JP4782736B2 - 電子源 - Google Patents

Description

本発明は、走査型電子顕微鏡、オージェ電子分光装置、電子線露光機、ウェハ検査装置などに適用される電子源に関する。

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の被覆層を設けた陰極を用いた電子源が用いられている（以下、ＺｒＯ／Ｗ電子源と記す）（非特許文献１参照）。
Ｄ．Ｔｕｇｇｌｅ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．１６，ｐ１６９９（１９７９）

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、ジルコニウムと酸素からなる拡散源を設け、ジルコニウム及び酸素を拡散することにより被覆層（以下、ＺｒＯ被覆層という）を形成し、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４．５ｅＶから約２．８ｅＶ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特徴を有する。

ＺｒＯ／Ｗ電子源は、図１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拡散源２が設けられている。

ＺｒＯ／Ｗ電子源の陰極１の先端部はサプレッサー電極と引き出し電極の間に配置され使用される。陰極１はフィラメント３により１８００Ｋ程度に通電加熱されるとともに、一般に陰極１には引き出し電極に対して負の高電圧が印加され、更にサプレッサー電極には陰極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。

ＺｒＯ／Ｗ電子源は、低加速電圧で用いられる測長ＳＥＭやウェハ検査装置などに広く用いられているが、比較的高倍率でＳＥＭ像をみる際、装置周辺からの振動によりノイズが発生し、分解能が得られず、測長などを行うことができない場合がある。このノイズは、ＺｒＯ／Ｗ電子源のタングステンフィラメントが共振周波数により、振動していることが原因であることがわかっている。

前記の振動を抑制するために、本発明者は、陰極の電子放射部とは異なる端部を絶縁碍子に固定した構造の電子源を発明し出願している。この構造体においては、フィラメント加熱したときにフィラメントは熱膨張するが、陰極が絶縁碍子に固定されているため、陰極及びフィラメント自身に応力が加わり、陰極またはフィラメントが塑性変形して信頼性を損ねることがあることが判ってきた。そこで、本発明者は、フィラメントに曲部を設け、熱膨張によって発生する応力をこの曲部により緩和させることで、陰極及びフィラメントの塑性変形を防止することも提案している。しかしながら、この構造により陰極がサプレッサー電極に接触してしまうような不具合は生じなくなるが、それでも陰極加熱時の微小な軸ずれにより、フィラメントからの熱電子放射を抑制するサプレッサー電極の効果が充分発揮できず、余剰な電子がサプレッサーの穴から放射される場合がある。

本発明者は、上記の事情に鑑みていろいろ検討した結果、この陰極加熱時の微小な軸ずれの原因が、陰極をフィラメントの側面に固着されていることに起因していることにあるという知見を得て、本発明に至ったものである。

本発明は、電子放射部を有する陰極が、絶縁碍子に設けられた２つの導電端子のそれぞれに接続された２本のフィラメントの先端で挟むようにして接合され、前記陰極の電子放射部とは異なる端部が絶縁碍子に固定されている電子源であって、前記２本のフィラメントが陰極の中心軸に対して２回対称であることを特徴とする電子源である。

また、本発明は、前記陰極の電子放射部とは異なる端部が、絶縁碍子にろう付けされた金属部材を介して絶縁碍子に固定されていることを特徴とする電子源であって、好ましくは、前記２本のフィラメントがいずれも、前記陰極との接合部分から前記導電端子に固定されている部分までの間に曲部を設けていることを特徴とする電子源である。

また、本発明は、前記陰極がモリブデンまたはタングステンの＜１００＞方位の単結晶からなり、陰極の一部にＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、またはランタノイド系列から選ばれた金属元素の酸化物を拡散源として有することを特徴とする電子源である。

本発明の電子源は、電子放射部を有する陰極が、絶縁碍子に設けられた２つの導電端子のそれぞれに接続された２本のフィラメントの先端で挟むようにして接合され、前記陰極の電子放射部とは異なる端部が絶縁碍子に固定され、しかも前記２本のフィラメントが陰極の中心軸に対して２回対称という構造を有しているので、電子源が実用に供されたときに、陰極が加熱されフィラメントが熱膨張しても、陰極に応力が均等に作用する為、陰極の中心軸に対して軸ずれを起こすような変形が生じず、安定して、高信頼性の電子ビームが得られるという効果が得られる。

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。

即ち、本発明の技術思想は、陰極がモリブデンまたはタングステンの＜１００＞方位の単結晶からなり、陰極の一部にＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、またはランタノイド系列から選ばれた金属元素の酸化物を拡散源として有する電子源について好ましく適用できるが、これに制限されるものではない。

以下、本発明の具体的な実施態様について、図２を参照しながら説明する。

絶縁碍子５に固定された導電端子４にタングステン或いはタングステン合金製のワイヤーからなる２本の同形状のフィラメント３を溶接によりそれぞれ取り付け、その先端が重なるようにする。次にフィラメント３の重なった位置に、電子ビームを放射するタングステンの＜１００＞方位の単結晶ニードル１をフィラメント３の先端で挟むようにして溶接等により固着する。前記操作により、図３に例示する２本のフィラメント３が陰極１の中心軸に対して２回対称である電子源を作製できる。

更に、本発明に於いては、陰極１の電子放射部とは異なる端部を、絶縁碍子５に固定することを特徴としている。当該構造を採用することで、外界からの振動によるカソードの共振によるノイズの発生が極めて小さく押さえることができ、当該電子源を用いた装置では、その外側に防振構造などを設けることなく高分解能が得られ、低いコストで高信頼性を達成することができるという格別の効果が得られる。

前記特定の構造を達成する手段としては、絶縁碍子５にろう付け等の手段で固定された金属部材６に陰極１を溶接等により固定する方法が容易であり、好ましい。前記金属部材６は絶縁碍子５の中央部一個所で固定するのみで十分である。

フィラメント３の形状としては、陰極１との接合部分から前記金属部材６に固定されている部分までの間に曲部を設けていることが好ましい。すなわち、通電加熱したときにフィラメント３は熱膨張するが、陰極１が絶縁碍子５に固定されているため、陰極１及びフィラメント３自身に応力が加わり、陰極１またはフィラメント３が塑性変形して結果的に陰極の空間的な配置が変位し電子ビームが影響を受けて信頼性を損ねることがある。予め、フィラメント３に曲部を設け、熱膨張によって発生する応力をこの曲部により緩和させることで、陰極１及びフィラメント３の塑性変形を防止し、陰極の空間的配置が影響されない、その結果信頼性の高い電子源を提供することが可能となる。

本発明において、フィラメントは回転対称であれば一応の効果が得られるものの、フィラメントによる通電加熱には最低２本のフィラメントがあれば足りるし、３回転以上とする場合にはかえってフィラメント間のバランスが容易に確保できないという技術上の問題が発生する。そこで、本発明では、陰極１の中心軸に対してフィラメント３を２回対称とすることを選択する。これにより、電子源が実用に供されたときに、陰極１が加熱されフィラメント３が熱膨張しても、陰極１に応力が均等に作用する為、陰極１の中心軸に対して軸ずれを起こすような変形が生じないという効果が確実に得ることができるし、フィラメント３からの熱電子放射を抑制するサプレッサー電極の効果が充分発揮され、安定した高信頼性の電子ビームを得ることが一層容易となる。

なお、図２ではフィラメント３を「Ｓ字」のごとく曲部を形成しているが、本発明はこれに制限されるものではない。

前記の操作で得られた構造体は、次に、陰極１の先端部を電解研磨により尖鋭化し、その中央部側面にジルコニウム源を形成して約１０^−４Ｐａの酸素存在下で加熱して陰極１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、陰極１の先端部の形状を形成させるものである。

（実施例）
絶縁碍子５にロウ付けされた一対の導電端子４に、図２に例示した通りに、「Ｓ字」のごとく曲部を設けたタングステン製の２本のフィラメント３をスポット溶接により固定した。＜１００＞方位の単結晶タングステン陰極１を２本のフィラメント３で挟むようにスポット溶接により取り付け、図３に示すように陰極１の中心軸に対してフィラメント３が２回対称になるようにした。さらに、陰極１の電子放射部とは異なる端部を、絶縁碍子５の中央部に固定された金属部材６にスポット溶接により固定した。

次に陰極の先端部を電解研磨により尖鋭化した。次に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の一部に塗布し、約１０^−４Ｐａの酸素存在下で加熱して酸素処理を行い、図２に示す構造の電子源構造体を得た。

電子放射特性評価の為、前記の電子源構造体を図６に示す電極構成を有する評価装置に導入した。陰極１の先端はサプレッサー電極７と引き出し電極８との間に配置される。陰極１はフィラメント加熱電源１０に接続され、更に高圧電源１２に接続され、引き出し電極８に対して負の高電圧が印加される。また、サプレッサー電極７はバイアス電源１２に接続され、陰極１に対して更に負の電圧が印加される。これによりフィラメント部からの熱電子の放射を抑える。陰極１の先端から放射した電子線１３は蛍光板に照射され、蛍光部分より電子放射パターンを観察し、陰極１の先端からの電子放射以外の電子放射の有無の確認をした。

（比較例）
図４に示す構造で、即ち、絶縁碍子５にロウ付けされた一対の導電端子４の間に「Ｖ字」状の１本のフィラメントの側面に陰極を図５に示すようにスポット溶接により固定したこと以外は実施例と同様の方法で作製したものを、実施例と同様に試験を実施した。

実施例および比較例を各ｎ＝３で試験した結果を表１に示す。実施例では、いずれも陰極先端から放出した電子に起因する中心軸上の円形の電子放射パターン以外の電子放射は認められず、フィラメントからの熱電子がサプレッサーにより抑制されている。一方、比較例では陰極先端からの電子放射以外の電子放射パターンが３個中２個に認められ、陰極加熱時の陰極の微小な軸ずれが生じ、サプレッサーによるフィラメントからの熱電子の抑制の効果が充分発揮できていないことが分かる。

本発明の電子源は、特定な構造を有していて、外部からの振動の影響を受けにくく、かつ信頼性の高い、安定した電子線を提供できる特徴があり、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いろいろな電子線利用装置に適用でき、産業上非常に有用である。

従来公知の電子源の構造図 本発明に係る電子源の一例についての構造図 本発明に係る電子源の構造図（図２の電子源を針状チップの方向から見た図） 比較例に係る電子源の構造図 比較例に係る電子源の構造図（図４の電子源を針状チップの方向から見た図） 電子放射特性の評価装置の構成図

符号の説明

１： 陰極
２： 拡散源
３： フィラメント
４： 導電端子
５： 絶縁碍子
６： 金属部材
７： サプレッサー電極
８： 引き出し電極
９： 蛍光板
１０： フィラメント加熱電源
１１： バイアス電源
１２： 高圧電源
１３： 放射電子線

Claims (3)

1. 電子放射部を有する陰極と、その一部に金属元素の酸化物を拡散源として有する電子源であり、
   前記陰極の電子放射部とは異なる端部が絶縁碍子に固定され、
   前記陰極が、前記絶縁碍子に設けられた２つの導電端子のそれぞれに接続された２本のフィラメントの先端で挟むようにして接合され、
   前記２本のフィラメントが、いずれも、前記陰極との接合部分から前記導電端子に固定されている部分までの間にＳ字状の曲部を設け、かつ陰極の中心軸に対して２回対称であることを特徴とする電子源。
2. 前記陰極の電子放射部とは異なる端部が、絶縁碍子にろう付けされた金属部材を介して絶縁碍子に固定されていることを特徴とする請求項１記載の電子源。
3. 前記陰極がモリブデンまたはタングステンの＜１００＞方位の単結晶からなり、前記拡散源として、陰極の一部にＣａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、またはランタノイド系列から選ばれた金属元素の酸化物を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の電子源。