(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
数十〜数百ナノメータの曲率半径をもつ電界放出電子源先端をタングステンで形成する第１の工程と、
前記電界放出電子源先端に残留分子を吸着させて、吸着させた前記残留分子の作用により前記電界放出電子源先端の表面原子を移動しやすくする第２の工程と、
さらに、前記電界放出電子源先端の表面に負の高電圧を印加して、数ナノメータの曲率半径をもつナノ突起を加熱することなしに形成する第３の工程とからなるナノ電子源の製造法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子源上に吸着した分子と表面原子との結合を利用し、電子源に負の高電圧を印加することで、高温加熱なしに、０．１から数ナノメータの曲率半径をもつナノ突起を製造することを特徴とするナノ電子源の製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
数ナノメータ以下の曲率半径のナノ突起をもつ電界放出電子源は、下記の３つの優れた特徴をもっているため、新しい電子源として、プロジェクション電子顕微鏡等で使用されている。即ち、
（１）放出電流の変動が極端に少ない。原子数個で終端されたナノ突起構造は領域が狭いため、分子が吸着する確率が少なく、また、残留気体のイオン衝撃による形状変化の確率も下がり、放出電流は安定である。
（２）放出方向領域が±２度内に電子が収束するために、電子放出の効率が著しく向上し輝度が増加する。
（３）狭い領域から放出されるため、電子ビームの可干渉性が優れており電子線ホログラフィー等への応用が可能である。
【０００３】
従来より、ナノ電子源を製造する方法は、フランス  リオン大学のＢｉｎｈ教授らによって開発されている（文献  Ｖｕ．Ｔｈｉｅｎ  Ｂｉｎｈ，Ｖ．Ｓｅｍｅｔ，Ｎ．Ｇａｒｃｉａ，Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ５８（１９９５）３０７−３１７．）。図３に従来技術としてのナノ電子源の製造法を模式的に示す。図３で１は数十ナノメートルの曲率半径をもつ金属針先端である。２は製造されたナノ突起で、３は高感度イオン検出器（マイクロチャンネル・プレート）である。６はナノ突起より電界蒸発した表面原子である。
【０００４】
従来技術では図３に示すように、非常に高い温度（タングステンの場合には１５００〜２０００℃）に清浄な金属針先端１を加熱し、この金属針に正の高電圧を印加して、表面原子の拡散を誘起し、先端に集める。このため、特別の加熱装置を必要とする。更に、ナノ突起２の完成時の瞬間に、高電圧・高温度を緊急に、除かねば、せっかく製造したナノ突起２を破壊してしまう。このために、ナノ突起２の完成を検出する特別に感度の高い高感度イオン検出器３を必要としていた。
【０００５】
図３に示すように、ナノ突起２が完成すると、ナノ突起２の先端に高電界が集中し、先端の原子が電界によってイオン化し蒸発する。つまり、電界蒸発と呼ばれる現象がおこる。この蒸発した１個のイオンを検出してナノ突起２の完成を確認する。このため、高価な検出器（マイクロチャンネルトロン）を使用する。さらに、ナノ突起２の完成瞬間は事前予告なしに、突然、蒸発原子が発生するため、電圧と温度を的確に除く瞬間を捕らえるためには、特殊な技術が要求されていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、加熱の必要がなく、マイクロチャンネルプレート等の特別な検出器を必要とせず、容易な操作によって、ナノ突起を電子源表面上に再現性よく製造することができるナノ電子源の製造法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の構成は以下に示す通りである。即ち、本発明は、
数十〜数百ナノメータの曲率半径をもつ電界放出電子源先端（１）をタングステンで形成する第１の工程と、
前記電界放出電子源先端（１）に残留分子（５）を吸着させて、吸着させた前記残留分子（５）の作用により前記電界放出電子源先端（１）の表面原子を移動しやすくする第２の工程と、
さらに、前記電界放出電子源先端（１）の表面に負の高電圧を印加して、数ナノメータの曲率半径をもつナノ突起（２）を加熱することなしに形成する第３の工程とからなるナノ電子源の製造法としての構成を有する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴は、従来技術と大きく異なり、（１）加熱の必要がない、（２）マイクロチャンネルプレート等の特別な検出器を必要としない、（３）容易な操作によって、ナノ突起を電子源表面上に再現性よく製造する、ナノ電子源の製造法である。このナノ電子源の製造法により、ナノ電子源の適用できる対象が著しく増加する。
【０００９】
図１に本発明のナノ電子源の製造法を模式的に示す。図１において、１は数十ナノメートルの曲率半径をもつ金属針先端である。２は製造されたナノ突起で、４は螢光板であり、５は先端付近に吸着した分子である。７はナノ突起２より放出した電子ビームである。
【００１０】
本発明のナノ電子源の製造法は、図１に示すように、従来技術とは異なり、残留気体等の吸着によって汚した表面を使用する。この吸着原子や分子を適当に選ぶことによって、表面原子は著しく動きやすくなり、室温でも表面原子が移動する。
【００１１】
次に、従来技術とは異なり、高い負の電圧を印加して電界放出電流をとると、表面原子は電子源先端の電界の集中した部分に引きよせられ、ナノ突起が形成され始める。一度突起が形成されると、その先端にはさらに電界が集中し、また原子が集まり、最終的には原子１個、または、数個で終端されたナノ突起ができる。
【００１２】
本発明のナノ電子源の製造法では、突起形成過程の始まりは、放出電流の増加によってわかるので、完成時が的確にわかる。また、多くの放出電流を観測しているので、従来技術のような高感度の検出器を必要としない。つまり、ナノ突起形成過程での電界集中が起こり、同じ電圧で観測すると放出流が３桁近く増加し、放射方向が電子源の真下の２度程度内の限られた方向に集中するようになるため、この何れかを検出すれば、ナノ突起の形成は検出可能である。
【００１３】
従来技術では１個のイオン化した原子を検出するのに対して、本発明のナノ電子源の製造法では、１億個の電子を検出するため、ナノ突起形成の検出の信頼性も著しく向上し、再現性も大幅に改善する。
【００１４】
【実施例】
〈１１１〉結晶軸に向いたタングステンの単結晶線の一端を電界研磨法で１００ｎｍの曲率半径の鋭い針に加工する。この先端を１０−８Ｔｏｒｒの内で２０００℃のフラッシュ加熱や電界蒸発によって、清浄にする。この清浄表面の曲率半径は電界イオン顕微鏡および電界電子放出顕微鏡にて確認した。このようにして準備したタングステン金属針が、多くの電子顕微鏡で使用されている電界放射電子源である。この電子源を１０−７Ｔｏｒｒの真空中にほぼ半日放置するとチップ表面には、主な残留気体である水素やＣＯ（一酸化炭素）が吸着し汚れた表面となる。
【００１５】
単原子層の厚さ分子の吸着した電子源のタングステン針に負のバイアス電圧を印加して、電圧を２−３ｋＶまで増加させると電子が放出される。そして電流が１０−８Ａ以上になると、放出パターンの中心方向の放出電流が、急激に増大し始め、放出ビームのパターンは中心のみに集中する。増加が３桁近く増加したときに高電圧を遮断するとナノ突起が形成された。つまりタングステンの〈１１１〉方向に収束した電子ビームが放出される。このナノ電子源を電界イオン顕微鏡で観測するとタングステンと思われる１〜数個の原子で終端したナノ突起構造が通常の電子源表面に形成されていることがわかる。
【００１６】
このナノ突起の形成により、電流変動が極端に少なくなり、輝度が増加した。図２は、本発明のナノ電子源の製造法により製造したナノ突端構造をもつナノ電子源からの放出電流の時間変化を示す。同じ放出電流である清浄なタングステン金属針（ナノ突起のない）からの放出電流は時間とともに減少するのに対して、ナノ突起からの電流は一定であり安定している優れた特性を示していることがわかる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明のナノ電子源の製造法によれば、清浄な金属針先端を加熱するための特別の加熱装置を必要とすることはなく、またナノ突起の完成を検出する特別に感度の高い高感度イオン検出器も必要とすることはなく、電圧と温度を的確に除く瞬間を捕らえるための特殊な技能も要求されることはない。
【００１８】
本発明のナノ電子源の製造法によれば、電子源上に吸着した分子と表面原子との結合を利用し、電子源に負の高電圧を印加することで、高温加熱なしに０．１から数ナノメータの曲率半径をもつナノ突起を電子源表面上に再現性よく製造することができる。
【００１９】
従来技術では１個のイオン化した原子を検出するのに対して、本発明のナノ電子源の製造法によれば、１億個の電子を検出するため、信頼性、および再現性も著しく向上する。
【００２０】
本発明のナノ電子源の製造法により製造されたナノ突端構造をもつナノ電子源からの放出電流は時間変動が極端に少なくなり、輝度も増加し、安定である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のナノ電子源の製造法の模式図
【図２】本発明のナノ電子源の製造法により製造したナノ突端構造をもつナノ電子源からの放出電流の時間変化（ナノ突起のない通常の電子源との比較）
【図３】従来のナノ電子源の製造法の模式図
【符号の説明】
１  金属針先端
２  ナノ突起
３  高感度イオン検出器
４  螢光板
５  吸着分子
６（ナノ突起より電界蒸発した）表面原子
７  電子ビーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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