JPH08171879A

JPH08171879A - ショットキーエミッション電子源の動作温度設定方法

Info

Publication number: JPH08171879A
Application number: JP6313608A
Authority: JP
Inventors: Satoru Fukuhara; 福原　　悟; Hideo Todokoro; 秀男戸所; Takashi Takami; 尚高見
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-12-16
Filing date: 1994-12-16
Publication date: 1996-07-02

Abstract

(57)【要約】【目的】電子顕微鏡や電子線描画装置などの電子線応
用装置において用いられるＳＥ電子銃に関し、全ての装
置間の機差を無くし、同一プローブ電流が得られる電子
銃を提供する。【構成】ＳＥチップ１の清浄度を高めるためにＳＥチ
ップを短時間、動作温度以上に加熱する。そして、ＳＥ
チップ自身の動作温度を調整して、ＳＥチップ先端と引
出電極７の間隔の寸法誤差を吸収する。動作温度は、所
定の引出電圧において予め定められたショットキーエミ
ッション電子電流が得られるように設定する。【効果】全てのＳＥ電子銃で得られるプローブ電流が
同じになるため、電子線応用装置間の機差がなくなり、
極めて高精度の電流制御が実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子顕微鏡や電子線描
画装置などの電子線を用いる装置に使用されるショット
キーエミッション電子銃の動作温度設定方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、新しい電子源として、タングステ
ン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の耐高温金属材料の単
結晶チップ表面に、例えば、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｈｆ等と酸素
原子をそれぞれ単原子程度吸着させた表面拡散形電子源
が実用化されている。この電子源の一般的な構成として
は、Ｗヘアピンフィラメントの頂点に、一定の結晶方位
を持つＷ単結晶線を接合し、この単結晶線先端を電解研
磨して先鋭化する。そして、このＷヘアピンフィラメン
トと単結晶線間に、水素化Ｚｒ等の水素化合物粉末を付
着させ、酸素ガス分圧のある真空雰囲気中で熱処理する
ことによりＺｒ等の拡散を促進し、単結晶先端の特定結
晶面にＺｒとＯの吸着層を形成するものである（米国特
許第３８１４９７５号参照）。

【０００３】このような電子源を電界放出が起こらない
弱い電界領域で使用する場合を、特にショットキーエミ
ッション（Schottky Emission 、以下ＳＥと略す）電子
源と呼んでいる。この電子源として、Ｚｒ／Ｏ／Ｗが実
用化されている〔ジャーナル・バキューム・サイエンス
・テクノロジー、Ｂ３（１）、１９８５年、２２０頁
(J. Vac. Sci. Technol., B3(1), 1985, p.220) 〕。

【０００４】この電子源にサプレッサー電極と引出電極
を付加した構成を電子銃と呼んでいる。その基本的な構
造を図１に示す。１はＷ（１００）の単結晶チップ、２
はＷの多結晶線からなるヘアピン形のフィラメント、４
はフィラメント２がスポット溶接されているステンレス
等の端子、５はセラミック碍子である。Ｗの単結晶チッ
プ１よりも仕事函数が低いＺｒの酸化物補給源３が単結
晶チップ１の中央部、付け根またはフィラメント２に付
着した構造となっている。

【０００５】フィラメント２に通電して、これを１５０
０Ｋから１９００Ｋ程度に加熱することで酸化物が単結
晶チップ１に沿って熱拡散する。単結晶チップ１の先端
に拡散していった金属（Ｚｒ）酸化物は、単結晶チップ
１の先端に酸素とＺｒそれぞれほぼ単原子層ずつ吸着す
る。この時、表面拡散及び活性化エネルギーの高い特定
の結晶面（１００）に選択的に吸着する。従って、（１
００）結晶面が単結晶チップ１の先端となるような単結
晶線を用いることで、単結晶チップ１の先端のみを仕事
函数の低い状態に保つことができる。これにより、その
部分から高い放出電子電流密度が得られる。

【０００６】６はサプレッサー電極と呼ばれ、１５００
Ｋから１９００Ｋで熱されたＷヘアピンフィラメントか
らの熱電子を抑制する働きをする。７は引出電極であ
り、単結晶先端に電界を印加し、ショットキーエミッシ
ョン（ＳＥ）を取り出す働きをする。このＳＥは、電界
放出と異なり先端に印加される電界強度は電界放出状態
より極めて低い。従って、放出電子は熱電子であり、ト
ンネル電子は含まれない。このため、電界放出電子特有
の放出電子流の変動が無く、極めて安定な放出電子電流
が得られることになる。更に、通常の熱電子源、例え
ば、ＬａＢ₆やＷヘアピンに比べその動作温度が低いた
め、放出される電子流のエネルギー幅を小さくすること
ができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記ＳＥ電子銃は超高
真空中で使用するにも関わらず、そのチップ先端の清浄
度はチップ作製条件や保存状態などで微妙に異なってい
る。超高真空中で作製されたＳＥ電子源は大気中に取り
出され、保管容器に入れられて保存されるが、この時、
大気中のガスを吸着し、清浄表面が汚染されてしまう。
この清浄度の度合いは放出されるＳＥ電子電流密度を大
きく変化させることになる。

【０００８】更に、ＳＥ電子銃を採用する場合、各電極
の形状は図１にあるように、極めて精密な製作が要求さ
れる。これは、ＳＥ電子源作製の段階で、単結晶先端に
は（１００）面のファセットができ、それと直交した面
にそれと同類の結晶面例えば（０１０）面などのファセ
ットが単結晶近傍にできる。そして、これらのファセッ
トからも（１００）面と同様にＳＥ電子が発生する。こ
れらのＳＥ電子は電子光学的には弊害となるもので、取
り除くことが必要となる。このため、各電極の寸法は図
１に示すように小さく精密に加工しなければならず、そ
の機械的製作精度は±１０μｍ程度が必要である。特に
重要なのはチップ先端と引出電極との間隔であり、引出
電極に印加する引出電圧とこの間隔とでチップ先端の電
界強度を決めることになる。この間隔の寸法精度はより
高精度が求められる。

【０００９】ところが、図１で明らかなように、この電
子源は多くの電極から構成されるため、各部の機械的製
作誤差および組立て誤差が混入し、現実には±１００μ
ｍ以上の誤差がでてしまう。これにより、一定の引出電
圧に対して、チップ先端の電界強度が変化し、放出され
るＳＥ電子電流密度が大きく変化することになる。ま
た、これらのＳＥ電子源を電子顕微鏡に装着すると、試
料に照射するプローブ電流の制御が高精度にできなくな
り、そして、一定の引出電圧においてプローブ電流が多
い装置と少ない装置ができ、所謂機差が生じてしまう。
本発明は、上記問題点を解決し、一定の引出電圧におい
て、全ての装置で同じＳＥ電子電流を取得する手法を提
供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明においては、ＳＥ
チップの清浄度を高めるためにＳＥチップを短時間、動
作温度以上に加熱する。そして、ＳＥチップ自身の動作
温度を調整して、ＳＥチップ先端と引出電極の間隔の寸
法誤差を吸収する。すなわち、最初にＳＥチップの清浄
度を高め、次に、動作温度の調整を実施する。これによ
り、引出電圧一定のもとで、あらゆる機種において、同
じＳＥ電子電流密度が得られる。また、ＳＥチップ交換
においても同様の手段を用いれば、交換前と同じＳＥ電
子電流密度が得ることができる。

【００１１】具体的には、本発明は、ヘアピン状に形成
した高融点金属の細線からなるフィラメントと、フィラ
メントの先端に取り付けられた高融点金属の単結晶線
と、フィラメントからの熱電子を抑制するサプレッサー
電極と、単結晶線先端に電界を印加して電子を引き出す
ための引出電極とを備え、単結晶線先端に仕事関数が該
単結晶より小さい金属の吸着層を設け、フィラメントに
通電して吸着層が安定に維持できる動作温度まで単結晶
線を加熱した状態で使用するショットキーエミッション
電子源の動作温度設定方法において、電子源を超高真空
装置に設置後最初に動作温度以上の温度に所定時間加熱
して単結晶線先端に吸着した残留ガスを脱離させ、その
後動作温度に設定して使用することを特徴とするショッ
トキーエミッション電子源の動作温度設定方法である。
このとき動作温度は、所定の引出電圧において予め定め
られたショットキーエミッション電子電流が得られるよ
うに決定される。

【００１２】

【作用】ＳＥ電子源の放射電流密度Ｊ（Ａ／ｃｍ²）
は、下式（１）で与えられる。Ｊ＝１２０Ｔ²ｅｘｐ〔−（φ−ａＦ^1/2）／ｋＴ〕（１）ここで、Ｔ：チップ温度、φ：仕事関数、ａ：定数、
Ｆ：電界強度、ｋ：ボルツマン定数である。

【００１３】上式より明らかなように、放射電流密度Ｊ
はチップの温度Ｔ、放射面の仕事関数φ及びチップ先端
の電界強度Ｆに依存している。ＳＥチップと引出電極と
の間隔は電界強度Ｆを変化させ、チップの清浄度は仕事
関数φを変化させる。この変化する量をチップ温度で補
正することができれば、放射電流密度Ｊをいつも一定に
することができる。従って、電極間の間隔が大きくなっ
て電界強度が弱いときはチップ温度を上げ、電界強度が
強いときは逆に温度を下げればよい。

【００１４】また、チップ先端の放射面が残留ガスなど
の吸着により汚染され、仕事関数が大きくなった場合、
チップ温度を動作温度以上に上げて吸着ガスを脱離する
ことにより清浄表面にすることができる。このように、
チップ表面の清浄度あるいはチップ先端と引出電極との
間隔誤差に起因する問題は、フィラメント電流を制御し
てチップ温度を調整することにより解決することができ
る。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例を以下に述べる。図２は、Ｓ
Ｅ電子銃の評価を行なう装置の説明図である。この装置
は電子銃部と排気架台部とに分かれており、電子銃部を
交換して多くの機差のある電子銃の特性を評価すること
ができる。最初にＳＥチップ１を装着した電子銃部を排
気架台に載せ、超高真空排気を実施する。５×１０^-10
Ｔｏｒｒ程度の超高真空に排気されたら、ヘアピンフィ
ラメント２に定電流電源Ｖｆより電流を流して通電加熱
する。この時の温度は、大気中でのガス吸着を脱離する
ため、ＳＥチップ動作温度以上にする。例えば、１９０
０Ｋ以上で、およそ３０分間加熱する。これにより、Ｓ
Ｅチップ１の表面は清浄化される。

【００１６】次に、ＳＥチップ１の温度を１８００Ｋま
で下げる。そして、サプレッサー電極６に直流高圧電源
Ｖｓより−３００Ｖ程度の負の電圧を、引出電極７に直
流高圧電源Ｖｅより１．５〜２．５ｋＶ程度の正の電圧
をそれぞれ供給すると、ＳＥチップ先端からＳＥ電子８
が放出される。放出されたＳＥ電子８は、図２に示すよ
うに、大部分が絞り板９で遮蔽され、その一部分がファ
ラディカップ１０に到達する。このファラディカップ１
０に入射したＳＥ電子をプローブ電流とし、実際の電子
顕微鏡や電子線応用装置で使用する。開き角αは数ｍｒ
ａｄのオーダーであり、電流は数ｐＡから数１００ｐＡ
が得られる。このＳＥ電子電流と引出電界の関係は式
（１）で示したようになるため、一定の引出電圧を印加
しても、前述のようにＳＥチップ１と引出電極７間の間
隔に誤差が生じてチップ先端の電界が異なり、同じＳＥ
電子電流が得られないこととなる。

【００１７】この問題を解決するため、以下の手順を実
行する。まず、大気中において、図１に示した電子銃を
組み立てた後、サプレッサー電極６と引出電極７の間隔
を光学的手法により決定する。定盤上に光学顕微鏡及び
電子銃を載せ、サプレッサー電極６に焦点を合わせ、次
に引出電極７に焦点を合わせる。その焦点の差が電極間
の間隔となる。この手法で電極間間隔を１０μｍ以下の
精度で測定可能である。この間隔ができるだけ設計値
０．５ｍｍに近い電子銃を選び出し、それを標準電子銃
とする。この標準電子銃を図２の真空架台に設置し、プ
ローブ電流を測定する。この時、ＳＥチップ温度を１８
００Ｋに、引出電圧を２．０ｋＶに設定して、プローブ
電流１０ｐＡが測定されたとすると、このプローブ電流
１０ｐＡを標準プローブ電流とする。

【００１８】別の電子銃を真空架台に設置し、ＳＥチッ
プ温度１８００Ｋ、引出電圧２．０ｋＶに設定し、プロ
ーブ電流を測定する。そして、このプローブ電流が標準
プローブ電流に一致するようにフィラメント２の電流を
調整し、ＳＥチップの動作温度を変化させる。この電子
銃ではＳＥチップ１と引出電極７の間隔が設定値より小
さく加工されていたとすると、例えば１７５０Ｋで標準
プローブ電流値が得られるので、１７５０Ｋをこの電子
銃の動作温度とする。次に、新しい電子銃を交換して据
え付ける。この電子銃は、ＳＥチップ１と引出電極７間
の間隔が設定値より大きく加工されていたため、上述し
た手法で同じことを実施し動作温度を調整すると動作温
度は１８５０Ｋになった。以上のように、各電子銃によ
って、ＳＥチップの動作温度を調整することにより、同
じ引出電圧で同じＳＥ電子電流が全ての電子銃で得られ
ることになる。なお、実際の動作温度の設定は、ＳＥチ
ップの温度を測定しながら行われるわけではなく、標準
プローブ電流が得られるようにフィラメント電流を設定
することによって行われる。

【００１９】上記実施例は、異なった電子銃の場合につ
いてのものであるが、同じ電子銃においてＳＥチップだ
けを交換する場合にも、同様にして動作温度を再設定す
ることができる。動作温度の設定は、最初に標準プロー
ブ電流を求めておけば、特別な動作温度設定用の装置を
用意することなく、電子顕微鏡や電子線描画装置等の電
子線応用装置にＳＥ電子源を設置した状態で、その電子
線応用装置に付属しているファラデーカップを用いてプ
ローブ電流を測定し、そのプローブ電流が標準プローブ
電流に等しくなるような動作温度、すなわちフィラメン
ト電流値を求めることによって行うことができる。この
動作温度の設定は、１つのＳＥ電子源に対して通常一度
だけ行えばよい。また、前記したＳＥチップの清浄化手
法は、装置に最初にＳＥ電子源を設置した時だけでな
く、停電等で長期間ＳＥチップを動作しなかった場合
や、ＳＥチップ周辺の真空劣化を生じた場合にも適用で
きる。

【００２０】

【発明の効果】ＳＥ電子源を使った電子銃において、全
ての電子銃で得られるプローブ電流が同じになるため、
電子線応用装置間の機差がなくなり、極めて高精度の電
流制御が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＳＥ電子銃の概略断面図。

【図２】ＳＥ電子銃を評価する方法の説明図。

【符号の説明】

１…単結晶線、２…ヘアピンフィラメント、３…酸化物
補給源、４…端子、５…セラミック碍子、６…サプレッ
サー電極、７…引出電極、８…ＳＥ電子、９…絞り板、
１０…ファラデーカップ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ヘアピン状に形成した高融点金属の細線
からなるフィラメントと、前記フィラメントの先端に取
り付けられた高融点金属の単結晶線と、前記フィラメン
トからの熱電子を抑制するサプレッサー電極と、前記単
結晶線先端に電界を印加して電子を引き出すための引出
電極とを備え、前記単結晶線先端に仕事関数が該単結晶
より小さい金属の吸着層を設け、前記フィラメントに通
電して前記吸着層が安定に維持できる動作温度まで前記
単結晶線を加熱した状態で使用するショットキーエミッ
ション電子源の動作温度設定方法において、電子源を超高真空装置に設置後最初に前記動作温度以上
の温度に所定時間加熱して前記単結晶線先端に吸着した
残留ガスを脱離させ、その後前記動作温度に設定して使
用することを特徴とするショットキーエミッション電子
源の動作温度設定方法。
【請求項２】前記動作温度は、所定の引出電圧におい
て予め定められたショットキーエミッション電子電流が
得られるように決定されることを特徴とする請求項１記
載のショットキーエミッション電子源の動作温度設定方
法。