WO2015004981A1 - 電子銃および電子顕微鏡 - Google Patents

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lens
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大西　崇
渡辺　俊一
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株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
    • H01J37/06—Electron sources; Electron guns
    • H01J37/073—Electron guns using field emission, photo emission, or secondary emission electron sources
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    • H01J2237/14—Lenses magnetic

Definitions

  • the present invention relates to an electron gun and an electron microscope, and more particularly, to a cold cathode field emission (Cold-FE) electron gun that generates a high-intensity electron beam and an electron microscope equipped with the Cold-FE electron gun.
  • Cold-FE cold cathode field emission
  • An electron microscope is an observation device that uses an electron beam to obtain an enlarged image of a sample and information on constituent elements.
  • An electron microscope mainly includes an electron gun, an electron optical system, a sample holder, a detector, a control device, and a power supply unit.
  • An electron gun is a device that generates an electron beam.
  • the electron optical system is a device that transports and emits electrons generated by an electron gun to a sample.
  • the electron optical system also plays a role of converging and deflecting an electron beam by an electromagnetic lens.
  • the sample holder is a device that fixes a substance to be observed, that is, a sample, on an electron beam path in the electron optical system and moves it as necessary.
  • the electron gun and the electron optical system are maintained in a vacuum in order to pass an electron beam without colliding with air molecules, and are equipped with a vacuum exhaust device for that purpose.
  • the electron beam irradiated on the sample is called “probe electron”.
  • the probe electrons generate reflected electrons, secondary electrons, transmitted electrons, scattered electrons, X-rays, and the like by interaction with atoms constituting the sample.
  • the detector is a device that measures these electrons and X-rays.
  • the control device analyzes the information obtained by the detector and processes, displays or records the magnified image of the sample and the elemental composition of the sample in a state that is easy to see for the operator.
  • the control device is also responsible for controlling the power supply.
  • the power supply unit is a device for supplying electric power necessary for the operation of the electron gun, the electron optical system, the detector, etc., and for performing precise control over the operation of the electron gun, the electron optical system, and the detector.
  • the role played by the electron gun is large in order to obtain a more accurate sample magnified image and sample composition element analysis result using an electron microscope.
  • the electron gun generates electrons used for observation as free electrons in a vacuum.
  • the principle of electron generation differs depending on the type of electron gun.
  • the electron gun is generated as a group of electrons having kinetic energy, that is, an electron beam, by accelerating electrons by a potential difference.
  • the electron dose per unit time generated by the electron source is called the emission current.
  • a part of the emission current is extracted by a diaphragm to obtain probe electrons.
  • the probe electron dose per unit time is called a probe current.
  • the probe electron beam In order to obtain information on the detailed structure of the sample, the probe electron beam needs to be as narrow as possible.
  • the minimum radius of the probe electron beam on the sample is called “spot diameter”. In general, as the spot diameter is smaller, information on the detailed structure of the sample can be obtained.
  • spot diameter In general, as the spot diameter is smaller, information on the detailed structure of the sample can be obtained.
  • the sample information is obtained by the reaction of probe electrons with the atoms of the sample, in order to obtain a large amount of information in a short time, it is desirable that the probe current per unit time be as large as possible.
  • Luminance is defined as the basic performance of an electron gun. Luminance is defined as the amount of current per unit area per unit solid angle of the probe electron beam. The brightness of the electron beam generated by the electron gun is an important performance that determines the limits of the spot diameter and the probe current, and has a value mainly governed by the electron beam generation principle of the electron gun.
  • the cold cathode field emission (Cold-FE) electron gun is an electron gun having high brightness, and uses a tungsten single crystal whose tip is sharply sharpened by electric field polishing as an electron source.
  • an extraction electrode is placed close to the electron source and an extraction voltage of several kilovolts is applied between the electron source and the extraction electrode, electric field concentration occurs at the tip of the electron source and a high electric field is generated.
  • Electron emission by field emission occurs.
  • the emitted electron dose that is, the emission current is determined by the extraction voltage and the radius of curvature of the tip of the electron source.
  • the extraction voltage decreases when the radius of curvature of the tip of the electron beam source is small.
  • the radius of curvature at the tip of the electron source is large, a high extraction voltage is required to obtain an equivalent emission current.
  • ⁇ Cold-FE electron gun has very high brightness because the radius of curvature at the tip of the electron source is small and a small region of ⁇ 5nm can be assumed as the electron source.
  • the energy width of the generated electron beam is relatively small because it is not necessary to heat the cathode for field emission as compared with other electron sources. This means that electrons generated by the Cold-FE electron gun are not easily affected by aberrations (chromatic aberration) of the electron optical system due to variations in electron energy.
  • the magnetic field immersion type Cold-FE electron gun is not a Butler type electrostatic lens but a magnetic field lens that converges an electron beam by a magnetic field around the electron source.
  • a magnetic field lens is used instead of the electrostatic lens, the electron beam generated by the electron gun has a shorter focus and lower aberration.
  • the advantage of adopting the magnetic field immersion type Cold-FE electron gun is that even if a large current is taken out as a probe, the luminance is not lowered due to the aberration of the electron gun.
  • the electron source in the magnetic lens has a smaller aberration and a greater advantage.
  • a magnetic lens When a magnetic lens is installed in the vicinity of the electron source, many use a permanent magnet as the magnetic field generation principle of the magnetic lens. This is because it is technically difficult to install an electromagnet in the vicinity of the electron source and to introduce an electric current therefor due to the nature of the electron gun apparatus in which the electron source is usually placed under a high voltage. In addition, the electromagnet coil generates heat, and this heat has the drawback of worsening the vacuum near the electron source. If a permanent magnet is adopted as the magnetic field generation principle of the magnetic lens, no power source is required and no heat is generated.
  • the electron beam is extracted from the electron source by the extraction electrode and accelerated to the extraction electrode potential.
  • the electron beam is most affected by the magnetic lens.
  • the virtual light source position is a convergence position of the electron beam in the electron gun in this case, and there are a case where it can be downstream from the electron source (real light source) and a case where it can be upstream (virtual light source). Since the electron optical system has a function of converging and projecting the light source existing at the virtual light source position of the electron gun onto the sample, it is necessary to compensate for the change in the virtual light source position by adjusting the electron optical system.
  • the extraction voltage is a voltage dependently determined by a given emission current and the radius of curvature of the electron source tip, and therefore changes depending on the shape change of the electron source tip.
  • the extraction voltage changes due to unavoidable changes in the physical shape of the tip of the electron source, so the electron gun and electron optics are readjusted to compensate for the moved virtual light source position, and It is necessary to make adjustments so that the focus is correctly adjusted.
  • this adjustment is difficult with a permanent magnet.
  • Patent Document 2 shows a method in which the extraction voltage is made constant for a long time by using a getter pump and flushing together.
  • the method using the getter pump and the flushing cannot compensate for the change in the position of the virtual light source due to the change in the radius of curvature of the tip of the electron source little by little over a long period of time.
  • the method of changing the electron source position and the magnetic field position physically moves the component device accurately, and therefore requires a precise and expensive moving mechanism. Since the electric field lens has larger aberration than the magnetic field lens, the high luminance of the immersion electron gun is impaired. Since an electromagnetic lens requires an electric current for operation, it is technically difficult to install an electromagnet by introducing an electric current in the vicinity of an electron source due to the nature of an electron gun apparatus that is usually placed under a high voltage. In addition, the electromagnet coil has the drawback of generating heat and worsening the vacuum near the electron source.
  • the present invention provides a field emission electron gun and an electron microscope equipped with the same, and even when the extraction voltage is changed during observation, the focal length of the electron gun does not change, and the readjustment of the electron gun and the electron optical system is facilitated.
  • Another object of the present invention is to provide an electron gun and an electron microscope that can improve the observation efficiency (throughput).
  • the present invention has the following configuration.
  • a field emission electron gun a field emission electron having a magnetic field lens using a permanent magnet which is set to an adjustment potential different from an extraction voltage potential and is provided with a variable adjustment potential to an electron source gun.
  • the field emission electron gun of the present invention has a function that can easily and quickly maintain the position of the virtual light source by electrical adjustment even if the extraction voltage is changed. There is no need for adjustment, and the sample can be observed while maintaining certain conditions.
  • the figure which shows the electron microscope which is an Example of invention The figure which shows an example of the Example of invention
  • the figure which represented the electron beam orbit typically by comparing the magnetic field distribution of an electron source and a magnetic lens, and the position of electron beam energy.
  • the figure which represented the electron beam orbit typically by comparing the magnetic field distribution of an electron source and a magnetic lens, and the position of electron beam energy.
  • the figure which represented the electron beam orbit typically by comparing the magnetic field distribution of an electron source and a magnetic lens, and the position of electron beam energy.
  • the figure which represented the electron beam orbit typically by comparing the magnetic field distribution of an electron source and a magnetic lens, and the position of electron beam energy.
  • the figure which represented the electron beam orbit typically by comparing the magnetic field distribution of an electron source and a magnetic lens, and the position of electron beam energy.
  • the figure which represented the electron beam orbit typically by comparing the magnetic field distribution of an electron source and a magnetic lens, and the position of electron beam energy.
  • Fig. 1 shows an electron microscope equipped with a magnetic field immersion type Cold-FE electron gun.
  • the electron microscope includes an electron gun 1, an electron optical system 2, a sample holder 3, a detector 4, a control device 5, and a power supply unit 6.
  • the electron gun 1 and the electron optical system 2 have vacuum evacuation devices 11 and 21, respectively.
  • vacuum evacuation devices 11 and 21 respectively.
  • the electron gun 1 generates an electron beam 10.
  • the electron optical system 2 converges and deflects the electron beam 10 and irradiates the sample 31.
  • the sample holder 3 holds the sample 31 and moves, tilts and exchanges as necessary.
  • the detector 4 measures reflected electrons, secondary electrons, transmitted electrons, scattered electrons, X-rays, etc. generated from the sample 31.
  • the power supply unit 6 supplies power to the electron gun 1 and the electron optical system 2, adjusts the output, and controls the electron beam to a state requested by the operator. Moreover, the information from the detector 4 is converted into a digital signal.
  • the control device 5 controls the electron gun 1 and the electron optical system 2 through the power supply system 6, processes information from the detector 4 by the power supply system 6, and displays or records it in a form visible to the operator.
  • the power supply system 6 is divided into a control / detection system power supply 61 and an electron gun power supply 62.
  • FIG. 2 shows the details of the structure of the magnetic field immersion type Cold-FE electron gun 1 which is an embodiment of the present invention.
  • the electron gun 1 includes an electron source 101 (cold cathode field emission electron source), an extraction electrode 103, and an acceleration tube 105.
  • the electron gun 1 is connected to an electron gun power source 62 and is given a high potential.
  • An extraction voltage (V 1 ) of several kilovolts is applied to the extraction electrode 103 by an extraction power source 621.
  • a strong electric field is generated at the tip of the electron source 101 due to the potential difference between the extraction electrode 103 and the electron source 101 and due to the sharply pointed tip shape of the electron source 101. Due to this electric field, the electrons emitted from the electron source 101 based on the principle of field emission are initially accelerated by the potential difference between the electron source 101 and the extraction electrode 103 and are converged by the magnetic field generated by the first magnet lens 120. .
  • the electron beam converged by the first magnet lens 120 then enters the acceleration tube 105.
  • the acceleration tube 105 includes a plurality of intermediate electrodes 104, 106, 107, 108, and 109, and the adjustment electrode 104 is supplied with a voltage V 2 from the adjustment power source 622. Due to the potential difference V 2 ⁇ V 1 between the extraction electrode 103 and the adjustment electrode 104, the electron beam is accelerated to the energy V 2 and passes through the second magnet lens 121.
  • the magnetic field generated by the second magnet lens 121 has a function of focusing the electron beam. Thereafter, the electron beam converged by the second magnet lens 121 is further accelerated while passing through the intermediate electrodes 106, 107, 108 and 109 provided in the acceleration tube 105.
  • the electron source 101, the extraction electrode 103, and the adjustment electrode 104 are under a high voltage of several hundred kilovolts by the acceleration power source 623 (V 0 ).
  • the anode 110 is at ground potential and is at zero potential.
  • the electron beam is accelerated by this potential difference, and the electrons passing through the anode aperture 110 are electron beams having V 0 energy.
  • the two magnet lenses 120 and 121 will be described with reference to FIG.
  • the solid line indicates the axial magnetic field intensity
  • the dotted line indicates the trajectory of the primary electron beam
  • the alternate long and short dash line indicates the kinetic energy of the electron beam. Note that the trajectory of the dotted primary electron beam is described with emphasis on variations from the optical axis, and actually passes through the vicinity of the optical axis without colliding with the optical system. The same applies to FIGS. 4-6.
  • the first magnet lens 120 is a magnetic field lens generated using a permanent magnet.
  • the magnetic lens generates an axial magnetic field with a bell-shaped intensity on the central axis of the electron gun on which the electron source is placed, in a direction parallel to the axis, but this acts as a magnetic lens that converges the electron beam. To converge. Since the electron source is placed in a magnetic field, the effect of the magnetic lens on the electron beam is increased (when the electron source is raised) or weakened (the electron source is turned off) by moving the relative position of the magnetic lens and the electron source up and down. Can be adjusted). The electron source may be moved up and down, or the magnetic lens may be moved up and down.
  • the second magnet lens 121 is a magnetic field lens incorporating a permanent magnet. Similar to the first magnet lens 120, a magnetic field parallel to the axis is generated on the central axis.
  • the magnet lens is given a potential of V 2 by a high-voltage power supply and functions as an adjustment electrode.
  • An example of the strength of the magnetic field generated by the first magnet lens and the second magnet lens is shown by the solid line in FIG.
  • the solid line indicates the magnetic field on the optical axis created by the first magnet lens 120 and the second magnet lens 121 including positive and negative, the vertical axis indicates the position on the optical axis, and the horizontal axis indicates the axial magnetic field strength. It is described as.
  • the extraction electrode 103 Since the extraction electrode 103 has a potential of V 1 with respect to the electron source, the electron beam that has passed through the extraction electrode has a kinetic energy of V 1 . Further, since the adjustment electrode has a potential of V 2, the electron beam approaching the adjustment electrode is accelerated or decelerated, given the kinetic energy of V 2 , passes through the first magnet lens 121, and the second magnet lens 121 is generated. It is converged by the on-axis magnetic field. Here, the convergence force varies depending on the kinetic energy V 2 of the electron beam.
  • the energy of the electron beam accelerated by the extraction electrode and the adjustment electrode is shown by a one-dot chain line in FIG.
  • the trajectory of the electron beam becomes a trajectory like the dotted line (emphasized) in FIG.
  • the electron beam is converged by the first magnet lens 120 and the second magnet lens 121, and the convergence force is the energy of the electron beam when passing through the magnetic field created by each lens (approximately V 1 and V 2 , respectively). ) Will change.
  • the extraction voltage V 1 is dependent on the radius of curvature of the electron beam source tip and the desired emission current, and therefore cannot be freely changed.
  • the adjustment voltage V 2 is a parameter that can be adjusted to obtain a desired convergence force. That is, the convergence force second magnet lens 121 has can be increased or decreased by a device coordinator by V 2 (or controller).
  • the device adjuster gives the necessary V 2 for the given V 1 or obtains it by calculation, or the control device refers to a pre-recorded numerical table, or a predetermined virtual light source position is obtained.
  • To provide an electron gun which provides a constant convergence force regardless of the value of the extraction voltage V 1 by providing a mechanism for automatically measuring V 2 and forms a virtual light source position at a desired position. Can do.
  • V 2 when the adjustment voltage (V 2 ) is adjusted in the direction of decreasing, the energy with which the electron beam passes through the second magnet lens also decreases, so that the convergence force of the electron beam in the second magnet lens increases (focal point). The distance will be shorter).
  • V 2 the adjustment voltage
  • the convergence force of the electron beam in the second magnet lens increases (focal point). The distance will be shorter).
  • FIG. 4 shows a decrease in V 2 when V 1 increases, a change in electron beam trajectory, and the like. Compared with FIG. 3, as a result of the increase in V 1 , the convergence force at the first magnet lens is reduced. Instead, the convergence position (virtual light source position) of the electron beam is not changed because V 2 is decreased and the convergence force at the second magnet lens is increased.
  • the electron gun provided with the permanent magnet lens described above may have a structure in which the first permanent magnet lens 120 that places the electron beam source in the magnetic field does not exist.
  • FIG. 5 shows a conceptual diagram when the electron beam source is not placed in a magnetic field.
  • the convergence force of the first magnet lens 120 does not exist, and the electron beam has a virtual light source position due to the convergence effect by an electric field (not shown) and the convergence force of the second magnet lens 121.
  • the virtual light source position can be adjusted to a desired position regardless of the value of the extraction voltage V 1 .
  • the shape of the second magnet lens 121 is opened upward, the shape of the first magnet lens 120 is opened downward, or the first magnet lens 120 and the second magnet lens 121 are the same.
  • the functions of the first magnet lens 120 and the second magnet lens 121 can be assigned to one magnet lens.
  • FIG. 6 shows a structure in which, for example, the shape of the second magnet lens 121 is opened upward.
  • the magnetic field of the second magnet lens 121 at the adjustment electrode potential V 2 can be extended to the vicinity of the electron source 101.
  • the electron beam emitted from the electron source is initially converged by the magnetic field created by the second magnet lens 121 in the vicinity of the electron source, and then converged by the magnetic field created near the adjustment electrode potential.
  • focusing force in the vicinity of the adjustment electrode potential can be adjusted by the potential V 2 of the magnetic field lens 121, after all, it is possible to adjust the focusing force by V 2.
  • the aberration can be reduced with a single permanent magnet lens.
  • the virtual light source position can be adjusted to a desired position regardless of the value of the extraction voltage V 1 .
  • FIG. 7 shows a structure in which, for example, the shape of the first magnet lens 120 is opened downward.
  • the magnetic field of the first magnet lens 120 at the extraction potential V 1 can be extended to the vicinity of the adjustment electrode 104.
  • the electron beam emitted from the electron source is initially converged by the magnetic field created by the first magnet lens 120 in the vicinity of the electron source, and then converged by the magnetic field created near the adjustment electrode potential.
  • focusing force in the vicinity of the adjustment electrode potential can be adjusted by the potential V 2 of the adjustment electrodes 104, after all, it is possible to adjust the focusing force by V 2.
  • the aberration can be reduced with a single permanent magnet lens.
  • the virtual light source position can be adjusted to a desired position regardless of the value of the extraction voltage V 1 .
  • an electron beam converging mechanism that has less aberration and can form a virtual light source position at a desired position compared to a conventional magnetic field immersion type Cold-FE electron gun.
  • An electron gun can be provided.
  • this invention can be used also for charged particle beam apparatuses other than an electron microscope.
  • Electron gun 10 Electron beam 11
  • Electron gun evacuation apparatus 101 Electron source 102 Filament 103
  • Extraction electrode 104 Adjustment electrode 105 Acceleration tube 106 Intermediate electrode 107 Intermediate electrode 108 Intermediate electrode 109 Intermediate electrode 110
  • Anode 120 First magnet lens 121 Second magnet lens 2
  • Electron optical system 21 Electron optical system evacuation device 3
  • Sample holder 31 Sample 4 Detector 5
  • Control device 6 Power supply unit 61
  • Control / detection system power supply 62 Electron gun power supply 621
  • Acceleration power supply 624 Filament heating power supply

Abstract

本発明は、電界放出型電子銃及びそれを備える電子顕微鏡において、観察中に引出電圧を変更した場合、電子銃の焦点距離が変化せず、電子銃や電子光学系の再調整を容易にし、観察効率（スループット）を向上することが出来る電子銃及び電子顕微鏡を提供することである。上記の課題に鑑み、本発明は以下の構成を有する。電界放出電子銃において、引出電圧電位とは別の調整電位におかれ、電子源（１０１）に対して、可変の調整電位が与えられた永久磁石を用いた磁場レンズ（１２１）を有することを特徴とする電界放出電子銃。

Description

電子銃および電子顕微鏡
　本発明は、電子銃および電子顕微鏡に関し、特に高輝度な電子線を発生する冷陰極電界放出型（Cold-FE）電子銃およびこのCold-FE電子銃を備えた電子顕微鏡に関する。
　電子顕微鏡は電子線を用いて試料の拡大像や構成元素の情報を得る観察装置である。電子顕微鏡はおもに、電子銃、電子光学系、試料ホルダ、検出器、制御装置、電源部の各部からなる。
　電子銃は電子線を生成する装置である。電子光学系は、電子銃で発生した電子を試料に輸送し照射する装置である。電子光学系はまた、電子線を電磁レンズにより収束し、また偏向する役割も担っている。試料ホルダは、観察対象となる物質すなわち試料を、電子光学系内の電子線通路上に固定し、必要に応じて移動させる装置である。電子銃、電子光学系は、空気分子と衝突することなく電子線を通過させるために内部が真空に保たれており、そのための真空排気装置を備えている。
　試料に照射された電子線を「プローブ電子」と呼ぶ。プローブ電子は、試料を構成する原子との相互作用により、反射電子、二次電子、透過電子、散乱電子、Ｘ線等を発生する。検出器は、これらの電子やＸ線を計測する装置である。
　制御装置は、検出器で得られた情報を解析し、試料の拡大像や、試料の元素組成として、オペレーターに見やすい状態に処理し、表示しまたは記録する。制御装置はまた、電源部を制御する役割を担う。
　電源部は、電子銃、電子光学系、検出器等の動作に必要な電力を供給するとともに、電子銃、電子光学系、検出器の動作について、精密な制御を行うための装置である。
　電子顕微鏡を用いて、より精密な試料拡大像や試料の組成元素分析結果を得るために、電子銃の果たす役割は大きい。
　電子銃は、観察に用いる電子を、真空中の自由電子として生成する。電子の生成原理は電子銃の種類によって異なる。電子銃は、電子を電位差により加速することで、運動エネルギーを持つ電子の群すなわち電子線として発生する。
　電子源が発生した単位時間あたりの電子線量をエミッション電流と呼ぶ。エミッション電流の一部を絞りによって取り出し、プローブ電子を得る。単位時間あたりのプローブ電子線量をプローブ電流と呼ぶ。試料の詳細構造に関する情報を得るためには、プローブ電子線は、できるだけ細く絞られたものである必要がある。プローブ電子線の試料上における最小半径を「スポット径」と呼ぶ。スポット径が小さいほど、一般には試料の詳細な構造に関する情報が得られる。上記のように、試料の情報はプローブ電子が試料の原子と反応することによって得られるため、短時間で多くの情報を得るためには、時間あたりのプローブ電流がなるべく多いことが望ましい。
　プローブ電流をより多く取るための方法として、電子線を制限する絞りの径を大きくする方法がある。これは、エミッション電流のうち、光軸（電子線の仮想的な中心軸として定義される軸）と比較的大きな角度をなすものを新たにプローブ電子として取り込むことに相当する。しかしながら、大角度で放出された電子線は、電子銃や電子光学系が持つ電磁レンズの収差の影響を大きく受け、結果として試料上で細く絞りこむことができなくなり、スポット径が大きくなる。このため、上の二つの要請、スポット径の極小化と、プローブ電流の増大は、通常、相反する関係にある。
　電子銃の持つ基本的な性能として「輝度」が定義される。輝度は、プローブ電子線の単位立体角あたり単位面積あたりの電流量として定義される。電子銃の発生する電子線の輝度は、スポット径とプローブ電流の限界を決める重要な性能であり、主として、電子銃の電子線発生原理により支配される値を持つ。
　次に、冷陰極電界放出型（Cold-FE）電子銃について説明する。冷陰極電界放出型（Cold-FE）電子銃は、高い輝度を持つ電子銃であり、電子源として、先端を電界研磨によって鋭く尖らせたタングステン単結晶を利用している。電子源に近接して引出電極を置き、電子源と引出電極の間に数キロボルトの引出電圧を印加すると、電子源の先端部に電界集中が起き、高い電界が発生するため、電子源先端から電界放出による電子放射が起きる。放射される電子線量すなわちエミッション電流は、引出電圧と電子源先端部の曲率半径によって定まる。ある一定のエミッション電流を装置利用上の要求条件として与えたとき、電子線源先端部の曲率半径が小さい場合に引出電圧は低くなる。一方、電子源先端部の曲率半径が大きい場合には同等のエミッション電流を得るために高い引出電圧を要する。
　電子源先端部の曲率半径が小さく、電子源として～5nmの小さな領域を仮定することができるため、Cold-FE電子銃は非常に高い輝度を持つ。また、他の電子源に比べ、電界放出にあたり陰極を加熱する必要がないため、生成される電子線のエネルギー幅は相対的に小さい。これは、Cold-FE電子銃によって発生される電子が、電子エネルギーのばらつきによる電子光学系の収差（色収差）の影響を受けにくいということである。
　Cold-FE電子銃において、より高輝度、大電流を得るために利用される電子銃形式のひとつとして、磁場界浸型Cold-FE電子銃がある。磁場界浸型Cold-FE電子銃は、バトラー型等の静電レンズではなく、磁場によって電子線を収束する磁場レンズを電子源周辺に設けたものである。静電レンズの代わりに磁場レンズを用いると、電子銃が生成する電子線が、より短焦点で、より低収差なものとなる。磁場界浸型Cold-FE電子銃を採用する利点は、大電流をプローブとして取り出しても、電子銃の収差による輝度低下を引き起こさない点である。特許文献１に示すように、電子源が磁場レンズの中にあるもののほうが、収差は小さく、利点はより大きい。
　電子源近傍に磁場レンズを設置する場合、磁場レンズの磁場発生原理として、永久磁石を用いるものが多く採用されている。これは、電子源が通常高電圧下に置かれる電子銃装置の性質上、電子源付近に電磁石を設置し、そのために電流を導入することが技術的に困難であるからである。また、電磁石のコイルは熱を発生し、この熱が電子源付近の真空を悪化させる欠点がある。磁場レンズの磁場発生原理として永久磁石を採用すれば、電源は不要であるし、熱も発生しない。
特開平02-297852号公報 特開2011-243541号公報
　一方、磁場界浸型Cold-FE電子銃において、電子線の収束に永久磁石を用いると、電子線の収束位置を容易に変えられないという難点が生じる。これは、永久磁石を用いて作った磁場レンズは、磁場の強さが一定であり、電子線を収束させる、磁場レンズとしての強さも一定であるからである。
　電子線は、引出電極によって電子源から引き出され、引出電極電位まで加速されるが、磁場界浸型電子銃において電子線が磁場レンズの影響を最も強く受けるのは、この電子源と引出電極の間の初期加速段階である。したがって、磁場界浸型電子銃の発生する電子線の光学要素は、引出電圧により大きく変化する。
　変化する電子光学要素の一例として、仮想光源位置がある。仮想光源位置とは、この場合電子銃における電子線の収束位置であり、電子源よりも下流側にできる場合（実光源）と、上流側にできる場合（虚光源）がある。電子光学系は、電子銃の仮想光源位置に存在する光源を試料上に収束投影する機能を持つため、仮想光源位置の変化は電子光学系の調整によって補う必要がある。
　ここで引出電圧は、上記のように、所与のエミッション電流と電子源先端部の曲率半径によって従属的に決まる電圧であるので、電子源先端部の形状変化により変化する。要するに、電子源先端部の物理的形状変化など、避けられない条件の変化により引出電圧が変化するので、移動した仮想光源位置を補うよう、電子銃および電子光学系の再調整を行い、試料上に正しく焦点を結ぶよう調整を行う必要が生じる。しかし、永久磁石ではこの調整を行うことは困難である。
　この調整を不要ないし最小にとどめるために、特許文献２においては、ゲッターポンプとフラッシングを併用して長時間引出電圧を一定にする方式を示した。また、他の方法として磁場中での電子源位置を変化させたり、磁場位置を変化させたり、また電場レンズ、電磁レンズによりレンズ効果を変化させ、仮想光源位置を一定に調整せしめる方法がある。
　しかし、ゲッターポンプとフラッシングを用いる方法は、長時間にわたり少しずつ電子源先端部の曲率半径が変化することによる仮想光源位置の変化を補えない。電子源位置や磁場位置を変化させる方法は、物理的に構成装置を正確に移動させるため、精密で高価な移動機構が必要となる。電場レンズは磁場レンズに比べて収差が大きいため、界浸型電子銃が持つ高い輝度を損なうことになる。電磁レンズは動作に電流が必要となるため、通常高電圧下に置かれる電子銃装置の性質上、電子源付近に電流を導入し、電磁石を設置することに技術的な困難を伴う。また、電磁石のコイルは熱を発生し、電子源付近の真空を悪化させる欠点がある。
　本発明は、電界放出型電子銃及びそれを備える電子顕微鏡において、観察中に引出電圧を変更した場合も、電子銃の焦点距離が変化せず、電子銃や電子光学系の再調整を容易にし、観察効率（スループット）を向上することが出来る電子銃及び電子顕微鏡を提供することである。
　上記の課題に鑑み、本発明は以下の構成を有する。電界放出電子銃において、引出電圧電位とは別の調整電位におかれ、電子源に対して、可変の調整電位が与えられた永久磁石を用いた磁場レンズを有することを特徴とする電界放出電子銃。
　本発明の電界放出型電子銃は、引出電圧を変化させても電気的な調整で簡単かつ高速に仮想光源位置を保つことができる機能を持つため、長期間にわたる使用においても電子光学系の再調整が必要なく、一定の条件を保ったまま試料の観察を行うことができる。
発明の実施例である電子顕微鏡を示す図 発明の実施例の一例を示す図 発明の実施例において、電子源と磁場レンズの磁場分布、電子線エネルギーの位置を比較し、電子線軌道を模式的に表した図 発明の実施例において、電子源と磁場レンズの磁場分布、電子線エネルギーの位置を比較し、電子線軌道を模式的に表した図 発明の実施例において、電子源と磁場レンズの磁場分布、電子線エネルギーの位置を比較し、電子線軌道を模式的に表した図 発明の実施例において、電子源と磁場レンズの磁場分布、電子線エネルギーの位置を比較し、電子線軌道を模式的に表した図 発明の実施例において、電子源と磁場レンズの磁場分布、電子線エネルギーの位置を比較し、電子線軌道を模式的に表した図
　以下、図面を用いて本発明を説明する。
　図１に、磁場界浸型Cold-FE電子銃を備えた電子顕微鏡を示す。電子顕微鏡は、電子銃１、電子光学系２、試料ホルダ３、検出器４、制御装置５、電源部６を持つ。図１において、電子銃１と電子光学系２は、それぞれ真空排気装置１１、２１を持っているが、電子顕微鏡の規模によっては、真空排気装置を一系統のみ備えている場合もあり、またより多数に細分化された多数の真空排気装置を備える場合もある。
　電子銃１は電子線１０を発生する。電子光学系２は電子線１０を収束、偏向させ、試料３１に照射する。試料ホルダ３は試料３１を保持し、必要に応じて移動、傾斜、交換する。
　検出器４は、試料３１から発生した反射電子、二次電子、透過電子、散乱電子、Ｘ線等を計測する。電源部６は、電子銃１、電子光学系２に電源を供給するとともに、出力を調整し、電子線をオペレーターが要求する状態に制御する。また、検出器４からの情報をデジタル信号に変換する。
　制御装置５は、電源系６を通して電子銃１、電子光学系２を制御するとともに、検出器４からの情報を電源系６により処理し、オペレーターに見える形で表示または記録する。図では電源系６を制御・検出系電源６１と、電子銃電源６２に分けた。
　図２に、本発明の実施例である、磁場界浸型Cold-FE電子銃１の構造の詳細を示す。電子銃１は、電子源１０１（冷陰極電界放出電子源）、引出電極１０３、加速管１０５を備え、電子銃電源６２と接続され、高い電位が与えられている。引出電極１０３には、引出電源６２１により数キロボルトの引出電圧（Ｖ1）が印加される。引出電極１０３と電子源１０１との電位差のため、また電子源１０１のするどく尖った先端形状により、電子源１０１の先端部には強い電場が発生する。この電場により、電子源１０１より電界放出の原理に基づき放出された電子は、電子源１０１と引出電極１０３との電位差によって初期的に加速されながら、第一磁石レンズ１２０がつくる磁場により収束される。
　第一磁石レンズ１２０により収束された電子線は、次に加速管１０５に入る。加速管１０５は、複数の中間電極１０４、１０６、１０７、１０８、１０９を備えており、調整電極１０４は調整電源６２２によりＶ2の電圧が与えられている。引出電極１０３と調整電極１０４の電位差Ｖ2－Ｖ1により、電子線はエネルギーＶ2まで加速され、第二磁石レンズ１２１を通過する。第二磁石レンズ１２１がつくる磁場は、電子線を収束する働きを持つ。第二磁石レンズ１２１により収束された電子線は、以後、加速管１０５内に備えられた中間電極１０６、１０７、１０８、１０９を通過しつつさらに加速される。電子源１０１、引出電極１０３、調整電極１０４は、加速電源６２３によって数百キロボルトの高電圧下にある（Ｖ0）。陽極１１０は接地電位であり、ゼロ電位である。この電位差により電子線が加速され、陽極絞り１１０を通過した電子はＶ0のエネルギーを持った電子線となっている。
　図３を用いて、２つの磁石レンズ１２０、１２１について説明する。図において、実線は軸上磁場強度、点線は一次電子線の軌道、一点鎖線は電子線の運動エネルギーを示したものである。なお、点線の一次電子線の軌道は、光軸からの変動を強調して記載したものであり、実際には、光軸近傍を光学系に衝突することなく通過するものである。以下、図４－６においても同様である。
　第一磁石レンズ１２０は、永久磁石を用いて生成した磁場レンズである。磁場レンズは電子源が置かれた電子銃の中心軸上にベル型の強度を持った軸上磁界を軸と平行な方向に発生するが、これが電子線を収束させる磁場レンズとして働き、電子線を収束させる。電子源は磁場中に置かれているので、磁場レンズと電子源の相対位置を上下させることによって、電子線におよぼす磁場レンズの効果は強く（電子源を上げた場合）または弱く（電子源を下げた場合）調整することができる。電子源を上下させてもよいし、または磁場レンズを上下させてもよい。
　一方、第二磁石レンズ１２１は、永久磁石を内蔵した磁場レンズである。第一磁石レンズ１２０と同様に中心軸上に軸と平行な磁場を発生する。また、磁石レンズは高圧電源によりＶ2の電位を与えられ、調整電極として機能する。第一磁石レンズと第二磁石レンズによって発生された磁場の強さの例を図３の実線で示す。
　実線は、第一磁石レンズ１２０及び第二磁石レンズ１２１で作成される光軸上の磁場を正負を含めて示したものであり、縦軸を光軸上の位置、横軸を軸上磁場強度として記載したものである。
　引出電極１０３は電子源に対しＶ1の電位を持つため、引出電極を通過した電子線はＶ1の運動エネルギーを持つ。また、調整電極がＶ2の電位を持つため、調整電極に近づく電子線は加速または減速され、Ｖ2の運動エネルギーを与えられ、第一磁石レンズ１２１を通過し、第二磁石レンズ１２１が生成する軸上磁場により収束される。ここでこの収束力は電子線の運動エネルギーＶ2によって異なる。図３の一点鎖線で引出電極、調整電極により加速された電子線のエネルギーを示した。
　結局、電子線の軌道は、図３の点線（強調されている）のような軌道となる。電子線は第一磁石レンズ１２０と第二磁石レンズ１２１により収束されるが、その収束力は、それぞれのレンズがつくる磁場を通過するときの電子線のエネルギー（それぞれ概略Ｖ1、Ｖ2となる）によって変化することになる。
　上で述べたように、引出電圧Ｖ1は電子線源先端部の曲率半径と所望のエミッション電流により従属的に決まるため、自由に変更できない。しかし、調整電圧Ｖ2は所望の収束力が得られるよう、調整することができるパラメーターである。すなわち、第二磁石レンズ１２１が持つ収束力はＶ2により装置調整者（または制御装置）により増減可能である。与えられたＶ1に対し必要なＶ2を装置調整者が与えるか、または計算により求めるか、あるいはあらかじめ記録された数表を制御装置が参照するか、もしくは所定の仮想光源位置となるようにＶ2を自動的に測定する機構を設けることで、引出電圧Ｖ1がどのような値であっても一定の収束力を与え、仮想光源位置を所望の位置に形成する電子銃を提供することができる。
　たとえば、装置使用中、電子源の先端部の曲率半径が増大したとする。このとき、電子源からの放射電流量を同一量確保するためには、曲率半径増大前よりも引出電圧（Ｖ1）を上昇させる必要がある。このとき、第一磁石レンズと第二磁石レンズの形成する磁場は変化しないが、第一磁石レンズを通過するときの電子線のエネルギーが、Ｖ1の上昇に伴い増大する。ここで、第一磁石レンズの焦点距離は、1／√V1に比例するので、第一磁石レンズの収束力は減少する（焦点距離が長くなる）。
　ここで、調整電圧（Ｖ2）を低下させる方向に調整すると、電子線が第二磁石レンズを通過するエネルギーも低下するため、第二磁石レンズ中での電子線の収束力は増大する（焦点距離が短くなる）。収束力の増減に応じて、電子線の仮想光源位置も上下するが、Ｖ2をＶ1の上昇分を補うように選ぶことで、Ｖ1の増大に際しても、仮想光源位置が変化しないようにすることができる。
　図４に、Ｖ1が増大した場合のＶ2の減少と、電子線軌道の変化等について示した。図３に比べ、Ｖ1が上昇した結果、第一磁石レンズでの収束力は減っている。かわりにＶ2を減少させ、第二磁石レンズでの収束力を増したので、電子線の収束位置（仮想光源位置）は変化していない。
　以上で示した永久磁石レンズを備えた電子銃は、電子線源を磁場中に置く第一の永久磁石レンズ１２０が存在しない構造とすることもできる。
　図５に電子線源を磁場中に置いていない場合の概念図を示す。この場合、第一磁石レンズ１２０の収束力は存在せず、電子線は図示されていない電場による収束作用と、第二磁石レンズ１２１の収束力によって仮想光源位置を持つ。この場合も、電子線収束の大部分を永久磁石レンズで行うことで、磁石レンズがない場合に比べ、収差の少ない電子銃を提供することができる。また、調整電極電位Ｖ2を調整することで、引出電圧Ｖ1がどのような値であっても、仮想光源位置を所望の位置に調整することができる。
　また、第二磁石レンズ１２１の形状を上に開いたものにするか、第一磁石レンズ１２０の形状を下に開いたものとするか、または第一磁石レンズ１２０と第二磁石レンズ１２１を同一の磁路を共有する形状とすることで、第一磁石レンズ１２０と第二磁石レンズ１２１の機能を一つの磁石レンズに担わせることができる。
　図６に、たとえば第二磁石レンズ１２１の形状を上に開いた構造を示す。調整電極電位Ｖ2においた第二磁石レンズ１２１の磁場を、電子源１０１付近まで伸ばすことができる。このようにすることで、電子源を出た電子線はまず第二磁石レンズ１２１が電子源付近につくる磁場により初期的に収束され、そののちに調整電極電位付近につくる磁場によって収束される。調整電極電位付近の収束力は磁場レンズ１２１の電位Ｖ2によって調整できるので、結局、収束力をＶ2により調整することができる。このような形状とすることで、永久磁石レンズが１つで収差を少なくすることができる。かつ引出電圧Ｖ1がどのような値であっても、仮想光源位置を所望の位置に調整することができる。
　図７に、たとえば第一磁石レンズ１２０の形状を下に開いた構造を示す。引出電位Ｖ1においた第一磁石レンズ１２０の磁場を、調整電極１０４付近まで伸ばすことができる。このようにすることで、電子源を出た電子線はまず第一磁石レンズ１２０が電子源付近につくる磁場により初期的に収束され、そののちに調整電極電位付近につくる磁場によって収束される。調整電極電位付近の収束力は調整電極１０４の電位Ｖ2によって調整できるので、結局、収束力をＶ2により調整することができる。このような形状とすることで、永久磁石レンズが１つで収差を少なくすることができる。かつ引出電圧Ｖ1がどのような値であっても、仮想光源位置を所望の位置に調整することができる。
　これらの実施例で記載された実施態様によれば、従来の磁場界浸型Cold-FE電子銃に比べ、収差が少なく、また所望の位置に仮想光源位置を形成できる電子線収束機構を備えた電子銃を提供することができる。結果として、電子銃および電子光学系の再調整頻度を少なくし、安定的で効率のよい（スループットの高い）観察が可能となる電子銃、および電子顕微鏡を提供することができる。
　なお、本発明は電子顕微鏡以外の荷電粒子線装置にも用いることが出来る。
　１　　　電子銃
　１０　　電子線
　１１　　電子銃真空排気装置
　１０１　電子源
　１０２　フィラメント
　１０３　引出電極
　１０４　調整電極
　１０５　加速管
　１０６　中間電極
　１０７　中間電極
　１０８　中間電極
　１０９　中間電極
　１１０　陽極
　１２０　第一磁石レンズ
　１２１　第二磁石レンズ
　２　　　電子光学系
　２１　　電子光学系真空排気装置
　　３　　　試料ホルダ
　３１　　試料
　４　　　検出器
　５　　　制御装置
　６　　　電源部
　６１　　制御・検出系電源
　６２　　電子銃電源
　６２１　引出電源
　６２２　調整電源
　６２３　加速電源
　６２４　フィラメント加熱電源

Claims (8)

  1. 　電界放出電子銃において、
    　引出電圧電位とは別の調整電位におかれ、電子源に対して、可変の調整電位が与えられた永久磁石を用いた磁場レンズを有すること
    　を特徴とする電界放出電子銃。
  2. 　請求項１の電界放出電子銃において、
    　電子源を磁場内に配置するための永久磁石を備えた第一の磁場レンズを有することを特徴とする電界放出電子銃。
  3. 　請求項１の電界放出電子銃において、
    　引出電圧の変化に応じて前記磁石レンズの電極に印加する調整電位を自動的に調整すること
    　を特徴とする電界放出電子銃。
  4. 　請求項１の電界放出電子銃において、
    　前記磁場レンズの磁極が電子源の方向に開放されていること
    を特徴とする電界放出電子銃。
  5. 　電界放出電子銃を備えた荷電粒子線装置において、
    　電子源に対して、可変の調整電位が与えられた永久磁石を用いた磁場レンズを有すること
    　を特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 　請求項５の荷電粒子線装置において、
    　電子源を磁場内に配置するための永久磁石を備えた第一の磁場レンズを有すること
    　を特徴とする荷電粒子線装置。
  7. 　請求項５の荷電粒子線装置において、
    　引出電圧の変化に応じて前記磁石レンズの電極に印加する電圧を自動的に調整すること　を特徴とする荷電粒子線装置。
  8. 　荷電粒子線装置において、
    電子源を磁場内に配置するための永久磁石を備えた磁場レンズを有し、この磁場レンズの磁場が、電子源に対する電位を可変できる調整電極の位置まで伸びており、前記調整電極に印加する電圧を調整することにより所望の位置に一次電子線を収束させること
    　を特徴とする荷電粒子線装置。
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