(57)【要約】【課題】従来では真空室を超高真空に保つため装置構造が特殊で、複雑かつ高価な差動排気システムが必要で、製造価格が高価で取り扱い操作が煩雑化である。【解決手段】本電子源３は、電子放出用の陰極３１と、制御電圧に応じて陰極３１から電子引き出しを制御する制御電極３２と、陰極３１との間で高電圧を印加されて電子を加速させる陽極３３とを備え、陰極３１を、導電体３１ａの表面に電子放出面が配向された配向性カーボンナノウォール膜３１ｂを形成して低真空型としたもの。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線応用装置の真空室に配置され試料室内部へ試料の元素分析、解析、計測、観察などのために電子を放出する電子源であって、電子放出用の陰極と、制御電圧に応じて上記陰極から電子引き出しを制御する制御電極と、上記陰極との間で高電圧を印加されて上記電子を加速させる陽極とを備え、上記陰極を、導電体の表面に電子放出面が配向された配向性カーボンナノウォール膜を形成して低真空型とした、ことを特徴とする電子源。
【請求項２】
上記陰極の導電体が円錐状ないし円錐台状をなす先端部を備え、
上記配向性カーボンナノウォール膜が上記先端部の表面に円錐軸方向に壁状に成膜されて電子が円錐軸方向に収束して放出するよう配向されている、ことを特徴とする電子源。
【請求項３】
上記低真空が、１０-1〜１０-2Ｐａである、ことを特徴とする請求項１または２に記載の電子源。
【請求項４】
真空室に電子源を配置しこの電子源からの電子を試料室内部へ試料の元素分析、解析、計測、観察等のために照射する電子線応用装置において、上記真空室を低真空に保ち、上記電子源を、電子放出用の陰極と、制御電圧に応じて上記陰極から電子引き出しを制御する制御電極と、上記陰極との間で高電圧を印加されて上記電子を上記試料室へ向けて加速させる陽極とを備え、上記陰極を、導電体の表面に上記陽極方向に電子放出面が配向された配向性カーボンナノウォール膜を形成した低真空型となした、ことを特徴とする電子線応用装置。
【請求項５】
上記陰極の導電体が円錐状ないし円錐台状をなす先端部を備え、
上記配向性カーボンナノウォール膜が上記先端部の表面に円錐軸方向に壁状に成膜されて電子が円錐軸方向に収束して放出するよう配向されている、ことを特徴とする請求項４に記載の電子線応用装置。
【請求項６】
上記真空室が１０-1〜１０-2Ｐａの低真空に保たれる、ことを特徴とする請求項４または５に記載の電子線応用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の電子線応用装置に用いる電子源およびその電子線応用装置に関するものである。電子線応用装置には、その走査型電子顕微鏡以外に、例えば透過型顕微鏡（ＴＥＭ）、オージェ電子分光分析装置（ＡＥＳ）、ならびに反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）や低速電子線回折（ＬＥＥＤ）等の装置がある。
【背景技術】
【０００２】
このような電子線応用装置は特許文献１等にこれまで多数提案されている。このような電子線応用装置の中で例えば環境制御型の走査型電子顕微鏡では電子線を発生する電子源が収納された真空室と試料が配置された試料室とが圧力制限開口を介して接している。このような走査型電子顕微鏡では、試料室の圧力は観察窓から試料の観察を可能にするため真空ポンプにより例えば準大気圧（１０3ないし１０4Ｐａ）に保たれる一方で、真空室は例えば１０-8Ｐａ以上の超高真空に設定される。このように真空室はオリフィスにより複数の部屋に区分され、それぞれの部屋は別々の真空ポンプで真空排気される、いわゆる差動排気される。すなわち、真空室の中で最上部の電子源設置空間は超高真空空間となっている。しかしながら、真空室を超高真空に保つには装置構造を特殊にする必要があり、また、複雑かつ高価な差動排気システムが必要であるなどから、走査型電子顕微鏡の製造価格が高価なものとなり、また、超高真空であるが故に取り扱い操作も煩雑化するなど不便である。
【特許文献１】特開２００２−３５０７３１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
したがって、本発明により解決すべき課題は、電子源を低真空型となして真空室を低真空としても準大気圧の試料室内部の試料の分析、解析、計測、観察等に必要とする電子線を照射することができる電子源を提供することである。また、本発明により解決すべき課題は、このような電子源を備えた電子線応用装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明による電子源は、電子線応用装置の真空室に配置され試料室内部へ試料の元素分析、解析、計測、観察などのために電子を放出する電子源であって、電子放出用の陰極と、制御電圧に応じて上記陰極から電子引き出しを制御する制御電極と、上記陰極との間で高電圧を印加されて上記電子を加速させる陽極とを備え、上記陰極を、導電体の表面に電子放出面が配向された配向性カーボンナノウォール膜を形成して低真空型としたことを特徴とするものである。
【０００５】
このカーボンナノウォール膜は、多数のナノオーダの壁状炭素薄片（壁状部）が所定の電子放出方向に高配向しかつ集合連成された形態であり、電気伝導度の高いグラファイトに近い結晶構造を持ち、数十層のグラフェンシートからなり、電圧印加により端部である壁状上面で高い電界集中が起こって電子放出するものである。
【０００６】
本発明の電子源は、例えば真空室の真空度が１０-1ないし１０-2Ｐａの低真空であっても陰極と陽極との間の電界強度が例えば２．５ないし３．０（ＭＶ／ｍ）のとき電界放出電流は例えば１Ｅ−４ないし１Ｅ−３（Ａ）を得ることができ、十分な電子放出を得ることができる。また、陽極電圧３．０ｋＶ以上の飽和領域においては一定の陽極電流を得ることができ、この陽極電流を制御電圧により制御することができるから、制御性に優れた安定な電子放出を得ることができる。
【０００７】
すなわち、本発明では、電子放出素子である陰極が導電体表面に陽極方向に電子放出面が配向された配向性カーボンナノウォール膜を形成した電界放射型冷陰極で構成されているから、１０-1ないし１０-2Ｐａという低真空の真空室内に設置されても１０3ないし１０4Ｐａという準大気圧の試料室内部の試料に対して元素分析、解析、計測、観察等のために必要とする電子線を十分な量と強度とで照射することができる。したがって、本発明では、真空室を超高真空ではなく低真空に保つとよいので、真空室を従来のごとく超高真空にする必要がなくなり、装置構造を特殊ではなく簡易化することが可能となり、また、差動排気システムも簡易なもので済むので、電子線応用装置の製造価格を大幅に低減することができるうえに超高真空とは異なり低真空であるから取り扱い操作も簡単化する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電子線応用装置の製造価格を低減することができ、かつ、取り扱い操作も簡単化する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る電子線応用装置を説明する。実施の形態では電子線応用装置の一例として環境制御型の走査型電子顕微鏡に適用して説明するが、本発明はこの走査型電子顕微鏡に限定されず、電子を応用して試料の元素分析、解析、計測、観察等を行う電子線応用装置全般に適用することができる。
【００１０】
図１は、環境制御型の走査型電子顕微鏡を簡略化して示す図、図２は図１の電子源の概念的な構成を示す図、図３は図２の陰極においてＡ部とＢ部それぞれを拡大して示す図、図４は電子源の動作特性を示す図、図５は陰極表面への配向性カーボンナノウォール膜の成膜方法を示す図である。
【００１１】
図１を参照して本実施の形態の走査型電子顕微鏡１は、真空室２の上段部に電子源３が配置され、真空室２の中段部の外側にはコンデンサレンズ４が配置され、真空室２の下段部の外側にはスキャン（走査）コイル５が配置されている。真空室２は概念的に一つの部屋で示している。真空室２と試料室６は差動排気部７を介して接している。試料室６には図示略の気体供給源よりガス増幅を行う気体（例えば水蒸気）が供給されると共に、試料室６の気体の圧力は図示略の真空ポンプにより準大気圧に保たれている。真空室２は図示略の真空ポンプにより低真空（１０-1ないし１０-2Ｐａ）に維持されている。上記以外にも走査型電子顕微鏡１は２次電子検出器やアンプ等を有するがいずれも説明の簡略化のため図示ならびにその説明を略する。
【００１２】
電子源３から放出された電子は、コンデンサレンズ４により集束され試料室６内部の試料８に照射される。電子はスキャンコイル５により試料８上で走査されると共に、対物レンズ９により試料８上で集束される。電子照射により試料８から２次電子が発生し、この２次電子を用いて走査型電子顕微鏡１において周知の試料８の元素分析、解析、計測、観察等のための処理が行われる。
【００１３】
以上の構成を備えた走査型電子顕微鏡１においては、電子源３が以下の構成を備えたことを特徴とするものである。
【００１４】
電子源３は、電子放出用の陰極３１と、制御電圧に応じて陰極３１から電子引き出しを制御する制御電極３２と、陰極３１との間で高電圧を印加されて電子を試料室６へ向けて加速させる陽極３３とを備える。陰極３１は、導電体３１ａの表面に陽極３３方向に電子放出面３１ｃが配向された配向性カーボンナノウォール膜３１ｂを形成して構成されている。導電体３１ａは円錐状ないし円錐台状をなす先端部３１ａ１を備える。配向性カーボンナノウォール膜３１ｂは導電体３１ａの先端部３１ａ１の表面に円錐軸方向に壁状に成膜されて電子３４が円錐軸方向に収束して放出するよう配向されている。具体的に図２の円Ａで囲む部分は電子放出面３１ｃの頂部であり、この頂部は比較的平坦である。この部分は図３に示すように配向性カーボンナノウォール膜３１ｂの壁部分３１ｂ１がその頂部平坦面にほぼ垂直に成膜されて配向されている。図２の円Ｂで囲む部分は電子放出面３１ｃの斜面部である。この斜面部は図３に示すように配向性カーボンナノウォール膜３１ｂの壁部分３１ｂ１がその斜面部に対して斜めであるが円錐軸方向にほぼ平行に成膜されて配向されている。したがって、この電子源３の陰極３１の配向性カーボンナノウォール膜３１ｂからはその全体が円錐軸方向に向けて電子を放出することができる。
【００１５】
以上の電子源３においては、陰極３１と陽極３３との間に陽極電圧Ｖａが印加され、陰極３１と制御電極３２との間に制御電圧Ｖｇが印加される。そして、横軸を陽極電圧Ｖａ（ｋＶ）、縦軸を陽極電流Ｉｐ（μＡ）とする図４に示すように、陽極電圧Ｖａが４ｋＶ以上では陽極電流Ｉｐが飽和しており、この飽和領域では制御電圧Ｖｇにより陽極電流Ｉｐを制御することができる。したがって、実施の形態の電子源３は、電子放出の制御性に優れた電子源である。
【００１６】
以上説明した配向性カーボンナノウォール膜３１ｂは、図５で示すように、直流プラズマＣＶＤ法等により導電体３１ａの表面に成膜することができる。すなわち、この配向性カーボンナノウォール膜３１ｂは、ＣＨ４／Ｈ２の原料ガスを導入しこのガス雰囲気において陽極４０と陰極５０との間に直流電圧を印加してプラズマ６０を発生し、陽極４０上に載置した導電体３１ａ上に配向性カーボンナノウォール膜３１ｂを成膜することができる。
【００１７】
以上説明した本実施の形態の電子源３においてはその要求真空度は、１０-1ないし１０-2Ｐａの低真空であり、回転ポンプ単体で到達可能である。この真空度は、常温型電界電子放出素子としては従来型の常温動作のタングステン冷陰極と比較して１００万倍、タングステン熱フィラメントと比較して１００倍程度緩和される。実施の形態では、上記電子源３を備えたことにより、電子源３を設置してある真空室２を低真空にすることができるので、従来のような高価な差動排気システムが必要でなくなり、走査型電子顕微鏡を安価に製造することができ、また、取り扱い操作も容易なものとなる。
【００１８】
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係る環境制御型の走査型電子顕微鏡の構成を示す図である。
【図２】図１の電子源の構成を示す図である。
【図３】電子源の冷陰極を拡大して示す図である。
【図４】電子源の動作特性を示す図である。
【図５】導電性基板表面にＣＮＷ膜を成膜する直流プラズマ成膜法を示す図である。
【符号の説明】
【００２０】
１  走査型電子顕微鏡
２  真空室
３  電子源
３１  陰極（導電体３１ａ、配向性カーボンナノウォール膜３１ｂ）
３２  制御電極
３３  陽極
４  コンデンサレンズ
５  スキャンコイル
６  試料室
７  対物レンズ
８  試料
【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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