WO2011033989A1 - 電子源、電子源の製造方法及び電子放出方法 - Google Patents

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WO2011033989A1
WO2011033989A1 PCT/JP2010/065545 JP2010065545W WO2011033989A1 WO 2011033989 A1 WO2011033989 A1 WO 2011033989A1 JP 2010065545 W JP2010065545 W JP 2010065545W WO 2011033989 A1 WO2011033989 A1 WO 2011033989A1
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rod
single crystal
electron
electron source
tip
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PCT/JP2010/065545
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良樹 山西
隆彦 大麻
賢 中尾
誠 神田
利幸 森下
Original Assignee
東京エレクトロン株式会社
電気化学工業株式会社
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    • H01J1/304—Field-emissive cathodes
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01J2237/063—Electron sources
    • H01J2237/06308—Thermionic sources
    • H01J2237/06316—Schottky emission

Definitions

  • the present invention relates to an electron source that emits electrons by thermal field emission, an electron source manufacturing method, and an electron emission method.
  • An electron source used for an electron gun or the like is an element that emits electrons by field emission.
  • Field emission is a phenomenon in which when a strong electric field is applied to a substance, the substance emits electrons due to a tunnel effect. In general, the higher the temperature at the tip of the emitter, the easier it is for electrons to be emitted by an electric field. However, thermal electrons are also easily generated from the emitter.
  • Thermal field emission is a phenomenon in which a substance emits electrons when a strong electric field is applied in a state in which the substance is heated to a temperature that does not generate so many thermoelectrons.
  • Electron emission is more likely to occur as the work function of the electron emission surface is lower. For this reason, an electron source in which the work function of the emitter is lowered is provided.
  • a tungsten single crystal emitter with an axial orientation of ⁇ 100> orientation and a covering layer made of zirconium and oxygen (hereinafter referred to as a ZrO covering layer)
  • the work function of the ⁇ 100 ⁇ plane of the tungsten single crystal is 4
  • An electron source having a voltage reduced from about 0.5 eV to about 2.8 eV is known (for example, see Patent Document 1).
  • the emitter is heated to about 1800K and used. However, the heating causes the ZrO coating layer on the emitter surface to evaporate and wear out.
  • a supply source of zirconium and oxygen is arranged in the emitter, and the zirconium and oxygen are diffused from the supply source to supply to the emitter surface (see, for example, Patent Document 2). ).
  • the ZrO coating layer lowers the work function of the ⁇ 100 ⁇ plane of the tungsten single crystal to 2.8 eV.
  • the conventional electron source needs to heat the emitter to a high temperature of about 1800 K, and an electron source that can operate at a lower temperature is desired.
  • the supply of Zr and O for regenerating the exhausted ZrO coating layer depends on the surface diffusion of the tungsten single crystal emitter and has a limit. For this reason, depending on use conditions, supply of Zr and O may be insufficient, and the ZrO coating layer may not be regenerated.
  • the present invention provides an electron source capable of emitting electrons more efficiently and / or more stably.
  • the present invention also provides an electron source capable of sufficiently supplying the constituent material of the coating layer from the diffusion source to the emitter.
  • the present invention also provides an electron source comprising an emitter with a lower work function.
  • the present invention also provides an electron source capable of thermal field emission at a lower temperature.
  • an electron source includes: A ⁇ 100> oriented single crystal rod made of tungsten or molybdenum having an electron emission surface with a ⁇ 100 ⁇ crystal face exposed at the tip; A metal oxide layer covering the ⁇ 100 ⁇ crystal plane; A diffusion source for diffusing the raw material of the metal oxide layer; Formed in the ⁇ 100> -oriented single crystal rod, communicated from the diffusion source to the tip portion or the vicinity of the tip portion, and a passage portion serving as a passage for the diffusion of the raw material from the diffusion source; Is provided.
  • the passage portion includes, for example, a rod-shaped member disposed in contact with the side surface of the ⁇ 100> -oriented single crystal rod, and the diffusion source is also disposed in the rod-shaped member.
  • the passage portion includes, for example, a plurality of rod-shaped members that are arranged in contact with side surfaces of the ⁇ 100> -oriented single crystal rod and form a through-hole-shaped gap portion together with the ⁇ 100> -oriented single crystal rod,
  • the diffusion source is also disposed on the rod-shaped member.
  • the passage portion is composed of, for example, a groove-like gap portion formed by the two rod-shaped members that are in contact with each other.
  • the diffusion source is disposed, for example, on one or both of the side surface of the rod-shaped member and the passage portion.
  • the passage portion is constituted by, for example, a through-hole penetrating into the ⁇ 100> -oriented single crystal rod.
  • the passage portion is constituted by, for example, a groove portion formed on a side surface of the ⁇ 100> -oriented single crystal rod.
  • the metal element constituting the metal oxide is, for example, a metal element that does not form a solid solution in the ⁇ 100> -oriented single crystal rod made of tungsten or molybdenum, and the ⁇ 100 ⁇ crystal plane of the ⁇ 100> -oriented single crystal rod By covering, the work function of tungsten or molybdenum is lowered.
  • the metal oxide is preferably selected from barium aluminate, a composite oxide of barium oxide, aluminum oxide and calcium oxide, or a composite oxide of barium oxide and scandium oxide.
  • An electron source manufacturing method includes: Preparing a ⁇ 100> oriented single crystal rod of tungsten or molybdenum; Preparing a tungsten or molybdenum rod-shaped member; Holding the rod-shaped member in parallel with and in contact with the ⁇ 100> -oriented single crystal rod; Joining at least part of a region where the ⁇ 100> -oriented single crystal rod and the rod-shaped member are in contact with each other and a region where the rod-shaped member is in contact with each other with tungsten or molybdenum; Forming the tip of the ⁇ 100> -oriented single crystal rod into a needle shape; Holding a diffusion source containing a metal oxide on a side surface of the rod-shaped member; Forming an electron emission surface with an exposed ⁇ 100 ⁇ crystal plane at the tip of the ⁇ 100> oriented single crystal rod; including.
  • a step of forming a through hole-shaped gap surrounded by the ⁇ 100> -oriented single crystal rod and the two rod-shaped members in contact with each other may be further arranged.
  • a step of forming a groove-like gap formed by the rod-shaped members that are in contact with each other may be arranged.
  • a method for manufacturing an electron source includes: Preparing a conductive rod with an electron emission surface; Increasing the surface through which the material can diffuse by processing the conductive rod; Coating the electron emission surface with a coating layer that lowers the work function; Holding a diffusion source containing the constituent material of the coating layer on the conductive rod; including.
  • An electron emission method includes: The tip of the electron source described above is placed in a hole drilled in the upper surface of the suppressor electrode, Along with energizing and heating the filament, the tip is heated, Electrons are emitted from the tip by applying a voltage to the conductive terminal and applying an electric field to the tip.
  • an electron emission method is as follows. Processing a conductive rod with an electron emitting surface to increase the surface through which the substance can diffuse; Coating the electron emission surface with a coating layer that lowers the work function; A step of heating the electron emission surface and applying a voltage to generate an electric field and emit electrons, while diffusing constituent materials of the coating layer on the increased surface and supplying the electron emission surface to the electron emission surface.
  • Processing a conductive rod with an electron emitting surface to increase the surface through which the substance can diffuse Coating the electron emission surface with a coating layer that lowers the work function; A step of heating the electron emission surface and applying a voltage to generate an electric field and emit electrons, while diffusing constituent materials of the coating layer on the increased surface and supplying the electron emission surface to the electron emission surface.
  • an electron source capable of emitting electrons more efficiently and / or more stably can be provided.
  • FIG. 2 is an enlarged view of the electron source shown in FIG. 1, (a) is a front view thereof, (b) is a plan view thereof, and (c) is a sectional view taken along line AA of (a).
  • FIG. 1st Embodiment of the emitter of the electron source shown in FIG. 1 (a) is the perspective view, (b) is the figure seen from the front end side.
  • (A) is a front view of an electron gun including the electron source shown in FIGS. 1 to 3, and (b) is a diagram illustrating a use state of the electron gun.
  • FIGS. 1 is a diagram illustrating a use state of the electron gun.
  • FIGS. 4A and 4B are explanatory diagrams of a method for manufacturing the emitter of the electron source shown in FIGS. 1 to 3, wherein FIG. 4A is a plan view of a mold and FIG. FIGS. 4A and 4B are explanatory diagrams of another method for manufacturing the emitter of the electron source shown in FIGS. 1 to 3, in which FIG. 3A is a plan view of a mold, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line II in FIG. It is explanatory drawing of the modification of the emitter of the electron source shown in FIG. 1, (a) is a perspective view, (b) is a top view of a formwork. It is the figure seen from the front end side of the other modification of the emitter of the electron source shown in FIG.
  • FIG. It is a side view of the emitter of the electron source shown in FIG. It is an enlarged view of the electron source which concerns on the 2nd Embodiment of this invention, (a) is the front view, (b) is the top view. It is the figure which showed typically the cross section of the acicular single crystal tungsten rod shown in FIG. (A)-(c) is the figure which showed typically the cross section for demonstrating the modification of the acicular single crystal tungsten rod shown in FIG. (A)-(d) is explanatory drawing of the manufacturing method of the acicular single crystal tungsten rod shown in FIG. It is the figure which showed typically the cross section of the modification of the acicular single crystal tungsten rod shown in FIG.
  • FIG. 1 A) And (b) is explanatory drawing of the modification of the manufacturing method of the acicular single crystal tungsten rod shown in FIG. It is an enlarged view of the electron source in the 3rd Embodiment of this invention, (a) is the front view, (b) is the top view. (A) And (b) is explanatory drawing of the manufacturing method of the electron source shown in FIG.
  • the electron source 10 is an electron source that emits electrons by thermal field emission. As shown in FIG. 1, the electron source 10 includes an emitter 11, a diffusion source 12, a filament 13, conductive terminals 14 a and 14 b, and an insulator 15.
  • the emitter 11 includes a needle-like single crystal tungsten rod 11a and auxiliary rods 11b and 11c.
  • the needle-like single crystal tungsten rod 11a is constituted by a ⁇ 100> -oriented tungsten single crystal round bar having a needle-like tip portion 16 whose tip is narrowed.
  • the distal end surface 16a of the distal end portion 16 is composed of a ⁇ 100 ⁇ crystal plane and serves as an electron emission surface from which electrons are emitted.
  • the tip portion 16 including the tip surface 16a is covered with a coating layer 19 made of zirconium oxide, as shown in FIG.
  • the auxiliary rods 11b and 11c are each composed of a ⁇ 100> -oriented tungsten single crystal round bar that does not have a needle-like tip.
  • the diameters of the needle-like single crystal tungsten rod 11a and the auxiliary rods 11b and 11c are equal to each other and are 0.125 mm.
  • the acicular single crystal tungsten rod 11a and the two auxiliary rods 11b and 11c are in parallel with each other and in contact with the contacts (lines) 111, 112, 113 so that their centers are located at the vertices of the equilateral triangle. Arranged and fixed to each other.
  • the needle-like single crystal tungsten rod 11a and the two auxiliary rods 11b, 11c are substantially equilateral triangular inner holes having three contact points (lines) 111, 112, 113 as the tops. 114 is configured. Further, the needle-like single crystal tungsten rod 11a and the auxiliary rod 11b form a groove 116 on the outer surface thereof. Further, the acicular single crystal tungsten rod 11a and the auxiliary rod 11c form a groove 115 on the outer surface thereof. Further, the auxiliary rods 11b and 11c form a groove 117 on their outer surfaces.
  • powder ZrO as a diffusion source 12 is disposed on the side surfaces of the needle-like single crystal tungsten rod 11a and the auxiliary rods 11b and 11c.
  • the needle-like single crystal tungsten rod 11a is fixed to the joining point 17 of the filament 13 made of tungsten or the like by welding or the like.
  • the distance between the tip surface 16a of the acicular single crystal tungsten rod 11a and the junction 17 between the acicular single crystal tungsten rod 11a and the filament 13 is, for example, 1.2 mm.
  • Both ends of the filament 13 are connected to a pair of conductive terminals 14 a and 14 b, and the conductive terminals 14 a and 14 b are fixed to the insulator 15.
  • the electron source 10 is disposed in the suppressor electrode 181 and constitutes an electron gun 18.
  • a hole 182 is formed in the center of the upper surface of the suppressor electrode 181, and the tip 16 of the emitter 11 is disposed in the hole 182.
  • a target 401 or the like is disposed on the front surface of the electron gun 18.
  • a voltage is applied between the conductive terminals 14a and 14b, and the filament 13 is energized and heated. As the filament 13 is heated, the needle-like single crystal tungsten rod 11a is also heated.
  • the needle-like single crystal tungsten rod 11a When the needle-like single crystal tungsten rod 11a reaches an electron emission temperature of about 1700 to 1900K, as illustrated in FIG. 4B, between the conductive terminals 14a and 14b and the target 401 (or an anode not shown). A DC voltage is applied from the DC power source E. As a result, the electric field in the vicinity of the electron emission surface 16a of the tip 16 of the needle-like single crystal tungsten rod 11a is strengthened. Electrons are emitted from the electron emission surface 16a toward the target 401 due to the fact that the temperature has reached the electron emission temperature and the work function of the electron emission surface 16a has been reduced to 2.8 eV by the ZrO coating layer 19. Is done. The auxiliary rods 11b and 11c do not directly contribute to electron emission.
  • a negative voltage is applied to the suppressor electrode 181 to converge the emitted electrons and generate an electron beam.
  • the ZrO coating layer 19 covering the surface of the needle-like single crystal tungsten rod 11a evaporates by heating and is consumed. However, zirconium and oxygen are diffused from the diffusion source 12 attached to the needle-like single crystal tungsten rod 11a, and zirconium and oxygen are supplied to the tip portion 16.
  • the auxiliary rods 11b and 11c are also heated with the heating of the needle-like single crystal tungsten rod 11a.
  • zirconium and oxygen are diffused also from the diffusion source 12 mounted on the auxiliary rods 11 b and 11 c, and zirconium and oxygen are supplied to the tip end portion 16.
  • the inner surface of the through hole 114 and the outer surface of the auxiliary rods 11b and 11c also function as a passage for supplying zirconium and oxygen by surface diffusion.
  • the ability to supply zirconium and oxygen to the tip portion 16 of the needle-like single crystal tungsten rod 11a is very large as compared with the conventional configuration. Accordingly, a sufficient amount of zirconium and oxygen is supplied to the tip portion 16, and the ZrO coating layer 19 consumed by heating is stably regenerated. This enables stable and continuous electron thermal field emission.
  • ⁇ 100> oriented single crystal tungsten rods are prepared and cut to form ⁇ 100> oriented single crystal tungsten rods 11a to 11c.
  • the tip portion 16 is not formed on the single crystal tungsten rod 11a of ⁇ 100> orientation.
  • the fixing method is arbitrary, but for example, it can be efficiently formed by the following method.
  • 5A has an opening 121a into which the single crystal tungsten rods 11a to 11c can be inserted. As shown in FIG. 5B, the single crystal tungsten rods 11a to 11c are held by using two molds 121.
  • the region where the single crystal tungsten rod 11a and the auxiliary rods 11b and 11c are in contact with each other is joined with tungsten. Specifically, a tungsten source gas is blown to a region where the single crystal tungsten rods 11a to 11c are in contact with each other. Then, the region is irradiated with an ion beam, and a tungsten film is deposited and bonded to each other.
  • the strip-shaped tungsten is processed to generate a V-shaped filament 13.
  • a single crystal tungsten rod 11a is fixed to a predetermined position (joining point) 17 of the V-shaped filament 13 by welding or the like.
  • the conductive terminals 14 a and 14 b are fixed to the insulator 15.
  • the tip of the single crystal tungsten rod 11a (round bar at this stage) is electrolytically polished using an aqueous solution of sodium hydroxide to form the needle-like tip 16 and the needle-like single crystal tungsten rod 11a is formed. .
  • a diffusion source 12 made of ZrO is disposed on the side surfaces of the auxiliary rods 11b and 11c. Specifically, a ZrH 2 (zirconium hydride) pool is formed in the needle-like single crystal tungsten rod 11a and the auxiliary rods 11b and 11c. Subsequently, the electron source 10 is introduced into a vacuum apparatus and heated. By this heating, the zirconium hydride is decomposed into zirconium and hydrogen, and the zirconium is diffused. Next, in a reduced pressure environment of about 4 ⁇ 10 ⁇ 6 Torr in an oxygen atmosphere, zirconium is heated to 1800 K and oxidized to form the ZrO coating layer 19. Then, the diffusion source 12 is formed.
  • a ZrH 2 (zirconium hydride) pool is formed in the needle-like single crystal tungsten rod 11a and the auxiliary rods 11b and 11c.
  • the electron source 10 is introduced into a vacuum apparatus and heated. By this heating, the zirconium
  • the electron emission surface 16a with the ⁇ 100 ⁇ crystal face exposed is formed at the tip of the tip 16 of the needle-like single crystal tungsten rod 11a.
  • the electron source 10 is introduced into a vacuum apparatus, and the needle-like single crystal tungsten rod 11a is heated in a vacuum environment of 1 ⁇ 10 ⁇ 9 Torr. Further, a strong electric field is applied to the tip 16 of the needle-like single crystal tungsten rod 11a and maintained. Then, the ⁇ 100 ⁇ crystal plane is exposed at the tip. Since this ⁇ 100 ⁇ crystal plane has a work function of only about 2.8 eV and lower than the work function of tungsten 4.5 eV due to the ZrO coating film, it becomes the electron emission surface 16a.
  • the emitter 11 of the electron source 10 is manufactured.
  • the auxiliary rods 11b and 11c are joined to the needle-like single crystal tungsten rod 11a, and the surfaces of the auxiliary rods 11b and 11c are supplied from the diffusion source 12 to the tip portion 16 through the ZrO film material (zirconium and oxygen).
  • the amount of the diffusion source 12 is larger than the conventional configuration, that is, the configuration in which the diffusion source 12 is fixed only to the needle-like single crystal tungsten rod 11a and only the surface functions as a passage.
  • the passage can also be widened.
  • the mold 131 is made of single crystal silicon, and as shown in FIG. 6A, a recess 131a is formed on the upper surface.
  • the recess 131a is formed by anisotropic etching using an alkaline liquid such as potassium hydroxide.
  • the recess 131a has a trapezoidal cross section so that the side wall surface 131b has an inclination of about 55 ° on the bottom surface.
  • the auxiliary rods 11b and 11c are formed in a depth and height that are placed side by side in contact with each other.
  • the auxiliary rods 11b and 11c are placed in the recess 131a of the mold 131.
  • the auxiliary rods 11b and 11c are aligned so as to be parallel and in contact with each other, and in this state, the auxiliary rods 11b and 11c are joined with tungsten.
  • the single crystal tungsten rod 11a is placed on the auxiliary rods 11b and 11c and aligned so as to be in contact with and parallel to each other.
  • the single crystal tungsten rod 11a and the auxiliary rods 11b and 11c are joined with tungsten.
  • a modified emitter 11 can be formed.
  • the single crystal tungsten rod (the tip 16 is not formed at this stage) 11a and the auxiliary rods 11b and 11c can be easily aligned and joined.
  • the auxiliary rods 11b and 11c may be one or three or more.
  • FIG. 7A shows an example in which six auxiliary rods 11b to 11g are arranged around the needle-like single crystal tungsten rod 11a.
  • the needle-like single crystal tungsten rod and the auxiliary rod can be easily aligned by using a mold 141 having a hexagonal opening 141a. It becomes possible to combine.
  • the diameter of the needle-like single crystal tungsten rod 11a and the diameters of the auxiliary rods 11b, 11c, ... may be different from each other.
  • the cross-sectional shape thereof is a polygonal or elliptical auxiliary rod 11h ⁇ 11j may be used.
  • the root position of the tip 16 of the needle-like single crystal tungsten rod 11a and the position of the tip of the auxiliary rod 11b are substantially matched. That is, in FIG. 9, the distance ⁇ d between the root of the tip 16 and the tip of the auxiliary rod 11b is almost zero.
  • the present invention is not limited to this, and ⁇ d can be arbitrarily set as long as an appropriate amount of ZrO can be supplied to the tip portion 16.
  • the auxiliary rods 11b to 11j are also composed of single crystal tungsten with ⁇ 100> orientation, but may be composed of single crystal tungsten rods with other orientations, and may be made of polycrystalline or amorphous. You may comprise from tungsten and you may comprise from high melting point materials other than tungsten.
  • the needle-like single crystal tungsten rod 11a having the ⁇ 100> orientation and the auxiliary rods 11b to 11j are joined by welding using an ion beam, but may be joined by other methods.
  • the emitter 11 is made of tungsten. However, it is also possible to form the emitter 11 by using other refractory metal (high melting point metal) or the like. Also in this case, it is desirable to have an axial direction in the ⁇ 100 ⁇ direction and a ⁇ 100 ⁇ plane exposed as an electron emission surface at the tip.
  • the diffusion path of ZrO is wider than the conventional one, and more diffusion sources 12 can be arranged than the conventional one.
  • a sufficient amount of ZrO can be supplied to the tip portion 16. Accordingly, it is possible to stably regenerate the ZrO coating film that has been consumed by heat and to perform stable thermal field emission for a long time.
  • a passage portion for supplying Zr and O to the tip of the needle-like single crystal tungsten rod is formed by adding an auxiliary rod to the needle-like single crystal tungsten rod.
  • path part of this invention is not limited to this.
  • the configuration itself is arbitrary as long as Zr and O can be additionally diffused and supplied to the tip or the vicinity thereof.
  • the passage portion is configured by a hole inside the needle-like single crystal tungsten rod will be described.
  • the configuration of the electron source 20 of the present embodiment is shown in a front view in FIG. 10A and a plan view in FIG.
  • the basic configuration of the electron source 20 is the same as the electron source 10 of the first embodiment shown in FIG.
  • the configuration of the emitter 11 is different from that of the first embodiment.
  • the needle-like single crystal tungsten rod 21 constituting the emitter of the present embodiment includes a communication hole 211 inside instead of the auxiliary rod.
  • the needle-like single crystal tungsten rod 21 is formed from a ⁇ 100> -oriented tungsten single crystal rod having a needle-like tip portion 26. As shown in FIG. 11, the inside of the needle-like single crystal tungsten rod 21 is formed with a communication hole 211 that opens to the side surface and the distal end portion 26. For distinction, an opening formed on the side surface is denoted by reference numeral 212, and an opening formed at the distal end portion 26 is denoted by reference numeral 213.
  • the opening 213 of the communication hole 211 is disposed at a position of 0.2 mm to 0.5 mm from the tip end surface 26a of the needle-like single crystal tungsten rod, and the opening 212 is a junction point between the needle-like single crystal tungsten rod 21 and the filament 13 17 to 0.3 mm to 0.4 mm.
  • the communication hole 211 has a diameter of 0.0005 mm to 0.03 mm, for example, 0.01 mm.
  • the diffusion source 22 formed of ZrO is disposed so as to cover the opening 212 formed in the side surface of the needle-like single crystal tungsten rod 21.
  • the electron emission operation of the electron source 20 is the same as that of the electron source 10 of the first embodiment.
  • Zr and O contained in the diffusion source 22 diffuse to the surface of the acicular single crystal tungsten rod 21 by heat, and the tip portion 26, It is supplied to the electron emission surface 26a.
  • Zr and O in the diffusion source 22 diffuse from the opening 212 into the communication hole 211, further diffuse on the inner surface of the communication hole 211, and reach the opening 213 formed in the tip end portion 26.
  • Zr and O which are raw materials for regenerating the ZrO coating layer 19 consumed by heat, are continuously supplied to the electron emission surface 26a or its vicinity through two paths, and the ZrO coating layer 19 consumed by heat. Is played. For this reason, the ZrO coating layer 19 is stably maintained. Therefore, stable electron emission is possible.
  • the shape, number, size, route and the like of the communication hole 211 are arbitrary as illustrated in FIGS. 12 (a) to 12 (c).
  • a method for manufacturing the needle-like single crystal tungsten rod 21 having the communication hole 211 will be described.
  • a needle-like single crystal tungsten rod 21 having a ⁇ 100> orientation in which a needle-like tip end portion 26 is formed as shown in FIG. 13A is formed.
  • the focused single-beam tungsten rod 21 is irradiated with a focused ion beam, and is divided into two along its long axis as shown in FIG.
  • scanning is performed while applying a focused ion beam to the cut surface 216 of one of the cut pieces 215, and atoms on the surface are repelled by sputtering.
  • FIG. 13C grooves constituting the communication hole 211 and the openings 212 and 213 are formed.
  • the diffusion source 22 is disposed so as to cover the opening 212.
  • ZrO217 may be embedded in the communicating hole 211, and then the cut surfaces 216 of both the cut pieces 215 may be combined and heat-welded. Also in this case, similarly to the above, Zr and O are diffused from the communication hole 211 to the vicinity of the tip portion 26 and are continuously supplied to the tip portion 26 or the vicinity of the tip portion 26. Further, Zr and O are replenished from the diffusion source 22 into the communication hole 211.
  • the communication hole 211 may be formed before the tip portion 26 is formed, and then the tip portion 26 may be formed. Furthermore, the number of divisions of the needle-like single crystal tungsten rod 21 divided into two is arbitrary, and may be divided into four or the like.
  • the method of forming the communication hole 211 is not limited to sputtering, and a groove may be formed in the cut surface 216 by etching (wet etching or dry etching).
  • the communication hole 211 can be formed without dividing the single crystal tungsten rod 21.
  • a hole 211a parallel to the major axis is formed in the single crystal tungsten rod 21 by dry etching with high anisotropy.
  • the communication hole 211 can be formed by forming a radial hole 211 b and communicating with the inside.
  • the Zr and O from the diffusion source 22 are connected to the tip portion 26 or the tip portion. It becomes a passage part for diffusing in the vicinity. Therefore, the supply amount of Zr and O to the electron emission surface 26a is increased as compared with the conventional case, and it is possible to provide the electron source 21 that stably generates thermal field emission for a long time.
  • the auxiliary rods 11b to 11j are additional diffusion passages for Zr and O.
  • the communication hole 211 in the needle-like tungsten single crystal rod 21 is an additional diffusion passage for Zr and O.
  • the present invention is not limited to this, and the shape, arrangement, etc. are arbitrary as long as the diffusion passage can be enlarged.
  • a third embodiment in which the surface area in which Zr and O diffuse is expanded by forming grooves on the side surfaces of the needle-like tungsten single crystal rod 21 will be described.
  • the configuration of the electron source 30 of the third embodiment is shown in a front view in FIG. 16A and in a plan view in FIG.
  • the basic configuration of the electron source 30 is the same as that of the electron source 20 of the second embodiment shown in FIG.
  • the configuration of the needle-like single crystal tungsten rod is different.
  • the acicular single crystal tungsten rod 31 of this embodiment does not have a communication hole inside, and a groove 33 is formed on the outer surface thereof.
  • the groove 33 is formed from the position of 0.3 mm to 0.4 mm in the distal direction from the junction point 17 with the filament 13 toward the distal direction of the needle-like single crystal tungsten rod 31.
  • the diffusion source 32 composed of ZrO is disposed on a part of the groove 33.
  • the electron source 30 having this configuration when the needle-like single crystal tungsten rod 31 is heated, Zr and O in the diffusion source 32 diffuse only on the outer surface of the needle-like single crystal tungsten rod 31 that has not been processed. As compared with the above, the amount of Zr and O continuously supplied to the tip portion 26 or the vicinity thereof increases. Therefore, the ZrO coating layer 19 is maintained. Therefore, stable electron emission is possible.
  • the groove 33 is formed by etching or sputtering the outer surface of the raw needle-like single crystal tungsten rod 31 shown in FIG. 17A by dry etching or a focused ion beam, or by machining. ).
  • the formation process is arbitrary.
  • auxiliary rods 11b to 11j of the first embodiment may be formed in a combination of two or all of the auxiliary rods 11b to 11j of the first embodiment, the communication hole 211 of the second embodiment, and the groove 33 of the third embodiment.
  • An auxiliary rod may be added to one needle-like single crystal tungsten rod, a communication hole may be formed inside, and a groove may be formed on the outer surface.
  • the material of the needle-like single crystal rod is tungsten.
  • the material is not limited to this, and it can be formed using other refractory metals (refractory metals) such as molybdenum. It is. Also in this case, it is desirable to have a configuration in which the ⁇ 100 ⁇ direction has an axial direction and the ⁇ 100 ⁇ plane is exposed at the tip as an electron emission surface. Also in this case, ZrO can be used as a coating layer for lowering the work function.
  • both the single crystal rod and the auxiliary rod may be made of molybdenum, and the region where the single crystal rod and the auxiliary rod are in contact with each other and the region where the auxiliary rod is in contact with each other may be joined with molybdenum.
  • the coating layer for reducing the work function of the ⁇ 100 ⁇ crystal plane is ZrO, but the present invention is not limited to this.
  • the material of the covering layer is preferably selected from barium aluminate, a composite oxide of barium oxide, aluminum oxide and calcium oxide, or a composite oxide of barium oxide and scandium oxide.
  • the present invention increases the surface diffusion by increasing the surface area of the emitter of the electron source, and is therefore suitable for a metal element that diffuses only the rod surface without diffusing the solution inside the rod.

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Abstract

電子源のエミッタ（１１）は、先端に｛１００｝結晶面を電子放出面（１６ａ）として有する先端部（１６）を有する針状単結晶タングステンロッド（１１ａ）を備える。電子放出面（１６ａ）は、仕事関数を低減させるためのＺｒＯ膜で被覆されている。針状単結晶タングステンロッド（１１ａ）には、補助棒（１１ｂ）、（１１ｃ）が取り付けられている。針状単結晶タングステンロッド（１１ａ）と補助棒（１１ｂ）、（１１ｃ）には、ＺｒとＯを拡散・供給するための拡散源（１２）が配置されている。補助棒（１１ｂ）、（１１ｃ）には、針状単結晶タングステンロッド（１１ａ）の外表面以外に、ＺｒとＯを電子放出面（１６ａ）に拡散供給するための通路を形成する。

Description

電子源、電子源の製造方法及び電子放出方法
　本発明は、熱電界放出により電子を放出する電子源、電子源の製造方法及び電子放出方法に関する。
　電子銃等に使用される電子源は、電界放出により電子を放出する素子である。電界放出は、物質に強い電界が印加されると、その物質が、トンネル効果により電子を放出する現象である。一般に、エミッタの先端部の温度が高くなるほど、電界による電子の放出が起き易い状態となる。ただし、エミッタから熱電子も発生し易くなる。また、熱電界放出は、熱電子があまり発生しない程度の温度に物質を加熱した状態で、強い電界を印加すると、その物質が電子を放出する現象である。
　電子放出は、電子放出面の仕事関数が低いほど起きやすい。このため、エミッタの仕事関数を低下させた電子源が提供されている。例えば、軸方位が＜１００＞方位のタングステン単結晶エミッタに、ジルコニウムと酸素からなる被覆層（以下、ＺｒＯ被覆層という。）を設けることにより、タングステン単結晶の｛１００｝面の仕事関数を４．５ｅＶから約２．８ｅＶに低下させた電子源が知られている（例えば、特許文献１参照）。
　また、電子を放出し易くするため、エミッタは１８００Ｋ程度に加熱されて使用される。しかし、加熱により、エミッタ表面のＺｒＯ被覆層が蒸発して、消耗してしまう。消耗したＺｒＯを補給するため、エミッタにジルコニウムと酸素の供給源を配置し、供給源からジルコニウム及び酸素を拡散することにより、エミッタ表面に供給することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平２－１００２４９号公報 特開平６－７６７３１号公報
　上述したように、ＺｒＯ被覆層は、タングステン単結晶の｛１００｝面の仕事関数を２．８ｅＶまで低下させる。しかしながら、より効率的に電子を電界放出するためには、エミッタの仕事関数をより低下させる必要がある。
　また、従来の電子源は、エミッタを１８００Ｋ程度の高温に加熱する必要があり、より低温で動作可能な電子源が望まれる。
　また、特許文献２に記載の電子源では、消耗したＺｒＯ被覆層を再生するためのＺｒとＯの供給が、タングステン単結晶エミッタの表面拡散に依存しており、限界がある。このため、使用条件によっては、ＺｒとＯの供給が不足し、ＺｒＯ被覆層が再生されない虞がある。
　本発明は、より効率的及び／又はより安定的に電子を放出することが可能な電子源を提供する。
　また、本発明は、拡散源からエミッタへ被覆層の構成物質を十分に供給可能な電子源を提供する。
　また、本発明は、仕事関数のより小さいエミッタを備える電子源を提供する。
　また、本発明は、より低温で熱電界放出が可能な電子源を提供する。
　上記課題を達成するために、本発明の第１の観点に係る電子源は、
　先端部に｛１００｝結晶面が露出した電子放出面を有するタングステン又はモリブデンからなる＜１００＞方位単結晶ロッドと、
　前記｛１００｝結晶面を覆う金属酸化物層と、
　前記金属酸化物層の原料物質を拡散する拡散源と、
　前記＜１００＞方位単結晶ロッドに形成され、前記拡散源から前記先端部又は前記先端部の近傍を連通し、前記拡散源からの原料物質の拡散の通路となる通路部と、
を備える。
　前記通路部は、例えば、前記＜１００＞方位単結晶ロッドの側面に接して配置された棒状部材を備え、前記拡散源は、前記棒状部材にも配置されている。
　前記通路部は、例えば、前記＜１００＞方位単結晶ロッドの側面に互いに接して配置され、前記＜１００＞方位単結晶ロッドと共に貫通孔状の隙間部を形成する複数の棒状部材、を備え、前記拡散源は、前記棒状部材にも配置されている。
　前記通路部は、例えば、互いに接する２つの前記棒状部材によって形成される溝状の隙間部から構成される。
　前記拡散源は、例えば、前記棒状部材の側面と前記通路部のいずれか一方又は双方に配置される。
　前記通路部は、例えば、前記＜１００＞方位単結晶ロッド中に貫通する貫通孔から構成される。
　前記通路部は、例えば、前記＜１００＞方位単結晶ロッドの側面に形成した溝部から構成される。
　前記金属酸化物を構成する金属元素は、例えば、タングステン又はモリブデンからなる前記＜１００＞方位単結晶ロッド中に固溶しない金属元素であり、前記＜１００＞方位単結晶ロッドの｛１００｝結晶面を覆うことで、タングステン又はモリブデンの仕事関数を低下させる。
　前記金属酸化物は、バリウムアルミネート、酸化バリウムと酸化アルミニウムと酸化カルシウムの複合酸化物、又は酸化バリウムと酸化スカンジウムの複合酸化物のいずれかから選択されたものであることが望ましい。
　本発明の第２の観点に係る電子源の製造方法は、
　タングステン又はモリブデンの＜１００＞方位単結晶ロッドを準備する工程と、
　タングステン又はモリブデンの棒状部材を準備する工程と、
　前記棒状部材を、前記＜１００＞方位単結晶ロッドと平行かつ互いに接するように保持する工程と、
　前記＜１００＞方位単結晶ロッドと前記棒状部材とが接する領域及び前記棒状部材が互いに接する領域の少なくとも一部を、タングステン又はモリブデンで接合する工程と、
　前記＜１００＞方位単結晶ロッドの先端部を針状に形成する工程と、
　金属酸化物を含む拡散源を前記棒状部材の側面に保持する工程と、
　前記＜１００＞方位単結晶ロッドの前記先端部に｛１００｝結晶面が露出した電子放出面を形成する工程と、
を含む。
　前記＜１００＞方位単結晶ロッドと、互いに接する２つの前記棒状部材によって囲まれる貫通孔状の隙間部を形成する工程をさらに配置してもよい。
　互いに接する前記棒状部材によって形成される溝状の隙間部を形成する工程を配置してもよい。
　本発明の第３の観点に係る電子源の製造方法は、
　電子放出面を備える導電性ロッドを準備する工程と、
　前記導電性ロッドを加工することにより、物質が拡散可能な表面を増大する工程と、
　前記電子放出面を、仕事関数を低下させる被覆層で被覆する工程と、
　前記被膜層の構成物質を含む拡散源を前記導電性ロッド上に保持する工程と、
を含む。
　この発明の第４の観点に係る電子放出方法は、
　上述の電子源の先端部を、サプレッサ電極の上面に穿設された孔に配置し、
　フィラメントに通電して加熱することに伴い、前記先端部を加熱し、
　前記導電端子に電圧を印加して、前記先端部に電界を印加することにより、前記先端部から電子を放出する。
　さらに、この発明の第５の観点に係る電子放出方法は、
　電子放出面を備える導電性ロッドを加工し、物質が拡散可能な表面を増大する工程と、
　前記電子放出面を、仕事関数を低下させる被覆層で被覆する工程と、
　前記電子放出面を加熱すると共に電圧を印加して、電界を発生させ、電子を放出させながら、前記被覆層の構成物質を、前記増大した表面上を拡散させて前記電子放出面に供給する工程と、
を含む。
　本発明によれば、より効率的及び／又はより安定的に電子を放出することが可能な電子源を提供できる。
この発明の第１の実施形態に係る電子源の正面図である。 図１に示す電子源の拡大図であり、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその平面図、（ｃ）は（ａ）のＡ－Ａ線での断面図である。 図１に示す電子源のエミッタの第１の実施形態の説明図であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその先端側から見た図である。 （ａ）は、図１～３に示す電子源を備える電子銃の正面図、（ｂ）は、電子銃の使用状態を例示する図である。 図１～３に示す電子源のエミッタの製造方法の説明図であり、（ａ）は型枠の平面図、（ｂ）は型枠の使用方法の説明図である。 図１～３に示す電子源のエミッタの他の製造方法の説明図であり、（ａ）は型枠の平面図、（ｂ）は（ａ）のＩ－Ｉ線での断面図である。 図１に示す電子源のエミッタの変形例の説明図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は型枠の平面図である。 図１に示す電子源のエミッタの他の変形例の先端側から見た図である。 図１に示す電子源のエミッタの側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る電子源の拡大図であり、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその平面図である。 図１０に示す針状単結晶タングステンロッドの断面を模式的に示した図である。 （ａ）～（ｃ）は、それぞれ、図１０に示す針状単結晶タングステンロッドの変形例を説明するための断面を模式的に示した図である。 （ａ）～（ｄ）は、図１０に示す針状単結晶タングステンロッドの製造方法の説明図である。 図１０に示す針状単結晶タングステンロッドの変形例の断面を模式的に示した図である。 （ａ）と（ｂ）は、図１０に示す針状単結晶タングステンロッドの製造方法の変形例の説明図である。 本発明の第３の実施形態における電子源の拡大図であり、（ａ）はその正面図、（ｂ）はその平面図である。 （ａ）と（ｂ）は、図１６に示す電子源の製造方法の説明図である。
　以下、本発明の実施の形態に係る電子源とその製造方法を、図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
　本発明の第１の実施形態に係る電子源１０は、熱電界放出により電子を放出する電子源である。図１に示すように、電子源１０は、エミッタ１１と、拡散源１２と、フィラメント１３と、導電端子１４ａ、１４ｂと、絶縁碍子１５とから構成されている。
　エミッタ１１は、図２、図３に示すように、針状単結晶タングステンロッド１１ａと補助棒１１ｂ、１１ｃとから構成されている。
　針状単結晶タングステンロッド１１ａは、先端が細くなる針状の先端部１６を有する＜１００＞方位タングステン単結晶の丸棒から構成される。先端部１６の先端面１６ａは、｛１００｝結晶面から構成され、電子を放出する電子放出面となる。
　先端面１６ａを含む先端部１６は、図２（ｃ）に示すように、酸化ジルコニウムで形成された被覆層１９で覆われている。
　補助棒１１ｂと１１ｃは、それぞれ、針状の先端部を有しない＜１００＞方位タングステン単結晶の丸棒から構成されている。
　針状単結晶タングステンロッド１１ａ及び補助棒１１ｂ，１１ｃの直径は、互いに等しく、０．１２５ｍｍである。
　針状単結晶タングステンロッド１１ａと２本の補助棒１１ｂと１１ｃは、それらの中心が正三角形の頂点に位置するように、互いに平行に且つ接点（線）１１１、１１２、１１３で接した状態で配置され相互に固定されている。
　図３（ｂ）に示すように、針状単結晶タングステンロッド１１ａと２本の補助棒１１ｂ、１１ｃは、３つの接点（線）１１１、１１２、１１３を頂部とする略正三角形状の内孔１１４を構成する。また、針状単結晶タングステンロッド１１ａと補助棒１１ｂにより、それらの外面に溝１１６が形成される。また、針状単結晶タングステンロッド１１ａと補助棒１１ｃにより、それらの外面に溝１１５が形成される。さらに、補助棒１１ｂと１１ｃとにより、それらの外面に溝１１７が形成される。
　図１～図３に示すように、針状単結晶タングステンロッド１１ａと、補助棒１１ｂ、１１ｃの側面には、拡散源１２である粉末のＺｒＯが配置されている。
　図２に示すように、針状単結晶タングステンロッド１１ａは、タングステン等から構成されたフィラメント１３の接合点１７に、溶接などにより固定されている。針状単結晶タングステンロッド１１ａの先端面１６ａと、針状単結晶タングステンロッド１１ａとフィラメント１３との接合点１７との距離は、例えば、１．２ｍｍである。
　フィラメント１３の両端は一対の導電端子１４ａと１４ｂに接続され、導電端子１４ａと１４ｂは絶縁碍子１５に固定されている。
　電子源１０は、図４（ａ）に示すように、サプレッサ電極１８１内に配置され、電子銃１８を構成する。
　サプレッサ電極１８１の上面中央には孔１８２が穿設されており、エミッタ１１の先端部１６が孔１８２内に配置されている。
　電子源１０及び電子銃１８の動作を説明する。
　使用時には、図４（ｂ）に例示するように、電子銃１８の前面にターゲット４０１等が配置される。
　導電端子１４ａと１４ｂとの間に電圧が印加され、フィラメント１３が通電され、加熱される。フィラメント１３の加熱に伴って針状単結晶タングステンロッド１１ａも加熱される。
　針状単結晶タングステンロッド１１ａが、１７００～１９００Ｋ程度の電子放出温度に達すると、図４（ｂ）に例示するように、導電端子１４ａ、１４ｂとターゲット４０１（又は図示せぬ陽極）との間に直流電源Ｅより直流電圧を印加する。これにより、針状単結晶タングステンロッド１１ａの先端部１６の電子放出面１６ａ近傍の電界が強くなる。温度が電子放出温度に達していることと、電子放出面１６ａの仕事関数がＺｒＯ被覆層１９により２．８ｅＶに低下していることとにより、電子放出面１６ａからターゲット４０１に向けて電子が放出される。補助棒１１ｂ、１１ｃは、電子放出には直接は寄与しない。
　一方、サプレッサ電極１８１には、負電圧が印加され、放出された電子を収束させ、電子ビームを生成する。
　針状単結晶タングステンロッド１１ａの表面を被覆するＺｒＯの被覆層１９は、加熱により蒸発し、消耗する。しかし、針状単結晶タングステンロッド１１ａに装着された拡散源１２からジルコニウムと酸素が拡散し、先端部１６にジルコニウムと酸素を供給する。
　さらに、針状単結晶タングステンロッド１１ａの加熱に伴って補助棒１１ｂ、１１ｃも加熱される。これにより、補助棒１１ｂ、１１ｃに装着された拡散源１２からもジルコニウムと酸素が拡散し、先端部１６にジルコニウムと酸素を供給する。このとき、貫通孔１１４の内表面及び補助棒１１ｂ、１１ｃの外表面も、表面拡散によりジルコニウムと酸素を供給する通路として機能する。このため、針状単結晶タングステンロッド１１ａの先端部１６にジルコニウムと酸素を供給する能力は、従来の構成に比して、非常に大きい。従って、十分な量のジルコニウムと酸素が先端部１６に供給され、加熱によって消耗したＺｒＯ被覆層１９が安定して再生される。これにより、安定的且つ連続的な電子の熱電界放出が可能となる。
　電子源１０の製造方法を説明する。
　＜１００＞方位の単結晶タングステンロッドを用意し、これを切断して、＜１００＞方位の単結晶タングステンロッド１１ａ～１１ｃを形成する。この段階では、＜１００＞方位の単結晶タングステンロッド１１ａには先端部１６は形成されていない。
　次に、＜１００＞方位の単結晶タングステンロッド１１ａに、補助棒１１ｂと１１ｃとを固着する。
　固着の手法は任意であるが、例えば、以下の手法により、効率的に形成可能である。
　図５（ａ）に示す型枠１２１は、中央部に単結晶タングステンロッド１１ａ～１１ｃを挿入可能な開口１２１ａを有している。図５（ｂ）に示すように、型枠１２１を２つ用いて、単結晶タングステンロッド１１ａ～１１ｃを保持する。
　続いて、単結晶タングステンロッド１１ａと補助棒１１ｂと１１ｃとが互いに接する領域をタングステンで接合する。具体的には、単結晶タングステンロッド１１ａ～１１ｃが互いに接する領域にタングステンの原料ガスを吹きつける。そして、その領域にイオンビームを照射し、タングステンの膜を堆積させて相互に接合する。
　一方で、帯状のタングステンを加工し、Ｖ字状のフィラメント１３を生成する。
　Ｖ字状フィラメント１３の所定の位置（接合点）１７に、単結晶タングステンロッド１１ａを溶接等により固着する。
　フィラメント１３の両端を導電端子１４ａ、１４ｂに装着した後、導電端子１４ａ、１４ｂを絶縁碍子１５に固定する。
　その後、単結晶タングステンロッド１１ａ（この段階では丸棒）の先端部を、水酸化ナトリウム水溶液を用いて電解研磨して針状の先端部１６を形成し、針状単結晶タングステンロッド１１ａを形成する。
　ＺｒＯからなる拡散源１２を、補助棒１１ｂ、１１ｃの側面に配置する。具体的には、ＺｒＨ２（水素化ジルコニウム）の溜まりを針状単結晶タングステンロッド１１ａ、補助棒１１ｂ、１１ｃに形成する。続いて、電子源１０を真空装置中に導入し、加熱する。この加熱により、水素化ジルコニウムをジルコニウムと水素に分解し、ジルコニウムを拡散させる。
　次に、酸素雰囲気の４×１０－６Ｔｏｒｒ程度の減圧環境下で、ジルコニウムを１８００Ｋに加熱して酸化し、ＺｒＯ被覆層１９を形成する。そして、拡散源１２を形成する。
　次に、針状単結晶タングステンロッド１１ａの先端部１６の先端に｛１００｝結晶面が露出した電子放出面１６ａを形成する。具体的には、電子源１０を真空装置中に導入し、１×１０－９Ｔｏｒｒの真空環境下で、針状単結晶タングステンロッド１１ａを加熱する。さらに、針状単結晶タングステンロッド１１ａの先端部１６に強電界を印加し、維持する。すると、先端部に｛１００｝結晶面が露出する。この｛１００｝結晶面は、ＺｒＯ被覆膜により、その部分のみ仕事関数が約２．８ｅＶとなり、タングステンの仕事関数４．５ｅＶよりも低くなるため、電子放出面１６ａとなる。
　このように、本発明の第１の実施形態における電子源１０のエミッタ１１が製造される。本実施形態では、針状単結晶タングステンロッド１１ａに補助棒１１ｂと１１ｃを接合し、これらの表面を、拡散源１２から先端部１６にＺｒＯ膜の原料（ジルコニウムと酸素）を供給するための通路とする。このため、本実施形態は、従来の構成、即ち、針状単結晶タングステンロッド１１ａのみに拡散源１２が固着され、その表面のみが通路として機能する構成よりも、拡散源１２の量が多く、通路も広くできる。即ち、先端部１６への拡散量（供給量）を従来よりも多くすることが可能となる。このため、加熱により消失したＺｒＯ膜が安定的に再生され、長時間に渡り安定して電子を熱電界放出することが可能な電子源１０が得られる。
（変形例）
　この発明の変形例について説明する。図５（ａ）に示す型枠１２１を、図６（ａ）、（ｂ）に示す型枠１３１にしても良い。
　型枠１３１は、単結晶シリコン製で、図６（ａ）に示すように、上面に凹部１３１ａが形成されている。凹部１３１ａは、水酸化カリウムなどのアルカリ性の液による異方性エッチング等により形成されたものである。図６（ｂ）に示すように、凹部１３１ａは、側壁面１３１ｂが底面に約５５°の傾斜を持つように、断面が台形状に形成される。また、補助棒１１ｂと１１ｃが接した状態で並んで載置される縦横深に形成されている。
　エミッタ１１の製造時には、型枠１３１の凹部１３１ａに補助棒１１ｂと１１ｃを載置する。補助棒１１ｂと１１ｃとが平行かつ互いに接するように位置合わせされ、この状態で、補助棒１１ｂと１１ｃとをタングステンで接合する。
　続いて、単結晶タングステンロッド１１ａを補助棒１１ｂと１１ｃの上に載置し、互いに接し且つ平行となるように位置合わせする。次に、単結晶タングステンロッド１１ａと補助棒１１ｂ、１１ｃとをタングステンで接合する。
　こうして、変形例のエミッタ１１を形成できる。
　このような手法によっても、単結晶タングステンロッド（この段階では、先端部１６は形成されていない）１１ａと補助棒１１ｂ、１１ｃとを簡単に位置合わせして、接合することが可能となる。
　以上の説明での補助棒１１ｂ，１１ｃは、１本又は３本以上でもよい。他の例として、図７（ａ）に６本の補助棒１１ｂ～１１ｇを針状単結晶タングステンロッド１１ａの周囲に配置した例を示す。この場合には、例えば、図７（ｂ）に示すように、６角形の開口１４１ａを備える型枠１４１を使用することにより、容易に針状単結晶タングステンロッドと補助棒とを位置合わせして結合することが可能となる。
　針状単結晶タングステンロッド１１ａの径と、補助棒１１ｂ、１１ｃ、…の径は、互いに異なってもよい。
　上記実施の形態においては、補助棒は、拡散源１２からのＺｒＯの追加的な拡散通路となるならば、図８に例示するように、その断面形状は、多角形又は楕円の補助棒１１ｈ～１１ｊであっても良い。
　上記実施の形態では、針状単結晶タングステンロッド１１ａの先端部１６の根本の位置と補助棒１１ｂ…の先端部の位置とをほぼ一致させた。即ち、図９において、先端部１６の根本と補助棒１１ｂの先端部との距離Δｄは、ほぼ０であった。この発明は、これに限定されず、先端部１６にＺｒＯを適量供給できるならば、Δｄは任意に設定可能である。
　さらに、上記実施の形態では、補助棒１１ｂ～１１ｊも、＜１００＞方位の単結晶タングステンから構成したが、他の方位の単結晶タングステンロッドから構成してもよく、さらに、多結晶或いはアモルファスのタングステンから構成してもよく、さらに、タングステン以外の高融点性の材質から構成してもよい。
　上記実施の形態においては、＜１００＞方位の針状単結晶タングステンロッド１１ａと補助棒１１ｂ～１１ｊとをイオンビームを用いた溶接により接合したが、他の手法により接合してもよい。
　上記実施の形態においては、エミッタ１１をタングステンで形成する例を示したが、モリブデン等の他の耐火性金属（高融点性金属）等を用いて形成することも可能である。この場合も、｛１００｝方向に軸方向を有し、先端に｛１００｝面が電子放出面として露出する構成することが望ましい。
　このように、本発明の第１の実施形態に係る電子源１０によれば、ＺｒＯの拡散の通路が従来に比して広く、また、拡散源１２も従来に比して多数配置できるので、先端部１６に十分な量のＺｒＯを供給できる。従って、熱によって消耗したＺｒＯ被覆膜を安定的に再生し、長時間安定した熱電界放出が可能である。
（第２の実施の形態）
　第１の実施形態では、針状単結晶タングステンロッドの先端にＺｒとＯを供給する通路部（拡散路）を、針状単結晶タングステンロッドに補助棒を付加することにより形成した。本発明の通路部の構成はこれに限定されない。針状単結晶タングステンロッド自体の表面拡散に加えて、ＺｒとＯを先端部又はその近傍まで追加的に拡散・供給できるならば、その構成自体は任意である。以下、通路部を、針状単結晶タングステンロッドの内部の孔で構成した第２の実施の形態について説明する。
　本実施形態の電子源２０の構成を図１０（ａ）に正面図、図１０（ｂ）に平面図で示す。
　電子源２０の基本構成は、図１に示した第１の実施形態の電子源１０と同一である。但し、エミッタ１１の構成が、第１実施形態とは異なる。具体的に説明すると、本実施形態のエミッタを構成する針状単結晶タングステンロッド２１は、補助棒に替えて、内部に連通孔２１１を備える。
　針状単結晶タングステンロッド２１は、針状の先端部２６を有する＜１００＞方位のタングステン単結晶ロッドから形成される。図１１に示すように、針状単結晶タングステンロッド２１の内部には、その側面と先端部２６に開口する連通孔２１１が形成されている。区別のため、側面に形成された開口を符号２１２で、先端部２６に形成された開口を符号２１３で示す。
　連通孔２１１の開口２１３は、針状単結晶タングステンロッドの先端面２６ａから０.２ｍｍ～０.５ｍｍの位置に配置され、開口２１２は、針状単結晶タングステンロッド２１とフィラメント１３との接合点１７から０．３ｍｍ～０．４ｍｍの位置に配置されている。また、連通孔２１１の直径は、０．０００５ｍｍ～０．０３ｍｍ、例えば０．０１ｍｍである。
　ＺｒＯから形成された拡散源２２は、針状単結晶タングステンロッド２１の側面に穿設された開口２１２を覆うように、配置されている。
　電子源２０の電子放出動作は、第１実施形態の電子源１０と同一である。
　熱電界放出のため針状単結晶タングステンロッド２１が加熱されると、拡散源２２に含まれるＺｒとＯは、熱により針状単結晶タングステンロッド２１の表面に拡散し、先端部２６、さらに、電子放出面２６ａに供給される。さらに、拡散源２２中のＺｒとＯは、開口２１２から連通孔２１１内部に拡散し、さらに、連通孔２１１の内表面上を拡散し、先端部２６に形成された開口２１３に至る。このため、熱により消耗したＺｒＯ被覆層１９を再生するための原料であるＺｒとＯが、２つの経路で電子放出面２６ａ又はその近傍に連続的に供給され、熱により消耗したＺｒＯ被覆層１９が再生される。このため、ＺｒＯ被覆層１９が安定して維持される。したがって、安定した電子放出が可能となる。
　連通孔２１１の形状、数、サイズ、経路等は、図１２（ａ）～（ｃ）に例示するように任意である。
　連通孔２１１を備える針状単結晶タングステンロッド２１の製造方法を説明する。
　電解研磨により、図１３（ａ）のような、針状の先端部２６を形成した＜１００＞方位の針状単結晶タングステンロッド２１を形成する。
　次に、針状単結晶タングステンロッド２１に集束イオンビームを照射し、図１３（ｂ）に示すように、その長軸に沿って２分割する。
　次に、一方の切断片２１５の切断面２１６に集束イオンビームを当てつつ走査し、表面の原子をスパッタリングによりはじき飛ばす。これにより、図１３（ｃ）に示すように、連通孔２１１、開口２１２，２１３を構成する溝を形成する。
　その後、両方の切断片２１５の切断面２１６を合わせて加熱溶着し、図１３（ｄ）に示すように、連通孔２１１及び開口２１２、２１３を有した単結晶ロッド２１を完成する。
　続いて、開口２１２を覆うように拡散源２２を配置する。
　なお、連通孔２１１を形成した後、図１４に示すように、連通孔２１１内にＺｒＯ２１７を埋め込み、その後、両方の切断片２１５の切断面２１６を合わせて加熱溶着してもよい。その場合も上記と同様に、Ｚｒ及びＯは、連通孔２１１から先端部２６近傍まで表面拡散し、先端部２６又は先端部２６近傍に連続的に供給される。さらに、拡散源２２から連通孔２１１内に、ＺｒとＯが補充される。
　また、先端部２６を形成する前に、連通孔２１１を形成し、その後、先端部２６を形成してもよい。
　さらに、２分割した針状単結晶タングステンロッド２１の分割数は任意であり、４分割等してもよい。
　また、連通孔２１１の形成方法はスパッタリングに限定されず、エッチング（ウエットエッチング、ドライエッチング）によって切断面２１６に溝を形成してもよい。
　また、単結晶タングステンロッド２１を分割することなく、連通孔２１１を形成することも可能である。例えば、異方性の高いドライエッチングにより、図１５（ａ）に示すように、単結晶タングステンロッド２１に、その長軸と平行な孔２１１ａを形成する。続いて、図１５（ｂ）に示すように、径方向の孔２１１ｂを形成し、内部で連通させることにより、連通孔２１１を形成することも可能である。
　以上説明したように、本実施形態の針状単結晶タングステンロッド２１では、その外表面だけでなく、内部に形成した連通孔２１１が、拡散源２２からＺｒとＯが先端部２６又は先端部の近傍に拡散するための通路部となる。従って、電子放出面２６ａへのＺｒとＯの供給量が従来に比べて増加し、長時間に渡り安定して熱電界放出を起こす電子源２１を提供することができる。
（第３の実施の形態）
　第１の実施形態では、補助棒１１ｂ～１１ｊをＺｒとＯの追加の拡散通路とした。また、第２の実施の形態では、針状タングステン単結晶ロッド２１内の連通孔２１１をＺｒとＯの追加の拡散通路とした。この発明はこれに限定されず、拡散通路を拡大できるならば、その形状、配置等は任意である。
　以下、針状タングステン単結晶ロッド２１の側面に溝を形成することにより、ＺｒとＯが拡散する表面積を拡大する第３の実施の形態を説明する。
　第３実施形態の電子源３０の構成を図１６（ａ）に正面図、図１６（ｂ）に平面図で示す。
　電子源３０の基本構成は、図１０に示した第２の実施形態の電子源２０と同一である。但し、針状単結晶タングステンロッドの構成が異なる。本実施形態の針状単結晶タングステンロッド３１は、内部に連通孔を備えず、その外表面に溝３３が形成されている。溝３３は、フィラメント１３との接合点１７から針状単結晶タングステンロッド３１の先端方向に０．３ｍｍ～０．４ｍｍの位置から先端方向に向けて形成されている。
　ＺｒＯから構成される拡散源３２は、溝３３の一部上に配置されている。
　この構成の電子源３０では、針状単結晶タングステンロッド３１が加熱されると、拡散源３２中のＺｒとＯは、加工されていない針状単結晶タングステンロッド３１の外表面のみを拡散する場合に比して、先端部２６又はその近傍に連続的に供給されるＺｒとＯの量が増加する。従って、ＺｒＯ被覆層１９が維持される。従って、安定した電子放出が可能となる。
　溝３３は、例えば、図１７（ａ）に示す未加工の針状単結晶タングステンロッド３１の外表面を、ドライエッチング又は集束イオンビームによりエッチング又はスパッタリングすることにより、又は機械加工により図１７（ｂ）に示すように形成される。但し、形成工程は任意である。
（その他の実施形態）
　本発明は第１～第３の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形及び応用が可能である。
　第１実施形態の補助棒１１ｂ～１１ｊと、第２の実施形態の連通孔２１１と、第３の実施形態の溝３３と、の２つ又は全部を組み合わせて形成することも可能である。１つの針状単結晶タングステンロッドに、補助棒を付加し、さらに、内部に連通孔を形成し、外表面に溝を形成してもよい。
　前記実施形態において、針状単結晶ロッドの材質をタングステンとしたが、これに限られるものではなく、モリブデン等の他の耐火性金属（高融点性金属）等を用いて、形成することも可能である。この場合も、｛１００｝方向に軸方向を有し、先端に｛１００｝面が電子放出面として露出する構成とすることが望ましい。この場合も、仕事関数を低下させるための被覆層としてＺｒＯが使用可能である。また、その場合は、前記第１の実施形態において、単結晶ロッドと補助棒共にモリブデンとし、単結晶ロッドと補助棒とが接する領域及び補助棒が互いに接する領域をモリブデンで接合してもよい。
　前記実施形態において、｛１００｝結晶面（電子放出面）の仕事関数を低減させるための被覆層をＺｒＯとしたが、本発明はこれに限られるものではない。
　例えば、被覆層の材質として、バリウムアルミネート、酸化バリウムと酸化アルミニウムと酸化カルシウムの複合酸化物、又は酸化バリウムと酸化スカンジウムの複合酸化物から選択されたものが好ましい。
　本発明は、電子源のエミッタの表面積を大きくすることで、表面拡散の量を増加させているため、ロッド内部を固溶拡散せず、ロッド表面のみ拡散する金属元素に好適である。
　本発明は２００９年９月１５日に出願された日本国特許出願２００９－２１３８２６号に基づく。本明細書中に日本国特許出願２００９－２１３８２６号の明細書、特許請求の範囲、図面全体を参照として取り込むものとする。
１１　エミッタ
１１ａ　針状単結晶タングステンロッド
１１ｂ～１１ｊ　補助棒
１２　拡散源
１３　フィラメント
１４ａ、１４ｂ　導電端子
１５　絶縁碍子
１６　先端部
１６ａ　先端面（電子放出面）
１７　接合点
１８　電子銃
１９　被覆層
２０　電子源
２１　針状単結晶タングステンロッド
２２　拡散源
２６　先端部
２６ａ　先端面（電子放出面）
３０　電子源
３１　針状単結晶タングステンロッド
３２　拡散源
３３　溝
３６　先端部
３６ａ　先端面（電子放出面）
１２１　型枠
１２１　開口
１３１　型枠
１３１ａ　凹部
１４１　型枠
１４１ａ　開口
１８１　サプレッサ電極
１８２　孔
２１１　連通孔
２１２、２１３　開口

Claims (15)

  1. 　先端部に｛１００｝結晶面が露出した電子放出面を有するタングステン又はモリブデンからなる＜１００＞方位単結晶ロッドと、
    　前記｛１００｝結晶面を覆う金属酸化物層と、
    　前記金属酸化物層の原料物質を拡散する拡散源と、
    　前記＜１００＞方位単結晶ロッドに形成され、前記拡散源から前記先端部又は前記先端部の近傍を連通し、前記拡散源からの原料物質の拡散の通路となる通路部と、
    を備える電子源。
  2. 　前記通路部は、前記＜１００＞方位単結晶ロッドの側面に接して配置された棒状部材を備え、
    　前記拡散源は、前記棒状部材にも配置されている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の電子源。
  3. 　前記通路部は、前記＜１００＞方位単結晶ロッドの側面に互いに接して配置され、前記＜１００＞方位単結晶ロッドと共に貫通孔状の隙間部を形成する複数の棒状部材、を備え、
    　前記拡散源は、前記棒状部材にも配置されている、
    ことを特徴とする請求項１に記載の電子源。
  4. 　前記通路部は、互いに接する２つの前記棒状部材によって形成される溝状の隙間部から構成されることを特徴とする請求項２に記載の電子源。
  5. 　前記拡散源は、前記棒状部材の側面と前記通路部のいずれか一方又は双方に配置されることを特徴とする請求項２に記載の電子源。
  6. 　前記通路部は、前記＜１００＞方位単結晶ロッド中に貫通する貫通孔であることを特徴とする請求項１に記載の電子源。
  7. 　前記通路部は、前記＜１００＞方位単結晶ロッドの側面に形成した溝部であることを特徴とする請求項１に記載の電子源。
  8. 　前記金属酸化物を構成する金属元素は、タングステン又はモリブデンからなる前記＜１００＞方位単結晶ロッド中に固溶しない金属元素であり、前記＜１００＞方位単結晶ロッドの｛１００｝結晶面を覆うことで、タングステン又はモリブデンの仕事関数を低下させる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の電子源。
  9. 　前記金属酸化物は、バリウムアルミネート、酸化バリウムと酸化アルミニウムと酸化カルシウムの複合酸化物、又は酸化バリウムと酸化スカンジウムの複合酸化物から選択されたものである、
    ことを特徴とする請求項１に記載の電子源。
  10. 　タングステン又はモリブデンの＜１００＞方位単結晶ロッドを準備する工程と、
    　タングステン又はモリブデンの棒状部材を準備する工程と、
    　前記棒状部材を、前記＜１００＞方位単結晶ロッドと平行かつ互いに接するように保持する工程と、
    　前記＜１００＞方位単結晶ロッドと前記棒状部材とが接する領域及び前記棒状部材が互いに接する領域の少なくとも一部を、タングステン又はモリブデンで接合する工程と、
    　前記＜１００＞方位単結晶ロッドの先端部を針状に形成する工程と、
    　金属酸化物を含む拡散源を前記棒状部材の側面に保持する工程と、
    　前記＜１００＞方位単結晶ロッドの前記先端部に｛１００｝結晶面が露出した電子放出面を形成する工程と、
    を含む電子源の製造方法。
  11. 　前記＜１００＞方位単結晶ロッドと、互いに接する２つの前記棒状部材によって囲まれる貫通孔状の隙間部を形成する工程をさらに含む請求項１０に記載の電子源の製造方法。
  12. 　互いに接する前記棒状部材によって形成される溝状の隙間部を形成する工程をさらに含む請求項１０に記載の電子源の製造方法。
  13. 　電子放出面を備える導電性ロッドを準備する工程と、
    　前記導電性ロッドを加工することにより、物質が拡散可能な表面を増大する工程と、
    　前記電子放出面を、仕事関数を低下させる被覆層で被覆する工程と、
    　前記被膜層の構成物質を含む拡散源を前記導電性ロッド上に保持する工程と、
    を含む電子源の製造方法。
  14. 　請求項１に記載の電子源の先端部を、サプレッサ電極の上面に穿設された孔に配置し、
    　フィラメントに通電して加熱することに伴い、前記先端部を加熱し、
    　前記導電端子に電圧を印加して、前記先端部に電界を印加することにより、前記先端部から電子を放出する、
    　ことを特徴とする電子放出方法。
  15. 　電子放出面を備える導電性ロッドを加工し、物質が拡散可能な表面を増大する工程と、
    　前記電子放出面を、仕事関数を低下させる被覆層で被覆する工程と、
    　前記電子放出面を加熱すると共に電圧を印加して、電界を発生させ、電子を放出させながら、前記被覆層の構成物質を、前記増大した表面上を拡散させて前記電子放出面に供給する工程と、
    を含む電子放出方法。
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