JP2004265614A - 電子源 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＢａＯ／Ｗショットキー電子源は数時間に一度の１５００Ｋ以上の高温熱処理を必要として連続した動作が可能でないなどの欠点があり実用化にいたっていない。
【解決手段】バリウムの供給源としてＢａＡｌ３Ｏ４などのバリウムを含む複酸化物を用いたＢａＯ／Ｗショットキー電子源であり、従来技術のように数時間に一度の１５００Ｋ以上の高温熱処理を必要とせず、低エネルギー幅動作が可能な９００−１４５０Ｋでの動作が可能であり、角電流密度が４．０ｍＡ／ｓｒの動作条件において、全放射電流が３５０μＡ以下に抑えられているので、従来問題となっていた高角電流密度動作時の、引き出し電極や金属製絞りからのガス放出に起因する電子放射特性の劣化、或いはニードル先端をアークにより損傷するといった信頼性の低下が抑制でき、更に電子線露光機、ＤＲ−ＳＥＭといった電子ビーム応用機器のスループットを向上させることができる。
【選択図】 なし
【解決手段】バリウムの供給源としてＢａＡｌ３Ｏ４などのバリウムを含む複酸化物を用いたＢａＯ／Ｗショットキー電子源であり、従来技術のように数時間に一度の１５００Ｋ以上の高温熱処理を必要とせず、低エネルギー幅動作が可能な９００−１４５０Ｋでの動作が可能であり、角電流密度が４．０ｍＡ／ｓｒの動作条件において、全放射電流が３５０μＡ以下に抑えられているので、従来問題となっていた高角電流密度動作時の、引き出し電極や金属製絞りからのガス放出に起因する電子放射特性の劣化、或いはニードル先端をアークにより損傷するといった信頼性の低下が抑制でき、更に電子線露光機、ＤＲ−ＳＥＭといった電子ビーム応用機器のスループットを向上させることができる。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、オージェ電子分光装置をはじめとする表面分析装置、半導体ウェハ検査装置又は電子線露光機用の電子源、ことに電子ビームの加速電圧が１ｋＶ以下の低加速で用いられる走査型電子顕微鏡、ＣＤ（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ） ＳＥＭ、ＤＲ（ｄｅｆｅｃｔ ｒｅｖｉｅｗ） ＳＥＭといった半導体ウェハ検査装置に用いられる電子源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、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を用いたショットキー電子放射源が利用されている。この電子源は、軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶ニードルに、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４．５ｅＶから約２．８ｅＶに低下させたもので、前記ニードル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。また冷電界放射陰極よりも安定で、低い真空度でも動作し、使い易いという特徴を有している。
【０００３】
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＞方位のニードル１が溶接等により固着されている。ニードル１の一部には、ジルコニウムと酸素の供給源２が設けられている。図示していないがニードル１の表面はＺｒＯ被覆層で覆われている。
【０００４】
ニードル１はフィラメント３により通電加熱されて一般に１８００Ｋ程度の温度下で使用されるので、ニードル１表面のＺｒＯ被覆層は蒸発により消耗する。しかし、供給源２よりジルコニウム及び酸素が拡散することにより、ニードル１の表面に連続的に供給されるので、結果的にＺｒＯ被覆層が維持される。
【０００５】
走査型電子顕微鏡やＣＤ ＳＥＭあるいはＤＲ ＳＥＭといった半導体検査装置などでは、タングステンの＜１００＞方位の単結晶ニードル１にジルコニウムと酸素の被覆層を設けた電子源、いわゆるＺｒＯ／Ｗショットキー電子源、が高輝度で長寿命を有することから広く使用されている。また、これらの装置は被検体をそのままで観察、測定するため１ｋＶ以下の低加速電子ビームを用いることが一般的に行われている。
【０００６】
低加速電子ビームを用いる場合はレンズにより絞った電子ビームの径は、色収差により支配される（非特許文献１参照）。
【０００７】
【非特許文献１】Ｊ． Ｐａｗｌｅｙ，“Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”，１３６，Ｐｔ１，４５（１９８４）。
【０００８】
この色収差を低減するには電子源から放射される電子のエネルギー幅を小さくする必要がある。ショットキー電子放射源のエネルギー幅は最小でも２．４５ｋＢＴを下回ることはない。ここでｋＢはボルツマン定数、Ｔは電子放射領域の絶対温度である（非特許文献２参照）。
【０００９】
【非特許文献２】Ｒ．Ｄ．Ｙｏｕｎｇ，“Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．”１１３（１９５９）ｐ１１０。
【００１０】
したがって、色収差の低減には電子源の動作温度を下げることが有効なのであるが、一方、ショットキー電子放射や熱電子放射では動作温度を下げると放射電流が激減する。このため、電子源の動作温度を下げるには仕事関数の低い電子源を用いなければならない。以上のような観点からＺｒＯ吸着層にかわる低仕事関数を有するタングステン単結晶上への吸着種とその供給源の探索が近年精力的に行われている（非特許文献３、４、５参照）。
【００１１】
【非特許文献３】西山 英利、大嶋 卓、品田 博之、「応用物理」第７１巻第４号（２００２）４３８頁。
【００１２】
【非特許文献４】Ｈ． Ｎｉｓｈｉｙａｍａ， Ｔ． Ｏｈｓｈｉｍａ， Ｈ．Ｓｈｉｎａｄａ，“Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ”１４６ （１９９９），ｐ３８２。
【００１３】
【非特許文献５】斉藤 泰、矢田 慶治、安達 洋「信学技報」ＥＤ２００１−１７５（２００１−１２）１５頁。
【００１４】
一方、ブラウン管用の電子源として、タングステンに酸化バリウム、または炭酸バリウムあるいは酸化バリウムと酸化カルシウム、酸化アルミニウムなどを加えて焼結し、タングステン焼結体の表面にＢａまたはＢａＯの吸着層を設けて仕事関数を低下させるディスペンサー・カソード、Ｌ型カソードあるいは含浸カソードが古くから知られている（非特許文献６）。
【００１５】
【非特許文献６】Ａ．Ｈ．Ｗ．Ｂｅｃｋ、“Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ Ｐａｐｅｒ”Ｎｏ．２７５０Ｒ Ｎｏｖ．１９５８、ｐ３７２、ｐ３７８−３８１。
【００１６】
含浸カソードは１０００−１３００Ｋ程度の温度で動作することから、ＢａＯ吸着層をタングステン単結晶上に設けることにより低仕事関数化を進ませることで、１０００−１３００Ｋ程度の温度で動作して低いエネルギー幅の電子放射が行えることが容易に予想できる。
【００１７】
また、低加速電圧動作時のエネルギー幅とは別に、スループットが重視される用途では動作角電流密度が注目される。電子線露光装置やＤＲ ＳＥＭといった用途では、高いスループットが求められ、このような用途においてＺｒＯ／Ｗショットキー電子源は０．４ｍＡ／ｓｒ程度の高い角電流密度で動作されており、更に高い角電流密度動作に対応するためＨｆＯ／Ｗショットキー電子源が提案されている（特許文献１参照）。
【００１８】
【特許文献１】特開２００１−３１９５５９公報。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
タングステン単結晶上へＢａＯを吸着層として被覆して１０００Ｋ程度の温度で動作させた例は既に報告されており、その供給源としては酸化バリウムまたは（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）酸化物が使われている（非特許文献７、特許文献２参照）。
【００２０】
【非特許文献７】西山 英利、大嶋 卓、品田 博之「応用物理」第７１巻第４号（２００２）４３８頁。
【００２１】
【特許文献２】特開平１０−１５４４７７号公報。
【００２２】
これらの研究例によると、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）酸化物を用いてタングステン単結晶の＜１００＞方位のニードルにＢａＯ吸着層を設けた場合には１５００Ｋ以上での熱処理の後に１０００Ｋで動作して、その電子放射は放射軸に沿って狭い角度に閉じこめられ、電子源として好ましい放射特性を示すことが報告されている。
【００２３】
しかし、一方で安定して動作する時間は数時間と極めて短く、繰り返し１５００Ｋ以上の熱処理を行う必要があることが述べられており、工業的な実用に耐えないと考えられる。また、酸化バリウムを供給源とした場合についても報告されているが、この場合には電子放射が４回対称となり放射軸に沿って均一に閉じこめられないことと、再現性の乏しさが指摘されている。
【００２４】
また、特許文献３には１．０ｍＡ／ｓｒの動作角電流密度で全放射電流が３５０μＡ以下のＨｆＯ／Ｗショットキー電子源が記載されているが、近年更に高い角電流密度動作（３〜５ｍＡ／ｓｒ）が要求されている。
【００２５】
【特許文献３】特開２００１−３１９５５９公報。
【００２６】
このような極めて高い角電流密度動作時には全放射電流も高くなるため、引き出し電極や電子ビーム放射軸上の金属製絞りに電子が照射され、ガス放出が著しくなり、電子線の気体への衝突により生成したイオンが電子源を攻撃して損傷を与えたり、アーク放電を生じて電子源を破壊することがしばしばある。
【００２７】
本発明者は、上記の事情に鑑みていろいろ検討した結果、タングステンやモリブデンからなる単結晶ニードル上にＢａＯ吸着層を設けるのに適した供給源を見いだし、前記課題を解決して本発明に至ったものである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、タングステンまたはモリブデンの単結晶ニードルにバリウムと酸素の被覆層を設けてなる電子源であって、前記バリウムの供給源がバリウムを含有する複酸化物からなることを特徴とする電子源であり、好ましくは、バリウムを含有する複酸化物の前記バリウム以外の金属元素が３Ａ、４Ａ、３Ｂ族から選ばれる１種以上であることを特徴とする前記の電子銃である。
【００２９】
また、本発明は、バリウムを含有する複酸化物がＢａＡｌ２Ｏ４、ＢａＡｌ１２Ｏ１９、Ｂａ３Ｓｃ４Ｏ９、ＢａＳｃ２Ｏ４、ＢａＴｉＯ３、ＢａＺｒＯ３、ＢａＨｆＯ３から選ばれる１つ以上の複酸化物であることを特徴とする前記の電子源である。
【００３０】
また、本発明は、バリウムを含有する複酸化物の前記バリウムの一部がバリウム以外の２Ａ族元素で置き換えられていることを特徴とする前記の電子源である。
【００３１】
また、本発明は、タングステンまたはモリブデンの単結晶ニードルが＜１００＞方位でありニードルの先端部に（１００）結晶面からなる平坦面を有することを特徴とする前記の電子源である。
【００３２】
また、本発明は、４．０ｍＡ／ｓｒの角電流密度で動作したときの全放射電流が３５０μＡ以下であることを特徴とする前記の電子源である。
【００３３】
また、本発明は、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、表面分析装置、半導体ウェハ検査装置又は電子線露光機用の電子源であることを特徴とする前記の電子源である。
【００３４】
加えて、本発明は、タングステンまたはモリブデンの単結晶ニードルにバリウムと酸素の被覆層を設け、前記バリウムの供給源がバリウムを含有する複酸化物からなる電子源の使用方法であって、ニードルの温度が１０００Ｋ以上１３００Ｋ以下であることを特徴とする電子源の使用方法である。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明は、本発明者がタングステンまたはモリブデンの単結晶ニードルにバリウムと酸素の被覆層を設けてなる電子源について、いろいろ実験的に検討した結果、バリウムの供給源としてバリウムを含有する複酸化物とするときに、長時間の安定動作が可能なＢａＯ／Ｗショットキー電子源が得られること、そして、従来技術のように数時間に一度の複数回にわたる１５００Ｋ以上の高温熱処理を必要とせず、低エネルギー幅動作が可能な１０００−１３００Ｋでの動作が可能であること、更に、この電子源が、角電流密度が４．０ｍＡ／ｓｒの動作条件において、全放射電流が３５０μＡ以下に抑えられている特徴を満足でき、従来問題となっていた高角電流密度動作時の、引き出し電極や金属製絞りからのガス放出に起因する電子放射特性の劣化、或いはニードル先端をアークにより損傷するといった信頼性の低下が抑制でき、更に電子線露光機、ＤＲ−ＳＥＭといった電子ビーム応用機器のスループットを向上させることができるという特徴を有することを見出し、本発明に至ったものである。
【００３６】
即ち、本発明は、タングステンまたはモリブデンの単結晶ニードルにバリウムと酸素の被覆層を設けてなる電子源であって、前記バリウムの供給源がバリウムを含有する複酸化物からなることを特徴とする電子源である。バリウムの供給源がバリウムを含有する複酸化物からなるときに、前記効果が得られることについては、不明な点が多いが、発明者はバリウムを含有する複酸化物においてバリウムの蒸気圧が低下していることがその大きな原因と考えている。
【００３７】
本発明の実施態様としては、タングステンまたはモリブデンの単結晶の＜１００＞方位のニードルにバリウムと酸素の被覆層を設けた電子源（以下、単にＢａＯ／Ｗエミッターという）であって、バリウム含有の複酸化物からなるバリウムの供給源が設けられている。前記バリウムの供給源は、ニードルの一部分に或いはニードルを固定し加熱するためのヒーター上に設けられていても構わない。
【００３８】
また、バリウムを含有する複酸化物とは、バリウムとバリウム以外の金属と酸素とからなる酸化物であって、本発明に於いては、バリウム以外の金属元素としては３Ａ、４Ａ、３Ｂ族から選ばれる金属元素であることが好ましい。これは、前述した通りに、バリウムの蒸気圧が低いバリウム含有の複酸化物が容易に得易いからである。また、前記３Ａ、４Ａ、３Ｂ族から選ばれる金属元素は、本発明の効果を損ねない限り、２種以上混合されていても構わない。
【００３９】
本発明に於いて、前記のバリウムを含有する複酸化物としては、本発明者の実験的検討結果に拠れば、ＢａＡｌ２Ｏ４、ＢａＡｌ１２Ｏ１９、Ｂａ３Ｓｃ４Ｏ９、ＢａＳｃ２Ｏ４、ＢａＴｉＯ３、ＢａＺｒＯ３、ＢａＨｆＯ３からなる群から選ばれる１つ以上の複酸化物が好ましい。なお、供給源中に遊離の酸化バリウムや金属酸化物が残存していても構わない。
【００４０】
本発明の電子源は、タングステン又はモリブデンの単結晶ニードルの表面にバリウムと酸素とからなる被覆層が形成されていることから９００〜１４５０Ｋで動作可能である、好ましくは１０００〜１３００Ｋの温度範囲で用いることができる。
また、動作圧力に関しては、５×１０―１０Ｔｏｒｒ（約７×１０−８Ｐａ）よりも低圧力（即ち、高真空）であれば問題ない。
【００４１】
本発明の電子源は、前記したとおりに、ＺｒＯ／Ｗショットキー電子源の動作温度である１８００Ｋよりも極めて低い温度範囲で動作するため、また、エネルギー幅小さい電子ビームが得られるので、低加速電子ビームで用いられる走査型電子顕微鏡や半導体ウェハ検査装置の分解能向上に寄与できる特徴を有している。
【００４２】
更に、本発明の電子源は４．０ｍＡ／ｓｒの高い角電流密度動作でも全放射電流が３５０μＡ以下と少ない特徴を有しており、イオン損傷やアークによる電子源の破壊の可能性が低く、高い信頼性が達成できる。
【００４３】
【実施例】
絶縁碍子にロウ付けされた導電端子にタングステン製のフィラメントをスポット溶接により固定した後、＜１００＞方位の単結晶タングステン細線を寸断したニードルを前記フィラメントにスポット溶接により取り付け、更に、ニードルの先端を鋭利に電解研磨して、電子源中間体を得た。
【００４４】
また、供給源を構成する材料として、（１）市販のバリウム・アルミネート（ＢａＡｌ２Ｏ４）粉末、（２）酸化バリウム（ＢａＯ）粉末、（３）酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粉末の混合物（モル比５：３：２）、（４）酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）粉末の混合物（モル比５：４：１）各々を用意した。
【００４５】
各粉末を用いて、酢酸イソアミルを分散媒として、乳鉢上で粉砕してスラリーを得た。前記スラリーを前記電子源中間体のニードル（フィラメントへの固定位置とニードルの先端との中央の位置）に塗布して、供給源を予備形成した。
【００４６】
スラリー中の酢酸イソアミルが蒸発した後、図２に示す装置に導入した。ニードル１の先端はサプレッサー電極６と引き出し電極７との間に配置される。尚、ニードル１の先端とサプレッサー電極６の距離は０．２５ｍｍ、サプレッサー電極６と引き出し電極７の距離は０．６ｍｍ、引き出し電極７の孔径は０．６ｍｍ、サプレッサー電極６の孔径は０．４ｍｍである。
【００４７】
フィラメント３はフィラメント加熱電源１４に接続され、更に高圧電源１３に接続され、引き出し電極７に対して負の高電圧、即ち引き出し電圧Ｖｅｘが印加される。また、サプレッサー電極６はバイアス電源１２に接続され、ニードル１とフィラメント３に対して更に負の電圧、バイアス電圧Ｖｂ、が印加される。これによりフィラメント３からの放射熱電子を遮る。電子源からの全放射電流Ｉｔは高圧電源１３とアース間に置かれた電流計１５により測定される。ニードル１の先端から放射した電子ビーム１６は引き出し電極７の孔を通過して、蛍光板８に到達する。蛍光板８の中央にはアパーチャー９（小孔）が有り、通過してカップ状電極１０に到達したプローブ電流Ｉｐは微小電流計１１により測定される。なおアパーチャー９とニードル１の先端との距離とアパーチャー９の内径から算出される立体角をωとすると角電流密度はＩｐ／ωとなる。
【００４８】
（実施例１、２）
バリウム・アルミネートを供給源とした電子源を真空装置内に導入して装置内を３×１０−１０Ｔｏｒｒ（４×１０−８Ｐａ）の超高真空中としてフィラメント３に通電してニードル１を１５００Ｋに加熱し、供給源を焼成する。更にニードルを１５００Ｋに維持したままサプレッサーにバイアス電圧Ｖｂ＝５０Ｖの電圧を印加して、続いて引き出し電圧Ｖｅｘ＝３ｋＶの高電圧を印加して８２時間維持した。
【００４９】
この間にバリウムと酸素の吸着層が形成され、徐々に放射電流が増した。蛍光板８上に観察された電子放射ビームは図３（ａ）に示すように電子放射軸上に４回対称で軸上のプローブ電流は微弱であったが、放射電流の増加と共に軸上のプローブ電流も徐々に増加してきた（図３（ｂ）参照）。
【００５０】
その後、更に１１００Ｋまで動作温度を下げて更に引き出し電圧を１．５ｋＶまで下げ１２ｈｒ電子放射を継続したところ、蛍光板８上の電子放射ビームのパターンは図３（ｃ）に示すように軸対称且つ軸上を照射するものであった。また１ｍＡ／ｓｒの角電流密度に相当するプローブ電流が観察され、その後１５００ｈｒにわたり安定した電子放射が確認できた。また、この間に１５００Ｋ以上の熱処理は最初の一回のみで、繰り返し行う必要はなかった。加えて、その引き出し電圧−角電流密度、全放射電流の関係から４ｍＡ／ｓｒ動作時の全放射電流は約１２０μＡであり、１０ｍＡ／ｓｒの動作角電流密度まで確認することができた（第４図参照）。
【００５１】
その後、装置から電子源を取り出してタングステンニードルの先端を走査型電子顕微鏡で観察したところニードル先端に平坦な（１００）結晶面が形成されていることが確認できた。
【００５２】
（比較例１〜６）
バリウムアルミネート以外の材料により供給源が構成された電子源の結果を、実施例の結果と共に、表１に示した。比較例の場合には、蒸気圧が高いためバリウム供給源が枯渇しやすく、高温で長時間の処理を行うことができない。これに対して、本発明の電子源は高温で長時間の処理により枯渇することなく、好ましい特性の電子源を得ることができる。
【００５３】
【表１】
【００５４】
【発明の効果】
本発明の電子源は、長時間の安定動作が可能で、従来の電子源のように数時間に一度の複数回にわたる１５００Ｋ以上の高温熱処理を必要とせず、低エネルギー幅動作が可能であるという特徴を有している。また、角電流密度が４．０ｍＡ／ｓｒの動作条件において、全放射電流が３５０μＡ以下に抑えられているので、従来問題となっていた高角電流密度動作時の、引き出し電極や金属製絞りからのガス放出に起因する電子放射特性の劣化、或いはニードル先端をアークにより損傷するといった信頼性の低下が抑制できる特徴があるし、電子線露光機、ＤＲ−ＳＥＭといった電子ビーム応用機器のスループットを向上させることができる特徴があるので、産業上非常に有用である。
【００５５】
本発明の電子源の使用方法によれば、前記電子源を安定動作させて、前記電子源の効果を達成せしめることができるので、産業上非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子源の構造図。
【図２】電子放射特性の評価装置の構成図。
【図３】蛍光板上で観察された電子放射ビームの角度分布パターン。
【図４】本発明の実施例２に係る電子源についての引き出し電圧−角電流密度、全放射電流の測定結果を示す図。
【符号の説明】
１ ： ニードル
２ ： 供給源
３ ： フィラメント
４ ： 導電端子
５ ： 絶縁碍子
６ ： サプレッサー電極
７ ： 引き出し電極
８ ： 蛍光板
９ ： アパーチャー
１０： カップ状電極
１１： プローブ電流測定用微小電流計
１２： バイアス電源
１３： 高圧電源
１４： フィラメント加熱電源
１５： 全放射電流測定用電流計
１６： 放射電子線
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、オージェ電子分光装置をはじめとする表面分析装置、半導体ウェハ検査装置又は電子線露光機用の電子源、ことに電子ビームの加速電圧が１ｋＶ以下の低加速で用いられる走査型電子顕微鏡、ＣＤ（ｃｒｉｔｉｃａｌ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ） ＳＥＭ、ＤＲ（ｄｅｆｅｃｔ ｒｅｖｉｅｗ） ＳＥＭといった半導体ウェハ検査装置に用いられる電子源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、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を用いたショットキー電子放射源が利用されている。この電子源は、軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶ニードルに、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４．５ｅＶから約２．８ｅＶに低下させたもので、前記ニードル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。また冷電界放射陰極よりも安定で、低い真空度でも動作し、使い易いという特徴を有している。
【０００３】
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＞方位のニードル１が溶接等により固着されている。ニードル１の一部には、ジルコニウムと酸素の供給源２が設けられている。図示していないがニードル１の表面はＺｒＯ被覆層で覆われている。
【０００４】
ニードル１はフィラメント３により通電加熱されて一般に１８００Ｋ程度の温度下で使用されるので、ニードル１表面のＺｒＯ被覆層は蒸発により消耗する。しかし、供給源２よりジルコニウム及び酸素が拡散することにより、ニードル１の表面に連続的に供給されるので、結果的にＺｒＯ被覆層が維持される。
【０００５】
走査型電子顕微鏡やＣＤ ＳＥＭあるいはＤＲ ＳＥＭといった半導体検査装置などでは、タングステンの＜１００＞方位の単結晶ニードル１にジルコニウムと酸素の被覆層を設けた電子源、いわゆるＺｒＯ／Ｗショットキー電子源、が高輝度で長寿命を有することから広く使用されている。また、これらの装置は被検体をそのままで観察、測定するため１ｋＶ以下の低加速電子ビームを用いることが一般的に行われている。
【０００６】
低加速電子ビームを用いる場合はレンズにより絞った電子ビームの径は、色収差により支配される（非特許文献１参照）。
【０００７】
【非特許文献１】Ｊ． Ｐａｗｌｅｙ，“Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ”，１３６，Ｐｔ１，４５（１９８４）。
【０００８】
この色収差を低減するには電子源から放射される電子のエネルギー幅を小さくする必要がある。ショットキー電子放射源のエネルギー幅は最小でも２．４５ｋＢＴを下回ることはない。ここでｋＢはボルツマン定数、Ｔは電子放射領域の絶対温度である（非特許文献２参照）。
【０００９】
【非特許文献２】Ｒ．Ｄ．Ｙｏｕｎｇ，“Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．”１１３（１９５９）ｐ１１０。
【００１０】
したがって、色収差の低減には電子源の動作温度を下げることが有効なのであるが、一方、ショットキー電子放射や熱電子放射では動作温度を下げると放射電流が激減する。このため、電子源の動作温度を下げるには仕事関数の低い電子源を用いなければならない。以上のような観点からＺｒＯ吸着層にかわる低仕事関数を有するタングステン単結晶上への吸着種とその供給源の探索が近年精力的に行われている（非特許文献３、４、５参照）。
【００１１】
【非特許文献３】西山 英利、大嶋 卓、品田 博之、「応用物理」第７１巻第４号（２００２）４３８頁。
【００１２】
【非特許文献４】Ｈ． Ｎｉｓｈｉｙａｍａ， Ｔ． Ｏｈｓｈｉｍａ， Ｈ．Ｓｈｉｎａｄａ，“Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ”１４６ （１９９９），ｐ３８２。
【００１３】
【非特許文献５】斉藤 泰、矢田 慶治、安達 洋「信学技報」ＥＤ２００１−１７５（２００１−１２）１５頁。
【００１４】
一方、ブラウン管用の電子源として、タングステンに酸化バリウム、または炭酸バリウムあるいは酸化バリウムと酸化カルシウム、酸化アルミニウムなどを加えて焼結し、タングステン焼結体の表面にＢａまたはＢａＯの吸着層を設けて仕事関数を低下させるディスペンサー・カソード、Ｌ型カソードあるいは含浸カソードが古くから知られている（非特許文献６）。
【００１５】
【非特許文献６】Ａ．Ｈ．Ｗ．Ｂｅｃｋ、“Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ Ｐａｐｅｒ”Ｎｏ．２７５０Ｒ Ｎｏｖ．１９５８、ｐ３７２、ｐ３７８−３８１。
【００１６】
含浸カソードは１０００−１３００Ｋ程度の温度で動作することから、ＢａＯ吸着層をタングステン単結晶上に設けることにより低仕事関数化を進ませることで、１０００−１３００Ｋ程度の温度で動作して低いエネルギー幅の電子放射が行えることが容易に予想できる。
【００１７】
また、低加速電圧動作時のエネルギー幅とは別に、スループットが重視される用途では動作角電流密度が注目される。電子線露光装置やＤＲ ＳＥＭといった用途では、高いスループットが求められ、このような用途においてＺｒＯ／Ｗショットキー電子源は０．４ｍＡ／ｓｒ程度の高い角電流密度で動作されており、更に高い角電流密度動作に対応するためＨｆＯ／Ｗショットキー電子源が提案されている（特許文献１参照）。
【００１８】
【特許文献１】特開２００１−３１９５５９公報。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
タングステン単結晶上へＢａＯを吸着層として被覆して１０００Ｋ程度の温度で動作させた例は既に報告されており、その供給源としては酸化バリウムまたは（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）酸化物が使われている（非特許文献７、特許文献２参照）。
【００２０】
【非特許文献７】西山 英利、大嶋 卓、品田 博之「応用物理」第７１巻第４号（２００２）４３８頁。
【００２１】
【特許文献２】特開平１０−１５４４７７号公報。
【００２２】
これらの研究例によると、（Ｂａ，Ｓｒ，Ｃａ）酸化物を用いてタングステン単結晶の＜１００＞方位のニードルにＢａＯ吸着層を設けた場合には１５００Ｋ以上での熱処理の後に１０００Ｋで動作して、その電子放射は放射軸に沿って狭い角度に閉じこめられ、電子源として好ましい放射特性を示すことが報告されている。
【００２３】
しかし、一方で安定して動作する時間は数時間と極めて短く、繰り返し１５００Ｋ以上の熱処理を行う必要があることが述べられており、工業的な実用に耐えないと考えられる。また、酸化バリウムを供給源とした場合についても報告されているが、この場合には電子放射が４回対称となり放射軸に沿って均一に閉じこめられないことと、再現性の乏しさが指摘されている。
【００２４】
また、特許文献３には１．０ｍＡ／ｓｒの動作角電流密度で全放射電流が３５０μＡ以下のＨｆＯ／Ｗショットキー電子源が記載されているが、近年更に高い角電流密度動作（３〜５ｍＡ／ｓｒ）が要求されている。
【００２５】
【特許文献３】特開２００１−３１９５５９公報。
【００２６】
このような極めて高い角電流密度動作時には全放射電流も高くなるため、引き出し電極や電子ビーム放射軸上の金属製絞りに電子が照射され、ガス放出が著しくなり、電子線の気体への衝突により生成したイオンが電子源を攻撃して損傷を与えたり、アーク放電を生じて電子源を破壊することがしばしばある。
【００２７】
本発明者は、上記の事情に鑑みていろいろ検討した結果、タングステンやモリブデンからなる単結晶ニードル上にＢａＯ吸着層を設けるのに適した供給源を見いだし、前記課題を解決して本発明に至ったものである。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、タングステンまたはモリブデンの単結晶ニードルにバリウムと酸素の被覆層を設けてなる電子源であって、前記バリウムの供給源がバリウムを含有する複酸化物からなることを特徴とする電子源であり、好ましくは、バリウムを含有する複酸化物の前記バリウム以外の金属元素が３Ａ、４Ａ、３Ｂ族から選ばれる１種以上であることを特徴とする前記の電子銃である。
【００２９】
また、本発明は、バリウムを含有する複酸化物がＢａＡｌ２Ｏ４、ＢａＡｌ１２Ｏ１９、Ｂａ３Ｓｃ４Ｏ９、ＢａＳｃ２Ｏ４、ＢａＴｉＯ３、ＢａＺｒＯ３、ＢａＨｆＯ３から選ばれる１つ以上の複酸化物であることを特徴とする前記の電子源である。
【００３０】
また、本発明は、バリウムを含有する複酸化物の前記バリウムの一部がバリウム以外の２Ａ族元素で置き換えられていることを特徴とする前記の電子源である。
【００３１】
また、本発明は、タングステンまたはモリブデンの単結晶ニードルが＜１００＞方位でありニードルの先端部に（１００）結晶面からなる平坦面を有することを特徴とする前記の電子源である。
【００３２】
また、本発明は、４．０ｍＡ／ｓｒの角電流密度で動作したときの全放射電流が３５０μＡ以下であることを特徴とする前記の電子源である。
【００３３】
また、本発明は、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、表面分析装置、半導体ウェハ検査装置又は電子線露光機用の電子源であることを特徴とする前記の電子源である。
【００３４】
加えて、本発明は、タングステンまたはモリブデンの単結晶ニードルにバリウムと酸素の被覆層を設け、前記バリウムの供給源がバリウムを含有する複酸化物からなる電子源の使用方法であって、ニードルの温度が１０００Ｋ以上１３００Ｋ以下であることを特徴とする電子源の使用方法である。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明は、本発明者がタングステンまたはモリブデンの単結晶ニードルにバリウムと酸素の被覆層を設けてなる電子源について、いろいろ実験的に検討した結果、バリウムの供給源としてバリウムを含有する複酸化物とするときに、長時間の安定動作が可能なＢａＯ／Ｗショットキー電子源が得られること、そして、従来技術のように数時間に一度の複数回にわたる１５００Ｋ以上の高温熱処理を必要とせず、低エネルギー幅動作が可能な１０００−１３００Ｋでの動作が可能であること、更に、この電子源が、角電流密度が４．０ｍＡ／ｓｒの動作条件において、全放射電流が３５０μＡ以下に抑えられている特徴を満足でき、従来問題となっていた高角電流密度動作時の、引き出し電極や金属製絞りからのガス放出に起因する電子放射特性の劣化、或いはニードル先端をアークにより損傷するといった信頼性の低下が抑制でき、更に電子線露光機、ＤＲ−ＳＥＭといった電子ビーム応用機器のスループットを向上させることができるという特徴を有することを見出し、本発明に至ったものである。
【００３６】
即ち、本発明は、タングステンまたはモリブデンの単結晶ニードルにバリウムと酸素の被覆層を設けてなる電子源であって、前記バリウムの供給源がバリウムを含有する複酸化物からなることを特徴とする電子源である。バリウムの供給源がバリウムを含有する複酸化物からなるときに、前記効果が得られることについては、不明な点が多いが、発明者はバリウムを含有する複酸化物においてバリウムの蒸気圧が低下していることがその大きな原因と考えている。
【００３７】
本発明の実施態様としては、タングステンまたはモリブデンの単結晶の＜１００＞方位のニードルにバリウムと酸素の被覆層を設けた電子源（以下、単にＢａＯ／Ｗエミッターという）であって、バリウム含有の複酸化物からなるバリウムの供給源が設けられている。前記バリウムの供給源は、ニードルの一部分に或いはニードルを固定し加熱するためのヒーター上に設けられていても構わない。
【００３８】
また、バリウムを含有する複酸化物とは、バリウムとバリウム以外の金属と酸素とからなる酸化物であって、本発明に於いては、バリウム以外の金属元素としては３Ａ、４Ａ、３Ｂ族から選ばれる金属元素であることが好ましい。これは、前述した通りに、バリウムの蒸気圧が低いバリウム含有の複酸化物が容易に得易いからである。また、前記３Ａ、４Ａ、３Ｂ族から選ばれる金属元素は、本発明の効果を損ねない限り、２種以上混合されていても構わない。
【００３９】
本発明に於いて、前記のバリウムを含有する複酸化物としては、本発明者の実験的検討結果に拠れば、ＢａＡｌ２Ｏ４、ＢａＡｌ１２Ｏ１９、Ｂａ３Ｓｃ４Ｏ９、ＢａＳｃ２Ｏ４、ＢａＴｉＯ３、ＢａＺｒＯ３、ＢａＨｆＯ３からなる群から選ばれる１つ以上の複酸化物が好ましい。なお、供給源中に遊離の酸化バリウムや金属酸化物が残存していても構わない。
【００４０】
本発明の電子源は、タングステン又はモリブデンの単結晶ニードルの表面にバリウムと酸素とからなる被覆層が形成されていることから９００〜１４５０Ｋで動作可能である、好ましくは１０００〜１３００Ｋの温度範囲で用いることができる。
また、動作圧力に関しては、５×１０―１０Ｔｏｒｒ（約７×１０−８Ｐａ）よりも低圧力（即ち、高真空）であれば問題ない。
【００４１】
本発明の電子源は、前記したとおりに、ＺｒＯ／Ｗショットキー電子源の動作温度である１８００Ｋよりも極めて低い温度範囲で動作するため、また、エネルギー幅小さい電子ビームが得られるので、低加速電子ビームで用いられる走査型電子顕微鏡や半導体ウェハ検査装置の分解能向上に寄与できる特徴を有している。
【００４２】
更に、本発明の電子源は４．０ｍＡ／ｓｒの高い角電流密度動作でも全放射電流が３５０μＡ以下と少ない特徴を有しており、イオン損傷やアークによる電子源の破壊の可能性が低く、高い信頼性が達成できる。
【００４３】
【実施例】
絶縁碍子にロウ付けされた導電端子にタングステン製のフィラメントをスポット溶接により固定した後、＜１００＞方位の単結晶タングステン細線を寸断したニードルを前記フィラメントにスポット溶接により取り付け、更に、ニードルの先端を鋭利に電解研磨して、電子源中間体を得た。
【００４４】
また、供給源を構成する材料として、（１）市販のバリウム・アルミネート（ＢａＡｌ２Ｏ４）粉末、（２）酸化バリウム（ＢａＯ）粉末、（３）酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）粉末の混合物（モル比５：３：２）、（４）酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）粉末の混合物（モル比５：４：１）各々を用意した。
【００４５】
各粉末を用いて、酢酸イソアミルを分散媒として、乳鉢上で粉砕してスラリーを得た。前記スラリーを前記電子源中間体のニードル（フィラメントへの固定位置とニードルの先端との中央の位置）に塗布して、供給源を予備形成した。
【００４６】
スラリー中の酢酸イソアミルが蒸発した後、図２に示す装置に導入した。ニードル１の先端はサプレッサー電極６と引き出し電極７との間に配置される。尚、ニードル１の先端とサプレッサー電極６の距離は０．２５ｍｍ、サプレッサー電極６と引き出し電極７の距離は０．６ｍｍ、引き出し電極７の孔径は０．６ｍｍ、サプレッサー電極６の孔径は０．４ｍｍである。
【００４７】
フィラメント３はフィラメント加熱電源１４に接続され、更に高圧電源１３に接続され、引き出し電極７に対して負の高電圧、即ち引き出し電圧Ｖｅｘが印加される。また、サプレッサー電極６はバイアス電源１２に接続され、ニードル１とフィラメント３に対して更に負の電圧、バイアス電圧Ｖｂ、が印加される。これによりフィラメント３からの放射熱電子を遮る。電子源からの全放射電流Ｉｔは高圧電源１３とアース間に置かれた電流計１５により測定される。ニードル１の先端から放射した電子ビーム１６は引き出し電極７の孔を通過して、蛍光板８に到達する。蛍光板８の中央にはアパーチャー９（小孔）が有り、通過してカップ状電極１０に到達したプローブ電流Ｉｐは微小電流計１１により測定される。なおアパーチャー９とニードル１の先端との距離とアパーチャー９の内径から算出される立体角をωとすると角電流密度はＩｐ／ωとなる。
【００４８】
（実施例１、２）
バリウム・アルミネートを供給源とした電子源を真空装置内に導入して装置内を３×１０−１０Ｔｏｒｒ（４×１０−８Ｐａ）の超高真空中としてフィラメント３に通電してニードル１を１５００Ｋに加熱し、供給源を焼成する。更にニードルを１５００Ｋに維持したままサプレッサーにバイアス電圧Ｖｂ＝５０Ｖの電圧を印加して、続いて引き出し電圧Ｖｅｘ＝３ｋＶの高電圧を印加して８２時間維持した。
【００４９】
この間にバリウムと酸素の吸着層が形成され、徐々に放射電流が増した。蛍光板８上に観察された電子放射ビームは図３（ａ）に示すように電子放射軸上に４回対称で軸上のプローブ電流は微弱であったが、放射電流の増加と共に軸上のプローブ電流も徐々に増加してきた（図３（ｂ）参照）。
【００５０】
その後、更に１１００Ｋまで動作温度を下げて更に引き出し電圧を１．５ｋＶまで下げ１２ｈｒ電子放射を継続したところ、蛍光板８上の電子放射ビームのパターンは図３（ｃ）に示すように軸対称且つ軸上を照射するものであった。また１ｍＡ／ｓｒの角電流密度に相当するプローブ電流が観察され、その後１５００ｈｒにわたり安定した電子放射が確認できた。また、この間に１５００Ｋ以上の熱処理は最初の一回のみで、繰り返し行う必要はなかった。加えて、その引き出し電圧−角電流密度、全放射電流の関係から４ｍＡ／ｓｒ動作時の全放射電流は約１２０μＡであり、１０ｍＡ／ｓｒの動作角電流密度まで確認することができた（第４図参照）。
【００５１】
その後、装置から電子源を取り出してタングステンニードルの先端を走査型電子顕微鏡で観察したところニードル先端に平坦な（１００）結晶面が形成されていることが確認できた。
【００５２】
（比較例１〜６）
バリウムアルミネート以外の材料により供給源が構成された電子源の結果を、実施例の結果と共に、表１に示した。比較例の場合には、蒸気圧が高いためバリウム供給源が枯渇しやすく、高温で長時間の処理を行うことができない。これに対して、本発明の電子源は高温で長時間の処理により枯渇することなく、好ましい特性の電子源を得ることができる。
【００５３】
【表１】
【発明の効果】
本発明の電子源は、長時間の安定動作が可能で、従来の電子源のように数時間に一度の複数回にわたる１５００Ｋ以上の高温熱処理を必要とせず、低エネルギー幅動作が可能であるという特徴を有している。また、角電流密度が４．０ｍＡ／ｓｒの動作条件において、全放射電流が３５０μＡ以下に抑えられているので、従来問題となっていた高角電流密度動作時の、引き出し電極や金属製絞りからのガス放出に起因する電子放射特性の劣化、或いはニードル先端をアークにより損傷するといった信頼性の低下が抑制できる特徴があるし、電子線露光機、ＤＲ−ＳＥＭといった電子ビーム応用機器のスループットを向上させることができる特徴があるので、産業上非常に有用である。
【００５５】
本発明の電子源の使用方法によれば、前記電子源を安定動作させて、前記電子源の効果を達成せしめることができるので、産業上非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】電子源の構造図。
【図２】電子放射特性の評価装置の構成図。
【図３】蛍光板上で観察された電子放射ビームの角度分布パターン。
【図４】本発明の実施例２に係る電子源についての引き出し電圧−角電流密度、全放射電流の測定結果を示す図。
【符号の説明】
１ ： ニードル
２ ： 供給源
３ ： フィラメント
４ ： 導電端子
５ ： 絶縁碍子
６ ： サプレッサー電極
７ ： 引き出し電極
８ ： 蛍光板
９ ： アパーチャー
１０： カップ状電極
１１： プローブ電流測定用微小電流計
１２： バイアス電源
１３： 高圧電源
１４： フィラメント加熱電源
１５： 全放射電流測定用電流計
１６： 放射電子線
Claims (8)
- タングステンまたはモリブデンの単結晶ニードルにバリウムと酸素の被覆層を設けてなる電子源であって、前記バリウムの供給源がバリウムを含有する複酸化物からなることを特徴とする電子源。
- バリウムを含有する複酸化物の前記バリウム以外の金属元素が３Ａ、４Ａ、３Ｂ族から選ばれる１種以上であることを特徴とする請求項１記載の電子銃。
- バリウムを含有する複酸化物がＢａＡｌ２Ｏ４、ＢａＡｌ
１２Ｏ１９、Ｂａ３Ｓｃ４Ｏ９、ＢａＳｃ２Ｏ４、ＢａＴｉＯ３、ＢａＺｒＯ３、ＢａＨｆＯ３から選ばれる１つ以上の複酸化物であることを特徴とする請求項１記載の電子源。 - バリウムを含有する複酸化物の前記バリウムの一部がバリウム以外の２Ａ族元素で置き換えられていることを特徴とする請求項１記載の電子源。
- タングステンまたはモリブデンの単結晶ニードルが＜１００＞方位でありニードルの先端部に（１００）結晶面からなる平坦面を有することを特徴とする請求項１記載の電子源。
- ４．０ｍＡ／ｓｒの角電流密度で動作したときの全放射電流が３５０μＡ以下であることを特徴とする請求項１記載の電子源。
- 走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、表面分析装置、半導体ウェハ検査装置又は電子線露光機用の電子源であることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６記載の電子源。
- タングステンまたはモリブデンの単結晶ニードルにバリウムと酸素の被覆層を設け、前記バリウムの供給源がバリウムを含有する複酸化物からなる電子源の使用方法であって、ニードルの温度が１０００Ｋ以上１３００Ｋ以下であることを特徴とする電子源の使用方法。
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