出カソー
ド２０（このカソードの作動フイラメントは第３
図に２１で示してある）、磁気レンズ５０、それ
に磁気レンズを取り巻く周囲の中間電極７０用の
支持体（第２図参照）としても機能している。

活性フイラメント２１から飛び出した電子は下
方へ垂直に進み、アノード８０（第１図）に達す
る。取付支持体９が、クサビ形装置８によつてア
ノード８０の下に保持される。この取付支持体９
は集束レンズ即ちコンデンサレンズ組立体を所定
の位置に支持するもので、ネジ１５で調整可能で
ある。コンデンサレンズ組立体は、第１段コンデ
ンサレンズコイル１１、それに続く第２段コンデ
ンサレンズコイル１２、さらに調整可能なダイア
フラム絞り装置１６で構成され、コンデンサレン
ズ組立体全体はケーシング１４の中に収納されて
いる。

コンデンサレンズ組立体を構成する各部分の構
造は、当業者にとつて周知であるから、その説明
を省略する。

次に第２図を参照すると、第１図に示したのと
同様、プレキシガラス製のスリーブ２４が、その
周囲を高電圧通路２５で取り囲まれている。

高電圧通路２５の下端外周には薄いリング３２
が取り付けられ、こゝから環状の支持体３０が下
へ延びている。この環状支持体３０は、全この電
気部品用の支持体として使われる関係上、幾分複
雑な形状をしている。つまり、環状支持体３０は
上方にリング３１を備え、このリング３１はスリ
ーブ２４の装着時にその回転を案内すると共に、
電気接続を確実にする役割を果す。

さらに、環状支持体３０はその内側に弾性懸架
手段を介して内側リング４１を保持しており、内
側リング４１は絶縁デイスク４５を支持してい
る。絶縁デイスク４５は真空気密の下で、電気ブ
ツシング４３，４４等によりカソード２０を吊り
下げるのに使われる。また絶縁デイスク４５は、
プレキシガラス製のスリーブ２４の下端部に取り
付けられた同様の絶縁デイスク２６と対向して位
置し、デイスク２６から延びた別の電気ブツシン
グ４０等を受け入れている。

カソード本体は、アルミナ等の絶縁材料で作ら
れた台形状の支持体２７で構成されている。

台形支持体２７は、一例として２８で示した電
気ブツシングを有する。このブツシング２８は、
補助用給電のほか、台形支持体２７をより良い状
態で懸架する目的で使われている。上記したブツ
シングと同じ型だが、図面の紙面に対して垂直な
面内に位置したブツシングが、カソードのフイラ
メント２１を支持している。フイラメント２１の
形状は、第２図に対して垂直な面に沿つた断面を
示す第３図に分かりやすく示してある。

カソード全体は、ネジ４２等を介し環状支持体
３０に対して調整可能であり、これによつてカソ
ードフイラメント２１の位置を正確に調整するこ
とができる。この調整は、一例として第１図中２
３で示したテフロンピン等の手段で、動作中にも
行える。

環状支持体３０はその下側にさらに別のリング
３３を備え、ネジ３５によつてリング下端に取付
けた部品によりアルミナ製のシリンダー３４を支
持している。而してシリンダー３４には、開孔３
６等が設けてある。またこのシリンダー３４はそ
の下端３７で、磁気集束装置を支持している。磁
気集束装置は、金属プレート３９の下側位置に磁
気回路部材５３を配置して成り、磁気回路部材５
３は継鉄、即ち密閉体５２の中に配置されると共
にコイル５１を収納している。磁気回路部材５３
は、カソードフイラメント２１が延びたコイル５
１の軸側で、周知の手段によつて遮断してある。
この遮断部分において、磁気回路は、６１と６２
で示した事実上２つの磁極片から成り、且つクロ
スピース６３によつて所定の相対位置に保持され
た磁極チツプ６０によつて形成される。この磁極
チツプの構成は、第３図に詳しく示す。

また第２図において、電気ブツシング４０はコ
イルへ給電する他、全てのコイル装置へ高電圧を
供給するのに使われる。ワイヤーのうち１本は取
付ネジ３８の方へ延び、一方、残りは直接コイル
５１の方へ延びている。

リング３３はさらに外側へ突き出た放射状の肩
部３３Ａを有し、この肩部３３Ａは全体を７０で
表わした中間電極を支持する役割を果す。中間電
極７０は２つの部材７１，７２から成り、両部材
は一方を他方へネジ止めし、さらに放射状肩部３
３Ａへ固定することによつて所定の位置に保持さ
れる。下側の構成部材７１はその底面に開孔７３
を有し、開孔７３はコイルの軸と同軸に位置合せ
される。

次に第３図を参照すれば、この発明の重要な特
徴の１つが明らかとなり、磁極チツプ６０が非対
称形になされている。すなわち、磁極チツプ６０
は上方に一方の上側磁極片６１を備え、この上側
磁極片６１には開孔６１０が設けられている。開
孔６１０の直径は、約1.5〜３mmの範囲が好まし
い。但し、場合に応じて、それ以上の直径にする
こともできる。上記磁極片６１はチタン製のリン
グ状クロスピース６３で下側磁極片６２と結合さ
れ、下側磁極片６２の開孔６２０は直径約５mmで
ある。この値についても、幾分の変更が許され
る。

さらに、上下両磁極片間のエアギヤツプは約１
mmである。こゝでエアギヤツプとは、上側磁極片
６１の下側面と下側磁極片６２の上側面との間の
距離を指す。

図中一点鎖線で表わした軸線６５は、磁極チツ
プ６０の中間面、つまりエアギヤツプの中間面を
示している。

磁極チツプ６０の上側磁極片６１つまり第１磁
極片は、その上面に円錐台形の凹部６１１を有
し、この凹部６１１は開孔６１０に続いており、
カソードフイラメント２１を開孔６１０へ出来る
だけ近づけて配置できるようにしてある。（尚図
中、カソードフイラメントは磁極チツプと比べか
なり拡大されている）。

上側磁極片６１の下端はプレート６１２を形成
し、このプレート６１２は軸方向に対して垂直に
放射状に延び、開孔６１０を取り囲んでいる。プ
レート６１２の外側には、２つの段状面６１３と
６１４が連続状につながつている。いずれの段状
面も平らだが、別の下側磁極片６２に対して凹ん
で位置し、両者はリング状クロスピース６３を支
持する軸方向に延びた円筒部を介してつながつて
いる。

第２の下側磁極片６２も、軸方向に対して垂直
に放射状に延び、開孔６２０を取り囲んだプレー
ト６２１を有する。プレート６２１はその外側
で、下側磁極片６２の頭部に形成され半径方向外
方へ降下傾斜するテーパ部６２２へ続いており、
このテーパ部６２２はチタン製のリング状クロス
ピース６３を正確に位置付けるための肩部で終つ
ている。

磁気レンズには短焦点レンズを使用するのが好
ましく、これはカソードフイラメント２１の軸部
のうち最も近い先端２２が、磁気レンズのエアギ
ヤツプの中間面６５から約1.5〜３mmの距離に位
置すべきであることを意味する。

以上説明したこの本発明では、球面収差係数
Cs及び色収差係数Ccの値を小さくし、数mmにす
ることが可能である。例えば、係数Csとして３
mm、係数Ccとして1.8mmを得ることができる。

この結果、適当に絞りをセツトすれば、極めて
高い電子プローブ流が得られる。すなわち、現在
使われている電界放射型電子銃と静電レンズで得
られるものより、少くとも４倍の電子プローブ流
を得ることができる。但し、この例は、直径が約
10nm（ナノメートル）以上のプローブについてで
ある。

この発明に従つて作製した電子銃の実際の性能
は、次の通りであつた； −輝度が極めて高い；加速電圧100KVで、
10⁸A・cm^-2。

−ビーム流が強い；200nmのプローブで10^-6Aま
で。

−10^-10torr以下の超高真空が可能。

−単一段で120KVまでの加速電圧が可能。

また、この発明に基く構成によれば、下流のレ
ンズ焦点つまり磁気レンズで得られるカソードの
電子線源像について、安定性が向上するという利
点も得られる。

つまりこの発明の別の特徴に従えば、上記した
中間電極７０を設ける方が好ましく、この場合中
間電極７０は、磁気レンズの直後に置かれ、レン
ズの軸に位置合せされた開孔７３を与える。この
状態でコイルを励起し、この開孔７３のレベル又
は開孔７３の近くに下流側の焦点を位置させれ
ば、電子線源像の位置に関する安定性が大巾に向
上する。電界放出カソードと、該カソードの近く
に位置された磁気レンズを有する集束手段と、所
定の電位Viが加えられる少なくとも１個のアノ
ードを備えた加速手段とから成り、磁気レンズは
コイルと磁気回路部材と２つの磁極片に分かれて
両磁極片間にエアギヤツプを有する磁気チツプと
で構成され、さらに磁気レンズは電界放出カソー
ド側のコイルと同軸に位置し、２つの磁極片は電
気の軸方向出入口を与え、さらに磁気レンズは電
子抽出用の電位V₀が加えられ、カソードに最も
近い電子の入口孔が0.5〜3.5mmの直径を有し、電
子の出口孔が４〜６mmの直径を有し、コイルの軸
心に沿う２磁極片間のエアギヤツプが約1.5mmで
あり、該エアギヤツプの中間面とカソードの最も
近い先端との間の距離が1.5〜３mmであり、さら
に磁気レンズは少なくとも中間電極で取り囲まれ
てカソードと反対側の中間電極の開口部を通つて
磁気レンズの軸に沿つて電子を通過させ、磁気レ
ンズのコイルは励起された時に磁気レンズによる
カソードの結像点が中間電極の開口レベルと等し
い位置にくるようにして、カソードの結像点が、
アノードの所定の電位と抽出用電位との比V₁／
V₀を４〜50の範囲で変えても結像点が光軸に沿
つて５mm以上変化しない。

さらに、第２図中７２で示したように、中間電
極をカソードよりかなり上まで上昇させると、高
圧破壊に対してカソードを保護することができ
る。

また、本発明の磁極片の特別な外形は、上部磁
極片に対する陰極の配置とともに磁場が上部磁極
片のみのレベルにおいて、つまり、磁極片抽出電
位が既に電子によつて達成されているとき、電子
ビームを作動するので、従来装置に発生する軸に
沿つて多数回集束することが避けられる。さらに
陰極電位で作動する中間電極を電子銃に設けるこ
と及び中間電極の開口部で電子ビームを集束する
ことにより、像の位置の安定度が大幅に高められ
る。

この発明は、あらゆる種類の電子銃で使え、特
に0.2ミクロン以下のプローブ直径で強い電子流
を必要とする電子銃に適している。この発明の好
ましい適用分野は次の通りである。一般の電子顕
微鏡、走査型顕微鏡、Ｘ−線マイクロアナライ
ザ、オージエ分光分析器、マイクロリトグラフイ
等である。

【図面の簡単な説明】

第１図は磁気集束手段を備えた電子銃の軸方向
断面図で、全体の構造を概略的に示した図、第２
図は本発明の好ましい実施例による電子銃の主要
部分を詳細に示した軸方向断面図で、特に電界放
出カソード、集束レンズ、補助電極が示してあ
る。第３図は磁気レンズの電極チツプ６０と電界
放出カソード２０の構成及び位置関係を詳しく示
した図である。１…エンドプレート、２…リザーバ、３…カバ
ー、４…支持スリーブ、５…ケーシング、６…密
閉容器、７…開孔、８…クサビ形装置、９…取付
支持体、１１…第１段コンデンサレンズコイル、
１２…第２段コンデンサレンズコイル、１４…ケ
ーシング、１５…ネジ、１６…ダイアフラム絞り
装置、２０…電界放出カソード、２１…フイラメ
ント、２２…フイラメントの最も近い先端、２３
…テフロンピン、２４…スリーブ、２５…絶縁被
覆（高圧通路）、２６，４５…絶縁デイスク、２
７…台形支持体、２８，４０，４３，４４…電気
ブツシング、３０…環状支持体、３１…リング、
３２…薄いリング、３３…外側リング、３３Ａ…
放射状肩部、３４…シリンダー、３５，４２…ネ
ジ、３６…開孔、３７…シリンダー下端、３８…
取付ネジ、３９…金属プレート、４１…内側リン
グ、５０…磁気レンズ、５１…コイル、５２…密
閉体、５３…磁気回路部材、６０…磁極チツプ、
６１…上側磁極片、６１０…開孔（入口孔）、６
１１…凹部、６１２…プレート、６１３，６１４
…段状面、６２…下側磁極片、６２０…開孔（出
口孔）、６２１…プレート、６２２…テーパ部、
６３…クロスピース、６５…軸線、７０…中間電
極、７１，７２…中間電極構成部材、７３…開
孔、８０…アノード。

Claims

【特許請求の範囲】１電界放出カソードと、該カソードの近くに位
置された磁気レンズを有する集束手段と、所定の
電位が加えられる少くとも１個のアノードを備え
た加速手段とから成り、磁気レンズはコイルと、
磁気回路部材と、２つの磁極片に分かれ両磁極片
間にエアギヤツプを有する磁極チツプとで構成さ
れ、さらに磁気レンズは電界放出カソード側のコ
イルと同軸に位置し、２つの磁極片は電子の軸方
向出入口孔を与え、さらに磁気レンズには電子抽
出用の電位が加えられ、カソードに最も近い電子
の入口孔が出口孔より小さい直径を有し、これら
出入口孔の直径はいずれも約10mm以下であり、上
記磁極チツプを成す２つの磁極片間のエアギヤツ
プがコイルの軸方向に沿つて約３mm以下であり、
該エアギヤツプの中間面とカソードの最も近い先
端との距離が約５mm以下とされ、さらに磁気レン
ズは、少なくとも中間電極で取り囲まれてカソー
ドとは反対側の中間電極の開口部を通つて磁気レ
ンズの軸に沿つて電子を通過させる中間電極を備
え、磁気レンズのコイルは励起された時に、磁気
レンズによるカソードの結像点が、中間電極の開
口レベルと等しい位置にくるようにしたことを特
徴とする電子銃。２入口孔の直径が４mm以下で、出口孔の直径が
３〜８mmであることを特徴とする特許請求の範囲
第１項に記載の電子銃。３入口孔の直径が0.5〜3.5mmで、出口孔の直径
が４〜６mmであることを特徴とする特許請求の範
囲第２項に記載の電子銃。４エアギヤツプが、最小限約1.5mmに等しいこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電
子銃。５エアギヤツプの中間面とカソードの最も近い
先端との間の距離が、1.5〜３mmであることを特
徴とする特許請求の範囲第１項に記載の電子銃。６中間電極が、カソードをほぼ完全に取り囲ん
でいることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
記載の電子銃。７磁極チツプの、カソードに対して近い方の磁
極片が、カソード側で入口孔に続く円錐台形の凹
部を形成しており、反対側の出口孔に近い側で
は、出口孔とほゞ等しい直径で出口孔へ向かつて
延びた平らな軸方向の立上り部が横方向外側で凹
んだ段状面に続いており、磁極チツプのもう一方
の遠い方の磁極片が入口孔の側において、上記立
上り部よりやや大きく出口孔の中央に位置づけら
れた放射状のプレート面を備え、該放射状プレー
ト面が上記カソードに近い方の磁極片に対向して
テーパ状を成す領域に続いており、さらにカソー
ドに対して遠い方の磁極片の上記テーパ状領域と
近い方の部材の上記段状面との間に、クロスピー
スを取り付けたことを特徴とする特許請求の範囲
第１項に記載の電子銃。８電界放出カソードと、該カソードの近くに位
置された磁気レンズを有する集束手段と、所定の
電位Viが加えられる少なくとも１個のアノード
を備えた加速手段とから成り、磁気レンズはコイ
ルと磁気回路部材と２つの磁極片に分かれ両磁極
片間にエアギヤツプを有する磁気チツプとで構成
され、さらに磁気レンズは電界放出カソード側の
コイルと同軸に位置し、２つの磁極片は電気の軸
方向出入口を与え、さらに磁気レンズは電子抽出
用の電位V₀が加えられ、カソードに最も近い電
子の入口孔が0.5〜3.5mmの直径を有し、電子の出
口孔が４〜６mmの直径を有し、コイルの軸心に沿
う２磁極片間のエアギヤツプが約1.5mmであり、
該エアギヤツプの中間面とカソードの最も近い先
端との間の距離が1.5〜３mmであり、さらに磁気
レンズは少なくとも中間電極で取り囲まれてカソ
ードと反対側の中間電極の開口部を通つて磁気レ
ンズの軸に沿つて電子を通過させ、磁気レンズの
コイルは励起された時に磁気レンズによるカソー
ドの結像点が中間電極の開口レベルと等しい位置
にくるようにして、カソードの結像点が、アノー
ドの所定の電位と抽出用電位との比V₁／V₀を４
〜50の範囲で変えても結像点が光軸に沿つて５mm
以上変化しないようにしたことを特徴とする電子
銃。