KR100505378B1 - 전자원과그전자원을구비한전자선조사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 전자현미경이나 전자선 묘화장치 등의 전자선 응용장치에 사용되는 SE 전자원에 관한 것으로, 제어전압에 의해 프로브 전류를 가변시키는 전자총에 있어서, 최적인 전자원 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

SE전자원의 구조로서, 팁 선단의 테이퍼각도 15도 이하, 곡률반경 0.5㎛ 이하를 채용한 전자원.

본 발명을 채용한 SE전자원을 사용한 전자총에서는, 제어전압의 변화에 대하여 얻어지는 프로브 전류의 가변범위가 커지기 때문에, 1개의 인출전압 설정으로 충분하다. 또, 그 인출전압치도 작아지기 때문에, 방전에 의한 팁의 파손도 없어지고, 전자총의 안정도가 증가한다.

Description

전자원과 그 전자원을 구비한 전자선 조사장치

본 발명은, 전자현미경이나 전자선 묘화장치 등의 전자선을 사용한 응용장치에서 채용되는 전자원에 관한 것이다.

근년, 새로운 전자원으로서 텅스텐(W)이나 몰리브덴(Mo) 등의 내고온 금속재료의 단결정 팁 표면에, 예를들어 Zr, Ti,Hf 등과 산소원자를 각각 단원자 정도 흡착시키는 표면확산형 전자원이 실용화되고 있다. 일반적인 구성으로서는, W헤어핀 필라멘트의 정점에, 일정한 결정방위를 갖는 W단결정선을 접합하고, 이 단결정선 선단을 전해연마하여 끝을 뾰족하게 하고 있다. 그리고, 이 W헤어핀 필라멘트와 단결정선간에, 수소화 Zr 등의 수소화합물 분말을 흡착시키고, 산소가스 분압이 있는 진공분위기중에서 열처리함으로써 Zr 등의 확산을 촉진하고, 단결정 선단의 특정결정면에 Zr과 O의 흡착층을 형성하는 것이다(미국 특허번호 제 4324999호). 이와 같은 전자원을 전계방출이 일어나지 않는 약한 전계영역에서 사용하는 경우를 특히 쇼트키에미션(Schottky Emission)이라고 부르고 있다. 이 전자원으로서 Zr/O/W가 실용화되고 있다(져널 버큠 사이언스 테크놀로지 B3(1), 1985, P220(J.Vac.Sci.Technol. B3(1), 1985, p22)). 이 전자원에 제어전극(일반적으로는 서프레서 전극(suppressor electrode)이라고 불리우고 있다)과 인출전극을 부가하여 전자총을 구성한다. 그 기본적인 구조를 도 1에 나타낸다. 1이 W(100)의 단결정 팁, 2가 W의 다결정선으로 이루어지는 헤어핀형의 필라멘트, 4는 필라멘트(2)가 스폿 용착되어 있는 스테인레스 등의 단자, 5는 세라믹 애자이다. W의 단결정 팁(1)보다 일함수가 낮은 Zr의 산화물 보급원(3)이 단결정 팁(1)의 중앙부, 설치부 또는 필라멘트(2)에 부착한 구조로 되어 있다. 이 산화물 보급원(3)을 1500K 내지 1900K 정도로 가열함으로써 단결정 팁(1)을 따라 팁 선단으로 열확산한다. 단결정 팁(1)의 선단에 확산되어진 금속(Zr)산화물은 단결정 팁(1)의 선단에서 산소와 Zr 단원자층을 형성한다. 이 때, 표면확산 및 활성화 에너지가 높은 특정의 결정면(100)에 선택적으로 흡착 형성한다. 결정면(100)이 단결정 팁(1)의 선단이 되는 단결정선을 사용하면, 단결정 팁(1)의 축선단만을 일함수가 낮은 상태로 유지할 수 있다. 이것에 의해, 그 부분으로부터 높은 방출 전자전류 밀도가 얻어진다. 그리고, 6은 서프레서 전극이라고 불리우고, 1500K 내지 1900K로 가열된 W헤어핀 필라멘트로부터의 열전자를 억제하는 역할을 한다. 7은 인출전극으로서, 단결정 선단에 전계를 인가하고 쇼트키에미션(이하 SE라고 한다)을 일으키는 역할을 한다. 이 SE는, 전계방출과 달라 선단에 인가되는 전계강도는 전계방출 상태보다 대단히 낮다. 따라서, 방출전자는 열전자이고, 터널전자는 포함되지 않는다. 이것은, 전계방출 전자 특유의 방출전자류의 변동이 없어, 대단히 안정한 방출 전자전류가 얻어지게 된다. 또한, 통상의 열전자원, 예를들어 LaB6 이나 W헤어핀에 비하여 그 동작온도가 낮기 때문에, 방출되는 전자류의 에너지폭을 작게할 수 있다.

상기 SE전자원으로부터 방출되는 전자선의 양은 상기 문헌에 기재되어 있는 바와 같이 팁 선단의 전계강도에 의존하고 있다. 이 때문에 인출전극에 인가하는 인출전압에 의해 전자선 양을 조정하는 것이 일반적이다.

그러나 인출전극을 변화시키면 그 변화 때 마다 광축의 어긋남을 일으키는 등의 문제가 있다.

또 제어전극과 팁의 간극이나 제어전극과 인출전극의 간극은 도 1로부터 알 수 있는 바와 같이 대단히 작다. 이 때문에 이들 전극에 인가하는 전압치는 작은 것이 바람직하다. 그러나, 종래의 전자총의 구조에서는 전자선 양의 조정범위가 좁고, 또 전극에 인가하는 전압도 크게 방전하기 쉽기 때문에 팁 파손의 원인으로 되었다.

본 발명은, 상기 문제점을 해결할 수 있는 전자원과 그 전자원을 사용한 전자선 조사장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여 선단이 15도 미만인 테이퍼각도로 형성된 바늘형상의 음극과, 상기 음극으로부터의 전자선 양을 제어하기 위한 제어전극과, 상기 바늘 형상의 음극으로부터 전자를 인출하기 위한 인출전극을 구비한 전자원을 개시하고 있다.

또 본 발명 구성에 의하면 상기 인출전극에 인가하는 정전압을 일정하게 유지하면서, 상기 제어전압에 인가하는 부전압치를 변화시킴으로써 전자선 양을 변화시키는 전자선 조사장치도 개시하고 있다.

또한 음극의 선단을 0.5㎛ 미만인 선단곡률 반경이 되도록 형성하였다.

이상과 같은 구성으로 하는 것은 이하와 같은 이유에 의거한 것이다.

먼저 인출전압에 의해 전자선 양을 조정함으로써, 제어전극에 인가하는 제어전압에 의해 조정한 쪽이 광축의 변화가 적은 등 이점이 많다. 즉 인출전압이 일정하고, 제어전압의 변화에 의해 모든 사용 전자선 양을 조정할 수 있으면 이상적이다.

또 SE팁의 선단 전계강도는 그 전자원 자신의 구조에 의존하고 있다.

그 전계강도를 좌우하는 구조요인으로서는, 문헌 Journal Apply Phisics, Vol.44, No.5, 1973(J.Appl.Phys., Vol.44, No.51973)에 기술되어 있는 바와 같이, 2개의 파라미터, 테이퍼각도(2β)와 곡률반경(r)이다.

도 2에 본 실시예에서 사용한 2종류의 팁 선단의 SEM 사진을 나타낸다. 배율은 양 도면 모두 1만배이다. 도 2a가 종래사용하였던 팁으로 테이퍼각도(2β)=26도, 곡률반경(r)=0.55㎛이다. 도 2b가 본 발명인 팁 선단의 SEM상으로 테이퍼각도(2β)=8도, 곡률반경(r)=0.30㎛이다. 상기 문헌에 의하면, 전계강도를 강하게 하기 위해서는 그 양쪽의 파라미터를 가능한한 작게 하면 좋다. 이것에 의해, 작은 인출전압으로도 큰 전계강도를 만들 수 있다. 그러나, 상기 문헌에는 제어전압의 영향에 관하여 어떠한 기술도 없다. 우리들의 실험으로부터, 제어전극에 인가하는 제어전압이 만드는 전계도 2개의 파라미터를 작게함으로써 강해짐을 알 수 있었다.

이 때문에, 상기 구성에 의하면 종래의 것에 비하여, 일정한 전압변화에 대한 팁 선단의 전계강도 변화도 크게 할 수 있다.

본 발명에서는 또한 제어전압의 조정에 의해 하나의 인출전압 설정으로, 모든 사용전자선 양의 범위를 커버할 수 있는 전자원과, 그 전자원을 구비한 전자선 묘화장치의 제공이 가능해진다.

또한, SE전자원의 방사전류밀도(J)는, 이하의 식으로 주어진다. T는 팁온도, φ는 일함수, a는 정수, F는 전계강도, k는 정수이다.

[수학식 1]

J=120T²exp(-(φ-a√F)/kT)(A/_cm ²)

상기 식으로부터 명백한 바와 같이, 방사전류 밀도는 팁의 온도(T), 방사면의 일함수(φ), 그리고 팁 선단의 전계강도(F)에 의존하고 있다. 그리고, 이 전계강도(F)는 팁 자체의 테이퍼각도와 곡률반경에 의존하고 있으며, SE팁과 인출전극과의 간극에도 전계강도(F)는 의존하고 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이, SE팁과 인출전극과의 간격은 대단히 작고 그 이상 조정하는 것은 곤란하다. 그 때문에, 테이퍼각도와 곡률반경의 조정을 실시하고, 제어전압의 임의의 전압범위에 있어서의 팁선단의 전계강도의 변화범위를 크게할 수 있다.

단순히 끝을 뾰족하게 함으로써 전자선이 방출되기 쉬운 것은 종래부터 알려져 있었으나, 본원 발명에서는 15도 미만으로 끝을 뾰족하게 한 쇼트키에미션 전자원과, 전자선 양의 조정을 제어전극에 인가하는 제어전압의 제어에 의해 행한다고 하는 종래에 없는 요건의 조합에 의해, 제어전압의 변화에 대하여 얻어지는 프로브 전류의 범위가 커지기 때문에, 결과적으로 인출전압에 인가하는 전압의 종류를 매우 줄일 수 있게 된다.

가령 소망하는 전압조정 범위를 제어전극의 조절범위에서 얻지못하는 경우, 인출전압의 조절로 소망하는 프로브 전류의 조절범위를 확보할 필요가 있는데, 인출전압을 변화시킴으로써 다른 파라미터 조정의 번거로움이나, 광축 어긋남 등의 폐해를 고려하면 1의 인출전압에 의해 소망하는 프로브 전류범위를 확보하는 것이 이상적이다. 이것은 제어전극의 변화에 의해 광축, 가상광원의 위치가 변화하지 않는다고 하는 전제에 의거한 것이다.

이상 서술한 바와 같이, 테이퍼각도와 곡률반경을 조정하고, 또 제어전극으로 전자선 양을 조절함으로써, 제어전압의 임의의 전압변화에 대하여 전자원으로부터 방사되는 전자선 양의 변화범위를 크게 할 수 있게 된다.

(실시예)

본 발명의 실시예를 이하에 서술한다. 도 3은 SE전자총의 평가를 행하는 초고진공에 배기된 테스트 장치이다. 전자총부와 배기가대부(evacuated frame portion)로 나뉘어져 있다. 전자총부를 교환하고, 많은 전자총의 특성을 평가하는 장치이다. 맨 처음에 SE팁을 장착한 전자총부를 배기가대부에 싣고, 초고진공배기를 실시한다. 초고진공에 배기되면, 헤어핀 필라멘트에 정전류 전원(Vf)에서 통전가열한다. SE팁의 온도를 1600K 내지 1800K까지 임의의 일정온도로 한다.

그리고, 인출전극에 직류고압전원(Ve)에서 정전압(positive voltage)을 공급함으로써 SE팁 선단으로부터 SE전자가 방출된다. 또 제어전극(서프레서전극)에는, 직류전압전원(Vs)에 의해 부전압(negative voltage)을 인가한다. 이것에 의해 전자선로 바깥으로의 전자의 방출을 없애고 있다.

방출된 SE전자는 도면에 나타내는 바와 같이, 대부분은 드로틀판에 그 일부분이 파라데이컵에 도달한다. 이 때의 에너지를 결정하고 있는 것이 직류고압 전원(Va)이고, 측장 SEM에서는 낮은 가속전압이 사용되며 대략 1kV이하이다. 이 파라데이컵에 입사된 SE전자를 프로브전류로 하고, 실제의 전자현미경이나 전자선 응용장치에 사용한다. 개방각으로서는 수 mrad의 오더이고, 전류는 수 pA 내지 수 100pA가 얻어진다. 인출전극에 인가하는 인출전압(Ve)을 일정하게 하고, 제어전압을 어느 범위 변화시켜 그 때 얻어지는 프로브 전류를 측정한다.

이와 같이 전자선 양의 제어를 제어전압에 인가된 부전압의 전압치에 의거하여 행함으로써, 인출전압에 의해 전자선 양을 제어할 필요가 없어지고 인출전압을 고정할 수 있기 때문에, 축어긋남을 일으키는 일 없이 용이하게 전자선 양의 설정을 행할 수 있다.

일반적으로 인출전압을 변화시키면, 인출전압과 비임을 가속시키는 가속전압의 비가 변화하기 때문에, 정전렌즈의 렌즈작용에 의해 광축 위치가 변하고 그 결과 축어긋남이 일어난다.

본 실시예에서는 이상의 것을 감안하여 인출전압을 고정한 상태에서 제어전압을 변화시키고 있다.

그리고 본 발명의 실시예에서는 이상의 사실을 감안하여, 이상의 측정을 도 2에 나타내는 테이퍼각도와 곡률반경이 다른 두 개의 팁을 사용하여 실시하였다.

그 결과를 도 4에 나타낸다. 제어전압의 변화범위는 100V 내지 900V이다. 도 4로부터, 종래의 선단(old tip)에서는 프로브 전류의 변화범위는 22pA 내지 57pA인 것에 대하여, 본 발명의 선단(new tip)에서는 2.3pA 내지 67pA로 대단히 큰 범위에서 변화할 수 있다. 또, 인출전압(Ve)도 종래 팁에 비하여, 15kV로 작게 할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 전자총을 채용하면 인출전압을 작게 할 수 있고, 또 제어전압의 변화에 대한 프로브 전류의 변화범위가 커지게 된다. 이와 같이 제어전극이 일정한 변화에 대하여, 프로브 전류의 변화범위가 테이퍼각도와 곡률반경에 의존하고 있다.

또한 주사형 전자현미경중에서도 반도체를 취급하는 장치에 관해서는 챠지업(charge-up)이나 콘터미네이션(contamination)의 영향을 적게하기 위하여, 프로브 전류의 감소화가 요구된다. 이것은 프로브 전류의 크기가 챠지업의 발생빈도에 비례하고 시료의 상(像)에 장해를 일으키는 것 때문이며, 또 콘터미네이션도 마찬가지로 프로브 전류가 시료오염을 극심하게 하기 때문이다. 이 때문에 프로브 전류는 10pA 이하의 최저전류량이 필요해진다. 이 최저전류량을 얻기 위하여 실험을 행한 결과, 테이퍼각도 15도, 곡률반경 0.5㎛의 팁을 사용하였을 때에 비로소 상술한 조건에 맞는 전자선 양을 얻을 수 있었다(도 4의 라인 A). 15도 이상의 테이퍼 각도에서는 최저전류량이 10pA를 초과하므로 소망하는 상술한 바와 같은 조건에 맞지않음을 알 수 있었다.

따라서 그 이하의 테이퍼각도로 전자원을 형성하면 프로브 전류의 범위를 상술한 조건에 적합시킬 수 있게 된다. 그러나 선단형상을 예각으로 하기 위해서는 고도의 기술이 요구되고, 현단계의 형성기술에서는 5 내지 6도가 한계이다.

또 선단 곡률반경에 대해서는, 0.5㎛ 이상으로 형성하면 쇼트키에미션이 나오기 어려워 지고, 상술한 비임전류량의 범위를 얻을 수 없게 된다. 또 0.2㎛ 이하로 하면 전계방출에 의한 불안정한 비임으로 되어 버린다.

상기 실시예는, SE전자원에 대하여 실시하였으나, 같은 제어전압으로 프로브 전류를 가변하는 전자총에 대해서는 같은 효과가 얻어짐이 명백하다. 예를들어, TFE전자원, CFE전자원 등도 제어전극을 사용하여 실시할 수 있다.

또한 이들 전자원을 탑재하는 장치 일반에 적용가능하고, 주사전자현미경, 투과전자현미경, 전자선 묘화장치 등에 적용하여도 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 실시예에 나타내는 전자원을 전자선 조사장치에 적용할 때에, 본 발명의 효과인, 1개의 인출전압설정으로 필요한 프로브 전류의 가변범위를 얻기 위해서는, 음극의 선단을 적어도 15도 미만으로 할 필요가 있음이 실험결과 알 수 있었다.

본 발명을 채용한 SE전자원을 사용한 전자총에서는, 제어전압의 변화에 대하여 얻어지는 프로브 전류의 가변범위가 커지기 때문에 1개의 인출전압에 대하여 넓은 범위의 전자선 양의 설정이 가능해진다. 또한 그 결과, 인출전압을 움직이게 하는 일 없이 필요한 프로브 전류의 가변범위를 얻을 수 있고, 인출전압을 고정치로 할 수 있으므로 인출전압의 변화에 의한 축어긋남 방지에도 기여할 수 있다. 또한, 그 인출전압의 값도 작아지기 때문에, 방전에 의한 팁의 파손도 없어지고 전자총의 안정도가 증가한다.

도 1은 SE전자원의 구성도,

도 2는 본 발명과 종래기술의 음극의 전자현미경 사진,

도 3은 본 발명 팁과 종래기술의 팁을 위한 테스트장치를 나타내는 도,

도 4는 본 발명 팁과 종래기술에 의한 팁의 비교도.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 단결정선 2: 헤어핀 필라멘트

3: 산화물 보급원 4: 단자

5: 세라믹 애자 6: 제어전극

7: 인출전극 8: SE전자

9: 드로틀판 10: 파라데이컵

Claims (6)

1. 바늘형상의 음극과, 상기 음극으로부터 전자를 인출하는 전계를 형성하기 위한 인출전극과, 상기 음극과 인출전극의 사이에 설치되어, 전자선의 양을 제어하는 제어전극을 구비하는 전자원에 있어서,

   상기 음극의 선단각을 0도 보다 크고 15도 보다 작게함과 동시에, 상기 제어 전극에는, 상기 음극으로부터 방출되는 전자선량을 제어하기 위하여 가변 가능한 음전압을 인가하는 전원이 접속되는 것을 특징으로 하는 전자원.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 음극의 선단은 0㎛ 보다 크고 0.5㎛ 작은 곡률반경을 가지는 것을 특징으로 하는 전자원.
3. 바늘형상의 음극과, 상기 음극으로부터 전자를 인출하는 전계를 형성하기 위한 인출전극과, 상기 음극과 인출전극 사이에 설치되어, 전자선의 양을 제어하는 제어전극을 구비하며, 상기 음극의 선단각을 0도 보다 크고 15도 보다 작게함과 동시에 상기 제어전극에는, 상기 음극으로부터 방출되는 전자선량을 제어하기 위하여 가변 가능한 음전압을 인가하는 전원이 접속되는 것을 특징으로 하는 전자선 조사장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 음극의 선단은 0㎛ 보다 크고 0.5㎛ 작은 곡률반경을 가지는 것을 특징으로 하는 전자선 조사장치.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 제어전극은 상기 인출전극과 상기 음극 사이에 형성된 제 2 전계를 억제하는 제1전계를 발생시키는 것을 특징으로 하는 전자선 조사장치.
6. 제 3항에 있어서,

   상기 인출전극은 일정한 정전압(constant positive voltage)을 인가하는 전원에 결합되어 있는 있는 것을 특징으로 하는 전자선 조사장치.

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