(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶ニードルにジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けた熱電界放射陰極において、前記タングステン単結晶ニードルの尖鋭部に内接する球の半径を先端半径Ｒ１、先端に位置する平坦状または大きな曲率の凸面状の平坦部の半径を平坦部半径Ｒ２とし、円錐部の全角をテーパー角θとする時、先端半径Ｒ１が１．２μｍ以上１０μｍ以下であって、先端半径Ｒ１に対する平坦部半径Ｒ２の比（Ｒ２／Ｒ１）が０．２以上であって、しかもテーパー角θが２５゜以下であることを特徴とする熱電界放射陰極。
【請求項２】
軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶ニードルにジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けた熱電界放射陰極の製造方法において、先端部のテーパー角が２５°以下のタングステン単結晶ニードルを用いて、真空中で熱処理する方法、ドライエッチングする方法、もしくは該タングステン単結晶ニードルを陰極として電子放出させることでガスをイオン化し、該イオンにより該タングステン単結晶ニードルの尖鋭部をエッチングする方法のうちの一つ以上の方法により、該タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を制御することを特徴とする請求項１記載の熱電界放射陰極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電気絶縁性の高い半導体、セラミックス、生物等を被対象物とし、主にその検査に適用される高分解能低加速電子顕微鏡、測長機などの電子線利用機器に用いられる熱電界放射陰極に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子顕微鏡を初めとする各種の電子線利用機器がいろいろな分野で利用されている。例えば、半導体分野では、半導体デバイスの高集積化、超微細化に伴い、その検査工程で従来の光学顕微鏡に代わり、より高分解能の走査型電子顕微鏡（以下ＳＥＭと記す）や測長機等が用いられるようになってきた。
【０００３】
電気絶縁性の物質を含む半導体デバイスをＳＥＭで観察する場合、試料の損傷を防ぎチャージアップを低減するなどの理由から電子ビームの加速エネルギーを１ｋＶ以下に低く抑える必要がある。このような低加速ＳＥＭに於いては分解能は色収差、すなわち電子ビームのエネルギー幅に支配されていることが知られている（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｂ４（１），１９８６，ｐｐ．１３１−１３４）。加えて半導体検査装置に用いられるＳＥＭは高速処理を要求され、電子線源の陰極には高角電流密度が要求される。
【０００４】
上記の要求に対し、タングステン表面にジルコニウムと酸素とからなる被覆層を設けた熱電界放射陰極、あるいはショットキー陰極（以下、両者を含めて単に熱電界放射陰極と記す）が優れることが知られている。（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ｖｏｌ．１４０，Ｐｔ  ３，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  １９８５，ｐｐ．３０３−３１１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、電子ビームの加速エネルギーが１ｋＶ程度の低加速ＳＥＭにおいて、実用上満足できるＳ／Ｎ比を得て、しかも１０ｎｍ以下の高分解能を得る為には、角電流密度が少なくとも０．０２ｍＡ／ｓｒ以上で、しかもエネルギー幅が０．５ｅＶ以下の電子ビームが必要であるが、従来の熱電界放射陰極は、これを供給するものでなかった。
【０００６】
従来、熱電界放射陰極を低加速ＳＥＭに用いる場合には、角電流密度０．０２ｍＡ／ｓｒ以上を得ることを優先して、先端半径が０．６μｍ程度のものを用い３．５ｋＶ以上の高い引き出し電圧にて用いるか、もしくは更に先端半径が０．４μｍ以下の小さなものを選び使用していた。しかし、後者ではエネルギー幅は０．７ｅＶ以上の値となり高分解能をも達成できなくなること、前者では電子ビームが２０％以上もの大きな変動を示し安定しないという問題があった。
【０００７】
角電流密度が高く、エネルギー幅が小さい特性を有する熱電界放射陰極を得るのは非常に困難なことであり、両特性を備えた安定な電子ビームを得ることは達成されていなかった。
【０００８】
本発明はこの問題点に鑑みてなされたものであって、角電流密度が高く、エネルギー幅が小さくて、しかも安定な電子ビームが得られる熱電界放射陰極とその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶ニードルにジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けた熱電界放射陰極において、前記タングステン単結晶ニードルの尖鋭部に内接する球の半径を先端半径Ｒ１、先端に位置する平坦状または大きな曲率の凸面状の平坦部の半径を平坦部半径Ｒ２とし、円錐部の全角をテーパー角θとする時、先端半径Ｒ１が１．２μｍ以上１０μｍ以下であって、先端半径Ｒ１に対する平坦部半径Ｒ２の比（Ｒ２／Ｒ１）が０．２以上であって、しかもテーパー角θが２５゜以下であることを特徴とする熱電界放射陰極である。
【００１０】
又、本発明は、軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶ニードルにジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けた熱電界放射陰極の製造方法において、先端部のテーパー角が２５°以下のタングステン単結晶ニードルを用いて、真空中で熱処理する方法、ドライエッチングする方法、もしくは該タングステン単結晶ニードルを陰極とし電圧を印加して電子放出させることでガスをイオン化し、該イオンにより該タングステン単結晶ニードルの尖鋭部をエッチングする方法のうちの一つ以上の方法により、該タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を制御することを特徴とする請求項１記載の熱電界放射陰極の製造方法である。
【００１１】
以下、図を用いて本発明を説明する。
図１及び図２は、本発明の熱電界放射陰極のタングステン単結晶ニードルの尖鋭部の断面図である。又、図３は、従来法で作製された熱電界放射陰極のタングステン単結晶ニードルの尖鋭部の断面図である。
【００１２】
タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状は、図１及び図２で示すように、円錐状のＡ部、円柱状のＢ部、半球状のＣ部と平坦状又は比較的大きな曲率を有する凸面状のＤ部に区分できる。従来の熱電界放射陰極では、図３に示すように、Ｂ部が極めて短いか、もしくは存在していなかった。
【００１３】
タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を定めるためには、形状パラメーターとして、Ａ部についてはそのテーパー角θを、Ｃ部についてそれに内接する球の半径Ｒ１（先端半径）を定めればよい。又、Ｄ部については、図１に示すように平坦部を形成している場合と、図２に示されるように大きな曲率を持った球面状の場合がある。図１の場合、その平坦部の半径（Ｒ２）のみで示すことができる。図２の場合、先端部に接する球の半径（Ｒ３）と、その球と先端部の共通部分の半径で表すことができる。本発明者らの検討によれば、図１の平坦部と、図２の先端部に接する球と先端部の共通部分は、共に熱電界放射陰極として作動するときの電子を放出する主要部を構成していると考えられる。本発明では、両方の場合共に、その半径を平坦部半径Ｒ２で表す。
【００１４】
先端半径Ｒ１が１．２μｍ未満の場合、あるいは先端半径の平坦部半径に対する比（Ｒ２／Ｒ１）が０．２未満の場合はエネルギー幅が大きく、電子ビームの変動率が大きくなり当初の目的を達成できない。先端半径Ｒ１が１０μｍを越える場合やテーパー角θが２５゜を越える場合には、０．０２ｍＡ／ｓｒ以上の角電流密度を得ることができず、やはり当初の目的を達成できない。これらの理由については明確でないが、前二者ではタングステン単結晶ニードルの先端部近傍に形成される電界分布や電子放出部分が一様性を欠くため、後二者では電界強度が不足するためと考えられる。
【００１５】
次に、本発明の熱電界放射陰極の製造方法について、詳しく説明する。
【００１６】
熱電界放射陰極の製造の一般的な方法は、絶縁碍子の電極ピンにタングステンワイヤーからなるＶ型フィラメントを取付け、その先端部に軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶ニードルを溶接固定した後、タングステン単結晶ニードルの先端部を電解研磨法にて尖鋭化し、タングステン単結晶ニードルの中央部にジルコニウム源を取付けて約１０−６Ｔｏｒｒの酸素存在下で加熱してタングステン単結晶ニードルの先端部にまでジルコニウムと酸素を拡散させ、しかる後に各種の電極を取付けて約１０−９Ｔｏｒｒの真空下で電圧を印加することで、タングステン単結晶ニードルの先端部の形状を形成させるものである。
従って、タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状は、電解研磨後の形状によって制限されている。
【００１７】
電解研磨法では、電解電圧、電解液等の諸条件を変えることで、いろいろな形状のものを得ることができる。しかし、タングステン単結晶ニードルの尖鋭部は図３に示す形状となってしまうこと、先端半径Ｒ１を大きくしようとすると、それに従ってテーパー角θも大きな値となってしまうこと、先端部に十分に大きな平坦部を作ることができない等の制限がある。
このため、先端半径Ｒ１に対する平坦部半径Ｒ２の比（Ｒ２／Ｒ１）を０．２以上とすることができない、テーパー角θが２５゜以下でしかも先端半径Ｒ１が１．２μｍ以上のものが得られないので、電解研磨法のみによっては本発明の熱電界放射陰極を得ることができない。
【００１８】
本発明ではテーパー角θが２５゜以下のものが選別される。テーパー角θが２５゜を越えたものは、本発明で開示するいずれの方法によっても、これを小さく変えることができない為である。テーパー角θが２５゜以下のものを電解研磨法で得るためには、タングステン単結晶ニードルの切断直後に電解電圧を速やかに零として電解研磨を終了させる方法が有効である。
【００１９】
本発明の熱電界放射陰極の製造方法における第１の方法は、電解研磨法で得たタングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を、真空中で熱処理することで制御する方法である。
【００２０】
加熱時の雰囲気は、通常、３×１０−６Ｔｏｒｒよりも良い真空条件下で行うが、アルゴン、ヘリウム、水素等の不活性ガスを用いることもできる。
【００２１】
温度は、輝度温度（光高温計で放射率を１．０として測定した時の温度）で１７００℃以上２３００℃以下、好ましくは１９００℃以上２１００℃以下が選択される。１７００℃未満では、１．２μｍ以上の先端半径のものは得られず、２３００℃を越えるとタングステン単結晶ニードルやタングステンワイヤーの溶断等の損傷を招き易い。数時間から数十時間程度の現実的な時間内で、損傷の問題が無く、再現性良く形状を調整するためには１９００℃以上２１００℃以下の輝度温度が適している。
【００２２】
本発明の熱電界放射陰極の製造方法における第２の方法は、電解研磨で得たタングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を、ドライエッチングすることで、制御する方法である。
【００２３】
ドライエッチングによる方法は、各種形状パラメーターの制御性に優れる点が長所である。ドライエッチングする方法としては、イオンビームによるエッチング、プラズマによるエッチング等の従来から知られている方法のいずれでも良いが、タングステン単結晶ニードルの軸方向に対してエッチング効果が著しいものがより好ましい。イオンビームやプラズマ等のドライエッチングで用いるガス種は、アルゴン、酸素、水素等の一般的なガス種を選択し導入しても良いし、大気等を真空排気した時の残留ガスを利用しても良い。
【００２４】
本発明の熱電界放射陰極の製造方法における第３の方法は、電解研磨法で得たタングステン単結晶ニードルを陰極とし電圧を印加し電子放出させてガスをイオン化し、該イオンによりエッチングすることで前記タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を制御する方法である。
【００２５】
本発明者らは、約１０−８Ｔｏｒｒの真空下で、タングステン単結晶ニードルを陰極とし対向する陽極との間に数ｋＶの電圧を印加し電子放出させる時、残留するガスがイオン化するが、正に帯電したイオンは電圧印加時に形成されている電界に導かれて、陰極であるタングステン単結晶ニードルへと向かい、最後には衝突してこれをエッチングすることを見いだしたものである。しかも、電界強度は尖鋭部で最も強いので、尖鋭部の先端を選択的にエッチングすることが判った。発明者らは、この現象を積極的に利用することで、本発明に至ったものである。
【００２６】
この方法の実施条件に関し、圧力については５×１０−９〜５×１０−７Ｔｏｒｒの範囲、好ましくは１×１０−８〜１×１０−７Ｔｏｒｒの範囲が選択される。５×１０−９Ｔｏｒｒ未満の圧力では電子放出時にイオン発生が少なくなりエッチングが速やかに行えない。一方、５×１０ー７Ｔｏｒｒを越えるとイオン発生が著しく多くなり、エッチングがあまりにも早くなり形状の制御が行えなくなる。形状を制御するのに適当なエッチングの速さは、圧力が１×１０−８Ｔｏｒｒ以上１×１０−７Ｔｏｒｒ以下の場合に達成される。
【００２７】
タングステン単結晶ニードルの輝度温度は、１３５０℃以上１５００℃以下が選択できる。１５００℃を越えると、タングステン単結晶ニードルの尖鋭部での変形が容易に検知されるようになり、形状の制御性が悪くなる。真空中の熱処理する方法に比べ低い温度で形状の制御性が制限されるのは、該尖鋭部の形状の変化が、熱処理による効果の他に、電圧を印加することの効果、イオンによるエッチングの効果が絡んでいるためと推察される。１３５０℃未満では、エッチングの速さが極端に遅くなる。
【００２８】
電子放出の目安となるエミッション電流は、１０μＡ以上３５０μＡ以下である。１０μＡ未満では、イオンの発生量が少なくなり、エッチングに多大な時間を要する。３５０μＡを越えると、イオン発生が急に多くなり、エッチングがあまりに速くなり形状の制御ができなくなる。又、印加電圧については、前記の圧力、温度の他に、電極間距離等の電極配置、或いはタングステン単結晶ニードルの尖鋭部形状等により変化するので規定しないが、一般的に、２〜６ｋＶ程度である。
【００２９】
上記の３つのいずれかの方法により尖鋭端の形状を調整したタングステン単結晶ニードルに、更に、ジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けた後、電圧を印加し最終的な形状に定める。これらの尖鋭端の形状を制御する方法は、いずれも、ジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けた後に適用することもできる。特に、３番目の方法はジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けた後に適用すると、一層制御性に優れ、好ましい。
【００３０】
又、上記の３つのいずれの方法でも、少なくとも一回以上適用することで、本発明の熱電界放射陰極を得ることができるが、電解研磨にてタングステン単結晶ニードルの先端部が尖鋭化された後であれば、２つ以上の方法を共用したり、或いは一つの方法を２度以上適用する等自由に適用することができる。
【００３１】
以下実施例をもって、さらに詳細に説明する。
【００３２】
【実施例】
〔実施例１〕
絶縁碍子の電極ピンにタングステンワイヤーからなるＶ型フィラメントを取付け、その先端に軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶ニードルを溶接して固定した。
次に、上記のタングステン単結晶ニードルを、電解研磨法にて切断し、尖鋭化した。この段階でのタングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状パラメーターは、θ＝２０゜、Ｒ１＝０．１μｍであった。平坦部は、検知できなかった。
次に、上記のタングステン単結晶ニードルを１×１０ー６Ｔｏｒｒの真空中で、輝度温度２０００℃で１０時間保持することで、先鋭化したタングステン単結晶ニードルの先端部の形状を調整した。この処理の後で、タングステン単結晶ニードルの形状パラメーターは、θ＝２０゜，Ｒ１＝１．２μｍであった。
次に、上記の尖鋭部の形状を調整したタングステン単結晶ニードルの中央部にＺｒＨ２（水素化ジルコニウム）粉を塗布し、酸素ガスを導入した３×１０−６Ｔｏｒｒの真空中で、輝度温度１４００℃で２０時間加熱し、ジルコニウムと酸素をタングステン単結晶ニードルの先端部まで拡散させることで、ジルコニウムと酸素の被覆層を設けた。
最後に、サプレッサー電極及び引き出し電極を取付け、１×１０−９Ｔｏｒｒの真空中で１４００℃の輝度温度に保ちながら、サプレッサー電極を−３００Ｖに、引き出し電極を＋２．５ｋＶとし、タングステン単結晶ニードルに電圧を印加して先鋭部に平坦部を形成させた。
上記の一連の工程処理を経て得られた熱電界放射陰極の形状パラメーターは、θ＝２０゜、Ｒ１＝１．２μｍであり、平坦部が明瞭に形成されていて（Ｒ３＝∞）、その大きさはＲ２＝０．３８μｍであった。又、その電子ビーム特性を測定したところ、引き出し電圧が３．８ｋＶの時に角電流密度０．０４３ｍＡ／ｓｒ、エネルギー幅０．５０ｅＶであり、ビーム変動率は２．３％であった。尚、データの取扱いは、下記の算出方法によった。
【００３３】
＜角電流密度の算出方法＞
軸上の開き角（２α）が１０ｍｒａｄで測定したプローブ電流（Ｉ）より、
Ｉ／（π・α・α）    にて算出した。
【００３４】
＜エネルギー幅の算出方法＞
０ｏｓｔｒｏｍ型のエネルギー分析器を用いて測定されたエネルギー分布の半値幅をもってエネルギー幅とした。（Ａ．Ｇ．Ｊ．Ｖｏｎ  Ｏｏｓｔｒｏｍ；Ｐｈｉｌｉｐｓ  Ｒｅｓ．  Ｒｅｐｔ．  Ｓｕｐｐｌ．（１９６６）Ｎｏ．１  ＰＰ．１−１０２）
【００３５】
＜変動率の算出方法＞
軸上の開き角（２α）が１０ｍｒａｄで測定されたプローブ電流について、任意の１０時間の区間における最大値をＩｍａｘ、最小値をＩｍｉｎとした時に、変動率を
（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／Ｉｍａｘ×１００    にて算定した。
【００３６】
〔実施例２〕
実施例１と同じく電解研磨法で、テーパー角θが１７゜でＲ１がＯ．１μｍの尖鋭部を有するタングステン単結晶ニードルを準備した。これを、１×１０−６Ｔｏｒｒの真空中でアルゴンイオンビームを照射しイオンエッチングすることで、タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を調整した。照射したアルゴンイオンビームの加速電圧は５ｋＶで、イオン電流値は２．５〜２．８μＡであり、ビーム径は約１ｍｍであった。この操作の後の、形状パラメーターは、θ＝１７゜、Ｒ１＝８．０μｍ、Ｒ２＝１．９１μｍ、Ｒ３＝５７μｍであった。
次に、これを実施例１に記載したようにジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けた後、電圧を印加して、熱電界放射陰極を作成し、その形状パラメーターと電子ビーム特性を調べた。形状パラメーターは、θ＝１７゜、Ｒ１＝８．５μｍ、Ｒ２＝１．９６μｍ、Ｒ３＝６８μｍであり、電子ビーム特性は、５．０ｋＶの引き出し電圧の条件下で、角電流密度が０．０２９ｍＡ／ｓｒ、エネルギー幅が０．４９ｅＶで、変動率が１．１％であった。
【００３７】
〔実施例３〕
実施例１と同じく電解研磨法にて、θ＝１８゜、Ｒ１＝０．２μｍの尖鋭部を有するタングステン単結晶ニードルを準備した。これを実施例１に記載したジルコニウムと酸素からなる被覆層を設ける処理を施した後、酸素ガスを導入して０．１〜０．５Ｔｏｒｒに保持した真空中で、タングステン単結晶ニードルを陰極とし、これより１００ｍｍ離して陽極を配置し、その間に０．５〜１．５ｋＶの直流電圧を印加してプラズマを生成してタングステン単結晶ニードルをエッチングすることで、タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を調整した。この時のプラズマ電流は、５ｍＡであった。上記タングステン単結晶ニードルに、実施例１記載の方法で電圧を印加して熱電界放射陰極を作成し、その形状パラメーターと電子ビーム特性を調べた。
形状パラメーターは、θ＝１８゜、Ｒ１＝５．１μｍ、Ｒ２＝１．４３μｍ、Ｒ３＝１０．２μｍであり、電子ビーム特性は、引き出し電圧４．５ｋＶの時に、角電流密度０．０２３ｍＡ／ｓｒ、エネルギー幅０．４８ｅＶ、変動率１．９％であった。
【００３８】
〔実施例４〕
実施例１と同様に電解研磨法にて、θ＝２５゜、Ｒ１＝０．２μｍのタングステン単結晶ニードルを得た。次に、タングステン単結晶ニードルを陰極とし、０．３５ｍｍ離れて垂直に配置した円盤状陽極との間に、真空度３×１０−９Ｔｏｒｒのもとで電圧を印加して電子放出を行わせ、残留ガスをイオン化させ、タングステン単結晶ニードルをエッチングすることで、タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を調整した。エッチング中のタングステン単結晶ニードルの温度は、輝度温度で１４５０℃、又真空度はガス発生の為に２×１０−８Ｔｏｒｒであった。尚、印加電圧は、３．５ｋＶで、エミッション電流値は３０〜１５０μＡであった。
この処理後のタングステン単結晶ニードルの形状パラメーターは、θ＝２５゜、Ｒ１＝２．５μｍ、Ｒ２＝０．９８μｍ、Ｒ３＝６２μｍであった。引き続き実施例１と同じく、ジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けた後、電圧を印加して、熱電界放射陰極を得た。
このものの形状パラメーターは、θ＝２５゜、Ｒ１＝２．８μｍ、Ｒ２＝１．１５μｍ、Ｒ３＝７０μｍであり、電子ビーム特性は、引き出し電圧４．２ｋＶの時に、角電流密度０．０３１ｍＡ／ｓｒ、エネルギー幅０．５０ｅＶ、変動率が３．５％であった。
【００３９】
〔比較例１〜３〕
実施例１において、電解研磨条件を変えたり、真空中で熱処理条件を変えることなどにより、いろいろな熱電界放射陰極を作成し、そのタングステン単結晶ニードルの形状と電子ビーム特性を調べ比較例とした。
結果を、実施例１〜４の結果とともに、表１に示した。
【００４０】
【表１】
0003582855.tif 000002
【００４１】
【発明の効果】
本発明の熱電界放射陰極によれば、エネルギー幅が０．５ｅＶ以下、角電流密度が０．０２ｍＡ／ｓｒ以上で、しかも変動率が５％以下と小さく、安定した電子ビームを容易に得ることができるので、低加速ＳＥＭ、高分解能ＳＥＭ、測長機などの電子利用機器に用いることができる。又、本発明の製造方法により、容易に上記熱電界放射陰極を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱電界放射陰極のタングステン単結晶ニードルの尖鋭部の断面図である。
【図２】本発明の熱電界放射陰極のタングステン単結晶ニードルの尖鋭部の断面図である。
【図３】従来の方法で作製した熱電界放射陰極のタングステン単結晶ニードルの尖鋭部の断面図である。
【符号の説明】
Ａ部    ；    円錐状の領域
Ｂ部    ；    円柱状の領域
Ｃ部    ；    半球状の領域
Ｄ部    ；    平坦部又は外接する球との共通球面部分
θ        ；    テーパー角
Ｒ１    ；    先端半径（Ｃ部に内接する球の半径）
Ｒ２    ；    平坦部半径
Ｒ３    ；    先端部に外接する球の半径
【図１】
0003582855.tif 000003
【図２】
0003582855.tif 000004
【図３】
0003582855.tif 000005