JP4909813B2 - Electron emitting device, electron gun, and electron beam application apparatus using the same - Google Patents

Electron emitting device, electron gun, and electron beam application apparatus using the same Download PDF

Info

Publication number
JP4909813B2
JP4909813B2 JP2007147608A JP2007147608A JP4909813B2 JP 4909813 B2 JP4909813 B2 JP 4909813B2 JP 2007147608 A JP2007147608 A JP 2007147608A JP 2007147608 A JP2007147608 A JP 2007147608A JP 4909813 B2 JP4909813 B2 JP 4909813B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electron
emitting device
carbon
electron gun
tube
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2007147608A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2008300307A (en
Inventor
誠 岡井
正 藤枝
貴志夫 日▲高▼
光男 林原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi High Tech Corp
Original Assignee
Hitachi High Technologies Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi High Technologies Corp filed Critical Hitachi High Technologies Corp
Priority to JP2007147608A priority Critical patent/JP4909813B2/en
Publication of JP2008300307A publication Critical patent/JP2008300307A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4909813B2 publication Critical patent/JP4909813B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本発明は、電子放出素子，電子銃およびそれを搭載した電子ビーム応用装置に関する。   The present invention relates to an electron-emitting device, an electron gun, and an electron beam application apparatus on which the electron-emitting device is mounted.

特開２００１−３１２９５３号公報（特許文献１）には、カーボンナノチューブを用いた電子源により電子顕微鏡の高輝度，高分解能化を測ることが記載されている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-329553 (Patent Document 1) describes that an electron microscope using a carbon nanotube measures an increase in luminance and resolution of an electron microscope.

カーボンナノチューブなど、炭素を主成分とするチューブ状物質は、その先端径がサブｎｍから数百ｎｍと小さいために角電流密度が高く、これを電子源として用いた電子顕微鏡装置や電子線描画装置では、高輝度な電子ビームが得られる。   Tube materials such as carbon nanotubes, which contain carbon as the main component, have a high angular current density because their tip diameters are small, from sub-nm to several hundreds of nanometers. Electron microscopes and electron beam lithography systems using this as an electron source Then, a high-intensity electron beam can be obtained.

特開２００１−３１２９５３号公報JP 2001-329553 A

カーボンナノチューブは、グラファイト構造が積層した多層構造を有する。チューブの端部には略半球状等のキャップ部を有し、キャップ部の多層のグラファイト層は、上下層間のひずみにより強度が低下し、電子源の寿命が短くなるという問題がある。そこで本願発明の目的は上記課題を解決し、分解能が高く寿命の長い電子源を提供すること、及びその電子源を用いた各種装置を提供することにある。   The carbon nanotube has a multilayer structure in which graphite structures are stacked. The tube has an approximately hemispherical cap portion at the end of the tube, and the multilayer graphite layer of the cap portion has a problem that the strength is lowered due to strain between the upper and lower layers, and the life of the electron source is shortened. Accordingly, an object of the present invention is to solve the above problems, to provide an electron source with high resolution and a long lifetime, and to provide various devices using the electron source.

上記課題を解決する本願発明の特徴は、少なくとも一つの端が閉構造を有する炭素を主成分とするチューブ状物質の外径が５０ｎｍ以上で、肉厚が２０ｎｍ以下であり、前記チューブ状物質の中空部全体に非晶質の炭素が充填されていることを特徴とする。
The feature of the present invention that solves the above-mentioned problem is that the tube-shaped substance mainly composed of carbon having at least one end having a closed structure has an outer diameter of 50 nm or more and a wall thickness of 20 nm or less. amorphous charcoal containing the entire hollow section is characterized in that it is filled.

本発明の電子放出素子は、前記のチューブ状物質と、チューブ状物質を固定する導電性の基材よりなる。また、本発明の電子銃は、電子線を放出する電子放出素子と、電子放出素子に接続された陰極と、電子放出素子より電子を放出させる引出電極と、放出された電子を加速させる加速電極を有するものである。上記本発明の電子銃は、電子顕微鏡，電子線描画装置等、従来より電子銃を備えた製品に適宜使用することができる。   The electron-emitting device of the present invention comprises the above tubular substance and a conductive base material for fixing the tubular substance. The electron gun of the present invention includes an electron-emitting device that emits an electron beam, a cathode connected to the electron-emitting device, an extraction electrode that emits electrons from the electron-emitting device, and an acceleration electrode that accelerates the emitted electrons. It is what has. The electron gun of the present invention can be appropriately used for products conventionally provided with an electron gun, such as an electron microscope and an electron beam drawing apparatus.

上記構成によれば、力学的強度を強め、寿命の長い電子銃を提供することができる。また、この電子銃を採用することで、メンテナンスが容易な電子顕微鏡，電子線描画装置等を提供できる。


According to the above configuration, it is possible to provide an electron gun having a long mechanical life and a long life. In addition, by adopting this electron gun, an electron microscope, an electron beam drawing apparatus and the like that can be easily maintained can be provided.


以下、本発明の詳細を説明する。   Details of the present invention will be described below.

本発明の特徴は、内部が中空の結晶質の多層構造を有する外層構造部分と、外層構造部分の中空となった内部に充填された非晶質の炭素が充填されている炭素を主成分とするチューブ状物質を備えたことにある。さらに、上記特徴を有する高輝度かつ狭エネルギー幅の電子銃を、電子顕微鏡や電子線描画装置などの装置に搭載することにより、空間分解能が高く、非常に微細な試料にも対応可能とできる。   The feature of the present invention is that an outer layer structure portion having a crystalline multilayer structure with a hollow inside and a main component of carbon filled with amorphous carbon filled in the hollow inside of the outer layer structure portion. This is because it has a tube-shaped substance to be used. Furthermore, by mounting an electron gun having the above characteristics and a high brightness and a narrow energy width on an apparatus such as an electron microscope or an electron beam drawing apparatus, the spatial resolution is high and it is possible to deal with very fine samples.

本発明の炭素を主成分とするチューブ状物質は、炭素よりなるカーボンナノチューブや、カーボンナノチューブを構成する炭素のうち一部を窒素，ホウ素等の３族，５族の元素で置換えされたチューブ状物質を指す。図１は、電子顕微鏡等で観察されるカーボンナノチューブの断面模式図を示す図である。カーボンナノチューブは、円筒状の軸部分と、略半球状のキャップ部を有し、軸部分の少なくとも一方の端部がキャップ部により閉構造となったものを電子線の放出源として使用できる。直径が０.８ 〜１０ｎｍ程度の比較的細いナノチューブは、図１（ａ）に示すように、シリンダー部分は円筒が入れ子になった構造であり、キャップ部分は半球のドームが入れ子になった構造を有する。これに対して、直径が５０〜２００ｎｍ、もしくはそれ以上の比較的太いチューブの場合、図１（ｂ）に示すように、シリンダー部分ドーム部分ともに、ポリゴンが入れ子になった構造を有する。なお、図１（ａ）および（ｂ）では、チューブが３層からなる構造を示したが、実際には数層から百層以上までの構造が可能である。   The tube-shaped substance containing carbon as a main component of the present invention is a tube-shaped material in which carbon is composed of carbon, or a part of the carbon constituting the carbon nanotube is replaced with a group 3 or group 5 element such as nitrogen or boron. Refers to a substance. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a carbon nanotube observed with an electron microscope or the like. The carbon nanotube has a cylindrical shaft portion and a substantially hemispherical cap portion, and at least one end portion of the shaft portion is closed by the cap portion can be used as an electron beam emission source. As shown in FIG. 1A, a relatively thin nanotube having a diameter of about 0.8 to 10 nm has a structure in which a cylinder portion is nested in a cylinder, and a cap portion has a structure in which a hemispherical dome is nested. Have On the other hand, in the case of a relatively thick tube having a diameter of 50 to 200 nm or more, as shown in FIG. 1 (b), the cylinder portion dome portion has a structure in which polygons are nested. 1 (a) and 1 (b) show a structure in which the tube is composed of three layers, but a structure from several layers to more than one hundred layers is actually possible.

図２は、図１のカーボンナノチューブのキャップ部を拡大した図である。図２（ａ）に示すように、ポリゴンの頂点には、通常五員環が一つ存在する。炭素からなる六員環に囲まれた五員環は、計算上、その頂点の開き角が１１３度の時に最も安定な構造である。しかしながら、チューブが六員環が連なったいわゆるグラフェンシートから出来ているために、実際には五員環部分の開き角が１１３度になることは構造上困難である。図２（ｂ）に示すように、頂点Ａと頂点Ｂの間隔は炭素同士、もしくは他のグラフェンシートを構成する元素との結合で形成される単位長さの整数倍しか許されないためである。ただし、グラフェンシートの六員環の傾き（カイラリティー）は層ごとに異なっても良い。   FIG. 2 is an enlarged view of the cap portion of the carbon nanotube of FIG. As shown in FIG. 2A, there is usually one five-membered ring at the vertex of the polygon. A five-membered ring surrounded by a six-membered ring made of carbon is the most stable structure in terms of calculation when the apex angle is 113 degrees. However, since the tube is made of a so-called graphene sheet in which six-membered rings are connected, it is actually difficult in terms of structure that the opening angle of the five-membered ring part is 113 degrees. This is because, as shown in FIG. 2B, the interval between the vertex A and the vertex B is only allowed to be an integral multiple of the unit length formed by bonding between carbons or other elements constituting the graphene sheet. However, the inclination (chirality) of the six-membered ring of the graphene sheet may be different for each layer.

たとえば、第一層の頂点Ａと頂点Ｂの間隔を６ａ1（ただし、ａ1は第一層の単位長さ）とすると、第二層では５ａ2（ただし、ａ2は第二層の単位長さ）、第三層では４ａ3（ただし、ａ3は第三層の単位長さ）となる。 For example, if the distance between the vertex A and vertex B of the first layer is 6a 1 (where a 1 is the unit length of the first layer), 5a 2 (where a 2 is the unit of the second layer) Length) is 4a 3 in the third layer (where a 3 is the unit length of the third layer).

このような幾何学的制限のために、五員環構造を有するポリゴン構造の頂点には、歪みが生じる。この歪みのため、力学的強度が低下し、電子源としての寿命が短くなると思われる。歪みは、カーボンナノチューブの表面層の厚さが厚いほど表れやすい。   Due to such a geometric limitation, distortion occurs at the apex of the polygon structure having a five-membered ring structure. This distortion is likely to reduce the mechanical strength and shorten the lifetime of the electron source. The strain is more likely to appear as the surface layer of the carbon nanotube is thicker.

図３（ａ）は、本発明の外層構造部分を示す図である。カーボンナノチューブの結晶質の表面層を薄くすることにより、閉構造領域のゆがみが緩和される。その結果、カーボンナノチューブの機械的強度を向上させることができる。   FIG. 3A is a diagram showing an outer layer structure portion of the present invention. By thinning the crystalline surface layer of the carbon nanotube, the distortion of the closed structure region is alleviated. As a result, the mechanical strength of the carbon nanotube can be improved.

閉構造領域の歪みを緩和する効果は、表面層の厚さが２０ｎｍ以下の場合に大きい。ナノチューブが炭素原子だけから構成されたカーボンナノチューブの場合、多層からなる表面層の各層の間隔は約０.３４ｎｍ である。厚さ２０ｎｍは、層数が６０程度の場合に相当する。従って、６０層以上のグラフェンシート、もしくはそれに対応する多層の表面層を有するチューブ状物質を使用することが好ましい。図３（ｂ）は、表面層厚さに対するカーボンナノチューブにおける歪み量の依存性を計算した結果である。構造が保持できる許容歪み量を１とした。ただし、計算ではナノチューブのカイラリティーは、すべての層で同じで、図２（ｂ）における単位長さは、すべての層で０.２８４ｎｍ であると仮定した。計算の結果、カーボンナノチューブの場合には、表面層の厚さを２０ｎｍ以下にしなければ、チューブの構造が保持することが困難であることがわかる。   The effect of alleviating strain in the closed structure region is significant when the thickness of the surface layer is 20 nm or less. When the nanotube is a carbon nanotube composed of only carbon atoms, the distance between the layers of the multi-layer surface layer is about 0.34 nm. A thickness of 20 nm corresponds to a case where the number of layers is about 60. Therefore, it is preferable to use a tubular material having a graphene sheet of 60 layers or more, or a multilayer surface layer corresponding thereto. FIG. 3B shows the result of calculating the dependence of the strain amount in the carbon nanotube on the surface layer thickness. The allowable strain amount that the structure can hold was set to 1. However, in the calculation, it was assumed that the chirality of the nanotubes was the same in all layers, and the unit length in FIG. 2B was 0.284 nm in all layers. As a result of calculation, in the case of carbon nanotubes, it is found that the tube structure is difficult to maintain unless the thickness of the surface layer is 20 nm or less.

また、表面層が厚く，歪み量が許容範囲を超えた結果、頂点近傍の結晶性を保持できず、歪み部分の結晶性が乱れる。その結果、ダングリングボンドが生じてガスが吸着され、電子線を乱すために安定な電子放出特性を得ることができない。表面層の厚さは２０ｎｍ以下が好ましい。   Further, as a result of the surface layer being thick and the strain amount exceeding the allowable range, the crystallinity near the apex cannot be maintained, and the crystallinity of the strained portion is disturbed. As a result, dangling bonds are generated, gas is adsorbed, and the electron beam is disturbed, so that stable electron emission characteristics cannot be obtained. The thickness of the surface layer is preferably 20 nm or less.

一方、内部を中空とし、表面層の厚さを薄くすると、歪みは解消されやすいもののナノチューブ全体の形状を維持するための力学的強度の低下が懸念される。特に、ナノチューブの径が太く、表面層の厚さが薄い場合、例えば５ｎｍ程度もしくはそれ以下に薄くなると、強度が不十分になることが予想される。従って、図４に示すように、形状の保持のためアモルファス状、または結晶質の物質をナノチューブの中空部分少なくとも一部に充填し、力学的強度を強めることができる。特に、全体に充填することが好ましい。   On the other hand, if the inside is hollow and the thickness of the surface layer is reduced, the strain is easily eliminated, but the mechanical strength for maintaining the shape of the whole nanotube is concerned. In particular, when the diameter of the nanotube is large and the surface layer is thin, for example, when the thickness is reduced to about 5 nm or less, the strength is expected to be insufficient. Therefore, as shown in FIG. 4, an amorphous or crystalline substance can be filled in at least a part of the hollow portion of the nanotube to maintain the shape, and the mechanical strength can be increased. In particular, it is preferable to fill the whole.

直径の太いチューブを用いることは、放出電子のエネルギー幅を狭くするために有効であると考えられる。太いカーボンナノチューブは、エミッションサイトとなる五員環の間隔が広いため、各五員環から放出される電子同士の空間反発を低減できるためである。その結果、本発明の電子銃は、高輝度で狭エネルギー幅の電子線を放出させることができる。直径の太いチューブは、本発明のように肉厚が薄く、最外層まで結晶性が高いものが好ましい。なお、直径の太いチューブとして、気相成長炭素繊維がよく知られている（特開昭５８−１９７３１４号）。しかしながら、当該文献に記載されているチューブは最外層の結晶性が低いため、電子銃として用いると結晶性の悪い部分にガス分子が吸着し、電子放出が不安定になってしまう。   Use of a tube having a large diameter is considered to be effective for narrowing the energy width of emitted electrons. This is because the thick carbon nanotube has a wide interval between the five-membered rings serving as emission sites, and thus can reduce the spatial repulsion between electrons emitted from the five-membered rings. As a result, the electron gun of the present invention can emit an electron beam having a high brightness and a narrow energy width. A tube having a large diameter is preferably thin as in the present invention and has high crystallinity up to the outermost layer. As a tube having a large diameter, vapor grown carbon fiber is well known (Japanese Patent Laid-Open No. 58-197314). However, since the tube described in this document has a low crystallinity of the outermost layer, when used as an electron gun, gas molecules are adsorbed to a portion with poor crystallinity, and electron emission becomes unstable.

エミッションサイトとなる五員環の間隔が広いほど、電子同士の空間反発を低減できる。図５は、五員環の間隔が３０ｎｍの場合、および５０ｎｍの場合のエネルギー幅の角電流密度依存性を計算した結果である。五員環の間隔が３０ｎｍ以上としたときに、従来のタングステン電子源の電子銃の場合のエネルギー幅（角電流密度１０μＡ／ｓｒにおいて０.４ｅＶ 以下のエネルギー幅）よりもエネルギー幅の狭窄化を図ることができる。チューブのキャップ部分には少なくとも６個の五員環が存在する。五員環がほぼ等間隔に配置されていると仮定すると、五員環の間隔を３０ｎｍ以上にするためにはカーボンナノチューブの直径を５０ｎｍ以上とする必要がある。従って、カーボンナノチューブの五員環の間隔を３０ｎｍ以上とすることで、従来のタングステン電子源以上の狭エネルギー幅を有する電子源を実現できる。   The wider the space between the five-membered rings that serve as emission sites, the more space repulsion between electrons can be reduced. FIG. 5 shows the calculation result of the dependence of the energy width on the angular current density when the interval between the five-membered rings is 30 nm and 50 nm. When the interval between the five-membered rings is set to 30 nm or more, the energy width is narrower than the energy width (energy width of 0.4 eV or less at an angular current density of 10 μA / sr) in the case of an electron gun of a conventional tungsten electron source. Can be planned. There are at least six five-membered rings in the cap portion of the tube. Assuming that the five-membered rings are arranged at almost equal intervals, the diameter of the carbon nanotubes needs to be 50 nm or more in order to make the interval between the five-membered rings 30 nm or more. Therefore, by setting the interval between the five-membered rings of the carbon nanotubes to 30 nm or more, an electron source having a narrower energy width than that of a conventional tungsten electron source can be realized.

以上のようなチューブ状物質により、長寿命の電子源を実現することができる。また、このような電子源を電子顕微鏡や電子線描画装置等に用いることにより、メンテナンスの手間の少ない装置を提供可能である。   A long-life electron source can be realized by the tube-like material as described above. Further, by using such an electron source for an electron microscope, an electron beam drawing apparatus, or the like, it is possible to provide an apparatus that requires less maintenance.

さらに、本発明のチューブ状物質を用いた電子源は、径が十分に太く、電子線放出部位間の距離が大きいため、電子線間の相互作用を低減し、高輝度狭エネルギー線幅の電子線を放出できる。そのため、電子源として用いた電子顕微鏡や電子線描画装置は分解能を飛躍的に向上させることができ、微細な構造を有する試料にも対応できる。
〔実施例〕
以下本発明の実施例を説明する。 Furthermore, the electron source using the tube-shaped material of the present invention has a sufficiently large diameter and a large distance between the electron beam emission sites, thereby reducing the interaction between the electron beams and increasing the number of electrons with high brightness and narrow energy line width. Can emit a line. Therefore, the electron microscope and the electron beam drawing apparatus used as the electron source can dramatically improve the resolution and can cope with a sample having a fine structure.
〔Example〕
Examples of the present invention will be described below.

まず、本発明のナノチューブの作製方法の一例を説明する。図６（ａ）に示すように、アルミニウム基板６０１の表面を陽極酸化することにより、ポーラス陽極酸化膜６０２を作製する。ポーラス陽極酸化膜の直径は１５０ｎｍ、深さは５μｍである。直径は、陽極酸化の際の電解液と電圧により制御することが可能である。また、深さは、陽極酸化時間により制御可能である。今回は、３ｗｔ％のシュウ酸水溶液を電解液に用い、電圧９０Ｖで３０分間の陽極酸化を行った。   First, an example of a method for producing a nanotube of the present invention will be described. As shown in FIG. 6A, a porous anodic oxide film 602 is formed by anodizing the surface of the aluminum substrate 601. The porous anodic oxide film has a diameter of 150 nm and a depth of 5 μm. The diameter can be controlled by the electrolytic solution and voltage during anodization. The depth can be controlled by the anodization time. This time, a 3 wt% oxalic acid aqueous solution was used as the electrolyte, and anodization was performed at a voltage of 90 V for 30 minutes.

次に、図６（ｂ）に示すように、ポーラス陽極酸化膜６０２の表面に炭素膜６０３を形成した。炭素膜は、穴形状の部分だけではなく、平坦な表面部分にも形成される。炭素膜６０３の形成には、アセチレンガスを用いた。炭素膜６０３の膜厚は、成長温度と時間により制御可能である。今回は６００度で１時間の成長により、３０ｎｍの炭素膜６０３を成長した。   Next, as shown in FIG. 6B, a carbon film 603 was formed on the surface of the porous anodic oxide film 602. The carbon film is formed not only on the hole-shaped part but also on the flat surface part. An acetylene gas was used to form the carbon film 603. The film thickness of the carbon film 603 can be controlled by the growth temperature and time. This time, a carbon film 603 of 30 nm was grown by growth at 600 degrees for 1 hour.

次に、図６（ｃ）に示すように、平坦な表面部分に形成された炭素膜をスパッタエッチング法により除去し、さらに陽極酸化膜をウエットエッチング法により除去する。その結果、図６（ｄ）に示すようなナノチューブ６０４を形成することができる。   Next, as shown in FIG. 6C, the carbon film formed on the flat surface portion is removed by a sputter etching method, and the anodic oxide film is further removed by a wet etching method. As a result, a nanotube 604 as shown in FIG. 6D can be formed.

図６（ｄ）のナノチューブ６０４の結晶性は完全ではないため、アルゴンガス中３０００℃で高結晶化することにより、より結晶性の高いナノチューブを得ることができる。３０００℃の処理をすることにより、炭素膜の膜厚は、３０ｎｍから２０ｎｍに減少する。これは、炭素の最配列により、結晶性が向上するためである。   Since the crystallinity of the nanotube 604 in FIG. 6D is not perfect, a nanotube with higher crystallinity can be obtained by high crystallization in an argon gas at 3000 ° C. By performing the treatment at 3000 ° C., the film thickness of the carbon film decreases from 30 nm to 20 nm. This is because crystallinity is improved by the most aligned carbon.

炭素膜を作製する際に、アセチレンガスの代わりに、または混合して、ホウ素を含有したガスを用いることにより、ナノチューブ中に構成要素としてホウ素を取込むことができる。また、アセチレンガスの代わりに、または混合して、窒素を含有したガスを用いることにより、ナノチューブ中に構成要素として窒素を取込むことができる。ナノチューブにホウ素あるいは窒素を構成要素として取込むことにより、フェルミレベル付近にシャープな状態密度が形成され、電界放出電子のエネルギー幅を狭くする効果が期待できる。   When producing a carbon film, boron can be incorporated into the nanotube as a constituent element by using a gas containing boron instead of acetylene gas or in a mixture. Further, by using a gas containing nitrogen instead of or in combination with acetylene gas, nitrogen can be incorporated into the nanotube as a constituent element. By incorporating boron or nitrogen into the nanotube as a constituent element, a sharp density of states is formed near the Fermi level, and the effect of narrowing the energy width of field emission electrons can be expected.

また、図６（ｃ）の段階で、キャピラリー効果を利用して、ナノチューブ内部に炭素を主成分とする物質や、金属微粒子等を充填することができる。このように中空部分に適切な物質を充填し、その後図６（ｄ）のように孤立チューブを取出し、適切な温度で熱処理することにより、機械的強度が高く、機能性にすぐれたナノチューブを形成することができる。たとえば、ピッチをナノチューブ内部に充填し、熱処理することにより、結晶性炭素を内部に充填することができる。   In addition, at the stage of FIG. 6C, the nanotube effect can be filled with a substance containing carbon as a main component, metal fine particles, or the like inside the nanotube. In this way, a hollow part is filled with an appropriate substance, and then an isolated tube is taken out as shown in FIG. 6 (d) and heat-treated at an appropriate temperature to form a nanotube with high mechanical strength and excellent functionality. can do. For example, crystalline carbon can be filled inside by filling pitch inside the nanotube and performing heat treatment.

上記のようなナノチューブは、中が炭素物質で充填されているため、肉厚を薄くできチューブの内部歪みを低減できる。その結果、電子放出素子として電子源に用いると長寿命化が可能である。もしくは、耐久性が高いため、高電圧に耐えうる電子源を提供することができる。   Since the inside of the nanotube as described above is filled with a carbon material, the thickness can be reduced and the internal strain of the tube can be reduced. As a result, the lifetime can be extended when used as an electron-emitting device in an electron source. Alternatively, since the durability is high, an electron source that can withstand a high voltage can be provided.

また、電子放出素子の電子放出部の径が太く、電子銃に高電圧をかけることができるため、電子顕微鏡等に用いることにより高分解能を達成可能である。   In addition, since the diameter of the electron emission portion of the electron-emitting device is large and a high voltage can be applied to the electron gun, high resolution can be achieved by using it in an electron microscope or the like.

本実施例では、チューブ状物質を用いた本発明の電子銃の構成について説明する。電子銃の構成例を図７に示す。本実施例の電子銃は、上記の方法により製造された一本のチューブ状物質を接合した導電性基材７０１，電極７０２，電極支持台７０３から構成されるカソード電極と、カソード電極から電子を放出させるための引出し電極７０４と、電子を加速するための加速電極７０５により構成される。   In this example, the structure of an electron gun of the present invention using a tube-shaped substance will be described. A configuration example of the electron gun is shown in FIG. The electron gun of this embodiment is composed of a cathode electrode composed of a conductive base material 701, an electrode 702, and an electrode support base 703 joined with a single tubular substance manufactured by the above method, and electrons from the cathode electrode. It is composed of an extraction electrode 704 for emitting and an acceleration electrode 705 for accelerating electrons.

引出し電極７０４は、引出し電極電源７０６により、カソード電極に対してプラス電圧を印加する。また、加速電極７０５は、加速電極電源７０７により、カソード電極に対してプラス電圧を印加する。このような構成により、長寿命かつ高輝度でエネルギー幅の狭い電子銃を構成することができる。   The extraction electrode 704 applies a positive voltage to the cathode electrode by the extraction electrode power source 706. The acceleration electrode 705 applies a positive voltage to the cathode electrode by the acceleration electrode power source 707. With such a configuration, an electron gun having a long lifetime, high luminance, and a narrow energy width can be configured.

本実施例では、チューブ状物質を用いた本発明の別の電子銃の構成について説明する。第二の実施例の電子銃の構成例を図８に示す。第二の実施例では、引出し電極の代わりに、球面収差の少ない磁界レンズ８０４を用いた点が、第一の実施例と異なる。このような電子銃は、磁界界浸型電子銃と称される。このような構成により、高輝度でエネルギー幅の狭い電子銃を構成することができる。   In this embodiment, a configuration of another electron gun of the present invention using a tube-shaped substance will be described. A configuration example of the electron gun of the second embodiment is shown in FIG. The second embodiment is different from the first embodiment in that a magnetic lens 804 with little spherical aberration is used instead of the extraction electrode. Such an electron gun is called a magnetic field immersion type electron gun. With such a configuration, an electron gun having high brightness and a narrow energy width can be configured.

本実施例では、チューブ状物質を用いた本発明の走査型電子顕微鏡の構成について説明する。本発明の走査型電子顕微鏡の構成例を図９に示す。図９に記載の走査型電子顕微鏡は、電子銃９０１から放出される電子ビームをアノード電極９０２，第一収束レンズ９０３，第二収束レンズ９０４，対物レンズ９０５で加工し、最後に走査コイル９０６でビーム走査し、サンプル９０７から放出される二次電子を二次電子検出器９０８で検出することにより、サンプル９０７の拡大像を得る装置である。図には電子軌道９０９も同時に示した。装置内は、高真空に保持され、サンプル９０７は装置外部から機械的に移動および回転させることができる。本発明の電子銃を走査型電子顕微鏡に搭載することにより、従来装置と比較して、格段に高分解能でかつ高輝度な二次電子像や反射電子像を短時間で得られる走査型電子顕微鏡を実現することができる。   In this example, a configuration of a scanning electron microscope of the present invention using a tubular substance will be described. A configuration example of the scanning electron microscope of the present invention is shown in FIG. The scanning electron microscope shown in FIG. 9 processes the electron beam emitted from the electron gun 901 with the anode electrode 902, the first focusing lens 903, the second focusing lens 904, and the objective lens 905, and finally with the scanning coil 906. The apparatus scans the beam and detects secondary electrons emitted from the sample 907 by a secondary electron detector 908, thereby obtaining an enlarged image of the sample 907. The electron orbit 909 is also shown in the figure. The inside of the apparatus is maintained at a high vacuum, and the sample 907 can be mechanically moved and rotated from the outside of the apparatus. By mounting the electron gun of the present invention on a scanning electron microscope, a scanning electron microscope capable of obtaining a secondary electron image and a reflected electron image with a remarkably high resolution and high brightness in a short time as compared with a conventional apparatus. Can be realized.

なお、半導体プロセスにおける微細加工パターンの観察や寸法測定を行う測長用走査型電子顕微鏡も図９と同様の構成であるため、本発明の電子銃を搭載することにより、同様の効果を得ることができる。また、本発明の電子銃の特性が十分引出せる構成であれば、本発明の電子銃を搭載した電子顕微鏡装置の構成は図９に示したものに限定されることなく、他の装置構成の電子顕微鏡、例えば透過型電子顕微鏡や走査透過型電子顕微鏡でも採用できる。   Note that the scanning electron microscope for length measurement for observing the microfabricated pattern and measuring the dimensions in the semiconductor process has the same configuration as that shown in FIG. 9, and therefore the same effect can be obtained by mounting the electron gun of the present invention. Can do. Further, as long as the characteristics of the electron gun of the present invention can be sufficiently extracted, the configuration of the electron microscope apparatus equipped with the electron gun of the present invention is not limited to that shown in FIG. An electron microscope such as a transmission electron microscope or a scanning transmission electron microscope can also be used.

本実施例では、チューブ状物質を用いた本発明の電子線描画装置の構成について説明する。電子線描画装置の構成例を図１０に示す。電子線描画装置は、電子線に感応する電子線レジストを塗布したサンプル１００７に細く絞った電子線を照射することにより、微細パターンを形成するものである。電子線描画装置と電子顕微鏡とは電子光学形が類似する。本実施例の電子線描画装置は、図９の走査型電子顕微鏡の場合と概ね同じ基本構成を有するが、第一収束電極１００３と第二収束電極１００４の間に、電子ビームをオン／オフするためのブランカー１０１０を設ける点が異なる。本発明の電子銃を搭載することにより、従来に比べ、格段に細いビーム径が得られるために、より微細なパターンを描画することができる。さらに、高輝度なビームが得られるために、従来に比べ、格段に高いスループットを実現することができる。   In the present embodiment, the configuration of the electron beam drawing apparatus of the present invention using a tubular substance will be described. A configuration example of the electron beam drawing apparatus is shown in FIG. The electron beam drawing apparatus forms a fine pattern by irradiating a sample 1007 coated with an electron beam resist sensitive to an electron beam with a finely focused electron beam. The electron beam drawing apparatus and the electron microscope are similar in electro-optical type. The electron beam drawing apparatus of the present embodiment has substantially the same basic configuration as that of the scanning electron microscope of FIG. 9, but turns on / off the electron beam between the first focusing electrode 1003 and the second focusing electrode 1004. The difference is that a blanker 1010 is provided. By mounting the electron gun of the present invention, a remarkably narrow beam diameter can be obtained compared to the conventional case, so that a finer pattern can be drawn. Furthermore, since a high-luminance beam can be obtained, a significantly higher throughput can be realized compared to the conventional case.

チューブ状物質の模式図。The schematic diagram of a tube-shaped substance. チューブ状物質の模式図。The schematic diagram of a tube-shaped substance. チューブ状物質のひずみの発生原理の説明図。Explanatory drawing of the generation principle of distortion of a tube-shaped substance. チューブ状物質のひずみの発生原理の説明図。Explanatory drawing of the generation principle of distortion of a tube-shaped substance. チューブ状物質の模式図。The schematic diagram of a tube-shaped substance. チューブ状物質の表面層厚さと表面層のひずみ量との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the surface layer thickness of a tube-shaped substance, and the distortion amount of a surface layer. 内部充填したチューブ状物質の模式図。The schematic diagram of the tubular substance filled inside. 五員環の間隔と、放出される電子線の物性を示す図。The figure which shows the space | interval of a five-membered ring, and the physical property of the emitted electron beam. 本発明のチューブ状物質の製法例の説明図。Explanatory drawing of the example of a manufacturing method of the tube-shaped substance of this invention. 本発明のチューブ状物質の製法例の説明図。Explanatory drawing of the example of a manufacturing method of the tube-shaped substance of this invention. 本発明のチューブ状物質の製法例の説明図。Explanatory drawing of the example of a manufacturing method of the tube-shaped substance of this invention. 本発明のチューブ状物質の製法例の説明図。Explanatory drawing of the example of a manufacturing method of the tube-shaped substance of this invention. 電子銃の説明図。Explanatory drawing of an electron gun. 磁界界浸型電子銃の説明図。Explanatory drawing of a magnetic field immersion type electron gun. 電子顕微鏡の説明図。Explanatory drawing of an electron microscope. 電子線描画装置の説明図。Explanatory drawing of an electron beam drawing apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

６０１ アルミニウム基板
６０２ ポーラス陽極酸化膜
６０３ 炭素膜
６０４ ナノチューブ
７０１ 素子一本を接合した導電性基材
７０２，８０２ 電極
７０３，８０３ 電極支持台
７０４ 引出し電極
７０５，８０５ 加速電極
７０６，８０６ 引出し電極電源
７０７，８０７ 加速電極電源
８０１ 本発明の電子放出素子一本を接合した導電性基材
８０４ 磁界レンズ
９０１，１００１ 電子銃
９０２，１００２ アノード電極
９０３，１００３ 第一収束レンズ
９０４，１００４ 第二集束レンズ
９０５，１００５ 対物レンズ
９０６，１００６ 走査コイル
９０７，１００７ サンプル
９０８，１００８ 二次電子検出器
９０９，１００９ 電子軌道
１０１０ ブランカー 601 Aluminum substrate 602 Porous anodic oxide film 603 Carbon film 604 Nanotube 701 Conductive substrate 702, 802 Electrode 703, 803 Electrode support base 704 Extraction electrode 705, 805 Acceleration electrode 706, 806 Extraction electrode power supply 707, 807 Acceleration electrode power supply 801 Conductive base material 804 bonded with one electron-emitting device of the present invention Magnetic field lenses 901 and 1001 Electron guns 902 and 1002 Anode electrodes 903 and 1003 First focusing lenses 904 and 1004 Second focusing lenses 905 and 1005 Objective lens 906, 1006 Scanning coil 907, 1007 Sample 908, 1008 Secondary electron detector 909, 1009 Electron trajectory 1010 Blanker

Claims (7)

少なくとも一つの端が閉構造を有する炭素を主成分とするチューブ状物質の外径が５０ｎｍ以上で、肉厚が２０ｎｍ以下であり、前記チューブ状物質の中空部全体に非晶質の炭素が充填されていることを特徴とする電子放出素子。 An outer diameter of the tubular material at least one end containing carbon as a main component having a closed structure is 50nm or more, the thickness is 20nm or less, an amorphous a-carbon to the entire hollow portion of said tubular material An electron-emitting device that is filled. 請求項１に記載の電子放出素子において、該チューブ状物質が、チューブが入れ子になった多層構造であり、該多層構造の層数が６０層以下であることを特徴とする電子放出素子。   2. The electron-emitting device according to claim 1, wherein the tubular substance has a multilayer structure in which tubes are nested, and the number of layers of the multilayer structure is 60 or less. 請求項１または２に記載の電子放出素子において、閉構造領域が多面体構造であることを特徴とする電子放出素子。   3. The electron-emitting device according to claim 1, wherein the closed structure region has a polyhedral structure. 請求項１，２または３に記載の電子放出素子において、構成元素として炭素以外に３族および５族の元素のうち少なくとも一種類の元素を含有することを特徴とする電子放出素子。   4. The electron-emitting device according to claim 1, 2, or 3, further comprising at least one element selected from Group 3 and Group 5 elements in addition to carbon as a constituent element. 請求項１から４のいずれかに記載の電子放出素子と、該電子放出素子を支持する導電性基材とから構成される陰極と、該陰極から電子を放出させるための引出し電極と、該陰極から放出された電子を加速させるための加速電極を有することを特徴とする電子銃。   5. A cathode comprising the electron-emitting device according to claim 1, a conductive base material supporting the electron-emitting device, an extraction electrode for emitting electrons from the cathode, and the cathode An electron gun comprising an accelerating electrode for accelerating electrons emitted from the electron gun. 請求項５に記載の電子銃を搭載したことを特徴とする電子顕微鏡装置。   An electron microscope apparatus comprising the electron gun according to claim 5. 請求項５に記載の電子銃を搭載したことを特徴とする電子線描画装置。   An electron beam drawing apparatus comprising the electron gun according to claim 5.
JP2007147608A 2007-06-04 2007-06-04 Electron emitting device, electron gun, and electron beam application apparatus using the same Expired - Fee Related JP4909813B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007147608A JP4909813B2 (en) 2007-06-04 2007-06-04 Electron emitting device, electron gun, and electron beam application apparatus using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007147608A JP4909813B2 (en) 2007-06-04 2007-06-04 Electron emitting device, electron gun, and electron beam application apparatus using the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2008300307A JP2008300307A (en) 2008-12-11
JP4909813B2 true JP4909813B2 (en) 2012-04-04

Family

ID=40173612

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007147608A Expired - Fee Related JP4909813B2 (en) 2007-06-04 2007-06-04 Electron emitting device, electron gun, and electron beam application apparatus using the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4909813B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013253951A (en) * 2011-08-04 2013-12-19 Shinshu Univ Radiation absorbent

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3402032B2 (en) * 1995-11-28 2003-04-28 三菱化学株式会社 Carbon tube containing foreign substance and method for producing the same
JP3421549B2 (en) * 1996-09-18 2003-06-30 株式会社東芝 Vacuum micro device
JP3441396B2 (en) * 1998-12-03 2003-09-02 喜萬 中山 Probe for surface signal operation of electronic device and method of manufacturing the same
JP3590606B2 (en) * 2001-11-16 2004-11-17 日本原子力研究所 Fabrication method of carbon nanotube using template
JP2005034680A (en) * 2003-07-15 2005-02-10 Nikon Corp Nano carbon material, method for producing nano carbon material, and apparatus for storing/supplying hydrogen using nano carbon material
US7026432B2 (en) * 2003-08-12 2006-04-11 General Electric Company Electrically conductive compositions and method of manufacture thereof
US20050070658A1 (en) * 2003-09-30 2005-03-31 Soumyadeb Ghosh Electrically conductive compositions, methods of manufacture thereof and articles derived from such compositions
JP2005174818A (en) * 2003-12-12 2005-06-30 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> Electron emitting element, light emitting element, and cold cathode display device
JP2005325012A (en) * 2004-04-15 2005-11-24 Toray Ind Inc Method for processing carbonaceous material, carbonaceous material with improved graphitic property, electron emitting material using it, and battery electrode material
JP2006008425A (en) * 2004-06-22 2006-01-12 Osaka Gas Co Ltd Nano scale carbon tube including iron component with dome edge, carbonaceous material containing it, its producing method and electron emitting material containing the carbonaceous material
JP2006049293A (en) * 2004-06-30 2006-02-16 Hitachi High-Technologies Corp Field-emission electron gun and electron beam application apparatus using the same
KR20060014179A (en) * 2004-08-10 2006-02-15 삼성에스디아이 주식회사 Method for forming emitter and method for manufacturing field emission device using the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP2008300307A (en) 2008-12-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6930313B2 (en) Emission source having carbon nanotube, electron microscope using this emission source, and electron beam drawing device
JP4221389B2 (en) Method of manufacturing field emission emitter electrode using self-assembly of carbon nanotube and field emission emitter electrode manufactured thereby
JP6458727B2 (en) Electrode material with low work function and high chemical stability
US20080036358A1 (en) Field Emission Devices Using Ion Bombarded Carbon Nanotubes
US10529525B2 (en) Carbon nanotube electron emitter, method of manufacturing the same and X-ray source using the same
JP2006224296A (en) Carbon nanotube structure and method of manufacturing the same, and field emission device using the carbon nanotube structure and method of manufacturing the device
TWI427665B (en) X-ray generation device and cathode thereof
US7732764B2 (en) Field emission electron gun and electron beam applied device using the same
JP3982558B2 (en) Electron source having carbon nanotubes, electron microscope and electron beam drawing apparatus using the same
US6806629B2 (en) Amorphous diamond materials and associated methods for the use and manufacture thereof
JP2013535089A (en) Particle source and manufacturing method thereof
CN101105488A (en) Work function measuring method
JP4909813B2 (en) Electron emitting device, electron gun, and electron beam application apparatus using the same
JP2007070140A (en) Carbon film, and field emission type electron emission source
JP2006049293A (en) Field-emission electron gun and electron beam application apparatus using the same
JP2010015966A (en) Electron-emitting element, electron gun, electron microscope device using it, and electron beam lithogrphy device
KR100649586B1 (en) Method for Manufacturing Field Emitter Electrode By Using Self-Assembling of Carbon Nanotubes And Field Emitter Electrode Manufactured Thereby
JP2008305597A (en) Electron emitting element, electron gun, and electron beam application device using it
US20220399177A1 (en) Carbon nanotube (cnt) paste emitter, method of manufacturing the same, and x-ray tube apparatus using the same
JP5063002B2 (en) Electron emitter
JP2009129547A (en) Field emission type electron source and electron beam application device using it
JP2005346933A (en) Cold cathode electron source and electron tube using it
JP2018006335A (en) Electron emission element, electron emission device and manufacturing method of electron emission element
Fratini et al. Carbon-nanotubes field emitter to be used in advanced X-ray source
Jin-shou et al. Design and Demonstration of Carbon Nanotubes (CNTs)-Based Field Emission Device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090520

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090520

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20110316

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20110719

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110901

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20111108

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20111129

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20111220

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120116

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150120

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees