JP2010272504A - Electron source made of carbonaceous material and manufacturing method therefor - 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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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-luminance electron source, using transition metal carbide and having superior mass productivity and being easy to obtain which is used in electron-beam apparatuses, vacuum tubes, and especially, in electron-optical apparatuses, such as, electron microscopes and electron lithographic apparatuses. <P>SOLUTION: Of the electron source used for an electron-optical equipment, such as, electron microscope and electron-beam lithographic apparatus, an electron-emitting section part consists of a surface-layer part and a base material part, of which the surface-layer part is of transition metal carbide, and the base material part is made of diamond single crystal. <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源であって、電子放出部分の表層部に遷移金属炭化物を配置したダイヤモンド基材からなることを特徴とする高輝度電子源に関する。   The present invention is an electron source used in 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 a transition metal carbide is disposed on a surface layer portion of an electron emission portion. The present invention relates to a high-intensity electron source comprising a diamond base material.

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な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である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であるZrO/W が用いられている。 At present, as cathodes often used for electron microscope applications, for example, according to Patent Documents 1 to 3, an inexpensive tungsten filament is used as a thermionic source, and a boron containing LaB 6 or the like that can obtain a high-luminance electron beam. There is a chemical filament. Further, as a cathode having a higher brightness and a narrower energy width, sharpened tungsten, which is a field emission electron source utilizing a tunnel phenomenon due to a quantum effect, and ZrO / W, which is a thermal field emission electron source utilizing a Schottky effect due to an electric field. Is used.

これらに対して、さらに輝度が高い電子源が要求されており、その実用化を目指して、例えば、非特許文献1にあるような遷移金属炭化物を材料に使用した電子源の研究が進められている。あるいは、遷移金属炭化物は特許文献4及び5にあるように、基板/絶縁層/ゲート構造を有する冷陰極電子放出素子や冷陰極放電ランプの陰極として使用する提案がなされている等、有望な次世代電子源材料として各研究機関で開発が進められている。   For these, an electron source with higher luminance is required, and for the practical application thereof, for example, research on an electron source using transition metal carbide as a material as described in Non-Patent Document 1 is being advanced. Yes. Alternatively, as disclosed in Patent Documents 4 and 5, transition metal carbides have been proposed to be used as a cathode of a cold cathode electron-emitting device having a substrate / insulating layer / gate structure or a cold cathode discharge lamp. Development is underway at each research institution as a next-generation electron source material.

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 特開2005−18991号公報JP 2005-18991 A 特開2005−85472号公報JP 2005-85472 A

J. Vac. Sci. Techinol. B 26(2), Mar/Apr 2008 p868-871J. Vac. Sci. Techinol. B 26 (2), Mar / Apr 2008 p868-871

しかしながら、遷移金属炭化物を用いた電子放出源は、少なくとも電子顕微鏡や電子ビーム露光機等の電子ビーム機器で使用される電子源の分野ではLaB6やタングステン、ZrO/W電子源のように広く使用されるには至っていなかった。なぜなら、輝度の高い電子源とするためには、仕事関数と関係のある結晶方位が特定できる単結晶を使用する必要があるが、遷移金属炭化物の単結晶は、その高融点特性が故に製造が難しく入手困難であり、さらには加工が難しいといった問題があったからである。 However, electron emission sources using transition metal carbides are widely used as LaB 6 , tungsten, and ZrO / W electron sources in the field of electron sources used at least in electron beam equipment such as electron microscopes and electron beam exposure machines. It was not reached. Because it is necessary to use a single crystal that can specify the crystal orientation related to the work function in order to obtain a high-brightness electron source, a single crystal of transition metal carbide is manufactured because of its high melting point characteristics. This is because it is difficult to obtain and difficult to process.

TiやHf、あるいはZrといった遷移金属元素の純金属を先鋭化タングステンのようにニードル状に加工した後、炭化水素ガス雰囲気中で加熱して炭化処理して遷移金属炭化物を形成する方法で上記問題を回避することが考えられる。しかし、炭化処理後の表面は数十nmオーダの荒れが発生するので、電子放出部の表面粗さを原子オーダでコントロールして電子ビームの高収束性を確保する必要のある高輝度電子源には採用できないという問題があった。   The above-mentioned problem is caused by forming transition metal carbide by processing a pure metal of a transition metal element such as Ti, Hf, or Zr into a needle shape like sharpened tungsten and then heating in a hydrocarbon gas atmosphere to perform carbonization treatment. It is conceivable to avoid this. However, since the surface after carbonization treatment is rough on the order of several tens of nanometers, it is necessary to control the surface roughness of the electron emission part with atomic order to ensure high convergence of the electron beam. There was a problem that could not be adopted.

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、電子線及び電子ビーム機器や真空管、特に、電子顕微鏡や電子ビーム描画装置等の電子光学機器に使用される、量産性に優れ入手の容易な遷移金属炭化物を用いた高輝度電子源を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of such circumstances, and is excellent in mass productivity, which is used in electron beams, electron beam equipment, vacuum tubes, and particularly in electron optical equipment such as electron microscopes and electron beam drawing apparatuses. An object of the present invention is to provide a high-brightness electron source using a transition metal carbide which is easy to obtain.

本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、電子放出部分が表層部と基材部からなり、表層部を遷移金属炭化物により、基材部をダイヤモンド単結晶により構成した電子源が有効であることを見出し、本発明を完成させた。本発明は以下の構成を有する。
(1)電子光学機器に使用される電子源であって、電子放出部分は表層部と基材部からなり、該表層部は遷移金属炭化物であり、該基材部はダイヤモンド単結晶であることを特徴とする電子源。
(2)前記表層部の厚さは20nm以上であることを特徴とする、上記(1)に記載の電子源。
(3)前記表層部の表面から深さ20nmまでの遷移金属炭化物の遷移金属/炭素原子比が0.01以上1以下であることを特徴とする上記(1)又は(2)に記載の電子源。
(4)前記表層部の表面から深さ20nmまでの遷移金属炭化物の遷移金属/炭素原子比が0.1以上1以下であることを特徴とする上記(3)に記載の電子源。
(5)前記遷移金属は、Hf、Ti、Zr、Ta、又はNbのいずれかであることを特徴とする上記(1)〜(4)のいずれかに記載の電子源。
(6)前記遷移金属炭化物は、遷移金属/炭素原子比が1であって、HfC、TiC、ZrC、TaC、又はNbCのいずれかであることを特徴とする、上記(1)〜(5)のいずれかに記載の電子源。
(7)前記表層部の遷移金属炭化物は、単結晶であることを特徴とする、上記(1)〜(6)のいずれかに記載の電子源。
(8)前記電子源を圧力1×10-5Pa以下の真空中で、50℃以上1600℃以下の温度で熱処理を少なくとも1回以上実施して前記遷移金属炭化物の表面を処理したことを特徴とする上記(1)〜(7)のいずれかに記載の電子源。
(9)前記電子源を圧力1×10-6Pa以下の真空中で、100℃以上1600℃以下の温度で加熱しながら、1μA以上200μA以下の電子放出電流を引出した状態で放置するエージングを少なくとも1回以上実施して、前記遷移金属炭化物表面を安定な電子放出が得られる表面としたことを特徴とする上記(1)〜(8)のいずれかに記載の電子源。
(10)上記(1)〜(7)のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、ダイヤモンド単結晶からなる基材部の表面に遷移金属薄膜を形成する工程と、加熱により遷移金属とダイヤモンドとを反応させて基材部表面に遷移金属炭化物を形成する工程と、未反応の遷移金属を除去する工程とを含むことを特徴とする、電子源の製造方法。
(11)前記遷移金属炭化物の表面を圧力1×10-5Pa以下の真空中で、50℃以上1600℃以下の温度に加熱する熱処理を1回以上実施する工程をさらに含むことを特徴とする上記(10)に記載の電子源の製造方法。
(12)前記遷移金属炭化物の表面を圧力1×10-6Pa以下の真空中で、100℃以上1600℃以下の温度で加熱しながら、1μA以上200μA以下の電子放出電流を引出した状態で放置するエージングを少なくとも1回以上実施する工程をさらに含むことを特徴とする、上記(10)又は(11)に記載の電子源の製造方法。
As a result of intensive studies to solve the above problems, the inventors of the present invention have an electron emission portion composed of a surface layer portion and a base material portion, the surface layer portion is made of transition metal carbide, and the base material portion is made of a diamond single crystal. The inventors have found that the electron source is effective and have completed the present invention. The present invention has the following configuration.
(1) An electron source used in an electro-optical device, wherein an electron emission portion is composed of a surface layer portion and a base material portion, the surface layer portion is a transition metal carbide, and the base material portion is a diamond single crystal. An electron source characterized by
(2) The electron source according to (1) above, wherein the thickness of the surface layer portion is 20 nm or more.
(3) The electron as described in (1) or (2) above, wherein the transition metal / carbon atom ratio of the transition metal carbide from the surface of the surface layer part to a depth of 20 nm is 0.01 or more and 1 or less. source.
(4) The electron source according to (3) above, wherein a transition metal / carbon atom ratio of the transition metal carbide from the surface of the surface layer portion to a depth of 20 nm is 0.1 or more and 1 or less.
(5) The electron source according to any one of (1) to (4), wherein the transition metal is any one of Hf, Ti, Zr, Ta, or Nb.
(6) The transition metal carbide has a transition metal / carbon atom ratio of 1, and is any one of HfC, TiC, ZrC, TaC, or NbC. (1) to (5) The electron source in any one of.
(7) The electron source according to any one of (1) to (6) above, wherein the transition metal carbide in the surface layer portion is a single crystal.
(8) The surface of the transition metal carbide is treated by performing heat treatment at least once at a temperature of 50 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower in a vacuum of 1 × 10 −5 Pa or less in the electron source. The electron source according to any one of (1) to (7) above.
(9) Aging in which an electron emission current of 1 μA or more and 200 μA or less is drawn while heating the electron source in a vacuum of 1 × 10 −6 Pa or less at a temperature of 100 ° C. or more and 1600 ° C. or less. The electron source according to any one of the above (1) to (8), wherein the electron source is implemented at least once or more and the surface of the transition metal carbide is a surface from which stable electron emission is obtained.
(10) The method for producing an electron source according to any one of (1) to (7) above, wherein a transition metal thin film is formed on the surface of a base material portion made of a diamond single crystal, and the transition metal is heated. And a method of forming a transition metal carbide on the surface of the base material portion by reacting diamond with diamond, and a step of removing unreacted transition metal.
(11) The method further includes a step of performing heat treatment for heating the surface of the transition metal carbide at a temperature of 50 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower once in a vacuum of 1 × 10 −5 Pa or lower. The manufacturing method of the electron source as described in said (10).
(12) The surface of the transition metal carbide is left in a state where an electron emission current of 1 μA or more and 200 μA or less is drawn while heating the surface of the transition metal carbide at a temperature of 100 ° C. or more and 1600 ° C. or less in a vacuum of 1 × 10 −6 Pa or less. The method of manufacturing an electron source according to (10) or (11), further comprising a step of performing aging at least once.

本発明の炭素系材料からなる電子源はこのような構造的特徴を有するので、従来の電子源に比べて高輝度を実現しながらも、量産性に優れており入手が容易である。   Since the electron source made of the carbon-based material of the present invention has such a structural feature, it is excellent in mass productivity and easy to obtain while realizing higher luminance than the conventional electron source.

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、高輝度な電子ビームが得られる炭素系材料からなる電子源が実現される。本発明の炭素系材料からなる電子源は量産性に優れており入手が容易であるので、得に半導体デバイス測長検査において、従来の電子源を搭載した電子顕微鏡では不可能であった高速・高精度での観察を容易に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, An electron source made of a carbon-based material from which a high-intensity electron beam can be obtained is realized. Since the electron source comprising the carbon-based material of the present invention is excellent in mass productivity and easy to obtain, it is possible to obtain high-speed, Observation with high accuracy can be easily realized.

本発明に係る電子源の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the electron source which concerns on 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. 図2における電子放出部の断面図である。It is sectional drawing of the electron emission part in FIG. 本発明に係る電子源の別の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows another example of the electron source which concerns on this invention. 本発明の電子源から電子を放出させる際の構成の一例を示す概略図である。It is the schematic which shows an example of the structure at the time of emitting an electron from the electron source of this invention.

以下、添付図面を参照して、本発明に係る炭素系材料からなる電子源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, with reference to the attached drawings, preferred embodiments of an electron source made of a carbon-based material according to the present invention will be described in detail. 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、本発明による炭素系材料からなる電子源の一実施形態を示す平面図である。電子源10は、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11に支柱12を経由して放出電子を供給、あるいはチップ11に加熱電力を供給するための給電端子14で構成される。チップ11は、図2の立体図に示すように、挟持部21と電子放出部22からなる。電子放出部22は図2に示すように先鋭突起23を有し、角錐台部24の平面上に形成されている。先鋭突起23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。   FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of an electron source made of a carbon-based material according to the present invention. The electron source 10 supplies a chip 11, a support 12 for holding the chip 11, a base 13 for fixing the support 11, supplies emitted electrons to the chip 11 via the support 12, or supplies heating power to the chip 11. For this purpose, the power supply terminal 14 is used. As shown in the three-dimensional view of FIG. 2, the chip 11 includes a clamping part 21 and an electron emission part 22. As shown in FIG. 2, the electron emission portion 22 has a sharp protrusion 23 and is formed on the plane of the truncated pyramid portion 24. Field emission electrons are obtained by applying an electric field to the tip of the sharp projection 23.

電子放出部22は、図3の断面図に示すように表層部31と基材部32からなり、表層部31は遷移金属炭化物、基材部32はダイヤモンド単結晶で構成される。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型等に分類されるがいずれを使用しても構わない。また、ダイヤモンド単結晶には天然に産出したものと人工的に製造したものとが存在するがいずれを使用しても問題なく、当該事業者の入手しやすいものを使用すればよい。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。   As shown in the cross-sectional view of FIG. 3, the electron emission portion 22 includes a surface layer portion 31 and a base material portion 32, where the surface layer portion 31 is made of a transition metal carbide and the base material portion 32 is made of a diamond single crystal. Diamond single crystals are classified into Ia type, Ib type, IIa type, IIb type, etc., depending on the type of impurities and defects mixed in, but any of them may be used. In addition, there are diamond single crystals that are naturally produced and those that are artificially manufactured. However, any diamond single crystal may be used without any problem and may be easily obtained by the operator. 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.

表層部31、すなわち遷移金属炭化物の厚さは20nm以上1000nm以下であることが好ましい。遷移金属炭化物の厚さはAES(オージェ電子分光分析)の深さ方向測定で評価し、遷移金属/炭素原子比が0.01以上の部分を表層部とする。遷移金属炭化物の厚さが20nm未満であると、遷移金属炭化物の電気抵抗が極端に高くなる結果、電子ビームの高輝度特性が得られなくなる。一方、1000nmより厚いと、スパッタリング装置あるいは電子ビーム蒸着装置を使用しての遷移金属薄膜形成時間や加熱処理時間がかかる一方で、厚くなったことによる輝度特性向上の効果はほとんどないので不適である。ダイヤモンド単結晶のサイズ及び遷移金属炭化物の厚さを上記の範囲内にすることよって、LaB6やZrO/W等の従来の電子源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を改造することなく本発明の電子源を搭載することが可能となる。 The thickness of the surface layer portion 31, that is, the transition metal carbide is preferably 20 nm or more and 1000 nm or less. The thickness of the transition metal carbide is evaluated by measuring the depth direction of AES (Auger Electron Spectroscopy), and a portion having a transition metal / carbon atom ratio of 0.01 or more is defined as a surface layer portion. If the thickness of the transition metal carbide is less than 20 nm, the electrical resistance of the transition metal carbide becomes extremely high, and as a result, the high luminance characteristics of the electron beam cannot be obtained. On the other hand, if it is thicker than 1000 nm, it takes time to form a transition metal thin film using a sputtering apparatus or an electron beam vapor deposition apparatus and heat treatment time, but on the other hand, there is almost no effect of improving luminance characteristics due to the increase in thickness. . By making the size of the diamond single crystal and the thickness of the transition metal carbide within the above-mentioned ranges, compatibility with conventional electron sources such as LaB 6 and ZrO / W results. It becomes possible to mount the electron source of the present invention without modification.

表層部31の遷移金属炭化物は、ダイヤモンド単結晶を柱状に加工して端部に角錐台を形成し先鋭突起を設けた形状において、スパッタリング装置あるいは電子ビーム蒸着装置を使用して電子放出部にHf、Ti、Zr、Ta、Nbといった遷移金属の薄膜を電子放出部に形成し、真空中、あるいは不活性ガス雰囲気中において400℃以上で1分から10時間加熱してダイヤモンド単結晶と遷移金属薄膜との界面に所望の厚さの遷移金属炭化物を形成した後、酸によって未反応の遷移金属薄膜を除去することで形成する。   The transition metal carbide of the surface layer portion 31 is formed in a shape in which a diamond single crystal is processed into a columnar shape, a truncated pyramid is formed at an end portion, and a sharp projection is provided. A thin film of transition metal such as Ti, Zr, Ta, Nb is formed in the electron emission region, and heated in a vacuum or in an inert gas atmosphere at 400 ° C. or higher for 1 minute to 10 hours to form a diamond single crystal and a transition metal thin film. After forming a transition metal carbide having a desired thickness at the interface, an unreacted transition metal thin film is removed by an acid.

こうして形成された表層部31の表面から深さ20nmまでの遷移金属炭化物は、遷移金属の種類、処理温度、処理時間によって、遷移金属/炭素原子比が0.01以上1以下の範囲の原子比を取りうる。電子放出においては、この比が0.01未満であるとほとんど炭素の特性となり、仕事関数が比較的大きくなるので輝度が得られず本発明の電子源には適さない。1より大きな値は拡散の観点から得られる値でない。上記範囲であれば従来の電子源に比べて高輝度が実現できる。さらに好ましくは、遷移金属/炭素原子比は0.1以上1以下が好ましい。この範囲であれば、遷移金属炭化物の電子放出の容易性の特徴が顕著になるので、従来の電子源に比べて十分な高輝度が実現できる。   The transition metal carbide having a depth of 20 nm from the surface of the surface layer portion 31 thus formed has an atomic ratio in which the transition metal / carbon atomic ratio is in the range of 0.01 to 1 depending on the type of transition metal, the processing temperature, and the processing time. Can take. In the electron emission, if this ratio is less than 0.01, almost carbon characteristics are obtained, and the work function becomes relatively large, so that the luminance is not obtained and is not suitable for the electron source of the present invention. A value greater than 1 is not a value obtained from the viewpoint of diffusion. If it is the said range, high-intensity is realizable compared with the conventional electron source. More preferably, the transition metal / carbon atom ratio is preferably 0.1 or more and 1 or less. If it is this range, since the characteristic of the ease of electron emission of transition metal carbide will become remarkable, sufficient high brightness | luminance can be implement | achieved compared with the conventional electron source.

遷移金属炭化物の遷移金属は、Hf、Ti、Zr、Ta、又はNbが好適に使用可能である。これらの炭化物は仕事関数が比較的低く電子放出が容易である。遷移金属/炭素原子比が1のとき、すなわち、遷移金属炭化物が、HfC、TiC、ZrC、TaC、NbCであれば特に好適に使用可能である。これらは中でも特に仕事関数が低く電子放出が容易である。   As the transition metal of the transition metal carbide, Hf, Ti, Zr, Ta, or Nb can be suitably used. These carbides have a relatively low work function and facilitate electron emission. When the transition metal / carbon atom ratio is 1, that is, when the transition metal carbide is HfC, TiC, ZrC, TaC or NbC, it can be used particularly preferably. Among these, the work function is particularly low and electron emission is easy.

遷移金属炭化物は単結晶であることが好ましい。上記の未反応の遷移金属薄膜を除去して表面に現れる遷移金属炭化物は単結晶である場合が多く、この場合、結晶方位は基材であるダイヤモンド単結晶と一致する。また、表面粗さは基材部32と同じであり、遷移金属炭化物を形成したことで表面粗さが悪化することはない。単結晶であることによって、材料に応じて最も低い仕事関数を有する結晶方位を選択して、先鋭突起23の先端方向と一致させることにより、輝度が高い電子源を実現することができる。   The transition metal carbide is preferably a single crystal. The transition metal carbide appearing on the surface after removing the unreacted transition metal thin film is often a single crystal, and in this case, the crystal orientation coincides with the diamond single crystal as the base material. Moreover, the surface roughness is the same as the base material part 32, and the surface roughness is not deteriorated by forming the transition metal carbide. By being a single crystal, an electron source with high luminance can be realized by selecting a crystal orientation having the lowest work function according to the material and making it coincide with the tip direction of the sharp protrusion 23.

上記のように、表層部31の遷移金属炭化物は、ダイヤモンド基材の形状に沿って形成される。従って、図2に示した外観はおおよそダイヤモンド単結晶を加工することで得られる形状であるが、これは、硬いが故に加工が難しいダイヤモンドを量産性良く電子源にするための従来の電子源にはないユニークな構造である。先鋭突起23の高さは10μm以上で、先端曲率半径は10nm以上500nm以下であり、最先端部の表面粗さは1nm以下である。   As described above, the transition metal carbide of the surface layer portion 31 is formed along the shape of the diamond base material. Therefore, the appearance shown in FIG. 2 is roughly a shape obtained by processing a diamond single crystal. This is a conventional electron source for making a diamond that is hard and difficult to process with high productivity and an electron source. There is no unique structure. The height of the sharp protrusion 23 is 10 μm or more, the tip curvature radius is 10 nm or more and 500 nm or less, and the surface roughness of the most advanced part is 1 nm or less.

先鋭突起23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24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 23 are produced by laser processing and polishing a diamond single crystal. Considering the ease of processing and concentration of the electric field at the sharpened protrusion, the truncated pyramid portion 24 has a truncated pyramid height of 0.1 mm to 0.5 mm and a truncated pyramid surface size within a range of 20 μm square to 100 μm square. 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23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等の金属、SiO2、SiON等のセラミックが使用可能である。 The sharp projection 23 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 performed 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 and W, and ceramics such as SiO 2 and SiON can be used.

先鋭突起23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形状となる。このようなエッチング条件として、圧力0.5Pa〜50Pa、CF4:酸素ガス混合比1:100〜10:1、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、先鋭突起23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 23 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 becomes higher and the mask thickness becomes thinner. However, depending on the etching conditions, the mask is also reduced in the radial direction, and in this case, the shape becomes tapered toward the tip of the protrusion. As such etching conditions, a pressure of 0.5 Pa to 50 Pa, a CF 4 : oxygen gas mixing ratio of 1: 100 to 10: 1, and a high frequency power of 50 W to 500 W are selected. If it confirms that it reduced to about 2 micrometers, an etching rate shall be 0.1 micrometer / h or less. By doing so, the surface roughness of the electron emission portion at the tip of the sharp protrusion 23 is 1 nm or less, and the surface is smooth to the atomic level.

上記のように、チップのうち、先鋭突起以外はレーザ加工、研磨加工といったせいぜいミクロンオーダまでの精度を有する手法で加工し、先鋭突起はナノオーダの加工が可能なフォトリソグラフィによるエッチングマスク形成とイオンエッチングを組み合わせた先鋭突起加工手法を利用する。先鋭突起23の形状は突起先端に電界が集中し易くなるように、先端に向かって先細りの形状であることが好ましい。   As described above, chips other than sharp protrusions are processed by a technique with precision of micron order, such as laser processing and polishing, and the sharp protrusions are formed by etching masks and ion etching by photolithography capable of nano-order processing. Use a sharp projection processing method that combines. The shape of the sharp projection 23 is preferably tapered toward the tip so that the electric field is easily concentrated on the tip of the projection.

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.

本発明の炭素系材料からなる電子源は少なくとも上記の構成部品を有しているが、図4の断面図に示すように、支柱12、サプレッサ40、チップ締め付けネジ41及びナット42、熱分解炭素スペーサ43等の構成部品が存在しても本発明の電子源の範囲内である。サプレッサ40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41及びナット42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 made of the carbon-based material of the present invention has at least the above-described components. However, as shown in the cross-sectional view of FIG. 4, the column 12, the suppressor 40, the chip clamping screw 41 and the nut 42, pyrolytic carbon. The presence of components such as the spacer 43 is within the scope of the electron source of the present invention. The suppressor 40 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 emission of electrons from a part other than the chip 11. The chip fastening screw 41 and the nut 42 are for assisting the force with which the support 12 clamps the chip 11. The pyrolytic carbon spacer is sandwiched between the contact portions of the chip 11 and the support column 12 when the chip 11 needs to be heated.

図5は、本発明による電子源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50を設置して、アパーチャプレート50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)51を引き出す。図5の電子ビーム引き出し構成において、電子源10から所望の電子源性能を引き出すために、アパーチャプレート50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50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、チップ11の温度が1600℃以下、引出電圧3kVから10kVの間で所望の電子源性能が引き出される結果、高輝度な収束ビームを得ることができる。 FIG. 5 is a cross-sectional view showing an embodiment of a configuration for emitting electrons from an electron source according to the present invention. An aperture plate 50 is installed on the electron source 10, and an electron beam (emission electron) 51 is extracted by applying an extraction voltage, that is, a positive voltage to the chip 11 to the aperture plate 50. In the electron beam extraction configuration of FIG. 5, in order to extract desired electron source performance from the electron source 10, the diameter of the hole of the aperture plate 50 is 800 μm or less, the thickness is 600 μm or less, the tip of the chip 11 and the chip 11 of the aperture plate 50. The distance to the side surface is 50 μm to 2000 μm. By adopting such a configuration, the desired electron source performance is extracted when the degree of vacuum is 1.2 × 10 −7 Pa or less, the temperature of the chip 11 is 1600 ° C. or less, and the extraction voltage is 3 kV to 10 kV. A converging beam can be obtained.

本発明による電子源10を、例えば上記のような構成で電子顕微鏡といった電子光学機器等に組み込んだ後、圧力1×10-5Pa以下の超高真空中で50℃以上1600℃以下の温度にして、表層部31の遷移金属炭化物表面の熱処理を少なくとも1回以上実施する。こうすることで、表層部31の遷移金属炭化物の表面近傍の原子配置や原子間の結合が安定化する結果、熱処理前と比べてより安定な電子放出が得られる。熱処理時の圧力が1×10-5Paより大きいと、真空中の残留ガスと表層部31の遷移金属炭化物の表面近傍の原子との反応が顕著になるために、原子配置や原子間の結合は安定化しない。また、温度が50℃未満であると、表面近傍に十分なエネルギーが与えられず安定化しない。一方、1600℃以上であると、基材部32のダイヤモンド単結晶のグラファイト化が顕著に進むために不適である。より好ましくは、圧力1×10-6Pa以下の超高真空中で熱処理するのが好ましい。真空中の残留ガスと表層部31の遷移金属炭化物の表面近傍の原子との反応がほとんどなくなるために、表層部31の表面近傍はより安定な原子配置や原子間の結合となるために、さらに安定した電子放出が得られる。 For example, after the electron source 10 according to the present invention is incorporated into an electron optical instrument such as an electron microscope having the above-described configuration, the temperature is set to 50 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower in an ultrahigh vacuum of 1 × 10 −5 Pa or lower. Then, the heat treatment of the transition metal carbide surface of the surface layer portion 31 is performed at least once. By doing so, the atomic arrangement in the vicinity of the surface of the transition metal carbide in the surface layer portion 31 and the bonding between the atoms are stabilized. As a result, more stable electron emission can be obtained as compared to before heat treatment. If the pressure during the heat treatment is greater than 1 × 10 −5 Pa, the reaction between the residual gas in the vacuum and atoms in the vicinity of the surface of the transition metal carbide in the surface layer portion 31 becomes remarkable. Does not stabilize. On the other hand, if the temperature is less than 50 ° C., sufficient energy is not provided in the vicinity of the surface and the surface is not stabilized. On the other hand, when the temperature is 1600 ° C. or higher, the graphitization of the diamond single crystal of the base material portion 32 proceeds significantly, which is not suitable. More preferably, the heat treatment is preferably performed in an ultrahigh vacuum at a pressure of 1 × 10 −6 Pa or less. Since there is almost no reaction between the residual gas in the vacuum and the atoms in the vicinity of the surface of the transition metal carbide in the surface layer portion 31, the vicinity of the surface of the surface layer portion 31 has a more stable atomic arrangement and bonds between atoms. Stable electron emission can be obtained.

上記熱処理の時間は、30秒以上1時間未満、あるいは1時間以上10時間未満、さらには10時間以上72時間未満といったように状況に応じて実施する。熱処理1回の時間は、加熱で上昇した圧力がイオンポンプ等による真空排気で加熱前のベース圧力以下となるまでの時間を指すが、ベース圧力以下になった後で加熱し続けても得られる効果は変わらないのでこの時間を含んでも構わない。
表層部31を加熱すると周囲の構成部品の温度も上がるので、例えば、電子源10を構成する部品が長い間大気中に放置された状態であった場合、加熱で放出するガスの量が比較的多く、上昇した圧力が加熱前のベース圧力以下となるまでには1時間以上10時間未満、さらには10時間以上72時間未満といった比較的長時間を必要とする。一方、電子源10を構成する部品を焼き出して十分脱ガスを行った直後で本熱処理すると30秒以上1時間未満といった比較的短時間で加熱前のベース圧力以下になる。
The time for the heat treatment is 30 seconds or more and less than 1 hour, 1 hour or more and less than 10 hours, and further 10 hours or more and less than 72 hours. The time for one heat treatment refers to the time until the pressure increased by heating becomes equal to or lower than the base pressure before heating by vacuum evacuation by an ion pump or the like. Since the effect does not change, this time may be included.
When the surface layer portion 31 is heated, the temperature of surrounding components also rises. For example, when the components constituting the electron source 10 have been left in the atmosphere for a long time, the amount of gas released by heating is relatively small. In many cases, it takes a relatively long time such as 1 hour or more and less than 10 hours, and further 10 hours or more and less than 72 hours before the increased pressure becomes lower than the base pressure before heating. On the other hand, if the main heat treatment is performed immediately after the components constituting the electron source 10 are baked out and sufficiently degassed, the pressure becomes lower than the base pressure before heating in a relatively short time such as 30 seconds or more and less than 1 hour.

この熱処理を複数回実施して、電子源を駆動させたい温度にまで上げることで熱処理を完了させることが好ましい。具体的には、2×10-7Paのベース圧力で1回目として加熱すると脱ガスで圧力が上昇するので、1×10-5Pa以下の範囲になるように加熱温度を調整して放置する。しばらくするとイオンポンプ等による真空排気でベース圧力以下に戻るので、2回目としてさらに加熱すると再び圧力が上昇し、1×10-5Pa以下の範囲しばらく放置する。またしばらくして2回目加熱前のベース圧力以下に戻るが、これを複数回実施して加熱温度を最大1600℃まで上げていく。最大加熱温度は必ずしも1600℃でなくともよく、電子源を駆動させようとする最大温度まででよい。 It is preferable to complete the heat treatment by performing the heat treatment a plurality of times and raising the temperature to a temperature at which the electron source is to be driven. Specifically, when the first heating is performed at a base pressure of 2 × 10 −7 Pa, the pressure increases due to degassing. Therefore, the heating temperature is adjusted so as to be in a range of 1 × 10 −5 Pa or less and left as it is. . After a while, the pressure returns to the base pressure or lower by vacuum evacuation by an ion pump or the like. Therefore, when it is further heated for the second time, the pressure rises again, and is left in the range of 1 × 10 −5 Pa or less for a while. After a while, the pressure returns to the base pressure before the second heating, but the heating temperature is increased to a maximum of 1600 ° C. by performing this multiple times. The maximum heating temperature is not necessarily 1600 ° C., and may be up to the maximum temperature for driving the electron source.

こうして複数回の熱処理を実施して安定な電子放出が得られる表面とした後、圧力1×10-6Pa以下の真空中で、100℃以上1600℃以下の温度で加熱しながら、1μA以上200μA以下の電子放出電流を引出した状態で放置するエージングを少なくとも1回以上実施する。こうすることで、表層部31の遷移金属炭化物の表面近傍の原子配置や原子間の結合が電子放出に適した状態で安定化する結果、エージング前と比べてさらに安定な電子放出が得られる。エージング時の圧力が1×10-6Paより大きいと、真空中の残留ガスが放出電子によりイオン化して表層部31の遷移金属炭化物の表面原子と衝突する回数が顕著に増加する結果、表面が荒れて十分なエージング効果が得られない。また、温度が100℃未満であると、電子放出に適した状態に表面近傍の原子が動いて安定化するための十分なエネルギーが与えられないために十分なエージング効果が得られない。一方、1600℃以上であると、基材部32のダイヤモンド単結晶のグラファイト化が顕著に進むために不適である。より好ましくは、圧力2×10-7Pa以下の超高真空中でエージングするのが好ましい。真空中の残留ガスが放出電子によりイオン化して表層部31の遷移金属炭化物の表面原子と衝突する回数が顕著に減少する結果、十分安定した電子放出が得られる。なお、上記エージング処理は、前記熱処理後に行うことが好ましいが、熱処理を行わずにエージング処理のみ行っても構わない。 After a heat treatment is performed a plurality of times to obtain a surface on which stable electron emission can be obtained, the surface is heated at a temperature of 100 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower in a vacuum of 1 × 10 −6 Pa or lower. The following aging is performed at least once in the state where the electron emission current is drawn. By doing so, as a result of stabilizing the atomic arrangement in the vicinity of the surface of the transition metal carbide in the surface layer portion 31 and the bonding between the atoms in a state suitable for electron emission, more stable electron emission can be obtained as compared to before aging. If the pressure at the time of aging is larger than 1 × 10 −6 Pa, the number of times that the residual gas in the vacuum is ionized by the emitted electrons and collides with the surface atoms of the transition metal carbide in the surface layer portion 31 significantly increases. It is rough and sufficient aging effect cannot be obtained. On the other hand, if the temperature is lower than 100 ° C., sufficient aging effect cannot be obtained because sufficient energy for moving and stabilizing the atoms in the vicinity of the surface in a state suitable for electron emission is not given. On the other hand, when the temperature is 1600 ° C. or higher, the graphitization of the diamond single crystal of the base material portion 32 proceeds significantly, which is not suitable. More preferably, aging is preferably performed in an ultrahigh vacuum at a pressure of 2 × 10 −7 Pa or less. As a result of significantly reducing the number of times the residual gas in the vacuum is ionized by the emitted electrons and collides with the surface atoms of the transition metal carbide in the surface layer portion 31, sufficiently stable electron emission is obtained. The aging treatment is preferably performed after the heat treatment, but only the aging treatment may be performed without performing the heat treatment.

上記エージングの時間は1回当たり30分以上10時間未満が好適である。30分未満であると十分なエージング効果が得られず、10時間以上実施しても時間相応のエージング効果は得られない。エージングは高輝度・高安定電子放出を得るために、1×10-6Pa以下の圧力範囲において、一定温度で電子放出電流を段階的に増加させて複数回実施することが好ましい。具体的には、例えば、1回目は1μA以上5μA未満の電子放出電流で1時間実施し、2回目は電子放出電流を5μA以上20μA未満に引き上げて1時間実施して、3回目は電子放出電流をさらに20μA以上60μA未満に引き上げて2時間実施するといった手法で高輝度・高安定を得る。4回目として電子放出電流を60μA以上120μA未満で3時間実施して、5回目に120μA以上200μA以下で5時間実施することでさらに高輝度を得ることができる。一定温度とは典型的には700℃以上1600℃以下である。 The aging time is preferably 30 minutes or more and less than 10 hours per time. If it is less than 30 minutes, a sufficient aging effect cannot be obtained, and even if it is carried out for 10 hours or more, an aging effect corresponding to the time cannot be obtained. Aging is preferably performed a plurality of times by increasing the electron emission current stepwise at a constant temperature in a pressure range of 1 × 10 −6 Pa or less in order to obtain high luminance and high stability electron emission. Specifically, for example, the first time is performed with an electron emission current of 1 μA or more and less than 5 μA for 1 hour, the second time is performed by raising the electron emission current to 5 μA or more and less than 20 μA for 1 hour, and the third time is an electron emission current. Is further increased to 20 μA or more and less than 60 μA for 2 hours to obtain high brightness and high stability. Higher luminance can be obtained by performing the electron emission current at 60 μA or more and less than 120 μA for the fourth time for 3 hours and the fifth time at 120 μA or more and 200 μA or less for 5 hours. The constant temperature is typically 700 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower.

遷移金属炭化物の単結晶は、製造、入手、加工のいずれも困難であるという問題があったことは前述した。また、遷移金属元素の純金属を炭化水素ガス雰囲気中で加熱し炭化処理して遷移金属炭化物を形成する方法では表面粗さの制御が困難であるという問題も前述の通りであり、従来の電子源のように広く使用されるには至っていなかった。
本発明者らはこれらの問題に鑑み鋭意研究を進めた。入手及び加工の容易性から検討した結果、基材としてダイヤモンド単結晶を用い、ダイヤモンド単結晶の基材と遷移金属薄膜を反応させて得られる遷移金属炭化物を電子放出表面に用いるという工夫に想到したものである。そして、実現させるための作製プロセスを検討した。
As described above, the transition metal carbide single crystal has a problem that it is difficult to manufacture, obtain, and process. In addition, as described above, it is difficult to control the surface roughness in the method of forming transition metal carbide by heating and carbonizing a pure metal of transition metal element in a hydrocarbon gas atmosphere. Not as widely used as the source.
In view of these problems, the present inventors have conducted extensive research. As a result of studying the ease of acquisition and processing, the inventors have come up with the idea of using a diamond single crystal as the substrate and using transition metal carbide obtained by reacting the diamond single crystal substrate and the transition metal thin film for the electron emission surface. Is. Then, the fabrication process for realizing it was examined.

電子源のチップに使用するようなサイズの単結晶ダイヤモンドは宝飾用、工具用として容易に入手可能である。それをチップ形状とするには、前述のようにレーザ加工、研磨加工が必要だが、宝飾用途、工具用途の加工で古くから広く一般的に使用されているので問題ない。電子放出部の先鋭化加工はフォトリソグラフィ法とイオンエッチング加工を組み合わせた手法を駆使する必要があるが、半導体デバイスプロセスの実施が可能であればどこでも容易に先鋭化することができる。
こうして作製したダイヤモンド単結晶を基材として遷移金属の薄膜をコーティング後、真空中あるいは不活性ガス中でアニールすれば表面を遷移金属炭化物にすることができる。検討の結果、量産性に優れ入手も容易にすることができるとの結論に至った。こうして、ダイヤモンド単結晶の基材と遷移金属薄膜を反応させて得られる遷移金属炭化物を電子放出表面に用いるという工夫に想到した結果、量産性に優れ入手し易い炭素系材料からなる電子源を開発するに至った。また、独自の電子源構造に合った熱処理手法、エージング手法を見出すことにより、より高輝度且つ高安定な電子放出が得られる表面を得るに至った。
Single crystal diamond of the size used for the tip of the electron source is readily available for jewelry and tools. In order to make it into a chip shape, laser processing and polishing processing are necessary as described above, but there is no problem since it has been widely used for jewelery and tool processing for a long time. The sharpening of the electron emitting portion needs to make full use of a technique combining photolithography and ion etching, but can be easily sharpened anywhere as long as the semiconductor device process can be performed.
If the transition metal thin film is coated using the diamond single crystal thus prepared as a base material and then annealed in vacuum or in an inert gas, the surface can be made into transition metal carbide. As a result of the study, it was concluded that it is excellent in mass productivity and can be easily obtained. Thus, as a result of the idea of using transition metal carbide obtained by reacting a base material of diamond single crystal and a transition metal thin film on the electron emission surface, an electron source made of an easily accessible carbon-based material was developed. It came to do. In addition, by finding a heat treatment method and an aging method suitable for a unique electron source structure, a surface with higher brightness and more stable electron emission has been obtained.

本発明の炭素系材料からなる電子源について、実施例に基づいてさらに具体的に説明する。   The electron source made of the carbon-based material of the present invention will be described more specifically based on examples.

[実施例1]
図1に示すような電子源aを作製した。チップ11は以下のようにして作製した。
まず、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を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。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5μmφ×3μmのSiO2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30μm、先端曲率半径100nmの円錐状突起を形成した。
エッチング条件は、圧力6Pa、CF4:酸素ガス混合比1:30、高周波電力450W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5μm/hから0.1μm/hに落とした。こうして、先鋭突起23先端の電子放出部分の面粗さを0.9nmにした。
[Example 1]
An electron source a as shown in FIG. 1 was produced. The chip 11 was produced as follows.
First, a prismatic Ib type diamond single crystal having a size of 0.6 mm square × 2.5 mm was cut out with a laser processing machine. 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. Then, a cylindrical etching mask made of SiO 2 having a diameter of 5 μmφ × 3 μm is formed at 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 30 μm and a tip curvature radius of 100 nm on the truncated pyramid.
The etching conditions were a pressure of 6 Pa, a CF 4 : oxygen gas mixing ratio of 1:30, and a high frequency power of 450 W. After confirming that the diameter of the etching mask was 50 nm, the etching rate was reduced from 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. Thus, the surface roughness of the electron emission portion at the tip of the sharp protrusion 23 was set to 0.9 nm.

このようにしてダイヤモンド単結晶から成る基材部32を作製した上で、スパッタリング装置で基材部32にHfを1μmコーティングした。そして、圧力5×10-5Paの高真空中で400℃、60分間のアニール後、酸処理することで基材部32の表層部31に30nm厚のHfC単結晶層を形成した。この単結晶層の遷移金属/炭素原子比は1であった。なお、表層部31の厚さはAESの深さ方向分析で求め、遷移金属/炭素原子比は表層部31の表面から20nmまでの値とした。
上記チップ11以外の電子源aの構成は、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にはコバールとした。
Thus, after producing the base material part 32 which consists of a diamond single crystal, 1 micrometer of Hf was coated on the base material part 32 with the sputtering device. Then, after annealing at 400 ° C. for 60 minutes in a high vacuum at a pressure of 5 × 10 −5 Pa, an acid treatment was performed to form a 30 nm thick HfC single crystal layer on the surface layer portion 31 of the base material portion 32. The transition metal / carbon atom ratio of this single crystal layer was 1. The thickness of the surface layer portion 31 was determined by analysis in the depth direction of AES, and the transition metal / carbon atom ratio was a value from the surface of the surface layer portion 31 to 20 nm.
The configuration of the electron source a other than the chip 11 is tungsten for the support column 12, alumina for the base 13, and Kovar for the power supply terminal 14.

次に、作製した電子源aを図5に示すような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50の孔の直径は800μm、厚みは600μmで、チップ11先端とアパーチャプレート50のチップ11側の面との距離を2000μmとした。
そして、電子銃室のベース圧力が1.2×10-8Paであることを確認して、表層部31を熱処理した。熱処理は圧力5×10-6Pa未満の超高真空中で300℃の温度から開始し、上昇した圧力が1.2×10-8Pa以下になるまで温度設定を保ち、ベース圧力以下を確認したら再度温度を上げるという作業を繰り返して、1500℃で熱処理した段階で終了した。この間の温度ステップは約100℃で13回繰り返した。
さらに、電子銃室のベース圧力が1.2×10-8Paであることを確認して、表層部31をエージングした。エージングは圧力1×10-7Pa未満の超高真空中において1500℃の温度で、電子放出電流1μAで1時間、10μAで1時間、50μAで2時間、150μAで3時間の順に4回実施して終了した。
評価として、圧力1.2×10-8Pa、チップ11の温度を1500℃にして、引出電圧8kVを印加したところ、5×109A/m2srの電子ビーム輝度が得られた。またビーム安定性(rms%)は1%であった。
Next, the produced electron source a was assembled in an electron gun chamber of an electron microscope with a configuration as shown in FIG. The aperture plate 50 had a hole diameter of 800 μm and a thickness of 600 μm, and the distance between the tip of the chip 11 and the surface of the aperture plate 50 on the chip 11 side was 2000 μm.
After confirming that the base pressure of the electron gun chamber was 1.2 × 10 −8 Pa, the surface layer portion 31 was heat-treated. Heat treatment starts at a temperature of 300 ° C. in an ultra-high vacuum with a pressure of less than 5 × 10 −6 Pa, maintains the temperature setting until the increased pressure is 1.2 × 10 −8 Pa or less, and confirms that the pressure is below the base pressure. Then, the operation of raising the temperature again was repeated, and the process was completed when the heat treatment was performed at 1500 ° C. The temperature step during this time was repeated 13 times at about 100 ° C.
Further, it was confirmed that the base pressure of the electron gun chamber was 1.2 × 10 −8 Pa, and the surface layer portion 31 was aged. Aging is carried out in an ultra-high vacuum under a pressure of less than 1 × 10 −7 Pa at a temperature of 1500 ° C., 4 times in this order: electron emission current 1 μA for 1 hour, 10 μA for 1 hour, 50 μA for 2 hours, 150 μA for 3 hours. Finished.
As an evaluation, when the pressure was 1.2 × 10 −8 Pa, the temperature of the chip 11 was 1500 ° C., and an extraction voltage of 8 kV was applied, an electron beam luminance of 5 × 10 9 A / m 2 sr was obtained. The beam stability (rms%) was 1%.

以上の表層部31の遷移金属炭化物形成工程を表1、熱処理工程を表2、エージング工程を表3、評価工程を表4にまとめた。   The transition metal carbide forming process of the surface layer part 31 is summarized in Table 1, the heat treatment process is summarized in Table 2, the aging process is summarized in Table 3, and the evaluation process is summarized in Table 4.

[実施例2]
表1に示す遷移金属炭化物形成工程の条件によって表層部31をTiC、ZrC、TaC、又はNbCとした以外は実施例1の電子源aと同様の構成で電子源b、c、d、eを作製し、図5に示すような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50の孔の直径は800μm、厚みは600μmで、チップ11先端とアパーチャプレート50のチップ11側の面との距離を2000μmとした。
続けて表2に記載の熱処理工程、表3に記載のエージング工程を進めて、表4の評価工程に示す結果を得た。
圧力1.2×10-8Pa、において、チップの温度を1500〜1600℃、引出電圧を8〜10kVの間で調整してビームを引出したところ、すべての電子源において電子ビーム輝度5×109A/m2sr以上が得られた。
[Example 2]
According to the conditions of the transition metal carbide forming process shown in Table 1, the electron source b, c, d, e is configured in the same manner as the electron source a of Example 1 except that the surface layer portion 31 is TiC, ZrC, TaC, or NbC. It was fabricated and assembled in the electron gun chamber of an electron microscope with the configuration shown in FIG. The aperture plate 50 had a hole diameter of 800 μm and a thickness of 600 μm, and the distance between the tip of the chip 11 and the surface of the aperture plate 50 on the chip 11 side was 2000 μm.
Subsequently, the heat treatment step shown in Table 2 and the aging step shown in Table 3 were advanced to obtain the results shown in the evaluation step of Table 4.
At a pressure of 1.2 × 10 −8 Pa, when the beam was extracted by adjusting the chip temperature between 1500 to 1600 ° C. and the extraction voltage between 8 and 10 kV, the electron beam brightness of 5 × 10 5 was obtained in all electron sources. 9 A / m 2 sr or more was obtained.

[実施例3]
表層部31を表1に示す遷移金属炭化物形成工程の条件によってWC、又はMoCとした以外は実施例1の電子源aと同様の構成で電子源f、gを作製し、図5に示すような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50の孔の直径は800μm、厚みは600μmで、チップ11先端とアパーチャプレート50のチップ11側の面との距離を2000μmとした。
続けて表2に記載の熱処理工程、表3に記載のエージング工程を進めて、表4の評価工程に示す結果を得た。
圧力1.2×10-8Pa、において、チップの温度、引出電圧を所定の値に調整してビームを引出したところ、電子ビーム輝度5×109A/m2sr以上が得られた。またビーム安定性(rms%)は1%であった。
[Example 3]
Electron sources f and g having the same configuration as that of the electron source a of Example 1 except that the surface layer portion 31 was changed to WC or MoC depending on the conditions of the transition metal carbide forming process shown in Table 1 and shown in FIG. Built into the electron gun chamber of an electron microscope with a simple structure. The aperture plate 50 had a hole diameter of 800 μm and a thickness of 600 μm, and the distance between the tip of the chip 11 and the surface of the aperture plate 50 on the chip 11 side was 2000 μm.
Subsequently, the heat treatment step shown in Table 2 and the aging step shown in Table 3 were advanced to obtain the results shown in the evaluation step of Table 4.
When the beam was extracted by adjusting the chip temperature and extraction voltage to predetermined values at a pressure of 1.2 × 10 −8 Pa, an electron beam luminance of 5 × 10 9 A / m 2 sr or more was obtained. The beam stability (rms%) was 1%.

[実施例4]
表1に示す遷移金属炭化物形成工程の条件により電子源h、i、j、kとした以外は実施例1の電子源aと同様の構成として、図5に示すような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50の孔の直径は800μm、厚みは600μmで、チップ11先端とアパーチャプレート50のチップ11側の面との距離を2000μmとした。
続けて表2に記載の熱処理工程、表3に記載のエージング工程を進めて、表4の評価工程に示す結果を得た。
[Example 4]
Except for the electron sources h, i, j, and k depending on the conditions of the transition metal carbide forming process shown in Table 1, the configuration of the electron microscope of the electron microscope with the configuration shown in FIG. Built into the gun chamber. The aperture plate 50 had a hole diameter of 800 μm and a thickness of 600 μm, and the distance between the tip of the chip 11 and the surface of the aperture plate 50 on the chip 11 side was 2000 μm.
Subsequently, the heat treatment step shown in Table 2 and the aging step shown in Table 3 were advanced to obtain the results shown in the evaluation step of Table 4.

[実施例5]
エージングを行わなかった以外は全て電子源aと同様に評価した。輝度5×109A/m2srが得られ、安定性は7%であった。
[Example 5]
All evaluations were performed in the same manner as the electron source a except that aging was not performed. A luminance of 5 × 10 9 A / m 2 sr was obtained, and the stability was 7%.

[実施例6]
熱処理を行わなかったこと、エージング温度を100℃で圧力を1×10-6Paとした以外はすべて電子源aと同様に評価した。輝度5×109A/m2srが得られ、安定性は15%であった。
[Example 6]
The evaluation was the same as that for the electron source a except that no heat treatment was performed and the aging temperature was 100 ° C. and the pressure was 1 × 10 −6 Pa. A luminance of 5 × 10 9 A / m 2 sr was obtained, and the stability was 15%.

[実施例7]
熱処理もエージングも行わなかったこと以外はすべて電子源aと同様に評価した。輝度5×109A/m2srが得られ、安定性は25%であった。
[Example 7]
All evaluations were made in the same manner as the electron source a except that neither heat treatment nor aging was performed. A luminance of 5 × 10 9 A / m 2 sr was obtained, and the stability was 25%.

[参考例]
チップ11の材質をすべてハフニウムカーバイドとした以外は実施例1の電子源aと同様の構成で電子源Aを作製し、図5に示すような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50の孔の直径は800μm、厚みは600μmで、チップ11先端とアパーチャプレート50のチップ11側の面との距離を2000μmとした。
真空度1.2×10-8Pa、チップ11の温度を1500℃にして、引出電圧8kVを印加したところ、5×109A/m2srの電子ビーム輝度が得られ、電子源aと同様の性能が得られた。
[Reference example]
An electron source A was produced in the same configuration as the electron source a in Example 1 except that the material of the chip 11 was all hafnium carbide, and was assembled in the electron gun chamber of the electron microscope with the configuration as shown in FIG. The aperture plate 50 had a hole diameter of 800 μm and a thickness of 600 μm, and the distance between the tip of the chip 11 and the surface of the aperture plate 50 on the chip 11 side was 2000 μm.
When the degree of vacuum was 1.2 × 10 −8 Pa, the temperature of the chip 11 was 1500 ° C., and an extraction voltage of 8 kV was applied, an electron beam luminance of 5 × 10 9 A / m 2 sr was obtained, and the electron source a Similar performance was obtained.

Figure 2010272504
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10 電子源
11 チップ
12 支柱
13 ベース
14 給電端子
21 挟持部
22 電子放出部
23 先鋭突起
24 角錐台部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electron source 11 Chip 12 Support | pillar 13 Base 14 Feeding terminal 21 Clamping part 22 Electron emission part 23 Sharp protrusion 24 Pyramid part

31 表層部
32 基材部
40 サプレッサ
41 チップ締め付けネジ
42 チップ締め付けナット
43 熱分解炭素スペーサ
50 アパーチャプレート
51 電子ビーム(エミッション電子)
31 Surface Layer 32 Base Material 40 Suppressor 41 Tip Tightening Screw 42 Tip Tightening Nut 43 Pyrolytic Carbon Spacer 50 Aperture Plate 51 Electron Beam (Emission Electron)

Claims (12)

電子光学機器に使用される電子源であって、電子放出部分は表層部と基材部からなり、該表層部は遷移金属炭化物であり、該基材部はダイヤモンド単結晶であることを特徴とする電子源。   An electron source used in an electro-optical device, wherein an electron emission portion is composed of a surface layer portion and a base material portion, the surface layer portion is a transition metal carbide, and the base material portion is a diamond single crystal. Electron source. 前記表層部の厚さは20nm以上であることを特徴とする、請求項1に記載の電子源。   The electron source according to claim 1, wherein a thickness of the surface layer portion is 20 nm or more. 前記表層部の表面から深さ20nmまでの遷移金属炭化物の遷移金属/炭素原子比が0.01以上1以下であることを特徴とする、請求項1又は2に記載の電子源。   The electron source according to claim 1 or 2, wherein a transition metal / carbon atom ratio of the transition metal carbide from the surface of the surface layer portion to a depth of 20 nm is 0.01 or more and 1 or less. 前記表層部の表面から深さ20nmまでの遷移金属炭化物の遷移金属/炭素原子比が0.1以上1以下であることを特徴とする、請求項3に記載の電子源。   The electron source according to claim 3, wherein a transition metal / carbon atom ratio of the transition metal carbide from the surface of the surface layer portion to a depth of 20 nm is 0.1 or more and 1 or less. 前記遷移金属は、Hf、Ti、Zr、Ta、又はNbのいずれかであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の電子源。   5. The electron source according to claim 1, wherein the transition metal is any one of Hf, Ti, Zr, Ta, and Nb. 前記遷移金属炭化物は、遷移金属/炭素原子比が1であって、HfC、TiC、ZrC、TaC、又はNbCのいずれかであることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の電子源。   6. The transition metal carbide according to claim 1, wherein the transition metal carbide has a transition metal / carbon atom ratio of 1 and is any one of HfC, TiC, ZrC, TaC, or NbC. Electron source. 前記表層部の遷移金属炭化物は、単結晶であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の電子源。   The electron source according to claim 1, wherein the transition metal carbide in the surface layer portion is a single crystal. 前記電子源を圧力1×10-5Pa以下の真空中で、50℃以上1600℃以下の温度で熱処理を少なくとも1回以上実施して前記遷移金属炭化物の表面を処理したことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の電子源。 The surface of the transition metal carbide is treated by performing heat treatment at least once or more at a temperature of 50 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower in a vacuum of 1 × 10 −5 Pa or less of the electron source. Item 8. The electron source according to any one of Items 1 to 7. 前記電子源を圧力1×10-6Pa以下の真空中で、100℃以上1600℃以下の温度で加熱しながら、1μA以上200μA以下の電子放出電流を引出した状態で放置するエージングを少なくとも1回以上実施して、前記遷移金属炭化物表面を安定な電子放出が得られる表面としたことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の電子源。 At least one aging is performed in which the electron source is heated in a vacuum of 1 × 10 −6 Pa or less at a temperature of 100 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower and an electron emission current of 1 μA or higher and 200 μA or lower is drawn. The electron source according to any one of claims 1 to 8, wherein the electron source is implemented as described above, and the surface of the transition metal carbide is a surface from which stable electron emission is obtained. 請求項1〜7のいずれかに記載の電子源の製造方法であって、
ダイヤモンド単結晶からなる基材部の表面に遷移金属薄膜を形成する工程と、
加熱により遷移金属とダイヤモンドとを反応させて基材部表面に遷移金属炭化物を形成する工程と、
未反応の遷移金属を除去する工程と
を含むことを特徴とする、電子源の製造方法。
It is a manufacturing method of the electron source in any one of Claims 1-7,
Forming a transition metal thin film on the surface of the base material portion made of a diamond single crystal;
A step of reacting the transition metal and diamond by heating to form a transition metal carbide on the surface of the substrate part; and
And a step of removing an unreacted transition metal.
前記遷移金属炭化物の表面を圧力1×10-5Pa以下の真空中で、50℃以上1600℃以下の温度に加熱する熱処理を1回以上実施する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項10に記載の電子源の製造方法。 The method further includes the step of performing heat treatment of heating the surface of the transition metal carbide to a temperature of 50 ° C. or higher and 1600 ° C. or lower in a vacuum of 1 × 10 −5 Pa or lower at least once. 10. A method for producing an electron source according to 10. 前記遷移金属炭化物の表面を圧力1×10-6Pa以下の真空中で、100℃以上1600℃以下の温度で加熱しながら、1μA以上200μA以下の電子放出電流を引出した状態で放置するエージングを少なくとも1回以上実施する工程をさらに含むことを特徴とする、請求項10又は11に記載の電子源の製造方法。 Aging in which the surface of the transition metal carbide is left in a state where an electron emission current of 1 μA or more and 200 μA or less is drawn while heating the surface of the transition metal carbide in a vacuum of 1 × 10 −6 Pa or less at a temperature of 100 ° C. or more and 1600 ° C. or less. The method of manufacturing an electron source according to claim 10, further comprising a step of performing at least once.
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US11935720B1 (en) * 2023-01-21 2024-03-19 Dazhi Chen Field-emission type electron source and charged particle beam device using the same

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