(57)【要約】      （修正有）【課題】電子線及び電子ビーム機器や真空管、特に、電子顕微鏡や電子ビーム露光機に使用される、ダイヤモンドを用いた高輝度でエネルギー幅が狭いダイヤモンド電子源の提供。【解決手段】柱形の単結晶ダイヤモンドを用いた電子源であって、電子放出部１１と通電加熱部１２とで構成され、該電子放出部は柱の端面に高さ１０μｍ以上且つ先端曲率半径５μｍ以下の先鋭突起を一ヶ所にのみ有し、該電子放出部の単結晶ダイヤモンド中に最も多く含まれる不純物は窒素であって該窒素の濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上であり、該通電加熱部の室温（２５℃）端子間抵抗は５００Ω以下であるダイヤモンド電子源。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
柱形の単結晶ダイヤモンドを用いた電子源であって、電子放出部と通電加熱部とで構成され、該電子放出部は柱の端面に高さ１０μｍ以上且つ先端曲率半径５μｍ以下の先鋭突起を一ヶ所にのみ有し、該電子放出部の単結晶ダイヤモンド中に最も多く含まれる不純物は窒素であって該窒素の濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上であり、該通電加熱部の室温（２５℃）端子間抵抗は５００Ω以下であることを特徴とする、ダイヤモンド電子源。
【請求項２】
上記電子放出部は、Ｉｂ型単結晶ダイヤモンドであることを特徴とする、請求項１に記載のダイヤモンド電子源。
【請求項３】
上記通電加熱部は、単結晶ダイヤモンドの表面上に、不純物としてリンを最も多く含み、そのリン濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上であるダイヤモンド薄膜を有することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のダイヤモンド電子源。
【請求項４】
上記通電加熱部の単結晶ダイヤモンドが、不純物としてホウ素を最も多く含み、そのホウ素濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上である単結晶ダイヤモンドであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤモンド電子源。
【請求項５】
上記通電加熱部の単結晶ダイヤモンドは、その表面から深さ１０μｍまでの間にイオン注入層が形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤモンド電子源。
【請求項６】
上記通電加熱部の単結晶ダイヤモンドは、その表面近傍のダイヤモンド結晶構造が破壊されることによって形成された電気伝導層を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤモンド電子源。
【請求項７】
上記通電加熱部の単結晶ダイヤモンドは、その表面上に金属又は半導体の導電性薄膜を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤモンド電子源。
【請求項８】
使用前に１０−４Ｐａ以下の真空中で７００℃以上１４００℃以下の温度で加熱処理したことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載のダイヤモンド電子源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡、電子ビーム露光機などの電子線及び電子ビーム機器、進行波管、マイクロ波管など真空管に用いられるダイヤモンド電子源に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子はマイナスの電荷を持ち、質量が極めて小さいため、電子を一方向に揃えて走らせた電子ビームは以下のような特徴を有している。
（１）電界や磁界で方向や収束度を制御できる。
（２）電界による加減速で広範囲なエネルギーが得られる。
（３）波長が短いため、細く絞り込むことができる。
このような特徴を活かした電子顕微鏡や、電子ビーム露光機が広く普及している。これらの陰極材料として、例えば、熱電子放射源としては安価なＷフィラメントや、輝度の高い電子ビームが得られるＬａＢ６等の六ホウ化物がある。また、さらに高輝度でエネルギー幅の狭い陰極として、量子効果によるトンネル現象を利用した先鋭化Ｗや、電界によるショットキー効果を利用したＺｒＯ／Ｗが用いられている。
【０００３】
しかしながら、Ｗフィラメントは安価である反面、寿命が１００時間程度と極端に短いために、フィラメントが切れた場合、真空槽を大気開放したり、電子ビームの光軸を調整したりする等の交換作業を頻繁に行わねばならないといった問題がある。ＬａＢ６はＷフィラメントと比較して寿命が１０００時間程度と長いが、比較的高輝度ビームが得られる装置で使用されているために、交換作業は装置メーカーが行う場合が多く、コストがかかるといった問題がある。より高輝度が得られる先鋭化Ｗや、寿命が１年程度と比較的長いＺｒＯ／Ｗについても交換コストが高く問題がある。
【０００４】
電子顕微鏡においてはＬＳＩプロセスにおける測長検査などナノサイズの微細構造を高精度に観察したいという要求があることや、電子ビーム露光機においては１０ｎｍ未満の細線描画が可能な装置の開発が進んできていることから、さらに高輝度でエネルギー幅が狭い陰極が求められている。
【０００５】
このような期待に応える材料の一つとして、ダイヤモンドがある。ダイヤモンドには非特許文献１あるいは非特許文献２に記載されているように電子親和力が負（ＮＥＡ：Negative Electron Affinity）の状態、あるいは仕事関数が小さい金属と比較しても小さな正（ＰＥＡ：Positive Electron Affinity）の状態が存在する。この非常に稀な物性を活かせば、ＷフィラメントやＬａＢ６、あるいはＺｒＯ／Ｗのように１４００℃を超える高熱の必要なしに高電流密度電子放射が可能であるので、エネルギー幅を狭く抑えることができ、長寿命も期待できる。また、非特許文献３に記載のような先端径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。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１のような電子源がこれまでに提案されてきた。
【０００６】
【非特許文献１】Ｆ．Ｊ．Ｈｉｍｐｓｅｌ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ．Ｂ．， Ｖｏｌ．２０，Ｎｕｍｂｅｒ ２（１９７９） ６２４−６２７
【非特許文献２】Ｊ．Ｒｉｓｔｅｉｎ ｅｔ ａｌ．，Ｎｅｗ  Ｄｉａｍｏｎｄ  ａｎｄ  Ｆｒｏｎｔｉｅｒ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．６，（２０００） ３６３−３８２
【非特許文献３】Ｙ．Ｎｉｓｈｉｂａｙａｓｈｉ ｅｔ ａｌ．，ＳＥＩ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ， ５７， （２００４） ３１−３６
【非特許文献４】Ｗ．Ｂ． Ｃｈｏｉ ｅｔ ａｌ．，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ１４（３），（１９９６）２０５０−２０５５
【特許文献１】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】
【０００７】
しかしながら、上記のダイヤモンドを用いた電子源を広く普及している電子顕微鏡や電子ビーム露光機で使用する場合、それぞれに問題がある。すなわち、非特許文献３に記載のような電子放出点が複数並べられた構造では面電子源となるために、収束させて微細ビームとするのは困難であり、また、装置への実装も容易ではない。非特許文献４に記載のものでは先端が鋭いＭｏにダイヤモンドをコーティングしており、形状としては問題ないが、多結晶であるために個体差や電気特性のばらつきが問題である。特許文献１で提案されている構造も面電子源であるために収束ビームを得るのは困難であり、また、装置への実装も容易ではない。
【０００８】
そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、電子線及び電子ビーム機器や真空管、特に、電子顕微鏡や電子ビーム露光機に使用される、ダイヤモンドを用いた高輝度でエネルギー幅が狭いダイヤモンド電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】
上記課題を解決するために、本発明によるダイヤモンド電子源は、柱形の単結晶ダイヤモンドを用いた電子源であって、電子放出部と通電加熱部とで構成され、電子放出部は柱の端面に高さ１０μｍ以上且つ先端曲率半径５μｍ以下の先鋭突起を一ヶ所のみ有し、電子放出部の単結晶ダイヤモンド中に最も多く含まれる不純物は窒素でその窒素濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上であり、通電加熱部の室温端子間抵抗は５００Ω以下であることを特徴とする。
本発明は以下に記載する通りの構成を備えたダイヤモンド電子源である。
【００１０】
（１）柱形の単結晶ダイヤモンドを用いた電子源であって、電子放出部と通電加熱部で構成され、該電子放出部は柱の端面に高さ１０μｍ以上且つ先端曲率半径５μｍ以下の先鋭突起を一ヶ所にのみ有し、該電子放出部の単結晶ダイヤモンド中に最も多く含まれる不純物は窒素であって該窒素の濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上であり、該通電加熱部の室温（２５℃）端子間抵抗は５００Ω以下であることを特徴とする、ダイヤモンド電子源。
（２）上記電子放出部は、Ｉｂ型単結晶ダイヤモンドであることを特徴とする、（１）に記載のダイヤモンド電子源。
（３）上記通電加熱部は、単結晶ダイヤモンドの表面上に、不純物としてリンを最も多く含み、そのリン濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上であるダイヤモンド薄膜を有することを特徴とする、（１）又は（２）に記載のダイヤモンド電子源。
（４）上記通電加熱部の単結晶ダイヤモンドが、不純物としてホウ素を最も多く含み、そのホウ素濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上である単結晶ダイヤモンドであることを特徴とする、（１）〜（３）のいずれかに記載のダイヤモンド電子源。
（５）上記通電加熱部の単結晶ダイヤモンドは、その表面から深さ１０μｍまでの間にイオン注入層が形成されていることを特徴とする、（１）〜（３）のいずれかに記載のダイヤモンド電子源。
（６）上記通電加熱部の単結晶ダイヤモンドは、その表面近傍のダイヤモンド結晶構造が破壊されることによって形成された電気伝導層を有することを特徴とする、（１）〜（３）のいずれかに記載のダイヤモンド電子源。
（７）上記通電加熱部の単結晶ダイヤモンドは、その表面上に金属又は半導体の導電性薄膜を有することを特徴とする、（１）〜（３）のいずれかに記載のダイヤモンド電子源。
（８）使用前に１０−４Ｐａ以下の真空中で７００℃以上１４００℃以下の温度で加熱処理したことを特徴とする、（１）〜（７）のいずれかに記載のダイヤモンド電子源。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、真空管、電子ビーム分析装置、加速器、殺菌用電子線照射装置、Ｘ線発生装置、樹脂用照射装置、電子ビーム加熱装置など電子線を使う全ての機器に使用可能であり、安定に電子放出して大電流かつ高輝度なダイヤモンド電子源が実現される。本発明のダイヤモンド電子源を使用すれば、高倍率観察が可能な電子顕微鏡や、微細パターンを高スループットで描画可能な電子ビーム露光機が実現される。
また、通電加熱部の単結晶ダイヤモンド表面上に、最も多く含まれる不純物はリンでそのリン濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上であるダイヤモンド薄膜を形成するのが好ましい。リンドープダイヤモンド薄膜はｎ型半導体であるので、給電端子から供給された電子を電子放出部１１のダイヤモンドの伝導帯にスムーズに輸送することができる結果、電子放出がより容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明のダイヤモンド電子源は単結晶を使用するので、形状制御性や不純物濃度制御性が良く量産時の性能ばらつきが少ない。また、柱状で端面に先鋭突起を一ヶ所のみ有するために、電子顕微鏡や電子ビーム露光装置で使用されているＺｒＯ／ＷやＬａＢ６等の電子源と互換性が高く普及が容易である。通電加熱部の室温端子間抵抗は５００Ω以下と低いので、ＺｒＯ／ＷやＬａＢ６等を加熱するフィラメント電源で電子源全体の加熱が可能であり、加熱で放出電流の安定化に必要な電子放出部に付着した水分等の除去を容易に行うことができ、安定した電子放出が実現できる。通電加熱部は電子放出部に電子を供給する役割もあり、電子源動作中に通電で供給された電子の一部は電子放出部に流れる。通電加熱部と電子放出部は少なくとも加熱時には電気的に接続した状態である。電子放出部の単結晶ダイヤモンド中に最も多く含まれる不純物は窒素でその窒素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上であり、加熱時に窒素が活性化してダイヤモンドの伝導帯に十分な数の電子を出すので電子放出が容易である。電子放出部は高さ１０μｍ以上且つ先端曲率半径５μｍ以下の先鋭突起を有しているので、先端に電界を与えることによって電子ビームの引き出しが容易である。
【００１３】
本発明のダイヤモンド電子源の電子放出部は、Ｉｂ型単結晶ダイヤモンドであっても良い。Ｉｂ型はほとんどの窒素原子が炭素原子を孤立置換した状態であり、ドナーとして加熱時に最も活性化しやすい状態であるので、より多くの電子を伝導帯に出すために電子放出がより容易となる。
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明に係るダイヤモンド電子源の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１５】
図１は、本発明によるダイヤモンド電子源の一実施形態を示す立体図である。ダイヤモンド電子源１０は、柱形の単結晶ダイヤモンドが素材として用いられ、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下の直方体空間に収まる形状である。この範囲内の大きさであることによって、点電子源であるＬａＢ６やＺｒＯ／Ｗなどの従来の電子源と互換性を有する結果、広範囲の電子ビーム装置においてダイヤモンド電子源の使用が可能となる。
【００１６】
ダイヤモンド電子源１０は、電子放出部１１と通電加熱部１２とで構成される。電子放出部１１は先鋭な突起を一ヶ所有する。突起の高さは１０μｍ以上且つ先端曲率半径５μｍ以下が好ましく、先端に電界を与えることによって電子ビームの引き出しが容易である。突起先端に電界が集中し易くなるように、突起に向かって先細りの形状であることが好ましい。突起形状はより好ましくは高さ１５μｍ以上かつ先端曲率半径２μｍ以下であり、これにより従来電子源ＺｒＯ／Ｗを上回る輝度の実現が可能である。
【００１７】
また、電子放出部１１の単結晶ダイヤモンド中に最も多く含まれる不純物は窒素でその窒素濃度は１×１０１７ｃｍ−３以上である。これにより、加熱時に窒素が活性化してダイヤモンドの伝導帯に十分な数の電子を出すので電子放出が容易である。窒素濃度はより好ましくは２×１０１８ｃｍ−３以上であり、これにより従来電子源ＺｒＯ／Ｗを上回る輝度の実現が可能である。電子放出部１１はＩｂ型単結晶ダイヤモンドであることにより大電流の電子放出が可能である。Ｉｂ型はほとんどの窒素原子が炭素原子を孤立置換した状態であり、ドナーとして加熱時に最も活性化しやすい混入状態である。従って、より多くの電子を伝導帯に出すために電子放出がより容易となる。
【００１８】
本発明においては、通電加熱部１２は室温（２５℃）での端子間抵抗は５００Ω以下である。
本発明における端子間抵抗とは、図２のダイヤモンド電子源モジュール２０に示すように、本発明のダイヤモンド電子源１０を給電端子２１及びセラミックベース２２を含む部品からなるモジュール２３の給電端子２１で挟持した時の給電端子２１間の抵抗である。給電端子２１は抵抗がほぼ無視できる金属製であり、ダイヤモンド電子源１０との電気的接触を良くするために、グラファイト等比較的やわらかいスペーサを噛ましても良い。このように低い端子間抵抗を有することによって、電子ビーム装置のＺｒＯ／ＷやＬａＢ６等を加熱するフィラメント電源でダイヤモンド電子源全体の加熱が可能である。加熱することにより放出電流の安定化に必要な電子放出部に付着した水分等の除去を容易に行うことができ、また電子放出部１１の突起への真空中に残留する分子等の付着も少ないので、安定した電子放出が実現できる。加熱温度は４００℃以上１４５０℃以下で動作可能であるが、より好ましくは、６００℃以上１２００℃以下である。温度が低すぎると十分な電子放出電流は得られず、温度が高すぎるとダイヤモンド表面のグラファイト化が進んで寿命が短くなる。
【００１９】
次に、通電加熱部１２の室温端子間抵抗５００Ω以下を実現するための具体的な方法を例示するが、本発明はこれらに限定されるものではない。下記の方法を適用して得られた通電加熱部はダイヤモンドを使用した電子源において大電流かつ安定な電子放出を実現することができる。
（１）通電加熱部の単結晶ダイヤモンドの表面にリンを不純物として含むダイヤモンド薄膜を形成する方法。
（２）通電加熱部の単結晶ダイヤモンドとしてホウ素を不純物として含む単結晶ダイヤモンドを用いる方法。
（３）通電加熱部の単結晶ダイヤモンドの表面にイオン注入層を形成する方法。
（４）通電加熱部の単結晶ダイヤモンドの表面近傍の結晶構造を破壊して電気伝導層を形成する方法。
（５）通電加熱部の単結晶ダイヤモンドの表面に金属又は半導体の導電性薄膜を形成する方法。
以下では、上記（１）〜（５）の各方法について詳細に説明する。
【００２０】
<単結晶ダイヤモンドの表面にリンを不純物として含むダイヤモンド薄膜を形成する方法>
この方法では、通電加熱部１２の単結晶ダイヤモンド表面上に、不純物としてリンを最も多く含み、そのリン濃度が１×１０１６ｃｍ−３以上であるダイヤモンド薄膜を、マイクロ波プラズマＣＶＤもしくはＤＣプラズマＣＶＤで形成する。リンドープダイヤモンド薄膜はn型半導体であるので、給電端子から供給された電子を電子放出部１１のダイヤモンドの伝導帯にスムーズに輸送することができる結果、電子放出がより容易となる。
【００２１】
<単結晶ダイヤモンドとしてホウ素を不純物として含む単結晶ダイヤモンドを用いる方法>
この方法では、通電加熱部１２の単結晶ダイヤモンドを、不純物としてホウ素を最も多く含み、そのホウ素濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上のものとする。
なお、端子間抵抗は温度上昇と共にホウ素が活性化して低下するために動作温度では１０Ω以下となる。この場合、図３に示すように窒素濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上である電子放出部１１と、ホウ素濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上である通電加熱部１２とが同時にひとつの柱形単結晶ダイヤモンド３０に存在することになる。このようなダイヤモンド単結晶は、例えば高温高圧合成法で作製することができる。この手法で単結晶合成する際、合成条件を選択してホウ素が混入する成長セクタとホウ素はほとんど混入せずに窒素が混入するセクタを同時に成長させることが可能である。二つのセクタが入るように柱形素材を切り出すことで所望のダイヤモンド単結晶が得られる。通電加熱部１２を形成する工程が無いので、歩留まりを高くすることができる。
【００２２】
<単結晶ダイヤモンドの表面にイオン注入層を形成する方法>
この方法では、単結晶ダイヤモンドの表面から深さ１０μｍまでの間にイオン注入層４１を形成する。
イオン注入方法は、例えば図４に示すように、柱形単結晶ダイヤモンド素材４０が通電可熱部１２側の端面から見て四角柱である場合は、給電端子２１で挟持する２面と他の２面のうち少なくともどちらか１面にイオン注入層４１を形成して、給電端子２１間の導通をとる。イオン注入条件は、イオン種はホウ素、イオウ、リン、リチウム等で、加速エネルギーは１０ｋｅＶ〜１０ＭｅＶ、ドーズ量は１×１０１４〜２×１０１６ｃｍ−２が好適に使用可能で、アニール条件は、真空度１×１０−４Ｐａ以下、温度１０００〜１４５０℃、時間１０〜６０分が好適に使用可能である。安定した通電加熱部１２の抵抗が得られるために、試料間での電子放出条件のばらつきを少なくすることができる。
【００２３】
<通電加熱部の単結晶ダイヤモンドの表面の結晶構造を破壊して電気伝導層を形成する方法>
この方法では、例えば図５に示すように、単結晶ダイヤモンドの表面近傍のダイヤモンド結晶構造を破壊して電気伝導層５１を形成する。
電気伝導層５１の形成方法は、柱形単結晶ダイヤモンド素材５０が通電可熱部１２側の端面から見て四角柱である場合は、給電端子２１で挟持する２面と他の２面のうち少なくともどちらか１面を集束イオンビーム加工装置等のイオンビームを利用して表面近傍のダイヤモンド結晶構造を破壊して、給電端子２１間の導通をとる。イオンビーム照射条件は、イオン種はガリウム、加速エネルギーは４０ｋｅＶ以下でドーズ量は１×１０１７ｃｍ−２以上が好適に使用可能である。安定した通電加熱部１２の抵抗が得られるために、試料間での電子放出条件のばらつきを少なくすることができる。
【００２４】
<通電加熱部の単結晶ダイヤモンドの表面に金属又は半導体の導電性薄膜を形成する方法>
この方法では、例えば図６に示すように、単結晶ダイヤモンドの表面上に金属もしくは半導体の導電性薄膜６１を形成する。
導電性薄膜６１の形成方法は、柱形単結晶ダイヤモンド素材６０を通電可熱部１２側の端面から見て四角柱である場合は、給電端子２１で挟持する２面と他の２面のうち少なくともどちらか１面上に金属薄膜もしくは半導体薄膜を形成し、給電端子２１間の導通をとる。金属薄膜であれば、チタン、タングステンやモリブデン等の耐熱金属をスパッタや電子ビーム蒸着で形成するのが良く、半導体薄膜であれば、不純物を高濃度にドーピングした抵抗が低いシリコンやシリコンカーバイド等をＣＶＤで形成するのが良い。安定した通電加熱部１２の抵抗が得られるために、試料間での電子放出条件のばらつきを少なくすることができる。
【００２５】
ダイヤモンド電子源１０は、１０−４Ｐａ以下の真空中で７００℃以上１４００℃以下の温度で加熱処理することにより、より安定した電子放出を実現することが好ましい。この真空加熱処理で表面の吸着物等が脱離しさらに安定な表面原子構造になるために、安定した電子放出が実現する。従って、動作前に真空中から取り出せば、実施した真空加熱処理は無効となる。加熱方法としては、ダイヤモンド電子源モジュール２０の状態で給電端子２１間に電流を流して通電加熱することが好ましい。また加熱条件としては、１０−５Ｐａ以下の真空中で８００℃以上１１００℃以下の温度がより好ましい。この加熱処理では十分な脱ガス速度が得られ、且つ長時間放置しても表面が黒鉛化することが無いので実用的である。
【００２６】
本発明は、電子放出部の単結晶ダイヤモンドとして、最も多く含まれている不純物が窒素であり、その窒素濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上である単結晶ダイヤモンドを用いることを特徴としている。
この様な単結晶ダイヤモンドは、窒素はダイヤモンドにとってｎ型ドーパントであるにも拘わらず不純物準位が１．４ｅＶ以上と深く室温では絶縁体であるために、電子源材料として使い辛く注目されてこなかった。しかしながら、本発明者らによる鋭意研究の結果、ひとつの単結晶ダイヤモンドを電子放出部と通電加熱部とに分けて、通電加熱部の室温抵抗が低い単結晶ダイヤモンドを用いるか、あるいは通電加熱部の室温抵抗を下げる加工を施すことで、通電加熱でダイヤモンド電子源全体の加熱できるようになり、電子放出部の窒素を電気的に活性化させ、伝導帯に出た電子を突起先端の電界で引き出して電子放出を得るというこれまでになかった電子源構造を見出したものである。これにより安価で大量に人工合成できる窒素ドープ単結晶ダイヤモンドが電子源に利用できるようになり、これまで実現できなかった、主に電子ビーム装置で使用するＺｒＯ／Ｗ電子源やＬａＢ６電子源と互換性のあるダイヤモンド点電子源の量産が可能となった。
【実施例】
【００２７】
本発明のダイヤモンド電子源について、実施例に基づいてさらに具体的に説明する。
［実施例１］
まず、図１に示すようなダイヤモンド電子源ａ１を作製した。サイズは底面が０．６ｍｍ角で高さは２．５ｍｍ、底面から２．２ｍｍ上方より先細りの角錐台形状となっており、端面のサイズは３０μｍ角である。突起の高さは３０μｍで先端の曲率半径は０．５μｍとした。底面から２．０ｍｍ上方を境として上部は電子放出部、下部は通電加熱部である。電子放出部の単結晶ダイヤモンド中に最も多く含まれる不純物は窒素であり窒素濃度は３×１０１８ｃｍ−３、通電加熱部の単結晶ダイヤモンド中に最も多く含まれる不純物はホウ素でありホウ素濃度は２×１０１９ｃｍ−３であるような図３に示す単結晶ダイヤモンド素材を使用した。そして、ダイヤモンド電子源ａ１を図２に示すようなダイヤモンド電子源モジュールに組み込んだ。室温（２５℃）における端子間抵抗は２５０Ωであった。ダイヤモンド電子源モジュールを従来電子源が加熱できるフィラメント電源を有する評価装置に組み込んで電子ビームを評価したところ、ダイヤモンド電子源の温度１，０００℃、突起先端と引出電極間の距離４００μｍ、引出電極アパーチャ径５００μｍφ、引出電圧３．５ｋＶにおいて、角電流密度０．４ｍＡ／ｓｒが得られた。
【００２８】
ダイヤモンド電子源ａ１から、電子放出部の単結晶ダイヤモンドをＩｂ型に変更してダイヤモンド電子源ａ２を作製した。同様に評価したところ、角電流密度０．５ｍＡ／ｓｒが得られた。ダイヤモンド電子源ａ１をベースに、通電加熱部の単結晶ダイヤモンドの表面上に、最も多く含まれる不純物がリンであり、そのリン濃度が５×１０１９ｃｍ−３のダイヤモンド薄膜２μｍをマイクロ波プラズマＣＶＤで形成してダイヤモンド電子源ａ３を作製した。同様に評価したところ、角電流密度０．５ｍＡ／ｓｒが得られた。
ダイヤモンド電子源ａ１〜ａ３を評価装置に組み込み、１０−５Ｐａ以下の真空度、１０５０℃の温度で２０時間加熱した後電子ビームを評価した。その結果、１０時間のビーム安定性は１％ｒｍｓとなり、真空加熱処理無しで評価したときの５％ｒｍｓより良くなった。
【００２９】
［比較例１］
ダイヤモンド電子源ａ１から、突起の形状を高さ９μｍに変更してダイヤモンド電子源ａ４を、窒素濃度を５×１０１６ｃｍ−３に変更してダイヤモンド電子源ａ５を、ホウ素濃度を１×１０１７ｃｍ−３にし端子間抵抗を１ｋΩに変更してダイヤモンド電子源ａ６をそれぞれ作製した。同様に評価したが、ダイヤモンド電子源ａ４及びａ５は、従来電子源のＺｒＯ／Ｗ電子源を下回る角電流密度しか得られなかった。ダイヤモンド電子源ａ６は評価装置のフィラメント電源では加熱することができず電子ビームは引き出せなかった。
【００３０】
［実施例２］
まず、図１に示すようなダイヤモンド電子源ｂ１を作製した。サイズは底面が０．６ｍｍ角で高さは２．５ｍｍ、底面から２．２ｍｍ上方より先細りの角錐台形状となっており、端面のサイズは３０μｍ角である。突起の高さは３０μｍで先端の曲率半径は０．５μｍとした。底面から２．０ｍｍ上方を境として上部は電子放出部、下部は通電加熱部である。電子放出部の単結晶ダイヤモンド中に最も多く含まれる不純物は窒素であり窒素濃度は３×１０１８ｃｍ−３であるような単結晶ダイヤモンドを使用した。通電加熱部には、単結晶ダイヤモンド表面から深さ２μｍの間にホウ素をイオン注入・アニールして図４に示すようなイオン注入層を形成した。そして、ダイヤモンド電子源ｂ１を図２に示すようなダイヤモンド電子源モジュールに組み込んだ。室温（２５℃）における端子間抵抗は５０Ωであった。ダイヤモンド電子源モジュールを従来電子源が加熱できるフィラメント電源を有する評価装置に組み込んで電子ビームを評価したところ、ダイヤモンド電子源の温度１，０００℃、突起先端と引出電極間の距離４００μｍ、引出電極アパーチャ径５００μｍφ、引出電圧３．５ｋＶにおいて、角電流密度０．４ｍＡ／ｓｒが得られた。
【００３１】
ダイヤモンド電子源ｂ１から、電子放出部の単結晶ダイヤモンドをＩｂ型に変更してダイヤモンド電子源ｂ２を作製した。同様に評価したところ、角電流密度０．５ｍＡ／ｓｒが得られた。ダイヤモンド電子源ｂ１をベースに、通電加熱部の単結晶ダイヤモンドの表面上に、最も多く含まれる不純物はリンでありリン濃度が５×１０１９ｃｍ−３のダイヤモンド薄膜２μｍをマイクロ波プラズマＣＶＤで形成してダイヤモンド電子源ｂ３を作製した。同様に評価したところ、角電流密度０．５ｍＡ／ｓｒが得られた。
ダイヤモンド電子源ｂ１〜ｂ３を評価装置に組み込み、１０−５Ｐａ以下の真空度、１０５０℃の温度で２０時間加熱した後電子ビームを評価した。その結果、１０時間のビーム安定性は１％ｒｍｓとなり、真空加熱処理無しで評価したときの５％ｒｍｓより良くなった。
【００３２】
［比較例２］
ダイヤモンド電子源ｂ１から、突起の形状を高さ９μｍに変更してダイヤモンド電子源ｂ４を、窒素濃度を５×１０１６ｃｍ−３に変更してダイヤモンド電子源ｂ５を、イオン注入層形成時のイオン注入ドーズ量を少なくすることで端子間抵抗を１ｋΩに変更してダイヤモンド電子源ｂ６をそれぞれ作製した。同様に評価したが、ダイヤモンド電子源ｂ４及びｂ５は、従来電子源のＺｒＯ／Ｗ電子源を下回る角電流密度しか得られなかった。ダイヤモンド電子源ｂ６は評価装置のフィラメント電源では加熱することができず電子ビームは引き出せなかった。
【００３３】
［実施例３］
まず、図１に示すようなダイヤモンド電子源ｃ１を作製した。サイズは底面が０．６ｍｍ角で高さは２．５ｍｍ、底面から２．２ｍｍ上方より先細りの角錐台形状となっており、端面のサイズは３０μｍ角である。突起の高さは３０μｍで先端の曲率半径は０．５μｍとした。底面から２．０ｍｍ上方を境として上部は電子放出部、下部は通電加熱部である。電子放出部の単結晶ダイヤモンド中に最も多く含まれる不純物は窒素であり窒素濃度は３×１０１８ｃｍ−３であるような単結晶ダイヤモンドを使用した。通電加熱部には、集束イオンビーム加工装置で、イオン種はガリウム、加速エネルギー３０ｋＶ、ドーズ量１．５×１０１８ｃｍ−２の条件で単結晶ダイヤモンド表面の結晶構造を破壊して作製した図５に示すような電気伝導層を形成した。そして、ダイヤモンド電子源ｃ１を図２に示すようなダイヤモンド電子源モジュールに組み込んだ。室温（２５℃）における端子間抵抗は１０Ωであった。ダイヤモンド電子源モジュールを従来電子源が加熱できるフィラメント電源を有する評価装置に組み込んで電子ビームを評価したところ、ダイヤモンド電子源の温度１，０００℃、突起先端と引出電極間の距離４００μｍ、引出電極アパーチャ径５００μｍφ、引出電圧３．５ｋＶにおいて、角電流密度０．４ｍＡ／ｓｒが得られた。
【００３４】
ダイヤモンド電子源ｃ１から、電子放出部の単結晶ダイヤモンドをＩｂ型に変更してダイヤモンド電子源ｃ２を作製した。同様に評価したところ、角電流密度０．５ｍＡ／ｓｒが得られた。ダイヤモンド電子源ｃ１をベースに、通電加熱部の単結晶ダイヤモンドの表面上に、最も多く含まれる不純物はリンでありリン濃度が５×１０１９ｃｍ−３のダイヤモンド薄膜２μｍをマイクロ波プラズマＣＶＤで形成してダイヤモンド電子源ｃ３を作製した。同様に評価したところ、角電流密度０．５ｍＡ／ｓｒが得られた。
ダイヤモンド電子源ｃ１〜ｃ３を評価装置に組み込み、１０−５Ｐａ以下の真空度、１０５０℃の温度で２０時間加熱した後電子ビームを評価した。その結果、１０時間のビーム安定性は１％ｒｍｓとなり、真空加熱処理無しで評価したときの５％ｒｍｓより良くなった。
【００３５】
［比較例３］
ダイヤモンド電子源ｃ１から、突起の形状を高さ９μｍに変更してダイヤモンド電子源ｃ４を、窒素濃度を５×１０１６ｃｍ−３に変更してダイヤモンド電子源ｃ５を、集束イオンビームで単結晶表面を荒らす際のドーズ量を少なくすることで端子間抵抗を１ｋΩに変更してダイヤモンド電子源ｃ６をそれぞれ作製した。同様に評価したが、ダイヤモンド電子源ｃ４及びｃ５は、従来電子源のＺｒＯ／Ｗ電子源を下回る角電流密度しか得られなかった。ダイヤモンド電子源ｃ６は評価装置のフィラメント電源では加熱することができず電子ビームは引き出せなかった。
【００３６】
［実施例４］
まず、図１に示すようなダイヤモンド電子源ｄ１を作製した。サイズは底面が０．６ｍｍ角で高さは２．５ｍｍ、底面から２．２ｍｍ上方より先細りの角錐台形状となっており、端面のサイズは３０μｍ角である。突起の高さは３０μｍで先端の曲率半径は０．５μｍとした。底面から２．０ｍｍ上方を境として上部は電子放出部、下部は通電加熱部である。電子放出部の単結晶ダイヤモンド中に最も多く含まれる不純物は窒素であり窒素濃度は３×１０１８ｃｍ−３であるような単結晶ダイヤモンドを使用した。通電加熱部には、スパッタでチタン薄膜を１００ｎｍさらにその上にタングステン薄膜を１０００ｎｍ形成して図６に示すような導電性薄膜を形成した。そして、ダイヤモンド電子源ｄ１を図２に示すようなダイヤモンド電子源モジュールに組み込んだ。室温（２５℃）における端子間抵抗は５Ωであった。ダイヤモンド電子源モジュールを従来電子源が加熱できるフィラメント電源を有する評価装置に組み込んで電子ビームを評価したところ、ダイヤモンド電子源の温度１，０００℃、突起先端と引出電極間の距離４００μｍ、引出電極アパーチャ径５００μｍφ、引出電圧３．５ｋＶにおいて、角電流密度０．４ｍＡ／ｓｒが得られた。
【００３７】
ダイヤモンド電子源ｄ１から、電子放出部の単結晶ダイヤモンドをＩｂ型に変更してダイヤモンド電子源ｄ２を作製した。同様に評価したところ、角電流密度０．５ｍＡ／ｓｒが得られた。ダイヤモンド電子源ｄ１をベースに、通電加熱部の単結晶ダイヤモンドの表面上に、最も多く含まれる不純物はリンでありリン濃度が５×１０１９ｃｍ−３のダイヤモンド薄膜２μｍをマイクロ波プラズマＣＶＤで形成してダイヤモンド電子源ｄ３を作製した。同様に評価したところ、角電流密度０．５ｍＡ／ｓｒが得られた。
ダイヤモンド電子源ｄ１〜ｄ３を評価装置に組み込み、１０−５Ｐａ以下の真空度、１０５０℃の温度で２０時間加熱した後電子ビームを評価した。その結果、１０時間のビーム安定性は１％ｒｍｓとなり、真空加熱処理無しで評価したときの５％ｒｍｓより良くなった。
【００３８】
［比較例４］
ダイヤモンド電子源ｄ１から、突起の形状を高さ９μｍに変更してダイヤモンド電子源ｄ４を、窒素濃度を５×１０１６ｃｍ−３に変更してダイヤモンド電子源ｄ５を、スパッタでチタン／タングステン薄膜を形成する際の膜厚を薄くすることで端子間抵抗を１ｋΩに変更してダイヤモンド電子源ｄ６をそれぞれ作製した。同様に評価したが、ダイヤモンド電子源ｄ４及びｄ５は、従来電子源のＺｒＯ／Ｗ電子源を下回る角電流密度しか得られなかった。ダイヤモンド電子源ｄ６は評価装置のフィラメント電源では加熱することができず電子ビームは引き出せなかった。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のダイヤモンド電子源の一実施形態を示す図である。
【図２】ダイヤモンド電子源モジュールを示す図である。
【図３】本発明の、電子放出部と通電加熱部とからなるダイヤモンド電子源を示す図である。
【図４】本発明の、通電加熱部にイオン注入層を形成したダイヤモンド電子源を示す図である。
【図５】本発明の、通電加熱部にイオンビームを利用して電気伝導層を形成したダイヤモンド電子源を示す図である。
【図６】本発明の、通電加熱部に導電性薄膜を形成したダイヤモンド電子源を示す図である。
【００４０】
１０  ダイヤモンド電子源
１１  電子放出部
１２  通電加熱部
２０  ダイヤモンド電子源モジュール
２１  給電端子
２２  セラミックベース
２３  モジュール
３０  柱形単結晶ダイヤモンド
４０、５０、６０  柱形単結晶ダイヤモンド素材
４１  イオン注入層
５１  電気伝導層
６１  導電性薄膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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