JP2018147871A - Electron gun - Google Patents

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洋 安田
義久 大饗
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義久 大饗
英一 村田
Hidekazu Murata
英一 村田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-brightness electron gun cathode with a low work function.SOLUTION: An electron gun is constructed by lanthanum or cerium atom and a cathode material in which a carbon atom and a boron atom are combined in a predetermined adjacent distance. In a work function of the electron gun cathode, the work function of LaB6 or CeB6 is 2.7 eV. However, the work function can be reduced to 1.7 eV or less by diffusing, mixing, or combining the carbon atom, and a brightness of 10A/cmsteradian can be achieved with 50kV under a low temperature operation of 1200°C or less. By reducing the work function, a high brightness low temperature operation can be performed. A life of the electron gun is improved by preventing the boron atom and the carbon atom from being burned due to an oxygen concentration at high vacuum of 10pascal or more. Furthermore, by adhering a supply material of the carbon atom to the cathode material or a heater as a supply source, the life can be further improved.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

半導体(LSI)製造工程の回路パターンを描画するリソグラフィ分野で活用される電子ビーム描画技術において、処理能力を飛躍的に高めるために熱電子銃の熱電子放出電流強度の強い、高輝度電子銃の実現を可能とする。現状において、電子ビーム描画装置では、処理速度を高速化するために、電子銃を多数個搭載したマルチコラム型電子ビーム描画装置を必要としているが、マルチコラム化する前に1個の電子銃の輝度を最大限高めることが望ましい。   In electron beam lithography technology used in the lithography field for drawing circuit patterns in semiconductor (LSI) manufacturing processes, a high-intensity electron gun with a high thermionic emission current strength of a thermoelectron gun is required to dramatically increase the processing capability. Realization is possible. At present, an electron beam lithography apparatus requires a multi-column electron beam lithography apparatus equipped with a large number of electron guns in order to increase the processing speed. It is desirable to maximize the brightness.

電子銃が高輝度であるためには、いわゆる仕事関数が小さい必要がある。仕事関数は物質内部から真空中に電子を放出するためのエネルギーをeV単位で表している。この値が小さいほど電子を放出しやすい。   In order for the electron gun to have high brightness, the so-called work function needs to be small. The work function represents energy for emitting electrons from the inside of the substance into the vacuum in eV units. The smaller this value, the easier it is to emit electrons.

従来使用されていたLaB6またはCeB6の仕事関数が2.7eVであったのに対して、本発明においては1.7eV以下の仕事関数を有する電子銃陰極材料を用いた電子銃を発明として実現する。これにより、10倍以上の高輝度化と、400℃以上の低温動作化が可能となる。一般的には仕事関数が小さい電子銃陰極材料は、蒸気圧が低くなり、消耗が激しくなりやすいが、本発明の電子銃陰極材料は、蒸気圧が低くならない高輝度長寿命電子銃である。   Whereas the work function of LaB6 or CeB6 conventionally used is 2.7 eV, in the present invention, an electron gun using an electron gun cathode material having a work function of 1.7 eV or less is realized as an invention. . Thereby, it is possible to increase the brightness by 10 times or more and to operate at a low temperature of 400 ° C. or more. In general, an electron gun cathode material having a small work function has a low vapor pressure and is likely to be exhausted. However, the electron gun cathode material of the present invention is a high-intensity long-life electron gun in which the vapor pressure does not decrease.

半導体リソグラフィ技術は従来、元図となるマスクを電子ビーム描画装置で作成し、そのマスク画像を光によって半導体基板(ウェハ)に転写する写真製版技術(光リソグラフィ)が主に使われてきた。光リソグラフィ技術では、光の波長が短くなることで解像性が向上する原理から、光の波長は微細化の進展とともに短波長化が進み、g線(波長436nm)からi線(波長365nm)と変遷し、微細化、高集積化、コスト低減を果たしてきた。現在は波長が193nmのエキシマレーザー光が使われている。今後さらに短波長の13.4nmの極短紫外線を用いたリソグラフィ技術が開発されている。しかし、高スループットの微細パターン形成装置の開発は遅れている。   Conventionally, a photolithography technique (optical lithography) in which a mask to be an original drawing is created by an electron beam drawing apparatus and the mask image is transferred to a semiconductor substrate (wafer) by light has been mainly used as a semiconductor lithography technique. In the optical lithography technology, from the principle that resolution is improved by shortening the wavelength of light, the wavelength of light has been shortened with the progress of miniaturization, from g-line (wavelength 436 nm) to i-line (wavelength 365 nm). As a result, miniaturization, high integration, and cost reduction have been achieved. At present, excimer laser light having a wavelength of 193 nm is used. In the future, a lithography technique using an ultrashort ultraviolet ray having a short wavelength of 13.4 nm will be developed. However, development of a high-throughput fine pattern forming apparatus has been delayed.

一方、マスクは、半導体の微細化の進展に伴って開発コストが増大の一途をたどり、1品種のLSI当り数億円までになって来ている。電子ビーム描画装置はパターン発生機能を有する特徴からマスク開発に使われてきた。しかし、光の波長以下の転写性を実現する超解像技術の導入や、高集積化に伴うマスクデータの肥大など、光リソグラフィ技術の進展に伴って処理時間が増大し、マスク1層当り数十時間を要するようになってきている。   On the other hand, the development cost of masks has been increasing with the progress of semiconductor miniaturization, and has reached several hundred million yen per type of LSI. An electron beam lithography system has been used for mask development because of its feature of having a pattern generation function. However, the processing time has increased with the progress of optical lithography technology, such as the introduction of super-resolution technology that realizes transfer performance below the wavelength of light and the enlargement of mask data due to high integration. Ten hours have come to be taken.

電子ビーム描画方式は、細く絞った電子ビームによる一筆書きと呼ばれる方式にはじまり、可変矩形方式と呼ばれる、数平方ミクロンを一括描画する方式など、描画方式を発展させてきた。しかし、現行の可変矩形ビームでは、近年マスクパターンがますます微細化するのに同期して、使用できる可変矩形ビームの縦幅と横幅は小さくなっていく。   The electron beam drawing method has been developed from a method called one-stroke writing with a narrowed electron beam to a drawing method such as a variable rectangle method that draws several square microns at a time. However, with the current variable rectangular beam, the vertical and horizontal widths of the variable rectangular beam that can be used become smaller in synchronization with the increasingly finer mask patterns in recent years.

そのために、ショット数は加速度的に厖大化し、マスク一層あたり200時間(8日)以上かかるものも出現している。   For this reason, the number of shots has increased in an accelerating manner, and some shots that take 200 hours (8 days) or more per mask layer have appeared.

そこで、マスク描画処理時間の短縮を通じて、マスク価格の高騰を抑える目的や、高価なマスクを介さないで、電子ビーム描画装置によるウェハへの直接描画を実現する、マスクレスリソグラフィ技術が注目されるようになり、複数の電子ビームを用いて並列に描画処理するマルチビーム型の装置が提案され、処理能力を数百倍以上にすることが期待されている。   Therefore, attention will be focused on maskless lithography technology, which aims to reduce the mask price rise by shortening the mask drawing processing time, and to realize direct drawing on the wafer by the electron beam drawing apparatus without using an expensive mask. Therefore, a multi-beam type apparatus that performs drawing processing in parallel using a plurality of electron beams has been proposed, and it is expected to increase the processing capability by several hundred times.

マスクレスリソグラフィ技術では、産業上有益な処理能力は、300mm直径のウェハを1時間当たり10枚以上描画処理することが必要とされている。そのためには、電子ビーム1本当たりの処理能力から、略100本ほどの電子ビームによるマルチ電子ビーム描画装置の実現が求められる。したがって、300mmウェハ上に100(10×10)本の電子ビームを発生させるには、30mmピッチ以下で電子ビームを同時に複数発生させる技術が求められる。   In the maskless lithography technology, industrially useful processing capability is required to write 10 or more 300 mm diameter wafers per hour. For this purpose, it is required to realize a multi-electron beam drawing apparatus using about 100 electron beams because of the processing capability per electron beam. Therefore, in order to generate 100 (10 × 10) electron beams on a 300 mm wafer, a technique for simultaneously generating a plurality of electron beams at a pitch of 30 mm or less is required.

30mmピッチ以下で電子ビームを同時に発生させると、隣接する電子銃の電界が電子銃間で互いに影響しあうので、電子銃のサイズは15mm以下であることが望ましい。   When electron beams are simultaneously generated at a pitch of 30 mm or less, the electric fields of adjacent electron guns affect each other between the electron guns. Therefore, the size of the electron gun is preferably 15 mm or less.

電子ビーム描画装置の処理能力は、電子ビーム強度に比例し、感光物質であるレジストの感度に反比例する。電子ビーム描画装置では、電子間相互作用のために、大きな電流でビームがぼけてしまうので、電子ビーム1本あたり略1μAの電流値に制限しなければならない事情がある。   The processing capability of the electron beam drawing apparatus is proportional to the electron beam intensity and inversely proportional to the sensitivity of the resist, which is a photosensitive material. In the electron beam drawing apparatus, the beam is blurred by a large current due to the interaction between electrons, and therefore there is a situation that the current value must be limited to about 1 μA per electron beam.

一方、極微細(15nmから10nmの線幅)なLSIパターンは、感度が低いレジスト(100μC/cm2前後)によらないと、意図した描画精度が得られないと考えられる。これらの制約から、略600cm2 ある300mmウェハは、60,000秒以上の描画時間がかかる計算になる。略100本のマルチコラムではこれを600秒以下とすることができる。   On the other hand, it is considered that an extremely fine (15 nm to 10 nm line width) LSI pattern cannot obtain the intended drawing accuracy unless it is based on a resist with low sensitivity (around 100 μC / cm 2). Due to these restrictions, a 300 mm wafer having a size of approximately 600 cm 2 requires a drawing time of 60,000 seconds or more. With approximately 100 multi-columns, this can be 600 seconds or less.

このような電子ビーム描画装置の電子銃として、従来使用されてきたものはLaB6またはCeB6の円錐台形形状の熱電子放出型電子銃であった。先端の円錐台形部の直径は30μmφであって、円錐台形の傾斜角度は、60度程度であった。この電子銃は、1×10−6pascal以上の真空下において1600℃程度で加熱をして用いていた。この時の輝度は50kVで1×106A/cm2steradianであり、かなり大きな輝度であったが、1600℃では、LaB6またはCeB6の酸素との燃焼による昇華によって、10μm/700時間(1ヶ月)の減耗が発生した。そこで、先端の円錐台形部の直径が最初30μmであったものが直径10μm程度に先鋭化されるので、輝度はさらに大きくなるが、照射均一性が劣化する。すなわち、狭い範囲しか均一に照射されなくなるので、パターン精度が劣化する。このために、LaB6またはCeB6を使用した電子銃の寿命は1ヶ月程度しかなく、通常半年から1年の寿命が必要である電子ビーム描画装置では、基本的に不十分であった。このために、10個のLaB6またはCeB6電子銃を回転交換可能な、ターレット電子銃ユニットなどを使用しているシステムもあった。   As an electron gun of such an electron beam drawing apparatus, a LaB6 or CeB6 frustoconical thermionic emission electron gun has been conventionally used. The diameter of the frustoconical portion at the tip was 30 μmφ, and the inclination angle of the frustoconical shape was about 60 degrees. This electron gun was used by heating at about 1600 ° C. under a vacuum of 1 × 10 −6 pascal or higher. The luminance at this time was 1 × 10 6 A / cm 2 steradian at 50 kV, which was quite large. However, at 1600 ° C., the sublimation of LaB6 or CeB6 with oxygen caused the depletion of 10 μm / 700 hours (1 month). Occurred. Therefore, since the tip frustoconical portion having a diameter of 30 μm is sharpened to about 10 μm in diameter, the brightness is further increased, but the irradiation uniformity is deteriorated. That is, since only a narrow range is uniformly irradiated, the pattern accuracy deteriorates. For this reason, the life of an electron gun using LaB6 or CeB6 is only about one month, and an electron beam lithography apparatus that normally requires a life of half to one year is basically insufficient. For this reason, there is a system that uses a turret electron gun unit or the like that can rotate and replace 10 LaB6 or CeB6 electron guns.

電子銃陰極材料の仕事関数は小さくなれば、低温動作化と高輝度化が同時に達成できるものである。これまで使われたLaB6またはCeB6は仕事関数が2.7eVと高く50kVで輝度1×106A/cm2steradian、動作温度は1600℃以上の高温が必要となっていた。そのために酸素による酸化消耗を低減するためにさらに高真空度化し、1×10−7pascalとすると酸化消耗は十分低減できるが、LaB6またはCeB6自身の蒸発は低減できず2.5μm/700時間(1ヵ月)の消耗が発生した。そのため寿命は4倍程度にしかならず一年の寿命が必要である電子ビーム描画装置では3個の電子銃を交換する必要があった。そこで仕事関数を1.7eV以下と小さくし、輝度50kVで1×107A/cm2steradian以上を実現し、1200℃の低温動作を実現できるような低仕事関数の電子銃陰極材料を用いた電子銃が必要であった。   If the work function of the electron gun cathode material is reduced, lower temperature operation and higher brightness can be achieved simultaneously. The LaB6 or CeB6 used so far required a work function as high as 2.7 eV, 50 kV, a luminance of 1 × 10 6 A / cm 2 steradian, and an operating temperature of 1600 ° C. or higher. Therefore, if the degree of vacuum is further increased to reduce the oxidative consumption due to oxygen to 1 × 10 −7 pascal, the oxidative consumption can be sufficiently reduced, but the evaporation of LaB6 or CeB6 itself cannot be reduced and 2.5 μm / 700 hours (1 Month). For this reason, the lifetime of the electron beam writing apparatus is only about four times longer and requires one year of life, and it is necessary to replace three electron guns. Therefore, an electron gun using an electron gun cathode material having a low work function capable of realizing a low temperature operation of 1200 ° C. by reducing the work function to 1.7 eV or less, realizing 1 × 10 7 A / cm 2 steadian or more at a luminance of 50 kV is required. Met.

このような状況下において、LaB6またはCeB6以上の高い輝度と、低温動作性を有して、なおかつ1年以上の長寿命化を同時に達成できる陰極材料を有する電子銃が、産業界で必要とされていた。   Under such circumstances, there is a need in the industry for an electron gun having a cathode material that has a high luminance of LaB6 or CeB6 or higher, low temperature operability, and can simultaneously achieve a long lifetime of one year or more. It was.

特許公開平8−212952号公報Japanese Patent Publication No. Hei 8-212952 特許公開平6−181029号公報Japanese Patent Publication No. 6-181029

電子・イオンビームハンドブック第3版 日本学術振興会第132委員会編編集委員長 裏克己 日刊工業新聞社平成10年10月28日 P119 図4.3化合物陰極の保持方法Electron / Ion Beam Handbook 3rd Edition, Japan Society for the Promotion of Science, 132nd Committee Editorial Board Chairman Katsumi Ura Nikkan Kogyo Shimbun October 28, 1998 P119 Figure 4.3 Method of Holding Compound Cathode

300mmウェハ上に、多数個(略100本)の電子ビームを同時に発生させ、マルチ電子ビーム描画装置を実現し、1時間に6枚以上のスループットを有し、100本の電子銃が全て1年(12ヶ月)以上の寿命を持つ電子銃を形成するためには以下の課題がある。   A large number (approximately 100) of electron beams are simultaneously generated on a 300 mm wafer to realize a multi-electron beam drawing apparatus, which has a throughput of 6 sheets or more per hour, and 100 electron guns all have one year. In order to form an electron gun having a life of (12 months) or more, there are the following problems.

LaB6またはCeB6の仕事関数が2.7eVであるのに対して、仕事関数を1.7eV以下に低減し、低温動作にて高輝度が得られる電子銃を製作する必要がある。   While the work function of LaB6 or CeB6 is 2.7 eV, it is necessary to manufacture an electron gun that can reduce the work function to 1.7 eV or less and obtain high brightness at low temperature operation.

本発明に係る電子銃は、 ランタン原子またはセリウム原子と、炭素原子と、硼素原子が所定の隣接距離で結合した陰極材料を有したことを特徴とする。   The electron gun according to the present invention is characterized by having a cathode material in which lanthanum or cerium atoms, carbon atoms, and boron atoms are bonded at a predetermined adjacent distance.

陰極材料は、LaB6またはCeB6の結晶の表面に炭素原子含む溶液を塗布し、結晶中に炭素原子が注入拡散されることが好ましい。また、炭素原子を含む溶液は鎖状の炭化水素列を有しグリセリン基とエステル化した脂肪酸グリセリドであることが好ましい。   As the cathode material, it is preferable that a solution containing carbon atoms is applied to the surface of LaB6 or CeB6 crystals, and carbon atoms are injected and diffused into the crystals. Moreover, it is preferable that the solution containing a carbon atom is a fatty acid glyceride having a chain hydrocarbon chain and esterified with a glycerin group.

本発明者らはLaB6またはCeB6結晶に炭素原子を注入拡散することによって、低仕事関数化することを実験によって確認した。このようになる理由は、おそらく硼素よりも電気陰性度の大きな炭素原子がLaB6またはCeB6結晶に注入拡散されることにより、硼素原子で形成された結晶細胞の内部にランタン原子と炭素原子が共存し、電気陰性度が2.5と大きな炭素原子に電気陰性度が1.1と小さなランタン原子の電子が引き寄せられてランタン原子が相対的に正電荷を有するようになる。炭素原子および硼素原子から射出された電子がランタン原子を通過して真空中に射出されやすくなるものと考えられる。本発明者らは硼素原子の介在なくして炭素原子とランタン原子の直接結合を行う実験をしていない。硼素原子の介在なくして炭素原子とランタン原子のみで低仕事関数化する可能性はあり得るが、必ずしも仕事関数が本発明より小さくなるというわけではないかもしれない。本発明者らはLaB6またはCeB6の結晶に炭素原子を注入拡散することによって1.7eV以下の低仕事関数の電子銃陰極材料になることを実験によって確認し、再現性が得られることがわかったので、これを本発明者らの発明とする。この仕事関数は、炭素原子含有液体の濃度と、注入拡散の温度と時間で変化させることが可能であった。これらの諸条件を適切に選択することにより、所望の仕事関数が実現できた。ちなみに最小の仕事関数は0.9eV程度であった。   The present inventors have confirmed through experiments that the work function can be lowered by injecting and diffusing carbon atoms into LaB6 or CeB6 crystals. The reason for this is that lanthanum atoms and carbon atoms coexist in the crystal cells formed with boron atoms, probably because carbon atoms having a higher electronegativity than boron are implanted and diffused into LaB6 or CeB6 crystals. Electrons of a small lanthanum atom having an electronegativity of 2.5 and an electronegativity of 1.1 are attracted to a large carbon atom, and the lanthanum atom has a relatively positive charge. It is considered that electrons emitted from carbon atoms and boron atoms are likely to be emitted into a vacuum through lanthanum atoms. The present inventors have not conducted an experiment in which a carbon atom and a lanthanum atom are directly bonded without intervention of a boron atom. Although there is a possibility that the work function can be lowered only by carbon atoms and lanthanum atoms without the presence of boron atoms, the work function may not necessarily be smaller than that of the present invention. The inventors of the present invention have confirmed by experiment that an electron gun cathode material having a low work function of 1.7 eV or less is obtained by injecting and diffusing carbon atoms into LaB6 or CeB6 crystals, and it has been found that reproducibility can be obtained. Therefore, this is the invention of the present inventors. This work function could be changed with the concentration of the carbon atom-containing liquid and the temperature and time of implantation diffusion. By properly selecting these conditions, a desired work function could be realized. Incidentally, the minimum work function was about 0.9 eV.

以上説明したように、本発明の電子銃によれば、電子銃陰極材料として、LaB6またはCeB6結晶に炭素原子を注入拡散したものを電子銃陰極材料として用い、熱電子を放出することを特徴とする電子銃であるため、従来のLaB6またはCeB6の仕事関数の2.7eVを低減し、1.7eV以下にすることにより、電子銃としての動作温度を1600℃から1200℃まで下げる事ができた。また、同時に従来のLaB6またはCeB6の50kVでの輝度1×106A/cm2steradianを10倍以上にすることができた。低温動作化のために、電子銃陰極材料の酸化消耗および材料自身の蒸発が十分低減でき、寿命が一年以上の長寿命の電子銃を構成できる。LaB6の自己蒸発速度は、100℃で7分の1になるために400℃の温度低下による自己蒸発速度は2400分の1になる。なお、硼素の酸化消耗速度は真空度10−7pascalでは、ほぼ0となる。 As described above, according to the electron gun of the present invention, the electron gun cathode material is a material obtained by injecting and diffusing carbon atoms into a LaB6 or CeB6 crystal as an electron gun cathode material, and emits thermoelectrons. Therefore, by reducing the work function of 2.7 eV of LaB6 or CeB6 to 1.7 eV or less, the operating temperature of the electron gun could be lowered from 1600 ° C. to 1200 ° C. . At the same time, the luminance of 1 × 10 6 A / cm 2 steadian at 50 kV of conventional LaB6 or CeB6 could be increased 10 times or more. Due to the low-temperature operation, the oxidative consumption of the electron gun cathode material and the evaporation of the material itself can be sufficiently reduced, and a long-life electron gun having a lifetime of one year or more can be configured. Since the self-evaporation rate of LaB6 is 1/7 at 100 ° C., the self-evaporation rate due to a temperature drop of 400 ° C. is 1/400. The oxidation consumption rate of boron becomes almost 0 at a vacuum degree of 10 −7 pascal.

この電子銃は、安定に電子放出を行うために、マルチ電子ビーム描画装置に適した電子銃が実現できる。   Since this electron gun stably emits electrons, an electron gun suitable for a multi-electron beam drawing apparatus can be realized.

そのために高輝度長寿命電子銃は電子ビーム描画装置の実現に向けた強力な手段となる。微細パターンを持つ人工知能およびニューロン模倣に基づいた脳型コンピューター産業と自動運転車、各種ロボット、危険箇所作業用ロボット、介護用ロボット、対話型共存ロボット、大規模建築物と大規模工事を迅速に作業するロボット、人間の意識をアップロードしてその時点における人間の記憶意識、思考過程を写し取り、それ以降はその人間の思考方法と記憶を引き継いで生きる意識的に無限の生命を有する不老不死の人工脳など、将来の人工知能などの半導体産業を巨大産業とするために、電子銃を元にした電子ビーム描画装置が多大な貢献をなす。   Therefore, the high-intensity long-life electron gun is a powerful means for realizing an electron beam drawing apparatus. Brain computer industry based on artificial intelligence and neuron imitation with micropatterns and autonomous driving cars, various robots, robots for working at dangerous places, robots for nursing care, interactive coexistence robots, large-scale buildings and large-scale construction quickly Robots that work, upload human consciousness, copy human memory consciousness, thinking process at that time, and then take over the human thinking method and memory and live consciously indefinitely have an infinite life In order to make the semiconductor industry such as artificial brain such as artificial brain into a huge industry, an electron beam drawing apparatus based on an electron gun makes a great contribution.

本電子銃はX線発生器用の電子銃として使用できる。その場合には通常LaB6よりも400℃低く、電流密度10倍が可能であるのでX線発生光源輝点の大きさが3分の1に縮小され、寿命は2400倍になる。このためにX線装置では格段に画像鮮明化と長寿命化が達成できる。したがって医療用のX線装置は格段に進歩し、医療用X線分野の発展に多大な貢献をする。   This electron gun can be used as an electron gun for an X-ray generator. In that case, the current density is usually 400 ° C. lower than LaB6 and a current density of 10 times is possible, so the size of the bright spot of the X-ray generation light source is reduced to one third, and the lifetime becomes 2400 times. For this reason, in the X-ray apparatus, image sharpening and long life can be achieved. Accordingly, medical X-ray devices have made significant progress and contributed greatly to the development of the medical X-ray field.

また、電子顕微鏡用の電子銃としては1200℃で使用する場合には同様に長寿命、10倍以上の大電流密度化で一般的な電子顕微鏡としては市場を発展させる。特殊な用途であるが、仕事関数が1eVまで低減できる場合には、1600℃で使用し電流密度を37000倍にできる。電子顕微鏡の解像度は同一電流値の場合には電流密度の平方根で解像度が決まるので、192分の1にビームサイズを縮小することが出来る。現在の走査型電子顕微鏡の分解能は2nm程度であるので、10pmの解像度が達成できる。これは、たとえば酸素原子の大きさは120pmであるので十分酸素原子一個を認識できることを意味している。すなわち本電子銃を用いた走査型電子顕微鏡は表面の原子像とそれらの配列を一瞬にして画像として認識できることを意味している。もちろん、十分低加速で表面だけを観察する事と、厚さ方向に多層の原子層がある場合、所望の断面原子層の画像を得るための画像処理の計算は必要となる。各原子のオージェ電子や蛍光X線を計測することで各原子の種類も同定できる。したがって、全ての観察物の原子配列構造が画像処理で分離分析出来る事は革命的な事である。原子のレベルで実際に何が起こっているかを直接観察することが現代科学において医療、生物、生命現象、物理、化学などの分野でこのような電子銃を用いた電子顕微鏡が強力な威力を発揮することが明白である。そのため、技術開発分野と発明の分野での、人類の科学進歩発展に寄与・貢献することが多大である。   Similarly, when used at 1200 ° C. as an electron gun for an electron microscope, the market is developed as a general electron microscope with a long life and a large current density of 10 times or more. Although it is a special application, when the work function can be reduced to 1 eV, it can be used at 1600 ° C. and the current density can be increased 37,000 times. Since the resolution of the electron microscope is determined by the square root of the current density when the current value is the same, the beam size can be reduced to 1/192. Since the resolution of the current scanning electron microscope is about 2 nm, a resolution of 10 pm can be achieved. This means that, for example, the size of an oxygen atom is 120 pm, so that one oxygen atom can be recognized sufficiently. That is, it means that the scanning electron microscope using this electron gun can recognize the atomic images on the surface and their arrangement in an instant as an image. Of course, when only the surface is observed with sufficiently low acceleration and there are multiple atomic layers in the thickness direction, calculation of image processing to obtain an image of a desired cross-sectional atomic layer is required. The type of each atom can be identified by measuring Auger electrons and fluorescent X-rays of each atom. Therefore, it is revolutionary that the atomic arrangement structure of all observation objects can be separated and analyzed by image processing. Direct observation of what is actually happening at the atomic level is powerful in the field of medicine, biology, life phenomena, physics, chemistry, etc. It is obvious to do. For this reason, it is a great contribution to contribute to the advancement of human scientific progress in the fields of technological development and invention.

本発明の電子銃の実施例の1を説明する図である。It is a figure explaining 1 of the Example of the electron gun of this invention. LaB6またはCeB6結晶構造における硼素原子とランタン原子の配置についての説明をする図である。It is a figure explaining the arrangement | positioning of the boron atom and the lanthanum atom in LaB6 or CeB6 crystal structure. 本発明のLaB6またはCeB6結晶構造におけるランタン原子と炭素原子の配置についての説明をする図である。It is a figure explaining the arrangement | positioning of the lanthanum atom and carbon atom in the LaB6 or CeB6 crystal structure of this invention. 本発明のLaB6またはCeB6結晶構造におけるランタン原子と炭素原子の配置についての説明をする図である。It is a figure explaining the arrangement | positioning of the lanthanum atom and carbon atom in the LaB6 or CeB6 crystal structure of this invention. 本発明に用いる各種の有機高分子の構造を示す化学式である。It is a chemical formula which shows the structure of the various organic polymer used for this invention. 本発明の電子銃陰極材料であるLaB6またはCeB6結晶表面に、鎖状の炭化水素列からなる有機高分子が付着した表面状態について説明する図である。It is a figure explaining the surface state which the organic polymer which consists of a chain | strand-shaped hydrocarbon row | line adhered to the surface of the LaB6 or CeB6 crystal | crystallization which is an electron gun cathode material of this invention. 本発明の非結晶状態におけるランタン原子と炭素原子と硼素原子の原子配列と電子射出状況について説明する図である。It is a figure explaining the atomic arrangement | sequence and electron emission condition of a lanthanum atom, a carbon atom, and a boron atom in the amorphous state of this invention. 本発明のLaB6またはCeB6結晶と炭素原子の結晶状態における原子配列と電子射出状況について説明する図である。It is a figure explaining the atomic arrangement | sequence and electron emission condition in the crystal state of the LaB6 or CeB6 crystal | crystallization of this invention, and a carbon atom. 通常のLaB6またはCeB6結晶で形成された電子銃の消耗の様子を説明する図である。It is a figure explaining the mode of consumption of the electron gun formed with the usual LaB6 or CeB6 crystal. 本発明の電子銃の実施例の2を説明する図である。本発明の電子銃陰極先端部はLaB6またはCeB6と反応しない高融点金属、例えばレニウムで形成されており、先端にLaB6またはCeB6結晶と炭素原子の結合物を付着せしめることによって電子放出する陰極先端部を形成する事と、蒸発によって減少した電子銃陰極先端部のLaB6またはCeB6と炭素原子の結合物を補給するための構造を説明する図である。It is a figure explaining 2 of the Example of the electron gun of this invention. The electron gun cathode tip of the present invention is made of a refractory metal that does not react with LaB6 or CeB6, such as rhenium, and a cathode tip that emits electrons by attaching a combination of LaB6 or CeB6 crystals and carbon atoms to the tip. And a structure for supplying a combination of LaB6 or CeB6 and carbon atoms at the tip of the electron gun cathode reduced by evaporation. 本発明の電子銃の実施例の3を説明する図である。本発明の電子銃陰極先端部はLaB6またはCeB6と反応しない高融点金属、例えばレニウムで形成されており、先端にLaB6またはCeB6結晶と炭素原子の結合物を付着せしめることによって電子放出する陰極先端部を形成する事と、蒸発によって減少した電子銃陰極先端部のLaB6またはCeB6と炭素原子の結合物を補給するための構造を説明する図である。It is a figure explaining 3 of the Example of the electron gun of this invention. The electron gun cathode tip of the present invention is made of a refractory metal that does not react with LaB6 or CeB6, such as rhenium, and a cathode tip that emits electrons by attaching a combination of LaB6 or CeB6 crystals and carbon atoms to the tip. And a structure for supplying a combination of LaB6 or CeB6 and carbon atoms at the tip of the electron gun cathode reduced by evaporation. 本発明の電子銃の実施例の4を説明する図である。本発明の電子銃陰極に、レザバーとなる溝を、電子銃陰極先端平面部に対して垂直方向に掘り、その中に有機高分子を詰め、有機高分子を電子銃陰極先端部に供給し、LaB6またはCeB6結晶に炭素結合物を補給するための構造を説明する図である。It is a figure explaining 4 of the Example of the electron gun of this invention. In the electron gun cathode of the present invention, a groove serving as a reservoir is dug in a direction perpendicular to the electron gun cathode tip flat part, filled with an organic polymer therein, and the organic polymer is supplied to the electron gun cathode tip part, It is a figure explaining the structure for supplying a carbon bond to a LaB6 or CeB6 crystal | crystallization. 本発明の電子銃の実施例の5を説明する図である。本発明の電子銃陰極に有機高分子を保持するためのレザバーとなる溝を、LaB6またはCeB6結晶の下方部分で、グラファイトヒータに挟まれる電子銃陰極部に、穴を電子銃の電子射出方向と水平方向に掘り、穴の中に有機高分子を含有することにより、有機高分子を電子銃陰極先端へ補給し、LaB6またはCeB6結晶への炭素の結合物を供給する構造を説明する図である。It is a figure explaining 5 of the Example of the electron gun of this invention. The groove serving as a reservoir for holding the organic polymer in the electron gun cathode of the present invention is formed in the lower part of the LaB6 or CeB6 crystal, in the electron gun cathode part sandwiched between the graphite heaters, and in the direction of electron emission of the electron gun. It is a figure explaining the structure which digs in a horizontal direction and supplies an organic polymer to an electron gun cathode tip by containing an organic polymer in a hole, and supplies the combined substance of carbon to a LaB6 or CeB6 crystal. . 本発明に関連した二炭化ランタンの結晶構造を示す図である。It is a figure which shows the crystal structure of the lanthanum dicarbide relevant to this invention.

本発明を実施する形態について、図を参照しながら説明する。
図1は、本発明の電子銃の実施例の1を説明する図である。セラミック円板101上に高耐熱バネ状金属102a、102bが接続設置されている。高耐熱バネ状金属102a、102bはPG(パイロリティック・グラファイト)ヒータ104a、104bとLaB6単結晶103をバネ力で押さえている。加熱電流が102a、104a、103、104b、102bを通って流れ、PG(パイロリティック・グラファイト)ヒータ104a、104bの発熱によって、LaB6またはCeB6単結晶103が1200℃に加熱される。LaB6またはCeB6単結晶103には−50kVが印加されている。なお、LaB6またはCeB6単結晶103の先端には円形平坦部の直径が20μmから50μmで形成されている。
Embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram for explaining an example 1 of an electron gun according to the present invention. High heat-resistant spring-like metals 102 a and 102 b are connected and installed on the ceramic disk 101. High heat-resistant spring-like metals 102a and 102b hold PG (pyrolytic graphite) heaters 104a and 104b and LaB6 single crystal 103 with spring force. A heating current flows through 102a, 104a, 103, 104b, and 102b, and the LaB6 or CeB6 single crystal 103 is heated to 1200 ° C. by the heat generated by the PG (pyrolytic graphite) heaters 104a and 104b. −50 kV is applied to the LaB6 or CeB6 single crystal 103. Note that a circular flat portion has a diameter of 20 μm to 50 μm at the tip of the LaB 6 or CeB 6 single crystal 103.

本発明のLaB6またはCeB6単結晶103は、従来のLaB6またはCeB6単結晶とは全く異なる製作方法が施されている。図1の構造体に組み立てる前、または後でLaB6またはCeB6の側面表面および先端表面全体、あるいは先端表面のみに、炭素原子を含有する液体または個体である有機高分子106を付着せしめて、温度を1200℃から1600℃の間の所定温度を選択して、この温度に保つことでLaB6またはCeB6単結晶103の内部に炭素原子を注入拡散するものである。ここで図2に移って説明すれば、48個の硼素原子による立方体形状の結晶格子細胞の一つ一つの中心に炭素原子を注入拡散する。これより図3に説明を移動する。図3aのごとく48個の硼素による立方体形状の結晶格子細胞の一つ一つの中心にランタン原子202と注入拡散された炭素原子301が一対の原子団となって設置される構造を取る。この電子銃陰極材料の仕事関数は1.7eV以下であり、1200℃で動作するとき、輝度は−50kVで10A/cmsteradianである。 The LaB6 or CeB6 single crystal 103 of the present invention is subjected to a completely different manufacturing method from the conventional LaB6 or CeB6 single crystal. Before or after assembling into the structure of FIG. 1, a liquid or solid organic polymer 106 containing carbon atoms is attached to the side surface and the entire tip surface of LaB6 or CeB6, or only to the tip surface, and the temperature is increased. A predetermined temperature between 1200 ° C. and 1600 ° C. is selected and maintained at this temperature, whereby carbon atoms are implanted and diffused into the LaB 6 or CeB 6 single crystal 103. Here, referring to FIG. 2, carbon atoms are implanted and diffused into the center of each of the cubic crystal lattice cells of 48 boron atoms. The description will now move to FIG. As shown in FIG. 3a, a structure is adopted in which lanthanum atoms 202 and implanted and diffused carbon atoms 301 are installed as a pair of atomic groups at the center of each of 48 cubic crystal lattice cells of boron. The work function of this electron gun cathode material is 1.7 eV or less, and when operating at 1200 ° C., the brightness is 10 7 A / cm 2 steadian at −50 kV.

なお、炭素原子を含有する液体または個体を付着せしめて、温度を1200℃から1600℃の間の所定温度を選択して、この温度に6時間から24時間保つことでLaB6またはCeB6単結晶103の内部に炭素原子301を注入拡散させるが、高温保持の後にLaB6またはCeB6表面に残存する拡散源の液体成分または固体成分は、余剰成分が残るようであるならば、除去したほうがよい。真空中で高温保持の間にLaB6またはCeB6結晶の表面から、余剰成分が蒸発するようであるならば、そのまま電子銃として使用可能である。炭素原子を含有する液体または個体である有機高分子106についての詳細は後述するものとする。   In addition, by attaching a liquid or solid containing carbon atoms, selecting a predetermined temperature between 1200 ° C. and 1600 ° C., and maintaining this temperature for 6 to 24 hours, the LaB6 or CeB6 single crystal 103 Although carbon atoms 301 are injected and diffused inside, the liquid component or solid component of the diffusion source remaining on the surface of LaB6 or CeB6 after maintaining at a high temperature should be removed if an excess component seems to remain. If the surplus component seems to evaporate from the surface of the LaB6 or CeB6 crystal during high temperature holding in a vacuum, it can be used as it is as an electron gun. Details of the organic polymer 106 that is a liquid or solid containing carbon atoms will be described later.

図1に戻って説明を続ける。ウェーネルト電極105は軸対称な物体で、金属でできており、−50kVから−53kVの負電位に接続されている。そのため、ウェーネルトによる電位を示す等高線107により、LaB6単結晶103の先端以外から放出される電子は抑制される。アノード109はアース電位に設地されている。アノード付近の等電位線108は比較的真っ直ぐになっている。熱電子放射による放出電子110は、アノード109の開口を通過する。熱電子放射による放出電子の照射分布111は、概略ガウス型関数に類似している。   Returning to FIG. 1, the description will be continued. The Wehnelt electrode 105 is an axisymmetric object, is made of metal, and is connected to a negative potential of −50 kV to −53 kV. Therefore, the electrons emitted from other than the tip of the LaB6 single crystal 103 are suppressed by the contour line 107 indicating the potential due to Wehnelt. The anode 109 is grounded. The equipotential line 108 near the anode is relatively straight. The emitted electrons 110 due to thermionic emission pass through the opening of the anode 109. Irradiation distribution 111 of emitted electrons by thermionic emission is almost similar to a Gaussian function.

LaB6またはCeB6単結晶103はPG(パイロリティック・グラファイト)ヒータ104a、104bで加熱されるが、加熱消費電力は高温部の面積の総和をSとし、絶対温度をTとするとき、S×Tに比例する。そのため、加熱消費電力を抑制するために、電子銃陰極と保持治具は出来る限り表面積を小さくする必要がある。本発明の電子銃陰極材料は仕事関数が1.7eVと低いため、温度を低くすることができるが、マルチコラムで100個の電子銃を並列して使用することを想定すると、加熱消費電力は単純計算で100倍となるので、LaB6またはCeB6単結晶103の総面積を略半分以下にすることが必要となる。この理由でLaB6またはCeB6単結晶103の幅は0.35mm以下で、長さは2.5mm以下である必要がある。これにより、従来の表面積の50%以下となる。一方温度のTの4乗項は1600℃(絶対温度1873K)と1200℃(絶対温度1273K)の比の4乗で減少するので0.213程度となる。表面積を減らした分と総合すれば従来の電子銃の0.1倍の消費電力となる。したがって100個並べても単一電子銃の装置の10倍程度の増加に抑制できる。 LaB6 or CeB6 single crystal 103 is heated by PG (pyrolytic graphite) heaters 104a and 104b, and the heating power consumption is S × T 4 where the sum of the areas of the high temperature part is S and the absolute temperature is T. Is proportional to Therefore, in order to suppress heating power consumption, it is necessary to make the surface area of the electron gun cathode and the holding jig as small as possible. Since the electron gun cathode material of the present invention has a work function as low as 1.7 eV, the temperature can be lowered. However, assuming that 100 electron guns are used in parallel in a multi-column, the heating power consumption is Since it becomes 100 times by simple calculation, it is necessary to make the total area of the LaB6 or CeB6 single crystal 103 approximately half or less. For this reason, the LaB6 or CeB6 single crystal 103 needs to have a width of 0.35 mm or less and a length of 2.5 mm or less. Thereby, it becomes 50% or less of the conventional surface area. On the other hand, the fourth power term of T decreases to about 0.213 because it decreases with the fourth power of the ratio of 1600 ° C. (absolute temperature 1873K) and 1200 ° C. (absolute temperature 1273K). When combined with the reduced surface area, the power consumption is 0.1 times that of the conventional electron gun. Therefore, even if 100 are arranged, the increase can be suppressed to about 10 times that of a single electron gun.

図2は、本発明で用いるLaB6またはCeB6結晶の構造を示す図である。
6個の硼素原子201は正八面体を形成している。この正八面体8個が立方体を形成している。正八面体8個で形成される立方体の中心には、ランタン原子202が存在している。このランタン原子202一個に付随する硼素原子201の数を計算すると、6/8×8となり、6個の硼素原子201がランタン原子202 1個と組になることがわかる。それゆえ、LaB6またはCeB6となっている。図2のLaB6またはCeB6結晶の仕事関数は、2.7eVである。
FIG. 2 is a diagram showing the structure of a LaB6 or CeB6 crystal used in the present invention.
Six boron atoms 201 form a regular octahedron. Eight regular octahedrons form a cube. A lanthanum atom 202 exists at the center of a cube formed by eight regular octahedrons. When the number of boron atoms 201 associated with one lanthanum atom 202 is calculated, it becomes 6/8 × 8, and it can be seen that six boron atoms 201 are paired with one lanthanum atom 202. Therefore, it is LaB6 or CeB6. The work function of the LaB6 or CeB6 crystal in FIG. 2 is 2.7 eV.

図3a、図3bは、本発明のランタン原子202と炭素原子301と、硼素原子201の結晶構造を示す図である。図3aは硼素原子201の正八面体が8個、立方体に並んだ結晶の一辺が415.52pmであるが、立方体の側面に平行な断面で中心断面上にランタン原子202と炭素原子301が斜めに並んだ構造を表している。このときにランタン原子202と炭素原子の合計距離は564pmである。LaB6結晶の立方体の側面に平行な断面の対角線距離は587pmであるのでLaB6結晶の中央の断面に対角線方向にランタン原子202と炭素原子301が並んで入ることができる。この場合に炭素原子301入りLaB6結晶の仕事関数が1.7eV以下になることができる。   3a and 3b are diagrams showing crystal structures of the lanthanum atom 202, the carbon atom 301, and the boron atom 201 of the present invention. FIG. 3a shows eight regular octahedrons of boron atoms 201 and one side of a crystal arranged in a cube is 415.52 pm, but a lanthanum atom 202 and a carbon atom 301 are slanted on the central cross section in a cross section parallel to the side of the cube. It represents a side-by-side structure. At this time, the total distance between the lanthanum atom 202 and the carbon atom is 564 pm. Since the diagonal distance of the cross section parallel to the side face of the LaB6 crystal cube is 587 pm, the lanthanum atom 202 and the carbon atom 301 can enter the cross section at the center of the LaB6 crystal in a diagonal direction. In this case, the work function of the LaB6 crystal containing carbon atoms 301 can be 1.7 eV or less.

図3bは、図3aとは異なる配置でランタン原子202と炭素原子301が挿入された構造を示している。ランタン原子202と炭素原子301の合計の長さは、564pmである。一方LaB6結晶細胞の立方体の三次元的対角線距離は719.7pmである。このようなかたちで炭素原子がLaB6結晶格子細胞に入る事も出来ると考えられる。さらに、このような原子配列である場合には、さらに別の炭素原子301が1個ないし、2個加えることが出来る。このためランタン原子202 1個と炭素原子301が1個から最大3個まで一つのLaB6結晶格子細胞の中に入ることが出来ると考えられる。このような時に炭素原子301を注入拡散したLaB6結晶の仕事関数が1.0eV以下になることができると考えられる。なお、炭素原子ではなく、炭化水素分子がLaB6またはCeB6結晶中に注入拡散したものであっても、同様の効果が得られる場合がある。   FIG. 3b shows a structure in which lanthanum atoms 202 and carbon atoms 301 are inserted in a different arrangement from FIG. 3a. The total length of the lanthanum atom 202 and the carbon atom 301 is 564 pm. On the other hand, the three-dimensional diagonal distance of a cube of LaB6 crystal cells is 719.7 pm. It is considered that carbon atoms can enter LaB6 crystal lattice cells in this way. Further, in the case of such an atomic arrangement, one or two additional carbon atoms 301 can be added. Therefore, it is considered that one lanthanum atom 202 and one carbon atom 301 can enter one LaB6 crystal lattice cell from one to a maximum of three. In such a case, it is considered that the work function of the LaB6 crystal in which carbon atoms 301 are implanted and diffused can be 1.0 eV or less. Note that the same effect may be obtained even when hydrocarbon molecules are implanted and diffused into LaB6 or CeB6 crystals instead of carbon atoms.

図4は本発明に用いる炭素原子を含有する液体または個体である有機高分子について示す図である。炭素原子を含有する液体または個体である有機高分子について詳細を述べる。LaB6またはCeB6結晶の表面に炭素原子を含有する液体または個体である有機高分子を塗布して温度を1200℃から1600℃の間の所定温度を選択して、この温度に6時間から24時間保つことで結晶格子細胞内部に炭素原子301を拡散していくが、このような高温において結晶表面から蒸発しないためには炭素を含む溶液とは、かなり大きな炭化水素の長い鎖状分子を有する有機高分子である必要がある。すなわち、有機高分子は、鎖状の炭化水素列を有し、アルコールまたはグリコールまたはグリセリンと結合して成るものが好ましい。例えばCHが6個以上、100個程度、長い鎖状に並んだアルカン分子、すなわちパラフィン分子がよい。また、このようなCHが6個以上100個程度、長い鎖状に並んだアルカン分子、すなわちパラフィン分子をRと記述したとき、複数のアルカン分子またはパラフィン分子を2個ないし3個共有するために、グリコールあるいはグリセリンとのエステル化を行って脂肪酸グリセリドの形にすることで高分子化してもよい。有機高分子の例としては、脂肪酸グリセリド、1モノグリセリド、1,2−ジグリセリド、トリグリセリド、グリセリンがあり、どれも炭素原子が有機高分子中に含まれている。LaB6またはCeB6結晶の表面に炭素原子を注入拡散するためには、有機高分子が必要とされるが、炭素源としては長い鎖状のアルカン分子またはパラフィン分子のみならず、図示はしていないが、炭素原子が6角形に並んだ、ベンゼン環を含んでもよい。これらは炭素原子の注入拡散源としては同様に寄与する。 FIG. 4 is a diagram showing an organic polymer that is a liquid or solid containing carbon atoms used in the present invention. Details of organic polymers that are liquids or solids containing carbon atoms will be described. A liquid containing carbon atoms or a solid organic polymer is applied to the surface of LaB6 or CeB6 crystal, and the temperature is selected between 1200 ° C. and 1600 ° C. and kept at this temperature for 6 to 24 hours. In order to prevent carbon atoms 301 from diffusing from the crystal surface at such a high temperature, the carbon-containing solution is different from a solution containing carbon in that the organic high molecule having a long chain molecule of a considerably large hydrocarbon. Must be a molecule. That is, the organic polymer preferably has a chain of hydrocarbon chains and is bonded with alcohol, glycol or glycerin. For example, an alkane molecule in which CH 2 is 6 or more, about 100, and arranged in a long chain, that is, a paraffin molecule is preferable. In addition, when an alkane molecule in which 6 or more of CH 2 are arranged in a long chain, that is, a paraffin molecule is described as R, it shares two or three plural alkane molecules or paraffin molecules. Alternatively, it may be polymerized by esterification with glycol or glycerin to form a fatty acid glyceride. Examples of organic polymers include fatty acid glycerides, 1 monoglycerides, 1,2-diglycerides, triglycerides, and glycerin, all of which contain carbon atoms in the organic polymer. In order to inject and diffuse carbon atoms on the surface of the LaB6 or CeB6 crystal, an organic polymer is required, but as a carbon source, not only a long chain alkane molecule or paraffin molecule but also not shown A benzene ring in which carbon atoms are arranged in a hexagon may be included. These contribute in the same way as an implantation diffusion source of carbon atoms.

図5は、本発明の電子銃陰極材料であるLaB6またはCeB6結晶表面に、鎖状の炭化水素列からなる有機高分子が付着した表面状態について説明する図である。   FIG. 5 is a diagram for explaining a surface state in which an organic polymer composed of a chain hydrocarbon chain is attached to the surface of a LaB6 or CeB6 crystal that is an electron gun cathode material of the present invention.

有機高分子は、主に水素原子501と炭素原子301からなり、LaB6表面に付着している状態から温度を1200℃から1600℃の間の所定温度を選択して、この温度に保つことで炭素原子301を水素原子501と切り離しかつ炭素原子同士を切り離し、LaB6単結晶103の内部に炭素原子301を注入拡散する。   The organic polymer is mainly composed of hydrogen atoms 501 and carbon atoms 301, and the carbon is selected by maintaining a predetermined temperature between 1200 ° C. and 1600 ° C. from the state of adhering to the LaB6 surface. The atoms 301 are separated from the hydrogen atoms 501 and the carbon atoms are separated from each other, and the carbon atoms 301 are injected and diffused into the LaB6 single crystal 103.

この注入拡散している間、残りの有機高分子がLaB6またはCeB6結晶表面から簡単には蒸発しないよう十分な強度でLaB6またはCeB6結晶表面に付着している必要がある。   During the implantation and diffusion, it is necessary that the remaining organic polymer adheres to the LaB6 or CeB6 crystal surface with sufficient strength so that it does not easily evaporate from the LaB6 or CeB6 crystal surface.

本発明者らは、アルカン分子すなわちパラフィン分子を用いてLaB6またはCeB6結晶格子細胞内部に炭素原子301を拡散し、仕事関数を1.7eV以下とした。またさらにアルカン分子すなわちパラフィン分子とグリコール分子またはグリセリン分子とエステル化することによって脂肪酸グリセリドを形成し、これをLaB6またはCeB6結晶表面に塗布した。そして、温度を1200℃から1600℃の間の所定温度を選択して、この温度に保つことでLaB6またはCeB6結晶格子細胞内部に炭素原子301を注入拡散し、仕事関数を1.7eV以下とした。   The present inventors diffused carbon atoms 301 into LaB6 or CeB6 crystal lattice cells using alkane molecules, that is, paraffin molecules, and set the work function to 1.7 eV or less. Furthermore, fatty acid glycerides were formed by esterification with alkane molecules, that is, paraffin molecules and glycol molecules or glycerin molecules, and this was applied to the surface of LaB6 or CeB6 crystals. Then, by selecting a predetermined temperature between 1200 ° C. and 1600 ° C. and maintaining this temperature, carbon atoms 301 are injected and diffused into the LaB6 or CeB6 crystal lattice cell, and the work function is set to 1.7 eV or less. .

図6は、炭素原子301を、非晶質なLaB6またはCeB6に、イオン打ち込みによって、ランタン原子202と硼素原子201と炭素原子301を所定の隣接距離で結合した陰極材料を形成したものである。炭素原子301は電気陰性度が2.5と大きく、ランタン原子の電気陰性度は1.1であるためにランタン原子の電子を引き付けてランタン原子を相対的にプラス電荷にする。そのため炭素原子301および硼素原子201から出た電子がランタン原子202のプラス電荷に引きつけられるかたちで低い仕事関数1.7eVで真空中に射出される。   FIG. 6 shows a cathode material in which carbon atoms 301 are bonded to amorphous LaB6 or CeB6 by ion implantation to bond lanthanum atoms 202, boron atoms 201, and carbon atoms 301 at a predetermined adjacent distance. Since the carbon atom 301 has a large electronegativity of 2.5 and the electronegativity of the lanthanum atom is 1.1, the lanthanum atom is relatively positively charged by attracting electrons of the lanthanum atom. Therefore, electrons emitted from the carbon atoms 301 and the boron atoms 201 are injected into the vacuum with a low work function of 1.7 eV in the form of being attracted to the positive charges of the lanthanum atoms 202.

同じく図6は炭素原子301を、非晶質なLaB6またはCeB6に、スパッタにより打ち込んで、ランタン原子202と硼素原子201と炭素原子301を所定の隣接距離で結合した陰極材料を形成したものも示している。炭素原子301は電気陰性度が2.5と大きく、ランタン原子の電気陰性度は1.1であるためにランタン原子の電子を引き付けてランタン原子を相対的にプラス電荷にする。そのため炭素原子301および硼素原子201から出た電子がランタン原子202のプラス電荷に引きつけられるかたちで低い仕事関数1.7eVで真空中に射出される。   Similarly, FIG. 6 shows a cathode material in which carbon atoms 301 are implanted into amorphous LaB6 or CeB6 by sputtering to form a cathode material in which lanthanum atoms 202, boron atoms 201, and carbon atoms 301 are bonded at a predetermined adjacent distance. ing. Since the carbon atom 301 has a large electronegativity of 2.5 and the electronegativity of the lanthanum atom is 1.1, the lanthanum atom is relatively positively charged by attracting electrons of the lanthanum atom. Therefore, electrons emitted from the carbon atoms 301 and the boron atoms 201 are injected into the vacuum with a low work function of 1.7 eV in the form of being attracted to the positive charges of the lanthanum atoms 202.

同じく図6は炭素原子301を、非晶質なLaB6またはCeB6に、蒸着により付着せしめて温度を上げて注入拡散し、ランタン原子202と硼素原子201と炭素原子301を所定の隣接距離で結合した陰極材料を形成したものも示している。炭素原子301は電気陰性度が2.5と大きく、ランタン原子の電気陰性度は1.1であるためにランタン原子の電子を引き付けてランタン原子を相対的にプラス電荷にする。そのため炭素原子301および硼素原子201から出た電子がランタン原子202のプラス電荷に引きつけられるかたちで低い仕事関数1.7eVで真空中に射出される。   Similarly, FIG. 6 shows that carbon atoms 301 are attached to amorphous LaB6 or CeB6 by vapor deposition, and the temperature is raised to inject and diffuse, thereby bonding lanthanum atoms 202, boron atoms 201, and carbon atoms 301 at a predetermined adjacent distance. Also shown is a cathode material formed. Since the carbon atom 301 has a large electronegativity of 2.5 and the electronegativity of the lanthanum atom is 1.1, the lanthanum atom is relatively positively charged by attracting electrons of the lanthanum atom. Therefore, electrons emitted from the carbon atoms 301 and the boron atoms 201 are injected into the vacuum with a low work function of 1.7 eV in the form of being attracted to the positive charges of the lanthanum atoms 202.

同じく図6は炭素原子301を、非晶質なLaB6またはCeB6に、メタンあるいはエタンあるいはプロパンのガスを用いて炭素原子を注入拡散し、ランタン原子202と硼素原子201と炭素原子301を所定の隣接距離で結合した陰極材料を形成したものも示している。炭素原子301は電気陰性度が2.5と大きく、ランタン原子の電気陰性度は1.1であるためにランタン原子の電子を引き付けてランタン原子を相対的にプラス電荷にする。そのため炭素原子301および硼素原子201から出た電子がランタン原子202のプラス電荷に引きつけられるかたちで低い仕事関数1.7eVで真空中に射出される。   Similarly, FIG. 6 shows that carbon atoms 301 are implanted and diffused into amorphous LaB6 or CeB6 using methane, ethane, or propane gas, and lanthanum atoms 202, boron atoms 201, and carbon atoms 301 are adjacent to each other. Also shown is the formation of cathode materials joined by distance. Since the carbon atom 301 has a large electronegativity of 2.5 and the electronegativity of the lanthanum atom is 1.1, the lanthanum atom is relatively positively charged by attracting electrons of the lanthanum atom. Therefore, electrons emitted from the carbon atoms 301 and the boron atoms 201 are injected into the vacuum with a low work function of 1.7 eV in the form of being attracted to the positive charges of the lanthanum atoms 202.

図7は、LaB6またはCeB6結晶構造中に入り込んだ炭素原子による仕事関数の低減を示す図である。硼素原子201が6個集まり正八面体を構成している。この正八面体が8個集まって立方体を構成している。この立方体の中心部にランタン原子202と炭素原子301が対をなして挿入されている。炭素原子301の電気陰性度が2.5で高く、ランタン原子202の電気陰性度が1.1で大変低いのでランタン原子202がプラス電荷に帯電するので電子701は真空に向かって容易に射出される。さらに詳述すれば、炭素原子301を出発点とする電子はランタン原子202に引き付けられ真空内に放出される電子701となりやすい。このときの仕事関数は、1.7eVと低い。また、図7で電子702、703は真空方向に射出されることはなく、仕事関数に影響を与えない。   FIG. 7 is a diagram showing a reduction in work function due to carbon atoms entering the LaB6 or CeB6 crystal structure. Six boron atoms 201 gather to form a regular octahedron. Eight regular octahedrons gather to form a cube. A lanthanum atom 202 and a carbon atom 301 are inserted in pairs at the center of the cube. Since the electronegativity of the carbon atom 301 is high at 2.5 and the electronegativity of the lanthanum atom 202 is 1.1 and very low, the lanthanum atom 202 is charged with a positive charge, so that the electrons 701 are easily emitted toward the vacuum. The More specifically, an electron starting from the carbon atom 301 tends to be an electron 701 that is attracted to the lanthanum atom 202 and emitted into the vacuum. The work function at this time is as low as 1.7 eV. In FIG. 7, the electrons 702 and 703 are not emitted in the vacuum direction and do not affect the work function.

図8は、従来のLaB6またはCeB6電子銃の酸化消耗によって電子銃材料の形状が変化する様子を示す図である。LaB6またはCeB6単結晶使用前形状801は長時間の加熱により、表面が酸化し昇華することで使用後形状802のように消耗する。LaB6またはCeB6の使用温度は1600℃付近である。真空度が低く酸素濃度が大きいと酸化速度が速く昇華が大きい。1600℃、10−6pascal、700時間の条件で略10μmの昇華量である。半年(6ヶ月:4200時間)で60μmもの昇華量となる。   FIG. 8 is a diagram showing how the shape of the electron gun material changes due to the oxidation consumption of the conventional LaB6 or CeB6 electron gun. The pre-use shape 801 of the LaB6 or CeB6 single crystal is consumed like the post-use shape 802 because the surface is oxidized and sublimated by heating for a long time. The operating temperature of LaB6 or CeB6 is around 1600 ° C. When the degree of vacuum is low and the oxygen concentration is high, the oxidation rate is high and sublimation is large. The sublimation amount is approximately 10 μm under the conditions of 1600 ° C., 10 −6 pascal, 700 hours. The sublimation amount is as high as 60 μm in half a year (6 months: 4200 hours).

したがって、LaB6またはCeB6の寿命は1ヶ月と言われている。この場合、単結晶の先端部が30μmφの円錐台形の円形の平面の初期状態とするとき、電子密度分布関数806の中心頭頂部の均一照射面積は十分広くとれている。しかしながら、700時間経過後、先端円形平面部は最小で10μmφとなり、その時の電子密度分布関数807は中心頭頂部の均一照射面積は、著しく小さくなってしまう。この状態では可変矩形ビームを形成するための2つの矩形アパーチャ803、805の重なり部分804を均一に照射することができず描画装置としての機能を損なうようになる。したがって上記LaB6またはCeB6電子銃での照射均一性の寿命は700時間以内で、これは寿命が1ヶ月ということである。   Therefore, the lifetime of LaB6 or CeB6 is said to be 1 month. In this case, when the tip of the single crystal is in the initial state of a circular truncated cone shape with a diameter of 30 μmφ, the uniform irradiation area of the central top of the electron density distribution function 806 is sufficiently wide. However, after 700 hours, the tip circular flat portion has a minimum diameter of 10 μmφ, and the electron density distribution function 807 at that time has a uniform irradiation area at the central top portion that is extremely small. In this state, the overlapping portion 804 of the two rectangular apertures 803 and 805 for forming the variable rectangular beam cannot be uniformly irradiated, and the function as the drawing apparatus is impaired. Therefore, the lifetime of irradiation uniformity in the LaB6 or CeB6 electron gun is within 700 hours, which means that the lifetime is one month.

本発明の電子銃は、仕事関数が小さいため、低温動作が可能であり、真空度1×10−7pascal以上の真空度で、運転動作を1200℃で行った場合、酸素原子は十分少なくランタン、硼素、炭素の酸化消耗は十分少なくなる。しかしながらランタン、硼素、炭素の自分自身の蒸発があるので、蒸発量をゼロにすることはできない。しかしながら100℃の温度低減で蒸発量が7分の1になるので、1600℃から1200℃の400℃の温度変化で7=略2400倍の長寿命化が達成できる。理論的には略200年耐えられると考えられる。 Since the electron gun of the present invention has a low work function, it can be operated at a low temperature. When the operation is performed at a vacuum degree of 1 × 10 −7 pascal or higher at 1200 ° C., oxygen atoms are sufficiently small and lanthanum, The oxidation consumption of boron and carbon is sufficiently reduced. However, since there is evaporation of lanthanum, boron, and carbon itself, the amount of evaporation cannot be made zero. However, since the amount of evaporation is reduced to one-seventh when the temperature is reduced by 100 ° C., a life extension of 7 4 = approximately 2400 times can be achieved by a temperature change of 400 ° C. from 1600 ° C. to 1200 ° C. Theoretically, it can be expected to withstand almost 200 years.

図9は、本発明の第2の実施例について示す。レニウム基体902の先端円錐台形状の平坦部は、直径30μmである。ここにLaB6またはCeB6結晶を結晶粒1μmに粉砕した粉体を、炭素原子を含有する有機高分子溶剤に溶解し、LaB6またはCeB6の結晶に炭素原子を注入拡散した低仕事関数陰極材料901を付着せしめてある。基体902は、LaB6およびCeB6と高温で反応しないために、レニウムである必要がある。   FIG. 9 shows a second embodiment of the present invention. The flat part of the truncated cone shape of the rhenium substrate 902 has a diameter of 30 μm. Here, a powder obtained by pulverizing LaB6 or CeB6 crystals into crystal grains of 1 μm is dissolved in an organic polymer solvent containing carbon atoms, and a low work function cathode material 901 in which carbon atoms are injected and diffused into LaB6 or CeB6 crystals is attached. I'm clumsy. The substrate 902 needs to be rhenium in order not to react with LaB6 and CeB6 at high temperatures.

LaB6またはCeB6結晶は蒸着膜であってもよい。LaB6またはCeB6結晶の蒸着膜上に炭素原子を含有する有機高分子溶剤を付着せしめてLaB6またはCeB6の結晶に炭素原子を注入拡散した低仕事関数陰極材料901であってもよい。   The LaB6 or CeB6 crystal may be a deposited film. It may be a low work function cathode material 901 in which an organic polymer solvent containing a carbon atom is attached to a deposited film of LaB6 or CeB6 crystal and carbon atoms are injected and diffused into the LaB6 or CeB6 crystal.

前節で理論的には略200年耐えられると書いたが、使用条件によっては消耗が激しい場合が無いとは言えないので、最低でも10年持たせるために下記の工夫を施す。   In the previous section, it was written that it can withstand almost 200 years theoretically, but it cannot be said that there is no case where the consumption is severe depending on the use conditions.

低仕事関数の陰極材料901が消耗した場合、電子銃陰極の消耗を補充し、性能を維持する必要があるため、LaB6またはCeB6結晶と炭素原子を含有する有機高分子を混合した低仕事関数の陰極材料の供給源903をレニウム基体902に設置する。低仕事関数の陰極材料901が消耗した場合、温度を上げ、低仕事関数陰極材料の供給源903を蒸発せしめて901の上に付着させ、電子銃陰極の消耗を補充し、性能を維持する。   When the cathode material 901 with a low work function is consumed, it is necessary to replenish the consumption of the electron gun cathode and maintain the performance. Therefore, a low work function with a mixture of LaB6 or CeB6 crystals and an organic polymer containing carbon atoms is required. A cathode material supply source 903 is provided on the rhenium substrate 902. When the low work function cathode material 901 is depleted, the temperature is raised and the low work function cathode material source 903 is evaporated and deposited on 901 to replenish the depletion of the electron gun cathode and maintain performance.

図10は、本発明の第3の実施例について示す。レニウム基体1002の先端円柱形状の平坦部は、直径30μmである。ここにLaB6またはCeB6を結晶粒1μmに粉砕した粉体と炭素原子を含有する有機高分子溶剤に溶解し、塗布し、LaB6またはCeB6の結晶に注入拡散し、低仕事関数の陰極材料1001を付着せしめてある。基体1002はLaB6およびCeB6と高温で反応しないためにレニウムである必要がある。低仕事関数の陰極材料1001が消耗した場合、電子銃陰極の消耗を補充し、性能を維持する必要があるため、LaB6またはCeB6結晶と炭素原子を含有する有機高分子を混合した低仕事関数の陰極材料の供給源1003をレニウム基体1002に設置する。低仕事関数の陰極材料1001が消耗した場合、温度を上げ、低仕事関数陰極材料の供給源1003を蒸発せしめて1001の上に付着させ、電子銃陰極の消耗を補充し、性能を維持する。   FIG. 10 shows a third embodiment of the present invention. The flat cylindrical portion at the tip of the rhenium substrate 1002 has a diameter of 30 μm. Here, LaB6 or CeB6 is pulverized to a grain size of 1 μm and dissolved in an organic polymer solvent containing carbon atoms, applied, injected and diffused into LaB6 or CeB6 crystals, and a low work function cathode material 1001 is deposited. I'm clumsy. The substrate 1002 needs to be rhenium in order not to react with LaB6 and CeB6 at a high temperature. When the cathode material 1001 with a low work function is consumed, it is necessary to replenish the consumption of the electron gun cathode and maintain the performance. Therefore, a low work function with a mixture of LaB6 or CeB6 crystals and an organic polymer containing carbon atoms is required. A cathode material supply source 1003 is set on the rhenium substrate 1002. When the low work function cathode material 1001 is depleted, the temperature is raised and the low work function cathode material source 1003 is evaporated and deposited on top of 1001 to replenish the depletion of the electron gun cathode and maintain performance.

図11は、本発明の第4の実施例について示す。電子銃陰極基体1101は、外形110μmであるLaB6またはCeB6結晶の円柱であり、内部に直径30μmの電子放出部と、放電加工で切った溝幅20μmのレザバー部、幅20μmの外壁を有している。レザバーとなる溝を掘った電子銃陰極基体1101は、LaB6またはCeB6結晶であるため、高真空度下では酸化消耗による蒸発が小さいので寿命は長い。しかし、炭素を供給する有機高分子はLaB6またはCeB6結晶からなる電子銃陰極基体1101と比較すると蒸発しやすいので、寿命を確保するために、レザバー部に有機高分子1102を充填していく必要がある。また、有機高分子は硼素または炭素の微細粉体と混合して充填した方が長期にわたって不用意な蒸発を防ぐことができる。   FIG. 11 shows a fourth embodiment of the present invention. The electron gun cathode base 1101 is a cylinder of LaB6 or CeB6 crystal having an outer diameter of 110 μm, and has an electron emission portion with a diameter of 30 μm, a reservoir portion with a groove width of 20 μm cut by electric discharge machining, and an outer wall with a width of 20 μm. Yes. Since the electron gun cathode substrate 1101 in which a groove serving as a reservoir is formed is a LaB6 or CeB6 crystal, it has a long life because evaporation due to oxidation consumption is small under high vacuum. However, since the organic polymer that supplies carbon is more easily evaporated than the electron gun cathode base 1101 made of LaB6 or CeB6 crystals, it is necessary to fill the reservoir with the organic polymer 1102 in order to ensure the lifetime. is there. In addition, if the organic polymer is mixed and filled with a fine powder of boron or carbon, inadvertent evaporation can be prevented over a long period of time.

図12は、本発明の第5の実施例について示す。電子銃陰極基体1201は、先端が直径30μmのLaB6またはCeB6結晶の円錐台形であり、底部に熱電子放射による放出電子110の軸と垂直な方向にレザバーとなる穴と、そこから先端へと続く溝を有し、この内部に有機高分子1102を充填してある。有機高分子1202は温度を高くすることにより蒸気となり、微細開口を通じて電子銃先端へ供給される。供給された有機高分子1202により、LaB6またはCeB6結晶の電子銃陰極基体1201先端に炭素原子の注入拡散が行われる。また、レザバーは必ずしも電子銃陰極基体にある必要はなく、高耐熱バネ状金属中に設置し、PGグラファイトヒータに通過穴を貫通し、LaB6またはCeB6結晶の側面から電子銃先端部への貫通孔による配管を形成し有機高分子を供給する経路を設けても良い。また、レザバーはPGグラファイトヒータ中に設置し、LaB6またはCeB6結晶側面から電子銃先端部への貫通孔による配管を形成し有機高分子を供給する経路を設けても良い。   FIG. 12 shows a fifth embodiment of the present invention. The electron gun cathode base 1201 has a truncated cone shape of LaB6 or CeB6 crystal having a tip of 30 μm in diameter, and has a hole that serves as a reservoir in a direction perpendicular to the axis of the emitted electrons 110 by thermoelectron emission, and continues from there to the tip. There is a groove, and the inside is filled with an organic polymer 1102. The organic polymer 1202 becomes vapor when the temperature is raised, and is supplied to the tip of the electron gun through a fine opening. With the supplied organic polymer 1202, carbon atoms are injected and diffused at the tip of the electron gun cathode base 1201 of LaB6 or CeB6 crystal. The reservoir does not necessarily have to be on the electron gun cathode base, but is placed in a highly heat-resistant spring-like metal, penetrates the passage hole in the PG graphite heater, and penetrates from the side surface of the LaB6 or CeB6 crystal to the electron gun tip. You may provide the path | route which forms piping by and supplies an organic polymer. In addition, the reservoir may be installed in a PG graphite heater, and a path for supplying organic polymer may be provided by forming a pipe with a through hole from the LaB6 or CeB6 crystal side surface to the tip of the electron gun.

図13は、二炭化ランタンの結晶構造を示す図である。本結晶の構造では、仕事関数は必ずしもLaB6の仕事関数である2.7eV以下となるわけではない。しかし、必要に応じて硼素原子を注入拡散し、仕事関数を低減することは可能であると考えられる。
ただし、本発明のようにLaB6またはCeB6結晶に炭素原子含有物を付着させ、注入拡散する方法より難易度が簡単であるとはいえない。
FIG. 13 is a diagram showing the crystal structure of lanthanum dicarbide. In the structure of this crystal, the work function is not necessarily 2.7 eV or less, which is the work function of LaB6. However, it is considered possible to reduce the work function by implanting and diffusing boron atoms as necessary.
However, it cannot be said that the degree of difficulty is simpler than the method of attaching and diffusing a carbon atom-containing material to LaB6 or CeB6 crystals as in the present invention.

以上説明したように、本発明の電子銃によれば、電子銃陰極材料として、LaB6またはCeB6結晶に炭素原子を注入拡散したものを電子銃陰極材料として用い、熱電子を放出することを特徴とする電子銃であるため、従来のLaB6またはCeB6の仕事関数の2.7eVを低減し、1.7eV以下にすることにより、電子銃としての動作温度を1600℃から1200℃まで下げる事ができた。また、同時に従来のLaB6またはCeB6の50kVでの輝度1×106A/cm2steradianを10倍以上にすることができた。低温動作化のために、電子銃陰極材料の酸化消耗および材料自身の蒸発が十分低減でき、寿命が一年以上の長寿命の電子銃を構成できる。LaB6の自己蒸発速度は、100℃で7分の1になるために400℃の温度低下による自己蒸発速度は2400分の1になる。なお、硼素の酸化消耗速度は真空度10−7pascalでは、ほぼ0となる。 As described above, according to the electron gun of the present invention, the electron gun cathode material is a material obtained by injecting and diffusing carbon atoms into a LaB6 or CeB6 crystal as an electron gun cathode material, and emits thermoelectrons. Therefore, by reducing the work function of 2.7 eV of LaB6 or CeB6 to 1.7 eV or less, the operating temperature of the electron gun could be lowered from 1600 ° C. to 1200 ° C. . At the same time, the luminance of 1 × 10 6 A / cm 2 steadian at 50 kV of conventional LaB6 or CeB6 could be increased 10 times or more. Due to the low-temperature operation, the oxidative consumption of the electron gun cathode material and the evaporation of the material itself can be sufficiently reduced, and a long-life electron gun having a lifetime of one year or more can be configured. Since the self-evaporation rate of LaB6 is 1/7 at 100 ° C., the self-evaporation rate due to a temperature drop of 400 ° C. is 1/400. The oxidation consumption rate of boron becomes almost 0 at a vacuum degree of 10 −7 pascal.

この電子銃は、安定に電子放出を行うために、マルチ電子ビーム描画装置に適した電子銃が実現できる。   Since this electron gun stably emits electrons, an electron gun suitable for a multi-electron beam drawing apparatus can be realized.

そのために高輝度長寿命電子銃は電子ビーム描画装置の実現に向けた強力な手段となる。微細パターンを持つ人工知能およびニューロン模倣に基づいた脳型コンピューター産業と自動運転車、各種ロボット、危険箇所作業用ロボット、介護用ロボット、対話型共存ロボット、大規模建築物と大規模工事を迅速に作業するロボット、人間の意識をアップロードしてその時点における人間の記憶意識、思考過程を写し取り、それ以降はその人間の思考方法と記憶を引き継いで生きる意識的に無限の生命を有する不老不死の人工脳など、将来の人工知能などの半導体産業を巨大産業とするために、電子銃を元にした電子ビーム描画装置が多大な貢献をなす。   Therefore, the high-intensity long-life electron gun is a powerful means for realizing an electron beam drawing apparatus. Brain computer industry based on artificial intelligence and neuron imitation with micropatterns and autonomous driving cars, various robots, robots for working at dangerous places, robots for nursing care, interactive coexistence robots, large-scale buildings and large-scale construction quickly Robots that work, upload human consciousness, copy human memory consciousness, thinking process at that time, and then take over the human thinking method and memory and live consciously indefinitely have an infinite life In order to make the semiconductor industry such as artificial brain such as artificial brain into a huge industry, an electron beam drawing apparatus based on an electron gun makes a great contribution.

本電子銃はX線発生器用の電子銃として使用できる。その場合には通常LaB6よりも400℃低く、電流密度10倍が可能であるのでX線発生光源輝点の大きさが3分の1に縮小され、寿命は2400倍になる。このためにX線装置では格段に画像鮮明化と長寿命化が達成できる。したがって医療用のX線装置は格段に進歩し、医療用X線分野の発展に多大な貢献をする。   This electron gun can be used as an electron gun for an X-ray generator. In that case, the current density is usually 400 ° C. lower than LaB6 and a current density of 10 times is possible, so the size of the bright spot of the X-ray generation light source is reduced to one third, and the lifetime becomes 2400 times. For this reason, in the X-ray apparatus, image sharpening and long life can be achieved. Accordingly, medical X-ray devices have made significant progress and contributed greatly to the development of the medical X-ray field.

また、電子顕微鏡用の電子銃としては1200℃で使用する場合には同様に長寿命、10倍以上の大電流密度化で一般的な電子顕微鏡としては市場を発展させる。特殊な用途であるが、仕事関数が1eVまで低減できる場合には、1600℃で使用し電流密度を37000倍にできる。電子顕微鏡の解像度は同一電流値の場合には電流密度の平方根で解像度が決まるので、192分の1にビームサイズを縮小することが出来る。現在の走査型電子顕微鏡の分解能は2nm程度であるので、10pmの解像度が達成できる。   Similarly, when used at 1200 ° C. as an electron gun for an electron microscope, the market is developed as a general electron microscope with a long life and a large current density of 10 times or more. Although it is a special application, when the work function can be reduced to 1 eV, it can be used at 1600 ° C. and the current density can be increased 37,000 times. Since the resolution of the electron microscope is determined by the square root of the current density when the current value is the same, the beam size can be reduced to 1/192. Since the resolution of the current scanning electron microscope is about 2 nm, a resolution of 10 pm can be achieved.

これは、たとえば酸素原子の大きさは120pmであるので十分酸素原子一個を認識できることを意味している。すなわち本電子銃を用いた走査型電子顕微鏡は表面の原子像とそれらの配列を一瞬にして画像として認識できることを意味している。もちろん、十分低加速で表面だけを観察する事と、厚さ方向に多層の原子層がある場合、所望の断面原子層の画像を得るための画像処理の計算は必要となる。各原子のオージェ電子や蛍光X線を計測することで各原子の種類も同定できる。したがって、全ての観察物の原子配列構造が画像処理で分離分析出来る事は革命的な事である。原子のレベルで実際に何が起こっているかを直接観察することが現代科学において医療、生物、生命現象、物理、化学などの分野でこのような電子銃を用いた電子顕微鏡が強力な威力を発揮することが明白である。そのため、技術開発分野と発明の分野での、人類の科学進歩発展に寄与・貢献することが多大である。   This means that, for example, the size of an oxygen atom is 120 pm, so that one oxygen atom can be recognized sufficiently. That is, it means that the scanning electron microscope using this electron gun can recognize the atomic images on the surface and their arrangement in an instant as an image. Of course, when only the surface is observed with sufficiently low acceleration and there are multiple atomic layers in the thickness direction, calculation of image processing to obtain an image of a desired cross-sectional atomic layer is required. The type of each atom can be identified by measuring Auger electrons and fluorescent X-rays of each atom. Therefore, it is revolutionary that the atomic arrangement structure of all observation objects can be separated and analyzed by image processing. Direct observation of what is actually happening at the atomic level is powerful in the field of medicine, biology, life phenomena, physics, chemistry, etc. It is obvious to do. For this reason, it is a great contribution to contribute to the advancement of human scientific progress in the fields of technological development and invention.

本発明の利点は、仕事関数をLaB6またはCeB6と比較して63%以下に低減できることで、1600℃で動作していたものを1200℃まで低温動作化できることと、電子銃の輝度が、50kVで106A/cm2steradianであったものを、107A/cm2steradianに高輝度化できるという2点のメリットがある。デメリットとして、真空内での残留酸素による酸化容易性による酸化消耗が大きくなる事が考えられる。しかし、この点に関しては、硼素と炭素は酸化容易性にほとんど違いが無く、LaB6またはCeB6に比べて酸化消耗が激しいということはない事を実験的に確認している。ただし、LaB6またはCeB6と同等の酸化消耗はあるので、真空度を1×10−7pascal以上にする必要がある。しかし、単体のLaB6またはCeB6よりも劣化速度が早くなるわけではないので、本発明はメリットがあり、デメリットの無い発明であると言える。   The advantage of the present invention is that the work function can be reduced to 63% or less compared to LaB6 or CeB6, so that what was operating at 1600 ° C. can be lowered to 1200 ° C., and the brightness of the electron gun is 50 kV. There are two merits in that what is 106 A / cm 2 steradian can be increased to 107 A / cm 2 steradian. As a demerit, it can be considered that oxidative consumption due to oxidization due to residual oxygen in a vacuum increases. However, with respect to this point, it has been experimentally confirmed that boron and carbon have almost no difference in oxidizability, and oxidation exhaustion is not severe compared to LaB6 or CeB6. However, since there is oxidation consumption equivalent to LaB6 or CeB6, the degree of vacuum needs to be 1 × 10 −7 pascal or more. However, since the deterioration rate is not faster than that of a single LaB6 or CeB6, it can be said that the present invention has advantages and no disadvantages.

本発明者らは実験の過程において、レニウム金属膜の上にLaB6またはCeB6と炭素原子を注入拡散して膜を形成し、電子銃陰極材料としたが、基本的にはランタン原子と炭素原子が低仕事関数化に効いていると思われるので、ランタン原子と炭素原子が直接結合する電子銃陰極材料であれば良い事は当業者にとっては極容易に理解されるものと考えられる。   In the course of the experiment, the inventors of the present invention formed a film by injecting and diffusing LaB6 or CeB6 and carbon atoms on a rhenium metal film to form an electron gun cathode material. Since it seems to be effective for lowering the work function, it will be understood by those skilled in the art that an electron gun cathode material in which a lanthanum atom and a carbon atom are directly bonded may be easily understood.

また低電気陰性度のランタンまたはセリウムを、他の低電気陰性度の原子である、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、イットリウム、ハフニウムに置き換えることも容易に考えうることである。LaB6またはCeB6の硼素原子と炭素原子の組み合わせで説明したが、電気陰性度の高い原子の側の硼素原子の数を変えても同様の効果が得られることも容易に考えられる。また電気陰性度の高い原子の側として、硼素原子と炭素原子の他に、更に窒素原子あるいは酸素原子を混合または化合しても同様の効果が得られるであろうことも、容易に考え得る。   It is also easy to replace low-electronegativity lanthanum or cerium with other low-electronegativity atoms such as calcium, strontium, barium, yttrium, and hafnium. Although a combination of LaB6 or CeB6 boron atoms and carbon atoms has been described, it is easily conceivable that the same effect can be obtained even if the number of boron atoms on the side of the atom having high electronegativity is changed. Further, it can easily be considered that the same effect can be obtained by mixing or combining a nitrogen atom or an oxygen atom in addition to a boron atom and a carbon atom on the side of an atom having high electronegativity.

電子銃基体として、高融点金属基体を使用し、特にLaB6と化学反応をしないレニウムを記載したが、低仕事関数化して動作温度が1200℃以下になれば、レニウムに限らず、タングステン、ニオブ、チタン、鉄、ニッケル、コバルト、ハフニウム、タンタル、モリブデン、イリジウム、白金などの金属が高融点金属基体として使用できると考えられる。   Although rhenium that uses a refractory metal substrate and does not chemically react with LaB6 has been described as the electron gun substrate, if the work temperature is reduced to 1200 ° C. or lower, not only rhenium but also tungsten, niobium, It is considered that metals such as titanium, iron, nickel, cobalt, hafnium, tantalum, molybdenum, iridium, and platinum can be used as the refractory metal substrate.

なお、電子銃の加熱に炭素からなるPG(パイロリティック・グラファイト)ヒータを用いたが、同等の加熱が行えれば、他のヒータを用いてもよい。また、レニウムタングステンのような合金からなるヒータでも良い。   Although a PG (pyrolytic graphite) heater made of carbon is used for heating the electron gun, other heaters may be used as long as equivalent heating can be performed. A heater made of an alloy such as rhenium tungsten may also be used.

本発明の説明では、電子銃を熱電子放射の電子銃について行ったが、電子銃先端部に、強い電界を印可して加熱型電界放射型電子銃(Schottky電子銃)として使用することは容易に実現できることである。   In the description of the present invention, the electron gun is used for a thermionic emission electron gun, but it is easy to apply a strong electric field to the tip of the electron gun and use it as a heating type field emission electron gun (Schottky electron gun). Can be realized.

本発明での電子銃の応用について、電子線描画装置、特にマルチコラムのものに言及したが、他にも電子線検査及び測長装置・電子線透過型顕微鏡・走査型電子顕微鏡(SEM)および、これらのマルチコラム化したものに適用できることは容易に考えられる。以上の事を付記しておく。   As for the application of the electron gun in the present invention, mention has been made of an electron beam drawing apparatus, particularly a multi-column one, but in addition, an electron beam inspection and length measuring apparatus, an electron beam transmission microscope, a scanning electron microscope (SEM) and It can be easily considered that it can be applied to these multi-columns. The above is added.

101 セラミック円板
102a、102b 高耐熱バネ状金属
103 LaB6またはCeB6単結晶
104a、104b PG(パイロリティック・グラファイト)ヒータ
105 ウェーネルト電極
106 有機高分子
107 ウェーネルトによる電位を示す等高線
108 アノード付近の等電位線
109 アノード
110 熱電子放射による放出電子
111 熱電子放射による放出電子の照射分布
201 硼素原子
202 ランタン原子
301 炭素原子
401 有機高分子の一例
501 水素原子
601 真空に向かって射出される電子
602、603、604 真空以外に向かって射出される電子
701 真空に向かって射出される電子
702、703 真空以外に向かって射出される電子
801 LaB6またはCeB6単結晶使用前形状
802 LaB6またはCeB6単結晶使用後形状
803 矩形アパーチャ
804 矩形アパーチャ重なり部分
805 矩形アパーチャ
806 電子密度分布関数
807 700時間経過後の電子密度分布関数
901 低仕事関数陰極材料
902 レニウム基体
903 低仕事関数陰極材料の供給源
1001 低仕事関数陰極材料
1002 レニウム基体
1003 低仕事関数陰極材料の供給源
1101 電子銃陰極基体
1102 有機高分子
1201 電子銃陰極基体
1202 有機高分子
1301 ランタン原子
1302 炭素原子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Ceramic disc 102a, 102b High heat-resistant spring-like metal 103 LaB6 or CeB6 single crystal 104a, 104b PG (pyrolytic graphite) heater 105 Wehnelt electrode 106 Organic polymer 107 Contour line 108 showing potential by Wehnelt Equipotential line near anode 109 Anode 110 Emission Electron due to Thermoelectron Emission 111 Irradiation Distribution of Emission Electron due to Thermoelectron Emission 201 Boron Atom 202 Lanthanum Atom 301 Carbon Atom 401 Organic Polymer Example 501 Hydrogen Atom 601 Electrons 602, 603 ejected toward vacuum 604 Electrons 701 emitted outside the vacuum 701 Electrons 702 and 703 emitted toward the vacuum 801 Electrons emitted outside the vacuum 801 LaB6 or CeB6 single crystal pre-use shape 802 LaB6 Is a shape after use of CeB6 single crystal 803 Rectangular aperture 804 Rectangular aperture overlapping portion 805 Rectangular aperture 806 Electron density distribution function 807 Electron density distribution function 901 after 700 hours Low work function cathode material 902 Rhenium substrate 903 Supply of low work function cathode material Source 1001 Low work function cathode material 1002 Rhenium substrate 1003 Low work function cathode material source 1101 Electron gun cathode substrate 1102 Organic polymer 1201 Electron gun cathode substrate 1202 Organic polymer 1301 Lanthanum atom 1302 Carbon atom

Claims (13)

ランタン原子またはセリウム原子と、炭素原子と、硼素原子が所定の隣接距離で結合した陰極材料を有したことを特徴とする電子銃。   An electron gun comprising a cathode material in which lanthanum or cerium atoms, carbon atoms, and boron atoms are bonded at a predetermined adjacent distance. 請求項1に記載する電子銃であって、陰極材料は、LaB6またはCeB6の結晶表面に炭素原子を含む溶液を塗布し、結晶中に炭素原子を拡散したことを特徴とする電子銃。   2. The electron gun according to claim 1, wherein the cathode material is a LaB6 or CeB6 crystal surface coated with a solution containing carbon atoms, and carbon atoms are diffused in the crystal. 請求項2に記載する電子銃であって、
陰極材料は、LaB6またはCeB6の結晶表面に有機高分子を塗布し、所定温度で炭素原子をLaB6またはCeB6結晶内部に注入拡散することによって形成されたものであることを特徴とする電子銃。
An electron gun according to claim 2,
The electron gun is characterized in that the cathode material is formed by applying an organic polymer on the crystal surface of LaB6 or CeB6 and injecting and diffusing carbon atoms into the LaB6 or CeB6 crystal at a predetermined temperature.
請求項3に記載する電子銃であって、
該有機高分子が鎖状の炭化水素列を有することを特徴とする電子銃。
The electron gun according to claim 3,
An electron gun characterized in that the organic polymer has a chain of hydrocarbon chains.
請求項4に記載する電子銃であって、
該有機高分子が鎖状の炭化水素列を有し、アルコールまたはグリコールまたはグリセリンと結合して成ることを特徴とする電子銃。
An electron gun according to claim 4, wherein
An electron gun characterized in that the organic polymer has a chain of hydrocarbon chains and is bonded with alcohol, glycol or glycerin.
請求項5に記載する電子銃であって、
該有機高分子が鎖状の炭化水素列とグリコールまたはグリセリンとエステル化した脂肪酸グリセリドであることを特徴とする電子銃。
The electron gun according to claim 5,
An electron gun, wherein the organic polymer is a fatty acid glyceride esterified with a chain of hydrocarbon chains and glycol or glycerin.
請求項3に記載する電子銃であって該有機高分子がベンゼン環を有することを特徴とする電子銃。   4. The electron gun according to claim 3, wherein the organic polymer has a benzene ring. 請求項1に記載する電子銃であって、陰極材料は、LaB6またはCeB6の結晶に炭素原子をイオン打ち込みしたことを特徴とする電子銃。   2. The electron gun according to claim 1, wherein the cathode material is obtained by ion-implanting carbon atoms into a crystal of LaB6 or CeB6. 請求項1に記載する電子銃であって、陰極材料は、LaB6またはCeB6の結晶に炭素原子をスパッタにより打ち込みし、拡散したことを特徴とする電子銃。   2. The electron gun according to claim 1, wherein the cathode material is a LaB6 or CeB6 crystal, in which carbon atoms are sputtered and diffused. 請求項1に記載する電子銃であって、陰極材料は、LaB6またはCeB6の結晶に炭素原子を蒸着により付着せしめ、拡散したことを特徴とする電子銃。   2. The electron gun according to claim 1, wherein the cathode material is formed by adhering carbon atoms to a LaB6 or CeB6 crystal by vapor deposition and diffusing. 請求項1に記載する電子銃であって、陰極材料は、LaB6またはCeB6の結晶に炭素原子をメタンあるいはエタンあるいはプロパンのガスを用いて炭素原子を注入拡散したことを特徴とする電子銃。   2. The electron gun according to claim 1, wherein the cathode material is obtained by injecting and diffusing carbon atoms into LaB6 or CeB6 crystals using methane, ethane, or propane gas. 請求項1に記載する電子銃であって、陰極材料は、レニウム基板上に付着せしめたLaB6またはCeB6の結晶に炭素原子を注入拡散したことを特徴とする電子銃。 2. The electron gun according to claim 1, wherein the cathode material is formed by injecting and diffusing carbon atoms into a LaB6 or CeB6 crystal attached on a rhenium substrate. 請求項1〜12のいずれか1つに記載の電子銃であって、
陰極材料の仕事関数は、1.7eV以下であることを特徴とする電子銃。
An electron gun according to any one of claims 1 to 12,
An electron gun having a work function of a cathode material of 1.7 eV or less.
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