JPH04126344A - 電界放射形電子銃とその制御装置 - 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〕 本発明は電界放射形電子銃に係り、電子顕微鏡、特に走
査形電子顕径鏡に使用するに好適な静電しンズ形の電界
放射形電子銃とその制御装置に関する。

〔従来の技術〕

電界放射形電子銃は、従来から広く使われている熱電子
放出構造からなる電子銃に比較すると。

その輝度において約１０００倍高く、また光源の大きさ
が極めて小さいという利点を有している。

したがって、走査形電子顕微鏡用として利用した場合、
その分解能を飛躍的に向上させることができるので、最
近非常に注目されており、広範に利用されてきている。

特に１ｋＶ以下の低加速電圧では、電子線による試料ダ
メージの防止や、表面処理なしで、高分解能の試料観察
ができるという観点から、半導体分野などでの重要性が
高まっている。さらに、２０ｋＶ以上での比較的高い加
速電圧では、試料の超高分解能観察が可能であり、これ
もまた、医学・生物分野など、種々の分野で大変注目さ
れている。このような走査形電子顕微鏡あるいはその類
似装置の心臓部となるのが電界放射形電子銃である。こ
の電子銃は、一般に電子源となる電界放射陰極（ＦＥチ
ップ）と、これに対向して置かれた電界放射電子流を引
き出すための引き呂し電極（第１陽極）と、電子線をさ
らに加速（又は減速）するための加速電極（第２１［ｉ
極）とから構成されている。そして、引き出し電極には
引き出し電圧ｖ１が、加速電極には加速電圧Ｖｏ　が印
加されると、この２枚の陽極が静電レンズの作用をし、
陽極の下方で細く絞られた電子ビームを形成する。

この電子ビームは、静電レンズによって電子銃の下方に
クロスオーバーを結ぶ場合と結ばない場合がある。いず
れの場合も、電子銃の下方に設けられた収束レンズある
いは対物レンズと称する電磁レンズにより、さらに細い
電子ビームに絞られることになる。ところが、加速電圧
と引き出し電圧の比（Ｖｏ／Ｖｘ）によっては、電子ビ
ームの光軸ずれやフォーカスぼけが生じやすくなって、
電磁レンズによる制御が廻しくなったり、非常に複雑に
なる領域がある。これは、Ｖｏ／Ｖ１（又はＶ１／Ｖ０
）の値によってＦＥチップの仮想光源の位置が移動する
という静電レンズ特性によるものである。特に、仮想光
源の位置が虚像領域から実像領域に切り替わる領域では
、仮想光源の位置が急速に変化するため電磁レンズによ
る制御は複雑になる。また、実像領域においては、収束
レンズあるいは対物レンズの電磁レンズ主面（レンズ倍
率が１となる共役面）付近に静電レンズの仮想光源、つ
まり電界放射形電子銃による電子ビームのクロスオーバ
ーが結ばれると、その電磁レンズによる結像条件が成立
しなくなって電子ビームの制御が著しく困難となる。ま
た、電界放射電子流を安定に取り出すためには、時々、
電界放射陰極（ＦＥチップ）の表面をフラッシングと称
する加熱脱ガスにより、清浄化する必要がある。このフ
ラッシング処理により、ＦＥチップの先端が次第に太く
なり、結果として、以前と同量の電界放射電子流を得る
のに必要な引き出し電圧ｖ１の増大を招く。これはＶｏ
／Ｖ１の値と仮想光源位置が変ることを意味する。した
がって、このような電界放射電子流の特性、特にＶ　ｏ
　／　Ｖ　１の値に対する光学特性が分かるようになっ
ていないと、最適な条件で操作する上での大きな障害と
なり得る。

従来技術では、虚像領域をできるだけ広くとれるような
静電レンズ特性をもつ電極構造のものが考えられている
。しかし、実用上、ｖｌは２〜７ｋＶであるからＶｏを
０．１ｋＶ程度の低加速電圧から数１０ｋＶ程度の高い
加速電圧まで切り替えて使用したい場合には、Ｖｏ／Ｖ
１の値はおおよそ０．０１　〜２０と大きく変化するの
で、静電レンズを虚像領域のみに限定して使用すること
は菫かしい。ちなみに、よく知られているＢｕｔｌｅｒ
タイプの静電レンズでは、陰極と引き出し電極との距離
や、陽極間距離によって、光学特性は多少変化するが、
Ｖｏ／Ｖ１の値がおおよそ０．１〜１５の闇が虚像領域
であり、この範囲外では実像領域となる。したがって、
むしろ虚像領域でも実像領域でも自在に使用できるよう
になっていた方が、装置としての機能や使い勝手からみ
ても、より重要である。ただし、その場合、装置の操作
上、Ｖ。

／ｖ１の値が適切な領域にあるが否が容易に分がるよう
になっていること、あるいは、不適切な領域であれば装
置内部で容易にその領域を回避できるようになっている
必要がある。また、たとえコンピュータで静電レンズ条
件と電磁レンズ条件をすべて自動制御できるようになっ
ていたとしても、すべての領域で精度よく制御できると
は限らない。

不適切な領域に近づくにつれて、観察倍率などの誤差も
大きくなる可能性があり、操作者が常に監視できるシス
テムにしておく必要がある。従来技術では、もっばら虚
像領域の条件で静電レンズを使うことに重点がおかれて
きたため、そのような配慮はなされてきていなかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明は、前述したような従来技術にみられる問題点に
鑑みなされたもので、Ｖｏ／Ｖｚ（又はＶ　ｓ　／　Ｖ
　ｏ　）の値が、電子ビームの制御を難しくするような
領域にあるときに、その領域を容易に回避できるか、又
は監視できる手段を提供することにある。

また、本発明の他の目的の１つは、電子銃による仮想光
源の位置が、虚像領域でも実像領域でも使用可能な改良
された電界放射形電子銃とその制御装置を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために、本発明では、静電レンズ
形の電界放射形電子銃において、その静電レンズの特性
上、仮想光源のクロスオーバーの位置が著しく変化して
電子ビームの制御を難しくするようなＶｏ／Ｖ１（又は
Ｖ１／ＶＯ）の値に近づいたときに、そのことを表示す
る手段、又は警告を発する手段を設ける。

また、そのようなＶｏ／Ｖ１の値での特異な領域を回避
するために加速電圧Ｖｏは一定にしたまま引き出し電圧
Ｖ１を上げると、電界放射電子流が増大して不安定にな
ることがある。そこでこのことを防止するための制御電
極を電界放射陰極の近傍に設ける。

さらに、静電レンズの下方に設けた電磁レンズの主面付
近に、静電レンズによる仮想光源のクロスオーバーがく
るようなＶＯ／Ｖｌ値に対しては、自動的にそのＶｏ／
Ｖｚ値の条件を回避するか、又は前記電磁レンズの作用
を実質的に弱めるよう制御する手段を設ける。

〔作用〕

このような構成により、ＶＯ／Ｖｌ（又はＶ１／Ｖ０）
の値と、その不適切な範囲（実用上、電子ビームが制御
しにくくなる特異領域）を表示すれば、操作者は、あら
かじめＶｏを変えるか又はＶ１の値を変えることにより
、特異領域を回避できる。

警告を発する手段についても同様である。

さらにＦＥチップの近傍に制御電極を設けることにより
、引き出し電圧Ｖｌ　を変化させたときの電界放射電子
流を安定に、かつ最適な条件に維持することができる。

したがって、観察したい加速電圧Ｖｏは一定にしたまま
、Ｖｏ／Ｖｔの値を変えてゆき、不適切な範囲を回避し
て、電子銃下方の電磁レンズで電子ビームを制御しやす
い条件にまでもってゆくことができるようになる。

また、静電レンズの下方に設けられている電磁レンズの
主面内（又はその近傍）にクロスオーバーがくるような
Ｖ　ｏ　／　Ｖ　１の値のときは、制御装置でＶｏはｖ
ｌを変化させて、Ｖ　ｏ　／　Ｖ　１の値を適切な領域
にまでシフトさせる。もしくは、ＶＯ／Ｖｌはそのまま
にして、前記電磁レンズの作用（電子ビーム収束位置の
設定、試料照射角や試料照射電流の制御、電子光学系の
縮小率の設定などの諸機能）を、実質上解除するか、又
は影響のない程度に弱めるよう制御装置を動作させる。

そして前記電磁レンズより下方にある別の電磁レンズで
、電子ビームの収束条件や、試料照射角、試料照射電流
、電子光学系の縮小率の設定を行う。このような構成に
より、静電レンズを虚像条件でも実像条件でも自在に使
用できるようになる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を詳細に説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す構成概略図であり、
加速電圧ＶＯと引き出し電圧■１の比すなわちＶ　ｏ　
／　Ｖ　ｘ値（又はその逆比Ｖ　１／　Ｖ　ｏでもよい
。以下同様）がどの領域にあるか、又は適切な領域にあ
るかどうか表示できるようにしたものである。第１図に
おいて、静電レンズ形の電界放射電子流は、ＦＥチップ
と呼ばれる陰極１と２枚の陽極とから構成されている。

第１陽極２は陰極１から電界放射電子流３を引き出すた
めのもので、これには通常２〜７ｋＶ程度の引き出し電
圧（ｖｔ　）４が印加される。第２陽極５は第１陽極孔
６を通過した電子をさらに加速するためのもので、通常
０．５〜数１０ｋＶ（７）加速電圧（Ｖ０）７が印加さ
れる。この第１陽極２と第２陽極５とにより静電レンズ
８の作用が生じ、第２陽極孔９の下方に細い電子ビーム
１０を得ることができる。

この電子ビームは、さらに静電レンズの下方に設けた収
束レンズ１１や対物レンズ１２の電磁レンズにより、必
要とするスポットサイズと照射電流となるように絞られ
る。そして、例えば走査電子顕微鏡では、偏向コイル１
３と試料１４の面上で走査された走査電子像が観察され
ることになる。

これらの一連の電子ビーム制御は、ＶＯ，Ｖｌは電子銃
高圧電源１５により、その下方のレンズ系は収束レンズ
電源１６．偏向電源１７．対物レンズ電源１８などによ
り行われる。また、装置に関するシステム全体の制御は
、中央処理袋［（ＣＰＵ）などを有する制御装置１９に
よって行われる。前述したように、静電レンズは、Ｖ　
ｏ　／　Ｖ　１の値によって像点（仮想光源）２０の位
置が変化するという性質をもっている。すなわち、第２
陽極５から像点（仮想光源）までの位置をＳとすると、
このＳは一般に、第２図に示すような光学特性をもつ（
ただし、この特性は、陰極−第１陽極間、及び第１陽極
と第２陽極間の各距離によっても違ってくるが、これら
の距離は変えないものとする）２枚の陽極（第１陽極と
第２陽極）からなる静電レンズでは、像点が虚像から実
像に切り替わるＶ。

／　Ｖ　１の値が２箇所ある。低値側をｘｉ、高値側を
ｘｌとすると、虚像領域（ＸＩ＜ＶＯ／Ｖｌ＜Ｘ２）で
は、第１図に示したように、像点（仮想光源）は陰極ｌ
より後方にある。一方、実像領域（ｖ。

／　Ｖ　１（ｘ　１又はＶｏ／Ｖｔ＞ｘｚでは、第２図
に示したように像点が第２陽極５の下方に結ばれ、いわ
ゆる実像のクロスオーバーとなる。いずれの場合も、Ｖ
Ｏ／Ｖ１がｘｌ又はｘｌの近傍、すなわち。

像点位置が急激に変化するような特異な領域では、静電
レンズ下方に設けた電磁レンズでの制御が複雑になるの
で使用しない方が望ましい。特に、実像領域で静電レン
ズによるクロスオーバーが、収束レンズ１１の主面内に
くるような場合は、該収束レンズによる電子ビームの制
御が効かなくなるので避けなければならない。

そこで、第１図に示した本発明の実施例では、静電レン
ズ８を常に虚像領域で使うよう制御装置１９で監視し、
この制御装置からの信号に基づき。

ＶＯ／Ｖ１表示回路２１を介して表示器２２でｖ。

／ｖ１（又はＶｌ／ＶＯ）の値を表示するようになって
いる。この表示器２２は、例えばＶＯ／Ｖｌの値が０．
０１〜１００まで目盛られたメータである。

このメータは、Ｖｏ／Ｖｚの使用適値範囲が例えば０．
０５以下、０．１〜１５及び２５以上でグリーンマーク
により指示されており、Ｖ　ｏ　／　Ｖ　１の変化とと
もに指針が動き、適値範囲内にあるか否かが操作する人
にもすぐに分かるようになっている。

あるいは、陰極線管（ＣＲＴ：図示せず）上に適値範囲
と、現在のＶ　ｏ　／　Ｖ　ｉ値が表示されるものであ
ってもよく、要はＶ　ｏ　／　Ｖ　１の条件が適値範囲
内にあるかどうかを表示する手段であればよい。

このような表示手段を設けることにより、操作者はＶｏ
／Ｖｌの値が適値範囲にあるか否かを判断し、不適切な
らばＶｚ又はＶｏを変えることで良い操作条件を再設定
することができる。この再設定は、前記制御装置１９に
より、Ｖｌ又はＶｏを最小限に変化させて、自動的に行
えるようになっていてもよい。

第３図は本発明の他の一実施例である。なお。

以下の説明において、第１図ないしは第２図と基本的に
同じ構成部材を意味するものは、同一符番でもって示す
ものとする。第３図の実施例では。

Ｖ　ｏ　／　Ｖ　１の値が不適切な領域にあるとき、警
告を発する手段を設けたものである。例えば、Ｖｏ／ｖ
１の値が実像領域であって、ちょうど収束レンズ１１の
主面付近に静電レンズによるクロスオーバー２４がくる
ような条件になった場合に、制御装置１９がＶｏ／Ｖｉ
警告装置２３に使用条件不適正という信号を送り、警告
を発するようにしたものである。この警告手段は１例え
ばブザーであってもよいし、あるいは音声出力装置（図
示せず）による警告やデイスプレィパネル（図示せず）
による警告ランプ表示、あるいは、陰極線管（ＣＲＴ：
図示せず）上への警告メツセージ表示であってもよい。

このような警告手段を設けることにより、Ｖ　ｏ　／　
Ｖ　１の適値範囲を見落すことなく設定できるという効
果がある。

第４図は本発明の他の一実施例を示す構成概略図である
。この実施例では、陰極（ＦＥチップ）■の近傍に制御
電極２５を設けて、電界放射電子流制御回路２６により
制御電圧Ｖ　０２７を与え、Ｖ　ｏ　／　Ｖ　１が不適
切な領域を回避する際に生じる電界放射電子流の変化を
電界放射電子流検知器２８でモニタするととにもに、前
記制御電極２５で電界放射電子流３を制御するよう構成
している。これは既に特許公報の特公昭５３−９０５８
号や特公昭５７−２８１８１号で提案されているように
、陰極１と第１陽極２の近傍に制御電極を設けると電界
放射電子流を制御できることを応用したものであり、か
つ本発明におけるＶ　ｏ　／　Ｖ□の不適切領域を回避
する手段と組み合わせたものである。このような構成と
することにより、加速電圧ＶＯを一定にして使いたい場
合、引き出し電圧ｖ１を変えることになるが、Ｖｓ　を
高くしていても、電界放射電子流を所望の値に維持する
ことができるようになる。

このことはまた、試料１４へ照射する電子線の量（試料
電流）の制御にもつながる効果がある。さらに、電界放
射電子流を不必要に取り呂さないよう制御できるので、
電界放射電流の増大や電子衝撃エネルギーの増大に伴っ
て大きくなる電界放射電子流自身の変動（ＦＥチップノ
イズと称される）を最小限に押さえることができるとい
う効果がある。

なお、上記の例では引き出し電圧ｖ１を上げていく場合
について説明したが、Ｖｌの印加よりも先に制御電圧Ｖ
（４７（例えば＋５００Ｖ程度）を前記制御電極２５に
与えておき、最初から通常よりも高い引き出し電圧Ｖｚ
　に設定するようにしておけば、Ｖ　ｏ　／　Ｖ　ｘの
不適切領域を回避する際に、Ｖｚ　を下げたい場合と上
げたい場合の両方に制御ができる。すなわち、■□を下
げれば電界放射電子流が減少するので制御電圧Ｖｃを下
げて電界放射電子流を元の量に上げてやればよい。また
、ｖｌを上げれば、電界放射電子流も増大するから必要
に応じて、Ｖｃも大きくして、電界放射電子流が増えな
いように制御すればよい。また、制御電圧ＶＣ２７は、
通常は陰極１に対して同電位又は正の電位にして制御す
るが、負の電位にして放射電子流を制御することも可能
であることはいうまでもない。

なお、第４図において、Ｖ　ｏ　／　Ｖ　１表示装置２
９は、Ｖ　ｏ　／　Ｖ　ｘの適値範囲を制御装置１１９
でモニタして自動的にＶ　ｏ　／　Ｖ　ｌ値と制御電圧
ＶＣ２７を制御できるようになっていれば必ずしも必要
ではないが、操作者にも目でモニタできるようにすると
いう観点からはあった方が望ましい。該表示装置２９は
、第１図のＶｏ／Ｖ１表示回路２１とその表示器２２と
同等、あるいは第３＠のＶＯ／ＶＩＩＦ報装置２３と同
装置２３を有するものであればよい。

第５図は本発明の他の一実施例を示す構成概略図であり
、第１図又は第３図の実施例の変形例ともいうべきもの
である。すなわち、静電レンズ８による仮想光源の位置
が実像領域にあって、収束レンズ１１の主面の範囲にク
ロスオーバー２４がくるようなＶｏ／Ｖｚ値の条件にあ
るとき、これをＶＯ／Ｖｌ検出回路３０と、制御装置１
９に組み込まれた記憶回路（図示せず）とにより、その
条件下に入ったことをＶＯ／Ｖ１表示装置２９で表示す
るか、又は警告を発する。それとともにレンズ電流制御
回路３１を介して収束レンズ電源１６をオフするか、又
は収束レンズが実質上、電子ビーム１０に悪い作用（非
点収差や歪曲１回転など）を及ぼさない程度の弱励磁条
件に切り替える。これにより、収束レンズ１１が実質↓
ないのと同じ状態で対物レンズ１２で試料１４に電子ビ
ーム１０をフォーカスさせて観察や分析を行うことがで
きる。収束レンズ１１と対物レンズ１２の間にもう１つ
別の電磁レンズすなわち中間レンズ（図示せず）が設け
であるような電子光学系に関しても同様である。

〔発明の効果〕

以上述べたごとく、本発明によれば、静電レンズの特性
上、電子ビームを制御しにくくなる■０／Ｖ□の値の不
適切領域を適確に判断して、使いやすいＶ　ｏ　／　Ｖ
　１の条件に再設定することができるようになる。

また、静電レンズによる仮想光源の位置が、虚像領域で
あっても、実像領域にあっても、より適切なＶｏ／Ｖｒ
条件のもとて電界放射電子流を使用できるようになり、
実用に供してその効果顕著である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実旅を示す構成概略図、第２図は本
発明の内容を補足説明するための静電レンズ形電界放射
形電子銃の光学特性を示す概略図、第３図、第４図、第
５図は本発明の他の一実施例を示す構成概略図である。 １・・・陰極、３・・・電界放射電子流、４・・・引き
出し電圧ｖ１．７・・・加速電圧Ｖｏ、８・・・静電レ
ンズ、１０・・・電子ビーム、１１・・・収束レンズ、
１２・・・対物レンズ、１９・・・制御装置、２０・・
・仮想光源、２１・・・Ｖ　ｏ　／　Ｖ　１表示回路、
２２・・・表示器、２３・・・Ｖ　ｏ　／　Ｖ　１警告
装置、２４・・クロスオーバー、２５・・・制御電極、
２６・・・電界放射電子流制御回路、２７・・・制御電
圧Ｖｃ、２８・・・電界放射電子流検知器、２９・・・
Ｖ　ｏ　／　Ｖ　１表示装置、３０・・・Ｖ　ｏ　／　
Ｖ　を検出回路、３１・・・レンズ電流制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、静電レンズ形の電界放射形電子銃において、加速電
   圧（Ｖ＿０）と、電界放射電子流の引き出し電圧（Ｖ＿
   １）との比（Ｖ＿０／Ｖ＿１）又はその逆比（Ｖ＿１／
   Ｖ＿０）が、ある所定の範囲に近づいたことを表示する
   手段を備えていることを特徴とする電界放射形電子銃と
   その制御装置。 ２、静電レンズ形の電界放射形電子銃において、加速電
   圧（Ｖ＿０）と、電界放射電子流の引き出し電圧（Ｖ＿
   １）との比（Ｖ＿０／Ｖ＿１）又はその逆比（Ｖ＿１／
   Ｖ＿０）が、ある所定の範囲に近づいたときに、警告を
   発する手段を備えていることを特徴とする電界放射形電
   子銃とその制御装置。 ３、静電レンズ形の電界放射形電子銃において、電界放
   射陰極の近傍に制御電極を設け、加速電圧（Ｖ＿０）と
   、引き出し電圧（Ｖ＿１）との比（Ｖ＿０／Ｖ＿１）又
   はその逆比（Ｖ＿１／Ｖ＿０）の値が、ある所定の範囲
   に入らないようＶ＿１の値を変化させるとともに、電界
   放射電子流を前記制御電極により制御するように構成し
   たことを特徴とする電界放射形電子銃とその制御装置。 ４、静電レンズ形の電界放射形電子銃において、静電レ
   ンズによる仮想光源の位置が、実像領域にあり、かつ静
   電レンズの下方に設けた電磁レンズの主面範囲内にクロ
   スオーバーを結ぶような加速電圧（Ｖ＿０）と引出し電
   圧（Ｖ＿１）との比（Ｖ＿０／Ｖ＿１）又はその逆電比
   （Ｖ＿１／Ｖ＿０）の条件にあることを検出する手段と
   、その条件下にあることを表示するか、又は警告を発す
   るとともに、該電磁レンズの励磁を実質上、ゼロにする
   か又は弱励磁条件に切り替える手段を有していることを
   特徴とする電界放射形電子銃とその制御装置。