TWI428951B - 荷電粒子裝置用構件及其製法 - Google Patents

Description

荷電粒子裝置用構件及其製法

本發明係關於一種荷電粒子裝置用構件，其係作為電子顯微鏡、電子線曝光機、半導體檢查裝置、電子束測試機、晶片檢查裝置、歐傑(Auger)電子分光裝置等之電子源所用的電子源；與半導體製程中之光罩的製作、修正、配線修正、離子顯微鏡，或用以形成分析領域中之試料切開橫剖面、微小領域之二次離子質量分析等所用的集束離子束之液體金屬離子源，或是此等裝置所用的電極等。

半導體檢查裝置或電子顯微鏡等之電子線利用裝置、及光罩修復、離子顯微鏡或分析領域中之試料切開橫剖面裝置等聚焦離子束裝置所用的電子源或離子源等荷電粒子裝置用構件之基本構造一般為軸對稱的，成為筒狀構件所連結之構造。例如，半導體檢查裝置或電子顯微鏡等之電子線利用裝置所用的電子源構造構件係將用以使電子及離子予以釋出之晶片、用以加熱晶片之加熱器、用以保持加熱器之端子、用以絕緣與保持端子之絕緣子係已連結於以晶片為中心軸的軸對稱。

近年來，具有於陰極及離子源中具備用以使電子從晶片予以釋出的拉出電極、用以將拉出電極與晶片加以絕緣的絕緣子之物，其係具有如下之特徵：由於已預先決定晶片與拉出電極之位置，經由些微之調整而能夠搭載於電子線或聚焦離子束利用裝置。另外，此等之金屬構件及絕緣構 件大多為筒狀或柱狀，通常為予以細長連結(參照專利文獻1)。

專利文獻1：日本專利特開平09-082255號公報。

構成產生電子線之電子槍、或控制發生的電子線軌道之鏡筒等之陶瓷與金屬構件係藉由焊接而予以接合(參照專利文獻2~7)。但是，於焊接之際，由於焊材成為液相，構件相互之位置偏移容易發生。因此，彼此構件之同軸度偏移將變大，成為電子束或離子束之對準誤差的原因。

專利文獻2：日本專利特開平06-251697號公報。

專利文獻3：日本專利特開平10-340683號公報。

專利文獻4：日本專利特開2002-373601號公報。

專利文獻5：日本專利特開2000-260371號公報。

專利文獻6：日本專利特開平09-147755號公報。

專利文獻7：日本專利第2922945號公報

本發明之目的在於提供一種荷電粒子裝置用構件，其不使用焊材，製作使拉出電極與絕緣子之接合位置精度得以提高之構件，縮小上述之對準誤差，再者，由於不依照焊接法，不經由高溫製程，成本面上為有利的。

亦即，本發明係如下所示：(1)一種荷電粒子裝置用構件，其特徵在於：於含有金屬構件與絕緣構件之荷電粒子裝置用構件中，金屬構件與絕 緣構件係被筒狀嵌合部所結合，該金屬構件構成該嵌合部之外筒，該絕緣構件構成該嵌合部之內筒，該嵌合部係藉由熱套以結合該外筒與該內筒。

(2)如(1)之荷電粒子裝置用構件，其中嵌合部之基本形狀為圓筒狀。

(3)如(1)或(2)之荷電粒子裝置用構件，其中金屬構件係由鈦或鈦合金或是鉬所構成，絕緣構件係由鋁所構成。

(4)一種荷電粒子裝置用構件，其特徵在於：進一步藉由熱套以將金屬構件或絕緣構件結合於如(1)至(3)中任一項之荷電粒子裝置用構件。

(5)如(1)至(4)中任一項之荷電粒子裝置用構件，其中荷電粒子裝置用構件為電子源、電子源構造體、液體金屬離子源、液體金屬離子源構造體、用於電子源或液體金屬離子源之電極、及鏡筒中任一種。

(6)如(1)至(5)中任一項之荷電粒子裝置用構件，其中具有由鎢單晶或鉬單晶之晶片所構成的電子放射源。

(7)如(6)之荷電粒子裝置用構件，其中在部分鎢單晶或鉬單晶之晶片上具有由金屬氧化物所構成的金屬與氧之供應源。

(8)如(7)之荷電粒子裝置用構件，其中該供應源為含有由鋯、鈦、鉿、鈧、釔、鑭系元素、鋇、鍶、鈣之族群中所選出之元素的金屬氧化物所構成。

(9)如(1)至(5)中任一項之荷電粒子裝置用構件，其中具有稀 土類元素或鋇之六方化物單晶晶片所構成的電子源。

(10)一種荷電粒子裝置用構件之製法，其特徵係含有金屬構件與絕緣構件之荷電粒子裝置用構件之製法；其中使金屬構件與絕緣構件得以利用筒狀嵌合部予以結合之方式，該金屬構件預先構成該嵌合部之外筒，該絕緣構件預先構成該嵌合部之內筒，藉由加熱該外筒部以嵌合於室溫或已被冷卻之該內筒部，該嵌合部係藉由熱套以結合該外筒與該內筒之方式來進行。

(11)如(10)之荷電粒子裝置用構件之製法，其中於進行嵌合之際，藉由液態氮以冷卻該內筒部。

相較於藉由習知之焊接所得的荷電粒子裝置用構件，本發明之荷電粒子裝置用構件係可以低成本得到，而且，可以得到用於縮小荷電粒子裝置的電子束或離子束之對準誤差的效果。例如，於電子源中，鈦製之拉出電極與鈦製之控制電極必須要予以絕緣，依照現在之焊接法，構件之焊接直徑約為13mm之情形，接合拉出電極與鋁製之絕緣子情形下的拉出電極與控制電極之同軸度係0.1mm之精度。針對於此，使用本發明荷電粒子裝置用構件之情形，拉出電極與控制電極之同軸度係與機械加工精度同樣提高，例如，可以得到提高至0.02mm之顯著效果。

再加上，因為鈦與鋁之熱塑性約略相同，例如，關於該電子源，藉由將鈦製之控制電極、鋁製之絕緣子與鈦製之 拉出電極熱套而予以一體化所得的組合構件，能夠進一步熱套別的鋁製之構件或鈦製之構件以作成構件數目多的組合構件，並且可以得到能夠以該精度加以連結。

實施發明之最佳形態

本發明係關於一種荷電粒子裝置用構件。作為該荷電粒子裝置用構件可列舉：電子源、賦與該電子源特性前之構造物的電子源構造物、液體金屬離子源、賦與該液體金屬離子源特性前之構造物的液體金屬離子源構造體、用於電子源或液體金屬離子源之拉出電極或控制電極等之電極、及能夠使用於搭載有該電子源或液體金屬離子源等之荷電粒子裝置的鏡筒。

以下，以可用於電子顯微鏡、電子線曝光機、半導體檢查裝置等之電子線利用裝置的一種電子源電子放射陰極為例詳細說明本發明，但是本發明並不受此等例子所限制。

一般而言，電子源係由下列構造所構成：成為電子放射源之晶片；用以加熱、保持晶片之熱絲(filament)；用以保持熱絲之端子；用以絕緣、保持端子之絕緣子；甚至用以控制所放射之電子的控制電極；用以從晶片拉出電子之拉出電極；及用以絕緣拉出電極與控制電極之絕緣子。

第1圖係根據習用技術所組裝的電子源之概略圖。第2圖係作為本發明荷電粒子裝置用構件一例之電子源的概略圖。於本發明中，不使用習知之焊材，而是藉由熱套來實施拉出電極與絕緣子之接合。亦即，本發明電子源之特徵 在於：具有在第2圖例示之形狀，拉出電極、絕緣子、控制電極係藉由熱套而接合。

於本發明中，針對嵌合部之形狀，雖然為圓形之物，但是由於加工成準備金屬構件之外筒、絕緣構件之內筒為容易的，嵌合作業容易且確實之嵌合狀態容易得到而較佳。

針對進行熱套之際的外筒與內筒之尺寸，只要考慮所用的金屬構件與絕緣構件之材質、尺寸、形狀等而予以適宜決定即可。金屬構件係由鈦或鈦合金或是鉬所構成，絕緣構件係由鋁所構成的情形下，熱套餘量(shrinking allowance)相對於熱套直徑之比較佳為2.0×10^-4 ~1.3×10^-3 之範圍。若成為1.3×10^-3 以上時，於熱套後，構件將被破壞，另一方面，若成為2.0×10^-4 以下時，將有變成無法得到承受使用之接合強度的情形。若應用於電子源的話，相對於絕緣子之熱套部直徑，拉出電極、控制電極各自之熱套部之熱套餘量較宜作成3~11×10^-4 。

於本發明中，金屬構件能夠使用鐵、鋼或不銹鋼等之鐵合金、鋁或鋁合金、鈦或鈦合金等各式各樣的金屬材質之物，針對於荷電粒子裝置用，基於即使置於高真空條件下，氣體也不容易發生，另外不帶有磁性，良好之電子束或離子束容易得到之理由，較佳為鈦或鈦合金或鉬。

絕緣構件係選擇具有電絕緣性且適當強度之材質，其可列舉：二氧化鋁、塊滑石、玻璃陶瓷等，荷電粒子裝置用較宜選擇即使置於高真空條件下，氣體也不容易發生，即使曝露於高電壓下，也能夠保持優越之電絕緣性的二氧化 鋁。尤其，金屬構件為鈦、鈦合金、鉬中任一種時，與熱膨脹係數大幅不同的鋁組合之時，熱套作業為容易的，其係較佳之選擇。

以下，以具有由鎢單晶之晶片所構成的電子放射源之電子源為例，針對本發明之製法詳加說明。還有，該電子源為上述電子源的同時，即使於電子放射源中具有鉬單晶晶片之物，也能夠採用由稀土類元素或鋇之六方化物單晶晶片所構成之物，尤其，關於前者，在部分之晶片上具有由金屬氧化物所構成的金屬與氧之供應源，該供應源也能夠適用於已提供由金屬氧化物所構成的電子源等實用之習知電子源，其中該金屬氧化物係含有由鋯、鈦、鉿、鈧、釔、鑭系元素、鋇、鍶、鈣之族群中所選出之元素。

首先，針對習知附有拉出電極之電子源的製法加以說明。構成本發明及習知附有拉出電極之電子源的構件，其係由下列構造所構成：成為電子放射源之晶片；用以加熱、保持晶片之熱絲；用以保持熱絲之端子；用以絕緣、保持端子之絕緣子；甚至用以控制所放射之電子的控制電極；用以從晶片拉出電子之拉出電極；及用以絕緣拉出電極與控制電極之絕緣子。

首先，於習用技術中，將由鎢線所構成的V型熱絲裝設於絕緣子之端子，將軸方位為由<100>方位所構成的鎢單晶晶片焊接固定於其尖端部之後，利用電解研磨法以使鎢單晶晶片之尖端部予以尖銳化，將鋯裝設於鎢單晶晶片之中央部，於約10^-4 Pa之氧存在下，經加熱後而使鋯與氧擴 散至鎢單晶晶片之尖端部，其後，裝設控制用電極。接著，將已裝設控制用電極之電子源組裝於將絕緣子焊接在拉出電極之構件中，調整晶片的高度與同軸之後，藉由於約10^-7 Pa之真空下，將電壓施加於此構件，形成鎢單晶晶片之尖端部形狀，完成可以得到良好電子放射之電子源。

於本發明中，分別預先於拉出電極、絕緣子與控制電極上，設置用來實施熱套之接合部(外筒、內筒)。

與習用技術同樣地，將由鎢線所構成的V型熱絲裝設於絕緣子之端子，並將軸方位為<100>方位所構成的鎢單晶晶片焊接固定於其尖端部之後，利用電解研磨法以使鎢單晶晶片之尖端部予以尖銳化，將鋯裝設於鎢單晶晶片之中央部，於約10^-4 Pa之氧存在下加熱後而使鋯與氧擴散至鎢單晶晶片之尖端部。

接著，利用熱板等以將拉出電極預熱至250℃，將室溫或利用液態氮冷卻之絕緣子嵌入已被加熱的拉出電極中。使所接合的拉出電極與絕緣子之構件回到室溫。接著，將控制電極加熱至250℃。接著，將先前的拉出電極與絕緣子之構件回到室溫或利用液態氮預先冷卻，再嵌入已被加熱的控制電極。

將上述之晶片、熱絲、端子、絕緣子的組合構件組裝於利用該操作予以一體化之拉出電極、絕緣子、控制電極的組合構件中，調整同軸、高度。其後，藉由於約10^-7 Pa之真空下施加電壓，以使鎢單晶晶片之尖端部形狀得以形成。

[實施例] (實施例1~5)

製作第2圖所示之電子源，試驗了本發明效果之實證。

於利用熱板以在室溫中之熱套直徑(內徑)15.797mm的鈦製拉出電極預熱至250℃之物中，嵌入已達室溫之熱套直徑(外徑)15.803mm之鋁製絕緣子。接著，利用熱板以在室溫下之熱套直徑(外徑)15.797mm的鈦製控制電極預熱至250℃之物中，嵌入已達室溫之先前附有拉出電極的絕緣子。

接著，將由鎢線所構成的V型熱絲裝設於絕緣子之端子，並將軸方位為<100>方位所構成的針狀鎢單晶焊接固定於其尖端。接著，利用電解研磨法以進行針狀鎢單晶尖端部之形狀加工。

將氫氧化鋯粉塗布在該針狀鎢單晶之中央部，於導入氧氣之1×10^-4 Pa的減壓下，成為1800K之方式來設定熱絲電流，加熱20小時。其結果，製作成具有晶片尖端半徑為0.5μm尖端部的電子源構造物。

藉由該熱套以將製作的拉出電極、絕緣子、控制電極之組合構件組裝於該電子源構造物中，進行晶片高度、同軸之調整，藉由從3方向之M2螺絲加以固定後而完成。此時，利用馬錶以測定組裝各構件之時間。

將附有該拉出電極等之電子源構造物於1×10^-7 Pa之真空中、保持1800K的同時，將控制電極設為-300V，拉出電極設為3kV，將電壓施加於針狀鎢單晶，引發電子放射。監 視通過拉出電極之軸上電流，直到電流安定為止，維持電子放射而完成電子源。利用附有測微計之投影機，以50倍之倍率來測定所完成的電子源各部位之組裝尺寸精度。進行如此方式，製作5個電子源。針對各自之該電子源，搭載於掃描型電子顯微鏡，測定電子束之對準補償量。將測定結果顯示於表1。X、Y之補償量皆為越接近5越好，較佳為5±1.0以內，實施例1~5全部為5±1.0以內。

(實施例6~10)

除了利用液態氮以冷卻鋁絕緣子與附有拉出電極之鋁絕緣子以外，進行相同於實施例1~5之操作而製作5個電子源，進行相同於實施例1~5之評估。將結果顯示於表1。實施例6~10之補償量全部為5±1.0以內。

(比較例1~10)

除了如習用技術以進行焊接拉出電極、絕緣子、控制電極之接合以外，進行相同於實施例1~5之操作而製作10個電子源，進行相同於實施例1~5之評估。將結果顯示於表1。比較例1~10中，補償量之至少一者係超出5±1.0以內，於裝置側必須大幅補償電極構件之同軸偏移。

[產業上利用之可能性]

本發明之電子源係由實施例可明確得知，因為具有能夠容易得到同軸精度良好、對準誤差為小的、穩定之電子束之特徵，適合作為高分解能SEM、半導體檢查裝置等之荷電粒子裝置用構件，尤其適合作為電子源、液體金屬離子源等之荷電粒子供應源使用，產業上非常有用。

本發明製法之特徵在於：穩定具有該特徵之荷電粒子裝置用構件，能夠提供高生產性，於產業上能夠廣為利用。

1‧‧‧晶片

2‧‧‧擴散源

3‧‧‧熱絲

4‧‧‧端子

5‧‧‧絕緣子

6‧‧‧控制電極

7‧‧‧螺絲

8‧‧‧絕緣子

9‧‧‧拉出電極

10‧‧‧焊接部

第1圖係有關比較例之習知荷電粒子裝置用構件的構造圖。

第2圖係針對有關比較例之一荷電粒子裝置用構件例的構造圖。

1‧‧‧晶片

2‧‧‧擴散源

3‧‧‧熱絲

4‧‧‧端子

5‧‧‧絕緣子

6‧‧‧控制電極

7‧‧‧螺絲

8‧‧‧絕緣子

9‧‧‧拉出電極

Claims (25)

1. 一種荷電粒子裝置用構件，其特徵在於：於含有金屬構件與絕緣構件之荷電粒子裝置用構件中，金屬構件與絕緣構件係被筒狀嵌合部所結合，該金屬構件構成該嵌合部之外筒，該絕緣構件構成該嵌合部之內筒，該嵌合部係藉由熱套以結合該外筒與該內筒，熱套餘量(shrinking allowance)相對於熱套直徑之比為2.0×10^-4 ~1.3×10^-3 之範圍。
2. 如申請專利範圍第1項之荷電粒子裝置用構件，其中嵌合部之基本形狀為圓筒狀。
3. 如申請專利範圍第1項之荷電粒子裝置用構件，其中金屬構件係由鈦或鈦合金或是鉬所構成，絕緣構件係由鋁所構成。
4. 如申請專利範圍第2項之荷電粒子裝置用構件，其中金屬構件係由鈦或鈦合金或是鉬所構成，絕緣構件係由鋁所構成。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之荷電粒子裝置用構件，其中進一步藉由熱套以將金屬構件或絕緣構件結合於荷電粒子裝置用構件。
6. 如申請專利範圍第5項之荷電粒子裝置用構件，其中荷電粒子裝置用構件為電子源、電子源構造體、液體金屬離子源、液體金屬離子源構造體、用於電子源或液體金屬離子源之電極、及鏡筒中任一種。
7. 如申請專利範圍第6項之荷電粒子裝置用構件，其中具 有由鎢單晶或鉬單晶之晶片所構成的電子放射源。
8. 如申請專利範圍第7項之荷電粒子裝置用構件，其中在部分鎢單晶或鉬單晶之晶片上具有由金屬氧化物所構成的金屬與氧之供應源。
9. 如申請專利範圍第8項之荷電粒子裝置用構件，其中該供應源為含有由鋯、鈦、鉿、鈧、釔、鑭系元素、鋇、鍶、鈣之族群中所選出之元素的金屬氧化物所構成。
10. 如申請專利範圍第6項之荷電粒子裝置用構件，其中具有稀土類元素或鋇之六方化物單晶晶片所構成的電子源。
11. 如申請專利範圍第5項之荷電粒子裝置用構件，其中具有由鎢單晶或鉬單晶之晶片所構成的電子放射源。
12. 如申請專利範圍第11項之荷電粒子裝置用構件，其中在部分鎢單晶或鉬單晶之晶片上具有由金屬氧化物所構成的金屬與氧之供應源。
13. 如申請專利範圍第12項之荷電粒子裝置用構件，其中該供應源為含有由鋯、鈦、鉿、鈧、釔、鑭系元素、鋇、鍶、鈣之族群中所選出之元素的金屬氧化物所構成。
14. 如申請專利範圍第5項之荷電粒子裝置用構件，其中具有稀土類元素或鋇之六方化物單晶晶片所構成的電子源。
15. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之荷電粒子裝置用構件，其中荷電粒子裝置用構件為電子源、電子源構造體、液體金屬離子源、液體金屬離子源構造體、用於電 子源或液體金屬離子源之電極、及鏡筒中任一種。
16. 如申請專利範圍第15項之荷電粒子裝置用構件，其中具有由鎢單晶或鉬單晶之晶片所構成的電子放射源。
17. 如申請專利範圍第16項之荷電粒子裝置用構件，其中在部分鎢單晶或鉬單晶之晶片上具有由金屬氧化物所構成的金屬與氧之供應源。
18. 如申請專利範圍第17項之荷電粒子裝置用構件，其中該供應源為含有由鋯、鈦、鉿、鈧、釔、鑭系元素、鋇、鍶、鈣之族群中所選出之元素的金屬氧化物所構成。
19. 如申請專利範圍第15項之荷電粒子裝置用構件，其中具有稀土類元素或鋇之六方化物單晶晶片所構成的電子源。
20. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之荷電粒子裝置用構件，其中具有由鎢單晶或鉬單晶之晶片所構成的電子放射源。
21. 如申請專利範圍第20項之荷電粒子裝置用構件，其中在部分鎢單晶或鉬單晶之晶片上具有由金屬氧化物所構成的金屬與氧之供應源。
22. 如申請專利範圍第21項之荷電粒子裝置用構件，其中該供應源為含有由鋯、鈦、鉿、鈧、釔、鑭系元素、鋇、鍶、鈣之族群中所選出之元素的金屬氧化物所構成。
23. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之荷電粒子裝置用構件，其中具有稀土類元素或鋇之六方化物單晶晶片所構成的電子源。
24. 一種荷電粒子裝置用構件之製法，其特徵係含有金屬構件與絕緣構件之荷電粒子裝置用構件之製法；其中使金屬構件與絕緣構件得以利用筒狀嵌合部予以結合之方式，該金屬構件預先構成該嵌合部之外筒，該絕緣構件預先構成該嵌合部之內筒，藉由加熱該外筒部以嵌合於室溫或已被冷卻之該內筒部，該嵌合部係藉由熱套以結合該外筒與該內筒之方式來進行。
25. 如申請專利範圍第24項之荷電粒子裝置用構件之製法，其中於進行嵌合之際，藉由液態氮以冷卻該內筒部。