(57)【要約】【課題】  本発明では、高輝度で狭エネルギー幅の電子放出素子および電子銃を実現することを目的とする。さらに、該電子放出素子および電子銃を搭載した、高輝度かつ高分解能の電子顕微鏡および電子線描画装置を実現することを目的とする。【解決手段】  炭素を主成分とするチューブ状物質を用いた電子放出素子では、その閉構造領域の五員環近傍から電子が放出されると考えられる。五員環間隔を広げて、空間電子反発によるエネルギー分散効果を低減するためには太径のチューブが必要である。本発明では、キャップ構造の力学的歪みを低減することにより、安定な構造の太径チューブ構造を実現する。【選択図】図４（ａ）
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの端が閉構造を有する炭素を主成分とするチューブ状物質と、前記チューブ状物質を固定する導電性基材よりなる電子放出素子であって、
前記端部の閉構造部分の最外層が多面体構造を有し、
前記多面体構造を構成する平面の法線の少なくともいずれかは、前記チューブ状物質の長さ方向の軸とのなす角度が９０度より大きいことを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
少なくとも一つの端が閉構造を有する炭素を主成分とするチューブ状物質と、前記チューブ状物質を固定する導電性基材よりなる電子放出素子であって、
前記端部の閉構造部分の最外層が球状構造であり、該球状構造が半球以上の球状であることを特徴とする電子放出素子。
【請求項３】
少なくとも一つの端が閉構造を有する炭素を主成分とするチューブ状物質と、前記チューブ状物質を固定する導電性基材よりなる電子放出素子であって、
前記端部の閉構造部分の最外層は、複数の原子で構成される五員環構造及び六員環構造の連続体で形成されており、前記閉構造部分に五員環構造が７個以上存することを特徴とする電子放出素子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載された電子放出素子において、前記端部の閉構造部分の最外層に原子で構成される五員環構造を複数有し、チューブの長さ方向の中心軸と、前記中心軸に最も近い前記五員環の中心との距離が３０ナノメートル以下であることを特徴とする電子放出素子。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載された電子放出素子において、前記チューブは、前記チューブを構成する元素として３族および５族の元素のうち少なくとも一種を含有することを特徴とする電子放出素子。
【請求項６】
電子放出素子よりなる陰極と、前記電子放出素子より電子を放出させる引出電極と、前記放出された電子を加速させる加速電極とを有する電子銃であって、
前記電子放出素子は、少なくとも一つの端が閉構造を有する炭素を主成分とするチューブ状物質と、前記チューブ状物質を固定する導電性基材よりなり、前記端部の閉構造部分の最外層が多面体構造を有し、前記多面体構造を構成する平面の法線の少なくともいずれかは、前記チューブ状物質の長さ方向の軸とのなす角度が９０度を超えることを特徴とする電子銃。
【請求項７】
電子放出素子よりなる陰極と、前記電子放出素子より電子を放出させる引出電極と、前記放出された電子を加速させる加速電極と、
前記放出された電子を集束させるためのレンズ群を有する電子顕微鏡であって、
前記電子放出素子は、少なくとも一つの端が閉構造を有する炭素を主成分とするチューブ状物質と、前記チューブ状物質を固定する導電性基材よりなり、前記端部の閉構造部分の最外層が多面体構造を有し、前記多面体構造を構成する平面の法線の少なくともいずれかは、前記チューブ状物質の長さ方向の軸とのなす角度が９０度以上であることを特徴とする電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子放出素子，電子銃およびそれを搭載した電子ビーム応用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素を主成分とするカーボンナノチューブを電子源として用いた電子顕微鏡装置や電子線描画装置では、角電流密度が高く、これ高輝度な電子ビームが得られる（特開２００４−７９２２３号公報（特許文献１））。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−７９２２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、観察や加工の対象となる試料の微細化により、さらに高輝度で狭エネルギー幅の電子放出素子，電子銃が求められている。また、高輝度を求め強電界をかけて電子線を照射すると、電子放出素子が破壊されやすく、耐久性に問題があるため輝度を上げにくい。
【０００５】
そこで、本願発明の目的は高輝度・狭エネルギー幅の電子源・電子銃を提供することを目的とする。さらに、微細化する試料に対応可能な高分解能の電子顕微鏡，電子線描画装置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】
【０００６】
上記課題を解決する本願発明の特徴は、特許請求の範囲に記載の発明であるが、炭素を主成分とするチューブ状物質のうち、特に先端部が太い直径の物質を電子放出源として使用したことにある。
【０００７】
本発明の電子放出素子は、導電性の基材と、基材に固定されたチューブ状物質とからなる。基材は電子放出の際の電極として使用されてもよい。炭素を主成分とするチューブ状物質は、カーボンナノチューブ、またはカーボンナノチューブの一部に炭素以外の物質が混合された物質よりなる。
【０００８】
本願発明者らは、検討の結果、電子放出源より放出される放出電子のエネルギー幅を狭くするために、直径の太いチューブを用いることが有効であると考えた。これは、エミッションサイトとなる五員環の間隔を広くして、電子同士の空間反発を低減できるためである。従って、高輝度で狭エネルギー幅の電子線を放出する電子放出素子には、直径の太いチューブを用いることが有効である。
【発明の効果】
【０００９】
上記本発明によれば、高輝度，狭エネルギー幅の電子銃、及び高分解能の電子顕微鏡,電子線描画装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
炭素を主成分として形成されるチューブ状物質は、半球状等の形状を有するキャップ部分と、ほぼ円柱形状を有する軸部分とよりなる。炭素またはその他の添加された元素が五員環構造，六員環構造の連続体よりなるシート状の物質を形成し、シート状の物質が積層された多層構造となって形成されている。六員環構造の連続体はほぼ平面となり、一部に含まれる五員環構造の部分で屈曲される。軸部分は、ほぼ六員環構造よりなり、五員環を複数有するキャップ部分と結合して端部に閉構造を有するチューブ形状を形成している。
【００１１】
＜細いカーボンナノチューブと太いカーボンナノチューブの例＞
図１（ａ）は、直径が１〜１０ｎｍ程度の細いカーボンナノチューブの模式図である。円筒が入れ子になった構造のシリンダー部分と、半球のドーム形状で入れ子になった構造のキャップ部分よりなる。計算上、五員環及び六員環よりなるカーボンナノチューブは、キャップ部分に６個の五員環を有し、その部分が頂点となるが、カーボンナノチューブの径が細いと実際にはほぼ半球状となる。
【００１２】
図１（ｂ）は直径が３０ｎｍ以上の太いカーボンナノチューブで、典型的に見られる形状の模式図である。全体的に柱状であるものの、シリンダー部分，ドーム部分ともに、ポリゴンが入れ子になった構造を有する。ポリゴンの頂点には、通常五員環が存在する。五員環は、計算上開き角が１１３度の時に、最も安定な構造である。
【００１３】
＜ＣＮＴの理想形と現実形＞
図２（ａ）は、キャップ部分の６個の頂角の内、３個の頂角が同一平面にある理想的な形状の例である。実際には、図２（ｂ）のような形状となる。図２（ｂ）では、キャップ部分が、シリンダー部分と接合するため、キャップ部分に歪みが生じ、キャップ部分の力学的強度が弱くなることが懸念される。そのため、このようなチューブを電子源として用いた場合、印加電界によりキャップ構造が破損する可能性がある。本発明では、キャップ部分の形状を半球よりも大きな球体に近づけることにより、太いチューブのキャップ部分の強度を増すことができる。
【００１４】
ここで、キャップ部分の頂点のうち、チューブの中心軸に最も近い頂点と中心軸の距離が３０ナノメートル以下で、さらに１０ｎｍ以下であることが望ましい。これは、前記距離が３０ｎｍ以上であると、放出電子ビームの軌道が中心軸からずれ、放出電子ビームを効率良く利用できないためである。
【００１５】
また、チューブの構成元素は、炭素以外に、３族および５族の元素であっても良い。具体的には、窒素，ボロンなどを用いることが出来る。これらの非炭素元素は、チューブの構成元素として、２atom％以上含まれれば、電子状態密度を変調することにより、放出電子のエネルギー幅を狭窄化する効果がある。
【００１６】
＜非常に太いＣＮＴ＞
図３（ａ）あるいは（ｂ）に示すように、端部の閉構造部分の最外層は多面体構造を有する。直径が５０ｎｍ以上の比較的太いチューブの場合、キャップ部分を構成する各平面の法線とチューブ状物質の長さ方向の中心軸とのなす角度が、キャップ構造の上方から見て、９０度を超える平面が少なくとも一つ以上存在するような構造とすることにより、頂点の開き角を最も安定な１１３度にすることができるため、キャップ部分の歪みを緩和して、キャップ部分の力学的強度を飛躍的に向上させることができる。
【００１７】
上記９０度を越える平面が１つ以上ある場合に、幾何学的に頂点の開き角を１１３度にする構造をとることができる。
【００１８】
＜マッチ棒形状のＣＮＴ＞
また、図４（ａ）あるいは（ｂ）に示すように、直径が１０ｎｍ程度の比較的細いナノチューブの場合は、キャップ領域を半球以上の球状とすることにより、キャップ部分の歪みを緩和して、キャップ部分の力学的強度を飛躍的に向上させることができる。
【００１９】
図１に示したチューブでは、キャップ領域に６個の五員環が含まれることが知られている。これに対して、図３および図４に示したチューブでは、キャップ部分に五員環が７個以上含まれている。なお、半球を越える球状構造を構成するためには、幾何学的に五員環が７個以上必要となる。
【００２０】
＜ＣＮＴ製法＞
直径の太いカーボンナノチューブは、気相成長法で形成することができる。直径の太いチューブとして、気相成長炭素繊維がよく知られている（特開昭５８−１９７３１４号等）。また、その他公知の製法で作成したカーボンナノチューブより、先端部径が一定値以上のものを選択してもよい。
【実施例１】
【００２１】
（電子銃）
実施例１において、本発明の電子銃の例を説明する。図５は、本発明の電子銃の構成例を示す図である。本発明の電子放出素子は、炭素を主成分とするチューブ状物質一本を、導電性基材５０１に接合した構成を有する。
【００２２】
また、本発明の電子銃は、導電性基材５０１，電極５０２，電極支持台５０３から構成されるカソード電極５０８と、カソード電極から電子を放出させるための引出し電極５０４、および電子を加速するための加速電極５０５により構成される。引出し電極５０４は、引出し電極電源５０６により、カソード電極５０８に対して正の電圧を印加する。また、加速電極５０５は、加速電極電源５０７により、カソード電極に対してプラス電圧を印加する。これにより、高輝度でエネルギー幅の狭い電子銃を構成することができる。
【００２３】
本実施例に使用するカーボンナノチューブは図３（ａ）に示すチューブであって、上記のような電子放出素子，電子銃は強電界をかけた際の強度が向上する。
【実施例２】
【００２４】
（電子銃）
次に、本発明の第二の実施例を図６を用いて説明する。第二の実施例では、引出し電極の代わりに、球面収差の少ない磁界レンズ６０４を用いた点が、第一の実施例と異なる。このような磁界界浸型電子銃構成により、高輝度でエネルギー幅の狭い電子銃を構成することができる。
【実施例３】
【００２５】
（走査型電子顕微鏡）
次に、本発明の第三の実施例を図７を用いて説明する。図７には、本発明の電子銃を搭載した走査型電子顕微鏡の構成図を示す。走査型電子顕微鏡は、電子銃７０１から放出される電子ビームをアノード電極７０２，第一収束レンズ７０３，第二収束レンズ７０４，対物レンズ７０５で加工し、最後に走査コイル７０６でビーム走査し、サンプル７０７から放出される二次電子を二次電子検出器７０８で検出することにより、サンプル７０７の拡大像を得る装置である。図には電子軌道７０９も同時に示した。装置内は、高真空に保持され、サンプル７０７は装置外部から機械的に移動および回転させることができる。本発明の電子銃を走査型電子顕微鏡に搭載することにより、従来装置に比較して、格段に高分解能でかつ高輝度な二次電子像や反射電子像を短時間で得られる走査型電子顕微鏡を実現することができた。また、半導体プロセスにおける微細加工パターンの観察や寸法測定を行う測長用走査型電子顕微鏡も図７と同様の構成であるため、本発明の電子銃を搭載することにより、同様の効果を得ることができる。
【００２６】
なお、本発明の電子銃を搭載した電子顕微鏡装置の構成は図７に示したものに限定されることなく、本発明の電子銃の特性が十分引き出せる構成であれば、いかなる装置構成を採用することが可能である。
【実施例４】
【００２７】
（電子線描画装置）
次に、本発明の第四の実施例を図８を用いて説明する。図８には、本発明の電子銃を搭載した電子線描画装置の構成例を示す。電子光学形の基本構成は、図７の走査型電子顕微鏡の場合と概ね同じであり、第一収束レンズ８０３と第二収束レンズ８０４の間に、電子ビームをオン／オフするためのブランカー８１０を設ける点が異なる。電子線描画装置は、電子線に感応する電子線レジストを塗布したサンプル８０７に細く絞った電子線を照射することにより、微細パターンを形成するものである。本発明の電子銃を搭載することにより、従来に比べ、格段に細いビーム径が得られるために、より微細なパターンを描画することができる。さらに、高輝度なビームが得られるために、従来に比べ、格段に高いスループットを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１（ａ）】本発明の原理説明図。
【図１（ｂ）】本発明の原理説明図。
【図２（ａ）】本発明の原理説明図。
【図２（ｂ）】本発明の原理説明図。
【図３（ａ）】本発明の原理説明図。
【図３（ｂ）】本発明の原理説明図。
【図４（ａ）】本発明の原理説明図。
【図４（ｂ）】本発明の原理説明図。
【図５】本発明の第５の実施例の説明図。
【図６】本発明の第６の実施例の説明図。
【図７】本発明の第７の実施例の説明図。
【図８】本発明の電子線描画装置の構成例。
【符号の説明】
【００２９】
５０１  素子一本を接合した導電性基材
５０２，６０２  電極
５０３，６０３  電極支持台
５０４  引出し電極
５０５，６０５  加速電極
５０６，６０６  引出し電極電源
５０７，６０７  加速電極電源
６０１  本発明の電子放出素子一本を接合した導電性基材
６０４  磁界レンズ
７０１，８０１  電子銃
７０２，８０２  アノード電極
７０３，８０３  第一収束レンズ
７０４，８０４  第二収束レンズ
７０５，８０５  対物レンズ
７０６，８０６  走査コイル
７０７，８０７  サンプル
７０８，８０８  二次電子検出器
７０９，８０９  電子軌道
８１０  ブランカー
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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【図４（ａ）】
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【図４（ｂ）】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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