WO2007148507A1 - 電子源 - Google Patents

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Yoshinori Terui
Seiichi Sakawa
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Denka Co Ltd
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Denki Kagaku Kogyo KK
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    • H01J1/00—Details of electrodes, of magnetic control means, of screens, or of the mounting or spacing thereof, common to two or more basic types of discharge tubes or lamps
    • H01J1/02—Main electrodes
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    • H01J1/30—Cold cathodes, e.g. field-emissive cathode

Definitions

  • the present invention relates to an electron source that requires high-angle current density operation, such as an electron beam exposure machine, a wafer inspection device, and an electron beam LSI tester.
  • Non-Patent Document 1 In recent years, in order to obtain an electron beam with a longer life and higher brightness than a hot cathode, an electron source using a cathode in which a tungsten single crystal needle electrode is provided with a coating layer of dinoleum and oxygen has been used. (Hereinafter referred to as “ZrO / W electron source”) (see Non-Patent Document 1).
  • a ZrO / W electron source has a coating layer (hereinafter referred to as a zirconium and a diffusion source made of zirconium oxide provided on a needle-shaped cathode made of tungsten single crystal having an axial orientation of 100> orientation and diffusing dinoleconium and oxygen.
  • the ZrO coating layer is used to selectively reduce the work function of the (100) plane of the tantasten single crystal to 4.5 eV force to about 2.8 eV. Since only the fine crystal plane corresponding to the (100) plane formed at the tip of the cathode is the electron emission region, an electron beam with higher brightness than a conventional hot cathode can be obtained, and it has a long life. Have In addition, it is more stable than cold field emission electron sources and operates at a low degree of vacuum, and has the characteristics of being easy to use and use (see Non-Patent Document 2).
  • the ZrO / W electron source is a tanta-stain that emits an electron beam at a predetermined position of a tungsten filament 3 provided on a conductive terminal 4 fixed to an insulator 5.
  • the needle-like single crystal rod 1 with 100> orientation is fixed by welding or the like.
  • This single crystal rod has a sharp end by electropolishing, and this sharp end becomes an electron emission portion.
  • a part of the single crystal head 1 is provided with a diffusion source 2 of zirconium and oxygen.
  • the surface of the single crystal rod 1 is covered with a ZrO coating layer.
  • the single crystal rod 1 Since the single crystal rod 1 is energized and heated by the filament 3 and is normally used at a temperature of about 1800K, the ZrO coating layer on the surface of the single crystal rod 1 is consumed by evaporation. However, since zirconium and oxygen are diffused from the diffusion source 2 and continuously supplied to the surface of the single crystal rod 1, the ZrO coating layer is maintained as a result. [0006] The tip of the single crystal rod 1 of the ZrO / W electron source is disposed between the suppressor electrode 6 and the extraction electrode 7 (see FIG. 2).
  • a negative high voltage is applied to the single crystal rod 1, that is, the cathode, with respect to the extraction electrode 7, and a negative voltage of about several hundred volts is applied to the suppressor electrode 6 with respect to the single crystal rod 1, and the filament 3 Suppresses thermionic emission.
  • ZrO / W electron sources are used in length measurement SEMs and wafer inspection devices that are used at low acceleration voltages because the probe current is stable and the spread of energy is suppressed. Operated at an angular current density of 0.2mAZsr.
  • an electron beam exposure apparatus an electron beam LSI tester, and the like are operated at a high angular current density of about 0.4 mA / sr because of the high throughput. In applications that place importance on such throughput, operation at higher angular current density is desired, and 1. Operation at higher angular current density of OmA / sr may be required.
  • the tip of the single crystal rod has a radius of curvature from submicron to about 1 / m, and (1) at most when operating at high angular current density.
  • the angular current density of about OmA / sr is the upper limit.
  • the electric field strength at the tip of the chip where the extraction voltage applied between the cathode and the extraction electrode is larger than 4 kV is 0.4 X 10 9 It has a disadvantage that it is extremely high as ⁇ l 0 X 10 9 V / m, and the failure frequency due to arc discharge is increased (see Non-Patent Document 3).
  • a frustoconical portion having a full cone angle of 25 ° or more and 95 ° or less, and the upper surface thereof is a flat electron emission surface having a diameter of 5 ⁇ m or more and 200 ⁇ m or less.
  • An electron source comprising a cathode made of a single crystal of tantasten or molybdenum, the surface of which is coated with a metal element selected from the group 2A, 3A or 4A and an oxygen coating layer has been proposed (Patent Document 1). reference).
  • Patent Document 1 International Publication No. 2004/073010 Pamphlet
  • Non-Patent Document 1 D. Tuggle, J. Vac. Sci. Technol. 16, pl699 (1979)
  • Non-Patent Document 2 MJ Fransen, "On the Electron— Optical Properties of t he ZrO / W Schottky Electron Emitter ", ADVANCES IN IMAGIN G AND ELECTRON PHYSICS, VOL. Ill, p91—166, 1999 by Aca demic Press.
  • Non-Patent Document 3 D. W. Tuggle, J. Vac. Sci. Technol. B3 (l), p220 (1985)
  • Non-Patent Document 4 Applied Physics 71-4 (2002) 438-442
  • Non-Patent Document 5 Pro Int. Display Workshop 2003, 1219-1222
  • a tungsten filament 3 is fixed to a conductive terminal 4 brazed to an insulator 5 by spot welding (see FIG. 1).
  • a conical part 9 with a full cone angle of 2 ⁇ 20 of 90 ° is formed on one end of a 100% -oriented single crystal machined into a cylindrical shape by machining using a diamond paste and a polishing machine. Further, the apex of the conical portion 9 is polished with diamond paste to form an electron emitting portion 8 having a diameter of 15 ⁇ m, thereby forming a single crystal rod 1 (see Fig. 3).
  • the single crystal rod 1 is attached to the filament 3 by spot welding. This single crystal rod 1 functions as a cathode.
  • Zirconium hydride is pulverized and mixed with isoamyl acetate to form a paste, which is applied to a part of the single crystal rod 1. After isoamyl acetate has evaporated, it is introduced into an ultra-high vacuum apparatus. The connection Ite the device 3 10 _1 ° Ding 01 "1: (?
  • the electron source taken out from the ultra-high vacuum apparatus is incorporated into a measuring apparatus having the electrode arrangement shown in FIG.
  • the tip of the single crystal rod 1 is disposed between the suppressor electrode 6 and the extraction electrode 7.
  • the distance between the tip of the single crystal rod 1 and the suppressor electrode 6 is 0.15 mm.
  • the distance between the electrode 6 and the extraction electrode 7 is 0.8 mm, the diameter of the hole of the extraction electrode 7 is 0.8 mm, and the diameter of the hole of the suppressor electrode 6 is 0.8 mm.
  • the filament 3 is connected to a filament heating power source 17 and further connected to a cathode high voltage power source 16, and a negative high voltage is applied as an emitter voltage V to the extraction electrode 7.
  • the suppressor electrode 6 is connected to a bias power source 15, and a negative voltage and a noise voltage V are further applied to the single crystal rod 1 and the filament 3. As a result, the filament 3
  • the total emission current I from the electron source is t between the high-voltage cathode power supply 16 and ground.
  • the emitted electron beam 19 emitted from the tip of the single crystal rod 1 passes through the hole of the extraction electrode 7 and reaches the limiting electrode 11. There is an aperture 12 (small hole) in the center of the limiting electrode 11, and the probe current I passing through and reaching the cup-shaped electrode 13 is measured by the microammeter 14. The aperture 12 and the tip of the single crystal rod 1
  • Fig. 4 shows the dependence of the measured angular current density I 'and the total emission current I on the emitter voltage (Schottky).
  • the Schottky 'plot increases beyond the straight line above a certain emitter voltage (hereinafter referred to as “threshold voltage”), and it can be seen that surplus current is generated from other than the original electron emission part.
  • the surplus current When used in an electro-optical device such as a scanning electron microscope or an electron beam exposure apparatus, it causes deterioration of electro-optical characteristics such as a light source blur.
  • an electro-optical device such as a scanning electron microscope or an electron beam exposure apparatus
  • electro-optical characteristics such as a light source blur.
  • devices such as electron beam exposure equipment and electron beam LSI testers, when an electron beam on the optical axis escapes off-axis due to deflection, a large amount of off-axis excess current flows on the axis. Occurs.
  • this surplus current increases the bias voltage, or the single crystal rod 1 and the suppressor. Although it can be avoided to some extent by adjusting the geometric dimension and positional relationship of the surfer electrode 6 (see Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2006-0332195), it only increases the threshold voltage and is not an essential solution.
  • the present invention has been made with a specific problem to improve the drawbacks of the above-described known electron sources, and to provide an electron source with much less surplus current than conventional ones. With the goal.
  • the present inventor has found that the surplus current is mainly generated from the (100) crystal plane on the side surface of the single crystal rod 1.
  • the present invention is based on the above findings and has the following gist.
  • FIG. 3 is a plan view and a side view showing the shape of a single crystal rod used in a conventionally known electron source.
  • FIG. 5 Diagram showing the relationship between the shape and crystal plane of a single crystal rod used in a conventionally known electron source
  • FIG. 6 Standard projection of cubic crystal
  • FIG. 7 is a plan view and a side view showing an example of the shape of a single crystal rod according to the present invention.
  • FIG. 8 Electron emission patterns of electron sources according to examples and comparative examples
  • FIG. 9 is a diagram showing electron emission characteristics of electron sources according to Examples and Comparative Examples.
  • a tungsten single crystal of ⁇ 100> orientation is cut into a rectangular parallelepiped shape by electric discharge machining and machined to the shape of FIG. 7 by mechanical polishing.
  • the crystal orientation is examined in advance by X-ray diffraction, and in FIG. 7, the plane portion of the side surface 10 is a plane inclined by 10 ° or more, preferably 22 ° or more and 45 ° or less from the ⁇ 100 ⁇ crystal plane, more preferably ⁇ 110 ⁇ crystal plane.
  • the apex is further polished with a diamond polishing agent to remove the cache damage, and an electron emission portion 8 is provided.
  • the full angle 2 ⁇ 20 of the cone 9 is 20 to: 140 °, and the diameter of the electron emitter 8 is 2 to 200 ⁇ m.
  • the flat electron emission surface 8 formed at the end of the single crystal rod 1 falls within an angle difference of 1 ° or less from the (100) surface.
  • This single crystal rod 1 is attached by spot welding to a tungsten filament 3 attached to an insulator 5 via a conductive terminal 4 (see FIG. 1).
  • a material obtained by the zirconium hydride powder mixing one form slurry with an organic solvent and pulverized with a mortar is applied to a portion of the single crystal rod 1, of the order of 1 X 10- 6 Torr oxygen Kiri ⁇ Heating in the air thermally decomposes the hydride, and further oxidizes to form a diffusion source composed of dinoleconium oxide, and simultaneously coats the surface of the single crystal rod 1 with dinenoconium and oxygen.
  • This single crystal rod 1 is arranged between the extraction electrode 7 and the suppressor electrode 6, and a negative high voltage of several kilovolts is applied to the single crystal rod 1 with respect to the extraction electrode 7, so that the suppressor electrode 6 Electrons can be emitted by applying a negative voltage of several hundred volts to the single crystal rod 1 and energizing and heating the filament 3 to heat the single crystal rod 1 to 1500-1900K.
  • the electron source of the present invention even when operating at high angular current density, and the total emission current has about 10 beta Alpha Reliability is high because the surplus current is very low.
  • this electron source operates in a vacuum of 1 X 10 _8 Torr or less , and since tungsten is the base material, the consumption of the negative electrode is extremely small even with long-term operation. Also, even if the cathode surface is damaged by ion bombardment, it is immediately restored to a smooth surface.
  • the electron S in which the single crystal rod 1 is coated with titanium or hafnium and oxygen using the force S described as an example of dinenoconium hydride as the source of the diffusion source instead of titanium hydride or hafnium hydride. It can also be a source.
  • a diffusion source is formed by directly applying an oxide of at least one metal element selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, and lanthanoid series elements. You can also
  • a tungsten filament 3 was fixed to the conductive terminal 4 brazed to the insulator 5 by spot welding.
  • a tungsten single crystal is cut into a rectangular parallelepiped shape having a ⁇ 100> orientation in the longitudinal direction by a discharge cage, and processed into a shape shown in FIG. 7 by mechanical polishing.
  • the crystal orientation was examined using X-ray diffraction so that the plane portion of the side surface 10 was a ⁇ 110 ⁇ crystal plane.
  • An electron emitting portion 8 having a diameter of 25 ⁇ m was formed on one end of a single crystal rod 1 with a 100> orientation using diamond paste and a polishing machine.
  • tungsten single crystal was used, and a single crystal rod 1 having a cylindrical side surface shown in FIG. 3 was also prepared.
  • the diameter of the electron emission portion is 15 ⁇ m.
  • This single crystal rod 1 functions as a cathode.
  • zirconium hydride was pulverized with a mortar and mixed with isoamyl acetate to form a slurry, which was applied to a part of the single crystal rod 1.
  • the filament 3 was energized, the single crystal rod 1 was heated to 1800 K, and the hydrogenated zirconium was pyrolyzed to form metal dinoreconium.
  • oxygen gas was introduced and the inside of the device was 3 X 10_ 6
  • Metallic zirconium was oxidized as Torr (4 X 10 " 4 Pa) to form a zirconium and oxygen diffusion source 2 composed of zirconium oxide.
  • This electron source was taken out and introduced into an electron emission characteristic measuring apparatus.
  • the tip of the single crystal rod 1 is disposed between the dresser electrode 6 and the extraction electrode 7.
  • the distance between the tip of the single crystal rod 1 and the suppressor electrode 6 is 0.15 mm
  • the distance between the suppressor electrode 6 and the extraction electrode 7 is 0.8 mm
  • the diameter of the hole of the extraction electrode 7 is 0.8 mm.
  • the diameter of the hole is 0.8mm.
  • the filament 3 is connected to a filament heating power source 17 and further connected to a cathode high voltage power source 16, and a negative high voltage and an emitter voltage V are applied to the extraction electrode 7. Also,
  • the suppressor electrode 6 is connected to a bias power source 15, and a negative voltage and a bias voltage V are further applied to the single crystal rod 1 and the filament 3. As a result, heat from the filament 3
  • Total emission current I from the electron source is placed between the cathode high-voltage power supply 16 and ground t
  • the emitted electron beam 19 emitted from the electron emission portion 8 at the tip of the single crystal rod 1 passes through the hole of the extraction electrode 7 and reaches the limiting electrode 11. There is an aperture 12 (small hole) in the center of the limiting electrode 11, and the probe current I passing through and reaching the cup-shaped electrode 13 is measured by a microammeter 14. Aperture
  • the angular current density I ′ is ⁇ / ⁇ .
  • a fluorescent material is applied on the limiting electrode 11 to
  • the pattern of the release distribution can be visually observed.
  • FIG. 8 shows an electron emission pattern showing an electron emission angle distribution observed on the limiting electrode 11.
  • (A) is according to the present invention, and a circular pattern confined on the axis is observed. It was. The angular distribution was about 0.2 radians in all angles.
  • (b) in addition to the circular pattern at the center, a 4-fold symmetrical arc-shaped brightness pattern and pattern were observed. This arc-shaped pattern corresponds to the surplus current.
  • Figure 9 shows the dependence of t p on one voltage (Schottky plot).
  • the Schottky plot of the angular current density and the total emission current increases linearly even in the region where the square root of the absolute value of the emitter voltage is larger than 30, but in the comparative example, It can be seen that the surplus current component is generated with a sudden increase above 50.
  • Table 1 shows a comparison between the angular current density and the total emission current when the emitter voltage is 13600V.
  • the angular current density is high, the total emission current is suppressed to about half, and it can be understood that the surplus current is suppressed.
  • the electron source of the present invention is a highly reliable electron source that can effectively suppress the surplus current from the side surface of the single crystal rod that is an electron emitting member, and operates at a high angular current density. Therefore, it is suitable for an electron source that requires high angle current density operation, such as an electron beam exposure machine, a wafer inspection device, and an electron beam LSI tester, and is very useful industrially.

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  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

　余剰電流が従来のものより格段に少ない電子源を提供する。 　タングステンまたはモリブデンからなる＜１００＞方位の単結晶ロッドを有し、該ロッドの一端部が電子放出部８であり、また該ロッドの一部にＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、及びランタノイド系列元素からなる群から選ばれた少なくとも１種の金属元素の酸化物を拡散源として有する電子源であって、該ロッドの側面１０に該ロッドの中心軸と平行な｛１００｝面が現れていないことを特徴とする電子源。

Description

明 細 書
電子源
技術分野
[0001] 本発明は、電子線露光機、ウェハ検查装置、電子線 LSIテスターなどの高角電流 密度動作を必要とする電子源に関する。
背景技術
[0002] 近年、熱陰極よりも長寿命で、より高輝度の電子ビームを得るために、タングステン 単結晶の針状電極にジノレコニゥムと酸素の被覆層を設けた陰極を用いた電子源が 用いられている（以下「ZrO/W電子源」と記す。 ) (非特許文献 1参照）。
[0003] Zr〇/W電子源は、軸方位がく 100 >方位からなるタングステン単結晶の針状の 陰極に、酸化ジルコニウムからなる拡散源を設け、ジノレコニゥム及び酸素を拡散する ことにより被覆層（以下、「ZrO被覆層」という）を形成し、該 Zr〇被覆層によってタンダ ステン単結晶の（100)面の仕事関数を選択的に 4. 5eV力 約 2. 8eVに低下させた もので、前記陰極の先端部に形成された（100)面に相当する微小な結晶面のみが 電子放出領域となるので、従来の熱陰極よりも高輝度の電子ビームが得られ、しかも 長寿命であるという特徴を有する。また冷電界放出電子源よりも安定で、低い真空度 でも動作し、使レ、易いとレ、う特徴を有してレ、る（非特許文献 2参照）。
[0004] Zr〇/W電子源は、図 1に示すように、絶縁碍子 5に固定された導電端子 4に設け られたタングステン製のフィラメント 3の所定の位置に、電子線を放出するタンダステ ンのく 100 >方位の針状の単結晶ロッド 1が溶接等により固着されている。この単結 晶ロッドは電解研磨により先鋭端を有し、この先鋭端が電子放出部となる。単結晶口 ッド 1の一部には、ジルコニウムと酸素の拡散源 2が設けられている。図示していない が単結晶ロッド 1の表面は ZrO被覆層で覆われている。
[0005] 単結晶ロッド 1はフィラメント 3により通電加熱されて通常は 1800K程度の温度下で 使用されるので、単結晶ロッド 1表面の Zr〇被覆層は蒸発により消耗する。しかし、拡 散源 2よりジルコニウム及び酸素が拡散することにより単結晶ロッド 1の表面に連続的 に供給されるので、結果的に ZrO被覆層が維持される。 [0006] Zr〇/W電子源の単結晶ロッド 1の先端部はサプレッサー電極 6と引き出し電極 7 の間に配置され使用される（図 2参照）。単結晶ロッド 1すなわち陰極には引き出し電 極 7に対して負の高電圧が印加され、更にサプレッサー電極 6には単結晶ロッド 1に 対して数百ボルト程度の負の電圧が印加され、フィラメント 3からの熱電子放出を抑制 する。
[0007] Zr〇/W電子源は低加速電圧で用いられる測長 SEMやウェハ検查装置において は、プローブ電流が安定していて且つエネルギー幅の拡がりが抑えられるという理由 で 0.：!〜 0. 2mAZsrの角電流密度で動作される。
[0008] 一方、電子線露光装置、及び電子線 LSIテスター等においては、スループットが重 視されるために 0. 4mA/sr程度の高い角電流密度で動作される。このようなスルー プットを重視する用途では、更に高い角電流密度での動作が望まれ、 1. OmA/srも の高い角電流密度での動作が要求されることがある。
[0009] しかしながら、一般に知られている Zr〇/W電子源においては、単結晶ロッドの先 端はサブミクロンから 1 / m程度の曲率半径であり、（1)高角電流密度動作時に高々 1. OmA/sr程度の角電流密度が上限であること、 （2)この時、陰極と引き出し電極 間に印加される引き出し電圧が 4kV以上と大きぐチップ先端での電界強度が 0. 4 X 109〜l . 0 X 109V/mと著しく高くなり、アーク放電による故障頻度が高くなる、と いった欠点を有する (非特許文献 3参照)。
[0010] これらの問題点を解決するために、円錐全角が 25° 以上 95° 以下の円錐台形部 で、その上面が直径が 5 μ m以上 200 μ m以下の平坦な電子放出面であって、タン ダステンまたはモリブデンの単結晶からなり、その表面が 2A、 3Aまたは 4A族から選 ばれた金属元素と酸素の被覆層により被覆される陰極を具備する電子源が提案され ている（特許文献 1参照）。
[0011] また、 Zr〇/W電子源におけるジルコニウムに替わる元素としてスカンジウム、バリ ゥム、イットリウムなどの元素が知られている（非特許文献 4、非特許文献 5参照）。 特許文献 1：国際公開第 2004/073010号パンフレット
非特許文献 1 : D. Tuggle, J. Vac. Sci. Technol. 16, pl699 (1979)
非特許文献 2 : M. J. Fransen, "On the Electron— Optical Properties of t he ZrO/W Schottky Electron Emitter", ADVANCES IN IMAGIN G AND ELECTRON PHYSICS, VOL. Ill, p91— 166, 1999 by Aca demic Press.
非特許文献 3 : D. W. Tuggle、 J. Vac. Sci. Technol. B3 (l) , p220 (1985) 非特許文献 4 :応用物理 第 71卷 第 4号 （2002) 438-442
非特許文献 5 : Pro Int. Display Workshop 2003, 1219 - 1222
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0012] しかし、このような従来公知の電子源は余剰電流が大きい問題点がある。以下製造 方法も含めて詳細に説明する。
[0013] まず、絶縁碍子 5にロウ付けされた導電端子 4にタングステン製のフィラメント 3をス ポット溶接により固定する（図 1参照）。次に機械加工により円柱状に加工したタンダ ステン製く 100 >方位の単結晶の一端部に、ダイヤモンドペーストと研磨盤を用いて 円錐部全角 2 Θ 20が 90° の円錐部 9を形成し、更に円錐部 9の頂点をダイヤモンド ペーストで研磨して直径 15 μ mの電子放出部 8を形成して単結晶ロッド 1とする（図 3 参照）。
[0014] この単結晶ロッド 1を前記フィラメント 3にスポット溶接により取り付ける。この単結晶 ロッド 1は陰極として機能する。
[0015] 水素化ジルコニウムを粉砕して酢酸イソァミルと混合しペースト状にしたものを単結 晶ロッド 1の一部に塗布する。酢酸イソァミルが蒸発した後、超高真空装置に導入す る。続ぃて装置内を3 10_1°丁01"1：(4 10_8?&)の超高真空中としてフィラメント3に 通電して単結晶ロッド 1を 1800Kに加熱し、水素化ジルコニウムを熱分解して金属ジ ルコニゥムとする。続いて酸素ガスを導入して装置内を 3 X 10_6Torr (4 X 10_4Pa) として金属ジルコニウムを酸化し、酸化ジルコニウムからなるジルコニウムと酸素の拡 散源 2を形成する。
[0016] 超高真空装置から取り出した電子源を図 2に示す電極配置を有する測定装置に組 込む。単結晶ロッド 1の先端はサプレッサー電極 6と引き出し電極 7との間に配置され る。尚、単結晶ロッド 1の先端とサプレッサー電極 6の距離は 0. 15mm,サプレッサー 電極 6と引き出し電極 7の距離は 0. 8mm、引き出し電極 7の孔の直径は 0. 8mm、 サプレッサー電極 6の孔の直径は 0. 8mmである。
[0017] フィラメント 3はフィラメント加熱用電源 17に接続され、更に陰極用高圧電源 16に接 続され、引き出し電極 7に対して負の高電圧がェミッタ一電圧 Vとして印加される。ま
E
た、サプレッサー電極 6はバイアス電源 15に接続され、単結晶ロッド 1とフィラメント 3 に対して更に負の電圧、ノ ィァス電圧 Vが印加される。これによりフィラメント 3からの
S
熱電子放出を遮る。電子源からの全放出電流 Iは、陰極用高圧電源 16とアース間に t
置かれた電流計 18により測定される。単結晶ロッド 1の先端から放出した放出電子線 19は引き出し電極 7の孔を通過して、制限電極 11に到達する。制限電極 11の中央 にはアパーチャ一 12 (小孔）があり、通過してカップ状電極 13に到達したプローブ電 流 Iは微小電流計 14により測定される。なおアパーチャ一 12と単結晶ロッド 1の先端
P
との距離と、アパーチャ一 12の内径から算出される立体角を ωとすると角電流密度 I
Ρ
'は I / ωとなる。
Ρ
[0018] 続ぃて測定装置内を3 10_ 1°丁011" (4 10_8?&)の超高真空中として、単結晶口 ッドを 1700Kまたは 1800Kに維持したままサプレッサー電極にバイアス電圧 V = - s
300Vの電圧を印加し、続いてェミッタ一電圧 V =— 3600Vの高電圧を印加して数
E
時間保持し、放出電流が安定したところで全放出電流 Iとプローブ電流 Iを測定する t p
[0019] 図 4に、測定した角電流密度 I 'と全放出電流 Iのェミッタ一電圧依存性（ショットキ
P t
一'プロット）を示す。ショットキー'プロットはあるエミッター電圧（以下、「閾値電圧」と 記す）以上で直線からはずれて増加し、本来の電子放出部以外からの余剰電流が 発生していることが分かる。
[0020] 余剰電流は走查型電子顕微鏡や電子線露光装置といった電子光学機器に用いた 場合、光源がぼけるなどの電子光学特性を劣化させる原因となる。また、電子線露光 装置や電子線 LSIテスターといった機器においては、光軸上の電子ビームを偏向に より軸外へ逃がす際に、軸外の多量の余剰電流が軸上に流れ込むとレ、つた不都合 が生じる。
[0021] また、この余剰電流はバイアス電圧を大きくする、或いは、単結晶ロッド 1とサプレツ サー電極 6の幾何寸法や位置関係を調整することによりある程度回避される（特開 20 06— 032195号公報参照）が、閾値電圧が大きくなるだけであり、本質的な解決とは ならない。
[0022] 本発明は、以上のような公知技術の電子源の有する欠点を改善することを具体的 課題としてなされたもので、余剰電流が従来のものより格段に少ない電子源を提供す ることを目的とする。
課題を解決するための手段
[0023] 本発明者は、余剰電流の発生源を鋭意検討した結果、余剰電流は、単結晶ロッド 1 の側面の（100)結晶面から主として発生することを見いだした。
すなわち、図 5に単結晶ロッドの形状と結晶方位の関係を示すように、 < 100 >方 位の単結晶ロッドが円柱状であるため、ロッドの側面の一部の 4つの領域部分に（10 0)面が段差状に現れる。この領域部分は図 5に於いては太い曲線で示めされる。そ して、余剰電流が大きくなるのは、（100)面が ZrO吸着層に覆われて仕事関数が低 下することにより、（100)面からなる平坦部 9と同様に電子が出やすくなつたことに起 因していることが見い出だされた。なお、図 6には立方晶の標準投影図が併せて示め される。
本発明は、上記の知見に基づくものであり、以下の要旨を有するものである。
(1)タングステンまたはモリブデンからなるく 100 >方位の単結晶ロッドを有し、該ロ ッドの一端部が電子放出部であり、かつ該ロッドの一部に Ca、 Sr、 Ba、 Sc、 Y、 La、 Ti、 Zr、 Hf、及びランタノイド系列元素からなる群から選ばれた少なくとも 1種の金属 元素の酸化物を拡散源として有する電子源であって、該ロッドの側面に該ロッドの中 心軸と平行な { 100 }面が現れてレ、なレ、ことを特徴とする電子源。
(2)前記ロッドの側面が、複数の平面、又は複数の平面と曲面からなる上記（1)に記 載の電子源。
(3)前記ロッドの側面力 該ロッドの中心軸と平行な { 100}面から 10° 以上傾斜した 平面からなる上記（1)又は（2)に記載の電子源。
(4)前記ロッドの側面が { 100}面から 22〜45° 傾斜した平面からなる上記（3)に記 載の電子源。 (5)前記ロッドの側面が { 110}面からなる上記（1)〜（4)のいずれかに記載の電子 源。
(6)前記電子放出部が平坦面からなり、該平坦面の（100)結晶面との角度差が 1° 以内である上記（1)〜（5)のいずれかに記載の電子源。
(7)前記電子放出部を構成する平坦面の直径が 2〜200 μ mである上記（6)に記載 の電子源。
(8)前記電子放出部が球面の一部からなる上記（1)〜（5)のレ、ずれかに記載の電子 源。
(9)前記ロッドの端部に円錐部を有し、該円錐部の頂上に電子放出部を有する上記 (1)〜（8)のレ、ずれかに記載の電子源。
(10)前記円錐部の全角 2 Θ力 ¾0〜： 140° である上記（9)に記載の電子源。
発明の効果
[0024] 本発明によれば、余剰電流は単結晶ロッドの側面 10に仕事関数が低レ、 { 100 }結 晶面が露出することにより発生する。よって本発明に於いては、ロッドの幾何形状に ついて側面 10に { 100}結晶面が現れないようにしているので、余剰電流を抑えるこ と力できる。その結果、高角電流密度で動作し、信頼性の高い電子源を提供できる。 図面の簡単な説明
[0025] [図 l]Zr〇/W電子源の構造図
[図 2]電子源の電子放出特性の測定装置の構成図
[図 3]従来公知の電子源に用いられる単結晶ロッドの形状を示す平面図および側面 図
[図 4]従来公知の電子源の電子放射特性を示す図
[図 5]従来公知の電子源に用いられる単結晶ロッドの形状と結晶面との関係を示す図 [図 6]立方晶の標準投影図
[図 7]本発明に係る単結晶ロッドの形状の一例を示す平面図および側面図
[図 8]実施例、比較例に係る電子源の電子放出パターン
[図 9]実施例、比較例に係る電子源の電子放射特性を示す図
符号の説明 [0026] 1：単結晶ロッド、 2：拡散源、 3：フィラメント、 4：導電端子、 5：絶縁碍子、 6：サブレツ サー電極、 7 :引き出し電極、 8 :電子放出部、 9 :円錐部、 10 :側面、 11 :制限電極、 12 :アパーチャ一、 13 :カップ状電極、 14 :微小電流計、 15 :バイアス電源、 16 :陰 極用高圧電源、 17 :フィラメント加熱用電源、 18 :電流計、 19 :放出電子線、 20 :円 錐部全角 2 Θ
発明を実施するための最良の形態
[0027] 本発明の具体的な実施態様を、ジルコニウム酸化物を拡散源とした場合を例にとつ て以下に説明する。
[0028] < 100 >方位のタングステン単結晶を放電加工により直方体形状に切り出し機械 研磨により図 7の形状に加工する。この時予めエックス線回折により結晶方位を調べ ておき、図 7においては側面 10の平面部が { 100}結晶面から 10° 以上、好ましくは 22° 以上 45° 以内に傾斜した平面、更に好ましくは { 110}結晶面とする。
[0029] 頂点は更にダイヤモンド研磨剤により研磨してカ卩ェ損傷を取り除き電子放出部 8を 設ける。円錐部 9の全角 2 Θ 20は 20〜： 140° で電子放出部 8の直径は 2〜200 μ m とする。また、単結晶ロッド 1の端部に形成された平坦な電子放出面 8は（100)面と 1 ° 以内の角度差に収める。
[0030] この単結晶ロッド 1を絶縁碍子 5に導電端子 4を介して取り付けられたタングステン 製のフィラメント 3にスポット溶接により取り付ける（図 1参照）。
[0031] 引き続いて水素化ジルコニウム粉末を乳鉢により粉砕して有機溶剤と混合しスラリ 一状にしたものを単結晶ロッド 1の一部に塗布して、 1 X 10— 6Torr程度の酸素雰囲 気中で加熱して水素化物を熱分解し、更に酸化して酸化ジノレコニゥムからなる拡散 源を形成すると同時に、ジノレコニゥムと酸素で単結晶ロッド 1の表面を被覆する。
[0032] この単結晶ロッド 1を引き出し電極 7とサプレッサー電極 6の間に配置して、引き出し 電極 7に対して単結晶ロッド 1に数キロボルトの負の高電圧を印加し、サプレッサー電 極 6には単結晶ロッド 1に対して数百ボルトの負の電圧を印加すると共にフィラメント 3 を通電加熱して単結晶ロッド 1を 1500〜1900Kに加熱することにより電子放出が行 える。
[0033] 本発明の電子源は、高い角電流密度で動作しても、全放出電流が数 10 β Α程度と 低ぐ余剰電流が極めて低いため信頼性が高い。またこの電子源は 1 X 10_8Torr以 下の真空中で動作し、タングステンが母材となっているため長期の動作によっても陰 極の消耗が極めて小さく特性の変化が少ない。また、陰極表面がイオン衝撃により荒 らされても直ぐに平滑な表面に修復する。
[0034] なお、拡散源の原料として水素化ジノレコニゥムを例にとって説明した力 S、替わりに水 素化チタンまたは水素化ハフニウムを用いて、チタンまたはハフニウムと酸素で単結 晶ロッド 1を被覆した電子源とすることもできる。また、 Ca、 Sr、 Ba、 Sc、 Y、 La、 Ti、 Z r、 Hf、及びランタノイド系列元素からなる群から選ばれた少なくとも 1種の金属元素 の酸化物を直接塗布して拡散源を形成することもできる。
実施例
[0035] (実施例、比較例）
絶縁碍子 5にロウ付けされた導電端子 4にタングステン製のフィラメント 3をスポット溶 接により固定した。
[0036] タングステン単結晶を放電カ卩ェにより長手方向が < 100 >方位となる直方体形状 に切り出し、機械研磨により図 7の形状に加工する。なおエックス線回折を用いて結 晶方位を調べて側面 10の平面部が { 110}結晶面となるようにした。く 100 >方位の 単結晶ロッド 1の一端部をダイヤモンドペーストと研磨盤を用いて直径 25 μ mの電子 放出部 8を形成した。
また、比較例として、タングステン単結晶を使用し、図 3に示す側面が円柱状の単 結晶ロッド 1も作成した。なお比較例の単結晶ロッド 1では電子放出部の直径は 15 μ mである。
[0037] これらの単結晶ロッド 1をそれぞれ前記フィラメント 3にスポット溶接により取り付けた
。この単結晶ロッド 1は陰極として機能する。
[0038] 次に水素化ジルコニウムを乳鉢により粉砕して酢酸イソァミルと混合しスラリー状に したものを単結晶ロッド 1の一部に塗布した。
[0039] 酢酸イソァミルが蒸発した後、超高真空装置に導入し 3 X 10_ 1°Torr (4 X 10_8Pa
)としてフィラメント 3に通電して単結晶ロッド 1を 1800Kに加熱し、水素化ジルコニゥ ムを熱分解して金属ジノレコニゥムとした。更に酸素ガスを導入して装置内を 3 X 10_6 Torr (4 X 10"4Pa)として金属ジルコニウムを酸化し、酸化ジルコニウム力ら成るジル コニゥムと酸素の拡散源 2を形成した。
[0040] この電子源を取り出し、電子放出特性測定装置に導入した。単結晶ロッド 1の先端 はサブレッサー電極 6と引き出し電極 7との間に配置される。尚、単結晶ロッド 1の先 端とサプレッサー電極 6の距離は 0. 15mm,サプレッサー電極 6と引き出し電極 7の 距離は 0. 8mm、引き出し電極 7の孔の直径は 0. 8mm、サプレッサー電極 6の孔の 直径は 0. 8mmである。
[0041] フィラメント 3はフィラメント加熱用電源 17に接続され、更に陰極用高圧電源 16に接 続され、引き出し電極 7に対して負の高電圧、ェミッタ一電圧 Vが印加される。また、
E
サプレッサー電極 6はバイアス電源 15に接続され、単結晶ロッド 1とフィラメント 3に対 して更に負の電圧、バイアス電圧 V、が印加される。これによりフィラメント 3からの熱
S
電子放出を遮る。電子源からの全放出電流 Iは陰極用高圧電源 16とアース間に置 t
かれた電流計 18により測定される。単結晶ロッド 1の先端部の電子放出部 8から放出 した放出電子線 19は引き出し電極 7の孔を通過して、制限電極 11に到達する。制限 電極 11の中央にはアパーチャ一 12 (小孔）があり、通過してカップ状電極 13に到達 したプローブ電流 Iは微小電流計 14により測定される。なおアパーチャ
P 一 12と単結 晶ロッド 1の先端との距離と、アパーチャ一 12の内径から算出される立体角を ωとす ると角電流密度 I 'は Ιρ/ ωとなる。また制限電極 11上には蛍光材を塗布して電子
Ρ
放出分布のパターンが目視により観察できるようにした。
[0042] この測定装置内を3 10_1°丁。1：1" (4 10_8?&)の超高真空中として、単結晶ロッド
1を 1800Kに維持してサプレッサー電極 6にバイアス電圧 V =— 300Vの電圧を印
s
加して、ェミッタ一電圧 V = _ 3600Vの高電圧を印加して数時間保持し、放出電流
E
が安定したところで蛍光材を塗布した制限電極 11上のパターンを観察した。また全 放出電流 Iと角電流密度 I 'のェミッタ一電圧依存性を測定した。
t P
[0043] 本発明による電子源と、円柱形状の側面のロッドを有する比較例の電子源との電子 放出特性の比較を以下に示す。
[0044] 制限電極 11上で観察される電子放出角度分布を示す電子放出パターンを図 8に 示した。 （a)が本発明によるものであり円状で軸上に閉じこめられたパターンが観察さ れた。角度分布は全角で約 0. 2ラジアンであった。一方、比較例では (b)に示すよう に中心の円状のパターンに加え 4回対称で弧状の明るレ、パターンが観察された。こ の弧状のパターンが余剰電流に相当する。
[0045] 次に全放出電流 Iと角電流密度 I 'のェミッタ
t p 一電圧依存性 (ショットキー ·プロット） を図 9に示す。本発明による電子源ではェミッタ一電圧の絶対値の平方根が 30よりも 大きな領域においても角電流密度と全放出電流のショットキー 'プロットは直線的に 増加してレ、るが、比較例では概略 50以上で急増して余剰電流成分が発生しているこ とがわかる。
[0046] 表 1にェミッタ一電圧が一 3600Vの時の角電流密度と全放出電流の比較を示した 。比較例に対し、実施例においては、角電流密度が高いにも拘らず、全放出電流が 約半分に抑制されており、余剰電流の抑制に効果があることが判る。
[表 1]
Figure imgf000012_0001
産業上の利用可能性
[0047] 本発明の電子源は、電子放出部材である単結晶ロッドの側面からの余剰電流を効 果的に抑制することができ、高角電流密度で動作して信頼性の高い電子源であるの で、電子線露光機、ウェハ検査装置、電子線 LSIテスターなどの高角電流密度動作 を必要とする電子源に用いて好適であり、産業上非常に有用である。
[0048] なお、 2006年 6月 19日に出願された日本特許出願 2006— 168665号の明細書 、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開 示として、取り入れるものである。
訂正された用紙 (規則 ¾>

Claims

請求の範囲
[1] タングステンまたはモリブデンからなるく 100 >方位の単結晶ロッドを有し、該ロッド の一端部が電子放出部であり、かつ該ロッドの一部に Ca、 Sr、 Ba、 Sc、 Y、 La、 Ti、 Zr、 Hf、及びランタノイド系列元素からなる群から選ばれた少なくとも 1種の金属元素 の酸化物を拡散源として有する電子源であって、該ロッドの側面に該ロッドの中心軸 と平行な { 100 }面が現れてレ、なレ、ことを特徴とする電子源。
[2] 前記ロッドの側面が、複数の平面、又は複数の平面と曲面からなる請求項 1に記載 の電子源。
[3] 前記ロッドの側面が、該ロッドの中心軸と平行な { 100}面から 10° 以上傾斜した平 面からなる請求項 1又は 2に記載の電子源。
[4] 前記ロッドの側面が { 100}面から 22〜45° 傾斜した平面からなる請求項 3に記載 の電子源。
[5] 前記ロッドの側面が { 110}面からなる請求項 1〜4のいずれか一項に記載の電子 源。
[6] 前記電子放出部が平坦面からなり、該平坦面の（100)結晶面との角度差が 1° 以 内である請求項 1〜5のいずれか一項に記載の電子源。
[7] 前記電子放出部を構成する平坦面の直径が 2〜200 μ mである請求項 6に記載の 電子源。
[8] 前記電子放出部が球面の一部からなる請求項 1〜5のいずれか一項に記載の電子 源。
[9] 前記ロッドの端部に円錐部を有し、該円錐部の頂上に電子放出部を有する請求項
：!〜 8のいずれか一項に記載の電子源。
[10] 前記円錐部の全角 2 Θが 20〜： 140° である請求項 9に記載の電子源。
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