JPH0831304A - Electron beam source, and electron beam application device and electronic device usinging the source - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To provide an electron beam source which generates an electron beam having a narrow energy width and which can favorably be used in forming a high performance, milti-funstional electron beam application device using a monochromatic electron beam by selecting a specific electron beam source. CONSTITUTION:An electron beam source is selected which has a double barrier type quantum well layer and which is structured so that the electron transmission probability of the double barrier layer including the quantum well layer becomes approx. one. Preferably, the double barrier layer is structured so that the electron permiation lengths into the two barrier layers are identical substantially. For example, a barrier layer 12 of a single crystal AlAs film with a film thickness less than the permeation length of electron wave is grown by a molecular beam epitaxy method on the surface of a needle 11 which is made of n<+> type GaAs single crystal and whose radius of curvature at the tip is 0.1mum, and thereover a quantum well layer 13 of a single crystal GaAs film is grown, and thereby an electron beam source is accomplished which generates an electron beam by impressing a negative voltage on the opposing electrode.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は電子線源及び電子線応用
装置に関わり、特に電子顕微鏡の高分解能化や、エネル
ギー分析による材料評価を行う分析装置に好適な、極単
色電子線源及びそれを用いた電子線応用装置と電子装置
に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electron beam source and an electron beam application apparatus, and more particularly, to an ultra-monochromatic electron beam source suitable for an electron microscope having a high resolution and an analysis apparatus for evaluating materials by energy analysis and the same. The present invention relates to an electron beam application device and an electronic device using.

【０００２】[0002]

【従来の技術】従来の狭エネルギー幅を有する電子線源
として一般に広く使用されているものとしては、電界放
出型電子銃があり、この原理について記載されたものと
しては、例えば、日本学術振興会第１３２委員会編、電
子・イオンビームハンドブック第２版（昭和６１年日刊
工業新聞社）、１４５〜１５１ページ、がある。この電
子線源においては、タングステン（Ｗ）陰極の先端を１
００ｎｍ径程度に鋭く尖らせることによって先端部分に
電界を集中させ、その結果、先端部分から真空中に電界
放出される電子を用いている。2. Description of the Related Art A field emission type electron gun is widely used as a conventional electron beam source having a narrow energy width, and the principle of this is described in, for example, Japan Society for the Promotion of Science. The 132nd Committee edition, Electron / Ion Beam Handbook 2nd Edition (1986 Nikkan Kogyo Shimbun), pp. 145-151. In this electron beam source, the tip of the tungsten (W) cathode is
By sharpening the diameter to about 00 nm, the electric field is concentrated on the tip portion, and as a result, the electrons that are field-emitted from the tip portion into the vacuum are used.

【０００３】また、単色化した電子線を用いる分析装置
等においては、狭エネルギー幅の電子線を得るために、
従来の電子線源から発生させた電子線をエネルギーアナ
ライザに通し、磁界や電界によってエネルギー分散さ
せ、スリット等によってその内の極く一部を取り出して
いた。Further, in an analyzer using a monochromatic electron beam, in order to obtain an electron beam with a narrow energy width,
An electron beam generated from a conventional electron beam source is passed through an energy analyzer, energy is dispersed by a magnetic field or an electric field, and a very small part thereof is taken out by a slit or the like.

【０００４】また、従来の金属／絶縁体／金属（ＭＩ
Ｍ）構造の陰極の代わりに半導体／絶縁体／半導体（Ｓ
ＩＳ）多層構造として共鳴トンネル現象を用いるという
アイディアが、竹内、御子柴共編「トンネル現象の物理
と応用」培風館（１９８７年）刊の中の横尾、小野著
「第６章トンネルエミッションの課題」の８８〜９０ペ
ージに記載されている。しかしながら、具体的な構造及
び電圧印加方法は記載されていない。従来のＭＩＭ構造
にＳＩＳ多層膜を用いて二重障壁構造を形成する例とし
て容易に類推されるものを図１２（ａ）に示す。ＭＩＭ
陰極では、基板と上部電極の間に電圧をかけ基板の電子
をトンネル効果によって上部電極を引き出す。そして、
この電位差が仕事関数よりも大きくなると、引き出され
た電子は容易に真空中に放出される。Further, conventional metal / insulator / metal (MI
M) structure cathode instead of semiconductor / insulator / semiconductor (S
IS) The idea of using the resonant tunneling phenomenon as a multi-layered structure was introduced in Takeuchi and Mikoshiba's "Physics and Applications of the Tunneling Phenomenon" by Yokoo and Ono in "Chapter 6 Tunnel Emission Issues", published by Baifukan (1987). ~ Page 90. However, the specific structure and voltage application method are not described. As an example of forming a double barrier structure by using a SIS multilayer film in a conventional MIM structure, what is easily analogized is shown in FIG. MIM
At the cathode, a voltage is applied between the substrate and the upper electrode, and electrons in the substrate are pulled out by the tunnel effect. And
When this potential difference becomes larger than the work function, the extracted electrons are easily emitted into the vacuum.

【０００５】また、量子井戸層を用いた共鳴トンネリン
グ現象により、電子線を得る電子源の構造は、特開平５
−７４３３３号公報に開示されている。Further, the structure of an electron source for obtaining an electron beam by the resonant tunneling phenomenon using a quantum well layer is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No.
It is disclosed in Japanese Patent Publication No.-74333.

【０００６】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、特開平５−７
４３３３号公報に開示されている構造では十分な透過確
率が得られないため、電流密度が小さく、電子線源とし
ての使用が困難であるという問題があった。However, JP-A-5-7
In the structure disclosed in Japanese Patent No. 4333, a sufficient transmission probability cannot be obtained, so that there is a problem that the current density is small and it is difficult to use as an electron beam source.

【０００７】Ｗ内部の電子と真空中の自由電子との間に
は仕事関数と呼ばれるポテンシャルエネルギー差があ
り、常温ではＷ内部の電子は外に出ることはない。従来
例においては、高電界をかけることによって真空準位を
曲げ、図２（ａ）のような薄い三角形のポテンシャル障
壁とすると、Ｗ中の電子の一部はこのポテンシャル障壁
をトンネル効果によって透過し、真空中に放出される。
この場合の電子線のエネルギー分布は、Ｗ内部の電子の
エネルギー分布とポテンシャル障壁の透過率との積とな
り、図２（ｂ）に示される分布となる。この結果、放出
される電子のエネルギー半値幅は室温で０．２６ｅＶ程
度となる。温度を下げれば電子のフェルミ分布が急峻と
なるために高エネルギー側の拡がりは小さくなるが、絶
対零度においても半値幅は０．２ｅＶ程度である。これ
は、ピークより低エネルギー側の拡がりがポテンシャル
障壁の透過率で決まっており、この透過率は低温にして
も変化しないことに起因している。従って、従来例では
これ以上の単色化は望めず、顕微鏡の分解能の大幅な向
上は望めないという問題があった。There is a potential energy difference called a work function between the electrons inside W and the free electrons in vacuum, and the electrons inside W do not go out at room temperature. In the conventional example, when the vacuum level is bent by applying a high electric field to form a thin triangular potential barrier as shown in FIG. 2A, some of the electrons in W pass through this potential barrier by the tunnel effect. , Released into a vacuum.
The energy distribution of the electron beam in this case is the product of the energy distribution of the electrons inside W and the transmittance of the potential barrier, and becomes the distribution shown in FIG. As a result, the energy full width at half maximum of the emitted electrons becomes about 0.26 eV at room temperature. When the temperature is lowered, the Fermi distribution of electrons becomes steeper so that the spread on the high energy side becomes smaller, but the half value width is about 0.2 eV even at absolute zero. This is because the spread on the low energy side from the peak is determined by the transmittance of the potential barrier, and this transmittance does not change even at low temperatures. Therefore, in the conventional example, there is a problem that further monochromaticization cannot be expected and a significant improvement in the resolution of the microscope cannot be expected.

【０００８】また、単色化した電子線を用いる分析装置
等においては、電子光学系にエネルギーアナライザを用
いるために、電子線量が減少する、装置の小型化が難し
い、等の問題があった。特に高分解能の電子エネルギー
損失分光（ＥＥＬＳ）装置の場合、数十ｍｅＶ程度以下
のエネルギー幅の電子線を得るために高分解能のエネル
ギーアナライザを用いており、電子線量が大きく減少す
る結果、測定には長時間を要していた。またこの場合、
高分解能のエネルギーアナライザの組み立て、位置合わ
せ、電子線の調整等のために多くの労力を必要とすると
いう問題があった。さらに、この場合、アナライザの焦
点距離を長くとるとアナライザが大きくなるために試料
や電子線源等の配置の自由度が少なく、装置の小型化が
困難で他の装置と組み合せて多機能化することが困難で
ある等の問題があった。Further, in an analyzer using a monochromatic electron beam, since an energy analyzer is used in the electron optical system, there are problems that the electron dose is reduced and it is difficult to downsize the device. In particular, in the case of a high resolution electron energy loss spectroscopy (EELS) device, a high resolution energy analyzer is used to obtain an electron beam with an energy width of several tens of meV or less. Took a long time. Also in this case,
There is a problem that a lot of labor is required for assembling a high-resolution energy analyzer, alignment, adjustment of an electron beam, and the like. Further, in this case, since the analyzer becomes large when the focal length of the analyzer is long, the degree of freedom in arranging the sample, the electron beam source, etc. is small, and downsizing of the device is difficult, and it becomes multifunctional in combination with other devices. There was a problem that it was difficult.

【０００９】また、図１２（ａ）に示す例においては、
動作条件では、図１２（ｂ）に示されるように、絶縁体
中は高電界となるために、二重障壁のエネルギー構造が
対称でなくなり、完全に透過確率が１となる共鳴条件は
得られない。また、上部電極付近ではホットエレクトロ
ンと呼ばれる運動エネルギーが大きな電子となり、固体
中で散乱によってエネルギーを失い易く、放出電子のエ
ネルギー分布を広げるという問題があった。Further, in the example shown in FIG.
Under the operating conditions, as shown in FIG. 12 (b), a high electric field is generated in the insulator, so that the energy structure of the double barrier is not symmetrical, and a resonance condition in which the transmission probability is 1 is completely obtained. Absent. Further, near the upper electrode, electrons having a large kinetic energy called hot electrons become lost due to scattering in a solid, and the energy distribution of emitted electrons is widened.

【００１０】本発明の主眼は、上記の問題を解決し、新
しい原理により、エネルギー幅の狭い電子線を発生する
電子線源を提供すること、及び単色化した電子線を用い
た高性能の電子線応用装置と電子装置を提供することに
ある。The main object of the present invention is to solve the above problems and to provide an electron beam source for generating an electron beam having a narrow energy width according to a new principle, and to provide a high-performance electron beam using a monochromatic electron beam. It is to provide a wire application device and an electronic device.

【００１１】[0011]

【課題を解決するための手段】エネルギー分布の狭い電
子線源を形成するためには、固体中にある電子のうち特
定のエネルギー準位の電子のみを、二重障壁型の量子井
戸層を用いた共鳴トンネリング現象により選択的に取り
出すようにすればよい。この選択の幅が狭ければ狭いほ
どエネルギー幅の小さな電子線を得ることができる。In order to form an electron beam source having a narrow energy distribution, only electrons having a specific energy level among the electrons in a solid are used and a double barrier type quantum well layer is used. The resonance tunneling phenomenon may be used for selective extraction. The narrower this selection is, the smaller the energy width of the electron beam can be obtained.

【００１２】また、単色化した電子線を用いる高性能、
多機能の装置を形成するためには、エネルギーの分布の
狭い電子線源を用いれば良い。これにより使用上の制約
の多い分解能のエネルギーアナライザを不用とすること
ができる。Further, high performance using a monochromatic electron beam,
In order to form a multifunctional device, an electron beam source having a narrow energy distribution may be used. As a result, it is possible to eliminate the use of an energy analyzer having a high resolution, which has many restrictions in use.

【００１３】[0013]

【作用】上記の、固体中にある電子のうち特定のエネル
ギー準位の電子のみを選択的に取り出す手段を達成する
ために、電子が放出される経路中に、電子に対するエネ
ルギー障壁層２個とその二重障壁に囲まれてできた量子
井戸層を形成し、この二重障壁構造による共鳴トンネル
現象を利用する。すなわち、量子井戸内の量子準位に一
致したエネルギーの電子がこの二重障壁層に入射する
と、きわめて高い確率で透過する。この共鳴条件は量子
準位にしたがいとびとびに存在し、しかも透過確率の高
いエネルギー帯域は極めて狭い。いわば、電子波干渉フ
ィルターとなる。ここで、完全に透過確率が１となる共
鳴条件とするには、量子井戸を中心に対称な構造とすれ
ばよく、特に、二つの障壁はバリア高さ、電子の有効質
量、厚さ共に同一にすれば実現できる。In order to achieve the above-mentioned means for selectively extracting only the electrons of a specific energy level among the electrons in the solid, two energy barrier layers for the electrons are provided in the electron emission path. A quantum well layer surrounded by the double barrier is formed, and the resonance tunnel phenomenon due to this double barrier structure is utilized. That is, when an electron having an energy matching the quantum level in the quantum well enters the double barrier layer, it is transmitted with a very high probability. This resonance condition is present everywhere according to the quantum level, and the energy band with high transmission probability is extremely narrow. It is, so to speak, an electron wave interference filter. Here, in order to set the resonance condition such that the transmission probability is completely 1, it is sufficient to make the structure symmetrical about the quantum well. In particular, the two barriers have the same barrier height, effective electron mass, and thickness. It can be realized by

【００１４】本発明においては、この共鳴トンネル現象
を電子線源に応用するために、固体と真空との間に二重
障壁構造を設ける。図３（ａ）に示すように高電界下で
の真空準位より形成される三角形のポテンシャル障壁３
１を二重障壁の一つとし、もう一つの障壁を電子線源内
部に形成した薄膜１２とする。量子井戸は薄膜１３であ
る。この電子線源の場合、障壁の一方が真空でもう一方
が固体であり二つの障壁が同じ材料となることはないた
め、理想的な共鳴条件はえられないが、それに近い条件
は選ぶことができる。In the present invention, in order to apply this resonance tunnel phenomenon to the electron beam source, a double barrier structure is provided between the solid and the vacuum. As shown in FIG. 3A, a triangular potential barrier 3 formed by a vacuum level under a high electric field.
1 is one of the double barriers, and the other barrier is a thin film 12 formed inside the electron beam source. The quantum well is the thin film 13. In the case of this electron beam source, since one of the barriers is vacuum and the other is solid and the two barriers are not the same material, ideal resonance conditions cannot be obtained, but conditions close to it can be selected. it can.

【００１５】一つのポテンシャル障壁に対する電子の透
過率ＤはＷＫＢ近似を用いて次のように書ける。The electron transmittance D for one potential barrier can be written as follows using the WKB approximation.

【００１６】 Ｄ＝ｅｘｐ｛２∫ｋ（ｘ）ｄｘ｝ （式１） ここでｘは位置を表わす変数、積分はバリア層の膜厚全
体にわたる定積分、ｋ（ｘ）は次式で表わされる。D = exp {2∫k (x) dx} (Equation 1) where x is a variable representing a position, integral is a definite integral over the thickness of the barrier layer, and k (x) is represented by the following equation. .

【００１７】 ｋ（ｘ）＝〔√｛２ｍ（Ｖ（ｘ）−Ｅ）｝〕２π／ｈ （式２） ここでｍは電子の有効質量、Ｖ（ｘ）はバリア高さ、Ｅ
は電子のエネルギー、ｈはプランク定数である。K (x) = [√ {2m (V (x) −E)}] 2π / h (Equation 2) where m is the effective mass of the electron, V (x) is the barrier height, and E
Is the electron energy and h is Planck's constant.

【００１８】このｋ（ｘ）の逆数は電子波がバリア内に
浸透する長さに対応しており、Ｄの値は膜厚が薄くかつ
その浸透長が長いほうが大きくなる。そして、理想的な
共鳴状態に近い条件を得るにはＤの値が両方の障壁で同
程度で、かつ１００万分の１オーダーより大きくするこ
とが望ましい。この条件は、真空中にできるポテンシャ
ル障壁３１に関しては外部からの電界で制御することに
よって達成される。すなわち、電界強度にして３〜１０
Ｖ／ｎｍを要する。この条件は、電界放出型電子源のよ
うに凸形の先端を持った構造とすることにより達成され
る。The reciprocal of k (x) corresponds to the length of penetration of the electron wave into the barrier, and the value of D becomes larger as the film thickness becomes thinner and the penetration length becomes longer. Then, in order to obtain a condition close to an ideal resonance state, it is desirable that the value of D be substantially the same in both barriers and be larger than one millionth order. This condition is achieved by controlling the potential barrier 31 formed in vacuum with an external electric field. That is, the electric field strength is 3 to 10
V / nm is required. This condition is achieved by using a structure having a convex tip like a field emission electron source.

【００１９】また、電子線源中に設けられたバリア層１
２に関しては、電子の有効質量ｍ、バリア高さＶ、電子
エネルギーＥ、で決まる浸透長に対して、膜厚を同程度
以下にすることで条件を達成することができる。すなわ
ち、本発明の目的であるエネルギー幅の極めて小さな単
色の電子線源を提供することができる。The barrier layer 1 provided in the electron beam source
Regarding No. 2, the condition can be achieved by making the film thickness equal to or less than the permeation length determined by the effective mass m of electrons, the barrier height V, and the electron energy E. That is, it is possible to provide a monochromatic electron beam source having an extremely small energy width, which is the object of the present invention.

【００２０】以上説明したように本発明では、固体と真
空の間で共鳴トンネル現象を起こすため、図１２に示し
た例と異なり、十分な電子線量が得られる条件となるた
め、単色の電子でかつ電流量も十分大きな電子線が得ら
れるという利点がある。As described above, according to the present invention, a resonance tunnel phenomenon occurs between a solid and a vacuum, which is different from the example shown in FIG. Moreover, there is an advantage that an electron beam having a sufficiently large current amount can be obtained.

【００２１】エネルギー分布の極めて狭い電子線源を用
いることにより、従来の電子線単色化装置で用いていた
高分解能のエネルギーアナライザが不用となり、より簡
便な構造で、かつ電子線量が減少することなしに試料表
面に到達するため、短時間で測定できる分析装置を提供
することができる。By using an electron beam source having an extremely narrow energy distribution, the high-resolution energy analyzer used in the conventional electron beam monochromatizer becomes unnecessary, and the structure is simpler and the electron dose does not decrease. Since the sample reaches the sample surface, it is possible to provide an analyzer capable of measuring in a short time.

【００２２】以下に実施例を用いて本発明の詳細な説明
を行なう。The present invention will be described in detail below with reference to examples.

【００２３】[0023]

【実施例】【Example】

（実施例１）図１に本発明の実施例の１つを示す。材料
として（１１１）方向にのびたｎ＋型ＧａＡｓ単結晶の
先端の曲率半径０．１μｍの針１１を第１の材料として
用い、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法により、この先端
付近に１．４ｎｍの単結晶ＡｌＡｓ膜１２を第２の材料
とし、さらにその上に７ｎｍの単結晶ＧａＡｓ膜１３を
第３の材料として成長させる。この結果、図１ｂに示さ
れるエネルギー構造が形成される。これを真空装置に導
入し、５４０℃５分間の加熱により表面を清浄化した
後、対向する陽極に対して先端付近の電界が３〜１０Ｖ
／ｎｍ程度になるまで負の電圧をかけると、図３ａに示
される構造となり、トンネル放出する電子が増加する。
しかも、電子の透過率は図３ｂに示されるようなエネル
ギー依存性を持つため、極めてエネルギー幅の狭い電子
線が得られる。室温においては、熱エネルギーの２６ｍ
ｅＶ程度の幅となる。さらに、この電子線源にクライオ
スタットを装着することによって、液体窒素温度（７７
Ｋ）で７ｍｅＶ、液体ヘリウム温度（４Ｋ）で１ｍｅＶ
程度のエネルギー幅の電子線が得られる。(Embodiment 1) FIG. 1 shows one embodiment of the present invention. A needle 11 having a tip of n + type GaAs single crystal extending in the (111) direction and having a radius of curvature of 0.1 μm was used as the first material, and a 1.4 nm single crystal was formed near the tip by molecular beam epitaxy (MBE). A crystalline AlAs film 12 is used as a second material, and a 7 nm single crystal GaAs film 13 is grown thereon as a third material. This results in the formation of the energy structure shown in Figure 1b. After introducing this into a vacuum device and cleaning the surface by heating at 540 ° C. for 5 minutes, the electric field near the tip is 3 to 10 V with respect to the opposing anode.
When a negative voltage is applied up to about / nm, the structure shown in FIG.
Moreover, since the electron transmittance has energy dependence as shown in FIG. 3b, an electron beam having an extremely narrow energy width can be obtained. 26m of heat energy at room temperature
The width is about eV. Furthermore, by mounting a cryostat on this electron beam source, the liquid nitrogen temperature (77
7 meV at K), 1 meV at liquid helium temperature (4 K)
An electron beam with an energy width of about a degree can be obtained.

【００２４】本実施例においては、外側の第３の材料で
あるＧａＡｓ量子井戸層１３は不純物ドーピングを施し
てはいないが、表面準位の存在によって動作条件が不安
定になる場合は、ＧａＡｓ量子井戸層１３内にｎ型不純
物であるＳｉを１平方センチメートル当り１０¹²個程度
ドーピングすると、表面の電位を固定し、安定した動作
が得られるという利点がある。In this embodiment, the GaAs quantum well layer 13, which is the outer third material, is not doped with impurities. However, when the operating condition becomes unstable due to the presence of the surface level, the GaAs quantum well layer 13 is used. Doping about 10 ^{12 of} Si, which is an n-type impurity, in the well layer 13 per square centimeter has an advantage that the surface potential is fixed and stable operation is obtained.

【００２５】なお、本実施例においては、電子線源の母
材１１の第１の材料、バリア層１２の第２の材料、量子
井戸層１３の第３の材料としてそれぞれｎ＋型ＧａＡ
ｓ、１．４ｎｍのＡｌＡｓ、７ｎｍのＧａＡｓを用いて
いるが、この他にもｎ＋型ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、Ｇ
ａＡｓの組み合わせ、あるいは他のIII−Ｖ族化合物半
導体、例えばＩｎＧａＡｓＰ混晶等の格子不整合系の組
み合わせ、あるいはII−VI族化合物半導体、例えばｎ＋
型ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅの組み合わせ、あるいは
IV族半導体、例えばｎ＋型Ｇｅ、Ｓｉ−Ｇｅ、Ｇｅの組
み合わせを用いても、バリア層と量子井戸層の厚みを各
材料の有効質量、電子ポテンシャルによって調整すれ
ば、同様の物性を持つ材料の組み合わせであるから同様
の効果が得られる。In this embodiment, n + type GaA is used as the first material of the electron beam source base material 11, the second material of the barrier layer 12, and the third material of the quantum well layer 13, respectively.
s, 1.4 nm AlAs, and 7 nm GaAs are used, but n + type GaAs, AlGaAs, and G are also used.
aAs combination, or other III-V group compound semiconductor, for example, lattice mismatched system combination such as InGaAsP mixed crystal, or II-VI group compound semiconductor, for example n +.
Type ZnSe, ZnS, combination of ZnSe, or
Even if a group IV semiconductor such as a combination of n + type Ge, Si-Ge, and Ge is used, if the thickness of the barrier layer and the quantum well layer is adjusted by the effective mass of each material and the electron potential, the material having the same physical properties can be obtained. Since it is a combination, the same effect can be obtained.

【００２６】なお、Ｇｅのような間接遷移型の半導体の
場合、有効質量の小さい方位を電子の走行方向に選ぶと
より効果的である。また、電子の走行方向を表面の材料
の仕事関数の小さい結晶方位に選ぶと、拡がり角がちい
さく収束性の良い電子線が得られ、電子顕微鏡等に応用
する際の高分解能化に有利となる。In the case of an indirect transition type semiconductor such as Ge, it is more effective to select an azimuth having a small effective mass as the electron traveling direction. Also, if the electron traveling direction is selected to be a crystal orientation with a small work function of the surface material, an electron beam with a small divergence angle and good convergence can be obtained, which is advantageous for high resolution when applied to an electron microscope or the like. .

【００２７】また、本実施例においては、材料の組み合
わせとして半導体を用いたが、電子線源の母材として第
１の材料を金属、半金属等を用いると電子密度が半導体
よりも高いためにより電流量の多い電子線源が得られ
る。例えば、単結晶ＮｉＡｌを用いると、この上に第
２、第３の材料としてｎ＋型ＧａＡｓ、ＡＬＧａＡｓ、
ＧａＡｓ系が単結晶成長でき、単結晶ＣｏＳｉ₂を用い
るとＳｉ、Ｇｅ系が単結晶成長できる。また、バリア層
として第２の材料に１ｎｍ程度以下の絶縁体を用いても
実施例と同様の効果が得られる。例えば、単結晶ＣａＦ
₂はＳｉ及びＧａＡｓと組み合わせ、また、単結晶Ａｌ
２Ｏ３はＳｉと組み合わせて、単結晶成長可能であり、
この場合半導体に比べて耐熱性が高く、大きな電流密度
でも動作するという利点がある。従って、これらの金属
と絶縁体と半導体を組み合わせて用いるとより一層効果
的である。Further, in this embodiment, the semiconductor is used as the combination of materials, but if the first material is metal, metalloid or the like as the base material of the electron beam source, the electron density is higher than that of the semiconductor. An electron beam source with a large amount of current can be obtained. For example, if single crystal NiAl is used, n + type GaAs, ALGaAs, and
GaAs-based single crystal can be grown, and single crystal CoSi ₂ can be used to grow Si and Ge-based single crystals. Further, even if an insulator having a thickness of about 1 nm or less is used as the second material for the barrier layer, the same effect as that of the embodiment is obtained. For example, single crystal CaF
₂ combined with Si and GaAs, and single crystal Al
2O3 is capable of single crystal growth in combination with Si,
In this case, the heat resistance is higher than that of a semiconductor, and there is an advantage that it operates even at a large current density. Therefore, it is more effective to use these metals, insulators and semiconductors in combination.

【００２８】なおここでは、結晶成長方法としてＭＢＥ
法を用いたが、この他にＭＯＣＶＤ（有機金属気相成
長）法やＣＶＤ（気相成長）法等、単結晶薄膜を成長で
きる方法であれば同様の効果が得られる。MBE is used here as a crystal growth method.
Although the method is used, similar effects can be obtained as long as it is a method capable of growing a single crystal thin film, such as MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) method and CVD (vapor phase growth) method.

【００２９】また、本実施例においては、材料として単
結晶を用いたが、１ｎｍ程度以下の非晶質を用いても同
様の効果があり、この場合、既存の針状Ｗ電子線源上に
プラズマＣＶＤ法や低温蒸着法等により簡便に形成でき
るという利点がある。非晶質材料として例えば、ａ−Ｓ
ｉ、ａ−Ｓｉ−Ｃ、ａ−Ｓｉ−Ｎ、ａ−Ｓｉ−Ｇｅ等の
IV族系あるいはＳ−Ｓｅ−Ｔｅ系のカルコゲン等の組み
合わせが用いられる。In this embodiment, a single crystal is used as the material, but the same effect can be obtained by using an amorphous material having a thickness of about 1 nm or less. In this case, an existing needle-shaped W electron beam source is used. There is an advantage that it can be easily formed by a plasma CVD method or a low temperature vapor deposition method. As the amorphous material, for example, aS
i, a-Si-C, a-Si-N, a-Si-Ge, etc.
A combination of group IV type or S-Se-Te type chalcogen and the like is used.

【００３０】また、本実施例においては、一組のバリア
層と量子井戸層を用いたが、複数組形成しても同様の効
果がある。その場合、外側のバリア層と量子井戸層の材
料を内側のものよりも電子ポテンシャルの高いすなわち
仕事関数の小さいものにすると、より低い引き出し電圧
で電子線を得ることができるという利点がある。また、
外側のバリア層と量子井戸層で形成される電子波干渉フ
ィルターに対して、内側の量子井戸層にできる極めてエ
ネルギー幅の狭い状態密度のピークエネルギーを電圧印
加等により一致させると、いっそうエネルギー幅が狭
く、かつ大電流の電子線が得られるという利点がある。In this embodiment, one set of barrier layer and quantum well layer is used, but the same effect can be obtained by forming a plurality of sets. In that case, if the materials of the outer barrier layer and the quantum well layer are made to have a higher electron potential, that is, a smaller work function than that of the inner one, there is an advantage that an electron beam can be obtained at a lower extraction voltage. Also,
If the peak energy of the density of states of the inner quantum well layer, which has an extremely narrow energy width, is made to coincide with the electron wave interference filter formed by the outer barrier layer and the quantum well layer by applying voltage, etc., the energy width will be further improved. There is an advantage that a narrow and large-current electron beam can be obtained.

【００３１】本実施例においては、先端を針状にして電
界集中させ、真空中に薄いポテンシャル障壁３１を形成
しているが、刃状にしても同様の効果があり、その場合
線状の電子線源が得られる。また、先端の曲率半径を
０．１μｍとしたが、より大きな３μｍ程度でも対向電
極を〜１０μｍ程度に近づければ同様の効果がある。In this embodiment, the tip is formed into a needle shape to concentrate the electric field to form the thin potential barrier 31 in vacuum. However, the same effect can be obtained even with a blade shape. A radiation source is obtained. Further, although the radius of curvature of the tip is set to 0.1 μm, the same effect can be obtained even when the counter electrode is moved to about 10 μm even if the radius is larger than 3 μm.

【００３２】（実施例２）本発明の電子線源を分析装置
に応用した一実施例を図４に示す。(Embodiment 2) FIG. 4 shows an embodiment in which the electron beam source of the present invention is applied to an analyzer.

【００３３】加速レンズ４３の第１陽極４３１に印加さ
れた電圧Ｖ１（約２．５ｋＶ）により、電子線源４１か
ら電子線４２が放出される。次に第２陽極４３２に電圧
Ｖ₀（＝１００Ｖ）を印加し、所望の加速電圧の電子線
を得る。加速レンズ４３を通過した電子線４２はコンデ
ンサレンズ４４や対物レンズ４５により細く絞られて、
試料４７を照射する。このとき発生する２次電子４８０
を２次電子検出器４８で検出し、その検出信号強度を、
電子線４２を試料４７の表面上で２次元的に走査する偏
向器４６の偏向信号と同期してＣＲＴ上に表示すれば、
ＳＥＭ像が得られる。本実施例では、試料４７から反射
して出てくる反射電子４９０をエネルギー分析できるよ
うに静電型のエネルギー分析器４９を配置した。これ
は、試料４７で電子線４２が損失したエネルギーを測定
することにより、試料４７の表面状態を知るためであ
る。例えば、損失エネルギー数ｅＶから数百ｍｅＶの範
囲で表面化学種の電子状態を知ることができ、さらに損
失エネルギー数十ｍｅＶの領域で表面化学種の振動状態
を知ることができる。これにより、例えば、試料表面第
１層の元素や吸着分子の種類や吸着状態の分析が局所的
に行なえるという利点がある。また、従来の高分解能の
エネルギーアナライザを用いた単色電子線装置に比べ
て、簡便な構造で、かつ電子線量が減少することなしに
試料表面に到達するため、短時間で測定できるという利
点がある。An electron beam 42 is emitted from the electron beam source 41 by the voltage V1 (about 2.5 kV) applied to the first anode 431 of the acceleration lens 43. Next, a voltage V ₀ (= 100V) is applied to the second anode 432 to obtain an electron beam having a desired acceleration voltage. The electron beam 42 passing through the acceleration lens 43 is narrowed down by a condenser lens 44 and an objective lens 45,
The sample 47 is irradiated. Secondary electrons 480 generated at this time
Is detected by the secondary electron detector 48, and the detected signal strength is
If the electron beam 42 is displayed on the CRT in synchronization with the deflection signal of the deflector 46 that two-dimensionally scans the surface of the sample 47,
An SEM image is obtained. In this embodiment, the electrostatic energy analyzer 49 is arranged so that the reflected electrons 490 reflected and emitted from the sample 47 can be subjected to energy analysis. This is to know the surface state of the sample 47 by measuring the energy lost by the electron beam 42 in the sample 47. For example, the electronic state of the surface chemical species can be known in the range of loss energy several eV to several hundred meV, and the vibrational state of the surface chemical species can be known in the region of loss energy several tens meV. This has the advantage that, for example, the type of element or adsorbed molecule on the sample surface first layer and the adsorption state can be locally analyzed. Further, compared to a conventional monochromatic electron beam apparatus using a high-resolution energy analyzer, it has a simple structure and reaches the sample surface without a decrease in electron dose, which is advantageous in that measurement can be performed in a short time. .

【００３４】本実施例においては、電子線４２のエネル
ギー幅は約２５ｍｅＶと小さいために、加速電圧Ｖ０が
１００Ｖと低くても、色収差を小さくおさえることがで
き、試料４７上で電子線４２を約２０ｎｍに絞ることが
できた。すなわち、従来の電界放出型電子線源ではこの
ような加速電圧では約０．１μｍ程度であることから判
断しても、本発明の電子線源は高空間分解能化に適した
電子線源であることが分かる。一方、エネルギー分析に
関しても、エネルギー幅が約２５ｍｅＶと小さかったた
めに、約３０ｍｅＶまでの損失エネルギーを正確に測定
することができた。この分析を従来の電界放出型電子線
源で行なうと、約０．５ｅＶの損失エネルギーまでしか
測定できなかったことから、本発明の電子線源は、この
ような分析装置において高エネルギー分解能化に極めて
有効であることが分かる。In this embodiment, since the energy width of the electron beam 42 is as small as about 25 meV, chromatic aberration can be suppressed even when the accelerating voltage V0 is as low as 100 V, and the electron beam 42 on the sample 47 can be reduced. It was possible to narrow down to 20 nm. That is, even if it is judged that the conventional field emission electron beam source has an acceleration voltage of about 0.1 μm, the electron beam source of the present invention is an electron beam source suitable for high spatial resolution. I understand. On the other hand, also in the energy analysis, since the energy width was as small as about 25 meV, it was possible to accurately measure the energy loss up to about 30 meV. When this analysis was carried out with a conventional field emission electron beam source, only a loss energy of about 0.5 eV could be measured. Therefore, the electron beam source of the present invention has high energy resolution in such an analyzer. It turns out to be extremely effective.

【００３５】なお、試料４７とエネルギー分析器４９の
回転機構を付加し、電子の入射角を変化させて測定すれ
ば、特定の化学結合の向きをも知ることができる。ま
た、エネルギー分析器４９の入口に電子レンズを付加
し、より広範囲からの電子を測定する配置にすれば、表
面化学状態の２次元像を得ることができる。If a rotation mechanism of the sample 47 and the energy analyzer 49 is added and the measurement is performed by changing the incident angle of electrons, the direction of a specific chemical bond can be known. If an electron lens is added to the entrance of the energy analyzer 49 and the electron is measured from a wider range, a two-dimensional image of the surface chemical state can be obtained.

【００３６】以上、本電子線源の一利用装置例を示し
た。本実施例において、レンズや偏向器の数や配置は本
実施例に限らず、また分析器も静電型に限らず、本発明
を実施できることはいうまでもない。The above is an example of a device using the present electron beam source. In the present embodiment, the number and arrangement of lenses and deflectors are not limited to those in this embodiment, and the analyzer is not limited to the electrostatic type, and needless to say, the present invention can be implemented.

【００３７】なお、本実施例においては、単色性の良い
電子線源の利点に着目して高分解能走査電子顕微鏡と電
子分光装置とを組み合わせた構成としたが、単独で用い
てもそれぞれ有用であることはいうまでもない。電子分
光装置として用いる場合、電子線源と試料との間にエネ
ルギー分析器を入れるとさらに高エネルギー分解能の分
析装置が得られる。また、本実施例においては、単色性
の良い電子線源を高空間分解と高エネルギー分解のため
に用いたが、高干渉性に着目し、例えば、反射電子線回
折装置に応用すると原子列の間隔の精密測定が行なえる
という利点もある。In this embodiment, a combination of a high resolution scanning electron microscope and an electron spectroscopic device is used by focusing on the advantage of an electron beam source having good monochromaticity, but it is also useful when used alone. Needless to say. When used as an electron spectroscope, an energy analyzer can be provided between the electron beam source and the sample to obtain an analyzer with higher energy resolution. In addition, in the present embodiment, an electron beam source with good monochromaticity was used for high spatial resolution and high energy resolution, but focusing on high coherence, for example, when applied to a reflection electron beam diffractometer, an atomic array of There is also an advantage that the interval can be precisely measured.

【００３８】また、本実施例において走査電子顕微鏡を
例にとり、電子線のエネルギー幅が狭いと、加速電圧が
低くても色収差を小さくおさえることができ、試料上で
電子線を絞ることができる事を示したが、この電子銃を
半導体生産工程で用いられている電子線描画装置に応用
しても有用である。電子線描画法においては、基板表面
に塗布した有機物のレジスト膜に電子線を照射し、局部
的にレジスト膜を化学変化させて微細パターンを形成す
る。従来の電子線源では、色収差を小さくし電子線を絞
るために数ｋ〜数十ｋｅＶ以上の加速電圧を必要として
いた。この高速電子が、基板中で多量の二次電子を発生
しレジスト膜を化学変化させ、出来上がるレジストのパ
ターンが電子線径よりも太くなるため、微細化には限界
があった。また、高速電子はレジスト材料に対して散乱
断面積が小さいため、高速で描画するために電子線源の
放射角電流密度にして約１ｍＡ／ｓｒ程度の大電流密度
を必要としており、電子線源の不安定化や劣化を招くと
いう問題があった。本発明による電子線源を用いれば、
低加速電圧化することができるため、これらの問題は、
容易に解決される。特に、加速電圧数ｅＶ〜数十ｅＶの
領域でもちいると、レジスト材料の化学結合に直接作用
するため散乱断面積が極めて大きくなり、放射角電流密
度が極めて低くても高速で描画することができるという
利点がある。さらに、二次電子の発生がほとんど抑えら
れるために、より微細なパターンを形成することができ
るという利点がある。In this embodiment, taking a scanning electron microscope as an example, if the energy width of the electron beam is narrow, chromatic aberration can be suppressed even if the acceleration voltage is low, and the electron beam can be narrowed down on the sample. However, this electron gun is also useful when applied to an electron beam drawing apparatus used in a semiconductor production process. In the electron beam drawing method, an electron beam is applied to the organic resist film applied to the surface of the substrate to locally change the resist film chemically to form a fine pattern. In the conventional electron beam source, an accelerating voltage of several k to several tens of keV or more is required to reduce the chromatic aberration and narrow the electron beam. The high-speed electrons generate a large amount of secondary electrons in the substrate to chemically change the resist film, and the resulting resist pattern becomes thicker than the electron beam diameter, so that miniaturization is limited. Further, since high-speed electrons have a small scattering cross section with respect to the resist material, a high current density of about 1 mA / sr in terms of the radiation angle current density of the electron beam source is required for high-speed writing. There was a problem of causing instability and deterioration of the. With the electron beam source according to the present invention,
These problems are due to the low acceleration voltage.
Easily resolved. In particular, if it is used in the range of accelerating voltage of several eV to several tens of eV, it directly acts on the chemical bond of the resist material and the scattering cross section becomes extremely large. There is an advantage that you can. Further, since the generation of secondary electrons is almost suppressed, there is an advantage that a finer pattern can be formed.

【００３９】（実施例３）図５に本発明の実施例の１つ
を示す。第１の材料であるｎ＋型ＧａＡｓ（１１１）Ｂ
面基板５１上に、ＭＢＥ法によって第２の材料の１．４
ｎｍのＡｌＡｓ層５２と第３の材料の７ｎｍのＧａＡｓ
層５３を単結晶成長する（図５ａ）。次に２００ｎｍの
ＳｉＯ２層５４をＣＶＤ法により堆積する（図５ｂ）。
表面の所望の領域に直径１００μｍ程度のホトレジスト
膜５５を形成する（図５ｃ）。ホトレジスト膜５５をマ
スクとしてＨＦ−ＮＨ４ＯＦ混合溶液によりＳｉＯ２層
５４をエッチングする（図５ｄ）。形成されたＳｉＯ２
層５４をマスクとして、６０℃に保ったＨ２ＳＯ４−Ｈ
２Ｏ２混合溶液中でＧａＡｓ層５３、ＡｌＡｓ層５２、
ｎ＋型ＧａＡｓ（１００）基板５１をエッチングする。
この液はＧａＡｓを等方的にエッチングするため、基板
を下方向にエッチングすると同時にＳｉＯ２層下のＧａ
Ａｓを横方向にエッチングし、適当な時間でエッチング
を停止すると先端にＧａＡｓ／ＡｌＡｓ薄膜のついた針
状の構造が得られる（図５ｅ）。この後、超音波洗浄な
どによって、上部に残ったＳｉＯ₂層５４を除去し、実
施例１と同様の構造の電子線源が得られる。本実施例に
よれば、一度に多数の電子線源が再現性良く得られると
いう利点がある。(Embodiment 3) FIG. 5 shows one embodiment of the present invention. The first material, n + type GaAs (111) B
On the surface substrate 51, 1.4 of the second material is formed by the MBE method.
nm AlAs layer 52 and 3 nm 7 nm GaAs
Layer 53 is single crystal grown (FIG. 5a). Next, a 200 nm SiO2 layer 54 is deposited by the CVD method (FIG. 5b).
A photoresist film 55 having a diameter of about 100 μm is formed on a desired region of the surface (FIG. 5c). The SiO2 layer 54 is etched by the HF-NH4OF mixed solution using the photoresist film 55 as a mask (FIG. 5d). SiO2 formed
H2SO4-H kept at 60 ° C. using layer 54 as a mask
GaAs layer 53, AlAs layer 52,
The n + type GaAs (100) substrate 51 is etched.
Since this solution isotropically etches GaAs, it simultaneously etches the substrate downward and at the same time Ga under the SiO2 layer is etched.
When As is laterally etched and etching is stopped at an appropriate time, a needle-like structure with a GaAs / AlAs thin film at the tip is obtained (FIG. 5e). After that, the SiO ₂ layer 54 remaining on the upper portion is removed by ultrasonic cleaning or the like to obtain an electron beam source having the same structure as that of the first embodiment. According to this embodiment, there is an advantage that a large number of electron beam sources can be obtained at one time with good reproducibility.

【００４０】これを単独で用いる場合には基板５１裏面
を薄く削り、Ａｕ−Ｇｅ−Ｎｉ膜等のオーミック接触層
と、ハンダ、Ａｕ等の接着層を形成した後、一個ずつ切
り離し、金属台に加熱接着する。When this is used alone, the back surface of the substrate 51 is thinly shaved, an ohmic contact layer such as an Au-Ge-Ni film and an adhesive layer such as solder or Au are formed, and then they are cut off one by one, and are separated on a metal base. Heat bonding.

【００４１】本実施例においては材料の例としてＧａＡ
ｓとＡｌＡｓを用いたが、同様の工程を行なえば、実施
例１で示したような他の材料系を用いても同様の効果が
ある。In this embodiment, GaA is used as an example of the material.
Although s and AlAs are used, similar effects can be obtained even if another material system as shown in Example 1 is used if similar steps are performed.

【００４２】（実施例４）図６に本発明の実施例の１つ
を示す。ｎ＋型ＧａＡｓ（１１１）基板５１に、２μｍ
のＳｉＯ₂層５４と５００ｎｍのＷ層６０をＣＶＤ法で
堆積する（図６ａ）。次に直径２μｍ程度の穴を開けた
ホトレジスト膜をマスクとしてＮＨ₄ＯＨ−Ｈ₂Ｏ₂水溶
液によりＷ層６０に穴を開け、さらに、ＨＦ−ＮＨ₄Ｏ
Ｆ混合水溶液によりＳｉＯ₂層５４をエッチングする。
このとき、エッチング時間を長くとりＷ層６０より大き
な穴とする（図６ｂ）。ホトレジスト膜を除去、洗浄
後、超高真空中に導入し、５４０℃５分程度の加熱でＧ
ａＡｓ基板表面を清浄化し、基板温度を５４０℃程度に
保ちＮｉＡｌを０．１ｎｍ／ｓｅｃ程度の速度で１．５
μｍ程度蒸着する。この結果、Ｗ層上に多結晶ＮｉＡｌ
膜６２が、ＧａＡｓ基板５１上に円錐状の単結晶ＮｉＡ
ｌ６１が第１の材料として形成される（図６ｃ）。さら
に続けて１．４ｎｍＡｌＡｓ−７ｎｍＧａＡｓ多層膜を
第２の材料、第３の材料として蒸着し、単結晶ＮｉＡｌ
６１表面を単結晶ＡｌＡｓ−ＧａＡｓ多層膜６３で覆う
（図６ｄ）。他の領域は多結晶体６４となる。この結
果、実施例１と同様の構造の電子線源が得られる。本実
施例によれば、一度に多数の電子線源が再現性良く得ら
れるという利点がある。また、Ｗ層６０を電子引き出し
電極として使用すると、陰極と陽極が１μｍ程度と近い
ため、小さな引き出し電圧で単色電子線が得られ、しか
も小型の単色電子線源装置が得られるという利点があ
る。(Embodiment 4) FIG. 6 shows one embodiment of the present invention. 2 μm on n + type GaAs (111) substrate 51
The SiO ₂ layer 54 and the W layer 60 having a thickness of 500 nm are deposited by the CVD method (FIG. 6a). Next, using a photoresist film having a hole with a diameter of about 2 μm as a mask, a hole is made in the W layer 60 with an NH ₄ OH—H ₂ O ₂ aqueous solution, and further, HF—NH ₄ O
The SiO ₂ layer 54 is etched with the F mixed aqueous solution.
At this time, the etching time is set to be long to form a hole larger than the W layer 60 (FIG. 6B). After removing and cleaning the photoresist film, it is introduced into an ultrahigh vacuum and heated at 540 ° C. for about 5 minutes
The surface of the aAs substrate is cleaned, the substrate temperature is kept at about 540 ° C., and NiAl is added at a rate of about 0.1 nm / sec for 1.5 nm.
Deposit about μm. As a result, polycrystalline NiAl is formed on the W layer.
The film 62 is a conical single crystal NiA on the GaAs substrate 51.
l61 is formed as the first material (Fig. 6c). Then, a 1.4 nm AlAs-7 nm GaAs multilayer film is vapor-deposited as a second material and a third material to form a single crystal NiAl.
61 The surface is covered with a single crystal AlAs-GaAs multilayer film 63 (FIG. 6d). The other region becomes the polycrystalline body 64. As a result, an electron beam source having the same structure as in Example 1 can be obtained. According to this embodiment, there is an advantage that a large number of electron beam sources can be obtained at one time with good reproducibility. Further, when the W layer 60 is used as an electron extraction electrode, there is an advantage that a monochromatic electron beam can be obtained with a small extraction voltage because the cathode and the anode are close to about 1 μm, and a small monochromatic electron beam source device can be obtained.

【００４３】本実施例においては材料の例としてＮｉＡ
ｌ、ＧａＡｓ、ＡｌＡｓを用いたが、同様の工程を行な
えば、実施例１で示したような他の材料系を用いても同
様の効果がある。In this embodiment, NiA is used as an example of the material.
Although I, GaAs, and AlAs were used, similar effects can be obtained by using other material systems as shown in Example 1 if the same steps are performed.

【００４４】また、本実施例で用いた形成工程以外の方
法を用いても同様の構造が得られれば、同様の効果があ
る。If a similar structure can be obtained by using a method other than the forming process used in this embodiment, the same effect can be obtained.

【００４５】なお、本実施例の、基板上に多数形成され
た電子線源を用いると、単色電子線のマルチビームが得
られ、電子線描画装置の高スループット化、ＣＲＴディ
スプレイの高速化あるいは高精細化あるいは小型化等に
効果がある。By using a large number of electron beam sources formed on the substrate of this embodiment, a multi-beam of monochromatic electron beams can be obtained, and the throughput of the electron beam drawing apparatus can be increased and the speed of the CRT display can be increased or increased. It is effective for miniaturization and miniaturization.

【００４６】（実施例５）図７に本発明の実施例の一つ
を示す。(Embodiment 5) FIG. 7 shows one embodiment of the present invention.

【００４７】Ｗ針７１は、Ｗ単結晶をＫＯＨ水溶液中で
電解エッチして得られる。このＷ針７１を走査トンネル
顕微鏡の探針とし、Ａｕ基板７３に対して１ｎｍ程度の
距離に近付け、針に−７〜−１５Ｖのパルスを加える。
これにより、図７（ａ）に示されるようにＷ針先端の極
めて狭い領域に１原子層程度のＡｕの吸着層７２が形成
される。次に、このＷ針７１を第１の材料として反応容
器中に入れ、４００℃〜５００℃に加熱し、トリメチル
アルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）、アルシン（ＡｓＨ₃）をそれぞれ流量１０^-6ｍｏ
ｌ／ｓ程度導入すると、Ａｕの吸着層７２がある部分に
のみ２ｎｍのＡｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ膜７４が第２の材料と
して成長する。続いて、ＴＭＧとＡｓＨ₃を導入し、８
ｎｍのＧａＡｓ膜７５を第３の材料として成長させ、図
７（ｂ）の構造を得た。この針を陰極として用いると、
針先端の極めて狭い領域のみから電子線を得ることがで
き、単色化のみならず線源の高輝度化が達成された。従
って、本実施例を用いることによって電子顕微鏡のさら
なる高分解能化が達成される。The W needle 71 is obtained by electrolytically etching a W single crystal in a KOH aqueous solution. The W needle 71 is used as a probe of a scanning tunneling microscope, and is brought close to a distance of about 1 nm with respect to the Au substrate 73, and a pulse of -7 to -15 V is applied to the needle.
As a result, as shown in FIG. 7A, the Au adsorption layer 72 of about one atomic layer is formed in the extremely narrow region of the tip of the W needle. Next, this W needle 71 is put in a reaction vessel as a first material, heated to 400 ° C. to 500 ° C., and trimethylaluminum (TMA) and trimethylgallium (TM) are added.
G) and arsine (AsH ₃ ) with a flow rate of 10 ^-6 mo, respectively
When introduced at a rate of about 1 / s, a 2 nm Al _0.4 Ga _0.6 As film 74 grows as a second material only in the portion where the Au adsorption layer 72 is present. Then, TMG and AsH ₃ were introduced, and 8
A GaAs film 75 nm having a thickness of 3 nm was grown as a third material to obtain the structure shown in FIG. If you use this needle as a cathode,
An electron beam can be obtained only from an extremely narrow region of the needle tip, and not only monochromatic but also high brightness of the radiation source was achieved. Therefore, the resolution of the electron microscope can be further increased by using this embodiment.

【００４８】なお、本実施例においてはエッチングによ
り形成されたＷ針の上に半導体を成長しているが、一度
高真空中で１０００℃程度以上の加熱をする等の工程に
よって先端に結晶学的に安定な面を形成してから半導体
を成長させると、トンネル効果の条件をそろえることの
なり、いっそう効果的である。In this embodiment, the semiconductor is grown on the W needle formed by etching. However, the tip of the crystallographic layer is crystallized by a process such as heating once in a high vacuum at about 1000.degree. It is even more effective to grow the semiconductor after forming a stable surface on it, because the conditions for the tunnel effect are adjusted.

【００４９】また、本実施例においてはバリア層と量子
井戸層の例として、Ａｕ吸着層があると選択的に成長す
るようなガスソースによるＡｌＧａＡｓ−ＧａＡｓ系を
用いたが、同様の構造が得られれば、実施例１で示した
各種の材料系を用いても同様の効果がある。In this embodiment, as the barrier layer and the quantum well layer, an AlGaAs-GaAs system with a gas source that selectively grows when an Au adsorption layer is used is used, but the same structure is obtained. If so, the same effect can be obtained by using the various material systems shown in the first embodiment.

【００５０】また、本実施例においてはバリア層と量子
井戸層を針先端に選択的に成長させるための例として、
走査トンネル顕微鏡によって先端に付けたＡｕによるサ
ーファクタント（界面活性剤）効果を用いたが、同様の
効果を示す他の材料を用いても良く、さらに、走査トン
ネル顕微鏡によらずとも、Ｗ針に電圧をかけ先端の高電
界で材料ガスを解離させる等の方法によってＷ針先端に
選択的に成長させれば本実施例と同様の効果がある。In this embodiment, as an example for selectively growing the barrier layer and the quantum well layer at the needle tip,
Although a surfactant (surfactant) effect by Au attached to the tip by a scanning tunneling microscope was used, other materials exhibiting the same effect may be used. The same effect as in the present embodiment can be obtained by selectively growing the W needle tip by a method such as applying a high electric field at the tip to dissociate the material gas.

【００５１】（実施例６）図８に本発明を表面分析装置
に応用した一実施例を示す。(Embodiment 6) FIG. 8 shows an embodiment in which the present invention is applied to a surface analyzer.

【００５２】超高真空中におかれた試料４７表面に電子
銃８４からの電子線４２が照射され、試料４７から反射
して出てくる反射電子４９０を静電型のエネルギー分析
器４９により電子線４２が損失したエネルギーを測定す
る。電子銃８４においては、単色性の良い電子線源８２
と加速レンズ４３によって発生した電子線４２とを静電
型電子レンズ８１によって試料表面上に収束させ、静電
型偏向器８３によって収束する位置を調整する。これに
より、試料の表面状態を知ることができる。実施例２に
おいては、単色化電子線源を用いることにより走査型電
子顕微鏡に同様の表面分析機能が付加できることを示し
た。本実施例では、高分解能のエネルギーアナライザ無
しでも単色化電子線が得られることにより、極めて小型
の電子銃で表面分析が行なえるため、超高真空中で試料
の表面状態を問題とする装置、例えば、分子線エピタキ
シー（ＭＢＥ）装置内に表面モニター装置として備え付
けられるという利点がある。なお、単色性の良い電子線
源８２としては、必要とする情報に応じたエネルギー幅
のものを用いる。例えば、表面の元素を知りたければ、
損失エネルギー数ｅＶから数百ｅＶの範囲であるから、
針状のＷの電界放出型電子線源を用いれば良く、さらに
詳しく、吸着分子の種類や吸着状態等を知りたい場合に
は、損失エネルギーは数十ｍｅＶの領域であるから、実
施例１で示したような共鳴トンネル効果を用いた電子線
源を用いれば良い。The surface of the sample 47 placed in an ultrahigh vacuum is irradiated with the electron beam 42 from the electron gun 84, and the reflected electrons 490 reflected and emitted from the sample 47 are converted into electrons by the electrostatic energy analyzer 49. The energy lost by line 42 is measured. In the electron gun 84, the electron beam source 82 having good monochromaticity
The electron beam 42 generated by the accelerating lens 43 is converged on the sample surface by the electrostatic electron lens 81, and the converged position is adjusted by the electrostatic deflector 83. Thereby, the surface condition of the sample can be known. In Example 2, it was shown that the same surface analysis function can be added to the scanning electron microscope by using the monochromatic electron beam source. In this embodiment, a monochromatic electron beam can be obtained without using a high-resolution energy analyzer, so that surface analysis can be performed with an extremely small electron gun. For example, there is an advantage that it can be installed as a surface monitor device in a molecular beam epitaxy (MBE) device. The electron beam source 82 having a good monochromaticity has an energy width corresponding to the required information. For example, if you want to know the surface elements,
Since the loss energy is in the range of several eV to several hundred eV,
A needle-like W field emission electron beam source may be used. More specifically, when it is desired to know the type of adsorbed molecule, the adsorbed state, etc., the loss energy is in the region of several tens of meV. An electron beam source using the resonance tunnel effect as shown may be used.

【００５３】本実施例では、電子線４２が損失したエネ
ルギーを測定する手段として静電型のエネルギー分析器
４９を用いているが、他の手段を用いても良く、ショッ
トキダイオード型エネルギー分析器等を用いるといっそ
う小型化可能である。In this embodiment, the electrostatic energy analyzer 49 is used as a means for measuring the energy lost by the electron beam 42, but other means may be used, such as a Schottky diode energy analyzer. Can be further miniaturized.

【００５４】また、高精度の測定をする場合、共鳴トン
ネル効果を用いた電子線源を応用して、図９に示される
ようなエネルギー分析器を用いると小型化が可能とな
る。このエネルギー分析器は、電子線源４１と第１陽極
４３１と第２陽極４３２及び静電型電子レンズ８１によ
って構成され、試料４７表面で反射した電子４９０は静
電型電子レンズ８１によって収束され、電子線源４１に
到達する。電子線源４１と第１陽極４３１に印加された
一定電圧（約２．５ｋＶ）により、図３に示されるよう
な共鳴トンネル効果による電子波干渉フィルターが形成
されているが、電子波干渉フィルターは、電子の運動方
向に依存せずに機能する。この場合、真空中から固体中
に入る電子も量子井戸（図３中１３）内の量子準位に一
致した電子のみが許される。従って、電子線源４１の電
位を、反射した電子４９０のエネルギーの近傍で掃引
し、電流変化を測定することによって、反射した電子４
９０のエネルギー分布を高精度で測定することができ
る。なお、電子線源４１の量子井戸幅は、実施例１のも
のよりも狭くする、例えば、実施例１で７ｎｍであった
ＧａＡｓ層を４ｎｍとすると、量子井戸内の量子準位の
エネルギーが上がり、電子線源４１からの電子放出を抑
えて、入射する電子を測定できるため効果的である。Further, in the case of high-accuracy measurement, application of an electron beam source utilizing the resonance tunnel effect and use of an energy analyzer as shown in FIG. 9 enable downsizing. This energy analyzer includes an electron beam source 41, a first anode 431, a second anode 432, and an electrostatic electron lens 81. Electrons 490 reflected on the surface of the sample 47 are converged by the electrostatic electron lens 81. It reaches the electron beam source 41. By the constant voltage (about 2.5 kV) applied to the electron beam source 41 and the first anode 431, an electron wave interference filter by the resonance tunnel effect as shown in FIG. 3 is formed. , Function independent of the direction of electron movement. In this case, only electrons matching the quantum level in the quantum well (13 in FIG. 3) are allowed to enter the solid from the vacuum. Therefore, the potential of the electron beam source 41 is swept in the vicinity of the energy of the reflected electron 490, and the current change is measured, whereby the reflected electron 4
The energy distribution of 90 can be measured with high accuracy. The quantum well width of the electron beam source 41 is made narrower than that of the first embodiment. For example, when the GaAs layer having a thickness of 7 nm in the first embodiment is 4 nm, the energy of the quantum level in the quantum well increases. This is effective because it is possible to suppress the electron emission from the electron beam source 41 and measure the incident electrons.

【００５５】なお、上記の電子波干渉フィルターを応用
したエネルギー分析器は、図８に示した単色化電子銃と
同じ構造となっていることに着目すると、両者を直接対
向させ図１０のような電子線の共鳴器を形成することが
できる。この場合、両電子線源の電位を調整して放出電
子エネルギーを一致させると、損失の無い場合には両者
間の電流が０となり、真空中に電子の定在波を容易に形
成することができる。Note that the energy analyzer to which the electron wave interference filter is applied has the same structure as the monochromatic electron gun shown in FIG. An electron beam resonator can be formed. In this case, if the potentials of both electron beam sources are adjusted to match the emitted electron energies, the current between the two becomes 0 when there is no loss, and a standing wave of electrons can be easily formed in the vacuum. it can.

【００５６】（実施例７）本発明の電子線源を分析装置
に応用した一実施例を図１１に示す。(Embodiment 7) FIG. 11 shows an embodiment in which the electron beam source of the present invention is applied to an analyzer.

【００５７】実施例１と同様に第１の材料として（１１
１）方向にのびたｎ＋型ＧａＡｓ単結晶の針１１を用
い、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法により、この先端
付近に第２の材料として１．４ｎｍの単結晶ＡｌＡｓ膜
１２を、さらにその上に第３の材料として２ｎｍの単結
晶ＧａＡｓ膜１３を成長したものを、走査トンネル顕微
鏡の探針として用いる。１ｎｍ程度の距離に近付ける
と、図１１（ｂ）に示されるようなエネルギー準位が形
成される。ここで電圧を掃引すると、試料１１０表面の
エネルギー準位とＧａＡｓ膜１３中の量子準位１４とが
一致する所で共鳴トンネル効果により、電子の透過率が
大きくなり、電流が増加するために、表面の電子状態を
知ることができる。実施例２及び実施例６で示した反射
電子のエネルギー損失分光と同様に、表面の元素の種
類、吸着分子の種類や吸着状態等を知ることができる。
また、探針を基板に対して負電位にすると、試料１１０
表面のエネルギー準位中、電子の空席のある準位が測定
され、正電位にすると電子の存在する準位が測定される
ため、表面電位や表面のバンド構造等を知ることができ
る。さらに、走査トンネル顕微鏡は横方向の空間分解能
が極めて高いため、組み合わせて測定することにより、
個々の原子、分子を直接測定することができるという利
点がある。As in Example 1, the first material (11
Using the n + type GaAs single crystal needle 11 extending in the 1) direction, by a molecular beam epitaxy (MBE) method, a 1.4 nm single crystal AlAs film 12 as a second material is further provided near this tip, and the A material obtained by growing a 2 nm single crystal GaAs film 13 is used as a probe of a scanning tunneling microscope. When approaching a distance of about 1 nm, an energy level as shown in FIG. 11B is formed. When the voltage is swept here, the electron transmittance increases due to the resonance tunnel effect at the location where the energy level on the surface of the sample 110 and the quantum level 14 in the GaAs film 13 coincide with each other. You can know the electronic state of the surface. Similar to the energy loss spectroscopy of backscattered electrons shown in Examples 2 and 6, it is possible to know the type of surface element, the type of adsorbed molecule, the adsorption state, and the like.
In addition, when the probe has a negative potential with respect to the substrate, the sample 110
Among the energy levels on the surface, vacant levels of electrons are measured, and when a positive potential is applied, the levels at which electrons are present are measured, so that the surface potential and the band structure of the surface can be known. Furthermore, since the scanning tunneling microscope has a very high spatial resolution in the lateral direction, by combining and measuring it,
There is an advantage that individual atoms and molecules can be directly measured.

【００５８】本実施例では、走査トンネル顕微鏡を用い
たが、表面近傍に針を近付ける方法であれば、この他に
も原子間力顕微鏡等を用いても同様の効果がある。Although the scanning tunneling microscope is used in this embodiment, the same effect can be obtained by using an atomic force microscope or the like as long as the needle is brought close to the surface.

【００５９】[0059]

【発明の効果】以上実施例を用いて説明してきたよう
に、本発明を用いることによって、極めてエネルギー幅
の狭い電子線を放出する電子線源が得られる。この結
果、高分解能の電子顕微鏡や高性能の電子分光装置、電
子線回折装置および電子装置を形成することができる。As described above with reference to the embodiments, by using the present invention, an electron beam source which emits an electron beam having an extremely narrow energy width can be obtained. As a result, a high-resolution electron microscope, a high-performance electron spectroscope, an electron beam diffractometer, and an electronic device can be formed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明の実施例１の構造（ａ）とエネルギー構
造（ｂ）を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a structure (a) and an energy structure (b) of Example 1 of the present invention.

【図２】従来例のエネルギー構造（ａ）と放出電子のエ
ネルギー分布の説明（ｂ）を示す図。FIG. 2 is a diagram showing an energy structure (a) and an explanation (b) of an energy distribution of emitted electrons in a conventional example.

【図３】本発明の実施例１の動作原理の説明（ａ）と放
出電子のエネルギー分布の説明（ｂ）を示す図。FIG. 3 is a diagram showing an explanation (a) of the operating principle of Embodiment 1 of the present invention and an explanation (b) of the energy distribution of emitted electrons.

【図４】本発明の実施例２の構造を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a structure of a second embodiment of the present invention.

【図５】本発明の実施例３の形成工程図。FIG. 5 is a process drawing of a third embodiment of the present invention.

【図６】本発明の実施例４の形成工程図。FIG. 6 is a process chart of forming a fourth embodiment of the present invention.

【図７】本発明の実施例５の形成工程図。FIG. 7 is a process chart of forming a fifth embodiment of the present invention.

【図８】本発明の実施例６の構造を示す図。FIG. 8 is a diagram showing the structure of Example 6 of the present invention.

【図９】本発明の実施例６の構造を示す図。FIG. 9 is a diagram showing the structure of Example 6 of the present invention.

【図１０】本発明の実施例６の構造を示す図。FIG. 10 is a diagram showing the structure of Example 6 of the present invention.

【図１１】本発明の実施例７の構造（ａ）とエネルギー
構造（ｂ）を示す図。FIG. 11 is a diagram showing a structure (a) and an energy structure (b) of Example 7 of the present invention.

【図１２】従来のＭＩＭ構造にＳＩＳ多層膜を用いて二
重障壁構造を形成する例として容易に類推される構造
の、電圧を印加していないときのエネルギー構造（ａ）
と、電圧印加時のエネルギー構造（ｂ）を示す図。FIG. 12 is an energy structure (a) of a structure that is easily analogized as an example of forming a double barrier structure using a SIS multilayer film in a conventional MIM structure when no voltage is applied.
FIG. 3 is a diagram showing an energy structure (b) when a voltage is applied.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１１…第１の材料、１２…第２の材料によるバリア層、
１３…第３の材料による量子井戸層、１４…量子井戸層
中の量子準位、３１…真空準位より形成される三角形の
ポテンシャル障壁、４１…本発明による電子線源、４２
…電子銃、４３…加速レンズ、４４…コンデンサレン
ズ、４５…対物レンズ、４６…偏向器、４８…２次電子
検出器、４９…エネルギー分析器、５１…ｎ＋型ＧａＡ
ｓ（１００）基板、５２…ＡｌＡｓ層、５３…ＧａＡｓ
層、５４…ＳｉＯ₂層、６０…Ｗ層、６１…円錐状の単
結晶ＮｉＡｌ、６３…単結晶ＡｌＡｓ−ＧａＡｓ多層
膜、７１…Ｗ針、７２…Ａｕの吸着層、７４…Ａｌ_0.4
Ｇａ_0.6Ａｓ膜、７５…ＧａＡｓ膜、８１…静電型電子
レンズ、８２…単色性の良い電子線源、８３…静電型偏
向器、８４…単色電子銃、１１０…試料。11 ... First material, 12 ... Barrier layer of second material,
13 ... Quantum well layer made of third material, 14 ... Quantum level in quantum well layer, 31 ... Triangular potential barrier formed by vacuum level, 41 ... Electron beam source according to the present invention, 42
... electron gun, 43 ... accelerating lens, 44 ... condenser lens, 45 ... objective lens, 46 ... deflector, 48 ... secondary electron detector, 49 ... energy analyzer, 51 ... n + type GaA
s (100) substrate, 52 ... AlAs layer, 53 ... GaAs
Layers, 54 ... SiO ₂ layers, 60 ... W layers, 61 ... Conical single crystal NiAl, 63 ... Single crystal AlAs-GaAs multilayer film, 71 ... W needles, 72 ... Au adsorption layer, 74 ... Al _0.4
Ga _0.6 As film, 75 ... GaAs film, 81 ... Electrostatic electron lens, 82 ... Electron beam source with good monochromaticity, 83 ... Electrostatic deflector, 84 ... Monochromatic electron gun, 110 ... Sample.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 光廣 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 比留間 健之 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 岡本 政邦 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 中川 清和 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 宮尾 正信 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── --- Continuation of the front page (72) Inventor Mitsuhiro Mori 1-280 Higashi Koikeku, Kokubunji, Tokyo Metropolitan Research Center, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Takeyuki Hiruma 1-280 Higashi Koikeku, Kokubunji, Tokyo Hitachi Ltd. Inside the Central Research Laboratory (72) Inventor Masakuni Okamoto 1-280, Higashi Koikeku, Kokubunji City, Tokyo Inside Hitachi Central Research Institute (72) Inventor Kiyokazu Nakagawa 1-280, Higashi Koikeku, Kokubunji, Tokyo Hitachi Central Research Co., Ltd. (72) Inventor Masanobu Miyao 1-280, Higashi Koigokubo, Kokubunji, Tokyo Inside the Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd.

Claims (19)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】二重障壁型量子井戸層を有し、量子井戸層
を含む二重障壁層の電子の透過確率がほぼ１となるよう
な構造からなることを特徴とする電子線源。1. An electron beam source having a double-barrier quantum well layer and having a structure such that the double barrier layer including the quantum well layer has an electron transmission probability of approximately 1. 【請求項２】上記二重障壁層は、それぞれの障壁層に対
する電子の浸透長がほぼ一致するような構造を有するこ
とを特徴とする請求項１に記載の電子線源。2. The electron beam source according to claim 1, wherein the double barrier layer has a structure in which penetration lengths of electrons into the respective barrier layers are substantially the same. 【請求項３】上記二重障壁層は、障壁の厚さと高さと電
子の有効質量とを制御し、それぞれの障壁層に対する電
子の対称に形成した構造の浸透長がほぼ一致するような
構造を有することを特徴とする請求項１に記載の電子線
源。3. The double barrier layer controls the thickness and height of the barrier and the effective mass of electrons, and has a structure in which the permeation lengths of the symmetrically formed structures of the electrons with respect to the respective barrier layers are substantially the same. The electron beam source according to claim 1, wherein the electron beam source comprises. 【請求項４】第１の材料が、高さＨからなる突出部と、
上記突出部の先端部分に幅ｄの平坦あるいは凸型領域を
有し、高さＨと幅ｄが、Ｈ＞１０ｄなる関係を満たす形
状からなり、上記第１の材料の表面に、少なくとも一組
の第３の材料よりなる量子井戸層と、上記第１の材料と
上記量子井戸層との間に第２の材料よりなる電子に対す
る障壁層とが存在し、該障壁層の厚さが電子波の浸透長
以下の構造を有し、対向する陽極の変位と比較して上記
第１の材料に負の電圧を印加して、それから電子線を放
出させることを特徴とする電子線源。4. The first material is a protrusion having a height H, and
At least one set is formed on the surface of the first material, having a shape having a flat or convex region with a width d at the tip of the protrusion, and satisfying the relationship that the height H and the width d are H> 10d. A quantum well layer made of the third material and a barrier layer for electrons made of the second material between the first material and the quantum well layer are present. An electron beam source having a structure having a permeation length of less than or equal to, and applying a negative voltage to the first material as compared with the displacement of the facing anode to emit an electron beam from the first material. 【請求項５】上記幅ｄは、３μｍ以下であることを特徴
とする請求項４に記載の電子線源。5. The electron beam source according to claim 4, wherein the width d is 3 μm or less. 【請求項６】上記陰極の構造を針状に形成し、該陰極の
電子を放出する先端部分は、半径１．５μｍ以下の半球
状もしくはそれからはみ出さない凸形状であり、その構
造が導電体である上記第１の材料の表面に、少なくとも
一組の上記第２の材料と上記第３の材料とが順に積層被
覆され、上記第１の材料はフェルミ準位付近に状態密度
を有する材料であり、上記第２の材料は上記第１の材料
に接したときに上記第１の材料のフェルミ準位に対して
±３０ｍｅＶ以内に電子の準位を有しない材料であり、
かつ膜厚が電子波の浸透長程度以下であり、上記第３の
材料は上記第２の材料に接したときに上記第２の材料の
電子が入っていない最低の準位よりも３０ｍｅＶ以上も
低いエネルギーのところに伝導電子の準位を有する材料
であり、かつ膜厚が伝導電子のド・ブロイ波長程度であ
る構造であることを特徴とする請求項４に記載の電子線
源。6. The structure of the cathode is formed in a needle shape, and a tip portion of the cathode that emits electrons is a hemisphere having a radius of 1.5 μm or less or a convex shape that does not protrude therefrom, and the structure is a conductor. The surface of the first material is at least one set of the second material and the third material, which are sequentially laminated and coated, and the first material is a material having a density of states near the Fermi level. And the second material is a material that has no electron level within ± 30 meV with respect to the Fermi level of the first material when in contact with the first material,
And the thickness of the third material is not more than the permeation length of the electron wave, and the third material is at least 30 meV more than the lowest level of the second material in which no electrons are contained when it comes into contact with the second material. The electron beam source according to claim 4, wherein the electron beam source is a material having a level of conduction electrons at a low energy, and has a film thickness of about the de Broglie wavelength of conduction electrons. 【請求項７】上記導電体である第１の材料の表面に、上
記第２および第３の材料を順に積層被覆する構造が二組
以上存在する系において、二組目以降の上記積層被覆構
造を構成する材料のうち、少なくとも一種類が一組目と
異なることを特徴とする請求項４から６に記載の電子線
源。7. In a system in which there are two or more pairs of structures for sequentially laminating and coating the second and third materials on the surface of the first material which is the conductor, the laminated coating structure of the second and subsequent pairs. 7. The electron beam source according to claim 4, wherein at least one kind of the materials constituting the above is different from the first set. 【請求項８】上記電子線源を構成する第１、第２及び第
３の材料の全てがそれぞれ半導体の単結晶であり、上記
第２の材料の結晶は母材である上記第１の材料の結晶の
上にエピタキシャル成長し、さらに上記第３の材料の結
晶は上記第２の材料の結晶の上にエピタキシャル成長し
たものであることを特徴とする請求項４から７に記載の
電子線源。8. The first material, wherein all of the first, second, and third materials forming the electron beam source are semiconductor single crystals, and the crystals of the second material are base materials. 8. The electron beam source according to claim 4, wherein the crystal of the third material is epitaxially grown, and the crystal of the third material is epitaxially grown on the crystal of the second material. 【請求項９】上記第１の材料は、単結晶の金属または半
金属であり、上記第２の材料の結晶は母材である上記第
１の材料の結晶の上にエピタキシャル成長し、さらに上
記第３の材料の結晶は上記第２の材料の結晶の上にエピ
タキシャル成長したものであることを特徴とする請求項
４から８に記載の電子線源。9. The first material is a single crystal metal or semimetal, and the crystal of the second material is epitaxially grown on the crystal of the first material which is a base material. 9. The electron beam source according to claim 4, wherein the crystal of the material of 3 is epitaxially grown on the crystal of the second material. 【請求項１０】上記電子線源を構成する第１、第２およ
び第３の材料のうち、少なくとも一つの材料は非晶質体
あるいは微結晶体であることを特徴とする請求項４から
８に記載の電子線源。10. The electron beam source according to claim 4, wherein at least one of the first, second and third materials is an amorphous material or a microcrystalline material. The electron beam source described in. 【請求項１１】上記請求項４から１０までに記載された
電子線源のうち、少なくとも一種類の電子線源が複数個
同一基板上に形成され、該複数個の電子線源に対応する
陽極も同一基板上に形成されたことを特徴とする電子線
源。11. An electron beam source according to any one of claims 4 to 10, wherein a plurality of at least one type of electron beam source are formed on the same substrate, and an anode corresponding to the plurality of electron beam sources. An electron beam source characterized in that it is also formed on the same substrate. 【請求項１２】上記第２及び第３の材料を、基板である
上記第１の材料上に積層被覆し、その後、溶接、ガス、
プラズマなどを用いたエッチングにより、全体構造を針
状に形成したことを特徴とする請求項４から１１に記載
の電子線源。12. The second and third materials are laminated and coated on the first material, which is a substrate, and then welding, gas,
The electron beam source according to claim 4, wherein the entire structure is formed into a needle shape by etching using plasma or the like. 【請求項１３】針状に形成された上記第１の材料の上
に、上記第２及び第３の材料よりなる薄膜を層状に形成
したことを特徴とする請求項４から１１に記載の電子線
源。13. The electron according to claim 4, wherein a thin film made of the second and third materials is formed in layers on the needle-shaped first material. Radiation source. 【請求項１４】上記第２及び第３の材料として、ＧａＡ
ｓ−ＡｌＡｓ系などのIII−Ｖ族の化合物半導体の組み
合わせを用いたことを特徴とする請求項４から１３に記
載の電子線源。14. GaA as the second and third materials
The electron beam source according to claim 4, wherein a combination of III-V group compound semiconductors such as s-AlAs system is used. 【請求項１５】上記半導体として、ＧａＡｓとＡｌ_XＧ
ａ_(1-X)Ａｓのｘが０．４以下の混晶系などの直接遷移
型材料を用いたことを特徴とする請求項１４に記載の電
子線源。15. GaAs and Al _X G as the semiconductor
15. The electron beam source according to claim 14, wherein a direct transition type material such as a mixed crystal system in which x of a _(1-X) As is 0.4 or less is used. 【請求項１６】請求項１から１５に記載の電子線源のう
ち、少なくとも一種の電子線源を電子線源として用いた
ことを特徴とする電子線応用装置。16. An electron beam application apparatus, wherein at least one electron beam source is used as an electron beam source among the electron beam sources according to claims 1 to 15. 【請求項１７】上記電子線源と、電子レンズ、偏向器な
どよりなる電子光学系と、さらに電子エネルギー分析器
とにより構成され、試料表面に上記電子線源より放出さ
れた電子線を照射し、試料表面から反射してくる電子を
上記電子エネルギー分析器によりエネルギー分析するこ
とを特徴とする請求項１６に記載の電子線応用装置。17. An electron optical system comprising an electron beam source, an electron lens, a deflector, and the like, and an electron energy analyzer. The sample surface is irradiated with an electron beam emitted from the electron beam source. The electron beam application apparatus according to claim 16, wherein the electrons reflected from the surface of the sample are subjected to energy analysis by the electron energy analyzer. 【請求項１８】上記請求項１から１１及び請求項１４か
ら１５に記載の電子線源のうち、少なくとも一つと同一
の構造と、外部より飛来する電子線を上記構造内の上記
量子井戸層及び上記第２の材料よりなる積層被覆層に収
束、照射する手段とを有し、上記構造の電位を変えるこ
とにより、上記電子線のうち、特定のエネルギーを有す
る電子のみ上記構造内に吸収して計測することを特徴と
する電子線応用装置。18. The same structure as at least one of the electron beam sources according to any one of claims 1 to 11 and claims 14 to 15, and an electron beam flying from the outside to the quantum well layer in the structure. A means for converging and irradiating the laminated coating layer made of the second material is provided, and by changing the potential of the structure, only electrons having a specific energy among the electron beams are absorbed in the structure. An electron beam application device characterized by measuring. 【請求項１９】上記請求項１から１１及び請求項１４か
ら１５に記載の電子線源のうち、少なくとも一つと同一
の構成で、かつ先端径が５００ｎｍ以下の針状構造をな
し、該針状構造の先端を試料表面の１０ｎｍ以下に近づ
ける手段を有し、試料表面に対して上記針状構造の電位
を変化させる手段と、上記針状構造に流れる電流変化を
測定する手段とを有することを特徴とする電子装置。19. An electron beam source having the same structure as at least one of the electron beam sources according to any one of claims 1 to 11 and 14 to 15 and having a needle-like structure having a tip diameter of 500 nm or less. A means for bringing the tip of the structure close to 10 nm or less of the sample surface, a means for changing the potential of the needle-like structure with respect to the sample surface, and a means for measuring a change in current flowing in the needle-like structure. Characterized electronic device.