JPS59501604A - 底電圧電界放出電子銃 - 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】 低電圧電界放出電子銃 技術的分野 本発明は一般的には電子顕微鏡及び回折計のような電子電界放出システムに、特 定的にはこれらのシステムのための電子電界放出銃に係るものである。

背景技術 種々の分析機器内に用いられる電子ビームは、２つの基本的電子放出プロセス、 即ち熱イオン及び電界放出の一方によって発生させることができる。これら２つ の放出プロセスは排他的ではなく、若干の機器では両現象を用いており、例えば 電子顕微鏡では熱電界動作モードが用いられている。

熱イオン放出は陰極から電子を開放させる最も一般的な機構であった。熱イオン 放出では、陰極はエネルギを上のエネルギレヘルの電子５こ伝えるまで加熱され 、電子に充分な運動エネルギを供給して電子が固体陰極の表面障壁から逃出し得 るようにする。一旦陰極の表面から去った電子は、電子レンズによって加速され 、集束される 熱イオン放出プロセスは、熱イオン陰極構造の簡易さ、比較的長い陰極寿命及び 高い合計電流能力の故に、従来量も一般的に用いられて来た。熱イオン放出プロ セスの分析機器における主欠陥は、陰極から放出されるビームの電流密度（明る さ）が本質的に低いことである。

電界放出源から得られる電子ビームの電流密度（明るさ）は一般に本質的に高い が、合計電流能力は比較的低い。電界放出陰極の構造は熱イオン放出陰極よりも むずかしく、また電界放出陰極の寿命は一般に熱イオンの寿命よりも短い。

２　特長９：ｊ５９−５０１Ｇ０４　（３）電子電界放出銃は、電子顕微鏡のよ うに精密に集束された一次電子ビームを必要とする分析機器に用いるために開発 されて来た。

数十オングストローム程度の小さいビーム直径は、１００乃至２００ＫｅＶの範 囲の極めて高いエネルギで機器を動作させるごとによって得て来た。一般に電界 放出を得るためには高電圧が必要であるから、本来電界放出プロセスはこのよう な高エネルギ機器に用いるのに適しているのである。

高エネルギ電子は材料内に比較的大きい突入深さを有しており、低エネルギ電子 よりも大きい損傷を材料に与える。もしサンプルに関する表面情報を望むのであ れば、或いはもしサンプルの損傷を最低にするのであれば、低エネルギ電子プロ ーブを用いることがより適切である。低エネルギ電子プローブシステムに対する 需要があるにも拘わらず、低エネルギ電子源及びレンズが高分解能を有している にも拘わらずそれらの製造中に遭遇する諸問題故に、実際の低エルギ機器の開発 は高エネルギ機器よりもゆっくりと行われて来た。低エネルギビームに伴う大き い空間電荷相互作用時間が原因となって低エネルギ電子ビームにより得られる最 終的空間分解能は、高エネルギビームにより得られるものよりも低いが、現在の 機器により得られるものよりは分解能を大幅に改善することは可能である。

電界放出現象は、放出表面において１０’Ｖ／ｃｍ程度の極めて高い電界強度を 必要とする。放出表面と隣接電極との間に印加する電圧の大きさを増加させるが 、或いは放出表面と参照電極（陽極）との間の間隔を減少させることによって放 出表面における電界強度を増加させることは可能である。電界強度は放出表面の 曲率半径を減少させることによっても増加させることができる。従って、実際の 電界放出機器では鋭い放出（陰極）チップと、陰極と参照電極との間の高い抽出 電圧とを用いるのが一般的である。

放出チップは通常小直径のワイヤーから電気化学的にエツチングし、チップの尖 端の半径を数百オングストロームとしている。

電界放出電子銃の典型的形態は、平らな孔あき抽出陽極を含んでおり、この陽極 は陽極の孔に対向して位置決めされている鋭い放出陰極チップに接して取付けら れている。陰極から放出された電子の運動エネルギは、本質的に陰極と陽極との 間に印加される通常は５　ＫｅＶ乃至１０ＫｅＶの抽出電圧のそれである。これ らの抽出電圧によって電子に与えられるエネルギは、例えば電子を典型的には１ ００ＫｅＶ程度の動作エネルギで更に加速しなければなるない透過電子顕微鏡の よらな高エネルギ機器では問題を呈さない。

しかし、もし電子ビームを例えば表面分析或いは電子ビー−に感応する材料の分 析のような低エネルギ応用に用いるのであれば、高い抽出電圧は明らかな欠点と なる。低エネルギ応用においては、電界放出された電子はターゲットサンプルに 到達する前に適切１５レンズシステムによって減速しなければならない。この減 速プロセスは３つの理由から電子ビームを空間的に広げるようになる。

第１は全ての電子レンズはレンズに入る完全に平行なビームをゆかめるような収 差を有しており、若干の電子を所望の方向以外の方向に送出するようになること である。第２の理由は、電界放出されたビームは完全にクロマチック（単エネル ギ性）でも完全に平行でもなく、従ってレンズの力がレンズに入る全ての電子を 補正しないことである。第３の理由は、電子は互いに反撥し合い、この反撥によ るビームの広がりは高エネルギよりも低運動エネルギの方が大きいことである。

一般に、レンズに入るビームにＬ／ンズに発生させるゆがめは、レンズが如何、 こ強くビームと相互作用しなければならないかに依存している。例えば、レンズ 乙こｚ＝、−１７ビームを５　ＫｅＶから１００ｅＶ　まで減速させ集束させた たいのであれば、同じレンズを用いてビームを僅かに４００ｅＶ　からシ００ｅ Ｖ　まで減速させ集束させたい場合よりも大きいビームの広がりを生じてしまう 。

従って低エネルギビームを発生させる場合には、陰極からの電界放出においてビ ームによって得られるエネルギを可能な限り低くすることが最も望ましく、従っ て陰極と抽出陽極との間に印加する電圧は可能な限り低くすべきである。陰極に おける電界強度は、印加電圧を一定に保った場合、放出陰極チップと陽極との間 の分離距離を減少させることによって増加させることはできるが、チップと孔あ きの平板陽極との間のこの分離距離は陰極における異強度を増加させるために無 限に減少させ得ないことに注意すべきである。これは孔の有限の寸法効果の故で あり、放出チップが孔を限定している陽極内の壁に接近するにつれて、陽極は大 きい平らな導電表面を近イ以しなくなり、放出チップ表面に電界放出を許容する 程充分な電界強度を発生しなくなってしまう。しかし、これを補正するために孔 自体を勝手に小さくすることはできない。

それは孔の寸法を小さくすると、より多くの電子が板に吸引され孔を通過する電 子が少なくなるために、ビームの強度が低下する本発明の低電圧電界放出電子銃 は、陰極チップに対向させた１つ或いはそ４７以上の鋭くとがるせた電極チップ を有する抽出電極を用いることによって、従来可能であったものよりも低い印加 電圧で電子を放出させることがＩＴ能でありし、抽出電極は、陰極チ・７ブの周 囲に対称的に配置され１）陰極十ツブに向かって収斂している受子（とも２−’ ＋　１”、１チ、ブををしていることが好ましく、この５ 才うにする、−陰極における電界も実質ｒ・りに対称となる。抽出電極テップを 陰極チップに極めて接近させであるので、陰極チップと抽出電極チップとの間に 比較的低い電圧を印加しても極めて小さい角度的発散を呈する低エネルギ、高電 流密度の電子ビームの電界放出が得られる。

本発明の新しい抽出陽極は、エツチングによって細い尖端とした例えばタングス テンのような細いワイヤーで形成した電極チップで作ることができ、各チップの 一端をありふれた電子銃構造内に容易に取イ１け可能なベースに取付け、各ワイ ヤー抽出電極の尖端を陰極チップに接近させ　対向させるようにする。陰極チッ プと抽出電極チップとは同しように形成するごとができるが、尖端における電界 強度を最大にするためと、陰極から放出される電子ビームの広がりを最小にする ために可能な限り鋭く形成することが好ましい。複数の抽出電極チップを用いる 場合には、これらのチップに個々に電圧を供給して陰極から抽出されるビームの かし取りができるようにするために、これらのチップを互いに電気的に絶縁して もよい。これらの抽出電極チップの電位を種々調整することによって、抽出され たビームを迅速且つ容易と二制限用孔及び電子銃Ｉノンズに軸合わせすることが できる。

本発明の銃によって発生ずる低エネルギ電界放出電子ビームは各種応用に利用可 能である。狭く、比較的高強度で、角度的発散が小さく、そして低エネルギ広が りビームは、低エネルギ電子回折計、走査低エネルギ電子回折計、走査低エネル ギ反射電子顕微鏡、及び低電圧走査電子顕微鏡のような装置に有用である。勿論 、この銃は、放出されたビームを強く加速する高エネルギ電子顕微鏡の電子ビー ム源としても使用可能である。小さくて低エネルギのビームは個々の小さい粒子 の表面構造決定、或いは太き目の表面の小さい領域の分析に理想的に適するもの である。低エネルギビーは極めて表面感応的であり、高エネルギビームよりも損 傷が少ない。従って、精密に集束された低エネルギビー１、は多結晶材料及び粉 末の表面分析、集積回路の内部に用いられる小さい構造の表面欠陥の分析、集積 回路製造の゛Ｊトゲラフ技術における制限された深さのフォトレジスト露光、及 び生物学的膜の構造研究のような領域の研究に通用することができる。可調低エ ネルギ走査電子顕微鏡に用いる場合には、これらのビームは粉末寸法及び表面汚 染の産業的調査に適用することが可能である。

電子顕微鏡或いは回折計のような、本発明を組み入れた電界放出電子ヒ爾−ムプ ローブシステムは、鋭くとがらせた電界放出陰極チップ、前述したように陰極千 ノブに接近せしめた１つ或いはそれ以上の抽出チップを有する低電圧抽出電極、 抽出された電子ビームを加速成いは減速させ集束させるレンズ電極、集束された ビームが衝突するターゲット、ターゲットからの電子を検出する検出器、及び検 出器に接続されているビデオ受像機或いは他のディスプレイユニットを含んでい る。走査低エネルギ電子回折計或いは走査低エネルギ電子顕微鏡として用いるた めには、システムはビームを取り囲む１つ或いは複数の偏向コイル、及びコイル に印加する偏向電圧を制御するのと同時にビデオディスプレイユニットに走査信 号を伝送してターゲットからの電子の強さを用いて陰極ビームの強さを変調し、 ビデオ像を発生させることによって像を作る走査或いは偏向制御回路をも含むこ とになる。一般に行われているように、制限用孔を有する部材或いは組立体がレ ンズの前のビーム通路内に設けられており、また中心開口を有する抑圧板も陰極 チップの近辺に設けることができる。この開口の壁は大よそ抽出電極チップを取 り囲んでおり、抽出電極構造の各種要素が帯電しないように電気的の接続されて いる。システムへの電源回路は特に低電圧システム動作に適合させてあり、抽出 電極へ調整可能な低電圧（０〜２　ｋＶ）を供給する手段を含み、付加的は好ま しい特色として複数の抽出電極の各尖端へ個々に調整可能な電圧を供給するよう にしである。この低い抽出電圧は抑圧板及び制限用孔部材に供給してもよい。陰 極から抽出された電子の運動エネルギは比較的低く、集束レンズに印加する電圧 を調整することによって電子ビームに実質的なゆがみを与えることなく容易に集 束させることかできる。印加電圧は、望むならば、ビーム内の電子をより低い工 不ルギレヘルまで減速するように、負であってもよい。電子が陰極から放出され る比較的低い電圧レヘルに結合されているレンズ要素に印加される種々の電圧を 調整可能としただめ、電子ビームは精密に集束された狭いビームのままで広範な 所望範囲に互って加速成いは減速することがでさるようになる。

若干の動作状態に下では、陰極から放出される電流の全部或いは殆ど全部が電子 ビーム内に残り、抽出電極チップ或いは制限用孔組立体に収集される電流は実質 的にＯとなる。従って放出電流の極く一部だけかビーム電流に寄与している現在 の電異数出銃で得られるよりも強いビーム即ち大電流で、小寸法のビームが得ら れる。これらの高強度ビームは、低エネルギ及び高エネルギの両方の応用にとっ て望ましいものである。

本発明の他の目的、特色及び長所は、以下の添付図面を参照しての本発明の低電 圧電異数出銃及びそれを組み入れた電子ビームプローブシステムの好ましい実施 例の詳細な説明から明白となるであろう。

図面の簡単な説明 第１図は本発明を組み入れた電界放出電子ビームプローブシステムの概要図であ る。

第２図は第１図のシステムに用いられている抽出電極構造の一部の平面図である 。

第３図は第２図の抽出電極構造の３−３視断面図である。

第４図は本発明により抽出電極構造、制限用孔部材及び抑圧板各種部分の分解図 である。

第５図は第１図のシステムの集束レンズに調整可能電圧を供給する回路の回路図 である。

第６図は陰極チップに対向している２つの抽出電極子ノブを有する本発明による 抽出電極の実施例の平面図である。

本発明を実施する最−モート 図面を参照する。本発明を組入れた電界放出電子ビームプローブシステムの概要 を第１図に示す。この電子プローブシステムは、例えば、走査電子顕微鏡、低エ ネルギ電子回折計、或いは走査低エネルギ電子回折計として使用することが可能 である。このシステムの低電圧電界放出電子銃部分を第１図の破線枠１０内に示 してあり、陰極に負電圧を供給する電気リード１２に接続されている鋭くとがら せた電界放出陰極チップ１１を含んでいる。陰極１１に接続されているワイヤー １３、スイッチ１４、及び電圧源１５からなり、ワイヤー１２を通して完成され る回路は、スイッチ１４を閉じて陰極を加熱させることによって陰極１１を清浄 できるようになっている。このような陰極清浄は必要に応じて周期的に、或いは 連続的に遂行することができる。陰極１１は電界放出デバイスに用いられる標準 チップであってよく、陰極から電子を抽出せしめるのに必要な電圧を最低にする ために典型的には、また好ましくは極めて鋭い尖端即ち極めて小さい曲率半径を 有している。

陰極デツプ：１と対向関係にあるのは複数の説くとがらせた抽出電極ヂノフ１７ であって、陰極チップの周囲；こ対称的に配列され咳チノグに向かって収斂して −）２）。各抽出電極チップ１７は、陰極ｉ１のとがったチップに極めて接近し ている鋭い尖端を存している。円形の導電性抑圧板１８も陰極チップ１１に接近 して取付けられてお乞、壁１９によって限定されている中心開口を存している。

抑圧板１８は、壁１９が収斂している電極チップ１７の尖端を大よそ取巻くよう に取付けられているのである。陰極チップ１１から抽出された電子のビーム２０ は通過する電子ビームを限定する中心制限用孔２２を有する制限用孔部材２１に 衝突する。

孔部材即ち組立体２１はこの性質の電子顕微鏡に用し・られている標準設計のも のであ・す、孔２２を通過できる電子を除いてビーム内の全ての電子を捕捉する ようになっている。孔２２から出た後、ビーム２０は集束するように作用する第 １のレンズ要素２４の中心開口内に入る。ビームは更に第２のレンズ電極即ち陽 極２５を通過する。陽極２５はビームの加速を制御する。次でビームは偏向コイ ル２６を通過してターゲット２７に衝突する。電極２４及び２５はレンズ組立体 の要素を構成しており、この組立体は電界放出電子顕微鏡のための標準構造であ ってよく、当分野では公知である。

走査ビームプローブシステムにおける電界放出銃の利用の例として、ターゲット ２７から散乱した電子は電子検出器３０によって検出することができる。検出器 ３０はそれに衝突する電子の数に比例する信号を発生し、この信号は陰極線管（ ＣＲＴ）のようなビデオディスプレイユニット３１に印加される。ディスプレイ ユニット３１は、偏向コイル２６を制御して電子ビームにターゲット２７の関連 部分を走査せしめる走査／偏向回路３２から同期信号をも受けている。ターゲッ トのセ査は険呂器、〕０か、−の信号によって変調されｔビデ７）Ｙ、スプレィ 上の像と同期しており、走査されたターケノ１−の視覚像は子イスルイコニノト ３１上に現れる。

抑圧電極１８、抽出電極チア・フ１７の１つ、支び制限用孔組立体′：、１は電 気的に互いに接続され、ポテンショメータ３４のワイパーに接続されている導電 リード３３によってバイアスされている。同様に、他の抽出電極チップ１７はそ れぞルポテンシヲメーク３７及び３８のワイパーに接続されている導電り−１３ ５及び３６に接続されている。可変電圧源４０が各ポテンショメータ３４．３７ 及び３８にまたがって接続されている。可変電圧源４０と３つの可変ポテンショ メータによって、陰極チップ１１と各抽出電極チップ１７との間に印加される電 圧を個々に変えることができる。可変電圧ａ４０は〔乃至２ｋＶの典型的範囲の 電圧を供給できるものであってよく、従って抽出電極チップ１７と陰極１１との 間の最大電位差はこの範囲内となる。好ましくは、抽出電極と陰極との間の電位 差は、本発明の口約上、陰極から放出される電子の運動エネルギが最低となるよ うに可能な限り低くする。例えば、本発明によれば、電界放出されるビームの抽 出は、陰極と抽出電極チップとの間が１５０Ｖ程度の低い電位差でも行うことが できる。

３つのチップ電極チップ１７は陰極１１のチップの周囲に対称的に配列されてお り、ポテンショメータ３４．３７及び３８によって電極に印加される電圧を精密 に調整するごとによって、孔２２と、レンズ２４及び２５内の開口とに正しく軸 が合うようにビーム２０を調整可能なようにかし取りすることができる。即ち、 現在の電界放出銃とは対照的に、下流の各種成分に対する電子ビームの軸合わせ は単に電気的な制御器を調整するだけで極めて迅速且つ容易に遂行することが可 能である。

前述のように、制限用孔部材２１は種々の電界放出電子顕微鏡にもちいられてい る標準設計のものである。抑圧板１８は抽出電極チップ１７が取付けである構造 の帯電を抑圧するために設けられているのである。感電り−１”３３．３５及び ３６を流れる電流を測定するために、従って陰極から抽出された電子流がどれ程 抽出電極チップ１７、抑圧板１８或いは孔部材２１によって捕捉されたのかを測 るために、これらのリード内にマイクロアンメータ４２を接続してもよい。後述 するように、若干の状態の下ではマイクロアンメータ４２によって測定される電 流をＯとすることもできる。

加速陽極即ちレンズ要素２５は接地電位に保たれているリート４３に電気的に接 続されており、可変電圧源４４はその正端子を接地ライン４３に、また負端子を 陽極給電ライン１２に接続されている。本発明の低電圧、低エネルギシステムに おいては、源４４から供給される加速電圧は典型的に０乃至１ｋＶの範囲であっ てよい。上側の集束用電極２４には、集束用制御電圧回路４６からライン４５に よって電気的バイアスが与えられている。適当なバイアス用電圧回路４６の例が 第５図に回路図で示してあり、０乃至５ｋＶの範囲の可変電圧を供給する電源４ ８が抵抗４９及び５０　（これらの間に接地ライン４３が接続されている）と、 直列接続されている抵抗５１及び５２及びポテンショメータ５３とからなるブリ ノン回路に接続されており、ポテンショメータ５３のワイパーは給電リート４５ に接続されている。このようにすると、集束用レンズ２４に印加する電圧を正か ら負の電圧範囲（例えば１ｋＶ乃至−８００Ｖ）に亘って精密に変化させること ができ、レンズを収斂レンズ或いは発散レンズとして働かせることが可能となる 。

上述の電子顕微鏡システムを用いると、低エネルギの電子ビームによる比較的小 さい構造のマイクログラフを得ることができる。

例えば、銃の最終レンズ要素から］Ｏｃ＋ｎの焦点距離を有する１５０ｅＶビー ムをＷいた時、５乃至１０ミクロンの範囲のビーム直径が得られた。焦点距離が ４ｃｍの場合には、５ミクロン以下のビーム直径が得られており、この寸法範囲 の物体の解像が可能である。これらのビーム直径は、同じようなビームエネルギ で熱イオン放出源を用いて通学前られる１００乃至２００ミクロンのビーム直径 を大幅に改善していることを示している。

抽出電極の好ましい実施例の物理的構造を、３つの対称的に配列されている抽出 電極チップを陰極側から見上した平面図で第２図に示しである。各抽出電極チッ プ１７は、顕微鏡的に鋭い尖端を有する電界放出陰極チップと同じようにして形 成させることができる。第２図に示しであるように、また第３図に断面図で示す ように、抽出電極チップ１７は細い導電性ワイヤー（例えばタングステンフィラ メント）から形成されており、各チップは円周方向に間隔をおいた導電性取付は ブロック５ｏがら半径方向内向きに伸びていて、単一の点に向がって収斂するよ うに上向きに曲げられ、チップ１７の尖端が極やで僅かな間隔をおくようにして 終端されている。取付はブロック５ｏは３つのセグメント５ｏに分割された銅製 の環状リングからなっており、各ブロック５ｏの両端は各ブロックが電気的に絶 縁されるように隣接するブロックがら間隔をおいである。抽出電極子ノブ１７を 形成しているワイヤーは止めねじ５３によって導電性取付はブロック５ｏ内に固 定されている。取付はブロック５ｏ内体はリング形のセラミック製絶縁ベース５ ５内に取付けられている。ベース５５は内向きにのびている環状リング５６によ って分割された円筒形内面を有しており、リング５６は取付はブロック５０を載 せるためのリッジをなし“ζいる。ブｏ　ツク５０はベース５５の縁を貫通して 取付はブロック５０内にねじ込まれているポルト５７によって所定位置に固定さ れ保持さ入る。これらのポルト５７は取付はプロ、り５０（従って抽出電極チッ プ１７とリード３３．３５、及び３６のような外部導電リード（第２図及び第３ 図には図示せず）との間の電気的接続にも役立っている。

電子銃１０の種々の部分を第４図に分解図で示しである。抑圧板１８はアクノチ ボルト６０によってセラミソクベース５５の上面に取付けられる。標準設計の制 限用孔部材２１もベース５５の中央孔の中にはめ込まれ、取付はブロック５０が 載っているのとは反対側の内部環状リング５６の側に突当たっている。金属クリ ップ６２が取付はポルト６０の１つによってアタッチメントから抑圧板１８まで 伸びていてそれらを電気的に接触させると共に、他方の端が制限用孔部材２１に 電気的に接触していて抑圧板と制限用孔部材との間の電気接続をも行っている。

板１８は銅のような良好な導電性金属で作ることができる。

前述のように、抽出電極チップ１７は３つを対称的に配列し、収斂させであるも のが好ましく、それは電極を個々にバイアスすることによって陰極から抽出され たビームをかじ取りすることができるからである。しかしながら、本発明による 抽出電極は、第６図に示す鋭くとがらせた針状の２つの電極６５の１つのような 単一の抽出電極からなっていても差し支えない。２つの電極を図示してはあるが 、陰極１１の放出チップ６６における電界はそれに極めて接近させた単一の抽出 電極であっても大きく強められ、陰極１１と抽出電極６５との間に従来構造で電 界放出を得るのに必要であった電圧よりも遥かに低い印加電圧でチップ６６から 電子を電界放出させることができる。陰極１１から放出された電子のビームが抽 出電極の一方或いは他方に向かって大きくそれることがないように、対称的に配 列され、細長く、集中させた、鋭くとがらせた少なくとも２つの抽出電極チップ ６５を使用することが好ましい。顕微鏡的に鋭クシたチップ６７　（好ましくは 尖端半径を数百オングストローム或いはそれ以下とする）を陰極から抽出される ビームの通路を妨害しないように陰極チップ１１の同様に鋭い尖端６６に顕微鏡 的に接近せしめ、放出が発生するまで陰極チップと抽出電微との間の印加電圧及 び間隔を調整することができる。個々の抽出電極チップの鋭どさの微視的な程度 の差は、陰極放出チップ１１の機械的な位置ぎめによって、及び個々の抽出電極 に正しい補償が得られるように若干異なるバイアス電圧を供給することによって 補償することができる。第６図は抽出されクビームの通路を物理的に妨害するこ となく　（従来の平板孔あき型抽出陽極を同しように陰極１１の尖端に顕微鏡的 に接近せしめるとビーム通路を妨害するようになる）抽出電極６５の鋭い尖端６ ７を陰極尖端６６に極めて接近せしめ得ることを説明的に示している。

従来の電異数出銃では、逼かに低い主ビーム電流を発生させるにも比較的大きい 放出電流を必要とする。放出された殆どの電子は孔あき抽出陽極或いは制限用孔 部材によって捕捉され、陰極からの電子の極く一部が狭い（例えば直径１００ミ クロン）制限用孔を通過する方向に放出されるだけである。例えば、放出電流が ２５マイクロアンペアであっても、典型的には僅か０．０００１マイクロアンペ アの主電子ビームが得られるだけである。

本発明の電子銃は放出された電子の大部分が抽出電極チップ１７及び制限用孔部 材２１によって捕捉されるような状態の下で効率的に作動する。しかし、陰極チ ップをチップ１７に密に接近させて位置ぎめし、もし必要ならばチップのバイア スを調整することによって、実質的に全ての放出された電子が制限用孔２２を通 過し、抽出電極チップ或いは孔部材には全く収集されないようなモードで銃ｌＯ を作動させることが可能となる。陰極チップ周辺の電界は放出された電子を明確 にしっかりと集束させるので、実質的に全ての電子は１００ミクロンの孔を通過 するのに充分に狭いビームの中に含まれるようになる。この動作モードを得るた めの手順を以下に説明する。

初めに、実際的に抽出電極チップを陰極チップの周囲に完全に対称に配列するこ とはできないことに注意されたい。第２図に示す３チツプ形状を例にとれば、顕 微鏡で見ると電極チップの尖端が正確に正三角形の頂点に位置していないことが 解る。電極プの尖端は互いに極めて接近して（例えば約２００ミクロン離れて） いるのでこれらの尖端の位置を機械的に調整することは極め困難であり、瞬接対 チップ間の間隔は対毎に数ミクロンずつ変化するかも知れない。加えて、陰極チ ップを各抽出電極チップから等距離に精密に位置ぎめすることも困難である。し かしながら、個々の抽出電極子ノブに印加するバイアスを調整することによって どうな非対称性の効果も打消すことができるような形態に陰極チップ及び抽出電 極チップを位置ぎめすることかできるので、この非対称性は大した問題ではない 。抽出電極チップに印加する電圧の調整によって平衡させることが可能な形態を 「実質的に対称」と名付ける。

電界放出デバイスにおいて一般的なように、陰極チップ１１の位置は動作中に調 整することができる。放出が開始される前に、陰極チップを抽出電極チップ１７ からできるだけ離すように引張り、スイッチ１４を閉じて陰極を加熱し、汚染物 を追い出す。次に電源４０によって抽出チップに印加する電圧を放出が発生する まで増加させる（典型的には約２ｋＶ）。次で陰極チップ１１を抽出チップに向 って移動させると急速に放出電流が増加する。次に抽出電圧を減少させ、陰極を より近く移動させ、そして抽出電位が低電圧レヘル（例えば２００　Ｖ）となる まで上記の段階を反覆する。各抽出チップに流れる電流は、マイクロアンメーク ４２を監視しつつ、これらの電極への電流を等化してビームを制限用孔に正しく 軸合わせするように電極チップに印加する電圧を調整する（例えば、ボテンンヨ メータ３４．３７及び３８を調整することによって）ことによって等化すること ができる。再び陰極チップを内向きに前進させ、印加電圧を少し減少させること を、それ以上陰極を前進させると抽出電極チップ１７及び孔部材２１に収集され る放出電流を急激にＯまで降下せしめるようになるまで行う。これらの状態に達 した時、孔２２を通過するビームは放出電流の実質的に全てを含むことになる。

本発明は図示し説明した特定の構造及び部品の配列に限定されるものではなく、 これらの変形は以下の請求の範囲内に含まれるものであることを理解されたい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　電界放出電子銃であって： （イ）鋭くとがらせた陰極チップ； （ロ）尖端が陰極子ノブの尖端に接近して配置されている少なくとも１つの鋭く とがらせた抽出電極チップ；及び（ハ）陰極チップから電子の電界放出を生せし めるのに充分な電圧を陰極チップと抽出電極チップとの間に印加する手段を具備 する電子銃。 ２、　電界放出電子銃であって： （イ）鋭くとがらせた陰極チップ： （ロ）陰極チップの周囲に対称的に配列され、陰極チップに向って収斂していて 、尖端が陰極チップの尖端に接近している複数の鋭くとがらせた抽出電極チップ ；及び（ハ）陰極子ノブから電子の電界放出を生せしめるのに充分な電圧を陰極 チップと抽出電極チップとの間に印加する手段を具備する電子銃。 ３．３つの抽出電極チップが陰極チップの周囲に配置されている請求の範囲２に 記載の電界放出電子銃。 ４、　陰極チップと抽出電極チップとの間に印加する電圧を選択的に変化させ得 るようにした請求の範囲ｌに記載の電界放出電子銃。 ５、　陰極チップと各抽出電極チップとの間に印加する電圧を独立的に変化させ 得るようにした請求の範囲２に記載の電界放出電子銃。 ６、　収束用レンズ：加速陽極；及び陰極チップと集束用レンズとの間に集束用 電圧を印加し、また陰極と加速陽極との間に加速電圧を印加する手段を含む請求 の範囲１或いは２に記載の電界放出電子銃。 ７、陰極チップと集束用レンズ及び加速陽極との間に電圧を印加する手段が、こ れらの電圧を選択的に変化させ得るようになっており；この手段が集束用レンズ と陰極チップとの間に印加する電圧を負電位ならしめるように選択可能となって いる請求の範囲６に記載の電界放出電子銃。 ８、加速陽極を通過した後のビームの通路を取囲む偏向コイル；ビームが衝突す るターゲット；ターゲットからの電子を検出してそれを表す信号を発生する検出 器手段；検出器手段からの信号を受けてビデオ表示を発生するビデオディスプレ イ手段；及びターゲットを横切って走査するようにビームを偏向させ、一方ビデ オディスプレイ手段によって同時像を形成するように偏向コイルを制御し、また ビデオディスプレイユニットに同期的に信号を供給する偏向回路手段を含む請求 の範囲６に記載の電界放出電子銃。 ９、　抽出電極が極めて鋭い尖端を有する細い導電性ワイヤーで形成されている 請求の範囲１或いは２に記載の電界放出電子銃。 １０、陰極からの電子ビームを通過させ得る開孔を有し、複数の抽出電極チップ を取付けである絶縁用ベース；及びベース上に設けられていて各抽出電極チップ への電気的接続を与える手段を含む請求の範囲２に記載の電界放出銃。 １１、ベースに取付けられていて陰極から引出された電子の通路内に中心制限用 孔を有し、この孔を通過するビーム内の電子だけを通過させ得るようになってい る制限用孔部材を含み；ベースに取付けられていて収斂している抽出電極チップ の尖端を概ね取囲んでいる壁によって限定される中心開孔を有し１．導電性であ って制限用孔部材に電気的に接続されている抑圧板をも含む情斗の範囲１０に記 載の電界放出電子銃。 １２　陰極に接する位置において電子ヒームプローブシステム内に用いるように なっている抽出電極であって：（イ）陰極からの電子ビームの通過を許容する開 花を有する１色縁用ベース； （ロ）ベース上に取付けられていて隼−の点に回かって収斂している複数の鋭く とがらせた抽出電極チップ；及び（ハ）ベース上に設けられていて各抽出電極チ ップとの電気的接続を行って供給される電圧を各抽出電極子ノブに供給し得るよ うにする手段 を具舗する抽出電極。 １３．３つの抽出電極チップをベース上に取付けである請求の範囲１２に記ｉｋ の抽出電極。 ＋４．電極チップが極めて鋭どい尖端を有する細い導電性ワイヤーご形成さ眉、 ；抽出電極チップとの電気的接続を行う手段が絶縁用ベースに取付けられている 複数の導電性取付はプロ、りを含め、各ブロックに１つずつ電極チップを取付け である請求の範囲１２に記載の抽出電極。 １５、抽出電極きの電気的接続を行うためにベース上に設けられている手段が、 各抽出電極チップに他の抽出電極チップとは関係なく電圧を供給できないように なっている請求の範囲１２に記載の抽出電極。 １６、ベースに取付けられていて陰極チップから引出された電子の１Ｉｉｉ路内 に中心制限用孔を有し、この孔を通過するビーム内の電子だけを通過させ得るよ うになっている制限用孔部材を含み；ベースに取付けられていて抽出電極チップ を概ね取囲んでいる壁によって限定される中心開孔を有する導電性抑圧板をも含 む請求の範囲１２に記載の抽出電極。 １７、鋭＜とがらせた電界放出陰極チップ；抽出された電子ビームを加速成いは 減速及び集束するレンズ電極；集束されたビームが衝突するターゲット；ターゲ ットからの電子を杉、出する検出器；及び検出器の出力を受けるように接続され ていてターゲットから検出器によって受けられた電子を表す表示を発生するビデ オディスプレイユ：ノトを有する電子ビームプローブシステムにおいて： （１゛）陰極チップの周囲に対称的に配列されていて陰極チップに向かって収斂 している複数の鋭くとがらせた抽出電極チップ；及び （ロ）陰極チップから電子の電界放出を生ぜしめるのに充分な電圧を陰極千ノブ と抽出電極チップとの間に印加する手段を備えた改良。 ｉ：３．　３つの抽出電極チップが陰極チップの周囲に配置されている請求の範 囲１７に記載のシステム。 １９、陰極チップと抽出電極チップとの間に印加する電圧を選択的に変化させ得 るようにした請求の範囲１７に記載のシステム。 ２０、陰極チップと各抽出電極との間に印加する電圧を独立的に変化させ得るよ うにした請求の範囲１７に記載のシステム。 ２１、集束用レンズ；加速陽極；及び陰極チップと集束用レンズとの間に集束用 電圧を印加し、また陰極チップと加速陽極との間に加速電圧を印加する手段を含 む請求の範囲１７に記載のシステム。 ２２、陰極チップと集束用レンズ及び加速陽極との間に印加する手段が、これら の電圧を選択的に変化させ得るようになっており；この手段が集束用レンズと陰 極チップとの間に印加する電圧を負電位１ざらしめるように選択可能となってい る請求の範囲２１に記載のシステム。 ２３、加速陽極を通過した後のビームの通路を取囲む偏向コイル１ビームが衝突 するターゲット；ターゲットからの電子を検出してそれを表す信号を発生する検 出器手段：検出器手段からの信号を受けてビデオ表示を発生するビデオディスプ レイ手段；及びターゲットを横切って走査するようにビームを偏向させ、一方ビ デオディスプレイ手段によって同時像よ形成させ得るように偏向コイルを制御し 、またビデオディスプレイユニットに同期的に信号を供給する偏向回路手段を含 む請求の範囲２１のシステム。 ２４、抽出電極が極めて鋭い尖端を有する導電性ワイヤーで形成されている請求 の範囲１７に記載のシステム。 ２５、陰極からのビームを通過させ得る開孔を有し、複数の抽出電極チップを取 付けである絶縁用ヘーヌ；及びベース上に設けられていて各抽出ＮＦｉｉチップ への電気的接続を与える手段を含む請求の範囲１７に記載のシステム。 ２６、ベースに取付けられていて陰極から引出された電子の通路内に中心制限用 孔を有し、この孔を通過するビーム内の電子だけを通過させ得るようになついる 制限用孔部材を含み；ヘーヌに取付けられていて収斂している抽出電極チップの 尖端を概ね取囲んでいる壁によって限定される中心開孔を有し、導電性であって 制限用孔部材に電気的に接続されている抑圧板をも含む請求の範囲２５に記載の システム。 ２７、ｔ３ｔ＜とがらせた陰極ナツプから電界放出によって電子を抽出する方法 であって： （・イ）陰髄；−ツブの周囲に少なくとも２つの鋭（とがらせた抽出電極チップ を配列し； （ロ）抽出電極チップに対する陰極チップの位置を調整し、そ−て陰極から電子 の電界放出が発生ずるように陰極チ・ノブと抽出電極チップとの間の電圧を調整 する 諸段階からなる方法。 ２８、陰極から放出された電子のビームを選択された方向に導くために各抽出電 極チップの電圧を個々に選択的に調整する段階を含む請求の範囲２７に記載の方 法。 ２９、陰極チップを抽出電極チップに向かって増分的に前進させ、次で放出を維 持しつつ陰極千ノブと抽出電極チップとの間に印加する電圧を低下させ、そして 抽出電極チップに実質的に放出電流が流れなくなるまで上記段階を反覆する付加 的段階を含む請求の範囲２７に記載の方法。 ３０、鋭＜とがらせた陰極チップから電界放出によって電子を抽出する方法であ って； （イ）陰極チップと、陰極チップの周囲に対称的に配列され陰極チップに向かっ て収斂している複数の鋭くとがらせた抽出電極子ノブとの間に電圧を印加するこ とによって陰極チップから電子の放出を確立し； （コ）抽出電極チップに肘する陰極千ノブの位置を調整し、そして抽出電極チッ プに実質的に放出電流が流れなくなるように陰極チップと抽出電極チップとの間 の電圧を調整する諸段階からなる方法。