CN101375363B - 金刚石电子发射阴极、电子源、电子显微镜及电子束曝光机 - Google Patents

金刚石电子发射阴极、电子源、电子显微镜及电子束曝光机 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供高亮度、低能量分散且长寿命的电子发射阴极，提供采用金刚石制造的电子发射阴极。因此，本发明的目的在于提供可充分稳定地把持的，且前端尖锐化了的，提高了电场强度的金刚石电子发射阴极。本发明所涉及的金刚石电子发射阴极(110)至少分为3个区域，即在柱状前端以电子发射为目的的前端区域(203)、在长度方向以在对面上把持为目的的后端区域(201)、经过细径加工的中间区域(202)，后端区域的断面积是0.1mm2以上，前端区域的前端经过尖锐化加工，经过细径加工的中间区域的断面积最大为0.1mm2以下。

Description

金刚石电子发射阴极、电子源、电子显微镜及电子束曝光机
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***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
非专利文献4：W.B.Choi et al.，J.Vac.Sci.Technol.B14，(1996)2051
发明内容
发明打算解决的课题
因此，本发明的课题是提供高亮度、低能量分散且长寿命的电子发射阴极，提供采用金刚石制造的电子发射阴极。此时，目的在于提供可充分稳定地把持的，且前端尖锐化了的，提高了电场强度的金刚石电子发射阴极。
用于解决课题的方案
因此，本发明者们为了兼顾把金刚石用作电子发射阴极时的把持方法和前端的尖锐化，进而提高前端处的电场强度而反复深刻研究，完成了本发明。
即，本发明如下。
1)提供一种至少一部分上具有单结晶金刚石的柱状的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述柱状的金刚石电子发射阴极至少包括以电子发射为目的的前端区域、以把持为目的的后端区域、位于上述前端区域和后端区域之间的经过细径加工的中间区域，上述前端区域的前端部经过尖锐化加工。
2)提供上述1)中记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述后端区域的断面积是0.1mm2以上，且上述中间区域的断面积是0.1mm2以下。
3)提供上述1)或2)中记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述后端区域的长度方向的长度是0.5mm以上2mm以下，上述中间区域的长度方向的长度是0.5mm以上2mm以下。
4)提供上述1)～3)中任意一项记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述后端区域、上述前端区域、上述中间区域具有共同的主面，在该共同的主面上的至少一部分上形成了导电层，由该导电层来确保上述后端区域和上述前端区域之间的电导通。
5)提供上述4)中记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述共同的主面的面方位是(111)面或与(111)面的偏差为8度以内。
6)提供上述4)中记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述导电层是由呈n型半导电性的金刚石形成的。
7)提供上述1)～6)中任意一项记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述后端区域的断面形状是大致长方形或大致正方形。
8)提供上述1)～7)中任意一项记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述经过细径加工的中间区域的厚度是0.02mm以上0.15mm以下。
9)提供一种至少一部分上具有单结晶金刚石的柱状的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述柱状的金刚石电子发射阴极至少包括以电子发射为目的的前端区域、以把持为目的的后端区域，上述前端区域的前端部经过细径加工。
10)提供上述9)中记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述后端区域的断面积是0.1mm2以上，上述后端区域的长度方向的长度是0.5mm以上2mm以下，上述前端区域的长度是1.0以上3.0mm以下。
11)提供上述9)或10)中记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述后端区域和上述前端区域具有共同的主面，在该共同的主面上的至少一部分上形成了导电层，由该导电层来确保上述后端区域和上述前端区域之间的电导通。
12)提供上述11)中记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述共同的主面的面方位是(111)面或与(111)面的偏差为8度以内。
13)提供上述11)中记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述导电层是由呈n型半导电性的金刚石形成的。
14)提供上述9)～13)中任意一项记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述后端区域的断面形状是大致长方形或大致正方形。
15)提供一种金刚石电子源，其特征在于，至少具有由上述1)～8)中任意一项记载的金刚石电子发射阴极、绝缘性陶瓷、用于向上述电子发射阴极供给电流的一对以上的端子组成的构造体。
16)提供上述15)中记载的金刚石电子源，其特征在于，具有用于抑制来自金刚石电子发射阴极的前端区域以外的电子发射的导电性部件，上述金刚石电子发射阴极的中间区域贯通于在上述导电性部件上形成的贯通孔中。
17)提供一种金刚石电子源，其特征在于，至少具有由上述9)～14)中任意一项记载的金刚石电子发射阴极、绝缘性陶瓷、用于向上述电子发射阴极供给电流的一对以上的端子组成的构造体。
18)提供上述17)中记载的金刚石电子源，其特征在于，具有用于抑制来自金刚石电子发射阴极的前端区域以外的电子发射的导电性部件，上述金刚石电子发射阴极的前端区域贯通于在上述导电性部件上形成的贯通孔中。
19)提供一种电子显微镜，其特征在于，搭载了上述15)～18)中任意一项记载的金刚石电子源。
20)提供一种电子束曝光机，其特征在于，搭载了上述15)～18)中任意一项记载的金刚石电子源。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的电子发射阴极(第1实施方式)的立体图。
图2是表示实施例所涉及的电子发射阴极的制造工艺(第1实施方式)的立体图。
图3是表示本发明所涉及的电子枪的概念图。
图4是表示本发明所涉及的电子发射阴极(第2实施方式)的立体图。
图5是表示本发明所涉及的电子发射阴极的制造工艺(第2实施方式)的立体图。
符号说明
101、501金刚石单结晶
102、502面方位(111)面
103、503P掺杂外延金刚石
104、504 Al的图形
110、400金刚石电子发射阴极
201、401后端区域
202中间区域
203、402前端区域
301电子枪
310抑制栅极
320端子
330绝缘性陶瓷
340因科镍合金制的金属部件
350垫片
具体实施方式
本发明的第1实施方式如下。
如图1所示，本实施方式所涉及的金刚石电子发射阴极110可沿着长度方向分为3部分。即，由以把持为目的的后端区域201、经过细径加工的中间区域202、以电子发射为目的的前端区域203构成。
以电子发射为目的的前端区域的前端部经过尖锐化加工。因为有以把持为目的的后端区域，所以与现有产品一样，能容易地以机械方式夹住、把持。还有，与该后端区域的长度方向正交的断面的形状是长方形或正方形，这从容易把持的观点来看也是优选的。
中间区域位于后端区域和前端区域的中间，从后端区域起经过细径加工。这里说的细径加工，在与后端区域的长度方向正交的断面的形状是长方形或正方形的情况下，是指使长方形/正方形的至少1组对着的边的长度减少10％以上的加工。
本实施方式所涉及的金刚石电子发射阴极可以全部由金刚石形成，也可以与金刚石以外的材料组合起来形成，不过，优选的是全部由金刚石形成。还有，把由金刚石形成的部分的至少一部分取为单结晶金刚石，就能获得稳定的电子发射特性，所以是更优选的。特别优选的是前端区域为单结晶金刚石。
经过细径加工的中间区域，若其与长度方向正交的面的断面积为0.1mm2以下，则对于使其前端尖锐化而形成以电子发射为目的区域有利。还有，因为能把抑制栅极的孔径保持在必要的最小限度，进而也能减小拉出电极，因而特别是在需要靠电场的力使电子发射的情况下有效。
另一方面，以把持为目的的后端区域优选的是与其长度方向正交的断面积为0.1mm2以上。这样，机械地夹住、把持就会更容易，能充分确保其机械强度，所以长时间动作之后也能保持其强度。还有，以把持为目的的后端区域的长度太短则把持力变弱，太长则成本高。因此，优选的是0.5mm以上2mm以下。
金刚石是本征半导体，带隙大，为5eV以上，在室温下是绝缘体。在用作电子发射阴极的情况下，在以电子发射为目的的前端区域和以把持为目的的后端区域之间必须有导电性。因此，在本发明中，优选的是前端区域和后端区域乃至经过细径加工的中间区域具有共同的主面。并且，这是因为在它们的该主面上形成导电层，就能在后端区域和前端区域及中间区域之间形成电导通。这样，假如把呈现作为没有混入杂质的本征半导体的特性的金刚石用作材料的情况下，也能在后端区域和前端区域之间保持导通，能提高电子发射特性。
导电层由金刚石构成的情况从耐久性等观点来看也是优选的。金刚石可在其晶格中混入杂质而具有半导电性。例如，混入B(硼)则成为p型半导体，混入N(氮)、P(磷)则成为n型半导体。作为电子发射材料，利用n型半导体则在能量方面有利。n型半导体中的混入了P的东西，与混入了N的东西相比，其激活能量可以小些，能在较低温度下向导带供给多数载流子(电子)。然而，为了在金刚石上形成具有混入了P的n型半导电性的金刚石作为导电层，优选的是其要形成的面为(111)面或与(111)面为8度以下的方位偏差。即，优选的是上述共同的主面的面方位也处于该范围。
经过细径加工的中间区域的厚度优选的是0.02mm以上0.15mm以下。若超过0.15mm则难以达成充分的前端的尖锐化。还有，若薄于0.02mm则机械强度会极端降低，在把持工序、作为产品的使用中损坏的可能性变大，而且从安装在电子枪上之后的耐久性方面来看不是优选的。在这里，经过细径加工的中间区域的厚度是指上述主面的法线方向的厚度。
尖锐化的手法例如可采用机械研磨方法、把光刻法和蚀刻法组合起来的方法、外延生长方法等，不过，从更简便地获得尖锐化的前端的观点来考虑，优选的是把光刻法和蚀刻法组合起来的手法。
作为用于安装在电子显微镜、电子束曝光机等上的构造体的电子源优选的是由本实施方式中的金刚石电子发射阴极、绝缘性陶瓷、用于向金刚石电子发射阴极供给电流的一对以上的端子构成的构造体。在该情况下，对于使用现有阴极材料的电子束机器中的电源***不用特别费事就能安装本发明所涉及的金刚石电子发射阴极。
再有，作为热电场发射型而适用本实施方式的电子发射阴极时，需要用于抑制来自电子发射部以外的热电子等的抑制栅极。本实施方式的电子发射阴极的经过细径加工的区域或以电子发射为目的区域优选的是采用贯通于抑制栅极的孔的构造。因此，中间区域的长度方向的长度和前端区域的长度方向的长度的和优选的是抑制栅极的孔的长度以上。作为中间区域的长度方向的长度，优选的是0.5mm以上。太长则成本高，因而优选的是2mm以下。
本实施方式所涉及的电子显微镜的特征在于搭载了上述本实施方式所涉及的金刚石电子发射阴极或金刚石电子源。本实施方式所涉及的金刚石电子发射阴极或金刚石电子源能获得高电流密度、高亮度、低能量宽度的电子束，所以与使用现有阴极材料的电子显微镜相比，可进行高倍率观察。
本实施方式所涉及的电子束曝光机的特征在于搭载了上述本实施方式所涉及的金刚石电子发射阴极或金刚石电子源。本实施方式所涉及的金刚石电子发射阴极或金刚石电子源能获得高电流密度、高亮度、低能量宽度的电子束，所以与使用现有阴极材料的电子束曝光机相比，能以高吞吐量来描绘微细图形。
本发明的第2实施方式如下。
如图4所示，该实施方式所涉及的金刚石电子发射阴极400可在长度方向分为2部分。即，由以把持为目的的后端区域401和以电子发射为目的的前端区域402构成。
以电子发射为目的的前端区域的前端部经过尖锐化加工。因为有以把持为目的的后端区域，所以与现有产品一样，能容易地以机械方式夹住、把持。还有，与该后端区域的长度方向正交的断面的形状是长方形或正方形，这从容易把持的观点来看也是优选的。
本实施方式所涉及的金刚石电子发射阴极可以全部由金刚石形成，也可以与金刚石以外的材料组合起来形成，不过，优选的是全部由金刚石形成。还有，把由金刚石形成的部分的至少一部分取为单结晶金刚石，就能获得稳定的电子发射特性，所以是更优选的。特别优选的是前端区域为单结晶金刚石。
另一方面，以把持为目的的后端区域优选的是与其长度方向正交的断面积为0.1mm2以上。这样，机械地夹住、把持就会更容易，能充分确保其机械强度，所以长时间动作之后也能保持其强度。还有，以把持为目的的后端区域的长度太短则把持力变弱，太长则成本高。因此，优选的是0.5mm以上2mm以下。
金刚石是本征半导体，带隙大，为5eV以上，在室温下是绝缘体。在用作电子发射阴极的情况下，在以电子发射为目的的前端区域和以把持为目的的后端区域之间必须有导电性。因此，在本发明中，优选的是前端区域和后端区域具有共同的主面。并且，这是因为在它们的该主面上形成导电层，就能在后端区域和前端区域之间形成电导通。这样，假如把呈现作为没有混入杂质的本征半导体的特性的金刚石用作材料的情况下，也能在后端区域和前端区域之间保持导通，能提高电子发射特性。
导电层由金刚石构成的情况从耐久性等观点来看也是优选的。金刚石可在其晶格中混入杂质而具有半导电性。例如，混入B(硼)则成为p型半导体，混入N(氮)、P(磷)则成为n型半导体。作为电子发射材料，利用n型半导体则在能量方面有利。n型半导体中的混入了P的东西，与混入了N的东西相比，其激活能量可以小些，能在较低温度下向导带供给多数载流子(电子)。然而，为了在金刚石上形成具有混入了P的n型半导电性的金刚石作为导电层，优选的是其要形成的面为(111)面或与(111)面为8度以下的方位偏差。即，优选的是上述共同的主面的面方位也处于该范围。
作为用于安装在电子显微镜、电子束曝光机等上的构造体的电子源优选的是由本实施方式中的金刚石电子发射阴极、绝缘性陶瓷、用于向金刚石电子发射阴极供给电流的一对以上的端子构成的构造体。在该情况下，对于使用现有阴极材料的电子束机器中的电源***不用特别费事就能安装本发明所涉及的金刚石电子发射阴极。
再有，作为热电场发射型而适用本实施方式的电子发射阴极时，需要用于抑制来自电子发射部以外的热电子等的抑制栅极。本实施方式的电子发射阴极的以电子发射为目的区域优选的是采用贯通于抑制栅极的孔的构造。因此，经过细径加工的区域的长度方向的长度优选的是抑制栅极的孔的长度以上，优选的是1mm以上。太长则成本高，因而优选的是3mm以下。
本实施方式所涉及的电子显微镜的特征在于搭载了上述本实施方式所涉及的金刚石电子发射阴极或金刚石电子源。本实施方式所涉及的金刚石电子发射阴极或金刚石电子源能获得高电流密度、高亮度、低能量宽度的电子束，所以与使用现有阴极材料的电子显微镜相比，可进行高倍率观察。
实施例
以下基于实施例来说明本发明的详细情况。
(实施例1)
如图2a)所示，备好采用高温高压合成法所获得的单结晶金刚石A～D。还有，同样也备好采用气相合成法经同质外延生长所获得的单结晶金刚石E。关于面方位，图中的102的面是(111)面(面方位的偏差是3～5度)。如图2b)所示，在该(111)面上，采用微波等离子体CVD法以P掺杂外延金刚石103形成3μm厚的膜。在该膜的面上采用光刻法形成图2c)所示的Al的图形104。Al的厚度约3～10μm。把该Al作为掩膜，用添加CF4的氧气进行金刚石的反应性离子蚀刻(以下记作RIE)。结果，蚀刻到约60～150μm程度的深度，获得图2d)所示的形状。
此后，以金属掩膜从前端起掩盖数毫米长，用添加CF4的氧氛围气以RIE法从未形成P掺杂外延层的面开始进行蚀刻。此时，也一并适当使用激光加工下的面加工蚀刻法。
结果，如图2e)所示，形成了前端区域、中间区域，中间区域的厚度如表1所示。此时，前端在达到图2d)的阶段，以金属为掩膜对金刚石进行RIE处理时，如果预先提高金属掩膜的尖锐度(曲率半径)至亚μm的程度，则金刚石的前端能维持同程度的尖锐度。再有，由于从里面开始的RIE，尖锐度多少有些变差，但能维持亚μm程度的曲率半径。实际测量图2e)中的前端的曲率半径，如表1所示，为大致1μm以下。
表1表示这样获得的电子发射阴极A～E的以把持为目的的后端区域201的断面积、长度方向的长度、中间区域202的断面积、长度方向的长度。
把这样获得的电子发射阴极A～E组装到图3所示的电子枪301中。即，用因科镍合金制的金属部件340夹住上述金刚石电子发射阴极A110，从科瓦铁镍钴合金制的端子320供给电流。该端子由绝缘性陶瓷330保持。安装Mo制的抑制栅极(前端孔径0.6mmφ)310以后，安装到电子显微镜(株式会社尼里欧尼克斯制，型号ERA-8900FE)上。这时，使经过细径加工的中间区域202贯通于抑制栅极310的孔。在安装到扫描型电子显微镜(以下记作SEM)的电子枪部时，使芯片前端与拉出电极的距离接近至0.3mm的程度。
通过科瓦铁镍钴合金制的端子320向电子发射阴极A～E供给电流，加热芯片温度。拉出电压为5kV，加速电压为30kV，评价了发射电流。表1中一同表示能量分散评价。在SEM观察方面发挥了出色的性能。再有，安装在电子束曝光装置(日本电子株式会社，型号JSM-7000F)上时，能实现线宽度100nm以下的描绘。
(比较例1)
以与实施例1同样的手法，制造了表2中记载的电子发射阴极G～L。
G是中间区域的宽度大，断面积为0.225mm2。结果，不能贯通到抑制栅极310的孔中，需要用扩大了孔的抑制栅极来组装电子枪。采用该电子枪，与实施例1同样地组装到电子显微镜、电子束描绘装置上时发现，虽然发射电流能充分取出，但是收束性差，为1μmφ以上，不能进行高分辨率的电子显微镜观察、高精度的图形描绘。
H、I是后端区域及中间区域的长度均长达4mm。这样，素材的尺寸长达5mm以上，成本高。
J是前端区域、中间区域、后端区域的共同的主面的面方位是(100)。这样就不能降低在主面上形成的n型金刚石层的电阻，把使用J制造的电子枪组装到电子显微镜上，与实施例1同样地测量后发现，发射电流最大才10μA以下，作为电子显微镜、电子束曝光机不充分。
K是中间区域的厚度厚达0.3mm。这样，经过尖锐加工的前端的前端曲率半径差，为12μm。组装使用它制造的电子枪，与实施例1同样地测量后发现，虽然发射电流能取出80μA的程度，但是收束性差，为5μm以上，作为电子显微镜、电子束曝光机不充分。
L是中间区域的厚为0.01mm，不过，在组装成电子枪的中途在中间区域的地方会断裂，不能用作电子枪。
还有，作为电子发射阴极F，准备了采用现有技术的ZrO/W电子枪(市售品)而不是金刚石的东西。发射电流能取出约90μA，不过，为了该量的电子发射，需要把温度提高到1800℃的程度，结果，所获得的电子束的能量分散大，为0.7eV。
Figure S2007800037057D00161
(实施例2)
如图5a)所示，备好采用高温高压合成法所获得的单结晶金刚石M～P。还有，同样也备好采用气相合成法经同质外延生长所获得的单结晶金刚石Q。关于面方位，图中的502的面是(111)面(面方位的偏差是3～5度)。如图5b)所示，在该(111)面上，采用微波等离子体CVD法以P掺杂外延金刚石503形成3μm厚的膜。在该膜的面上采用光刻法形成图5c)所示的Al的图形504。Al的厚度约3～10μm。把该Al作为掩膜，用添加CF4的氧气进行金刚石的反应性离子蚀刻(以下记作RIE)。结果，蚀刻到约60～150μm程度的深度，获得图5d)所示的形状。
此后，以金属掩膜从前端起掩盖数毫米长，用添加CF4的氧氛围气以RIE法从未形成P掺杂外延层的面开始进行蚀刻。此时，也一并适当使用激光加工下的面加工蚀刻法。
结果，如图5e)所示，形成了前端区域。此时，前端在达到图5d)的阶段，以金属为掩膜对金刚石进行RIE处理时，如果预先提高金属掩膜的尖锐度(曲率半径)至亚μm～数μm的程度，则金刚石的前端能维持同程度的尖锐度。再有，由于从里面开始的RIE，尖锐度多少有些变差，但能维持亚μm程度的曲率半径。实际测量图5e)中的前端的曲率半径，如表2所示，为大致1μm以下。
表2表示这样获得的电子发射阴极M～Q的以把持为目的的后端区域401的断面积、长度方向的长度。
把这样获得的电子发射阴极M～Q组装到图3所示的电子枪301中。即，用因科镍合金制的金属部件340夹住上述金刚石电子发射阴极A110，从科瓦铁镍钴合金制的端子320供给电流。该端子由绝缘性陶瓷330保持。安装Mo制的抑制栅极(前端孔径0.6mmφ)310以后，安装在电子显微镜(株式会社尼里欧尼克斯制，型号ERA-8900FE)上。这时，使前端区域402贯通于抑制栅极310的孔。在安装到扫描型电子显微镜(以下记作SEM)的电子枪部时，使芯片前端与拉出电极的距离接近至0.3mm的程度。
通过科瓦铁镍钴合金制的端子320向电子发射阴极M～Q供给电流，加热芯片。拉出电压为5kV，加速电压为30kV，评价了发射电流。表2中一同表示能量分散评价。在SEM观察方面发挥了出色的性能。再有，安装在电子束曝光装置(日本电子株式会社，型号JSM-7000F)上时，能实现线宽度100nm以下的描绘。
(比较例2)
以与实施例2同样的手法，制造了表2中记载的电子发射阴极R、S。
R是后端区域的长度长达4mm。这样，素材的尺寸长达5mm以上，成本高。
S是前端区域、后端区域的共同的主面的面方位为(100)。这样就不能降低在主面上形成的n型金刚石层的电阻，把使用S制造的电子枪组装到电子显微镜上，与实施例2同样地测量后发现，发射电流最大才10μA以下，作为电子显微镜、电子束曝光机不充分。
Figure S2007800037057D00191
本发明是把柱状的金刚石电子发射阴极的后端作为可稳定把持的后端区域，并且把前端区域上的前端部尖锐化，从而可提供由金刚石制造的电子发射阴极。再有，采用金刚石作为电子发射阴极，从而与以前利用的电子发射阴极材料相比，具有能以更低的电场、低的温度在真空中取出电子的效果。还有，采用单结晶金刚石，能实现更稳定的电子发射特性。再有，在后端区域和前端区域上配置共同的主面，在该主面上形成导电层，从而可提高电子发射电流。

Claims (18)

1.一种至少一部分上具有单结晶金刚石的柱状的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述柱状的金刚石电子发射阴极至少包括以电子发射为目的的前端区域、以把持为目的的后端区域、位于上述前端区域和后端区域之间的经过细径加工的中间区域，上述前端区域的前端部经过尖锐化加工，上述后端区域、上述前端区域、上述中间区域具有共同的主面，在该共同的主面上的至少一部分上形成了导电层，由该导电层来确保上述后端区域和上述前端区域之间的电导通。
2.根据权利要求1记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述后端区域的断面积是0.1mm2以上，且上述中间区域的断面积是0.1mm2以下。
3.根据权利要求1记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述后端区域的长度方向的长度是0.5mm以上2mm以下，上述中间区域的长度方向的长度是0.5mm以上2mm以下。
4.根据权利要求1记载金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述共同的主面的面方位是(111)面或与(111)面的偏差为8度以内。
5.根据权利要求1记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述导电层是由呈n型半导电性的金刚石形成的。
6.根据权利要求1记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述后端区域的断面形状是大致长方形或大致正方形。
7.根据权利要求1～6中任意一项记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述经过细径加工的中间区域的厚度是0.02mm以上0.15mm以下。
8.一种至少一部分上具有单结晶金刚石的柱状的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述柱状的金刚石电子发射阴极至少包括以电子发射为目的的前端区域、以把持为目的的后端区域，上述前端区域的前端部经过细径加工，上述后端区域和上述前端区域具有共同的主面，在该共同的主面上的至少一部分上形成了导电层，由该导电层来确保上述后端区域和上述前端区域之间的电导通。
9.根据权利要求8记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述后端区域的断面积是0.1mm2以上，上述后端区域的长度方向的长度是0.5mm以上2mm以下，上述前端区域的长度是1.0以上3.0mm以下。
10.根据权利要求8记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述共同的主面的面方位是(111)面或与(111)面的偏差为8度以内。
11.根据权利要求8记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述导电层是由呈n型半导电性的金刚石形成的。
12.根据权利要求8～11中任意一项记载的金刚石电子发射阴极，其特征在于，上述后端区域的断面形状是大致长方形或大致正方形。
13.一种金刚石电子源，其特征在于，至少具有由权利要求1～7中任意一项记载的金刚石电子发射阴极、绝缘性陶瓷、用于向上述电子发射阴极供给电流的一对以上的端子组成的构造体。
14.根据权利要求13记载的金刚石电子源，其特征在于，具有用于抑制来自金刚石电子发射阴极的前端区域以外的电子发射的导电性部件，上述金刚石电子发射阴极的中间区域贯通于在上述导电性部件上形成的贯通孔中。
15.一种金刚石电子源，其特征在于，至少具有由权利要求8～12中任意一项记载的金刚石电子发射阴极、绝缘性陶瓷、用于向上述电子发射阴极供给电流的一对以上的端子组成的构造体。
16.根据权利要求15记载的金刚石电子源，其特征在于，具有用于抑制来自金刚石电子发射阴极的前端区域以外的电子发射的导电性部件，上述金刚石电子发射阴极的前端区域贯通于在上述导电性部件上形成的贯通孔中。
17.一种电子显微镜，其特征在于，搭载了权利要求13～16中任意一项记载的金刚石电子源。
18.一种电子束曝光机，其特征在于，搭载了权利要求13～16中任意一项记载的金刚石电子源。
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