電界放出型電子源
【課題】 電界放出型電子源の寿命を延長するために、拡散補給源であるジルコニアの容積あるいは、重量を増すと、拡散補給源自体やタングステン針にダメージを与えやすくなるという課題がある。更なる課題として、上記課題を避けるために拡散補給源を薄膜で形成することも考えられるが、８，０００時間を越える実用的な寿命を安定して得ることは困難である。
【解決手段】 拡散補給源の欠けや割れがなく、少量の拡散補給源の増量で寿命を延長可能な電界放出型電子源を提供し、８，０００時間を越える実用的な寿命を安定して得ることを明らかにした。
【解決手段】 拡散補給源の欠けや割れがなく、少量の拡散補給源の増量で寿命を延長可能な電界放出型電子源を提供し、８，０００時間を越える実用的な寿命を安定して得ることを明らかにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡、半導体検査装置、オージェ電子分光装置、電子描画装置等に用いられる電子源係り、特に電界放出型電子源の寿命延長技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）や透過型電子顕微鏡（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、冷陰極電界放出型もしくは、電界放出型の電子源により構成される電子銃から放出される電子線を加速し、電子レンズで細い電子ビームとし、これを一次電子ビームとして走査偏向器を用いて試料上に走査し、ＳＥＭであれば得られる二次電子あるいは反射電子を検出して像を得るものであり、ＴＥＭであれば、試料を透過した電子のイメージを撮像するものである。これら電子顕微鏡の電子源には、単結晶タングステン線材の先端を尖らせた針の側面にジルコニアを付着させ、加熱した状態で針先端に電場を与えて電子を放出させる場合がある。これを電界放出型電子源、あるいは、ショットキー電子源という。
【０００３】
この電界放出型電子源は、タングステン結晶面（１００）上にジルコニウム、酸素を熱拡散により供給し、仕事関数の低い領域を形成するものである。加熱温度は１６００Ｋから１９００Ｋ程度であり、通常は１７００Ｋから１８００Ｋで使用する。特許文献１では、結晶面（１００）をタングステン針先端に設けて、強電場を印加することによりポテンシャル障壁を越える熱電子とトンネル効果によって透過する電子を取り出すことができる。
【０００４】
電界放出型電子源の基本構成としては、加熱用タングステンヘアピンに単結晶タングステンの結晶方位（１００）を先端にした針をスポット溶接して固定した一部に拡散補給源であるジルコニアを備えたものである。この拡散補給源は、針の先端側から見ると針の周囲に成形される。非特許文献１では、ジルコニアには加熱温度に伴う三種の同素体、すなわち単斜晶、正方晶および立法晶の構造をとることが知られている。特許文献２では、拡散補給源を薄膜で形成することが開示されている。特許文献３では、拡散補給源の成形に、水素化ジルコニウム微粒子を有機溶剤に混ぜた液をスポイトでタングステン針の側周部に付着させ、真空加熱して焼結する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５９−４９０６５号公報
【特許文献２】特開２００３−３１１７０号公報
【特許文献３】特開平６−７６７３１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】D.Steele and B.E.F.Fender, J.Phys. C: Solid State Phys., 7, 1 (1974)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、ヘアピンに通電することによりタングステン針を加熱すると拡散補給源であるジルコニアが消耗し、最終的に消失すると電子放出困難に陥り、寿命となる。電界放出型電子源の寿命を延長する場合、通常では拡散補給源であるジルコニアの容積あるいは、重量を増すことが行われる。しかしながら、次に説明するジルコニアに特徴的な現象により不具合が生じる。
【０００８】
特に単斜晶から正方晶への偏移は１１００℃（１４００Ｋ程度）で生じるため、電界放出型電子源の通常加熱温度である１７００Ｋから１８００Ｋに昇温、あるいは加熱を停止して室温に戻す際に偏移温度領域をよぎることとなる。このため、拡散補給源（ジルコニア）の容積変動により、拡散補給源自体やタングステン針にダメージを与えやすくなるという課題がある。
【０００９】
これらの電界放出型電子源では、８，０００時間を越える実用的な寿命を安定して得ることは困難である。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、拡散補給源の欠けや割れがなく、少量の拡散補給源の増量で寿命を延長可能な電界放出型電子源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、拡散補給源の成形形状（厚さ、長さ）を所定の領域に入れた電界放出型電子源を備える。さらに望ましくは，使用する温度ごとに所定の領域を定めた電界放出型電子源を備えることで達成される。
【００１２】
所定の領域を決める物理化学的なメカニズムについて説明する。
【００１３】
単結晶タングステン針側周面にジルコニアを成形した電界放出型電子源を真空中に配置する。この状態でタングステン針を１８００Ｋ程度に加熱して酸素あるいは、空気を導入すると、ジルコニア中に酸素原子が取り込まれると同時にタングステン表面に拡散が始まる。この表面拡散は最上面にジルコニウム単原子層があり、その下面に多くの酸素原子とタングステンの共存領域がある。一定量の酸素を取り込むとジルコニアに酸素原子が入り込めなくなると共に、タングステン表面に拡散しているジルコニウムを酸化して取り去っていく反応が顕著になり、逆に拡散を阻害するようになる。この時点で酸素、あるいは空気の導入を停止する。この後しばらく加熱を続けてタングステン針先端の（１００）面まで拡散が十分に進むのを待ち、タングステン針先端に電界をかけると電子放出が始まる。これが通常の使用状態であり、この後、安定な電子放出状態が拡散補給源の尽きるまで続くことになる。表面拡散したジルコニウムは蒸発あるいは、周囲にあるガス分子などと酸化還元反応して消失し、ジルコニウムの欠損した穴から酸素が放出されて消費される。消失したジルコニウムの穴は表面拡散してくる新たなジルコニウムによって自立的に修復されるので、大きな欠陥を与えることにはならない。このような現象が断続的に継続して発生するので、ジルコニウムは徐々に消費されていくことになる。このため、寿命を延長するにはジルコニアの容積を大きく取ればよい。
【００１４】
そこで本発明は、（１）棒状単結晶タングステンの先端の一端を尖らせ、先端の一端を結晶面（１００）とし、その側周部には拡散補給源として所定の厚さおよび長さにジルコニアを成形した針と、針の加熱手段と、サプレッサ電極とを備え、針を加熱して針の先端に電場を与えて電子を放出させる電界放出型電子源において、拡散補給源の長さをＬとし、最大厚さをｔとしたときにｔ／Ｌ＜３／５０、且つ最小厚さを１０μｍ以上としたことを特徴とする。
【００１５】
（２）拡散補給源の長さＬを５００μｍ以上とした拡散補給原を１つまたは複数備えることを特徴とする。
【００１６】
（３）拡散補給源の厚さｔを４０μｍ以下とすることを特徴とする。
【００１７】
（４）拡散補給源を前記針先端から３００μｍ離れた位置から針の他端に向かう方向に成形することを特徴とする。
【００１８】
（５）拡散補給源の断面形状の最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状であり、かつ長さが５００μｍ未満である複数の拡散補給源を連結し、連結した拡散補給源の間の隙間を５０μｍ以下としたことを特徴とする。
【００１９】
（６）拡散補給源の断面形状最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状である複数の拡散補給源を連結し、連結部の拡散補給源の最小厚さを１０μｍ以上としたことを特徴とする。
【００２０】
（７）拡散補給源の断面形状の最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状である複数の拡散補給源を針側周部に螺旋状に巻きつけ、巻きつけた拡散補給源の隣り合う隙間を５０μｍ以下としたことを特徴とする。
【００２１】
（８）拡散補給源の断面形状の最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状で、長さ５００μｍ以上の直線形状であり、針の側周部に複数配置しており、隣り合う拡散補給源の隙間を５０μｍ以下としたことを特徴とする。
【００２２】
（９）拡散補給源の断面形状の最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状で、長さ５００μｍ以上の直線形状であり、針の側周部に複数配置しており、隣り合う拡散補給源の最小厚さを１０μｍとしたことを特徴とする。
【００２３】
（１０）拡散補給源の断面形状の最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状かつ山型の拡散補給源を針側周部に複数配置しており、複数の密集した拡散補給源の各々の隙間を５０μｍ以下としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、従来になく少ない拡散補給源の容量で寿命を１８００Ｋ加熱における連続使用条件で８，０００時間以上、かつ拡散補給源（ジルコニア）の欠けや割れが少なく、タングステン針へのダメージの少ない電解放出型電子源（ショットキー電子源）を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の代表的な電子源構成を説明する図である。
【図２】本発明の代表的な構成例の上面から見た構成と形状を説明する図である。
【図３】電界放出型電子源の構成を説明する図である。
【図４】電界放出型電子源のタングステン針の先端部を説明する図である。
【図５】拡散補給源の標準的な断面形状を説明する図である。
【図６】本発明の一実施例を説明する図である。
【図７】本発明のその他の実施例を説明する図である。
【図８】本発明のその他の実施例を説明する図である。
【図９】本発明のその他の実施例を説明する図である。
【図１０】ジルコニア拡散補給源の消費特性を説明する図である。
【図１１Ａ】ジルコニア拡散補給源の２０００Ｋ加熱時間と長さ方向の消費特性の関係を示す図である。
【図１１Ｂ】ジルコニア拡散補給源の２０００Ｋ加熱時間と容積の関係を説明する図である。
【図１２】ジルコニア拡散補給源の厚さと消費長さ、及び容積の関係を説明する図である。
【図１３】本発明のジルコニア拡散補給源の形状範囲を説明する図である。
【図１４Ａ】本発明のタングステン針とジルコニア拡散補給源とサプレッサ電極の位置関係を説明する平面図である。
【図１４Ｂ】本発明のタングステン針とジルコニア拡散補給源とサプレッサ電極の位置関係を説明する立面図である。
【図１５】本発明のジルコニア拡散補給源の厚さと長さを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明では、ジルコニアの消費される過程から寿命を効率よく延長する手段を明らかにした。
【００２７】
２０００Ｋと通常よりも２００Ｋ程度高い温度に加熱してジルコニアの消費状況を実験的に加速評価した。この評価では、加熱時間ｈと消耗容積ΔＶ（全容積Ｖ）、１８００Ｋおよび、２０００Ｋ加熱時に放出するガス量の比Ｒをそれぞれ測定することで、１８００Ｋ加熱時の寿命ＬをＬ＝Ｖ/ΔＶ×ｈ×Ｒにより推定する。
【００２８】
２０００Ｋ加熱を５時間毎、２５時間まで繰り返し、その際の拡散補給源１の形状を記録した結果、図１０に示すように拡散補給源１からタングステン表面への供給は主として拡散補給源１であるジルコニアの端部から始まり、その他の部分のジルコニアの厚さはほとんど変化しないことがわかった。さらに、実用的な加熱温度である１８００Ｋで電界をかけて電子放出する条件においても、同様であることを別に実験で確認している。このことから、ジルコニア自体からの蒸発などの消費は少なく、むしろ、ジルコニウムのタングステン表面への拡散のようなジルコニアの端部からの消費が支配的である。
【００２９】
以下の３種類のサンプルを用いてジルコニア形状についての検討を行った。基準となる参照サンプルと、ジルコニアの厚さを増してジルコニア容積を２倍としたサンプルをＡタイプ、ジルコニアの長さを増して容積を２倍としたサンプルをＢタイプと呼ぶ。これら３種類の消費特性を評価した。
【００３０】
その結果、図１１Ａに示すように２０００Ｋ加熱時間に対する長さ方向の消失は、厚みによらない傾向を示し、２０００Ｋ加熱時間に対する容積の消失は図１１Ｂに示すように厚い方がより速く消失する傾向があることがわかった。
【００３１】
さらに、厚みと消費速度の関係を詳しく検討するために次のような実験を行った。評価したサンプルの加熱前のジルコニア断面はエッジが薄く、中央ほど厚くなっている。そこで、これらのデータを厚みごとの消失量として整理し直したものが図１２である。このグラフから、単位時間当たりの消費長さは、厚みが１０μｍより薄いと増加してしまうが、厚みが１０μｍを越えると一定値に収束する傾向にあることが明らかになった。一方、単位時間当たりの消費容積は厚みに比例して増加する。したがって、２０００Ｋ加熱の条件では最低厚さ１０μｍとすると効率が良く、長寿命な電界放出型電子源となる。この最低厚さは、加熱温度に依存して決まる値であり、１８００Ｋでは６〜８μｍ、１７００Ｋでは４〜６μｍとなることが別に実験で明らかになっている。これは、タングステンとジルコニアの界面では酸化還元反応が発生しているが、ジルコニアが十分厚い場合にはここでの蒸発は顕著でないことを示している。この現象は、ジルコニア中のジルコニウムもしくは、タングステン原子の拡散距離もしくは拡散速度の物理量が温度に依存しており、これに対してジルコニア厚さが十分であればバルクとして振る舞い、ある一定の厚さよりも薄ければここからの蒸発も顕著になってくるものと説明される。
【００３２】
ジルコニアをタングステン針の側周部に成形する方法はいくつか知られているが、多くの場合、ジルコニアあるいは、ジルコニウム微粒子、あるいは水素化ジルコニウムを有機溶剤等に混ぜたスラリー状のゼリーを毛筆やスポイトあるいは、シリンジのようなものでタングステン針側周部に付着させ、これを真空状態にて加熱して焼結する。ジルコニウムや水素化ジルコニウムの場合は、この後に酸素ガス中で加熱するなどして酸化する工程がはいる。このような方法では、ジルコニア厚さのばらつきは２０〜３０μｍ程度生じうるので、実用的なジルコニア厚さは、１８００Ｋ加熱では８〜４０μｍ、１７００Ｋ加熱では６〜４０μｍといえる。さらに望ましくは、１８００Ｋ加熱では８〜３０μｍ、１７００Ｋ加熱では６〜３０μｍである。この厚さ範囲は、従来の１８００Ｋで寿命８０００時間以上の電界放出型電子源に形成されるジルコニア厚さ（６０μｍ程度）よりも薄く、欠けや割れを生じるリスクを格段に下げられるという効果もある。実用的にはジルコニア厚さの最小値を１０μｍとすると、１７００Ｋから１８００Ｋのいずれの温度でも十分な寿命を確保した上で効率の良いジルコニア容積を有する形状にできる。且つタングステン針へのダメージ低減が可能となる。
【００３３】
次に、寿命延長に効果的なジルコニアの長さについて説明する。この長さについて関連する要因は二点挙げられる。一点目はジルコニアに蓄える酸素原子量、二点目は加熱されたタングステン針の温度分布である。
【００３４】
一点目の吸収可能な酸素原子の量においては、ジルコニアを焼結のために加熱すると酸素を放出し格子中に欠損が生じる性質があり、酸素が減りすぎると金属ジルコニウムが現れてくる。このため、酸素ガスを導入してジルコニアに戻す必要がある。拡散補給源の周囲に酸素原子を導入してジルコニウムをジルコニアに酸化するのであるが、この効率は表面積が広く薄いほど有利である。ジルコニアの成形形状は薄く長くして表面積を広く取ると寿命延長に有利であるともいえる。このことは、上述の３種類のサンプルを用いた実験のガス比Ｒをみれば明らかになる。つまり、ガス比Ｒは１８００Ｋ加熱時（通常使用温度）に電子源が放出するガスによる圧力増加分と２０００Ｋ加熱時のものとの比である。２０００Ｋ加熱時にはタングステン表面に拡散層を形成することは困難となりジルコニアの端から拡散直後にガスとなって消失するので、その時点でジルコニアが供給できる物質の全量を代表する数値となっている。この圧力と実際に使用する温度である１８００Ｋ加熱時のガス放出による圧力増分との比であるガス比Ｒは、電子源が保有している酸素原子の数の代表値であるといっても良い。参照サンプルに対して、Ａタイプは５倍、Ｂタイプは６倍ほど高い値が得られている。焼結ジルコニアは多孔質であるためＡタイプは厚みが増した分だけ表面積が増大したものと思われる。Ｂタイプは参照サンプルに対して長さが２倍であり、表面積は２倍になるはずであるがガス比は６倍と大きい。これは先に説明したジルコニウムの酸素ガス導入による酸化でジルコニア化したことに加え、次に説明する現象の現われと考えられる。つまり、参考文献２にあるようにタングステン表面、特にジルコニウムが存在する場合、その界面付近に多量の酸素があることが見出されている。このことから拡散補給源であるジルコニアとタングステンの界面にも酸素が存在するはずで、この領域を広く取ることにより溜め込める単位面積あたりの酸素原子の量は、参照サンプルに対して３倍ほど増加したと思われる。この要因からもタングステンを被う面積を増加することは、寿命延長において極めて有利なジルコニアの成形形状といえる。具体的にはＢタイプの場合、ガス比Ｒが６倍で、拡散補給源長さＬが２倍なので、総合的には参照サンプルの６×２倍で１２倍もの長寿命を得ることができる。
【００３５】
ジルコニア成形長さに関する二点目の観点は、タングステン針２の温度分布である。電界放出型電子源の構造は図３に示したとおり加熱用ヘアピン４にタングステン針２がスポット溶接された構造である。ヘアピン４に一定電流を流し、タングステン針２を加熱するものであるので、針の根元の温度が高く、針先端に向かうほど低くなる。通常は針先端の温度を１７００〜１８００Ｋに設定して使用するがその際の根元の温度は、１７５０〜１８８０Ｋであり、根元から先端までの温度分布はほぼ線形に分布する。このため、先端に近づくほど低温になる特徴がある。つまり、図１４Ｂに示すように電界放出型電子源のタングステン針２の先端はサプレッサ電極から２５０μｍ程度突き出して固定されるので、ジルコニアはサプレッサ電極３との接触を避けるために、サプレッサ電極３の位置よりもヘアピン側に設けることになる。その位置はタングステン針２の先端から３００μｍ以上とするとよい。
【００３６】
ここで、ジルコニアの拡散は温度の影響を大きく受け、高温ほど促進される。高温ほど消費速度が上がるともいえる。したがって、ヘアピン近くに拡散補給源（ジルコニア）を成形すると寿命は短縮され、針先端近くに成形すると寿命を延長できる。
【００３７】
ここまでの検討からＢタイプがより寿命を延長可能であることが明確になった。具体的な推定寿命は、参照サンプル（拡散補給源長さ３５０μｍ）が１８００Ｋ加熱条件で０．５年、Ｂタイプ（拡散補給源長さ７００μｍ）は６年、Ａタイプ（拡散補給源長さ３５０μｍ）は１年であった。さらに、加熱温度を１７００Ｋとした場合の参照サンプルの寿命は３．５年、Ｂタイプは１０年以上、Ａタイプは７年であった。
【００３８】
長寿命の電界放出型電子源を得るための拡散補給源の形状を規格化した表現であらわすと次のように言える。つまり、図１に示すように拡散補給源１の長さをＬ、最大厚さをｔとすると、ｔ／Ｌ＜３／５０を満たす、薄く長い領域内に拡散補給源を成形すればよい。つまり、図１３に示すように、横軸をジルコニア長さＬ、縦軸をジルコニア最大厚さｔとしたときに、ハッチングで示した領域１３０、つまり、ｔ＜３／５０×Ｌ、且つｔの下限値１０μｍと上限値４０μｍで囲まれる領域の条件に合うようなジルコニア形状とすればよい。
【００３９】
さらに、ジルコニア長さの下限値を５００μｍとすると、１８００Ｋ加熱の条件でも８０００時間を超える寿命を得ることができるので、より望ましい。この形状をより理解しやすく図示したのが図１５である。ジルコニア最小厚さ１０μｍ以上の範囲のジルコニアの長さがＬ、且つ最大厚さがｔである。
【００４０】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳述する。
【実施例１】
【００４１】
本実施例では，本発明を用いた電界放出型電子源について詳しく説明する。
【００４２】
図１に電界放出型電子源の全体構成を示す。絶縁碍子７に２本固定されたステム６に加熱用ヘアピン４（タングステン）の両端部付近がスポット溶接されている。湾曲させたヘアピン４中央部には単結晶タングステン棒の先端を鋭く尖らせた針２部とは反対側の端がスポット溶接される。この針の先端は、図２に示すように（１００）面が開口しており、図３に示すように側周部には、拡散補給源１が成形される。この拡散補給源の詳細については後述する。絶縁碍子７、ステム６、加熱用ヘアピン４、タングステン針２はサプレッサ電極３により覆われる。サプレッサ電極３は、逆向きのカップ型構造でカップ底の中央部分に円形の開口部５がある。この開口部５からタングステン針２の先端部分が突き出すように固定される。
【００４３】
拡散補給源１の望ましい形状は図３に示すようにタングステン針２の側周部に厚さのそろった円筒形状に密着させ、その厚みを使用する加熱温度により調整したものである。例えば、１８００Ｋで用いるのであれば８μｍ、１７００Ｋで使うのであれば６μｍ。その長さは４００μｍ、望ましくは５００μｍ以上あればよい。実際には成形方法により拡散補給源の厚さにはばらつきが生じるので、そのための工夫が必要である。
【００４４】
そこで、拡散補給源１の成形には、ジルコニア微粒子を有機溶媒に混ぜた液をスポイトでタングステン針２の側周部に付着させ、真空加熱して焼結する方法を用いた場合について説明する。このほかの方法である水素化ジルコニウム微粒子を有機溶剤に混ぜた液を同様の方法で付着させてもよい。
【００４５】
このような成形方法では、拡散補給源１はタングステン針２の側周部に腹巻状に成形され、その断面形状は図４に示すような山状になる。このため、厚みと長さをある範囲内に入れるために次のような方法を用いた。最大厚さを３０μｍとして、この際の焼結後の長さを求める。今回の実験では１付着あたりの拡散補給原１の長さは３３０μｍであった。 そこで、長さ６００μｍを成形するため、図５に示すようにタングステン針側周部に２付着を直列に一部重ねて焼結した。このような方法を取ることにより、所望の領域に最小厚さ１０μｍ、最大厚さ３０μｍのジルコニアの拡散補給源５１を成形することができた。この断面は図５のようになっており、厚さ１０〜３０μｍの間を振幅２０μｍで２周期持つ。
【００４６】
さらに図６に示すように二つの拡散補給源６１を５０μｍ以下の隙間を空けて成形した。このような隙間を設けてもほぼ同等な寿命延長効果が得られる。さらに加えて、従来よりも厚さが薄いジルコニアを形成することにより加熱によるジルコニアの容積変動（熱膨張、結晶構造の変移）に起因する欠けや割れ、タングステン針２へのダメージなどが軽減される効果がある。
【００４７】
拡散補給源５１、６１はタングステン針２の側周部に成形されるが、その位置はタングステン針２の先端から３００μｍ離れた位置から６００μｍにわたる領域である。この位置は図１に示したサプレッサ電極の開口部５よりも下側であり、露出したタングステン針２の先端には至らない。図１４Ａ、１４Ｂに拡大した図を示す。図１４Ａはタングステン針２先端側からサプレッサ電極３を見た平面図である。図１４Ｂはタングステン針２の長手方向を望む立面図である。タングステン針２の露出部分まで含めた針側周部に拡散補給源５１、６１を配置することもできるが、サプレッサ電極３との接触が起こって拡散補給源５１、６１の欠けや異物発生が起こる確率が増すため、望ましくは拡散補給原５１、６１は開口部５から外側には露出させないほうがよい。したがって、拡散補給源５１、６１はタングステン針２の先端から３００μｍ以上離れた位置になるように形成する。
【００４８】
このように成形したタングステン針２にサプレッサ電極３を所定の位置に位置決め後に固定して電界放出型電子源を構成した。このように構成した電界放出型電子源を電子銃に設置して、１８００Ｋに加熱して所定の引出し電圧をかけてタングステン針２の先端に所定の電場をかけたところ、正常に電子放出し、８，０００時間を越えて安定した電子放出を継続した。また、拡散補給源５１，６１の割れや欠けを生じることはなかった。
【００４９】
本実施例の拡散補給源の成形による電子源の加熱温度を１７００Ｋで使用することが予め決められているのであれば、最小厚さは、６μｍとすることができる上、１０年間を越える極めて長い寿命を得ることが明らかになった。
【実施例２】
【００５０】
本実施例においては、実施例１とは異なる拡散補給源の成形形状について説明する。
【００５１】
実施例１と同様にジルコニア微粒子を有機溶媒に混ぜた液をスポイトでタングステン針側周部に付着させる際に、図７に示すようにタングステン針２を軸方向を中心に回転させると同時にスポイトをタングステン針２の軸方向に走査し、螺旋形状に成形させる。このときに隣り合う拡散補給源９の隙間をつくらずタングステン面が露出せずに最低厚さ１０μｍを維持するように走査しても良いし、隙間を５０μｍ以下となるように走査してもよい。この後に真空焼結すればよい。
【００５２】
さらに、図８に示すようにタングステン針の軸方向に倣って直線状に付着させ、その隣にさらに一列、さらに隣に一列と、タングステン針側周部を被うまで繰り返しても良い。このときに５０μｍ以下で隙間を設けてもよいし、設けずに最低厚さ１０μｍとなるように重ね合わせても良い。
【００５３】
その他、図９に示すように山形の凸形状を複数個成形しても良い。各拡散補給源間の隙間に関しては、今まで述べてきた実施例と同様に、５０μｍ以下であれば隙間を空けても良いし、最低厚さが１０μｍになるように重ね合わせても良い。
【００５４】
以上示した形状の他にも様々な成形例がありうるが、リング状、筋状等どのような形状であってもよく、本発明が示す領域内であれば同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１、５１、６１…拡散補給源、２…タングステン針、３…サプレッサ電極、４…ヘアピン、５…サプレッサ電極の開口部、６…ステム、７…絶縁碍子、８…拡散補給源、９…拡散補給源、１０…拡散補給源，１１…拡散補給源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡、半導体検査装置、オージェ電子分光装置、電子描画装置等に用いられる電子源係り、特に電界放出型電子源の寿命延長技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）や透過型電子顕微鏡（ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、冷陰極電界放出型もしくは、電界放出型の電子源により構成される電子銃から放出される電子線を加速し、電子レンズで細い電子ビームとし、これを一次電子ビームとして走査偏向器を用いて試料上に走査し、ＳＥＭであれば得られる二次電子あるいは反射電子を検出して像を得るものであり、ＴＥＭであれば、試料を透過した電子のイメージを撮像するものである。これら電子顕微鏡の電子源には、単結晶タングステン線材の先端を尖らせた針の側面にジルコニアを付着させ、加熱した状態で針先端に電場を与えて電子を放出させる場合がある。これを電界放出型電子源、あるいは、ショットキー電子源という。
【０００３】
この電界放出型電子源は、タングステン結晶面（１００）上にジルコニウム、酸素を熱拡散により供給し、仕事関数の低い領域を形成するものである。加熱温度は１６００Ｋから１９００Ｋ程度であり、通常は１７００Ｋから１８００Ｋで使用する。特許文献１では、結晶面（１００）をタングステン針先端に設けて、強電場を印加することによりポテンシャル障壁を越える熱電子とトンネル効果によって透過する電子を取り出すことができる。
【０００４】
電界放出型電子源の基本構成としては、加熱用タングステンヘアピンに単結晶タングステンの結晶方位（１００）を先端にした針をスポット溶接して固定した一部に拡散補給源であるジルコニアを備えたものである。この拡散補給源は、針の先端側から見ると針の周囲に成形される。非特許文献１では、ジルコニアには加熱温度に伴う三種の同素体、すなわち単斜晶、正方晶および立法晶の構造をとることが知られている。特許文献２では、拡散補給源を薄膜で形成することが開示されている。特許文献３では、拡散補給源の成形に、水素化ジルコニウム微粒子を有機溶剤に混ぜた液をスポイトでタングステン針の側周部に付着させ、真空加熱して焼結する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５９−４９０６５号公報
【特許文献２】特開２００３−３１１７０号公報
【特許文献３】特開平６−７６７３１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】D.Steele and B.E.F.Fender, J.Phys. C: Solid State Phys., 7, 1 (1974)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、ヘアピンに通電することによりタングステン針を加熱すると拡散補給源であるジルコニアが消耗し、最終的に消失すると電子放出困難に陥り、寿命となる。電界放出型電子源の寿命を延長する場合、通常では拡散補給源であるジルコニアの容積あるいは、重量を増すことが行われる。しかしながら、次に説明するジルコニアに特徴的な現象により不具合が生じる。
【０００８】
特に単斜晶から正方晶への偏移は１１００℃（１４００Ｋ程度）で生じるため、電界放出型電子源の通常加熱温度である１７００Ｋから１８００Ｋに昇温、あるいは加熱を停止して室温に戻す際に偏移温度領域をよぎることとなる。このため、拡散補給源（ジルコニア）の容積変動により、拡散補給源自体やタングステン針にダメージを与えやすくなるという課題がある。
【０００９】
これらの電界放出型電子源では、８，０００時間を越える実用的な寿命を安定して得ることは困難である。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、拡散補給源の欠けや割れがなく、少量の拡散補給源の増量で寿命を延長可能な電界放出型電子源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明は、拡散補給源の成形形状（厚さ、長さ）を所定の領域に入れた電界放出型電子源を備える。さらに望ましくは，使用する温度ごとに所定の領域を定めた電界放出型電子源を備えることで達成される。
【００１２】
所定の領域を決める物理化学的なメカニズムについて説明する。
【００１３】
単結晶タングステン針側周面にジルコニアを成形した電界放出型電子源を真空中に配置する。この状態でタングステン針を１８００Ｋ程度に加熱して酸素あるいは、空気を導入すると、ジルコニア中に酸素原子が取り込まれると同時にタングステン表面に拡散が始まる。この表面拡散は最上面にジルコニウム単原子層があり、その下面に多くの酸素原子とタングステンの共存領域がある。一定量の酸素を取り込むとジルコニアに酸素原子が入り込めなくなると共に、タングステン表面に拡散しているジルコニウムを酸化して取り去っていく反応が顕著になり、逆に拡散を阻害するようになる。この時点で酸素、あるいは空気の導入を停止する。この後しばらく加熱を続けてタングステン針先端の（１００）面まで拡散が十分に進むのを待ち、タングステン針先端に電界をかけると電子放出が始まる。これが通常の使用状態であり、この後、安定な電子放出状態が拡散補給源の尽きるまで続くことになる。表面拡散したジルコニウムは蒸発あるいは、周囲にあるガス分子などと酸化還元反応して消失し、ジルコニウムの欠損した穴から酸素が放出されて消費される。消失したジルコニウムの穴は表面拡散してくる新たなジルコニウムによって自立的に修復されるので、大きな欠陥を与えることにはならない。このような現象が断続的に継続して発生するので、ジルコニウムは徐々に消費されていくことになる。このため、寿命を延長するにはジルコニアの容積を大きく取ればよい。
【００１４】
そこで本発明は、（１）棒状単結晶タングステンの先端の一端を尖らせ、先端の一端を結晶面（１００）とし、その側周部には拡散補給源として所定の厚さおよび長さにジルコニアを成形した針と、針の加熱手段と、サプレッサ電極とを備え、針を加熱して針の先端に電場を与えて電子を放出させる電界放出型電子源において、拡散補給源の長さをＬとし、最大厚さをｔとしたときにｔ／Ｌ＜３／５０、且つ最小厚さを１０μｍ以上としたことを特徴とする。
【００１５】
（２）拡散補給源の長さＬを５００μｍ以上とした拡散補給原を１つまたは複数備えることを特徴とする。
【００１６】
（３）拡散補給源の厚さｔを４０μｍ以下とすることを特徴とする。
【００１７】
（４）拡散補給源を前記針先端から３００μｍ離れた位置から針の他端に向かう方向に成形することを特徴とする。
【００１８】
（５）拡散補給源の断面形状の最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状であり、かつ長さが５００μｍ未満である複数の拡散補給源を連結し、連結した拡散補給源の間の隙間を５０μｍ以下としたことを特徴とする。
【００１９】
（６）拡散補給源の断面形状最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状である複数の拡散補給源を連結し、連結部の拡散補給源の最小厚さを１０μｍ以上としたことを特徴とする。
【００２０】
（７）拡散補給源の断面形状の最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状である複数の拡散補給源を針側周部に螺旋状に巻きつけ、巻きつけた拡散補給源の隣り合う隙間を５０μｍ以下としたことを特徴とする。
【００２１】
（８）拡散補給源の断面形状の最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状で、長さ５００μｍ以上の直線形状であり、針の側周部に複数配置しており、隣り合う拡散補給源の隙間を５０μｍ以下としたことを特徴とする。
【００２２】
（９）拡散補給源の断面形状の最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状で、長さ５００μｍ以上の直線形状であり、針の側周部に複数配置しており、隣り合う拡散補給源の最小厚さを１０μｍとしたことを特徴とする。
【００２３】
（１０）拡散補給源の断面形状の最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状かつ山型の拡散補給源を針側周部に複数配置しており、複数の密集した拡散補給源の各々の隙間を５０μｍ以下としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、従来になく少ない拡散補給源の容量で寿命を１８００Ｋ加熱における連続使用条件で８，０００時間以上、かつ拡散補給源（ジルコニア）の欠けや割れが少なく、タングステン針へのダメージの少ない電解放出型電子源（ショットキー電子源）を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の代表的な電子源構成を説明する図である。
【図２】本発明の代表的な構成例の上面から見た構成と形状を説明する図である。
【図３】電界放出型電子源の構成を説明する図である。
【図４】電界放出型電子源のタングステン針の先端部を説明する図である。
【図５】拡散補給源の標準的な断面形状を説明する図である。
【図６】本発明の一実施例を説明する図である。
【図７】本発明のその他の実施例を説明する図である。
【図８】本発明のその他の実施例を説明する図である。
【図９】本発明のその他の実施例を説明する図である。
【図１０】ジルコニア拡散補給源の消費特性を説明する図である。
【図１１Ａ】ジルコニア拡散補給源の２０００Ｋ加熱時間と長さ方向の消費特性の関係を示す図である。
【図１１Ｂ】ジルコニア拡散補給源の２０００Ｋ加熱時間と容積の関係を説明する図である。
【図１２】ジルコニア拡散補給源の厚さと消費長さ、及び容積の関係を説明する図である。
【図１３】本発明のジルコニア拡散補給源の形状範囲を説明する図である。
【図１４Ａ】本発明のタングステン針とジルコニア拡散補給源とサプレッサ電極の位置関係を説明する平面図である。
【図１４Ｂ】本発明のタングステン針とジルコニア拡散補給源とサプレッサ電極の位置関係を説明する立面図である。
【図１５】本発明のジルコニア拡散補給源の厚さと長さを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明では、ジルコニアの消費される過程から寿命を効率よく延長する手段を明らかにした。
【００２７】
２０００Ｋと通常よりも２００Ｋ程度高い温度に加熱してジルコニアの消費状況を実験的に加速評価した。この評価では、加熱時間ｈと消耗容積ΔＶ（全容積Ｖ）、１８００Ｋおよび、２０００Ｋ加熱時に放出するガス量の比Ｒをそれぞれ測定することで、１８００Ｋ加熱時の寿命ＬをＬ＝Ｖ/ΔＶ×ｈ×Ｒにより推定する。
【００２８】
２０００Ｋ加熱を５時間毎、２５時間まで繰り返し、その際の拡散補給源１の形状を記録した結果、図１０に示すように拡散補給源１からタングステン表面への供給は主として拡散補給源１であるジルコニアの端部から始まり、その他の部分のジルコニアの厚さはほとんど変化しないことがわかった。さらに、実用的な加熱温度である１８００Ｋで電界をかけて電子放出する条件においても、同様であることを別に実験で確認している。このことから、ジルコニア自体からの蒸発などの消費は少なく、むしろ、ジルコニウムのタングステン表面への拡散のようなジルコニアの端部からの消費が支配的である。
【００２９】
以下の３種類のサンプルを用いてジルコニア形状についての検討を行った。基準となる参照サンプルと、ジルコニアの厚さを増してジルコニア容積を２倍としたサンプルをＡタイプ、ジルコニアの長さを増して容積を２倍としたサンプルをＢタイプと呼ぶ。これら３種類の消費特性を評価した。
【００３０】
その結果、図１１Ａに示すように２０００Ｋ加熱時間に対する長さ方向の消失は、厚みによらない傾向を示し、２０００Ｋ加熱時間に対する容積の消失は図１１Ｂに示すように厚い方がより速く消失する傾向があることがわかった。
【００３１】
さらに、厚みと消費速度の関係を詳しく検討するために次のような実験を行った。評価したサンプルの加熱前のジルコニア断面はエッジが薄く、中央ほど厚くなっている。そこで、これらのデータを厚みごとの消失量として整理し直したものが図１２である。このグラフから、単位時間当たりの消費長さは、厚みが１０μｍより薄いと増加してしまうが、厚みが１０μｍを越えると一定値に収束する傾向にあることが明らかになった。一方、単位時間当たりの消費容積は厚みに比例して増加する。したがって、２０００Ｋ加熱の条件では最低厚さ１０μｍとすると効率が良く、長寿命な電界放出型電子源となる。この最低厚さは、加熱温度に依存して決まる値であり、１８００Ｋでは６〜８μｍ、１７００Ｋでは４〜６μｍとなることが別に実験で明らかになっている。これは、タングステンとジルコニアの界面では酸化還元反応が発生しているが、ジルコニアが十分厚い場合にはここでの蒸発は顕著でないことを示している。この現象は、ジルコニア中のジルコニウムもしくは、タングステン原子の拡散距離もしくは拡散速度の物理量が温度に依存しており、これに対してジルコニア厚さが十分であればバルクとして振る舞い、ある一定の厚さよりも薄ければここからの蒸発も顕著になってくるものと説明される。
【００３２】
ジルコニアをタングステン針の側周部に成形する方法はいくつか知られているが、多くの場合、ジルコニアあるいは、ジルコニウム微粒子、あるいは水素化ジルコニウムを有機溶剤等に混ぜたスラリー状のゼリーを毛筆やスポイトあるいは、シリンジのようなものでタングステン針側周部に付着させ、これを真空状態にて加熱して焼結する。ジルコニウムや水素化ジルコニウムの場合は、この後に酸素ガス中で加熱するなどして酸化する工程がはいる。このような方法では、ジルコニア厚さのばらつきは２０〜３０μｍ程度生じうるので、実用的なジルコニア厚さは、１８００Ｋ加熱では８〜４０μｍ、１７００Ｋ加熱では６〜４０μｍといえる。さらに望ましくは、１８００Ｋ加熱では８〜３０μｍ、１７００Ｋ加熱では６〜３０μｍである。この厚さ範囲は、従来の１８００Ｋで寿命８０００時間以上の電界放出型電子源に形成されるジルコニア厚さ（６０μｍ程度）よりも薄く、欠けや割れを生じるリスクを格段に下げられるという効果もある。実用的にはジルコニア厚さの最小値を１０μｍとすると、１７００Ｋから１８００Ｋのいずれの温度でも十分な寿命を確保した上で効率の良いジルコニア容積を有する形状にできる。且つタングステン針へのダメージ低減が可能となる。
【００３３】
次に、寿命延長に効果的なジルコニアの長さについて説明する。この長さについて関連する要因は二点挙げられる。一点目はジルコニアに蓄える酸素原子量、二点目は加熱されたタングステン針の温度分布である。
【００３４】
一点目の吸収可能な酸素原子の量においては、ジルコニアを焼結のために加熱すると酸素を放出し格子中に欠損が生じる性質があり、酸素が減りすぎると金属ジルコニウムが現れてくる。このため、酸素ガスを導入してジルコニアに戻す必要がある。拡散補給源の周囲に酸素原子を導入してジルコニウムをジルコニアに酸化するのであるが、この効率は表面積が広く薄いほど有利である。ジルコニアの成形形状は薄く長くして表面積を広く取ると寿命延長に有利であるともいえる。このことは、上述の３種類のサンプルを用いた実験のガス比Ｒをみれば明らかになる。つまり、ガス比Ｒは１８００Ｋ加熱時（通常使用温度）に電子源が放出するガスによる圧力増加分と２０００Ｋ加熱時のものとの比である。２０００Ｋ加熱時にはタングステン表面に拡散層を形成することは困難となりジルコニアの端から拡散直後にガスとなって消失するので、その時点でジルコニアが供給できる物質の全量を代表する数値となっている。この圧力と実際に使用する温度である１８００Ｋ加熱時のガス放出による圧力増分との比であるガス比Ｒは、電子源が保有している酸素原子の数の代表値であるといっても良い。参照サンプルに対して、Ａタイプは５倍、Ｂタイプは６倍ほど高い値が得られている。焼結ジルコニアは多孔質であるためＡタイプは厚みが増した分だけ表面積が増大したものと思われる。Ｂタイプは参照サンプルに対して長さが２倍であり、表面積は２倍になるはずであるがガス比は６倍と大きい。これは先に説明したジルコニウムの酸素ガス導入による酸化でジルコニア化したことに加え、次に説明する現象の現われと考えられる。つまり、参考文献２にあるようにタングステン表面、特にジルコニウムが存在する場合、その界面付近に多量の酸素があることが見出されている。このことから拡散補給源であるジルコニアとタングステンの界面にも酸素が存在するはずで、この領域を広く取ることにより溜め込める単位面積あたりの酸素原子の量は、参照サンプルに対して３倍ほど増加したと思われる。この要因からもタングステンを被う面積を増加することは、寿命延長において極めて有利なジルコニアの成形形状といえる。具体的にはＢタイプの場合、ガス比Ｒが６倍で、拡散補給源長さＬが２倍なので、総合的には参照サンプルの６×２倍で１２倍もの長寿命を得ることができる。
【００３５】
ジルコニア成形長さに関する二点目の観点は、タングステン針２の温度分布である。電界放出型電子源の構造は図３に示したとおり加熱用ヘアピン４にタングステン針２がスポット溶接された構造である。ヘアピン４に一定電流を流し、タングステン針２を加熱するものであるので、針の根元の温度が高く、針先端に向かうほど低くなる。通常は針先端の温度を１７００〜１８００Ｋに設定して使用するがその際の根元の温度は、１７５０〜１８８０Ｋであり、根元から先端までの温度分布はほぼ線形に分布する。このため、先端に近づくほど低温になる特徴がある。つまり、図１４Ｂに示すように電界放出型電子源のタングステン針２の先端はサプレッサ電極から２５０μｍ程度突き出して固定されるので、ジルコニアはサプレッサ電極３との接触を避けるために、サプレッサ電極３の位置よりもヘアピン側に設けることになる。その位置はタングステン針２の先端から３００μｍ以上とするとよい。
【００３６】
ここで、ジルコニアの拡散は温度の影響を大きく受け、高温ほど促進される。高温ほど消費速度が上がるともいえる。したがって、ヘアピン近くに拡散補給源（ジルコニア）を成形すると寿命は短縮され、針先端近くに成形すると寿命を延長できる。
【００３７】
ここまでの検討からＢタイプがより寿命を延長可能であることが明確になった。具体的な推定寿命は、参照サンプル（拡散補給源長さ３５０μｍ）が１８００Ｋ加熱条件で０．５年、Ｂタイプ（拡散補給源長さ７００μｍ）は６年、Ａタイプ（拡散補給源長さ３５０μｍ）は１年であった。さらに、加熱温度を１７００Ｋとした場合の参照サンプルの寿命は３．５年、Ｂタイプは１０年以上、Ａタイプは７年であった。
【００３８】
長寿命の電界放出型電子源を得るための拡散補給源の形状を規格化した表現であらわすと次のように言える。つまり、図１に示すように拡散補給源１の長さをＬ、最大厚さをｔとすると、ｔ／Ｌ＜３／５０を満たす、薄く長い領域内に拡散補給源を成形すればよい。つまり、図１３に示すように、横軸をジルコニア長さＬ、縦軸をジルコニア最大厚さｔとしたときに、ハッチングで示した領域１３０、つまり、ｔ＜３／５０×Ｌ、且つｔの下限値１０μｍと上限値４０μｍで囲まれる領域の条件に合うようなジルコニア形状とすればよい。
【００３９】
さらに、ジルコニア長さの下限値を５００μｍとすると、１８００Ｋ加熱の条件でも８０００時間を超える寿命を得ることができるので、より望ましい。この形状をより理解しやすく図示したのが図１５である。ジルコニア最小厚さ１０μｍ以上の範囲のジルコニアの長さがＬ、且つ最大厚さがｔである。
【００４０】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳述する。
【実施例１】
【００４１】
本実施例では，本発明を用いた電界放出型電子源について詳しく説明する。
【００４２】
図１に電界放出型電子源の全体構成を示す。絶縁碍子７に２本固定されたステム６に加熱用ヘアピン４（タングステン）の両端部付近がスポット溶接されている。湾曲させたヘアピン４中央部には単結晶タングステン棒の先端を鋭く尖らせた針２部とは反対側の端がスポット溶接される。この針の先端は、図２に示すように（１００）面が開口しており、図３に示すように側周部には、拡散補給源１が成形される。この拡散補給源の詳細については後述する。絶縁碍子７、ステム６、加熱用ヘアピン４、タングステン針２はサプレッサ電極３により覆われる。サプレッサ電極３は、逆向きのカップ型構造でカップ底の中央部分に円形の開口部５がある。この開口部５からタングステン針２の先端部分が突き出すように固定される。
【００４３】
拡散補給源１の望ましい形状は図３に示すようにタングステン針２の側周部に厚さのそろった円筒形状に密着させ、その厚みを使用する加熱温度により調整したものである。例えば、１８００Ｋで用いるのであれば８μｍ、１７００Ｋで使うのであれば６μｍ。その長さは４００μｍ、望ましくは５００μｍ以上あればよい。実際には成形方法により拡散補給源の厚さにはばらつきが生じるので、そのための工夫が必要である。
【００４４】
そこで、拡散補給源１の成形には、ジルコニア微粒子を有機溶媒に混ぜた液をスポイトでタングステン針２の側周部に付着させ、真空加熱して焼結する方法を用いた場合について説明する。このほかの方法である水素化ジルコニウム微粒子を有機溶剤に混ぜた液を同様の方法で付着させてもよい。
【００４５】
このような成形方法では、拡散補給源１はタングステン針２の側周部に腹巻状に成形され、その断面形状は図４に示すような山状になる。このため、厚みと長さをある範囲内に入れるために次のような方法を用いた。最大厚さを３０μｍとして、この際の焼結後の長さを求める。今回の実験では１付着あたりの拡散補給原１の長さは３３０μｍであった。 そこで、長さ６００μｍを成形するため、図５に示すようにタングステン針側周部に２付着を直列に一部重ねて焼結した。このような方法を取ることにより、所望の領域に最小厚さ１０μｍ、最大厚さ３０μｍのジルコニアの拡散補給源５１を成形することができた。この断面は図５のようになっており、厚さ１０〜３０μｍの間を振幅２０μｍで２周期持つ。
【００４６】
さらに図６に示すように二つの拡散補給源６１を５０μｍ以下の隙間を空けて成形した。このような隙間を設けてもほぼ同等な寿命延長効果が得られる。さらに加えて、従来よりも厚さが薄いジルコニアを形成することにより加熱によるジルコニアの容積変動（熱膨張、結晶構造の変移）に起因する欠けや割れ、タングステン針２へのダメージなどが軽減される効果がある。
【００４７】
拡散補給源５１、６１はタングステン針２の側周部に成形されるが、その位置はタングステン針２の先端から３００μｍ離れた位置から６００μｍにわたる領域である。この位置は図１に示したサプレッサ電極の開口部５よりも下側であり、露出したタングステン針２の先端には至らない。図１４Ａ、１４Ｂに拡大した図を示す。図１４Ａはタングステン針２先端側からサプレッサ電極３を見た平面図である。図１４Ｂはタングステン針２の長手方向を望む立面図である。タングステン針２の露出部分まで含めた針側周部に拡散補給源５１、６１を配置することもできるが、サプレッサ電極３との接触が起こって拡散補給源５１、６１の欠けや異物発生が起こる確率が増すため、望ましくは拡散補給原５１、６１は開口部５から外側には露出させないほうがよい。したがって、拡散補給源５１、６１はタングステン針２の先端から３００μｍ以上離れた位置になるように形成する。
【００４８】
このように成形したタングステン針２にサプレッサ電極３を所定の位置に位置決め後に固定して電界放出型電子源を構成した。このように構成した電界放出型電子源を電子銃に設置して、１８００Ｋに加熱して所定の引出し電圧をかけてタングステン針２の先端に所定の電場をかけたところ、正常に電子放出し、８，０００時間を越えて安定した電子放出を継続した。また、拡散補給源５１，６１の割れや欠けを生じることはなかった。
【００４９】
本実施例の拡散補給源の成形による電子源の加熱温度を１７００Ｋで使用することが予め決められているのであれば、最小厚さは、６μｍとすることができる上、１０年間を越える極めて長い寿命を得ることが明らかになった。
【実施例２】
【００５０】
本実施例においては、実施例１とは異なる拡散補給源の成形形状について説明する。
【００５１】
実施例１と同様にジルコニア微粒子を有機溶媒に混ぜた液をスポイトでタングステン針側周部に付着させる際に、図７に示すようにタングステン針２を軸方向を中心に回転させると同時にスポイトをタングステン針２の軸方向に走査し、螺旋形状に成形させる。このときに隣り合う拡散補給源９の隙間をつくらずタングステン面が露出せずに最低厚さ１０μｍを維持するように走査しても良いし、隙間を５０μｍ以下となるように走査してもよい。この後に真空焼結すればよい。
【００５２】
さらに、図８に示すようにタングステン針の軸方向に倣って直線状に付着させ、その隣にさらに一列、さらに隣に一列と、タングステン針側周部を被うまで繰り返しても良い。このときに５０μｍ以下で隙間を設けてもよいし、設けずに最低厚さ１０μｍとなるように重ね合わせても良い。
【００５３】
その他、図９に示すように山形の凸形状を複数個成形しても良い。各拡散補給源間の隙間に関しては、今まで述べてきた実施例と同様に、５０μｍ以下であれば隙間を空けても良いし、最低厚さが１０μｍになるように重ね合わせても良い。
【００５４】
以上示した形状の他にも様々な成形例がありうるが、リング状、筋状等どのような形状であってもよく、本発明が示す領域内であれば同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００５５】
１、５１、６１…拡散補給源、２…タングステン針、３…サプレッサ電極、４…ヘアピン、５…サプレッサ電極の開口部、６…ステム、７…絶縁碍子、８…拡散補給源、９…拡散補給源、１０…拡散補給源，１１…拡散補給源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状単結晶タングステンの先端の一端を尖らせ、該先端の一端を結晶面（１００）とし、その側周部には拡散補給源として所定の厚さおよび長さにジルコニアを成形した針と、該針の加熱手段と、サプレッサ電極とを備え、
該針を加熱して該針の先端に電場を与えて電子を放出させる電界放出型電子源において、前記拡散補給源の長さをＬとし、前記拡散補給源の最大厚さをｔとしたときに、ｔ／Ｌ＜３／５０で、且つ前記拡散補給源の長さは、前記拡散補給源の厚さが１０μｍ以上の範囲としたことを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項２】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源の長さＬを５００μｍ以上とした前記拡散補給源を１つまたは複数備えることを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項３】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源の最大厚さｔを４０μｍ以下とすることを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項４】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源を前記針先端から３００μｍ離れた位置から前記針の他端に向かう方向に成形することを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項５】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源の断面形状の最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状の形状であり、かつ前記拡散補給源の長さが５００μｍ未満である複数の前記拡散補給源を連結し、前記連結した拡散補給源の間の隙間を５０μｍ以下としたことを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項６】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源の断面形状最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状である複数の前記拡散補給源を連結し、前記連結部の拡散補給源の最小厚さを１０μｍ以上としたことを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項７】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源の断面形状の最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状である複数の前記拡散補給源を前記針側周部に螺旋状に巻きつけ、前記巻きつけた拡散補給源の隣り合う隙間を５０μｍ以下としたことを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項８】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源の断面形状の最大厚さが４０μｍ以下の凸状で、長さ５００μｍ以上の直線形状であり、前記針の側周部に複数配置しており、隣り合う前記拡散補給源の隙間を５０μｍ以下としたことを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項９】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源の断面形状の最大厚さが４０μｍ以下の凸状で、長さ５００μｍ以上の直線形状であり、前記針の側周部に複数配置しており、隣り合う前記拡散補給源の最小厚さを１０μｍ以上としたことを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項１０】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源の断面形状の最大厚さが４０μｍ以下の凸状かつ山型の拡散補給源を前記針側周部に複数配置しており、複数の密集した前記拡散補給源の各々の隙間を５０μｍ以下としたことを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項１】
棒状単結晶タングステンの先端の一端を尖らせ、該先端の一端を結晶面（１００）とし、その側周部には拡散補給源として所定の厚さおよび長さにジルコニアを成形した針と、該針の加熱手段と、サプレッサ電極とを備え、
該針を加熱して該針の先端に電場を与えて電子を放出させる電界放出型電子源において、前記拡散補給源の長さをＬとし、前記拡散補給源の最大厚さをｔとしたときに、ｔ／Ｌ＜３／５０で、且つ前記拡散補給源の長さは、前記拡散補給源の厚さが１０μｍ以上の範囲としたことを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項２】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源の長さＬを５００μｍ以上とした前記拡散補給源を１つまたは複数備えることを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項３】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源の最大厚さｔを４０μｍ以下とすることを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項４】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源を前記針先端から３００μｍ離れた位置から前記針の他端に向かう方向に成形することを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項５】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源の断面形状の最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状の形状であり、かつ前記拡散補給源の長さが５００μｍ未満である複数の前記拡散補給源を連結し、前記連結した拡散補給源の間の隙間を５０μｍ以下としたことを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項６】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源の断面形状最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状である複数の前記拡散補給源を連結し、前記連結部の拡散補給源の最小厚さを１０μｍ以上としたことを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項７】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源の断面形状の最大厚さｔが４０μｍ以下の凸状である複数の前記拡散補給源を前記針側周部に螺旋状に巻きつけ、前記巻きつけた拡散補給源の隣り合う隙間を５０μｍ以下としたことを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項８】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源の断面形状の最大厚さが４０μｍ以下の凸状で、長さ５００μｍ以上の直線形状であり、前記針の側周部に複数配置しており、隣り合う前記拡散補給源の隙間を５０μｍ以下としたことを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項９】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源の断面形状の最大厚さが４０μｍ以下の凸状で、長さ５００μｍ以上の直線形状であり、前記針の側周部に複数配置しており、隣り合う前記拡散補給源の最小厚さを１０μｍ以上としたことを特徴とする電界放出型電子源。
【請求項１０】
請求項１に記載の電界放出型電子源において、前記拡散補給源の断面形状の最大厚さが４０μｍ以下の凸状かつ山型の拡散補給源を前記針側周部に複数配置しており、複数の密集した前記拡散補給源の各々の隙間を５０μｍ以下としたことを特徴とする電界放出型電子源。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１２】
【図１３】
【図１４Ａ】
【図１４Ｂ】
【図１５】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−８４５５０（Ｐ２０１３−８４５５０Ａ）
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−６１３９５（Ｐ２０１２−６１３９５）
【出願日】平成２４年３月１９日（２０１２．３．１９）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月９日（２０１３．５．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月１９日（２０１２．３．１９）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]