(57)【要約】【課題】本発明は当技術分野で認識された上記技術的課題に鑑みてなされたものであり、（１）引出し電圧を大きくしなくても１．０ｍＡ／ｓｒ以上の高角電流密度動作ができることに加えて、（２）真空劣化を引き起こす余剰な電流を少なくする、という技術的要求をバランスよく実現することができる技術を提供することを課題とする。【解決手段】本発明によれば、タングステンの単結晶からなる陰極と、陰極の中腹部に設けられた拡散源とを有する電子源であって、前記陰極先端に形成された（１００）面と（１１０）面との境界近傍から放出される電子が、前記陰極の軸と略平行に放出されるよう、前記陰極の軸方向と前期陰極の＜１００＞方位とのなす角度が調整されてなる電子源によって達成できた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タングステンの単結晶からなる陰極と、陰極の中腹部に設けられた拡散源とを有する電子源であって、前記陰極先端に形成された（１００）面と（１１０）面との境界近傍から放出される電子が、前記陰極の軸と略平行に放出されるよう、前記陰極の軸方向と前期陰極の＜１００＞方位とのなす角度が調整されるなることを特徴とする電子源。
【請求項２】
前記陰極の軸方向と前期陰極の＜１００＞方位とのなす角度が２２．５±１０°であることを特徴とする請求項１記載の電子源。
【請求項３】
前記陰極の軸方向の結晶方位が＜３１０＞方位であることを特徴とする請求項２記載の電子源。
【請求項４】
前記拡散源が、少なくとも酸化ジルコニウムを含有していることを特徴とする請求項１乃至３記載の電子源。
【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、オージェ分光装置、電子線露光機、ウエハ検査装置などに用いられる電子源に関する。
【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源（以下、ＺｒＯ／Ｗ電子源と記す）が用いられている（特許文献１参照）。
【０００３】
ＺｒＯ／Ｗ電子源は、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）が設けられる。この形状の陰極を真空装置内にて電界を印加すると、静電力が駆動力となって、先端方向に表面に沿って物質のマイグレーションが起こり、陰極先端に表面エネルギー的に安定な面方位（１００）の結晶面が形成される。このＺｒＯ被覆層によってタングステン単結晶の（１００）面の仕事関数は、４．５ｅＶから約２．８ｅＶに低下させられ、この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利点を有する。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、使い易いという利点を有している。
【０００４】
ＺｒＯ／Ｗ電子源は、図２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。なお、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電子源の陰極１の先端部はサプレッサー電極８と引き出し電極９の間に配置され使用される（図３参照）。陰極１には引き出し電極９に対して負の高電圧が印加され、更にサプレッサー電極８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からの熱電子を抑制する。
【０００７】
ＺｒＯ／Ｗ電子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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０６−０７６７３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一方、電子線露光装置、オージェ分光装置及び、ウエハ検査装置等においては、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。
【００１０】
ＺｒＯ／Ｗ電子源の陰極先端の曲率半径を通常の０．５μｍ程度から１．０μｍ程度に大きくし、（１００）結晶面を大きく発達させることである程度の高角電流密度動作が可能である。しかしながら、（１）高々１．０ｍＡ／ｓｒ程度の角電流密度が上限である点、及び（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５ｋＶ以上と大きく、また（１００）結晶面端部に強い電界が加わることで、（１００）結晶面端部からの不必要な余剰電流が増大する。陰極から放出されるトータル電流が増大すると、周辺部材からのガス放出による真空劣化が起こり、電流の不安定化や放電などが起きやすくなる。
【００１１】
本発明は当技術分野で認識された上記技術的課題に鑑みてなされたものであり、（１）引出し電圧を大きくしなくても１．０ｍＡ／ｓｒ以上の高角電流密度動作ができることに加えて、（２）真空劣化を引き起こす余剰な電流を少なくする、という技術的要求をバランスよく実現することができる技術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】
【００１２】
本発明によれば、タングステンの単結晶からなる陰極と、陰極の中腹部に設けられた拡散源とを有する電子源であって、前記陰極先端に形成された（１００）面と（１１０）面との境界近傍から放出される電子が、前記陰極の軸と略平行に放出されるよう、前記陰極の軸方向と前期陰極の＜１００＞方位とのなす角度が調整されてなる電子源が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
すなわち、陰極の軸方向と陰極の＜１００＞方位とのなす角を調整することで、従来の技術では不要な余剰電流とされていた（１００）結晶面端部からの強い電子線を、陰極の軸に略平行に放出させることができ、高角電流密度の電子電流を各種電子線装置に適用することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の具体的な実施形態及び作用効果について、図２〜図４を参照しながら説明する。
【００１５】
本実施形態では、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好適な電子源について説明する。
【００１６】
本実施形態の電子源において、陰極先端に形成された（１００）面と（１１０）面との境界近傍から放出される電子が、陰極の軸と略平行に放出されるよう、陰極の軸方向と前期陰極の＜１００＞方位とのなす角度が調整されてなる電子源が提供される。
【００１７】
図４に本実施形態の電子源の陰極先端の模式図を示す。陰極を真空装置内にて電界を印加すると、静電力が駆動力となって、表面に沿って先端方向の物質のマイグレーションが起こり、陰極先端に、表面エネルギー的に安定な（１００）結晶面及び（１１０）結晶面が隣接して形成される。（１００）面の仕事関数は、陰極の中腹部に設けられた拡散源から拡散して形成される被覆層によって低くなり、（１００）面から電子が放出される。このとき、（１００）面と（１１０）面とが角度を持って境界を形成するので、（１００）面の平坦部よりも、境界部分での電界強度が大きくなり、境界部分から高角電流密度の電子が放出される。（１００）面と（１１０）面の法線のなす角は４５°であることから、境界部分では、各法線の二等分線の方向、すなわち、＜１００＞法線に対して２２．５°の方向に強く電子が放出される（図４参照）。
【００１８】
従って、＜１００＞方位に対して２２．５°になるように陰極の軸を決めて切り出したタングステン単結晶を陰極材料とすることで、（１００）面と（１１０）面との境界近傍から放出される電子が、前記陰極の軸と略平行に放出されるようなる。実際には、陰極の軸方向と＜１００＞方位とのなす角度が２２．５°±１０°であれば本発明の効果が充分得られる。すなわち、＜１００＞方位に対して陰極の軸が２２．５°から多少角度ずれが生じても、陰極に正対する引出し電極によって電子が引っ張られることにより、ほぼ引き出し電極面に対して垂直に電子が通過する。従って、陰極の軸方向と＜１００＞方位とのなす角度が２２．５°±１０°であれば、電気的あるいは機械的に電子軌道を外部から調整する機構を装置側に設けておくことにより、角度ずれは容易に補正することができる。
【００１９】
陰極の軸方向と＜１００＞方位とのなす角度が２２．５°±１０°であるタングステン単結晶として、＜３１０＞方位の単結晶タングステンを用いることが好ましい。図４に示されているように、＜３１０＞方位と＜１００＞方位とのなす角は１８．４°であり、２２．５°±１０°以内に入っているため、本発明の効果が得られると同時に、＜３１０＞方位の単結晶タングステンであれば、Ｘ線回折手法などにより、方位の確認や単結晶切り出し時の方位調整を行いやすいからである。
【００２０】
＜１００＞方位とのなす角度が２２．５°±１０°である軸方向切り出されたタングステン単結晶からなる陰極１は、絶縁碍子５にロウ付けされた導電端子４にタングステン製のフィラメント３を介して溶接により固定され、通電加熱できるようにした後、陰極１の先端部を電解研磨により尖鋭化する。
【００２１】
陰極１には、電子放射面の仕事関数を低下させる効果のある金属と酸素からなる供給源が設けられる。ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタノイド系列元素、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、カルシウム（Ｃａ）の群から選ばれた元素を含有する金属酸化物からなる供給源を有する電子源が、熱陰極電界放出型電子源のための電子源として好ましく適用できる。とりわけ、酸化ジルコニウムを含有する供給源を用いることで、動作温度１８００Ｋにおいて安定な電子放射が可能となり、好ましい。
【００２２】
酸化ジルコニウムを例にとると、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、３×１０−６Ｔｏｒｒ（４×１０−４Ｐａ）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。
【００２３】
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７に対して陰極１に数キロボルトの負の高電圧を印加する。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、陰極先端に表面エネルギー的に安定な（１００）結晶面及び（１１０）結晶面が隣接して形成される。そして、（１００）面と（１１０）面との境界近傍から陰極の軸と略平行に放出されることで、１ｍＡ／ｓｒ以上の高い角電流密度の電子線が得られるとともに、真空劣化を引き起こす余剰な電流を少なくすることが可能となる。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明を実施例によりさらに説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２５】
＜実施例＞
以下、実施例１について、図１〜図４を参照して説明する。
図２に示す絶縁碍子５にロウ付けされた一対の導電端子４の間に直径０．１２５ｍｍのタングステン製ワイヤをＶ字のごとく曲げたフィラメント３をスポット溶接により固定した。＜３１０＞方位の単結晶タングステン陰極１をフィラメント３にスポット溶接により取り付けた。次に陰極１の先端部を電解研磨により先端曲率半径０．５μｍに尖鋭化した。
【００２６】
図２に示す拡散源２をタングステン単結晶陰極１の中央付近に配置させる。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ペースト状にしたものを陰極１の一部に塗布した。そして、酢酸イソアミルが蒸発した後、超高真空装置に導入した。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３に通電して単結晶ロッド１を１８００Ｋに加熱し、水素化ジルコニウムを熱分解して金属ジルコニウムとする。続いて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、酸化ジルコニウムからなるジルコニウムと酸素の拡散源２を形成した。
【００２７】
図３に示す真空装置のように、得られた陰極１の先端をサプレッサー電極６と引き出し電極７との間に配置した。なお、陰極１の先端とサプレッサー電極６の距離は０．２５ｍｍ、サプレッサー電極６と引き出し電極７の距離は０．６ｍｍ、引き出し電極７の孔径は０．６ｍｍ、サプレッサー電極６の孔径は０．４ｍｍとした。さらに、フィラメント３の両端にフィラメント加熱電源１２に接続するとともに、高圧電源１４  に接続した。また、サプレッサー電極６をバイアス電源１３に接続した。
【００２８】
測定装置内を３×１０−１０Ｔｏｒｒ（４×１０−８Ｐａ）の超高真空中として、電子放射開始時の陰極温度を１８００Ｋになるように放射温度計で計測しながらフィラメント電流を調整した。陰極１に対してサプレッサー電極６にバイアス電圧Ｖｂ＝−３００Ｖを印加した。これによりフィラメント３からの放射熱電子を遮る。続いて、引き出し電極７に対して負の高電圧、即ち引き出し電圧Ｖｅｘを陰極１に印加した。陰極１の先端から放射した電子ビーム１５は引き出し電極７の孔を通過して、蛍光板８に到達する。蛍光板８の中央にはアパーチャー９（小孔）が有り、通過してカップ状電極１０に到達したプローブ電流Ｉｐは微小電流計１１により測定される。なおアパーチャー９と陰極１の先端との距離とアパーチャー９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。また、アパーチャー９とカップ状電極１０は真空系外から動かせられるようになっており、角電流密度分布を測定することができる。
【００２９】
数時間保持し、放出電流が安定したところで、アパーチャー９を動かしたときのプローブ電流Ｉｐの変化を測定し、角電流密度分布を求めた。引き出し電極７に引き出し電圧Ｖｅｘ＝４．００ｋＶ及びＶｅｘ＝３．８２ｋＶを印加したときの角電流密度分布の測定結果を図５に示す。また、中心軸上の角電流密度が１ｍＡ／ｓｒになるときの引出し電圧と、そのとき陰極１から放出される全電流（トータル電流）を表１に示す。さらに、試験後の実施例の電子源の陰極先端の電子顕微鏡写真を図１に示す。
【００３０】
＜比較例＞
実施例において、陰極１に＜１００＞方位の単結晶タングステンを用いたこと、及び陰極先端部を電解研磨により先端曲率半径１．０μｍに尖鋭化したこと以外は、実施例と同じ製造方法で作製した電子源を、実施例と同様の方法で角電流密度分布を求めた。引き出し電極７に引き出し電圧Ｖｅｘ＝６．９４ｋＶを印加したときの角電流密度分布の測定結果を図６に示す。また、中心軸上の角電流密度が１ｍＡ／ｓｒになるときの引出し電圧と、そのとき陰極１から放出される全電流（トータル電流）を表１に示す。さらに、試験後の実施例の電子源の陰極先端の電子顕微鏡写真を図７に示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
＜実施例及び比較例の結果の考察＞
図１および図７にそれぞれ示された実施例および比較例の陰極先端の電子顕微鏡写真から、（１００）結晶面および（１１０）結晶面の形成が明確に確認された。比較例の（１００）結晶面の法線が陰極の軸にほぼ平行であるのに対し、実施例の（１００）結晶面の法線と陰極の軸とのなす角度が約２０°であることが確認できる。図５に示された実施例の角電流密度分布から、角電流密度の極大点が２箇所存在しており、それぞれ（１００）結晶面の両端部に強い電界が加わることにより強調された電子放射に対応している。角電流密度の極大点の一方は、ほぼ中心軸上に位置しており、電子線装置において、この角電流密度の最大になる部分を有効に使うことができる。これは、陰極の軸方向と前期陰極の＜１００＞方位とのなす角度が調整された効果によるものである。また、５ｋＶより低い引出し電圧Ｖｅｘ＝４．０ｋＶで１．５ｍＡ／ｓｒの高角電流密度動作が可能であることが分かる。  
【００３３】
一方、図６に示された比較例の角電流密度分布から、実施例と同様、角電流密度の極大点が２箇所存在しているが、２箇所とも中心軸から約０．２ラジアン角度をもって電子が放射されており、電子線装置においてこの極大部分を有効に使うことはできない。また、中心軸上の角電流密度が１ｍＡ／ｓｒのときの引出し電圧は、５ｋＶより高いＶｅｘ＝６．９４ｋＶになってしまう。
【００３４】
また、表１に示す、中心軸上の角電流密度分布の最大値が１ｍＡ／ｓｒになる引出し電圧のときの陰極１から放出される全電流（トータル電流）の比較において、比較例では６３６μＡであるのに対し、実施例では１９２μＡと低く、周辺部材からのガス放出による真空劣化さらには放電が起こりにくくなり、より安定な電子線を得ることが可能になったのである。
【００３５】
以上、本発明を実施例に基づいて説明した。この実施例はあくまで例示であり、種々の変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施例の陰極先端の電子顕微鏡写真である。
【図２】ＺｒＯ／Ｗ電子源の構造図である。
【図３】電子放射特性の評価装置の構成図である。
【図４】実施例の陰極の先端の模式図である。
【図５】実施例における角電流密度分布を示すグラフである。
【図６】比較例における角電流密度分布を示すグラフである。
【図７】比較例の陰極先端の電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
【００３７】
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：蛍光板
９：アパーチャー
１０：カップ状電極
１１：プローブ電流測定用微小電流計
１２：フィラメント加熱電源
１３：バイアス電源
１４：高圧電源
１５：放射電子線
【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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