TWI489508B - 電子源 - Google Patents

Description

電子源

本發明關於一種電子源，其係使用於掃描式電子顯微鏡、奧杰(Auger)分光裝置、電子束曝光機、晶圓檢查裝置等。

近年來，為了得到比熱陰極壽命更長而且更高亮度的電子束，正使用一種電子源，係採用在鎢單結晶的針狀電極設置鋯與氧的被覆層的陰極(以下記為ZrO/W電子源，參照專利文獻1及2)。

以往的ZrO/W電子源，是在軸方位為<100>方位所構成之鎢單結晶之針狀陰極設置鋯及氧所構成之被覆層(以下稱為ZrO被覆層)。

若在真空裝置內對這種形狀的陰極施加電場，則靜電力成為驅動力，在前端方向物質沿著表面發生遷移，在陰極前端形成表面能量穩定的面方位(100)之結晶面。藉由該ZrO被覆層，鎢單結晶的(100)面的工作函數由4.5eV降低至約2.8eV，只有形成於該陰極前端部而相當於(100)面的微小結晶面會成為電子放出區域，因此具有能夠得到比以往的熱陰極更高亮度的電子束，而且壽命更長的這些優點。另外還具有比冷電場放射電子源更穩定，即使在低真空度也會運作而容易使用這樣的優點。

另外，以往的ZrO/W電子源，係在設置於導電端子的鎢製燈絲的既定位置，藉由熔接等方式將放射電子束的鎢之<100>方位之針狀陰極加以固定，前述導電端子固定在絕緣礙子上。在陰極的一部分，設置有鋯與氧的供給源(例如參照圖2)。此外，陰極1表面覆蓋了ZrO被覆層。

以往的陰極係藉由燈絲通電加熱，一般是在1800K左右的溫度下使用，因此陰極表面的ZrO被覆層會蒸發。但是，鋯及氧會由供給源擴散，連續地供給至陰極表面，因此就結果而言，ZrO被覆層能夠維持。

另外，以往的ZrO/W電子源的陰極前端部，被配置在抑制電極與引出電極之間而使用(例如參照圖3)。對陰極施加相對於引出電極而言為負的高電壓，進一步對抑制電極施加相對於陰極而言為數百伏特左右的負電壓，以抑制來自燈絲的熱電子。

[先前技術文獻]

[專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開平06-076731號公報

[專利文獻2]日本專利特開平06-12972號公報

以往的ZrO/W電子源，在以低加速電壓使用的測長SEM或晶圓檢查裝置方面，為了使探針電流穩定且使能量寬度的擴大受到抑制這些理由，是以0.1～0.2mA/sr的角度電流密度運作。

另一方面，在電子束曝光裝置、奧杰分光裝置、及晶圓檢查裝置等方面，由於重視處理量(throughput)，而以0.4mA/sr左右的高角度電流密度運作。在這種重視處理量的用途方面，希望以更高的角度電流密度運作，有時候會要求在高達1.0mA/sr的角度電流密度之下運作。

將以往的ZrO/W電子源的陰極前端的曲率半徑由通常之0.5μm左右增加至1.0μm左右，使(100)結晶面大幅形成，便可一定程度地實現高角度電流密度運作。

然而，由於(1)至多1.0mA/sr左右的角度電流密度為上限這點，以及(2)此時施加於陰極與引出電極之間的引出電壓高達5kV以上，另外還在(100)結晶面端部施加強的電場，因此來自(100)結晶面端部非必要的剩餘電流係增大。由陰極放出的總電流增大，則實際情況會發生來自周邊構件的氣體釋放造成真空劣化，容易發生電流不穩定化或放電等現象(參照後述比較例)。

因此，本發明主要的目的為提供一種電子源，及使用該電子源之電子束裝置，能夠平衡性良好地實現：即使不增加引出電壓，也能夠以高角度電流密度運作；以及使引起真空劣化的剩餘電流降低這樣的技術要求。

本發明人等鑑於在該技術領域所發生的上述技術課題，發現藉著將與陰極之<100>方位所夾的角度調整於特定範圍，能夠使習知技術中被視為不需要的剩餘電流之來自(100)結晶面端部的強電子束大略平行於陰極之軸而放出，而完成本發明。藉由如此的發明所能夠提供的技術，能夠平衡性良好地實現：(1)即使不增加引出電壓，也能夠以1.0mA/sr以上的高角度電流密度運作，以及(2)使引起真空劣化的剩餘電流降低這樣的技術要求。

亦即，本發明係提供一種電子源，係具有由鎢之單結晶所構成之陰極與設置於陰極中腹部之擴散源，其特徵為：前述陰極係以形成於前述陰極前端的(100)面與(110)面之交界附近所放出的電子大略平行於前述陰極之軸而放出的方式，調整前述陰極之軸方向與前述陰極之<100>方位所夾的角度而成。

前述陰極之軸方向與前述陰極之<100>方位所夾的角度適合為22.5±10°。

前述陰極之軸方向之結晶方位適合為<310>方位。

前述擴散源適合為至少含有氧化鋯。

另外，本發明提供一種電子束裝置，其特徵為具備電子源，該電子源具有陰極與設置於陰極中腹部之擴散源，該陰極係以使形成於由鎢之單結晶所構成之陰極前端的(100)面與(110)面之交界附近所放出的電子大略平行於前述陰極之軸而放出的方式，調整前述陰極之軸方向與陰極之<100>方位所夾的角度而成。

另外，前述陰極之軸方向與前述陰極之<100>方位所夾的角度適合為22.5±10°、或前述陰極之軸方向之結晶方位適合為<310>方位。

前述電子束裝置適合為電子束曝光裝置、奧杰分光裝置或晶圓檢查裝置。

依據本發明可提供一種電子源，及使用該電子源之電子束裝置，能夠平衡性良好地實現即使不增加引出電壓也能夠以高角度電流密度運作，以及使引起真空劣化的剩餘電流降低這樣的技術的要求。

以下針對本發明具體的實施形態及作用效果，參照圖1~圖4同時作說明。

在本實施形態中，揭示本發明代表性實施形態的其中 一個例示，以下針對掃描式電子顯微鏡、奧杰電子分光、電子束曝光機、晶圓檢查裝置等電子束裝置(電子束應用機器)所適合的電子源作說明，但本發明之範圍並不會因此狹義解釋。

如圖2所表示般，本發明之電子源，係具有：絕緣礙子5、安裝於絕緣礙子5的兩個導電端子4、以使導電端子4互相連接的方式安裝的燈絲3、安裝於燈絲3的棒狀陰極1，與設置於陰極1中腹部之擴散源2。

此外，適合在設置於導電端子4的鎢製燈絲3的既定位置，藉由熔接等方式將放射電子束的鎢針狀陰極1加以固定，前述導電端子4固定在絕緣礙子5上。在本發明陰極1的一部分，適合設置鋯與氧的供給源。另外，雖然並未圖示，在本發明陰極1之表面適合覆蓋ZrO被覆層。

另外，如圖3所表示般，本發明之電子源，陰極1的前端部係配置於抑制電極6與引出電極7之間而使用。對該陰極1施加相對於引出電極7而言為負的高電壓，進一步對抑制電極6施加相對於該陰極1而言為數百伏特左右的負電壓，即能夠抑制來自燈絲3的熱電子。

本發明之電子源係具備陰極1，該陰極1係以形成於陰極前端的(100)面與(110)面之交界附近所放出的電子大略平行於陰極之軸而放出的方式，調整陰極之軸方向與前述陰極之<100>方位所夾的角度而成。

圖4表示本發明實施形態之電子源陰極前端的示意圖。

若在真空裝置內對本發明所使用的陰極材料施加電場，則靜電力成為驅動力，沿著表面而前端方向的物質發生遷移，在陰極前端，會有表面能量穩定的(100)結晶面及 (110)結晶面鄰接地形成(例如參照圖1)。

(100)面之工作函數，藉由從設置於陰極中腹部之擴散源2擴散而形成的被覆層而變低，電子會由(100)面放出。此時，(100)面與(110)面具有角度而形成交界，因此在該交界部分的電場強度變得比(100)面之平坦部更大，高角度電流密度的電子會由該交界部分放出。由於(100)面與(110)面之法線的夾角為45°，在交界部分，各法線的二等分線方向，亦即在相對於<100>法線而言22.5°的方向，會強烈地放出電子(參照圖4)。

因此，使陰極之軸相對於<100>方位為22.5°而切出鎢單結晶，以此作為陰極材料，於是，(100)面與(110)面之交界附近所放出的電子，會大略平行於前述陰極之軸而放出。實際上，只要陰極之軸方向與<100>方位所夾的角度為22.5°±10°，即能夠充分得到本發明之效果。亦即，即使陰極之軸相對於<100>方位之角度與22.5°有些許偏差，電子受正對陰極的引出電極所牽引，會幾乎垂直於引出電極面而通過。因此，陰極之軸方向與<100>方位所夾的角度只要是在22.5°±10°，則藉由將從外部以電氣或機械性的方式調整電子軌道的機構設置於裝置側，即可輕易地修正角度偏差。

再者，就陰極之軸方向與<100>方位所夾的角度為22.5°±10°的鎢單結晶而言，係以採用陰極之軸定為18.4°±3°而切出的鎢單結晶為佳，進一步以使用陰極之軸方向結晶方位為<310>方位的單結晶鎢為佳。

如圖4所表示般，<310>方位與<100>方位所夾的角度為18.4°，只要在18.4°±3°左右，由於是在22.5°±10°以內， 故可得到本發明之效果。進而如果是<310>方位的單結晶鎢，則由於容易藉由X射線繞射法等進行方位的確認或單結晶切出時的方位調整，因此為有利的。

針對本發明電子源之製作方法作敘述。

與<100>方位所夾的角度為22.5°±10°而往軸方向切出的鎢單結晶(陰極材料)所構成之陰極1，隔著鎢製之燈絲3，藉由熔接而被固定在焊接於絕緣礙子5的導電端子4，在使其能夠通電加熱之後，藉由電解研磨使陰極1前端部尖銳化。此時，係以使該陰極1前端部分尖銳化而使陰極前端曲率半徑成為0.2~1.0μm為佳，0.4~0.6μm更佳。

另外，鎢單結晶的切出等陰極材料的製作方法，已周知的有區域熔融再結晶法等，在本發明中，係使用以例如上述方法製作的單結晶，並可藉由機械加工而製成線材。

在陰極1設置了金屬與氧所構成之供給源，具有降低電子放射面工作函數的效果。

使用有機溶劑(例如醋酸異戊酯等)作為分散溶劑，將該金屬與氧所構成之供給源，例如金屬氧化物，藉由研缽等粉碎、混合而成為泥漿狀態，並加以塗布。塗布後，在2~4×10^-10 Torr(3~5×10^-8 Pa)左右的超真空下，使燈絲3通電，將陰極1加熱至1700~1900K。接下來導入氧氣，在2~4×10^-6 Torr(3~5×10^-4 Pa)的氧氣環境下使金屬氧化，形成金屬與氧所構成之供給源。

由含有選自鋯(Zr)、鈦(Ti)、鉿(Hf)、鈧(Sc)、釔(Y)、鑭系元素、鋇(Ba)、鍶(Sr)、鈣(Ca)之群中一者以上的元素之金屬氧化物所構成之供給源，具有該供給源的電子源係適合使用於熱陰極電場放出型電子源。尤其是使用含有氧化鋯的供給源，在運作溫度1800K，可穩定地進行電子放射，故為適合。

若以氧化鋯為例，則將氫化鋯粉碎並與有機溶劑混合製成糊狀，塗布於陰極的一部分，在3×10^-6 Torr(4×10^-4 Pa)左右的氧環境中，將陰極加熱使ZrH₂ 熱分解，進一步氧化，形成鋯與氧的供給源。

進一步而言，將設置有前述供給源的陰極1，配置於引出電極7與抑制電極6之間，對陰極1施加相對於引出電極7而言為數千伏特(2～4千伏特)的負高電壓。

對抑制電極6施加相對於陰極1而言為數百伏特(-200～-400V)的負電壓，同時，在如上述般的超真空下，將陰極1加熱至1500～1900K(適合的為1700～1900K)。藉此，在陰極前端會有表面能量穩定的(100)結晶面及(110)結晶面鄰接地形成。另外，保持進行該加熱處理數小時(1～4小時左右)，會使放出電流變得穩定。

然後，(100)面與(110)面之交界附近所放出的電子，會大略平行於陰極之軸而放出。藉此可得到1mA/sr以上高角度電流密度的電子束，同時能夠使引起真空劣化的剩餘電流降低。

亦即，藉著結晶學及熱力學的方式調整陰極之軸方向與陰極之<100>方位所夾的角度，能夠使習知技術中被視為不需要的剩餘電流之來自(100)結晶面端部的強電子束大略平行於陰極之軸而放出，可使高角度電流密度的電子流適用於各種電子束裝置。

本發明之電子源可使用於掃描式電子顯微鏡、穿透式電子顯微鏡、奧杰分光裝置、表面分析裝置、電子束曝光機、半導體晶圓檢查裝置等電子束裝置(電子機器)。

一般而言，在電子束曝光裝置、奧杰分光裝置及晶圓檢查裝置等方面，由於重視處理量，因此是以0.4mA/sr左右的高角度電流密度運作。在這種重視處理量的用途方面，會希望以更高的角度電流密度運作，會有要求在高達1.0mA/sr的角度電流密度運作的情形。因此，只要使用本發明之電子源，即使不增加引出電壓，也能夠以1.0mA/sr以上的高角度電流密度運作，故特別在使用於電子束曝光裝置、奧杰分光裝置及晶圓檢查裝置方面為有利的。

[實施例]

以下藉由實施例對本發明作進一步說明，而本發明並不受該等限定。

<實施例>

以下針對實施例1，參照圖1～圖4作說明。

圖2所表示般，在焊接於絕緣礙子5的一對導電端子4之間，藉由點焊將直徑0.125mm之鎢絲彎曲成為如V字形的燈絲3加以固定。藉由點焊將<310>方位的單結晶鎢陰極1安裝於燈絲3。然後藉由電解研磨，使陰極1之前端部尖銳化成為前端曲率半徑0.5μm。

將圖2所表示之擴散源2，配置於鎢單結晶陰極1之中央附近。將氫化鋯加以粉碎，並與醋酸異戊酯混合，製成糊狀，將其塗布於陰極1的一部分。然後在使醋酸異戊酯蒸發之後，置入超高真空裝置。接下來，在裝置內部為3×10^-10 Torr(4×10^-8 Pa)的超高真空中對燈絲3通電，而將單結晶棒1加熱至1800K，以使氫化鋯熱分解而成為金屬鋯。接下來導入氧氣使裝置內部成為3×10^-6 Torr(4×10^-4 Pa)，使金屬鋯氧化而形成氧化鋯所構成的鋯與氧之擴散源2。

如圖3所表示的真空裝置般，將所得到之陰極1之前端配置於抑制電極6與引出電極7之間。另外，將陰極1之前端與抑制電極6的距離定為0.25mm、抑制電極6與引出電極7的距離定為0.6mm、引出電極7的孔徑定為0.6mm、抑制電極6的孔徑定為0.4mm。進一步將燈絲3的兩端連接至燈絲加熱電源12，同時連接至高壓電源14。另外，將抑制電極6連接至偏壓電源13。

在測定裝置內部成為3×10^-10 Torr(4×10^-8 Pa)的超高真空中，以放射溫度計測量同時調整燈絲電流，使電子開始放射時的陰極溫度成為1800K。對抑制電極6施加偏壓電壓，相對於陰極1而言為Vb=-300V。藉此遮住來自燈絲3的放射熱電子。接下來，對陰極1施加相對於引出電極7而言為負的高電壓，亦即引出電壓Vex。由陰極1前端放射的電子束15會通過引出電極7的孔而到達螢光板8。在螢光板8中央有開口9(小孔)，通過而到達杯狀電極10的探針電流Ip，係藉由微小電流計11而測定。另外，將由開口9與陰極1前端的距離與開口9內徑算出的立體角定為ω，則角度電流密度成為Ip/ω。另外，可從真空系統外使開口9與杯狀電極10移動，而能夠測定角度電流密度分布。

保持數小時，在放出電流穩定後，測定開口9移動時探針電流Ip的變化，求得角度電流密度分布。將對引出電極7施加引出電壓Vex=4.00kV及Vex=3.82kV時的角度電流密度分布測定結果揭示於圖5。另外，將中心軸上的角度電流密度成為1mA/sr時的引出電壓，與此時由陰極1放出的全電流(總電流)揭示於表1。進一步將測試後的實施例電子源陰極前端的電子顯微鏡照片表示於圖1。

<比較例>

在實施例之中的陰極1使用<100>方位的單結晶鎢、以及藉由對陰極前端部實施電解研磨而使前端尖銳化成為曲率半徑1.0μm，除此之外係以與實施例相同的製造方法製作電子源，並以與實施例相同的方法求得角度電流密度分布。將對引出電極7施加引出電壓Vex=6.94kV時的角度電流密度分布測定結果表示於圖6。另外，將中心軸上之角度電流密度成為1mA/sr時的引出電壓、與此時由陰極1放出的全電流(總電流)揭示於表1。進一步將測試後之實施例的電子源陰極前端的電子顯微鏡照片表示於圖7。

<實施例及比較例結果之考察>

由圖1及圖7所分別表示的實施例及比較例之陰極前端的電子顯微鏡照片看來，能夠明確地觀察到(100)結晶面及(110)結晶面的形成。相對於比較例(100)結晶面之法線與陰極之軸幾乎平行而言，能夠確認實施例(100)結晶面之法線與陰極之軸所夾的角度約為20°。由圖5所表示的實施例角度電流密度分布看來，角度電流密度的極大值有2處存在，分別對應於(100)結晶面的兩端部因為受到施加強電場而增強的電子放射。角度電流密度極大值的其中之一，大致位於中心軸上，在電子束裝置之中，能夠有效地使用該角度電流密度成為最大的部分。這是因為陰極之軸方向與前期陰極之<100>方位所夾的角度經過調整所產生的效果。另外還可知能夠在低於5kV的引出電壓Vex=4.0kV以1.5mA/sr的高角度電流密度運作。

另一方面，由圖6所表示的比較例角度電流密度分布看來，與實施例相同地，角度電流密度的極大值有2處存在，而2處電子皆以離中心軸約0.2弧度的角度放射，在電子束裝置之中無法有效使用該極大值部分。另外，中心軸上的角度電流密度為1mA/sr時的引出電壓，會變成高於5kV的Vex=6.94kV。

另外，比較如表1所揭示的當中心軸上之角度電流密度分布最大值成為1mA/sr的引出電壓時之由陰極1所放出的全電流(總電流)，得知相對於比較例的66μA而言，在實施例中低達192μA，由周邊構件釋放的氣體所造成的真空劣化甚至於放電會變得難以發生，而能夠得到更穩定的電子束。

以上基於實施例對本發明作說明。本領域中具通常技術者應理解此實施例只不過是例示，而可能有各種變化例，這些變化例也在本發明之範圍內。

1‧‧‧陰極

2‧‧‧擴散源

3‧‧‧燈絲

4‧‧‧導電端子

5‧‧‧絕緣礙子

6‧‧‧抑制電極

7‧‧‧引出電極

8‧‧‧螢光板

9‧‧‧開口

10‧‧‧杯狀電極

11‧‧‧用微小電流計

12‧‧‧燈絲加熱電源

13‧‧‧偏壓電源

14‧‧‧高壓電源

15‧‧‧電子束

Ip‧‧‧探針電流

Vb‧‧‧偏壓電壓

Vex‧‧‧引出電壓

圖1係實施例之陰極前端的電子顯微鏡照片。

圖2係ZrO/W電子源之構造圖。

圖3係電子放射特性之評估裝置之構成圖。

圖4係實施例之陰極前端之示意圖。

圖5係表示在實施例中的角度電流密度分布之圖形。

圖6係表示在比較例中的角度電流密度分布之圖形。

圖7係比較例之陰極前端的電子顯微鏡照片。

Claims (4)

1. 一種電子源，其係具有由<310>方位之單結晶之鎢所構成之陰極、與設置於陰極中腹部之擴散源；於該陰極的前端之(100)面與(110)面具有角度而形成交界；以使形成於該陰極的前端之(100)面與(110)面之交界附近所放出的電子大略平行於該陰極之軸而放出的方式，調整該陰極之軸方向與該陰極之<100>方位所夾的角度為22.5°±10°而成。
2. 如申請專利範圍第1項之電子源，其中該擴散源至少含有氧化鋯。
3. 一種電子束裝置，其特徵為具備如申請專利範圍第1或2項之電子源。
4. 如申請專利範圍第3項之電子束裝置，其中該電子束裝置係電子束曝光裝置、奧杰分光裝置或晶圓檢查裝置。