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公開番号2025144621
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-03
出願番号2024044357
出願日2024-03-21
発明の名称冷陰極電子源
出願人株式会社ホロン
代理人個人
主分類H01J 37/073 20060101AFI20250926BHJP(基本的電気素子)
要約【目的】本発明は、高輝度、長寿命の冷陰極を有する冷陰極電子源に関し、工場運用等で必要な10時間以上の超高輝度状態を安定かつ容易に維持できるコールドフィールドエミッターを有する冷陰極電子銃を実現することを目的とする。
【構成】電子ビームを放出する先端が尖ったエミッターと、エミッターの先端に対して電界を印加して電子ビームを引き出す、穴の開いたエクストラクターと、エミッターを保持およびフラッシングするための加熱する弾性体と、弾性体を支持および加熱する電源を供給する支柱とを備え、弾性体はエミッターを中心に対称の位置に配置した支柱に固定され、フラッシング時に弾性体が収縮してエミッターのドリフトを低減するように構成する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
エミッターから電子ビームを引き出す冷陰極電子源において、
電子ビームを放出する先端が尖ったエミッターと、
前記エミッターの先端に対して電界を印加して電子ビームを引き出す、穴の開いたエクストラクターと、
前記エミッターを保持およびフラッシングするための加熱する弾性体と、
前記弾性体を支持および前記加熱する電源を供給する支柱とを備え、
前記弾性体は前記エミッターを中心に対称の位置に配置した前記支柱に固定され、前記フラッシング時に当該弾性体が伸縮して前記エミッターのドリフトを低減したことを特徴とする冷陰極電子源。
続きを表示（約 920 文字）【請求項２】
エミッターから電子ビームを引き出す冷陰極電子源において、
電子ビームを放出する先端が尖ったエミッターと、
前記エミッターの先端に対して電界を印加して電子ビームを引き出す、穴の開いたエクストラクターと、
前記エミッターを保持およびフラッシングするための加熱する弾性体と、
前記弾性体を支持および前記加熱する電源を供給する支柱と、
前記エミッターの先端と反対側の部分を固定する熱絶縁性のエミッター支持部とを備え、
前記フラッシング時に前記エミッター支持部に固定された前記エミッターのドリフトを無くしあるいは低減したことを特徴とする冷陰極電子銃。
【請求項３】
請求項１において、前記弾性体および支柱を２の整数倍の個数を設けたことを特徴とする冷陰極電子銃。
【請求項４】
前記弾性体の加熱する部分を無くして、前記エミッターに加熱する部分を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷陰極電子銃。
【請求項５】
前記エミッターの先端を、前記エクストラクターの穴の上部に突出させ、電子ビームのエクストラクターへの衝突を少なくしてガス放出を低減あるいは電子ビーム利用効率を高めたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷陰極電子銃。
【請求項６】
前記エミッターの先端の形状を、スポット状にして高輝度かつ微小スポット、あるいはリング状にして高輝度かつ大電流の電子ビームとしたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷陰極電子銃。
【請求項７】
前記エミッターの先端から所定距離以上、離れた場所を非電子放出体でカバーし、先端部分から放出される電子ビームの輝度を高めるあるいはフラッシングによる輝度低下を低減したことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の冷陰極電子銃。
【請求項８】
前記先端の尖ったエミッターを、基板の上にデポジションあるいはエッチングにより形成したことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の冷陰極電子銃。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、高輝度、長寿命の冷陰極を有する冷陰極電子源に関するものである。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
電子ビーム装置は電子ビーム露光機やＣＤＳＥＭあるいは高速検査装置、修正装置として半導体デバイス製造および管理に広く使用されている。電子ビームは電子銃で発生した負電荷を有する素粒子の１つである電子を加速することで得られる。ドブロイ波長がオングストローム以下と短くｎｍオーダーのスポットに絞ることが出来るため、ｎｍオーダーの微細加工を必要とする最先端の半導体デバイスの製造や高速検査には必須である。
【０００３】
ムーアの法則に従い半導体デバイスは年々微細化あるいは集積化が進んでいる。近年多少飽和傾向があるものの、１枚のフォトマスクあるいは１枚のウエハー上に形成される半導体素子数は増加傾向にある。現在では最小線幅数１０ｎｍ以下のサイズを持つトランジスタが１兆個以上、１つのウエハー上に形成されている。生成ＡＩで使用される最先端ＧＰＵでは１つの半導体デバイスに１０００億個ものトランジスタが搭載されている。また、使用される半導体の個数そのものが生成ＡＩアプリケーション実行のためのデーターセンター建設によりどんどん増え続けている。
【０００４】
電子ビーム装置でこれらのデバイスを製造あるいは検査したりするためには相当大きなスループットが必要である。検査装置のスループットは画像取得速度で決まる。検査に活用可能なＳＮＲを有する画像を取得するためには１ピクセル当たり１０個から１０００個程度の電子照射が必要と言われている。スループットを高くするためには単位時間当たり１ピクセルに照射できる電子数を大きくすることが必要である。
【０００５】
電子源から放出された電子ビームはレンズによってスポット状に小さく絞られてサンプル表面に照射される。１つの電子銃で供給可能な最大電流密度は電子源の持つ最大輝度で決定される。現行の電子銃を利用する限り電子ビーム光学系を幾ら改良して収差を０にしても単位面積および時間当たりに照射可能な最大電子数は電子源の最大輝度で決まってしまいスループット向上には限界がある。
【０００６】
現在はＴＦＥと呼ばれる先端鋭利なタングステン針にジルコニウムを拡散して用いる熱電界型電子銃が広く利用されている。この電子銃は今から4０年ほど前に発明された。先端鋭利に加工したタングステン針先端を１７００ケルビン度程度に加熱した際に起こるジルコニウム拡散薄膜で覆うことで仕事関数を下げ高い輝度を実現する。エミッター先端に３ＫＶ以上の電圧を印加することで電子放出を行う。エミッター周辺に存在する気体は超高温のエミッターには吸着しにくいため周辺気体の影響を受けにくい。出力電流は非常に安定で雑音も小さく、ジルコニウムが枯渇するまで何年も連続して使用できる。但し１７００ケルビン度以上の高温で利用するため熱擾乱の作用により電子ビームのエネルギー分布が１ｅＶ程度ある。また、ビーム放出面積がミクロンサイズと比較的大きいため電子ビームを低エネルギーで数ｎｍオーダーの小さなスポットに絞ることは苦手である。
【０００７】
一方、ＴＦＥの３倍以上の輝度を実現できるコールドフィールドエミッター（ＣＦＥ）がある。コールドフィールドエミッターは名前が示す通り、室温で先端鋭利なタングステン針に高い電界を印加することで電子を放出させる電子源である。ＣＦＥの方が歴史的にはＴＦＥよりもずっと古い。室温で電子放出するため放出電子のエネルギー分布がＴＦＥの半分以下で０．３ｅＶ程度と小さく、電子ビーム光学系の持つ色収差の影響を受けにくいため同じ電子ビームエネルギーであれば、ＴＦＥよりも小さなスポットに電子ビームを絞ることが出来る。また、電子ビーム発生点が数１０ｎｍとＴＦＥよりも狭いため、縮小率の大きな電子光学系を用いた場合、光源サイズが無視できるように成り輝度が高くなる。針先端を液体窒素等で冷却すれば熱擾乱による電子ビームのエネルギー分散を小さくできるため数１０ミリボルト程度にエネルギー分布は小さくできる。
【０００８】
従来のコールドフィールドエミッターは起動直後に超高輝度領域が現れＴＦＥの１０倍以上の輝度が出る。しかしながら、数分でエミッター先端部にガス吸着が起こり輝度は１０分の１程度に減衰する。その後しばらく輝度が変化しない安定領域が現れる。安定領域が現れた後、少し印加電圧を増やしてＴＦＥの３倍程度の輝度を実現している。
【０００９】
従来のコールドフィールドエミッターはこの安定領域を利用している。この安定領域も数時間経つとエミッターへの水素吸着が徐々に増加して仕事関数を変動させるため電流値がばらついて不安定になり、最終的には電子放出が止まる。
【００１０】
そのたびに、フラッシングと呼ばれるエミッター先端部を数秒間１０００℃以上の高温に加熱して吸着した水素を放出する再活性化を行う。フラッシングを行うと輝度は元に戻るが、フラッシングを行うたびにエミッター先端が溶けて丸まるので、曲率半径が増加し同じ電圧を印加してもエミッター先端に生じる実効電界が減少する。
（【００１１】以降は省略されています）

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