(57)【要約】【課題】            低電圧、低電力で所望の温度に加熱でき、安定した高い電流密度を得ることができる電子源を提供する。【解決手段】        本発明の電子源は、絶縁性のベースと、該ベースに設けられた支柱と、電子放出部と、該電子放出部を挟持し、且つ前記電子放出部と前記支柱とを電気的に接続するスペーサとを有し、該スペーサが熱分解黒鉛からなるとともに、前記スペーサと、前記電子放出部及び前記支柱との接触面以外のスペーサの面に金属化層が形成されており、前記接触面には金属化層が形成されていないことを特徴とする。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性のベースと、該ベースに設けられた支柱と、電子放出部と、該電子放出部を挟持し、且つ前記電子放出部と前記支柱とを電気的に接続するスペーサとを有し、該スペーサが熱分解黒鉛からなるとともに、前記スペーサと、前記電子放出部及び前記支柱との接触面以外のスペーサの面に金属化層が形成されており、前記接触面には金属化層が形成されていないことを特徴とする電子源。
【請求項２】
前記電子放出部が、ダイヤモンドからなることを特徴とする請求項１に記載の電子源。
【請求項３】
前記金属化層が、タングステン、タンタル、モリブデン、チタンの少なくとも１つからなることを特徴とする請求項１または２に記載の電子源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡、電子ビーム露光装置、進行波管、マイクロ波管等に用いられる電子源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡や電子ビーム露光装置の電子源には、例えば、安価な熱電子放出部が用いられている。熱電子放出部としては、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等の六ホウ化物が知られている。また、電界によるショットキー効果を利用したＺｒＯ／Ｗ製の電子源も知られている。
【０００３】
また、近年実効的な仕事関数が小さく、真空準位伝導帯下端より低エネルギーの位置にある負性電子親和力を持つダイヤモンドを電子源として用いる提案もでてきている。
【０００４】
特許文献１や特許文献２には、六ホウ化物からなる電子放出部を異方性黒鉛材料の保持体で挟持し、保持体を支柱に接続した電子源の構造が開示されている。
【０００５】
異方性の黒鉛は、電気抵抗が高いので、熱電子放出部を所定の温度に上昇させるためには、高い電圧が必要となるので、通常の低電圧電源を用いることができないという問題があった。
【０００６】
電気抵抗を下げるために、異方性黒鉛材料に金属などを被覆して電気抵抗を下げることが考えられる。しかし、電子放出部をダイヤモンドとして試作したところ、金属を被覆した異方性黒鉛を用いても所望の低抵抗を得ることができなかった。また、低電圧での駆動もできなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５５−０９８４３５号公報
【特許文献２】特公昭６３−０１５６９３号公報
【特許文献３】特開２００７−１４９６５９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、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、低電圧、低電力で所望の温度に加熱でき、安定した高い電流密度を得ることができる電子源を提供することである。
【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、本発明の電子源は、絶縁性のベースと、該ベースに設けられた支柱と、電子放出部と、該電子放出部を挟持し、且つ前記電子放出部と前記支柱とを電気的に接続するスペーサとを有し、該スペーサが熱分解黒鉛からなるとともに、前記スペーサと、前記電子放出部及び前記支柱との接触面以外のスペーサの面に金属化層が形成されており、前記接触面には金属化層が形成されていないことを特徴とする。
【００１０】
電子放出部は、ダイヤモンドからなることが好ましい。また、金属化層は、タングステン、タンタル、モリブデン、チタンの少なくとも１つからなることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、低電圧、低電力で駆動でき、安定した高い電流密度を得ることのできる電子源を得ることができる。このため、本発明の電子源は、電子顕微鏡や半導体検査装置や電子ビーム露光装置に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の電子源の断面構造の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の電子放出部の一例を示す模式図である。
【図３】本発明のスペーサを示す斜視図である。
【図４】本発明の実施例と比較例の印加電圧と電子放出部の温度の関係を示す。
【図５】本発明の実施例と比較例の印加電力と電子放出部の温度の関係を示す。
【図６】従来の電子源の断面構造を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態を示す断面模式図である。本発明の電子源は、絶縁ベース６と、該絶縁ベース６に設けられた支柱３と、電子放出部１と、電子放出部１を挟持し且つ電子放出部と支柱とを電気的に接続するスペーサ２からなる。スペーサ２は、熱分解黒鉛２１ａに金属化層２１ｂを形成している。
【００１４】
スペーサは、熱分解黒鉛からなるが、発明者らは、図３に示すように、熱分解黒鉛のｃ軸に平行な２３ａ面に金属化層を形成し、金属化層を形成していない２３ｂ、２３ｃ面と電子放出部並びに支柱とを接触させることにより、接触抵抗を低くすることができ、低電圧で電子放出部を加熱することが可能となることを見出した。このため、本発明の電子源は、低電力で安定した高い電流密度を得ることのできる電子源となる。
【００１５】
熱分解黒鉛製のスペーサは、ｃ軸に垂直方向に０．２ｍｍ以上、１ｍｍ以下であることが望ましい。０．２ｍｍ未満であると、黒鉛の熱抵抗が低すぎるため温度が低電力で充分あがらない。逆に１ｍｍを超えると、電気抵抗が高くなりすぎるため温度が低電力で充分あがらなくなる。また、ｃ軸に平行方向に０．１ｍｍ以上、１ｍｍ以下であることが望ましい。０．１ｍｍ未満であると電気抵抗が高くなりすぎると共に、電子銃を組み上げる際の扱いと電子源チップの方向制御が極めて困難になる。逆に１ｍｍを超えると熱抵抗が低すぎるため温度が低電力で充分上がらなくなる。
【００１６】
金属化層は、タングステン、タンタル、モリブデン等の高融点金属であることが望ましい。また、黒鉛との密着性に優れるチタンなどでも良く、これらを積層した膜であってもよい。金属化層の厚みは、積層膜の場合は総厚で、１０ｎｍ以上、５０μｍ以下が望ましい。１０ｎｍ未満では、電気抵抗が高くなりすぎるため温度が低電力で充分上がらなくなる。５０μｍを超えると電気抵抗と熱抵抗が低すぎるために温度が低電力で充分上がらなくなる。より好ましくは、積層膜の厚みは１００ｎｍ以上１０μｍ以下が望ましい。上記金属でない場合、高温では金属原子が電子源表面に拡散し、電子放出特性を損なってしまう。
【００１７】
電子放出部は、ダイヤモンドからなることが好ましい。ダイヤモンドは、単結晶であることが好ましい。単結晶ダイヤモンドは、含有する不純物や欠陥によってＩａ型、Ｉｂ型、ＩＩａ型、ＩＩｂ型に分類されるが、本発明においては、いずれの型でも用いることができる。また、天然のダイヤモンドであっても人工のダイヤモンドであってもよい。
【００１８】
更に、人工ダイヤモンドの場合は、高温高圧法によるものでも、気相合成法によるものでもよい。このダイヤモンドには、ｎ型ドーピングしたエピタキシャル膜が形成されていることが好ましい。
【００１９】
電子放出部であるダイヤモンドの大きさは、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下程度の直方体で、先端が先鋭に尖っていることが望ましい。この大きさを超える大きさのダイヤモンドを用いることもできるが、このように大きなダイヤモンドは、人工であっても高価であり、また、電子源自体の大きさが大きくなる。
【００２０】
電子放出部の形状は、先端が先鋭に尖っていれば、角錐でも円錐でもよいが、図２に示すように、角錐台形状に先鋭な先端部を有する形状としてもよい。このような先鋭な先端部は、例えば、ドライエッチング加工によって形成することができる。
【００２１】
電子放出部がダイヤモンドの場合、ダイヤモンドは、一般的に電気的に高抵抗であるので、ダイヤモンドの先端部以外の部分に金属を被覆してもよい。被覆する金属は、高融点金属であることが好ましく、タングステン、モリブデン、タンタル、チタンなどの金属やこれらの複合膜であってもよい。
【００２２】
支柱の材料は、特に限定はないが、タングステン、モリブデン、インコネルなどの高融点金属であることが好ましい。
【００２３】
電子放出部は、スペーサを介して支柱に取り付けられるが、支柱による電子放出部の保持は、支柱のバネ性だけでも可能であるが、図１に例示したように、ネジ４によって固定してもよい。ネジで固定する場合は、ネジを通して余分な電流が流れないように、絶縁碍子５でネジを電気的に浮かせることが好ましい。
【００２４】
絶縁ベースの電子放出部と反対側に支柱３と電気的に接続される端子７を取り付ければ、電子源として、電子顕微鏡や電子ビーム露光装置に取り付けることができる。
【実施例１】
【００２５】
０．６ｍｍ×０．６ｍｍ×２．５ｍｍの直方体であって、（１１１）面にＰ（リン）ドープエピタキシャルダイヤモンド薄膜（Ｐ濃度：１．７×１０２０ｃｍ−３）を気相成長させた高温高圧合成のＢ（ボロン）入り（Ｂ濃度：２．１×１０１９ｃｍ−３）をダイヤモンド単結晶を準備した。０．６ｍｍ×０．６ｍｍの一方の端面を研磨して、角錐台状の先端形状を形成した。頂部の滑らかな平面は０．１×０．１ｍｍの正方形であった。
【００２６】
この滑らかな平面にスパッタリングで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角錐台面の中央に高さ３０μｍで先端の曲率半径が１００ｎｍの円錐状の突起を形成した（図２）。図２の角錐台部よりも下側の部分に、スパッタ装置により、Ｔｉを１００ｎｍコーティングした後、Ｗを１μｍコーティングした。
【００２７】
次に０．８ｍｍ×０．８ｍｍ×０．４ｍｍの熱分解黒鉛を用意した。０．８ｍｍ×０．８ｍｍの面をｃ軸に垂直な面とした。この熱分解黒鉛の０．８ｍｍ×０．８ｍｍの両方の面にカバーを付け、０．８ｍｍ×０．４ｍｍの４側面２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ、２３ｆに、Ｔｉを１００ｎｍコーティングした後、Ｗを１μｍコーティングした。
【００２８】
これらの電子放出部１であるダイヤモンドと、スペーサ２である熱分解黒鉛を図１のように組み上げて電子源を完成させた。ダイヤモンドと熱分解黒鉛、熱分解黒鉛と支柱とは、熱分解黒鉛のＴｉとＷをコーティングしていない面２３ａ、２３ｂで接触させた。なお、支柱３はタングステン（Ｗ）、絶縁碍子５はアルミナ、絶縁ベース６はアルミナ、端子７はコバールとした。
【００２９】
完成させた電子源を、電子顕微鏡の電子銃室内に組み込んだ。真空度１．２×１０−７Ｐａまで真空引きした後、電子源に通電し、加熱した。このとき、放射温度計で、電子放出部の温度を測定した。図４に示すように、印加電圧の上昇とともに、電子放出部の温度も上昇し、例えば、電圧３．０Ｖ、電流１．９Ａで電子放出部の温度は、１０３０℃に達した。
【００３０】
電圧２．７Ｖ、電子放出部の温度９００℃で動作させたところ、引出電圧３ｋＶで９２０μＡ／ｓｒと高い角電流密度が得られた。
【００３１】
（比較例１）
熱分解黒鉛にＴｉとＷをコーティングしなかったことを除いて、実施例１と同様の電子源を作製した。
【００３２】
実施例１と同様に電子顕微鏡の電子銃室内に電子源を組み込み、真空度１．２×１０−７Ｐａまで真空引きした後、電子源に通電し、加熱した。３．０Ｖでは、電流０．４Ａとなり、放射温度計では測定できないほど電子放射部の温度は低かった。これは、抵抗が高いためであると思われる。さらに電圧を上昇させたところ、図４に示すように、例えば、電圧５．４Ｖ、電流１．１Ａで電子放出部の温度が１０００℃になった。このように、この電子源を用いるためには、動作電圧の高い加熱用電源が必要であることが判った。
【００３３】
動作電圧３．０Ｖ、引出電圧３ｋＶで動作させたところ、角電流密度は、５５μＡ／ｓｒしか得られなかった。
【００３４】
（比較例２）
熱分解黒鉛の全面にＴｉを１００ｎｍコーティングした後、Ｗを１μｍコーティングしたことを除いて、実施例１と同様に電子源を作製した。
【００３５】
実施例１と同様に電子顕微鏡の電子銃室内に電子源を組み込み、真空度１．２×１０−７Ｐａまで真空引きした後、電子源に通電し、加熱した。３．０Ｖで、電流２．０Ａであったが、放射温度計では測定できないほど電子放射部の温度は低かった。これは、抵抗が低いため実施例１と同程度の電力では、発熱量が少ないためであると思われる。さらに電圧を上昇させたところ、図４に示すように、例えば、電圧４．１Ｖ、電流２．３Ａで電子放出部の温度が１０００℃になった。このように、この電子源を用いるためには、非常に高い待機電力が必要であることが判った。
【００３６】
動作電圧３．０Ｖ、引出電圧３ｋＶで動作させたところ、角電流密度は、１５０μＡ／ｓｒしか得られなかった。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明によれば、低電圧、低電力で駆動でき、安定した高い電流密度を得ることのできる電子源を得ることができる。このため、本発明の電子源は、電子顕微鏡や半導体検査装置や電子ビーム露光装置に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１    電子放出部
２    スペーサ
３    支柱
４    ネジ
５    絶縁碍子
６    絶縁ベース
７    端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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