(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子を発生させる電子源と、
当該電子源から前記電子を引き出すための電位差を前記電子源との間に形成する電位が印加される引出電極と、
当該引出電極を加熱する内部ヒータと、
励磁用のコイルおよび当該コイルを内部に格納するリング状磁路部材を備える電磁レンズと、
前記電子源，引出電極，内部ヒータおよび電磁レンズを格納する電子銃室とを備え、
前記コイルは、
円筒面の周方向に溝が形成された円筒状絶縁部材と、
当該溝に沿って巻き付けられた導電線とを含んで構成されることを特徴とする磁界重畳型電子銃。
【請求項２】
請求項１に記載の磁界重畳型電子銃において、
前記コイルは、前記導電線が巻き付けられた、互いに半径の異なる複数の前記円筒状部材が同心円状に配置されて構成されていることを特徴とする磁界重畳型電子銃。
【請求項３】
請求項１に記載の磁界重畳型電子銃において、
前記円筒状絶縁部材は、焼結セラミックスまたはガラスであることを特徴とする磁界重畳型電子銃。
【請求項４】
請求項１に記載の磁界重畳型電子銃において、
前記真空容器に対して大気側に配置された調整ネジを備え、
当該調整ネジは、前記電磁レンズに対してベローズを介して接触するように構成されたことを特徴とする磁界重畳型電子銃。
【請求項５】
請求項１に記載の磁界重畳型電子銃において、
前記コイルが真空中に配置されたことを特徴とする磁界重畳型電子銃。
【請求項６】
荷電粒子を発生させ、一次荷電粒子ビームとして放出する荷電粒子銃と、
前記荷電粒子銃から放出された荷電粒子ビームを収束させる機能を備えた荷電粒子光学系とを備えた荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子銃あるいは荷電粒子光学系は、励磁用のコイルおよび当該コイルを内部に格納するリング状磁路部材を備える電磁レンズを備え、
前記コイルは、
円筒面の周方向に溝が形成された円筒状絶縁部材と、
当該溝に沿って巻き付けられた導電線とを備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項６に記載の荷電粒子線装置において、
前記コイルは、前記導電線が巻き付けられた、互いに半径の異なる複数の前記円筒状部材が同心円状に配置されて構成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項６に記載の荷電粒子線装置において、
前記円筒状絶縁部材は、円筒面の経線方向に形成された少なくとも一つ以上の溝を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項６に記載の荷電粒子線装置において、
前記円筒状絶縁部材は、円筒面に設けられた貫通孔を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１０】
請求項６に記載の荷電粒子線装置において、
前記円筒状絶縁部材は、円筒面の経線方向に形成された複数の溝と、
当該複数の溝に形成された複数の貫通孔とを備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１１】
請求項６に記載の荷電粒子線装置において、
前記円筒状絶縁部材の端部に設けられた切り欠き部を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１２】
請求項１０に記載の荷電粒子線装置において、
前記複数の溝に形成された貫通孔は、隣接する経線方向の溝の貫通孔に対し、軸方向の位置が互い違いになるように配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１３】
請求項６に記載の荷電粒子線装置において、
前記溝は、前記円筒状絶縁部材の円筒面に螺旋状に形成されたネジ状溝であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の荷電粒子線装置において、
前記円筒状絶縁部材の端部に設けられた切り欠き部を備え
前記ネジ状溝の始点あるいは終点が前記切り欠き部の形成位置であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の荷電粒子線装置において、
前記円筒状絶縁部材は、前記螺旋の向きが互いに異なる右ネジ型円筒状絶縁部材と左ネジ型円筒状絶縁部材とを含み、
前記コイルは、互いに直径の異なる右ネジ型円筒状絶縁部材と左ネジ型円筒状絶縁部材とが交互に同心円状に配置されて構成されたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁レンズを有した電子銃および当該電子銃を備えた荷電粒子線装置、特に電子顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、電子銃から放出される電子線を加速し、電磁レンズで細い電子ビームとし、これを一次電子ビームとして走査偏向器を用いて試料上に走査し、試料より放出される二次電子あるいは反射電子を検出して像を得るものである。ＳＥＭで使用される電子銃は、内部に格納される電子源の種類により、冷陰極電界放出型電子銃もしくは熱電界放出型電子銃に大別される。
【０００３】
冷陰極電界放出型電子銃は、常温でタングステンの針状のチップの先端に強電界をかけ、トンネル効果により電子を放出させ電子ビームを得る。チップの先端に雰囲気中の気体分子が吸着すると、チップ先端の仕事関数が変化し放出される電流量が変動する。したがって、安定した電子ビームを得るためには、チップ近傍の真空度は１０-8Ｐａ以下に保つ必要がある。多量に気体分子が付着した場合は、タングステンに通電を行いチップを加熱し、付着気体分子を取り去るフラッシング作業を行う。フラッシング時にチップは、２０００Ｋ程度に加熱される、そのためにチップの針の先端の半径が大きくなり、フラッシング前のプローブ電流を得るには引出電圧を大きくする必要がある。
【０００４】
熱電界放出型（通称ショットキー電子銃）は、タングステンの針状のチップに仕事関数を下げる物質を塗布し、電界下で加熱して電子を放出させ電子ビームを得る電子銃である。一般的なショットキー電子銃は、酸化ジルコニウム等を塗布したタングステンチップを〜１８００Ｋに常時加熱し、酸化ジルコニウムを拡散させチップをコーティングしポテンシャル障壁を下げた（〜２.７ｅＶ）針を、ショットキー効果を利用して電子を放出させるものである。酸化ジルコニウムをコーティングすることにより、冷陰極より低真空で使用でき、チップ近傍の圧力は、１０-7〜１０-8Ｐａ以下である。
【０００５】
１０-7〜１０-8Ｐａ程度の高真空を得るには、イオンポンプ排気領域の金属表面の吸着気体分子の除去を目的としたベーキングが必要となる。ベーキングの温度は、最大３００〜４００℃になる。チップ付近を高真空に保つために、チップ近傍を異なる真空内に配置したヒータで加熱する場合もある。
【０００６】
一方、ＳＥＭ内部の電子銃あるいは電子光学系では、光学要素として、電磁レンズが使用される場合が多い。電磁レンズに使用するコイルは、金属性のボビンにポリイミドの皮膜で絶縁を施した銅線を巻き付け、その周りを樹脂材で埋めた構造になっている。電子ビームは電界放出形電子銃および熱電界放出型電子銃の針状のチップから放射状に放出される。大電流を得るためには大きな開角の電子ビームを集める必要がある。広がった電子ビームを電磁レンズで集めると、球面収差のために電子ビーム径が広がってしまう。そのために、電子ビームが広がる前にチップと加速アノード電極間に電場と磁場を重畳させ電子を集める方法が行われている。
【０００７】
特開２０００−３６８９号公報（特許文献１）には、永久磁石と電磁レンズを一体化した磁極ユニットを備えた磁界重畳型電子銃を搭載した電子ビーム露光装置が開示されている。
【０００８】
また、特開２００１−３１２９８６号公報（特許文献２）には、永久磁石を使用せずに電磁レンズを使用した磁界重畳型電子銃の一構成が開示されている。当文献に記載された発明では、ベーキング時の加熱を考慮して、電子銃の上部に励磁コイルを配置し、発生した磁界を導くための磁路を電子源のチップ近傍付近まで伸ばすことにより、一次電子ビームの光軸上に磁界を印加できる構成になっている。また、励磁コイルは脱着可能に構成されており、ベーキング時には、励磁コイルを取り外せるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−３６８９号公報
【特許文献２】特開２００１−３１２９８６号公報（米国特許７０９８４５５号）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に示されるような永久磁石を用いた磁界重畳電子銃は、使い勝手が良くないという欠点がある。永久磁石は、ベーキングの熱により減磁し、電子ビーム電流の低下、レンズ系の制御の再調整が必要となる。また、永久磁石は、経時変化による減磁も起こるために、最適なコンディションを常に提供することが難しい。また、永久磁石は磁力を制御することができず、引出電圧，加速電圧の変化に適応した制御ができない。そして、磁場の印加をオフにすることもできない。
【００１１】
一方、電磁レンズを用いた磁界重畳電子銃は、電磁レンズに使用されているコイルが熱に弱いという欠点がある。コイルのモールドと配線の被覆には樹脂が使用されており、樹脂性コイルは、最大３００〜４００℃に達するベーキングで軟化・変質する恐れがある。
【００１２】
コイルを用いた磁場レンズを真空内への設置と高温対応を目的に、コイルの樹脂の部分をセラミックスまたはガラスに置き換えることも可能であるが、セラミックスは、焼結時に１０〜２０％収縮する。従って、コイルの導電線の巻線後に焼結を行うと、セラミックスの収縮により導電線も収縮の力を受け、内部での短絡が発生する。また、セラミックスまたはガラスは、ベーキング時に加熱を行うと、導電線の材料との膨張率の違いにより破損してしまう。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、ベーキングによる加熱に耐えうる電磁レンズ，当該電磁レンズを搭載した磁界重畳型電子銃、あるいは当該電磁レンズを搭載した荷電粒子線装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明では、電磁レンズを構成するコイルを、側面（すなわち円筒面）に溝が形成された円筒状絶縁部材と、当該溝に沿って巻き付けられた導電線とを備えるように構成することにより上記課題を解決する。円筒状絶縁部材の溝は、円筒面の緯線方向、すなわち周方向に沿って形成する。溝の形成方法としては、円筒状絶縁部材の軸方向に、複数本の溝を互いに平行になるように形成する手法と、螺旋状の一本の溝を円筒状絶縁部材の円筒面に形成する手法の２通りがある。
【００１５】
コイルの詳細については、実施例で説明される。
【発明の効果】
【００１６】
従来のコイルと異なり樹脂を使用しないため、ベーキング時の高温加熱に耐えられる電磁レンズが実現できる。また、予め焼結済みの絶縁材料土台にコイルの電流経路を形成するため、焼結時に導電線が破断するなどの問題も無い。以上、本発明によって、ベーキング時の加熱に耐えられる電磁レンズを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施例１の磁界重畳型電子銃の全体構成を説明する断面図。
【図２】実施例１のコイルの断面斜視図。
【図３】実施例１のボビンの斜視図。
【図４】実施例１のコイルにおける導電線の巻き付け方の説明図（１）。
【図５】実施例１のコイルにおける導電線の巻き付け方の説明図（２）。
【図６】実施例１のコイルにおける導電線の巻き付け方の説明図（３）。
【図７】実施例１のコイルにおける導電線の巻き付け方の説明図（４）。
【図８】実施例１のボビンの外観図。
【図９】実施例１のコイルにおける真空排気時の気流の流れの説明図。
【図１０】実施例１のコイルにおけるボビンの積層面の断面図。
【図１１】実施例１の磁界重畳型電子銃における調整ネジと押付けバネの配置を示す上面図。
【図１２】実施例１の荷電粒子線装置を示す全体図。
【図１３】実施例２のコイルにおける右ネジボビンの斜視図。
【図１４】実施例２のコイルにおける左ネジボビンの斜視図。
【図１５】実施例３の電磁レンズにおけるコイルの配置例を示す図。
【図１６】実施例３の電磁レンズにおけるコイルの配置例を示す図。
【図１７】実施例３の電磁レンズを排気口の高さ方向の中心位置で切った断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳述する。
【実施例１】
【００１９】
本実施例では、冷陰極電界放出型電子源電子銃への適用例について説明する。図１は本実施例の冷陰極電界放出型電子源電子銃の構成を示した断面図である。電子銃１，チップ２，絶縁碍子３，電磁レンズ４，イオンポンプ（１）５ａ，イオンポンプ（２）５ｂ，調整ネジ６，押付けバネ７，内部ヒータ８ａ，外部ヒータ８ｂ，引出電極９，差動排気アパーチャ（１）１０ａ，差動排気アパーチャ（２）１０ｂで構成される。電子ビーム１１は、Ｖ０の電圧が印加されたチップ２に対して正バイアスＶ１を引出電極９に印加することによりＶ０で加速され、差動排気アパーチャ（１）１０ａ，差動排気アパーチャ（２）１０ｂを通り電子銃外に放出される。
【００２０】
内部ヒータ８ａと引出電極９は共に円筒形状で、内部ヒータ８ａは引出電極９の周囲を取り囲むように配置しベーキング時に引出電極９を加熱する。内部ヒータ８ａの電熱線は、電子ビーム引出時はＶ１の電圧が印加されている。内部ヒータ８ａと外部ヒータ８ｂは、電子銃１内部の付着した気体分子を脱ガスするためのベーキングを行う際に、図示しない制御系より所定の時間通電され加熱する。加熱温度は、最大４００℃程度になる。
【００２１】
押付けバネ７は、バネ６２，押付け板６３からなる。バネ６２は、電磁レンズ４をＺ方向に押付ける方向に力が加わるように配置されている。押付け板６３は、バネ６２と電磁レンズ４の間にあり、電磁レンズ４との接触部が半円状になっている。これにより、電子レンズ４は、Ｚ方向に動かずＸ−Ｙ面方向に動かすことができる。
【００２２】
筐体１２は真空容器の隔壁であり、電子銃室を構成する。以上説明した各構成要素は、電子銃室内に配置され、電子銃の動作時には、各構成要素は真空状態で動作することになる。
【００２３】
図２は、図１の電磁レンズ４の詳細形状を断面にした斜視図である。図２に示す電磁コイル４は、断面がＣ字型のリング状磁路部材の内部にコイル２６が格納された構造を備える。電磁レンズ４が電子銃室内に設置される際には、電子ビーム１１の光軸と電磁レンズの中心軸とが一致するように（すなわち電子源と電子レンズが同軸になるように）設置される場合が多い。
【００２４】
リング磁路部材は、上磁路部材２０，下磁路部材２１が嵌め合わされて構成され、Ｃ字型断面の切り欠き部が磁極ギャップを構成する。上磁路部材２０と下磁路部材２１は、パーマロイや純鉄などの高透磁率の軟磁性材料からなる。リング磁路部材の上面、すなわち上磁路部材２０の上面には固定ネジ２５が設けられ、上磁路部材２０と下磁路部材２１を締結する。また、リング磁路部材の外周面には、電磁レンズ内の真空排気用の開口が設けられる（後述）。本実施例では、下磁路部材２１の外周面に開口２７を設けているが、上磁路部材２０側に設けても良い。
【００２５】
コイル２６は、ボビン２２，導電線２４により構成される。ボビンとは、コイルの電流経路である巻線部材を巻き付ける土台となるもので、本実施例では、円筒形状の板材により構成される。材料としては、焼結セラミックスまたはガラス等の絶縁体で構成される。このような導電線を巻き付ける土台となる円筒状絶縁部材を、以下の説明ではボビンと称する。
【００２６】
従来の電磁レンズは、コイルのモールドや被覆に樹脂を使用しているため、真空内で樹脂から多量のガスが放出され、超高真空雰囲気での使用には適していなかった。また、導電線の絶縁材としてガラス繊維を使用した場合、ガラス繊維の表面積は大きいため超高真空まで真空排気することが困難である。
【００２７】
図２では、４段のボビンを使用した例を示しているが、ボビンの使用数の制限はない。ボビンを１つのみ使用してもコイルは構成でき、所望するコイルのターン数に合わせてボビンの使用数を増やしていけば、所望の起磁力のコイルを構成できる。
【００２８】
導電線２４は、銅，アルミニウムなどの低電気抵抗金属で、ベーキング時の加熱温度（例えば４００℃）でも溶解しない金属からなる。導電線２４はボビン２２の溝に巻き付けられる。
【００２９】
導電線２４は、上磁路部材２０または下磁路部材２１に開けられた穴より電磁レンズ４の外部に導出される。リング状磁路部材の上面には穴が設けられており、絶縁材料でできた絶縁碍子２３が設置されている。磁路と導電線２４は絶縁碍子３により絶縁される。更に、絶縁碍子２３にも穴が設けられており、導電線２４はこの穴を介して外部の電流端子（図示せず）と接続される。電磁レンズ４より導出した導電線２４はまた、図示していないハーメチックシールを介して電子銃外に導出される。大気中に導出された導電線２４は、図示していない電源と制御系に接続され、これらの電源と制御系を用いて導電線２４への電流を制御することにより電磁レンズの磁力の強度制御を行う。
【００３０】
次に、図３を用いてボビンの詳細について説明する。図３は、ボビン２２単体の斜視図である。ボビン２２は、ボビンの円筒面（円筒の外面）の緯線方向に形成された周方向溝３０（以後、周方向溝）、同じくボビンの円筒面の経線方向に形成された経線方向溝３１（以後、経線方向溝），穴３２，切り欠き部３３などからなる。ここで、「経線方向」とはボビンの円筒面上でボビンの中心軸に垂直な方向を意味し、「緯線方向」とは、ボビンの円筒面上で「経線方向」に直交する方向を意味する。「周方向」と「緯線方向」とはほぼ同義であるが、「周方向」といった場合、本実施例では、経線方向と傾いて交差する方向も含むものとする。本実施例の電子レンズでは、周方向溝は緯線方向溝であり、複数の緯線方向溝が経線方向に対して互いに平行に形成されている。
【００３１】
図３中のｂ１は、ボビン２２を構成する円筒部材の内径であり、ｂ２は外径である。ボビン２２は、焼結させたアルミナセラミックスまたはガラスなどの絶縁体で、かつ４００℃以下で変形せず、高真空で放出ガスの少ない材料である。ボビン２２は、円筒形をしており外周に周方向溝３０が複数個ある。周方向溝３０は、ボビンの軸に対して垂直で外周を一周する様にボビン２２に切られた溝であり、等間隔に配列している。周方向溝３０の個数に制限はない。
【００３２】
経線方向溝３１は、ボビン２２の周囲に上から下に直線状に位置する溝で、この部分には周方向溝３０は存在しない。本実施例の周方向溝形状のコイルの場合、後述するように、経線方向溝３１は一つ以上必要である。
【００３３】
穴３２は、ボビン２２の外周から内周に達する貫通孔である。穴３２の個数にも制限はない。切り欠き部３３は、経線方向溝３１の上下に一個ずつ設けられる。
【００３４】
複数のボビン２２を使用してコイルを構成する場合、形状が同じで内径ｂ１および外径ｂ１の異なる複数のボビンを入れ子状に配置してコイルを構成する。従って、複数のボビンの内径ｂ１，外径ｂ１の関係は、内側ボビンの外径ｂ２より外側ボビンの内径ｂ１が大きいことになる。以上のように、複数のボビンを使用してコイル２６を構成する場合、導電線の巻き付けられた径の異なるボビンが同心円状に配置されることになる。
【００３５】
次に、図４〜図７を用いて導電線２４のボビン２２への巻き方を説明する。図４は、最初のボビン２２へ導電線２４を巻き付けている途中の状態を示している。最初のボビン２２は、内径ｂ１が最も小さい。導電線２４の巻き付けは、経線方向溝３１上の切り欠き部３３の位置から始める。一段目の周方向溝３０へ巻き付け、巻き付け開始位置に導電線２４が達したら、導電線２４を巻き付ける溝を経線方向溝３１の部分で切り替えて、次の段の溝に導電線を巻き付ける。上から巻き付けた場合は、二段目の周方向溝は次の下側の周方向溝となり、下から巻き付けた場合、次の上側の周方向溝３０が二段目の周方向溝となる。以上のように、周方向溝が緯線方向に形成されている場合には、巻線位置を切り替えるために、周方向溝が存在しない経線方向溝３１が必要となる。
【００３６】
以後、経線方向溝３１の部分で巻き付ける溝を切り替えながら、最終段の周方向溝まで巻き進める。図５には、図４に示したボビンの最終段の溝まで導電線を巻き付けた状態を示す。
【００３７】
次に、内径ｂ１の一段大きなボビンを初段目のボビンの上側あるいは下側から被せることにより、初段目のボビンと二段目のボビンを組み合わせる。導電線２４は、重ね合わせたボビン２２の切り欠き部３３より引出し、重ね合わせたボビン２２の一段目の周方向溝３０へ巻き付ける。図６には、初段目のボビンの外側に重ね合わされた二段目のボビンに最後まで導電線を巻き付けた状態を示している。以降、初段目のボビン２２と同様に巻き進めて行き、次のボビン２２へ移る際は、図５と同じ要領で切り欠き部３３の部分より導電線を引出し、巻き進める。図７は、４段のボビンを積層したコイルにおいて、導電線を最後まで巻き終えた状態を示している。この巻き方により、コイル内部での導電線２４の短絡および地絡することなく一本の金属線でコイルを巻くことができる。
【００３８】
次に、本実施例の電磁レンズの持つ真空排気機構について説明する。
【００３９】
図８は、電磁レンズ４をボビンの経線方向溝の中心を通る面で切断した断面図である。本実施例のリング状磁路部材は、側面に排気口４１を備えている。本実施例では、下磁路部材２１の側面に排気口４１を設けているが、上磁路部材２０側に設けても構わない。リング状磁路部材内に配置されたコイル２６は、コイルの外周側および内周側に、上磁路部材２０と下磁路部材２１とは接触しないスペース４２，４３を持つ。図１で示したように電磁レンズ４の側方には、イオンポンプ５ｂがあり、電子銃１の内部を真空排気している。従って、電磁レンズ４の内部には、図８に矢印で示した排気経路４０があり、電子ビーム１１が通過する中心部を排気している。排気経路４０は、電磁レンズの外周側から順に、排気口４１，スペース４２，穴３２（または切り欠き部３３），スペース４３，磁極ギャップ４４を通る空間からなり、真空排気はその空間の内部を気体分子がイオンポンプ５ｂ側へ移動することにより行われる。これにより、電磁レンズ４が電子銃１の内部に存在しても、電子銃１の中心部を排気できる。また、原理的には、穴３２は必ずしも経線方向溝３１の位置に形成する必要はないが、複数の穴をボビン円筒面の同じ周方向位置に揃えて形成することにより、真空排気時のコンダクタンスを高めることができる。
【００４０】
また、複数のボビンを同心円状に重ねて配置してコイル２６を構成する場合を考えると、図８に示す穴３２は、複数のボビンを重ねた状態で最外周のボビンから最内周のボビンまでを貫通する貫通孔になっている必要がある。従って、穴３２のボビン円筒面の周方向の形成位置は、径の異なる複数のボビン間で同じ必要がある。この点で、穴３２は、経線方向溝３１上にまとめて形成した方が、複数のボビン間での穴の位置合わせが容易であり、加工もしやすい。
【００４１】
図９は、導電線２４が巻かれている状態のボビンを側面からみた外観図である。図９に示す図は、見易さを考慮し、穴３２が両端に位置する状態から４５°回転させた状態のボビンを示している。本実施例では、ボビンに形成された複数の穴３２は、ボビンの経線方向に対して各々互い違いになるように配置されており、周方向溝３０がボビン２２を一周する間に必ず穴３２上を通過する。図中に示した矢印はボビン排気経路５０を示しており、真空排気時のボビン２２の周方向溝３０と導電線２４の隙間に存在する気体分子の動きを表している。なお、原理的には、穴３２の配置は必ずしも互い違いになるように配置する必要はなく、穴に対して周方向溝３０が必ず１つ以上通過するよう配置されていればよい。但し、全ての穴に対して均等な数の周方向溝が通過するよう穴を配置する方が形成する穴３２の個数が少なくてすみ、従って、ボビンの中心軸方向に対して互い違いになるように穴３２を配置するほうが、穴の個数が最も少なくてすむ。
【００４２】
図１０は、コイル２６の断面図の拡大図である。周方向溝３０の断面形状は四辺形であり、導電線２４の断面形状は円形である。また、ボビン２２の材料はセラミックスまたはガラス、導電線２４の材料は金属である。導電線２４の熱膨張率はボビン２２よりも大きいため、ベーキングの加熱時にボビンが破損する恐れがある、そこで、周方向溝３０の断面の面積が導電線２４の断面積よりも大きくなるように周方向溝を形成する。図１０の場合であれば、周方向溝３０の断面の四辺形の一辺の長さが導電線２４の直径より大きくなるように溝の加工を行う。これにより、熱膨張率の違いを吸収することができボビン２２の破損を防ぐことができる。また、周方向溝３０と導電線２４の間には、間隙５１が存在する。ボビン２２の周方向溝３０と導電線２４の隙間に存在する気体分子は、この間隙５１を通り穴３２より排気され、コイル２６の内部を十分に排気することができる。
【００４３】
周方向溝３０は、断面形状が四辺形以外のＶ溝，Ｕ溝形状となるように形成してもよい。導電線２４は、断面形状が円形以外の角線，楕円線などであっても使用可能である。ただし、熱膨張によるボビン２２の破損防止と、コイル２６内の真空排気の必要性から、周方向溝３０の断面積は導電線２４の断面積より十分大きい必要がある。
【００４４】
図１１は、図１に示す電子銃を電磁レンズ４の上面側から見た上面図である。電磁レンズ４の中心は電子ビーム１１の光軸に対応する。図１に示すように、電子銃室側面の高さ方向位置が電磁レンズ４に相当する位置には調整ネジ６が設けられており、電子ビーム光軸と電磁レンズ４の中心軸との軸合わせができる。調整ネジ６は、調整ノブ６０，ベローズ６１からなる。調整ノブ６０は、ベローズ６１により高真空の電子銃１の内部と隔てられており、電磁レンズ４の位置調整を大気側から行うことができる。調整ノブ６０には雄ネジが切られており、電子銃１の鏡筒外壁には雌ネジが切られている。これらの雄ネジと雌ネジがかみ合い挿入量を調整できる。調整ネジ６は４個設けられている。それぞれの調整ネジ６は、電子ビーム光軸を中心とした４回回転対称位置に配置されている。これら４個の調整ネジ６により、Ｘ−Ｙ平面上を電子ビーム１１と電磁レンズ４の中心を合わせるように調整することができる。押付けバネ７は電磁レンズ４の上部に４箇所ほど設けられており、図１に示すように、筐体１２の張り出し部に取り付けられている。
【００４５】
図１２は、本実施例の電磁レンズを搭載した走査型電子顕微鏡の全体構成を示す図である。図１２に示す走査電子顕微鏡は、電子銃部７０，鏡体部７１，試料室７２，電子銃電源７３，レンズ制御部７４，偏向制御部７５，アンプ７６，ステージ制御部７７，コンピュータ７８，表示装置７９で構成される。
【００４６】
電子ビーム１１は、チップ２と引出電極９に印加される引出電圧Ｖ１によってチップ２から放出される。電子ビーム１１はアノード電極８０に印加される加速電圧Ｖ０により加速される。引出電圧Ｖ１と加速電圧Ｖ０は、電子銃電源７３で制御される。チップ２から放出された電子ビーム１１のビーム径は、電磁レンズ系によって十分に絞られ試料８１に到達する。電磁レンズ系はチップ２の後段のレンズ制御部７４によって制御される。また、電子ビーム１１は、対物レンズ８２の上段に配置した偏向制御部７５によって制御される偏向コイル８３によって、試料８１上を二次元的に走査される。
【００４７】
電磁レンズ系は、４段の電磁レンズからなり、チップ２側から順に、電子銃部７０に設けられた電磁レンズ４および第１電磁レンズ８４，鏡体部７１に設けられた第２電磁レンズ８５，対物レンズ８２の順に配置される。本実施例の電磁レンズ４は、チップ２と引出電極９の間に磁界が発生するように配置される。以下に、本実施例の電磁レンズがＯＦＦの場合の電磁レンズ系と電子ビーム１１の動作について説明する。
【００４８】
第１電磁レンズ８４を通過する電子ビーム１１は、第１差動排気アパーチャ１０ａおよび第２差動排気アパーチャ１０ｂを通過した電子である。チップ２から放射される電子の放射角は、０.６ｒａｄ程であるが、各差動排気アパーチャが数百μｍ程度の穴であるため、アパーチャを通過する電子は、数ｍｒａｄ程度になる。第１電磁レンズ８４を通過した電子ビーム１１は、第１電磁レンズ８４によりクロスオーバーを第１電磁レンズ８４と対物絞り８６の間で結ぶように制御される。クロスオーバー位置を制御することによって、対物絞り８６上での電子ビーム径を制御することができる。これにより、対物絞り８６を通過する電子ビーム量を制御することができる。対物絞り８６後段の第２電磁レンズ８５は、試料８１に照射される際の開き角の制御を行う。対物レンズ８２は、電子ビーム１１を試料８１上で細く絞るように制御される。したがって、試料８１に照射される最大電子ビーム量は、数ｎＡ程度ある。最大電子ビーム量を増やすためには、第１電磁レンズ８４を通過する電子ビーム量を増やす必要がある。
【００４９】
試料室７２は、内部にステージ８７と試料８１から構成される。ステージ８７は、ステージ制御部７７によって制御される５つのモータによりＸ，Ｙ，Ｚ，Tilt，Rotationの５軸の操作が可能であり、試料８１を希望の方向から観察することができる。
【００５０】
試料８１の電子ビーム照射点からは、０ｅＶより大きく、照射電子ビームのエネルギー以下のエネルギーを持つ信号電子８８が放出される。信号電子８８は、対物レンズ８２上段に配置された偏向器８９によって照射電子ビームに軸ずれを起こすことなく検出器９０に検出され、アンプ７６で増幅される。
【００５１】
各制御部，電源，アンプは、装置全体を制御するコンピュータ７８によって制御される。増幅された電子信号は表示装置７９の画面に試料の拡大像を表示される。
【００５２】
試料室７２の内部の真空度は、１０-4Ｐａ程度であるが、鏡筒内に設けられた複数の差動排気絞りによって、チップ２の周囲の雰囲気は、イオンポンプによって真空排気され１×１０-8Ｐａ以下の超高真空に保つようになっている。また、大気圧状態から超高真空を得るために、電子銃を内部ヒータ８ａと外部ヒータ８ｂにより加熱し、鏡体内壁に付着した気体分子の脱ガスを促進し、短時間で超高真空を得ることができる。
【００５３】
本実施例の電磁レンズ４を搭載した電磁レンズ系は、電磁レンズ４によりチップ２と引出電極９の間に発生した磁界により、チップ２から放出された電子ビーム１１は、差動排気アパーチャ１０ａを通過前に集束作用を受け、数十ｍｒａｄまでの放射電子が差動排気アパーチャ１０ａを通過するようになる。これにより、最大電子ビーム量が、数十ｎＡになる。また、電磁レンズ４の強度を変更することによって、電子ビーム量を容易に可変することができる。なお、図１２の例では、電子銃部７０に本実施例の電磁レンズを配置した構成について示したが、同じ構成の電磁レンズ（導電線を巻き付けたボビンを積層したコイルを持つ電磁レンズ）を第１電磁レンズ８４，第２電磁レンズ８５あるいは対物レンズ８２のいずれに使用しても良いことは言うまでも無い。
【００５４】
以上、本実施例の電磁レンズは、予め溝を形成した絶縁体の土台に導電線を巻き付けるため、コイルの層間絶縁を考慮する必要が無い。従って導電線の被覆材やモールドといった樹脂部材を使用する必要が無く、従来の電磁レンズよりも遥かに優れた耐熱性を有する。耐熱性に優れるためベーキングが可能であり、真空容器の中に配置してそのまま動作させることが可能である。また、樹脂を用いないためガスの放出量が少なく、真空特性にも優れる。更に、溝の本数，寸法，ピッチ，断面形状などは任意に設計できる。これは、ボビン単体のみならず入れ子状に重ね合わせる複数ボビン間でも同様であり、例えば、溝の配置を、積層配置するボビン間で少しずつずらすなど、任意のターン数あるいは巻き方のコイルを精度良く実現できる。従って、設計者の意図した特性通りのコイルを製造することが可能であり、製造技術としても非常に優れる。
【００５５】
なお、以上の説明では、冷陰極電界放出型電子源電子銃を用いた電子銃および荷電粒子線装置に適用した実施例について説明したが、熱電界放出型電子源電子銃にも適用可能である。また、本実施例の電磁レンズは、電子銃内部の電磁レンズのみならず磁界型集束レンズや対物レンズといった、磁界レンズ一般に対しても適用でき、更には、電子顕微鏡や電子ビーム露光装置といった電子線装置の他、イオン顕微鏡やＦＩＢ装置などの荷電粒子線装置一般に適用することが可能である。
【実施例２】
【００５６】
実施例１の電磁レンズでは、円筒面の緯線方向に複数の溝を形成したボビンを用いてコイルを構成した。本実施例では、レコードのグルーブのような１本の溝を円筒面に螺旋状に形成したボビンを用いてコイルを構成した電磁レンズについて説明する。
【００５７】
図１３および図１４は、本実施例のボビンを使用したコイルの外観図である。本実施例のコイルで使用されるボビンは、形成される溝の向き（螺旋の向き）に応じて、右ネジボビンと左ネジボビンの２種が存在する。図１３に示されるボビンは右ネジボビンであるが、左ネジボビンの外観形状は、周方向溝が左ネジに切られていることを除けば、右ネジボビンと同様である。以下、右ネジボビンに形成された周方向溝を右ネジ溝、左ネジボビンに形成された周方向溝を左ネジ溝と呼ぶことにする。実施例１で説明したボビンと同様、右ネジボビン，左ネジボビンとも、穴と切り欠き部を備えているが、実施例１のボビンのような経線方向溝３１は形成されていない。溝が螺旋状に形成されているため、導電線を巻き付ける際に、溝を切り替える必要が無いためである。右ネジボビン，左ネジボビンとも、溝の開始位置および終了位置には切り欠き部が設けられている。穴３２と切り欠き部３３の位置は、右ネジボビン，左ネジボビンとも円筒面における周方向位置が同じ位置に形成されている。これは、図８で説明したように、複数のボビンを入れ子状に配置してコイルを形成する際、真空排気の必要上、穴はコイル最内周から最外周までの貫通孔になっている必要があるためである。
【００５８】
図１３は、右ネジボビン１００へ導電線２４を巻いた状態を示している。導電線２４の巻き方は、切り欠き部３３から巻き始め、右ネジ溝１０１に沿って巻いていき、切り欠き部３３で巻き終わる。
【００５９】
図１４は、右ネジボビン１００に導電線２４を巻いた後に、サイズの一段大きな左ネジボビン１０２へ導電線２４を巻き付け、図１３に示した右ネジボビンに重ね合わせた状態を示している。図１４中に示す長い矢印は左ネジボビン（図では外側に配置）のネジ溝の向きを示し、短い方の矢印は右ネジボビン（図では内側に配置）のネジ溝の向きを示している。導電線２４は、切り欠き部３３より引出し左ネジボビン１０２の切り欠き部３３の左ネジ溝１０３へ巻き付け、左ネジ溝１０３に沿って巻き進める。以後、ボビンの追加は同様の方法で導電線２４の巻き付けを行う。
【００６０】
ボビンを重ね合わせる際は、右ネジボビンの次は左ネジボビン，左ネジボビンの次は右ネジボビンと、螺旋溝の向きの異なるボビンを交替して重ね合わせていく。同じ向きのネジ溝同士のボビンを重ね合わせると、コイルに通電した際にそれぞれのボビン同士で磁場を打ち消しあってしまうためである。従って、偶数個のボビンを用いてコイルを構成する場合には、最内周のボビンのネジ溝の向きと最外周のボビンのネジ溝の向きは逆になる。例えば、最内周のボビンが右ネジボビンであれば、最外周のボビンが左ネジボビンである。一方、奇数個のボビンを用いてコイルを構成する場合、最内周のボビンのネジ溝の向きと最外周のボビンのネジ溝の向きは同じになる。例えば、最内周のボビンが右ネジボビンであれば、最外周のボビンも右ネジボビンである。同様に、最内周のボビンが左ネジボビンであれば、最外周のボビンは左ネジボビンである。
【００６１】
本実施例に示したネジ溝型のボビンを用いた電磁コイルは、実施例１に示した巻き方と比較して、一段一段溝を替える必要がないため巻き付け作業が容易であるという利点がある。電磁コイルは通常、７００〜９００ターンほど巻かれることが多く、切り替えの必要が無い点は、コイル製造の生産性を高める上で有利である。また、本実施例の電磁コイルは、導電線の巻き付け位置が常に溝により固定されているため、実施例１の巻き方よりもより緊密に導電線をボビンに巻き付けることができる。
【００６２】
なお、本実施例の電子銃が、電子銃内部の電磁レンズのみならず磁界型集束レンズや対物レンズといった磁界レンズ一般に対しても適用できること、陰極電界放出型電子銃，熱電界放出型電子銃の種類を問わず適用できること、更に、イオン顕微鏡やＦＩＢ装置といった荷電粒子線装置一般に適用できることは、実施例１と同様である。
【実施例３】
【００６３】
本実施例では、リング状磁路部材の内部に配置されるコイルの高さ方向の位置あるいはコイルの端部の配置位置を磁路部材の磁極ギャップ位置に合わせて設定した電磁レンズの実施例について説明する。
【００６４】
図１５に示す電磁レンズは、コイルの高さ（ボビンの軸方向の長さ）を調整して、コイル２６の上端部の位置がリング状磁路部材の磁極ギャップ４４よりも下に位置するように構成した電磁レンズの構成例である。同時に、下磁路部材２１の外周側壁面には、磁極ギャップ４４とほぼ同じ高さ位置に排気口４１が設けられている。これにより、リング状磁路部材の内部には真空排気空間１０４が形成され、図中の矢印で示すように、気体分子が電磁レンズの内部を容易に移動することができる。図示されるように、真空排気空間１０４上には、コイル２６が存在しないため、実施例１，２に示した電磁レンズと比較して真空排気時の排気コンダクタンスが向上する。
【００６５】
図１６に示す電磁レンズは、リング状磁路部材の磁極ギャップ４４位置に合わせてコイルを分割し、リング状磁路部材内部の空間内の上下方向に２つのコイルを配置した電磁レンズの構成例である。
【００６６】
図１６に示す電磁レンズにおいては、磁極ギャップ４４は、高さ方向位置がリング状磁路部材の内周側壁面のおよそ中央部付近となるよう形成されており、外周側壁面の上記磁極ギャップとの対向位置に排気口４１が形成されている。排気口４１は、リング状磁路部材の外周側壁面に８箇所、８回回転対象となる位置に設けられている。リング状磁路部材内部の上側の凹部には第１コイル１６１が設置され、下側の凹部には第２コイル１６２が設置されている。第１コイル１６１，第２コイル１６２の高さは、リング状磁路部材内部の凹部の高さよりも小さくなるよう設計されている。
【００６７】
また、第１コイル１６１と第２コイル１６２の間には、スペーサ１０５が設けられ、第１コイル１６１を高さ方向に保持している。
【００６８】
図１７は、図１６に示す電磁レンズを排気口４１の高さ方向の中心位置で切った断面図である。スペーサ１０５は、排気口４１を塞がない位置に配置される。これにより、十分な真空排気空間を得ることができる。これにより、リング状磁路部材の内部に、コイルの存在しない真空排気空間１０４が形成され、図１５に示す電磁レンズと同様、実施例１，２と比較して排気コンダクタンスの良い電磁レンズが実現できる。
【００６９】
以上のように、本実施例の電磁レンズを用いることにより、実施例１あるいは２と比較して、内部を効率良く排気することが可能な電子銃を実現することができる。
【００７０】
なお、本実施例の電子レンズが、陰極電界放出型電子銃，熱電界放出型電子銃，磁界レンズ一般、あるいはイオン顕微鏡やＦＩＢ装置といった荷電粒子線装置一般に適用できることは、実施例１と同様である。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
以上説明した本発明は、電子顕微鏡，電子描画装置，集束イオンビーム装置等の荷電粒子装置、特に電子銃あるいはイオン銃で高温および高真空になる電磁レンズに有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１  電子銃
２  チップ
３，２３  絶縁碍子
４  電磁レンズ
５ａ  イオンポンプ（１）
５ｂ  イオンポンプ（２）
６  調整ネジ
７  押付けバネ
８ａ  内部ヒータ
８ｂ  外部ヒータ
９  引出電極
１０ａ  差動排気アパーチャ（１）
１０ｂ  差動排気アパーチャ（２）
１１  電子ビーム
２０  上磁路部材
２１  下磁路部材
２２  ボビン
２４  導電線
２５  固定ネジ
２６  コイル
３０  ボビンの軸に対して垂直な溝
３１  ボビンの軸に対して平行な溝
３２  穴
３３  切り欠き部
４０  排気経路
４１  排気口
４２，４３  スペース
４４  磁極ギャップ
５０  ボビン排気経路
５１  間隙
６０  調整ノブ
６１  ベローズ
６２  バネ
６３  押付け板
７０  電子銃部
７１  鏡体部
７２  試料室
７３  電子銃電源
７４  レンズ制御部
７５  偏向制御部
７６  アンプ
７７  ステージ制御部
７８  コンピュータ
７９  表示装置
８０  アノード電極
８１  試料
８２  対物レンズ
８３  偏向コイル
８４  第１電磁レンズ
８５  第２電磁レンズ
８６  対物絞り
８７  ステージ
８８  信号電子
８９  偏向器
９０  検出器
１００  右ネジボビン
１０１  右ネジ溝
１０２  左ネジボビン
１０３  左ネジ溝
１０４  真空排気空間
１０５  スペーサ
１６１  第１コイル
１６２  第２コイル
【図１】
0005452446.tif 000002
【図２】
0005452446.tif 000003
【図３】
0005452446.tif 000004
【図４】
0005452446.tif 000005
【図５】
0005452446.tif 000006
【図６】
0005452446.tif 000007
【図７】
0005452446.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0005452446.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0005452446.tif 000016
【図１６】
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【図１７】
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