JP2005108637A - 電子放出素子、電子線源及び電子放出制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子放出陰極の温度均一性の向上と動作の安定性とヒーター部に係る回路の簡素化とを図ることができる電子放出素子、電子線源及び電子放出制御方法を提供する。
【解決手段】 電子放出素子１は、ダイヤモンドで形成された電子放出陰極２と、この電子放出陰極２と一体化され、電子放出陰極２を加熱させるヒーター部３とを備えている。電子放出陰極２は、表面４ａから電子が放出される電子放出部４と、この電子放出部４の裏側に設けられ、ヒーター部３と電子放出部４とを電気的に絶縁させる絶縁部５とを有している。電子放出部４は、絶縁部５を形成する絶縁性ダイヤモンドに不純物をドープして形成された導電性ダイヤモンドである。ヒーター部３は、絶縁部５の裏面に設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波増幅、マイクロ波発振、発光素子、電子線露光等の装置に広く用いられる電子放出素子、電子線源及び電子放出制御方法に関するものである。

従来、タングステンフィラメントによる熱電子放出源や六ホウ化ランタンによる冷陰極、ジルコニア被覆タングステンによる熱電界放射陰極など、様々な材料が電子放出素子として用いられてきた。これらの電子源材料の中でも、近年では、負の電子親和力を有していることから、ダイヤモンドを利用したものが注目を集めている。このような電子放出素子としては、例えば特許文献１，２に記載されているものが知られている。

特許文献１に記載の電子放出素子は、エミッタ（陰極）を裏面からヒーターで加熱して、エミッタから熱電子を放出させるものである。特許文献２に記載の電子放出素子は、導電層を通電加熱することにより、熱エネルギーを補助として、導電層上の電子放出部から効果的に電子を放出させるものである。
特開２００２−２５４２１号公報 特開平１１−１３５００２号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、特許文献１に記載のものでは、陰極を支持するキャップ内にヒーターが配置されているため、ヒーターはキャップを通して間接的に陰極を加熱することになる。このため、陰極全面の温度を均一にするのが困難であり、電子放出特性を損なう可能性がある。

また、特許文献２に記載のものでは、電子放出部とヒーター部が電気的に一体であるため、ヒーター回路のノイズが電子放出電流に乗って、動作の安定性が損なわれることがある。また、アーク放電などの異常放電が起こった場合に、ヒーター回路に瞬間的に大電流が流れることになる。このため、ヒーター回路を保護するための保護回路が必要となる。

本発明の目的は、電子放出陰極の温度均一性の向上と動作の安定性とヒーター部に係る回路の簡素化とを図ることができる電子放出素子、電子線源及び電子放出制御方法を提供することである。

本発明の電子放出素子は、ダイヤモンドで形成された電子放出陰極と、電子放出陰極と一体化され、電子放出陰極を加熱させるヒーター部とを備え、電子放出陰極は、表面から電子が放出される電子放出部と、ヒーター部と電子放出部と電気的に絶縁させる絶縁部とを有することを特徴とするものである。

電子放出陰極とヒーター部とを一体化することにより、不要な接触熱抵抗成分が低減されるため、ヒーター部で発生した熱が効率良く電子放出陰極に伝わる。このとき、電子放出陰極は熱伝導率の高いダイヤモンドで形成されているので、ヒーター部からの熱が電子放出部全体に十分に伝導される。これにより、電子放出部の温度の均一性（均熱性）が向上し、従って電子放出電流の陰極面内均一性が上昇する。また、電子放出部とヒーター部とは絶縁部によって電気的に絶縁されているので、ヒーター回路に瞬間的に大電流が流れてヒーター回路が破壊されることは無い。このため、保護回路等が不要となるので、ヒーター部に係る回路を簡略化することができる。また、ヒーター回路のノイズが電子放出電流に乗ることなく、安定した動作が得られる。

好ましくは、ヒーター部は、絶縁部における電子放出部の表面と反対側の面に設けられている。これにより、電子放出部の電子放出面（表面）が広く取れるようになる。また、ヒーター部を電子放出陰極に容易に一体化させることができる。

ヒーター部は、絶縁部の内部に設けられている構成であってもよい。これにより、電子放出部の電子放出面（表面）が広く取れるようになる。また、ヒーター部の寿命を長くすることができる。

また、好ましくは、電子放出部の表面が水素終端されている。これにより、電子放出部の表面が負の電子親和力に保たれるので、電子放出特性が長期間にわたって安定化するようになる。

さらに、好ましくは、電子放出部の表面には、先鋭な突起部が設けられている。これにより、電子放出陰極に電界を与えて、電子放出部の表面から電子を放出させる際に、先鋭な突起部の先端部に電界集中が起きるため、電子放出特性が良くなる。

また、好ましくは、電子放出陰極の温度を検出する温度センサを備える。これにより、例えば温度センサの検出値に基づいてヒーター部の制御回路をフィードバック制御することで、電子放出陰極の温度を一定にすることができる。

本発明の電子線源は、上記の電子放出素子と、電子放出素子の電子放出部の表面側に間隔を隔てて配置され、電子放出部の表面から電子を放出させるための電子引出電極とを備えたことを特徴とするものである。

このように上記の電子放出素子を設けることにより、上述したように温度の均一性と安定性が改善して放出特性が向上した電子放出素子から効率的に電子を引き出し、特性の優れた電子線の利用が可能になる。また、ヒーター部が電子放出部と絶縁されているため、ヒーター回路と電子放出制御回路を独立して形成することができ、保護回路等を省略した簡略な回路で安定な動作を得ることができる。

好ましくは、電子放出部と電子引出電極との間に配置され、電子放出部の表面からの電子の放出量を制御するための制御電極を更に備える。これにより、制御電極に低電圧を印加することで、電子放出部の表面からの電子の放出量を容易にかつ細かく調整することができる。

また、好ましくは、電子放出部の表面側に間隔を隔てて配置され、電子放出部を輻射加熱させる手段を更に備える。これにより、電子放出素子のヒーター部による電子放出部の加熱を補助することができる。また、電子線源の使用雰囲気中に水素が残留している場合には、輻射加熱によって残留水素がイオン化・ラジカル化され、電子放出部の表面が水素終端化される。従って、電子放出部の表面が確実に負の電子親和力に保たれるので、電子放出特性が長期間にわたって安定化するようになる。

本発明の電子放出制御方法は、上記の電子線源を用意し、電子引出電極に電圧を印加すると共に、ヒーター部により電子放出陰極を加熱することにより、電子放出部の表面から電子を放出させることを特徴とするものである。

このように上記の電子放出素子を有する電子線源を使用することにより、上述したように、電子放出部の温度の均一性が向上すると共に、ヒーター部に係る回路を簡略化することができる。

好ましくは、ヒーター部により電子放出陰極を６００℃以下の温度で加熱させる。これにより、電子線源の使用雰囲気の真空度があまり高くない場合に、電子放出陰極の表面の劣化が防止されるため、電子放出陰極のキャリア濃度が高くなる。従って、電子線源の電子放出特性が良くなる。

また、電子線源の使用雰囲気の真空度が高い場合には、ヒーター部により電子放出陰極を６００〜１５００℃の温度で加熱させてもよい。これにより、キャリアの活性化率が増大すると共に熱電子放出の効果も得られ、ダイヤモンドである電子放出陰極のグラファイト化も進行しにくい。従って、電子線源の電子放出特性が良くなる。

本発明によれば、電子放出陰極の温度の均一性が向上するので、電子放出電流の面内均一性など、優れた電子放出特性を得ることができる。また、ヒーター部を保護する回路等を設けなくて済むため、ヒーター部に係る回路構成を簡略化することができる。さらに、ヒーター回路のノイズが乗ることがないため、安定した電子放出電流を得ることができる。

以下、本発明に係る電子放出素子、電子線源及び電子放出制御方法の好適な実施形態について図面を参照して説明する。

まず、本発明の第１実施形態を図１〜図３により説明する。図１は、本実施形態の電子放出素子を示す断面図であり、図２は、その電子放出素子の裏面図である。

各図において、電子放出素子１は、ダイヤモンドで形成された円形の電子放出陰極２と、この電子放出陰極２と一体化され、電子放出陰極２を加熱させるヒーター部３とを備えている。

電子放出陰極２は、表面４ａから電子が放出される電子放出部４と、この電子放出部４の裏側に設けられ、ヒーター部３と電子放出部４とを電気的に絶縁させる絶縁部５とを有している。絶縁部５は、単結晶ダイヤモンドまたは多結晶ダイヤモンドで形成されている。

電子放出部４は、絶縁部５を形成する絶縁性ダイヤモンドに不純物をドープして形成された導電性ダイヤモンドである。電子放出部４は、リン等をドープしたｎ型ダイヤモンドまたはホウ素等をドープしたｐ型ダイヤモンドで形成されている。

電子放出部４をｎ型ダイヤモンドで形成した場合には、キャリアとして電子が多くなるため、電子放出特性が良くなる。このとき、窒素、リン、硫黄、リチウムのいずれかの元素または２種類以上の元素、或いはいずれかの元素と同時にホウ素を不純物として含むことが望ましい。このような不純物を用いれば、キャリアの電子が増加して抵抗が減少し、より優れた電子放出特性が得られる。

電子放出部４をｐ型ダイヤモンドで形成した場合には、電子放出部４の表面近傍でバンド構造が下に曲がるため、伝導帯に励起された電子が容易に電子放出部４の表面に到達する。このため、電子放出部４の表面の電子親和力が負のときには、電子放出部４の表面から容易に電子が真空中に放出される。

このとき、ｐ型ダイヤモンドは、空格子、転移、粒界等の欠陥や、グラファイト、非晶質炭素、フラーレン等のsp3結合以外の成分を含んでも良い。バンドギャップ中に欠陥等による電子準位があれば、その電子はホウ素などのｐ型不純物準位と比べて容易に伝導帯に励起されるため、電子放出特性が良くなる。なお、ｐ型ダイヤモンドが多結晶ダイヤモンドであれば、より欠陥が多くなる。

電子放出部４の表面（電子放出面）４ａは、水素終端されていることが望ましい。これにより、電子放出面４ａが負の電子親和力に保たれるので、電子放出面４ａから電子が放出されやすくなり、電子放出特性が安定化するようになる。

また、特に電子放出部４をｎ型ダイヤモンドで形成した場合には、電子放出部４に電気が流れやすくするために電子放出面４ａを酸素終端した構成としてもよい。

このような電子放出部４を加熱させるヒーター部３は、Ｍｏ線、Ｔａ線、Ｗ線等の加熱用配線を略ジグザグ状に形成したものである。このヒーター部３は、絶縁部５の裏面に設けられている。これにより、ヒーター部３と電子放出部４とが確実に電気的に絶縁されると共に、ヒーター部３を電子放出陰極２に容易に一体化させることができる。また、絶縁部５の裏面には、電子放出陰極２（ヒーター部４）の温度を検出するサーミスタ等の温度センサ６が設けられている。

図３は、上記の電子放出素子１を備えた電子線源７を示す断面図である。同図において、電子線源７は、真空チャンバー８内に配置され電子放出素子１を支持するホルダー９を有し、このホルダー９はアルミナ等で形成されている。ホルダー９には、高さ方向に延びる加熱用電極端子１０ａ，１０ｂが形成されている。この加熱用電極端子１０ａ，１０ｂは、ホルダー９の上面及び下面に露出している。加熱用電極端子１０ａ，１０ｂ間には、ヒーター部３を通電加熱するための電源１１が接続されている。

ホルダー９上には、上記の電子放出素子１が載置されている。電子放出素子１のヒーター部３は上述したように絶縁部５の裏面に設けられているので、電子放出素子１をホルダー９上の所定位置に置くだけで、ヒーター部３が加熱用電極端子１０ａ，１０ｂとつながるようになる。従って、ホルダー９への電子放出素子１のマウントを容易に行うことができる。

電子放出素子１の電子放出部４には、電子放出陰極２と電気的接合を取るための環状のカソードキャップ１２が固定されている。

電子放出素子１の表面（電子放出面）４ａ側には、電子放出面４ａから電子を放出させるための加速電極１３が所定の間隔を隔てて配置されている。また、電子放出素子１と加速電極１３との間には、電子放出面４ａからの電子放出量を制御するための制御電極１４が配置されている。

加速電極１３とカソードキャップ１２との間には、電子放出陰極２に対して正の電圧を加速電極１３に印加するための電源１５が接続されている。また、制御電極１４とカソードキャップ１２との間には、加速電極１３に印加する電圧よりも低い電圧を印加するための可変電源１６が接続されている。

以上のように構成した電子線源７において、真空チャンバ８の内部を所望の真空度まで減圧した状態で、電源１５により加速電極１３に所定の電圧を印加すると、電子放出陰極２と加速電極１３との間に電界が生じ、電子放出陰極２の電子放出面４ａから電子が放出される。そして、その状態で、電源１１によりヒーター部３を通電加熱すると、ヒーター部３で発生した熱が電子放出陰極２に伝導され、電子放出陰極２が加熱されるため、電子放出面４ａからの電子の放出が促進される。

このとき、電子放出陰極２とヒーター部３とは一体化されているので、不要な接触熱抵抗成分は殆ど無い。また、電子放出陰極２の材料であるダイヤモンドは、高い熱伝導率を有している。従って、ヒーター部３で発生した熱が電子放出部４全体に効率良く伝わるため、電子放出面４ａの温度が全体的に均一になる。これにより、ヒーター部３による電子放出の促進作用が効果的に行われる。

ここで、真空チャンバ８内の真空度が低い場合には、電子放出陰極２を６００℃以下の温度で加熱させることが好ましい。この場合には、電子放出陰極２の表面４ａが劣化しにくくなるので、電子放出陰極２のキャリア濃度が高くなり、これにより良好な電子放出特性を得ることができる。

一方、真空チャンバ８内の真空度が高い場合には、電子放出陰極２を６００〜１５００℃の温度で加熱させても良い。この温度範囲内であれば、キャリアの活性化率が増大すると共に熱電子の効果も加わり、ダイヤモンドである電子放出陰極２のグラファイト化も進行しにくい。従って、この場合にも、良好な電子放出特性を得ることができる。

このような電子放出陰極２の温度は、温度センサ６を用いてフィードバック制御するのが望ましい。つまり、温度センサ６により電子放出陰極２の温度を測定し、その測定値を温度調整回路（図示せず）にフィードバックすることで、電子放出陰極２を一定温度に維持することが可能となる。

また、可変電源１６により制御電極１４に低電圧を印加することにより、電子放出面４ａから放出される電子電流を制御して、電子放出面４ａからの電子の放出量を調整する。

以上のように本実施形態にあっては、ダイヤモンドからなる電子放出陰極２とヒーター部３とを一体化させたので、上述したように電子放出部４の温度分布の均一性（均熱性）が良好になり、これにより電子線源７の電子放出効率や電子放出電流の面内均一性など電子放出特性が向上する。

また、電子放出部４とヒーター部３とは絶縁部５によって電気的に独立しているので、アーク放電等の異常放電が起こった場合に、ヒーター部３を含むヒーター回路に瞬間的に大電流が流れてヒーター回路が破壊されることは無い。また、電源１１のノイズが電子放出部２に入り込むことも無い。従って、保護回路等が不要となるので、ヒーター部３に係る回路の簡素化を図ることができる。また、ヒーター回路のノイズが入ることなく、安定した電子放出電流を得ることができる。

さらに、絶縁部５を設けることにより、温度調整回路と電子放出制御回路とを独立に設けることができる。このため、電子放出部４の温度調整を細かく行うことが可能となる。

本発明の第２実施形態を図４により説明する。図中、第１実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図４において、本実施形態の電子線源２０は、第１実施形態の電子放出素子１に代えて、電子放出素子２１を備えている。電子放出素子２１は、電子放出陰極２と、この電子放出陰極２の絶縁部５の内部に設けられ、電子放出陰極２を加熱させるヒーター部２２とを備えている。

ヒーター部２２は、好ましくはグラファイトからなる電極層である。このように電子放出陰極２の材料であるダイヤモンドと同一元素の炭素を用いることによって、電子放出陰極２とヒーター部２２との間の密着性・親和性が良くなり、長期間繰り返される熱サイクルによっても電子放出陰極２及びヒーター２２の劣化が起こりにくくなる。

また、グラファイトは、ダイヤモンドにイオン注入して形成することが望ましい。これにより、異種材料を蒸着する必要がなく、ヒーター部２２と電子放出陰極２との密着性は優れたものになる。このとき、ダイヤモンドのグラファイト化はダイヤモンド表面では進行しにくいため、加速電圧の高いイオン注入を用いれば、絶縁部５の内部にのみ電気配線を行うことができ、外部と電気的に独立させることが容易になる。

ヒーター部２２を構成する電極層には、グラファイト等からなる端子部２３ａ，２３ｂがつながっている。この端子部２３ａ，２３ｂは、絶縁部５の裏面まで延びて露出している。これにより、電子放出素子２１をホルダー９上の所定位置に置いたときに、ヒーター部２２が加熱用電極端子１０ａ，１０ｂとつながるようになる。従って、ホルダー９への電子放出素子２１のマウントを容易に行うことができる。

なお、電子放出素子２１を支持するホルダー９の上面部には、電子放出素子２１が置かれた時に温度センサ６が入り込むためのセンサ収納凹部２４が形成されている。

このような本実施形態においては、ヒーター部２２と電子放出陰極２とが一体化されているので、第１実施形態と同様に、ヒーター部２２で発生した熱が電子放出部４全体に効率良く伝わる。このため、電子放出部４の温度が全体的に均一になり、電子線源２０の電子放出特性が向上する。また、電子放出部４とヒーター部２２とは絶縁部５によって絶縁されているので、第１実施形態と同様に、ヒーター部２２を保護する回路等が不要となり、ヒーター部２２に係る回路の簡素化が図れる。

本発明の第３実施形態を図５により説明する。図中、第１実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図５において、本実施形態の電子線源３０は、第１実施形態の電子放出素子１に代えて、電子放出素子３１を備えている。電子放出素子３１は電子放出陰極２を有し、この電子放出陰極２の電子放出部４の表面４ａには、複数本の先鋭な突起部３２が設けられている。

また、電子放出部４上における突起部３２を除く領域には、絶縁体３３を介して電極部３４が設けられている。電子放出素子３１をホルダー９上に載置した状態では、電極部３４が制御電極１４と接するように構成されている。なお、電極部３４を設けるのは、各突起部３２から十分に電子を放出させるためである。

このような電子線源３０において、真空チャンバ８の内部を所望の真空度まで減圧した状態で、電源１５により加速電極１３に所定の電圧を印加すると共に、可変電源１６により制御電極１４に印加する電圧を調整すると、各突起部３２の先端部に電界集中が起きり、各突起部３２から効率良く電子が放出される。従って、より優れた電子放出特性を得ることができる。

本発明の第４実施形態を図６により説明する。図中、第１実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図６において、本実施形態の電子線源４０は、第１実施形態の電子線源７において、電子放出素子１と制御電極１４との間に配置された輻射加熱用ワイヤ４１を更に備えたものである。

輻射加熱用ワイヤ４１は、タングステン（Ｗ）等で形成された環状のワイヤである。この輻射加熱用ワイヤ４１を通電すると、輻射によって電子放出陰極２が加熱される。従って、ヒーター部３による電子放出陰極２の加熱を補助することができる。

真空チャンバ８内には、水素を含むガスが導入されている。なお、電子放出素子１から電子を放出させる間、水素を含むガスを真空チャンバ８内に常時供給し続けてもよいし、或いは水素を含むガスを所定量だけ真空チャンバ８内に封入した後、当該ガスの供給を停止してもよい。

いずれの場合においても、輻射加熱用ワイヤ４１の通電加熱によって真空チャンバ８内の残留水素がイオン化・ラジカル化される。そして、その水素イオン・水素ラジカルが電子放出陰極２の表面（電子放出面）４ａに照射され、電子放出面４ａが水素終端化され続ける。従って、電子放出面４ａが確実に負の電子親和力に保たれるので、電子放出特性が長期間にわたって変化せず、安定した電子ビームを得ることができる。

本発明の第５実施形態を図７により説明する。図中、第３実施形態と同一または同等の部材には同じ符号を付し、その説明を省略する。

図７において、本実施形態の電子線源５０は、電子放出素子３１を支持するホルダー５１を有し、このホルダー５１はアルミナ等で形成されている。ホルダー５１には、高さ方向に延びる加熱用電極端子５２ａ，５２ｂが形成されている。この加熱用電極端子５２ａ，５２ｂは、ホルダー５１の上面及び下面に露出している。加熱用電極端子５２ａ，５２ｂ間には、ヒーター部３を通電加熱するための電源５３が接続されている。

ホルダー５１上には、電子放出素子３１が載置されている。また、電子放出素子３１の表面（電子放出面）４ａ側には、電子放出面４ａから電子を放出させるための対向陽極５４が所定の間隔を隔てて配置されている。この対向陽極５４は、電子放出素子３１と対向するように陽極支持板５５に固定されている。

対向陽極５４と電子放出素子３１の電子放出部４との間には、電子放出陰極２に対して正の電圧を対向陽極５４に印加するための電源５６が接続されている。また、電子放出素子３１の電極部３４と電子放出部４との間には、対向陽極５４に印加する電圧よりも低い電圧を印加するための可変電源５７が接続されている。なお、電子放出部４は接地されている。

また、ホルダー５１上には、真空封止キャップ５８が電子放出素子３１及び対向陽極５４を覆うように設けられている。

このような電子線源５０において、電源５６により対向陽極５４に所定の電圧を印加すると共に、可変電源５７により電極部３４に印加する電圧を調整すると、電子放出陰極２と対向陽極５４との間に電界が生じ、電子放出素子３１の各突起部３２から電子が放出される。そして、電源５３によりヒーター部３を通電加熱すると、電子放出陰極２が加熱され、電子放出素子３１からの電子の放出が促進される。

以上、本発明の好適な実施形態について幾つか説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、ヒーター部と電子放出部とが電気的に絶縁されるのであれば、ヒーター部を絶縁部の側面等に設けてもよい。

また、上述した第１、第２及び第４実施形態において、加速電極の代わりに、図７に示すような対向陽極を設けた構成としてもよい。

本実施例は、上記の第１実施形態に対応するものである。

まず図１及び図２に示すような電子放出素子を形成した。具体的には、高温高圧法で合成したIIａダイヤモンド単結晶の(111)面に、マイクロ波プラズマCVD法を用いてｎ型のリンドープダイヤモンドを形成した。このとき、合成温度を870℃、メタン／水素ガス流量比を0.05％、ホスフィン／メタンガス流量比を10000ppmとして、膜厚5μmのリンドープダイヤモンドを形成した。次いで、成膜した側とは反対のIIａダイヤモンド単結晶基板の裏面に、スパッタ法によりMoを成膜し、フォトリソグラフィーとウェットエッチングで加熱用の配線（ヒーター部）を形成した。このMo配線からなるヒーター部とリンドープダイヤモンドとの間は絶縁性ダイヤモンドであるため、電気的に分離されている。

このようにして作った電子放出素子を、図３に示すように、加熱用電極端子が露出したホルダーにマウントし、電子放出陰極と電気的接合を取るためカソードキャップをかぶせて固定した。そして、これを加速電極及び制御電極が収納された真空チャンバ内に設置した。

その状態で、真空チャンバ内を1×10^-7 Torrに減圧排気し、加速電極に1kVの電圧をかけて、電子放出素子から電子を放出させた。次いで、ヒーター部を通電加熱して、電子放出陰極を400℃まで加熱することにより、電子放出電流の大幅な増加が見られた。

本実施例は、上記の第２実施形態に対応するものである。

まず、図４に示すような電子放出素子を形成した。具体的には、高温高圧法で合成したIIａダイヤモンド単結晶の(111)面に、マイクロ波プラズマCVD法を用いてｎ型のリンドープダイヤモンドを形成した。このとき、合成温度を870℃、メタン／水素ガス流量比を0.05％、ホスフィン／メタンガス流量比を10000ppmとして、膜厚5μmのリンドープダイヤモンドを形成した。次いで、成膜した側とは反対のIIａダイヤモンド単結晶基板の裏面に、Arを加速エネルギー5kVでイオン注入し、ダイヤモンド内部にグラファイトの電極層（ヒーター部）を形成した。このグラファイト化はダイヤモンド内部で起こり、ダイヤモンド裏面部は絶縁体のままとなっている。そして、電極層の端子部分に加速エネルギーを数種類変えてイオン注入し、ダイヤモンド裏面までグラファイト化を行った。

このようにして作った電子放出素子を、図４に示すように、加熱用電極端子が露出したホルダーにマウントし、電子放出陰極と電気的接合を取るためカソードキャップをかぶせて固定した。そして、これを加速電極及び制御電極が収納された真空チャンバ内に設置した。

その状態で、真空チャンバ内を1×10^-7 Torrに減圧排気し、加速陽極に1kVの電圧をかけて、電子放出素子から電子を放出させた。次いで、ヒーター部を通電加熱して、電子放出陰極を400℃まで加熱することにより、電子放出電流の大幅な増加が見られた。

本実施例は、上記の第３実施形態に対応するものである。

まず、図５に示すような電子放出素子を形成した。具体的には、高温高圧法で合成したIIａダイヤモンド単結晶の(100)面に、マイクロ波プラズマCVD法を用いてドーパントガスを変えてｐ型のホウ素ドープダイヤモンドを形成した。このとき、合成温度を830℃、メタン／水素ガス流量比を6.0％、ホスフィン／メタンガス流量比を167ppmとして、膜厚10μmのホウ素ドープダイヤモンドを形成した。次いで、ホウ素ドープダイヤモンドの表面にスパッタ法でAlを成膜し、フォトリソグラフィーでドット状にパターニングした。これをRIE法でエッチングし、高さ5μmの先鋭な突起部（エミッタ）を作成した。更に、ホウ素ドープダイヤモンド上に絶縁体及び電極部を形成し、フォトリソグラフィーを用いてSpindt型の冷陰極を形成した。次いで、成膜した側とは反対のIIａダイヤモンド単結晶基板の裏面にスパッタ法によりTaを成膜し、フォトリソグラフィーとウェットエッチングで加熱用配線（ヒーター部）を形成した。このTa配線からなるヒーター部とホウ素ドープダイヤモンドとの間は絶縁性ダイヤモンドであるため、電気的に分離されている。

このようにして作った電子放出素子を、図５に示すように、加熱用電極端子が露出したホルダーにマウントし、電子放出陰極と電気的接合を取るためカソードキャップをかぶせて固定した。そして、これを加速電極及び制御電極が収納された真空チャンバ内に設置した。

その状態で、真空チャンバ内を1×10^-7 Torrに減圧排気し、加速電極に1kV、制御電極に500Vの電圧をかけて、電子放出陰極の表面から電子を放出させた。次いで、ヒーター部を加熱通電して、電子放出陰極を400℃まで加熱することにより、電子放出電流の増加が見られた。

本実施例は、上記の第４実施形態に対応するものである。

まず、図６に示すような電子放出素子を形成した。具体的には、高温高圧法で合成したIIａダイヤモンド単結晶の(100)面に、マイクロ波プラズマCVD法を用いてドーパントガスを変えてp型のホウ素ドープダイヤモンドを形成した。このとき、合成温度を830℃、メタン／水素ガス流量比を6.0％、ホスフィン／メタンガス流量比を167ppmとして、膜厚10μmのホウ素ドープダイヤモンドを形成した。次いで、成膜した側とは反対のIIａダイヤモンド単結晶基板の裏面にスパッタ法によりＷを成膜し、フォトリソグラフィーとエッチングで加熱用配線（ヒーター部）を形成した。

このようにして作った電子放出素子を、図６に示すように、加熱用電極端子が露出したホルダーにマウントし、電子放出陰極と電気的接合を取るためカソードキャップをかぶせて固定した。そして、これを加速電極、制御電極及び輻射加熱用ワイヤが収納された真空チャンバ内に設置した。

その状態で、真空チャンバ内を1×10^-7 Torrに減圧排気し、加速電極に1kVの電圧をかけて、電子放出素子から電子を放出させた。次いで、ヒーター部及び輻射加熱用ワイヤを通電加熱し、電子放出陰極を600℃まで加熱することにより、電子放出電流の増加が見られた。また、輻射加熱用ワイヤによる輻射加熱によってイオン化・ラジカル化された雰囲気中の残留水素がダイヤモンド表面に照射され、ｐ型ホウ素ドープダイヤモンドの表面が水素終端化され続けるため、長期間にわたって電子放出特性が変化せず安定した。

本実施例は、上記の第５実施形態に対応するものである。

まず、図７に示すような電子放出素子を形成した。具体的には、高温高圧法で合成したIIａダイヤモンド単結晶の(100)面に、マイクロ波プラズマCVD法を用いてドーパントガスを変えてｐ型のホウ素ドープダイヤモンドを形成した。このとき、合成温度を830℃、メタン／水素ガス流量比を6.0％、ジボラン／メタンガス流量比を8.3ppmとして、膜厚10μmのホウ素ドープダイヤモンドを形成した。次いで、ホウ素ドープダイヤモンドの表面にスパッタ法でAlを成膜し、フォトリソグラフィーでドット状にパターニングした。これをRIE法でエッチングし、高さ5μmの先鋭な突起部（エミッタ）を作成した。更に、ホウ素ドープダイヤモンド上に絶縁体及び電極部を形成し、フォトリソグラフィーを用いてSpindt型の冷陰極および制御電極の回路を形成した。次いで、成膜した側とは反対のIIａダイヤモンド単結晶基板の裏面にスパッタ法によりTaを成膜し、フォトリソグラフィーとウェットエッチングで加熱用配線（ヒーター部）を形成した。

このようにして作った電子放出素子を、図７に示すように、加熱用電極端子が露出したホルダーにマウントし、電子放出素子とヒーター端子、陰極用端子、制御電極用端子とを接続した。また、電子放出素子から１００μｍの距離を隔てて対向陽極を電子放出素子と対向するように設置し、電流増幅素子を形成した。そして、真空封止キャップをホルダーに固定させた。

その状態で、ホルダー及び真空封止キャップで形成される真空チャンバ内を5×10^-7 Torrに減圧排気して封止した。次いで、電子放出陰極を400℃まで加熱した後、対向陽極に1000V、電極部に50Vの電圧をかけることで、低電圧で安定した放出電流が得られた。また、ヒーター部と電子放出陰極とが電気的に絶縁されているため、加熱制御によるノイズが電子放出陰極に乗ることなく、安定した電流増幅動作が得られた。

本発明に係る電子線源の第１実施形態に設けられる電子放出素子を示す断面図である。 図１に示す電子放出素子の裏面図である。 本発明に係る電子線源の第１実施形態を示す断面図である。 本発明に係る電子線源の第２実施形態を示す断面図である。 本発明に係る電子線源の第３実施形態を示す断面図である。 本発明に係る電子線源の第４実施形態を示す断面図である。 本発明に係る電子線源の第５実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１…電子放出素子、２…電子放出陰極、３…ヒーター部、４…電子放出部、５…絶縁部、６…温度センサ、７…電子線源、１３…加速電極（電子引出電極）、１４…制御電極、２０…電子線源、２１…電子放出素子、２２…ヒーター部、３０…電子線源、３１…電子放出素子、３２…突起部、３４…電極部（制御電極）、４０…電子線源、４１…輻射加熱用ワイヤ、５０…電子線源、５４…対向陽極（電子引出電極）。

Claims (12)

1. ダイヤモンドで形成された電子放出陰極と、
   前記電子放出陰極と一体化され、前記電子放出陰極を加熱させるヒーター部とを備え、
   前記電子放出陰極は、表面から電子が放出される電子放出部と、前記ヒーター部と前記電子放出部と電気的に絶縁させる絶縁部とを有することを特徴とする電子放出素子。
2. 前記ヒーター部は、前記絶縁部における前記電子放出部の表面と反対側の面に設けられていることを特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
3. 前記ヒーター部は、前記絶縁部の内部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の電子放出素子。
4. 前記電子放出部の表面が水素終端されてい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。
5. 前記電子放出部の表面には、先鋭な突起部が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の電子放出素子。
6. 前記電子放出陰極の温度を検出する温度センサを備え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。
7. 請求項１〜６のいずれか一項記載の電子放出素子と、
   前記電子放出素子の前記電子放出部の表面側に間隔を隔てて配置され、前記電子放出部の表面から電子を放出させるための電子引出電極とを備えたことを特徴とする電子線源。
8. 前記電子放出部と前記電子引出電極との間に配置され、前記電子放出部の表面からの電子の放出量を制御するための制御電極を更に備えることを特徴とする請求項７記載の電子線源。
9. 前記電子放出部の表面側に間隔を隔てて配置され、前記電子放出部を輻射加熱させる手段を更に備えることを特徴とする請求項７または８記載の電子線源。
10. 請求項７〜９のいずれか一項記載の電子線源を用意し、前記電子引出電極に電圧を印加すると共に、前記ヒーター部により前記電子放出陰極を加熱することにより、前記電子放出部の表面から電子を放出させることを特徴とする電子放出制御方法。
11. 前記ヒーター部により前記電子放出陰極を６００℃以下の温度で加熱させることを特徴とする請求項１０記載の電子放出制御方法。
12. 前記ヒーター部により前記電子放出陰極を６００〜１５００℃の温度で加熱させることを特徴とする請求項１０記載の電子放出制御方法。

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