JP2007265924A - Diamond electron source element - Google Patents

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暁彦 難波
Yoshiki Nishibayashi
良樹 西林
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貴浩 今井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a diamond electron source element having a sufficiently improved life characteristic because a surface of a diamond electron source terminated by hydrogen has a problem wherein termination hydrogen is separated by collision of hydrogen ions accelerated and having large energy and, as a result, electron emission capability rapidly declines. <P>SOLUTION: In this diamond electron source element, a surface of an electron emission part is formed with a diamond terminated by hydrogen atoms, and not less than 0.02% within the hydrogen atoms are deuterium atoms and/or tritium atoms. In addition, it is preferable that not less than 1.2% within carbon atoms constituting the foremost layer of the diamond are carbon atoms each having a mass number of 13 and/or carbon atoms each having a mass number of 14. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、ダイヤモンドを電子放出材料として使用したダイヤモンド電子源素子に関する。   The present invention relates to a diamond electron source element using diamond as an electron emission material.

ダイヤモンドを半導体材料としてみた場合、バンドギャップが約5.5eVと大きいため、パワーデバイスや紫外線発光デバイスへの応用が期待されている。またこの大きなバンドギャップのために伝導体下端と真空準位のエネルギー差が小さく、さらに非特許文献1に記載されているように真空準位が伝導体下端よりも低いエネルギー位置にある負性電子親和力(Negative Electron Affinity;NEA)という類稀な物性が明らかとなっ
て以来、電子放出デバイスへの応用も期待されている。
When diamond is used as a semiconductor material, since the band gap is as large as about 5.5 eV, application to power devices and ultraviolet light emitting devices is expected. Further, because of this large band gap, the energy difference between the lower end of the conductor and the vacuum level is small, and further, as described in Non-Patent Document 1, negative electrons in which the vacuum level is at an energy position lower than the lower end of the conductor. Since a rare physical property called “Negative Electron Affinity” (NEA) has been clarified, application to electron-emitting devices is also expected.

現在使用されている電子源は、タングステンフィラメントのような仕事関数は4.5eVと大きいが耐熱性のある金属を2800K前後の高温に加熱して電子を真空中に取り出す熱陰極電子源、LaB6(六ほう化ランタン)のような仕事関数が2.6eVと小さい
材料を1800K前後の高温にして電子を真空中に取り出す熱陰極電子源、ZrO/W(ジルコニアタングステン)のように先鋭なタングステン針に酸化ジルコニウムをコーティングして仕事関数を2.7eVまで下げて、1800K前後の温度と高電界で電子を真空中に取り出す熱電界放出電子源、先鋭なタングステン針に室温・高電界で電子を真空中に取り出す電界放出電子源、等がある。一方、ダイヤモンドにおいては先述の負性電子親和力を上手く活かすことができれば、高温や高電界の必要がなくなるために省エネルギーな電子源が作製可能であり、特許文献1や特許文献2のようなダイヤモンドを用いた電子源が提案されている。
The electron source currently used is a hot cathode electron source, LaB 6 , which heats a metal having a heat function as high as 4.5 eV such as a tungsten filament but heat-resistant metal to a high temperature of around 2800 K to extract electrons into a vacuum. A hot cathode electron source for extracting electrons into a vacuum by using a material having a work function as small as 2.6 eV (lanthanum hexaboride) as high as about 1800 K, and a sharp tungsten needle like ZrO / W (zirconia tungsten) Zirconium oxide is coated to lower the work function to 2.7 eV, and a thermal field emission electron source that takes out electrons in a vacuum at a temperature of about 1800 K and a high electric field. A sharp tungsten needle is vacuumed at room temperature and a high electric field. There are field emission electron sources to be taken out. On the other hand, in diamond, if the negative electron affinity described above can be utilized well, an energy-saving electron source can be produced because there is no need for high temperature and high electric field. The electron source used has been proposed.

ダイヤモンドが負性電子親和力を有する状態、すなわち、電子を放出しやすい状態とは、ダイヤモンド表面の状態が限られた時にのみ起こることがわかっている。その状態とは、ダイヤモンド表面が水素原子で覆われている、つまり、ダイヤモンド表面の終端原子が水素原子である状態である。逆に、ダイヤモンド表面から水素を除けばダイヤモンドを電子源として使用するメリットが小さくなってしまう。このため、特許文献3の電子管のように気密容器内の水素分圧を1×10-6〜1×10-3Torrの範囲で封入したり、特許文
献4の放電灯のように放電等内の水素分圧を維持して電子放出効率の低下を抑制するために水素吸蔵合金を具備したりする等、用いられるダイヤモンド電子放出陰極の水素終端表面を維持する手段を備えた応用製品が提案されている。
F.J. Himpsel et al., Phys. Rev. B, 20, 624-627p(1979) 特開平4−67527号 特開平5−152640号 特開平10−116555号 特開2005−108564
It has been found that a state in which diamond has a negative electron affinity, that is, a state in which electrons are likely to be emitted, occurs only when the state of the diamond surface is limited. The state is a state in which the diamond surface is covered with hydrogen atoms, that is, the terminal atoms on the diamond surface are hydrogen atoms. Conversely, if hydrogen is removed from the diamond surface, the merit of using diamond as an electron source is reduced. For this reason, the hydrogen partial pressure in the hermetic vessel is sealed in the range of 1 × 10 −6 to 1 × 10 −3 Torr as in the electron tube of Patent Document 3, or in the discharge or the like as in the discharge lamp of Patent Document 4. Application products equipped with means to maintain the hydrogen termination surface of the diamond electron emission cathode used have been proposed, such as having a hydrogen storage alloy to maintain the hydrogen partial pressure of the metal and suppressing the decrease in electron emission efficiency. ing.
FJ Himpsel et al., Phys. Rev. B, 20, 624-627p (1979) JP-A-4-67527 JP-A-5-152640 JP-A-10-116555 JP-A-2005-108564

しかし、ダイヤモンド電子源陰極を用いる場合で、前記のように雰囲気中の水素分圧を調整することが困難な場合がある。例えば、電子顕微鏡や電子線露光機等の10-5〜10-7Pa程度の超高真空環境に保たれた電子銃室においてLaB6やZrO/W等の電子源の代わりにダイヤモンド電子源を使用する場合である。この場合はさらに、ダイヤモンド電子源から放出された電子をビームとして引き出すために、ダイヤモンド電子源に対して数kVの引き出し電圧や、電子ビームを観察・露光に必要な所定のエネルギーに加速するた
めに数十kVの加速電圧が印加されている。このため、超高真空領域での残留ガス成分で支配的な水素が、加速された電子に衝突してイオン化し、引き出し電圧や加速電圧によって電子とは逆方向であるダイヤモンド電子源に向かって加速し、最終的にはダイヤモンド電子源表面に衝突する。水素で終端されたダイヤモンド電子源の表面は、加速されて大きなエネルギーを持つ水素イオンの衝突で終端水素が脱離する結果、電子放出能力が急激に衰えてしまい競合電子源と比較して優位といえる寿命が得られないという問題があった。
そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、寿命特性が十分に改善されたダイヤモンド電子源素子を提供することを目的とする。
However, when a diamond electron source cathode is used, it may be difficult to adjust the hydrogen partial pressure in the atmosphere as described above. For example, in an electron gun chamber maintained in an ultrahigh vacuum environment of about 10 −5 to 10 −7 Pa such as an electron microscope or an electron beam exposure machine, a diamond electron source is used instead of LaB 6 or ZrO / W. This is the case. In this case, in order to extract electrons emitted from the diamond electron source as a beam, a voltage of several kV with respect to the diamond electron source or to accelerate the electron beam to a predetermined energy necessary for observation / exposure. An acceleration voltage of several tens of kV is applied. For this reason, hydrogen, which is dominant in the residual gas component in the ultra-high vacuum region, collides with the accelerated electrons and ionizes, and is accelerated toward the diamond electron source in the opposite direction to the electrons by the extraction voltage and acceleration voltage. Finally, it collides with the surface of the diamond electron source. The surface of the diamond electron source terminated with hydrogen is superior to the competitive electron source because the terminal hydrogen is desorbed by collision of hydrogen ions with high energy that are accelerated, and the electron emission capability declines rapidly. There was a problem that the life that can be said was not obtained.
Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a diamond electron source element with sufficiently improved life characteristics.

上記課題を解決するために、本発明によるダイヤモンド電子源素子は、電子放出部の表面が水素原子で終端されたダイヤモンドが用いられており、その水素原子のうち、0.02%以上が重水素原子(D)および\または三重水素原子(T)であることを特徴とする。
このダイヤモンド電子源素子においては、電子放出部のダイヤモンド表面を覆う水素原子のうち、重水素原子(D)および\または三重水素原子(T)が、地球上での重水素原子(D)の存在割合より大きい0.02%以上含まれている。地球上には3種類の水素原子、すなわち、軽水素原子(H)、重水素原子(D)、三重水素原子(T)が存在するが、これらの化学的性質は同じであるので、ダイヤモンド表面の終端原子がこれらのいずれであっても負性電子親和力が得られる。一方で、質量数は軽水素原子(H)に対して重水素原子(D)で2倍、三重水素原子(T)で3倍異なり、ダイヤモンドの最表層の炭素原子(C)との結合で、C−H結合よりもC−D結合やC−T結合の方が結合エネルギーが大きいために切断されにくい。従って、10-5Pa以下の超高真空環境における残留ガス
として支配的な軽水素ガス(H2)が電子衝撃によってイオン化し、軽水素イオン(H+)となって、水素終端ダイヤモンド表面に衝突する際、ダイヤモンド表面の終端水素原子のうち重水素原子(D)や三重水素原子(T)の割合が少なくとも地球上の存在割合より大きい0.02%以上であると、対軽水素イオン(H+)衝撃性が強くなり水素終端表面が
比較的長時間維持される結果、ダイヤモンド電子源素子の寿命特性が改善される。ここで、本発明においては、「水素」は質量数1、2、及び3の同位体全てを指し、「軽水素(H)」は質量数1、「重水素(D)」は質量数2、「三重水素(T)」は質量数3を指すものとする。
In order to solve the above problems, the diamond electron source element according to the present invention uses diamond whose surface of the electron emission portion is terminated with hydrogen atoms, and 0.02% or more of the hydrogen atoms are deuterium. Atom (D) and \ or tritium atom (T).
In this diamond electron source element, deuterium atoms (D) and / or tritium atoms (T) among the hydrogen atoms covering the diamond surface of the electron emission part are present in the deuterium atoms (D) on the earth. More than 0.02% is included. There are three types of hydrogen atoms on the earth, namely light hydrogen atoms (H), deuterium atoms (D), and tritium atoms (T). A negative electron affinity can be obtained regardless of which of these terminal atoms. On the other hand, the mass number differs from that of light hydrogen atom (H) by 2 times for deuterium atom (D) and 3 times by tritium atom (T), and is bonded to carbon atom (C) on the outermost layer of diamond. The C—D bond and the C—T bond have a higher binding energy than the C—H bond, and are not easily broken. Therefore, light hydrogen gas (H 2 ), which is dominant as a residual gas in an ultrahigh vacuum environment of 10 −5 Pa or less, is ionized by electron impact and becomes light hydrogen ions (H + ), colliding with the hydrogen-terminated diamond surface. When the proportion of deuterium atoms (D) and tritium atoms (T) among the terminal hydrogen atoms on the diamond surface is 0.02% or more, which is at least larger than the existence ratio on the earth, + ) As a result of strong impact and maintaining the hydrogen-terminated surface for a relatively long time, the life characteristics of the diamond electron source element are improved. Here, in the present invention, “hydrogen” refers to all isotopes having mass numbers 1, 2, and 3, “light hydrogen (H)” is mass number 1, and “deuterium (D)” is mass number 2. , “Tritium (T)” refers to a mass number of 3.

また、本発明によるダイヤモンド電子源素子は、電子放出部のダイヤモンドの最表層を構成する炭素原子(C)のうち、1.2%以上が質量数13(13C)および\または質量数14の炭素原子(14C)であることを特徴とする。
このダイヤモンド電子源素子においては、電子放出部のダイヤモンド最表面の炭素原子(C)のうち、質量数13の炭素原子(13C)および\または質量数14の炭素原子(14C)が、地球上での質量数13の炭素原子(13C)の存在割合より大きい1.2%以上含まれている。地球上には3種類の炭素原子(C)、すなわち、質量数12の炭素原子(12C)、質量数13の炭素原子(13C)、質量数14の炭素原子(14C)が存在するが、これらの化学的性質は同じであるので、これらの割合が異なってもダイヤモンドの化学的性質は同じである。一方、先述の水素と同様、質量数が異なるので、12C−H結合よりも13C−H結合や14C−H結合の方が結合エネルギーが大きいために切断されにくい。同様に12C−D結合よりも13C−D結合や14C−D結合の方が、12C−T結合よりも13C−T結合や14C−T結合の方が結合エネルギーが大きく切断されにくい。従って、ダイヤモンドの最表層の炭素原子(C)のうち質量数13の炭素原子(13C)、質量数14の炭素原子(14C)の割合が少なくとも地球上の質量数13の炭素原子(13C)の存在割合より大きい1.2%以上であると、対軽水素イオン(H+)衝撃性をさらに高くすることができる
結果、さらにダイヤモンド電子源素子の寿命が改善される。
In the diamond electron source element according to the present invention, 1.2% or more of the carbon atoms (C) constituting the outermost layer of diamond in the electron emission portion have a mass number of 13 ( 13C ) and / or a mass number of 14. It is a carbon atom ( 14 C).
In this diamond electron source element, among the carbon atoms (C) on the diamond outermost surface of the electron emission portion, carbon atoms having a mass number of 13 ( 13 C) and / or carbon atoms having a mass number of 14 ( 14 C) are It is contained 1.2% or more which is larger than the abundance ratio of carbon atoms ( 13C ) having a mass number of 13 above. On the earth three carbon atoms (C), i.e., carbon atoms (12 C) of the mass number 12, carbon atoms (13 C) of the mass number 13, there are carbon atoms (14 C) of the mass number of 14 However, since these chemical properties are the same, even if these proportions are different, the chemical properties of diamond are the same. On the other hand, since the mass numbers are different as in the hydrogen described above, the 13 C—H bond and the 14 C—H bond are less likely to be cleaved than the 12 C—H bond because the bond energy is higher. Similarly 12 C-D toward the 13 C-D bond and 14 C-D bonds than bonds, 12 C-T than the binding 13 C-T bond and 14 C-T bond bonding energy towards the large cutting It is hard to be done. Accordingly, the proportion of carbon atoms ( 13 C) having a mass number of 13 and carbon atoms having a mass number of 14 ( 14 C) in the carbon atoms (C) of the outermost layer of diamond is at least a carbon atom having a mass number of 13 on the earth ( 13 When the content is 1.2% or more, which is greater than the proportion of C), the impact to light hydrogen ions (H + ) can be further enhanced, and the life of the diamond electron source element is further improved.

本発明によれば、電子顕微鏡や電子線露光機等の電子線機器において使用されるダイヤモンド電子源素子において、改善された寿命特性が得られる電子源素子が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electron source element which can obtain the lifetime characteristic improved in the diamond electron source element used in electron beam apparatuses, such as an electron microscope and an electron beam exposure machine, is provided.

以下、添付図面を参照して、本発明に係るダイヤモンド電子源素子の好適な実施形態について詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複説明を省略する。また、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致していない。   Hereinafter, preferred embodiments of a diamond electron source element according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to the following embodiments. In the description of the drawings, the same reference numerals are given to the same elements, and duplicate descriptions are omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.

まず、本発明のダイヤモンド電子源素子の作製例を作製工程順に述べる。
−工程I−
図1に示すような先鋭化したダイヤモンド単結晶1を準備する。ダイヤモンド単結晶は高温高圧合成や気相合成で製造されたものであっても、天然であっても良い。また、結晶の質は不純物混入がほとんどないa型、窒素が混入しているIa型やIb型、ホウ素が混入しているIIb型、ホウ素が混入したIb型いずれでも使用可能である。サイズは最大2mm×2mm×5mmまでが好適に使用可能である。先鋭化加工は機械研磨、放電加工、反応性イオンエッチング(RIE)、収束イオンビーム(FIB)等のいずれの手段を用いて形成しても良い。先鋭部の先端2は複数面の傾斜面で形成される。本発明のダイヤモンド電子源素子は、先鋭部を構成する面のうち少なくとも1面は{111}面であることが望ましい。例えば、図1に示すように4面の{111}面3で形成しても良い。 {111}面では気相成長でn型不純物であるリンが効率良くドーピングできるので、優れた電子放出特性が得られるn型ダイヤモンド半導体が効率良く形成できる。
First, a manufacturing example of the diamond electron source element of the present invention will be described in the order of manufacturing steps.
-Step I-
A sharpened diamond single crystal 1 as shown in FIG. 1 is prepared. The diamond single crystal may be produced by high-temperature high-pressure synthesis or gas-phase synthesis, or may be natural. In addition, the crystal quality can be any of the a type with almost no impurities mixed, the Ia type or Ib type mixed with nitrogen, the IIb type mixed with boron, or the Ib type mixed with boron. A maximum size of 2 mm × 2 mm × 5 mm can be suitably used. The sharpening process may be formed using any means such as mechanical polishing, electric discharge machining, reactive ion etching (RIE), and focused ion beam (FIB). The tip 2 of the sharpened portion is formed by a plurality of inclined surfaces. In the diamond electron source element of the present invention, it is desirable that at least one of the surfaces constituting the sharpened portion is a {111} plane. For example, as shown in FIG. 1, four {111} planes 3 may be formed. On the {111} plane, phosphorus, which is an n-type impurity, can be efficiently doped by vapor phase growth, so that an n-type diamond semiconductor capable of obtaining excellent electron emission characteristics can be formed efficiently.

−工程II−
図2のように、先鋭部の先端5を形成する{111}面の4面にリンドープダイヤモンド薄膜4をエピタキシャル成長して形成する。成長法としてはマイクロ波プラズマCVD法が好適に使用可能である。原料ガスは水素(H2)ガス、メタン(CH4)ガス、フォスフィン(PH3)ガスが好適に使用可能であるが、本発明のダイヤモンド電子源素子を作
製するために、メタン(CH4)ガス中の炭素原子(C)のうち1.2%以上が質量数1
3(13C)および\または質量数14の炭素原子(14C)であるメタン(CH4)ガスを
用いる。こうすることで、成長したリンドープダイヤモンド薄膜4はダイヤモンドを構成する炭素原子(C)のうち1.2%以上が質量数13の炭素原子(13C)および\または質量数14の炭素原子(14C)で構成される結果、リンドープダイヤモンド薄膜4の最表層を構成する炭素原子(C)のうち、1.2%以上が質量数13の炭素原子(13C)および\または質量数14の炭素原子(14C)となる。リンドープダイヤモンド薄膜4中のリン(P)濃度は5×1015cm-3以上が本発明のダイヤモンド電子源素子に適しているが、さらに好ましくは5×1019cm-3以上でリンドープダイヤモンド薄膜4の抵抗値がより低くなるので好ましい。リンドープダイヤモンド薄膜4の膜厚は次の先鋭部形状補正工程を考えると1μm以上が好ましく、10μmあれば本発明の電子源素子として十分に機能する。リンドープダイヤモンド薄膜4の代わりにホウ素ドープダイヤモンド薄膜を成長しても良い。
-Step II-
As shown in FIG. 2, the phosphorus-doped diamond thin film 4 is formed by epitaxial growth on the four {111} planes that form the sharpened tip 5. A microwave plasma CVD method can be suitably used as the growth method. As the source gas, hydrogen (H 2 ) gas, methane (CH 4 ) gas, and phosphine (PH 3 ) gas can be preferably used. In order to produce the diamond electron source element of the present invention, methane (CH 4 ) 1.2% or more of the carbon atoms (C) in the gas has a mass number of 1
3 ( 13 C) and / or methane (CH 4 ) gas having a mass of 14 carbon atoms ( 14 C) is used. In this way, the grown phosphorus-doped diamond thin film 4 has 1.2% or more of carbon atoms (C) constituting the diamond having a mass number of 13 carbon atoms ( 13 C) and / or a mass number of 14 carbon atoms ( As a result of 14 C), 1.2% or more of the carbon atoms (C) constituting the outermost layer of the phosphorus-doped diamond thin film 4 are carbon atoms having a mass number of 13 ( 13 C) and / or a mass number of 14 Of carbon atoms ( 14 C). The phosphorus (P) concentration in the phosphorus-doped diamond thin film 4 is 5 × 10 15 cm −3 or more suitable for the diamond electron source element of the present invention, but more preferably 5 × 10 19 cm −3 or more. Since the resistance value of the thin film 4 becomes lower, it is preferable. The film thickness of the phosphorus-doped diamond thin film 4 is preferably 1 μm or more in consideration of the following sharpened portion shape correction step, and if it is 10 μm, it sufficiently functions as the electron source element of the present invention. Instead of the phosphorus-doped diamond thin film 4, a boron-doped diamond thin film may be grown.

−工程III−
図2に示すように先鋭部を形状補正して、曲率半径1μm程度の球状先鋭部を形成し電子放出部5とする。ダイヤモンド電子源素子の用途によっては曲率半径10μm程度でも問題ない。加工方法は上述した先鋭化加工と同様、機械加工、放電加工、RIE、FIB等あらゆる加工手段が適用可能である。
-Step III-
As shown in FIG. 2, the shape of the sharpened portion is corrected, and a spherical sharpened portion having a curvature radius of about 1 μm is formed as the electron emitting portion 5. Depending on the use of the diamond electron source element, there is no problem even if the radius of curvature is about 10 μm. The machining method can be any machining means such as machining, electric discharge machining, RIE, and FIB as in the sharpening process described above.

−工程IV−
重水素(D2)を0.02%以上含む水素ガスで発生させたプラズマに電子放出部5を
曝して、電子放出部の0.02%以上を重水素原子(D)および\または三重水素原子(T)で終端する。プラズマに電子放出部5を1時間程度曝すことによって、表面は水素原子で終端され、その水素原子のうち、0.02%以上が重水素原子(D)および\または三重水素原子(T)となる。水素ガスを活性化させる方法としては、プラズマの他に熱フィラメントによる方法も好適に使用可能である。また、高温の水素雰囲気で熱処理しても水素終端が可能である。
-Step IV-
The electron emission portion 5 is exposed to a plasma generated with hydrogen gas containing 0.02% or more of deuterium (D 2 ), and 0.02% or more of the electron emission portion is deuterium atoms (D) and / or tritium. Terminate with an atom (T). By exposing the electron emission part 5 to plasma for about 1 hour, the surface is terminated with hydrogen atoms, and 0.02% or more of the hydrogen atoms are deuterium atoms (D) and / or tritium atoms (T). Become. As a method for activating hydrogen gas, a method using a hot filament in addition to plasma can be suitably used. Also, hydrogen termination is possible even if heat treatment is performed in a high-temperature hydrogen atmosphere.

−工程V−
図3のように向かい合った2面の{111}面上のリンドープダイヤモンド薄膜6について、ごく先端の電子放出部5のみリンドープダイヤモンド薄膜6が露出するようにリンドープダイヤモンド薄膜6に電子を供給する金属7を蒸着する。ダイヤモンド電子源素子は金属7によりリンドープダイヤモンド薄膜6に電子を供給すると共に通電加熱、あるいは電子放出に伴う加熱が起こるので蒸着金属としては融点が1,000℃以上のものを用いるのが好ましい。特に、炭化物(カーバイド)を形成する金属、例えば、チタン(Ti)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)等は、炭化物を形成時にリンドープダイヤモンド薄膜6とのコンタクトでショットキー特性がオーミック特性に近づくためにリンドープダイヤモンドに効率良い電子供給が可能になるため好適に使用可能である。
-Process V-
As for the phosphorus-doped diamond thin film 6 on the two {111} faces facing each other as shown in FIG. 3, electrons are supplied to the phosphorus-doped diamond thin film 6 so that only the electron emission portion 5 at the very tip is exposed. The metal 7 to be deposited is deposited. Since the diamond electron source element supplies electrons to the phosphorus-doped diamond thin film 6 by the metal 7 and is heated by energization or heating due to electron emission, it is preferable to use a deposited metal having a melting point of 1,000 ° C. or higher. In particular, the metal forming carbide (carbide), for example, titanium (Ti), tungsten (W), molybdenum (Mo), etc. has a Schottky characteristic that is ohmic due to contact with the phosphorus-doped diamond thin film 6 when the carbide is formed. Since it becomes possible to efficiently supply electrons to the phosphorus-doped diamond in order to approach, it can be suitably used.

以上、本発明のダイヤモンド電子源素子の作成例を作製工程順に示したが、形状は上記形状のみならず、先端がサブミクロン〜ナノメーターオーダーの先鋭部突起複数個をアレイ上に配置した形状や、ダイヤモンド多結晶表面の凹凸の凸部を電子放出点として利用する形状など、ダイヤモンドを電子放出部に用いたあらゆる形状のダイヤモンド電子源素子は本発明の範囲内である。   As mentioned above, although the preparation example of the diamond electron source element of the present invention has been shown in the order of the production process, the shape is not limited to the above-mentioned shape, Any shape of the diamond electron source element using diamond as the electron emission portion, such as a shape using the convex and concave portions of the surface of the polycrystalline diamond as an electron emission point, is within the scope of the present invention.

従来技術によれば、工程IIで作製されるリンドープダイヤモンド薄膜を気相成長で合成する時に使用するメタン(CH4)ガス中の炭素原子(C)は、地球上での質量数12C
の炭素原子(12C)、質量数13の炭素原子(13C)及び質量数14の炭素原子(14C)の存在割合と同じで、質量数12Cの炭素原子(12C)が98.89%、質量数13の炭素原子(13C)が1.1%、質量数14の炭素原子(14C)が極わずかである。従って、従来技術で合成されたリンドープダイヤモンド薄膜の最表層を構成する炭素原子(C)は、前記同位体比で構成される。
According to the prior art, the carbon atom (C) in the methane (CH 4 ) gas used when the phosphorus-doped diamond thin film produced in Step II is synthesized by vapor phase growth has a mass number of 12C on the earth.
Of carbon atoms ( 12 C), mass 13 carbon atoms ( 13 C) and mass 14 carbon atoms ( 14 C) are present in the same proportion, and carbon atoms ( 12 C) of mass 12 C are 98.89. %, Carbon atoms having a mass number of 13 ( 13 C) are 1.1%, and carbon atoms having a mass number of 14 ( 14 C) are negligible. Therefore, the carbon atom (C) constituting the outermost layer of the phosphorus-doped diamond thin film synthesized by the prior art is constituted by the isotope ratio.

また、従来技術によれば、工程IVで使用する水素ガス中の水素原子は、地球上での軽水素原子(H)、重水素原子(D)及び三重水素原子(T)の存在割合と同じで、軽水素原子(H)が99.983%、重水素原子(D)が0.016%、三重水素原子(T)が極わずかである。従って、従来技術で電子放出部を終端すれば、電子放出部のダイヤモンド表面の水素原子は、前記同位体比で構成される。   Further, according to the prior art, the hydrogen atoms in the hydrogen gas used in Step IV are the same as the existing proportions of light hydrogen atoms (H), deuterium atoms (D) and tritium atoms (T) on the earth. The light hydrogen atom (H) is 99.983%, the deuterium atom (D) is 0.016%, and the tritium atom (T) is very small. Therefore, if the electron emission portion is terminated by the conventional technique, the hydrogen atoms on the diamond surface of the electron emission portion are configured with the isotope ratio.

従来技術で作製したダイヤモンド電子源素子について、超高真空環境で通電加熱によりダイヤモンド電子源素子を加熱しながら加速電圧を印加して電子放出電流値の時間依存性を測定したところ、寿命特性が優れないことが判明した。また、この実験で同時に測定していた超高真空の軽水素分圧の時間依存性から、ダイヤモンド電子源素子表面からの水素脱離が、寿命特性が優れない原因であることも判明した。   The diamond electron source element fabricated by the conventional technology was measured for the time dependence of the electron emission current value by applying an acceleration voltage while heating the diamond electron source element by energization heating in an ultra-high vacuum environment. Not found out. In addition, the time dependence of the ultrahigh vacuum light hydrogen partial pressure, which was measured simultaneously in this experiment, also revealed that hydrogen desorption from the surface of the diamond electron source element was the cause of poor life characteristics.

発明者らは、水素脱離の原因、つまりダイヤモンド表面の炭素原子と終端水素原子の結合が切れる原因を、i:通電加熱による熱あるいは電子の流れによるもの、ii:電子放出によるもの、iii:イオン衝撃によるもの、と仮定して、原因特定のために鋭意研究を進
めた。その結果、iiiが最も寿命特性に効いていることを見出した。さらに、そのイオン
は、超高真空環境の残留ガスとして支配的な軽水素(H2)ガスが、加速された放出電子
と衝突して発生した軽水素イオン(H+)がほとんどであること、そして、その軽水素イ
オン(H+)は加速電圧で電子と逆の方向に加速され、ダイヤモンド電子源素子表面に衝
突し終端水素原子を脱離せしめることを見出した。
The inventors considered the cause of hydrogen desorption, that is, the cause of the breakage of the bond between the carbon atom on the diamond surface and the terminal hydrogen atom, i: due to heat by current heating or electron flow, ii: due to electron emission, iii: Assuming that it was due to ion bombardment, we conducted extensive research to identify the cause. As a result, it was found that iii was most effective for the life characteristics. Furthermore, the ions are mostly light hydrogen ions (H + ) generated by collision of light hydrogen (H 2 ) gas, which is dominant as a residual gas in an ultra-high vacuum environment, with accelerated emitted electrons, It was found that the light hydrogen ions (H + ) are accelerated in the direction opposite to the electrons by the acceleration voltage, collide with the surface of the diamond electron source element, and desorb the terminal hydrogen atoms.

この対策のために発明者らによる鋭意検討の結果、軽水素イオン(H+)の衝撃に耐え
寿命特性を改善するには、終端水素原子を、軽水素(H)とは化学的性質は同じであるが質量数が大きく物理的性質が異なる重水素原子(D)や三重水素原子(T)で終端すれば良いことを見出すに至った。電子放射部における重水素原子(D)や三重水素原子(T)の被覆率が0.02%以上で効果があるが、さらには、これらの被覆率が1%以上であると、特に顕著に特性改善されることを見出した。これは結合エネルギーが大きくなるという効果と、重水素原子(D)や三重水素原子(T)に軽水素イオン(H+)が衝突しても
エネルギーは軽水素イオン(H+)に返され、重水素原子(D)や三重水素原子(T)は
エネルギーを受け取りにくいことと関係している。そして、さらにダイヤモンド最表層の炭素原子と水素原子との結合を強くすればよいことに着目し、ダイヤモンドの最表層の炭素原子を、質量数12の炭素原子(12C)ではなく質量数13の炭素原子(13C)や質量数14の炭素原子(14C)とすれば、重水素(D)や三重水素(T)での終端はより一層効果的であることを見出すに至った。
As a result of intensive studies by the inventors for this measure, in order to withstand the impact of light hydrogen ions (H + ) and to improve the life characteristics, the terminal hydrogen atoms have the same chemical properties as light hydrogen (H). However, it has been found that it may be terminated with a deuterium atom (D) or tritium atom (T) having a large mass number and different physical properties. An effect is obtained when the coverage of deuterium atoms (D) and tritium atoms (T) in the electron emission part is 0.02% or more, and more particularly, when these coverages are 1% or more, it is particularly prominent. It was found that the characteristics were improved. This has the effect of increasing the binding energy, and even if light hydrogen ions (H + ) collide with deuterium atoms (D) or tritium atoms (T), the energy is returned to light hydrogen ions (H + ). Deuterium atoms (D) and tritium atoms (T) are related to the difficulty in receiving energy. Then, further Noting that may be strongly bonded to the diamond outermost layer of carbon and hydrogen atoms, and the diamond outermost layer of carbon atoms, the carbon atoms of a mass number 12 (12 C) mass number 13 rather than When carbon atoms ( 13 C) and carbon atoms having a mass number of 14 ( 14 C) are used, terminations with deuterium (D) and tritium (T) are found to be more effective.

このような効果は10-5Pa未満の真空領域では見出しにくかったが、10-5Pa以上の超高真空領域でダイヤモンド電子源素子からの電子ビーム発生試験を繰り返し行うことによって初めて気付き発明に繋がったものである。特に、ダイヤモンド電子源素子の動作温度が高い方が、あるいは放出電流値が大きい方がイオン軽水素(H+)の衝突による終端
水素原子の脱離エネルギーの閾値が低くなるために前記効果は大きくなる。具体的には、ダイヤモンド電子源の動作温度が250℃以上、あるいは、放出電流値1μA以上で効果が大きく現れるために、250℃未満の温度、1μA未満の放出電流値での実験を行っていた場合は見出しにくかった。
Such an effect was difficult to find in the vacuum region of less than 10 −5 Pa, but it was not until the discovery of an electron beam generation test from the diamond electron source element in the ultrahigh vacuum region of 10 −5 Pa or more. It is a thing. In particular, the higher the operating temperature of the diamond electron source element, or the higher the emission current value, the lower the threshold of desorption energy of terminal hydrogen atoms due to collision of ion light hydrogen (H + ). Become. Specifically, since the effect appears greatly when the operating temperature of the diamond electron source is 250 ° C. or higher, or the emission current value is 1 μA or higher, an experiment was performed at a temperature lower than 250 ° C. and an emission current value lower than 1 μA. If it was hard to headline.

本発明のダイヤモンド電子放射陰極及び電子放射源及び電子顕微鏡、電子ビーム露光機について、実施例に基づいてさらに具体的に説明する。
上述の工程I〜Vを通して、図3に示す本発明によるダイヤモンド電子源素子(1)〜(15)を作製した。ダイヤモンド単結晶は高温高圧合成IIa型であり、サイズは0.6×0.6×2.5mmである。
The diamond electron emission cathode, electron emission source, electron microscope, and electron beam exposure machine of the present invention will be described more specifically based on examples.
The diamond electron source elements (1) to (15) according to the present invention shown in FIG. The diamond single crystal is a high-temperature high-pressure synthetic type IIa type, and the size is 0.6 × 0.6 × 2.5 mm.

先鋭部の先端5を形成する{111}面の4面にリンドープダイヤモンド薄膜6をエピタキシャル成長して形成した。膜厚は2μm、薄膜中のリン濃度は1×1020cm-3、電子放出部5の曲率半径は1μmとし、電子を供給する金属7はMoとした。また、比較例として、工程II及び工程IVを従来技術とした以外はダイヤモンド電子源素子(1)〜(15)と同様にしてダイヤモンド電子源素子(16)を作製した。表1にダイヤモンド電子源素子(1)〜(16)の寿命を示す。ここで言う寿命とは、電子放出電流値が初期値の半分になる時間を指す。測定環境は(1)〜(16)全て同じである。なお、表1の「終端タイプ」とは、各々のダイヤモンド電子源素子の電子放出部5の終端水素原子の同位体比のタイプを指し、本実施例においては表2に示すA〜Dの4タイプを作製した。また、「最表層タイプ」とは、各々のダイヤモンド電子源素子の電子放出部5のダイヤモンド最表層炭素原子の同位体比のタイプを指し、表3に示すa〜dの4タイプを作製した。 A phosphorus-doped diamond thin film 6 was formed by epitaxial growth on the four {111} faces forming the sharpened tip 5. The film thickness was 2 μm, the phosphorus concentration in the thin film was 1 × 10 20 cm −3 , the radius of curvature of the electron emission portion 5 was 1 μm, and the metal 7 for supplying electrons was Mo. As a comparative example, a diamond electron source element (16) was produced in the same manner as the diamond electron source elements (1) to (15) except that the steps II and IV were changed to the prior art. Table 1 shows the lifetimes of the diamond electron source elements (1) to (16). The term “lifetime” as used herein refers to the time during which the electron emission current value is half of the initial value. The measurement environment is the same for all (1) to (16). The “termination type” in Table 1 indicates the type of isotope ratio of the termination hydrogen atom of the electron emission portion 5 of each diamond electron source element. In this embodiment, 4 of A to D shown in Table 2 A type was made. The “outermost layer type” indicates the isotope ratio type of the diamond outermost layer carbon atom in the electron emission portion 5 of each diamond electron source element, and four types a to d shown in Table 3 were produced.

Figure 2007265924
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この結果、電子放出部の終端水素原子のうち、0.02%以上が重水素原子(D)および\または三重水素原子(T)である場合、従来技術と比較して寿命特性が優れていることがわかった。また、重水素原子(D)および\または三重水素原子(T)の割合が大きいほど寿命特性が優れていることがわかった。さらに、電子放出部のダイヤモンド最表層を構成する炭素原子(C)のうち、1.2%以上が質量数13の炭素原子(13C)および質量数14の炭素原子(14C)である場合、従来技術と比較して寿命特性が優れていることがわかった。そして、質量数13の炭素原子(13C)および質量数14の炭素原子(14C)が大きいほど寿命特性が優れていることがわかった。
以上の実施例からもわかるように、本発明によるダイヤモンド電子源素子は寿命特性が優れているので、電子顕微鏡、電子ビーム露光機などの電子線及び電子ビーム機器に好適に使用可能である。また、進行波管、マイクロ波管など真空管にも使用可能である。
As a result, when 0.02% or more of the terminal hydrogen atoms in the electron emission portion are deuterium atoms (D) and \ or tritium atoms (T), the lifetime characteristics are excellent as compared with the prior art. I understood it. It was also found that the life characteristics were better as the proportion of deuterium atoms (D) and \ or tritium atoms (T) was larger. Furthermore, in the case where 1.2% or more of carbon atoms (C) constituting the outermost diamond layer of the electron emission portion are carbon atoms having a mass number of 13 ( 13C ) and carbon atoms having a mass number of 14 ( 14C ) As a result, it was found that the life characteristics are superior to those of the prior art. And it turned out that a lifetime characteristic is excellent, so that the carbon atom ( 13C ) of mass number 13 and the carbon atom ( 14C ) of mass number 14 are large.
As can be seen from the above embodiments, the diamond electron source element according to the present invention has excellent lifetime characteristics, and can be suitably used for electron beams and electron beam equipment such as electron microscopes and electron beam exposure machines. Moreover, it can be used for vacuum tubes such as traveling wave tubes and microwave tubes.

先鋭化したダイヤモンド単結晶を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the sharpened diamond single crystal. 本発明に係るダイヤモンド電子源素子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the diamond electron source element based on this invention. 電子を供給する金属を蒸着したダイヤモンド電子源素子である。A diamond electron source element in which a metal for supplying electrons is deposited.

符号の説明Explanation of symbols

1 ダイヤモンド単結晶
2 先鋭部の先端
3 4面の{111}面
4,6 ダイヤモンド薄膜
5 先鋭部の先端
7 金属
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Diamond single crystal 2 Tip of sharp tip 3 Four {111} faces 4,6 Diamond thin film 5 Tip of sharp tip 7 Metal

Claims (3)

ダイヤモンド電子源素子であって、電子放出部の表面が水素原子で終端されたダイヤモンドによって形成されており、当該水素原子のうち0.02%以上が重水素原子および\または三重水素原子であることを特徴とするダイヤモンド電子源素子。 It is a diamond electron source element, the surface of the electron emission part is formed by diamond terminated with hydrogen atoms, and 0.02% or more of the hydrogen atoms are deuterium atoms and / or tritium atoms. A diamond electron source element. ダイヤモンド電子源素子であって、電子放出部のダイヤモンドの最表層を構成する炭素原子のうち、1.2%以上が質量数13および\または質量数14の炭素原子であることを特徴とするダイヤモンド電子源素子。 A diamond electron source element, wherein 1.2% or more of carbon atoms constituting the outermost layer of diamond in an electron emission portion are carbon atoms having a mass number of 13 and / or a mass number of 14 Electron source element. ダイヤモンド電子源素子であって、電子放出部の表面が水素原子で終端されたダイヤモンドによって形成されており、当該水素原子のうち0.02%以上が重水素原子および\または三重水素原子であって、且つ、該ダイヤモンドの最表層を構成する炭素原子のうち1.2%以上が質量数13および\または質量数14の炭素原子であることを特徴とするダイヤモンド電子源素子。 A diamond electron source element, wherein the surface of the electron emission portion is formed of diamond terminated with hydrogen atoms, and 0.02% or more of the hydrogen atoms are deuterium atoms and / or tritium atoms. A diamond electron source element, wherein 1.2% or more of carbon atoms constituting the outermost layer of the diamond are carbon atoms having a mass number of 13 and / or a mass number of 14.
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