JP7022837B2 - 電子源とその製造方法およびそれを用いた電子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子顕微鏡などの電子線装置の電子源とその製造方法およびそれを用いた電子線装置に関する。

電子顕微鏡のなかでも、簡便に試料表面の観察を行える装置として走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope : ＳＥＭ) がある。

電子顕微鏡などの電子線装置に用いられる電子源としては、熱電子源（Thermal Emitter：ＴＥ）、電界放出電子源（Field Emitter：ＦＥ）、ショットキー放出電子源（Schottky Emitter： ＳＥ）がある。図１Ａ～図１Ｃに各電子源の動作原理を示したエネルギーダイアグラムを示す。

図１Ａは熱電子源（ＴＥ）の動作原理を示すグラフである。熱電子源は、ヘアピン状に加工されたタングステン（W）のフィラメントを２５００ ℃程度に加熱し、Wの固体内で熱励起された電子をWの仕事関数Φ（４．３～４．５ eV）のエネルギー障壁を越えさせることにより電子eを真空中に取り出す。電子源が常時加熱されているため、ガス吸着などによる電子源表面の汚染がなく、電流変動が少ない安定した電子線を取り出せる。その半面、電子源が非常に高温に加熱されているため放出電子のエネルギー半値全幅ΔE_TEは３～４ eVと広く、また加熱された部分全体から電子が放出されるため電子放出面積が広く、輝度B（単位面積、単位立体角当たりの放出電流量）は１０^５Ａ／ｃｍ^２sr程度と低い。

そのため、仕事関数Φが２．６ eVとWより低く、六ほう化ランタン（LaB_６）などの六ホウ化物の熱電子源も用いられている。LaB_６熱電子源は仕事関数Φが低いため動作温度を１４００～１６００℃程度まで低減でき、エネルギー半値全幅ΔE_TEを２～３ eVに抑制でき、輝度Bも１０^６Ａ／ｃｍ^２sr程度に上げることが可能である。熱電子源としては、例えば、六ホウ化物を加熱して熱電子を放出するものがある開示されている。この熱電子源は、エネルギー半値全幅ΔE_TEが比較的大きいので、熱電子源を電子顕微鏡に用いた場合、対物レンズなどの電子光学系の色収差が大きくなるため低空間分解能となってしまうが、取り扱いが容易なので、安価な簡易型の走査電子顕微鏡用の電子源や、色収差の影響の少ない透過型電子顕微鏡などに用いられる。

図１Ｂは電界放出電子源（ＦＥ）の動作原理を示すグラフである。電界放出電子源（ＦＥ）は、単色性がよく高輝度の電子ビームを放出できるため、電子光学系の色収差を低減でき、高空間分解能の走査型電子顕微鏡用の電子源として使用されている。電界放出電子源には先端を尖らせたタングステン（W）チップが広く用いられている。外部電界ＦをWチップ先端に集中させることにより高電界を印加し、Wチップ内の電子eを実効的に薄くなったエネルギー障壁を量子力学的に透過させて真空中に放出させる。

電界放出電子源（ＦＥ）は室温で動作できるため、引き出される電子ｅのエネルギー半値全幅ΔE_FEは０．３ eV程度と狭く、また非常に尖ったチップ先端の狭い電子放出面積から電子を放出するため輝度が１０^８Ａ／ｃｍ^２srと高い特徴を有する。電界放出電子源でもさらにエネルギー半値全幅ΔEを狭くし、輝度Ｂを上げるため、仕事関数Φが低いLaB_６などの六ホウ化物のナノワイヤを用いた電界放出電子源も提案されている（例えば、特許文献１）。LaB_６はWに比べ仕事関数障壁が低いため、より低電界で電子を透過させ電界放出できエネルギー半値全幅ΔE_TEをさらに低減することが可能である。

また、特許文献２には、電子放出特性の安定した六ホウ化物単結晶を用いた電界放出型電子源を提供するために、融液成長で育成した六ホウ化物の単結晶体からチップ被加工体を切り出し、その長手方向先端を先鋭化、清浄化して、結晶軸に垂直な結晶テラスを先端に形成した電界放出型電子源を構成することが記載されている。

図１Ｃはショットキー放出電子源（ＳＥ）の動作原理を示すグラフである。半導体デバイスの寸法計測などを行う測長走査電子顕微鏡では、酸化ジルコニウム(ZrO₂)をWチップに塗布しW（１００）結晶面に拡散させたZrO／Wのショットキー放出電子源が用いられる。ZrO／Wショットキー放出電子源は常時１４００～１５００ ℃程度に加熱されており、Wチップ先端に熱拡散したZrO_２がWチップの（１００）面の仕事関数Φを２．８eV程度に下げるとともに、チップ先端に印加された外部電界Fと鏡像ポテンシャルによるショットキー効果により引き下げられた仕事関数Φのエネルギー障壁を越して熱電子が放出されるものである。ショットキー放出電子源は電界放出電子源より大電流密度を安定に取り出せるが、動作温度が高いためエネルギー半値全幅ΔE_SEは０．６～１ eV程度と大きくなる。

一方、発明者らは、これまでにフローティングゾーン法などで作製した六ほう化セリウム（CeB₆）などの六ホウ化物単結晶を用い、その先端を電解研磨、集束イオンビーム加工（Focused Ion Beam、ＦＩＢ）、電界蒸発などを駆使して先端の曲率半径を５０～１５０ｎｍまたは３００～５００ｎｍ程度に加工し、さらに真空中で１０００℃から１４００℃で５秒から１０分間程度のフラッシングやアニーリングなどの加熱処理を行うことで仕事関数の低いCeB₆の（３１０）結晶面を形成し、室温で電界放出させる冷電界放出電子源（Cold Field Emitter、ＣＦＥ）を開発し開示してきた（特許文献３）。

この冷電界放出電子源（ＣＦＥ）は従来のWチップの電界放出電子源に比べて単色性がよく、Wと比較して同一放射角電流密度でのエネルギー半値全幅ΔE_FEは０．０８ eVから０．１４ eV狭く、全電流Itに対す放射角電流密度JΩ(μA／ sr)の比JΩ／ I tが６以上と放射角電流密度が高い電界放出電子源を実現できる。この発明により、特に低加速電圧での走査電子顕微鏡の色収差を改善でき、試料の極表面の観察や、炭素系化合物などの軽元素物質の観察の高空間分解能化が可能となった。

国際公開第２０１４／００７１２１号 国際公開第２０１６／１６７０４８号 国際公開第２０１８／０７００１号

特許文献１には、六ホウ化物のナノワイヤを用いた冷電界エミッター（冷電界放出電子源：ＣＦＥ）について記載されているが、ショットキー放出電子源（ＳＥ）に適用することについては記載されていない。

また、特許文献２には、六ホウ化物単結晶を用いた電界放出型電子源（ＦＥ）については記載されているが、ショットキー放出電子源（ＳＥ）に適用することについては記載されていない。

更に、特許文献３に記載されている冷電界放出電子源（ＣＦＥ）は、放出電子の単色性がよく対物レンズなどの電子光学系の色収差を低減できるため、高空間分解能の走査電子顕微鏡に適する。しかし、基本的に室温で動作させる冷電界放出電子源であるため、電子線装置中の残留ガスなどが電子放出面に吸着しやすく、放出電流の安定性に劣ることが課題である。そのため定期的な加熱を行うなどガス吸着を防止するなどの特別な手法を用いない限り長期安定性が必要な半導体デバイスの測長などの用途の走査電子顕微鏡の電子源には適していない。また取り出せる放射角電流密度JΩも最大１００μＡ／sr程度であり、数１００～１０００ μＡ／srの大電流密度が必要な、大面積での組成分析や半導体デバイスの測長用途などには適していない。

一方、ZrO／Wのショットキー放出電子源（ＳＥ）は前述したようにW電界放出電子源より大電流密度を長期間安定に取り出せるが、動作温度が高いためエネルギー半値全幅ΔE_{S E}は０．６～１ eV程度と大きくなり、電子光学系の色収差が大きくなるため空間分解能に劣ることが課題である。

本発明の目的は、単色性と放出電流の長期安定性、大電流密度を兼備えた新たな電子源およびその製造方法を提供し、更に、高分解で長期安定性や大電流密度が必要な用途にも適用可能な電子線装置を提供することである。

上記した課題を解決するために、本発明では、六ホウ化物単結晶の柱状チップと、この六ホウ化物単結晶の柱状チップを柱状チップの軸方向にずれた複数の個所で接合して保持するタンタルまたはニオブで形成された金属管と、この金属管と中央部分で接続されたフィラメントと、このフィラメントの両側の端部とそれぞれ接続された１対の電極を備えたステムとを備えた電子源において、六ホウ化物単結晶の柱状チップは、金属管で保持された部分よりも先の部分が電解研磨により錐体状に縮径加工され、この縮径加工された部分の先端部分を更に加工することにより５０ｎｍ超１μｍ未満の曲率半径を有する略半球状に丸めて錐体状に形成されており、この錐体状の先端部分が（３１０）結晶面を有しており、チップ温度が１０００℃より高く１２５０℃よりも低い温度に加熱して、前記先端部分の電界強度が３×１０ ^８ Ｖ／ｍ超１．５×１０ ^９ Ｖ／ｍ未満となるように電界を印加することにより、電界放出電子や熱電界放出電子の放出を抑えた状態でショットキー効果による電子を放出することを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明では、電子源の製造方法として、六ホウ化物単結晶から長手方向が［３１０］方位に切り出して柱状チップを成形し、この柱状チップの一部をタンタルまたはニオブで形成された金属管に挿入してこの金属管を柱状チップの軸方向にずれた複数の個所で圧接して金属管を柱状チップに接合することにより柱状チップを金属管に固定し、この金属管に固定した柱状チップの金属管よりの突き出している部分の先端部付近を電解研磨により錐体状に縮径し、柱状チップの錐体状に縮径した部分の先端部分を更に電解研磨又は電解蒸発又はイオンビーム加工により六ホウ化物単結晶の（３１０）結晶面を５０ｎｍ超１μｍ未満の曲率半径を有する略半球状に加工し、錐体状に縮径した部分の先端部分を略半球状に加工した柱状チップを固定した金属管をフィラメントの中央部分に固定し、金属管を固定したフィラメントの両側の端部をそれぞれステムに固定された１対の電極と接続し、柱状チップを固定した金属管にフィラメントを固定してこのフィラメントに一対の電極を接続した状態で柱状チップを真空装置の内部で加熱アニーリングを行うことにより柱状チップの略半球状に加工した六ホウ化物単結晶の（３１０）面で形成される電子放出面を表面活性化する
ことにより電子源を製造するようにした。

さらに、上記した課題を解決するために、本発明では、電子線装置を、電子源と、試料を載置する試料台と、電子源から電子を引き出す引き出し電極と、この引き出し電極で引き出した電子を加速する加速電極と、この加速電極で加速された電子を集束させる対物レンズを含むレンズ系と、対物レンズを含むレンズ系で集束させた電子を試料台に載置された試料に走査して照射する偏向走査部と、この偏向走査部により電子が走査して照射された試料から発生した二次電子を検出する二次電子検出部と、電子源を加熱する加熱電源と、引き出し電極に電圧を印加する引出電源と、加速電極に電圧を印加する加速電源と、制御部とを備えて構成し、電子源は、六ホウ化物単結晶の柱状チップと、この六ホウ化物単結晶の柱状チップを柱状チップの軸方向にずれた複数の個所で圧接して保持するタンタルまたはニオブで形成された金属管と、この金属管と中央部分で接続されたフィラメントと、このフィラメントの両側の端部とそれぞれ接続された１対の電極を備えたステムとを有し、六ホウ化物単結晶の柱状チップは、金属管で保持された部分よりも先の部分が、電解研磨により錐体状に縮径加工され、その先端部分を更に加工することにより５０ｎｍ超１μｍ未満の曲率半径を有する略半球状に丸めて錐体状に形成されており、錐体状の先端部分が（３１０）結晶面を有し、制御部は、加熱電源を制御して六ホウ化物単結晶の柱状チップを１０００℃超１１００℃未満の温度に加熱した状態で引出電源を制御して引き出し電極に電子源の六ホウ化物単結晶の柱状チップの先端部分の電界強度が３×１０ ^８ Ｖ／ｍ超１．５×１０ ^９ Ｖ／ｍ未満となるように電界を印加することにより（３１０）結晶面から電界放出電子や熱電界放出電子の放出を抑えた状態で放射角電流密度が１００～３００μＡ／srの範囲で、エネルギー半値全幅ΔＥは０．２５～０．４ eVのショットキー効果による電子を放出させることを特徴とする。

本発明によれば、単色性と放出電流の長期安定性、大電流密度を兼備えた新たな電子源を提供し、高分解で長期安定性や大電流密度が必要な用途にも適用可能な電子線装置を提供することができる。

電子顕微鏡などの電子線装置に用いられる熱電子源の動作原理を示したエネルギーダイアグラムである。 電子顕微鏡などの電子線装置に用いられる電界放出電子源の動作原理を示したエネルギーダイアグラムである。 電子顕微鏡などの電子線装置に用いられるショットキー放出電子源の動作原理を示したエネルギーダイアグラムである。 実施例１に係る電子源で用いる六ホウ化物単結晶の結晶構造（単位格子）を示す斜視図である。 実施例１に係る電子源で用いる六ホウ化物単結晶の（３１０）面の原子構造を示す斜視図である。 実施例１に係る［１００］結晶軸に成長させた六ホウ化物単結晶と、この六ホウ化物単結晶から［３１０］結晶軸に沿って切出す四角柱のチップの模式図である。 実施例１に係る［３１０］結晶軸に成長させた六ホウ化物単結晶と、この六ホウ化物単結晶から［３１０］結晶軸に沿って切出す四角柱のチップの模式図である。 実施例１に係る金属管の作製方法を説明するための工程フロー図である。 実施例１に係る六ホウ化物チップの組み立て状態を示す図で、台座に垂直に立てたガイドピンに金属管を差し込んで、この金属管に六ホウ化物チップを挿入して六ホウ化物チップの先端部分が高さＰだけ金属管から出ている状態を示す台座と金属管及び六ホウ化物チップの斜視図である。 実施例１に係る六ホウ化物チップに金属管を圧接する工程を説明する図で、台座上で金属管に六ホウ化物チップを挿入した状態で金属管に四方から押し当てる圧接用工具を配置した状態を示す斜視図である。 実施例１に係る六ホウ化物チップに金属管を圧接した状態を説明する図で、圧接した部分を上から見たときの断面図である。 実施例１に係る六ホウ化物チップに金属管を圧接した状態を説明する図で、圧接した部分の斜視図である。 実施例１に係る六ホウ化物チップに金属管を圧接した状態を説明する図で、圧接した部分の正面の断面図である。 実施例１に係る六ホウ化物チップに金属管を圧接する工程の変形例を説明する図で、台座上で金属管に六ホウ化物チップを挿入した状態で金属管に四方から軸方向の位置が異なる上下２箇所で押し当てる圧接用工具を配置した状態を示す斜視図である。 実施例１に係る変形例において六ホウ化物チップに金属管を軸方向の位置が異なる上下２箇所で圧接した状態を説明する図で、圧接した部分を上から見たときの断面図である。 実施例１に係る変形例において六ホウ化物チップに金属管を軸方向の位置が異なる上下２箇所で圧接した状態を説明する図で、圧接した部分の斜視図である。 実施例１に係る変形例において六ホウ化物チップに金属管を軸方向の位置が異なる上下２箇所で圧接した状態を説明する図で、圧接した部分の正面の断面図である。 実施例１に係る電子源の構造を説明する図で、六ホウ化物チップを圧接した金属管とフィラメント、及びフィラメントとステムの電極とをそれぞれスポット溶接した状態を示す平面図である。 実施例１に係る電子源の組み立て時の位置あわせ治具を説明する図で、六ホウ化物チップを圧接した金属管及びフィラメントと位置合せ治具との関係を示す斜視図である。 実施例１に係る電子源の組み立て時の位置あわせ治具を説明する図で、スポット溶接した金属管とフィラメント及びステムと位置合せ治具との関係を示す斜視図である。 実施例１に係る別な変形例において円柱状に形成した六ホウ化物チップに金属管を３方向からそれぞれ軸方向の位置が異なる上下２箇所で圧接した状態を説明する図で、圧接した部分を上から見たときの断面図である。 実施例１に係る別な変形例において円柱状に形成した六ホウ化物チップに金属管を３方向からそれぞれ軸方向の位置が異なる上下２箇所で圧接した状態を説明する図で、圧接した部分の斜視図である。 実施例１に係る別な変形例において円柱状に形成した六ホウ化物チップに金属管を３方向からそれぞれ軸方向の位置が異なる上下２箇所で圧接した状態を説明する図で、圧接した部分の正面の断面図である。 六ホウ化物チップ先端を先鋭化した状態における電子源のエネルギー半値全幅を説明するためのエネルギーダイアグラムである。 実施例１に係る電子源のチップ先端を電解研磨で尖鋭化する工程を説明する電子源と電界研磨液槽の正面図である。 実施例１に係る電子源のチップ先端の電解研磨の原理を説明する電子源のチップ先端と電界研磨液槽の正面図である。 実施例１に係る電子源のチップ先端部分の電界研磨した状態におけるＳＥＭ像である。 実施例１に係る電子源のチップ先端を再度の電解研磨で略半球状に加工した結果を示すＳＥＭ像である。 実施例１に係る電子源のチップ先端を電界研磨した後に電界蒸発で略半球状に加工した結果を示すＳＥＭ像である。 実施例１に係る電子源のチップ先端を電界研磨した後に集束イオンビームで略半球状に加工した結果を示すＳＥＭ像である。 実施例１に係る六ホウ化物電子源チップの電子放出面を表面活性化させた状態で撮像した電子放出面の電界放出顕微鏡像である。 実施例２に係る六ホウ化物電子源チップを加熱している様子を示す六ホウ化物電子源チップの写真である。 実施例２に係るフィラメント電流とCeB₆電子源チップの加熱温度の関係を示すグラフである。 実施例２に係わる評価装置の引き出し電極とチップの位置関係を示す平面図である。 実施例２に係わる評価装置でチップ先端にかかる電界強度のシミュレーション例を示す電界強度分布図である。 実施例２に係わるCeB₆電子源の引き出し電圧Ve（引き出し電界F）とトータル電流Itの電圧（電界強度）-電流特性を示すグラフである。 実施例２に係わるCeB₆電子源の引き出し電圧Veとトータル電流Itのショットキープロットを示すグラフである。 実施例２に係わるCeB₆電子源の引き出し電圧Veとトータル電流It、プローブ電流Ipの９４０℃における電圧（電界強度）-電流特性を示すグラフと、各電圧を印加したときの電界放射顕微鏡像である。 実施例２に係わるCeB₆電子源の引き出し電圧Veと放射角電流密度JΩの関係を示すグラフである。 実施例２に係わるCeB₆電子源の放射角電流密度JΩとエネルギー半値全幅ΔEの関係を示すグラフである。 実施例３に係る電子線装置（六ホウ化物電子源を搭載した走査電子顕微鏡）の概略構成を示す断面図である。

発明者等が鋭意検討した結果、六ホウ化物単結晶の柱状チップの先端部付近を錐体状に縮径し、かつチップの長手方向が［３１０］方位に切り出し、柱状チップを常時加熱し、かつチップの先端に電界を印加するように構成することにより、錐体状の先端部分の（３１０）結晶面からショットキー効果により電子を放出できることが分かった。さらに、ショットキー放出電子源は、９００℃超１２５０℃未満のチップ温度に制御し、チップ先端の電界強度が３×１０^８Ｖ／ｍ超１．５×１０^９Ｖ／ｍ未満となるように電界を印加することが好ましいことが分かった。

このショットキー放出電子源を電子線装置に適応することにより、高空間分解能の表面観察ができ、かつ大面積の組成分析や測長なども行える走査電子顕微鏡などの電子線装置を実現できることが分かった。以下では、結晶面の表記はミラー指数に則り、面の指定は（ ）で、結晶軸は［ ］で示す。

六ホウ化物単結晶はCeの六ホウ化物、または、Ceよりも重いランタノイド金属の六ホウ化物が好ましい。また、六ホウ化物単結晶の柱状チップは長手方向が［３１０］方位に切り出され、チップの先端部分が（３１０）結晶面を有し、（３１０）結晶面から電子放出させることが好ましい。

六ホウ化物単結晶の柱状チップの先端部分は略半球状に加工されていることが好ましい。略半球状部分の曲率半径Ｒは５０ｎｍ＜Ｒ＜１μｍであることが好ましく、１５０ｎｍ＜Ｒ＜５００ｎｍであることがより好ましい。

六ホウ化物単結晶の柱状チップは四角柱または円柱であり、片側が四角錐または円錐状に縮径されていることが好ましい。

六ホウ化物単結晶のチップは、チップ温度Ｔが９００℃＜Ｔ＜１２５０℃に常時加熱され、かつ、チップ先端に電界強度Fが３×１０^８ Ｖ／ｍ < Ｆ < １．５×１０^９ Ｖ／ｍの電界を印加することにより、ショットキー効果により電子を放出することが好ましい。チップ温度Ｔは１０００℃＜Ｔ＜１１００℃に常時加熱されることがより好ましい。

六ホウ化物単結晶の柱状チップは、金属製のフィラメントと、前記フィラメントに固定され、外周において中心軸を囲むように少なくとも2軸方向に配置された複数の凹部を有する金属管によって保持され、金属製のフィラメントによって加熱することができる。

六ホウ化物単結晶の柱状チップは、柱状のチップの基体部分の片側（一方の端部側）を電解研磨で錐体状に縮径し、さらにその先端部分を電解研磨で略半球状に加工する、または柱状のチップの基体部分の片側（一方の端部側）を電解研磨で錐体状に縮径し、さらにその先端部分を電界蒸発で略半球状に加工する、またはチップの基体部分の片側を電解研磨で錐体状に縮径し、さらにその先端部分を集束イオンビームで略半球状に加工することで製造することができる。

上記の電子源は、 試料を載置する試料台と、 前記電子源から電子を引き出す引き出し電極および加速電極、または引き出し電極、制御電極、加速電極、または引き出し電極と制御電極、加速電極、サプレッサ電極を有する電子銃光学系と、放出された電子を前記試料台上の試料に集束し照射する電子光学系と試料ステージ、検出器などを有した電子顕微鏡をはじめとする電子線装置に用いることができる。

以下、本発明について、実施例により図面を参照して説明する。電子線装置の実施例では走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を例に説明するが、本発明はこれに限らず透過電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope, ＴＥＭ) や走査透過電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscope, ＳＴＥＭ)、電子ビーム露光装置、電子ビーム式３Ｄプリンタなどを含む電子線装置に適用することができる。なお、以下の図面では、発明の構成を分かりやすくするために、各構成の縮尺を適宜変更している。

実施例１では、六ホウ化物ショットキー放出電子源の構造、及び電子源の製造方法について図２乃至図２２を用いて説明する。

まず電子源の材料として希土類の六ホウ化物を用いる。具体的にはランタノイド系の元素であるLa、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gdなどを用いることができ、それぞれLaB_６、CeB_６、PrB_６、NdB_６、SmB_６、EuB_６、GdB_６などの化学式で表される。

図２にその単位格子を示す。金属原子１の単純立方格子の体心に６個のホウ素原子２のブロックが位置した結晶構造をしている。これらの材料は一般に融点が高く、蒸気圧が低く、硬度が高く、イオン衝撃に強く、かつWより仕事関数が低く電子源の材料として適する。このうち、CeおよびCeより原子量の大きいランタノイド系のPr、Nd、Sm、Eu、Gdなどは、フェルミ準位直下に、エネルギー局在性が強く状態密度の高いf電子が存在し、加熱によって励起される電子密度が高く、大電流密度のショットキー放出電子源を作製する六ホウ化物材料として適する。

これらの六ホウ化物は、例えばフローティングゾーン法などを用いた融液（液相）結晶成長により直径が数ｍｍ、結晶が優先的に成長する晶癖面の（１００）面に垂直な［１００］結晶軸方向に成長した長さ数１０ｍｍの大形の単結晶３（図３）を作成できる。

熱電子源で利用する場合は、この単結晶３を切削により数１００μｍ角、長さ数ｍｍのチップ４（図３）に切り出して、（１００）面を電子放出面として利用している。なお、六ホウ化物の結晶構造は図２のように単純立方格子であり、（１００）面と（０１０）面や（００１）面、［１００］結晶軸と［０１０］結晶軸、［００１］結晶軸などはそれぞれ等価である。実施例１では便宜上図２の［１００］結晶軸を晶癖軸、（１００）面を晶癖面として定義して以下の説明を行なう。

発明者の検討の結果、後述するように六ホウ化物をショットキー放出電子源として用いる場合、電界放出電子源の場合と同様に（００１）面より仕事関数が低く電子放出しやすい（３１０）面を主な電子放出面とするのが好ましい。

図３に（３１０）面の原子構造を示す。単結晶を用いた電子源では、結晶軸に対応した結晶面が先端中央に現れ、この面から放出する電子線は軸上を通過する。電子顕微鏡では軸上の電子線をプローブ電流として用い、レンズ等を用いて試料に照射する。このため、利用したい結晶面を電子源の先端中央の軸上に配置することが適している。

そこで、まずＸ線ラウエ法などを用いて、六ホウ化物の単結晶3の結晶軸を測定し、図４に示すように［３１０］結晶軸に沿って、すなわち六ホウ化物の単結晶３の長軸の［１００］結晶軸に対し１８．４°の角度で切削でチップ４を切り出した。なお、切り出すチップ４の断面形状は後述する電解研磨での縮径加工における形状対称性を得るため四角柱または円柱に切り出すのが好ましい。本実施例では、１辺が２００μｍ、長さ５ｍｍの四角柱に加工したチップ４を多数切り出した。

ただし、［３１０］方位以外に切り出したチップの先端に（３１０）結晶面を形成し、軸外から放出する電子線を偏向器で曲げて軸上に導くことも可能である。この場合、電子顕微鏡の構成は複雑になるが、［１００］軸などその他の結晶軸の電子源を用いて（３１０）面から放出する電子線を利用することもできる。

なお、最近はフローティングゾーン法の結晶成長技術の進歩により、晶癖軸の［１００］結晶軸方向でなく［３１０］結晶軸方向に直接結晶成長させることも可能になった。

図５に［３１０］結晶軸方向に成長させた単結晶３から［３１０］結晶軸に沿って（３１０）結晶面を端面とする四角柱のチップ４を切り出した様子を模式的に示す。この場合、成長した単結晶を斜めにカットすることなくチップを切り出せるため、同じサイズの単結晶から切り出せるチップ数が増え、生産性を上げることが可能となる。また、斜めにカットする場合より小さなサイズの単結晶から同数のチップを切り出せる。フローティングソーン法で作製する結晶サイズが小さいほど結晶欠陥密度を下げることができるため、結晶品質が向上する。

続いて、六ホウ化物のチップ４を保持し、この保持したチップ４を加熱するためのフィラメントを取り付ける接合方法について説明する。発明者が鋭意検討した結果、六ホウ化物のチップ４を用いてショットキー放出電子源を作製する場合、タンタル(Ｔａ)やニオブ(Ｎｂ)などの金属管と、その内側に配置された六ホウ化物のチップ４を、金属管の外周において、中心軸を囲むように少なくとも2軸方向から複数の凹部を設け、この複数の凹部のそれぞれの底部が、それぞれ前記六ホウ化物のチップ４の外周に接触させることにより、長時間加熱してもチップ４が金属管から脱落しない強固で信頼性のある接合ができることが分かった。

さらに好ましくは、金属管の外周であって、複数の凹部が、金属管の軸方向にずれた箇所においても設けられ、凹部のそれぞれの底部がそれぞれ前記六ホウ化物の外周に接触していることにより、さらに強固で、軸ずれのない接合ができることがわかった。

以下、具体的に説明する。まず六ホウ化物のチップ４との接合に用いる金属管の製造方法について記す。図６に金属管の製造工程を示す。金属管の材料はタンタルやニオブなど高融点金属でかつ延性に富み、伸管により微小な金属管が作成しやすく、また後述する凹部を加工しやすい材質のものが適する。

本実施例では、一例としてタンタルを用いた。まず図６の（ａ）に示すようなタンタルの金属シート５を丸め、図６の（ｂ）に示すように丸めた金属シート５の両端６を電子ビーム溶接して直径の太いタンタルのセミシームレス管７を作成する。続いて図６の（ｃ）に示すようにダイス８を用いてタンタルのセミシームレス管７に対して引き抜き伸管加工を繰り返し行うことより外径がΦ５００μｍ、内径がΦ３２０μｍ、肉厚９０μｍの金属パイプ９を作製する。次に、金属パイプ９を図６の（ｄ）に示すようにカッター１０で５ｍｍ毎に切断して、微小な金属管１２を作製した。

本実施例では、後述するように電子源のチップ４を金属管１２内に挿入してから接合するため、金属管１２の内径はチップ４の最大径（チップ４の断面が正方形の場合には対角線の長さ、チップ４の断面が円の場合には直径）の１．１～１．５倍程度にしておくのが好ましい。１．１倍以下だとチップ４の加工公差が通常１０%程度はあるため、金属管１２に挿入できないチップ４の数が増え、電子源の製造歩留まりが低下してしまう。一方、１．５倍以上だとチップ４と金属管１２の内径の寸法差が大きくなりすぎ、後述する凹部を形成して接合する工程での金属管１２の変形量が多く、組み立て精度の低下や強度低下、金属管１２の体積が増加して熱容量が増加することによる消費電力の増大や加熱応答性の低下を招く。

従って１辺が２００μｍ（最大径が約２８２μｍの四角柱）のチップ４の場合、金属管１２の内径は３１０～４２３μｍの範囲が好ましい。本実施例では金属管１２の内径を３２０μｍとした。

また本実施例では、後述するように金属管１２にフィラメントをスポット溶接する必要が有り、また動作中の高温加熱に長時間耐える必要があることから、金属管１２に十分な強度が必要である。一方、肉厚が厚過ぎると金属管１２の熱容量が増え、電子源の加熱応答性の低下や加熱電力の増加を招く。本発明者が鋭意検討した結果、本実施例のショットキー放出電子源は後述するように動作温度が９００～１２５０℃と比較的低いため、肉厚は５０μｍ以上あればよいことが分かった。本実施例では肉厚を９０μｍとした。

続いて上記の金属管１２を用いた六ホウ化物のチップ４の接合方法を述べる。まず図７に示すように、金属管１２の内径に入る直径３００μｍ、長さ１～３ｍｍのガイドピン１３を垂直に立てた台座１４を用い、金属管１２の穴にガイドピン１３を挿入することにより金属管１２を台座１４に対して鉛直に立てる。さらに六ホウ化物のチップ４を金属管１２の穴の内部に上部からガイドピン１３に突き当たるまで挿入する。ガイドピン１３長さを設定しておくことにより、六ホウ化物のチップ４が金属管１２の内部から突き出る長さ（突き出し量：Ｐ）をコントロールできる。

ショットキー放出電子源を作成する場合は、後述するように六ホウ化物のチップ４を電解研磨で削るため、突き出し量：Ｐを２～３ｍｍと長くしておく。

続いて図８に示すように、六ホウ化物のチップ４を挿入した金属管１２を、チップ４の長手方向とは垂直な面内の直交する２軸、４方向から圧接用の工具で圧接する。図８では説明のため圧接用の工具の刃１５の部分のみ示している。圧接用工具の刃１５の先端には金属管１２に凹部を形成するための突起１５１が設けられている。圧接用工具の刃１５を２軸、４方向から図示していないガイドに沿って均等なストロークで前進させて金属管１２に近づけ、突起１５１を４方向から金属管１２に押し当てた状態で所定の量更に前進させることにより、金属管１２を押し潰して凹部を形成して六ホウ化物のチップ４を圧接する。

作業中は金属管１２と六ホウ化物のチップ４の位置関係を実体顕微鏡１６で確認し、四角柱の六ホウ化物のチップ４の各側面が工具の刃１５のストローク方向と一致するようにチップ４の回転軸を適宜調整する。それにより金属管１２の外周から中心軸を囲むように複数の凹部が形成され、凹部それぞれの底部が、六ホウ化物のチップ４の外周面に接触することにより、六ホウ化物のチップ４を自動的に金属管１２の中心軸に合わせて固定することができる。

図９Ａ乃至図９Ｃは、上記に説明した本実施例の方法で接合した六ホウ化物のチップ４と金属管１２の模式図である。図９Ａに、チップ４の上側から見た接合部の断面図、図９Ｂに、全体の斜視図、図９Ｃに、チップ４の正面から見た断面図を示す。金属管１２に挿入された六ホウ化物のチップ４は、金属管１２に形成された４箇所の凹部１７により圧接され固定されている。

本実施例のような六ホウ化物のチップ４を４箇所の凹部１７で固定する４本接合方法を用いると、金属管１２と六ホウ化物のチップ４を２軸、４方向から圧接用工具の刃１５の先端の突起１５１で均等に圧接することができ、機械的に強固な接合が得られる。また、２軸、４方向から圧接用工具の刃１５の先端の突起１５１を均等なストロークで金属管１２に近づけ金属管１２の外周から押し潰していくため、四角柱の六ホウ化物のチップ４を金属管１２の中心軸に自動的に整列させて接合することができる。

これにより、四角柱の六ホウ化物のチップ４と金属管１２との組み立て精度が向上するため、４方向にある圧接用工具の刃１５に対する金属管１２の位置を調整するだけで電子源の軸出しが容易に行えるようになる。その結果、六ホウ化物のチップ４と金属管１２との組み立ての歩留まりも向上する。なお、ガイドピン１３が挿入されていた点線の部分１２－１は不要となるので、金属管１２の熱容量低減のためにカッターで切断する。

図１０はさらに強固でより精密な軸出しが可能な接合方法を得るための六ホウ化物のチップ４と金属管１２との組み立ての変形例である。本変形例では、圧接用工具の刃１５の先端の部分に、上下方向に二段の突起１５２と１５３とが形成されている。このような圧接用工具を用いて金属管１２を成形することにより、金属管１２の軸方向にずれた箇所において、凹部１７２及び１７３を軸方向の同一断面内の４箇所にそれぞれ形成することができる。

図１１Ａ乃至図１１Ｃは、この図１０に示したような圧接用工具を用いて接合した六ホウ化物のチップ４と金属管１２の模式図である。図１１Ａに、チップ４の上側から見た接合部の断面図、図１１Ｂに、全体の斜視図、図１１Ｃに、チップ４の正面から見た断面図を示す。

図１１Ｂ及び図１１Ｃは、それぞれ図９Ｂ及び図９Ｃに対応する図であり、図９Ｂ及び図９Ｃの場合と同様に図１１Ｂ及び図１１Ｃの場合においても、ガイドピン１３が挿入されていた部分は金属管１２の熱容量低減のためにカッターで切断する。

このように、軸方向にずれた箇所においても接合されることで、接合力がさらに上がるとともに、軸方向の上下２箇所で接合されることで、チップ４が接合部で傾くことを防止でき、軸出しの精度がさらに高くなる効果がある。なお、上下方向の段数に制約はないが、多すぎると凹部を形成するのに必要な金属管１２が長くなり熱容量が増加するため、２段程度にするのが望ましい。

続いて、図１２に示すように、六ホウ化物のチップ４を接合した金属管１２にタングステン等のフィラメント１８の長さ方向の中央部分を直接スポット溶接し、さらにフィラメント１８の両端をステム１９に固定された１対の電極２０にそれぞれスポット溶接する。これらは金属同士の接合のため、スポット溶接により金属管１２とフィラメント１８の中央部分、及びフィラメント１８の両端と１対の電極２０とは、容易に強固な接合を得ることが可能である。

スポット溶接を行う際には、図１３Ａのような位置あわせ治具２１－１、及び図１３Ｂのような位置合せ治具２１－２を用いる。まず、図１３Ａに示すように、六ホウ化物のチップ４を接合した金属管１２にタングステン等のフィラメント１８を、金属管１２及びフィラメント１８に対応する位置に金属管１２及びフィラメント１８が収まるような溝部１３１，１８１が形成された位置合わせ治具２１－１に装着して、金属管１２とフィラメント１８とを正確に位置合わせする。次に、この状態でスポット溶接して、金属管１２とフィラメント１８の長さ方向の中央部分とを接続する。

続いて図１３Ｂに示すように、ステム１９とフィラメント１８が接続された金属管１２を、対応する位置にステム１９及び金属管１２が収まるような溝部１３２，１９１が形成された位置あわせ治具２１－２に装着してステム１９と金属管１２とを正確に位置合わせする。この状態で、金属管１２と六ホウ化物のチップ４の中心軸は揃っているので、精度の高い軸出しを行うことができる。次に、この状態でスポット溶接して、ステム１９と金属管１２とを接続する。

以上の実施例では、四角柱状に切削した六ホウ化物のチップ４を用いた。チップ４は円柱状に加工してもよい。図１４Ａ乃至図１４Ｃは、六ホウ化物の円柱上のチップ４１を用いた場合の例である。図１４Ａに、チップ４１の上側から見た接合部の断面図、図１４Ｂに、全体の斜視図、図１４Ｃに、チップ４１の正面から見た断面図を示す。

円柱状の六ホウ化物のチップ４１と金属管１２を接合する場合は、少なくともチップ４１の鉛直方向とは垂直な面内の等間隔の３軸、３方向から、図１０に示したのと同様な形状を有する圧接用の工具を用いて圧接して、金属管１２に３方向から軸方向に上下２箇所に凹部１７４と１７５を形成すればよい。また、図８乃至図１１で説明した四角柱のチップ４の場合と同様に、六ホウ化物の円柱のチップ４１を用いた場合でも、圧接用工具を用いて直交する２軸、４方向から圧接して接合しても当然構わない。

続いて、金属管１２に固定した六ホウ化物のチップ４の金属管１２から突き出ている先端部付近を錐体状に縮径し、かつその最先端を半球状に加工する方法について説明する。発明者が鋭意検討した結果、六ホウ化物のショットキー放出電子源（ＳＥ）を作成する場合、六ホウ化物のチップ先端に比較的強い電界を印加する必要があるため、熱電子源（ＴＥ）として用いる六ホウ化物のチップより先端を細く縮径する必要があるが、電界放出電子源（ＦＥ）のようにチップ先端を尖鋭化するのは好ましくないことがわかった。

六ホウ化物のチップ４を用いたショットキー放出電子源（ＳＥ）において、チップ４の先端を尖鋭化しすぎると、チップの先端に強電界がかかりすぎ、ショットキー放出電子源（ＳＥ）を加熱した際にショットキー放出電子のみでなく、電界放出電子や熱電界放出電子も同時に放出されてしまう。

図１５にその状況におけるエネルギーダイアグラムを示す。エネルギー半値全幅ΔＥ_{Ｆ Ｅ}で示した電界放出電子は、エネルギー半値全幅ΔＥ_ＳＥで示したショットキー放出電子に比べると表面の仕事関数変化に敏感であり、放出電流が不安定になりやすい。また電界放出電子は量子的なトンネル現象によりフェルミ準位から仕事関数障壁を透過して金属中から直接真空中に取り出される電子であり、熱励起された電子が印加された電界によりショットキー効果により引き下げられた仕事関数障壁を越えて放出されるショットキー効果による放出電子とはエネルギー位置が異なる。

さらに仕事関数障壁以下に熱励起された電子が量子力学的なトンネル現象により仕事関数障壁を透過する熱電界放出（Thermal Field Emission、ＴＦＥ）も混在してくる。そのため、チップの先端から放出される電子の単色性は著しく低下してしまう。なお、図１５において、ΔＥ_ＴＦＥは、熱電界放出における放出電子のエネルギー半値全幅を示している。

そこで本実施例では、最初に電解研磨で柱状の六ホウ化物のチップ４の先端部分付近を錐体状に縮径し、その先端のみを再度の電解研磨、または電界蒸発、または集束イオンビーム加工により略半球状に丸め、電界が集中しすぎない形状に加工するプロセスを開発した。

最初の電解研磨は、図１６に示すように、図１３を用いて説明したような手順で組み立てた六ホウ化物のチップ４の先端を、容器（電界研磨液槽）２２０に入れた硝酸などの電解研磨液２２中にディップし、リング状に形成した白金などの対向電極２３との間に交流や直流の電源２４から電圧を印加して行う。

六ホウ化物のチップ４は図１７に示すように、電解研磨液２２に浸漬すると液面にメニスカスを形成し、液面部分４０１の研磨速度は液中部分４０２の研磨速度と比べて遅くなる。電解研磨が進み研磨面積が少なくなるに従い電解電流が減衰するが、その電流が一定レベルに減衰した際に電源２４を遮断すると、図１７の点線で示すよう先端部分４０３が先細りの錐体４０に加工することが可能である。チップ４が四角柱の場合は錐体４０は先端が先細りの四角錐に、チップ４が円柱の場合は錐体４０は先端が先細りの円錐に加工される。

図１８（ｂ）に、四角柱のチップ４の先端部分の四角錐状に加工した先細りの錐体４０のＳＥＭ像を、図１８（ａ）に図１８（ｂ）で丸で囲んだチップ４の四角錐状の錐体４０の先端部分４０３を拡大したＳＥＭ像を示す。

図１９には、電界研磨により先端部分４０３を図１８（ａ）に示したように加工した錐体４０について、再度の電解研磨で先端を略半球状に加工した六ホウ化物のチップ４のＳＥＭ像を示す。先端部分４０３付近を電解研磨液２２に浸漬し、電解電流が流れなくなるまで研磨すると先端部分４０３を略半球状に丸めることができる。図１９（ｂ）には先端を略半球状に丸めたチップ４の錐体４０の先端部付近のＳＥＭ像を示し、図１９（ａ）には図１９（ｂ）で丸で囲んだチップ４の錐体４０の先端部分４０４を拡大したＳＥＭ像を示す。

チップ４の錐体４０の先端部分４０３を略半球状に丸めるのは、電界蒸発によっても行うことができる。電界蒸発とは、電子源に＋数十V／ｎｍの正極の電界を印加することで、先端表面の原子をイオン化し、徐々に剥ぎ取る方法である。電界蒸発は、電界強度が強い箇所で優先的に起こる。このため、表面の尖った箇所やステップ部の原子が蒸発し、時間をかけることで全面を蒸発できる。やがて、電界蒸発が十分進むと、電子源先端は電界強度が全面にわたって均ーとなる略半球状になる。

図２０には、図１８（ａ）のように電界研磨したチップ４の錐体４０の先端部分４０３付近を電界蒸発によって略半球状に丸めて先端部分４０５を形成した六ホウ化物のチップ４の錐体４０のＳＥＭ像を示す。図２０（ｂ）には先端を略半球状に丸めたチップ４の錐体４０の先端部付近のＳＥＭ像を示し、図２０（ａ）には図２０（ｂ）で丸で囲んだ錐体４０の先端部分４０５を拡大したＳＥＭ像を示す。

チップ４の錐体４０の先端部分４０３を略半球状に丸めるのは、Gaイオンを用いた集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工によっても行うことができる。図２１に電解研磨によって先鋭化したチップ４の先端上方から整形した集束イオンビームを照射することにより先端を丸めた六ホウ化物チップのＳＥＭ像を示す。図２１（ｂ）には先端を略半球状に丸めたチップ４の先端部付近のＳＥＭ像を示し、図２１（ａ）には図２１（ｂ）で丸で囲んだチップ４の先端部分４０６を拡大したＳＥＭ像を示す。

以上のいずれかのプロセスにより六ホウ化物のチップ４の錐体４０の先端部分４０３を略略半球状に加工することができる。このときの略半球状に加工したチップ４の錐体４０の先端部分４０４乃至４０６の半径Ｒは５０ｎｍ＜Ｒ＜１μｍとするのがよい。

錐体４０の先端部分４０４乃至４０６の半径Ｒが５０ｎｍ以下では錐体４０の先端部分４０４乃至４０６に電界集中が起きやすく、電界放出の閾値電圧が下がり、ショットキー放出電子が得られる引き出し電圧のダイナミックレンジが狭くなりすぎるため、電子線装置の制御が難しくなる。逆に、先端部分４０４乃至４０６の半径Ｒが１μｍ以上の場合は、引き出し電圧が高くなりすぎると同時に、色収差とともに走査電子顕微鏡の空間分解能を決める要素である電子源の仮想光源径が大きくなりすぎ、走査電子顕微鏡の空間分解能を低下させてしまう。

より好ましくは、先端部分４０４乃至４０６の半径Ｒを１５０ｎｍ< Ｒ <５００ｎｍとするのがよい。この範囲であれば、後述するようにショットキー放出電子が得られる引き出し電圧の範囲を数１００Vから数kVと電子線装置で取り扱う上で好ましい電圧範囲にすることができると同時に、仮想光源径を適度に小さく、また電子放出面も適度に大きいため電子放出後の電子間のクーロン相互作用が小さくなり、電子線の輸送時の不要なエネルギー幅の増大が起こりにくくなる利点がある。

続いて、六ホウ化物のチップ４を用いたショットキー放出電子源の表面活性化を行う。電解研磨した六ホウ化物のチップ４の表面には酸化物などが形成されているため、そのままでは電子放出を得る事ができない。そこで、上記のようにして作成した本電子源を真空装置内に導入して、１１５０℃程度で１０～２０時間の加熱アニーリングを行って電子放出面を成長させる表面活性化を行った。

図２２は、加熱アニーリングにより表面活性化された電子源の六ホウ化物のチップ４の先端部分４０４の電子放出面を電界放出顕微鏡（Field Emission Microscope, ＦＥＭ）で観察した例を示す。４回対称の明るい電子放出が得られている。写真中央の暗部は（１００）面であり、明部が（３１０）面およびそれと等価な結晶面である。

以上により、本実施例に係る六ホウ化物のチップ４を用いたショットキー放出電子源（ＳＥ）を完成することができる。

本実施例によれば、六ホウ化物のチップの先端部を半径Ｒが５０ｎｍ＜Ｒ＜１μｍの範囲、より好ましくは１５０ｎｍ< Ｒ <５００ｎｍに成形して、六ホウ化物の（３１０）面を電子放出面とすることにより、後述するように電子線装置で取り扱う上で好ましい電圧範囲である引き出し電圧が数１００ Vから数kVの範囲で、適度に小さい仮想光源径としてのショットキー放出電子が得られる電子源を得ることができるようになった。

実施例２では実施例１で作製した六ホウ化物のチップ４を用いたショットキー放出電子源を評価用の真空装置中で動作させたときの加熱温度と電圧（電界）-電流特性の関係を示し、実際にショットキー効果により電子が放出されていることを示す。

ここでは六ホウ化物のチップ４として、チップ４の先端の曲率半径Ｒが０．２μｍのCeB₆電子源を用いた例を示す。図２３に実際にフィラメント１８に通電してCeB₆電子源を加熱したところを比色温度計２５で測定している様子、図２４に、フィラメント１８に流すフィラメント電流とCeB₆電子源のチップ４の加熱温度の関係を示す。図２３において、上からＵ字状に光っている部分は比色温度計２５のフィラメントである。

図２４のグラフにおいて、○で示した点列２４０１は比色温度の計測値である輝度温度℃bであり、●で示した点列２４０２はCeB₆の放射率０．６８を勘案して算出した真温度℃である。図２４のグラフより、本実施例で用いた電子源では、フィラメント１８に３．１Ａ～３．６Ａを通電することにより、フィラメント１８に接続された金属管１２に保持されているチップ４の温度を９００℃～１２６０℃の間で制御できることがわかる。

図２５は、評価用の真空装置内のチップ４と引き出し電極２６の位置関係を示す図（回転対称のため、右側半分のみ図示）である。引き出し電極２６は半径６ｍｍのリング状であり、その中心にCeB₆電子源のチップ４の錐体４０の略半球状の先端部分４１０（図１９の先端部分４０４、または図２０の先端部分４０５、または図２１の先端部分４０６に相当する部分）を配置した。

引き出し電極２６に印加する引き出し電圧は、０．１～２．９ kVの範囲で制御した。フィラメント１８に接続されたチップ４の先端に印加される電界強度は、図２５の配置で電界シミュレーションを行って算出した。２６１は、引き出し電極２６を支持する支持部材である。

図２６に、図２５に示した構成に基づいて行った電界強度のシミュレーション結果の一例を示す。この結果から、チップ４の錐体４０の略半球状の先端部分４１０の外部４２０（図２６で、先端部分４１０の上部の白い部分）に、電界が集中していることがわかる。

図２７は、得られた引き出し電圧Ve（または電界強度F）と放出電子のトータル電流Itの電圧-電流（V－I）特性である。チップ４の温度をパラメータとして表示してある。図２７の点列２７０１はチップ４の温度が１１３１℃の場合、点列２７０２はチップ４の温度が１０９９℃の場合、点列２７０３はチップ４の温度が１０６７℃の場合、点列２７０４はチップ４の温度が１０３５℃の場合、点列２７０５はチップ４の温度が１００３℃の場合、点列２７０６はチップ４の温度が９７２℃の場合、点列２７０７はチップ４の温度が９４０℃の場合、点列２７０８はチップ４の温度が室温（R.T.）の場合の特性をそれぞれ示している。

点列２７０８で示された室温（R.T.）で得られた特性は、電界放出電子のV－I特性であり、このCeB₆電子源の電界放出の閾値電圧は約２２００ V（電界強度で１．６５×１０^９Ｖ／ｍ）であることが分かる。

一方、点列２７０７で示されているように、９００℃以上に加熱すると、それより低い引き出し電圧から放出電流が得られており、熱電子またはショットキー効果による電子が放出されていると考えられる。

得られた放出電流がショットキー効果による電子であるかどうかは、ショットキープロットを行うことによって判別するこが可能である。ショットキー効果による電子放出は図１（ｃ）に示したように、高電界の印加と表面の鏡像ポテンシャルにより仕事関数障壁の高さが低下し，熱的に励起された電子が真空中に放出されることにより発生する。

この時の放出電流密度J_Sは

に従う。ここでAはリチャードソン定数、Tは絶対温度，ｋはボルツマン定数，φは仕事関数，βは幾何学因子、Vは電圧、eは電気素量、ε_０は真空の誘電率、dは電極間距離である。

（数１）の式を書き換えると、（数３）のように表される。

（数３）の式より、縦軸に放出電流密度Jsの対数、横軸に印加電圧Vの平方根をとれば、放出電流がショットキー効果による放出に従う場合、直線関係が得られる。

図２８にそのプロットを示す。図２８に示したグラフでは、放出電流密度Jsの対数の代わりに、トータル電流Itの対数を縦軸ｌn Ｉtとして表示してある。横軸に示す印加電圧の平方根が２０ < Ve^０．５ < ４５の範囲、すなわち引き出し電圧Veで４００ Ｖ<Ve<２０００ Ｖの範囲、印加電界Ｆに換算して０．３×１０^９Ｖ/ｍ＜Ｆ＜１．５×１０^９Ｖ／ｍの範囲でショットキー効果による電子放出が得られることが分かった（ショットキー放出領域）。

これより低い印加電圧（電界）では空間電荷による放出電流の低下が起こり（空間電荷制限領域）、これより高い印加電圧（電界）では電界放出電子が混入してきて（電界放出混入域）、放出電流が不安定になるので、好ましくない。

図２９の上側のグラフは、チップ４の温度を９４０℃に設定して引き出し電圧Ｖｅを変化させて測定したトータル電流２９０１、電子源のチップ４の先端から２９ｍｍ先に設けたφ２ｍｍのプローブ孔で検出したプローブ電流２９０２を示す。また、図２９の下側には、上側のグラフの（１）から（４）の引き出し電圧Ｖｅのときに観察した電子源のチップ４の電子放出面のＦＥＭ像を示す。

図２９において（１）～（２）のＦＥＭ像に対応する比較的低い引き出し電圧Ｖｅの領域では、電子源の先端からショットキー放出電子により蛍光面の中央が光っている。一方、引き出し電圧が２ kVを越えた（３）（４）のＦＥＭ像に対応する比較的高い引き出し電圧Ｖｅの領域では、図２２に示したのと同様の４回対称の（３１０）結晶面からのＦＥＭ像が混入し、ショットキー放出電子に電界放出電子が混じってくる。従って、ショットキー放出電子も仕事関数の低い（３１０）結晶面を主な電子放出面としていると考えられる。

図３０は、ショットキー放出領域のプローブ電流Ipとプローブ孔の取り込み立体角から計算した放射角電流密度JΩである。本実施例では、図３０のグラフの点列３００１乃至３００７に示されているように、チップ４の温度Ｔが９４０℃～１１３１℃の温度範囲でJΩとして数μＡ／srから１０００μＡ／srを越える範囲の放射角電流密度が得られた。

本実施例で示した以外の同様の実験からも、チップ４の温度Ｔが９００℃＜Ｔ＜１２５０℃の範囲でショットキープロットに従う電子放出が得られることが分かっている。特にチップ４の温度Ｔが１０００℃＜Ｔ＜１１００℃の範囲では、放射角密度JΩとして電子顕微鏡で利用しやすい数１０～１０００μＡ／srの範囲の放射角電流密度が得られるので、好ましい。

チップ４の温度が１０００℃以下で動作させた場合、チップ４を構成するCeB_６のCeの表面拡散が不足し、電子線装置で電子源を動作させた場合の残留ガスのイオン衝撃により表面からCeが飛散する分を十分補えないため、長期的に電流が減衰する傾向を示す。一方、１１００℃以上でチップ４を動作させるとチップ４を構成するCeB_６のCeの表面拡散が多くなりすぎ、長期的に電流が増大し易く、電子源の寿命も短くなる傾向を示す。

図３１のグラフは、ショットキー放出電子のエネルギー半値全幅を測定した結果である。図３１のグラフにおいて、横軸は放射角電流密度：ＪΩであり、縦軸はショットキー放出電子のエネルギー半値全幅ΔＥを示している。図３１において、●は測定結果３１０１を示す。

図３１に示された測定結果から、放射角電流密度ＪΩが１００～３００μＡ／srの範囲で、エネルギー半値全幅ΔＥは０．２５～０．４ eV程度であり、従来のZrO／Wのショットキー放出電子源のエネルギー半値全幅に比べ単色性がよいことがわかる。これは、CeB₆ショットキー放出電子源の動作温度が従来のZrO／Wのショットキー放出電子源の動作温度よりも３００～５００℃低いこと、CeB₆のフェルミ準位直下の電子状態密度がf軌道の寄与により局在的であるなどによると考えられる。

本実施例によれば、実施例１で作成した六ホウ化物のチップ４を用いたショットキー放出電子源について、チップ４の温度を９００℃から１２５０℃の間に設定すればショットキープロットに従う電子放出が行われ、特にチップ４の温度を１０００℃から１１００℃の間に設定すれば、電子顕微鏡で利用しやすい数１０～１０００μA／srの放射角電流密度を安定に得られることがわかった。また、放射角電流密度が１００～３００μA／srの範囲では、従来のZrO／Wのショットキー放出電子源のエネルギー半値全幅に比べ単色性がよいことが判った。

実施例３について図３２を用いて説明する。なお、実施例１又は２に記載され実施例３に未記載の事項は特段の事情が無い限り実施例３にも適用することができる。実施例３では、実施例１で作製し、実施例２で電子放出特性（放射角電流密度）を評価した六ホウ化物のチップ４を用いたCeB_６ショットキー放出電子源を搭載した走査電子顕微鏡の例を示す。なお、実施例３ではCeB_６ショットキー放出電子源を用いた走査電子顕微鏡を例に説明するが、電子源や電子線装置の方式はこれに限らない。

図３２は、実施例３に係る走査電子顕微鏡３２００の概略図である。本実施例に係る走査電子顕微鏡３２００は、CeB_６ショットキー放出電子源１００と引き出し電極１０５、陽極１０８、第１コンデンサレンズ１０９、絞り１１０、第２コンデンサレンズ１１１、対物レンズ１１２、非点補正コイル１１３、偏向走査コイル１１４、コンピューター１０１、制御器１０２、加熱電源１０３、引き出し電源１０４、加速電源１０７、電子源鏡筒１２１、電子光学系鏡等筒１２２及び試料室１２３を備えている。このほか、真空排気手段も備えているが、図示を省略する。

CeB_６ショットキー放出電子源１００と引き出し電極１０５、陽極１０８とは電子源鏡筒１２１の内部に配置されている。また、第１コンデンサレンズ１０９、絞り１１０、第２コンデンサレンズ１１１、対物レンズ１１２、非点補正コイル１１３、偏向走査コイル１１４は、電子光学系鏡等筒１２２の内部に配置されている。更に、試料１１５を搭載する載置台１１７は、試料室１２３の内部に設置されている。電子源鏡筒１２１と電子光学系鏡等筒１２２及び試料室１２３は空間的に繋がっており、それらは図示していない複数の真空排気手段により、内部が真空に排気される。

CeB_６ショットキー放出電子源１００の構成は、実施例１において図１６を用いて説明したものと実質的に同じであり、六ホウ化物であるCeB_６で形成されたチップ４の錐体状に形成された錐体４０の先端部分が、図１９乃至図２１で説明したような先端部分４０４，４０５または４０６のような略半球状に加工されている。

このような構成において、CeB_６ショットキー放出電子源１００は、コンピューター１０１と制御器１０２により制御された加熱電源１０３により一定電流を流してフィラメント１８とチップ４が常時加熱される。この状態で、引き出し電源１０４により引き出し電極１０５に、チップ４の先端に対して正電圧を印加してショットキー効果によりチップ４の先端から電子を放出させる。

チップ４の先端から放出され引き出し電極１０５を通過してビーム状になった電子ビーム１０６は、加速電源１０７で印加された負の高電圧により接地された陽極１０８に向かって加速されて、第１コンデンサレンズ１０９、絞り１１０、第２コンデンサレンズ１１１、対物レンズ１１２、非点補正コイル１１３で集束され、偏向走査コイル１１４で走査されて試料１１５上の観察領域に照射され、発生した二次電子が二次電子検出器１１６で検出される。

本実施例では、引き出し電極１０５と陽極１０８の２電極構成の例を示したが、引き出し電極１０５と陽極１０８の間に制御電極を入れる３電極構成や、引き出し電極１０５の手前にチップを囲むようにサプレッサ電極を設けた４電極構成でもよい。また、偏向走査コイル１１４で電子を走査する代わりに、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ１対の対向する電極を備えて各対向する電極間に発生させる電界を制御して電子を走査する偏向電極を用いてもよい。更に、検出器として二次電子検出器１１６以外を図示していないが、他に反射電子検出器や元素分析器なども利用される。

本実施例によるCeB_６ショットキー放出電子源１００から放出された電子は、エネルギー半値全幅が狭く単色性がよいため、対物レンズ１１２等での色収差が低減され、より絞られた電子ビーム１０６を試料１１５に照射することができ、高分解の走査電子顕微鏡画像を得ることができる。

また、本実施例によるCeB_６ショットキー放出電子源１００から放出された電子は、放射角電流密度が高いため、撮像時間を短く、元素分析などの分析時間も短縮することが可能である。さらに放出電流の長期安定性が高いため、半導体工場での半導体デバイスの測長など量産工場などで使用される電子顕微鏡にも用いることができる。

上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…金属原子 ２…ホウ素原子 ３…単結晶 ４…チップ ５…金属シート ６…金属シートの両端 ７…セミシームレス管 ８…ダイス ９…金属パイプ １０…カッター １２…金属管 １３…ガイドピン １４…台座 １５…刃 １６…実体顕微鏡 １７…凹部 １８…フィラメント １９…ステム ２０…電極 ２１…位置あわせジグ ２２…電解研磨液 ２３…対向電極 ２４…電源
２５…比色温度計 ２６…引き出し電極 １００…CeB₆ショットキー放出電子源
１０１…コンピューター １０２…制御器 １０３…加熱電源 １０４…引き出し電源 １０５…引き出し電極 １０６…電子ビーム １０７…加速電源 １０８…陽極 １０９…第１コンデンサレンズ １１０…絞り １１１…第２コンデンサレンズ １１２…対物レンズ １１３…非点補正コイル １１４…偏向走査コイル １１５…試料 １１６…二次電子検出器。

Claims (7)

1. 六ホウ化物単結晶の柱状チップと、
   前記六ホウ化物単結晶の柱状チップを前記柱状チップの軸方向にずれた複数の個所で接合して保持するタンタルまたはニオブで形成された金属管と、
   前記金属管と中央部分で接続されたフィラメントと、
   前記フィラメントの両側の端部とそれぞれ接続された１対の電極を備えたステムと
   を備えた電子源であって、
   前記六ホウ化物単結晶の柱状チップは、前記金属管で保持された部分よりも先の部分が電解研磨により錐体状に縮径加工され、前記縮径加工された部分の先端部分を更に加工することにより５０ｎｍ超１μｍ未満の曲率半径を有する略半球状に丸めて錐体状に形成されており、前記錐体状の先端部分が（３１０）結晶面を有しており、チップ温度が１０００℃より高く１２５０℃よりも低い温度に加熱して、前記先端部分の電界強度が３×１０ ^８ Ｖ／ｍ超１．５×１０ ^９ Ｖ／ｍ未満となるように電界を印加することにより、電界放出電子や熱電界放出電子の放出を抑えた状態でショットキー効果による電子を放出すること
   を特徴とする電子源。
2. 請求項１記載の電子源であって、
   前記六ホウ化物単結晶はCeの六ホウ化物、または、Ceよりも重いランタノイド金属の六
   ホウ化物であることを特徴とする電子源。
3. 請求項１に記載の電子源であって、
   前記先端部分の曲率半径は、１５０ｎｍ超５００ｎｍ未満であることを特徴とする電子
   源。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電子源であって、
   前記六ホウ化物単結晶の柱状チップは、四角柱または円柱であり、前記錐体状に形成さ
   れた部分が四角錐状または円錐状に形成されていることを特徴とする電子源。
5. 六ホウ化物単結晶から長手方向が［３１０］方位に切り出して柱状チップを成形し、
   前記柱状チップの一部をタンタルまたはニオブで形成された金属管に挿入して前記金属管を前記柱状チップの軸方向にずれた複数の個所で圧接して前記金属管を前記柱状チップに接合することにより前記柱状チップを前記金属管に固定し、
   前記金属管に固定した前記柱状チップの前記金属管よりの突き出している部分の先端部
   付近を電解研磨により錐体状に縮径し、
   前記柱状チップの前記錐体状に縮径した部分の先端部分を更に電解研磨又は電解蒸発又はイオンビーム加工により前記六ホウ化物単結晶の（３１０）結晶面を５０ｎｍ超１μｍ未満の曲率半径を有する略半球状に加工し、
   前記錐体状に縮径した部分の先端部分を略半球状に加工した前記柱状チップを固定した
   前記金属管をフィラメントの中央部分に固定し、
   前記金属管を固定した前記フィラメントの両側の端部をそれぞれステムに固定された一
   対の電極と接続し、
   前記柱状チップを固定した前記金属管に前記フィラメントを固定して前記フィラメントに前記一対の電極を接続した状態で前記柱状チップを真空装置の内部で加熱アニーリングを行うことにより前記柱状チップの前記略半球状に加工した前記六ホウ化物単結晶の（３１０）面で形成される電子放出面を表面活性化する
   ことを特徴とする電子源の製造方法。
6. 電子源と、
   試料を載置する試料台と、
   前記電子源から電子を引き出す引き出し電極と、
   前記引き出し電極で引き出した前記電子を加速する加速電極と、
   前記加速電極で加速された前記電子を集束させる対物レンズを含むレンズ系と、
   前記対物レンズを含むレンズ系で集束させた前記電子を前記試料台に載置された試料に走
   査して照射する偏向走査部と、
   前記偏向走査部により前記電子が走査して照射された前記試料から発生した二次電子を検
   出する二次電子検出部と、
   前記電子源を加熱する加熱電源と、
   前記引き出し電極に電圧を印加する引出電源と、
   前記加速電極に電圧を印加する加速電源と、
   制御部と
   を備え、
   前記電子源は、六ホウ化物単結晶の柱状チップと、前記六ホウ化物単結晶の柱状チップを前記柱状チップの軸方向にずれた複数の個所で圧接して保持するタンタルまたはニオブで形成された金属管と、前記金属管と中央部分で接続されたフィラメントと、前記フィラメントの両側の端部とそれぞれ接続された１対の電極を備えたステムとを有し、
   前記六ホウ化物単結晶の柱状チップは、前記金属管で保持された部分よりも先の部分が
   、電解研磨により錐体状に縮径加工され、その先端部分を更に加工することにより５０ｎｍ超１μｍ未満の曲率半径を有する略半球状に丸めて錐体状に形成されており、前記錐体状の先端部分が（３１０）結晶面を有し、
   前記制御部は、前記加熱電源を制御して前記六ホウ化物単結晶の柱状チップを１０００℃超１１００℃未満の温度に加熱した状態で前記引出電源を制御して前記引き出し電極に前記電子源の前記六ホウ化物単結晶の柱状チップの前記先端部分の電界強度が３×１０ ^８ Ｖ／ｍ超１．５×１０ ^９ Ｖ／ｍ未満となるように電界を印加することにより前記（３１０）結晶面から電界放出電子や熱電界放出電子の放出を抑えた状態で放射角電流密度が１００～３００μＡ／srの範囲で、エネルギー半値全幅ΔＥは０．２５～０．４ eVのショットキー効果による電子を放出させる
   ことを特徴とする電子線装置。
7. 請求項６に記載の電子線装置であって、
   前記六ホウ化物単結晶はCeの六ホウ化物、または、Ceよりも重いランタノイド金属の六ホウ化物であることを特徴とする電子線装置。

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