(57)【要約】【課題】  フィラメント電流を低減してフィラメント寿命の短命化を抑制し、フィラメント寿命を延ばす。放熱や伝熱による熱損失を低減して、電子銃全体の系の熱的安定性を保ち、印加電力に対するエミッション電流の利用効率を向上させる。【解決手段】  フィラメントから放出される輻射エネルギーをフィラメント先端に集光させ、電子放出源であるフィラメント先端部分の温度上昇に用いることによって、同等なエミッション電流を得るに要するフィラメント電流を低減させることができ、フィラメント寿命の短命化を抑制し、フィラメント寿命を延命させる。輻射エネルギーをフィラメント先端に集光させることによって、フィラメントからのウエーネルトやウエーネルト取り付け部に伝熱することで生じる熱損失を減少させ、電子銃全体の系を熱的な安定化させ、構成部材の放射率を低減させることで、伝熱による熱損失を減少させ、電子銃全体の系の熱的安定化を図る。【選択図】  図１
2006196408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィラメントの加熱により熱電子を放出する熱電子放出型電子銃において、
前記フィラメントとアノードとの間に設けたウエーネルトのフィラメント側に、前記フィラメントから放出された輻射エネルギーをフィラメントの先端方向に向けて集光させるリフレクターを備えることを特徴とする、熱電子放出型電子銃。
【請求項２】
前記リフレクターは、前記フィラメントの先端近傍を集光点とする曲率を持つ球状体の一部により構成されることを特徴とする、請求項１に記載の熱電子放出型電子銃。
【請求項３】
前記リフレクターは、金属、ガラス、セラミックの何れかを素材とし、フィラメントの先端側の面、及び当該面の裏面の両面に研磨又はバフによる低放射率加工を施したことを特徴とする、請求項１又は２に記載の熱電子放出型電子銃。
【請求項４】
前記リフレクターは、チタンを素材とし、前記両面を窒化し金色とすることを特徴とする、請求項３に記載の熱電子放出型電子銃。
【請求項５】
前記リフレクターは、前記両面にＤＬＣ薄膜を成膜し金色とすることを特徴とする、請求項３に記載の熱電子放出型電子銃。
【請求項６】
前記リフレクターは、前記両面にシリコン窒化薄膜を成膜し金色とすることを特徴とする、請求項３に記載の熱電子放出型電子銃。
【請求項７】
前記ウエーネルトは、フィラメント側及びアノード側の両面に研磨又はバフによる低放射率加工を施し、フィラメント側及び／又はアノード側の面にＤＬＣ薄膜又はシリコン窒化薄膜を成膜し、金色とすることを特徴とする、請求項１に記載の熱電子放出型電子銃。
【請求項８】
前記ウエーネルトは、チタンを素材とし、フィラメント側及びアノード側の両面に研磨又はバフによる低放射率加工を施し、前記両面を窒化し金色とすることを特徴とする、請求項１に記載の熱電子放出型電子銃。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィラメントの加熱により熱電子を放出する熱電子放出型電子銃に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子線を１次ビームとして用いる装置として、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、等の観察装置、低速電子線回折法（ＬＥＥＤ）、高速反射電子線回折法（ＲＨＥＥＤ）、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）、電子エネルギー損失分光法（ＥＬＳ）等を利用した分析装置、電子ビーム露光装置等の加工装置、電子線高速アレイ検査装置等の検査装置などが知られている。
【０００３】
これらの装置に用いられる電子銃として、熱電子放出型や電界放出型が知られている。熱電子放出型電子銃は、フィラメントに電流を流すことで加熱し、この加熱により放出される熱電子を１次ビームとして用いる電子銃であり、安定した電子線電流が得られるため、広く利用されている。
【０００４】
図７は走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の一構成例を説明するための図である。走査電子顕微鏡１００は鏡筒部と操作部とから構成される。鏡筒部では、電子銃１０１による電子線の発生、集束レンズ１０３によって電子線を絞り込むことによる電子プローブの形成や非点補正を行うことによる電子プローブの整形、走査コイルによる電子線の観察領域での走査が行われ、対物レンズ１０６及び対物レンズ絞り１０８を経て試料Ｓに照射される。
【０００５】
試料Ｓへの電子線照射によって試料Ｓからは二次電子や反射電子が放出される。二次電子は検出器１０９に印加された正電位に引かれ、また、反射電子は自らのエネルギーで検出器１０９に取り込まれて検出される。検出器１０９で検出された信号は映像増幅器１１１で信号増幅されると共に、走査回路１１０からの走査信号で走査されて表示装置１１２に表示される。
【０００６】
電子銃１０１は、加熱によって熱電子を放出するフィラメント（カソード）１０２と、フィラメント１０２からの熱電子放出を集束して電子線束の電子密度を高めるウエーネルト１０４、及び集束した電子線を加速するアノード１０７を備える。アノード１０７はアース電位とし、フィラメント１０２には負電圧を印加し、ウエーネルト１０４にはフィラメント電圧よりも多少低い負電圧を印加してバイアス電圧とする。これによって、フィラメント１０２から放出された電子は、ウエーネルト１０４に印加されたバイアス電圧が作る電界によって軌道が修正され、ウエーネルト１０４の下方位置で一度集束した後、アノード１０７による加速電圧が作る電界によりアノード１０７に向かって加速する。
【０００７】
熱電子放出型電子銃において線源の輝度を変更する場合には、アノード１０７の先端とウエーネルト１０４との距離を変更したり、アノード１０７とウエーネルト１０４との間の電圧（バイアス電圧）の設定を変更することによってエミッション電流を変え、このエミッション電流の大きさによって線源の輝度を定めている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記したように、熱電子放出型電子銃ではフィラメント電流を流してフィラメントを加熱することで行われる。この加熱されたフィラメントは、フィラメント全体から熱電子を放出するのではなく、主にフィラメントの先端部分から熱電子を放出する。そのため、電子放出源であるフィラメント先端部分の温度が重要である。
【０００９】
通常、フィラメント電流によって加熱されたフィラメントの熱は、輻射によってウエーネルトやウエーネルト取り付け部に放熱されるため、電子放出源であるフィラメント先端部分の温度が上昇しにくくなる。そのため、フィラメント先端部分の温度を上げるために、大きなフィラメント電流を流さなければならない。フィラメント電流を大きくしてフィラメント先端部分の温度を上げると、フィラメント自体に大きな電流が流れることでフィラメント寿命が短くなるという問題がある。
【００１０】
また、フィラメントからの伝熱で加熱されたウエーネルトやウエーネルト取り付け部は、さらにその外側の大気に熱を放熱して熱損失が発生するため、電子銃全体の系の熱的な安定が得にくいという問題もある。
【００１１】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、フィラメント電流を低減してフィラメント寿命の短命化を抑制すること、ないしフィラメント寿命を延ばすことを目的とする。
【００１２】
また、放熱や伝熱による熱損失を低減して、電子銃全体の系の熱的安定性を保ち、印加電力に対するエミッション電流の利用効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、フィラメントから放出される輻射エネルギーをフィラメント先端に集光させ、従来フィラメントからウエーネルトやウエーネルト取り付け部に放熱されることで利用されていなかったエネルギーを、電子放出源であるフィラメント先端部分の温度上昇に用いることによって、同等なエミッション電流を得るに要するフィラメント電流を低減させることができ、フィラメント寿命の短命化を抑制し、フィラメント寿命を延命させる。
【００１４】
また、本発明は、上記のように輻射エネルギーをフィラメント先端に集光させることによって、フィラメントからのウエーネルトやウエーネルト取り付け部に伝熱することで生じる熱損失を減少させ、電子銃全体の系を熱的な安定化させる。また、熱電子放出型電子銃の構成部材の放射率を低減させることで、伝熱による熱損失を減少させ、電子銃全体の系の熱的安定化を図る。
【００１５】
本発明の第１の態様は、輻射エネルギーをフィラメント先端に集光させることによって、フィラメントからのウエーネルトやウエーネルト取り付け部に伝熱することで生じる熱損失を減少させ、電子銃全体の系を熱的な安定化させるものであり、フィラメントの加熱により熱電子を放出する熱電子放出型電子銃において、フィラメントとアノードとの間に設けたウエーネルトのフィラメント側に、フィラメントから放出された輻射エネルギーをフィラメントの先端方向に向けて集光させるリフレクターを備える構成とする。
【００１６】
フィラメントはフィラメント電流によって加熱されると、輻射エネルギーを放出する。この輻射エネルギーは、通常は周囲のウエーネルトやウエーネルト取り付け部に達した後に放熱されるため、フィラメント先端部分の加熱に寄与しない。本発明は、フィラメントとアノードとの間に設けたウエーネルトにおいてフィラメント側にリフレクターを設け、このリフレクターによってフィラメントから放出された輻射エネルギーをフィラメント先端部分に集光させ、従来放熱されていた輻射エネルギーをフィラメント先端部分の加熱に利用する。
【００１７】
リフレクターは、フィラメントの先端近傍を集光点とする曲率を持つ球状体の一部により構成し、フィラメントの輻射エネルギーをリフレクターの反射面によりフィラメントの先端近傍に向けて反射させる。
【００１８】
本発明の第２の態様は、熱電子放出型電子銃の構成部材の放射率を低減させることで、伝熱による熱損失を減少させ、電子銃全体の系の熱的安定化を図るものであり、前記したリフレクター、及びウエーネルトに適用させることができる。
【００１９】
リフレクターへの適用において、一つの形態では、金属、ガラス、セラミックの何れかを素材とし、フィラメントの先端側の面及びこの面の裏面の、表裏面に研磨又はバフによる低放射率加工を施すことで、放射率を低減させて熱損失を低減させる。
【００２０】
リフレクターの他の態様では、チタンを素材とし、両面を窒化し金色とすることで、放射率を低減させて熱損失を低減させる。
【００２１】
リフレクターの別の態様では、リフレクターの表裏両面にＤＬＣ薄膜を成膜し金色とすることで、放射率を低減させて熱損失を低減させる。
【００２２】
リフレクターの更に別の態様では、リフレクターの表裏両面にシリコン窒化薄膜を成膜し金色とすることで、放射率を低減させて熱損失を低減させる。
【００２３】
また、ウエーネルトへの適用において、一つの形態では、フィラメント側及びアノード側の両面に研磨又はバフによる低放射率加工を施し、フィラメント側及び／又はアノード側の面にＤＬＣ薄膜又はシリコン窒化薄膜を成膜し、金色とすることで、放射率を低減させて熱損失を低減させる。
【００２４】
ウエーネルトの他の態様では、チタンを素材とし、フィラメント側及びアノード側の両面に研磨又はバフによる低放射率加工を施し、両面を窒化し金色とすることで、放射率を低減させて熱損失を低減させる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、フィラメント電流を低減してフィラメント寿命の短命化を抑制することができ、フィラメント寿命を延ばすことができる。
【００２６】
また、放熱や伝熱による熱損失を低減して、電子銃全体の系の熱的安定性を保つことができ、印加電力に対するエミッション電流の利用効率を向上させることができる。
【００２７】
また、フィラメント取付部への導電性薄膜の蒸着を防ぐことで、フィラメント端子間やフィラメント端子とウエーネルト取付部間における抵抗値の低下や短絡を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。図１，２は、本発明の熱電子放出型電子銃の概略構成を説明するための図であり、図１は断面図であり、図２は一部を切り欠いた斜視図である。
【００２９】
熱電子放出型電子銃１は、絶縁性のベース部６に導電性のウエーネルト取り付け部５を設け、このウエーネルト取り付け部５にウエーネルト４を取り付ける。また、ウエーネルト取り付け部５には、絶縁性のフィラメント取り付け部６を介してフィラメント２を取り付ける。なお、図２ではフィラメント取り付け部６は省略している。
【００３０】
フィラメント２は接合部分を先端部２ａとする二股形状に形成され、先端部２ａがウエーネルト４の開口部４ａの内側近傍に配置されるように、２つの端部をフィラメント取り付け部６に取り付ける。
【００３１】
フィラメント２には負電圧が印加し、ウエーネルト４にはフィラメントに印加される電圧よりも大きな負電圧が印加する。フィラメント２及びウエーネルト４に印加する負電圧はアース電位に対して６kVを接続し、さらにフィラメント２には例えば２Ｖ〜３Ｖ程度の負電圧を印加し、ウエーネルト４には例えば１００Ｖ程度の負電圧を印加する。なお、ウエーネルト４には、ウエーネルト取り付け部５を介して負電圧が印加される。また、ウエーネルト４の外側には、アノード７が接続されアース接続される。
【００３２】
電子銃１において、フィラメント２はフィラメント電流を流すことによって加熱して熱電子を放出する。フィラメント２から放出された電子は、ウエーネルト４に印加されたバイアス電圧が作る電界によって軌道が修正されて集束して電子線束の電子密度が高められ、ウエーネルト４の下方位置で一度集束した後、アノード７による加速電圧が作る電界によりアノード７に向かって加速される。加速された電子は、アノード７に設けられた開口部７ａを通って放出される。
【００３３】
ここで、ウエーネルト４の内側部分には、ウエーネルト４を支持部として本発明のリフレクター１０が取り付けられている。
【００３４】
リフレクター１０は、フィラメント２から放出された輻射エネルギーをフィラメント２の先端部２ａに集光させ、先端部２ａを効率的に加熱すると共に、ウエーネルト４やウエーネルト取り付け部５への放熱を防いで、放熱や伝熱による熱損失を低減する。
【００３５】
図３，図４は本発明のリフレクターの概略構成を説明するための図であり、図３は断面図であり、図４は斜視図である。
【００３６】
リフレクター１０は、フィラメント２の先端部２ａの近傍を集光点とする曲率を持つ球状体の一部により構成される。球状体には、二股のフィラメント２が貫通して取り付けられる。フィラメント２の接合部分である先端部２ａは、球体が形成する集光点Ｐの近傍付近に位置決めされる。この先端部２ａは、例えば集光点Ｐを中心とする半径d1の範囲内となるよう設定する。この半径d1は例えば0.2mm程度が適応である。
【００３７】
また、リフレクター１０を構成する球状体の厚さW1は、伝熱性から0.5mm〜0.1mmが適当である。
【００３８】
ここで、リフレクター１０を構成する素材として金属、ガラス、セラミック等の放射率の小さな素材を用いることで熱損失を低減させることができる。
【００３９】
放射伝熱は、無限に広い平行面（以下の添字１，２で示す）を仮定した場合、
Ｑ1／Ａ1＝−Ｑ2／Ａ2＝σ・（Ｔ14−Ｔ24）／（１／ε1＋１／ε2−１）
の式で表される。なお、上記式において、Ｑ1，Ｑ2は熱損失、Ａ1，Ａ2は伝熱面積、σはステファン・ボルツマン定数（5.68×１０-8Ｗ・ｍ-2・Ｋ-4）、ε1，ε2は放射率（輻射率）、Ｔ1，Ｔ2は温度である。
【００４０】
ここで、放射率εを0.077とした場合の熱損失Ｑと、放射率εを0.44とした場合の熱損失Ｑを演算すると図５，６の結果が得られる。なお、ステンレス鋼のSUS304銀色粗面の放射率εは0.44であることが知られており、SUS316バフ研磨の放射率は0.17であることが知られている。
【００４１】
この結果から、リフレクター１０を構成する素材の放射率を小さくすることで熱損失を低減することができるが確認される。また、この放射率は研磨することによっての低下させることが知られている。
【００４２】
そこで、本発明のリフレクター及びウエーネルトについて、これらを構成する素材を放射率が小さな素材を用い、また、研磨又はバフを施すことで低放射率とする。
【００４３】
リフレクター１０については、フィラメントの先端側の面１０Ａ、及び当該面１０Ａの裏面１０Ｂの両面に研磨又はバフによる低放射率加工を施す。
【００４４】
また、他の構成のリフレクター１０では、チタンを素材とし、面１０Ａ及び面１０Ｂの両面を窒化し金色とする。
【００４５】
また、他の構成のリフレクター１０では、面１０Ａ及び面１０Ｂの両面にＤＬＣ（ダイヤモンドライクカーボン）薄膜を成膜し金色とする。
【００４６】
また、他の構成のリフレクター１０では、面１０Ａ及び面１０Ｂの両面にシリコン窒化薄膜を成膜し金色とする。
【００４７】
ウエーネルト４については、フィラメント２側の面４Ａ、及びアノード７側の面４Ｂの両面に研磨又はバフによる低放射率加工を施し、両面４Ａ，４ＢにＤＬＣ薄膜又はシリコン窒化薄膜を成膜し、金色とする。
【００４８】
また、他の構成のウエーネルト４では、チタンを素材とし、フィラメント２側の面４Ａ、及びアノード７側の面４Ｂの両面に研磨又はバフによる低放射率加工を施し、両面４Ａ，４Ｂを窒化し金色とする。
【００４９】
上記した構成のリフレクターやウエーネルトの素材として用いられるチタンの放射率は、研磨面で0.2（900K）、電解研磨面で0.083（250）であることが知られており、熱損失を低減させることが期待される。
【００５０】
また、フィラメント２の先端から金属がスパッタリングされと、フィラメント取付部３の表面に導電性の薄膜が蒸着される。このフィラメント取付部３表面への導電性薄膜の蒸着は、フィラメント端子間やフィラメント端子とウエーネルト取付部５の間の抵抗値の低下や短絡という現象を誘因する。
【００５１】
本発明の熱電子放出型電子銃は、リフレクター１０を備えることで、フィラメント取付部３への導電性薄膜の蒸着を防いで、フィラメント端子間やフィラメント端子とウエーネルト取付部５の間における抵抗値の低下や短絡といった現象を防ぐことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の熱電子放出型電子銃は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、等の観察装置、低速電子線回折法（ＬＥＥＤ）、高速反射電子線回折法（ＲＨＥＥＤ）、オージェ電子分光法（ＡＥＳ）、電子エネルギー損失分光法（ＥＬＳ）等を利用した分析装置、電子ビーム露光装置等の加工装置、電子線高速アレイ検査装置等の検査装置などに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の熱電子放出型電子銃の概略構成を説明するための断面図である。
【図２】本発明の熱電子放出型電子銃の概略構成を説明するための一部を切り欠いた斜視図である。
【図３】本発明のリフレクターの概略構成を説明するための断面図である。
【図４】本発明のリフレクターの概略構成を説明するための斜視図である。
【図５】放射率と熱損失の関係を示す図である。
【図６】放射率と熱損失の関係を算出するための図である。
【図７】走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の一構成例を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５４】
１…熱電子放出型電子銃、２…フィラメント、２ａ…先端部、３…フィラメント取り付け部、４…ウエーネルト、４ａ…開口部、４Ａ，４Ｂ…面、５…ウエーネルト取り付け部、６…ベース部、７…アノード、７ａ…開口部、１０…リフレクター、１０Ａ，１０Ｂ…面、１０１…電子銃、１０２…フィラメント、１０３…集束レンズ、１０４…ウエーネルト、１０５…走査コイル、１０６…対物レンズ、１０７…アノード、１０８…対物レンズ絞り、１０９…検出器、１１０…走査回路、１１１…映像増幅器、１１２…表示装置。
【図１】
2006196408.tif 000003
【図２】
2006196408.tif 000004
【図３】
2006196408.tif 000005
【図４】
2006196408.tif 000006
【図５】
2006196408.tif 000007
【図６】
2006196408.tif 000008
【図７】
2006196408.tif 000009