[发明专利]金刚石电子发射阴极、电子源、电子显微镜及电子束曝光机

说明书

技术领域

本发明涉及电子显微镜、电子束曝光机等电子线及电子束机器等中使用的电场发射型的金刚石电子发射阴极。还涉及具有该金刚石电子发射阴极的电子源及采用了它们的电子机器。

背景技术

电子具有负电荷，质量极小，所以使电子统一到一方向行进的电子束具有以下特征。(1)能用电场、磁场来控制方向、收束度。(2)能通过电场下的加减速来获得大范围的能量。(3)因为波长短，所以能收缩得很细。利用这种特征的电子显微镜、电子束曝光机广泛普及。作为它们的阴极材料，例如，作为热电子发射源，有廉价的W丝、能获得亮度高的电子束的LaB₆等六鹏化物。

还有，作为亮度更高、能量宽度更窄的阴极，则使用利用了量子效应下的隧道现象的尖锐化W、利用了电场下的肖特基效应的ZrO/W。

对于电子显微镜有要高精度地观察更小的东西的要求、对于电子束曝光机正在推进65nm节点以下的开发，所以要求亮度更高、能量宽度更窄的阴极。

作为回应这种期待的材料之一，有金刚石。在金刚石中，如非专利文献1或非专利文献2中提到的，有电子亲和力为负(NEA)的状态或与功函数小的金属比较为小的正(PEA)的状态存在。如果利用该非常稀少的物性，则不需要像W丝、LaB₆或ZrO/W那样超过1000℃的高热就能发射高电流密度电子，能量宽度能控制得很窄。并且，因为驱动温度低，所以可期待长寿命。还有，因为有非专利文献3那样能获得前端直径10nm的细微加工技术，所以高亮度化方面也没有问题。还有，关于金刚石，自从判明具有上述电子亲和力以来，到现在为止已经提出了非专利文献4、专利文献1那样的电子源。

电子枪有热电子发射型、电场发射型等随电子发射的机制而不同的各种形态的东西，不过，它们都是为使电子放出而在电子发射阴极上施加电场，拉出电子的构造。电场施加在有尖锐端的形状的东西上，与施加在平面状的东西上相比，如果是相同的电压则会更集中，所以作为电子枪中使用的电子发射材料，多采用又细又尖的东西。

利用量子效应下的隧道现象，在室温下取出电子的尖锐化W称作电场发射型电子枪。作为电子发射源(发射极)，是以W(111)、W(310)或W(100)方位单结晶为主材料的长度2mm不到些的具有尖锐端的芯片，将其安装在W丝上来利用。与该发射极成对的拉出电极是以与发射极隔开数mm程度的距离而配置的。该发射极及拉出电极被排气到高真空状态。

利用了该尖锐化W的电场发射型电子枪，与其他热电子源等相比，显著地具有电子的能量宽度小、亮度高的特征。能量宽度为200～300meV的程度，能降低电子光学系统中使用的透镜的色差，所以对电子显微镜的性能提高有很大作用。然而，必须在10^-8Pa程度的超高真空下使用，而且，定期地对发射极进行瞬间通电加热来除去发射极上吸附的气体分子这样的清净化作业(热闪)是必要而不可缺少的。

对于采用了金刚石的电子枪，与现有电子枪相比，可期待高亮度、低能量分散、长寿命，不过，特别是在作为热电场发射型或电场发射型电子枪来使用的情况下，关于其把持方法有以下课题。

即，例如在使用LaB₆作为电子发射材料的热电场发射型电子枪中，是用金属等夹住、把持由使前端尖锐化了的LaB₆构成的芯片的形式，不过，该方法在把持的区域上需要某种程度的粗细。具体而言，断面积不到0.1mm²的话，则难以把持。因此，在要把持的区域上需要断面积0.1mm²以上的粗细，不过，由此向电子发射部进行尖锐化加工的话，前端就更加难以尖锐化。还有，这样就需要加大抑制栅极部分的孔径，这会对拉出效率的提高带来不良影响。

另一方面，在ZrO/W、冷阴极中使用的W电极中，是把使前端尖锐化了的W芯片与W线熔接起来把持的。根据该方法，能使用充分尖锐化了的电子发射阴极，不过，在把金刚石用作电子发射阴极的情况下，向金属线的熔接非常难，这是存在的问题。

专利文献1：特开平4-67527号公报

非专利文献1：F.，T.Himpsel et al.，Phys.Rev.B.，Vol.20，Number2(1979)624

非专利文献2：J.Ristein et al.，New Diamond and Frontier CarbonTechnology，Vol.10，No.6，(2000)363

非专利文献3：Y.Nishibayashi et al.，SEI Technical Review，57，(2004)31