JP2009140815A - Electron emission element, electron source, and electron beam apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子放出素子、電子源、及び電子線装置に関する。 The present invention relates to an electron-emitting device, an electron source, and an electron beam apparatus.
従来、電子放出素子の陰極部を形成するための材料として、ダイヤモンド半導体が用いられる。ダイヤモンド半導体を陰極部として用いる場合、電子親和力及び仕事関数が十分に小さくなり、真空中に電子を容易に取り出すことができる。特に、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体については、従来のＬａＢ６やＺｒＯ／Ｗに代わる新たな電子放出素子の材料として着目されている。 Conventionally, a diamond semiconductor is used as a material for forming the cathode portion of the electron-emitting device. When a diamond semiconductor is used as the cathode portion, the electron affinity and work function are sufficiently small, and electrons can be easily taken out in a vacuum. In particular, an n-type diamond semiconductor is attracting attention as a material for a new electron-emitting device that replaces conventional LaB 6 and ZrO / W.
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の表面に配置された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、特許文献２には、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体の表面に電子通過開口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。
しかしながら、ダイヤモンド半導体を利用した電子放出素子については、次のような問題を有していた。すなわち、ダイヤモンド半導体は、金属材料と比較して抵抗率が高いことから、電子放出部における電圧降下が問題となっていた。 However, an electron-emitting device using a diamond semiconductor has the following problems. That is, since the diamond semiconductor has a higher resistivity than the metal material, a voltage drop at the electron emission portion has been a problem.
また、ダイヤモンド半導体の表面ではバンドベンディングが生じ易いため、エネルギー準位の高い方向にバンドがシフトし、ダイヤモンド半導体の見かけの仕事関数が大きくなるという問題があった。これらのことから、従来のダイヤモンド半導体を用いた電子放出素子では、電界放出が不安定となるという問題があった。 Further, since band bending is likely to occur on the surface of the diamond semiconductor, there is a problem that the band shifts in the direction of higher energy level and the apparent work function of the diamond semiconductor increases. For these reasons, the conventional electron-emitting device using a diamond semiconductor has a problem that field emission becomes unstable.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、十分な量の電子放出を安定して得られる電子放出素子、電子源、及び電子線装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide an electron-emitting device, an electron source, and an electron beam apparatus that can stably obtain a sufficient amount of electron emission.
上述の課題を解決するため、本発明に係る電子放出素子は、土台部と、土台部の一面に形成された突起状の電子放出部とによって構成された陰極部を備え、陰極部は、仕事関数が３．０ｅＶ以下の材料によって形成され、少なくとも電子放出部の先端を覆うように、厚さ２０ｎｍ以下の導電層が設けられていることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, an electron-emitting device according to the present invention includes a cathode part including a base part and a protruding electron-emitting part formed on one surface of the base part. The conductive layer is formed of a material having a function of 3.0 eV or less, and a conductive layer having a thickness of 20 nm or less is provided so as to cover at least the tip of the electron emission portion.
本発明に係る電子放出素子では、仕事関数が３．０ｅＶ以下の材料を陰極部に用いることで、陰極部から真空中に電子が容易に電界放出可能となる。また、電子放出部の先端が、厚さ２０ｎｍ以下の導電層により覆われているので、電子放出部の先端における電圧降下が抑制され、電位が一定に保たれる。したがって、十分な量の電子放出を安定して得ることができる。この導電層は、厚さ２０ｎｍ以下に抑えられており、導電層自体に起因する仕事関数の増加は回避されている。 In the electron-emitting device according to the present invention, by using a material having a work function of 3.0 eV or less for the cathode portion, electrons can be easily emitted from the cathode portion into the vacuum. In addition, since the tip of the electron emission portion is covered with a conductive layer having a thickness of 20 nm or less, a voltage drop at the tip of the electron emission portion is suppressed and the potential is kept constant. Therefore, a sufficient amount of electron emission can be stably obtained. This conductive layer is suppressed to a thickness of 20 nm or less, and an increase in work function due to the conductive layer itself is avoided.
また、陰極部は、ダイヤモンドによって形成され、導電層は、炭化チタン又はグラファイトによって形成されていることが好ましい。この場合、陰極部の仕事関数を容易に３．０ｅＶ以下に維持でき、また、導電層の抵抗率を容易に１０−３Ωｃｍ以下に維持できる。炭化チタン又はグラファイトによって形成される導電層は、ダイヤモンドとの密着性が十分に高く、この結果、陰極部の耐久性の向上も図られる。 Moreover, it is preferable that the cathode part is formed of diamond and the conductive layer is formed of titanium carbide or graphite. In this case, the work function of the cathode portion can be easily maintained at 3.0 eV or less, and the resistivity of the conductive layer can be easily maintained at 10 −3 Ωcm or less. The conductive layer formed of titanium carbide or graphite has sufficiently high adhesion to diamond, and as a result, the durability of the cathode portion can be improved.
また、ダイヤモンド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、陰極部の仕事関数を容易に３．０ｅＶ以下に維持できる。 Moreover, it is preferable that at least a part of diamond is a diamond semiconductor having an n-type conductivity. Thereby, the work function of a cathode part can be easily maintained below 3.0 eV.
また、陰極部は、ＬａＢ６又はＣｅＢｘによって形成され、導電層は、タングステンによって形成されていることが好ましい。この場合についても、陰極部の仕事関数を容易に３．０ｅＶ以下に維持できる。タングステンによって形成される導電層は、ＬａＢ６又はＣｅＢｘとの密着性が十分に高く、その結果、陰極部の耐久性の向上が図られる。 The cathode part is preferably made of LaB 6 or CeB x , and the conductive layer is preferably made of tungsten. Also in this case, the work function of the cathode part can be easily maintained at 3.0 eV or less. The conductive layer formed of tungsten has sufficiently high adhesion with LaB 6 or CeB x, and as a result, the durability of the cathode portion is improved.
また、導電層の厚さは、５ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、導電層自体による仕事関数の増加が一層確実に抑えられる。 Further, the thickness of the conductive layer is preferably 5 nm or less. As a result, an increase in work function due to the conductive layer itself can be more reliably suppressed.
また、土台部の一面からの電子放出部の高さは、１μｍ以下であることが好ましい。電子放出部をこのような微小な突起とした場合でも、導電層によって保護され、十分な耐久性が得られる。 Moreover, it is preferable that the height of the electron emission part from one surface of a base part is 1 micrometer or less. Even when the electron emission portion is formed as such a minute protrusion, it is protected by the conductive layer, and sufficient durability is obtained.
また、本発明に係る電子源は、上述した電子放出素子において、導電層が電子放出部に対して正の電位となるように、導電層にバイアス電圧を印加する電圧印加手段を備えたことを特徴としている。この電子源では、導電層にバイアス電圧を印加することにより、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を低減し、導電層の電位を容易に変化させることができるので、十分な量の電子放出を安定して得ることができる。 In addition, the electron source according to the present invention includes a voltage applying unit that applies a bias voltage to the conductive layer so that the conductive layer has a positive potential with respect to the electron emission portion in the electron-emitting device described above. It is a feature. In this electron source, by applying a bias voltage to the conductive layer, the work function apparently increased by band bending can be reduced, and the potential of the conductive layer can be easily changed. Can be obtained stably.
また、本発明に係る電子線装置は、上述した電子源を備えたことを特徴としている。この電子線装置においても、十分な量の電子放出を安定して得ることができる。 In addition, an electron beam apparatus according to the present invention includes the above-described electron source. Even in this electron beam apparatus, a sufficient amount of electron emission can be stably obtained.
本発明に係る電子放出素子、電子源、及び電子線装置によれば、十分な量の電子放出を安定して得られる。 According to the electron-emitting device, the electron source, and the electron beam apparatus according to the present invention, a sufficient amount of electron emission can be stably obtained.
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
［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１０Ａ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。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of an electron microscope which is an example of an electron beam apparatus to which an electron source according to the present invention is applied. As shown in FIG. 1, the electron microscope (electron beam apparatus) 20 is a scanning electron microscope (SEM) configured to include, for example, a
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１０Ａ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１０Ａは、チャンバ２２の外側に配置された電源（電圧印加手段）３９と接続されており、使用状態においてバイアス電圧が印加される。電子源１０Ａ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。
The
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１０Ａ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１０Ａからの電子は、引出電極２８と電子源１０Ａ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。
The electron
電子源１０Ａ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。
The electron beam B emitted from the
次に、上述した電子源１０Ａについて詳細に説明する。図２は、電子源１０Ａの斜視図であり、図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
Next, the
図２及び図３に示すように、電子源１０Ａは、電子放出素子４０と、絶縁層１２と、一対の電極１４，１６と、配線１８とを備えている。電子放出素子４０は、陰極部４２と、導電層４４とを備えている。陰極部４２は、土台部４６と、電子放出部４８とによって構成されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
土台部４６は、例えば不純物が含まれていないノンドープダイヤモンドによって、底面が０．８ｍｍ角程度の角柱状に形成されている。土台部４６における長手方向の一端面（一面）５０には、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体層が形成されている。
The
このダイヤモンド半導体層は、土台部４６の本体部分を形成するノンドープダイヤモンドに、窒素、リン、硫黄、リチウムのいずれかの元素又は２種類以上の元素、あるいはいずれかの元素と同時にホウ素を不純物としてドープすることにより得られる。
This diamond semiconductor layer is doped with non-doped diamond, which forms the main body of the
電子放出部４８は、例えば土台部４６のダイヤモンド半導体層と同様に、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。電子放出部４８は、例えば円錐形状をなし、土台部４６の一端面５０の中央に配置されている。電子放出部４８の土台部４６の一端面５０からの高さは、例えば１μｍ以下となっており、電子放出部４８の先端５２は、一端面５０と垂直に土台部４６の長手方向に延びている。
The
導電層４４は、例えば炭化チタンによって、厚さ５ｎｍ以下に形成されている。この導電層４４は、第１の部分４４ａ〜第４の部分４４ｄから構成されている。第１の部分４４ａは、土台部４６において、一端面５０に直交する側面５４の全面を被覆するように形成されている。
The
第２の部分４４ｂは、土台部４６の側面５４に隣接する側面５６、及び側面５６と対向する側面（図示せず）において、側面５４側の端部を覆うように形成されている。第３の部分４４ｃは、土台部４６の一端面５０において、土台部４６の側面５４側の略半分の領域６０に形成されている。第４の部分４４ｄは、電子放出部４８の先端５２と、電子放出部４８の円錐面６２における側面５４側の領域とを覆うように形成されている。
The
絶縁層１２は、例えばＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３によって、厚さ０．２〜２μｍの範囲で形成されている。絶縁層１２の厚さが０．２μｍより薄い場合には、絶縁性が保てず、２μｍより厚い場合には、高温時と室温時とのサイクルで剥離等の問題が生じる。絶縁層１２は、第１の部分１２ａと、第２の部分１２ｂとによって構成されている。第１の部分１２ａは、土台部４６において、側面５４と対向する側面６４の全面を被覆するように形成されている。
The insulating
第２の部分１２ｂは、電子放出部４８の直径と略等幅に、土台部４６の一端面５０において、土台部４６の側面６４側の領域５８に形成されている。第２の部分１２ｂの一端は、第１の部分１２ａの一端部の中央部分と一体に連結し、第２の部分１２ｂの他端は、電子放出部４８の底面に接している。
The
電極１４及び電極１６は、例えばモリブデンによって形成されており、厚さ０．１〜０．５μｍ程度に形成されている。電極１４は、土台部４６の側面５４において、導電層４４における第１の部分４４ａの基部側を被覆するように矩形に形成されている。
The
電極１６は、第１の部分１６ａと、第２の部分１６ｂとによって構成されている。第１の部分１６ａは、絶縁層１２の第１の部分１２ａの全面を被覆するように形成されている。一方、第２の部分１６ｂは、絶縁層１２の第２の部分１２ｂの全面を被覆するように形成されている。第２の部分１６ｂの一端は、第１の部分１６ａの一端部の中央部分と一体に連結され、第２の部分１６ｂの他端は、電子放出部４８の底面に接している。
The
配線１８は、電極１４の中央と、電極１６の第１の部分１６ａにおいて、電極１４と対向する部分の中央とにそれぞれ接続されている。導電層４４及び電子放出部４８は、一対の電極１４，１６と、配線１８とを介し、電源３９（図１参照）に接続されている。導電層４４には、当該導電層４４が電子放出部４８に対して正の電位となるように、電源３９からのバイアス電圧が印加される。
The
続いて、上述した構成を有する電子源１０Ａの製造方法について説明する。 Then, the manufacturing method of 10 A of electron sources which have the structure mentioned above is demonstrated.
まず、ノンドープダイヤモンドからなる角柱状の土台部４６を用意する。次に、例えばアルミニウムによる厚さ１μｍ〜２μｍの膜を土台部４６の一端面に形成する。そして、フォトリソグラフィ又は集束イオンビーム（ＦＩＢ）法により、土台部４６の一端面をパターニングし、円形のマスクを土台部４６の一端面の中央に形成する。
First, a
次に、上述したマスクを用いて土台部４６の一端面を集束イオンビーム（ＦＩＢ）法によりエッチングする。これにより、図４（ａ）に示すように、土台部４６の一端面５０の中央に、円錐形状の電子放出部４８が形成される。
Next, the one end surface of the
続いて、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、電子放出部４８の表面と、土台部４６の一端面５０とにリンをドープする。ドープするリンの濃度は、例えば１０１７〜１０２０ｃｍ−３とされ、１０１９〜１０２０ｃｍ−３がより好ましい。
Subsequently, phosphorus is doped into the surface of the
次に、図４（ｂ）に示すように、土台部４６及び電子放出部４８に対し、土台部４６における側面５４方向からチタンの蒸着を行う。チタンの蒸着には、例えば抵抗加熱蒸着法、ＥＢ加熱蒸着法、スパッタリング法といった公知の方法を適用可能である。
Next, as shown in FIG. 4B, titanium is deposited on the
土台部４６における側面５４方向からチタンを蒸着することにより、土台部４６の側面５４、一端面５０における側面５４側の領域６０、及び電子放出部４８の円錐面６２における側面５４側の領域に、それぞれ導電層４４の第１の部分４４ａ、第３の部分４４ｃ、及び第４の部分４４ｄが形成される。また、チタンの一部が回り込むことにより、土台部４６の側面５６及びこれと対向する側面における側面５４側の端部に、導電層４４の第２の部分４４ｂが形成される。
By depositing titanium from the direction of the
次に、チタンと炭素との反応を促進するため、例えば３００℃以上で一定時間のアニール処理を行う。この際、炭化物形成反応の反応速度と、反応温度との相関を予め把握しておくことにより、Å単位での膜厚の制御をすることができる。その後、王水洗浄処理を施すことにより、形成された導電層４４を維持したまま、未反応のチタンを除去する。
Next, in order to promote the reaction between titanium and carbon, for example, annealing is performed at a temperature of 300 ° C. or higher for a predetermined time. At this time, the film thickness can be controlled in units of soot by grasping in advance the correlation between the reaction rate of the carbide forming reaction and the reaction temperature. Thereafter, by performing aqua regia washing treatment, unreacted titanium is removed while the formed
続いて、図５（ａ）に示すように、所定のマスクを用いたマイクロ波プラズマＣＶＤ法により、土台部４６の側面６４、及び一端面５０における領域５８に、それぞれ絶縁層１２の第１の部分１２ａ及び第２の部分１２ｂを形成する。また、同様の手法で、図５（ｂ）に示すように、導電層４４における第１の部分４４ａの基部側を被覆するように電極１４を形成し、絶縁層１２の第１の部分１２ａ及び第２の部分１２ｂを被覆するように、電極１６を形成する。
Subsequently, as illustrated in FIG. 5A, the first insulating
最後に、配線１８を、電極１４の中央と、電極１６の第１の部分１６ａにおいて、電極１４と対向する部分の中央とにそれぞれ接続することにより、図２及び図３に示した電子源１０Ａが完成する。
Finally, the
以上説明したように、電子顕微鏡２０に用いられている電子源１０Ａでは、仕事関数が３．０ｅｖ以下であるダイヤモンドを陰極部４２に用いることで、陰極部４２から真空中に電子が容易に電界放出可能となる。また、電子放出部４８の先端５２が、炭化チタンからなる導電層４４により覆われているので、電子放出部４８の先端５２における電圧降下が抑制され、電位が一定に保たれる。したがって、電子源１０Ａでは、十分な量の電子放出を安定して得ることができる。導電層４４は、厚さ２０ｎｍ以下に抑えられており、導電層４４自体に起因する陰極部４２の仕事関数の増加は回避されている。
As described above, in the
また、電子源１０Ａでは、陰極部４２は、ダイヤモンドによって形成され、導電層４４は、炭化チタン又はグラファイトによって形成されている。このため、陰極部４２の仕事関数を容易に３．０ｅＶ以下に維持でき、また、導電層４４の抵抗率を容易に１０−３Ωｃｍ以下に維持できる。炭化チタン又はグラファイトによって形成される導電層４４は、ダイヤモンドとの密着性が十分に高く、この結果、陰極部４２の耐久性の向上も図られる。
In the
さらに、電子源１０Ａでは、導電層４４が電子放出部４８に対して正の電位となるように、導電層４４にバイアス電圧を印加する電源３９が設けられている。導電型がｎ型のダイヤモンド半導体のエネルギーバンドの表面ではバンドベンディングが生じ易いため、エネルギー準位の高い方向にバンドがシフトし、ダイヤモンド半導体の見かけの仕事関数が大きくなることがある。
Further, in the
これに対し、導電層４４にバイアス電圧を印加すると、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、エネルギー準位の低い方向にエネルギーバンドがシフトする。この結果、電子放出層４８と導電層４４との間に電位差が生じ易い状態となる。これにより、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、導電層４４の電位を容易に変化させることができるので、十分な量の電子放出を安定して得ることができる。導電層４４にバイアス電圧を印加した場合においては、電界放出を導電層４４の電位によって制御できることとなる。
On the other hand, when a bias voltage is applied to the
ここで、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体のエネルギーバンドについて、図６〜図８を用いて説明する。各図において、Ｅｖは価電子帯上端のエネルギー準位を表し、Ｅｃは伝導帯下端のエネルギー準位を表している。 Here, an energy band of an n-type diamond semiconductor will be described with reference to FIGS. In each figure, Ev represents the energy level at the upper end of the valence band, and Ec represents the energy level at the lower end of the conduction band.
図６は、導電層４４が形成されていない電子放出部４８にバイアス電圧が印加される前のエネルギーバンドを示す図である。この場合、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体のエネルギーバンドは、バンドベンディングによってエネルギー準位の高い方向にシフトしている。このため、伝導帯の電子が真空中に電界放出されるためには、高い電圧を印加する必要がある。
FIG. 6 is a diagram showing an energy band before a bias voltage is applied to the
また、図７は、２０μｍよりも厚い導電層４４が形成されている電子放出部４８にバイアス電圧が印加された場合のエネルギーバンドを示す図である。この場合、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体の伝導帯の電子は、導電層４４のフェルミレベルまで到達してしまう。そのため、導電層４４の厚さに起因して、電界放出のための仕事関数が増加してしまうこととなる。
FIG. 7 is a diagram showing an energy band when a bias voltage is applied to the
一方、図８は、厚さ２０μｍ以下の導電層４４が形成されている電子放出部４８にバイアス電圧が印加された場合のエネルギーバンドを示す図である。この場合、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体から放出される電子は、導電層４４のフェルミレベルに到達することなく、電子放出部４８におけるエネルギーレベルを保ちながら、導電層４４を通過し、容易に電界放出される。従って、導電層４４による仕事関数の増加は回避される。
On the other hand, FIG. 8 is a diagram showing an energy band when a bias voltage is applied to the
また、導電層４４に用いる材料の結晶性は、導電層４４による仕事関数の増加へ大きな影響を与える。そのため、導電層４４には、結晶性の高い炭化チタンを用いることにより、導電層４４による仕事関数の増加をより一層抑えることができる。
Further, the crystallinity of the material used for the
なお、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体層は、土台部４６の一端面５０、及び電子放出部４８に形成されていることに限られるものではない。導電型がｎ型のダイヤモンド半導体層は、土台部４６の側面６４の全面にのみ形成されていてもよい。
The n-type diamond semiconductor layer of the conductivity type is not limited to being formed on the one
また、電子放出部４８の形状は、円錐状に限られるものではない。電子放出部４８の形状は、多角錐状、円柱状、多角柱状等であってもよく、電子放出部４８の先端５２は、丸みを帯びていてもよい。また、土台部４６の形状も、円柱状等であってもよい。
Further, the shape of the
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る電子源について説明する。第２実施形態に係る電子源１０Ｂは、導電層４４が、グラファイトによって形成されている点で第１実施形態と異なっている。その他の点では、第１実施形態と同様である。
[Second Embodiment]
Next, an electron source according to a second embodiment of the present invention will be described. The
この電子源１０Ｂの製造方法においては、まず、第１実施形態と同様に、土台部４６の一端面５０、及び電子放出部４８に導電型がｎ型のダイヤモンド半導体層を形成する。次に、図９（ａ）に示すように、真空中において、陰極部４２を例えば１４００℃程度でアニールし、ダイヤモンドの表面の炭素結合を切断する。これにより、ｓｐ２結合が支配的なグラファイト領域７４を陰極部４２の表層部に形成する。
In this method of manufacturing the
次に、図９（ｂ）に示すように、第１実施形態におけるチタンの蒸着と同様に、陰極部４２に対して土台部４６の側面５４方向からアルミニウムの蒸着を行い、保護膜９０を形成する。保護膜９０は、第１実施形態における導電層４４の第１の部分４４ａ〜第４の部分４４ｄと同様の位置に形成される。
Next, as shown in FIG. 9B, similarly to the titanium deposition in the first embodiment, aluminum is deposited on the
続いて、図９（ｃ）に示すように、土台部４６の側面６４方向より、例えば酸素プラズマ処理を施すことによって、保護膜９０により被覆されていないグラファイト領域７４を除去する。その後、図１０（ａ）に示すように、例えば塩酸処理により保護膜９０が除去し、グラファイトからなる導電層４４が形成される。その後、第１実施形態と同様の後工程を行うことにより、図１０（ｂ）に示すように、電子源１０Ｂが完成する。
Subsequently, as shown in FIG. 9C, the
このような電子源１０Ｂにおいても、仕事関数が３．０ｅｖ以下であるダイヤモンドを陰極部４２に用いることで、陰極部４２から真空中に電子が容易に電界放出可能となる。また、電子放出部４８の先端５２が、グラファイトからなる導電層４４により覆われているので、電子放出部４８の先端５２における電圧降下が抑制され、電位が一定に保たれる。したがって、十分な量の電子放出を安定して得ることができる。導電層４４は、厚さ２０ｎｍ以下に抑えられており、導電層４４自体に起因する陰極部４２の仕事関数の増加は回避されている。
Also in such an
また、グラファイトのｃ面（六員環によって形成される面）は、ダイヤモンドの（１１１）面と良好な整合性を有する。したがって、陰極部４２と導電層４４との密着性が良好なものとなり、電子源１０Ｂの耐久性の向上も図られる。
Further, the c-plane of graphite (surface formed by a six-membered ring) has good matching with the (111) plane of diamond. Therefore, the adhesion between the
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る電子源について説明する。
[Third Embodiment]
Next, an electron source according to a third embodiment of the present invention will be described.
第３実施形態に係る電子源１０Ｃは、陰極部４２がＬａＢ６又はＣｅＢｘによって形成され、導電層４４がタングステンによって形成されている点で第１実施形態と異なっている。その他の点は、第１実施形態と同様である。
The
この電子源１０Ｃの製造方法においては、まず、ＬａＢ６又はＣｅＢｘからなる土台部４６を用意する。次に、図１１（ａ）に示すように、陰極部４２に対して土台部４６の側面５４方向からタングステンの蒸着を行い、第１実施形態と同様に導電層４４の第１の部分４４ａ〜第４の部分４４ｄを形成する。その後、第１実施形態と同様の後工程を行うことにより、図１１（ｂ）に示すように、電子源１０Ｃが完成する。
In the manufacturing method of the
電子源１０Ｃにおいても、仕事関数が３．０ｅｖ以下であるＬａＢ６又はＣｅＢｘを陰極部４２に用いることで、陰極部４２から真空中に電子が容易に電界放出可能となる。また、電子放出部４８の先端５２が、タングステンからなる導電層４４により覆われているので、電子放出部４８の先端５２における電圧降下が抑制され、電位が一定に保たれる。したがって、十分な量の電子放出を安定して得ることができる。導電層４４は、厚さ２０ｎｍ以下に抑えられており、導電層４４自体に起因する陰極部４２の仕事関数の増加は回避されている。
Also in the
また、タングステンによって形成される導電層４４は、ＬａＢ６又はＣｅＢｘとの密着性が十分に高いものとなる。タングステンの融点は、３４００℃程度であり、高温の環境下でも安定していることから、陰極部４２の耐久性の向上が図られる。さらに、タングステンは、酸素への耐久性が高く、電子源１０Ｃを備えた電子顕微鏡２０は、より低真空な状態において電界放出が可能である。
Further, the
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る電子源について説明する。図１２は、第４実施形態に係る電子源１０Ｄを示す断面図である。
[Fourth Embodiment]
Next, an electron source according to a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 12 is a cross-sectional view showing an
図１２に示すように、電子源１０Ｄは、土台部４６及び電子放出部４８を被覆する各層の構成が第１実施形態と異なっている。すなわち、電子源１０Ｄでは、導電層６６は、電子放出部４８の円錐面６２の略全面に形成されている。導電層６６において、土台部４６の側面６４側の底部には、開口７６が形成されている。
As shown in FIG. 12, the
絶縁層６７は、第１実施形態における絶縁層１２を、土台部４６の側面５４に形成した配置をしており、第１の部分６７ａと、第２の部分６７ｂとによって構成されている。第１の部分６７ａは、第１実施形態における第１の部分１２ａに対応しており、第２の部分６７ｂは、第２の部分１２ｂに対応している。また、第２の部分６７ｂの一端は、電子放出部４８の底面を被覆する導電層６６に接している。
The insulating
電極６８は、第１の部分６８ａと、第２の部分６８ｂとによって構成されている。第１の部分６８ａは、絶縁層６７における第１の部分６７ａの全面を被覆している。同様に、第２の部分６８ｂは、第２の部分６７ｂの全面を被覆するように形成され、電子放出部４８の底面を被覆する導電層６６に接している。
The
電極６９は、第１実施形態における絶縁層１２と同様に形成されており、第１の部分６９ａと、第２の部分６９ｂとによって構成されている。第２の部分６９ｂは、開口７６内に延在して電子放出部４８の底部と接している。
The
一方、図１３は、第４実施形態の変形例に係る電子源を示す断面図である。図１３に示すように、電子源１０Ｅでは、導電層７０の構成が第１実施形態と異なっている。絶縁層７０は、第１の部分７０ａ〜第３の部分７０ｃから構成されている。第１の部分７０ａは、土台部４６の一端面５０と直交する各側面にそれぞれ形成されている。第２の部分７０ｂは、土台部４６の一端面５０の全面を被覆している。第３の部分７０ｃは、電子源１０Ｄにおける導電層６６と同様の配置をしている。
On the other hand, FIG. 13 is a cross-sectional view showing an electron source according to a modification of the fourth embodiment. As shown in FIG. 13, in the
絶縁層７１は、電子源１０Ｄにおける電極６９と同様に形成されており、第１の部分７１ａと、第２の部分７１ｂとによって構成されている。また、電極７２は、第１実施形態における電極１６と同様に形成されており、第１の部分７２ａと、第２の部分７２ｂとによって構成されている。なお、電極１４の配置は、第１実施形態と同様である。
The insulating
この電子源１０Ｄ及び電子源１０Ｅの製造方法においては、まず、第１実施形態と同様に、土台部４６の一端面５０、及び電子放出部４８に導電型がｎ型のダイヤモンド半導体層を形成する。ここで、電子源１０Ｄについては、図１４に示すように、土台部４６の一端面５０、一端面５０に直交する全側面、及び電子放出部４８の開口７６に対応する部分にマスク９２を形成する。そして、陰極部４２に対して全方位からチタンを蒸着し、開口７６を除いた電子放出部４８の円錐面６２の全面に導電層６６を形成する。
In the manufacturing method of the
一方、電子源１０Ｅについては、図１５に示すように、電子放出部４８の開口７６に対応する部分のみにマスク９３を形成する。そして、陰極部４２に対して全方位からチタンを蒸着し、開口７６を除いた電子放出部４８の円錐面６２の全面、土台部４６の一端面５０、及び一端面５０に直交する全側面に導電層７０を形成する。
On the other hand, for the
その後、アニール処理や王水処理等を経て、絶縁層６７及び一対の電極６８，６９を形成すると、上述した電子源１０Ｄが完成する。同様に、絶縁層７１及び一対の電極１４，７２を形成すると、上述した電子源１０Ｅが完成する。このような電子源１０Ｄ及び電子源１０Ｅによっても、上述した実施形態と同様の作用効果が得られる。
After that, when the insulating
［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態に係る電子源について説明する。図１６は、第５実施形態に係る電子源を示す断面図である。
[Fifth Embodiment]
Next, an electron source according to a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 16 is a cross-sectional view showing an electron source according to the fifth embodiment.
図１６に示すように、電子源１０Ｆ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４８と導電層４４との間に、開口７６を除いた電子放出部４８の円錐面６２の全面を被覆するように、ノンドープダイヤモンド、又は導電型がｐ型のダイヤモンド半導体からなる中間層７８が設けられている点で、第１実施形態と異なる。
As shown in FIG. 16, the
また、図１７は、第５実施形態の変形例に係る電子源を示す断面図である。図１７に示すように、電子源１０Ｇ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４８と導電層４４との間に、開口７６を除いた電子放出部４８の円錐面６２の全面を被覆する第１の中間層８０と、第１の中間層８０の全面を被覆する第２の中間層８２とが設けられている。第１の中間層８０は、例えばノンドープダイヤモンドからなり、第２の中間層８２は、導電型がｐ型のダイヤモンド半導体層からなる。
FIG. 17 is a cross-sectional view showing an electron source according to a modification of the fifth embodiment. As shown in FIG. 17, the
電子源１０Ｆ及び電子源Ｇにおいても、上述した実施形態と同様の作用効果が得られる。電子源１０Ｆでは、中間層７８の配置により、電子放出部４８の先端５２において内部に電界が容易に入り込み易くなる。電界放出の効率が良好になり、電子放出量を一層大きくできる。電子源１０Ｇでは、第１の中間層８０及び第２の中間層８２の接合界面における結晶欠陥等を減少させることができる。これにより、電子が接合界面を通過する際のエネルギー損失を低減でき、電子放出量を一層大きくできる。
Also in the
［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態に係る電子源について説明する。図１８は、第６実施形態に係る電子源を示す斜視図である。
[Sixth Embodiment]
Next, an electron source according to a sixth embodiment of the present invention will be described. FIG. 18 is a perspective view showing an electron source according to the sixth embodiment.
図１８に示すように、電子源１０Ｈは、電子放出素子４１と、パッド電極９４と、連結部９６とを備えるアレイチップ型の電子源である。電子放出素子４１は、陰極部４３と、導電層４５とを備えている。
As shown in FIG. 18, the
陰極部４３は、扁平な直方体形状をなす土台部４７と、４つの電子放出部４９とによって構成されている。土台部４７及び電子放出部４９は、それぞれノンドープダイヤモンドによって形成されている。電子放出部４９は、土台部４７の主面（一面）９８上に例えば２×２のマトリクス状に配置されている。電子放出部４９の主面９８からの高さは、例えば１μｍとなっている。また、電子放出部４９の先端１００は、丸みを帯びた形状となっている。
The
導電層４５は、例えばグラファイトによって、厚さ５ｎｍ以下に形成されている。導電層４５は、電子放出部４９の全面を覆うように形成されている。パッド電極９４は、土台部４７の主面９８の互いに対向する２つの端部において、電子放出部４９の位置に対応するように２つずつ配置されている。
The
連結部９６は、例えばグラファイトからなり、電子放出部４９の底面の直径と略等幅に、電子放出部４９とパッド電極９４との間にそれぞれ配置されている。連結部９６の一端は、パッド電極９４に接続され、連結部９６の他端は、電子放出部４９の底面に接続されている。
The connecting
この電子源１０Ｈの製造方法においては、まず、ノンドープダイヤモンドからなる土台部４７を用意する。次に、所定のマスクを用いた集束イオンビーム（ＦＩＢ）法により、土台部４７の主面９８上に電子放出部４９を形成する。マスクの消失前にエッチングを停止することにより、電子放出部４９の先端１００に丸みを持たせることができる。
In the manufacturing method of the
続いて、真空中において、例えば１４００℃程度でアニール処理をし、図１９（ａ）に示すように、土台部４７及び電子放出部４９の表面にグラファイト層７４を形成する。次に、主面９８において、電子放出部４９、パッド電極９４、及び連結部９６の形成領域を除いた領域をマスク１０１で被覆する。そして、図１９（ｂ）に示すように、アルミニウムを全方位より蒸着することにより、マスク１０１が被覆していない領域に、アルミニウムの保護膜１０２を形成する。
Subsequently, annealing is performed in a vacuum at, for example, about 1400 ° C., and a
マスク１０１を除去した後、図１９（ｃ）に示すように、土台部４７及び電子放出部４９の全面に、例えば酸素プラズマ処理を施すことにより、保護膜１０２により被覆されていない部分のグラファイト層７４が除去される。そして、例えば塩酸処理により保護膜１０２を除去すると、グラファイトからなる導電層４５及び連結部９６が形成される。その後、パッド電極９４を形成することにより、上述した電子源１０Ｈが完成する。このような電子源１０Ｈにおいても、上述した実施形態と同様の作用効果が得られる。
After removing the
［電子源の特性試験結果］
この特性試験では、第１実施形態に係る電子源１０Ａ及び電子源１０Ｂと同様の構成をなすサンプルについて、導電層の厚さを変化させたときのビーム電流及びその安定性を測定した。
[Characteristic test results of electron source]
In this characteristic test, the beam current and its stability when the thickness of the conductive layer was changed were measured for the sample having the same configuration as the
サンプル群Ａ及びサンプル群Ｂは、炭化チタンからなる導電層を備えており、サンプル群Ｃ及びサンプル群Ｄは、グラファイトからなる導電層を備えている。また、導電型がｎ型のダイヤモンド半導体層が、サンプル群Ａ及びサンプル群Ｃについては、土台部の一側面に形成されており、サンプル群Ｂ及びサンプル群Ｄについては、土台部の一端面及び電子放出部に形成されている。測定は、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Ａ３〜サンプルＤ３については、電圧を印加した後、開回路状態（フロート）とした場合における、ビーム電流及びその安定性を測定した。 The sample group A and the sample group B are provided with a conductive layer made of titanium carbide, and the sample group C and the sample group D are provided with a conductive layer made of graphite. In addition, an n-type diamond semiconductor layer having a conductivity type is formed on one side surface of the base portion for sample group A and sample group C, and one end surface of the base portion for sample group B and sample group D. It is formed in the electron emission part. The measurement was performed with an acceleration voltage of 15 kv and an extraction voltage of 3 kv. For Sample A3 to Sample D3, the beam current and its stability were measured when an open circuit state (float) was applied after voltage was applied.
図２０及び図２１は、その結果を示す図である。図２０に示すように、サンプル群Ａ及びサンプル群Ｂの双方について、２０Ｖのバイアス電圧が導電層に印加された場合において、膜厚２０ｎｍ以下のサンプルでは、８０ｐＡ以上のビーム電流量が得られ、０．１ｒｐｍよりも小さい安定性が得られた。特に、導電層の膜厚５ｎｍ以下のサンプルＡ４、サンプルＡ５、サンプルＢ４及びサンプルＢ５では、０．１ｒｐｍよりも小さい安定性で、７００ｐＡ以上のビーム電流量が得られており、特に優れた電子放出特性を示すことが確認された。 20 and 21 are diagrams showing the results. As shown in FIG. 20, when a bias voltage of 20 V is applied to the conductive layer for both the sample group A and the sample group B, a beam current amount of 80 pA or more is obtained for a sample with a film thickness of 20 nm or less. Stability less than 0.1 rpm was obtained. In particular, Sample A4, Sample A5, Sample B4, and Sample B5 having a conductive layer thickness of 5 nm or less have a beam current amount of 700 pA or more with stability smaller than 0.1 rpm, and particularly excellent electron emission. It was confirmed to show characteristics.
また、図２１に示すように、サンプル群Ｃ及びサンプル群Ｄの双方について、２０Ｖのバイアス電圧が導電層に印加された場合において、膜厚２０ｎｍ以下のサンプルでは、７０ｐＡ以上のビーム電流量が得られ、０．１ｒｐｍよりも小さい安定性が得られた。特に、導電層の膜厚５ｎｍ以下のサンプルＣ３、サンプルＣ４、サンプルＤ３及びサンプルＤ４では、０．１ｒｐｍよりも小さい安定性で、６００ｐＡ以上のビーム電流量が得られており、特に優れた電子放出特性を示すことが確認された。 Further, as shown in FIG. 21, when a bias voltage of 20 V is applied to the conductive layer for both the sample group C and the sample group D, a beam current amount of 70 pA or more is obtained for a sample with a film thickness of 20 nm or less. And a stability of less than 0.1 rpm was obtained. In particular, Sample C3, Sample C4, Sample D3, and Sample D4 having a conductive layer thickness of 5 nm or less have a beam current amount of 600 pA or more with stability smaller than 0.1 rpm, and particularly excellent electron emission. It was confirmed to show characteristics.
１０Ａ〜１０Ｈ…電子源、２０…電子顕微鏡（電子線装置）、３９…電源（電圧印加手段）、４０，４１…電子放出素子、４２，４３…陰極部、４４，４５，６６，７０…導電層、４６，４７…土台部、４８，４９…電子放出部、５０…一端面（一面）、５２，１００…電子放出部の先端、９８…主面（一面）。 10A to 10H ... Electron source, 20 ... Electron microscope (electron beam device), 39 ... Power source (voltage applying means), 40, 41 ... Electron emitting element, 42, 43 ... Cathode, 44, 45, 66, 70 ... Conductive Layers 46, 47 ... base part, 48, 49 ... electron emission part, 50 ... one end face (one face), 52, 100 ... tip of the electron emission part, 98 ... main face (one face).
Claims (8)
前記陰極部は、仕事関数が３．０ｅＶ以下の材料によって形成され、
少なくとも前記電子放出部の先端を覆うように、厚さ２０ｎｍ以下の導電層が設けられていることを特徴とする電子放出素子。 A cathode part constituted by a base part and a projecting electron emission part formed on one surface of the base part;
The cathode portion is formed of a material having a work function of 3.0 eV or less,
An electron-emitting device, wherein a conductive layer having a thickness of 20 nm or less is provided so as to cover at least the tip of the electron-emitting portion.
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