JP2006331998A

JP2006331998A - 平面電子源

Info

Publication number: JP2006331998A
Application number: JP2005157595A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Kaneko; 哲弥金子; Hirohisa Hiraki; 博久平木; Hirooki O; 宏興王; Minami Ko; 南江
Original assignee: Dialight Japan Co Ltd
Current assignee: Dialight Japan Co Ltd
Priority date: 2005-05-30
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2006-12-07

Abstract

【課題】低温、低真空環境で安定して多量の電子を高配向に放出することができる電子源を提供すること。
【解決手段】平面状の陰極面２を有する陰極３を備え、この平面状陰極面２に、多数のナノオーダの壁状炭素薄片５が陰極面２に対して所定方向に高配向しかつ平面方向に集合連成された形態を備えたＣＮＷ膜４を設けてなり、当該ＣＮＷ膜４全面から電子を上記所定方向にかつＣＮＷ膜４の電子放出方向への投影面積に対応した面積を有する平面パターンにて放出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子顕微鏡用、半導体検査装置用、半導体製造装置用、プラズマ発生装置用、イオンプレーティング用、その他の装置に用いることができる平面電子源に関するものである。

従来の電子源にはＬａＢ６電子源、ＺｒＯ／Ｗ（１００）電子源、ＹＯ／Ｗ（１００）電子源、等がある（特許文献１、特許文献２等参照）。これら電子源は、針状電極の先端にＬａＢ６、ＺｒＯ／Ｗ等を被覆したものである。また、従来の電子源には平面電子源もある（特許文献３、特許文献４等参照）。
特開２００２−１８２５５１号公報特開２００４−３４５０７１号公報特開２０００−３５７６４８号公報特開２００１−６５２９号公報

上記従来の電子源は、作動温度が超高温（例えば１８００℃ないし２０００℃）であり、また、その安定動作環境が超高真空環境（例えば１０^-8Ｐａ）である、という苛酷な条件におかれる。そのため、従来の電子源を備えた上記各種装置においては、高価で取り扱い複雑な冷却設備が必要であったり超高真空排気設備が必要であったりして製造側からは製造コストが極めて高価になり、購入側からは購入コストが高価、また、操作（オペレーション）コストもかかるうえ取り扱いも長時間要するうえ、習熟性も要求されるなど、の課題が多い。また、従来の電子源は、針状電極先端から放出した電子のビーム径を高電子密度を保ちつつ大きく拡径する場合、電極先端が放出電子量の増大に伴う発熱で蒸発等の不具合があり、また、電子ビームの拡径には複雑なビーム制御が要求される、などの問題がある。特に、従来の電子源は、大電流（大電子量）が要求される場合、針状電極先端からはその要求に対応し難い。さらに、従来の電子源では、１本の針状電極の先端から放出する電子はそのビーム径が広がり易く、軌道が変形しやすいため、電子をコリメートするべく多数の部材が必要となり、構造複雑化、高価格化する。

一方、平面電子源としたものも提案されているが、それらは上記と同様の課題があり、実用性のある平面電子源は見当たらないのが現状である。また、電界放出型の電子源が提案としてあるが、平面電子源で実用性を備えたものは無かった。

本発明による平面電子源は、所定の陰極面形状を有する陰極を備え、この陰極面に、多数のナノオーダの壁状炭素薄片が所定の電子放出方向に高配向しかつ平面方向に集合連成された形態のカーボンナノウォール（ＣＮＷ）膜を設けてなり、当該ＣＮＷ膜全面から電子を上記所定方向にかつＣＮＷ膜の電子放出方向への投影面積に対応した面積を有する平面パターンにて放出することを特徴とするものである。

このＣＮＷ膜は電気伝導度の高いグラファイトに近い結晶構造を持ち、数十層のグラフェンシートからなり、電圧印加により端部である壁状上面で高い電界集中が起こって電子放出するものである。

上記所定方向は垂直方向であることが好ましい。

本発明の平面電子源は、電子放出材料がＣＮＷ膜であるから電子放出を低温かつ低真空環境で可能であり、従来の電子源のように冷却設備や超高真空のための排気設備が不要化し、製造コスト低減、かつ取り扱い性に優れたものとなる。

また、本発明では、ＣＮＷ膜の電子放出方向への投影面積に対応した面積を有するビーム広がりの平面パターンにて放出するから、従来の針状電極先端から電子ビームを放出する電子源とは異なって、電極先端の発熱による蒸発等の不具合が無く、また、電子ビームの複雑な制御も不要化する。

さらに、本発明では、ＣＮＷ膜が陰極面に垂直な方向に高配向に形成されているから、電子軌道が変形しにくく電子をコリメートする等の収束部材が不要化し、構造簡易、低価格化が可能である。

本発明によれば、低温、低真空環境下で多量の電子（大電流）を高配向にかつ大面積の平面内に放出することが可能な平面電子源を提供することができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る平面電子源を説明する。図１は本実施の形態の平面電子源の側面断面図である。図１に示す平面電子源１は、陰極面２が円形、矩形、その他の任意の平面形状の陰極３を備え、この陰極面２に電子放出材料としてＣＮＷ膜４を設けたものである。このＣＮＷ膜４は、高配向した多数の壁状炭素薄片（壁状部）５の集合体が平面内に連成した成膜形態となっている。ＣＮＷ膜４は、電気伝導度の高いグラファイトに近い結晶構造を持ち、数十層のグラフェンシートからなり、電圧印加により端部である壁状部５の上面６で高い電界集中が起こってＣＮＷ膜４全体から矢印７で示すように平面パターンにて電子放出するものである。この平面パターンは、電子放出方向７が陰極面２に垂直であれば、陰極面２の平面形状に対応する。以上のように、多数の壁状部５それぞれの平面方向の連成により平面体形状とされたＣＮＷ膜４（炭素膜平面体）が構成され、そのＣＮＷ膜４を形成する多数の壁状部５の上端面６全体から矢印７方向に陰極面２の平面パターンに対応したビーム形状にて電子放出が行われるため、大量の電子を平面状に放出させることが可能である。ＣＮＷ膜４は熱的安定性、機械的強度に優れており、低真空環境下でも安定した電子放出特性を有する。

ＣＮＷ膜４の高配向について図２を参照して説明する。ＣＮＷ膜４は、プラズマＣＶＤ法により陰極面２上に多数の壁状部（壁状炭素薄片）５が所定方向（陰極面２に対する立設角度θ）、実施形態では陰極面２に対する壁状部５の立設（傾き）角度θが垂直（９０度）ないしはほぼ垂直方向に成膜されたものであり、この成膜状態は、陰極面２に対して壁状部５が垂直（９０度）配向状態に対して９０度前後に多数の壁状部５が配向している場合、配向性があり、高配向はこの９０度配向ないしは９０度近傍に配向している割合が高い状態である。図２では立設角度θを９０度となし、その前後±Δθに配向して平均して９０度の場合である。ただし、陰極面２に対して９０度である必要はなく、電子放出方向に対して陰極面２が傾斜面を有する場合、電子放出方向に壁状部５が平行となるように、すなわち、陰極面２に対して傾斜した状態に立設あるいは成膜されてもよい。

ＣＮＷ膜４の壁状部５は両側壁面５ａ，５ｂと上壁面（端部）５ｃからなり、この上壁面５ｃに電界集中が起こって該上壁面５ｃから電子放出が行われる。また、ＣＮＷ膜４は、比較的低温でかつ１０^-1ないし１０^-2Ｐａ程度の低真空環境下でも電子放出が行われるなど、環境負荷が極めて小さい。

以上の平面電子源１においては、図３で示すようにその前方に、網目状をなし制御電圧（例えば３ｋＶないし１０ｋＶ）に応じてＣＮＷ膜４から電子を引き出す制御電極８と、陰極３との間で高電圧（例えば１０数ｋＶないし１００ｋＶ）を印加されてＣＮＷ膜４が放出した電子を、矢印１０方向に加速させる陽極９とを有する。

以上説明した本実施の形態の平面電子源１においては、電子放出材料がＣＮＷ膜４であるから電子放出を低温かつ低真空環境で可能であり、従来の電子源のように冷却設備や超高真空のための排気設備が不要化し、製造コスト低減、かつ取り扱い性に優れたものとなる。

また、本実施の形態の平面電子源１は、電子を平面状に放出するから、従来の針状電極先端から電子ビームを放出する電子源とは異なって、電極先端の発熱による蒸発等の不具合が無く、また、電子ビームの複雑な制御も不要化する。

さらに、本実施の形態の平面電子源１は、ＣＮＷ膜４が陰極面２に垂直な方向に高配向に形成されているから、電子軌道が変形しにくく電子をコリメートする等の収束部材が不要化し、構造簡易、低価格化が可能である。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、種々な変更ないしは変形を含むものである。

本発明の実施の形態に係る平面電子源の構成を示す図である。図１の平面電子源の配向性カーボンナノウォール膜を示す図である。平面電子源と制御電極と陽極とを示す図である。

符号の説明

１平面電子源
２陰極面
３陰極
４ＣＮＷ膜
５壁状部（壁状炭素薄片）
６電子放出面
７電子ビーム
８制御電極
９陽極
１０電子ビーム

Claims

所定の陰極面形状を有する陰極を備え、この陰極面に、多数のナノオーダの壁状炭素薄片が所定の電子放出方向に高配向しかつ平面方向に集合連成された形態のカーボンナノウォール（ＣＮＷ）膜を設けてなり、当該ＣＮＷ膜全面から電子を上記所定方向にかつＣＮＷ膜の電子放出方向への投影面積に対応した面積を有する平面パターンにて放出する、ことを特徴とする平面電子源。