JP3582855B2

JP3582855B2 - Thermal field emission cathode and method of manufacturing the same

Info

Publication number: JP3582855B2
Application number: JP17132294A
Authority: JP
Inventors: 勝義角田; 良典照井
Original assignee: Jeol Ltd; Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Jeol Ltd; Denka Co Ltd
Priority date: 1994-07-22
Filing date: 1994-07-22
Publication date: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2019-10-27
Also published as: JPH0836981A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電気絶縁性の高い半導体、セラミックス、生物等を被対象物とし、主にその検査に適用される高分解能低加速電子顕微鏡、測長機などの電子線利用機器に用いられる熱電界放射陰極に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子顕微鏡を初めとする各種の電子線利用機器がいろいろな分野で利用されている。例えば、半導体分野では、半導体デバイスの高集積化、超微細化に伴い、その検査工程で従来の光学顕微鏡に代わり、より高分解能の走査型電子顕微鏡（以下ＳＥＭと記す）や測長機等が用いられるようになってきた。
【０００３】
電気絶縁性の物質を含む半導体デバイスをＳＥＭで観察する場合、試料の損傷を防ぎチャージアップを低減するなどの理由から電子ビームの加速エネルギーを１ｋＶ以下に低く抑える必要がある。このような低加速ＳＥＭに於いては分解能は色収差、すなわち電子ビームのエネルギー幅に支配されていることが知られている（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．，Ｂ４（１），１９８６，ｐｐ．１３１−１３４）。加えて半導体検査装置に用いられるＳＥＭは高速処理を要求され、電子線源の陰極には高角電流密度が要求される。
【０００４】
上記の要求に対し、タングステン表面にジルコニウムと酸素とからなる被覆層を設けた熱電界放射陰極、あるいはショットキー陰極（以下、両者を含めて単に熱電界放射陰極と記す）が優れることが知られている。（ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ｖｏｌ．１４０，Ｐｔ３，Ｄｅｃｅｍｂｅｒ１９８５，ｐｐ．３０３−３１１）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、電子ビームの加速エネルギーが１ｋＶ程度の低加速ＳＥＭにおいて、実用上満足できるＳ／Ｎ比を得て、しかも１０ｎｍ以下の高分解能を得る為には、角電流密度が少なくとも０．０２ｍＡ／ｓｒ以上で、しかもエネルギー幅が０．５ｅＶ以下の電子ビームが必要であるが、従来の熱電界放射陰極は、これを供給するものでなかった。
【０００６】
従来、熱電界放射陰極を低加速ＳＥＭに用いる場合には、角電流密度０．０２ｍＡ／ｓｒ以上を得ることを優先して、先端半径が０．６μｍ程度のものを用い３．５ｋＶ以上の高い引き出し電圧にて用いるか、もしくは更に先端半径が０．４μｍ以下の小さなものを選び使用していた。しかし、後者ではエネルギー幅は０．７ｅＶ以上の値となり高分解能をも達成できなくなること、前者では電子ビームが２０％以上もの大きな変動を示し安定しないという問題があった。
【０００７】
角電流密度が高く、エネルギー幅が小さい特性を有する熱電界放射陰極を得るのは非常に困難なことであり、両特性を備えた安定な電子ビームを得ることは達成されていなかった。
【０００８】
本発明はこの問題点に鑑みてなされたものであって、角電流密度が高く、エネルギー幅が小さくて、しかも安定な電子ビームが得られる熱電界放射陰極とその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、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と酸素からなる被覆層を設けた熱電界放射陰極において、前記タングステン単結晶ニードルの尖鋭部に内接する球の半径を先端半径Ｒ１、先端に位置する平坦状または大きな曲率の凸面状の平坦部の半径を平坦部半径Ｒ２とし、円錐部の全角をテーパー角θとする時、先端半径Ｒ１が１．２μｍ以上１０μｍ以下であって、先端半径Ｒ１に対する平坦部半径Ｒ２の比（Ｒ２／Ｒ１）が０．２以上であって、しかもテーパー角θが２５゜以下であることを特徴とする熱電界放射陰極である。
【００１０】
又、本発明は、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と酸素からなる被覆層を設けた熱電界放射陰極の製造方法において、先端部のテーパー角が２５°以下のタングステン単結晶ニードルを用いて、真空中で熱処理する方法、ドライエッチングする方法、もしくは該タングステン単結晶ニードルを陰極とし電圧を印加して電子放出させることでガスをイオン化し、該イオンにより該タングステン単結晶ニードルの尖鋭部をエッチングする方法のうちの一つ以上の方法により、該タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を制御することを特徴とする請求項１記載の熱電界放射陰極の製造方法である。
【００１１】
以下、図を用いて本発明を説明する。
図１及び図２は、本発明の熱電界放射陰極のタングステン単結晶ニードルの尖鋭部の断面図である。又、図３は、従来法で作製された熱電界放射陰極のタングステン単結晶ニードルの尖鋭部の断面図である。
【００１２】
タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状は、図１及び図２で示すように、円錐状のＡ部、円柱状のＢ部、半球状のＣ部と平坦状又は比較的大きな曲率を有する凸面状のＤ部に区分できる。従来の熱電界放射陰極では、図３に示すように、Ｂ部が極めて短いか、もしくは存在していなかった。
【００１３】
タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を定めるためには、形状パラメーターとして、Ａ部についてはそのテーパー角θを、Ｃ部についてそれに内接する球の半径Ｒ１（先端半径）を定めればよい。又、Ｄ部については、図１に示すように平坦部を形成している場合と、図２に示されるように大きな曲率を持った球面状の場合がある。図１の場合、その平坦部の半径（Ｒ２）のみで示すことができる。図２の場合、先端部に接する球の半径（Ｒ３）と、その球と先端部の共通部分の半径で表すことができる。本発明者らの検討によれば、図１の平坦部と、図２の先端部に接する球と先端部の共通部分は、共に熱電界放射陰極として作動するときの電子を放出する主要部を構成していると考えられる。本発明では、両方の場合共に、その半径を平坦部半径Ｒ２で表す。
【００１４】
先端半径Ｒ１が１．２μｍ未満の場合、あるいは先端半径の平坦部半径に対する比（Ｒ２／Ｒ１）が０．２未満の場合はエネルギー幅が大きく、電子ビームの変動率が大きくなり当初の目的を達成できない。先端半径Ｒ１が１０μｍを越える場合やテーパー角θが２５゜を越える場合には、０．０２ｍＡ／ｓｒ以上の角電流密度を得ることができず、やはり当初の目的を達成できない。これらの理由については明確でないが、前二者ではタングステン単結晶ニードルの先端部近傍に形成される電界分布や電子放出部分が一様性を欠くため、後二者では電界強度が不足するためと考えられる。
【００１５】
次に、本発明の熱電界放射陰極の製造方法について、詳しく説明する。
【００１６】
熱電界放射陰極の製造の一般的な方法は、絶縁碍子の電極ピンにタングステンワイヤーからなるＶ型フィラメントを取付け、その先端部に軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶ニードルを溶接固定した後、タングステン単結晶ニードルの先端部を電解研磨法にて尖鋭化し、タングステン単結晶ニードルの中央部にジルコニウム源を取付けて約１０^−６Ｔｏｒｒの酸素存在下で加熱してタングステン単結晶ニードルの先端部にまでジルコニウムと酸素を拡散させ、しかる後に各種の電極を取付けて約１０^−９Ｔｏｒｒの真空下で電圧を印加することで、タングステン単結晶ニードルの先端部の形状を形成させるものである。
従って、タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状は、電解研磨後の形状によって制限されている。
【００１７】
電解研磨法では、電解電圧、電解液等の諸条件を変えることで、いろいろな形状のものを得ることができる。しかし、タングステン単結晶ニードルの尖鋭部は図３に示す形状となってしまうこと、先端半径Ｒ１を大きくしようとすると、それに従ってテーパー角θも大きな値となってしまうこと、先端部に十分に大きな平坦部を作ることができない等の制限がある。
このため、先端半径Ｒ１に対する平坦部半径Ｒ２の比（Ｒ２／Ｒ１）を０．２以上とすることができない、テーパー角θが２５゜以下でしかも先端半径Ｒ１が１．２μｍ以上のものが得られないので、電解研磨法のみによっては本発明の熱電界放射陰極を得ることができない。
【００１８】
本発明ではテーパー角θが２５゜以下のものが選別される。テーパー角θが２５゜を越えたものは、本発明で開示するいずれの方法によっても、これを小さく変えることができない為である。テーパー角θが２５゜以下のものを電解研磨法で得るためには、タングステン単結晶ニードルの切断直後に電解電圧を速やかに零として電解研磨を終了させる方法が有効である。
【００１９】
本発明の熱電界放射陰極の製造方法における第１の方法は、電解研磨法で得たタングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を、真空中で熱処理することで制御する方法である。
【００２０】
加熱時の雰囲気は、通常、３×１０^−６Ｔｏｒｒよりも良い真空条件下で行うが、アルゴン、ヘリウム、水素等の不活性ガスを用いることもできる。
【００２１】
温度は、輝度温度（光高温計で放射率を１．０として測定した時の温度）で１７００℃以上２３００℃以下、好ましくは１９００℃以上２１００℃以下が選択される。１７００℃未満では、１．２μｍ以上の先端半径のものは得られず、２３００℃を越えるとタングステン単結晶ニードルやタングステンワイヤーの溶断等の損傷を招き易い。数時間から数十時間程度の現実的な時間内で、損傷の問題が無く、再現性良く形状を調整するためには１９００℃以上２１００℃以下の輝度温度が適している。
【００２２】
本発明の熱電界放射陰極の製造方法における第２の方法は、電解研磨で得たタングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を、ドライエッチングすることで、制御する方法である。
【００２３】
ドライエッチングによる方法は、各種形状パラメーターの制御性に優れる点が長所である。ドライエッチングする方法としては、イオンビームによるエッチング、プラズマによるエッチング等の従来から知られている方法のいずれでも良いが、タングステン単結晶ニードルの軸方向に対してエッチング効果が著しいものがより好ましい。イオンビームやプラズマ等のドライエッチングで用いるガス種は、アルゴン、酸素、水素等の一般的なガス種を選択し導入しても良いし、大気等を真空排気した時の残留ガスを利用しても良い。
【００２４】
本発明の熱電界放射陰極の製造方法における第３の方法は、電解研磨法で得たタングステン単結晶ニードルを陰極とし電圧を印加し電子放出させてガスをイオン化し、該イオンによりエッチングすることで前記タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を制御する方法である。
【００２５】
本発明者らは、約１０^−８Ｔｏｒｒの真空下で、タングステン単結晶ニードルを陰極とし対向する陽極との間に数ｋＶの電圧を印加し電子放出させる時、残留するガスがイオン化するが、正に帯電したイオンは電圧印加時に形成されている電界に導かれて、陰極であるタングステン単結晶ニードルへと向かい、最後には衝突してこれをエッチングすることを見いだしたものである。しかも、電界強度は尖鋭部で最も強いので、尖鋭部の先端を選択的にエッチングすることが判った。発明者らは、この現象を積極的に利用することで、本発明に至ったものである。
【００２６】
この方法の実施条件に関し、圧力については５×１０^−９〜５×１０^−７Ｔｏｒｒの範囲、好ましくは１×１０^−８〜１×１０^−７Ｔｏｒｒの範囲が選択される。５×１０^−９Ｔｏｒｒ未満の圧力では電子放出時にイオン発生が少なくなりエッチングが速やかに行えない。一方、５×１０^ー７Ｔｏｒｒを越えるとイオン発生が著しく多くなり、エッチングがあまりにも早くなり形状の制御が行えなくなる。形状を制御するのに適当なエッチングの速さは、圧力が１×１０^−８Ｔｏｒｒ以上１×１０^−７Ｔｏｒｒ以下の場合に達成される。
【００２７】
タングステン単結晶ニードルの輝度温度は、１３５０℃以上１５００℃以下が選択できる。１５００℃を越えると、タングステン単結晶ニードルの尖鋭部での変形が容易に検知されるようになり、形状の制御性が悪くなる。真空中の熱処理する方法に比べ低い温度で形状の制御性が制限されるのは、該尖鋭部の形状の変化が、熱処理による効果の他に、電圧を印加することの効果、イオンによるエッチングの効果が絡んでいるためと推察される。１３５０℃未満では、エッチングの速さが極端に遅くなる。
【００２８】
電子放出の目安となるエミッション電流は、１０μＡ以上３５０μＡ以下である。１０μＡ未満では、イオンの発生量が少なくなり、エッチングに多大な時間を要する。３５０μＡを越えると、イオン発生が急に多くなり、エッチングがあまりに速くなり形状の制御ができなくなる。又、印加電圧については、前記の圧力、温度の他に、電極間距離等の電極配置、或いはタングステン単結晶ニードルの尖鋭部形状等により変化するので規定しないが、一般的に、２〜６ｋＶ程度である。
【００２９】
上記の３つのいずれかの方法により尖鋭端の形状を調整したタングステン単結晶ニードルに、更に、ジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けた後、電圧を印加し最終的な形状に定める。これらの尖鋭端の形状を制御する方法は、いずれも、ジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けた後に適用することもできる。特に、３番目の方法はジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けた後に適用すると、一層制御性に優れ、好ましい。
【００３０】
又、上記の３つのいずれの方法でも、少なくとも一回以上適用することで、本発明の熱電界放射陰極を得ることができるが、電解研磨にてタングステン単結晶ニードルの先端部が尖鋭化された後であれば、２つ以上の方法を共用したり、或いは一つの方法を２度以上適用する等自由に適用することができる。
【００３１】
以下実施例をもって、さらに詳細に説明する。
【００３２】
【実施例】
〔実施例１〕
絶縁碍子の電極ピンにタングステンワイヤーからなるＶ型フィラメントを取付け、その先端に軸方位が＜１００＞方位からなるタングステン単結晶ニードルを溶接して固定した。
次に、上記のタングステン単結晶ニードルを、電解研磨法にて切断し、尖鋭化した。この段階でのタングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状パラメーターは、θ＝２０゜、Ｒ１＝０．１μｍであった。平坦部は、検知できなかった。
次に、上記のタングステン単結晶ニードルを１×１０^ー６Ｔｏｒｒの真空中で、輝度温度２０００℃で１０時間保持することで、先鋭化したタングステン単結晶ニードルの先端部の形状を調整した。この処理の後で、タングステン単結晶ニードルの形状パラメーターは、θ＝２０゜，Ｒ１＝１．２μｍであった。
次に、上記の尖鋭部の形状を調整したタングステン単結晶ニードルの中央部にＺｒＨ_２（水素化ジルコニウム）粉を塗布し、酸素ガスを導入した３×１０^−６Ｔｏｒｒの真空中で、輝度温度１４００℃で２０時間加熱し、ジルコニウムと酸素をタングステン単結晶ニードルの先端部まで拡散させることで、ジルコニウムと酸素の被覆層を設けた。
最後に、サプレッサー電極及び引き出し電極を取付け、１×１０^−９Ｔｏｒｒの真空中で１４００℃の輝度温度に保ちながら、サプレッサー電極を−３００Ｖに、引き出し電極を＋２．５ｋＶとし、タングステン単結晶ニードルに電圧を印加して先鋭部に平坦部を形成させた。
上記の一連の工程処理を経て得られた熱電界放射陰極の形状パラメーターは、θ＝２０゜、Ｒ１＝１．２μｍであり、平坦部が明瞭に形成されていて（Ｒ３＝∞）、その大きさはＲ２＝０．３８μｍであった。又、その電子ビーム特性を測定したところ、引き出し電圧が３．８ｋＶの時に角電流密度０．０４３ｍＡ／ｓｒ、エネルギー幅０．５０ｅＶであり、ビーム変動率は２．３％であった。尚、データの取扱いは、下記の算出方法によった。
【００３３】
＜角電流密度の算出方法＞
軸上の開き角（２α）が１０ｍｒａｄで測定したプローブ電流（Ｉ）より、
Ｉ／（π・α・α）にて算出した。
【００３４】
＜エネルギー幅の算出方法＞
０ｏｓｔｒｏｍ型のエネルギー分析器を用いて測定されたエネルギー分布の半値幅をもってエネルギー幅とした。（Ａ．Ｇ．Ｊ．ＶｏｎＯｏｓｔｒｏｍ；ＰｈｉｌｉｐｓＲｅｓ．Ｒｅｐｔ．Ｓｕｐｐｌ．（１９６６）Ｎｏ．１ＰＰ．１−１０２）
【００３５】
＜変動率の算出方法＞
軸上の開き角（２α）が１０ｍｒａｄで測定されたプローブ電流について、任意の１０時間の区間における最大値をＩｍａｘ、最小値をＩｍｉｎとした時に、変動率を
（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／Ｉｍａｘ×１００にて算定した。
【００３６】
〔実施例２〕
実施例１と同じく電解研磨法で、テーパー角θが１７゜でＲ１がＯ．１μｍの尖鋭部を有するタングステン単結晶ニードルを準備した。これを、１×１０^−６Ｔｏｒｒの真空中でアルゴンイオンビームを照射しイオンエッチングすることで、タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を調整した。照射したアルゴンイオンビームの加速電圧は５ｋＶで、イオン電流値は２．５〜２．８μＡであり、ビーム径は約１ｍｍであった。この操作の後の、形状パラメーターは、θ＝１７゜、Ｒ１＝８．０μｍ、Ｒ２＝１．９１μｍ、Ｒ３＝５７μｍであった。
次に、これを実施例１に記載したようにジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けた後、電圧を印加して、熱電界放射陰極を作成し、その形状パラメーターと電子ビーム特性を調べた。形状パラメーターは、θ＝１７゜、Ｒ１＝８．５μｍ、Ｒ２＝１．９６μｍ、Ｒ３＝６８μｍであり、電子ビーム特性は、５．０ｋＶの引き出し電圧の条件下で、角電流密度が０．０２９ｍＡ／ｓｒ、エネルギー幅が０．４９ｅＶで、変動率が１．１％であった。
【００３７】
〔実施例３〕
実施例１と同じく電解研磨法にて、θ＝１８゜、Ｒ１＝０．２μｍの尖鋭部を有するタングステン単結晶ニードルを準備した。これを実施例１に記載したジルコニウムと酸素からなる被覆層を設ける処理を施した後、酸素ガスを導入して０．１〜０．５Ｔｏｒｒに保持した真空中で、タングステン単結晶ニードルを陰極とし、これより１００ｍｍ離して陽極を配置し、その間に０．５〜１．５ｋＶの直流電圧を印加してプラズマを生成してタングステン単結晶ニードルをエッチングすることで、タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を調整した。この時のプラズマ電流は、５ｍＡであった。上記タングステン単結晶ニードルに、実施例１記載の方法で電圧を印加して熱電界放射陰極を作成し、その形状パラメーターと電子ビーム特性を調べた。
形状パラメーターは、θ＝１８゜、Ｒ１＝５．１μｍ、Ｒ２＝１．４３μｍ、Ｒ３＝１０．２μｍであり、電子ビーム特性は、引き出し電圧４．５ｋＶの時に、角電流密度０．０２３ｍＡ／ｓｒ、エネルギー幅０．４８ｅＶ、変動率１．９％であった。
【００３８】
〔実施例４〕
実施例１と同様に電解研磨法にて、θ＝２５゜、Ｒ１＝０．２μｍのタングステン単結晶ニードルを得た。次に、タングステン単結晶ニードルを陰極とし、０．３５ｍｍ離れて垂直に配置した円盤状陽極との間に、真空度３×１０^−９Ｔｏｒｒのもとで電圧を印加して電子放出を行わせ、残留ガスをイオン化させ、タングステン単結晶ニードルをエッチングすることで、タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を調整した。エッチング中のタングステン単結晶ニードルの温度は、輝度温度で１４５０℃、又真空度はガス発生の為に２×１０^−８Ｔｏｒｒであった。尚、印加電圧は、３．５ｋＶで、エミッション電流値は３０〜１５０μＡであった。
この処理後のタングステン単結晶ニードルの形状パラメーターは、θ＝２５゜、Ｒ１＝２．５μｍ、Ｒ２＝０．９８μｍ、Ｒ３＝６２μｍであった。引き続き実施例１と同じく、ジルコニウムと酸素からなる被覆層を設けた後、電圧を印加して、熱電界放射陰極を得た。
このものの形状パラメーターは、θ＝２５゜、Ｒ１＝２．８μｍ、Ｒ２＝１．１５μｍ、Ｒ３＝７０μｍであり、電子ビーム特性は、引き出し電圧４．２ｋＶの時に、角電流密度０．０３１ｍＡ／ｓｒ、エネルギー幅０．５０ｅＶ、変動率が３．５％であった。
【００３９】
〔比較例１〜３〕
実施例１において、電解研磨条件を変えたり、真空中で熱処理条件を変えることなどにより、いろいろな熱電界放射陰極を作成し、そのタングステン単結晶ニードルの形状と電子ビーム特性を調べ比較例とした。
結果を、実施例１〜４の結果とともに、表１に示した。
【００４０】
【表１】

【００４１】
【発明の効果】
本発明の熱電界放射陰極によれば、エネルギー幅が０．５ｅＶ以下、角電流密度が０．０２ｍＡ／ｓｒ以上で、しかも変動率が５％以下と小さく、安定した電子ビームを容易に得ることができるので、低加速ＳＥＭ、高分解能ＳＥＭ、測長機などの電子利用機器に用いることができる。又、本発明の製造方法により、容易に上記熱電界放射陰極を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱電界放射陰極のタングステン単結晶ニードルの尖鋭部の断面図である。
【図２】本発明の熱電界放射陰極のタングステン単結晶ニードルの尖鋭部の断面図である。
【図３】従来の方法で作製した熱電界放射陰極のタングステン単結晶ニードルの尖鋭部の断面図である。
【符号の説明】
Ａ部；円錐状の領域
Ｂ部；円柱状の領域
Ｃ部；半球状の領域
Ｄ部；平坦部又は外接する球との共通球面部分
θ ；テーパー角
Ｒ１；先端半径（Ｃ部に内接する球の半径）
Ｒ２；平坦部半径
Ｒ３；先端部に外接する球の半径[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a thermal electric field used for an electron beam utilizing device such as a high-resolution low-acceleration electron microscope and a length measuring machine which is mainly used for inspection of semiconductors, ceramics, living things and the like having high electrical insulation. Related to emission cathode.
[0002]
[Prior art]
In recent years, various electron beam utilizing devices such as an electron microscope have been used in various fields. For example, in the field of semiconductors, as semiconductor devices become more highly integrated and miniaturized, higher resolution scanning electron microscopes (hereinafter abbreviated as SEMs) and length measuring machines, etc., replace conventional optical microscopes in the inspection process. It is being used.
[0003]
When observing a semiconductor device containing an electrically insulating material with an SEM, it is necessary to keep the acceleration energy of the electron beam at 1 kV or less for reasons such as preventing damage to the sample and reducing charge-up. It is known that in such a low-acceleration SEM, the resolution is governed by chromatic aberration, that is, the energy width of the electron beam (J. Vac. Sci. Technol., B4 (1), 1986, pp. 139-181). 131-134). In addition, the SEM used for the semiconductor inspection apparatus requires high-speed processing, and the cathode of the electron beam source requires a high angular current density.
[0004]
In response to the above requirements, it is known that a thermal field emission cathode having a coating layer made of zirconium and oxygen on a tungsten surface or a Schottky cathode (hereinafter simply referred to as a thermal field emission cathode including both) is excellent. ing. (Journal of Microscopy, vol. 140, Pt 3, December 1985, pp. 303-311).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to obtain a practically satisfactory S / N ratio and a high resolution of 10 nm or less in a low-acceleration SEM in which the acceleration energy of the electron beam is about 1 kV, the angular current density is at least 0.02 mA / sr. As described above, an electron beam having an energy width of 0.5 eV or less is required, but the conventional thermal field emission cathode does not supply the electron beam.
[0006]
Conventionally, when a thermal field emission cathode is used in a low-acceleration SEM, a tip with a radius of about 0.6 μm is used, giving priority to obtaining an angular current density of 0.02 mA / sr or more. It has been used either at the extraction voltage or by selecting a smaller one with a tip radius of 0.4 μm or less. However, the latter has a problem that the energy width becomes a value of 0.7 eV or more and high resolution cannot be achieved, and the former has a problem that the electron beam fluctuates as much as 20% or more and is not stable.
[0007]
It is very difficult to obtain a thermal field emission cathode having characteristics of high angular current density and small energy width, and a stable electron beam having both characteristics has not been achieved.
[0008]
The present invention has been made in view of this problem, and an object of the present invention is to provide a thermal field emission cathode having a high angular current density, a small energy width, and a stable electron beam, and a method for manufacturing the same. And
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a thermoelectric field emission cathode in which a coating layer made of zirconium and oxygen is provided on a tungsten single crystal needle having an axial orientation of <100>, wherein the radius of a sphere inscribed in the sharp part of the tungsten single crystal needle is When the radius R1 is the radius of the flat or convex flat portion having a large curvature located at the tip, the radius of the flat portion is R2, and the entire angle of the conical portion is the taper angle θ, the tip radius R1 is not less than 1.2 μm and not more than 10 μm. The thermal field emission cathode is characterized in that the ratio of the flat portion radius R2 to the tip radius R1 (R2 / R1) is 0.2 or more and the taper angle θ is 25 ° or less.
[0010]
Further, the present invention relates to a method for manufacturing a thermoelectric field emission cathode in which a coating layer made of zirconium and oxygen is provided on a tungsten single crystal needle having an axis orientation of <100> orientation, wherein the tip has a taper angle of 25 ° or less. Using a single crystal needle, a method of heat treatment in vacuum, a method of dry etching, or a method in which the tungsten single crystal needle is used as a cathode and a voltage is applied to emit electrons to ionize a gas, 2. The method according to claim 1, wherein the shape of the sharpened portion of the tungsten single crystal needle is controlled by one or more methods of etching the sharpened portion of the needle. .
[0011]
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.
1 and 2 are cross-sectional views of a sharp portion of a tungsten single crystal needle of a thermal field emission cathode according to the present invention. FIG. 3 is a sectional view of a sharp portion of a tungsten single crystal needle of a thermal field emission cathode manufactured by a conventional method.
[0012]
As shown in FIGS. 1 and 2, the shape of the sharp portion of the tungsten single crystal needle has a conical A portion, a cylindrical B portion, a hemispherical C portion and a flat shape or a convex shape having a relatively large curvature. D section. In the conventional thermal field emission cathode, as shown in FIG. 3, the portion B was extremely short or did not exist.
[0013]
In order to determine the shape of the sharp portion of the tungsten single crystal needle, the taper angle θ of the portion A and the radius R1 (tip radius) of the sphere inscribed in the portion C may be determined as shape parameters. The portion D has a flat portion as shown in FIG. 1 and a spherical portion with a large curvature as shown in FIG. In the case of FIG. 1, it can be indicated only by the radius (R2) of the flat portion. In the case of FIG. 2, it can be represented by the radius (R3) of the sphere in contact with the tip and the radius of the common part of the sphere and the tip. According to the study of the present inventors, the flat portion in FIG. 1 and the common portion of the sphere and the tip portion in contact with the tip portion in FIG. 2 form a main portion that emits electrons when both operate as a thermal field emission cathode. It is considered to be composed. In the present invention, in both cases, the radius is represented by the flat portion radius R2.
[0014]
When the tip radius R1 is less than 1.2 μm, or when the ratio (R2 / R1) of the tip radius to the flat portion radius is less than 0.2, the energy width is large, and the fluctuation rate of the electron beam becomes large. I can't achieve it. When the tip radius R1 exceeds 10 μm or when the taper angle θ exceeds 25 °, an angular current density of 0.02 mA / sr or more cannot be obtained, and the original purpose cannot be achieved. Although the reasons for these are not clear, the former two lack the uniformity of the electric field distribution and the electron emission portion formed near the tip of the tungsten single crystal needle, and the latter two lack the electric field strength. Conceivable.
[0015]
Next, the method for producing the thermal field emission cathode of the present invention will be described in detail.
[0016]
In a general method of manufacturing a thermal field emission cathode, a V-shaped filament made of a tungsten wire is attached to an electrode pin of an insulator, and a tungsten single-crystal needle having an axial orientation of <100> is welded and fixed to the tip thereof. Thereafter, the tip of the tungsten single crystal needle is sharpened by electropolishing, and a zirconium source is attached to the center of the tungsten single crystal needle and heated in the presence of about 10 ⁻⁶ Torr of oxygen to form a tip of the tungsten single crystal needle. Then, zirconium and oxygen are diffused to the portion, and then various electrodes are attached and a voltage is applied under a vacuum of about 10 ⁻⁹ Torr to form the tip of the tungsten single crystal needle.
Therefore, the shape of the sharp portion of the tungsten single crystal needle is limited by the shape after electrolytic polishing.
[0017]
In the electrolytic polishing method, various shapes can be obtained by changing various conditions such as an electrolytic voltage and an electrolytic solution. However, the sharp portion of the tungsten single crystal needle has the shape shown in FIG. 3, and if the tip radius R1 is to be increased, the taper angle θ also increases accordingly, and the tip portion is sufficiently large. There are restrictions such as the inability to create a flat part.
Therefore, the ratio (R2 / R1) of the flat portion radius R2 to the tip radius R1 cannot be 0.2 or more, and the taper angle θ is 25 ° or less and the tip radius R1 is 1.2 μm or more is obtained. Therefore, the thermal field emission cathode of the present invention cannot be obtained only by the electrolytic polishing method.
[0018]
In the present invention, those having a taper angle θ of 25 ° or less are selected. When the taper angle θ exceeds 25 °, this cannot be reduced to a small value by any of the methods disclosed in the present invention. In order to obtain a taper having a taper angle θ of 25 ° or less by the electrolytic polishing method, it is effective to immediately reduce the electrolytic voltage to zero immediately after cutting the tungsten single crystal needle to terminate the electrolytic polishing.
[0019]
The first method in the method for manufacturing a thermal field emission cathode according to the present invention is a method of controlling the shape of the sharp portion of a tungsten single crystal needle obtained by an electrolytic polishing method by performing a heat treatment in a vacuum.
[0020]
The heating is usually performed under a vacuum condition better than 3 × 10 ⁻⁶ Torr, but an inert gas such as argon, helium, or hydrogen can be used.
[0021]
The temperature is selected from the range of 1700 ° C. to 2300 ° C., preferably 1900 ° C. to 2100 ° C., in terms of brightness temperature (temperature measured with an optical pyrometer with emissivity of 1.0). If the temperature is less than 1700 ° C., a tip having a radius of 1.2 μm or more cannot be obtained. If the temperature exceeds 2300 ° C., damage such as fusing of a tungsten single crystal needle or a tungsten wire is likely to occur. A brightness temperature of 1900 ° C. or more and 2100 ° C. or less is suitable for adjusting the shape with good reproducibility without a problem of damage within a realistic time of about several hours to several tens of hours.
[0022]
The second method in the method for manufacturing a thermal field emission cathode of the present invention is a method of controlling the shape of a sharp portion of a tungsten single crystal needle obtained by electrolytic polishing by dry etching.
[0023]
The method using dry etching is advantageous in that it is excellent in controllability of various shape parameters. As a dry etching method, any of conventionally known methods such as ion beam etching and plasma etching may be used, but a method having a remarkable etching effect in the axial direction of the tungsten single crystal needle is more preferable. As a gas type used in dry etching such as an ion beam or plasma, a general gas type such as argon, oxygen, and hydrogen may be selected and introduced, or a residual gas generated when the atmosphere or the like is evacuated may be used. Is also good.
[0024]
A third method in the method for manufacturing a thermal field emission cathode according to the present invention is to apply a voltage to a tungsten single crystal needle obtained by an electrolytic polishing method as a cathode, apply a voltage, emit electrons, ionize a gas, and perform etching with the ions. This is a method for controlling the shape of the sharp portion of the tungsten single crystal needle.
[0025]
The present inventors apply a voltage of several kV between a tungsten single crystal needle as a cathode and an opposing anode under vacuum of about 10 ⁻⁸ Torr to emit electrons, and the remaining gas is ionized. It was found that positively charged ions were guided by an electric field formed when a voltage was applied, and traveled to a tungsten single crystal needle serving as a cathode, and finally collided and etched. In addition, since the electric field intensity is strongest at the sharp portion, it was found that the tip of the sharp portion was selectively etched. The present inventors have led to the present invention by actively utilizing this phenomenon.
[0026]
Regarding the conditions for carrying out this method, the pressure is selected in the range of 5 × 10 ^{−9 to} 5 × 10 ⁻⁷ Torr, preferably in the range of 1 × 10 ⁻⁸ to 1 × 10 ⁻⁷ Torr. If the pressure is less than 5 × 10 ⁻⁹ Torr, ions are less generated at the time of electron emission, and etching cannot be performed quickly. On the other hand, 5 × 10 ^-7 exceeds Torr becomes significantly more ion generation, etching can not be performed to control the too faster shape. An appropriate etching rate for controlling the shape is achieved when the pressure is 1 × 10 ⁻⁸ Torr or more and 1 × 10 ⁻⁷ Torr or less.
[0027]
The brightness temperature of the tungsten single crystal needle can be selected from 1350 ° C to 1500 ° C. If the temperature exceeds 1500 ° C., the deformation at the sharp portion of the tungsten single crystal needle can be easily detected, and the controllability of the shape becomes poor. The controllability of the shape at a lower temperature is limited as compared with the method of performing heat treatment in a vacuum because the change in shape of the sharp part is not only the effect of the heat treatment but also the effect of applying a voltage and the etching of ions. It is presumed that the effects are involved. Below 1350 ° C., the etching speed becomes extremely slow.
[0028]
The emission current serving as a measure of electron emission is 10 μA or more and 350 μA or less. If it is less than 10 μA, the amount of generated ions is small, and a great amount of time is required for etching. If it exceeds 350 μA, the generation of ions increases rapidly, the etching becomes too fast, and the shape cannot be controlled. Further, the applied voltage is not specified because it varies depending on the electrode arrangement such as the distance between the electrodes, the sharp portion shape of the tungsten single crystal needle, and the like, in addition to the pressure and temperature described above, but is generally about 2 to 6 kV. It is.
[0029]
After a coating layer made of zirconium and oxygen is further provided on the tungsten single crystal needle whose sharp end is adjusted by any one of the above three methods, a voltage is applied to determine the final shape. Any of these methods for controlling the shape of the sharp end can also be applied after providing the coating layer made of zirconium and oxygen. In particular, it is preferable to apply the third method after providing a coating layer composed of zirconium and oxygen, since the controllability is more excellent.
[0030]
Also, in any of the above three methods, the thermal field emission cathode of the present invention can be obtained by applying at least once or more, but the tip of the tungsten single crystal needle is sharpened by electrolytic polishing. Later, two or more methods can be shared, or one method can be applied twice or more.
[0031]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[0032]
【Example】
[Example 1]
A V-shaped filament made of a tungsten wire was attached to the electrode pin of the insulator, and a tungsten single crystal needle having an axial orientation of <100> was welded and fixed to the tip.
Next, the tungsten single crystal needle was cut by an electrolytic polishing method and sharpened. The shape parameters of the sharp portion of the tungsten single crystal needle at this stage were θ = 20 ° and R1 = 0.1 μm. A flat part could not be detected.
Next, the shape of the tip of the sharpened tungsten single crystal needle was adjusted by maintaining the tungsten single crystal needle in a vacuum of 1 × 10 ⁻⁶ Torr at a luminance temperature of 2000 ° C. for 10 hours. After this treatment, the shape parameters of the tungsten single crystal needle were θ = 20 °, R1 = 1.2 μm.
Next, ZrH ₂ (zirconium hydride) powder was applied to the center of the tungsten single crystal needle having the sharpened shape, and the luminance temperature was increased in a vacuum of 3 × 10 ⁻⁶ Torr in which oxygen gas was introduced. The coating layer of zirconium and oxygen was provided by heating at 1400 ° C. for 20 hours to diffuse zirconium and oxygen to the tip of the tungsten single crystal needle.
Finally, the suppressor electrode and the extraction electrode are attached to the tungsten single crystal needle while the suppressor electrode is set to -300 V, the extraction electrode is set to +2.5 kV while maintaining the luminance temperature of 1400 ° C. in a vacuum of 1 × 10 ⁻⁹ Torr. A voltage was applied to form a flat portion at the sharp portion.
The shape parameters of the thermal field emission cathode obtained through the above series of process treatments are θ = 20 °, R1 = 1.2 μm, the flat portion is clearly formed (R3 = ∞), and its size is large. The height was R2 = 0.38 μm. When the electron beam characteristics were measured, the angular current density was 0.043 mA / sr and the energy width was 0.50 eV when the extraction voltage was 3.8 kV, and the beam fluctuation rate was 2.3%. The data was handled according to the following calculation method.
[0033]
<Calculation method of angular current density>
From the probe current (I) measured at an open angle (2α) of 10 mrad on the axis,
It was calculated by I / (π · α · α).
[0034]
<Calculation method of energy width>
The half width of the energy distribution measured using a 0 ostrom type energy analyzer was defined as the energy width. (AGGJ Von Oostrom; Philips Res. Rept. Suppl. (1966) No. 1 PP. 1-102)
[0035]
<Method of calculating fluctuation rate>
When the maximum value and the minimum value of the probe current measured at an open angle (2α) of 10 mrad on an axis at an arbitrary 10-hour interval are Imax and Imin, respectively, the rate of change is (Imax−Imin) / Imax × 100. Was calculated.
[0036]
[Example 2]
In the same manner as in Example 1, the electropolishing method is used, and the taper angle θ is 17 ° and A tungsten single crystal needle having a sharp portion of 1 μm was prepared. This was irradiated with an argon ion beam in a vacuum of 1 × 10 ⁻⁶ Torr to perform ion etching, thereby adjusting the shape of the sharp portion of the tungsten single crystal needle. The acceleration voltage of the irradiated argon ion beam was 5 kV, the ion current value was 2.5 to 2.8 μA, and the beam diameter was about 1 mm. After this operation, the shape parameters were θ = 17 °, R1 = 8.0 μm, R2 = 1.91 μm, R3 = 57 μm.
Next, as described in Example 1, a coating layer made of zirconium and oxygen was provided, and a voltage was applied to form a thermal field emission cathode. The shape parameters and electron beam characteristics were examined. The shape parameters are θ = 17 °, R1 = 8.5 μm, R2 = 1.96 μm, R3 = 68 μm, and the electron beam characteristics are as follows: under the condition of an extraction voltage of 5.0 kV, the angular current density is 0.029 mA. / Sr, the energy width was 0.49 eV, and the variation rate was 1.1%.
[0037]
[Example 3]
A tungsten single crystal needle having a sharp portion of θ = 18 ° and R1 = 0.2 μm was prepared by the electrolytic polishing method in the same manner as in Example 1. This was subjected to the process of providing a coating layer composed of zirconium and oxygen described in Example 1, and then a tungsten single crystal needle was used as a cathode in a vacuum maintained at 0.1 to 0.5 Torr by introducing oxygen gas. The anode is arranged at a distance of 100 mm therefrom, and a DC voltage of 0.5 to 1.5 kV is applied between the anodes to generate plasma to etch the tungsten single crystal needle, thereby forming a sharp portion of the tungsten single crystal needle. The shape was adjusted. At this time, the plasma current was 5 mA. A voltage was applied to the tungsten single crystal needle by the method described in Example 1 to form a thermal field emission cathode, and its shape parameters and electron beam characteristics were examined.
The shape parameters are θ = 18 °, R1 = 5.1 μm, R2 = 1.43 μm, R3 = 10.2 μm, and the electron beam characteristics are as follows: when the extraction voltage is 4.5 kV, the angular current density is 0.023 mA / sr. , The energy width was 0.48 eV, and the fluctuation rate was 1.9%.
[0038]
[Example 4]
A tungsten single crystal needle having θ = 25 ° and R1 = 0.2 μm was obtained by electrolytic polishing in the same manner as in Example 1. Next, a voltage is applied under a degree of vacuum of 3 × 10 ⁻⁹ Torr to emit electrons between the tungsten single crystal needle as a cathode and a disk-shaped anode arranged vertically at a distance of 0.35 mm. Then, the shape of the sharp portion of the tungsten single crystal needle was adjusted by ionizing the residual gas and etching the tungsten single crystal needle. During the etching, the temperature of the tungsten single crystal needle was 1450 ° C. as the brightness temperature, and the degree of vacuum was 2 × 10 ⁻⁸ Torr due to gas generation. The applied voltage was 3.5 kV, and the emission current value was 30 to 150 μA.
The shape parameters of the tungsten single crystal needle after this treatment were θ = 25 °, R1 = 2.5 μm, R2 = 0.98 μm, and R3 = 62 μm. Subsequently, as in Example 1, a coating layer made of zirconium and oxygen was provided, and a voltage was applied to obtain a thermal field emission cathode.
The shape parameters of this were θ = 25 °, R1 = 2.8 μm, R2 = 1.15 μm, R3 = 70 μm, and the electron beam characteristics were as follows: when the extraction voltage was 4.2 kV, the angular current density was 0.031 mA / sr. , The energy width was 0.50 eV, and the variation rate was 3.5%.
[0039]
[Comparative Examples 1 to 3]
In Example 1, various thermal field emission cathodes were prepared by changing the conditions of electropolishing or the conditions of heat treatment in a vacuum, and the shape and electron beam characteristics of the tungsten single crystal needle were examined to make a comparative example. .
The results are shown in Table 1 together with the results of Examples 1 to 4.
[0040]
[Table 1]

[0041]
【The invention's effect】
According to the thermal field emission cathode of the present invention, a stable electron beam can be easily obtained with an energy width of 0.5 eV or less, an angular current density of 0.02 mA / sr or more, and a variation of 5% or less. Therefore, it can be used for electronic devices such as a low-acceleration SEM, a high-resolution SEM, and a length measuring machine. Further, the production method of the present invention makes it possible to easily obtain the above-mentioned thermal field emission cathode.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of a sharp portion of a tungsten single crystal needle of a thermal field emission cathode of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a sharp portion of a tungsten single crystal needle of the thermal field emission cathode of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view of a sharp portion of a tungsten single crystal needle of a thermal field emission cathode manufactured by a conventional method.
[Explanation of symbols]
A part; conical area B part; cylindrical area C part; hemispherical area D part; flat part or common spherical part θ with circumscribed sphere; taper angle R1; tip radius (sphere inscribed in part C) Radius)
R2: Flat portion radius R3: Radius of sphere circumscribing the tip

Claims

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と酸素からなる被覆層を設けた熱電界放射陰極において、前記タングステン単結晶ニードルの尖鋭部に内接する球の半径を先端半径Ｒ１、先端に位置する平坦状または大きな曲率の凸面状の平坦部の半径を平坦部半径Ｒ２とし、円錐部の全角をテーパー角θとする時、先端半径Ｒ１が１．２μｍ以上１０μｍ以下であって、先端半径Ｒ１に対する平坦部半径Ｒ２の比（Ｒ２／Ｒ１）が０．２以上であって、しかもテーパー角θが２５゜以下であることを特徴とする熱電界放射陰極。In a thermoelectric field emission cathode in which a coating layer made of zirconium and oxygen is provided on a tungsten single crystal needle having an axial orientation of <100>, the radius of a sphere inscribed in the sharp part of the tungsten single crystal needle is defined as a tip radius R1. When the radius of the flat or convex flat portion having a large curvature is located at the flat portion radius R2, and the entire angle of the conical portion is set at the taper angle θ, the tip radius R1 is not less than 1.2 μm and not more than 10 μm. A thermal field emission cathode, wherein the ratio of the flat portion radius R2 to the radius R1 (R2 / R1) is 0.2 or more, and the taper angle θ is 25 ° or less.

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と酸素からなる被覆層を設けた熱電界放射陰極の製造方法において、先端部のテーパー角が２５°以下のタングステン単結晶ニードルを用いて、真空中で熱処理する方法、ドライエッチングする方法、もしくは該タングステン単結晶ニードルを陰極として電子放出させることでガスをイオン化し、該イオンにより該タングステン単結晶ニードルの尖鋭部をエッチングする方法のうちの一つ以上の方法により、該タングステン単結晶ニードルの尖鋭部の形状を制御することを特徴とする請求項１記載の熱電界放射陰極の製造方法。In a method of manufacturing a thermoelectric field emission cathode in which a coating layer made of zirconium and oxygen is provided on a tungsten single crystal needle having an axial orientation of <100>, a tungsten single crystal needle having a taper angle at a tip portion of 25 ° or less is used. the method of heat-treating in a vacuum, a method for dry-etching or the tungsten single crystal needle ionizing the gas by causing electron emission as a cathode, by the ion of the method of etching the pointed portion of the tungsten single crystal needle, 2. The method of claim 1, wherein the shape of the sharpened portion of the tungsten single crystal needle is controlled by one or more methods.