(57)【要約】【課題】電子線露光装置やオージェ分光装置等に好適な、高い角電流密度動作においても全放射電流量が少ない電子放射源を提供する。【解決手段】タングステン又はモリブデンの単結晶ニードルに、２Ａ族、３Ａ族及び４Ａ族からなる群から選ばれる１種以上の金属元素を拡散するための供給源を設けてなる陰極と、前記単結晶ニードルを突出させる穴を有するサプレッサー電極とを具備する電子放射源であって、前記単結晶ニードルの端部が２５°以上９５°以下の円錐全角を有する円錐台形状であり、前記単結晶ニードルの端部の円錐面と単結晶ニードルの側面との境界部の位置が前記サプレッサー電極の穴から突出させていないことを特徴とする電子放射源。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
タングステン又はモリブデンの単結晶ニードルに、２Ａ族、３Ａ族及び４Ａ族からなる群から選ばれる１種以上の金属元素を拡散するための供給源を設けてなる陰極と、前記単結晶ニードルを突出させる穴を有するサプレッサー電極とを具備する電子放射源であって、前記単結晶ニードルの端部が２５°以上９５°以下の円錐全角を有する円錐台形状であり、前記単結晶ニードルの端部の円錐面と単結晶ニードルの側面との境界部の位置が前記サプレッサー電極の穴から突出させていないことを特徴とする電子放射源。
【請求項２】
円錐台の上面の直径が５μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の電子放射源
【請求項３】
金属元素がジルコニウムまたはチタンであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電子放射源。
【請求項４】
陰極を構成する単結晶の＜１００＞方位と、前記上面の法線の向きとが、２°以内の角度差であることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の電子放射源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光、電子線露光機、ウェハ検査装置などの電子線応用機器に用いられる電子放射源、ことに電子線露光機用に好適な電子放射源に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、熱陰極よりも長寿命でより高輝度の電子ビームを得るために、タングステン単結晶の針状電極にジルコニウムと酸素との被覆層を設けた陰極を用いた電子放射源が用いられている（以下、ＺｒＯ／Ｗ電子放射源と記す）（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】Ｄ．Ｔｕｇｇ１ｅ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏ１．１６，ｐ１６９９（１９７９）。
【０００３】
ＺｒＯ／Ｗ電子放射源は、軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶の針状の陰極に、ジルコニウム及び酸素からなる被覆層（以下、ＺｒＯ被覆層という）を設け、該ＺｒＯ被覆層によってタングステン単結晶の＜１００＞面の仕事関数を４．５ｅＶから約２．８ｅＶに低下させたもので、前記陰極の先端部に形成された＜１００＞面に相当する微小な結晶面のみが電子放出領域となるので、従来の熱陰極よりも高輝度の電子ビームが得られ、しかも長寿命であるという特徴を有する。また冷電界放射電子源よりも安定で、低い真空度でも動作し、使い易いという特徴を有している（非特許文献２参照）。
【非特許文献２】Ｍ．Ｊ．Ｆｒａｎｓｅｎ，“Ｏｎ  ｔｈｅ  Ｅ１ｅｃｔｒｏｎ−Ｏｐｔｉｃａ１  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＺｒＯ／Ｗ  Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｅｍｉｔｔｅｒ”，ＡＤＶＡＮＣＥＳ  ＩＮ  ＩＭＡＧＩＮＧ  ＡＮＤ  ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＰＨＹＳＩＣＳ，ＶＯＬ．ＩＩＩ，ｐ９１−１６６．１９９９  ｂｙ  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ。
【０００４】
ＺｒＯ／Ｗ電子放射源は、図１に示すように、絶縁碍子５に固定された導電端子４に設けられたタングステン製のフィラメント３の所定の位置に電子ビームを放射するタングステンの＜１００＞方位の針状の陰極１が溶接等により固着されている。陰極１の一部には、ジルコニウムと酸素の供給源２が設けられている。図示していないが陰極１の表面はＺｒＯ被覆層で覆われている。
【０００５】
陰極１はフィラメント３により通電加熱されて一般に１８００Ｋ程度の温度下で使用されるので、陰極１の表面のＺｒＯ被覆層は蒸発により消耗する。しかし、供給源２よりジルコニウム及び酸素が拡散することにより、陰極電極１の表面に連続的に供給されるので、結果的にＺｒＯ被覆層が維持される。
【０００６】
ＺｒＯ／Ｗ電子放射源の陰極１の先端部はサプレッサー電極６と引き出し電極７の間に配置されて使用される（図２参照）。陰極１には引き出し電極７に対して負の高電圧が印加され、更にサプレッサー電極６には陰極１に対して数百ボルト程度の負の電圧が印加され、フィラメント３からの余剰電流を抑制する。
【０００７】
ＺｒＯ／Ｗ電子放射源は低加速電圧で用いられる測長ＳＥＭやウェハ検査装置においては、プローブ電流が安定していて且つエネルギー幅の拡がりが抑えられるという理由で０．１〜０．２ｍＡ／ｓｒの角電流密度で動作される。
【０００８】
一方、電子線露光装置、及びオージェ分光装置等においては、スループットが重視されるために０．４ｍＡ／ｓｒ程度の高い角電流密度で動作される。このようなスループットを重視する用途では、更に高い角電流密度動作が望まれ、１．０ｍＡ／ｓｒもの高い角電流密度での動作が要求されることがある。
【０００９】
しかしながら、ＺｒＯ／Ｗ電子放射源においては、（１）高角電流密度動作時に高々１．０ｍＡ／ｓｒ程度の角電流密度が上限であり、（２）この時、陰極と引き出し電極間に印加される引き出し電圧が４ｋＶ以上と大きく、チップ先端での電界強度が０．４〜１．０×１０９Ｖ／ｍと著しく高くなり、アーク放電による故障頻度が高くなる（非特許文献３参照）。
【非特許文献３】Ｄ．Ｗ．Ｔｕｇｇ１ｅ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏ１．Ｂ３（１），  ｐ２２０（１９８５）。
【００１０】
この欠点を解決するために、タングステン陰極１とサプレッサー電極６と引き出し電極７からなる電子放射源において、該陰極１の頂点が直径５μｍ以上の面を有する円錐台形状であることを特徴とする電子放射源が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特願２００３−３７９２０公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ＺｒＯ／Ｗ電子放射源は（１）高角電流密度動作時に高々１．０ｍＡ／ｓｒ程度の角電流密度が上限であり、（２）この時、陰極と引さ出し電極問に印加される引き出し電圧が４ｋＶ以上と大きく、チップ先端での電界強度が０．４〜１．０×１０９Ｖ／ｍと著しく高くなり、アーク放電による故障頻度が高くなるといった問題点がある。
【００１２】
これらを解決する円錐台形状のタングステン陰極を用いた電子放射源では、低い引き出し電圧において１ｍＡ／ｓｒ以上の高い角電流密度で動作し、全放射電流が数１０μＡ程度と低く信頼性が高くなるという特徴をもつ。
【００１３】
しかし、更に高い角電流密度で動作させるために引き出し電圧を高くすると、ある引き出し電圧から急激に余剰電流が増え、全放射電流が数１００μＡ程度まで増加してしまうといった問題が生じている。
【００１４】
この余剰電流の増加は、構成する装置部材からの脱ガスを誘起し、装置真空度の低下をもたらし、信頼性を損ねるものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者は、上記の事情に鑑みていろいろ検討した結果、この余剰電流増加の原因が円錐台形状の陰極の側面と円錐面との境界部からの電子放射に起因していること、そして電極の配置を調整することによって、前記課題を解決することができるという知見を得て、本発明に至ったものである。
【００１６】
即ち、本発明は、タングステン又はモリブデンの単結晶ニードルに、２Ａ族、３Ａ族及び４Ａ族からなる群から選ばれる１種以上の金属元素を拡散するための供給源を設けてなる陰極と、前記単結晶ニードルを突出させる穴を有するサプレッサー電極とを具備する電子放射源であって、前記単結晶ニードルの端部が２５°以上９５°以下の円錐全角を有する円錐台形状であり、前記単結晶ニードルの端部の円錐面と単結晶ニードルの側面との境界部の位置が前記サプレッサー電極の穴から突出させていないことを特徴とする電子放射源であり、好ましくは、円錐台の上面の直径が５μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする前記の電子放射源である。
【００１７】
また、本発明は、前記金属元素がジルコニウムまたはチタンであることを特徴とする電子放射源であり、好ましくは、陰極を構成する単結晶の＜１００＞方位と、前記上面の法線の向きとが、２°以内の角度差であることを特徴とする電子放射源である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の電子放射源は、陰極の円錐面と棒側面との境界部の位置を前記サプレッサー電極の穴から突出させないことにより、高角電流密度で動作を維持しつつ、全放射電流は比較例に比べ一桁小さく、高い信頼性を期待できるという特徴がある。また、本発明の電子放射源は、従来公知の電子放射源とほぼ同程度の角電流密度で動作し、その時の全放射電流は従来公知の電子放射源と比べて小さく、高い信頼性を期待できることが明らかであり、高い動作角電流密度の放射電流が得られる特徴がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の具体的な実施態様としては、タングステンまたはモリブデン単結晶＜１００＞方位のロッド状陰極１の端部に機械研磨または電解研磨によりに円錐部８を設け、更にその頂点をダイヤモンド研磨剤が被覆された研磨フィルムにより研磨する或いは集束ガリウムイオンビーム装置を適用して頂点を切断し平坦部９を設けるものである。
【００２０】
本発明に於いて、集束ガリウムイオンビームで加工する際にニフッ化キセノンガスを導入すると加工時間を短縮することが可能である。また、円錐部８の全角は２５°以上９５°以下で平坦部９（又は上面部分）の直径は５〜２００μｍである。更に、陰極１の端部に形成された平坦な電子放射面の法線は＜１００＞方位と２°以内の角度差に収められることが好ましい。
【００２１】
タングステンまたはモリブデン単結晶からなる＜１００＞方位のロッドは陰極として機能し、その表面は２Ａ、３Ａ、４Ａ族から選ばれた金属元素と酸素により被覆される。Ｚｒ−Ｏの系を例にとると、水素化ジルコニウムを粉砕して有機溶剤と混合しペースト状にしたものを陰極の一部に塗布して、１×１０一６Ｔｏｒｒ程度の酸素雰囲気中で陰極を加熱してＺｒＨ２を熱分解し、更に酸化してジルコニウムと酸素の供給源を形成すると共に陰極の表面をジルコニウムと酸素で被覆する。
【００２２】
この陰極を引き出し電極７とサプレッサー電極６の間に配置して、引き出し電極に対して陰極に数キロボルトの負の高電圧を印加し、サプレッサー電極６には陰極１に対して数百ボルトの負の電圧を印加すると共に陰極１を１５００〜１９００Ｋに加熱することにより電子放射を行なうが、本発明によれば、陰極の円錐面と単結晶ニードルの側面との境界部１９の位置がサプレッサー電極６の穴の面２０から突出させないようにする。
【００２３】
もし、境界部１９の位置がサプレッサー電極６の穴の面２０から突出させた場合、引き出し電圧を高くしていくと、ある引き出し電圧から急激に余剰電流が増え、全放射電流が数１００μＡ程度まで増加してしまう。これは、高い引き出し電圧を印加すると境界部１９に電子放射し得る電界が生じ、余剰電流として放射されることによると考えられる。
【００２４】
本発明では、境界部１９の位置がサプレッサー電極６の穴の面２０から突出させないことで、サプレッサーによる電界のシールド効果が境界部１９に対して効果的に働き、余剰電流を抑制することが可能となる。
【００２５】
本発明の電子放射源は、１ｍＡ／ｓｒ以上の高い角電流密度で動作し、かつ、陰極の円錐面と単結晶ニードルの側面との境界部をサプレッサー電極の穴の面から突出させないようにすることで、電界のシールド効果が境界部に対して効果的に働き、余剰電流が極めて低いため信頼性が高いという特徴を有している。
【実施例１】
【００２６】
（実施例１、２、比較例）絶縁碍子にロウ付けされた導電端子にタングステン製のフィラメントをスポット溶接により固定した。＜１００＞方位の単結晶タングステンチップの端部にダイヤモンドペーストと研磨盤を用いて全角が９０°の円錐部を形成し、更に円錐部の頂点をダイヤモンド研磨剤で被覆した研磨フィルムで研磨して直径２０μｍの平坦部を形成した。このロッドを前記フィラメントにスポット溶接により取り付けた。このロッドは陰極として機能する。尚、実施例１では直径０．４ｍｍ、実施例２及び比較例では直径０．３ｍｍの単結晶タングステンチップを用いた。
【００２７】
水素化ジルコニウムを粉砕して酢酸イソアミルと混合しぺースト状にしたものを陰極の一部に塗布した。酢酸イソアミルが蒸発した後、図２に示す装置に導入した。
【００２８】
陰極の先端はサプレッサー電極と引き出し電極との間に配置される。サプレッサー電極と引き出し電極の距離は０．８ｍｍ、引き出し電極の孔径は０．８ｍｍ、サプレッサー電極の孔径は０．８ｍｍとした。尚、陰極の先端とサプレッサー電極の距離については、実施例１及び比較例では０．１５ｍｍ、実施例２では０．１０ｍｍとした。この電極構成により、陰極の円錐面と単結晶ニードルの側面との境界部が、サプレッサー電極の穴の面に対して、実施例１、実施例２とも０．０３ｍｍ奥に位置し、比較例では、サプレッサー電極の穴の面から０．０２ｍｍ突出した所に境界部が位置することになる。
【００２９】
フィラメントはフィラメント加熱電源に接続され、更に高圧電源に接続され、引き出し電極に対して負の高電圧、即ち引き出し電圧Ｖｅｘが印加される。また、サプレッサー電極はバイアス電源に接続され、陰極とフィラメントに対して更に負の電圧、バイアス電圧Ｖｂ、が印加される。電子源からの全放射電流Ｉｔは高圧電源とアース間に置かれた電流計により測定される。陰極の先端から放射した電子ピームは引き出し電極の孔を通過して、蛍光板に到達する。蛍光板の中央にはアパーチャー（小孔）が有り、通過してカップ状の電極に到達したプローブ電流Ｉｐは微小電流計により測定される。なおアパーチャーと陰極の先端との距離とアパーチャーの内径から算出される立体角をωとすると角電流密度はＩｐ／ωとなる。
【００３０】
続いて装置内を３×１０−１０Ｔｏｒｒ（４×１０−８Ｐａ）の超高真空中としてフィラメントに通電して陰極を１８００Ｋに加熱し、ＺｒＨ２を熱分解して金属ジルコニウムとした。更に酸素ガスを導入して装置内を３×１０−６Ｔｏｒｒ（４×１０−４Ｐａ）として金属ジルコニウムを酸化し、ジルコニウムと酸素の供給源を形成した。
【００３１】
再度装置内を３×１０−１０Ｔｏｒｒ（４×１０−８Ｐａ）の超高真空中として陰極を１８００Ｋに維持したままサプレッサーにバイアス電圧Ｖｂ＝３００Ｖを印加し、続いて引き出し電圧Ｖｅｘを２．５ｋＶの高電圧を印加して数時間保持し、放射電流が安定したところで、各引出し電圧Ｖｅｘにおける全放射電流Ｉｔとプローブ電流Ｉｐを測定し、角電流密度を算出した。
【００３２】
引き出し電圧−角電流密度、全放射電流の測定結果を図４に示す。陰極の円錐面と単結晶ニードルの側面との境界部が、サプレッサー電極の穴の面に対して突出している比較例では、引き出し電圧Ｖｅｘが１．２ｋＶ以上で余剰電流に起因した全放射電流が急激に増えている。一方、陰極の円錐面と単結晶ニードルの側面との境界部が、サプレッサー電極の穴の面に対して突出させていない実施例１及び実施例２では、引き出し電圧Ｖｅｘが２．５ｋＶまで全放射電流が数十μＡの低い値を示し、余剰電流が抑えられていることが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明の電子放射源は、陰極の円錐面と棒側面との境界部の位置を前記サプレッサー電極の穴から突出させないことにより、高角電流密度で動作を維持しつつ、全放射電流は比較例に比べ一桁小さく、高い信頼性を期待できるという特徴があり、電子露光用電子源を初め多くの電子源として有用である。また、本発明の電子放射源は、従来公知の電子放射源とほぼ同程度の角電流密度で動作し、その時の全放射電流は従来公知の電子放射源に比べて小さく、高い信頼性を期待できることが明らかである。また、従来のＺｒＯ／Ｗ電子放射源に比較して高い動作角電流密度の放射電流が得られる特徴があり、電子露光用電子源を初め多くの電子源として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】ＺｒＯ／Ｗ電子放射源の構造図。
【図２】電子放射特性の評価装置の構成図。
【図３】陰極の拡大図。
【図４】引き出し電圧−角電流密度、全放射電流の測定結果（実施例１、２並びに比較例）。
【符号の説明】
【００３５】
１：  陰極
２：  供給源
３：  フィラメント
４：  導電端子
５：  絶縁碍子
６：  サプレッサー電極
７：  引き出し電極
８：  （円錐台部の）円錐部
９：  平坦部（円錐台部の上面部）
１０：  蛍光板
１１：  アパーチャー
１２：  カップ状電極
１３：  プローブ電流測定用微小電流計
１４：  バイアス電源
１５：  高圧電源
１６：  フィラメント加熱電源
１７：  全放射電流測定用電流計
１８：  放射電子線
１９：  陰極の円錐面と側面との境界部
２０：  サプレッサー電極の穴面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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