JPH0869770A

JPH0869770A - 電界放出型電子銃

Info

Publication number: JPH0869770A
Application number: JP6206214A
Authority: JP
Inventors: Shigetomo Yamazaki; 茂朋山崎
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1994-08-31
Filing date: 1994-08-31
Publication date: 1996-03-12
Anticipated expiration: 2019-08-04
Also published as: JP3549005B2

Abstract

(57)【要約】【目的】加工の容易な形状の電極とすることのできる
電界放出型電子銃を提供する。【構成】陰極１１と、引出電極１２と、加速電極２０
とを備えた電界放出型電子銃において、陰極１１から引
き出された電子線が通過する第１孔１４を引出電極１２
の中心部に設け、加速電極２０と対向する引出電極１２
の下面１２cを平面状にし、引出電極１２と対向する加
速電極２０の上面２０aの中央に円柱状の凹部２１を設
け、この凹部２１の底の中心部に電子線が通過する第２
孔２２を設け、引出電極１２の下面１２cと、加速電極
２０の上面２０aとの間隔をｈ2とし、加速電極２０の凹
部２１の深さをｈ1とし、その凹部２１の内径をＤとし
たとき、１.７≦Ｄ/ｈ2 、０.８≦ｈ１/Ｄとなる関係を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、走査型電子顕微鏡に
用いられる電界放射型電子銃に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、走査電子顕微鏡における電子銃
は、図５に示すように、陰極１である電界放射電子源
（ＦＥチップ）から電子線を電界放出させて引き出す引
出電極２と、陰極１から引き出された電子線を加速する
加速電極３とから構成され、引出電極２及び加速電極３
で形成された静電レンズ４が陰極１からの電子線を収束
して、２次光源５を形成する。

【０００３】ここで、陰極１に対して引出電極２に印加
する電圧をＶ1、陰極１に対して加速電極３に印加する
電圧をＶ2とし、引出電極２から陰極１までの距離をＬ
1、引出電極２から２次光源５までの距離をＬ2とした場
合に、Ｖ2/Ｖ1を変化すると２次光源５までの距離Ｌ2
は、図６のように変化する。

【０００４】すなわち、Ｖ2/Ｖ1＝１のとき、即ち等電
位の時には、図６（Ａ）に示すように静電レンズの作用
はなく、陰極１の位置から電子線が直線として放出さ
れ、２次光源５の位置は陰極１の位置と一致する。

【０００５】Ｖ2/Ｖ1を１から増加又は減少させていく
と２次光源５の位置は、図６(Ｂ)(Ｃ)に示すように陰極
１の上方へ移動する。この上方の位置を図７に示すよう
に虚像領域と呼ぶ。

【０００６】さらに、Ｖ2/Ｖ1を増加又は減少させてい
くと、あるところで電子線は平行ビームとなる（図６
(Ｄ)(Ｅ)参照）。このとき、２次光源５は上方の無限遠
位置から手前側（下側）の無限遠位置へ移動する（図７
参照）。

【０００７】ここで、Ｖ2/Ｖ1を１から減少させた際に
２次光源５が無限遠位置となったときのＶ2/Ｖ1の値を
第１境界値Ａ1とし、又Ｖ2/Ｖ1を１から増加させた際に
２次光源５が無限遠位置となったときのＶ2/Ｖ1の値を
第２境界値Ａ2（Ａ1＜Ａ2）とする。さらに、Ｖ2/Ｖ1を
増加又は減少させていくと、図７に示す実像領域に入る
とともに２次光源５の位置は下から上の陰極１へ近かづ
いていく。そして、電子線は図６(Ｆ)(Ｇ)に示す状態と
なる。

【０００８】走査型電子顕微鏡では、一般に２次光源５
の位置が上述した虚像領域の範囲内となるように使用さ
れる。

【０００９】走査型電子顕微鏡では、Ｘ線分析を効率よ
く行うため、加速電圧をある程度の分解能が得られるい
わゆる高加速電圧（１５Ｋ〜３０ＫＶ）の範囲に設定し
て観察することが一般的である。その範囲で２次光源５
が虚像領域となるように、電極形状が形成されている。
しかし、第１境界値Ａ1を低くする試みは、ほとんどな
されていなかった。

【００１０】ところで、近年、非導電性の試料を直接観
察したいという要望がでてきている。

【００１１】この場合には、上述の通常の加速電圧で使
用すると試料表面に電荷が蓄積（帯電現象）し、このた
め像のひずみや異常なコントラストが生じる等の弊害が
ある。この弊害を防止するために、より低い低加速電圧
（１〜５ＫＶ）で観察することが要求され、電子銃の第
１境界値Ａ1の値を小さくしなければならないという要
求が高まってきた。

【００１２】一方、電界放出型チップは、加速電圧が低
くても、熱電子銃に比べ輝度が高く、見掛上の光源の大
きさも小さいため、観察には十分な分解能を確保するこ
とが出来る利点がある。しかし、従来のタングステンタ
イプの電子銃の電極構造と組み合わせた場合、要求され
る低加速電圧域において、２次光源が実像域に移動した
り、高加速電圧での２次光源位置から大きく隔たったり
する。このため、電子レンズ系の構成を大幅に変更しな
ければならないなどの問題が生じる。

【００１３】そこで、電界放出型チップを従来のタング
ステンタイプの電子銃の電極構造と組み合わせた場合で
も、タングステンタイプの電子レンズ系の構成を変更せ
ずに済むように、虚像領域を広げる電極構造が提案され
ている（特開平１−１８９８４３号公報参照）。

【００１４】この提案された引出電極は、加速電極側の
下面が凸の円錐形状であると共に、その円錐形状の頂点
に凹状の円柱形の窪みを有し、その窪みの中心部に電子
線が通過する孔を有している。

【００１５】また、加速電極は、引出電極側の上面に円
錐形の凹部が形成され、さらにこの円錐形の頂点側に連
続形成された円柱形窪みを有し、この円柱窪みの中心部
に電子線が通過する孔が形成されている。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、引出電
極および加速電極は複雑な形状であり、精密に加工する
ことが容易でないという問題があった。

【００１７】この発明は、上記問題点に鑑みてなされた
もので、その目的は、虚像領域を拡大することができ、
しかも、単純な形状の電極とすることのできる電界放出
型電子銃を提供することにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するため、電子線を電界放出する陰極と、前記陰極
から電子線を電界放出させて引き出すための電界を前記
陰極との間に形成する引出電極と、前記陰極から電界放
出されて前記引出電極を通過する電子線を加速する加速
電極とを備えた電界放出型電子銃において、前記陰極か
ら引き出された電子線が通過する第１孔を前記引出電極
の中心部に設け、前記加速電極と対向する引出電極の下
面を平面状に形成し、前記引出電極と対向する加速電極
の上面の中央に円柱状の凹部を設け、前記凹部の底の中
心部に前記電子線が通過する第２孔を設け、前記引出電
極の前記下面と、前記加速電極の前記上面との間の間隔
をｈ2とし、前記加速電極の凹部の深さをｈ1とし、その
凹部の内径をＤとしたとき、１.７≦Ｄ/ｈ2 ０.８≦ｈ１/Ｄとなる関係を有することを特徴とする。

【００１９】

【実施例】以下、この発明に係わる走査型電子顕微鏡の
電界放射型電子銃の実施例を図面に基づいて説明する。

【００２０】図１において、１１は電界放射型電子銃１
０の陰極（ＦＥチップ）、１２は陰極１１から電子線を
電界放出させて引き出すための電界を前記陰極との間に
形成する引出電極、２０は引出電極１２を通過する電子
線を加速する加速電極である。

【００２１】［引出電極］引出電極１２の中心部には、
電子線が通過する内径ｄ1の第１孔１４が設けられ、加
速電極に対向する下面１２cが平面状に形成されてい
る。第１孔１４の内径ｄ1は電子線が通過する程度の径
であれば足りる。一般的には１mm〜３mm程度である。

【００２２】また、引出電極１２の厚さＨは１mm〜２mm
程度である。

【００２３】この引出電極１２には、陰極１１からの放
出電流が所定の値（一例として略１０μＡ）となるよう
に引出し電圧Ｖ1（通常３〜７ＫＶ）が印加される。

【００２４】［加速電極］引出電極１２に対向する加速
電極２０の上面２０aには、円柱状の凹部２１が設けら
れており、この凹部２１の中心部には電子線が通過する
第２孔２２が設けられている。ここで、凹部２１の深さ
をｈ1、加速電極２０の凹部２１の内径をＤ、第２孔２
２の径をｄ2、加速電極２０の上面２０aと引出電極１２
の下面１２cとの間隔をｈ2とする。また、加速電極２０
の下面２０bは平面状に形成されている。

【００２５】第２孔２２の内径ｄ2は、凹部２１の内径
Ｄよりも小さく設定され(ｄ2＜＜Ｄ)、電子線が通過す
る程度であれば足り、一般的に数mm程度とされる。

【００２６】このように、引出電極１２には第１孔１４
を設けただけであり、また加速電極２０には円柱状の凹
部２１と第２孔２２を設けただけなので各電極１２,２
０の形状は単純なものであり、その加工は容易なものと
なる。

【００２７】加速電極２０には、陰極１１からの電子線
を所定速度に加速するために加速電圧Ｖ2が印加され
る。そして、上述した引出電極１２及び加速電極２０で
形成された静電レンズ２５が陰極１１から引き出された
電子線を収束して、２次光源２５を形成する。

【００２８】ここで、陰極１１に対して引出電極１２に
印加する電圧をＶ1（１０００Ｖ）、陰極１１に対して
加速電極２０に印加する電圧をＶ2とし、引出電極１２
と陰極１１との距離をＳ0（Ｖ2/Ｖ1＝１のときの２次光
源２５の距離）、Ｖ2/Ｖ1を変化させたときの引出電極
１２と２次光源２５までの距離をＳとする。

【００２９】このときの２次光源像２５の位置変化比Ｓ
/Ｓ0は、磁場が存在しないことに留意しつつ、与えられ
た電極形状に関して有限要素法を利用して電極間の電位
関数を得て、これに基づき下記近軸軌道方程式を解いて
求められる。

【００３０】有限要素法とは、電極形状に合わせて空間
を微小な三角形で分割し、その中での電位の変化が１次
関数で表されるようにとり、各要素でのエネルギー△Ｆ
を計算し、これを全空間について和をとり、その最小条
件を作ることで電位関数を得るものである。

【００３１】磁場が存在しないときの近軸軌道方程式
は、Ｕ´´＋（Φ´/２Φ）Ｕ´＋（Φ´´/４Φ）Ｕ＝０で表される。

【００３２】ただし、Ｕは、回転座標Ｘ，ＹをＵ＝Ｘ＋
ｊＹとして与えたものであり、Φは電位関数を示す。

【００３３】ここで、Ｖ1＝１０００Ｖ，Ｄ＝４５ｍｍｈ1＝７０ｍｍｈ2＝１０ｍｍＳ0＝４ｍｍｄ1,ｄ2＜＜Ｄとし、引出電極１２の印加電圧と加速電極２０の印加電
圧の比Ｖ2/Ｖ1を変化させたときの２次光源像２５の位
置変化比Ｓ/Ｓ0を上記近軸軌道方程式で求めた結果を図
２に示す。

【００３４】一般に、引出し電圧Ｖ1は、チップ先端
（陰極１１先端）の曲率半径によって異なるが、放出電
流が略１０μＡとなるように、通常３〜７ＫＶの間で使
用される。一方、加速電圧Ｖ２は、高加速電圧（１５Ｋ
〜３０ＫＶ）から低加速電圧（１〜５ＫＶ）の範囲で使
用される。

【００３５】これを考慮して、通常の走査型電子顕微鏡
では、Ｖ2/Ｖ1が０.１〜１０の範囲で使用されている。

【００３６】図２において、高加速電圧領域の上限値
（Ｖ2/Ｖ1＝１０）付近について、考察してみると、Ｖ2
/Ｖ1＝１０において、仮想電極である２次光源２５の位
置Ｓと実際の電極位置Ｓ0との比（Ｓ/Ｓ0）は２.３５で
あり、Ｖ2 /Ｖ1＝１５においてでさえＳ/Ｓ0は３.４の
ように十分小さい値をとる。

【００３７】他方、低加速電圧領域の下限値（Ｖ2/Ｖ1
＝０.１）付近について、考察してみると、Ｖ2/Ｖ1＝
０.１において、仮想電極の像位置Ｓと実際の電極位置
Ｓ0との比（Ｓ/Ｓ0）は４.７８であり、Ｖ2 /Ｖ1＝０.
０８におけるＳ/Ｓ0でも、６.４９のように１０よりも
十分小さい値をとり、加速電圧を変更しても２次光源２
５の位置は大きく変わらない良好な特性を示すことが分
かる。

【００３８】［適用範囲］一般に、電子光学において、
磁界がないときすべての電極電圧を同じ倍率で変えても
電子の軌道は変わらず、電極電圧を変えないで電極寸法
を同じ倍率で拡大、縮小すると軌道も同じ倍率で拡大・
縮小されるという、相似則が適用できることが知られて
いる。

【００３９】そこで、電極形状の許容範囲を求めるた
め、通常の走査型電子顕微鏡において使用されるＶ2/Ｖ
1をパラメータとし、そのパラメータの下限値を０.１、
そのパラメータの上限値を１０として、加速電極２０の
凹部２１の内径Ｄと、引出電極１２の下面１２cと加速
電極２０の上面２０aとの間隔ｈ2との比（Ｄ/ｈ2）と、
加速電極２０の凹部２１の深さｈ1と加速電極２０の凹
部２１の内径Ｄとの比（ｈ1/Ｄ）とを用いて、２次光源
２５の位置の変化比の特性を近軸軌道方程式から求めた
結果を図３に示す。

【００４０】ここでは、Ｖ2/Ｖ1＝０.０８とＤ/ｈ2＝
１.４を一定にしてｈ1/Ｄを変化させていったときのＳ/
Ｓ0を求め、同様にして、Ｄ/ｈ2＝１.７１、Ｄ/ｈ2＝
２、Ｄ/ｈ2＝２.６、Ｄ/ｈ2＝３.１、Ｄ/ｈ2＝３.７を
一定にしてｈ1/Ｄを変化させていったときのＳ/Ｓ0を求
めた。

【００４１】また、同様に、Ｖ2/Ｖ1＝１０のとき、Ｄ/
ｈ2＝１.４、Ｄ/ｈ2＝１.７１、Ｄ/ｈ2＝２、Ｄ/ｈ2＝
２.６、Ｄ/ｈ2＝３.１、Ｄ/ｈ2＝３.７を一定にしてｈ1
/Ｄを変化させていったときのＳ/Ｓ0を求めた。

【００４２】図３を参照すると、低加速電圧領域の下限
値近傍（Ｖ2/Ｖ1＝０.０８）においてｈ1/Ｄの値が小さ
すぎると２次光源２５の位置変化比Ｓ/Ｓ0が著しく大き
くなり、またＤ/ｈ2の値が小さすぎると、どのようなｈ
1/Ｄの値をとっても、２次光源２５の位置変化比Ｓ/Ｓ0
が１０以下の値をとれない。

【００４３】従って、ｈ1 /Ｄ≧０.８、Ｄ/ｈ2≧１.７
の範囲の電極形状を採用すれば、低加速電圧領域の下限
値近傍のＶ2/Ｖ1＝０.０８付近においても、２次光源の
位置変化比Ｓ/Ｓ0がさほど大きくなく十分使用可能な電
子銃を形成することができる。すなわち、低加電圧速領
域の下限値をＶ2/Ｖ1＝１からＶ2/Ｖ1＝０.０８まで下
げることができ、虚像領域が広がることとなる（但し、
ｈ1,ｈ2,Ｄ≠０とする）。

【００４４】この低加速電圧領域の下限値を小さくする
ことができることにより、非導電性の試料上に電子線を
連続して収束させても帯電現象を生じさせずに済み、こ
の結果、像のひずみや異常なコントラストを生じさせる
ことなく非導電性の試料を直接観察することができるこ
ととなる。

【００４５】また、特にｈ1/Ｄの値を１.２≦ｈ1/Ｄ≦
４とすれば、Ｄ/ｈ2の値を変化、すなわち引出電極１２
の下面１２cと加速電極２０の上面２０aとの間隔ｈ2の
値を変えても２次光源２５の位置変化比Ｓ/Ｓ0の値は大
きく変化しない。これは、低加電圧速領域の下限値近傍
から高加速電圧領域の上限値近傍（Ｖ2/Ｖ1＝１０）ま
での範囲について云える。

【００４６】この２次光源２５の位置変化比Ｓ/Ｓ0の値
はさほど大きく変わらないことにより、２次光源２５の
位置の移動にともなう加速電極２０の後の後段のレンズ
系での補正の負担を軽減することができる。

【００４７】また、Ｄ/ｈ2の値を２≦Ｄ/ｈ２≦３.１の
範囲とすれば、ｈ1を変化させても、２次光源の位置変
化比Ｓ/Ｓ0の値の変化はさらに小さなものとなる。この
ため、２次光源２５の位置の移動にともなう加速電極２
０の後の後段のレンズ系での補正の負担をさらに軽減す
ることができる。

【００４８】さらに、ｈ1/Ｄの値を１.２≦ｈ1/Ｄ≦４
の範囲とし、かつＤ/ｈ2の値を２≦Ｄ/ｈ2≦３.１の範
囲とすれば、２次光源２５の位置変化比Ｓ/Ｓ0の値はほ
とんど一定となり、このためｈ1,ｈ2又はＤのいずれか
一つの自由度が増えることとなり、設計上の選択の自由
度が増えるという効果がある。

【００４９】従って、この場合の電極形状は、形状自体
が単純で製作し易いだけでなく、その製作精度も厳しい
要求がなされない。また、２次光源２５の位置変化比Ｓ
/Ｓ0の値はほとんど一定であるため、２次光源２５の位
置の移動にともなう加速電極２０の後の後段のレンズ系
での補正は不要となる。

【００５０】図５は他の実施例を示すものである。この
実施例では加速電極２０の上面２０aを、半径ｒのＲ状
に形成したものである。このＲ状により放電防止効果を
図ったものである。

【００５１】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、電子線が通過
する第１孔を引出電極の中心部に設け、加速電極と対向
する引出電極の下面を平面状に形成し、前記引出電極と
対向する加速電極の上面の中央に円柱状の凹部を設け、
前記凹部の底の中心部に前記電子線が通過する第２孔を
設けただけなので、引出電極および加速電極の形状は単
純な形状なものである。

【００５２】また、請求項１の発明によれば、高加速電
圧領域の上限値をある程度の大きさに保ちつつ、低加速
電圧領域の下限値を小さくすることができるので、高加
速電圧領域から低加速電圧領域までの広い範囲を２次光
源位置の虚像領域とすることができる。また、低加速電
圧領域の下限値を小さくすることができるので、電子銃
以降の集束レンズ系などによって非導電性の試料上に電
子線を連続して収束させることができる。

【００５３】さらに、１.７≦Ｄ/ｈ2、２≦ｈ1/Ｄ2の範
囲では２次光源の位置変化比Ｓ/Ｓ0の値はさほど大きく
変わらないので、２次光源位置の移動にともなう後段の
レンズ系での補正の負担を軽減することができる。

【００５４】請求項２の発明によれば、２≦Ｄ/ｈ2≦
３.１なので、２次光源の位置変化比Ｓ/Ｓ0の値をさら
に小さくすることができ、２次光源位置の移動にともな
う後段のレンズ系での補正の負担をさらに軽減すること
ができる。

【００５５】請求項３の発明によれば、２≦ｈ1/Ｄ≦
３.５なので、２次光源の位置変化比Ｓ/Ｓ0の値は殆ど
一定となり、２次光源位置の移動にともなう後段のレン
ズ系での補正は不要となる。また、２≦Ｄ/ｈ2≦３.１
の範囲内であれば、２次光源２５の位置変化比Ｓ/Ｓ0の
値はほとんど一定となり、このためｈ1,ｈ2又はＤのい
ずれか一つの自由度が増えることとなり、設計上の選択
の自由度が増える。また、この場合の電極形状は、形状
自体が製作し易いだけでなく、その製作精度も緩いもの
で済むこととなる。

【００５６】請求項４の発明によれば、加速電極の上面
をＲ状に形成したので、放電防止効果が得るれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係わる電界放出型電子銃の構成を示
した説明図である。

【図２】引出電極電圧と加速電極電圧の比と、陰極位置
と２次光源位置の比との関係を表わしたグラフである。

【図３】２次光源像位置変化の特性を示したグラフであ
る。

【図４】他の実施例を示した説明図である。

【図５】従来の電界放出型電子銃の構成を示した説明図
である。

【図６】(Ａ)はＶ2/Ｖ1＝１のときの電子線の状態を示
した説明図である。(Ｂ)はＶ1＞Ｖ2のときの電子線の状
態を示した説明図である。(Ｃ)はＶ1＜Ｖ2のときの電子
線の状態を示した説明図である。(Ｄ)は電子線が平行ビ
ームとなっている状態を示した説明図である。(Ｅ)は電
子線が平行ビームとなっている状態を示した説明図であ
る。(Ｆ)２次光源が実像領域に入っているときの電子線
の状態を示した説明図である。(Ｇ)２次光源が実像領域
に入っているときの電子線の状態を示した説明図であ
る。

【図７】Ｖ2/Ｖ1に対する２次光源位置を示す説明図で
ある。

【符号の説明】

１１陰極１２引出電極１２c 下面１４第１孔２０加速電極２０a 上面２１凹部２２第２孔Ｄ凹部の内径ｈ1 凹部の深さｈ2 間隔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子線を電界放出する陰極と、前記陰極から電子線を電界放出させて引き出すための電
界を前記陰極との間に形成する引出電極と、前記陰極から電界放出されて前記引出電極を通過する電
子線を加速する加速電極とを備えた電界放出型電子銃に
おいて、前記陰極から引き出された電子線が通過する第１孔を前
記引出電極の中心部に設け、前記加速電極と対向する引出電極の下面を平面状に形成
し、前記引出電極と対向する加速電極の上面の中央に円柱状
の凹部を設け、前記凹部の底の中心部に前記電子線が通過する第２孔を
設け、前記引出電極の前記下面と、前記加速電極の前記上面と
の間の間隔をｈ2とし、前記加速電極の凹部の深さをｈ1
とし、その凹部の内径をＤとしたとき、１.７≦Ｄ/ｈ2 ０.８≦ｈ１/Ｄとなる関係を有することを特徴とする電界放出型電子
銃。
【請求項２】前記内径Ｄと前記間隔ｈ2との比が２≦Ｄ/ｈ2≦３.１となる関係を有することを特徴とする請求項１に記載の
電界放出型電子銃。
【請求項３】前記深さｈ1と前記内径Ｄとの比を１.２≦ｈ1/Ｄ≦３.５となる関係を有することを特徴とする請求項１ないし請
求項２に記載の電界放出型電子銃。
【請求項４】前記加速電極の上面をＲ状に形成したこと
を特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の電界放出
型電子銃。