電子源
【課題】長期動作時においても、高信頼性を維持できる電子源を安定して提供する。
【解決手段】希土類元素の六ほう化物からなる電子放射材料が一対の発熱体によって挟持され、前記発熱体が一対の導電支柱によって挟持されてなる電子源において、前記発熱体の前記電子放射材料および前記導電支柱と接触していない領域に絶縁性被膜が形成されていることを特徴とする電子源であり、好ましくは、前記発熱体が炭素であり、前記絶縁性被覆膜が窒化ほう素からなることを特徴とする電子源である。さらに好ましくは、前記絶縁性被腹膜が熱分解窒化ほう素からなることを特徴とする電子源である。
【解決手段】希土類元素の六ほう化物からなる電子放射材料が一対の発熱体によって挟持され、前記発熱体が一対の導電支柱によって挟持されてなる電子源において、前記発熱体の前記電子放射材料および前記導電支柱と接触していない領域に絶縁性被膜が形成されていることを特徴とする電子源であり、好ましくは、前記発熱体が炭素であり、前記絶縁性被覆膜が窒化ほう素からなることを特徴とする電子源である。さらに好ましくは、前記絶縁性被腹膜が熱分解窒化ほう素からなることを特徴とする電子源である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡、電子線露光機、電子ビームテスタ、ウエハ検査装置、オージェ電子分光装置などの電子源として用いられる電子源に関する。
【背景技術】
【０００２】
六硼化ランタン（ＬａＢ６）は、タングステン（Ｗ）よりも仕事関数が低く、特にその単結晶は熱陰極として好適であり、広く工業的に利用されている。
【０００３】
六硼化ランタンからなる電子放射陰極（以後、「六硼化ランタン電子放射陰極」と記す）の構造は、六硼化ランタンからなる陰極チップが炭素質のヒーターブロックに把持され、更に、導電支柱により把持固定されている。そして、導電支柱はアルミナからなるベースにろう付けなどにより接合固定され、端部は電流導入端子から構成されている。
【０００４】
また、陰極チップは一般に円錐形状をしており、そのチップ端部は所望の電子ビーム特性等が得られるように、球面状あるいは平面状に加工されている。通常、陰極チップと陽極の間には制御電極が配置されている。陰極チップには陽極に対して負の高電圧が印加され、さらに制御電極には陰極に対して負の電圧が印可される。２つの電流導入端子を介して通電することにより、ヒーターブロックがジュール発熱し、陰極チップが加熱されて実用に供せられる。即ち、陰極チップから陽極に向かい電子が放射され、また制御電極に印可する電圧により全放射電流を抑制することができる。
【０００５】
本構造を有する六硼化ランタン電子放射陰極では、ヒーターブロックとして熱分解黒鉛が古くから用いられている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第０７１３９６６号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記構造は、高温時の機械的安定性が優れており、特に電子線露光用途として実績を有している。しかしながら、陰極チップを加熱するための加熱電流を、定電流制御で行う場合、長時間動作すると、徐々にではあるが、チップ温度が経時的に低下していく現象がみられる。
【０００７】
実際に長時間動作した前記構造の六硼化ランタン電子放射陰極を観察すると、ヒーターブロックの導電支柱に接触している近傍でＬａＢ６の蒸着が認められた。ヒーターブロックは発熱体であるため最も高温になるが、導電支柱との接触部近傍では、導電支柱からの熱伝導により、温度が低下し、陰極チップから蒸発したＬａＢ６が再蒸発できずに蒸着したものである。
【０００８】
このようにヒーターブロックにＬａＢ６が蒸着すると、一般的にヒーターとして用いている炭素に比べ、ＬａＢ６の電気抵抗が小さいため、加熱するための電流が蒸着膜をシャントパスとして流れるために、実効的な電気抵抗が低下し、そのために陰極チップ温度が低下してしまうというものである。チップ温度の低下はエミッション電流の低下に起因するため、特性上問題となる。
【０００９】
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決することを具体的な課題としてなされたもので、長期動作時においても、高信頼性を維持できる電子源を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、前記課題を解決するべく検討を重ね、ヒーターブロックに絶縁性被膜を設けることにより、抵抗の経時変化を抑制することができ、これにより、長期動作時においても、高信頼性を維持できる電子源が得られることを見いだし、本発明に至ったものである。
【００１１】
即ち、本発明は、希土類元素の六ほう化物からなる電子放射材料が一対の発熱体によって挟持され、前記発熱体が一対の導電支柱によって挟持されてなる電子源において、前記発熱体の前記電子放射材料および前記導電支柱と接触していない領域に絶縁性被膜が形成されていることを特徴とする電子源であり、好ましくは、前記発熱体が炭素であり、前記絶縁性被覆膜が窒化ほう素からなることを特徴とする電子源である。さらに好ましくは、前記絶縁性被腹膜が熱分解窒化ほう素からなることを特徴とする電子源である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電子源によれば、従来公知の六硼化ランタン電子放射陰極を用いた電子源を長期動作した場合に生じる、動作温度の経時的変化という問題を回避することが可能となり、その結果、長期動作時においても、高信頼性を維持できる電子源を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
まず本発明は、電子放射材料が希土類元素の六硼化物からなる電子源である。本発明において、希土類元素の六硼化物としては、六硼化ランタンであることが好ましく、ことに単結晶であることが望ましい。更に、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という観点から一層望ましい。
【００１５】
ヒーターブロックとして、炭素質のものが用いられるが、異方性を有する黒鉛が好ましい。黒鉛は、層方向を通電方向と直交させる方向に配置することにより、端子間抵抗を大きくでき、かつ熱伝導率を小さく抑えられるため、ヒーターとしての特性が良好に発現できるからである。更に、黒鉛のうち、熱分解黒鉛は高純度で他材料との反応を回避しやすいことから好ましい。
【００１６】
本発明において、ヒーターブロック表面に設ける絶縁性皮膜については、種々の材料が適用できるが、六硼化ランタン電子放射陰極動作温度（〜１６００℃）で良好に絶縁性が確保できることから窒化ほう素からなる被膜を設けることが好ましく、更に、ヒーターとの密着性が確保できることから熱分解窒化ほう素を選択することが好ましい。
【００１７】
ヒーターブロック表面に窒化ほう素からなる絶縁性皮膜を設ける方法としては、従来公知の塗布方法が適用できる。即ち、市販の窒化ほう素粉末を有機溶媒に分散してスラリーとし、前記スラリーを刷毛等を用いてヒーターブロックの所望の位置に塗布し、乾燥することで作成できる。この場合において、窒化ほう素粉末を構成する粒子同士、或いはヒーターブロックとの接合強度を高めるために、少量のガラスフリットを添加すると良い。
【００１８】
熱分解黒鉛を含む炭素への熱分解窒化ほう素の積層は、通常、熱ＣＶＤ法により行われる。原料ガスとして、ハロゲン化ほう素とアンモニアが用いられる場合が一般的である。
【００１９】
一方、熱分解黒鉛への熱分解窒化ほう素の積層した構造体は、高温において化学的に安定であること、加熱によるアウトガスが少ないことから、半導体プロセスのスパッタやＣＶＤ装置などの基板加熱ヒーターとして広く用いられている。本発明では、このような市販のものを入手し、所望の形状に加工することで、適用することもできる。
【００２０】
尚、前記の加工方法については次の通りである。即ち、熱分解黒鉛の表面に熱分解ほう素を積層した材料を入手し、当該材料の陰極チップと金属製の導電支柱との接触面は熱分解黒鉛を露出させる必要があるため、予め寸法を考慮して積層後、ダイシングソーなどで加工し、接触面以外のみ熱分解窒化ほう素が形成されているようにする。
【００２１】
また、絶縁性皮膜の膜厚は、絶縁性が確保できれば十分であり、膜厚が大きすぎると、剥離する可能性があるため、０．１μｍ〜１００μｍ程度が好ましい。
【実施例１】
【００２２】
（実施例）六硼化ランタンからなる直方体の長手方向の端部に機械研磨により円錐部を設けて陰極チップを形成した。
【００２３】
市販のＰＧ（熱分解黒鉛）板から層方向（ｃ軸方向）を長手とする直方体を切り出し、減圧熱ＣＶＤ法により、熱分解窒化ほう素を２０μｍ厚さで形成した。その後、ダイシングソーにより、ｃ軸方向に対して直交する方向で立方体に切り出し、熱分解黒鉛が露出した面が陰極チップおよび金属製の導電支柱に接触するように挟持して、電子放射陰極とした。
【００２４】
定電流制御下での動作温度安定性試験を実施するため、前記電子放射陰極を電流導入端子を設けた真空装置内に搭載した。実使用を考慮して、圧力を１×１０−６Ｐａになるように調整した。陰極チップの温度はビューポートを介して放射温度計により測定し、１５５０℃になるように電流を調整した。その後、加熱電流は固定とし、５０時間後と１００時間後の温度測定を実施した。その結果、それぞれの時間で温度の変化は認められなかった。
【００２５】
（比較例）前記実施例において、熱分解黒鉛ヒーターに熱分解窒化ほう素を形成しないものを比較例とし、実施例と同様に評価した。その結果、初期温度として１５５０℃であったが、５０時間後に１５２４℃、１００時間後に１４９６℃となり、定電流にもかかわらず、温度が低下していることが確認された。
【００２６】
本発明による電子放射陰極は、従来公知のものに比べ、定電流制御下での長時間動作試験において、温度低下が認められず、実使用下での長期動作信頼性を有することが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、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な、長期信頼性を有する電子源を安定して提供できる特徴があり、産業上の利用可能性が高い。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡、電子線露光機、電子ビームテスタ、ウエハ検査装置、オージェ電子分光装置などの電子源として用いられる電子源に関する。
【背景技術】
【０００２】
六硼化ランタン（ＬａＢ６）は、タングステン（Ｗ）よりも仕事関数が低く、特にその単結晶は熱陰極として好適であり、広く工業的に利用されている。
【０００３】
六硼化ランタンからなる電子放射陰極（以後、「六硼化ランタン電子放射陰極」と記す）の構造は、六硼化ランタンからなる陰極チップが炭素質のヒーターブロックに把持され、更に、導電支柱により把持固定されている。そして、導電支柱はアルミナからなるベースにろう付けなどにより接合固定され、端部は電流導入端子から構成されている。
【０００４】
また、陰極チップは一般に円錐形状をしており、そのチップ端部は所望の電子ビーム特性等が得られるように、球面状あるいは平面状に加工されている。通常、陰極チップと陽極の間には制御電極が配置されている。陰極チップには陽極に対して負の高電圧が印加され、さらに制御電極には陰極に対して負の電圧が印可される。２つの電流導入端子を介して通電することにより、ヒーターブロックがジュール発熱し、陰極チップが加熱されて実用に供せられる。即ち、陰極チップから陽極に向かい電子が放射され、また制御電極に印可する電圧により全放射電流を抑制することができる。
【０００５】
本構造を有する六硼化ランタン電子放射陰極では、ヒーターブロックとして熱分解黒鉛が古くから用いられている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第０７１３９６６号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記構造は、高温時の機械的安定性が優れており、特に電子線露光用途として実績を有している。しかしながら、陰極チップを加熱するための加熱電流を、定電流制御で行う場合、長時間動作すると、徐々にではあるが、チップ温度が経時的に低下していく現象がみられる。
【０００７】
実際に長時間動作した前記構造の六硼化ランタン電子放射陰極を観察すると、ヒーターブロックの導電支柱に接触している近傍でＬａＢ６の蒸着が認められた。ヒーターブロックは発熱体であるため最も高温になるが、導電支柱との接触部近傍では、導電支柱からの熱伝導により、温度が低下し、陰極チップから蒸発したＬａＢ６が再蒸発できずに蒸着したものである。
【０００８】
このようにヒーターブロックにＬａＢ６が蒸着すると、一般的にヒーターとして用いている炭素に比べ、ＬａＢ６の電気抵抗が小さいため、加熱するための電流が蒸着膜をシャントパスとして流れるために、実効的な電気抵抗が低下し、そのために陰極チップ温度が低下してしまうというものである。チップ温度の低下はエミッション電流の低下に起因するため、特性上問題となる。
【０００９】
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決することを具体的な課題としてなされたもので、長期動作時においても、高信頼性を維持できる電子源を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、前記課題を解決するべく検討を重ね、ヒーターブロックに絶縁性被膜を設けることにより、抵抗の経時変化を抑制することができ、これにより、長期動作時においても、高信頼性を維持できる電子源が得られることを見いだし、本発明に至ったものである。
【００１１】
即ち、本発明は、希土類元素の六ほう化物からなる電子放射材料が一対の発熱体によって挟持され、前記発熱体が一対の導電支柱によって挟持されてなる電子源において、前記発熱体の前記電子放射材料および前記導電支柱と接触していない領域に絶縁性被膜が形成されていることを特徴とする電子源であり、好ましくは、前記発熱体が炭素であり、前記絶縁性被覆膜が窒化ほう素からなることを特徴とする電子源である。さらに好ましくは、前記絶縁性被腹膜が熱分解窒化ほう素からなることを特徴とする電子源である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電子源によれば、従来公知の六硼化ランタン電子放射陰極を用いた電子源を長期動作した場合に生じる、動作温度の経時的変化という問題を回避することが可能となり、その結果、長期動作時においても、高信頼性を維持できる電子源を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
まず本発明は、電子放射材料が希土類元素の六硼化物からなる電子源である。本発明において、希土類元素の六硼化物としては、六硼化ランタンであることが好ましく、ことに単結晶であることが望ましい。更に、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という観点から一層望ましい。
【００１５】
ヒーターブロックとして、炭素質のものが用いられるが、異方性を有する黒鉛が好ましい。黒鉛は、層方向を通電方向と直交させる方向に配置することにより、端子間抵抗を大きくでき、かつ熱伝導率を小さく抑えられるため、ヒーターとしての特性が良好に発現できるからである。更に、黒鉛のうち、熱分解黒鉛は高純度で他材料との反応を回避しやすいことから好ましい。
【００１６】
本発明において、ヒーターブロック表面に設ける絶縁性皮膜については、種々の材料が適用できるが、六硼化ランタン電子放射陰極動作温度（〜１６００℃）で良好に絶縁性が確保できることから窒化ほう素からなる被膜を設けることが好ましく、更に、ヒーターとの密着性が確保できることから熱分解窒化ほう素を選択することが好ましい。
【００１７】
ヒーターブロック表面に窒化ほう素からなる絶縁性皮膜を設ける方法としては、従来公知の塗布方法が適用できる。即ち、市販の窒化ほう素粉末を有機溶媒に分散してスラリーとし、前記スラリーを刷毛等を用いてヒーターブロックの所望の位置に塗布し、乾燥することで作成できる。この場合において、窒化ほう素粉末を構成する粒子同士、或いはヒーターブロックとの接合強度を高めるために、少量のガラスフリットを添加すると良い。
【００１８】
熱分解黒鉛を含む炭素への熱分解窒化ほう素の積層は、通常、熱ＣＶＤ法により行われる。原料ガスとして、ハロゲン化ほう素とアンモニアが用いられる場合が一般的である。
【００１９】
一方、熱分解黒鉛への熱分解窒化ほう素の積層した構造体は、高温において化学的に安定であること、加熱によるアウトガスが少ないことから、半導体プロセスのスパッタやＣＶＤ装置などの基板加熱ヒーターとして広く用いられている。本発明では、このような市販のものを入手し、所望の形状に加工することで、適用することもできる。
【００２０】
尚、前記の加工方法については次の通りである。即ち、熱分解黒鉛の表面に熱分解ほう素を積層した材料を入手し、当該材料の陰極チップと金属製の導電支柱との接触面は熱分解黒鉛を露出させる必要があるため、予め寸法を考慮して積層後、ダイシングソーなどで加工し、接触面以外のみ熱分解窒化ほう素が形成されているようにする。
【００２１】
また、絶縁性皮膜の膜厚は、絶縁性が確保できれば十分であり、膜厚が大きすぎると、剥離する可能性があるため、０．１μｍ〜１００μｍ程度が好ましい。
【実施例１】
【００２２】
（実施例）六硼化ランタンからなる直方体の長手方向の端部に機械研磨により円錐部を設けて陰極チップを形成した。
【００２３】
市販のＰＧ（熱分解黒鉛）板から層方向（ｃ軸方向）を長手とする直方体を切り出し、減圧熱ＣＶＤ法により、熱分解窒化ほう素を２０μｍ厚さで形成した。その後、ダイシングソーにより、ｃ軸方向に対して直交する方向で立方体に切り出し、熱分解黒鉛が露出した面が陰極チップおよび金属製の導電支柱に接触するように挟持して、電子放射陰極とした。
【００２４】
定電流制御下での動作温度安定性試験を実施するため、前記電子放射陰極を電流導入端子を設けた真空装置内に搭載した。実使用を考慮して、圧力を１×１０−６Ｐａになるように調整した。陰極チップの温度はビューポートを介して放射温度計により測定し、１５５０℃になるように電流を調整した。その後、加熱電流は固定とし、５０時間後と１００時間後の温度測定を実施した。その結果、それぞれの時間で温度の変化は認められなかった。
【００２５】
（比較例）前記実施例において、熱分解黒鉛ヒーターに熱分解窒化ほう素を形成しないものを比較例とし、実施例と同様に評価した。その結果、初期温度として１５５０℃であったが、５０時間後に１５２４℃、１００時間後に１４９６℃となり、定電流にもかかわらず、温度が低下していることが確認された。
【００２６】
本発明による電子放射陰極は、従来公知のものに比べ、定電流制御下での長時間動作試験において、温度低下が認められず、実使用下での長期動作信頼性を有することが明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、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な、長期信頼性を有する電子源を安定して提供できる特徴があり、産業上の利用可能性が高い。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類元素の六ほう化物からなる電子放射材料が一対の発熱体によって挟持され、前記発熱体が一対の導電支柱によって挟持されてなる電子源において、前記発熱体の前記電子放射材料および前記導電支柱と接触していない領域に絶縁性被膜が形成されていることを特徴とする電子源。
【請求項２】
前記発熱体が炭素であり、前記絶縁性被膜が窒化ほう素からなることを特徴とする請求項１記載の電子源。
【請求項３】
前記絶縁性被腹膜が熱分解窒化ほう素からなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電子源。
【請求項１】
希土類元素の六ほう化物からなる電子放射材料が一対の発熱体によって挟持され、前記発熱体が一対の導電支柱によって挟持されてなる電子源において、前記発熱体の前記電子放射材料および前記導電支柱と接触していない領域に絶縁性被膜が形成されていることを特徴とする電子源。
【請求項２】
前記発熱体が炭素であり、前記絶縁性被膜が窒化ほう素からなることを特徴とする請求項１記載の電子源。
【請求項３】
前記絶縁性被腹膜が熱分解窒化ほう素からなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電子源。
【公開番号】特開２００６−１２４９６（Ｐ２００６−１２４９６Ａ）
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−１８５２６３（Ｐ２００４−１８５２６３）
【出願日】平成１６年６月２３日（２００４．６．２３）
【出願人】（０００００３２９６）電気化学工業株式会社 (1,539)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月１２日（２００６．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月２３日（２００４．６．２３）
【出願人】（０００００３２９６）電気化学工業株式会社 (1,539)
【Ｆターム（参考）】
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