JP2009187684A - Method for controlling electron flow of field emission type electron source - Google Patents
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Description
本発明は、電界が印加されることにより電子を放出する電界放射型電子源の電子流制御方法に関する。 The present invention relates to an electron current control method for a field emission electron source that emits electrons when an electric field is applied.
従来、透過電子顕微鏡、電子線描画装置、X線回折装置等に用いられ、電界が印加されることにより電子を放出する電界放射型電子源が知られている。電界放射型電子源の冷陰極(エミッタ)から放出される電子の流れ(放出電流)Jは、電界の強さをF、仕事関数をφ、定数をA、Bとしたとき、次式(1)で表される。 2. Description of the Related Art Conventionally, a field emission electron source that is used in a transmission electron microscope, an electron beam drawing apparatus, an X-ray diffraction apparatus, and the like and emits electrons when an electric field is applied is known. An electron flow (emission current) J emitted from a cold cathode (emitter) of a field emission electron source is expressed by the following equation (1) where F is a field strength, φ is a work function, and A and B are constants. ).
J=A(F2/φ)exp[−Bφ3/2/F] ・・・(1)
式(1)によれば、仕事関数φを低くすることにより大きな放出電流Jを得ることができる。
J = A (F 2 / φ) exp [−Bφ 3/2 / F] (1)
According to equation (1), a large emission current J can be obtained by lowering the work function φ.
上記のような電界放射型電子源は、熱電子放出型の電子源のようにフィラメントの加熱を必要としないことから、電子流を得るために電力損失がないとされているが、電界放射型電子源から放出された電流の安定性は、真空中に残留するガスに強く依存することから、放出電流を安定化させるためには、一般に10−9Pa以下の超高真空の環境を実現することが必要となる。ところが、実際には、このような超高真空を実現することが困難であるから、上記よりも低い真空度で電界放射電子源を動作させることになる。このため、次のような電流制御方法が用いられる。 The field emission electron source as described above does not require heating of the filament, unlike the thermionic emission electron source, and it is said that there is no power loss to obtain the electron flow. Since the stability of the current emitted from the electron source strongly depends on the gas remaining in the vacuum, in order to stabilize the emission current, an ultra-high vacuum environment of 10 −9 Pa or less is generally realized. It will be necessary. However, in practice, since it is difficult to realize such an ultra-high vacuum, the field emission electron source is operated at a vacuum degree lower than that described above. For this reason, the following current control method is used.
すなわち、電界放射型電子源の電子流制御方法として、図9に示すように、エミッタ1の近傍に引き出し電極としてのグリッド2を設置し、エミッタ−グリッド間の電流を制御することによってエミッタ1とターゲット3との間の電子流を制御することが考えられている。ここで、エミッタ1とグリッド2との間に数kVの電圧VEGを印加することによって、エミッタ1から電子流が放出される。放出された電子流は、グリッド2に衝突するか又は通過する。グリッド2に衝突した電子は、エミッタ‐グリッド間を流れる電流(IEG)として検出される一方、グリッド2を通過した電子流は、エミッタ‐ターゲット間の印加電圧VETによって加速され、ターゲット3に衝突する。従って、エミッタ‐ターゲット間に一定の電子流を供給(安定化)するためには、エミッタ‐グリッド間の電流IEGが一定となるようにエミッタ‐グリッド間の電圧VETを調整することが必要である。
That is, as a method for controlling the electron current of a field emission electron source, as shown in FIG. 9, a
しかしながら、図9の回路において、エミッタ・引き出し電極間の電位差は1〜5kV程度であり、この間を流れる電流は数百〜500μAであることから、上記の電界放射型電子源でも、0.5W(=1kV×0.5mA)程度の電力損失が生じる。また、エミッタ・引き出し電極間の電子流を安定化させるためには、1〜5kVの高い電位差の範囲で電圧VETを制御する必要がある。 However, in the circuit of FIG. 9, the potential difference between the emitter and the extraction electrode is about 1 to 5 kV, and the current flowing between them is several hundred to 500 μA. Therefore, even with the above field emission electron source, 0.5 W ( = 1 kV x 0.5 mA). Further, in order to stabilize the electron flow between the emitter and extraction electrode, it is necessary to control the voltage V ET in the range of high 1~5kV potential.
本発明は、以上の状況に鑑み、電界放射型電子源での電力損失をなくし、電界放射型電子源を用いる装置の省電力化及び小型化を可能にする電子流制御方法を提供することを目的とする。 In view of the above situation, the present invention provides an electron current control method that eliminates power loss in a field emission electron source and enables power saving and downsizing of an apparatus using the field emission electron source. Objective.
本発明は、電界が印加されることにより電子を放出する電界放射型電子源の電子流制御方法であって、ターゲットに対し電子流を放出するエミッタの周囲に導電性材料を配置し、該導電性材料に前記エミッタに対して負の電圧を印加することにより、前記電子流を制御することを特徴とする。 The present invention relates to an electron flow control method for a field emission electron source that emits electrons when an electric field is applied, and a conductive material is disposed around an emitter that emits an electron flow to a target. The electron flow is controlled by applying a negative voltage to the emitter with respect to the emitter.
本発明によれば、エミッタを取り囲む導電性材料に、エミッタに対して負の電圧を印加することにより、ターゲットに供給する電子流を制御することができる。そして、この電子流制御では、エミッタ‐導電性材料間に電流が発生せず、従って電力損失も発生しないことから、省電力化できる。また、エミッタ‐導電性材料間の電圧のみによって電子流を制御できるので、制御電圧の低電圧化を図ることができる。これにより、制御系の電源部の容積を小さくすることが可能となり、電界放射型電子源を備える装置全体の小型化及び制御の高速化が可能となる。 According to the present invention, the electron flow supplied to the target can be controlled by applying a negative voltage to the emitter in the conductive material surrounding the emitter. In this electron flow control, no current is generated between the emitter and the conductive material, and therefore no power loss occurs, so that power can be saved. Further, since the electron flow can be controlled only by the voltage between the emitter and the conductive material, the control voltage can be reduced. As a result, the volume of the power supply unit of the control system can be reduced, and the entire apparatus including the field emission electron source can be reduced in size and the control speed can be increased.
本発明の電子流制御方法では、エミッタ‐ターゲット間に電圧を印加することによって流れる電流を計測し、その電流変動に応じた電圧により前記導電性材料に印加する負電圧を調整することが好ましい。これによれば、放出電流値を一定に安定化して制御することができる。 In the electron current control method of the present invention, it is preferable to measure a current flowing by applying a voltage between the emitter and the target, and adjust a negative voltage applied to the conductive material by a voltage according to the current fluctuation. According to this, the emission current value can be stabilized and controlled to be constant.
この場合、前記計測した電流を入力電圧に変換し、該入力電圧と前記エミッタからの放出電流の最低値に相当する参照電圧との差に応じた電圧を出力し、これに基づいて前記負電圧を生成することができる。 In this case, the measured current is converted into an input voltage, and a voltage corresponding to the difference between the input voltage and a reference voltage corresponding to the lowest value of the emission current from the emitter is output. Based on this, the negative voltage is output. Can be generated.
以下、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
図1は、本発明の方法を実施するための電界放射型電子源の構造を示す。これは、棒状のエミッタ11の周囲に円環状の金属板等の導電性材料12を配置した構造である。すなわち、エミッタ11は、導電性材料12の中心部の円形の孔13を垂直に貫通すると共に、先端が導電性材料12の上面よりもわずかに高い位置となるように配置されている。
FIG. 1 shows the structure of a field emission electron source for carrying out the method of the present invention. This is a structure in which a
図2は、図1の構造の電界放射型電子源からターゲット3に安定な電子流を供給するための回路構成を示す。この回路において、エミッタ11と導電性材料12が同電位の状態では、エミッタ‐ターゲット間に高電圧VETを印加すると、図3に示すように、電気力線はエミッタ11の先端に集中し、エミッタ11からの電界放射により電子流がターゲット3に供給される。この電界放射による電子流は、エミッタ11に向かう電気力線の密度に依存し、電気力線の数は、ターゲット・エミッタ間の距離、印加電圧、エミッタ11と導電性材料12の幾何学的位置関係等によって大きく変動する。
FIG. 2 shows a circuit configuration for supplying a stable electron flow to the
ここで、導電性材料12にエミッタ11に対して負の電圧(−V12)を印加すると、図4に示すように、エミッタ11の先端部に対する電気力線の集中が緩和される。これにより、上記のように電気力線の密度に依存する電子流の量を可変とする、すなわち放出電流の量を制御することが可能となる。このとき、導電性材料12には負電圧が印加されているため、エミッタ11から放出された電子流は導電性材料12に衝突せず、エミッタと導電性材料の間には電流が発生しない。
Here, when a negative voltage (−V 12 ) is applied to the
従って、図1の構造によれば、エミッタ11を取り囲む導電性材料12に、エミッタに対して負の電圧を印加することにより、ターゲット3に供給する電子流を制御することができる。そして、この電子流制御では、エミッタ‐導電性材料間に電流が発生せず、従って電力損失も発生しないことから、省電力化できる。また、エミッタ‐導電性材料間の電圧−V12(その大きさは、例えば100V程度の低電圧でよい。)のみによって電子流を制御できるので、制御系の電源部の容積を小さくすることが可能となり、電界放射型電子源を備える装置全体の小型化及び制御の高速化が可能となる。
Therefore, according to the structure of FIG. 1, the electron flow supplied to the
図5は、電界放射型電子源の電子流を安定化するために導電性材料に印加する負電圧を調整する回路の構成を示す。この回路は、ターゲット3に印加する電圧VETによる電流IETを電流計21で計測し、その電流変動に応じた電圧をフィードバック回路(FB)22で生成して、その出力電圧VOUTにより導電性材料12への供給電圧(−V12)を調整するものである。
FIG. 5 shows a circuit configuration for adjusting a negative voltage applied to the conductive material in order to stabilize the electron flow of the field emission electron source. This circuit measures the current I ET by the voltage V ET to be applied to the
上記フィードバック回路(FB)22は、例えば、図6のように構成される。このFB回路22は、電流計21で計測した電流を入力電圧VINに変換する電流‐電圧変換部23と、その入力電圧VINとエミッタからの放出電流の最低値に相当する参照電圧VREFとの差分を増幅する差動増幅器24とで構成される。ここで、差動増幅器24は、入力電圧VINと参照電圧VREFとの差に応じた電圧VOUTを出力するので、これを反転増幅して前述の負電圧−V12として導電性材料12に印加することができる。すなわち、入力電圧VINと参照電圧VREFとの差に応じた電圧VOUTを出力し、この電圧に基づいて負電圧−V12を生成する。この負電圧を導電性材料12に供給することにより、放出電流を安定化するように制御することができる。
The feedback circuit (FB) 22 is configured as shown in FIG. 6, for example. The
図5の構成において、エミッタ11にカーボンナノチューブ等で代表されるカーボンナノ構造の電子放出源、導電性材料12としてステンレス鋼を用い、これらをガラス管に封入して高真空状態に保持する。エミッタ・ターゲット間(距離4mm)に電圧VET=10kVを印加する。このとき、電界は10kV/4mm=2500V/mmである。ステンレス鋼製の導電性材料12の中心孔13(直径4mm)にエミッタ11(直径0.5mmの棒状)を配置し、このエミッタ11に対する負電圧−V12として、0から−500V(平均電位=500/2=250V/mm)を印加する。その結果、図7に示すように、エミッタ‐ターゲット間の電流IETを0.15mAから0mAにまで変化させ得ることが判明した。そして、エミッタ11の周辺に配置された導電体材料12に印加する電圧を変化させることにより、電子流の量(電流量)を制御可能であることを確認できた。なお、ステンレス‐エミッタ間の電流量は、検出レベル以下であった。
In the configuration of FIG. 5, a carbon nanostructure electron emission source represented by carbon nanotubes or the like is used as the
図7は、上記実施例において、導電性材料12(導電体)に負電圧を印加しない場合(0V)と印加した場合(500V)の電流放出特性を示す。図において、縦軸は電流値、横軸は放射電界の値である。 FIG. 7 shows current discharge characteristics when no negative voltage is applied to the conductive material 12 (conductor) and when it is applied (500 V) in the above embodiment. In the figure, the vertical axis represents the current value, and the horizontal axis represents the value of the radiated electric field.
また、図8は、図5に示した回路を用いて、導電性材料12に負電圧−V12を印加して電界放射型電子源からの放出電流を安定化させた場合と、安定化しない場合(安定化前)の放出電流値を示すグラフである。このグラフから、安定化しない場合に大きく変動していた電流値が、上記の安定化によりほぼ一定値をとることがわかる。
Further, FIG. 8 shows the case where the emission current from the field emission electron source is stabilized by applying the negative voltage −V 12 to the
以上のように本発明の方法で放出電流が制御される電界放射型電子源は、X線管球及び電子線管球の電子線源部、走査型電子顕微鏡及び透過型電子顕微鏡の電子源部、電子線励起型蛍光灯の電子源部、電子線マイクロプローブアナライザの電子線源部、カソードルミネッセンスの電子線源部等に好適に用いられる。 As described above, the field emission electron source whose emission current is controlled by the method of the present invention includes an X-ray tube, an electron beam source portion of an electron beam tube, an electron source portion of a scanning electron microscope and a transmission electron microscope. It is suitably used for an electron source part of an electron beam excitation type fluorescent lamp, an electron beam source part of an electron beam microprobe analyzer, an electron beam source part of cathode luminescence, and the like.
1,11・・・エミッタ、2…グリッド、3…ターゲット、12・・・導電性材料、13…孔、21…電流計、22…フィードバック回路、23…電流‐電圧変換部、24…差動増幅器。
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