(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部の直径が１００ｎｍ以下の電界放射型電子源と引出電極があり前記電子源が磁界に浸された磁界重畳電子源において、磁界の発生源の主たるものは前記電子源と同一の真空容器内に置かれた永久磁石であり、前記永久磁石は電子源先端から見た電子放出方向を中心軸として概ね軸対称形状を持ち、磁気の分極はこの中心軸方向もしくは半径方向の如き軸対称であり、前記電子源に対して直接あるいはソフト磁性体からなる磁極を介して接続することにより磁束を与え、前記永久磁石及び前記磁極の電位を電子源と同一もしくは引出電極と同一で用いるようにし、前記永久磁石はドーナツ形の如き中空構造であり、永久磁石の電子放出方向側の端はソフト磁性体を主な成分とする下部磁極と磁気的に結合し、永久磁石のもう一方の側はソフト磁性体を主な成分とする上部磁極と磁気的に結合し、下部磁極は引出電極と同一体であるかもしくは接しており、上部磁極の電子放出方向側の中心に電子源を接続し、上部磁極と下部磁極の間に少なくとも一つの絶縁体もしくは高抵抗体を設け引出電極と電子源を電気的に絶縁し、両者の間に引き出し電圧Ｖ１を印加して用いるようにした、電子源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電子源装置において、
中心軸近傍での上部磁極と引出電極の間隔Ｈ１２と、電子源先端と引出電極の距離Ｈ２４と、引出電極の開口径Ｄｅは、Ｈ１２＞Ｈ２４＞Ｄｅ／２の関係にある、電子源装置。
【請求項３】
先端部の直径が１００ｎｍ以下の電界放射型電子源と引出電極があり前記電子源が磁界に浸された磁界重畳電子源において、磁界の発生源の主たるものは前記電子源と同一の真空容器内に置かれた永久磁石であり、前記永久磁石は電子源先端から見た電子放出方向を中心軸として概ね軸対称形状を持ち、磁気の分極はこの中心軸方向もしくは半径方向の如き軸対称であり、前記電子源に対して直接あるいはソフト磁性体からなる磁極を介して接続することにより磁束を与え、前記永久磁石及び前記磁極の電位を電子源と同一もしくは引出電極と同一で用いるようにし、前記電子源は絶縁体からなるステムを貫通する２本の電極上に渡されたフィラメント上に固定され、前記永久磁石はドーナツ形の如き中空構造であり、永久磁石の電子放出方向側の端はソフト磁性体を主な成分とする下部磁極と、永久磁石のもう一方の側はソフト磁性体を主な成分とする上部磁極と磁気的に結合し、下部磁極は引出電極と同一体であるかもしくは接しており、上部磁極には貫通穴があり、上部磁極とステムは直接もしくは継ぎ手を介して接続され、上部磁極と下部磁極の間に少なくとも一つの絶縁体もしくは高抵抗体を設け引出電極と電子源を電気的に絶縁し、両者の間に引き出し電圧Ｖ１を印加して用いるようにした、電子源装置。
【請求項４】
請求項１、２、３のいずれか１項に記載の電子源装置において、
少なくとも一つの磁極近傍に少なくとも一つのコイルを設置し、通電して用いるようにした、電子源装置。
【請求項５】
請求項１、２、３、４のいずれか１項に記載の電子源装置において、さらに、少なくともｘとｙそれぞれ一対の静電型もしくは磁界型の偏向器と、観察試料を置く手段と、反射電子、二次電子、吸収電流のうちの少なくとも一つを計測する手段と、を備えた、電子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子顕微鏡などの電子線応用装置およびその電子線源装置に係わる。
【背景技術】
【０００２】
高分解能の電子顕微鏡を得るためには電子源として輝度の高いものが必要であり、このためには先端の尖った針状のＷ金属の電界放射（以下、Ｗ−ＦＥと略記）がもっぱら使われてきた。これをさらに高輝度化したものとしてカーボン・ナノチューブ（以下ＣＮＴと略記）による電子源が報告されている。針状の金属先端にＣＮＴを接着し電子源とし、針状金属を支えるフィラメントに通電加熱して電子源の表面清浄化、いわゆるフラッシングを行って、電子源として使用する。この場合、Ｗ―ＦＥに比べて電子の仮想光源径が小さくなることが高輝度化の原因である。Ｎｉｅｌｓ  ｄｅ  ＪｏｎｇｅらによるＮａｔｕｒｅ第４２０巻（２００２年１１月）３９３〜３９５ページの「Ｈｉｇｈ  ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｅａｍ  ｆｒｏｍ  ａ  ｍｕｌｔｉ−ｗａｌｌｅｄ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ」に記載されている。【０００３】
従来はこのような高性能の電子源を電子顕微鏡などの電子銃に適用する場合は、図２Ａのような引出電極２２とアノード電極２３がバトラレンズを構成するものが一般的である。ここで、バトラレンズとは、２枚の円形の電極板を並行に配置した構造を有する静電レンズの一種で、２枚の円板の外側が平板状で、向かい合う内側が外周から中心にかけてなだらかに薄くなっているものを言う。２枚の円板には、電子線が通過するための開口を備えている。加工しやすいように、この形を多少変形させたレンズもバトラレンズないしバトラ型レンズと呼ばれる。電子銃に良く用いられる。【０００４】
また、Ｔ．  Ｋａｗａｓａｋｉらによる論文Ｍｉｃｒｏｂｅａｍ  Ａｎａｌｙｓｉｓ，  第３巻（１９９４年）２８７〜２９１ページの「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ３５０  ｋＶ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  ｗｉｔｈ  ａ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｆｉｅｌｄ  Ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅｄ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｇｕｎ」には、より高輝度の電子銃構造が開示されている。図２Ｂに、Ｋａｗａｓａｋｉに示された電子銃の概要図を示す。当文献に記載の電子銃では、電子源２０から放出される電子線の引出電極を上部磁極２４と兼用し、下部磁極２５を上部磁極は同電位としている。Ｋａｗａｓａｋｉに記載の電子銃では、Ｗ−ＦＥ電子源２０と磁界レンズとを組み合わせて用いるため、電子線の取り込み角を大きくとっても収差の増大を抑えて電子線の大電流化が可能である。【０００５】
【非特許文献１】Ｈｉｇｈ  ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｂｅａｍ  ｆｒｏｍ  ａ  ｍｕｌｔｉ−ｗａｌｌｅｄ  ｃａｒｂｏｎ  ｎａｎｏｔｕｂｅ／Ｎａｔｕｒｅ第４２０巻（２００２年１１月）３９３〜３９５頁
【非特許文献２】Ｔ．  Ｋａｗａｓａｋｉ，  ｅｔ  ａｌ、Ｍｉｃｒｏｂｅａｍ  Ａｎａｌｙｓｉｓ，  第３巻（１９９４年）２８７〜２９１頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
輝度の高い電子銃を実現するためには、電子の仮想光源径が小さな電子源を用いる必要がある。また、仮想光源径が小さな電子源の性能をフルに発揮させるためには、電子源の仮想光源径が小さくなった分だけ、電子銃自身の収差も小さくする必要がある。しかしながら、従来の電子銃では電子銃自身の収差が大きく、電子源から放出される電子の仮想光源径ないし電子源の先端の物理的な直径が１００ｎｍ程度以下になると、電子線源の仮想光源径がいくら小さくなっても電子銃から放出される電子線の実効的な光源径は小さくならず、結果的に、輝度は高くならないという問題があった。これは図２Ａの従来の電子銃のバトラレンズ構造において特に重大な問題であり、カーボンナノチューブや、先端径のきわめて細い電界放射電子源の高輝度特性を活用する大きな妨げとなっていた。【０００７】
また、電子の仮想光源径を小さくするために物理的に電子源先端の直径を小さくすると、フラッシング時の熱によるフィラメントおよび電子源の針状金属の変形が顕著となり、フラッシングの度毎に光源の位置が移動するため、毎回軸調性が必要となるという問題もあった。【０００８】
一方、図２Ｂのように、コイル２６や磁気回路を加えて高輝度化をねらった電子銃を用いた場合、電子銃自身の収差を小さくするためには焦点距離の小さい電子光学系が必要であるが、Ｋａｗａｓａｋｉらによる電子銃構造では小さい光源径を生かせるほどの強い磁界を電子源近傍の微小空間のみに発生することは困難であった。また、この場合、構造が複雑で重量が増加するので振動しやすく、分解能が低下しやすいという問題があった。
そこで、本発明では、仮想光源径の小さな電子源と組み合わせてもその性能を落とすこと無く使用可能な、収差の小さな電子銃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】
【０００９】
電子源が磁界に浸された磁界重畳電子源と、当該電子源から電子線を引き出すための電界を印加する手段と、電子源に対して磁束を印加するための手段とを兼用する上部磁極及び下部磁極とを備え、当該上部磁極と下部磁極との間に電界を発生する電位差を与えることにより、収差の小さな電子銃を実現する。【００１０】
上部磁極と下部磁極に与える電位差により、電子源に対する電子の引き出し電界が発生する。また、上部・下部磁極と引出し電界の印加手段（引出し電極）とを兼用することにより電子銃全体の収差を小さくできる。これは、磁界の発生を、電子源に最も近い部品、すなわち引き出し電極でおこなうことにより、狭い領域で強い磁界が得られ、この結果、電子銃近傍に、焦点距離の短い電子レンズが形成されるためである。電子光学的に、焦点距離を短くすると収差は小さくなる。【００１１】
磁界の発生源としては、前記電子源と同一の真空容器内に配置された永久磁石を用いるのが好ましい。磁束発生源としてはコイルを使用することも可能であるが、永久磁石を用いると、電子レンズとして実用的な０．８〜１．１Ｔ程度の磁束を発生するのに極めて小さな体積ですむという利点がある。電子源に磁界を与えるためには、前記電子源と前記磁界の発生源とを直接あるいはソフト磁性体からなる磁極を介して接続する。前記永久磁石の形状は、電子源先端から見た電子放出方向を中心軸として概ね軸対称形状に配置する。この結果、磁気の分極がこの中心軸方向もしくは半径方向の如き軸対称となり、低収差の電子レンズとして理想的な、軸対象の磁界が得られる。【００１２】
前記永久磁石ないし前記磁極に印加する電位は、電子源と同一もしくは引き出し電極と同一で用いる。このため、磁界を発生する磁極および磁石と、電子を引き出す電界を発生する電極とを同一の小さな空間で形成することが可能となるので、狭い領域で強い磁界が得られる。【００１３】
本発明の電子銃と組み合わせる電子源は、仮想光源径のなるべく小さな光源が好ましく、特に、電子源の先端部の物理的な直径が１００ｎｍ以下の電界放射型電子源と組み合わせて用いると、収差が小さいという本発明の特徴を十分に生かすことができ、従来よりも高性能な電子銃が実現可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、カーボンナノチューブやＷ−ＦＥのような光源径の小さい電子源を有効に利用することができるので、高性能の電子銃を形成できる。さらにこれを用いて、より高分解能の電子顕微鏡のような、高性能の電子線応用装置を得ることができる。
本発明の他の目的、特徴及び利点は添付図面に関する以下の本発明の実施例の記載から明らかになるであろう。
【実施例１】
【００１５】
図１Ａに本発明の実施例のひとつの概略を示す。下部磁極２と上部磁極１とその間にドーナツ形の永久磁石３からなる磁気回路が形成され、基本的に軸対称構造であり、中心軸上には電子源４が上部磁極１の下面に設置される。この上部磁極１と下部磁極２はパーメンジュール合金からなる。電子線を引き出すための対向電極として下部磁極２が設置されており、これは絶縁体５を介して上部磁極１と電気的に絶縁されており、両者に引出電圧Ｖ１の電位差が印加される。この構造のために、電子源４の近傍に引き出し電界と磁界が極めてコンパクトに配置される。ここで、電子源４は図１Ｂに示されるように、Ｗ針６とカーボンナノチューブ７からなっている。両者の接合は、図１Ｃに示すように、Ｗ針先端に設けた垂直のガイド壁８にＷ等の金属膜９により固定されている。電子源４の先端部分７は針状、棒状、円錐形状のものでもよくまたは表面コーティング層を設けた金属針でもよい。また、カーボンナノチューブはＣＶＤ、放電等により形成されることができる。【００１６】
図１Ｃに示す構成の作成にはＳＥＭ（走査電子顕微鏡）中で、電子ビームもしくはイオンビームを所望の領域に照射しながらＷ原子を含んだガス、具体的にはカルボニルタングステンを導入し、分解生成物のＷ金属膜を堆積させる方法を用いる。なお、金属膜として融点が４００℃以上のものであれば、Ａｌ，  Ｍｏ，  Ａｕ等他のものを用いても同様の効果がある。永久磁石はＳｍとＣｏを主成分とする合金で、上部と下部がＮ極Ｓ極のいずれかに分極するように磁化されている。磁化の強度はほぼ材料の飽和磁気密度で用いると、長期間安定であり、この場合約１Ｔ程度である。絶縁体５はアルミナ等の硬く融点の高い絶縁体材料から選ばれる。【００１７】
実際の応用装置において、図１Ａの電子源を使うためには、組み立て後、真空排気しながら４００℃程度のベーキングを１から２０時間程度行い、内部の残留ガスや吸着物を蒸発させて除去する。次に、電子源先端を清浄化するフラッシングを短時間行う。本実施例では電子源からの放出電流Ｉｅを増加させ、このジュール熱により先端を過熱する。加熱温度は５００℃から２０００℃の範囲である。この方法では、従来のフィラメント加熱のフラッシングと比べて高温になる部分が微小な電子源先端に限られるので変形が最小限に抑えられ、軸調整が不要となると言う利点がある。【００１８】
ここで、図３Ａと図３Ｂに示すように、中心軸上での上部磁極と下部磁極の距離Ｈ１２と、電子源先端と下部磁極の距離Ｈ２４と、下部磁極の開口径Ｄｅは、おおむね次式の関係にあることが望ましい。【００１９】
Ｈ１２＞Ｈ２４＞Ｄｅ／２
これは、下部磁極が引き出し電極をかねているためであり、例えば、図３Ｂのように非磁性の引き出し電極３０を付けた場合は、この開口径がＤｅである。この場合、非磁性材料としては、Ｍｏ、Ｔｉ、オーステナイト系ステンレス鋼などが使われる。【００２０】
図１Ａ−１Ｃの構成の電子銃から得られる電子線の輝度は、従来の電子銃構造に比べて同一の放出電流で比べて１０倍程度以上高いものが得られる。これは、本構造により電子源の極近傍に焦点距離の短い電子レンズが形成される結果、電子銃の収差を３ｎｍ以下に抑えられるためである。したがって、この電子源装置を電子銃に用いることで、ＴＥＭ，ＳＥＭなどの顕微鏡の高分解能化、高速検査などが達成される。また、電子線のエネルギー幅は電子源先端の電界で変わり、電界が強いほどエネルギー幅が広くなる。このため、放出電流量Ｉｅが大きくなるとエネルギー幅が広がると言う、図４に示す傾向があるので、高輝度化していくとエネルギー幅が広がるという問題があったが、本発明を適用すると、同じ輝度をより低いＩｅで達成できるのでエネルギー幅を狭くできると言う利点がある。例えば、従来の高輝度電子銃ではエネルギー幅０．８から１ｅＶであったが本発明では０．２から０．３ｅＶと、１／４から１／３に単色化できる。これは、電子光学系の色収差を１／４から１／３に低減できるので顕微鏡などの高分解能化に寄与できる。また、分析装置においてはエネルギーのそろった電子線が使えるので、たとえば電子エネルギー損失分光の一次ビームに適用すればエネルギー分解能を改善することができる。また、上部磁極を電子源の上部に配したことにより、電子源は磁界中に置かれることになり、短焦点化し電子光学系の収差を小さくすることができる。【００２１】
なお、電子銃の焦点距離を小さくしたい用途において絶縁体５での磁気結合の損失が懸念されるような場合は、酸化鉄マグネシウム系のフェライトのような電気抵抗が高い磁性材料を用いても良い。その場合電子源はより強い磁界中に置かれるので電子銃の焦点距離が小さくなるという利点がある。【００２２】
Ｓｍ−Ｃｏ系磁石は、磁束密度が０．８〜１．１Ｔ程度と非常に高くかつ保持力も高く、また、キュリー点が７００℃以上と真空ベーク温度よりも高いので電子銃中に置いて用いることができる。ドーナツ型の両端面を分極させ、それぞれから上部磁極１と下部磁極２を用いて磁束を中心軸上に招き、電子源４近傍で大きな磁界を発生させる。これにより電子銃中にきわめて焦点距離の小さいレンズが形成される。磁界強度は、０．１Ｔ程度から３Ｔ程度まで可能なので、必要な磁界ごとに磁石のサイズ、各磁極の形状を前もって選択すればよい。磁石に用いた材料の化学量論的組成はＳｍＣｏ５もしくはＳｍ２Ｃｏ１７、あるいはこれらに近いものを用いても同様の効果がある。Ｓｍ−Ｃｏ系の４割程度以下の、より磁場の弱い用途の場合はアルニコ磁石を使えばより安価なものが得られる。【００２３】
また、アルニコ磁石では温度変化による磁束密度変化が小さいので、温度の変動が大きい環境で用いる用途に適している。なお、この場合に電子レンズの焦点距離を小さくするには、アルニコ磁石は保持力が小さいので、磁極間を長い形状として用いると良い。また、ベーキング温度が３００℃より十分低い用途ではネオジウム鉄ボロン磁石、すなわち、Ｎｄ２Ｆｅ１４Ｂを主としたものを用いると、安価のみならず、Ｓｍ−Ｃｏ系よりも３０％程度強い磁場が得られ、電子銃としてより焦点距離の短い物が得られる。磁石材料としては、プラセオジム磁石、プラチナ磁石、鉄クロムコバルト磁石など、用途に合った磁束密度と保持力と耐熱性があり、真空中で放出ガスの少ないものであれば同様の効果が得られる。【００２４】
永久磁石の持つ磁化の精度は１０％程度であり、また、磁束密度は温度で変化するため、より精度の高い磁界を制御する場合には調整用コイルを設ける。磁極２の外側でも内側でも良い。また、このコイルをヒーターと兼用しても良い。その場合、ヒーターとして使用する場合には数Ａから１０Ａ程度の電流として、磁極２を２００℃から４００℃に加熱する。これは、真空立上時のベーキングとして使えるだけでなく、温度によって磁束密度を微調整する手段として用いることもできる。なお、この場合のヒーター線の被服は、セラミックスなどの耐熱性の高いものがよい。【００２５】
ここでは、絶縁体５は下部磁極２を磁石３と上部磁極１に対して絶縁するために入れたが、上部磁極の電子源４に接続する中心付近と、下部磁極の中央の穴付近の双方に引出電圧をかけられる構造となっていれば同様の効果がある。例えば、図８のように磁石３を分割し、その間に絶縁体５を入れても良い。【００２６】
また、図９Ａのように中心軸上に棒状の永久磁石３を置き、細い棒状の磁石で長手方向に磁化したものの端面上に発生する磁界を使っても前述のように高輝度化が達成される。図９Ａでは、下部磁極はガイシ９５にボルト９６で固定され、両者の間にベース磁極９１と絶縁体５が挟み込まれて固定される。永久磁石３は上部磁極１とともに磁石ホルダ９２内に磁石おさえ９４で固定される。この磁石おさえは、外周にねじが形成されており、ベース磁極９１のめねじと噛み合う。また磁石ホルダ９２は皿ねじ９７によりベース磁極９１に固定されている。この場合、下部磁極の内壁には磁石が無いので、図９Ｂのように穴を開けて真空排気のコンダクタンスを高めたり、あるいは図９Ａのように非蒸発ゲッタ９３を置いて外に巻いたコイル９０の通電加熱により活性化させて真空ポンプとして作用させても良い。この場合、電子源４の周りはガス分子の少ない良好な状態が長時間保たれるという利点がある。【００２７】
本実施例においては電子源としてカーボンナノチューブを用いたが、電子放出源の光源径あるいは仮想光源径が小さく、３ｎｍ程度以下の場合には本発明を適用すれば、小さい光源径を損なうことなく電子線を発生できるので同様の効果がある。たとえば、Ｗの針で先端径が１００ｎｍ以下のもの、あるいはこの先端にナノチップを形成したものでも光源径が小さいので同様の効果がある。ナノチップとは、Ｗ−ＦＥの針を加熱しながら正電圧を印加して電界蒸発条件にすることにより針先端に数原子程度の突起を形成したものである。なお、Ｗ以外でも、Ｐｔ、Ｍｏなどの高融点金属を用いても良い。また、電子源の先端部分を化学的または電気化学的エッチングにより１００ｎｍ以下に先鋭化することができる。【００２８】
電子源の動作時の引出電圧Ｖ１は、実用的には、電子源がカーボンナノチューブの場合には、１００Ｖから４ｋＶの範囲、Ｗの針で先端径が１００ｎｍの場合は２ｋＶから５ｋＶの範囲で、電子源からの放出電流Ｉｅを観察しながら、Ｉｅが所望の値となるように決定される。このＩｅは、実用的には、カーボンナノチューブの場合は１０ｎＡから５００μＡの範囲、Ｗの針の場合１０ｎＡから３０μＡの範囲から選ばれる。上部磁極１は電子源１と同電位であり、加速電圧Ｖｏが印加される。実用的にはＶｏは、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）用には−３０ｋＶから−３０Ｖの範囲から、また、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）用には、−３０ｋＶから−１０００ｋＶの範囲から選ばれる。【００２９】
また、図１０に示すような、従来のＷ−ＦＥ電子源構造の先端の細い場合に適用しても良い。ここでは、絶縁体よりなるステム１００を貫通して固定されている２本の貫通電極１０１上にＷフィラメント２１が渡されており、このフィラメントにＷ−ＦＥ電子源２０を固定した既存の電子源である。先端径は１００ｎｍ程度以下である。磁気回路は上部磁極１の中心に貫通穴があり、この穴を通して電子源２０が永久磁石３からの磁束を集中させた領域に挿入され、上部磁極１とステム１００は継ぎ手１０２により固定される。【００３０】
このステム１００の表面は金メッキされており、貫通電極１０１の一端と電気的に接続している。このため、上部磁極１、永久磁石３、電子源２０は電気的に接続され加速電圧Ｖｏと同電位にある。下部磁極２を引き出し電極として、電子源２０との間に引き出し電圧Ｖ１を印加して用いる。図１０の構造は、従来のＳＥＭやＴＥＭなどの電子銃構造のわずかな改造で適用できるという利点がある。なお、この場合も先述のように、Ｗ針先端にナノチップを形成しても良い。【００３１】
ここでは磁極のソフト磁性材料としてパーメンジュールを用いたが、必要な磁束密度により、他の金属材料、たとえば、パーマロイや純鉄等を用いても同様の効果がある。
より簡便な構成として、図１１Ａおよび図１１Ｂのように中心軸上に棒状の磁石３を置き、細い棒状の磁石で長手方向に磁化したものの端面上に発生する磁界を使うことでも高輝度化が達成される。この場合、直接電子源を設置しかつ細長い形状を維持するには、欠けやすいＳｍ−Ｃｏ系よりも、アルニコ磁石、鉄クロムコバルト磁石などが適している。保持力が小さい材料の場合は形状を細長くする必要があるので、実用的には、太さが０．１ｍｍの場合は、長さ１ｍｍ以上、より好適には５ｍｍから１０ｍｍ程度で用いると良い。電子源取付け位置はこの棒の径が太いほど許容範囲が広くなるので、製造しやすくなる。この場合、太すぎると電子源への電界集中が難しくなるので、実用的に直径は５ｍｍ程度以下がよく、この場合、細長い形状を得るためには長さ２０ｍｍ以下程度とする。【００３２】
また、円柱状の永久磁石３を半径方向に分極するように磁化しても、磁極により磁力線を電子放出方向の軸に対して軸対称に集中させれば同様の効果がある。例えば、円板の中心と外輪でＳとＮに分極した構造でも、図１１Ｃのように上部磁極１と下部磁極２を設ければ図１の構造と同様の効果がある。この場合は磁石の作成が容易で、安価に作成できると言う利点がある。【００３３】
本実施例において磁気回路の磁束を永久磁石により発生させており、安価に製造できるという効果は、図２Ｂの従来例と比較して明らかである。すなわち、従来技術では、Ｗ−ＦＥの使用に際しては電子銃内の雰囲気を超高真空領域（圧力１０−８Ｐａ台以下）として用いるため、準備として、２００℃から４００℃のベーキングが必要となるが、このために外部コイルを高温の耐熱材で被覆したものを用いるか、あるいは外部コイルを取り外し式とする必用があり、どちらにしても製造コストがかかるという問題があった。しかし、本発明を適用すれば、磁界発生するための永久磁石はキュリー点がベーキング温度に比べて十分高いものを選べば、特別な被覆や取り外す構造をとる必要が無いものである。
【実施例２】
【００３４】
走査電子顕微鏡に適用した場合の一例の概略を図６に示す。
電子銃の組立工程では、電子源４の取付け位置の数十μｍ程度の誤差は避けられない。電子源４が電子光学系の軸中心からずれている場合、軸上で観測される電子線は、角度がずれたものが増える。さらに、電子源中の電子レンズの軸からずれたものが主になるので収差が大きくなると言う問題が出てくる。これは、磁界を重畳した結果、焦点距離が短くなり電子源位置の精度が厳しくなったためである。これを解決する方法として、機械的に合わせる方法と、電子光学系によるものがある。機械的に合わせる場合は、例えば図７のように電子源４を微動台７０に乗せて位置を調整すればよい。【００３５】
この場合、微動台７０に電子源４を複数設置しておき、引き出し電極をじょうご型にして中心部分のみに強い電界がかかるようにしておけば、複数ある電子源４のうちの１本を選んで用いることができるので、電子銃をあけずに電子源が交換でき、長期間にわたり使用できると言う利点がある。一方、電子光学系により軸ずれを補正する方法としては、例えば、図５Ａに示すように偏向器５０により角度を補正する方法がある。偏向器５０は紙面では一対だが、補正方向はｘ−ｙの２軸あるので二対設ける。偏向方式は、静電界でも磁界でも良い。さらに図５Ｂのように偏向器５０を二段設けると、電子ビーム５の角度と位置の両方の補正ができるので、電子銃のレンズ中心により近いところを通過した電子線を使うことができ、収差の低減の点で望ましい。【００３６】
図６の走査電子顕微鏡では、２段の偏向器により電子源の収差を抑え、アパーチャ６１により余分な電子をさえぎり、対物レンズ６６により電子ビーム１０を収束させて試料６７に照射する。電子ビーム１０は走査用偏向器６９により試料台６８上の試料６７表面上を走査しそこから発生する反射電子を上方の反射電子検出器２９で、二次電子はＥｘＢフィルタ６４で横に曲げて二次電子検出器６３でそれぞれ検出して、これらを元にＳＥＭ像を得る。対物レンズの色収差を低減するためにブースター電極６５に電圧Ｖｂを印加し、試料６７にリターディング電圧Ｖｒを印加して、対物レンズ中の電子の速度を上げている。試料に照射する電子エネルギーは、｜Ｖｏ｜−｜Ｖｒ｜であり、１０ｅＶから５ｋｅＶ程度の範囲で用いる。また、対物レンズ中の電子エネルギーは、｜Ｖｏ｜＋｜Ｖｂ｜であり、１ｋＶから１０ｋＶ程度の範囲で用いる。【００３７】
本発明の電子源は図２Ｂに示されるような従来のＦＥ電子銃に比べて電子銃の収差をきわめて小さくできるので、電子源の小さいソースサイズを損なうことなく利用することができる。例えば、バーチャルソースサイズ３ｎｍの電子源を用い、全体の電子レンズの縮小率１／２としたときに、試料上のプローブ径を１．５ｎｍとすることができる。この結果、小さいソースサイズの電子源を利用できるので、より高分解能の顕微鏡観察が行える。【００３８】
また、電子源４に重畳された磁界のためにより広い放射角の電子ビームを収束することができるので、例えばエミッション電流を０．１μＡとしてもプローブ電流を１０ｐＡ以上取り出すことができ、より高速で像観察することが可能となる。【００３９】
さらに、試料照射エネルギーが３ｋＶ程度以下では色収差が支配的になっているため、電子源を従来と同一の輝度で用いることで、先述のように電子線が単色になるので、色収差を１／３から１／４に低減でき、飛躍的な高分解能化が達成される。このＳＥＭは、電子ビームの損傷を受けやすい有機物の観察に適している。例えば、ＬＳＩ工程での微細加工用レジストや層間絶縁材料の観察や長さ測定、あるいは、たんぱく質や生体や細胞の観察に有用である。
上記記載は実施例についてなされたが、本発明はそれに限らず、本発明の精神と添付の請求の範囲の範囲内で種々の変更および修正をすることができることは当業者に明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１Ａ】本発明の構成を説明するための図。
【図１Ｂ】本発明の構成を説明するための図。
【図１Ｃ】本発明の構成を説明するための図。
【図２Ａ】従来技術の説明図。
【図２Ｂ】従来技術の説明図。
【図３Ａ】本発明の一実施例の説明図。
【図３Ｂ】本発明の一実施例の説明図。
【図４】本発明を説明するための特性図。
【図５Ａ】本発明に係わる偏向器の説明図。
【図５Ｂ】本発明に係わる偏向器の説明図。
【図６】本発明に係わる装置の全体構成を示す図。
【図７】本発明の一部変形例を示す図。
【図８】本発明の他の一部変形例を示す図。
【図９Ａ】本発明の他の実施例を示す図。
【図９Ｂ】本発明の他の実施例を示す図。
【図１０】本発明の更に他の実施例を示す図。
【図１１Ａ】本発明の一部変形例を示す図。
【図１１Ｂ】本発明の一部変形例を示す図。
【図１１Ｃ】本発明の一部変形例を示す図。
【符号の説明】
【００４１】
１  上部磁極
２  下部磁極
３  永久磁石
４  電子源
５  絶縁体
６  Ｗ針
７  カーボンナノチューブ
８  ガイド壁
９  金属膜
１１  アノード
１０  電子線
２０  Ｗ−ＦＥ電子源
２１  Ｗフィラメント
２２  引出電極
２３  アノード
３０  引き出し電極
５０  偏向器
６０  真空容器
６１  アパーチャ
６２  反射電子検出器
６３  二次電子検出器
６４  ＥｘＢ
６５  ブースター電極
６６  対物レンズ
６７  試料
６８  試料ステージ
９０  コイル
９１  ベース磁極
９２  磁石ホルダ
９３  非蒸発ゲッタ
９４  磁石おさえ
９５  ガイシ
９６  ボルト
９７  皿ネジ
１００  ステム
１０１  貫通電極
１０２  継ぎ手
【図１Ａ】
0004227646.tif 000002
【図１Ｂ】
0004227646.tif 000003
【図１Ｃ】
0004227646.tif 000004
【図２Ａ】
0004227646.tif 000005
【図２Ｂ】
0004227646.tif 000006
【図３Ａ】
0004227646.tif 000007
【図３Ｂ】
0004227646.tif 000008
【図４】
0004227646.tif 000009
【図５Ａ】
0004227646.tif 000010
【図５Ｂ】
0004227646.tif 000011
【図６】
0004227646.tif 000012
【図７】
0004227646.tif 000013
【図８】
0004227646.tif 000014
【図９Ａ】
0004227646.tif 000015
【図９Ｂ】
0004227646.tif 000016
【図１０】
0004227646.tif 000017
【図１１Ａ】
0004227646.tif 000018
【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
0004227646.tif 000020