(57)【要約】【課題】本開示では、静電レンズのみを用いた比較的小型な、収差の少ない荷電粒子銃を提供し、大電流においても高輝度の電界放出型荷電粒子銃を提供することを目的とする。【解決手段】荷電粒子銃は、荷電粒子源と、荷電粒子源から放出される荷電粒子を加速させる加速電極と、加速電極よりも荷電粒子源側に配置され、加速電極の開口径よりも大きい開口径を有する制御電極と、加速電極に印加された電位に基づき、制御電極に印加される電位を制御する制御部と、を有する。【選択図】  図１６
2014216182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界放出型電子源となる針状の電子源と、
前記電子源から放出された電子を加速させる加速電極と、
前記加速電極よりも前記電子源側に配置され、前記加速電極の開口径よりも大きい開口径を有する制御電極と、
前記加速電極に印加される電位に基づき、前記制御電極に印加される電位を制御する制御部と、
を有する電子銃。
【請求項２】
請求項１に記載の電子銃において、
前記制御電極の開口径をＤ、前記電子源と前記加速電極との距離をＬとすると、Ｄ／Ｌ＜１とすることを特徴とする電子銃。
【請求項３】
請求項２に記載の電子銃において、
前記電子源と前記加速電極との距離を６ｍｍ＜Ｌ＜２０ｍｍとすることを特徴とする荷電粒子銃。
【請求項４】
請求項１に記載の電子銃において、
前記電子銃は冷陰極電界放出型電子銃であることを特徴とする電子銃。
【請求項５】
請求項３に記載の電子銃において、
前記制御電極を２枚以上備えることを特徴とする電子銃。
【請求項６】
請求項３に記載の電子銃において、
前記加速電極と前記制御電極の間に、引き出し電極を有することを特徴とする電子銃。
【請求項７】
請求項５に記載の電子銃において、
前記電子の加速電圧に応じて使用する電極を切り替える制御機構を持つことを特徴とする電子銃。
【請求項８】
請求項１に記載の電子銃を用いた荷電粒子線装置であって、
少なくとも１枚以上の静電または磁界レンズと、
観察試料を置く試料ステージと、
反射電子、２次電子のうち少なくとも１つを計測する検出器と、
を備え、
前記電子線により試料を観察または分析することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項８に記載の荷電粒子線装置において、
１枚の静電または磁界レンズを用いた電子光学系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８に記載の荷電粒子線装置において、
前記電子銃もしくは対物レンズの外径寸法が２００ｍｍ以下であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の荷電粒子線装置において、
前記電子の加速電圧が０．１〜３ｋＶの低加速の前記電子線を用いて試料を観察する機能を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１２】
荷電粒子源と、
前記荷電粒子源から放出された荷電粒子を加速させる加速電極と、
前記加速電極よりも前記荷電粒子源側に配置され、前記加速電極の開口径よりも大きい開口径を有する制御電極と、
前記加速電極に印加された電位に基づき、前記制御電極に印加される電位を制御する制御部と、
を有する荷電粒子銃。
【請求項１３】
請求項１２に記載の電子銃を用いた荷電粒子線装置であって、
試料を置く試料ステージと、
観察試料に荷電粒子線を集束させて照射するための対物レンズと、
２次粒子を検出する検出器と、
を備え、
荷電粒子線により試料を観察または分析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、
前記荷電粒子源より引き出された荷電粒子を減速して用いることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１５】
荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子を加速させる加速電極と、前記加速電極よりも前記荷電粒子源側に配置される制御電極と、前記加速電極に印加された電位に基づき、前記制御電極に印加される電位を制御する制御部と、を有する荷電粒子銃であって、
前記制御部は、前記加速電極の加速電圧が小さい場合、荷電粒子源の先端の電界を高めるための制御電圧を前記制御電極に印加し、加速電圧が高い場合、荷電粒子源の先端の電界を抑制するための制御電圧を前記制御電極に印加することを特徴とする荷電粒子銃。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は荷電粒子線装置に用いられる電子銃及び荷電粒子銃に関し、それらを用いた荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分解能の電子顕微鏡を得るためには、試料上に大電流の電子線を小さく絞られた状態で照射する必要がある。このためには、電子線を発生させる電子銃として輝度の高いものが必要となる。
【０００３】
冷陰極電界放出（ＣＦＥ）型電子銃は、高輝度で高分解能な電子顕微鏡によく用いられ、冷陰極電界放出型電子銃の電子源は、熱電子放出やショットキー放出などの他の電子源に比べ、光源サイズが小さくかつ電子源の輝度が大きい。加えて、引き出される電子の持つエネルギー幅が非常に小さい。電子レンズなどを用いた電子光学系で電子線を絞る際、電子線のエネルギー幅に比例した色収差と呼ばれるぼけが発生する。つまり、放出エネルギー幅の小さい電子源のほうが、色収差が小さく、電子線をより細く絞ることができる。
【０００４】
従来、冷陰極電界放出型電子源を電子銃に適用する場合は、図２のような引出電極２１と加速電極２２が構成するバトラレンズを用いたものが一般的に用いられる。ここで、バトラレンズとは、２枚の円形の電極板を並行に配置した構造を有する静電レンズの一種で、２枚の円板の外側が平板状で、向かい合う内側が外周から中心にかけてなだらかに薄くなっているものを言う。２枚の円板には、電子線が通過するための開口を備えている。加工しやすいように、この形を多少変形させたレンズもバトラレンズないしバトラ型レンズと呼ばれる。この構造を用いると、電子銃の構造を簡易に、比較的小型にすることができる利点がある。
【０００５】
また、電子銃の収差低減と輝度向上の目的で、静電レンズに加え磁界レンズを用いて電子線を収束する、磁界重畳型電子銃が考案されている。例えば、特許文献１に示すように、磁界レンズの磁場中に電子源が配置されるようにし、焦点距離の短い磁界レンズを用いて電子源から放出される電子線を収束させることで、電子源から電子を引き出す静電レンズの作用を低減することができ、電子線の取り込み角を大きくとっても収差の増大を抑えて電子線の大電流化が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２７２３８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
高分解能な電子顕微鏡および電子線応用装置の実現のためには、電子線の仮想光源径が小さい電子銃を用いる必要がある。また、小さな仮想光源径を用いて、実効的な小さな光源径を得るためには、電子銃自身の収差を小さくする必要がある。従来のバトラ型レンズを用いた電子銃では収差が大きいため、電子顕微鏡に使用する際、電子銃以降の電子レンズにより縮小する必要があった。このため、結果的に光源の輝度を有効に使用することができていなかった。
【０００８】
一方、特許文献１のように、電子銃部に磁界レンズを組み合わせて用いることにより低収差の電子銃を実現することもできる。しかし、静電レンズと磁界レンズを組み合わせて用いるため光学系の軸合わせが必要となり操作性が低下する。また、機構が複雑になり電子銃が比較的大型になる。
【０００９】
また、従来のバトラ型レンズを用いた電子銃では、加速電極に印加する電圧を変化させると電子線の仮想焦点の位置が大きく変化する。これにより光学系の軸がずれ、電子線の照射位置やサイズなどが変化する場合があり、電子銃を搭載した電子顕微鏡および電子線応用装置の安定性と操作性が低下する。
【００１０】
そこで、本開示では比較的小型な、収差の少ない電子銃（及び荷電粒子銃）を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
すなわち、本願の電子銃は、電界放出型電子源となる針状の電子源と、前記電子源から放出された電子を加速させる加速電極と、前記加速電極よりも前記電子源側に配置され、前記加速電極の開口径よりも大きい開口径を有する制御電極と、前記加速電極に印加される電位に基づき、前記制御電極に印加される電位を制御する制御部と、を有する。
【００１２】
また、本願の荷電粒子線装置は、上述の電子銃を用いた荷電粒子線装置であって、少なくとも１枚以上の静電または磁界レンズと、観察試料を置く試料ステージと、反射電子、２次電子のうち少なくとも１つを計測する検出器と、を備え、前記電子線により試料を観察または分析することを特徴とする。
【００１３】
また、本願の荷電粒子銃は、荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子を加速させる加速電極と、前記加速電極よりも前記荷電粒子源側に配置され、前記加速電極の開口径よりも大きい開口径を有する制御電極と、前記加速電極に印加された電位に基づき、前記制御電極に印加される電位を制御する制御部と、を有する。
【発明の効果】
【００１４】
上記荷電粒子銃によると、荷電粒子源近傍に電界が従来よりもコンパクトに形成される。この結果、荷電粒子源近傍に、焦点距離の短い静電レンズが形成される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施例１に係る電子銃の構成を示す図である。
【図２】従来のバトラレンズ型電子銃の構成を示す図である。
【図３】変形例１に係る電子銃の構成を示す図である。
【図４】実施例１に係る電子銃を搭載した電子顕微鏡の真空排気系の構成を示す図である。
【図５】実施例１に係る電子銃の加速電圧と制御電圧の関係を示す図である。
【図６】電子銃における電子の軌道を示す図である。
【図７】実施例１に係る電子銃および従来のバトラレンズ型電子銃による収差係数の理論解析結果を示す図である。
【図８】実施例１に係る電子銃および従来のバトラレンズ型電子銃による任意の加速電圧の電子線を得る際の仮想焦点位置の理論解析結果を示す図である。
【図９】変形例２に係る電子銃の構成を示す図である。
【図１０】電子銃における電子の軌道を示す図である。
【図１１】変形例３に係る電子銃の構成を示す図である。
【図１２】実施例１の電子銃を搭載した走査型電子顕微鏡の構成を示す図である。
【図１３】実施例１の電子銃を搭載した小型の走査型電子顕微鏡の構成を示す図である。
【図１４】実施例４に係るイオン銃の構成を示す図である。
【図１５】実施例４に係るイオン銃を搭載した走査イオン顕微鏡の構成を示す図である。
【図１６】実施の形態に係る荷電粒子銃の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。以下、図面を参照して実施の形態、実施例および変形例を説明する。なお、実施の形態、実施例および変形例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００１７】
図１６は実施の形態に係る荷電粒子銃の構成を示す図である。荷電粒子銃２００は、荷電粒子源２０１と、荷電粒子源２０１から放出された荷電粒子を加速させる加速電極２０３と、加速電極２０３よりも荷電粒子源２０１側に配置され、加速電極２０３の開口径（Ｄ）よりも大きい開口径（ｄ）を有する制御電極２０２と、加速電極２０３に印加された電位（Ｖ０）に基づき、制御電極２０２に印加される電位（Ｖｃ）を制御する制御部２０６と、を有する。
【００１８】
制御部２０６は、電源２０４、２０６を制御することによって、制御電極２０２および加速電極２０３に印加する電圧を制御する。
【００１９】
荷電粒子銃２００において、荷電粒子源２０１と加速電極２０３の距離をＬとすると、Ｄ／Ｌ＜１とするのが好ましい。また、荷電粒子銃２００において、６ｍｍ＜Ｌ＜２０ｍｍとするのが好ましい。
【００２０】
また、荷電粒子銃２００は、荷電粒子源２０１と、荷電粒子源２０１から放出された荷電粒子を加速させる加速電極２０３と、加速電極２０３よりも荷電粒子源２０１側に配置される制御電極２０２と、加速電極２０３に印加された電位に基づき、制御電極２０２に印加される電位を制御する制御部２０６と、を有する。制御部２０６は、加速電極２０３の加速電圧が小さい場合、荷電粒子源２０１の先端の電界を高めるための制御電圧を制御電極２０２に印加し、加速電圧が高い場合、荷電粒子源２０１の先端の電界を抑制するための制御電圧を制御電極２０２に印加するようにされる。
【００２１】
上記荷電粒子銃によると、荷電粒子源近傍に電界が極めてコンパクトに形成される。この結果、荷電粒子源近傍に、焦点距離の短い静電レンズが形成され、収差を小さくすることができる。また、焦点距離の短い静電レンズを用いることで、加速電圧を変化させた際の仮想焦点位置の変化を小さくすることができる。
【００２２】
以下の実施例では、主に電子源から電子線を発生する電子銃について説明するが、イオン源等の荷電粒子源から荷電粒子線を発生する荷電粒子銃にも適用できる。
【実施例１】
【００２３】
＜構成＞
図１は実施例１に係る電子銃の構成を示す図である。図３は実施例１の変形例１に係る電子銃の構成を示す図である。実施例１に係る電子銃１０は、基本的に軸対称構造で、中心軸上に置かれた電子源１と加速電極３とその間に開口を持つ制御電極２が設置される。電子源１、制御電極２及び加速電極３は１０―８Ｐａよりも高い真空に設置される。電子源１、加速電極３、および制御電極２は互いに電気的に絶縁されており、加速電源５により電子源１には接地部を基準として電位（Ｖ０）が印加されている。さらに、電子源１の電位（Ｖ０）を基準として制御電極電源４により制御電極２に電圧（Ｖｃ）が印加される。また、電子銃１０は、加速電圧（Ｖ０）と連動して制御電圧（Ｖｃ）が印加されるよう制御する制御部６を有する。また、電子銃１０は、電子源１の水平位置を調整するための位置調整機構７を有する。電子源１は冷陰極電界放出（ＣＦＥ）型の電子源である。
【００２４】
ここで、制御電極２の開口径（ｄ）は加速電極３の開口径（Ｄ）よりも広い構造をもつ。制御電極２の開口を広くとる利点は、電子源１の先端に対する制御電極２の位置ずれの影響を相対的に緩和できるため、製作や軸調整が容易になることがあげられる。電子源１の先端（エミッタ先端）に近い位置に制御電極２を配置する。電子源１の先端から制御電極２の下端までの距離（ｌ）は２ｍｍ以下にするのが好ましい。
【００２５】
電子源１と電極（制御電極２、加速電極３）の軸を調整するために、電子源１には水平位置を機械的に調整する調整機構７を設ける。また、図３に示すように、電子銃１０Ａには、電子源１だけでなく制御電極２にも位置調整機構７を設け、電子源１と制御電極２を独立に動かせるようにしてもよい。
【００２６】
図４は実施例１に係る電子銃を電子顕微鏡に搭載した際の、真空排気系の構成の一例を示す図である。電子顕微鏡１００は、電子源１、制御電極２、加速電極３、およびコンデンサレンズ４４を有する。ＣＦＥ電子源の安定なエミッションのためには１０―８Ｐａ以上の高い真空度（高真空）が要求される。高真空を実現するためには、例えば図４で示すように、筐体４６には、差動排気絞り４３を何段か設置し、差動排気絞り４３で仕切られた部屋ごとに真空ポンプ４５で排気を行う差動排気構造が用いられる。この構成では、制御電極２の開口を広くとることで、電子源１の先端近傍の排気コンダクタンスが向上し、電子源１の先端近傍を真空ポンプ４５で排気しやすくなる。その結果、電子源１の近傍の到達真空度が上がり、電流安定性が上がる利点がある。また、排気コンダクタンスの向上により、より小型の真空ポンプでも電界放出に十分な真空を得られるようになるため、排気系全体を小型化することにつながる利点がある。
【００２７】
また、図４に示すように、電子源１から引き出された電子線４１が電極（制御電極２、加速電極３）に当たると電極から電子衝撃脱ガス４２が起こる。電子衝撃脱ガス４２は、電子源１の近傍の真空度を低下させ、電流安定性低下の原因となる。本実施例のように、制御電極２の開口を広くとることで、制御電極２への電子の衝突を避け真空度の低下を防ぐことができる利点がある。
【００２８】
加速電極３は電子源１から引き出された電子線４１が当たり電子衝撃脱ガス４２がおこるため、電子銃（電子源１、制御電極２、加速電極３）付近の真空度を悪くし、電界放出の安定性を悪くする。これを防ぐため、加速電極３には加熱機構を設け使用前にあらかじめ昇温脱ガスをさせてもよい。また、加速電極３を脱ガスしにくい材料でコーティングして用いてもよい。
【００２９】
＜原理＞
ここでまず、本実施例における電子源１から電子線４１を発生させる原理を説明する。
電界放出型電子銃における電子源１として、典型的に用いられるものとして、例えば先端のとがった針状のＷ（タングステン）金属がある。電子源１から電界放出させ電子を取り出すためには、電子源１の先端に適切な強さの電界（例えばＷ金属の場合で４Ｖ／ｎｍ程度）を作る必要がある。
【００３０】
本実施例の電子銃１０から、所望のエネルギーeＶを持った電子線４１を得るためには、加速電極３と電子源１の間にはＶ０ ＝Ｖとなる電圧（Ｖ０）を印加する。このとき、加速電極３と電子源１の距離が近いため、電子源１の先端には電圧（Ｖ０）に応じた電界が発生する。
【００３１】
加速電圧（Ｖ０）が小さい場合、電子源１の先端には電子の引き出しに必要なだけの電界強度が不足する、そのため制御電極２に正電圧の制御電圧（Ｖｃ）を印加することで、引き出しに最適な電界強度を確保する。一方で、加速電圧（Ｖ０）が高い場合、電子源１の先端に過剰な電界がかかることになる。この電界を抑制するため負電圧の制御電圧（Ｖｃ）を印加することで、電子源１の先端にかかる電界を最適な値に制御する。すなわち、制御電極２は電子源１の先端にかかる電界を制御し、電子の引き出しに適切な電界強度にする役割を有している。このため、電子源１の先端に近い位置（＜２ｍｍ）に開口の広い制御電極２を配置するのが好ましい。
【００３２】
図５は、実施例１に係る電子銃の加速電圧と制御電圧の関係を示した図である。図５は、制御電極２の開口径（ｄ）を８ｍｍ、制御電極２の下端と電子源１の先端との距離（ｌ）を１ｍｍ、電子源１と加速電極３の距離（Ｌ）を１０ｍｍとしたときの、加速電圧（Ｖ０）に対する、電子源１の先端に４Ｖ／ｎｍの電界を発生させるのに必要な、制御電圧Ｖｃを示している。
【００３３】
図５に示すように、加速電圧（Ｖ０）に応じた制御電圧（Ｖｃ）を印加できるよう制御部６で制御する。このとき、制御電圧（Ｖｃ）は制御電極２の開口径（ｄ）、電子源１と加速電極３との距離（Ｌ）、電子源１と制御電極２との距離（ｌ）に対する関数となっている。また、引き出される電子の量を変えるために、制御電圧（Ｖｃ）を別途変化させて用いてもよい。
【００３４】
＜電子銃の収差＞
次に、本実施例における電子銃の収差について説明する
図６は電子銃における電子の軌道を示す図である。図６（ａ）に実施例１に係る電子銃での電子の軌道を、図６（ｂ）に従来のバトラレンズ型電子銃での電子の軌道を示す。ここで、従来のバトラレンズ型電子銃とは、図２に示される電子銃２０である。図６（ａ）および（ｂ）に示すように、電子は電子源位置（ＥＳＰ）から放出されたのち、制御電極位置（ＣＥＰ）、引出電極位置（ＤＥＰ）、及び加速電極位置（ＡＥＰ）で静電レンズ作用を受け、軌道が曲げられる。Ｖ０＜３ｋＶのような低加速の場合は、電子源１から引き出された電子は、電子源１に最も近い電極（制御電極２、または引出電極２１）位置で光軸から離れる方向に曲げられ、加速電極位置（ＡＥＰ）で光軸に近づく方向に曲げられる。一方、Ｖ０＞３ｋＶのような高加速の場合は、電子線４１は電子源１に最も近い電極（制御電極２、または引出電極２１）位置で光軸に近づく方向に曲げられ、加速電極位置（ＡＥＰ）で光軸から離れる方向に曲げられる。加速電極位置（ＡＥＰ）以降は、電子軌道は直線となり、この直線軌道を電子源１側に外挿し光軸と交わる点を仮想焦点と呼ぶ。電子銃１０、２０の静電レンズの焦点距離はfで示される。
【００３５】
本実施例の電子銃１０では、電子源１と電子線４１のエネルギーを決める電極（加速電極３）の間の距離を従来のバトラレンズ型電子銃（従来の電子銃）２０と比較して小さくする。例えば、従来の電子銃２０では電子源１と電子線４１のエネルギーを決める加速電極２２との距離は３０ｍｍ以下程度のところを、本実施例の電子銃１０では電子源１と加速電極３との間の距離を６〜２０ｍｍとして用いる。これにより、従来の電子銃２０に比べて、本実施例の電子銃１０の電極が作る静電レンズの焦点距離（ｆ）が数分の１に短くなる。電子光学的に、焦点距離を短くすると収差は小さくなる。
【００３６】
図７はある形状を仮定した実施例１の電子銃による収差係数の理論解析結果を、従来の電子銃と比較した図である。グラフの横軸は加速電圧であり縦軸は球面収差係数(Ｃｓ)及び色収差係数(Ｃｃ)である。図７では、本実施例の電子銃は「実施例」、従来の電子銃は「従来型」と表記している。本実施例の電子銃１０は、例えば３ｋＶ以下の低加速の電子線を用いる場合、従来の電子銃２０よりも色収差係数がおよそ１桁小さい。これは、電子源の近傍に従来のものよりも焦点距離の短い電子レンズが形成されることによる。
【００３７】
電子顕微鏡において、高分解能を得るためには電子線をできる限り細く絞って試料にあてる必要がある。電子線のぼけの要因の1つである色収差は、色収差係数に比例し、加速電圧に反比例する。つまり、低加速電圧で観察を行う場合、色収差の影響が顕在化し電子線がぼけ、顕微鏡の分解能に悪影響を与える。また、電流の取り込み角に比例して色収差は大きくなる。電子銃から多くの電流を得るためには取り込み角を大きくすればよいが、電子銃の収差係数が大きい場合、同時に収差が無視できないほど大きくなってしまい実効的な輝度が大きく低下してしまう。
【００３８】
本実施例の電子銃は従来の電子銃に比べ色収差を小さくすることができるため、低加速でも電子線のぼけが小さく分解能に与える影響を抑えることができる。このため、電子顕微鏡に搭載すれば低加速電圧での観察、例えば加速電圧０．１〜３ｋＶでの観察を行う場合にも高分解能観察を実現することができる。また、電子銃収差（球面収差、色収差）が小さいため取り込み角を大きくし、輝度を保ったまま電流量を増やすことができる。このため必要に応じて大電流を得ることができ、電子線を利用した分析装置、例えばＥＤＸ（Energy DispersiＶe X-ray spectrometry：エネルギー分散Ｘ線分光法）などの分析性能の向上につながる利点がある。
【００３９】
＜仮想焦点位置＞
次に、本実施例における加速電圧の変化に対する、電子線の仮想焦点位置の変動について説明する。
図６に示すように、加速電圧Ｖ０が変わると仮想焦点位置（ＶＦＰ）は変化する。図８はある形状を仮定した実施例１の電子銃による、任意の加速電圧の電子線を得る際の仮想焦点位置（ＶＦＰ）の理論解析結果を、従来の電子銃と比較した図である。横軸は加速電圧、縦軸は電子源１の先端位置を基準とした仮想焦点との距離である。図８では、本実施例の電子銃は「実施例」、従来の電子銃は「従来型」と表記している。本実施例の電子銃１０では、加速電圧による仮想焦点位置（ＶＦＰ）の変化が、従来の電子銃２０よりもおよそ１桁小さい。これは、電子銃１０の電子源１と加速電極３の距離を従来の電子銃２０よりも縮めたため、例えば図６に示すように、電子源１の近傍に従来のものよりも焦点距離（ｆ）の短い電子レンズが形成されることによる。これにより、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）などの電子線装置に搭載した際の、加速電圧を変えた際の軸ずれが少なくなり、操作性と安定性が増す。
【００４０】
所望の効果を得るためには、電極で作られる静電レンズの焦点距離（ｆ）が短いことが要求される。制御電極位置（ＣＥＰ）が電子源１の先端より加速電極３よりに配置されればされるほど、静電レンズの焦点距離（ｆ）は長くなり、収差係数は大きくなる。また、電子源１の先端と制御電極２の距離（ｌ）が長いほど、電子源１の先端の電界制御に必要な制御電圧（Ｖｃ）の絶対値が大きくなる。
【００４１】
従来の電子銃２０に比べ収差を低減し、かつ実用的な高圧電源を用いることを念頭に置くと、電子源１の先端を原点とし鉛直下向きを正に取ったときの、制御電極２の下端の垂直位置は−５〜＋３ｍｍ程度が望ましく、−３〜＋２ｍｍならより好ましい。電子源１の先端と制御電極２の下端の距離は１ｍｍ程度を代表的な値とする。これは、例えば電子源１と加速電極３との間の距離（Ｌ）を１０ｍｍ、制御電極２の開口径（ｄ）を８ｍｍとしたとき、加速電圧を２０ｋＶ以下で使用する場合、必要な制御電圧が０〜５ｋＶとなり、一般的によく用いられる高圧電源1つで制御することが可能となるからである。
【００４２】
ここで、制御電極２の開口径（ｄ）と、加速電極３と電子源１との距離（Ｌ）は、おおむねｄ／Ｌ＜１の関係にあることが望ましい。これは、加速電極３が電子の引き出しを兼ねており、加速電極３が電子源１に近づくほど、電子源１の先端の電界制御に必要な制御電圧Ｖｃが減少し、また、ｄが大きくなればなるほど、電子源１の先端の電界制御に必要な制御電圧（Ｖｃ）が増すことによる。
【００４３】
また、電子源１と加速電極３の距離（Ｌ）は、用いる加速電圧（Ｖ０）の値と耐圧に寄って決まる。例えば、３０ｋＶの電子線を必要とする場合、真空の耐電圧を１０ｋＶ／ｍｍと考えると、電極の厚みを考慮してＬは５ｍｍ以上が必要となる。
【００４４】
本実施例においては、例として円盤状で内側が円筒形状の電極形状を用いたが、形状が異なってもエミッタ先端に電界がかかれば本質的に効果は同じとなるため、形を多少変形させたものを用いてもよい。例えば電極の角を滑らかに加工した形状を用いてもよいし、制御電極の内側にテーパー形状をつけて用いてもよい。
【００４５】
本実施例においては電子源１としてＷ金属を用いたが、電界放出源の光源系あるいは仮想光源径が小さいものを適用しても、色収差、球面収差を低減できるので小さい光源径を損なうことなく電子線を発生できる同様の効果がある。ただし、電子源により電界放出に必要な電界強度は異なるため、図５に示されるような、制御電圧（Ｖｃ）と加速電圧（Ｖ０）の関係は変化する。このため、用いる電子源により有効な範囲がある。光源が小さく電子銃電界放出させられる電子源として、例えば、電子源がカーボンナノチューブであってもよく、六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）を用いてもよい。
【００４６】
＜変形例２＞
図９は変形例２に係る電子銃の構成を示す図である。一般に、静電レンズの収差は、レンズ作用の強さに比例して増大する。実施例１の電子銃１０の場合はＶ０＝Ｖｃのとき、電極部でのレンズ作用はなくなり収差が０となり、Ｖ０／Ｖｃが１から離れるほどレンズ作用が大きくなり収差が増大する。所望の加速電圧（Ｖ＝Ｖ０）に対して、電子源１の先端電界を制御するのに必要な制御電圧（Ｖｃ）は電子源１の先端と制御電極２の距離によって決まり、距離が離れるほど制御に必要なＶｃは大きくなる。そこで、変形例２の電子銃１０Ｂでは、制御電極を複数段置き、所望の加速電圧に対し複数ある制御電極の中から最も収差が小さくなる（Ｖ０／Ｖｃが１に近くなる）物を選びだすよう制御部６で制御する。これにより、より広い加速電圧の範囲で収差をより小さくすることができる。
【００４７】
例えば、図９に示すように２枚の制御電極を配置した場合、低加速電圧で用いるときは、第１制御電極電源９３により第１制御電極９１に印加する電圧（ＶＣ１）で、電子源１の先端の電界を制御する。一方、より高い加速電圧で用いるときは、電子源1と第１制御電極９１を同電位に置き、第２制御電極電源９４により第２制御電極９２に印加する電圧（ＶＣ２）で、電子源１の先端の電界を制御する。制御部６は、第１制御電極電源９３、第２制御電極電源９４および加速電源５を制御する。これにより、静電レンズ作用を小さくすることができ、収差を低減することができる。
【００４８】
図１０は２つの制御電極を配置した場合、加速電圧によってレンズ作用を発生させる制御電極を切り替えた場合の、電子の軌道を示す。図１０（ａ）は第１制御電極で先端電界を制御する場合、図１０（ｂ）は第２制御電極で先端電界を制御する場合を示している。
【００４９】
加速電圧Ｖ０に合わせて使用する制御電極（第１制御電極９１、第２制御電極９２）を切り替えることにより、電子源１から放出された電子軌道は使用する制御電極位置（第１制御電極位置（ＣＥＰ１）、第２制御電極位置（ＣＥＰ２））と加速電極位置（ＡＥＰ）で曲げられる。このように複数の制御電極を切り替えて用いることで、電子の引き出しに必要な電界強度を保ちつつ、静電レンズ効果を小さくし収差を低減することができる。
【００５０】
＜変形例３＞
図１１は変形例３に係る電子銃の構成を示す図である。変形例３の電子銃１０Ｃでは、従来の電子銃で用いられているバトラレンズ型構造に加えて、バトラレンズの引き出し電極２１と電子源１の間に開口の広い制御電極２を追加している。
【００５１】
低加速、例えば３ｋＶ未満の電子線を得る場合、バトラレンズの引き出し電極２１と加速電極２２は同電位に置き、電子の加速に必要な所望の加速電圧（Ｖ＝Ｖ０＝Ｖ１）を印加する。そして加速電圧（Ｖ０）に応じた制御電圧（Ｖｃ）を制御電極２に印加する。これにより、バトラレンズを一つの加速電極に見立てることができ、電子源１近傍に焦点距離の短い静電レンズを作ることができる。このため、色収差係数を低減することができる。電子線のぼけの要因の１つである色収差は、色収差係数に比例し、加速電圧に反比例する。つまり、低加速電圧で観察を行う場合、色収差の影響が顕在化する。電子銃１０Ｃは色収差係数が小さいため、低加速でも色収差による電子線のぼけを低減することができる。
【００５２】
一方、高加速、例えば４ｋＶ以上の電子線を得る場合、制御電極２は電子源１と同電位となるよう制御部６で制御し、バトラレンズの引き出し電極２１に印加する引き出し電圧（Ｖ１）で電子の引き出しを、加速電極２２に印加する加速電圧（Ｖ０）で電子線のエネルギーを決める。色収差による電子ビームのぼけは加速電圧の大きさに反比例するため、高加速の場合は色収差が分解能にほとんど寄与しないことを利用している。
【００５３】
また、電子銃１０Ｃの構造は、従来の電子銃２０の構造を大きく変えることなく作成することができる利点がある。
【実施例２】
【００５４】
図１２は実施例１の電子銃を、走査型電子顕微鏡に搭載した場合の構成を示す図である。
走査型電子顕微鏡１０１の電子銃の電極構造における電子源１から電子線４１を得るまでの過程は、実施例１と同様である。電子銃から出た電子線４１は試料１２５にあてる電流を調節するために少なくとも１段のコンデンサレンズ４４で収束させたのち、絞り１２１を通し、最終的に対物レンズ１２３で試料上の微小領域に絞って照射する。電子線は偏向器１２２により試料ステージ１２６上に置かれた試料１２５の表面を走査し、そこから発生する２次電子および反射電子を検出器１２４で検出し顕微鏡像を得る。また電子線を試料に照射させて発生する特性Ｘ線をＸ線分析装置１２７で検出し元素分析を行う。このとき用いるコンデンサレンズ４４、対物レンズ１２３は静電レンズ、磁界レンズのどちらを用いてもよく、偏向器１２２の偏向方式は静電界でも磁界でも良い。
【００５５】
高分解能の像を得るためには、試料にできるだけ小さい径の電子線をあてる必要があるが、収差の影響により、試料に照射される電子線の径（プローブ径）は収差が大きいほど大きくなる。従来構造の電子銃を用いた電子顕微鏡の場合、電子銃部分で発生する収差（特に、低加速時の色収差）の分解能への寄与を減らすため、コンデンサレンズ４４、絞り１２１、及び対物レンズ１２３で作る光学系の縮小率を非常に大きくする必要があった。縮小光学系を用いれば電子銃部の収差は縮小され小さくなるが、同時に試料に照射できる電流量も縮小されて少なくなってしまう。電流量は得られる像のＳ／Ｎや分析能力に影響を与える。
【００５６】
走査型電子顕微鏡１０１では、電子銃部分の収差を１桁小さくすることができる。例えば０．１〜３ｋＶ程度の低加速電圧で観察を行う際に顕在化する、電子銃部で発生する色収差を低減することができる。従って、コンデンサレンズ４４、絞り１２１及び対物レンズ１２３で作る光学系の縮小率を小さくしても、光源の小さな光源径を損なうことなく、プローブ径を小さくすることができる。このため、電子源１の高い輝度を有効に使い高分解能で大きなプローブ電流を得ることができる。
【００５７】
また、走査型電子顕微鏡においては、一般的に試料や得たい情報に応じて加速電圧を変化させて観察を行う。加速電圧を変化させた際、電子源の仮想焦点位置が大きく変わると、電子線の光軸のずれが発生する。軸がずれた場合、電子線の分解能や照射電流量が低下する原因となるため、電子銃以降のコンデンサレンズ、絞り及び対物レンズ等からなる電子光学系の機械的位置を調整したり、アライメント用のコイルを用いて軌道を曲げるなど軸調整する必要がある。加速電圧を変えるごとに軸調整を行うことは煩雑であり操作性およびスループットが低下する。
【００５８】
走査型電子顕微鏡１０１では、加速電圧を変化させたときの仮想焦点の位置変化が従来に比べて非常に小さい。このため、加速電圧を変えて観察する際に光学系の調整が容易ないし不要となる利点がある。
【００５９】
また、本実施例の電子銃部は静電レンズのみを用いた非常に簡単な構成であるため、電子銃をコンパクトに作成することができる利点がある。加えて、電子銃に必要な電源などは従来の電子銃で使われているものを用いることもでき、電子銃の電極部以外の構成を大きく変えることなく走査型電子顕微鏡を構成することができる利点がある。
【００６０】
本実施例では実施例１の電子銃を用いた例を説明したが、変形例１、変形例２、変形例３の電子銃を用いてもよい。
【実施例３】
【００６１】
図１３は実施例１の電子銃を、小型の走査型電子顕微鏡に搭載した場合の構成を示す図である。
走査型電子顕微鏡１０２は、装置全体を小型にするために、レンズの枚数の少ない構造、例えば図１３のようにレンズ１段による光学系の走査型電子顕微鏡である。走査型電子顕微鏡１０２は、電子銃から出た電子線を対物レンズ１２３で収束させ、絞り１２１で絞ったのち試料１２５に照射する。電子線は偏向器１２２により試料ステージ１２６上に置かれた試料１２５の表面を走査し、そこから発生する２次電子および反射電子を検出器１２４で検出し顕微鏡像を得る。このとき用いる対物レンズ１２３は静電レンズ、磁界レンズのどちらを用いてもよい。
【００６２】
制御ユニット１３１で、所望のエネルギーの電子線が得られるように加速電極３に印加する電圧を制御し、同時に電子源１のエミッタ先端にかかる電界が最適になるよう制御電極２に印加する電圧を制御する。観察倍率や焦点位置の調整は制御ユニット１３１で対物レンズの発生させる磁界または電界の強度を調整することによって行い、偏向器１２２による電子線の試料への走査速度も制御ユニット１３１で制御する。
【００６３】
実施例１の電子銃を用いることにより、従来に比べ電子銃部の収差を低減することができ、電子光学系全体の縮小率を小さくしても、大電流高分解能が実現できる。つまり、電子源先端からレンズ主面までの距離（ａ）を、レンズ主面から試料までの距離（ｂ）と同等か小さくすることができる。これにより、電子源とレンズまでの構造をコンパクトにすることができる。電子銃部から対物レンズ主面までの距離（ａ）は２０〜１００ｍｍ、より望ましくは２０〜５０ｍｍとする。対物レンズ主面から試料までの距離（ｂ）も１００ｍｍ以下、より望ましくは５０ｍｍ以下とする。また、電子銃や対物レンズの外径を２０〜２００ｍｍとする。
【００６４】
また、走査型電子顕微鏡の性能を十分に発揮した観察を行うためには、電子銃から発生する電子線の光軸をレンズの中心軸と一致させる必要がある。光軸が十分に一致していない場合、分解能や電流量の低下を招く。このため、一般的には、電子銃、レンズ及び絞りの位置を機械的に調整したり、アライメント用のコイル等を用いて電子線の軌道を曲げるなど軸調整が必要となる。実施例１の電子銃を用いることで、縮小率の小さい電子光学系においても高分解能を得ることができる。それにより本実施例の走査型電子顕微鏡１０２のようにレンズの枚数を少なくする、例えば、レンズを１枚だけの構成にすることができ、電子光学系全体の軸合わせが容易になるという利点がある。これにより、観察する際の操作性やスループットが向上する。
【００６５】
また、走査型電子顕微鏡１０２では、加速電圧を変化させたときの仮想焦点の位置変化が従来に比べて非常に小さい。このため、加速電圧を変えて観察する際に光学系の調整が容易になる利点がある。
【００６６】
また、本実施例の電子銃部は静電レンズのみを用いた非常に簡単な構成であるため、電子銃部分をコンパクトに作成することができ、小型の電子線装置に用いるうえで利点がある。
【００６７】
本実施例では実施例１の電子銃を用いた例を説明したが、変形例１、変形例２、変形例３の電子銃を用いてもよい。
【００６８】
実施例２および実施例３おいては走査型電子顕微鏡について説明がなされたが、それに限らず実施例１、変形例１、変形例２、および変形例３（以下、単に、実施例１という。）の電子銃は、透過電子顕微鏡、走査透過電子顕微鏡はじめ、その他の電子線を用いた電子線応用装置の電子源として用いることができる。
【００６９】
電子線応用装置に用いた場合、実施例１の電子銃は従来の電子銃に比べ、電子銃部の収差係数が小さいため、大電流においても高輝度の電子線を用いることができる。また、加速電圧に対する仮想焦点位置の変化が小さいため、加速電圧を変えた際の電子光学系全体の軸合わせが容易になるという利点がある。
【実施例４】
【００７０】
実施例１の電極構造は電子線装置に限らずその他の荷電粒子線装置にも適用することが可能である。例えば電子源の代わりにイオン源とした場合は、高電圧の極性を変えることにより電子線装置と同様の荷電粒子線装置を構成できる。
【００７１】
図１４は実施例４に係るイオン銃の構成を示す図である。実施例４に係るイオン銃１０Ｄは、実施例１に係る電極構造を適用している。イオン源１４１の先端から所望のエネルギーを持ったイオンビームを得る場合、制御部６で加速電源５に必要な負電圧を制御し印加する。このとき、イオン源１４１の先端と加速電極３の間に電位差が生まれイオン源１４１の先端に電界がかかるため、イオン源１４１からイオンを引き出すために最適な電界強度になるように制御電極２に印加されるように制御部６で制御電極電源４を制御し印加することで、所望のエネルギーをもったイオンビームを得ることができる。引き出されたイオンビームは、コンデンサ電極１４２によって集束され、以降の光学系に導入される。コンデンサ電極１４２は３段の電極で構成されたアインツェルレンズとなっており、１段目と３段目は同電位に置かれているため、イオンビームのエネルギーを変化させることなく、イオンビームを集束させることができる。
【００７２】
低加速のイオンビームを得たい場合、特に｜Ｖｃ｜＞｜Ｖ０｜なる条件で用いる場合、イオンはイオン源から引き出されたのち制御電極２と加速電極３の間で減速される。一般的に、荷電粒子が減速される条件で静電レンズを用いると収差係数が大きくなる。しかし、イオン銃１０Ｄの電極構造を用いることで加速電極を従来よりも荷電粒子源に近い位置に設置でき、これにより静電レンズの焦点距離が短くなることで収差係数を小さくすることができる。特に、低加速のイオンビームを用いるときに顕在化する色収差を低減することができ、イオンビームを用いた観察、分析、加工時のビーム径をより小さくすることができる利点がある。
【００７３】
図１５は実施例４のイオン銃を搭載した走査イオン顕微鏡の略図である。走査イオン顕微鏡１０３は、加速電極３と制御電極２により作られた電界によって、イオン源１４１から引き出されたイオンビームはコンデンサ電極１４２によって集束され、絞り１５１によって余分なビームを除かれた後、対物レンズ１５３によって試料１５５上の微小領域に絞って照射する。イオンビームは偏向器１５２により試料ステージ１５６上に置かれた試料１５５の表面を走査し、そこから発生する２次粒子を検出器１５４で検出し顕微鏡像を得る。イオン銃１０Ｄの電極構造を用いることにより、イオン銃部分で発生する収差を低減することができ、特に低加速のイオンビームを用いるときに顕在化する色収差を低減することができるため、低加速での観察時にビームをより小さくしぼることが可能となり分解能が向上する。一般的に、低加速のイオンビームを用いるほうが試料へのダメージを抑えて表面をより詳細に観察することができる。
【００７４】
本実施例のイオン銃は、走査イオン顕微鏡に限らず透過イオン顕微鏡、イオンビーム加工装置含むその他の荷電粒子線装置に適用可能である。
【００７５】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態、実施例および変形例に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施の形態、実施例および変形例に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００７６】
１  電子源
２  制御電極
３  加速電極
４  制御電極電源
５  加速電源
６  制御部
７  位置調整機構
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ  電子銃
１０Ｄ  イオン銃
２０  バトラレンズ型電子銃
２１  バトラレンズ引き出し電極
２２  バトラレンズ加速電極
２３  引き出し電源
４１  電子線
４２  電子衝撃脱離ガス
４３  差動排気絞り
４４  コンデンサレンズ
４５  真空ポンプ
４６  筐体
９１  第１制御電極
９２  第２制御電極
９３  第１制御電極電源
９４  第２制御電極電源
１００  電子顕微鏡
１０１  走査型電子顕微鏡
１０２  小型の走査型電子顕微鏡
１０３  走査イオン顕微鏡
１２１  絞り
１２２  偏向コイル
１２３  対物レンズ
１２４  検出器
１２５  試料
１２６  試料ステージ
１３１  制御ユニット
１４１  イオン源
１４２  コンデンサ電極
１４３  コンデンサ電源
１５１  絞り
１５２  偏向器
１５３  対物レンズ
１５４  ２次粒子検出器
１５５  試料
１５６  試料ステージ
２００  荷電粒子線装置
２０１  荷電粒子源
２０２  制御電極
２０３  加速電極
２０４、２０５  電源
２０６  制御部
【図１】
2014216182.tif 000003
【図２】
2014216182.tif 000004
【図３】
2014216182.tif 000005
【図４】
2014216182.tif 000006
【図５】
2014216182.tif 000007
【図６】
2014216182.tif 000008
【図７】
2014216182.tif 000009
【図８】
2014216182.tif 000010
【図９】
2014216182.tif 000011
【図１０】
2014216182.tif 000012
【図１１】
2014216182.tif 000013
【図１２】
2014216182.tif 000014
【図１３】
2014216182.tif 000015
【図１４】
2014216182.tif 000016
【図１５】
2014216182.tif 000017
【図１６】
2014216182.tif 000018