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Patent Searching and Data


Title:
ELECTRON SOURCE AND ELECTRON BEAM DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/044564
Kind Code:
A1
Abstract:
An electron source which provides a stable electron beam even when an apparatus using the electron source is affected by external vibration. An electron source includes an insulating glass (5), two conductive terminals (4) arranged at intervals on the insulating glass (5), a lengthy filament (3) stretched between the conductive terminals (4), and a cathode (1) which is attached to the filament (3) and has an electron emission section. A shape of cross section perpendicular to the axial direction of the filament (3) has a long way and a short way, and the maximum length of the long way is in the range from not less than one and a half times to not more than quintuple size of that of the short way.

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Inventors:
NONOGAKI, Ryozo (1135 Nakamura, Shibukawa-sh, Gunma 20, 3778520, JP)
野々垣 良三 (〒20 群馬県渋川市中村1135 電気化学工業株式会社渋川工場内 Gunma, 3778520, JP)
Application Number:
JP2008/054359
Publication Date:
April 09, 2009
Filing Date:
March 11, 2008
Export Citation:
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Assignee:
DENKI KAGAKU KOGYO KABUSHIKI KAISHA (1-1 Nihonbashi-Muromachi 2-chome, Chuo-ku Tokyo, 38, 1038338, JP)
電気化学工業株式会社 (〒38 東京都中央区日本橋室町二丁目1番1号 Tokyo, 1038338, JP)
NONOGAKI, Ryozo (1135 Nakamura, Shibukawa-sh, Gunma 20, 3778520, JP)
International Classes:
H01J37/06; H01J1/15; H01J1/16
Foreign References:
JPS55148339A
JPS4827623Y1
JP2005222945A
Attorney, Agent or Firm:
SONODA, Yoshitaka et al. (SONODA & KOBAYASHI, 53 rd FloorShinjuku Mitsui Building,1-1, Nishi-Shinjuku 2-chom, Shinjuku-ku Tokyo 53, 1630453, JP)
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Claims:
 絶縁碍子と、前記絶縁碍子に間隔を空けて配置された2つの導電端子と、前記導電端子の間に張られている長尺のフィラメントと、前記フィラメントに取り付けられ電子放射部を有する陰極と、を備える電子源であって、前記フィラメントの軸方向に対する垂直断面形状が長方向と短方向を有し、長方向の最大長がその短方向の最大長の1.5倍以上5倍以下であって、前記フィラメントの断面形状の長方向が、前記フィラメントと前記導電端子を取り付けた2か所の位置と、前記陰極のある位置の3点で形成される平面の法線に対して±10°以下となるように、前記フィラメントが張られている電子源。
 前記フィラメントの断面形状が、長方形、楕円形、菱形又は長方形の短辺を半円形にした形のいずれかである、請求項1記載の電子源。
 前記フィラメントが、タングステン、モリブデン、レニウム、タンタル、イリジウムから選ばれた金属、又はこれらの元素を少なくとも1種選択した合金である請求項1に記載の電子源。
 前記陰極が、タングステン又はモリブデンの<100>方位の単結晶から主としてなり、前記陰極の一部にCa、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ti、Zr、Hf又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、請求項1に記載の電子源。
 請求項1に記載の電子源を有する、電子ビーム装置。
Description:
電子源及び電子ビーム装置

 本発明は、単結晶の針状の陰極に被覆層 設けた電子源、及び、この電子源を利用し 走査型電子顕微鏡、走査型透過電子顕微鏡 オージェ電子分光装置、電子線露光機、ウ ハ検査装置などの電子ビーム装置に関する

 近年、熱陰極よりも長寿命でより高輝度 電子ビームを得るために、タングステン単 晶の針状電極にジルコニウムと酸素の被覆 を設けた陰極を用いた電子源が用いられて る(以下、ZrO/W電子源と記す。)(非特許文献1 照)。

 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Z rO被覆層によってタングステン単結晶の(100) の仕事関数を4.5eVから約2.8eVに低下させたも である。さらに、ZrO/W電子源は、陰極の先 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であるので、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。上記 陰極による電子源の供給を安定させるために 、陰極先端の形状を適切に加工する技術も知 られている(特許文献1参照)。

 また、上記被覆層をバリウムと酸素によ て構成する技術も知られている(特許文献2 び特許文献3参照)。

 ZrO/W電子源は、図4に示すように、絶縁碍 5に固定された導電端子4に張ったタングス ン製の加熱用フィラメント3の一部に電子ビ ムを放射するタングステンの<100>方位 針状の陰極1が溶接等により固定されている 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。図示していないが 極1の表面はZrO被覆層で覆われている。

 ZrO/W電子源の陰極1の先端部は、サプレッ ー電極と引き出し電極の間に配置されてい 。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、陰極1には引出電極 対して負の高電圧が印加され、更にサプレ サー電極には陰極1に対して数百ボルトの負 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 SEMやウェハ検査装置などに広く用いられて るが、比較的高倍率でSEM像をみる際、装置 辺からの振動によりノイズが発生し、分解 が得られず、測長などを行うことができな 場合がある。ZrO/W電子源のフィラメント3は 導電端子4との接合部2箇所と陰極1の3点で形 される面に対して垂直方向に振動しやすく その振動は固有の周波数を持っている。外 からの振動の周波数がこの固有周波数に一 すると、フィラメントが共鳴振動を起こし ノイズを引き起こしてしまうことがわかっ いる。
D. Tuggle, J. Vac. Sci. Technol.16,p1699(1979)

特開2005-339922号公報

特開2004-265614号公報

特開2005-332677号公報

 この振動を抑制するため、装置に防振構 を設けることにより、対処することが試み れているが、完全に共振しないようにする めには、装置として大がかりなものになっ しまうという問題がある。

 フィラメントを太くして剛性を高めるこ で、振動振幅はある程度抑制することが可 であるが、太くすることで通電加熱に必要 電流が増大してしまうという課題がある。 子ビーム装置の許容電流量に応じた通電加 電流の制限があるので、単に太くすること できない。

 すなわち、本発明の目的は、外部より振 を受けても安定した電子線を与える電子源 び電子ビーム装置を提供することにある。

 本発明によれば、絶縁碍子と、絶縁碍子 間隔を空けて配置された2つの導電端子と、 導電端子の間に張られている長尺のフィラメ ントと、フィラメントに取り付けられ電子放 射部を有する陰極と、を備える電子源であっ て、上記フィラメントの軸方向に対する垂直 断面形状が長方向と短方向を有し、長方向の 最大長がその短方向の最大長の1.5倍以上5倍 下であって、フィラメントの断面形状の長 向が、フィラメントと導電端子を取り付け 2か所の位置と、陰極のある位置の3点で形成 される平面の法線に対して±10°以下となるよ うに、フィラメントが張られている電子源が 提供される。

 本発明によれば、電子源が実用に供され ときに、装置周辺からの振動により電子源 共振してノイズを発生することが防止され かつ、フィラメントの通電加熱に必要な電 の増加を抑えることができるという効果が られる。

本発明の実施形態に係る電子源の構造 (a)及びフィラメント3の軸方向に対する垂直 断面を拡大した模式図(b)である。 本発明に係る電子源の構造図(図1の電 源を陰極の方向から見た図)である。 電子源の共振振幅の評価装置の構成図 ある。 比較例に係る、従来公知の電子源の構 図(電子源を陰極の方向から見た図)である

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:電子源
 7:レーザー変位計
 8:加速度センサ
 9:振動板
 10:振動発生器
 11:レーザー光
 a:フィラメント断面の長方向の長さ
 b:フィラメント断面の短方向の長さ

〈発明の経緯〉
 本発明者は、鋭意検討した結果、フィラメ トの振動し易い方向が、フィラメントと導 端子を取り付けた2か所の位置と陰極の3点 形成される面に対して垂直な方向であるこ を見出し、フィラメントの断面積を従来と ぼ同じにして通電加熱に必要な電流の増加 抑えながら、この振動し易い方向のフィラ ントの剛性を高める形状について検討し、 発明に至ったものである。
〈実施形態〉

 以下、図面を参照しながら本実施形態の具 的な実施態様について説明する。
 図1は本発明の実施形態に係る電子源の構造 図(図1(a))及びフィラメント3の軸方向に対す 垂直断面の拡大図(図1(b))である。図1(a)にお て、1は陰極、2は拡散源である。3はフィラ ントである。前記フィラメントの軸方向に する垂直断面形状が長方向と短方向を有し 長方向の最大長が短方向の最大長の3倍であ る。

 本実施形態の電子源では、フィラメント タングステン、モリブデン、レニウム、タ タル、イリジウムから選ばれた金属、又は れらの元素を少なくとも1種選択した合金で あり、陰極がタングステン又はモリブデンの <100>方位の単結晶からなり、陰極の一部 Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ti、Zr、Hf、又はラン ノイド系列から選ばれた元素の酸化物を拡 源として有する電子源について好ましく適 できるが、これに制限されるものではない

 本実施形態の電子源を作成するためには 上記フィラメント3をV字のごとく曲げ、絶 碍子5に固定された導電端子4に溶接により取 り付ける。取り付けに際しては、前記フィラ メントの断面形状の長方向は、フィラメント 3の導電端子4との接合部2箇所と陰極1との3点 形成される平面に対して、垂直となるよう 取り付ける。

 ここで、前記平面は、2箇所の接合部の中 心と単結晶陰極の中心とを通る平面である。 また、前記フィラメントの断面形状の長方向 と前記平面とは直交するが、この長方向は、 前記平面の法線に対して±10°以下、好ましく は±5°以下の傾きを構成してもよい。

 図2は、図1の電子源を陰極の方向から見 図である。

 そのフィラメント軸方向に対する垂直断 形状が長方向と短方向を有し、長方向の最 長がその短方向の最大長の1.5倍以上5倍以下 のフィラメントを得る方法としては、板状の 金属板を短冊状に切断する方法がある。また 、断面が円形状のワイヤを圧延ローラー等で 圧延することで、長方向と短方向を持つワイ ヤを得る方法があり、容易にかつ大量に処理 できるので好ましい。

 本実施例では、そのフィラメント軸方向 対する垂直断面形状を長方形とするが、そ 断面形状は、上述の長短方向の最大長の比 を維持できるものであれば適宜採用できる 他の断面形状としては、楕円形、菱形又は 方形の短辺を半円形にした形がある。フィ メントの断面形状が図1(b)に示すような長方 形の場合には、長方向の最大長は長方形の長 辺、短方向の最大長は長方形の短辺に相当す る。また、フィラメントの断面形状が楕円形 や菱形の場合には、長方向の最大長とは断面 形状の中心(重心)を通る線分のうちで、最も い線分のことを指し、短方向の最大長とは 断面形状の中心(重心)を通る線分のうちで 最も短い線分のことを指す。

 フィラメントの断面形状の長方向の最大 (図1(b)のa)及び短方向の最大長(図1(b)のb)に いては、フィラメント通電加熱用電源にお る電流及び電圧の制限内で、実使用温度ま 加熱可能な長さを選定する必要がある。

 フィラメントの断面積が同じであっても 短方向の最大長bに対する長方向の最大長a 比をあまりに大きく設定すると、フィラメ トの表面積の増加に伴なう加熱時の輻射損 により加熱に必要な電流が増加する傾向に り、小さく設定する(1より大きい数字から1 近づける)と、従来の断面形状(当該比:1)に近 くなるので振動防止の効果を発揮し得ない傾 向にある。そのため、短方向の最大長bに対 る長方向の最大長aの比は、1.5倍以上5倍以下 でなければならない。また、この下限として 好ましい比は2倍であり、上限として好まし 比は4倍である。

 次に、フィラメント3の頂部に、電子ビー ムを放射するタングステンの<100>方位の 結晶からなる陰極1を溶接等により固定する 。

 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 -4 Pa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 処理という。)、しかる後に各種の電極を取 付けて約10 -7 Pa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。

 当該構造を採用することで、外界からの 動によるV字のごとく張ったフィラメントの 面に対して垂直方向の振動によるノイズの発 生を極めて小さく押さえることができ、フィ ラメントの通電加熱に必要な電流の増加を抑 えることができ、電子ビーム装置の許容電流 量内に抑えることができるという効果が得ら れる。

 上記電子源は、走査型電子顕微鏡、走査型 過電子顕微鏡、オージェ電子分光装置、電 線露光機、ウェハ検査装置などの電子ビー 装置に採用することができる。当該電子源 用いた電子ビーム装置では、その外側に防 構造などを設けることなく高分解能が得ら 、低いコストで高信頼性を達成することが きるという格別の効果が得られる。
〈作用効果〉

 以下、本実施形態の作用効果について説明 る。
 本実施形態によれば、絶縁碍子5と、絶縁碍 子5に設けられている一対の導電端子4と、導 端子4間に張られているフィラメント3と、 ィラメント3の一部に接合されている電子放 部を有する陰極1とを備える電子源であって 、上記フィラメント3の軸方向に対する垂直 面形状が短方向の最大長b及び長方向の最大 aを有し、短方向の最大長bに対する長方向 最大長aの比が1.5倍以上5倍以下であり、フィ ラメント3の断面形状の長方向が、フィラメ ト3及び一対の導電端子4の2か所の位置と、 極1との3点で形成される平面に対して略垂直 となるようにフィラメントが張られている電 子源が提供される。

 上記の構成により、断面積が従来とほぼ じフィラメントで、当該方向に振動し難い 状となり、剛性を上げることができる。そ て、上記電子源を用いた装置は、装置周辺 らの振動により電子源が共振してノイズを 生することが防止され、また、フィラメン の通電加熱に必要な電流の増加を抑えるこ ができるという効果が得られる。上記フィ メント3の断面形状は、上述の長短方向の最 大長の比率を維持できるものであれば適宜採 用でき、具体的には、長方形、楕円形、菱形 又は長方形の短辺を半円形にした形であって もよい。

 フィラメント3の断面形状が長方形の場合 には、板状の金属板を短冊状に切断すること によって均質で精度の高いフィラメントが得 られる。また、フィラメント3の断面形状が 円形の場合には、断面が円形状のワイヤを 延ローラー等で圧延することで容易かつ大 に処理することができる。

 上記フィラメント3がタングステン、モリ ブデン、レニウム、タンタル、イリジウムか ら選ばれた金属、又はこれらの元素を少なく とも1種選択した合金であることが、高融点 料であり好ましい。

 上記陰極1はタングステン又はモリブデン の<100>方位の単結晶からなり、陰極1の一 部にCa、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ti、Zr、Hf、又はラ タノイド系列から選ばれた金属元素の酸化 を拡散源2とすることが好ましい。陰極1及 拡散源2に上記の金属元素を用いることによ て、長時間安定に高輝度の電子放射が得ら 、好ましい特性の電子源を得ることができ 。

 上記電子源は、走査型電子顕微鏡、走査 透過電子顕微鏡、オージェ電子分光装置、 子線露光機、ウェハ検査装置などの電子ビ ム装置に適用することができる。上記電子 を用いた装置は、装置周辺からの振動によ 電子源が共振してノイズを発生することが 止される。また、フィラメントの通電加熱 必要な電流の増加を抑えることができ、電 ビーム装置の許容電流量内に抑えることが きるという効果が得られる

 以上、図面を参照して本発明の実施形態 ついて述べたが、これらは本発明の例示で り、上記以外の様々な構成を採用すること できる。例えば、上記実施形態では、走査 電子顕微鏡、走査型透過電子顕微鏡、オー ェ電子分光装置、電子線露光機、ウェハ検 装置などの電子ビーム装置に用いられる電 放射陰極を例に本発明を説明したが、本発 はこれに制限されるものではない。これ以 にも、電子源を用いる半導体製造装置又は 療機器等であれば、同様に好適に用いるこ ができる。

 (実施例)直径0.125mmのタングステン製フィ メントを圧延することにより、断面の長方 の長さが0.22mm、短方向の長さが0.07mmのフィ メントを得た。従って、長方向の長さは短 向の長さの約3倍である。前記タングステン 製フィラメントをV字のごとく曲げたものを ィラメントとするが、V字状に加工するに際 ては、前記断面の長方向が前記フィラメン を曲げることにより形成される面に対して 垂直となるようにした。その後、前記フィ メントを絶縁碍子にロウ付けされた一対の 電端子間にスポット溶接により固定した。& lt;100>方位の単結晶タングステン陰極をフ ラメントにスポット溶接により取り付けた さらに、陰極の電子放射部とは異なる端部 、絶縁碍子中央部に固定された金属端子に 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 した。次に、水素化ジルコニウムを粉砕し 酢酸イソアミルと混合しペースト状にした のを陰極の一部に塗布し、約10 -4 Paの酸素存在下で加熱して酸素処理を行い、 1及び図2に示す構造の電子源を得た。

 図3は電子源の共振振幅の評価装置の構成 図である。この図に示す構成で、加速度セン サ8(PCB社製「352B型」)とレーザー変位計7(キー エンス社製「LK-G30」)を有する振動板9に、前 電子源6のV字に張ったフィラメントによっ 形成される仮想面が振動板9と平行になるよ に前記電子源6を設置した。そして、振動発 生器10により、所定周波数の正弦波振動を振 板9に加えたときの陰極の振動変位をレーザ ー変位計7でモニタした。

 振動板9の周波数を変えたときに前記陰極の 振動変位の振幅が最大になる周波数Fの振幅W( m)を、加速度センサ8で測定された加速度A(m/s 2 )で割った規格化振幅W/A(m/m/s 2 )で電子源6の共振振幅を評価した。

 さらに、ZrO/W電子源の適正動作温度であ 1800Kまで真空中で通電加熱したときのフィラ メント電流を測定した。

 (比較例1)従来構造の図4に示す構造で、即 ち、前記実施例において、断面の直径が0.125m mの円形状のフィラメントを用いていること 外は実施例と同様の方法で作製したものを いて、実施例と同様に共振試験及び1800K加熱 時のフィラメント電流測定を実施した。

 (比較例2)前記比較例1において、断面の直 径が0.15mmの円形状のフィラメントを用いてい ること以外は比較例1と同様の方法で作製し ものを用いて、実施例と同様に共振試験及 1800K加熱時のフィラメント電流測定を実施し た。

 実施例及び比較例1、2を各n=3で試験した 果を表1に示す。実施例の共振周波数Fは比較 例1に比べて高くなり、規格化振幅W/Aが比較 1と比較して著しく抑制されていることが確 された。また、実施例の1800K加熱に必要な ィラメント電流は、比較例1に対して若干大 くなっているものの実用上問題ないレベル ある。

 一方、比較例2の規格化振幅W/Aは比較例1 対して約半分に減少しているものの、比較 2の1800K加熱に必要なフィラメント電流は3Aを 超えており、実用上の大きな制約となってし まう。

 〈考察〉
 比較例1と比較例2を比べると、フィラメン の断面の面積を大きくした場合には規格化 幅は抑制されるものの、1800K加熱時のフィラ メント電流が増大してしまう。しかし、本実 施例による電子源は、ほぼ同じ断面積の円形 のフィラメントを有する電子源(比較例1)より も規格化振幅を抑制することができるという 顕著な効果を有する。