電子放出素子、電子源、電子線装置、及び電子放出素子の製造方法
【課題】十分な量の電子放出が得られると共に、電子線の細径化を図ることができる電子放出素子、電子源、電子線装置、及びこのような電子放出素子の製造方法を提供する。
【解決手段】
電子源１０では、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる突起部５６を電子放出部４８に設けていることから、電子放出部４８の電子親和力及び仕事関数を十分に低減させることができ、十分な量の電子放出が得られる。また、マイクロマニピュレーションによって搬送した微細な突起部５６を設けることで、突起部５６自体に複雑な加工を施すことなく電子放出部４８の細径化を実現できるため、電子放出部４８から放出される電子線の細径化が図られる。デポジション膜６０は、カーボンによって形成され、電子源１０の使用状態における電子放出部４８の昇温に対して十分に高い融点を有しているため、突起部５６と基部５２との強固な接合が保たれる。
【解決手段】
電子源１０では、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる突起部５６を電子放出部４８に設けていることから、電子放出部４８の電子親和力及び仕事関数を十分に低減させることができ、十分な量の電子放出が得られる。また、マイクロマニピュレーションによって搬送した微細な突起部５６を設けることで、突起部５６自体に複雑な加工を施すことなく電子放出部４８の細径化を実現できるため、電子放出部４８から放出される電子線の細径化が図られる。デポジション膜６０は、カーボンによって形成され、電子源１０の使用状態における電子放出部４８の昇温に対して十分に高い融点を有しているため、突起部５６と基部５２との強固な接合が保たれる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンド半導体によって形成された突起部を備えた電子放出素子、電子源、電子線装置、及び電子放出素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子放出素子の電子放出部を形成する材料として、ＬａＢ６、ＣｅＢｘ、及びダイヤモンド半導体が着目されている。これらの材料を電子放出部として用いると、電子親和力及び仕事関数を十分に小さくすることができ、真空中に容易に電子を取り出すことが可能となる。
【０００３】
このような電子放出素子に関し、例えば特許文献１には、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる電子放出部と接するように電子供給部を形成した電子放出素子が開示されている。また、例えば特許文献２には、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる電子放出部の周囲に、電子通過孔が形成されたゲート電極を配置した電子放出素子が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−２６６７３６号公報
【特許文献２】特開２００５−１０８６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、電子放出部の素材としてＬａＢ６、ＣｅＢｘ、及びダイヤモンド半導体を利用することは、電子放出量の増大化を実現できるという利点がある。しかしながら、これらのセラミックス系素材は、その硬度に起因して、自由な加工が難しいという欠点を有している。そのため、電子放出部の形状の自由度が制限され、放出される電子線の細径化を図ることが難しいという解決すべき技術的課題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、十分な量の電子放出が得られると共に、電子線の細径化を図ることができる電子放出素子、電子源、電子線装置、及びこのような電子放出素子の製造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】
【０００６】
上記課題の解決のため、本発明に係る電子放出素子は、金属によって形成された基部と、基部の先端に設けられ、ダイヤモンド半導体によって形成された突起部とからなる電子放出部を備え、突起部は、カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜を介して基部に接合されていることを特徴としている。
【０００７】
この電子放出素子では、ダイヤモンド半導体からなる突起部を電子放出部に設けていることから、電子放出部の電子親和力及び仕事関数を十分に低減させることができ、十分な量の電子放出が得られる。また、電子放出部の基部は、金属によって形成されているので、セラミックス系素材であるダイヤモンド半導体によって電子放出部全体を形成する場合と比べて形状の自由度が確保される。このような基部の先端にダイヤモンド半導体からなる突起部を設けることで、突起部自体に複雑な加工を施すことなく電子放出部の細径化を実現できる。従って、電子放出部から放出される電子線の細径化が図られる。ダイヤモンド半導体と金属との接合には、十分に高い融点を有するカーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜が用いられるので、強固な接合が得られる。
【０００８】
また、本発明に係る電子放出素子は、金属によって形成された基部と、基部の先端に設けられ、ＬａＢ６又はＣｅＢｘによって形成された突起部とからなる電子放出部を備え、突起部は、カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜を介して基部に接合されていることを特徴としている。
【０００９】
この電子放出素子では、ＬａＢ６又はＣｅＢｘからなる突起部を電子放出部に設けていることから、電子放出部の電子親和力及び仕事関数を十分に低減させることができ、十分な量の電子放出が得られる。また、電子放出部の基部は、金属によって形成されているので、セラミックス系素材であるＬａＢ６又はＣｅＢｘで電子放出部全体を形成する場合と比べて形状の自由度が確保される。このような基部の先端にＬａＢ６又はＣｅＢｘからなる突起部を設けることで、突起部自体に複雑な加工を施すことなく電子放出部の細径化を実現できる。従って、電子線放出部から放出される電子線の細径化が図られる。ＬａＢ６又はＣｅＢｘと金属との接合には、十分に高い融点を有するカーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜が用いられるので、強固な接合が得られる。
【００１０】
また、ダイヤモンド半導体の少なくとも一部は、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体であることが好ましい。これにより、電子放出部の電子親和力及び仕事関数を一層低減させることができ、電子放出量の更なる増大化が図られる。
【００１１】
また、基部は、タングステンからなる針状部材であることが好ましい。この場合、基部の加工容易性及び導電性が十分に得られるので、電子放出部の細径化を一層容易に実現することができる。
【００１２】
また、基部は、タングステンからなるフィラメントであることが好ましい。この場合においても、基部の加工容易性及び導電性が十分に得られるので、電子放出部の細径化を一層容易に実現することができる。
【００１３】
また、基部の先端からの突起部の高さは、１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。このような微細な突起部は、加工時にマイクロマニピュレーションによって容易に取り扱うことができる。したがって、電子放出部の製造の容易化が図られる。
【００１４】
また、電子放出素子は、突起部と電気的に接続されていると共に、基部を保持する二つの電極とは独立して突起部に電圧を印加することのできる電極を備えていることが好ましい。この場合、突起部を加熱するための電圧とは独立して、突起部にバイアス電圧を印加することができる。
【００１５】
また、本発明に係る電子源は、上述した電子放出素子を備えたことを特徴としている。また、本発明に係る電子線装置は、この電子源を備えたことを特徴としている。この電子源及び電子線装置では、電子放出部の電子親和力及び仕事関数を十分に低減させることができ、十分な量の電子放出が得られる。また、突起部自体に複雑な加工を施すことなく電子放出部の細径化を実現でき、電子線放出部から放出される電子線の細径化が図られる。
【００１６】
また、本発明に係る電子放出素子の製造方法は、基板上に、ダイヤモンド半導体によって形成された突起部を形成する工程と、基板上の突起部に、マイクロマニピュレーション用の針を固定する工程と、突起部を基板から切り離し、金属によって形成された基部に向けて、針に固定した突起部を搬送する工程と、カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜を介して基部の先端に突起部を接合し、電子放出部を形成する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１７】
この電子放出素子の製造方法では、マイクロマニピュレーションによって突起部を基部側に搬送し、カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜によって基部の先端に突起部を接合している。このような手法によれば、突起部自体に複雑な加工を施すことなく電子放出部の細径化を実現することができる。これにより、電子放出部から放出される電子線の細径化が図られる。また、突起部と基部との強固な接合が得られる。
【００１８】
また、本発明に係る電子放出素子の製造方法は、基板上に、ＬａＢ６又はＣｅＢｘによって形成された突起部を形成する工程と、基板上の突起部に、マイクロマニピュレーション用の針を固定する工程と、突起部を基板から切り離し、金属によって形成された基部に向けて、針に固定した突起部を搬送する工程と、カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜を介して基部の先端に突起部を接合し、電子放出部を形成する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１９】
この電子放出素子の製造方法では、マイクロマニピュレーションによって突起部を基部側に搬送し、カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜によって基部の先端に突起部を接合している。このような手法によれば、突起部自体に複雑な加工を施すことなく電子放出部の細径化を実現することができる。これにより、電子放出部から放出される電子線の細径化が図られる。また、突起部と基部との強固な接合が得られる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、十分な量の電子放出が得られると共に、電子線の細径化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る電子放出素子、電子源、電子線装置、及び電子放出素子の製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は、本発明に係る電子源を適用した電子線装置の一例である電子顕微鏡の構成を概略的に示す図である。図１に示すように、電子顕微鏡（電子線装置）２０は、例えばチャンバ２２と、電子源１０と、電子光学系２４とを含んで構成された走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）である。
【００２３】
チャンバ２２は、例えば金属製の箱型容器であり、使用状態において真空状態とされる。電子源１０は、チャンバ２２の上部において下向きに配置されている。電子源１０の先端部からは、チャンバ２２の下部に設けられた収容部２６の試料Ｓに向けて電子線Ｂが出射される。
【００２４】
電子光学系２４は、引出電極２８と、加速電極３０と、集束レンズ３２と、走査コイル３４と、対物レンズ３６とを有し、これらが電子源１０からの電子線Ｂの出射方向に沿って配置されることによって構成されている。電子源１０からの電子は、引出電極２８と電子源１０との間の電界によって放出され、加速電極３０による電界によって加速される。
【００２５】
電子源１０から放出された電子線Ｂは、集束レンズ３２及び対物レンズ３６によって、収容部２６に収容された試料Ｓの試料面上に微小な電子プローブを結像させる。試料Ｓ面上に結像した電子プローブは、走査コイル３４によって走査される。そして、試料Ｓから放出される二次電子は、収容部２６の側部に設けられた検出器３８によって検出される。
【００２６】
次に、上述した電子源１０に用いられる電子放出素子について詳細に説明する。図２は、電子放出素子４０の先端部分の構成を示す図である。図２に示すように、電子放出素子４０は、電子放出部４８と、一対の線状部材（電極）４４，４４と、一対のフィラメント４６，４６とを備えている。
【００２７】
電子放出部４８は、基部５２と、突起部５６とによって構成されている。基部５２は、例えばタングステンによって形成された針状部材である。突起部５６は、例えば導電型がｎ型のダイヤモンド半導体によって形成され、例えば円錐形状をなしている。突起部５６は、基部５２の先端面６４の中央に配置され、突起部５６における基部５２の先端面６４からの高さは、例えば１μｍ〜１０μｍとなっている。そして、突起部５６の先端６６は、基部５２の先端面６４と垂直に基部５２の長手方向に延びている。
【００２８】
一対の線状部材４４，４４は、例えば導電性材料によって形成されている。線状部材４４，４４は、電子放出部４８の基端側において、基部５２を挟むように略平行に配置されている。
【００２９】
一対のフィラメント４６，４６は、例えば導電性材料からなる線状部材である。一対のフィラメント４６，４６は、線状部材４４，４４の先端側において互いに交差するように配置されている。一対のフィラメント４６，４６の基端部は、線状部材４４，４４の先端側にそれぞれ接続されており、これにより一対のフィラメント４６，４６は、線状部材４４，４４に保持されている。一対のフィラメント４６，４６の先端部は、交差部分において基部５２の側面に接続されている。この場合、突起部５６は、一対のフィラメント４６，４６及び基部５２を介して一対の線状部材４４，４４から導入される電流が通電されて加熱される。
【００３０】
ここで、上述した電子放出部４８における、基部５２と突起部５６との接合構造について説明する。図３は、電子放出部４８を拡大して示す斜視図であり、図４は、図３におけるＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【００３１】
図３及び図４に示すように、基部５２と突起部５６との接合には、デポジション膜６０が用いられている。デポジション膜６０は、カーボン、タングステン、及び白金のいずれか一つによって形成されている。本実施形態においては、デポジション膜６０は、例えばカーボンあるいはタングステンによって形成されている。デポジション膜６０は、突起部５６の底部を囲むように環状に形成され、基部５２と突起部５６とを強固に接合している。デポジション膜６０は、例えば厚さが１０μｍ以下であり、基部５２の先端面６４において、例えば５０μｍ角以下の範囲に形成されている。
【００３２】
続いて、図５〜図７を用いて、上述した構成を有する電子源１０に用いられる電子放出素子４０の製造方法について説明する。
【００３３】
まず、例えばノンドープダイヤモンドからなる基板６８を用意する。基板６８は、例えば高温高圧合成法を用いて製造される。次に、例えばホスフィン（ＰＨ３）をドーパントとして用いるマイクロ波プラズマＣＶＤ法により、基板６８の主面７０にリンをドープしながら、ダイヤモンドをエピタキシャル成長させる。ドープするリンの濃度は、例えば１０１７〜１０２０ｃｍ−３とされる。さらに、１０１９〜１０２０ｃｍ−３がより好ましい特性を得る。これにより、基板６８の主面７０上に、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体層が形成される。
【００３４】
次に、例えばアルミニウムからなる厚さ１μｍ〜２μｍの膜を、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体層上に形成する。そして、例えばフォトリソグラフィ又は集束イオンビーム（ＦＩＢ）法により、突起部５６の形成位置に対応して、円形のマスクを例えば５×５のマトリクス状にパターニングする。
【００３５】
次に、上述したマスクを用いて、例えば集束イオンビーム（ＦＩＢ）法により、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体層をエッチングする。これにより、図５（ａ）に示すように、基板６８の主面７０において、円形のマスクの形成位置に複数の円錐形の突起部５６が形成される。
【００３６】
次に、マイクロマニピュレーション用の針７２の先端を、基板６８の主面７０上に形成されている円錐形の突起部５６の円錐面に接触させる。そして、図５（ｂ）に示すように、例えばカーボンの場合フェナントレンガス（Ｃ１４Ｈ１０）、タングステンの場合ヘキサカルボニル・タングステン（Ｗ（ＣＯ）６）等の原料ガスを導入しながら、集束イオンビームＩを照射することにより、例えばカーボンからなる接着膜７４を、針７２と突起部５６との接触部分に形成する。この接着膜７４により、針７２が突起部５６に固定される。
【００３７】
次に、図６（ａ）に示すように、針７２が固定された突起部５６の底部に集束イオンビームＩを照射し、突起部５６を基板６８から切り離す。突起部５６を基板６８から切り離した後、針状部材である基部５２を用意する。基部５２の先端面６４は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）法により、予め平坦化されている。そして、図６（ｂ）に示すように、針７２に固定した突起部５６を、基部５２に向けて搬送し、突起部５６の底面を基部５２の先端面６４に接触させる。
【００３８】
次に、図７（ａ）に示すように、例えばカーボンの場合フェナントレンガス（Ｃ１４Ｈ１０）、タングステンの場合ヘキサカルボニル・タングステン（Ｗ（ＣＯ）６）等の原料ガスを導入しながら、集束イオンビームＩを突起部５６の底部を囲むように照射する。これにより、例えばカーボンからなるデポジション膜６０が、突起部５６の底部を囲むように形成され、このデポジション膜６０によって、針７２を固定した突起部５６と基部５２とが強固に接合される。
【００３９】
次に、接着膜７４に集束イオンビームＩを照射して、図７（ｂ）に示すように、針７２を突起部５６より切り離す。そして、基部５２の側面における長手方向の略中央と、一対の線状部材４４，４４の先端側とに、一対のフィラメント４６，４６をそれぞれ接続することにより、図２に示した電子放出素子４０が完成する。
【００４０】
以上説明したように、電子顕微鏡２０の電子源１０に用いられる電子放出素子４０では、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる突起部５６を電子放出部４８に設けている。このように突起部５６は、電子親和力及び仕事関数が十分小さな導電型がｎ型のダイヤモンド半導体によって形成されているため、突起部５６の電子親和力及び仕事関数を十分に低減させることができ、十分な量の電子放出が得られる。
【００４１】
なお、電子放出素子４０では、突起部５６と電源（図示せず）とを接続することによって、突起部５６にバイアス電圧が印加されていてもよい。導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる突起部５６は、バンドベンディングが生じ易く、突起部５６の表面におけるエネルギーバンドが、エネルギー準位の高い方向にシフトする。しかし、バイアス電圧を突起部５６に印加することにより、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体の伝導帯下端に電子が充填され、エネルギーバンドがエネルギー準位の低い方向にシフトする。従って、バンドベンディングによって見かけ上大きくなった仕事関数が低減され、十分な量の電子放出を得ることができる。
【００４２】
また、電子放出素子４０では、基部５２が金属であるタングステンによって形成されているので、ダイヤモンド半導体によって電子放出部４８全体を形成する場合と比べて形状の自由度が確保される。そして、この基部５２の先端面６４に対し、マイクロマニピュレーションによって搬送した微細な突起部５６を設けることで、突起部５６自体に複雑な加工を施すことなく電子放出部４８の細径化を実現できる。これにより、電子放出部４８から放出される電子線の細径化が図られる。
【００４３】
また、電子放出素子４０では、突起部５６における基部５２の先端面６４からの高さは、１μｍ〜１０μｍとなっている。このように突起部５６を微細な突起として形成することにより、突起部５６を加工時にマイクロマニピュレーションによって容易に取り扱うことができる。従って、電子放出部４８の製造の容易化が図られる。
【００４４】
また、基部５２は、タングステンによって形成されているため、基部５２は、電子源１０の使用時に通電によって昇温する。これによって、突起部５６が昇温することとなり、突起部５６の先端６６から電子が放出され易くなり、電子放出量を一層増大化させることができる。
【００４５】
ここで、電子放出部４８が昇温すると、基部５２と突起部５６との接合強度が問題となるが、デポジション膜６０は、カーボンによって形成され、電子放出部４８の昇温に対して十分に高い融点を有している。従って、電子源１０の使用状態において基部５２及び突起部５６が昇温した場合であっても、デポジション膜６０が溶融することはなく、突起部５６と基部５２との強固な接合が保たれる。
【００４６】
また、電子放出素子４０では、基部５２にデポジション膜６０を用いて突起部５６を接合しているため、電界放出により磨耗した突起部５６を、新たな突起部５６に置き換えることにより、電子放出素子４０を再び使用することができる。
【００４７】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る電子源に用いられる電子放出素子について説明する。図８は、第２実施形態に係る電子放出素子の先端部分の構成を示す図である。図８に示すように、第２実施形態に係る電子放出素子４２は、基部５４が螺旋状のフィラメントである点で、基部５２が針状部材である第１実施形態と異なっている。
【００４８】
すなわち、第２実施形態に係る電子放出部５０では、基部５４は、例えばタングステンからなるフィラメントとして形成されている。基部５４の中央部分は、一巻きの螺旋状をなしており、当該部分が、一対の線状部材４４，４４の先端側に突出して、基部５４の先端部７６を形成している。基部５４の両端部は、一対の線状部材４４，４４の先端側にそれぞれ接続されている。
【００４９】
突起部５６は、基部５４の先端部７６に配置されている。第１実施形態と同様に、デポジション膜６２は、突起部５６の底部を囲むように環状に形成され、基部５４と突起部５６とを互いに接合している。
【００５０】
電子放出素子４２の製造方法については、第１実施形態と同様に、基板６８の主面７０に形成された突起部５６の円錐面にマイクロマニピュレーション用の針７２を固定した後、集束イオンビーム（ＦＩＢ）法により突起部５６を基板６８から切り離す。次に、針７２に固定した突起部５６を、集束イオンビーム（ＦＩＢ）法を用いて平坦化された基部５４の先端部７６へ搬送する。そして、デポジション膜６２を突起部５６の底部を囲むように形成することによって、突起部５６の底面と基部５４の先端部７６とを接合する。続いて、基部５４の両端部を、一対の線状部材４４，４４の先端側にそれぞれ接続する。以上により、図８に示した電子放出素子４２が完成する。
【００５１】
以上説明したように、電子放出素子４２においても、第１実施形態と同様に、突起部５６は、電子親和力及び仕事関数が十分小さい導電型がｎ型のダイヤモンド半導体によって形成されているため、突起部５６の電子親和力及び仕事関数を十分に低減させることができ、十分な量の電子放出が得られる。
【００５２】
また、第１実施形態と同様に、基部５４が、金属であるタングステンによって形成されているので、ダイヤモンド半導体によって電子放出部５０全体を形成する場合と比べて形状の自由度が確保される。そして、この基部５４の先端部７６に対し、マイクロマニピュレーションによって搬送した微細な突起部５６を設けることで、突起部５６自体に複雑な加工を施すことなく電子放出部５０の細径化を実現できる。これにより、電子放出部５０から放出される電子線の細径化が図られる。
【００５３】
また、電子放出素子４２においても、デポジション膜６２は、カーボンによって形成され、電子放出部５０の昇温に対して十分に高い融点を有している。従って、基部５２及び突起部５６が昇温した場合であっても、デポジション膜６２が溶融することはなく、突起部５６と基部５２との強固な接合が保たれる。
【００５４】
［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る電子源に用いられる電子放出素子について説明する。図９は、第３実施形態に係る電子放出素子の先端部分の構成を示す図である。図９に示すように、第３実施形態に係る電子放出素子９０は、電極９２が配置されている点で第１実施形態と異なっている。
【００５５】
電極９２は、例えば導電性材料からなる針状部材である。電極９２は、基部５２と略平行に配置されており、電極９２の先端部は、接続部材９４の一端に接続されている。接続部材９４は、例えばワイヤ状をなしており、例えばカーボン、タングステン、及び白金のいずれか一つによって形成されている。接続部材９４は、デポジション膜６０と一定の距離をおくように湾曲して配置されており、接続部材９４の他端は、突起部５６の底部と電気的に接続されている。接続部材９４は、デポジション膜６０を形成する場合と同様に、例えば電極９２の先端部から、突起部５６の底部にかけて集束イオンビームＩを照射することにより形成される。
【００５６】
このような電子放出素子９０においては、一対の線状部材４４，４４によって突起部５６を加熱するための電圧の印加とは独立して、電極９２によって突起部５６にバイアス電圧を印加することができる。これにより、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる突起部５６の表面において、バンドベンディングによって見かけ上大きくなった仕事関数が低減されることとなる。このため、電子放出素子９０は、十分な量の電子放出が得られる。
【００５７】
なお、突起部にバイアス電圧を印加することのできる電極は、図１０に示すように、螺旋状フィラメントからなる基部５４を有する電子放出素子９６に設けてもよい。この場合、例えば電極９８の先端部を、接続部材１００の一端に接続し、接続部材１００の他端を、突起部５６の底部と接続すればよい。
【００５８】
上述した各実施形態において、突起部５６は、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体に代えて、ＬａＢ６又はＣｅＢｘによって形成されていてもよい。ＬａＢ６又はＣｅＢｘからなる突起部５６では、引出電極２８（図１参照）との間に電界が発生することにより、トンネル効果によって電子を放出するため、電界放出型の電子源に好適である。また、ＬａＢ６又はＣｅＢｘからなる突起部５６では、突起部５６が昇温することにより、仕事関数を越えて電子が放出されるため、熱電子放出型の電子源にも好適である。
【００５９】
また、各実施形態において、デポジション膜６０は、タングステン、カーボン及び白金を複合させて構成されていてもよい。例えばデポジション膜６０における、突起部５６側の部分をカーボンによって形成すると共に、基部５２側の部分をタングステンによって形成し、カーボンとタングステンとの濃度勾配を有するように形成してもよい。この場合、突起部５６及びデポジション膜６０が接する部分と、基部５２及びデポジション膜６０が接する部分とにおいて応力が緩和されることとなり、突起部５６と基部５２との一層強固な接合を得ることができる。
【００６０】
［電子源の特性試験結果］
この特性試験では、サンプル群Ａ〜サンプル群Ｃについて電子源の電子放出特性の試験を行った。サンプル群Ａは、第１実施形態に係る電子源と同様の構成をなし、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる突起部を備えている。サンプル群Ｂは、第２実施形態に係る電子源と同様の構成をなし、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる突起部を備えている。サンプル群Ｃは、第２実施形態に係る電子源と同様の構成をなし、ＬａＢ６からなる突起部を備えている。
【００６１】
サンプル群Ａについては、突起部の高さと突起部の測定温度とを変化させたときのビーム電流、収束性及び電子放出におけるノイズを測定した。サンプル群Ｂ及びサンプル群Ｃについては、突起部の高さと突起部の測定温度とを変化させたときのビーム電流、収束性及び電子源の寿命を測定した。測定は、サンプル群Ａについて、加速電圧を１５ｋｖ、引き出し電圧を３ｋｖとして行った。また、サンプル群Ｂ及びサンプル群Ｃについて、加速電圧を１５ｋｖとして行った。
【００６２】
図１１〜図１３は、各特性試験の結果を示す図である。図１１に示すように、サンプル群Ａについて、突起部を形成することにより、１０ｐＡ以上のビーム電流及び４ｎｍ以下の収束性が得られると共に、電子放出におけるノイズが１ｒｐｍ以下に抑えられた。図１２に示すように、サンプル群Ｂについては、突起部を形成することにより、１２００℃以下の測定温度において、２０ｐＡ以上のビーム電流、及び８ｎｍ以下の収束性が得られると共に、１０００時間を越える寿命が得られた。図１３に示すように、サンプル群Ｃについては、突起部を形成することにより、１８００℃以下の測定温度において、１０ｐＡ以上のビーム電流、及び８ｎｍ以下の収束性が得られると共に、３００時間を越える寿命が得られた。
【００６３】
各特性試験の結果により、突起部の高さが１μｍ〜１０μｍであるサンプルＡ４〜サンプルＡ６、サンプルＢ４〜サンプルＢ６及びサンプルＣ４〜サンプルＣ６は、突起部が形成されていないサンプルＡ７〜サンプルＣ７と比して、ビーム電流及び収束性に優れていることが確認された。突起部の高さが８０μｍであるサンプルＡ１〜サンプルＣ１については、突起部が大きいことからマイクロマニピュレーションによる作業が困難であるため、電子源を作製することができなかった。
【００６４】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば、突起部５６の先端６６は、丸みを帯びた形状であってもよい。また、本発明の製造方法では、２μｍよりも厚いマスクを用いることにより、基部５２の先端面６４からの高さが１０μｍ〜５０μｍである突起部５６を作製することも可能である。
【００６５】
また、デポジション膜の配置構成に関しても、種々の変形を適用できる。図１４及び図１５は、デポジション膜の変形例を示す断面図である。図１４（ａ）に示すように、デポジション膜７７が第１実施形態のように突起部５６の底部を囲むように形成されておらず、デポジション膜７７を突起部５６の底部の一部のみに配置してもよい。
【００６６】
また、図１４（ｂ）に示すように、基部５２の先端面６４の中央に、例えば断面円形の開口７８を設け、この開口７８の底部に突起部５６を配置した状態で、開口７８を塞ぐようにデポジション膜７９を形成してもよい。
【００６７】
また、例えば突起部５６の底面よりも大きな面積を有する円形の土台部８０を、基部５２と突起部５６との間に介在させてもよい。例えば、図１５（ａ）に示すように、土台部８０を基部５２の先端面６４に配置し、突起部５６の底部と、突起部５６からはみ出る土台部８０の縁部とを覆うようにデポジション膜８１を形成してもよい。
【００６８】
さらに、図１５（ｂ）に示すように、基部５２の先端面６４の中央に形成した開口７８の底部に土台部８０を配置し、開口７８を塞ぐようにデポジション膜８３を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に係る電子源を適用した電子線装置の一例である電子顕微鏡の構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電子放出素子の先端部分の構成を示す図である。
【図３】電子放出部を拡大して示す斜視図である。
【図４】図３におけるＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図３及び図４に示した電子放出部の製造方法を示す図である。
【図６】図５の後続の工程を示す図である。
【図７】図６の後続の工程を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る電子放出素子の先端部分の構成を示す図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る電子放出素子の先端部分の構成を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施形態の変形例に係る電子放出素子の先端部分の構成を示す図である。
【図１１】第１実施形態と同様の構成をなす電子源の特性試験結果を示す図である。
【図１２】第２実施形態と同様の構成をなし、突起部が導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる電子源の特性試験結果を示す図である。
【図１３】第２実施形態と同様の構成をなし、突起部がＬａＢ６からなる電子源の特性試験結果を示す図である。
【図１４】デポジション膜の変形例を示す断面図である。
【図１５】デポジション膜の別の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０…電子源、２０…電子顕微鏡（電子線装置）、４０，４２，９０，９６…電子放出素子、４４…線状部材（電極）、４８，５０…電子放出部、５２，５４…基部、５６…突起部、６０，６２，７７，７９，８１，８３…デポジション膜、６４…先端面、７６…先端部、９２，９８…電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイヤモンド半導体によって形成された突起部を備えた電子放出素子、電子源、電子線装置、及び電子放出素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子放出素子の電子放出部を形成する材料として、ＬａＢ６、ＣｅＢｘ、及びダイヤモンド半導体が着目されている。これらの材料を電子放出部として用いると、電子親和力及び仕事関数を十分に小さくすることができ、真空中に容易に電子を取り出すことが可能となる。
【０００３】
このような電子放出素子に関し、例えば特許文献１には、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる電子放出部と接するように電子供給部を形成した電子放出素子が開示されている。また、例えば特許文献２には、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる電子放出部の周囲に、電子通過孔が形成されたゲート電極を配置した電子放出素子が開示されている。
【特許文献１】特開２００１−２６６７３６号公報
【特許文献２】特開２００５−１０８６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したように、電子放出部の素材としてＬａＢ６、ＣｅＢｘ、及びダイヤモンド半導体を利用することは、電子放出量の増大化を実現できるという利点がある。しかしながら、これらのセラミックス系素材は、その硬度に起因して、自由な加工が難しいという欠点を有している。そのため、電子放出部の形状の自由度が制限され、放出される電子線の細径化を図ることが難しいという解決すべき技術的課題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、十分な量の電子放出が得られると共に、電子線の細径化を図ることができる電子放出素子、電子源、電子線装置、及びこのような電子放出素子の製造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】
【０００６】
上記課題の解決のため、本発明に係る電子放出素子は、金属によって形成された基部と、基部の先端に設けられ、ダイヤモンド半導体によって形成された突起部とからなる電子放出部を備え、突起部は、カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜を介して基部に接合されていることを特徴としている。
【０００７】
この電子放出素子では、ダイヤモンド半導体からなる突起部を電子放出部に設けていることから、電子放出部の電子親和力及び仕事関数を十分に低減させることができ、十分な量の電子放出が得られる。また、電子放出部の基部は、金属によって形成されているので、セラミックス系素材であるダイヤモンド半導体によって電子放出部全体を形成する場合と比べて形状の自由度が確保される。このような基部の先端にダイヤモンド半導体からなる突起部を設けることで、突起部自体に複雑な加工を施すことなく電子放出部の細径化を実現できる。従って、電子放出部から放出される電子線の細径化が図られる。ダイヤモンド半導体と金属との接合には、十分に高い融点を有するカーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜が用いられるので、強固な接合が得られる。
【０００８】
また、本発明に係る電子放出素子は、金属によって形成された基部と、基部の先端に設けられ、ＬａＢ６又はＣｅＢｘによって形成された突起部とからなる電子放出部を備え、突起部は、カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜を介して基部に接合されていることを特徴としている。
【０００９】
この電子放出素子では、ＬａＢ６又はＣｅＢｘからなる突起部を電子放出部に設けていることから、電子放出部の電子親和力及び仕事関数を十分に低減させることができ、十分な量の電子放出が得られる。また、電子放出部の基部は、金属によって形成されているので、セラミックス系素材であるＬａＢ６又はＣｅＢｘで電子放出部全体を形成する場合と比べて形状の自由度が確保される。このような基部の先端にＬａＢ６又はＣｅＢｘからなる突起部を設けることで、突起部自体に複雑な加工を施すことなく電子放出部の細径化を実現できる。従って、電子線放出部から放出される電子線の細径化が図られる。ＬａＢ６又はＣｅＢｘと金属との接合には、十分に高い融点を有するカーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜が用いられるので、強固な接合が得られる。
【００１０】
また、ダイヤモンド半導体の少なくとも一部は、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体であることが好ましい。これにより、電子放出部の電子親和力及び仕事関数を一層低減させることができ、電子放出量の更なる増大化が図られる。
【００１１】
また、基部は、タングステンからなる針状部材であることが好ましい。この場合、基部の加工容易性及び導電性が十分に得られるので、電子放出部の細径化を一層容易に実現することができる。
【００１２】
また、基部は、タングステンからなるフィラメントであることが好ましい。この場合においても、基部の加工容易性及び導電性が十分に得られるので、電子放出部の細径化を一層容易に実現することができる。
【００１３】
また、基部の先端からの突起部の高さは、１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。このような微細な突起部は、加工時にマイクロマニピュレーションによって容易に取り扱うことができる。したがって、電子放出部の製造の容易化が図られる。
【００１４】
また、電子放出素子は、突起部と電気的に接続されていると共に、基部を保持する二つの電極とは独立して突起部に電圧を印加することのできる電極を備えていることが好ましい。この場合、突起部を加熱するための電圧とは独立して、突起部にバイアス電圧を印加することができる。
【００１５】
また、本発明に係る電子源は、上述した電子放出素子を備えたことを特徴としている。また、本発明に係る電子線装置は、この電子源を備えたことを特徴としている。この電子源及び電子線装置では、電子放出部の電子親和力及び仕事関数を十分に低減させることができ、十分な量の電子放出が得られる。また、突起部自体に複雑な加工を施すことなく電子放出部の細径化を実現でき、電子線放出部から放出される電子線の細径化が図られる。
【００１６】
また、本発明に係る電子放出素子の製造方法は、基板上に、ダイヤモンド半導体によって形成された突起部を形成する工程と、基板上の突起部に、マイクロマニピュレーション用の針を固定する工程と、突起部を基板から切り離し、金属によって形成された基部に向けて、針に固定した突起部を搬送する工程と、カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜を介して基部の先端に突起部を接合し、電子放出部を形成する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１７】
この電子放出素子の製造方法では、マイクロマニピュレーションによって突起部を基部側に搬送し、カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜によって基部の先端に突起部を接合している。このような手法によれば、突起部自体に複雑な加工を施すことなく電子放出部の細径化を実現することができる。これにより、電子放出部から放出される電子線の細径化が図られる。また、突起部と基部との強固な接合が得られる。
【００１８】
また、本発明に係る電子放出素子の製造方法は、基板上に、ＬａＢ６又はＣｅＢｘによって形成された突起部を形成する工程と、基板上の突起部に、マイクロマニピュレーション用の針を固定する工程と、突起部を基板から切り離し、金属によって形成された基部に向けて、針に固定した突起部を搬送する工程と、カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜を介して基部の先端に突起部を接合し、電子放出部を形成する工程とを備えたことを特徴としている。
【００１９】
この電子放出素子の製造方法では、マイクロマニピュレーションによって突起部を基部側に搬送し、カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜によって基部の先端に突起部を接合している。このような手法によれば、突起部自体に複雑な加工を施すことなく電子放出部の細径化を実現することができる。これにより、電子放出部から放出される電子線の細径化が図られる。また、突起部と基部との強固な接合が得られる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、十分な量の電子放出が得られると共に、電子線の細径化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る電子放出素子、電子源、電子線装置、及び電子放出素子の製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２２】
［第１実施形態］
図１は、本発明に係る電子源を適用した電子線装置の一例である電子顕微鏡の構成を概略的に示す図である。図１に示すように、電子顕微鏡（電子線装置）２０は、例えばチャンバ２２と、電子源１０と、電子光学系２４とを含んで構成された走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）である。
【００２３】
チャンバ２２は、例えば金属製の箱型容器であり、使用状態において真空状態とされる。電子源１０は、チャンバ２２の上部において下向きに配置されている。電子源１０の先端部からは、チャンバ２２の下部に設けられた収容部２６の試料Ｓに向けて電子線Ｂが出射される。
【００２４】
電子光学系２４は、引出電極２８と、加速電極３０と、集束レンズ３２と、走査コイル３４と、対物レンズ３６とを有し、これらが電子源１０からの電子線Ｂの出射方向に沿って配置されることによって構成されている。電子源１０からの電子は、引出電極２８と電子源１０との間の電界によって放出され、加速電極３０による電界によって加速される。
【００２５】
電子源１０から放出された電子線Ｂは、集束レンズ３２及び対物レンズ３６によって、収容部２６に収容された試料Ｓの試料面上に微小な電子プローブを結像させる。試料Ｓ面上に結像した電子プローブは、走査コイル３４によって走査される。そして、試料Ｓから放出される二次電子は、収容部２６の側部に設けられた検出器３８によって検出される。
【００２６】
次に、上述した電子源１０に用いられる電子放出素子について詳細に説明する。図２は、電子放出素子４０の先端部分の構成を示す図である。図２に示すように、電子放出素子４０は、電子放出部４８と、一対の線状部材（電極）４４，４４と、一対のフィラメント４６，４６とを備えている。
【００２７】
電子放出部４８は、基部５２と、突起部５６とによって構成されている。基部５２は、例えばタングステンによって形成された針状部材である。突起部５６は、例えば導電型がｎ型のダイヤモンド半導体によって形成され、例えば円錐形状をなしている。突起部５６は、基部５２の先端面６４の中央に配置され、突起部５６における基部５２の先端面６４からの高さは、例えば１μｍ〜１０μｍとなっている。そして、突起部５６の先端６６は、基部５２の先端面６４と垂直に基部５２の長手方向に延びている。
【００２８】
一対の線状部材４４，４４は、例えば導電性材料によって形成されている。線状部材４４，４４は、電子放出部４８の基端側において、基部５２を挟むように略平行に配置されている。
【００２９】
一対のフィラメント４６，４６は、例えば導電性材料からなる線状部材である。一対のフィラメント４６，４６は、線状部材４４，４４の先端側において互いに交差するように配置されている。一対のフィラメント４６，４６の基端部は、線状部材４４，４４の先端側にそれぞれ接続されており、これにより一対のフィラメント４６，４６は、線状部材４４，４４に保持されている。一対のフィラメント４６，４６の先端部は、交差部分において基部５２の側面に接続されている。この場合、突起部５６は、一対のフィラメント４６，４６及び基部５２を介して一対の線状部材４４，４４から導入される電流が通電されて加熱される。
【００３０】
ここで、上述した電子放出部４８における、基部５２と突起部５６との接合構造について説明する。図３は、電子放出部４８を拡大して示す斜視図であり、図４は、図３におけるＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【００３１】
図３及び図４に示すように、基部５２と突起部５６との接合には、デポジション膜６０が用いられている。デポジション膜６０は、カーボン、タングステン、及び白金のいずれか一つによって形成されている。本実施形態においては、デポジション膜６０は、例えばカーボンあるいはタングステンによって形成されている。デポジション膜６０は、突起部５６の底部を囲むように環状に形成され、基部５２と突起部５６とを強固に接合している。デポジション膜６０は、例えば厚さが１０μｍ以下であり、基部５２の先端面６４において、例えば５０μｍ角以下の範囲に形成されている。
【００３２】
続いて、図５〜図７を用いて、上述した構成を有する電子源１０に用いられる電子放出素子４０の製造方法について説明する。
【００３３】
まず、例えばノンドープダイヤモンドからなる基板６８を用意する。基板６８は、例えば高温高圧合成法を用いて製造される。次に、例えばホスフィン（ＰＨ３）をドーパントとして用いるマイクロ波プラズマＣＶＤ法により、基板６８の主面７０にリンをドープしながら、ダイヤモンドをエピタキシャル成長させる。ドープするリンの濃度は、例えば１０１７〜１０２０ｃｍ−３とされる。さらに、１０１９〜１０２０ｃｍ−３がより好ましい特性を得る。これにより、基板６８の主面７０上に、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体層が形成される。
【００３４】
次に、例えばアルミニウムからなる厚さ１μｍ〜２μｍの膜を、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体層上に形成する。そして、例えばフォトリソグラフィ又は集束イオンビーム（ＦＩＢ）法により、突起部５６の形成位置に対応して、円形のマスクを例えば５×５のマトリクス状にパターニングする。
【００３５】
次に、上述したマスクを用いて、例えば集束イオンビーム（ＦＩＢ）法により、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体層をエッチングする。これにより、図５（ａ）に示すように、基板６８の主面７０において、円形のマスクの形成位置に複数の円錐形の突起部５６が形成される。
【００３６】
次に、マイクロマニピュレーション用の針７２の先端を、基板６８の主面７０上に形成されている円錐形の突起部５６の円錐面に接触させる。そして、図５（ｂ）に示すように、例えばカーボンの場合フェナントレンガス（Ｃ１４Ｈ１０）、タングステンの場合ヘキサカルボニル・タングステン（Ｗ（ＣＯ）６）等の原料ガスを導入しながら、集束イオンビームＩを照射することにより、例えばカーボンからなる接着膜７４を、針７２と突起部５６との接触部分に形成する。この接着膜７４により、針７２が突起部５６に固定される。
【００３７】
次に、図６（ａ）に示すように、針７２が固定された突起部５６の底部に集束イオンビームＩを照射し、突起部５６を基板６８から切り離す。突起部５６を基板６８から切り離した後、針状部材である基部５２を用意する。基部５２の先端面６４は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）法により、予め平坦化されている。そして、図６（ｂ）に示すように、針７２に固定した突起部５６を、基部５２に向けて搬送し、突起部５６の底面を基部５２の先端面６４に接触させる。
【００３８】
次に、図７（ａ）に示すように、例えばカーボンの場合フェナントレンガス（Ｃ１４Ｈ１０）、タングステンの場合ヘキサカルボニル・タングステン（Ｗ（ＣＯ）６）等の原料ガスを導入しながら、集束イオンビームＩを突起部５６の底部を囲むように照射する。これにより、例えばカーボンからなるデポジション膜６０が、突起部５６の底部を囲むように形成され、このデポジション膜６０によって、針７２を固定した突起部５６と基部５２とが強固に接合される。
【００３９】
次に、接着膜７４に集束イオンビームＩを照射して、図７（ｂ）に示すように、針７２を突起部５６より切り離す。そして、基部５２の側面における長手方向の略中央と、一対の線状部材４４，４４の先端側とに、一対のフィラメント４６，４６をそれぞれ接続することにより、図２に示した電子放出素子４０が完成する。
【００４０】
以上説明したように、電子顕微鏡２０の電子源１０に用いられる電子放出素子４０では、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる突起部５６を電子放出部４８に設けている。このように突起部５６は、電子親和力及び仕事関数が十分小さな導電型がｎ型のダイヤモンド半導体によって形成されているため、突起部５６の電子親和力及び仕事関数を十分に低減させることができ、十分な量の電子放出が得られる。
【００４１】
なお、電子放出素子４０では、突起部５６と電源（図示せず）とを接続することによって、突起部５６にバイアス電圧が印加されていてもよい。導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる突起部５６は、バンドベンディングが生じ易く、突起部５６の表面におけるエネルギーバンドが、エネルギー準位の高い方向にシフトする。しかし、バイアス電圧を突起部５６に印加することにより、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体の伝導帯下端に電子が充填され、エネルギーバンドがエネルギー準位の低い方向にシフトする。従って、バンドベンディングによって見かけ上大きくなった仕事関数が低減され、十分な量の電子放出を得ることができる。
【００４２】
また、電子放出素子４０では、基部５２が金属であるタングステンによって形成されているので、ダイヤモンド半導体によって電子放出部４８全体を形成する場合と比べて形状の自由度が確保される。そして、この基部５２の先端面６４に対し、マイクロマニピュレーションによって搬送した微細な突起部５６を設けることで、突起部５６自体に複雑な加工を施すことなく電子放出部４８の細径化を実現できる。これにより、電子放出部４８から放出される電子線の細径化が図られる。
【００４３】
また、電子放出素子４０では、突起部５６における基部５２の先端面６４からの高さは、１μｍ〜１０μｍとなっている。このように突起部５６を微細な突起として形成することにより、突起部５６を加工時にマイクロマニピュレーションによって容易に取り扱うことができる。従って、電子放出部４８の製造の容易化が図られる。
【００４４】
また、基部５２は、タングステンによって形成されているため、基部５２は、電子源１０の使用時に通電によって昇温する。これによって、突起部５６が昇温することとなり、突起部５６の先端６６から電子が放出され易くなり、電子放出量を一層増大化させることができる。
【００４５】
ここで、電子放出部４８が昇温すると、基部５２と突起部５６との接合強度が問題となるが、デポジション膜６０は、カーボンによって形成され、電子放出部４８の昇温に対して十分に高い融点を有している。従って、電子源１０の使用状態において基部５２及び突起部５６が昇温した場合であっても、デポジション膜６０が溶融することはなく、突起部５６と基部５２との強固な接合が保たれる。
【００４６】
また、電子放出素子４０では、基部５２にデポジション膜６０を用いて突起部５６を接合しているため、電界放出により磨耗した突起部５６を、新たな突起部５６に置き換えることにより、電子放出素子４０を再び使用することができる。
【００４７】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る電子源に用いられる電子放出素子について説明する。図８は、第２実施形態に係る電子放出素子の先端部分の構成を示す図である。図８に示すように、第２実施形態に係る電子放出素子４２は、基部５４が螺旋状のフィラメントである点で、基部５２が針状部材である第１実施形態と異なっている。
【００４８】
すなわち、第２実施形態に係る電子放出部５０では、基部５４は、例えばタングステンからなるフィラメントとして形成されている。基部５４の中央部分は、一巻きの螺旋状をなしており、当該部分が、一対の線状部材４４，４４の先端側に突出して、基部５４の先端部７６を形成している。基部５４の両端部は、一対の線状部材４４，４４の先端側にそれぞれ接続されている。
【００４９】
突起部５６は、基部５４の先端部７６に配置されている。第１実施形態と同様に、デポジション膜６２は、突起部５６の底部を囲むように環状に形成され、基部５４と突起部５６とを互いに接合している。
【００５０】
電子放出素子４２の製造方法については、第１実施形態と同様に、基板６８の主面７０に形成された突起部５６の円錐面にマイクロマニピュレーション用の針７２を固定した後、集束イオンビーム（ＦＩＢ）法により突起部５６を基板６８から切り離す。次に、針７２に固定した突起部５６を、集束イオンビーム（ＦＩＢ）法を用いて平坦化された基部５４の先端部７６へ搬送する。そして、デポジション膜６２を突起部５６の底部を囲むように形成することによって、突起部５６の底面と基部５４の先端部７６とを接合する。続いて、基部５４の両端部を、一対の線状部材４４，４４の先端側にそれぞれ接続する。以上により、図８に示した電子放出素子４２が完成する。
【００５１】
以上説明したように、電子放出素子４２においても、第１実施形態と同様に、突起部５６は、電子親和力及び仕事関数が十分小さい導電型がｎ型のダイヤモンド半導体によって形成されているため、突起部５６の電子親和力及び仕事関数を十分に低減させることができ、十分な量の電子放出が得られる。
【００５２】
また、第１実施形態と同様に、基部５４が、金属であるタングステンによって形成されているので、ダイヤモンド半導体によって電子放出部５０全体を形成する場合と比べて形状の自由度が確保される。そして、この基部５４の先端部７６に対し、マイクロマニピュレーションによって搬送した微細な突起部５６を設けることで、突起部５６自体に複雑な加工を施すことなく電子放出部５０の細径化を実現できる。これにより、電子放出部５０から放出される電子線の細径化が図られる。
【００５３】
また、電子放出素子４２においても、デポジション膜６２は、カーボンによって形成され、電子放出部５０の昇温に対して十分に高い融点を有している。従って、基部５２及び突起部５６が昇温した場合であっても、デポジション膜６２が溶融することはなく、突起部５６と基部５２との強固な接合が保たれる。
【００５４】
［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る電子源に用いられる電子放出素子について説明する。図９は、第３実施形態に係る電子放出素子の先端部分の構成を示す図である。図９に示すように、第３実施形態に係る電子放出素子９０は、電極９２が配置されている点で第１実施形態と異なっている。
【００５５】
電極９２は、例えば導電性材料からなる針状部材である。電極９２は、基部５２と略平行に配置されており、電極９２の先端部は、接続部材９４の一端に接続されている。接続部材９４は、例えばワイヤ状をなしており、例えばカーボン、タングステン、及び白金のいずれか一つによって形成されている。接続部材９４は、デポジション膜６０と一定の距離をおくように湾曲して配置されており、接続部材９４の他端は、突起部５６の底部と電気的に接続されている。接続部材９４は、デポジション膜６０を形成する場合と同様に、例えば電極９２の先端部から、突起部５６の底部にかけて集束イオンビームＩを照射することにより形成される。
【００５６】
このような電子放出素子９０においては、一対の線状部材４４，４４によって突起部５６を加熱するための電圧の印加とは独立して、電極９２によって突起部５６にバイアス電圧を印加することができる。これにより、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる突起部５６の表面において、バンドベンディングによって見かけ上大きくなった仕事関数が低減されることとなる。このため、電子放出素子９０は、十分な量の電子放出が得られる。
【００５７】
なお、突起部にバイアス電圧を印加することのできる電極は、図１０に示すように、螺旋状フィラメントからなる基部５４を有する電子放出素子９６に設けてもよい。この場合、例えば電極９８の先端部を、接続部材１００の一端に接続し、接続部材１００の他端を、突起部５６の底部と接続すればよい。
【００５８】
上述した各実施形態において、突起部５６は、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体に代えて、ＬａＢ６又はＣｅＢｘによって形成されていてもよい。ＬａＢ６又はＣｅＢｘからなる突起部５６では、引出電極２８（図１参照）との間に電界が発生することにより、トンネル効果によって電子を放出するため、電界放出型の電子源に好適である。また、ＬａＢ６又はＣｅＢｘからなる突起部５６では、突起部５６が昇温することにより、仕事関数を越えて電子が放出されるため、熱電子放出型の電子源にも好適である。
【００５９】
また、各実施形態において、デポジション膜６０は、タングステン、カーボン及び白金を複合させて構成されていてもよい。例えばデポジション膜６０における、突起部５６側の部分をカーボンによって形成すると共に、基部５２側の部分をタングステンによって形成し、カーボンとタングステンとの濃度勾配を有するように形成してもよい。この場合、突起部５６及びデポジション膜６０が接する部分と、基部５２及びデポジション膜６０が接する部分とにおいて応力が緩和されることとなり、突起部５６と基部５２との一層強固な接合を得ることができる。
【００６０】
［電子源の特性試験結果］
この特性試験では、サンプル群Ａ〜サンプル群Ｃについて電子源の電子放出特性の試験を行った。サンプル群Ａは、第１実施形態に係る電子源と同様の構成をなし、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる突起部を備えている。サンプル群Ｂは、第２実施形態に係る電子源と同様の構成をなし、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる突起部を備えている。サンプル群Ｃは、第２実施形態に係る電子源と同様の構成をなし、ＬａＢ６からなる突起部を備えている。
【００６１】
サンプル群Ａについては、突起部の高さと突起部の測定温度とを変化させたときのビーム電流、収束性及び電子放出におけるノイズを測定した。サンプル群Ｂ及びサンプル群Ｃについては、突起部の高さと突起部の測定温度とを変化させたときのビーム電流、収束性及び電子源の寿命を測定した。測定は、サンプル群Ａについて、加速電圧を１５ｋｖ、引き出し電圧を３ｋｖとして行った。また、サンプル群Ｂ及びサンプル群Ｃについて、加速電圧を１５ｋｖとして行った。
【００６２】
図１１〜図１３は、各特性試験の結果を示す図である。図１１に示すように、サンプル群Ａについて、突起部を形成することにより、１０ｐＡ以上のビーム電流及び４ｎｍ以下の収束性が得られると共に、電子放出におけるノイズが１ｒｐｍ以下に抑えられた。図１２に示すように、サンプル群Ｂについては、突起部を形成することにより、１２００℃以下の測定温度において、２０ｐＡ以上のビーム電流、及び８ｎｍ以下の収束性が得られると共に、１０００時間を越える寿命が得られた。図１３に示すように、サンプル群Ｃについては、突起部を形成することにより、１８００℃以下の測定温度において、１０ｐＡ以上のビーム電流、及び８ｎｍ以下の収束性が得られると共に、３００時間を越える寿命が得られた。
【００６３】
各特性試験の結果により、突起部の高さが１μｍ〜１０μｍであるサンプルＡ４〜サンプルＡ６、サンプルＢ４〜サンプルＢ６及びサンプルＣ４〜サンプルＣ６は、突起部が形成されていないサンプルＡ７〜サンプルＣ７と比して、ビーム電流及び収束性に優れていることが確認された。突起部の高さが８０μｍであるサンプルＡ１〜サンプルＣ１については、突起部が大きいことからマイクロマニピュレーションによる作業が困難であるため、電子源を作製することができなかった。
【００６４】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば、突起部５６の先端６６は、丸みを帯びた形状であってもよい。また、本発明の製造方法では、２μｍよりも厚いマスクを用いることにより、基部５２の先端面６４からの高さが１０μｍ〜５０μｍである突起部５６を作製することも可能である。
【００６５】
また、デポジション膜の配置構成に関しても、種々の変形を適用できる。図１４及び図１５は、デポジション膜の変形例を示す断面図である。図１４（ａ）に示すように、デポジション膜７７が第１実施形態のように突起部５６の底部を囲むように形成されておらず、デポジション膜７７を突起部５６の底部の一部のみに配置してもよい。
【００６６】
また、図１４（ｂ）に示すように、基部５２の先端面６４の中央に、例えば断面円形の開口７８を設け、この開口７８の底部に突起部５６を配置した状態で、開口７８を塞ぐようにデポジション膜７９を形成してもよい。
【００６７】
また、例えば突起部５６の底面よりも大きな面積を有する円形の土台部８０を、基部５２と突起部５６との間に介在させてもよい。例えば、図１５（ａ）に示すように、土台部８０を基部５２の先端面６４に配置し、突起部５６の底部と、突起部５６からはみ出る土台部８０の縁部とを覆うようにデポジション膜８１を形成してもよい。
【００６８】
さらに、図１５（ｂ）に示すように、基部５２の先端面６４の中央に形成した開口７８の底部に土台部８０を配置し、開口７８を塞ぐようにデポジション膜８３を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明に係る電子源を適用した電子線装置の一例である電子顕微鏡の構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る電子放出素子の先端部分の構成を示す図である。
【図３】電子放出部を拡大して示す斜視図である。
【図４】図３におけるＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図３及び図４に示した電子放出部の製造方法を示す図である。
【図６】図５の後続の工程を示す図である。
【図７】図６の後続の工程を示す図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る電子放出素子の先端部分の構成を示す図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る電子放出素子の先端部分の構成を示す図である。
【図１０】本発明の第３実施形態の変形例に係る電子放出素子の先端部分の構成を示す図である。
【図１１】第１実施形態と同様の構成をなす電子源の特性試験結果を示す図である。
【図１２】第２実施形態と同様の構成をなし、突起部が導電型がｎ型のダイヤモンド半導体からなる電子源の特性試験結果を示す図である。
【図１３】第２実施形態と同様の構成をなし、突起部がＬａＢ６からなる電子源の特性試験結果を示す図である。
【図１４】デポジション膜の変形例を示す断面図である。
【図１５】デポジション膜の別の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０…電子源、２０…電子顕微鏡（電子線装置）、４０，４２，９０，９６…電子放出素子、４４…線状部材（電極）、４８，５０…電子放出部、５２，５４…基部、５６…突起部、６０，６２，７７，７９，８１，８３…デポジション膜、６４…先端面、７６…先端部、９２，９８…電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属によって形成された基部と、前記基部の先端に設けられ、ダイヤモンド半導体によって形成された突起部とからなる電子放出部を備え、
前記突起部は、カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜を介して前記基部に接合されていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
金属によって形成された基部と、前記基部の先端に設けられ、ＬａＢ６又はＣｅＢｘによって形成された突起部とからなる電子放出部を備え、
前記突起部は、カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜を介して前記基部に接合されていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項３】
前記ダイヤモンド半導体の少なくとも一部は、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体であることを特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
【請求項４】
前記基部は、タングステンからなる針状部材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の電子放出素子。
【請求項５】
前記基部は、タングステンからなるフィラメントであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の電子放出素子。
【請求項６】
前記基部の前記先端からの前記突起部の高さは、１μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の電子放出素子。
【請求項７】
前記突起部と電気的に接続されていると共に、前記基部を保持する二つの電極とは独立して前記突起部に電圧を印加することのできる電極を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の電子放出素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項記載の電子放出素子を備えたことを特徴とする電子源。
【請求項９】
請求項８記載の電子源を備えたことを特徴とする電子線装置。
【請求項１０】
基板上に、ダイヤモンド半導体によって形成された突起部を形成する工程と、
前記基板上の前記突起部に、マイクロマニピュレーション用の針を固定する工程と、
前記突起部を前記基板から切り離し、金属によって形成された基部に向けて、前記針に固定した前記突起部を搬送する工程と、
カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜を介して前記基部の先端に前記突起部を接合し、電子放出部を形成する工程とを備えたことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項１１】
基板上に、ＬａＢ６又はＣｅＢｘによって形成された突起部を形成する工程と、
前記基板上の前記突起部に、マイクロマニピュレーション用の針を固定する工程と、
前記突起部を前記基板から切り離し、金属によって形成された基部に向けて、前記針に固定した前記突起部を搬送する工程と、
カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜を介して前記基部の先端に前記突起部を接合し、電子放出部を形成する工程とを備えたことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項１】
金属によって形成された基部と、前記基部の先端に設けられ、ダイヤモンド半導体によって形成された突起部とからなる電子放出部を備え、
前記突起部は、カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜を介して前記基部に接合されていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項２】
金属によって形成された基部と、前記基部の先端に設けられ、ＬａＢ６又はＣｅＢｘによって形成された突起部とからなる電子放出部を備え、
前記突起部は、カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜を介して前記基部に接合されていることを特徴とする電子放出素子。
【請求項３】
前記ダイヤモンド半導体の少なくとも一部は、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体であることを特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
【請求項４】
前記基部は、タングステンからなる針状部材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の電子放出素子。
【請求項５】
前記基部は、タングステンからなるフィラメントであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の電子放出素子。
【請求項６】
前記基部の前記先端からの前記突起部の高さは、１μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載の電子放出素子。
【請求項７】
前記突起部と電気的に接続されていると共に、前記基部を保持する二つの電極とは独立して前記突起部に電圧を印加することのできる電極を備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の電子放出素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項記載の電子放出素子を備えたことを特徴とする電子源。
【請求項９】
請求項８記載の電子源を備えたことを特徴とする電子線装置。
【請求項１０】
基板上に、ダイヤモンド半導体によって形成された突起部を形成する工程と、
前記基板上の前記突起部に、マイクロマニピュレーション用の針を固定する工程と、
前記突起部を前記基板から切り離し、金属によって形成された基部に向けて、前記針に固定した前記突起部を搬送する工程と、
カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜を介して前記基部の先端に前記突起部を接合し、電子放出部を形成する工程とを備えたことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【請求項１１】
基板上に、ＬａＢ６又はＣｅＢｘによって形成された突起部を形成する工程と、
前記基板上の前記突起部に、マイクロマニピュレーション用の針を固定する工程と、
前記突起部を前記基板から切り離し、金属によって形成された基部に向けて、前記針に固定した前記突起部を搬送する工程と、
カーボン、タングステン、及び白金の少なくとも一種を含むデポジション膜を介して前記基部の先端に前記突起部を接合し、電子放出部を形成する工程とを備えたことを特徴とする電子放出素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−１４６７０５（Ｐ２００９−１４６７０５Ａ）
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２２３３８（Ｐ２００７−３２２３３８）
【出願日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月２日（２００９．７．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]