JPH09283068A - 電子源とその電子源を備えた電子線照射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、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電子源に関
し、制御電圧でプローブ電流を可変させる電子銃におい
て、最適の電子源の構造を提供することを目的とする。 【解決手段】ＳＥ電子源の構造として、チップ先端のコ
ーンアングル１５度以下，曲率半径０.５μｍ 以下を採
用した電子源。 【効果】本発明を採用したＳＥ電子源を使った電子銃で
は、制御電圧の変化に対して、得られるプローブ電流の
可変範囲が大きくなるため、１個の引き出し電圧設定で
充分である。しかも、その引き出し電圧の値も小さくな
るため、放電によるチップの破損もなくなり、電子銃の
安定度が増加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子顕微鏡や電子
線描画装置などの電子線を使った応用装置において採用
される電子源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る表面拡散形電子源
が実用化されている。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先鋭化し
ている。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（米国特許番号4,32
4,999 ）。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 ）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，Ｐ２２０（J．Vac．Sci．Technol．
Ｂ３（１），１９８５，ｐ２２０)）。この電子源に制
御電極（一般にはサプレッサー電極と呼んでいる）と引
出電極を付加し電子銃を構成する。その基本的な構造を
図１に示す。１がＷ（１００）の単結晶チップ，２が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。この酸化物補給源３を１５００Ｋ
から１９００Ｋ程度に加熱することで単結晶チップ１に
沿ってチップ先端に熱拡散する。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
の先端で酸素とＺｒ単原子層を形成する。この時、表面
拡散および、活性化エネルギーの高い特定の結晶面（１
００）に選択的に吸着形成する。（１００）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と、
単結晶チップ１の軸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。そして、６はサプレッサー電極
と呼ばれ、１５００Ｋ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（以下ＳＥと略す）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。
このことは、電界放出電子特有の放出電子流の変動がな
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。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記ＳＥ電子源から放
出される電子線の量は前記文献に記述されているように
チップ先端の電界強度に依存している。このため引出電
極に印加する引き出し電圧で電子線量を調整するのが一
般的である。

【０００４】しかしながら引出電極を変化させるとその
変化の度に光軸ずれを起こす等の問題がある。

【０００５】また制御電極とチップの間隙や制御電極と
引出電極の間隙は図１からわかるように極めて小さい。
このためそれらの電極に印加する電圧値は小さいことが
望まれる。しかしながら、従来の電子銃の構造では電子
線量の調整範囲が狭く、かつ、電極に印加する電圧も大
きく放電し易いためチップ破損の原因となっていた。本
発明は、上記問題点を解決し得る電子源とその電子源を
用いた電子線照射装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では上記目的を達
成するために先端が１５度以下のコーンアングルで形成
された針状の陰極と、該陰極からの電子線量を制御する
ための制御電極と、前記針状の陰極から電子を引き出す
ための引出電極を備えた電子源を開示している。

【０００７】更に本発明構成によれば前記引出電極に印
加する正電圧を一定にしつつ、前記制御電圧に印加する
負電圧値を変化させることにより電子線量を変化させる
電子線照射装置をも開示している。

【０００８】また陰極の先端を０.５μｍ 未満の先端曲
率半径となるように形成した。

【０００９】以上のような構成とするのは以下のような
理由に基づくものである。

【００１０】まず引出電圧で電子線量を調整するより、
制御電極に印加する制御電圧で調整した方が光軸の変化
が少ないなど利点が多い。つまり引出電圧一定のもと
で、制御電圧の変化により全ての使用電子線量を調整す
ることができれば理想的である。

【００１１】またＳＥチップの先端電界強度はその電子
源自身の構造に依存している。

【００１２】その電界強度を左右する構造要因とは、文
献ジャーナル，アプライ，フィジクス，Ｖol.４４，Ｎ
o.５，１９７３（J．Appl．Phys.，Ｖol.４４，Ｎo.519
73）に記述されているように、２つのパラメータ，コー
ンアングル（２β）と曲率半径（ｒ）である。

【００１３】図２に本実施例で使用した２種類のチップ
先端のＳＥＭ写真を示す。倍率は両図共に１万倍であ
る。図２（ａ）が従来使用していたチップでコーンアン
グル（２β）＝２６度，曲率半径（ｒ）＝０.５５μｍ
である。図２（ｂ）が本発明であるチップ先端のＳＥＭ
像であり、コーンアングル（２β）＝８度，曲率半径
（ｒ）＝０.３０μｍ である。前記文献によれば、電界
強度を強くするにはその両方のパラメータをできるだけ
小さくすれば良い。これにより、小さな引き出し電圧で
も大きな電界強度を作ることができる。しかしながら、
上記文献には、制御電圧の影響に関してなんら記述がな
い。我々の実験から、制御電極に印加する制御電圧の作
る電界も２つのパラメータを小さくすることにより強く
なることがわかった。

【００１４】このため、上記構成によれば従来のものに
比べて、一定の電圧変化に対する、チップ先端の電界強
度変化をも大きくすることができる。

【００１５】本発明では更に制御電圧の調整により１つ
の引出電圧設定で、全ての使用電子線量の範囲をカバー
できる電子源と、その電子源を備えた電子線照射装置の
提供が可能となる。

【００１６】尚、ＳＥ電子源の放射電流密度Ｊは、以下
の式で与えられる。Ｔはチップ温度、φは仕事関数、ａ
は定数、Ｆは電界強度、ｋは定数である。

【００１７】 Ｊ＝１２０Ｔ＾２exp(−(φ−ａ√Ｆ)／ｋＴ）(Ａ／cm＾２） …（１） 上式より明らかなように、放射電流密度はチップの温度
Ｔ，放射面の仕事関数φ、そして、チップ先端の電界強
度Ｆに依存している。そして、この電界強度Ｆはチップ
自身のコーンアングルと曲率半径に依存しているし、Ｓ
Ｅチップと引出電極との間隔にも電界強度Ｆは依存して
いる。図１で示したように、ＳＥチップと引出電極との
間隔は極めて小さくこれ以上調整するのは困難である。
このため、コーンアングルと曲率半径の調整を実施し、
制御電圧の任意の電圧範囲におけるチップ先端の電界強
度の変化範囲を大きくすることができる。

【００１８】単に先鋭化することで電子線が放出しやす
くなることは従来から知られていたが、本願発明では、
１５度以下に先鋭化したショットキーエミッション電子
源と、電子線量の調整を制御電極に印可する制御電圧の
制御によって行うという従来にない要件の組み合わせに
より、制御電圧の変化に対して得られるプローブ電流の
範囲が大きくなるため、結果引き出し電圧に印可する電
圧の種類を極力減らすことが可能になる。

【００１９】仮に所望の電圧調整範囲を制御電極の調節
範囲では得られない場合、引き出し電圧の調節をもって
所望のプローブ電流の調節範囲を確保する必要がある
が、引き出し電圧を変化させることによる他のパラメー
タ調整の手間や、光軸ずれ等の弊害を考えると１の引き
出し電圧で所望のプローブ電流範囲を確保するのが理想
的である。これは制御電極の変化によっては光軸、仮想
光源の位置が変化しないという前提に基づくものであ
る。

【００２０】以上述べたように、コーンアングルと曲率
半径を調整し、しかも制御電極をもって電子線量を調節
することにより、制御電圧の任意の電圧変化に対して電
子源から放射される電子線量の変化範囲を大きくするこ
とが可能となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を以下に述べる。
図３は、ＳＥ電子銃の評価を行う超高真空に排気された
テスト装置である。電子銃部と排気架台部とに分かれて
いる。電子銃部を交換して、多くの電子銃の特性を評価
する装置である。最初にＳＥチップ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。超高真空
に排気されたら、ヘアーピンフィラメントに定電流電源
Ｖｆより通電加熱する。ＳＥチップの温度を１６００Ｋ
から１８００Ｋまでの任意の一定温度にする。

【００２２】そして、引出電極に直流高圧電源Ｖｅより
正の電圧を供給することでＳＥチップ先端からＳＥ電子
が放出される。更に制御電極（サプレッサ電極）には、
直流電圧電源Ｖｓにより負の電圧を印加する。これによ
って電子線路外への電子の放出をなくしている。

【００２３】放出されたＳＥ電子は図に示すように、大
部分は絞り板に、その一部分がファラディカップに到達
する。この時のエネルギーを決めているのが直流高圧電
源Ｖａであり、測長ＳＥＭでは低い加速電圧が使用され
およそ１ｋＶ以下である。このファラディカップに入射
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。開き角としては数ｍrad の
オーダであり、電流は数ｐＡから数１００ｐＡが得られ
る。引出電極に印加する引出電圧Ｖｅを一定にして、制
御電圧をある範囲変化させ、そのとき得られるプローブ
電流を測定する。

【００２４】このように電子線量の制御を制御電圧に印
加された負電圧の電圧値に基づいて行うことにより、引
出電圧によって電子線量を制御する必要がなくなり、引
出電圧を固定できるため、軸ずれを起こすことなく容易
に電子線量の設定を行うことができる。

【００２５】一般的に引出電圧を変化させると、引出電
圧とビームを加速させる加速電圧の比が変わるため、静
電レンズのレンズ作用により光軸位置が変わり、その結
果軸ずれが起きる。

【００２６】本実施例では以上のことに鑑み、引出電圧
を固定した状態で制御電圧を変化させている。

【００２７】そして本発明の実施例では以上の事実に鑑
み、以上の測定を図２に示すコーンアングルと曲率半径
が異なる２つのチップを用いて実施した。

【００２８】その結果を図４に示す。制御電圧の変化範
囲は１００Ｖから９００Ｖである。図４から、従来チッ
プ(old tip）ではプローブ電流の変化範囲は２２ｐＡか
ら５７ｐＡであるのに比べ、本発明（new tip）では２.
３ｐＡから６７ｐＡと極めて大きな範囲で変化すること
ができる。また、引出電圧Ｖｅも従来チップに比べ、
１.５ｋＶ と小さくすることができる。

【００２９】以上のように、本発明の電子銃を採用すれ
ば、引出電圧を小さくすることができ、しかも制御電圧
の変化に対する、プローブ電流の変化範囲が大きくな
る。このように制御電極の一定の変化に対して、プロー
ブ電流の変化範囲はコーンアングルと曲率半径に依存し
ている。

【００３０】更に走査型電子顕微鏡の中でも半導体を扱
う装置に関してはチャージアップやコンタミネーション
の影響を少なくするために、プローブ電流の減少化が要
求される。これはプローブ電流の大きさが、チャージア
ップの発生頻度に比例し試料像障害を引き起こすこと、
またコンタミネーションも同様にプローブ電流が試料汚
染が激しくなるためである。このためプローブ電流は１
０ｐＡ以下の最低電流量が必要となる。この最低電流量
を得るために実験を行った結果、コーンアングル１５
度，曲率半径０.５μｍ のチップを用いた際に初めて上
述の条件に見合うような電子線量を得ることができた。
（図４のラインＡ）１５度より大なるコーンアングルで
は最低電流量が１０ｐＡを越えてしまい所望の上述した
ような条件に適合しないことがわかった。

【００３１】従ってこれ以下のコーンアングルで電子源
を形成すればプローブ電流の範囲を上述した条件に適合
させることが可能になる。しかしながら先端形状を鋭角
にするには高度な技術が要求され、現段階の形成技術で
は５〜６度が限界である。

【００３２】また先端曲率半径については、０.５μｍ
以上に形成するとショットキーエミッションが出づらく
なり、上述したビーム電流量の範囲を得ることができな
くなる。また０.２μｍ 以下とすると電界放出による不
安定なビームとなってしまう。

【００３３】上記実施例は、ＳＥ電子源について実施し
たが、同じような制御電圧でプローブ電流を可変する電
子銃については同様の効果が得られることは明白であ
る。例えば、ＴＦＥ電子源，ＣＦＥ電子源なども、制御
電極を用いて実施可能である。更にこれらの電子源を搭
載する装置一般に適用可能であり、走査電子顕微鏡，透
過電子顕微鏡，電子線描画装置等に適用しても同様の効
果を得ることができる。

【００３４】本発明の実施例に示す電子源を電子線照射
装置に適用するに際し、本発明の効果である、１個の引
き出し電圧設定で必要なプローブ電流の可変範囲を得る
には、陰極の先端を少なくとも１５度以下にする必要が
あることが実験の結果わかった。

【００３５】

【発明の効果】本発明を採用したＳＥ電子源を使った電
子銃では、制御電圧の変化に対して、得られるプローブ
電流の可変範囲が大きくなるため、１個の引き出し電圧
に対して、広い範囲の電子線量の設定が可能となる。更
にその結果、引出電圧を動かすことなく必要なプローブ
電流の可変範囲を得ることができ、引出電圧を固定値と
することができるので、引出電圧の変化による軸ずれ防
止にも寄与できる。しかも、その引き出し電圧の値も小
さくなるため、放電によるチップの破損もなくなり、電
子銃の安定度が増加する。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＳＥ電子源の構成図。

【図２】本発明と従来技術の陰極の電子顕微鏡写真。

【図３】本発明チップと従来技術のチップのためのテス
ト装置を示す図。

【図４】本発明チップと従来技術によるチップの比較
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…制御電
極、７…引出電極、８…ＳＥ電子、９…絞り板、１０…
ファラディカップ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】針状の陰極と、該陰極から電子を引き出す
   ための電界を印加する引出電極と、前記陰極と引出電極
   の間に設置され、電子線の量を制御する制御電極とを具
   備する電子源であって、前記陰極の先端角を１５度以下
   としたことを特徴とする電子源。
2. 【請求項２】前記陰極の先端形状を０.５μｍ 未満の先
   端曲率半径としたことを特徴とする請求項１に記載の電
   子源。
3. 【請求項３】先端角を１５度以下とした針状の陰極と、
   該陰極から電子を引き出すための電界を形成する引出電
   極と、前記陰極と引出電極の間に配置され電子線の量を
   制御する制御電極を備えた電子源を有する電子線照射装
   置であって、前記引出電極に一定の正電圧を印加しつつ
   前記制御電極に負電圧を印加し、該負電圧値を変化させ
   るための制御手段を備えてなることを特徴とする電子線
   照射装置。
4. 【請求項４】前記陰極の先端形状を０.５μｍ 未満の先
   端曲率半径としたことを特徴とする請求項３に記載の電
   子線照射装置。