WO2006135094A1

WO2006135094A1 - ダイヤモンド電子放射陰極、電子放射源、電子顕微鏡及び電子ビーム露光機

Info

Publication number: WO2006135094A1
Application number: PCT/JP2006/312263
Authority: WO
Inventors: Yoshiyuki Yamamoto; Akihiko Ueda; Yoshiki Nishibayashi; Takahiro Imai
Original assignee: Sumitomo Electric Industries, Ltd.
Priority date: 2005-06-17
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2006-12-21
Also published as: JPWO2006135093A1; EP1892741B1; CA2608548A1; EP1892740A1; JP4868295B2; EP1892742A1; EP1892740B1; US20080067493A1; EP1892740A4; CA2608851A1; US7737614B2; EP1892741A1; JPWO2006135094A1; EP1892742B1; WO2006135093A1; CA2608982A1; WO2006135092A1; JP4868294B2; EP1892741A4; JP4868293B2

Description

明細書

ダイヤモンド電子放射陰極、電子放射源、電子顕微鏡及び電子ビーム露光機

技術分野

[0001] 本発明は、電子顕微鏡、電子ビーム露光機などの電子線及び電子ビーム機器、進行波管、マイクロ波管など真空管に用いられるダイヤモンド電子放射陰極及び電子放射源及びこれらを用いた電子機器に関する。

背景技術

[0002] 電子はマイナスの電荷を持ち、質量が極めて小さ!/、ため、電子を一方向に揃えて走らせた電子ビームは以下のような特徴を有している。（1)電界や磁界で方向ゃ収束度を制御できる。（2)電界による加減速で広範囲なエネルギーが得られる。（3)波長が短いため、細く絞り込むことができる。このような特徴を活力した電子顕微鏡や、電子ビーム露光機が広く普及している。これらの陰極材料として、例えば、熱電子放射源としては安価な Wフィラメントや、輝度の高い電子ビームが得られる LaB等の六

6 ホウ化物がある。また、さらに高輝度でエネルギー幅の狭い陰極として、量子効果によるトンネル現象を利用した先鋭化 Wや、電界によるショットキー効果を利用した ZrO /Wが用いられている。

[0003] し力しながら、 Wフィラメントは安価である反面、寿命が 100時間程度と極端に短いために、フィラメントが切れた場合、真空槽を大気開放したり、電子ビームの光軸を調整したりする等の交換作業を頻繁に行わねばならないといった問題がある。 LaB

6は

Wフィラメントと比較して寿命が 1000時間程度と長いが、比較的高輝度ビームが得られる装置で使用されているために、交換作業は装置メーカーが行う場合が多ぐコストがかかるといった問題がある。より高輝度が得られる先鋭化 Wや、寿命が 1年程度と比較的長ヽ ZrOZWにつヽても交換コストが高く問題がある。

[0004] 電子顕微鏡にお!/、てはより小さ!/、ものを高精度に観察した、と、う要求があることや、電子ビーム露光機においては 65nmノード以細の開発が進んできていることから、さらに高輝度でエネルギー幅が狭い陰極が求められている。 [0005] このような期待に答える材料の一つとして、ダイヤモンドがある。ダイヤモンドには非特許文献 1あるいは非特許文献 2にあるように電子親和力が負（NEA)の状態、あるいは仕事関数が小さ、金属と比較しても小さな正 (PEA)の状態が存在する。この非常に稀な物性を活かせば、 Wフィラメントや LaB、あるいは ZrOZWのように 1000

6

°cを超える高熱の必要なしに高電流密度電子放射が可能であり、エネルギー幅が狭く抑えられる。そして、駆動温度が低いために長寿命が期待できる。また、非特許文献 3のような先端径 10nmが得られる微細加工技術があるので高輝度化についても問題ない。また、ダイヤモンドについては、上記電子親和力を有することが判明して以来、非特許文献 4や特許文献 1のような電子源がこれまでに提案されてきた。

[0006] 非特許文献 1 : F. J. Himpsel et al. , Phys. Rev. B. , Vol.20, Number 2 (19 79) 624- f^^ j¾2 :J. Ristein et al. , New Diamond and Frontier Carbon Techn ology, Vol.10, No.6, (2000) 363- 非特許文献 3 :Y. Nishibayashi et al. , SEI Technical Review, 57, ( 2004 ) 31- 非特許文献 4 :W. B. Choi et al. , J. Vac. Sci. Technol. B 14, (1996 ) 2051 - 特許文献 1：特開平 4— 67527号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] し力しながら、上記のダイヤモンドを用いた電子源を広く普及している電子顕微鏡や電子ビーム露光機で使用する場合、それぞれに問題がある。すなわち、非特許文献 3に記載されたような電子放出点が複数並べられた構造では面電子源となるために、収束させて微細ビームとするのは困難である。また装置への実装も容易でない。非特許文献 4では先端が鋭ヽ Moにダイヤモンドがコーティングされており、形状としては問題ないが、多結晶であるために個体差や電気特性のばらつきが問題である。特許文献 1で提案されてヽる構造も面電子源であるために収束ビームを得るのは困難である。また、装置への実装も容易でない。 [0008] そこで、本発明は、力かる事情に鑑みてなされたものであり、電子線及び電子ビーム機器や真空管、特に、電子顕微鏡や電子ビーム露光機に使用される、ダイヤモンドを用いた高輝度でエネルギー幅が狭ヽ電子放射陰極及び電子放射源、及びこれらを用いた電子顕微鏡、電子ビーム露光機を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0009] 上記課題を解決するために、本発明によるダイヤモンド電子放射陰極は、以下の構成を採用する。

( 1)本発明によるダイヤモンド電子放射陰極は、少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドを有するダイヤモンド電子放射陰極であって、当該ダイヤモンド電子放射陰極が先鋭部と加熱部とを有し、一ヶ所の電子放射部を有する先鋭部を持つ柱状であり、ダイャモンドからなる半導体が存在し、前記半導体は p型不純物を 2 X 10¹⁵cm ³以上含む P型半導体であり、前記電子放射部には前記半導体が存在し、当該電子放射陰極の表面には金属層が形成され、前記金属層は前記加熱部の少なくとも一部に存在し、前記電子放射部力も金属層の端部までの最も近傍における距離が 500 m以下であり、一対の電流導入端子で前記加熱部に電流を供給して加熱すると共に、導入した電子の一部を該電子放射部力放出することができることを特徴とする。

[0010] このダイヤモンド電子放射陰極にぉヽては、ほとんど異種材料を含まな!/、ので、熱膨張係数の差による加熱冷却時の陰極破損がない。なお、ここで言うほとんどとは、ダイヤモンド電子放射陰極の陰極形状がダイヤモンド以外の材料に依存して、なヽ場合を指す。すなわち、非特許文献 4に記載されているダイヤモンドが先端の鋭い M oにコーティングされた形状のように、加熱部を除く陰極形状がダイヤモンド以外の材料に主として依存している場合は含まない。また、少なくとも一部が単結晶ダイヤモンドで構成されているため、多結晶では困難な、ダイヤモンドを陰極材料とするために必要な P型不純物のドーピング濃度の制御力ダイヤモンドの気相成長にお!、て可能である。また加熱により放出電流の安定ィ匕に必要な先鋭部表面に付着した水分等の除去が、加熱部を介して容易に行うことができる。また一箇所の電子放射部を有する先鋭部を持つ柱状であるので、高輝度な電子放射陰極が作製可能である。

[0011] 本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極は、電子放射部が p型半導体であることを特徴とする。 P型半導体ダイヤモンドは、その表面の電子親和力が小さぐまた伝導帯が電子にとって低エネルギー側に曲がっている。そのために、 p型半導体ダイヤモンド表面の伝導帯に電子が効率的に注入できれば、高密度に電子放出させることが可能である。本発明では、金属層を電子放射部近傍にまで形成することによって、電子放射部表面の P型半導体ダイヤモンドの伝導帯に電子注入を容易にすることができる。近傍まで金属層を形成することによって、注入された電子が再結合するまえ〖こ、電子放射部に到達し、放出される。

[0012] また本発明に係るダイヤモンド電子放射陰極の表面は金属層が形成され、かかる金属層は電子放射部力金属層の端部までの最も近傍における距離が 500 /z m以下である。 p型半導体には伝導帯に電子がないが、電子放射部近傍にまで金属層を形成することで電子放射部により多くの電子が輸送できるようになり、供給された電子が再結合する前に電子放出部に到達し、放出させることができるので高効率な電子放出が実現する。さらに加熱のための電源電圧を小さくすることができ、電子顕微鏡、電子ビーム露光機など電子ビーム機器への実装に適している。なお金属層の端部までの距離としては、 100 /z m以下がより好ましい。電子放射陰極の金属被覆による電子放射部への電子輸送効率の改善効果がより一層顕著に現れる。

さらに本発明に係るダイヤモンド電子放射陰極は、一対の電流導入端子で前記カロ熱部に電流を供給できるので、 Wフィラメントや LaB、あるいは ZrOZWなどの従来

6

の電子源との互換性があることから、すでに普及して、る電子顕微鏡や電子線露光機と!/、つた電子線機器への搭載が容易である。

[0013] (2)本発明に係るダイヤモンド電子放射陰極は、少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドを有するダイヤモンド電子放射陰極であって、当該ダイヤモンド電子放射陰極が先鋭部と加熱部とを有し、一ヶ所の電子放射部を有する先鋭部を持つ柱状であり、ダイャモンドからなる半導体が存在し、前記半導体が n型不純物を 2 X 10¹⁵cm ³以上含む n型半導体であり、前記電子放射部には前記半導体が存在し、当該電子放射陰極の表面には金属層が形成され、前記金属層は前記加熱部の少なくとも一部に存在し、前記電子放射部力も金属層の端部までの最も近傍における距離が 500 m以下であり、一対の電流導入端子で前記加熱部に電流を供給して加熱すると共に、導入した電子の一部を該電子放射部力放出することができることを特徴とする。

本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極は、電子放射部が抵抗率が低！、n型不純物を 2 X 10¹⁵cm ³以上含む n型半導体である。電子放射部が n型半導体で構成されている場合、一対の電流導入端子力供給された電子が、メジャーキャリアが電子であるダイヤモンド半導体のみで輸送されて電子放射部力真空中に放出される。電流導入端子から電子放射部までの電子輸送を効率よく行い、伝導帯にキャリアとして電子が存在するので導入した電子を前記電子放射部から高電流密度での電子放射が可能である。

また、本発明に係るダイヤモンド電子放射陰極の表面は金属層が形成され、かかる金属層は電子放射部力金属層の端部までの最も近傍における距離が 500 /z m以下である。 n型ダイヤモンド半導体は、伝導帯に電子が存在するものの金属層に比べると抵抗が比較的大きぐ一対の電流導入端子力も電子放射部までの間の抵抗値が高くなるために大電流放出を妨げる要因となる。本発明においては、電子放射部近傍まで金属層を形成することで、一対の電流導入端子力電子放射部までの間の抵抗値を低くすることができ、結果的に大電流放出を可能とする。さらに加熱のための電源電圧を小さくすることができ、電子顕微鏡、電子ビーム露光機など電子ビーム機器への実装に適している。なお、金属層の端部までの距離としては 100 m以下がより好まヽ。電子放射陰極の金属被覆による電子放射部への電子輸送効率の改善効果がより!/、つそう顕著に現れる。

(3)本発明に係るダイヤモンド電子放射陰極は、少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドを有するダイヤモンド電子放射陰極であって、当該ダイヤモンド電子放射陰極が先鋭部と加熱部とを有し、一ヶ所の電子放射部を有する先鋭部を持つ柱状であり、ダイャモンドからなる半導体が存在し、前記半導体は 300Kにおけるキャリア濃度が 1 X 1 0⁹cm ³以下である真性半導体であり、前記電子放射部には前記半導体が存在し、当該電子放射陰極の表面には金属層が形成され、前記金属層は前記加熱部の少なくとも一部に存在し、前記電子放射部から金属層の端部までの最も近傍における距離力 00 m以下であり、一対の電流導入端子で前記加熱部に電流を供給して加熱すると共に、導入した電子の一部を該電子放射部から放出することができる。本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極は、電子放射部が真性半導体である。電子放射部が真性半導体である場合、その表面の伝導帯は電子にとってエネルギ一的に平坦なものになっていて、かつ負の電子親和力をとる。さらに伝導帯の電子にとって、再結合の相手となる正孔濃度が小さいので、再結合確率も非常に小さくなる。よって、電子放射部表面付近の伝導帯に電子が注入されさえすれば、非常に効率よく電子を放出することが可能である。本発明では、金属層を電子放射部近傍にまで形成することによって、電子放射部表面の真性半導体ダイヤモンドの伝導帯に電子注入を容易にすることができる。

また、真性半導体は高抵抗であるため、一対の電流導入端子から電子放射部までの抵抗値が非常に高くなり、大電流放出の妨げとなる。一対の電流導入端子から、電子放射部までの抵抗値を、表面に形成した金属層によって下げることができる。さらに、加熱のための電源電圧を小さくすることができる。

(4)本発明に係るダイヤモンド電子放射陰極は、前記ダイヤモンドからなる半導体が、二種類以上の電気的性質が異なる半導体で構成され、該半導体を構成する一種類力 ¾型不純物を 2 X 10¹⁵cm ³以上含む p型半導体であり、もう一種類が 300Kにおけるキャリア濃度が 1 X 10⁹cm ³以下である真性半導体であり、前記電子放射部には前記真性半導体が存在することを特徴とする。

電気的性質が異なるとは、ダイヤモンド中の不純物種や不純物濃度が異なる結果、半導体伝導型や抵抗率、実効的な仕事関数や電子親和力などが異なることである。これらを上手く組み合わせることによって、高効率な電子放射陰極を実現することができる。ダイヤモンド半導体としては、 p型不純物のァクセプタ順位が比較的浅く低抵抗が得られやすぐ電子親和力が小さい、あるいは、負が得られやすいことから、 p 型不純物を 2 X 10¹⁵cm ³以上含む p型半導体が適している。抵抗率が低い半導体を使用することによって、電子放射陰極全体の抵抗率が低くなるため、比較的低効率が高い電子放射陰極と同じ温度にしょうとする場合、通電加熱電流を大きくすることができるため、電子放射部に到達する電子が増加する場合、電子放出効率が上がるために好ましい。

電気的性質が異なるとは、ダイヤモンド中の不純物種や不純物濃度が異なる結果、半導体伝導型や抵抗率、実効的な仕事関数や電子親和力が異なることである。これらを上手に組み合わせることによって、高効率な電子放射陰極を実現することができる。

本発明においては、 p型半導体ダイヤモンドと真性半導体の組み合わせである。 p 型半導体ダイヤモンドは n型半導体ダイヤモンドに比べて抵抗値力 S小さぐ大放出電流に有利である。電子放出部は真性半導体ダイヤモンドからなる。電子放出部が真性半導体である場合、その表面の伝導帯は電子にとってエネルギー的に平坦なものになっていて、かつ負の電子親和力をとる。さらに伝導帯の電子にとって、再結合の相手となる正孔濃度が小さいので、再結合確率も非常に小さくなる。よって、電子放射部表面付近の伝導帯に電子が注入されさえすれば、非常に効率よく電子を放出することが可能である。

本発明では、金属層を電子放射部近傍にまで形成することによって、電子放射部表面の真性半導体ダイヤモンドの伝導帯に電子注入を容易にすることができる。また、真性半導体は高抵抗であるため、一対の電流導入端子から電子放射部までの抵抗値が非常に高くなり、大電流放出の妨げとなる。本発明では、 p型半導体ダイャモンドとの組み合わせであり、かつ表面に金属層が存在することから、一対の電流導入端子から、電子放射部までの抵抗値を下げることができる。さらに、加熱のための電源電圧を小さくすることができる。

(5)本発明に係るダイヤモンド電子放射陰極は、前記ダイヤモンドからなる半導体が、二種類以上の電気的性質が異なる半導体で構成され、該半導体を構成する一種類が n型不純物を 2 X 10¹⁵cm ³以上含む n型半導体であり、もう一種類が 300Kにおけるキャリア濃度が 1 X 10⁹cm ³以下である真性半導体であり、前記電子放射部には前記真性半導体が存在することを特徴とする。

本発明においては、 n型半導体ダイヤモンドと真性半導体の組み合わせである。 n 型半導体ダイヤモンドは、伝導帯にキャリアとして電子が存在するため、電子放出に有利である。電子放射部は真性半導体ダイヤモンドである。電子放出部が真性半導体である場合、その表面の伝導帯は電子にとってエネルギー的に平坦なものになつていて、かつ負の電子親和力をとる。さらに伝導帯の電子にとって、再結合の相手となる正孔濃度が小さいので、再結合確率も非常に小さくなる。よって、電子放射部表面付近の伝導帯に電子が注入されさえすれば、非常に効率よく電子を放出することが可能である。

本発明では、 n型半導体ダイヤモンドの伝導帯に存在する電子が、電子放射部の真性半導体の伝導帯に注入され、効率よく電子放出される。

また、真性半導体は高抵抗であるため、一対の電流導入端子から電子放射部までの抵抗値が非常に高くなり、大電流放出の妨げとなる。本発明では、 n型半導体ダイャモンドとの組み合わせであり、かつ表面に金属層が存在することから、一対の電流導入端子から、電子放射部までの抵抗値を下げることができる。さらに、加熱のための電源電圧を小さくすることができる。

[0017] (6)本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極は、電子放射部を含むダイヤモンド全体の短手方向の長さが、 0. 05mm以上 2mm以下でアスペクト比が 1以上の柱状であることが好適である。このような形状により、電子顕微鏡、電子ビーム露光機など電子ビーム機器への実装が容易となる。なお、ここで言う短手方向とは、ダイヤモンド電子放射陰極の電子放射部と反対側の底部の差し渡し幅のことを指す。ダイヤモンド電子放射陰極が直方体である場合は、底部の差し渡し幅の短い辺を指す。また、アスペクト比とは、電子放射部先端から反対側底部までの長さを長手方向とした際における長手方向と短手方向との長さの比のことである。

[0018] (7)本発明によるダイヤモンド電子放射陰極は、先鋭部に形成された電子放射部を頂点とした少なくとも一面が（111)結晶面 [ (111)ジャスト面から士 7° のオフ面を含む]で形成されていることが好適である。気相成長における安定成長面は（100)面か (111)面であるが、（111)面は気相成長において n型不純物の取り込み効率が（10 0)面と比較して 10倍以上高い。このことは、ダイヤモンドの（111)結晶面は n型不純物の高濃度ドーピングが可能であり、金属的な電気伝導が容易に得られ、高電流密度での電子放射が可能であることを意味する。従って、電子放射部が（111)結晶面を含む場合には高輝度な電子放射陰極を容易に得ることができる。

[0019] (8)本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極は、前記電子放射部を構成するダイャモンドの表面が、水素原子で終端されていることが好適である。ダイヤモンド表面のダングリングボンドが水素原子で終端することによって、電子親和力がより小さくなる。あるいは、実効的な仕事関数が小さくなる。このために、高効率な電子放出が実現する。電子放出部のダイヤモンド表面のダングリングボンドの 50%以上が水素原子で終端されていれば効果はより一層効果的である。

(9)本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極の n型半導体を含む部分は、 300K ( 室温）において抵抗率が 300 Ω cm以下であることが好適である。この場合、 n型不純物を含む部分に電子が効率よく供給される結果、高密度電子放射が可能であり、高輝度電子放射陰極が得られる。なお、ここでいう室温抵抗率とは、電子放射部近傍の低効率を指す。

(10)本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極の電子放射部を有する先端部は、先端径もしくは先端曲率半径が 30 m以下であることが好適である。電子放射部となる先端部分をこのような小さなサイズとすることにより、より高輝度な電子放射陰極とすることができる。

(11)本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極の電子放射部は、突起構造であつて、突起の先端径が 5 m以下でアスペクト比が 2以上であることが好適である。電子放射陰極としてのダイヤモンド単結晶全体のうちの電子放射部のみがこのような先鋭形状を持つことによって、電子顕微鏡や電子ビーム露光機などへの実装が容易で且つ、高輝度なダイヤモンド熱電界電子放射陰極やダイヤモンド電界電子放射陰極が実現できる。

[0020] (12)本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極の電子放射時の温度は、 400K以上 1200K以下が好適である。さらに好ましくは、 400K以上 900K以下が好ましい。前記温度範囲で使用すれば、電子放出電流、寿命ともに従来の電子源を上回ることができる。

(13)本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極は、エネルギー幅が 0. 6eV以下の電子線を放出することを特徴としても良い。ダイヤモンド電子放射陰極として良質な電子ビームが提供可能となる。

(14)本発明におけるダイヤモンド電子放射源を電子顕微鏡や電子ビーム露光機などに実装するための構造体であるダイヤモンド電子放射源は、本発明における前述のダイヤモンド電子放射陰極と、絶縁性セラミックと、ダイヤモンド電子放射陰極に電流を供給するための一対の端子力なる構造体であって、端子間の抵抗値が 10 Ω 以上 3k Ω以下であることが好適である。この場合、従来陰極材料が使用されている電子ビーム機器の電源系に特別な工夫なく本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極を取り付けることが可能となる。

[0021] (15)本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極を電子顕微鏡や電子ビーム露光機などに実装するための構造体であるダイヤモンド電子放射源は、本発明における前述のダイヤモンド電子放射陰極と、絶縁性セラミックと、ダイヤモンド電子放射陰極に電流を供給するための一対の端子力なる構造体であって、端子間の抵抗値が 10 Ω以上 700 Ω以下であることが好適である。この場合、従来陰極材料が使用されて V、る電子ビーム機器の電源系に特別な工夫なく本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極を取付けることが可能な上に、金属層がないダイヤモンド電子放射陰極と比ベて高輝度な電子放射源となる。

(16)本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極を電子顕微鏡や電子ビーム露光機などに実装するための構造体であるダイヤモンド電子放射源は、本発明におけるダィャモンド電子放射陰極と、絶縁性セラミックと、ダイヤモンド電子放射陰極を把持し前記絶縁性セラミックに固定すると共にダイヤモンド電子放射陰極に電流を供給するための一対の支柱兼端子力もなる構造体であって、前記支柱兼端子が前記ダイヤモンド電子放射陰極と直接接触してヽることを特徴とする。

[0022] このダイヤモンド電子放射源においては、新規陰極材料であるダイヤモンド電子放射陰極を従来陰極材料である Wフィラメントや LaB、あるいは先鋭化 W、 ZrOZWが

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使用されている電子ビーム機器に極めて容易に取替えが可能である上に、支柱兼端子がダイヤモンド電子放射陰極を直接把持して、る構造のために、作製時の光軸合わせが容易な上に、使用時の位置ズレゃ脱落の可能性が著しく低い。 (17)本発明によるダイヤモンド電子放射源においては、一対の端子、あるいは支柱兼端子に使用される金属の融点が 1700K以下であることを特徴としても良ヽ。ダイヤモンドは Wフィラメントや LaB、 ZrOZW等よりも低温で電子放出が可能なため、融

6

点が低い金属が使用可能であり、低コストな金属材料を使用して電子放射源を構成することができる。

[0023] (18)本発明の電子顕微鏡は、本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極またはダィャモンド電子放射源が搭載されてヽることを特徴とする。本発明のダイヤモンド電子放射陰極またはダイヤモンド電子放射源は、高電流密度、高輝度、低エネルギー幅の電子ビームが得られるため、従来陰極材料が使用されている電子顕微鏡と比較して高倍率観察が可能である。

[0024] (19)本発明の電子ビーム露光機は、本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極またはダイヤモンド電子放射源が搭載されてヽることを特徴とする。本発明のダイヤモンド電子放射陰極またはダイヤモンド電子放射源は、高電流密度、高輝度、低エネルギ一幅の電子ビームが得られるため、従来陰極材料が使用されて、る電子ビーム露光機と比較して微細パターンを高スループットで描画することが可能である。発明の効果

[0025] 本発明によれば、真空管や、電子ビーム分析装置、加速器、殺菌用電子線照射装置、 X線発生装置、榭脂用照射装置、電子ビーム加熱装置など、電子線を使う全ての機器に使用可能な高効率電子放射陰極及び電子放射源が実現される。特に電子顕微鏡や電子ビーム露光機に使用される、ダイヤモンドを用いた高輝度でエネルギ一幅が狭い電子放射陰極及び電子放射源が実現される。また、これらを用いて高倍率観察が可能な電子顕微鏡や、微細パターンを高スループットで描画可能な電子ビーム露光機が実現される。

発明を実施するための最良の形態

[0026] 以下、添付図面を参照して、本発明に係るダイヤモンド電子放射陰極及び電子放射源及び電子顕微鏡、電子ビーム露光機の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。 [0027] 図 1は、本発明によるダイヤモンド電子放射陰極の一実施形態を示す斜視図である。力かるダイヤモンド電子放射陰極 10は、少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドが用いられる。単結晶ダイヤモンドとしては天然の単結晶や、高温高圧合成法あるいは気相合成法で人工合成した単結晶又はこれらの組み合わせを用いることができる。図 1に示すように、ダイヤモンド電子放射陰極 10は、一ヶ所の電子放射部 4を有する先鋭部を持つ柱状に構成されて、る。このダイヤモンド電子放射陰極 10の表面には金属層 6が形成され、金属層 6には加熱部 5が存在している。

図 2は、図 1におけるダイヤモンド電子放射陰極 10を示す 3面図である。図 2 (a)は平面図、（b)は正面図、（c)は右側面図である。図 2の平面図に示すダイヤモンド電子放射陰極 10は、電子放射部 4と加熱部 5とを有する。ダイヤモンド電子放射陰極 1 0は、表面外周全体を金属層 6によって被覆されている。

図 2 (c)に示すように、前記電子放射部 4の先端から金属層 6の端部までの最も近傍における距離 (1)は 500 μ m以下であり、図示しない一対の電流導入端子で前記加熱部 5に電流を供給して加熱すると共に、導入した電子の一部を前記電子放射部 4から放出することができることを特徴とする。

[0028] 図 3は、図 2における III— III矢視断面図である。図 3に示すように、ダイヤモンド電子放射陰極 10は、電子放射部 4と加熱部 5とを有する。ダイヤモンド電子放射陰極 10 は、ダイヤモンド半導体 3の表面全体を金属層 6によって被覆することによって構成されている。ダイヤモンド半導体 3としては、 p型不純物を 2 X 10¹⁵cm ³以上含む p型半導体ダイヤモンドで構成されてヽる。電子放射部 4は p型半導体ダイヤモンド 3で構成されている。

図 4は、図 2における III III矢視断面図である力図 3に示すダイヤモンド電子放射陰極 10とは別のダイヤモンド電子放射陰極である。これは二種類以上の電気的性質が異なるダイヤモンド半導体で構成されてヽる点に特徴を有する。図 4に示すように、このダイヤモンド電子放射陰極 10は、電子放射部 4と加熱部 5とを有する。ダイヤモンド電子放射陰極 10は、ダイヤモンド半導体の表面外周全体を金属層 6によって被覆されることによって構成されている。ダイヤモンド半導体 13は、 p型不純物を 2 X 10 1⁵cm ³以上含む p型半導体ダイヤモンドであり、もう一種類の半導体 16は 300Kにおけるキャリア濃度が 1 X 10⁹cm ³以下である真性半導体である。前記電子放射部 4には前記真性半導体 16が存在している。

[0029] 図 3に基づいてダイヤモンド電子放射陰極の他の一実施形態を説明する。力かるダイヤモンド電子放射陰極 10は、少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドが用いられている。単結晶ダイヤモンドとしては天然の単結晶や、高温高圧合成法あるいは気相合成法で人工合成した単結晶又はこれらの組み合わせを用いることができる。ダイヤモンド電子放射陰極 10は、 n型半導体ダイヤモンドで構成されて、る。

[0030] 図 4は、更に他のダイヤモンド電子放射陰極 10である。これは二種類以上の電気的性質が異なるダイヤモンド半導体で構成されてヽる点に特徴を有する。図 4に示すように、このダイヤモンド電子放射陰極 10は、電子放射部 4と加熱部 5とを有する。ダィャモンド電子放射陰極 10は、ダイヤモンド半導体の表面外周全体を金属層 6によつて被覆されることによって構成されている。ダイヤモンド半導体 13は、 n型不純物を 2 X 10¹⁵cm ³以上含む n型半導体ダイヤモンドであり、もう一種類の半導体 16は 300 Kにおけるキャリア濃度が 1 X 10⁹cm ³以下である真性半導体である。前記電子放射部 4には前記真性半導体 16が存在して、る。

図 3に基づいてダイヤモンド電子放射陰極の更に他の一実施形態を説明する。か力るダイヤモンド電子放射陰極 10は、少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドが用いられている。単結晶ダイヤモンドとしては天然の単結晶や、高温高圧合成法あるいは気相合成法で人工合成した単結晶又はこれらの組み合わせを用いることができる。ダイヤモンド電子放射陰極 10は、真性半導体ダイヤモンドで構成されて！ヽる。

図 3に示すように、ダイヤモンド電子放射陰極 10は、一ヶ所の電子放射部 4と加熱部 5とを有する。ダイヤモンド電子放射陰極 10は、ダイヤモンド半導体 3の表面外周全体を金属層 6によって被覆することによって構成されている。ダイヤモンド半導体 3 は、 300Kにおけるキャリア濃度が 1 X 10⁹cm ³以下である真性半導体で構成されて Vヽる。電子放射部 4は前記真性半導体 3で構成されてヽる。

[0031] 図 5は、本発明によるダイヤモンド電子放射陰極の更に他の一実施形態を示す斜視図である。力かるダイヤモンド電子放射陰極 30は、少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドが用いられる。単結晶ダイヤモンドとしては天然の単結晶や、高温高圧合成法あるいは気相合成法で人工合成した単結晶又はこれらの組み合わせを用いることができる。

図 5に示すように、ダイヤモンド電子放射陰極 30は、一ヶ所の電子放射部 34を有する先鋭部を持つ柱状に構成されて、る。このダイヤモンド電子放射陰極 30の表面には金属層 36が形成されている。

[0032] 図 6は、図 5におけるダイヤモンド電子放射陰極 30を示す 3面図である。図 6 (a)は平面図、（b)は正面図、（c)は右側面図である。図 6の平面図に示すダイヤモンド電子放射陰極 30は、電子放射部 34が形成されている。ダイヤモンド電子放射陰極 30 は、表面外周全体を金属層 36によって被覆されている。

図 6 (c)に示すように、前記電子放射部 34の先端力も金属層 36の端部までの最も近傍における距離 (1)は 500 μ m以下であり、図示しない一対の電流導入端子で電流を供給して加熱すると共に、導入した電子の一部を前記電子放射部 34から放出することができることを特徴とする。

[0033] 図 7は、図 6における VII— VII矢視断面図である。図 7に示すように、ダイヤモンド電子放射陰極 30には電子放射部 34が形成されている。ダイヤモンド電子放射陰極 30 は、ダイヤモンド半導体 33の表面の一部を金属層 36によって被覆することによって構成されている。ダイヤモンド半導体 33としては、 p型不純物を 2 X 10¹⁵cm ³以上含む P型半導体ダイヤモンドで構成されている。もう一種類の半導体 36は 300Kにおけるキャリア濃度が 1 X 10⁹cm ³以下である真性半導体である。電子放射部 34は真性半導体ダイヤモンド 36で構成されて、る。

更に他のダイヤモンド電子放射陰極 30を図 7に基づヽて説明する。図 7に示すように、ダイヤモンド電子放射陰極 30には電子放射部 34が形成されている。ダイヤモンド電子放射陰極 30は、ダイヤモンド半導体 33の表面の一部を金属層 36によって被覆することによって構成されている。ダイヤモンド半導体 33としては、 n型不純物を 2 X 10¹⁵cm ³以上含む n型半導体ダイヤモンドで構成されている。もう一種類の半導体 36は 300Kにおけるキャリア濃度が 1 X 10⁹cm ³以下である真性半導体である。電子放射部 34は真性半導体ダイヤモンドで構成されている。

図 1〜図 7を参照して説明してきたが、電子放射部の形状は、図 1〜図 7に示したような四角錐に限らず、例えば円錐や三角錐であっても良い。

[0034] 図 8に、本発明におけるダイヤモンド電子放射源の断面図を示す。ダイヤモンド電子放射源は、本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極 40と、絶縁性セラミック 41と、ダイヤモンド電子放射陰極 40に電流を供給するための一対の支柱兼端子 (電流導入端子) 42, 42からなる構造体であって、支柱兼端子 42, 42が前記ダイヤモンド電子放射陰極 40と直接接触している。端子間の抵抗値が、 10 Ω以上 3k Ω以下の場合、従来の陰極材料が使用されてヽる電子ビーム機器の電源系であってもダイヤモンド電子放射源の性能を十分に発揮することができる。

[0035] 支柱兼端子の材質は Mo、 Nb、 W、 Taやこれらを含む合金等の高融点金属が好適に使用可能である。あるいは、支柱兼端子に使用される金属は、融点が 1700K以下であっても好適に使用可能である。ダイヤモンドは Wフィラメントや LaB、 ZrO/W

6 等よりも低温で電子放出が可能なため、融点が低い金属が使用可能であり、この場合、低コストな金属材料を使用して電子放射源を低コストで構成することができる。ダィャモンド電子放射陰極は電子放射時に高温であっても、例えば LaB等の六ホウ化

6

物のように支柱兼端子とは反応しないため、直接接触による把持が可能である。ダイャモンド電子放射源を上記構造体とすることによって、従来陰極材料である wフィラメントゃ LaB、あるいは先鋭化 W、 ZrO/Wが使用されている電子ビーム機器に極め

6

て容易に取替えが可能である上に、支柱兼端子がダイヤモンド電子放射陰極を直接把持している構造のために、作製時の光軸合わせが容易な上に、使用時の位置ズレや脱落の可能性が著しく低い。また、従来陰極材料が使用されている電子ビーム機器にダイヤモンド電子放射陰極を取り付けるには、室温での端子間の抵抗が 3k Ω以下であることが望ま、。この抵抗値以上では電子ビーム機器の電源で十分な電子放射特性が得られな!/ヽ可能性が高!ヽ。

[0036] 本発明における電子顕微鏡は、本発明のダイヤモンド電子放射陰極またはダイヤモンド電子放射源が搭載されており、従来陰極材料が使用されている電子顕微鏡と比較して高倍率観察が可能である。本発明のダイヤモンド電子放射陰極を熱電子放射陰極として使用可能な形状とし、電子顕微鏡に搭載して使用した場合、 LaBを使

6 用した場合と比較して高倍率な微細形状観察が可能である。また、熱電界電子放射陰極として使用可能な形状とし、電子顕微鏡に搭載して使用した場合、 ZrOZWを使用した場合と比較して高倍率な微細形状観察が可能である。あるいは、電界電子放射陰極として使用可能な形状とし、電子顕微鏡に搭載して使用した場合、先鋭ィ匕 Wを使用した場合と比較して高倍率な微細形状観察が可能である。

[0037] 本発明における電子ビーム露光機は、本発明のダイヤモンド電子放射陰極またはダイヤモンド電子放射源が搭載されており、従来陰極材料が使用されている電子ビーム露光機と比較して微細パターンを高スループットで描画することが可能である。本発明のダイヤモンド電子放射陰極を熱電子放射陰極として使用可能な形状とし、電子ビーム露光機に搭載して使用した場合、 LaBを使用した場合と比較して微細パ

6

ターンを高スループットで描画することが可能である。また、熱電界電子放射陰極として使用可能な形状とし、電子ビーム露光機に搭載して使用した場合、 ZrOZWを使用した場合と比較して微細パターンを高スループットで描画することが可能である。実施例

[0038] [熱電子放出特性評価用試料の作製]

試料 I

細長、直方体の高温高圧合成単結晶ダイヤモンド (p型半導体ダイヤモンド)を用意した。ホウ素が 5 X 10¹⁹個 /cm³含まれていた。研磨により先端を先鋭ィ匕し、その曲率半径は 10 mであった。サイズは 0.5 X 0.5 X 2.5mmで、アスペクト比は 5であった。研磨により形成された電子放射部の面方位はおおよそ（111)面で、最大約 3. 4度の方位ずれがあった。水素プラズマにより電子放射部を中心に水素処理し、表面を水素終端化した。水素プラズマは、典型的には 800〜900°C、約 80〜150Torrの間で、約 1〜3時間処理した。この後、図 2に示すような範囲に金属モリブデンを形成した。図 2における 1は 400 /z mであった。

[0039] 試料 II

細長ヽ直方体の CVD単結晶ダイヤモンド (n型半導体ダイヤモンド)を用意した。リンが 5 X 10¹⁹個 Zcm³含まれていた。抵抗率を 300Kにおいて評価したところ、 240 Ω cmであった。研磨により先端を先鋭ィ匕し、その曲率半径は約 5 mであった。サイズは 0.4 X 0.4 X 2.6mmで、アスペクト比は 6. 5であった。研磨により形成された電子放射部の面方位はおおよそ（111)面であり、最大約 2. 8度の方位ずれであった。水素プラズマにより電子放射部を中心に水素処理し、表面を水素終端化した。水素プラズマは、典型的には 800〜900°C、約 80〜150Torr の間で、約 1〜3時間処理した。この後、図 2に示すような範囲に金属モリブデンを形成した。図 2における 1は 400 /z mであった。

[0040] 試料 III

細長、直方体の CVD単結晶ダイヤモンド (真性半導体ダイヤモンド)を用意した。 CVDによる成長時に、 CVD装置内に供給するガスには水素、メタンのほかには意図的にドーパントとなる物質は導入しな力た。また、使用した装置は過去にもドーパントとなる物質を導入したことのな、装置であった。 300Kにおけるキャリア濃度が約 8 X 10⁸個 /cm³程度であった。研磨により先端を先鋭ィ匕し、その曲率半径は約 5 m であった。サイズは 0.6 X 0.6 X 2.4mmで、アスペクト比は 4であった。

研磨により形成された電子放射部の面方位はおおよそ（111)面であり、最大約 4. 7度の方位ずれであった。水素プラズマにより電子放射部を中心に水素処理し、表面を水素終端化した。水素プラズマは、典型的には 800〜900°C、約 80〜150Torr の間で、約 1〜3時間処理した。この後、図 2に示すような範囲に金属モリブデンを形成した。図 2における 1は 400 /z mであった。

[0041] 試料 IV

細長、直方体の高温高圧合成単結晶ダイヤモンド (p型半導体ダイヤモンド)を用意した。ホウ素が 5 X 10¹⁹個 /cm³含まれていた。研磨により先端を先鋭ィ匕し、その曲率半径は 3 μ mであった。サイズは 0.5 X 0.5 X 2.5mmで、アスペクト比は 5であった。研磨により形成された電子放射部の面方位はおおよそ（111)面で、最大約 3. 4度の方位ずれがあった。次に、 CVD法により真性半導体層を約 5 mの厚さで形成した（図 4)。このとき、試料 IIIの真性半導体ダイヤモンドを成長させるときに使用した CV D装置で、同一の成長条件で実施した。すなわち、 CVDによる成長時に、 CVD装置内に供給するガスには水素、メタンのほかには意図的にドーパントとなる物質は導入しな力つた。また、使用した装置は過去にもドーパントとなる物質を導入したことのない装置であった。水素プラズマにより電子放射部を中心に水素処理し、表面を水素終端化した。水素プラズマは、典型的には 800〜900°C、約 80〜150Torrの間で、約 1〜3時間処理した。この後、図 6に示すような範囲に金属モリブデンを形成した。図 6における 1は 400 μ mであった。

[0042] 試料 V

細長、直方体の CVD単結晶ダイヤモンド (n型半導体ダイヤモンド）を用意した。リンが 5 X 10¹⁹個 Zcm³含まれていた。抵抗率を 300Kにおいて評価したところ、 240 mであった。研磨により先端を先鋭ィ匕し、その曲率半径は約 5 mであった。サイズは 0.4 X 0.4 X 2.6mmで、アスペクト比は 6.5であった。

研磨により形成された電子放射部の面方位はおおよそ（111)面で、最大約 2.9度の方位ずれがあった。次に、 CVD法により真性半導体層を約 5 /z mの厚さで形成した (図 4)。このとき、試料 IIIの真性半導体ダイヤモンドを成長させるときに使用した CVD 装置で、同一の成長条件で実施した。すなわち、 CVDによる成長時に、 CVD装置内に供給するガスには水素、メタンのほかには意図的にドーパントとなる物質は導入しなかった。また、使用した装置は過去にもドーパントとなる物質を導入したことのない装置であった。

水素プラズマにより電子放射部を中心に水素処理し、表面を水素終端化した。水素プラズマは、典型的には 800〜900°C、約 80〜150Torrの間で、約 1〜3時間処理した。この後、図 6に示すような範囲に金属モリブデンを形成した。図 6における 1は 400 μ mであった。

[0043] 試料 i

研磨により形成された電子放射部の面方位はおおよそ（111)面であり、最大約 2.8 度の方位ずれであった。水素プラズマにより電子放射部を中心に水素処理し、表面を水素終端化した。水素プラズマは、典型的には 800〜900°C、約 80〜150Torrの間で、約 1〜3時間処理した。この後、図 2に示すような範囲に金属モリブデンを形成した。図 2における 1は 900 /z mであった。

[0044] 試料 ii

細長、直方体の CVD単結晶ダイヤモンド (n型半導体ダイヤモンド）を用意した。リンが 5 X 10¹⁹個 Zcm³含まれていた。抵抗率を 300Kにおいて評価したところ、 240 mであった。研磨により先端を先鋭ィ匕し、その曲率半径は約 50 mであった。サイズは 0.4 X 0.4 X 2.6mmで、アスペクト比は 6.5であった。

研磨により形成された電子放射部の面方位はおおよそ（111)面であった力最大約 10.5度の方位ずれであった。

[0045] [熱電子放出特性の評価]

上記試料 ι,π,πι,ιν,ν,ί,ϋ,を用いて、熱電子放出特性の評価を行った。比較のために、 LaB力なるチップも評価を行った。

6

電子顕微鏡は、電子銃室に試料温度が測定できるような測定窓を設け、またエミッシヨン電流、輝度、エネルギー幅が測定できるように測定系を構成した。図 8に示す構造体のように、加熱部に電流を導入するための Mo製の一対の支柱兼端子 42で把持するようにして端子間抵抗を測定した。その後、電子顕微鏡に取り付けて電子放出特性を評価した。測定系の真空度は 1 X 10— ⁸Torr,加速電圧は 15kVとした。比較のために、 LaB力もなるチップも評価を行った。それぞれの試料の評価結果を表 1

6

に示す。

[0046] [表 1] 本発明の実施例比較例熱電子放出特性

I II III IV V LaB6 金属被覆の先端からの距離 [ m] 400 400 400 400 400 900 900なし構成 P n 1 pi ηι n n - 電子放射部 P n i n n - 水素終端ありありありありありありなし - 先端半径 [ W m] 10 5 5 3 5 5 50 10 突起構造なしなしなしなしなしなしなし - 放出温度 [K] 1 150 1 150 1 150 1 150 1 150 1 150 1 150 1900 端子間抵抗 [ Ω ] 50 250 450 400 480 270 270 2 ェミッション電流 [ jU A] 190 170 120 210 175 25 3 70 エネルギー幅 [eV] 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55 1.2 初期輝度 [Aん m2sr] 5 10⁷ 2 X 10⁷ 1 10⁷ 2 10⁸ 4 x 10⁷ 1 10⁶ 2 10⁵ 6 10⁵ [0047] 試料 I〜Vにお、ては、 V、ずれも電子放出特性が LaBよりも優れて、た。試料 iでは

6

、金属被覆層と電子放射部との距離が 900 mと長いために、電流導入のための端子から電子放射部までの、電子輸送効率が低い。そのため、電子放出特性は I〜V に比較すると低力た。試料 iiでは、さらに電子放射部の水素終端も存在しないために、さらに電子放出特性が低くなつた。

試料 I〜Vと同様のダイヤモンド電子放射陰極を作製し、支柱兼端子 42の材質を融点力 S1700Kよりも低い SUS304に変更して同様の評価を行った力 Moを使用した場合と同様の結果が得られた。また、試料 I〜Vのダイヤモンド電子放射陰極を搭載しているときに電子顕微鏡で微細構造を持つサンプルを観察したところ、 LaBと比較し

6 て高倍率での観察が可能であった。さらに、試料 I〜Vと同様のダイヤモンド電子放射陰極を電子ビーム露光装置に搭載したところ、 LaBと比較して微細なパターンを

6

高、スループット描画することができた。

[0048] [熱電界放出特性の評価用試料の作製]

試料 A〜E

試料 A〜Eは、試料 I〜Vと同様の作製方法で作製した。ただし、研磨をより精度よく、注意深く行い、先端半径を全て 2 mとした。

試料 B'

試料 Bと同様に、細長、直方体の CVD単結晶ダイヤモンド (n型半導体ダイヤモンド）を用意した。リンが 5 X 10¹⁹個 Zcm³含まれていた。抵抗率を 300Kにおいて評価したところ、 240 Ω cmであった。研磨により先端を先鋭ィ匕し、その曲率半径は約 5 mであった。サイズは 0.4 X 0.4 X 2.6mmで、アスペクト比は 6.5であった。

研磨により形成された電子放射部の面方位はおおよそ（111)面であり、最大約 2.1 度の方位ずれであった。電子放射部をさらに FIB加工して、先端径 l /z m 高さ 3 m、アスペクト比 3の図 9に示すような電子放射部としての突起構造を形成した。水素プラズマにより電子放射部を中心に水素処理し、表面を水素終端化した。水素プラズマは、典型的には 800〜900°C、約 80〜150Torrの間で、約 1〜3時間処理した。この後、図 9に示すような範囲に金属モリブデンを形成した。図 9における 1は 400 μ mであった。試料 a, b

試料 a, bはそれぞれ試料 i， iiと同様の作製方法で作製した。ただし、試料 aについては研磨をより精度よぐ注意深く行い、先端半径を 2 μ πιとした。

[0049] [熱電界放出特性の評価]

試料 A〜E, B' ,a, bを図 8に示す構造体のように、加熱部に電流を導入するための Mo製の一対の支柱兼端子 42で把持するようにして端子間抵抗を測定した。その後、電子顕微鏡に取り付けて電子放出特性を評価した。測定系の真空度は 1 X 10"⁹To rr，加速電圧は 15kVとした。比較のために、 ZrOZWも評価を行った。それぞれの試料の評価結果を表 2に示す。

[0050] [表 2]

[0051] 試料 A〜Eにお、ては、レ、ずれも電子放出特性が ZrO/Wよりも優れてレ、た。試料 a では、金属被覆層と電子放射部との距離力 ¾00 mと長いために、電流導入のための端子から電子放射部までの、電子輸送効率が低い。そのため、電子放出特性は A 〜Eに比較すると低力た。試料 bでは、さらに電子放射部の水素終端も存在せず、先端径も大きいために、さらに電子放出特性が低くなつた。試料 B'では、先端径が小さく突起構造のために電界集中が促進され、電子放出部に印加される電界が大きくなり、電子放出特性の向上が見られた。

試料 A〜E、 B'と同様のダイヤモンド電子放射陰極を作製し、支柱兼端子 42の材質を融点力 700Kよりも低い SUS304に変更して同様の評価を行った力 Moを使用した場合と同様の結果が得られた。また、試料 A〜E, B'のダイヤモンド電子放射陰極を搭載してヽるときに電子顕微鏡で微細構造を持つサンプルを観察したところ、 ZrO /Wと比較して高倍率での観察が可能であった。さらに、試料 A〜Eと同様のダイヤモンド電子放射陰極を電子ビーム露光装置に搭載したところ、 ZrO/Wと比較して微細なパターンを高いスループット描画することができた。

図面の簡単な説明

[0052] [図 1]本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極の一実施形態を示す斜視図である

[図 2]本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極の一実施形態を示す 3面図である。

[図 3]図 2における III III矢視断面図である。

[図 4]本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極の他の実施形態を示す図 2における III III矢視断面図である。

[図 5]本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極の他の一実施形態を示す斜視図である。

[図 6]本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極の一実施形態を示す 3面図である。

[図 7]図 6における VII— VII矢視断面図である。

[図 8]本発明におけるダイヤモンド電子放射源の一例を示す図である。

[図 9]本発明におけるダイヤモンド電子放射陰極のさらに他の一実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

[0053] 10, 30, 40 ダイヤモンド電子放射陰極

4, 34 電子放射部

6, 36 金属層

5 加熱部

3, 13, 33 ダイヤモンド半導体

16 真性半導体

41 絶縁性セラミック

42 支柱兼端子

Claims

請求の範囲

[1] 少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドを有するダイヤモンド電子放射陰極であって、当該ダイヤモンド電子放射陰極は先鋭部と加熱部からなる柱状であり、前記先鋭部には一ヶ所の電子放射部が設けられており、前記電子放射部及び前記加熱部はダィャモンド半導体力もなり、前記ダイヤモンド半導体は p型不純物を 2 X 10¹⁵cm ³以上含む P型半導体であり、前記電子放射部には前記半導体が存在し、当該電子放射陰極の表面には金属層が形成されており、当該金属層は前記加熱部の少なくとも一部に存在し、前記電子放射部から金属層の端部までの最も近傍における距離が 5 00 m以下であり、一対の電流導入端子で前記加熱部に電流を供給して加熱すると共に、導入した電子の一部を該電子放射部力放出することができることを特徴とするダイヤモンド電子放射陰極。

[2] 少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドを有するダイヤモンド電子放射陰極であって、当該ダイヤモンド電子放射陰極は先鋭部と加熱部からなる柱状であり、前記先鋭部には一ヶ所の電子放射部が設けられており、前記電子放射部及び前記加熱部はダィャモンド半導体力もなり、前記ダイヤモンド半導体は _n型不純物を 2 X 10¹⁵cm ³以上含む n型半導体であり、前記電子放射部には前記半導体が存在し、当該電子放射陰極の表面には金属層が形成されており、当該金属層は前記加熱部の少なくとも一部に存在し、前記電子放射部から金属層の端部までの最も近傍における距離が 5 00 m以下であり、一対の電流導入端子で前記加熱部に電流を供給して加熱すると共に、導入した電子の一部を該電子放射部力放出することができることを特徴とするダイヤモンド電子放射陰極。

[3] 少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドを有するダイヤモンド電子放射陰極であって、当該ダイヤモンド電子放射陰極は先鋭部と加熱部からなる柱状であり、前記先鋭部には一ヶ所の電子放射部が設けられており、前記電子放射部及び前記加熱部はダィャモンド半導体力もなり、前記ダイヤモンド半導体はキャリア濃度が 1 X 10⁹cm ³以下である真性半導体であり、前記電子放射部には前記半導体が存在し、当該電子放射陰極の表面には金属層が形成されており、当該金属層は前記加熱部の少なくとも一部に存在し、前記電子放射部カゝら金属層の端部までの最も近傍における距離が 500 m以下であり、一対の電流導入端子で前記加熱部に電流を供給して加熱すると共に、導入した電子の一部を該電子放射部から放出することができることを特徴とするダイヤモンド電子放射陰極。

[4] 少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドを有するダイヤモンド電子放射陰極であって、当該ダイヤモンド電子放射陰極は先鋭部と加熱部からなる柱状であり、前記先鋭部には一ヶ所の電子放射部が設けられており、前記電子放射部及び前記加熱部は二種以上の電気的性質が異なるダイヤモンド半導体力なり、該ダイヤモンド半導体を構成する一種類力 ¾型不純物を 2 X 10¹⁵cm ³以上含む p型半導体であり、もう一種類がキャリア濃度が 1 X 10⁹cm ³以下である真性半導体であり、前記電子放射部には前記真性半導体が存在し、当該電子放射陰極の表面には金属層が形成されており、当該金属層は前記加熱部の少なくとも一部に存在し、前記電子放射部から金属層の端部までの最も近傍における距離が 500 m以下であり、一対の電流導入端子で前記加熱部に電流を供給して加熱すると共に、導入した電子の一部を該電子放射部から放出することができることを特徴とするダイヤモンド電子放射陰極。

[5] 少なくとも一部に単結晶ダイヤモンドを有するダイヤモンド電子放射陰極であって、当該ダイヤモンド電子放射陰極は先鋭部と加熱部からなる柱状であり、前記先鋭部には一ヶ所の電子放射部が設けられており、前記電子放射部及び前記加熱部は二種以上の電気的性質が異なるダイヤモンド半導体力なり、該ダイヤモンド半導体を構成する一種類が n型不純物を 2 X 10¹⁵cm ³以上含む n型半導体であり、もう一種類がキャリア濃度が 1 X 10⁹cm ³以下である真性半導体であり、前記電子放射部には前記真性半導体が存在し、当該電子放射陰極の表面には金属層が形成されており、当該金属層は前記加熱部の少なくとも一部に存在し、前記電子放射部から金属層の端部までの最も近傍における距離が 500 m以下であり、一対の電流導入端子で前記加熱部に電流を供給して加熱すると共に、導入した電子の一部を該電子放射部から放出することができることを特徴とするダイヤモンド電子放射陰極。

[6] 前記ダイヤモンド電子放射陰極の短手方向長さが 0. 05mm以上 2mm以下であり、アスペクト比が 1以上であることを特徴とする請求項 1〜5のいずれか一項に記載のダィャモンド電子放射陰極。

[7] 前記先鋭部における電子放射部を頂点とした面の少なくとも一面が（111)結晶面 [ (

111)ジャスト面から士 7° 以内のオフ面を含む]で形成されて!ヽることを特徴とする請求項 1〜6のいずれか一項に記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[8] 前記電子放射部を構成する半導体の表面が、水素原子で終端されて！ヽることを特徴とする請求項 1〜7のいずれか一項に記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[9] 前記 n型半導体の 300Kにおける抵抗率力 300 Ω cm以下であることを特徴とする請求項 2、 5、 6、 7、 8のいずれか一項に記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[10] 前記先鋭部の先端径もしくは先端曲率半径が以下であることを特徴とする請求項 1〜9のいずれか一項に記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[11] 前記電子放射部が突起構造であって、突起の先端径が 5 μ m以下でアスペクト比が

2以上であることを特徴とする請求項 1〜9のいずれか一項に記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[12] 前記電子放射部から電子を放出する際の温度が、 400K以上 1200K以下であることを特徴とする請求項 1〜11のいずれか一項に記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[13] 前記電子放射部よりエネルギー幅が 0. 6eV以下の電子線を放射することを特徴とする請求項 1〜12のいずれか一項に記載のダイヤモンド電子放射陰極。

[14] 少なくとも請求項 1〜13のいずれか一項に記載されたダイヤモンド電子放射陰極と、絶縁性セラミックと、前記ダイヤモンド電子放射陰極に電流を供給するための一対の端子力もなる構造体であって、端子間の抵抗値が 10 Ω以上 3k Ω以下であることを特徴とするダイヤモンド電子放射源。

[15] 前記端子間の抵抗値が、 10 Ω以上 700 Ω以下であることを特徴とする請求項 14に記載のダイヤモンド電子放射源。

[16] 少なくとも請求項 1〜13のいずれか一項に記載のダイヤモンド電子放射陰極と、絶縁性セラミックと、前記ダイヤモンド電子放射陰極を把持し、前記絶縁性セラミック〖こ固定するとともに前記ダイヤモンド電子放射陰極に電流を供給するための一対の支柱兼端子からなる構造体であって、前記支柱兼端子が前記ダイヤモンド電子放射陰極と直接接触していることを特徴とするダイヤモンド電子放射源。

[17] 前記一対の端子又は前記一対の支柱兼端子は、融点が 1700K以下であることを特徴とする請求項 14〜16のいずれか一項に記載のダイヤモンド電子放射源。

[18] 請求項 1〜17のいずれか一項に記載のダイヤモンド電子放射陰極あるいはダイヤモンド電子放射源が搭載されていることを特徴とする電子顕微鏡。

[19] 請求項 1〜17のいずれか一項に記載のダイヤモンド電子放射陰極あるいはダイヤモンド電子放射源が搭載されていることを特徴とする電子ビーム露光機。