(57)【要約】  高輝度、低エネルギー分散、かつ長寿命の電子放射陰極を提供することを目的とする。そのため充分に安定して把持可能で、かつ先端が先鋭化され、電界強度の向上したダイヤモンド電子放射陰極の提供を目的とする。  本発明に係るダイヤモンド電子放射陰極（１１０）は、少なくとも３つの領域、すなわち柱状の先端に電子放射を目的とする先端領域（２０３）と、長手方向に対面に把持を目的とする後端領域（２０１）と、細径加工された中間領域（２０２）とに区別され、後端領域の断面積が０．２ｍｍ２以上であり、先端領域の先端が先鋭化加工されており、細径加工された中間領域の断面積が最大０．１ｍｍ２以下であることを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドを有する柱状のダイヤモンド電子放射陰極であって、前記柱状のダイヤモンド電子放射陰極が、少なくとも電子放射を目的とする先端領域と、把持を目的とする後端領域と、前記先端領域と後端領域との間に位置し細径加工された中間領域とからなり、前記先端領域の先端部が先鋭化加工されていることを特徴とするダイヤモンド電子放射陰極。
【請求項２】
前記後端領域の断面積が０．１ｍｍ2以上であり、かつ前記中間領域の断面積が０．１ｍｍ2以下であることを特徴とする請求の範囲１に記載のダイヤモンド電子放射陰極。
【請求項３】
前記後端領域の長手方向の長さが０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であり、前記中間領域の長手方向の長さが０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることを特徴とする請求の範囲１又は２に記載のダイヤモンド電子放射陰極。 
【請求項４】
前記後端領域と前記先端領域と前記中間領域とが共通の主面を有し、当該共通の主面上の少なくとも一部に導電層が形成され、当該導電層により、前記後端領域と前記先端領域との間の電気的導通が確保されていることを特徴とする請求の範囲１〜３のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極。 
【請求項５】
前記共通の主面の面方位が、（１１１）面もしくは（１１１）面からのずれが８度以内であることを特徴とする請求の範囲４に記載のダイヤモンド電子放射陰極。 
【請求項６】
前記導電層が、ｎ型半導性を示すダイヤモンドによって形成されていることを特徴とする請求の範囲４に記載のダイヤモンド電子放射陰極。 
【請求項７】
前記後端領域の断面形状が略長方形もしくは略正方形であることを特徴とする請求の範囲１〜６のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極。 
【請求項８】
前記細径加工された中間領域における厚さが０．０２ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であることを特徴とする請求の範囲１〜７のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極。 
【請求項９】
少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドを有する柱状のダイヤモンド電子放射陰極であって、前記柱状のダイヤモンド電子放射陰極が、少なくとも電子放射を目的とする先端領域と、把持を目的とする後端領域とからなり、前記先端領域の先端部が先鋭化加工されていることを特徴とするダイヤモンド電子放射陰極。
【請求項１０】
前記後端領域の断面積が０．１mm2以上であり、前記後端領域の長手方向の長さが０．５以上２．０ｍ以下であり、前記先端領域の長さが１．０以上３．０ｍｍ以下であるとする請求の範囲９に記載のダイヤモンド電子放射陰極。
【請求項１１】
前記後端領域と前記先端領域とが共通の主面を有し、当該共通の主面上の少なくとも一部に導電層が形成され、当該導電層により、前記後端領域と前記先端領域との間の電気的導通が確保されていることを特徴とする請求の範囲９又は１０に記載のダイヤモンド電子放射陰極。
【請求項１２】
前記共通の主面の面方位が、（１１１）面もしくは（１１１）面からのずれが８度以内であることを特徴とする請求の範囲１１に記載のダイヤモンド電子放射陰極。 
【請求項１３】
前記導電層が、ｎ型半導性を示すダイヤモンドによって形成されていることを特徴とする請求の範囲１１に記載のダイヤモンド電子放射陰極。 
【請求項１４】
前記後端領域の断面形状が略長方形もしくは略正方形であることを特徴とする請求の範囲９〜１３のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極。 
【請求項１５】
少なくとも、請求の範囲１〜８のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極と、絶縁性セラミックと、前記電子放射陰極に電流を供給するための一対以上の端子からなる構造体を有することを特徴とするダイヤモンド電子源。 
【請求項１６】
請求の範囲１５に記載のダイヤモンド電子源であって、ダイヤモンド電子放射陰極の先端領域以外からの電子放射を抑制するための導電性部材を有し、前記導電性部材に形成された貫通穴に前記ダイヤモンド電子放射陰極の中間領域が貫通していることを特徴とするダイヤモンド電子源。 
【請求項１７】
少なくとも、請求の範囲９〜１４からのいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極と、絶縁性セラミックと、前記電子放射陰極に電流を供給するための一対以上の端子からなる構造体を有することを特徴とするダイヤモンド電子源。 
【請求項１８】
請求の範囲１７に記載のダイヤモンド電子源であって、ダイヤモンド電子放射陰極の先端領域以外からの電子放射を抑制するための導電性部材を有し、前記導電性部材に形成された貫通穴に前記ダイヤモンド電子放射陰極の先端領域が貫通していることを特徴とするダイヤモンド電子源。 
【請求項１９】
請求の範囲１５〜１８に記載のダイヤモンド電子源を搭載していることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項２０】
請求の範囲１５〜１８に記載のダイヤモンド電子源を搭載していることを特徴とする電子ビーム露光機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡、電子ビーム露光機等の電子線及び電子ビーム機器などに用いられる電界放出型のダイヤモンド電子放出陰極に関する。また、当該ダイヤモンド電子放出陰極を有する電子源及びこれらを用いた電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子はマイナスの電荷を持ち、質量が極めて小さいため、電子を一方向に揃えて走らせた電子ビームは以下のような特徴を有している。（１）電界や磁界で方向や収束度を制御できる。（２）電界による加減速で広範囲なエネルギーが得られる。（３）波長が短いため、細く絞り込むことができる。このような特徴を活かした電子顕微鏡や、電子ビーム露光機が広く普及している。これらの陰極材料として、例えば、熱電子放出源としては安価なＷフィラメントや、輝度の高い電子ビームが得られるＬａＢ6等の六ホウ化物がある。
また、さらに高輝度でエネルギー幅の狭い陰極として、量子効果によるトンネル現象を利用した先鋭化Ｗや、電界によるショットキー効果を利用したＺｒＯ／Ｗが用いられている。【０００３】
電子顕微鏡においてはより小さいものを高精度に観察したいという要求があることや、電子ビーム露光機においては６５ｎｍノード以細の開発が進んできていることから、さらに高輝度でエネルギー幅が狭い陰極が求められている。【０００４】
このような期待に応える材料の一つとして、ダイヤモンドがある。ダイヤモンドには非特許文献１あるいは非特許文献２にあるように電子親和力が負（ＮＥＡ）の状態、あるいは仕事関数が小さい金属と比較しても小さな正（ＰＥＡ）の状態が存在する。この非常に稀な物性を活かせば、ＷフィラメントやＬａＢ6、あるいはＺｒＯ／Ｗのように１０００℃を超える高熱の必要なしに高電流密度電子放出が可能であり、エネルギー幅が狭く抑えられる。そして、駆動温度が低いために長寿命が期待できる。また、非特許文献３のような先端径１０ｎｍが得られる微細加工技術があるので高輝度化についても問題ない。また、ダイヤモンドについては、上記電子親和力を有することが判明して以来、非特許文献４や特許文献１のような電子源がこれまでに提案されてきた。【０００５】
電子銃には、熱電子放出型、電界放出型等、電子放出のメカニズムによってさまざまな形態のものがあるが、そのいずれもが電子を放出させるために電子放出陰極に電界を印加し、電子を引き出す構造となっている。電界は平面状のものに印加するよりも先鋭端を有する形状のものに印加したほうが同じ電圧であればより集中するために、電子銃に用いられる電子放出材料としては、細く尖ったものが多用される。【０００６】
量子効果によるトンネル現象を利用して、室温で電子を取り出す先鋭化Ｗは、電界放出型電子銃と呼ばれる。電子放出源（エミッタ）としては、Ｗ（１１１）、Ｗ（３１０）またはＷ（１００）方位単結晶を主材料とする長さ２ｍｍ弱の先鋭端を有するチップであり、それをＷフィラメントに取り付けて利用する。このエミッタと対を成す引出電極が、エミッタから数ｍｍ程度の距離をおいて配置される。これらのエミッタ及び引出電極は、高真空状態に排気される。【０００７】
この先鋭化Ｗを利用した電界放出型電子銃は、他の熱電子源等に比較して、圧倒的に電子のエネルギー幅が小さく、輝度が高いという特徴を持っている。エネルギー幅が２００〜３００ｍｅＶ程度になり、電子光学系に用いられるレンズの色収差を低減できるために、電子顕微鏡の性能向上に大きく役立っている。しかしながら、１０-8Ｐａ程度の超高真空で使用しなければならないことに加え、定期的にエミッタを瞬間的に通電加熱し、エミッタに吸着したガス分子を除去するという清浄化作業（熱フラッシュ）が必要不可欠であった。【０００８】
ダイヤモンドを用いた電子銃においては、従来の電子銃に比べて高輝度、低エネルギー分散、長寿命が期待されるが、特に熱電界放出型あるいは電界放出型電子銃として使用する場合にその把持方法については以下のような課題があった。【０００９】
すなわち、例えば電子放出材料としてＬａＢ6を用いる熱電界放出型電子銃においては、先端を先鋭化させたＬａＢ6からなるチップを金属等で挟み込んで把持する形となっているが、この方法では把持する領域にある程度の太さが必要である。具体的には、断面積が０．１ｍｍ2未満となると、把持することが難しくなってくる。従って、把持する領域には断面積として０．１ｍｍ2以上の太さが必要となるが、そこから電子放出部に向かって先鋭化加工すると、先端のより一層の先鋭化が難しくなる。また、サプレッサ部分の穴径を大きくする必要が生じ、これは引き出し効率の向上に悪影響を及ぼす。
一方、ＺｒＯ／Ｗや冷陰極に用いられるＷ電極においては、先端を先鋭化させたＷチップをＷワイヤに溶接して把持している。この方法によれば、充分先鋭化した電子放射陰極を使用することができるが、ダイヤモンドを電子放射陰極として適用した場合、金属ワイヤへの溶接は非常に難しいという問題がある。【００１０】
【特許文献１】特開平４-６７５２７号公報
【非特許文献１】Ｆ．Ｊ．Ｈｉｍｐｓｅｌ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ．，Ｖｏｌ．２０，Ｎｕｍｂｅｒ  ２（１９７９）６２４
【非特許文献２】Ｊ．Ｒｉｓｔｅｉｎ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｎｅｗ  Ｄｉａｍｏｎｄ ａｎｄ  Ｆｒｏｎｔｉｅｒ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．６，（２０００）３６３
【非特許文献３】Ｙ．Ｎｉｓｈｉｂａｙａｓｈｉ  ｅｔ  ａｌ．，ＳＥＩ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ，５７，（２００４）３１
【非特許文献４】Ｗ．Ｂ．Ｃｈｏｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ  １４，（１９９６）２０５１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで本発明は、高輝度、低エネルギー分散、かつ長寿命の電子放射陰極を提供すべく、ダイヤモンドにより作製された電子放射陰極を提供することを課題とする。その際に、充分に安定して把持可能であり、かつ先端が先鋭化され、電界強度の向上したダイヤモンド電子放射陰極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】
【００１２】
そこで本発明者らは、ダイヤモンドを電子放射陰極として用いる際の把持方法と先端の先鋭化、ひいては先端における電界強度の向上を両立させるために鋭意検討を重ね、本発明に至ったものである。【００１３】
すなわち、本発明は下記の通りである。
１）少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドを有する柱状のダイヤモンド電子放射陰極であって、前記柱状のダイヤモンド電子放射陰極が、少なくとも電子放射を目的とする先端領域と、把持を目的とする後端領域と、前記先端領域と後端領域との間に位置し細径加工された中間領域とからなり、前記先端領域の先端部が先鋭化加工されていることを特徴とするダイヤモンド電子放射陰極を提供する。
２）前記後端領域の断面積が０．１ｍｍ2以上であり、かつ前記中間領域の断面積が０．１ｍｍ2以下であることを特徴とする前記１）に記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。
３）前記後端領域の長手方向の長さが０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であり、前記中間領域の長手方向の長さが０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下であることを特徴とする前記１）又は２）に記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。 【００１４】
４）前記後端領域と前記先端領域と前記中間領域とが共通の主面を有し、当該共通の主面上の少なくとも一部に導電層が形成され、当該導電層により、前記後端領域と前記先端領域との間の電気的導通が確保されていることを特徴とする前記１）〜３）のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。 
５）前記共通の主面の面方位が、（１１１）面もしくは（１１１）面からのずれが８度以内であることを特徴とする前記４）に記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。 
６）前記導電層が、ｎ型半導性を示すダイヤモンドによって形成されていることを特徴とする前記４）に記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。 
７）前記後端領域の断面形状が略長方形もしくは略正方形であることを特徴とする前記１）〜６）のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。 
８）前記細径加工された中間領域における厚さが０．０２ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であることを特徴とする前記１）〜７）のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。 【００１５】
９）少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドを有する柱状のダイヤモンド電子放射陰極であって、前記柱状のダイヤモンド電子放射陰極が、少なくとも電子放射を目的とする先端領域と、把持を目的とする後端領域とからなり、前記先端領域の先端部が先鋭化加工されていることを特徴とするダイヤモンド電子放射陰極を提供する。
１０）前記後端領域の断面積が０．１mm2以上であり、前記後端領域の長手方向の長さが０．５以上２．０ｍ以下であり、前記先端領域の長さが１．０以上３．０ｍｍ以下であるとする前記９）に記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。
１１）前記後端領域と前記先端領域とが共通の主面を有し、当該共通の主面上の少なくとも一部に導電層が形成され、当該導電層により、前記後端領域と前記先端領域との間の電気的導通が確保されていることを特徴とする前記９）又は１０）に記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。
１２）前記共通の主面の面方位が、（１１１）面もしくは（１１１）面からのずれが８度以内であることを特徴とする前記１１）に記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。
１３）前記導電層が、ｎ型半導性を示すダイヤモンドによって形成されていることを特徴とする前記１１）に記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。 【００１６】
１４）前記後端領域の断面形状が略長方形もしくは略正方形であることを特徴とする前記９）〜１３）のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。 
１５）少なくとも、前記１）〜８）のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極と、絶縁性セラミックと、前記電子放射陰極に電流を供給するための一対以上の端子からなる構造体を有することを特徴とするダイヤモンド電子源を提供する。 
１６）前記１５）に記載のダイヤモンド電子源であって、ダイヤモンド電子放射陰極の先端領域以外からの電子放射を抑制するための導電性部材を有し、前記導電性部材に形成された貫通穴に前記ダイヤモンド電子放射陰極の中間領域が貫通していることを特徴とするダイヤモンド電子源を提供する。 
１７）少なくとも、前記９）〜１４）からのいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極と、絶縁性セラミックと、前記電子放射陰極に電流を供給するための一対以上の端子からなる構造体を有することを特徴とするダイヤモンド電子源を提供する。 
１８）前記１７）に記載のダイヤモンド電子源であって、ダイヤモンド電子放射陰極の先端領域以外からの電子放射を抑制するための導電性部材を有し、前記導電性部材に形成された貫通穴に前記ダイヤモンド電子放射陰極の先端領域が貫通していることを特徴とするダイヤモンド電子源を提供する。 
１９）前記１５）〜１８）に記載のダイヤモンド電子源を搭載していることを特徴とする電子顕微鏡を提供する。
２０）前記１５）〜１８）に記載のダイヤモンド電子源を搭載していることを特徴とする電子ビーム露光機を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明による電子放射陰極（第１の実施形態）を示す斜視図である。
【図２】実施例による電子放射陰極の製造プロセス（第１の実施形態）を示す斜視図である。
【図３】本発明による電子銃を示す概念図である。
【図４】本発明による電子放射陰極（第２の実施形態）を示す斜視図である。
【図５】本発明による電子放射陰極の製造プロセス（第２の実施形態）を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００１８】
１０１，５０１  ダイヤモンド単結晶
１０２，５０２  面方位（１１１）面
１０３，５０３  Ｐドープエピタキシャルダイヤモンド
１０４，５０４  Ａｌのパターン
１１０，４００  ダイヤモンド電子放射陰極
２０１，４０１  後端領域
２０２  中間領域
２０３，４０２  先端領域
【００１９】
３０１  電子銃
３１０  サプレッサ
３２０  端子
３３０  絶縁性セラミック
３４０  インコネル製の金属部材
３５０  スペーサ
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の第１の実施形態は下記の通りである。
図１に示すように、本実施形態に係るダイヤモンド電子放射陰極１１０は、長手方向に沿って３分割することができる。すなわち、把持を目的とする後端領域２０１と、細径加工された中間領域２０２と、電子放射を目的とする先端領域２０３によって構成される。
電子放射を目的とする先端領域の先端部は先鋭化加工されている。把持を目的とする後端領域があることから、従来品と同様、機械的に挟み込んで把持することが容易に可能である。また、この後端領域の長手方向に対して直交する断面の形状は、長方形もしくは正方形であることが、把持のしやすさの観点からも好ましい。
中間領域は、後端領域と先端領域の中間に位置し、後端領域より細径加工されている。ここでいう細径加工とは、後端領域の長手方向に対して直交する断面の形状が長方形もしくは正方形である場合には、長方形・正方形の少なくとも１組の対向する辺の長さを１０％以上減少させる加工のことを言う。【００２１】
本実施形態に係るダイヤモンド電子放射陰極は、全てダイヤモンドによって形成されていても良いし、ダイヤモンド以外の材料と組み合わされて形成されていても良いが、全てダイヤモンドによって形成されていることが好ましい。また、ダイヤモンドで形成されている部分の少なくとも一部を単結晶ダイヤモンドとすることにより、安定した電子放出特性が得られるため、より好ましい。特に先端領域が単結晶ダイヤモンドであることが好ましい。
細径加工された中間領域は、その長手方向に対して直交する面の断面積が０．１ｍｍ2以下であると、その先端を先鋭化し電子放射を目的とする領域を形成するのに有利である。また、サプレッサの穴径を必要最小限度に保つことができ、ひいては引き出し電極も小さくできるので、特に電界の力を借りて電子放出させる必要のある場合に有効である。
一方、把持を目的とする後端領域は、その長手方向に直行する断面積が０．１ｍｍ2以上であることが好ましい。これにより、機械的に挟み込んで把持することがより容易となり、その機械的強度を充分に確保するできるため、長時間動作させた後もその強度を保てる。また、把持を目的とする後端領域の長さは、短すぎると把持力が弱くなるし、長すぎてもコスト高となる。そのため、０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。【００２２】
ダイヤモンドは真性半導体でありバンドギャップが５ｅＶ以上と大きいため、室温では絶縁体である。電子放射陰極として用いる場合には、電子放射を目的とする先端領域と把持を目的とする後端領域との間に導電性がなければならない。そこで本発明では、先端領域と後端領域、さらに細径加工された中間領域が共通の主面を有するのが好ましい。そして、それらの当該主面に導電層を形成することによって後端領域と先端領域および中間領域の間に電気的導通を形成することができるからである。これによって、仮に不純物の混入のない真性半導体としての特性を示すダイヤモンドを材料として用いた場合によっても、後端領域と先端領域の間に導通を保つことができ、電子放射特性を向上させることができる。【００２３】
導電層はダイヤモンドからなることが耐久性等の観点からも好ましい。ダイヤモンドは、不純物をその格子中に混入させることによって半導性を持たせることができる。たとえば、Ｂ（ホウ素）を混入させるとｐ型の半導体となるし、Ｎ（窒素）やＰ（燐）を混入させるとｎ型の半導体となる。電子放出材料としては、ｎ型半導体を利用するほうがエネルギー的に有利である。ｎ型半導体のうち、Ｐを混入させたものはＮを混入させたものに比べてその活性化エネルギーが小さく、より低温で多数のキャリア（電子）を伝導帯に供給することができる。ところが、Ｐを混入させたｎ型半導性を有するダイヤモンドを導電層としてダイヤモンド上に形成するには、その形成する面は（１１１）面もしくは（１１１）面から８度以下の方位ずれであることが好ましい。すなわち、前記共通の主面の面方位もこの範囲とすることが好ましい。【００２４】
細径加工された中間領域の厚さは、０．０２ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下が好ましい。０．１５ｍｍを超えると充分な先端の先鋭化を達成することが難しくなる。また、０．０２ｍｍよりも薄いと、機械的強度が極端に低下し、把持工程や製品としての使用中に破損する可能性が大きくなり、また電子銃に取付けた後の耐久性の面からみて好ましくない。ここで、細径加工された中間領域の厚さとは、前述した主面の法線方向の厚さをいう。
先鋭化の手法は、たとえば機械的研磨による方法や、フォトリソグラフィーとエッチングを組み合わせた方法、エピタキシャル成長による方法等が使用できるが、より簡便により先鋭化した先端を得るという観点から考えて、フォトリソグラフィーとエッチングを組み合わせた手法が好ましい。【００２５】
電子顕微鏡や電子ビーム露光機などに実装するための構造体である電子源は、本実施形態におけるダイヤモンド電子放射陰極と、絶縁性セラミックと、ダイヤモンド電子放射陰極に電流を供給するための一対以上の端子からなる構造体であることが好ましい。この場合、従来の陰極材料が使用されている電子ビーム機器における電源系に特別な工夫なく本発明に係るダイヤモンド電子放射陰極を取り付けることが可能となる。【００２６】
さらに、熱電界放射型として本実施形態の電子放射陰極を適用する際、電子放射部以外からの熱電子等を抑制するためのサプレッサが必要となる。本実施形態の電子放射陰極の細径加工された領域もしくは電子放射を目的とする領域が、サプレッサの穴を貫通させる構造を採用するのが好ましい。従って、中間領域の長手方向の長さと先端領域の長手方向の長さの和が、サプレッサの穴の長さ以上であることが好ましい。中間領域の長手方向の長さとしては、０．５ｍｍ以上あることが好ましい。長すぎるとコスト高につながるので、２ｍｍ以下が好ましい。【００２７】
本実施形態に係る電子顕微鏡は、前記本実施形態に係るダイヤモンド電子放射陰極またはダイヤモンド電子源が搭載されていることを特徴とする。本実施形態に係るダイヤモンド電子放射陰極またはダイヤモンド電子源は、高電流密度、高輝度、低エネルギー幅の電子ビームが得られるため、従来陰極材料が使用されている電子顕微鏡と比較して高倍率観察が可能である。【００２８】
本実施形態に係る電子ビーム露光機は、前記本実施形態に係るダイヤモンド電子放射陰極またはダイヤモンド電子源が搭載されていることを特徴とする。本発明に係るダイヤモンド電子放射陰極またはダイヤモンド電子源は、高電流密度、高輝度、低エネルギー幅の電子ビームが得られるため、従来陰極材料が使用されている電子ビーム露光機と比較して微細パターンを高スループットで描画することが可能である。【００２９】
本発明の第２の実施形態は下記の通りである。
図４に示すように、この実施形態に係るダイヤモンド電子放射陰極４００は、長手方向に２分割することができる。すなわち、把持を目的とする後端領域４０１と、電子放射を目的とする先端領域４０２によって構成される。
電子放射を目的とする先端領域の先端部は先鋭化加工されている。把持を目的とする後端領域があることから、従来品と同様、機械的に挟み込んで把持することが容易に可能である。また、この後端領域の長手方向に対して直交する断面の形状は、長方形もしくは正方形であることが、把持のしやすさの観点からも好ましい。
本実施形態に係るダイヤモンド電子放射陰極は、全てダイヤモンドによって形成されていても良いし、ダイヤモンド以外の材料と組み合わされて形成されていても良いが、全てダイヤモンドによって形成されていることが好ましい。また、ダイヤモンドで形成されている部分の少なくとも一部を単結晶ダイヤモンドとすることにより、安定した電子放出特性が得られるため、より好ましい。特に先端領域が単結晶ダイヤモンドであることが好ましい。【００３０】
一方、把持を目的とする後端領域は、その長手方向に直行する断面積が０．１ｍｍ2以上であることが好ましい。これにより、機械的に挟み込んで把持することがより容易となり、その機械的強度を充分に確保するできるため、長時間動作させた後もその強度を保てる。また、把持を目的とする後端領域の長さは、短すぎると把持力が弱くなるし、長すぎてもコスト高となる。そのため、０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下が好ましい。
ダイヤモンドは真性半導体でありバンドギャップが５ｅＶ以上と大きいため、室温では絶縁体である。電子放射陰極として用いる場合には、電子放射を目的とする先端領域と把持を目的とする後端領域との間に導電性がなければならない。そこで本発明では、先端領域と後端領域が共通の主面を有するのが好ましい。そして、それらの当該主面に導電層を形成することによって後端領域と先端領域の間に電気的導通を形成することができるからである。これによって、仮に不純物の混入のない真性半導体としての特性を示すダイヤモンドを材料として用いた場合によっても、後端領域と先端領域の間に導通を保つことができ、電子放射特性を向上させることができる。【００３１】
導電層はダイヤモンドからなることが耐久性等の観点からも好ましい。ダイヤモンドは、不純物をその格子中に混入させることによって半導性を持たせることができる。たとえば、Ｂ（ホウ素）を混入させるとｐ型の半導体となるし、Ｎ（窒素）やＰ（燐）を混入させるとｎ型の半導体となる。電子放出材料としては、ｎ型半導体を利用するほうがエネルギー的に有利である。ｎ型半導体のうち、Ｐを混入させたものはＮを混入させたものに比べてその活性化エネルギーが小さく、より低温で多数のキャリア（電子）を伝導帯に供給することができる。ところが、Ｐを混入させたｎ型半導性を有するダイヤモンドを導電層としてダイヤモンド上に形成するには、その形成する面は（１１１）面もしくは（１１１）面から８度以下の方位ずれであることが好ましい。すなわち、前記共通の主面の面方位もこの範囲とすることが好ましい。【００３２】
電子顕微鏡や電子ビーム露光機などに実装するための構造体である電子源は、本実施形態におけるダイヤモンド電子放射陰極と、絶縁性セラミックと、ダイヤモンド電子放射陰極に電流を供給するための一対以上の端子からなる構造体であることが好ましい。この場合、従来の陰極材料が使用されている電子ビーム機器における電源系に特別な工夫なく本発明に係るダイヤモンド電子放射陰極を取り付けることが可能となる。
さらに、熱電界放射型として本実施形態の電子放射陰極を適用する際、電子放射部以外からの熱電子等を抑制するためのサプレッサが必要となる。本実施形態の電子放射陰極の電子放射を目的とする領域が、サプレッサの穴を貫通させる構造を採用するのが好ましい。従って、細径加工された領域の長手方向の長さはサプレッサの穴の長さ以上であることが好ましく、１ｍｍ以上あることが好ましい。長すぎるとコスト高につながるので、３ｍｍ以下が好ましい。
本実施形態に係る電子顕微鏡は、前記本実施形態に係るダイヤモンド電子放射陰極またはダイヤモンド電子源が搭載されていることを特徴とする。本実施形態に係るダイヤモンド電子放射陰極またはダイヤモンド電子源は、高電流密度、高輝度、低エネルギー幅の電子ビームが得られるため、従来陰極材料が使用されている電子顕微鏡と比較して高倍率観察が可能である。
【実施例】
【００３３】
以下、本発明の詳細について、実施例に基づき説明する。
（実施例１）
図２ａ）に示すように、高温高圧合成法により得られた単結晶ダイヤモンドＡ〜Ｄを用意した。また、同様に気相合成法によりホモエピタキシャル成長させて得られた単結晶ダイヤモンドＥも用意した。面方位は、図中１０２の面が（１１１）面（面方位のずれは３〜５度）であった。図２ｂ）に示すように、この（１１１）面上に、Ｐドープエピタキシャルダイヤモンド１０３をマイクロ波プラズマＣＶＤ法により３μｍ厚成膜した。この成膜した面に、フォトリソグラフ法を用いて、図２ｃ）に示したようなＡｌのパターン１０４を形成した。Ａｌの厚さは約３〜１０μｍであった。このＡｌをマスクとして、ＣＦ4添加の酸素ガスを用いてダイヤモンドの反応性イオンエッチング（以下、ＲＩＥと記す）を行った。その結果、約６０〜１５０μｍ程度の深さでエッチングされ、図２ｄ）に示すような形状が得られた。【００３４】
その後、メタルマスクによって先端から数ミリ長を覆い、ＣＦ4ガス添加の酸素雰囲気でＲＩＥ法によりＰドープエピタキシャル層を形成しなかった面からエッチングした。その際、適宜レーザー加工による面加工によるエッチングも併用した。
その結果、図２ｅ）に示すように、先端領域、中間領域が形成され、中間領域の厚さは表１のようになった。このとき、先端は、図２ｄ）に至る段階で、金属をマスクとしてダイヤモンドをＲＩＥ処理する際に、金属マスクの先鋭度（曲率半径）をサブμｍ程度に高めておけば、ダイヤモンドの先端は同程度の先鋭度に維持できる。さらに、裏面からのＲＩＥによって先鋭度は若干悪くなるものの、サブμｍ程度の曲率半径を維持できる。実際に図２ｅ）における先端の曲率半径を測定すると、表１に示すように、概ね１μｍ以下となっていた。【００３５】
こうして得られた電子放射陰極Ａ〜Ｅの、把持を目的とする後端領域２０１の断面積、長手方向の長さ、中間領域２０２の断面積、長手方向の長さを表１に示す。
こうして、得られた電子放射陰極Ａ〜Ｅを、図３に示したような電子銃３０１に組み込んだ。すなわち、インコネル製の金属部材３４０で前記ダイヤモンド電子放射陰極Ａ１１０を挟み込み、コバール製の端子３２０から電流を供給する。該端子は絶縁性セラミック３３０により保持されている。Ｍｏ製のサプレッサ（先端穴径０．６ｍｍφ）３１０を取り付けたのち、電子顕微鏡（株式会社エリオニクス製、型番ＥＲＡ-８９００ＦＥ）に取り付けた。この際、細径加工された中間領域２０２が、サプレッサ３１０の穴を貫通しているようにした。走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと記す）の電子銃部に取り付ける際に、チップ先端と引き出し電極の距離が０．３ｍｍ程度にまで近づけた。
コバール製の端子３２０を介して電子放射陰極Ａ〜Ｅに電流を供給し、チップ温度を加熱した。引出電圧を５ｋＶ、加速電圧を３０ｋＶとしてエミッション電流を評価した。エネルギー分散評価をあわせて表１に示す。ＳＥＭ観察用として優れた性能を発揮した。さらに、電子ビーム露光装置（日本電子株式会社、型番ＪＳＭ-７０００Ｆ）に取り付けたところ、線幅１００ｎｍ以下の描画が実現できた。【００３６】
（比較例１）
実施例１と同じ手法で、表２に記載の電子放射陰極Ｇ〜Ｌを作製した。
Ｇは中間領域の幅が広く、断面積が０．２２５ｍｍ2となっている。この結果、サプレッサ３１０の穴に貫通させることができず、穴を広げたサプレッサを用いて電子銃を組み立てる必要があった。その電子銃を用いて、実施例１と同様に電子顕微鏡、電子ビーム描画装置に組み込んだところ、エミッション電流は充分取り出せたものの、収束性が１μｍφ以上と悪く、高分解能の電子顕微鏡観察や、高精度のパターン描画はできなかった。
Ｈ、Ｉは、後端領域および中間領域の長さがそれぞれ４ｍｍと長くなっている。こうすると、素材のサイズが５ｍｍ長以上と長くなり、コスト高につながった。【００３７】
Ｊは、先端領域、中間領域、後端領域の共通の主面の面方位が（１００）であった。こうすると、主面に形成するｎ型ダイヤモンド層の抵抗を下げることができず、Ｊを使って作製した電子銃を電子顕微鏡に組み込んで実施例１と同様に測定したところ、エミッション電流が最大でも１０μＡ以下となり、電子顕微鏡、電子ビーム露光機用としては不十分であった。
Ｋは、中間領域の厚さが０．３ｍｍと厚くなっている。こうすると、先鋭加工された先端の先端曲率半径が、１２μｍと悪くなってしまった。これを使って作製した電子銃を組み込んで実施例１と同様に測定したところ、エミッション電流は８０μＡ程度取り出せたものの、収束性は５μｍ以上と悪くなり、電子顕微鏡、電子ビーム露光機用としては不十分であった。
Ｌは、中間領域の厚さが０．０１ｍｍとなったが、電子銃として組み立てる途中で中間領域のところで破断してしまい、電子銃として用いることができなかった。
また、電子放射陰極Ｆとして、ダイヤモンドではなく、従来技術であるＺｒＯ／Ｗ電子銃（市販品）を用いたものを用意した。エミッション電流は約９０μＡ取り出すことができるが、この量の電子放出には温度を１８００℃程度まであげる必要があり、その結果、得られる電子ビームのエネルギー分散が０．７ｅＶと大きくなった。【００３８】
【表１】
2008001805.tif 000003
【００３９】
（実施例２）
図５ａ）に示すように、高温高圧合成法により得られた単結晶ダイヤモンドＭ〜Ｐを用意した。また同様に、気相合成法によりホモエピタキシャル成長させて得られた単結晶ダイヤモンドＱも用意した。面方位は、図中５０２の面が（１１１）面（面方位のずれは３〜５度）とした。図５ｂ）に示すように、この（１１１）面上に、Ｐドープエピタキシャルダイヤモンド５０３をマイクロ波プラズマＣＶＤ法により３μｍ厚成膜した。この成膜した面に、フォトリソグラフ法を用いて、図５ｃ）に示したようなＡｌのパターン５０４を形成した。Ａｌの厚さは約３〜１０μｍであった。このＡｌをマスクとして、ＣＦ4添加の酸素ガスを用いてダイヤモンドの反応性イオンエッチング（以下、ＲＩＥと記す）を行った。その結果、約６０〜１５０μｍ程度の深さでエッチングされ、図５ｄ）に示すような形状が得られた。【００４０】
その後、メタルマスクによって先端から数ミリ長を覆い、ＣＦ4ガス添加の酸素雰囲気でＲＩＥ法によりＰドープエピタキシャル層を形成しなかった面からエッチングした。その際、適宜レーザー加工による面加工によるエッチングも併用した。
その結果、図５ｅ）に示すように、先端領域が形成された。このとき、先端は、図５ｄ）に至る段階で、金属をマスクとしてダイヤモンドをＲＩＥ処理する際に、金属マスクの先鋭度（曲率半径）をサブμｍ〜数μｍ程度に高めておけば、ダイヤモンドの先端は同程度の先鋭度に維持できる。さらに、裏面からのＲＩＥによって先鋭度は若干悪くなるものの、サブμｍ程度の曲率半径を維持できる。実際に図５ｅ）における先端の曲率半径を測定すると、表２に示すように、概ね１μｍ以下となっていた。
こうして得られた電子放射陰極Ｍ〜Ｑの、把持を目的とする後端領域４０１の断面積、長手方向の長さを表２に示す。【００４１】
こうして得られた電子放射陰極Ｍ〜Ｑを、図３に示したような電子銃３０１に組み込んだ。すなわち、インコネル製の金属部材３４０で前記ダイヤモンド電子放射陰極Ａ１１０を挟み込み、コバール製の端子３２０から電流を供給する。該端子は絶縁性セラミック３３０により保持されている。Ｍｏ製のサプレッサ（先端穴径０．６ｍｍφ）３１０を取り付けたのち、電子顕微鏡（株式会社エリオニクス製、型番ＥＲＡ-８９００ＦＥ）に取り付けた。この際、先端領域４０２が、サプレッサ３１０の穴を貫通しているようにした。走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと記す）の電子銃部に取り付ける際に、チップ先端と引き出し電極の距離が０．３ｍｍ程度にまで近づけた。
コバール製の端子３２０を介して電子放射陰極Ｍ〜Ｑに電流を供給し、チップを加熱した。引出電圧を５ｋＶ、加速電圧を３０ｋＶとしてエミッション電流を評価した。エネルギー分散評価をあわせて表２に示す。ＳＥＭ観察用として優れた性能を発揮した。さらに、電子ビーム露光装置（日本電子株式会社、型番ＪＳＭ-７０００Ｆ）に取り付けたところ、線幅１００ｎｍ以下の描画が実現できた。【００４２】
（比較例２）
実施例２と同様の手法で、表２に記載の電子放射陰極Ｒ，Ｓを作製した。
Ｒは、後端領域の長さが４ｍｍと長くなっている。こうすると、素材のサイズが５ｍｍ長以上と長くなり、コスト高となる。
Ｓは、先端領域、後端領域の共通の主面の面方位が（１００）であった。こうすると、主面に形成するｎ型ダイヤモンド層の抵抗を下げることができず、Ｓを使って作製した電子銃を電子顕微鏡に組み込んで実施例２と同様に測定したところ、エミッション電流が最大でも１０μＡ以下となり、電子顕微鏡、電子ビーム露光起用としては不十分であった。
【表２】
2008001805.tif 000004
【００４３】
本発明は、柱状のダイヤモンド電子放射陰極の後端を安定して把持可能な後端領域とし、かつ先端領域における先端部を先鋭化することによって、ダイヤモンドにより作製された電子放射陰極の提供を可能とした。更に、ダイヤモンドを電子放射陰極として採用することによって、従来利用されている電子放射陰極材料に比べて、より低い電界、低い温度で電子を真空中に取り出すことが可能になるという効果を奏する。また単結晶ダイヤモンドを採用することによって、より安定した電子放出特性を実現することができる。さらに、後端領域と先端領域に共通の主面を配置し、その主面に導電層を形成することによって、電子放出電流の向上が得られる。
【図１】
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【図２】
2008001805.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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