專利名稱：場致發(fā)射型電子槍及使用了該電子槍的電子束裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種場致發(fā)射型電子槍及裝備了該電子槍的電子束應用裝置。
背景技術：
以往，作為場致發(fā)射型陰極，單晶鎢陰極是唯一被實用化了的。如果將使用了單晶鎢陰極的場致發(fā)射型電子槍使用2～12小時，則由于陰極表面的形狀變化及陰極表面對氣體的吸附，發(fā)射電流會變得不穩(wěn)定。為此，需要定期地對鎢陰極進行通電加熱的加熱閃弧作業(yè)(以下稱為閃弧)。通過進行閃弧，由于陰極表面熔融，由離子沖擊形成的凹凸修復的同時，陰極表面的吸附原子脫離，所以發(fā)射電流穩(wěn)定化。
另外，通過場致蒸發(fā)法也能實現(xiàn)使陰極表面的吸附原子脫離。這是通過向陰極前端施加高電場，利用電場與吸附原子的電偶極子的相互作用力超過陰極對吸附原子的束縛力時所產(chǎn)生的吸附原子的脫離。在日本特開昭52-127060(專利文獻1)號公報中，作為由碳材料、碳化物材料或硼化物材料構成的場致發(fā)射型陰極表面的清潔方法，公開了場致蒸發(fā)法。在這種場合，既不進行也不需要陰極表面的平滑化。

發(fā)明內容
如果在場致發(fā)射型陰極上使用石墨納米管，則場致發(fā)射電子的能量幅度窄，雖然能得到高亮度的電子射線，能以低電壓進行電子發(fā)射，但存在的問題是，場致發(fā)射特性不穩(wěn)定，不能得到穩(wěn)定的發(fā)射電流。本發(fā)明的第一目的在于提供具有上述特性及發(fā)射電流穩(wěn)定的電子束應用裝置。
圖1是將單一的石墨納米管接合在導電性基體材料上的場致發(fā)射型陰極的石墨納米管前端部的SEM照片。由此可以得知非晶石墨層(圖中虛線部分)存在于石墨納米管的最外層。
石墨納米管與導電性基體材料的接合是在電子顯微鏡內照射電子射線進行的。在電子顯微鏡的試樣室中存在微量的烴，在石墨納米管上照射電子射線時，該烴被分解，在石墨納米管表面生成非晶碳。如果在石墨納米管前端存在這樣的非晶碳層，則會對場致發(fā)射特性帶來惡劣影響，同時不能得到穩(wěn)定的發(fā)射電流。為了去除該非晶碳，可對石墨納米管陰極施加高電場，能利用非晶碳的電場蒸發(fā)及離子沖擊將其去除。但是，用該方法，不僅是非晶碳，構成石墨納米管的碳原子也被去除，石墨納米管前端部被破壞，會發(fā)生如圖2所示的前端打開的問題。
本發(fā)明的第二目的在于提供具備不會破壞纖維狀碳物質前端部并能去除該前端部存在的非晶碳的機構的場致發(fā)射型電子槍及其運轉方法。
為實現(xiàn)本發(fā)明的第二目的的機構是場致發(fā)射型電子槍，其具有由單一的纖維狀碳物質和支撐其的導電性基體材料構成的場致發(fā)射型陰極；使電子場致發(fā)射的引出裝置；以及使電子加速的加速裝置；該場致發(fā)射型電子槍具備加熱該場致發(fā)射型陰極的機構；以及對該場致發(fā)射型陰極施加不使電子場致發(fā)射的極性的電壓的機構。具體地說，所謂不進行場致發(fā)射的極性的電壓是與上述的進行場致發(fā)射的電壓相反極性的電壓。
本發(fā)明的場致發(fā)射型電子槍的運轉方法是，一面對該場致發(fā)射型陰極加熱一定時間，一面對該場致發(fā)射型陰極施加不使電子場致發(fā)射的極性的電壓后，使電子場致發(fā)射。由此，可以不破壞纖維狀碳物質的前端部，能夠使該前端部存在的非晶碳的厚度為1nm以下。為實現(xiàn)本發(fā)明的第二目的的機構是將本發(fā)明的場致發(fā)射型電子槍及其運轉方法應用于各種電子束應用裝置。
根據(jù)本發(fā)明，通過使用上述裝置、運轉方法，可以不破壞場致發(fā)射型電子槍的纖維狀碳物質前端部，能夠去除其前端部存在的非晶碳。
另外，能夠提供發(fā)射電流穩(wěn)定的電子束應用裝置。


圖1表示的是將單一的石墨納米管接合在導電性基體材料上的場致發(fā)射型陰極的石墨納米管前端部的SEM照片。
圖2表示的是將單一的石墨納米管接合在導電性基體材料上的場致發(fā)射型陰極的前端部被破壞，打開了的石墨納米管前端部的SEM照片。
圖3表示的是本實施例的場致發(fā)射型電子槍的結構圖。
圖4表示的是本發(fā)明的通過加熱、電場同時進行清理去除了非晶碳的場致發(fā)射型陰極的石墨納米管前端部的SEM照片。
圖5表示的是本實施例的場致發(fā)射型陰極的前端部的SEM照片。
圖6表示的是使用了本發(fā)明的場致發(fā)射型電子槍的掃描型電子顯微鏡的整體結構例子。
圖7表示的是使用了本發(fā)明的場致發(fā)射型電子槍的電子射線描繪裝置的整體結構例子。
具體實施例方式
下面，參照附圖詳細說明本發(fā)明的實施方式。
圖3表示的是本實施例的電子槍結構。本實施例的電子槍包括由單一的纖維狀碳物質和支撐其的導電性基體材料構成的場致發(fā)射型陰極；使電子場致發(fā)射的引出電極11；使電子加速的加速電極12；能夠在該引出電極一該陰極之間施加兩個極性的電壓的引出電源9；對該加速電極施加電壓的加速電源10；對場致發(fā)射型陰極進行通電加熱的加熱電源7；以及對場致發(fā)射型陰極施加不使電子場致發(fā)射的極性的電壓的電源9。
下面，用圖3說明本發(fā)明的場致發(fā)射型電子槍的具體的運轉方法。在利用加熱電源7將陰極通電加熱到800℃以上的狀態(tài)下，利用引出電源9對陰極施加不使電子從陰極場致發(fā)射的極性的電壓，即這種場合，對陰極施加相對于引出電極11為正的電壓。該施加電壓需要通過場致蒸發(fā)或離子沖擊能去除纖維狀碳物質前端存在的非晶碳的程度的電壓。根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人們的實驗，通過施加為發(fā)射電子所需的引出電壓的10倍左右的電壓，則能夠去除纖維狀碳物質前端存在的非晶碳。隨電子槍的構造而異，引出電壓為100V～1kV左右，凈化電壓為1kV～20kV左右。如果凈化電壓過大，CNT前端被破壞，如果過小，則非晶碳不能完全去除。
凈化處理的時間隨附著在CNT上的非晶碳的厚度和凈化處理所使用的電壓而不同，但最好不要經(jīng)時間非常長的凈化，因為當去除了非晶碳后還繼續(xù)施加電壓時，CNT本身會由于離子沖擊而被破壞。
為進行凈化處理，只要僅將CNT前端加熱到800℃左右即可，作為通電加熱以外的方法，可列舉用加熱器烘烤等的加熱、間接加熱等。另外，從溫度控制、簡易性方面出發(fā)，最好是通電加熱。
另外，在不加熱陰極，通過施加正電壓去除纖維狀碳物質前端存在的非晶碳的場合，如圖2所示，也確認了纖維狀碳物質的前端構造被破壞了。發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)，在施加正電壓的同時，由于將陰極加熱到800℃以上，纖維狀碳物質前端部會自動修復。通過該操作，如圖4所示，能夠不破壞纖維狀碳物質的前端部，而去除、凈化非晶碳。以后，將該操作稱為加熱、電場同時清理。
另外，在進行了加熱、電場同時清理后，與通常的場致發(fā)射型電子槍的運轉方法同樣，結束通電加熱，切換引出電源的極性，對陰極施加負電壓，從陰極發(fā)射電子。另外，加熱、電場同時清理通常只要在陰極更換時的初次運轉前進行即可。這是因為可以認為，若非晶碳一旦被去除，只要不是敞開在大氣中，則難以再次附著，所以，凈化處理只要在陰極更換時進行一次，以后就不需要了。
在此，為了進行加熱、電場同時清理，纖維狀碳物質與支撐其的基體材料的接合強度及接合部的耐熱性成為大問題。以下，說明纖維狀碳物質與支撐其的基體材料的具體的接合法。
圖5表示的是本實施例的場致發(fā)射型陰極前端部的SEM照片。場致發(fā)射型陰極是由單一的石墨納米管等的纖維狀碳物質和導電性基體材料及支撐其的絕緣性的支撐座以及電極構成的。纖維狀碳物質與導電性基體材料的接合部用導電性覆蓋層加強。
作為導電性基體材料的材質，雖沒有特別的限定，但從熔點、耐氧化性、機械強度方面出發(fā)，最好是貴金屬(具體說是金、銀、白金族)、晶質碳或高熔點金屬(具體說是鎢、鉭、鈮、鉬等)。
另外，為了能控制導電性基體材料的中心軸與纖維狀碳物質形成的角度，對于由化學蝕刻等使前端銳利化了的導電性基體材料前端部通過FIB加工等形成平坦面。另外，當考慮從石墨納米管發(fā)射的電子束的發(fā)射角時，如果導電性基體材料的中心軸與石墨納米管形成的角度不在±5°以下，則電子束的光軸調整變得困難。
下面，對通過在對導電性基體材料安裝纖維狀碳物質的部分的至少一部分上形成導電性覆蓋層來確保充分的接合強度的方法進行敘述。在導入了包含導電性元件的腔內，通過對接觸部分的至少一部分照射電子束，能夠在短時間內形成足夠厚度的導電性覆蓋層。利用該方法，不會使導電性覆蓋元素附著到從導電性基體材料突出的纖維狀碳物質上，而只能局部覆蓋纖維狀碳物質與導電性基體材料的接合部，進行接合加強。作為包含上述導電性元素的氣體，不能使用只能由在FIB等中通常所使用的鎵離子束等的高能量重離子束分解的氣體。這是因為，當高能量重離子束照射到纖維狀碳物質上時，纖維狀碳物質本身就會在一瞬間受到損傷，或斷裂或發(fā)生照射缺陷。因此，作為用于分解氣體的粒子射線，最好是不會對纖維狀碳物質帶來損傷的100keV以下的電子束，作為氣體，也是由100keV以下的電子束分解且在100℃以下氣化的芘單體、鎢羧基或在室溫下為氣體的氟化鎢等為最佳。通過對這些氣體照射電子束，就能僅在石墨納米管與導電性基體材料的接合部局部地形成碳層或鎢層等的導電性材料。
通過使用按上述方法制作的單一的纖維狀碳物質構成的場致發(fā)射型陰極，就能夠實現(xiàn)本發(fā)明的加熱、電場同時清理。
下面，說明對電子束應用裝置的應用例1。
圖6表示的使使用了本發(fā)明的電子槍的掃描型電子顯微鏡(SEM)的總體結構圖。掃描型電子顯微鏡是沿著從電子槍發(fā)射的電子束配置有校準線圈、聚光透鏡、像散修正線圈、偏轉-掃描線圈、物鏡、物鏡光圈。試樣設置于試樣載物臺上，以便照射電子束。在試樣室內的側壁部上設有二次電子檢測器。另外，試樣室通過排氣系統(tǒng)以保持為高真空。由于這樣的結構，從電子槍發(fā)射的電子束由陽極加速，通過電子透鏡聚焦并照射到試樣上的微小區(qū)域。對該照射區(qū)域進行二維掃描，利用二次電子檢測器檢測從試樣發(fā)射的二次電子、反射電子等，以該檢測信號量的不同為基準形成放大圖像。
通過將本發(fā)明的電子槍及其運轉方法應用到掃描型電子顯微鏡，與現(xiàn)有機種相比，能夠實現(xiàn)長時間連續(xù)而穩(wěn)定地得到極高的分辨率和高亮度的二次電子圖像和反射電子圖像的掃描型電子顯微鏡。
另外，本發(fā)明的電子槍及其運轉方法還能夠應用于進行半導體加工中的微細加工圖案的觀察和長度尺寸的測定的測長SEM。另外，測長SEM的電子光學系統(tǒng)的基本結構與圖6同樣。
另外，裝備了場致發(fā)射型電子槍的掃描型電子顯微鏡的結構并不限定于圖6所示的結構，只要是可充分發(fā)揮場致發(fā)射型電子槍的特性的結構就能夠采用至今已開發(fā)的技術。
下面，說明對電子束應用裝置的適用例2。
圖7是裝備了本發(fā)明的電子槍的電子射線描繪裝置的整體構成例子。電子光學系統(tǒng)的基本結構與上述的掃描型電子顯微鏡大致相同。將從電子槍由場致發(fā)射得到的電子束用聚光透鏡縮小，用物鏡在試樣上聚光，得到鈉米級的電子束光點。這時，對試樣進行電子束照射的ON/OFF控制的消隱電極的中心可以與由聚光透鏡形成的交叉點一致。
電子射線描繪由消隱電極使電子束ON/OFF，同時利用偏振光、掃描線圈在試樣上使電子束產(chǎn)生偏振光，通過邊掃描邊照射來實施。
電子線描繪裝置雖然將電子束照射在涂敷了感應電子射線的保護膜的試樣基板上，形成各種電路圖案，但隨著各種電路圖案的高精細化，則需要可得到極細探針直徑的電子槍。以往，雖然使用鎢絲或由LaB6組成的熱電子發(fā)射型電子源，但這些電子槍雖然有可得到較多射線束電流的優(yōu)點，但源于絕對的發(fā)射極前端半徑的大小引起的像散較大，不能夠進行20nm以下的描繪。因此，最近，雖使用由單晶鎢陰極構成的場致發(fā)射型電子槍，但存在射線束電流少和射線束電流不穩(wěn)定的新問題，為了進行可靠的描繪，必須增加電子束的曝光量即曝光時間，存在效率不好的問題。這些問題能夠通過使用本發(fā)明的電子槍及其運轉方法來解決。
權利要求
1.一種場致發(fā)射型電子槍，具備由單一的纖維狀碳物質和支撐其的導電性基體材料構成，并通過施加第一電壓進行場致發(fā)射的場致發(fā)射型陰極；使電子場致發(fā)射的引出裝置；以及使電子加速的加速裝置；其特征在于，包括加熱該場致發(fā)射型陰極的加熱機構；以及施加與上述第一電壓相反的極性的電壓的機構。
2.一種場致發(fā)射型電子槍，具備由單一的纖維狀碳物質和支撐其的導電性基體材料構成的場致發(fā)射型陰極；使電子場致發(fā)射的引出裝置；以及使電子加速的加速裝置；其特征在于覆蓋該纖維狀碳物質的非晶層的厚度為1nm以下且其前端閉合。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的場致發(fā)射型電子槍，其特征在于單一的纖維狀碳物質是石墨納米管。
4.一種場致發(fā)射型電子槍的運轉方法，包括由單一的纖維狀碳物質和支撐其的導電性基體材料構成的場致發(fā)射型陰極；使電子場致發(fā)射的引出裝置；以及使電子加速的加速裝置；其特征在于一定時間加熱該場致發(fā)射型陰極的同時，對該場致發(fā)射型陰極施加不使電子進行場致發(fā)射的極性的電壓后，再使電子場致發(fā)射。
5.根據(jù)權利要求4所述的場致發(fā)射型電子槍的運轉方法，其特征在于將由引出電極和電源構成的引出裝置的引出電極作為接地電位，對上述電子源施加負電壓并使電子場致發(fā)射，對上述電子源施加正電壓進行凈化處理。
6.一種場致發(fā)射型電子顯微鏡，其特征在于裝備了權利要求1～3所述的場致發(fā)射型電子槍。
7.一種測長SEM，其特征在于裝備了權利要求1～3所述的場致發(fā)射型電子槍。
8.一種電子線描繪裝置，其特征在于裝備了權利要求1～3所述的場致發(fā)射型電子槍。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有不會破壞纖維狀碳物質前端部，可去除其前端部存在的非晶碳的機構的場致發(fā)射型電子槍及其運轉方法。為解決本發(fā)明的課題的機構的場致發(fā)射型電子槍，其包括由單一的纖維狀碳物質和支撐其的導電性基體材料構成的場致發(fā)射型陰極；使電子場致發(fā)射的引出裝置；以及使電子加速的加速裝置；該場致發(fā)射型電子槍具備加熱該場致發(fā)射型陰極的機構以及對該場致發(fā)射型陰極施加不使電子進行場致發(fā)射電的極性的電壓的機構。
文檔編號H01J37/26GK1937165SQ20061013923
公開日2007年3月28日 申請日期2006年9月20日 優(yōu)先權日2005年9月21日
發(fā)明者藤枝正, 日高貴志夫, 林原光男 申請人:株式會社日立高新技術