(57)【要約】【課題】ダイヤモンドからなる電子放射陰極を加熱した際に、脱ガスの少ない電子源モジュールを提供することを課題とする。【解決手段】本発明は、ダイヤモンドからなる電子放射陰極と、前記電子放射陰極を把持する一対の導電性支柱と、前記導電性支柱と前記電子放射陰極の間に配置されるブロックと、を有し、前記ブロックが、表面の少なくとも一部に耐熱性被覆層が形成されたグラファイトからなる電子源モジュールである。耐熱性被覆層としてはダイヤモンドが好適であり、前記ブロックのグラファイトとしてはパイロリティックグラファイトが好適である。【選択図】図１
2010049807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、
ダイヤモンドからなる電子放射陰極と、
前記電子放射陰極を把持する一対の導電性支柱と、
前記導電性支柱と前記電子放射陰極の間に配置されるブロックと、を有し、
前記ブロックが、グラファイト層と、該グラファイト層の表面の少なくとも一部に形成された耐熱性被覆層とからなることを特徴とする電子源モジュール。
【請求項２】
前記耐熱性被覆層が、ダイヤモンドからなることを特徴とする請求項１に記載の電子源モジュール。
【請求項３】
前記耐熱性被覆層のダイヤモンドの比抵抗が、１×１０3Ωｃｍ以下であることを特徴と
する請求項２に記載の電子源モジュール。
【請求項４】
前記耐熱性被覆層が、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ、Ｔａもしくはこれらの合金、またはこれらの炭化物のいずれかからなることを特徴とする請求項１に記載の電子源モジュール。
【請求項５】
前記ブロックのグラファイト層が、パイロリティックグラファイトであることを特徴とする請求項１〜４に記載の電子源モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子線描画装置や電子顕微鏡、あるいはＸ線管等の電子ビーム利用装置に用いられる電子源の構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子線描画装置や電子顕微鏡などの電子ビーム利用装置に用いられる電子源としては、例えば特許文献１に記載されているように、高配向性炭素材料などの通電加熱可能なヒーターを用いてＬａＢ6等の電子放射陰極を挟み込み、さらに導電性の支柱で前記ヒーター
ごと電子放射陰極を把持した ものが利用されている。
あるいは、先鋭化したタングステンを電子放射陰極として用いる場合には、金属ワイヤにタングステ ン電子放射陰極を溶接した構造のものが利用されている。
すなわち、金属ワイヤに高い位置精度・高い接合強度を保ちながら接合できる金属製の電子放射陰極以外の電子放射陰極を利用する場合には、機械的に挟み込んで把持する方式が多用されている。
【０００３】
ダイヤモンドは、低い仕事関数・負の電子親和力など、電子放射陰極として類まれな性質を有している（非特許文献１、２）。仕事関数が小さいほど、同一の電界強度、同一の温度であれば電子放出密度を高くできる。電子放出密度が高くなると、電流密度が高くなり、電子放出中の発熱も大きくなるが、ダイヤモンドは室温で物質中最高の熱伝導率を有し、電子放出部で発生した熱を効率的に拡散、冷却することができる。ダイヤモンドは、共有結合性物質であり、そのＣ−Ｃ結合は非常に強固であり、電子源としての耐久性も優れる。
【０００４】
また、一般的に電子放出特性はその表面状態に影響を受けやすいが、ダイ ヤモンドの
表面状態は他の材料のそれに比べて安定性にも優れるため、電子放出特性の安定性も高くなる。
また、非特許文献３のような先端径１０ｎｍが得られる微細加工技術があるので高輝度化についても問題ない。また、ダイヤモンドについては、上記電子親和力を有することが判明して以来、非特許文献 ４や特許文献２のような電子源がこれまでに提案されてきた
。
【０００５】
【特許文献１】特公昭６０ −２３４５６号公報
【非特許文献１】Ｆ．Ｊ．Ｈｉｍ ｐｓｅｌ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ．Ｂ．， Ｖｏｌ.２０，Ｎｕｍｂｅｒ ２（１９７９） ６ ２４-
【非特許文献２】Ｊ．Ｒｉｓｔｅｉｎ ｅｔ ａｌ．， Ｎｅｗ Ｄｉａｍｏｎｄ  ａｎｄ Ｆｒｏ ｎｔｉｅｒ Ｃａｒｂｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｖｏｌ.１０，Ｎｏ.６，（２０００） ３６３-
【非特許文献３】Ｙ．Ｎｉｓｈｉｂａｙａｓｈｉ ｅｔ ａｌ．， ＳＥＩ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ， ５７， （ ２００４） ３１-
【非特許文献４】Ｗ． Ｂ． Ｃｈｏｉ ｅｔ ａｌ．， Ｊ． Ｖａｃ． Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ ． Ｂ １４， （１９９６ ）２０５１ -
【特許文献２】特開平４−６７５２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ダイヤモンドを電子放射陰極として用いる場合、金属ワイヤに高い位置精度・高い接合強度を保ちながら接合・溶接することは難しく、機械的に挟み込んで把持する方式によっ
て電子源構造体を形成することが多い。
【０００７】
ダイヤモンドを電子放射陰極として用いる場合、その用途によって熱電子放出モード、熱電界放出モード、電界電子放出モード等の動作モードをとりうる。熱電子放出モード、熱電界放出モードでは、チップ自体、もしくはチップ近傍に配置したヒーター部材に通電加熱し、チップ温度を１０００℃以上に温度上昇させて動作させる。電界電子放出モードにおいては、動作時には室温もしくはそれに近い温度での動作となるが、動作前や場合によっては動作中も、安定性を確保するために通電加熱による安定化作業が必要になることがある。
【０００８】
ダイヤモンドは、前述のように電子放出陰極として類まれな優れた物性を有している。これにより、 従来の電子放出陰極では達成し得ない、寿命が長く、ビーム径が小さく、
大電流である特徴を備えた電子ビームを取り出すことができる。
【０００９】
特に、微小ビームを長時間安定に取り出すためには、電子放出陰極そのものの長寿命、安定性、小さな仮想電子源径が必要となるが、電子放出陰極を電子ビーム機器に搭載する際のモジュール（電子源構造体）としても、電子放出陰極が電子ビームを放出している期間、安定に電子放出陰極を把持し、電子放出陰極に電力を供給し続ける必要がある。特に、熱電子放出モード、及び熱電界放出モード、もしく はその中間で動作させる場合には
、ダイヤモンドを加熱して所望の温度にて動作させ、その条件で安定に電子放出陰極を把持し、電子放出陰極に電力を供給し続ける必要がある。
【００１０】
現在広く使用されている電子放射陰極のうち、最もビーム径が絞れ、大電流のビームを得ることがで きるものの一つとして、ＺｒＯ／Ｗ系の電子放射陰極を挙げることができ
る。これは電子放射陰極材料と しては先鋭化されたタングステン針を用いており、金属
ワイヤ（一般にはタングステンが用いられる）に接合・溶接する方法で把持されている。
【００１１】
一方、ダイヤモンドは機械的に挟み込んで把持する方式によることが多い。この方法は、接合・溶接方式に比較して簡便に再現性良く位置を確認しながら把持する ことができ
る。しかし、ダイヤモンドを電子放射陰極として用いる場合に期待される、長寿命、小ビーム径といった特性を発揮させることを考慮すると、把持した後の位置の安定性において、特に電子放射陰極を高温で動作させたり、安定化作業のために高温に曝したりすると、用いている把持用の部材からの脱ガスによって安定な電子放出が妨げられたり、発生したガスがダイヤモンドの電子放出面に吸着・反応して、ダイヤモンドの優れた電子放出特性が損なわれることがあった。
【００１２】
また、ダイヤモンドは通常、室温では絶縁性を有し、ダイヤモンドからなる電子放出陰極そのものを通電加熱することは難しい。そこで、表面に金属層をコーティングして、その金属層を通電加熱することによってダイヤモンドからなる電子放出陰極の動作温度を調整することが行われている。一方、ダイヤモンド中にホウ素等の不純物を混入させることによって、ダイヤモンドに導電性を与えることが可能である。
【００１３】
例えば、大電流放出が必要となる用途などにおいては、ダイヤモンドそのものに導電性を与えた電子放出陰極が用いられることがあるが、この場合、導電性ダイヤモンドからなる電子放出陰極の室温での抵抗値が小さすぎ、通常の電子放出陰極加熱用に用いられる電源の容量（１０Ｖ，５Ａ程度）では、充分な加熱ができないことがあった。
【００１４】
この電子放出陰極は、通常、ＧＮＤ電位に対して数十〜百ｋＶ以上の負の電位を与えられることになり、ここに設置する加熱用電源の容量を上記以上のものにしようとすると、耐圧その他の面で非常に高価となってしまう、という問題があった。
そこで本発明は、ダイヤモンドからなる電子放射陰極を加熱した際に、脱ガスの少ない電子源モジュールを提供することを目的とする。
【００１５】
またダイヤモンド電子放射陰極を長期間安定に把持し、微小ビームを長期間にわたって安定に取り出すことができる電子源モジュールを提供することを目的とする。
さらに、電子放射陰極に用いられるダイヤモンドの抵抗率に関係なく、安定で脱ガスの少ない加熱を容易にする電子源モジュール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】
【００１６】
そこで本発明においては、上記課題を解決すべく下記の電子源モジュールを提供する。（１)本発明に係る電子源モジュールは、少なくとも、ダイヤモンドからなる電子放射陰
極と、前記電子放射陰極を把持する一対の導電性支柱と、前記導電性支柱と前記電子放射陰極の間に配置されるブロックと、を有し、前記ブロックが、グラファイト層と、該グラファイト層の表面の少なくとも一部に形成された耐熱性被覆層とからなることを特徴とする。
【００１７】
（２)前記耐熱性被覆層が、ダイヤモンドからなることを特徴とする上記（１）に記載の
電子源モジュールである。
（３) 前記耐熱性被覆層のダイヤモンドの比抵抗が、１×１０3Ωｃｍ以下であることを
特徴とする上記（２）に記載の電子源モジュールである。
（４）前記耐熱性被覆層が、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ、Ｔａもしくはこれらの合金、またはこれらの炭化物のいずれかからなることを特徴とする上記（１）に記載の電子源モジュールである。
（５)前記ブロックのグラファイト層が、パイロリティックグラファイトであることを特
徴とする上記（１）〜（４）に記載の電子源モジュールである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、ダイヤモンドからなる電子放射陰極を加熱した際に、脱ガスの少ない電子源モジュールを提供するという効果を奏する。
またブロック表面に炭化物層を形成し界面安定性を向上することによって、ダイヤモンド電子放射陰極を長期間安定に把持し、微小ビームを長期間にわたって安定に取り出すことができるという効果を奏する。
さらに、電子放射陰極に用いられるダイヤモンドの抵抗率に関係なく、安定で脱ガスの少ない加熱を容易にする電子源モジュールを提供するという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明に係る電子源モジュールの実施形態を以下に示す。以下に示す実施形態は本発明の一例であり、本発明を限定するものではない。
本実施形態に係る電子源モジュールは、ダイヤモンドからなる電子放射陰極と、これを把持するための一対の導電性支柱との間にブロックを配置し、このブロックが耐熱性の被覆層を設けたグラファイトであることが好ましい。このブロックを通してダイヤモンド電子放射陰極に電力を供給することになる。
以下、具体的な構成を図面に沿って説明する。
【００２０】
図１は、本実施形態の一例を示す電子源モジュールの概念図である。図１に示す如く本実施形態に係る電子源モジュールは、ダイヤモンドからなる電子放射陰極３０と、電子放射陰極を把持する一対の導電性支柱１０，１０と、導電性支柱１０，１０と前記電子放射陰極３０の間に配置される一対のブロック２０，２０とを有している。
【００２１】
図２は上記ブロック２０の構造を示す斜視図である。図２に示す如く本電子源モジュー
ルに用いられるブロックは、表面の少なくとも一部に耐熱性被覆層２２を有するグラファイト層２１とから形成されている。
以下、本実施形態に係る電子源モジュールの構成について詳細に説明する。
【００２２】
上記ブロックとしては、高温（１５００℃）で使用可能な金属（例えばＷなど）では、硬度が高すぎ、ダイヤモンドからなる電子放射陰極及び導電性支柱との密着性を低減し、接触抵抗が高く、また安定性が悪くなる。本実施形態に係る電子源モジュールにおいては、グラファイト層を用いることによって、グラファイト層が適度に変形してくれることによりダイヤモンドからなる電子放射陰極及び導電性支柱との間がより一層密着し、安定性が向上する。
【００２３】
しかし、グラファイトはダイヤモンドからなる電子放射陰極や、金属からなる導電性支柱に比べて、その表面にガス分子が吸着しやすい。そのため、ダイヤモンドからなる電子放射陰極を加熱した場合、脱ガスが生じる恐れがある。
そこで、上記グラファイト層の表面に耐熱性の被覆層を形成することにより、脱ガスを防止することができる。耐熱性被覆層は、グラファイト層の全面を覆う必要は無いが、電子源モジュールとして組み上げる際にダイヤモンド電子放射陰極や、導電性支柱に触れない表面については被覆率が大きい方が好ましい。
【００２４】
この耐熱性被覆層としては、種々の耐熱性材料を用いることができるが、特にダイヤモンドであることが好ましい。ダイヤモンドの表面は化学的に安定であり、表面へ吸着するガスも少ないためである。また、当然にダイヤモンド電子放出素子が安定に使用できる環境下では、このダイヤモンド被覆層も安定に存在できるので好ましい。
【００２５】
ダイヤモンドからなる耐熱性被覆層を、ダイヤモンド電子放射陰極や、導電性支柱と接触する面にも形成しても良い。この場合、このダイヤモンドからなる耐熱性被覆層を貫通してダイヤモンド電子放射陰極に加熱用及び電子放出用電流を通電する必要があるので、ダイヤモンドから成る耐熱性被覆層の抵抗率が問題となる。
【００２６】
そのため抵抗率の低いダイヤモンドを用いるのが好ましい。具体的には、１×１０-1Ωｃｍ以下であれば、ダイヤモンドからなる耐熱性被覆層の厚さを制御することによって、この被覆層を貫通して加熱用及び電子放出用電流を通電することが可能である。
また、この耐熱性被覆層としては、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ、Ｔａもしくはこれらの合金、またはこれらの炭化物のいずれかから形成しても良い。
【００２７】
これらの金属、合金、炭化物は、グラファイトに比べて比表面積を小さくすることが出来、脱ガスも少なくすることが可能である。また、これらの 金属、合金、炭化物を利用
して、ダイヤモンドからなる電子放射陰極を加熱動作させることによって、ダイヤモンドからなる電子放射陰極の表面との界面に、新たな炭化物層を形成される。こうすることにより、動作させればさせるほどその界面の安定性は向上し、電子放出特性の安定化に有効である。
【００２８】
また、ブロックのグラファイト層は、パイロリティックグラファイトであることが好ましい。パイロリティックグラファイトは、高温の真空炉中で、炭化水素を分解して基板上に成長させて得られるものである。層状構造を有しているために強い異方性を示す。特に電気抵抗が、面内方向には１×１０-3Ωｃｍ以下で、厚さ方向は０．１Ωｃｍ以上であることが好ましい。
【００２９】
通常のグラファイトは等方的に１〜２×１０-3Ωｃｍ程度であり、通常のグラファイトでは通電加熱することが難しい低抵抗のダイヤモンド電子放射陰極を用いた場合でも、パ
イロリティックグラファイトを厚さ方向に通電するように配置して用いれば、パイロリティックグラファイトが通電加熱され、その結果ダイヤモンド電子放射陰極を加熱することが出来る。また、高抵抗ダイヤモンド電子放射陰極を用いた場合でも、パイロリティックグラファイトを適用することが可能である。
【００３０】
このように、導電性支柱とダイヤモンドからなる電子放射陰極との間にグラファイトからなるブロックを配置し、そのグラファイトに耐熱性被覆層を形成したものを用いることによって、ダイヤモンドから成る電子放射陰極の安定で脱ガスの少ない加熱を容易にすることができる。また、グラファイトとしてパイロリティックグラファイトを適用することによって、ダイヤモンド電子放射陰極の抵抗率に関係なく、安定で脱ガスの少ない加熱を容易にすることが出来る。
【実施例】
【００３１】
（実施例１）
図１に示す導電性支柱１０としてモリブデンランタン合金、ブロック２０としてグラファイト（通常のＣＩＰ形成品、新日本テクノカーボン社製ＩＧＳ−７４３ＫII相当品）、ダイヤモンド電子放射陰極３０を用いて、電子源１００を形成した。
【００３２】
図２に示す如く、ブロックのグラファイト層２１には、６面のうち４面について気相合成ダイヤモンド層（耐熱性被覆層）２２を約２０μｍ形成済みである。ダイヤモンド電子放射陰極３０には、高温高圧合成ダイヤモンド単結晶（Ｉｂ型、室温における抵抗率：３×１０13Ωｃｍ）を用いた。ダイヤモンド電子放射陰極３０の、ブロック２０と接する下部領域には、Ｗからなる金属膜３１を約１．５μｍ形成している（図１）。
得られた電子源モジュール１００を、電子ビーム利用機器に組み込み駆動させたところ、電子放射陰極の動作温度として１３００℃、電子銃室の圧力２×１０-7Ｐａで１０００時間以上安定に動作させることができた。
【００３３】
（実施例２）
実施例１と同様の電子源モジュール１００を製造した。ただし、ブロックのグラファイト層２１は、実施例１と同様のグラファイ ト（通常のＣＩＰ形成品、新日本テクノカー
ボン社製ＩＧＳ−７４３ＫII相当品）であるが、６面ともにＢを混入した気相合成ダイヤモンド層（耐熱性被覆層）２２（抵抗率約８×１０-2Ωｃｍ）を約１０μｍ形成済みである。ダイヤモンド電子放射陰極３０の下部領域に形成する金属膜３１はＭｏとし、膜厚は約１．２μｍである。
【００３４】
この電子源モジュール１００を、電子ビーム利用機器に組み込み駆動させたところ、電子放射陰極の動作温度として１１００℃、電子銃室の圧力２×１０-7Ｐａで１０００時間以上安定に動作させることができた。
【００３５】
（実施例３）
実施例１と同様の電子源モジュール１００を製造した。ただし、ブロックのグラファイト層２１は実施例１と同様のグラファイト（通常のCIP形成品、新日本テクノカーボン社
製ＩＧＳ−７４３ＫII相当品）であるが、耐熱性被覆層２２として６面全面に金属Ｗを約２μｍ厚で形成済みである。
【００３６】
この電子源モジュール１００を、電子ビーム利用機器に組み込み駆動させたところ、電子放射陰極の動作温度として１３００℃、電子銃室の圧力２×１０-7Ｐａで１０００時間以上安定に動作させることができた。
【００３７】
（実施例４）
実施例１と同様の電子源モジュール１００を製造した。ただし、ブロックのグラファイト層２１としてはパイロリティックグラファイト（販売元：巴工業株式会社）を用い、実施例１と同様に、耐熱性被覆層２２として４面に気相合成ダイヤモンドを約２０μｍ形成済みである。
【００３８】
ダイヤモンド電子放射陰極３０には、高温高圧合成ダイヤモンド単結晶（IIｂ型、室温における抵抗率０．３Ωｃｍ）を用いた。ダイヤモンド電子放射陰極３０の、ブロックと接する下部領域には、実施例１と同様、Ｗからなる金属膜３１を約１．５μｍ形成している。
【００３９】
この電子源モジュール１００を、電子ビーム利用機器に組み込み駆動させたところ、電子放射陰極の動作温度として１２００℃、電子銃室の圧力２×１０-7Ｐａで１０００時間以上安定に動作させることができた。
【００４０】
（実施例５）
実施例１と同様の電子源モジュール１００を製造した。ただし、ブロックのグラファイト層２１はパイロリティックグラファイト（販売元：巴工業株式会社）を用い、実施例３と同様に、耐熱性被覆層として６面に金属Ｗを約２μｍ厚で形成済みである。
【００４１】
また、ダイヤモンド電子放射陰極３０には、実施例１と同様、高温高圧合成ダイヤモンド単結晶（Ｉｂ型、室温における抵抗率：３×１０13Ωｃｍ）を用いた。ダイヤモンド電子放射陰極３０の、ブロックのグラファイト層２１と接する部分よりも下の領域には、実施例１と同様、Ｗからなる金属膜３１を約１．５μｍ形成している。
【００４２】
この電子源モジュール１００を、電子ビーム利用機器に組み込み駆動させたところ、電子放射陰極の動作温度として１１００℃、電子銃室の圧力２×１０-7Ｐａで１０００時間以上安定に動作させることができた。
【００４３】
（比較例１）
実施例１と略同等の構成を有する電子源モジュールを製造した。ただし、ブロックには特段のコーティングは施さなかった。この電子源を、電子ビーム利用機器に組み込み駆動させたところ、電子放射陰極の動作温度と して１０００℃以上に加熱したとき、電子銃
室の真空度が変動し、１０-6Ｐａよりも圧力が大きくなっ た。１３００℃で動作させた
が、ビーム電流にステップノイズ等の変動が大きく、１００時間で±２５％程度の変動が観察された。
【００４４】
（比較例２）
実施例１と略同等の構成を有する電子源モジュールを製造した。ただし、ブロックには特段のコーティングさない金属Ｗのブロックを用いた。この電子源モジュールを、電子ビーム利用機器に組み込み駆動させたところ、電子放射陰極の動作温度を１１００℃と設定したが、金属Ｗブロックと電子放射陰極や、導電性支柱の接触が安定せず、動作温度が±１００℃程度の範囲で変動し、安定したビーム電流の取り出しができなかった。
【００４５】
（比較例３）
図３に示すような電子源３００を製造した。電子放射陰極３３０には、高温高圧合成ダイヤモンド単結晶（Ｉｂ型、室温における抵抗率：３×１０13Ωｃｍ）を用いた。ダイヤモンド電子放射陰極３３０の 、導電性支柱３１０と接する下部領域には、Ｗからなる金
属膜３３１を約１．５μｍ形成している（図３）。
【００４６】
この電子源モジュールを、電子ビーム利用機器に組み込み駆動させたところ、電子放射
陰極の動作温度を１２００℃と設定したが、導電性支柱とダイヤモンド電子放射陰極の接触が安定せず、動作温度が±１００℃ 程度の範囲で変動し、安定したビーム電流の取り
出しができなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る電子源モジュールの一例を示す概念図である。
【図２】本発明に係るブロックの一例を示す斜視図である。
【図３】比較例に係る電子源を示す概念図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０，３１０  導電性支柱
２０  ブロック
２１  グラファイト層
２２  耐熱性被覆層
３０，３３０  電子放射陰極
１００，３００  電子源モジュール
【図１】
2010049807.tif 000003
【図２】
2010049807.tif 000004
【図３】
2010049807.tif 000005