(57)【要約】【課題】    リソグラフィ装置、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの電子ビーム利用装置のための熱陰極の寿命を延ばすとともに電子光学的性能を改善する。【解決方法】この発明による改良型の熱陰極は、外側表面に炭素被膜を施した円錐状部と、例えば６０度以下の比較的小さい円錐角とを備え、放出電子ビームの角度強度および輝度が大きく、寿命が長い。【選択図】    図５Ａ
2005228741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱陰極であって、
端面および円錐状部を備える結晶質の電子放出部と、
前記円錐状部の外側表面に設けた炭素被膜と
を含む熱陰極。
【請求項２】
前記結晶質の電子放出部が六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）単結晶から成る請求項１記載の熱陰極。
【請求項３】
前記円錐状部が２０度乃至６０度の範囲の円錐角を有する請求項１記載の熱陰極。
【請求項４】
前記炭素被膜が、熱分解炭素およびダイアモンド様炭素（ＤＬＣ）から成る群から選んだ炭素で形成されている請求項１記載の熱陰極。
【請求項５】
前記円錐状部の外側表面が微小凹凸を有し、前記炭素被膜の厚さがその微小凹凸の大きさの少なくとも２倍である請求項１記載の熱陰極。
【請求項６】
前記炭素被膜の厚さが２μｍ乃至２０μｍである請求項５記載の熱陰極。
【請求項７】
端面および円錐状部を備える結晶質の電子放出部を有する熱陰極の改良であって、
前記円錐状部の外側表面に設けた炭素被膜
を含む改良。
【請求項８】
前記結晶質の電子放出部が六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）単結晶で構成されている請求項７記載の改良。
【請求項９】
前記円錐状部の円錐角が２０度乃至６０度である請求項７記載の改良。
【請求項１０】
前記炭素被膜が、熱分解炭素およびダイアモンド様炭素（ＤＬＣ）から成る群から選んだ炭素で形成されている請求項７記載の改良。
【請求項１１】
前記円錐状部の外側表面が微小凹凸を有し、前記炭素被膜の厚さがその微小凹凸の大きさの少なくとも２倍である請求項７記載の改良。
【請求項１２】
前記炭素被膜の厚さが２μｍ乃至２０μｍである請求項１１記載の改良。
【請求項１３】
電子放出装置であって、
端面および円錐状部分を備える結晶質の電子放出部と、前記円錐状部分の表面に設けた炭素被膜とを有する熱陰極と、
電子放出部ヒータと、
前記結晶質の電子放出部の支持部材と
を含む電子放出装置。
【請求項１４】
前記結晶質の電子放出部が六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）単結晶から成る請求項１３記載の電子放出装置。
【請求項１５】
前記円錐状部が２０度乃至６０度の範囲の円錐角を有する請求項１３記載の電子放出装置。
【請求項１６】
前記炭素被膜が、熱分解炭素およびダイアモンド様炭素（ＤＬＣ）から成る群から選んだ炭素で形成されている請求項１３記載の電子放出装置。
【請求項１７】
前記円錐状部の外側表面が微小凹凸を有し、前記炭素被膜の厚さがその微小凹凸の大きさの少なくとも２倍である請求項１３記載の電子放出装置。
【請求項１８】
前記炭素被膜の厚さが２μｍ乃至２０μｍである請求項１７記載の電子放出装置。
【請求項１９】
熱陰極用の結晶質電子放出部を製造する方法であって、
前記結晶質電子放出部の円錐状部の外側表面に炭素被膜を設ける過程
を含む方法。
【請求項２０】
前記炭素被膜がピンホールなしの被膜である請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記結晶質の電子放出部が六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）単結晶から成る請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
前記円錐状部が２０度乃至６０度の範囲の円錐角を有する請求項１９記載の方法。
【請求項２３】
前記炭素被膜が、熱分解炭素およびダイアモンド様炭素（ＤＬＣ）から成る群から選んだ炭素で形成されている請求項１９記載の方法。
【請求項２４】
前記円錐状部の外側表面が微小凹凸を有し、前記炭素被膜の厚さがその微小凹凸の大きさの少なくとも２倍である請求項１９記載の方法。
【請求項２５】
前記炭素被膜の厚さが２μｍ乃至２０μｍである請求項２４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、概括的には、電子ビームリソグラフィ装置、電子ビーム描画装置、多電子ビームシステム、走査型電子顕微鏡などに用いる熱陰極の改良に関する。より詳しくいうと、この発明は、角度強度および輝度の大きい電子ビームを発生し寿命の長い炭素被覆円錐状表面を有する熱陰極に関する。
【背景技術】
【０００２】
多様な電子ビーム装置（例えば、電子ビームリソグラフィ装置、電子ビーム描画装置、多電子ビームシステム、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）など）において、六ホウ化ランタンＬａＢ６が電子源として用いられている。通常のＬａＢ６陰極は、図１Ａに斜視図で示すとおり、指定の寸法、円錐角、および円錐台端部を有する円錐状の形状を備える。円錐台端面は、図１Ｂおよび図１Ｃにそれぞれ断面図で示すとおり平面状でも球面状でも差し支えない。この端面の直径は通常５μｍ乃至１００μｍであり、円錐角は６０度乃至１１０度であるが、これらの数値は陰極の用途によって適宜選択する。この端部の端面を通常は（１００）結晶面とする。
【０００３】
しかし、ＬａＢ６陰極には二つの欠点がある。その一つは、陰極の稼働に伴う陰極材料の蒸発によりその表面の寸法が継続的に小さくなり陰極の寿命を短くすることである。ＬａＢ６結晶材料は、通常の動作温度（１６５０乃至１９００°Ｋ）において、１００時間あたり数μｍの割合で蒸発する。最終的には、その陰極端部は突端となり陰極の寿命が尽きる。この経過を図２Ａ乃至図２Ｃの陰極概略図で示す。すなわち、使用開始前の陰極の端部は、図２Ａに示すとおり、平面状であり、使用がある程度進んだ段階では、図２Ｂに示すとおり寸法の小さい平面となり、寿命の末期には図２Ｃに示すとおり突端となる。図２Ａ乃至図２Ｃは、陰極の電子放出部１４の端部表面１１および円錐状表面から陰極材料が時間の経過とともに蒸発することにより表面１１が小さくなる様子を示す。
【０００４】
この現象は次のとおり説明できる。すなわち、ＬａＢ６は立方晶系構造を備えており、その（１１１）結晶面または（１００）結晶面で平面状端部を形成するように陰極は構成してある。去る１９９０年以来、市販のＬａＢ６陰極はすべて（１００）結晶面型、すなわち端部を（１００）結晶面で構成したものである（「Journal of Applied Physics」誌第64巻第７号（1988年10月号）第3380頁乃至第3392頁所載のM. GesleyおよびF. Hohn共著の論文参照）。ＬａＢ６は、その動作温度において、温度および真空度に応じて若干の差はあるものの、通常は１００時間あたり４μｍ程度の割合で蒸発する。その結果、図２Ａ乃至図２Ｃに示した上述の形状変化が生ずる。稼働時間５００時間後になると、蒸発による表面層の喪失は厚さ約２０μｍに達する。この結晶体本体の寸法は直径２００乃至８００μｍであるので、この程度の蒸発では本体の形状には著しい変化は生じない。しかし、上記端部の端面は例えば直径５０μｍ程度であって本体直径よりもずっと小さいので、厚さ２０μｍの喪失は著しい変化であり、（１００）結晶面の露出が消失し陰極の電子光学特性および電子放出特性に悪影響を及ぼす。
【０００５】
ＬａＢ６陰極の円錐角は陰極の寿命を左右する（「Journal of Vacuum Science Technology」誌第Ｂ４巻第１号（1986年）第112−116頁所載のP.
R. Davisほか著の論文参照）。すなわち、円錐が尖っているほど寿命は短い。陰極端部半径の減少ΔＲｆは円錐角２αおよび蒸発率ΔＲｖによって定まり、式１，すなわち、
［式１］  ΔＲｆ＝ΔＲｖ＊（１／cosα−tanα）
で与えられる。真空度１×１０−７Torr.の中の高品質ＬａＢ６結晶の場合は、ΔＲｖは０．０４μｍ／時である。したがって、ΔＦを陰極端部半径の所与の許容可能な喪失値とすると、陰極蒸発により短縮された結果の陰極寿命Ｔ（時間）の推算値は、式２，すなわち、
［式２］  Ｔ＝ΔＦ／ΔＲｖ＊（１／cosα−tanα）時間
で与えられる。
【０００６】
陰極寿命を長くするには、ＬａＢ６円錐角を大きくする必要がある。しかし、ＬａＢ６円錐角を大きくすると、ＬａＢ６陰極輝度および角度強度が減少する（図３参照）。したがって、輝度および角度強度の大きい電子ビームを得るために短いＬａＢ６陰極の寿命で妥協するか、寿命を長くするために小さい輝度および角度強度で妥協する必要がある。
【０００７】
ＬａＢ６陰極のもう一つの欠点は、動作状態で陰極からの電子ビームが図４に示すとおり端面および円錐状部表面の両方からの電子ビームで形成されることである。図４は電子放出端面１１および円錐状部表面１３を示す。円錐状表面１３から放出される電子は放出電子流全体の６５％に達するが、集束度の高いビームとしては使えない（上記GesleyおよびHohn共著の論文、およびP. SewellおよびA. Delage共著の技術書 "Electron Optical Systems," SMC Inc.
Chigaco (1984年)第163−170頁参照）。これらの電子は開口絞りで遮断する必要があり、そのために電子ビームカラムの構成および熱放散の管理が複雑になり、高電圧破壊を生ずることもあり得る。また、これら円錐状部表面からの放出電子は大域的空間電荷効果および確率的空間電荷効果の両方を悪化させ（J.
Orloff編 "Handbook of Changed Particle
Optics," CRC New York (1997年)第275−318頁参照）、そのためにビーム集束の質、ビームスポットサイズ最小値、並びに角度強度および輝度最大値について妥協が避けられなくなる。
【０００８】
上述のとおり、従来技術では、ＬａＢ６陰極の陰極材料の蒸発および円錐状部表面からの電子放出の抑止または解消をもたらす陰極構造の創出には至っていない。
【０００９】
【非特許文献１】M. Gesley and F. Hohn, Journal  of Applied Physics, 64(7), October 1988,pp.3380-3392.
【非特許文献２】P. R.Davis, Journal of Vacuum Science Technology B4(1), 1986, pp.112-116.
【非特許文献３】P.Sewell and A. Delage "Electron OpticalSystems," SEM Inc., Chicago, 1984, pp.163-170.
【非特許文献４】J. Orloff編 "Handbook of Charged Particle Optics,"CRC, New York, 1997, pp.275-318.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
この発明の目的は、陰極の寿命を長くするとともに円錐部表面からの放出電子を減らすように構成した端面および円錐部表面を備える結晶質電子放出部を含む熱陰極を改良することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は陰極円錐部表面からの電子放出および陰極材料の蒸発を大幅に抑えまたは解消することにより電子源角度強度および輝度を高める手段を提供する。この発明によると、新規な陰極「Ｋ陰極」、すなわち円錐部表面に施した炭素被膜を含む陰極を、角度強度および輝度を最大にする（したがって電子ビーム集束の質も向上）とともに陰極の寿命を長くするような形状にしたＫ陰極が得られる。すなわち、この発明の熱陰極は外側表面に炭素被膜を施した円錐状部と端面とを備える結晶から成る電子放出部を含む。この電子放出部の結晶を円錐状六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）単結晶で構成し、円錐角を２０度乃至６０度の範囲の値にするのが好ましい。陰極の炭素被膜は、例えばダイアモンド様の炭素（ＤＬＣ）や熱分解炭素などで構成し、その厚さは約８μｍ乃至１０μｍとする。この厚さを、円錐部表面の微小凹凸の大きさの少なくとも２倍とする。
【００１２】
この発明はさらに電子放出装置も提供する。すなわち、この電子放出装置は、端面と外側面に炭素被膜を施した円錐状部分とを備える結晶質電子放出部を有する熱陰極と、電子放出部ヒータと、各構成部分を所望の位置関係に保持する保持部材とを含む。
【００１３】
この発明は、さらに、熱陰極の中の結晶体から成る電子放出部の円錐体の外側表面からの電子放出を抑止する方法を提供する。この方法は、前記円錐体の外側表面に炭素被膜を施す過程を含む。この炭素被膜が上記外側表面からの電子の放出を抑止する。結晶質電子放出部は六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）単結晶で構成でき、円錐体の円錐角は２０度乃至６０度の範囲内の値とすることができる。炭素被膜は、例えば、熱分解炭素やダイアモンド様の炭素（ＤＬＣ）で構成する。
【００１４】
この発明は、さらに、熱陰極用の結晶質電子放出部の製造方法を提供する。この方法は、結晶質電子放出部の円錐体の外側表面に炭素被膜を施す過程を含む。この炭素被膜はピンホールのない形で形成し、電子放出部は六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）で構成する。円錐体の円錐角は約２０度乃至６０度の範囲の値とする。炭素被膜は例えば熱分解炭素やダイアモンド様の炭素（ＤＬＣ）で構成する。一つの実施例では、炭素被膜の厚さは円錐状部外側面の微小凹凸の大きさの少なくとも２倍にしてある。もう一つの実施例では、炭素被膜の厚さは８μｍ乃至１０μｍである。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によると、寿命が長くビーム集束性の優れたＬａＢ６結晶質熱陰極を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明はＬａＢ６陰極などの熱電子源の構造の改良を提供する。この発明の陰極（Ｋ陰極）は、陰極を構成する結晶体の円錐状部分の表面に堆積させた炭素の被膜の層により、従来慣用のこの種の陰極に比べて優れた輝度と寿命とを備える。通常の動作温度（１６５０°Ｋ乃至１９００°Ｋ）において、蒸気圧約１０−１０Torr.の下での上記炭素被膜の蒸発の速さはごく低い。したがって、蒸発は無視できるほどのごく遅い速さで進み、被膜の寸法（したがってその被膜の下の結晶表面の寸法）は陰極の製品寿命（約３０００時間）全期間にわたりほとんど変動しない。また、上記動作温度における炭素の電子放出はＬａＢ６の１０００分の１以下であってごく少なく、実用上無視できる。したがって、この発明の炭素被膜陰極は、円錐状表面からの電子放出も材料蒸発も伴うことなく、角度強度および輝度の上昇を達成する。従来技術の陰極に避けられなかった上述の問題点もこれによって解消する。
【００１７】
さらに、この発明の陰極は、陰極結晶体の寿命を損なうことなく角度強度および輝度を上げるように従来慣用の陰極よりも円錐角を小さくするなどの手法により、角度強度、輝度および寿命の最大化に適した形状にすることができる。
【００１８】
この発明の実施例の陰極の概括的断面図、斜視図および平面図を図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃにそれぞれ示す。陰極構成体１０の断面を示す図５Ａにおいて、この陰極構成体１０は、下側の筒状部分１５と上側のテーパ部分１４，すなわち先端切断端面（円錐台部分）１１および炭素被膜１２で被覆した円錐状側面１３を含むテーパ部分１４とを含む。図５Ｂおよび図５Ｃは端面１１の半径１６を有する陰極の斜視図および平面図をそれぞれ示す。
【００１９】
この発明の好ましい実施例においては電子ビーム放出部をＬａＢ６結晶体で構成し、この陰極をＫ−ＬａＢ６陰極と称する。しかし、この発明はＬａＢ６陰極を用いたものに限られるわけではない。例えば、この発明の手法はＣｅＢ６（六ホウ化セリウム）結晶質電子放出部にも適用できる。
【００２０】
この発明の好ましい実施例では、上記炭素被膜は例えばＤＬＣ（ダイアモンド様の炭素）で構成する。しかし、熱分解炭素など上記以外の形の炭素もこの発明の実施に利用できることは当業者には明らかであろう。炭素被膜の材料の選択は、陰極の製造コスト、被膜堆積のために利用できる設備の有無、材料の入手可能性など当業者に周知の諸要素に左右される。例えば、炭素被膜形成の主な手法としては、ＣＶＤ堆積および熱分解炭素堆積があるが、前者はコストが高く後者は割安である。これらの手法以外でも、陰極結晶体の円錐状表面に炭素被膜を形成する手法であればこの発明の陰極の製造に利用できる。
【００２１】
図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃを参照すると、陰極構成体１０のテーパ付きの円錐状部分１４の表面１３に炭素被膜１２を形成する。陰極構成体１０の端面１１には炭素被膜が堆積されないようにするか、堆積されたのち除去して、端面１１からの電子放出が妨げられないようにする。陰極構成体１０の側面１５には炭素被膜は形成しない。その炭素被膜を通じて赤外線輻射が生じて電子放出用の熱エネルギーを喪失し、陰極の消費電力が増大するからである。この側面１５からも材料の蒸発は生ずるが、その蒸発は陰極の寿命にも電子光学系の性能にも悪影響を及ぼさない。
【００２２】
円錐状部１４の表面１３に炭素被膜を正確に形成する手法として、例えば、J. C. Bokros著の記事 "Deposition, structure, and properties of pyrolytic carbon," (P. L. Walker Jr.編「Chemistry and
Physics of Carbon」Marcel Dekker Inc. 1969年刊所載)に記載された手法など周知の手法を採用できる。炭素被膜の厚さは通常２μｍ乃至２０μｍとするが、ＬａＢ６表面の微小凹凸の初期値や採用した炭素被膜形成方法などに応じて好ましくは５μｍ乃至１０μｍとする。炭素被膜にはピンホールが生じないようにしなければならない。概括的にいうと、炭素被膜の厚さはＬａＢ６の表面の微小凹凸の大きさの少なくとも２倍以上でなければならない。この厚さの条件は、採用した炭素被膜形成方法にも左右される。被膜が厚すぎると応力がかかって亀裂を生ずるので、厚すぎないように注意する必要がある。ピンホールなしの被膜の形成に必要な膜厚の最小値／最大値は被膜形成方法により異なる（「Vacuum
Technology and Coating Magazine」誌2004年１月号第６−12頁所載のD. Madox著の記事参照）。炭素被膜１２の厚さは表面１３全体にわたりほぼ均一とし、厚さの変動は所定の厚さの１０％以内とする。炭素被膜は陰極の電界に直接に露出するので、厚さの不均一性はその電界に歪みを与え、陰極の電子光学的品質を損なう。
【００２３】
この陰極は、所望の性能の達成のために、結晶体の円錐角、円錐台端面直径、形状などを所望値に選択的に設定できる。すなわち、これらのパラメータを、電子放出部の所望の角度強度、輝度、寿命に適合させて選ぶことができる。これらパラメータの中でもとくに改変できるのは円錐角である。当業者には明らかなとおり、陰極の使用環境に応じて、角度強度および輝度と寿命との二つの互いに相容れない属性の一方または他方を増減させることができる。例えば、陰極の寿命がある程度短くなっても角度強度および輝度を高める必要がある場合もあり得る。また、角度強度および輝度の最大値が得られなくても陰極の寿命をできるだけ長くする必要がある場合もある。当業者には明らかなとおり、結晶体のこれらパラメータを、炭素被膜の安定化効果により所望の陰極の性能を広範囲にわたり達成できるように調整することができる。とくに、角度強度および輝度を高レベルで達成するとともに長寿命化も併せて達成することができる。
【００２４】
結晶体の形状は使いやすく効果の得やすい任意の形状にすることができる。好ましい実施例では、この結晶体は直径約２００μｍ乃至８００μｍの断面円形の筒状体である。代替的に、対角線の長さが約２００μｍ乃至約１６００μｍの範囲の断面長方形の直方体とすることもできる。結晶体の形状および寸法の選択は、ＳＥＭ、ＴＥＭ、電子ビームリソグラフィ装置、プローブ、電子ビーム描画装置、多電子ビームシステム、自由電子レーザ、電子銃など陰極の特定の用途、並びに採用したヒータの形式によって定める。例えば、Vogelヒータの場合は結晶体を直方体状にする必要があり（「Review of Scientific Instruments」誌第41巻第585頁（1970年）所載のS.
F. Vogel著の論文参照）、同軸ヒータの場合は円筒状にする必要がある（「Journal of Applied Physics」誌第53巻第３号（1982年３月号）所載のF.
Holn著の論文参照）。
【００２５】
同様に、陰極の電子放出端面（円錐台部分）も任意の形状にすることができる。好ましい実施例では、この端面を平面にすることもでき（図１Ａ参照）、非平面にすることもできる（図１Ｃ参照）。この端面の直径は通常は約５μｍ乃至約１００μｍの範囲の値とし、好ましくは約５μｍ乃至約７０μｍの範囲の値とする。陰極の端面の形状および寸法によって陰極の最大輝度および放出電子電流最大値がほぼ定まる。陰極寸法の選択はその陰極の用途によって定まる。例えば、ＳＥＭ用には高輝度および小放出電流が必要であり、放出面寸法の最適値は約５μｍである。リソグラフィ装置用には中程度の輝度および大放出電流が必要であり、放出面寸法最適値は５０μｍ以上である。
【００２６】
この発明のＫ陰極においては、陰極の寿命は電子放出端面の蒸発による材料の喪失だけで定まる。したがって、この発明のＫ陰極では、陰極寿命を犠牲にすることなく従来技術の陰極よりも大きい角度強度および輝度を達成するように円錐角をさらに鋭角にすることができる。概括的にいうと、この発明の陰極における円錐角は９０度以下とし、好ましくは約６０度以下とする。好ましい実施例では、円錐角を２０度乃至６０度の範囲の値とする。概括的にいうと、円錐角の減少量１度につき輝度は約１％乃至３．５％上昇する。例えば、円錐角を約１０度小さくすると、角度強度および輝度は約１０％乃至３５％上昇する。当業者には明らかなとおり、角度強度および輝度の正確な増大幅は、陰極の動作温度、電界強度、電極構造などの因子に左右される。
【００２７】
この発明は、例えばＬａＢ６結晶などの結晶体の円錐状表面に炭素被膜を形成することによって陰極電子放出部を製造する方法を併せて提供する。上述のとおり、円錐状表面に炭素被膜を形成することにより、その円錐状表面からの電子の放出を抑止し、それによって、与えられた角度強度および輝度に対する陰極の寿命を延ばす。その結果、電子ビーム集束の質が改善される。
【００２８】
この発明は、角度強度および輝度を大幅に高めた電子源（陰極）装置を併せて提供する。その種の装置を概略的に図６に示す。この装置は結晶質電子放出部２０，すなわち円錐状部分２１を含みその部分２１の外側表面に炭素被膜を形成した電子放出部２０と、電子放出部ヒータ３１と、支持部材３０とを含む。当業者には明らかなとおり、支持部材３０はこの装置の各構成部分を所望の位置関係に保持し、電子放出部の結晶体に直接に結合したferruleなど（例えばcarbon ferrule）と、基体（セラミックなど）と、各構成部分の取付用の締具などを含む。また、この装置の電子放出部ヒータは、例えば炭素ヒータ棒、抵抗素子スパイラルなどで構成する。これら構成部分の形状寸法は装置の用途によって定める。この装置の適当な構成例は、例えば、「Journal
of Applied Physics」誌第53巻第３号（1982年）第1283−1296頁所載のF. Hohn著の論文の記載してある。
【００２９】
次に、この発明の実施例の性能を従来技術による製品と比較して述べる。
【００３０】
［実施例１］電子放出電流合計値の関数としての電子ビーム角度強度を従来技術による陰極とＫ−ＬａＢ６陰極との間で比較する。
【００３１】
陰極の円錐状表面に炭素被膜を形成したＫ−ＬａＢ６陰極を次のとおり構成した。通常のＬａＢ６電子放出部部材を炭素リッチガス（プロパンまたはブタン）で充たした反応室に入れ、数分間にわたり特定の温度に加熱した。次に、それら電子放出部部材を反応室から取り出し、表面に形成された熱分解炭素被膜を精査した。電子放出部の端面から炭素を除去するようにその端面を再研磨し、放出部を露出させた（図７参照）。この方法により、厚さ８μｍ乃至１０μｍのピンホールなしの炭素被膜が形成されることを確認した。円錐角６０度および９０度で端面直径５０μｍおよび１００μｍのＫ陰極をこの方法により作成した。
【００３２】
電子放出電流合計値の関数としての電子ビーム角度強度をＫ−ＬａＢ６陰極と従来技術によるＬａＢ６陰極との間で比較した。円錐角９０度で電子放出端面直径５０μｍの二つのＫ−ＬａＢ６陰極および従来技術による二つのＬａＢ６陰極（円錐角９０度、電子放出端面直径５０μｍ）を用いた。角度強度をｘ軸にとり電子放出電流合計値をｙ軸にとった図８に比較の結果を示す。図８において、従来技術による陰極について得られた二つのデータの組を三角形および黒丸点のプロットで示し、この発明のＫ−ＬａＢ６陰極について得られた二つのデータの組を正方形と×印のプロットで示す。この図から理解されるとおり、同じ大きさの電子放出電流合計値について（例えば、矢印で示した７５μＡ）、Ｋ−ＬａＢ６陰極のもたらす角度強度は従来技術の陰極のもたらす値の約４倍になる。逆に、ある値の角度強度値をもたらすためにＫ−ＬａＢ６陰極が必要とする電子放出電流合計値は、同じ値の角度強度値をもたらすために従来技術の陰極が必要とする電流合計値の約４分の１である。
【００３３】
この例は、Ｋ−ＬａＢ６陰極の電子光学上の利点、すなわち同一の電子放出電流合計値における角度強度および輝度の増加が従来技術のＬａＢ６陰極の場合の４倍に達することを示している。
【００３４】
［実施例２］Ｋ−ＬａＢ６陰極の円錐角を最適化する。
【００３５】
Ｋ−ＬａＢ６陰極の円錐角の変化がこの陰極の寿命に及ぼす影響を把握するためにさらに検討を加えた。電子放出端面直径５０μｍで円錐角９０度および６０度の二つのＫ−ＬａＢ６陰極を用いた。陰極の円錐状表面には、上記の実施例１と同様に、炭素リッチガス充満反応室内で厚さ８μｍの炭素被膜を堆積させた。
【００３６】
長時間にわたる稼働ののち、上記二つのＫ−ＬａＢ６陰極を、電子放出電流の保持率および輝度の保持率などの性能について比較した。円錐角９０度および６０度のＬａＢ６陰極について得られた結果を表１および表２にそれぞれ示す。「材料喪失」と表示した欄は端面から蒸発したＬａＢ６の厚さをμｍ単位で示す。「％放出電流」と表示した欄は放出電流の保持の百分比を示す。「輝度」と表示した欄は輝度の保持の百分比を示す。「動作時間」と表示した欄は真空度１×１０−７Torr.よりも高い真空度で動作した時間を示す。
【００３７】
【表１】
2005228741.tif 000003
【００３８】
【表２】
2005228741.tif 000004
【００３９】
上述の結果は図９のグラフにも表示してある。この図からも理解されるとおり、円錐角９０度のＫ−ＬａＢ６陰極では、動作時間２００時間経過後には電子放出端面の材料喪失が２０μｍに達し輝度低下が２４．５％に達する。陰極用途の大部分において、輝度低下がその程度に達するとその陰極の寿命は尽きている。これに対して、円錐角６０度のＫ−ＬａＢ６陰極では、動作時間２００時間経過後で見ると電子放出端面の材料喪失は２０μｍに達するものの輝度の低下は１％に留まる。動作時間３００時間経過後でも輝度は使用開始時の７７％を保持している。輝度保持率が非常に高いので、陰極の寿命は従来技術の陰極に比べて少なくとも１０００時間は延びている。
【００４０】
この実施例は、上記円錐角を小さくすることによりＫ−ＬａＢ６陰極の寿命を大幅に延ばすことができることを示している。
【００４１】
好ましい実施の態様についてこの発明を上に説明してきたが、この発明が特許範囲記載の真意と範囲を逸脱することなく種々の改変を加えて実施可能であることは当業者には明らかであろう。したがって、この発明は上述の実施の態様に限定されず、特許請求の範囲記載の構成要素の種々の変形をも包含するものである。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
走査型電子顕微鏡などに用いる熱陰極の寿命を長くするとともに集束度の高い電子ビームを供給できるようにしてこれら電子ビーム利用装置の費用効果の改善に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１Ａ】ＬａＢ６陰極の先端部の概略的斜視図であって、円錐体のテーパ状部分および円錐台状部分を示す図。
【図１Ｂ】ＬａＢ６陰極の先端部の概略的斜視図であって、円錐体のテーパ状部分および円錐台状部分を示す図。
【図１Ｃ】ＬａＢ６陰極の先端部の概略的斜視図であって、円錐体のテーパ状部分および円錐台状部分を示す図。
【図２Ａ】ＬａＢ６結晶材料の蒸発により陰極の寸法が小さくなる様子を示す。
【図２Ｂ】ＬａＢ６結晶材料の蒸発により陰極の寸法が小さくなる様子を示す。
【図２Ｃ】ＬａＢ６結晶材料の蒸発により陰極の寸法が小さくなる様子を示す。
【図３】ＬａＢ６陰極の輝度および角度強度が円錐角の拡大とともに減少する様子を示す図。
【図４】陰極からの電子ビームが端部および円錐状部表面の両方からの電子により形成される様子を示す図。
【図５Ａ】この発明の一つの実施例の陰極の概略的断面図。
【図５Ｂ】この発明の一つの実施例の陰極の概略的斜視図。
【図５Ｃ】この発明の一つの実施例の陰極の概略的平面図。
【図６】この発明の陰極を用いた装置の概略図。
【図７】ＬａＢ６結晶体電子放出部の拡大平面図。
【図８】従来技術によるＬａＢ６陰極およびＫ−ＬａＢ６陰極の電子ビーム角度強度比較図。
【図９】Ｋ−ＬａＢ６陰極の寿命を円錐角９０度および６０度の場合について比較した図。
【符号の説明】
【００４４】
１１        端面
１２        炭素被膜
１３        テーパ部表面
１４        円錐状部
１５        結晶質陰極本体
２０        結晶質電子放出部
２１        円錐状部
２２        炭素被膜
３０        支持部材
３１        電子放出部ヒータ
【図１Ａ】
2005228741.tif 000005
【図１Ｂ】
2005228741.tif 000006
【図１Ｃ】
2005228741.tif 000007
【図２Ａ】
2005228741.tif 000008
【図２Ｂ】
2005228741.tif 000009
【図２Ｃ】
2005228741.tif 000010
【図３】
2005228741.tif 000011
【図４】
2005228741.tif 000012
【図５Ａ】
2005228741.tif 000013
【図５Ｂ】
2005228741.tif 000014
【図５Ｃ】
2005228741.tif 000015
【図６】
2005228741.tif 000016
【図７】
2005228741.tif 000017
【図８】
2005228741.tif 000018
【図９】
2005228741.tif 000019