JPWO2009044871A1 - 電子源及び電子ビーム装置 - Google Patents
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Abstract
電子源を用いる装置が外部より振動を受けても、安定した電子線を与える電子源を提供する。絶縁碍子(５)と、絶縁碍子(５)に間隔を空けて配置された２つの導電端子(４)と、導電端子(４)の間に張られている長尺のフィラメント(３)と、フィラメント(３)に取り付けられた電子放射部を有する針状の陰極(１)とを備える電子源であって、フィラメント(３)の軸方向に対する垂直断面形状が長方向と短方向を有し、長方向の最大長がその短方向の最大長の１．５倍以上５倍以下である電子源。
Description
本発明は、針状の陰極を設けた電子源、及び、この電子源を利用した走査型電子顕微鏡、走査型透過電子顕微鏡、オージェ電子分光装置、電子線露光機、ウェハ検査装置などの電子ビーム装置に関する。
近年、熱陰極よりも長寿命で、より高輝度の電子ビームを得るために、タングステン単結晶の針状電極にジルコニウムと酸素の被覆層を設けた陰極を用いた電子源が用いられている（以下、ＺｒＯ／Ｗ電子源と記す。）（非特許文献１参照）。
ＺｒＯ／Ｗ電子源は、軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶の針状の陰極に、ジルコニウムと酸素からなる拡散源を設け、ジルコニウム及び酸素を拡散することにより被覆層（以下、ＺｒＯ被覆層という。）を形成し、該ＺｒＯ被覆層によってタングステン単結晶の（１００）面の仕事関数を４．５ｅＶから約２．８ｅＶに低下させたものである。さらに、ＺｒＯ／Ｗ電子源は、陰極の先端部に形成された（１００）面に相当する微小な結晶面のみが電子放出領域であるので、従来の熱陰極よりも高輝度の電子ビームが得られ、しかも長寿命であるという特徴を有する。上記陰極による電子源の供給を安定させるために、陰極先端の形状を適切に加工する技術も知られている（特許文献１参照）。
また、上記被覆層をバリウムと酸素によって構成する技術も知られている（特許文献２、特許文献３及び特許文献４参照）。
ＺｒＯ／Ｗ電子源は、図７に示すように、絶縁碍子５に固定された導電端子４に張ったタングステン製の加熱用フィラメント３の一部に電子ビームを放射するタングステンの＜１００＞方位の針状の陰極１が溶接等により固定されている。陰極１の一部には、ジルコニウムと酸素の拡散源２が設けられている。図示していないが陰極１の表面はＺｒＯ被覆層で覆われている。
ＺｒＯ／Ｗ電子源の陰極１の先端部は、サプレッサー電極と引き出し電極の間に配置されている。陰極１はフィラメント３により１８００Ｋ程度に通電加熱されるとともに、陰極１には引出電極に対して負の高電圧が印加され、更にサプレッサー電極には陰極１に対して数百ボルトの負の電圧が印加され、フィラメント３からの熱電子を抑制する。
このようなＺｒＯ／Ｗ電子源は、低加速電圧で用いられる測長ＳＥＭやウェハ検査装置などに広く用いられているが、比較的高倍率でＳＥＭ像をみる際、装置周辺からの振動によりノイズが発生し、分解能が得られず、測長などを行うことができない場合がある。ＺｒＯ／Ｗ電子源のフィラメント３は、導電端子４との接合部２箇所と陰極１の３点で形成される面に対して垂直方向に振動しやすく、その振動は固有の周波数を持っている。外部からの振動の周波数がこの固有周波数に一致すると、フィラメントが共鳴振動を起こし、ノイズを引き起こしてしまうことがわかっている。
一方、本発明とは分野及びその用途が全く異なるが、テレビの受像管等に用いられるような電子放出領域の大きな平面状の陰極を備える電子源（特許文献５及び特許文献６参照）においては、そもそも、微少な振動によってノイズが発生するといった特性の低下は問題視されていない。
また、このような電子放出領域の大きな平面状の陰極を備える電子源の場合、陰極を固定しやすいよう、幅の広いフィラメントが用いられる。一般的にこれらの電子源の動作温度は１０００Ｋ程度と低く、幅の広いフィラメントを用いても比較的小さい電流で加熱維持が可能となる。
D. Tuggle, J. Vac. Sci. Technol.16, p1699(1979) 特開２００５−３３９９２２号公報
特開２００４−２６５６１４号公報
特開２００５−３３２６７７号公報
特開２００５−２２２９４５号公報
特開昭５５−１４８３３９号公報
実案公告昭４８−２７６２３号公報
D. Tuggle, J. Vac. Sci. Technol.16, p1699(1979)
特に電子放出領域が１００μｍ程度以下の針状の陰極を備える電子源は、動作温度が１７００Ｋ以上と高いため、フィラメント断面積が大きいと、動作温度までの加熱を著しく困難にするという問題があることから、通常は断面積の小さい細線状のフィラメントが用いられる。その結果、フィラメントの剛性が弱くなり、振動の影響を受けやすい。この振動を抑制するため、装置に防振構造を設けることにより、対処することが試みられているが、完全に共振しないようにするためには、装置として大がかりなものになってしまうという問題がある。
フィラメントを太くして剛性を高めることで、振動振幅はある程度抑制することが可能であるが、前述のように、フィラメントを太くすることによってその断面積が増加し、通電加熱に必要な電流が増大してしまうという課題がある。電子ビーム装置の許容電流量に応じた通電加熱電流の制限があるので、単に太くすることはできない。
〈発明の経緯〉
本発明者は、鋭意検討した結果、フィラメントの振動し易い方向が、フィラメントと導電端子を取り付けた２か所の位置と陰極の３点で形成される面に対して垂直な方向であることを見出し、フィラメントの断面積を増加させることなく、通電加熱に必要な電流の増加を抑えながら、この振動し易い方向のフィラメントの剛性を高める形状について検討し、本発明に至ったものである。
本発明者は、鋭意検討した結果、フィラメントの振動し易い方向が、フィラメントと導電端子を取り付けた２か所の位置と陰極の３点で形成される面に対して垂直な方向であることを見出し、フィラメントの断面積を増加させることなく、通電加熱に必要な電流の増加を抑えながら、この振動し易い方向のフィラメントの剛性を高める形状について検討し、本発明に至ったものである。
すなわち、本発明の目的は、外部より振動を受けても安定した電子線を与える電子源及び電子ビーム装置を提供することにある。
本発明によれば、絶縁碍子と、絶縁碍子に間隔を空けて配置された２つの導電端子と、導電端子の間に張られている長尺のフィラメントと、フィラメントに取り付けられた電子放射部を有する針状の陰極と、を備える電子源であって、上記フィラメントの軸方向に対する垂直断面形状が長方向と短方向を有し、長方向の最大長がその短方向の最大長の１．５倍以上５倍以下であって、フィラメントの断面形状の長方向が、フィラメントと導電端子を取り付けた２か所の位置と、陰極のある位置の３点で形成される平面の法線に対して±１０°以下となるように、フィラメントが張られている電子源が提供される。
本発明によれば、電子源が実用に供されたときに、装置周辺からの振動により電子源が共振してノイズを発生することが防止され、かつ、フィラメントの通電加熱に必要な電流の増加を抑えることができるという効果が得られる。
１：陰極
２：拡散源
３：フィラメント
４：導電端子
５：絶縁碍子
６：電子源
７：レーザー変位計
８：加速度センサ
９：振動板
１０：振動発生器
１１：レーザー光
ａ：フィラメント断面の長方向の長さ
ｂ：フィラメント断面の短方向の長さ
Ｌ：フィラメントの長さ
θ：フィラメント間の角度
ｍ：陰極の太さ
ｎ：陰極の全長
ｓ：陰極の電子放射部分の直径
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１０：振動発生器
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ａ：フィラメント断面の長方向の長さ
ｂ：フィラメント断面の短方向の長さ
Ｌ：フィラメントの長さ
θ：フィラメント間の角度
ｍ：陰極の太さ
ｎ：陰極の全長
ｓ：陰極の電子放射部分の直径
〈実施形態〉
以下、図面を参照しながら本発明の具体的な実施態様について説明する。
本実施形態に係る電子源は、図１（ａ）に示すように、絶縁碍子５と、絶縁碍子５に間隔を空けて配置された２つの導電端子４と、導電端子４の間に張られている長尺のフィラメント３と、フィラメント３に取り付けられた電子放射部を有する針状の陰極１と、を備える電子源であって、上記フィラメント３の軸方向に対する垂直断面形状が長方向と短方向を有し、長方向の最大長がその短方向の最大長の１．５倍以上５倍以下であって、フィラメント３の断面形状の長方向が、フィラメント３と導電端子を取り付けた２か所の位置と、陰極のある位置の３点で形成される平面の法線に対して±１０°以下となるように、フィラメント３が張られている。
以下、図面を参照しながら本発明の具体的な実施態様について説明する。
本実施形態に係る電子源は、図１（ａ）に示すように、絶縁碍子５と、絶縁碍子５に間隔を空けて配置された２つの導電端子４と、導電端子４の間に張られている長尺のフィラメント３と、フィラメント３に取り付けられた電子放射部を有する針状の陰極１と、を備える電子源であって、上記フィラメント３の軸方向に対する垂直断面形状が長方向と短方向を有し、長方向の最大長がその短方向の最大長の１．５倍以上５倍以下であって、フィラメント３の断面形状の長方向が、フィラメント３と導電端子を取り付けた２か所の位置と、陰極のある位置の３点で形成される平面の法線に対して±１０°以下となるように、フィラメント３が張られている。
ここで、図１は本発明の実施形態に係る電子源の構造図（図１（ａ））及びフィラメント３の軸方向に対する垂直断面の拡大図（図１（ｂ））である。図１（ａ）において、２は陰極１に設けられた拡散源である。
［フィラメント］
先ず、本実施形態に係る電子源のフィラメント３について説明する。フィラメント３は、図１（ｂ）に示すように、フィラメント３の軸方向に対する垂直断面形状が長方向と短方向とを有する。
先ず、本実施形態に係る電子源のフィラメント３について説明する。フィラメント３は、図１（ｂ）に示すように、フィラメント３の軸方向に対する垂直断面形状が長方向と短方向とを有する。
本実施形態では、フィラメント３の軸方向に対する垂直断面形状を、図１（ｂ）に示すような長方形を例に挙げて説明するが、その断面形状は、上述の長短方向の最大長の比率を維持できるものであれば適宜採用できる。他の断面形状としては、楕円形、菱形又は長方形の短辺を半円形にした形がある。
フィラメント３の断面形状が図１（ｂ）に示すような長方形の場合には、長方向の最大長は長方形の長辺、短方向の最大長は長方形の短辺に相当する。また、フィラメント３の断面形状が楕円形や菱形の場合には、長方向の最大長とは断面形状の中心（重心）を通る線分のうちで、最も長い線分のことを指し、短方向の最大長とは、断面形状の中心（重心）を通る線分のうちで、最も短い線分のことを指す。
フィラメント３の断面形状の長方向の最大長（図１（ｂ）のａ）及び短方向の最大長（図１（ｂ）のｂ）については、フィラメントの通電加熱用電源における電流及び電圧の制限内で、実使用温度まで加熱可能な長さを選定する必要がある。
フィラメント３の断面については、長方向の最大長が短方向の最大長の１．５倍以上５倍以下であることが好ましい。フィラメント３の断面をこのような比率にすることにより、適切な電流で加熱を行うことができ、かつ装置周辺からの振動による電子源の共振によって生じるノイズの発生を効果的に防止することができる。
例えば、フィラメント３の断面積が同じであっても、短方向の最大長ｂに対する長方向の最大長ａの比を５倍以下に設定すると、フィラメントの表面積の増加に伴う加熱時の輻射損失による加熱に必要な電流の増加を抑制することができる。また、１．５倍以上に設定すると、充分な振動防止の効果を発揮する。即ち、短方向の最大長ｂに対する長方向の最大長ａの比が、１．５倍以上５倍以下であることにより、上記本願発明特有の効果を奏することができる。
また、短方向の最大長ｂに対する長方向の最大長ａの比は、この下限として好ましい比は２倍であり、上限として好ましい比は４倍である。このような比率にすることにより、装置周辺からの振動による電子源の共振によって生じるノイズの発生を防止しつつも、安定した加熱を行うことができ、より安定した電子線を得ることができる。
（フィラメントの断面積）
上記フィラメント３の断面積（フィラメント３の軸方向に対する垂直断面の面積）は、０．０１ｍｍ２以上０．０１５ｍｍ２以下であることが好ましい。さらに好ましくは、フィラメント３の断面積は、０．０１１ｍｍ２以上０．０１３ｍｍ２以下である。
上記フィラメント３の断面積（フィラメント３の軸方向に対する垂直断面の面積）は、０．０１ｍｍ２以上０．０１５ｍｍ２以下であることが好ましい。さらに好ましくは、フィラメント３の断面積は、０．０１１ｍｍ２以上０．０１３ｍｍ２以下である。
フィラメント３の断面積が０．０１５ｍｍ２以下であれば、陰極１と導電端子４間に熱勾配が生じ、適切な電流で加熱を行うことができる。また、フィラメント３の断面積が０．０１ｍｍ２以上であれば、陰極１の振動を抑制することができる。さらに、フィラメント３の断面積が、０．０１１ｍｍ２以上０．０１５ｍｍ２以下である場合には、従来の断面が円状のフィラメントを用いた電子源とほぼ同程度のフィラメント電流で動作温度までの加熱が可能となり、置き換えが容易という効果を得ることができる。
（フィラメントの長さ）
また、上記フィラメント３の長さが３ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが好ましい。ここで、上記フィラメント３の長さとは、図３に示すように、フィラメント３の一方の端部から陰極１とフィラメント３との接点までの長さＬのことをいう。
また、上記フィラメント３の長さが３ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが好ましい。ここで、上記フィラメント３の長さとは、図３に示すように、フィラメント３の一方の端部から陰極１とフィラメント３との接点までの長さＬのことをいう。
フィラメント３の長さが８ｍｍ以下であれば陰極１の振動を抑制することができる。また、フィラメント３の長さが３ｍｍ以上であれば、適切な電流で加熱を行うことができる。
さらに好ましくは、上記フィラメント３の長さが４ｍｍ以上６ｍｍ以下である。フィラメント３の長さが、４ｍｍ２以上６ｍｍ２以下である場合には、従来の断面が円状のフィラメントを用いた電子源とほぼ同じ長さであり、構造的に置き換えが容易という効果を得ることができる。
（フィラメント間の角度）
上記フィラメント３間の角度は、３０°以上１２０°以下であることが好ましい。ここで、上記フィラメント３間の角度とは、図３に示すように、フィラメント３と導電端子４を取り付けた２か所の位置と、陰極１のある位置の３点で形成される平面において、Ｖ字に折り曲げられたフィラメント３が形成する角度θを意味する。
上記フィラメント３間の角度は、３０°以上１２０°以下であることが好ましい。ここで、上記フィラメント３間の角度とは、図３に示すように、フィラメント３と導電端子４を取り付けた２か所の位置と、陰極１のある位置の３点で形成される平面において、Ｖ字に折り曲げられたフィラメント３が形成する角度θを意味する。
フィラメント３間の角度が３０°以上であれば、導電端子４の間隔を十分確保することができる。また、フィラメント３間の角度が１２０°以下であれば、針状の陰極がサプレッサー電極に設けられた穴から突き出した構造の電子源を容易に作製することができる。
さらに好ましくは、フィラメント３間の角度は４５°以上９０°以下である。フィラメント３間の角度が４５°以上９０°以下であれば、従来の断面が円状のフィラメントを用いた電子源とほぼ同じ角度であり、構造的に置き換えが容易という効果を得ることができる。
本実施形態においては、図１又は図２に示すように、１本のフィラメントをＶ字に折り曲げて形成したフィラメント３について説明した。しかし、フィラメント３は、図４に示すように、同じ長さの２本のフィラメントによって陰極１を挟み込むような構造であってもよい。
このように、フィラメント３が２本のフィラメントからなる場合、上記フィラメント３の長さとは、１本のフィラメントの長さを意味する。また、上記フィラメント３間の角度とは、上記の定義と同様に、２本のフィラメントのなす角度を意味する。
本実施形態の電子源では、フィラメント３がタングステン、モリブデン、レニウム、タンタル、イリジウムから選ばれた金属、又はこれらの元素を少なくとも１種選択した合金であることが好ましい。
［陰極］
次に、本実施形態に係る電子源の陰極１について説明する。陰極１は、図５の（ａ）に示すように、太さｍが０．１ｍｍ〜０．１５ｍｍ、全長ｎが１．０ｍｍ〜１．８ｍｍの円柱と、先端部の電子放射部分の直径ｓが２μｍ以下である円錐を組み合わせた針状のものが好ましい。先端部の形状は、平坦な形状であってもよいし、略球面状となっていてもよい。
次に、本実施形態に係る電子源の陰極１について説明する。陰極１は、図５の（ａ）に示すように、太さｍが０．１ｍｍ〜０．１５ｍｍ、全長ｎが１．０ｍｍ〜１．８ｍｍの円柱と、先端部の電子放射部分の直径ｓが２μｍ以下である円錐を組み合わせた針状のものが好ましい。先端部の形状は、平坦な形状であってもよいし、略球面状となっていてもよい。
このような針状の先端形状にして電子放射を微小領域に制限することで、より高輝度な電子放射が達成される。また、このような形状の陰極の場合、その材料としては、特にタングステン又はモリブデンが好ましい。さらに、陰極１は、タングステン又はモリブデンの＜１００＞方位の単結晶からなり、陰極の一部にＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、又はランタノイド系列から選ばれた元素の酸化物を拡散源として有していることが好ましいが、これに制限されるものではない。
また、大きな角電流密度が必要な用途では、陰極１は、図５の（ｂ）に示すように、太さｍが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、全長ｎが１ｍｍ〜２ｍｍの円柱状または四角柱状と、先端の電子放射部分が平坦であり、その直径ｓが２μｍ〜１００μｍである円錐とを組み合わせた形状であってもよい。
［製造方法］
次に、本実施形態に係る電子源の製造方法について説明する。
次に、本実施形態に係る電子源の製造方法について説明する。
（フィラメントの作製）
先ず、フィラメントの軸方向に対する垂直断面形状が長方向と短方向を有し、長方向の最大長がその短方向の最大長の１．５倍以上５倍以下のフィラメント３を得る方法としては、板状の金属板を短冊状に切断する方法がある。このような方法により、均質で精度の高い断面形状が長方形のフィラメントを得ることができる。
先ず、フィラメントの軸方向に対する垂直断面形状が長方向と短方向を有し、長方向の最大長がその短方向の最大長の１．５倍以上５倍以下のフィラメント３を得る方法としては、板状の金属板を短冊状に切断する方法がある。このような方法により、均質で精度の高い断面形状が長方形のフィラメントを得ることができる。
また、断面が円形状のワイヤを圧延ローラー等で圧延することで、断面形状が長方向と短方向を持つ楕円形のワイヤを得る方法がある。このような方法は、容易にかつ大量に処理できるので好ましい。
（電子源の作製）
本実施形態の電子源を作製するためには、上記フィラメントをＶ字のごとく曲げ、絶縁碍子５に固定された導電端子４に、溶接により取り付ける。取り付けに際しては、前記フィラメントの断面形状の長方向は、フィラメント３の導電端子４との接合部２箇所と陰極１との３点で形成される平面に対して、垂直となるように取り付ける。
本実施形態の電子源を作製するためには、上記フィラメントをＶ字のごとく曲げ、絶縁碍子５に固定された導電端子４に、溶接により取り付ける。取り付けに際しては、前記フィラメントの断面形状の長方向は、フィラメント３の導電端子４との接合部２箇所と陰極１との３点で形成される平面に対して、垂直となるように取り付ける。
ここで、上記平面は、２箇所の接合部の中心と単結晶陰極の中心とを通る平面である。また、上記フィラメントの断面形状の長方向と上記平面とは直交するが、この長方向は、上記平面の法線に対して±１０°以下、好ましくは±５°以下の傾きを構成してもよい。
次に、フィラメント３の頂部に、電子ビームを放射するタングステンの＜１００＞方位の単結晶からなる陰極１を溶接等により固定する。
次に、陰極１の先端部を電解研磨により尖鋭化し、その中央部側面にジルコニウム源を形成して約１０−４Ｐａの酸素存在下で加熱して陰極１の先端部にまでジルコニウムと酸素を拡散させ（以降、酸素処理という。）、しかる後に各種の電極を取り付けて約１０− ７Ｐａの真空下で電圧を印加することで、陰極１の先端部の形状を形成させるものである。
当該構造を採用することで、外界からの振動によるＶ字のごとく張ったフィラメント３の面に対して垂直方向の振動によるノイズの発生を極めて小さく押さえることができ、フィラメントの通電加熱に必要な電流の増加を抑えることができ、電子ビーム装置の許容電流量内に抑えることができるという効果が得られる。
上記電子源は、走査型電子顕微鏡、走査型透過電子顕微鏡、オージェ電子分光装置、電子線露光機、ウェハ検査装置などの電子ビーム装置に採用することができる。当該電子源を用いた電子ビーム装置では、その外側に防振構造などを設けることなく高分解能が得られ、低いコストで高信頼性を達成することができるという格別の効果が得られる。
〈作用効果〉
以下、上記実施形態に係る電子源及び電子ビーム装置の作用効果について説明する。
以下、上記実施形態に係る電子源及び電子ビーム装置の作用効果について説明する。
上記実施形態によれば、絶縁碍子５と、絶縁碍子５に設けられている一対の導電端子４と、導電端子４間に張られているフィラメント３と、フィラメント３の一部に接合されている電子放射部を有する針状の陰極１とを備える電子源であって、上記フィラメント３の軸方向に対する垂直断面形状が短方向の最大長ｂ及び長方向の最大長ａを有し、短方向の最大長ｂに対する長方向の最大長ａの比が１．５倍以上５倍以下であり、フィラメント３の断面形状の長方向が、フィラメント３及び一対の導電端子４の２か所の位置と、陰極１との３点で形成される平面に対して略垂直となるようにフィラメントが張られている電子源が提供される。
上記の構成により、フィラメント３の断面積を大きくすることなく、フィラメント３及び一対の導電端子４の２か所の位置と、陰極１との３点で形成される平面に対して略垂直方向に振動し難い形状となり、剛性を上げることができる。そして、上記電子源を用いた装置は、装置周辺からの振動により電子源が共振してノイズを発生することが防止され、また、フィラメントの通電加熱に必要な電流の増加を抑えることができるという効果が得られる。
上記フィラメント３の断面形状は、上述の長短方向の最大長の比率を維持できるものであれば適宜採用でき、具体的には、長方形、楕円形、菱形又は長方形の短辺を半円形にした形であってもよい。
フィラメント３の断面形状が長方形の場合には、板状の金属板を短冊状に切断することによって均質で精度の高いフィラメントが得られる。また、フィラメント３の断面形状が楕円形の場合には、断面が円形状のワイヤを圧延ローラー等で圧延することで容易かつ大量に処理することができる。
また、上記フィラメント３の断面積が０．０１ｍｍ２以上０．０１５ｍｍ２以下であってもよい。このようにすれば、適切な電流で加熱を行うことができ、かつ、陰極１の振動を抑制することができる。
また、上記フィラメントの長さが３ｍｍ以上８ｍｍ以下でであってもよい。このようにすれば、適切な電流で加熱を行うことができ、かつ、陰極１の振動を抑制することができる。
また、上記フィラメント間の角度が３０°以上１２０°以下であってもよい。フィラメント３間の角度が３０°以上であれば、導電端子４の間隔を十分確保することができるとともに、針状の陰極がサプレッサー電極に設けられた穴から突き出した構造の電子源を容易に作製することができるという効果を得ることができる。
さらには、上記フィラメント３がタングステン、モリブデン、レニウム、タンタル、イリジウムから選ばれた金属、又はこれらの元素を少なくとも１種選択した合金であることが、高融点材料であり好ましい。
また、上記陰極がタングステン又はモリブデンからなり、直径（太さｍ）が０．１ｍｍ〜０．１５ｍｍ、全長ｎが１．０ｍｍ〜１．８ｍｍの円柱状であり、先端部の電子放射部分の直径ｓが２μｍ以下であってもよい。このようにすることで、より高い輝度の安定した電子源を得ることができる。
さらには、上記陰極１はタングステン又はモリブデンの＜１００＞方位の単結晶から主としてなり、陰極１の一部にＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、又はランタノイド系列から選ばれた金属元素の酸化物を拡散源２とすることが好ましい。陰極１及び拡散源２に上記の金属元素を用いることによって、長時間安定に高輝度の電子放射が得られ、好ましい特性の電子源を得ることができる。
また、上記陰極の太さｍが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、全長ｎが１ｍｍ〜２ｍｍの円柱状または四角柱であり、先端部の電子放射部分が平坦であり、その直径ｓが２μｍ〜１００μｍであってもよい。このようにすることで、より大きな角電流密度を得ることができる。
上記電子源は、走査型電子顕微鏡、走査型透過電子顕微鏡、オージェ電子分光装置、電子線露光機、ウェハ検査装置などの電子ビーム装置に適用することができる。上記電子源を用いた装置は、装置周辺からの振動により電子源が共振してノイズを発生することが防止される。また、フィラメントの通電加熱に必要な電流の増加を抑えることができ、電子ビーム装置の許容電流量内に抑えることができるという効果が得られる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
また、上記電子ビーム装置は、陰極を保持しているフィラメントに加熱電流を流すことによって放出される不要な熱電子を抑制するためのサプレッサー電極を備えたものであってもよい。このようなサプレッサー電極を備えた電子ビーム装置は、不要な熱電子の放出が抑制され、余剰な電子が引き出し電極等に照射されることにより、誘発される真空劣化や放電損傷が起こりにくくなるとともに、均一性の高い電子ビームが得られるという効果を有するので好ましい。
（実施例１）
直径０．１２５ｍｍのタングステン製フィラメントを圧延することにより、断面の長方向の長さが０．２２ｍｍ、短方向の長さが０．０７ｍｍのフィラメントを得た。従って、長方向の長さは短方向の長さの約３倍である。また、フィラメントの断面積は０．０１２ｍｍ２であった。
直径０．１２５ｍｍのタングステン製フィラメントを圧延することにより、断面の長方向の長さが０．２２ｍｍ、短方向の長さが０．０７ｍｍのフィラメントを得た。従って、長方向の長さは短方向の長さの約３倍である。また、フィラメントの断面積は０．０１２ｍｍ２であった。
そして、上記タングステン製フィラメントをＶ字のごとく曲げた。ここで、Ｖ字状に加工するに際しては、上記断面の長方向が上記フィラメントを曲げることにより形成される面に対して略垂直となるようにした。また、Ｖ字状に加工したフィラメント間の角度を６０°とした。
その後、上記フィラメントを絶縁碍子にロウ付けされた一対の導電端子間に、スポット溶接により固定した。そして、＜１００＞方位の単結晶タングステン陰極をフィラメントにスポット溶接により取り付けた。さらに、陰極の電子放射部とは異なる端部を、絶縁碍子中央部に固定された金属端子にスポット溶接により固定した。
次に、陰極の先端部を電解研磨により尖鋭化した。次に、水素化ジルコニウムを粉砕して酢酸イソアミルと混合しペースト状にしたものを陰極の一部に塗布し、約１０−４Ｐａの酸素存在下で加熱して酸素処理を行い、図１及び図２に示す構造の電子源を得た。ここで、フィラメントの一方の端部から陰極とフィラメントとの接点までの長さは５ｍｍとした。
図６は電子源の共振振幅の評価装置の構成図である。この図に示す構成で、加速度センサ８（ＰＣＢ社製「３５２Ｂ型」）とレーザー変位計７（キーエンス社製「ＬＫ−Ｇ３０」）を有する振動板９に、前記電子源６のＶ字に張ったフィラメントによって形成される仮想面が振動板９と平行になるように前記電子源６を設置した。そして、振動発生器１０により、所定周波数の正弦波振動を振動板９に加えたときの陰極の振動変位をレーザー変位計７でモニタした。
振動板９の周波数を変えたときに前記陰極の振動変位の振幅が最大になる周波数Ｆの振幅Ｗ（ｍ）を、加速度センサ８で測定された加速度Ａ（ｍ／ｓ２）で割った規格化振幅Ｗ／Ａ（ｍ／ｍ／ｓ２）で電子源６の共振振幅を評価した。
さらに、ＺｒＯ／Ｗ電子源の適正動作温度である１８００Ｋまで真空中で通電加熱したときのフィラメント電流を測定した。
（実施例２）
直径０．１５０ｍｍのタングステン製フィラメントを圧延することにより、断面の長方向の長さが０．２６ｍｍ、短方向の長さが０．０９ｍｍのフィラメントを得た。従って、長方向の長さは短方向の長さの約３倍である。また、フィラメントの断面積は０．０１８ｍｍ２であった。それ以外は、実施例１と同様にして電子源を作製し、上記の評価を行った。
直径０．１５０ｍｍのタングステン製フィラメントを圧延することにより、断面の長方向の長さが０．２６ｍｍ、短方向の長さが０．０９ｍｍのフィラメントを得た。従って、長方向の長さは短方向の長さの約３倍である。また、フィラメントの断面積は０．０１８ｍｍ２であった。それ以外は、実施例１と同様にして電子源を作製し、上記の評価を行った。
以上のように、実施例１及び２では、様々な断面積のフィラメントを有する電子源について評価を行った。その結果を表１に示す。
（実施例３）
フィラメントの一方の端部から陰極とフィラメントとの接点までの長さを３ｍｍとした以外は、実施例１と同様の電子源を作製し、上記の評価を行った。
フィラメントの一方の端部から陰極とフィラメントとの接点までの長さを３ｍｍとした以外は、実施例１と同様の電子源を作製し、上記の評価を行った。
（実施例４）
フィラメントの一方の端部から陰極とフィラメントとの接点までの長さを８ｍｍとした以外は、実施例１と同様の電子源を作製し、上記の評価を行った。
フィラメントの一方の端部から陰極とフィラメントとの接点までの長さを８ｍｍとした以外は、実施例１と同様の電子源を作製し、上記の評価を行った。
以上のように、実施例３及び４では、様々な長さのフィラメントを有する電子源について評価を行った。その結果を表１に示す。
（実施例５）
直径０．１２５ｍｍのタングステン製フィラメントを圧延することにより、断面の長方向の長さが０．１８ｍｍ、短方向の長さが０．０９ｍｍのフィラメントを得た。従って、長方向の長さは短方向の長さの約２倍である。それ以外は、実施例１と同様にして電子源を作製し、上記の評価を行った。
直径０．１２５ｍｍのタングステン製フィラメントを圧延することにより、断面の長方向の長さが０．１８ｍｍ、短方向の長さが０．０９ｍｍのフィラメントを得た。従って、長方向の長さは短方向の長さの約２倍である。それ以外は、実施例１と同様にして電子源を作製し、上記の評価を行った。
（実施例６）
直径０．１２５ｍｍのタングステン製フィラメントを圧延することにより、断面の長方向の長さが０．２５ｍｍ、短方向の長さが０．０６ｍｍのフィラメントを得た。従って、長方向の長さは短方向の長さの約４倍である。それ以外は、実施例１と同様にして電子源を作製し、上記の評価を行った。
直径０．１２５ｍｍのタングステン製フィラメントを圧延することにより、断面の長方向の長さが０．２５ｍｍ、短方向の長さが０．０６ｍｍのフィラメントを得た。従って、長方向の長さは短方向の長さの約４倍である。それ以外は、実施例１と同様にして電子源を作製し、上記の評価を行った。
以上のように、実施例５及び６では、フィラメント断面の長方向の長さと短方向の長さの比率を角度を変えた電子源について評価を行った。その結果を表１に示す。
（比較例１）
従来構造の図７に示す構造で、即ち、前記実施例において、断面の直径が０．１２５ｍｍの円形状のフィラメントを用いていること以外は実施例１と同様の方法で作製した電子源について、実施例１と同様に共振試験及び１８００Ｋ加熱時のフィラメント電流測定を実施した。その結果を表２に示す。
従来構造の図７に示す構造で、即ち、前記実施例において、断面の直径が０．１２５ｍｍの円形状のフィラメントを用いていること以外は実施例１と同様の方法で作製した電子源について、実施例１と同様に共振試験及び１８００Ｋ加熱時のフィラメント電流測定を実施した。その結果を表２に示す。
（比較例２）
前記比較例１において、断面の直径が０．１５ｍｍの円形状のフィラメントを用いていること以外は比較例１と同様の方法で作製した電子源について、実施例と同様の評価を行った。その結果を表２に示す。
前記比較例１において、断面の直径が０．１５ｍｍの円形状のフィラメントを用いていること以外は比較例１と同様の方法で作製した電子源について、実施例と同様の評価を行った。その結果を表２に示す。
（比較例３）
直径０．１２５ｍｍのタングステン製フィラメントを圧延することにより、断面の長方向の長さが０．３１ｍｍ、短方向の長さが０．０５ｍｍのフィラメントを得た。従って、長方向の長さは短方向の長さの約６倍である。それ以外は、実施例１と同様の電子源を作製し、同様の評価を行った。その結果を表２に示す。
直径０．１２５ｍｍのタングステン製フィラメントを圧延することにより、断面の長方向の長さが０．３１ｍｍ、短方向の長さが０．０５ｍｍのフィラメントを得た。従って、長方向の長さは短方向の長さの約６倍である。それ以外は、実施例１と同様の電子源を作製し、同様の評価を行った。その結果を表２に示す。
〈考察〉
上記実施例１〜６及び比較例１〜３を、各ｎ＝３で試験した結果を表１及び表２に示す。
上記実施例１〜６及び比較例１〜３を、各ｎ＝３で試験した結果を表１及び表２に示す。
実施例の共振周波数Ｆは比較例１に比べて高くなり、規格化振幅Ｗ／Ａが比較例１と比較して著しく抑制されていることが確認された。また、実施例の１８００Ｋ加熱に必要なフィラメント電流は、比較例１に対して若干大きくなっているものの３Ａ以下であり、実用上問題ないレベルである。
一方、比較例２の規格化振幅Ｗ／Ａは比較例１に対して約半分に減少しているものの、比較例２の１８００Ｋ加熱に必要なフィラメント電流は３Ａを超えており、実用上の大きな制約となってしまう。
比較例１と比較例２を比べると、フィラメントの断面の面積を大きくした場合には規格化振幅は抑制されるものの、１８００Ｋ加熱時のフィラメント電流が増大してしまう。しかし、本実施例による電子源は、ほぼ同じ断面積の円形のフィラメントを有する電子源（比較例１）よりも規格化振幅を抑制することができるという顕著な効果を有する。
以上のように、本発明の実施例１〜６に係る電子源は、フィラメントの断面積を大きくせずとも、充分な剛性を確保し、装置周辺からの振動により電子源が共振してノイズが発生することを防止できる。
さらには、フィラメントの断面形状の長方向の最大長がその短方向の最大長の１．５倍以上５倍以下に設定されているため、適切な電流によって加熱を行うことができる。
Claims (10)
- 絶縁碍子と、
前記絶縁碍子に間隔を空けて配置された２つの導電端子と、
前記導電端子の間に張られている長尺のフィラメントと、
前記フィラメントに取り付けられた電子放射部を有する針状の陰極とを備える電子源であって、
前記フィラメントの軸方向に対する垂直断面形状が長方向と短方向を有し、
長方向の最大長がその短方向の最大長の１．５倍以上５倍以下であって、
前記フィラメントの断面形状の長方向が、前記フィラメントと前記導電端子を取り付けた２か所の位置と、前記陰極のある位置の３点で形成される平面の法線に対して±１０°以下となるように、前記フィラメントが張られている電子源。 - 前記フィラメントの断面形状が、長方形、楕円形、菱形又は長方形の短辺を半円形にした形のいずれかである、請求項１記載の電子源。
- 前記フィラメントの断面積が０．０１ｍｍ２以上０．０１５ｍｍ２以下であることを特徴とする請求項１に記載の電子源。
- 前記フィラメントの長さが３ｍｍ以上８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の電子源。
- 前記フィラメント間の角度が３０°以上１２０°以下であることを特徴とする請求項１に記載の電子源。
- 前記フィラメントが、タングステン、モリブデン、レニウム、タンタル、イリジウムから選ばれた金属、又はこれらの元素を少なくとも１種選択した合金である請求項１に記載の電子源。
- 前記陰極がタングステン又はモリブデンからなり、直径が０．１ｍｍ〜０．１５ｍｍ、全長が１．０ｍｍ〜１．８ｍｍの円柱と、先端部の電子放射部分の直径が２μｍ以下である円錐とを組み合わせた形状であることを特徴とする請求項１に記載の電子源。
- 前記陰極が、タングステン又はモリブデンの＜１００＞方位の単結晶から主としてなり、前記陰極の一部にＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ又はランタノイド系列から選ばれた金属元素の酸化物を拡散源として有する、請求項１に記載の電子源。
- 前記陰極の太さが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ、全長が１ｍｍ〜２ｍｍの円柱状または四角柱状と、先端部の電子放射部分が平坦であり、その直径が２μｍ〜１００μｍである円錐とを組み合わせた形状であることを特徴とする請求項１に記載の電子源。
- 請求項１に記載の電子源を有する、電子ビーム装置。
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