特許 7145533 エミッタ、それを用いた電子銃および電子機器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-22

(45)【発行日】2022-10-03

(54)【発明の名称】エミッタ、それを用いた電子銃および電子機器

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/06 20060101AFI20220926BHJP

   H01J 1/304 20060101ALI20220926BHJP

【ＦＩ】

H01J37/06 A

H01J1/304

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2020569462

(86)(22)【出願日】2020-01-06

(86)【国際出願番号】 JP2020000027

(87)【国際公開番号】W WO2020158297

(87)【国際公開日】2020-08-06

【審査請求日】2021-07-09

(31)【優先権主張番号】P 2019013714

(32)【優先日】2019-01-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ザン ハン

(72)【発明者】

【氏名】唐 捷

(72)【発明者】

【氏名】藤田 大介

(72)【発明者】

【氏名】山内 泰

(72)【発明者】

【氏名】秦 禄昌

【審査官】藤本 加代子

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１０／１２３００７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－１１０７４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０６３８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０３１９７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２８７４０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０２６７１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ３７／０６

Ｈ０１Ｊ ３７／０６３

Ｈ０１Ｊ ３７／０７３

Ｈ０１Ｊ ９／０２

Ｈ０１Ｊ １／３０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

陰極ホルダと、前記陰極ホルダの端部に固定された針状物質とを備えたエミッタであって、
前記針状物質が固定される前記陰極ホルダの端部は、前記陰極ホルダの長手方向である陰極軸に対してなす角α（ただし、α（°）は、５＜α≦７０を満たす）で屈曲しており、
前記針状物質は、単結晶ナノワイヤまたはナノチューブであり、
前記陰極ホルダの前記端部の厚さＴ（μｍ）と、前記針状物質が前記端部からはみ出す長さＬ（μｍ）との関係Ｌ／Ｔは、０．３≦Ｌ／Ｔ≦２．５を満たす、エミッタ。

【請求項2】

前記なす角α（°）は、１０≦α≦４０を満たし、
前記関係Ｌ／Ｔは、０．５≦Ｌ／Ｔ≦２．５を満たす、請求項１に記載のエミッタ。

【請求項3】

前記なす角α（°）は、１０≦α≦１５を満たす、請求項２に記載のエミッタ。

【請求項4】

前記陰極軸の方向と、前記針状物質の端部が電子を放出する方向とのなす角θ（°）は、０≦θ＜４を満たす、請求項１～３のいずれかに記載のエミッタ。

【請求項5】

前記なす角θ（°）は、０≦θ≦３を満たす、請求項４に記載のエミッタ。

【請求項6】

前記針状物質は、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲の直径、および、５００ｎｍ以上３０μｍ以下の範囲の長さを有する、請求項１～５のいずれかに記載のエミッタ。

【請求項7】

前記単結晶ナノワイヤは、希土類ホウ化物、金属炭化物および金属酸化物からなる群から選択されるいずれかである、請求項１～６のいずれかに記載のエミッタ。

【請求項8】

前記単結晶ナノワイヤは、ＬａＢ６である希土類ホウ化物であり、
前記単結晶ナノワイヤの長手方向は、＜１００＞の結晶方向に一致し、
前記単結晶ナノワイヤの電子を放出すべき端部は、少なくとも｛１００｝面、｛１１０｝面および｛１１１｝面を有する、請求項７に記載のエミッタ。

【請求項9】

前記単結晶ナノワイヤは、ＨｆＣである金属炭化物であり、
前記単結晶ナノワイヤの長手方向は、＜１００＞の結晶方向に一致し、
前記単結晶ナノワイヤの電子を放出すべき端部は、少なくとも｛１１１｝面および｛１１０｝面を有する、請求項７に記載のエミッタ。

【請求項10】

前記ナノチューブは、カーボンナノチューブ、窒化ホウ素ナノチューブおよび炭窒化ホウ素ナノチューブからなる群から選択されるいずれかである、請求項１～６のいずれかに記載のエミッタ。

【請求項11】

前記陰極軸と前記針状物質の電子を放出する端部との距離ｄ（μｍ）は、５≦ｄ≦５０を満たす、請求項１～１０のいずれかに記載のエミッタ。

【請求項12】

前記距離ｄ（μｍ）は、６≦ｄ≦４０を満たす、請求項１１に記載のエミッタ。

【請求項13】

前記針状物質の電子を放出する端部は、先細りの形状を有する、請求項１～１２のいずれかに記載のエミッタ。

【請求項14】

前記陰極ホルダは、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）およびレニウム（Ｒｅ）から選択されるいずれかの金属からなる、請求項１～１３のいずれかに記載のエミッタ。

【請求項15】

電極と、
前記電極に接続されたフィラメントと、
前記フィラメントに取り付けられた、請求項１～１４のいずれかに記載のエミッタと
を備えた電子銃。

【請求項16】

前記フィラメントは、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、プラチナ（Ｐｔ）、レニウム（Ｒｅ）およびカーボン（Ｃ）からなる群から選択された金属からなる、請求項１５に記載の電子銃。

【請求項17】

前記電子銃は、冷陰極電界放出電子銃またはショットキー電子銃である、請求項１５または１６に記載の電子銃。

【請求項18】

電子銃を備えた電子機器であって、
前記電子銃は、請求項１５～１７のいずれかに記載の電子銃である、電子機器。

【請求項19】

前記電子機器は、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、走査型透過電子顕微鏡、オージェ電子分光器、電子エネルギー損失分光器、および、エネルギー分散型電子分光器からなる群から選択されるいずれかである、請求項１８に記載の電子機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エミッタ、それを用いた電子銃および電子機器に関する。

【背景技術】

【0002】

高分解能かつ高輝度な観察画像を得るために、電子顕微鏡における電子銃や集束イオンビーム装置におけるイオン源や電子源には、先鋭化した針状電極が用いられ、種々の改良がされてきた。

【0003】

廉価な多結晶のタングステンエミッタを用いた集束イオンビーム装置の光源（イオン源）が知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１によれば、多結晶タングステンワイヤの先端を３５度折り曲げたり（特許文献１の図５（Ａ））、傾斜させたり（特許文献１の図５（Ｂ））、多結晶タングステンワイヤの胴部を折り曲げたり（特許文献１の図１）することによって、高輝度ビームを放出することを開示する。

【0004】

また、タングステン単結晶を用いた電子源が知られている（例えば、特許文献２を参照）。特許文献２の電子源は、ＺｒＯで被覆された＜１００＞の結晶方向を有するタングステン単結晶からなるが、タングステン単結晶の陰極の軸の方向と、＜１００＞の結晶方向とのなす角を２２．５±１０°に調整することを開示する。これにより、タングステン単結晶の先端の（１１０）面と（１１０）面との境界近傍から放出される電子は、陰極の軸と略平行に放出される。

【0005】

また、カーボンナノチューブを用いた電子源が知られている（例えば、特許文献３を参照）。特許文献３によれば、陰極ホルダの先端縁の直行方向を中心として、左右３０度の角度範囲内にナノチューブを配置することを開示する。これにより、ナノチューブ先端から電界放出される電子ビームを高効率に収束させることができる。

【0006】

しかしながら、特許文献１～３によれば、電子源としてタングステン多結晶、タングステン単結晶またはカーボンナノチューブを用いる場合、これらの大きさはナノオーダからマイクロオーダであり、所定の角度に折り曲げたり、傾けたりすることは、極めて煩雑であり、高精度を要する。したがって、簡便かつ高効率に電子を放出できるエミッタの開発が望まれている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開平４－１７２４７号公報

【文献】特開２０１１－２３８４５９号公報

【文献】特開２００５－２４３３８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の課題は、簡便かつ高効率に電子を放出できるエミッタ、それを用いた電子銃および電子機器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明による、陰極ホルダと、前記陰極ホルダの端部に固定された針状物質とを備えたエミッタは、前記針状物質が固定される前記陰極ホルダの端部が、前記陰極ホルダの長手方向である陰極軸に対してなす角α（ただし、α（°）は、５＜α≦７０を満たす）で屈曲されており、前記針状物質が、単結晶ナノワイヤまたはナノチューブであり、前記陰極ホルダの前記端部の厚さＴ（μｍ）と、前記針状物質が前記端部からはみ出す長さＬ（μｍ）との関係Ｌ／Ｔが、０．３≦Ｌ／Ｔ≦２．５を満たし、これにより上記課題を解決する。
前記なす角α（°）は、１０≦α≦４０を満たし、前記関係Ｌ／Ｔは、０．５≦Ｌ／Ｔ≦２．５を満たしてもよい。
前記なす角α（°）は、１０≦α≦１５を満たしてもよい。
前記陰極軸の方向と、前記針状物質の端部が電子を放出する方向とのなす角θ（°）は、０≦θ＜４を満たしてもよい。
前記なす角θ（°）は、０≦θ≦３を満たしてもよい。
前記針状物質は、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲の直径、および、５００ｎｍ以上３０μｍ以下の範囲の長さを有してもよい。
前記単結晶ナノワイヤは、希土類ホウ化物、金属炭化物および金属酸化物からなる群から選択されるいずれかであってもよい。
前記単結晶ナノワイヤは、ＬａＢ_６である希土類ホウ化物であり、前記単結晶ナノワイヤの長手方向は、＜１００＞の結晶方向に一致し、前記単結晶ナノワイヤの電子を放出すべき端部は、少なくとも｛１００｝面、｛１１０｝面および｛１１１｝面を有してもよい。
前記単結晶ナノワイヤは、ＨｆＣである金属炭化物であり、前記単結晶ナノワイヤの長手方向は、＜１００＞の結晶方向に一致し、前記単結晶ナノワイヤの電子を放出すべき端部は、少なくとも｛１１１｝面および｛１１０｝面を有してもよい。
前記ナノチューブは、カーボンナノチューブ、窒化ホウ素ナノチューブおよび炭窒化ホウ素ナノチューブからなる群から選択されるいずれかであってもよい。
前記陰極軸と前記針状物質の電子を放出する端部との距離ｄ（μｍ）は、５≦ｄ≦５０を満たしてもよい。
前記距離ｄ（μｍ）は、６≦ｄ≦４０を満たしてもよい。
前記針状物質の前記電子を放出する端部は、先細りの形状を有してもよい。
前記陰極ホルダは、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）およびレニウム（Ｒｅ）から選択されるいずれかの金属からなるものであってもよい。
本発明による電子銃は、電極と、前記電極に接続されたフィラメントと、前記フィラメントに取り付けられた、上述のいずれかに記載のエミッタとを備え、これにより上記課題を解決する。
前記フィラメントは、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、プラチナ（Ｐｔ）、レニウム（Ｒｅ）およびカーボン（Ｃ）からなる群から選択されるいずれかの金属からなるものであってもよい。
前記電子銃は、冷陰極電界放出電子銃またはショットキー電子銃であってもよい。
本発明による、電子銃を備えた電子機器は、前記電子銃が、上述のいずれかに記載の電子銃であり、これにより上記課題を解決する。
前記電子機器は、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、走査型透過電子顕微鏡、オージェ電子分光器、電子エネルギー損失分光器、および、エネルギー分散型電子分光器からなる群から選択されてもよい。

【発明の効果】

【0010】

本発明のエミッタは、陰極ホルダと、その端部に固定された針状物質とを備え、針状物質が固定される陰極ホルダの端部は、陰極ホルダの長手方向である陰極軸に対してなす角α（ただし、α（°）は、５＜α≦７０を満たす）で屈曲している。また、針状物質は、単結晶ナノワイヤまたはナノチューブであるが、既に入手可能な公知のナノワイヤやナノチューブを使用できる。このように、本発明のエミッタでは、端部に針状物質を固定するだけでよいので、電子が放出される針状物質自体の端部の角度を調整する必要はない。また、本発明のエミッタによれば、陰極ホルダの端部の厚さＴ（μｍ）と、針状物質が端部からはみ出す長さＬ（μｍ）との関係Ｌ／Ｔは、０．３≦Ｌ／Ｔ≦２．５を満たすので、エミッタから放出される電子の方向は、陰極軸と略平行となり、安定である。そのため、電子ビームを高効率に収束できる。

【0011】

このようなエミッタは、電子銃、および、それを用いた走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、走査型透過電子顕微鏡、オージェ電子分光器、電子エネルギー損失分光器、エネルギー分散型電子分光器等の電子機器に採用され得る。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明のエミッタを示す模式図である。

【図2】本発明のエミッタを製造する様子を示す模式図である。

【図3】本発明のエミッタを備えた電子銃を示す模式図である。

【図4】比較例１のエミッタの模式図（Ａ）と写真（Ｂ）を示す図である。

【図5】実施例２のエミッタの写真を示す図である。

【図6】比較例１のエミッタの電子パターンの観察の様態を示す模式図（Ａ）と観察結果（Ｂ）を示す図である。

【図7】実施例２のエミッタの電子パターンの観察結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の符号を付し、その説明を省略する。

【0014】

（実施の形態１）
実施の形態１は、本発明のエミッタおよびその製造方法を説明する。

【0015】

図１は、実施の形態１のエミッタの模式図である。

【0016】

本発明のエミッタ１００は、陰極ホルダ１１０と、陰極ホルダ１１０に固定された針状物質１２０とを備える。針状物質１２０が固定される陰極ホルダ１１０の端部１３０は、陰極ホルダ１１０の長手方向（ここでは、図１の紙面に対して水平な方向に同じ）である陰極軸Ａに対してなす角α（ただし、α（°）は、５＜α≦７０を満たす）で屈曲した簡便な構成である。針状物質１２０は、単結晶ナノワイヤまたはナノチューブであるが、電子が放出される端部の角度を調整する必要がないため、実装が容易である。さらに、本願発明者らは、上述のなす角αを満たし、かつ、陰極ホルダ１１０の端部１３０の厚さＴ（μｍ）と、針状物質１２０が端部１３０からはみ出す長さＬ（μｍ）との関係Ｌ／Ｔが、０．３≦Ｌ／Ｔ≦２．５を満たすように、陰極ホルダ１１０に針状物質１２０を固定することにより、針状物質１２０から放出される電子１４０の方向は、陰極軸Ａと略平行とすることができ、電子ビームを高効率に収束できることを見出した。

【0017】

陰極ホルダ１１０は、導電性材料であれば、特に制限はないが、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）およびレニウム（Ｒｅ）からなる群から選択されるいずれかの金属材料が好ましい。これらの材料は加工性に優れる。

【0018】

針状物質１２０は、好ましくは、１ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲の直径を有し、５００ｎｍ以上３０μｍ以下の範囲の長さを有する。これにより、上述の関係Ｌ／Ｔを満たし得る。なお、本願明細書において、針状物質１２０がナノチューブである場合、「直径」とは、ナノチューブの外径を意図する。

【0019】

針状物質１２０は、電子を放出可能な単結晶ナノワイヤまたはナノチューブであれば、特に材料に制限はないが、針状物質１２０が単結晶ナノワイヤである場合、好ましくは、希土類ホウ化物、金属炭化物および金属酸化物からなる群から選択されるいずれかの材料からなる。希土類ホウ化物には、例示的には、六ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）、六ホウ化セリウム（ＣｅＢ_６）、六ホウ化ガドリニウム（ＧｄＢ_６）等が挙げられる。金属炭化物には、例示的には、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化タンタル（ＴａＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）等が挙げられる。金属酸化物には、例示的には、酸化チタン、酸化スズ、酸化亜鉛等が挙げられる。

【0020】

針状物質１２０が、希土類ホウ化物からなる単結晶ナノワイヤである場合、好ましくは、ＬａＢ_６である。ＬａＢ_６は、例えば、特開２００８－２６２７９４号公報に開示されるように、製造方法が知られており、この点で簡単に入手可能である。ＬａＢ_６は、その長手方向が＜１００＞の結晶方向に一致し、電子を放出すべき端部が少なくとも｛１００｝面、｛１１０｝面および｛１１１｝面を有するように処理されていることが好ましい。これにより、電子１４０が高効率で放出される。

【0021】

針状物質１２０が、金属炭化物からなる単結晶ナノワイヤである場合、好ましくは、ＨｆＣである。ＨｆＣは、例えば、再公表特許２０１６／１４０１７７号に開示されるように、製造方法が知られており、この点で簡単に入手可能である。ＨｆＣは、その長手方向が＜１００＞の結晶方向に一致し、電子を放出すべき端部が少なくとも｛１１１｝面および｛１１０｝面を有するように処理されていることが好ましい。これにより、電子１４０が高効率で放出される。

【0022】

なお、本願明細書における記号＜１００＞は、点群対称性の観点から［１００］に等価なすべての結晶方向を意図することに留意されたい。同様に、本願明細書における記号｛１００｝は、それぞれに等価な対称性を有する面を含むことに留意されたい。

【0023】

針状物質１２０がナノチューブである場合、好ましくは、カーボンナノチューブ、窒化ホウ素ナノチューブおよび炭窒化ホウ素ナノチューブからなる群から選択される。例えば、カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴ）、二層カーボンナノチューブ（ＤＷＮＴ）、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）のいずれであってもよい。

【0024】

針状物質１２０は、好ましくは、電子を放出する端部が先細りの形状を有し得る。これにより、電子がより高効率で放出される。

【0025】

上述したように、本願発明者らは、後述する種々の実験から、陰極ホルダ１１０の針状物質１２０が固定される端部１３０が、陰極ホルダ１１０の長手方向（ここでは、図１の紙面に対して水平な方向に同じ）である陰極軸Ａに対してなす角α（ただし、α（°）は、５＜α≦７０を満たす）で屈曲しており、かつ、陰極ホルダ１１０の端部１３０の厚さＴ（μｍ）と、針状物質１２０が端部１３０からはみ出す長さＬ（μｍ）との関係Ｌ／Ｔが、０．３≦Ｌ／Ｔ≦２．５を満たすことにより、針状物質１２０から放出される電子の方向は、陰極軸Ａと略平行にすることができることを見出したが、詳細には、なす角αが小さくなるほど、かつ、Ｌ／Ｔの値が大きくなるほど、あるいは、なす角αが大きくなるほど、かつ、Ｌ／Ｔの値が小さくなるほど、針状物質１２０から放出される電子１４０の方向は、陰極軸Ａと略平行にすることができ、そのため、なす角αとＬ／Ｔの値との関係が重要である。

【0026】

ここで、本願明細書において、略平行とは、陰極軸Ａと針状物質１２０の端部が電子を放出する方向とのなす角θ（°）が、０≦θ＜４を満たすことを意図する。なお、なす角αとＬ／Ｔとの調整によっては、なす角θ（°）は、更に０≦θ≦３を満たし得る。
本発明によるエミッタによれば、当該エミッタから放出される電子の方向は、なす角θ（°）が上記範囲（具体的には、０≦θ＜４で、好ましくは０≦θ≦３）を満たすことができるので、安定であり、電子ビームを高効率に収束できる。

【0027】

本発明のエミッタ１００によれば、針状物質１２０は陰極軸Ａから離れた位置にあるため、当然ながら、針状物質１２０の端部から放出される電子は、陰極軸Ａからずれている。しかしながら、そのずれの程度は１００μｍ以下であるので、本発明のエミッタ１００を電子銃に取り付けた電子機器のセットアップ時にわずかな調整をするだけで、そのずれを補正できる。針状物質１２０の電子が放出される端部と陰極軸Ａとの距離ｄ（すなわち、陰極軸Ａからのずれ）は、５≦ｄ≦５０を満たすことが好ましい。
しかしながら、なす角α（°）は、１０≦α≦４０を満たし、かつ、関係Ｌ／Ｔは、０．５≦Ｌ／Ｔ≦２．５を満たすことが好ましく、これにより、針状物質１２０の電子が放出される端部と陰極軸Ａとの距離ｄ（すなわち、陰極軸Ａからのずれ）を小さくできる。詳細には、距離ｄ（μｍ）は、６≦ｄ≦４０を満たす。
なす角α（°）は、１０≦α≦１５を満たすことがさらに好ましい。これにより、距離ｄ（μｍ）を６≦ｄ≦１０に抑えることができる。
本発明のエミッタ１００においては、当該エミッタから放出される電子の方向を安定させ、電子ビームを高効率に収束させる等の観点から、上述のとおり、距離ｄ（μｍ）の下限値は、好ましくは５（μｍ）、より好ましくは６（μｍ）であり、また、その上限値は、好ましくは５０（μｍ）、より好ましくは４０（μｍ）、さらにより好ましくは１０（μｍ）である。

【0028】

なお、本発明のエミッタ１００は、陰極ホルダ１１０が、図１の紙面に対して下方向に屈曲した様子を示すが、紙面に対して上方向、手前側、あるいは奥側に屈曲されていてもよい。このいずれの場合であっても、なす角α、Ｌ／Ｔ、θ、ｄは、上述の関係を満たす。

【0029】

図２は、本発明のエミッタを製造する様子を示す模式図である。

【0030】

本発明のエミッタ１００は、先細りにした陰極材料２１０の端部を、その平面に対して下方または上方に５°より大きく７０°以下の範囲で曲げ、陰極ホルダ１１０を形成し、次いで、曲げられた（屈曲した）端部１３０に上述した針状物質１２０を固定すればよい。先細りにした陰極材料２１０は、例えば、図２に示すように、ピンセット２２０および２３０で固定され、ピンセット２３０のみを下方または上方に動かせばよい。このような作業は、顕微鏡等で観察しながら手動にて行ってもよいし、機械が自動で行うようにセットしてもよい。また、針状物質１２０は、カーボンパッドなどの導電性を有する接着シート等によって端部１３０に固定される。なお、陰極材料２１０は、上述した陰極ホルダ１１０の材料と同じであるため、説明を省略する。

【0031】

（実施の形態２）
実施の形態２は、本発明のエミッタを備えた電子銃を説明する。
図３は、本発明のエミッタを備えた電子銃を示す模式図である。

【0032】

本発明の電子銃３００は、少なくとも、実施の形態１で説明したエミッタ１００を備える。

【0033】

エミッタ１００は、フィラメント３１０に取り付けられている。これにより、ナノワイヤ１００の取り扱いが簡便となるため好ましい。フィラメント３１０は、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、プラチナ（Ｐｔ）、レニウム（Ｒｅ）およびカーボン（Ｃ）からなる群から選択されたいずれかの金属からなる。なお、図３では、フィラメント３１０は、ヘアピン型の形状を有している（Ｕ字状である）が、これに限らず、フィラメント３１０の形状はＶ字型など任意である。

【0034】

電子銃３００では、引出電源３３０が電極３２０と引出電極３４０との間に接続されており、引出電源３３０は、エミッタ１００と引出電極３４０との間に電圧を印加する。さらに、電子銃３００では、加速電源３５０が電極３２０と加速電極３６０との間に接続されており、加速電源３５０は、エミッタ１００と加速電極３６０との間に電圧を印加する。引出電極、加速電極を陽極と呼んでもよい。

【0035】

電極３２０は、さらに、電子銃３００が冷陰極電界放出電子銃の場合にはフラッシュ電源に接続されてもよく、電子銃３００がショットキー電子銃の場合には加熱電源に接続されてもよい。

【0036】

なお、電子銃３００は、１０^－８Ｐａ～１０^－７Ｐａの真空下に配置されてもよく、この場合、エミッタ１００の電子が放出されるべき端部を清浄に保つことができる。

【0037】

本発明の電子銃３００が冷陰極電界放出電子銃である場合の動作を簡単に説明する。

【0038】

引出電源３３０がエミッタ１００と引出電極３４０との間に電圧を印加する。これにより、エミッタ１００の電子を放出すべき端部（図１の針状物質１２０の端部に相当）に電界集中を発生させ、電子を引き出す。さらに、加速電源３５０がエミッタ１００と加速電極３６０との間に電圧を印加する。これにより、エミッタ１００の電子を放出すべき端部において引き出された電子は、加速され、試料に向けて出射される。なお、電極３２０に接続されたフラッシュ電源により、適宜、フラッシングを行い、ナノワイヤ１００の表面を清浄化してもよい。これらの動作は上述の真空下で行われる。

【0039】

本発明の電子銃３００がショットキー電子銃である場合の動作を簡単に説明する。

【0040】

電極３２０に接続された加熱電源がエミッタ１００を加熱し、引出電源３３０がエミッタ１００と引出電極３４０との間に電圧を印加する。これにより、エミッタ１００の電子を放出すべき端部にショットキー放出を生じさせ、電子を引き出す。さらに、加速電源３５０がエミッタ１００と加速電極３６０との間に電圧を印加する。これにより、エミッタ１００の電子を放出すべき端部において引き出された電子は、加速され、試料に向けて出射される。これらの動作は上述の真空下で行われる。なお、加熱電源によりエミッタ１００から熱電子が放出され得るので、電子銃３００は、熱電子を遮蔽するためのサプレッサ（図示せず）をさらに備えてもよい。

【0041】

本発明の電子銃３００は、実施の形態１で詳述したエミッタ１００を備えるので、電子が容易に放出され、電子ビームを高効率に収束できる。このような電子銃３００は、電子集束能力を持つ任意の電子機器に採用される。例えば、このような電子機器は、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、走査型透過電子顕微鏡、オージェ電子分光器、電子エネルギー損失分光器、および、エネルギー分散型電子分光器からなる群から選択されるいずれかであってよい。

【0042】

次に、具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。

【実施例】

【0043】

［実施例／比較例１～１３］
実施例／比較例１～１３では、陰極材料として先細りに加工したタンタルを、針状物質として六ホウ化ランタン（ＬａＢ６）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）およびカーボンナノチューブを用い、Ｌ／Ｔ（図１）およびなす角α（図１）を変化させたエミッタを製造した。

【0044】

タンタルは、針状物質を固定する端部の厚さが２～５μｍと異なるものを用いた。ＬａＢ_６およびＨｆＣは、例えば、特開２００８－２６２７９４あるいは再公表特許２０１６／１４０１７７号に開示されるＣＶＤ法によって製造した。

【0045】

得られたナノワイヤについてエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＳ）により組成分析し、ＬａＢ_６およびＨｆＣのナノワイヤであることを確認した。また、透過型電子顕微鏡によるＨＴＲＥＭ像および制限視野電子回折図形から、ＬａＢ_６およびＨｆＣのナノワイヤは、いずれも単結晶であり、ＬａＢ_６の長手方向は、＜１００＞の結晶方向に一致し、その端部は、｛１００｝面、｛１１０｝面および｛１１１｝面を有すること、ならびに、ＨｆＣの長手方向は、＜１００＞の結晶方向に一致し、その端部は、｛１１１｝面および｛１１０｝面を有することを確認した。ＬａＢ_６ナノワイヤおよびＨｆＣナノワイヤは、直径１０ｎｍ～２００ｎｍ（１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下）および長さ１μｍ～３０μｍ（１μｍ以上３０μｍ以下）を有した。以降では、この中から、直径約１００ｎｍおよび長さ１１５μｍを有するＬａＢ_６ナノワイヤおよびＨｆＣナノワイヤを使用した。

【0046】

一方、カーボンナノチューブは、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ、Ｃｈｅａｐ Ｔｕｂｅ製）を採用した。ＳＷＣＮＴは、直径５ｎｍおよび直径５μｍであった。

【0047】

表１に示すＬ／Ｔおよびなす角α（°）を満たすように、図２に示す要領でピンセットを用いて、種々のエミッタを製造した。針状物質は、カーボンパッドで陰極ホルダに固定された。

【0048】

【表1】

【0049】

図４は、比較例１のエミッタの模式図（Ａ）と写真（Ｂ）を示す図である。
図５は、実施例２のエミッタの写真を示す図である。

【0050】

図４に示すように、αが０°の場合、陰極ホルダは屈曲しておらず、針状物質の長手方向は、陰極ホルダの陰極軸に一致した。比較例３および比較例７のエミッタも同様の様態であった。

【0051】

一方、図５に示すように、αが１０°の場合、陰極ホルダが曲がっており、針状物質の長手方向も、陰極ホルダの陰極軸に一致しなかった。実施例／比較例４～６および８～１３も同様の様態であった（表１参照）。

【0052】

得られたエミッタを用いて、図３に示す電子銃を構成し、引出電圧３５０Ｖ、次いで、引出電圧極性を反転させ、加速電圧３５０Ｖとし、電子パターンを観察した。このとき、針状物質の電子が放出される端部と陰極軸との距離（図１のｄに相当）と、陰極軸と針状物質の端部が電子を放出する方向とのなす角（図１のθに相当）とを測定した。結果を図６、図７および表２に示す。

【0053】

図６は、比較例１のエミッタの電子パターンの観察の様態を示す模式図（Ａ）と観察結果（Ｂ）を示す図である。
図７は、実施例２のエミッタの電子パターンの観察結果を示す図である。

【0054】

図６（Ｂ）および図７において、グレースケールで明るく示される領域が、電子ビームが照射している位置を示す。図６（Ｂ）によれば、比較例１のエミッタの電子パターンは、スクリーンの中心から大きく外れており、θは６°と算出された。一方、図７によれば、実施例２のエミッタの電子パターンは、スクリーンの中心に表れており、θは０°であった。図示しないが、実施例４、６、８、１０～１３のエミッタの電子パターンは、いずれも、スクリーンの中心に表れることを確認した。なお、陰極ホルダの端部が曲がった実施例／比較例においては、針状物質の電子が放出される端部と陰極軸との距離ｄ（すなわち、陰極軸からのずれ）は、測定時に補正してある。補正した距離ｄ（μｍ）を、表２に示す。

【0055】

【表2】

【0056】

表２から、なす角α（°）が５＜α≦７０を満たし、関係Ｌ／Ｔが０．３≦Ｌ／Ｔ≦２．５を満たすことにより、エミッタから放出される電子ビームは、陰極軸と略平行となることが示された。さらに、なす角α（°）が１０≦α≦４０を満たし、かつ、関係Ｌ／Ｔが０．５≦Ｌ／Ｔ≦２．５を満たすことにより、エミッタから放出される電子ビームは、陰極軸からのずれも小さく、陰極軸と略平行となることが示された。なおさらに、なす角α（°）が１０≦α≦１５を満たすことにより、電子ビームは陰極軸と平行となり、陰極軸からのずれ（ｄ：μｍ）も６≦ｄ≦１０に抑えることができる。

【産業上の利用可能性】

【0057】

本発明のエミッタを用いれば、効率的に集束した電子を放出できるので、走査型電子顕微鏡、透過型電子顕微鏡、走査型透過電子顕微鏡、オージェ電子分光器、電子エネルギー損失分光器、エネルギー分散型電子分光器等の電子集束能力をもつ任意の機器に採用される。

【符号の説明】

【0058】

１００ エミッタ
１１０ 陰極ホルダ
１２０ 針状物質
１３０ 針状物質１２０が固定される陰極ホルダ１１０の端部
１４０ 電子
２１０ 先細りに加工した陰極材料
２２０、２３０ ピンセット
３００ 電子銃
３１０ フィラメント
３２０ 電極
３３０ 引出電源
３４０ 引出電極
３５０ 加速電源
３６０ 加速電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】