JP4874758B2

JP4874758B2 - 電子源

Info

Publication number: JP4874758B2
Application number: JP2006281245A
Authority: JP
Inventors: 利幸森下; 良典照井
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2026-10-16
Also published as: JP2008098087A

Description

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、半導体プロセス用電子線機器又は電子線露光機用の電子源に関する。

近年、熱陰極よりも長寿命で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出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ロッド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、前記ロッドの先鋭端に形成された｛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。（以下、「ＺｒＯ／Ｗ電子源」と記す。）

ＺｒＯ／Ｗ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線を放出するタングステンの＜１００＞方位の針状の単結晶ロッド１が溶接等により固着されている。この単結晶ロッドは電解研磨により先鋭端を有し、この先鋭端が電子放出部となる。単結晶ロッド１の一部には、酸化ジルコニウムからなるジルコニウムと酸素の拡散源２が設けられている。図示していないが単結晶ロッド１の表面はＺｒＯ被覆層で覆われている。

単結晶ロッド１はフィラメント３により通電加熱されて通常は１８００Ｋ程度の温度下で使用されるので、単結晶ロッド１表面のＺｒＯ被覆層は蒸発により消耗する。しかし、拡散源２よりジルコニウム及び酸素が拡散することにより単結晶ロッド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。

走査型電子顕微鏡や測長ＳＥＭあるいはレビューＳＥＭといった半導体プロセス用電子線機器などでは、ＺｒＯ／Ｗ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以下の低加速電子線を用いることが一般的に行われている。

低加速電子線を用いる場合は静電、磁界レンズにより絞った電子線の径は、色収差により支配される（非特許文献１参照）。
Ｊ. Ｐａｗｌｅｙ，‘ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ’ ，１３６，Ｐｔ１，４５（１９８４）

この色収差を低減するには電子源から放出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２．４５ｋ_Ｂを下回ることはない。ここでｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｔは電子放出領域の絶対温度である（非特許文献２参照）。
Ｒ．Ｄ．Ｙｏｕｎｇ，‘Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．’１１３（１９５９）ｐ１１０

したがって、色収差の低減には電子源の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出や熱電子放出では動作温度を下げると放射電流が激減する。このため、電子源の温度を下げるには仕事関数のより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拡散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、６参照）。
西山英利、大嶋卓、品田博之、「応用物理」第７１巻第４号（２００２）４３８頁Ｈ．Ｎｉｓｈｉｙａｍａ，Ｔ．Ｏｈｓｈｉｍａ，Ｈ．Ｓｈｉｎａｄａ，‘ＡｐｐｌｉｅｄＳｕｒｆａｃｅＳｃｉｅｎｃｅ’１４６（１９９９）,ｐ３８２斉藤泰、矢田慶治、安達洋「信学技報」ＥＤ２００１−１７５（２００１−１２）１５頁Ｙ．Ｓａｉｔｏ，Ｋ．Ｙａｄａ，Ｋ．Ｍｉｎａｍｉ，Ｈ．Ｎａｋａｎｅ，Ｈ．ＡｄａｃｈｉＪ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ２２（６），２００４，ｐ２７４３

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して、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が既に報告されており、その拡散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）。
西山英利、大嶋卓、品田博之、「応用物理」第７１巻第４号（２００２）４３８頁特開平１０−１５４４７７号公報

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、電子源として好ましい特性を示すことが報告されている。

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、酸化バリウムを拡散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出分布が４回対称となり放出軸の中心での電子線量が少ないこと、再現性の乏しさが指摘されている。

本発明者は、上記の事情に鑑みて鋭意検討した結果、前記課題を解決して低温で動作し、エネルギー幅が小さい、低仕事関数を有する電子源で、しかも高い角電流密度で動作する電子源を提供できることを見いだし、本発明に至ったものである。

本発明は、タングステン製フィラメントにロッドが溶接されている電子源であって、前記ロッドが、タングステンまたはモリブデンの＜１００＞方位単結晶ロッドからなり、一端部に｛１００｝結晶面が露出した電子放出面を有し、しかもＨｏ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｓｍ、及びＰｒからなる群から選ばれる１種以上の金属元素酸化物を含み、酸化バリウムを含まない拡散源をロッドの一部として有することを特徴とする電子源である。

更に、本発明は動作温度が１２００Ｋ以上１５００Ｋ以下であることを特徴とする前記の電子源である。

また更に、本発明は、前記の電子源を具備することを特徴とする走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、表面分析装置、半導体プロセス用電子線機器または電子線露光装置である。

本発明の電子源は、ＺｒＯ／Ｗ電子源よりも低い仕事関数を有することから、動作温度も従来公知のＺｒＯ／Ｗ電子源よりも低い１２００Ｋから１５００Ｋで動作することが可能で、その結果、エネルギー幅の小さい電子線を放出するので、低加速電圧で動作する走査型電子顕微鏡や半導体プロセス用電子線機器の分解能向上や電子線露光装置においてより微細なパターンを描画するのに寄与する。

本発明の走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、表面分析装置、半導体プロセス用電子線機器または電子線露光装置は、前記特徴のある電子源を有しているので、それぞれの使用下において、より好ましい結果、例えば、透過型電子顕微鏡においては、エネルギー損失分光法による軽元素の分析を行う際に、低いバックグラウンドスペクトルが得られ、感度の向上に寄与する。

本発明を実施するため具体的な実施態様を以下に説明する。

機械加工により形成したタングステンの＜１００＞単結晶ロッドを加熱ヒータ用のタングステンフィラメントに溶接する。フィラメントの両端は絶縁碍子にロウ付けされた２本の導電端子に固着され、導電端子を介して通電ジュール加熱を行うことが出来る。続いて水酸化ナトリウム水溶液を用いて電解研磨により単結晶ロッドの一端にサブミクロンから数ミクロンの曲率半径を有する先鋭端を形成する。

次に単結晶ロッドの一部に、Ｈｏ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｓｍ、及びＰｒからなる群から選ばれる一種以上の金属元素酸化物を、酢酸イソアミル等の有機溶剤を分散媒として乳鉢によりスラリー状になるまで破砕、混合したものを塗布し、乾燥して拡散源を形成する。

この電子源を真空装置中に導入して真空度を１０^−１０Ｔｏｒｒ台まで引き、導電端子を介して通電して単結晶ロッドの温度を１５００Ｋ程度に加熱する。

次に単結晶ロッドに負の高電圧を印加することにより単結晶ロッドの先鋭端に高い電界が印加される。この状態を維持することにより先鋭端に｛１００｝結晶面が露出し、その部分のみ仕事関数がタングステンのそれよりも低くなり、高い電流密度で電子放出する。

この電子源の動作温度は１２００Ｋから１５００ＫとＺｒＯ／Ｗ電子源の動作温度である１８００Ｋよりも低く、低いエネルギー幅の電子線を放出する。

拡散源としては、Ｈｏ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｓｍ、及びＰｒからなる群から選ばれる一種以上の金属元素酸化物としては、本発明者検討に拠れば、Ｐｒ酸化物からなる拡散源の場合に好ましい電子放出特性を示す。

本発明の電子源は、特定の金属元素酸化物からなる拡散源を有し、従来公知のＺｒＯ／Ｗ電子源に比してかなり低温下で電子放出ができるので、その結果としてエネルギー幅の低い電子線が提供できる特徴を有する。このため、本発明の電子源を用いた電子線利用装置において、それぞれの装置に於いて、従来に得られなかった利点を得ることができる。例えば、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、表面分析装置、半導体プロセス用電子線機器に於いては分解能が向上でき、電子線露光装置においてはより微細なパターンを描画できる。

（実施例１〜５、比較例）
絶縁碍子５にロウ付けされた導電端子４にタングステン製のフィラメント３をスポット溶接により固定した後、機械加工により作成した＜１００＞方位の単結晶タングステン製ロッド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、ロッドの一端部を電解研磨して曲率半径が約１μｍの鋭利な先端を得た（図１参照）。

次にＨｏ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｐｒのそれぞれの酸化物（Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｎｄ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｐｒ_２Ｏ_３）の粉末を、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ロッドの一部に塗布して、拡散源２を形成した。

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。ロッド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も距離は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。

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、ロッド１とフィラメント３に対して負の高電圧、即ちエミッター電圧Ｖ_Ｅ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、ロッド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Ｖ_ｂ、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Ｉ_ｔ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。ロッド１の先端から放出した電子線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。蛍光板に到達した電流Ｉ_Ｓ（以降スクリーン電流と記す）は電流計１７により測定される。計蛍光板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Ｉ_ｐは微小電流計１１により測定される。なおアパーチャー９とロッド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Ｉ_ｐ／ωとなる。

作成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、拡散源を焼成する。更にニードルを１８００Ｋに１分程度加熱して先端表面を清浄化し、１５００Ｋに再調整後サプレッサーにバイアス電圧Ｖ_ｂ＝−３００Ｖの電圧を印加して、続いてエミッター電圧Ｖ_Ｅ＝−６．５ｋＶの高電圧を印加して数時間から数１０時間維持した。

この間に徐々に全放出電流が増し、エミッター電圧を−４．５ｋＶまで下げ数時間電子放出を継続したところ、蛍光板８上の中心のみが明るくなり電子放出角度分布が軸上を中心に狭い領域に閉じこめられていることが確認できた。

更に動作温度を様々に変えて安定に動作する温度領域を調べ、スクリーン電流Ｉ_Ｓ、角電流密度Ｉ_ｐ／ω対エミッター電圧、即ち電流対電圧特性を測定した。なお、電流対電圧特性を測定する際のバイアス電圧Ｖ_ｂはエミッター電圧Ｖ_Ｅの１／１０とした。

その後、装置から電子源を取り出してタングステンロッドの先端を走査型電子顕微鏡で観察したところロッド先端に｛１００｝結晶面が形成されていることが確認できた。

次に比較例として市販のＺｒＯ／Ｗ電子源で単結晶ロッドの先鋭端の曲率半径が１μｍのものを同じ装置に導入して電子放出特性を同様に測定した。

表１に本発明による電子源と比較例の電子源の安定動作領域を示した。なお、安定動作領域の判別は、蛍光板の中心にのみ電子放出分布パターンが観察でき、プローブ電流Ｉ_ｐのドリフトが１０時間あたり５％以下であるとした。比較例であるＺｒＯ／Ｗ電子源では１６５０Ｋから１８５０Ｋの間で安定動作が認められたのに対して、本発明による電子源は何れも比較例よりも低い１２００Ｋから１５００Ｋの間で安定動作が認められた。

実施例１に掛かる電子源と比較例の電子源とに関する実効仕事関数の測定結果を以下に示す。実効仕事関数の決定は以下の方法に依った。

まず、ロッド先端に形成された｛１００｝結晶面の半径を走査型電子顕微鏡観察により測定する。この結晶面は電子放出面に相当しスクリーン電流Ｉ_ｓをπ（半径）^２により除することにより電流密度Ｊを算出する。動作温度毎に（電流密度Ｊの対数）対（エミッター電圧の絶対値）^１／２の図を作成して直線でフィッティングし、（エミッター電圧の絶対値）^１／２をゼロ外挿することによりゼロ電界に相当する電流密度（飽和電流密度）を算出する。飽和電流密度Ｊと動作温度Ｔ、仕事関数φの関係はＲｉｃｈａｒｄｓｏｎの式より以下の通りとなる（非特許文献８参照）。
Ｊ＝ＡＴ^２ｅｘｐ（−φ/ｋ_ＢＴ）
ここでＪは飽和電流密度、ｋＢはボルツマン定数、φは仕事関数、Ｔは絶対温度である。Ｒｉｃｈａｒｄｏｓｏｎ定数Ａを理論値１２０Ａ／ｃｍ^２／Ｋ^２としたときの仕事関数を実効仕事関数φ_Ｅとすると、
φ_Ｅ＝−ｋ_ＢＴｌｎ（Ｊ/１２０Ｔ^２）
となり、飽和電流密度Ｊ、動作温度Ｔから実効仕事関数φ_Ｅが決定できる。
Ｓ.Ｇ.Ｃｈｒｉｓｔｏｖ，ｐｈｙｓ.ｓｔａｔ.ｓｏｌ. １７，１１，１９６６，ｐ２２

図３に、本発明の実施例１に係る電子源と比較例に係る電子源との実効仕事関数の温度依存性を示した。実施例１の電子源は比較例のものよりも遙かに低い実効仕事関数を有することが確認された。

更に図４に、発明の実施例１に係る電子源と比較例に係る電子源との角電流密度Ｉｐ／ω対エミッター電圧の関係を示した。本発明の電子源は比較例のものよりも高い角電流密度を示して、電子源としてより高性能であることが確認された。

また、本発明の実施例１に係る電子源を走査型電子顕微鏡に搭載して１３００Ｋで動作して加速電圧１ｋＶで観察を行ったところ、比較例の電子源の場合に比べて約３０％分解能が向上した。

本発明の電子源は、従来のＺｒＯ／Ｗ電子源の安定動作温度である１６５０Ｋから１８００Ｋよりも低い動作温度である１２００Ｋから１５００Ｋで動作するので、その結果低いエネルギー幅の電子線を放出することができる。そしてその結果、走査型電子顕微鏡や表面分析機器、半導体プロセス用電子機器の分解能向上や電子線露光装置の描画パターンの微細化に寄与することができるので、産業上極めて有用である。

電子源の構成図。電子放出特性の評価装置の構成図。本発明の実施例と比較例に係る電子源の実効仕事関数の温度依存性を示す図。本発明の実施例と比較例に係る電子源の角電流密度Ｉｐ／ω対エミッター電圧の関係を示す図。

符号の説明

１：ニードル
２：拡散源
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：ファイラメント加熱電源
１５：全放出電流測定用電流計
１６：放出電子線
１７：スクリーン電流測定用微小電流計

Claims

タングステン製フィラメントにロッドが溶接されている電子源であって、前記ロッドが、タングステンまたはモリブデンの＜１００＞方位単結晶ロッドからなり、一端部に｛１００｝結晶面が露出した電子放出面を有し、しかもＨｏ、Ｇｄ、Ｎｄ、Ｓｍ、及びＰｒからなる群から選ばれる１種以上の金属元素酸化物を含み、酸化バリウムを含まない拡散源をロッドの一部として有することを特徴とする電子源。
動作温度が１２００Ｋ以上１５００Ｋ以下であることを特徴とする請求項１記載の電子源。
請求項１又は請求項２記載の電子源を具備することを特徴とする走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、表面分析装置、半導体プロセス用電子線機器または電子線露光装置。