(57)【要約】【課題】低電力で電子を放出可能な電子放出体を得る。【解決手段】本発明の電子放出源２０は尖形にされており、その先端部分からなる電子放出部２３に炭化ハフニウム薄膜２２が形成されている。従来の電子放出源に用いられる導電性材料に比べ、炭化ハフニウムは仕事関数が小さいので、本発明の電子放出源２０は低電力で電子を放出することが可能である。従って、本発明の電子放出源２０を用いて電子露光装置を作製する場合、高電圧に対する耐圧性を付与する必要がなく、装置の小型化が用意であり、消費電力も小さくてすむ。また、炭化ハフニウムは融点が非常に高いので、本発明の電子放出源の寿命は長い。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料で構成された電子放出体と、炭化ハフニウムで構成された炭化ハフニウム薄膜とを有し、
前記放出体の先端は尖形に形成されて電子放出部が構成され、
前記炭化ハフニウム薄膜は前記電子放出部に形成され、
電圧を印加するとその先端から電子が放射されるように構成された電子放出源。
【請求項２】
前記電子放出体は針状にされた請求項１記載の電子放出源。
【請求項３】
基板を有し、前記電子放出体は円錐形形状にされ、前記基板上に前記電子放出体が前記基板の鉛直上方に向けて複数個配置された請求項１記載の電子放出源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子放出源に関し、特に、尖形の電子放出源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、走査型電子顕微鏡、フィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）や、電子線描画装置には、尖形の電子放出源が用いられている。
この電子放出源は導電性材料が針状又は円錐状に成形されて構成されており、このような電子放出源に電界を印加すると、その先端の狭い領域に電界が集中するため、その領域から電子が放出される。電子は非常に狭い領域から放出されるため、広がりが抑制され、電子は同じ方向に細い流れ（電子ビーム）となって進行する。
【０００３】
このような電子放出源は、電界を印加するだけで電子を放出するため、加熱する必要がなく、しかも、そのような電子放出源から放出される電子は電子密度が大きいという特徴がある。
一般に、電子放出源を構成する導電性材料としては、タングステン等の高融点物質が用いられており、これらの導電性材料は耐熱性が高いので、放電時に発生する熱により変形することがない。
【０００４】
しかしそのような導電性材料は仕事関数が高いので、電子放出源から電子を放出させるためには高電圧を印加する必要がある。従って、従来の電子放出源を用いた場合、装置に高電圧に対する耐圧性を付与する必要があり、装置が複雑で大型であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、耐熱性が高く、かつ、低電圧で電子を放射可能な電子放出源を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、導電性材料で構成された電子放出体と、炭化ハフニウムで構成された炭化ハフニウム薄膜とを有し、前記放出体の先端は尖形に形成されて電子放出部が構成され、前記炭化ハフニウム薄膜は前記電子放出部に形成され、電圧を印加するとその先端から電子が放射されるように構成された電子放出源である
請求項２記載の発明は、請求項１記載の電子放出源であって、前記電子放出体は針状にされた電子放出源である。
請求項３記載の発明は、請求項１記載の電子放出源であって、基板を有し、前記電子放出体は円錐形形状にされ、前記基板上に前記電子放出体が前記基板の鉛直上方に向けて複数個配置された電子放出源である。
【０００７】
本発明は上記のように構成されており、電子放出源の先端を、電子を照射する対象物に向けた状態で、該対象物に対して負の電圧を電子放出源に印加すると、電子放出部から対象物に向かって電子が放出される。
例えば、従来の電子放出源を構成するタングステンは、仕事関数が４．３ｅＶと大きいのに対し、炭化ハフニウムの仕事関数は３．４ｅＶと小さい。従って、電子放出部に炭化ハフニウム薄膜が形成された本発明の電子放出源は、従来に比べて小さい電圧で電子を放射することができる。また、炭化ハフニウムは融点が非常に高いので、本発明の電子放出源の寿命は長い。
【０００８】
炭化ハフニウム薄膜の成膜方法としては、少なくとも先端と側面とを有する形状に成形されたハフニウムを蒸着材料として用い、該蒸着材料の近傍にアノード電極を配置し、電子放出源の電子放出部を、蒸着材料の先端に向け、アノード電極と、電子放出部と、蒸着材料とを真空雰囲気に置き、電子放出部と蒸着材料との間であって電子放出部の近傍位置に有機ガスを供給しながら、蒸着材料の側面とアノード電極との間にアーク放電を発生させて、蒸着材料の側面からハフニウム粒子を放出させ、そのハフニウム粒子のうち、荷電粒子の進行方向を、アーク放電で生じた電流によって電子放出部側に向けて、荷電粒子を電子放出部に到達させ、荷電粒子と、有機ガスとを反応させて、電子放出部に炭化ハフニウム薄膜を形成する方法を用いることができる。
【０００９】
この方法によれば、蒸着材料から放出される粒子のうち、電荷質量比（電荷／質量）の大きい荷電粒子は、アーク電流で発生する磁界によって進行方向を曲げられ、電子放出部に到達するが、電荷質量比（電荷／質量）の小さい荷電粒子と、中性粒子は、アーク電流で発生する磁界によって進行方向を曲げられる率が少なく、これらの粒子は電子放出部に到達しない。
電子放出部に到達する荷電粒子は、電荷質量比の大きく、化学的活性の高いイオンなので、電子放出部を高温に加熱しなくても有機ガスと反応し、炭化ハフニウム薄膜が形成される。
また、上述した成膜方法で真空雰囲気の圧力を２．７×１０−２Ｐａ以下にしておけば、酸素等の不純物が混入しないので、純度が高い炭化ハフニウム薄膜を形成することできる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の電子放出源をその製造工程とともに詳細に説明する。
図１の符号１は本発明の電子放出源の製造に用いられる成膜装置を示している。この成膜装置１は、真空槽２と、蒸着源３と、基板ホルダ５０と、ノズル６３とを有している。
【００１１】
蒸着源３は真空槽２の底壁側に配置され、基板ホルダ５０は真空槽２の天井側に配置されている。ノズル６３は基板ホルダ５０と蒸着源３との間の位置であって、基板ホルダ５０の近傍位置に配置されている。
蒸着源３は、取り付け板３７と、アノード電極３２と、蒸着材料３１と、トリガ電極３４と、アーク電極３９とを有している。真空槽２の底壁には孔が形成され、取り付け板３７はその孔を気密に塞ぐように水平に取りつけられている。
【００１２】
アノード電極３２は円筒形であり、取り付け板３７の真空槽２の内部側に立設されている。また、アノード電極３２内部には棒状の取り付け部材３６が挿通されており、その下端部は取り付け板３７上に固定され、上部にはトリガ電極３４が、第一の絶縁部材３５を介して取り付けられている。
【００１３】
蒸着材料３１は、トリガ電極３４の上部に配置された第二の絶縁部材３３を介して、取り付け部材３６の先端位置に取り付けられている。この蒸着材料３１は、アノード電極３２の上端部分の開口３８よりも下側の位置、即ち、アノード電極３２内部に位置している。
蒸着材料３１はアノード電極３２の内径よりも小径に形成されており、かつ、蒸着材料３１はアノード電極３２の中心軸線８上に置かれている。従って、アノード電極３２の内周面と、蒸着材料３１の側面との間には隙間５１がある。
【００１４】
アーク電極３９は棒状であり、隙間５１に配置され、上端は蒸着材料３１に接続され、また、下端は取り付け板３７の絶縁材料４１を介して真空槽２の外部に気密に導出され、真空槽外に配置された電源装置４０に電気的に接続されている。
トリガ電極３４も、真空槽２の外部に電気的に導出されており、同じ電源装置４０に接続されている。他方、アノード電極３２と真空槽２はそれぞれ接地電位に接続されている。
【００１５】
真空槽２と、トリガ電極３４と、蒸着材料３１と、アノード電極３２は、第一、第二の絶縁部材３３、３５によって互いに絶縁されており、電源装置４０を起動すると蒸着材料３１には所定の大きさの負電圧が印加され、トリガ電極３４には蒸着材料３１よりも大きい負電圧が印加されるようになっている。
基板ホルダ５０の中心は、アノード電極３２の中心軸線８上に位置しており、基板ホルダ５０の真空槽２の底壁側の面に後述する処理対象物を配置したとき、処理対象物がアノード電極３２の開口３８と対向するようになっている。
【００１６】
真空槽２の外部には真空排気系６１が配置されている。
ノズル６３は真空槽２内に配置され、その先端の噴出口は処理対象物の近傍に配置されており、ノズル６３は真空排気系６１のボンベに接続されている。ボンベには所定種類の有機ガスが充填されており、ノズルの噴出口から処理対象物に向けてその有機ガスを噴出できるように構成されている。
上記成膜装置１を用いてこの電子放出部２３に炭化ハフニウム薄膜を成膜し、本発明の電子放出源を製造する工程について説明する。
【００１７】
図３（ａ）の符号２４は板状の保持部材であり、この保持部材２４は複数の貫通孔を有している。この貫通孔に針状に成形された導電性材料（ここではタングステン、Ｗ：結晶方位として〔３１０〕を使用）からなる電子放出体２１を片面から挿通し、反対側の面から電子放出体２１の先端を露出させ、処理対象物５２を構成させる。
【００１８】
電子放出体２１の先端部分は尖形にされており、保持部材２４の表面の貫通孔が形成された位置にそれぞれ１個の電子放出体２１の先端部分が露出されている。電子放出体２１の保持部材２４から露出した先端部分を電子放出部と称し、符号２３を付す。
真空槽２には真空排気系６２が接続されており、その真空排気系６２を起動し、予め、真空槽２の内部を１×１０−７Ｔｏｒｒ以下、（１．３×１０−５Ｐａ以下）の真空雰囲気にしておく。
【００１９】
該真空雰囲気を維持しながら、処理対象物５２を真空槽２内に搬入し、電子放出部２３を下側に向けた状態で、処理対象物５２を基板ホルダ５０に保持させると、電子放出部２３がアノード電極３２の開口３８に向く。
ガス導入系６１のボンベには有機ガスとしてメタンガスが配置されており、真空排気を続けながら、ノズル６３の噴出口からメタンガスを噴出させる。
【００２０】
メタンガスの流量を調整し、真空槽２内が、２×１０−４Ｔｏｒｒ以下（２．７×１０−２Ｐａ以下）の一定圧力で安定したところで、電源を起動し、アノード電極３２と、アノード電極３２と蒸着材料３１との間に１００Ｖ程度の電圧を印加した状態で、トリガ電極３４にパルス状の電圧（ここでは３．４ｋＶ）を印加する。
【００２１】
ここでは、蒸着材料３１として円柱形に成形されたハフニウム（Ｈｆ）が配置されており、その底面が水平に配置されている。即ち、蒸着材料３１の側面はアノード電極３２の内周面と互いに向かいあっているので、トリガ放電によって３１の側面から蒸着材料３１を構成するハフニウムの粒子が放出され、アノード電極３２内の圧力が上昇し、絶縁耐性が低下すると、アノード電極３２と蒸着材料３１との間にアーク放電が誘起される。
【００２２】
電源装置４０には、大容量のコンデンサが装備されており、予め、充電されている。アーク放電が誘起されると、コンデンサの放電によってアーク電流が供給される。ここでは、コンデンサの容量は８８００μＦであり、アーク電流の尖頭電流値は約１２００Ａ〜１４００Ａである。
アーク電極３９はアノード電極３２の中心軸線８に平行に、且つ中心軸線８の近傍に配置されており、アーク電流はアーク電極３９を蒸着材料３１から真空槽２の底面方向に向けて流れ、中心軸線８を中心とした磁界を形成する。
【００２３】
他方、アーク放電によって蒸着材料３１にアーク電流が流れると、蒸着材料３１の側面が溶融し、その部分からハフニウム粒子が放出される。
放出されたハフニウム粒子には、正又は負の荷電粒子と中性粒子がある。図２の符号８１は中性粒子を示し、符号８４は、荷電粒子のうち、質量に比べ電荷の小さい巨大荷電粒子を示している。これらの中性粒子８１と巨大荷電粒子８４は、アノード電極３２と蒸着材料３１との間の電界の影響を受けず、蒸着材料３１から放出されると、アノード電極３２に向けて直線的に飛行し、アノード電極３２の内周面に衝突するとそこに付着する。
【００２４】
電子や、負電荷を有する微小荷電粒子８２は、蒸着材料３１と反発し、且つ、正電圧のアノード電極３２に引きつけられ、蒸着材料３１からアノード電極３２に向かって飛行する。このとき、アーク電流が形成する磁界によって開口３８方向に向う力を受け、その飛行方向が開口３８方向に曲げられ、処理対象物５２に到達する。
【００２５】
他方、質量が小さく（電荷質量比が大きい粒子）、正電荷を有する微小荷電粒子８３は、蒸着材料３１から放出され、アノード電極３２に向う途中で正電圧のアノード電極３２によって押し戻され、負電圧の蒸着材料３１に引き寄せられて、蒸着材料３１の方向に向って逆向きに飛行する。
この逆向きの飛行のとき、正の微小荷電粒子８３は、アーク電流が形成する磁界から開口３８方向に向う力を受けるとともに前記処理対象物５２の方向にベクトルを持った電子流に吸引され、飛行方向が開口３８方向に曲げられ、開口３８から放出されて、処理対象物５２に向って飛行する。
【００２６】
上述したように処理対象物５２には有機ガスであるメタンガスが噴出されているので、正電荷を有する微小荷電粒子８３は処理対象物５２の電子放出部２３に付着すると、その表面でメタンガスと反応し、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）の薄膜が成長する。
薄膜成長中は、不図示の移動手段によって基板ホルダ５０はアノード電極３２の開口３８に対して相対的に回転しており、基板ホルダ５０と共に処理対象物５２も回転するので、結果として、電子放出部２３の先端と側面に均等に薄膜が成長する。
【００２７】
上述した成膜装置１では、真空槽２の外壁にヒータ６８と、冷水管６９が巻き回されており、このヒータ６８と冷水管６９によって、成膜中の真空槽２内の温度が所定温度に維持されるようになっている。
炭化ハフニウム薄膜が所定膜厚まで成長したところで、処理対象物５２を真空槽２外部へ取り出し、各電子放出体２１を保持部材２４からはずすと、図４に示すように、電子放出部２３に炭化ハフニウム薄膜２２が形成された電子放出源２０が得られる。
【００２８】
炭化ハフニウムは仕事関数が小さいので、本発明の電子放出源２０は、低電圧を印加するだけで電子を放出することが可能である。また、炭化ハフニウムは融点が非常に高いので、本発明の電子放出源２０の寿命は長い。
上述した成膜方法によれば、電子放出部２３に到達する粒子は正の荷電粒子８３と電子、即ちイオン化したハフニウム粒子と電子だけであり、しかもそれらの粒子は微小である。このようなハフニウム粒子は有機ガスとの反応性が非常に高いので、電子放出部２３を加熱しないでも電子放出部２３で有機ガスと反応する。
【００２９】
従来のイオンプレーティング法によりハフニウム粒子を成膜対象物に到達させ、炭化ハフニウム薄膜を成膜する場合、成膜対象物に到達するハフニウム粒子のうち、イオン化したハフニウム粒子は約３０％程度にしか過ぎず、しかも、電子放出部に到達する粒子には大きな粒子も含まれる。従って、イオンプレーティング法で成膜する場合、成膜対象物を加熱しなければ、ハフニウムと有機ガスが反応せず、炭化ハフニウムが得られない。しかし、成膜対象物を加熱すると、真空槽２が昇温し、真空槽２の内壁に付着した水が分解されて真空槽２内に酸素等の不純物が発生し、炭化ハフニウム薄膜に不純物が混入する原因となる。
【００３０】
上記のような電子放出源２０は、図５に示すような電子線描画装置に用いることができる。
この電子線描画装置５の電子銃として、上記電子放出体２０を用い、その電子放出部２３から電子を放出させ、偏向器２８によって電子線を曲げ、描画対象物２７表面の照射位置を走査し、描画対象物２７を所望パターンに露光することができる。
【００３１】
以上は針状の電子放出体２１に炭化ハフニウム薄膜２２を形成し、電子放出源２０を構成する場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
以下に、本発明の他の例の電子放出源をその製造工程とともに説明する。
図６（ａ）の符号７１は、図１の基板ホルダー５０に保持される処理対象物を示している。
【００３２】
この処理対象物７１は、ガラスで構成された基板７２を有しており、基板７２の表面には所定パターンにパターンニングされた配線膜７３が形成されている。基板７２と配線膜７３とで構成される積層体の表面には、複数の孔７６が行列状に形成された絶縁膜７４が形成され、絶縁膜７４の表面にはゲート電極膜７５が配置されている。各孔７６の底面には、シリコンやモリブデンなどの導電性材料が円錐状に成形されてなる電子放出体７７が、その先端である電子放出部８９を孔７６の開口に向けて鉛直に立設されている。
【００３３】
この処理対象物７１を、ゲート電極膜７５が形成された面を下側に向けて上述した成膜装置１の基板ホルダ５０に取り付けた後、上述した工程で有機ガスを噴出しながら、ハフニウム粒子を放出させると、図６（ｂ）に示すように、電子放出体７７の電子放出部８９と、ゲート電極７５の表面に炭化ハフニウムの薄膜７８が形成される。
【００３４】
例えば、エッチングなどの工程により、ゲート電極膜７５の表面に形成された炭化ハフニウム薄膜７８だけをエッチング除去すると、図６（ｃ）に示すような電子放出源７０が得られる。
この電子放出源７０を、図７に示すような陽極パネル９１の発光体９４に向けて配置し、陽極パネル９１の透明電極９３に正の電圧を印加し、電子放出源７０の配線膜７３に負の電圧を印加すると、電子放出部８９の先端から低電圧で電子が放射され、その電子が照射された発光体９４が発光し、その光が透明電極９３と、ガラス基板９２とを通過して外部へ放射される。
【００３５】
このとき、所望位置の電子放出部８９から電子を放出させると、その電子放出源７９に対向した発光体９４だけ発光し、その結果、文字図形等の所望の表示を得ることができる。
以上は有機ガスとしてメタンガスを用いる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、アセチレンガス、エチレンガス、エタンガス、プロパンガス等種々の有機ガスを用いることが可能であり、また、これらの有機ガスを２種類以上用いることもできる。
【００３６】
また、成膜に用いられるアノード電極３２の形状は円筒形に限定されるものではなく、中空の直方体等種々の形状のものを用いることができる。
電子放出体を構成する導電性材料は特に限定されるものではなく、電子放出体が針状の場合には、タングステン（Ｗ）以外にもタンタル（Ｔａ）等を用いることができ、電子放出体が円錐状の場合には、モリブデン以外にもケイ素等を用いることができる。
【００３７】
以上は、基板ホルダ５０を回転させる場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、結果として電子放出部にハフニウム粒子が均等に付着するのであれば、基板ホルダ５０をどのように移動させてもよい。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の電子放出源はその電子放出部に純度の高い炭化ハフニウム薄膜が形成されている。炭化ハフニウムは融点が高いだけではなく、仕事関数が小さいので、本発明の電子放出源は低電力で電子を放出できる上、寿命も長い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子放出源の製造に用いられる成膜装置の一例を説明する断面図
【図２】本発明の電子放出源の製造に用いられる蒸着源の原理を説明する図
【図３】本発明の電子放出源の製造に用いる処理対象物を説明する図
【図４】本発明の電子放出源の一例を説明する図
【図５】本発明の電子放出源を用いた電子線描画装置の一例を説明する図
【図６】（ａ）〜（ｃ）：本発明の電子放出源の他の例を製造する工程を説明する図
【図７】本発明の電子放出源を用いたＦＥＤを説明する図
【符号の説明】
１……成膜装置　　２……真空槽　　３……蒸着源　　２０、９１……電子放出源　　２１、７７……電子放出体　　２２、７８……炭化ハフニウム薄膜　　２３、８９……電子放出部　　３２……アノード電極　３８……開口　　３１……蒸着材料　　３４……トリガ電極　　８３……正の荷電粒子
【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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【図７】
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