TWI808441B - 電子源，電子槍，及帶電粒子線裝置 - Google Patents

電子源，電子槍，及帶電粒子線裝置 Download PDF

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Abstract

抑制器電極，在沿著中心軸的方向之一方的端部具有開口部；及電子放出材，先端從開口部突出；具備：一種電子源，抑制器電極，在比開口部還外周方向的位置，更具備：後退部，於沿著中心軸的方向，後退至比開口部還遠離電子放出材的先端之位置，後退部的至少一部分，配置於從開口部的中心起算直徑2810μm以內等的構造。藉此，實現一種減低因電子放出材與抑制器電極的軸偏離所造成的裝置性能的機械誤差之電子源、電子槍、及運用其之電子顯微鏡等的帶電粒子線裝置。

Description

電子源，電子槍，及帶電粒子線裝置
本發明有關供給照射至試料的電子線之電子源、電子槍、及運用其之帶電粒子線裝置。
帶電粒子線裝置，係將從電子源及電子槍放出的電子線、把電子線照至X光源的靶材而放出的X光、或是從離子源放出的離子線照射至試料，來對試料進行加工，或利用從試料放出的二次電子或穿透電子、反射電子、X光等來生成觀察圖像之裝置。作為帶電粒子線裝置的例子，有電子顯微鏡或電子線描繪裝置、X光顯微鏡、CT(Computed Tomography；電腦斷層掃描儀)、離子顯微鏡等。
該些帶電粒子線裝置中，所生成的圖像或其照射狀態，被要求空間解析力高而反覆觀察/照射的情形下之重現性良好。
例如，電子顯微鏡中，為了實現高空間解析力，照射至試料的電子線的亮度必需要高。作為放出亮度高的電子線之電子源，肖特基電子源(Schottky Emitter：以下稱SE電子源)或冷陰極電場放出電子源(Cold Field Emitter：以下稱CFE電子源)廣受運用。專利文獻1中記載SE電子源的構造的一例。
又，近年來，半導體元件的微細化與複雜化加劇，其製造工程的製程管理中大量運用電子顯微鏡。對於肩負半導體的計測之電子顯微鏡，除了上述的高解析力性能外，尚被要求當觀察同一試料的情形下無論是哪一裝置皆會獲得同一尺寸的計測結果，亦即，裝置間的測定結果的機械誤差小。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開平8-171879號公報
如專利文獻1記載般，SE電子源具備具開口部的抑制器(suppressor)電極、及從先端部放出電子的電子放出材即單晶線(以下稱槍尖)，而具有槍尖的先端部(電子放出部)從抑制器電極的開口部突出之構造。又，在SE電子源附加引出電極等來構成電子槍(SE電子槍)。SE電子槍中，將槍尖加熱並且進行引出電極所致之電場施加而使電子從槍尖先端放出。抑制器電極相對於槍尖先端被施加負的電位，而具有抑制從槍尖先端部以外放出的不需要的熱電子之機能。
為達成此機能，槍尖與抑制器電極的開口部的中心軸被要求以高精度對位。因此槍尖與抑制器電極的開口部會以機械上呈同軸狀的方式對位而被組立，而一體化成為電子源。此電子源被搭載於電子顯微鏡等的各裝置，供電子線放出而使用。
這裡，發明團隊研究的結果，發現在電子源的每一個體，槍尖的中心軸與抑制器電極的開口部的中心軸，例如相對於抑制器電極的開口徑為400μm程度的情形而言可能會偏離數μm至數十μm。若槍尖與抑制器電極的中心軸偏離，則抑制器電極生成的電場相對於槍尖會呈偏軸的分布，在槍尖的前方的空間會產生相對於中心軸為垂直方向(橫方向)的電場。從槍尖先端放出的電子線，會因此電場而朝橫方向彎曲，通過位於下游的透鏡的軸外。其結果，在透鏡會產生軸外像差，照射至試料的電子線的聚光點徑會變大因而解析力惡化。
槍尖與抑制器電極的軸偏離量愈大，橫方向的電場愈大。是故，電子線會大幅彎曲而軸外像差亦變大。槍尖與抑制器電極的軸偏離量，會因電子源的每一個體而異，因此搭載電子源的每一裝置其軸外像差的大小亦會變化，而解析力產生差異。其結果，發生電子顯微鏡等的裝置間的機械誤差變大之待解問題。
除此之外，當槍尖與抑制器電極的軸偏離量特別大的情形下，電子線大幅彎曲，因而無法通過配置於下游的光圈或電極的開口。在此情形下，電子線無法到達 試料，而成為電子源、電子槍、或電子顯微鏡的製造不良。這會成為製造成本的增加或前置時間的增加等待解問題。
本發明之目的，在於提供一種減低機械誤差的電子源、電子槍、及運用其之電子顯微鏡等的帶電粒子線裝置。
本發明的一實施形態之電子源，構成為一種電子源，其特徵為，具有：抑制器電極，在沿著中心軸的方向之一方的端部具有開口部；及電子放出材，先端從開口部突出；抑制器電極，在比開口部還外周方向的位置，更具備：後退部，於沿著中心軸的方向，後退至比抑制器電極的端部還遠離電子放出材的先端之位置，後退部的至少一部分，配置於從開口部的中心起算直徑2810μm以內。
按照本發明，能夠提供一種減低機械誤差的電子源、電子槍、及使用其之電子顯微鏡等的帶電粒子線裝置。其他待解問題與新穎特徵，將由本說明書之記述及隨附圖面而明瞭。
101:SE電子源
102:引出電極
103:加速電極
104:電子槍
109:渦輪分子泵浦
110:聚光透鏡
111:對物透鏡
112:試料
113:試料室
114:檢測器
115:電子線
116:礙子
118:非蒸發吸氣劑泵浦
120:離子泵浦
121:離子泵浦
122:離子泵浦
125:筒體
126:第一真空室
127:第二真空室
128:第三真空室
201:習知之SE電子源
202:槍尖(電子放出材亦即單晶線)
203:習知之抑制器電極
204:開口部
205:平面(底面)
206:燈絲
207:端子
208:礙子
209:倒角部
210:圓筒面
212:後退部(面)
213:前方端部
214:後方端部
301:電場
302:軸偏離向量
305:抑制器電極
306:推拔面(部)
307:角部
401:正電荷
402:負電荷
403:電力線
404:正電荷
405:負電荷
406:空間區域
407:空間區域
408:電力線
410:正電荷
411:負電荷
412:電力線
413:空間區域
414:空間區域
420:正電荷
421:負電荷
422:負電荷
423:負電荷
424:正電荷
501:SE電子源
502:階面
503:角部
504:平面
505:SE電子源
506:楔型形狀的面
507:頂點
510:SE電子源
511:曲面
515:SE電子源
516:推拔面
517:推拔面
518:階面
520:SE電子源
521:先端
[圖1]實施例1之掃描電子顯微鏡的概略示意圖。
[圖2]習知之SE電子源的構成說明圖。
[圖3A]習知之SE電子源中電子線彎曲的原理說明圖。
[圖3B]習知之SE電子源中電子線彎曲的原理說明圖。
[圖4]實施例1之SE電子源的構成說明圖。
[圖5A]習知之SE電子源中有關電子線的軌道的原理說明圖。
[圖5B]習知之SE電子源中有關電子線的軌道的原理說明圖。
[圖5C]實施例1之SE電子源中有關電子線的軌道的原理說明圖。
[圖5D]實施例1之SE電子源中有關電子線的軌道的原理說明圖。
[圖6A]實施例1之SE電子源中推拔部的角度θ對電子線造成的影響示意圖。
[圖6B]實施例1之SE電子源中推拔部的角度θ對電子線造成的影響示意圖。
[圖7A]習知之SE電子源中槍尖與抑制器電極之軸偏離量對電子線造成的影響示意圖。
[圖7B]實施例1之SE電子源中槍尖與抑制器電極之軸偏離量對電子線造成的影響示意圖。
[圖7C]習知型與實施例1之SE電子源中槍尖與抑制器電極之軸偏離量對電子線造成的影響示意圖。
[圖8A]實施例1之SE電子源中，L與θ與對電子線的影響之關係示意圖。
[圖8B]實施例1之SE電子源中，L與θ與對電子線的影響之關係示意圖。
[圖9]實施例1之SE電子源中，必要的抑制器電壓的例子示意圖。
[圖10]習知之SE電子源中，改變槍尖的突出長度T的情形下對電子線的影響示意圖。
[圖11A]實施例2之SE電子源中，L與θ與對電子線的影響之關係示意圖。
[圖11B]實施例2之SE電子源中，L與θ與對電子線的影響之關係示意圖。
[圖12A]實施例2之SE電子源中，L與θ與對電子線的影響之關係示意圖。
[圖12B]實施例2之SE電子源中，L與θ與對電子線的影響之關係示意圖。
[圖13]實施例2之SE電子源中，突出長度T與L與對電子線的影響之關係示意圖。
[圖14]實施例3之SE電子源的構成說明圖。
[圖15]實施例4之SE電子源的構成說明圖。
[圖16]實施例5之SE電子源的構成說明圖。
[圖17]實施例6之SE電子源的構成說明圖。
[圖18]實施例7之SE電子源的構成說明圖。
以下，運用圖面依序說明本發明之電子源、電子槍、及電子顯微鏡等的帶電粒子線裝置的種種實施例。作為帶電粒子線裝置，有對試料照射電子線，而檢測從試料放出的二次電子、反射電子、或穿透電子等，藉此生成試料的觀察圖像之電子顯微鏡。以下，作為帶電粒子線裝置的一例，係針對電子顯微鏡當中的掃描電子顯微鏡來說明，但本發明不限定於此，亦能適用於其他的電子顯微鏡、帶電粒子線裝置。
實施例1
圖1示意實施例1之掃描電子顯微鏡的全體的概略構成。掃描電子顯微鏡，係將從電子源101射出的電子線115一面對試料112掃描一面照射，而藉由檢測器114檢測從試料112放出的二次電子或反射電子等來生成試料112的觀察圖像。此觀察圖像，是將聚光在微小點的電子線115在試料112上掃描，將受到電子線115的位置與二次電子等的檢測量建立關聯而生成。圖中，將電子線115的射出方向訂為Z軸，將和Z軸正交的水平軸訂為X軸。
掃描電子顯微鏡，具備筒體125與試料室113，筒體125的內部從上方開始被分成第一真空室126、第二真空室127、第三真空室128。在各個真空室的交界部分有供電子線115通過的光圈(未圖示)，各真空室的內部藉由差動排氣而維持真空。以下，針對各真空室說明裝置 構成。
在第一真空室126的內部配置電子源101。在電子源101使用SE電子源。SE電子源101藉由礙子116而被保持，和筒體125電性絕緣。在SE電子源101的下方(下游)，令引出電極102相向配置。在引出電極102的下方，令加速電極103相向配置。藉由SE電子源101、引出電極102、加速電極103，構成電子槍104。從SE電子源101放出電子線115，最終照射至試料112藉此獲得觀察圖像。SE電子源101的構成的詳細後述之。第一真空室126，藉由離子泵浦120與非蒸發吸氣劑泵浦(getter pump)118而做真空排氣，將壓力設為10-8Pa程度的超高真空，更佳是設為10-9Pa以下的極高真空。
在第二真空室127配置聚光透鏡110。第二真空室127藉由離子泵浦121而排氣。
在第三真空室128配置檢測器114。在第三真空室亦配置離子泵浦(未圖示)而做真空排氣。
在試料室113，配置對物透鏡111與試料112。此外，雖未圖示，但亦配置用來掃描電子線115之掃描偏向器等。試料室113藉由渦輪分子泵浦109而真空排氣。
這裡開始，說明上述各構成的作用，與從SE電子源101放出的電子線115到生成觀察圖像為止之工程。
在電子槍104的各電極，運用未圖示的電源而被施加電壓。在引出電極102，對於SE電子源101施加正 的引出電壓V1，令電子線115從SE電子源101放出。引出電壓V1的大小典型上設為1kV至10kV程度，更佳是設為2kV至6kV程度。在加速電極103，施加相對於SE電子源101而言0.5kV至100kV程度的加速電壓V0，將電子線115加速。在引出電極102與加速電極103之間，藉由電壓差而形成靜電透鏡。
在電子槍104的下方配置聚光透鏡110，將射出電子槍104的電子線115聚光，調整電子線115的電流量或展開角。另，聚光透鏡亦可設置複數個，亦可配置於其他的真空室。此外，亦可將從電子源101至聚光透鏡110為止訂為電子槍104。
最後，藉由配置於更下方的試料室113之對物透鏡111將電子線115聚光成微小點，藉由未圖示的掃描偏向器在試料112上一面掃描一面照射。此時，從試料112會放出反映了表面形狀或材質之二次電子或反射電子、X光。以檢測器114檢測它們，藉此獲得試料的觀察圖像。檢測器114亦可設置複數個，亦可配置於試料室113等其他的真空室。
接著，圖2示意作為一般的掃描電子顯微鏡中使用的SE電子源之習知的SE電子源201的構成。習知的SE電子源201構成為，具備電子放出材即單晶線(以下稱槍尖)202、及抑制器(suppressor)電極203。
槍尖202為鎢<100>方位的單晶線，其直徑為0.12mm程度。槍尖202的先端尖銳化，電子放出的先端部 分的曲率半徑做成1μm以下程度。在槍尖202的單晶線的中段等一部分塗布氧化鋯。槍尖202熔接至燈絲206。燈絲206的兩端連接至二個端子207。二個端子207被保持於礙子208，各自電性絕緣。二個端子207和SE槍尖202朝同軸方向延伸，透過未圖示的聯通線(feedthrough)連接至電流源。
這樣的構成中，在端子207會恆常地流通電流，藉由將燈絲206通電加熱，而將槍尖202加熱到1500K至1900K。此溫度下，塗布在槍尖202的氧化鋯會在表面擴散移動，而被覆位於成為電子源的槍尖202的先端中央之(100)結晶面。一旦(100)面被氧化鋯覆蓋，則該部分的工作函數會減低。又，在配置於抑制器電極203的下方之引出電極102(圖1所示)如前述般施加數kV程度的引出電壓V1，藉此，在被尖銳化的槍尖202的先端，會朝中心軸Z方向施加108V/m程度的強力的引出電場。其結果，會發生肖特基效應，工作函數會更降低。由這些結果，從被加熱的槍尖202的先端的(100)面會放出熱電子，而獲得電子線115。
抑制器電極203就典型的形狀而言，為具有底面(平面)205的杯型的圓筒金屬等。在該底面(平面)205配置開口部204。抑制器電極203與開口部204受到同軸加工，中心軸一致。此中心軸和電子線115的射出方向同樣訂為Z軸。槍尖202配置於開口部204的內部，槍尖202的先端從此開口部204突出恰好一定的突出長度T而配置。槍尖 202的先端以外的部分被抑制器電極203覆蓋。
抑制器電極203，藉由與礙子208嵌合而被組立，保持。抑制器電極203和端子207，藉由礙子208而電性絕緣。
平面205，本例中為相對於中心軸Z而言垂直的平面部分。平面205的直徑典型上為4mm至10mm程度。開口部204的直徑d典型上為0.2mm至1.2mm程度，更佳為0.4mm程度。抑制器電極203的側面，典型上具有和抑制器電極203的中心軸Z平行的圓筒面210，在平面205與圓筒面210之連接部有倒角部209。
如上述般，槍尖202的先端從開口部204突出恰好突出長度T而配置。槍尖202的先端的突出長度T，典型上為0.15mm至0.35mm程度，更佳為0.25mm程度。
在抑制器電極203，施加相對於槍尖202而言典型為-0.1kV至-1.2kV，更佳為-300V至-600V程度的負的抑制器電壓VS。藉由負的抑制器電壓VS所形成的電場，欲從槍尖202的根部或燈絲206等槍尖202的先端部以外之處放出的不需要的熱電子，其放出會被抑制。其結果，能夠防止不需要的熱電子所造成的電子束115的高亮度性能、高解析力性能之劣化。
另，槍尖202的先端與圖1所示引出電極102之距離典型上為0.15mm至1.5mm程度。槍尖202的先端與圖1所示加速電極103之距離典型上為1mm至50mm程度。
這裡，抑制器電極203與礙子208是藉由嵌合 而組立，因此基本上槍尖202的中心軸與抑制器電極203的開口部204的中心軸係一體形成而呈一致。但，加工形成工程中，會由於機械公差、或組立誤差、熱所造成的形變的影響而發生偏離。因此現實上，槍尖202的中心軸和開口部204的中心軸，於抑制器電極203的開口部204會朝和Z軸正交的方向(X軸方向等)偏離，其偏離量，亦即槍尖202在開口部204的面內之開口部204的中心與槍尖202之偏離量(以下稱軸偏離量)△現實上會成為數μm至數十μm程度，又此軸偏離量△會依電子源的每一個體而異。另，抑制器電極203的中心軸和開口部204的中心軸如上述般係同軸加工，因此以下針對槍尖202與開口部204之軸偏離，有時會稱為槍尖202與抑制器電極203之軸偏離，惟意義相同。由於這樣的軸偏離△發生，而有電子線115的軌道被彎曲之影響，其結果如後述般，會發生通過位於下游的透鏡的軸外所造成之軸外像差的產生等問題。
接著，運用圖3說明由於槍尖202與抑制器電極203的開口部204的軸偏離而電子線115彎曲之原理的概略。圖3中，在搭載於掃描電子顯微鏡的SE電子源101中，將槍尖202的先端部分放大圖示。另，同一記號的構成意指和前述相同的構成，省略後續的說明。
圖3A為槍尖202和抑制器電極203的軸一致之理想的情形的模型圖。當中心軸一致的情形下，如後述般，對於從槍尖202的先端放出的電子線115，僅有同軸狀的抑制器電極203所形成的對稱於Z軸之電場分布會作用， 僅受到電子線115的行進方向即Z方向的電場作用而朝Z方向直進，不會彎曲而在中心軸上前進。其後，電子線115在引出電極102或加速電極103的開口的中心軸上前進，因此軸外像差不會產生。
圖3B為相對於槍尖202而言抑制器電極203軸偏離的情形下的模型圖。另，抑制器電極203，如軸偏離向量302所示般示意抑制器電極203在圖中朝右方向偏離的情形。此外，虛線所示的抑制器電極203，示意沒有軸偏離的情形下的位置。
當槍尖202與抑制器電極203的中心軸偏離的情形下，在槍尖202的電子線115的放出方向的前方的空間，如後述般會產生和中心軸為垂直方向(橫方向)(X方向)的電場301。從槍尖202放出的電子線115，由於此電場而不僅在Z軸方向而在橫方向也會受力，而被彎曲。其後，電子線115通過藉由引出電極102與加速電極103而形成之靜電透鏡的軸外。其結果，因軸外像差而電子線115的軌道被打亂，聚光於試料112上時的聚光點徑會變大，造成掃描電子顯微鏡的解析力惡化。另，在加速電極103的下方有聚光透鏡110或是對物透鏡111。由於電子線115被彎曲，在該些透鏡也會產生軸外像差，使得解析力惡化。
電子源101的軸偏離量△依每一個體而異，因此電子線115彎曲的大小亦依每一個體而異。是故，搭載電子源的每一掃描電子顯微鏡其軸外像差與解析力會變化，而產生機械誤差。若掃描電子顯微鏡有機械誤差，則 例如當將半導體圖樣訂為試料而計測圖樣的尺寸這樣的情形下，當針對同一尺寸的圖樣以複數個電子顯微鏡計測的情形下，會導致根據計測所使用的掃描電子顯微鏡的機械誤差而獲得相異尺寸的計測結果，導致計測的可靠性、精度、重現性降低。此機械誤差的問題，是隨著半導體圖樣的微細化而更容易變明顯的問題。
又，若軸偏離△大，而電子線115彎曲的大小特別大，則無法通過引出電極102或加速電極103的開口、或未圖示的其他光圈，而無法到達試料112。在此情形下，會成為電子源、電子槍、或掃描電子顯微鏡的製造不良，使得製造成本或前置時間增加。
為解決上述問題，實施例1中，將抑制器電極305的形狀做成和習知的抑制器電極203相異的形狀。
圖4示意實施例1之SE電子源101及抑制器電極305的構成。如圖4所示，實施例1之抑制器電極305，不同於習知之抑制器電極203，在其下面(底面)亦即平面205的中心軸Z鄰近的位置具有推拔面(推拔部)306。藉由此推拔部306的作用，如後述般即使槍尖202與抑制器電極305軸偏離的情形下，電子線115仍不會被彎曲。
推拔部306，與垂直於中心軸Z的面之間夾著角度(推拔角度)θ。在推拔部306與平面205(前方端部213)之連接部，形成角部307。將從中心軸觀看推拔部306開始的位置(相當於角部307的位置)之直徑訂為L。直徑L成為平面部205(前方端部213)的直徑。
若將抑制器電極305的構成改寫為其他表現，則如下。抑制器電極305，具有中心軸Z，具備成為沿著中心軸Z的方向的兩端部之前方端部213(平面205)與後方端部214，在前方端部213(平面205)和抑制器電極305同軸狀地具備開口部204而配置槍尖202。這裡，槍尖202的先端部從開口部204突出而配置，將電子線115放出的方向訂為前方，其相反方向訂為後方。構成為，在比前方端部213(平面205)的開口部204還外周方向的位置，具備於Z方向比前方端部213(平面205)還朝遠離槍尖202的先端的方向後退之面(後退部(面))212即推拔部306。
抑制器電極305，相較於習知之抑制器電極203，是在平面205的面內令中心軸Z的鄰近部的面後退而形成後退部212(推拔部306)而成，平面部205的直徑比習知還小。
推拔部306存在於中心軸Z的鄰近，藉此，即使當槍尖202與抑制器電極305軸偏離的情形下，推拔部306仍會作用於抑制器電極305所形成的電場分布，如後述般電子線115不會被彎曲。抑制器電極的形狀的參數亦即上述的直徑L與角度θ，具有如後述般合適的設計範圍。
抑制器電極305，如同習知之SE電子源201般，藉由與礙子208嵌合而被組立、保持。
說明藉由這樣的實施例1之抑制器電極的構造而獲得之效果。圖5A~圖5D示意實施例1之SE電子源101中，說明即使槍尖202與抑制器電極305軸偏離，電子 線115仍不會被彎曲的原理之說明圖。圖5A、圖5B示意使用習知型之抑制器電極203的情形，圖5C、圖5D示意使用實施例1之抑制器電極305的情形的狀態。又，圖5A與圖5C示意槍尖202與開口部204沒有軸偏離的情形，圖5B與圖5D示意有軸偏離的情形。
首先，圖5A為習知之SE電子源201中，當沒有軸偏離的情形下的電力線(line of electric force)示意模型圖。電力線為示意空間中產生的電場的方向之假想的線，示意電子受到的力的方向。
如上述般，在抑制器電極203，施加相對於槍尖202或引出電極102而言負的電壓。其結果，在槍尖202的表面會產生複數個正電荷401，在抑制器電極203的表面會產生複數個負電荷402。因此，會從電荷401朝向負電荷402而產生電力線403。圖5A的沒有軸偏離的狀態下，槍尖202與抑制器電極203相對於中心軸具有軸對稱的構造。在此情形下，沒有橫切過中心軸上的電力線，對於從槍尖202的先端放出的電子線115不會施加橫方向的力。是故，電子線115不會彎曲。
圖5B為習知之SE電子源201中，當軸偏離的情形下追加的電力線示意模型圖。相對於槍尖202而言抑制器電極203偏離，就相當於在圖5A的狀態加入新的電荷。
假定從圖5A的狀態到圖5B的狀態，抑制器電極203以軸偏離向量302所示方向亦即在圖中朝右方向偏 離了些微的量(軸偏離量△)。另，圖5B中的虛線示意軸偏離前的抑制器電極203的位置，實線示意軸偏離後的抑制器電極203的位置。另，軸偏離量△，嚴謹上是定義成在開口部204的面內之抑制器電極的開口部204的中心軸與槍尖202的中心軸之偏離，但作為近乎同樣的量，在圖5等中是簡易地圖示成開口部204的開口端部其位置從軸偏離前的狀態變化(位移)至軸偏離的狀態時之位移量。
請注意開口部204中，抑制器電極203趨近槍尖202的空間區域406。抑制器電極203移動至此空間區域，等價於因軸偏離而在此空間加入新的負電荷405。此外，空間區域406的圖中左側的空間，為抑制器電極203的內部因此不會產生電荷。因此，也會加入將軸偏離前原有的負電荷402予以抵消之正電荷420。又，空間區域406中，抑制器電極203與槍尖202之距離趨近。因此，靜電容量變大，比起軸偏離前，此空間的負電荷的量增加。亦即，比起正電荷420，負電荷405的數量變多。
另一方面，請注意開口部204中，抑制器電極203遠離槍尖202的空間區域407。抑制器電極203從此空間區域消失，等價於在此部分加入新的正電荷404，而將軸偏離前原有的負電荷421予以抵消。此外，空間區域407的圖中右側，新成為抑制器電極203的表面，因此在此加入負電荷422。又，空間區域407中，抑制器電極203與槍尖202之距離打開。因此，靜電容量減少，比起軸偏離前，此空間的負電荷的量減少。亦即，比起負電荷422， 正電荷404的數量變多。
像這樣，抑制器電極203軸偏離，等價於在圖5A所示沒有軸偏離的狀態下的電荷分布，追加圖5B所示之負電荷405與正電荷420、及正電荷404與負電荷422。
這裡，圖5B中，正電荷404與負電荷405在抑制器電極203的真空側表面露出，且電荷量多，在真空區域造出最強的電場。其結果，在槍尖202的前方會產生聯繫兩電荷的新的電力線408。電力線408以橫切過中心軸之方式橫向地(圖中的X方向)產生，而對從槍尖202放出的電子線施加力。其結果，電子線在圖中朝右側被彎曲。這就是由於抑制器電極203的軸偏離而電子線彎曲之原理。
圖5C為實施例1之SE電子源101中，當沒有軸偏離的情形下的電力線示意模型圖。實施例1之SE電子源101，在抑制器電極305的下面的軸鄰近具有推拔部306。沒有軸偏離的情形下，如同圖5A般，軸對稱地造出正電荷401與負電荷402，而產生電力線403。在此情形下，亦不會產生橫切過中心軸的電力線，電子線115不會被彎曲。
圖5D為實施例1之SE電子源101中，當往圖中的右側軸偏離了恰好軸偏離量△的情形下追加的電力線示意模型圖。實施例1之SE電子源101中，藉由設置推拔部306，在推拔部也會使電荷產生，而使得和電力線408反方向的電力線412產生。其結果，會減緩將電子線彎曲的力，並且進一步產生將電子線彎回的力。另，圖中的虛線 示意如同圖5C所示情形的軸偏離前的抑制器電極305的位置，實線示意軸偏離後的抑制器電極305的位置。
針對圖5D更詳細說明之。實施例1之SE電子源101中同樣地，當槍尖202與抑制器電極305軸偏離的情形下，在開口部204，新的正電荷404與負電荷422、及新的負電荷405與正電荷420會產生，而產生電力線408。
這裡，實施例1之SE電子源101中，在推拔部306也會因軸偏離而產生等價的電荷。請注意推拔部306趨近槍尖202的空間區域413。原本位於此空間的抑制器電極305消失，等價於在此部分加入新的正電荷410，而將軸偏離前原有的負電荷402予以抵消。此外，空間區域413的圖中的右側的空間，新成為推拔部306的表面，因此在此加入負電荷423。又，空間區域413中，推拔部306趨近槍尖202。其結果，槍尖202對推拔部306造成的電場的影響增加，(未圖示之)引出電極102對推拔部306造成的電場的影響減少。比起槍尖202，對引出電極102施加的電壓較高，因此推拔部306的電場會減小。亦即，比起負電荷423，正電荷410的數量變多。
另一方面，請注意推拔部306遠離槍尖202的空間區域414。抑制器電極305移動至此空間，等價於在此加入新的負電荷411。此外，空間區域414的左側成為抑制器電極305的內部，因此加入將軸偏離前原有的負電荷予以抵消之正電荷424。又，空間區域414中，推拔部306遠離槍尖202。其結果，槍尖202對推拔部306造成的電場的 影響減少，未圖示之引出電極102對推拔部306造成的電場的影響增加。比起槍尖202，對引出電極102施加的電壓較高，因此推拔部306的電場會增大。亦即，比起正電荷424，負電荷411的數量變多。
像這樣，在推拔部306的表面，空間區域413中正電荷410多，空間區域414中負電荷411多。其結果，會產生將兩者聯繋的新的電力線412。電力線412，和開口部204所產生的電力線408成為相反方向。這會減弱在開口部204產生的電場，減低電力線408影響的力，能夠讓電子線不易彎曲。
此外，在推拔部306產生的正電荷410與負電荷411的電荷量愈大，或是正電荷410與負電荷411之距離愈近，則兩者造出的電場愈強，電力線412影響的力愈強。鑑此，將電荷量與距離訂為合適的量，藉此亦能將因電力線408而被彎曲的電子線以電力線412彎回，而讓電子線返回中心軸上。
另一方面，若將電荷量訂為過大，或將距離訂為過近，則電力線412的力會變得比電力線408的力還強太多，電子線會朝圖中的左方被彎曲。當電力線412的力過大的情形下，比起習知之抑制器電極203軸偏離的情形，電子線被彎曲的程度變大，軸偏離的影響比習知還大，問題反而會惡化。
在推拔部306產生的正電荷410與負電荷411的電荷量、及兩電荷的距離，是由圖4所示推拔部306的開 始位置的直徑L、及推拔部306的角度θ所決定。直徑L，會決定在推拔部306產生的正與負的電荷間的距離。角度θ，會決定推拔部306與其角部307的電場集中的程度，而決定在推拔部306與角部307產生的電荷量。是故，為了使得電子線即使軸偏離也不會彎曲，必須將直徑L與角度θ設計在合適的範圍。
這裡，面上產生的電荷所造出的電場，會和正與負的電荷間的距離亦即面上相間的距離呈反比而變弱。是故，為了藉由推拔部306而使中心軸上產生充分的電場，必須將推拔部306配置於中心軸鄰近。亦即，必須將直徑L訂為一定的距離以下。另，習知之抑制器電極203中，雖配置有倒角部209，但通常目的在於避免抑制器電極305的角部的電場集中等，並未考量倒角部209的開始位置的直徑亦即平面205的直徑L，典型上會具有4mm以上的大直徑。像這樣直徑L大的情形下，無論在平面205的外側設置怎樣的構造，此構造在中心軸上造出的電場極小，不會對電子線115造成影響。因此，習知之抑制器電極203中無論倒角部209為怎樣的形狀或角度，都不造成影響。平面205的直徑像這樣大的情形下，僅會靠開口部204造出的電場來決定橫方向的電場與電子線115的彎曲方式。
另，上述的電子線115變得不被彎曲之原理，亦能藉由在中心軸鄰近設置和圖4相異的形狀而實現。圖5D所示構成，本質上是在比抑制器電極305的開口部204還外周方向，將朝向比抑制器電極的最下面205(前 方端部213)還後方(圖中上方)的面(後退部(面)212)設置於中心軸鄰近的位置，藉此，軸偏離時此處會產生電荷，而使相反方向的電場產生。其結果，會將開口部204所形成的電場予以抵消，進一步將電子線彎回，藉此電子線115就變得不被彎曲。換言之，將從槍尖202朝向試料的方向訂為前方，反方向訂為後方，在比抑制器電極305的開口部204還外周方向，而於中心軸Z鄰近的位置，設置比抑制器電極305的最前面(前方端部)213還朝後方後退的面(後退面)(實施例1中為推拔部306)，亦即從槍尖202的先端起算於中心軸方向比前方端部213還遠(遠離)的部分，來作為後退部212的一部分。其結果，軸偏離時會使此後退部212的中心軸鄰近部分(實施例1中為推拔部306)產生和開口部204所產生的電場為相反方向的電場。其結果，能夠防止電子線被彎曲。
作為圖4的推拔部306以外的後退面的例子，亦可為階梯狀的階面(相當於θ=90度(°))、或是球或橢圓等的曲面、將複數個推拔或階面、曲面組合而成的面。另，階梯狀的階面是藉由推拔角度90°的推拔部，球或橢圓等的曲面是藉由連續性變化的無數個相異的推拔角度的微小部分而形成，也可以想成是一種推拔部。該些其他的形狀將作為其他的實施例而後述之。
這裡開始，說明抑制器電極305的形狀參數L、θ、及抑制器電極305與槍尖202的軸偏離量△與電子線115的軌道的彎曲量(圖5中的X方向的位移)之關係，及抑 制器電極305的形狀參數的合適的設計範圍。
首先，圖6示意實施例1之SE電子源101中推拔部306的角度θ對於對電子線115造成的橫方向的彎曲(X方向的位移)之影響的一例。
圖6A為當將推拔部306的角度θ從0°變化到14°的情形下，計算在中心軸Z上產生之垂直於中心軸的方向(X方向、橫方向)的電場Ex的結果。這裡，將槍尖202的中心軸訂為Z軸，其垂直方向訂為X軸，槍尖202的先端表面訂為Z=0，試料側訂為Z>0。作為計算條件的一例，將抑制器電極305的前方端部213(平面205)的直徑L、槍尖202的突出長度T、開口部204的直徑d、槍尖202與抑制器電極305之軸偏離量△分別訂為L=800μm、T=250μm、d=400μm、△=1μm，而將槍尖202的電位訂為0V、引出電壓V1訂為2kV。此外，抑制器電壓VS，係被調整成對槍尖202的先端施加的中心軸方向(Z方向)的電場於各形狀下會成為相等。橫方向的電場Ex，是將θ=0°時的最大電場的絕對值訂為1而予以標準化。另，θ=0°為沒有推拔部306之條件，為習知之抑制器電極203的形狀。此外，上述的計算條件，如上述般係為一例，針對各種參數(計算條件)變化的情形，亦如後述般能夠考察減低電子線的彎曲的效果之傾向。
θ=0°的情形下，在槍尖202的先端附近產生Ex=-1的最大電場，隨著Z變大而電場降低。在Z=800μm附近Ex成為近乎0。若將θ訂為2°，則槍尖202先端的電場降 低。若將θ增大為6°、10°、14°，則槍尖202先端的電場逐漸變弱，並且以Z=200μm附近為頂點而產生了+側的電場。電場的正負反轉，因此此+側的電場會作用使得在槍尖鄰近曾被彎曲的電子線拉回。
圖6B為將推拔部306的角度θ從0°變化到14°的情形下，電子線的軌道的計算結果。示意相對於Z軸上的距離Z之電子線的軌道的X方向的位置(位移量或者離軸距離X)。相對於橫軸Z之縱軸X的變化率(dX/dZ)便成為電子線的軌道的斜率。另，圖中Z表記到20mm為止，圖示到位於下游的加速電極103附近為止。此外，縱軸X，是於θ=0°的習知之抑制器電極中將在Z=20mm的電子線的離軸距離X訂為1而予以標準化。抑制器電極305的形狀等的參數如同圖6A。
θ=0°的習知之抑制器電極的情形下，電子線會朝+側彎曲，隨著Z變大而從中心軸離軸。隨著將θ增大，電子線的斜率(dX/dZ)減低，離軸量X亦減低。將在Z=20mm之電子線的斜率(dX/dZ)和習知比較，則θ=2°、6°、10°的斜率分別為80%、39%、0.1%。亦即θ=10°的情形下，成為即使槍尖202與抑制器電極305軸偏離，電子線也幾乎不被彎曲之狀態。電子線不被彎曲，藉此電子線會在中心軸上前進，不會在靜電透鏡或其他的透鏡產生軸外像差。另一方面，θ=14°下，將電子線彎回的力變得太強，電子線朝-側傾斜。若將θ進一步增大則電子線進一步朝-側傾斜，電子線的彎曲量有比習知還惡化之情形。像 這樣，為了比習知更減低電子線的彎曲，必須將θ訂為一定的範圍內。
接著運用圖7，說明實施例1之SE電子源101中，槍尖202與抑制器電極305之軸偏離量△變大的情形下的影響的一例。
圖7A示意運用習知之抑制器電極203的SE電子源201中，當軸偏離量△從1μm增加至20μm的情形下，計算在中心軸Z上產生之垂直於中心軸的方向(X方向、橫方向)的電場EX的結果。另，橫方向的電場EX，是將軸偏離△=1μm的情形下的最大電場的絕對值訂為1而予以標準化。
EX和軸偏離量△近乎呈比例而增加，其分布成為相似形。軸偏離量△=1μm、5μm、10μm、20μm下的EX的最大值的絕對值成為1、5、10、20。是故，和軸偏離量△呈比而橫向的電場EX變大，電子線被大幅彎曲。
圖7B示意運用實施例1之抑制器電極305的SE電子源101中，在θ=10°的條件下當軸偏離量△增加的情形下的橫方向的電場EX的計算結果。另，其他的計算所使用的條件和圖6中說明的條件相同。
有關實施例1之SE電子源101，同樣地和軸偏離量△呈比例而EX增加，其分布成為相似形。惟，實施例1之SE電子源101中，和軸偏離量△呈比例，在Z=200μm附近具有頂點之+側的電場亦增加。其結果，即使軸偏離量△增加，與之相應而將電子線彎回的力亦增加，電子線會維持 不彎曲的狀態。
圖7C針對習知之SE電子源201與實施例1之SE電子源101，將軸偏離量△訂為橫軸，將在Z=20mm的位置之電子線的斜率(dX/dZ)示於縱軸。圖7C的實施例1之抑制器電極305的形狀和圖7B同樣。另，縱軸的電子線的斜率(dX/dZ)，是在運用習知之抑制器電極203的SE電子源201中，將軸偏離量△=1μm下的在Z=20mm之斜率訂為1而予以標準化。
習知之抑制器電極203中，和軸偏離量△呈比例而電子線的斜率(dX/dZ)變大。另一方面，實施例1之抑制器電極305中，即使軸偏離量△增加，電子線的斜率仍近乎為0。像這樣，按照實施例1之抑制器電極305，即使軸偏離仍能實現電子線115不彎曲的狀態。
又，習知是於電子源的組立工程中設立基準，進行品質管理，使得槍尖202與抑制器電極203之軸偏離量成為一定以下。然後，製造出的電子源當中，軸偏離量△無法在一定以下的個體便成為製造不良。另一方面，藉由使用實施例1之抑制器電極305，即使軸偏離量△大電子線115仍不會彎曲，因此能夠大幅鬆綁組立工程的基準。這帶來電子源的製造成本的降低、良率提升、前置時間減低等的效果。
基於以上的結果，針對實施例1之抑制器電極305的形狀的合適的設計進一步探討。
運用圖8，說明運用實施例1之抑制器電極 305的SE電子源101中，合適的L與θ之關係。圖8A示意實施例1之抑制器電極305中，當改變L與θ的情形下計算獲得的在Z=20mm之電子線115的斜率(dX/dZ)的結果。將橫軸訂為L，縱軸訂為θ而表示將成為相同電子線的斜率的點連接而成之等高線。另，電子線的斜率，是以和運用習知之抑制器電極203的習知的SE電子源201的電子線的斜率比較而得之百分比來示意。圖中的90%、50%、0%、-50%、-90%的線，示意比起習知之SE電子源201，電子線的斜率成為90%、50%、0%、-50%、-90%。-所示的意義，示意比起習知而言電子線的斜率反轉。計算所使用的其他條件和圖6相同。
實施例1之SE電子源101，原理上是愈縮短L，或愈增大θ，則推拔部306所造出的電場愈強。反之，當L過大，或θ過小的情形下，推拔部306所造出的電場非常弱，比起習知而言減低電子線的斜率的效果小到能夠忽略。另一方面，當L過小，或θ過大的情形下，推拔部306所造出的電場非常大，比起習知而言電子線的斜率會朝反向變得非常大。在此情形下，比起習知之SE電子源201，電子線會朝反方向大幅彎曲。是故，必須將直徑L與角度θ設計在合適的範圍內。
就運用實施例1之抑制器電極305的SE電子源101的效果而言，若將電子線115的斜率的絕對值比習知還減低10%以上，亦即斜率的絕對值成為習知的90%以下訂為閾值，則理想是L與θ設計在圖8A所示90%至-90%的線圍 繞的範圍內。
更佳是，若將電子線115的斜率的絕對值比習知還減低50%以上，亦即斜率的絕對值成為習知的50%以下訂為閾值，則理想是L與θ設計在圖8A所示50%至-50%的線圍繞的範圍內。
再佳是，為了使電子線115的斜率成為習知的0%，亦即電子線完全不彎曲，理想是是以圖8A所示0%的線上的條件來設計。
推拔部306的角度θ，較佳是90°為最大。θ=90°時，推拔部306的形狀並非推拔而可視為階梯狀的階面。如圖8A所示，θ=90°的條件下，將電子線的斜率做成習知的90%之L為約2540μm。其他的θ下，推拔部306所造出的電場會變弱，因此為了獲得90%的斜率必須將L訂為比此值還小。是故，無論是任何角度，為了獲得90%以下的電子線的斜率，都必須將L訂為2540μm以下。這是將推拔部306配置於軸鄰近時的一個基準。
同樣地，θ=90°的條件下，將電子線的斜率做成習知的50%之L為約1940μm。是故，無論是任何角度，為了獲得50%以下的電子線的斜率，都必須將L訂為1940μm以下。
同樣地，θ=90°的條件下，將電子線的斜率做成0%之L為約1650μm。是故，無論是任何角度，為了獲得0%的電子線的斜率，都必須將L訂為1650μm以下。
圖8B為將圖8A的縱軸取logθ而成之圖。另， θ的單位為度(°)，L的單位為μm。90%、50%、0%、-50%、-90%的線，是藉由將縱軸取logθ而以以下各自的二次函數近似。
90%、50%、0%、-50%、-90%的線，依序如以下般表示。
logθ=2.40×10-7×L2+3.18×10-4×L-4.08×10-1
logθ=3.80×10-7×L2+6.77×10-5×L+3.92×10-1
logθ=4.96×10-7×L2-8.31×10-5×L+7.43×10-1
logθ=5.86×10-7×L2-1.81×10-4×L+9.49×10-1
logθ=6.68×10-7×L2-2.68×10-4×L+1.08
是故，實施例1之SE電子源101，是運用上述式子圍繞的範圍內的L與θ來設計，此為另一個基準。例如，當將電子線的斜率減低至習知的90%至-90%的情形下，運用上述的90%與-90%的情形的式子，設計成滿足2.40×10-7×L2+3.18×10-4×L-4.08×10-1≦logθ≦6.68×10-7×L2-2.68×10-4×L+1.08之關係即可。
這裡，圖8A與圖8B所示合適的範圍，會因槍尖的突出長度T、或開口部204的直徑、槍尖或引出電極的形狀、抑制器電壓、引出電壓等的其他條件而變化±20%程度。此外，將該些諸條件區分場合而設立基準有其難度。因此，必須留意上述的範圍並非嚴謹而是帶有一定的概似性(likelihood)，可能會變化。
作為一例，本計算是槍尖202的突出長度T=250μm之結果，但橫方向的電場301的影響會和突出長 度呈反比而增減。其結果，電子線被彎曲的程度會變化，合適的L與θ的範圍也會變化。若T為200μm至300μm程度的趨近250μm之值，則藉由大致在圖8所示L與θ的範圍內設計，便能比習知還減低電子線的斜率。但，當突出長度T超出此範圍的情形下，合適的L與θ在圖8的範圍內便不足。針對該些突出長度相異的情形後述之。
本計算是開口部204的直徑為400μm之結果，但作為其他的一例，當將開口部204的直徑更增大的情形下，引出電極102對開口部204造成的電場的影響會變強，正電荷404與負電荷405的電荷量會增加。其結果，電子線115會變得更大幅被彎曲。此時，為了防止電子線115彎曲，比起圖8所示範圍必須將角度θ更增大，直徑L更減小。藉由如同前述之計算，例如當開口部204的直徑為600μm的情形下，可知直徑L必須減小約20%。
接著，說明運用實施例1之抑制器電極305的SE電子源101中必要的抑制器電壓。圖9示意當在θ=10°的條件下改變直徑L的情形下，計算為了將施加於槍尖202的先端之中心軸方向(Z方向)的電場做成和習知相同所必要的抑制器電壓的結果。其他的計算條件和圖6相同。另，縱軸是將對運用習知之抑制器電極203的SE電子源201施加的抑制器電壓訂為1而予以標準化。
實施例1之抑制器電極305，是將推拔部306這樣的後退部212拿到中心軸的鄰近，藉此，抑制器電極305的本來的目的亦即抑制對槍尖202的先端施加的中心軸 方向(Z方向)的電場之效果會變弱。亦即，對槍尖202的先端施加之中心軸方向的引出/加速電場會變強。在此情形下，抑制器電極的機能亦即抑制不需要的電子之效果會降低，比起習知會發生過多不需要的電子放出之問題。為應對此，實施例1中，必須比起習知更提高抑制器電壓VS，來將槍尖202的先端的中心軸方向的電場做成和習知相同。
圖9所示L=400μm的計算結果，為使得推拔部306的開始位置和開口部204的下面一致之條件，意指沒有平面205的形狀。在此情形下，必要的抑制器電壓成為1.54，比起習知不得不提升54%電壓。這會肇生電源成本的增加、或在礙子208沿面的放電的危險性增加之待解問題。此外，開口部204和推拔部306的開始位置一致，因此電場會集中在這一點，在與引出電極102之間空間放電的危險性增加。當發生了該些放電的情形下，槍尖202的先端會熔損，電子源變得無法使用。此外，通常，槍尖的突出長度T是以平面205作為基準面，在實體顯微鏡下調整而組立，但由於平面205消失，此突出長度的調整變得困難，而肇生良率的惡化、製造成本增加之問題。
如圖9所示，藉由將直徑L訂為比400μm還大，亦即增大平面205的直徑，必要的抑制器電壓就會減低。此外，能夠消弭上述的沒有平面205的情形下的問題。特別是圖9所示圖表係向下凸，只要稍微增大L就能大幅減低必要的抑制器電壓，是其優點。
作為L的大小的一個基準，若以L=400μm的情形下必要的抑制器電壓的增加量54%的一半即27%以下，亦即圖9的縱軸1.27以下作為閾值，則實現此之L為720μm以上。是故，藉由將L訂為720μm以上，比起沒有平面205的情形，能夠讓必要的抑制器電壓的增加成為一半以下。像這樣，獲得了在開口部204的直徑d為400μm程度的典型的抑制器電極中，將L訂為720μm以上這一個指標。
更佳是，以將L=400μm的情形下必要的抑制器電壓的增加量54%減為三分之一即18%以下(縱軸1.18以下)作為閾值。實現此之L為910μm以上。是故，藉由將L訂為910μm以上，比起沒有平面205的情形，能夠讓必要的抑制器電壓的增加成為三分之一以下。
若將L訂為2000μm以上，則必要的抑制器電壓成為1.01以下，和習知幾乎沒有不同。惟，如上述般使推拔部306產生的電場會和L呈反比而變小。因此，將L增大來減低必要的抑制器電壓，與防止電子線的彎曲之間有取捨(trade-off)的關係。設計者鑑於全體的裝置設計，來訂定電子線的彎曲量的容許值與抑制器電壓的增加的容許值，以此為基礎而決定合適的L。其後，決定θ，在期望的範圍內減低電子線的彎曲。或是，鬆綁槍尖202與抑制器電極305之中心軸的組立誤差的調整基準。
本計算是針對θ=10°而進行，但針對其他的角度θ亦進行同樣的計算的結果，成為和圖9相似的計算結 果。是故，針對其他的角度θ，亦藉由將上述L訂為720μm以上，比起在該θ下的沒有平面205的情形，能夠讓必要的抑制器電壓的增加成為一半以下。此外，藉由將L訂為910μm以上，比起在該θ下的沒有平面205的情形，能夠讓必要的抑制器電壓的增加成為三分之一以下。
實施例2
實施例1中，示意了在槍尖202的突出長度T為200μm至300μm程度的條件下，在抑制器電極305設置推拔部306，藉此於軸偏離時防止電子線被彎曲之構成。實施例2中，說明運用和實施例1相同構造的抑制器電極305及SE電子源101，而槍尖202的突出長度T為實施例1記載之上述範圍以外的情形下之構成。
圖10示意運用習知之抑制器電極203的SE電子源201中，改變槍尖202的突出長度T的情形下之橫方向的電場EX。圖10為改變成T=150μm、250μm、350μm的情形下之計算結果。T=250μm的結果，相當於實施例1之圖6A所示θ=0°的結果。此外，Z=0，是訂為T=250μm下的槍尖202的先端表面的位置。因此，T=150μm下的槍尖202的先端表面成為Z=-100μm，T=350μm下的槍尖202的先端表面成為Z=100μm。計算條件，是將開口部204的直徑d訂為400μm，引出電壓V1訂為2kV。此外，抑制器電壓VS，係被調整成對槍尖202的先端施加的中心軸方向(Z方向)的電場於各形狀下會成為相等。槍尖202與抑制器電極203之軸 偏離量△訂為1μm。縱軸亦即橫方向的電場EX，是將T=250μm時的最大電場的絕對值訂為1而予以標準化。
改變突出長度T的情形下，開口部204所造出的橫方向的電場會大幅變化。T=250μm下的電場的峰值的值為-1，相對於此T=150μm下成為-3.4，T=350μm下成為-0.33。其原因在於，依槍尖202的突出長度T不同，遮蔽圖5B所示電力線408的區域會變化的緣故。
當將槍尖202的突出長度T訂為比250μm還短的情形下，電場也會侵入至槍尖202消失的區域，電子線變得更加被彎曲。因此，為了防止電子線的彎曲，必須將圖5D所示反向的電場412增強。為實現此，必須更縮短推拔部306的直徑L，或是更增大角度θ。
當將槍尖202的突出長度T訂為比250μm還長的情形下，槍尖202移動到的區域的電場會被遮蔽，電子線變得更加不易被彎曲。因此，若依實施例1所示L與θ則會將電子線過度地彎回，電子線的斜率可能比起習知更惡化。鑑此，必須將推拔部306的L更拉長，或將θ更減小。
運用圖11，說明運用實施例2之抑制器電極305的SE電子源101中，當將突出長度T訂為150μm的情形下之合適的L與θ之關係。圖11A示意實施例2之SE電子源101中，在T=150μm的條件下，當改變L與θ的情形下計算獲得的電子線的斜率的結果。另，電子線115的斜率，是和習知之SE電子源201中訂T=150μm的情形下之電子線115的斜率比較，而以百分比示意。其他的計算所使用的條件 和圖10相同。
圖11A所示90%、50%、0%、-50%、-90%的各線，比起圖8的該些線，L更短，θ更大。
θ=90°的條件下，將電子線115的斜率做成習知的90%之L為約2110μm。其他的θ下，推拔部306所造出的電場會變弱，因此為了獲得90%的斜率必須將L訂為比此值還小。是故，無論是任何角度，為了獲得90%以下的電子線的斜率，都必須將L訂為2110μm以下。
同樣地，θ=90°的條件下，將電子線115的斜率做成習知的50%之L為約1450μm。是故，無論是任何角度，為了獲得50%以下的電子線的斜率，都必須將L訂為1450μm以下。
同樣地，θ=90°的條件下，將電子線115的斜率做成0%之L為約1130μm。是故，無論是任何角度，為了獲得0%的電子線的斜率，都必須將L訂為1130μm以下。
圖11B為將圖11A的縱軸取logθ而成之圖。θ的單位為度(°)，L的單位為μm，90%、50%、0%、-50%、-90%的線，是藉由將縱軸取logθ而以以下各自的二次函數近似。
90%、50%、0%、-50%、-90%的線，依序如以下般表示。
logθ=2.69×10-7×L2+3.64×10-4×L-2.21×10-2
logθ=4.62×10-7×L2+1.70×10-4×L+0.74
logθ=6.92×10-7×L2-6.94×10-6×L+1.08
logθ=9.88×10-7×L2-2.25×10-4×L+1.31
logθ=1.27×10-6×L2-4.18×10-4×L+1.45
是故，在運用實施例2之抑制器電極305的SE電子源101中，當突出長度T為150μm的情形下，運用上述式子圍繞的範圍內的L與θ來設計，為一個指標。例如，當將電子線的斜率減低至習知的90%至-90%的情形下，運用上述的90%與-90%的情形的式子，設計成滿足2.69×10-7×L2+3.64×10-4×L-2.21×10-2≦logθ≦1.27×10-6×L2-4.18×10-4×L+1.45之關係即可。
此外，如後述般突出長度T與被容許的L之範圍有著比例關係。因此，突出長度T從150μm至250μm為止的區間的L與θ的合適的範圍，是位於圖8與圖11所示範的中間的區域。實施例2中，作為一個閾值，當突出長度T比200μm還小的情形下，使用圖11所示範圍內的L與θ。若為此範圍，則即使突出長度T比200μm還小的情形下，仍大致能比習知更減低電子線的斜率。
接著運用圖12，說明實施例2之SE電子源101中，當將突出長度T訂為350μm的情形下之合適的L與θ之關係。圖12A示意運用實施例2之抑制器電極305的SE電子源101中，在T=350μm的條件下，當改變L與θ的情形下計算獲得的電子線的斜率的結果。另，電子線115的斜率，是和習知之SE電子源201中訂T=350μm的情形下之電子線 115的斜率比較，而以百分比示意。其他的計算所使用的條件和圖10相同。
圖12A所示90%、50%、0%、-50%、-90%的各線，比起圖8的該些線，L更長，θ更小。
θ=90°的條件下，將電子線115的斜率做成習知的90%之L為約2810μm。其他的θ下，推拔部306所造出的電場會變弱，因此為了獲得90%的斜率必須將L訂為比此值還小。是故，無論是任何角度，為了獲得90%以下的電子線的斜率，都必須將L訂為2810μm以下。
同樣地，θ=90°的條件下，將電子線115的斜率做成習知的50%之L為約2270μm。是故，無論是任何角度，為了獲得50%以下的電子線的斜率，都必須將L訂為2270μm以下。
同樣地，θ=90°的條件下，將電子線115的斜率做成0%之L為約1990μm。是故，無論是任何角度，為了獲得0%的電子線的斜率，都必須將L訂為1990μm以下。
圖12B為將圖12A的縱軸取logθ而成之圖。θ的單位為度(°)，L的單位為μm，90%、50%、0%、-50%、-90%的線，是藉由將縱軸取logθ而以以下各自的二次函數近似。
90%、50%、0%、-50%、-90%的線，依序如以下般表示。
logθ=2.59×10-7×L2+1.82×10-4×L-6.04×10-1
logθ=3.32×10-7×L2+5.07×10-5×L+1.26×10-1
logθ=4.12×10-7×L2-8.01×10-5×L+4.75×10-1
logθ=4.62×10-7×L2-1.49×10-4×L+6.76×10-1
logθ=5.15×10-7×L2-2.29×10-4×L+8.10×10-1
是故，實施例2之SE電子源101中，當突出長度T為350μm的情形下，運用上述式子圍繞的範圍內的L與θ來設計，為一個指標。例如，當將電子線的斜率減低至習知的90%至-90%的情形下，運用上述的90%與-90%的情形的式子，設計成滿足2.59×10-7×L2+1.82×10-4×L-6.04×10-1≦logθ≦5.15×10-7×L2-2.29×10-4×L+8.10×10-1之關係即可。
突出長度T從250μm至350μm為止的區間的L與θ的合適的範圍，是位於圖8與圖12所示範的中間的區域。實施例2中，作為一個閾值，當突出長度T比300μm還大的情形下，使用圖12所示範圍內的L與θ。若為此範圍，則即使突出長度T比300μm還大的情形下，仍大致能比習知更減低電子線的斜率。
進行以上這樣的計算，在運用實施例2之抑制器電極305的SE電子源101中，當改變突出長度T的情形下求出用以容許電子線115的斜率的量之L的最大值，則如下。圖13示意從突出長度T=150μm至350μm，在θ=90°的條件下，用以將電子線的斜率比起習知做成90%、50%、0%之L的值。
θ=90°以外的其他的θ下，推拔部306所造出的電場會彎弱，必須將L更縮短。是故，圖13所示L是為了 獲得各百分比的電子線115的斜率所被容許的最大限度的L。無論哪一百分比的線，L與突出長度T皆呈直線性的關係，和突出長度T呈比例而L亦變大。因此，即使是上述計算以外的突出長度，也能知道合適的範圍。
突出長度350μm下，為做成習知的90%以下的斜率，如圖12所示，必須至少將L訂為2810μm以下。此外，若為此L的值以下，則即使突出長度比350μm還短之情形，仍能將電子線的斜率做成90%以下。此外，圖13所示突出長度T與L能夠近乎以直線的關係近似，因此換一種說法，只要L與突出長度T的關係滿足使電子線的斜率成為90%之直線的近似式亦即L≦3.53T+1607，便能將電子線的斜率做成90%以下。這裡，L與突出長度T的單位為μm。
同樣地，突出長度350μm下，為做成習知的50%以下的斜率，如圖12所示，必須至少將L訂為2270μm以下。此外，若為此L的值以下，則即使突出長度比350μm還短之情形，仍能將電子線的斜率做成50%以下。換一種說法，只要L與突出長度T的關係滿足使電子線的斜率成為50%之直線的近似式亦即L≦4.10T+861，便能將電子線的斜率做成50%以下。
仍然同樣地，突出長度350μm下，為做成習知的0%的斜率，如圖12所示，必須至少將L訂為1990μm以下。此外，若此L的值以下，則即使突出長度比350μm還短之情形，仍能將電子線的斜率做成0%。換一種說法，只要L與突出長度T的關係滿足使電子線的斜率成為0%之 直線的近似式亦即L≦4.29T+522，便能將電子線的斜率做成0%。
統整以上的結果可知，為了使電子線的斜率的量至少減低10%，亦即減低至90%以下的量，突出長度T=350μm的情形下必須將直徑L訂為2810μm以下。又，可知若為此L的值以下，則即使突出長度比350μm還短之情形，仍能將電子線的斜率做成90%以下。此外，如上述般，槍尖202的突出長度T，典型上多使用150~350μm程度。鑑此，便能獲得將平面205(前方端部213)的直徑L訂為2810μm以下這一個指標。
實施例3
實施例2中，示意了在槍尖202的突出長度T相異的條件下，在抑制器電極305設置推拔部306，藉此於軸偏離時防止電子線被彎曲之構成。實施例3中，作為其他的後退部的一例，訂為運用階梯狀的階面之構成。
圖14示意實施例3之SE電子源501的構成。實施例3中在抑制器電極305的下面設置階梯狀的階面502。亦即，將前方端部213(平面205)的直徑訂為L，而在中心軸Z的鄰近，於角部503設置θ=90°之階梯狀的階面502，而藉由角部503、階面502、平面部504來形成後退部212。階梯狀的階面502在實施例1與實施例2中，相當於將推拔部306的推拔角度θ訂為θ=90°之狀態。如上述般，軸偏離時後退部212的後退面亦即推拔部306所造出的電場，係θ愈 大則愈強。是故，比起推拔部306，藉由運用階梯狀的階面502，能夠將L增大，為其優點。另，實施例3之抑制器電極，亦能想成是具有推拔角度90°的面(階面)502與推拔角度0°的平面504之推拔形狀。
此外，階梯狀的階面502當中，在和平面205連接的角部503，會由於引出電壓而電場集中，有放電的可能性。因此，角部503亦可做倒角或圓角加工。
實施例4
實施例3中，作為在抑制器電極305設置的其他的後退面的一例，說明了運用階梯狀的階面之構成。實施例4中，作為其他的後退面的一例，訂為運用楔型形狀的面之構成。
圖15示意實施例4之SE電子源505的構成。實施例4中在抑制器電極305的下面設置楔型形狀的面506。楔型形狀的面506，在實施例1與實施例2中，相當於將推拔部306的推拔角度θ訂為θ>90°之狀態。本構成中，同樣於軸偏離時會使反向的電場產生，能夠抑制電子線的彎曲。特別是，電場會集中於楔型形狀的面506的頂點507，藉此在此處會產生許多電荷，能夠有效地抑制電子線115的彎曲。但，相反地，在頂點507會被施加比實施例3所示角部503還更大的電場，放電的可能性變得更大。因此，較佳是θ≦90°為理想。
實施例5
實施例4中，作為在抑制器電極305設置的其他的後退面的一例，說明了運用楔型形狀的面之構成。實施例5中，作為在抑制器電極305設置的其他的後退面的一例，說明了運用曲面之構成。
圖16示意實施例5之SE電子源510的構成。實施例5中在抑制器電極305的下面設置曲面511。亦即，在通過抑制器電極305的中心軸Z之截面(圖16的斜線部)，訂為具有曲線部分511之構造。以下，將此截面上的曲線部簡稱為曲線部、或曲面。此曲面511，按照其他的表現，能夠表現成和垂直於中心軸的面所夾的角(推拔角)連續性變化之曲面部分。即使後退面為曲線部(曲面)，仍是比抑制器電極的前方端部213(平面205)還於Z方向遠離槍尖202的先端之面，其係後退。其結果，軸偏離時，圖5D所示正電荷410與負電荷411會在曲面511產生，能夠藉由同樣的原理防止電子線的彎曲。實施例5的情形下的平面205的直徑L，是曲線部(曲面)511開始的位置之直徑。
曲線部(曲面)511，亦可為球或橢圓、或是任意的非球面。如上述般，曲線部(曲面)511可視為將無數個具有連續的微小角度的變化之推拔部分組合而成的面。因此，將曲線部(曲面)511上的任一位置之直徑視為新的L’，而將在該位置的斜率的角度視為新的θ’的情形下，將至少一點以上的L’與θ’涵括在圖8乃至於圖11、圖12的其中一者所示範圍內，藉此便可獲得期望的防止電子 線115彎曲之效果。曲線部(曲面)511不具有角部，因此電場集中會減緩，放電的危險性變少，為其優點。
實施例6
實施例5中，作為在抑制器電極305設置的其他的後退面的一例，說明了運用截面上的曲線部(曲面)之構成。實施例6中，作為在抑制器電極305設置的其他的後退面的一例，訂為將複數個推拔面或階面組合而成之構成。
圖17示意實施例6之SE電子源515的構成。實施例6中在抑制器電極305的下面設置推拔面516與推拔面517、及階梯狀的階面518，而做成具備具有複數個相異的推拔角的部分之構成。即使將複數個推拔面或階面、曲面組合，軸偏離時該些面也會造出反向的電場，藉此能夠防止電子線115的彎曲。反向的電場，是推拔面516與推拔面517、及階梯狀的階面518所造出的電場的和。若將各自的面的開始位置訂為L1、L2、L3，斜率的角度訂為θ1、θ2、θ3，則L1與θ1、L2與θ2、L3與θ3的組合的至少一個以上被涵括在圖8乃至於圖11、圖12所示L與θ的範圍內，藉此便可獲得期望的防止電子線彎曲之效果。另，推拔面或階面的組合，亦即更增加數量，推拔面或階面亦可被置換成曲面或楔型形狀的面。
實施例7
實施例6中，作為在抑制器電極305設置的其他的後退面的一例，說明了將複數個推拔面或階面組合而成之構成。實施例7中，作為在抑制器電極305設置的其他的後退面的一例，採用單一的推拔面之構成。
圖18示意實施例7之SE電子源520的構造。實施例7中在抑制器電極305的下面設置單一的推拔部306。此實施例7的構成中，沒有圖4所示的平面205。這在實施例1與實施例2中，相當於L=d=400μm的狀態。在此條件下，設計成使得L與θ的關係、L與突出長度T的關係滿足實施例1、實施例2記載的關係，藉此便能獲得有效抑制電子線115的彎曲之抑制器電極305。
本構成，抑制器電極305的下面的加工單純，因此能夠減低製造成本，為其優點。但，如上述般，電場會集中在推拔部306的先端521，有放電的危險性。此外，如前述般組立時難以調整槍尖202的突出長度T。除此之外，如圖9所示，必要的抑制器電壓會上昇。因此，只要其他的設計事項容許，如實施例1般設置平面205之形狀較為理想。
以上已針對本發明中的實施形態具體地說明，但本發明不限定於上述實施例，在不脫離其要旨的範圍內可為種種變形。例如，針對圖6至圖13所示之計算結果，計算條件也僅是一例，不限於此。此外，本發明是藉由抑制器電極305的形狀作用於電子線115而發揮效果。是故，本發明的實施例中的電子源101或槍尖202，不限定於 實施例中記載的SE電子源之物，亦可為CFE電子源、熱電子源、光激發電子源等相異方式的電子源或槍尖、離子源。即使是該些電子源或槍尖、離子源，藉由搭載和本發明的實施例同樣的抑制器電極，仍能獲得同樣的作用、效果。此外，槍尖202的材料不限於鎢，亦可為LaB6，CeB6、碳系材料等其他材料。此外，亦可將本發明之實施例記載之電子源使用作為照射至X光源的靶材而令X光放出的X光源。除此以外，上述實施例是為了淺顯地說明本發明而針對一例詳加說明，並非限定於具備所說明之構成。例如，作為電子顯微鏡的例子雖說明掃描電子顯微鏡(SEM)的例子，但不限定於此，亦能適用於穿透電子顯微鏡(TEM)、掃描穿透電子顯微鏡(STEM)等其他的各種電子顯微鏡、帶電粒子線裝置。針對從試料產生的訊號，亦不限於電子(二次電子、反射電子等)的情形下，亦可為檢測特性X光者。此外，作為帶電粒子線裝置，不僅電子顯微鏡，亦能適用於運用電子線的電子線描繪裝置或X光顯微鏡、CT、或是離子顯微鏡等。再者，亦可將某一實施例的一部分置換成其他實施例之構成，或於某一實施例之構成追加其他實施例之構成。此外，針對各實施例的構成的一部分，亦可追加、刪除或置換其他構成。
101:SE電子源
202:槍尖(電子放出材亦即單晶線)
204:開口部
205:平面(底面)
206:燈絲
207:端子
208:礙子
209:倒角部
210:圓筒面
212:後退部(面)
213:前方端部
214:後方端部
305:抑制器電極
306:推拔面(部)
307:角部

Claims (18)

  1. 一種電子源，其特徵為，具有：抑制器電極，在沿著中心軸的方向之一方的端部具有開口部；及電子放出材，先端從前述開口部突出；前述抑制器電極，在比前述開口部還外周方向的位置，更具備：後退部，於沿著前述中心軸的方向，後退至比前述抑制器電極的前述端部還遠離前述電子放出材的前述先端之位置，前述後退部的至少一部分，配置於從前述開口部的中心起算直徑2810μm以內，前述後退部，具備：推拔部，和垂直於前述中心軸的面所夾角度具有至少二個以上的相異角度。
  2. 如請求項1記載之電子源，其中，前述抑制器電極的前述端部為垂直於前述中心軸的平面。
  3. 如請求項2記載之電子源，其中，前述平面的直徑為720μm以上。
  4. 如請求項1記載之電子源，其中，前述後退部，具備平行於前述中心軸的部分。
  5. 如請求項1記載之電子源，其中，前述後退部，具備和垂直於前述中心軸的面所夾角度連續性變化的曲面部分。
  6. 如請求項1所述之電子源，其中，前述後退部的至少一部分，配置於從前述開口部的前 述中心起算直徑L以內，前述電子放出材，從前述開口部突出一突出長度T，前述直徑L與前述突出長度T，訂前述直徑L及突出長度T的單位皆為μm，則滿足L=3.53T+1607之關係。
  7. 一種電子源，其特徵為，具有：抑制器電極，在沿著中心軸的方向之一方的端部具有開口部；及電子放出材，先端從前述開口部突出；前述抑制器電極，在比前述開口部還外周方向的位置，更具備：後退部，於沿著前述中心軸的方向，後退至比前述抑制器電極的前述端部還遠離前述電子放出材的前述先端之位置，前述後退部的至少一部分，配置於從前述開口部的中心起算直徑2810μm以內，前述後退部，具備：推拔部，和垂直於前述中心軸的面所夾角度θ，前述推拔部的至少一部分，配置於從前述開口部的前述中心起算直徑L以內，前述直徑L與前述角度θ，訂前述直徑L單位為μm，訂前述角度θ單位為度(°)，則滿足2.40×10-7×L2+3.18×10-4×L-4.08×10-1≦logθ≦6.68×10-7×L2-2.68×10-4×L+1.08之關係。
  8. 一種電子源，其特徵為，具有： 抑制器電極，在沿著中心軸的方向之一方的端部具有開口部；及電子放出材，先端從前述開口部突出；前述抑制器電極，在比前述開口部還外周方向的位置，更具備：後退部，於沿著前述中心軸的方向，後退至比前述抑制器電極的前述端部還遠離前述電子放出材的前述先端之位置，前述後退部的至少一部分，配置於從前述開口部的中心起算直徑2810μm以內，前述後退部，具備：推拔部，和垂直於前述中心軸的面所夾角度θ，前述推拔部的至少一部分，配置於從前述開口部的前述中心起算直徑L以內，前述電子放出材，從前述開口部突出的長度比200μm還小，前述直徑L與前述角度θ，訂前述直徑L單位為μm，訂前述角度θ單位為度(°)，則滿足2.69×10-7×L2+3.64×10-4×L-2.21×10-2≦logθ≦1.27×10-6×L2-4.18×10-4×L+1.45之關係。
  9. 一種電子源，其特徵為，具有：抑制器電極，在沿著中心軸的方向之一方的端部具有開口部；及電子放出材，先端從前述開口部突出； 前述抑制器電極，在比前述開口部還外周方向的位置，更具備：後退部，於沿著前述中心軸的方向，後退至比前述抑制器電極的前述端部還遠離前述電子放出材的前述先端之位置，前述後退部的至少一部分，配置於從前述開口部的中心起算直徑2810μm以內，前述後退部，具備：推拔部，和垂直於前述中心軸的面所夾角度θ，前述推拔部的至少一部分，配置於從前述開口部的前述中心起算直徑L以內，前述電子放出材，從前述開口部突出的長度比300μm還大，前述直徑L與前述角度θ，訂前述直徑L單位為μm，訂前述角度θ單位為度(°)，則滿足2.59×10-7×L2+1.82×10-4×L-6.04×10-1≦logθ≦5.15×10-7×L2-2.29×10-4×L+8.10×10-1之關係。
  10. 一種電子槍，其特徵為，具備如請求項1至請求項9中任一項記載之電子源。
  11. 一種帶電粒子線裝置，其特徵為，具備如請求項1至請求項9中任一項記載之電子源。
  12. 一種帶電粒子線裝置，其特徵為，具備如請求項10記載之電子槍。
  13. 一種電子源，其特徵為，具有： 抑制器電極，在沿著中心軸的方向之一方的端部具有開口部；及電子放出材，先端從前述開口部突出；前述抑制器電極，在比前述開口部還外周方向的位置，更具備：後退部，於沿著前述中心軸的方向，後退至比前述抑制器電極的前述端部還遠離前述電子放出材的前述先端之位置，前述後退部，具備：推拔部，和垂直於前述中心軸的面所夾角度具有至少二個以上的相異角度。
  14. 一種電子源，其特徵為，具有：抑制器電極，在沿著中心軸的方向之一方的端部具有開口部；及電子放出材，先端從前述開口部突出；前述抑制器電極，在比前述開口部還外周方向的位置，更具備：後退部，於沿著前述中心軸的方向，後退至比前述抑制器電極的前述端部還遠離前述電子放出材的前述先端之位置，前述後退部，具備：推拔部，和垂直於前述中心軸的面所夾角度θ，前述推拔部的至少一部分，配置於從前述開口部的中心起算直徑L以內，前述直徑L與前述角度θ，訂前述直徑L單位為μm，訂前述角度θ單位為度(°)，則滿足 2.40×10-7×L2+3.18×10-4×L-4.08×10-1≦logθ≦6.68×10-7×L2-2.68×10-4×L+1.08之關係。
  15. 一種電子源，其特徵為，具有：抑制器電極，在沿著中心軸的方向之一方的端部具有開口部；及電子放出材，先端從前述開口部突出；前述抑制器電極，在比前述開口部還外周方向的位置，更具備：後退部，於沿著前述中心軸的方向，後退至比前述抑制器電極的前述端部還遠離前述電子放出材的前述先端之位置，前述後退部的至少一部分，配置於從前述開口部的中心起算直徑L以內，前述電子放出材，從前述開口部突出一突出長度T，前述直徑L與前述突出長度T，訂前述直徑L及突出長度T的單位皆為μm，則滿足L=3.53T+1607之關係。
  16. 一種電子槍，其特徵為，具備如請求項13至請求項15中任一項記載之電子源。
  17. 一種帶電粒子線裝置，其特徵為，具備如請求項13至請求項15中任一項記載之電子源。
  18. 一種帶電粒子線裝置，其特徵為，具備如請求項16記載之電子槍。
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