WO2025013142A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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heater
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neg
particle beam
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修平 石川
崇 大西
憲史 谷本
隆 土肥
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Hitachi High Tech Corp
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    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/002—Cooling arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam device.
  • a charged particle beam device is a device that generates an observation image of a sample by irradiating the sample with a charged particle beam such as an electron beam and detecting secondary electrons, transmitted electrons, reflected electrons, X-rays, etc. emitted from the sample.
  • a high-brightness electron source charged particle source
  • CFE cold field emission
  • a CFE electron source emits an electron beam (charged particle beam) by concentrating an electric field at the tip of a sharpened single crystal (tip). If residual gas in the vacuum adheres to the tip of the tip, the amount of emitted current becomes unstable. For this reason, it is necessary to lower the pressure around the electron source (charged particle source) (increase the degree of vacuum).
  • the electron source (charged particle source) is mounted in an electron gun (vacuum vessel) with the inside kept at a vacuum.
  • a non-evaporable getter (NEG) material may be installed as a method of lowering the pressure inside the vacuum vessel. Unlike conventional evaporable getters, NEG material does not evaporate and retains its original shape even when heated (activated) in a vacuum. Once activated, the NEG material begins to adsorb and store gases, and has a vacuum exhaust effect when returned to room temperature.
  • Patent Document 1 discloses an electron microscope equipped with NEG material near the extraction electrode.
  • Patent Document 1 gives insufficient consideration to the activation temperature of the NEG material.
  • the activation temperature of the NEG material is above a certain temperature, the vacuum exhaust effect does not occur and the pressure cannot be reduced.
  • a stable electron beam charged particle beam
  • the electron source charged particle source
  • the present invention aims to provide a compact charged particle beam device that improves the activation temperature by efficiently heating the NEG material.
  • the charged particle beam device comprises a vacuum vessel, a charged particle source including a single crystal needle, a filament connected to the single crystal needle, and an insulator that holds the filament, a non-evaporative getter material, an extraction electrode, a first vacuum chamber in which the charged particle source and the non-evaporative getter material are arranged and which is inside the extraction electrode, a heater for heating the non-evaporative getter material, a second vacuum chamber in which the heater and the extraction electrode are arranged and which has a higher pressure than the first vacuum chamber, and a heat absorption plate connected to the extraction electrode and arranged opposite the heater, the heater and the non-evaporative getter material being arranged in that order in the direction in which the charged particle beam is emitted from the charged particle source, and the non-evaporative getter material being arranged in the first vacuum chamber and the heater being arranged in the second vacuum chamber.
  • the present invention provides a compact charged particle beam device that stabilizes the emission current by improving the activation temperature of the NEG material and efficiently reducing the pressure around the electron source (charged particle source).
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the overall configuration of a scanning electron microscope, which is an example of a charged particle beam device.
  • 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a configuration of a CFE electron source and its periphery according to a first embodiment.
  • 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the effect of the heat absorption plate of Example 1 in improving the heating efficiency of the NEG material.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the effect of the emissivity of the extraction electrode of Example 1 in improving the heating efficiency of the NEG material.
  • FIG. FIG. 13 is a diagram showing an example of the effect of the heat absorption plate of Example 1 in improving the heating efficiency of the NEG material.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of the effect of the heat absorption plate of Example 1 in stabilizing the current of the electron beam.
  • FIG. A schematic cross-sectional view showing an example of a configuration in which the heat reflector of Example 2 improves the heating efficiency of the NEG material.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an example of an enlarged portion of the configuration of the NEG material of Example 1.
  • a charged particle beam device is a device that irradiates a sample with a charged particle beam such as an electron beam, detects secondary electrons, transmitted electrons, reflected electrons, X-rays, etc. emitted from the sample, and generates an observation image of the sample.
  • a charged particle beam such as an electron beam
  • a scanning electron microscope is a device that irradiates an electron beam 101 onto a sample 102, detects secondary electrons and reflected electrons emitted from the sample 102, and generates an observation image of the sample 102. It is equipped with a mirror body 103 and a sample chamber 104, which keep the inside vacuum.
  • the mirror body 103 is connected to a ground potential.
  • the inside of the mirror body 103 is divided from the top into a first vacuum chamber 105, a second vacuum chamber 106, a third vacuum chamber 107, and a fourth vacuum chamber 108.
  • An aperture through which the electron beam 101 passes is arranged in the center of the electrode separating the vacuum chambers, and differential pumping is performed.
  • the pressure in each of the vacuum chambers 105, 106, 107, and 108 is higher in the lower vacuum chamber (vacuum chamber closer to the sample chamber 104). Below, each of the vacuum chambers 105, 106, 107, and 108 and the sample chamber 104 will be described.
  • the first vacuum chamber 105 is a space inside the extraction electrode 203, and is evacuated by the NEG material 201.
  • the pressure in the first vacuum chamber 105 is the lowest among the other vacuum chambers 106, 107, and 108, and is evacuated to an extremely high vacuum region of the order of 1 ⁇ 10 ⁇ 9 Pa to 1 ⁇ 10 ⁇ 10 Pa or less.
  • a CFE electron source 202 is disposed in the first vacuum chamber 105, and an extraction electrode 203 is disposed to surround it.
  • An acceleration power supply 114 is connected to the two pins of the CFE electron source 202 via a flashing power supply 110, and a negative acceleration voltage is normally applied relative to the ground potential supplied by the acceleration power supply 114.
  • a suppressor power supply 124 is connected to the suppressor of the CFE electron source 202.
  • the extraction electrode 203 has a cup shape and separates the first vacuum chamber 105 and the second vacuum chamber 106.
  • An extraction power supply 109 is connected to the extraction electrode 203, and a positive extraction voltage is applied relative to the negative acceleration voltage applied to the two pins of the CFE electron source 202. When the extraction voltage is applied to the extraction electrode 203, an electron beam 101 is emitted from the CFE electron source 202.
  • the flushing power supply 110 applies a voltage of several volts added to the negative acceleration voltage to one of the two pins, creating a potential difference of several volts between the two pins, and a pulse current is applied to the filament to heat it to about 2000°C (flushing).
  • This flushing operation removes residual gas adsorbed to the CFE electron source 202 and resets the unstable time change in emission current.
  • the first vacuum chamber 105 and the second vacuum chamber 106 are differentially evacuated, so there is a difference of several orders of magnitude in pressure between them. The details of the CFE electron source 202 and its surrounding configuration will be described later using Figure 2.
  • the second vacuum chamber 106 is a space surrounded by the electron gun vacuum vessel 121 and the acceleration electrode 113 outside the extraction electrode 203, and is connected to the pipe 120.
  • the pipe 120 has an ion pump 111 and an auxiliary NEG pump 112 at the end, and the second vacuum chamber 106 is evacuated to a vacuum.
  • the pressure in the second vacuum chamber 106 is an ultra-high vacuum region of about 1 ⁇ 10 ⁇ 7 Pa to 1 ⁇ 10 ⁇ 9 Pa.
  • the acceleration electrode 113 is disposed in the second vacuum chamber 106, and is isolated from the third vacuum chamber 107.
  • the acceleration electrode 113 and the electron gun vacuum vessel 121 are connected to a ground potential.
  • the electron beam 101 is accelerated to a predetermined speed according to the acceleration voltage.
  • An electrostatic lens is formed in the space where the extraction electrode 203 and the acceleration electrode 113 face each other.
  • the extraction electrode 203 and the acceleration electrode 113 have a Butler lens structure, which reduces the aberration of the electrostatic lens.
  • the configuration above the acceleration electrode 113 is collectively referred to as an electron gun 122 .
  • the third vacuum chamber 107 is evacuated by an ion pump 115.
  • a condenser lens 116 is placed in the third vacuum chamber 107.
  • the condenser lens 116 focuses the electron beam 101 and adjusts the amount of current, etc.
  • a detector 117 is placed in the fourth vacuum chamber 108.
  • the detector 117 detects secondary electrons and reflected electrons emitted from the sample 102.
  • a plurality of detectors 117 may be provided, and may be placed in the sample chamber 104 or other vacuum chambers 105, 106, and 107.
  • the sample chamber 104 is evacuated to a vacuum by a turbo molecular pump 118.
  • An objective lens 119 and a sample 102 are placed in the sample chamber 104.
  • the electron beam 101 is focused by the objective lens 119 and irradiated onto the sample 102.
  • the CFE electron source 202 is composed of a tip 204, a filament 205, two pins 206, an insulator 207, and a suppressor 123.
  • the tip 204 is a single crystal tungsten needle with a sharpened tip in the ⁇ 310> or ⁇ 111> orientation, and the radius of curvature of the tip is approximately 100 nm.
  • the tip 204 is welded to the tip of the filament 205.
  • the filament 205 is a polycrystalline tungsten wire shaped into a V-shaped hairpin. Pins 206 are welded to both ends of the filament 205.
  • the two pins 206 are metal terminals, and are electrically insulated from each other by being held by the insulator 207.
  • the suppressor 123 is attached to the outside of the insulator 207 by fitting, and contains the insulator 207, the pin 206, the filament 205, and a part of the tip 204.
  • the suppressor 123 has an opening at the bottom, from which the tip of the tip 204 protrudes.
  • the protruding length is about 0.1 mm to 1 mm.
  • the holding part 208 is a metal cylinder, and holds the entire CFE electron source 202 by fixing the suppressor 123.
  • the holding part 208 is connected to the electron gun vacuum vessel 121 via insulators 252, and is electrically insulated.
  • the tip 204, filament 205, and pin 206 are at the same potential, and a negative acceleration voltage supplied from the acceleration power supply 114 is normally applied to them.
  • a suppressor voltage is applied to the holding part 208 and suppressor 123 by the suppressor power supply 124.
  • the flushing power supply 110 applies a voltage equal to the negative acceleration voltage plus a few volts to one of the two pins 206, and a potential difference of a few volts is created between the two pins 206, and the filament 205 is electrically heated, thereby removing (flushing) the residual gas adsorbed to the tip 204.
  • the CFE electron source 202 does not need to have a suppressor 123, and can emit electron beams even without it.
  • the extraction electrode 203 is composed of a metallic extraction electrode lower part 211, extraction electrode side wall 210, aperture 214, NEG unit 209, heat absorption plate 250, heat conduction plate 251, and NEG material 201.
  • Stainless steel, titanium, permalloy, etc. are used as the main materials for the parts other than the NEG material 201.
  • the extraction electrode lower part 211 is placed in a position closest to and facing the tip of the chip 204, and the two are separated by about 0.3 mm to 10 mm in the height direction.
  • the extraction electrode lower part 211 is connected to the NEG unit 209.
  • the NEG material 201 is placed inside the NEG unit 209.
  • the NEG unit 209 is a thermally conductive container made of metal, and when heated, heat is transferred evenly throughout to maintain a constant temperature.
  • the material of the NEG unit 209 may be stainless steel, titanium, permalloy, or other materials with high thermal conductivity such as copper, silver, gold, and aluminum. Alternatively, these may be formed as a film on the surface.
  • the NEG unit 209 has an opening 216 only on the first vacuum chamber 105 side, and the first vacuum chamber 105 is evacuated using the NEG material 201.
  • a thermally conductive plate 251 may be provided inside the NEG unit 209.
  • the material of the thermally conductive plate 251 is the same as that of the NEG unit 209, and more preferably a material with high thermal conductivity is used, or these may be formed as a film.
  • the NEG material 201 is a porous cylindrical pill made of a sintered alloy of zirconium, vanadium, and iron, and multiple pieces are arranged inside the NEG unit 209.
  • the NEG material 201 may be other NEG materials and may have a shape other than a pill, such as a block, sheet, ring, thin film, or a combination of these. Also, only one piece may be arranged.
  • the temperature at which the NEG material 201 is activated is approximately 500°C, and varies depending on the material. The closer the heating temperature of the NEG material 201 approaches this activation temperature, the faster the exhaust speed will be.
  • An extraction voltage is applied to the extraction electrode 203, and its components are at the same potential.
  • the extraction electrode sidewall 210 is connected to the electron gun vacuum vessel 121 via an insulator 252, and is electrically insulated.
  • the electric field at the tip of the tip 204 is determined by the potential formed by the extraction electrode 203, and the electron beam 101 is emitted from the tip 204 by field emission.
  • a positive or negative suppressor voltage is applied to the suppressor 123 with respect to the tip 204, and the electric field at the tip of the tip 204 is adjusted.
  • An aperture 214 is disposed in the center of the lower part 211 of the extraction electrode.
  • the hole diameter of the aperture 214 is typically 1 mm or less, and more preferably 0.5 mm or less.
  • the electron beam 101 passes through a hole in the aperture 214 and travels to the second vacuum chamber 106, then expands into a cone shape before reaching the acceleration electrode 113.
  • the aperture 215 is located in the center of the acceleration electrode 113. The outer periphery of the electron beam 101 is blocked by the aperture 215 and the acceleration electrode 113, and the central portion travels to the third vacuum chamber 107.
  • the pressure in the vacuum chamber is lower as the effective pumping speed of the vacuum pump is higher and the amount of outgassing from the components in the vacuum chamber is smaller.
  • the effective pumping speed is higher as the pumping speed of the vacuum pump itself is higher and the conductance of the exhaust path is larger.
  • the effective pumping speed of the ion pump 111 and the auxiliary NEG pump 112 is limited by the conductance of the piping 120, and the effective pumping speed for exhausting the area around the electron source (charged particle source) is low.
  • the NEG material 201 is arranged very close to the electron source (charged particle source) inside the extraction electrode 203, it has a large conductance and a high effective pumping speed.
  • the area around the electron source (charged particle source) is efficiently evacuated to a vacuum.
  • the first vacuum chamber 105 is a limited narrow space only inside the extraction electrode 203, and contains a small number of components, so the total amount of outgassing is small.
  • the entire extraction electrode 203 is heated to a high temperature once by the heater 212, so the molten hydrogen inside the components is removed and the outgassing itself is reduced. As a result, the pressure in the first vacuum chamber 105 is efficiently reduced, and a stable emission current is obtained from the CFE electron source 202.
  • a differential exhaust port 213 connecting the first vacuum chamber 105 and the second vacuum chamber 106 may be provided on the extraction electrode side wall 210.
  • the conductance of the differential exhaust port 213 is reduced to create a pressure difference of several orders of magnitude between the first vacuum chamber 105 and the second vacuum chamber 106.
  • the pressure in the first vacuum chamber 105 temporarily becomes higher than the pressure in the second vacuum chamber 106 due to the release of hydrogen gas and other gases from the NEG material 201. Gases such as hydrogen released from the NEG material 201 are released to the second vacuum chamber 106 through this differential exhaust port 213 and are pumped out by the ion pump 111 and the auxiliary NEG pump 112.
  • the differential exhaust port 213 may be shaped like a circle or an elongated hole. It is also effective to make the opening area of the differential exhaust port 213 larger than the opening area of the aperture 214.
  • the aperture 214 also acts as a differential exhaust hole, but because its hole diameter is small, its conductance is small and its effect is limited.
  • the first vacuum chamber 105 and the second vacuum chamber 106 are isolated and differentially pumped, so that the pressure in the first vacuum chamber 105 is less likely to increase even if the pressure in the second vacuum chamber 106 increases.
  • the pressure in the second vacuum chamber 106 may increase due to gas flowing in from the sample chamber 104, electron shock desorption gas emitted from the aperture 215 irradiated with the electron beam 101 or the acceleration electrode 113, sudden discharge, etc.
  • the pressure increase in the first vacuum chamber 105 is several orders of magnitude smaller than the pressure increase in the second vacuum chamber 106. Therefore, even if the pressure in the second vacuum chamber 106 deteriorates, the pressure in the first vacuum chamber 105 remains low, and a stable emission current is maintained.
  • Another advantage of differentially pumping the first vacuum chamber 105 and the second vacuum chamber 106 is that the electron gun 122 can be made smaller.
  • the electron gun 122 can be made smaller, reducing costs and reducing the floor area or height of the charged particle beam device.
  • the weight of the electron gun 122 is reduced, improving the resistance of the charged particle beam device to mechanical vibrations and improving resolution.
  • the heater 212 is disposed in the second vacuum chamber 106 so as to contact the side of the extraction electrode side wall 210. By heating the heater 212 to 500°C or higher, the heat is transferred to the NEG unit 209 via the extraction electrode side wall 210, and the NEG material 201 inside is further heated and activated.
  • the heater 212 is a ceramic heater such as alumina, silicon nitride, or boron nitride. Ceramic heaters are less susceptible to brittle fracture and disconnection than metal heaters, and are suitable for high-temperature heating.
  • the heater 212 has a cylindrical structure and is in contact with the extraction electrode side wall 210 over a wide area to reduce thermal resistance, and efficiently transfers heat from the heater 212 to the extraction electrode side wall 210. Here, ceramic heaters may constantly release gas and worsen the pressure. Therefore, by disposing the heater 212 on the second vacuum chamber 106 side, the pressure in the first vacuum chamber 105 is prevented from worsening and the pressure in the first vacuum chamber 105 is minimized.
  • the NEG unit 209 and the NEG material 201 inside it are positioned at different heights relative to the heater 212, with the heater 212 positioned above and the NEG unit 209 and NEG material 201 positioned below.
  • the NEG unit 209 and NEG material 201 are positioned at positions spaced apart in the axial direction relative to the heater 212, with the NEG unit 209 and NEG material 201 positioned in front and the heater 212 positioned in the rearward direction.
  • the heater 212, the NEG unit 209, and the NEG material 201 are arranged at different heights, and the horizontal positions of the two are overlapped to prevent the extraction electrode 203 from becoming large in the horizontal direction.
  • the extraction electrode 203 can be made smaller even when the NEG unit 209 is provided.
  • the electron gun vacuum vessel 121 and the electron gun 122 are made smaller, the resistance of the electron gun 122 to mechanical vibration is improved, and the resolution of the charged particle beam device is improved.
  • the floor area for installing the charged particle beam device is reduced, and costs are reduced.
  • the heater 212 can be made longer in the vertical direction, and the contact area of the heater 212 is increased, thereby improving the efficiency of heat transfer.
  • the heat absorbing plate 250 faces the heater 212 and is positioned in a position directly facing the heater 212. There is no contact between the heat absorbing plate 250 and the heater 212.
  • the heat absorbing plate 250 is connected to the NEG unit 209.
  • the heat absorbing plate 250 absorbs the radiant heat emitted from the heater 212, becomes hot, and transfers this heat to the NEG unit 209, thereby improving the heating efficiency of the NEG material 201. This action is explained in Figure 3.
  • the heat absorbing plate 250 in improving the heating efficiency of the NEG material 201 will be described with reference to FIG. 3.
  • the heat generated by the heater 212 is transferred to the NEG unit 209 via the extraction electrode side wall 210.
  • radiant heat 302 is emitted from the heater 212 heated to 500°C or higher.
  • the amount of heat of the radiant heat 302 is proportional to the difference between the fourth power of the temperature of the heater 212 and the fourth power of the temperature of the heat absorbing plate 250 according to the Stefan-Boltzmann equation. As the temperature of the heat absorbing plate 250 increases, the radiant heat 302 decreases, and the temperature of the heater 212 increases with less power. Since the heat absorption plate 250 is connected to the NEG unit 209, heat is transferred from the heat absorption plate 250 to the NEG unit 209 as shown by the heat conduction path 303.
  • the heat of the heater 212 is transferred to the NEG unit 209 through two paths, heat conduction path 301 and heat conduction path 303, and the NEG unit 209 is heated efficiently.
  • the thermal resistance of the heat conduction from the heater 212 to the NEG unit 209 is reduced, and the temperature difference between the heater 212 and the NEG unit 209 is reduced.
  • the reduced thermal resistance allows the heater 212 and the NEG unit 209 to be heated to a high temperature with less power.
  • the heat absorption plate 250 may be assembled and connected as a separate part from the NEG unit 209, or may be manufactured as a single unit from the same material.
  • Heat is transferred from the NEG unit 209 to the internal NEG material 201 via the paths shown by the thermal radiation path 304 and the thermal conduction path 305.
  • the NEG material 201 is heated to a high temperature and activated, and the pumping capacity is realized.
  • the NEG material 201 is entirely surrounded and contained within the NEG unit 209, and is not positioned protruding outside the NEG unit 209. Therefore, the entire NEG material 201 is heated evenly, and there are no locations where the temperature is uneven and activation is insufficient. As a result, the pumping speed is maximized. More preferably, all of the NEG material 201 is in thermal contact with the NEG unit 209, minimizing the temperature difference between the NEG material 201 and the NEG unit 209.
  • a heat conductive plate 251 may be arranged inside the NEG unit 209. Using the heat conductive plate 251 improves the heating efficiency of the NEG material 201, and the temperature of the multiple NEG materials 201 becomes uniform. The heat conductive plate 251 is arranged in contact with the multiple NEG materials 201. Therefore, heat is transferred between the NEG materials 201, eliminating temperature bias, and maximizing the exhaust speed without any areas of insufficient activation. The heat conductive plate 251 may be in contact with the NEG unit 209. In this case, as shown by the heat conductive paths 306 and 307, heat is efficiently transferred from the NEG unit 209 to the NEG material 201, further reducing the temperature difference between the two.
  • the order of temperature of each component when heated is from highest to lowest: heater 212, heat absorption plate 250, NEG unit 209, NEG material 201.
  • heat is transferred from the higher temperature to the lower temperature by thermal conduction or thermal radiation.
  • the temperature of the NEG material 201 becomes higher by placing it below the heater 212.
  • heat conduction path 308 and the heat radiation paths 309, 310, and 311 heat escapes from the extraction electrode 203 to the outside when it is heated.
  • the extraction electrode side wall 210 is connected to the electron gun vacuum vessel 121 via the insulator 252.
  • the electron gun vacuum vessel 121 is exposed to the outside air at room temperature, so its temperature is low. Therefore, a large temperature difference occurs between the electron gun vacuum vessel 121 and the heater 212, and the amount of heat of the heat conduction path 308 is greater than that of the heat radiation paths 309, 310, and 311.
  • the NEG material 201 is placed above the heater 212, that is, between the heater 212 and the electron gun vacuum vessel 121, a large amount of heat is absorbed by the electron gun vacuum vessel 121, so the temperature of the NEG material 201 drops rapidly compared to the heater 212, and it may not be possible to activate it.
  • the NEG material 201 is placed below the heater 212, the only heat absorbed from this position is the radiant heat shown by the thermal radiation paths 309 and 311, and the amount of heat is less than that of the thermal conduction path 308. As a result, the NEG material 201 is maintained at a high temperature similar to that of the heater 212.
  • the pressure around the tip 204 can be further reduced.
  • the pressure around the tip 204 is reduced as the exhaust path between the tip 204 and the NEG material 201 is shortened to increase the conductance and increase the effective exhaust speed.
  • the tip 204 is arranged opposite the lower extraction electrode 211, and is arranged below the entire extraction electrode 203. Therefore, by arranging the NEG material 201 below the extraction electrode 203, the distance of the exhaust path to the tip 204 is shortened. Therefore, the NEG unit 209 is connected to the lower extraction electrode 211, and the heater 212 is arranged above the NEG unit 209, and the effective exhaust speed can be improved.
  • the heater 212 is placed below the NEG material 201 while leaving the position of the NEG material 201 unchanged, the distance between the chip 204 and the bottom side of the lower extraction electrode 211 will increase. In this case, the distance between the chip 204 and the electrostatic lens formed in the space where the lower extraction electrode 211 and the acceleration electrode 113 face each other will increase, increasing aberration and deteriorating resolution. For this reason, by placing the heater 212 above the NEG material 201 and shortening the distance between the chip 204 and the bottom side of the lower extraction electrode 211, the aberration of the electrostatic lens can be minimized.
  • the heater 212 has wiring 312 for electrical heating.
  • the wiring 312 is connected to a feedthrough (not shown) provided on the upper surface of the electron gun vacuum vessel 121, and power is supplied from an external power source. This wiring 312 must not come into contact with other electrodes and cause a short circuit.
  • the length of the wiring 312 must be short.
  • the heater 212 and NEG material 201 by placing the heater 212 on the top and the NEG material 201 on the bottom, in addition to miniaturizing the electron gun 122, the following effects are achieved: an increase in the heating temperature of the NEG material 201 and an increase in the effective exhaust speed, a reduction in the aberration of the electrostatic lens, and simplification of the wiring 312 of the heater 212.
  • the above effects are achieved by placing the heater 212 first and then the NEG material 201 in the traveling direction in which the electron beam 101 is emitted.
  • the heater 212 and NEG material 201 can be heated to high temperatures with little power. As shown by the heat radiation path 310, radiant heat escapes to the outside from the heat absorbing plate 250. If the heat absorbing plate 250 is brought into contact with the heater 212 and heated to the same high temperature, the radiant heat of the heat radiation path 310 will be greater and the power required for heating will be greater.
  • the temperature of the heat absorbing plate 250 becomes slightly lower than that of the heater 212, and the radiant heat of the heat radiation path 310 decreases in proportion to the fourth power of that. As a result, less heat escapes to the outside, and it is possible to heat to a high temperature with less power.
  • the heater 212 is a ceramic heater, and its dimensional accuracy is not good. For this reason, it is difficult to assemble the heater 212 by bringing both the inner and outer surfaces into contact with other electrodes. Keeping the heat absorbing plate 250 and heater 212 out of contact makes assembly easier.
  • Another function of the heat absorbing plate 250 is to prevent the heater 212 from being charged.
  • the heater 212 is made of ceramic, and becomes charged when the reflected electrons collide with it.
  • the charged heater 212 forms an unintended potential distribution and bends the trajectory of the electron beam 101.
  • off-axis aberration can cause a decrease in resolution, or the electron beam 101 can fail to reach the sample 102 due to a deviation in the trajectory.
  • discharge occurs between the heater 212 and the surrounding electrodes. This can result in voltage fluctuations, causing problems such as melting of the tip 204 and destruction of the electrodes.
  • the reflected electrons are prevented from colliding with the heater 212, and charging is prevented. Because the heat absorbing plate 250 is made of metal, it does not itself become charged. In addition, by further reflecting the reflected electrons from its surface, the reflected electrons are moved away from the heater 212, reducing the chance of collision. The upper end of the heat absorbing plate 250 is made higher than the upper end of the heater 212 to prevent the reflected electrons from reaching the heater 212. As a result, charging of the heater 212 is prevented, and deviations in the trajectory of the electron beam and discharge are prevented.
  • Figure 8 is an oblique view of an enlarged portion of the NEG material 201.
  • the NEG material 201 is preferably made of sintered porous bulk material, and multiple pieces are arranged inside the NEG unit 209.
  • the surface area of the NEG material facing the vacuum increases compared to when a single NEG material with the same total volume is arranged. This increases the surface area that adsorbs gas, improving the pumping speed.
  • sintered NEG material has a large effective surface area because it has micrometer-order irregularities on the surface. Therefore, it has a higher pumping speed and can reduce pressure more than NEG material with a smooth surface.
  • the NEG materials 201 are cylindrically shaped and arranged closely together with their sides in contact with each other to increase the number of pieces mounted in the NEG unit 209.
  • the points where the NEG materials 201 come into contact with each other are not exposed to the vacuum and do not contribute to vacuum evacuation, but by giving the NEG materials 201 a cylindrical structure and having the circles come into contact with each other, the contact area is minimized.
  • the total area of the NEG materials 201 exposed to the vacuum increases, maximizing the evacuation speed.
  • the NEG materials 201 may be stacked in two or more rows in the height direction, or may be arranged in two or more rows in the radial direction. The radial direction described in FIG.
  • the structure of the NEG materials 201 may be a spherical structure or a three-dimensional structure with curved sides. In this case, the area where the NEG materials 201 come into contact with each other is also minimized.
  • the NEG material 201 When a porous sintered body is used for the NEG material 201, its poor thermal conductivity can cause temperature differences between multiple NEG materials 201 or inside a single NEG material 201, resulting in some parts that cannot be activated. However, by using the heat conductive plate 251, the temperature difference is equalized, making it easier to activate the entire material.
  • the NEG materials 201 may be placed above and below the heat conductive plate 251, as shown by the upper NEG material 802 and the lower NEG material 803.
  • the width of the heat conductive plate 251 is made narrower than the diameter of the NEG material 201, and a part of the lower surface of the upper NEG material 802 and the upper surface of the lower NEG material 803 are exposed to the vacuum. As a result, the surface area contributing to exhaust is increased, improving the exhaust speed.
  • the upper row NEG material 802 and the lower row NEG material 803 in contact with the same heat conductive plate 251, even if the NEG material 201 is arranged in multiple rows in the height direction, differences in temperature between the rows are prevented. As a result, the entire NEG material 201 is heated uniformly and activated.
  • the circumferential NEG material 804 or NEG material 805 is also brought into contact with the heat conductive plate 251, so that at least three or more pieces are in contact. As a result, the temperature is uniform in two directions, the height direction and the circumferential direction.
  • Multiple heat conduction plates 251 are arranged periodically in the circumferential direction, and more preferably, all of the NEG materials 201 are in contact with one of the heat conduction plates 251. As a result, the temperature of all of the NEG materials 201 in the NEG unit 209 is made uniform. Even when the NEG materials 201 are arranged in multiple rows in the radial direction, a heat conduction plate 251 is provided between the rows, and the NEG materials 201 in different rows are in contact with the same heat conduction plate 251, thereby preventing temperature bias due to the row.
  • the thermally conductive plate 251 may have an opening 801.
  • the opening 801 the surface of the NEG material 201 that is exposed to the vacuum and does not come into contact with the thermally conductive plate 251 increases. As a result, the exhaust speed improves.
  • the thermally conductive plate 251 it is possible to both uniformize the heating temperature of the NEG material 201 and improve the exhaust speed by increasing the exposed area.
  • NEG material 201 when NEG material is repeatedly exposed to the atmosphere and activated, adsorbed substances diffuse and accumulate inside, causing the pumping speed to decrease and the end of its life.
  • bulk NEG material with a three-dimensional structure has sufficient volume, so there is a large capacity for adsorbed substances to diffuse inside. This gives it a long life despite repeated activation.
  • sintered bulk material for NEG material 201 not only is the pumping speed improved, but the life is also extended.
  • a metal with a low emissivity different from the base material of the electrode such as gold, silver, copper, aluminum, titanium nitride, etc., may be formed on the outer surface 401.
  • the higher the emissivity of the inner surface 402 of the heat absorbing plate 250, the more it absorbs the radiant heat 302 emitted from the heater 212. As a result, the temperature of the heat absorbing plate 250 increases, and the temperature of the NEG material 201 also increases. Therefore, the surface roughness of the inner surface 402 is set to be greater than Ra 1 ⁇ m, and the emissivity is set to be 0.3 or more.
  • a film of a material with a high emissivity different from the base material of the electrode, such as carbon or its compounds, or metal oxides, may be formed on the inner surface 402.
  • the heat absorbing plate 250 has a lower emissivity on the outer surface than on the inner surface, thereby improving the heating efficiency of the NEG material 201.
  • the NEG material 201 can be heated to a high temperature with less power.
  • the NEG material 201 can be heated to a high temperature with less power.
  • the NEG material 201 can be heated to a high temperature with less power.
  • the pressure around the first vacuum chamber 105 and the electron source (charged particle source) is efficiently reduced by placing the NEG material 201 inside the extraction electrode 203, it is necessary to provide a space around the NEG material 201 to improve the conductance and increase the effective pumping speed.
  • a space is provided around the NEG material 201, the path of thermal conduction to the NEG material 201 becomes narrower, and the heating temperature of the NEG material 201 becomes lower due to the difficulty in transferring heat, and the pumping speed may decrease without activation.
  • the NEG material 201 in the configuration in which the NEG material 201 is placed inside the extraction electrode 203, there is a trade-off between improving the effective pumping speed of the NEG and improving the activation temperature.
  • the NEG material 201 is a bulk material with a three-dimensional structure, a temperature distribution occurs within the three-dimensional structure of the NEG material 201, and some parts do not rise in temperature and are not activated, which may reduce the pumping capacity.
  • the heating efficiency of the NEG material 201 is improved, and the heating temperature of the NEG material 201 becomes sufficiently high to activate it.
  • the thermal resistance between the heater 212 and the NEG material 201 is reduced, the temperature difference between the two is reduced, and the heating efficiency is improved.
  • the NEG material 201 can be heated to a high temperature even with less power to the heater 212.
  • surrounding the NEG material 201 using the NEG unit 209 and the heat conduction plate 251 and transferring heat uniformly there is no temperature bias inside the NEG material 201, and the entire material is activated uniformly, maximizing the exhaust speed.
  • the electron gun 122 is made smaller and the heating temperature and effective pumping speed of the NEG material 201 are improved.
  • the electron gun 122 is made smaller and the heating temperature and effective pumping speed of the NEG material 201 are improved.
  • the NEG material 201 is activated at a sufficiently high temperature, which efficiently reduces the pressure around the electron source (charged particle source), providing a stable electron beam, and providing a small electron gun and charged particle beam device.
  • FIG. 5 shows the temperature of the NEG material 201 versus the input power of the heater 212.
  • the power is normalized to 1 when the heat absorption plate 250 is present and the power at which the NEG material 201 reaches 500° C. is used.
  • the NEG material 201 can be heated to 500°C by increasing the heater power.
  • the temperature of the heater 212 and the extraction electrode 203 becomes excessively high, causing distortion of the electrodes and evaporation of the low-melting-point material.
  • the extraction electrode 203 cannot be removed and reassembled due to electrode distortion, and the CFE electron source 202 and the NEG unit 209 cannot be replaced.
  • the evaporation of the low-melting-point material causes the evaporated metal to be deposited on the insulators, etc., causing discharge, making it impossible to use the electron gun 122. For this reason, these problems can be prevented by heating the NEG material 201 to a high temperature with little power without heating the heater 212 and the extraction electrode 203 to an excessively high temperature, as in the present invention.
  • FIG. 6 shows the stabilization time of the electron beam versus the pressure in the second vacuum chamber 106.
  • the stabilization time is normalized to 1 when the pressure in the second vacuum chamber 106 is 1 ⁇ 10 ⁇ 9 Pa in the absence of the heat absorbing plate 250.
  • the NEG is activated by diffusing the adsorbed material on the NEG surface to the inside to create a clean surface.
  • the diffusion rate of the adsorbed material increases exponentially with the temperature, and the diffusion rate increases several times when the heating temperature increases by several percent. Therefore, a slight increase in the heating temperature of the NEG significantly changes the exhaust speed.
  • the heat absorption plate 250 is provided to increase the heating temperature of the NEG material 201, and sufficient activation is performed to increase the pumping speed of the NEG material 201.
  • the pressure in the second vacuum chamber 106 is reduced compared to when the heat absorption plate 250 is not provided, and the stabilization time of the electron beam emitted from the CFE electron source 202 is improved.
  • the pressure in the second vacuum chamber 106 required to obtain the same stabilization time can be increased. This makes it possible to miniaturize or reduce the power required for the auxiliary NEG pump 112 and ion pump 111, thereby enabling the charged particle beam device to be miniaturized and reduced in cost.
  • the heating efficiency of the NEG material 201 was improved and activated using a heat absorbing plate 250.
  • a configuration including a heat reflecting plate 701 is described. Note that some of the configurations and functions described in the first embodiment can be applied to the second embodiment, so the same reference numerals are used for similar configurations and functions and the description is omitted.
  • the heat reflector 701 is arranged in the second vacuum chamber 106 so as to surround the extraction electrode 203.
  • the heat reflector 701 is made of stainless steel, titanium, permalloy, or the like, and is connected to the electron gun vacuum vessel 121 via the insulator 252.
  • the heat reflector 701 has an opening 704 at the bottom center, and the electron beam 101 emitted from the CFE electron source 202 passes through this opening 704 and advances to the acceleration electrode 113 and aperture 215 below.
  • the heat reflector 701 is electrically connected to the extraction power supply 109, and an extraction voltage is applied to it. Note that the voltage applied to the heat reflector 701 may be other voltages.
  • the radiant heat is proportional to the difference between the fourth powers of the temperatures of the opposing objects, the radiant heat of the heat radiation paths 310 and 311 becomes relatively large, and a large amount of heat is taken away from the extraction electrode 203.
  • the heat reflector 701 in a position surrounding the extraction electrode 203 as in this embodiment, the extraction electrode 203 and the heat reflector 701 face each other.
  • the temperature of the heat reflector 701 becomes intermediate between the temperatures of the extraction electrode 203 and the electron gun vacuum vessel 121, and the radiant heat shown by the heat radiation paths 310 and 311 is reduced. As a result, the amount of heat escaping from the extraction electrode 203 is reduced, and the NEG material 201 can be heated to a high temperature even with a reduced input power to the heater 212.
  • a metal with a low radiation coefficient different from the base material of the heat reflector such as gold, silver, copper, aluminum, or titanium nitride, may be formed.
  • the radiant heat transmitted from the heat reflector 701 to the electron gun vacuum vessel 121 shown by the heat radiation path 703 is reduced.
  • the temperature of the heat reflector 701 increases, and the radiant heat shown by the heat radiation paths 310 and 311 is further reduced.
  • the NEG material 201 can be heated to a high temperature even with even less input power to the heater 212.
  • the acceleration electrode 113 may be provided with a second heater 702.
  • the second heater 702 is a ceramic heater and is placed in contact with the acceleration electrode 113.
  • the second heater 702 is also placed in the third vacuum chamber 107, so that even if there is steady degassing, the pressure in the second vacuum chamber 106 will not deteriorate.
  • the second heater 702 is heated at the same time as the heater 212 is heated, and the acceleration electrode 113 and the aperture 215 are heated to about 500°C.
  • the temperature difference between the extraction electrode 203 and the acceleration electrode 113 is reduced, and the radiated heat of the thermal radiation path 309 is reduced. Therefore, the amount of heat escaping from the extraction electrode 203 is reduced, and the NEG material 201 can be heated to a high temperature even if the input power of the heater 212 is further reduced.
  • the acceleration electrode 113 and the aperture 215 the amount of electron-stimulated desorption gas released when the electron beam 101 collides with them is reduced. As a result, the pressure in the second vacuum chamber 106 is prevented from deteriorating.
  • tungsten single crystal instead of tungsten single crystal, a low work function material such as CeB6 or LaB6, or a material with an inactive surface such as a carbon-coated material may be used as the tip 204.
  • a nanowire electron source with a sharpened tip radius of curvature of several tens of nm or several atoms to one atom, or a single-atom electron source may be used.
  • the charged particle source to which the present invention can be applied is not limited to a CFE electron source, but can also be applied to a Schottky electron source or an ion source.
  • a gas field ionization ion source can be cited as an ion source, and by using a tungsten single crystal with a ⁇ 111> crystal orientation for the tip 204 and applying a positive voltage to the tip 204 with respect to the extraction electrode 203, ions can be emitted as a charged particle beam from the tip 204 even if the other device configurations are almost the same.
  • an ultra-high vacuum of 1 ⁇ 10 ⁇ 7 Pa or less is required.

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Abstract

本発明による荷電粒子線装置は、単結晶針（２０４）と該単結晶針と接続したフィラメント（２０５）と該フィラメントを保持する碍子（２０７）とを備えた荷電粒子源（２０２）と、非蒸発ゲッター材（２０１）と、引出電極（２０３）と、前記荷電粒子源と前記非蒸発ゲッター材とを配置し、前記引出電極の内部にある第一の真空室（１０５）と、前記非蒸発ゲッター材を加熱するヒーター（２１２）と、前記ヒーターと前記引出電極とを配置し、前記第一の真空室より圧力が高い第二の真空室（１０６）と、前記引出電極に接続し、前記ヒーターと対向させて配置した熱吸収板（２５０）とを備え、前記荷電粒子源から荷電粒子線が放出される方向に対して前記ヒーター、前記非蒸発ゲッター材が順番に配置され、且つ、前記非蒸発ゲッター材は前記第一の真空室に配置され、前記ヒーターは第二の真空室に配置されることを特徴とする。

Description

荷電粒子線装置
　本発明は、荷電粒子線装置に関する。
　荷電粒子線装置とは、電子線のような荷電粒子線を試料に照射し、試料から放出される二次電子や透過電子，反射電子，Ｘ線などを検出することで、試料の観察像を生成する装置である。空間分解能が高い観察像を得るには高輝度の電子源（荷電粒子源）が必要であり、例えば冷陰極電界放出（ＣＦＥ：Cold Field Emission）電子源が用いられる。ＣＦＥ電子源は、先鋭化された単結晶（チップ）の先端に電界を集中させることで電子線（荷電粒子線）を放出させる。真空中の残留ガスがチップ先端に付着すると、放出する電流量が不安定になる。このため、電子源（荷電粒子源）のまわりの圧力を低くする（真空度を高くする）必要がある。
　電子源（荷電粒子源）は、内部を真空にした電子銃（真空容器）に搭載される。真空容器内の圧力を低くする方法として、非蒸発ゲッター（ＮＥＧ：Non-Evaporable Getter）材を搭載することがある。ＮＥＧ材は、従来の蒸発型のゲッターと異なり、真空中で加熱（活性化）しても蒸発することなく元の形状を保つ。ＮＥＧ材を一度活性化して室温に戻すとガスを吸着，吸蔵するようになり、真空排気作用をもつ。特許文献１には、引出電極の近傍にＮＥＧ材を備えた電子顕微鏡が開示されている。
特許第６７７７７４６号
　しかしながら、特許文献１では、ＮＥＧ材の活性化温度に対する配慮が不十分である。発明者らの研究の結果、ＮＥＧ材の活性温度が一定の温度以上でないと真空排気作用が発現せず、圧力を低減できないことがわかった。このとき、電子源（荷電粒子源）から安定した電子線（荷電粒子線）が得られず、観察像の信頼性が損なわれる。
　そこで本発明は、ＮＥＧ材の加熱を効率的にすることで活性化温度を向上し、かつ、小型な荷電粒子線装置を提供することを目的とする。
　本発明の一実施の態様である荷電粒子線装置は、真空容器と、単結晶針と該単結晶針と接続したフィラメントと該フィラメントを保持する碍子とを備えた荷電粒子源と、非蒸発ゲッター材と、引出電極と、前記荷電粒子源と前記非蒸発ゲッター材とを配置し、前記引出電極の内部にある第一の真空室と、前記非蒸発ゲッター材を加熱するヒーターと、前記ヒーターと前記引出電極とを配置し、前記第一の真空室より圧力が高い第二の真空室と、前記引出電極に接続し、前記ヒーターと対向させて配置した熱吸収板とを備え、前記荷電粒子源から荷電粒子線が放出される方向に対して前記ヒーター、前記非蒸発ゲッター材が順番に配置され、且つ前記非蒸発ゲッター材は前記第一の真空室に配置され、前記ヒーターは第二の真空室に配置されることを特徴とする。
　本発明によれば、ＮＥＧ材の活性化温度を向上し、電子源（荷電粒子源）まわりの圧力を効率的に低減することで放出電流を安定化させた小型な荷電粒子線装置を提供することができる。
荷電粒子線装置の一例である走査電子顕微鏡の全体構成の一例を示す概略断面図である。 実施例１のＣＦＥ電子源とその周辺の構成の一例を示す概略断面図である。 実施例１の熱吸収板がＮＥＧ材の加熱効率を向上する作用の一例を示す概略断面図である。 実施例１の引出電極の輻射率がＮＥＧ材の加熱効率を向上する作用の一例を示す概略断面図である。 実施例１の熱吸収板がＮＥＧ材の加熱効率を向上する効果の一例を示す図である。 実施例１の熱吸収板が電子線の電流を安定化する効果の一例を示す図である。 実施例２の熱反射板がＮＥＧ材の加熱効率を向上する構成の一例を示す概略断面図である。 実施例１のＮＥＧ材の構成の一部を拡大した一例を示す斜視図である。
　以下、添付図面に従って本発明に係る荷電粒子線装置の実施例について説明する。荷電粒子線装置は、電子線のような荷電粒子線を試料に照射し、試料から放出される二次電子や透過電子，反射電子，Ｘ線などを検出して、試料の観察像を生成する装置である。
　図１を用いて、荷電粒子線装置の一例である走査電子顕微鏡の全体構成について説明する。走査電子顕微鏡は、電子線１０１を試料１０２に照射し、試料１０２から放出される二次電子や反射電子を検出して、試料１０２の観察像を生成する装置であり、内部を真空に保つ鏡体１０３と試料室１０４を備える。鏡体１０３は、グランド電位に接続される。鏡体１０３の内部は、上から第一真空室１０５，第二真空室１０６，第三真空室１０７，第四真空室１０８に分けられる。各真空室を隔てる電極の中央には電子線１０１が通過する絞りが配置され、差動排気される。各真空室１０５，１０６，１０７，１０８の圧力は、下方の真空室（試料室１０４に近い真空室）ほど圧力が高くなる。以下、各真空室１０５，１０６，１０７，１０８と試料室１０４について説明する。
　第一真空室１０５は、引出電極２０３の内部の空間であり、ＮＥＧ材２０１で真空排気される。第一真空室１０５の圧力は、その他の真空室１０６，１０７，１０８の中で最も低く、１×１０－９Ｐａから１×１０－１０Ｐａ台またはそれ以下の極高真空領域に真空排気される。第一真空室１０５には、ＣＦＥ電子源２０２が配置され、これを囲むように引出電極２０３が配置される。
　ＣＦＥ電子源２０２の２つのピンには、フラッシング電源１１０を介して加速電源１１４が接続され、通常時には加速電源１１４から供給されるグランド電位に対して負の加速電圧が印加される。ＣＦＥ電子源２０２のサプレッサにはサプレッサ電源１２４が接続される。引出電極２０３は、カップ型の形状をもち、第一真空室１０５と第二真空室１０６とを隔てる。引出電極２０３には、引出電源１０９が接続され、ＣＦＥ電子源２０２の２つのピンに印加されている負の加速電圧に対して正の引出電圧が印加される。引出電極２０３に引出電圧が印加されることで、ＣＦＥ電子源２０２から電子線１０１が放出される。
　ＣＦＥ電子源２０２のフラッシング時には、フラッシング電源１１０により２つのピンの一方に負の加速電圧に数Ｖ程度足した電圧を印加して２つのピン間に数Ｖ程度の電位差を持たせてフィラメントにパルス電流を印加することで２０００℃程度に加熱する（フラッシング）。このフラッシング操作でＣＦＥ電子源２０２に吸着した残留ガスを除去し、不安定となった放出電流の時間変化をリセットする。第一真空室１０５と第二真空室１０６とは差動排気されるため、その圧力は数桁の差ができる。ＣＦＥ電子源２０２とその周辺の構成の詳細は、図２を用いて後述する。
　第二真空室１０６は、引出電極２０３の外側で、電子銃真空容器１２１と加速電極１１３とで囲まれた空間であり、配管１２０が接続される。配管１２０の先にはイオンポンプ１１１と補助ＮＥＧポンプ１１２があり、第二真空室１０６が真空排気される。第二真空室１０６の圧力は、１×１０－７Ｐａから１×１０－９Ｐａ程度の超高真空領域である。第二真空室１０６には、加速電極１１３が配置され、第三真空室１０７と隔離される。加速電極１１３と電子銃真空容器１２１とは、グランド電位に接続される。電子線１０１は加速電圧に応じて所定の速さに加速される。引出電極２０３と加速電極１１３とが向かい合う空間には静電レンズが形成される。引出電極２０３と加速電極１１３とはバトラーレンズ構造をもち、静電レンズの収差を低減する。加速電極１１３より上側の構成をまとめて電子銃１２２と呼ぶ。
　第三真空室１０７は、イオンポンプ１１５で真空排気される。第三真空室１０７には、コンデンサレンズ１１６が配置される。コンデンサレンズ１１６は、電子線１０１を集束させ、電流量などが調整される。
　第四真空室１０８には、検出器１１７が配置される。検出器１１７は、試料１０２から放出される二次電子や反射電子などを検出する。検出器１１７は、複数設けられてもよく、試料室１０４やその他の真空室１０５，１０６，１０７に配置されてもよい。
　試料室１０４は、ターボ分子ポンプ１１８で真空排気される。試料室１０４には、対物レンズ１１９と試料１０２が配置される。電子線１０１は対物レンズ１１９で集束されて試料１０２に照射される。
　図２を用いてＣＦＥ電子源２０２とその周辺の構成の一例について説明する。ＣＦＥ電子源２０２は、チップ２０４とフィラメント２０５と二本のピン２０６と碍子２０７とサプレッサ１２３とで構成される。チップ２０４は、先端が先鋭化された＜３１０＞や＜１１１＞方位のタングステン単結晶針であり、先端の曲率半径は約１００ｎｍである。チップ２０４は、フィラメント２０５の先端に溶接される。フィラメント２０５は、Ｖ字型のヘアピン形状にされたタングステン多結晶線である。フィラメント２０５の両端には、ピン２０６がそれぞれ溶接される。２つのピン２０６は、金属の端子であり、碍子２０７に保持されることで互いに電気的に絶縁される。サプレッサ１２３は、碍子２０７の外側に嵌合で取り付けられ、碍子２０７とピン２０６とフィラメント２０５とチップ２０４の一部とを内包する。サプレッサ１２３は、下部に開口を有し、ここからチップ２０４の先端部が突き出る。その突き出し長さは、０．１ｍｍから１ｍｍ程度である。
　保持部２０８は、金属製の円筒であり、サプレッサ１２３を固定することでＣＦＥ電子源２０２全体を保持する。保持部２０８は、碍子２５２を介して電子銃真空容器１２１に接続され、電気的に絶縁される。チップ２０４とフィラメント２０５とピン２０６は同電位であり、通常時には加速電源１１４から供給される負の加速電圧が印加される。保持部２０８とサプレッサ１２３には、サプレッサ電源１２４によってサプレッサ電圧が印加される。また、フラッシング時には、フラッシング電源１１０により２つのピン２０６の一方に負の加速電圧に数Ｖ程度足した電圧が印加され、２つのピン２０６間に数Ｖ程度の電位差を持たせてフィラメント２０５が通電加熱されることで、チップ２０４に吸着した残留ガスを除去（フラッシング）がなされる 。なお、ＣＦＥ電子源２０２は、サプレッサ１２３を備えなくてもよく、ない場合でも電子線を放出できる。
　引出電極２０３は、金属製の引出電極下部２１１，引出電極側壁２１０，絞り２１４，ＮＥＧユニット２０９，熱吸収板２５０，熱伝導板２５１及びＮＥＧ材２０１とで構成される。ＮＥＧ材２０１以外の部品の主な材料として、ステンレススチール，チタン，パーマロイなどが用いられる。引出電極下部２１１は、チップ２０４の先端に対向した最も近い位置に配置され、両者は高さ方向に０．３ｍｍから１０ｍｍ程度離れる。引出電極下部２１１には、ＮＥＧユニット２０９が接続される。ＮＥＧユニット２０９の内部には、ＮＥＧ材２０１が配置される。
　ＮＥＧユニット２０９は、金属製の熱伝導容器であり、加熱時は全体に均一に熱を伝えて一定の温度になる。ＮＥＧユニット２０９の材料は、ステンレススチール，チタン，パーマロイに加えて、銅，銀，金，アルミニウムなどの熱伝導率が高い材料で作ってもよい。または、これらを表面に成膜してもよい。ＮＥＧユニット２０９は、第一真空室１０５側にのみ開口２１６をもち、第一真空室１０５をＮＥＧ材２０１で真空排気する。ＮＥＧユニット２０９の内部には、熱伝導板２５１を設けてもよい。熱伝導板２５１の材料は、ＮＥＧユニット２０９と同様であり、より好適には熱伝導率の高い材料を用いる、または、これらを成膜してもよい。
　ＮＥＧ材２０１は、ジルコニウムとバナジウムと鉄の合金を焼結した多孔質の円柱状のピルであり、ＮＥＧユニット２０９の内部に複数個配置される。ＮＥＧ材２０１は、その他のＮＥＧ材料でも良く、ピル以外の形状、例えばブロックやシートやリングや薄膜ないしはこれらを組み合わせた形状でもよい。また、配置する個数は一つのみでもよい 。ＮＥＧ材２０１が活性化される温度はおよそ５００℃程度であり、材料に依って異なる。ＮＥＧ材２０１の加熱温度がこの活性化温度に近づくほど排気速度が向上する。
　引出電極２０３には引出電圧が印加され、その構成部品は同電位になる。引出電極側壁２１０は、碍子２５２を介して電子銃真空容器１２１に接続され、電気的に絶縁される。引出電極２０３が形成する電位によってチップ２０４の先端の電界が決まり、チップ２０４から電界放出で電子線１０１が放出する。サプレッサ１２３には、チップ２０４に対して正または負のサプレッサ電圧が印加され、チップ２０４の先端の電界が調整される。引出電極下部２１１の中央には絞り２１４が配置される。絞り２１４の穴径は、典型的には１ｍｍ以下、より好適には０．５ｍｍ以下である。
　電子線１０１は、絞り２１４の穴を通過して第二真空室１０６に進み、コーン状に広がりながら加速電極１１３に到達する。加速電極１１３の中央には、絞り２１５が配置される。電子線１０１の外周部は絞り２１５や加速電極１１３に遮られ、中心部分が第三真空室１０７に進む 。
　真空室の圧力は、真空ポンプの実効排気速度が高く、真空室内の部品からの脱ガスが少ないほど低くなる。実効排気速度は、真空ポンプ自体の排気速度が高く、かつ、排気経路のコンダクタンスが大きいほど高くなる。イオンポンプ１１１や補助ＮＥＧポンプ１１２は、配管１２０のコンダクタンスによって実効排気速度が律速され、電子源（荷電粒子源）まわりを排気する実効排気速度が低い。一方、ＮＥＧ材２０１は引出電極２０３の内部で電子源（荷電粒子源）の極近傍に配置されることからコンダクタンスが大きく、実効排気速が高い。このため、電子源（荷電粒子源）まわりを効率的に真空排気する。一方、第一真空室１０５は引出電極２０３の内部のみの限られた狭い空間であり、内包する部品数が少ないことから脱ガスの総量が少ない。また、ヒーター２１２によって、引出電極２０３全体が一度高温に加熱されるため、部品内部の溶融水素が除去されて脱ガス自体が低減される。これらの結果、第一真空室１０５の圧力は効率的に低減され、ＣＦＥ電子源２０２から安定な放出電流が得られる。
　引出電極側壁２１０には、第一真空室１０５と第二真空室１０６とを接続する差動排気口２１３を設けてもよい。差動排気口２１３のコンダクタンスは低くし、第一真空室１０５と第二真空室１０６との間に数桁の圧力差を作る。一方、ＮＥＧ材２０１の活性化時にはＮＥＧ材２０１からの水素ガス等の放出により、一時的に第一真空室１０５の圧力が第二真空室１０６の圧力より大きくなる。ＮＥＧ材２０１から放出された水素などのガスは、この差動排気口２１３を介して第二真空室１０６に放出され、イオンポンプ１１１と補助ＮＥＧポンプ１１２とで排気される。ＮＥＧ材２０１が放出する水素ガスを十分に排除することで、活性化後のＮＥＧ材２０１の排気速度が大きくなる。また、ＮＥＧ材２０１が排気できない希ガスなどは、イオンポンプ１１１で排気される。差動排気口２１３の形状は、円形や長穴などである。また、差動排気口２１３の開口面積は、絞り２１４の開口面積よりも大きくすることが有効である。絞り２１４も差動排気穴として作用するが、その穴径が小さいためにコンダクタンスが小さく影響は限定的となる。
　第一真空室１０５と第二真空室１０６とが隔離され、差動排気されることで、第二真空室１０６の圧力が上昇しても第一真空室１０５の圧力は上昇しにくい。第二真空室１０６の圧力は、試料室１０４から流入するガス，電子線１０１が照射された絞り２１５や加速電極１１３から放出する電子衝撃脱離ガス，突発的な放電等によって上昇する場合がある。しかし、差動排気の効果によって第一真空室１０５の圧力上昇は、第二真空室１０６の圧力上昇の数桁小さくなる。このため、第二真空室１０６の圧力が悪化した場合であっても、第一真空室１０５の圧力は低いままとなり、安定な放出電流が維持される。
　第一真空室１０５と第二真空室１０６とが差動排気されるその他の利点として、電子銃１２２を小型化できることがある。ＮＥＧ材２０１で電子源（荷電粒子源）まわりを効率的に真空排気することで、イオンポンプ１１１や補助ＮＥＧポンプ１１２の能力を低下させて第二真空室１０６の圧力を上昇させても、第一真空室１０５の圧力は低く維持される。イオンポンプ１１１や補助ＮＥＧポンプ１１２を小型化または省略することで、電子銃１２２を小型化することができ、コスト削減や荷電粒子線装置を設置する床面積または荷電粒子線装置の高さを低減できる。また、電子銃１２２が軽量化されるため、荷電粒子線装置の機械振動への耐性が向上し、分解能が向上する。
　ヒーター２１２は、第二真空室１０６に配置され、引出電極側壁２１０の側面に接触するように配置される。ヒーター２１２を５００℃以上に加熱することで、この熱が引出電極側壁２１０を介してＮＥＧユニット２０９へと伝わり、さらに内部のＮＥＧ材２０１が加熱されて活性化される。ヒーター２１２は、アルミナや窒化シリコンや窒化ボロンなどのセラミックヒーターである。セラミックヒーターは、金属製のヒーターに比べて脆性破壊や断線がしにくく、高温加熱に適する。ヒーター２１２は円筒構造をもち、引出電極側壁２１０と広い面積で接触させて熱抵抗を小さくし、ヒーター２１２の熱を引出電極側壁２１０へ効率的に伝える。ここで、セラミックヒーターは、定常的にガスを放出して圧力を悪化させる場合がある。そこで、ヒーター２１２を第二真空室１０６側に配置することで第一真空室１０５の圧力の悪化を防ぎ、第一真空室１０５の圧力を最小化する 。
　ヒーター２１２に対して、ＮＥＧユニット２０９及びその内部のＮＥＧ材２０１は異なる高さに配置され、ヒーター２１２が上方に、ＮＥＧユニット２０９及びＮＥＧ材２０１が下方に、配置される。別の言い方をすれば、電子線１０１が進む軸の方向を前方、その反対の方向を後方とすると、ヒーター２１２に対して、ＮＥＧユニット２０９、及び、ＮＥＧ材２０１は軸方向に離間した位置に配置され、ＮＥＧユニット２０９及びＮＥＧ材２０１が前方に、ヒーター２１２が後方に、配置される。
　このとき、ヒーター２１２とＮＥＧユニット２０９及びＮＥＧ材２０１とを異なる高さに配置し、両者の横方向の位置を重ねることで引出電極２０３が横方向に大きくなることを防ぐ。この結果、ＮＥＧユニット２０９を備えても引出電極２０３を小型化できる。引出電極２０３が小型化されることで電子銃真空容器１２１と電子銃１２２が小型化され、電子銃１２２の機械振動に対する耐性が向上し、荷電粒子線装置の分解能が向上する。また、荷電粒子線装置を設置する床面積が低減し、コストが低減する。その他に、ヒーター２１２に対して、ＮＥＧユニット２０９とＮＥＧ材２０１とが異なる高さに配置されることで、ヒーター２１２を高さ方向に長くでき、ヒーター２１２の接触面積が増えることで熱を伝える効率が向上する。
　熱吸収板２５０は、ヒーター２１２に対向し、かつ、ヒーター２１２を直接見込む位置に配置される。熱吸収板２５０とヒーター２１２とは非接触である。熱吸収板２５０は、ＮＥＧユニット２０９に接続される。熱吸収板２５０は、ヒーター２１２かから放出する輻射熱を吸収して高温になり、この熱をＮＥＧユニット２０９に伝えることでＮＥＧ材２０１の加熱効率を向上する。この作用を図３で説明する。
　図３を用いて熱吸収板２５０がＮＥＧ材２０１の加熱効率を向上する作用の一例について説明する。熱伝導経路３０１で示したように、ヒーター２１２で発生した熱は引出電極側壁２１０を介してＮＥＧユニット２０９に伝わる。ここで５００℃以上に加熱したヒーター２１２からは輻射熱３０２が放出される。熱吸収板２５０をヒーター２１２を直接見込む対向した位置に配置することで、輻射熱３０２は熱吸収板２５０に吸収され、熱吸収板２５０が高温に加熱される。輻射熱３０２の熱量は、シュテファンボルツマンの式に従い、ヒーター２１２の温度の四乗と熱吸収板２５０の温度の四乗の差に比例する。熱吸収板２５０の温度が上がることで輻射熱３０２が減少し、ヒーター２１２はより少ない電力で温度が上がる。熱吸収板２５０はＮＥＧユニット２０９に接続されることから、熱伝導経路３０３で示したように、熱吸収板２５０からＮＥＧユニット２０９に熱が伝わる。
　この結果、ＮＥＧユニット２０９には熱伝導経路３０１と熱伝導経路３０３の二つの経路からヒーター２１２の熱が伝わり、効率的に加熱される。別の言い方をすれば、ヒーター２１２からＮＥＧユニット２０９への熱伝導の熱抵抗が小さくなり、ヒーター２１２とＮＥＧユニット２０９の温度差が小さくなる。または、熱抵抗が小さくなることで少ない電力でヒーター２１２とＮＥＧユニット２０９を高温に加熱できる。熱吸収板２５０はＮＥＧユニット２０９と別の部品で組み立てて接続してもよく、または、同一の材料から一体で製作してもよい。
　ＮＥＧユニット２０９から内部のＮＥＧ材２０１には、熱輻射経路３０４や熱伝導経路３０５で示した経路で熱が伝わる。この結果、ＮＥＧ材２０１が高温に加熱されて活性化され、排気能力が発現する。ＮＥＧ材２０１はＮＥＧユニット２０９に全体が囲まれて内包され、ＮＥＧユニット２０９の外部に突出して配置されることはない。従って、ＮＥＧ材２０１全体が均一に加熱され、温度に偏りが生じて活性化が不足する箇所は発生しない。この結果、排気速度が最大化される。より好適には、全てのＮＥＧ材２０１はＮＥＧユニット２０９と熱的に接触させ、ＮＥＧ材２０１とＮＥＧユニット２０９との温度差を最小化する。
　ＮＥＧユニット２０９の内部には熱伝導板２５１を配置してもよい。熱伝導板２５１を用いることでＮＥＧ材２０１の加熱効率が向上し、複数のＮＥＧ材２０１の温度が均一になる。熱伝導板２５１は、複数のＮＥＧ材２０１を接触させて配置する。従って、ＮＥＧ材２０１の間で熱が移動して温度の偏りがなくなり、活性化不足の箇所なく、排気速度が最大化される。熱伝導板２５１は、ＮＥＧユニット２０９と接触させてもよい。この場合、熱伝導経路３０６と３０７で示したように、ＮＥＧユニット２０９からＮＥＧ材２０１へと効率的に熱が伝わり、両者の温度差がさらに小さくなる。
　なお、本構成において、各部品の加熱時の温度は高い順に、ヒーター２１２、熱吸収板２５０、ＮＥＧユニット２０９、ＮＥＧ材２０１となる。加熱時の熱は、温度が高いものから低いものへと熱伝導または熱輻射で伝わる。
　ＮＥＧ材２０１は、ヒーター２１２の下方に配置することでより温度が高くなる。熱伝導経路３０８と熱輻射経路３０９，３１０，３１１で示したように、加熱時の引出電極２０３からは外部に向かって熱が逃げる。引出電極側壁２１０は、碍子２５２を介して電子銃真空容器１２１に接続される。ここで、電子銃真空容器１２１は室温の外気にさらされるために温度が低い。従って、電子銃真空容器１２１とヒーター２１２との間には大きな温度差が生じ、熱伝導経路３０８の熱量は、熱輻射経路３０９，３１０，３１１と比べて大きくなる。
　ＮＥＧ材２０１をヒーター２１２よりも上方、すなわちヒーター２１２と電子銃真空容器１２１との間に配置した場合、電子銃真空容器１２１に多くの熱が奪われるため、ヒーター２１２と比べてＮＥＧ材２０１の温度は急激に低下し、活性化できない場合がある。一方、ＮＥＧ材２０１をヒーター２１２の下方に配置すると、この位置から奪われる熱は熱輻射経路３０９，３１１で示した輻射熱のみとなり、その熱量は熱伝導経路３０８と比べて少ない。この結果、ＮＥＧ材２０１はヒーター２１２と同程度の高い温度が維持される。
　その他に、ＮＥＧ材２０１をヒーター２１２の下方に配置することで、チップ２０４のまわりの圧力をより低減できる。チップ２０４のまわりの圧力は、チップ２０４とＮＥＧ材２０１との間の排気経路を短くしてコンダクタンスを大きくし、実効排気速度を高めるほど低減される。チップ２０４は引出電極下部２１１に対向した位置に配置され、引出電極２０３全体では下方に配置される。そこで、ＮＥＧ材２０１も引出電極２０３の下方に配置することでチップ２０４までの排気経路の距離が短くなる。そこで、ＮＥＧユニット２０９は引出電極下部２１１に接続し、ＮＥＧユニット２０９の上方にヒーター２１２を配置することで実効排気速度を向上できる。
　また、ＮＥＧ材２０１の位置をそのままに、ヒーター２１２をＮＥＧ材２０１の下方に配置した場合、チップ２０４と引出電極下部２１１の下辺との距離が長くなる。このとき、引出電極下部２１１と加速電極１１３が向かい合う空間に形成される静電レンズとチップ２０４との距離が長くなり、収差が増加することで分解能が悪化する。このため、ＮＥＧ材２０１の上方にヒーター２１２を配置することでチップ２０４と引出電極下部２１１の下辺との距離を短くすることで、静電レンズの収差を最小限にできる。
　さらに、ＮＥＧ材２０１をヒーター２１２の下方に配置することで、ヒーター２１２の配線３１２の実装が容易になる。ヒーター２１２は通電加熱をするために配線３１２をもつ。配線３１２は、電子銃真空容器１２１の上面に設けられた図示していないフィードスルーに接続され、外部電源から電力が供給される。この配線３１２は、他の電極と接触してショートさせないようにする必要がある。また、単純な構成にして電子銃を小型化するためには、配線３１２の長さは短くする必要がある。ＮＥＧ材２０１をヒーター２１２の下方に配置することで、フィードスルーとの距離が短くなり、配線の３１２の長さを短くできる。また、ヒーター２１２の上方に配線３１２を置く自由な空間ができることから、配線３１２の構成を単純にでき、ショートを防ぐことが容易となる。
　以上のヒーター２１２とＮＥＧ材２０１との配置をまとめると、ヒーター２１２を上方、ＮＥＧ材２０１を下方に配置することで、電子銃１２２の小型化に加えて、ＮＥＧ材２０１の加熱温度向上と実効排気速度の向上、静電レンズの収差低減、ヒーター２１２の配線３１２の簡易化といった効果が実現する。別の言い方をすれば、電子線１０１が放出される進行方向に対して、最初にヒーター２１２、次にＮＥＧ材２０１の順番に配置されることで、上記の効果が実現する。
　熱吸収板２５０とヒーター２１２とを非接触にすることで、少ない電力でヒーター２１２とＮＥＧ材２０１を高温にできる。熱輻射経路３１０で示したように、熱吸収板２５０からは外部へ輻射熱が逃げる。熱吸収板２５０をヒーター２１２と接触させ、同じ高い温度にすると、熱輻射経路３１０の輻射熱が大きくなり、加熱に必要な電力が大きくなる。
　しかしながら、熱吸収板２５０とヒーター２１２とを非接触にすることで、熱吸収板２５０の温度はヒーター２１２よりもわずかに低くなり、その四乗に比例して熱輻射経路３１０の輻射熱が小さくなる。この結果、外部に逃げる熱量が減り、少ない電力で高温に加熱できる。その他に、ヒーター２１２はセラミックヒーターであり、その寸法精度は良くない。このため、ヒーター２１２の内外両面を他の電極と接触させて組み立てることは難しい。熱吸収板２５０とヒーター２１２とを非接触にすることで組み立てが容易になる。
　熱吸収板２５０のその他の作用として、ヒーター２１２の帯電防止がある。図２に示したように、電子線１０１が絞り２１５や加速電極１１３に衝突すると、ここから反射電子が放出され、第二真空室１０６の内部を散乱する。ヒーター２１２はセラミック製であり、反射電子が衝突すると帯電する。帯電したヒーター２１２は意図しない電位分布を形成し、電子線１０１の軌道を曲げる。この結果、軸外収差による分解能低下や、軌道のずれで電子線１０１が試料１０２まで届かない場合がある。その他に、ヒーター２１２の帯電が進むと、周囲の電極との間で放電が起こる。この結果、電圧変動が生じてチップ２０４の溶損や電極の破壊などの不具合が生じる。
　しかしながら、本発明のようにヒーター２１２と対向させた位置に金属製の熱吸収板２５０を配置することで、ヒーター２１２に反射電子が衝突することが防がれ、帯電が防止される。熱吸収板２５０は金属製であるため、それ自身は帯電しない。また、表面で反射電子をさらに反射させることで、ヒーター２１２から反射電子を遠ざけることで衝突の機会を低減する。熱吸収板２５０の上端は、ヒーター２１２の上端よりも高くし、反射電子がヒーター２１２まで回り込むことを防ぐ。これらの結果、ヒーター２１２の帯電が防がれ、電子線の軌道のズレや放電が防がれる。
　図８を用いて、ＮＥＧユニット２０９の内部のＮＥＧ材２０１の構成の一例を説明する。図８は、ＮＥＧ材２０１の一部を拡大した斜視図である。ＮＥＧ材２０１は、より好適には焼結した多孔質のバルク材を用い、ＮＥＧユニット２０９の内部に複数個を並べる。ＮＥＧ材２０１を複数個用いることで、総体積が同じ単一のＮＥＧ材を配置した場合と比べて、真空に面するＮＥＧ材の表面積が増える。このため、ガスを吸着する表面が増え、排気速度が向上する。また、焼結したＮＥＧ材は、表面にマイクロメートルオーダの凹凸をもつため実効的な表面積が大きい。従って、表面が平滑なＮＥＧ材と比べて排気速度が高く、圧力をより低減できる。
　ＮＥＧ材２０１は円柱構造とし、その側面を互いに接触させて密に並べることでＮＥＧユニット２０９内の実装個数を増やす。ＮＥＧ材２０１同士が接触する箇所は真空に露出せず、真空排気に寄与しないが、ＮＥＧ材２０１に円柱構造をもたせ、円と円とを接触させることで接触面積は最小限になる。この結果、ＮＥＧ材２０１が真空に露出する総面積が増え、排気速度が最大化される 。ＮＥＧ材２０１は、個数を増やすほど総排気速度が向上する。ＮＥＧ材２０１は、高さ方向に二段以上積み重ねてもよく、半径方向に二列以上並べてもよい。なお、図８で説明する半径方向とは、図２での横方向に相当する。ＮＥＧ材２０１の構造は、球構造や側面が曲面である立体構造でもよい。この場合も、ＮＥＧ材２０１同士が接触する面積が最小化される。
　ＮＥＧ材２０１に多孔質の焼結体を用いた場合、その熱伝導率は悪いために複数のＮＥＧ材２０１の個体間や、単一のＮＥＧ材２０１の内部において温度差ができ、活性化できない部分が生じる場合がある。しかし、熱伝導板２５１を用いることで温度差が均一化され、全体が活性化されやすくなる。熱伝導板２５１を用いる場合、上段のＮＥＧ材８０２と下段のＮＥＧ材８０３とで示したように、熱伝導板２５１の上下にＮＥＧ材２０１を配置してもよい。熱伝導板２５１の幅はＮＥＧ材２０１の直径よりも狭くし、上段のＮＥＧ材８０２の下面や下段のＮＥＧ材８０３の上面の一部を真空に露出させる。この結果、排気に寄与する表面積が増えて排気速度が向上する。
　上段のＮＥＧ材８０２と下段のＮＥＧ材８０３とが同一の熱伝導板２５１に接触されることで、ＮＥＧ材２０１を高さ方向に複数段配置した場合であっても段によってＮＥＧ材２０１の温度に差ができることが防がれる。この結果、ＮＥＧ材２０１全体が均一に加熱されて活性化される。熱伝導板２５１には、上段のＮＥＧ材８０２と下段のＮＥＧ材８０３に加えて、円周方向のＮＥＧ材８０４またはＮＥＧ材８０５を接触させ、少なくとも３個以上を接触させる。この結果、高さ方向と円周方向の二方向の温度が均一化される。
　熱伝導板２５１は円周方向に周期的に複数個配置し、より好適には全てのＮＥＧ材２０１をいずれかの熱伝導板２５１に接触させる。この結果、ＮＥＧユニット２０９内の全てのＮＥＧ材２０１の温度が均一化される。なお、ＮＥＧ材２０１を半径方向に複数列並べる場合であっても、列の間に熱伝導板２５１を設け、異なる列のＮＥＧ材２０１を同一の熱伝導板２５１に接触させることで、列による温度の偏りが防がれる。
　熱伝導板２５１には、開口８０１を設けてもよい。開口８０１を設けることで、ＮＥＧ材２０１のうち熱伝導板２５１と接触せずに真空に露出した面が増える。この結果、排気速度が向上する。熱伝導板２５１を用いることで、ＮＥＧ材２０１の加熱温度の均一化と露出面積増加による排気速度向上とが両立される。
　ＮＥＧ材は一般的に大気暴露と活性化を繰り返すと、吸着物が内部に拡散して貯まり、排気速度が低下して寿命となる。しかし、立体構造をもつバルクのＮＥＧ材は十分な体積をもつことから、吸着物が内部に拡散できる容量が大きい。このため、活性化の繰り返しに対する寿命が長い。ＮＥＧ材２０１に焼結したバルク材を用いることで排気速度の向上だけでなく、長寿命化も実現する。
　図４を用いて、引出電極２０３の外側表面４０１の輻射率がＮＥＧ材２０１の加熱効率を向上する作用の一例を説明する。熱輻射経路３０９，３１０，３１１で示したように、引出電極２０３からは外部に向けて熱が逃げる。このとき、引出電極２０３の外側表面の輻射率を低くすることで輻射熱が低減し、より低い電力でヒーター２１２とＮＥＧ材２０１を高温に加熱できる。そこで、熱吸収板２５０とＮＥＧユニット２０９と引出電極下部２１１の外側表面４０１は、電解複合研磨などを用いて表面粗さをＲａ＝１μｍ以下にし、輻射率を０．３以下、より好適には０．１以下にする。また、外側表面４０１に電極の母材とは異なる輻射率の低い金属、例えば金，銀，銅，アルミニウム，窒化チタンなどを成膜してもよい。
　その他に、熱吸収板２５０の内側表面４０２は、輻射率が高いほどヒーター２１２から放出する輻射熱３０２を吸収する。この結果、熱吸収板２５０の温度が高くなり、ＮＥＧ材２０１の温度も高くなる。そこで、内側表面４０２の表面粗さはＲａ＝１μｍよりも大きくし、輻射率を０．３以上にする。また、内側表面４０２に電極の母材と異なる輻射率の高い材料、例えば炭素やその化合物，金属酸化物を成膜してもよい。
　図４で説明した構成を別の言い方でまとめると、熱吸収板２５０は内側表面よりも外側表面の輻射率を低くすることで、ＮＥＧ材２０１の加熱効率が向上される。また、別の言い方をすれば、熱吸収板２５０のヒーター２１２と向き合う内側の輻射率を反対の外側の輻射率よりも高くすることで、少ない電力でＮＥＧ材２０１を高温に加熱できる。また、その他の言い方では、熱吸収板２５０の内側の表面粗さを反対の外側の表面粗さよりも大きくすることで、少ない電力でＮＥＧ材２０１を高温に加熱できる。また、その他の言い方では、熱吸収板２５０の内側と外側の表面に異なる材料を露出させ、内側の輻射率を外側の輻射率よりも高くすることで、少ない電力でＮＥＧ材２０１を高温に加熱できる。
　本発明のようにＮＥＧ材２０１を引出電極２０３の内部に配置することで第一真空室１０５と電子源（荷電粒子源）まわりの圧力を効率的に低減する構成では、ＮＥＧ材２０１のまわりに空間を設けてコンダクタンスを向上し、実効排気速度を高くする必要がある。一方、ＮＥＧ材２０１のまわりに空間を設けると、ＮＥＧ材２０１への熱伝導の経路が狭くなり、熱が伝わりにくいことでＮＥＧ材２０１の加熱温度が低くなり、活性化されずに排気速度が低下する場合がある。すなわち、引出電極２０３内にＮＥＧ材２０１を配置する構成ではＮＥＧの実効排気速度向上と活性化温度向上とがトレードオフの関係になる。特に、ＮＥＧ材２０１が立体構造をもつバルク材である場合、ＮＥＧ材２０１の立体構造内で温度分布が生じ、一部の温度が上がらずに活性化されず、排気能力が低減する場合がある。
　しかしながら、本発明のように熱吸収板２５０を用いて輻射熱を利用することでＮＥＧ材２０１の加熱効率が向上され、ＮＥＧ材２０１の加熱温度が十分に高くなって活性化される。別の言い方では、ヒーター２１２とＮＥＧ材２０１との間の熱抵抗が低減されて両者の温度差が小さくなり、加熱効率が向上する。また別の言い方をすれば、ヒーター２１２の電力を少なくしてもＮＥＧ材２０１を高温に加熱できる。その他に、ＮＥＧユニット２０９や熱伝導板２５１を用いてＮＥＧ材２０１を取り囲み、均一に熱を伝えることで、ＮＥＧ材２０１の内部に温度の偏りがなくなり、全体が一様に活性化されることで排気速度が最大化される。
　またその他に、ヒーター２１２とＮＥＧ材２０１とを異なる高さに配置し、ヒーター２１２を上方、ＮＥＧ材２０１を下方に配置することで、電子銃１２２が小型化され、かつ、ＮＥＧ材２０１の加熱温度と実効排気速度が向上する。別の言い方をすれば、電子線１０１が放出される進行方向に対して、最初にヒーター２１２、次にＮＥＧ材２０１の順番に配置することで、電子銃１２２が小型化され、かつ、ＮＥＧ材２０１の加熱温度と実効排気速度が向上する。以上の構成の結果、ＮＥＧ材２０１が十分高温で活性化されることで電子源（荷電粒子源）まわりの圧力が効率的に低減され、安定した電子線を提供し、かつ、小型な電子銃及び荷電粒子線装置が提供される。
　図５を用いて、熱吸収板２５０がＮＥＧ材２０１の加熱効率を向上する効果の一例について説明する。図５は、ヒーター２１２の入力電力に対するＮＥＧ材２０１の温度を示す。なお、電力は、熱吸収板２５０がある場合にＮＥＧ材２０１が５００℃になる電力を１として正規化した。熱吸収板２５０を設けることで、ヒーター２１２からＮＥＧ材２０１へと熱が伝わりやすくなり、さらに引出電極２０３から外部へと逃げる熱が低減する。この結果、熱吸収板２５０がない場合と比べて、同じ電力であってもＮＥＧ材２０１の温度が高くなる。従って、ＮＥＧ材２０１の活性化が十分に行われて排気速度が向上し、第一真空室１０５の圧力が低減される。
　なお、熱吸収板２５０がない場合であっても、ヒーターの電力を高くすることでＮＥＧ材２０１を５００℃まで加熱できる。しかしながら、この場合、ヒーター２１２や引出電極２０３の温度が過剰に高くなり、電極の歪みや低融点材料の蒸発が起こる。この結果、電極の歪みによって引出電極２０３を取り外して組み直すことができず、ＣＦＥ電子源２０２やＮＥＧユニット２０９の交換ができなくなる。また、低融点材料の蒸発によって蒸発した金属が碍子などに蒸着されることで放電が生じ、電子銃１２２が使用できなくなる。このため、本発明のように少ない電力でヒーター２１２や引出電極２０３を過剰に高温にすることなくＮＥＧ材２０１を高温に加熱することで、これらの不具合を防止できる。
　図６を用いて、熱吸収板２５０が電子線の電流を安定化する効果の一例について説明する。図６は、第二真空室１０６の圧力に対する電子線の安定時間を示す。なお、安定時間は、熱吸収板２５０がない場合において、第二真空室１０６の圧力が１×１０－９Ｐａであるときの安定時間を１として正規化した。ＮＥＧの活性化は、ＮＥＧ表面の吸着物質が内部に拡散して清浄表面が作られることで行われる。吸着物質の拡散速度は温度の指数乗で増え、加熱温度が数％上がると拡散速度は数倍向上する。このため、ＮＥＧの加熱温度がわずかに増えることで排気速度は大きく変わる。
　本発明では、熱吸収板２５０を設けてＮＥＧ材２０１の加熱温度を向上し、十分な活性化を行うことでＮＥＧ材２０１の排気速度を向上させる。この結果、第二真空室１０６の圧力が同じであっても、熱吸収板２５０がない場合と比べて第一真空室１０５の圧力が低減され、ＣＦＥ電子源２０２から放出する電子線の安定時間が向上する。その他に、熱吸収板２５０を設けたことで、同じ安定時間を得るために必要な第二真空室１０６の圧力を高くできる。このため、補助ＮＥＧポンプ１１２やイオンポンプ１１１を小型化または省力することが可能になり、荷電粒子線装置の小型化とコスト低減ができる。
　実施例１では、熱吸収板２５０を用いてＮＥＧ材２０１の加熱効率を向上し、活性化する構成を説明した。実施例２では、熱反射板７０１を備えた構成について説明する。なお実施例２には、実施例１で説明した構成や機能の一部を適用できるので、同様の構成，機能については同じ符号を用いて説明を省略する。
　図７を用いて、熱反射板７０１がＮＥＧ材２０１の加熱効率を向上することの一例について説明する。本実施例では、引出電極２０３を囲むように第二真空室１０６内に熱反射板７０１が配置される。熱反射板７０１は、ステンレススチール，チタン，パーマロイ等で作られ、碍子２５２を介して電子銃真空容器１２１に接続される。熱反射板７０１は中央の下部に開口７０４を備え、ＣＦＥ電子源２０２から放出する電子線１０１はこの開口７０４を通過して下方の加速電極１１３や絞り２１５に進む。熱反射板７０１は引出電源１０９と電気的に接続され、引出電圧が印加される。なお、熱反射板７０１に印加される電圧は、その他の電圧であってもよい。
　熱輻射経路３０９，３１０，３１１で示したように、加熱時の引出電極２０３からは外部に向かって輻射熱が逃げる。熱反射板７０１がない場合、引出電極２０３は室温の外気にさらされた温度の低い電子銃真空容器１２１と向き合う。ここで、輻射熱は向かい合う物体の温度の四乗の差に比例することから、熱輻射経路３１０，３１１の輻射熱は比較的大きくなり、引出電極２０３から多くの熱量が奪われる。一方、本実施例のように引出電極２０３を囲む位置に熱反射板７０１を設けることで、引出電極２０３と熱反射板７０１とが向き合う。熱反射板７０１の温度は、引出電極２０３と電子銃真空容器１２１の温度の中間になり、熱輻射経路３１０，３１１で示した輻射熱が低減される。この結果、引出電極２０３から逃げる熱量が減り、ヒーター２１２の入力電力を少なくしてもＮＥＧ材２０１を高温に加熱できる。
　熱反射板７０１の表面は、電解複合研磨などを用いて表面粗さをＲａ＝１μｍ以下にし、輻射率を０．３以下、より好適には０．１以下にする。また、熱反射板の母材と異なる輻射率の低い金属、例えば金，銀，銅，アルミニウム，窒化チタンなどを成膜してもよい。熱反射板７０１の内側表面の輻射率を低減することで、引出電極２０３から放出する輻射熱が熱反射板７０１に吸収されにくくなり、熱輻射経路３１０，３１１の熱量が低減される。この結果、少ない電力でＮＥＧ材２０１を高温に加熱できる。その他に、熱反射板７０１の外側の輻射率を低減することで、熱輻射経路７０３で示した熱反射板７０１から電子銃真空容器１２１に伝わる輻射熱が低減する。この結果、熱反射板７０１の温度が上がり、熱輻射経路３１０，３１１で示した輻射熱がさらに低減される。この結果、ヒーター２１２の入力電力をさらに少なくしてもＮＥＧ材２０１を高温に加熱できる。
　引出電極２０３の下面は、加速電極１１３と向き合うことから、引出電極２０３から熱輻射経路３０９で示した熱が逃げる。そこで、加速電極１１３には第二のヒーター７０２を設けてもよい。第二のヒーター７０２はセラミックヒーターであり、加速電極１１３に接触させて配置する。また、第二のヒーター７０２は第三真空室１０７に配置し、定常的な脱ガスがある場合でも、第二真空室１０６の圧力を悪化させることはない。第二のヒーター７０２は、ヒーター２１２を加熱するのと同じ時期に加熱させ、加速電極１１３と絞り２１５を５００℃程度にする。この結果、引出電極２０３と加速電極１１３との温度差が小さくなり、熱輻射経路３０９の輻射熱が低減される。従って、引出電極２０３から逃げる熱量が減り、ヒーター２１２の入力電力をさらに少なくしてもＮＥＧ材２０１を高温に加熱できる。その他に、加速電極１１３と絞り２１５を加熱することで、これらに電子線１０１が衝突した際に放出する電子衝撃脱離ガスが低減する。この結果、第二真空室１０６の圧力の悪化が防がれる。
　以上、本発明の複数の実施例について説明した。本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、チップ２０４として、タングステン単結晶の代わりに、ＣｅＢ６やＬａＢ６などの低仕事関数材料や、炭素被服材料のような表面が不活性な材料が用いられてもよい。また、先端の曲率半径を数十ｎｍや数原子から一原子程度までに先鋭化したナノワイヤ電子源や、単原子電子源が用いられてもよい。また、本発明が適用できる荷電粒子源は、ＣＦＥ電子源に限らずショットキー電子源やイオン源にも適用できる。特にイオン源としてガス電界電離イオン源が挙げられ、チップ２０４に＜１１１＞結晶方位のタングステン単結晶を用い、引出電極２０３に対してチップ２０４に正の電圧を印加することで、その他はほぼ同じ装置構成であってもチップ２０４から荷電粒子線としてイオンを放出することができる。その他に、ショットキー電子源から安定な放出電流を得るためには、１×１０－７Ｐａ以下の超高真空が必要である。本発明を適用することで、電子源（荷電粒子源）まわりの効率的な真空排気を実現でき、効率的な真空排気と荷電粒子線装置の小型化を両立できる。また、第二真空室の圧力上昇の影響が低減され、安定な放出電流を維持しやすくなる。
１０１…電子線、１０２…試料、１０３…鏡体、１０４…試料室、１０５…第一真空室、１０６…第二真空室、１０７…第三真空室、１０８…第四真空室、１０９…引出電源、１１０…フラッシング電源、１１１…イオンポンプ、１１２…補助ＮＥＧポンプ、１１３…加速電極、１１４…加速電源、１１５…イオンポンプ、１１６…コンデンサレンズ、１１７…検出器、１１８…ターボ分子ポンプ、１１９…対物レンズ、１２０…配管、１２１…電子銃真空容器、１２２…電子銃、１２３…サプレッサ、１２４…サプレッサ電源、２０１…ＮＥＧ材、２０２…ＣＦＥ電子源、２０３…引出電極、２０４…チップ、２０５…フィラメント、２０６…ピン、２０７…碍子、２０８…保持部、２０９…ＮＥＧユニット、２１０…引出電極側壁、２１１…引出電極下部、２１２…ヒーター、２１３…差動排気口、２１４…絞り、２１５…絞り、２１６…開口、２５０…熱吸収板、２５１…熱伝導板、２５２…碍子、３０１…熱伝導経路、３０２…輻射熱、３０３…熱伝導経路、３０４…熱輻射経路、３０５…熱伝導経路、３０６…熱伝導経路、３０７…熱伝導経路、３０８…熱伝導経路、３０９…熱輻射経路、３１０…熱輻射経路、３１１…熱輻射経路、３１２…配線、４０１…外側表面、４０２…内側表面、７０１…熱反射板、７０２…第二のヒーター、７０３…熱輻射経路、７０４…開口、８０１…開口、８０２…上段のＮＥＧ材、８０３…下段のＮＥＧ材、８０４…円周方向のＮＥＧ材、８０５…円周方向のＮＥＧ材。

Claims (14)

  1. 　単結晶針と該単結晶針と接続したフィラメントと該フィラメントを保持する碍子とを備えた荷電粒子源と、
    　非蒸発ゲッター材と、
    　引出電極と、
    　前記荷電粒子源と前記非蒸発ゲッター材とを配置し、前記引出電極の内部にある第一の真空室と、
    　前記非蒸発ゲッター材を加熱するヒーターと、
    　前記ヒーターと前記引出電極とを配置し、前記第一の真空室より圧力が高い第二の真空室と、
    　前記引出電極に接続し、前記ヒーターと対向させて配置した熱吸収板と、を備える荷電粒子線装置であって、
    　前記荷電粒子源から荷電粒子線が放出される方向に対して前記ヒーター、前記非蒸発ゲッター材が順番に配置され、且つ、前記非蒸発ゲッター材は前記第一の真空室に配置され、前記ヒーターは第二の真空室に配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　前記引出電極は前記第一の真空室側に開口を備えた熱伝導容器を備え、
    　該熱伝導容器はその内部に複数の前記非蒸発ゲッター材を備えることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置。
  3. 　前記熱吸収板が前記熱伝導容器に接続されることを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子線装置。
  4. 　前記ヒーターの加熱時において前記熱吸収板の温度は前記非蒸発ゲッター材の温度よりも高いことを特徴とする請求項３に記載の荷電粒子線装置。
  5. 　前記非蒸発ゲッター材は立体構造をもつ焼結体であることを特徴とする請求項３に記載の荷電粒子線装置。
  6. 　前記非蒸発ゲッター材は曲線形状の側面もち、
    　複数の前記非蒸発ゲッター材が前記側面で接触されることを特徴とする請求項５に記載の荷電粒子線装置。
  7. 　前記熱伝導容器は内部に熱伝導板を備え、
    　該熱伝導板は少なくとも３つ以上の前記非蒸発ゲッター材と接触されることを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子線装置。
  8. 　前記熱伝導板は開口を備えることを特徴とする請求項７に記載の荷電粒子線装置。
  9. 　前記ヒーターはセラミック製であり、
    　前記熱吸収板は前記荷電粒子線が生成する反射粒子が前記ヒーターに衝突することを防ぐ部材であることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置。
  10. 　前記熱吸収板の前記ヒーターと向き合う内側の面の輻射率は外側の輻射率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置。
  11. 　前記熱吸収板の内側の面の表面粗さは外側の表面粗さよりも大きいことを特徴とする請求項１０に記載の荷電粒子線装置。
  12. 　前記熱吸収板の内側と外側の表面の材料が異なることを特徴とする請求項１１に記載の荷電粒子線装置。
  13. 　前記第二の真空室に熱反射板を備え、
    　該熱反射板は前記引出電極を囲むように配置されることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置。
  14. 　前記引出電極と向き合う位置に加速電極を備え、
    　前記加速電極は第二のヒーターを備えることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置。
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