JP6916074B2 - 電子放出管、電子照射装置及び電子放出管の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子放出管、電子照射装置及び電子放出管の製造方法に関する。

走査電子顕微鏡（SEM；Scanning Electron Microscope）、半導体露光装置、及び半導体検査装置等に使用され、電子を供給するための電子放出管が知られている。特許文献１には、胴部とヘッド部との連通部を開閉自在なゲート板で遮断して胴部内を気密状態とするゲートバルブを備える電子ビーム放出管（電子放出管）が記載されている。特許文献２には、荷電粒子ビーム源（電子源）と被照射物が配置される反応器との隔壁を可動とし、ビーム上流側にゲート弁を設けた荷電粒子ビーム照射装置が記載されている。

特開２００４−３６１０９６号公報 特開２００１−８４９４８号公報

電子放出管には、電子を発生させる電子源を収容する筐体内部を高真空状態に保つために、電子源で発生した電子を筐体外に放出させる位置に、電子透過膜が設けられることがある。電子透過膜は、筐体内部を高真空状態に保つことに寄与するが、一方で、電子が電子透過膜を通過する際にエネルギー損失を起こしてしまう。電子のエネルギー損失を抑えるためには、電子透過膜の膜厚を薄くすることが望ましい。しかしながら、電子透過膜の膜厚を薄くすると、電子源を収容する電子放出管の製造、輸送、及びメンテナンス等の際に、筐体内部と筐体外部との気圧差によって電子透過膜が破れてしまうおそれがある。

本発明は、電子透過膜の膜厚を薄くすることが可能な、電子放出管、電子照射装置及び電子放出管の製造方法を提供する。

本発明の一側面に係る電子放出管は、内部空間が設けられ、内部空間を真空に保持する筐体と、筐体の一方向における一端側に配置され、電子を生成する電子源と、筐体の一方向における他端側に配置され、他端側を開放状態又は遮蔽状態に切り替え可能なゲートバルブと、電子源とゲートバルブとの間に位置し、内部空間を、電子源を含む第１領域とゲートバルブを含む第２領域とに隔てる仕切り部と、を備える。仕切り部は、電子を透過する電子透過膜を有する。

この電子放出管では、筐体の一方向における一端側に電子源が配置され、筐体の一方向における他端側に、筐体の他端側を開放状態又は遮断状態に切り替え可能なゲートバルブが配置されている。筐体に設けられた内部空間は、電子を透過する電子透過膜を有する仕切り部によって、電子源を含む第１領域とゲートバルブを含む第２領域とに隔てられている。電子放出管の製造時等において、ゲートバルブによって筐体の一方向における他端側を遮蔽することで、第１領域とともに第２領域を真空状態に保つことができる。そのため、第１領域と第２領域との気圧差が小さくなり、第１領域及び第２領域の間に配置された電子透過膜に加わる、気圧差に起因する力が軽減される。その結果、電子透過膜の膜厚を薄くすることが可能となる。

電子透過膜の電位はグラウンド電位であってもよい。この場合、電子透過膜に電圧が印加されないので、電圧印加に起因する電子透過膜の物理的な変形が抑制される。その結果、電子透過膜を通過する電子への影響を低減することが可能となる。

内部空間に配置され、電子源の電位よりも高電位の電圧が印加された加速電極をさらに備えてもよい。この場合、電子源で生成された電子を、電子源よりも電位が高い加速電極によって発生する電界により加速させることが可能となる。

電子透過膜は、単層物質からなる膜であってもよい。この場合、単層物質は原子約１個分の厚さを有するので、電子透過膜の膜厚を薄くすることができる。その結果、電子透過膜を通過する電子への影響を低減することが可能となる。

電子透過膜は、単層又は多層のグラフェンからなる膜であってもよい。この場合、グラフェンは炭素原子１個分の厚さを有するので、電子透過膜の膜厚を薄くすることができる。その結果、電子透過膜を通過する電子への影響を低減することが可能となる。

電子透過膜は、窒化シリコン膜であってもよい。この場合、窒化シリコン膜では、製作過程で発生する内部応力が小さいので、電子透過膜の膜厚を薄くすることができる。その結果、電子透過膜を通過する電子への影響を低減することが可能となる。

単層物質は、二硫化タングステン又は二硫化モリブデンで構成されていてもよい。この場合、単層物質は二硫化タングステン又は二硫化モリブデンに含まれるいずれかの原子約１個分の厚さを有するので、電子透過膜の膜厚を薄くすることができる。その結果、電子透過膜を通過する電子への影響を低減することが可能となる。

仕切り部は、一方向と交差する第１面と、一方向と交差し、第１面と反対側に設けられた第２面と、を含む基板を有してもよく、基板には、一方向に基板を貫通する孔が設けられてもよく、電子透過膜は、第１面に設けられ、孔を覆ってもよい。この場合、電子透過膜は基板の第１面に設けられるので、電子透過膜を安定して保持することが可能となる。

仕切り部は、開口部を有する保持部材を有してもよく、基板は、保持部材に、ろう付け又はメタルシールによって固定されてもよく、開口部と孔とは、互いに重なるように配置されてもよい。この場合、電子透過膜が設けられた基板を、ろう付け又はメタルシールにより保持部材に固定することによって、第１領域の真空状態を保つことができる。そのため、電子透過膜が設けられた基板の製造後に、基板を保持部材に取り付けることができるので、電子透過膜の製造が容易となる。

電子源は、光が照射されることによって電子を生成する光電面を有してもよい。この場合、光電面に対して光が照射されることで、筐体内に電子が生成され、電子放出管から電子を放出することが可能となる。

光電面は、アルカリ光電面であってもよい。この場合、可視光領域の光がアルカリ光電面に照射されることで、筐体内に電子が生成され、電子放出管から電子を放出することが可能となる。

電子源は、熱電子源又は電界放出電子源であってもよい。この場合、電子源に対して熱又は電界を加えることによって、筐体内に電子が生成され、電子放出管から電子を放出することが可能となる。

本発明の別の側面に係る電子照射装置は、被照射体に電子を照射する電子照射装置であって、上述の電子放出管と、電子放出管が取り付けられ、被照射体を収容する収容室と、を備える。この電子照射装置は、上述の電子放出管を備えるので、電子透過膜の膜厚を薄くすることが可能となる。

電子照射装置は、収容室に配置され、被照射体に電子が照射されることで生じる反応信号を検出する検出器をさらに備えてもよい。この場合、被照射体の観察又は検査を行うことが可能となる。

本発明のさらに別の側面に係る電子放出管の製造方法は、排気装置によって、第１領域と第２領域とを真空排気する排気工程を備える。排気装置は、真空ポンプと、真空ポンプから延びる共通管と、共通管から延び第１領域に接続される第１枝管と、共通管から延び第２領域に接続される第２枝管と、を有する。

この電子放出管の製造方法では、第１領域に接続された第１枝管と、第２領域に接続された第２枝管とが、共通管を介して真空ポンプに接続されているので、排気装置によって第１領域及び第２領域が同時に真空排気される。そのため、第１領域と第２領域との気圧差が小さくなるので、電子放出管の製造段階において、第１領域及び第２領域の間に配置された電子透過膜に加わる、気圧差に起因する力が軽減される。その結果、電子透過膜の膜厚を薄くすることが可能となる。

本発明によれば、電子透過膜の膜厚を薄くすることが可能となる。

図１は、一実施形態に係る電子放出管の内部を示す断面図である。 図２の（ａ）から図２の（ｆ）は、準備工程の一例を示す図である。 図３は、排気工程及び封止工程の一例を説明するための図である。 図４は、排気工程及び封止工程の他の例を説明するための図である。 図５は、図１の電子放出管の適用例を示す図である。 図６は、電子源の他の例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、一実施形態に係る電子放出管、電子照射装置及び電子放出管の製造方法を説明する。各図において同一又は相当の部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、一実施形態に係る電子放出管の内部を示す断面図である。図１には、後述する被取付部１２に取り付けられた状態の電子放出管１が示されている。電子放出管１は、電子を供給する真空管である。電子放出管１は、筐体２、電子源３、仕切り部４、ゲートバルブ５、加速電極６、及び調整部材７を備える。

筐体２は、一方向（Ｘ軸方向）に延びる内部空間Ｓを規定する容器である。筐体２は、例えば、略円筒形状である。筐体２は、内部空間Ｓを真空に保持する。例えば、筐体２は、内部空間Ｓを超高真空の状態に保持する。筐体２は、側壁部２１、入力面板２２、フランジ２３、フランジ２４、フランジ２５、及びフランジ２６を有する。

側壁部２１は、Ｘ軸方向に沿って延びる中空の円筒形状を有し、Ｘ軸方向における両端（端部２１ａ，２１ｂ）に開口を有する。側壁部２１の材質は、例えば、ホウケイ酸ガラスである。入力面板２２は、光を透過可能なガラス製の基板である。入力面板２２は、側壁部２１の端部２１ａに設けられ、端部２１ａの開口を閉塞するように設けられる。

フランジ２３は、例えば金属製の環状部材である。フランジ２３は、側壁部２１の端部２１ａから外側に突出しており、端部２１ａに沿って設けられている。フランジ２３は、融着等によって端部２１ａに固定される。フランジ２４は、例えば金属製の環状部材である。フランジ２４は、側壁部２１の端部２１ｂから外側に突出しており、端部２１ｂに沿って設けられている。フランジ２４は、融着等によって端部２１ｂに固定される。

フランジ２５は、例えば金属製の環状部材である。フランジ２５は、入力面板２２の周縁から外側に突出しており、入力面板２２の周縁に沿って環状に設けられている。フランジ２３とフランジ２５とが互いに溶接等によって結合されることで、内部空間Ｓの気密を保つようにして、端部２１ａに入力面板２２が固定される。

フランジ２６は、Ｘ軸方向に延び、両端が開放された中空円筒形状の胴部２６ａと、被取付部１２に電子放出管１を取り付けるための取付部２６ｂと、を有する。胴部２６ａと仕切り部４とは、例えば、銅製のガスケット及びボルトによって、互いに固定される。取付部２６ｂは、胴部２６ａのＸ軸方向における仕切り部４とは反対側の端部から外側に突出しており、当該端部に沿って設けられている。取付部２６ｂと被取付部１２とは、例えば、銅製のガスケット及びボルトによって、互いに固定される。

電子源３は、電子を生成し、生成した電子を内部空間Ｓに放出する。電子源３は、筐体２のＸ軸方向における一端側に配置される。具体的には、電子源３は、入力面板２２の内部空間Ｓ側の面に設けられる。電子源３は、光電面３１及び電極３２を有する。

光電面３１は、入力面板２２を介して入射した光により電子を生成し、内部空間Ｓに電子を放出する。光電面３１は、入力面板２２の内部空間Ｓ側の面に沿って設けられる。光電面３１の外周には電極３２が接続される。電極３２の材質は、例えばＣｒ（クロム）である。光電面３１には、電極３２により、例えば−１０ｋＶの電圧が印加されている。光電面３１は、例えば可視光領域での感度が高いアルカリ光電面である。アルカリ光電面として、可視光のうち青領域での感度が高いバイアルカリ光電面、又は赤領域での感度が高いマルチアルカリ光電面が用いられてもよい。バイアルカリ光電面は抵抗が高く強い光に対する応答が飽和する傾向を有するので、バイアルカリ光電面を用いる場合、光を透過する導電膜の下地が設けられてもよい。

ゲートバルブ５は、筐体２のＸ軸方向における他端側に設けられている。ゲートバルブ５は、筐体２のＸ軸方向における他端側を開放状態又は遮蔽状態に切り替える。ゲートバルブ５は、筐体２のＸ軸方向における他端側を開閉可能なゲート板（不図示）を有する。ゲート板の位置を変更することで、筐体２のＸ軸方向における他端側が開放状態又は遮蔽状態に切り替えられる。

仕切り部４は、電子源３を含む第１領域Ｓ１と、ゲートバルブ５を含む第２領域Ｓ２とに内部空間Ｓを隔てる。第１領域Ｓ１は、側壁部２１、入力面板２２、フランジ２３、フランジ２４、フランジ２５、及び仕切り部４によって規定された空間である。第１領域Ｓ１を規定するそれぞれの部材間は、融着及び溶接等によって固定されているので、第１領域Ｓ１を真空状態とした後の第１領域Ｓ１の真空度は保たれる。なお、第１領域Ｓ１を真空状態にする方法については後述する。

第２領域Ｓ２は、フランジ２６、仕切り部４、及びゲートバルブ５によって規定された空間である。ゲートバルブ５によって筐体２のＸ軸方向における他端側が遮蔽状態に切り替えられ、その遮蔽状態が維持されることで、第２領域Ｓ２を真空状態とした後の第２領域Ｓ２の真空度は保たれる。電子放出管１が被取付部１２に取り付けられた後、ゲートバルブ５によって、筐体２のＸ軸方向における他端側が開放状態に切り替えられることで、第２領域Ｓ２は、後述の収容室１１の内部の空間と接続される。なお、第２領域Ｓ２を真空状態にする方法については後述する。

仕切り部４は、開口部４２を含む保持部材４１と、基板４３と、電子透過膜４４と、を有する。保持部材４１は、Ｘ軸方向と垂直な方向に沿って延びる板状部材である。保持部材４１の外周縁部は、フランジ２４及びフランジ２６に挟持される。保持部材４１の外周縁部は、フランジ２４の外周縁部に、溶接等によって固定されるとともに、胴部２６ａに、銅製のガスケット及びボルト等によって固定される。保持部材４１には、Ｘ軸方向から見た保持部材４１の略中央の位置に、Ｘ軸方向に保持部材４１を貫通する開口部４２が設けられる。

基板４３は、Ｘ軸方向と交差する第１面４３ａ及び第２面４３ｂを含み、基板４３には、Ｘ軸方向に基板４３を貫通する孔４５が設けられる。基板４３の材質は、例えば、シリコン又はガラスである。第１面４３ａには、孔４５を覆うように電子透過膜４４が設けられる。電子透過膜４４は、例えば、単層のグラフェンからなる膜である。なお、グラフェンは、単一の炭素原子層で構成され、炭素原子１個分の厚さを有するシート状の物質である。第２面４３ｂは、孔４５と開口部４２とが互いに重なるように、保持部材４１にメタルシールによって固定される。なお、基板４３は、ろう付けによって、保持部材４１と固定されてもよい。電子透過膜４４には、例えば０Ｖ（グラウンド電位）の電圧が印加されている。

加速電極６は、電子源３から放出された電子を加速するための電極である。加速電極６は内部空間Ｓに配置される。具体的には、加速電極６は、第１領域Ｓ１にＸ軸方向に沿って延びるように設けられる。加速電極６の径は、Ｘ軸方向の電子源３に近い一端からＸ軸方向の他端に向かって、段階的に大きくなる。加速電極６のＸ軸方向における他端は、フランジ２４の内周縁部に、抵抗溶接等によって固定される。加速電極６には、光電面３１よりも高い電位の電圧が印加されている。加速電極６には、例えば０Ｖ（グラウンド電位）の電圧が印加されている。光電面３１と加速電極６とによって生じる電界により、光電面３１から放出された電子は加速される。

調整部材７は、電子の収束領域及び電子の進行方向を調整するためのコイルである。調整部材７は、側壁部２１の外周を囲むように配置された収束コイル７１及び偏向コイル７２ａ，７２ｂを有する。収束コイル７１及び偏向コイル７２ａ，７２ｂに電流が流れることによって、第１領域Ｓ１内に磁界が発生する。収束コイル７１及び偏向コイル７２ａ，７２ｂによって生じた磁界に基づき、電子の収束領域及び電子の進行方向が調整される。

具体的には、収束コイル７１は、光電面３１から放出された複数の電子から構成される電子群の収束領域を調整する。ここで、収束領域とは、Ｘ軸方向と垂直な面における電子群が通過する領域である。収束コイル７１は、電子透過膜４４における電子群の収束領域が最小となるように、電子群の収束領域を調整する。電子透過膜４４において、電子群の収束領域が最小となるように調整することで、電子透過膜４４の最小限の有効面積は、例えば、直径０．１ｍｍから０．５ｍｍ程度となる。一方、偏向コイル７２ａ及び偏向コイル７２ｂは、Ｘ軸方向に沿って、収束コイル７１を挟むように設けられている。偏向コイル７２ａ，７２ｂは、電子群の進む向き（進行方向）を変更するような磁界を発生させる。なお、調整部材７は、第１領域Ｓ１内に電界を発生させることで、電子群の収束領域及び電子の進行方向を調整してもよい。

以上のように構成された電子放出管１では、入力面板２２を介して光電面３１に入射光が入射されると、光電面３１が電子を生成し、第１領域Ｓ１に電子を放出する。光電面３１から第１領域Ｓ１に放出された電子は、加速電極６によりＸ軸方向に沿って加速される。このとき、電子は調整部材７によって電子の収束領域及び進行方向が調整され、電子透過膜４４を通過する。電子透過膜４４を通過した電子は、第２領域Ｓ２を通過し、ゲートバルブ５を介して電子放出管１から放出される。

次に、図２の（ａ）から図２の（ｆ）、及び図３を用いて、電子放出管１の製造方法を説明する。図２の（ａ）から図２の（ｆ）は、準備工程の一例を示す図である。図３は、排気工程及び封止工程の一例を説明するための図である。電子放出管１の製造方法は、準備工程、排気工程、光電面作製工程、及び封止工程を備える。

準備工程では、単層のグラフェンからなる膜（電子透過膜４４）が基板４３に形成される。具体的には、まず、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition；化学気相成長法）により、図２の（ａ）に示されるように、銅箔４６の両面（面４６ａ，４６ｂ）に単層のグラフェン４４ａ，４４ｂが成膜される。例えば、カーボン源としてＣＨ_４（メタン）が用いられ、ＣＨ_４の供給時間を４５０秒とし、成膜温度を１０２０℃とすることで、単層のグラフェン４４ａ，４４ｂが銅箔４６に成膜される。単層のグラフェン４４ａが面４６ａに成膜され、単層のグラフェン４４ｂが面４６ｂに成膜される。銅箔４６としては、例えば、純度が約９９．９％であり、厚さは３０μｍ程度の銅箔が用いられる。

続いて、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching；反応性イオンエッチング）により、図２の（ｂ）に示されるように、銅箔の面４６ｂに形成された単層のグラフェン４４ｂが除去される。続いて、スピンコーター等により、図２の（ｃ）に示されるように、単層のグラフェン４４ａにＰＭＭＡ（Polymethyl methacrylate；ポリメタクリル酸メチル樹脂）４７が塗布され、第１中間物４８が形成される。例えば、スピンコーターの回転速度を３０００ｒｐｍ（rotation per minute；回毎分）として、単層のグラフェン４４ａに４ｗｔ％（質量パーセント濃度）程度のＰＭＭＡ４７が塗布される。

続いて、第１中間物４８を１ｗｔ％程度の過硫酸アンモニウムに浮かせることで、図２の（ｄ）に示されるように、銅箔４６が除去され、第２中間物４９が製造される。続いて、第２中間物４９を純水に浮かせた後、所望のサイズの孔４５が設けられた基板４３を用いて、第２中間物４９がすくい取られる。そして、基板４３と単層のグラフェン４４ａとの間を乾燥させることで、図２の（ｅ）に示されるように、基板４３の第１面４３ａに単層のグラフェン４４ａが転写され、第３中間物５０が製造される。最後に、第３中間物５０が、水素雰囲気及び真空状態にて約４５０℃で加熱（水素雰囲気下で真空ベーク）されることで、図２の（ｆ）に示されるように、ＰＭＭＡ４７が除去される。これによって、単層のグラフェン４４ａからなる膜が設けられた基板４３が製造される。

次に、準備工程では、単層のグラフェン４４ａからなる膜（電子透過膜４４）が設けられた基板４３が図１に示される保持部材４１に、アルミ接合（メタルシール）によって固定される。具体的には、基板４３の第２面４３ｂと、ゲートバルブ５と対向する保持部材４１の一方の面との間にアルミリングが配置され、配置されたアルミリングを加熱及び加圧することで、基板４３と保持部材４１とが、第１領域Ｓ１の気密を保つように固定される。

排気工程では、図３に示される排気装置８によって、第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２とが真空排気される。具体的には、排気装置８によって、第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２の空気が排出されることで、第１領域Ｓ１及び第２領域が真空状態となる。

排気装置８は、真空ポンプ８１、共通管８２、枝管（第１枝管）８３、及び枝管（第２枝管）８４を有する。真空ポンプ８１は、第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２を所望の真空度に真空排気することが可能なポンプであればよい。共通管８２、枝管８３、及び枝管８４は、例えば銅製であり、中空円筒状のパイプである。共通管８２の一端は、真空ポンプ８１に接続される。共通管８２の他端は、枝管８３の一端及び枝管８４の一端と接続される。枝管８３の他端は、側壁部２１に設けられた細管２１ｃにろう付け等によって固定されることで、第１領域Ｓ１に接続される。枝管８４の他端は、フランジ２６に設けられた細管２６ｃにろう付け等によって固定されることで、第２領域Ｓ２に接続される。このように、真空ポンプ８１から延びる共通管８２と、共通管８２から延びる枝管８３及び枝管８４とによって、真空ポンプ８１に第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２の双方が接続される。この状態で、真空ポンプ８１を作動させることによって、第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２が同時に真空排気される。

光電面作製工程では、真空状態にてアンチモン下地にアルカリ金属を反応させることでアルカリ光電面（光電面３１）が作製される。具体的には、第１領域Ｓ１が真空排気された後、例えば、３００℃にて数時間、電子放出管１を加熱するベーキングを行うことにより、第１領域Ｓ１の脱ガス（不純物の除去）が行われる。その後、第１領域Ｓ１内に、例えば、カリウム、ナトリウム及びセシウム等のアルカリ金属が不図示の細管から導入され、第１領域Ｓ１に予め設けられたアンチモン下地にアルカリ金属を反応させることで、アルカリ光電面が作製される。

封止工程では、真空排気された第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２それぞれが、真空状態に維持されるように封止される。具体的には、枝管８３の他端側及び枝管８４の他端側がそれぞれ封止される。より具体的には、枝管８３の他端側を、図３に示される破線Ｃ１の位置でピンチシール法によって封止することで、第１領域Ｓ１は真空状態が維持されるように封止される。ピンチシール法では、例えば、枝管８３の図３に示される破線Ｃ１の位置において、外側から枝管８３を押圧して潰すことで、枝管８３が閉塞される。同様に、枝管８４の他端側を、図３に示される破線Ｃ２の位置でピンチシール法によって封止することで、第２領域Ｓ２は真空状態が維持されるように封止される。なお、これらの排気工程、光電面作製工程及び封止工程において、筐体２のＸ軸方向における他端側は、ゲートバルブ５によって遮蔽状態に維持されている。第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２が封止された後、筐体２等によって第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２は、真空状態に保持される。以上のようにして、電子放出管１が製造される。なお、電子放出管１の製造後において、電子放出管１は、細管２１ｃ、細管２６ｃ、枝管８３の一部、及び枝管８４の一部を有するが、図１において、それらの図示は省略されている。

次に、排気工程及び封止工程の他の例を説明する。図４は、排気工程及び封止工程の他の例を説明するための図である。図４に示された例は、図３に示された例と比較して、枝管８４と第２領域Ｓ２との接続形態において相違する。具体的に説明すると、排気装置８は、排気チャンバー８５をさらに有する。排気チャンバー８５は、内部に空間８５ａを有する略直方体状の箱体であり、排気チャンバー８５には、枝管８４が接続される。排気チャンバー８５のＸ軸方向における一端には、例えば、ゲートバルブ５のＸ軸方向と垂直な面と略同一面積を有する開口８５ｂが設けられている。排気チャンバー８５のＸ軸方向における一端は、フランジ２６の取付部２６ｂに、例えば、銅製のガスケット及びボルトによって固定される。

排気工程では、まず、ゲートバルブ５によって筐体２のＸ軸方向における他端側が開放状態とされる。筐体２の他端側が開放状態となることで、第２領域Ｓ２と空間８５ａとが連続した空間領域となり、枝管８４が第２領域Ｓ２に排気チャンバー８５を介して接続される。この状態で、真空ポンプ８１を作動させることによって、第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２が同時に真空排気される。封止工程では、ゲートバルブ５によって筐体２のＸ軸方向における他端側を遮蔽状態とした後に、排気チャンバー８５がフランジ２６の取付部２６ｂから取り外されることで、第２領域Ｓ２が真空状態に維持されるように封止される。この例では、排気チャンバー８５を介して第２領域Ｓ２が真空排気され、ゲートバルブ５によって第２領域Ｓ２が封止されるので、枝管８４をピンチシール法によって封止する工程を省略することができる。

次に、図５を用いて、本実施形態に係る電子放出管の適用例を説明する。図５は、図１の電子放出管１の適用例を示す図である。図５には、適用例として、電子放出管１を備えた電子照射装置１０が示されている。電子照射装置１０は、被照射体１５に電子を照射する装置である。電子照射装置１０は、電子放出管１及び収容室１１を備える。収容室１１は、被照射体１５を収容し、被照射体１５に電子を照射するための箱体である。収容室１１は、真空チャンバーとも称される。収容室１１は、鏡体１３及び試料室１４を有する。電子放出管１は、収容室１１のＸ軸方向における端部に取り付けられる。具体的には、電子放出管１の取付部２６ｂが、銅製のガスケット及びボルトによって、鏡体１３の一方の端部１３ａに設けられた被取付部１２に固定される。なお、被取付部１２は、Ｘ軸方向と垂直な方向に沿って延びる板状部材である。

鏡体１３は、Ｘ軸方向に沿って延び、両端（端部１３ａ，１３ｂ）に開口を含む中空円筒形状である。鏡体１３の外側には、磁場収束レンズ１３ｃ及び磁場対物レンズ１３ｄが配置される。鏡体１３のＸ軸方向における被照射体１５に近い端部１３ｂにおいて、鏡体１３の径は、被照射体１５に近づくに従い徐々に小さくなる。端部１３ｂの開口面積は、被取付部１２が設けられる端部１３ａの開口面積よりも小さい。電子放出管１から供給された電子は、鏡体１３の外側に配置された磁場収束レンズ１３ｃ及び磁場対物レンズ１３ｄにより発生する磁界によって、収束領域が細く絞り込まれ、鏡体１３の端部１３ｂから発射される。

試料室１４は、被照射体１５を収容する。被照射体１５には、鏡体１３から発射された電子が照射される。収容室１１には、検出器１６が配置される。具体的には、検出器１６は、試料室１４に設けられ、電子が照射された被照射体１５から生じる二次電子を反応信号として検出する。試料室１４には、真空ポンプ１７が接続可能であり、被照射体１５に電子を照射する際には、真空ポンプ１７により、鏡体１３及び試料室１４の内部の空間が真空排気される。鏡体１３及び試料室１４の内部の空間を真空排気した後に、ゲートバルブ５によって電子放出管１のＸ軸方向における他端側が開放状態とされる。

電子照射装置１０では、例えば１μｍ以下に収束したレーザ光（入射光）が、光電面３１に照射される。レーザ光が照射された光電面３１から放出された電子は、加速電極６により加速され、収束コイル７１によって発生した磁界により、電子の収束領域が１／１０程度に縮小されて、電子透過膜４４を通過する。電子透過膜４４を通過した電子は、電子放出管１から放出され、収容室１１に供給される。収容室１１に供給された電子は、鏡体１３の外側に配置された磁場収束レンズ１３ｃ及び磁場対物レンズ１３ｄにより発生する磁界によって、電子の収束領域がさらに１／１００程度に縮小されて、被照射体１５に照射される。電子が照射された被照射体１５から発せられる二次電子の変化量を検出器１６により計測することによって、例えば、空間分解能１ｎｍの顕微鏡画像を取得することができる。

電子放出管１は、収容室１１とは別に製造され、電子放出管１の製造後に収容室１１に取り付けられる。また、電子放出管１を交換又はメンテナンスする場合には、電子放出管１が収容室１１から取り外され、新しい電子放出管１又はメンテナンスした電子放出管１が収容室１１に取り付けられる。電子放出管１が収容室１１に取り付けられていない状態では、ゲートバルブ５によって電子放出管１の筐体２のＸ軸方向における他端側は遮蔽した状態に維持される。電子放出管１が収容室１１に取り付けられた後、電子を供給する際には、ゲートバルブ５によって電子放出管１の筐体２のＸ軸方向における他端側は開放される。

電子照射装置１０としては、例えば、走査電子顕微鏡、半導体露光装置、及び半導体検査装置が挙げられる。その他に電子照射装置１０としては、微小な点から放出するＸ線を必要とするマイクロフォーカスＸ線管（Ｘ線非破壊検査装置）が挙げられる。さらに、電子照射装置１０としては、多数のレーザービームを光電面３１に入射することで発生するマルチ電子ビーム、又はパターン光を光電面３１に入射することで形成されるパターン電子ビームを必要とする電子ビーム露光装置が挙げられる。

以上説明した電子放出管１では、筐体２の一方向（Ｘ軸方向）における一端側に電子源３が配置され、筐体２の一方向（Ｘ軸方向）における他端側に、筐体２の他端側を開放状態又は遮断状態に切り替え可能なゲートバルブ５が配置されている。筐体２に設けられた内部空間Ｓは、電子を透過する電子透過膜４４を有する仕切り部４によって、電子源３を含む第１領域Ｓ１とゲートバルブ５を含む第２領域Ｓ２とに隔てられている。電子放出管１の製造、輸送、及びメンテナンス等においては、電子放出管１は、被取付部１２から取り外されている。この場合に、ゲートバルブ５によって筐体２の一方向における他端側を遮蔽することで、第１領域Ｓ１とともに第２領域Ｓ２を真空状態に保つことができる。そのため、第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２との気圧差が小さくなり、第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２の間に配置された電子透過膜４４に加わる、気圧差に起因する力が軽減される。その結果、電子透過膜４４の膜厚を薄くすることが可能となる。

電子透過膜４４の電位はグラウンド電位である。電子透過膜４４に電圧が印加されていないので、電圧印加に起因する電子透過膜４４の物理的な変形を抑制することができる。その結果、電子透過膜４４を通過する電子への影響を低減することが可能となる。

電子放出管１は、内部空間Ｓに配置され、電子源３の電位よりも高電位の電圧が印加された加速電極６を備えている。電子源３で生成された電子を、電子源３よりも電位が高い加速電極６により発生する電界によって加速させることが可能となる。

電子透過膜４４は、単層のグラフェン４４ａからなる膜である。単層のグラフェン４４ａからなる膜は自立できるので、電子透過膜４４の膜厚を薄くできる。単層のグラフェン４４ａからなる膜の厚さは炭素原子１個分となるので、電子透過膜４４を通過する電子への影響を低減することが可能となる。単層のグラフェン４４ａからなる膜の膜厚は、０．３５ｎｍ程度であり、第１領域Ｓ１の真空状態を維持できるとともに、電子が電子透過膜４４を透過する際のエネルギー損失を抑えることが可能となる。グラフェンは原子番号が小さい炭素原子で構成されるので、電子が電子透過膜４４と相互作用する確率が低くなり、電子放出管１から放出される電子の量を増加させても、電子透過膜４４の発熱を抑えることが可能となる。また、単層のグラフェン４４ａからなる膜の膜厚は薄いので、光電面３１が本来有する電子のエネルギー分布及び角度分布の損失を抑制することが可能となる。そのため、収容室１１で有効に利用できる電子の減少を抑制することが可能となる。

仕切り部４は、一方向（Ｘ軸方向）と交差する第１面４３ａと、一方向（Ｘ軸方向）と交差し、第１面４３ａと反対側に設けられた第２面４３ｂと、を含む基板４３を有する。基板４３には、一方向（Ｘ軸方向）に基板４３を貫通する孔４５が設けられ、電子透過膜４４は、第１面４３ａに設けられ、孔４５を覆う。電子透過膜４４は基板４３の第１面４３ａに設けられるので、基板４３が電子透過膜４４を保持することが可能となる。また、電子透過膜４４における電子が通過する領域を、基板４３に設けられる孔４５のサイズによって、規定することが可能となる。

仕切り部４は、開口部４２を有する保持部材４１を有し、基板４３は、保持部材４１に、ろう付け又はメタルシールによって固定され、開口部４２と孔４５とは、互いに重なるように配置される。電子透過膜４４が設けられた基板４３を、ろう付け又はメタルシールにより保持部材４１に固定することによって、第１領域Ｓ１の真空状態を保つことができる。そのため、電子透過膜４４が設けられた基板４３の製造後に、基板４３を保持部材４１に取り付けることができるので、電子透過膜４４の製造が容易となる。

電子源３は、光（入射光）が照射されることによって電子を生成する光電面３１を有する。光電面３１に光が照射されることで、筐体２内の第１領域Ｓ１に電子が生成され、電子放出管１から電子を放出することが可能となる。２次元平面でパターン化された光が光電面３１に照射されることで、パターン化された光に応じた２次元分布を有した電子が光電面３１から放出される。そのため、所望の２次元分布を有した電子が放出されるように、光電面３１に照射する光をパターン化すればよいので、所望の２次元分布を有した電子を電子放出管１から放出することが容易となる。これによって、電子照射装置１０の被照射体１５に対して、所望の２次元分布を有した電子を照射することが容易となる。また、光電面３１に照射される入射光をパルス波とし、光電面３１が電子を生成するタイミングを制御することで、電子放出管１から放出される電子の放出のタイミングを制御することができる。これによって、電子照射装置１０の被照射体１５に電子を照射するタイミングを制御することが容易となる。例えば、収容室１１内に設置された被照射体１５の動作に同期させて、被照射体１５に電子を照射することで、被照射体１５の動作を検査することが可能となる。

光電面３１がアルカリ光電面である場合、可視光領域の光がアルカリ光電面に照射されることで、筐体２内に電子を生成することができる。アルカリ光電面は、例えば、光の波長が４００ｎｍ程度の可視光領域において高い感度を有する。可視光領域において、レーザ光を２次元平面でパターン化することは他の光の波長領域に比べて易しい。そのため、所望の２次元分布を有した電子を電子放出管１から放出することがより容易となる。

光電面３１の仕事関数よりやや大きなエネルギーを有する入射光が光電面３１に入射される場合、光電面３１から放出される電子は、比較的低いエネルギー分布となる。例えば、光電面３１がバイアルカリ光電面である場合に、波長が５３２ｎｍの入射光をバイアルカリ光電面に照射することによって、バイアルカリ光電面から放出される電子は、タングステン電子銃に比べて１／１０程度の約０．１ｅＶのエネルギー分布となる。そのため、光電面３１から放出される電子を小さなスポットに収束することが容易となる。

例えば、電子放出管１が電子透過膜４４を備えていないとすると、ゲートバルブ５及び筐体２によって、光電面３１が設けられた第１領域Ｓ１を含む内部空間Ｓを真空状態に保持する必要がある。この場合、ガスケット又はゲートバルブ５からの微小なリークにより、光電面３１の感度を長期間及び安定的に維持できるような真空度に内部空間Ｓを保持することができないおそれがある。なお、本実施形態で説明した電子放出管１において、ガスケット又はゲートバルブ５からの微小なリークにより、第２領域Ｓ２の真空度は、第１領域Ｓ１の真空度と完全に同一にならないおそれがある。しかしながら、第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２の真空度に微小な差が生じたとしても、電子透過膜４４が破れてしまう程度の気圧差を生じさせる可能性は低い。

また、電子照射装置１０は、電子放出管１と、電子放出管１が取り付けられ、被照射体１５を収容する収容室１１と、を備える。電子照射装置１０によれば、電子放出管１から放出された電子を、収容室１１内の被照射体１５に照射することが可能となる。収容室１１内の空間を真空排気した後では、第１領域Ｓ１、第２領域Ｓ２、及び収容室１１の内部の空間はいずれも真空状態である。そのため、ゲートバルブ５によって電子放出管１のＸ軸方向における他端側を開放状態としても、第１領域Ｓ１と、第２領域Ｓ２及び収容室１１の内部の空間が接続された空間との気圧差は小さいので、電子透過膜４４に加わる気圧差に起因する力は軽減される。その結果、電子透過膜４４の膜厚を薄くすることが可能となる。

電子照射装置１０は、収容室１１に配置され、被照射体１５に電子が照射されることで生じる反応信号を検出する検出器１６を備えるので、被照射体１５の観察又は検査を行うことが可能となる。

電子放出管１を収容室１１に取り付け後に電子照射装置１０を使用する際、第２領域Ｓ２は真空排気された収容室１１の内部の空間に接続される。そのため、第２領域Ｓ２は、第１領域Ｓ１に比べてやや悪い真空度となるおそれがある。しかしながら、第２領域Ｓ２の真空度が劣化し、第１領域Ｓ１の真空度と微小な差が生じたとしても、電子透過膜４４が破れてしまう程度の気圧差を生じさせる可能性は低い。また、光電面３１は、水又は酸素に暴露すると劣化するおそれがある。第２領域Ｓ２が収容室１１の内部の空間に接続されることにより、水又は酸素が電子放出管１に入り込むおそれがある。しかしながら、光電面３１を含む第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２との間に電子透過膜４４が設けられているので、光電面３１が水又は酸素に暴露する可能性は低減される。

光電面３１を備えた電子放出管１を、収容室１１に取り付けているので、電子照射装置１０全体の製造とは別に、電子放出管１を製造することが可能となる。そのため、再現性よく高感度な光電面３１を作製することが可能となる。

電子照射装置１０が備える電子放出管１は、偏向コイル７２ａ及び偏向コイル７２ｂを有している。偏向コイル７２ａ及び偏向コイル７２ｂによって、電子が電子透過膜４４を通過する位置が調整される。２個の偏向コイル７２ａ，７２ｂを有することで、光電面３１のどの位置から放出された電子でも、電子透過膜４４における同じ位置を、電子透過膜４４に対して垂直に通過するように調整することが可能となる。

光電面３１がアルカリ光電面である場合、アルカリ光電面に光が入射する部分の感度は徐々に劣化するおそれがある。そこで、アルカリ光電面に光が入射する位置をずらすことにより、元の感度が得られる場合がある。しかしながら、アルカリ光電面に光が入射される位置をずらすと、電子の軌道がずれて、電子は、電子透過膜４４における電子放出管１のＸ軸方向に沿う中心軸を中心とした領域を、中心軸に沿って適切に通過しない場合がある。このような場合、偏向コイル７２ａにより、アルカリ光電面から放出された電子を、中心軸に向かうように進行方向を調整し、さらに、偏向コイル７２ｂにより中心軸に沿った方向に向くように電子の進行方向を調整することが可能となる。そのため、アルカリ光電面の一部が劣化し、光が入射する位置を変更したとしても、アルカリ光電面から放出された電子を、電子透過膜４４における中心軸を中心とした領域を、中心軸に沿って通過させることが可能となる。その結果、収容室１１ではレンズ等を調整することなく、被照射体１５に適切に電子を照射することが可能となる。

電子放出管１の製造方法では、第１領域Ｓ１に接続された枝管８３と、第２領域Ｓ２に接続された枝管８４とが、共通管８２を介して真空ポンプ８１に接続されているので、排気装置８によって第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２が同時に真空排気される。そのため、第１領域Ｓ１と第２領域Ｓ２との気圧差が小さくなるので、電子放出管１の製造段階において、第１領域Ｓ１及び第２領域Ｓ２の間に配置された電子透過膜４４に加わる、気圧差に起因する力が軽減される。その結果、電子透過膜４４の膜厚を薄くすることが可能となる。

なお、本発明に係る電子放出管、電子照射装置及び電子放出管の製造方法は上記実施形態に限定されない。

上記実施形態では、電子放出管１は、光電面３１を有する電子源３を備えていたが、これに限られない。電子源３は、陰極（カソード）を加熱することによって内部空間Ｓに電子を放出する熱電子源であってもよい。熱電子源に用いられる陰極の材質としては、タングステン、ＬａＢ_６（六ほう化ランタン）及び酸化物等が挙げられる。電子源３に熱が加えられることによって、内部空間Ｓに電子を放出することが可能となる。

このような熱電子源を備えた電子放出管１の製造方法は、上記実施形態で説明した排気工程及び封止工程を備える。具体的には、熱電子源を含む第１領域Ｓ１の脱ガス及びベーキングが行われた後に、第１領域Ｓ１は、真空状態が維持されるように封止される。電子放出管１の製造後、筐体２及び電子透過膜４４等によって、第１領域Ｓ１の真空状態は保持される。その結果、熱電子源の安定性及び製品寿命を向上させることが可能となる。

電子源３は、陰極と陽極との間に電圧を印加することで、陰極から内部空間Ｓに電子を発する電界放出電子源であってもよい。電界放出電子源として、熱及び電界を利用するＴＦＥ（Thermal Field Emitter）と、電界のみを利用するＣＦＥ（Cold Field Emitter）及びＦＥＡ（Field Emitter Array；フィールド・エミッタ・アレイ）と、が挙げられる。なお、ＴＦＥは熱電界放出電子源と称されることもある。

図６は、電子源の他の例を示す図である。図６には、電子源としてのＦＥＡ９（電界放出電子源）が示されている。ＦＥＡ９は、例えばシリコン基板を微細加工することによって作製される。ＦＥＡ９は、基板９１、エミッタ９２、ゲート電極９３、ゲート電極９４、メタルステム９５、ピン９６、及びピン９７を備える。基板９１には、複数のエミッタ９２、複数のゲート電極９３、及び複数のゲート電極９４が設けられる。基板９１は、メタルステム９５上に設けられる。複数のエミッタ９２には、メタルステム９５を介して負電位の電圧が印加される。複数のゲート電極９３それぞれには、ピン９６を介して正電位の電圧が印加される。なお、図６には、１つのゲート電極９３に電圧を印加するピン９６だけが示されている。複数のゲート電極９４それぞれには、ピン９７を介して正電位の電圧が印加される。なお、図６には、１つのゲート電極９４に電圧を印加するピン９７だけが示されている。複数のエミッタ９２それぞれを挟むゲート電極９３に正電位の電圧が印加されることで、エミッタ９２とゲート電極９３との間に電界が発生し、エミッタ９２の先端から電子が放出される。ゲート電極９４は、エミッタ９２から放出された電子を収束する。

このようなＦＥＡ９（電界放出電子源）を備えた電子放出管１の製造方法は、上記実施形態で説明した排気工程及び封止工程を備える。具体的には、ＦＥＡ９を含む第１領域Ｓ１の脱ガス及びベーキングが行われた後に、第１領域Ｓ１は、真空状態が維持されるように封止される。電子放出管１の製造後、筐体２及び電子透過膜４４等によって、第１領域Ｓ１の真空状態は保持される。その結果、ＦＥＡ９の安定性及び製品寿命を向上させることが可能となる。

電子透過膜４４は、上記実施形態では、単層のグラフェンからなる膜であるがこれに限られない。電子透過膜４４は、二以上の層を有する多層のグラフェンからなる膜でもよい。電子透過膜４４は、グラフェン以外の単層（mono layer）物質からなる膜でもよい。単層物質は、単一の原子層で構成され原子１個分の厚さを有するシート状の単原子層物質、又は原子約１個分の厚さを有するシート状の物質である。単層物質は、ＷＳ_２（二硫化タングステン）又はＭｏＳ_２（二硫化モリブデン）で構成されてもよい。電子透過膜４４が単層物質で構成されることで、電子透過膜４４の膜厚が薄くなり、電子透過膜４４を通過する電子への影響を低減することが可能となる。

電子透過膜４４は、窒化シリコン膜でもよい。窒化シリコン膜の製作過程で発生する内部応力は小さいので、窒化シリコン膜の膜厚を薄くすることができる。例えば、窒化シリコン膜の直径を０．２５ｍｍとした場合、窒化シリコン膜の膜厚を３０ｎｍ程度とすることができる。そのため、電子透過膜４４を通過する電子への影響を低減することが可能となる。

上記実施形態において、電子透過膜４４を有する仕切り部４は、フランジ２４及びフランジ２６の間に設けられているが、これに限られない。電子透過膜４４を有する仕切り部４は、電子源３とゲートバルブ５との間に位置し、内部空間Ｓを、電子源３を含む第１領域Ｓ１とゲートバルブ５を含む第２領域Ｓ２とに隔てるように設けられていればよい。例えば、仕切り部４は、加速電極６に固定されるように設けられてもよい。

１…電子放出管、２…筐体、３…電子源、３１…光電面、４…仕切り部、４３…基板、４４…電子透過膜、５…ゲートバルブ、６…加速電極、７…調整部材、８…排気装置、８２…共通管、８３…枝管、８４…枝管、１０…電子照射装置。

Claims (15)

1. 内部空間が設けられ、前記内部空間を真空に保持する筐体と、
   前記筐体の一方向における一端側に配置され、電子を生成する電子源と、
   前記筐体の前記一方向における他端側に配置され、前記他端側を開放状態又は遮蔽状態に切り替え可能なゲートバルブと、
   前記電子源と前記ゲートバルブとの間に位置し、前記内部空間を、前記電子源を含む第１領域と前記ゲートバルブを含む第２領域とに隔てる仕切り部と、を備え、
   前記仕切り部は、前記電子を透過する電子透過膜を有し、前記第１領域の気密を保つように前記第１領域と前記第２領域とを隔てる、
   電子放出管。
2. 前記電子透過膜の電位はグラウンド電位である、
   請求項１に記載の電子放出管。
3. 前記内部空間に配置され、前記電子源の電位よりも高電位の電圧が印加された加速電極をさらに備える、
   請求項１又は請求項２に記載の電子放出管。
4. 前記電子透過膜は、単層物質からなる膜である、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電子放出管。
5. 前記電子透過膜は、単層又は多層のグラフェンからなる膜である、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電子放出管。
6. 前記電子透過膜は、窒化シリコン膜である、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電子放出管。
7. 前記単層物質は、二硫化タングステン又は二硫化モリブデンで構成される、
   請求項４に記載の電子放出管。
8. 前記仕切り部は、前記一方向と交差する第１面と、前記一方向と交差し、前記第１面と反対側に設けられた第２面と、を含む基板を有し、
   前記基板には、前記一方向に前記基板を貫通する孔が設けられ、
   前記電子透過膜は、前記第１面に設けられ、前記孔を覆う、
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の電子放出管。
9. 前記仕切り部は、開口部を有する保持部材を有し、
   前記基板は、前記保持部材に、ろう付け又はメタルシールによって固定され、
   前記開口部と前記孔とは、互いに重なるように配置される、
   請求項８に記載の電子放出管。
10. 前記電子源は、光が照射されることによって前記電子を生成する光電面を有する、
    請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の電子放出管。
11. 前記光電面は、アルカリ光電面である、
    請求項１０に記載の電子放出管。
12. 前記電子源は、熱電子源又は電界放出電子源である、
    請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の電子放出管。
13. 被照射体に電子を照射する電子照射装置であって、
    請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の電子放出管と、
    前記電子放出管が取り外し可能な状態で取り付けられ、前記被照射体を収容する収容室と、を備える、
    電子照射装置。
14. 前記収容室に配置され、前記被照射体に電子が照射されることで生じる反応信号を検出する検出器をさらに備える、
    請求項１３に記載の電子照射装置。
15. 請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の電子放出管の製造方法であって、
    排気装置によって、前記第１領域と前記第２領域とを真空排気する排気工程を備え、
    前記排気装置は、真空ポンプと、前記真空ポンプから延びる共通管と、前記共通管から延び前記第１領域に接続される第１枝管と、前記共通管から延び前記第２領域に接続される第２枝管と、を有する、
    電子放出管の製造方法。

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