JP3556331B2 - 電子源の作製法 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電子顕微鏡や電子線描画装置等の電子線応用装置に用いられる電子源の作製法に係り、特に、高輝度で長寿命、高安定で、かつ、製作歩留りの良い電子源の作製法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子線描画装置、走査型電子顕微鏡等の電子線応用装置の電子源として、六硼化ランタン熱電子源やＷ＜３１０＞電界放出電子源が用いられてきた。しかし、近年、これらに代わって、六硼化ランタン熱電子源より高輝度で、Ｗ＜３１０＞電界放出電子源より取り扱いが容易で、かつ、安定な電子放出が得られる拡散補給型と呼ばれる電子源が使用されてきている。これは、ジルコニウムやチタニウム等の金属および酸素等よりなる補給源を電子源自体に設け、その補給源から熱拡散により針状タングステンＷ＜１００＞単結晶先端に補給して吸着層を形成させ、単結晶先端の仕事関数を減少させたものである（特開昭５９−４９０６５、米国特許番号３８１４９７５）。これにより、高輝度で安定な電子放出が得られる。この電子源を使用する場合には、Ｗ＜１００＞単結晶先端を１０００〜２０００Ｋに加熱した状態で電場を印加する。すると、電子の鏡像ポテンシャルと電場によって生じるポテンシャル障壁よりも高いエネルギーを持つ熱励起された電子や、ポテンシャル障壁を透過する電子が放出される。ところで、上記単結晶先端の表面に吸着させる金属や酸素等の補給源を形成する方法としては、水素化合物粉末を酢酸イソアミルでスラリー状にして塗布し、その後、酸素雰囲気中で高温加熱し、焼結して固める方法（米国特許番号３８１４９７５、特開平６−７６７３１）や、酸化物粉末を塗布後に真空中で高温に加熱して焼結させる方法（特開昭５９−４９０６５）等がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような拡散補給型電子源においては、電子放出をする針状単結晶先端の表面に吸着させる金属や酸素等の補給源の製作には、補給源粉末の塗布と、真空中での高温加熱による焼結とが必要である。以上に挙げた補給源の製作方法においては、粉末を塗布する際の溶剤としては、一般に酢酸イソアミルが挙げられており、それ以外では、水、またはシンナー等の有機溶剤が使われていた。しかし、これらの溶剤では、通常は、乾燥すると塗布した補給源がもろくなり、高温加熱で焼結する前に剥げ落ちてしまうという問題があった。また、有機溶剤によっては、高温加熱後も完全に蒸発せず、単結晶先端に拡散することで電子の放出を阻害するという問題もあった。
【０００４】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、補給源粉末の塗布後に、有機溶剤が乾燥しても上記粉末が剥げ落ちることがなく、かつ、高温で加熱することで短時間に有機溶剤が蒸発し、電子放出を阻害することのない電子源の作製法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明においては、Ｗ、Ｍｏ、またはＲｅを含む金属よりなるフィラメントの先端部にＷ、Ｍｏ、またはＲｅを含む金属よりなる単結晶線を接合し、上記フィラメントと上記単結晶線との接合部、上記フィラメントの先端部または上記単結晶線の中間部もしくは付け根に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｔｈ、Ｓｃ、Ｂｅ、Ｌａのうちの少なくとも一種類の金属の酸化物をニトロセルロースを含有する有機溶剤によりスラリー状にして塗布し、真空中で上記フィラメントに加熱電流を流すことにより、温度を１０００Ｋ程度まで５分以上かけて上昇させ、その後徐々に加熱電流を増加させ、約１８００Ｋまで３０分以上かけて上昇させて加熱して、前記スラリーを焼結することにより、補給源を形成する。
【０００６】
【作用】
この電子源の製作法においては、針状単結晶の先端部に仕事関数の低い金属原子を拡散補給するための補給源を製作する場合に、その補給源を形成する金属粉末、またはその酸化物等の補給源粉末を、ニトロセルロースを含有させた有機溶剤によりスラリー状にして塗布するので、有機溶剤の乾燥後も、補給源となる金属粉末やその化合物粉末は、ニトロセルロースによって強力に保持される。そのため、塗布した粉末が、機械的な衝撃により剥げ落ちることがない。さらに、ニトロセルロースは火薬の一種であり、高温になると爆発的に気化する。したがって、補給源粉末を焼結させる際の高温加熱により、有機溶剤に含まれるニトロセルロースの炭素、水素、窒素等はその時に気化するため、粉末焼結後は、それらの不純物は完全に除去される。したがって、有機溶剤に含まれる炭素、水素、窒素等が電子源の単結晶先端部に拡散吸着し、電子放出を阻害するようなことがない。
【０００７】
【実施例】
本発明に係る拡散補給型電子源の作製法について、以下に実施例に基づいて説明する。ただし、本実施例では、電子源を構成する材料としてはタングステンを、補給源の材料としてはジルコニウムと酸素を使用している。図１に、本発明に係る電子源の作製法により作製される拡散補給型電子源の構成図を示す。
【０００８】
まず、直径０．１５ｍｍのタングステン多結晶線をヘアピン型に成型してフィラメント２とし、このフィラメント２の中央先端部の頂点に軸方位＜１００＞のタングステン単結晶線を接合し、先端をＮａＯＨ水溶液中で電解研磨して単結晶チップ１を作成する。次に、酢酸イソアミル中にニトロセルロースを１０％程度混合した溶剤により仕事関数の低い酸化ジルコニウムの粉末をスラリー状にしたものを、フィラメント２の先端部や単結晶チップ１の中間部、又は単結晶チップ１の付け根に塗布し補給源３とした。ここで４は、フィラメント２がスポット熔接されているステンレス等の端子であり、５はセラミック碍子である。
【０００９】
次に、補給源粉末である酸化ジルコニウム粉末を上記の方法により塗布し、大気中で数時間自然乾燥させた後、高真空容器中に図２のごとく配置した。図２は、電子源の製作、評価を行うための装置構成を示したものである。単結晶チップ１、フィラメント２、補給源３等からなる電子源は、単結晶チップ１の先端のみが突出するようにサプレッサ電極２０が被せられた状態で、引出電極１０に対向して取付けられている。このサプレッサ電極２０は、単結晶先端以外の部分から放出される不要の熱電子を抑制するための電極であり、単結晶チップ１およびフィラメント２に対して、負の電位がサプレッサ用電源８により与えられている。引出電極１０には、高電圧の引出電源７により、単結晶チップ１よりも正の電位が与えられるようになっている。単結晶チップ１から放出される電子の総電流を計測するための電流計９が、引出電源７に直列に接続され、また、フィラメント２は加熱電源６により通電加熱できるようになっている。引出電極１０で引き出された電子ビーム２１は、蛍光体を塗布した蛍光板１１に照射される。蛍光板１１には中心に小孔があり、その下には、電子ビームの電流強度を測定するためのファラデーカップ１２が取付けられている。蛍光板１１中心の小孔を抜けてきた電子ビーム２１はファラデーカップ１２に入射し、電流計１３により測定される。次に、電子源の立ち上げ、および評価実験手順を示す。
【００１０】
まず、加熱電源６によりフィラメント２を通電加熱して、補給源３を焼結させる。この時、温度は、まず、１０００Ｋ程度まで５分以上かけて上昇させ、それからゆっくりと加熱電流を増加させ、約１８００Ｋまで３０分以上かけて上昇させる。これにより、補給源３の焼結は、ほぼ完了する。その後、引出電源７により、引出電極１０との間に高電圧を徐々に印加し、電圧２ｋＶ程度で固定する。すると、補給源から金属原子が針状の単結晶先端部に拡散し、先端の（１００）結晶面に仕事関数の低い吸着面を形成する。これにより電子放出が始まり、電流計９で計測している放出電子の総電流が次第に増加してくる。そして、約１時間以内に蛍光板１１に円形の電子放出パターンが現われる。この円形の放出パターンを図３に示す。放出電子ビームの電子流密度は、単結晶チップの先端の曲率半径に応じ、０．０５〜１ｍＡ／ｓｒの範囲の値が得られた。
【００１１】
以上の作業により数十本の電子源を製作したが、いずれも、補給源３の焼結後１時間以内で円形の正常な電子放出パターンが得られ、その後、放出電子流は安定していた。これと比較するために、酸化ジルコニウム粉末を他の各種溶剤を用いて塗布したところ、真空容器にセット中に補給源３が剥げ落ちてしまい、電子が放出されない事故や、また、補給源焼結後から電子放出が始まるまでに４８時間以上もかかるなどの問題が発生した。
【００１２】
以上の結果をまとめた表が、図４である。図４で示した評価項目の強度に関しては、次のようなテストで評価した。すなわち、酸化ジルコニウム補給源を塗布し大気中で数時間放置して乾燥させた電子源を、金属のケースに入れて固定し、５ｃｍの高さからコンクリートの床に落下させ、補給源が剥げ落ちないかを実験した。また、正常な電子放出が得られたと判断する基準として、図３のような、円形の電子放出パターンが得られることとした。以上の結果によると、落下試験により補給源が剥げ落ちないのは、ニトロセルロース＋酢酸イソアミル、およびニトロセルロース＋酢酸ブチル（以上は通称コロジオン液と呼ばれる）で塗布した場合と、メタクリル酸メチル＋アセトンで塗布した場合とであることがわかった。一方、焼結後から正常な電子放出が得られるまでの時間は、コロジオン液の場合が最も短時間であり、メタクリル酸メチル＋アセトンでは、４８時間以上と非常に時間がかかることが分かった。
【００１３】
以上のように、有機溶剤にニトロセルロースを含んだ、いわゆる、コロジオン液と呼ばれるもので酸化ジルコニウム粉末を塗布すると、焼結前の強度が飛躍的に向上し、しかも、焼結後、電子ビームが放出され始めるまでの時間も短くてすむことがわかった。
【００１４】
以上の実施例では、酸化ジルコニウムを補給源とした電子源について説明したが、これに限らず、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｔｈ、Ｓｃ、Ｂｅ、Ｌａの化合物粉末を塗布した電子源においても、酸化ジルコニウムの場合と同様の強度効果が得られ、また、電子放出も確認できた。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電子源の作製法においては、補給源粉末をニトロセルロースを含有する有機溶剤によりスラリー状にして塗布することにより、製作過程での機械的衝撃に対して強く、しかも、短時間で製作工程が終了し、歩留りの良い、かつ、安定な電子放出が得られる電子源が実現された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子源の作製法により作製される拡散補給型電子源の構成図である。
【図２】本発明に係る電子源の製作及び特性評価を行なう装置の構成図である。
【図３】電子源から正常な電子放出が得られた時の蛍光板の発光パターンである。
【図４】各種溶剤を用いて製作された補給源の強度と電子放出までの所要時間とを比較した表である。
【符号の説明】
１…単結晶チップ ２…フィラメント
３…補給源 ４…端子
５…セラミック碍子 ６…加熱電源
７…引出電源 ８…サプレッサ用電源
９…電流計 １０…引出電極
１１…蛍光板 １２…ファラデーカップ
１３…電流計 ２０…サプレッサ電極
２１…電子ビーム

Claims (1)

1. Ｗ、Ｍｏ、またはＲｅを含む金属よりなるフィラメントの先端部にＷ、Ｍｏ、またはＲｅを含む金属よりなる単結晶線を接合し、
   上記フィラメントと上記単結晶線との接合部、上記フィラメントの先端部または上記単結晶線の中間部もしくは付け根に、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｙ、Ｔｈ、Ｓｃ、Ｂｅ、Ｌａのうちの少なくとも一種類の金属の酸化物をニトロセルロースを含有する有機溶剤によりスラリー状にして塗布し、
   真空中で上記フィラメントに加熱電流を流すことにより、温度を１０００Ｋ程度まで５分以上かけて上昇させ、その後徐々に加熱電流を増加させ、約１８００Ｋまで３０分以上かけて上昇させて加熱して、前記スラリーを焼結することにより、補給源を形成することを特徴とする電子源の作製法。

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