(57)【要約】【課題】電子線及び電子ビーム機器や真空管、特に、電子顕微鏡に使用される、高輝度高安定性を有する電子ビームが得られる電子銃を提供することを課題とする。【解決手段】上記課題を解決するため本発明に係る電子銃は、電子光学機器に使用される冷陰極電界放出電子銃であって、１０００℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、エミッション電流安定性が５％未満で且つ角電流密度が５０μＡ／ｓｒより大きいことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子光学機器に使用される冷陰極電界放出電子銃であって、１０００℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、エミッション電流安定性が５％未満で且つ角電流密度が５０μＡ／ｓｒより大きいことを特徴とする電子銃。
【請求項２】
電子光学機器に使用される冷陰極電界放出電子銃であって、１０００℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、エミッション電流安定性が５％未満で且つ電子放出の立体角０.０００２ｓｒの範囲内のエミッション電流が５ｎＡより大きいことを特徴とする電子銃。
【請求項３】
電子光学機器に使用される冷陰極電界放出電子銃であって、１０００℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、エミッション電流安定性が５％未満で且つエネルギー分散が０.４eＶ未満であることを特徴とする電子銃。
【請求項４】
電子光学機器に使用される冷陰極電界放出電子銃であって、１０００℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、角電流密度が５０μＡ／ｓｒより大きく且つエネルギー分散が０.４eＶ未満であることを特徴とする電子銃。
【請求項５】
電子光学機器に使用される冷陰極電界放出電子銃であって、１０００℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、電子放出の立体角０.０００２ｓｒの範囲内のエミッション電流が５ｎＡより大きく且つエネルギー分散が０.４eＶ未満であることを特徴とする電子銃。
【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電子銃であって、従来のタングステン冷陰極より優れた電子ビームが得られる冷陰極電界放出電子銃に関する。
【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。
【０００３】
現在、電子顕微鏡用途としてよく使用されている陰極として、例えば、特許文献１〜３によれば、熱電子源としては安価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等からなるホウ化物フィラメントがある。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電界放出電子源として先鋭化タングステンや、電界によるショットキー効果を利用した熱電界放出電子源としてＺrＯ／Ｗ が用いられている。
【０００４】
一方、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から、輝度が高く安定した電流の電子ビームが得られる電子銃が求められている。
【０００５】
その要求される電子ビーム輝度は１×１０9Ａ／ｍ2ｓｒ、電子ビーム電流安定性は５％未満で、これをビーム引出電圧３ｋＶ以上１０ｋＶ以下で実現することである。ここで、電子ビームとは電子顕微鏡の試料室のサンプルステージ上で得られる電子線を指す。また安定性とは、電流をサンプリング周波数１０Ｈz以上で２４時間以上測定した後、すべてのサンプリングデータを平均して得られる平均電流値の何％以内にすべてのサンプリングデータが入るかということを示す指標と定義する。
【０００６】
要求輝度及び安定性に対する従来の電子源を搭載した電子銃で得られる電子ビーム性能を比較すると、タングステンフィラメント、ホウ化物フィラメント、ＺrＯ／Ｗは、安定性は１％前後と問題ないが輝度が小さく要求を満たすことができなかった。先鋭化タングステンを搭載した電子銃では安定性が５％〜１０％と悪いので要求を満たさなかった。すなわち、従来の電子源では高輝度高安定というユーザ要求を満たすことができなかった。ここで、電子銃とは、少なくとも電子源と電子源の電子放出部から一定の距離を置いて配置した引出電極アパーチャプレートを構成要素として含むと定義する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公昭６３−０１５６９３号公報
【特許文献２】特開平０３−１２９６５１号公報
【特許文献３】特開平０８−０１７３７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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、電子顕微鏡に使用される、高輝度高安定性を有する電子ビームが得られる電子銃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、本発明に係る電子銃は、電子光学機器に使用される冷陰極電界放出電子銃であって、１０００℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、エミッション電流安定性が５％未満で且つ角電流密度が５０μＡ／ｓｒより大きいことを特徴とする。ここで、エミッション電流とは、電子銃からの総電子放出電流のことを指す。
【００１０】
本発明の冷陰極電界放出電子銃は、低い動作温度で且つこのような電流安定性と角電流密度を有するので、特に半導体デバイスの測長検査用電子顕微鏡分野で求められている輝度・安定性が実現できる。
【００１１】
また、本発明の電子銃は、冷陰極電界放出電子銃であって、１０００℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、エミッション電流安定性が５％未満で且つ電子放出の立体角０.０００２ｓｒの範囲内のエミッション電流が５ｎＡより大きいことを特徴とする。
【００１２】
本発明の冷陰極電界放出電子銃は、低い動作温度で且つこのような電流安定性と狭い立体角での大電流特性が実現できるので、高輝度高安定であり特に半導体デバイスの測長検査用電子顕微鏡分野で好適に使用可能である。
【００１３】
あるいは、本発明の電子銃は、冷陰極電界放出電子銃であって、１０００℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、エミッション電流安定性が５％未満で且つエネルギー分散が０.４eＶ未満であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の冷陰極電界放出電子銃は、低い動作温度で且つこのような電流安定性と狭いエネルギー幅が実現できるので、半導体デバイスの測長検査用電子顕微鏡分野で要求された高輝度高安定の電子ビームを得ることができる。
【００１５】
さらには、本発明の電子銃は、冷陰極電界放出電子銃であって、１０００℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、角電流密度が５０μＡ／ｓｒより大きく且つエネルギー分散が０.４eＶ未満であることを特徴とする。
【００１６】
本発明の冷陰極電界放出電子銃は、低い動作温度で且つこのような角電流密度と狭いエネルギー幅が実現できるので、高輝度高安定の電子ビームを得ることができる。
【００１７】
そして、本発明の電子銃は、冷陰極電界放出電子銃であって、１０００℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、電子放出の立体角０.０００２ｓｒの範囲内のエミッション電流が５ｎＡより大きく且つエネルギー分散が０.４eＶ未満であることを特徴とする。
【００１８】
本発明の冷陰極電界放出電子銃は、低い動作温度で且つこのような狭い立体角での大電流特性と狭いエネルギー幅が実現できるので、高輝度高安定の電子ビームを得ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
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、高輝度且つ高安定な電子ビームが得られる冷陰極電界放出電子銃が実現される。特に、半導体デバイス測長検査用電子顕微鏡において、本発明の冷陰極電界放出電子銃を使用すれば、従来の電子銃では不可能であった高速・高精度での観察を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明による冷陰極電界放出電子銃の電子源部分の一例を示す図である。
【図２】図１におけるチップ１１の拡大図である。
【図３】本発明による冷陰極電界放出電子銃の電子源部分の構成の一例を示す概略図である。
【図４】本発明による冷陰極電界放出電子銃から電子放出させる際の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る冷陰極電界放出電子銃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。
【００２２】
図１は、本発明による冷陰極電界放出電子銃の電子源部分の一実施形態を示す平面図である。電子源１０は、電子放出部分であるチップ１１、チップ１１を挟持するための支柱１２、支柱を固定するためのベース１３、チップに支柱１２を経由して放出電子を供給するための給電端子１４で構成される。
【００２３】
チップ１１にはダイヤモンド単結晶が使用されることが好ましい。ダイヤモンド単結晶は、混入している不純物や欠陥の種類によって、Ｉａ型、Ｉｂ型、ＩＩａ型、ＩＩｂ型等分類されるが、いずれを使用しても構わない。チップ１１のダイヤモンド単結晶には、ホウ素ドープダイヤモンドエピタキシャル薄膜、あるいはリンドープダイヤモンドエピタキシャル薄膜が少なくとも一部に形成されていると、チップ１１の導電性向上に寄与するために好ましい。
サイズは、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、ＬaＢ6やＺrＯ／Ｗ等の従来の電子源を搭載した電子銃と互換性を有する結果、これらが使用されている電子顕微鏡に本発明の冷陰極電界放出電子銃を搭載することが可能となる。
【００２４】
チップ１１は図２に示すように先鋭突起２０を有し、その先端に電界を印加することによって電界放出電子を得る。先鋭突起２０は、角錐台部２１の平面上に形成されているが、加工が困難なダイヤモンドを電子源として使用するために、従来の電子源にはない独特な構造を有する。先鋭突起２０は円錐形状をしており、その頂角は３０°以下、高さは１０μｍ以上で先端曲率半径は０.０５μｍ以上１μｍ以下、最先端部の表面粗さは１ｎｍ以下である。
【００２５】
先鋭突起２０以外の部分は、ダイヤモンド単結晶をレーザ加工と研磨加工することにより作製する。角錐台部２１は、加工及び先鋭突起部の電界集中のし易さを考えると角錐台高さは０.１ｍｍ〜０.５ｍｍ、角錐台面のサイズは２０μｍ角〜１００μｍ角の範囲内であることが好ましい。表面は研磨加工により鏡面仕上げとするが、少なくとも角錐台上面は鏡面仕上げとする。
【００２６】
先鋭突起２０は、角錐台上面にフォトリソグラフィ法で円柱状のエッチングマスクを形成して、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）でエッチングマスクが消失するまで角錐台上面をエッチングすることにより形成する。エッチングは酸素とＣＦ4の混合ガス雰囲気中で実施し、マスクは直径１μｍφ〜１０μｍφ、高さ０.１μｍ〜１０μｍの範囲で設定し、マスクのエッジ部の輪郭度が１０ｎｍ以下となるように丁寧にフォトリソグラフィを実施する。マスク材としてはＴi、Ｍo、Ｗ、Ａl等の金属、ＳiＯ2、ＳiＯＮ等のセラミックが使用可能である。
【００２７】
先鋭突起２０の先端部分の表面粗さはエッチングマスクが消失する直前のエッチング速度と関係し、遅いほど表面が滑らかになる。エッチングが進むにつれてマスク直下の突起が高くなっていくと共にマスク厚は薄くなっていくが、エッチング条件によってはマスクが径方向にも縮小し、この場合、突起先端に向かって先細りの円錐形状となる。このようなエッチング条件として、圧力０.５Ｐa〜２０Ｐa、ＣＦ4：酸素ガス混合比１：１０００〜１：１、高周波電力５０Ｗ〜５００Ｗの範囲内から選択し、エッチング途中でマスクの直径が０.２μｍ前後に縮小したことを確認したら、エッチング速度を０.１μｍ／ｈ以下にする。こうすることによって、頂角３０°以下の円錐形状で鋭い先鋭突起２０が形成され、先端の電子放出部分の面粗さは１ｎｍ以下と原子レベルにまで滑らかな表面に仕上がる。
【００２８】
上記のチップ構成を満たすことによって所望の電子銃性能が得られる結果、ユーザ要求のビーム性能を得ることができる。先鋭突起２０の形状は突起先端に電界が集中し易くなるように、上述のように突起先端に向かって先細りの形状である頂角３０°以下の円錐形状であることが好ましい。ダイヤモンドは仕事関数が低く電子放出の容易性を有するので好適に使用可能である。ダイヤモンド以外であっても、仕事関数が低くダイヤモンドと同等以上の電子放出容易性を有する材料であれば好適に使用可能である。
【００２９】
仕事関数が比較的大きいという以外は全く同様の材料から同じビーム電流を引出すためには、引出電極をより材料に近づけるといったことや、引出電圧をより高くするといったこと等を実施する必要があり、比較的小さな仕事関数の材料よりも電子を引出す条件が厳しくなる。引出し条件が厳しいと放電等により電子源を破壊する可能性が高くなるため、エミッション電流安定性、角電流密度、エネルギー分散といった性能を追求することが困難となる。
【００３０】
支柱１２は信頼性の観点から、１０００℃以上でもチップ１１を保持する力を失わない弾性を有する金属を使用することが望ましい。具体的にはモリブデンを含む合金が好適に使用可能であるが、モリブデン、タングステン、タンタルといった高融点金属単体も使用可能である。ベース１３はアルミナやステアタイトといった絶縁性を有するセラミックが好適に使用可能である。給電端子１４にはコバール等の金属が用いられる。
【００３１】
本発明の冷陰極電界放出電子銃の電子源部分は少なくとも上記の構成部品を有しているが、図３の断面図に示すように、支柱１２、サプレッサ３０、チップ締め付けネジ３１及び３２、熱分解炭素スペーサ３３等の構成部品が存在しても本発明の範囲内である。サプレッサ３０は、その他の構成部品を覆い、チップ１１が突き出すように開口部を設けた金属部品であって、チップ１１以外の部分からの電子放出を抑える機能を有する。チップ締め付けネジ３１及び３２は、支柱１２がチップ１１を挟持する力を補助するためのものである。熱分解炭素スペーサ３３は、チップ１１の加熱が必要な際にチップ１１と支柱１２の接触部分の間に挟むものである。
【００３２】
図４は、本発明による冷陰極電界放出電子銃から電子放出させる際の構成の一実施形態を示す断面図である。電子源１０上にアパーチャプレート４０を設置して、アパーチャプレート４０に引出電圧、すなわちチップ１１に対して正の電圧を印加することにより電子ビーム（エミッション電子）４１を引き出す。
【００３３】
図４の電子ビーム引き出し構成において、冷陰極電界放出電子銃から所望の性能を引き出すために、アパーチャプレート４０の孔の直径が８００μｍ以下、厚みが６００μｍ以下で、チップ１１先端とアパーチャプレート４０のチップ１１側の面との距離が５０μｍから２０００μｍとする。このような構成とすることによって、真空度１.２×１０-7Ｐa以下の環境で、チップ１１の温度が１０００℃以下、引出電圧３ｋＶから１０ｋＶの間で所望の電子銃性能が引き出される結果、ユーザ要求のビーム性能を得ることができる。
【００３４】
ダイヤモンドの電子放出性能が優れていることは公知であるが、加工が困難であることから、最大性能を引き出すための電子源形状や電子銃構成、すなわち電子ビーム引き出し構成が実現できていなかった。しかしながら、本発明者らによる鋭意研究の結果、最大性能を引き出す電子源形状、及び電子銃構成を見出し、ダイヤモンドの電子放出の容易性を十分に利用できた結果、所望の電子源性能、すなわち、チップ温度１０００℃以下で所望のエミッション電流安定性、角電流密度、エネルギー分散を得て、ユーザ要求のビーム性能を得るに至った。
【実施例】
【００３５】
本発明の冷陰極電界放出電子銃について、実施例に基づいてさらに具体的に説明する。
［実施例１］
図１に示すような冷陰極電界放出電子銃の電子源部分として、電子源１ａを作製した。チップ１１は以下のようにして作製した。
まず、Ｉｂ型のダイヤモンド単結晶を準備した。このダイヤモンド単結晶をＳＩＭＳ分析したところ、ダイヤモンド中に３０ｐｐｍの窒素が混入していることがわかった。これを、サイズ０.６ｍｍ角×２.５ｍｍの角柱形状のＩｂ型ダイヤモンド単結晶となるようにレーザ加工機で切り出した。結晶方位は長手方向を＜１１０＞とした。この基材の０.６ｍｍ×２.５ｍｍの１面にダイヤモンドの気相成長装置を用いてリンドープエピタキシャル薄膜を２μｍ成長させた。次に、研磨加工で角柱全体を鏡面研磨すると共に片端に角錐台部を形成した。角錐台の高さは０.３ｍｍ、角錐台面は５０μｍ角とした。
【００３６】
そして、フォトリソグラフィ法を利用して角錐台面の中央に６μｍφ×４μｍのＴiからなる円柱状のエッチングマスクを形成し、反応性イオンエッチングにより酸素とＣＦ4の混合ガス雰囲気でエッチングマスクが消失するまでエッチングして、角錐台部上に高さ１５μｍ、先端曲率半径０.３μｍで頂角１５°の円錐状突起を形成した。エッチング条件は、圧力３Ｐa、ＣＦ4：酸素ガス混合比１：２０、高周波電力２００Ｗとした。エッチングマスクの直径が１５０ｎｍになったのを確認した後、エッチングでの高周波電力及びガス圧を下げて５０Ｗ及び１Ｐaとすることにより、エッチング速度を３μｍ／ｈから０.１μｍ／ｈに落とした。こうして、先鋭突起２０先端の電子放出部分の面粗さを０.９ｎｍにした。
上記チップ１１以外の電子源１ａの構成として、支柱１２にはタングステン、ベース１３にはアルミナ、給電端子１４にはコバールをそれぞれ使用した。
【００３７】
次に、作製した電子源１ａを図４に示すような電子銃構成で電子顕微鏡の電子銃室内に組み込んだ。アパーチャプレート４０の穴の直径は８００μｍ、厚みは６００μｍで、チップ１１先端とアパーチャプレート４０のチップ１１側の面との距離を２０００μｍとした。
【００３８】
真空度１.２×１０-7Ｐa、チップ１１の温度を１０００℃にして、引出電圧７ｋＶを印加したところ、エミッション電流安定性３.０％、角電流密度７０μＡ／ｓｒが得られた。
次にチップ１１の温度を２５℃に下げたところ、エミッション電流安定性３.８％、角電流密度５５μＡ／ｓｒとなった。この間、輝度は１.４×１０9Ａ／ｍ2ｓｒから１.１×１０9Ａ／ｍ2ｓｒに変化した。
【００３９】
［比較例１］
先鋭突起２０の頂角を３５°、先端の電子放出部分の面粗さを１.５ｎｍとした以外は全て電子源１ａと同様の電子源１ｂを作製した。そして、当該電子源１ｂを用いて実施例１と同様の電子銃構成で実験した。
真空度１.２×１０-7Ｐa、チップ１１の温度を１０００℃にして引出電圧１０ｋＶを印加したが、角電流密度は４０μＡ／ｓｒと小さかった。
[比較例２]
図４においてチップ１１先端とアパーチャプレート４０のチップ１１側の面との距離を３０００μｍとした以外は全て実施例１と同様の電子銃構成で実験した。
真空度１.２×１０-7Ｐa、チップ１１の温度を１０００℃にして引出電圧１０ｋＶを引加したが、角電流密度は３５μＡ／ｓｒと小さかった。
【００４０】
［実施例２］
図１に示すような冷陰極電界放出電子源の電子源部分として、電子源２ａを作製した。チップ１１は以下のようにして作製した。
まず、ＩＩｂ型のダイヤモンド単結晶を準備した。このダイヤモンド単結晶をＳＩＭＳ分析したところ、ダイヤモンド中に１００ｐｐｍのホウ素が混入していることがわかった。これを、サイズ０.６ｍｍ角×２.５ｍｍの角柱形状のＩＩｂ型ダイヤモンド単結晶となるようにレーザ加工機で切り出した。結晶方位は長手方向を＜１１０＞とした。次に、研磨加工で角柱全体を鏡面研磨すると共に片端に角錐台部を形成した。角錐台の高さは０.３ｍｍ、角錐台面は５０μｍ角とした。
【００４１】
そして、フォトリソグラフィ法を利用して角錐台面の中央に６μｍφ×５μｍのＴiからなる円柱状のエッチングマスクを形成し、反応性イオンエッチングにより酸素とＣＦ4の混合ガス雰囲気でエッチングマスクが消失するまでエッチングして、角錐台部上に高さ１８μｍ、先端曲率半径０.２μｍで頂角１５°の円錐状突起を形成した。エッチング条件は、圧力２Ｐa、ＣＦ4：酸素ガス混合比１：２０、高周波電力２５０Ｗとした。エッチングマスクの直径が１００ｎｍになったのを確認した後、エッチングでの高周波電力及びガス圧を下げて５０Ｗ及び１Ｐaとすることにより、エッチング速度を３.５μｍ／ｈから０.１μｍ／ｈに落とした。こうして、先鋭突起２０先端の電子放出部分の面粗さを０.９ｎｍにした。
上記チップ１１以外の電子源２ａの構成として、支柱１２にはタングステン、ベース１３にはアルミナ、給電端子１４にはコバールをそれぞれ使用した。
【００４２】
次に、作製した電子源２ａを図４に示すような電子銃構成で電子顕微鏡の電子銃室内に組み込んだ。アパーチャプレート４０の穴の直径は８００μｍ、厚みは６００μｍで、チップ１１先端とアパーチャプレート４０のチップ１１側の面との距離を２０００μｍとした。
【００４３】
真空度１.２×１０-7Ｐa、チップ１１の温度を１０００℃にして、引出電圧７ｋＶを印加したところ、エミッション電流安定性３.２％、電子放出の立体角０.０００２ｓｒの範囲内のエミッション電流６.４ｎＡが得られた。
次にチップ１１の温度を２５℃に下げたところ、エミッション電流安定性４.１％、電子放出の立体角０.０００２ｓｒの範囲内のエミッション電流は５.１ｎＡとなった。この間、輝度は１.５×１０9Ａ／ｍ2ｓｒから１.２×１０9Ａ／ｍ2ｓｒに変化した。
【００４４】
［比較例３］
先鋭突起２０の頂角を３５°、先端の電子放出部分の面粗さを１.８ｎｍとした以外は全て電子源２ａと同様の電子源２ｂを作製した。そして、当該電子源２ｂを用いて実施例２と同様の電子銃構成で実験した。
真空度１.２×１０-7Ｐa、チップ１１の温度を１０００℃にして引出電圧１０ｋＶを印加したが、電子放出の立体角０.０００２ｓｒの範囲内のエミッション電流は３.９ｎＡと小さかった。
[比較例４]
図４においてチップ１１先端とアパーチャプレート４０のチップ１１側の面との距離を３０００μｍとした以外は全て実施例２と同様の電子銃構成で実験した。
真空度１.２×１０-7Ｐa、チップ１１の温度を１０００℃にして引出電圧１０ｋＶを引加したが、電子放出の立体角０.０００２ｓｒの範囲内のエミッション電流は３.５ｎＡと小さかった。
【００４５】
［実施例３］
図１に示すような冷陰極電界放出電子銃の電子源部分として、電子源３ａを作製した。チップ１１は以下のようにして作製した。
まず、Ｉｂ型のダイヤモンド単結晶を準備した。このダイヤモンド単結晶をＳＩＭＳ分析したところ、ダイヤモンド中に２０ｐｐｍの窒素が混入していることがわかった。これを、サイズ０.６ｍｍ角×２.５ｍｍの角柱形状のＩｂ型ダイヤモンド単結晶となるようにレーザ加工機で切り出した。結晶方位は長手方向を＜１１０＞とした。この基材の０.６ｍｍ×２.５ｍｍの１面にダイヤモンドの気相成長装置を用いてリンドープエピタキシャル薄膜を２μｍ成長させた。次に、研磨加工で角柱全体を鏡面研磨すると共に片端に角錐台部を形成した。角錐台の高さは０.３ｍｍ、角錐台面は５０μｍ角とした。
【００４６】
そして、フォトリソグラフィ法を利用して角錐台面の中央に６μｍφ×４μｍのＴiからなる円柱状のエッチングマスクを形成し、反応性イオンエッチングにより酸素とＣＦ4の混合ガス雰囲気でエッチングマスクが消失するまでエッチングして、角錐台部上に高さ２０μｍ、先端曲率半径０.０５μｍで頂角１５°の円錐状突起を形成した。エッチング条件は、圧力３Ｐa、ＣＦ4：酸素ガス混合比１：３０、高周波電力２００Ｗとした。エッチングマスクの直径が５０ｎｍになったのを確認した後、エッチングでの高周波電力及びガス圧を下げて５０Ｗ及び１Ｐaとすることにより、エッチング速度を３.５μｍ／ｈから０.１μｍ／ｈに落とした。こうして、先鋭突起２０先端の電子放出部分の面粗さを０.９ｎｍにした。
上記チップ１１以外の電子源３ａの構成として、支柱１２にはタングステン、ベース１３にはアルミナ、給電端子１４にはコバールをそれぞれ使用した。
【００４７】
次に、作製した電子源３ａを図４に示すような電子銃構成で電子顕微鏡の電子銃室内に組み込んだ。アパーチャプレート４０の穴の直径は８００μｍ、厚みは６００μｍで、チップ１１先端とアパーチャプレート４０のチップ１１側の面との距離を２０００μｍとした。
【００４８】
真空度１.２×１０-7Ｐa、チップ１１の温度を１０００℃にして、引出電圧７ｋＶを印加したところ、エミッション電流安定性４.０％、エネルギー分散０.３６eＶが得られた。
次にチップ１１の温度を２５℃に下げたところ、エミッション電流安定性４.２％、エネルギー分散０.２６eＶとなった。この間、輝度は７.５×１０9Ａ／ｍ2ｓｒから５.３×１０9Ａ／ｍ2ｓｒに変化した。
【００４９】
［比較例５］
図１においてチップ１１先端の曲率半径を０.０２μｍとした以外は全て電子源３ａと同様の電子源３ｂを作製した。そして、当該電子源３ｂを用いて実施例３と同様の電子銃構成で実験した。
真空度１.２×１０-7Ｐa、チップ１１の温度を２５℃にして引出電圧７ｋＶを印加したが、エネルギー分散は０.４５eＶと大きかった。
【００５０】
［実施例４］
図１に示すような冷陰極電界放出電子銃の電子源部分として、電子源４ａを作製した。チップ１１は以下のようにして作製した。
まず、ＩＩａ型のダイヤモンド単結晶を準備した。このダイヤモンド単結晶をＳＩＭＳ分析したところ、ダイヤモンド中の窒素、ホウ素混入量は共に１ｐｐｍ以下であることがわかった。これを、サイズ０.６ｍｍ角×２.５ｍｍの角柱形状のＩＩａ型ダイヤモンド単結晶となるようにレーザ加工機で切り出した。結晶方位は長手方向を＜１１０＞とした。この基材の０.６ｍｍ×２.５ｍｍの１面にダイヤモンドの気相成長装置を用いてリンドープエピタキシャル薄膜を２μｍ成長させた。次に、研磨加工で角柱全体を鏡面研磨すると共に片端に角錐台部を形成した。角錐台の高さは０.３ｍｍ、角錐台面は５０μｍ角とした。
【００５１】
そして、フォトリソグラフィ法を利用して角錐台面の中央に６μｍφ×４μｍのＡlからなる円柱状のエッチングマスクを形成し、反応性イオンエッチングにより酸素とＣＦ4の混合ガス雰囲気でエッチングマスクが消失するまでエッチングして、角錐台部上に高さ１５μｍ、先端曲率半径０.０５μｍで頂角１５°の円錐状突起を形成した。エッチング条件は、圧力４Ｐa、ＣＦ4：酸素ガス混合比１：２５、高周波電力３００Ｗとした。エッチングマスクの直径が５０ｎｍになったのを確認した後、エッチングでの高周波電力及びガス圧を下げて５０Ｗ及び１Ｐaとすることにより、エッチング速度を３μｍ／ｈから０.１μｍ／ｈに落とした。こうして、先鋭突起２０先端の電子放出部分の面粗さを０.９ｎｍにした。
上記チップ１１以外の電子源４ａの構成として、支柱１２にはタングステン、ベース１３にはアルミナ、給電端子１４にはコバールをそれぞれ使用した。
【００５２】
次に、作製した電子源４ａを図４に示すような電子銃構成で電子顕微鏡の電子銃室内に組み込んだ。アパーチャプレート４０の穴の直径は８００μｍ、厚みは６００μｍで、チップ１１先端とアパーチャプレート４０のチップ１１側の面との距離を２０００μｍとした。
【００５３】
真空度１.２×１０-7Ｐa、チップ１１の温度を１０００℃にして、引出電圧７ｋＶを印加したところ、角電流密度４００μＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.３８eＶが得られた。
次にチップ１１の温度を２５℃に下げたところ、角電流密度２５０μＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.２５eＶとなった。この間、輝度は７.８×１０9Ａ／ｍ2ｓｒから１.５×１０9Ａ／ｍ2ｓｒに変化した。
【００５４】
［比較例６］
図１においてチップ１１先端の曲率半径を０.０２μｍとした以外は全て電子源４ａと同様の電子源４ｂを作製した。そして、当該電子源４ｂを用いて実施例４と同様の電子銃構成で実験した。
真空度１.２×１０-7Ｐa、チップ１１の温度を２５℃にして引出電圧７ｋＶを印加したが、エネルギー分散は０.４４eＶと大きかった。
【００５５】
［実施例５］
図１に示すような冷陰極電界放出電子銃の電子源部分として、電子源５ａを作製した。チップ１１は以下のようにして作製した。
まず、Ｉｂ型で窒素に加え、ホウ素も混入したダイヤモンド単結晶を準備した。このダイヤモンド単結晶をＳＩＭＳ分析したところ、ダイヤモンド中の窒素濃度は３０ｐｐｍ、ホウ素濃度は１００ｐｐｍであることがわかった。これを、サイズ０.６ｍｍ角×２.５ｍｍの角柱形状のＩｂ型ダイヤモンド単結晶となるようにレーザ加工機で切り出した。結晶方位は長手方向を＜１１０＞とした。この基材の０.６ｍｍ×２.５ｍｍの１面にダイヤモンドの気相成長装置を用いてリンドープエピタキシャル薄膜を２μｍ成長させた。次に、研磨加工で角柱全体を鏡面研磨すると共に片端に角錐台部を形成した。角錐台の高さは０.３ｍｍ、角錐台面は５０μｍ角とした。
【００５６】
そして、フォトリソグラフィ法を利用して角錐台面の中央に６μｍφ×４μｍのＴiからなる円柱状のエッチングマスクを形成し、反応性イオンエッチングにより酸素とＣＦ4の混合ガス雰囲気でエッチングマスクが消失するまでエッチングして、角錐台部上に高さ１７μｍ、先端曲率半径０.０５μｍで頂角１５°の円錐状突起を形成した。エッチング条件は、圧力５Ｐa、ＣＦ4：酸素ガス混合比１：２０、高周波電力２５０Ｗとした。エッチングマスクの直径が５０ｎｍになったのを確認した後、エッチングでの高周波電力及びガス圧を下げて５０Ｗ及び１Ｐaとすることにより、エッチング速度を３μｍ／ｈから０.１μｍ／ｈに落とした。こうして、先鋭突起２０先端の電子放出部分の面粗さを０.９ｎｍにした。
上記チップ１１以外の電子源５ａの構成として、支柱１２にはタングステン、ベース１３にはアルミナ、給電端子１４にはコバールをそれぞれ使用した。
【００５７】
次に、作製した電子源５ａを図４に示すような電子銃構成で電子顕微鏡の電子銃室内に組み込んだ。アパーチャプレート４０の穴の直径は８００μｍ、厚みは６００μｍで、チップ１１先端とアパーチャプレート４０のチップ１１側の面との距離を２０００μｍとした。
【００５８】
真空度１.２×１０-7Ｐa、チップ１１の温度を１０００℃にして、引出電圧７ｋＶを印加したところ、電子放出の立体角０.０００２ｓｒの範囲内のエミッション電流３０ｎＡ、エネルギー分散０.３９eＶが得られた。
次にチップ１１の温度を２５℃に下げたところ、電子放出の立体角０.０００２ｓｒの範囲内のエミッション電流２３ｎＡ、エネルギー分散０.２８eＶとなった。この間、輝度は８.１×１０9Ａ／ｍ2ｓｒから１.６×１０9Ａ／ｍ2ｓｒに変化した。
【００５９】
［比較例７］
図１においてチップ１１先端の曲率半径を０.０２μｍとした以外は全て電子源５ａと同様の電子源５ｂを作製した。そして、当該電子源５ｂを用いて実施例５と同様の電子銃構成で実験した。
真空度１.２×１０-7Ｐa、チップ１１の温度を２５℃にして引出電圧７ｋＶを印加したが、エネルギー分散は０.４６eＶと大きかった。
【符号の説明】
【００６０】
１０  電子源
１１  チップ
１２  支柱
１３  ベース
１４  給電端子
【００６１】
２０  先鋭突起
２１  角錐台部
３０  サプレッサ
３１  チップ締め付けネジ
３２  チップ締め付けナット
３３  熱分解炭素スペーサ
４０  アパーチャプレート
４１  電子ビーム（エミッション電子）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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