(57)【要約】【課題】放熱性を十分に確保しつつ、電子親和力が低いことにより、高輝度を達成するとともに加熱温度を抑えてエネルギー幅を抑制することが可能な電子放射陰極、当該電子放射陰極を備えた電子顕微鏡および電子ビーム露光機を提供する。【解決手段】引出電極との間に電圧が印加されることにより、電子を放出する電子放射陰極９１は、本体部９６と、本体部９６から突出する先細形状の先鋭部９７とを備えている。本体部９６および先鋭部９７はダイヤモンド単結晶からなっている。そして、先鋭部９７の表面上には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）で表され、ドナー不純物を含むｎ型ＡｌＧａＮ層９８が形成されている。【選択図】図３
2010067452.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽極との間に電圧が印加されることにより、電子を放出する電子放射陰極であって、
本体部と、
前記本体部から突出する先細形状の先鋭部とを備え、
前記本体部および前記先鋭部はダイヤモンド単結晶からなり、
前記先鋭部の表面上には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）で表され、ドナー不純物を含むｎ型ＡｌＧａＮ層が形成されている、電子放射陰極。
【請求項２】
前記ｎ型ＡｌＧａＮ層に接触する前記先鋭部の領域は、アクセプター不純物を含んでいる、請求項１に記載の電子放射陰極。
【請求項３】
前記先鋭部の先端の曲率半径は０．１μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１または２に記載の電子放射陰極。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子放射陰極を備えた、電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電子放射陰極を備えた、電子ビーム露光機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放射陰極、電子顕微鏡および電子ビーム露光機に関し、より特定的には、陽極との間に電圧が印加されることにより、電子を放出する電子放射陰極、当該電子放射陰極を備えた電子顕微鏡および電子ビーム露光機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子はマイナスの電荷を持つとともに質量が極めて小さいことから、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）電界や磁界により電子の移動方向やビームの収束度を制御することができる。（２）電界により電子の速度を加減速して広範囲なエネルギーを得ることができる。（３）波長が短いため、ビーム径を小さく絞り込むことができる。
【０００３】
このような電子ビームの特徴が利用され、電子ビームの発生装置（電子銃）を備えた電子顕微鏡や電子ビーム露光機などが広く普及している。電子銃は、陽極と、当該陽極との間に電圧が印加されることにより、電子を放出する電子放射陰極とを備えている。そして、電子放射陰極としては、たとえば、熱電子放射源である安価なＷ（タングステン）フィラメントや、輝度の高い電子ビームが得られるＬａＢ６等の六ホウ化物からなる陰極が挙げられる。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（酸化ジルコニウム）／Ｗからなる陰極などが用いられている。
【０００４】
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なわなければならないという問題がある。これに対し、ＬａＢ６からなる陰極は、Ｗフィラメントと比較して寿命が１０００時間程度と長い。また、ＺｒＯ／Ｗからなる陰極は、寿命が１年程度とさらに長い。一方、先鋭化Ｗは、ＺｒＯ／Ｗより高輝度が得られるという利点がある。
【０００５】
しかしながら、近年、電子顕微鏡においては、より小さいものを高精度に観察したいという要求がある。また、電子ビーム露光機においては６５ｎｍノード以細の開発が進んできている。そのため、特に電子顕微鏡や電子ビール露光機において使用される電子放射陰極に対しては、長寿命であるとともに、さらに高輝度でかつエネルギー幅が狭いことが求められている。
【０００６】
このような要求に応えることが可能な電子放射陰極の材料として、ダイヤモンドを挙げることができる。ダイヤモンドには、電子親和力が負（ＮＥＡ；Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ａｆｆｉｎｉｔｙ）の状態や、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（たとえば非特許文献１および２参照）。
【０００７】
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からなる陰極のように１０００℃を超える高熱の必要なしに、高電流密度の電子放射が可能であり、エネルギー幅を狭く抑えることができる。そして、駆動温度が低いため、長寿命が期待できる。また、先端径を１０ｎｍにまで先鋭化可能な微細加工技術も存在するため、高輝度化を達成することもできる（たとえば非特許文献３参照）。上記電子親和力を有することが判明して以来、ダイヤモンドからなる電子源（電子放射電極）に関する研究開発が進められている（たとえば非特許文献４および特許文献１参照）。
【０００８】
また、窒化アルミニウムも、その電子親和力は負もしくは正の非常に小さな値が報告されており、電子放出材料として有望な材料である（たとえば非特許文献５、６および特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平４−６７５２７号公報
【特許文献２】特開２００１−３３８５６８号公報
【非特許文献１】Ｆ．Ｊ．Ｈｉｍｐｓｅｌ  ｅｔ  ａｌ．、“Ｑｕａｎｔｕｍ  ｐｈｏｔｏｙｉｅｌｄ  ｏｆ  ｄｉａｍｏｎｄ（１１１）”、Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ．Ｂ．、  Ｖｏｌ.２０、Ｎｕｍｂｅｒ  ２、１９７９年、ｐ．６２４−６２７
【非特許文献２】Ｊ．Ｒｉｓｔｅｉｎ  ｅｔ  ａｌ．、“Ｔｈｅ  Ｒｏｌｅ  ｏｆ  Ａｄｓｏｒｂａｔｅｓ  ａｎｄ  Ｄｅｆｅｃｔｓ  ｏｎ  Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ”、Ｎｅｗ  Ｄｉａｍｏｎｄ  ａｎｄ  Ｆｒｏｎｔｉｅｒ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ.１０、Ｎｏ.６、２０００年、ｐ．３６３−３８２
【非特許文献３】Ｙ．Ｎｉｓｈｉｂａｙａｓｈｉ  ｅｔ  ａｌ．、“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｎａｎｏ−Ｅｍｉｔｔｅｒｓ”、ＳＥＩ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ、Ｎｕｍｂｅｒ  ５７、２００４年、ｐ．３１−３６
【非特許文献４】Ｗ．Ｂ．Ｃｈｏｉ  ｅｔ  ａｌ．、“Ｆｉｅｌｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｆｒｏｍ  ｄｉａｍｏｎｄ  ｃｏａｔｅｄ  ｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍ  ｆｉｅｌｄ  ｅｍｉｔｔｅｒｓ”、Ｊ．  Ｖａｃ．  Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｂ  １４（３）、１９９６年、ｐ．２０５０−２０５５
【非特許文献５】Ｍ．Ｃ．Ｂｅｎｊａｍｉｎ  ｅｔ  ａｌ．、“ＵＶ  ｐｈｏｔｏｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｓｔｕｄｙ  ｏｆ  ｈｅｔｅｒｏｅｐｉｔａｘｉａｌ  ＡｌＧａＮ  ｆｉｌｍｓ  ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  ６Ｈ−ＳｉＣ”、Ａｐｐｌ．Ｓｕｒｆ．Ｓｃｉ．、１０４／１０５、１９９６年、ｐ．４５５−４６０
【非特許文献６】Ｃ．Ｉ．Ｗｕ  ｅｔ  ａｌ．、“Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ａｆｆｉｎｉｔｙ  ａｔ  ａｌｕｍｉｎｕｍ  ｎｉｔｒｉｄｅ  ｓｕｒｆａｃｅｓ”、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、ｖｏｌ．７３、１９９８年、ｐ．１３４６−１３４８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献２に開示された電子放出素子（電子放射陰極）を含め、ドナー不純物を有するＡｌｘＧａ１−ｘＮ半導体層を突起状に形成した電子放射陰極は、電子親和力が非常に小さいため、優れた電子放射陰極として機能するものの、電流密度を上げていくとジュール熱を十分に放散することができず、破損するおそれがある。
【００１０】
一方、特許文献１や非特許文献１〜４には、ダイヤモンドを利用した電子放出素子に関する技術情報が開示されている。ダイヤモンドは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ半導体層と同様、非常に低い電子親和力を有している。しかし、ダイヤモンドのｎ型半導体層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮのそれと比較して非常に高抵抗である。このため、例えば比較的低抵抗となるｐ型ダイヤモンド層から電子を放出させる試みもなされている。しかしながら、ｐ型ダイヤモンド層の電子親和力は、ＺｒＯ／Ｗなどの既に広く利用されている金属電子源と比較すると小さいものの、ｎ型ダイヤモンド層に比べるとかなり大きくなってしまう。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、放熱性を十分に確保しつつ、電子親和力が低いことにより、高輝度を達成するとともに加熱温度を抑えてエネルギー幅を抑制することが可能な電子放射陰極、当該電子放射陰極を備えた電子顕微鏡および電子ビーム露光機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に従った電子放射陰極は、陽極との間に電圧が印加されることにより、電子を放出する電子放射陰極である。この電子放射陰極は、本体部と、本体部から突出する先細形状の先鋭部とを備えている。この本体部および先鋭部はダイヤモンド単結晶からなっている。そして、上記先鋭部の表面上には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）で表され、ドナー不純物を含むｎ型ＡｌＧａＮ層が形成されている。
【００１３】
本発明の電子放射陰極においては、本体部および先鋭部が放熱性に優れたダイヤモンド単結晶からなっているため、高い放熱性が確保される。また、先鋭部が高度に先鋭化することが可能なダイヤモンド単結晶からなっているため、高輝度を得ることができる。さらに、本発明の電子放射陰極においては、先鋭部の表面上に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）で表され、ドナー不純物を含むｎ型ＡｌＧａＮ層が形成されている。ｎ型ＡｌＧａＮ層は、電子親和力が低いことにより、先鋭部の高度の先鋭化と相俟って高輝度の達成に寄与するとともに、加熱温度を抑えてエネルギー幅を抑制することができる。以上のように、本発明の電子放射陰極によれば、放熱性を十分に確保しつつ、電子親和力が低いことにより、高輝度を達成するとともに加熱温度を抑えてエネルギー幅を抑制することが可能な電子放射陰極を提供することができる。
【００１４】
ここで、ｎ型ＡｌＧａＮ層に含まれるドナー不純物としては、例えばＳｉ、Ｇｅ，Ｓｎ，Ｓｅ、Ｔｅなどを選択することができるが、特にＳｉが好ましい。また、ｎ型ＡｌＧａＮ層の厚みは、例えば０．０１μｍ以上１０μｍ以下とすることができ、０．１μｍ以上５μｍ以下とすることが好ましい。
【００１５】
上記電子放射陰極において好ましくは、上記ｎ型ＡｌＧａＮ層に接触する先鋭部の領域は、アクセプター不純物を含んでいる。
【００１６】
これにより、効率よくｎ型ＡｌＧａＮ層に電子を注入することが可能となり、電子放射陰極の放出電流を大きくすることができる。ここで、上記アクセプター不純物は、先鋭部のうちｎ型ＡｌＧａＮ層に接触する領域に含まれていればよく、より具体的には先鋭部全体あるいは先鋭部および本体部全体に含まれていてもよいし、先鋭部のうちｎ型ＡｌＧａＮ層に接触する領域のみに含まれ、アクセプター不純物を含む不純物層を形成していてもよい。また、アクセプター不純物としてはＢ（ホウ素）を採用することにより、一層効率よくｎ型ＡｌＧａＮ層に電子を注入することができる。また、当該アクセプター不純物の濃度は、たとえば１０１５ｃｍ−３以上１０２１ｃｍ−３以下とすることができる。
【００１７】
上記電子放射陰極において好ましくは、先鋭部の先端の曲率半径は０．１μｍ以上１０μｍ以下である。
【００１８】
先鋭部の先端の曲率半径が１０μｍを超えると、先鋭部に印加可能な電界の強度が不十分となるため、１０μｍ以下であることが好ましい。一方、先鋭部の先端の曲率半径が０．１μｍ未満では、実質的に有効な電子放出部の面積が小さくなり、電子放出量が不十分となるため、０．１μｍ以上であることが好ましい。ここで、先鋭部の先端の曲率半径とは、先端部が曲面（例えば球面）である場合、先端における当該曲面の曲率半径であり、先端部が多面体である場合、先端と当該先端に最も近い３つの頂点とを含む球面の半径をいう。
【００１９】
本発明に従った電子顕微鏡は、上記本発明の電子放射陰極を備えている。エネルギー幅を狭く抑えるとともに高輝度を達成することが可能な電子放射陰極を備えていることにより、本発明の電子顕微鏡によれば、同じプローブ電流であれば、高い分解能および高い安定性を達成することができる。また、同じ分解能であれば、高いプローブ電流を実現することができる。
【００２０】
本発明に従った電子ビーム露光機は、上記本発明の電子放射陰極を備えている。エネルギー幅を狭く抑えるとともに高輝度を達成することが可能な電子放射陰極を備えていることにより、本発明の電子ビーム露光機によれば、同じビーム電流であれば、描画分解能をさらに向上させることができる。また、同じ描画分解能であれば、さらにビーム電流を大きくすることが可能である。
【発明の効果】
【００２１】
以上の説明から明らかなように、本発明の電子放射陰極によれば、放熱性を十分に確保しつつ、電子親和力が低いことにより、高輝度を達成するとともに加熱温度を抑えてエネルギー幅を抑制することが可能な電子放射陰極を提供することができる。また、本発明の電子顕微鏡によれば、分解能が向上した電子顕微鏡を提供することができる。さらに、本発明の電子ビーム露光機によれば、描画分解能が向上した電子ビーム露光機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００２３】
（実施の形態１）
以下、本発明の一実施の形態である実施の形態１について説明する。図１は、実施の形態１における電子顕微鏡としてのＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；走査型電子顕微鏡）の構成を示す概略図である。また、図２は、図１のＳＥＭが備える実施の形態１における電子源の構成を示す概略断面図である。また、図３は、図２の電子源に含まれる電子放射陰極の構成を示す概略部分断面図である。
【００２４】
図１を参照して、実施の形態１におけるＳＥＭ１は、電子ビーム９９を放出する放出部１０と、放出部１０に接続され、放出部１０から放出された電子ビーム９９の集束度等を制御するレンズ部２０と、レンズ部２０に接続され、レンズ部２０を通過した電子ビーム９９が照射される試料３１を保持する試料室３０と、試料室３０に接続され、電子ビーム９９が照射された試料３１から放出される２次電子３２を検出する検出器４０とを備えている。
【００２５】
放出部１０は、電子放射陰極９１を有する電子源９０と、電子源９０から見てレンズ部２０側に配置された引出電極１１とを含んでいる。放出部１０においては、電子源９０の電子放射陰極９１が加熱されるとともに、引出電極１１と電子放射陰極９１との間に電界が印加されることにより、電子源９０から電子ビーム９９が放出される。すなわち、電子源９０および引出電極１１は、電子銃を構成する。
【００２６】
レンズ部２０には、電子ビーム９９の照射方向に沿って集束レンズ２１、走査コイル２２および対物レンズ２３がこの順で並べて配置されている。集束レンズ２１は、電子源９０から放出された電子ビーム９９を集束させて電子ビーム９９の太さを調整する機能を有している。走査コイル２２は、電子ビーム９９を試料３１に対して走査させる機能を有している。また、対物レンズ２３は、電子ビーム９９の焦点を調整する機能を有している。
【００２７】
試料室３０には、試料３１が配置され、当該試料３１は、試料３１を互いに直交する方向であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に移動させることが可能なステージ（図示しない）により保持される。また、検出器４０は、試料３１から放出された２次電子を検出し、検出された２次電子の強度などの情報を出力する機能を有している。
【００２８】
次に、実施の形態１におけるＳＥＭ１の動作について説明する。まず、観察対象となる試料３１が試料室３０に装入され、ステージ（図示しない）上に保持される。その後、放出部１０、レンズ部２０および試料室３０の内部の真空度が所望のレベルに保持された状態で、電子放射陰極９１が加熱されるとともに、陽極である引出電極１１と電子放射陰極９１との間に電圧が印加される。これにより、電子放射陰極９１から電子ビーム９９が放出される。
【００２９】
電子ビーム９９は、集束レンズ２１により集束され、走査コイル２２によって試料３１に対して走査されるとともに、対物レンズ２３により焦点が調整されて試料３１に照射される。その結果、電子ビーム９９が照射された試料３１から２次電子３２が放出される。この２次電子３２は、検出器４０において検出され、検出器４０に接続された増幅器（図示しない）において増幅された上で、増幅器に接続されたディスプレイなどの表示装置（図示しない）に、その強度分布等が画像として表示される。
【００３０】
次に、本実施の形態における電子源９０について説明する。図２を参照して、実施の形態１における電子源９０は、先細形状の柱状の形状（針状）の形状を有する電子放射陰極９１と、電子放射陰極９１を保持し金属などの導電体からなる保持部材９２と、保持部材９２に接触するように配置され、金属などの導電体からなる一対の端子９３と、一対の端子９３を保持するとともに一対の端子９３同士を絶縁する絶縁部材９４と、保持部材９２および電子放射陰極９１を取り囲むとともに、電子放射陰極９１が貫通する貫通孔を有するサプレッサ９５とを備えている。保持部材９２、一対の端子９３およびサプレッサ９５は、たとえば高融点の金属であるＭｏ（モリブデン）、Ｗなどからなっている。また、サプレッサ９５は、保持部材９２から放出される意図しない熱電子が電子源９０の外部に放出されることを抑制する機能を果たす。
【００３１】
図３を参照して、電子放射陰極９１は、本体部９６と、本体部９６から突出する先細形状の先鋭部９７とを備えている。この本体部９６および先鋭部９７はダイヤモンド単結晶からなっている。より具体的には、本体部９６および先鋭部９７は、一体のダイヤモンド単結晶からなっている。そして、先鋭部９７の表面上には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）で表され、ドナー不純物としてのＳｉを含むｎ型ＡｌＧａＮ層９８が形成されている。ｎ型ＡｌＧａＮ層９８におけるドナー不純物の濃度は、たとえば１０１５ｃｍ−３以上１０２１ｃｍ−３以下とすることができる。
【００３２】
次に、実施の形態１における電子源９０の動作について説明する。図２を参照して、まず、一対の端子９３に接続された電源（図示しない）により一対の端子９３間に電圧が印加される。これにより、端子９３、保持部材９２および電子放射陰極９１に電流が流れ、電子放射陰極９１が加熱される。そして、電子放射陰極９１と引出電極１１（図１参照）との間に電界が印加されることにより、電子放射陰極９１から電子ビーム９９（図１参照）が放射される。
【００３３】
ここで、図３を参照して、本実施の形態の電子放射陰極９１においては、本体部９６および先鋭部９７が放熱性に優れたダイヤモンド単結晶からなっているため、高い放熱性が確保されている。また、先鋭部９７が高度に先鋭化することが可能なダイヤモンド単結晶からなっているため、高い輝度を得ることが可能となっている。さらに、先鋭部９７の表面上に、電子親和力が小さいｎ型ＡｌＧａＮ層９８が形成されているため、先鋭部９７の高度の先鋭化と相俟って高い輝度の達成が可能となっているとともに、電子放射陰極９１の加熱温度を１０００℃以下程度に抑えることが可能となっている。このように電子放射陰極９１の加熱温度を抑制可能であることにより、電子放射陰極９１から放出される電子ビームのエネルギー幅を抑制することができる。
【００３４】
以上のように、本実施の形態における電子放射陰極９１は、放熱性を十分に確保しつつ、電子親和力が低いことにより、高輝度を達成するとともに加熱温度を抑えてエネルギー幅を抑制することが可能な電子放射陰極となっている。また、本実施の形態におけるＳＥＭ１は、エネルギー幅を狭く抑えるとともに高輝度を達成することが可能な電子放射陰極９１を有する電子源９０を備えていることにより、同じプローブ電流であれば、高い分解能および高い安定性を達成することができ、同じ分解能であれば、高いプローブ電流を実現することができる。
【００３５】
また、上記電子放射陰極９１においては、先鋭部９７の先端の曲率半径は０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。これにより、先鋭部９７に十分な強度の電界が印加可能になるとともに、十分な電子放出量を確保することができる。なお、先鋭部９７の先端は、曲面であることが好ましい。これにより、より十分な電子放出量を確保することができる。
【００３６】
次に、実施の形態１における電子放射陰極９１の製造方法について説明する。図４は、実施の形態１における電子放射陰極の製造方法の概略を示すフローチャートである。
【００３７】
図４を参照して、実施の形態１における電子放射陰極の製造方法においては、まず、工程（Ｓ１０）としてダイヤモンド単結晶準備工程が実施される。具体的には、工程（Ｓ１０）では、まず高温高圧合成により直方体形状を有するダイヤモンド単結晶が準備される。
【００３８】
次に、工程（Ｓ２０）として先鋭化加工工程が実施される。この工程（Ｓ２０）では、工程（Ｓ１０）において準備された直方体形状のダイヤモンド単結晶の長手方向における一方の端部に対して、当該長手方向に沿った軸に対して対称に機械加工（先鋭化加工）が実施される。その結果、図３を参照して、機械加工の施された領域が先鋭部９７となり、機械加工の施されなかった領域が本体部９６となる。
【００３９】
次に、工程（Ｓ３０）として、ｎ型ＡｌＧａＮ層形成工程が実施される。この工程（Ｓ３０）では、図３を参照して、工程（Ｓ２０）において形成された先鋭部９７の表面上にＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）で表され、ドナー不純物を含むｎ型ＡｌＧａＮ層９８が形成される。具体的には、たとえばＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；有機金属気相成長）法などの気相法により厚み０．０１μｍ以上１０μｍ以下程度の厚みのｎ型ＡｌＧａＮ層９８が形成される。このとき、ｎ型ＡｌＧａＮ層９８に導入される不純物としては、たとえばＳｉ（珪素）などを採用することができる。以上のプロセスにより、実施の形態１における電子放射陰極９１を製造することができる。
【００４０】
（実施の形態２）
以下、本発明の他の実施の形態である実施の形態２における電子放射陰極について説明する。実施の形態２における電子放射陰極は、基本的には図３に基づいて説明した実施の形態１における電子放射陰極と同様の構成を有しており、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２における電子放射陰極は、先鋭部の構成において実施の形態１の場合とは異なっている。
【００４１】
図３を参照して、実施の形態２における電子放射陰極９１の先鋭部９７および本体部９６は、アクセプター不純物を含むことにより導電型がｐ型となっている。すなわち、実施の形態２における電子放射陰極９１においては、ｎ型ＡｌＧａＮ層９８に接触する先鋭部９７の領域が、アクセプター不純物を含むことによりｐ型の導電型を有している。
【００４２】
実施の形態２における電子放射陰極９１は、先鋭部９７がアクセプター不純物を含むことで導電型がｐ型となっていることにより、効率よくｎ型ＡｌＧａＮ層９８に電子を注入することが可能となっている。その結果、実施の形態２における電子放射陰極９１においては、放出電流を大きくすることが可能となっている。
【００４３】
なお、実施の形態２における電子放射陰極は、基本的には実施の形態１の場合と同様に製造することができる。すなわち、図４を参照して、工程（Ｓ１０）においては、高温高圧合成によりＢを含有し、直方体形状を有するＩＩｂ型ダイヤモンド単結晶が準備される。その後、工程（Ｓ２０）および（Ｓ３０）が実施の形態１の場合と同様に実施されることにより、実施の形態２における電子放射陰極９１が製造される。
【００４４】
（実施の形態３）
以下、本発明のさらに他の実施の形態である実施の形態３における電子放射陰極について説明する。図５は、実施の形態３における電子放射陰極の構成を示す概略部分断面図である。実施の形態３における電子放射陰極は、基本的には図３に基づいて説明した実施の形態１における電子放射陰極と同様の構成を有しており、同様の効果を奏する。しかし、実施の形態３における電子放射陰極は、先鋭部の構成において実施の形態１の場合とは異なっている。
【００４５】
すなわち、図５を参照して、実施の形態３における電子放射陰極９１は、先鋭部９７の表面を含む領域に、アクセプター不純物を含むことにより導電型がｐ型となっているｐ型ダイヤモンド層９７Ａが形成されている。つまり、実施の形態３における電子放射陰極９１においては、ｎ型ＡｌＧａＮ層９８に接触する先鋭部９７の領域が、アクセプター不純物を含むことによりｐ型の導電型を有している。
【００４６】
実施の形態３における電子放射陰極９１は、先鋭部９７のうちｎ型ＡｌＧａＮ層９８に接触する領域にｐ型ダイヤモンド層９７Ａが形成されていることにより、効率よくｎ型ＡｌＧａＮ層９８に電子を注入することが可能となっている。その結果、実施の形態３における電子放射陰極９１においては、放出電流を大きくすることが可能となっている。
【００４７】
次に、実施の形態３における電子放射陰極の製造方法について説明する。図６は、実施の形態３における電子放射陰極の製造方法の概略を示すフローチャートである。図６および図４を参照して、実施の形態３における電子放射陰極は、基本的には実施の形態１の場合と同様に製造することができる。すなわち、実施の形態３における電子放射陰極の製造方法においては、まず、実施の形態１の場合と同様に工程（Ｓ１０）および（Ｓ２０）が実施される。
【００４８】
その後、工程（Ｓ２５）として、ｐ型ダイヤモンド層形成工程が実施される。この工程（Ｓ２５）では、図５を参照して、先鋭部９７の表面を含む領域に、アクセプター不純物を含むことにより導電型がｐ型となっているｐ型ダイヤモンド層９７Ａが形成される。このｐ型ダイヤモンド層９７Ａの形成は、たとえばＣＶＤ法などの気相法によりアクセプター不純物であるＢを含むダイヤモンド層を先鋭部９７の表面上に形成することにより実施することができる。なお、この工程（Ｓ２５）におけるｐ型ダイヤモンド層９７Ａの形成は、たとえばアクセプター不純物であるＢを、イオン注入により先鋭部９７の表面を含む領域に導入することにより実施することもできる。
【００４９】
その後、工程（Ｓ３０）が実施の形態１の場合と同様に実施されることにより、実施の形態３における電子放射陰極の製造方法は完了し、上記実施の形態３における電子放射陰極９１が得られる。
【００５０】
（実施の形態４）
以下、本発明のさらに他の実施の形態である実施の形態４について説明する。図７は、実施の形態４における電子ビーム露光機の構成を示す概略図である。
【００５１】
図７を参照して、実施の形態４における電子ビーム露光機５は、本体部８１と、本体部８１を制御する制御部８２とを備えている。本体部８１は、電子ビーム９９を放出する放出部５０と、放出部５０に接続され、放出部５０から放出された電子ビーム９９の集束度等を制御するレンズ部６０と、レンズ部６０に接続され、レンズ部６０を通過した電子ビーム９９が照射される被照射物７２を保持するステージ７１を有するステージ室７０とを備えている。
【００５２】
放出部５０は、電子放射陰極９１を有する電子源９０と、電子源９０から見てレンズ部２０側に配置された引出電極５１とを含んでいる。放出部５０においては、電子源９０の電子放射陰極９１が加熱されるとともに、引出電極５１と電子放射陰極９１との間に電界が印加されることにより、電子源９０から電子ビーム９９が放出される。すなわち、電子源９０および引出電極５１は、電子銃として機能する。
【００５３】
レンズ部２０には、電子ビーム９９の照射方向に沿って一対のブランキング電極６２、３つの電極レンズ６１および一対の偏向電極６３がこの順で並べて配置されている。ブランキング電極６２は、被照射物７２への電子ビーム９９の照射を停止したい場合に、電界を形成することによって電子ビーム９９の照射方向を変化させ、被照射物７２への電子ビーム９９の照射を停止させる機能を有している。電極レンズ６１は、電子源９０から放出された電子ビーム９９を集束させて電子ビーム９９の太さを調整するとともに、電子ビーム９９の焦点を調節する機能を有している。偏向電極６３は、電子源９０から放出された電子ビーム９９を偏向させる機能を有している。
【００５４】
ステージ室７０には、被照射物７２を保持し、当該被照射物７２を互いに直交する方向であるＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に移動させることが可能なステージ７１が配置されている。
【００５５】
一方、制御部８２は、制御用コンピュータ８５と、制御用コンピュータ８５に接続されたデータ処理システム８６と、データ処理システム８６に接続されたビームブランキング制御系８７、ビーム偏向制御系８８およびステージ制御系８９とを備えている。
【００５６】
制御用コンピュータ８５は、入力されたデータをデータ処理システム８６に出力し、データ処理システム８６に接続されたビームブランキング制御系８７、ビーム偏向制御系８８およびステージ制御系８９を介してブランキング電極６２、偏向電極６３およびステージ７１を制御する機能を有している。データ処理システム８６は、制御用コンピュータ８５から出力されたデータを処理して、ブランキング電極６２、偏向電極６３およびステージ７１に制御信号を送信する機能を有している。ビームブランキング制御系８７、ビーム偏向制御系８８およびステージ制御系８９は、データ処理システム８６から出力された制御信号を受信して、それぞれブランキング電極６２、偏向電極６３およびステージ７１の動作を制御する機能を有している。
【００５７】
次に実施の形態４における電子ビーム露光機５の動作について説明する。まず、電子ビームを照射すべき被照射物７２をステージ室７０に装入し、ステージ７１上に保持する。その後、放出部５０、レンズ部６０およびステージ室７０の内部の真空度が所望のレベルに保持された状態で、電子放射陰極９１が加熱されるとともに、陽極である引出電極５１と電子放射陰極９１との間に電圧が印加される。これにより、電子放射陰極９１から電子ビーム９９が放射される。
【００５８】
放射された電子ビーム９９は、３つの電極レンズ６１によって集束され、偏向電極６３によって偏向された上で、ステージ７１上の被照射物７２に照射される。一方、制御用コンピュータ８５には、予め決定された被照射物７２に対する所望の電子ビーム９９の露光パターンが入力される。この露光パターンのデータはデータ処理システム８６において処理され、制御信号としてビームブランキング制御系８７、ビーム偏向制御系８８およびステージ制御系８９に送信される。
【００５９】
ビームブランキング制御系８７は、受信した制御信号に基づき一対のブランキング電極６２の間に電界を印加し、当該一対のブランキング電極６２の間を通過する電子ビーム９９の進路を変更することにより、必要に応じてステージ７１上の被照射物７２への電子ビーム９９の到達を遮断するようにブランキング電極６２を制御する。ビーム偏向制御系８８は、受信した制御信号に基づき一対の偏向電極６３の間に電界を印加し、当該一対の偏向電極６３の間を通過して被照射物７２に到達する電子ビーム９９を偏向させるように、偏向電極６３を制御する。ステージ制御系８９は、受信した制御信号に基づきステージ７１の動作を制御し、照射される電子ビーム９９に対する被照射物７２の相対的な位置を変化させる。以上のように、本実施の形態における電子ビーム露光機５によれば、被照射物７２に対して所望の露光パターンで電子ビーム９９を照射することができる。
【００６０】
ここで、放出部５０に含まれる電子源９０は、図２に基づいて説明した実施の形態１における電子源９０と同様の構成を有している。そして、電子源９０に含まれる電子放射陰極９１は、上記実施の形態１〜３において説明した電子放射陰極９１と同様の構成を有している。その結果、本実施の形態における電子ビーム露光機５は、エネルギー幅を狭く抑えるとともに高輝度を達成することが可能な電子放射陰極９１を有する電子源９０を備えていることにより、同じビーム電流であれば、描画分解能を向上させることができ、同じ描画分解能であれば、ビーム電流を大きくすることができる。
【実施例１】
【００６１】
以下、本発明の実施例１について説明する。本発明の電子放射陰極を作製し、電子顕微鏡に組み込んで、その性能を評価する実験を行なった。実験の手順は以下のとおりである。
【００６２】
まず、高温高圧合成により縦０．５ｍｍ、横０．５ｍｍ、高さ３ｍｍの直方体形状を有し、Ｂを含有するダイヤモンド単結晶（ＩＩｂ型）を準備した。そして、当該ダイヤモンド単結晶の長手方向における一方の端部に対して、当該長手方向に沿った軸に対して対称に機械加工（先鋭化加工）を実施し、サンプルとした。先鋭化加工により形成された先鋭部の先端における曲率半径は、約５μｍとした（比較例Ａ）。
【００６３】
一方、上記比較例Ａと同様に作製したサンプルに対し、気相法により先鋭部の表面上に厚み約１μｍのｎ型ＡｌＧａＮ層を形成し、別のサンプルとした。ｎ型ドーパントとしてはＳｉを採用し、ｎ型ＡｌＧａＮ層に含まれるＳｉの濃度は１．８×１０２０ｃｍ−３とした（実施例Ａ）。
【００６４】
さらに、上記比較例Ａと同様に作製したサンプルに対し、先鋭化加工により形成された先鋭部の表面上に、気相法により厚み１μｍのｎ型ダイヤモンド層を形成した。ｎ型ドーパントとしてはＰ（リン）を採用し、ｎ型ダイヤモンド層に含まれるＰの濃度は２．５×１０１８ｃｍ−３とした。その後、実施例Ａのサンプルと同様に、先鋭部の表面上に厚み約１μｍのｎ型ＡｌＧａＮ層を形成し、さらに別のサンプルとした（実施例Ｂ）。
【００６５】
また、上記実施例Ａの先鋭部の先端における曲率半径をそれぞれ０．０１μｍおよび１５μｍとしたサンプルも作製した（実施例ＣおよびＤ）。
【００６６】
また、昇華法により長さ約３ｍｍ、直径約０．７ｍｍ、先端における曲率半径１０μｍの先細形状のＡｌＮ（窒化アルミニウム）単結晶を坩堝表面に成長させた。その後、実施例Ａのサンプルと同様に、先鋭部の表面上に厚み約１μｍのｎ型ＡｌＧａＮ層を形成し、さらに別のサンプルとした（比較例Ｂ）。
【００６７】
以上のように準備された実施例Ａ〜Ｄおよび比較例Ａ〜Ｂのサンプルを、図２に基づいて説明した上記実施の形態１と同様の構成を有する電子源９０に電子放射陰極９１として組み込み、さらに図１に基づいて説明した実施の形態１におけるＳＥＭ１に取り付けた。そして、電子源温度８００℃、引き出し電圧３．５ｋＶ、加速電圧１５ｋＶの条件でＳＥＭ１を動作させ、エミッション電流の値を測定した。なお、比較例Ｂに関しては、ＡｌＮ単結晶の電気抵抗値が高いことに起因して、電子源温度を８００℃にまで上昇させることができなかったため、エミッション電流の値は測定できなかった。さらに、実施例Ａ〜Ｂおよび比較例Ａに関しては、電子光学系を調整することによりプローブ径を２．５ｎｍとした場合のプローブ電流の値を測定した。試験結果を表１に示す。
【００６８】
【表１】
2010067452.tif 000003
【００６９】
表１を参照して、ｎ型ＡｌＧａＮ層を有さない比較例Ａに比べて、先鋭部にｎ型ＡｌＧａＮ層を形成した実施例ＡおよびＢのエミッション電流は大きくなっている。また、プローブ電流に関しても、比較例Ａに比べて実施例ＡおよびＢは高い値が得られている。このことから、ダイヤモンド単結晶からなる電子放射陰極の先鋭部に電子親和力が低いｎ型ＡｌＧａＮ層を形成することにより、高いエミッション電流およびプローブ電流が得られることが確認された。
【００７０】
また、実施例ＡとＢとを比較すると、ｎ型ＡｌＧａＮ層に接触する領域にアクセプター不純物であるＢが含まれることにより当該領域の導電型がｐ型となっている実施例Ａは、当該領域がｎ型である実施例Ｂに比べて高いエミッション電流およびプローブ電流が得られている。このことから、ｎ型ＡｌＧａＮ層に接触する先鋭部の領域をアクセプター不純物の導入によってｐ型とすることにより、より高いエミッション電流およびプローブ電流が得られることが確認された。また、実施例Ａの電子放射陰極を用いてナノメーターオーダーの電子顕微鏡像を観察したところ、像が非常に明るく、ＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｘ−ｒａｙ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）分析においてもＳＮ（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ）比を２以上とすることができた。
【００７１】
さらに、実施例Ａと同様の構成を有し、先鋭部の先端の曲率半径が０．１μｍ未満である実施例Ｃおよび当該曲率半径が１０μｍを超える実施例Ｄに比較して、当該曲率半径が０．１μｍ以上１０μｍ以下である実施例Ａのエミッション電流は大きくなっている。このことから、先鋭部の先端の曲率半径は、０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましいことが確認された。
【実施例２】
【００７２】
次に、本発明の実施例２について説明する。本発明の電子放射陰極を作製し、電子ビーム露光機に組み込んで、その性能を評価する実験を行なった。実験の手順は以下のとおりである。
【００７３】
上記実施例１において作製された実施例Ａ、Ｂおよび比較例Ａのサンプルを、図２に基づいて説明した上記実施の形態１と同様の構成を有する電子源９０に電子放射陰極９１として組み込み、さらに図７に基づいて説明した実施の形態４における電子ビーム露光機５に取り付けた。そして、電子源温度７００℃、引き出し電圧４ｋＶ、加速電圧３０ｋＶの条件で電子ビーム露光機５を動作させ、プローブ電流１ｎＡとした場合にビーム径をどの程度まで絞ることが可能であるかを調査した。また、同様の条件下で、被照射物に対して描画を行ない、実用的な描画速度での描画分解能を調査した。試験結果を表２に示す。
【００７４】
【表２】
2010067452.tif 000004
【００７５】
表２を参照して、ｎ型ＡｌＧａＮ層を有さない比較例Ａに比べて、先鋭部にｎ型ＡｌＧａＮ層を形成した実施例ＡおよびＢのビーム径は、より小さく絞ることが可能であることが確認された。そして、実施例ＡおよびＢの電子放射陰極を用いた場合、比較例Ａの電子放射陰極を用いた場合に比べて、より優れた描画分解能を実用的な描画速度で実現できることが確認された。このことから、ダイヤモンド単結晶からなる電子放射陰極の先鋭部に電子親和力が低いｎ型ＡｌＧａＮ層を形成することにより、ビーム径をより小さく絞り、より優れた描画分解能を実用的な描画速度で実現できることが分かった。
【００７６】
また、実施例ＡとＢとを比較すると、ｎ型ＡｌＧａＮ層に接触する領域にアクセプター不純物であるＢが含まれることにより当該領域の導電型がｐ型となっている実施例Ａは、当該領域がｎ型である実施例Ｂに比べてビーム径をさらに小さく絞り、描画分解能を向上させることが可能であることが分かった。
【００７７】
なお、上記実施の形態および実施例においては、本発明の電子放射陰極が電子顕微鏡および電子ビーム露光機に組み込まれる場合について説明したが、本発明の電子放射陰極を採用可能な装置はこれに限られず、たとえばＸ線管などにも採用することができる。
【００７８】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明の電子放射陰極、電子顕微鏡および電子ビーム露光機は、高輝度の達成およびエネルギー幅の抑制が求められる電子放射陰極、当該電子放射陰極を備えた電子顕微鏡および電子ビーム露光機に、特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】実施の形態１におけるＳＥＭの構成を示す概略図である。
【図２】図１のＳＥＭが備える実施の形態１における電子源の構成を示す概略断面図である。
【図３】図２の電子源に含まれる電子放射陰極の構成を示す概略部分断面図である。
【図４】実施の形態１における電子放射陰極の製造方法の概略を示すフローチャートである。
【図５】実施の形態３における電子放射陰極の構成を示す概略部分断面図である。
【図６】実施の形態３における電子放射陰極の製造方法の概略を示すフローチャートである。
【図７】実施の形態４における電子ビーム露光機の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００８１】
１  ＳＥＭ、５  電子ビーム露光機、１０  放出部、１１  引出電極、２０  レンズ部、２１  集束レンズ、２２  走査コイル、２３  対物レンズ、３０  試料室、３１  試料、３２  ２次電子、４０  検出器、５０  放出部、５１  引出電極、６０  レンズ部、６１  電極レンズ、６２  ブランキング電極、６３  偏向電極、７０  ステージ室、７１  ステージ、７２  被照射物、８１  本体部、８２  制御部、８５  制御用コンピュータ、８６  データ処理システム、８７  ビームブランキング制御系、８８  ビーム偏向制御系、８９  ステージ制御系、９０  電子源、９１  電子放射陰極、９２  保持部材、９３  端子、９４  絶縁部材、９５  サプレッサ、９６  本体部、９７  先鋭部、９７Ａ  ｐ型ダイヤモンド層、９８  ｎ型ＡｌＧａＮ層、９９  電子ビーム。
【図１】
2010067452.tif 000005
【図２】
2010067452.tif 000006
【図３】
2010067452.tif 000007
【図４】
2010067452.tif 000008
【図５】
2010067452.tif 000009
【図６】
2010067452.tif 000010
【図７】
2010067452.tif 000011