JPH01319236A

JPH01319236A - 電界放射電子銃

Info

Publication number: JPH01319236A
Application number: JP63148105A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kawasaki; 猛川崎; Junji Endo; 潤二遠藤; Shigeto Isagozawa; 成人砂子沢; Masahiro Tomita; 正弘富田; Akira Tonomura; 外村　彰
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-06-17
Filing date: 1988-06-17
Publication date: 1989-12-25
Anticipated expiration: 2013-09-10
Also published as: NL193512B; NL8901517A; DE3919829A1; DE3919829C2; NL193512C; US4945247A; JP2796305B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は電子顕微鏡、電子線描画装置等の電子銃、特に
高輝度、大電流を得るのに好適な電界放射電子銃に係わ
る。

［従来の技術］従来、電界放射電子銃において、静電レンズによる収束
作用だけでなく、磁界型レンズを電子源の近傍に設は磁
気収束作用も利用して、大電流を得ようとする試みは、
イギリス特許第１２９１２２号や特開昭５９−４２７４
８号に記載の装置がある。

［発明が解決しようとする課題］電子銃を透過型および走査型電子顕微鏡や電子線描画装
置に使用する際にはコンデンサレンズと組み合わせて所
望のプローブを形成することが一般的である。前記従来
技術は単段加速式で、加速電圧が低いところで使用する
ため多段加速式に比べ絶縁距離が短く静電レンズ作用も
小さい。そのためコンデンサレンズの縮小率が小さくそ
の収差も小さいので前記従来技術の電子銃の構成で問題
なかった。多段加速式磁界重畳型電界放射電子銃で特開
昭５９−４２７４８号に記載のように磁界型レンズによ
り電界放電子源の実像を電子ビームの進行方向に結ぶよ
うな条件を用いたとする。すると静電レンズ作用が強い
ため電子源の実像が強縮小され、コンデンサレンズに入
射する電子線の入射角が大きくなる。多段加速式磁界重
畳型電界放射電子銃ではコンデンサレンズまでの距離が
長いためここでも電子源の実像が強縮小される。コンデ
ンサレンズの球面収差は経験的に次の式で表されること
が知られている。

で表される。

ただしαはコンデンサ娑ンズに入射する電子線の角度、
Ｍはコンデンサレンズの倍率、ａはコンデンサレンズ主
面と物面との距離、Ｄはコンデンサレンズのギャップ長
、Ｓはコンデンサレンズの孔径。これでもわかるように
球面収差は入射角の３乗に比例しコンデンサレンズ主面
と物面との距離ａの３乗に比例して急激に大きくなる。

その結果電子銃の収差よりコンデンサレンズの収差が大
きくなり高輝度、大電流は得られない。そこで多段加速
式磁界重畳型電界放射電子銃をコンデンサレンズと組み
合わせたときに高輝度、大電流が得られるように磁界型
レンズ及び静電レンズの最適な使用条件を選ぶ必要があ
る。

第２図は前記多段加速式磁界重畳型電界放射電子銃にお
いて、■□を変化させたときの電子源のスポット位置を
計算した一例である。縦軸は電子源からスポットまでの
距離で、電子の進行方向を正にとったもの。横軸はＶ工
である。（Ｉ＝３６０ｍＡ、　Ｎ　＝１５００．　Ｖ２
＝２５ＫＶ）図中Ａで示した区間が電子銃、コンデンサ
レンズとも収差が小さい条件で使用できる領域がある。

この領域でｖｌだけを１００Ｖ変えると、スポット位置
は３００ｍｍもの範囲で変わる。照射条件を一定に保つ
ためには、■は０．１ｍＡ、Ｖ２は１０Ｖ単位の微調整
を同時におこなうことが必要で、しかもその補正量はｖ
ｉの値によって変わる。このためこれを手動操作で行な
うのでは実用上きわめて不便で、操作性は著しく低い。

前記従来技術では引き出し電圧や加速電圧など電子銃の
稼働条件を変えたとき電子ビームのスポット位置や開き
角などの照射条件を不変に保つ配慮がなされていない。

多段加速式磁界重畳型電界放射電子銃には高電圧を印加
するので放電の危険性が大きくなる。電子銃や電源が放
電を起こした場合にも被害を受けにくい電源構成にする
必要がある。引き出し電源と、第一加速電極に電圧を印
加するための電源と、二段目以降最終段までの加速電極
に電圧を印加するための電源を従来使用されていた。よ
うな構成にすると、放電により各電源の出力が短絡され
た場合、放電電流が複数の電源間を流れることがおおく
保護対策がとりにくい。

本発明の目的は電子銃の稼働条件を変えたときでも照射
条件を不変に保てる操作性、電子銃や電源が放電を起こ
した場合にも被害を受けにくい電源構成を有し、コンデ
ンサレンズと組み合わせても高輝度、大電流が得られる
多段加速式磁界重畳型電界放射電子銃を実現することに
ある。

［課題を解決するための手段］上記目的は１）上記磁界型レンズで電界放射電子源の４〜１０倍の
虚像をつくり、静電レンズでその虚像の０．３〜３倍の
実像をむすぶ。

２）Ｖ、４：対し、ＩＮ／ｆｌで７　≦Ｉ　Ｎ／ｆ７．
≦１２の範囲で所定の値になるようＩを連動させ、同時
にｖ　ｚ　／　ｖ　ｘが５≦Ｖ２／Ｖ□≦１０の範囲で
所定の値になるよう■２を連動させる。

３）引き出し電源と、第一加速電極に電圧を印加するた
めの電源と、二段目以降最終段までの加速電極に電圧を
印加するための電源を直列に接続することにより達せら
れる。

［作用］１）長さＬの範囲で電位がΦ。からΦ、まで変化すると
きその部分の静電レンズ作用は、レンズの像面側焦点距
離をｆｌとしてで表される。これかられかるように電位Φが小さく、そ
の変化率Φ′が大きいところで静電レンズ作用は大きく
なる。つまり引き出し電極と第一加速電極との間に静電
レンズ作用が集中する。そこでＶ　２　／　Ｖ□を一定
にすれば、Φ。／Φ、が一定かつΦ′／Φも一定になる
。つまりｖ２／Ｖ、の値によりレンズ作用が制御できる
。

第３図は多段加速式電界放射電子銃において静電レンズ
の動作条件と静電レンズおよびコンデンサレンズの収差
の関係をプロットした一例である。横軸はＶ２／Ｖ１の
値、縦軸は各レンズの球面収差９色収差によるボケと無
収差スポット径の比（以下相対的収差量という）である
。

この例ではＬ／Ｖ１＝１１〜１４の範囲で使用しないと
コンデンサレンズの収差のため輝度やビーム電流が充分
得られない。しかしこの条件ではｖ２が６０〜８０ＫＶ
に達し、放電の危険性や電源の構成を考慮すると実現困
難である。

またｖ２／ｖ工の値が小さくなりすぎると二段目の加速
領域の静電レンズ作用が強くなるため、静電レンズ作用
の制御が困難になる。Ｖ　２　／　Ｖ　Ｌ＝５〜１０が
容易に実現できる範囲である。そこで本発明ではｖ２を
低く抑え電子源近傍に設けた磁界型レンズをもちいて静
電レンズ作用をおぎない、かつ制御する。磁界型レンズ
のレンズ作用は焦点距離をｆとしてという経験式が成り立つことが知られている。

ここで、レンズ孔径Ｓ、ギャップ長り、コイルの巻き数
Ｎ、コイル電流工、加速電圧■である。

Ｉ　Ｎｚ’ｖＶの値によりレンズ作用が制御できる９第
４図は多段加速式磁界重畳型電界放射電子銃において磁
界型レンズの動作条件と、磁界型レンズ、静電レンズお
よびコンデンサレンズの収差の関係をプロットした一例
である。横軸は磁界型！ノンズによってできる虚像の倍
率であるが、同時にそのときの磁界型レンズの焦点距離
とＩ　Ｎ／ｒ−の値も示した。また縦軸は各レンズの球
面収差２色収差による相対的収差量である。この例では
虚像の倍率＝６付近が最も収差の影響が少ないことがわ
かる。前述のコンデンサレンズの収差を考慮すると、磁
界型レンズで電子源の４〜１０倍の虚像をつくり、Ｖ　
Ｚ　／Ｖ□＝５〜１０の静電レンズで前記虚像の０．３
〜３倍の実像を加速管中央からコンデンサレンズの間に
つくるのが各レンズにたいし入射角や倍率の関係から見
ても最も有利である。このとき電子銃とコンデンサレン
ズを組み合わせた相対的収差量を回折収差以下に抑える
ことができ最高輝度、最大電流を得ることができる。

２）本多段加速式磁界重畳型電界放射電子銃では、前記
従来技術と異なり電子源の虚像をつくるので磁界型レン
ズに前記従来技術のような強磁場は必要ない、その形状
については、孔径り、が４ｍｍから１０ｍｍでよい。４
ｍｒｎより小さいと、電子源と磁界型レンズの軸を５０
μｍ以下の精度で合わせないと軸外収差のために高輝度
が得られない、しかしこれは困難である。またＬ　Ｏｍ
　ｍより大きくしても磁界か弱すぎて、コイルの大型化
やレンズａｉｌ！の大容量化をまねき困難がともなう、
まだギャップ長しについては必要な磁場の強さと漏洩磁
場の大きさを勘案してＤ１≦■、≦Ｄ２が適当である。

磁界型レンズの収差を少なくするため焦点距離を数ｍｍ
以下にする必要がある。孔径やギャップが小さすぎない
範囲で焦点距離を短くするには孔径Ｄ２を孔径Ｄユより
大きくしてレンズ主面を上げた方が有利である。また静
電レンズによる縮小を極力抑えかつ収差も小さくするに
は、静電レンズ主面と磁界型レンズによってできる電子
源の虚像との距離を小さくすることが必要である。その
ために電子源と磁界型レンズの下側の磁極もしくは、引
き出し電極の第一加速電極と対向する面に設けられた電
子線通過孔との距離を２０ｍｍ以下に抑える。このよう
に磁界型レンズの動作条件と形状が定まったので（３）
式によりＩＮ／ｆ爪乙−の値は７〜１２の範囲になる。

引き出し電圧が変化しても照射系を不変に保つには電子
線に対する収束作用を不変にすればよい。前述より明ら
かなように、Ｖ、／ＶいｘＮ／ｆ灯を所定の値に保つよ
うＶ、、ＩをＶ工に連動させれば静電収束作用、磁気収
束作用ともに変わらず不変な照射系ができる。

３）第１図に電源を直列に接続した例を示す、この構成
にすれば放電により各電源の出力が短絡された場合でも
、放電電流はひとつの電源だけを通って閉じる可能性が
高くなり、保護対策が容易になる。さらにこの構成にす
ると引き出し電源と第一加速電極に電圧を印加するため
の電源と、レンズ電源の基準電位を一ケ所でとれ各電源
を容易に連動させることができる。

［実施例］以下本発明の一実施例を第１図により説明する。

フランジ１．ヨーク２．コイル３よりなる磁界型レンズ
が多段加速管３０の上部に取付けられている。この多段
加速管３０は外周に保護電極５０〜５４を取付け、放電
防止のため六ふっ化硫黄等高絶縁ガス雰囲気中に置かれ
る。ヨーク２は飽和磁束密度の大きい金属でつくられた
上磁極６と下磁極７、非磁性金属８とで構成され、上磁
極６と下磁極７は非磁性金属８により磁気的に分離され
ている。フランジ１にはＭ縁ガイシ４と電界放射電子源
５が取付けられる。この電界放射電子源５の先端は上磁
極６の近傍に位置している。電界放射電子源５と磁界型
レンズの間に、引き出し電源２２により引き出し電圧ｖ
１が印加される。本実施例では上磁極６が引き出し電極
を兼ねる。コイル３にはレンズ電源２１により電流工が
供給される。電界放射電子源５はフラッシング電１１１
２０に接続され通電加熱可能である。下磁極７に対面し
て第一加速電極１０が設けられる。第一加速電極１０に
はｖ２電源２３により電界放射電子源５からみた電位が
ｖ２になるように電圧が印加される。

レンズ電源２１、■２電源２３は制御回路２４を通じて
引き出し電源２２の出力に連動させＩＮ／ｖ”Ｖτ（Ｎ
はコイル３の巻数）、Ｖ、／Ｖ工を所定の値に保つ。本
実施例ではこの値はＩＮ／ｆｉ＝５〜１０．ｖ２／■、
＝７〜１２の範囲で任意に設定できるように構成されて
いる。第一加速電極１０より下には３段の加速電極１１
〜１３を設け、ｖ０電源２５により電界放射電子源５か
らみた最終段の電位がＶ。になるように分割抵抗３１（
〜ＩＧΩ）で分割して電圧を印加する。多段加速管３０
の下方には電子銃室部３２．中間室部３３゜コンデンサ
レンズ部３４とからなる照射系が構成される。電子銃室
部３２はイオンポンプ３５により１０−＠Ｐａに排気さ
れている。電子銃室部３２と中間室部３３の間には差動
排気絞り３７を設け、中間室部３３とコンデンサレンズ
部３４の間には真空仕切りのためのバルブ３８を設ける
。以上の構成において引き出し電圧Ｖ工により電界放射
電子源５から引き出された電子は、上磁極６と下磁極７
の孔を通り第一加速電極１０．加速電極１１〜１３によ
り所定のエネルギーまで加速される。

その後電子は電子銃室部３２．偏向コイル３６゜差動排
気絞り３７．中間室部３３．コンデンサ絞り３９．コン
デンサレンズ４０を通り試料を照射する。

［発明の効果］本発明によれば電子銃使用時に引き出し電圧ｖ１を変え
ても（ビーム電流を多くしたい場合、フラッシングをや
りなおした場合等）ビームの開き角、スポット位置など
の照射条件が変わらない。

電子顕微鏡などに使用した場合焦点の再調整などをしな
くてすむの操作性がよい。また放電をおこしても電源が
被害がうけにくい。さらに従来の電界放射電子銃に比べ
輝度は２倍ビーム電流は２０倍はど多くえられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の軸方向断面図と電源等の接
続を示した図である。第２図は多段加速式磁界重畳型電界放射電子銃において
、Ｖ工を変化させたときの電子源のスポット位置を計算
した一例である。第３図は多段加速式電界放射電子銃において静電レンズ
の動作条件と静電レンズおよびコンデンサレンズの収差
の関係をプロットした一例である。第４図は多段加速式磁界重畳型電界放射電子銃に゛おい
て磁界型レンズの動作条件と磁界型レンズ。静電レンズ、コンデンサレンズの収差の関係をプロット
した一例である。符号の説明１・・・フランジ、２・・・ヨーク、３・・・コイル、
４・・・絶縁ガイシ、５・・・電界放射電子源、６・・
・上磁極、７・・・下磁極、８・・・非磁性金属、１０
・・・第一加速電極、１１〜１３・・・加速電極、２０
・・・フラッシング電源、２１・・・レンズ電源、２２
・・・引き出し電源。２３・・・ｖ２電源、２４・・・制御回路、２５・・パ
ｖ、電源、３０・・・多段加速管、３１・・・分割抵抗
、３２・・・電子銃室部、３３・・・中間室部、３４・
・・コンデンサレンズ部、３５・・・イオンポンプ、３
６・・・偏向コイル、３７・・・差動排気絞り、３８・
・・バルブ、３９・・・コンデンサ絞り、４０・・・コ
ンデンサレンズ、５０〜５４・・・保護電極。第１国弓１３ニしＩＬ刀ヒｖｒ

Claims

【特許請求の範囲】１、電界放射電子源と、電子を引き出すための引き出し
電極と、その電子源と引き出し電極の間に磁界ギャップ
を有する磁界型レンズもしくはその磁極が引き出し電極
を兼ねる磁界型レンズと、電子を加速するための少なく
とも２つ以上の加速電極を有する多段加速式電界放射電
子銃において、上記電子源と引き出し電極間に印加され
る電圧Ｖ＿１、上記電子源と第一加速電極間に印加され
る電圧Ｖ＿２、磁界型レンズの巻き数Ｎ、磁界型レンズ
の励磁電流をＩとするとき、Ｖ＿１に対しＩＮ／√Ｖ＿
１が所定の値になるようＩを連動させる電流連動手段と
、Ｖ＿２／Ｖ＿１が所定の値になるようＶ＿２を連動さ
せる電圧連動手段を有することを特徴とする電界放射電
子銃。２、請求項１に記載のものにおいて、前記磁界型レンズ
の電子線入射側磁極の孔径をＤ＿１、電子線出口側磁極
の孔径をＤ＿２、両磁極間の電子線通路部における間隙
（ギャップ長）をＬ、としたとき４ｍｍ≦Ｄ＿１≦１０ｍｍＤ＿１≦Ｄ＿２≦２０ｍｍＤ＿１≦Ｌ≦Ｄ＿２であることを特徴とする電界放射電子銃。３、請求項１に記載のものにおいて、前記ＩＮ／√Ｖ＿
１、Ｖ＿２／Ｖ＿１の値が７≦ＩＮ／√Ｖ＿１≦１２５≦Ｖ＿２／Ｖ＿１≦１０の範囲であることを特徴とする電界放射電子銃４、請求
項１に記載のものにおいて、前記電界放射電子源と、前
記磁界型レンズの下側の磁極もしくは引き出し電極の前
記第一加速電極と対向する面に設けられた電子線通過孔
との距離が２０ｍｍ以下であることを特徴とする電界放
射電子銃。５、請求項１に記載のものにおいて、前記電子源と前記
引き出し電極の間に電圧を印加するための引き出し電源
と、前記第１加速電極に電圧を印加するための電源と、
二段目以降最終段までの加速電極に電圧を印加するため
の電源が直列に接続され、前記磁界型レンズに電流を供
給するレンズ電源が、引き出し電極と同電位にフローテ
ィングしている電源構成を有することを特徴とする電界
放射電子銃。６、電界放射電子源と、電子を引き出すための引き出し
電極と、その電子源と引き出し電極の間に磁界ギャップ
を有する磁界型レンズもしくはその磁極が引き出し電極
を兼ねる磁界型レンズと、電子を加速するための少なく
とも２つ以上の加速電極を有する多段加速式電界放射電
子銃において、上記磁界型レンズで上記電子源の４〜１
０倍の虚像をつくり、静電レンズでその虚像の０．３〜
３倍の実像をむすぶとき電子光学系を有することを特徴
とする電界放射電子銃。