JP2005190758A

JP2005190758A - Electron source

Info

Publication number: JP2005190758A
Application number: JP2003428783A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Terui; 良典照井
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
Publication date: 2005-07-14

Abstract

【課題】輝度が高く、輝度変化の小さい電子放射陰極を提供する。
【解決手段】当該電子放射源の表面の電子放射部以外が炭素で被覆された、六ほう化セリウムからなることを特徴とする電子放射源と、それを用いた電子放射陰極。また、六ほう化セリウムの単結晶体の発熱体と接する部分を除く表面の全体に、熱分解黒鉛を被覆し、次いで前記黒鉛の前記電子源として用いる部分を削除することを特徴とする電子放射源の製造方法であり、好ましくは、六ほう化セリウムの単結晶体を、熱分解黒鉛を被覆する前に、予め電子放射陰極の電子放射源形状に加工している前記の製造方法。
【選択図】なしAn electron emitting cathode having high luminance and small luminance change is provided.
An electron emission source comprising cerium hexaboride in which the surface other than the electron emission portion on the surface of the electron emission source is coated with carbon, and an electron emission cathode using the electron emission source. Further, the entire surface of the cerium hexaboride single crystal body excluding the portion in contact with the heating element is coated with pyrolytic graphite, and then the portion of the graphite used as the electron source is deleted. A method for producing a source, preferably the above-mentioned production method, wherein a single crystal of cerium hexaboride is processed into an electron emission source shape of an electron emission cathode before coating with pyrolytic graphite.
[Selection figure] None

Description

本発明は、余剰電流が少なく輝度が高く、且つ寿命の長い電子放射陰極と、それに用いる電子放射源とその製造方法に関する。 The present invention relates to an electron emission cathode having a small surplus current, a high luminance, and a long lifetime, an electron emission source used therefor, and a method for manufacturing the same.

六ほう化ランタンはタングステンよりも仕事関数が低く熱陰極として好適で、広く工業的に利用されている。 Lanthanum hexaboride has a lower work function than tungsten and is suitable as a hot cathode, and is widely used industrially.

図１に六ほう化ランタンからなる電子放射陰極の構造を示す。六ほう化ランタンからなる陰極チップ１は黒鉛質のヒーター・ブロック２に把持され、金属製支柱３により把持固定されている。さらに、支柱３はアルミナからなるベース４にロウ付けなどにより固定され、端部は電流導入端子５なる。２つの電流導入端子５を介して通電することにより、ヒーター・ブロック２がジュール発熱してチップ１が加熱される。（図１参照） FIG. 1 shows the structure of an electron emission cathode made of lanthanum hexaboride. A cathode chip 1 made of lanthanum hexaboride is held by a graphite heater block 2 and held and fixed by a metal support 3. Further, the support column 3 is fixed to a base 4 made of alumina by brazing or the like, and an end portion becomes a current introduction terminal 5. By energizing through the two current introduction terminals 5, the heater block 2 generates Joule heat and the chip 1 is heated. (See Figure 1)

陰極チップ１は図２に示すように円錐形状をしており、そのチップ端部７は球面状あるいは平面状に加工されている。（図２参照） The cathode tip 1 has a conical shape as shown in FIG. 2, and the tip end portion 7 is processed into a spherical shape or a planar shape. (See Figure 2)

通常、陰極チップ１と陽極６の間には制御電極８が配置される。陰極チップ１には陽極６に対して負の高電圧が印加され、更に制御電極８には陰極に対して負の電圧が印加される。このようにして、陰極チップ１から陽極６に向かい電子が放射され、また、制御電極８に印加する電圧により全放射電流を制御することが出来る。（図３参照）このような電子放射陰極を以下に六ほう化ランタン電子放射陰極と記す。 Usually, a control electrode 8 is disposed between the cathode tip 1 and the anode 6. A negative high voltage with respect to the anode 6 is applied to the cathode tip 1, and a negative voltage with respect to the cathode is applied to the control electrode 8. In this way, electrons are emitted from the cathode tip 1 toward the anode 6, and the total radiation current can be controlled by the voltage applied to the control electrode 8. (See FIG. 3) Such an electron emission cathode is hereinafter referred to as a lanthanum hexaboride electron emission cathode.

一方、陰極チップ１の電子放射部９以外を熱分解炭素（以下ＰＧと略す）で被覆したＰＧ被覆六ほう化ランタン電子放射陰極が提案されている。（図４参照） On the other hand, a PG-coated lanthanum hexaboride electron emission cathode in which the part other than the electron emission part 9 of the cathode chip 1 is coated with pyrolytic carbon (hereinafter abbreviated as PG) has been proposed. (See Figure 4)

このようなＰＧ被覆六ほう化ランタン電子放射陰極は、従来の六ほう化ランタン電子放射陰極に比べて（１）輝度が高く、加えて（２）六ほう化ランタンの蒸発量が抑えられ制御電極の内面への汚染が低減される。（３）円錐面からの電子放射が抑制されるため真円形状のビームが得られやすい。といった長所があることが非特許文献１に述べられている。
ＥｌｅｃｔｒｏｎＯｐｔｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ（ｐｐ．１６３−１７０）ＳＥＭＩｎｃ．，ＡＭＦＯ’Ｈａｒｅ（Ｃｈｉｃａｇｏ），ＩＬ６０６６６−０５０７，Ｕ．Ｓ．Ａ． Such a PG-coated lanthanum hexaboride electron emission cathode has (1) higher brightness than the conventional lanthanum hexaboride electron emission cathode and, in addition, (2) the amount of evaporation of lanthanum hexaboride is suppressed, and the control electrode Contamination of the inner surface of the resin is reduced. (3) Since electron emission from the conical surface is suppressed, a perfect circular beam can be easily obtained. Non-Patent Document 1 describes that there is such an advantage.
Electron Optical Systems (pp. 163-170) SEM Inc. , AMF O'Hare (Chicago), IL 60666-0507, U.S. Pat. S. A.

更に、陰極チップと陽極の間に制御電極を配置しないＰＧ被覆六ほう化ランタン電子放射陰極の使用方法が提案されている。また、この陰極は六ほう化ランタン電子放射陰極に比べて輝度が１桁高いことが記されている。（非特許文献２参照）
Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ９（６），１９９１（ｐｐ．２９２９−２９３３） Furthermore, a method of using a PG-coated lanthanum hexaboride electron emitting cathode in which no control electrode is arranged between the cathode tip and the anode has been proposed. It is also noted that this cathode is one order of magnitude brighter than the lanthanum hexaboride electron emitting cathode. (See Non-Patent Document 2)
J. et al. Vac. Sci. Technol. B9 (6), 1991 (pp. 2929-2933)

更に、六ほう化ランタンとほぼ同じ電子放射特性を有する材料として六ほう化セリウムが知られている。六ほう化セリウムは六ほう化ランタンに比べて蒸発速度が小さいことが知られている。（非特許文献３参照）
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆｔｈｅ４９ｔｈＡｎｎｕａｌＭｅｅｔｉｎｇｏｆｔｈｅＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙｏｆＡｍｅｒｉｃａ，１９９１，ｐｐ３４６−３４７． Furthermore, cerium hexaboride is known as a material having almost the same electron emission characteristics as lanthanum hexaboride. Cerium hexaboride is known to have a lower evaporation rate than lanthanum hexaboride. (See Non-Patent Document 3)
Proceeding of the 49th Annual Meeting of the Electron Microscopy of America, 1991, pp 346-347.

六ほう化ランタンは真空中で加熱されると蒸発により消耗する。また、この消耗は真空中の残留酸素や水により酸化して消耗が促進される。一方、ＰＧは真空中で極めて安定であり、その消耗量は六ほう化ランタンに比べて無視しうる。従ってＰＧ被覆六ほう化ランタン電子放射陰極は使用とともに電子放射部９が蒸発消耗してＰＧ被覆部１０に対して後退する。（図４参照）このためＰＧ被覆部１０により電位的に電子放射部が遮蔽され、輝度低下を招くことが非特許文献１に述べられている。実用上、このような輝度低下は電子放射源の寿命を支配する大きな要因となる。 Lanthanum hexaboride is consumed by evaporation when heated in vacuum. In addition, the consumption is promoted by oxidation by residual oxygen or water in a vacuum. On the other hand, PG is extremely stable in vacuum, and its consumption is negligible compared to lanthanum hexaboride. Accordingly, the PG-coated lanthanum hexaboride electron-emitting cathode retreats with respect to the PG-coated portion 10 as the electron-emitting portion 9 evaporates and wears with use. (Refer to FIG. 4) Non-Patent Document 1 states that, for this reason, the electron emission part is shielded in terms of potential by the PG covering part 10 and the luminance is lowered. In practice, such a decrease in luminance is a major factor that governs the lifetime of the electron emission source.

本発明は蒸発消耗による輝度低下を低減したＰＧ被覆電子放射源である。本発明者は、陰極チップ、即ち電子放射陰極の電子放射源、の構成材料を六ほう化ランタンから六ほう化セリウムを替えることのみで、それを用いた電子放射陰極が、蒸発消耗を低減でき、その結果輝度低下が極めて抑制することができるという知見を得て、本発明に至ったものである。 The present invention is a PG-coated electron radiation source in which a decrease in luminance due to evaporation consumption is reduced. The present inventor is able to reduce the evaporation consumption of the electron emission cathode using the cathode chip, that is, the electron emission source of the electron emission cathode only by changing lanthanum hexaboride to cerium hexaboride. As a result, the inventors have obtained the knowledge that a decrease in luminance can be extremely suppressed, and have reached the present invention.

即ち、本発明は、当該電子放射源の表面の電子放射部以外が炭素で被覆された、六ほう化セリウムからなることを特徴とする電子放射源であり、好ましくは、当該電子放射源の表面の電子放射部と発熱体と接する部分以外が、炭素で被覆された、六ほう化セリウムからなることを特徴とする電子放射源であり、前記の電子放射源を用いてなることを特徴とする電子放射陰極である。 That is, the present invention is an electron emission source comprising cerium hexaboride coated with carbon other than the electron emission portion on the surface of the electron emission source, preferably the surface of the electron emission source The electron emission source is characterized in that it is made of cerium hexaboride coated with carbon, except for the portion where the electron emission portion and the heating element are in contact with each other. An electron emitting cathode.

また、本発明は、六ほう化セリウムの単結晶体の発熱体と接する部分を除く表面の全体に、熱分解黒鉛を被覆し、次いで前記黒鉛の前記電子源として用いる部分を削除することを特徴とする電子放射源の製造方法であり、好ましくは、六ほう化セリウムの単結晶体を、熱分解黒鉛を被覆する前に、予め電子放射陰極の電子放射源形状に加工していることを特徴とする前記の電子放射源の製造方法である。 Further, the present invention is characterized in that pyrolytic graphite is coated on the entire surface excluding the portion in contact with the heating element of the cerium hexaboride single crystal, and then the portion of the graphite used as the electron source is deleted. Preferably, the cerium hexaboride single crystal is processed into an electron emission source shape of an electron emission cathode before coating with pyrolytic graphite. A method for manufacturing the electron emission source.

本発明の電子放射源は、前記の構成要件を採用しているので、それを用いた電子放射陰極は、動作温度が１７００Ｋ、真空度が１×１０^−６Ｐａのとき、従来公知の六ほう化ランタンを用いたＰＧ被覆電子放射源に比べて、軸状電流の低下が動作時間に換算して約１／１０となり、輝度変化が小さいという特徴を有している。 Since the electron emission source of the present invention adopts the above-described constituent elements, an electron emission cathode using the electron emission source has a conventionally known six-way method when the operating temperature is 1700 K and the degree of vacuum is 1 × 10 ⁻⁶ Pa. Compared with a PG-coated electron emission source using lanthanum fluoride, the reduction of the axial current is about 1/10 in terms of operating time, and the change in luminance is small.

以下、電子顕微鏡、電子線露光機、測長ＳＥＭ等に用いられる電子放射陰極を例に本発明を説明するが、本発明はこれに制限されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described by taking an electron emission cathode used in an electron microscope, an electron beam exposure machine, a length measurement SEM and the like as an example, but the present invention is not limited thereto.

まず、本発明は、当該電子放射源の表面の電子放射部以外が炭素で被覆された、六ほう化セリウムからなることを特徴とする電子放射源である。本発明において、六ほう化セリウムは単結晶であることが望ましく、特に、電子放射源として（１００）面が用いられることが、高輝度で安定した電子線が得やすいことから望ましい。 First, the present invention is an electron emission source comprising cerium hexaboride in which a portion other than the electron emission portion on the surface of the electron emission source is coated with carbon. In the present invention, it is desirable that cerium hexaboride is a single crystal, and in particular, it is desirable that the (100) plane is used as an electron emission source because a high-luminance and stable electron beam can be easily obtained.

本発明に於いて、六ほう化セリウムの電子放射部分以外の表面を被覆する炭素としては、例えばコロイダル黒鉛などのように微細な炭素や黒鉛の粉末であっても良いが、後述する方法で得られる熱分解黒鉛を形成させることが、緻密な炭素層が得られることから好ましい。 In the present invention, the carbon covering the surface other than the electron-emitting portion of cerium hexaboride may be fine carbon or graphite powder such as colloidal graphite. It is preferable to form the pyrolytic graphite obtained because a dense carbon layer is obtained.

本発明に於いて、当該電子放射源の表面の電子放射部に加えて、発熱体と接する部分が炭素で被覆されていないことが許容される。然るに、この部分は、電子放射陰極に於いて発熱体と常に接する状況にあるので電子放射特性に影響を及ぼすことは無いが、当該電子放射源を作製する際には、この部分を当該放射源の加工時に保持する場所として用いることができるという長所が得られる。 In the present invention, in addition to the electron emission portion on the surface of the electron emission source, the portion in contact with the heating element is not covered with carbon. However, since this part is always in contact with the heating element in the electron emission cathode, it does not affect the electron emission characteristics. However, when producing the electron emission source, this part is used as the emission source. The advantage is that it can be used as a place to be held during processing.

本発明は、前記の電子放射源を用いてなることを特徴とする電子放射陰極である。本発明の電子放射陰極は、従来公知の技術に基づき、前記電子放射源を用いることのみで得ることができる。そして、前記構成の電子放射源を用いているので、動作温度が１７００Ｋ、真空度が１×１０^−６Ｐａのとき、従来公知の六ほう化ランタンを用いたＰＧ被覆電子放射源に比べて、軸状電流の低下が動作時間に換算して約１／１０となり、輝度変化が小さいという特徴を有している。 The present invention is an electron emission cathode characterized by using the electron emission source. The electron emission cathode of the present invention can be obtained only by using the electron emission source based on a conventionally known technique. Since the electron emission source having the above-described configuration is used, when the operating temperature is 1700 K and the degree of vacuum is 1 × 10 ⁻⁶ Pa, compared to a conventionally known PG-coated electron emission source using lanthanum hexaboride, The reduction of the axial current is about 1/10 in terms of operating time, and the luminance change is small.

また、本発明は、六ほう化セリウムの単結晶体の発熱体と接する部分を除く表面の全体に、熱分解黒鉛を被覆し、次いで前記黒鉛の前記電子源として用いる部分を削除することを特徴とする電子放射源の製造方法である。前述の通りに、発熱体と接する部分を利用して六ほう化セリウムを保持し、真空中で当該六ほう化セリウムを加熱しながらプロパン等の有機ガスを供給することで、六ほう化セリウムの単結晶体の発熱体と接する部分を除く表面の全体に、熱分解黒鉛を被覆する。そして、当該熱分解黒鉛の層の、当該六ほう化セリウムの電子放射部分となるところを、機械加工法等により削除すれば良い。このような手順を得て、前記の特徴ある電子放射源を、そしてそれを用いた電子放射陰極を容易に、確実に得ることができる。 Further, the present invention is characterized in that pyrolytic graphite is coated on the entire surface excluding the portion in contact with the heating element of the cerium hexaboride single crystal, and then the portion of the graphite used as the electron source is deleted. This is a method for manufacturing an electron emission source. As described above, cerium hexaboride is held by using a portion in contact with a heating element, and an organic gas such as propane is supplied while heating the cerium hexaboride in a vacuum. The entire surface excluding the portion of the single crystal that contacts the heating element is coated with pyrolytic graphite. And what is necessary is just to delete the place used as the electron emission part of the said cerium hexaboride of the layer of the said pyrolytic graphite by a machining method etc. By obtaining such a procedure, the above-mentioned characteristic electron emission source and an electron emission cathode using the same can be easily and reliably obtained.

また、本発明に於いて、六ほう化セリウムの単結晶体を、熱分解黒鉛を被覆する前に、予め電子放射陰極の電子放射源形状に加工していることが好ましい。通常は、電子源の先鋭部分が電子放射部分となるので、前記の手順に従うことで、前記先鋭部分の極狭められた領域を除いて炭素被覆した電子源が得ることができ、本発明の効果が一層得やすくなる。 Further, in the present invention, it is preferable that the cerium hexaboride single crystal is processed in advance into an electron emission source shape of an electron emission cathode before coating with pyrolytic graphite. Usually, since the sharp part of the electron source becomes the electron emission part, by following the above procedure, it is possible to obtain a carbon-coated electron source except for the extremely narrowed region of the sharp part, and the effect of the present invention. Becomes easier to obtain.

六ほう化セリウムからなる直方体の長手方向端部に機械研磨により円錐部を設けて陰極チップ１を形成した。 A conical portion was provided by mechanical polishing at the longitudinal end of a rectangular parallelepiped made of cerium hexaboride to form the cathode tip 1.

陰極チップ１を市販のＰＧ板から切り出したヒーター・ブロック２により挟み、更にベース４に固定した２本の金属支柱３により把持した。 The cathode chip 1 was sandwiched between heater blocks 2 cut out from a commercially available PG plate and further held by two metal columns 3 fixed to the base 4.

前記の構造体を真空容器に配置して、排気して、電流導入端子５から電流を流して通電加熱した。陰極チップ１の温度を放射温度計で測定しながら１８００Ｋになるように電流を調整した。次に真空容器中にプロパンガスを導入して圧力を１００Ｐａに維持するよう流量を調整した。プロパンガスの導入とともにＰＧがヒーターと陰極チップ１上に析出した。このときヒーター・ブロック２上にもＰＧが析出するためヒーター・ブロック２の抵抗値が下がるので、温度低下を避けるために、放射温度計で温度を測定しながら電流を調整した。５分間ＰＧの析出を行った後、真空装置から取り出し陰極チップ１を構体から取り外し、円錐部頂点を機械研磨により研磨して電子放射部９を形成した。 The structure was placed in a vacuum vessel, evacuated, and current was supplied from the current introduction terminal 5 to conduct heating. While measuring the temperature of the cathode tip 1 with a radiation thermometer, the current was adjusted to 1800K. Next, propane gas was introduced into the vacuum vessel and the flow rate was adjusted to maintain the pressure at 100 Pa. With the introduction of propane gas, PG was deposited on the heater and cathode tip 1. At this time, since PG is deposited on the heater block 2, the resistance value of the heater block 2 is lowered. Therefore, in order to avoid a temperature drop, the current was adjusted while measuring the temperature with a radiation thermometer. After depositing PG for 5 minutes, it was taken out from the vacuum apparatus, the cathode tip 1 was removed from the structure, and the apex of the cone portion was polished by mechanical polishing to form the electron emitting portion 9.

再度、陰極チップ１を新しいヒーター・ブロック２で把持して電子放射陰極とした。 Again, the cathode tip 1 was held by a new heater block 2 to form an electron emitting cathode.

前記の電子放射陰極を市販のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にとりつけた。なお、制御電極は使用しなかった。陰極チップの温度が１８００Ｋとなるように通電加熱電流を調整して試料電流が１０ｎＡとなるようにコンデンサーレンズと対物レンズの励磁を調整した。その後、試料電流の経時変化を測定して試料電流が１５％減衰する時間ｔ_１５％を測定し、結果を表１にまとめた。なお、動作中の真空度は約１×１０^−６Ｐａであった。また、前記と同じ方法で六ほう化ランタンからなる電子放射陰極を作成し比較の例とした。

The electron emission cathode was attached to a commercially available SEM (scanning electron microscope). The control electrode was not used. The energization heating current was adjusted so that the temperature of the cathode tip was 1800 K, and the excitation of the condenser lens and the objective lens was adjusted so that the sample current was 10 nA. Thereafter, the change with time of the sample current was measured to measure the time t _15% at which the sample current was attenuated by _15% . The degree of vacuum during operation was about 1 × 10 ⁻⁶ Pa. Further, an electron emitting cathode made of lanthanum hexaboride was prepared by the same method as described above and used as a comparative example.

本発明になる、六ほう化セリウムからなるＰＧ被覆電子放射源を用いた電子放射陰極は、六ほう化ランタンからなるそれよりも約３倍の動作時間であり、輝度変化が小さいことが実証されている。 The electron emission cathode using the PG-coated electron radiation source made of cerium hexaboride according to the present invention has been demonstrated to have about three times the operating time as compared to that made of lanthanum hexaboride and have a small luminance change. ing.

本発明の電子放射源、そしてそれを用いた電子放射陰極は、輝度が高くその経時変化が小さいことから半導体検査装置や電子線露光装置用の電子源として好適である。 The electron emission source of the present invention and the electron emission cathode using the electron emission source are suitable as an electron source for a semiconductor inspection apparatus or an electron beam exposure apparatus because of its high luminance and small change with time.

六ほう化ランタンからなる電子放射陰極の構造図。FIG. 3 is a structural diagram of an electron emission cathode made of lanthanum hexaboride. 陰極チップとその端部の形状拡大図。The shape enlarged view of a cathode chip and its edge part. 電子銃の構造図。Structure diagram of an electron gun. 電子放射部の後退の様子を示す概念図。The conceptual diagram which shows the mode of a retreat of an electron emission part.

Explanation of symbols

１陰極チップ（電子放射源）
２ヒーターブロック
３支柱
４ベース（碍子）
５電流導入端子
６陽極
７チップ端部
８制御電極
９電子放射部
９’ 消耗により後退した電子放射部
１０ＰＧ被覆部 1 Cathode tip (electron emission source)
2 Heater block 3 Post 4 Base (Insulator)
5 Current introduction terminal 6 Anode 7 Tip end 8 Control electrode 9 Electron emission part 9 ′ Electron emission part 10 retreated due to wear PG covering part

Claims

An electron emission source comprising cerium hexaboride in which the surface other than the electron emission portion of the electron emission source is coated with carbon.

An electron emission source comprising cerium hexaboride coated with carbon, except for a portion of the surface of the electron emission source that is in contact with an electron emission portion and a heating element.

An electron emission cathode comprising the electron emission source according to claim 1 or 2.

An entire surface of the cerium hexaboride single crystal body excluding the portion in contact with the heating element is coated with pyrolytic graphite, and then the portion of the graphite used as the electron source is deleted. Production method.

5. The method of manufacturing an electron emission source according to claim 4, wherein the single crystal of cerium hexaboride is processed into an electron emission source shape of an electron emission cathode before coating with pyrolytic graphite.