JP5126741B2 - 電界放射型電子源 - Google Patents
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Description
本発明は、電界が印加されることにより電子を放出する電界放射型電子源に関するものである。
従来、透過電子顕微鏡、電子線描画装置、Ｘ線回折装置等に用いられ、電界が印加されることにより電子を放出する電界放射型電子源が知られている。前記電界放射型電子源の冷陰極から放出される電子の電流（放出電流）Ｊは、電界の強さをＦ、仕事関数をφ、定数をＡ、Ｂとしたときに、次式（１）で表される。
Ｊ＝Ａ（Ｆ２／φ）ｅｘｐ［−Ｂφ３／２／Ｆ］ ……（１）
前記式（１）によれば、仕事関数φを低くすることにより大きな放出電流Jを得ることができることが明らかである。
前記式（１）によれば、仕事関数φを低くすることにより大きな放出電流Jを得ることができることが明らかである。
ところで、前記電界放射型電子源としては、タングステンからなる冷陰極に金属薄膜を被覆してなるものが知られている（例えば特許文献１参照）。前記電界放射型電子源は、タングステン単結晶（３１０）面の側面に純金薄膜と純アルミニウム薄膜とを被覆し、該（３１０）面の尖端にタングステン・金・アルミニウム三元合金薄膜とを被覆することにより、仕事関数φがタングステン（φ＝５．５ｅＶ）よりも低くなり大きな放出電流Ｊを得ることができるとされている。
さらに大きな放出電流Ｊを得るには、前記冷陰極に、仕事関数φがタングステンより低い物質、例えば酸化バリウム、カーボン等をコーティングすることが考えられる。前記酸化バリウムの仕事関数φは２．０ｅＶであり、前記カーボンの仕事関数φは４．５ｅＶである。
前記カーボンの一種として、例えば、カーボンナノチューブを挙げることができる。しかしながら、前記カーボンナノチューブを前記冷陰極にコーティングしてなる電界放射型電子源は、該カーボンチューブが容易にガス吸着を行うため，真空動作下において，該カーボンチューブから脱ガスが多量にかつ永続的におこり，安定な電界放射動作をすることは困難であるという問題がある。
また，前記酸化バリウム、カーボン等の薄膜をコーティングした電界放射型電子源は，界面部分が脆弱化するため，電界を掛けた際に低電界で界面部分から放電が生じるため，電界放射型電子源の破壊が容易に起ってしまう問題を生じる。
更に，金属冷陰極と前記酸化バリウム、カーボン等の薄膜界面との間には接触抵抗が生じるため，低電流で放出電流の飽和が起こり，大きな放出電流Ｊを得ることは困難になるという問題も有する。
特開平１１−２９７１８９号公報
特開２０００−２０８０２９号公報
Tien T. TSONG, ATOM-PROBE FIELD MICROSCOPY, Cambridge University press, 1990, p. 110-115
F. Iwatsu, H. Morikawa and T. Tera, Journal de Physique (1987) Colloque C6-263, "An Attempt to Image Organic Molecules with FIM"
本発明は、上記事情に鑑み、小さな印加電圧で大きな放出電流を得ることができる電界放射型電子源を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するために、本発明は、電界が印加されることにより電子を放出する電界放射型電子源において、冷陰極の尖端に、芳香族化合物の個々の分子を直立するように蒸着してなることを特徴とする。
本発明によれば、電界が印加されたときに、前記冷陰極の尖端に直立するように蒸着された前記芳香族化合物の個々の分子から大量の電子を放出することができ、結果として、印加電圧が小さいときでも大きな放出電流を得ることができる。
ここで、前記芳香族化合物の分子は、共役不飽和環を構成する原子が隣接する他の原子とｓｐ２結合することにより平板構造を形成していて、該平板構造の分子の両面にπ電子の非局在化によるπ電子雲を備えている。前記芳香族化合物は、典型的には、前記共役不飽和環を構成する原子として炭素のみを含むものであり、このような化合物として、例えばベンゼンを挙げることができる。また、前記芳香族化合物は、前記共役不飽和環を構成する原子として、炭素の他に、窒素、リン、硫黄、酸素を含むものであってもよく、このような化合物として、例えばフラバントロンを挙げることができる。また、前記芳香族化合物は、複数の共役不飽和環の縮合環であってもよく、このような化合物として、例えばコロネン、ペンタセンを挙げることができる。さらに、前記芳香族化合物は、金属と錯体を形成しているものであってもよく、このような化合物として、例えばフタロシアニン、トリ−８−ハイドロキノリンアルミニウムを挙げることができる。
前記電界放射型電子源において、前記平板構造を有する個々の前記芳香族化合物の分子は、前記冷陰極の尖端に対して直立するように蒸着されると考えられる。この結果、電界が印加されたときに、前記平板構造の分子の先端に電界集中が発生し、該電界集中により前記π電子が引き抜かれ、大きな放出電流を得ることができると考えられる。
また、本発明において、前記冷陰極は、例えば、タングステン、チタン、タンタル、六ホウ化ランタンからなる群から選択される１種の材料を用いることができる。
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の電界放射型電子源を示す模式図であり、図２は本実施例の電界放射型電子源の放出電流を示すグラフであり、図３及び図４は本実施例の電界放射型電子源の放出電流の変動を示すグラフである。
図１に示す本実施形態の電界放射型電子源１は、タングステンからなる冷陰極２の尖端に、芳香族化合物の分子、例えばペンタセンの分子３ａからなる蒸着膜３が形成されたものであり、図示しないチャンバ内に設けられている。
電界放射型電子源１は、例えば次のようにして作成することができる。まず、（１００）、（１１０）、（１１１）等の結晶面を有するタングステンからなる電極部材を用意し、該電極部材の表面を研磨することにより冷陰極２を形成する（例えば非特許文献１参照）。前記研磨は、例えば、電極部材を、水酸化アンモニウム溶液と水酸化カリウム溶液との混合溶液、又は水酸化カリウム溶液に浸漬した状態で、該電極部材を正電極として、該正電極に相対向する負電極との間に数ＶのＡＣ電圧を印加することにより行うことができる。
次に、冷陰極２を超高真空下でフラッシング処理することにより、冷陰極２の尖端に清浄表面を形成する。次に、冷陰極２の尖端に、ペンタセンの分子３ａを蒸着することにより、蒸着膜３を形成する（例えば非特許文献２参照）。前記ペンタセンの分子３ａの蒸着は、例えば、ペンタセンを搭載した蒸着ボード、又はペンタセンが塗布されたヒータに、真空下で冷陰極２の尖端を近接させるか、或いは、真空下でペンタセンの蒸気に冷陰極２の尖端を曝露することにより行うことができる。
本実施形態の電界放射型電子源１によれば、冷陰極２と該冷陰極２から所定間隔を有して配置された図示しない陽極との間に電圧が印加されることにより、電界が印加されたときに、冷陰極２の尖端に蒸着された蒸着膜３から大量の電子を放出することができ、結果として、印加電圧が小さいときでも大きな放出電流を得ることができる。
蒸着膜３を構成するペンタセンは、芳香族化合物の一種である。前記芳香族化合物の分子は、共役不飽和環を構成する原子が隣接する他の原子とｓｐ２結合することにより平板構造を形成していて、該平板構造の分子の両面にπ電子の非局在化によるπ電子雲を備えている。このため、電界放射型電子源１において、前記平板構造を有するペンタセンの分子３ａは、冷陰極２の尖端に対して直立するように蒸着されると考えられる。この結果、電界が印加されたときに、前記平板構造のペンタセンの分子３ａの先端に電界集中が発生し、該電界集中により前記π電子が引き抜かれ、大きな放出電流を得ることができると考えられる。
次に、本発明の実施例と比較例とを示す。
まず、（０１１）の結晶面を有するタングステンからなり、長さが５ｍｍ、直径が０．１ｍｍである電極部材を用意した。次に、濃度２５ｗｔ％の水酸化アンモニウム溶液に前記電極部材を浸漬し、この状態で、該電極部材を正電極として、該正電極に相対向する円形の負電極との間に２〜３ＶのＤＣ電圧を印加することにより、該電極部材の表面を電解研磨し、冷陰極２を形成した。
次に、冷陰極２を、１０−８Ｐａの超高真空下で通電加熱を用いてフラッシング処理することにより、冷陰極２に清浄表面を形成した。次に、１０−８Ｐａの真空下に１０−６Ｐａのペンタセンの蒸気を供給し、該ペンタセンの蒸気に冷陰極２の尖端を数秒曝露することにより、冷陰極２の尖端にペンタセンの分子３ａからなる蒸着膜３を形成し、本実施例の電界放射型電子源１を完成させた。
次に、本実施例の電界放射型電子源１に対して、３００Ｋの温度で１０−６Ｐａの真空下において、冷陰極２と該冷陰極２から４ｍｍの間隔を有して配置された図示しない陽極との間に電圧を印加することにより電界を発生させた。このとき、本実施例の電界放射型電子源１の放出電流を測定した。結果を図２に示す。
さらに、冷陰極２と図示しない前記陽極との間に１０ｋＶの電圧を印加した状態で保持し、本実施例の電界放射型電子源１の放出電流の変動を測定した。結果を図３に示す。
次に、本実施例の電界放射型電子源１に対して、５００Ｋの温度で１０−６Ｐａの真空下において、冷陰極２と図示しない前記陽極との間に１０ｋＶの電圧を印加した状態で保持し、本実施例の電界放射型電子源１の放出電流の変動を測定した。結果を図４に示す。
〔比較例〕
まず、前記実施例と全く同一にして、タングステンからなる冷陰極を形成し、これを本比較例の電界放射型電子源とした。本比較例の電界放射型電子源の冷陰極の尖端には、前記芳香族化合物の分子は蒸着されていない。
〔比較例〕
まず、前記実施例と全く同一にして、タングステンからなる冷陰極を形成し、これを本比較例の電界放射型電子源とした。本比較例の電界放射型電子源の冷陰極の尖端には、前記芳香族化合物の分子は蒸着されていない。
次に、３００Ｋの温度で１０−６Ｐａの真空下において、前記冷陰極と該冷陰極から４ｍｍの間隔を有して配置された図示しない陽極との間に電圧を印加することにより電界を発生させた。このとき、本比較例の電界放射型電子源の放出電流を測定した。結果を図２に示す。
図２から、印加電圧が約２０００ｅＶであるときには、比較例の電界放射型電子源によれば約７×１０-１０Ａの放出電流を得ることができ、実施例の電界放射型電子源１によれば比較例に対して約１０４倍である約１×１０−６Ａの放出電流を得ることができることが明らかである。また、１×１０−７Ａの放出電流を得るためには、比較例の電界放射型電子源によれば約８０００ｅＶの印加電圧を必要とするが、実施例の電界放射型電子源１によれば比較例に対して約１／４である約２０００ｅＶの印加電圧でよく、小さな印加電圧で大きな放出電流を得ることができることが明らかである。
また、図３から、実施例の電界放射型電子源１によれば、温度が３００Ｋであるときには、放出電流が０．４〜０．９８ｍＡの範囲であって変動が大きいことが明らかである。また、電流値が突然上昇するスパイク状ノイズと、電流値が所定時間安定的に増加して一定値を示すステップ状ノイズとが発生していることが明らかである。一方、実施例の電界放射型電子源１によれば、温度が５００Ｋであるときには、放出電流が０．５〜０．６ｍＡの範囲であって変動が小さいことが明らかである。また、スパイク状ノイズとステップ状ノイズとがほとんど発生していないことが明らかである。
前記スパイク状ノイズ及び前記ステップ状ノイズは、ステップ・スパイク状ノイズと呼ばれ、冷陰極の尖端に炭素系の物質が蒸着された電界放射型電子源に特徴的な電流変動現象である。温度が３００Ｋのときに発生した前記電流変動現象（図３）の原因は、前記チャンバ内の残留ガスの分子３ａが電界放射型電子源１に吸着することにより、該電界放射型電子源１の仕事関数φが低下するためであると考えられる。そこで、前記残留ガスの分子３ａの電界放射型電子源１への吸着頻度を減らすために、蒸着膜３のペンタセン分子３ａが蒸発しない程度の温度である５００Ｋに上昇させると、図４に示すように前記電流変動現象の発生を抑制することができる。
以上から、本実施例の電界放射型電子源１においては、蒸着膜３のペンタセン分子３ａが蒸発しない程度の温度に加熱することにより、長時間に亘って安定した放出電流を得ることができることが明らかである。
本実施形態では、冷陰極２としてタングステンを用いているが、チタン、タンタル、六ホウ化ランタン等を用いてもよい。また、蒸着膜３を構成する芳香族化合物としては、ペンタセンに代えて、例えば、ベンゼン、フタロシアニン、フラバントロン、トリ−８−ハイドロキノリンアルミニウム、コロネン、オリゴチオフェン、アントラセン、ペリレン、ＡｌＱ３、エチレン、アセチレン、ポリアセチレン、ビレン、ベンゾキノン、アントラキノン、アミノピロリジン、ハロビリジン、ビラジン、インドール、キノリン、スチルベン、テトラフェニルナフタセン、ジフェニルアントラセン、テトラフェニルベンジン、からなる群から選択される１種の化合物を用いてもよい。
１…電界放射型電子源、 ２…冷陰極、 ３ａ…芳香族化合物の分子。
Claims (3)
- 電界が印加されることにより電子を放出する電界放射型電子源において、
冷陰極の尖端に、芳香族化合物の個々の分子を直立するように蒸着してなることを特徴とする電界放射型電子源。 - 前記芳香族化合物は、ベンゼン、フタロシアニン、フラバントロン、トリ−８−ハイドロキノリンアルミニウム、コロネン、ペンタセンからなる群から選択される１種の化合物であることを特徴とする請求項１記載の電界放射型電子源。
- 前記冷陰極は、タングステン、チタン、タンタル、六ホウ化ランタンからなる群から選択される１種の材料であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電界放射型電子源。
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