JP4537191B2

JP4537191B2 - 電子銃

Info

Publication number: JP4537191B2
Application number: JP2004367104A
Authority: JP
Inventors: 純一片根; 祐博伊東
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2024-12-20
Also published as: JP2006173033A

Description

本発明は、電子顕微鏡などの電子線利用装置に用いられる電子銃に関する。

電子顕微鏡などの電子線利用装置に用いられる電子銃においては、長時間安定して高電圧印加が可能な高電圧絶縁技術が必要とされている。真空を伴った高電圧絶縁技術は古くから存在し、さまざまな耐電圧絶縁方法が考案されてきた。その多くは経験的・実験的に見出されたものであり、それが現在でも高電圧絶縁設計に適用されている。ところで最近ではシミュレーション解析が可能となり、高電圧絶縁の最適化が進んでいる。その一例として特開２００２−３１３２６９号公報には、高電圧をエミッタに印加した際の絶縁碍子及び電極形状の解析結果から、真空側の絶縁碍子表面にメタライズを施してそれを電極とし、放電を抑制する技術が開示されている。

特開２００２−３１３２６９号公報

高加速電圧で高輝度を必要とする電子線分析装置（ＥＢＳＰ，ＣＬ）や電子線描画装置等に用いられる電子銃において長時間、高加速電圧を印加するためには、電子銃室内が高真空に保たれていること、ウェネルトの汚れによって放電が起こらないようクリーニングを行うことなどが必要であるが、第一に絶縁碍子の形状設計と碍子沿面表面の電界の均一化によって、高電圧を印加しても放電が起こらないようにする必要がある。真空内に置かれた電子銃では、特に真空−絶縁碍子−金属（電極）が接する三重接合部（図１の１３参照）の電界集中によって電子が飛び出すことが放電の種となり、飛び出した電子が絶縁碍子の表面の電界で電子なだれ現象を引き起こし、沿面放電経路（図１の１４参照）を通ってアース方向へと移動する沿面放電が耐高電圧に対して支障をきたすと考えられている。このアース方向への電子の移動が多いほど、耐高電圧に弱い・放電しやすい電子銃になる。

三重接合部の電界緩和の手法としては、絶縁碍子の形状や電極の形状を細工して緩和する方法が一般的である。三重点を真空内の電極側から隠すような絶縁碍子形状にしたり、逆に電極の形状で三重点を真空内の電極側から隠すことで、絶縁碍子の径より電極の径を大きくして、電界強度を緩和させていた。また、飛び出した後の電子が絶縁碍子の表面電界によってアース方向へ移動する沿面放電を抑えるには、絶縁碍子の沿面距離を長くすること、碍子表面の電位勾配をゆるくして電界を均一にすること、絶縁碍子の材質がセラミックであれば真空脱ガス処理を行う等の手法がとられていた。ここで、一般的にセラミック製の絶縁碍子の沿面距離は表面電界１ｋＶ／ｍｍで換算されている。

これら放電の抑制については、ほぼ形状設計の段階で決まってしまうことが多いため、耐高電圧に対しては沿面距離を長くしておくのが一般的であり、一方で照射装置自体の大型化や絶縁碍子及び電極形状が複雑になることでコストアップが進む。従って、三重接合部の電界強度緩和と沿面放電の抑制を同時に考慮した絶縁碍子設計及び電極設計と、必要最小限の絶縁沿面距離で小型で且つ耐高電圧特性に優れた照射装置がより完成度の高い装置と考えられる。

本発明は、このような小型で且つ耐高電圧特性に優れた電子銃を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の電子銃は、真空チャンバと、内面が前記真空チャンバの真空側に面し外面が大気側に面する絶縁碍子と、熱電子放射用のフィラメントと、フィラメントに対して負の電圧にバイアスされるウェネルトと、ウェネルトに接続されてウェネルトの絶縁碍子側に位置するガードリングと、ウェネルトの外側に配置されたアノードと、絶縁碍子を貫通して設置され、フィラメントに給電する第１の高圧導入接続ピンと、絶縁碍子を貫通して設置され、ウェネルトに電位を与える第２の高圧導入接続ピンとを備え、絶縁碍子の外面に第２の高圧導入接続ピンと電気的に接続されたメタライズ電極を設けたことを特徴とする。この構成によって、絶縁碍子表面で局所的に電位勾配がきつくなるような場所を減少させることが可能となり、表面電界の均一化を図ることができる。

ガードリングは真空側の三重接合部を覆うような形状とするのが好ましい。三重点（真空／電極／絶縁碍子の接合部）の電界を緩和させるために碍子を包み込むような形状にする。また、絶縁碍子大気側のメタライズ電極の径と真空側電極（ガードリング電極）の径を同じ径にすることで絶縁碍子表面の電位勾配均一化することができる。

特許文献１と本発明との大きな違いは、特許文献１では真空側にメタライズしているのに対し、本発明では大気側にメタライズしていることである。特許文献１では最も重要な真空側の絶縁碍子沿面部分に直接メタライズしているため、部品の配置構成が窮屈になりやすく、メタライズの出来不出来（特に鋭利な突起など）によって鋭利な突起部からのＦＥ電子による放電が発生しやすいなどの問題があるが、本発明にはそのような技術的な難しさはない。

本発明によると、電子銃の耐電圧性能向上と小型化設計の両立を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明による電子銃の一実施例を示す概略断面図、図２はその絶縁碍子の上面図である。

排気口１１から真空排気される真空チャンバ１５は電子銃室６を構成する。高真空に維持された電子銃室６に設置されたフィラメント１は約２７００Ｋに加熱されて熱電子を放射し、放射された電子は負の電位にバイアスされるウェネルト２に溜まる。ウェネルト２の外側にはアース電位のアノード３が配置されている。磁器・セラミックなどの硬質な絶縁材料からなる高電圧絶縁碍子４には、フィラメント１に給電するための高圧導入接続ピン７ａ，７ｂ及びウェネルト２に給電するための高圧導入接続ピン８が貫通し、高圧導入ケーブル１０を介して大気側から真空側へと高電圧が印加される。ガードリング５と呼ばれる電極は、高電圧絶縁碍子の真空側沿面の電界分布を均一化させる作用をする。なお、ガードリング５はウェネルト２と一体に形成してもよい。

図３に、フィラメント１、ウェネルト２、アノード３と電源との接続関係を示す。フィラメント１には約３Ａの電流と最大−３０ｋＶの加速電圧が印加され、熱電子が放出される。エミッション電流はフィラメント電流と比例関係にあるが、ウェネルト２の約数百Ｖ電位差の負電位によってある条件で飽和状態になる（セルフバイアス効果又は可変バイアス）。この飽和はフィラメント１とウェネルト２との間の距離やウェネルト２の穴径、またフィラメント電流によって左右されるが、特に分解能観察などの高倍率観察時や、長時間、高加速電圧で高輝度を必要とする分析（ＥＢＳＰ，ＣＬ）や電子線描画では、フィラメント電流に対してエミッション電流が飽和するようにフィラメント電流を調整する。電子銃室６は高真空（１０^-3から１０^-4Ｐａ程度）に保たれており、高圧導入ケーブル１０から最大加速電圧−３０ｋＶが印加され、ウェネルト２の電位は約−２９．５ｋＶ〜−２９．９ｋＶ程度となる。これはほぼフィラメント１に印加された加速電圧−３０ｋＶと同電位として考えてよい。

本発明の電子銃は、絶縁碍子４表面の電位勾配をゆるくして表面電界を均一にする手段として、絶縁碍子４の大気側に高圧導入接続ピン８と電気的に接続されたメタライズ電極１６を設ける。メタライズ電極１６とウェネルト２とは、高圧導入接続ピン８を介して同電位となる。メタライズ電極１６の外径は、ガードリング５の外径とほぼ同じにする。フィラメント１に給電する高圧導入接続ピン７a，７ｂは、メタライズ電極１６に電気接続されていない。メタライズは絶縁碍子に金属を固定するために用いられる既知のＭｏ−Ｍｎ法などにより形成することができ、形成したメタライズを電極として使用する。メタライズ電極１６の周囲の電位からして、メタライズ電極１６の設置によって放電が起きる可能性はない。更に、メタライズが大気側であることでメタライズの出来不出来（特に鋭利な突起など）が、真空側で起こる放電を誘発する心配もない。大気側の沿面不足による放電の可能性は、メタライズ電極１６や高圧導入ケーブル１０、絶縁碍子４のケーブル接続ピンなどの大気側一体を真空脱気によるシリコンゴムモールド９で絶縁することで回避できる。図中、２０は電子銃カバー（アース電位）、１２は真空シール（Ｏリング）である。

図４は、本発明による電子銃の他の実施例を示す概略断面図である。図１に示した実施例と異なるのは、ウェネルト２と同電位のガードリング１７の形状のみである。本実施例の電子銃では、ガードリング１７として三重接合部１３を覆うような形状を採用した。ガードリング１７によって三重接合部１３を覆うことにより、三重接合部１３での電界集中を緩和させることができる。沿面放電の起因が三重接合部の電界集中であることを考えれば、三重接合部の表面電界を小さくできることによる効果は大きいと考えられる。

図１及び図４に示した本発明の電子銃について、電位分布をシミュレーションした。あわせて、絶縁碍子にメタライズ電極を設けない電子銃の電位分布もシミュレーションした。条件は加速電圧３０ｋＶ印加時で、絶縁碍子はセラミックス製とし、誘電率を９．０とした。結果を図５に示す。図５（ａ）が図１に示した電子銃の電位分布、図５（ｂ）が図４に示した電子銃の電位分布である。図５（ｃ）は図１と同じ構造でメタライズ電極を設けなかった電子銃の電位分布、図５（ｄ）は図４と同じ構造でメタライズ電極を設けなかった電子銃の電位分布である。破線の矢印は電位線の向きを表す。

図５（ｃ）、図５（ｄ）を見ると、絶縁碍子４の高圧導入部のピン８の方向に電位線が向かっており、図中丸で囲んだ真空側の絶縁碍子表面の領域１９ではこの電位線が密になっていることがわかる。これから表面電界が局所的にでも１．５〜２．０ｋＶ／ｍｍ程度になると、電子なだれ現象を促進させてしまい、放電を活発化させてしまうことが推測できる。これに対して図５（ａ）、図５（ｂ）に示すように、絶縁碍子４の大気側表面にメタライズ電極１６を設けた本発明の電子銃の場合には、領域１９における電位線の集中が緩和されている。このように、絶縁碍子４の大気側にウェネルト２と同電位にしたメタライズ電極１６を設け、そのメタライズ電極１６の外径とガードリング５，１７の外径をほぼ同じにすることで、絶縁碍子４表面の電位線が密になるようなところをより少なくすることが可能となる。これは、三重接合部１３の電界緩和と碍子表面の電界均一化の両者を考慮した絶縁碍子設計が可能であることを示している。

図６に、三重接合部１３から領域１９までの絶縁碍子の表面電界を示す。図６にＡ点として示した位置は三重接合部１３に対応し、Ｂ点として示した位置は電位勾配が高くなりやすい領域１９に対応する。図５（ａ）はＡ点からＢ点まで均一な電界分布をしているが、図５（ｂ）や図５（ｄ）のＡ点（三重接合部）で電界強度を比較すると、図５（ｂ）及び図５（ｄ）が０．０１ｋＶ／ｍｍに対し、図５（ａ）はその約１０倍の０．１ｋＶ／ｍｍと大きい値となっている。これは沿面放電の始まりである電子が約１０倍飛び出しやすいということが考えられる。従って、ガードリングの形状による効果で図５（ｂ）及び図５（ｄ）のＡ点（三重接合部）の電界集中を緩和させる効果が現れていることがわかる。

また、図５の結果が示すように、図５（ｃ）あるいは図５（ｄ）に示した従来型の電子銃には、碍子沿面に電位線が密集しているところ（電位勾配がきついところ）が存在し、その点での表面電界は１．５ｋＶ／ｍｍを大きく超えている。例えば、図５（ｃ）に示した従来型の電子銃と図５（ｂ）に示した本発明の電子銃において、Ａ点及びＢ点の絶縁碍子表面電界を比較すると、明らかに従来型の方が大きい値を示している。特に碍子表面Ｂ点では従来型の表面電界の値は本発明の場合の約２倍となっている。以上から明らかなように、絶縁碍子の大気側にウェネルトと同電位のメタライズ電極を設ける本発明の構造は耐電圧特性に対して効果的な構造である。

実際に図５（ｂ）に示す本発明の構造の電子銃と、図５（c）に示す従来型の構造の電子銃を試作して実力値を測定した。Ａ点からＢ点までの沿面距離は２４ｍｍである。印加可能な最大加速電圧（実験ではＡＣ電圧）で耐高電圧特性を評価する実験では、従来型の電子銃が約３６ｋＶ相当で短絡したのに対して本発明の電子銃では約４５ｋＶ相当でも短絡していなかった。本発明の構造が従来の構造よりも約１．２５倍の耐圧効果があることが実証できた。また、絶縁碍子の大きさを比較すると、量産されている現行型電子銃の絶縁碍子が外径φ１０８ｍｍ高さ３５ｍｍ（相当）に対し、本発明の構成にすることによって外径φ９０ｍｍ高さ３６ｍｍ（相当）となり、ほぼ同じ高さで径が約１７％小さくなった。このように本発明によると、耐高電圧性能向上と装置の小型化を実現できる。

本発明による電子銃の一実施例を示す概略断面図。絶縁碍子の上面図。フィラメント、ウェネルト、アノードと電源との接続関係を示す図。本発明による電子銃の他の実施例を示す概略断面図。電位分布のシミュレーション図。三重接合部（Ａ点）から電位勾配が高くなりやすいＢ点までの絶縁碍子の表面電界を示す図。

符号の説明

１：フィラメント、２：ウェネルト、３：アノード（アース電位）、４：絶縁碍子（セラミック製）、５：電極（ガードリング）、６：電子銃室（高真空側）、７：高圧導入接続ピン（フィラメント側）、８：高圧導入接続ピン（ウェネルト側）、９：シリコンゴムモールド（大気側）、１０：高圧導入ケーブル、１１：電子銃室排気口、１３：三重接合部（Ａ点）、１４：沿面放電経路、１５：電子銃室チャンバ、２０：電子銃カバー（アース電位）、１６：メタライズ電極、１９：Ｂ点（電位勾配が高くなりやすい点）、１７：ガードリング

Claims

真空チャンバと、
内面が前記真空チャンバの真空側に面し外面が大気側に面する絶縁碍子と、
前記絶縁碍子の真空側下部に保持される熱電子放射用のフィラメントと、
前記絶縁碍子の下部であって前記フィラメントの周囲に設けられ、当該フィラメントに対して負の電圧にバイアスされるウェネルトと、
前記絶縁碍子とウェネルトとの間に配置されたガードリングと、
前記ウェネルトの下部に配置されたアノードと、
前記絶縁碍子を上下に貫通して設置され、前記フィラメントに給電する第１の高圧導入接続ピンと、
前記絶縁碍子を上下に貫通して設置され、前記ウェネルトに電位を与える第２の高圧導入接続ピンと、
前記絶縁碍子の外面上部に、前記第２の高圧導入接続ピンと電気的に接続され、かつ当該絶縁碍子を介して前記ガードリングと対向するように配置されたメタライズ電極とを有し、
前記メタライズ電極と前記ガードリングとが同じ外径を有することを特徴とする電子銃。
請求項１記載の電子銃において、
前記ガードリングは真空側の三重接合部を覆うような形状を有することを特徴とする電子銃。