(57)【要約】【課題】測定操作が容易で低コストなカソードルミネッセンス測定装置を実現する。【解決手段】ベルジャー１内に、アノード７と、上下方向に動く可動式電極４とを設ける。低速ホモジニアスな電子線を放出するカーボンフィルムカソード６を、脱着可能カソードホルダー５の表面に設ける。アノード７の表面に発光体を設ける。ベルジャー１内を真空にする。可動式電極４により、ベルジャー１の外から脱着可能カソードホルダー５を動かす。電源から電流を供給して、発光体に電子を当てて光らせる。光ファイバー12により、ベルジャー１の外へ発光体の光を導き、測定する。様々な電極間距離、電極間電圧、グリッド電圧および真空度において、発光した蛍光体試料の輝度、色調、スペクトル等の測定を行うことにより、蛍光体試料の発光特性評価や、フィールドエミッションデバイスの最適条件確立を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベルジャーと、前記ベルジャー内に設けたアノードと、前記ベルジャー内に設けた上下方向に動く可動カソードと、前記可動カソードを前記ベルジャーの外から動かすための可動電極を通す気密摺動軸受けと、前記可動電極の先端の可動カソードに設けた低速ホモジニアスな電子線を放出するカーボンフィルムと、前記アノードの表面に設けた発光体と、前記発光体に電子を当てて光らせるための電流を精密に調節して供給する電源と、前記ベルジャーの外へ発光体の光を導くための光ファイバーとを具備することを特徴とするカソードルミネッセンス測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子線励起発光測定装置に関し、特に、電子顕微鏡あるいは高速電子線放射装置を用いることなく、低速ホモジニアスな電子線を発生して発光体を光らせて、その発光スペクトルと強度などの光学特性を測定する電子線励起発光測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体や蛍光体材料の電子線励起による発光現象、すなわちカソードルミネッセンスの観測には、走査型電子顕微鏡に光検出器と分光器を組み合わせた装置が用いられてきた。この装置の特徴は、電子顕微鏡の電子銃を用いるため、電子線が高速電子線で、サブミクロンから数十ミクロンの微小領域でのルミネッセンス観測が可能であり、更に、電子線を走査して観測する場所を連続的に変化させることで、発光強度のマッピングも測定できることである。このようにして測定されたスペクトルは、バンド端近傍の情報と欠陥の情報をもっているため、半導体ウエハーやデバイスの品質管理に用いられている。
【０００３】
一方、電子線励起型蛍光体材料の新規物質探査においては、まず、電子線励起によって発光するかどうかが重要である。高空間分解能測定や輝度マッピングは、必要十分条件にはならないと考えられる。しかし現状では、走査型電子顕微鏡を用いた装置が利用されることがほんとんである。
【０００４】
特許文献１に開示された「電子線励起蛍光体の評価装置」は、低速の電子線により発光する蛍光体の評価装置である。低速の電子線を放出するカソードを、大気中にさらされても劣化しないようにすると共に、面状の分布で電子を放出できるようにする。図３に示すように、電界放出を利用した電子放出素子を、基板上に微細化・集積化して面状とする。この電子放出素子を、カソードとして用いる。このカソードから放出された低速の電子線により、蛍光体試料を発光させる。その発光状態を測定することにより、蛍光体試料の発光特性を評価する。
【特許文献１】特開平6-295678号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の測定装置では、以下のような問題がある。走査型電子顕微鏡を用いるため、装置にかかる経費が４千万円〜８千万円と大変高く、利用したくても利用できないのが現状であり、安価な装置が望まれている。現在、使用されているほとんどの装置では、試料を電子顕微鏡の試料室に入れて測定するため、実際の発光を目視することができない。
【０００６】
一般に、複数のカソードフィラメントを用いる場合、それぞれがつくる電場によって、電子の軌道は直線でなくなり、放物線を描くように拡散する。また、フィラメント同士の間隔により、アノードでの電子線の密度が場所によって異なる。これらの理由により、発光輝度のムラを生じやすい。これらを解消するためには、面放出型のカソードが望ましい。また、フィールドエミッションによる発光装置を作成する際、重要になるのがカソードとアノードとの電極間距離であるが、ほとんどの装置では、この距離を自由に変更することはできない。
【０００７】
本発明の目的は、上記従来の問題を解決して、低電圧動作可能で電子放出効率が高く均一な電子線が得られるカソードを備え、かつ測定操作が容易で低コストなカソードルミネッセンス測定装置を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明では、カソードルミネッセンス測定装置を、ベルジャーと、ベルジャー内に設けたアノードと、ベルジャー内に設けた上下方向に動く可動カソードと、可動カソードをベルジャーの外から動かすための可動電極を通す気密摺動軸受けと、可動電極の先端の可動カソードに設けた低速ホモジニアスな電子線を放出するカーボンフィルムと、アノードの表面に設けた発光体と、発光体に電子を当てて光らせるための電流を精密に調節して供給する電源と、ベルジャーの外へ発光体の光を導くための光ファイバーとを具備する構成とした。
【発明の効果】
【０００９】
本発明では、上記のように構成したことにより、以下のような効果が得られる。走査型電子顕微鏡を用いないため、必要なコストは500万円以下となる。発光測定部と併せると、総額1000万円以下のカソードルミネッセンス測定装置を実現できる。低価格化により、多くの材料研究者に広く普及することが期待されるとともに、普及の結果、新しいフィールドエミッション用材料の開拓が可能となる。
【００１０】
また、特許文献１に開示された「電子線励起蛍光体の評価装置」で使用されている、多くの作製プロセスを必要とする、Spindt型電界放出カソードより、はるかに容易に作成できるとともに、電子放出効率も高く、より低電圧での動作が可能である。面発光型の電子線放出を可能にする。また、特許文献１に開示された点照射型の集合体であるカソードよりも、より均一な電子線が得られるし、カソードの取替え、着脱が容易である。
【００１１】
さらに、測定者が発光の様子を目視で確認でき、電極間距離を真空容器の外から自由に調整できる。これにより、フィールドエミッション発光デバイスにおける重要なパラメータである電極間距離と印加電圧を最適化することが容易にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１と図２を参照しながら詳細に説明する。
【実施例】
【００１３】
本発明の実施例は、ベルジャー内で、アノードの表面に発光体を設け、可動式電極の先の脱着可能カソードホルダーの表面に、低速ホモジニアスな電子線を放出するカーボンフィルムカソードを設け、ベルジャー内を真空にした後、ベルジャーの外から脱着可能カソードホルダーを動かし、電源から電流を供給して発光体に電子を当てて光らせ、光ファイバーによりベルジャーの外へ発光体の光を導いて測定するカソードルミネッセンス測定装置である。
【００１４】
本発明の実施例におけるカソードルミネッセンス測定装置の構成を説明する。図１は、本発明の実施例におけるカソードルミネッセンス測定装置の概念図である。図２は、カソードルミネッセンス測定装置の変形例の部分概念図である。図１において、ベルジャー１は、石英製などの透明ベルジャーである。エミッションスペクトル測定のため、真空容器のふたとして、石英ベルジャーを用いる。フランジ２は、ベルジャー１を真空封止する部材である。ベルジャー１とフランジ２との間の気密保持には，Ｏリングを使用しているため、ガスケットを使用する装置に比べ安価である。また，到達真空度は10-6torr程度まで可能である。電流導入端子３は、軸受けを通した可動陰極を動かすことのできる電流導入用の端子である。可動式電極４は、脱着可能カソードホルダーを動かすための電極である。上下可動距離の範囲は、用途に合わせて選択可能であり、上下可動精度は0.1mm程度である。図示していない周知の精密駆動手段を備える。可動距離と可動精度は、目的に応じて適宜設定する。
【００１５】
脱着可能カソードホルダー５は、カソードを取り付けるためのホルダーである。カーボンフィルムカソード６は、CVD等によって、カーボングラファイト(ナノカーボン)を、Niまたはシリコンウエハー上にベイピングして作製された、電子放出効率が高いカーボンフィルムのカソードである。電界放出効果により引き出された電子を利用するコールドカソードである。研究段階にあるカーボンナノチューブ等の陰極材料に比べ、均一な強度の電子線が得られる。
【００１６】
アノード７は、透明電極と石英ガラスからなる陽極である。アノード固定用板ばね８は、アノードを固定するための板ばねである。アノードホルダー９は、透明電極と石英ガラスからなるアノードを保持するための部材である。アノード電極に透明電極を用い、電極を支持するための基板に、石英ガラスを用いる。このアノードは、絶縁性の支持棒を脚とするドーナツ状の金属板に取り付けられる。この金属ホルダーは、図示していない陽極用電流導入端子に、適当な金属ワイヤーによって接続される。
【００１７】
光学フィルター10は、特定の波長の光を透過あるいは遮断するフィルターや、全波長の光を減衰させるNDフィルターである。絶縁性支持棒11は、陽極を支える部材である。光ファイバー12は、発光体の光をベルジャーの外部へ導くための部材である。光ファイバー固定用治具13は、光ファイバーを固定するための部材である。光ファイバーフィードスルー14は、光ファイバーをベルジャーの外部に通すための気密部材である。
【００１８】
アノードの支持棒には、溝が刻んであり、その溝に様々な光学フィルターやレンズを差し込むことができる。これにより、発光強度が強い場合は、フィルターで強度を弱めることができ、また、弱い場合、集光レンズで光量をかせぐことができる。これらの処置により、光検出器の感度レンジ内で適切に発光スペクトルを測定できる。透明電極と石英基板の吸収スペクトルをあらかじめ測定しておくことで、蛍光体の正確なスペクトルを求めることができる。
【００１９】
蛍光体からの発光を伝送する光ファイバーを真空装置内に配置する。発光が微弱な場合、真空容器内に集光装置を導入する。光ファイバーはアノードの真下に取り付けられ、蛍光体からの発光を、透明電極と石英基板を通して観測する。光ファイバーの位置は自由に調整できるようにしてある。光ファイバーをアノード直下に配置したことで、立体角を大きくすることができ、蛍光体からの光を効率よく光ファイバーに取り込むことができる。光ファイバーの真空装置内への導入には、光ファイバー用フィードスルーを用いる。光ファイバーを真空装置内に導入する場合、ベルジャーは石英製である必要はない。
【００２０】
上記のように構成された本発明の実施例におけるカソードルミネッセンス測定装置の動作を説明する。最初に、動作の概略を説明する。図１に示すように、低速ホモジニアスな電子線を放出するカーボンフィルムカソード６を、脱着可能カソードホルダー５の表面に設け、アノード７の表面に発光体を設ける。ベルジャー１内を真空にし、可動式電極４により、ベルジャー１の外から着脱可能カソードホルダー５を動かす。電源から電流を供給して、発光体に電子を当てて光らせる。光ファイバー12により、ベルジャー１の外へ発光体の光を導き、測定する。発光した蛍光体試料の輝度、色調、スペクトル等の測定を行うことにより、蛍光体試料の発光特性を評価する。
【００２１】
測定方法を詳しく説明する。アノード７の表面に発光体をセットして、ベルジャー１内を真空にする。種々の発光体の量子変換率（外部量子効率＝内部量子効率・取り出し効率）のデータを測定でき、単結晶体などの発光体の特性を容易に調べることができる。装置構造が簡単であるため、試料のセットアップ等が容易である。容器内真空度を大気圧から10-6 torr程度まで調整できる。真空容器の雰囲気を、必要に応じていろいろなガスにすることも可能である。試料の直近に熱電対を配置することで、電子照射による試料温度の変化を測定できる。石英製などの透明ベルジャーを用いているため、発光の様子を目視できる。
【００２２】
ベルジャー１の外から可動陰極を動かす。極板間距離を真空外より調整可能である。アノードとカソードの距離（ｄ）を自由にコントロールすることができ、電界強度（Ｅ＝Ｖ／ｄ）を所望の値に変えて測定できる。極板間距離と印加電圧により電界強度を変化させることで、電子線密度が調節可能である。電子線密度は、陰極の面積を変えることでも調節可能である。アノードとカソードの間に、図２に示す網目状の引き出し（グリッド）電極を追加することでも、電子線量は調整できる。電極間に流れる電流を計測することで、入力電力を求めることができるので、入力電力と発光強度の関係、すなわち、最適な発光効率を調査できる。
【００２３】
電源から電流を供給して、発光体に電子を当て、発光体を光らせる。印加電圧（Ｖ）は、50V〜10kV程度であり、エミッション電流は、0.1〜１mA程度であり、パルス幅は、２〜８μsecの範囲で調整制御可能なものである。ベルジャー１の外から発光体の光を測定する。発光した発光体（蛍光体試料）の輝度、色調、スペクトル等の測定を行うことにより、発光体（蛍光体試料）の発光特性を評価する。試料温度も、図示していない放射温度計により、室温〜700℃まで測定できる。以上のように、電極間距離、電極間電圧、グリッド電圧を調整することで、様々な条件下での測定が可能であり、これにより、蛍光体の特徴を詳しく調べられるとともに、フィールドエミッションによる発光デバイスの最適条件を調べることができる。
【００２４】
上記のように、本発明の実施例では、カソードルミネッセンス測定装置を、ベルジャー内で、アノードの表面に発光体を設け、可動式電極の先の脱着可能カソードホルダーの表面に、低速ホモジニアスな電子線を放出するカーボンフィルムカソードを設け、ベルジャー内を真空にした後、ベルジャーの外から脱着可能カソードホルダーを動かし、電源から電流を供給して発光体に電子を当てて光らせ、光ファイバーによりベルジャーの外へ発光体の光を導いて測定する構成としたので、発光した蛍光体試料の輝度、色調、スペクトル等を測定して発光特性を評価することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明のカソードルミネッセンス測定装置は、単結晶蛍光体などの発光体の特性を調べることや、フィールドエミッションデバイスの最適条件確立ための装置として最適である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例におけるカソードルミネッセンス測定装置の概念図、
【図２】本発明の実施例におけるカソードルミネッセンス測定装置の変形例の部分概念図、
【図３】従来の発光体測定装置の概念図である。
【符号の説明】
【００２７】
１  ベルジャー
２  フランジ
３  電流導入端子
４  可動式電極
５  脱着可能カソードホルダー
６  カーボンフィルムカソード
７  アノード
８  アノード固定用板ばね
９  アノードホルダー
10  光学フィルター
11  絶縁性支持棒
12  光ファイバー
13  光ファイバー固定用治具
14  光ファイバーフィードスルー
【図１】
2005221354.tif 000003
【図２】
2005221354.tif 000004
【図３】
2005221354.tif 000005