(57)【要約】【課題】本発明はエミッタアレイを用いた電子プローブ装置に関し、プローブの径を保持したままでプローブ電流を増加させる電子プローブ装置を提供することを目的としている。【解決手段】リング状に並べられたＦＥエミッタアレイ１と、該ＦＥエミッタアレイ１のビームを回折面に集束させるためのレンズ２と、回折面に配置された絞り３と、該絞り３の絞り面の縮小像を試料６に照射させるための光学系５とからなり、装置のプローブ径を保ったままでプローブ電流値を増大させるように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リング状に並べられたＦＥエミッタアレイと、
該ＦＥエミッタアレイのビームを回折面に集束させるためのレンズと、
回折面に配置された絞りと、
該絞りの絞り面の縮小像を試料に照射させるための光学系と、
から構成されることを特徴とするエミッタアレイを用いた電子プローブ装置。
【請求項２】
リング状に並べられたＦＥエミッタアレイと、
該ＦＥエミッタアレイをアレイ毎にその印加電圧を制御するマルチエミッタ制御電源と、
前記ＦＥエミッタアレイのビームを回折面に集束させるためのレンズと、
回折面に配置された絞りと、
該絞りの絞り面の縮小像を試料に照射させるための光学系と、
から構成されることを特徴とするエミッタアレイを用いた電子プローブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエミッタアレイを用いた電子プローブ装置に関し、更に詳しくはプローブ電流を増やすことができ、また球面収差を補正することができるようにした電子プローブ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小な円錐状のエミッタと、エミッタのすぐ近くに形成され、エミッタからの電流を引き出す機能並びに電流制御機能を持つ制御電極（ゲート電極）で構成された微小冷陰極をアレイ状に並べた電界放射冷陰極が知られている。図５はこの種の電界放射冷陰極の構造を示す図である。
【０００３】
図において、１０１はシリコンの基板、１０２はシリコン酸化物の絶縁層で、絶縁層１０２の上に制御電極１０３が積層されている。絶縁層１０２と制御電極１０３の一部は除去されて空洞１０９が形成され、空洞１０９中の基板１０１の上に先端が尖ったエミッタ１０４が形成されている。エミッタ１０４，制御電極１０３及び制御電極１０３と絶縁層１０２に形成された空洞１０９で微小冷陰極１０７が形成され、この微小冷陰極１０７をアレイ状に並べて平面状の電子放出領域を持つ冷陰極１０８が形成される。
【０００４】
基板１０１とエミッタ１０４とは電気的に接続されており、エミッタ１０４とゲート電極１０３の間には所定の値の電圧が印加される。絶縁層１０２の厚さは約１μｍ、ゲート電極１０３の開口径も約１μｍと狭く、エミッタ１０４の先端は１０ｎｍ程度と極めて尖鋭に作られているので、エミッタ１０４の先端には強い電界が加わる。この電界が２〜５×１０7Ｖ／ｃｍ以上になると、エミッタ１０４の先端から電子が放出される。
【０００５】
このような構造の微小冷陰極を基板１０１の上にアレイ状に並べることにより大きな電流を放出する平面状の陰極が構成される。
【０００６】
電子プローブを形成する従来の装置では、電子銃が作る光源（電子源）を電子レンズ系で縮小して、最終的な縮小像を試料面に作る。形成されるプローブの径は装置の空間分解能を決定するものであり、できるだけ小さい方がよい。これに対し、プローブの電流値によって信号量が決まり、これは大きいほどよい。
【０００７】
また、電子プローブを形成する最近の装置においては、電子レンズ系の収差を補正することによって空間分解能を向上させる（或いはプローブ電流値を増加させる）ものが存在する。そのような装置では、収差を補正するために複雑な多段多極子レンズ系が用いられている。
【０００８】
従来のこの種装置としては、従来のフィールドエミッタと新たな微小フィールドエミッタアレイについて記述した技術が知られている（例えば非特許文献１参照）。また、集束電極と制御電極とからなる２段ゲート構造の電界放射エミッタアレイ冷陰極のカソード電極を同心のリング状に分割して、デジタル回路で制御されたオン／オフ可能な定電流源で駆動する装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００９】
また、基板と該基板上に電子引き出し電極を有する複数個の尖鋭なエミッタの集合体が形成され、このエミッタの集合体から放出される電子を、電磁界レンズにより集束するに際し、エミッタ集合体の周囲の電子引き出し電極と概略同一平面上に形成された集束電極により、放出される電子のエミッタンス特性を電子レンズの収差を補償させるように制御する電子ビーム装置が知られている（例えば特許文献２参照）。
【００１０】
また、電子を放出する陰極と、放出された電子を集束して電子ビームを生成するとともに当該電子ビームを加速する電極と、近軸軌道近似計算法によって求めた、電子ビームを形成する全電流の中の所定割合の電流を占める電子ビームのビーム半径の最大値が最小となるような陰極磁束密度を用いて、前記陰極と前記電極の中心軸に平行な磁場を形成する磁石を設けた電界放射陰極電子銃が知られている（例えば特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平９−２１９１５５号公報（段落００２５〜００３１、図１〜図３）
【特許文献２】特開平９−３０６３３８号公報（段落００３２〜００３７、図２）
【特許文献３】特開２０００−２００５５５号公報（段落００１６〜００２６、図１〜図３）
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】石川順三、「フィールドエミッションの最近の進展と電子源としての期待」，表面科学，２００２年，第２３巻第１号，ｐｐ２−８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来の装置において、プローブ径を小さくしたいという要求は、プローブ電流値を大きくしたいという要求とは両立しない関係（トレードオフ）にある。当然ながら、プローブ径が大きくてもよければ電流値を増やすのは容易である。しかしながら、要求されるプローブ径が予め指定されている場合を考えれば、プローブ電流を大きくするためには、試料面におけるビームの開き角を大きくするしかない。
【００１４】
その理由は以下の通りである。
【００１５】
電子銃のエミッタ面における単位面積、単位立体角あたりの電流値、すなわち電子銃の輝度はエミッタから試料面までのレンズの系の構成とは無関係に、試料面でも同じ値に保たれることが知られている。これは輝度不変則と呼ばれるものである。輝度不変則とは、試料面における単位面積、単位立体角あたりの電流値はエミッタの性質だけで決まることを言う。ここで、フィールドエミッションのエミッタを用いた電子銃が最も高輝度である。
【００１６】
そこで、指定されたプローブ径に対して電流を増やすためには、用いるエミッタの種類が決まっていれば、ビームの開き角を広げるしか方法がないことになる。
【００１７】
ところが、試料面におけるビームの開き角は、プローブ電流値を決めるだけではなく、レンズ系が発生する収差量を同時に決める。電子プローブ装置においては、対物レンズ（試料に一番近いレンズ）の球面収差の影響が一番大きいが、球面収差によるビームのぼけは開き角の３乗に比例して増大する。そこで、要求されたプローブ径を実現するためには、開く角を好きなだけ大きくすることは許されず、開き角の上限値が決まってしまう。
【００１８】
結果として、プローブ径に応じてプローブ電流値が制限されることになる。あまり開き角を小さくしすぎると、電子の波動性に起因する回折収差が増大するために、かえってビームがボケてしまう。そこで、一般にビームの開き角には最適値が存在することになる。
【００１９】
また、現在の装置で用いられている収差補正ユニットは、球面収差と色収差を同時に補正できるものであるが、製作や電源操作が複雑なものとなり、また光学調整のために要する時間は多大なものとなる。低エネルギーの電子ビームが対象である場合を除き、空間分解能を決める一番の要因は球面収差であって、色収差は重要ではない。従って、球面収差のみの補正で十分な効果が得られる。
【００２０】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、第１に従来装置のプローブ径を保ったままで、プローブ電流値を増大させることを目的とし、第２に球面収差を適正に補正することができる電子プローブ装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の問題を解決するために、本発明は以下に示すような構成をとっている。
【００２２】
（１）請求項１記載の発明は、リング状に並べられたＦＥエミッタアレイと、該ＦＥエミッタアレイのビームを回折面に集束させるためのレンズと、回折面に配置された絞りと、該絞りの絞り面の縮小像を試料に照射させるための光学系とから構成されることを特徴とする。
【００２３】
（２）請求項２記載の発明は、リング状に並べられたＦＥエミッタアレイと、該ＦＥエミッタアレイをアレイ毎にその印加電圧を制御するマルチエミッタ制御電源と、前記ＦＥエミッタアレイのビームを回折面に集束させるためのレンズと、回折面に配置された絞りと、該絞りの絞り面の縮小像を試料に照射させるための光学系とから構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
（１）請求項１記載の発明によれば、ＦＥのエミッタアレイを持ち、各エミッタアレイからのビームを回折面に集中させることで、プローブ径は変わらずにプローブ電流値を増大させることができる。
【００２５】
（２）請求項２記載の発明によれば、従来の収差補正のための光学系よりも構造や電源制御系が簡単で、しかも容易な操作で球面収差を補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】試料に照射される電子ビームの開き角の説明図である。
【図３】レンズの球面収差の説明図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図５】電界放射冷陰極の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、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。
【００２８】
図１は本発明の一実施例を示す構成図である。通常の電子銃では、電子を放出するエミッタは１個であり、それを光軸上に置くが、本発明ではＦＥエミッタアレイを用いる。図において１がＦＥエミッタアレイである。これは、数ミクロン程度のＦＥエミッタを集積回路の技術を用いて平面上に並べたものである。
【００２９】
本発明では、エミッタを光軸を中心とした円周に沿って、リング状に並べたものを用いる。現状では、個々のエミッタの性能は従来のものより劣るが、それでも数１０個かそれ以上の数を並べれば十分な電流が得られる。ここでは、レンズ２（ＬＧ）を用いて光源の回折面（光源面の各点から同じ角度で出た軌道が同じ点に集まるような面）を作り、その位置に絞り３を置いてデータ絞りの縮小像を試料６に形成する。４はエミッタの像、７は絞りの縮小像である。
【００３０】
即ち、絞り３の開口を光源として扱うことになる。絞り３以降は、通常の縮小レンズ系を置けばよい。図では、縮小レンズ系を１個の対物レンズで代表させて示している。なお、絞り３の径は、各エミッタからのビームの取り込み角を制御する働きを同時に行なうようになっている。
【００３１】
この光学系と従来の光学系との違いは、各エミッタからのビームを回折面において集中させることで、単一のエミッタでは不可能な電流密度を実現できることである。この事情は絞り面と共役な試料面で考えた方が分かりやすい。
【００３２】
図２は試料に照射される電子ビームの開き角の説明図であり、（ａ）が従来の場合を、（ｂ）が本発明の場合をそれぞれ示す。図では、試料面の軸上の一点に注目して、そこに集束されるビームを描いている。（ａ）において、対物レンズ５の球面収差を決めるのが、ビームの開き角Δαである。このビームの開き角Δαの３乗に比例してビームがぼけるとされている。
【００３３】
一方、（ｂ）の本発明の場合では、収差を決める開き角Δαは同一であるが、試料面の一点から見たビームの立体角が増大し、その比率の分だけプローブ電流が増大する。前述したように、試料面の輝度は一定値であり、変化はない。しかしながら、試料面での照射領域、すなわちプローブ径が同一であれば、立体角が増えた分だけプローブ電流値が増えることになる。
【００３４】
従来の電子プローブを形成する装置においては、特に電流値が優先される場合（ＳＥＭの分析モード、オージェ電子分光、ＥＭＰＡなど）には空間分解能を犠牲にせざるを得なかった。本発明によれば、プローブ径に影響を与えずに、エミッタの数の分だけプローブ電流を増加させることができる。
【００３５】
このように、本発明によれば、電子プローブを形成する装置において、本発明の光学系を用いることで、従来のプローブ径を保ったままで電流値を増加させることが可能となる。
【００３６】
次に、球面収差の補正について説明する。図３はレンズの球面収差の説明図である。光学系の凸レンズで点光源を結像する場合、光源から出た光線が全て一点が集まるのが理想である。しかしながら、レンズが球面収差を持つ場合には、図３に示すようにボケが生じる。図では、大きな角度でレンズ１０に入射した光線ほど、像側で手前に結像してしまっている。この時に、球面収差の大きさを示す係数Ｃｓは正とされる。一般に、角度の小さい光線が集束する位置がガウス像面と呼ばれる。図の１１がガウス像面である。
【００３７】
光学レンズでは、凸レンズのＣｓは正にも負にもなるが、通常の軸対称な電子レンズでは必ず正となり、０にすることはできない。即ち、電子レンズの場合は、図３に示すような状況となる。これは、電子レンズを形成する電磁場の自由度からくる事情である。球面収差は電子顕微鏡の空間分解能を支配する要素であるため、この収差の補正は非常に重要な技術となる。
【００３８】
図３より分かるように、Ｃｓが正になるのは、レンズの外側（光軸から離れた場所）ほど理想的な場合より集束力が強い場合である。若しレンズ１０に入射する電子が、角度
の大きなものほど大きなエネルギー（速度）を持てば、その効果が相殺されて球面収差が補正されることになる。つまり、角度の大きな電子ビームもガウス像面１１に結像するようになる。通常の装置では、電子銃が発生する単色（即ち同一のエネルギー）の電子ビームを用いるため、Ｃｓは正となるが、若し角度毎にエネルギーを調節できれば、レンズ１０により集束された電子ビームは一点に結像し、係数Ｃｓは０にできることになる。
【００３９】
例えば光軸方向の一様な磁場分布があればそれはレンズとして働き、その係数Ｃｓはやはり正であるが、若し入射する電子ビームが単色（（ｂ））ではなく、光軸方向の速度成分が同一（（ｃ））であれば、係数Ｃｓは厳密に０となる。一般の電子レンズの場合は、これと同一の方法で係数Ｃｓが厳密に０になるとは限らないが、定性的には同じ傾向であるので、入射角とエネルギーの関係をうまく設定すれば、係数Ｃｓは必ず０にできる。
【００４０】
そのような角度ごとのエネルギー値の設定を行なうための光学系が図４である。図４は本発明の他の実施例を示す構成図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。ＦＥ（フィールドエミッション）のエミッタ１Ａを平面状に並べたアレイパターンが作成可能であり、これを用いれば、電子ビームの角度毎にエネルギーを好きなように設定することができる。
【００４１】
この場合において、レンズ２に入射する電子ビームの入射角度とエネルギーの関係は、補正対象となるレンズ系に依存するので、エミッタの電源系によって調整する。図の１５はマルチエミッタ制御電源である。ここで、エミッタアレイ１Ａは集束レンズ付きのものを用い、数十〜数百個配置される。
【００４２】
ここで、エミッタアレイ１Ａは、同心円状に並べて、中心からの半径毎にカソード電圧（エミッションされる電子のエネルギーを決める）を可変するのが理想である。しかしながら、一個一個のエミッタは数ミクロン程度で非常に小さいので、パターン自体は例えば直線的に正方形状に並べても構わない。正方形状に並べたエミッタから放出される電子も、同心円状のエミッタから放出される電子もそれほどその形状が変わらないからである。また、現状ではエミッタアレイ１Ａは動作が安定せず、エミッタによって点火するものとしないものができる場合が多いが、そのようなばらつきがあっても本発明では支障がない。点火しないエミッタがあっても、全体のビーム形状には影響を与えないからである。
【００４３】
エミッタアレイ１Ａからの電子ビームをレンズ２で集束させて、集束する点に絞り３をおいて、絞り３の像が試料６に結像されるようにする。ここで、エミッタアレイ１Ａから絞り３までが、本発明の収差補正のための電子銃ユニットとなる。各エミッタから放出される電子は広がっていても構わないが、各エミッタ内部に集束レンズ機構を有するタイプのエミッタアレイが開発されているので、そのタイプを採用すれば、試料位置での電流を更に増加させることができる。
【００４４】
図４のように、補正対象となるレンズ系（図では１個の対物レンズ５で代表させている）５の手前にアレイ面の像がくるようにする。ここで、絞り径を小さくし、かつレンズ系５の縮小率を高めることで、試料６の面でのプローブ径を小さくすることができる。しかしながら、プローブ径を小さくするほど電流値が下がるので、具体的な光学系の配置や寸法は目的次第である。エミッタの位置とエネルギーの関係は、全レンズ（図ではＬＧ２とＯＬ５を合わせたもの）の球面収差が０になるようにマルチエミッタ制御電源１５で１５で設定する。具体的には試料６に結像する電子ビームが一点に結像するようにマルチエミッタ制御電源１５を調整すればよい。具体的には、図示しない表示装置に表示される試料６の試料像がくっきりと表示されるように、マルチエミッタ制御電源１５を調整する。
【００４５】
この実施例によれば、従来の収差補正のための光学系よりも構造や電源制御系が簡単で、しかも容易な操作で球面収差を補正することができる。
【００４６】
現在用いられている収差補正ユニットでは、球面収差は３次のものしか補正できず、比較的ビームの開き角が小さい場合しか補正効果が得られない。そのような場合は、５次の球面収差の寄与によって装置の性能が決められる。しかしながら、本発明ではそのような次数は関係なく、どんなに大きな開き角でも補正が可能である。従って、特に角度を広げて大電流の電子プローブを得るための目的に威力を発揮する。
【００４７】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、電子プローブを形成する装置において、本発明の光学系を用いることで、従来のプローブ径を保ったままで電流値を増加させることができる。また、従来の収差補正のための光学系よりも構造や電源制御系が簡単で、しかも容易な操作で球面収差を補正することができる。従来は３次の球面収差だけが補正対象であったが、本発明では全ての次数の球面収差が補正される。これによって、より高い分解能、或いはより大きいプローブ電流値を可能とする装置を実現することができる。
【符号の説明】
【００４８】
１  ＦＥエミッタアレイ
２  レンズ
３  絞り
４  エミッタの像
５  多段縮小レンズ系
６  試料
７  絞りの縮小像
【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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