(57)【要約】【課題】引出用高電圧電源の容量を大きくすることなく、荷電粒子源３および引出電極４と電子銃室１との間で放電が発生しにくい荷電粒子線装置を提供する。【解決手段】荷電粒子１２を放出するための荷電粒子源３と、荷電粒子源３から荷電粒子１２を引出すための引出電極４と、引出された荷電粒子１２を加速するための加速電極５とを有する荷電粒子線装置１１であって、荷電粒子源３、引出電極４と加速電極５の少なくとも２つの間にサージアブソーバ素子２１を電気的に接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子を放出するための荷電粒子源と、
前記荷電粒子源から前記荷電粒子を引出すための引出電極と、
引出された前記荷電粒子を加速するための加速電極とを有する荷電粒子線装置であって、
前記荷電粒子源、前記引出電極と前記加速電極の少なくとも２つの間にサージアブソーバ素子を電気的に接続したことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
荷電粒子を放出するための荷電粒子源と、
前記荷電粒子源から前記荷電粒子を引出すための引出電極と、
引出された前記荷電粒子を加速するための加速電極とを有する荷電粒子線装置であって、
前記荷電粒子源、前記引出電極と前記加速電極の少なくとも１つと、接地電位との間にサージアブソーバ素子を電気的に接続したことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
前記サージアブソーバ素子は、アレスタ素子とバリスタ素子の少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の荷電粒子線装置。
【請求項４】
前記サージアブソーバ素子は、
アレスタ素子と、
前記アレスタ素子と直列に接続するバリスタ素子および抵抗素子の少なくとも一方とを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の荷電粒子線装置。
【請求項５】
前記荷電粒子源と前記引出電極との間に前記荷電粒子を引出すための高電圧を印加する引出用高電圧電源と、
前記荷電粒子源と前記加速電極との間に前記荷電粒子を加速するための高電圧を印加する加速用高電圧電源と、
前記荷電粒子源及び前記引出電極と前記引出用高電圧電源とを電気的に接続し、前記荷電粒子源及び前記加速電極と前記加速用高電圧電源とを電気的に接続するケーブルとを有し、
前記サージアブソーバ素子は、前記ケーブルより前記荷電粒子源の近くで、前記荷電粒子源、前記引出電極と前記加速電極の少なくとも１つと、電気的に接続したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の荷電粒子線装置。
【請求項６】
前記荷電粒子源、前記引出電極と前記加速電極とを収納し、減圧に保たれた電子銃室と、
前記電子銃室をシールする絶縁性のシール部と、前記荷電粒子源、前記引出電極及び前記加速電極と前記ケーブルとを電気的に接続し前記シール部を貫通する配線とを有するケーブルヘッドとをさらに有し、
前記サージアブソーバ素子は、前記配線に電気的に接続し前記ケーブルヘッドに埋め込まれていることを特徴とする請求項５に記載の荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子を放出して荷電粒子線を生成する荷電粒子線装置に関し、特に、荷電粒子線が電子線である電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子線装置のなかで、最も利用されているものとして、電子顕微鏡が上げられる。電子顕微鏡は、内部が減圧に保たれた電子銃室を有し、電子銃室の内部には、電子を放出するための電子源となる陰極と、この陰極から電子を引出すための引出電極と、引出された電子を加速するための加速電極が配置されている。加速された電子は、電子線を構成し、電子線を試料に照射することにより、試料の観察を行っている。そして、このような電界放出型の電子顕微鏡では、電子線を形成するために、陰極と、引出電極及び加速電極との間に高電界が印加されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭５８−１６１２３４号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の電子顕微鏡では、陰極と、引出電極及び加速電極との間に高電界を印加させるので、加速電極が接地電位に設定されていても、陰極と引出電極とは接地電位の電子銃室から絶縁されている。そして、陰極と引出電極と電子銃室との互いの間で放電が発生する場合があった。特に、放電が陰極において発生した場合は、陰極を流れる電流が増大し、ジュール発熱により陰極の先端が蒸発または変形し再び電界放出できなくなると考えられた。
【０００４】
この放電を抑制するために、特許文献１では、陰極と引出電極の間を、コンデンサと抵抗の並列回路にダイオード１２を直列接続した回路を接続している。しかしながら、この回路では電子顕微鏡の通常運転中に、ダイオードと抵抗からなるバイパス経路を通って、大きな電流が流れるので、陰極から電子を引出すために陰極と引出電極の間に電圧を印加する引出用高電圧電源の容量を大きくする必要があった。
【０００５】
そして、前記放電に起因するこのような問題は、電子顕微鏡に限らず、イオンビーム等の荷電粒子線を試料に照射するような荷電粒子線装置でも発生し得ると考えられた。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、引出用高電圧電源の容量を大きくすることなく、荷電粒子源（陰極）および引出電極と筐体（電子銃室）との間で放電が発生しにくい荷電粒子線装置（電子顕微鏡）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決した本発明は、荷電粒子を放出するための荷電粒子源（陰極）と、前記荷電粒子源（陰極）から前記荷電粒子を引出すための引出電極と、引出された前記荷電粒子を加速するための加速電極とを有する荷電粒子線装置（電子顕微鏡）であって、前記荷電粒子源（陰極）、前記引出電極と前記加速電極の少なくとも２つの間にサージアブソーバ素子を電気的に接続したことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明は、荷電粒子を放出するための荷電粒子源（陰極）と、前記荷電粒子源（陰極）から前記荷電粒子を引出すための引出電極と、引出された前記荷電粒子を加速するための加速電極とを有する荷電粒子線装置（電子顕微鏡）であって、前記荷電粒子源（陰極）、前記引出電極と前記加速電極の少なくとも１つと、接地電位との間にサージアブソーバ素子を電気的に接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、引出用高電圧電源の容量を大きくすることなく、荷電粒子源（陰極）および引出電極と筐体（電子銃室）との間で放電が発生しにくい荷電粒子線装置（電子顕微鏡）を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。また、以下に示す実施形態では、荷電粒子線装置として、電界放出型電子銃を有する電子顕微鏡を例に説明する。ただ、本発明は電子顕微鏡に限られず、電子線を用いた検査装置や測定装置や露光装置、イオンビームを用いるイオン打ち込み装置、電子やイオンや帯電したクラスタ等の荷電粒子による荷電粒子線を用いる加工装置等に適用できる。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る荷電粒子線装置（電子顕微鏡）１１は、内部が減圧に保たれた筐体（電子銃室）１を有している。電子銃室１の内部には、荷電粒子（電子）１２を放出するための荷電粒子源（陰極）３と、この陰極３を加熱するための加熱用フィラメント２とが設けられている。加熱用フィラメント２は、陰極３と接続し、陰極３を支持している。
【００１２】
また、引出電極４も、前記電子銃室１の内部に配置されている。引出電極４は、陰極３の先端に強電界を与え、陰極３から電子１２を引出す。
【００１３】
また、加速電極（接地電極）５も、前記電子銃室１の内部に配置されている。加速電極（接地電極）５は、接地電位１３に接続され、陰極３と加速電極５の間に強電界が与えられることで、陰極３から引出された電子１２を加速させる。
【００１４】
加熱用フィラメント２の両端はそれぞれ、配線Ｌ１と配線Ｌ２に接続している。引出電極４は、配線Ｌ３に接続している。配線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は、電子銃室１の近傍では、ケーブルヘッド２０に埋め込まれている。
【００１５】
ケーブルヘッド２０は、ケーブル６に連結され、ケーブル６は、ケーブルヘッド２０から高圧タンク１０まで引き回されて、電子銃室１及びケーブルヘッド２０と、高圧タンク１０を接続している。配線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３はそれぞれ、ケーブル６を介して、高圧タンク１０内に接続している。ケーブル６の外周には、シールド線２２が設けられ、接地電位１３に接続されている。ケーブル６は、陰極３及び引出電極４と、引出用高電圧電源８とを電気的に接続している。また、ケーブル６は、陰極３及び加速電極５と、加速用高電圧電源７とを電気的に接続している。
【００１６】
高圧タンク１０には、陰極３にマイナス数十ｋＶ程度以上の高電位を与えるための加速用高電圧電源７と、陰極３と引出電極４の間に電界放出を行うための数十ｋＶ程度の電位差を与える引出用高電圧電源８と、加熱用フィラメント２を加熱するためのフィラメント加熱用電源９とが設置されている。加速用高電圧電源７は、陰極３と加速電極５との間に電子１２を加速するための高電圧を印加する。引出用高電圧電源８は、陰極３と引出電極４との間に電子１２を引出すための高電圧を印加する。
【００１７】
加速用高電圧電源７のマイナス極は、配線Ｌ１及び加熱用フィラメント２を介して、陰極３に接続している。加速用高電圧電源７のプラス極は、接地され、等価的に加速電極（接地電極）５に接続している。引出用高電圧電源８のマイナス極は、配線Ｌ１及び加熱用フィラメント２を介して、陰極３に接続している。引出用高電圧電源８のプラス極は、配線Ｌ３を介して、引出電極４に接続している。フィラメント加熱用電源９のマイナス極は、配線Ｌ２を介して、加熱用フィラメント２の一端に接続している。フィラメント加熱用電源９のプラス極は、配線Ｌ１を介して、加熱用フィラメント２の他の一端に接続している。
【００１８】
サージアブソーバ素子２１は、ケーブルヘッド２０に埋め込まれている。サージアブソーバ素子２１は、前記陰極３、前記引出電極４と前記加速電極（接地電極）５の少なくとも２つの間に電気的に接続されている。具体的には、図１に示すように、第１ａ接続形態として、サージアブソーバ素子２１は、前記陰極３に接続する配線Ｌ２と、前記引出電極４に接続する配線Ｌ３との間に電気的に接続されている。また、図示は省くが、第１ｂ接続形態として、サージアブソーバ素子２１は、前記陰極３に接続する配線Ｌ１と、前記引出電極４に接続する配線Ｌ３との間に電気的に接続されてもよい。また、第１ｃ接続形態として、サージアブソーバ素子２１は、前記陰極３に接続する配線Ｌ１又は配線Ｌ２と、前記加速電極（接地電極）５との間に電気的に接続されてもよい。また、第１ｄ接続形態として、サージアブソーバ素子２１は、引出電極４及びこの引出電極４に接続する配線Ｌ３と、前記加速電極（接地電極）５との間に電気的に接続されてもよい。これらの第１ａ接続形態から第１ｄ接続形態は、１形態のみ使用してもよいし、複数形態併用してもよい。
【００１９】
図２に示すように、ケーブル６のシールド線２２は、金属製である電子銃室１と電気的に接続されている。また、加速電極（接地電極）５も電子銃室１と電気的に接続されている。そして、電子銃室１を接地電位１３（図１参照）に接続することで、シールド線２２と加速電極（接地電極）５とを接地電位に接続している。
【００２０】
ケーブルヘッド２０は、前記電子銃室１をシールする絶縁性のシール部２６を有し、電子銃室１内の減圧を維持している。シール部２６は、エポキシ樹脂やゴム等の絶縁体によって形成されている。また、ケーブルヘッド２０は、陰極３、引出電極４及び加速電極５とケーブル６とを電気的に接続し、シール部２６を貫通する配線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３を有している。
【００２１】
加熱用フィラメント２の先端には陰極３が取り付けられている。陰極３の材料としては、タングステン（Ｗ）、六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）、カーボンナノチューブ等が好ましい。陰極３の先端の曲率半径は非常に小さく、タングステン、六ホウ化ランタンでは約１０００Åであり、カーボンナノチューブでは約１０Åである。陰極３と引出電極４の間に電圧が印加されると陰極３の先端及びその近傍には高電界が形成される。加熱用フィラメント２で加熱され、高電界が形成された陰極３は、電子を放射し、電子顕微鏡１１における電子源として機能する。
【００２２】
ここで、電子顕微鏡１１の通常の運転中にケーブル６または高圧タンク１０内のいずれかの電源７乃至９に外因性ノイズを原因とする急激な電圧増加が発生したと考える。この場合、例えば、既に高電圧が印加されている引出電極４と加速電極（接地電極）５の間に、外因性ノイズによる電圧増加が重畳され、電圧がさらに大きくなり、真空放電が発生する。この真空放電が発生すると、引出電極４は瞬間的に加速電極（接地電極）５と同じ接地電位１３となるため、陰極３と引出電極４の間に加速電圧である数十ｋＶが過渡的に印加される。そして、今度は陰極３と引出電極４の間に過大電圧が印加される。陰極３の先端の曲率半径は非常に小さい約１０００Åであるところ、この過大電圧により陰極３からのエミッション電流が増大し、ジュール発熱により陰極３の先端が蒸発または変形を起こし、陰極３は再び電界放出ができなくなると考えられる。
【００２３】
第１の実施形態の電子顕微鏡１１によれば、陰極３、引出電極４と加速電極５の少なくとも２つの間にサージアブソーバ素子２１を電気的に接続しているので、通常運転中は、陰極３、引出電極４および加速電極（接地電極）５の間は高抵抗で絶縁することができ、外来ノイズを原因とする電圧増加が発生した場合には、サージアブソーバ素子２１の電気抵抗が急激に低下し、このサージアブソーバ素子２１をバイパス経路として電流を流し、電圧の上昇を抑えることができる。このため、真空放電が発生しにくく、陰極３の蒸発または変形等による破損を防ぐことができる。そして、このバイパス経路は、通常運転中は形成されないので、電源７乃至９の容量を大きくする必要がない。
【００２４】
サージアブソーバ素子２１としては、アレスタ素子またはバリスタ素子であることが好ましい。
【００２５】
アレスタ素子は、セラミックス等の容器の中に正負の端子をギャップを置いて設置し、容器の中の空間に特殊なガスを封入した素子である。アレスタ素子は端子間の電圧が低い場合には電気的に絶縁状態であるが、一定の過渡電圧が印加され規定電圧を越えると、端子間のガスが放電し導通状態になる。
【００２６】
バリスタ素子は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）や炭化珪素（ＳｉＣ）やチタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）等を正負の端子間に挟みこんだ素子である。バリスタ素子では両端子間の電圧が低い場合には電気抵抗が高いが、規定電圧以上に電圧が高くなると急激に電気抵抗が低くなる性質を持つ。
【００２７】
そして、アレスタ素子においては、前記規定電圧を、通常運転中の電圧より高く、放電を開始する電圧より低く設定しておく。アリスタ素子間の電圧が上昇して、規定電圧を超えると、電極３乃至５間で放電を開始する電圧に達する前に、アレスタ素子の端子間で放電が起こり、急激に端子間の電気抵抗が小さくなる。このため、アレスタ素子内を電流が流れ、端子間電圧を下げることで、電極３乃至５間の電圧の上昇を抑制する。そして、電極３乃至５間での放電の発生を抑えることができる。
【００２８】
また、バリスタ素子においても、前記規定電圧を、通常運転中の電圧より高く、放電を開始する電圧より低く設定しておく。バリスタ素子間の電圧が上昇して、規定電圧を超えると、電極３乃至５間で放電を開始する電圧に達する前に、バリスタ素子の端子間の電気抵抗が急激に小さくなる。このため、バリスタ素子内を電流が流れ、端子間電圧を下げることで、電極３乃至５間の電圧の上昇を抑制する。そして、電極３乃至５間での放電の発生を抑えることができる。
【００２９】
過大電流の発生を抑えられるので、過大電流により陰極３からのエミッション電流が増大し、そのジュール発熱により陰極３の先端が蒸発または変形を起こすことを防止できる。また、通常運転時においては、アレスタ素子及びバリスタ素子は、端子間の電気抵抗は高いので、アレスタ素子及びバリスタ素子を流れる電流を小さくでき、電源７乃至９の容量を小さくすることができる。
【００３０】
前記サージアブソーバ素子２１は、前記ケーブル６より前記陰極３の電極３乃至５の近くで接続されていることが好ましい。陰極３等に近いほど、サージアブソーバ素子２１と陰極３等の間の配線Ｌ２等の長さを短くできるので、サージアブソーバ素子２１と陰極３等の間の配線容量と配線抵抗を小さくでき、外来ノイズによる陰極３等の電圧上昇に対して、サージアブソーバ素子２１の端子間の電圧も迅速に追従させて上昇させることができる。このことによれば、陰極３等の電圧が急速に上昇しても、放電開始電圧に達する前に、サージアブソーバ素子２１を低抵抗にすることができる。逆に、外来ノイズによる陰極３等の電圧上昇が緩やか上昇することがわかっている場合は、サージアブソーバ素子２１の端子間の電圧も相応に上昇できればよいので、サージアブソーバ素子２１をケーブル６より電極３乃至５の遠くで接続してもよい。
【００３１】
（第１の実施形態の変形例１）
図３（ａ）は本発明の第１の実施形態の変形例１に係る荷電粒子線装置のサージアブソーバ素子２１である。第１の実施形態の変形例１のサージアブソーバ素子２１では、アレスタ素子２３と、バリスタ素子２４とが直列接続されている。アレスタ素子２３は端子間の電圧が低い場合には電気的に絶縁状態であるが、一定の過渡電圧が印加されると、端子間が放電し導通状態になる。アレスタ素子２３単体では一旦導通すると端子間の電圧が低くなっても放電が継続するという続流現象がある。これを解決するためにアレスタ素子２３にバリスタ素子２４を直列に接続し、アレスタ素子２３が導通状態でもバリスタ素子２４が一定の電気抵抗を発生することにより電流を抑制し、続流を抑制する。このことによれば、外来ノイズによる電圧の上昇を抑制した後に、正常な通常運転に移行させることができる。
【００３２】
（第１の実施形態の変形例２）
図３（ｂ）は本発明の第１の実施形態の変形例２に係る荷電粒子線装置のサージアブソーバ素子２１である。第１の実施形態の変形例２では、第１の実施形態の変形例１のバリスタ素子２４を定抵抗Ｒに置き換えている。定抵抗Ｒは、サージアブソーバ素子２１に印加される電圧を分圧する。たとえば、定抵抗Ｒの抵抗値を、アレスタ素子２３の高抵抗の際の抵抗値と、低抵抗の際の抵抗値の間に設定する。アレスタ素子２３が高抵抗の状態であれば、アレスタ素子２３に、サージアブソーバ素子２１に印加される電圧のほとんどを印加させることができる。したがって、電圧上昇の感度を低下させることはない。アレスタ素子２３が低抵抗の状態であれば、アレスタ素子２３に、サージアブソーバ素子２１に印加される電圧をほとんど印加させないことができる。したがって、高抵抗の状態に復帰させることができ、続流を抑制することができる。
【００３３】
（第１の実施形態の変形例３）
図３（ｃ）は本発明の第１の実施形態の変形例３に係る荷電粒子線装置のサージアブソーバ素子２１である。第１の実施形態の変形例３のサージアブソーバ素子２１では、複数のアレスタ素子２３ａと２３ｂとが直列接続されている。このことによれば、前記規定電圧を、既製のアレスタ素子２３ａと２３ｂを用いて容易に設定することができる。
【００３４】
（第１の実施形態の変形例４）
図３（ｄ）は本発明の第１の実施形態の変形例４に係る荷電粒子線装置のサージアブソーバ素子２１である。第１の実施形態の変形例４のサージアブソーバ素子２１では、複数のバリスタ素子２４ａと２４ｂとが直列接続されている。このことによれば、前記規定電圧を、既製のバリスタ素子２４ａと２４ｂを用いて容易に設定することができる。
【００３５】
（第２の実施形態）
図４に、本発明の第２の実施形態に係る荷電粒子線装置（電子顕微鏡）１１の構成図を示し、図５に、第２の実施形態の荷電粒子線装置（電子顕微鏡）１１の電子銃室１付近の断面図を示す。第２の実施形態の電子顕微鏡１１が、第１の実施形態の電子顕微鏡１１と異なる点は、前記荷電粒子源（陰極）３と接地電位１３との間に、第２ａ接続形態として、前記サージアブソーバ素子２１を電気的に接続している点である。なお、接続形態は、これに限らず、図示は省くが、第２ｂ接続形態として、サージアブソーバ素子２１は、第２ａ接続形態のように配線Ｌ２に接続するのでなく、前記陰極３に接続する配線Ｌ１と接地電位１３との間に電気的に接続されてもよい。また、第２ｃ接続形態として、サージアブソーバ素子２１は、前記引出電極４に接続する配線Ｌ３と接地電位１３との間に電気的に接続されてもよい。また、第２ｄ接続形態として、加速電極５が、接地電位１３に接続されていない場合は、サージアブソーバ素子２１は、前記加速電極５と接地電位１３との間に電気的に接続されてもよい。そして、これらの第２ａ接続形態から第２ｄ接続形態は、１形態のみ使用してもよいし、複数形態併用してもよい。
【００３６】
第１の実施形態では、電極３乃至５の間に印加される電圧の増加をサージアブソーバ素子２１で検出し抑制していたが、第２の実施形態では、電極３乃至５と、接地電位１３との間に印加される電圧の増加、いわゆる、接地電位１３を基準とした電極３乃至５の電位の増加をサージアブソーバ素子２１で検出し抑制していると考えることができる。第２の実施形態でも、第１の実施形態と同様に、電極３乃至５における電位（電圧）の増加を検出し抑制できるので、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る荷電粒子線装置の構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る荷電粒子線装置の電子銃室１付近の断面図である。
【図３】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る荷電粒子線装置のサージアブソーバ素子の変形例１であり、（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る荷電粒子線装置のサージアブソーバ素子の変形例２であり、（ｃ）は本発明の第１の実施形態に係る荷電粒子線装置のサージアブソーバ素子の変形例３であり、（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係る荷電粒子線装置のサージアブソーバ素子の変形例４である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る荷電粒子線装置の構成図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る荷電粒子線装置の電子銃室１付近の断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１      筐体（電子銃室）
２      加熱用フィラメント
３      荷電粒子源（陰極）
４      引出電極
５      加速電極（接地電極）
６      ケーブル
７      加速用高電圧電源
８      引出用高電圧電源
９      フィラメント加熱用電源
１０    高圧タンク
１１    荷電粒子線装置
１２    荷電粒子
１３    接地電位
２０    ケーブルヘッド
２１    サージアブソーバ素子
２２    シールド線
２３、２３ａ、２３ｂ  アレスタ素子
２４、２４ａ、２４ｂ  バリスタ素子
２６    シール部
【図１】
2008226683.tif 000003
【図２】
2008226683.tif 000004
【図３】
2008226683.tif 000005
【図４】
2008226683.tif 000006
【図５】
2008226683.tif 000007