(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素脆化や酸化による化学的反応に不活性な金属フィラメントに炭素系接着剤を介してカーボンナノチューブを接合したことを特徴とする電子源。
【請求項２】
前記金属フィラメントがプラチナまたはパラジウムであることを特徴とする請求項１に記載の電子源。
【請求項３】
Ｖ字型の導電性金属フィラメント基材に備え付けられる炭素脆化や酸化による化学的反応に不活性な金属針に炭素系接着剤を介してカーボンナノチューブを接合したことを特徴とする電子源。
【請求項４】
前記金属針がプラチナまたはパラジウムであることを特徴とする請求項３に記載の電子源。
【請求項５】
前記炭素系接着剤は、導電性を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１つの請求項に記載の電子源。
【請求項６】
炭素脆化や酸化による化学的反応に不活性な金属フィラメントを形成する工程と、前記金属フィラメントの先端部に炭素成分を含んだ導電性接着剤を少量付着させる工程と、カーボンナノチューブを前記導電性接着剤の付着部分に接合する工程と、前記金属フィラメントに通電加熱して前記導電性接着剤を加熱固化させる工程とからなることを特徴とする電子源の製造方法。
【請求項７】
タングステン線フィラメントを形成する工程と、前記タングステン線フィラメントの中央先端部に、炭素脆化や酸化による化学的反応に不活性な金属線を接合する工程と、前記金属線の前記接合箇所から所定距離離れた箇所を切断し、該切断箇所に炭素成分を含んだ導電性接着剤を少量付着させる工程と、カーボンナノチューブを前記導電性接着剤の付着部分に接合する工程と、前記タングステン線フィラメントに通電加熱して前記導電性接着剤を加熱固化させる工程とからなることを特徴とする電子源の製造方法。
【請求項８】
前記カーボンナノチューブを前記導電性接着剤に接合する際に、前記導電性接着剤を２回以上接着固化する工程を含むことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の電子源の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子源およびその製造方法に係わり、特に、電子顕微鏡もしくは電子線描画装置に用いられる電界電子放出源、熱電子放出源、またはショットキー電子放出源などの電子ビーム陰極に用いられる電子源およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、電子レンズや収差補正システムなどの技術が進み、電子顕微鏡などの電子線応用装置の高分解能や加工精度限界は陰極自体が持つビームサイズの直径やエネルギーのばらつきで限界を迎えている。この限界を引き上げるために、様々な材料、形状の新しい陰極の開発が世界中で進められている。
カーボンナノチューブを用いた電子ビーム陰極に関して例示すると、カーボンナノチューブは電子放出にとって有利な微細な形状を持つため、低い電圧で電子を放出することが可能であり、また、炭素は物理的にも強靱な結合で化学的に不活性であることから従来よりも高い真空圧力でも動作可能であるため、次世代の有望な電子源材料として、多くの研究がなされている。以下に代表的な例を紹介する。
【０００３】
非特許文献1には、カーボンナノチューブ先端から放出された電子ビームの輝度をフレネル干渉で計測し、カーボンナノチューブ電子源が従来材料のタングステンよりも輝度が高いことが開示されている。また、非特許文献２には、カーボンナノチューブ電子源をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：走査型電子顕微鏡）に搭載して動作させ、カーボンナノチューブが高い真空圧力でも動作することが開示されている。上記のごとく、近年、カーボンナノチューブを用いた電子ビーム陰極のについて多くの研究成果が報告されている。
【０００４】
非特許文献２に示すように、本件発明者らは、走査型電子顕微鏡にカーボンナノチューブ電子源を搭載し撮像に成功した。非特許文献２で紹介されている手法は、単一本の多層カーボンナノチューブをタングステン針に特許文献１に記載された方法で固定化して作製したものである。この手法で作製したカーボンナノチューブ陰極は、良好な像が撮像できる瞬間もあるが、概ね安定した像が得られなかった。そこで、安定性を改善するために、非特許文献２に記載されているように電流を低い値に制限する工夫や、特許文献２で紹介されるようにカーボンナノチューブとタングステンとの界面抵抗を改善させるような対策が考えられてきた。これらの方法で電流の安定性については改善でき、結果として輝度むらを解消することが可能になった。
【０００５】
しかし、実際にカーボンナノチューブ電子源を応用した場合、上記のようなエミッション電流の安定化を施しても、像が揺れて、撮像対象の形が歪むという不具合が起こり、安定した撮像が不可能であった。この像揺れは、カーボンナノチューブが機械的に動くことにより、電子ビームの軸が動き、一定の場所に定まらないために起こると考えられる。非特許文献２や特許文献２による対策では、この現象を抑制できない。また、カーボンナノチューブとそれを支持する基材が強い材料であってもその接合部分が化学反応や物理的な衝撃に対して強いとは限らないため、微少な電子源と基材との間の接合面も問題となる。
【特許文献１】特開２００２−１６２３３６号公報
【特許文献２】特開２００６−２６９４４３号公報
【非特許文献１】Niels et al. : Nature, ２８（２００２）、３９３.
【非特許文献２】H. Suga, T. Shimizu et al : Surface and Interface Analysis. ３８（２００６）、１７６３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
カーボンナノチューブとそれを支持するタングステン基材はそれぞれ強い材料であるが、その接合部分では接着剤やカーボンナノチューブに含まれる炭素とタングステンとの間で化学反応が起こり、脆弱な炭化タングステンが形成される。炭化タングステンは衝撃に対して脆いので、この接合面が機械的に変形し易くなり、その変形に伴って電子放出場所を揺らしてしまうと考えられる。
【０００７】
本発明の目的は、上記の問題点に鑑みて、像揺れの原因であるカーボンナノチューブと金属母材の界面の幾何学的な不安定性を排除するために、炭素との化学的な変化がほとんど起こらないプラチナなどの炭素脆性や酸化による化学的反応に不活性な金属をカーボンナノチューブを支持する部分に用いた電子源およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、炭素脆性や酸化による化学的反応に不活性な金属フィラメントに炭素系接着剤を介してカーボンナノチューブを接合したことを特徴とする電子源である。
第２の手段は、第１の手段において、前記金属フィラメントがプラチナまたはパラジウムであることを特徴とする電子源である。
第３の手段は、Ｖ字型の導電性金属フィラメント基材に備え付けられる炭素脆性や酸化による化学的反応に不活性な金属針に炭素系接着剤を介してカーボンナノチューブを接合したことを特徴とする電子源である。
第４の手段は、第３の手段において、前記金属針がプラチナまたはパラジウムであることを特徴とする電子源である。
第５の手段は、第１の手段ないし第４の手段のいずれか１つの手段において、前記炭素系接着剤は、導電性を有することを特徴とする電子源である。
第６の手段は、炭素脆性や酸化による化学的反応に不活性な金属フィラメントを形成する工程と、前記金属フィラメントの先端部に炭素成分を含んだ導電性接着剤を少量付着させる工程と、カーボンナノチューブを前記導電性接着剤の付着部分に接合する工程と、前記金属フィラメントに通電加熱して前記導電性接着剤を加熱固化させる工程とからなることを特徴とする電子源の製造方法である。
第７の手段は、タングステン線フィラメントを形成する工程と、前記タングステン線フィラメントの中央先端部に、炭素脆性や酸化による化学的反応に不活性な金属線を接合する工程と、前記金属線の前記接合箇所から所定距離離れた箇所を切断し、該切断箇所に炭素成分を含んだ導電性接着剤を少量付着させる工程と、カーボンナノチューブを前記導電性接着剤の付着部分に接合する工程と、前記タングステン線フィラメントに通電加熱して前記導電性接着剤を加熱固化させる工程とからなることを特徴とする電子源の製造方法である。
第８の手段は、第６の手段または第７の手段において、前記カーボンナノチューブを前記導電性接着剤に接合する際に、前記導電性接着剤を２回以上接着固化する行程を含むことを特徴とする電子源の製造方法である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、カーボンナノチューブが機械的に動かなくなり、電子ビームの位置ずれを抑制することが可能になり、最終的には走査型電子顕微鏡などに搭載した場合は分解能、電子線描画装置に搭載された場合は加工精度の性能を向上させることができる。また、陰極を炭素成分の多い真空装置へ搭載し電子銃として使用した際の電子ビームゆれの問題を解決することができ、カーボンナノチューブ陰極の低真空度環境での使用可能性が向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、フィラメント型のカーボンナノチューブ陰極の製造方法を示す図である。
まず、図１（ａ）に示すように、タングステンフィラメントを参考にして、φ０．１ｍｍ、長さ１６ｍｍのプラチナ線（またはパラジウム線）１を折り曲げて、同図寸法の形状を有するプラチナ線（またはパラジウム線）フィラメント１を形成する。次に、図１（ｂ）に示すようにプラチナ線（またはパラジウム線）フィラメント１の先端部２を先鋭化するように加工する。次に、図１（ｃ）に示すように、２端子をもつセラミック製のガイシ３にプラチナ（またはパラジウム）フィラメント１を取り付ける。次に、プラチナ（またはパラジウム）フィラメント１の先端部２に炭素成分を含んだ導電性接着剤を少量付着させ、カーボンナノチューブを前記導電性接着剤の付着部分に接合させる。その後、ガイシ３の２端子に電圧を印加してプラチナ（またはパラジウム）フィラメント１を通電加熱し、導電性接着剤を加熱固化させ、フィラメント型のカーボンナノチューブ陰極を得る。なお、カーボンナノチューブを導電性接着剤に接合する際に、導電性接着剤を２回以上接着固化する行程を含むようにしてもよい。
【００１１】
図２は、ニードル型のカーボンナノチューブ陰極の製造方法を示す図である。
まず、図２（ａ）に示すように、φ０．１ｍｍのタングステン線４を折り曲げて、同図形状を有するタングステン線フィラメント４を形成する。次に、タングステン線フィラメント４に、φ０．１ｍｍのプラチナ線（またはパラジウム線）５をタングステン線フィラメント４の中央にスポット溶接にて接合する。次に、図２（ｂ）に示すように、２端子をもつセラミック製のガイシ６にタングステンフィラメント４を取り付ける。次に、図２（ｃ）に示すように、プラチナ線（またはパラジウム線）５を溶接部分から約５ｍｍ離れた箇所をニッパーなどで斜めにカットする。次に、図２（ｄ）に示すように、プラチナ線（またはパラジウム線）５の先端に炭素成分を含んだ導電性接着剤を少量付着させる。その後、カーボンナノチューブを前記導電性接着剤の付着部分に接合する。次に、セラミック製のガイシ６の２端子に電圧を印加してフィラメント４を通電加熱し、導電性接着剤を加熱固化させ、ニードル型のカーボンナノチューブ陰極を得る。なお、カーボンナノチューブを導電性接着剤に接合する際に、導電性接着剤を２回以上接着固化する行程を含むようにしてもよい。
【００１２】
次に、試作した電子銃をＳＥＭに搭載した際の電子源の安定性評価について説明する。
図３は、従来技術に係るフィラメント型のタングステン陰極と本発明に係るフィラメント型のプラチナ上のカーボンナノチューブ陰極を用いた電子銃の撮像結果を示す図である。
同図に示すように、フィラメント型のタングステン陰極を用いた場合は、像に歪みが発生しており、分解能を確保することができなかった。それに対して、フィラメント型のプラチナ上のーボンナノチューブ陰極を用いた場合は、像の歪みが消え、１０ｎｍの分解能で撮像することができた。 なお、撮影条件は、加速電圧４．９ｋＶである。
【００１３】
図４は、従来技術に係るニードル型のタングステン陰極と本発明に係るニードル型のプラチナ上のカーボンナノチューブ陰極を用いた電子銃の撮像結果を示す図である。
同図に示すように、ニードル型のタングステン陰極を用いた場合は、像は激しい歪みが発生する。それに対して、ニードル型のプラチナ上のカーボンナノチューブ陰極を用いた場合は、歪みが顕著に消えている。なお、撮影条件は、加速電圧５．０ｋＶである。
【００１４】
図５は、タングステンTip（フィラメント）の炭素脆化による形状変形を観察した図である。
通常、タングステンは高温で安定、かつ化学的にも安定とされているが、炭素に対しては約８００℃で炭素を吸収し始め脆化する。１４００〜１６００℃で炭化タングステンを形成する。カーボンナノチューブエミッタに利用されるタングステンの場合、カーボンナノチューブや炭素ペーストが炭素供給源として存在し、ＦＥ電流によるジュール熱で温度は８００℃付近になりうる。そこでは、タングステンがＷＯ3+４Ｃ→ＷＣ+３ＣＯという化学組成変化を生じやすい。つまり、炭素源がタングステンの周辺にあるのでタングステンの炭素脆化が起こり易い。炭素脆化の影響で、タングステンの幾何学形状が変化するため、そこに固定されていたカーボンナノチューブが機械的に動き、電放出場所も揺らぐものと考えられる。
【００１５】
本発明では、炭素脆化を起こしにくい金属の代表としてのプラチナの先端に導電性接着剤を少量付着させ、その後、カーボンナノチューブを導電性接着剤の付着部分に接合させており、炭素脆化の影響を受けないようにしている。なお、プラチナ以外の炭素脆性を起こしにくい金属を用いても、安定なカーボンナノチューブ電子源を作製することができる．また、本電子源を並列に配列して作製した電子銃も本発明に包含される。なお、本発明のカーボンナノチューブ電子銃を組み込んで 走査型電子顕微鏡や電子ビーム描画装置が得られることはいうまでもない。
【００１６】
また、上記の実施例は、あくまでも本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明はこれに限定されるものではない。本発明の技術思想に基づく変形、他の態様は、当然本発明に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】フィラメント型のカーボンナノチューブ陰極の製造方法を示す図である。
【図２】ニードル型のカーボンナノチューブ陰極の製造方法を示す図である。
【図３】従来技術に係るフィラメント型のタングステン陰極と本発明に係るフィラメント型のカーボンナノチューブ陰極を用いた電子銃の撮像結果を示す図である。
【図４】従来技術に係るニードル型のタングステン陰極と本発明に係るニードル型のカーボンナノチューブ陰極を用いた電子銃の撮像結果を示す図である。
【図５】タングステンTip（フィラメント）の炭素脆化による形状変形の観察した図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  プラチナ線（またはパラジウム線）
２  先端部
３  ガイシ
４  タングステン線フィラメント
５  プラチナ線（またはパラジウム線）
６  ガイシ
【図１】
0004911526.tif 000002
【図２】
0004911526.tif 000003
【図３】
0004911526.tif 000004
【図４】
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【図５】
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