JPH09134665A - 電子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子ビームを細く絞ることができるとともに
装置全体の構成を小型化し、また、低コスト化を実現可
能にする。 【解決手段】 半導体基板１の表面に一体的に突出して
形成されかつ電子を放出するエミッタ電極２と、半導体
基板１上にエミッタ電極２の周辺部を覆うように形成さ
れた絶縁体３と、この絶縁体３上にエミッタ電極２の周
辺部を覆いかつエミッタ電極２の先端部に近接して配置
されたリング状の電子引き出し電極４とを備えた電子ビ
ーム装置において、エミッタ電極２から放出される電子
を取り出す方向とほぼ平行に磁場を重畳させる集束コイ
ル１１を絶縁体３表面上の電子引き出し電極４の外周部
分に設けることにより、エミッタ電極２から放出された
電子ｅを集束させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば平面ディス
プレイ装置，電子顕微鏡などの電子ビーム源として適用
される電子ビーム装置に係わり、特に電子ビーム発生，
集束および偏向系の構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は、従来の電子ビーム装置の構成を
説明するための電子銃の要部拡大断面図である。図７に
おいて、１は半導体基板、２はこの半導体基板１の表面
の一部に突出して一体的に形成された尖塔状のエミッタ
電極、３は半導体基板１上にエミッタ電極２の周辺部を
開口部内に囲って形成された絶縁体、４はこの絶縁体３
の表面に導電性金属により形成された電子引き出し電極
であり、この電子引き出し電極は４は絶縁体３の開口部
よりも開口径を小さくしてほぼリング状に形成されて電
子銃５が構成されている。

【０００３】このように構成される電子銃５は、半導体
基板１と電子引き出し電極４との間に電子引き出し電極
４側が正となる数１００Ｖの直流電圧を印加することに
より、尖塔状エミッタ電極２の先端部に電界が集中し、
このエミッタ電極２の先端部から電子ｅが電子引き出し
電極４の開口部から矢印で示す外部方向に向かってほぼ
円錐体状の形態をなして発散される。

【０００４】このように構成された電子銃５は、例えば
半導体基板１の平面上に多数個形成して配設し、半導体
基板１と対向する面に蛍光体を塗布して形成した蛍光面
を配設することにより平面ディスプレイ装置の電子ビー
ム源として利用することができる。

【０００５】図８は、従来の他の電子ビーム装置の構成
を説明するための電子銃の要部拡大断面図であり、前述
した図と同一部分には同一符号を付してある。図８にお
いて、図７と異なる点は、電子引き出し電極４上には、
絶縁体６を介して電子が放出される中心軸と同軸に回転
対称形の集束電極７を設置することにより電子銃５Ａが
構成され、この集束電極７に適当な電圧を印加すること
により、エミッタ電極２から放出された電子を集束し、
電子ビームとして放射することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように構成される
電子銃５Ａにおいて、エミッタ電極２の先端部は物面と
なり、電子が集束される面が像面となる。この場合、レ
ンズ面は電子を集束するために設置した集束電極７の近
傍にある。電子光学系においては、倍率は、概略、物面
とレンズ面間距離と、レンズ面と像面間距離との比とな
る。

【０００７】図８に示す電子銃５Ａの構成では、物面と
像面間距離が小さいので、レンズ面と像面間距離を大き
くとることができない。その理由は、レンズ面と像面間
距離を大きくとると、倍率が大きくなってエミッタ電極
２の拡大像が結ばれるため、電子を小さく絞る時に不利
となる。それ以上に一般的に倍率を大きくすると、収差
も大きくなるので、電子ビームを小さく絞る時は不利と
なる。レンズ面と像面間距離が小さいと、試料と電子ビ
ーム装置とが衝突し、装置を破壊する恐れがあるととも
に、配置上の大きな制約となる。

【０００８】図９は、前述した図７の電子銃５を電子ビ
ーム源として用いた電子顕微鏡の例を示す断面図であ
る。図９において、８は第１の電子レンズ、９は第２の
電子レンズ、１０は試料である。Ｂは電子ビームであ
る。このように構成される電子顕微鏡において、電子銃
５は固定されていて、観察される試料１０を動かすよう
になっている。ここで試料１０の大きさが小さい場合に
は全く問題がないが、大きい場合には、第１の電子レン
ズ８および第２の電子レンズ９などの電子光学部品が邪
魔となって観察が不可能となる。このため、従来の装置
では、これが問題となっており、電子レンズ９から試料
１０面までの距離をワークデスタンスと称し、この距離
を可能な限り大きくなるように装置設計がなされてい
る。

【０００９】前述したように従来構成による電子ビーム
装置では、装置を構成する部品、すなわち電子ビームを
発生させる電子銃，集束させる電子レンズおよび電子を
偏向させる偏向器などの電子ビーム系を別々の部品で作
製したいたので、装置の低価格化や装置寸法を小さくす
ることが困難であった。また、電子顕微鏡に適用した場
合には、観察試料の寸法や観察する領域の形状に大きな
制限があった。

【００１０】したがって本発明は、前述した従来の課題
を解決するためになされたものであり、その目的は、小
形にしてビーム径の小さい電子ビームが得られる電子ビ
ーム装置を提供することにある。また、他の目的は、装
置全体の構成を小型化し、低コスト化を実現可能にした
電子ビーム装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明は、半導体基板の表面に一体的に突出し
て形成されかつ電子を放出するエミッタ電極と、このエ
ミッタ電極の周辺部を覆いかつエミッタ電極の先端部に
近接して配置されたリング状の電子引き出し電極とを備
えた電子ビーム装置において、エミッタ電極から放出さ
れる電子を取り出す方向とほぼ平行に磁場を重畳させる
磁場発生源を設けることにより、エミッタ電極から放出
された電子が集束されて電子ビームとなって試料に向か
って放射される。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態について詳細に説明する。図１は、本発明による
電子ビーム装置の一実施の形態による構成を説明する要
部断面図であり、前述した図と同一部分には同一符号を
付してある。図１において、絶縁体３の表面中央部分に
は、リング状の電子引き出し電極４が形成され、このリ
ング状電子引き出し電極４の外周部分には、エミッタ電
極２を中心として平面コイルが多数回スパイラル状に巻
設されて形成された集束コイル１１が設置されている。
なお、このスパイダー状の集束コイル１１は、電子引き
出し電極４と同一平面上に同一部材でパターン形成され
ている。

【００１３】このような構成において、集束コイル１１
のコイル両端に直流電圧を印加することにより、エミッ
タ電極２から電子ｅが引き出される軸とほぼ平行に均一
な磁場が形成され、この磁場がエミッタ電極２から放出
される電子ｅに重畳されるので、これによってエミッタ
電極２から放出された電子ｅは集束され、電子ビームと
なって図示しない試料に向かって放射される。

【００１４】このような構成によれば、物面と像面間距
離と比較して集束コイル１１の卷数を多くして平面方向
のコイル径が大きく形成されているので、エミッタ電極
２から像面までの小さな領域において、ほぼ均一な磁場
が形成でき、この均一な磁場によってエミッタ電極２か
ら放出された電子電子ｅは、低収差で集束されて電子ビ
ームとなって放射されることになる。

【００１５】図２は、本発明による電子ビーム装置の他
の実施の形態による構成を説明する要部断面図であり、
前述した図と同一部分には同一符号を付してある。図２
において、図１と異なる点は、エミッタ電極２が形成さ
れた半導体基板１の前面側には、エミッタ電極２を囲ん
で開口を有する絶縁体３およびこの絶縁体３の開口より
も開口径が小さいリング状の電子引き出し電極４が成さ
れ、半導体基板１の背面側には、エミッタ電極２に近接
してエミッタ電極２から電子ｅが引き出される軸と平行
方向に均一な磁場を発生する永久磁石１２が設置されて
いる。

【００１６】このような構成において、永久磁石１２が
エミッタ電極２に関して像面と反対側に設置し、その磁
場の方向がエミッタ電極２の電子ｅの放出方向と平行と
なるように設置されているので、磁場を発生させるのに
電力を全く不要として均一な磁場がエミッタ電極２から
放出された電子ｅに重畳され、これによって電子ｅが集
束され、電子ビームとなって図示しない試料に向かって
放射されることになる。

【００１７】この場合、磁場強度は、永久磁石１２から
離れると、小さくなり、また、永久磁石１２の形状効果
も影響するので、磁場は完全に均一ではない。しかし、
全体の電子ビーム発生，集束および偏向系が小さいこと
を考慮すると、この寸法に対して永久磁石１２の径寸法
をある程度大きくとれば、問題としている領域では、磁
場は均一であるとみなせるように系を構成することがで
きる。

【００１８】図３は、本発明による電子ビーム装置のさ
らに他の実施の形態による構成を説明する要部断面図で
あり、前述した図と同一部分には同一符号を付してあ
る。図３において、図２と異なる点は、エミッタ電極２
が形成された半導体基板１の背面側には、エミッタ電極
２に近接してエミッタ電極２から電子が引き出される軸
と平行方向に均一な磁場を発生する卷き芯１３にコイル
１４が卷設された電磁石１５が設置されている。

【００１９】このような構成において、電磁石１５のコ
イル１４に直流電圧を印加することにより、エミッタ電
極２の電子の放出方向と平行となるような磁場を発生さ
せることができる。また、電磁石１５のコイル１４に線
径の大きい線材を用いることができるので、前述した図
１の構成に比較して起磁力の大きい磁場が得られる。

【００２０】この場合、卷き芯１３は非磁性体で構成し
ても良いが、磁性体で構成することにより、より均一な
磁場を形成することができ、これによってエミッタ電極
２から放出された電子ｅに重畳され、これによって電子
ｅが集束され、電子ビームとなって図示しない試料に向
かって放射されることになる。

【００２１】これらの構成において、図１の集束コイル
１１，図２の永久磁石１２または図３の電磁石１５によ
り形成される均一な磁場は、集束作用を有しており、こ
の均一な磁場による集束は収差が小さいことが知られて
いる。具体的に数値例で示すと、像面がエミッタ電極２
の先端部から１ｍｍ離れているとすると、この系のレン
ズによる収差は、０．００１μｍと極めて小さくするこ
とができる。電子ビームの寸法は、系の収差と像の大き
さとを合成したものである。

【００２２】物の大きさはエミッタ構成で決まり、本実
施の形態で対象としているエミッタ電極２では、極めて
小さく構成できる。また、この系は、ほぼ等倍（倍率が
１）であるので、図１〜図３に示す系で得られる電子ビ
ーム寸法は著しく小さくできる。

【００２３】これらの電子ビーム装置においては、電子
ビームが集束される面を調整するいわゆる焦点調整を行
う必要がある。この焦点調整を行う一つの手段として
は、磁場の強度を変化させてレンズの焦点距離を変える
ことである。磁場を平面コイル１１，卷き線コイル１４
でそれぞれ作製する図１および図３の構成では、コイル
１１，コイル１４に印加する電流量を変えることによ
り、磁場強度を可変することができる。

【００２４】また、レンズの焦点距離を変える他の手段
としては、電子ビームのエネルギーを変化させることで
ある。すなわち、エミッタ電極２から電子を取り出す取
り出し電極４に印加する電圧を調整すれば、レンズの焦
点距離を変更することができる。前述した図２の構成で
は、永久磁石１２を用いているので、この場合にはこの
手段を用いて焦点調整が可能となる。

【００２５】図４は、本発明による電子ビーム装置の他
の実施の形態による構成を説明する図であり、図４
（ａ）は平面図，図４（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ａ′線
の断面図をそれぞれ示し、前述した図と同一部分には同
一符号を付してある。図４において、絶縁体３上の中央
部分に形成されたリング状の電子引き出し電極４の外周
部分には、エミッタ電極２を中心として穴の開いた円盤
状の電極を４分割して形成された扇状電極１６ａ，１６
ｂ，１６ｃ，１６ｄからなる偏向電極１６が設置されて
いる。

【００２６】なお、この偏向電極１６は、絶縁体３上に
形成された電子引き出し電極４と同一平面上に同一部材
でパターン形成されている。また、半導体基板１の背面
側には、エミッタ電極２に近接してエミッタ電極２から
電子が引き出される軸と平行方向に均一な磁場を発生す
る永久磁石１２が設置されている。

【００２７】このような構成において、電子引き出し電
極４の外周部に同一面上に４分割して形成された偏向電
極１６を設置することにより、エミッタ電極２から放射
された電子ビームを２次元的に走査することができる。

【００２８】このような構成によれば、偏向電極１６
は、絶縁体３の表面に形成された電子引き出し電極４と
同一面上に形成されているので、引き出し電極４を作製
する手間と全く同じ手数で形成でき、電子引き出し電極
４のみを作製する場合と比較して製作コストが全く同じ
となる。

【００２９】なお、前述した実施の形態では、偏向電極
１６は、穴の開いた円盤状電極を４分割して形成された
扇状電極１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄで構成した場
合について説明したが、この偏向電極１６の電極形状を
均等に８分割して構成することにより、偏向収差を小さ
くすることができる。さらに偏向収差を小さくするため
には、均等に１２分割するかまたはその他の分割方法が
あることが知られており、それにしたがって分割すれば
良い。

【００３０】一方、この実施の形態では、小形の電子ビ
ーム装置に適用させるので、偏向量も小さい場合が多
い。このような場合には、収差係数が大きくても、偏向
収差が小さいので、電極形状の決定には、収差特性に重
きを置かなくても、問題のない場合が多い。むしろ、製
作し易い方法を選んだ方が良い場合がある。

【００３１】近年のＬＳＩ技術では、電極パターンを作
製する場合、形状が曲線的であるよりも、直線的である
方が製作コストが小さくなる。したがって、偏向電極の
形状として図５（ａ），（ｂ）に示すような形状でも十
分な特性が得られる。図５（ａ）は、電極形状として直
線で偏向電極１６Ａを形成した例である。この場合は、
電極形状に斜め線を含んでいるので、電極パターン形成
時のコストが若干高くなる。

【００３２】図５（ｂ）に示すような偏向電極１６Ｂ
は、このような欠点を無くしたものであり、電極形状
は、水平および垂直線で形成されている。これらの場合
は、理論的には収差特性は、図４に示した対称性のある
偏向電極１６に比べて劣っているが、実用上は問題にし
なくても良い程度に収差を小さくできる。

【００３３】このように構成される電子ビーム装置にお
いて、半導体基板１の表面に形成されるエミッタ電極２
は、その寸法は高々１μｍ程度であるので、本実施の形
態による電子引き出し電極，集束コイル，電磁石，偏向
電極などを含む装置全体は、その寸法が約１ｍｍ以下に
構成することが容易であり、場合によっては１０μｍか
ら１００μｍ程度の大きさに構成することが可能であ
る。

【００３４】図６は、前述した構成による電子ビーム装
置を電子顕微鏡の電子ビーム源に適用した構成を説明す
る図である。図６において、前述した構成による電子ビ
ーム装置１７を駆動装置１８に連結された自在アーム１
９の先端部に取り付け、駆動装置１８によりこの自在ア
ーム１９を駆動させることによって電子ビームＢが集束
される点を試料１０上の任意の観測点に移動させること
が可能になる。これによって従来不可能であった形状の
大きい試料１０の周辺の表面を高精度に観察することが
できる。図６に示すように試料１０の凹面の内側や図示
しないがパイプ状の物体の内壁などの従来不可能であっ
た観測が可能となる。

【００３５】また、図６に示すように試料１０の凹部を
観察する場合、２次電子などの検出器の配置が困難と考
えられるが、これは次のようにして解決できる。すなわ
ち、エミッタ電極２を形成する半導体基板１の半導体材
料として例えばシリコンを使用する場合には、この半導
体基板１上に電子検出器、例えばＰ−Ｎ接合を形成して
おけば良い。さらにこの場合には、引き出し電極，偏向
電極，集束コイルなどに供給する電圧・電流発生回路も
同一半導体基板１上に作製することができる。

【００３６】また、検出した信号の増幅回路またはこの
システムに必要なデジタル制御回路に同一半導体基板１
上に作製できる。このような場合には、必要なサブシス
テムを半導体基板１上に作製できるので、外部からの配
線は、電力供給線および検出信号の出力線のみとなり、
さらに電子ビーム発生，集束，偏向系の小形化および経
済化が実現できる。

【００３７】また図６で説明した自在アーム１９を、図
３の卷き芯１３として用いれば、電子ビーム装置をさら
に小形に構成することができ、これによって全体構造を
小形に構成することが可能となる。

【００３８】

【発明の効果】以上、説明したように本発明によれば、
エミッタ電極から放出される電子を取り出す方向とほぼ
平行に磁場を重畳させる磁場発生源を設けたことによ
り、エミッタ電極，電子引き出し電極および磁場発生源
が一体構造で小形に構成できるので、ビーム径の細い電
子ビームが得られるとともに、電子ビーム装置の小型
化，経済化が実現可能となる。

【００３９】また、本発明による電子ビーム装置を例え
ば電子顕微鏡の電子ビーム源に適用すれば、エミッタ電
極，電子引き出し電極および磁場発生源が一体構造で小
型に構成できることから、例えば野外に持ち運び可能な
電子顕微鏡が実現可能となり、これによって種々の研究
の発展に寄与することができる。

【００４０】また、本願発明による電子ビーム装置によ
れば、エミッタ電極，電子引き出し電極および磁場発生
源が一体構造で小型化され、かつエミッタ電極と電子ビ
ームが集束される部分との間の距離が大きくとれるの
で、従来の電子顕微鏡とは異なった観察、例えば移動不
可能な形状の大きい試料または凹凸面のある試料の周辺
を精密に観察することが容易に可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による電子ビーム装置の一実施の形態
による構成を示す断面図である。

【図２】 本発明による電子ビーム装置の他の実施の形
態による構成を示す断面図である。

【図３】 本発明による電子ビーム装置のさらに他の実
施の形態による構成を示す断面図である。

【図４】 本発明による電子ビーム装置の他の実施の形
態による構成を示す図である。

【図５】 本発明による電子ビーム装置に係わる偏向電
極の構成を示す平面図である。

【図６】 本発明による電子ビーム装置を電子顕微鏡の
電子ビーム源に適用した場合の効果を説明する図であ
る。

【図７】 従来の電子ビーム装置の構成を示す断面図で
ある。

【図８】 従来の電子ビーム装置の他の構成を示す断面
図である。

【図９】 従来の電子ビーム装置を電子顕微鏡の電子ビ
ーム源に適用した例を示す断面図である。

【符号の説明】

１…半導体基板、２…エミッタ電極、３…絶縁体、４…
電子引き出し電極、５…電子銃、６…絶縁体、７…集束
電極、８…第１の電子レンズ、９…第２の電子レンズ、
１０…試料、１１…コイル、１２…永久磁石、１３…卷
き芯、１４…コイル、１５…電磁石、１６…偏向電極、
１７…電子ビーム装置、１８…駆動装置、１９…自在ア
ーム、Ｂ…電子ビーム。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板の表面に一体的に突出して形
   成されかつ電子を放出するエミッタ電極と、 前記エミッタ電極の周辺部を覆いかつ前記エミッタ電極
   の先端部に近接して配置されたリング状の電子引き出し
   電極と、を備えた電子ビーム装置において、 前記エミッタ電極から放出される電子を取り出す方向と
   ほぼ平行に磁場を重畳させる磁場発生源を備えたことを
   特徴とする電子ビーム装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記磁場発生源は、
   電子の進行方向に対してほぼ均一な磁場を重畳させる磁
   場発生源としたことを特徴とする電子ビーム装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２において、前記
   磁場発生源は前記エミッタ電極が形成された半導体基板
   に近接して配設したことを特徴とする電子ビーム装置。
4. 【請求項４】 請求項１，請求項２または請求項３にお
   いて、前記電子引き出し電極と同一平面上に前記エミッ
   タ電極から放出された電子の進行方向を偏向制御する偏
   向電極を設けたことを特徴とする電子ビーム装置。
5. 【請求項５】 請求項１または請求項２において、前記
   磁場発生源を永久磁石としたことを特徴とする電子ビー
   ム装置。
6. 【請求項６】 請求項１または請求項２において、前記
   磁場発生源をコイルとしたことを特徴とする電子ビーム
   装置。
7. 【請求項７】 請求項１または請求項２において、前記
   磁場発生源を電磁石としたことを特徴とする電子ビーム
   装置。
8. 【請求項８】 請求項１，請求項２，請求項３，請求項
   ４，請求項５，請求項６または請求項７において、前記
   半導体基板上に電子検出器を設けたことを特徴とする電
   子ビーム装置。
9. 【請求項９】 請求項１，請求項２，請求項３，請求項
   ４，請求項５，請求項６または請求項７において、前記
   半導体基板上にトランジスタ回路を設けたことを特徴と
   する電子ビーム装置。