JPH0778581A

JPH0778581A - 単色化電子線源およびその製造方法

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Publication number: JPH0778581A
Application number: JP22167093A
Authority: JP
Inventors: Masakuni Okamoto; 政邦岡本; Taku Oshima; 卓大嶋; Kiyokazu Nakagawa; 清和中川; Hidetoshi Nishiyama; 英利西山; Yutaka Okuyama; 裕奥山; Masahiko Kondo; 正彦近藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-09-07
Filing date: 1993-09-07
Publication date: 1995-03-20

Abstract

(57)【要約】【目的】電子線装置に用いられる電子線源において、
構造が単純で製作が容易であり、それでいて、エネルギ
ー幅の極めて狭い電子線を発生する単色化電子線源を実
現する。【構成】針状の導電体１の表面に膜厚が電子波の浸透
長程度の被覆膜２を設け、陽極４との間に電源５により
電圧を印加することによって、被覆膜２の障壁井戸層
２′の中に生じる量子準位７を介して、共鳴トンネル現
象により電子３を真空６中に放出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子顕微鏡などの電子
線装置に係り、特に、エネルギー幅の狭い電子線を発生
させる単色化電子線源およびその製造方法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】最近、電子顕微鏡をはじめとする各種電
子線装置において、各装置の高分解能化や分析精度の向
上のために、電子線自身の有するエネルギー幅が問題に
なってきている。例えば、電子線エネルギー分析装置に
おいては、試料の分析精度向上のために、電子線源と試
料との間にエネルギー分析器を設け、電子線のエネルギ
ー幅を制限して試料に入射している。しかし、この方法
では入射電子線の輝度（明るさ）が大きく損なわれ、実
用上、かえって問題になっている。したがって、電子線
の発生時点ですでにエネルギー幅が極めて狭い単色化電
子線源の開発が、大きく期待されていた。

【０００３】ところで、従来の狭エネルギー幅電子線源
として一般に広く使用されているものとしては、電界放
出型電子銃があり、この原理について記載されたものと
しては、例えば、日本学術振興会第１３２委員会編、電
子・イオンビームハンドブック第２版（昭和６１年日刊
工業新聞社）１４５〜１５１ページがある。この電子線
源においては、タングステン（Ｗ）陰極の先端を１００
ｎｍ径程度に鋭く尖らせることによって先端部分に電界
を集中させ、その結果、先端部分から真空中に電界放出
される電子を用いている。

【０００４】また、この電界放出型の電子線源の先端部
分に一層の被覆膜を設け、仕事関数を低くすることによ
って放出電子流密度を増加させる電子線源もあり、例え
ば、特許「電界放出型冷陰極」（特開平２−２２０３３
７号公報）に記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】Ｗ内部の電子と真空中
の自由電子との間には仕事関数と呼ばれるポテンシャル
エネルギー差があり、通常は、Ｗ内部の電子は外に出る
ことはできない。従来例においては、高電界をかけるこ
とによって真空準位を曲げ、図２（ａ）の様な薄い三角
形のポテンシャル障壁とする。Ｗ中の電子の一部はこの
ポテンシャル障壁をトンネル効果によって透過し、真空
中に放出される。この場合の電子線のエネルギー分布
は、Ｗ内部の電子のエネルギー分布とポテンシャル障壁
の透過率との積となり、図２（ｂ）で示される分布とな
る。その結果、放出される電子のエネルギー半値幅は室
温で０．２６ｅＶ程度となる。温度を下げれば電子のフ
ェルミ分布が急峻となるために高エネルギー側の拡がり
は小さくなるが、０°Ｋにおいても半値幅は０．２ｅＶ
程度である。これは、ピークより低エネルギー側の拡が
りがポテンシャル障壁の透過率で決っており、この透過
率は低温にしても変化しない事に起因している。従っ
て、従来例では、これ以上の単色化は望めないという問
題があった。

【０００６】本発明は上記のような課題を解決するため
になされたもので、構造が単純で製作が容易であり、そ
れでいて、エネルギー幅の極めて狭い電子線を発生する
単色化電子線源およびその製造方法を提供することを目
的とする。

【０００７】

【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、陰極となる導電体の表面に少な
くとも一層の被覆膜を設け、対向する陽極との間に電圧
を印加して上記被覆膜の中に電場勾配によるポテンシャ
ルの三角形状の障壁井戸層を形成し、その障壁井戸層の
中に生じる量子準位を介して電子を放出させる。ここ
で、陰極である導電体を針状にし、電子を放出する陰極
先端部に上記被覆膜を設け、導電体はフェルミ準位付近
の電子状態がゼロでない材料で構成し、また、被覆膜は
陰極と陽極との間に印加される電圧によって電場勾配が
生じるように半導体あるいは絶縁物よりなる材料で構成
し、かつ、その膜厚が伝導電子のド・ブロイ波長程度に
なるようにする。そして、上記の量子準位を介して放出
される単色電子のエネルギーは、陰極と陽極との間に印
加する電圧によって上記の量子準位を移動させて制御す
る。

【０００８】ところで、上記の単色化電子線源の構成材
料としては、導電体と被覆膜とはそれぞれ単結晶の半導
体あるいは絶縁体であり、被覆膜は導電体の表面にエピ
タキャル成長したもの、あるいは、導電体は金属あるい
は半金属であり、被覆膜はその上にエピタキシャル成長
したもの、あるいは、導電体と被覆膜とのうち、少なく
とも一つは非晶質体で形成されたもの、などがある。

【０００９】そして、これらの単色化電子線源を同一基
板上に複数個設け、電圧は各々独立に印加でき、かつ、
陽極もその同一基板上に形成して、マルチビーム用の電
子線源を構成する。

【００１０】さらに、上記の電子線源の製造方法とし
て、導電体の基板上に、まず、被覆膜を分子線エピタキ
シ、気相成長等の手法により形成し、次に、その後、溶
液、ガス、プラズマ等を用いたエッチングによって上記
電子線源の構造に形成する。

【００１１】

【作用】エネルギー分布の狭い電子線源を形成するため
には、固体中にある電子のうち、特定のエネルギー準位
の電子のみを選択的に取り出すようにすればよい。その
エネルギー準位の幅が狭ければ狭いほど、エネルギー幅
の小さな電子線を得ることができる。

【００１２】本発明に係る単色化電子線源においては、
上記の、固体中にある電子のうち特定のエネルギー準位
の電子のみを選択的に取り出すが、電子線源の構造を簡
単化するために、電子が通る径路中に、一方の障壁が真
空、もう一方の障壁がポテンシャル勾配をもつ被覆膜
（障壁井戸層）という二つの障壁にはさまれた三角井戸
状のエネルギー構造を作り、この中に生じた量子準位を
介した共鳴トンネル現象を利用する。ここでは、量子井
戸が三角形状であることが特徴である。このためのポテ
ンシャル勾配は、電子が通る径路に図３（ａ）に示すよ
うな（導電体３１）−（少なくとも一層の被覆膜３２）
−（真空３３）の構造を形成し、導電体３１に負、真空
３３中の陽極に正となる電圧を印加することにより、図
３（ｂ）のようなエネルギー構造を形成する。その結
果、障壁井戸層３８′に生じる量子準位に一致したエネ
ルギーの電子がこの構造に入射すると、きわめて高い確
率で透過する。この共鳴条件は量子準位にしたがいとび
とびに存在し、しかも透過確率の高いエネルギー帯幅は
極めて狭く、いわば、電子波干渉フィルターとなる。

【００１３】上記の、真空あるいは障壁井戸層に形成さ
れた障壁を電子が量子力学的トンネル過程により透過す
る確率Ｄは、それぞれのポテンシャル障壁に対してＷＫ
Ｂ近似を用いて次のように書ける。

【００１４】

【数１】

【００１５】ここでｘは位置を表わす変数、積分は障壁
層の膜厚全体にわたる定積分、ｋ（ｘ）は次式で表わさ
れる。

【００１６】

【数２】

【００１７】ここでｍは電子の有効質量、Ｖ（ｘ）は障
壁高さ、Ｅは電子のエネルギー、ｈはプランク定数であ
る。

【００１８】このｋ（ｘ）の逆数は電子波が障壁内に浸
透する長さに対応しており、Ｄの値は膜厚が薄く、か
つ、その電子波の浸透長が長いほうが大きくなる。そし
て、理想的な共鳴条件を得るには、Ｄの値が、上記の真
空および障壁井戸層に形成された両障壁で等しく、か
つ、１００分の１オーダーより大きくすることが望まし
い。この条件は、ポテンシャル障壁井戸層３８′および
ポテンシャル障壁３３′を外部からの電界で制御するこ
とによって達成される。また、この障壁層に関しては、
電子の有効質量ｍ、障壁高さＶ、電子エネルギーＥ、で
決る浸透長に対して、被覆膜３２の膜厚を同程度以下に
することで条件を達成することができる。すなわち、こ
のような構成により、本発明の目的であるエネルギー幅
の極めて狭い単色の電子線源を提供することができる。

【００１９】

【実施例】

（実施例１）図１に本発明の実施例の一つを示す。

【００２０】図１（ａ）において、陰極である針状の導
電体１（本実施例ではＷ）の表面に膜厚が電子波の浸透
長程度の被覆膜２（ＧａＡｓ）を設け、陽極４との間に
電源５により電圧を印加する。このとき、上記電子線源
に生じるエネルギー構造は図１（ｂ）のようになり、被
覆膜２の中に電場勾配によるポテンシャルの三角形状の
障壁井戸層２′が形成され、その障壁井戸層２′の中に
生じる量子準位７を介して、電子３が真空６中に放出さ
れる。

【００２１】次に、上記電子線源の作製方法を、図４を
用いて説明する。

【００２２】Ｗ針４１は、Ｗ単結晶線をＫＯＨ水溶液中
で電解エッチして得られる。このＷ針４１を走査トンネ
ル顕微鏡の探針とし、Ａｕ基板４３に対して１ｎｍ程度
の距離に近付け、Ｗ針４１に−７Ｖ〜−１５Ｖのパルス
を加える。これにより、図４（ａ）に示されるように、
Ｗ針４１先端の極めて狭い領域に１原子層程度のＡｕ吸
着層４２が形成される。次に、このＷ針４１を反応容器
中にいれ、４００℃〜５００℃に加熱し、トリメチルガ
リウム（ＴＭＧ）、アルシン（ＡｓＨ₃）をそれぞれ流
量１０の−６乗モル／秒程度導入すると、Ａｕの吸着層
４２がある部分にのみ７ｎｍのＧａＡｓ膜４４が成長し
図４（ｂ）の構造を得る。

【００２３】この構造を真空装置に導入し、５４０℃５
分間の加熱により表面を清浄化した後、対向する陽極に
対して先端付近の電界が１．６Ｖ／ｎｍ程度になるまで
負の電圧をかけると、図５に示されるエネルギー構造と
なり、トンネル放出する電子が増加する。しかも、電子
の透過率は図６に示されるようなエネルギー依存性を持
つため、極めてエネルギー幅の狭い電子線が得られる。
室温においては、熱エネルギーの２６ｍＶ程度の幅とな
る。さらに、この電子線源にクライオスタットを装着す
ることによって、液体窒素温度（７７°Ｋ）で７ｍＶ、
液体ヘリウム温度（４°Ｋ）で１ｍＶ程度のエネルギー
幅の電子線が得られる。共鳴トンネル効果のために電子
の透過率は、通常のトンネル効果と較べて共鳴点におい
て１０の６乗倍以上に大きくなる。このため、単色化の
みならず高輝度化も図る事ができる。

【００２４】さらに、印加電圧を変化させた場合、図７
に示したように電子透過率の共鳴点を与えるエネルギー
値が変化する。この効果を用いて、単色電子線のエネル
ギーを制御することができる。

【００２５】本実施例においては、外側のＧａＡｓ膜４
４には不純物ドーピングを施してはいないが、表面準位
の存在によって動作条件が不安定になる場合は、ＧａＡ
ｓ膜４４内にｎ型不純物であるＳｉを１平方センチメー
トル当たり１０の１２乗個程度ドーピングすると、表面
の電位が固定し、安定した動作が得られる。

【００２６】また、ＧａＡｓ膜４４の外側に１ｎｍ程度
以下のＣａＦ₂、Ａｌ₂Ｏ₃等の表面準位密度の小さな材
料を蒸着すれば、障壁井戸層のダングリングボンドに由
来する表面準位密度が著しく小さくなり、安定した動作
を得ることができる。

【００２７】なお、本実施例においては、電子線源の導
電体と被覆膜とに、それぞれＷ、７ｎｍのＧａＡｓを用
いているが、この他にも例えば、導電体として単結晶Ｎ
ｉＡｌを用いると、この上にＡｌＧａＡｓ系が単結晶成
長でき、単結晶ＣｏＳｉ₂を用いるとＳｉ、Ｇｅ系が単
結晶成長できる。また、本実施例においては、導電体と
して金属を用いたが、半導体としても同様の効果を得る
ことができる。例えば、ｎ+型ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ
の組み合せ、あるいは他のIII−Ｖ族化合物半導体、あ
るいはII−VI族化合物半導体、例えばｎ+型ＺｎＳｅ、
ＺｎＳまたはＺｎＳｅの組み合せ、あるいはIV族半導
体、例えばｎ+型Ｇｅ、Ｓｉ−ＧｅまたはＧｅの組み合
せを用いても、同様の効果が得られる。なお、Ｇｅの様
な電子の有効質量の異方性をもつ半導体の場合、有効質
量の小さい方位を電子の走行方向に選ぶと、電子の障壁
内への侵入長が長くなりトンネル確率が増加するので、
より効果的である。また、電子の走行方向を表面の材料
の仕事関数の小さい結晶方位に選ぶと、拡がり角が小さ
く収束性の良い電子線が得られ、電子顕微鏡等に応用す
る際に有利となる。

【００２８】また、障壁井戸層の材料として、化合物半
導体では、III−Ｖ族化合物半導体として、ＢＮ、Ｂ
Ｐ、ＢＡｓ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＡｓ、ＡｌＳｂ、Ｇ
ａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡ
ｓ、ＩｎＳｂ、等、およびこれらの混合化合物、また、
II−VI族化合物半導体として、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳ
ｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、
ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、等、およびこれらの混合化合物が
あり、同様の効果がある。

【００２９】なお、ここでは結晶成長方法としてＭＯＣ
ＶＤ（有機金属気相成長）法を用いた場合を述べたが、
本実施例に述べた方法の他に、ＭＢＥ法、やＣＶＤ（気
相成長）法、ＣＢＥ、ＡＬＥ等、単結晶薄膜が成長でき
る方法であれば同様の効果が得られる。

【００３０】また、本実施例においては、材料として単
結晶を用いたが、厚さ１ｎｍ程度以下の非晶質を用いて
も同様の効果があり、この場合、既存の針状Ｗ電子線源
上にプラズマＣＶＤ法や低温蒸着法等により簡便に形成
できる。非晶質材料として例えば、ａ−Ｓｉ、ａ−Ｓｉ
−Ｃ、ａ−Ｓｉ−Ｎ、ａ−Ｓｉ−Ｇｅ等のIV族系あるい
はＳ−Ｓｅ−Ｔｅ系のカルコゲン等が用いられる。

【００３１】また、本実施例においては、一層の障壁井
戸層を用いたが、複数組形成しても同様の効果がある。
また、外側の障壁井戸層で形成される電子波干渉フィル
ターに対して、導電体にできる極めてエネルギー幅の狭
い状態密度のピークエネルギーを電圧印加等により一致
させると、いっそうエネルギー幅が狭く、大電流の電子
線が得られる。

【００３２】本実施例においては、先端を針状にして電
界集中させ、真空中に薄いポテンシャル障壁を形成して
いるが、刃状にしても同様の効果があり、その場合、線
状の電子線源が得られる。また、先端を尖らせずとも、
引き出し電極を十分に近付け、所望の領域に必要な電界
を与えれば同様の効果がある。

【００３３】なお、本実施例においてはエッチングによ
り形成されたＷ針の上に半導体を形成させているが、一
度高真空中で１０００℃程度以上の加熱をする等の工程
によって先端に結晶学的に安定な面を形成してから半導
体を成長させると、トンネル効果の条件をそろえる事に
なり、いっそう効果的である。

【００３４】また、本実施例においては、障壁井戸層を
針先端に選択的に成長させるための例として、走査トン
ネル顕微鏡によって先端に付けたＡｕによるサーファク
タント（界面活性剤）効果を用いたが、同様の効果を示
す他の材料を用いても良く、さらに、走査トンネル顕微
鏡によらずとも、Ｗ針に電圧をかけ、先端の高電界で材
料ガスを解離させる等の方法によってＷ針先端に選択的
に成長させれば、本実施例と同様の効果がある。

【００３５】（実施例２）図８に、本発明の実施例の１
つを示す。ｎ+型ＧａＡｓ（１１１）面基板８１上に、
ＭＢＥ法によって７ｎｍのＧａＡｓ層８２を単結晶成長
させる（図８ａ）。次に、２００ｎｍのＳｉＯ₂層８３
をＣＶＤ法により堆積する（図８ｂ）。表面の所望の領
域に直径１００μｍ程度のフォトレジスト膜８４を形成
する（図８ｃ）。フォトレジスト膜８４をマスクとして
ＨＦ−ＮＨ₄ＯＦ混合水溶液によりＳｉＯ₂層８３をエッ
チングする（図８ｄ）。成形されたＳｉＯ₂層８３をマ
スクとして、６０℃に保ったＨ₂ＳＯ₄−Ｈ₂Ｏ₂混合水溶
液中でＧａＡｓ層８２、ｎ+型ＧａＡｓ（１１１）基板
８１をエッチングする。この液はＧａＡｓを等方的にエ
ッチングするため、基板を下方向にエッチングすると同
時にＳｉＯ₂層下のＧａＡｓを横方向にもエッチング
し、適当な時間でエッチングを停止すると、先端にＧａ
Ａｓ薄膜のついた針状の構造が得られる（図８ｅ）。こ
の後、超音波洗浄などによって、上部に残ったＳｉＯ₂
層８３を除去し、実施例１と同様の構造の電子線源が得
られる。本実施例によれば、一度に多数の電子線源が、
再現性良く得られる。

【００３６】この電子線源を単独で用いる場合には、基
板８１裏面を薄く削り、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ膜等のオーミ
ック接触層と、ハンダ、Ａｕ等の接着層を形成した後、
一個ずつ切り離し、金属台に加熱接着する。

【００３７】本実施例においては材料の例としてＧａＡ
ｓを用いたが、同様の工程を行えば、実施例１で示した
ような他の材料系を用いても同様の効果がある。

【００３８】（実施例３）図９に、本発明の実施例の１
つを示す。ｎ+型ＧａＡｓ（１１１）基板９１上に、２
μｍのＳｉＯ₂層９２と５００ｎｍのＷ層９３をＣＶＤ
法で堆積する（図９ａ）。次に、直径２μｍ程度の孔を
開けたフォトレジスト膜をマスクとしてＮＨ₄ＯＨ−Ｈ₂
Ｏ₂水溶液により、Ｗ層９３に孔を開け、さらに、ＨＦ
−ＮＨ₄ＯＦ混合水溶液によりＳｉＯ₂層９２をエッチン
グする。このとき、エッチング時間を長くとり、Ｗ層９
３より大きな孔とする（図９ｂ）。フォトレジスト膜を
除去、洗浄後、超高真空中に導入し、５４０℃５分程度
の加熱でＧａＡｓ基板表面を清浄化し、基板温度を４５
０℃程度に保ち、Ｗを０．１ｎｍ／ｓｅｃ程度の速度で
１．５μｍ程度蒸着する。その結果、Ｗ層９３上にＷ膜
９５が、ＧａＡｓ基板９１上に円錐状のＷ針９４が形成
される（図９ｃ）。さらに、続けてＧａＡｓを蒸着し、
Ｗ針９４周辺を単結晶のＧａＡｓ膜９６で覆う（図９
ｄ）。ＧａＡｓは、下地のＧａＡｓ基板９１の結晶から
エピタクシャル成長するので、蒸着ＧａＡｓ層は単結晶
となっている。蒸着量は、Ｗ針頂上付近に７ｎｍのＧａ
Ａｓ膜が被覆するように調節する。厚みを増すには蒸着
を引き続き行えばよい。厚みを減じるにはＨ₂ＳＯ₄−Ｈ
₂Ｏ₂混合水溶液でＧａＡｓ膜をエッチングすればよい。
他の領域は多結晶体のＧａＡｓ堆積膜９７となる。この
結果、実施例１と同様の構造の電子線源が得られる。本
実施例によれば、一度に多数の電子線源が再現性良く得
られる。また、Ｗ層９３を電子引き出し電極（陽極）と
して使用すると、陰極と陽極が１μｍ程度と近いため、
１００Ｖ程度の小さな引き出し電圧で単色電子線が得ら
れ、しかも小型の単色電子線源装置が得られる。

【００３９】本実施例においては、材料の例としてＷ、
ＧａＡｓの組み合わせを用いたが、同様の工程を行え
ば、ＮｉＡｌ、ＧａＡｓの組み合わせ等の実施例１で示
した他の材料系を用いても同様の効果がある。

【００４０】また、本実施例で用いた形成工程以外の方
法を用いても、同様の構造が得られれば、同様の効果が
ある。

【００４１】なお、本実施例の電子線源を図１０の様
に、同一基板上に多数形成した電子線源を用いると、単
色電子線をマルチビーム化することができ、電子線描画
装置の高スループット化、ＣＲＴディスプレーの高速
化、あるいは高精細化、あるいは小型化等に効果があ
る。上記マルチビーム電子線源では、構成要素である各
電子線源１０１の、被覆膜厚（蒸着とエッチングで制
御）、印加電圧（可変抵抗Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４で制
御）を変化させることにより、放出電子の単色エネルギ
ー値をｈｖ１、ｈｖ２、ｈｖ３、ｈｖ４、のようにそれ
ぞれ異なった値に制御することができ、所望のエネルギ
ースペクトル群を得ることができる。

【００４２】上記のスペクトルは多数の単色スペクトル
の和であったが、印加電圧を被覆膜厚と独立に制御する
ことができる特徴を利用することにより、被覆膜厚の違
いによりばらついた単色エネルギー値を、各電子線源素
子の印加電圧を調節することで、全体的にエネルギーの
そろった単色電子線源を得ることもできる。この場合、
電子線源の明るさは、電子線源素子が単一のものと較べ
て、該素子の個数分だけ明るくなる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る単色
化電子線源およびその製造方法においては、陰極である
導電体の上に被覆膜を設けて障壁井戸層を形成し、その
量子準位を介した共鳴トンネル現象により電子を放出さ
せることにより、簡単な構造で、極めてエネルギー幅の
狭い電子線が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る実施例１の電子線源構造（ａ）と
エネルギー構造の説明図（ｂ）である。

【図２】従来の電界放出型電子線源のエネルギー構造
（ａ）と放出電子のエネルギー分布の説明図（ｂ）であ
る。

【図３】本発明に係る電子線源における（ａ）印加電圧
ゼロ、（ｂ）電圧印加後、のエネルギー構造の説明図で
ある。

【図４】本発明に係る実施例１の電子線源の形成工程図
である。

【図５】実施例１の電子線源のエネルギー構造図であ
る。

【図６】実施例１の電子線源から放出された電子のエネ
ルギースペクトルの共鳴トンネル効果を示す図である。

【図７】同上、印加電圧を変えたときのエネルギースペ
クトルを示す図である。

【図８】本発明に係る実施例２の電子線源の形成工程図
である。

【図９】本発明に係る実施例３の電子線源の形成工程図
である。

【図１０】実施例３のマルチビーム電子線源の素子構造
を示す図である。

【符号の説明】

１：導電体２：被覆膜２′：障壁井戸層３：電子４：陽極５：電源６：真空７：量子準位３１：導電体３２：被覆膜３３：真空３３′：ポテンシャル
障壁３４：導電体の仕事関数３５：被覆膜の電子親
和力３６：エネルギー障壁３７：フェルミ準位３８：伝導帯端３８′：障壁井戸層３９：価電子帯端４１：Ｗ針４２：Ａｕ吸着層４３：Ａｕ基板４４：ＧａＡｓ膜８１：ｎ+ＧａＡｓ
（１１１）基板８２：ＧａＡｓ膜８３：ＳｉＯ₂膜８４：フォトレジスト膜９１：ｎ+ＧａＡｓ
（１１１）基板９２：ＳｉＯ₂層９３：Ｗ層９４：Ｗ針９５：Ｗ膜９６：ＧａＡｓ膜９７：ＧａＡｓ堆積膜１０１：電子線源１０２：印加電圧１０３：可変抵抗１０４：放出単色電子
線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者西山英利東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者奥山裕東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者近藤正彦東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】陰極である導電体の表面に少なくとも一層
の被覆膜があり、対向する電極の陽極に対して負の電圧
を印加することにより、該被覆膜の少なくとも一層に電
場勾配によるポテンシャルの三角形状の障壁井戸層が形
成され、かつ、該障壁井戸層の中に量子準位を生じ、該
量子準位を介して電子を放出することを特徴とする単色
化電子線源。
【請求項２】針状に形成された導電体の陰極と、空間を
隔てて設けられた陽極よりなる電子線源において、電子
を放出する上記陰極の先端部分は上記導電体の表面に少
なくとも一層の被覆膜を有する構造であり、上記導電体
はフェルミ準位付近の電子状態がゼロでない材料で構成
され、また、上記被覆膜は、上記陽極と上記陰極との間
に電圧を印加することにより電場勾配を生じる半導体あ
るいは絶縁物よりなる材料で、かつ、膜厚が伝導電子の
ド・ブロイ波長程度であることを特徴とする請求項１に
記載の単色化電子線源。
【請求項３】上記陰極より放出される電子の単色エネル
ギーの値は、上記陰極と上記陽極との間に印加される電
圧により制御されることを特徴とする請求項１または２
に記載の単色化電子線源。
【請求項４】上記電子線源の陰極を構成する材料は、そ
れぞれ単結晶の半導体あるいは絶縁体であり、上記被覆
膜は母材である上記導電体に対してエピタキシャル成長
した結晶であることを特徴とする請求項１、２または３
に記載の単色化電子線源。
【請求項５】上記導電体は金属、あるいは半金属であ
り、上記被覆膜は上記導電体の表面にエピタキシャル成
長したものであることを特徴とする請求項１、２または
３に記載の単色化電子線源。
【請求項６】上記導電体および上記被覆膜のうちの少な
くとも一つは非晶質体であることを特徴とする請求項
１、２または３に記載の単色化電子線源。
【請求項７】請求項１から請求項６までに記載された単
色化電子線源のうちの少なくとも一種の単色化電子線源
を複数個有し、該電子線源が同一基板上に形成され、電
圧は上記各電子線源に対して独立に印加でき、かつ、陽
極も上記同一基板上に形成された構造であることを特徴
とする電子線源装置。
【請求項８】請求項１から請求項７までのいずれかに記
載の電子線源の製造方法において、上記被覆膜をあらか
じめ上記導電体の基板上に形成し、その後、溶液、ガ
ス、プラズマ等を用いたエッチングにより上記電子線源
の構造に形成することを特徴とする単色化電子線源の製
造方法。