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Patent Searching and Data


Title:
ELECTRON SOURCE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/008254
Kind Code:
A1
Abstract:
An electron source producing an electron beam which is highly reliable and stable even when it is externally oscillated. The electron source comprises a cathode (1) having an electron emitting section which is so connected to be interposed between top ends of two filaments (3) which are respectively connected to two conductive pins (4) provided on an insulating glass member (5), an end of the cathode (1) which differs from the electron emitting section being fixed to the insulating glass member (5), wherein the two filaments (3) are being twofold symmetry with a center on a center axis of the cathode (1), and preferably, the end of the cathode (1) which differs from the electron emitting section is fixed to the insulating glass member (5) via a metallic member (6) brazed to the insulating glass member, and more preferably, a curved portion is provided to the filaments.

Inventors:
NONOGAKI RYOZO (JP)
TERUI YOSHINORI (JP)
Application Number:
PCT/JP2008/061233
Publication Date:
January 15, 2009
Filing Date:
June 19, 2008
Export Citation:
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Assignee:
DENKI KAGAKU KOGYO KK (JP)
NONOGAKI RYOZO (JP)
TERUI YOSHINORI (JP)
International Classes:
H01J37/073; H01J1/304; H01J37/065
Foreign References:
JP2003507872A2003-02-25
JP2001052596A2001-02-23
JP2006269431A2006-10-05
JPH03192643A1991-08-22
JP2008091307A2008-04-17
JP2006240100A2006-09-14
JP2006285864A2006-10-19
Other References:
See also references of EP 2175472A4
D. TUGGLE, J. VAC. SCI. TECHNOL., vol. 16, 1979, pages 1699
Attorney, Agent or Firm:
SONODA, Yoshitaka et al. (53rd Floor Shinjuku Mitsui Buidling,1-1, Nishi-Shinjuku 2-chome,Shinjuku-k, Tokyo 53, JP)
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Claims:
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前記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前記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。
前記陰極の電子放射部とは異なる端部が、前記絶縁碍子にろう付けされた金属部材を介して前記絶縁碍子に固定されていることを特徴とする請求項1に記載の電子源。
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請求項1に記載の電子源。
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請求項1に記載の電子源。
Description:
電子源

 本発明は、電子源に関する。

 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1参 )。

 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させることにより 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、上記陰極の先端部に形成された(100)面 相当する微小な結晶面のみが電子放出領域 なるので、従来の熱陰極よりも高輝度の電 ビームが得られ、しかも長寿命であるとい 特徴を有する。

 ZrO/W電子源は、図1に示すように、絶縁碍 5に固定された導電端子4に設けられたタン ステン製のフィラメント3の所定の位置に電 ビームを放射するタングステンの<100> 位の針状の陰極1が溶接等により固着されて 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 電極と引き出し電極の間に配置され使用さ 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 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 ボルト程度の負の電圧が印加され、フィラ 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。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。
D.Tuggle,J.Vac.Sci.Technol.16,p1699(1979)

 前記の振動を抑制するために、本発明者 、陰極の電子放射部とは異なる端部を絶縁 子に固定した構造の電子源を発明し出願し いる。この構造体においては、フィラメン 加熱したときにフィラメントは熱膨張する 、陰極が絶縁碍子に固定されているため、 極及びフィラメント自身に応力が加わり、 極またはフィラメントが塑性変形して信頼 を損ねることがあることが判ってきた。そ で、本発明者は、フィラメントに曲部を設 、熱膨張によって発生する応力をこの曲部 より緩和させることで、陰極及びフィラメ トの塑性変形を防止することも提案してい 。しかしながら、この構造により陰極がサ レッサー電極に接触してしまうような不具 は生じなくなるが、それでも陰極加熱時の 小な軸ずれにより、フィラメントからの熱 子放射を抑制するサプレッサー電極の効果 充分発揮できず、余剰な電子がサプレッサ の穴から放射される場合がある。本発明者 、上記の事情に鑑みていろいろ検討した結 、この陰極加熱時の微小な軸ずれの原因が 陰極がフィラメントの側面に固着されてい ことに起因していることにあるという知見 得て、本発明に至ったものである。

 そして、本発明の目的は、陰極の電子放 部とは異なる端部を絶縁碍子に固定した構 の電子源が実用に供されたときに、陰極の 心軸に対して軸ずれを起こすような変形が じず、安定して、高信頼性の電子ビームを 給できる電子源を提供することである。

 本発明は、電子放射部を有する陰極が、 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 むようにして接合され、上記陰極の電子放 部とは異なる端部が絶縁碍子に固定されて る電子源であって、上記2本のフィラメント 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。

 上記構成からなる電子源は、電子源が実 に供されたときに、陰極が加熱されフィラ ントが熱膨張しても、陰極に応力が均等に 用する為、陰極の中心軸に対して軸ずれを こすような変形が生じず、安定して、高信 性の電子ビームが得られる。

 本発明の電子源は、電子源が実用に供さ たときに、安定して、高信頼性の電子ビー が得られる。

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 造図 本発明に係る電子源の構造図(図2の電 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 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

<用語の説明>
 本明細書において、「2回対称」とは、中心 軸を回転対称軸として図形を180度回転させた とき、最初の図形と同一になることをいう。 即ち、「2本のフィラメントが陰極の中心軸 対して2回対称」であるとは、電子源を電子 の照射方向から見た場合、陰極の中心軸を 心としてフィラメントが2回対称であること をいう。しかし、フィラメントの位置が完全 に2回対称である必要はなく、制作時の条件 使用する材料等により、ずれが生じること ある。

 以下、本発明の具体的な実施態様につい 、図2を参照しながら説明する。

 本実施形態に係る電子源は、図2のように 、絶縁碍子5に固定された導電端子4にタング テン或いはタングステン合金製のワイヤー らなる2本の同形状のフィラメント3が取り けられている。そして、電子ビームを放射 るタングステンの<100>方位の単結晶ニー ドル1がフィラメント3の先端部に設けられて る。即ち、本発明は、走査型電子顕微鏡、 ージェ電子分光装置、電子線露光機、ウェ 検査装置などに適用される電子源に関する のである。

 本実施形態に係る電子源は、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 ることを特徴としている。ここで、「陰極1 電子放射部とは異なる端部」とは、例えば 図2において金属部材6に固定される、尖鋭 された電子放射部とは反対の端部のことを 味する。

 本実施形態に係る電子源は、当該構造を 用することで、外界からの振動によるカソ ドの共振によるノイズの発生を極めて小さ 押さえることができ、当該電子源を用いた 置では、その外側に防振構造などを設ける となく高分解能が得られ、低いコストで高 頼性を達成することができるという格別の 果が得られる。

 そして、本実施形態に係る電子源は、図3 のように、2本のフィラメント3が陰極1の中心 軸に対して2回対称であることを特徴として る。

[フィラメントの形状]
 上記フィラメント3の形状としては、陰極1 の接合部分から上記金属部材6に固定されて る部分までの間に曲部を設けていることが ましい。すなわち、通電加熱したときにフ ラメント3は熱膨張するが、陰極1が絶縁碍 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 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。

 本実施形態に係る電子源のように、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 防止し、陰極の空間的配置が影響されず、 の結果、信頼性の高い電子源を提供するこ が可能となる。

 なお、図2ではフィラメント3を「S字」の とく曲部を形成しているが、本発明はこれ 制限されるものではない。即ち、フィラメ トは陰極1との接合部分から上記金属部材6 固定されている部分までの間に曲部を設け いればよく、曲部は複数箇所あってもよい

[フィラメントの対称性]
 本実施形態において、上記フィラメントは 転対称であれば一応の効果が得られるもの 、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 とする場合にはかえってフィラメント間の ランスが容易に確保できないという技術上 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 する。これにより、電子源が実用に供され ときに、陰極1が加熱されフィラメント3が 膨張しても、陰極1に応力が均等に作用する 、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を確実に得る ことができるし、フィラメント3からの熱電 放射を抑制するサプレッサー電極の効果が 分発揮され、安定した高信頼性の電子ビー を得ることが一層容易となる。

 また、本実施形態に係る電子源は、陰極 モリブデンまたはタングステンの<100> 位の単結晶からなり、陰極の一部にCa、Sr、B a、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 として有していてもよい。

<製造方法>
 次に、本発明の電子源の製造方法について 明する。

 先ず、絶縁碍子5に固定された導電端子4 タングステン或いはタングステン合金製の 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 なった位置に、電子ビームを放射するタン ステンの<100>方位の単結晶ニードル1を ィラメント3の先端で挟むようにして溶接等 より固着する。上記操作により、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、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。このような構造 する手段としては、絶縁碍子5にろう付け等 手段で固定された金属部材6に陰極1を溶接 により固定する方法が容易であり、好まし 。上記金属部材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。

 上記の操作で得られた構造体は、次に、陰 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る(以降、 素処理と呼ぶ)。そして、各種の電極を取り 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。

<作用効果>
 以下、本実施形態に係る電子源の作用効果 ついて説明する。

 本実施形態に係る電子源では、陰極1の電 子放射部とは異なる端部が、上記絶縁碍子5 ろう付けされた金属部材6を介して上記絶縁 子5に固定される。このようにすれば、外界 からの振動によるカソードの共振によるノイ ズの発生を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。

 さらに、上記構成からなる電子源は、電 源が実用に供されたときに、陰極が加熱さ フィラメントが熱膨張しても、陰極に応力 均等に作用する為、陰極の中心軸に対して ずれを起こすような変形が生じず、安定し 、高信頼性の電子ビームが得られる。

 また、上記2本のフィラメント3がいずれ 、上記陰極1との接合部分から上記導電端子4 に固定されている部分までの間に曲部を設け ていてもよい。このようにすれば、陰極1及 フィラメント3の塑性変形を防止し、陰極の 間的配置が影響されず、その結果信頼性の い電子源を提供することが可能となる。

 また、上記陰極1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、 極1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 素の酸化物を拡散源2として有していてもよ い。陰極1及び拡散源2に、これらの金属元素 用いることによって、長時間安定に高輝度 電子放射が得られ、好ましい特性の電子源 得ることができる。

 フィラメントの振動を抑制するために、 発明者は、陰極の電子放射部とは異なる端 を絶縁碍子に固定した構造の電子源を発明 出願している(特願2006-240100)。この構造体に おいては、フィラメントを加熱したときにフ 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 ントが塑性変形する可能性があり、信頼性と いう点において不十分であるとも言える。

 また、本発明者は、フィラメントに曲部 設け、熱膨張によって発生する応力をこの 部により緩和させることで、陰極及びフィ メントの塑性変形を防止することも提案し いる(特願2006-285864)。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ない可能 性があり、余剰な電子がサプレッサーの穴か ら放射される可能性もある。

 以上、電子顕微鏡、電子線露光機、測長S EM等に用いられる電子放射陰極を例に本発明 説明したが、本発明はこれに制限されるも ではない。

 以下に、実施例及び比較例を挙げ、本発 をさらに詳細に説明する。しかし、本発明 これらに限定されるものではない。

(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 ント3をスポット溶接により固定した。そし 、<100>方位の単結晶タングステン陰極1 2本のフィラメント3で挟むようにスポット 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 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 れた金属部材6にスポット溶接により固定し 。

 次に陰極1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1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、 2に示す構造の電子源構造体を得た。

(比較例)
 図4のように、絶縁碍子5にロウ付けされた 対の導電端子4の間に「V字」状の1本のフィ メント3を形成し、その側面に陰極1を取り付 けた。ここで、図5に示すように、フィラメ ト3の側面に陰極1を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、電子 源構造体を作製した。

[電子放射特性の評価]
 電子放射特性評価の為、次のような構成の 置を用いて実験を行った。

[評価装置の構成]
 図6に示すように、陰極1の先端はサプレッ 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 射を抑える。陰極1の先端から放射した電子 13は蛍光板9に照射され、電子放射パターン 形成する。

 実施例及び比較例の電子源構造体を、上 電極構成を有する評価装置に導入した。そ て、蛍光板9の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 の電子放射の有無の確認をした。

 次に、実施例及び比較例の試験結果を表1 に示す。

<考察>
 実施例では、いずれも陰極先端から放出し 電子に起因する中心軸上の円形の電子放射 ターン以外の電子放射は認められず、フィ メントからの熱電子がサプレッサーにより 制されていることがわかる。

 一方、比較例では、陰極先端からの電子 射以外の電子放射パターンが3個中2個に認 られた。これは、陰極加熱時に陰極の微小 軸ずれが生じ、サプレッサーによるフィラ ントからの熱電子の抑制の効果が充分に発 できていないためだと考えられる。

 本発明の電子源は、特定な構造を有して て、外部からの振動の影響を受けにくく、 つ信頼性の高い、安定した電子線を提供で る特徴があり、走査型電子顕微鏡、オージ 電子分光、電子線露光機、ウェハ検査装置 どいろいろな電子線利用装置に適用でき、 業上非常に有用である。




 
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