JPWO2018047228A1 - 電子源および電子線照射装置 - Google Patents

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Abstract

高輝度で大電流の電子源を提供するために、先端に凸状曲面の電子放出面を有し、少なくとも電子放出面の表面が非晶質材料（２０２）で構成されたワイヤ状部材（２０１）を有する電子源とする。

Description

本発明は、電子源および電子線照射装置に関する。
微細な構造の可視化には、電子線照射装置の一つである走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）が広く用いられている。ＳＥＭは金属などの材料の形態観察や生体試料の微細な形状や形態の観察の他、半導体微細パターンの寸法検査や欠陥検査等にも用いられている。ＳＥＭでは、電子線を測定試料に照射しながら走査し、測定試料から放出される信号電子（二次電子及び反射電子）を検出することで走査像（ＳＥＭ像）を得る。
このＳＥＭ像で可視化できる微細な構造の限界は、試料に照射する電子ビームのスポット径に依存する。ＳＥＭにおいては電子源における光源の大きさがこのビームスポット径に影響を与えるため、高い空間分解能を実現するためのＳＥＭには光源の小さい電子源が用いられる。その電子源としては電界放射型の電子源が広く使われている。
電界放射型の電子源では金属単結晶の先端を０．１μｍ程度まで先鋭化する。この電子源に対向するように設置した電極に電子源に対して正の電圧を印加すると、電子源先端に１×１０９Ｖ／ｍ程度の強電界が集中し電子が放出される。これは冷電界放射型電子源(Cold-Field emitter; ＣＦＥ)と呼ばれている。
また、熱と電界を併用することによって電子ビームを取得する熱電界電子源も広く用いられている。熱電界電子源としては、高融点金属材料たとえばＷやＭｏ等の単結晶チップ表面にこの単結晶チップより仕事関数が低い金属、例えばＺｒ、Ｔｉ、Ｓｃ、Ｈｆ、Ｂａの酸化物もしくは窒化物を単原子層程度吸着させる表面拡散型電子源が実用化されている。このような電子源を１５００−１９００Ｋの高温の高温に加熱し、さらに５×１０８〜１．５×１０９Ｖ／ｍの強電界を印加することで安定な電子放出を実現している。このような電子源はショットキー電子源と呼ばれる。
いずれの電子源においても、電子源の母材は単結晶で構成されている。これは、結晶構造とその結晶面に依存した電子放出しやすさ(仕事関数)の違いを利用することで電子放出面を限定することで光源が小さくできるためである。
なお、特許文献１には、例えばダイヤモンドなどの導電性を有する非金属材料からなる電子源用チップの先端突起部を球面や円錐などの曲面形状に加工し、電子ビームをナノサイズに収束を可能とする技術が開示されている。
特開２００８−１７７０１７号公報
前記ＳＥＭ像の空間分解能は試料に照射する電子ビームの性能に大きく依存する。電子顕微鏡の性能に直結する電子ビームの特性としては、例えば、単位放射立体角あたりの電流密度(以下、放射角電流密度)や電子ビーム光源の大きさがある。放射角電流密度が大きければ、試料に照射する電流を大きくでき、シグナルノイズ比の高いＳＥＭ像を得ることができる。また、同じシグナルノイズ比を持つＳＥＭ像を得るために必要な撮像時間を短くすることができ、高速撮像が可能となる。
一方、光源の大きさが小さければ試料に照射する電子ビームのスポット径を小さくでき、高い空間分解能を持つＳＥＭ像が得られる。つまり、放射角電流密度が高く光源が小さい電子源が画質の良いＳＥＭ像を得るために好ましい。ここで、放射角電流密度は光源の大きさに比例する値であるため、電子源の性能としては放射角電流密度を光源の面積で除した輝度で議論されることが多く、高分解能ＳＥＭには輝度の高い電子源が採用されている。
これまでの高輝度電子源は光源の面積を小さくすることで実現されてきた。光源の面積を小さくするための手法の一つに、電子源に単結晶を使う技術がある。これは結晶の面方位に依存して電子の放出されやすさ（仕事関数）が異なることを利用したものであり、電子放出面を限定することで光源の面積を小さくできる。
例えばＣＦＥではタングステンの（３１０）などが電子放出面として一般に用いられており、ショットキー電子源ではタングステンの（１００）面が用いられている。これらの電子源では特定の結晶面からのみ強い電子放出が起こるため、結晶の対称性を反映した方向にのみ電子放出が起こり、その一部を絞りで制限することで特定の面から放出された電子ビームのみを取り出すことができる。電子放出面を限定することでＣＦＥでは３〜５ｎｍ、ショットキー電子源では３０〜５０ｎｍの光源が実現されている。
ショットキー電子源の光源がＣＦＥに比べて大きい理由は、電子放出面積が大きいためである。ショットキー電子源の先端には数百ｎｍの（１００）面が開口している。このショットキー電子源から得られる電流密度はＣＦＥより大きく、試料に入射する電流を大きくすることができる。
ここで、電界放出電子源における実効的な光源は、実際の電子放出面の大きさよりも小さいことが知られている。これは、電子放出面は平面であるが、放出された電子は引出電極よって生じた電界によって加速されるため、引出電極より下流から見ると電子ビームはあたかも電子放出面より後方にある電子放出面より小さい光源から照射されたように見えるためである。この電界放出電子源における実効的な光源は仮想光源と呼ばれる。ＣＦＥとショットキー電子源における仮想光源の模式図を各々図１Ａおよび図１Ｂに示す。図１Ａに示すＣＦＥは、先端が先鋭化されたタングステン（３１０）単結晶ワイヤ１０１を有し、（３１０）面が電子放出面１０２となる。符号１０３は電子源から放出される代表的な電子軌道、符号１０４は電子軌道１０３を外装することで得られる仮想的な軌跡、符号１０５は仮想光源を示す。図１Ｂに示すショットキー電子源は、先端が先鋭化されたタングステン（１００）単結晶ワイヤ１０６を有し、（１００）面が電子放出面１０７となる。符号１０８は電子源から放出される代表的な電子軌道、符号１０９は電子軌道１０８を外装することで得られる仮想的な軌跡、符号１１０は仮想光源を示す。単結晶平面を電子放出面１０２、１０７として用いた電界放出電子源においては、電子放出面が大きければこの仮想光源も大きくなってしまうことが課題である。
特許文献１には、ダイヤモンド、すなわち非金属単結晶からなる電子源の先端加工特性を改善させるために先端を曲面とする技術が開示されているが、これは仮想光源を小さくさせる目的で加工されるものではない。したがって、上述したように、結晶性の物質の先端を球面や円錐などの曲面形状に加工しても、その表面には安定な結晶面が形成されてしまうことに変わりは無く、本出願で述べる課題を解決することはできない。
本発明の目的は、高輝度で大電流の電子源および空間分解能が高い電子線照射装置を提供することにある。
上記目的を達成するための一実施形態として、
先端に凸状曲面の電子放出面を有し、少なくとも前記電子放出面の表面が非晶質材料で構成されたワイヤ状部材を有することを特徴とする電子源とする。
また、他の形態として、
導電性材料を構成要素とするワイヤ状の母材および前記母材の先端に形成され非晶質材料を構成要素とし凸状曲面の電子放出面となる表面材を有する電子源と、
前記電子源から引き出された一次電子を試料に照射する電子光学系と、
を有することを特徴とする電子線照射装置とする。
また、他の形態として、
導電性の非晶質材料を構成要素とし先端が凸状曲面の電子放出面となるワイヤ状部材を有する電子源と、
前記電子源から引き出された一次電子を試料に照射する電子光学系と、
を有することを特徴とする電子線照射装置とする。
本発明によれば、高輝度で大電流の電子源および空間分解能が高い電子線照射装置を提供することができる。
ＣＦＥの構造と仮想光源を説明するための断面図。 ショットキー電子源の構造と仮想光源を説明するための断面図。 実施例１に係る電子源における電子源先端の構造を説明するための断面図。 実施例１に係る電子源における電子放出面と仮想光源を説明するための断面図。 ＣＦＥにおける電子放出パターンの模式図。 ショットキー電子源における電子放出パターンの模式図。 実施例１に係る電子源における電子放出パターンの模式図。 実施例２に係る電子源の構成を説明するための断面図。 実施例３に係る電子源における電子源先端の形状（球面）と引出電極の形状(球面)の仮想光源への影響を説明するための断面図。 実施例３に係る電子源における電子源先端の形状（球面）と引出電極の形状(平面)の仮想光源への影響を説明するための断面図。 実施例３に係る電子源における電子源先端の形状（非球面）と引出電極の形状(平面)の仮想光源への影響を説明するための断面図。 実施例４に係る電子源の構成を説明するための断面図。 実施例５に係る電子源の構成を説明するための断面図。 実施例６に係る電子線照射装置（ＳＥＭ）の構成を説明するための断面図。 実施例７に係る電子線照射装置（電子エネルギーを測定する装置を組み込んだＳＥＭ）の構成を説明するための断面図。 実施例７に係る電子線照射装置（電子線回折パターンを測定する装置を組み込んだＳＥＭ）の他の構成を説明するための断面図。
発明者等は、高輝度で大電流、即ち、仮想光源を小さく且つ放射角電流密度を大きくする方法について検討した。その結果、電子源において、導電性材料からなる母材と、母材の先端を覆って配置され電子放出面となる領域が曲面を有する非晶質からなる表面材とを備えた構成とすれば良いことに思い至った。電子放出面を曲面とすることで、仮想軌道は一点に収束され仮想光源を小さくできる。また非晶質を表面材とするとことで電子放出面を曲面とし、電子放出の強度分布むらを抑制することができる。すなわち、放射角電流密度を大きくしても仮想光源が小さい、即ち大電流で輝度の高い電子源を得ることができる。この電子源を用いることでシグナルノイズ比が高く、空間分解能の高い電子顕微鏡像を得ることができる。
以下、本発明について実施例により図面を用いて説明する。なお、同一符号は同一構成要素を示す。
本発明の実施例１について図を用いて説明する。図２は、本実施例１に係る電子源における電子源先端の構造を説明するための断面図である。タングステンワイヤの先端を電解研磨で先鋭化し、その先端の曲率半径２０４を加熱により曲面（凸状曲面、例えば半球状）に成型したタングステンワイヤ２０１を電子源の本体（母材）とした。タングステンワイヤ２０１は従来のＣＦＥやショットキー電子源で用いられるような単結晶でもよいし多結晶でもよい。
この電子源の母材（ワイヤ）２０１の表面に非晶質カーボン２０２を蒸着させることで電子源母材先端をコーティングした。コーティングの厚さ２０５は表面の結晶構造の影響が出ないように０．０１μｍ、又はそれ以上とした。この電子源に対向するように引出電極２０３を設置した。図２では引出電極は平板で示したが、これに電流を取得するための穴が開いていてもよい。これらを真空中に設置し、引出電極に電子源に対して正の電圧を印加すると先鋭化した電子源の先端に電界が集中することで電子が放出された。
なお、本実施例では従来の高輝度電子源材料で用いられているタングステンを用いたが、電気伝導を示す物質で置き換えることもできる。また、非晶質カーボンの堆積は、スパッタやイオンビーム堆積法を用いることができる。また、電子源先端の曲面はイオンビームでも成型できる。また、非晶質カーボンによるコーティングは電子源全体である必要はなく、電子放出部をコーティングするだけでも十分である。また、本実施例ではコーティングする非晶質物質としてカーボンを用いたが、カーボン化合物、シリコン等の１４族元素、１３−１５族化合物、ガラス等の非晶質状態を室温で維持できる材料に置き換えることもできる。但し、非導電性材料を用いる場合には電子がトンネルできる厚さ以下とする。
また本実施例ではコーティングする厚さを０．０１μｍにしたが、実用上は１μｍ以下であればよい。その理由について図２を用いて説明する。図２は電子源先端の模式図であり、母材２０１を非晶質材２０２でコーティングしてある。母材の先端曲率半径２０４をＲ、コーティングの膜厚２０５をＴとすると、電子放出面となるコーティング表面の曲率半径は（Ｒ＋Ｔ）と表記できる。
電子源先端に生ずる電界強度はこの半径（Ｒ＋Ｔ）に反比例し、引出電圧に比例する。つまり、非晶質でコーティングした電子源先端に、コーティングを施さない場合と同じ大きさの電界強度を発生させるためにはコーティングしていない時よりも大きな引出電圧を引出電極２０３に印加する必要がある。
しかし、引出電圧を高くすると電子銃内で放電してしまう可能性が高まる。タングステンの清浄表面を用いた電界放出では先端曲率半径Ｒ＝０．１μｍの電子源に引出電圧を４ｋＶ程度印加することで電子を放出させていることから、本実施例での電子源において同程度の電界強度を発生させるときの引出電圧を５０ｋＶ以下に抑えるためには、Ｒは１μｍ以下にすることが必要となる。但し、非晶質コーティング厚さとして、１ｎｍ〜５μｍであれば効果が認められる。また、１ｎｍ〜１μｍが実用的な範囲であり、１ｎｍ〜０．１μｍが好適な範囲である。
ここで、非晶質カーボンによるコートが必要であった理由について説明する。仮想光源を小さくするためには電子放出面を曲面にすればよいが、単純に電子源先端を曲面に成型するだけでは不十分である。なぜなら、電界放出電子源として用いられている金属やダイヤモンドなどの結晶性の物質の先端を球面に成型しても、その表面には安定な結晶面が生成されてしまう。即ち電子源表面は数十ナノメートル程度の大きさを持つ結晶面の集合体として構成される。ここで仕事関数は結晶面の方位に依存するため、特定の方向にだけ電子が放出されやすくなり、電子ビームの強度分布にむらができる。この強度分布むらがあると、電子放出密度が減少してしまい、高い輝度を得ることはできない。そこで、電子放出面を結晶性を持たない物質即ち非晶質物質で構成することで、結晶面の方位に依存した電子ビーム放出のむらを抑制した。
電子源先端が非晶質材料によりコーティングされ、電子放出の結晶面方位依存性がなくなることは電子放出の空間分布パターンを測定することで判別できた。電子放出パターンは引出電極よりも下流に蛍光板を設置し、その蛍光板をデジタルカメラで撮影することで得ることができた。
従来の高輝度電子源であるＣＦＥやショットキー電子源ではタングステンの（３１０）または（１００）面から選択的に電子が放出され、図４Ａや図４Ｂに示すようにその結晶面に対応した電子放出パターンが得られるが、非晶質材料をコーティングした場合は図４Ｃに示すように面方位依存性がなくなるため、等方的な電子放出パターンが得られた。
この電子源から放出される電子の軌道のうち代表的なものと仮想光源の関係を図３で説明する。電子源の母材３０１を非晶質材３０２でコーティングし、引出電極３０３に電圧を印加して電子を放出させた。電子源から放出された電子の軌道において代表的な軌道を図３の中の符号３０４〜３１２で示す。軌道３０４は電子放出面中心から電子源表面に対して法線方向、軌道３０５は電子放出面中心から電子源表面に対して接線方向、軌道３０６は軌道３０５と同じく接線方向であるが軌道３０５とは逆方向、軌道３０７は電子放出面の端から電子源表面に対して法線方向、軌道３０８は電子放出面の端から電子源表面に対して法線方向、軌道３０９は軌道３０８と同じく接線方向であるが軌道３０８とは逆方向に放出された電子の軌道である。軌道３１０，軌道３１１，軌道３１２はそれぞれ軌道３０７，軌道３０８，軌道３０９とは逆の電子放出面の端から放出された電子の軌道である。点線で示した符号３１３〜符号３２１はそれぞれの電子軌道３０４〜３１２から外装することで得られた仮想的な軌道である。符号３２２は電子放出面から放出される電子の仮想軌道が収束する面とその面における収束スポットの大きさ３２３を図示したものであり、これが電界放出電子源における仮想光源となる。
図２に示す構成を有する電子源としたところ、電子放出面を曲面とし放射角電流密度を大きくしても、図１Ｂで示すタングステン単結晶の特定の結晶平面からの電子放出を利用したショットキー電子源に比べて仮想光源の大きさを５０％以下にすることができ、高輝度で大電流の電子源を得ることができた。
以上、本実施例によれば、高輝度で大電流の電子源を提供することができる。
本発明の実施例２に係る電子源について図５を用いて説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。本実施例２では、より簡便に非晶質コーティングを実現する例について説明する。
図５に実施例２に係る電子源の構造を示す。電子源の本体は実施例１と同じく電解研磨によって先鋭化し、熱処理によって先端を球面（半球状）に成型したタングステンワイヤ５０１を使用した。この表面を流動性のある炭素含有化合物（有機物ポリマー）５０２でコーティングした。本実施例では炭素含有化合物を直接コーティングしたが、炭素含有化合物を溶剤に溶解または懸濁させて電子源表面にコーティングすることもできる。また、有機物で電子源表面をコーティングした後、コーティング剤を加熱炭化することで、実施例１で示した非晶質カーボンコーティングを簡便に実現できた。
次に、実施例１と同様に電子源に対向するように引出電極５０３を設置し、電子を引き出した。図５では引出電極は平板で示したが、これに電流を取得するための穴が開いてあってもよい。
以上本実施例によれば、実施例１と同じ効果を得ることができる。また、流動性のある炭素含有化合物をコーティング剤として用いることでコーティングの膜厚や均一性の制御が容易となる。また、有機物含有コーティング剤を加熱炭化することにより、非晶質カーボンコーティングを簡便に実現できる。
本発明の実施例３に係る電子源について図６Ａ〜図６Ｃを用いて説明する。なお、実施例１又は２に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。本実施例３では、電界放射電子源を電子銃に用いた時に実施例１の効果をより高めた例について説明する。
図６Ａ〜図６Ｃに電子源表面形状と引出電極を変えた時の電位分布、放出される電子軌道、仮想軌道、仮想光源を説明するための模式断面図を示す。図６Ａは母材６１１の先端表面形状が球面である電子源から、その球面と同心球の形状の引出電極６１３で電子を引き出した場合である。電位分布は球対称となり、球の中心を通る方向６０１に電子は出射される。この時、仮想軌道６０２が球の中心に収束するため、仮想光源は球の中心の一点となり、理想的には輝度が無限大となる。
一方、実際の電子線照射装置における電子銃では電子ビームを一方向に放出させるため、引出電極は球面ではないことが多い。本実施例では球面でない場合の一例として平面である場合について説明する。図６Ｂで示すように引出電極６２３が平面であると、電子は引出電極６２３の方に引き寄せられるため、電子軌道６０３は引出電極６２３の方に曲げられる。その結果、図６Ｂで示すように仮想軌道６０４は一点に収束されなくなり、光源が有限の大きさを持つ。
本実施例では平面電極で引き出してもこの仮想軌道の広がりを抑えて仮想光源を小さくするために、電子源の形状を球面から変化させた。具体的には図６Ｃに示すように、引き出す電子ビームの中心から離れるほど（電子放出面の中心から離れるに従い）母材６２１先端の曲率半径が大きな曲面となるような先端形状とした。図６Ｂから、電子放出面が球面である場合は、電子ビームの中心から離れた電子ほど仮想軌道は電子源後方に収束する。電子放出面をビームの中心から離れるに従い、放出面を引出電極に対してより垂直な方向に成型することで、放出される電子ビームの中心から離れた電子軌道６０５を変化させ、その仮想軌道６０６がより電子源前方に近づくようにした。これにより図６Ｂに示した構成（実施例１の構成）に比べて仮想光源を小さくでき、高輝度で大電流の効果をより高めることができた。
本実施例により、引出電極の形状が球形でない場合でも、仮想光源を小さくすることができた。なお、これらの電極に電流を取り出すための穴が開いていても上記効果は変わらない。
以上本実施例によれば、実施例１と同じ効果を得ることができる。また、電子放出面の中心から離れるに従い母材先端の曲率半径が大きな曲面となるような先端形状とすることにより、より仮想光源の大きさを小さくすることができる。
本発明の実施例４に係る電子源について図７を用いて説明する。なお、実施例１乃至３の何れかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。本実施例４では、安定した電子放出を行うために、電子源先端形状を安定化した例について説明する。電界放出電子源では、強い電界や電子放出に伴う温度上昇、電子源表面の高温クリーニングによって先端が変形することがある。先端の変形が生ずると電界集中度合いが変化することで放出される電流が変化する。そのため、電子源先端の変形を抑えることが安定した電子放出に必要である。
図７に実施例４に係る電子源の構造を示す。電子源の母材として先端をイオンビーム加工で先鋭化、球面（半球状）に成型した高融点金属のモリブデンワイヤ７０１を使用した。本実施例では高融点金属として、モリブデンを用いたが、レニウム、タンタル、ニオブ、ハフニウムなど融点が１５００Ｋ以上の金属も使用できる。また、導電性を持つこれらの高融点金属化合物も使用できる。高融点金属やその化合物を電子源母材として使用することで、電界や熱による変形を抑え安定な電子放出が可能となった。
この表面を実施例１と同様に非晶質カーボン７０２でコーティングし、電子源に対向するように引出電極７０３を設置した。図７では引出電極は平板で示したが、これに電流を取得するための穴が開いてあってもよい。電子源の構成（ワイヤ材料）が違う以外は実施例１と同様である。なお、本実施例では非晶質カーボンを電子源本体としたが、実施例１と同様にシリコン等の１４族元素、１３−１５族化合物、有機物ポリマー、ガラス等の非晶質状態を室温で維持できる材料に置き換えることもできる。また実施例２と同様に炭素含有化合物でコーティングすることもできる。但し、非導電性材料を用いる場合には電子がトンネルできる厚さ以下とする。
以上本実施例によれば、実施例１と同じ効果を得ることができる。また、高融点金属またはその化合物を電子源の母材として用いることで電子源先端の変形を抑えることができる。
本発明の実施例５に係る電子源について図８を用いて説明する。なお、実施例１乃至４の何れかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。本実施例５では、電子源の作製を簡便に行うため、非晶質によるコーティングを不要とした例について説明する。
図８に実施例５に係る電子源の構造を示す。ワイヤ状に成型した非晶質シリコンを化学的エッチングにより先鋭化（半球状）し、電子源の本体（ワイヤ部材）８０１とした。ワイヤ部材そのものが非晶質であるため、コーティングが不要となり、曲面を有し非晶質材料からなる電子放出面の作製プロセスを簡略化できる効果がある。また、シリコン半導体の製造に用いられるリソグラフィ技術を用いて電子源構造を作製することができることも利点である。リソグラフィ技術によって電子源をアレイ型に配置した構造や、電子源と引出電極を一体とした構造の作製も可能となる。
次に、実施例１と同様に電子源に対向するように引出電極８０３を設置した。図８では引出電極８０３は平板で示したが、これに電流を取得するための穴が開いてあってもよい。電子源の構成（母材）が違う以外は実施例１と同様である。なお、本実施例では非晶質シリコンを電子源本体としたが、カーボン等の１４族元素、１３−１５族化合物、炭素含有化合物、ガラス等のうち室温で導電性を持つものに置き換えることもできる。
以上本実施例によれば、実施例１と同じ効果を得ることができる。また、母材そのものを非晶質材料とすることにより、非晶質材料による母材へのコーティングを省略することができるため作製のプロセスを簡略化できる。
本発明の実施例６に係る電子線照射装置について図９を用いて説明する。なお、実施例１乃至５の何れかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。本実施例６では、実施例１で記述した電子源を搭載したＳＥＭの例について説明する。
図９は本実施例に係る電子顕微鏡（ＳＥＭ）の構成を説明するための断面図である。本ＳＥＭは、実施例１の図２に示した構成と同じ構成を有する電子源９０１及び引出電極９０２と、その下流に配置された加速電極９０３と、加速電極９０３の下流に配置された電子ビーム（一次電子ビーム）９０８を収束させるコンデンサレンズ９０４及び取り込み角を制限するための絞り９０５と、電子ビームを走査する走査偏向器９０９と、一次電子ビーム９０８を測定試料９０７へ収束させる対物レンズ９０６と、一次電子ビーム９０８の照射により発生した二次電子９１０を検出する検出器９１１とを備えている。
電子源９０１から引き出された電子ビーム（一次電子ビーム）９０８は、対物レンズ９０６を用いて測定試料９０７上に収束される。この収束された一次電子ビーム９０８を、走査偏向器９０９を用いて試料の上を走査し、発生した二次電子９１０を検出器９１１で検出することでＳＥＭ像を得た。なお、本実施例では実施例１で記述した電子源を使用したが、実施例２〜実施例５の何れかで記述した電子源を用いることもできる。
図９に示すＳＥＭを用いて試料を観察した結果、電子源の仮想光源寸法を小さくできるため、試料に照射する電子ビームのスポット径を小さくでき、高い空間分解能を持つＳＥＭ像が得られた。また、放射角電流密度を高めることができるため試料に照射する電流を大きくでき、シグナルノイズ比（ＳＮ比）の高いＳＥＭ像を得ることができた。これにより、高いシグナルノイズ比（ＳＮ比）と高い空間分解能とが両立したＳＥＭ像を得ることができた。また、電流密度を大きくすることで従来よりも高速な撮像が可能となり、同じＳＮ比を持つＳＥＭ像を得るために必要な撮像時間を短くすることができ、高速撮像が可能となった。これにより、高いスループットと高い空間分解能とが両立したＳＥＭ像を得ることができた。
以上、本実施例によれば、空間分解能が高い電子線照射装置を提供することができる。また、試料に照射する電流を大きくできるため、ＳＮ比と高い空間分解能とが両立したＳＥＭ像を得ることができる。また、高いスループットと高い空間分解能とが両立したＳＥＭ像を得ることができる。
本発明の実施例７に係る電子線照射装置について図１０及び図１１を用いて説明する。なお、実施例１乃至６の何れかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。本実施例７では、実施例１で記述した電子源を搭載した電子線照射装置に、電子エネルギーを測定する装置或いは電子線回折パターンを測定する装置を取り付けた例について説明する。
図１０は、本実施例に係る、電子エネルギーを測定する装置を備えたＳＥＭの構成を説明するための断面図である。電子線を試料に照射するための基本構成は実施例６と同じであり、実施例１の図２に示した構成と同じ構成を有する電子源９０１と引出電極９０２、加速電極９０３、コンデンサレンズ９０４、取り込み角を制限するための絞り９０５、対物レンズ９０６を用いて測定試料９０７上に一次電子ビーム９０８を収束させた。この収束させた一次電子ビーム９０８を、走査偏向器９０９を用いて試料の上を走査し、発生した二次電子９１０のエネルギー分布を分光器１０１１により測定した。分光器としては、オージェ電子分光装置、電子線エネルギー損失分光装置を用いることができる。図１０に示す、電子エネルギーを測定する装置を備えたＳＥＭを用いることにより、高い空間分解能が得られるため局所領域における電子エネルギー分析が可能となった。また、高いＳＮ比で分析することができた。また、高速測定を行うことができた。また、高いＳＮ比と高い空間分解能を両立した電子ビーム応用分析が可能となった。また、高速な測定（高いスループット）と高い空間分解能を両立した分析が可能となり、分析時間が１／４に短縮できた。
また、図１１は、本実施例に係る、電子線回折パターンを測定する装置を備えたＳＥＭの構成を説明するための断面図である。電子線を試料に照射するための基本構成は実施例６と同じであり、実施例１の図２に示した構成と同じ構成を有する電子源９０１と引出電極９０２、加速電極９０３、コンデンサレンズ９０４、取り込み角を制限するための絞り９０５、対物レンズ９０６を用いて測定試料９０７上に一次電子ビーム９０８を収束させた。この収束させた一次電子ビーム９０８を、走査偏向器９０９を用いて試料の上を走査し、発生した二次電子９１０の干渉パターン１１１２を二次元に配置した検出器１１１１を用いて測定した。検出器としては、後方散乱電子回折装置を用いることができる。なお、本実施例では実施例１で記述した電子源を使用したが、実施例２〜実施例５の何れかで記述した電子源を用いることもできる。図１１に示す、電子線回折パターンを測定する装置を備えたＳＥＭを用いることにより、高い空間分解能が得られるため局所領域における電子回折パターンの分析が可能となった。また、高いＳＮ比で分析することができた。また、高速測定を行うことができた。また、高いＳＮ比と高い空間分解能を両立した電子ビーム応用分析が可能となった。また、高速な測定（高いスループット）と高い空間分解能を両立した分析が可能となり、分析時間が１／４に短縮できた。
以上本実施例によれば、空間分解能が高い電子線照射装置を提供することができる。また、試料に照射する電流を大きくできるため高いＳＮ比と高い空間分解能とが両立した分析をすることができる。また、高速測定と高い空間分解能とが両立した分析をすることができる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１０１…先鋭化したタングステン（３１０）単結晶ワイヤ、１０２…電子放出面となる（３１０）面、１０３…電子源から放出される代表的な電子軌道、１０４…電子軌跡１０３を外装することで得られる仮想的な軌跡、１０５…仮想光源、１０６…先鋭化したタングステン（１００）単結晶ワイヤ、１０７…電子放出面となる（１００）面、１０８…電子源から放出される代表的な電子軌道、１０９…電子軌跡１０８を外装することで得られる仮想的な軌跡、１１０…仮想光源、２０１…先鋭化したタングステンワイヤ、２０２…非晶質カーボン、２０３…引出電極、２０４…タングステンワイヤの先端曲率半径、２０５…非晶質カーボンの膜厚、３０１…先鋭化したタングステンワイヤ、３０２…非晶質材、３０３…引出電極、３０４〜３１２…電子源から放出される電子の代表的な軌跡、３１３〜３２１…電子軌跡３０４〜３１２から得られる仮想的な軌跡、３２２…仮想光源（仮想軌跡の収束点）、３２３…仮想光源の大きさ、５０１…先鋭化したタングステンワイヤ、５０２…有機物ポリマー、５０３…引出電極、６０１…電子軌道、６０２…仮想軌道、６０３…電子軌道、６０４…仮想軌道、６０５…電子軌道、６０６仮想軌道、６１１…母材、６１３…引出電極、６２１…母材、６２３…引出電極、７０１…先鋭化したモリブデンワイヤ、７０２…非晶質カーボン、７０３…引出電極、８０１…先鋭化した非晶質シリコンワイヤ、８０３…引出電極、９０１…実施例１で記述した電子源、９０２…引出電極、９０３…加速電極、９０４…コンデンサレンズ、９０５…絞り、９０６…対物レンズ、９０７…測定試料、９０８…収束された一次電子、９０９…走査偏向器、９１０…発生した二次電子、９１１…検出器、１０１１…エネルギー分光器、１１１１…二次元に配置した電子検出器、１１１２…干渉パターン。

Claims (20)

  1. 導電性材料を構成要素とするワイヤ状の母材および前記母材の先端に形成され非晶質材料を構成要素とし凸状曲面の電子放出面となる表面材を有する電子源と、
    前記電子源から引き出された一次電子を試料に照射する電子光学系と、
    を有することを特徴とする電子線照射装置。
  2. 請求項１記載の電子線照射装置において、
    前記表面材は、膜厚が１ｎｍ以上、５μｍ以下であることを特徴とする電子線照射装置。
  3. 請求項１記載の電子線照射装置において、
    前記表面材は、炭素或いはシリコンを構成要素とすることを特徴とする電子線照射装置。
  4. 請求項１記載の電子線照射装置において、
    前記表面材は、炭素含有化合物を構成要素とすることを特徴とする電子線照射装置。
  5. 請求項１記載の電子線照射装置において、
    凸状曲面の前記電子放出面は、前記電子放出面の中心から離れるに従い曲面の曲率半径が大きくなることを特徴とする電子線照射装置。
  6. 請求項１記載の電子線照射装置において、
    前記母材は、融点が１５００度以上の高融点金属であることを特徴とする電子線照射装置。
  7. 請求項１記載の電子線照射装置において、
    前記非晶質材料は、１４族元素、炭素含有化合物、１３族と１５族との化合物、或いはガラスを構成要素とすることを特徴とする電子線照射装置。
  8. 請求項１記載の電子線照射装置において、
    前記一次電子が前記試料に照射されることにより発生する二次電子を検出する検出器を更に有することを特徴とする電子線照射装置。
  9. 請求項１記載の電子線照射装置において、
    前記一次電子が前記試料に照射されることにより発生する二次電子のエネルギーを分析するための分光器を更に有することを特徴とする電子線照射装置。
  10. 請求項１記載の電子線照射装置において、
    前記一次電子が前記試料に照射されることにより発生する二次電子の回折パターンを測定するための検出器を更に有することを特徴とする電子線照射装置。
  11. 導電性の非晶質材料を構成要素とし先端が凸状曲面の電子放出面となるワイヤ状部材を有する電子源と、
    前記電子源から引き出された一次電子を試料に照射する電子光学系と、
    を有することを特徴とする電子線照射装置。
  12. 請求項１１記載の電子線照射装置において、
    凸状曲面の前記電子放出面は、前記電子放出面の中心から離れるに従い曲面の曲率半径が大きくなることを特徴とする電子線照射装置。
  13. 請求項１１記載の電子線照射装置において、
    前記非晶質材料は、１４族元素、炭素含有化合物、１３族と１５族との化合物、或いはガラスを構成要素とすることを特徴とする電子線照射装置。
  14. 請求項１１記載の電子線照射装置において、
    前記一次電子が前記試料に照射されることにより発生する二次電子を検出する検出器を更に有することを特徴とする電子線照射装置。
  15. 請求項１１記載の電子線照射装置において、
    前記一次電子が前記試料に照射されることにより発生する二次電子のエネルギーを分析するための分光器を更に有することを特徴とする電子線照射装置。
  16. 請求項１１記載の電子線照射装置において、
    前記一次電子が前記試料に照射されることにより発生する二次電子の回折パターンを測定するための検出器を更に有することを特徴とする電子線照射装置。
  17. 先端に凸状曲面の電子放出面を有し、少なくとも前記電子放出面の表面が非晶質材料で構成されたワイヤ状部材を有することを特徴とする電子源。
  18. 請求項１７記載の電子源において、
    前記ワイヤ状部材は、導電性材料を構成要素とする母材と、前記電子放出面に形成され膜厚が１ｎｍ以上、５μｍ以下の非晶質材料を構成要素とする表面材と、を有することを特徴とする電子源。
  19. 請求項１７記載の電子源において、
    凸状曲面の前記電子放出面は、前記電子放出面の中心から離れるに従い曲面の曲率半径が大きくなることを特徴とする電子源。
  20. 請求項１７記載の電子源において、
    前記非晶質材料は、１４族元素、炭素含有化合物、１３族と１５族との化合物、或いはガラスを構成要素とすることを特徴とする電子源。
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