(57)【要約】【課題】  カーボンナノ材料と陰極部材との接合強度を上げることで、電子源としての寿命が長く、また、製作時の歩留まりがよい電界放射電子源を提供する。さらに、カーボンナノ材料の軸方向と電子光学系の軸方向の一致度をたかめ、光学調整が容易な電界放射電子源を提供する。【解決手段】  陰極部材１の先端にカーボンナノ材料からなる細線部材２が接合され、細線部材２の先端から電子が放射するように形成された電界放射電子源において、細線部材２が陰極部材１先端に形成された平坦面１ａ上で接合されるようにして、接合により生じる細線部材２の応力を低減する。また、平坦面１aの方向と光軸の方向を略直行させることで、細線部材２の軸方向と電子光学系の光軸37の方向の一致度が向上し、簡便な光学調整で電子ビームを効率よく輸送でき、かつ収差を小さくできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極部材の先端にカーボンナノ材料からなる細線部材が接合され、細線部材の先端から電子が放射するように形成された電界放射電子源において、
細線部材が陰極部材先端に形成された平坦面上で接合されることを特徴とする電界放射電子源。
【請求項２】
請求項１に記載の電界放射電子源と、電界放射電子源から放射される電子ビームを収束するための電子光学系とを備え、電界放射電子源の陰極部材に形成された平坦面の法線方向が、電子光学系の光軸方向と略直交するように取り付けられ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、陰極先端から電子を放出する電界放射電子源に関し、さらに詳細には、電界放射を生じやすくするために、陰極先端部分に、カーボンナノ材料からなる細線部材を接合した電界放射電子源に関する。
この電界放射電子源は、例えば電子顕微鏡、Ｘ線顕微鏡、マイクロフォーカスＸ線源などの電子銃用として利用される。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を代表とするカーボンナノ材料（カーボンナノチューブの他にカーボンナノファイバー、カーボンナノコイル等が含まれる）は、化学的安定性、構造完全性に優れていてコンタミ物質の影響を受けにくい。また、機械強度が強い、電気伝導性が高い、等の数々の優れた特性を持っている。
そのため、これらの特徴を生かすことができる電界放射電子源としての利用が検討されている。具体的には、カーボンナノ材料を用いた電界放射電子源を、電子顕微鏡、ＥＰＭＡの電子銃として利用することや、マイクロフォーカスＸ線源に利用することが検討されている。
【０００３】
カーボンナノ材料を用いた電界放射電子源としては、先鋭化したタングステン陰極部材の先端に1本のカーボンナノチューブを固着することにより、このカーボンナノチューブの先端から電子を放射させるようにしたものが開示されている（非特許文献１参照）。
また、カーボンナノ材料を陰極部材に接合する方法としては、電子顕微鏡視野の元で、電子ビーム照射により固着する方法が開示されている（特許文献１参照）。
【非特許文献１】２００３年春季第５０回応用物理学関係連合講演会講演予稿集ＮＯ．２、２８ｐ−Ｗ−２、１０２３頁
【特許文献１】特許第３４４１３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電界放射電子源の陰極にカーボンナノ材料が使用される場合、カーボンナノ材料は、電界が集中して電子放射が生じる陰極最先端の部位に、細線部材として取り付けられる。通常、陰極部材にはタングステンロッドが用いられるので、カーボンナノ材料からなる細線部材は、タングステン陰極部材の先端部分に接合されることになる。
【０００５】
このタングステン陰極部材は、陰極最先端にある細線部材（カーボンナノ材料）からの電界放出を起こしやすくするため、その先端を先鋭化している。
図５は、先端を先鋭化したタングステン陰極部材の先端部分の断面を示す図である。タングステン陰極部材５１の先端は、通常、電界研磨により先鋭化しているので、この図に示すように先端は数１０〜数１００ｎｍ程度の微小な曲率を持つようになっている。
【０００６】
図６は、先鋭化したタングステン陰極部材５１の表面に、カーボンナノ材料からなる細線部材５２を接合した状態を示している。タングステン陰極部材５１の先端が曲率を持つと、これに接合される細線部材５２（カーボンナノ材料）も、この曲率を持って接合されることになり、細線部材５２の接合部分に応力が残ることになる。この応力は、細線部材５２をタングステン陰極部材５１から引き離す方向に働くので、細線部材５２とタングステン陰極部材５１とは剥離しやすくなり、電子源としての寿命を短くする。また、タングステン陰極部材５１と細線部材５２とを接合する際にも、応力の発生により、接合が困難となり、製作歩留まりが悪化する原因となる。
【０００７】
さらに、タングステン陰極部材５１とカーボンナノ材料からなる細線部材５２とが接合できたとしても、図５に示すように、細線部材５２はタングステン陰極部材５１の表面に沿って湾曲することになり、細線部材５２の最先端側での軸方向（先端が向く方向）とタングステン陰極部材５１の軸方向とが一致しなくなる。また、曲率によって方向が定まらなくなる。
【０００８】
電界放射電子源を電子銃に取り付ける場合、通常は、目視で確認できるタングステン陰極部材５１の軸方向を、概ね、電子銃の電子光学系の光軸方向に合わせて取り付けてから微調整するのであるが、細線部材５２の最先端側の軸方向とタングステン陰極部材５１の軸方向とが大きくずれた状態で、電界放射電子源を電子銃に取り付けた場合、細線部材５２から照射された電子ビームの中心は、電子銃の電子光学系の光軸方向（すなわち、ほぼタングステン陰極部材５１の軸方向）から大きくずれるために、微調整ができず、電子ビームの電流が減少し、また、レンズによる収差が増加して電子ビームを十分に収束できないなどの問題が生じる。
【０００９】
そこで、本発明はカーボンナノ材料からなる細線部材とタングステン陰極部材との接合の強度を上げることで、電子源としての寿命が長く、また、製作時の歩留まりがよい電界放射電子源を提供することを目的とする。
【００１０】
また、電界放射電子源を電子銃に取り付ける場合に、細線部材の軸方向と電子銃の電子光学系の光軸方向との一致度を上げることにより、電界放射電子源を電子銃などの電子光学系に取り付けるときに、電子の放射方向と光軸方向との調整が容易な電界放射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】
【００１１】
上記課題を解決するためになされた第１の発明である電界放射電子源は、陰極部材の先端にカーボンナノ材料からなる細線部材が接合され、細線部材の先端から電子が放射するように形成された電界放射電子源において、細線部材が陰極部材に形成された平坦面に接合されるようにしている。
さらに、上記課題を解決するために別の観点からなされた第２の発明である電子銃は、第１の発明の電界放射電子源と、電界放射電子源から放射される電子ビームを収束するための電子光学系とを備え、電界放射電子源の陰極部材に形成された平坦面の法線方向が、電子光学系の光軸方向と略直交するように取り付けられるようにしている。
【発明の効果】
【００１２】
第１の発明によれば、陰極部材に平坦面が形成され、この平坦面にてカーボンナノ材料からなる細線部材が接合される。接合面が平坦であるので、カーボンナノ材料からなる細線部材は、直線的に陰極部材に接合することができるので、接合後にカーボンナノ材料に残る応力を小さくすることができ、陰極部材からの剥離が発生しにくくなって、電界放射電子源としての寿命が延びる。さらに、接合の際に、応力に起因する接合不良の発生率が減少し、製作歩留まりを向上することができる。
また、細線部材を曲面ではなく、平面上に接合するので、接合の際に細線部材の位置や軸方向を所望の位置や方向に正確に合わせ易い。
【００１３】
第２の発明の電子銃によれば、平坦面の法線方向は、電子銃の電子光学系の光軸方向と略直交するように作製される。これにより、平坦面に直線性よく接合された細線部材は、その軸方向を電子光学系の光軸方向と平行することが容易にでき、電子光学系により電子ビームを効率よく輸送することができ、さらに収差を小さくすることができるので、電子ビーム系を小さく絞ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の電界放射電子源について図面を用いて説明する。
図１は本発明の一実施形態である電界放射電子源の構成を示す図であり、図１（ａ）は電界放射電子源の全体構造図、図１（ｂ）は陰極先端部分の拡大図である。
この電界放射電子源１０は、先端を先鋭化した陰極部材１と、陰極部材１の先端に接合されたカーボンナノ材料からなる細線部材２と、陰極部材１の根元側にスポット溶接で接続され、この陰極部材１を支持するフィラメント３と、フィラメント３の一部で構成されるフィラメント支柱４と、フィラメント支柱４を電気的に絶縁した状態で固定する絶縁基台５とにより構成されている。
【００１５】
陰極部材１は、直径が０．３ｍｍ程度のタングステン針が用いられ、電解研磨により先端が軸対称となるようにして、かつ、曲率半径が数１０〜数１００ｎｍ程度、より好ましくは１００ｎｍ程度になるように尖鋭化してある。
先鋭化された陰極部材１の先端は、さらに軸方向に切り出され、平坦面１ａが形成してある。この平坦面１ａにカーボンナノ材料からなる細線部材２が接合されている。
平坦面１ａの形成方法、および、平坦面１ａへの細線部材２の接合方法については、後述する。
【００１６】
細線部材２を構成するカーボンナノ材料は、周知のアーク放電法により作成することができる。ここでは、カーボンナノ材料として直径が約５〜１５ｎｍ、長さ約５００ｎｍのカーボンナノチューブを用いている。なお、中空形状であるカーボンナノチューブに代えてグラフェンが中心まで詰まっているカーボンナノファイバーを用いてもよい。
【００１７】
また、細線部材２は、１本のカーボンナノ材料を用いてもよいし、数本を束ねて実質的に１本となるようにしたものでもよい。例えば、Ｘ線顕微鏡用の電子源に使用する場合のように強度が求められるときに有利となる。
【００１８】
フィラメント３には、陰極部材２と同様にタングステン材料が用いられる。線状のフィラメント３は、その両端がそれぞれフィラメント支柱４として機能し、フィラメント支柱４が絶縁性の基台５に固定してある。フィラメント支柱４は電圧印加用端子としても用いることができる。
すなわち、２つのフィラメント支柱４間に、電圧を印加してフィラメント３を加熱することができるので、陰極部材１の周辺をベーキングして吸着物質を脱離し、コンタミ物質や不純物の影響を低減してから使用することができる。
また、フィラメント支柱４間に、電圧を印加することで熱電界放射陰極としても使用することができる。
【００１９】
なお、フィラメント支柱４を単一の陰極として用い、図示しない対向する陽極間との間で電圧をかけるようにすれば、熱電子を利用しない電界放射電子源として使用することができる。
【００２０】
絶縁基台５は、平板状の絶縁材からなる。フィラメント支柱４は絶縁基台５を貫通するようにして固定されている。絶縁基台５がフィラメント支柱４を固定することにより、フィラメント３、陰極部材１、細線部材２が導通した状態で絶縁基台５に支持される。
また、絶縁基台５の円盤面の法線方向と、陰極部材１に形成した平坦面１ａの法線方向とは、できるだけ直交するようにしておく。これにより、絶縁基台５の面方向を基準にして陰極部材の平坦面１ａの方向を定めることができるようにすれば、調整が容易になる。
また、本実施形態ではフィラメント支柱４の支持台として絶縁基台５を用いているが、これは、上述したようにフィラメント３を利用してベーキングを行うためである。ベーキングが不要な場合は、絶縁性の基台に代えて、導電性の基台を用いて単陰極とし、基台に直接陰極部材１を取り付けてもよい。
【００２１】
（平坦面の形成方法および細線部材の接合方法）
次に、本発明の電界放射電子源における陰極先端を形成するための方法について説明する。
図２は、陰極先端の平坦面の形成工程および細線部材の接合工程を説明する図である。
図２（ａ）は、陰極材料に用いるタングステンロッドの加工前の状態である。この材料を電界研磨により先鋭化していく。
図２（ｂ）は、電界研磨により先鋭化した状態の陰極部材１を示す。また、図２（ｃ）は先鋭化した陰極部材１の先端を拡大した図である。先端部分は、数１０〜数１００ｎｍの曲率半径をもつようにする。
【００２２】
次に、先鋭化した陰極部材１に平坦面１ａを形成する。図２（ｄ）は、陰極部材１の先端を軸方向に切り出して平坦面１ａを形成した状態である。平坦面１ａの加工は、ＦＩＢ（Focused Ion Beam)やイオンスパッタ加工、超短パルスレーザ加工などによる。例えば、ＦＩＢでは、図２(d)において紙面の上方から陰極部材１の軸方向に沿ってイオンビームを照射するようにして、陰極部材１の軸を中心に、陰極部材１の半面を飛ばすようにする。このときイオンビームの方向を陰極部材１の軸線にほぼ平行に合わせることで、陰極部材１の軸にほぼ平行な平坦面１ａが形成される。
【００２３】
続いて、図２（ｅ）に示すように、切り出した平坦面１ａにカーボンナノ材料からなる細線部材２を接合する。
接合は、先行技術として紹介した特許文献１に記載の方法を用いることができる。すなわち、電子顕微鏡にマニピュレータを取り付けたナノレベルでの加工が可能な装置を用いて電子顕微鏡下で位置決めを行い、電子顕微鏡自身の電子源から電子ビームを照射することにより、真空中に残留する炭化水素を付着接合することで、細線部材２を接合することができる。
このとき、細線部材２の軸方向が陰極部材１の軸に沿うように位置決めすることで、細線部材２の軸方向と陰極部材１の軸とがほぼ一致するようにする。この位置制御は、マニピュレータを使うことで、比較的容易に行うことができる。
【００２４】
さらに、図２（ｆ）に示すように、接合部分を含む平坦面近傍に、金属材料（例えば白金）などの導電性膜７を蒸着法などにより付着する。接合部分は、接合の状態により接触抵抗が異なるので、再現性、安定性を改善するために、接合部分を覆うようにして陰極部材１と細線部材２との表面に導電性膜７を形成する。これにより、細線部材２と陰極部材１との電気伝導性を改善し、また耐熱性を改善する。
【００２５】
以上のような工程で、細線部材２を、陰極部材１の平坦面１ａに接合する。この結果、細線部材２は、平坦面１ａ上に直線的に接合されるので、応力を小さくすることができる。
また、細線部材２の軸と陰極部材１の軸とをほぼ一致させることで、電子銃などに取り付けるときに光軸調整を容易にすることができる。
【００２６】
（電子銃への実装）
次に、本発明の電界放射電子源を取り付けた電子銃について説明する。図３は、本発明の電界放射電子源を用いた電子銃の一実施形態の構成を示す図である。
この電子銃３０は、電界放射電子源１０と、電子光学系３１とからなる。このうち、電界放射電子源１０は、図１で説明したものである。
電子光学系３１は、引出電極３２、アノード３３、集束レンズ３４、対物レンズ３５により構成される。対物レンズ３５の先には、電子線を照射する試料３６が載置される。なお、電子銃がＸ線源用として使用されるときは、試料位置には、Ｘ線ターゲットが配置されることになる。
【００２７】
この電子銃３０では、電子光学系の光軸３７と図１の電子源の絶縁基台５の法線は平行になるように製作してある。また、電界放射電子源１０の陰極部材１に形成された平坦面１ａの法線方向１ａと絶縁基台５の法線方向とは直交するように電子源が製作されている。このため、平坦面の法線方向１ａと、電子光学系３１の光軸３７とが直交するように、電界放射電子源１０が取り付くことになる。
これにより、平坦面１ａに直線的に接合された細線部材２の軸方向は、電子光学系３１の光軸３７とほぼ平行になるので、その後の微調整が簡単にできる。
このように、絶縁基台５の陰極部材１を取付けた側の円盤面の法線方向と、陰極部材１の平坦面１ａの法線方向とがほぼ直交するようにしておけば、電子銃３０に電界放射電子源１０を組み付けるときに、絶縁基台５を基台の面方向に微調整するだけで、簡単に細線部材２の軸方向を、電子光学系３１の光軸に合わせることができる。
【００２８】
（他の実施形態）
図４は、本発明の他の実施形態である電界放射電子源の陰極先端部分の構成を示す図であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は断面図である。
この電界放射電子源１１では、棒状の陰極部材８を用いる。この陰極部材８は、例えばシリコン基板を１〜数１０μｍの径に切り出すマイクロマシニング加工をすることにより、形成する。陰極部材８の先端には先鋭化の加工処理を施さず、陰極部材８の側面の一部に平坦面８ａを形成し、この平坦面８ａに細線部材２が固着するようにしている。このとき、細線部材２の先端は、陰極部材８の先端面よりも突出する配置にして、電界が集中するようにしてある。陰極部材８の先端面は、細線部材２に電界が集中するのを妨げない程度に平坦にしてある。すなわち、細線部材２よりも大きな突起が生じないようにして、電界集中が細線部材２のみに生じるようにしてある。
この実施形態によれば、細線部材２の先端部分に電界が集中しやすい構造になっているため、たとえ、陰極部材８を先鋭化しなくても、通常の使用では、安定して細線部材２の先端から電界放射を生じさせることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、タングステン陰極部材にカーボンナノ材料からなる細線部材と接合した電界放射電子源に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態である電界放射電子源の構成を示す図であり、図１（ａ）はその全体構造図、図１（ｂ）はその部分拡大図。
【図２】本発明の電界放射電子源における陰極先端部分の製造工程を説明する図。
【図３】本発明の電解放射電子源を用いた電子銃の構成を示す図。
【図４】本発明の他の一実施形態である電界放射電子源の陰極先端部分の構成を示す図。
【図５】従来からの電界放射電子源の陰極先端部分の形状を説明する図。
【図６】従来からの電解放射電子源の陰極先端部分の形状を説明する図。
【符号の説明】
【００３１】
１  ：陰極部材（タングステン陰極部材）
１ａ：平坦面
２  ：細線部材（カーボンナノ材料）
３  ：フィラメント
４  ：フィラメント支柱
５  ：絶縁基台
８  :陰極部材
８ａ：平坦面
１０：電界放射電子源
３０：電子銃
３１：電子光学系
【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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