(57)【要約】【課題】電子銃を低収差で動作させる。【解決手段】電子源１近傍に磁界レンズ３を配置して、磁界レンズ３を短焦点化するために、下磁極と上磁極との磁極間隔を短くする構成とし、磁極と電極とはそれぞれ分離した構造として、磁極間隔より電極間隔が大きくなるような構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子源と、前記電子源から電子線を引き出す引き出し電極と前記電子線を所望の加速電圧に設定するアノード電極とを含む静電レンズと、前記電子源の近傍に前記電子線を集束させる磁界レンズを備えた電子銃において、
前記引き出し電極及び前記アノード電極は非磁性の導電性部材を含み、前記磁界レンズの磁極を前記アノード電極の終端部より前記電子源側に配置することを特徴とする電子銃。
【請求項２】
電子源と、
前記電子源から電子線を引き出す引き出し電極と前記電子線を所望の加速電圧に設定するアノード電極とを含む静電レンズと、
前記電子源の近傍に前記電子線を集束させる磁界レンズを備えた電子銃において、前記電子線を前記アノード電極で所望の加速電圧に設定するまでの加速あるいは減速区間内で前記電子線を集束させることを特徴とする電子銃。
【請求項３】
電子源と、
前記電子源から電子線を引き出す引き出し電極と前記電子線を所望の加速電圧に設定するアノード電極とを含む静電レンズと、
前記電子源の近傍に前記電子線を集束させる磁界レンズを備えた電子銃において、
前記引き出し電極と前記アノード電極との間に前記磁界レンズを備えることを特徴とする電子銃。
【請求項４】
請求項３に記載の電子銃において、
前記磁界レンズは第一の磁極と第二の磁極を備え、
前記第一と第二の磁極間の距離は前記引き出し電極の入り口部とアノード電極の終端部間の距離よりも小さいことを特徴とする電子銃。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載の電子銃において、
前記電子源は電界放出型電子源あるいはショットキー型電子源であることを特徴とする電子銃。
【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、透過型電子鏡およびそれらの応用装置に搭載される電子銃の高性能化に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡およびその応用装置において、試料に大電流の電子線を照射するためには、電子源から出射する角度の大きな電子まで利用する必要が生じるが、電子源から電子を引き出し、所望のエネルギーの電子線を出射させるための電子銃レンズの収差が大きいと、試料面上に大電流で小さなプローブを形成して、平行性の良い照射電子線を形成することができなくなる。
【０００３】
通常、高輝度の電子線が得られる電子源としては、電界放出電子を利用する電界放出電子源やショットキー放出電子を利用するショットキー電子源が使用される。これらの電子源を搭載した電子銃レンズとしては、引き出し電極とアノード電極から構成される静電レンズが一般に用いられている。電子源には加速電圧V0が印加され、電子源と対向する引き出し電極の間には引き出し電圧V1が印加されており、引き出し電圧を調整して電子源表面の電界強度を制御することにより、電子源から電界放出あるいはショットキー放出させる電子線の強度を制御することができる。引き出し電極を通過した電子線は通常アース電位に設定されるアノード電極から加速電圧V0に相当するエネルギーで出射される。この引き出し電極とアノード電極は静電レンズを形成して電子線に集束作用を与えるが、加速電圧と引き出し電圧によりこの2枚の電極の印加電圧が定まってしまうため、集束レンズ作用を調整することはできない。
【０００４】
この電子銃レンズで電子線の集束作用を制御するためには、さらに一枚電極を追加することにより実現できるが、一般的には静電レンズの収差は大きく、大電流をとるために電子源側の出射角を大きく取ると、レンズの収差により電子線の輝度が大幅に劣化してしまう。または、レンズ作用を調整するためには、電子銃レンズの後段にコンデンサレンズを配置することで、照射電子線のレンズ作用を調整することができる。しかし、コンデンサレンズに電子線を入射させるためには、静電レンズから平行に近い条件で電子線を出射させなければならず、静電レンズに強いレンズ作用を生じさせてしまう結果、静電レンズの収差が大きくなってしまう。
【０００５】
これらの問題は、電子銃レンズに磁界レンズを重畳して作用させることにより解決する  
【０００６】
ことができる。例えば、（特許文献１）には、図６に示すような引き出し電極４を磁極の一部として含む磁界レンズ３と、磁界レンズ３の終端とアノード電極５とで形成される静電レンズ２で所望の加速電圧まで加速する構成が開示されている。また、例えば（特許文献２）には、図７に示すような磁界レンズ３中に引き出し電極４及びアノード電極５を配置する構成が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特開昭59-42748
【特許文献２】特開平10-188868
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
試料の損傷や帯電を防ぐために、電子顕微鏡観察では数ｋＶ以下の加速電圧が用いられることが多い。（特許文献１）では、引き出し電圧より低い加速電圧については記載されていない。また、磁界レンズと静電レンズとが分離しているので、静電レンズと磁界レンズ間の光軸のずれが問題となる。（特許文献２）では引き出し電圧より低い加速電圧について記載されているが、引き出し電極４とアノード電極５から形成される静電レンズ２の間隔が磁極間隔に比べて小さい構成となっている。このような構成では、引き出し電圧や加速電圧の変化に対して、静電レンズ２のレンズ作用が大きく変化するとともに、どうしても静電レンズ２のレンズ作用が大きな条件で用いる場合が生じてしまうので、電子銃全体の収差が大きくなってしまうという問題が生じていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の目的は、以下の方法で達成できる。
まず、電子源近傍に磁界レンズを配置して、磁界レンズを短焦点化するために、下磁極と上磁極との磁極間隔を短くする構成とする。次に、引き出し電極とアノード電極に印加する電圧の変化に対して、静電レンズの作用の変化を小さくするためには、引き出し電極の入り口とアノード電極の終端部との距離を大きくとる必要がある。ここで、磁極と電極を同一の電磁極とすると、磁極間隔も広がってしまい、磁界レンズを短焦点にすることができなくなる。したがって、磁極と電極とはそれぞれ分離した構造として、磁極間隔より電極間隔が大きくなるような構成とすればよい。すなわち、引き出し電圧を印加して出射させた電子線を、引き出し電極とアノード電極の間で所望のエネルギーに加速あるいは減速させる区間内に、磁界レンズで集束させる手段を設ければよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、静電レンズと磁界レンズ間の光軸のずれがなく、加速電圧、引き出し電圧が大きく変動しても静電レンズのレンズ作用の変化が小さく、磁界レンズでつねに高輝度な電子線を集束して出射させることができる電子源を搭載した電子銃を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は本実施例の動作を説明するための構成を示したものである。本実施例では、電子源として電界放出電子源１を搭載する。電界放出電子源１は、フランジ１６により固定された電圧導入端子１７に支持されており、上部から鏡筒内に吊り下げられる構造としている。フランジ１６はアラインメント機構１５により水平方向に移動可能であり、電界放出電子源１と引き出し電極４との水平方向の位置調整ができる構造としている。電界放出電子源１には加速電圧V0が印加されている。引き出し電極４は絶縁体で構成される円筒形状の支持部９により支持されている。電界放出電子源１と引き出し電極４との間に引き出し電圧Ｖ１を印加することによって、電界放出による電子線１０１が放出される。電界放出電子源１からの放出電流は通常、１−100μAの範囲で調整される。引き出し電極４により加速された電子線１０１は、アノード電極５を通過後に加速電圧まで達する。ここで、電子線１０１は磁界レンズ３の上磁極６と下磁極７の間の漏れ磁界により、レンズ作用を受ける。また、電子線１０１は、引き出し電極４とアノード電極５により形成される静電レンズ２の集束作用を受ける。
【００１３】
図４に静電レンズの構造の詳細を示す。加速電圧Ｖ０を変化させれば、この静電レンズの強さは大きく変化する。引き出し電圧Ｖ１が加速電圧Ｖ０より小さい場合には静電レンズは加速条件となり、おもに引き出し電極４側でレンズ作用を受ける。一方、引き出し電圧Ｖ１が加速電圧Ｖ０より大きい場合には減速条件となり、アノード電極５側で強いレンズ作用を受けるので、低加速電圧で用いる場合には特に静電レンズの影響を受けやすい。また、加速電圧Ｖ０が一定の条件でも、引き出し電圧Ｖ１が変化すれば、この静電レンズ作用は変化する。電界放出電子源１から電界放出させる前には、フラッシングと呼ばれる表面加熱処理により電子源表面を清浄化する必要があるが、このフラッシング処理で電界放出電子源１の先端部の曲率半径が大きくなることにより、フラッシング処理毎に一定の放出電流を得るための引き出し電圧Ｖ１は徐々に増加する。通常、電子源の新品時にはフラッシング直後の引き出し電圧Ｖ１は３ｋＶ前後であるが、使用を重ねていくとフラッシング直後の引き出し電圧Ｖ１が６kV以上まで増加する。
【００１４】
また、フラッシング処理直後は電子源表面は清浄であり表面の仕事関数が小さくなっているが、表面吸着分子により表面の仕事関数は徐々に増加し、電界放出電流が低下していく。したがって、使用中に減少してしまった放出電流を増加させるためには、引き出し電圧Ｖ１をフラッシング直後から例えば１ｋＶ以上増加させる調整を行う必要がある。本実施例で用いる静電レンズの機能としては、電子線１０１を電界放出電子源１から引き出し、所望の加速電圧Ｖ０を与えることで、静電レンズの集束作用はできるだけ小さいほうが、レンズ収差が小さく、引き出し電圧Ｖ１、加速電圧Ｖ０の変化に対するレンズ作用の変化の影響も少ない。
【００１５】
例えば、静電レンズの引き出し電極は引き出し電極入り口部２１が直径Ｄ１、引き出し電極出口が直径Ｄ２（Ｄ２＞Ｄ１）のすり鉢形状をしており、アノード電極はアノード電極入り口が直径Ｄ３、引アノード電極終端部が直径Ｄ４（Ｄ３＞Ｄ４）のすり鉢形状をしている。引き出し電極入り口部２１の直径は１ｍｍ程度であり、電極入り口部２１の光軸近傍の電位はほぼ引き出し電圧に等しい。アノード電極の終端部２２には直径１ｍｍ程度の電極孔あるいは固定絞り２３が配置されており、電極終端部２２の光軸近傍の電位はほぼアノード電圧に等しい。与えられた引き出し電圧Ｖ１および加速電圧Ｖ０に対して、引き出し電極入り口部２１とアノード電極終端部２２の間の距離Ｌが大きいほど、電極間の電界強度が減少することにより、静電レンズの集束レンズ作用は小さくなる。ここで、すり鉢形状の頂角θ１およびθ２が１０８°の形状に加工されていれば球面収差が小さくなる条件もあるが、主に減速条件で用いるか、加速条件で用いるかによって、頂角の最適条件は異なる結果となる。そこで、電子線を所望のエネルギーに加速あるいは減速させる区間、ここでは引き出し電極入り口部２１とアース電極終端部２２との間隔を例えば２０ｍｍ以上大きくとる構成とした。
【００１６】
図５に磁界レンズ３の構造の詳細を示す。磁界レンズの特性は、上磁極６と下磁極７との間隔ＳＭ、上磁極の内径ＤＭ１および下磁極の内径ＤＭ２の和
ＳＤ＝ＳＭ＋ＤＭ１＋ＤＭ２でほぼ決定される。焦点距離を短くするほど、色収差、球面収差は小さくなり、磁界レンズの励磁を強くすると、磁界レンズの焦点距離はＳＤの１/４程度まで短くすることができる。また、同一の焦点距離の条件では、強励磁条件で動作させるほうが球面収差が小さくなる。本実施例では、磁界レンズ３を鏡筒の外側に配置する構成としたので、ＤＭ１とＤＭ２は大きくなる。したがって、磁界レンズ３の焦点距離を短くするために、上磁極６と下磁極７との間隔ＳＭは例えば１０ｍｍ以下に短くとり、さらに磁界レンズのレンズ主面位置を電界放出電子源１側に近づけるために上磁極の下端部を電子源とほぼ同じ高さとする構成とした。
【００１７】
上述のように、引き出し電圧、加速電圧が変化しても静電レンズのレンズ作用が小さく、主に磁界レンズで集束作用を制御することを可能とするためには、静電レンズの引き出し電極入り口部２１とアノード電極終端部２２の間の距離Ｌを２０ｍｍ以上の長さに取り、磁界レンズの上磁極６と下磁極７の間隔ＳＭを１０ｍｍ以下にすればよい。一般には、磁界レンズ３の下磁極７の上端部２４が静電レンズ２のアノード終端部２２より電子源１側に配置する構成とすればよい。
【００１８】
電子源１近傍は、支持部９、引き出し電極４により静電レンズ２と隔てられており、イオンポンプなどの真空ポンプ１１によりほぼ独立に差動排気される。静電レンズ２のアノード電極５外側に、静電レンズ作用に影響を及ぼさない範囲で複数の排気孔１２を設けることにより、静電レンズ内は真空ポンプ１３を用いて真空排気される。焼き出し時には、鏡筒全体を２００℃以上で焼き出しするとともに、引き出し電極部分を内部ヒータ１４で４００℃程度まで長時間加熱処理することにより、電子源１近傍は電子顕微鏡動作時でマイナス８乗パスカル程度の真空度に保たれている。磁気レンズ３のコイル部１５の被覆材はポリイミドあるいはポリアミドイミドにより構成されており、２００℃以上の温度で取り外さないで焼き出しが可能な構造である。
上記の構成とすることにより、加速電圧、引き出し電圧が大きく変動しても静電レンズのレンズ作用が小さく、鏡筒の外側に配置した磁界レンズで電子線の集束を制御することが可能となり、つねに高輝度な電子線を出射させることができる電子銃を実現することができる。
【実施例２】
【００１９】
図２は本実施例の動作を説明するための構成を示したものである。本実施例では、電子源として電界放出電子源１を搭載する。電界放出電子源１は、フランジ１６により固定された電圧導入端子１７に支持されており、上部から鏡筒内に吊り下げられる構造となっている。電界放出電子源１と引き出し電極４との間の距離は例えば２ｍｍから５ｍｍの間に設定される。磁界レンズ３の上磁極は電子源に近づけたほうが望ましいが、電子源近傍の例えば支持部にコバールなどの磁性体を配置した場合には磁界の乱れを生じてしまうので、電子源まで磁界が漏れるのを軽減させたほうが望ましい。そのためには上磁極６の内径を小さくして電子源側の磁界の漏れを少なくする構造とした。磁界レンズ３の上磁極６の内径ＤＭ１は例えば１５ｍｍ以下にした。上磁極６と下磁極７の間隔を１０ｍｍ以下とし、下磁極７の内径ＤＭ２を２０ｍｍ以上に大きくすることで、焦点距離約１０ｍｍの短焦点で強励磁の条件で動作させて、物面側の色収差係数、球面収差係数が１０ｍｍ以下となるような条件が得られている。上磁極６の内径を小さくするためには上磁極６は鏡筒内に配置させる。上磁極６は鏡筒外の外磁路１９とは数ｍｍの間隔があり磁気抵抗を生じるが、磁束の量に変化を与えるものではない。
【００２０】
また、上磁極６は絶縁碍子９を介してスペーサ１０に支持されており、上磁極６の内側には引き出し電極４が固定されている。上磁極６の一部としては作用しないよう引き出し電極４は非磁性体の導電性部材を一部もしくは全部に含む構成としている。このような構成とすることで引き出し電極４と上磁極６の機能を分離させることができ、静電レンズ及び磁界レンズの動作を独立に最適化することができる。すなわち、引き出し電極４の入り口部２１とアノード電極５の終端部２２の間の距離でおおむね定まる静電レンズのレンズ作用を、前述した磁極の形状の最適化とは独立に調整することができる。また、引き出し電極の開口部の直径を例えば１ｍｍから２ｍｍまでの範囲に設定することにより、電界放出電子源１から放出された電子線の出射角をあらかじめ制限するとともに、開口部を小さくすることで静電レンズより電子源側の空間をほぼ独立に真空排気することができるので、電子源近傍を超高真空に維持することができる。引き出し電極４及び上磁極６には、電圧導入端子２０を通じて引き出し電圧Ｖ１が印加されている。磁界レンズ３の下磁極７は、外磁路１９に固定されており、外磁路１９は鏡筒と同電位のアース電位である。
【００２１】
外磁路１９は上下に分割されており、コイル８の交換が可能な構造としている。外磁路１９の間のスペーサ１０の上下には真空シールが施されており、大気中のコイル８と真空内とを分離している。スペーサ１０に対して、上磁極６と下磁極７の中心軸は、ある許容値、たとえば１０ミクロン以下の機械的精度で設計されている。静電レンズ２は非磁性体の導電性部材を一部もしくは全部に含む引き出し電極４及びアノード電極５から構成される。引き出し電極４の上面とアノード電極５の底面の間の距離が長くなるほど静電レンズ作用が小さくなるので、アノード電極５の終端部２２は磁界レンズ３の下磁極の上端部２４より試料側に配置されており、アノード電極５の上端部２４は下磁極７の上端部とほぼ同じ高さで固定されており電気的にも接触している。
【００２２】
上記の構成とすることにより、静電レンズと磁界レンズ間の光軸のずれがなく、加速電圧、引き出し電圧が大きく変動しても静電レンズのレンズ作用の変化が小さく、磁界レンズでつねに高輝度な電子線を集束して出射させることができる電界放出電子源を搭載した電子銃を実現することができる。
【実施例３】
【００２３】
図３は、本実施例の動作を説明するための構成を示したものである。電子源としては、ショットキー電子源３１を搭載する。ショットキー電子源３１とサプレッサ電極３２、引き出し電極４はそれぞれの中心軸が、ある許容値、例えば２０ミクロン以下の機械的精度を維持して、フランジ１６に固定された電圧導入端子１７に支持されており、上部から鏡筒内に吊り下げられる構造となっている。ショットキー電子源３１は約１８００Ｋの温度に加熱されており、サプレッサ電極３２はショットキー電子源３１の先端から数百μｍ後退した位置に配置され、ショットキー電子源３１に対してマイナス数百Ｖの電位に設定されており、ショットキー電子と同時に放出される熱電子を電子源側に戻す機能を持っている。電界放出電子源では電子源と引き出し電極４との距離が数ｍｍ以上離れているため、電子源と引き出し電極４とを互いに独立にして調整したほうが光軸調整に有利であるが、ショットキー電子源３１を搭載した電子銃では、ショットキー電子源３１とサプレッサ３２及び引き出し電極４が１ｍｍ以下の距離を隔てて配置されているため、あらかじめ数１０μｍ以下の機械精度で互いの位置を固定した構造としている。
【００２４】
この電圧導入端子１７はフランジに１６に固定されており、フランジ１６はアラインメント機構１５により水平方向に移動可能であり、鏡筒側に固定された磁界レンズ３との光軸を調整可能である。上磁極６の内径を小さくするために上磁極６は鏡筒内に配置させる。上磁極６と鏡筒外の外磁路とは数ｍｍの間隔があり磁気抵抗を生じるが、磁束の量に変化を与えるものではない。鏡体内の上磁極６の電位は鏡体と同電位か、引き出し電極４と同電位かのいずれかに設定されるが、鏡筒に固定された上磁極に対して、アラインメント機構１５により引き出し電極が水平方向に移動可能であり、引き出し電極位置により上磁極６と引き出し電極４が近接した条件となる場合もあるので、上磁極は引き出し電極と同電位にするほうが望ましい。上磁極６を引き出し電極４と同電位に設定するためには、電圧導入端子により上磁極６に独立に電位を与える構造として引き出し電圧を設定するか、上磁極６に引き出し電極４をばね３３状の物質を介して接触させることによって、上磁極６に引き出し電極４の電位を設定することができる。
【００２５】
磁界レンズ３の下磁極７は、外磁路１９に固定されており、外磁路１９は鏡筒と同電位のアース電位である。外磁路１９は上下に分割されており、コイル８の交換が可能な構造としている。外磁路１９の間のスペーサ１０の上下には真空シールが施されており、大気中のコイル８と真空内とを分離している。スペーサ１０に対して、上磁極６と下磁極７の中心軸は、ある許容値、たとえば１０ミクロン以下の機械的精度で設計されている。静電レンズ２は引き出し電極４とアノード電極５から構成される。引き出し電極４の入り口部２１とアノード電極５の終端部２２の間の距離が長くなるほど静電レンズ作用が小さくなるので、このアノード電極５の終端部２２は磁界レンズ３の下磁極の上端部２４より試料側に配置されており、アノード電極５の上端部２４は下磁極７の上端部とほぼ同じ高さで固定されており電気的にも接触している。アノード電極５は鏡筒に固定されているのに対して、引き出し電極４はアラインメント機構１５により、水平方向に移動可能である。アノード電極５と引き出し電極４の間の距離を大きくとることによって、静電レンズ作用が著しく小さくなるので、静電レンズの軸ずれによる分解能劣化の度合いも無視できる程度になる。
【００２６】
上記の構成とすることにより、静電レンズと磁界レンズ間の光軸のずれがなく、加速電圧、引き出し電圧が大きく変動しても静電レンズのレンズ作用の変化が小さく、磁界レンズでつねに高輝度な電子線を集束して出射させることができるショットキー電子源を搭載した電子銃を実現することができる。
【００２７】
また、本発明による電子銃を検査装置等の電子線応用装置に用いることにより、
加速電圧、引き出し電圧が大きく変動しても静電レンズのレンズ作用の変化が小さく、磁界レンズでつねに高輝度な電子線を集束して出射させることが可能となり、分解能向上に寄与する。
【００２８】
なお、上記実施例１から実施例３ではアノード電位をアース電位として説明したが、アノード電圧がアース電位でない条件においても、上記発明の目的を逸脱することなく実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施例になるミラー電子顕微鏡の構成を示す図。
【図２】本発明の第２の実施例の構成を説明する図。
【図３】本発明の第３の実施例の構成を説明する図。
【図４】静電レンズの構造を説明する図。
【図５】磁界レンズの構造を説明する図。
【図６】従来例を説明する図。
【図７】従来例を説明する図。
【符号の説明】
【００３０】
１：電界放出電子源、２：静電レンズ、３：磁界レンズ、４：引き出し電極、５：アノード電極、６：上磁極、７：下磁極、８：コイル、９：支持部、１０：スペーサ、１１：真空ポンプ、１２：排気孔、１３：真空ポンプ、１４：内部ヒータ、１５：アラインメント機構、１６：フランジ、１７：電圧導入端子、１８：ベローズ、１９：外磁路、２０：電圧導入端子、２１：引き出し電極入り口、２２：アノード電極終端部、２３：固定絞り、２４：下磁極の上端部、３１：ショットキー電子源、３２：サプレッサ、３３：ばね、１０１：電子線、１０２：光軸。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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