特許 7474889 荷電粒子源、荷電粒子線装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-17

(45)【発行日】2024-04-25

(54)【発明の名称】荷電粒子源、荷電粒子線装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/065 20060101AFI20240418BHJP

   H01J 37/06 20060101ALI20240418BHJP

   H01J 37/073 20060101ALI20240418BHJP

【ＦＩ】

H01J37/065

H01J37/06 A

H01J37/073

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2023028436

(22)【出願日】2023-02-27

(62)【分割の表示】P 2020558718の分割

【原出願日】2018-12-05

(65)【公開番号】P2023062203

(43)【公開日】2023-05-02

【審査請求日】2023-02-27

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】福田 真大

(72)【発明者】

【氏名】本田 和広

【審査官】中尾 太郎

(56)【参考文献】

【文献】特表昭６０－５０１５８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－３５７６５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１０５８３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０３６９８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－２８３０６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－００７１９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３３９９２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５１２０６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０９６３３８１５（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】国際公開第２０１０／０７０８３７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】Xiuyuan Shao et al.，A Review Paper on "Graphene Field Emission for Electron Microscopy"，Preprints，スイス，Preprints.org，2018年05月09日，preprints201805.0142.v1

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ３７／０６５

Ｈ０１Ｊ ３７／０６

Ｈ０１Ｊ ３７／０７３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

荷電粒子を放出する荷電粒子源であって、
先端から荷電粒子を放出するエミッタを備え、
前記エミッタは、針部の先端に球面を取り付けた形状を有しており、
前記針部と前記球面の交点を前記球面の中心と結ぶ直線が、前記荷電粒子の光軸との間でなす角度は、９０°超であり、
前記球面の表面上の第１位置と前記中心との間の距離は、前記交点と前記中心との間の距離と等しく、
前記針部は、前記エミッタの先端に向かって先細る形状を有しており、
前記針部の外側面と前記荷電粒子の光軸がなす角度は、５°以下である
ことを特徴とする荷電粒子源。

【請求項2】

荷電粒子を放出する荷電粒子源であって、
先端から荷電粒子を放出するエミッタを備え、
前記エミッタは、針部の先端に球面を取り付けた形状を有しており、
前記針部と前記球面の交点を前記球面の中心と結ぶ直線が、前記荷電粒子の光軸との間でなす角度は、９０°超であり、
前記球面の表面上の第１位置と前記中心との間の距離は、前記交点と前記中心との間の距離と等しく、
前記エミッタは、タングステン単結晶で形成されており、
前記タングステン単結晶の＜１００＞方位となる軸方位は、前記荷電粒子の光軸とみなす
ことを特徴とする荷電粒子源。

【請求項3】

前記球面の半径は１μｍ以上であることを特徴とする請求項１から２のいずれか１項記載の荷電粒子源。

【請求項4】

前記エミッタの先端は、前記荷電粒子の光軸に対して垂直な第１平坦面を有するとともに、前記荷電粒子の光軸に対して平行な第２平坦面を複数有する
ことを特徴とする請求項１から２のいずれか１項記載の荷電粒子源。

【請求項5】

荷電粒子源と、開口を有する引出電極を備え、
前記荷電粒子源は、
先端から荷電粒子を放出するエミッタを備え、
前記エミッタは、針部の先端に球面を取り付けた形状を有しており、
前記針部と前記球面の交点を前記球面の中心と結ぶ直線が、前記荷電粒子の光軸との間でなす角度は、９０°超であり、
前記球面の表面上の第１位置と前記中心との間の距離は、前記交点と前記中心との間の距離と等しく、
前記エミッタの先端は、前記荷電粒子の光軸に対して垂直な第１平坦面を有するとともに、前記荷電粒子の光軸に対して平行な第２平坦面を複数有し、
前記第１平坦面から放出された第１荷電粒子は前記開口を通過し、前記第２平坦面から放出された第２荷電粒子は前記引出電極に衝突するように、前記引出電極に電圧が印加される
ことを特徴とする荷電粒子線装置。

【請求項6】

前記第２平坦面は、前記光軸に対して直交する第１直線と直交するように形成されているとともに、前記光軸と前記第１直線それぞれに対して直交する第２直線と直交するように形成されている
ことを特徴とする請求項４記載の荷電粒子源。

【請求項7】

前記エミッタは、前記第１位置から前記荷電粒子を、第１範囲を有する第１軌道で放出し、前記球面の表面上の第２位置から前記荷電粒子を、第２範囲を有する第２軌道で放出し、
前記第１位置から放出される前記荷電粒子の仮想陰極面と前記第１位置との間の距離は、前記第２位置から放出される前記荷電粒子の仮想陰極面と前記第２位置との間の距離と等しい、
ことを特徴とする請求項１から２のいずれか１項記載の荷電粒子源。

【請求項8】

前記荷電粒子源は、熱電界放射型電子放出源であることを特徴とする請求項１から２のいずれか１項記載の荷電粒子源。

【請求項9】

前記エミッタの先端近傍に形成される等電位面は、前記球面の中心よりも前記エミッタの先端側の領域において、前記球面の表面形状と平行である
ことを特徴とする請求項１から２のいずれか１項記載の荷電粒子源。

【請求項10】

前記荷電粒子の光軸と前記球面の交点における第１電界は、第１電界強度を有し、
前記球面上の前記光軸と前記球面の交点以外の位置における第２電界は、第２電界強度を有し、
前記第１電界強度は前記第２電界強度よりも大きい
ことを特徴とする請求項１から２のいずれか１項記載の荷電粒子源。

【請求項11】

荷電粒子を放出する荷電粒子源であって、
先端から荷電粒子を放出するエミッタを備え、
前記エミッタは、針部の先端に球面を取り付けた形状を有しており、
前記針部と前記球面の交点を前記球面の中心と結ぶ直線が、前記荷電粒子の光軸との間でなす角度は、９０°超であり、
前記球面の表面上の第１位置と前記中心との間の距離は、前記交点と前記中心との間の距離と等しく、
前記針部は、前記荷電粒子の光軸と平行な形状を有する
ことを特徴とする荷電粒子源。

【請求項12】

荷電粒子を放出する荷電粒子源であって、
先端から荷電粒子を放出するエミッタを備え、
前記エミッタは、針部の先端に球面を取り付けた形状を有しており、
前記針部と前記球面の交点を前記球面の中心と結ぶ直線が、前記荷電粒子の光軸との間でなす角度は、９０°超であり、
前記球面の表面上の第１位置と前記中心との間の距離は、前記交点と前記中心との間の距離と等しく、
前記針部は、前記エミッタの先端に向かって次第に太くなる形状を有している
ことを特徴とする荷電粒子源。

【請求項13】

請求項１から２、１１、または１２記載の荷電粒子源を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、荷電粒子を放出する荷電粒子源に関する。

【背景技術】

【0002】

荷電粒子源は、例えば走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）のような荷電粒子線装置において用いられている。ＳＥＭは、集束した電子ビームを試料上で走査させることによって得られる画像を用いて、試料形状の測定や検査を実施する装置である。昨今の半導体デバイスの複雑化や微細化にともない、特に半導体デバイス検査用のＳＥＭにおいては、高分解能、測定や検査のスループット向上、などの要望が強くなっている。高電流密度条件においてＳＥＭの検査感度や測長能力を向上させるためには、電子源から放出される粒子のエネルギー幅を狭くすること、電子源径を縮小すること、が有効である。

【0003】

下記特許文献１は、『比較的角電流密度の高い使用において、従来に比べ余剰電流および引き出し電圧の増大を抑制でき、しかもエネルギー幅を抑制した電子源を提供する。』ことを課題として、『軸方位が＜１００＞方位の高融点金属の単結晶からなるニードルに前記高融点金属の仕事関数を低減するための元素の供給源を設けてなる電子源であって、前記ニードル先端の先鋭部が、円錐部（Ａ）と、前記円錐部（Ａ）に続く円柱部（Ｂ）と、前記円柱部（Ｂ）に続き、最先端部が球状の円錐部（Ｃ）とからなる形状であって、しかも円錐部（Ａ）の円錐角（θ）が２５度以下であり、かつ円錐部（Ｃ）先端の球状部の曲率半径（ｒ）が１．０～２．５μｍであり、かつ円錐部（Ａ）と円柱部（Ｂ）の境界から円錐部（Ｃ）の先端までの距離（Ｌ）に対する円錐部（Ｃ）先端の球状部の曲率半径（ｒ）の比（ｒ／Ｌ）が０．１～０．３であることを特徴とする電子源。』という技術を記載している（要約参照）。

【0004】

下記特許文献２は、『本発明では、高輝度で狭エネルギー幅の電子放出素子および電子銃を実現することを目的とする。さらに、該電子放出素子および電子銃を搭載した、高輝度かつ高分解能の電子顕微鏡および電子線描画装置を実現することを目的とする。』ことを課題として、『炭素を主成分とするチューブ状物質を用いた電子放出素子では、その閉構造領域の五員環近傍から電子が放出されると考えられる。五員環間隔を広げて、空間電子反発によるエネルギー分散効果を低減するためには太径のチューブが必要である。本発明では、キャップ構造の力学的歪みを低減することにより、安定な構造の太径チューブ構造を実現する。』という技術を開示している（要約参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００５－３３９９２２号公報

【文献】特開２００８－３０５５９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１は、電子源が円錐部と円柱部を有するように構成することにより、高電流密度条件において粒子のエネルギー幅を小さくすることを図っている。他方で同文献の電子源形状は、球面部と円柱部の交点近傍においてエミッタ形状が非連続となるので、電子源の中心軸から離軸した位置における電界は不均一である。この離軸位置から電子が放出されると、不均一な電界強度が射出電子に対して収差として作用し、電子源径が増大してしまう。電子源径が増えることはビーム径が増えることにつながるので、空間解像度が低下する。すなわち同文献記載の電子源は、粒子のエネルギー幅は狭くなるものの、特に高電流密度条件において、ＳＥＭの検査感度や測長能力の低下を防ぐことは困難である。

【0007】

特許文献２は、カーボンナノチューブを電子源として用いる場合において、チューブの構造を安定化させる手法を記載している。しかし同文献においては、電子源近傍の電界については特段考慮していない。したがって同文献記載の技術により、ＳＥＭの検査感度や測長能力の低下を防ぐことができるか否かは必ずしも明らかではない。

【0008】

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、高角電流密度条件においても、放出される荷電粒子ビームのエネルギー分散が小さく、小さい光源径であっても安定して大きな荷電粒子電流を得ることができる荷電粒子源を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明に係る荷電粒子源は、荷電粒子が出射する仮想陰極面が球面形状を有しており、エミッタ先端表面の第１位置から放出される荷電粒子の仮想陰極面と、前記エミッタ先端表面の第２位置から放出される荷電粒子の仮想陰極面とが一致する。

【発明の効果】

【0010】

本発明に係る荷電粒子源によれば、エミッタ先端近傍における電界強度分布が広い範囲にわたって一様となる。これにより、放出される荷電粒子ビームのエネルギー分散が小さく抑えるとともに、小さい光源径であっても安定して大きな荷電粒子電流を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1A】従来の荷電粒子源１が有する先端形状の１例を示す側面図である。

【図1B】図１Ａに示す荷電粒子源１の近傍における電界強度分布を示す図である。

【図2A】従来の荷電粒子源１が有する先端形状の別例を示す側面図である。

【図2B】図２Ａの形状例において仰角αを９０度とした場合における電界強度分布を示す図である。

【図3】実施形態１に係る荷電粒子源１が有する先端形状を示す側面図である。

【図4】実施形態１に係る荷電粒子源１の近傍における電界強度分布を示す図である。

【図5】荷電粒子源１の表面における電界強度のシミュレーション結果を示す。

【図6】電子のエネルギー幅（ΔＥ）と球面４の半径Ｒとの間の対応関係を示すグラフである。

【図7】実施形態３に係る荷電粒子源１が有する先端形状を示す図である。

【図8】引出電極２０近傍の放出荷電粒子軌道を示す図である。

【図9】荷電粒子源１を備えた荷電粒子線装置１００の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

＜従来の荷電粒子源について＞
図１Ａは、従来の荷電粒子源１が有する先端形状の１例を示す側面図である。荷電粒子源１は、エミッタ針７の先端に球面形状の先端部を有する。先端部は中心点５を中心として半径Ｒを有する。エミッタ針７の稜線と先端部球面との間の交点９は、光軸３に対して仰角αを有する位置にある。エミッタ針７の稜線と光軸３との間の角度θをコーン角と呼ぶ場合もある。エミッタ針７の先端部に熱または高電界が印可されると、電子が光軸３の方向に放出される。

【0013】

従来の荷電粒子源１においては、仰角αが９０度よりも小さいので、後述するように先端部近傍の電界強度分布が一様ではない。特に交点９の近傍に近づくにつれて電界強度分布が不均一となる。その結果、光軸３から離れた個所から放出される電子は、いわゆる近軸軌道に乗らず、軸外収差を受けることになる。これにより荷電粒子ビームの光源径が増大することになるので、荷電粒子ビームの空間解像度が低下する。軸外収差を小さくするためには、荷電粒子ビームの取り込み角（後述）を小さくする必要があるが、その場合は大きな荷電粒子電流を得ることができない。荷電粒子ビーム取り込み角が小さくても、角電流密度が大きければ大電流を得ることができるが、小さい取り込み角度で角電流密度を上げると放出される荷電粒子ビームのエネルギー分散が大きくなってしまう。

【0014】

図１Ａのような先端形状は以下の課題もある：（ａ）エミッタ先端近傍における電界強度分布が不均一であること、（ｂ）先端形状が均一である領域が小さいので先端形状が熱力学的に不安定となり容易に先端形状が変化すること、などの原因により、放出される荷電粒子の特性が不安定となってしまう。

【0015】

特に半導体検査用ＳＥＭにおいては、検査速度向上の解決策として電子ビームの高速走査が有効である。良質な画像を得るためには荷電粒子源を高角電流密度条件で動作させることが求められる。しかし高角電流密度条件においては、上述の理由により電子ビームのエネルギー幅が拡がるとともに光源径が増大するので、ＳＥＭの空間分解能が低下し、検査感度や寸法測定能力が低下することが課題となっている。

【0016】

図１Ｂは、図１Ａに示す荷電粒子源１の近傍における電界強度分布を示す図である。荷電粒子源１の先端近傍には、図示しない引出電極によって生じた電界が生じている。電界の強度と分布は等電位面１６によって表される。仰角αが９０度よりも小さいので、交点９における球面の接線１３が光軸３と交差することになる。このような形状においては、球面４近傍の電界強度分布が不均一となってしまう。等電位面１６が球面４やエミッタ針７と平行でないことがこれを表している。

【0017】

図１Ｂにおいて、球面４の表面上における荷電粒子ビームの放出点Ｓ１～Ｓ３を例示した。各放出点からの荷電粒子ビームはそれぞれ軌道１７を有する。軌道１７の稜線の交点は、幾何学的にその位置から荷電粒子が放出されたとみなすことができる。この仮想的な放出点を仮想陰極面１０と呼ぶ。図１Ｂのような先端形状においては、仮想陰極面１０が光軸３に対して垂直な方向に伸びた楕円面形状となる。そうすると、放出点Ｓ１と仮想陰極面１０との間の距離、放出点Ｓ２と仮想陰極面１０との間の距離、放出点Ｓ３と仮想陰極面との間の距離は、それぞれ互いに異なることになるので、放出点Ｓ１～Ｓ３は等価ではない。放出点Ｓ１とＳ２のように近接している放出点同士は近似的に等価とみなすことができるものの、そのようにみなすことができる範囲はごくわずかである。したがって荷電粒子ビームの特性を等価とみなすことができる許容仰角βも小さい。

【0018】

仮想陰極面１０の中心に平面状の仮想光源１１が配置されていると仮定する。荷電粒子源１の下流側（荷電粒子源１と試料との間の空間）には、荷電粒子ビームを絞り込むための開口板が設けられている。球面４の表面上の各位置から荷電粒子ビームが放出されているが、開口を調整して取り込み角を絞り込むことにより、試料に対して照射する荷電粒子ビームを絞ることができる。取り込む（開口板を通過させる）荷電粒子ビームの軌道１７の稜線を仮想光源１１まで延伸したとき、取り込み角に応じて仮想光源１１の両端（すなわち仮想光源１１のサイズ）が定まる。大きな荷電粒子電流を得るために取り込み角を広く取ると（例えば図１Ｂの放出点Ｓ３からの荷電粒子ビームを取り込む）、仮想光源１１のサイズが大きくなる。光源サイズが大きくなることは荷電粒子ビームの空間解像度が低下することを意味する。

【0019】

図２Ａは、従来の荷電粒子源１が有する先端形状の別例を示す側面図である。図２Ａにおいて、エミッタ先端部は球面部と平坦部（または円柱部）に分かれている。平坦部とエミッタ針７は交点９’で交わる。仰角αは図１Ａと同じである。図２Ａの荷電粒子源１は、電子放出動作としては図１Ａと同じであるが、エミッタ先端部周辺における電界強度分布が図１Ａとは異なるので、電子放出特性も図１Ａとは異なる。

【0020】

図２Ｂは、図２Ａの形状例において仰角αを９０度とした場合における電界強度分布を示す図である。仰角αを９０度とした場合、接線１３は光軸３と平行となる。この場合であっても、特に交点９’近傍において、等電位面１６が示しているように電界強度分布が不均一となる。また仮想陰極面１０も図１Ｂと同様に球面ではなく楕円面形状となる。したがって図２Ｂにおいても同様の課題が生じる。

【0021】

＜実施の形態１＞
図３は、本発明の実施形態１に係る荷電粒子源１が有する先端形状を示す側面図である。図３において、エミッタ針７の稜線と球面４が交わる交点９は、仰角αが９０度超となる位置に配置されている。その他の構成は図１Ａと同様である。

【0022】

図４は、本実施形態１に係る荷電粒子源１の近傍における電界強度分布を示す図である。図４において、等電位面１６の形状は、交点９の近傍においても比較的一様である。換言すると、等電位面１６が球面４と平行な領域が、図１Ｂや図２Ｂよりも広い。少なくとも中心点５よりも先端側の領域においては、等電位面１６が球面４と平行である。これは仰角αが９０度超であることにより、交点９がエミッタ先端からより離れた位置に配置されることになり、球面４近傍の電界とエミッタ針７近傍の電界との間の干渉が弱まったことによると考えられる。

【0023】

放出点Ｓ１の仮想陰極面が放出点Ｓ２の仮想陰極面と等しい場合、Ｓ１とＳ２は等価といえる。Ｓ３についても同様である。この条件は、放出点Ｓ１～Ｓ３における電界強度が一様である（等電位面１６が球面４と平行である）とき成立する。したがって、交点９を放出点Ｓ１～Ｓ３からできる限り離す（仰角αをできる限り大きくする）ことにより、等価とみなすことができる放出点をより広く確保することができるので、許容仰角βをより大きくすることができる。また仮想陰極面１０を球面とみなすことができる範囲もより広くなる。

【0024】

許容仰角βの範囲は、以下のように説明することができる。接線１３と光軸３との間の角度はα－９０度となる。交点９近傍で電界の不均一が発生しなければ、中心点５から見てα－９０度の角度にある放出点から放出される荷電粒子は放出点Ｓ１から放出される荷電粒子と等価といえる。実際には、交点９近傍において電界がやや不均一となるので、Ｓ１と等価な放出点の角度がα－９０度と厳密に一致することはない。しかし、仰角αを９０度よりも大きくするほど、Ｓ１と等価とみなせる放出点の範囲が広くなるので、許容仰角βも大きくなる。

【0025】

許容仰角βが大きいと、荷電粒子ビームの取り込み角を大きくすることができる。仮想陰極面１０が球面とみなすことができる放出点の範囲が広いからである（図４のＳ１～Ｓ３は等価とみなすことができる）。したがって仮想光源１１のサイズを抑制しつつ、大きな荷電粒子電流を得ることができる。

【0026】

図５は、荷電粒子源１の表面における電界強度のシミュレーション結果を示す。球面４上の測定位置１９において電界を測定したと仮定する。中心点５と測定位置１９を結ぶ直線が光軸３との間で形成する角度γを、離軸角と呼ぶ。図５上段の横軸は離軸角γを表し、縦軸は正規化した電界強度を表す。α＜９０度は従来の荷電粒子源に相当する。この場合、離軸角γが大きくなるのにしたがって電界強度が急激に大きくなっていることがわかる。これに対して本実施形態１に対応するα＞９０度の場合、離軸角γが大きくなると電界強度はわずかに低下するが、その変化量は小さいことがわかる。したがってエミッタ先端近傍の電界が均一とみなすことができる範囲が従来よりも広いといえる。

【0027】

＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る荷電粒子源１は、球面４表面上の放出点Ｓ１～Ｓ３それぞれの仮想陰極面１０が一致している。これにより、等価とみなすことができる荷電粒子放出点の範囲を広く確保することができるので、仮想光源１１のサイズを抑制しつつ大きな荷電粒子電流を得ることができる。また大電流を得るために角電流密度を大きくする必要はないので、荷電粒子ビームのエネルギー幅を抑制することができる。

【0028】

本実施形態１に係る荷電粒子源１は、エミッタ先端近傍の電界強度分布が均一である領域が広く（図５で説明したように球面４表面上の電界が同一とみなすことができる離軸角γが大きい）、エミッタ先端の球面領域が大きいので、エミッタ先端の形状が熱力学的に安定する。これにより、荷電粒子源１から放出される荷電粒子の特性も安定する利点がある。

【0029】

＜実施の形態２＞
図６は、電子のエネルギー幅（ΔＥ）と球面４の半径Ｒとの間の対応関係を示すグラフである。ここでは荷電粒子源１が電子ビームを放出するものとし、角電流密度は４００μＡ／ｓｒとした。荷電粒子源１の構造は実施形態１と同様であるが、本実施形態２においては半径Ｒの好適な範囲について検討する。

【0030】

従来、高分解能観察ＳＥＭにおいては小電流で荷電粒子ビームを細く絞っているので、角電流密度は小さくて足り、概略１５０μＡ／ｓｒ以下である。高スループットを得るために大電流を得るのであれば、角電流密度を上げる必要がある。しかしながら、角電流密度を大きくしていくとエネルギー分散が増加してしまう。図６に示すように、半径Ｒが大きくなるにしたがって、ΔＥは小さくなるので、半径Ｒをある程度大きくすることが望ましい。

【0031】

従来のＳＥＭにおいては、角電流密度が１５０μＡ／ｓｒのときエネルギー分散ΔＥが例えば０．６～０．７ｅＶとなるように制御されている。図６によれば、角電流密度を４００μＡ／ｓｒとしたときであっても従来と同程度のエネルギー分散ΔＥを得るためには、半径Ｒを概ね１μｍ以上にすることが必要であることが分かる。エミッタ先端の球面４の半径Ｒをこの範囲に調整することにより、高角電流密度においてもエネルギー幅の広がりを抑制することができる。

【0032】

＜実施の形態３＞
図７は、本発明の実施形態３に係る荷電粒子源１が有する先端形状を示す図である。図７上段は側面図、図７下段は正面図である。本実施形態３に係る荷電粒子源１は、実施形態１で説明した形状に加えて、球面４上に５つのファセット（平坦面）を有する。ファセット１８－１は光軸３に対して垂直に形成されている。ファセット１８－２と１８－４は光軸３に対して垂直な第１直線（図７下段の上下線）に対して垂直に形成されている。ファセット１８－３と１８－５は光軸３と第１直線の双方に対して垂直な第２直線（図７下段の左右線）に対して垂直に形成されている。光軸３の方向は、例えばエミッタ針７がタングステン単結晶によって形成されているとき、結晶学的に＜１００＞の方位となる軸方位とみなすことができる。

【0033】

図８は、引出電極２０近傍の放出荷電粒子軌道を示す図である。引出電極２０に対して電圧を印加すると、ファセット１８－１～１８－５それぞれから荷電粒子が放出される。ファセット１８－１から放出される荷電粒子は、主に引出電極２０が有する光軸３上の穴を通過して試料へ向かう。ファセット１８－２～１８－５から放出される荷電粒子は、主に引出電極２０に対して衝突する。

【0034】

引出電極２０周辺の雰囲気ガスなどが引出電極２０に付着すると、荷電粒子線装置１００が動作しているときこれが引出電極２０から放出され、荷電粒子源１周辺の真空度が低下して動作を阻害する場合がある。これにより例えば荷電粒子ビームの特性に対して影響を与える可能性がある。ファセット１８－２～１８－５から放出される荷電粒子を引出電極２０に当てることにより、この付着ガスの放出を促すことができる。すなわち荷電粒子源１周辺を速やかに高真空状態へ戻すことができる。したがって荷電粒子源１の動作が安定する利点がある。

【0035】

ファセット１８－２～１８－５は光軸３から離れた位置に配置されており、かつ光軸３に対して直交する方向に向いているので、ファセット１８－２～１８－５から放出された荷電粒子はその大部分が光軸３から離れた位置において引出電極２０に衝突する。したがって荷電粒子衝突により引出電極２０から２次電子が発生したとしても、その２次電子は光軸３上の穴を通過して試料側へ向かうことはない。すなわち、その２次電子に起因する観察画像のバックグランドノイズを抑制することができる。

【0036】

＜実施の形態４＞
図９は、荷電粒子源１を備えた荷電粒子線装置１００の構成図である。荷電粒子線装置１００は例えば走査電子顕微鏡として構成することができる。荷電粒子源１は実施形態１～３いずれかで説明したものである。荷電粒子源１から引出電極２０によって引き出された荷電粒子ビームは、対物レンズ２４によって集束され、試料２５に対して照射される。対物レンズ２４と引出電極２０の間には中間レンズ２２が配置される。中間レンズ２２は、試料２５に照射される荷電粒子ビームの電流量や試料２５上における荷電粒子ビームの開き角などを制御するために用いられる。偏向器２１と２３はそれぞれ荷電粒子ビームを偏向させる。

【0037】

本実施形態４に係る荷電粒子線装置１００は、荷電粒子源１の作用により、荷電粒子ビームのエネルギー幅を抑制しつつ大電流を得ることができる。また荷電粒子ビームの特性も安定している。

【0038】

＜本発明の変形例について＞
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【0039】

本発明に係る荷電粒子源１は、例えば集束イオンビーム装置におけるイオン源や走査電子顕微鏡における電子源として用いることができる。荷電粒子源１は、熱電界放射型電子放出源として構成することもできるし、冷陰極電子源として構成することもできる。

【0040】

コーン角θが大きくなると、交点９近傍において、球面４の電位とエミッタ針７の稜線部分の電位が互いに干渉して電界強度分布が一様でなくなる。したがってコーン角θはできる限り小さいほうが望ましい。概ねθ≦５度とすることが好適である。θ＝０度（すなわちエミッタ針７の稜線部分が光軸３と平行）であってもよい。さらには、θ＜０度（すなわちエミッタ針７が先端に向かって次第に太くなる形状）であってもよい。

【符号の説明】

【0041】

１：荷電粒子源
３：光軸
４：球面
５：中心点
７：エミッタ針
９：交点
１０：仮想陰極面
１１：仮想光源
１３：接線
１６：等電位面
１７：軌道
２０：引出電極
１００：荷電粒子線装置

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】