(57)【要約】【課題】本発明は、電子顕微鏡や電子線描画装置などの電子線応用装置において、用いられるＳＥ電子源に関し、制御電圧でプローブ電流を可変させる電子銃において、最適の電子源の構造を提供することを目的とする。【解決手段】ＳＥ電子源の構造として、チップ先端のコーンアングル１５度以下，曲率半径０.５μｍ 以下を採用した電子源。【効果】本発明を採用したＳＥ電子源を使った電子銃では、制御電圧の変化に対して、得られるプローブ電流の可変範囲が大きくなるため、１個の引き出し電圧設定で充分である。しかも、その引き出し電圧の値も小さくなるため、放電によるチップの破損もなくなり、電子銃の安定度が増加する。【選択図】図１
2006156418.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端角が１５度以下の針状の陰極と、
当該陰極から電子を引き出す電界を形成する引出電極と、
前記陰極と引出電極との間に配置され、電子線の量を制御する制御電極と、
当該制御電極に接続され、前記引出電極に正の電圧を印加した状態にて、前記陰極から放出される電子線電流を１０ｐＡ以下に制御する負電圧を印加する負電圧印加電極とを備えたことを特徴とする電子源。
【請求項２】
請求項１において、
前記陰極の先端を、０.５μｍ 未満の先端曲率半径としたことを特徴とする電子源。
【請求項３】
先端角が１５度以下の針状の陰極、当該陰極から電子を引き出す電界を形成する引出電極、及び前記陰極と引出電極との間に配置され、電子線の量を制御する制御電極とを有する電子源と、前記制御電極に接続され、前記引出電極に正の電圧を印加した状態にて、前記陰極から放出される電子線電流を１０ｐＡ以下に制御する負電圧を印加する負電圧印加電源とを備えたことを特徴とする電子線照射装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記陰極の先端を、０.５μｍ 未満の先端曲率半径としたことを特徴とする電子線照射装置。
【請求項５】
針状の陰極と、
該陰極から電子を引き出す電界を形成する引出電極と、
前記陰極と引出電極の間に配置され、電子線の量を制御する制御電極とを具備する電子源であって、
前記針状の陰極の先端曲率半径は０.５μｍ未満であり、
前記制御電極に接続され、
前記引出電極に正電圧を印加した状態にて、
前記陰極から放出される電子線電流を１０ｐＡ以下に制御する負電圧を印加する負電圧印加電源を備えたことを特徴とする電子源。
【請求項６】
請求項５において、
前記針状の電極の先端角が１５度以下であることを特徴とする電子源。
【請求項７】
針状の陰極と、該陰極から電子を引き出す電界を形成する引出電極と、前記陰極と引出電極の間に配置され、電子線の量を制御する制御電極とを具備する電子源であって、
前記制御電極には可変可能な負電圧を印加する電源が接続され、
前記引出電極に正電圧を印加した状態にて、
制御電極に印加する電圧が−１００Ｖ乃至−９００Ｖの区間内で前記陰極から放出される電子線電流を１０ｐＡ以下に制御可能であることを特徴とする電子源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡や電子線描画装置などの電子線を使った応用装置において採用される電子源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、新しい電子源として、タングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）等の耐高温金属材料の単結晶チップ表面に、例えば、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｈｆ等と酸素原子をそれぞれ単原子程度吸着させる表面拡散形電子源が実用化されている。一般的な構成としては、Ｗヘアピンフィラメントの頂点に、一定の結晶方位を持つＷ単結晶線を接合し、この単結晶線先端を電解研磨し先鋭化している。そして、このＷヘアピンフィラメントと単結晶線間に、水素化Ｚｒ等の水素化合物粉末を付着させ、酸素ガス分圧のある真空雰囲気中で熱処理することによりＺｒ等の拡散を促進し、単結晶先端の特定結晶面にＺｒとＯの吸着層を形成するものである（米国特許番号4,324,999 ）。このような電子源を電界放出が起こらない弱い電界領域で使用する場合を特にショットキーエミッション（Schottky Emission ）と呼んでいる。この電子源として、Ｚｒ／Ｏ／Ｗが実用化されている（ジャーナル，バキューム，サイエンス，テクノロジー，Ｂ３（１），１９８５，Ｐ２２０(J．Vac．Sci．Technol.Ｂ３（１）,１９８５，ｐ２２０)）。この電子源に制御電極（一般にはサプレッサー電極と呼んでいる）と引出電極を付加し電子銃を構成する。その基本的な構造を図１に示す。１がＷ（１００）の単結晶チップ，２がＷの多結晶線からなるヘアピン形のフィラメント、４はフィラメント２がスポット溶接されているステンレス等の端子、５はセラミック碍子である。Ｗの単結晶チップ１よりも仕事函数が低いＺｒの酸化物補給源３が単結晶チップ１の中央部，付け根またはフィラメント２に付着した構造となっている。この酸化物補給源３を１５００Ｋから１９００Ｋ程度に加熱することで単結晶チップ１に沿ってチップ先端に熱拡散する。単結晶チップ１の先端に拡散していった金属（Ｚｒ）酸化物は単結晶チップ１の先端で酸素とＺｒ単原子層を形成する。この時、表面拡散および、活性化エネルギーの高い特定の結晶面（１００）に選択的に吸着形成する。（１００）結晶面が単結晶チップ１の先端となるような単結晶線を用いると、単結晶チップ１の軸先端のみを仕事函数の低い状態に保つことができる。これにより、その部分から高い放出電子電流密度が得られる。そして、６はサプレッサー電極と呼ばれ、１５００Ｋから１９００Ｋで熱されたＷヘアピンフィラメントからの熱電子を抑制する働きをする。７は引出電極であり、単結晶先端に電界を印加し、ショットキーエミッション（以下ＳＥと略す）を取り出す働きをする。このＳＥは、電界放出と異なり先端に印加される電界強度は電界放出状態より極めて低い。従って、放出電子は熱電子であり、トンネル電子は含まれない。このことは、電界放出電子特有の放出電子流の変動がなく、極めて安定な放出電子電流が得られることになる。更に、通常の熱電子源、例えば、ＬａＢ6 やＷヘアピンに比べその動作温度が低いため、放出される電子流のエネルギー幅を小さくすることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記ＳＥ電子源から放出される電子線の量は前記文献に記述されているようにチップ先端の電界強度に依存している。このため引出電極に印加する引き出し電圧で電子線量を調整するのが一般的である。
【０００４】
しかしながら引出電極を変化させるとその変化の度に光軸ずれを起こす等の問題がある。
【０００５】
また制御電極とチップの間隙や制御電極と引出電極の間隙は図１からわかるように極めて小さい。このためそれらの電極に印加する電圧値は小さいことが望まれる。しかしながら、従来の電子銃の構造では電子線量の調整範囲が狭く、かつ、電極に印加する電圧も大きく放電し易いためチップ破損の原因となっていた。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決し得る電子源とその電子源を用いた電子線照射装置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】
【０００７】
本発明では上記目的を達成するために先端が１５度以下のコーンアングルで形成された針状の陰極と、該陰極からの電子線量を制御するための制御電極と、前記針状の陰極から電子を引き出すための引出電極を備えた電子源を開示している。
【０００８】
更に本発明構成によれば前記引出電極に印加する正電圧を一定にしつつ、前記制御電圧に印加する負電圧値を変化させることにより電子線量を変化させる電子線照射装置をも開示している。
【０００９】
また陰極の先端を０.５μｍ 未満の先端曲率半径となるように形成した。
【００１０】
以上のような構成とするのは以下のような理由に基づくものである。
【００１１】
まず引出電圧で電子線量を調整するより、制御電極に印加する制御電圧で調整した方が光軸の変化が少ないなど利点が多い。つまり引出電圧一定のもとで、制御電圧の変化により全ての使用電子線量を調整することができれば理想的である。
【００１２】
またＳＥチップの先端電界強度はその電子源自身の構造に依存している。
【００１３】
その電界強度を左右する構造要因とは、文献ジャーナル，アプライ,フィジクス,Ｖol.４４，Ｎo.５，１９７３（J．Appl．Phys.，Ｖol.４４，Ｎo.51973）に記述されているように、２つのパラメータ，コーンアングル（２β）と曲率半径（ｒ）である。
【００１４】
図２に本実施例で使用した２種類のチップ先端のＳＥＭ写真を示す。倍率は両図共に１万倍である。図２（ａ）が従来使用していたチップでコーンアングル（２β）＝２６度，曲率半径（ｒ）＝０.５５μｍ である。図２（ｂ）が本発明であるチップ先端のＳＥＭ像であり、コーンアングル（２β）＝８度，曲率半径（ｒ）＝０.３０μｍ である。前記文献によれば、電界強度を強くするにはその両方のパラメータをできるだけ小さくすれば良い。これにより、小さな引き出し電圧でも大きな電界強度を作ることができる。しかしながら、上記文献には、制御電圧の影響に関してなんら記述がない。我々の実験から、制御電極に印加する制御電圧の作る電界も２つのパラメータを小さくすることにより強くなることがわかった。
【００１５】
このため、上記構成によれば従来のものに比べて、一定の電圧変化に対する、チップ先端の電界強度変化をも大きくすることができる。
【００１６】
本発明では更に制御電圧の調整により１つの引出電圧設定で、全ての使用電子線量の範囲をカバーできる電子源と、その電子源を備えた電子線照射装置の提供が可能となる。
【００１７】
尚、ＳＥ電子源の放射電流密度Ｊは、以下の式で与えられる。Ｔはチップ温度、φは仕事関数、ａは定数、Ｆは電界強度、ｋは定数である。
【００１８】
Ｊ＝１２０Ｔ＾２exp(−(φ−ａ√Ｆ)／ｋＴ)(Ａ／cm＾２)               …（１）
上式より明らかなように、放射電流密度はチップの温度Ｔ，放射面の仕事関数φ、そして、チップ先端の電界強度Ｆに依存している。そして、この電界強度Ｆはチップ自身のコーンアングルと曲率半径に依存しているし、ＳＥチップと引出電極との間隔にも電界強度Ｆは依存している。図１で示したように、ＳＥチップと引出電極との間隔は極めて小さくこれ以上調整するのは困難である。このため、コーンアングルと曲率半径の調整を実施し、制御電圧の任意の電圧範囲におけるチップ先端の電界強度の変化範囲を大きくすることができる。
【００１９】
単に先鋭化することで電子線が放出しやすくなることは従来から知られていたが、本願発明では、１５度以下に先鋭化したショットキーエミッション電子源と、電子線量の調整を制御電極に印可する制御電圧の制御によって行うという従来にない要件の組み合わせにより、制御電圧の変化に対して得られるプローブ電流の範囲が大きくなるため、結果引き出し電圧に印可する電圧の種類を極力減らすことが可能になる。
【００２０】
仮に所望の電圧調整範囲を制御電極の調節範囲では得られない場合、引き出し電圧の調節をもって所望のプローブ電流の調節範囲を確保する必要があるが、引き出し電圧を変化させることによる他のパラメータ調整の手間や、光軸ずれ等の弊害を考えると１の引き出し電圧で所望のプローブ電流範囲を確保するのが理想的である。これは制御電極の変化によっては光軸、仮想光源の位置が変化しないという前提に基づくものである。
【００２１】
以上述べたように、コーンアングルと曲率半径を調整し、しかも制御電極をもって電子線量を調節することにより、制御電圧の任意の電圧変化に対して電子源から放射される電子線量の変化範囲を大きくすることが可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明を採用したＳＥ電子源を使った電子銃では、制御電圧の変化に対して、得られるプローブ電流の可変範囲が大きくなるため、１個の引き出し電圧に対して、広い範囲の電子線量の設定が可能となる。更にその結果、引出電圧を動かすことなく必要なプローブ電流の可変範囲を得ることができ、引出電圧を固定値とすることができるので、引出電圧の変化による軸ずれ防止にも寄与できる。しかも、その引き出し電圧の値も小さくなるため、放電によるチップの破損もなくなり、電子銃の安定度が増加する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の実施例を以下に述べる。図３は、ＳＥ電子銃の評価を行う超高真空に排気されたテスト装置である。電子銃部と排気架台部とに分かれている。電子銃部を交換して、多くの電子銃の特性を評価する装置である。最初にＳＥチップを装着した電子銃部を排気架台に載せ、超高真空排気を実施する。超高真空に排気されたら、ヘアーピンフィラメントに定電流電源Ｖｆより通電加熱する。ＳＥチップの温度を１６００Ｋから１８００Ｋまでの任意の一定温度にする。
【００２４】
そして、引出電極に直流高圧電源Ｖｅより正の電圧を供給することでＳＥチップ先端からＳＥ電子が放出される。更に制御電極（サプレッサ電極）には、直流電圧電源Ｖｓにより負の電圧を印加する。これによって電子線路外への電子の放出をなくしている。
【００２５】
放出されたＳＥ電子は図に示すように、大部分は絞り板に、その一部分がファラディカップに到達する。この時のエネルギーを決めているのが直流高圧電源Ｖａであり、測長
ＳＥＭでは低い加速電圧が使用されおよそ１ｋＶ以下である。このファラディカップに入射したＳＥ電子をプローブ電流とし、実際の電子顕微鏡や電子線応用装置で使用する。開き角としては数ｍrad のオーダであり、電流は数ｐＡから数１００ｐＡが得られる。引出電極に印加する引出電圧Ｖｅを一定にして、制御電圧をある範囲変化させ、そのとき得られるプローブ電流を測定する。
【００２６】
このように電子線量の制御を制御電圧に印加された負電圧の電圧値に基づいて行うことにより、引出電圧によって電子線量を制御する必要がなくなり、引出電圧を固定できるため、軸ずれを起こすことなく容易に電子線量の設定を行うことができる。
【００２７】
一般的に引出電圧を変化させると、引出電圧とビームを加速させる加速電圧の比が変わるため、静電レンズのレンズ作用により光軸位置が変わり、その結果軸ずれが起きる。
【００２８】
本実施例では以上のことに鑑み、引出電圧を固定した状態で制御電圧を変化させている。
【００２９】
そして本発明の実施例では以上の事実に鑑み、以上の測定を図２に示すコーンアングルと曲率半径が異なる２つのチップを用いて実施した。
【００３０】
その結果を図４に示す。制御電圧の変化範囲は１００Ｖから９００Ｖである。図４から、従来チップ(old tip）ではプローブ電流の変化範囲は２２ｐＡから５７ｐＡであるのに比べ、本発明（new tip）では２.３ｐＡから６７ｐＡと極めて大きな範囲で変化することができる。また、引出電圧Ｖｅも従来チップに比べ、１.５ｋＶ と小さくすることができる。
【００３１】
以上のように、本発明の電子銃を採用すれば、引出電圧を小さくすることができ、しかも制御電圧の変化に対する、プローブ電流の変化範囲が大きくなる。このように制御電極の一定の変化に対して、プローブ電流の変化範囲はコーンアングルと曲率半径に依存している。
【００３２】
更に走査型電子顕微鏡の中でも半導体を扱う装置に関してはチャージアップやコンタミネーションの影響を少なくするために、プローブ電流の減少化が要求される。これはプローブ電流の大きさが、チャージアップの発生頻度に比例し試料像障害を引き起こすこと、またコンタミネーションも同様にプローブ電流が試料汚染が激しくなるためである。このためプローブ電流は１０ｐＡ以下の最低電流量が必要となる。この最低電流量を得るために実験を行った結果、コーンアングル１５度，曲率半径０.５μｍ のチップを用いた際に初めて上述の条件に見合うような電子線量を得ることができた。（図４のラインＡ）１５度より大なるコーンアングルでは最低電流量が１０ｐＡを越えてしまい所望の上述したような条件に適合しないことがわかった。
【００３３】
従ってこれ以下のコーンアングルで電子源を形成すればプローブ電流の範囲を上述した条件に適合させることが可能になる。しかしながら先端形状を鋭角にするには高度な技術が要求され、現段階の形成技術では５〜６度が限界である。
【００３４】
また先端曲率半径については、０.５μｍ 以上に形成するとショットキーエミッションが出づらくなり、上述したビーム電流量の範囲を得ることができなくなる。また０.２
μｍ以下とすると電界放出による不安定なビームとなってしまう。
【００３５】
上記実施例は、ＳＥ電子源について実施したが、同じような制御電圧でプローブ電流を可変する電子銃については同様の効果が得られることは明白である。例えば、ＴＦＥ電子源，ＣＦＥ電子源なども、制御電極を用いて実施可能である。
【００３６】
更にこれらの電子源を搭載する装置一般に適用可能であり、走査電子顕微鏡，透過電子顕微鏡，電子線描画装置等に適用しても同様の効果を得ることができる。
【００３７】
本発明の実施例に示す電子源を電子線照射装置に適用するに際し、本発明の効果である、１個の引き出し電圧設定で必要なプローブ電流の可変範囲を得るには、陰極の先端を少なくとも１５度以下にする必要があることが実験の結果わかった。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ＳＥ電子源の構成図。
【図２】本発明と従来技術の陰極の電子顕微鏡写真。
【図３】本発明チップと従来技術のチップのためのテスト装置を示す図。
【図４】本発明チップと従来技術によるチップの比較図。
【符号の説明】
【００３９】
１…単結晶線、２…ヘアピンフィラメント、３…酸化物補給源、４…端子、５…セラミック碍子、６…制御電極、７…引出電極、８…ＳＥ電子、９…絞り板、１０…ファラディカップ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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