(57)【要約】【課題】  電子放出特性の劣化を抑制可能であり、低コストな電界放出型電子銃、電子顕微鏡、及び電子ビーム露光機を提供する。【解決手段】  本発明の一実施の形態に係る電界放出型電子銃は、（ａ）絶縁性のベースと、（ｂ）ベースに設けられた端子と、（ｃ）先鋭化された端部を有するダイヤモンド製の電界放出エミッタと、（ｄ）電界放出エミッタを把持し、且つ、電界放出エミッタと端子とを電気的に接続する導電部材と、を備えている。一実施の形態の電子顕微鏡、及び電子ビーム露光機は、この電界放出型電子銃を備えている。【選択図】  図１
2007149659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性のベースと、
前記ベースに設けられた端子と、
先鋭化された端部を有するダイヤモンド製の電界放出エミッタと、
前記電界放出エミッタを把持し、且つ、前記電界放出エミッタと前記端子とを電気的に
接続する導電部材と、
を備える電界放出型電子銃。
【請求項２】
前記ベースに設けられた別の端子と、
先鋭化された端部を有するダイヤモンド製の別の電界放出エミッタと、
前記別の電界放出エミッタを把持し、且つ、前記別の電界放出エミッタと前記別の端子とを電気的に接続する別の導電部材と、
を更に備える請求項１記載の電界放出型電子銃。
【請求項３】
絶縁性のベースと、
前記ベースに設けられた第１の端子及び第２の端子と、
先鋭化された端部を有するダイヤモンド製の電界放出エミッタと、
前記第１の端子に電気的に接続された第１の導電部材と、
前記第２の端子に電気的に接続された第２の導電部材と、
を備えており、
前記電界放出エミッタは前記第１の導電部材と前記第２の導電部材の間に把持されており、
前記第１の端子と前記第２の端子の電気的機能が相互に異なる、電界放出型電子銃。
【請求項４】
前記第１の端子と前記電界放出エミッタの間の電気抵抗をＲ１、
前記第２の端子と前記電界放出エミッタの間の電気抵抗をＲ２としたとき、
Ｒ１×１０＜Ｒ２
である、請求項３記載の電界放出型電子銃。
【請求項５】
前記第１の端子と前記電界放出エミッタの間の電気抵抗をＲ１、
前記第２の端子と前記電界放出エミッタの間の電気抵抗をＲ２としたとき、
Ｒ１×１０＜Ｒ２
かつ
１×１０４Ω＜Ｒ１＜１×１０９Ω
かつ
１×１０５Ω＜Ｒ２＜１×１０１０Ω
である、請求項３又は４に記載の電界放出型電子銃。
【請求項６】
前記第１の端子と前記電界放出エミッタの間の電気抵抗をＲ１、
前記第２の端子と前記電界放出エミッタの間の電気抵抗をＲ２としたとき、
Ｒ１＜１Ω
かつ
Ｒ２＞１×１０１０Ω
である、請求項３又は４に記載の電界放出型電子銃。
【請求項７】
前記電界放出エミッタは、前記端部を除く表面に第１の領域及び第２の領域を含んでおり、
前記第２の領域には、絶縁層を介して導電層が設けられており、
前記導電層は、前記電界放出エミッタと電気的に絶縁されており、
前記第１の導電部材は、前記第１の領域において前記電界放出エミッタと電気的に接続されており、
前記第２の導電部材は、前記導電層と電気的に接続されている、
請求項６記載の電界放出型電子銃。
【請求項８】
絶縁性を有するブロックであって、前記第２の導電部材と前記電界放出エミッタとの間に設けられた該ブロックを、更に備える請求項６又は７に記載の電界放出型電子銃。
【請求項９】
前記第２の端子と前記電界放出型エミッタの間の電気抵抗をＲ２としたとき、
Ｒ２＞１×１０１０Ω
であり、
ＰＴＣ特性を有するブロックであって、前記第１の導電部材と前記電界放出エミッタとの間に設けられた該ブロックを、更に備える請求項３に電界放出型電子銃。
【請求項１０】
前記電界放出エミッタは、前記端部を除く表面に第１の領域及び第２の領域を含んでおり、
前記第２の領域には、絶縁層を介して導電層が設けられており、
前記導電層は、前記電界放出エミッタと電気的に絶縁されており、
前記第１の導電部材は、前記第１の領域において前記電界放出エミッタと前記ＰＴＣ特性を有するブロックを挟んで接続されており、
前記第２の導電部材は、前記導電層と電気的に接続されている、
請求項９に記載の電界放出型電子銃。
【請求項１１】
絶縁性を有するブロックであって、前記第２の導電部材と前記電界放出エミッタとの間に設けられた該ブロックを、更に備える請求項９又は１０に記載の電界放出型電子銃。
【請求項１２】
前記導電部材は、インバー又はコバール製である、請求項１〜１１に記載の電界放出型電子銃。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れか一項記載の電界放出型電子銃を備える、電子顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１〜１２の何れか一項記載の電界放出型電子銃を備える、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、電界放出型電子銃、並びに、当該電界放出型電子銃を用いた電子顕微鏡、及び電子ビーム露光機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、その質量は極めて小さい。したがって、電子を一方向に導くことによって得られる電子ビームは、以下のような特徴を有している。即ち、（１）電界や磁界によって、電子ビームの方向や収束度を制御することができる。（２）電界による加減速によって、広範囲なエネルギーの電子ビームが得られる。（３）電子ビームは、波長が短いので、細く絞り込むことができる。
【０００３】
このような電子ビームの特徴を活かした装置として、電子顕微鏡や電子ビーム露光機が広く普及している。これら装置の陰極材料には、例えば、安価な熱電子放出源が用いられている。熱電子放出源としては、Ｗ（タングステン）フィラメントや、輝度の高い電子ビームが得られるＬａＢ６等の六ホウ化物が知られている。また、高輝度でエネルギー幅の狭い電子ビームを得ることができる陰極として、先鋭化した端部（先鋭端）を有するＷ（タングステン）を用いた陰極（以下、「先鋭化Ｗ」という）、電界によるショットキー効果を利用したＺｒＯ／Ｗ製の陰極が知られている。
【０００４】
電子顕微鏡に対しては、より小さな対象物を高精度に観察したいという要求がある。また、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。かかる背景から、更に高輝度でエネルギー幅が狭い電子ビームを発生可能な陰極が求められている。
【０００５】
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及び非特許文献２に記載されているように、電子親和力が負（ＮＥＡ：Negative Electron Affinity）の状態、また、仕事関数が小さい金属と比較しても小さな正（ＰＥＡ：Positive Electron Affinity）の状態が存在する。Ｗフィラメント、ＬａＢ６、或いはＺｒＯ／Ｗでは１０００℃を超える高熱が必要であるのに対して、このような物性を有するダイヤモンドを用いた陰極によれば、高電流密度の電子放出が可能であり、且つ、エネルギー幅が狭く抑えられる。また、ダイヤモンドを用いた陰極は、その駆動温度が低いので、長寿命であることが期待できる。また、非特許文献３に開示されているように、先端径１０ｎｍのダイヤモンドの微細加工技術があるので、高輝度化も可能である。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に開示の電子源が、提案されている。
【特許文献１】特開平４-６７５２７号公報
【非特許文献１】Ｆ．Ｊ．Ｈｉｍｐｓｅｌｅｔ ａｌ．，Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ．Ｂ．，Ｖｏｌ.２０，Ｎｕｍｂｅｒ ２（１９７９）６２４-
【非特許文献２】Ｊ．Ｒｉｓｔｅｉｎｅｔ ａｌ．，Ｎｅｗ ＤｉａｍｏｎｄａｎｄＦｒｏｎｔｉｅｒ Ｃａｒｂｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｖｏｌ.１０，Ｎｏ.６，（２０００） ３６３-
【非特許文献３】Ｙ．Ｎｉｓｈｉｂａｙａｓｈｉｅｔ ａｌ．，ＳＥＩ ＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｖｉｅｗ， ５７，（ ２００４）３１-
【非特許文献４】Ｗ． Ｂ． Ｃｈｏｉｅｔ 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】
【０００６】
電界放出型電子銃には、先鋭化Ｗ等の冷陰極を利用した電界放出型電子銃と、ＺｒＯ／Ｗ等の電子源を１０００℃程度以上に加熱して電界放出を行う熱電界放出陰極を利用した電界放出型電子銃がある。後者、即ち、熱電界放出陰極を利用した電界放出型電子銃では、電子ビームのエネルギー幅が冷陰極に比べて大きくなるので、装置の高分解能化には不十分である。一方、冷陰極を用いた電界放出型電子銃は、輝度及びエネルギー分布に関して、優れている。特に、先鋭化Ｗを用いた電界放出型電子銃が、エネルギー分布等の点で優れている。
【０００７】
先鋭化Ｗを陰極とする電界放出型電子銃は、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ことが可能である。この電界放出型電子銃では、電子放出源（エミッタ）として、Ｗ（１１１）、Ｗ（３１０）、又は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が用いられており、当該チップがＷフィラメントに取り付けられている。このエミッタと対を成す引出電極は、エミッタから数ｍｍ〜十数ｍｍ程度の距離をおいて配置されおり、エミッタ及び引出電極を収容する空間は、高真空状態に排気される。
【０００８】
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もっている。具体的に、先鋭化Ｗを利用した電界放出型電子銃のエネルギー幅は、２００〜３００ｍｅＶ程度になる。したがって、電子光学系に用いられるレンズの色収差を低減できるので、先鋭化Ｗを有する電界放出型電子銃は、電子顕微鏡の性能向上に大きく役立っている。
【０００９】
しかしながら、この電界放出型電子銃は、１０−８Ｐａ程度の超高真空下で使用しなければならない。また、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）を定期的に行うことが必要不可欠である。
【００１０】
また、先鋭化Ｗを利用した電界放出型電子銃の電子放出特性を一定にするためには、Ｗ表面の仕事関数や表面の形状を一定に維持する必要がある。しかしながら、使用時間の経過に伴って、Ｗ表面にガス分子が吸着し、Ｗ表面の仕事関数が変化する。また、残留ガスの陽イオンがエミッタに衝突し、エミッタの形状を変化させる。その結果、先鋭化Ｗを用いた電界放出型電子銃では、使用時間の経過に伴い、引き出される電子ビーム電流量が減少し、最終的に電子銃が破壊されてしまうことがある。また、所定の電流量を得るために引出電圧を大きくすると、放電等が起こりやすくなり、電子銃の破壊が起こる。
【００１１】
エミッタに吸着したガス分子は、上述の熱フラッシュによって除去することができる。しかしながら、熱フラッシュによって半径が変化する等、先鋭端の形状が変化するので、エミッタの初期性能の長期維持が困難である。エミッタ形状の変化に対しては、逆バイアスを印加することによって形状を整えるリモルディング法が提案されている。しかしながら、先端の電界強度が測定し難いばかりでなく、制御の再現性が難しく、エミッタを初期形状に復元することは、実用的には困難である。
【００１２】
先鋭化Ｗを利用した電界放出型冷陰極は、上記の通り安定して電子ビームを取り出すために、熱フラッシュによる再生を必要不可欠としている。したがって、エミッタ取り付け用の金属は、高融点で耐熱性の高いものに限られる。また、繰り返し熱履歴が加えられるためにエミッタとエミッタ取り付け用金属間の接合部が破損し、取り付け用金属が熱膨張・熱収縮を繰り返すためにエミッタの取り付け強度が低下する。その結果、エミッタの位置がずれ、充分な電界集中が実現できずに電子放出特性が低下するなどの問題があった。
【００１３】
また、先鋭化Ｗを利用した電界放出型冷陰極は、超高真空環境を必要とするために、故障時の交換に手間を要する。また、電子銃室の汚染を防止する上でも交換の頻度はできるだけ少ないほうが好ましい。
【００１４】
そこで、本発明は、電子放出特性の変動、劣化を抑制可能であり、低コストな電界放出型電子銃を提供すること、ならびに当該電界放出型電子銃を備える電子顕微鏡及び電子ビーム露光機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の電界放出型電子銃は、絶縁性のベースと、ベースに設けられた端子と、先鋭化された端部を有するダイヤモンド製の電界放出エミッタと、電界放出エミッタを把持し、且つ、電界放出エミッタと端子とを電気的に接続する導電部材と、を備える。
【００１６】
第１の電界放出型電子銃は、エミッタにダイヤモンドを用いている。ダイヤモンドには、上述の通り、その表面が非常に小さな電子親和力を示す状態がある。この物性を活用すれば、先鋭化Ｗと同様、もしくは、それ以上に大電流で室温動作可能な冷陰極としての応用が期待できる。
【００１７】
また、本発明者らは、ダイヤモンド製のエミッタによれば、熱フラッシュによる表面清浄化が無くとも、安定した電子放出特性を維持できることを見出した。これは、ダイヤモンドの水素終端表面や酸素終端表面が、先鋭化Ｗに比べて非常に安定で、ガス分子による吸着が生じにくいためであると考えられる。また、ダイヤモンドは、非常に化学結合が強固であるので、陽イオンによるスパッタによる表面形状の変化に対しても、先鋭化Ｗに比べて、形状変化を生じにくい。したがって、熱フラッシュによる電子放出特性の回復動作は不要である。その結果、熱フラッシュ回路が不要となり、電界放出型電子銃のコストが低減される。
【００１８】
また、第１の電界放出型電子銃は、ベースに支持された導電部材によって、電界放出エミッタを把持している。なお、導電部材によるエミッタの把持とは、ロウ付け、半田付け等によってエミッタを導電部材に固定する方法とは異なり、機械的固定によるものである。この機械的固定には、ネジやバネでエミッタを固定する方法が含まれる。例えば、導電部材としての金属棒の先端に溝を設け、当該溝に電界放出エミッタをはめ込む方法や、溝を画成する壁に孔を設け、はめ込んだ電界放出エミッタをネジで直接固定する方法が利用可能である。かかる機械的固定によれば、不純物混入による真空度劣化、電子銃の特性劣化を防止可能である。また、機械的固定によれば、部品点数を減らせるので、製造コストを安価にすることができる。
【００１９】
また、ダイヤモンド製のエミッタは、従来の電子銃に比して低温での動作があり、熱フラッシュが不要である。したがって、導電部材は、電界放出エミッタを把持して、その位置を固定するための機械的強度及び剛性を有していればよい。例えば、導電部材には、ステンレス、銅、アルミなどが、好適に適用される。
【００２０】
なお、第１の電界放出型電子銃は、従来型の電子銃とコネクタを共通化するために、端子を二つ有していてもよい。
【００２１】
本発明の第２の電界放出型電子銃は、上述の第１の電界放出型電子銃の構成要素に加えて、ベースに設けられた別の端子と、先鋭化された端部を有するダイヤモンド製の別の電界放出エミッタと、別の電界放出エミッタを把持し、且つ、別の電界放出エミッタと別の端子とを電気的に接続する別の導電部材とを更に備えている。即ち、第２の電界放出型電子銃は、導電部材を介してベースに支持された電界放出エミッタを二組以上備えている。なお、二組の電界放出エミッタを備える構成によれば、コネクタを、従来型の電子銃のコネクタと共通化できるので好ましい。
【００２２】
また、電界放出型電子銃は、超高真空状態に保たれる必要があり、大気にリークすると超高真空状態への復帰に時間を要する。第２の電界放出型電子銃は、二組以上の電界放出エミッタを備えているので、電子銃の寿命を２倍以上に延ばすことができる。その結果、電界放出エミッタを含む電子銃の交換頻度を１／２以下に、低減することができる。したがって、電子銃の交換に要する手間も削減される。
【００２３】
本発明の第３の電界放出型電子銃は、絶縁性のベースと、ベースに設けられた第１の端子及び第２の端子と、先鋭化された端部を有するダイヤモンド製の電界放出エミッタと、第１の端子に電気的に接続された第１の導電部材と、前記第２の端子に電気的に接続された第２の導電部材とを備えている。第３の電界放出型電子銃では、電界放出エミッタは第１の導電部材と第２の導電部材の間に把持されており、第１の端子と第２の端子の電気的機能が相互に異なる。
【００２４】
第３の電界放出型電子銃によれば、第１の電界放出型電子銃と同様に、熱フラッシュ等によることなく、安定した電子放出特性を維持することができる。また、第１の導電部材と第２の導電部材とによって電界放出エミッタが把持されているので、不純物混入による真空度劣化、電子銃の特性劣化を防止可能である。また、部品点数を減らせるので、製造コストを安価にできる。
【００２５】
本発明の第４の電界放出型電子銃は、第３の電界放出型電子銃と同様の構成要素を備えており、かつ、第１の端子と電界放出エミッタの間の電気抵抗をＲ１、第２の端子と電界放出エミッタの間の電気抵抗をＲ２としたとき、Ｒ１×１０＜Ｒ２である。
【００２６】
本発明の第５の電界放出型電子銃は、第３もしくは第４に記載の電界放出型電子銃と同様の構成要素を備え、かつ、第１の端子と電界放出エミッタの間の電気抵抗をＲ１、第２の端子と電界放出エミッタの間の電気抵抗をＲ２としたとき、Ｒ１×１０＜Ｒ２かつ１×１０４Ω＜Ｒ１＜１×１０９Ωかつ１×１０５Ω＜Ｒ２＜１×１０１０Ωである。
【００２７】
第３、第４、第５の電界放出型電子銃は、２つの端子の電気的機能が互いに異なることから、例えば長時間動作させて電子放出特性が劣化してきた時に、比較的低抵抗な端子に切り替えて使用することによって、電子銃全体としての寿命、安定性向上に寄与することができる。
【００２８】
本発明の第６の電界放出型電子銃は、第３、第４の電界放出型電子銃と同様の構成要素を備えており、かつ、第１の端子と電界放出エミッタの間の電気抵抗をＲ１、第２の端子と電界放出エミッタの間の電気抵抗をＲ２としたとき、Ｒ１＜１ΩかつＲ２＞１×１０１０Ωである。
【００２９】
第６の電界放出型電子銃によれば、Ｒ２が１×１０１０Ω以上であることから、２つの端子間に短絡電流が流れることを防止できるので、第１および第２の導電部材や、電界放出エミッタが過熱されることを防止できる。
【００３０】
本発明の第７の電界放出型電子銃は、第６の電界放出型電子銃と同様の構成要素を備えており、電界放出エミッタは、端部を除く表面に第一の領域及び第２の領域を含んでおり、第２の領域には絶縁層を介して導電層が設けられており、導電層は電界放出エミッタと電気的に絶縁されており、第１の導電部材は、第１の領域において電界放出エミッタと電気的に接続されており、第２の導電部材は、導電層と電気的に接続されている。
【００３１】
この第７の電界放出型電子銃によれば、導電層を引き出し電極として利用することにより、電子銃の小型化が図れる。絶縁層には例えばＳｉＯ２のようなＳｉ系酸化物等が好適に使用可能である。また、導電層には、例えばＭｏやＷなどの耐熱性の高い金属が好適に使用可能である。
【００３２】
本発明の第８の電界放出型電子銃は、第６、第７の電界放出型電子銃の構成要素に加えて、絶縁性のブロックであって第２の導電部材と電界放出エミッタの間に設けられたブロックを備えている。
【００３３】
本発明の第９の電界放出型電子銃は、第３の電界放出型電子銃と同様の構成要素を備えており、第２の端子と電界放出型エミッタの間の電気抵抗をＲ２としたとき、Ｒ２＞１×１０１０Ωであり、ＰＴＣ特性を有するブロックであって、第１の導電部材と電界放出エミッタとの間に設けられた該ブロックを更に備える。
【００３４】
ＰＴＣ特性とは、電気抵抗が正の温度特性を持つ温度領域を有するもののことをいう。特に、室温から３００℃までの温度領域において、１桁以上抵抗値が上昇するものが好ましい。例えば、ＢａＴｉＯ３にＹやＬａを混入させた材料が好適に利用できる。
【００３５】
この第９の電界放出型電子銃によれば、ＰＴＣ特性を有するブロックを、第１の導電部材と電界放出エミッタとの間に用いることで、仮にエミッション電流が流れすぎ、電界放出エミッタの温度が上昇しても、抵抗値が上昇するのでエミッション電流の抑制をすることができる。逆にエミッション電流が減りすぎても、電界放出エミッタの温度が低下するので抵抗値は下がり、エミッション電流の維持に効果的である。また、Ｒ２が１×１０１０Ω以上であることから、２つの端子間に短絡電流が流れることを防止できるので、第１および第２の導電部材や、電界放出エミッタが過熱されることを防止できる。
【００３６】
本発明の第１０の電界放出型電子銃は、第９の電界放出型電子銃と同様の構成要素を備えており、かつ、電界放出エミッタは、端部を除く表面に第１の領域及び第２の領域を含んでおり、第２の領域には絶縁層を介して導電層が設けられており、導電層は電界放出エミッタと電気的に絶縁されており、第１の導電部材は、第１の領域において電界放出エミッタとＰＴＣ特性を有するブロックを挟んで接続されており、第２の導電部材は、導電層と電気的に接続されている。
【００３７】
この第１０の電界放出型電子銃によれば、導電層を引き出し電極として利用することにより、電子銃の小型化が図れる。絶縁層には例えばＳｉＯ２のようなＳｉ系酸化物等が好適に使用可能である。また、導電層には、例えばＭｏやＷなどの耐熱性の高い金属が好適に使用可能である。
【００３８】
本発明の第１１の電界放出型電子銃は、第９、１０の電界放出型電子銃同様の構成要素を備えており、かつ、絶縁性のブロックであって、第２の導電部材と電界放出エミッタの間に設けられたブロックを備えている。
【００３９】
上述した第１〜１１の電界放出型電子銃では、導電部材が、インバー、もしくはコバール、もしくはインコネル製であることが好ましい。インバー、スーパーインバー、コバール、インコネルといった金属は、キュリー点以下の温度で自発体積磁歪による体積変化が生じる。これが格子振動による体積変化を打ち消す方向に作用するため、非常に小さな熱膨張係数を示す。したがって、これらの金属でできた導電部材によれば、電界放出エミッタの端部、すなわち先鋭端に印加される電界が安定して、安定した電子放出特性が得られる。
【００４０】
本発明の別の側面は、電子顕微鏡に関するものである。本発明の電子顕微鏡は、電子銃として、上述した第１〜１１の電界放出型電子銃を備えている。また、本発明のさらに別の側面は、電子ビーム露光機に関するものである。本発明の電子ビーム露光機は、電子銃として、上述した第１〜１１の電界放出型電子銃を備えている。
【発明の効果】
【００４１】
以上説明したように、本発明によれば、電子放出特性の変動、劣化を抑制可能であり、低コストな電界放出型電子銃、電子顕微鏡、及び電子ビーム露光機が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００４３】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。図１に示す電界放出型電子銃１０は、ベース１２と、端子１４と、導電部材１６と、電界放出エミッタ１８と、を備えている。
【００４４】
ベース１２は、導電部材１６を支持する部材であり、絶縁性を有している。ベース１２には、アルミナ又は窒化珪素といったセラミック製であることができる。
【００４５】
図１に示すベース１２は、第１の主面１２ａ及び第２の主面１２ｂを有する板状を成している。第１の主面１２ａ及び第２の主面１２ｂは、軸線Ｘに交差する方向に延びている。
【００４６】
ベース１２は、第１の主面１２ａから第２の主面１２ｂに貫通するように取り付けられた導電部材１６を支持している。ベース１２の第２の主面１２ｂには、端子１４が設けられており、この端子１４と導電部材１６が電気的に接続されている。
【００４７】
導電部材１６は、端子１４と電界放出エミッタ１８とを電気的に接続するための部材である。この導電部材１６は、金属製の棒状体である。導電部材１６には、熱膨張係数の小さなインバー又はコバールを好適に用いることができる。なお、導電部材１６は、例えば、ステンレス、銅、アルミ等から構成されていてもよい。
【００４８】
また、導電部材１６は、軸線Ｘ方向に延びており、その端部１６ａによって、電界放出エミッタ１８の胴部を保持している。
【００４９】
図２は、図１に示す電界放出エミッタ及び導電部材の端部を拡大して示す側面図である。具体的に、導電部材１６の端部１６ａには、面１６ｂ及び面１６ｃによって画成された溝が設けられている。面１６ｂ及び面１６ｃは、軸線Ｘ方向に延びる面に沿っており、互いに対面している。これら面１６ｂと面１６ｃの間の距離は、電界放出エミッタ１８の基部の幅より大きい。また、面１６ｂを含む壁１６ｄには、ねじ孔１６ｅが設けられている。電界放出エミッタ１８は、ねじ孔１６ｅに挿入されるねじ２０の先端面と面１６ｃとの間に把持されている。なお、導電部材の端部は、電界放出エミッタを機械的に固定可能であれば、例えばバネ構造等の種々の構造を採用可能である。
【００５０】
電界放出エミッタ１８は、ダイヤモンド製のエミッタである。この電界放出エミッタ１８は、軸線Ｘ方向に延びており、当該軸線方向へ順に上述の胴部、及び端部１８ａを有している。この端部１８ａは、先鋭化されている。
【００５１】
図２に示す電界放出エミッタ１８は、内部に単結晶ダイヤモンドを含んでいる。単結晶ダイヤモンドは、天然に産するものの他、高温高圧法、気相合成法などによって人工的に合成されるものであってもよい。
【００５２】
また、電界放出エミッタ１８は、端部１８ａへの導電パスのために、導電部材１６との接触部と端部１８ａとの間に、導電性ダイヤモンドを含んでいる。本実施の形態では、電界放出エミッタ１８は、その表層１８ｂに導電性ダイヤモンドを含んでいる。
【００５３】
ダイヤモンドに導電性をもたせるための手法としては、公知のドーピング技術を利用可能である。例えば、ｎ型不純物、例えばＰ（リン）、Ｓ（硫黄）をドーピングすることによって、優れたｎ型導電性を呈するダイヤモンドを得ることができる。この導電性ダイヤモンドには、ｎ型不純物（たとえばＰ、Ｓ（硫黄））が、２×１０１５ｍ−３以上、より好ましくは２×１０１９ｃｍ−３含まれていることが好ましい。この場合には、ダイヤモンドの伝導帯に電子が供給されるので、実質的に仕事関数が小さくなり、高電流密度での電子放射が可能となる。
【００５４】
なお、ｐ型不純物、例えばＢ（ホウ素）を用いることによって、ｐ型導電性を呈する導電性ダイヤモンドが設けられていてもよい。
【００５５】
また、電界放出エミッタ１８のダイヤモンド全体が、導電性を有していてもよい。或いは、表面もしくは内部に導電性ダイヤモンドを設けて、電界放出エミッタ１８の端部１８ａと導電部材１６の間の導電パスを形成してもよい。導電性ダイヤモンド層の導電率等の諸特性は、電界放出エミッタの電界放出特性に大きな影響を与えるので、導電性ダイヤモンド層を気相合成法によって単結晶上にエピタキシャル成長させることが好ましい。全体を導電性ダイヤモンドとする場合には、導電性ダイヤモンドを基材となる単結晶上に気相合成法によりエピタキシャル成長した後、単結晶を除去することができる。
【００５６】
気相合成法により、これらの不純物をドーピングしながらエピタキシャル成長を行うには、マイクロ波プラズマＣＶＤ法を適用することが好ましい。原料ガスとしては、Ｈ２（水素）希釈のメタンガスを用いることが好ましい。ドーピングガスとしてはＰＨ３やＨ２Ｓ、Ｂ２Ｈ６が好ましい。
【００５７】
以下、電界放出型電子銃１０を備える電子放出装置について説明する。図３は、図１に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。図３に示す電子放出装置３０は、電界放出型電子銃１０と、引出電極３２と、加速電極３４と、容器３６と、電源３８と、電源４０とを備えている。
【００５８】
引出電極３２は、電界放出エミッタ１８から電子を放出させるための電極である。引出電極３２は、開口３２ａを有する円盤状を成しており、開口３２ａが電界放出エミッタ１８の端部１８ａと対向するように設けられている。この引出電極３２は、電源３８の正極に電気的に接続されており、当該電源３８の負極には端子１４が電気的に接続されている。
【００５９】
加速電極３４は、電界放出エミッタ１８から放出された電子を加速するための電極である。加速電極３４は、開口３４ａを有する円盤状を成しており、開口３４ａが電界放出エミッタ１８の端部１８ａと対向するように設けられている。加速電極３４は、電源４０の正極に電気的に接続されており、当該電源４０の負極には端子１４が電気的に接続されている。
【００６０】
容器３６は、電界放出型電子銃１０、引出電極３２、及び加速電極３４を収容する真空の空間を提供する部材である。この電子放出装置３０では、容器３６の内部が真空状態とされており、引出電極３２と電界放出エミッタ１８との間の電界によって、電界放出エミッタ１８の端部１８ａから電子が放出される。この電子は、加速電極３４による電界によって、加速されて、放出される。
【００６１】
以下、電界放出型電子銃１０及び電子放出装置３０の作用・効果について説明する。上述したように、電界放出型電子銃１０は、ダイヤモンド製の電界放出エミッタ１８を有しているので、熱フラッシュ等による表面洗浄化が無くとも安定した電子放出特性を維持することができる。また、熱フラッシュ回路が不要であるので、電界放出型電子銃１０は、安価なデバイスとなっている。
【００６２】
また、電界放出エミッタ１８は、熱フラッシュが不要であり且つ低温動作が可能である。したがって、導電部材１６による把持によって、電界放出エミッタ１８を安定的に固定することができる。また、導電部材１６による把持によって電界放出エミッタ１８が固定されているので、不純物混入による容器３６内の真空度劣化、電界放出型電子銃１０の特性劣化が防止される。更に、導電部材１６による把持によって電界放出エミッタ１８を固定することが可能であるので、電界放出型電子銃１０の部品点数を削減し、製造コストを安価にすることができる。
【００６３】
［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。図４に示す電界放出型電子銃１０Ｂは、ベース１２、端子１４Ａ及び１４Ｂ、導電部材１６Ｂ、並びに電界放出エミッタ１８を備えている。電界放出型電子銃１０Ｂの構成部材のうち、ベース１２及び電界放出エミッタ１８は、電界放出型電子銃１０のものと同様の部材である。
【００６４】
端子１４Ａ及び端子１４Ｂは、ベース１２の第２の主面１２ｂ上に設けられており、軸線Ｘに対して略対称に配置されている。端子１４Ａには、導電部材１６Ｂが、電気的に接続されており、当該導電部材１６Ｂは、端子１４Ｂと絶縁されている。
【００６５】
導電部材１６Ｂは、端部１６ａと胴部１６ｆとを有する金属製の棒状体である。導電部材１６Ｂは、導電部材１６と同様の材料から構成することができる。導電部材１６Ｂの胴部１６ｆは、軸線Ｘに交差する方向に延びており、その一端は端子１４Ａと電気的に接続されている。導電部材１６Ｂの端部１６ａは、胴部１６ｆの他端に連続している。
【００６６】
この端部１６ａは、第１の実施の形態に係る導電部材１６の端部１６ａと同様の構成を有しており、ねじ２０との共働によって電界放出エミッタ１８を把持することができる。
【００６７】
図５は、電界放出型電子銃１０Ｂを備える電子放出装置３０Ｂの構成を概略的に示す図である。図５に示す電子放出装置３０Ｂは、第１の実施の形態と同様に、引出電極３２、加速電極３４、容器３６、電源３８、及び電源４０を備えており、更に電界放出型電子銃１０Ｂを備えている。
【００６８】
電子放出装置３０Ｂでは、電界放出型電子銃１０Ｂの端子１４Ａ及び端子１４Ｂが、電源３８及び４０それぞれの負極に電気的に接続されている。
【００６９】
かかる電界放出型電子銃１０Ｂ、及び電子放出装置３０Ｂは、上述した第１の実施形態と同様の作用・効果を有している。また、電界放出型電子銃１０Ｂは、一対の端子１４Ａ及び１４Ｂを有しているので、従来型の電子銃とコネクタを共通化することができる。
【００７０】
［第３の実施の形態］
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。図６に示す電界放出型電子銃１０Ｃは、ベース１２、端子１４Ａ及び１４Ｂ、二つの導電部材１６Ｂ、並びに、二つの電界放出エミッタ１８を備えている。電界放出型電子銃１０Ｃの構成部材のうち、ベース１２、端子１４Ａ及び１４Ｂ、導電部材１６Ｂのそれぞれ、電界放出エミッタ１８のそれぞれは、第２の実施の形態のものと同様の部材である。
【００７１】
図６に示すように、二つの導電部材１６Ｂは、端子１４Ａ及び端子１４Ｂにそれぞれ接続されている。導電部材１６Ｂそれぞれの胴部１６ｆは、軸線Ｘに交差する方向に延びており、端部１６ａに連続している。導電部材１６Ｂそれぞれの端部１６ａには、第１の実施の形態と同様に、電界放出エミッタ１８が把持されている。
【００７２】
図７は、図６に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。図７に示す電子放出装置３０Ｃは、第２の実施の形態と同様に、引出電極３２、加速電極３４、容器３６、電源３８、及び電源４０を備えており、更にスイッチ４２及び電界放出型電子銃１０Ｃを備えている。
【００７３】
この電子放出装置３０Ｃでは、スイッチ４２によって、電源３８の負極及び電源４０の負極に、端子１４Ａ及び端子１４Ｂの一方を電気的に接続可能になっている。
【００７４】
かかる電界放出型電子銃１０Ｃ、及び電子放出装置３０Ｃは、第２の実施の形態と同様の作用・効果を有している。また、電界放出型電子銃１０Ｃは、二つの電界放出エミッタ１８を有しているので、電界放出エミッタ１８を一つ有する電子銃に比べて、その寿命を２倍に延ばすことができる。その結果、電子放出装置３０Ｃにおける電子銃の交換に要する手間が削減される。
【００７５】
［第４の実施の形態］
図８は、本発明の第４の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。図８に示す電界放出型電子銃１０Ｄは、ベース１２、端子１４Ａ、及び端子１４Ｂ、導電部材１６Ｄ、及び導電部材１６Ｅ、並びに電界放出エミッタ１８を備えている。電界放出型電子銃１０Ｄの構成部材のうち、ベース１２、端子１４Ａ、１４Ｂのそれぞれは、第２の実施の形態と同様の部材である。
【００７６】
導電部材１６Ｄ、１６Ｅは、金属製の棒状体であり、第１の実施の形態の導電部材１６と同様の材料から構成されている。導電部材１６Ｄ，１６Ｅは軸線Ｘに交差する方向に延びている。
【００７７】
導電部材１６Ｄと電界放出エミッタ１８との間に、抵抗体ブロック１１０Ａが設けられている。また、導電部材１６Ｅと電界放出エミッタの間に、抵抗体ブロック１１０Ｂが設けられている。このブロック１１０Ａ、１１０Ｂは、セラミック系の部材や、カーボン系の部材であることができる。
【００７８】
端子１４Ａは、導電部材１６Ｄ，抵抗体ブロック１１０Ａを介して電界放出エミッタ１８に接続される。端子１４Ｂは、導電部材１６Ｅ、抵抗体ブロック１１０Ｂを介して電界放出エミッタ１８に接続される。端子１４Ａと電界放出エミッタ１８との間の電気抵抗をＲ１とし端子１４Ｂと電界放出エミッタ１８との間の電気抵抗をＲ２とすると、Ｒ１×１０＜Ｒ２かつ１×１０４Ω＜Ｒ１＜１×１０９Ωかつ１×１０５Ω＜Ｒ２＜１×１０１０Ωとなっている。
【００７９】
電界放出型冷陰極からの電子放出電流は、電界放出エミッタの表面状態等に大きく影響を受けるため、他のタイプの電子銃に比べて安定性に劣る。直列に抵抗成分を挿入した場合には、電子放出電流が小さくなると、挿入した抵抗成分における電圧降下が小さくなり、相対的に電子放出部にかかる電界が上昇し、電子放出電流を上昇させる。逆に、電子放出電流が大きくなると、挿入した抵抗成分における電圧降下が大きくなるため、電子放出部にかかる電圧が小さくなり、電子放出電流が小さくなる。このように、直列に抵抗成分を導入すると、電子放出電流を安定化させる効果がある。ここで挿入すべき抵抗成分の抵抗値は、それぞれの電界放出エミッタの製造上のばらつきがあるので、電子ビーム装置側に組み込むのではなく、各エミッタごとに最適な抵抗値を有するブロックを挿入することが好ましい。
【００８０】
また、長時間動作させることによって、徐々に電界放出エミッタ１８の放出特性は劣化が進行する。そこで、端子１４Ａと端子１４Ｂで、電界放出エミッタ１８までの抵抗値を差をつけておくことによって、動作初期は端子１４Ａを使用し、その後端子１４Ｂに切り替えることによって、電界放出エミッタ１８の寿命を延ばすことが可能となる。ここで、端子１４Ａと端子１４Ｂで、１桁以上の抵抗値の差を設けておくことが好ましい。それ以下だと、寿命の延長効果は十分ではない。
【００８１】
電気抵抗値の範囲は、小さいほうのＲ１は１×１０４Ω以上が好ましい。１×１０４Ω未満だと、電流抑制の効果が小さくなりすぎる。大きいほうのＲ２は、１×１０１０Ω以下が好ましい。１×１０１０Ωを超えると、電子放出電流の絶対値が小さくなってしまう。
【００８２】
導電部材１６Ｄは、その先端に面１６ｉを有しており、導電部材１６Ｅは、その先端に面１６ｊを有している。これら面１６ｉ、１６ｊは、互いに対面している。導電部材１６Ｄ及び導電部材１６Ｅは、面１６ｉ、１６ｊの間に電界放出エミッタ１８とブロック１１０Ａ，１１０Ｂを把持している。そのために電界放出エミッタ１８とブロック１１０Ａ，１１０Ｂを把持しない状態において、面１６ｉと１６ｊの間の距離は、電界放出エミッタ１８の幅とブロック１１０Ａ，１１０Ｂの幅の和よりも小さくなっている。また、導電部材１６Ｄ及び導電部材１６Ｅは、軸線Ｘに交差する方向に可撓性を有している。これによって、導電部材１６Ｄ，１６Ｅは、電界放出エミッタ１８およびブロック１１０Ａ，１１０Ｂを、適切な強度を把持することができる。
【００８３】
図９は、図８に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。図９に示す電子放出装置３０Ｄは、第２、３の実施の形態と同様に、引出電極３２、加速電極３４、容器３６、電源３８、及び電源４０を備えており、さらにスイッチ４２と電界放出型電子銃１０Ｄを備えている。この電子放出装置３０Ｄでは、スイッチ４２によって、電源３８の負極及び電源４０の負極に、端子１４Ａ及び１４Ｂの一方を電気的に接続可能となっている。
【００８４】
かかる電界放出型電子銃１０Ｄ、及び電子放出装置３０Ｄは、第２の実施の形態と同様の作用・効果を有している。また、電界放出型電子銃１０Ｄは、二つの抵抗成分を持った回路を有しているので、電界放出エミッタの劣化に伴う動作条件の調整を容易に行うことができ、その動作寿命を延ばすことが可能となる。その結果、電子放出装置３０Ｄにおける電子銃の交換に要する手間が削減される。
【００８５】
［第５の実施の形態］
図１０は、本発明の第５の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。図１０に示す電界放出型電子銃１０Ｅは、ベース１２、端子１４Ａ及び１４Ｂ、導電部材１６Ｄ及び導電部材１６Ｅ、電界放出エミッタ１８、並びにブロック４４を備えている。電界放出型電子銃１０Ｅの構成部材のうち、ベース１２、端子１４Ａ及び１４Ｂ、並びに、電界放出エミッタ１８は、第２の実施の形態のものと同様の部材である。
【００８６】
導電部材１６Ｄ及び導電部材１６Ｅは、金属製の棒状体であり、第１の実施の形態の導電部材１６と同様の材料から構成されている。導電部材１６Ｄ及び導電部材１６Ｅは、軸線Ｘに交差する方向に延びている。
【００８７】
導電部材１６Ｄは、端子１４Ａと電界放出エミッタ１８とを電気的に接続している。導電部材１６Ｅは、端子１４Ｂと電気的に接続されており、電界放出エミッタ１８とは絶縁されている。
【００８８】
本実施の形態では、導電部材１６Ｅと電界放出エミッタ１８との間に絶縁性のブロック４４が設けられている。このブロック４４は、セラミック製の部材であることができる。このセラミックとしては、アルミナ系セラミックや、窒化珪素系セラミック等が、絶縁性及び機械的強度の点で優れている。また、このブロック４４は、テフロン（登録商標）樹脂やポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等で構成されていてもよい。端子１４Ａと電界放出エミッタ１８の間の電気抵抗をＲ１とし、端子１４Ｂと電界放出エミッタ１８の間の電気抵抗をＲ２としたとき、Ｒ１＜１ΩかつＲ２＞１×１０１０Ωとなっている。
【００８９】
導電部材１６Ｄは、その先端に面１６ｉを有しており、導電部材１６Ｅは、その先端に面１６ｊを有している。これら面１６ｉと面１６ｊは、互いに対面している。導電部材１６Ｄ及び導電部材１６Ｅは、面１６ｉと面１６ｊの間に電界放出エミッタ１８とブロック４４を把持している。そのために、電界放出エミッタ１８とブロック４４を把持していない状態において、面１６ｉと面１６ｊとの間の距離は、電界放出エミッタ１８の幅とブロック４４の幅との和より小さくなっている。また、導電部材１６Ｄ及び導電部材１６Ｅは、軸線Ｘに交差する方向に可撓性を有している。これによって、導電部材１６Ｄ及び導電部材１６Ｅは、電界放出エミッタ１８及びブロック４４を、適切な強度で把持することができる。
【００９０】
図１１は、図１０に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。図１１に示す電子放出装置３０Ｅは、第２の実施の形態と同様に、引出電極３２、加速電極３４、容器３６、電源３８、及び電源４０を備えており、さらに電界放出型電子銃１０Ｅを備えている。電子放出装置３０Ｅでは、電源３８の負極及び電源４０の負極が、端子１４Ａ及び端子１４Ｂに電気的に接続されている。
【００９１】
かかる電界放出型電子銃１０Ｅ，及び電子放出装置３０Ｅは、第２の実施の形態と同様の作用・効果を有している。また、電界放出型電子銃１０Ｅによれば、端子１４Ａと端子１４Ｂの間に短絡電流が流れることを防止し、導電部材１６Ｄ及び１６Ｅや電界放出エミッタ１８が加熱されることを防止することができる。また、Ｒ２が１×１０１０Ω以上であることから、２つの端子間に短絡電流が流れることを防止できるので、導電部材１６Ｄ，１６Ｅや、電界放出エミッタ１８が過熱されることを防止できる。
【００９２】
［第６の実施の形態］
図１２は、本発明の第６の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。図１３は、図１２に示す電界放出エミッタ及び導電部材の端部を拡大して示す側面図である。図１２及び図１３に示す電界放出型電子銃１０Ｆは、ベース１２、端子１４Ａ及び１４Ｂ、導電部材１６Ｄ及び１６Ｅ、電界放出エミッタ１８、絶縁層４６、並びに導電層４８を備えている。これら電界放出型電子銃１０Ｆの構成部材のうち、ベース１２、端子１４Ａ及び１４Ｂ、導電部材１６Ｄ及び１６Ｅ、電界放出エミッタ１８は、第５の実施の形態のものと同様の部材である。
【００９３】
図１３に示すように、電界放出エミッタ１８は、端部１８ａの表面を除く表面が、第１の領域１８ｆと第２の領域１８ｅに区画されている。第２の領域１８ｅには、絶縁層４６を介して導電層４８が設けられている。絶縁層４６には、例えば、ＳｉＯ２のようなＳｉ系酸化物等を用いることができる。また、導電層４８には、例えば、ＭｏやＷを用いることができる。
【００９４】
第１の領域１８ｆは、導電部材１６Ｄを電界放出エミッタ１８と電気的に接続するための領域である。第１の領域１８ｆには、絶縁層４６が設けられておらず、導電部材１６Ｄの先端の面１６ｉが接している。一方、導電部材１６Ｅの先端の面１６ｊは、導電層４８に接している。
【００９５】
この電界放出型電子銃１０Ｆでは、導電部材１６Ｄの面１６ｉと導電部材１６Ｅの面１６ｊの間に電界放出エミッタ１８が把持されている。電界放出エミッタ１８を把持していない状態においては、面１６ｉと面１６ｊとの間の距離が、電界放出エミッタ１８の幅と絶縁層４６の層厚と導電層４８の層厚の和より小さくなっている。また、導電部材１６Ｄ及び導電部材１６Ｅは、軸線Ｘに交差する方向に可撓性を有している。これによって、導電部材１６Ｄ及び導電部材１６Ｅは、電界放出エミッタ１８を適度な強度で把持することができる。
【００９６】
図１４は、図１２に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。図１４に示す電子放出装置３０Ｆは、第１の実施の形態と同様に、加速電極３４、容器３６、電源３８、及び電源４０を備えており、更に電界放出型電子銃１０Ｆを備えている。
【００９７】
電子放出装置３０Ｆは、引出電極３２を有しておらず、導電層４８が引出電極として用いられている。具体的に、電子放出装置３０Ｆでは、電源３８の正極が導電部材１６Ｅを介して導電層４８に電気的に接続された端子１４Ｂに接続されている。また、電源３８の負極が端子１４Ａに接続されている。したがって、導電層４８と端部１８ａとの間に生じる電界によって、端部１８ａから電子が放出される。
【００９８】
かかる電界放出型電子銃１０Ｆ，及び電子放出装置３０Ｆは、第５の実施の形態と同様の作用・効果を有している。また、導電層４８を引出電極として用いることができるので、電界放出型電子銃１０Ｆの小型化が実現され、更に、電子放出装置３０Ｆの小型化及び低コスト化が実現される。
【００９９】
［第７の実施の形態］
図１５は、本発明の第７の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。図１６は、図１５に示す電界放出エミッタ及び導電部材の端部を拡大して示す側面図である。図１５及び図１６に示す電界放出型電子銃１０Ｇは、ベース１２、端子１４Ａ及び１４Ｂ、導電部材１６Ｄ及び１６Ｅ、電界放出エミッタ１８、絶縁層４６、導電層４８、ブロック４４、並びにワイヤ５０を備えている。これら電界放出型電子銃１０Ｇの構成部材のうち、ベース１２、端子１４Ａ及び１４Ｂ、導電部材１６Ｄ及び１６Ｅ、電界放出エミッタ１８、絶縁層４６、並びに導電層４８は、第６の実施の形態と同様の要素である。
【０１００】
電界放出型電子銃１０Ｇでは、導電部材１６Ｅの先端の面１６ｊと導電層４８との間に絶縁性のブロック４４が設けられている。また、導電部材１６Ｅと導電層４８とがワイヤ５０によって電気的に接続されている。
【０１０１】
導電部材１６Ｄと導電部材１６Ｅは、面１６ｉと面１６ｊとの間に、電界放出エミッタ１８及びブロック４４を把持している。電界放出型電子銃１０Ｇでは面１６ｉと面１６ｊとの距離が、電界放出エミッタ１８の幅と絶縁層４６の層厚と導電層４８の層厚とブロック４４の幅との和より小さくなっている。また、導電部材１６Ｄと導電部材１６Ｅは、軸線Ｘに交差する方向に可撓性を有している。これによって、導電部材１６Ｄ及び導電部材１６Ｅは、電界放出エミッタ１８及びブロック４４を適度な強度で把持することができる。
【０１０２】
図１７は、図１５に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。図１７に示す電子放出装置３０Ｇは、第６の実施の形態と同様に、加速電極３４、容器３６、電源３８、及び電源４０を備えており、更に電界放出型電子銃１０Ｇを備えている。
【０１０３】
かかる電界放出型電子銃１０Ｇ、及び電子放出装置３０Ｇは、第６の実施の形態と同様の作用・効果を有している。また、絶縁性ブロック４４を備えているので、導電部材１６Ｅと電界放出エミッタ１８との絶縁性がより高められている。
【０１０４】
［第８の実施の形態]
図１８は、本発明の第８の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。図１９は、図１８に示す電界放出エミッタ及び導電部材の端部を拡大して示す側面図である。図１８及び図１９に示す電界放射型電子銃１０Ｈは、ベース１２、端子１４Ａ及び１４Ｂ，導電部材１６Ｄ及び１６Ｅ，電界放出エミッタ１８、絶縁層４６、ならびに導電層４８、ＰＴＣ特性を有するブロック２００を備える。これらの電界放出型電子銃１０Ｈの構成部材のうち、ベース１２、端子１４Ａ及び１４Ｂ，導電部材１６Ｄ及び１６Ｅ、電界放出エミッタ１８は、第５の実施の形態のものと同様の部材である。
【０１０５】
図１９に示すように、電界放出エミッタ１８は、端部１８ａの表面を除く表面が、第１の領域１８ｆと第２の領域１８ｅに区画されている。第２の領域１８ｅには、絶縁層４６を介して導電層４８が設けられている。絶縁層４６には、例えば、ＳｉＯ２のようなＳｉ系酸化物等を用いることができる。また導電層４８には、例えばＭｏやＷを用いることができる。
【０１０６】
第１の領域１８ｆは、導電部材１６Ｄを電界放出エミッタ１８と、ＰＴＣ特性を有するブロック２００を介して接続される箇所である。第１の領域１８ｆには、絶縁層４６が設けられていない。導電部材１６Ｄの先端の面１６ｉは、ＰＴＣ特性を有するブロックの表面２００ａに接している。一方、ＰＴＣ特性を有するブロックの表面２００ａの対面２００ｂは、第１の領域１８ｆに接している。さらに、導電層４８には、導電部材１６Ｅの先端の面１６ｊが接している。
【０１０７】
ブロック２００におけるＰＴＣ特性とは、室温から３００℃までの温度領域において、その抵抗値が１桁以上上昇する領域を持つものである。例えば、ＢａＴｉＯ３にＹやＬａを混入させ、焼成したものが好適に使用できる。
【０１０８】
この電界放出型電子銃１０Ｈによれば、ＰＴＣ特性を有するブロック２００を、導電部材１６Ｄと電界放出エミッタ１８との間に用いることで、仮にエミッション電流が流れすぎ、電界放出エミッタ１８の温度が上昇しても、抵抗値が上昇するので、エミッション電流の抑制をすることができる。逆にエミッション電流が減りすぎても、電界放出エミッタ１８の温度が低下するので抵抗値は下がり、エミッション電流の維持に効果的である。また、Ｒ２が１×１０１０Ω以上であることから、２つの端子間１４Ａ，１４Ｂに短絡電流が流れることを防止できるので、導電部材１６Ｄ，１６Ｅや、電界放出エミッタ１８が過熱されることを防止できる。
【０１０９】
図２０は、図１８に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。図２０に示す電子放出装置３０Ｈは、第６の実施の形態と同様に、加速電極３４、容器３６、電源３８、及び電源４０を備えており、更に電界放出型電子銃１０Ｈを備えている。
【０１１０】
電子放出装置３０Ｈは、引出電極３２を備えておらず、導電層４８が引出電極として機能する。具体的に、電子放出装置３０Ｈでは、電極３８の正極が導電部材１６Ｅを介して導電層４８に電気的に接続された端子１４Ｂに接続されている。また、電源３８の負極が端子１４Ａに接続されている。したがって、導電層４８と端部１８ａとの間に生じる電界によって、端部１８ａから電子が放出される。
【０１１１】
かかる電界放出型電子銃１０Ｈ、及び電子放出装置３０Ｈは、第６の実施の形態と同様の作用・効果を有している。また、導電層４８を引出電極として用いることができるので、電界放出型電子銃１０Ｈの小型が実現され、更に、電子放出装置３０Ｈの小型化及び低コスト化が実現される。また、ＰＴＣサーミスタの効果によってその電子放出電流の変動を抑制させることができる。
【０１１２】
[第９の実施の形態]
図２１は、本発明の第９の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。図２２は、図２１に示す電界放出エミッタ及び導電部材の端部を拡大して示す側面図である。図２１及び図２２に示す電界放出型電子銃１０Ｉは、ベース１２、端子１４Ａ及び１４Ｂ、導電部材１６Ｄ及び１６Ｅ，電界放出エミッタ１８、ならびにブロック４４及びＰＴＣ特性を有するブロック２００を備える。これら電界放出型電子銃１０Ｉの構成部材のうち、ベース１２、端子１４Ａおよび１４Ｂ，導電部材１６Ｄ及び１６Ｅ，電界放出エミッタ１８、ＰＴＣ特性を有するブロック２００は、第８の実施の形態と同様の部材である。
【０１１３】
本実施の形態では、導電部材１６Ｅと電界放出エミッタ１８の間に絶縁性のブロック４４が設けられている。このブロック４４は、セラミックの部材であることができる。このセラミックとしては、窒化珪素系セラミックやアルミナ系セラミック等が、絶縁性及び機械的強度等の観点で優れている。また、このブロック４４は、テフロン（登録商標）樹脂やポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等で構成されてもよい。
【０１１４】
図２３は、図２１に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。図２３に示す電子放出装置３０Ｉは、第５の実施の形態と同様に、引出電極３２、加速電極３４、容器３６、電源３８、及び電源４０を備え、さらに電界放出型電子銃１０Ｉを備える。電子放出装置３０Ｉでは、電源３８の負極及び電源４０の負極が、端子１４Ａ及び１４Ｂに電気的に接続されている。
【０１１５】
かかる電界放出型電子銃１０Ｉ、及び電子放出装置３０Ｉは、第５の実施の形態と同様の作用、効果を有している。また、電界放出型電子銃１０Ｉによれば、端子１４Ａと端子１４Ｂの間に短絡電流が流れることを防止し、導電部材１６Ｄ及び１６Ｅが過熱することを防止できる。また、ＰＴＣサーミスタの効果によってその電子放出電流の変動を抑制させることができる。
【０１１６】
[第１０の実施の形態]
図２４は、本発明の第１０の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。図２５は、図２４に示す電界放出エミッタ及び導電部材の端部を拡大して示す側面図である。図２４及び２５に示す電界放出型電子銃１０Ｊは、ベース１２、端子１４Ａ及び１４Ｂ，導電部材１６Ｄ及び１６Ｅ，電界放出エミッタ１８、絶縁層４６、導電層４８、ブロック４４、ワイヤ５０、ならびにＰＴＣ特性を有するブロック２００を備える。これらの電界放出型電子銃１０Ｊの構成部材のうち、ワイヤ５０以外の要素は第９の実施の形態と同様の要素であり、ワイヤ５０は第７の実施の形態と同様の要素である。
【０１１７】
電界放出型電子銃１０Ｊでは、導電部材１６Ｅの先端の面１６ｊと導電層４８の間に、絶縁性のブロック４４が設けられている。また、導電部材１６Ｅと導電層４８が、ワイヤ５０によって電気的に接続されている。さらに、導電部材１６Ｄの先端の面１６ｉが、ＰＴＣ特性を有するブロック２００の表面２００ａと接し、電界放出エミッタの１８ｆとＰＴＣ特性を有するブロック２００の表面２００ｂが接している。
【０１１８】
図２６は、図２４に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示すものである。図２６に示す電子放出装置３０Ｊは、第９の実施の形態と同様に、加速電極３４、容器３６、電源３８、及び電源４０を備えており、更に電界放出型電子銃１０Ｊを備えている。
【０１１９】
かかる電界放出型電子銃１０Ｊ、及び電子放出装置３０Ｊは、第８、９の実施の形態と同様の作用効果を有している。また、絶縁性ブロック４４と絶縁層４６を有しているので、導電部材１６Ｅと電界放出エミッタ１８との絶縁性がより高められている。
【０１２０】
以上、本発明の好適な実施の形態について、説明した。これら実施の形態に係る電界放出方電子銃は、電子顕微鏡や電子ビーム露光機に適用可能である。これによって、電子顕微鏡の観察分解能や、電子ビーム露光機の露光分解能を向上させることができる。
【０１２１】
以下、上述した実施の形態の電子銃を適用した電子顕微鏡、及び電子ビーム露光機について説明する。
【０１２２】
図２７は、本発明の実施の形態に係る電子銃を適用した電子顕微鏡の一例の構成を概略的に示す図である。図２７に示す電子顕微鏡６０は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）である。電子顕微鏡６０には、上述した電子銃１０，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈ，１０Ｉ及び１０Ｊが適用可能である。なお、図２７では、電子銃１０Ｅが適用された例が図示されている。
【０１２３】
電子顕微鏡６０は、引出電極３２、加速電極３４、集束レンズ６２、走査コイル６４、対物レンズ６６、検出器６８、チャンバ７０を備えている。
【０１２４】
チャンバ７０内には、引出電極３２、加速電極３４、集束レンズ６２、走査コイル６４、対物レンズ６６が、電子銃１０Ｅからの電子放出方向に沿って、順に設けられている。
【０１２５】
電子顕微鏡６０は、集束レンズ６２、走査コイル６４、及び対物レンズ６６を含む電子光学系を有している。集束レンズ６２、及び対物レンズ６６は、電子レンズであり、電子銃１０Ｅから放出された電子ビームＢを縮小して、チャンバ７０内に収容された試料Ｓの試料面上に微小な電子プローブを結像させる。走査コイル６４は、試料Ｓ上の電子プローブの移動、操作を行うためのものである。検出器６８は、チャンバ７０に取り付けられており、試料Ｓからの電子を検出する。
【０１２６】
電子顕微鏡の分解能は、電子銃の性能によって大きく影響される。電子銃の性能には、具体的には、電子源サイズが小さいこと、電子源の輝度が高いこと、電子源からの放出エネルギー幅が小さいこと、放出ビーム電流が安定していることが要求される。したがって、上述した実施の形態の電子銃は、電子顕微鏡に好適に適用可能である。
【０１２７】
図２８は、本発明の実施の形態に係る電子銃を適用した電子ビーム露光機の一例の構成を概略的に示す図である。図２８に示す電子ビーム露光器の一例は、スポットビーム方式の電子ビーム露光機８０である。電子ビーム露光機８０には、上述した電子銃１０，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈ，１０Ｉ及び１０Ｊが適用可能である。なお、図２８では、電子銃１０Ｅが適用された例が示されている。
【０１２８】
電子ビーム露光機８０は、ブランキング電極８２、電子レンズ８４、偏向電極８６、ステージ８８、チャンバ９０、制御用コンピュータ９２、データ処理システム９４、ブランキング制御系９６、ビーム偏向制御系９８、及び、ステージ制御系１００を備えている。
【０１２９】
チャンバ９０内には、電子銃１０Ｅからの電子の放出方向に沿って、ブランキング電極８２、電子レンズ８４、偏向電極８６、及び、ステージ８８が、順に設けられている。
【０１３０】
この電子ビーム露光機８０では、電子銃１０Ｅから放射された電子ビームＢは、電子レンズ８４によって収束され、ステージ８８上に搭載された材料Ｍ上で、非常に小さなスポットとなる。
【０１３１】
一方、材料Ｍに描画するパターンのデータは、制御用コンピュータ９２に読み込まれ、データ処理システム９４を経て、ブランキング制御系９６、及びビーム偏向制御系９８に送出される。パターンを描くために、電子ビームＢは、ブランキング制御系９６からの信号に基づきブランキング電極８２によってオン又はオフに制御され、ビーム偏向制御系９８からの信号に基づき偏向電極８６によって所定の位置に偏向される。また、ステージ制御系１００の制御によってステージ８８が移動される。
【０１３２】
このように、電子ビーム露光機８０では、電子ビームＢの照射位置の制御、及びステージ８８の移動によって、上述したパターンが材料Ｍに描かれる。電子ビーム露光機においても、上述した電子顕微鏡と同様に電子銃の性能が要求される。したがって、上述した実施の形態の電子銃は、電子ビーム露光機に好適に適用可能である。
【実施例】
【０１３３】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【０１３４】
（実施例１）
第１の実施の形態と同構造の電界放出型電子において、Iｂ型の高圧合成単結晶ダイヤモンドに、ｎ型ダイヤモンド層を形成したものを、電界放出エミッタとした。ｎ型ダイヤモンド層は、水素希釈のメタンガスを原料ガスとして用いてマイクロ波プラズマCVD法によって形成した。ドーパントにはＰＨ３を用いて、Ｐ（リン）をｎ型不純物として導入した。ｎ型ダイヤモンド層中のリン濃度は、３．１×１０１９ｃｍ−３であり、室温における抵抗率は約８×１０２Ωｃｍであった。また、導電部材は、ＳＵＳ３０４製とし、ベースは、ステアタイト材製とした。かかる電界放出型電子銃を、第１の実施の形態の電子放出装置と同構造の電子放出装置の容器内にセットした。
【０１３５】
（実施例２）
電界放出型電子銃の導電部材をインバー製とし、当該電界放出型電子銃における他の構成は実施例１と同様のものとした。この電界放出型電子銃を、第１の実施の形態の電子放出装置と同構造の容器内にセットした。
【０１３６】
（実施例３）
電界放出型電子銃の導電部材をコバール製とし、当該電界放出型電子銃における他の構成は実施例１と同様のものとした。この電界放出型電子銃を、第１の実施の形態の電子放出装置と同構造の容器内にセットした。
【０１３７】
（実施例４）
第２の実施の形態と同構造の電界放出型電子銃を、以下のように製造した。即ち、電界放出エミッタを実施例１と同様のものとした。導電部材は、スーパーインバー製とし、ベースは、ステアタイト材製とした。かかる電界放出型電子銃を、第２の実施の形態の電子放出装置と同構造の電子放出装置の容器内にセットした。
【０１３８】
（実施例５）
第３の実施の形態と同構造の電界放出型電子銃を、以下のように製造した。即ち、二つの電界放出エミッタを実施例１と同様のものとした。導電部材は、インバー製とし、ベースは、ステアタイト材製とした。かかる電界放出型電子銃を、第３の実施の形態の電子放出装置と同構造の電子放出装置の容器内にセットした。
【０１３９】
（実施例６）
第４の実施の形態と同構造の電界放出型電子銃を、以下のように製造した。すなわち、電界放出エミッタを実施例１と同様のものとした。ブロック１１０Ａ，１１０Ｂを挿入し、端子１４Ａと電界放出エミッタとの間の抵抗値を７×１０５Ω、端子１４Ｂと電界放出エミッタとの間の抵抗値を１×１０７Ωとした。二つの導電部材はコバール製とし、ベースはステアタイト製とした。かかる電界放出型電子銃を、第４の実施の形態の電子放出装置と同構造の電子放出装置の容器内にセットした。
【０１４０】
（実施例７）
第５の実施の形態と同構造の電界放出型電子銃を、以下のように製造した。即ち、電界放出エミッタを実施例１と同様のものとした。ブロックは、アルミナ系セラミック製とした。また、二つの導電部材はコバール製とし、ベースはステアタイト製とした。かかる電界放出型電子銃を、第５の実施の形態の電子放出装置と同構造の電子放出装置の容器内にセットした。
【０１４１】
（実施例８）
第６の実施の形態と同構造の電界放出型電子銃を、以下のように製造した。即ち、電界放出エミッタを実施例１と同様のものとした。また、この電界放出エミッタに、マグネトロンスパッタ法によるＳｉＯ２製の絶縁層及びマグネトロンスパッタ法によるＭｏ製の導電層を形成した。二つの導電部材は、コバール製とし、ベースはステアタイト製とした。かかる電界放出型電子銃を、第６の実施の形態の電子放出装置と同構造の電子放出装置の容器内にセットした。
【０１４２】
（実施例９）
第７の実施の形態と同構造の電界放出型電子銃を、以下のように製造した。即ち、電界放出エミッタを実施例１と同様のものとした。ブロックはアルミナ系セラミックとした。また、この電界放出エミッタに、マグネトロンスパッタ法によるＳｉＯ２製の絶縁層及びマグネトロンスパッタ法によるＭｏ製の導電層を形成した。二つの導電部材は、コバール製とし、ベースはステアタイト製とした。かかる電界放出型電子銃を、第７の実施の形態の電子放出装置と同構造の電子放出装置の容器内にセットした。
【０１４３】
（実施例１０）
第８の実施の形態と同構造の電界放出型電子銃を、以下のように製造した。即ち、電界放出エミッタを実施例１と同様のものとした。絶縁ブロックは、アルミナ系セラミック製とした。ＰＴＣ特性を有するブロックは、Ｙ２Ｏ３をドーピングしたＢａＴｉＯ３の焼結体とした。二つの導電部材はコバール製とし、ベースはステアタイト製とした。かかる電界放出型電子銃を、第８の実施の形態の電子放出装置と同構造の電子放出装置の容器内にセットした。
【０１４４】
（実施例１１）
第９の実施の形態と同構造の電界放出型電子銃を、以下のように製造した。即ち、電界放出エミッタを実施例１と同様のものとした。また、この電界放出エミッタに、マグネトロンスパッタ法によるＳｉＯ２製の絶縁層及びマグネトロンスパッタ法によるＭｏ製の導電層を形成した。ＰＴＣ特性を有するブロックは、Ｙ２Ｏ３をドーピングしたＢａＴｉＯ３の焼結体とした。二つの導電部材は、コバール製とし、ベースはステアタイト製とした。かかる電界放出型電子銃を、第９の実施の形態の電子放出装置と同構造の電子放出装置の容器内にセットした。
【０１４５】
（実施例１２）
第１０の実施の形態と同構造の電界放出型電子銃を、以下のように製造した。即ち、電界放出エミッタを実施例１と同様のものとした。ブロックはアルミナ系セラミックとした。また、この電界放出エミッタに、マグネトロンスパッタ法によるＳｉＯ２製の絶縁層及びマグネトロンスパッタ法によるＭｏ製の導電層を形成した。二つの導電部材は、コバール製とし、ベースはステアタイト製とした。かかる電界放出型電子銃を、第１０の実施の形態の電子放出装置と同構造の電子放出装置の容器内にセットした。
【０１４６】
（比較例）
比較例として、先鋭化Ｗの陰極を有する電界放出型電子銃を、真空容器内に配置した。
【０１４７】
実施例１から１２および比較例の容器内の圧力は７×１０―９Ｐａ、引出電圧は０．８ｋＶ、加速電圧は２５ｋＶに設定し、実施例１〜１２の電界放出型電子銃のエミッション電流、エネルギー幅、ノイズ、寿命を評価した。寿命は、初期輝度の１／３の輝度になる時間とした。また、比較例では１０ｈｒに１ｈｒ程度の定期的な熱フラッシュによる表面汚染除去を行っているが、実施例１〜１２では行っていない。
【０１４８】
評価の結果を表１に示す。なお、実施例６については、二つの電界放出エミッタ（エミッタ１及びエミッタ２）を有しているので、それぞれのエミッション電流、エネルギー幅、寿命、及びノイズを評価した。
【０１４９】
【表１】
2007149659.tif 000003
【０１５０】
表１に示すように、実施例１〜１２の電界放出型電子銃は、エミッション電流、エネルギー幅、寿命、ノイズのすべての面で、比較例の電界放出型電子銃よりも優れていた。
【図面の簡単な説明】
【０１５１】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。
【図２】図１に示す電界放出エミッタ及び導電部材の端部を拡大して示す側面図である。
【図３】図１に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。
【図５】図４に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。
【図７】図６に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。
【図９】図８に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。
【図１０】本発明の第５の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。
【図１１】図１０に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。
【図１２】本発明の第６の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。
【図１３】図１２に示す電界放出エミッタ及び導電部材の端部を拡大して示す側面図である。
【図１４】図１２に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。
【図１５】本発明の第７の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。
【図１６】図１５に示す電界放出エミッタ及び導電部材の端部を拡大して示す側面図である。
【図１７】図１５に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。
【図１８】本発明の第８の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。
【図１９】図１８に示す電界放出エミッタ及び導電部材の端部を拡大して示す側面図である。
【図２０】図１８に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。
【図２１】本発明の第９の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。
【図２２】図２１に示す電界放出エミッタ及び導電部材の端部を拡大して示す側面図である。
【図２３】図２１に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。
【図２４】本発明の第１０の実施の形態に係る電界放出型電子銃の側面図である。
【図２５】図２４に示す電界放出エミッタ及び導電部材の端部を拡大して示す側面図である。
【図２６】図２４に示す電界放出型電子銃を備える電子放出装置の構成を概略的に示す図である。
【図２７】本発明の実施の形態に係る電子銃を適用した電子顕微鏡の一例の構成を概略的に示す図である。
【図２８】本発明の実施の形態に係る電子銃を適用した電子ビーム露光機の一例の構成を概略的に示す図である。
【符号の説明】
【０１５２】
１０…電界放出型電子銃、１２…ベース、１４…端子、１６…導電部材、１８…電界放出エミッタ。
【図１】
2007149659.tif 000004
【図２】
2007149659.tif 000005
【図３】
2007149659.tif 000006
【図４】
2007149659.tif 000007
【図５】
2007149659.tif 000008
【図６】
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【図７】
2007149659.tif 000010
【図８】
2007149659.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2007149659.tif 000013
【図１１】
2007149659.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2007149659.tif 000017
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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