(57)【要約】【課題】従来に比較して高輝度の電子銃を構成する。【解決手段】レニウムを始めとする融点が１９００Ｋ以上の高融点金属（７０１）を電子銃の基盤として用い、基盤に掘った溝（８０１）または穴または、高融点の微細ワイヤを用いた硼素蓄積部に硼素（８０２）を格納し、高融点金属と硼素の融点以下の温度で、硼素を拡散することで、真空側に正の電荷を有する硼素層と、基盤側に負の電荷を有する金属層からなる電気２重層を構成して、仕事関数を低減し、電子銃の輝度を上げる。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空に面する最も外側の原子が硼素原子であって、硼素原子の内側を融点が１９００Ｋ以上の高融点金属原子からなる基体で構成することにより、硼素原子が正に帯電し、高融点金属層が負に帯電して真空側に向かって電気２重層を構成することを特徴とする電子銃。
【請求項２】
請求項１に記載の電子銃において、
前記基体は、硼素原子を含有する物質を蓄積する硼素の貯蔵用構造物を有し、
前記基体を加熱することで、前記貯蔵用構造物内の硼素が基体の真空に面する表面に拡散する、
電子銃。
【請求項３】
請求項２に記載の電子銃において、
前記細長いワイヤ状のヒーターによって基体を一定の温度加熱し、硼素が基体を構成する高融点金属表面に被覆することで、仕事関数を低める、
電子銃。
【請求項４】
請求項２または３に記載する電子銃において、
硼素または酸化硼素を蓄積する硼素の貯蔵用構造物がワイヤ状の高融点金属につけた溝または孔である、
電子銃。
【請求項５】
請求項２〜４のいずれか１つに記載する電子銃において、
硼素または酸化硼素を蓄積する硼素の貯蔵用構造物が電子銃用のワイヤよりも微細なワイヤで形成されたらせん型の籠を電子銃用のワイヤに接着することによって、形成される、
電子銃。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載する電子銃において、
前記基体を構成する高融点金属は、レニウム、タングステン、タンタル、モリブデン、チタンの内のいずれか１つを含む、
電子銃。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載する電子銃において、電子銃に強電界を印加して、ショットキー効果を用いて電子銃機能を果たすことを特徴とする電子銃。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載する電子銃において、基体の電子を射出する先端面が平面であることを特徴とする電子銃。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型電子顕微鏡・透過型電子線顕微鏡・電子線描画装置・電子線検査装置など電子を用いて観察したり描画したり加工するための電子線装置に用いる電子銃に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型電子線顕微鏡走査型電子顕微鏡・透過型電子線顕微鏡・電子線描画装置・電子線検査装置など電子を用いて微細なパターンを観察したり描画したりするための電子線装置に用いる電子銃では、高輝度であること、超高真空が必要であること、長寿命であることが求められる。
【０００３】
しかしながら、従来一般的な電子銃のLaB6では、輝度が10倍足りないために温度を適正な温度以上に上げて使用するので、1か月程度の寿命でしかなかった。その為に1台の描画装置に回転機構を有して10個の電子銃を搭載したターレット電子銃を設置し、1カ月に1個の電子銃を使用して、回転させて電子銃を交換し10か月間使用していた。
【０００４】
またZrO-W電子銃では輝度が十分とは言えない。さらに空度が１X10-7pascalよりも低い気圧であることが必要であり、ZrOが1週間くらいで消耗することで、解像度が劣化するために、定期的にフラッシングをしてレザバーに入っているZrOをフィラメントで加熱して、電子銃を再生する必要があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２０３７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、走査型電子顕微鏡でさらに輝度が10倍から100倍あげられると、高解像度のＳＥＭができる。また、電子ビーム検査装置では、現在の10倍から100倍の速度で高速に検査ができる。さらに、電子線描画装置では、輝度が10倍になれば、1年間交換不要の電子銃が可能となる。また低真空度でも十分な安定度で稼働する電子銃が得られるので装置が大変使いやすい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る電子銃は、真空に面する最も外側の原子が硼素原子であって、硼素原子の内側を融点が１９００Ｋ以上の高融点金属原子からなる基体で構成することにより、硼素原子が正に帯電し、高融点金属層が負に帯電して真空側に向かって電気２重層を構成することを特徴とする。
【０００８】
また、前記基体は、硼素原子を含有する物質を蓄積する硼素の貯蔵用構造物を有し、前記基体を加熱することで、前記貯蔵用構造物内の硼素が基体の真空に面する表面に拡散することが好適である。
【０００９】
また、前記細長いワイヤ状のヒーターによって基体を一定の温度加熱し、硼素が基体を構成する高融点金属表面に被覆することで、仕事関数を低めることが好適である。
【００１０】
また、硼素または酸化硼素を蓄積する硼素の貯蔵用構造物がワイヤ状の高融点金属につけた溝または孔であることが好適である。
【００１１】
また、硼素または酸化硼素を蓄積する硼素の貯蔵用構造物が電子銃用のワイヤよりも微細なワイヤで形成されたらせん型の籠を電子銃用のワイヤに接着することによって、形成されることが好適である。
【００１２】
また、前記基体を構成する高融点金属は、レニウム、タングステン、タンタル、モリブデン、チタンの内のいずれか１つを含むことが好適である。
【００１３】
また、電子銃に強電界を印加して、ショットキー効果を用いて電子銃機能を果たすことが好適である。
【００１４】
また、基体の電子を射出する先端面が平面であることが好適である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、従来の電子銃に比べ、輝度を10倍から100倍に上げることができる。1年間交換不要の長寿命の電子銃が可能となる。また低真空度でも十分な安定度で稼働する電子銃が得られるので装置が大変使いやすくなる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】電子銃の構造を説明するための電子銃表面の電気２重層の図である。
【図２】硼素（ボロン）の原子核と、その周囲の軌道にある電子を表した図である。
【図３】電子銃の表面の電気２重層と、電子の共有結合半径の図である。
【図４】ポーリングによる電子陰性度の表である。
【図５】高融点金属を含む、本発明の電子銃構成を説明するために重要となる、いくつかの原子の電荷数、共有結合半径、オールレッド・ロコウの電気陰性度の式、a+b×Ze/r2からポーリングの電気陰性度と合わせるための定数aとbを除いた、原子によって変化する値、Ze/r2の数値を並べた表である。ちなみに、a=0.744、b=0.359であるとされている。
【図６】オールレッド・ロコウの電気陰性度表の元となる上段に元素番号、中段に元素名、下段に共有結合半径を記した表である。
【図７】電子銃先端先鋭部中央に穴を掘り硼素を塗り込んだ、レニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属の電子銃図である。
【図８】電子銃先端先鋭部側壁の左右二箇所に溝を掘り硼素を塗り込んだ、レニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属の電子銃図である。
【図９】電子銃先端先鋭部中央に三か所の穴を掘り硼素を塗り込んだ、レニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属の電子銃図である。
【図１０】硼素を蓄積するため高融点の微細ワイヤによる螺旋で形成されたケージを作り、硼素を格納した、レニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属の電子銃図である。
【図１１】硼素を蓄積するため高融点の微細ワイヤによる螺旋ケージを作り、硼素を格納した、レニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属の電子銃図である。
【図１２】レニウムワイヤによる電子銃の側面と底面からの電子放出を抑えるため、カーボンを被覆した、融点１９００Ｋ以上の高融点金属の電子銃図である。
【図１３】中央にレニウムを入れるための穴を開け、側面と底面からの電子放出を抑えるため別種類の金属を被覆した、融点１９００Ｋ以上の高融点金属の電子銃図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
「本発明の概要説明」
本発明についての経緯について説明する。まず、本発明者は、レニウムに対して溝を作成して薬品蓄積場所とし、ここに、さまざまな、種類の薬品を塗布して電子銃の稼働状態に近い温度に加熱して実験を行ったところ、ボロンを塗布した際に電子銃として、先端部が最も高い輝度を示した。
【００１８】
それまで電子を発生したことが無かった直径0.5mm長さ3mmの長さのレニウム製の電子銃チップから、14ｍＡの熱電子を発生した。この値は大変大きな値である。計測してＬａＢ６に対して輝度が10倍以上に上がることが判明した。
【００１９】
また、同じくZrO-タングステン電子銃に対しても硼素を適用すると輝度が10倍以上に上がることが確認された。
【００２０】
電子銃とは、電気陰性度の小さい原子が真空側にあり、電気陰性度が大きい原子が基盤側にある方が、電子が真空に射出されやすく電子銃として使用できることが示唆される。
【００２１】
以上のことを電気2重層ができているという。基盤の内部の電子は、基盤の外部に向かって温度が高く、熱運動している際に内部がマイナスで真空側がプラスの電気2重層を感じると外部に向かって電子が射出されやすくなる。電子の出やすさを仕事関数として表わす。この時、仕事関数が小さいほど同じ温度で動作させた場合に電子銃としては輝度が高くなるという性質がある。
【００２２】
さて、いかなる種類の原子を真空側に配置し、いかなる原子を基盤側に配置したらよいかという議論を行う必要がある。
【００２３】
電気陰性度という考え方があり、どのような種類の原子がどのくらいの程度で正または負の電荷に帯電しやすいかを示す値である。
【００２４】
そしてどのような電子銃を構成すればよいかということを論じれば、電気陰性度が大きな原子を基盤側に配置して、電気陰性度の小さな原子を真空側に配置すればよいということが考えられる。真空に向かって基盤側からマイナスからプラスへの電界ができ、電子がマイナス電荷をもつからである。
【００２５】
以上の議論は昔から知られていた、いくつかの事柄からあきらかとなる。
すなわち多くの金属表面にＣｓ（セシウム）を付着せしめると、容易に電子が出やすくなるという事実がある。しかも多くの種類の金属に対して、電子が出やすくなる。
【００２６】
この様な事を説明するためにポーリングという人物が作った種々の原子の電気陰性度の
表がまず初めにできた。ちなみにこのポーリングという人はノーベル賞受賞者であるが、電気陰性度の表がすべて正しいというわけではなく、近年別の電気陰性度の表が示されるが、ポーリングの電気陰性度が、長く信用されてきたために、誤った電子銃の知見が長期に渡って信じられてきた。
【００２７】
電気陰性度の大きな原子を基盤に用いて、真空側には電気陰性度の小さな原子を設置することが、電子銃の形成には必要である。しかしながら、電気陰性度の数値だけからは
現実の化合物質が安定して形成できないということもある。そこで、電気陰性度の値は参考にはなるが、必ずしも、実現できる物質が入手できるわけではなく、電子銃として実現可能というわけではない。しかし、電気陰性度の差が大きく、  比も大きい程よい電子銃の組み合わせであるということはできる。
【００２８】
特筆に値する原子の組み合わせとして、実用上大変役に立ったものとして以下の例がある。20年前に見つかったＺｒＯ−Ｗ（酸化ジルコニウムで被覆されたタングステン）がある。この電子銃はポーリングの電子陰性度に従って、タングステンが２．３６、ジルコンが1.33の電気陰性度を示す。この電子銃は、現実にＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）電子ビーム検査装置・一部の電子ビーム描画装置では使用されている。
【００２９】
他に使用されているものはＬａＢ６とＣｅＢ6である。この原子の組み合わせはポーリングの電気陰性度の表からは次のように説明される。すなわち、Ｂ（硼素）の電気陰性度は2.04である。Ｌａ（ランタン）の電気陰性度は１．１である。したがって通常の解釈を適用すれば硼素側からＬａに向かって電子が出やすいと考えるのが普通である。
【００３０】
真空側にＬａがあって基盤から電子を引き出すものと考えられた。
我々は本発明を成すにあたり、この考えが真逆であることを知った。すなわち、Ｌａが基盤にあり、Ｂ（硼素）に向かって電子が出るのである。
【００３１】
このような誤解が起こるのはポーリングの電気陰性度が硼素の値を大きく設定しすぎていたことによっている。また、材料メーカーがＬａＢ６とＣｅＢ6を販売するために宣伝を繰り返し、あたかもＬａとＣｅが電子を真空へ引き出すように誤解を与えたことによっている。
【００３２】
しかし、本発明者らの実験結果は、真逆でＢ（硼素）が真空側にあるときに輝度の高い電子銃ができることを示している。それでは本発明者らの実験が誤っていたのであろうかという疑念がある。ポーリングの電気陰性度表を信頼する限りその通りである。
【００３３】
我々は多くの分子を構成する共有結合半径と電荷をもとにした新たな、オールレッド氏とロコウ氏による新しい電気陰性度の表を採用して、再検討を行った。
【００３４】
ポーリングの電気陰性度の表の値とは一致させることは、本発明者らには容易ではなかったが、新しい電気陰性度として図５の値を得た。これによればＢ（硼素）が最も電気陰性度が小さく0.00069、レニウムが最も電気陰性度が大きい0.00437。その比は6倍以上になる。
【００３５】
従来のＺｒＷ［ジルコナイズドタングステン］では0.00168と0.00394でこれは比が2.345程度でタングステンを基盤としてジルコニウムに向かって電子が出やすい性質は同じように説明できる。電子が出やすい方向も変わりがない。
【００３６】
しかし、ＬａＢ６では全く話が真逆になる。Ｌａ（タンタン）は0.00175で硼素が
0.00069であるので、Ｌａ（ランタン）から硼素に向かって、真空側に電子が出ていくように、電気2重層ができているのである。このことはＣｅＢ６でもまったく同様に真逆で
あって、Ｂ（硼素）からＣｅに向かって電子が出ていくように電気2重層ができているのではなく、ＣｅからＢ（硼素）に向かって電子が出ていくように電気2重層ができているのである。
【００３７】
以上見たように、本発明者らの実験は、従来の常識からは著しく外れていたわけであるが、その原因はポーリングの電気陰性度で、硼素の値を大きく評価しすぎていたためである。その為にＬａＢ６とＣｅＢ６では電子銃としての電気2重層の理解が真逆になってしまっていたという不幸がかさなることになった。
【００３８】
ここで、温度は絶対温度「Ｋ（ケルビン）」という表記を用いるが、「（ケルビン）」は省略し、「Ｋ」一文字で書くこととする。
【００３９】
さて、硼素がレニウムの表面を動いていくためには硼素の融点２５００度Ｋより６００Ｋから８００Ｋ低い温度すなわち、１７００Ｋから１９００Ｋの温度に耐える金属をレニウムに変えてもよい。
【００４０】
レニウムの融点は３４００Ｋである。タングステン３９００Ｋ、タンタル３２００Ｋ，モリブデン２９００Ｋ、チタン１９００Kなどは同様に基盤として使用できる。
「実施形態の説明」
【００４１】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。
【００４２】
＜システム全体構成＞
図１は、図７から図１３の電子銃表面の電気２重層を示す図である。電子銃とは、電気陰性度の小さい原子が真空側にあり、電気陰性度が大きい原子が基盤側にある方が、電子が真空に射出されやすく電子銃として使用できることが示唆される。以上のことを電気2重層ができているという。電気陰性度とは、どのような種類の原子がどのくらいの程度で正または負の電荷に帯電しやすいかを示す値である。この例では、基盤側に並んだ負の電荷をもつ原子１０１と、真空１０３側に並んだ正の電荷を有する原子１０２。電子銃から原子が射出される方向を示すベクトル１０４を示している。負の電荷をもつ原子１０１と正の電荷を有する原子１０２で電気２重層を形成している。
【００４３】
図２は、+5の電荷を有する硼素(ボロン)原子核２０１と、その周囲の電子軌道を示した図である。１Ｓ軌道２０２には２個の電子２０５、２Ｓ軌道２０３には２個の電子２０６、２Ｐ軌道２０４には１個の電子２０７が入っている。この２Ｐ軌道の電子２０７は容易にはがれやすく、硼素（ボロン）は容易に＋電荷に帯電しやすい
【００４４】
図３は、電子銃の表面の電気２重層と、電子の共有結合範囲を示した図である。全体として正電荷を持った基盤３０１は、基盤側に電気陰性度の大きいア原子３０２、真空側に電気陰性度が小さいイ原子３０５を持つ。内部がマイナスで真空側がプラスの電気2重層を感じると外部に向かって電子が射出されやすくなるため、基盤から真空に向かうベクトル１０４で電子の射出が生じる。例として、従来のポーリングの電気陰性度の表４０１を用い、ＺｒＷ（ジルコニアタングステン）を考察すると、Ｚｒが１.３３、Ｗが２.３６であり、基盤側がＷ、真空側がＺｒであることがわかる。次に、ＬａＢ６（六ホウ化ランタン）を例に出すと、ランタンが１.１、硼素（ボロン）が２.０４の電気陰性度であり、基盤側が硼素(ボロン)、真空側がランタンである。しかし、新たなオールレッド・ロコウの電気陰性度の表６０１を採用して再検討を行うと、ＺｒＷの電気陰性度の大小はそのとおりであるが、ＬａＢ６では、ランタンがボロンより高い電気陰性度を持ち、ＬＡＢ６の電気陰性度の大小関係が逆であり、ランタンが基盤側、硼素（ボロン）が真空側であることがわかるのである。
【００４５】
図４は、ポーリングによる電子陰性度の表４０１である。この表の中で、硼素（ボロン）の電気陰性度４０２は２.０４と、全体と比較しても大きく評価されている。高融点金属を含む、本発明の電子銃構成を説明するために重要となるいくつかの原子に注視しても、評価が大きいことがよくわかる。高融点金属の電気陰性度４０３を例に出すと、チタンが１.５４、ジルコニウムが１.３３、ニオブが１.６、モリブデンが２.１６、テクネチウムが１.９、ハフニウムが１.３、タンタルが１.５、タングステンが２.３６、レニウムが１.９となっており、さらに、電子銃によく使われている原子、ランタンの１.１、セリウムの１.１２電気陰性度４０４などと比較しても、硼素（ボロン）の電気陰性度４０２を超えるものはタングステンしかない。このため硼素(ボロン)の電気陰性度だけが大きく評価されすぎていることがわかるのである。
【００４６】
図５は、高融点金属を含む、本発明の電子銃構成を説明するために重要となる、いくつかの原子の電荷数、共有結合半径、オールレッド・ロコウの電気陰性度を示す指標であるZe/r2の数値を並べた表５０１である。この表では左から電荷数、原子名、共有結合半径、オールレッド・ロコウの電気陰性度を示す指標であるZe/r2を示している。まず、電荷数だが、原子の周囲に存在するプラス電荷の数Zeを示している。次に原子名だが、一般的なカタカナ表記で統一して記載した。３つ目に、共有結合範囲だが、単位にpm（ピコメートル  １pm=0.001nm）を用いて記載した。最後にオールレッド・ロコウの電気陰性度を示す指標であるZe/r2だが、オールレッド・ロコウの電気陰性度を示す式、a+b×Ze/r2からポーリングの電気陰性度と合わせるための定数aとbを除いた、原子によって変化する値、Ze/r2のみを掲載している。なお、定数aは０.７４４、定数bは０.３５９とされている。Zeはある原子中の価電子の有効殻電荷、rは原子の共有結合半径を示している。rは図中説明にある通り、単位にpmを用いている。
【００４７】
図６は、オールレッド・ロコウの電気陰性度表の元となる上段に元素番号、中段に元素名、下段に共有結合半径を記した表６０１である。この表を採用して、電気陰性度を検討したところ、図５を得たのである。
【００４８】
図７は、電子銃先端先鋭部中央に穴７０２を掘り硼素(ボロン)７０３を塗り込んだ、レニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属の電子銃を示した図である。この例では、電子銃は−５０ＫＶの高圧電源に接続されている。電子銃本体はレニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属７０１で作り、本体先端先鋭部７０９中央に硼素（ボロン）を収納する貫通穴７０２を掘り、その中に硼素（ボロン）７０３を塗り込んだ。
【００４９】
電子放出の際は、加熱用タングステンワイヤ７０４に流す電流で加熱用タングステンワイヤ７０４の発熱状態を制御し、熱電子放出条件を得るものである。加熱により硼素（ボロン）７０３が溶解し、表面を伝ったり、レニウム中に拡散したりして、本体先端先鋭部７０９を通過して、電子銃の平坦化された先端部７０８へ硼素（ボロン）７０３が移動して、電気2重層ができ、電子を放出するようになる。
【００５０】
また、そのままでは本体全体から電子が放出されてしまうので、−５０ＫＶ〜−５５ＫＶの高圧電源に接続したサプレッサ電極７０７により磁界を操作し、電子銃の平坦化された先端部７０８からのみ電子放出する。なぜ、先端を平坦化するかというと、先端を尖らせた場合と比べて照射範囲を広く均一にするためである。なお、先端の形状は、円でも四角でも良い。放出された電子は、−５０ＫＶ〜−４５ＫＶの高圧電源に接続した引き出し電極７０６により放出する電子の量を制御される。アノード陽極７０５は０ＫＶに接地されており、安全のためのアース電位となっている。
【００５１】
単に加熱して硼素（ボロン）７０３が表面に拡散していくのを待つのみでなく、引き出し電極７０６に電子を引き出す作用を持たせて、電子照射をして、電子銃の平坦化された先端部７０８で硼素（ボロン）７０３を効果的に活性化し、電気２重層ができ、電子の放出を効果的に活性化することができる。
【００５２】
図８は、電子銃先端先鋭部側壁の左右二箇所に溝を掘りボロンを塗り込んだ、レニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属の電子銃を示した図である。この例では、電子銃は−５０ＫＶの高圧電源に接続されている。本体はレニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属７０１で作り、本体先端先鋭部側壁の左右二箇所に硼素（ボロン）を収納する溝８０１を掘り、その中に硼素（ボロン）７０３を塗り込んだ。電子放出の際は、加熱用タングステンワイヤ７０４に流す電流で加熱用タングステンワイヤ７０４の発熱状態を制御し、熱電子放出条件を得るものである。また、そのままでは本体全体から電子が放出されてしまうので、−５０ＫＶ〜−５５ＫＶの高圧電源に接続したサプレッサ電極７０７により磁界を操作し、電子銃の平坦化された先端部７０８からのみ電子放出をするようにした。放出された電子は、−５０ＫＶ〜−４５ＫＶの高圧電源に接続した引き出し電極７０６により放出する電子の量を制御される。アノード陽極７０５は０ＫＶに接地されており、安全のためのアース電位となっている。この例では、左右二箇所に溝を作成したが、溝は何本でも良い。
【００５３】
図９は、電子銃先端先鋭部中央に三か所の穴を掘り硼素を塗り込んだ、レニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属の電子銃を示した図である。この例では、電子銃は−５０ＫＶの高圧電源に接続されている。本体はレニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属７０１で作り、本体先端先鋭部中央の三か所に硼素（ボロン）を収納する穴９０１を掘り、その中に硼素（ボロン）７０３を塗り込んだ。電子放出の際は、加熱用タングステンワイヤ７０４に流す電流で加熱用タングステンワイヤ７０４の発熱状態を制御し、熱電子放出条件を得るものである。また、そのままでは本体全体から電子が放出されてしまうので、−５０ＫＶ〜−５５ＫＶの高圧電源に接続したサプレッサ電極７０７により磁界を操作し、電子銃の平坦化された先端部７０８からのみ電子放出をするようにした。放出された電子は、−５０ＫＶ〜−４５ＫＶの高圧電源に接続した引き出し電極７０６により放出する電子の量を制御される。アノード陽極７０５は０ＫＶに接地されており、安全のためのアース電位となっている。例では三か所に穴を掘ったが、それ以上の数でも良い。
【００５４】
図１０は、硼素を蓄積するため高融点の微細ワイヤによる螺旋で形成されたケージを作り、硼素を格納した、レニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属の電子銃を示した図である。この例では、電子銃は−５０ＫＶの高圧電源に接続されている。本体はレニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属７０１で作り、本体部分に高融点の微細ワイヤによる螺旋で形成されたケージ１００１を取り付け、そこに硼素（ボロン）７０３を塗り込み収納している。このケージは本体に対して垂直方向に螺旋を描いている。電子放出の際は、加熱用タングステンワイヤ７０４に流す電流で加熱用タングステンワイヤ７０４の発熱状態を制御し、熱電子放出条件を得るものである。また、そのままでは本体全体から電子が放出されてしまうので、−５０ＫＶ〜−４５ＫＶの高圧電源に接続したサプレッサ電極７０７により磁界を操作し、電子銃の平坦化された先端部７０８からのみ電子放出をするようにした。放出された電子は、−５０ＫＶ〜−４５ＫＶの高圧電源に接続した引き出し電極７０６により放出する電子の量を制御される。アノード陽極７０５は０ＫＶに接地されており、安全のためのアース電位となっている。電子銃先端先鋭部７０９の形は、四角すいでも、円すいでも構わない。
【００５５】
図１１は、硼素を蓄積するため高融点の微細ワイヤによる螺旋ケージを作り、硼素を格納した、レニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属の電子銃図である。この例では、電子銃は−５０ＫＶの高圧電源に接続されている。本体はレニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属７０１で作り、本体部分に高融点の微細ワイヤによる螺旋で形成されたケージ１１０１を取り付け、そこに硼素（ボロン）７０３を塗り込み収納している。このケージは本体と平行方向に螺旋を描いたものを、本体を回るように一周させている。電子放出の際は、加熱用タングステンワイヤ７０４に流す電流で加熱用タングステンワイヤ７０４の発熱状態を制御し、熱電子放出条件を得るものである。また、そのままでは本体全体から電子が放出されてしまうので、−５０ＫＶ〜−５５ＫＶの高圧電源に接続したサプレッサ電極７０７により電界を操作し、電子銃の平坦化された先端部７０８からのみ電子放出をするようにした。放出された電子は、−５０ＫＶ〜−４５ＫＶの高圧電源に接続した引き出し電極７０６により放出する電子の量を制御される。アノード陽極７０５は０ＫＶに接地されており、安全のためのアース電位となっている。電子銃先端先鋭部７０９の形は、四角すいでも、円すいでも構わない。
【００５６】
図１２は、レニウムワイヤによる電子銃の側面と底面からの電子放出を抑えるため、カーボンで被覆した、融点１９００Ｋ以上の高融点金属の電子銃を示す図である。左が断面図、右が斜め図である。この例では、電子銃は−５０ＫＶの高圧電源に接続されている。本体はレニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属で作られた後、グラッシーカーボンなどの電子を遮断するカーボンで被覆１２０５することにより、側面と底面からの電子放出を抑えている。本体には、中心と側面にレニウム１２０３とボロン７０３を収納するための穴１２０４が掘られている。この電子銃に収納されたレニウム１２０３は、本体先端から僅かに突出するようにすることが好適であり、その先端から電子１２０２を放出する構造になっている。この電子銃は電子発生源となる電子銃陰極を発熱体となるＰＧ(パイロリティック）グラファイトなどの加熱用カーボン１２０６で両側から挟み、さらに両側から主にモリブデンのような、ばね性を持った高融点金属１２０７で押さえつけて保持する構造をしている。ばね性を持った高融点金属１２０７には、円柱状のセラミック１２０８を取り付けている。ＰＧグラファイトに流す電流でＰＧグラファイトの発熱状態を制御し、熱電子放出条件を得るものである。電子銃の先端から放出された電子１２０２の放出量は、−５５ｋＶ〜−４５ｋＶの電極に接続したウェーネルト電極１２０９によって制御される。アノード陽極７０５は０ＫＶに接地されており、安全のためのアース電位となっている。レニウムから放出された電子は均一に一定領域を照らすような電子分布１２０１である。
【００５７】
図１３は、中央にレニウムを入れるための穴を開け、側面と底面からの電子放出を抑えるため別種類の金属を被覆した、融点１９００Ｋ以上の高融点金属の電子銃図である。この例では、電子銃は−５０ＫＶの高圧電源に接続されている。本体はレニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属７０１で作られた後、本体とは異なる種類の金属で被覆１３０３することにより、側面と底面からの電子放出を抑えている。本体には、中心と側面にレニウム１３０１とボロン７０３を収納するための穴１３０２が掘られている。電子放出の際は、加熱用タングステンワイヤ７０４に流す電流で加熱用タングステンワイヤ７０４の発熱状態を制御し、熱電子放出条件を得るものである。電子銃の先端から放出された電子１２０２の放出量は、−５５ｋＶ〜−４５ｋＶの電極に接続したウェーネルト電極１２０９によって制御される。アノード陽極７０５は０ＫＶに接地されており、安全のためのアース電位となっている。
【００５８】
「本実施形態の特徴」
以下、本実施形態に係る電子銃の特徴について列記する。
【００５９】
ＬａＢ６に比較する。硼素化レニウム（高融点金属）電子銃は以下の優れた点がある。
基盤が金属チップであり加工がしやすい。
【００６０】
結晶方位に対して仕事関数が敏感ではない。その為に電子銃の輝度が結晶方位には寄らないので使いやすい。
【００６１】
仕事関数が低いので１５００Ｋ、１６００Ｋ，１７００Ｋなどの温度で
輝度が１０倍以上高い。
【００６２】
低真空度の時にＬａが酸素と反応して酸化し、真空内に飛んでいくことで電子銃の消耗が大きい、などという不都合はない。レニウムは酸化しにくく、酸化物が蒸発しにくい。ＬａＢ６はＬａが消耗していくために、電荷を中和するために硼素も消耗していく。しかし硼素化レニウム化は、レニウムが酸化して昇華することはないので、硼素の昇華も少ない。結果として長寿命である。
【００６３】
硼素化レニウムは大気中に取り出しても安定である。
【００６４】
ＬａＢ６は炭素とレニウム以外のものとはすべて激しく反応するために安定して保持する方法がほとんどない。これに比較してホウ化レニウムは保持方法が複数種類あって、容易である。
【００６５】
レニウム・タングステン・タンタル・モリブデン・チタンなど融点1900Ｋ以上の高融点金属の表面に、硼素をつけることで、容易に電気2重層を形成できる。容易に電気２重層を形成できるため、電子銃が大変使いやすくなり、システム全体で100本以上の電子銃が使用されるマルチコラム電子ビーム描画装置においても、すべての電子銃が安定して使用できる。
【００６６】
次に、ジルコナイズドタングステンと比較する。
１）ジルコナイズドタングステンは２０００Ｋ程度の温度でジルコンを溶かしてタングステン表面を濡らして先端部にジルコニウムのコーンを作る必要があり、
定期的にこの作業を繰り返す必要がある。これをフラッシングという。
硼素は一定の温度でタングステンの表面を拡散していくので、一定時間ごとのフラッシングが必要ない。寿命が長い。
２）輝度はジルコナイズドタングステンの10倍以上ある。
３．硼素は蓄積器に入る分で、4−5年使用できる量がある。
というメリットがある。
【００６７】
従来LaB６ではランタンLaの融点が１０００度C と低く、LaB６として化合物化しているが、別種の化合物とは接触して加熱すると激しく反応する大変不安定なものであった。なおかつ加熱して熱電子銃として使用する場合にはLaランタンが容易に真空内部の酸素と結合して酸化し、昇華していくので、１０のマイナス６乗パスカス以上の超高真空度で使用しないと寿命が大変短かった。しかし、本発明ではこの敏感なランタンLaをレニウムをはじめ高融点金属に変えることによって、１０のマイナス４乗パスカルの低真空度でも、安定に電子を発生し、昇華が少なく、長寿命の電子銃が製作できるようになった。
以上のようなメリットによって１本の電子銃を用いる装置には言うに及ばず、特にマルチ電子銃を有するマルチコラム電子銃の装置では、電子銃輝度の調整を硼素蓄積部の温度で制御できること、安定な金属で構成するために、低真空度でも安定して使用しやすいために本発明は必須技術となる。
【符号の説明】
【００６８】
101 基盤側に並んだ負の電荷をもつ原子
102 真空側に並んだ正の電荷を有する原子
103 真空
104 電子銃から原子が射出される方向を示すベクトル
201 +5の電荷を有する硼素(ボロン)原子核
202 1S軌道
203 2S軌道
204 2P軌道
205 1S軌道に入る２個の電子
206 2S軌道に入る２個の電子
207 2P軌道に入る１個の電子
301 正電荷を持った基盤
302 ア原子の原子核の電荷
303 ア原子の共有結合半径
304 イ原子の原子核の電荷
305 イ原子の共有結合半径
401 上段に元素名、下段に電気陰性度を記したボーリングの電気陰性度表。
402 硼素（ボロン）の電気陰性度
403 ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、テクネチウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウムなど、高融点金属の電気陰性度
404 ランタンと、セリウムの電気陰性度
501 高融点金属などの電荷数、共有結合半径、電気陰性度を並べた表
601 上段に元素番号、中段に元素名、下段に共有結合半径を記した表
701 レニウムをはじめとする１９００Ｋ以上の高融点金属棒からなる電子銃本体
702 硼素(ボロン)を格納する穴
703 硼素(ボロン)
704 加熱用タングステンワイヤ
705 アノード陽極
706 引き出し電極
707 サプレッサ電極
708 電子銃の平坦化された先端部
709 電子銃先端先鋭部
801 硼素(ボロン)を格納する溝
901 硼素(ボロン)を格納する穴
1001 硼素(ボロン)を蓄積するための横方向の螺旋ケージ
1101 硼素(ボロン)を蓄積するための縦方向の螺旋ケージ
1201 電子分布
1202 電子
1203 レニウム
1204 レニウムと硼素(ボロン)を格納する穴
1205 カーボン被覆した金属
1206 加熱用カーボン
1207 ばね性を持った高融点金属
1208 セラミック
1209 ウェーネルト電極
1301 レニウム
1302 レニウムと硼素(ボロン)を格納する穴
1303 カーボン被覆した金属
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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