(57)【要約】【課題】電子銃の寿命を長くする。【解決手段】主としてＬａＢ６またはＣｅＢ６を元にした電子銃陰極材料１０１を用いた電子銃に関する。電子銃陰極材料は円柱軸として電子銃の中心軸に存在する。電子銃陰極材料１０１の円柱軸をカバーするごとく金属レニウムの円筒ないし、円錐台形からなるカバー部（レニウムカバー１０２）を付加してもって電子銃陰極全体を構成する。電子銃先端円形表面から出る電子を熱電子として使用する。電子銃の使用温度において、電子銃先端面から真空内へ蒸発し、消耗する電子銃陰極材料を補償するように、消耗した電子銃陰極材料１０１を電子銃先端方向に向かって、直線的に一方向へ機械的に駆動せしめて、電子銃先端面の高さを維持することにより、電子銃全体としての寿命を長くする。電子銃陰極材料はＬａＢ６またはＣｅＢ６以外の電子銃陰極材料を用いても良い。【選択図】図１
2019153563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子銃陰極材料を同芯軸として把持したカバー部を具備した電子銃であって、電子銃陰極材料の消耗した分の長さを、消耗を補償するように電子銃の軸方向に電子銃陰極材料を突き出すように送り出す機構を具備していることを特徴とする電子銃。
【請求項２】
請求項１に記載の電子銃であって、電子銃陰極材料はＬａＢ６またはＣｅＢ６であることを特徴とする電子銃。
【請求項３】
請求項２に記載の電子銃であって、カバー部が電子銃陰極材料であるＬａＢ６またはＣｅＢ６と反応し難い高融点金属からなることを特徴とする電子銃。
【請求項４】
請求項３に記載の電子銃であって、カバー部を構成する高融点金属がレニウムであることを特徴とする電子銃。
【請求項５】
請求項１に記載の電子銃であって電子銃の軸方向に電子銃陰極材料を突き出すように送り出す機構が、熱伝導率の小さな結合部材を含むことを特徴とする電子銃。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の電子銃であって、電子銃陰極材料の消耗した分の長さを、消耗を補償するように電子銃の軸方向に電子銃陰極材料を突き出すように送り出す機構が、リニア型静電アクチュエータを含むことを特徴とする電子銃。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の電子銃であって、電子銃陰極材料の消耗した分の長さを、消耗を補償するように電子銃の軸方向に電子銃陰極材料を突き出すように送り出す機構が、ギアと回転モーターを含むことを特徴とする電子銃。
【請求項８】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の電子銃であって、電子銃陰極材料の消耗した分の長さを、消耗を補償するように電子銃の軸方向に電子銃陰極材料を突き出すように送り出す機構が、リニア型磁界アクチュエータを含むことを特徴とする電子銃。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１つに記載の電子銃であって、電子銃陰極材料の突き出し量を計測する光学的計測手段をさらに有す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、電子ビーム描画装置などに用いられる電子銃に関する。
【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描画装置で作成し、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。
【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。電子ビーム描画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】
電子ビーム描画方式は、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描画する方式など、描画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。
【０００５】
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。
【０００６】
そこで、マスク描画処理時間の短縮を通じて、マスク価格の高騰を抑える目的や、高価なマスクを介さないで、電子ビーム描画装置によるウェハへの直接描画を実現する、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描画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。
【０００７】
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枚以上描画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描画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。
【０００８】
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２０ｍｍ以下であることが望ましい。
【０００９】
電子ビーム描画装置の処理能力は、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。電子ビーム描画装置では、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１μＡの電流値に制限しなければならない事情がある。
【００１０】
一方、極微細（１５ｎｍから１０ｎｍの線幅）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、意図した描画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秒以上の描画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６００秒以下とすることができる。
【００１１】
このような電子ビーム描画装置の電子銃として、従来使用されてきたものはＬａＢ６またはＣｅＢ６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またはＣｅＢ６の昇華によって、７０μｍ／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最初５０μｍであったものが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またはＣｅＢ６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またはＣｅＢ６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。
【００１２】
しかしながら、前項に記載する１０個のＬａＢ６またはＣｅＢ６電子銃を回転交換可能な、ターレット電子銃ユニットでも、電子銃使用時間に追従して先端の形状がどんどん変化する事が大きな課題であった。
【００１３】
このような状況下において、ＬａＢ６またはＣｅＢ６以上の高い輝度と、長寿命性を同時に具備して、なおかつ１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化合物陰極の把持方法
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
電子銃の高輝度と長寿命を同時に成立させる。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る電子銃は、電子銃陰極材料を同芯軸として把持したカバー部を具備した電子銃であって、電子銃陰極材料の消耗した分の長さを、消耗を補償するように電子銃の軸方向に電子銃陰極材料を突き出すように送り出す機構を具備していることを特徴とする。
【００１８】
電子銃陰極材料はＬａＢ６またはＣｅＢ６であるとよい。
【００１９】
カバー部が電子銃陰極材料であるＬａＢ６またはＣｅＢ６と反応し難い高融点金属からなるとよい。
【００２０】
カバー部を構成する高融点金属がレニウムであるとよい。
【００２１】
電子銃の軸方向に電子銃陰極材料を突き出すように送り出す機構が、熱伝導率の小さな結合部材を含むとよい。
【００２２】
電子銃陰極材料の消耗した分の長さを、消耗を補償するように電子銃の軸方向に電子銃陰極材料を突き出すように送り出す機構が、リニア型静電アクチュエータを含むとよい。
【００２３】
電子銃陰極材料の消耗した分の長さを、消耗を補償するように電子銃の軸方向に電子銃陰極材料を突き出すように送り出す機構が、ギアと回転モーターを含むとよい。
【００２４】
電子銃陰極材料の消耗した分の長さを、消耗を補償するように電子銃の軸方向に電子銃陰極材料を突き出すように送り出す機構が、リニア型磁界アクチュエータを含むとよい。
【００２５】
電子銃陰極材料の突き出し量を計測する光学的計測手段をさらに有するとよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、電子銃の高輝度と長寿命を同時に成立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の電子銃の実施形態の１を説明する図である。
【図２】本発明の電子銃材料の位置を駆動するための高強度かつ低熱伝導率の駆動用の棒を説明する図である。
【図３】本発明の電子銃先端部における電子銃材料の消耗に応じて電子銃材料を先端部に向かって押し出して補填する様子について説明した図である。
【図４】電子銃の寿命を決定する電子銃材料の消耗が従来の電子銃と、本発明の電子銃では異なることを説明する図である。
【図５】レニウムカバーの形状の例を示す図である。
【図６】本発明の電子銃の実施形態の２を説明する図である。
【図７】本発明の電子銃の実施形態の３を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明を実施する形態（実施形態）について、図を参照しながら説明する。
【００２９】
「実施形態の特徴」
半導体（ＬＳＩ）製造工程の回路パターンを描画するリソグラフィ分野で活用される電子ビーム描画技術において、処理能力を飛躍的に高めるために熱電子銃の熱電子放出電流強度の強い高輝度かつ長寿命の電子銃の実現を可能とする。現状において、電子ビーム描画装置では、処理速度を高速化するために、電子銃を多数個搭載したマルチコラム型電子ビーム描画装置を必要としているが、マルチコラム化する前に１個の電子銃の輝度と寿命の積を最大限高めることが望ましい。
【００３０】
電子銃が高輝度であるためには、いわゆる仕事関数が小さいか、リチャードソンダッシュマン係数が大きい必要がある。仕事関数は、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単位で表した値である。この値が小さいほど電子を放出しやすい。
リチャードソンダッシュマン係数は、電子放出面の電子発生効率を示すもので、この値が大きいほど、電子放出が大きい。この両者のつり合いによって、エミッション電流が最大となる。
【００３１】
従来使用されているＬａＢ６またはＣｅＢ６電子銃は高輝度で使用する場合、温度を１６００℃付近に昇温して使用するために寿命は７００時間程度しかなかった。１６００℃付近の使用では、一時間に約０．１μｍの蒸発量があり、約一ヵ月に相当する７００時間では７０μｍの蒸発量となる。このため、高圧電界印加の為、ＬａＢ６の先端を角度６０度の円錐台形で、先端平面は直径５０μｍの円形平坦面にした従来型の電子銃では、１６００℃で７００時間使用すると、先端が減耗して先端平面の直径が小さくなる、また、減耗した分、先端部の高さが低くなり、電子が出るための高圧電界が印加しにくくなる。
【００３２】
「実施形態の構成」
図１は、本発明の電子銃の実施形態の１を説明する図である。セラミック円板１０８上に、高融点金属把持具１０４ａ、１０４ｂを立て、その中心部にＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒーター１０３ａ、１０３ｂを介して、カバー部を構成するレニウムカバー１０２を把持する。レニウムカバー１０２の中心にはＬａＢ６またはＣｅＢ６の電子銃陰極材料１０１の先端を突き出せるように貫通孔があけられている。レニウムカバー１０２内部には、先端に電子放出に必要とされる平坦面な面を持った、円柱状の電子銃陰極材料１０１が組み込まれている。すなわち、電子銃陰極材料１０１が同芯軸としてレニウムカバー１０２に保持される。電子銃陰極材料１０１の形状は円柱を基本とするが、同一断面を有する他形状であっても良い。
【００３３】
電子銃陰極材料１０１は途中から直径を太くすることで、把持するために必要な強度と面積を確保している。電子銃陰極材料１０１は末端に電子銃陰極材料１０１と反応しにくい物質、例えば使用温度で反応しないレニウム製の電子銃陰極材料把持具１１０を取り付けることにより、保持される。
【００３４】
レニウムカバー１０２は、先端が円錐状で、円錐状の部分の後方が円柱状の胴部となっている。そして、レニウムカバー１０２は中空であり、先端側が円筒状の電子銃陰極材料１０１の先端側を収容する第１孔であり、その後方が電子銃陰極材料１０１の径が太くなった部分を収容する第２孔であり、その後方が電子銃陰極材料把持具１１０を収容する最も径が大きい第３孔であり、この第３孔は後方が開放している。従って、電子銃陰極材料１０１の径が太くなっている部分の先端が第２孔の先端または電子銃陰極材料把持具１１０の先端が第３孔の先端に突き当たるまで、電子銃陰極材料１０１を先端から突き出すように送り出すことができる。なお、電子銃陰極材料１０１は貫通孔内を摺動移動するように、電子銃陰極材料１０１の径と孔径とは近いことが好適である。
【００３５】
電子銃陰極材料把持具１１０は、電子銃陰極材料駆動用棒１０９と接続する。電子銃陰極材料駆動用棒１０９は、結合部材としての移動体１０７に固定される。移動体１０７は、アクチュエータ軸１０６を把持している。従って、アクチュエータ軸１０６が移動体１０７を前方に移動させるように振動することで、移動体１０７が前方に移動して、電子銃陰極材料１０１の先端が突き出すように前方に移動する。
【００３６】
アクチュエータ軸１０６と移動体１０７は外部から電気信号を送ることにより、超音波モーターとして駆動し、移動体１０７を直線運動させる。その直線運動は、電子銃陰極材料駆動用棒１０９を通じて電子銃陰極材料１０１まで伝わり、結果として電子銃陰極材料１０１を先端方向へ平行を維持したまま押し上げる構造である。
【００３７】
なお、電子銃陰極材料駆動用棒１０９は高融点金属であるタングステン、タンタル、モリブデン、レニウムなどで形成されている。
【００３８】
本実施形態を電子線源として使用する際、ＬａＢ６またはＣｅＢ６の電子銃陰極材料１０１はＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒーター１０３ａ、１０３ｂに通電することによって生じる熱により１５００℃〜１６００℃に昇温加熱される。この熱は十分な強度を有するモリブデンなどの高融点金属把持具１０４ａ、１０４ｂによって放熱されながら、２００℃程度の温度まで冷却されセラミック円板１０８に達する。
【００３９】
同様に電子銃陰極材料１０１とレニウムカバー１０２を通じて電子銃陰極材料駆動用棒１０９にもＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒーター１０３ａ、１０３ｂから生じる熱が伝えられるが、動力源となる超音波モーターのアクチュエータ軸１０６、移動体１０７は１５００℃〜１６００℃の熱が直接伝わると溶解などの不具合をおこすことがあるため、電子銃陰極材料駆動用棒１０９は、熱伝導率が低いことが求められる。
【００４０】
また、発熱源であるＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒーター１０３ａ、１０３ｂと、高温に加熱された電子銃陰極材料１０１と、レニウムカバー１０２から輻射熱が生じるため、防熱カバー１０５を設置することで超音波モーターを保護し、輻射熱が伝わることを防ぐ。
【００４１】
本実施形態では、セラミック積層の超音波振動子である超音波モーターのアクチュエータ軸１０６にパルス電圧を与えて、把持している移動体１０７を直線運動させることができる。これによって移動体１０７に固定された電子銃陰極材料駆動用棒１０９を駆動させ、電子銃陰極材料１０１を電子銃先端方向に駆動することができる。
【００４２】
図１では直線運動機構である超音波モーターのアクチュエータ軸１０６、移動体１０７がセラミック円板１０８の上部に設置されているが、セラミック円板１０８の裏面側に設置すれば加熱をさらに避けることができる。ただし、この場合は電子銃陰極材料駆動用棒１０９の長さが、セラミック円板１０８を貫通する程度に長くする必要があるため、直線運動の軸がぶれ、電子銃陰極材料の平行を維持したまま押し上げることできなくなる可能性がある。そのため、セラミック円板１０８の裏面側に直線運動機構を設置する場合は、軸ぶれを防ぎ平行を保つ機構が新たに必要となる。
【００４３】
本実施形態では、直線運動駆動部として超音波振動子を用いたが他の駆動機構を用いても良い。例えばギアやボールねじを回転させる小型モーター（回転モーター）で直線運動機構を作っても良い。さらに磁界型リニアモーター（リニア型磁界アクチュエータ）で直線駆動機構を作成しても良い。
【００４４】
図２は本実施形態の電子銃陰極材料駆動用棒１０９のいくつかの形状例と作成方法について説明する図である。全体形状は略円筒状であり熱伝導率を下げるために微細径のワイヤーなどを用いて複雑に溶接した形状を有している。
【００４５】
略ひし形形状を組み合わせて形成した円筒２０１は略ひし形形状を組み合わせて円筒を形成したものである。螺旋形状を持って微細径の高融点金属ワイヤーを溶接し形成した円筒２０２は螺旋形状を持って微細径の高融点金属ワイヤーを溶接し円筒を形成したものである。縦横に微細径の高融点金属ワイヤーを溶接し形成した円筒２０３は縦横に微細径の高融点金属ワイヤーを溶接し、円筒を形成したものである。微細ひし形形状を組み合わせて形成した円筒２０４は略ひし形形状を組み合わせて形成した円筒２０１と同様に略ひし形形状を組み合わせて円筒を形成するが、強度を上げるため、目を細かくしたものである。
【００４６】
中央に空洞を有する高融点金属の単純円筒２０５は中央に空洞を有する高融点金属の単純円筒である。熱伝導率が低い金属であれば電子銃陰極材料駆動用棒１０９は中央に空洞を有する高融点金属の単純円筒２０５のように微細径のワイヤーを組み合わせたものでなくても良い。
【００４７】
図３は本実施形態での電子銃先端部の駆動方法について説明する図である。初めに電子銃陰極材料は、図の３０１のように、レニウムカバーの先端から５μｍ突き出している。このときに電子銃から射出される電子ビーム密度分布は図の３０６で示すように十分な均一性を有している。それが使用により消耗して、図の３０２で示すように突き出し量が１μｍに減ると、このときに電子銃から射出される電子ビーム密度分布は図の３０７のように依然として十分な均一性を有したまま若干変化する。そこで直線運動駆動機構を駆動して、図の３０３のように、突き出し量を５μｍに調整する。このときに電子銃から射出される電子ビーム密度分布は、図の３０８のように、初めの電子ビーム密度分布と略同一の均一性を有する。
【００４８】
さらなる使用により、電子銃陰極材料は再び図の３０４のように、突き出し量が１μｍに減る。このときに電子銃から射出される電子ビーム密度分布は、図の３０９のように依然として十分な均一性を有したまま若干変化する。そこで、直線運動駆動機構を動かし図の３０５のようにレニウムカバーから５μｍ先端が突き出すように再び調整することにより、電子ビーム密度分布は、図の３１０のように初期の電子ビーム密度分布と全く同じ照射分布となる。
【００４９】
このように本実施形態の電子銃では消耗した電子銃材料を直線運動駆動機構によって動かし、消耗分を補填することにより、常に同じ電子ビーム照射分布を維持することが可能となる。これにより、温度１６００℃以上など、高輝度だが消耗が激しく寿命が短くなる条件で使用しても、輝度を維持することができる。つまり、高輝度と長寿命を同時に達成することができる。先端突き出し量は、非接触で光学的な観察手段（光学的計測手段）を用いて計測する。レーザー光を用いて計測してもよいし、カメラなどを用いてもよく、各種計測手段を採用することができる。
【００５０】
図４は、電子銃の寿命を決定する電子銃材料の消耗が従来の電子銃と、本実施形態の電子銃では異なることを説明する図である。まず、従来のＬａＢ６またはＣｅＢ６単結晶電子銃４０１では、電子銃陰極材料であるＬａＢ６またはＣｅＢ６単結晶が長時間の加熱使用により、表面が蒸発し昇華することで、使用開始時の従来電子銃材料の形状４０２から７００時間使用後の従来電子銃材料の形状４０３のように消耗する。このときＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒーターと接した面は消耗量が極端に少ない。
【００５１】
本実施形態の電子銃４０９でも、同様に長時間の加熱使用により、電子銃陰極材料の昇華消耗は起こるが、昇華消耗の進行が異なる。従来電子銃でＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒーターと接した面の消耗が極端に少ないように、本実施形態の電子銃では、レニウムカバーで覆われた部分の昇華消耗量が極端に少なく、使用開始時の本実施形態電子銃陰極材料の形状４１０は先端の平面を保ったまま７００時間使用後の本実施形態電子銃陰極材料の形状４１１のように平行を保ったまま昇華消耗する。
【００５２】
しかし、レニウムカバーの内部で先端方向に消耗分を補填するように直線運動で駆動されて、電子陰極材料の先端はレニウムカバーの先端と常時一定の高さの関係にあるために、
電子放射分布は変わらない。
【００５３】
次に、昇華消耗による形状変化がどう電子銃の寿命に、どう関わるか説明するため、可変成形電子ビーム描画装置で温度１６００℃付近、真空度１０−６ｐａｓｃａｌの条件で、７００時間、従来のＬａＢ６またはＣｅＢ６単結晶電子銃４０１を使用した例を出して説明する。
【００５４】
可変成形電子ビーム描画装置は、描画する電子ビームの形状を第一の矩形アパーチャの像４０４と第二の矩形アパーチャの開口４０６の重なり部分を調節することにより、可変成形ビームの形状４０５を決定する。そのため、電子銃には調節範囲よりも広い面積で均一に電子ビームを照射することが求められる。
【００５５】
この電子ビームが均一照射される面積は、電子銃陰極材料先端の面積に比例する。可変成形電子ビーム描画装置使用開始時は、電子銃陰極材料の先端面積が十分あるため、図４０７のように広い均一照射分布を持つが、長時間の加熱使用による昇華消耗により、先端の面積が狭くなるため、図４０８のように均一照射面積が著しく小さくなる。
【００５６】
均一に照射される面積が狭くなると描画装置としての機能を損なうため、電子銃としての寿命を超えたと判断される。
【００５７】
本実施形態の電子銃は先端の平面は、消耗した分、先端に向けて移動され、消耗分が補償され、高さが一定範囲内に保存されるので、本実施形態の７００時間使用後の電子照射分布４１２のごとく不変に維持される。
【００５８】
図５は、レニウムカバーの形状例である。レニウムカバーは中央に電子銃陰極材料１０１と電子銃陰極材料把持具を挿入可能な孔をもつことを特徴とする。この孔は電子銃陰極材料１０１と電子銃陰極材料把持具１１０の形状にあわせてあけられている。挿入される電子銃陰極材料の形状は、一般的に求められる電子放出面の直径がΦ５０μｍ程度と細いため、段の無い円柱では把持に耐える強度と接触面を確保できない。そのため、円柱の太さを途中から変更することより把持に耐えうる強度と接触面を確保している。
【００５９】
レニウムカバー５０１は最も単純な形状である。この形状ではレニウムカバーの先端が電子銃陰極材料よりも広い面積であるため、電子銃陰極材料に電界をかけて電子放出をさせにくい。先端に段をつけたレニウムカバー５０２はレニウムカバーを削ることにより先端のレニウム面積を狭くすることで電子銃陰極材料に電界をかけやすくしたものである。これにより、レニウムカバー５０１と比べ低電圧の電界で電子を放出させやすくなる。先端にテーパーをかけたレニウムカバー５０３も同様に先端に電界をかけやすくするための加工である。構造としては先端にテーパーをかけたレニウムカバー５０３が好適である。段付きレニウムカバー５０２も加工しやすく好適である。
【００６０】
図６は実施形態の２を示すものである。直線運動の動力源として、回転モーターであるモーター６０１を利用している。モーター６０１は、歯車６０６を介してラックギア６０５へ動力を伝える。モーターの回転運動はラックギア６０５により直線運動へ変換され、電子銃陰極材料１０１を先端方向へ駆動する。ラックギア６０５は直接電子銃陰極材料駆動用棒１０９と接すると熱が伝わり変形し、垂直に電子銃陰極材料を押せなくなる可能性があるため、低熱伝導率素材板６０４を介して直線運動を伝える。
【００６１】
また、動力源を熱や電界から守るため、セラミック円板１０８の裏側にモーター６０１を設置している。動力源から、電子銃陰極材料１０１までの距離が長くなったため、電子銃陰極材料駆動用棒１０９の軸がブレやすくなる。固定具６０２ａ，６０２ｂ，６０２ｃ，６０２ｄ，６０２ｅ，６０２ｆと支柱６０３ａ，６０３ｂを用いて、軸がブレることを防ぎ垂直移動を維持する構造とする。
【００６２】
図７は実施形態の３を示すものである。直線運動の動力源として永久磁石７０１、７０３と電磁石として使うコイルを巻き付けた軸７０２を利用した磁界型リニアモーターである。コイルに流す電流を切り替え、Ｎ極とＳ極を切り替えることにより電子銃陰極材料を直線駆動する。
【００６３】
これまでの説明において、本実施形態の電子銃は電子銃材料を高温に（１６００℃）加熱して熱電子を放出する電子銃として説明した。しかしながら、この電子銃は先端に強電界を印加して熱電界放出電子銃（サーマルショットキー電子銃）としても使用できる。これを改めて述べておく。
【００６４】
「実施形態についてのまとめ」
本発明にかかる電子銃は、先端断面が均一の長い軸状の電子銃材料を具備し、先端は軸方向と直角な平面である。軸状の電子銃材料をわずかな隙間を介して周辺を取り巻く、高融点金属かつ電子銃材料と化学反応しないカバーを具備した円筒、または円錐台形の把持具を有する。この把持具の内部には、軸状の電子銃材料を挿入して設置する。このとき、電子銃材料の先端平面は、カバーの壁面と略等しいかまたは、わずかに突き出していることを特徴とする。電子銃使用中に電子銃材料が温度によって減耗し消耗した場合に、この減耗量に応じて、消耗分を補填するようにカバー内部の電子銃材料を先端に向けて逐次機械的に動かし、突き出していくことを特徴とする。
【００６５】
カバーは、ＬａＢ６またはＣｅＢ６と全く反応しない高融点金属であるレニウムから出来ている。カバーとして用いる高融点金属は、ＬａＢ６またはＣｅＢ６の動作温度において化学反応しないものであれば、他の金属でも良い。
【００６６】
本発明に係る電子銃は、ＬａＢ６またはＣｅＢ６で出来た電子銃であっても良い。ＬａＢ６またはＣｅＢ６の表面が消耗するのに応じて、軸方向に先端に向かって突き出していくようにし、ＬａＢ６またはＣｅＢ６表面の減耗量を補填する。補填後の電子銃材料の高さは初めの高さと略一致するようにする。
【００６７】
電子銃は１５００℃から１６００℃に加熱して使用するので、電子銃カバーは高融点である必要がある。そこで、カバーは融点３１８２℃のレニウムを電子銃基体として用いることが好適である。
【００６８】
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、ＬａＢ６またはＣｅＢ６を用いて電子銃として使用し、１５００℃から１６００℃で高輝度化して電子銃先端が蒸発によって消耗してカバーよりも低い面まで下りてきて十分な電界が印加できないことがあり、輝度が低くなってしまう。これを補うためにＬａＢ６またはＣｅＢ６の表面が消耗するのに応じて、軸方向に先端に向かって突き出していくようにし、ＬａＢ６またはＣｅＢ６表面の減耗量を補填する。補填後の電子銃材料の高さは初めの高さと略一致するようにする。
【００６９】
このことにより、電子銃の輝度は常に一定に保つことができる。以上により高輝度かつ長寿命化が同時に達成できる。寿命については７００時間で７０μｍ消耗していた従来電子銃の陰極材料が、一年で８４００時間につき、８４０μｍ以上の電子銃軸の補填部分の長さがあれば寿命一年を達成できる。電子銃軸の補填部分の長さが１６８０μｍあれば、寿命２年を達成できる。
【００７０】
この電子銃は、高輝度かつ長寿命で、安定に電子放出を行うために、通常電子ビーム描画装置に使用できる。また、電子銃交換をしないで寿命一年以上を達成できるために、マルチ電子ビーム描画装置に適した電子銃が実現できる。また、低真空度で使用しても消耗量に応じて電子銃軸の補填部分の長さを長くすれば、寿命一年以上を確保できるため、エックス線源電子銃にも使用できる。また、軸の直径を１０μｍ以下として使用すれば、高輝度長寿命の走査型電子顕微鏡または、透過型電子顕微鏡の電子銃として使用できる。なお、低真空度でも使用できるので、電子ビームを用いた三次元電子ビーム溶接造形機でも電子銃として使用できる。
【００７１】
これまでの説明で電子銃材料の先端表面部のみが消耗し、軸方向には消耗をしないものとして記載していたがカバーのレニウムと電子銃材料は、略同一温度となるので、軸方向の蒸着物はカバーのレニウム内筒の表面に付着し、再度蒸発して電子銃材料の軸外壁に付着するため電子銃材料の軸方向の直径は、電子銃材料がレニウムカバー内部に存在する限り略変化しない。
【００７２】
以上により、電子銃として高輝度かつ長寿命を達成するので、本発明による電子銃は、電子ビーム描画装置、電子線顕微鏡、電子ビーム検査装置、エックス線発生機などを含んで、電子銃を元にした電子ビーム応用装置産業分野全般において多大な貢献をなす。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
電子ビーム描画装置では１本の電子銃から従来のＬａＢ６またはＣｅＢ６電子銃の１０倍以上の高輝度化が必要とされている。５０ｋＶで１０７Ａ／ｃｍ２ｓｔｅｒａｄｉａｎの輝度が必要である。このために、通常使用温度が従来１５００℃であったものを、１６００℃まで高温化して使用することが必要である。このようにすると電子銃の寿命は短くなり、一ヵ月で７０μｍ程度昇華し消耗してしまう。このために一ヵ月に一度真空チャンバーを大気リークし電子銃の交換を必要としていた。しかし、本実施形態の図１においては１６００℃の加熱においても例えば１０時間ごとに一回１μｍＬａＢ６ロッドである電子銃陰極材料１０１を先端方向に向かって押し上げることにより、真空チャンバーのリークをすることなく外部から超音波モーター駆動用電圧を印加して電子銃材料の先端位置を適切な高さに調整できる。このような余分なＬａＢ６ロッド軸長を２ｍｍ保有することにより２００００時間で２ｍｍを駆動することができる。２００００時間は約２８ヶ月であり、２年以上の長寿命化が可能となる。このために電子ビーム描画装置の保守に必要な時間は一日であるが、２年間に１日の保守時間とできることは大変保守費用を安く済ませることができる。
【００７４】
これをマルチコラム化し、マルチビーム化することによって、１０ｎｍから５ｎｍの半導体製造の微細化が可能となる。さらに集積度が上がる事で微細パターンを持つ人工知能およびニューロン模倣に基づいた脳型コンピューター産業と自動運転車、各種ロボット、危険箇所作業用ロボット、介護用ロボット、対話型共存ロボット、大規模建築物と大規模工事を迅速に作業するロボット、人間の意識をアップロードしてその時点における人間の記憶意識、思考過程を写し取り、それ以降はその人間の思考方法と記憶を引き継いで生きる意識的に無限の生命を有する不老不死の人工脳など、将来の人工知能の巨大産業となる半導体産業を構築するために使用できる。
【００７５】
また、本実施形態の電子銃はエックス線放射装置にも使用でき、高輝度大電流長寿命の電子銃として全Ｘ線用電子銃として大きな力を発揮する。エックス線放射装置は交通機関における危険物発見用装置ならびに癌、脳出血、脳梗塞などを診断する健康診断用の用途で非常に巨大な市場を有している。以上を見たように本実施形態の電子銃は五兆円以上の巨大産業の中核を成すものとして貢献する。
【符号の説明】
【００７６】
１０１    電子銃陰極材料
１０２    レニウムカバー
１０３ａ、１０３ｂ    ＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒーター
１０４ａ、１０４ｂ    高融点金属把持具
１０５    防熱カバー
１０６    アクチュエータ軸
１０７    移動体
１０８    セラミック円板
１０９    電子銃陰極材料駆動用棒
１１０    電子銃陰極材料把持具
２０１    略ひし形形状を組み合わせて形成した円筒
２０２    螺旋形状を持って微細径の高融点金属ワイヤーを溶接し形成した円筒
２０３    縦横に微細径の高融点金属ワイヤーを溶接し形成した円筒
２０４    微細ひし形形状を組み合わせて形成した円筒
２０５    中央に空洞を有する高融点金属の単純円筒
３０１    レニウムカバーから５μｍ突き出した電子銃材料を示す図
３０２    レニウムカバーからの突き出し量が１μｍになるまで平坦なまま消耗した電子
銃材料を示す図
３０３    超音波モーターを駆動してＬａＢ６またはＣｅＢ６の軸をレニウムカバーから５μｍ突き出すように調節したことを示す図
３０４    レニウムカバーからの突き出し量が１μｍになるまで平坦なまま消耗した電子
銃材料を示す図
３０５    超音波モーターを駆動してＬａＢ６またはＣｅＢ６の軸をレニウムカバーから突き出し量が５μｍになるように調節したことを示す図
３０６    レニウムカバーからのＬａＢ６またはＣｅＢ６の突き出し量が５μｍの時の照射電子密度分布を示す図
３０７    レニウムカバーからのＬａＢ６またはＣｅＢ６の突き出し量が１μｍの時の照射電子密度分布を示す図
３０８    レニウムカバーからのＬａＢ６またはＣｅＢ６の突き出し量が５μｍの時の照射電子密度分布を示す図
３０９    レニウムカバーからのＬａＢ６またはＣｅＢ６の突き出し量が１μｍの時の照射電子密度分布を示す図
３１０    レニウムカバーからのＬａＢ６またはＣｅＢ６の突き出し量が５μｍの時の照射電子密度分布を示す図
４０１    従来のＬａＢ６またはＣｅＢ６単結晶電子銃
４０２    使用開始時の従来電子銃材料の形状
４０３    ７００時間使用後の従来電子銃材料の形状
４０４    第一の矩形アパーチャの像
４０５    可変成形ビームの形状
４０６    第二の矩形アパーチャの開口
４０７    使用開始時の電子銃材料からの電子ビーム照射分布均一性が高いことを示す
図
４０８    ７００時間使用後の電子銃材料からの電子ビーム照射分布均一性が劣化して
いることを示す図
４０９    本実施形態の電子銃
４１０    使用開始時の本実施形態電子銃陰極材料の形状
４１１    ７００時間使用後の本実施形態電子銃陰極材料の形状
４１２    本実施形態の使用開始時の電子照射分布
４１３    本実施形態の７００時間使用後の電子照射分布
５０１    レニウムカバー
５０２    先端に段を付けたレニウムカバー
５０３    先端にテーパーをかけたレニウムカバー
６０１    モーター
６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄ、６０２ｅ、６０２ｆ    固定具
６０３ａ、ｂ    支柱
６０４    低熱伝導率素材板
６０５    ラックギア
６０６    歯車
７０１    Ｎ極とＳ極を交互に並べた永久磁石
７０２    電磁石として使うコイルを巻き付けた軸
７０３    ７０１と並びが逆になるようＳ極とＮ極を交互に並べた永久磁石
【図１】
2019153563.tif 000003
【図２】
2019153563.tif 000004
【図３】
2019153563.tif 000005
【図４】
2019153563.tif 000006
【図５】
2019153563.tif 000007
【図６】
2019153563.tif 000008
【図７】
2019153563.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成31年1月11日(2019.1.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子銃陰極材料を同芯軸として、貫通孔内に摺動移動可能に収容するカバー部と、
電子銃陰極材料の後端を押すことにより、電子銃陰極材料の先端をカバー部から突き出すように送り出す機構と、
を含み、
送り出す機構は、電子銃陰極材料の消耗した分の長さを、消耗を補償するように電子銃の軸方向に電子銃陰極材料を突き出すように送り出すことを特徴とする電子銃。
【請求項２】
請求項１に記載の電子銃であって、電子銃陰極材料はＬａＢ６またはＣｅＢ６であることを特徴とする電子銃。
【請求項３】
請求項２に記載の電子銃であって、カバー部が電子銃陰極材料であるＬａＢ６またはＣｅＢ６と反応し難い高融点金属からなることを特徴とする電子銃。
【請求項４】
請求項３に記載の電子銃であって、カバー部を構成する高融点金属がレニウムであることを特徴とする電子銃。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の電子銃であって、電子銃陰極材料の消耗した分の長さを、消耗を補償するように電子銃の軸方向に電子銃陰極材料を突き出すように送り出す機構が、リニア型静電アクチュエータを含むことを特徴とする電子銃。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の電子銃であって、電子銃陰極材料の消耗した分の長さを、消耗を補償するように電子銃の軸方向に電子銃陰極材料を突き出すように送り出す機構が、ギアと回転モーターを含むことを特徴とする電子銃。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の電子銃であって、電子銃陰極材料の消耗した分の長さを、消耗を補償するように電子銃の軸方向に電子銃陰極材料を突き出すように送り出す機構が、リニア型磁界アクチュエータを含むことを特徴とする電子銃。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の電子銃であって、電子銃陰極材料の突き出し量を計測する光学的計測手段をさらに有することを特徴とする電子銃。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
このような電子ビーム描画装置の電子銃陰極として、従来使用されてきたものはＬａＢ６またはＣｅＢ６の円錐台形形状の熱電子放出型電子銃陰極であった。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。この電子銃陰極は、１×１０−６ｐａｓｃａｌ以上の真空下において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またはＣｅＢ６の昇華によって、７０μｍ／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最初５０μｍであったものが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またはＣｅＢ６を使用した電子銃陰極の寿命は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またはＣｅＢ６電子銃陰極を回転交換可能な、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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
しかしながら、前項に記載する１０個のＬａＢ６またはＣｅＢ６電子銃陰極を回転交換可能な、ターレット電子銃ユニットでも、電子銃陰極使用時間に追従して先端の形状がどんどん変化する事が大きな課題であった。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
【図１】本発明の電子銃の実施形態の１を説明する図である。
【図２】本発明の電子銃陰極材料の位置を駆動するための高強度かつ低熱伝導率の駆動用の棒を説明する図である。
【図３】本発明の電子銃陰極材料先端部における電子銃陰極材料の消耗に応じて電子銃陰極材料を先端部に向かって押し出して補填する様子について説明した図である。
【図４】電子銃の寿命を決定する電子銃陰極材料の消耗が従来の電子銃と、本発明の電子銃では異なることを説明する図である。
【図５】レニウムカバーの形状の例を示す図である。
【図６】本発明の電子銃の実施形態の２を説明する図である。
【図７】本発明の電子銃の実施形態の３を説明する図である。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
従来使用されているＬａＢ６またはＣｅＢ６電子銃陰極は高輝度で使用する場合、温度を１６００℃付近に昇温して使用するために寿命は７００時間程度しかなかった。１６００℃付近の使用では、一時間に約０．１μｍの蒸発量があり、約一ヵ月に相当する７００時間では７０μｍの蒸発量となる。このため、高圧電界印加の為、ＬａＢ６の先端を角度６０度の円錐台形で、先端平面は直径５０μｍの円形平坦面にした従来型の電子銃陰極では、１６００℃で７００時間使用すると、先端が減耗して先端平面の直径が小さくなる、また、減耗した分、先端部の高さが低くなり、電子が出るための高圧電界が印加しにくくなる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
図３は本実施形態での電子銃先端部の駆動方法について説明する図である。初めに電子銃陰極材料は、図の３０１のように、レニウムカバーの先端から５μｍ突き出している。このときに電子銃陰極から射出される電子ビーム密度分布は図の３０６で示すように十分な均一性を有している。それが使用により消耗して、図の３０２で示すように突き出し量が１μｍに減ると、このときに電子銃陰極から射出される電子ビーム密度分布は図の３０７のように依然として十分な均一性を有したまま若干変化する。そこで直線運動駆動機構を駆動して、図の３０３のように、突き出し量を５μｍに調整する。このときに電子銃陰極から射出される電子ビーム密度分布は、図の３０８のように、初めの電子ビーム密度分布と略同一の均一性を有する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
さらなる使用により、電子銃陰極材料は再び図の３０４のように、突き出し量が１μｍに減る。このときに電子銃陰極から射出される電子ビーム密度分布は、図の３０９のように依然として十分な均一性を有したまま若干変化する。そこで、直線運動駆動機構を動かし図の３０５のようにレニウムカバーから５μｍ先端が突き出すように再び調整することにより、電子ビーム密度分布は、図の３１０のように初期の電子ビーム密度分布と全く同じ照射分布となる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４９】
このように本実施形態の電子銃では消耗した電子銃陰極材料を直線運動駆動機構によって動かし、消耗分を補填することにより、常に同じ電子ビーム照射分布を維持することが可能となる。これにより、温度１６００℃以上など、高輝度だが消耗が激しく寿命が短くなる条件で使用しても、輝度を維持することができる。つまり、高輝度と長寿命を同時に達成することができる。先端突き出し量は、非接触で光学的な観察手段（光学的計測手段）を用いて計測する。レーザー光を用いて計測してもよいし、カメラなどを用いてもよく、各種計測手段を採用することができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
図４は、電子銃陰極の寿命を決定する電子銃陰極材料の消耗が従来の電子銃と、本実施形態の電子銃では異なることを説明する図である。まず、従来のＬａＢ６またはＣｅＢ６単結晶電子銃陰極４０１では、電子銃陰極材料であるＬａＢ６またはＣｅＢ６単結晶が長時間の加熱使用により、表面が蒸発し昇華することで、使用開始時の従来電子銃材料の形状４０２から７００時間使用後の従来電子銃材料の形状４０３のように消耗する。このときＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒーターと接した面は消耗量が極端に少ない。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
本実施形態の電子銃陰極４０９でも、同様に長時間の加熱使用により、電子銃陰極材料の昇華消耗は起こるが、昇華消耗の進行が異なる。従来電子銃陰極でＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒーターと接した面の消耗が極端に少ないように、本実施形態の電子銃陰極では、レニウムカバーで覆われた部分の昇華消耗量が極端に少なく、使用開始時の本実施形態電子銃陰極材料の形状４１０は先端の平面を保ったまま７００時間使用後の本実施形態電子銃陰極材料の形状４１１のように平行を保ったまま昇華消耗する。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
次に、昇華消耗による形状変化がどう電子銃の寿命に、どう関わるか説明するため、可変成形電子ビーム描画装置で温度１６００℃付近、真空度１０−６ｐａｓｃａｌの条件で、７００時間、従来のＬａＢ６またはＣｅＢ６単結晶電子銃陰極４０１を使用した例を出して説明する。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
可変成形電子ビーム描画装置は、描画する電子ビームの形状を第一の矩形アパーチャの像４０４と第二の矩形アパーチャの開口４０６の重なり部分を調節することにより、可変成形ビームの形状４０５を決定する。そのため、電子銃陰極には調節範囲よりも広い面積で均一に電子ビームを照射することが求められる。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
本実施形態の電子銃陰極は先端の平面は、消耗した分、先端に向けて移動され、消耗分が補償され、高さが一定範囲内に保存されるので、本実施形態の７００時間使用後の電子照射分布４１２のごとく不変に維持される。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
これまでの説明において、本実施形態の電子銃は電子銃陰極材料を高温に（１６００℃）加熱して熱電子を放出する電子銃として説明した。しかしながら、この電子銃は先端に強電界を印加して熱電界放出電子銃（サーマルショットキー電子銃）としても使用できる。これを改めて述べておく。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
「実施形態についてのまとめ」
本発明にかかる電子銃は、先端断面が均一の長い軸状の電子銃陰極材料を具備し、先端は軸方向と直角な平面である。軸状の電子銃陰極材料をわずかな隙間を介して周辺を取り巻く、高融点金属かつ電子銃陰極材料と化学反応しないカバーを具備した円筒、または円錐台形の把持具を有する。この把持具の内部には、軸状の電子銃陰極材料を挿入して設置する。このとき、電子銃陰極材料の先端平面は、カバーの壁面と略等しいかまたは、わずかに突き出していることを特徴とする。電子銃使用中に電子銃陰極材料が温度によって減耗し消耗した場合に、この減耗量に応じて、消耗分を補填するようにカバー内部の電子銃陰極材料を先端に向けて逐次機械的に動かし、突き出していくことを特徴とする。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６６】
本発明に係る電子銃は、ＬａＢ６またはＣｅＢ６で出来た電子銃であっても良い。ＬａＢ６またはＣｅＢ６の表面が消耗するのに応じて、軸方向に先端に向かって突き出していくようにし、ＬａＢ６またはＣｅＢ６表面の減耗量を補填する。補填後の電子銃陰極材料の高さは初めの高さと略一致するようにする。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】
電子銃陰極は１５００℃から１６００℃に加熱して使用するので、電子銃陰極カバーは高融点である必要がある。そこで、カバーは融点３１８２℃のレニウムを電子銃陰極基体として用いることが好適である。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６８】
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、ＬａＢ６またはＣｅＢ６を用いて電子銃として使用し、１５００℃から１６００℃で高輝度化して電子銃陰極先端が蒸発によって消耗してカバーよりも低い面まで下りてきて十分な電界が印加できないことがあり、輝度が低くなってしまう。これを補うためにＬａＢ６またはＣｅＢ６の表面が消耗するのに応じて、軸方向に先端に向かって突き出していくようにし、ＬａＢ６またはＣｅＢ６表面の減耗量を補填する。補填後の電子銃陰極材料の高さは初めの高さと略一致するようにする。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７０】
この電子銃は、高輝度かつ長寿命で、安定に電子放出を行うために、通常電子ビーム描画装置に使用できる。また、電子銃陰極交換をしないで寿命一年以上を達成できるために、マルチ電子ビーム描画装置に適した電子銃が実現できる。また、低真空度で使用しても消耗量に応じて電子銃軸の補填部分の長さを長くすれば、寿命一年以上を確保できるため、エックス線源電子銃にも使用できる。また、軸の直径を１０μｍ以下として使用すれば、高輝度長寿命の走査型電子顕微鏡または、透過型電子顕微鏡の電子銃として使用できる。なお、低真空度でも使用できるので、電子ビームを用いた三次元電子ビーム溶接造形機でも電子銃として使用できる。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７１】
これまでの説明で電子銃陰極材料の先端表面部のみが消耗し、軸方向には消耗をしないものとして記載していたがカバーのレニウムと電子銃陰極材料は、略同一温度となるので、軸方向の蒸着物はカバーのレニウム内筒の表面に付着し、再度蒸発して電子銃陰極材料の軸外壁に付着するため電子銃陰極材料の軸方向の直径は、電子銃陰極材料がレニウムカバー内部に存在する限り略変化しない。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７３】
電子ビーム描画装置では１本の電子銃から従来のＬａＢ６またはＣｅＢ６電子銃の１０倍以上の高輝度化が必要とされている。５０ｋＶで１０７Ａ／ｃｍ２ｓｔｅｒａｄｉａｎの輝度が必要である。このために、通常使用温度が従来１５００℃であったものを、１６００℃まで高温化して使用することが必要である。このようにすると電子銃陰極の寿命は短くなり、一ヵ月で７０μｍ程度昇華し消耗してしまう。このために一ヵ月に一度真空チャンバーを大気リークし電子銃陰極の交換を必要としていた。しかし、本実施形態の図１においては１６００℃の加熱においても例えば１０時間ごとに一回１μｍＬａＢ６ロッドである電子銃陰極材料１０１を先端方向に向かって押し上げることにより、真空チャンバーのリークをすることなく外部から超音波モーター駆動用電圧を印加して電子銃材料の先端位置を適切な高さに調整できる。このような余分なＬａＢ６ロッド軸長を２ｍｍ保有することにより２００００時間で２ｍｍを駆動することができる。２００００時間は約２８ヶ月であり、２年以上の長寿命化が可能となる。このために電子ビーム描画装置の保守に必要な時間は一日であるが、２年間に１日の保守時間とできることは大変保守費用を安く済ませることができる。
【手続補正２２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
１０１    電子銃陰極材料
１０２    レニウムカバー
１０３ａ、１０３ｂ    ＰＧ（パイロリティック・グラファイト）ヒーター
１０４ａ、１０４ｂ    高融点金属把持具
１０５    防熱カバー
１０６    アクチュエータ軸
１０７    移動体
１０８    セラミック円板
１０９    電子銃陰極材料駆動用棒
１１０    電子銃陰極材料把持具
２０１    略ひし形形状を組み合わせて形成した円筒
２０２    螺旋形状を持って微細径の高融点金属ワイヤーを溶接し形成した円筒
２０３    縦横に微細径の高融点金属ワイヤーを溶接し形成した円筒
２０４    微細ひし形形状を組み合わせて形成した円筒
２０５    中央に空洞を有する高融点金属の単純円筒
３０１    レニウムカバーから５μｍ突き出した電子銃陰極材料を示す図
３０２    レニウムカバーからの突き出し量が１μｍになるまで平坦なまま消耗した電子銃材料を示す図
３０３    超音波モーターを駆動してＬａＢ６またはＣｅＢ６の軸をレニウムカバーから５μｍ突き出すように調節したことを示す図
３０４    レニウムカバーからの突き出し量が１μｍになるまで平坦なまま消耗した電子銃材料を示す図
３０５    超音波モーターを駆動してＬａＢ６またはＣｅＢ６の軸をレニウムカバーから突き出し量が５μｍになるように調節したことを示す図
３０６    レニウムカバーからのＬａＢ６またはＣｅＢ６の突き出し量が５μｍの時の照射電子密度分布を示す図
３０７    レニウムカバーからのＬａＢ６またはＣｅＢ６の突き出し量が１μｍの時の照射電子密度分布を示す図
３０８    レニウムカバーからのＬａＢ６またはＣｅＢ６の突き出し量が５μｍの時の照射電子密度分布を示す図
３０９    レニウムカバーからのＬａＢ６またはＣｅＢ６の突き出し量が１μｍの時の照射電子密度分布を示す図
３１０    レニウムカバーからのＬａＢ６またはＣｅＢ６の突き出し量が５μｍの時の照射電子密度分布を示す図
４０１    従来のＬａＢ６またはＣｅＢ６単結晶電子銃陰極
４０２    使用開始時の従来電子銃陰極材料の形状
４０３    ７００時間使用後の従来電子銃陰極材料の形状
４０４    第一の矩形アパーチャの像
４０５    可変成形ビームの形状
４０６    第二の矩形アパーチャの開口
４０７    使用開始時の電子銃陰極材料からの電子ビーム照射分布均一性が高いことを示す
図
４０８    ７００時間使用後の電子銃陰極材料からの電子ビーム照射分布均一性が劣化して
いることを示す図
４０９    本実施形態の電子銃
４１０    使用開始時の本実施形態電子銃陰極材料の形状
４１１    ７００時間使用後の本実施形態電子銃陰極材料の形状
４１２    本実施形態の使用開始時の電子照射分布
４１３    本実施形態の７００時間使用後の電子照射分布
５０１    レニウムカバー
５０２    先端に段を付けたレニウムカバー
５０３    先端にテーパーをかけたレニウムカバー
６０１    モーター
６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、６０２ｄ、６０２ｅ、６０２ｆ    固定具
６０３ａ、ｂ    支柱
６０４    低熱伝導率素材板
６０５    ラックギア
６０６    歯車
７０１    Ｎ極とＳ極を交互に並べた永久磁石
７０２    電磁石として使うコイルを巻き付けた軸
７０３    ７０１と並びが逆になるようＳ極とＮ極を交互に並べた永久磁石