(57)【要約】【課題】  再現性よく、歩留まりよく製造できるカーボンナノ材料を用いた電界放射電子源を提供する。【解決手段】  先端が先鋭化した陰極部材１と、先端が陰極部材１より突出するようにして陰極部材１に固着した１本のカーボンナノ材料からなる先端部材２と、陰極部材１と電気的に接続された導通部８、３、４が形成された基台５とを備え、陰極部材１と先端部材２とは接合するようにして固着させることにより、結晶成長することなくカーボンナノ材料を陰極部材に取り付ける。【選択図】図１
2005100885.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極部材と、
陰極部材先端より突出するようにして陰極部材に固着した１本のカーボンナノ材料からなる先端部材と、
陰極部材と電気的に接続された導通部とを備えたことを特徴とする電界放射電子源。
【請求項２】
前記陰極部材と前記先端部材との固着は、電子ビーム照射による接合部を形成することによりなされることを特徴とする請求項１に記載の電界放射電子源。
【請求項３】
前記陰極部材と前記先端部材とが固着された領域を被覆するように導電層が形成されることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の電界放射電子源。
【請求項４】
陰極部材を支持する支持部材が導通部を形成し、この導通部が加熱可能なフィラメントからなることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の電界放射電子源。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかの電界放射電子源を用いた顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、先鋭化した陰極の先端から電子を放出する電界放射電子源に関し、さらに詳細には陰極先端部位を細径化し、電子が飛び出す範囲を微小化した電界放射電子源に関する。この電界放射電子源は例えば電子顕微鏡やＸ線顕微鏡などの電子源として利用される。
【背景技術】
【０００２】
カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）を代表とするカーボンナノ材料（カーボンナノチューブの他にカーボンナノファイバー、カーボンナノコイル等が含まれる）は、化学的安定性、構造完全性に優れていてコンタミ物質の影響を受けにくい。また、機械強度が強い、電気伝導性が高い、等の数々の優れた特性を持っており、電界放射ディスプレイ（ＦＥＤ）の電極、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）のカンチレバー、燃料電池の触媒胆持電極、単一電子トランジスターなどの分野で応用が検討されている。
【０００３】
顕微鏡の分野では、カーボンナノチューブは、専ら走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）のカンチレバーの先端に設けた探針としての利用が検討されている。
そして、カーボンナノチューブの作成方法も工夫されており、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）のカンチレバーの探針部位にＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを成長させる技術が開示されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１７９４１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、電子顕微鏡の分野では、電子を観察する試料に照射するための電子源が搭載されている。また、Ｘ線顕微鏡の分野では、Ｘ線の励起用に電子源が搭載されている。これらの電子源のうち高輝度を必要とするものには、先鋭化したタングステン材を陰極部材として用いた電界放射電子源が利用されており、電界放射電子源を１０−８Ｐａ程度の超高真空下において電圧を印加することにより、先鋭化したタングステン陰極の先端から電子が放射されるようにしてある。このような高輝度電界放射電子源は、電子顕微鏡やＸ線顕微鏡用の電子源として優れており、例えば測長ＳＥＭ、ＣＤ−ＳＥＭとして半導体製品の検査や計測に用いられている。
【０００５】
ところで電子顕微鏡の分解能を向上させるためには、できるかぎり狭い領域から（理想的には一点から）電子を飛び出させることが必要であり、そのため、電子が飛び出す陰極先端を先鋭化する工夫がなされている。
【０００６】
そこで陰極先端を先鋭化する技術のひとつとして、走査型プローブ顕微鏡の探針に用いられているカーボンナノチューブの技術を利用することを検討した。
従来から電子顕微鏡に用いられている先鋭化したタングステン陰極の径は、通常、数１０ナノメートルから１００ナノメートルである。これに対し、カーボンナノチューブは直径を数ナノメートル程度にすることができるので、これを用いると電子顕微鏡の分解能が格段に向上することになる。
【０００７】
走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーの探針にＣＶＤ法によりカーボンナノチューブを成長させたのと同様に、電子顕微鏡のタングステン陰極にＣＶＤ法で結晶成長することによりカーボンナノチューブを形成することを検討したが、ＣＶＤ法によってカーボンナノチューブをタングステン陰極部材の上に成長させた場合、カーボンナノチューブの成長方向や成長速度の制御が困難であり、所望の位置で所望の方向に、所望の長さのカーボンナノチューブを形成することが非常に困難であった。
【０００８】
そこで本発明は、上記課題を解決し、再現性よく、また、歩留まりよく製作することができる、カーボンナノチューブ等のカーボンナノ材料を用いた陰極を有する電界放射電子源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】
【０００９】
上記課題を解決するためになされた本発明の電界放射電子源は、陰極部材と、陰極部材の先端より突出するようにして陰極部材に固着した１本のカーボンナノ材料からなる先端部材と、陰極部材と電気的に接続された導通部が形成され、かつ、陰極部材を支持する支持部材とを備えている。
【００１０】
この発明によれば、先端部材となる１本のカーボンナノ材料をあらかじめ作成しておく。このカーボンナノ材料は、アーク放電法等により簡単に大量のカーボンナノ材料を作成することができ、そのなかから所望の長さのものを得ることができる。また、数本のカーボンナノ材料を束ねることにより実質上「１本」のカーボンナノ材料とすることができる。
【００１１】
そして、作成したカーボンナノ材料を陰極部材の先端に固着する。このとき、カーボンナノ材料の先が陰極部材の先端より突出するようにしてカーボンナノ材料の先端が陰極全体としての先端となるようにする。
このように、陰極部材上にカーボンナノ材料を結晶成長するのではなく、陰極部材上にカーボンナノ材料を固着するようにする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、所望の長さのカーボンナノ材料を用いて、所望の位置に、所望の方向にして固着形成することができるので、再現性よく、歩留まりの高い電子放射電子源を提供することができる。
【００１３】
そして、タングステン陰極部材にカーボンナノチューブを固着させた電界放射電子源は、カーボンナノチューブが化学的に安定で不純物や汚れが付着しにくくこれらの影響を受けにくいことから、超高真空下にして動作させる必要がなく、電子顕微鏡として用いた場合に、例えば１０−５〜１０−６Ｐａ程度の真空下で従来と同様の性能を発揮することができる。したがって、電子顕微鏡装置に付設される真空ポンプを簡素化することができ、電子顕微鏡装置がコンパクト、安価に製作できるようになる。
【００１４】
また、従来のタングステン電界放射電子源に比較すると、カーボンナノチューブを形成した電界放射電子源は、電子が放出される部分の放出面積は非常に小さくなっているが、それにもかかわらず輝度については従来のものと同様の高輝度の電子源とすることができるので電子顕微鏡の電子源として優れている。
【００１５】
前記陰極部材と前記先端部材との固着は、電子ビーム照射により接合部を形成するようにしてもよい。
真空雰囲気中で陰極部材と先端部材との接触位置に電子ビームを照射することにより、真空雰囲気中に残留する炭化水素を原料として炭素あるいは炭素化合物を堆積させカーボンナノチューブを陰極部材に固着させることができる。また、電子ビームは電子顕微鏡自身の電子源を利用することができるので位置決めさえ行えば、簡単に固着させることができる。
【００１６】
また、前記陰極部材と前記先端部材とが固着された領域を被覆するように、導電層を形成するようにしてもよい。ここで導電層を形成する導電物質としては白金、クロム等が使われている。
これによれば、陰極部材と先端部材との接触抵抗を低減することができ、電圧を印加したときに電子を安定して供給することができる電界放射電子源とすることができる。
この導電層は、蒸着法やスパッタ法により簡単に形成することができ、上述したような電気的接続を安定させるのみならず、陰極部材と先端部材との機械的な固着力を強めるので長寿命の電界放射電子源とすることができる。
【００１７】
また、陰極部材を支持する支持部材が導通部を形成し、この導通部が加熱可能なフィラメントからなるようにしてもよい。
これによれば、導通部に電流を流すことにより、陰極部材および先端部材の周辺を加熱することができるので、もともとコンタミ物質が吸着しにくいカーボンナノ材料をさらにベーキングにより吸着物質を脱離させて用いることができ、コンタミ物質や不純物の影響が少ない熱電界放射電子源とすることができる。
【００１８】
そして、上述した本発明の電界放射電子源を用いて電子顕微鏡やＸ線顕微鏡とすることにより、高分解能な電子顕微鏡、Ｘ線顕微鏡にすることができるとともに、コンタミ物質の影響を受けにくく、比較的低真空下でも動作することができる顕微鏡とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の電界放射電子源について図面を用いて説明する。
図１は本発明の一実施形態である電界放射電子源の陰極部材部分の構成を示す図であり、図２はその電界放射電子源の全体構成を示す図である。
【００２０】
この電界放射電子源１０は、先端を先鋭化した陰極部材１と、陰極部材１の先端近傍に固着された１本のカーボンナノ材料からなる先端部材２と、陰極部材２の根元側と電気的に接続し、陰極部材２を固定する支持部材３と、支持部材３に電圧を印加するための端子４と、端子４を固定することにより支持部材３を介して陰極部材１や先端部材２を支持する基台５とにより構成されている。
【００２１】
陰極部材１は、直径が０．３ｍｍ程度のタングステン針が用いられ、電解研磨により先端を曲率半径１００ｎｍ程度に尖鋭化してある。
陰極部材１の先端は必ずしも先鋭化させる必要はないが、後述する電子顕微鏡観察下での先端部材２の取り付けの際に、先鋭化してある方が、取り付け作業は簡便になる。
【００２２】
先端部材２である１本のカーボンナノ材料は、周知のアーク放電法やＣＶＤ法により作成することができる。ここでは、カーボンナノ材料として直径が約５〜５０ｎｍ、長さ約２００ｎｍのカーボンナノチューブを用いている。なお、中空形状であるカーボンナノチューブに代えてグラフェンが中心まで詰まっているカーボンナノファイバーやコイル形状のカーボンナノコイルを用いてもよい。
【００２３】
また、先端部材２は、真に１本のカーボンナノ材料を用いてもよいし、数本を束ねて実質上、１本となるようにしたものでもよい。例えば、Ｘ線顕微鏡用の電子源に使用する場合のように強度が求められるときに有利となる。
として
【００２４】
先端部材２は、陰極部材１に接した状態で電子ビームを照射して接合部６を形成することにより陰極部材１に固着される。この接合部６は、電子顕微鏡にマニュピレータを取り付けたナノレベルでの加工が可能な装置を用いて電子顕微鏡下で位置決めを行い、電子顕微鏡自身の電子源から電子ビームを照射することにより、真空中に残留する炭化水素を原料にして炭素あるいは炭素化合物を堆積し付着接合することで形成される。
【００２５】
接合部６は、接合の状態により接触抵抗が異なるので、再現性、安定性を改善するために、接合部６を覆うようにして陰極部材１と先端部材２との表面に白金の導電層７を蒸着法やスパッタ法により形成する。この導電層７の形成により導電性が改善されるので電流密度が増大し、電流安定度が向上するが、導電性の改善のみならず、陰極部材１と先端部材２との固着強度も改善することができ、機械的安定性も改善され、長寿命化できる。
【００２６】
支持部材３は、導電性材料からなる導電板９と、導電板９に陰極部材１を固定する銀ペースト８とにより構成される。例えば、電子顕微鏡用のフィラメント台を導電板９として陰極部材１を銀ペースト８で固定する。また、支持部材３は端子４とも電気的に接続してあり、端子４に印加した電圧が、支持部材３、陰極部材１を介して先端部材２にかかるようにしてある。
【００２７】
基台５は、板状の絶縁材からなり、端子４が貫通するようにして固定してある。端子４を固定することにより、端子４、支持部材３、陰極部材１、先端部材２が導通した状態で基台５に支持される。
なお、本実施形態では基台５を絶縁材で形成し、陰極部材１と導通しないようにしているが、基台５を導電性材料にして基台５が陰極部材１と導通するようにして基台５から電圧を印加するようにしてもよい。
【００２８】
そして、この電界放射電子源１０を真空中に設置し、端子４が陰極側となるように電圧を印加することにより、先端部材２の先の狭い範囲から電子を飛び出させることができる。
【００２９】
また、図３は本発明の他の一実施形態である電界放射電子源の陰極部材部分の構成を示す図であり、図４はその電界放射電子源の全体構成を示す図である。
この電界放射電子源２０において、陰極部材１と、先端部材２と、基台５とは図１、図２のものと同様であるので同符号を付すことにより説明を省略する。
【００３０】
電子放射電子源２０の陰極部材１は、線状のフィラメント４ａにスポット溶接することにより接合してある。フィラメント４ａは、その両端がそれぞれ端子４に接続してあり、端子４が絶縁性の基台５に固定してある。
【００３１】
この実施形態の電子放射電子源２０では、２つの端子４間に電流を流してフィラメント４ａを加熱することができるので、陰極部材１の周辺をベーキングして吸着物質を脱離し、コンタミ物質や不純物の影響を低減してから使用することができる。
また、端子４間に電流を流すことで熱電界放射陰極としても使用することができる。
【００３２】
なお、端子４側に電流を流さなくても、端子４と対向する陽極間との間で電圧をかけるようにすれば、図１と同様の熱電子を利用しない電界放射電子源として使用することができる。
【実施例】
【００３３】
図５は、先端部材２となるカーボンナノチューブを、タングステンからなる陰極部材１に接合させたものの電子顕微鏡写真（ＳＥＭ像）である。カーボンナノチューブはアーク放電により製作した多層ナノチューブであり、直径が１０ｎｍ、長さが５００ｎｍのものである。上述したように、電子顕微鏡を用いた、いわゆるナノマニュピレーション技術により先端部材２を陰極部材１の先端に電子ビーム接合することで、うまく固着できている。
【００３４】
図６は、カーボンナノチューブを陰極先端に取り付けた電界放射電子源のサンプルを２つ作製し、電界放射したときの電流電圧特性を計測してFower-Nordheimプロットしたときの特性図である。Fower-Nordheimプロットによれば、プロットラインが直線状であれば、電界放射によってエミッション電流が流れていることを示す。
いずれのサンプル（試料Ａ、試料Ｂ）も、ほぼ直線状にプロットされており、電界放射電子源として作動していることが示されている。
【００３５】
図７は、電界放射顕微鏡（ＦＥＭ；Field Emission Microscope）像の観測結果を示す。ＦＥＭでは電子放出源からの幾何学的な電子放出パターンを、直接スクリーン上で観察できる。 図８にＦＥＭの原理を示す。ここでは、図１、図２で示した電界放射電子源１０をエミッター３１（陰極）となるように取り付ける。エミッター３１は、蛍光スクリーン３２（陽極）に向けて垂直に置かれ、エミッター３１には蛍光スクリーン３２に対して負の電圧が印加される。
【００３６】
電界放射によりエミッター３１から真空中へ放出された電子は、エミッター３１先端付近の等電位面に垂直の方向に加速される。エミッター３１先端付近で加速された電子はほぼ放射状に広がり、蛍光スクリーン３２に衝突して、蛍光スクリーン３２を光らせる。従って、蛍光スクリーン３２にはエミッター３１先端の拡大像が得られる。
【００３７】
エミッター３１先端の曲率半径をｒ、エミッタ−スクリーン間距離をｄとすると、拡大率はd／r倍となる。例えば先端曲率半径５ｎｍのカーボンナノチューブを使って、５０ｍｍ離れたところのスクリーンでＦＥＭ像を観察したとすると、１０７倍のイメージに拡大される。この拡大像を観察することで、カーボンナノチューブの先端からの電子放出状態をより詳しく知ることができる。
【００３８】
エミッタ−スクリーン間距離を１２ｍｍに設定して観測した結果、図７に見られるように、スクリーン上にはスポット的な電界放射顕微鏡像が得られた。したがって、電子はカーボンナノチューブ先端の１ヶ所から電界放射されていることが示されている。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明によれば、非常に狭い領域からスポット的に電子を飛び出させることができる電界放射電子源を、再現性よく、歩留まりよく作製することができ、実用可能な電界放射電子源を提供することができる。
【００４０】
このようにして作製した電界放射電子源を顕微鏡の電子源として用いることにより、高分解能の顕微鏡を提供することができる。またμ−フォーカスＸ線源のＸ線励起用にこの電子源を用いることにより、ナノレベルのＸ線源を作成し非破壊検査装置等に利用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施形態である電界放射電子源の陰極部分の拡大図。
【図２】図１の電界放射電子源の全体構成図。
【図３】本発明の他の一実施形態である電界放射電子源の陰極部分の拡大図。
【図４】図３の電界放射電子源の全体構成図。
【図５】本発明による陰極先端の電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）。
【図６】本発明による電界放射電子源の電流電圧特性図（Fower-Nordheimプロット図）。
【図７】本発明による電界放射電子源を用いた電界放射顕微鏡像。
【図８】電界放射顕微鏡像の原理図。
【符号の説明】
【００４２】
１  ：陰極部材
２  ：先端部材（カーボンナノチューブ）
３  ：支持部材
４  ：端子
４ａ：フィラメント
５  ：基台
６  ：接合部
７  ：導電層
８  ：銀ペースト
９  ：導電板
１０  ：電界放射電子源
２０  ：電界放射電子源
【図１】
2005100885.tif 000003
【図２】
2005100885.tif 000004
【図３】
2005100885.tif 000005
【図４】
2005100885.tif 000006
【図５】
2005100885.tif 000007
【図６】
2005100885.tif 000008
【図７】
2005100885.tif 000009
【図８】
2005100885.tif 000010