电子束装置以及具备该电子束装置的X射线产生装置和扫描电子显微镜的制作方法

本发明涉及电子束装置以及具备该电子束装置的x射线产生装置和扫描电子显微镜。

背景技术：

在用于扫描电子显微镜、x射线产生装置等的电子束装置中，作为使电子束聚焦的电子透镜，使用磁场透镜、电场透镜。一般地，电场透镜与磁场透镜相比容易实现小型化。在专利文献1所记载的扫描电子显微镜中，将电子枪透镜以及物镜分别形成为电场透镜，从而使电子束装置小型化。

专利文献1：日本特开平6－111745号公报

电子束装置搭载于以x射线产生装置以及扫描电子显微镜为代表的各种设备。基于这样的背景，期望电子束装置本身的进一步小型化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高分辨率的小型电子束装置以及具备该电子束装置的x射线产生装置和扫描电子显微镜。

本发明的电子束装置的一个方式构成为，具备：阴极，上述阴极放射电子；阳极，上述阳极是形成电场以便借助从上述阴极放射出的上述电子来形成电子束的电极，且形成有供上述电子束穿过的第1孔；形成有开口的光阑部件，上述光阑部件将穿过上述阳极后的上述电子束的一部分遮蔽；以及最末级的电子透镜，上述最末级的电子透镜是形成电场以便使穿过上述开口后的上述电子束聚焦的电极，由形成有供上述电子束穿过的第2孔的一个单孔电极构成。

根据该结构，形成电场以便使电子束聚焦的最末级的电子透镜由一个单孔电极构成，因此，与例如像静电单透镜(einzellens)那样利用多个单孔电极来构成电子透镜的情况相比，能够实现小型化。因而，能够使电子束装置小型化。

另外，根据该结构，聚焦特性差的电子束的外周部的电子束由光阑部件遮蔽，仅聚焦特性好的电子束的中心部分穿过光阑部件的开口，在此基础上，利用最末级的电子透镜使电子束聚焦。因此，能够抑制分辨率的降低。

根据上述电子束装置的一个例子，上述光阑部件与上述单孔电极为相同电位。

根据该结构，无需设置用于防止单孔电极与光阑部件之间的放电的绝缘距离。因此，能够缩短单孔电极与光阑部件之间的距离。因而，能够使电子束装置小型化。

根据上述电子束装置的一个例子，作为赋予上述相同电位的方法，具备与赋予电位的配线不同的第1导通部件，上述第1导通部件使上述光阑部件与上述单孔电极在真空中导通。

根据该结构，能够用一条配线对单孔电极与光阑部件这两方赋予电位，能够减少配线，能够简化电子束装置的结构。

根据上述电子束装置的一个例子，上述阳极与上述光阑部件为相同电位。

根据该结构，无需设置用于防止阳极与光阑部件之间的放电的绝缘距离。因此，能够缩短阳极与光阑部件之间的距离。因而，能够使电子束装置小型化。

根据上述电子束装置的一个例子，作为赋予上述相同电位的方法，具备与赋予电位的配线不同的第2导通部件，上述第2导通部件使上述阳极与上述光阑部件在真空中导通。

根据该结构，能够用一条配线对阳极与光阑部件这两方赋予电位，因此能够减少配线，能够简化电子束装置的结构。

根据上述电子束装置的一个例子，沿着上述电子束的光轴的方向上的上述光阑部件与上述单孔电极之间的距离比上述第2孔的半径长。

根据该结构，能够忽略由光阑部件导致的电场透镜的作用，因此能够不考虑透镜作用地设计光阑部件的开口孔径。

根据上述电子束装置的一个例子，也可以构成为，上述阴极具有能够放射上述电子的平面即放射面，上述放射面的面积比上述第1孔的开口面积大。

根据该结构，例如与阴极由比较尖锐的金属构成的情况相比，无需进行阴极相对于第1孔的高精度的位置调整，因此能够容易地组装电子束装置。

根据上述电子束装置的一个例子，上述阴极为热电子放射型。

根据该结构，例如与使用电场放射型的阴极的结构相比，电子束装置内的真空度可以较低，因此能够使用于对电子束装置内进行真空化的真空泵小型化。

本发明的x射线产生装置具备上述电子束装置。

本发明的扫描电子显微镜具备上述电子束装置。

根据本发明的电子束装置以及具备该电子束装置的x射线产生装置和扫描电子显微镜，能够实现高分辨率且能够实现小型化。

附图说明

图1是电子束装置的一个实施方式的概略结构图。

图2是图1的聚焦电极及其周边的放大图。

图3是比较例的聚焦电极及其周边的放大图。

图4是变形例的电子束装置的一部分的概略结构图。

图5是变形例的电子束装置的一部分的概略结构图。

图6是变形例的电子束装置的一部分的概略结构图。

附图标记说明

1：电子束装置；21：阴极；21a：放射面；23：阳极；23a：第1孔；24：电热部；30：光阑部件；31：开口；40：聚焦电极(最末级的电子透镜)；41：第2孔；70：第1导通部件；80：第2导通部件。

具体实施方式

如图1所示，电子束装置1具备：借助真空泵(省略图示)而使内部成为真空状态的真空腔10；以及被收容于真空腔10的电子枪20、光阑部件30和聚焦电极40。电子束装置1还具备对电子枪20、光阑部件30、聚焦电极40以及对象物50通电的控制装置60。电子束装置1使从电子枪20射出的电子束穿过光阑部件30，由此对电子束的外周部进行遮蔽，在此基础上，利用聚焦电极40使电子书聚焦并使其向对象物50的表面即聚焦面51照射。电子束装置1例如被用于x射线产生装置以及扫描电子显微镜。在电子束装置1被用于x射线产生装置的情况下，对象物50是x射线产生靶材，在电子束装置1被用于扫描电子显微镜的情况下，对象物50是被检查物。

电子枪20具有平板状的阴极21、环状的控制电极22、环状的阳极23以及电热部24。阴极21是电子的产生源，能够使用电场放射型、肖特基型以及热电子放射型中的任一种。在本实施方式中，作为阴极21而使用热电子放射型。在本实施方式中，阴极21并未被直接通电加热，而是借助配置于附近的电热部24的通电加热而被加热至规定的温度从而放射热电子。阴极21、控制电极22以及阳极23在沿着电子束的光轴(图1的点划线)的方向即光轴方向z上相互离开地排列配置。控制电极22在光轴方向z上配置在阴极21与阳极23之间。控制电极22相对于阴极21被赋予负的电位，调整从阴极21放射的电子的量。随着控制电极22与阴极21之间的电位差变小，从阴极21放射的电子的量变多。

阴极21具有能够放射电子的平面即放射面21a。在控制电极22形成有供从阴极21放射出的热电子穿过的第3孔22a。第3孔22a的形状例如为圆形。在阳极23形成有供电子束穿过的第1孔23a。第1孔23a的形状例如为圆形。在优选的例子中，阴极21的放射面21a的面积比形成于距阴极21最近的电极、在本实施方式中为控制电极22的第3孔22a的开口面积b大。在第3孔22a的形状为圆形、第3孔22a的半径为rb的情况下，求出第3孔22a的开口面积b的计算式为“b＝π×rb²”。

光阑部件30相对于阳极23配置于与控制电极22相反侧。聚焦电极40相对于光阑部件30配置于与阴极21相反侧。换言之，光阑部件30配置于比聚焦电极40靠阴极21侧的位置。在光阑部件30形成有开口31，遮蔽穿过阳极23后的电子束的一部分。开口31的形状例如为圆形。开口31的直径能够考虑分辨率以及光量而任意地设定。在一个例子中，开口31的直径为2mm。

聚焦电极40配置于距对象物50最近的位置，是形成电场以便将电子束聚焦于对象物50的聚焦面51的最末级的电极。聚焦电极40例如是在平板形成有第2孔41的单孔电极。第2孔41的形状例如为圆形。第2孔41的直径比光阑部件30的开口31的直径大。第2孔41的直径优选被决定为不会遮挡穿过光阑部件30的开口31后的电子束的外周部的大小。在一个例子中，第2孔41的直径与阳极23的第1孔23a的直径相等或者比第1孔23a的直径大。在另一个例子中，聚焦电极40的第2孔41的直径与控制电极22的第3孔22a的直径相等或者比第3孔22a的直径大。如图1所示，控制电极22的第3孔22a、阳极23的第1孔23a、光阑部件30的开口31以及聚焦电极40的第2孔41各自的中心轴同轴。

电子束装置1包括将光阑部件30与聚焦电极40在真空中导通的第1导通部件70。第1导通部件70例如是将光阑部件30与聚焦电极40相连的圆筒状的部件。另外，电子束装置1包括将阳极23与光阑部件30在真空中导通的第2导通部件80。第2导通部件80例如是将阳极23与光阑部件30相连的圆筒状的部件。在本实施方式中，阳极23、光阑部件30、聚焦电极40、第1导通部件70以及第2导通部件80由以相同的金属材料形成的一个部件构成。

控制装置60经由线束等连接部件61、62、63、64、65而与阴极21、控制电极22、阳极23、电热部24以及对象物50电连接。控制装置60能够基于在电子束装置1设置的操作部(省略图示)的操作，变更对阴极21、控制电极22、阳极23、电热部24以及对象物50赋予的电位。以下，说明控制装置60对阴极21、控制电极22、阳极23、电热部24以及对象物50的通电方式，以及根据该通电方式而向对象物50的聚焦面51照射的电子束。

控制装置60构成为：对电热部24通电而对阴极21进行加热，并且相对于阴极21的电位而对控制电极22赋予负的电位，对阳极23赋予正的电位。另外，控制装置60构成为：相对于对象物50的电位而对聚焦电极40赋予负的电位，利用对象物50与聚焦电极40之间的电位差使电子加速。此外，在本实施方式中，如上所述阳极23与聚焦电极40为相同电位。另外，阴极21、控制电极22、阳极23以及对象物50中的任一个也可以不与控制装置60连接，而是接地电位。

借助这样的电位差，从阴极21放射出的电子被阳极23抽出而形成电子束。通过在控制电极22与阳极23之间产生电位差而形成电场。由控制电极22与阳极23的电位差产生的控制电极22与阳极23之间的等电位面的一部分经由控制电极22的第3孔22a而向控制电极22与阴极21之间呈弯曲状地鼓出，形成用于使电子束聚焦的电场透镜。另外，通过产生聚焦电极40与对象物50之间的电位差而形成电场。如图2所示，由聚焦电极40与对象物50的电位差产生的聚焦电极40与对象物50之间的等电位面的一部分经由聚焦电极40的第2孔41而向聚焦电极40与光阑部件30之间呈弯曲状地鼓出，形成用于将电子束聚焦于对象物50的聚焦面51的最末级的电场透镜。此外，在本实施方式中，如上所述阳极23、光阑部件30以及聚焦电极40为相同电位，因此电子束在它们之间大致直线前进。

如图1所示，电子束在控制电极22与阳极23之间聚焦而交叉(crossover)之后，穿过阳极23的第1孔23a。因此，从阳极23朝向聚焦电极40大致直线前进的电子束的束径越趋近聚焦电极40则越宽。

在如电子束装置1那样设置有光阑部件30的情况下以及与电子束装置1不同未设置光阑部件30的情况下中的任一种结构中，都利用由聚焦电极40形成的最末级的电场透镜来使电子束聚焦，在电子束的束径变小的状态下向对象物50的聚焦面51照射。但是，对于借助由聚焦电极40形成的电场进行聚焦的电子束，到达该电场前的电子束的束径越大，则球面像差的影响越大，越得不到高分辨率。在设置有光阑部件30的电子束装置1中，在由阳极23形成的电子束穿过光阑部件30的开口31的情况下，电子束的外周部被光阑部件30遮挡，仅电子束的中心部穿过开口31。因此，电子束的束径被缩小至比穿过开口31前的束径小的开口31的直径。由此，到达由聚焦电极40形成的最末级的电场透镜的电子束的束径变小，因此球面像差的影响变小，能够得到高分辨率。

接下来，对阳极23、光阑部件30以及聚焦电极40的关系进行说明。此外，在以下的说明中，阳极23、光阑部件30以及聚焦电极40的各部件间的距离表示光轴方向z上的各部件间的距离。

在本实施方式中，如上所述，借助第1导通部件70以及第2导通部件80，阳极23、光阑部件30以及聚焦电极40相互成为相同电位，因此无需使阳极23与光阑部件30之间绝缘以便防止放电，另外也无需使光阑部件30与聚焦电极40之间绝缘以便防止放电。即，从防止放电的观点出发，阳极23与光阑部件30之间的距离以及光阑部件30与聚焦电极40之间的距离分别能够任意变更，能够比防止放电所需的绝缘距离短。在本实施方式中，阳极23与光阑部件30之间的距离比光阑部件30与聚焦电极40之间的距离大，在电子束较宽的部位处，光阑部件30将电子束遮挡。

另一方面，光阑部件30与聚焦电极40之间的距离存在如下的制约。如图3所示，若光阑部件30与聚焦电极40之间的距离近，则从聚焦电极40的第2孔41朝向光阑部件30泄漏的电场的等电位面分别成为在沿着光阑部件30的下表面的方向上延伸的直线状，使得电子束难以聚焦。除此之外，从聚焦电极40的第2孔41朝向光阑部件30泄漏的电场的等电位面的一部分会因光阑部件30的开口31而弯曲地变化。由此，穿过光阑部件30的开口31的电子束聚焦。对于光阑部件30的开口31的孔径，仅考虑由球面像差的减少带来的分辨率的提高、以及到达对象物50的电子量的平衡进行设计即可，但若也同时作为透镜发挥作用，则也需要同时满足焦距等透镜特性的制约，因此，结果有可能无法得到充分的分辨率。

因此，光阑部件30与聚焦电极40之间的距离设定成比聚焦电极40的第2孔41的半径长。更优选为，光阑部件30与聚焦电极40之间的距离设定成聚焦电极40的第2孔41的直径以上。在本实施方式中，光阑部件30与聚焦电极40之间的距离比聚焦电极40的第2孔41的直径长。由此，如图2所示，由从聚焦电极40的第2孔41朝向光阑部件30泄漏的电场的等电位面的一部分形成的最末级的电场透镜难以形成至光阑部件30的开口31，能够忽略开口31处的透镜作用。因而，能够仅考虑分辨率和光量来设计光阑部件30的开口31的孔径，容易得到所希望的电子枪性能。

根据本实施方式的电子束装置1，能够起到以下的效果。

(1)聚焦电极40为一个单孔电极，因此，与假定例如利用具有多个单孔电极的静电单透镜构成聚焦电极40的情况相比，能够在光轴方向z上使聚焦电极40小型化。因而，能够使电子束装置1小型化。除此之外，在光轴方向z上的阳极23与对象物50之间，用于使电子束聚焦的电极仅为聚焦电极40这一个，因此能够使电子束装置1更加小型化。

另外，从阳极23朝光阑部件30放射的电子束的束径越趋近光阑部件30则越大。而且，仅电子束的中心部穿过光阑部件30的开口31，在此基础上借助聚焦电极40使电子束聚焦。因此，能够降低球面像差的影响。由于以这种方式设置光阑部件30，因此，即便在光阑部件30与对象物50的聚焦面51之间存在的电极为一个，也能够得到高分辨率。由此，能够在得到高分辨率的同时使电子束装置1小型化。

另外，在假定光阑部件30配置于比聚焦电极40靠对象物50侧的位置、且对光阑部件30赋予与对象物50相同的电位的情况下，为了减小球面像差的影响，需要用光阑部件30遮挡由聚焦电极40聚焦后的电子束的外周部。因此，光阑部件30的开口31需要形成为比聚焦后的电子束的直径还小的直径，并且需要配置于电子束的中心位置，不得不提高加工精度以及位置精度。另外，除此之外还存在如下可能性：为了使电子束穿过光阑部件30的开口31，需要设置电子束的位置调整用的偏转器等而追加构成部件。

在本实施方式中，即将由聚焦电极40聚焦前的电子束、即由电子枪20一度聚焦而后又扩径后的电子束穿过光阑部件30的开口31。因此，即便光阑部件30的开口31的加工精度以及位置精度低也能够遮挡所希望的量的电子束。因而，能够容易地组装电子束装置1。另外，无需设置偏转器，能够简化电子束装置1的结构。

(2)通过对光阑部件30与聚焦电极40赋予相同电位，无需设置用于防止聚焦电极40与光阑部件30之间的放电的绝缘距离。因此，能够缩短光轴方向z上的聚焦电极40与光阑部件30之间的距离。因而，能够使电子束装置1小型化。

(3)通过用第1导通部件70使光阑部件30与聚焦电极40在真空中导通，即便减少将控制装置60与聚焦电极40及光阑部件30电连接的配线，聚焦电极40与光阑部件30也为相同电位。因而，能够简化电子束装置1的结构。

(4)由于光阑部件30与聚焦电极40之间的距离比聚焦电极40的第2孔41的半径长，因此能够忽略由光阑部件30导致的电场透镜的作用。因而，能够仅考虑分辨率以及光量而设计光阑部件30的开口31的孔径。

(5)通过对阳极23与光阑部件30赋予相同电位，无需设置用于防止阳极23与光阑部件30之间的放电的绝缘距离。因此，能够缩短光轴方向z上的阳极23与光阑部件30之间的距离。因而，能够使电子束装置1小型化。

(6)通过用第2导通部件80使阳极23与光阑部件30在真空中导通，即便减少将控制装置60与阳极23及光阑部件30电连接的配线，阳极23与光阑部件30也为相同电位。因而，能够简化电子束装置1的结构。

尤其是由于阳极23、光阑部件30以及聚焦电极40相互导通，因此能够用一条配线将控制装置60与阳极23、光阑部件30及聚焦电极40电连接。因而，能够进一步简化电子束装置1的结构。

(7)阴极21优选为热电子放射型。对阴极21赋予热量的方法可以是直接通电加热的直热型，也可以是还具备对阴极21进行加热的电热部24的旁热型。在任一情况下，由于阴极21为热电子放射型，因此，与例如阴极21为电场放射型的情况相比，真空腔10内的真空度可以较低。因此，能够使用于对真空腔10内进行真空化的真空泵小型化。

(8)另外，阴极21的形状优选为平面。通过使阴极21的放射面21a的面积比距阴极21最近的电极、即控制电极22的第3孔22a的开口面积大，即便在与光轴方向z正交的方向上阴极21相对于控制电极22从预先设定的位置偏移，也能够以使得从阴极21放射的电子束的光轴与控制电极22的第3孔22a的中心轴ー致的状态使电子穿过第3孔22a。这样，不需要进行阴极21相对于控制电极22的高精度的位置调整，因此能够容易地组装电子束装置1。

(9)另外，从寿命、光学特性的长期稳定性的观点出发，优选阴极21为浸渍型平面热阴极。例如，在作为电子枪20而应用免维护的密闭型电子枪的情况下，由于密闭型电子枪的更换频率少，因此能够减少电子束装置1的维护费用。此外，密闭型电子枪形成为在电子枪的一部分构成要素因故障等而需要更换的情况下对电子枪整体进行更换的结构。

(变形例)

与上述实施方式相关的说明是本发明的电子束装置、x射线产生装置以及扫描电子显微镜所能采用的方式的例示，并非意图对其方式进行限制。本发明的电子束装置、x射线产生装置以及扫描电子显微镜例如还能采用以下所示的上述实施方式的变形例、以及将彼此并不矛盾的至少2个变形例组合而得的方式。

·在上述实施方式中，利用电子枪20的控制电极22形成电子束的交叉来提高分辨率，但电子枪20的结构并不限于此。也可以从电子枪20之中省略控制电极22。由此，能够实现电子枪20的小型化。

·在上述实施方式中，阳极23、光阑部件30以及聚焦电极40相互导通，但阳极23、光阑部件30以及聚焦电极40的电气结构并不限于此，能够按照如下的(a)～(h)所示的方式变更。

(a)如图4所示，光阑部件30、聚焦电极40以及第1导通部件70形成为ー体，阳极23相对于光阑部件30、聚焦电极40以及第1导通部件70相独立地形成。即，省略了第2导通部件80。控制装置60例如借助线束等连接部件63a而与阳极23电连接，并借助连接部件63b而与光阑部件30、聚焦电极40以及第1导通部件70电连接。控制装置60以使得阳极23与光阑部件30及聚焦电极40相互成为相同电位的方式对阳极23、与光阑部件30以及聚焦电极40通电。根据该结构，可得到与上述实施方式的(1)～(5)、(7)、(8)以及(9)相同的效果。

(b)如图5所示，彼此独立地形成阳极23、光阑部件30以及聚焦电极40，不使它们相互导通。即，省略了第1导通部件70以及第2导通部件80。控制装置60例如经由线束等连接部件63c、63d、63e而与阳极23、光阑部件30以及聚焦电极40分别电连接。控制装置60以使得阳极23、光阑部件30以及聚焦电极40相互成为相同电位的方式对阳极23、光阑部件30以及聚焦电极40分别通电。根据该结构，可得到与上述实施方式的(1)、(2)、(4)、(5)、(7)、(8)以及(9)相同的效果。

(c)在图4的变形例中，控制装置60使光阑部件30及聚焦电极40与阳极23之间产生电位差，以使得光阑部件30及聚焦电极40与阳极23相互成为不同电位。根据该结构，可得到与上述实施方式的(1)～(4)、(7)、(8)以及(9)相同的效果。

(d)在图4的变形例中，控制装置60以使得光阑部件30以及聚焦电极40成为相同电位的方式对光阑部件30、聚焦电极40以及第1导通部件70中的任一个通电，并且使阳极23与光阑部件30及聚焦电极40之间产生电位差以使得光阑部件30与阳极23相互成为不同电位。根据该结构，可得到与上述实施方式的(1)、(2)、(4)、(7)、(8)以及(9)相同的效果。

(e)在图5的变形例中，控制装置60以使得阳极23以及光阑部件30成为相同电位的方式对阳极23以及光阑部件30分别通电，并且使光阑部件30与聚焦电极40之间产生电位差，以使得光阑部件30与聚焦电极40相互成为不同电位。根据该结构，可得到与上述实施方式的(1)、(4)、(5)、(7)、(8)以及(9)相同的效果。

(f)在图5的变形例中，控制装置60使阳极23、光阑部件30以及聚焦电极40之间产生电位差，以使得阳极23、光阑部件30以及聚焦电极40的电位相互不同。根据该结构，可得到与上述实施方式的(1)、(4)、(7)、(8)以及(9)相同的效果。

(g)如图6所示，阳极23以及光阑部件30形成为ー体，聚焦电极40相对于阳极23以及光阑部件30相独立地形成。即，省略了第1导通部件70。控制装置60例如借助线束等连接部件63f而与阳极23以及光阑部件30电连接，并借助连接部件63g而与聚焦电极40电连接。控制装置60以使得阳极23及光阑部件30与聚焦电极40相互成为相同电位的方式对阳极23及光阑部件30和聚焦电极40通电。根据该结构，可得到与上述实施方式的(1)、(2)以及(4)～(9)相同的效果。

(h)在图6的变形例中，控制装置60以使得阳极23以及光阑部件30成为相同电位的方式对阳极23以及光阑部件30中的任一个通电，并且使阳极23及光阑部件30与聚焦电极40之间产生电位差，以使得光阑部件30与聚焦电极40相互成为不同电位。根据该结构，可得到与上述实施方式的(1)以及(4)～(9)相同的效果。