(57)【要約】【課題】低真空度で高輝度長寿命の電子銃陰極を提供する。【解決手段】電子銃の陰極が、レニウム単結晶１０３の六方晶系のC軸方向をビーム軸と一致させた角柱または円柱の支持部を有し陰極の先端部は円錐型、または円錐台形、または角錐台形の形状をしている。この電子銃陰極の先端に強電界を印加し、陰極をPG（パイロリティック・グラファイト）ヒータ１０４ａ，１０４ｂで加熱し、熱電子またはショットキー放出電子を放出する。レニウム単結晶の総面積を小さくして消費電力を抑制し、かつ1×10-4pascalの低真空度で高輝度長寿命が可能となる。【選択図】図１
2018133150.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子銃陰極であって、
電子を発生する陰極基体は、レニウム単結晶の六方晶系のC軸方向をビーム軸と一致させた、角柱または円柱の支持部を含み、該陰極基体の先端部は円錐型、または円錐台形、または角錐台形の形状をしており、
該陰極基体先端部は負電位が印加されるサプレッサに設けられた円孔から突き出しており、これによって正電位を印加する陽極に向かって電子銃先端部に強電界が印加されており、
該陰極基体をヒータで加熱して、陰極基体先端部から熱電子またはショットキー放出電子を放出することを特徴とする電子銃陰極。
【請求項２】
請求項１に記載する電子銃陰極であって、
該陰極基体部は0.35ｍｍ□以下、または0.35mmφ以下の断面を有し、
長さが2.5ｍｍ以下であることを特徴とする電子銃陰極。
【請求項３】
請求項２に記載する電子銃陰極であって、
電子銃チャンバーの真空度が1×10-4pascalから1×10-6pascalである真空度中において、1600℃から1900℃の温度において陰極基体先端部から熱電子またはショットキー放出電子を放出することを特徴とする電子銃陰極。
【請求項４】
請求項２に記載する電子銃陰極を複数用いた電子ビーム描画または電子ビーム検査を行う電子ビーム装置。
【請求項５】
請求項２に記載する電子銃陰極を単独で用いた電子顕微鏡または電子ビーム検査装置として用いられる電子ビーム装置。
【請求項６】
請求項１に記載する電子銃陰極であって、
ヒータが炭素からなるPG（パイロリティック・グラファイト）ヒータであることを特徴とする電子銃陰極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
半導体（LSI）製造工程の回路パターンを露光するリソグラフィ分野で活用される電子ビーム露光技術において、処理能力を飛躍的に高める複数の電子ビームを用いたマルチコラム電子ビーム装置の実現を可能にする、構造が簡便で、低消費電力で、多数個搭載が容易な、電子銃に関する。マルチコラム型電子ビーム描画装置では、多数の電子銃を並列して設置するが、個数は100個近くになる、そのために真空度が必ずしも1×10-6 pascalよりも超高真空であることができるとは限らない。したがって、一般的には超高真空度を必要としない高輝度・長寿命電子銃が望ましい。
【背景技術】
【０００２】
半導体リソグラフィ技術は従来、元図となるマスクを電子ビーム露光装置で作成し、そのマスク画像を光によって半導体基板（ウェハ）に転写する写真製版技術（光リソグラフィ）が主に使われてきた。光リソグラフィ技術では、光の波長が短くなることで解像性が向上する原理から、光の波長は微細化の進展とともに短波長化が進み、g線（波長436nm）からi線（波長365nm）と変遷し、微細化、高集積化、コスト低減を果たしてきた。現在は波長が193nmのエキシマレーザー光が使われている。今後さらに短波長の13.4nmの極短紫外線を用いたリソグラフィ技術が開発されている。しかし、高スループットの微細パターン形成装置の開発は遅れている。
【０００３】
一方、マスクは、半導体の微細化の進展に伴って開発コストが増大の一途をたどり、1品種のLSI当り数億円までになって来ている。電子ビーム露光装置はパターン発生機能を有する特徴からマスク開発に使われてきた。しかし、光の波長以下の転写性を実現する超解像技術の導入や、高集積化に伴うマスクデータの肥大など、光リソグラフィ技術の進展に伴って処理時間が増大し、マスク1層当り数十時間を要するようになってきている。
【０００４】
電子ビーム露光方式は、細く絞った電子ビームによる一筆書きと呼ばれる方式にはじまり、可変矩形方式と呼ばれる、数平方ミクロンを一括露光する方式など、露光方式を発展させてきた。しかし、現行の可変矩形ビームでは、近年マスクパターンがますます微細化するのに同期して、使用できる可変矩形ビームの縦幅と横幅は小さくなっていく。
そのために、ショット数は加速度的に厖大化し、マスク一層あたり200時間（8日）以上かかるものも出現している。
【０００５】
そこで、マスク露光処理時間の短縮を通じて、マスク価格の爆発を抑える目的や、高価なマスクを介さないで、電子ビーム露光装置によるウェハへの直接露光を実現する、マスクレスリソグラフィ技術が注目されるようになり、複数の電子ビームを用いて並列に露光処理するマルチビーム型の装置が提案され、処理能力を数十倍以上にすることが期待されている。
【０００６】
マスクレスリソグラフィ技術では、産業上有益な処理能力は、300mm直径のウェハを1時間当たり10枚以上露光処理することが必要とされている。そのためには、電子ビーム1本当たりの処理能力から、略100本ほどの電子ビームによるマルチ電子ビーム露光装置の実現が求められる。したがって、300mmウェハ上に100（10×10）本の電子ビームを発生させるには、30mmピッチ以下で電子ビームを同時に複数発生させる技術が求められる。
【０００７】
30mmピッチ以下で電子ビームを同時に発生させると、隣接する電子銃の電界が電子銃間で互いに影響しあうので、電子銃のサイズは略10mm以下であることが望ましい。
【０００８】
電子ビーム露光装置の処理能力は、電子ビーム強度に比例し、感光物質であるレジストの感度に反比例する。電子ビーム露光装置では、電子間相互作用のために、大きな電流でビームがぼけてしまうので、電子ビーム１本あたり略数μＡ 程度の電流値に制限しなければならない事情がある。
【０００９】
一方、極微細（略15nmから略10nm線幅）なLSIパターンは、感度が低いレジスト（100μC/cm2前後）によらないと、意図した露光精度が得られないと考えられる。これらの制約から、略600cm2 ある300mmウェハは、60,000秒以上の露光時間がかかる計算になる。略100本のマルチコラムではこれを略600秒以下とすることができる。
【００１０】
このような電子ビーム露光装置の電子銃として、従来使用されてきたものはLaB6の円錐台形形状の熱電子放出型電子銃であった。先端の円錐台形部の直径は50μmφであって、円錐台形の傾斜角度は、60度程度であった。この電子銃は、1×10-6pascal以上の超高真空下において1600℃程度で加熱をして用いていた。この時の輝度は50kVで1×106A/cm2steradianであり、かなり大きな輝度であったが、1600℃では、LaB6の酸素との燃焼による昇華によって、20μm/700時間（1ヶ月）の減耗が発生した。そこで、先端の円錐台形部の直径が10μmから20μmに先鋭化されるので、輝度はさらに大きくなるが、照射均一性が劣化する。すなわち、狭い範囲しか均一に照射されなくなるので、パターン精度が劣化する。このために、LaB6を使用した電子銃の寿命は1ヶ月程度しかなく、通常半年から1年の寿命が必要である電子ビーム描画装置では、基本的に不十分であった。このために、10個のLaB6電子銃を回転交換可能な、ターレット電子銃ユニットなどを使用しているシステムもあった。
【００１１】
また、電子ビーム検査装置では、半導体ウェハのプロセス途中で高速に電子ビーム走査を行い、二次電子を細くすることによってパターンを高速に検査するために1×108A/cm2steradianの高輝度の電子銃が使用される。加熱された金属表面に高い電圧をかけたときに起きるショットキー効果を利用したものである。陰極エミッタとして先端曲率半径が0.5μm程度のタングステン単結晶をジルコニウム酸素で被覆したものが用いられる。ジルコニウム酸素は1×10-8pascal以上の真空度で使用する必要があった。この電子銃は、仕事関数が略2.7eVのために、1600℃程度の加熱を必要としていた。電子銃の寿命は、次に述べる2つの要因で決まっている。第一に、タングステンとジルコニウムの熱膨張率の違いにより、電子銃先端が割れるということで破壊される。第二に、ジルコニウムが更に酸化し、真空中に飛び出してジルコニウム酸素の被覆が十分でなくなることによっていた。その場合には、タングステン結晶の針に付けられたレザバーにジルコニウムを入れて定期的（例えば1ヶ月に1回）にフラッシングを行うことで定量のジルコニウムをタングステンに供給していた。
【００１２】
以上見てきたように、LaB6もジルコニウム酸素タングステンも、非常に高い真空度を必要とするのみならず、1ヶ月以内の寿命しかないため、定期的に交換するか、フラッシング（新しいジルコニウムの蒸着）を必要としていた。このために、半年以上の長期安定性は得られなかった。
【００１３】
このような状況下において、LaB6及びジルコニウム酸素タングステンと同様の輝度と、照射均一性を有して、なおかつ半年以上の長寿命を同時に兼ね備えたものが、産業界で必要とされていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特許公開平８−２１２９５２号公報
【特許文献２】特許公開平６−１８１０２９号公報
【非特許文献】
【００１５】
【非特許文献１】電子・イオンビームハンドブック第3版  日本学術振興会第132委員会編編集委員長  裏克己  日刊工業新聞社平成10年10月28日  P119  図4.3化合物陰極の保持方法
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
300mmウェハ上に、多数個（略100本）の電子ビームを同時に発生させ、マルチ電子ビーム露光装置を実現し、1時間に十枚以上のスループットを有し、100本の電子銃が全て半年（6ヶ月）以上の寿命を持つ電子銃を形成するためには以下の課題がある。
【００１７】
電子銃チャンバーの真空度は、LaB6チップでは、1×10-7pascal以上の真空度である必要がある。ところが、電子ビーム描画装置では、100本の電子銃を使用するために、同じ真空ポンプを使う場合に、1×10-5pascalとなる。したがって、低真空度で使用できる電子銃を開発する必要がある。
【００１８】
そこで、本発明の主たる目的は、熱電子放出型またはショットキー型電子銃であって、
1×10-4pascal程度の低真空度でも、300mmウェハ上に、多数個（略100本）の電子ビームを同時に発生させ、マルチ電子ビーム露光装置を実現し、1時間に十枚以上のスループットを有し、100本の電子銃が全て半年（6ヶ月）以上の寿命を持つ電子銃を形成することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
電子銃陰極であって、電子を発生する陰極基体は、レニウム単結晶の六方晶系のC軸方向をビーム軸と一致させた、角柱または円柱の支持部を含み、該陰極基体の先端部は円錐型、または円錐台形、または角錐台形の形状をしており、該陰極基体先端部は負電位が印加されるサプレッサに設けられた円孔から突き出しており、これによって正電位を印加する陽極に向かって電子銃先端部に強電界が印加されており、該陰極陰基体をヒータで加熱して、陰極基体先端部から熱電子またはショットキー放出電子を放出することを特徴とする電子銃陰極とする。
【００２０】
電子銃は1600℃から1900℃に加熱して使用するので、電子銃材料は3000℃以上の融点を持った金属または金属化合物である必要がある。現在全金属の中で最高の融点を有するものはタングステンである。タングステンの融点は3422℃である。金属で2番目の高融点を有するものはレニウムであり、その融点は3182℃である。一般的にタングステン電子銃が使用され、レニウムは電子銃としては使用されない。それは70年ほど前にはレニウムが高価であったこと、当時の計測では仕事関数が6eVから7eVでありタングステンの仕事関数が5eVであったために低温で電子を放出しかつ融点が高く廉価であったことによっている。このために、レニウムは電子銃として使用されることは全くなかった。
【００２１】
しかし、タングステンは、1600℃から2000℃では残留酸素と反応し酸化タングステンの融点が1700℃であるため、蒸発によりタングステン電子銃は100時間程度の寿命しかなかった。一方レニウムは1600℃から1900℃では1×10-4pascalの真空度では酸化せず。長寿命化が期待できる。
【００２２】
なおかつ陰極基体先端部を突き出す円孔を有するサプレッサに負電位を印加し、正電位を印加する陽極に向かって電子銃先端部に強電界が印加すると、レニウムに強電界がかかるために仕事関数は4eVと小さくなり、加熱温度を低減することが出来る。そのためにレニウム単結晶では６ヶ月以上の長寿命化が可能となる。レニウムが酸化しにくいのは、レニウムが最稠密充填構造の六方晶系をとることによっている。酸素が吸着しても容易には酸化が起こらない構造となっている。一方タングステンでは、体心立方構造を有し、最稠密ではないために酸素と反応しやすく酸化が容易に起きるので、寿命が短い。これに対して、レニウムは、最稠密であって、かつタングステンと比べて電気陰性度が大きいので、容易には酸化されない。そのため、タングステンほど酸化によって蒸発することがない。したがって、レニウムを電子銃として使用することは長寿命化を達成する手段となる。しかしながら、レニウムを電子銃として使用することは従来前例がないことであった。本発明では、以上の事を総合して、前記した課題は解決される。
【００２３】
なお、炭素からなるPG（パイロリティック・グラファイト）ヒータを用いたが、同等の加熱が行えれば、他のヒータを用いてもよい。炭素を用いたものがよい。また、レニウムタングステンのような合金からなるヒータでも良い。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明の電子銃によれば、電子銃陰極材料として、レニウム単結晶の六方晶系のC軸方向をビーム軸と一致させた、角柱または円柱の支持部からなり、該陰極基体の先端部は円錐型、または円錐台形、または角錐台形の形状をしており、該陰極基体先端部を突き出す円孔を有するサプレッサに負電位を印加し、正電位を印加する陽極に向かって電子銃先端部に強電界が印加されており、該陰極陰基体を炭素からなるPG（パイロリティック・グラファイト）ヒータで加熱して、陰極基体先端部から熱電子またはショットキー放出電子を放出することを特徴とする電子銃であるため、レニウムの先端部表面に低い仕事関数で、電子放出を行うことができ、なおかつ陰極材料とヒータ材料共に長寿命の電子銃を構成できる。
レニウムは1×10-4pascalの低真空度でも安定に電子放出を行うために、マルチ電子ビーム露光装置に適した電子銃が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の電子銃の実施例を説明する図である。
【図２】従来のLaB6電子銃の酸化による消耗によって電子銃形状が変化する様子を示す図である。
【図３】本発明のレニウムの結晶構造である最稠密充填の六方構造を示す図である。
【図４】周期律表6段目のハフニウムから金までの金属元素の電子銃適用の検討を示す図である。
【図５】本発明の電子銃の第二の実施例を説明する図である。
【図６】本発明の電子銃の第三の実施例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明を実施する形態について、図を参照しながら説明する。
【００２７】
図１において、セラミック円板101上に高耐熱バネ状金属102a、102bが接続設置されている。高耐熱バネ状金属102a、102bはPG（パイロリティック・グラファイト）ヒータ104a、104bとレニウム単結晶103をバネ力で押さえている。加熱電流が102a、104a、103、104b、102bを通って流れ、PG（パイロリティック・グラファイト）ヒータ104a、104bの発熱によって、レニウム単結晶103が1600℃から1900℃に加熱される。レニウム単結晶103には-50kVが印加されている。
【００２８】
サプレッサ電極105は軸対称な物体で、金属でできており、-50kVから-51kVの負電位に接続されている。そのため、サプレッサ電位を示す等高線106により、レニウム単結晶103の先端以外から放出される電子は抑制される。アノード109はアース電位に設置されている。レニウム単結晶103の先端部に-50kVから-20kVまでの等電位線107が集中することによりレニウム単結晶103先端部に強電界が印加され、ショットキー効果によりレニウム単結晶103からの電子放出が容易となる。電界強度は1×105V/cm程度である。アノード付近の等電位線108は比較的真っ直ぐになっている。ショットキー効果による放出電子110は、アノード109の開口を通過する。ショットキー効果による放出電子の照射分布111は、概略ガウス型関数に類似している。
【００２９】
レニウム単結晶はPG（パイロリティック・グラファイト）ヒータで加熱されるが、加熱消費電力は高温部の面積の総和をSとし、温度をTとするときS×T4に比例する。従来、LaB6などは仕事関数が2.7eVと低いが、温度1600℃で0.7mm□で長さ3mm以上の単結晶であった。しかし、この条件ではLaB6の消耗が激しかった。本発明では、レニウム単結晶を用いて仕事関数は4eV以上であって、1900℃程度の加熱が必要となる。そこで、T4はLaB6に比べてレニウム単結晶では略2倍になるので、消費電力を同等以下にするためにはレニウム単結晶の総面積を略半分以下にすることが必要となる。この理由でレニウム単結晶の幅は0.35mm以下で、長さは2.5mm以下である必要がある。なお、電子銃チャンバーの真空度は、1×10-4pascalから1×10-6pascal程度が好ましく。1600℃から1900℃の温度において陰極基体先端部から熱電子またはショットキー放出電子を放出させることが好ましい。
【００３０】
図２は、従来のLaB6電子銃の酸化消耗によって電子銃材料の形状が変化する様子を示す図である。LaB6単結晶201は長時間の加熱により、表面が酸化し昇華することで使用後形状202のように消耗する。LaB6の使用温度は1600℃付近である。真空度が低く酸素濃度が大きいと酸化速度が速く昇華が大きい。1600℃、10-5pascal、700時間の条件で略10μmの昇華量である。半年（6ヶ月：4200時間）で60μmもの昇華量となる。これでは消耗が大きすぎる。
【００３１】
したがって、LaB6の寿命は1ヶ月と言われている。この場合、単結晶の先端部が50μmφの円錐台形の円形の平面の初期状態とするとき、電子密度分布関数204の中心頭頂部の均一照射面積は十分広くとれている。しかしながら、700時間経過後、先端円形平面部は最小で30μmφとなり、その時の電子密度分布関数205は中心頭頂部の均一照射面積は、著しく小さくなってしまう。この状態では可変矩形ビームを形成するための2つのアパーチャ206、207の重なり部分203を均一に照射することができず描画装置としての機能を損なうようになる。したがって上記LaB6電子銃での照射均一性の寿命は700時間以内で、これは寿命が１ヶ月ということである。
【００３２】
図３は、本発明のレニウム単結晶の六方最密充填構造を示している。レニウム原子301は、同一平面内に、まず3つの原子が正三角形に配置される。これを同一平面内に稠密に敷き詰めると、１つの原子の周りに６個の原子が隙間なく取り囲むようになる。それゆえ六方最密充填構造と呼ばれる。同一平面内に無数にレニウム原子301が配列されて、同様に2段目のレニウム原子302が、互いに稠密に平面内に原子が隙間なく敷き詰められる。このときレニウム原子302は、レニウム原子301の正三角形の中心の窪みに接するように配置される。3段目のレニウム原子303は2段目のレニウム原子302の正三角形の中心の窪みに配置される。このようにレニウム原子は三次元構造的に六方最密充填構造をとることがわかる。1つの原子に対して60度ごとに原子が配置される。このとき各面の原子の1段おきに原子の中心を通る中心軸をC軸304と定義することができる。したがってレニウム単結晶はC軸304の周りに60度ごとの６回回転対称性があるという。レニウム単結晶を用いた電子銃はC軸304の方向に電子を出射するように単結晶を切り出す。これによってビーム中心軸は回転対称の中心軸でもあり、先端の平面部305はビーム軸に対して直交する。ビーム軸は、周辺の原子が仮に蒸発したとしても対称の中心軸である。
【００３３】
図４は、周期律表の6段目のハフニウムから金までの金属元素の電子銃適用の検討を示す図である。タングステンとレニウムは、融点401が3407℃と3180℃であり、3100℃を超えるので、これらは電子銃として使用可能性がある。
【００３４】
一方、オールレッド・ロコウの電気陰性度404とポーリングの電気陰性度405が定義されている。それらは電子の放出のしやすさを示す値であって、この値が小さいほど電子が出やすい。
【００３５】
たとえば、ハフニウムはオールレッド・ロコウの電気陰性度404が1.23であり、ポーリングの電気陰性度405が1.3であるので、低い仕事関数406で電子放出も低温で出来る。しかし、電子を放出しやすいということは酸素と反応し、酸化しやすいということであり、燃焼して蒸発してしまう事にも関係する。本発明者らの実験では、膜厚3μmのハフニウムが、真空度1×10-4pascal、1300℃の条件で、10時間で燃焼して蒸発した。したがって、ハフニウムを電子銃として使用することは弊社では出来ないと判断した。
【００３６】
仕事関数406は物質内部から真空中に電子を放出するためのエネルギーをeV単位で表している。この値が小さいほど電子を放出しやすい。ポーリングの電気陰性度405の値ηと仕事関数理論値406の値χは、以下の式で結ばれている。χ＝2.27×η＋0.34 eVである。
【００３７】
タンタルの仕事関数理論値406は3.745であるが、本発明者らの実験では、仕事関数（実測）eV最小402が5eV程度であったが、真空中の酸素により酸化しやすく、消耗が大きかったので、電子銃としては、寿命の点から好ましくないと判断した。タングステンは、仕事関数理論値406は、4.2eVであるが、実際に実験してみると何故か理由ははっきりしないが、仕事関数が6eVから8eVと大きく、1800℃から2000℃の加熱が必要であった。このため、1×10-4pascalの真空度では、酸化しやすく1ヶ月（700時間）で30μm消耗することがわかったので、タングステンは、弊社では電子銃として最適であるとは判断しなかった。しかし、タングステンが、電子銃として使用できるものであることは従来から世界中で行われていたことであり、否定するものではない。一般的にタングステンは、仕事関数は高いが融点も高いために電子銃としては多用されていた。ただし、ヒータにもタングステン線を使う事から酸化消耗によって100時間くらいで切断してしまうという問題があった。
【００３８】
本実施形態のように、タングステンの単結晶の結晶軸を電子ビーム軸と一致させて、かつ消費電力を小さくするように単結晶の表面積を小さくすること及びPG（パイロリティック・グラファイト）ヒータを使ってヒータが容易に断線しないようにすることは本発明のレニウムに限定したものをタングステンにも適用するものであり、技術の展開としては容易に推測できるものであることを申し述べる。
【００３９】
レニウムは、仕事関数理論値406は4.653eVであるが、弊社の実験によっては4eVから5eVであった。レニウムは従来、仕事関数がもっと大きく2000℃以上の高温での運転が必要であると考えられていた。しかし、本発明者らの実験ではショットキー型で使用すれば1700℃から1850℃の低温で使用できることがわかった。残る一つの問題は、レニウムが高価であり、50年前はタングステンが比較にならないほど安価であったためにレニウムは、電子銃としては、使用できないという事が指摘できる。しかし、本発明者らはレニウム結晶を小さくし消費電力を減らしコストも削減することによって電子銃として十分機能することを見出した。レニウムは、1×10-4pascalの真空度では、タングステンよりも電気陰性度が高いために酸化しにくい、このために半年（6ヶ月：4200時間）で5μm以下の消耗量であった。そのため本発明者らは、図4の中で挙げられた原素の中で電子銃として最適であると結論した。
【００４０】
オスミウムの仕事関数理論値406は、レニウムに比べ更に大きいので、仕事関数は5eVから6eVと推定できるが、本発明者らは一般的な購入ルートでは粉体ならば入手できるが、ワイヤーを入手できなかったため、実験をしなかったが、おそらく使用温度はレニウムよりも高温になるが、融点が下がるので電子銃としての寿命はレニウムよりも短くなると判断した。同様に、イリジウムはオスミウムと同じ仕事関数で2000℃以上の加熱が必要と思われるが、融点が2443℃であるので、電子銃としては、レニウムよりも短寿命であると判断した。白金と金に至っては電子銃としての使用予測温度が2000℃以上であるのに、融点401が白金1769℃、金1064℃であるので電子銃としては、使用できないと判断される。したがって、図４で挙げられた金属の内で輝度と寿命と使用真空度の点からレニウムが最適であることが結論できる。
【００４１】
図５は、本発明の電子銃の第二の実施例を説明する図である。電子銃陰極501は、レニウム単結晶からなり、先端部502は六方晶系のC軸方向を向いている。電子銃陰極501は、基体部とその線端側で先細り形状の先端部502からなり、該陰極基体部は0.35ｍｍ□以下、または0.35mmφ以下の断面を有し、長さが2.5ｍｍ以下であることが好ましい。先端部502は化学研磨でエッチングされて先鋭化している。先端部の曲率半径は200nmである。温度を1900℃に加熱する。ショットキー電界強度は1×107V/cm2であり、仕事関数は3.5eV程度である。アノード109とサプレッサ電極105の間隔は3mmであり、中心付近にレニウム電子銃先端502が設置される。この温度でショットキーエミッション電流は10μAが電子銃先端部502から放出される。低加速電圧において電子レンズによって縮小率を200分の1にすると解像度1nmが得られる。本電子銃は従来のジルコニウム酸素タングステンと異なり単結晶レニウムで形成されるために、従来起きていたジルコニウムとタングステンの熱膨張率の違いによる電子銃が割れて破壊するという障害が発生しなくなり、長寿命化が達成できる。したがって、電子顕微鏡および検査装置の電子銃としてショットキー型レニウム単結晶電子銃を使用することで寿命が3年以上の電子銃が形成できる。
【００４２】
図６のレニウム単結晶のC軸方向に先鋭化された先端陰極部601は、基底部が、直方体であるので、これを加熱するためには、PG（パイロリティック・グラファイト）ヒータは、左右からそれぞれ一対の直方体のヒータ602を高耐熱バネ状金属603a、603bで挟んで固定する。高耐熱バネ状金属603a、603b間に電流を流してPG（パイロリティック・グラファイト）ヒータ602a、602bが加熱される。これによりレニウム単結晶の先端陰極部601が加熱される。この場合は601のレニウム単結晶の基底部は、0.35mm×0.35mm以下の直方体からなる。
【００４３】
ここまでの説明はPG（パイロリティック・グラファイト）ヒータが直方体のものである場合である。レニウム単結晶のC軸方向に先鋭化された先端部陰極604は、基体部が円柱である事が製作しやすいという場合もある。この場合には、PG（パイロリティック・グラファイト）ヒータ605a、605bはレニウム単結晶との接触面が半円孔を有したものであることが望まれる。この場合は高耐熱バネ状金属606a、606b間に電流を流してPG（パイロリティック・グラファイト）ヒータ605a、605bが加熱される。この場合には、この場合には、604のレニウム単結晶の基底部は、0.35mmφ以下の円頭部からなる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
まず、マルチコラムの電子ビーム描画装置と、マルチコラムの電子ビーム検査装置においては、電子銃の数が多数であって本数は100本に及ぶ。そのため、1本1本の信頼性は特別良いことが求められる。本発明では、レニウムの単結晶を用いた電子銃であって先端をサプレッサから突き出すようにして電子銃先端に強電界を印加する。このことにより、電子発生開始温度が下がり、タングステンと比較して100℃から200℃低い温度で動作可能となる。したがって、1700℃から1850℃の温度範囲で50kVのとき1×106A/cm2steradianの輝度を持ち、半年（4200時間）で5μm以下の消耗に抑えることができるので、従来のLaB6に比較して、寿命が6倍以上あり、かつ高真空度1×10-7pascalは不要となり、1×10-4pascalで安定して使用できる。このために真空装置が廉価になるばかりでなく、電子ビーム描画装置および検査装置のダウンタイムが減る。すなわち、LaB6では真空度の劣化（真空リークによることが多い）による電子銃の消耗が原因の装置全体のダウンタイム原因の50％程度を占めている。また、この中にはLaB6が電子銃のサプレッサの機能と同等の機能を果たすウェーネルトないし、アノードの円孔の内面にLaB6蒸発物がウィスカーのように付着して微細放電を起こすことが装置障害を引き起こす大きな原因となる。しかし、本発明のレニウム単結晶を用いた電子銃では少ない蒸発量ではあるが、ウェーネルトないし、アノードの円孔の内面に付着するものは金属レニウムであるために、LaB6のウィスカーのごとく微細放電を起こすことは一切ない。このために、電子ビーム描画装置および検査装置のマルチコラム化の信頼性を電子銃起因の障害を激滅することが可能となる。したがって、電子ビーム描画装置および検査装置のマルチ化による高スループット化のキーテクノロジーとなる。これにより、微細パターンの半導体電子デバイスのリソグラフィ分野で多大な貢献をなす。ゆえに近い将来の半導体産業の隆興の基礎的な欠くべからざるキーテクノロジーであるということができる。すなわち、LaB6ではマルチ化した場合に電子銃の消耗による障害が多発することにより、マルチ化電子ビーム描画装置および検査装置が市場を形成できず、半導体産業の微細化を牽引することは不可能と思われていた。しかし、レニウム単結晶による電子銃は、この障害を克服し半導体産業の微細化を、さらに隆興させる。
【００４５】
図５のレニウム単結晶のC軸方向に先鋭化された先端部502を有する電子銃はショットキー電子銃として微細大電流の必要性がある電子ビーム検査装置で大変有効に使用される。
【００４６】
本電子銃はジルコニウム酸素タングステン電子銃と同等の使用分野において、ジルコニウムとタングステンの熱膨張率の違いによる突然の破壊がないためにジルコニウム酸素タングステン電子銃を全面的に代替することができる。また、従来ジルコニウムは1×10-8pascalの超高真空度で使用する必要があった。その原因はジルコニウムの酸化が低真空度では、どんどん進み二酸化ジルコニウム、一般的にはジルコニアと呼ばれる絶縁体セラミックに変化し、これは仕事関数が8eV以上の高い仕事関数の物質に変化するためであった。しかし、レニウム単結晶の電子銃は、1×10-4pascal程度の低い真空度でも動作するため真空装置価格が廉価になり、ダウンタイムが著しく低減する。
【００４７】
このために、電子ビーム検査装置産業を大きく隆興せしめる。また、電子ビーム検査装置を使用する微細半導体産業を大きく隆興せしめる。
【００４８】
本発明の電子銃は、従来タングステンを用いていた電子銃分野において、タングステンが1×10-4pascalの低真空内で酸素と反応し、酸化して、酸化物が蒸発することで寿命が100時間程度しかなかった。これをレニウム単結晶に代替することで、低真空で使用することができるようになる。さらにLaB6の不安定性もレニウム単結晶で代替することができる。ジルコニウム酸素タングステン電子銃の用途も代替することができる。したがって、SEM、電子顕微鏡、電子ビーム描画装置、電子ビーム検査装置の産業分野を発展し、隆興せしめることができる。
【００４９】
昔電子銃がＬａＢ６の時、マルチコラムを提案した時、1本でも稼働させることが大変なのに  100本にしたら早くなるかもしれないが、そんな装置が動くわけがないと多くの人から本発明者らは否定された。我々はＬａＢ６に変えて単純な金属を使用して高輝度・長寿命・低真空度で運転ができるようにしたのでこれによりマルチコラムシステムは完璧に稼働する。
【００５０】
本発明者らは本実験の過程において、レニウム金属膜の上にごく薄いランタンＬａ，またはＬａＢ６の薄膜を付着せしめたことがあった。この膜の仕事関数は１ｅＶと低く1300℃の低温で1×106A/cm2という強い輝度を呈した。しかし、1×10−4ｐａｓｃａｌの低真空度では6時間で消滅してしまった。これは、残留酸素によってランタンまたはLaB6の薄膜が燃焼して蒸発したものと考えられる。このことを付記しておく。
【符号の説明】
【００５１】
１０１    セラミック円板
１０２a、１０２b   高耐熱バネ状金属
１０３    レニウム単結晶
１０４a、１０４b   PG（パイロリティック・グラファイト）ヒータ
１０５    サプレッサ電極
１０６    サプレッサ電位を示す等高線
１０７    -50kVから-20kVまでの等電位線
１０８    アノード付近の等電位線
１０９    アノード
１１０    ショットキー効果による放出電子
１１１    ショットキー効果による放出電子の照射分布
２０１    LaB6単結晶
２０２    LaB6単結晶使用後形状
２０３    アパーチャ重なり部分
２０４    電子密度分布関数
２０５    使用後形状の電子密度分布関数
２０６    アパーチャ
２０７    アパーチャ  
３０１    同一平面内に稠密に敷き詰められた1段目のレニウム原子
３０２    2段目のレニウム原子
３０３    3段目のレニウム原子
３０４    レニウム単結晶のC軸
３０５    レニウム単結晶先端の平面部  
４０１    融点
４０２    仕事関数実測最小値
４０３    仕事関数実測最大値
４０４    オールレッド・ロコウの電気陰性度
４０５    ポーリングの電気陰性度
４０６    仕事関数理論値
４０７    動作温度
４０８    酸化速度
５０１    化学研磨により先鋭化した電子銃陰極
５０２    化学研磨により先鋭化した電子銃陰極先端部
６０１    基底部が直方体であるレニウム単結晶のC軸方向に先鋭化された先端陰極部
６０２a、６０２b    直方体のPG（パイロリティック・グラファイト）ヒータ
６０３a、６０３b    高耐熱バネ状金属
６０４    基底部が円柱であるレニウム単結晶のC軸方向に先鋭化された先端陰極部
６０５a、６０５b    レニウム単結晶との接触面に半円孔を有した直方体のPG（パイロリティック・グラファイト）ヒータ
６０６a、６０６b    高耐熱バネ状金属。
【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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