JP2012033298A - 荷電粒子線放射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】導電性碍子を使用する加速管において、表面のドーパント濃度が不均一となるため、導電性碍子の表面抵抗が不均一になることがあるが、この場合でも、内面垂直方向の電位分布を円周方向によらず一定に保つことが課題である。
【解決手段】導電性碍子加速管の内面に円周状の溝を数段設け、溝の内部に沿って金属をメタライズする。加速管表面の特定の部分の抵抗が周囲と違う場合でも、加速管内面のメタライズ領域の電位は一定になるので、加速管内面の垂直方向電位分布を、円周方向によらずほぼ同一に保つことができる。この結果、中心軸上を通過する電子線に横方向の力が働かないとともに、電位勾配もほぼ一定に保つことができ収差を小さくすることが可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、荷電粒子線装置の電子銃及びイオン銃の構造に関するものである。

電子顕微鏡や集束イオンビーム加工装置など荷電粒子線装置の電子銃やイオン銃において、特に高加速エネルギを持った荷電粒子線を発生する電子銃（又はイオン銃）では、高電圧を安定に印加するために、加速管構造を持つものが広く使用されている。

図２は加速管構造を持った電子銃の概略図である。本図では６段の加速管を使ったＦＥ電子銃を仮定している。図中の参照番号１は先端半径を数１００ｎｍ程度に尖らせたＦＥ電子源、２は引出電極である。加速管２はガラスやセラミックスなど絶縁体碍子６と導体金属９が交互に積層されている。それぞれの導体金属９には電極が取り付けられている。引出電極の下に配置される電極は特に制御電極５、その他の電極は加速電極１０である。加速管のそれぞれの電極間には数Ｇオームのブリーダ抵抗１１が取り付けられる。

電子銃を動作させる時、ＦＥ電子源１には数１００ｋＶの負の電位を印加する。この電圧を特に加速電圧（Ｖ０）とよぶ。また、引出電極３にはＦＥ電子源１に対し数ｋＶの正の引出電圧（Ｖ１）を印加する。引出電圧（Ｖ１）により、ＦＥ電子源１の先端に強電界を発生させ、トンネル効果により先端から電子線４が放出される。放出された電子線４は制御電極５で軌道を制御すると共に、加速管を通過しながら、電子源に印加される加速電圧（Ｖ０）のエネルギに加速される。ここで、加速電圧をＶ０、制御電極をＶ２とすると、制御電極とアース間の電圧は
Ｖ０−Ｖ２
で表される。このとき、各段間のブリーダ抵抗１１が同一の場合、各段間電圧は
（Ｖ０−Ｖ２）／５
と等しくなる。よって、加速管内の電位勾配の変化が小さくなる。この結果、加速管構造をとることにより静電レンズ効果の影響を小さくしたまま、電子線を加速することができる。

ここで、上記の通り、従来の加速管ではガラスやセラミックスなど絶縁体碍子６を使用している。これら、絶縁体に反射電子や散乱電子などがあたったときは、絶縁体の表面にチャージがたまる（チャージアップする）可能性がある。絶縁体碍子６の表面がチャージアップすると、加速管内の電位分布が変わり、電子線４の軌道が変化し、観察時にビームが揺らぐといった現象が起こる。このチャージアップ現象を防止するため、従来の加速管２では、電子線４が反射電子や散乱電子が絶縁体碍子６に直接当たらないように、加速電極１０が複雑な形状を持つ構造になっている。このような加速電極１０は製作が複雑になるばかりでなく、加速管２に組込んだ時に、中心軸上の電位勾配が厳密には一定でなくなり、電子線４の収差も増大する。

近年、絶縁セラミックの表面にチタンカーバイドなどの異物（ドーパント）を注入（ドーピング）することで、表面の抵抗をわずかに低下させる導電性碍子の技術が報告されている。図３はこの導電性碍子を加速管の２段目から６段目の段間に使用した電子銃の一例である。ここで、加速管２に使用される導電性碍子７は特に内側表面の抵抗を小さくする特徴がある。具体的な抵抗値としては数１００Ｍオームから数１０Ｇオームの範囲である。導電性碍子７を使用することで、碍子表面に電子線４が衝突し発生するチャージは、導電性碍子の表面を電流として流れるので、チャージアップしない。よって、各段の加速電極１０の形状も従来の電子銃と違い単純な構造とすることができる。また、各段に使用する導電性碍子７の抵抗を従来のブリーダ抵抗と同じ値に合わせこむことで、ブリーダ抵抗を無くした電子銃を提供することもできる。

図２，図３に示した加速管は、電位勾配がなるべく均一になるように段毎に電圧を分割していたが、導電性碍子７を使用することで２段目以下を１段にまとめ、制御電極５より下の加速電極１０を全て取り外しても、チャージアップしないので、制御電極５以下の電位勾配を一様にすることができる。図４は制御電極５以下の電極を持たない加速管の概略を示している。この電子銃の加速管は一体になるので、同心度を高く保つことができる。更に、直径を大きく保つことができるので、垂直方向の電位分布の勾配を均一に保つことができる。よって、制御電極５で軌道を制御された電子線４は真直ぐに加速管内を通過し、電子銃より放出される。この結果、図４に示す電子銃は内部の構造を簡単にすることができ、更に電子線４の収差も小さくすることができる。

更に、図５は制御電極５を無くし、加速管２全体を導電性碍子７とした電子銃である。この場合はＦＥ電子源１から引出された電子線４の軌道を制御することはできないが、電子線４が真直ぐに加速され電子銃から放出されるので、収差は更に小さくなる。また、制御電圧（Ｖ２）を提供する制御電源も無くすことが可能である。

特開２００９−１９３８９６号公報（米国公開特許２００９／０２２４７０１）

上述の通り、導電性碍子７は、アルミナなどのセラミックス碍子の表面に数％のチタンカーバイドなどの不純物（ドーパント）を注入（ドーピング）して製作される。しかし、実際に製作する時にはドーパントを均一に注入することは困難である。ドーパントが表面に一様に注入されない場合は、濃度が不均一になり、加速管内側の表面の抵抗が不均一になってしまう。例えば、図６（ａ）のような導電性碍子７を使用した加速管２を仮定する。加速管の内部の位置は、加速管の中心軸Ｚ（一般的には電子ビームの光軸に一致する）をＺ軸、図中のＲ軸を動径方向の基準軸とする円柱座標系で表現されるものとし、加速管の上部（Ｚ＝０）には−２００ｋＶ、下部（Ｚ＝Ｌ）には０Ｖの電位が印加されているものとする。ここで、加速管２の内壁面はＺ＝Ｚａ、θ＝θａ付近の一部分１２のみ、他の部分より抵抗が高いものとする。この場合、加速管では内面の垂直（Ｚ）方向の電位分布が加速管の内周位置（角度θで表される）により違ってくる、例えば、Ｒ軸上でのθ＝０の電位分布は、図６（ｂ）で表されるように、Ｚ＝０での−２００ＶからＺ＝Ｚａでの０Ｖまで滑らかに変化するような電位分布、つまり傾き一定の電位勾配が形成される。一方、領域１２を含むθ＝θａの位置での電位分布は図６（ｃ）のように表され、抵抗が大きくなっている部分１２で不連続に変化するような電位勾配（この場合は電位勾配が大きくなる）が形成される。これは同じ高さ（Ｚ）における、周方向（θ方向）の電位が一定でないことと同等である。この結果、加速管の中心軸上では横方向の電界が発生し、電子線４は横方向の力を受けて曲がり、収差や揺らぎの原因となる。

更に、加速管内に１箇所でも全くドーパントが注入されていない部分があると、その部分にチャージがたまり、電位分布が不均一になると共に放電の原因となる可能性もある。

本発明で解決しようとする課題は、導電性碍子を使用する加速管において、表面のドーパント濃度が不均一になった場合に、加速管内面の垂直方向の電位分布が円周方向によって、同一にならないことである。

導電性碍子は表面の特定部分に金属をメタライズできる特徴を持つ。本発明では、導電性碍子加速管の内壁面に円周状のメタライズ領域を設けることにより上記課題を解決する。設けるメタライズ領域は、加速管の長手方向に複数箇所設けることが好ましい。

メタライズ領域の電位は同一に保つことができるので、加速管内面のドーパント濃度が不均一な導電性碍子が使用された場合でも、比較的均一な電位分布を得ることができる。また、本加速管は一体で形成できるので、同軸度を高く保つことができる。

導電性碍子を使用した本発明の電子銃の実施例を示した説明図である。（実施例１） 絶縁体碍子を使用した従来の電子銃の概略を示した説明図である。（従来例１） 導電性碍子を使用した従来の電子銃の概略を示した説明図である。（従来例２） 導電性碍子を使用した他の従来の電子銃の概略を示した説明図である。（従来例３） 導電性碍子を使用した他の従来の電子銃の概略を示した説明図である。（従来例４） 導電性碍子を使用した従来の電子銃の問題点を示した説明図である。 導電性碍子を使用した本発明の電子銃の電位分布特性を示した説明図である。 導電性碍子を使用した本発明の電子銃他の実施例を示した説明図である。（実施例２） 導電性碍子を使用した本発明の電子銃を使った問題点の解決の原理を示した説明図である。

導電性碍子を用いた加速管において、電位分布を比較的均一に保つようにメタライズ領域を設け、更に中心軸上の電位勾配をできる限り一手に保ち収差の小さい電子銃の提供を実現した。

図１に本実施例の加速管を使用した電子銃の断面の概略図を示す。この実施例では加速電圧１００〜３００ｋＶのＦＥ電子銃を仮定している。ＦＥ電子源１は加速管２の上部に搭載されており、加速電圧（Ｖ０）が印加される。ＦＥ電子源１の先端（エミッタチップ）の周囲には、チップを取り囲むように金属部材１３が配置される。金属部材１３の下部には、円柱状の絶縁体碍子６が配置されており、金属部材１３と絶縁体碍子６で形成される閉空間内に引出電極３が配置されている。引出電極３には、外部の電圧源１５から金属部材１３を介して所定の電位（約数ｋＶ）が供給され、供給電位とＦＥ電子源１との電位差が引出電圧（Ｖ１）を形成する。引出電圧によりＦＥ電子源１のエミッタチップには強電界が生じ、トンネル効果により電子線４が放出される。このため、引出電極３には電子線４が通過するための開口部が設けられている。電子線４は、通常、点線で示された電子線光軸から少し広がった軌道をたどって下側に放出される。

絶縁体碍子６の下部には、金属部材１４上に固定された円柱状の導電性碍子７が配置されており、絶縁体碍子６と導電性碍子７の接続部の内壁面側には、制御電極５が配置される。制御電極５には、外部の電圧源１６からＦＥ電子源に対して数ｋＶ〜数１０ｋＶの制御電圧（Ｖ２）が印加され、引出された電子線４の軌道を制御する目的で使用される。引出電極３および金属部材１３と制御電極５は絶縁体碍子６により絶縁されており、電位差が保たれる。絶縁体碍子６としては、例えばアルミナセラミックスなどが用いられる。

本実施例の電子銃では、制御電極５より下側の加速管に導電性碍子７を使用する。導電性碍子７の内壁面には、例えば幅１mm程度の溝を複数段設け、溝の内部に沿って金属をメタライズする。メタライズとは、溶射，焼成などの方法により、絶縁材料（主としてセラミック）の表面に金属層を形成する処理をいい、導電性碍子よりも更に電気伝導度の高い領域を形成することが可能である。例えば導電性碍子７に４本の溝を設け、導電性碍子７を長手方向に５段に分割するとした場合、加速管内の電位分布は図７のように、ほぼ一定の電位勾配となる。ここで図７では加速電圧（Ｖ０）は−２００ｋＶ、制御電圧（Ｖ２）は２０ｋＶと仮定した。このとき、各段間電圧は３６ｋＶで同一の電圧になると計算される。制御電極５より下側の電位勾配は金属メタライズ領域で緩くなるが、全体的にみると殆ど一定となる。よって、制御電極５を通過した電子線４は殆ど直線的な軌道をとって加速され、電子銃より放出される。このとき加速管２で発生する収差は小さくなる。また、メタライズ領域以外に電極を持たないので、加速管中心軸上の電位勾配をほぼ一定に保つことができる。従って、図２，図３に示した従来形状の電子銃と比較して加速管内部の周方向での電界分布が均一になり、よって従来よりも収差が小さくなる。

次に、導電性碍子の特定の部分に抵抗が異なる領域が存在する場合における本実施例の加速管の作用効果について説明する。図９（ａ）に、図６の（ａ）と同様に導電性碍子内壁面の特定部分に周囲と抵抗が違う領域が形成された場合の加速管の模式図を示す。図６の（ａ）と同じ要領で加速管内部に円柱座標系を仮定し、加速管内壁面の高さ（Ｚ＝Ｚａ）、角度（θ＝θａ）付近の領域１２の抵抗が他の部分より大きいものとする。また、加速管の上部（Ｚ＝０）の電位は−２００ｋＶ、下部（Ｚ＝Ｌ）の電位は０Ｖとする。図９の（ｂ）にはＲ軸上（θ＝０）におけるＺ方向の電位分布を、図９の（Ｃ）には、領域１２が存在する周方向位置（θ＝θａ）におけるＺ軸上の電位分布をそれぞれ示す。円柱状の導電性碍子７は導電性碍子自体の持つ抵抗により図２に示したブリーダ抵抗と同じ作用を有し、加速管の長手方向には、ほぼ均一な電位勾配の電位分布が形成される。従って、θ＝０の周方向位置での電位勾配は図９の（ｂ）に示されるように一定となる。一方、θ＝θａでの電位勾配は、図９の（ｃ）に示されるように領域１２で大きくなっている。

しかし、図９（ａ）に示す本実施例の加速管では、内壁面に４本の金属メタライズ領域８を設けている。金属メタライズ領域８の電位は一定になるので、加速管の内部には、金属メタライズ領域８に沿った等電位線が形成される。領域１２により引き起こされる電位勾配の乱れは、金属メタライズ領域８により形成される等電位線で矯正されるため、従って、加速管内面の一部分１２の抵抗が大きくなっても、加速管長手方向の電位勾配の変化を小さく抑えることができる。また、等電位線により囲まれる平面内（加速管２を等電位線で切断した断面）では電界分布がほぼフラットになるため、中心軸上を通過する電子線に対して横方向の力が働かなくなる。すなわち、金属メタライズ領域８により囲まれる平面内での電位勾配をほぼ一定に保つことができ収差を小さくすることが可能となる。

図８には、図１に示す電子銃の変形例を示す。図８に示す電子銃は、制御電極５を取り外し、加速管２の全てを導電性碍子７とした構造を備える。この場合はＦＥ電子源１から引出された電子線４は真直ぐに加速され電子銃から放出されるので、更に収差を小さくすることができる。また、制御電圧（Ｖ２）を提供する制御電源も無くすことが可能である。

本実施の形態では加速電圧１００ｋＶ〜３００ｋＶの加速管構造を持った電子銃を代表例として記載したが、加速電圧はこの範囲に限定されるものでない。また、本実施例で説明した電子銃だけに関わらす、例えばイオン銃のような他の荷電粒子線放出装置についても同様である。

１ ＦＥ電子源
２ 加速管
３ 引出電極
４ 電子線
５ 制御電極
６ 絶縁体碍子
７ 導電性碍子
８ 金属メタライズ領域
９ 導体金属
１０ 加速電極
１１ ブリーダ抵抗
１２ 抵抗が大きい領域
１３，１４ 金属部材

Claims (3)

1. 電子ビームを放出するチップ部を備えた電子源と、
   当該電子源の下部に設けられた接地電極と、
   当該接地電極上に固定され、前記電子ビームの軌道を囲むように配置された円柱状の導電性碍子と、
   前記円柱状の導電性碍子の内部に配置され、前記電子源から電子ビームを引出すための引出電圧が印加される引出電極と、
   前記導電性碍子の上部に設けられ、前記引出電圧を前記引出電極に印加するための導電性部材とを備え、
   前記円柱状の導電性碍子は、内壁面にメタライズ領域が形成されていることを特徴とする電子銃。
2. 請求項１に記載の電子銃において、
   前記導電性部材と前記円柱状の導電性碍子との間であって、前記電子ビームの軌道を囲むように配置された円柱状の絶縁性碍子と、
   前記円柱状の絶縁性碍子と円柱状の導電性碍子とにより構成される空間であって、前記引出電極の下部に配置された制御電極とを備えることを特徴とする電子銃。
3. 請求項１または２に記載の電子銃において、
   前記メタライズ領域は、前記円柱状の導電性碍子の内壁面に形成された複数の溝であることを特徴とする電子銃。

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