JP2005190758A

JP2005190758A - 電子源

Info

Publication number: JP2005190758A
Application number: JP2003428783A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Terui; 良典照井
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2005-07-14

Abstract

【課題】輝度が高く、輝度変化の小さい電子放射陰極を提供する。
【解決手段】当該電子放射源の表面の電子放射部以外が炭素で被覆された、六ほう化セリウムからなることを特徴とする電子放射源と、それを用いた電子放射陰極。また、六ほう化セリウムの単結晶体の発熱体と接する部分を除く表面の全体に、熱分解黒鉛を被覆し、次いで前記黒鉛の前記電子源として用いる部分を削除することを特徴とする電子放射源の製造方法であり、好ましくは、六ほう化セリウムの単結晶体を、熱分解黒鉛を被覆する前に、予め電子放射陰極の電子放射源形状に加工している前記の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、余剰電流が少なく輝度が高く、且つ寿命の長い電子放射陰極と、それに用いる電子放射源とその製造方法に関する。

六ほう化ランタンはタングステンよりも仕事関数が低く熱陰極として好適で、広く工業的に利用されている。

図１に六ほう化ランタンからなる電子放射陰極の構造を示す。六ほう化ランタンからなる陰極チップ１は黒鉛質のヒーター・ブロック２に把持され、金属製支柱３により把持固定されている。さらに、支柱３はアルミナからなるベース４にロウ付けなどにより固定され、端部は電流導入端子５なる。２つの電流導入端子５を介して通電することにより、ヒーター・ブロック２がジュール発熱してチップ１が加熱される。（図１参照）

陰極チップ１は図２に示すように円錐形状をしており、そのチップ端部７は球面状あるいは平面状に加工されている。（図２参照）

通常、陰極チップ１と陽極６の間には制御電極８が配置される。陰極チップ１には陽極６に対して負の高電圧が印加され、更に制御電極８には陰極に対して負の電圧が印加される。このようにして、陰極チップ１から陽極６に向かい電子が放射され、また、制御電極８に印加する電圧により全放射電流を制御することが出来る。（図３参照）このような電子放射陰極を以下に六ほう化ランタン電子放射陰極と記す。

一方、陰極チップ１の電子放射部９以外を熱分解炭素（以下ＰＧと略す）で被覆したＰＧ被覆六ほう化ランタン電子放射陰極が提案されている。（図４参照）

このようなＰＧ被覆六ほう化ランタン電子放射陰極は、従来の六ほう化ランタン電子放射陰極に比べて（１）輝度が高く、加えて（２）六ほう化ランタンの蒸発量が抑えられ制御電極の内面への汚染が低減される。（３）円錐面からの電子放射が抑制されるため真円形状のビームが得られやすい。といった長所があることが非特許文献１に述べられている。
ＥｌｅｃｔｒｏｎＯｐｔｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ（ｐｐ．１６３−１７０）ＳＥＭＩｎｃ．，ＡＭＦＯ’Ｈａｒｅ（Ｃｈｉｃａｇｏ），ＩＬ６０６６６−０５０７，Ｕ．Ｓ．Ａ．

更に、陰極チップと陽極の間に制御電極を配置しないＰＧ被覆六ほう化ランタン電子放射陰極の使用方法が提案されている。また、この陰極は六ほう化ランタン電子放射陰極に比べて輝度が１桁高いことが記されている。（非特許文献２参照）
Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ９（６），１９９１（ｐｐ．２９２９−２９３３）

更に、六ほう化ランタンとほぼ同じ電子放射特性を有する材料として六ほう化セリウムが知られている。六ほう化セリウムは六ほう化ランタンに比べて蒸発速度が小さいことが知られている。（非特許文献３参照）
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆｔｈｅ４９ｔｈＡｎｎｕａｌＭｅｅｔｉｎｇｏｆｔｈｅＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ，１９９１，ｐｐ３４６−３４７．

六ほう化ランタンは真空中で加熱されると蒸発により消耗する。また、この消耗は真空中の残留酸素や水により酸化して消耗が促進される。一方、ＰＧは真空中で極めて安定であり、その消耗量は六ほう化ランタンに比べて無視しうる。従ってＰＧ被覆六ほう化ランタン電子放射陰極は使用とともに電子放射部９が蒸発消耗してＰＧ被覆部１０に対して後退する。（図４参照）このためＰＧ被覆部１０により電位的に電子放射部が遮蔽され、輝度低下を招くことが非特許文献１に述べられている。実用上、このような輝度低下は電子放射源の寿命を支配する大きな要因となる。

本発明は蒸発消耗による輝度低下を低減したＰＧ被覆電子放射源である。本発明者は、陰極チップ、即ち電子放射陰極の電子放射源、の構成材料を六ほう化ランタンから六ほう化セリウムを替えることのみで、それを用いた電子放射陰極が、蒸発消耗を低減でき、その結果輝度低下が極めて抑制することができるという知見を得て、本発明に至ったものである。

即ち、本発明は、当該電子放射源の表面の電子放射部以外が炭素で被覆された、六ほう化セリウムからなることを特徴とする電子放射源であり、好ましくは、当該電子放射源の表面の電子放射部と発熱体と接する部分以外が、炭素で被覆された、六ほう化セリウムからなることを特徴とする電子放射源であり、前記の電子放射源を用いてなることを特徴とする電子放射陰極である。

また、本発明は、六ほう化セリウムの単結晶体の発熱体と接する部分を除く表面の全体に、熱分解黒鉛を被覆し、次いで前記黒鉛の前記電子源として用いる部分を削除することを特徴とする電子放射源の製造方法であり、好ましくは、六ほう化セリウムの単結晶体を、熱分解黒鉛を被覆する前に、予め電子放射陰極の電子放射源形状に加工していることを特徴とする前記の電子放射源の製造方法である。

本発明の電子放射源は、前記の構成要件を採用しているので、それを用いた電子放射陰極は、動作温度が１７００Ｋ、真空度が１×１０^−６Ｐａのとき、従来公知の六ほう化ランタンを用いたＰＧ被覆電子放射源に比べて、軸状電流の低下が動作時間に換算して約１／１０となり、輝度変化が小さいという特徴を有している。

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。

まず、本発明は、当該電子放射源の表面の電子放射部以外が炭素で被覆された、六ほう化セリウムからなることを特徴とする電子放射源である。本発明において、六ほう化セリウムは単結晶であることが望ましく、特に、電子放射源として（１００）面が用いられることが、高輝度で安定した電子線が得やすいことから望ましい。

本発明に於いて、六ほう化セリウムの電子放射部分以外の表面を被覆する炭素としては、例えばコロイダル黒鉛などのように微細な炭素や黒鉛の粉末であっても良いが、後述する方法で得られる熱分解黒鉛を形成させることが、緻密な炭素層が得られることから好ましい。

本発明に於いて、当該電子放射源の表面の電子放射部に加えて、発熱体と接する部分が炭素で被覆されていないことが許容される。然るに、この部分は、電子放射陰極に於いて発熱体と常に接する状況にあるので電子放射特性に影響を及ぼすことは無いが、当該電子放射源を作製する際には、この部分を当該放射源の加工時に保持する場所として用いることができるという長所が得られる。

本発明は、前記の電子放射源を用いてなることを特徴とする電子放射陰極である。本発明の電子放射陰極は、従来公知の技術に基づき、前記電子放射源を用いることのみで得ることができる。そして、前記構成の電子放射源を用いているので、動作温度が１７００Ｋ、真空度が１×１０^−６Ｐａのとき、従来公知の六ほう化ランタンを用いたＰＧ被覆電子放射源に比べて、軸状電流の低下が動作時間に換算して約１／１０となり、輝度変化が小さいという特徴を有している。

また、本発明は、六ほう化セリウムの単結晶体の発熱体と接する部分を除く表面の全体に、熱分解黒鉛を被覆し、次いで前記黒鉛の前記電子源として用いる部分を削除することを特徴とする電子放射源の製造方法である。前述の通りに、発熱体と接する部分を利用して六ほう化セリウムを保持し、真空中で当該六ほう化セリウムを加熱しながらプロパン等の有機ガスを供給することで、六ほう化セリウムの単結晶体の発熱体と接する部分を除く表面の全体に、熱分解黒鉛を被覆する。そして、当該熱分解黒鉛の層の、当該六ほう化セリウムの電子放射部分となるところを、機械加工法等により削除すれば良い。このような手順を得て、前記の特徴ある電子放射源を、そしてそれを用いた電子放射陰極を容易に、確実に得ることができる。

また、本発明に於いて、六ほう化セリウムの単結晶体を、熱分解黒鉛を被覆する前に、予め電子放射陰極の電子放射源形状に加工していることが好ましい。通常は、電子源の先鋭部分が電子放射部分となるので、前記の手順に従うことで、前記先鋭部分の極狭められた領域を除いて炭素被覆した電子源が得ることができ、本発明の効果が一層得やすくなる。

六ほう化セリウムからなる直方体の長手方向端部に機械研磨により円錐部を設けて陰極チップ１を形成した。

陰極チップ１を市販のＰＧ板から切り出したヒーター・ブロック２により挟み、更にベース４に固定した２本の金属支柱３により把持した。

前記の構造体を真空容器に配置して、排気して、電流導入端子５から電流を流して通電加熱した。陰極チップ１の温度を放射温度計で測定しながら１８００Ｋになるように電流を調整した。次に真空容器中にプロパンガスを導入して圧力を１００Ｐａに維持するよう流量を調整した。プロパンガスの導入とともにＰＧがヒーターと陰極チップ１上に析出した。このときヒーター・ブロック２上にもＰＧが析出するためヒーター・ブロック２の抵抗値が下がるので、温度低下を避けるために、放射温度計で温度を測定しながら電流を調整した。５分間ＰＧの析出を行った後、真空装置から取り出し陰極チップ１を構体から取り外し、円錐部頂点を機械研磨により研磨して電子放射部９を形成した。

再度、陰極チップ１を新しいヒーター・ブロック２で把持して電子放射陰極とした。

前記の電子放射陰極を市販のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にとりつけた。なお、制御電極は使用しなかった。陰極チップの温度が１８００Ｋとなるように通電加熱電流を調整して試料電流が１０ｎＡとなるようにコンデンサーレンズと対物レンズの励磁を調整した。その後、試料電流の経時変化を測定して試料電流が１５％減衰する時間ｔ_１５％を測定し、結果を表１にまとめた。なお、動作中の真空度は約１×１０^−６Ｐａであった。また、前記と同じ方法で六ほう化ランタンからなる電子放射陰極を作成し比較の例とした。

本発明になる、六ほう化セリウムからなるＰＧ被覆電子放射源を用いた電子放射陰極は、六ほう化ランタンからなるそれよりも約３倍の動作時間であり、輝度変化が小さいことが実証されている。

本発明の電子放射源、そしてそれを用いた電子放射陰極は、輝度が高くその経時変化が小さいことから半導体検査装置や電子線露光装置用の電子源として好適である。

六ほう化ランタンからなる電子放射陰極の構造図。陰極チップとその端部の形状拡大図。電子銃の構造図。電子放射部の後退の様子を示す概念図。

符号の説明

１陰極チップ（電子放射源）
２ヒーターブロック
３支柱
４ベース（碍子）
５電流導入端子
６陽極
７チップ端部
８制御電極
９電子放射部
９’ 消耗により後退した電子放射部
１０ＰＧ被覆部

Claims

当該電子放射源の表面の電子放射部以外が炭素で被覆された、六ほう化セリウムからなることを特徴とする電子放射源。
当該電子放射源の表面の電子放射部と発熱体と接する部分以外が、炭素で被覆された、六ほう化セリウムからなることを特徴とする電子放射源。
請求項１又は請求項２記載の電子放射源を用いてなることを特徴とする電子放射陰極。
六ほう化セリウムの単結晶体の発熱体と接する部分を除く表面の全体に、熱分解黒鉛を被覆し、次いで前記黒鉛の前記電子源として用いる部分を削除することを特徴とする電子放射源の製造方法。
六ほう化セリウムの単結晶体を、熱分解黒鉛を被覆する前に、予め電子放射陰極の電子放射源形状に加工していることを特徴とする請求項４記載の電子放射源の製造方法。