KR20210129191A

KR20210129191A - 전자원 및 하전 입자선 장치

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Publication number: KR20210129191A
Application number: KR1020217030924A
Authority: KR
Inventors: 게이고 가스야; 아키라 이케가미; 가즈히로 혼다; 마사히로 후쿠타; 다카시 도이; 소우이치 가타기리; 아키 다케이; 소이치로 마츠나가
Original assignee: 주식회사 히타치하이테크
Priority date: 2019-04-18
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2021-10-27
Also published as: CN113646864A; CN113646864B; US20220199349A1; JPWO2020213109A1; KR102640728B1; WO2020213109A1; TW202040591A; TWI724803B; DE112019006988T5; JP7137002B2

Abstract

하전 입자선 장치의 전자총에서 대전류의 전자선을 안정적으로 방출시킨다. SE 팁(202)과, SE 팁의 선단보다 후방에 배치된 서프레서(303)와, 저면과 통부로 이루어진 컵 형상의 인출 전극(204)을 갖고, SE 팁과 서프레서가 인출 전극에 내포되며, 서프레서와 인출 전극 사이에, 이들을 유지하는 애자(208)를 가진 전자총을 구비하고, 서프레서와 인출 전극의 원통부 사이에, 원통부(302)를 갖는 도전성 금속의 차폐 전극(301)을 마련하고, 이 차폐 전극에 SE 팁보다 낮은 전압을 인가한다.

Description

전자원 및 하전 입자선 장치

본 발명은 시료에 조사되는 전자선을 공급하는 전자원과, 그것을 사용한 하전 입자선 장치에 관한 것이다.

하전 입자선 장치는, 전자선과 같은 하전 입자선을 시료에 조사하고, 시료로부터 방출되는 투과 전자나 이차 전자, 반사 전자, X 선 등을 검출함으로써, 시료의 관찰 화상을 생성하는 장치이다. 생성되는 화상은 공간 분해능이 높고, 반복 생성했을 경우의 재현성이 좋을 것이 요구된다. 이들을 실현하기 위해서는, 조사하는 전자선의 휘도가 높고, 전류량이 안정되어 있을 필요가 있다. 이러한 전자선을 방출하는 전자총의 하나로서, 쇼트키 전자총(Schottky Emission Electron Gun : 이하 SE 전자총)이 있다. 특허문헌 1에는 SE 전자총의 구조의 일례가 기재되어 있다.

최근, 반도체 디바이스나 선단 재료의 고도화가 진행되어, 이들의 검사나 계측을 행하는 하전 입자선 장치에는, 다수의 시료나, 동일 시료 상의 다수의 점을 단시간으로 관찰하고, 스루풋을 높게 하는 것이 요구되고 있다. 이 단시간의 관찰은, 전자총으로부터 대(大)전류를 방출시켜, 화상의 생성에 요하는 시간을 단축하는 것으로 실현된다.

일본국 특개평8-171879호 공보

발명자들의 연구 결과, 특허문헌 1에 기재된 SE 전자총으로 대전류를 방출 시키면, 극히 미소한 방전(이하 : 미소 방전)이 불규칙하게 다수회 발생하고, 전자선의 전류량이 변동하는 것을 알았다. 이러한 전류 변동시에 생성된 화상은, 공간 분해능이 열화하고, 재현성을 얻을 수 없는 화상이 된다. 검사나 계측 장치로의 높은 공간 분해능 관찰에서는 0.1nm 정밀도의 재현성이 요구되기 때문에, 미소 방전에 의한 공간 분해능의 변화는 허용할 수 없으며, 장치 성능의 저하로 직결된다. 또한, 미소 방전의 발생 타이밍이나 방전에 의한 전류 변동의 크기는 랜덤(random)이기 때문에, 시스템 상에서 미소 방전의 발생 예측이나 공간 분해능 열화의 보정은 곤란하다. 이와 같은 대전류 방출시의 과제에 대해서는 특허문헌 1에 기재되어 있지 않다.

본 발명의 목적은, 미소 방전을 억제하고, 대전류의 전자선을 안정하게 방출시킬 수 있는 전자원과, 그것을 사용한 하전 입자선 장치를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 있어서는, 팁과, 팁의 선단(先端)보다 후방에 배치된 서프레서(suppressor)와, 저면(底面)과 통부(筒部)로 이루어지며, 팁과 서프레서를 내포하는 인출 전극과, 서프레서와 인출 전극을 유지하는 애자(碍子)와, 서프레서와 인출 전극의 통부 사이에 마련된 도전성 금속을 가진 전자총을 구비하고, 도전성 금속에 팁보다 낮은 전압을 인가하는 구성의 하전 입자선 장치를 제공한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 있어서는, 팁과, 팁의 선단보다 후방에 배치된 서프레서와, 서프레서를 유지하는 도전성의 지지부와, 저면과 통부로 이루어지며, 팁과 서프레서를 내포하는 인출 전극과, 지지부와 인출 전극을 유지하는 애자와, 지지부와 인출 전극의 통부 사이에 마련된 도전성 금속을 가진 전자총을 구비하고, 도전성 금속에 팁보다 낮은 전압을 인가하는 구성의 하전 입자선 장치를 제공한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 있어서는, 팁과, 팁의 선단보다 후방에 배치된 서프레서와, 팁에 전기적으로 접속된 단자와 서프레서를 유지하는 애자와, 서프레서의 측면에 설치된 도전성 금속을 구비하는 구성의 전자원을 제공한다.

본 발명에 의하면, 대전류의 전자선을 안정하게 방출시킬 수 있는 전자원, 및 그것을 사용한 하전 입자선 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 실시예 1에 따른 하전 입자선 장치의 일례인 주사 전자 현미경의 개략도.
도 2는 종래의 SE 전자총의 주변의 구성을 설명하는 개략도.
도 3a는 실시예 1의 SE 전자총의 주변의 구성을 설명하는 개략도.
도 3b는 실시예 1의 SE 전자총의 전자원의 일 구성예를 나타내는 사시도.
도 4는 SE 전자총에서 미소 방전이 발생했을 때의 전자선의 전류 변화를 설명하는 도면.
도 5는 SE 전자총에서 미소 방전이 발생하는 메커니즘을 설명하는 개략도.
도 6은 실시예 1의 SE 전자총에서 미소 방전을 방지하는 메커니즘을 설명하는 개략도.
도 7은 실시예 2의 SE 전자총의 주변의 구성을 설명하는 개략도.
도 8은 실시예 3의 SE 전자총의 주변의 구성을 설명하는 개략도.
도 9는 실시예 4의 SE 전자총의 주변의 구성을 설명하는 개략도.
도 10은 실시예 5의 SE 전자총의 주변의 구성을 설명하는 개략도.
도 11은 실시예 6의 SE 전자총의 주변의 구성을 설명하는 개략도.
도 12는 실시예 7의 SE 전자총의 주변의 구성을 설명하는 개략도.
도 13은 실시예 8의 SE 전자총의 주변의 구성을 설명하는 개략도.
도 14는 실시예 9의 SE 전자총의 주변의 구성을 설명하는 개략도.

이하, 본 발명의 전자원 및 하전 입자선 장치의 다양한 실시예를, 도면을 사용하여 순차적으로 설명한다. 하전 입자선 장치로서, 전자선을 시료에 조사하고, 시료로부터 방출되는 이차 전자나 반사 전자를 검출함으로써, 시료의 관찰 화상을 생성하는 전자 현미경이 있다. 이하, 하전 입자선 장치의 일례로서, 주사 전자 현미경에 대해 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 다른 하전 입자선 장치에도 적용할 수 있다.

실시예 1

실시예 1은 팁과, 팁의 선단보다 후방에 배치된 서프레서와, 저면과 통부로 이루어지며, 팁과 서프레서를 내포하는 인출 전극과, 서프레서와 인출 전극을 유지하는 애자와, 서프레서와 인출 전극의 통부 사이에 마련된 도전성 금속을 가진 전자총을 구비하고, 도전성 금속에 팁보다 낮은 전압을 인가하는 구성의 주사 전자 현미경의 실시예이다.

도 1을 사용하여 본 실시예에 따른 주사 전자 현미경의 전체 구성에 대해 설명한다. 주사 전자 현미경은, 전자선(115)을 시료(112)에 조사하고, 시료로부터 방출되는 이차 전자나 반사 전자 등을 검출하여 시료의 관찰 화상을 생성한다. 이 관찰 화상은, 집속한 전자선을 시료 상에 주사하고, 전자선이 조사된 위치와 이차 전자 등의 검출량을 관련지어서 생성한다.

주사 전자 현미경은, 통체(125)와 시료실(113)을 구비하고, 통체(125)의 내부는, 위로부터 제 1 진공실(119)과 제 2 진공실(126)과, 제 3 진공실(127)과, 제 4 진공실(128)로 나뉜다. 각각의 진공실의 중앙에는 전자선(115)이 통과하는 개구가 있고, 각 진공실의 내부는 차동 배기로 진공으로 유지된다. 이하, 각 진공실에 대해 설명한다.

제 1 진공실(119)은, 이온 펌프(120)와 비증발 게터(Non-Evaporable Getter : NEG) 펌프(118)로 배기하여, 압력을 10^-8Pa 대의 초고진공, 보다 바람직하게는 10^-9Pa 이하의 극고진공으로 한다. 특히 NEG 펌프(118)는 극고진공에 있어서 높은 배기 속도를 가지며, 10^-9Pa 이하를 얻는 것이 가능해진다.

제 1 진공실(119)의 내부에 SE 전자총(101)을 배치한다. SE 전자총(101)은 애자(116)로 유지되고, 통체(125)와 전기적으로 절연된다. SE 전자총(101)의 하방에는, 제어 전극(102)을 배치한다. SE 전자총(101)으로부터 전자선(115)를 방출하고, 최종적으로 시료(112)에 조사함으로써 관찰 화상을 얻는다. SE 전자총(101)의 구성의 상세는 후술한다.

제 2 진공실(126)은 이온 펌프(121)로 배기한다. 제 2 진공실(126)에는 가속 전극(103)을 배치한다. 제 3 진공실(127)은 이온 펌프(122)로 배기한다. 제 3 진공실(127)에는 콘덴서 렌즈(110)를 배치한다.

제 4 진공실(128)과 시료실(113)은 터보 분자 펌프(109)로 배기한다. 제 4 진공실(128)에는 검출기(114)를 배치한다. 시료실(113)에는 대물 렌즈(111)와 시료(112)를 배치한다.

이하에서, 각 구성의 작용과, SE 전자총(101)으로부터 방출된 전자선(115)이, 관찰 화상을 생성할 때까지의 공정을 설명한다.

제어 전극(102)에는 제어 전압을 인가하고, SE 전자총(101)과 제어 전극(102) 사이에 정전 렌즈를 마련한다. 이 정전 렌즈로 전자선(115)을 집속하여, 소망의 광학 배율로 조정한다.

가속 전극(103)에는, SE 전자총(101)에 대하여 0.5kV 내지 60kV 정도의 가속 전압을 인가하고, 전자선(115)을 가속한다. 가속 전압이 낮을수록 시료에 주는 데미지가 줄어드는 반면, 가속 전압이 높을수록 공간 분해능이 향상된다. 콘덴서 렌즈(110)는, 전자선(115)을 집속하고, 전류량이나 개방각을 조정한다. 또한, 콘덴서 렌즈는 복수 마련해도 되고, 그 밖의 진공실에 배치해도 된다.

마지막으로, 대물 렌즈(111)로 전자선(115)을 미소 스폿(spot)으로 축소하고, 시료(112) 상에 주사하면서 조사한다. 이 때, 시료로부터는, 표면 형상이나 재질을 반영한 이차 전자나 반사 전자, X 선이 방출된다. 이들을 검출기(114)로 검출함으로써, 시료의 관찰 화상을 얻는다. 검출기는 복수 마련해도 되고, 시료실(113) 등, 그 밖의 진공실에 배치해도 된다.

도 2를 사용하여, 종래의 SE 전자총(201)의 주변의 구성을 설명한다. 종래의 SE 전자총(201)은 주로, SE 팁(202)과, 서프레서(203), 인출 전극(204)으로 구성된다.

SE 팁(202)은 텅스텐 <100> 방위의 단결정이며, 그 선단(先端)은 곡률 반경 0.5μm 미만으로 첨예화된다. 단결정의 중복(中腹)에는 산화 지르코늄(205)을 도포한다. SE 팁(202)은 필라멘트(206)에 용접한다. 필라멘트(206)의 양단은, 각각 단자(207)에 접속된다. 두 개의 단자(207)는, 애자(208)에 유지되어, 각각 전기적으로 절연된다. 두 개의 단자(207)는 SE 팁(202)과 동축 방향으로 신장되어, 도시하지 않은 피드 스루를 경유해서 전류원에 접속된다. 단자(207)에는 정상적으로 전류를 흘려보내, 필라멘트(206)를 통전 가열함으로써, SE 팁(202)을 1500K 내지 1900K로 가열한다. 이 온도에서는 산화 지르코늄(205)이 SE 팁(202)의 표면을 확산 이동하고, 전자원 선단의 선단 중앙에 있는 (100) 결정면까지 피복한다. (100) 면은, 산화 지르코늄으로 덮이면 일 함수가 저감하는 특징이 있다. 이 결과, 가열된 (100) 면에서 열전자가 방출되어, 전자선(115)이 얻어진다. 방출되는 전자선의 총량을 에미션 전류라 하며, 전형적으로는 50μA 정도이다.

서프레서(203)는 원통 금속이며, SE 팁(202)의 선단 이외를 덮도록 배치한다. 서프레서(203)의 원통은 SE 팁(202)과 축 방향으로 평행하게 신장되어, 애자(208)에 감합(嵌合)으로 유지된다. 서프레서(203)와 단자(207)는, 애자(208)에 의해 전기적으로 절연된다. 서프레서(203)에는, SE 팁(202)에 대하여 -0.1kV 내지 -0.9kV의 서프레서 전압을 인가한다. SE 팁(202)은, 그 측면으로부터도 열전자를 방출하는 특징이 있다. 그러나, 서프레서(203)에 이러한 음의 전압을 인가함으로써, 측면에서 나오는 불필요한 열전자 방출을 방지한다.

SE 팁(202)의 선단은, 전형적으로는 서프레서(203)로부터 0.25mm 정도 돌출하여 배치한다. 이와 같이 1mm 이하의 정밀한 위치 결정을 행하고, 약간의 거리만을 돌출시킴으로써, SE 팁(202)의 선단만을 전자선의 방출에 기여시킴과 함께, 측면으로부터의 불필요한 전자의 방출량을 최대한 저감한다. 또한, 돌출 길이가 0.25mm 정도이면, 후술하는 인출 전압의 구성에 의해, 전자원 선단에 충분한 전계를 인가할 수 있는 이점이 있다.

인출 전극(204)은 저면과 원통이 일체로 구성된 컵 형상의 금속 원통이며, 그 저면을 SE 팁(202)에 대향시켜 배치한다. 인출 전극(204)은 애자(210)와 감합으로 유지되고, 서프레서(203)와 전기적으로 절연된다. 인출 전극(204)에는, SE 팁(202)에 대하여, +2kV 정도의 인출 전압을 인가한다. SE 팁(202)의 선단은 첨예화되어 있기 때문에, 선단에는 높은 전계가 집중된다. 인가되는 전계가 높을수록, 쇼트키(schottky) 효과로 표면의 실효적인 일 함수가 저하되고, 보다 많은 전자선을 방출할 수 있다.

SE 팁(202)과 인출 전극(204)의 저면과의 거리는 전형적으로는 0.5mm 정도로 한다. 이와 같이 좁은 거리로 조립함으로써, 낮은 인출 전압에서도 전자원 선단에 충분히 높은 전계를 인가할 수 있다. 인출 전극(204)의 저면에는 조리개(209)를 마련하고, 여기를 통과한 전자가 최종적으로 화상의 생성에 이용된다. 조리개(209)에는 몰리브덴의 박판 등을 사용하고, 조리개(209)의 개구의 직경은 전형적으로는 0.1mm 내지 0.5mm 정도이다. 개구를 작게함으로써, 불필요한 전자가 조리개를 통과하는 것을 막고, 관찰 화상이 열화하는 것을 방지한다.

SE 팁(202)은, 고정밀도 지그(jig)를 사용하여 애자(208)의 중심축 상에 위치 결정해서 용접한다. 애자(208)의 외주(外周)와 서프레서(203)의 내주(內周), 서프레서(203)의 외주와 애자(210)의 내주, 애자(210)의 외주와 인출 전극(204)의 내주는 각각 10μm 오더의 감합으로 조립된다. 따라서, SE 팁(202)과 서프레서(203)와 인출 전극(204)은 고정밀도의 동축 구조가 되며, 또한 전극 간의 정밀한 위치 결정이 가능해진다.

SE 팁(202)과 서프레서(203)가 동축 구조인 것에 의해서, 서프레서(203)가 SE 팁(202)의 근방에 만드는 전위 분포가 균일하게 된다. 이 결과, SE 팁(202)의 측면으로부터 방출되려고 하는 불필요한 전자를 전(全)방향에 걸쳐 균일하게 억제할 수 있다. 그 밖에, SE 팁(202)으로부터 방출된 전자가, 공간 중의 불균일한 전위에 의해서 휘어지는 것이 없어지고, 축 상에 전자선을 방출할 수 있다.

SE 팁(202)과 인출 전극(204)이 동축 구조가 됨으로써, 조리개(209)도 동축 상에 배치할 수 있다. 이 결과, 조리개(209)가 위치 어긋남 됨으로써 방출된 전자의 통과를 방해할 수 있어, 전자선을 얻을 수 없게 될 우려가 없어진다. 그 밖에, 조리개(209)가 SE 팁(202)의 선단에 제공하는 전계 분포가 균일하게 되어, 축 상에 전자선을 방출할 수 있다.

이와 같이, SE 전자총은, 전자원 선단으로부터의 효율적인 전자선의 방출과, 전자원 측면으로부터의 불필요한 전자 방출의 억제, 전자총 공간 내의 균일한 전위 분포를 실현하기 위해, 1mm 이하의 작은 치수로 고정밀도로 조립할 필요가 있다. 이 때문에, SE 전자총의 내부는 매우 좁은 공간을 갖고, 이 안에서 kV 오더의 전압차를 유지하는 특징이 있다.

도 3a, 도 3b를 사용하여 본 실시예의 SE 전자총(101)의 주변의 구성과, 그 전자원의 구성을 설명한다. 본 실시예의 전자총은, SE 팁(202), 필라멘트(206), 애자(208), 새롭게 도전성 금속으로 이루어진 차폐 전극(301)을 갖는 서프레서(303)를 구비하는 전자원을 포함하며, 추가로, 단차를 가지는 애자(310)를 사용하여, 애자(310)의 밑면과 인출 전극(204)의 원통의 내주면 사이에 공극(311)을 마련하는 것을 특징으로 한다. 본 실시예의 전자원은 SE 팁(202)과, 팁의 선단보다 후방에 배치된 서프레서(303)와, 팁에 전기적으로 접속된 단자(207)와 서프레서를 유지하는 애자(208)와, 서프레서의 측면에 설치되며, 팁보다도 낮은 전압이 인가되는 도전성 금속으로 이루어진 차폐 전극(301)을 구비하는 구성의 전자원이다. 또한, 동일 기호의 구성은 전술한 바와 동일 구성을 의미하며, 설명은 생략한다.

도 3a에 나타난 바와 같이, 애자(310)의 저변(底邊)에는 단차를 마련하고, 하방(전자선(115)의 진행 방향)에 배치된 면을 밑면(312), 상방의 면을 윗면(313)으로 편의적으로 호칭한다. 밑면(312)은 서프레서(301) 측에 배치하고, 윗면(313)은 인출 전극(204) 측에 마련한다. 이것에 의해, 애자(310)의 밑면(312)과 인출 전극(204)의 내주면 사이에 공극(311)을 마련한다.

도 3a, 도 3b에 나타낸 바와 같이, 서프레서(303)의 측면에는, 일체로 구성된 도전성 금속으로 이루어진 차폐 전극(301)을 마련한다. 서프레서(303)의 측면의 원통부는 SE 팁(202)의 축 방향으로 신장되어, 애자(310)와 감합으로 유지된다. 차폐 전극(301)은, 이 서프레서(303)의 원통부의 측면에 마련되고, 측방으로 돌출한다. 달리 말하면, 차폐 전극(301)은, SE 팁(202)의 축 방향과 수직 방향으로 신장되는 구조를 가진다. 또 달리 말하면, 차폐 전극(301)은, 서프레서(303)와 인출 전극(204)의 원통부 사이에 배치된다. 차폐 전극(301)과 인출 전극(204)과의 전압차는 양자(兩者) 사이의 진공에 의해 유지되고, 전기적으로 절연된다.

차폐 전극(301)은, 또한 애자(310) 측으로 연장되는 원통부(302)를 갖는다. 이 원통부(302)의 상단은, 공극(311)까지 신장된다. 차폐 전극(301)의 원통부(302)는, 인출 전극(204)의 원통과 같은 축을 갖고, 평행 방향으로 신장된다. 전형적으로는 인출 전극(204)의 원통은, SE 팁(202)이 축 방향으로 신장되기 때문에, 원통부(302)도, SE 팁(202)의 축 방향으로 신장된다. 이 결과, 애자(310)의 밑면(312)은, 차폐 전극(301)과 원통부(302)로 덮여, 인출 전극(204)을 내다볼 수 없는 구성으로 된다. 또한, 원통부(302)를 포함하는 차폐 전극(301)은, 애자(310)와는 접촉하지 않고, 차폐 전극(301)의 표면에 불필요한 전계가 집중되는 것을 방지한다. 차폐 전극(301)의 외주 측면에는, 서프레서 전압과 인출 전압의 차압이 인가된다. 그래서, 차폐 전극의 측면은, 곡면이나 평면으로 구성하여, 불필요한 전계 집중을 방지한다. 본 구성에 의해 미소 방전이 방지되는 작용은 후술한다. 또한, 애자(208)나 애자(310)는, 유리 등의 그 밖의 전기적 절연 재료여도 된다. 본 실시예의 SE 전자총(101)은, SE 팁(202)의 선단 곡률 반경을 0.5μm 이상, 보다 바람직하게는 1.0μm 이상으로 한다. 대전류를 방출하는 경우, 전자 간의 쿨롱 상호 작용이 일어나, 종래의 곡률 반경으로 대전류를 방출하면 전자선의 휘도가 저하된다. SE 전자원의 선단 곡률을 크게 함으로써, 전자선의 방출 면적이 증가하고, 표면의 전류 밀도가 저하된다. 이 결과, 쿨롱 상호 작용의 효과가 약해지고, 대전류 시의 휘도 저하가 방지된다.

선단 곡률 반경 0.5μm를 사용하는 경우, 에미션 전류는 300μA 이상으로 함으로써, 종래의 곡률 반경에서는 얻을 수 없는 고휘도를 얻을 수 있다. 이 에미션 전류를 얻기 위해, 인출 전압은 전형적으로는 3kV 이상으로 사용한다. 선단 곡률 반경 1μm를 사용하는 경우, 에미션 전류를 600μA 이상으로 함으로써 종래 이상의 휘도를 얻을 수 있다. 이 에미션 전류를 얻기 위해, 인출 전압은 전형적으로는 5kV 이상으로 한다.

인출 전극(204)이나 조리개(209) 등의 금속 재료에 전자가 조사되면, 전자 충격 탈리 가스가 방출된다. 전자 충격 탈리 가스 방출량은 조사된 전류량 및 인가하는 인출 전압에 비례하여 증가한다. 이 때문에, SE 팁(202)으로부터 에미션 전류를 300μA나 500μA 이상의 대전류를 높은 인출 전압에서 방출하면, 종래보다 1 자리 이상 많은 전자 충격 탈리 가스가 발생하여, 도 1에 나타낸 진공실(119)의 압력을 악화시킨다. 압력이 10^-7Pa 대가 되면, SE 팁(202)의 표면에 데미지가 가해짐으로써 형상이 무너지고, 전류의 안정성을 해치는 경우가 있다. 그러나, 본 실시예의 전자 현미경은, 진공실(119)을 배기 속도가 큰 NEG 펌프(118)와 이온 펌프(120)로 배기한다. 이 때문에, 대전류를 방출하여도 압력의 악화는 억제되어, 진공실(119)의 압력을 10^-8Pa 대 이하로 유지할 수 있다. 이 때문에, SE 팁(202)의 표면에 데미지가 가해질 경우가 없고, 대전류에서도 안정한 전자선을 얻을 수 있는 효과를 가진다.

이하, 도 4 내지 도 6을 사용하여, 본 실시예의 SE 전자총(101)이 미소 방전을 방지하는 작용을 설명한다.

도 4를 사용하여, 미소 방전이 발생했을 때의 전자선의 전류 변화를 설명한다. 미소 방전은 순간적으로 생기며, 동(同) 도면에 명확한 바와 같이, 1 초 이하의 단시간으로 끝난다. 그 때, 전자선의 전류량은 순간적으로 감소하고, 그 후 원래의 전류량으로 돌아온다. 미소 방전과 동시에 제 1 진공실의 압력이 순간적으로 상승할 경우가 있지만, 이것도 수 초 이내에 원래의 압력으로 돌아온다.

전자총에서 문제가 되는 방전은, 일반적으로 플래시 오버나 브레이크다운으로 불리는 종류의 것으로, 한 번 발생하면 전자원의 용손(溶損)이나, 고전압 전원의 파손, 애자의 절연 파괴 등을 발생시켜, 이들을 교환하지 않는 한 다시 전자선을 얻을 수 없는 큰 방전이다. 한편, 미소 방전은 일시적으로 전류가 감소하지만, 그 후, 계속해서 전자선을 얻을 수 있는 특징이 있으며, 비교적 경도(輕度)의 방전이다. 또한, 종래의 방전은, 예를 들면 인출 전극에 +10kV 정도의 높은 인출 전압을 인가했을 경우에 생긴다. 한편, 이 미소 방전은 동일한 높은 인출 전압을 인가하여도 발생하지 않으며, 인출 전압의 인가에 더하여, 대전류의 전자선 방출을 행했을 경우에 처음으로 생기고, 전류량이 커질수록 발생 빈도가 많아진다. 또한, 전류량이 커질수록 미소 방전이 발생시키는 인출 전압의 임계값이 낮아진다. 미소 방전은, 종래의 방전과는 다른 발생 메커니즘을 가지며, 다른 현상이라고 할 수 있다. 이하, 미소 방전과 구별하기 위해, 종래 문제가 된 방전을 대방전이라고 부른다.

도 5를 사용하여, 도 2에 나타낸 종래의 SE 전자총(201)에서 미소 방전이 발생하는 메커니즘을 설명한다. 또한, 전자총은 축 대칭 구조를 갖기 때문에 한쪽 측면만을 도시하였다. 또한, 팁(202)과 서프레서(203), 인출 전극(204)의 각각에 인가된 전압에 의해 형성되는 공간 중의 전위 분포(510)를 모식적으로 파선으로 나타냈다.

SE 팁(202)의 선단은, 서프레서(203)로부터 돌출하고, 그 측면에 존재하는 {100} 등가 결정면에서 사이드 빔(501)이 방출된다. 사이드 빔(501)은 대각선 방향으로 방출되어, 인출 전극(204)에 충돌한다. 또한, 전자원의 선단 중앙에 있는 (100) 면으로부터 방출되는 전자선(115)의 일부도 조리개(209)에 충돌한다. 이들 인출 전극(204)이나 조리개(209)에 충돌하는 전류량은, 에미션 전류의 90% 이상이다. SE 전자총은 전자원에서 방출되는 전류의 대부분이, 총 내의 협소 공간에 조사되는 특징이 있다.

인출 전극(204)이나 조리개(209) 등의 금속 재료에 전자가 충돌하면, 그 일부가 반사 전자로서 진공 측으로 방출된다. 반사 전자의 방출각은 퍼짐을 가지며, 일반적으로 경면 반사 성분을 피크(peak)로 한 코사인 법칙에 의거하는 분포를 가진다. 또한, 반사 전자의 에너지도 분포를 가지며, 탄성 산란으로 입사 시의 에너지를 보존한 전자와, 비탄성 산란으로 에너지를 잃어버린 전자를 가진다. 이 때문에, 반사 전자 하나 하나는 서로 다른 궤도를 가진다. 여기에서는, 대표적인 예로서, 반사 전자(502)를 사용하여, 궤도의 개략을 설명한다.

인출 전극(204)에서 방출된 반사 전자(502)는, 서프레서(203)의 방향으로 진행되지만, 반사 전자(502)의 에너지는 최대여도 인출 전압과 같아서, 서프레서(203)에 도달할 수는 없다. 이 때문에, 전위 분포의 수직 방향으로 작용하는 척력에 의해 떠밀려, 인출 전극(502)에 다시 충돌한다. 반사 전자(502)의 일부는, 반사 전자(503)로서 방출되어, 인출 전극(204)의 원통 내면에 충돌한다. 반사 전자(503)의 일부는, 반사 전자(504)로서 다시 방출되어, 서프레서(203)의 전위 분포에 떠밀려, 다시 인출 전극(204)에 충돌한다. 반사 전자(504)의 일부는, 반사 전자(505)가 되어, 최종적으로, 애자(210)에 충돌한다.

애자(210)의 이차 전자 방출 비율은 1보다 크며, 애자(210)에 한 개의 전자가 충돌하면, 한 개보다 많은 수의 이차 전자가 방출된다. 방출된 이차 전자(506)의 에너지는 수 V로 작으며, 전위 분포의 척력에 의해 인출 전극(204)에 도달하여, 흡수된다. 이 결과, 반사 전자(505)가 충돌한 애자(210)의 표면(507)의 전자 수가 줄어들고, 표면(507)은 양(positive)으로 대전된다.

서프레서(203)와 애자(210)의 접촉점(511)과, 양으로 대전된 표면(507) 사이의 연면(沿面)에는, 대전 전과 비교해서 높은 전위차가 형성되며, 양자의 거리가 가까울수록 접촉점(511)에 높은 전계가 인가된다. 이 결과, 접촉점(511)에서 전계 방출이 생겨, 대량의 전자가 방출된다. 이 전자가 전위 분포의 척력을 받으면서, 애자(210)의 연면이나 공간 중을 이동하여, 인출 전극(204)까지 도달한다. 이 전극 사이의 전류 이동에 의해 미소 방전이 발생하고, 전극 사이의 전압차가 변화됨으로써 전자선의 전류량이 변동한다.

이상 정리하면, SE 전자총으로 대전류를 방출하면, 총 내의 협소 공간 안에 다량의 전자가 공급된다. 이들 전자는, 서프레서(203)와 인출 전극(204) 사이에 형성되는 전위 분포에 의해 인출 전극으로 떠밀려서, 반사 전자가 반복적으로 발생한다. 이 반사 전자는 최종적으로 애자(210)에 도달하고, 그 표면을 국소적으로 양으로 대전시킨다. 양으로 대전된 표면(507)과 서프레서(203) 사이의 전압차가 증가하는 것에 의해서 전계 집중이 일어나, 미소 방전이 일어난다.

도 6을 사용하여, 본 실시예의 SE 전자총(101)이 미소 방전을 방지하는 메커니즘을 설명한다. 종래의 SE 전자총과 마찬가지로, 본 실시예의 SE 전자총(101)에 있어서도, SE 팁(202)으로부터 방출된 사이드 빔(501)은 인출 전극(204)에 충돌하여, 반사 전자(502)를 방출시킨다. 반사 전자(502)는 서프레서(303)와 인출 전극(204) 사이에 만들어지는 전위 분포에 의해 척력을 받고 떠밀려서, 인출 전극(204)에 다시 충돌한다. 그 후에도, 반사 전자(502)는 인출 전극으로부터의 방출과 충돌을 반복한다.

여기서, 본 실시예의 SE 전자총(101)에서는 서프레서(303)에 차폐 전극(301)을 마련한 것에 의해서, 서프레서 전압이 만드는 음(negative)의 전위 분포가 넓어져서, 반사 전자가 애자(310)에 도달하기 어려워진다. 특히, 애자(310)의 밑면(312)은 차폐 전극(301)과 원통부(302)로 둘러싸임으로써 반사 전자가 충돌 할 수 없게 된다. 반사 전자는 최종적으로, 종래보다 많은 충돌을 반복한 후, 애자(310)의 윗면(313)에 충돌하여, 그 표면(517)을 양으로 대전시킨다. 애자(310)는 저변에 단차를 마련하고 있어, 윗면(313)과 밑면(312)은 거리가 멀어진다. 따라서, 애자(310)와 서프레서(303)의 접촉점(511)과, 양으로 대전된 표면(517)과의 연면 거리는 충분히 길며, 접촉점(511)에 높은 전계가 인가될 일은 없다. 이 결과, 전계 방출이 일어나지 않고, 미소 방전의 발생이 방지된다.

본 실시예의 그 외의 효과로서, 차폐 전극(301)의 원통부(302)를 인출 전극(204)의 원통과 같은 축을 갖게 하고, 평행으로 일정 거리 신장시킴으로써, 원통부(302)와 인출 전극(204)의 내주면 사이에, 좁은 경로(601)가 형성되는 것이 있다. 이 좁은 경로(601)에서는 전위 분포가 좁아지고, 반사 전자의 비행 거리가 짧아지는 것에 의해서 다수의 재충돌이 행해진다. 반사 전자는 충돌을 행할 때마다, 그 전자 수가 몇 할로 감소한다. 재충돌의 횟수가 많아짐으로써 애자(310)에 도달하는 반사 전자의 절대 수가 감소하고, 대전량이 줄어들 것에 의해서 미소 방전을 방지한다.

그 외의 효과로서, 접촉점(511)의 주변이 차폐 전극(301)으로 둘러싸임으로써, 그 내부의 전위 분포는 균일하게 되고, 전계가 작아진다. 예를 들면, 접촉점(511)으로부터 전자가 방출되어도, 이 전자에 가해지는 힘은 작아지고, 전자가 인출 전극(204)에 도달할 확률이 작아서, 미소 방전이 발생하기 어려워진다.

그 외의 효과로서, 애자(310) 저변의 연면 거리가 신장된 것에 의해서도, 전자가 연면을 이동하여 인출 전극(204)에 도달할 확률이 작아져 미소 방전이 저감한다. 또한, 연면 거리의 연장에 부수하여 대방전도 일어나기 어려워진다. 본 실시예의 SE 전자총에서는, 선단 곡률 반경이 0.5μm나 1.0μm 이상의 SE 팁(202)을 사용하고, 인출 전극(204)에는 3kV, 또는 5kV 이상의 인출 전압을 인가한다. 또한, 보다 큰 선단 곡률의 SE 전자원을 사용했을 경우, 인출 전압이 증가하여, 10kV 이상으로도 된다. 이 경우에도, 애자(310)의 연면 거리를 신장시킨 것에 의해서, 연면 방향의 전계가 저감하고, 대방전이 일어날 위험성도 저감한다.

그 외의 효과로서, 서프레서(303)와 차폐 전극(301)을 일체로 구성함으로써, 부품 점수를 추가하지 않고, 단순한 구조를 유지할 수 있는 것이 있다. 이것은, 비용 저감의 이점이 있다. 또한, 종래의 SE 전자총과 마찬가지로, 애자(208)와 서프레서(303), 애자(310), 인출 전극(204)은 각각을 감합으로 조립할 수 있으며, 고정밀도의 동축 구조와 전극 사이의 위치 결정이 가능해진다. 이 결과, 본 실시예의 전자 총(101)에 있어서도, 전자원으로부터의 효율적인 전자선의 방출과, 전자원 측면으로부터의 불필요한 전자 방출의 억제, 전자총 공간 내의 균일한 전위 분포를 실현할 수 있다.

또한, 전자선이 조사된 금속으로부터는 전자 충격 탈리에 의해 이온이 발생한다. 이 이온의 충돌에 의해서도, 애자(210)가 양으로 대전되고, 마찬가지의 메커니즘으로 미소 방전이 일어날 수 있다. 그러나, 본 실시예의 SE 전자총(101)에 의해, 이 이온에 기인한 미소 방전도 방지할 수 있다.

실시예 2

실시예 1에서는, 서프레서(303)와 일체로 구성한 차폐 전극(301)과, 단차를 마련한 애자(310)를 사용하여, 애자(310) 표면 상의 반사 전자의 충돌 위치를 서프레서(303)로부터 떨어지게 하는 것으로, 미소 방전을 방지하는 구성을 설명했다. 실시예 2에서는 서프레서와 차폐 전극을 다른 구조로 한 SE 전자총의 구성에 대해 설명한다. 또한 차폐 전극 이외의 구성은 실시예 1과 같으므로 설명을 생략한다.

도 7을 사용하여, 실시예 2의 SE 전자총에 대해 설명한다. 차폐 전극(701)은 서프레서(203)와 별개의 구조로 해서, 도전성 금속으로 제작한다. 차폐 전극(701)의 내주면과 서프레서(203)의 외주면을 감합으로 조립해서, 유지한다. 또한, 차폐 전극(701)의 외주면과 애자(310)의 내주면을 감합으로 조립한다. 이 결과, 팁(202)과 서프레서(203), 차폐 전극(701), 인출 전극(204)은 동축 구조가 되어, 정밀한 위치 결정이 가능해진다. 차폐 전극(701)과 서프레서(203)가 접촉함으로써, 양자는 동(同) 전위가 되어, 서프레서 전압이 인가된다.

본 실시예의 SE 전자총은, 실시예 1의 SE 전자총(101)과 마찬가지로, 단차가 있는 애자(310)로 마련한 공극(311)까지, 차폐 전극(701)의 원통부(722)의 단면이 도달한다. 이 때문에, 도 6을 사용하여 설명한 작용이 작동하여, 미소 방전을 방지할 수 있다.

본 실시예의 전자총은 부품 점수가 늘어나기 때문에 감합 개소가 늘어나, 축 정밀도의 악화나 비용 증가의 가능성이 있다. 그러나, 차폐 전극(701)을 서프레서(203)와 별개의 구조로 함으로써, 종래의 SE 전자총(201)에서 사용했던 서프레서(203)를 유용(流用)할 수 있다. 규격화된 서프레서 구조를 사용하는 것에 의해서, 서프레서의 제작 비용의 저감이나, 시판의 서프레서 구비 SE 전자원을 그대로 사용할 수 있는 이점이 있다.

실시예 3

실시예 2에서는, 서프레서와 차폐 전극을 별개의 구조로 한 구성에 대해 설명했다. 실시예 3에서는, 서프레서에의 애자(310)의 감합 위치를 바꾸고, 차폐 전극을 소형화한 구성에 대해 설명한다. 또한, 차폐 전극 이외의 구성은 실시예 1과 같으므로 설명을 생략한다.

도 8을 사용하여, 실시예 3의 SE 전자총에 대해 설명한다. 본 실시예의 서프레서(702)는 그 측면의 상단에 차폐 전극(703)을 갖고, 서프레서(702)와 차폐 전극(703)은 실시예 1과 마찬가지로, 일체로 구성한다. 애자(310)의 밑면(312)을 갖는 원통부의 외주면과, 서프레서(702)의 내주면을 감합으로 유지하고, 조립한다. 이 결과, 각 전극은 동축 구조가 되어, 정밀한 위치 결정을 한다.

본 실시예의 SE 전자총은, 전계 방출의 기점이 되는 서프레서(702)와 애자(310)의 접촉점(511)의 위치가 바뀐다. 그러나, 실시예 1의 SE 전자총(101)과 마찬가지로, 단차가 있는 애자(310)로 마련한 공극(311)까지 차폐 전극(703)의 원통부(723)의 단면이 도달한다. 이 결과, 접촉점(511)은 차폐 전극(703)의 전위로 덮여져, 도 6을 사용하여 설명한 작용으로 미소 방전을 방지한다.

본 실시예와 같이 서프레서(702)와 애자(310)의 감합 위치를 바꾸는 것에 의해서, 차폐 전극(703)을 소형화할 수 있다. 이 결과, 인출 전극(204)의 직경을 작게 하여, SE 전자총을 소형화할 수 있는 이점이 있다. 그 밖에, 차폐 전극(703)의 형상이 비교적 간략화할 수 있기 때문에, 일체 구성인 서프레서(702)의 제작이 용이해지고, 비용 저감할 수 있는 이점이 있다.

실시예 4

실시예 3에서는, 애자(310)의 감합 위치를 바꾸고, 차폐 전극을 소형화한 구성에 대해 설명했다. 실시예 4에서는, 차폐 전극의 구조를 바꾸고, 도 2의 종래의 SE 전자총(201)에도 탑재 가능하게 한 전자원이며, 서프레서(704)와 차폐 전극(705)이 일체 구조인 전자원의 실시예에 대하여 설명한다. 또한, 차폐 전극(705) 이외의 구성은 실시예 1과 같으므로 설명을 생략한다.

도 9를 사용하여, 본 실시예의 SE 전자총에 대해 설명한다. 본 실시예의 서프레서(704)는, 그 측면에 서프레서(704)와 일체 구성의 차폐 전극(705)을 가진다. 차폐 전극(705)은 실시예 1의 차폐 전극(301)과 달리, 원통부를 갖지 않는 특징이 있다. 차폐 전극(705)은 외주 방향으로 돌출하고, 서프레서(704)와 애자(210)의 접촉점(511)의 아래 방향만을 덮는다. 따라서, 차폐 전극(705)이 돌출한 만큼, 애자(210)의 표면의 양으로 대전되는 개소가, 접촉점(511)으로부터 떨어진다. 이 결과, 종래의 SE 전자총(201)보다도 미소 방전의 빈도를 저감할 수 있다.

본 실시예의 SE 전자총은, 실시예 1에서 설명한 단차를 구비한 애자(310)를 갖지 않기 때문에, 연면 거리를 충분히 신장시킬 수는 없다. 또한, 차폐 전극의 원통부(302)에서 접촉점(511)을 덮는 구조가 아니기 때문에, 접촉점(511)에 전계가 인가되기 쉬운 구조가 된다. 이 때문에, 실시예 1과 비교해서, 미소 방전을 방지하는 효과는 한정적이게 되고, 빈도의 저감에 그친다. 그러나, 본 실시예의 서프레서(705)만을 변경하는 것만으로, 종래의 SE 전자총(201)에도 탑재할 수 있어, 개발 비용을 억제하면서 미소 방전의 빈도를 저감할 수 있는 이점이 있다.

실시예 5

실시예 4에서는, 차폐 전극의 구조를 바꾸고, 종래의 SE 전자총에도 탑재 가능하게 한 구성에 대해 설명했다. 실시예 5에서는, 인출 전극에 개구를 마련하고, 애자에 도달하는 반사 전자의 절대 수를 저감하는 것에 의해서, 미소 방전의 방지 효과를 높인 구성에 대해 설명한다. 본 실시예에 있어서는, 조리개(209)의 개구를 포함시키면, 인출 전극에 적어도 두 개 이상의 개구를 마련하게 된다. 또한, 인출 전극 이외의 구성은 실시예 1과 같으므로 설명을 생략한다.

도 10을 사용하여, 실시예 5의 SE 전자총에 대해 설명한다. 본 실시예의 인출 전극(801)은, 그 저면에 조리개(209)의 개구와는 다른 개구(802)를 가진다. 또한, 인출 전극(801)의 원통면에서, 차폐 전극(301)의 원통부(302)에 대향한 위치에 개구(803)를 가진다. 팁(202)으로부터 방출된 사이드 빔(501)이 인출 전극(801)에 조사됨으로써 반사 전자가 방출된다. 이 반사 전자 중, 에너지가 낮은 일부의 반사 전자(804)는 저면의 개구(802)를 통과하여, SE 전자총의 밖으로 통과한다. 이 결과, 최종적으로 애자(310)에 도달하는 반사 전자의 절대 수가 저감한다.

한편, 저면의 개구(802)를 날아 넘어간 에너지가 높은 반사 전자(805)에 관해서도, 재충돌을 반복한 후, 그 대부분이 원통면의 개구(803)를 통해 SE 전자총의 밖으로 통과한다. 인출 전극(801)과 원통부(302) 사이의 좁은 경로(601)에서는, 전위 분포가 좁아져, 다수의 반사 전자의 재충돌이 일어난다. 이 위치에 개구(803)를 배치함으로서, 많은 반사 전자가 SE 전자총의 밖으로 이동하게 되고, 최종적으로 애자(310)에 도달하는 반사 전자의 절대 수를 효과적으로 저감할 수 있다. 이상의 인출 전극(801)의 개구(802)와 개구(803)에 의해, 애자(310)의 대전량을 저감하고, 미소 방전을 더욱 방지할 수 있다.

또한, 조리개(209)의 직경을 크게 하고, 조리개(209)에 사이드 빔(501)이 조사되도록 하고, 이 조리개(209)의 사이드 빔(501)의 조사 위치에 개구를 마련하는 것에 의해서도 상기와 마찬가지의 작용으로 미소 방전 을 방지할 수 있다.

실시예 6

실시예 5에서는, 인출 전극에 개구를 마련하고, 애자에 도달하는 반사 전자의 절대 수를 저감함으로써, 미소 방전의 방지 효과를 높인 구성에 대해 설명했다. 실시예 6에서는 인출 전극의 내측에 돌출부를 마련하고, 애자에 도달하는 반사 전자의 절대 수를 저감하는 것에 의해서, 미소 방전의 방지 효과를 높인 구성에 대해 설명한다. 또한, 인출 전극 이외의 구성은 실시예 1과 같으므로 설명을 생략한다.

도 11을 사용하여, 실시예 6의 SE 전자총에 대해 설명한다. 본 실시예의 인출 전극(809)은, 저면에 돌출부(813)를 갖는다. 또한, 원통면에 돌출부(814)를 갖는다. 저면의 돌출부(813)는 인출 전극(809)과 일체로 구성하고, 그 하방에 조리개(209)를 배치한다. 또한, 돌출부(813)는 테이퍼를 갖고, 그 개구의 직경은 SE 팁(202) 측보다도 조리개(209) 측을 크게 한다. 돌출부(813)에는 인출 전압이 인가된다. 돌출부(813)의 서프레서(303)와 대향한 윗면은, 불필요한 전계 집중을 방지하기 위해, 평면으로 한다.

원통면의 돌출부(814)는, 인출 전극(809)과 일체로 구성하고, 인출 전압이 인가된다. 돌출부(814)의 서프레서(303) 측의 단면은 테이퍼를 가지며, 그 개구의 직경은 윗면보다도 밑면을 크게 한다. 돌출부(814)의 단면의 서프레서(303) 측을 마주 보는 면은, 평면으로 해서, 불필요한 전계 집중을 방지한다.

SE 팁(202)으로부터 방출되는 사이드 빔 중, 방출각이 큰 사이드 빔(812)은, 조리개(209)에 충돌한 후 반사 전자(816)를 방출한다. 이 반사 전자(816)는 경면 방향으로 피크를 가지고 방출되기 때문에, 그 대부분이 돌출부(813)의 테이퍼의 밑면에 충돌한다. 여기에서, 방출되는 반사 전자(817)는 조리개(209)에 충돌한다. 이와 같이, 돌출부(813)를 마련한 것에 의해서, 방출각이 큰 사이드 빔(812)은, 돌출부(813)의 테이퍼와 조리개(209) 사이에 생기는 자루 부분에서, 다수의 반사 전자의 재충돌을 반복하고, 그 수를 저감한다. 이 결과, 애자(310)에 도달할 수 없게 된다.

SE 팁(202)으로부터 방출되는 방출각이 작은 사이드 빔(812)은, 조리개(209)에 충돌한 후, 반사 전자(811)를 방출한다. 이 반사 전자(811)는, 돌출부(813)의 개구를 통과해서 인출 전극(809)에 충돌하여, 반사 전자(818)를 방출한다. 이 반사 전자(818)는, 돌출부(814)의 밑면에 충돌하여, 반사 전자(819)를 방출한다. 이와 같이, 돌출부(814)를 마련한 것에 의해서, 방출각이 작은 사이드 빔(810)은, 돌출부(814)의 밑면과 인출 전극(809) 사이에 생기는 자루 부분에서, 다수의 반사 전자의 재충돌을 반복하고, 그 수를 저감한다. 이 결과, 애자(310)에 도달할 수 없게 된다.

이상의 인출 전극(809)의 돌출부(813)와 돌출부(814)에 의해, 애자(310)에 도달하는 반사 전자의 절대 수가 감소하고, 애자(310)의 대전량이 저감한다. 이 결과, 미소 방전을 더욱 방지할 수 있다.

그 외의 효과로서, 돌출부(814)와 서프레서(303) 사이에는, 좁은 경로(815)가 형성된다. 이 좁은 경로(815)는, 반사 전자가 통과할 수 있는 입체각이 작아, 통과하기 어려운 것에 더하여, 전위 분포가 좁아지는 것에 의해서 반사 전자에 돌출부(814)에의 다수의 충돌을 강제한다. 이 결과, 애자(310)에 도달하는 반사 전자의 수가 효과적으로 저감된다.

실시예 7

실시예 6에서는, 인출 전극의 내측에 돌출부를 마련하고, 애자에 도달하는 반사 전자의 절대 수를 저감시킴으로써, 미소 방전의 방지 효과를 높인 구성에 대해 설명했다. 실시예 7에서는, 인출 전극과 애자의 접촉 개소의 내경이, 인출 전극의 통부의 내경보다도 작게 하는, 바꿔 말하자면, 인출 전극에 네크(neck)부를 마련하고, 네크부와 애자를 감합으로 유지하고, 반사 전자의 절대 수를 저감하는 것에 의해서, 미소 방전의 방지 효과를 높인 구성에 대해 설명한다. 또한, 인출 전극 이외의 구성은 실시예 1과 같으므로 설명을 생략한다.

도 12을 사용하여, 실시예 7의 SE 전자총에 대해 설명한다. 본 실시예의 인출 전극은, 조립을 위해 인출 전극 저부(821)와 인출 전극 원통부(824)로 나뉜다. 또한, 인출 전극 원통부(824)의 상부에 네크부(822)를 구비한다. 네크부(822)와 애자(820)는 감합으로 유지된다. 또한, 애자(820)와 서프레서(303)가 감합으로 유지된다. 또한, 서프레서(303)의 원통부(302)의 길이를 신장시켜, 네크부(822)의 근방까지 접근하게 한다.

원통부(302)를 연장한 것에 의해서, 차폐 전극(301)의 원통부(302)와 인출 전극 원통부(824) 사이에 생기는 좁은 경로(601)의 거리가 길어진다. 또한, 네크부(822)와 원통부(302) 사이에 좁은 경로(823)가 추가된다. 이들 좁은 경로의 거리가 길이지는 것에 의해서, 반사 전자가 인출 전극 저부(821)에 충돌하는 횟수가 늘어나고, 애자(820)에 도달하는 반사 전자의 수가 감소한다. 이 결과, 애자(820)의 대전량이 저감하고, 미소 방전이 방지된다.

실시예 8

실시예 7에서는, 인출 전극에 네크부를 마련하고, 반사 전자의 절대 수를 저감함으로써, 미소 방전의 방지 효과를 높인 구성에 대해 설명했다. 실시예 8에서는, 애자를 반도전성의 재료로 구성하거나, 또는 애자의 표면에 반도전성, 혹은 도전성의 박막을 마련하는 것에 의해서 대전을 방지하고, 미소 방전의 방지 효과를 높인 구성에 대해 설명 한다. 또한, 애자 이외의 구성은 실시예 1과 같으므로 설명을 생략한다.

도 13을 사용하여, 실시예 8의 SE 전자총에 대해 설명한다. 본 실시예에서는, 실시예 1의 애자(310)를 대신하여, 반도전성 애자(830)를 사용한다. 반도전성 애자(830)는, 전기 전도성이 금속과 절연체의 중간 값을 갖는 애자이며, 체적 저항률은 10¹⁰Ωcm 내지 10¹²Ωcm 정도이다. 이 반도전성 애자(830)를 사용함으로써, 암전류가 증가하지만, 인출 전극(204)과 서프레서(303) 사이의 전압차를 유지할 수 있다. 한편, 반도전성 애자(830)에 반사 전자가 충돌했을 경우, 표면이 대전되어도 곧바로 근방의 반도전성 애자(830)로부터 전자가 공급되어, 대전이 완화된다. 이 결과, 접촉점(511)으로부터 전계 방출은 일어나지 않으며, 미소 방전을 방지할 수 있다.

동일한 효과는, 절연 애자 표면에 반도전성 피복(831)을 마련해도 실현할 수 있다. 반도전성 피복(831)은, 체적 저항률이 10¹⁰Ωcm 내지 10¹²Ωcm 정도인 박막이며, 그 두께가 수 μm 정도이다. 이 반도전성 피복(831)에 반사 전자가 충돌해도, 대전은 곧바로 완화되며, 미소 방전을 방지할 수 있다.

또한, 반도전성 피복(831)은 절연 애자의 표면 전면(全面)에 마련하는 것만으로 한정되지 않으며, 표면의 일부에 마련하는 경우에도 효과가 있다. 표면의 일부에 마련할 경우에는, 반도전성 피복(831)의 도전성을 높여도 되고, 체적 저항율을 10¹⁰Ωcm 이하로 해도 된다. 피복 개소를 표면의 극히 일부로 한정한다면, 도전성의 금속 박막을 성막해도 되고, 메탈라이즈를 사용하여 성막해도 된다. 또한, 접촉점(511)의 근방에 반도전, 또는 금속 피복을 함으로써, 접촉점(511)에서의 전계 집중을 완화하는 효과가 추가된다.

실시예 9

실시예 8에서는, 애자를 반도전성 애자로 하거나, 또는, 애자에 반도전성 피복을 실시함으로써 대전을 방지하고, 미소 방전의 방지 효과를 높인 구성에 대해 설명했다. 실시예 9에서는, 서프레서를 반도전성의 지지부로 유지하고, 반사 전자의 절대 수를 저감하는 것에 의해서, 미소 방전의 방지 효과를 높인 구성에 대해 설명한다. 즉, 팁과, 팁의 선단보다 후방에 배치된 서프레서와, 서프레서를 유지하는 도전성의 지지부와, 저면과 통부로 이루어지며, 팁과 서프레서를 내포하는 인출 전극과, 지지부와 인출 전극을 유지하는 애자와, 지지부와 인출 전극의 통부 사이에 마련된 도전성 금속을 가진 전자총을 구비하고, 도전성 금속에 팁보다 낮은 전압을 인가하는 구성의 하전 입자선 장치의 실시예이다.

도 14를 사용하여, 실시예 9의 SE 전자총에 대해 설명한다. 또한, 지지부 이외의 구성은 실시예 1과 같으므로 설명을 생략한다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 서프레서(303)는 지지부(840)에 유지된다. 지지부(840)는 도전성의 금속 원통이며, 서프레서(303)와 동축 구조이다. 지지부(840)는 서프레서(303)와 접촉함으로써, 서프레서(303)와 동 전위가 된다. 지지부(840)는 애자(310)와 감합으로 유지된다. 애자(310)와 인출 전극(204)의 원통이 감합으로 유지된다. 이 결과, SE 팁(202)과 인출 전극(204) 사이의 정밀한 위치 결정과 동축 구조가 유지된다. 핀(207)에는 피드 스루(841)를 접속하여, 필라멘트(206)에 급전한다. 지지부(840)의 측면에는 차폐 전극(301)을 마련하고, 원통부(302)와 함께 애자(310)의 밑면(312)을 덮는 구조로 한다.

본 실시예에 있어서도, 서프레서(303)의 지지부(840)와 일체 구조인 차폐 전극(310)에 의해 반사 전자의 궤도가 제어되어, 반사 전자가 애자(310)에 충돌하는 위치가, 접촉점(511)으로부터 멀어진다. 이 결과, 대전에 의한 접촉점(511)의 전계 증가가 억제되어, 미소 방전을 방지할 수 있다. 또한, 서프레서(303)의 지지부(840)를 마련한 것에 의하여, SE 팁(202)과 애자(310)와의 거리가 멀어진다. 이 결과, 반사 전자가 애자(310)에 도달할 때까지의 충돌 횟수가 늘어나고, 전자의 절대 수가 저감함으로써 미소 방전을 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 본 실시예에 나타낸 바와 같이, 차폐 전극(310)은 서프레서 자신 이외에 설치해도 된다. 또한, 그 밖의 도전성 부품을 서프레서(303)나 지지부(840)에 추가하고, 접촉시킬 경우에도, 이 추가 부품에 차폐 전극(310)을 마련함으로써 동일한 효과를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니며, 다양한 변형이 포함된다. 예를 들어, 본 발명의 SE 팁(202)은 냉 음극 전계 방출 전자원이나 열전자원, 광 여기 전자원이어도 된다. 또한 SE 팁(202)의 재료는 텅스텐에 한정되지 않으며, LaB6, CeB6 탄소계 재료 등, 그 밖의 재료여도 된다. 또한 상기한 실시예는 본 발명을 알기 쉽게 설명하기 위해 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명된 모든 구성을 구비한 것에 한정되는 것이 아니다. 어떤 실시예의 구성의 일부를 다른 실시예의 구성으로 치환하는 것이 가능하며, 또한 어떤 실시예의 구성에 다른 실시예의 구성을 추가하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시예의 구성의 일부에 대해서, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다.

101 … SE 전자총, 102 … 제어 전극, 103 … 가속 전극, 109 … 터보 분자 펌프, 110 … 콘덴서 렌즈, 111 … 대물 렌즈, 112 … 시료, 113 … 시료실, 114 … 검출기, 115 … 전자선, 116 … 애자, 118 … 비증발 게터 펌프, 119 … 제 1 진공실, 120 … 이온 펌프, 121 … 이온 펌프, 122 … 이온 펌프, 125 … 통체, 126 … 제 2 진공실, 127 … 제 3 진공실, 128 … 제 4 진공실, 201 … 종래의 SE 전자총, 202 … SE 팁, 203 … 서프레서, 204 … 인출 전극, 205 … 산화 지르코늄, 206 … 필라멘트, 207 … 단자, 208 … 애자, 209 … 조리개, 210 … 애자, 301 … 차폐 전극, 302 … 원통부, 303 … 서프레서, 310 … 애자, 311 … 공극, 312 … 밑면, 313 … 윗면, 501 … 사이드 빔, 502 … 반사 전자, 503 … 반사 전자, 504 … 반사 전자, 505 … 반사 전자, 506 … 이차 전자, 507 … 표면, 510 … 전위 분포, 511 … 접촉점, 517 … 표면, 601 … 좁은 경로, 701 … 차폐 전극, 702 … 서프레서, 703 … 차폐 전극, 704 … 서프레서, 705 … 차폐 전극, 722 … 원통부, 723 … 원통부, 801 … 인출 전극, 802 … 개구, 803 … 개구, 804 … 반사 전자, 805 … 반사 전자, 810 … 사이드 빔, 811 … 반사 전자, 812 … 사이드 빔, 813 … 돌출부, 814 … 돌출부, 815 … 좁은 경로, 816 … 반사 전자, 817 … 반사 전자, 818 … 반사 전자, 819 … 반사 전자, 820 … 애자, 821 … 인출 전극 저부, 822 … 네크부, 823 … 좁은 경로, 824 … 인출 전극 원통부, 830 … 반도전성 애자, 831 … 반도전성 피복, 840 … 지지부, 841 … 피드 스루

Claims

팁과, 상기 팁의 선단(先端)보다 후방에 배치된 서프레서(suppressor)와, 저면(底面)과 통부(筒部)로 이루어지며, 상기 팁과 상기 서프레서를 내포하는 인출 전극과, 상기 서프레서와 상기 인출 전극을 유지하는 애자(碍子)와, 상기 서프레서와 상기 인출 전극의 통부 사이에 마련된 도전성 금속을 가진 전자총을 구비하고,
상기 도전성 금속에 상기 팁보다 낮은 전압을 인가하는
것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 애자의 단면(端面)에 단차를 갖게 하고, 상기 애자와 상기 인출 전극의 통부 사이에 공극(空隙)을 마련한
것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 도전성 금속의 일부를, 상기 공극까지 신장시키는 것
을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 도전성 금속과 상기 서프레서를 일체로 구성하는
것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 도전성 금속은 통 구조를 갖고, 상기 통 구조는 상기 인출 전극의 통부와 동축(同軸) 방향으로 신장되어 있는
것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 인출 전극에 적어도 두 개 이상의 개구를 마련하는
것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 인출 전극의 내측에 적어도 하나의 돌출부를 마련하는
것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 인출 전극과 상기 애자의 접촉 개소(箇所)의 내경은, 상기 인출 전극의 통부의 내경보다 작은
것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 애자를 반도전성의 재료로 구성하거나, 또는 상기 애자의 표면에 반도전성, 혹은 도전성의 박막을 마련하는
것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 팁의 선단의 곡률 반경을 0.5μm보다 크게 하는
것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 팁이 배치된 진공실을, 비증발 게터 펌프로 배기하는
것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
팁과, 상기 팁의 선단보다 후방에 배치된 서프레서와, 상기 서프레서를 유지하는 도전성의 지지부와, 저면과 통부로 이루어지며, 상기 팁과 상기 서프레서를 내포하는 인출 전극과, 상기 지지부와 상기 인출 전극을 유지하는 애자와, 상기 지지부와 상기 인출 전극의 통부 사이에 마련된 도전성 금속을 가진 전자총을 구비하고,
상기 도전성 금속에 상기 팁보다 낮은 전압을 인가하는
것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
제 12 항에 있어서,
상기 애자의 단면에 단차를 갖게 하고, 상기 애자와 상기 인출 전극의 통부 사이에 공극을 마련한
것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
제 13 항에 있어서,
상기 도전성 금속의 일부를, 상기 공극까지 신장시키는
것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
팁과,
상기 팁의 선단보다 후방에 배치된 서프레서와,
상기 팁에 전기적으로 접속된 단자와 상기 서프레서를 유지하는 애자와,
상기 서프레서의 측면에 설치된 도전성 금속을 구비하는
것을 특징으로 하는 전자원.