JP2010251087A - Cold-cathode field emission electron gun - Google Patents

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Akihiko Ueda
暁彦 植田
Kazuhiro Ikeda
和寛 池田
Natsuo Tatsumi
夏生 辰巳
Yoshiki Nishibayashi
良樹 西林
Takahiro Imai
貴浩 今井
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    • H01J2237/063Electron sources
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electron gun capable of obtaining electron beams with high luminance and high stability used for an electron-beam equipment and a vacuum tube, especially, an electron microscope. <P>SOLUTION: The cold-cathode field emission electron gun used for an electronic optical equipment operates at 1,000°C or less, and as electron emission characteristics obtained, an emission current stability is less than 5%, and an angle current density is larger than 50 μA/sr. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、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、進行波管、マイクロ波管など真空管に用いられる電子銃であって、従来のタングステン冷陰極より優れた電子ビームが得られる冷陰極電界放出電子銃に関する。   The present invention is an electron gun used for an electron beam and electron beam equipment such as an electron microscope and an electron beam exposure machine, a vacuum tube such as a traveling wave tube and a microwave tube, and an electron beam superior to a conventional tungsten cold cathode is obtained. The present invention relates to a cold cathode field emission electron gun.

電子はマイナスの電荷を持ち、質量が極めて小さいため、電子を一方向に揃えて走らせた電子ビームは以下のような特徴を有している。(1)電界や磁界で方向や収束度を制御できる。(2)電界による加減速で広範囲なエネルギーが得られる。(3)波長が短いため、細く絞り込むことができる。このような特徴を活かした電子顕微鏡や、電子ビーム露光機が広く普及している。   Since electrons have a negative charge and have a very small mass, an electron beam that is run with electrons aligned in one direction has the following characteristics. (1) The direction and convergence can be controlled by an electric field or a magnetic field. (2) A wide range of energy can be obtained by acceleration / deceleration by an electric field. (3) Since the wavelength is short, it can be narrowed down. Electron microscopes and electron beam exposure machines that make use of these characteristics are widely used.

現在、電子顕微鏡用途としてよく使用されている陰極として、例えば、特許文献1〜3によれば、熱電子源としては安価タングステンフィラメントや、輝度の高い電子ビームが得られるLaB6等からなるホウ化物フィラメントがある。また、さらに高輝度でエネルギー幅の狭い陰極として、量子効果によるトンネル現象を利用した電界放出電子源として先鋭化タングステンや、電界によるショットキー効果を利用した熱電界放出電子源としてZrO/W が用いられている。 Currently, as cathodes that are often used for electron microscope applications, according to Patent Documents 1 to 3, for example, a thermionic source is a low-cost tungsten filament, a boride made of LaB 6 or the like from which a high-luminance electron beam can be obtained. There is a filament. Further, as a cathode having higher brightness and a narrower energy width, sharpened tungsten is used as a field emission electron source utilizing a tunnel phenomenon due to a quantum effect, and ZrO / W 2 is used as a thermal field emission electron source utilizing a Schottky effect due to an electric field. It has been.

一方、電子顕微鏡においては、LSIプロセスにおける測長検査などナノサイズの微細構造を高精度に観察したいという要求があることから、輝度が高く安定した電流の電子ビームが得られる電子銃が求められている。   On the other hand, in an electron microscope, there is a demand for high-precision observation of nano-sized microstructures such as length measurement in an LSI process. Therefore, there is a demand for an electron gun that can obtain an electron beam with high brightness and a stable current. Yes.

その要求される電子ビーム輝度は1×109A/m2sr、電子ビーム電流安定性は5%未満で、これをビーム引出電圧3kV以上10kV以下で実現することである。ここで、電子ビームとは電子顕微鏡の試料室のサンプルステージ上で得られる電子線を指す。また安定性とは、電流をサンプリング周波数10Hz以上で24時間以上測定した後、すべてのサンプリングデータを平均して得られる平均電流値の何%以内にすべてのサンプリングデータが入るかということを示す指標と定義する。 The required electron beam luminance is 1 × 10 9 A / m 2 sr, and the electron beam current stability is less than 5%, which is realized by a beam extraction voltage of 3 kV to 10 kV. Here, the electron beam refers to an electron beam obtained on a sample stage in a sample chamber of an electron microscope. Stability is an index that indicates how much of the average current value obtained by averaging all sampling data after measuring the current for 24 hours or more at a sampling frequency of 10 Hz or more, and that all sampling data is included. It is defined as

要求輝度及び安定性に対する従来の電子源を搭載した電子銃で得られる電子ビーム性能を比較すると、タングステンフィラメント、ホウ化物フィラメント、ZrO/Wは、安定性は1%前後と問題ないが輝度が小さく要求を満たすことができなかった。先鋭化タングステンを搭載した電子銃では安定性が5%〜10%と悪いので要求を満たさなかった。すなわち、従来の電子源では高輝度高安定というユーザ要求を満たすことができなかった。ここで、電子銃とは、少なくとも電子源と電子源の電子放出部から一定の距離を置いて配置した引出電極アパーチャプレートを構成要素として含むと定義する。   Comparing the electron beam performance obtained with an electron gun equipped with a conventional electron source for the required brightness and stability, tungsten filament, boride filament, and ZrO / W are stable at around 1%, but the brightness is small. The request could not be fulfilled. An electron gun equipped with sharpened tungsten did not satisfy the requirements because the stability was poor at 5% to 10%. That is, the conventional electron source cannot meet the user requirement of high brightness and high stability. Here, the electron gun is defined as including at least an extraction electrode aperture plate disposed at a certain distance from the electron source and the electron emission portion of the electron source as a constituent element.

特公昭63−015693号公報Japanese Patent Publication No. 63-015633 特開平03−129651号公報Japanese Patent Laid-Open No. 03-129651 特開平08−017373号公報Japanese Patent Laid-Open No. 08-013733

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、電子線及び電子ビーム機器や真空管、特に、電子顕微鏡に使用される、高輝度高安定性を有する電子ビームが得られる電子銃を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides an electron gun capable of obtaining an electron beam having high brightness and high stability, which is used in an electron beam and an electron beam apparatus and a vacuum tube, particularly an electron microscope. For the purpose.

上記課題を解決するために、本発明に係る電子銃は、電子光学機器に使用される冷陰極電界放出電子銃であって、1000℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、エミッション電流安定性が5%未満で且つ角電流密度が50μA/srより大きいことを特徴とする。ここで、エミッション電流とは、電子銃からの総電子放出電流のことを指す。   In order to solve the above-described problems, an electron gun according to the present invention is a cold cathode field emission electron gun used in an electro-optical device, which operates at 1000 ° C. or less, and has an emission current stability as an obtained electron emission characteristic. It is characterized in that the properties are less than 5% and the angular current density is greater than 50 μA / sr. Here, the emission current refers to the total electron emission current from the electron gun.

本発明の冷陰極電界放出電子銃は、低い動作温度で且つこのような電流安定性と角電流密度を有するので、特に半導体デバイスの測長検査用電子顕微鏡分野で求められている輝度・安定性が実現できる。   Since the cold cathode field emission electron gun of the present invention has such a current stability and angular current density at a low operating temperature, it is particularly required for the brightness and stability required in the field of electron microscopes for length measurement inspection of semiconductor devices. Can be realized.

また、本発明の電子銃は、冷陰極電界放出電子銃であって、1000℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、エミッション電流安定性が5%未満で且つ電子放出の立体角0.0002srの範囲内のエミッション電流が5nAより大きいことを特徴とする。   Further, the electron gun of the present invention is a cold cathode field emission electron gun that operates at 1000 ° C. or lower, and the obtained electron emission characteristics include an emission current stability of less than 5% and an electron emission solid angle of 0. Emission current in the range of 0002 sr is greater than 5 nA.

本発明の冷陰極電界放出電子銃は、低い動作温度で且つこのような電流安定性と狭い立体角での大電流特性が実現できるので、高輝度高安定であり特に半導体デバイスの測長検査用電子顕微鏡分野で好適に使用可能である。   The cold cathode field emission electron gun of the present invention can realize such a current stability and a large current characteristic with a narrow solid angle at a low operating temperature. It can be suitably used in the electron microscope field.

あるいは、本発明の電子銃は、冷陰極電界放出電子銃であって、1000℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、エミッション電流安定性が5%未満で且つエネルギー分散が0.4eV未満であることを特徴とする。   Alternatively, the electron gun of the present invention is a cold cathode field emission electron gun, which operates at 1000 ° C. or less, and as an electron emission characteristic obtained, emission current stability is less than 5% and energy dispersion is less than 0.4 eV. It is characterized by being.

本発明の冷陰極電界放出電子銃は、低い動作温度で且つこのような電流安定性と狭いエネルギー幅が実現できるので、半導体デバイスの測長検査用電子顕微鏡分野で要求された高輝度高安定の電子ビームを得ることができる。   Since the cold cathode field emission electron gun of the present invention can realize such current stability and a narrow energy width at a low operating temperature, it has high brightness and high stability required in the field of electron microscopes for length measurement inspection of semiconductor devices. An electron beam can be obtained.

さらには、本発明の電子銃は、冷陰極電界放出電子銃であって、1000℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、角電流密度が50μA/srより大きく且つエネルギー分散が0.4eV未満であることを特徴とする。   Furthermore, the electron gun of the present invention is a cold cathode field emission electron gun, which operates at 1000 ° C. or less, and as an electron emission characteristic obtained, the angular current density is larger than 50 μA / sr and the energy dispersion is 0.4 eV. It is characterized by being less than.

本発明の冷陰極電界放出電子銃は、低い動作温度で且つこのような角電流密度と狭いエネルギー幅が実現できるので、高輝度高安定の電子ビームを得ることができる。   Since the cold cathode field emission electron gun of the present invention can realize such an angular current density and a narrow energy width at a low operating temperature, a high-brightness and highly stable electron beam can be obtained.

そして、本発明の電子銃は、冷陰極電界放出電子銃であって、1000℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、電子放出の立体角0.0002srの範囲内のエミッション電流が5nAより大きく且つエネルギー分散が0.4eV未満であることを特徴とする。   The electron gun of the present invention is a cold cathode field emission electron gun, which operates at 1000 ° C. or less, and has an emission current within a range of a solid angle of electron emission of 0.0002 sr as 5 nA. It is large and has an energy dispersion of less than 0.4 eV.

本発明の冷陰極電界放出電子銃は、低い動作温度で且つこのような狭い立体角での大電流特性と狭いエネルギー幅が実現できるので、高輝度高安定の電子ビームを得ることができる。   Since the cold cathode field emission electron gun of the present invention can realize a large current characteristic and a narrow energy width at a low operating temperature and in such a narrow solid angle, a high-brightness and highly stable electron beam can be obtained.

本発明によれば、真空管、電子ビーム分析装置、加速器、殺菌用電子線照射装置、X線発生装置、樹脂用照射装置、電子ビーム加熱装置など電子線を使う全ての機器に使用可能であり、高輝度且つ高安定な電子ビームが得られる冷陰極電界放出電子銃が実現される。特に、半導体デバイス測長検査用電子顕微鏡において、本発明の冷陰極電界放出電子銃を使用すれば、従来の電子銃では不可能であった高速・高精度での観察を実現することができる。   According to the present invention, it can be used for all devices using electron beams such as vacuum tubes, electron beam analyzers, accelerators, sterilizing electron beam irradiation devices, X-ray generators, resin irradiation devices, electron beam heating devices, A cold cathode field emission electron gun capable of obtaining a high-luminance and highly stable electron beam is realized. In particular, if the cold cathode field emission electron gun of the present invention is used in an electron microscope for semiconductor device length measurement inspection, high-speed and high-precision observation that is impossible with a conventional electron gun can be realized.

本発明による冷陰極電界放出電子銃の電子源部分の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the electron source part of the cold cathode field emission electron gun by this invention. 図1におけるチップ11の拡大図である。It is an enlarged view of the chip | tip 11 in FIG. 本発明による冷陰極電界放出電子銃の電子源部分の構成の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of a structure of the electron source part of the cold cathode field emission electron gun by this invention. 本発明による冷陰極電界放出電子銃から電子放出させる際の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure at the time of making an electron emit from the cold cathode field emission electron gun by this invention.

以下、添付図面を参照して、本発明に係る冷陰極電界放出電子銃の好適な実施形態について詳細に説明する。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、重複する説明を省略する。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 cold cathode field emission electron gun according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same reference numerals are assigned to the same elements, and duplicate descriptions are omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.

図1は、本発明による冷陰極電界放出電子銃の電子源部分の一実施形態を示す平面図である。電子源10は、電子放出部分であるチップ11、チップ11を挟持するための支柱12、支柱を固定するためのベース13、チップに支柱12を経由して放出電子を供給するための給電端子14で構成される。   FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of an electron source portion of a cold cathode field emission electron gun according to the present invention. The electron source 10 includes a chip 11 which is an electron emitting portion, a support 12 for holding the chip 11, a base 13 for fixing the support 11, and a power supply terminal 14 for supplying emitted electrons to the chip via the support 12. Consists of.

チップ11にはダイヤモンド単結晶が使用されることが好ましい。ダイヤモンド単結晶は、混入している不純物や欠陥の種類によって、Ia型、Ib型、IIa型、IIb型等分類されるが、いずれを使用しても構わない。チップ11のダイヤモンド単結晶には、ホウ素ドープダイヤモンドエピタキシャル薄膜、あるいはリンドープダイヤモンドエピタキシャル薄膜が少なくとも一部に形成されていると、チップ11の導電性向上に寄与するために好ましい。
サイズは、50μm×50μm×100μm以上、1mm×1mm×5mm以下の直方体空間に収まる形状である。この範囲内の大きさであることによって、LaB6やZrO/W等の従来の電子源を搭載した電子銃と互換性を有する結果、これらが使用されている電子顕微鏡に本発明の冷陰極電界放出電子銃を搭載することが可能となる。
The tip 11 is preferably a diamond single crystal. The diamond single crystal is classified into Ia type, Ib type, IIa type, IIb type, and the like depending on the type of impurities and defects mixed therein, and any of them may be used. It is preferable that a boron-doped diamond epitaxial thin film or a phosphorus-doped diamond epitaxial thin film is formed on at least a part of the diamond single crystal of the chip 11 in order to contribute to improvement of the conductivity of the chip 11.
The size is a shape that fits in a rectangular parallelepiped space of 50 μm × 50 μm × 100 μm or more and 1 mm × 1 mm × 5 mm or less. Due to the size within this range, compatibility with an electron gun equipped with a conventional electron source such as LaB 6 or ZrO / W is achieved. As a result, the cold cathode electric field of the present invention is applied to an electron microscope in which these are used. An emission electron gun can be mounted.

チップ11は図2に示すように先鋭突起20を有し、その先端に電界を印加することによって電界放出電子を得る。先鋭突起20は、角錐台部21の平面上に形成されているが、加工が困難なダイヤモンドを電子源として使用するために、従来の電子源にはない独特な構造を有する。先鋭突起20は円錐形状をしており、その頂角は30°以下、高さは10μm以上で先端曲率半径は0.05μm以上1μm以下、最先端部の表面粗さは1nm以下である。   The chip 11 has a sharp projection 20 as shown in FIG. 2, and obtains field emission electrons by applying an electric field to the tip thereof. The sharp projection 20 is formed on the plane of the truncated pyramid 21, but has a unique structure that is not found in conventional electron sources because diamond that is difficult to process is used as the electron source. The sharp projection 20 has a conical shape, the apex angle is 30 ° or less, the height is 10 μm or more, the tip curvature radius is 0.05 μm or more and 1 μm or less, and the surface roughness of the most advanced part is 1 nm or less.

先鋭突起20以外の部分は、ダイヤモンド単結晶をレーザ加工と研磨加工することにより作製する。角錐台部21は、加工及び先鋭突起部の電界集中のし易さを考えると角錐台高さは0.1mm〜0.5mm、角錐台面のサイズは20μm角〜100μm角の範囲内であることが好ましい。表面は研磨加工により鏡面仕上げとするが、少なくとも角錐台上面は鏡面仕上げとする。   Portions other than the sharp projections 20 are produced by laser processing and polishing a diamond single crystal. The pyramid 21 has a height of 0.1 to 0.5 mm and a size of the truncated pyramid surface within a range of 20 μm to 100 μm, considering the ease of processing and concentration of the electric field of the sharp projection. Is preferred. The surface is mirror-finished by polishing, but at least the upper surface of the truncated pyramid is mirror-finished.

先鋭突起20は、角錐台上面にフォトリソグラフィ法で円柱状のエッチングマスクを形成して、反応性イオンエッチング(RIE)でエッチングマスクが消失するまで角錐台上面をエッチングすることにより形成する。エッチングは酸素とCF4の混合ガス雰囲気中で実施し、マスクは直径1μmφ〜10μmφ、高さ0.1μm〜10μmの範囲で設定し、マスクのエッジ部の輪郭度が10nm以下となるように丁寧にフォトリソグラフィを実施する。マスク材としてはTi、Mo、W、Al等の金属、SiO2、SiON等のセラミックが使用可能である。 The sharp projection 20 is formed by forming a cylindrical etching mask on the upper surface of the truncated pyramid by photolithography and etching the upper surface of the truncated pyramid until the etching mask disappears by reactive ion etching (RIE). Etching is carried out in a mixed gas atmosphere of oxygen and CF 4 , the mask is set in the range of 1 μmφ to 10 μmφ in diameter and 0.1 μm to 10 μm in height, and the edge of the mask is carefully contoured to 10 nm or less. Photolithography is performed. As the mask material, metals such as Ti, Mo, W, and Al, and ceramics such as SiO 2 and SiON can be used.

先鋭突起20の先端部分の表面粗さはエッチングマスクが消失する直前のエッチング速度と関係し、遅いほど表面が滑らかになる。エッチングが進むにつれてマスク直下の突起が高くなっていくと共にマスク厚は薄くなっていくが、エッチング条件によってはマスクが径方向にも縮小し、この場合、突起先端に向かって先細りの円錐形状となる。このようなエッチング条件として、圧力0.5Pa〜20Pa、CF4:酸素ガス混合比1:1000〜1:1、高周波電力50W〜500Wの範囲内から選択し、エッチング途中でマスクの直径が0.2μm前後に縮小したことを確認したら、エッチング速度を0.1μm/h以下にする。こうすることによって、頂角30°以下の円錐形状で鋭い先鋭突起20が形成され、先端の電子放出部分の面粗さは1nm以下と原子レベルにまで滑らかな表面に仕上がる。 The surface roughness of the tip portion of the sharp projection 20 is related to the etching rate immediately before the etching mask disappears, and the slower the surface, the smoother the surface. As the etching progresses, the protrusion directly under the mask increases and the mask thickness decreases, but depending on the etching conditions, the mask also shrinks in the radial direction, and in this case, it becomes a conical shape that tapers toward the tip of the protrusion. . As such etching conditions, a pressure of 0.5 Pa to 20 Pa, a CF 4 : oxygen gas mixing ratio of 1: 1000 to 1: 1, and a high frequency power of 50 W to 500 W are selected. If it is confirmed that the film has been reduced to about 2 μm, the etching rate is set to 0.1 μm / h or less. By doing so, a sharp pointed projection 20 is formed in a conical shape with an apex angle of 30 ° or less, and the surface roughness of the electron emission portion at the tip is finished to a smooth surface down to an atomic level of 1 nm or less.

上記のチップ構成を満たすことによって所望の電子銃性能が得られる結果、ユーザ要求のビーム性能を得ることができる。先鋭突起20の形状は突起先端に電界が集中し易くなるように、上述のように突起先端に向かって先細りの形状である頂角30°以下の円錐形状であることが好ましい。ダイヤモンドは仕事関数が低く電子放出の容易性を有するので好適に使用可能である。ダイヤモンド以外であっても、仕事関数が低くダイヤモンドと同等以上の電子放出容易性を有する材料であれば好適に使用可能である。   By satisfying the above chip configuration, desired electron gun performance can be obtained. As a result, beam performance required by the user can be obtained. The shape of the sharpened protrusion 20 is preferably a conical shape with an apex angle of 30 ° or less, which is a tapered shape toward the protrusion tip, as described above, so that the electric field is easily concentrated on the protrusion tip. Diamond can be suitably used because it has a low work function and is easy to emit electrons. Even a material other than diamond can be suitably used as long as it has a low work function and has an electron emission ease equal to or higher than that of diamond.

仕事関数が比較的大きいという以外は全く同様の材料から同じビーム電流を引出すためには、引出電極をより材料に近づけるといったことや、引出電圧をより高くするといったこと等を実施する必要があり、比較的小さな仕事関数の材料よりも電子を引出す条件が厳しくなる。引出し条件が厳しいと放電等により電子源を破壊する可能性が高くなるため、エミッション電流安定性、角電流密度、エネルギー分散といった性能を追求することが困難となる。   In order to extract the same beam current from exactly the same material except that the work function is relatively large, it is necessary to make the extraction electrode closer to the material, increase the extraction voltage, etc. The conditions for extracting electrons become stricter than materials with a relatively small work function. If the extraction conditions are severe, there is a high possibility that the electron source is destroyed by discharge or the like, and it becomes difficult to pursue performances such as emission current stability, angular current density, and energy dispersion.

支柱12は信頼性の観点から、1000℃以上でもチップ11を保持する力を失わない弾性を有する金属を使用することが望ましい。具体的にはモリブデンを含む合金が好適に使用可能であるが、モリブデン、タングステン、タンタルといった高融点金属単体も使用可能である。ベース13はアルミナやステアタイトといった絶縁性を有するセラミックが好適に使用可能である。給電端子14にはコバール等の金属が用いられる。   From the viewpoint of reliability, it is desirable to use a metal having elasticity that does not lose the force to hold the chip 11 even at 1000 ° C. or higher. Specifically, an alloy containing molybdenum can be suitably used, but a refractory metal alone such as molybdenum, tungsten, or tantalum can also be used. The base 13 can be suitably made of an insulating ceramic such as alumina or steatite. A metal such as Kovar is used for the power supply terminal 14.

本発明の冷陰極電界放出電子銃の電子源部分は少なくとも上記の構成部品を有しているが、図3の断面図に示すように、支柱12、サプレッサ30、チップ締め付けネジ31及び32、熱分解炭素スペーサ33等の構成部品が存在しても本発明の範囲内である。サプレッサ30は、その他の構成部品を覆い、チップ11が突き出すように開口部を設けた金属部品であって、チップ11以外の部分からの電子放出を抑える機能を有する。チップ締め付けネジ31及び32は、支柱12がチップ11を挟持する力を補助するためのものである。熱分解炭素スペーサ33は、チップ11の加熱が必要な際にチップ11と支柱12の接触部分の間に挟むものである。   The electron source portion of the cold cathode field emission electron gun of the present invention has at least the above-described components. As shown in the cross-sectional view of FIG. 3, the support 12, the suppressor 30, the chip clamping screws 31 and 32, the heat The presence of components such as cracked carbon spacer 33 is within the scope of the present invention. The suppressor 30 is a metal part that covers other components and is provided with an opening so that the chip 11 protrudes, and has a function of suppressing electron emission from a part other than the chip 11. The chip clamping screws 31 and 32 are for assisting the force with which the column 12 clamps the chip 11. The pyrolytic carbon spacer 33 is sandwiched between the contact portions of the chip 11 and the support column 12 when the chip 11 needs to be heated.

図4は、本発明による冷陰極電界放出電子銃から電子放出させる際の構成の一実施形態を示す断面図である。電子源10上にアパーチャプレート40を設置して、アパーチャプレート40に引出電圧、すなわちチップ11に対して正の電圧を印加することにより電子ビーム(エミッション電子)41を引き出す。   FIG. 4 is a cross-sectional view showing an embodiment of a configuration when electrons are emitted from the cold cathode field emission electron gun according to the present invention. An aperture plate 40 is installed on the electron source 10, and an extraction voltage, that is, a positive voltage is applied to the chip 11 to the aperture plate 40, thereby extracting an electron beam (emission electron) 41.

図4の電子ビーム引き出し構成において、冷陰極電界放出電子銃から所望の性能を引き出すために、アパーチャプレート40の孔の直径が800μm以下、厚みが600μm以下で、チップ11先端とアパーチャプレート40のチップ11側の面との距離が50μmから2000μmとする。このような構成とすることによって、真空度1.2×10-7Pa以下の環境で、チップ11の温度が1000℃以下、引出電圧3kVから10kVの間で所望の電子銃性能が引き出される結果、ユーザ要求のビーム性能を得ることができる。 In the electron beam extraction configuration of FIG. 4, in order to extract desired performance from the cold cathode field emission electron gun, the aperture plate 40 has a hole diameter of 800 μm or less and a thickness of 600 μm or less, and the tip of the tip 11 and the tip of the aperture plate 40. The distance to the surface on the 11th side is 50 μm to 2000 μm. By adopting such a configuration, a desired electron gun performance is obtained when the temperature of the chip 11 is 1000 ° C. or less and the extraction voltage is 3 kV to 10 kV in an environment with a vacuum degree of 1.2 × 10 −7 Pa or less. The beam performance required by the user can be obtained.

ダイヤモンドの電子放出性能が優れていることは公知であるが、加工が困難であることから、最大性能を引き出すための電子源形状や電子銃構成、すなわち電子ビーム引き出し構成が実現できていなかった。しかしながら、本発明者らによる鋭意研究の結果、最大性能を引き出す電子源形状、及び電子銃構成を見出し、ダイヤモンドの電子放出の容易性を十分に利用できた結果、所望の電子源性能、すなわち、チップ温度1000℃以下で所望のエミッション電流安定性、角電流密度、エネルギー分散を得て、ユーザ要求のビーム性能を得るに至った。   It is known that diamond has an excellent electron emission performance, but since it is difficult to process, an electron source shape and an electron gun configuration for extracting the maximum performance, that is, an electron beam extraction configuration has not been realized. However, as a result of diligent research by the present inventors, the electron source shape and electron gun configuration that draw out the maximum performance were found, and the ease of electron emission of diamond was fully utilized. The desired emission current stability, angular current density, and energy dispersion were obtained at a chip temperature of 1000 ° C. or lower, and the beam performance required by the user was obtained.

本発明の冷陰極電界放出電子銃について、実施例に基づいてさらに具体的に説明する。
[実施例1]
図1に示すような冷陰極電界放出電子銃の電子源部分として、電子源1aを作製した。チップ11は以下のようにして作製した。
まず、Ib型のダイヤモンド単結晶を準備した。このダイヤモンド単結晶をSIMS分析したところ、ダイヤモンド中に30ppmの窒素が混入していることがわかった。これを、サイズ0.6mm角×2.5mmの角柱形状のIb型ダイヤモンド単結晶となるようにレーザ加工機で切り出した。結晶方位は長手方向を<110>とした。この基材の0.6mm×2.5mmの1面にダイヤモンドの気相成長装置を用いてリンドープエピタキシャル薄膜を2μm成長させた。次に、研磨加工で角柱全体を鏡面研磨すると共に片端に角錐台部を形成した。角錐台の高さは0.3mm、角錐台面は50μm角とした。
The cold cathode field emission electron gun of the present invention will be described more specifically based on examples.
[Example 1]
An electron source 1a was produced as an electron source portion of a cold cathode field emission electron gun as shown in FIG. The chip 11 was produced as follows.
First, an Ib type diamond single crystal was prepared. As a result of SIMS analysis of the diamond single crystal, it was found that 30 ppm of nitrogen was mixed in the diamond. This was cut out with a laser processing machine so as to be a prismatic Ib type diamond single crystal having a size of 0.6 mm square × 2.5 mm. The crystal orientation was <110> in the longitudinal direction. A phosphorus-doped epitaxial thin film was grown on a surface of 0.6 mm × 2.5 mm of this substrate by using a diamond vapor phase growth apparatus by 2 μm. Next, the entire prism was mirror-polished by polishing and a truncated pyramid portion was formed at one end. The height of the truncated pyramid was 0.3 mm, and the truncated pyramid surface was 50 μm square.

そして、フォトリソグラフィ法を利用して角錐台面の中央に6μmφ×4μmのTiからなる円柱状のエッチングマスクを形成し、反応性イオンエッチングにより酸素とCF4の混合ガス雰囲気でエッチングマスクが消失するまでエッチングして、角錐台部上に高さ15μm、先端曲率半径0.3μmで頂角15°の円錐状突起を形成した。エッチング条件は、圧力3Pa、CF4:酸素ガス混合比1:20、高周波電力200Wとした。エッチングマスクの直径が150nmになったのを確認した後、エッチングでの高周波電力及びガス圧を下げて50W及び1Paとすることにより、エッチング速度を3μm/hから0.1μm/hに落とした。こうして、先鋭突起20先端の電子放出部分の面粗さを0.9nmにした。
上記チップ11以外の電子源1aの構成として、支柱12にはタングステン、ベース13にはアルミナ、給電端子14にはコバールをそれぞれ使用した。
Then, a photolithography method is used to form a cylindrical etching mask made of Ti of 6 μmφ × 4 μm at the center of the truncated pyramid surface, and the etching mask disappears in a mixed gas atmosphere of oxygen and CF 4 by reactive ion etching. Etching was performed to form a conical protrusion having a height of 15 μm, a tip curvature radius of 0.3 μm, and a vertex angle of 15 ° on the truncated pyramid. Etching conditions were a pressure of 3 Pa, a CF 4 : oxygen gas mixing ratio of 1:20, and a high frequency power of 200 W. After confirming that the diameter of the etching mask was 150 nm, the etching rate was reduced from 3 μm / h to 0.1 μm / h by reducing the high frequency power and gas pressure during etching to 50 W and 1 Pa. In this way, the surface roughness of the electron emission portion at the tip of the sharp projection 20 was set to 0.9 nm.
As the configuration of the electron source 1 a other than the chip 11, tungsten was used for the support 12, alumina was used for the base 13, and kovar was used for the power supply terminal 14.

次に、作製した電子源1aを図4に示すような電子銃構成で電子顕微鏡の電子銃室内に組み込んだ。アパーチャプレート40の穴の直径は800μm、厚みは600μmで、チップ11先端とアパーチャプレート40のチップ11側の面との距離を2000μmとした。   Next, the produced electron source 1a was assembled in an electron gun chamber of an electron microscope with an electron gun configuration as shown in FIG. The diameter of the hole of the aperture plate 40 was 800 μm, the thickness was 600 μm, and the distance between the tip of the chip 11 and the surface of the aperture plate 40 on the chip 11 side was 2000 μm.

真空度1.2×10-7Pa、チップ11の温度を1000℃にして、引出電圧7kVを印加したところ、エミッション電流安定性3.0%、角電流密度70μA/srが得られた。
次にチップ11の温度を25℃に下げたところ、エミッション電流安定性3.8%、角電流密度55μA/srとなった。この間、輝度は1.4×109A/m2srから1.1×109A/m2srに変化した。
When the degree of vacuum was 1.2 × 10 −7 Pa, the temperature of the chip 11 was 1000 ° C., and an extraction voltage of 7 kV was applied, an emission current stability of 3.0% and an angular current density of 70 μA / sr were obtained.
Next, when the temperature of the chip 11 was lowered to 25 ° C., the emission current stability was 3.8% and the angular current density was 55 μA / sr. During this time, the luminance changed from 1.4 × 10 9 A / m 2 sr to 1.1 × 10 9 A / m 2 sr.

[比較例1]
先鋭突起20の頂角を35°、先端の電子放出部分の面粗さを1.5nmとした以外は全て電子源1aと同様の電子源1bを作製した。そして、当該電子源1bを用いて実施例1と同様の電子銃構成で実験した。
真空度1.2×10-7Pa、チップ11の温度を1000℃にして引出電圧10kVを印加したが、角電流密度は40μA/srと小さかった。
[比較例2]
図4においてチップ11先端とアパーチャプレート40のチップ11側の面との距離を3000μmとした以外は全て実施例1と同様の電子銃構成で実験した。
真空度1.2×10-7Pa、チップ11の温度を1000℃にして引出電圧10kVを引加したが、角電流密度は35μA/srと小さかった。
[Comparative Example 1]
An electron source 1b was produced in the same manner as the electron source 1a except that the apex angle of the sharp projection 20 was 35 ° and the surface roughness of the electron emission portion at the tip was 1.5 nm. And it experimented by the same electron gun structure as Example 1 using the said electron source 1b.
The degree of vacuum was 1.2 × 10 −7 Pa, the temperature of the chip 11 was 1000 ° C., and an extraction voltage of 10 kV was applied, but the angular current density was as small as 40 μA / sr.
[Comparative Example 2]
In FIG. 4, all experiments were performed with the same electron gun configuration as in Example 1, except that the distance between the tip of the chip 11 and the surface of the aperture plate 40 on the chip 11 side was 3000 μm.
The degree of vacuum was 1.2 × 10 −7 Pa, the temperature of the chip 11 was 1000 ° C., and an extraction voltage of 10 kV was applied. However, the angular current density was as small as 35 μA / sr.

[実施例2]
図1に示すような冷陰極電界放出電子源の電子源部分として、電子源2aを作製した。チップ11は以下のようにして作製した。
まず、IIb型のダイヤモンド単結晶を準備した。このダイヤモンド単結晶をSIMS分析したところ、ダイヤモンド中に100ppmのホウ素が混入していることがわかった。これを、サイズ0.6mm角×2.5mmの角柱形状のIIb型ダイヤモンド単結晶となるようにレーザ加工機で切り出した。結晶方位は長手方向を<110>とした。次に、研磨加工で角柱全体を鏡面研磨すると共に片端に角錐台部を形成した。角錐台の高さは0.3mm、角錐台面は50μm角とした。
[Example 2]
An electron source 2a was produced as an electron source portion of a cold cathode field emission electron source as shown in FIG. The chip 11 was produced as follows.
First, a IIb type diamond single crystal was prepared. This diamond single crystal was analyzed by SIMS, and it was found that 100 ppm of boron was mixed in the diamond. This was cut out with a laser processing machine so as to be a prismatic IIb type diamond single crystal of size 0.6 mm square × 2.5 mm. The crystal orientation was <110> in the longitudinal direction. Next, the entire prism was mirror-polished by polishing and a truncated pyramid portion was formed at one end. The height of the truncated pyramid was 0.3 mm, and the truncated pyramid surface was 50 μm square.

そして、フォトリソグラフィ法を利用して角錐台面の中央に6μmφ×5μmのTiからなる円柱状のエッチングマスクを形成し、反応性イオンエッチングにより酸素とCF4の混合ガス雰囲気でエッチングマスクが消失するまでエッチングして、角錐台部上に高さ18μm、先端曲率半径0.2μmで頂角15°の円錐状突起を形成した。エッチング条件は、圧力2Pa、CF4:酸素ガス混合比1:20、高周波電力250Wとした。エッチングマスクの直径が100nmになったのを確認した後、エッチングでの高周波電力及びガス圧を下げて50W及び1Paとすることにより、エッチング速度を3.5μm/hから0.1μm/hに落とした。こうして、先鋭突起20先端の電子放出部分の面粗さを0.9nmにした。
上記チップ11以外の電子源2aの構成として、支柱12にはタングステン、ベース13にはアルミナ、給電端子14にはコバールをそれぞれ使用した。
Then, a photolithography method is used to form a cylindrical etching mask made of Ti of 6 μmφ × 5 μm at the center of the truncated pyramid surface, and until the etching mask disappears in a mixed gas atmosphere of oxygen and CF 4 by reactive ion etching. Etching was performed to form a conical protrusion having a height of 18 μm, a tip curvature radius of 0.2 μm, and a vertex angle of 15 ° on the truncated pyramid. Etching conditions were a pressure of 2 Pa, a CF 4 : oxygen gas mixing ratio of 1:20, and a high frequency power of 250 W. After confirming that the diameter of the etching mask has reached 100 nm, the etching rate is reduced from 3.5 μm / h to 0.1 μm / h by reducing the high frequency power and gas pressure during etching to 50 W and 1 Pa. It was. In this way, the surface roughness of the electron emission portion at the tip of the sharp projection 20 was set to 0.9 nm.
As the configuration of the electron source 2 a other than the chip 11, tungsten was used for the support 12, alumina was used for the base 13, and kovar was used for the power supply terminal 14.

次に、作製した電子源2aを図4に示すような電子銃構成で電子顕微鏡の電子銃室内に組み込んだ。アパーチャプレート40の穴の直径は800μm、厚みは600μmで、チップ11先端とアパーチャプレート40のチップ11側の面との距離を2000μmとした。   Next, the produced electron source 2a was assembled in an electron gun chamber of an electron microscope with an electron gun configuration as shown in FIG. The diameter of the hole of the aperture plate 40 was 800 μm, the thickness was 600 μm, and the distance between the tip of the chip 11 and the surface of the aperture plate 40 on the chip 11 side was 2000 μm.

真空度1.2×10-7Pa、チップ11の温度を1000℃にして、引出電圧7kVを印加したところ、エミッション電流安定性3.2%、電子放出の立体角0.0002srの範囲内のエミッション電流6.4nAが得られた。
次にチップ11の温度を25℃に下げたところ、エミッション電流安定性4.1%、電子放出の立体角0.0002srの範囲内のエミッション電流は5.1nAとなった。この間、輝度は1.5×109A/m2srから1.2×109A/m2srに変化した。
When the degree of vacuum is 1.2 × 10 −7 Pa, the temperature of the chip 11 is 1000 ° C., and the extraction voltage is 7 kV, the emission current stability is 3.2% and the solid angle of electron emission is within the range of 0.0002 sr. An emission current of 6.4 nA was obtained.
Next, when the temperature of the chip 11 was lowered to 25 ° C., the emission current stability was 4.1%, and the emission current within the range of the solid angle of electron emission of 0.0002 sr was 5.1 nA. During this time, the luminance changed from 1.5 × 10 9 A / m 2 sr to 1.2 × 10 9 A / m 2 sr.

[比較例3]
先鋭突起20の頂角を35°、先端の電子放出部分の面粗さを1.8nmとした以外は全て電子源2aと同様の電子源2bを作製した。そして、当該電子源2bを用いて実施例2と同様の電子銃構成で実験した。
真空度1.2×10-7Pa、チップ11の温度を1000℃にして引出電圧10kVを印加したが、電子放出の立体角0.0002srの範囲内のエミッション電流は3.9nAと小さかった。
[比較例4]
図4においてチップ11先端とアパーチャプレート40のチップ11側の面との距離を3000μmとした以外は全て実施例2と同様の電子銃構成で実験した。
真空度1.2×10-7Pa、チップ11の温度を1000℃にして引出電圧10kVを引加したが、電子放出の立体角0.0002srの範囲内のエミッション電流は3.5nAと小さかった。
[Comparative Example 3]
An electron source 2b similar to the electron source 2a was produced except that the apex angle of the sharp projection 20 was 35 ° and the surface roughness of the electron emission portion at the tip was 1.8 nm. And it experimented by the electron gun structure similar to Example 2 using the said electron source 2b.
Although the degree of vacuum was 1.2 × 10 −7 Pa, the temperature of the chip 11 was 1000 ° C., and an extraction voltage of 10 kV was applied, the emission current within the range of the solid angle of electron emission of 0.0002 sr was as small as 3.9 nA.
[Comparative Example 4]
In FIG. 4, all experiments were performed with the same electron gun configuration as in Example 2 except that the distance between the tip of the chip 11 and the surface of the aperture plate 40 on the chip 11 side was 3000 μm.
The degree of vacuum was 1.2 × 10 −7 Pa, the temperature of the chip 11 was 1000 ° C., and an extraction voltage of 10 kV was applied. However, the emission current in the range of the solid angle of electron emission of 0.0002 sr was as small as 3.5 nA. .

[実施例3]
図1に示すような冷陰極電界放出電子銃の電子源部分として、電子源3aを作製した。チップ11は以下のようにして作製した。
まず、Ib型のダイヤモンド単結晶を準備した。このダイヤモンド単結晶をSIMS分析したところ、ダイヤモンド中に20ppmの窒素が混入していることがわかった。これを、サイズ0.6mm角×2.5mmの角柱形状のIb型ダイヤモンド単結晶となるようにレーザ加工機で切り出した。結晶方位は長手方向を<110>とした。この基材の0.6mm×2.5mmの1面にダイヤモンドの気相成長装置を用いてリンドープエピタキシャル薄膜を2μm成長させた。次に、研磨加工で角柱全体を鏡面研磨すると共に片端に角錐台部を形成した。角錐台の高さは0.3mm、角錐台面は50μm角とした。
[Example 3]
An electron source 3a was produced as an electron source portion of a cold cathode field emission electron gun as shown in FIG. The chip 11 was produced as follows.
First, an Ib type diamond single crystal was prepared. As a result of SIMS analysis of the diamond single crystal, it was found that 20 ppm of nitrogen was mixed in the diamond. This was cut out with a laser processing machine so as to be a prismatic Ib type diamond single crystal having a size of 0.6 mm square × 2.5 mm. The crystal orientation was <110> in the longitudinal direction. A phosphorus-doped epitaxial thin film was grown on a surface of 0.6 mm × 2.5 mm of this substrate by using a diamond vapor phase growth apparatus by 2 μm. Next, the entire prism was mirror-polished by polishing and a truncated pyramid portion was formed at one end. The height of the truncated pyramid was 0.3 mm, and the truncated pyramid surface was 50 μm square.

そして、フォトリソグラフィ法を利用して角錐台面の中央に6μmφ×4μmのTiからなる円柱状のエッチングマスクを形成し、反応性イオンエッチングにより酸素とCF4の混合ガス雰囲気でエッチングマスクが消失するまでエッチングして、角錐台部上に高さ20μm、先端曲率半径0.05μmで頂角15°の円錐状突起を形成した。エッチング条件は、圧力3Pa、CF4:酸素ガス混合比1:30、高周波電力200Wとした。エッチングマスクの直径が50nmになったのを確認した後、エッチングでの高周波電力及びガス圧を下げて50W及び1Paとすることにより、エッチング速度を3.5μm/hから0.1μm/hに落とした。こうして、先鋭突起20先端の電子放出部分の面粗さを0.9nmにした。
上記チップ11以外の電子源3aの構成として、支柱12にはタングステン、ベース13にはアルミナ、給電端子14にはコバールをそれぞれ使用した。
Then, a photolithography method is used to form a cylindrical etching mask made of Ti of 6 μmφ × 4 μm at the center of the truncated pyramid surface, and the etching mask disappears in a mixed gas atmosphere of oxygen and CF 4 by reactive ion etching. Etching was performed to form a conical protrusion having a height of 20 μm, a tip curvature radius of 0.05 μm, and a vertex angle of 15 ° on the truncated pyramid. The etching conditions were a pressure of 3 Pa, a CF 4 : oxygen gas mixture ratio of 1:30, and a high frequency power of 200 W. After confirming that the diameter of the etching mask has reached 50 nm, the etching rate is reduced from 3.5 μm / h to 0.1 μm / h by reducing the high frequency power and gas pressure during etching to 50 W and 1 Pa. It was. In this way, the surface roughness of the electron emission portion at the tip of the sharp projection 20 was set to 0.9 nm.
As the configuration of the electron source 3 a other than the chip 11, tungsten was used for the support 12, alumina was used for the base 13, and Kovar was used for the power supply terminal 14.

次に、作製した電子源3aを図4に示すような電子銃構成で電子顕微鏡の電子銃室内に組み込んだ。アパーチャプレート40の穴の直径は800μm、厚みは600μmで、チップ11先端とアパーチャプレート40のチップ11側の面との距離を2000μmとした。   Next, the produced electron source 3a was assembled in an electron gun chamber of an electron microscope with an electron gun configuration as shown in FIG. The diameter of the hole of the aperture plate 40 was 800 μm, the thickness was 600 μm, and the distance between the tip of the chip 11 and the surface of the aperture plate 40 on the chip 11 side was 2000 μm.

真空度1.2×10-7Pa、チップ11の温度を1000℃にして、引出電圧7kVを印加したところ、エミッション電流安定性4.0%、エネルギー分散0.36eVが得られた。
次にチップ11の温度を25℃に下げたところ、エミッション電流安定性4.2%、エネルギー分散0.26eVとなった。この間、輝度は7.5×109A/m2srから5.3×109A/m2srに変化した。
When the degree of vacuum was 1.2 × 10 −7 Pa, the temperature of the chip 11 was 1000 ° C., and an extraction voltage of 7 kV was applied, an emission current stability of 4.0% and an energy dispersion of 0.36 eV were obtained.
Next, when the temperature of the chip 11 was lowered to 25 ° C., the emission current stability was 4.2% and the energy dispersion was 0.26 eV. During this time, the luminance changed from 7.5 × 10 9 A / m 2 sr to 5.3 × 10 9 A / m 2 sr.

[比較例5]
図1においてチップ11先端の曲率半径を0.02μmとした以外は全て電子源3aと同様の電子源3bを作製した。そして、当該電子源3bを用いて実施例3と同様の電子銃構成で実験した。
真空度1.2×10-7Pa、チップ11の温度を25℃にして引出電圧7kVを印加したが、エネルギー分散は0.45eVと大きかった。
[Comparative Example 5]
In FIG. 1, the same electron source 3b as the electron source 3a was manufactured except that the radius of curvature of the tip of the chip 11 was set to 0.02 μm. And it experimented by the same electron gun structure as Example 3 using the said electron source 3b.
The degree of vacuum was 1.2 × 10 −7 Pa, the temperature of the chip 11 was 25 ° C., and an extraction voltage of 7 kV was applied, but the energy dispersion was as large as 0.45 eV.

[実施例4]
図1に示すような冷陰極電界放出電子銃の電子源部分として、電子源4aを作製した。チップ11は以下のようにして作製した。
まず、IIa型のダイヤモンド単結晶を準備した。このダイヤモンド単結晶をSIMS分析したところ、ダイヤモンド中の窒素、ホウ素混入量は共に1ppm以下であることがわかった。これを、サイズ0.6mm角×2.5mmの角柱形状のIIa型ダイヤモンド単結晶となるようにレーザ加工機で切り出した。結晶方位は長手方向を<110>とした。この基材の0.6mm×2.5mmの1面にダイヤモンドの気相成長装置を用いてリンドープエピタキシャル薄膜を2μm成長させた。次に、研磨加工で角柱全体を鏡面研磨すると共に片端に角錐台部を形成した。角錐台の高さは0.3mm、角錐台面は50μm角とした。
[Example 4]
An electron source 4a was produced as an electron source portion of a cold cathode field emission electron gun as shown in FIG. The chip 11 was produced as follows.
First, a type IIa diamond single crystal was prepared. As a result of SIMS analysis of the diamond single crystal, it was found that both the amounts of nitrogen and boron mixed in the diamond were 1 ppm or less. This was cut out with a laser processing machine so as to be a prismatic IIa-type diamond single crystal having a size of 0.6 mm square × 2.5 mm. The crystal orientation was <110> in the longitudinal direction. A phosphorus-doped epitaxial thin film was grown on a surface of 0.6 mm × 2.5 mm of this substrate by using a diamond vapor phase growth apparatus by 2 μm. Next, the entire prism was mirror-polished by polishing and a truncated pyramid portion was formed at one end. The height of the truncated pyramid was 0.3 mm, and the truncated pyramid surface was 50 μm square.

そして、フォトリソグラフィ法を利用して角錐台面の中央に6μmφ×4μmのAlからなる円柱状のエッチングマスクを形成し、反応性イオンエッチングにより酸素とCF4の混合ガス雰囲気でエッチングマスクが消失するまでエッチングして、角錐台部上に高さ15μm、先端曲率半径0.05μmで頂角15°の円錐状突起を形成した。エッチング条件は、圧力4Pa、CF4:酸素ガス混合比1:25、高周波電力300Wとした。エッチングマスクの直径が50nmになったのを確認した後、エッチングでの高周波電力及びガス圧を下げて50W及び1Paとすることにより、エッチング速度を3μm/hから0.1μm/hに落とした。こうして、先鋭突起20先端の電子放出部分の面粗さを0.9nmにした。
上記チップ11以外の電子源4aの構成として、支柱12にはタングステン、ベース13にはアルミナ、給電端子14にはコバールをそれぞれ使用した。
Then, a cylindrical etching mask made of Al of 6 μmφ × 4 μm is formed in the center of the truncated pyramid surface using photolithography, and the etching mask disappears in a mixed gas atmosphere of oxygen and CF 4 by reactive ion etching. Etching was performed to form a conical protrusion having a height of 15 μm, a tip curvature radius of 0.05 μm, and a vertex angle of 15 ° on the truncated pyramid. Etching conditions were a pressure of 4 Pa, a CF 4 : oxygen gas mixing ratio of 1:25, and a high frequency power of 300 W. After confirming that the diameter of the etching mask was 50 nm, the etching rate was reduced from 3 μm / h to 0.1 μm / h by reducing the high frequency power and gas pressure during etching to 50 W and 1 Pa. In this way, the surface roughness of the electron emission portion at the tip of the sharp projection 20 was set to 0.9 nm.
As the configuration of the electron source 4 a other than the chip 11, tungsten was used for the support column 12, alumina was used for the base 13, and kovar was used for the power supply terminal 14.

次に、作製した電子源4aを図4に示すような電子銃構成で電子顕微鏡の電子銃室内に組み込んだ。アパーチャプレート40の穴の直径は800μm、厚みは600μmで、チップ11先端とアパーチャプレート40のチップ11側の面との距離を2000μmとした。   Next, the produced electron source 4a was assembled in an electron gun chamber of an electron microscope with an electron gun configuration as shown in FIG. The diameter of the hole of the aperture plate 40 was 800 μm, the thickness was 600 μm, and the distance between the tip of the chip 11 and the surface of the aperture plate 40 on the chip 11 side was 2000 μm.

真空度1.2×10-7Pa、チップ11の温度を1000℃にして、引出電圧7kVを印加したところ、角電流密度400μA/sr、エネルギー分散0.38eVが得られた。
次にチップ11の温度を25℃に下げたところ、角電流密度250μA/sr、エネルギー分散0.25eVとなった。この間、輝度は7.8×109A/m2srから1.5×109A/m2srに変化した。
When the degree of vacuum was 1.2 × 10 −7 Pa, the temperature of the chip 11 was 1000 ° C., and an extraction voltage of 7 kV was applied, an angular current density of 400 μA / sr and an energy dispersion of 0.38 eV were obtained.
Next, when the temperature of the chip 11 was lowered to 25 ° C., the angular current density was 250 μA / sr and the energy dispersion was 0.25 eV. During this time, the luminance changed from 7.8 × 10 9 A / m 2 sr to 1.5 × 10 9 A / m 2 sr.

[比較例6]
図1においてチップ11先端の曲率半径を0.02μmとした以外は全て電子源4aと同様の電子源4bを作製した。そして、当該電子源4bを用いて実施例4と同様の電子銃構成で実験した。
真空度1.2×10-7Pa、チップ11の温度を25℃にして引出電圧7kVを印加したが、エネルギー分散は0.44eVと大きかった。
[Comparative Example 6]
In FIG. 1, the same electron source 4b as the electron source 4a was produced except that the radius of curvature of the tip of the chip 11 was set to 0.02 μm. And it experimented by the same electron gun structure as Example 4 using the said electron source 4b.
The degree of vacuum was 1.2 × 10 −7 Pa, the temperature of the chip 11 was 25 ° C., and an extraction voltage of 7 kV was applied, but the energy dispersion was as large as 0.44 eV.

[実施例5]
図1に示すような冷陰極電界放出電子銃の電子源部分として、電子源5aを作製した。チップ11は以下のようにして作製した。
まず、Ib型で窒素に加え、ホウ素も混入したダイヤモンド単結晶を準備した。このダイヤモンド単結晶をSIMS分析したところ、ダイヤモンド中の窒素濃度は30ppm、ホウ素濃度は100ppmであることがわかった。これを、サイズ0.6mm角×2.5mmの角柱形状のIb型ダイヤモンド単結晶となるようにレーザ加工機で切り出した。結晶方位は長手方向を<110>とした。この基材の0.6mm×2.5mmの1面にダイヤモンドの気相成長装置を用いてリンドープエピタキシャル薄膜を2μm成長させた。次に、研磨加工で角柱全体を鏡面研磨すると共に片端に角錐台部を形成した。角錐台の高さは0.3mm、角錐台面は50μm角とした。
[Example 5]
An electron source 5a was manufactured as an electron source portion of a cold cathode field emission electron gun as shown in FIG. The chip 11 was produced as follows.
First, a diamond single crystal of Ib type in which boron was mixed in addition to nitrogen was prepared. When this diamond single crystal was analyzed by SIMS, it was found that the nitrogen concentration in the diamond was 30 ppm and the boron concentration was 100 ppm. This was cut out with a laser processing machine so as to be a prismatic Ib type diamond single crystal having a size of 0.6 mm square × 2.5 mm. The crystal orientation was <110> in the longitudinal direction. A phosphorus-doped epitaxial thin film was grown on a surface of 0.6 mm × 2.5 mm of this substrate by using a diamond vapor phase growth apparatus by 2 μm. Next, the entire prism was mirror-polished by polishing and a truncated pyramid portion was formed at one end. The height of the truncated pyramid was 0.3 mm, and the truncated pyramid surface was 50 μm square.

そして、フォトリソグラフィ法を利用して角錐台面の中央に6μmφ×4μmのTiからなる円柱状のエッチングマスクを形成し、反応性イオンエッチングにより酸素とCF4の混合ガス雰囲気でエッチングマスクが消失するまでエッチングして、角錐台部上に高さ17μm、先端曲率半径0.05μmで頂角15°の円錐状突起を形成した。エッチング条件は、圧力5Pa、CF4:酸素ガス混合比1:20、高周波電力250Wとした。エッチングマスクの直径が50nmになったのを確認した後、エッチングでの高周波電力及びガス圧を下げて50W及び1Paとすることにより、エッチング速度を3μm/hから0.1μm/hに落とした。こうして、先鋭突起20先端の電子放出部分の面粗さを0.9nmにした。
上記チップ11以外の電子源5aの構成として、支柱12にはタングステン、ベース13にはアルミナ、給電端子14にはコバールをそれぞれ使用した。
Then, a photolithography method is used to form a cylindrical etching mask made of Ti of 6 μmφ × 4 μm at the center of the truncated pyramid surface, and the etching mask disappears in a mixed gas atmosphere of oxygen and CF 4 by reactive ion etching. Etching was performed to form a conical protrusion having a height of 17 μm, a tip curvature radius of 0.05 μm, and a vertex angle of 15 ° on the truncated pyramid. Etching conditions were a pressure of 5 Pa, a CF 4 : oxygen gas mixing ratio of 1:20, and a high frequency power of 250 W. After confirming that the diameter of the etching mask was 50 nm, the etching rate was reduced from 3 μm / h to 0.1 μm / h by reducing the high frequency power and gas pressure during etching to 50 W and 1 Pa. In this way, the surface roughness of the electron emission portion at the tip of the sharp projection 20 was set to 0.9 nm.
As the configuration of the electron source 5 a other than the chip 11, tungsten was used for the support 12, alumina was used for the base 13, and Kovar was used for the power supply terminal 14.

次に、作製した電子源5aを図4に示すような電子銃構成で電子顕微鏡の電子銃室内に組み込んだ。アパーチャプレート40の穴の直径は800μm、厚みは600μmで、チップ11先端とアパーチャプレート40のチップ11側の面との距離を2000μmとした。   Next, the produced electron source 5a was assembled in an electron gun chamber of an electron microscope with an electron gun configuration as shown in FIG. The diameter of the hole of the aperture plate 40 was 800 μm, the thickness was 600 μm, and the distance between the tip of the chip 11 and the surface of the aperture plate 40 on the chip 11 side was 2000 μm.

真空度1.2×10-7Pa、チップ11の温度を1000℃にして、引出電圧7kVを印加したところ、電子放出の立体角0.0002srの範囲内のエミッション電流30nA、エネルギー分散0.39eVが得られた。
次にチップ11の温度を25℃に下げたところ、電子放出の立体角0.0002srの範囲内のエミッション電流23nA、エネルギー分散0.28eVとなった。この間、輝度は8.1×109A/m2srから1.6×109A/m2srに変化した。
When the degree of vacuum is 1.2 × 10 −7 Pa, the temperature of the chip 11 is 1000 ° C., and an extraction voltage of 7 kV is applied, an emission current of 30 nA within an electron emission solid angle of 0.0002 sr and an energy dispersion of 0.39 eV are obtained. was gotten.
Next, when the temperature of the chip 11 was lowered to 25 ° C., an emission current of 23 nA and an energy distribution of 0.28 eV within a solid angle of electron emission of 0.0002 sr were obtained. During this time, the luminance changed from 8.1 × 10 9 A / m 2 sr to 1.6 × 10 9 A / m 2 sr.

[比較例7]
図1においてチップ11先端の曲率半径を0.02μmとした以外は全て電子源5aと同様の電子源5bを作製した。そして、当該電子源5bを用いて実施例5と同様の電子銃構成で実験した。
真空度1.2×10-7Pa、チップ11の温度を25℃にして引出電圧7kVを印加したが、エネルギー分散は0.46eVと大きかった。
[Comparative Example 7]
In FIG. 1, the same electron source 5b as the electron source 5a was produced except that the radius of curvature of the tip of the chip 11 was set to 0.02 μm. And it experimented by the same electron gun structure as Example 5 using the said electron source 5b.
The degree of vacuum was 1.2 × 10 −7 Pa, the temperature of the chip 11 was 25 ° C., and an extraction voltage of 7 kV was applied, but the energy dispersion was as large as 0.46 eV.

10 電子源
11 チップ
12 支柱
13 ベース
14 給電端子
10 Electron source 11 Chip 12 Prop 13 Base 14 Power supply terminal

20 先鋭突起
21 角錐台部
30 サプレッサ
31 チップ締め付けネジ
32 チップ締め付けナット
33 熱分解炭素スペーサ
40 アパーチャプレート
41 電子ビーム(エミッション電子)
20 Sharp Projection 21 Pyramidal Pedestal 30 Suppressor 31 Tip Tightening Screw 32 Tip Tightening Nut 33 Pyrolytic Carbon Spacer 40 Aperture Plate 41 Electron Beam (Emission Electron)

Claims (5)

電子光学機器に使用される冷陰極電界放出電子銃であって、1000℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、エミッション電流安定性が5%未満で且つ角電流密度が50μA/srより大きいことを特徴とする電子銃。   A cold cathode field emission electron gun used for an electro-optical device, which operates at 1000 ° C. or lower, and has an emission current stability of less than 5% and an angular current density of more than 50 μA / sr. An electron gun characterized by that. 電子光学機器に使用される冷陰極電界放出電子銃であって、1000℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、エミッション電流安定性が5%未満で且つ電子放出の立体角0.0002srの範囲内のエミッション電流が5nAより大きいことを特徴とする電子銃。   A cold cathode field emission electron gun used in an electro-optical device, which operates at 1000 ° C. or lower, and has an emission current stability of less than 5% and an electron emission solid angle of 0.0002 sr. An electron gun having an emission current in the range greater than 5 nA. 電子光学機器に使用される冷陰極電界放出電子銃であって、1000℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、エミッション電流安定性が5%未満で且つエネルギー分散が0.4eV未満であることを特徴とする電子銃。   A cold cathode field emission electron gun used for an electro-optical device, which operates at 1000 ° C. or lower, and has an electron emission characteristic obtained such that emission current stability is less than 5% and energy dispersion is less than 0.4 eV. An electron gun characterized by that. 電子光学機器に使用される冷陰極電界放出電子銃であって、1000℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、角電流密度が50μA/srより大きく且つエネルギー分散が0.4eV未満であることを特徴とする電子銃。   A cold cathode field emission electron gun used for an electro-optical device, which operates at 1000 ° C. or lower, and has an electron emission characteristic obtained by having an angular current density of more than 50 μA / sr and an energy dispersion of less than 0.4 eV. An electron gun characterized by that. 電子光学機器に使用される冷陰極電界放出電子銃であって、1000℃以下で動作し、得られる電子放出特性として、電子放出の立体角0.0002srの範囲内のエミッション電流が5nAより大きく且つエネルギー分散が0.4eV未満であることを特徴とする電子銃。   A cold cathode field emission electron gun for use in an electro-optical device, which operates at 1000 ° C. or lower, and has an electron emission characteristic obtained such that an emission current in the range of a solid angle of electron emission of 0.0002 sr is larger than 5 nA An electron gun having an energy dispersion of less than 0.4 eV.
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