(57)【要約】【課題】高輝度・長寿命・低真空度耐性・高均一照射の電子銃を構成する。【解決手段】第一の高融点金属により構成されるとともに、第二の金属元素１０３，１０４，１０５および硼素１０２を含む基体１０６を有する。第一の高融点金属は、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウムの内の１つ以上を含む。第二の金属元素は、金属および硼素原子と結合し、硼素原子１０２が、電子が放出される真空１０７側に面する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを放出するための電子銃であって、
第一の高融点金属により構成されるとともに、第二の金属および硼素を含む基体を有し、
第一の高融点金属は、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウムの内の１つ以上を含み、
第二の金属は、第一の高融点金属とは種類が異なる別の種類の元素であって、第一の高融点金属および硼素と結合し、
硼素が、電子が放出される真空側に面する、
電子銃。
【請求項２】
請求項１に記載の電子銃であって、
第一の高融点金属は、タンタル、タングステン、レニウム、モリブデン、ニオブの内の１つ以上を含み、
第二の金属は、ランタン、セリウム、モリブデン、ジルコニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、バナジウム、マンガンの内の１つ以上を含む、
電子銃。
【請求項３】
請求項１または２記載の電子銃であって、
加熱して熱電子放射型電子銃、または加熱型電界印加電子銃として使用する、電子銃。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の電子銃であって、
第二の金属は、硼素と結合した状態で、硼化した第二の金属の融点が電子銃動作温度よりも高く、蒸気圧が一定値を超えない、電子銃。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１つに記載の電子銃であって、
第一の金属がタンタル、タングステン、レニウム内の１つ以上を含み、
第一の高融点金属と結合する第二の金属は、ジルコニウム、チタン、クロム、鉄、ニッケル、モリブデンの内１つ以上を含む、電子銃。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の電子銃であって、
第一の高融点金属と結合する第二の金属は、クロム、鉄、ニッケル、モリブデンのように硼素との3重結合をもってなる金属元素の内１つ以上を含む、電子銃。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載の電子銃において、
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、硼素原子を含有する物質が基体表面を被覆することで、仕事関数を低める、電子銃。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１つに記載の電子銃において、
基体は、硼素原子を含有する物質を蓄積する貯蔵用構造物を有し、
基体を加熱することで、前記貯蔵用構造物内の硼素原子を含有する物質が基体表面に拡散するかあるいは基体内部を通って拡散する、電子銃。
【請求項９】
請求項８に記載の電子銃において、
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１０】
請求項８に記載の電子銃において、
貯蔵用構造物が電子銃加熱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加熱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１１】
請求項１〜１０のいずれか１つに記載の電子銃において、基体の電子を放出する先端面が平面であることを特徴とする電子銃。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか１つに記載の電子銃において、第一の高融点金属と第二の金属の溶解を製作時に行い電子銃使用時には、貯蔵用構造物には硼素のみを供給することを特徴とする電子銃。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１つに記載の電子銃において、第一の高融点金属と第二の金属の溶解過程を行い、第一の高融点金属内部ないし表面における第二の金属元素の均一化を行い、硼化後の電子銃ビームの均一照射性を得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検査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・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検査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、超高真空が不要であること、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倍以上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。また、Laが残留酸素と結合して真空内に飛んでいく。また硼素も酸化されて真空内に飛んでいくために真空度が１×10−７パスカルよりも低い気圧（高真空）であることが必要であった。これを実現するためには真空ポンプをドライポンプとターボ分子ポンプで引くだけでは不十分で、電子銃チャンバーの焼出しなどが必要で一旦大気リークしてから次に電子銃を点灯するための時間は24時間以上と長時間を要していた。そのためにSEM、描画装置の使用稼働時間は短かった。特にマルチコラムで電子銃を100個使用する装置の場合には、電子銃交換と真空引きに要する時間からは、絶望的に稼働率が低下するということがあった。それ故にLaB６は良い電子銃とは言えなかった。
【０００４】
またZrO-W電子銃では輝度が十分とは言えない。さらに真空度が１×10−７パスカルよりも低い気圧（高真空）であることが必要であり、一度付着した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倍になるために高速描画が可能となる。そのうえ、寿命が30倍に伸びれば、３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輝度と安定度で稼働する電子銃が得られるので装置の真空に引く時間が短く装置が大変使いやすい。装置稼働率も９８％以上を達成することが可能となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る電子銃は、電子ビームを放出するための電子銃であって、第一の高融点金属により構成されるとともに、第二の金属および硼素を含む基体を有し、第一の高融点金属は、ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウムの内の１つ以上を含み、第二の金属は、第一の高融点金属とは種類が異なる別の種類の元素であって、第一の高融点金属および硼素と結合し、硼素が、電子が放出される真空側に面する、電子銃である。
【０００８】
また、第一の高融点金属は、タンタル、タングステン、レニウム、モリブデン、ニオブの内の１つ以上を含み、第二の金属は、ランタン、セリウム、モリブデン、ジルコニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、バナジウム、マンガンの内の１つ以上を含むことが好適である。
【０００９】
また、加熱して熱電子放射型電子銃、または加熱型電界印加電子銃として使用することが好適である。
【００１０】
また、第二の金属は、硼素と結合した状態で、硼化した第二の金属の融点が電子銃動作温度よりも高く、蒸気圧が一定値を超えないことが好適である。
【００１１】
また、第一の金属がタンタル、タングステン、レニウム内の１つ以上を含み、第一の高融点金属と結合する第二の金属は、ジルコニウム、チタン、クロム、鉄、ニッケル、モリブデンの内１つ以上を含むことが好適である。
【００１２】
また、第一の高融点金属と結合する第二の金属は、クロム、鉄、ニッケル、モリブデンのように硼素との3重結合をもってなる金属元素の内１つ以上を含むことが好適である。
【００１３】
また、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、硼素原子を含有する物質が基体表面を被覆することで、仕事関数を低めることが好適である。
【００１４】
また、基体は、硼素原子を含有する物質を蓄積する貯蔵用構造物を有し、基体を加熱することで、前記貯蔵用構造物内の硼素原子を含有する物質が基体表面に拡散するかあるいは基体内部を通って拡散することが好適である。
【００１５】
また、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。
【００１６】
また、貯蔵用構造物が電子銃加熱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加熱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。
【００１７】
また、基体の電子を放出する先端面が平面であることが好適である。
【００１８】
また、第一の高融点金属と第二の金属の溶解を製作時に行い電子銃使用時には、貯蔵用構造物には硼素のみを供給することが好適である。
【００１９】
また、第一の高融点金属と第二の金属の溶解過程を行い、第一の高融点金属内部ないし表面における第二の金属元素の均一化を行い、硼化後の電子銃ビームの均一照射性を得ることが好適である。
【発明の効果】
【００２０】
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。3年間交換不要の長寿命の電子銃が可能となる。また10-5パスカルの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。電子線照射の均一性が９８％以上の均一性で行われるので電子ビーム描画装置には最適である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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重層を構成する基体側の高融点金属と真空側の硼素と、硼素と高融点金属を結合する第二の金属１０３，１０４、１０５を示す図である。
【図２】硼素（ボロン）の原子核と、その周囲の軌道にある電子と、第二の金属原子との結合の様子を表した図である。
【図３】LaB６結晶のランタン（La）原子と硼素（ボロン：B）原子の配置を示す図である。
【図４】ポーリングによる電子陰性度の表である。
【図５】オールレッド・ロコウの電気陰性度表の元となる左側から第１列に電荷数Ze、第２列に原子名、第３列に共有結合半径ｒ、第４列にオールレッド・ロコウの電気陰性度を示す指標であるZe/r2、第５列におおよその融点を記した表である。
【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Ze、中段に元素記号、下段に共有結合半径ｒ（単位ｐｍ）を示した図である。
【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高融点金属の電子銃図である。
【図９】硼素含有物質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、硼素含有物質を格納した、レニウムをはじめとする高融点金属の電子銃図である。
【図１０】硼素含有物質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、硼素含有物質を格納した、レニウムをはじめとする高融点金属の電子銃図である。
【図１１】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、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、レニウム以外の別種類の金属を設置した、電子銃図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
「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、硼素（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。
【００２３】
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。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。電子銃の熱電子発生強度は極めて安定で、１か月使用しても強度の変化はなかった。
【００２４】
一方、第一の実験に用いられたレニウムにはランタン、クロム、鉄、ニッケルなどの多くの不純物が混入していたことが判明した。少量元素については分析不可能であった。これを第一の実験と呼ぶ。
【００２５】
しかしながら第二の実験で、クロム、鉄、ニッケルを除去した純粋なレニウムに硼素（ボロン）を塗布して高温に加熱したところ、レニウムは電子を発生したが、数秒間で電子強度が弱くなるような不安定な挙動をしめした。
【００２６】
すなわち、ボロンを加熱してレニウム表面に拡散しても、わずかの時間だけレニウム表面に存在するが、硼素（ボロン）はレニウム上に強固には固定されず、真空中に飛散していくものと考えられた。第一の実験と第二の実験からは、ランタン、クロム、鉄、ニッケルがレニウムと硼素（ボロン）を強力に接合していることが示される。
【００２７】
さて、電子銃の輝度を上げるためには、いかなる種類の原子を真空側に配置し、いかなる原子を基体側に配置したらよいかという議論を行う必要がある。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。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体側にある方が、電子が真空に放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。
【００２８】
以上のことを電気２重層ができているという。基体の内部の電子は温度が高く、熱運動している際、基体の外部に向かって、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放出されやすくなる。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。真空に向かって基体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。
【００２９】
以上の議論は昔から知られていた、いくつかの事柄から明らかとなる。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。多くの金属表面にポーリングの電気陰性度が０.７９と低い、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。付着された多くの種類の金属に対して、電子が出やすくなる。
【００３０】
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。
【００３１】
電気陰性度の大きな原子を基体に用いて、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、良い電子銃の組み合わせであるということがわかる。
【００３２】
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、ジルコニウムが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。
【００３３】
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、硼素（ボロン）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。
【００３４】
真空側にＬａがあって基体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が基体にあり、硼素（ボロン）に向かって電子が出るのである。
【００３５】
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。
【００３６】
しかし、本発明者らの実験結果は、真逆で硼素（ボロン）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。
【００３７】
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。オールレッド・ロコウの電気陰性度は原子の電荷数Ze、共有結合半径ｒを用いてZe/r2を求め、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を用いて計算出来るとされている。ちなみに、a=0.744、b=0.359であるとされている。我々はこれに従って計算を行ったが、ポーリングの電気陰性度と合わせることはできなかった。しかし、定数を除くとオールレッド・ロコウの電気陰性度とはZe/r2に深く関係していることが分かった。そこで、各元素をZe/r2で評価することとした。
【００３８】
ポーリングの電気陰性度の表の値とは完全に一致させることは、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。これによれば硼素（ボロン）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。
【００３９】
従来のZrO-W（ジルコナイズドオキサイド−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体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。
【００４０】
しかし、LaB６では全く話が真逆になる。Ｌａ（ランタン）は0.00176で硼素（ボロン）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、硼素（ボロン）の0.00069からＣｅの0.00218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から硼素（ボロン）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。
【００４１】
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重なることになった。
【００４２】
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。
【００４３】
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２４００度Ｋより８００Ｋから６００Ｋ低い温度すなわち、１６００Ｋから１８００Ｋの温度に溶解せず耐えられる高融点金属をレニウムに変えてもよい。レニウムの融点は３５００Ｋである。タングステン３７００Ｋ、タンタル３３００Ｋ、モリブデン２９００Ｋ、ハフニウム２５００Ｋ、オスミウム３３００Ｋ、イリジウム２７００Ｋ、ニオブ２８００Ｋ、ルテニウム２６００Ｋなどは同様に基体として使用できる。
【００４４】
第一の高融点金属基体に対して、硼素（ボロン）を安定に固定するためには、第二の金属として、ランタン、クロム、鉄、ニッケルが高融点金属と硼素（ボロン）の接着剤として必要であることがわかっている。
【００４５】
すなわち硼素と結合して硼化物を作る性質の似た金属は同様に高融点金属と硼素（ボロン）の接着剤として使用できると考えられる。ジルコニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、バナジウム、マンガンの硼化物はよく知られているので、真空中でこれらの金属粉末と硼素を高融点金属基体に設置された蓄積器の中に入れておいて、ヒーターで加熱し金属と硼素を反応させて硼化物を作る。さらに前記の硼化物が基体の高融点金属と溶融する温度にしばらくの時間放置する。これで電子銃が形成できたことになる。次に、電子銃の使用温度にヒーター加熱電流を下げて、温度を下げ電子銃として長時間使用する。このとき前記溶融温度から数百度（６００Ｋ）程度低い温度であるので第二金属の硼化物の蒸気圧は１０−７パスカルよりも小さい。
【００４６】
従来、例えば、ジルコニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、バナジウム、マンガンの硼化物はそれ自体が絶縁物で電流を流さない。このために電子銃材料としては全く考えられなかったものと思われる。
【００４７】
しかし、レニウムをはじめとする、高融点金属の中に溶融されたこれらの硼化物は、ゼリー状の高融点金属の海に浮く分子として、電子を介して溶解している。金属原子に付着する硼素（ボロン）が真空面に顔を出している場合に高融点金属側から硼素（ボロン）めがけて電子が放射されるのである。このように少なくとも、高融点金属と第二の硼素（ボロン）と結合しやすい金属と硼素（ボロン）の３成分が必要な電子銃のコンセプトは従来全く存在しなかったものである。本発明が実験による発見に基づいた発明であることがわかっていただけるものと考える。
【００４８】
「実施形態の説明」
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。
【００４９】
＜システム全体構成＞
図１は、図７から図１２の電子銃表面の電気２重層を示す図である。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体側にある方が、電子が真空に放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。
【００５０】
この例では、第一の高融点金属として負の電荷をもつレニウムを採用したレニウム基体１０６と、真空１０７側に並んだ正の電荷を有する硼素（ボロン）原子１０２、レニウム基体１０６と硼素（ボロン）１０２の結び付きを強くする第二の金属原子１０３、１０４、１０５、電子銃から原子が放出される方向を示すベクトル１０１を示している。すなわち、第二の金属原子が、第一の高融点金属原子と金属結合するとともに、硼素と強固に化学結合している。
【００５１】
負の電荷をもつレニウム基体１０６と正の電荷を有する硼素（ボロン）原子１０２で電気２重層を形成している。電子の結びつきを強くする第二の金属原子１０３、１０４、１０５は若干マイナスに帯電している。
【００５２】
硼素（ボロン）原子１０２は、そのままではレニウムとの結びつきが弱く、輝度を強くするために高温で使用すると、硼素（ボロン）原子１０２が酸素と反応し酸化することによって蒸発してしまうが、第二の金属原子１０３、１０４、１０５を介することによって、三重結合をはじめ、強固な結合ができて高温で酸素と結合することが少なく、蒸発しにくくなるため、高温での使用が可能になり、輝度を強くすることができる。
【００５３】
実験では、第二の金属１０３、１０４、１０５にCr（クロム）、Fe（鉄）、Ni（ニッケル）を用いることで硼素原子（ボロン）１０２とレニウム基体１０６の結びつきを強め、真空度１０−５パスカルの真空度で、高温１７００Ｋでの使用が可能であることを確認した。
【００５４】
また、従来のLaB６（六ホウ化ランタン）電子銃と比較した場合、LaB６（六ホウ化ランタン）の仕事関数が2.4eVに対して、レニウム硼素と第二の金属の電子銃の仕事関数は、1.8eV以下であり0.6eV以上低い。すなわち、強い電気２重層の存在によって、仕事関数がより低くなり、輝度が高くなることが示唆される。
【００５５】
実験においても本実施形態の電子銃は従来のものと比べ１０倍以上の高輝度であることを確認した。
【００５６】
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。この図では第二の金属の原子核と内殻電子２０４と、三重結合をなしている。この結合は、クロム、鉄、ニッケル、モリブデンなどで起きる。硼素（ボロン）はsp2混成軌道２０６により、第二の金属の原子核と内殻電子２０４と三重結合を起こしている。そのため硼素（ボロン）と第二の金属原子間の結びつきが強固であり、付近に酸素が来た場合でも容易に酸化されない。このために硼素（ボロン）は蒸発しにくく、電子銃として高輝度、高寿命を持つことが示唆される。三重結合により、硼素（ボロン）の未結合手がなく、酸化しないため、低真空であっても、電子銃として使用が可能である。さらに酸素の吸着が少なく電子の仕事関数の変動が少なく、電子ビーム強度は安定である。
【００５７】
ボロンの外側から見た時には原子核＋５と１ｓ軌道の電子が2個で、合計＋３の正電荷が感じられるので、高融点金属層の間に強い正の電気２重層を形成し、電子に対して、1.6から1.8eVの低い仕事関数を保有する。
【００５８】
従って、Ｃｒ、鉄、ニッケル、モリブデンなどの硼素との三重結合を有する第二の金属元素を使用することが好適である。
【００５９】
従来のLaB６電子銃は１０−７パスカル以上の高真空が求められた。これはLaB６が酸素によって容易に酸化して蒸発するためである。この事を避けるために、ドライポンプとターボ分子ポンプで１０−５パスカルまで真空引きを行った後、数時間から一日の間、装置の焼きだしを行い、真空度を１０−７パスカルまで上げる真空引きが必要であった。この焼きだし工程に多くの時間をかけるため、稼働率があまり高くない装置であった。
【００６０】
本実施形態は大気から真空に引き、ドライポンプで１パスカルまで引き、次にターボ分子ポンプで１０−５パスカルまで引いて、すぐに電子銃を動作させられる。このため、SEM、電子ビーム検査装置や電子ビーム描画装置を本実施形態の電子銃で構成した場合は、使いやすく稼働率の高い装置になる。
【００６１】
図３は、電子銃によく使われているLaB６（六ホウ化ランタン）の構造図である。LaB６（六ホウ化ランタン）は高温下で、金属や酸素など、あらゆる物質と激しく反応する。その理由が、LaB６（六ホウ化ランタン）中の硼素（ボロン）の一部にダングリングボンドと呼ばれる、未結合手があるためである。未結合手を持つ硼素（ボロン）３０１は、他の物質と結合しやすい。そのため、電子銃として使用する際に、酸素などの気体と結合して揮発することを防ぐために、高真空が必要とされるのである。また、ランタンも、融点が１２００Ｋであり、レニウムと炭素を除く地球上の全ての物質と激しく反応するために真空中でも酸化しやすく、蒸発しやすいので、高真空が必要であった。また、高真空下でも、電子ビーム描画装置を実用化するためには５０ｋＶで、２×１０６アンペア/ｃｍ２steradianの輝度が必要であるのにかかわらず、LaB６では、10倍以上足りないために温度を適正温度１７００Ｋよりも２００度高く上げ１９００Ｋ以上にて使用するため、酸素との反応が活発になり、1か月程度の寿命しかない。ちなみに、２００度高いと、５０倍蒸発量が大きくなり、寿命が激減する。そのため本実施形態のような、高輝度高寿命低真空使用可能な電子銃が長い間求められていたのである。
【００６２】
本図で強く感じられることは単位体積あたりの金属原子すなわちランタンが少なく、通常の金属に比較して熱電子放出される自由電子の密度が小さいことである。このこともLaB６の輝度が低いことを示唆している。本実施形態の安定硼化物形成可能な第二金属による高融点金属と硼素（ボロン）の結合強化電子銃は電子密度が高くなおかつランタンのような過激に反応する元素を使用していない。また、硼素（ボロン）原子は第二の金属と強固に結合しているので、酸素によって置換されることなく長期にわたって安定である。
【００６３】
図４は、ポーリングによる電子陰性度の表４０１である。上段に元素名、下段に電気陰性度をそれぞれの元素に対して示してある。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、本実施形態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、ニオブが１.６、モリブデンが２.１６、ルテニウムが２.２、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の電気陰性度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。したがって、電子銃を考察するためには、この表はあまり適切ではないと考えられる。
【００６４】
図５は、高融点金属を含む、本実施形態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Ze、原子名、共有結合半径r、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、おおよその融点を示している。まず、電荷数は原子核のプラス電荷の数Zeを示している。共有結合半径は、単位にpm（ピコメートル  １pm=0.001nm）を用いて記載した。４列目はオールレッド・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。
【００６５】
この表から硼素（ボロン）が最も小さな電気陰性度を示し、電子銃の表層に最適であることがわかる。基体側の高融点金属を考察すると、オスミウム、イリジウムは、電気陰性度は非常に高く、特にイリジウムは、最大であるが、この二つの元素は、電子銃の基体とするには、タングステンやレニウムなどの表面に金属層を付着せしめて使用する必要があるので、使用方法が複雑化するため実用的ではない。この表においてレニウムは電気陰性度が最大ではないが、タングステンに次いで２番目の高融点金属で融点は３５００Ｋであり、電子銃の基体に最適であることがわかる。本実施形態で高融点金属と呼ぶのは２５００Ｋ以上の融点を持つ金属であるが、白金の場合は、２１００Ｋ程度の融点しかなく硼素や第二の金属との溶融により高融点金属自体の融点が下がることを考えると、本実施形態の用途では使用できないものと考えられる。この意味で２５００Ｋ以上の融点を持ち電気陰性度の大きなものとしては、レニウム、ハフニウム、タンタル、タングステン、オスミウム、イリジウム、ニオブ、モリブデン、ルテニウムなどが使用できる。
【００６６】
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の結果を得たのである。
【００６７】
図７は、電子銃先端先鋭部７０９中央に硼素（ボロン）含有物質を格納する穴７０２を掘り硼素（ボロン）含有物質７０３を塗り込んだ、レニウムをはじめとする高融点金属棒からなる電子銃本体７０１と周辺部を示した図である。この例では、電子銃は−５０ｋＶの高圧電源に接続されている。
【００６８】
電子放出の際は、加熱用タングステンワイヤ７０４に流す電流で発熱を制御し、電子銃全体の温度を一定に保ち、熱電子放出条件を得るものである。加熱による硼素（ボロン）含有物質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）含有物質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。
【００６９】
また、そのままでは電子銃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からのみ電子放出する。それ以外の部分、すなわち電子銃先端先鋭部７０９および加熱用タングステン７０４などからの放出電子を抑制する。なぜ、電子銃の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できるためである。照射範囲を広く均一化するのは、電子ビーム描画装置において、矩形アパーチャを均一に照射する必要性があるためである。なお、平坦化された先端の形状は、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。アノード電極（陽極）７０５は０ｋＶに接地されており、アース電位となっている。
【００７０】
単に加熱して硼素（ボロン）含有物質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）含有物質７０３の硼素（ボロン）化合物化を促進したり、電気２重層形成のための分子配列を促進したりして効果的に電子銃を活性化し、電子の放出を最大にすることが可能である。
【００７１】
図８は、電子銃先端先鋭部側壁の左右二箇所に溝を掘り硼素（ボロン）含有物質を塗り込んだ、レニウムをはじめとする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）含有物質を収納する溝８０１を掘り、その中に硼素（ボロン）含有物質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に流す電流で発熱を制御し、電子銃全体の温度を一定に保ち、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、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。
【００７２】
図９は、硼素（ボロン）含有物質７０３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（ボロン）含有物質７０３を格納した、レニウムをはじめとする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９０１を取り付け、そこに硼素（ボロン）含有物質７０３を塗り込み収納している。このケージは本体に対して中心軸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に流す電流で発熱を制御し、電子銃全体の温度を一定に保ち、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、アース電位となっている。電子銃先端先鋭部７０９の形は、四角錐でも、円錐でも構わない。
【００７３】
図１０は、硼素（ボロン）含有物質７０３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（ボロン）含有物質７０３を格納した、レニウムをはじめとする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高融点金属７０１で作り、本体部分に高融点の微細ワイヤで形成された横方向の螺旋ケージ１００１を取り付け、そこに硼素（ボロン）含有物質７０３を塗り込み収納している。このケージはワイヤを螺旋状に形成し、これを高融点金属棒７０１本体に巻き付けるように、本体を一周させている。電子放出の際は、加熱用タングステンワイヤ７０４に流す電流で発熱を制御し、電子銃全体の温度を一定に保ち、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、アース電位となっている。電子銃先端先鋭部７０９の形は、四角錐でも、円錐でも構わない。
【００７４】
図１１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、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被覆用カーボン１１０５で被覆することにより、側面と底面からの電子放出を抑えている。
【００７５】
被覆用カーボン１１０５の中心部には細長いワイヤ状レニウム１１０３が設置されている。被覆用カーボン１１０５の側面には、硼素（ボロン）含有物質を格納する横溝１１１０が掘られている。この中に硼素（ボロン）含有物質７０３が格納されている。
【００７６】
細長いワイヤ状レニウム１１０３はレニウムと硼素（ボロン）含有物質を格納する軸中心の縦穴１１０４の中に嵌入される。本図において、硼素（ボロン）含有物質は塗布時に流動性がある液体で、毛細管現象により穴を満たす程度の流動性を有している必要がある。このことにより、縦穴１１０４とレニウム１１０３の間の微細な間隙は硼素（ボロン）含有物質によって完全に満たされる。この細長いワイヤ状レニウム１１０３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１１０２を放出する構造になっている。硼素（ボロン）含有物質は一定温度でレニウムの表面および内部を拡散して先端平面部の仕事関数を下げ電子銃として機能させる。硼素（ボロン）含有物質７０３は被覆用カーボン１１０５側にも付着するが、カーボンの電気陰性度がボロンと近いためにカーボン側からの電子放出は起こらない。このようにして電子線描画装置に使用する場合に中心矩形領域に均一に電子ビームを照射し周辺の不要な電子線による無用な発熱を除去することができる。
【００７７】
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１１０６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１１０７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１１０７は、円柱状のセラミック１１０８に取り付けられている。ＰＧグラファイトに流す電流で発熱を制御し、電子銃全体の温度を一定に保ち、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１１０２の放出量は、−５５ｋＶ〜−４５ｋＶの電極に接続したウェーネルト電極１１０９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、アース電位となっている。レニウム電子銃から放射された電子は均一に一定領域を照らすような電子ビームの強度分布１１０１である。
【００７８】
図１２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高融点金属７０１で作られた後、本体とは異なる種類の金属１２０１で被覆することにより、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１１０３と硼素（ボロン）含有物質７０３を収納するための軸中心の縦穴１１０４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に流す電流で発熱を制御し、電子銃全体の温度を一定に保ち、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の放出量は、−５５ｋＶ〜−４５ｋＶの電極に接続したウェーネルト電極１１０９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、アース電位となっている。
【００７９】
硼素（ボロン）含有物質７０３はレニウム以外の別種類の金属１２０１側にも付着するが、電気陰性度がレニウムと比較して著しく小さい金属を用いて別種類の金属１２０１を作るために、ここからは電子放出は起こらないように配慮する。このようにして電子線描画装置に使用する場合に中心矩形領域に均一に電子ビームを照射し周辺の不要な電子線による無用な発熱を除去することができる。
【００８０】
本実施形態においては、電子銃動作温度１７００Kにおいて、LaB6のLaに比較して、高融点金属の蒸発は極めて少なく検出限界以下である。第二の金属の硼化物の酸化も極めて少なく微量である。しかし、高輝度・低真空度の長寿命条件で使用する電子銃であるので、低真空度での酸素分圧で、硼素と第二金属がごくわずかに蒸発する可能性は残っている。この場合には電子銃の引き出し電圧をわずかに調整することで、必要な電流値を調整することが可能である。
【００８１】
引き出し電圧調整量が一定値を超える場合には、第二の金属と硼素（ボロン）の含有物を電子銃使用中に定期的または、連続的に補給するために、蓄積器の温度、すなわち電子銃の温度を上げて、第二の金属と硼素（ボロン）の含有物をレニウムチップに供給することが好適である。これによって、電子銃の放出電流が回復した後、蓄積器の温度、すなわち電子銃の温度をさげて、第二の金属と硼素（ボロン）の含有物の供給を停止し、電子銃の引き出し電圧をもとに戻すことができる。
【００８２】
第二の金属の選択についての考察を行う。第二の金属として必要な性質は（１）高融点金属と硼素（ボロン）を強く結合することである。また、（２）硼素（ボロン）と溶解してかつ、高融点金属とも溶解するが、高融点金属の形状を損なうほど高い融点のものであってはならない。さらに、（３）電子銃動作時には溶解時の温度より数百度低い温度で使用できるものである必要がある。すなわち、１８００Ｋ以下で電子銃として十分な強度の電子を発生できる第二の金属でなければならない。（４）硼化物が酸化しにくいか酸化して蒸発しても容易に再度復活させることができることである。
【００８３】
以上の条件を満足するものを検討した結果、ランタン、セリウム、ジルコニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、バナジウム、マンガンが好適であることが分かった。
【００８４】
まず、候補物質の融点は最高でもバナジウムの２２００Ｋ以下であり、すべての第二金属候補物質が硼化可能物質であるので、高融点金属と硼素を結合することができ、高融点金属の形状を損なうほど融点の高いものではない。特にジルコニウムとクロムとチタンの硼化物は酸化しにくいと言われており、６０年前からの実験データもある。また、ステンレスでは鉄、ニッケル、クロムの組み合わせで鉄の酸化を防いでいる。これは、不働態を表面に持つクロムが鉄を速やかに被覆して鉄の酸化から守るためであることが知られている。そのクロムが硼化した場合に酸化されにくいのであるからジルコニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、バナジウム、マンガンなど第二金属候補物質の硼化物が高融点金属と結合した状態で酸化され、蒸発する量は従来のLaB6に比べて著しく低い。蒸発した分は蓄積器からの第二の金属と硼素（ボロン）の含有物の供給を行うので電子銃システムとしての機能は万全である。また、モリブデンは硼素化物が酸化しにくいことが知られている。
【００８５】
本発明者らの実験によれば、レニウムに対して、ランタン元素とセリウム元素は十分な強度で硼素を固定し、仕事関数を下げて、高安定な電子銃を構成することが分かった。すなわち、ＬａＢ６，ＣｅＢ６という結晶を構成してしまえば結晶端面でダングリングボンドを作り酸化しやすいものの、元素という形でレニウムに溶解した後は、硼素原子と強固な形で結合し、表面に硼素を設置でき仕事関数をさげるものと考えられる。
【００８６】
なお、ジルコニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、バナジウム、マンガンなど第二金属候補物質の融点と硼素化物の融点はそれぞれ異なるので、適切な成分比で混合し溶解し、全体の融点を適切な一定値に保つようし、電子銃としての使用温度において蒸気圧が一定値を超えないように配慮することが好適である。
【００８７】
ただし、第二の元素としてジルコニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、バナジウム、マンガン以外の他の金属元素が不適であることをすべて検証したわけではない。本実施形態の目的である高融点金属と硼素の結合のために使用でき、融点が使用可能な範囲に収まる金属元素があれば、第二金属として使用することは容易である。
【００８８】
また、電子銃の放射電流分布による電子ビーム描画パターン形状の照射均一性が問題となるが、本実施形態の電子銃においては、第二金属原子への硼素化は完全になされるので、第二金属のレニウムチップ内部と表面での分布均一性が問題になる。これに対しては、電子銃として使用する以前に高温で恒温化して一定時間置き、レニウムチップ内部および表面の第二金属の拡散による、均一化を形成した後、電子銃として使用する。このことで極めて高い均一性、すなわち、必要な電子照射領域内部での近一性９８％以内が容易に達成できる。電子銃先端径１００μmのレニウムチップのバルク内部の第二金属の分布を均一化するために、２０００Kで３時間のアニール処理を行うことで完全に均一化できる。このように均一化制御も温度と硼素（ボロン）の含有物供給で装置外部から制御できる点が、本実施形態が画期的と考えられる点である。
【００８９】
「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。
【００９０】
LaB６に比較する。安定硼化物形成可能な低融点金属（第二金属）による高融点金属と硼素（ボロン）の結合強化電子銃は以下の優れた点がある。基体が金属片であり加工がしやすい。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。硼素（ボロン）の端面のダングリングボンド（未結合手）が酸化して、蒸発していくことがないので長期安定化が期待できる。硼素（ボロン）および第二の金属が蒸発する場合でも蓄積器から不足成分を補填することができるので、長寿命で長期にわたって安定に稼働させることができる。
【００９４】
安定硼化物形成可能な低融点金属（第二金属）による高融点金属と硼素（ボロン）の結合強化電子銃は大気中に取り出しても安定である。
【００９５】
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、安定硼化物形成可能な低融点金属（第二金属）による高融点金属と硼素（ボロン）の結合強化電子銃は保持方法が複数種類あって、容易である。
【００９６】
ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウムなど高融点金属の表面に、硼素（ボロン）と結合用第二金属をつけることで、容易に電気２重層を形成できる。かつ、低真空度で使用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。
【００９７】
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超高真空の１０−７パスカル以上の高真空が必要であるが、安定硼化物形成可能な低融点金属（第二金属）による高融点金属と硼素（ボロン）の結合強化電子銃は、１０−５パスカル以下の低真空度で稼働できるため装置が使いやすい。
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（ボロン）含有物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。
【００９８】
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ランタンと硼素（ボロン）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、１０−７パスカル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、本実施形態ではこの敏感なランタンLaをレニウムをはじめとする高融点金属に変えることと硼素との結合が強い第二の金属元素による結合状態を強めて酸素と反応して蒸発しないようにすることによって、１０−５パスカルの低真空度でも、安定に電子を発生し、昇華と蒸発が少なく、長寿命の電子銃が製作できるようになった。また、第二の金属も、鉄、クロムなど蒸気圧が低い金属であるので、ほとんど蒸発しない。硼素も第二の金属に頑強に固定されるために、格段に寿命が延びた。
【００９９】
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実施形態は必須技術となる。
【０１００】
さらに特筆すべき性質は、電子銃の均一性向上技術である。従来のLaB6では使用中に結晶の一部が蒸発して均一性が劣化したが、本実施形態ではレニウムなどの高融点金属に、第二の金属を一定時間アニール処理することで、簡単に均一分布させることができるため、電子ビームの照射均一性の確保が容易で、使用時間とともにより均一化することが画期的である。
【０１０１】
以上、本実施形態は高輝度・長寿命・低真空度動作・使用しやすさ・制御性・均一照射化容易性という、すべての電子銃の評価点で、LaB6とZrO-Wを凌駕する電子銃である。
【符号の説明】
【０１０２】
101  電子銃から電子が放出される方向を示すベクトル
102  真空側に並んだ硼素（ボロン）原子
103  レニウムと硼素（ボロン）を結びつける第二の金属その１
104  レニウムと硼素（ボロン）を結び付ける第二の金属その２
105  レニウムと硼素（ボロン）を結び付ける第二の金属その３
106  レニウム基体
107  真空
201  +5の電荷を有する硼素（ボロン）原子核
202  1s軌道に入る２個の電子
203  sp2混成軌道に入る3つの電子
204  第二の金属の原子核と内殻電子
205  硼素（ボロン）の1s軌道
206  硼素（ボロン）のsp2混成軌道
207  硼素（ボロン）と結合するための第二の金属の軌道
208  レニウムと結合するための第二の金属の電子
209  レニウムと結合するための第二の金属の軌道
301  結晶の最上面でダングリングボンド（未結合手）を持つ硼素（ボロン）原子
302  結晶の内側で全てのボンドが結合した硼素（ボロン）原子
303  ランタン原子
401  上段に元素名、下段に電気陰性度を記したポーリングの電気陰性度表
402  硼素（ボロン）の電気陰性度
403  ハフニウム、タンタル、タングステン、レニウム、オスミウム、イリジウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウムなどの、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  本実施形態に関係する原子類の電荷数、共有結合半径、電気陰性度を示す指標を並べた表
601  上段に元素番号、中段に元素名、下段に共有結合半径（単位pm）を記した表
701  レニウムをはじめとする高融点金属棒からなる電子銃本体
702  硼素（ボロン）含有物質を格納する穴
703  硼素（ボロン）含有物質
704  加熱用タングステンワイヤ
705  アノード電極（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）含有物質を格納する溝
901  硼素（ボロン）含有物質を蓄積するための縦方向の螺旋ケージ
1001  硼素（ボロン）含有物質を蓄積するための横方向の螺旋ケージ
1101  電子銃から放射される電子ビームの強度分布
1102  電子銃から放射される電子ビーム
1103  細長いワイヤ状レニウム
1104  レニウムと硼素（ボロン）含有物質を格納する軸中心の縦穴
1105  被覆用カーボン
1106  加熱用カーボン
1107  ばね性を持った高融点金属
1108  絶縁性セラミック
1109  ウェーネルト電極
1110  硼素（ボロン）含有物質を格納する横溝
1201  レニウム以外の別種類の金属
【図１】
2017201609.tif 000003
【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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