JP2023036830A - 電子源及びその製造方法、並びに電子源を備える装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子放出材料のチップがタングステンフィラメントに直接接合された構造の電子源の製造方法を提供する。
【解決手段】電子源の製造方法は、電子放出材料のチップとタングステンフィラメントが直接接するように重ね合わせた被溶接物を一対の溶接電極で挟み込む工程と、被溶接物に対して一対の溶接電極によって押圧力を加えながら電流を流すことによってチップとタングステンフィラメントを溶接する工程とを含み、被溶接物の厚さが５０～５００μｍの範囲である。
【選択図】図３

Description

本開示は、電子源及びその製造方法、並びに電子源を備える装置に関する。

電子源は、例えば、電子顕微鏡及び半導体検査装置に使用されている。電子源は電子放出材料で構成されるチップを備える。電子放出材料の具体例として、ＬａＢ_６（六ホウ化ランタン）の単結晶、ＨｆＣの単結晶及びＩｒＣｅ化合物が挙げられる。

ＬａＢ_６単結晶を用いた電子源は、例えば、ＬａＢ_６単結晶のチップと、このチップを通電によって加熱するためのタングステンフィラメントと、タングステンフィラメントに対してチップを固定するための接合材料とによって構成される。特許文献１の製造例１には、ＬａＢ_６単結晶のチップの下部側面にＴａＣ粉末を含むペーストを使用して中間層を設けるとともに、Ｔａ箔を使用して支持金属層を設けることが記載されている。この製造例１では支持金属層に径１５０μｍのＷ線をスポット溶接して熱電子放射陰極を組み立てている。特許文献２にはイリジウムとセリウムからなる化合物を９０質量％以上含む電子ビーム生成用カソード部材用の焼結材が記載されている。

特開平１－７４５０号公報 特許第６８０５３０６号公報

特許文献１の製造例１のように、ＬａＢ_６のチップとタングステンフィラメント（Ｗ線）との間にタンタル（Ｔａ）を含む層が介在している場合、通電加熱時にタンタルとＬａＢ_６が反応することで、真空度が劣化し、カソードのエミッション不安定性の原因となる。そのため、タングステンフィラメントに電子放出材料のチップが直接接合された構造であることが望ましい。しかし、従来、電子放出材料のチップとタングステンフィラメントを溶接によって強固に接合することができず、チップが落下するリスクがあった。このため、かかる構造の電子源は実用化に至っていない。

本開示は、電子放出材料のチップがタングステンフィラメントに直接接合された構造の電子源の製造方法を提供する。また、本開示は、チップの固定にタンタルを用いた従来の電子源と比較して真空度の劣化を抑制でき、安定したエミッション電流を得ることができる電子源及びこれを備える装置を提供する。

本開示の一側面に係る電子源の製造方法は、電子放出材料のチップとタングステンフィラメントが直接接するように重ね合わせた被溶接物を一対の溶接電極で挟み込む工程と、被溶接物に対して一対の溶接電極によって押圧力を加えながら電流を流すことによってチップとタングステンフィラメントを溶接する工程とを含み、被溶接物の厚さが５０～５００μｍの範囲である。電子放出材料として、例えば、ＬａＢ_６の単結晶、ＨｆＣの単結晶及びＩｒＣｅ化合物が挙げられる。ＩｒＣｅ化合物は、例えば、Ｉｒ_２Ｃｅ、Ｉｒ_３Ｃｅ、Ｉｒ_７Ｃｅ_２、Ｉｒ_５Ｃｅである。

本発明者らは、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す構成の抵抗溶接機を使用して電子放出材料（ＬａＢ_６の単結晶）のチップとタングステンフィラメントとを直接溶接することを試みた。その結果、被溶接物の厚さ（チップとタングステンフィラメントの厚さの合計）が５０～５００μｍの範囲であれば、一対の溶接電極による通電によって被溶接物を局所的に高温にすることができ、チップとタングステンフィラメントを溶接によって強固に接合することができる。

チップにおけるタングステンフィラメントに対して溶接される部分の断面形状は、例えば、一辺の長さが１０～３００μｍの正方形状又は長方形状である。

本開示の一側面に係る電子源は、電子放出材料のチップと、タングステンフィラメントと、チップとタングステンフィラメントが直接接合している溶接部とを備え、溶接部の厚さが５０～５００μｍである。チップとタングステンフィラメントが直接接合しているため、両者の間にタンタルを含む層が介在している従来の電子源と比較して真空度の劣化を抑制でき、安定したエミッション電流を得ることができる。

本開示におけるタングステンフィラメントは、要求性能に応じて、タングステン以外の元素（例えば、レニウム、アルミニウム、ケイ素及びカリウム）を含んでもよい。

本開示の一側面に係る装置は上記電子源を備える。電子源を備える装置として、例えば、電子顕微鏡及び半導体製造装置及び検査装置が挙げられる。

本開示によれば、電子放出材料のチップがタングステンフィラメントに直接接合された構造の電子源の製造方法が提供される。また、本開示によれば、チップの固定にタンタルを用いた従来の電子源と比較して真空度の劣化を抑制でき、安定したエミッション電流を得ることができる電子源及びこれを備える装置を提供する。

図１は、本開示に係る電子源の一実施形態を模式的に示す平面図である。 図２は、図１に示す電子源における溶接部を模式的に示す断面図である。 図３（ａ）はチップとタングステンフィラメントが直接接するように重ね合わせた被溶接物を一対の溶接電極で挟み込んだ状態を模式的に示す断面図であり、図３（ｂ）は、被溶接物に対して一対の溶接電極によって押圧力を加えながら電流を流すことによってチップとタングステンフィラメントを溶接している様子を模式的に示す断面図である。 図４は、電子源における溶接部の他の態様を模式的に示す断面図である。 図５は、実施例１に係る電子源を示すＳＥＭ写真である。 図６は、実施例２に係る電子源を示すＳＥＭ写真である。 図７は、実施例３に係る電子源を示すＳＥＭ写真である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態について説明する。以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

＜電子源＞
図１は本実施形態に係る電子源を模式的に示す平面図である。図１に示された電子源１０は、ＬａＢ_６のチップ１と、タングステンフィラメント２と、チップ１とタングステンフィラメント２が直接接合している溶接部３とを備える。ループ状に曲げられたタングステンフィラメント２の頂部にチップ１が溶接によって固定されている。電子源１０を備える装置として、電子顕微鏡、半導体製造装置、検査装置及び加工装置が挙げられる。

チップ１は、タングステンフィラメント２の通電による加熱により電子を放出する。チップ１は、ＬａＢ_６の単結晶体からなり、電子を放出しやすい＜１００＞方位が電子放出方向に一致するよう加工された単結晶体であることが好ましい。チップ１の側面は、蒸発速度が遅くなると考えられることから、（１００）面の結晶面であることが好ましい。チップ１は略直方体形状を有している。なお、チップ１の先端部は円錐状又は四角錐状に加工されていてもよい。また、チップ１の形状は特に制限はなく、放電加工などによって所望の形状にすることができる。

タングステンフィラメント２は通電によってチップ１を加熱するためのものである。タングステンフィラメント２は、要求性能に応じて、タングステン以外の元素（例えば、レニウム、アルミニウム、ケイ素及びカリウム）を含んでもよい。タングステンフィラメント２は組織安定化のためのアルカリ金属（例えば、カリウム）がドープされたものであってもよい。タングステンフィラメント２がレニウムを含む場合、タングステンフィラメント２のレニウム含有率は、例えば、２～３０質量％であり、２～１０質量％又は２～５質量％であってもよい。レニウムはタングステンフィラメント２の電気比抵抗を大きくする効果を奏する。

溶接部３は、チップ１とタングステンフィラメント２が溶接によって接合されている部分である。溶接部３は、チップ１及びタングステンフィラメント２の少なくとも一方が加熱によって一旦融解した後、固化することによって形成される。溶接部３の厚さ（図２における厚さＴ３）は、例えば、５０～５００μｍであり、５０～４００μｍ又は１１０～２５０μｍであってもよい。チップ１の融点は、例えば、２２１０℃程度である。タングステンフィラメント２の融点は、例えば、３４２２℃程度である。

＜電子源の製造方法＞
次に、電子源１０の製造方法について説明する。電子源１０は以下の工程を経て製造される。
（Ａ）チップ１とタングステンフィラメント２が直接接するように重ね合わせた被溶接物５を一対の溶接電極６ａ，６ｂで挟み込む工程（図３（ａ）参照）。
（Ｂ）被溶接物５に対して一対の溶接電極６ａ，６ｂによって押圧力を加えながら電流を流すことによってチップ１とタングステンフィラメント２を溶接する工程（図３（ｂ）参照）。

（Ａ）工程において、被溶接物５の厚さ（チップ１とタングステンフィラメント２の厚さの合計、図３（ａ）における厚さＴ５）は５０～５００μｍの範囲であり、好ましくは１７０～４００μｍであり、１８０～３５０μｍ又は１８０～２８０μｍであってもよい。被溶接物５の厚さは、（Ａ）工程において、被溶接物５を挟み込んだ状態の一対の溶接電極６ａ，６ｂの離間距離と同じである。被溶接物５の厚さ（一対の溶接電極６ａ，６ｂの離間距離）が上記範囲であることで、一対の溶接電極６ａ，６ｂによる通電によって被溶接物５を局所的に高温にすることができ、チップ１とタングステンフィラメント２を溶接によって強固に接合することができる。

チップ１におけるタングステンフィラメント２に対して溶接される部分の断面形状は、例えば、一辺の長さが１０～３００μｍの正方形状又は長方形状である。一辺の長さは、好ましくは６０～２５０μｍであり、６０～２００μｍ又は７０～１５０μｍであってもよい。なお、チップ１におけるタングステンフィラメント２に対して溶接される部分の断面形状は、例えば、円形状又は楕円形状であってもよい。この場合、チップ１の溶接方向の厚さ（図３（ａ）における厚さＴ１）は、好ましくは６０～２５０μｍであり、６０～２００μｍ又は７０～１５０μｍであってもよい。なお、図３（ａ）における矢印Ａは「溶接方向」を示す。

タングステンフィラメント２におけるチップ１に対して溶接される部分の断面形状は、例えば、円形状又は楕円形状である。タングステンフィラメント２の溶接方向の厚さ（図３（ａ）における厚さＴ２）は、好ましくは６０～２５０μｍであり、６０～２００μｍ又は７０～１５０μｍであってもよい。なお、タングステンフィラメント２におけるチップ１に対して溶接される部分の断面形状は、例えば、正方形状又は長方形状であってもよい。この場合、タングステンフィラメント２の溶接方向の厚さは、好ましくは６０～２５０μｍであり、６０～２００μｍ又は７０～１５０μｍであってもよい。

チップ１の厚さＴ１とタングステンフィラメント２の厚さＴ２の比Ｔ１／Ｔ２は、好ましくは０．６～１．４であり、より好ましくは０．８～１．３である。比Ｔ１／Ｔ２が上記範囲内であることで、被溶接物５におけるチップ１とタングステンフィラメント２の界面を含む領域を効率的に高温にすることができる。

（Ｂ）工程において、被溶接物５に対して一対の溶接電極６ａ，６ｂから流す電流を調整することで、加熱温度を調整することができる。通電による加熱によって、チップ１及びタングステンフィラメント２の少なくとも一方を局所的に融解させればよく、チップ１及びタングステンフィラメント２の両方を局所的に融解させることが好ましい。一対の溶接電極６ａ，６ｂから被溶接物５に加える押圧力は、チップ１及びタングステンフィラメント２が強固に接合されるのに十分な強度及び時間に設定すればよい。図３（ｂ）における矢印Ｅは電流が流れる方向を示し、矢印Ｆは押圧力の方向を示す。

（Ｂ）工程を得て製造される電子源は、図２に示されたように、タングステンフィラメント２にチップ１が埋め込まれた態様であってもよいし、図４に示されたように、タングステンフィラメント２Ａの表面にチップ１が接合している態様であってもよい。なお、図４に示すタングステンフィラメント２Ａは断面が四角形状である。

上記実施形態においては、チップ１がＬａＢ_６の単結晶体で構成された態様を例示したが、チップ１はＨｆＣの単結晶（融点：３８９０℃）で構成されていてもよいし、ＩｒＣｅ化合物（例えば、Ｉｒ_２Ｃｅ、Ｉｒ_３Ｃｅ、Ｉｒ_７Ｃｅ_２、Ｉｒ_５Ｃｅ）で構成されていてもよい。チップ１として、これらの電子放出材料を使用した場合も、チップとタングステンフィラメントを溶接によって強固に接合することができる。

以下、本開示について実施例及び比較例に基づいて説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
以下のサイズのＬａＢ_６のチップ及びタングステンフィラメントを準備した。
＜ＬａＢ_６のチップ＞
・厚さＴ１：９０μｍ
・幅：９０μｍ
・長さ：１０００μｍ
＜タングステンフィラメント＞
・径（厚さＴ２）：１２７μｍ
・タングステン純度：９９．９９９質量％以上

次のようにしてチップとタングステンフィラメントを直接溶接した。まず、チップとタングステンフィラメントが直接接するように重ね合わせた状態でこれらを一対の溶接電極で挟み込んだ（図３（ａ）参照）。チップとタングステンフィラメントに対して一対の溶接電極によって押圧力を加えながら電流を流すことによって両者を溶接した（図３（ｂ）参照）。チップとタングステンフィラメントの界面の温度が３４２２℃（タングステンの融点）を超えるように、溶接電流を設定した。その結果、図５のＳＥＭ写真に示されたように、タングステンフィラメントに対してチップが埋め込まれた状態で両者が強固に接合された電子源が得られた。

（比較例）
以下のサイズのＬａＢ_６のチップ及びタングステンフィラメントを準備した。
＜ＬａＢ_６のチップ＞
・厚さＴ１：５００μｍ
・幅：７５０μｍ
・長さ：１５００μｍ
＜タングステンフィラメント＞
・径（厚さＴ２）：１２７μｍ
・タングステン純度：９９．９９９質量％以上

実施例１と同様にしてチップとタングステンフィラメントの溶接を試みた。溶接電流の設定を種々変更してチップとタングステンフィラメントを加熱したものの、両者を溶接することができなかった。

（実施例２）
以下のサイズのＨｆＣのチップ及びタングステンフィラメントを準備した。
＜ＨｆＣのチップ＞
・厚さＴ１：９０μｍ
・幅：９０μｍ
・長さ：１０００μｍ
＜タングステンフィラメント＞
・径（厚さＴ２）：１２７μｍ
・タングステン純度：９９．９９９質量％以上

実施例１と同様にしてチップとタングステンフィラメントの溶接を試みた。チップとタングステンフィラメントの界面の温度が３４２２℃（タングステンの融点）を超えるように、溶接電流を設定した。その結果、図６のＳＥＭ写真に示されたように、タングステンフィラメントに対してチップの一部が埋め込まれた状態で両者が強固に接合された電子源が得られた。

（実施例３）
以下のサイズのＩｒＣｅ化合物（Ｉｒ₇Ｃｅ_２）のチップ及びタングステンフィラメントを準備した。
＜ＩｒＣｅ化合物のチップ＞
・厚さＴ１：９０μｍ
・幅：９０μｍ
・長さ：１０００μｍ
＜タングステンフィラメント＞
・径（厚さＴ２）：１２７μｍ
・タングステン純度：９９．９９９質量％以上

実施例１と同様にしてチップとタングステンフィラメントの溶接を試みた。チップとタングステンフィラメントの界面の温度が３４２２℃（タングステンの融点）を超えるように、溶接電流を設定した。その結果、図７のＳＥＭ写真に示されたように、タングステンフィラメントに対してチップが埋め込まれた状態で両者が強固に接合された電子源が得られた。

１…チップ、２，２Ａ…タングステンフィラメント、３…溶接部、５…被溶接物、６ａ，６ｂ…一対の溶接電極、１０…電子源。

Claims (8)

1. 電子放出材料のチップとタングステンフィラメントが直接接するように重ね合わせた被溶接物を一対の溶接電極で挟み込む工程と、
   前記被溶接物に対して前記一対の溶接電極によって押圧力を加えながら電流を流すことによって前記チップと前記タングステンフィラメントを溶接する工程と、
   を含み、
   前記被溶接物の厚さが５０～５００μｍの範囲である、電子源の製造方法。
2. 前記チップにおける前記タングステンフィラメントに対して溶接される部分の断面形状は、一辺の長さが１０～３００μｍの正方形状又は長方形状である、請求項１に記載の電子源の製造方法。
3. 前記電子放出材料がＬａＢ_６、ＨｆＣ及びＩｒＣｅ化合物からなる群から選ばれる一種である、請求項１又は２に記載の電子源の製造方法。
4. 前記タングステンフィラメントがレニウムを含有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の電子源の製造方法。
5. 電子放出材料のチップと、
   タングステンフィラメントと、
   前記チップと前記タングステンフィラメントが直接接合している溶接部と、
   を備え、
   前記溶接部の厚さが５０～５００μｍである、電子源。
6. 前記電子放出材料がＬａＢ_６、ＨｆＣ及びＩｒＣｅ化合物からなる群から選ばれる一種である、請求項５に記載の電子源。
7. 前記タングステンフィラメントがレニウムを含有する、請求項５又は６に記載の電子源。
8. 請求項５～７のいずれか一項に記載の電子源を備える装置。
   
   

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