WO2008001805A1

WO2008001805A1 - Cathode de rayonnement d'électrons en diamant, source d'électrons, microscope électronique et dispositif d'exposition de faisceau électronique

Info

Publication number: WO2008001805A1
Application number: PCT/JP2007/062885
Authority: WO
Inventors: Yoshiyuki Yamamoto; Akihiko Ueda; Yoshiki Nishibayashi; Takahiro Imai
Original assignee: Sumitomo Electric Industries, Ltd.
Priority date: 2006-06-28
Filing date: 2007-06-27
Publication date: 2008-01-03
Also published as: US20090160308A1; US7898161B2; KR20090023328A; EP2034504A4; JPWO2008001805A1; EP2034504A1; CN101375363B; CN101375363A

Description

明細書

ダイヤモンド電子放射陰極、電子源、電子顕微鏡及び電子ビーム露光機技術分野

[0001] 本発明は、電子顕微鏡、電子ビーム露光機等の電子線及び電子ビーム機器などに用いられる電界放出型のダイヤモンド電子放出陰極に関する。また、当該ダイヤモンド電子放出陰極を有する電子源及びこれらを用いた電子機器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、質量が極めて小さいため、電子を一方向に揃えて走らせた電子ビームは以下のような特徴を有している。（1)電界や磁界で方向ゃ収束度を制御できる。（2)電界による加減速で広範囲なエネルギーが得られる。（3)波長が短いため、細く絞り込むことができる。このような特徴を活かした電子顕微鏡や、電子ビーム露光機が広く普及している。これらの陰極材料として、例えば、熱電子放出源としては安価な Wフィラメントや、輝度の高い電子ビームが得られる LaB等の六ホウ化物がある。

また、さらに高輝度でエネルギー幅の狭い陰極として、量子効果によるトンネル現象を利用した先鋭化 Wや、電界によるショットキー効果を利用した ZrOZWが用いられている。

[0003] 電子顕微鏡におレ、てはより小さレ、ものを高精度に観察したレ、とレ、う要求があることや、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ことから、さらに高輝度でエネルギー幅が狭い陰極が求められている。

[0004] 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あるいは非特許文献 2にあるように電子親和力が負（NEA)の状態、あるいは仕事関数が小さい金属と比較しても小さな正（PEA)の状態が存在する。この非常に稀な物性を活かせば、 Wフィラメントや LaB、あるいは Zr〇/Wのように 1000°C を超える高熱の必要なしに高電流密度電子放出が可能であり、エネルギー幅が狭く抑えられる。そして、駆動温度が低いために長寿命が期待できる。また、非特許文献 3のような先端径 10nmが得られる微細加工技術があるので高輝度化についても問題ない。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のような電子源がこれまでに提案されてきた。

[0005] 電子銃には、熱電子放出型、電界放出型等、電子放出のメカニズムによってさまざまな形態のものがあるが、そのいずれもが電子を放出させるために電子放出陰極に電界を印加し、電子を引き出す構造となっている。電界は平面状のものに印加するよりも先鋭端を有する形状のものに印加したほうが同じ電圧であればより集中するために、電子銃に用いられる電子放出材料としては、細く尖ったものが多用される。

[0006] 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先鋭化 Wは、電界放出型電子銃と呼ばれる。電子放出源（ェミッタ）としては、 W (111)、 W (310)または W (IOO)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であり、それを Wフィラメントに取り付けて利用する。このェミッタと対を成す引出電極力エミッタカ数 mm程度の距離をおいて配置される。これらのェミッタ及び引出電極は、高真空状態に排気される。

[0007] 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ぐ輝度が高いという特徴を持っている。エネルギー幅が 200〜300meV程度になり、電子光学系に用いられるレンズの色収差を低減できるために、電子顕微鏡の性能向上に大きく役立っている。し力ながら、 10— ⁸Pa程度の超高真空で使用しなければならないことに加え、定期的にェミッタを瞬間的に通電加熱し、ェミッタに吸着したガス分子を除去するとレ、う清浄化作業 (熱フラッシュ）が必要不可欠であった。

[0008] ダイヤモンドを用いた電子銃においては、従来の電子銃に比べて高輝度、低エネルギ一分散、長寿命が期待されるが、特に熱電界放出型あるいは電界放出型電子銃として使用する場合にその把持方法については以下のような課題があった。

[0009] すなわち、例えば電子放出材料として LaBを用いる熱電界放出型電子銃においては、先端を先鋭化させた LaBからなるチップを金属等で挟み込んで把持する形となっているが、この方法では把持する領域にある程度の太さが必要である。具体的には、断面積が 0. 1mm²未満となると、把持することが難しくなつてくる。従って、把持する領域には断面積として 0. 1mm²以上の太さが必要となる力 S、そこから電子放出部に向かって先鋭ィ匕加工すると、先端のより一層の先鋭ィ匕が難しくなる。また、サブレッサ部分の穴径を大きくする必要が生じ、これは引き出し効率の向上に悪影響を及ぼす。

一方、 ZrOZWや冷陰極に用いられる W電極においては、先端を先鋭化させた W チップを Wワイヤに溶接して把持している。この方法によれば、充分先鋭化した電子放射陰極を使用することができるが、ダイヤモンドを電子放射陰極として適用した場合、金属ワイヤへの溶接は非常に難しいとレ、う問題がある。

[0010] 特許文献 1 :特開平 4-67527号公報

非特許文献 1 : F. J. Himpsel et al.， Phys. Rev. B.， Vol. 20, Number 2 (1 979) 624

非特許文献 2 :J. Ristein et al.， New Diamond and Frontier Carbon T echnology, Vol. 10, No. 6, (2000) 363

非特許文献 3 : Y. Nishibayashi et al. , SEI Technical Review, 57, (2004 ) 31

非特許文献 4 : W. B. Choi et al. , J. Vac. Sci. Technol. B 14, (1996) 205 発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0011] そこで本発明は、高輝度、低エネルギー分散、かつ長寿命の電子放射陰極を提供すべぐダイヤモンドにより作製された電子放射陰極を提供することを課題とする。その際に、充分に安定して把持可能であり、かつ先端が先鋭化され、電界強度の向上したダイヤモンド電子放射陰極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

[0012] そこで本発明者らは、ダイヤモンドを電子放射陰極として用いる際の把持方法と先端の先鋭化、ひいては先端における電界強度の向上を両立させるために鋭意検討を重ね、本発明に至ったものである。

[0013] すなわち、本発明は下記の通りである。 1)少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドを有する柱状のダイヤモンド電子放射陰極であって、前記柱状のダイヤモンド電子放射陰極が、少なくとも電子放射を目的とする先端領域と、把持を目的とする後端領域と、前記先端領域と後端領域との間に位置し細径カ卩ェされた中間領域とからなり、前記先端領域の先端部が先鋭化加工されてレ、ることを特徴とするダイヤモンド電子放射陰極を提供する。

2)前記後端領域の断面積が 0. 1mm²以上であり、かつ前記中間領域の断面積が 0

. 1mm²以下であることを特徴とする前記 1)に記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。

3)前記後端領域の長手方向の長さが 0. 5mm以上 2mm以下であり、前記中間領域の長手方向の長さが 0. 5mm以上 2mm以下であることを特徴とする前記 1)又は 2) に記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。

[0014] 4)前記後端領域と前記先端領域と前記中間領域とが共通の主面を有し、当該共通の主面上の少なくとも一部に導電層が形成され、当該導電層により、前記後端領域と前記先端領域との間の電気的導通が確保されていることを特徴とする前記：!）〜 3)のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。

5)前記共通の主面の面方位が、（111)面もしくは（111)面からのずれが 8度以内であることを特徴とする前記 4)に記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。

6)前記導電層力 n型半導性を示すダイヤモンドによって形成されていることを特徴とする前記 4)に記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。

7)前記後端領域の断面形状が略長方形もしくは略正方形であることを特徴とする前記 1)〜6)のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。

8)前記細径加工された中間領域における厚さが 0. 02mm以上 0. 15mm以下であることを特徴とする前記 1)〜7)のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。

[0015] 9)少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドを有する柱状のダイヤモンド電子放射陰極であって、前記柱状のダイヤモンド電子放射陰極が、少なくとも電子放射を目的とする先端領域と、把持を目的とする後端領域とからなり、前記先端領域の先端部が先鋭化加工されていることを特徴とするダイヤモンド電子放射陰極を提供する。 10)前記後端領域の断面積が 0. 1mm²以上であり、前記後端領域の長手方向の長さが 0. 5以上 2. Om以下であり、前記先端領域の長さが 1. 0以上 3. Omm以下であるとする前記 9)に記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。

11)前記後端領域と前記先端領域とが共通の主面を有し、当該共通の主面上の少なくとも一部に導電層が形成され、当該導電層により、前記後端領域と前記先端領域との間の電気的導通が確保されていることを特徴とする前記 9)又は 10)に記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。

12)前記共通の主面の面方位が、（111)面もしくは（111)面からのずれが 8度以内であることを特徴とする前記 11)に記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。

13)前記導電層が、 n型半導性を示すダイヤモンドによって形成されていることを特徴とする前記 11)に記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。

14)前記後端領域の断面形状が略長方形もしくは略正方形であることを特徴とする前記 9)〜： 13)のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極を提供する。

15)少なくとも、前記：!）〜 8)のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極と、絶縁性セラミックと、前記電子放射陰極に電流を供給するための一対以上の端子からなる構造体を有することを特徴とするダイヤモンド電子源を提供する。

16)前記 15)に記載のダイヤモンド電子源であって、ダイヤモンド電子放射陰極の先端領域以外からの電子放射を抑制するための導電性部材を有し、前記導電性部材に形成された貫通穴に前記ダイヤモンド電子放射陰極の中間領域が貫通していることを特徴とするダイヤモンド電子源を提供する。

17)少なくとも、前記 9)〜： 14)からのいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極と、絶縁性セラミックと、前記電子放射陰極に電流を供給するための一対以上の端子力なる構造体を有することを特徴とするダイヤモンド電子源を提供する。

18)前記 17)に記載のダイヤモンド電子源であって、ダイヤモンド電子放射陰極の先端領域以外からの電子放射を抑制するための導電性部材を有し、前記導電性部材に形成された貫通穴に前記ダイヤモンド電子放射陰極の先端領域が貫通していることを特徴とするダイヤモンド電子源を提供する。

19)前記 15)〜 18)に記載のダイヤモンド電子源を搭載してレ、ることを特徴とする電子顕微鏡を提供する。

20)前記 15)〜 18)に記載のダイヤモンド電子源を搭載していることを特徴とする電子ビーム露光機を提供する。

図面の簡単な説明

[0017] [図 1]本発明による電子放射陰極 (第 1の実施形態）を示す斜視図である。

[図 2]実施例による電子放射陰極の製造プロセス（第 1の実施形態）を示す斜視図である。

[図 3]本発明による電子銃を示す概念図である。

[図 4]本発明による電子放射陰極 (第 2の実施形態）を示す斜視図である。

[図 5]本発明による電子放射陰極の製造プロセス（第 2の実施形態）を示す斜視図である。

符号の説明

[0018] 101， 501 ダイヤモンド単結晶

102 502 面方位（111)面

103 503 Pドープェピタキシャノレダイヤモンド

104 504 A1のパターン

110 400 ダイヤモンド電子放射陰極

201 401 後端領域

202 中間領域

203 402 先端領域

[0019] 301

310

320 端子

330 絶縁性セラミック

340 インコネル製の金属部材

350 スぺーサ

発明を実施するための最良の形態

[0020] 本発明の第 1の実施形態は下記の通りである。図 1に示すように、本実施形態に係るダイヤモンド電子放射陰極 110は、長手方向に沿って 3分割することができる。すなわち、把持を目的とする後端領域 201と、細径加工された中間領域 202と、電子放射を目的とする先端領域 203によって構成される。

電子放射を目的とする先端領域の先端部は先鋭ィ匕加工されてレ、る。把持を目的とする後端領域があることから、従来品と同様、機械的に挟み込んで把持することが容易に可能である。また、この後端領域の長手方向に対して直交する断面の形状は、長方形もしくは正方形であることが、把持のしゃすさの観点からも好ましい。

中間領域は、後端領域と先端領域の中間に位置し、後端領域より細径加工されている。ここでレ、ぅ細径加工とは、後端領域の長手方向に対して直交する断面の形状が長方形もしくは正方形である場合には、長方形 ·正方形の少なくとも 1組の対向する辺の長さを 10%以上減少させる加工のことを言う。

本実施形態に係るダイヤモンド電子放射陰極は、全てダイヤモンドによって形成されていても良いし、ダイヤモンド以外の材料と組み合わされて形成されていても良い力全てダイヤモンドによって形成されていることが好ましい。また、ダイヤモンドで形成されている部分の少なくとも一部を単結晶ダイヤモンドとすることにより、安定した電子放出特性が得られるため、より好ましい。特に先端領域が単結晶ダイヤモンドであることが好ましい。

細径加工された中間領域は、その長手方向に対して直交する面の断面積が 0. lm m²以下であると、その先端を先鋭化し電子放射を目的とする領域を形成するのに有利である。また、サブレッサの穴径を必要最小限度に保つことができ、ひいては引き出し電極も小さくできるので、特に電界の力を借りて電子放出させる必要のある場合に有効である。

一方、把持を目的とする後端領域は、その長手方向に直行する断面積が 0. lmm² 以上であることが好ましい。これにより、機械的に挟み込んで把持することがより容易となり、その機械的強度を充分に確保するできるため、長時間動作させた後もその強度を保てる。また、把持を目的とする後端領域の長さは、短すぎると把持力が弱くなるし、長すぎてもコスト高となる。そのため、 0. 5mm以上 2mm以下が好ましい。 [0022] ダイヤモンドは真性半導体でありバンドギャップが 5eV以上と大きいため、室温では絶縁体である。電子放射陰極として用いる場合には、電子放射を目的とする先端領域と把持を目的とする後端領域との間に導電性がなければならない。そこで本発明では、先端領域と後端領域、さらに細径加工された中間領域が共通の主面を有するのが好ましい。そして、それらの当該主面に導電層を形成することによって後端領域と先端領域および中間領域の間に電気的導通を形成することができるからである。これによって、仮に不純物の混入のなレ、真性半導体としての特性を示すダイヤモンドを材料として用いた場合によっても、後端領域と先端領域の間に導通を保つことができ、電子放射特性を向上させることができる。

[0023] 導電層はダイヤモンドからなることが耐久性等の観点力もも好ましい。ダイヤモンドは、不純物をその格子中に混入させることによって半導性を持たせることができる。たとえば、 B (ホウ素）を混入させると p型の半導体となるし、 N (窒素）や P (燐)を混入させると n型の半導体となる。電子放出材料としては、 n型半導体を利用するほうがエネルギー的に有利である。 n型半導体のうち、 Pを混入させたものは Nを混入させたものに比べてその活性化エネルギーが小さぐより低温で多数のキャリア（電子）を伝導帯に供給することができる。ところが、 Pを混入させた n型半導性を有するダイヤモンドを導電層としてダイヤモンド上に形成するには、その形成する面は（111)面もしくは（1 11)面から 8度以下の方位ずれであることが好ましい。すなわち、前記共通の主面の面方位もこの範囲とすることが好ましい。

[0024] 細径加工された中間領域の厚さは、 0. 02mm以上 0. 15mm以下が好ましレ、。 0.

15mmを超えると充分な先端の先鋭ィ匕を達成することが難しくなる。また、 0. 02mm よりも薄いと、機械的強度が極端に低下し、把持工程や製品としての使用中に破損する可能性が大きくなり、また電子銃に取付けた後の耐久性の面からみて好ましくなレ、。ここで、細径加工された中間領域の厚さとは、前述した主面の法線方向の厚さをいう。

先鋭化の手法は、たとえば機械的研磨による方法や、フォトリソグラフィ一とエツチングを組み合わせた方法、ェピタキシャル成長による方法等が使用できるが、より簡便により先鋭ィ匕した先端を得るという観点から考えて、フォトリソグラフィ一とエッチングを組み合わせた手法が好ましレ、。

[0025] 電子顕微鏡や電子ビーム露光機などに実装するための構造体である電子源は、本実施形態におけるダイヤモンド電子放射陰極と、絶縁性セラミックと、ダイヤモンド電子放射陰極に電流を供給するための一対以上の端子からなる構造体であることが好ましレ、。この場合、従来の陰極材料が使用されている電子ビーム機器における電源系に特別な工夫なく本発明に係るダイヤモンド電子放射陰極を取り付けることが可能となる。

[0026] さらに、熱電界放射型として本実施形態の電子放射陰極を適用する際、電子放射部以外からの熱電子等を抑制するためのサブレッサが必要となる。本実施形態の電子放射陰極の細径カ卩ェされた領域もしくは電子放射を目的とする領域が、サブレツサの穴を貫通させる構造を採用するのが好ましい。従って、中間領域の長手方向の長さと先端領域の長手方向の長さの和が、サブレッサの穴の長さ以上であることが好ましい。中間領域の長手方向の長さとしては、 0. 5mm以上あることが好ましい。長すぎるとコスト高につながるので、 2mm以下が好ましい。

[0027] 本実施形態に係る電子顕微鏡は、前記本実施形態に係るダイヤモンド電子放射陰極またはダイヤモンド電子源が搭載されてレ、ることを特徴とする。本実施形態に係るダイヤモンド電子放射陰極またはダイヤモンド電子源は、高電流密度、高輝度、低ェネルギ一幅の電子ビームが得られるため、従来陰極材料が使用されている電子顕微鏡と比較して高倍率観察が可能である。

[0028] 本実施形態に係る電子ビーム露光機は、前記本実施形態に係るダイヤモンド電子放射陰極またはダイヤモンド電子源が搭載されていることを特徴とする。本発明に係るダイヤモンド電子放射陰極またはダイヤモンド電子源は、高電流密度、高輝度、低エネルギー幅の電子ビームが得られるため、従来陰極材料が使用されている電子ビーム露光機と比較して微細パターンを高スループットで描画することが可能である。

[0029] 本発明の第 2の実施形態は下記の通りである。

図 4に示すように、この実施形態に係るダイヤモンド電子放射陰極 400は、長手方向に 2分割することができる。すなわち、把持を目的とする後端領域 401と、電子放射を目的とする先端領域 402によって構成される。電子放射を目的とする先端領域の先端部は先鋭ィヒ加工されてレ、る。把持を目的とする後端領域があることから、従来品と同様、機械的に挟み込んで把持することが容易に可能である。また、この後端領域の長手方向に対して直交する断面の形状は、長方形もしくは正方形であることが、把持のしゃすさの観点からも好ましい。

[0030] 一方、把持を目的とする後端領域は、その長手方向に直行する断面積が 0. lmm² 以上であることが好ましい。これにより、機械的に挟み込んで把持することがより容易となり、その機械的強度を充分に確保するできるため、長時間動作させた後もその強度を保てる。また、把持を目的とする後端領域の長さは、短すぎると把持力が弱くなるし、長すぎてもコスト高となる。そのため、 0. 5mm以上 2mm以下が好ましい。

ダイヤモンドは真性半導体でありバンドギャップが 5eV以上と大きいため、室温では絶縁体である。電子放射陰極として用いる場合には、電子放射を目的とする先端領域と把持を目的とする後端領域との間に導電性がなければならない。そこで本発明では、先端領域と後端領域が共通の主面を有するのが好ましい。そして、それらの当該主面に導電層を形成することによって後端領域と先端領域の間に電気的導通を形成すること力できる力らである。これによつて、仮に不純物の混入のない真性半導体としての特性を示すダイヤモンドを材料として用いた場合によっても、後端領域と先端領域の間に導通を保つことができ、電子放射特性を向上させることができる。

[0031] 導電層はダイヤモンドからなることが耐久性等の観点力もも好ましい。ダイヤモンドは、不純物をその格子中に混入させることによって半導性を持たせることができる。たとえば、 B (ホウ素）を混入させると p型の半導体となるし、 N (窒素）や P (燐)を混入させると n型の半導体となる。電子放出材料としては、 n型半導体を利用するほうがエネルギー的に有利である。 n型半導体のうち、 Pを混入させたものは Nを混入させたものに比べてその活性化エネルギーが小さぐより低温で多数のキャリア（電子）を伝導帯に供給することができる。ところが、 Pを混入させた n型半導性を有するダイヤモンドを導電層としてダイヤモンド上に形成するには、その形成する面は（111)面もしくは（1 11)面から 8度以下の方位ずれであることが好ましい。すなわち、前記共通の主面の面方位もこの範囲とすることが好ましい。

[0032] 電子顕微鏡や電子ビーム露光機などに実装するための構造体である電子源は、本実施形態におけるダイヤモンド電子放射陰極と、絶縁性セラミックと、ダイヤモンド電子放射陰極に電流を供給するための一対以上の端子からなる構造体であることが好ましレ、。この場合、従来の陰極材料が使用されている電子ビーム機器における電源系に特別な工夫なく本発明に係るダイヤモンド電子放射陰極を取り付けることが可能となる。

さらに、熱電界放射型として本実施形態の電子放射陰極を適用する際、電子放射部以外からの熱電子等を抑制するためのサブレッサが必要となる。本実施形態の電子放射陰極の電子放射を目的とする領域が、サブレッサの穴を貫通させる構造を採用するのが好ましい。従って、細径カ卩ェされた領域の長手方向の長さはサプレッサの穴の長さ以上であることが好ましぐ 1mm以上あることが好ましい。長すぎるとコスト高につながるので、 3mm以下が好ましい。

本実施形態に係る電子顕微鏡は、前記本実施形態に係るダイヤモンド電子放射陰極またはダイヤモンド電子源が搭載されてレ、ることを特徴とする。本実施形態に係るダイヤモンド電子放射陰極またはダイヤモンド電子源は、高電流密度、高輝度、低ェネルギ一幅の電子ビームが得られるため、従来陰極材料が使用されている電子顕微鏡と比較して高倍率観察が可能である。

実施例

[0033] 以下、本発明の詳細について、実施例に基づき説明する。

(実施例 1)

図 2a)に示すように、高温高圧合成法により得られた単結晶ダイヤモンド A〜Dを用意した。また、同様に気相合成法によりホモェピタキシャル成長させて得られた単結晶ダイヤモンド Eも用意した。面方位は、図中 102の面が（111)面（面方位のずれは 3〜5度）であった。図 2b)に示すように、この（111)面上に、 Pドープェピタキシャルダイヤモンド 103をマイクロ波プラズマ CVD法により 3 μ m厚成膜した。この成膜した面に、フォトリソグラフ法を用いて、図 2c)に示したような A1のパターン 104を形成した。 A1の厚さは約 3〜10 x mであった。この A1をマスクとして、 CF添加の酸素ガスを用いてダイヤモンドの反応性イオンエッチング（以下、 RIEと記す）を行った。その結果、約 60〜： 150 μ m程度の深さでエッチングされ、図 2d)に示すような形状が得られた。

[0034] その後、メタルマスクによって先端力数ミリ長を覆レ、、 CFガス添加の酸素雰囲気で RIE法により Pドープェピタキシャル層を形成しなかった面からエッチングした。その際、適宜レーザー加工による面加工によるエッチングも併用した。

その結果、図 2e)に示すように、先端領域、中間領域が形成され、中間領域の厚さは表 1のようになった。このとき、先端は、図 2d)に至る段階で、金属をマスクとしてダィャモンドを RIE処理する際に、金属マスクの先鋭度（曲率半径）をサブ x m程度に高めておけば、ダイヤモンドの先端は同程度の先鋭度に維持できる。さらに、裏面からの RIEによって先鋭度は若干悪くなるものの、サブ μ m程度の曲率半径を維持できる。実際に図 2e)における先端の曲率半径を測定すると、表 1に示すように、概ね 1 μ m以下となっていた。

[0035] こうして得られた電子放射陰極 A〜Eの、把持を目的とする後端領域 201の断面積、長手方向の長さ、中間領域 202の断面積、長手方向の長さを表 1に示す。

こうして、得られた電子放射陰極 A〜Eを、図 3に示したような電子銃 301に組み込んだ。すなわち、インコネル製の金属部材 340で前記ダイヤモンド電子放射陰極 A1 10を挟み込み、コバール製の端子 320から電流を供給する。該端子は絶縁性セラミック 330により保持されてレ、る。 Mo製のサプレッサ（先端穴径 0. 6mm φ ) 310を取り付けたのち、電子顕微鏡 (株式会社エリオ二タス製、型番 ERA-8900FE)に取り付けた。この際、細径加工された中間領域 202が、サプレッサ 310の穴を貫通しているようにした。走查型電子顕微鏡 (以下、 SEMと記す）の電子銃部に取り付ける際に、チップ先端と引き出し電極の距離が 0. 3mm程度にまで近づけた。

コバール製の端子 ₃₂₀を介して電子放射陰極 _A〜Eに電流を供給し、チップ温度を加熱した。引出電圧を 5kV、加速電圧を 30kVとしてェミッション電流を評価した。エネルギー分散評価をあわせて表 1に示す。 SEM観察用として優れた性能を発揮した。さらに、電子ビーム露光装置（日本電子株式会社、型番 JSM-7000F)に取り付けたところ、線幅 lOOnm以下の描画が実現できた。

[0036] (比較例 1)

実施例 1と同じ手法で、表 2に記載の電子放射陰極 G〜Lを作製した。

Gは中間領域の幅が広ぐ断面積が 0. 225mm²となっている。この結果、サプレツサ 310の穴に貫通させることができず、穴を広げたサプレッサを用いて電子銃を組み立てる必要があった。その電子銃を用いて、実施例 1と同様に電子顕微鏡、電子ビーム描画装置に組み込んだところ、ェミッション電流は充分取り出せたものの、収束性力 ^ μ πι φ以上と悪ぐ高分解能の電子顕微鏡観察や、高精度のパターン描画はできなかった。

Η、 Iは、後端領域および中間領域の長さがそれぞれ 4mmと長くなつている。こうすると、素材のサイズが 5mm長以上と長くなり、コスト高につながった。

[0037] Jは、先端領域、中間領域、後端領域の共通の主面の面方位が（100)であった。こうすると、主面に形成する n型ダイヤモンド層の抵抗を下げることができず、 Jを使って作製した電子銃を電子顕微鏡に組み込んで実施例 1と同様に測定したところ、ェミツシヨン電流が最大でも 10 μ A以下となり、電子顕微鏡、電子ビーム露光機用としては不十分であった。

Kは、中間領域の厚さが 0. 3mmと厚くなつている。こうすると、先鋭加工された先端の先端曲率半径が、 12 / mと悪くなつてしまった。これを使って作製した電子銃を組み込んで実施例 1と同様に測定したところ、ェミッション電流は 80 _β Α程度取り出せたものの、収束性は 5 x m以上と悪くなり、電子顕微鏡、電子ビーム露光機用としては不十分であった。

Lは、中間領域の厚さが 0. 01mmとなったが、電子銃として組み立てる途中で中間領域のところで破断してしまレ、、電子銃として用いることができなかった。

また、電子放射陰極 Fとして、ダイヤモンドではなぐ従来技術である Zr〇ZW電子銃（市販品）を用いたものを用意した。ェミッション電流は約 90 μ Α取り出すことができる力この量の電子放出には温度を 1800°C程度まであげる必要があり、その結果、得られる電子ビームのエネルギー分散が 0. 7eVと大きくなつた。

[表 1]

[0039] (実施例 2)

図 5a)に示すように、高温高圧合成法により得られた単結晶ダイヤモンド M〜Pを用意した。また同様に、気相合成法によりホモェピタキシャル成長させて得られた単結晶ダイヤモンド Qも用意した。面方位は、図中 502の面が（111)面（面方位のずれは 3〜5度）とした。図 5b)に示すように、この（111)面上に、 Pドープェピタキシャルダイヤモンド 503をマイクロ波プラズマ CVD法により 3 μ m厚成膜した。この成膜した面に、フォトリソグラフ法を用いて、図 5c)に示したような A1のパターン 504を形成した。 A1の厚さは約 3〜10 x mであった。この A1をマスクとして、 CF4添加の酸素ガスを用いてダイヤモンドの反応性イオンエッチング（以下、 RIEと記す）を行った。その結果、約 60〜： 150 μ m程度の深さでエッチングされ、図 5d)に示すような形状が得られた。

[0040] その後、メタルマスクによって先端力数ミリ長を覆レ、、 CFガス添加の酸素雰囲気で RIE法により Pドープェピタキシャル層を形成しなかった面からエッチングした。その際、適宜レーザー加工による面加工によるエッチングも併用した。

その結果、図 5e)に示すように、先端領域が形成された。このとき、先端は、図 5d) に至る段階で、金属をマスクとしてダイヤモンドを RIE処理する際に、金属マスクの先鋭度（曲率半径）をサブ μ m〜数 μ m程度に高めておけば、ダイヤモンドの先端は同程度の先鋭度に維持できる。さらに、裏面からの RIEによって先鋭度は若干悪くなるものの、サブ μ ΐη程度の曲率半径を維持できる。実際に図 5e)における先端の曲率半径を測定すると、表 2に示すように、概ね 1 / m以下となっていた。

こうして得られた電子放射陰極 M〜Qの、把持を目的とする後端領域 401の断面積、長手方向の長さを表 2に示す。

[0041] こうして得られた電子放射陰極 M〜Qを、図 3に示したような電子銃 301に組み込んだ。すなわち、インコネル製の金属部材 340で前記ダイヤモンド電子放射陰極 A1 10を挟み込み、コバール製の端子 320から電流を供給する。該端子は絶縁性セラミック 330により保持されてレ、る。 Mo製のサプレッサ（先端穴径 0. 6mm φ ) 310を取り付けたのち、電子顕微鏡 (株式会社エリオ二タス製、型番 ERA-8900FE)に取り付けた。この際、先端領域 402が、サプレッサ 310の穴を貫通しているようにした。走查型電子顕微鏡 (以下、 SEMと記す）の電子銃部に取り付ける際に、チップ先端と引き出し電極の距離が 0. 3mm程度にまで近づけた。

コバール製の端子 320を介して電子放射陰極 M〜Qに電流を供給し、チップをカロ熱した。引出電圧を 5kV、加速電圧を 30kVとしてェミッション電流を評価した。エネルギ一分散評価をあわせて表 2に示す。 SEM観察用として優れた性能を発揮した。さらに、電子ビーム露光装置（日本電子株式会社、型番 JSM-7000F)に取り付けたところ、線幅 lOOnm以下の描画が実現できた。

(比較例 2)

実施例 2と同様の手法で、表 2に記載の電子放射陰極 R, Sを作製した。

Rは、後端領域の長さ力 mmと長くなつている。こうすると、素材のサイズが 5mm長以上と長くなり、コスト高となる。

Sは、先端領域、後端領域の共通の主面の面方位が（100)であった。こうすると、主面に形成する n型ダイヤモンド層の抵抗を下げることができず、 Sを使って作製した電子銃を電子顕微鏡に組み込んで実施例 2と同様に測定したところ、ェミッション電流が最大でも 10 μ A以下となり、電子顕微鏡、電子ビーム露光起用としては不十分であった。

[表 2]

本発明は、柱状のダイヤモンド電子放射陰極の後端を安定して把持可能な後端領域とし、かつ先端領域における先端部を先鋭化することによって、ダイヤモンドにより作製された電子放射陰極の提供を可能とした。更に、ダイヤモンドを電子放射陰極として採用することによって、従来利用されている電子放射陰極材料に比べて、より低 V、電界、低レ、温度で電子を真空中に取り出すことが可能になると、う効果を奏する。また単結晶ダイヤモンドを採用することによって、より安定した電子放出特性を実現すること力 Sできる。さらに、後端領域と先端領域に共通の主面を配置し、その主面に導電層を形成することによって、電子放出電流の向上が得られる。

Claims

請求の範囲

[1] 少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドを有する柱状のダイヤモンド電子放射陰極であって、前記柱状のダイヤモンド電子放射陰極が、少なくとも電子放射を目的とする先端領域と、把持を目的とする後端領域と、前記先端領域と後端領域との間に位置し細径カ卩ェされた中間領域とからなり、前記先端領域の先端部が先鋭化加工されてレ、ることを特徴とするダイヤモンド電子放射陰極。

[2] 前記後端領域の断面積が 0. 1mm²以上であり、かつ前記中間領域の断面積が 0. lmm²以下であることを特徴とする請求の範囲 1に記載のダイヤモンド電子放射陰極

[3] 前記後端領域の長手方向の長さが 0. 5mm以上 2mm以下であり、前記中間領域の長手方向の長さが 0. 5mm以上 2mm以下であることを特徴とする請求の範囲 1又は 2に記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[4] 前記後端領域と前記先端領域と前記中間領域とが共通の主面を有し、当該共通の主面上の少なくとも一部に導電層が形成され、当該導電層により、前記後端領域と前記先端領域との間の電気的導通が確保されていることを特徴とする請求の範囲 1 〜3のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[5] 前記共通の主面の面方位が、（111)面もしくは（111)面からのずれが 8度以内であることを特徴とする請求の範囲 4に記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[6] 前記導電層が、 n型半導性を示すダイヤモンドによって形成されていることを特徴とする請求の範囲 4に記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[7] 前記後端領域の断面形状が略長方形もしくは略正方形であることを特徴とする請求の範囲 1〜6のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[8] 前記細径加工された中間領域における厚さが 0. 02mm以上 0. 15mm以下であることを特徴とする請求の範囲 1〜7のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[9] 少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドを有する柱状のダイヤモンド電子放射陰極であって、前記柱状のダイヤモンド電子放射陰極が、少なくとも電子放射を目的とする先端領域と、把持を目的とする後端領域とからなり、前記先端領域の先端部が先鋭化加工されていることを特徴とするダイヤモンド電子放射陰極。

[10] 前記後端領域の断面積が 0. 1mm²以上であり、前記後端領域の長手方向の長さが

0. 5以上 2. 0m以下であり、前記先端領域の長さが 1. 0以上 3. Omm以下であるとする請求の範囲 9に記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[11] 前記後端領域と前記先端領域とが共通の主面を有し、当該共通の主面上の少なくとも一部に導電層が形成され、当該導電層により、前記後端領域と前記先端領域との間の電気的導通が確保されていることを特徴とする請求の範囲 9又は 10に記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[12] 前記共通の主面の面方位が、（111)面もしくは（111)面からのずれが 8度以内であることを特徴とする請求の範囲 11に記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[13] 前記導電層が、 n型半導性を示すダイヤモンドによって形成されていることを特徴とする請求の範囲 11に記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[14] 前記後端領域の断面形状が略長方形もしくは略正方形であることを特徴とする請求の範囲 9〜： 13のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[15] 少なくとも、請求の範囲 1〜8のいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極と、絶縁性セラミックと、前記電子放射陰極に電流を供給するための一対以上の端子からなる構造体を有することを特徴とするダイヤモンド電子源。

[16] 請求の範囲 15に記載のダイヤモンド電子源であって、ダイヤモンド電子放射陰極の先端領域以外からの電子放射を抑制するための導電性部材を有し、前記導電性部材に形成された貫通穴に前記ダイヤモンド電子放射陰極の中間領域が貫通してレ、ることを特徴とするダイヤモンド電子源。

[17] 少なくとも、請求の範囲 9〜： 14からのいずれかに記載のダイヤモンド電子放射陰極と、絶縁性セラミックと、前記電子放射陰極に電流を供給するための一対以上の端子力なる構造体を有することを特徴とするダイヤモンド電子源。

[18] 請求の範囲 17に記載のダイヤモンド電子源であって、ダイヤモンド電子放射陰極の先端領域以外からの電子放射を抑制するための導電性部材を有し、前記導電性部材に形成された貫通穴に前記ダイヤモンド電子放射陰極の先端領域が貫通してレ、ることを特徴とするダイヤモンド電子源。

[19] 請求の範囲 15〜 18に記載のダイヤモンド電子源を搭載してレ、ることを特徴とする電子顕微鏡。

請求の範囲 15〜 18に記載のダイヤモンド電子源を搭載してレ、ることを特徴とする電子ビーム露光機。