(57)【要約】【課題】狭エネルギー幅かつ高輝度な電子ビームを得るための電子源および前記電子ビームを得るための簡易な方法を提供するとともに、この電子ビームを利用した高性能電子ビーム装置を提供する。【解決手段】複数の分離独立した電子エネルギー分布を有し、少なくとも一つの電子エネルギー分布の半値幅が０．２ｅＶ  以下である電子ビームを電界放出する電子源４と、任意の電子エネルギー半値幅を有する電子ビームのみを選択的に取出せる機構６，７を有する電子ビーム装置である。【効果】狭エネルギー幅かつ高輝度な電子ビームを得るための電子源および前記電子ビームを得るための簡便な方法を提供できるともに、この電子ビームを利用した高性能電子ビーム装置を提供できる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の分離した電子エネルギー分布を有する電子ビームを電界放出することを特徴とする電子源。
【請求項２】
前記複数の分離した電子エネルギー分布のうち、少なくとも一つの電子エネルギー分布の半値幅が０．２ｅＶ  以下であることを特徴とする請求項１に記載の電子源。
【請求項３】
請求項１および請求項２に記載の電子ビームの輝度が１．０×１０９Ａ／ｓｒ／
ｍ２／Ｖ  以上であることを特徴とする電子源。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載の電子源の一部がカーボンナノチューブから構成されることを特徴とする電子源。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４に記載の電子源を適用したことを特徴とする電子ビーム装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４に記載の電子源から放出される電子ビームのうち、任意の電子エネルギー半値幅を有する電子ビームのみを選択的に取出せる機構を付与したことを特徴とする電子ビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は狭エネルギー幅かつ高輝度な電子ビームが得られる電子源およびそれを用いた電子顕微鏡，電子ビームを用いた描画装置および検査装置，電子線ホログラフィー装置等の電子ビーム装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子顕微鏡の高分解能化や電子線描画装置等の電子ビーム加工装置の高精細加工の実現のためには、電子レンズの各収差を小さくする必要がある。前記収差の中でも色収差が最も大きな障害となっている。色収差を小さくするためには、レンズ自体の色収差係数を小さくすれば良いが、それには焦点距離との関係で一定の限界が存在する。色収差を小さくする別の方法は、一次電子ビームのエネルギー幅を小さくすることである。一次電子ビームの狭エネルギー幅化の従来手法として、▲１▼特許文献１に示されているように、電子源の後にエネルギーアナライザー（ウィーンフィルターなど）を配置し、特定のエネルギーを有する電子のみを取出す方法、▲２▼超伝導材料から構成される電子源を用いる方法、等が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−２２８１６２
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記方法では▲１▼電子ビーム量が少なく、得られる電子ビームの輝度が低い。そのため、電子顕微鏡やそれを用いた検査装置（測長ＳＥＭ等）では、高輝度像が得られない、あるいは測定時間が長く，効率が悪い。また、電子線描画装置等の電子ビーム加工装置の場合には、加工時間が長く，効率が悪い。▲２▼装置が複雑かつ大掛かりになる等の問題がある。
【０００５】
本発明の第一の目的は、狭エネルギー幅かつ高輝度な電子ビームを提供することである。第二の目的は、前記電子ビームを得るための簡易な方法を提供することである。第三の目的は、高性能電子ビーム装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第一の目的を達成するための手段は、複数の分離した電子エネルギー分布を有する電子ビームを電界放出することを特徴とする電子源を用いることである。
【０００７】
また、前記複数の分離した電子エネルギー分布のうち、少なくとも一つの電子エネルギー分布の半値幅が０．２ｅＶ  以下であることを特徴とする電子源を用いることである。
【０００８】
また、電子ビームの輝度が１．０×１０９Ａ／ｓｒ／ｍ２／Ｖ  以上であることを特徴とする電子源を用いることである。
【０００９】
さらに、電子源の一部がカーボンナノチューブから構成されることを特徴とする電子源を用いることである。
【００１０】
第二の目的を達成するための手段は、前記電子源から放出される電子ビームのうち、任意の電子エネルギー半値幅を有する電子ビームのみを選択的に取出せる機構を付与することである。
【００１１】
第三の目的を達成するための手段は、本発明の電子源を電子ビーム装置へ適用することである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１３】
（実施例１）
本実施例に係る電子源を図１に示す。
【００１４】
本実施例に係る電子源はカーボンナノチューブ１と導電性基材３とから構成されている。カーボンナノチューブは導電性基材先端部にＦＩＢ加工などにより形成させた平坦面に接合されている。さらに、カーボンナノチューブと導電性基材との接合部はカーボンあるいは高融点金属層２により強化されている。
【００１５】
カーボンナノチューブを取付ける前記導電性基材としては、少なくとも最表面が酸化し難い貴金属（具体的には、金，銀，白金族）あるいは結晶質カーボンで形成されているものが好ましい。これは、導電性基材とカーボンナノチューブ接合界面に高電気抵抗率の酸化物層等が形成されていると、両者の接触抵抗が高くなり、電界放出特性に悪影響を与えるからである。
【００１６】
カーボンナノチューブと導電性基材との接合部を強化する方法について以下に説明する。導電性元素を含む有機ガスを導入したチャンバー内で、接合部の少なくとも一部に電子線を照射することにより、局所的に導電性材料を被覆することで接合部を強化することができる。
【００１７】
前記導電性元素を含む有機ガスとしては、ＦＩＢ等で通常使用されているガリウムイオンビーム等の高エネルギー重イオンビームでしか分解しない有機ガスは使用できない。これは、高エネルギー重イオンがカーボンナノチューブに照射されてしまうと、カーボンナノチューブ自体が一瞬で損傷を受けてしまい、破断したり、照射欠陥が生じてしまうからである。このため、有機ガスを分解させるのに用いる粒子線としてはカーボンナノチューブに損傷を与えない数１０ｋｅＶ以下の電子線が好ましく、有機ガスとしても数１０ｋｅＶ以下の電子線で分解するもので、かつ１００℃以下で気化するピレンモノマー，タングステンカルボニル等が好適である。これらの有機ガスに電子線を照射することにより、カーボンナノチューブと導電性基材との接合部のみにカーボン層やタングステン層等の導電性材料を形成させることができる。
【００１８】
図２は本実施例に係る電子源からの電界放出電子のエネルギー分布の一例である。横軸は電界放出電子の相対エネルギー、縦軸は電界放出電子の相対数である。
【００１９】
図２に示されるように、分離した２つのエネルギー分布が得られ、高エネルギー側に分布するＥ１  の半値幅は０．１５ｅＶ  と非常に小さかった。この場合の全エミッション電流は３μＡであり、全エミッション電流が変化してもＥ１  の半値幅はほとんど一定であった。一般的には全エミッション電流が大きくなるほど、ベルシェ効果により電界放出電子のエネルギー幅が大きくなるが、本実施例に係る電子源は大エミッション電流下においても電界放出電子のエネルギー幅は非常に小さかった。
【００２０】
図３は本実施例に係る電子ビーム装置の一部構成例を示す図である。
【００２１】
本実施例に係る電子ビーム装置は図２に示した複数の分離したエネルギー分布を有する電子ビームを電界放出する電子源４、特定エネルギーの電子のみを取出すエネルギーフィルター６およびスリット７，電子レンズ８等から構成される。
【００２２】
ここで、エネルギーフィルターにウィーンフィルターを用いた場合の電子ビームエネルギー分離の原理について以下に説明する。ウィーンフィルターに入射した複数の分離独立したエネルギー分布を有する電子ビームのうち、ウィーンフィルターの磁極と電極によって発生する磁界と電界により電子に逆向きに働くローレンツ力が釣り合うエネルギーを有した電子だけがウィーンフィルター内を直進することができ、その他のエネルギーを有する電子は偏向され、ウィーンフィルター後方に設けられたスリットによってその進行を阻止される。
【００２３】
エネルギーフィルターとしては、光軸が直線であるウィーンフィルター等が好ましいが、特定エネルギーの電子のみを取出せるエネルギーフィルターであれば特にこれに限定されるものではない。
【００２４】
また、本実施例では複数の完全に分離独立したエネルギー分布を有する電子ビームを用いるため、電子ビームのエネルギー分離が容易であり、エネルギーフィルターを簡易なものにすることが可能となる。また、エネルギーフィルター下方に設けられるスリット幅も従来よりも広くすることが可能であり、電子ビームの軸調整が容易である。
【００２５】
なお、これらの構成は最も単純な基本構成例であり、本発明の目的を逸脱しない限りは種々の変更が可能であることは言うまでもない。
【００２６】
以上、本実施例に係る電子源から放出される狭エネルギー幅の電子ビーム（Ｅ１）のみを簡易な方法で取出すことができ、狭エネルギー幅かつ高輝度な電子ビームをレンズ系へ導くことが可能である。
【００２７】
（実施例２）
図４は図３に示される装置構成例を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に適用した一例を示す図である。図４（ａ）は図１に示した電子源を有する電子銃の構成例を示すものであり、図４（ｂ）にはその電子銃を搭載した走査型顕微鏡の構成例を示す。
【００２８】
図４（ａ）に示される電子銃１４は、電子源４と、電極１１と、２つの電極を絶縁する電極支持台１０，第一陽極１２および第二陽極１３により構成される。
【００２９】
図４（ｂ）に示される走査型顕微鏡は、電子銃１４から放出された複数の分離独立したエネルギー分布を有する電子ビームを陽極で加速したのち、エネルギーフィルター６およびスリット７を通過させることにより、狭エネルギー幅の電子ビームのみを取出した後、電子レンズで試料２２上に微小径に集束させた電子プローブを二次元走査し、試料から放出される二次電子，反射電子等の信号量の違いを基に拡大像を得る顕微鏡である。
【００３０】
なお、電子を加速させる前記陽極は、エネルギーフィルターおよびスリットの下方に配置することも可能である。
【００３１】
走査型顕微鏡本体は電子銃，エネルギーフィルター，電子レンズ，偏向・非点収差補正器から構成される電子光学系および試料室とこれらを真空に維持するための排気系から構成されている。
【００３２】
電子ビーム特性を測定したところ、輝度が１．０×１０９Ａ／ｓｒ／ｍ２／Ｖ  以上と従来のＷ（３１０）単結晶から構成される電界放出型電子源の輝度に比べ、１０倍以上高い値が得られた。また、放出電子のエネルギー分布を測定した結果、立体角電流密度が３０μＡ／ｓｒ．  の場合、エネルギーの半値幅が０．２ｅＶ  以下と従来Ｗ（３１０）単結晶電子源よりもかなり小さい値が得られた。
【００３３】
以上、本発明を用いることにより狭エネルギー幅かつ高輝度な電子ビームが得られるため、従来機種と比べて格段に高分解能かつ高輝度な二次電子像や反射電子像が得られる走査型電子顕微鏡を実現することが可能である。
【００３４】
また、半導体プロセスにおける微細加工パターンの観察や寸法測長を行う測長ＳＥＭに本実施例を適用すれば、高精度かつ高速な観察および測長が可能となる。
【００３５】
なお、本実施例走査型電子顕微鏡の構成は図４で示したものに限定されることはなく、種々柔軟に変更できることは言うまでもない。
【００３６】
さらに、走査型電子顕微鏡と同様に電子源から放出された電子ビームを複数の電子レンズで細く絞り、この電子ビームを走査コイルを用いて矩形状に走査して像を得る走査透過電子顕微鏡や電子源から放出された電子ビームを加速し、複数段の電子レンズを通して試料に照射し、試料を透過した電子ビームを対物レンズを含む複数の電子レンズで拡大し、蛍光スクリーンに像を映し出す透過型電子顕微鏡や透過電子顕微鏡とエネルギーアナライザー（ＥＥＬＳ）を組合わせた元素分析装置においても電子光学系の基本原理は同じであるため、高分解能観察および高精度な元素分析が可能となる。
【００３７】
（実施例３）
図５は実施例２に記載の電子光学系を適用した電子線描画装置の構成例である。
【００３８】
電子光学系の基本構成は実施例２で示した走査型電子顕微鏡とほぼ同一である。
【００３９】
なお、図５に示されるブランキング電極２５は試料への電子ビーム照射のＯＮ／ＯＦＦを制御する電極である。
【００４０】
以上、本発明を用いることにより狭エネルギー幅かつ高輝度な電子ビームが得られるため、高精細かつ高速な電子線描画が可能となる。
【００４１】
（実施例４）
図６は実施例２に記載の電子光学系を適用した電子線ホログラフィー装置の構成例である。
【００４２】
狭エネルギー幅かつ高輝度な電子ビームはコンデンサレンズ１６で照射条件を調整され、試料２２に照射する。対物レンズ１９と中間レンズ２７の間にアース電位の平行平板電極２６とその中央に張られた細い芯線２９から構成される電子線プリズム３０が設けられている。その芯線２９に正の電圧を印加すると芯線の両側を通る電子ビームはそれぞれ芯線の方へ曲げられ、下方で重畳される。この時、芯線の片側に試料２２を透過しない電子ビームを通し、もう一方には試料の内部を透過した電子ビームを通すと、下方で２つの電子ビームが重畳し、干渉パターン３１が形成される。この干渉パターンを下方の中間レンズ２７および投射レンズ２８等で拡大してホログラム３２が得られる。
【００４３】
本実施例の電子線ホログラフィー装置では狭エネルギー幅（高可干渉性）かつ高輝度な電子ビームを使用するため、高分解能かつ高輝度なホログラムを得ることができる。
【００４４】
【発明の効果】
狭エネルギー幅かつ高輝度な電子ビームを得るための電子源および前記電子ビームを得るための簡便な方法を提供できるともに、この電子ビームを利用した高性能電子ビーム装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に係る電子源の（ａ）側面図、（ｂ）正面図。
【図２】実施例１に係る電子源から電界放出された電子ビームのエネルギー分布図。横軸は電界放出電子の相対エネルギー、縦軸は電界放出電子の相対数。
【図３】実施例１に係る電子ビーム装置の（ａ）一部構成図と、（ｂ）得られた電子ビームのエネルギー分布図。横軸は電界放出電子の相対エネルギー、縦軸は電界放出電子の相対数。
【図４】実施例２に係る（ａ）電子銃の構成図と、（ｂ）その電子銃を搭載した走査型顕微鏡の構成図。
【図５】実施例３に係る電子線描画装置の構成図。
【図６】実施例４に係る電子線ホログラフィー装置の構成図。
【符号の説明】
１…カーボンナノチューブ、２…カーボンまたは高融点金属層、３…導電性基材、４…電子源、５…複数の分離独立したエネルギー分布を有する電子ビーム、６…エネルギーフィルター、７…スリット、８…電子レンズ、９…導電性フィラメント、１０…電極支持台、１１…電極、１２…第一陽極、１３…第二陽極、１４…電子銃、１５…アライメントコイル、１６…コンデンサレンズ、１７…非点補正コイル、１８…偏向，走査コイル、１９…対物レンズ、２０…対物レンズ絞り、２１…二次電子検出器、２２…試料、２３…試料ステージ、２４…排気系、２５…ブランキング電極、２６…平行平板電極、２７…中間レンズ、２８…投射レンズ、２９…芯線、３０…電子線プリズム、３１…干渉パターン、３２…ホログラム。
【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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