(57)【要約】【課題】比較的角電流密度の高い使用において、従来に比べ余剰電流および引き出し電圧の増大を抑制でき、しかもエネルギー幅を抑制した電子源を提供する。【解決手段】軸方位が＜１００＞方位の高融点金属の単結晶からなるニードルに前記高融点金属の仕事関数を低減するための元素の供給源を設けてなる電子源であって、前記ニードル先端の先鋭部が、円錐部（Ａ）と、前記円錐部（Ａ）に続く円柱部（Ｂ）と、前記円柱部（Ｂ）に続き、最先端部が球状の円錐部（Ｃ）とからなる形状であって、しかも円錐部（Ａ）の円錐角（θ）が２５度以下であり、かつ円錐部（Ｃ）先端の球状部の曲率半径（ｒ）が１．０〜２．５μｍであり、かつ円錐部（Ａ）と円柱部（Ｂ）の境界から円錐部（Ｃ）の先端までの距離（Ｌ）に対する円錐部（Ｃ）先端の球状部の曲率半径（ｒ）の比（ｒ／Ｌ）が０．１〜０．３であることを特徴とする電子源。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方位が＜１００＞方位の高融点金属の単結晶からなるニードルに前記高融点金属の仕事関数を低減するための元素の供給源を設けてなる電子源であって、前記ニードルの先端部が、円錐部（Ａ）と、前記円錐部（Ａ）に続く円柱部（Ｂ）と、前記円柱部（Ｂ）に続き、最先端部が球状の円錐部（Ｃ）とからなる形状であって、しかも円錐部（Ａ）の円錐角（θ）が２５度以下であり、かつ円錐部（Ｃ）先端の球状部の曲率半径（ｒ）が１．０〜２．５μｍであり、更に円錐部（Ａ）と円柱部（Ｂ）の境界から円錐部（Ｃ）の先端までの距離（Ｌ）に対する円錐部（Ｃ）先端の球状部の曲率半径（ｒ）の比（ｒ／Ｌ）が０．１〜０．３であることを特徴とする電子源。
【請求項２】
前記高融点金属がタングステンであり、前記元素がジルコニウム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】
軸方位が＜１００＞方位のタングステン単結晶からなるニードルと、前記タングステンの仕事関数を低減させるためのジルコニウムの供給源とを有する電子源であって、
（１）電解研磨により高融点金属の単結晶ニードルの先端部に先鋭部を形成する工程、
（２）真空中で加熱して、ニードル先端部に、円錐部（Ａ）と、前記円錐部（Ａ）に続く円柱部（Ｂ）と、前記円柱部（Ｂ）に続き、最先端部が球状の円錐部（Ｃ）とからなる形状の先鋭部を形成する工程、
（３）前記高融点金属の仕事関数を低減するための被覆層を形成した後、真空中で酸素処理を行う工程、
を順次経ることを特徴とする電子源の製造方法。
【請求項４】
前記（２）工程の加熱を２０００〜２６００Ｋの温度範囲内ですることを特徴とする請求項３記載の電子源の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡、電子線露光機、電子ビームテスタ、ウエハ検査装置、オージェ電子分光装置などの電子源として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銃が用いられている（以下、ＺｒＯ／Ｗ電子銃と記す）（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】Ｄ．Ｔｕｇｇｌｅ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１６，ｐ１６９９（１９７９）。
【０００３】
ＺｒＯ／Ｗ電子銃は、軸方位が＜１００＞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）を設け、該ＺｒＯ被覆層によってタングステン単結晶の（１００）面の仕事関数を４．５ｋＶから約２．８ｋＶに低下させたもので、前記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射領域となるので、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特徴を有する。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、使いやすいという特徴を有している（非特許文献２参照）。
【非特許文献２】Ｍ．Ｊ．Ｆｒａｎｓｅｎ，“Ｏｎ  ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＺｒＯ／Ｗ  Ｓｃｈｏｔｔｋｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｅｍｉｔｔｅｒ”，ＡＤＶＡＮＣＥＳ  ＩＮＩＭＡＧＩＮＧ  ＡＮＤ  ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＰＨＹＳＩＣＳ，  ＶＯＬ．ＩＩＩ、ｐ９１−１６６、１９９９  ｂｙ  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ．
【０００４】
しかし、ＺｒＯ／Ｗ電子銃は、電子線放射陰極として、例えば測長ＳＥＭに用い、角電流密度０．２ｍＡ／ｓｒ以上で動作させる際に、先端半径を０．２〜１．０μｍのものを用いると、放射される電子のエネルギー幅が大きくなり、その結果、高分解能を得ることができないという問題があった。
【０００５】
放射電子のエネルギー分布幅の増大はＢｏｅｒｓｃｈ効果により説明でき（非特許文献３参照）、電子光学系における色収差が増加し、特に低加速度ＳＥＭにおける分解能の劣化は甚大である。
【非特許文献３】Ｐｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ１９，３３５３，（１９７９）。
【０００６】
電子光学系における色収差が増加する問題に対して、針状電極の曲率半径を大きくすることが効果的であり、特に１μｍ以上の曲率半径が好ましいことが知られている（非特許文献４参照）。
【非特許文献４】Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．、１６，１７０４（１９７９）。
【０００７】
通常単結晶タングステンを先鋭化するために電解研磨法が用いられ、電解電圧、電解液等の諸条件を変えることで、さまざまな形状のものを得ることができる。しかしながら、通常の電解研磨により、図２に示すように先端半径ｒを大きくしようとすると、それに従い尖鋭部のテーパー角が大きくなってしまい、先端にかかる実効的な電界強度が小さくなり、十分な角電流密度を得ることができない。
【０００８】
本問題を解決するために、先端半径を大きくし、かつ尖鋭部のテーパー角を増大させない構造として、電解研磨後真空中で加熱処理などをすることにより、図３及び図４に示すようなものが提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平８−３６９８１号公報。
【０００９】
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、表面エネルギー的に安定なファセットが形成される。代表的なファセットの面方位は（１００）であり、タングステンは立方晶なので、＜１００＞方位を軸方位とするタングステン単結晶をニードルとして用いると、最先端部の他に図３及び図４に示すＢ部側面に４つの（１００）面からなるファセットが形成される。実際に電子源として真空装置内にて電子放射を行うと、前述した通りＺｒＯ被覆層により（１００）面の仕事関数を低減化するため、先端のみならず、側面に形成された（１００）ファセットからの電子放射が起こりやすくなり、結果的にトータルエミッション電流が増大する。トータルエミション電流が増大すると、特に側面からの電子放射の寄与により周辺部材からのガス放出が起こり、真空が劣化し、エミッションの不安定化や放電などが起きやすくなる。
【００１０】
また上記問題を解決するため、電解研磨時に電極配置を工夫することにより、図５のような形状を得ることが提案されている（特許文献２参照）。
【特許文献２】特開２００３−００７１９５公報。
【００１１】
本形状を達成するときに、比較的低い角電流密度（〜０．２ｍＡ／ｓｒ）では、チップ側面から電子放射が抑制されている。しかしながら、最近の測長ＳＥＭでは、比較的大きな角電流密度（０．３ｍＡ／ｓｒ以上）を使用する場合があり、０．３ｍＡ／ｓｒ以上の角電流密度を得ようとすると、引き出し電圧を大きくとる必要があり、それによりニードル側面部からの電子放射量も増大し、周辺部材からのガス放出が起こり、真空が電子源周辺で劣化してエミッションの不安定化や放電などが起きやすくなるという問題がある。
【００１２】
また、ニードル先端形状を制御する方法として、真空中での熱処理が古くから知られている。本手法は加熱による表面張力の作用により先端半径を増大させるというものである。しかしながら、実際に１μｍ程度の先端半径を得るために、仕事関数の低減化供給源としてジルコニウムを用いた場合、ジルコニウムの蒸発消耗を考慮した温度で行うと、長時間を要し、工業的に好ましくない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、前記の従来技術の有する問題を解決することを具体的な課題とし、角電流密度の高い使用条件下においても余剰電流が小さく、また引き出し電圧が抑制され、安定した動作が得られ、電子顕微鏡、電子線露光機、電子ビームテスタ、ウエハ検査装置、オージェ電子分光装置などに好適な電子源を安定して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】
【００１４】
即ち、本発明は、軸方位が＜１００＞方位の高融点金属の単結晶からなるニードルに前記高融点金属の仕事関数を低減するための元素の供給源を設けてなる電子源であって、前記ニードル先端の先鋭部が、円錐部（Ａ）と、前記円錐部（Ａ）に続く円柱部（Ｂ）と、前記円柱部（Ｂ）に続き、最先端部が球状の円錐部（Ｃ）とからなる形状であって、しかも円錐部（Ａ）の円錐角（θ）が２５度以下であり、かつ円錐部（Ｃ）先端の球状部の曲率半径（ｒ）が１．０〜２．５μｍであり、更に円錐部（Ａ）と円柱部（Ｂ）の境界から円錐部（Ｃ）の先端までの距離（Ｌ）に対する円錐部（Ｃ）先端の球状部の曲率半径（ｒ）の比（ｒ／Ｌ）が０．１〜０．３であることを特徴とする電子源であり、より具体的には、前記高融点金属がタングステンであり、前記元素がジルコニウムであることを特徴とする前記の電子源である。
【００１５】
また、本発明は、軸方位が＜１００＞方位のタングステン単結晶からなるニードルと、前記タングステンの仕事関数を低減させるためのジルコニウムの供給源とを有する電子源の製造方法であって、
（１）電解研磨により高融点金属の単結晶ニードルの先端部に先鋭部を形成する工程、
（２）真空中で加熱して、ニードル先端部に、円錐部（Ａ）と、前記円錐部（Ａ）に続く円柱部（Ｂ）と、前記円柱部（Ｂ）に続き、最先端部が球状の円錐部（Ｃ）とからなる形状の先鋭部を形成する工程、
（３）前記高融点金属の仕事関数を低減するための被覆層を形成した後、真空中で酸素処理を行う工程、
を順次経ることを特徴とする電子源の製造方法であり、より具体的には、前記（２）工程の加熱を２０００〜２６００Ｋの温度範囲内ですることを特徴とする前記の電子源の製造方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の電子源は、比較的角電流密度の高い使用において、従来に比べ余剰電流および引き出し電圧の増大を抑制でき、安定した動作を実現することができる特徴を有しているので、電子顕微鏡、電子線露光機、電子ビームテスタ、ウエハ検査装置、オージェ電子分光装置などに好適である。
【００１７】
本発明の電子源の製造方法によれば、前記の特徴のある電子源を高歩留で安定して得ることができる効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、電子顕微鏡、電子線露光機、測長ＳＥＭ等に用いられる電子放射陰極を例に本発明を説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。
【００１９】
まず本発明は、軸方位が＜１００＞方位の高融点金属の単結晶からなるニードルに前記高融点金属の仕事関数を低減するための元素の供給源を設けてなる電子源とその製造方法に関するものである。ここで、前記高融点金属としてはＷ或いはＭｏが、前記仕事関数を低減するための元素としてはＺｒ、Ｔｉ、Ｓｃ、Ｂａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｙ、Ｖ、及びＬａからなる群から選ばれる１種以上が選択される。
【００２０】
以下、本発明の電子源について、図に基づいて高融点金属がＷであり仕事関数を低減する元素がＺｒの場合を例示しながら説明する。尚、本発明は、発明者が前記目的でいろいろ実験的に検討した結果、後述する通りに、特定の形状を有するときに限り前記目的が達成できるという知見を得て、本発明に至ったものである。
【００２１】
図１は、本発明の電子源に関し、Ｗ製の単結晶からなるニードルの尖鋭部を拡大した断面図である。また、図２、３、４および５は、先に述べた通りに、従来法で作製された電子源のＷの単結晶からなるニードルの尖鋭部の断面図である。
【００２２】
本発明の電子源の特徴の一つは、ニードルの先端部の形状にある。即ち、図２あるいは図５では存在しない円柱部（図１におけるＢ部）を有することを特徴としている。また、前記の特徴を有しながら、先端形状が従来公知の形状のもの（図３および図４）とは異なり、円柱部がより伸びた特定の形状を有することを特徴としている。
【００２３】
即ち、本発明の電子源は、図１に例示する形状を有しており、しかも円錐部（Ａ）と、前記円錐部（Ａ）に続く円柱部（Ｂ）と、前記円柱部（Ｂ）に続き、最先端部が球状の円錐部（Ｃ）とからなる形状であって、しかも円錐部（Ａ）の円錐角（θ）が２５度以下であり、かつ円錐部（Ｃ）先端の球状部の曲率半径（ｒ）が１．０〜２．５μｍであり、かつ円錐部（Ａ）と円柱部（Ｂ）の境界から円錐部（Ｃ）の先端までの距離（Ｌ）に対する円錐部（Ｃ）先端の球状部の曲率半径（ｒ）の比（ｒ／Ｌ）が０．１〜０．３であることを特徴としている。
【００２４】
本発明において、先端半径ｒが１．０μｍ未満の場合、放射される電子のエネルギー幅が大きく、電子ビームの変動率が増大する。これは、先端半径が小さくなるほど、先端の仕事関数が低下した（１００）面の電子放射面積が小さくなることにより電流密度が増大し、Ｂｏｅｒｓｃｈ効果によりエネルギー幅が増大したと考えられる。先端半径ｒが２．５μｍを越えるもしくは円錐角が２５度を超えると、図１に示す円柱部（Ｂ部）が形成されず、図２や図５のような形状になってしまい、比較的大きな角電流密度（０．３ｍＡ／ｓｒ以上）を使用する場合、その角電流密度を得るための引き出し電圧が増大し、それによりニードル側面部からの電子放射量も増大し、周辺部材からのガス放出が起こり、局所的に真空が劣化してエミッションの不安定化や放電などが起きやすくなる。
【００２５】
従って、エネルギー幅の観点から先端半径ｒは１．０μｍ以上が好ましく、安定した高角電流密度動作の観点から先端半径ｒは２．５μｍ以下でかつ尖鋭部円錐角θは２５゜以下が好ましい。先端半径ｒについては２．０μｍ以下とするのがさらに好ましい。
【００２６】
また、類似した形状を有する従来公知の図３および図４においては、円柱部（Ｂ部）の距離が十分に考慮されていない。本発明者は、種々の検討から円錐部（Ａ）と円柱部（Ｂ）の境界から円錐部（Ｃ）の先端までの距離（Ｌ）に対する円錐部（Ｃ）先端の球状部の曲率半径（ｒ）の比（ｒ／Ｌ）が０．３よりも大きくなると、比較的大きな角電流密度（０．３ｍＡ／ｓｒ以上）を使用する場合、その角電流密度を得るための引き出し電圧の増大が認められ、本パラメータに着目するに至った。また、０．１よりも小さくなると、チップ側面（主に円柱面）からの電子放射量が大きくなり、その結果、余剰電流が増大して前記と同様の問題が発生する。従って、引き出し電圧および余剰電流増大抑制の観点から、前記ｒ／Ｌは０．１〜０．３であることが好ましい。
【００２７】
次に、本発明の電子源の製造方法について詳しく説明する。電子源の一般的な製造方法は、絶縁碍子の電極ピンにタングステンワイヤーからなるＶ型フィラメントを取り付け、その先端部に軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶ニードルを溶接固定した後、タングステン単結晶ニードルの先端部を電解研磨法にて尖鋭化し、タングステン単結晶ニードルの中央部にジルコニウム源を取り付けて約１０−４Ｐａの酸素存在下で加熱してタングステン単結晶ニードルの先端部にまでジルコニウムと酸素を拡散させ（以降、酸素処理工程と呼ぶ）、しかる後に各種の電極を取り付けて約１０−７Ｐａの真空下で電圧を印加することで、タングステン単結晶ニードルの先端部の形状を形成させるものである。
【００２８】
これに対して、本発明の電子源の製造方法は、まず第１ステップとして、電解研磨によりタングステン単結晶ニードルの先端部に先鋭部を形成する。ここで、電解研磨時間を調整することにより、適度な円錐角と先端半径の先端を形成する。次に、第２ステップとして、真空中で加熱し、ニードル先端部に、円錐部（Ａ）と、前記円錐部（Ａ）に続く円柱部（Ｂ）と、前記円柱部（Ｂ）に続き、最先端部が球状の円錐部（Ｃ）とからなる形状の先鋭部を形成する。加熱温度および時間は必要となる先端半径により異なるが、工業的なプロセスとして考慮すると、２０００〜２６００Ｋで行うことが好ましい。２３００〜２５００Ｋで行うことがさらに好ましい。また、第３ステップとして、タングステン単結晶の仕事関数を低減するための被覆層としてジルコニウムを形成した後、真空中で酸素処理を行う。酸素処理工程の主目的は、ジルコニウムをタングステンニードル先端まで拡散させ、ニードル先端部の（１００）面上にＺｒＯ被覆層を形成することであるが、この際、加熱しながら酸素を導入するために、気相エッチングにより先端半径が減少する。従って、（３）工程で減少する程度を考慮して（２）工程で先端半径を形成する必要がある。
【００２９】
本発明の特徴は、酸素処理工程前に加熱処理を行うことにより、ジルコニウムの蒸発消耗を懸念する必要がなく、その結果、比較的高温で処理することが可能であることにある。この特徴故に、本発明に拠れば、高温で加熱処理ができるので、比較的短時間で１μｍ以上の先端半径を形成することができ、生産性高く、前記特徴のある電子源を提供できる。
【実施例１】
【００３０】
（実施例１）絶縁碍子の電極ピンにタングステンワイヤーからなるＶ型フィラメントを取り付け、その先端に軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶ニードルを溶接して固定した。次にタングステン単結晶ニードルを電解研磨法により、先端部の形状加工を行った。
【００３１】
次に１×１０-8Ｐａの減圧下で２４００Ｋになるようフィラメント電流を設定し、２０時間加熱した。
【００３２】
次に、前記タングステン単結晶ニードルの中央部に水素化ジルコニウム粉を塗布し、酸素ガスを導入した１×１０-4Ｐａの減圧下で１８００Ｋになるようフィラメント電流を設定し、２０時間加熱した。その結果、円錐角（θ）が２０度で、先端半径（ｒ）が１．０μｍ、ｒ／Ｌが０．２５の先端部を有する電子源構造体を作成した。
【００３３】
前記電子源構造体にサプレッサー電極及び引き出し電極を取り付け、１×１０-7Ｐａの真空中で１８００Ｋに保ちながら、サプレッサー電極を−３００Ｖに、引き出し電極を２．５ｋＶとし、タングステン単結晶ニードルに電圧を印加し、電子放射を開始した。引き出し電極を通過した軸上電流をモニターし、電流が安定するまで電子放射を維持した。安定後、電子ビーム特性を測定したところ、引き出し電圧が４．５ｋＶ時に角電流密度０．３０ｍＡ／ｓｒ、エネルギー幅０．５０ｅＶであり、トータル電流が２２０μＡであった。尚、データは下記の算出方法により導出した。
【００３４】
＜角電流密度の算出方法＞軸上の開き角（２α）が１０ｍｒａｄで測定したプローブ電流（Ｉ）より、Ｉ／（π・α・α）にて算出した。
【００３５】
＜エネルギー幅の算出方法＞Ｏｏｓｔｒｏｍ型のエネルギー分析器を用いて測定されたエネルギー分布の半値幅をもってエネルギー幅とした（非特許文献５参照。）
【非特許文献５】Ａ．Ｇ．Ｊ．Ｖｏｎ  Ｏｏｓｔｒｏｍ；Ｐｈｉｌｌｉｐｓ  Ｒｅｓ．Ｒｅｐｔ．Ｓｕｐｐｌ．（１９６６）Ｎｏ．１  ＰＰ．１−１０２。
【００３６】
（実施例２、及び比較例１〜３）加熱処理温度を２５００Ｋとしたこと以外は実施例と同じ操作をして得られた電子源（実施例２）、又実施例１に於いて加熱処理を行わない従来方法に基づき、電解研磨条件を変えることにより種々のニードル先端形状を作製した電子源（比較例１〜３）を作成し、それぞれについて実施例１と同じ操作で電子ビーム特性を調べた。この結果を表１に示した。
【００３７】
（比較例４）従来方法の電解研磨において、くびれ部を形成した後、真空中で通電によるジュール熱により切断することにより先端部を形成したものについて、電子放射陰極を作製し、電子ビーム特性を調べた。その結果を表１に示した。
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の電子源は、実施例からも明らかな通りに、エネルギー幅が０．５ｅＶ以下、角電流密度が０．３０ｍＡ／ｓｒの時に、引き出し電圧が比較的低く抑えられ、しかもトータル電流が２５０ｕＡ以下と小さく、安定した電子ビームを容易に得ることができる特徴を有しているので、低加速ＳＥＭ、高分解能ＳＥＭ、測長機などの電子利用機器用の電子源として好適である。
【００３９】
本発明の電子源の製造方法は、前記特徴のある電子源を安定して、生産性高く提供できる特徴があり、産業上の大いに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の電子放射陰極のニードルの尖鋭部断面図。
【図２】従来方法で作製した電子放射陰極のニードルの尖鋭部断面図。
【図３】他の従来方法で作製した電子放射陰極のニードルの尖鋭部断面図。
【図４】他の従来方法で作製した電子放射陰極のニードルの尖鋭部断面図。
【図５】他の従来方法で作製した電子放射陰極のニードルの尖鋭部断面図。
【符号の説明】
【００４１】
θ     ；尖鋭部の円錐角
ｒ     ；先端半径（先端に内接する球の半径）
L      ；円錐部と円柱部の接合面から先端までの距離
Ｒ３   ；先端半径（先端に外接する球の半径）
Ａ部   ；円錐状の領域
Ｂ部   ；円柱状の領域
Ｃ部   ；半球状の領域
Ｄ部   ；平坦部又は外接する球との共通部分
【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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