(57)【要約】【課題】  電界放射型電子源での電力損失をなくし、電界放射型電子源を用いる装置の省電力化及び小型化を可能にする電子流制御方法を提供する。【解決手段】  電界が印加されることにより電子を放出する電界放射型電子源において、ターゲット３に対し電子流を放出するエミッタ１１の周囲に導電性材料１２を配置し、該導電性材料１２にエミッタ１１に対して負の電圧を印加することにより、ターゲットに供給する電子流を制御する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界が印加されることにより電子を放出する電界放射型電子源の電子流制御方法であって、ターゲットに対し電子流を放出するエミッタの周囲に導電性材料を配置し、該導電性材料に前記エミッタに対して負の電圧を印加することにより、前記電子流を制御することを特徴とする電子流制御方法。
【請求項２】
前記電界放射型電子源のエミッタとターゲットとの間に電圧を印加することによって流れる電流を計測し、その電流変動に応じた電圧により前記導電性材料に印加する負電圧を調整することを特徴とする請求項１記載の電子流制御方法。
【請求項３】
前記計測した電流を入力電圧に変換し、該入力電圧と前記エミッタからの放出電流の最低値に相当する参照電圧との差に応じた電圧を出力し、これに基づいて前記負電圧を生成することを特徴とする請求項２記載の電子流制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界が印加されることにより電子を放出する電界放射型電子源の電子流制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、透過電子顕微鏡、電子線描画装置、Ｘ線回折装置等に用いられ、電界が印加されることにより電子を放出する電界放射型電子源が知られている。電界放射型電子源の冷陰極（エミッタ）から放出される電子の流れ（放出電流）Ｊは、電界の強さをＦ、仕事関数をφ、定数をＡ、Ｂとしたとき、次式（１）で表される。
【０００３】
Ｊ＝Ａ（Ｆ２／φ）exp[−Ｂφ３／２／Ｆ]      ・・・(１)
式（１）によれば、仕事関数φを低くすることにより大きな放出電流Ｊを得ることができる。
【０００４】
上記のような電界放射型電子源は、熱電子放出型の電子源のようにフィラメントの加熱を必要としないことから、電子流を得るために電力損失がないとされているが、電界放射型電子源から放出された電流の安定性は、真空中に残留するガスに強く依存することから、放出電流を安定化させるためには、一般に１０−９Ｐａ以下の超高真空の環境を実現することが必要となる。ところが、実際には、このような超高真空を実現することが困難であるから、上記よりも低い真空度で電界放射電子源を動作させることになる。このため、次のような電流制御方法が用いられる。
【０００５】
すなわち、電界放射型電子源の電子流制御方法として、図９に示すように、エミッタ１の近傍に引き出し電極としてのグリッド２を設置し、エミッタ−グリッド間の電流を制御することによってエミッタ１とターゲット３との間の電子流を制御することが考えられている。ここで、エミッタ１とグリッド２との間に数ｋＶの電圧ＶＥＧを印加することによって、エミッタ１から電子流が放出される。放出された電子流は、グリッド２に衝突するか又は通過する。グリッド２に衝突した電子は、エミッタ‐グリッド間を流れる電流（ＩＥＧ）として検出される一方、グリッド２を通過した電子流は、エミッタ‐ターゲット間の印加電圧ＶＥＴによって加速され、ターゲット３に衝突する。従って、エミッタ‐ターゲット間に一定の電子流を供給（安定化）するためには、エミッタ‐グリッド間の電流ＩＥＧが一定となるようにエミッタ‐グリッド間の電圧ＶＥＴを調整することが必要である。
【０００６】
しかしながら、図９の回路において、エミッタ・引き出し電極間の電位差は１〜５ｋＶ程度であり、この間を流れる電流は数百〜５００μＡであることから、上記の電界放射型電子源でも、０．５Ｗ（＝１ｋＶ×０．５ｍＡ）程度の電力損失が生じる。また、エミッタ・引き出し電極間の電子流を安定化させるためには、１〜５ｋＶの高い電位差の範囲で電圧ＶＥＴを制御する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上の状況に鑑み、電界放射型電子源での電力損失をなくし、電界放射型電子源を用いる装置の省電力化及び小型化を可能にする電子流制御方法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】
【０００８】
本発明は、電界が印加されることにより電子を放出する電界放射型電子源の電子流制御方法であって、ターゲットに対し電子流を放出するエミッタの周囲に導電性材料を配置し、該導電性材料に前記エミッタに対して負の電圧を印加することにより、前記電子流を制御することを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、エミッタを取り囲む導電性材料に、エミッタに対して負の電圧を印加することにより、ターゲットに供給する電子流を制御することができる。そして、この電子流制御では、エミッタ‐導電性材料間に電流が発生せず、従って電力損失も発生しないことから、省電力化できる。また、エミッタ‐導電性材料間の電圧のみによって電子流を制御できるので、制御電圧の低電圧化を図ることができる。これにより、制御系の電源部の容積を小さくすることが可能となり、電界放射型電子源を備える装置全体の小型化及び制御の高速化が可能となる。
【００１０】
本発明の電子流制御方法では、エミッタ‐ターゲット間に電圧を印加することによって流れる電流を計測し、その電流変動に応じた電圧により前記導電性材料に印加する負電圧を調整することが好ましい。これによれば、放出電流値を一定に安定化して制御することができる。
【００１１】
この場合、前記計測した電流を入力電圧に変換し、該入力電圧と前記エミッタからの放出電流の最低値に相当する参照電圧との差に応じた電圧を出力し、これに基づいて前記負電圧を生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について説明する。
【００１３】
図１は、本発明の方法を実施するための電界放射型電子源の構造を示す。これは、棒状のエミッタ１１の周囲に円環状の金属板等の導電性材料１２を配置した構造である。すなわち、エミッタ１１は、導電性材料１２の中心部の円形の孔１３を垂直に貫通すると共に、先端が導電性材料１２の上面よりもわずかに高い位置となるように配置されている。
【００１４】
図２は、図１の構造の電界放射型電子源からターゲット３に安定な電子流を供給するための回路構成を示す。この回路において、エミッタ１１と導電性材料１２が同電位の状態では、エミッタ‐ターゲット間に高電圧ＶＥＴを印加すると、図３に示すように、電気力線はエミッタ１１の先端に集中し、エミッタ１１からの電界放射により電子流がターゲット３に供給される。この電界放射による電子流は、エミッタ１１に向かう電気力線の密度に依存し、電気力線の数は、ターゲット・エミッタ間の距離、印加電圧、エミッタ１１と導電性材料１２の幾何学的位置関係等によって大きく変動する。
【００１５】
ここで、導電性材料１２にエミッタ１１に対して負の電圧（−Ｖ１２）を印加すると、図４に示すように、エミッタ１１の先端部に対する電気力線の集中が緩和される。これにより、上記のように電気力線の密度に依存する電子流の量を可変とする、すなわち放出電流の量を制御することが可能となる。このとき、導電性材料１２には負電圧が印加されているため、エミッタ１１から放出された電子流は導電性材料１２に衝突せず、エミッタと導電性材料の間には電流が発生しない。
【００１６】
従って、図１の構造によれば、エミッタ１１を取り囲む導電性材料１２に、エミッタに対して負の電圧を印加することにより、ターゲット３に供給する電子流を制御することができる。そして、この電子流制御では、エミッタ‐導電性材料間に電流が発生せず、従って電力損失も発生しないことから、省電力化できる。また、エミッタ‐導電性材料間の電圧−Ｖ１２（その大きさは、例えば１００Ｖ程度の低電圧でよい。）のみによって電子流を制御できるので、制御系の電源部の容積を小さくすることが可能となり、電界放射型電子源を備える装置全体の小型化及び制御の高速化が可能となる。
【００１７】
図５は、電界放射型電子源の電子流を安定化するために導電性材料に印加する負電圧を調整する回路の構成を示す。この回路は、ターゲット３に印加する電圧ＶＥＴによる電流ＩＥＴを電流計２１で計測し、その電流変動に応じた電圧をフィードバック回路（ＦＢ）２２で生成して、その出力電圧ＶＯＵＴにより導電性材料１２への供給電圧（−Ｖ１２）を調整するものである。
【００１８】
上記フィードバック回路（ＦＢ）２２は、例えば、図６のように構成される。このＦＢ回路２２は、電流計２１で計測した電流を入力電圧ＶＩＮに変換する電流‐電圧変換部２３と、その入力電圧ＶＩＮとエミッタからの放出電流の最低値に相当する参照電圧ＶＲＥＦとの差分を増幅する差動増幅器２４とで構成される。ここで、差動増幅器２４は、入力電圧ＶＩＮと参照電圧ＶＲＥＦとの差に応じた電圧ＶＯＵＴを出力するので、これを反転増幅して前述の負電圧−Ｖ１２として導電性材料１２に印加することができる。すなわち、入力電圧ＶＩＮと参照電圧ＶＲＥＦとの差に応じた電圧ＶＯＵＴを出力し、この電圧に基づいて負電圧−Ｖ１２を生成する。この負電圧を導電性材料１２に供給することにより、放出電流を安定化するように制御することができる。
【実施例】
【００１９】
図５の構成において、エミッタ１１にカーボンナノチューブ等で代表されるカーボンナノ構造の電子放出源、導電性材料１２としてステンレス鋼を用い、これらをガラス管に封入して高真空状態に保持する。エミッタ・ターゲット間（距離４ｍｍ）に電圧ＶＥＴ＝１０ｋＶを印加する。このとき、電界は１０ｋV／４ｍｍ＝２５００Ｖ／ｍｍである。ステンレス鋼製の導電性材料１２の中心孔１３（直径４ｍｍ）にエミッタ１１（直径０.５ｍｍの棒状）を配置し、このエミッタ１１に対する負電圧−Ｖ１２として、０から−５００Ｖ（平均電位＝５００／２＝２５０Ｖ／ｍｍ）を印加する。その結果、図７に示すように、エミッタ‐ターゲット間の電流ＩＥＴを０．１５ｍＡから０ｍＡにまで変化させ得ることが判明した。そして、エミッタ１１の周辺に配置された導電体材料１２に印加する電圧を変化させることにより、電子流の量（電流量）を制御可能であることを確認できた。なお、ステンレス‐エミッタ間の電流量は、検出レベル以下であった。
【００２０】
図７は、上記実施例において、導電性材料１２（導電体）に負電圧を印加しない場合（０Ｖ）と印加した場合（５００Ｖ）の電流放出特性を示す。図において、縦軸は電流値、横軸は放射電界の値である。
【００２１】
また、図８は、図５に示した回路を用いて、導電性材料１２に負電圧−Ｖ１２を印加して電界放射型電子源からの放出電流を安定化させた場合と、安定化しない場合（安定化前）の放出電流値を示すグラフである。このグラフから、安定化しない場合に大きく変動していた電流値が、上記の安定化によりほぼ一定値をとることがわかる。
【００２２】
以上のように本発明の方法で放出電流が制御される電界放射型電子源は、Ｘ線管球及び電子線管球の電子線源部、走査型電子顕微鏡及び透過型電子顕微鏡の電子源部、電子線励起型蛍光灯の電子源部、電子線マイクロプローブアナライザの電子線源部、カソードルミネッセンスの電子線源部等に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の方法を実施する電界放射型電子源の構造を示す図で、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は平面図。
【図２】図１の構造でターゲットに安定な電子流を供給するための回路構成を示す図。
【図３】図１の構造においてエミッタと導電性材料が同電位である場合の電気力線を示す説明図。
【図４】図１の構造において導電性材料に負電圧が印加された場合の電気力線を示す説明図。
【図５】導電性材料に負電圧を印加してエミッタからの放出電流を安定化するための回路構成を示す図。
【図６】図５に示されたフィードバック（ＦＢ）回路の構成例を示す回路図。
【図７】図５の回路において導電性材料に負電圧を印加しない場合と印加した場合の電流放出特性を示す図。
【図８】図５の回路において導電性材料に負電圧を印加して電界放射型電子源からの放出電流を安定化させた場合と、安定化しない場合（安定化前）の放出電流値を示すグラフ。
【図９】電界放射型電子源を用いて電子流をターゲットに照射するための回路構成を示す図。
【符号の説明】
【００２４】
１，１１・・・エミッタ、２…グリッド、３…ターゲット、１２・・・導電性材料、１３…孔、２１…電流計、２２…フィードバック回路、２３…電流‐電圧変換部、２４…差動増幅器。
【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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