(57)【要約】【課題】  電子顕微鏡などの電子線機器に用いられる電子放射点として、微細加工プロセスにおいてレジスト塗布が困難なサイズの柱状ダイヤモンド単結晶の片端に、一ヶ所の先鋭部を形成したダイヤモンド電子源及びその方法を提供する。【解決手段】  柱状ダイヤモンド単結晶１０片端を研磨して滑らかな平面１１を形成し、滑らかな平面１１上にセラミック層１２を形成する。このセラミック層１２上に、集束イオンビーム装置を用いて所定形状の薄膜層１４を堆積した後、この薄膜層１４をマスクとして、エッチングによりセラミック層１２をパターニングする。得られたセラミックマスクを用いてドライエッチングにより、柱状ダイヤモンド単結晶１０の片端に一ヶ所の先鋭部を形成する。【選択図】      図３
2008210775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイヤモンドの電子放射点として一ヶ所の先鋭部を有するダイヤモンド電子源の製造方法であって、微細加工プロセスにおいてレジスト塗布が困難なサイズの柱状ダイヤモンド単結晶を準備する工程Ａと、該柱状ダイヤモンド単結晶の少なくとも片端を研磨して滑らかな平面を形成する工程Ｂと、該滑らかな平面上にセラミック層を形成する工程Ｃと、該セラミック層上の一部に集束イオンビーム装置を用い所定形状の薄膜層を堆積して形成する工程Ｄと、該薄膜層をマスクとしてウェットエッチング又はドライエッチングにより該セラミック層をパターニングしてセラミックマスクを作製する工程Ｅと、該セラミックマスクを用いてドライエッチングにより該柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成する工程Ｆとを有することを特徴とするダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項２】
ダイヤモンドの電子放射点として一ヶ所の先鋭部を有するダイヤモンド電子源の製造方法であって、微細加工プロセスにおいてレジスト塗布が困難なサイズの柱状ダイヤモンド単結晶を準備する工程Ａと、該柱状ダイヤモンド単結晶の少なくとも片端を研磨して滑らかな平面を形成する工程Ｂと、該滑らかな平面上にセラミック層を形成する工程Ｃと、該セラミック層上に鉄系金属又はＣｒ（クロム）層を形成する工程Ｇと、該鉄系金属又はＣｒ層上の一部に集束イオンビーム装置を用い所定形状の薄膜層を堆積して形成する工程Ｈと、該薄膜層をマスクとしてウェットエッチング又はドライエッチングにより鉄系金属又はＣｒ層をパターニングして鉄系金属又はＣｒマスクを作製する工程Ｉと、該鉄系金属又はＣｒマスクを用いてウェットエッチング又はドライエッチングにより該セラミック層をパターニングしてセラミックマスクを作製する工程Ｊと、該パターニングしたセラミックマスクを用いてドライエッチングにより該柱状ダイヤモンド単結晶の片端に該一ヶ所の先鋭部を形成する工程Ｋとを有することを特徴とするダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項３】
ダイヤモンドの電子放射点として一ヶ所の先鋭部を有するダイヤモンド電子源の製造方法であって、微細加工プロセスにおいてレジスト塗布が困難なサイズの柱状ダイヤモンド単結晶を準備する工程Ａと、該柱状ダイヤモンド単結晶の少なくとも片端を研磨して滑らかな平面を形成する工程Ｂと、該滑らかな平面上に鉄系金属又はＣｒ層を形成する工程Ｌと、該鉄系金属又はＣｒ層上の一部に集束イオンビーム装置を用い所定形状の薄膜層を堆積して形成する工程Ｍと、該薄膜層をマスクとしてウェットエッチング又はドライエッチングにより該鉄系金属又はＣｒ層をパターニングして鉄系金属又はＣｒマスクを作製する工程Ｎと、該鉄系金属又はＣｒマスクを用いてドライエッチングにより該柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成する工程Ｏとを有することを特徴とするダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項４】
ダイヤモンドの電子放射点として一ヶ所の先鋭部を有するダイヤモンド電子源の製造方法であって、微細加工プロセスにおいてレジスト塗布が困難なサイズの柱状ダイヤモンド単結晶を準備する工程Ａと、該柱状ダイヤモンド単結晶の少なくとも片端を研磨して滑らかな平面を形成する工程Ｂと、該滑らかな平面上の一部に集束イオンビーム装置を用い所定形状のＳｉＯｘ層を堆積して形成する工程Ｐと、該ＳｉＯｘ層をマスクとしてドライエッチングにより該柱状ダイヤモンド単結晶の片端に該一ヶ所の先鋭部を形成する工程Ｑとを有することを特徴とするダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項５】
ダイヤモンドの電子放射点として一ヶ所の先鋭部を有するダイヤモンド電子源の製造方法であって、微細加工プロセスにおいてレジスト塗布が困難なサイズの柱状ダイヤモンド単結晶を準備する工程Ａと、該柱状ダイヤモンド単結晶の少なくとも片端を研磨して滑らかな平面を形成する工程Ｂと、該滑らかな平面上の一部に集束イオンビーム装置を用い所定形状のＮｉ（ニッケル）層を堆積して形成する工程Ｒと、該Ｎｉ層をマスクとしてドライエッチングにより該柱状ダイヤモンド単結晶の片端に該一ヶ所の先鋭部を形成する工程Ｓとを有することを特徴とするダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項６】
前記片端を研磨して滑らかな平面を形成する工程Ｂの直前若しくは直後に、頂部に滑らかな平面が形成されるように片端側面を研磨して先鋭化する工程Ｔを更に有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項７】
前記滑らかな平面とセラミック層の間に、接着強化層を形成する工程Ｕを更に有することを特徴とする、請求項１又は２に記載のダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項８】
前記滑らかな平面とＳｉＯｘ層の間に、接着強化層を形成する工程Ｕを更に有することを特徴とする、請求項４に記載のダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項９】
前記セラミック層と前記薄膜層の間に、接着強化層を形成する工程Ｕを更に有することを特徴とする、請求項１に記載のダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項１０】
前記セラミック層と前記鉄系金属又はＣｒ層の間に、接着強化層を形成する工程Ｕを更に有することを特徴とする、請求項２に記載のダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項１１】
前記先鋭部の形状を集束イオンビーム装置を用いて回転対称形に整える工程Ｖを更に有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項１２】
前記先鋭部を水素プラズマ又は高温水素雰囲気に晒すことにより、表面の加工によるダメージを除去する工程Ｗを更に有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項１３】
前記セラミック層がＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＯｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＯｘのいずれかであることを特徴とする、請求項１又は２に記載のダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項１４】
前記薄膜層がＷ（タングステン）であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項１５】
前記薄膜層がＮｉであることを特徴とする、請求項１に記載のダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項１６】
前記鉄系金属層がＦｅ（鉄）、Ｎｉ、Ｃｏ（コバルト）及びこれらを含む合金のいずれかであることを特徴とする、請求項２又は３に記載のダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項１７】
前記柱状ダイヤモンド単結晶の大きさが、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下の直方体空間に収まることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項１８】
前記柱状ダイヤモンド単結晶は、少なくとも一部にドナー不純物又はアクセプタ不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項１９】
前記滑らかな平面の大きさが差し渡し１０μｍ以上であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項２０】
前記セラミック層又は前記ＳｉＯｘ層の厚さが１μｍ以上であることを特徴とする、請求項１又は２又は４のいずれかに記載のダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項２１】
前記接着強化層の厚さが１０〜１００ｎｍであることを特徴とする、請求項７〜１０のいずれかに記載のダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項２２】
前記先鋭部は、高さが１０μｍ以上であり、且つ先端半径又は先端曲率半径が１０μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載のダイヤモンド電子源の製造方法。
【請求項２３】
５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下の直方体空間に収まる柱状ダイヤモンド単結晶からなり、該柱状ダイヤモンド単結晶の片端は滑らかな平面で、該平面上に高さ１０μｍ以上、且つ先端半径又は先端曲率半径が１０μｍ以下の先鋭部を有することを特徴とするダイヤモンド電子源。
【請求項２４】
前記柱状ダイヤモンド単結晶の片端は、頂部に滑らかな平面を持つ先細りの先鋭形状であり、該平面の大きさは差し渡し１０μｍ以上で、該平面上に高さ１０μｍ以上、且つ先端半径又は先端曲率半径が１０μｍ以下の先鋭部を有することを特徴とする、請求項２３に記載のダイヤモンド電子源。
【請求項２５】
少なくとも一部にドナー不純物又はアクセプタ不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上含むことを特徴とする、請求項２３又は２４に記載のダイヤモンド電子源。
【請求項２６】
０．２ｍＡ／ｓｒ以上の角電流密度の電子ビームが得られることを特徴とする、請求項２３〜２５のいずれかに記載のダイヤモンド電子源。
【請求項２７】
０.２ｍＡ／ｓｒ以上の角電流密度、且つ半値幅１.０ｅＶ以下のエネルギー分散である電子ビームが得られることを特徴とする、請求項２３〜２５のいずれかに記載のダイヤモンド電子源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡、電子ビーム露光機などの電子線機器に用いられる電子放射点として、微細加工プロセスにおいてレジスト塗布が困難なサイズの柱状ダイヤモンド単結晶の片端に先鋭部を一ヶ所のみ形成する高輝度なダイヤモンド電子源及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダイヤモンドは電子親和力が負（ＮＥＡ）の状態、あるいは小さな正（ＰＥＡ）の状態が存在することから、良好な電子放出材料と考えられている。このダイヤモンドの性質を利用して、これまでにダイヤモンドを用いた電子放出素子あるいはその製造方法に関する数々の提案がなされてきた。
【０００３】
しかしながら、ダイヤモンドを電子放出素子として用いるためには、電子放出点を制御する必要がある一方、ダイヤモンドは加工が非常に難しいという問題がある。そのため、特にダイヤモンドに電子放射点として先鋭部を形成するための方法として、ドライエッチングを用いた微細加工方法が多く提案されてきた。
【０００４】
例えば、特開２００２−０７５１７１号公報や特開２００５−３５３４４９号公報には、ドライエッチングによってダイヤモンドに先鋭部を形成する方法が記載されている。しかし、これらの方法では、光や電子線を用いたリソグラフィ工程で加工したマスクを用いるため、レジストの均一塗布が可能な程度に大きな面積を有するダイヤモンド基板を用いる必要がある。
【０００５】
従って、上記の方法は、例えばＦＥＤ（フィールド・エミッション・ディスプレイ）等のように、面電子源に適用可能な複数の配列された先鋭部を形成する方法としては有効である。しかし、電子顕微鏡や電子ビーム露光機等の電子線機器にダイヤモンド電子源を搭載することを考えると、これらの機器に使用されている電子源はＬａＢ６やＺｒＯ／Ｗなどの点電子源が主流であることから、これら従来の電子源との互換性を考えると、ダイヤモンド電子源の形状も従来と同様に一ヶ所のみ先鋭部を持つ柱状であることが望ましい。
【０００６】
そして、一ヶ所のみ先鋭部を持つダイヤモンド電子源の作製方法は、前述の公知技術を用いると、柱状ダイヤモンドの片端の面にリソグラフィ工程でマスクを形成して、ドライエッチングで先鋭化するという方法が考えられる。しかしながら、点電子源で用いられているＬａＢ６の結晶サイズから考えれば、柱状ダイヤモンドの片端の面にレジストを均一に塗布することは、スピンコートであれスプレーコートであれ非常に困難なサイズであり、リソグラフィ工程の適用は容易でないという問題がある。
【０００７】
レジスト塗布が可能な程度の面にリソグラフィ工程で複数の先鋭部を形成し、レーザー等のダイヤモンドの切断加工が可能な手法で一ヵ所のみ先鋭部を持つ柱状ダイヤモンドを切り出す方法も考えられる。しかしながら、先鋭部を形成した後で切断加工すると作業中に先鋭部を壊してしまうという問題がある。
【０００８】
また、柱状ダイヤモンド単結晶の片端を、研磨加工によって先鋭化する方法も考えられる。しかしながら、ドライエッチングでは電子線を微小領域に集束可能な回転対称形状とする先鋭化加工が可能であるのに対して、研磨加工ではダイヤモンドが面方位によって硬さが異なることから、例えば楕円錐のような非回転対称形状の先鋭部になりやすく、電子線機器用途としては不向きである。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−０７５１７１号公報
【特許文献２】特開２００５−３５３４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、かかる従来の事情に鑑みてなされたものであり、電子顕微鏡、電子ビーム露光機などの電子線機器に用いられる電子放射点として、先鋭部を一ヶ所のみ有するダイヤモンド電子源について、微細加工プロセスにおいてレジスト塗布が困難なサイズの柱状ダイヤモンド単結晶の片端に、一ヶ所の先鋭部を形成する方法、及びレジスト塗布が困難なサイズの柱状ダイヤモンド単結晶の片端に、一ヶ所の先鋭部を形成した高輝度なダイヤモンド電子源を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明が提供するダイヤモンドの電子放射点として一ヶ所の先鋭部を有する第１のダイヤモンド電子源の製造方法は、微細加工プロセスにおいてレジスト塗布が困難なサイズの柱状ダイヤモンド単結晶を準備する工程Ａと、該柱状ダイヤモンド単結晶の少なくとも片端を研磨して滑らかな平面を形成する工程Ｂと、該滑らかな平面上にセラミック層を形成する工程Ｃと、該セラミック層上の一部に集束イオンビーム装置を用い所定形状の薄膜層を堆積して形成する工程Ｄと、該薄膜層をマスクとしてウェットエッチング又はドライエッチングにより該セラミック層をパターニングしてセラミックマスクを作製する工程Ｅと、該セラミックマスクを用いてドライエッチングにより該柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成する工程Ｆとを有することを特徴とする。
【００１２】
上記本発明の方法では、柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成するためにパターニングしたセラミック層のマスクを用いるが、このセラミックマスクをウエット又はドライエッチングで形成するために、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）が有する任意形状の薄膜層を堆積させる機能を用いて、所望の形状の薄膜層をセラミック層上に形成する。ＦＩＢを用いることによって、レジスト塗布が困難なサイズの平面にも所望の形状の薄膜層が形成できるので、フォトリソグラフィ工程なしで、先鋭部の微細加工プロセスが適用可能である。この場合、最終的に回転対称形状の先鋭部を作製するために、ＦＩＢで形成する薄膜層の形状は円形が好ましい。
【００１３】
本発明による第２のダイヤモンド電子源の製造方法は、上記した工程Ａ、工程Ｂ、工程Ｃに加えて、該セラミック層上に鉄系金属又はＣｒ層を形成する工程Ｇと、該鉄系金属又はＣｒ層上の一部に集束イオンビーム装置を用い所定形状の薄膜層を堆積して形成する工程Ｈと、該薄膜層をマスクとしてウェットエッチング又はドライエッチングにより該鉄系金属又はＣｒ層をパターニングして鉄系金属又はＣｒマスクを作製する工程Ｉと、該鉄系金属又はＣｒマスクを用いてウェットエッチング又はドライエッチングにより該セラミック層をパターニングしてセラミックマスクを作製する工程Ｊと、該パターニングしたセラミックマスクを用いてドライエッチングにより該柱状ダイヤモンド単結晶の片端に該一ヶ所の先鋭部を形成する工程Ｋとを有することを特徴とする。
【００１４】
柱状ダイヤモンド単結晶に形成したい先鋭部の形状によっては、厚いセラミック層が必要になるため、金属層をマスクとして厚いセラミック層をエッチングによりパターニングすることが必要となる場合がある。しかしながら、金属層とセラミック層の選択比が小さい場合には、先に金属層が消失してしまい、セラミック層を所望の形状にパターニングできないことがある。そこで第２の方法では、金属層をマスクとして鉄系金属又はＣｒ層をパターニングし、得られた鉄系金属又はＣｒマスクを用いてセラミック層をパターニングする。鉄系金属又はＣｒ層はセラミック層に対して選択比が大きい場合が多い。この方法によって、セラミック層が厚い場合でも、所望の先鋭部を有するダイヤモンド電子源の作製が可能となる。
【００１５】
本発明による第３のダイヤモンド電子源の製造方法は、上記した工程Ａ、工程Ｂに加えて、該滑らかな平面上に鉄系金属又はＣｒ層を形成する工程Ｌと、該鉄系金属又はＣｒ層上の一部に集束イオンビーム装置を用い所定形状の薄膜層を堆積して形成する工程Ｍと、該薄膜層をマスクとしてウェットエッチング又はドライエッチングにより該鉄系金属又はＣｒ層をパターニングして鉄系金属又はＣｒマスクを作製する工程Ｎと、該鉄系金属又はＣｒマスクを用いてドライエッチングにより該柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成する工程Ｏとを有することを特徴とする。
【００１６】
上記本発明の方法では、柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成するためにパターニングした鉄系金属又はＣｒ層のマスクを用いるが、この鉄系金属又はＣｒマスクをウエット又はドライエッチングで形成するために、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）が有する任意形状の薄膜層を堆積させる機能を用いて、所望の形状の薄膜層を鉄系金属又はＣｒ層上に形成する。ＦＩＢを用いることによって、レジスト塗布が困難なサイズの平面にも所望の形状の薄膜層が形成できるので、フォトリソグラフィ工程なしで、先鋭部の微細加工プロセスが適用可能である。また、このように前述のセラミックに代わって鉄系金属又はＣｒを用いた場合、ドライエッチングの際のダイヤモンドに対する選択比が大きくなるので鉄系金属又はＣｒ層の厚さは比較的薄くて済む上にダイヤモンドとの密着性が良いので、プロセス中にマスクが剥離する可能性が減少し歩留まりが向上する。この場合、最終的に回転対称形状の先鋭部を作製するために、ＦＩＢで形成する薄膜層の形状は円形が好ましい。
【００１７】
本発明による第４のダイヤモンド電子源の製造方法は、上記した工程Ａ、工程Ｂに加えて、該滑らかな平面上の一部に集束イオンビーム装置を用い所定形状のＳｉＯｘ層を堆積して形成する工程Ｐと、該ＳｉＯｘ層をマスクとしてドライエッチングにより該柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成する工程Ｑとを有することを特徴とする。この方法は、ＦＩＢを用いて任意の形状のＳｉＯｘ層が堆積可能である場合に用いることが好ましい。この方法を用いることによって、先に述べた第１〜第３のダイヤモンド電子源の製造方法と比べて工程数を削減できる結果、歩留まりが大幅に向上する。
【００１８】
本発明による第５のダイヤモンド電子源の製造方法は、上記した工程Ａ、工程Ｂに加えて、該滑らかな平面上の一部に集束イオンビーム装置を用い所定形状のＮｉ層を堆積して形成する工程Ｒと、該Ｎｉ層をマスクとしてドライエッチングにより該柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成する工程Ｓとを有することを特徴とする。この方法は、ＦＩＢを用いて任意の形状のＮｉ層が堆積可能である場合に用いることが好ましい。この方法を用いることによって、先に述べた第１〜第３のダイヤモンド電子源の製造方法と比べて工程数を削減できる結果、歩留まりが大幅に向上する。更に、第４のダイヤモンド電子源の製造方法においてＳｉＯｘ層をマスクとする場合に比べて、Ｎｉ層をマスクとした場合はダイヤモンドに対する選択比が大きくなるので、Ｎｉ層の厚さは比較的薄くて済む上に、ダイヤモンドとの密着性が良いので、プロセス中にマスクが剥離する可能性が減少し更に歩留まりが向上する。
【００１９】
上記本発明のダイヤモンド電子源の製造方法においては、前記柱状ダイヤモンド単結晶の片端を研磨して滑らかな平面を形成する工程Ｂの直前若しくは直後に、頂部に滑らかな平面が形成されるように片端側面を研磨して先鋭化する工程Ｔを更に有することができる。この工程Ｔを設けることによって、完成したダイヤモンド電子源から電界によって電子放出させる場合、先鋭部への電界集中がより大きくなる結果、より輝度の高いダイヤモンド電子源が得られる。
【００２０】
上記本発明のダイヤモンド電子源の製造方法においては、前記した工程Ｂと工程Ｃの間の工程として、前記滑らかな平面とセラミック層の間に、接着強化層を形成する工程Ｕを更に有することができる。この接着強化層により、滑らかなダイヤモンド平面とセラミック層の密着性が著しく向上する結果、プロセスの歩留まりが大幅に向上する。この接着強化層としては、例えばＴｉ（チタン）層が好適に使用可能である。
【００２１】
また、前記した工程Ｂと工程Ｐの間の工程として、前記滑らかな平面とＳｉＯｘ層の間に、接着強化層を形成する工程Ｕを更に有することができる。これによって、滑らかなダイヤモンド平面とＳｉＯｘ層の密着性が著しく向上する結果、プロセスの歩留まりが大幅に向上する。この接着強化層としては、例えばＴｉ層が好適に使用可能である。
【００２２】
また、前記した工程Ｃと工程Ｄの間の工程として、前記セラミック層と前記薄膜層の間に、接着強化層を形成する工程Ｕを更に有することができる。これによって、セラミック層と薄膜層の密着性が著しく向上する結果、プロセスの歩留まりが大幅に向上する。この接着強化層としては、例えばＴｉ層が好適に使用可能である。
【００２３】
更に、前記した工程Ｃと工程Ｇの間の工程として、前記セラミック層と前記鉄系金属又はＣｒ層の間に、接着強化層を形成する工程Ｕを更に有することもできる。これによって、セラミック層と鉄系金属又はＣｒ層の密着性が著しく向上する結果、プロセスの歩留まりが大幅に向上する。この接着強化層としては、例えばＴｉ層が好適に使用可能である。
【００２４】
上記本発明のダイヤモンド電子源の製造方法は、前記先鋭部の形状を、集束イオンビーム装置を用いて回転対称形に整える工程Ｖを更に有することができる。工程Ｆ、工程Ｋ、工程Ｏ、工程Ｑ、工程Ｓにおいて、柱状ダイヤモンド単結晶をドライエッチングして形成した先鋭部の形状は、表面の荒れなどによって、必ずしも高品質な電子ビームを得るために必要な回転対称形となっているわけではない。この場合、上記工程Ｖを追加することによって、加工不良をリカバーすることができる結果、プロセスの歩留まりが大幅に向上する。
【００２５】
また、前記先鋭部を水素プラズマ又は高温水素雰囲気に晒すことにより、表面の加工によるダメージを除去する工程Ｗを更に有することができる。工程Ｆ、工程Ｋ、工程Ｏ、工程Ｑ、工程Ｓ、工程Ｖにおいて、柱状ダイヤモンド単結晶の片端に形成された先鋭部の表面にはイオン衝突によるダメージ層が存在するため、ダイヤモンド本来の電子放出能力が発揮できない場合がある。このとき、先鋭部を水素プラズマ若しくは高温水素雰囲気に晒すことによってダメージ層が除去されるため、電子放出能力が回復する。効率的にダメージ層を除去するためには、高温水素雰囲気は３００℃以上であることが好ましい。
【００２６】
上記本発明のダイヤモンド電子源の製造方法では、前記セラミック層が、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＯｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＯｘのいずれかであることが好ましい。これらを用いた場合、工程Ｆや工程Ｋにおいて、セラミックマスクの後退を利用して効率的に且つ形状良くダイヤモンドを先鋭化させることができる結果、優れた性能を有するダイヤモンド電子源が得られる。
【００２７】
また、上記第１及び第２の方法の工程Ｄ及び工程Ｈで形成する薄膜層としては、Ｗ（タングステン）が好ましい。薄膜層がＷ（タングステン）の場合、ＦＩＢを用いて、例えばＷ(ＣＯ)６ガスを吹き付けながらＧａイオンビームを照射することによって、任意形状のＷ（タングステン）薄膜を容易に形成することができるので、ダイヤモンド電子源の作製プロセスが容易になる。
【００２８】
更に、上記第１の方法の工程Ｄにおける薄膜層は、Ｎｉであっても良い。ＦＩＢにおいて、例えばＮｉ(ＣＯ)４ガスを吹き付けながらＧａイオンビームを照射することにより、任意形状のＮｉ薄膜を形成することができる。工程Ｅのドライエッチングにおいて、形成したい先鋭部の形状によっては、セラミック層に対して大きい選択比の金属層が必要となるが、Ｎｉはセラミック層に対して大きな選択比を持つ場合が多い。選択比が大きければエッチング可能なセラミック層の厚さの幅は広がるので、工程Ｆでダイヤモンド単結晶をエッチングする際に、選択できるセラミック層の厚さの幅が広がる。即ち、金属層としてＦＩＢで作製したＮｉ層を用いることで、ダイヤモンド電子源の作製プロセスが容易になり、且つより広範囲の先鋭部形状を作製することが可能となる。
【００２９】
また、上記第２の方法で用いる鉄系金属層は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びこれらを含む合金のいずれかであることが好ましい。金属層をマスクとしてセラミック層をドライエッチングする場合、形成したい先鋭部の形状によってはセラミック層に対して大きい選択比の金属層が必要となるが、上記のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びこれらを含む合金は、Ｃｒと同様にセラミック層に対して大きな選択比を持つ場合が多い。選択比が大きければエッチング可能なセラミック層の厚さの幅は広がるので、工程Ｋで柱状ダイヤモンド単結晶をエッチングする際に、選択できるセラミック層の厚さの幅が広がる。即ち、鉄系金属層としてＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ又はこれらを含む合金を選択することで、ダイヤモンド電子源の作製プロセスが容易になり、且つより広範囲の先鋭部形状を作製することが可能である。
【００３０】
あるいは、上記第３の方法で用いる鉄系金属層は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びこれらを含む合金のいずれかであることが好ましい。これらを用いた場合、工程Ｏにおいて、Ｃｒマスクと同様に鉄系金属マスクの後退を利用して効率的に且つ形状良くダイヤモンドを先鋭化させることができる。鉄系金属マスクはドライエッチングにおいて、ダイヤモンドに対してセラミックマスクより選択比が大きいためにより高い先鋭部が形成できる結果、より優れた性能を有するダイヤモンド電子源が得られる。
【００３１】
前記柱状ダイヤモンド単結晶の大きさは、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上で且つ１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下の直方体空間に収まるものがよい。この範囲内の大きさであることによって、作製されるダイヤモンド電子源は、点電子源であるＬａＢ６やＺｒＯ／Ｗなどの従来の電子源と互換性を有する結果、広範囲の電子線機器においてダイヤモンド電子源の使用が可能となる。この範囲外であると、互換性を持たせることが困難となる。
【００３２】
また、前記柱状ダイヤモンド単結晶は、少なくとも一部にドナー不純物又はアクセプタ不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上含むことができる。このようにドナー又はアクセプタ不純物を含むことで十分な導電性が得られる結果、輝度が高いダイヤモンド電子源が得られる。ただし、１×１０１７ｃｍ−３未満であれば、実用的な電子源性能が得られない。
【００３３】
また、前記柱状ダイヤモンド単結晶の片端に研磨により形成する滑らかな平面の大きさは、差し渡し１０μｍ以上であることが好ましい。滑らかな平面の大きさが直径１０μｍ以上であれば、以後の製造工程によって、実用的な電子源性能が得られる先鋭部を形成することができる。
【００３４】
また、前記セラミック層又は前記ＳｉＯｘ層の厚さは、１μｍ以上であることが好ましい。厚さが１μｍ以上であれば、前記先鋭部の高さを十分にとることができるので、完成したダイヤモンド電子源から電界によって電子放出させる場合に、先鋭部への電界集中がより大きくなる結果、より輝度が高いダイヤモンド電子源が得られる。
【００３５】
また、前記接着強化層の厚さは、１０〜１００ｎｍであることが好ましい。接着強化層の厚さが１０〜１００ｎｍの範囲であることによって、密着性を向上させる目的が発揮される結果、歩留まりが大幅に向上する。接着強化層としては、例えばＴｉ層が好適に使用可能である。
【００３６】
更に、前記先鋭部は、高さが１０μｍ以上であって、先端半径又は先端曲率半径が１０μｍ以下であることが好ましい。ダイヤモンド電子源は、このような先端形状を有することによって、実用的な電子源性能が得られる。
【００３７】
本発明のダイヤモンド電子源は、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下の直方体空間に収まる柱状ダイヤモンド単結晶からなり、前記柱状ダイヤモンド単結晶の片端は滑らかな平面で、前記平面上に高さ１０μｍ以上、且つ先端半径又は先端曲率半径が１０μｍ以下の先鋭部を有することを特徴とする。このような形状であることによって、ＬａＢ６やＺｒＯ／Ｗ等の従来電子源との互換性を持たせることができるので、従来から使用されている電子顕微鏡や電子ビーム露光機等の電子線機器に容易に取り付けが可能である。そして、本発明のダイヤモンド電子源を取り付けることによって、従来電子源よりも高輝度な電子ビームを引き出すことができる。この範囲外であると、互換性を持たせることが困難になるか、輝度が低く実用的な電子源性能が得られない。
【００３８】
また、前記柱状ダイヤモンド単結晶の片端は、頂部に滑らかな平面を持つ先細りの先鋭形状であり、前記平面の大きさは差し渡し１０μｍ以上で、前記平面上に高さ１０μｍ以上、且つ先端半径又は先端曲率半径が１０μｍ以下の先鋭部を有することを特徴としてもよい。このような形状であることによって、更に高輝度な電子ビームを引き出すことができる。
【００３９】
更に、前記ダイヤモンド単結晶の少なくとも一部にドナー不純物又はアクセプタ不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上含むことを特徴としてもよい。このようにドナー又はアクセプタ不純物を含むことで十分な導電性が得られる結果、高輝度なダイヤモンド電子源となる。
【００４０】
本発明のダイヤモンド電子源は、前記のような形状及び材質を有しているので、高輝度な電子ビームを引き出すことができ、角電流密度で０.２ｍＡ／ｓｒ以上が得られることを特徴とする。また、本発明のダイヤモンド電子源は、実効的な仕事関数が小さいので、エネルギー分散が小さく収束性の高い電子ビームを引き出すことができるため、０.２ｍＡ／ｓｒ以上の角電流密度、且つ半値幅１.０ｅＶ以下のエネルギー分散である電子ビームが得られることを特徴としてもよい。
【００４１】
更には、前記ダイヤモンド単結晶の少なくとも一部にドナー不純物を１×１０１８ｃｍ−３以上含むことによって、本発明のダイヤモンド電子源の動作温度をより下げることができるので、よりエネルギー分散が小さく収束性の高い電子ビームを引き出すことができ、０.２ｍＡ／ｓｒ以上の角電流密度、且つ半値幅０.５ｅＶ以下のエネルギー分散である電子ビームを得ることができる。また、前記先端部の先端半径又は先端曲率半径を１μｍ以下にすることによって、より高輝度な電子ビームを引き出すことができるため、１ｍＡ／ｓｒ以上の角電流密度、且つ半値幅０.９ｅＶ以下のエネルギー分散である電子ビームを得ることができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）を用いた薄膜堆積技術を利用することによって、レジスト塗布が困難なサイズの柱状ダイヤモンド単結晶の片端に、イオンエッチングによってミクロンサイズ以下の先鋭部を形成することができ、高輝度なダイヤモンド電子源の提供が可能となる。従って、このダイヤモンド電子源を電子線機器に搭載することによって、高倍率観察が可能な電子顕微鏡や、微細パターンを高スループットで描画可能な電子ビーム露光機などが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
本発明によるダイヤモンド電子源の製造方法を、好適な実施形態について図面を参照して詳細に説明する。尚、図面においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想に基づく変形、その他の実施形態は本発明に含まれる。
【００４４】
［第１の実施形態］
図１〜図５を参照して、本発明の第１の実施形態を説明する。まず、工程Ａにおいて、微細加工プロセスにおいてレジスト塗布が困難なサイズの柱状ダイヤモンド単結晶を準備する。柱状ダイヤモンド単結晶の形状は、直方体が好適に使用可能である。特に、直方体を構成する６面について、６面とも（１００）面（オフ角７°以内）である単結晶か、４面が（１１０）面（オフ角７°以内）で且つ２面が（１００）面（オフ角７°以内）である単結晶か、２面が（１１０）面（オフ角７°以内）、２面が（２１１）面（オフ角７°以内）、且つ２面が（１１１）面（オフ角７°以内）である単結晶が好ましい。
【００４５】
柱状ダイヤモンド単結晶のサイズは、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上且つ１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下の直方体空間に収まるものが好適に使用可能である。５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ未満、あるいは、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍより大きいと、電子顕微鏡、電子ビーム露光機などの電子線機器への取り付けが困難である。また、電子源として十分な導電性を得るために、少なくとも一部にドナー又はアクセプタ不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上含むことが好ましい。ドナー不純物としてはＰ（リン）が、アクセプタ不純物としてはＢ（ボロン）の使用が好ましい。具体的には、高温高圧合成ダイヤモンド単結晶にＰドープダイヤモンド薄膜やＢドープダイヤモンド薄膜をエピタキシャル成長したものや、気相合成Ｂドープダイヤモンド単結晶、高温高圧合成Ｂ入りダイヤモンド単結晶などが好適に使用可能である。
【００４６】
次に、工程Ｂにおいて、柱状ダイヤモンド単結晶の少なくとも片端を研磨し、図１に示すように、柱状ダイヤモンド単結晶１０の片端に滑らかな平面１１を形成する。滑らかな平面１１の大きさは、後の工程で滑らかな平面１１上に電子源として十分な大きさ（高さ）の先鋭部を形成するために、差し渡し１０μｍ以上であることが好ましい。また、滑らかな平面１１は、表面粗さＲａが１００ｎｍ以下であることが好ましい。１００ｎｍより粗いと、後の工程で形成する先鋭部の電子放射点表面が粗くなり、ダイヤモンド電子源として十分な輝度が得られない。
【００４７】
上記滑らかな平面１１は、図１（ａ）に示すように柱状ダイヤモンド単結晶１０の片端の全面に形成してもよいし、図１（ｂ）に示すように片端側面を研磨して、頂部に滑らかな平面１１を持つ先細りの先鋭形状（略角錐台状）に形成してもよい。この先鋭形状を形成するための研磨は、工程Ｂの直前か若しくは直後に行うことができる（工程Ｔ）。このような先細りの先鋭形状の頂部に滑らかな平面１１を設けることによって、最終的に得られる先鋭部への電界集中がより大きくなり、より輝度が高いダイヤモンド電子源が得られる。
【００４８】
そして、工程Ｃにおいて、図２（ａ）に示すように、滑らかな平面１１上にセラミック層１２を形成する。セラミック層１２としては、後にセラミックマスクとしてダイヤモンドをエッチングする際に、マスクの後退を利用して効率的に形状良くダイヤモンドを先鋭化させることができる材質が好ましく、具体的には、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＯｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＯｘなどが好適に使用できる。また、セラミック層１２の膜厚は、これをマスクとしてダイヤモンドを先鋭化させることを考えると、１μｍ以上が好ましい。１μｍ未満であると、従来電子源と比較して高輝度を得るために十分な高さの先鋭突起を形成することは困難である。セラミック層１２の形成には、スパッタリングやＣＶＤなどの薄膜形成装置が好適に使用可能である。
【００４９】
上記セラミック層１２と柱状ダイヤモンド単結晶１０の間には、図２（ｂ）に示すように、接着強化層１３を形成することができる（工程Ｕ）。この接着強化層１３によって、滑らかな平面１１とセラミック層１２の密着性が向上するが、そのためには接着強化層１３の厚さみ１０〜１００ｎｍの範囲が適当である。厚さが１０ｎｍ未満では密着性向上の効果が得られず、１００ｎｍを超えると後にセラミック層１２をマスクとしてダイヤモンドをエッチングする場合の障害となる。接着強化層１３としては、Ｔｉ層が好適に使用可能である。
【００５０】
その後、工程Ｄにおいて、図３（ａ）に示すように、セラミック層１２の上に、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）を用いて、所定形状の薄膜層１４を堆積して形成する。薄膜層１４としては、ＦＩＢ装置を用いて堆積が容易なＷ（タングステン）、Ｐｔ（白金）、Ｃ（カーボン）が好適に使用可能である。また、必要に応じて、セラミック層１２に対してドライエッチングの際のエッチング選択比が大きいＮｉを使用することも可能である。Ｎｉはセラミック層１２に対してエッチング選択比が大きいので、より厚いセラミック層１２をパターニングすることができる結果、より高いダイヤモンドの先鋭部を作製することができる。
【００５１】
また、上記薄膜層１４の形状は、ＦＩＢ装置を用いて堆積するので任意の形状が可能であるが、ダイヤモンドを先鋭化した後の先鋭部の形状は電子源という観点から回転対称形が好ましく、そのためにはマスクとなるセラミック層の形状も回転対称形が好ましい。即ち、セラミック層１２をパターニングするための薄膜層１４の形状は、図３（ｂ）に示すような円形が好ましい。また、薄膜層１４はセラミック層１２の表面内の中心に配置するのが好ましい。これにより加工後のダイヤモンド先鋭部が柱状ダイヤモンド単結晶１０のほぼ中心軸上に配置されるので、ダイヤモンド電子源を電子線機器に搭載する際の光軸合わせが容易になる利点がある。
【００５２】
上記薄膜層１４とセラミック層１２の間には、図３（ｃ）に示すように、接着強化層１５を形成してもよい（工程Ｕ）。接着強化層１５によって、セラミック層１２と薄膜層１４の密着性が向上するが、そのためには１０〜１００ｎｍの厚さが適当である。接着強化層１５の厚さが１０ｎｍ未満では密着性向上の効果が得られず、１００ｎｍを超えると薄膜層１４をマスクとしてセラミック層１２をエッチングする場合の障害となる。尚、接着強化層１５としては、例えばＴｉ層が好適に使用可能である。
【００５３】
次の工程Ｅにおいては、上記工程ＤでＦＩＢ装置を用いて所定形状に形成した薄膜層１４をマスクとして、ウェットエッチングあるいはドライエッチングによりセラミック層１２をエッチングして、図４に示すように、パターニングされたセラミックマスク１６を作製する。このときウェットエッチングを選択すれば、等方的にエッチングが進むため、セラミック層１２は図４（ａ）に示すような山形状のセラミックマスク１６となる。また、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチングを選択すれば、薄膜層１４の直下ではエッチングされ難いため、セラミック層１２は図４（ｂ）に示すような円柱状のセラミックマスク１６となる。エッチングの終了後に、金属層１４は除去してもよい。
【００５４】
その後、工程Ｆにおいて、上記セラミックマスク１６を用いたＲＩＥなどのドライエッチングにより、柱状ダイヤモンド単結晶１０の片端を先鋭化する。この工程Ｆにより、図５に示すように、柱状ダイヤモンド単結晶１０の片端に一ヶ所の先鋭部１７を形成することができる。この先鋭部１７は、高さが１０μｍ以上であり、先端半径もしくは先端曲率半径が１０μｍ以下であることが好ましい。このような先端形状を有することによって、実用的な電子源性能を有するダイヤモンド電子源が得られる。
【００５５】
更には、上記のごとく得られた先鋭部１７の形状を、集束イオンビーム装置を用いて回転対称形に整えてもよい（工程Ｖ）。柱状ダイヤモンド単結晶をエッチングした後の先鋭部１７の形状は、表面の荒れなどによって、必ずしも高品質な電子ビームを得るために必要な回転対称形となっているわけではない。そこで、必要に応じて、集束イオンビーム装置を用いて回転対称形に整えれば、加工不良をリカバーすることができ、プロセスの歩留まりが大幅に向上するうえ、より高輝度な電子源を得ることができる。
【００５６】
また、先鋭部１７はＲＩＥやＦＩＢ加工などによるイオン衝撃でダメージを受けているので、水素プラズマ又は高温水素雰囲気に晒して表面のダメージ層を除去することもできる（工程Ｗ）。先鋭部の表面ダメージ層を除去することによって、ダイヤモンド本来の電子放出能力が得られる結果、高輝度な電子源を得ることができる。高温水素雰囲気を使用する場合、３００℃以上のものを使用することで、効率的なダメージ層の除去が可能である。
【００５７】
［第２の実施形態］
図６〜図１２を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。まず、工程Ａにおいて、上記第１の実施形態の場合と同様に、微細加工プロセスにおいてレジスト塗布が困難なサイズの柱状ダイヤモンド単結晶、好ましくは直方体の柱状ダイヤモンド単結晶を準備する。特に、直方体を構成する６面について、６面とも（１００）面（オフ角７°以内）である単結晶か、４面が（１１０）面（オフ角７°以内）で且つ２面が（１００）面（オフ角７°以内）である単結晶か、２面が（１１０）面（オフ角７°以内）、２面が（２１１）面（オフ角７°以内）、且つ２面が（１１１）面（オフ角７°以内）である単結晶が好ましい。
【００５８】
柱状ダイヤモンド単結晶のサイズは、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上且つ１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下の直方体空間に収まるものが好適に使用可能である。５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ未満、あるいは、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍより大きいと、電子顕微鏡、電子ビーム露光機などの電子線機器への取り付けが困難である。また、電子源として十分な導電性を得るために、一部にドナー又はアクセプタ不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上含むことが好ましい。ドナー不純物としてはＰが、アクセプタ不純物としてはＢの使用が好ましい。具体的には、高温高圧合成ダイヤモンド単結晶にＰドープダイヤモンド薄膜やＢドープダイヤモンド薄膜をエピタキシャル成長したものや、気相合成Ｂドープダイヤモンド単結晶、高温高圧合成Ｂ入りダイヤモンド単結晶などが好適に使用可能である。
【００５９】
次に、工程Ｂにおいて、柱状ダイヤモンド単結晶の少なくとも片端を研磨し、図６に示すように、柱状ダイヤモンド単結晶２０の片端に滑らかな平面２１を形成する。滑らかな平面２１の大きさは、後の工程で滑らかな平面２１上に電子源として十分な大きさ（高さ）の先鋭部を形成するために、差し渡し１０μｍ以上であることが好ましい。また、滑らかな平面２１は、表面粗さＲａが１００ｎｍ以下であることが好ましい。１００ｎｍより粗いと、後の工程で形成する先鋭部の電子放射点表面が粗くなり、ダイヤモンド電子源として十分な輝度が得られない。
【００６０】
上記滑らかな平面２１は、図６（ａ）に示すように柱状ダイヤモンド単結晶２０の片端の全面に形成してもよいし、図６（ｂ）に示すように片端側面を研磨して、頂部に滑らかな平面２１を持つ先細りの先鋭形状（略角錐台状）に形成してもよい。この先鋭形状を形成するための研磨は、工程Ｂの直前か若しくは直後に行うことができる（工程Ｔ）。このような先細りの先鋭形状の頂部に滑らかな平面２１を設けることによって、最終的に得られる先鋭部への電界集中がより大きくなり、より輝度が高いダイヤモンド電子源が得られる。
【００６１】
次に、工程Ｃにおいて、図７（ａ）に示すように、滑らかな平面２１上にセラミック層２２を形成する。セラミック層２２としては、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＯｘ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＯｘなど、後にセラミックマスクとしてダイヤモンドをエッチングする際に、マスクの後退を利用して効率的に形状良くダイヤモンドを先鋭化させることができる材質が好ましい。また、セラミック層２２の膜厚は、これをマスクとしてダイヤモンドを先鋭化させることを考えると、１μｍ以上が好ましい。１μｍ未満であると、従来電子源と比較して高輝度を得るために十分な高さの先鋭突起を形成することは困難である。尚、セラミック層２２の形成には、スパッタリングやＣＶＤなどの薄膜形成装置が好適に使用可能である。
【００６２】
上記セラミック層２２と柱状ダイヤモンド単結晶２０の間には、図７（ｂ）に示すように、接着強化層２３を形成してもよい（工程Ｕ）。この接着強化層２３によって、滑らかな平面２１とセラミック層２２の密着性が向上するが、そのためには接着強化層２３の厚さは１０〜１００ｎｍの範囲が適当である。厚さが１０ｎｍ未満では密着性向上の効果が得られず、１００ｎｍを超えると後にセラミック層２２をマスクとしてダイヤモンドをエッチングする場合の障害となる。接着強化層２３としては、Ｔｉ層が好適に使用可能である。
【００６３】
次に、工程Ｇにおいて、図８（ａ）に示すように、セラミック層２２上に鉄系金属又はＣｒ層２４を形成する。鉄系金属層としては、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏあるいはこれらを含む合金が好適に使用可能である。電界によって効率的に電子を取り出すため先鋭部を十分高くするには、厚いセラミック層２２が必要となる場合がある。ドライエッチングで厚いセラミック層２２をパターニングするには、セラミック層２２に対して大きなエッチング選択比を持つ金属が有利である。上記した鉄系金属又はＣｒは比較的大きな選択比を持つため、これをマスクとしてセラミック層２２をエッチングすれば、より広範囲の先鋭部形状を作製することが可能である。尚、鉄系金属又はＣｒ層２４は、スパッタリング、ＣＶＤ、蒸着などによって形成することができる。
【００６４】
上記セラミック層２２と鉄系金属又はＣｒ層２４との間には、図８（ｂ）に示すように、接着強化層２５を形成してもよい（工程Ｕ）。接着強化層２５によってセラミック層２２と鉄系金属又はＣｒ層２４の密着性が向上するが、接着強化層２５の厚さが１０ｎｍ未満では密着性向上の効果が得られない。また、接着強化層２５の厚さが１００ｎｍを超えると、鉄系金属又はＣｒ層２４をマスクとしてセラミック層２２をエッチングする場合の障害となる。上記接着強化層２５としては、例えばＴｉ層が好適に使用可能である。
【００６５】
その後、工程Ｈにおいて、図９（ａ）に示すように、鉄系金属又はＣｒ層２４の上に、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）を用いて、所定形状の薄膜層２６を堆積して形成する。薄膜層２６としては、ＦＩＢ装置を用いて堆積が容易なＷ（タングステン）、Ｐｔ（白金）、Ｃ（カーボン）、ＳｉＯｘが好適に使用可能である。薄膜層２６はＦＩＢ装置を用いて堆積するので、任意の形状で堆積可能であるが、ダイヤモンドを先鋭化した後の先鋭部の形状は、電子源という観点から回転対称形が好ましく、このためマスクとなるセラミック層とセラミック層をパターニングするための鉄系金属又はＣｒ層の形状も回転対称形が好ましい。
【００６６】
即ち、鉄系金属又はＣｒ層２４をパターニングするための薄膜層２６の形状は、図９（ｂ）に示すように、円形であることが好ましい。また、薄膜層２６は鉄系金属又はＣｒ層２４の表面内の中心に配置するのが好ましい。こうすると加工後の先鋭部が柱状ダイヤモンド単結晶のほぼ中心軸上に配置されるので、ダイヤモンド電子源を電子線機器に搭載する際の光軸合わせが容易になる。
【００６７】
次に、工程Ｉにおいて、上記所定形状を有する薄膜層２６をマスクとして、ウェットエッチング若しくはドライエッチングにより、鉄系金属又はＣｒ層２４をエッチングして、図１０に示すように、パターニングした鉄系金属又はＣｒマスク２７を形成する。
【００６８】
そして、工程Ｊにおいて、上記鉄系金属又はＣｒマスク２７を用い、ウェットエッチング若しくはドライエッチングにより、セラミック層２２をエッチングしてパターニングする。このとき、ウェットエッチングを選択すれば、等方的にエッチングが進むため、セラミック層２２は図１１（ａ）に示すような山形のセラミックマスク２８となる。この場合、鉄系金属又はＣｒを選択しなくてもよく、例えばＭｏやＴａなどの金属も使用可能である。また、ＲＩＥなどのドライエッチングを選択すれば、鉄系金属又はＣｒ層マスク２７の直下ではエッチングされ難いため、セラミック層２２は図１１（ｂ）に示すような円柱状のセラミックマスク２８となる。この場合は、セラミック層とエッチング選択比が大きいＮｉなどの上記鉄系金属又はＣｒが好ましい。薄膜層２６はエッチング開始前に除去してもよいが、通常はエッチング終了時に除去する。また、エッチングが終了すれば鉄系金属又はＣｒマスク２７は除去する。
【００６９】
その後、工程Ｋにおいて、上記セラミックマスク２８を用いたＲＩＥなどのドライエッチングにより、柱状ダイヤモンド単結晶２０の片端を先鋭化する。この工程Ｋにより、図１２に示すように、柱状ダイヤモンド単結晶２０の片端に一ヶ所の先鋭部２９を形成することができる。この先鋭部２９は、高さが１０μｍ以上であり、先端半径もしくは先端曲率半径が１０μｍ以下であることが好ましい。このような先端形状を有することによって、実用的な電子源性能を有するダイヤモンド電子源が得られる。
【００７０】
更に、上記のごとく得られた先鋭部２９の形状を、集束イオンビーム装置を用いて回転対称形に整えてもよい（工程Ｖ）。柱状ダイヤモンド単結晶をエッチングした後の先端部の形状は、表面の荒れなどによって、必ずしも高品質な電子ビームを得るために必要な回転対称形となっているわけではない。そのため、必要に応じて、集束イオンビーム装置を用いて回転対称形に整えれば、加工不良をリカバーすることができ、プロセスの歩留まりが大幅に向上するうえ、より高輝度な電子源を得ることができる。
【００７１】
また、先鋭部２９はＲＩＥやＦＩＢ加工などによるイオン衝撃でダメージを受けているので、水素プラズマ又は高温水素雰囲気に晒して表面のダメージ層を除去することもできる（工程Ｗ）。先鋭部の表面ダメージ層を除去することによって、ダイヤモンド本来の電子放出能力が得られる結果、高輝度な電子源を得ることができる。高温水素雰囲気を使用する場合、３００℃以上のものを使用することで、効率的なダメージ層除去が可能である。
【００７２】
［第３の実施形態］
図１３〜図１７を参照して、本発明の第３の実施形態を説明する。まず、工程Ａにおいて、微細加工プロセスにおいてレジスト塗布が困難なサイズの柱状ダイヤモンド単結晶を準備する。柱状ダイヤモンド単結晶の形状は、直方体が好適に使用可能である。特に、直方体を構成する６面について、６面とも（１００）面（オフ角７°以内）である単結晶か、４面が（１１０）面（オフ角７°以内）で且つ２面が（１００）面（オフ角７°以内）である単結晶か、２面が（１１０）面（オフ角７°以内）、２面が（２１１）面（オフ角７°以内）、且つ２面が（１１１）面（オフ角７°以内）である単結晶が好ましい。
【００７３】
柱状ダイヤモンド単結晶のサイズは、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上且つ１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下の直方体空間に収まるものが好適に使用可能である。５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ未満、あるいは、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍより大きいと、電子顕微鏡、電子ビーム露光機などの電子線機器への取り付けが困難である。また、電子源として十分な導電性を得るために、少なくとも一部にドナー又はアクセプタ不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上含むことが好ましい。ドナー不純物としてはＰが、アクセプタ不純物としてはＢの使用が好ましい。具体的には、高温高圧合成ダイヤモンド単結晶にＰドープダイヤモンド薄膜やＢドープダイヤモンド薄膜をエピタキシャル成長したものや、気相合成Ｂドープダイヤモンド単結晶、高温高圧合成Ｂ入りダイヤモンド単結晶などが好適に使用可能である。
【００７４】
次に、工程Ｂにおいて、柱状ダイヤモンド単結晶の少なくとも片端を研磨し、図１３に示すように、柱状ダイヤモンド単結晶３０の片端に滑らかな平面３１を形成する。滑らかな平面３１の大きさは、後の工程で滑らかな平面３１上に電子源として十分な大きさ（高さ）の先鋭部を形成するために、差し渡し１０μｍ以上であることが好ましい。また、滑らかな平面１１は、表面粗さＲａが１００ｎｍ以下であることが好ましい。１００ｎｍより粗いと、後の工程で形成する先鋭部の電子放射点表面が粗くなり、ダイヤモンド電子源として十分な輝度が得られない。
【００７５】
上記滑らかな平面３１は、図１３（ａ）に示すように柱状ダイヤモンド単結晶３０の片端の全面に形成してもよいし、図１３（ｂ）に示すように片端側面を研磨して、頂部に滑らかな平面３１を持つ先細りの先鋭形状（略角錐台状）に形成してもよい。この先鋭形状を形成するための研磨は、工程Ｂの直前か若しくは直後に行うことができる（工程Ｔ）。このような先細りの先鋭形状の頂部に滑らかな平面３１を設けることによって、最終的に得られる先鋭部への電界集中がより大きくなり、より輝度が高いダイヤモンド電子源が得られる。
【００７６】
そして、工程Ｌにおいて、図１４に示すように、滑らかな平面３１上に鉄系金属又はＣｒ層３２を形成する。鉄系金属層としては、後に鉄系金属マスクとしてダイヤモンドをエッチングする際に、Ｃｒと同様にマスクの後退を利用して効率的に形状良くダイヤモンドを先鋭化させることができるＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びこれらを含む合金のいずれかであることが好ましい。これらのマスクはドライエッチングにおいて、ダイヤモンドに対してセラミックマスクよりエッチング選択比が大きいためにより高い先鋭部が形成しやすく、より優れた性能を有するダイヤモンド電子源が得られる。鉄系金属又はＣｒ層３２の形成には、スパッタリングやＣＶＤなどの薄膜形成装置が好適に使用可能である。
【００７７】
その後、工程Ｍにおいて、図１５（ａ）に示すように、鉄系金属又はＣｒ層３２の上に、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）を用いて、所定形状の薄膜層３４を堆積して形成する。薄膜層３４としては、ＦＩＢ装置を用いて堆積が容易なＷ（タングステン）、Ｐｔ（白金）、Ｃ（カーボン）、ＳｉＯｘが好適に使用可能である。
【００７８】
また、上記薄膜層３４の形状は、ＦＩＢ装置を用いて堆積するので任意の形状が可能であるが、ダイヤモンドを先鋭化した後の先鋭部の形状は電子源という観点から回転対称形が好ましく、そのためにはマスクとなる鉄系金属又はＣｒ層の形状も回転対称形が好ましい。即ち、鉄系金属又はＣｒ層３２をパターニングするための薄膜層３４の形状は、図１５（ｂ）に示すような円形が好ましい。また、薄膜層３４は鉄系金属又はＣｒ層３２の表面内の中心に配置するのが好ましい。これにより、加工後のダイヤモンド先鋭部が柱状ダイヤモンド単結晶３０のほぼ中心軸上に配置されるので、ダイヤモンド電子源を電子線機器に搭載する際の光軸合わせが容易になる利点がある。
【００７９】
次の工程Ｎにおいては、上記工程ＭでＦＩＢ装置を用いて所定形状に形成した薄膜層３４をマスクとして、ウェットエッチングあるいはドライエッチングにより鉄系金属又はＣｒ層３２をエッチングして、図１６に示すように、パターニングされた鉄系金属又はＣｒマスク３５を作製する。このときウェットエッチングを選択すれば、等方的にエッチングが進むため、鉄系金属又はＣｒ層３２は図１６（ａ）に示すような山形状の鉄系金属又はＣｒマスク３５となる。また、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチングを選択すれば、薄膜層３４の直下ではエッチングされ難いため、鉄系金属又はＣｒ層３２は図１６（ｂ）に示すような円柱状の鉄系金属又はＣｒマスク３５となる。エッチングの終了後に、薄膜層３４は除去してもよい。
【００８０】
その後、工程Ｏにおいて、上記鉄系金属又はＣｒマスク３５を用いたＲＩＥなどのドライエッチングにより、柱状ダイヤモンド単結晶３０の片端を先鋭化する。この工程Ｏにより、図１７に示すように、柱状ダイヤモンド単結晶３０の片端に一ヶ所の先鋭部３６を形成することができる。この先鋭部３６は、高さが１０μｍ以上であり、先端半径もしくは先端曲率半径が１０μｍ以下であることが好ましい。このような先端形状を有することによって、実用的な電子源性能を有するダイヤモンド電子源が得られる。
【００８１】
更には、上記のごとく得られた先鋭部３６の形状を、集束イオンビーム装置を用いて回転対称形に整えてもよい（工程Ｖ）。柱状ダイヤモンド単結晶をエッチングした後の先鋭部３６の形状は、表面の荒れなどによって、必ずしも高品質な電子ビームを得るために必要な回転対称形となっているわけではない。そこで、必要に応じて、集束イオンビーム装置を用いて回転対称形に整えれば、加工不良をリカバーすることができ、プロセスの歩留まりが大幅に向上するうえ、より高輝度な電子源を得ることができる。
【００８２】
また、先鋭部３６はＲＩＥやＦＩＢ加工などによるイオン衝撃でダメージを受けているので、水素プラズマ又は高温水素雰囲気に晒して表面のダメージ層を除去することもできる（工程Ｗ）。先鋭部の表面ダメージ層を除去することによって、ダイヤモンド本来の電子放出能力が得られる結果、高輝度な電子源を得ることができる。高温水素雰囲気を使用する場合、３００℃以上のものを使用することで、効率的なダメージ層の除去が可能である。
【００８３】
［第４の実施形態］
図１８〜図２０を参照して、本発明方法の第４の実施形態を説明する。まず、工程Ａにおいて、上記実施形態と同様に、微細加工プロセスにおいてレジスト塗布が困難なサイズの柱状ダイヤモンド単結晶、好ましくは直方体の柱状ダイヤモンド単結晶を準備する。特に、直方体を構成する６面について、６面とも（１００）面（オフ角７°以内）である単結晶か、４面が（１１０）面（オフ角７°以内）で且つ２面が（１００）面（オフ角７°以内）である単結晶か、２面が（１１０）面（オフ角７°以内）、２面が（２１１）面（オフ角７°以内）、且つ２面が（１１１）面（オフ角７°以内）である単結晶が好ましい。
【００８４】
柱状ダイヤモンド単結晶のサイズは、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上且つ１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下の直方体空間に収まるものが好適に使用できる。５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ未満、あるいは、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍより大きいと、電子顕微鏡、電子ビーム露光機などの電子線機器への取り付けが困難である。また、電子源として十分な導電性を得るために、一部にドナー又はアクセプタ不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上含むことが好ましい。ドナー不純物としてはＰが、アクセプタ不純物としてはＢの使用が好ましい。具体的には、高温高圧合成ダイヤモンド単結晶にＰドープダイヤモンド薄膜やＢドープダイヤモンド薄膜をエピタキシャル成長したものや、気相合成Ｂドープダイヤモンド単結晶、高温高圧合成Ｂ入りダイヤモンド単結晶などが好適に使用可能である。
【００８５】
次に、工程Ｂにおいて、柱状ダイヤモンド単結晶の少なくとも片端を研磨し、図１８に示すように、柱状ダイヤモンド単結晶４０の片端に滑らかな平面４１を形成する。滑らかな平面４１の大きさは、後の工程で滑らかな平面４１上に電子源として十分な大きさ（高さ）の先鋭部を形成するために、差し渡し１０μｍ以上であることが好ましい。また、滑らかな平面４１は、表面粗さＲａが１００ｎｍ以下であることが好ましい。１００ｎｍより粗いと、後の工程で形成する先鋭部の電子放射点表面が粗くなり、ダイヤモンド電子源として十分な輝度が得られない。
【００８６】
上記滑らかな平面４１は、図１８（ａ）に示すように柱状ダイヤモンド単結晶４０の片端の全面に形成してもよいし、図１８（ｂ）に示すように片端側面を研磨して、頂部に滑らかな平面４１を持つ先細りの先鋭形状（略角錐台状）に形成してもよい。この先鋭形状を形成するための研磨は、工程Ｂの直前か若しくは直後に行うことができる（工程Ｔ）。このような先細りの先鋭形状の頂部に滑らかな平面４１を設けることによって、最終的に得られる先鋭部への電界集中がより大きくなり、より輝度が高いダイヤモンド電子源が得られる。
【００８７】
その後、工程Ｐにおいて、上記滑らかな平面４１上に、図１９に示すように、ＦＩＢを用いて所定形状のＳｉＯｘ層４２を堆積して形成する。ＳｉＯｘ層４２はＦＩＢ装置を用いて容易に堆積でき、且つ滑らかな平面４１上に任意の形状で堆積することが可能である。
【００８８】
上記ＳｉＯｘ層４２は、後の工程Ｑにおいてダイヤモンドを先鋭化するためのマスクとして使用するため、電子源という観点から回転対称形が好ましい。例えば、図１９（ａ）に示すように円柱状のＳｉＯｘ層４２や、図１９（ｂ）に示すような円錐状のＳｉＯｘ層４２が好適に使用可能である。また、ＳｉＯｘ層４２は、滑らかな平面４１上の表面内の中心に配置することが好ましい。こうすると、加工後のダイヤモンドの先鋭部が柱状ダイヤモンド単結晶のほぼ中心軸上に配置されるので、ダイヤモンド電子源を電子線機器に搭載する際の光軸合わせが容易になる。
【００８９】
上記ＳｉＯｘ層４２と柱状ダイヤモンド単結晶４０の間には、図１９（ｃ）に示すように、接着強化層４３を形成してもよい（工程Ｕ）。この接着強化層４３によって、滑らかな平面４１とＳｉＯｘ層４２の密着性が向上するが、そのためには接着強化層４３の厚さは１０〜１００ｎｍの範囲が適当である。厚さが１０ｎｍ未満では密着性向上の効果が得られず、１００ｎｍを超えると後にＳｉＯｘ層４２をマスクとしてダイヤモンドをエッチングする場合の障害となる。接着強化層４３としては、Ｔｉ層が好適に使用可能である。
【００９０】
次に、工程Ｑにおいて、所定形状のＳｉＯｘ層４２をマスクとして、ＲＩＥなどのドライエッチングにより、図２０に示すように、柱状ダイヤモンド単結晶４０の片端に一ヶ所の先鋭部４４を形成する。こうして形成した先鋭部４４は、高さが１０μｍ以上であり、先端半径もしくは先端曲率半径が１０μｍ以下であることが好ましい。このような先端形状を有することによって、実用的な電子源性能のダイヤモンド電子源が得られる。
【００９１】
更に、上記のごとく得られた先鋭部４４の形状を、集束イオンビーム装置を用いて回転対称形に整えてもよい（工程Ｖ）。柱状ダイヤモンド単結晶をエッチングした後の先端部の形状は、表面の荒れなどによって、必ずしも高品質な電子ビームを得るために必要な回転対称形となっているわけではない。そのため、必要に応じて、集束イオンビーム装置を用いて回転対称形に整えれば、加工不良をリカバーすることができ、プロセスの歩留まりが大幅に向上するうえ、より高輝度な電子源を得ることができる。
【００９２】
最後に、先鋭部４４はＲＩＥやＦＩＢ加工などによるイオン衝撃でダメージを受けているので、水素プラズマ又は高温水素雰囲気に晒して表面のダメージ層を除去することができる（工程Ｗ）。先鋭部の表面ダメージ層を除去することによって、ダイヤモンド本来の電子放出能力が得られる結果、高輝度な電子源を得ることができる。高温水素雰囲気を使用する場合、３００℃以上のものを使用することで、効率的なダメージ層除去が可能である。
【００９３】
［第５の実施形態］
図２１〜図２３を参照して、本発明方法の第５の実施形態を説明する。まず、工程Ａにおいて、上記実施形態と同様に、微細加工プロセスにおいてレジスト塗布が困難なサイズの柱状ダイヤモンド単結晶、好ましくは直方体の柱状ダイヤモンド単結晶を準備する。特に、直方体を構成する６面について、６面とも（１００）面（オフ角７°以内）である単結晶か、４面が（１１０）面（オフ角７°以内）で且つ２面が（１００）面（オフ角７°以内）である単結晶か、２面が（１１０）面（オフ角７°以内）、２面が（２１１）面（オフ角７°以内）、且つ２面が（１１１）面（オフ角７°以内）である単結晶が好ましい。
【００９４】
柱状ダイヤモンド単結晶のサイズは、５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ以上且つ１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍ以下の直方体空間に収まるものが好適に使用できる。５０μｍ×５０μｍ×１００μｍ未満、あるいは、１ｍｍ×１ｍｍ×５ｍｍより大きいと、電子顕微鏡、電子ビーム露光機などの電子線機器への取り付けが困難である。また、電子源として十分な導電性を得るために、一部にドナー又はアクセプタ不純物を１×１０１７ｃｍ−３以上含むことが好ましい。ドナー不純物としてはＰが、アクセプタ不純物としてはＢの使用が好ましい。具体的には、高温高圧合成ダイヤモンド単結晶にＰドープダイヤモンド薄膜やＢドープダイヤモンド薄膜をエピタキシャル成長したものや、気相合成Ｂドープダイヤモンド単結晶、高温高圧合成Ｂ入りダイヤモンド単結晶などが好適に使用可能である。
【００９５】
次に、工程Ｂにおいて、柱状ダイヤモンド単結晶の少なくとも片端を研磨し、図２１に示すように、柱状ダイヤモンド単結晶５０の片端に滑らかな平面５１を形成する。滑らかな平面５１の大きさは、後の工程で滑らかな平面５１上に電子源として十分な大きさ（高さ）の先鋭部を形成するために、差し渡し１０μｍ以上であることが好ましい。また、滑らかな平面５１は、表面粗さＲａが１００ｎｍ以下であることが好ましい。１００ｎｍより粗いと、後の工程で形成する先鋭部の電子放射点表面が粗くなり、ダイヤモンド電子源として十分な輝度が得られない。
【００９６】
上記滑らかな平面５１は、図２１（ａ）に示すように柱状ダイヤモンド単結晶５０の片端の全面に形成してもよいし、図２１（ｂ）に示すように片端側面を研磨して、頂部に滑らかな平面５１を持つ先細りの先鋭形状（略角錐台状）に形成してもよい。この先鋭形状を形成するための研磨は、工程Ｂの直前か若しくは直後に行うことができる（工程Ｔ）。このような先細りの先鋭形状の頂部に滑らかな平面５１を設けることによって、最終的に得られる先鋭部への電界集中がより大きくなり、より輝度が高いダイヤモンド電子源が得られる。
【００９７】
その後、工程Ｒにおいて、上記滑らかな平面５１上に、図２２に示すように、ＦＩＢを用いて所定形状のＮｉ層５２を堆積して形成する。Ｎｉ層５２はＦＩＢ装置を用いて、原料としてＮｉ(Ｃｏ)４を使用することで堆積できる。Ｎｉ(Ｃｏ)４は毒性が高く取り扱いに注意が必要であるが、滑らかな平面５１上に任意の形状で堆積することが可能である。
【００９８】
上記Ｎｉ層５２は、後の工程Ｗにおいてダイヤモンドを先鋭化するためのマスクとして使用するため、電子源という観点から回転対称形が好ましい。例えば、図２２（ａ）に示すように円柱状のＮｉ層５２や、図２２（ｂ）に示すような円錐状のＮｉ層５２が好適に使用可能である。また、Ｎｉ層５２は、滑らかな平面５１上の表面内の中心に配置することが好ましい。こうすると、加工後のダイヤモンドの先鋭部が柱状ダイヤモンド単結晶のほぼ中心軸上に配置されるので、ダイヤモンド電子源を電子線機器に搭載する際の光軸合わせが容易になる。
【００９９】
Ｎｉ層５２をマスクとしたドライエッチングにおいては、ダイヤモンドに対してセラミックマスクよりもエッチング選択比が大きいために、より高い先鋭部が形成しやすく、より優れた性能を有するダイヤモンド電子源が得られる。
【０１００】
次に、工程Ｓにおいて、所定形状のＮｉ層５２をマスクとして、ＲＩＥなどのドライエッチングにより、図２３に示すように、柱状ダイヤモンド単結晶５０の片端に一ヶ所の先鋭部５３を形成する。こうして形成した先鋭部５３は、高さが１０μｍ以上であり、先端半径若しくは先端曲率半径が１０μｍ以下であることが好ましい。このような先端形状を有することによって、実用的な電子源性能のダイヤモンド電子源が得られる。
【０１０１】
更に、上記のごとく得られた先鋭部５３の形状を、集束イオンビーム装置を用いて回転対称形に整えてもよい（工程Ｖ）。柱状ダイヤモンド単結晶をエッチングした後の先端部の形状は、表面の荒れなどによって、必ずしも高品質な電子ビームを得るために必要な回転対称形となっているわけではない。そのため、必要に応じて、集束イオンビーム装置を用いて回転対称形に整えれば、加工不良をリカバーすることができ、プロセスの歩留まりが大幅に向上するうえ、より高輝度な電子源を得ることができる。
【０１０２】
最後に、先鋭部５３はＲＩＥやＦＩＢ加工などによるイオン衝撃でダメージを受けているので、水素プラズマ又は高温水素雰囲気に晒して表面のダメージ層を除去することができる（工程Ｗ）。先鋭部の表面ダメージ層を除去することによって、ダイヤモンド本来の電子放出能力が得られる結果、高輝度な電子源を得ることができる。高温水素雰囲気を使用する場合、３００℃以上のものを使用することで、効率的なダメージ層除去が可能である。
【実施例】
【０１０３】
［実施例１］
工程Ａ、工程Ｂ、工程Ｃ、工程Ｄ、工程Ｅ、工程Ｆの順で、ダイヤモンド電子源１ａを作製した。まず、工程Ａでは、２面が（１１０）面（オフ角７°以内）、２面が（２１１）面（オフ角７°以内）、２面が（１１１）面（オフ角７°以内）であり、大きさが０.６×０.６×２.５ｍｍの直方体であって、（１１１）面にＰドープエピタキシャルダイヤモンド薄膜（Ｐ濃度、１×１０２０ｃｍ−３）を気相成長させた高温高圧合成Ｂ入り（Ｂ濃度３×１０１９ｃｍ−３）柱状ダイヤモンド単結晶を準備した。尚、０.６×０.６ｍｍの面が（１１０）面であった。
【０１０４】
次に、工程Ｂで、０.６×０.６ｍｍの（１１０）面を研磨して、表面粗さＲａが３０ｎｍの滑らかな平面とした。この滑らかな平面上に、工程Ｃにて、ＣＶＤによりセラミック層としてＳｉＯ２層を４μｍの厚さに形成した。次に、工程Ｄにおいて、セラミック層であるＳｉＯ２層の表面内の中心に、薄膜層として直径２０μｍ×厚さ２μｍのＷ（タングステン）層をＦＩＢにより形成した。そして、工程Ｅにて、このＷ層をマスクとするＲＩＥによりＳｉＯ２層をエッチングして、直径２０μｍ×厚さ４μｍの円柱状のセラミックマスクを形成した。
【０１０５】
その後、工程Ｆにおいて、上記直径２０μｍ×厚さ４μｍの円柱状のセラミックマスクを用いて、ＲＩＥにより柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成した。得られた先鋭部は、高さが１５μｍで、先端半径が２μｍの円錐台状であった。こうして得られたダイヤモンド電子源１ａの電子放出特性を電子顕微鏡と同等の電子光学系を持つ評価装置で調べた。電子源温度６００℃、引出電極アパーチャと先鋭部先端との距離０.４ｍｍ、引出電極アパーチャ径０.６ｍｍで、引出電圧を３ｋＶに設定して引き出した電子ビームを評価したところ、角電流密度０.５ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと良好な結果が得られた。
【０１０６】
更に、上記工程Ｆで得られた先鋭部について、工程Ｖにて、ＦＩＢにより先端形状を整え、曲率半径１.０μｍの滑らかな球面に仕上げた。このようにして得られたダイヤモンド電子源１ｂを、ダイヤモンド電子源１ａと同様にして電子放出特性を調べたところ、角電流密度１.０ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと上記ダイヤモンド電子源１ａよりも良好な結果が得られた。
【０１０７】
上記工程Ｖで得られた先鋭部について、更に工程Ｗで、水素プラズマ処理により先端部の表面ダメージ層を除去した。このようにして得られたダイヤモンド電子源１ｃを、ダイヤモンド電子源１ａと同様にして電子放出特性を調べたところ、角電流密度１.２ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと上記ダイヤモンド電子源１ｂよりも良好な結果が得られた。
【０１０８】
また、上記工程Ａと工程Ｂの間に工程Ｔを挿入して、柱状ダイヤモンド単結晶の片端に、頂部に滑らかな平面を持つ角錐台状の先鋭形状を形成した。頂部の滑らかな平面は０.１×０.１ｍｍの正方形で、その表面粗さＲａは３０ｎｍであった。これ以外はダイヤモンド電子源１ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源１ｄを作製した。このダイヤモンド電子源１ｄを、ダイヤモンド電子源１ａと同様にして電子放出特性を調べたところ、角電流密度０.７ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと上記ダイヤモンド電子源１ａよりも良好な結果が得られた。
【０１０９】
上記工程Ｂと工程Ｃの間に工程Ｕを挿入して、接着強化層として厚さ１０ｎｍのＴｉ層を形成した。これ以外はダイヤモンド電子源１ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源１ｅを作製した。ダイヤモンド電子源１ａとダイヤモンド電子源１ｅの作製工程を複数回繰り返して歩留まりを調査したところ、ダイヤモンド電子源１ｅの方の歩留まりが良かった。また、電子放出特性をダイヤモンド電子源１ａと同様にして調べたところ、ダイヤモンド電子源１ａと同等の良好な結果が得られた。
【０１１０】
また、上記工程Ｃと工程Ｄの間に工程Ｕを挿入して、接着強化層として厚さ１０ｎｍのＴｉ層を形成した。これ以外はダイヤモンド電子源１ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源１ｆを作製した。ダイヤモンド電子源１ａとダイヤモンド電子源１ｆの作製工程を複数回繰り返して歩留まりを調査したところ、ダイヤモンド電子源１ｆの歩留まりの方が良かった。また、電子放出特性をダイヤモンド電子源１ａと同様にして調べたところ、ダイヤモンド電子源１ａと同等の良好な結果が得られた。
【０１１１】
上記工程Ｃにおいて、ＳｉＯ２層の代わりに厚さ１μｍ以上のＳｉＯＮ層、ＳｉＯｘ層、Ａｌ２Ｏ３層、ＡｌＯｘ層を用いた以外はダイヤモンド電子源１ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源１ｇ、１ｈ、１ｉ、１ｊをそれぞれ作製した。これらの完成形状はダイヤモンド電子源１ａと同様であった。また、これらの電子放出特性をダイヤモンド電子源１ａと同様にして調べたところ、ダイヤモンド電子源１ａと同等の良好な結果が得られた。
【０１１２】
上記工程Ｄにおいて、Ｗ層の代わりに厚さ０.２μｍのＮｉ層を用い、上記工程Ｅにおいて、ＳｉＯ２層をエッチングして厚さ７μｍの円柱状のセラミックマスクを形成した以外はダイヤモンド電子源１ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源１ｋを作製した。得られた先鋭部の高さが２５μｍで、先端径が２μｍの円錐台状である以外は、完成形状はダイヤモンド電子源１ａと同様であった。この電子放出特性をダイヤモンド電子源１ａと同様にして調べたところ、角電流密度０.７ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０．５ｅＶと上記ダイヤモンド電子源１ａよりも良好な結果が得られた。
【０１１３】
（１１１）面にＰドープエピタキシャルダイヤモンド薄膜を気相成長しなかった以外はダイヤモンド電子源１ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源１lを作製した。この電子放出特性を、動作温度を１,０００℃とした以外はダイヤモンド電子源１ａと同様にして調べたところ、角電流密度０.５ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散１.０ｅＶが得られた。
【０１１４】
上記工程Ｆにおいて、ＲＩＥにより柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成するエッチング条件が異なる以外はダイヤモンド電子源１ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源１ｍを作製した。得られた先鋭部は、高さが１５μｍで、先端半径が１０μｍの円錐台状であった。こうして得られたダイヤモンド電子源１ｍの電子放出特性をダイヤモンド電子源１ａと同様にして調べたところ、角電流密度０.２ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散１.０ｅＶが得られた。
【０１１５】
［比較例１］
上記工程Ｆにおいて、ＲＩＥにより柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成するエッチング条件が異なる以外はダイヤモンド電子源１ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源１ｎを作製した。得られた先鋭部は、高さが１５μｍで、先端半径が１２μｍの円錐台状であった。こうして得られたダイヤモンド電子源１ｍの電子放出特性をダイヤモンド電子源１ａと同様にして調べたところ、角電流密度０.１ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散１.０ｅＶであった。
【０１１６】
［実施例２］
工程Ａ、工程Ｂ、工程Ｃ、工程Ｇ、工程Ｈ、工程Ｉ、工程Ｊ、工程Ｋの順で、ダイヤモンド電子源２ａを作製した。工程Ａで、２面が（１１０）面（オフ角７°以内）、２面が（２１１）面（オフ角７°以内）、２面が（１１１）面（オフ角７°以内）であり、大きさが０.６×０.６×２.５ｍｍの直方体であって、（１１１）面にＰドープエピタキシャルダイヤモンド薄膜（Ｐ濃度、９×１０１９ｃｍ−３）を気相成長させた高温高圧合成Ｂ入り（Ｂ濃度４×１０１９ｃｍ−３）柱状ダイヤモンド単結晶を準備した。尚、０.６×０.６ｍｍの面が（１１０）面であった。
【０１１７】
次に、工程Ｂで、０.６×０.６ｍｍの（１１０）面を研磨して、表面粗さＲａが３０ｎｍの滑らかな平面とした。この滑らかな平面上に、工程Ｃにて、セラミック層としてＳｉＯ２層を、ＣＶＤにより６μｍの厚さに形成した。次に、工程Ｇで、鉄系金属層として、スパッタリングによりＮｉ層を０.２μｍの厚さに形成した。工程Ｈで、この鉄系金属層の表面内の中心に、ＦＩＢによって薄膜層として直径２０μｍ×厚さ１μｍのＷ層を形成した。
【０１１８】
そして、工程Ｉにおいて、上記直径２０μｍ×厚さ１μｍのＷ層をマスクとして、ＲＩＥによってＮｉ層をエッチングして、直径２０μｍ×厚さ０.２μｍのパターニングした鉄系金属マスクを形成した。次に、工程Ｊで、この鉄系金属マスクを用いたＲＩＥによりＳｉＯ２層をエッチングして、直径２０μｍ×厚さ６μｍの円柱状のセラミックマスクを形成した。
【０１１９】
その後、工程Ｋにおいて、上記直径２０μｍ×厚さ６μｍの円柱状のセラミックマスクを用いたＲＩＥにより、柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成した。この先鋭部は、高さが２３μｍで、先端半径が２μｍの円錐台状であった。こうして得られたダイヤモンド電子源２ａについて、電子顕微鏡と同等の電子光学系を持つ評価装置で調べた。電子源温度６００℃、引出電極アパーチャと先鋭部先端との距離０.４ｍｍ、引出電極アパーチャ径０.６ｍｍで、引出電圧を３ｋＶに設定して引き出した電子ビームを評価したところ、角電流密度０.６ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと良好な結果が得られた。
【０１２０】
上記工程Ｋで形成した先鋭部について、工程Ｖにて、ＦＩＢにより先端形状を整え、曲率半径１.０μｍの滑らかな球面に仕上げた。このようにして得られたダイヤモンド電子源２ｂを、ダイヤモンド電子源２ａと同様にして電子放出特性を調べたところ、角電流密度１.１ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと上記ダイヤモンド電子源２ａよりも良好な結果が得られた。
【０１２１】
また、上記工程Ｋで得られた先鋭部について、更に工程Ｗで、水素プラズマ処理により先端部の表面ダメージ層を除去した。このようにして得られたダイヤモンド電子源２ｃを、ダイヤモンド電子源２ａと同様にして電子放出特性を調べたところ、角電流密度１.３ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと上記ダイヤモンド電子源２ｂよりも良好な結果が得られた。
【０１２２】
また、上記工程Ａと工程Ｂの間に工程Ｔを挿入して、柱状ダイヤモンド単結晶の片端に、頂部に滑らかな平面を持つ角錐台状の先鋭形状を形成した。頂部の滑らかな平面は０.１×０.１ｍｍの正方形で、その表面粗さＲａは３０ｎｍであった。これ以外はダイヤモンド電子源２ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源２ｄを作製した。このダイヤモンド電子源２ｄを、ダイヤモンド電子源２ａと同様にして電子放出特性を調べたところ、角電流密度０.８ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと上記ダイヤモンド電子源２ａよりも良好な結果が得られた。
【０１２３】
上記工程Ｂと工程Ｃの間に工程Ｕを挿入して、接着強化層として厚さ１０ｎｍのＴｉ層を形成した。これ以外はダイヤモンド電子源２ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源２ｅを作製した。ダイヤモンド電子源２ａとダイヤモンド電子源２ｅの作製工程を複数回繰り返して歩留まりを調査したところ、ダイヤモンド電子源２ｅの方の歩留まりが良かった。また、電子放出特性をダイヤモンド電子源１ａと同様にして調べたところ、ダイヤモンド電子源１ａと同等の良好な結果が得られた。
【０１２４】
更に、上記工程Ｃと工程Ｇの間に工程Ｕを挿入して、接着強化層として厚さ１０ｎｍのＴｉ層を形成した。これ以外はダイヤモンド電子源２ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源２ｆを作製した。ダイヤモンド電子源２ａとダイヤモンド電子源２ｆの作製工程を複数回繰り返して歩留まりを調査したところ、ダイヤモンド電子源２ｆの歩留まりの方が良かった。また、電子放出特性をダイヤモンド電子源１ａと同様にして調べたところ、ダイヤモンド電子源１ａと同等の良好な結果が得られた。
【０１２５】
上記工程Ｃにおいて、ＳｉＯ２層の代わりに厚さ１μｍ以上のＳｉＯＮ層、ＳｉＯｘ層、Ａｌ２Ｏ３層、ＡｌＯｘ層を用いた以外はダイヤモンド電子源２ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源２ｇ、２ｈ、２ｉ、２ｊをそれぞれ作製した。これらの完成形状はダイヤモンド電子源２ａと同様であった。また、これらの電子放出特性をダイヤモンド電子源２ａと同様にして調べたところ、ダイヤモンド電子源２ａと同等の良好な結果が得られた。
【０１２６】
上記工程Ｇにおいて、鉄系金属層としてＮｉ層の代わりに、厚さ０.１μｍ以上のＦｅ層、Ｃｏ層、Ｎｉ合金層、あるいは、鉄系金属層の代わりにＣｒ層を形成した以外はダイヤモンド電子源２ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源２ｋ、２ｌ、２ｍ、２ｎを作製した。完成形状はダイヤモンド電子源２ａと同様であった。この電子放出特性をダイヤモンド電子源２ａと同様にして調べたところ、ダイヤモンド電子源２ａと同等の良好な結果が得られた。
【０１２７】
（１１１）面にＰドープエピタキシャルダイヤモンド薄膜を気相成長しなかった以外はダイヤモンド電子源２ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源２ｏを作製した。この電子放出特性を、動作温度を１,０００℃とした以外はダイヤモンド電子源２ａと同様にして調べたところ、角電流密度０.６ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散１.０ｅＶが得られた。
【０１２８】
上記工程Ｋにおいて、ＲＩＥにより柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成するエッチング条件が異なる以外はダイヤモンド電子源２ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源２ｐを作製した。得られた先鋭部は、高さが２３μｍで、先端半径が１０μｍの円錐台状であった。こうして得られたダイヤモンド電子源２ｐの電子放出特性をダイヤモンド電子源２ａと同様にして調べたところ、角電流密度０.３ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散１.０ｅＶが得られた。
【０１２９】
［比較例２］
上記工程Ｋにおいて、ＲＩＥにより柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成するエッチング条件が異なる以外はダイヤモンド電子源２ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源２ｑを作製した。得られた先鋭部は、高さが２３μｍで、先端半径が１５μｍの円錐台状であった。こうして得られたダイヤモンド電子源２ｑの電子放出特性をダイヤモンド電子源２ａと同様にして調べたところ、角電流密度０.１ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散１.０ｅＶであった。
【０１３０】
［実施例３］
工程Ａ、工程Ｂ、工程Ｌ、工程Ｍ、工程Ｎ、工程Ｏの順で、ダイヤモンド電子源３ａを作製した。工程Ａで、２面が（１１０）面（オフ角７°以内）、２面が（２１１）面（オフ角７°以内）、２面が（１１１）面（オフ角７°以内）であり、大きさが０.６×０.６×２.５ｍｍの直方体であって、（１１１）面にＰドープエピタキシャルダイヤモンド薄膜（Ｐ濃度、８×１０１９ｃｍ−３）を気相成長させた高温高圧合成Ｂ入り（Ｂ濃度２×１０１９ｃｍ−３）柱状ダイヤモンド単結晶を準備した。尚、０.６×０.６ｍｍの面が（１１０）面であった。
【０１３１】
次に、工程Ｂで、０.６×０.６ｍｍの（１１０）面を研磨して、表面粗さＲａが３０ｎｍの滑らかな平面とした。この滑らかな平面上に、工程Ｌにて、スパッタリングにより鉄系金属層としてＮｉ層を１μｍの厚さに形成した。次に、工程Ｍにおいて、鉄系金属層であるＮｉ層の表面内の中心に、薄膜層として直径２０μｍ×厚さ０.３μｍのＷ層をＦＩＢにより形成した。そして、工程Ｎにて、このＷ層をマスクとするＲＩＥによりＮｉ層をエッチングして、直径２０μｍ×厚さ１μｍの円形状の鉄系金属マスクを形成した。
【０１３２】
その後、工程Ｏにおいて、上記直径２０μｍ×厚さ１μｍの円形状の鉄系金属マスクを用いて、ＲＩＥにより柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成した。得られた先鋭部は、高さが２７μｍで、先端半径が０.３μｍの円錐台状であった。こうして得られたダイヤモンド電子源３ａの電子放出特性を、電子顕微鏡と同等の電子光学系を持つ評価装置で調べた。電子源温度６００℃、引出電極アパーチャと先鋭部先端との距離０.４ｍｍ、引出電極アパーチャ径０.６ｍｍで、引出電圧を３ｋＶに設定して引き出した電子ビームを評価したところ、角電流密度１.２ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと良好な結果が得られた。
【０１３３】
更に、上記工程Ｏで得られた先鋭部について、工程Ｖにて、ＦＩＢにより先端形状を整え、曲率半径０.１μｍの滑らかな球面に仕上げた。このようにして得られたダイヤモンド電子源３ｂを、ダイヤモンド電子源３ａと同様にして電子放出特性を調べたところ、角電流密度１.８ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと上記ダイヤモンド電子源３ａよりも良好な結果が得られた。
【０１３４】
上記工程Ｖで得られた先鋭部について、更に工程Ｗで、水素プラズマ処理により先端部の表面ダメージ層を除去した。このようにして得られたダイヤモンド電子源３ｃを、ダイヤモンド電子源３ａと同様にして電子放出特性を調べたところ、角電流密度２.１ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと上記ダイヤモンド電子源３ｂよりも良好な結果が得られた。
【０１３５】
また、上記工程Ａと工程Ｂの間に工程Ｔを挿入して、柱状ダイヤモンド単結晶の片端に、頂部に滑らかな平面を持つ角錐台状の先鋭形状を形成した。頂部の滑らかな平面は０.１×０.１ｍｍの正方形で、その表面粗さＲａは３０ｎｍであった。これ以外はダイヤモンド電子源３ａと同様の工程により、図２４（ａ）及び（ｂ）に示すダイヤモンド電子源３ｄを作製した。このダイヤモンド電子源３ｄを、ダイヤモンド電子源３ａと同様にして電子放出特性を調べたところ、角電流密度１.６ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと上記ダイヤモンド電子源３ａよりも良好な結果が得られた。
【０１３６】
上記工程Ｌにおいて、鉄系金属層としてＮｉ層の代わりに、厚さ０.１〜１.５μｍのＦｅ層、Ｃｏ層、Ｎｉ合金層、あるいは、鉄系金属層の代わりにＣｒ層を形成した以外はダイヤモンド電子源３ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源３e、３f、３g、３ｈを作製した。完成形状はダイヤモンド電子源３ａと同様であった。この電子放出特性をダイヤモンド電子源３ａと同様にして調べたところ、ダイヤモンド電子源３ａと同等の良好な結果が得られた。
【０１３７】
上記工程Ｏにおいて、ＲＩＥにより柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成するエッチング条件が異なる以外はダイヤモンド電子源３ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源３ｉを作製した。得られた先鋭部は、高さが２７μｍで、先端半径が１０μｍの円錐台状であった。こうして得られたダイヤモンド電子源３ｉの電子放出特性をダイヤモンド電子源３ａと同様にして調べたところ、角電流密度０.４ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散１.０ｅＶが得られた。
【０１３８】
［比較例３］
上記工程Ｏにおいて、ＲＩＥにより柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成するエッチング条件が異なる以外はダイヤモンド電子源３ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源３ｊを作製した。得られた先鋭部は、高さが２７μｍで、先端半径が１５μｍの円錐台状であった。こうして得られたダイヤモンド電子源３ｊの電子放出特性をダイヤモンド電子源３ａと同様にして調べたところ、角電流密度０.１ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散１.０ｅＶであった。
【０１３９】
［実施例４］
工程Ａ、工程Ｂ、工程Ｐ、工程Ｑの順で、ダイヤモンド電子源４ａを作製した。工程Ａでは、２面が（１１０）面（オフ角７°以内）、２面が（２１１）面（オフ角７°以内）、２面が（１１１）面（オフ角７°以内）であり、大きさが０.６×０.６×２.５ｍｍの直方体であって、（１１１）面にＰドープエピタキシャルダイヤモンド薄膜（Ｐ濃度、１×１０２０ｃｍ−３）を気相成長させた高温高圧合成Ｂ入り（Ｂ濃度３×１０１９ｃｍ−３）柱状ダイヤモンド単結晶を準備した。尚、０.６×０.６ｍｍの面が（１１０）面であった。
【０１４０】
次に、工程Ｂで、０.６×０.６ｍｍの（１１０）面を研磨して、表面粗さＲａが３０ｎｍの滑らかな平面を形成した。そして、工程Ｐにおいて、ＦＩＢによって、直径２０μｍ×厚さ５μｍの円柱状のＳｉＯｘ層を形成した。
【０１４１】
その後、工程Ｑにおいて、ＲＩＥで直径２０μｍ×厚さ５μｍの円柱状のＳｉＯｘ層を用いたＲＩＥにより、柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成した。この先鋭部は、高さが１８μｍで、先端半径が２μｍの円錐台状であった。こうして得られたダイヤモンド電子源４ａの電子放出特性を、電子顕微鏡と同等の電子光学系を持つ評価装置で調べた。電子源温度６００℃、引出電極アパーチャと先鋭部先端との距離０.４ｍｍ、引出電極アパーチャ径０.６ｍｍで、引出電圧を３ｋＶに設定して引き出した電子ビームを評価したところ、角電流密度０.６ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと良好な結果が得られた。
【０１４２】
上記工程Ｑで形成した先鋭部について、工程Ｖにて、ＦＩＢにより先端形状を整え、曲率半径１.０μｍの滑らかな球状に仕上げた。このようにして得られたダイヤモンド電子源４ｂを、ダイヤモンド電子源４ａと同様にして電子放出特性を調べたところ、角電流密度１.８ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと上記ダイヤモンド電子源４ａよりも良好な結果が得られた。
【０１４３】
また、上記工程Ｑで得られた先鋭部について、更に工程Ｗで、水素プラズマ処理により先端部の表面ダメージ層を除去した。このようにして得られたダイヤモンド電子源４ｃを、ダイヤモンド電子源４ａと同様にして電子放出特性を調べたところ、角電流密度１.３ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと上記ダイヤモンド電子源４ａよりも良好な結果が得られた。
【０１４４】
更に、上記工程Ａと工程Ｂの間に工程Ｔを挿入して、柱状ダイヤモンド単結晶の片端に、頂部に滑らかな平面を持つ角錐台状の先鋭形状を形成した。頂部の滑らかな平面は０.１×０.１ｍｍの正方形で、その表面粗さＲａは３０ｎｍであった。これ以外はダイヤモンド電子源４ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源４ｄを作製した。このダイヤモンド電子源４ｄを、ダイヤモンド電子源４ａと同様にして電子放出特性を調べたところ、角電流密度０.８ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと上記ダイヤモンド電子源４ａよりも良好な結果が得られた。
【０１４５】
また、上記工程Ｂと工程Ｐの間に工程Ｕを挿入して、接着強化層として厚さ１０ｎｍのＴｉ層を形成した。これ以外はダイヤモンド電子源４ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源４ｅを作製した。ダイヤモンド電子源４ａとダイヤモンド電子源４ｅの作製工程を複数回繰り返して歩留まりを調査したところ、ダイヤモンド電子源４ｅの歩留まりの方が良かった。また、電子放出特性をダイヤモンド電子源１ａと同様にして調べたところ、ダイヤモンド電子源１ａと同等の良好な結果が得られた。
【０１４６】
上記工程Ｑにおいて、ＲＩＥにより柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成するエッチング条件が異なる以外はダイヤモンド電子源４ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源４ｆを作製した。得られた先鋭部は、高さが１８μｍで、先端半径が１０μｍの円錐台状であった。こうして得られたダイヤモンド電子源４ｆの電子放出特性をダイヤモンド電子源４ａと同様にして調べたところ、角電流密度０.３ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散１.０ｅＶが得られた。
【０１４７】
［比較例４］
上記工程Ｑにおいて、ＲＩＥにより柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成するエッチング条件が異なる以外はダイヤモンド電子源４ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源４ｇを作製した。得られた先鋭部は、高さが１８μｍで、先端半径が１１μｍの円錐台状であった。こうして得られたダイヤモンド電子源４ｇの電子放出特性をダイヤモンド電子源４ａと同様にして調べたところ、角電流密度０.１ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散１.０ｅＶであった。
【０１４８】
［実施例５］
工程Ａ、工程Ｂ、工程Ｒ、工程Ｓの順で、ダイヤモンド電子源５ａを作製した。工程Ａでは、２面が（１１０）面（オフ角７°以内）、２面が（２１１）面（オフ角７°以内）、２面が（１１１）面（オフ角７°以内）であり、大きさが０.６×０.６×２.５ｍｍの直方体であって、（１１１）面にＰドープエピタキシャルダイヤモンド薄膜（Ｐ濃度、９×１０１９ｃｍ−３）を気相成長させた高温高圧合成Ｂ入り（Ｂ濃度２×１０１９ｃｍ−３）柱状ダイヤモンド単結晶を準備した。尚、０.６×０.６ｍｍの面が（１１０）面であった。
【０１４９】
次に、工程Ｂで、０.６×０.６ｍｍの（１１０）面を研磨して、表面粗さＲａが３０ｎｍの滑らかな平面を形成した。そして、工程Ｒにおいて、ＦＩＢによって、直径２０μｍ×厚さ０.８μｍの円柱状のＮｉ層を形成した。
【０１５０】
その後、工程Ｓにおいて、ＲＩＥで直径２０μｍ×厚さ０.８μｍの円柱状のＮｉ層を用いたＲＩＥにより、柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成した。この先鋭部は、高さが２１μｍで、先端半径が０.３μｍの円錐台状であった。こうして得られたダイヤモンド電子源５ａの電子放出特性を、電子顕微鏡と同等の電子光学系を持つ評価装置で調べた。電子源温度６００℃、引出電極アパーチャと先鋭部先端との距離０.４ｍｍ、引出電極アパーチャ径０.６ｍｍで、引出電圧を３ｋＶに設定して引き出した電子ビームを評価したところ、角電流密度１.０ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと良好な結果が得られた。
【０１５１】
上記工程Ｓで形成した先鋭部について、工程Ｖにて、ＦＩＢにより先端形状を整え、曲率半径０.２μｍの滑らかな球状に仕上げた。このようにして得られたダイヤモンド電子源５ｂを、ダイヤモンド電子源５ａと同様にして電子放出特性を調べたところ、角電流密度１.４ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと上記ダイヤモンド電子源５ａよりも良好な結果が得られた。
【０１５２】
また、上記工程Ｓで得られた先鋭部について、更に工程Ｗで、水素プラズマ処理により先端部の表面ダメージ層を除去した。このようにして得られたダイヤモンド電子源５ｃを、ダイヤモンド電子源５ａと同様にして電子放出特性を調べたところ、角電流密度１.７ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと上記ダイヤモンド電子源５ａよりも良好な結果が得られた。
【０１５３】
更に、上記工程Ａと工程Ｂの間に工程Ｔを挿入して、柱状ダイヤモンド単結晶の片端に、頂部に滑らかな平面を持つ角錐台状の先鋭形状を形成した。頂部の滑らかな平面は０.１×０.１ｍｍの正方形で、その表面粗さＲａは３０ｎｍであった。これ以外はダイヤモンド電子源５ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源５ｄを作製した。このダイヤモンド電子源５ｄを、ダイヤモンド電子源５ａと同様にして電子放出特性を調べたところ、角電流密度１.３ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散０.５ｅＶと上記ダイヤモンド電子源５ａよりも良好な結果が得られた。
【０１５４】
上記工程Ｓにおいて、ＲＩＥにより柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成するエッチング条件が異なる以外はダイヤモンド電子源５ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源５ｅを作製した。得られた先鋭部は、高さが２１μｍで、先端半径が９μｍの円錐台状であった。こうして得られたダイヤモンド電子源５ｅの電子放出特性をダイヤモンド電子源５ａと同様にして調べたところ、角電流密度０.３ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散１.０ｅＶが得られた。
【０１５５】
［比較例５］
上記工程Ｓにおいて、ＲＩＥにより柱状ダイヤモンド単結晶の片端に一ヶ所の先鋭部を形成するエッチング条件が異なる以外はダイヤモンド電子源５ａと同様の工程により、ダイヤモンド電子源５ｆを作製した。得られた先鋭部は、高さが２１μｍで、先端半径が１１μｍの円錐台状であった。こうして得られたダイヤモンド電子源５ｆの電子放出特性をダイヤモンド電子源５ａと同様にして調べたところ、角電流密度０.１ｍＡ／ｓｒ、エネルギー分散１.０ｅＶであった。
【図面の簡単な説明】
【０１５６】
【図１】第１の実施形態の工程Ｂで、滑らかな平面を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の斜視図であり、（ａ）は工程Ｂのみ及び（ｂ）は更に工程Ｎで先鋭化した状態を示す。
【図２】第１の実施形態の工程Ｃで、滑らかな平面上にセラミック層を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図であり、（ａ）は工程Ｃのみ及び（ｂ）は更に工程Ｕで接着強化層を設けた状態を示す。
【図３】第１の実施形態の工程Ｄで、セラミック層上に薄膜層を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図であり、（ａ）は工程Ｄのみの状態、（ｂ）は（ａ）の平面図及び（ｃ）は更に工程Ｕで接着強化層を設けた状態を示す。
【図４】第１の実施形態の工程Ｅで、セラミックマスクを形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図であり、（ａ）はウェットエッチングによる場合及び（ｂ）はドライエッチングによる場合を示す。
【図５】第１の実施形態の工程Ｆで、先鋭部を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図である。
【図６】第２の実施形態の工程Ｂで、滑らかな平面を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の斜視図であり、（ａ）は工程Ｂのみ及び（ｂ）は更に工程Ｎで先鋭化した状態を示す。
【図７】第２の実施形態の工程Ｃで、滑らかな平面上にセラミック層を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図であり、（ａ）は工程Ｃのみ及び（ｂ）は更に工程Ｕで接着強化層を設けた状態を示す。
【図８】第２の実施形態の工程Ｇで、セラミック層上に鉄系金属又はＣｒ層を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図であり、（ａ）は工程Ｇのみ及び（ｂ）は更に工程Ｕで接着強化層を設けた状態を示す。
【図９】第２の実施形態の工程Ｈで、鉄系金属又はＣｒ層上に薄膜層を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図であり、（ａ）は工程Ｈ後の状態、（ｂ）はその平面図である。
【図１０】第２の実施形態の工程Ｉで、鉄系金属又はＣｒマスクを形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図である。
【図１１】第２の実施形態の工程Ｊで、セラミックマスクを形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図であり、（ａ）はウェットエッチングによる場合及び（ｂ）はドライエッチングによる場合を示す。
【図１２】第２の実施形態の工程Ｋで、先鋭部を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図である。
【図１３】第３の実施形態の工程Ｂで、滑らかな平面を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の斜視図であり、（ａ）は工程Ｂのみ及び（ｂ）は更に工程Ｎで先鋭化した状態を示す。
【図１４】第３の実施形態の工程Ｌで、滑らかな平面上に鉄系金属又はＣｒ層を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図である。
【図１５】第３の実施形態の工程Ｍで、鉄系金属又はＣｒ層上に薄膜層を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図であり、（ａ）は工程Ｍ後の状態、（ｂ）はその平面図である。
【図１６】第３の実施形態の工程Ｎで、鉄系金属又はＣｒマスクを形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図であり、（ａ）はウェットエッチングによる場合及び（ｂ）はドライエッチングによる場合を示す。
【図１７】第３の実施形態の工程Ｏで、先鋭部を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図である。
【図１８】第４の実施形態の工程Ｂで、滑らかな平面を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の斜視図であり、（ａ）は工程Ｂのみ及び（ｂ）は更に工程Ｎで先鋭化した状態を示す。
【図１９】第４の実施形態の工程Ｐで、滑らかな平面上にＳｉＯｘ層を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図であり、（ａ）は工程Ｐの円柱状のＳｉＯｘ層のみの状態、（ｂ）は工程Ｐの円錐状のＳｉＯｘ層のみ及び（ｃ）は更に工程Ｕにより接着強化層を設けた状態を示す。
【図２０】第４の実施形態の工程Ｑで、先鋭部を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図である。
【図２１】第５の実施形態の工程Ｂで、滑らかな平面を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の斜視図であり、（ａ）は工程Ｂのみ及び（ｂ）は更に工程Ｎで先鋭化した状態を示す。
【図２２】第５の実施形態の工程Ｒで、滑らかな平面上にＮｉ層を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図であり、（ａ）は工程Ｒの円柱状のＮｉ層を形成した状態、（ｂ）は工程Ｒの円錐状のＮｉ層を形成した状態を示す。
【図２３】第５の実施形態の工程Ｓで、先鋭部を形成した柱状ダイヤモンド単結晶を示す概略の断面図である。
【図２４】実施例３において作製した本発明のダイヤモンド電子源の電子顕微鏡写真であり、（ａ）は５００倍及び（ｂ）は３０００倍である。
【符号の説明】
【０１５７】
１０、２０、３０、４０、５０      柱状ダイヤモンド単結晶
１１、２１、３１、４１、５１      滑らかな平面
１２、２２      セラミック層
１３、１５、２３、２５、４３      接着強化層
１４、２６、３４      薄膜層
１６、２８      セラミックマスク
１７、２９、３６、４４、５３      先鋭部
２４、３２      鉄系金属又はＣｒ層
２７、３５      鉄系金属又はＣｒマスク
４２      ＳｉＯｘ層
５２      Ｎｉ層
【図１】
2008210775.tif 000003
【図２】
2008210775.tif 000004
【図３】
2008210775.tif 000005
【図４】
2008210775.tif 000006
【図５】
2008210775.tif 000007
【図６】
2008210775.tif 000008
【図７】
2008210775.tif 000009
【図８】
2008210775.tif 000010
【図９】
2008210775.tif 000011
【図１０】
2008210775.tif 000012
【図１１】
2008210775.tif 000013
【図１２】
2008210775.tif 000014
【図１３】
2008210775.tif 000015
【図１４】
2008210775.tif 000016
【図１５】
2008210775.tif 000017
【図１６】
2008210775.tif 000018
【図１７】
2008210775.tif 000019
【図１８】
2008210775.tif 000020
【図１９】
2008210775.tif 000021
【図２０】
2008210775.tif 000022
【図２１】
2008210775.tif 000023
【図２２】
2008210775.tif 000024
【図２３】
2008210775.tif 000025
【図２４】
2008210775.tif 000026