(57)【要約】【課題】  フィラメントの表面に微量な付着物が残存した状態でエージングを行っても、フィラメントを構成するタングステンの劣化を防止することができ、これによりフィラメントの寿命を長くすることのできるフィラメントアセンブリを提供すること。【解決手段】  本発明におけるフィラメントアセンブリ１１は、真空下において加熱され、電子を放出するフィラメント１５を備えたフィラメントアセンブリ１１において、当該フィラメント１５には少なくともタングステンが含まれており、前記真空下における加熱により溶融されて蒸発する金属からなる金属保護膜が当該フィラメント１５の表面に形成されていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空下において加熱され、電子を放出するフィラメントを備えたフィラメントアセンブリにおいて、当該フィラメントには少なくともタングステンが含まれており、前記真空下における加熱により溶融されて蒸発する金属からなる金属保護膜が当該フィラメントの表面に形成されていることを特徴とするフィラメントアセンブリ。
【請求項２】
前記金属保護膜は、イオンプレーティング、スパッタリング若しくは蒸着により前記フィラメントの表面に形成されていること特徴とする請求項１記載のフィラメントアセンブリ。
【請求項３】
前記金属保護膜は、金、白金、若しくはチタンからなることを特徴とする請求項１若しくは２記載のフィラメントアセンブリ。
【請求項４】
前記金属保護膜は、１０〜１０００ｎｍの膜厚で前記フィラメントの表面に形成されていることを特徴とする請求項３記載のフィラメントアセンブリ。
【請求項５】
前記フィラメントは、ヘアピンフィラメント、ポイントフィラメント、シャープドフィラメント、若しくはセミポイントフィラメントの内の何れかの形態を有することを特徴とする請求項１乃至４何れか記載のフィラメントアセンブリ。
【請求項６】
請求項１乃至５何れか記載のフィラメントアセンブリを具備する電子銃。
【請求項７】
請求項６記載の電子銃を具備する電子ビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子を放出するためのフィラメントアセンブリ及び当該フィラメントアセンブリを備えた電子銃並びに当該電子銃を具備した電子ビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査形電子顕微鏡等の電子ビーム装置においては、試料に電子ビームを照射し、これにより試料の情報を取得したり、試料に対して所定の処理を施すことを行っている。このような電子ビーム装置では、電子ビームを所定の加速電圧で加速した状態で試料に向けて放出するための電子銃が備えられている。
【０００３】
この電子銃において、熱電子放出フィラメントが使用された熱電子銃がある。この熱電子銃では、一例として多結晶タングステン（Ｗ）から構成された熱電子放出フィラメント（以下、フィラメントという）が、例えばヘアピン形状となるように取り付けられている。
【０００４】
そして、当該熱電子銃が電子ビーム装置に搭載された後、この熱電子銃内部を真空引きし、所定の真空雰囲気下においてフィラメントに加熱用電流を流し、これにより当該フィラメントにおけるヘアピン形状部の先端を２７００℃程度に加熱する。
【０００５】
このようにして加熱されたフィラメントの当該先端からは熱電子が放出される。放出された熱電子は、熱電子銃内において所定の加速電圧により加速されて電子ビームとなる。この電子ビームは、電子ビーム装置に設けられた電子光学系を介して、当該装置内に配置された試料に照射される。
【０００６】
このようにフィラメントの先端が加熱された状態で、熱電子銃の使用を継続していた場合、当該フィラメントがその寿命に達して切れるという現象が生じる。このような場合には、熱電子銃に取り付けられているフィラメントの交換を行うこととなる。
【０００７】
このフィラメントの平均寿命としては、上記の例（ヘアピン形状のフィラメント）においては、５０〜１００時間程度となっている。よって、この平均寿命を長くして、フィラメントの交換頻度を小さくすることが望まれている。
【０００８】
なお、熱放出フィラメントの平均寿命を長くする目的で、フィラメントの表面に複数の金属膜を融点の高い順に内側から外側に積層して合金化することも提案されている（特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】特開平１１−６７０５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記フィラメントが取り付けられた熱電子銃は、電子ビーム装置に搭載された後、上述のごとくその内部が真空引きされる。そして、所定の真空雰囲気下においてフィラメントに加熱用電流を流してヘアピン形状部の先端を上記温度に達するまで加熱し、この状態で当該先端から安定して熱電子が放出するようになるまでの間（例えば、３０分程度）この状態を保持し、これによりエージングを行っている。
【００１１】
この場合、熱電子銃の電子ビーム装置への搭載前において、当該熱電子銃に取り付けられたフィラメントの表面は大気に晒された状態となっている。これにより、フィラメントの表面は大気中の水蒸気等に晒されることとなる。よって、当該搭載前において、フィラメントの表面には、大気中の水蒸気に起因する水分等の付着物が微量ながらも存在し、その一部は吸着しているものと考えられる。
【００１２】
このように微小の付着物が表面に存在するフィラメントを備える熱電子銃を電子ビーム装置に搭載した後、上記エージングを実施すると、上記所定の真空雰囲気下において、フィラメント表面に存在する殆どの付着物は蒸発するが、一部の付着物（特に吸着しているもの）は非常に微量ながらも残存するものと考えられる。
【００１３】
この結果、例えば当該エージング時においてフィラメント表面に非常に微量な水分が残存した状態でフィラメントの加熱を行うと、上記温度においてタングステンは、その表面に残存する水分に対して非常に弱いので、このエージング時にフィラメントを構成するタングステンが劣化することとなる。そのため、エージング後に継続してフィラメントを加熱して熱電子銃を使用していると、フィラメントの断線が発生しやすくなり、フィラメントの寿命が短くなってしまう。
【００１４】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、フィラメントの表面に微量な付着物が残存した状態でエージングを行っても、フィラメントを構成するタングステンの劣化を防止することができ、これによりフィラメントの寿命を長くすることのできるフィラメントアセンブリを提供することを目的とする。また、本発明は、このようなフィラメントアセンブリを備えた電子銃並びに当該電子銃を具備した電子ビーム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】
【００１５】
本発明に基づくフィラメントアセンブリは、真空下において加熱され、電子を放出するフィラメントを備えたフィラメントアセンブリであって、当該フィラメントには少なくともタングステンが含まれており、前記真空下における加熱により溶融されて蒸発する金属からなる金属保護膜が当該フィラメントの表面に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に基づく電子銃は、当該フィラメントアセンブリを備えたことを特徴とする。
【００１７】
そして、本発明に基づく電子ビーム装置は、当該電子銃を具備したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明においては、フィラメントには少なくともタングステンが含まれており、電子が放出されることとなる真空下における加熱により溶融されて蒸発する金属からなる金属保護膜が当該フィラメントの表面に形成されている。
【００１９】
よって、当該フィラメントが取り付けられた電子銃を電子ビーム装置に搭載してエージングを行っても、この搭載前に大気に晒されることによる水分等の付着物は、フィラメント表面に形成された保護膜上に付着しているので、当該エージング中に保護膜の蒸発とともに当該付着物も完全に除去される。
【００２０】
従って、タングステンを含むフィラメントの表面には水分等の付着物が無い状態でエージングが実行されるので、フィラメントを構成するタングステンの劣化を防止することができ、これによりフィラメントの寿命を長くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２２】
図１は、本発明における電子ビーム装置を示す概略構成図である。本実施の形態において、当該電子ビーム装置は、走査形電子顕微鏡の例である。
【００２３】
この電子ビーム装置は、電子銃１を備えている。電子銃１は、図示しないフィラメントアセンブリを備えており、フィラメントアセンブリに取り付けられたフィラメントから電子が引き出される。
【００２４】
本実施の形態においては、電子銃１は、熱電子放出フィラメントが使用された熱電子銃とされている。この熱電子銃においては、内部に設けられたフィラメントに加熱用電流（例えば２〜３Ａ）を流して、後述するフィラメントの先端部を２７００〜２８００℃程度に加熱する。このとき、熱電子銃内部の真空引きが行われ、フィラメントは所定の真空雰囲気下に置かれる。この状態で、フィラメントから電子が引き出される。
【００２５】
このようにして引き出された電子は、電子銃１内において加速され、電子ビーム７として電子銃１から試料６に向けて放出される。
【００２６】
電子銃１から放出された電子ビーム７は、集束レンズ２及び対物レンズ４によって試料６上に細く集束された状態で照射される。このとき、走査コイル３により電子ビーム７は適宜偏向される。これにより、電子ビーム１は試料６上を走査することとなる。ここで、集束レンズ２、走査コイル３、及び対物レンズ４により電子光学系９が構成される。
【００２７】
電子ビーム７が走査された試料６からは、２次電子等の被検出電子８が発生する。この被検出電子８は、電子検出器５により検出される。そして、電子検出器５による被検出電子８の検出結果に基づいて試料８の走査像が作成される。
【００２８】
上記構成からなる電子ビーム装置に搭載された電子銃１には、上述のごとく、フィラメントアセンブリが備えられている。
【００２９】
本発明におけるフィラメントアセンブリの構成を図２に示す。同図において、１１はフィラメントアセンブリである。
【００３０】
このフィラメントアセンブリ１１は、絶縁体から構成される台座１２を備えている。そして、金属からなる２本のステムポール１３が、この台座１２を貫通するように設けられている。これらのステムポール１３は、台座１２に溶着材料１４によって溶着されている。
【００３１】
ステムポール１３の先端部１３ａには、多結晶タングステン（Ｗ）から構成されるフィラメント１５の基端部が取り付けられている。本実施の形態においては、このフィラメント１５はペアピン形状となっている。そして、ヘアピン形状とされた当該フィラメント１５の先端部１６から電子が引き出されるようになっている。フィラメント１５の直径は１００〜１５０μｍである。
【００３２】
また、このフィラメント１５の表面には、上述のように電子が引き出されて放出される際の温度に加熱することによって溶融される金属保護膜が形成されている。この金属保護膜は、真空中においてフィラメント１５が上記温度に加熱されることにより溶融され、フィラメント１５の表面から蒸発する。これにより、当該金属保護膜はフィラメント１５の表面から除去されることとなる。
【００３３】
フィラメント１５の当該先端部１６の拡大断面図を図３に示す。同図に示すように、ヘアピン形状とされたフィラメント１５には、金属保護膜１７が形成されている。この金属保護膜１７は、本実施の形態においては金（Ａｕ）薄膜からなる。この金属保護膜１７は、１０ｎｍ〜１０００ｎｍの膜厚を備えている。
【００３４】
この金属保護膜１７の形成は、イオンプレーティング法、スパッタリング法若しくは蒸着法により行うことができる。本実施の形態の場合、フィラメントアセンブリ１１を構成するステムポール１３の先端部１３ａにフィラメント１５をヘアピン形状にて取り付けた後、この状態でフィラメント１５に対してその表面に金属保護膜１７の形成を行う。このとき、２つのステムポール１３間で短絡が生じないように、台座１２の所定の箇所にマスクを設けておく。
【００３５】
このようにしてフィラメント１５の表面に金属保護膜１７を形成する際には、イオンプレーティング法、スパッタリング法若しくは蒸着法のいずれの手法を用いたとしても、フィラメント１５は真空中に置かれ、この状態でその表面に金属保護膜１７が形成されることとなる。
【００３６】
すなわち、イオンプレーティング装置、スパッタリング装置若しくは蒸着装置を構成する真空室に、フィラメント１５が取り付けられたフィラメントアセンブリを配置し、真空室内部を真空引きする。その後、当該真空室内において、イオンプレーティング、スパッタリング若しくは蒸着によりフィラメント１５の表面に金属保護膜１７が形成される。この金属保護膜１７の形成時には、フィラメント１５の加熱は行われず、フィラメント１５が常温（２０〜２５℃）の状態で金属保護膜１７の形成が実施される。
【００３７】
従って、この金属保護膜形成工程において、フィラメント１５が真空中に置かれることにより、その表面に存在する水分等の微量な付着物が蒸発して除去される。この結果、フィラメント１５の表面は、金属保護膜１７の形成前において清浄化された状態となる。このとき、フィラメント１５の加熱は行われていないので、フィラメント１５を構成するタングステンの劣化は生じない。
【００３８】
このように一旦清浄化されたフィラメント１５の表面に、イオンプレーティング、スパッタリング若しくは蒸着により金属保護膜１７が形成されることとなる。上記真空室内においてフィラメント１５の表面に金属保護膜１７が形成された後、当該真空室内を大気圧に戻し、フィラメントアセンブリ１１を真空室から取り出す。
【００３９】
このようにして金属保護膜１７が表面に形成されたフィラメント１５が、フィラメントアセンブリ１１に備えられることとなる。その後、フィラメントアセンブリ１１は電子銃１に取り付けられる。そして、その電子銃１は電子ビーム装置に搭載される。
【００４０】
電子銃１が電子ビーム装置に搭載された後、電子銃１内部の真空引きが行われ、その後フィラメント１５に加熱用電流を流してフィラメント１５の加熱を行い、これによりフィラメント１５のエージングを行う。このときの電子銃１５内部の圧力は、１＊１０−３Ｐａ以下とする。また、フィラメント１５の先端部が２７００〜２８００℃前後となるように加熱用電流を流す。
【００４１】
このとき、フィラメント１５の表面に形成された金属保護膜１７は溶融されて蒸発する。すなわち、この金属保護膜１７の融点は、フィラメントの加熱温度よりも遙かに低いからである。ここで、本実施の形態における金属保護膜１７を構成する金の融点は１０６３℃である。これにより、金属保護膜１７は、フィラメント１５の表面から除去されることとなる。また、これと同時に、電子銃１の電子ビーム装置への搭載時に金属保護膜１７の表面に付着していた水分等の微量な付着物も蒸発する。
【００４２】
これにより、エージングの最中にフィラメント１５の表面が露出することとなるが、当該フィラメント１５の表面は上述した金属保護膜形成工程において既に清浄化されており、当該表面には水分等の付着物は残存していない。
【００４３】
よって、エージング工程において、フィラメント１５を真空雰囲気化で高温加熱しても、フィラメント１５を構成するタングステンの劣化は生じない。従って、エージング工程後、フィラメント１５を使用し続けても、フィラメント１５の断線が発生しにくくなり、フィラメント１５の寿命が延びる。
【００４４】
従来例におけるフィラメントの平均寿命は５０〜１００時間であったが、本実施の形態においては、実験の結果、フィラメントの平均寿命は２００〜５５０時間程度となることが確認されている。
【００４５】
ここで、以下に実験結果の一部を実施例として示す。
【実施例１】
【００４６】
タングステンから構成されたフィラメントの表面に、イオンプレーティング法により金からなる金属保護膜を形成した。このときのフィラメントの寿命は５２０時間となった。
【実施例２】
【００４７】
タングステンから構成されたフィラメントの表面に、蒸着法により金からなる金属保護膜を形成した。このときのフィラメントの寿命は２７０時間となった。
【００４８】
このように本発明においては、フィラメントには少なくともタングステンが含まれており、電子が放出されることとなる真空下における加熱により溶融されて蒸発する金属からなる金属保護膜が当該フィラメントの表面に形成されている。
【００４９】
よって、当該フィラメントが取り付けられた電子銃を電子ビーム装置に搭載してエージングを行っても、この搭載前に大気に晒されることによる水分等の付着物は、フィラメント表面に形成された保護膜上に付着しているので、当該エージング中に保護膜の蒸発とともに当該付着物も完全に除去される。
【００５０】
従って、タングステンを含むフィラメントの表面には水分等の付着物が無い状態でエージングが実行されるので、フィラメントを構成するタングステンの劣化を防止することができ、これによりフィラメントの寿命を長くすることができる。
【００５１】
なお、上記実施の形態においては、フィラメント１５は多結晶タングステンから構成されるものであったが、これの他にタングステンとレニウム（Ｒｅ）とからなる合金から構成されるものであってもよい。
【００５２】
また、フィラメント１５の表面に形成される金属保護膜は、上述した金の他に、白金（Ｐｔ）もしくはチタン（Ｔｉ）から構成されているものであってもよい。ここで、白金の融点は１７７４℃であり、またチタンの融点は１７２５℃である。これらの金属も、イオンプレーティング法、スパッタリング法若しくは蒸着法により、フィラメント１５の表面に形成することができる。
【００５３】
さらに、上記実施の形態において、フィラメント１５はヘアピンフィラメントの例であったが、これに限らず、例えばポイントフィラメント、シャープドフィラメント、セミポイントフィラメントの内の何れかの形態のものであってもよい。
【００５４】
そして、上記実施の形態においては、電子銃１として熱電子銃の例として説明したが、熱陰極電界放出銃又は冷陰極電界放出銃の例においても適用することができる。
【００５５】
ここで、冷陰極電界放出銃の例においては、当該冷陰極電界放出銃（以下、電子銃という）が電子ビーム装置に搭載された後、該電子銃内部の真空引きが行われてエージングが実行される。このときの電子銃内部の圧力は１＊１０−８Ｐａ以下とする。このエージング工程において、当該電子銃のフィラメントを数秒間加熱するフラッシングが行われる。このフラッシングにおいては、フィラメントに２〜３Ａの電流を１〜３秒間流すことにより、フィラメントが２０００〜３０００℃に加熱される。
【００５６】
このフラッシングの実行により、フィラメントの表面に形成されていた金属保護膜は溶融されて蒸発することとなる。また、これと同時に、電子銃の電子ビーム装置への搭載時に金属保護膜の表面に付着していた水分等の微量な付着物も蒸発することとなる。これにより、上述と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明における電子ビーム装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明におけるフィラメントアセンブリの構成を示す図である。
【図３】本発明におけるフィラメントの先端部を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００５８】
１…電子銃、２…集束レンズ、３…走査コイル、４…対物レンズ、５…電子検出器、６…試料、７…電子ビーム、８…被検出電子、１１…フィラメントアセンブリ、１２…台座、１３…ステムポール、１４…溶着材料、１５…フィラメント、１６…フィラメント先端部、１７…金属保護膜
【図１】
2006114242.tif 000003
【図２】
2006114242.tif 000004
【図３】
2006114242.tif 000005