專(zhuān)利名稱(chēng)：：金剛石電子發(fā)射陰極、電子源、電子顯微鏡及電子束曝光機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及電子顯微鏡、電子束曝光機(jī)等電子線及電子束機(jī)器等中使用的電場(chǎng)發(fā)射型的金剛石電子發(fā)射陰極。還涉及具有該金剛石電子發(fā)射陰極的電子源及采用了它們的電子機(jī)器。
背景技術(shù)：
：電子具有負(fù)電荷，質(zhì)量極小，所以使電子統(tǒng)一到一方向行進(jìn)的電子束具有以下特征。(l)能用電場(chǎng)、磁場(chǎng)來(lái)控制方向、收束度。(2)能通過(guò)電場(chǎng)下的加減速來(lái)獲得大范圍的能量。(3)因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)短，所以能收縮得很細(xì)。利用這種特征的電子顯微鏡、電子束曝光機(jī)廣泛普及。作為它們的陰極材料，例如，作為熱電子發(fā)射源，有廉價(jià)的W絲、能獲得亮度高的電子束的LaBe等六鵬化物。還有，作為亮度更高、能量寬度更窄的陰極，則使用利用了量子效應(yīng)下的隧道現(xiàn)象的尖銳化W、利用了電場(chǎng)下的肖特基效應(yīng)的ZrO/W。對(duì)于電子顯微鏡有要高精度地觀察更小的東西的要求、對(duì)于電子束曝光機(jī)正在推進(jìn)65nm節(jié)點(diǎn)以下的開(kāi)發(fā)，所以要求亮度更高、能量寬度更窄的陰極。作為回應(yīng)這種期待的材料之一，有金剛石。在金剛石中，如非專(zhuān)利文獻(xiàn)1或非專(zhuān)利文獻(xiàn)2中提到的，有電子親和力為負(fù)(NEA)的狀態(tài)或與功函數(shù)小的金屬比較為小的正(PEA)的狀態(tài)存在。如果利用該非常稀少的物性，則不需要像W絲、LaB6或ZrO/W那樣超過(guò)100(TC的高熱就能發(fā)射高電流密度電子，能量寬度能控制得很窄。并且，因?yàn)轵?qū)動(dòng)溫度低，所以可期待長(zhǎng)壽命。還有，因?yàn)橛蟹菍?zhuān)利文獻(xiàn)3那樣能獲得前端直徑10nm的細(xì)微加工技術(shù)，所以高亮度化方面也沒(méi)有問(wèn)題。還有，關(guān)于金剛石，自從判明具有上述電子親和力以來(lái)，到現(xiàn)在為止已經(jīng)提出了非專(zhuān)利文獻(xiàn)4、專(zhuān)利文獻(xiàn)l那樣的電子源。電子槍有熱電子發(fā)射型、電場(chǎng)發(fā)射型等隨電子發(fā)射的機(jī)制而不同的各種形態(tài)的東西，不過(guò)，它們都是為使電子放出而在電子發(fā)射陰極上施加電場(chǎng)，拉出電子的構(gòu)造。電場(chǎng)施加在有尖銳端的形狀的東西上，與施加在平面狀的東西上相比，如果是相同的電壓則會(huì)更集中，所以作為電子槍中使用的電子發(fā)射材料，多采用又細(xì)又尖的東西。利用量子效應(yīng)下的隧道現(xiàn)象，在室溫下取出電子的尖銳化W稱(chēng)作電場(chǎng)發(fā)射型電子槍。作為電子發(fā)射源(發(fā)射極)，是以W(lll)、W(310)或W(100)方位單結(jié)晶為主材料的長(zhǎng)度2mm不到些的具有尖銳端的芯片，將其安裝在W絲上來(lái)利用。與該發(fā)射極成對(duì)的拉出電極是以與發(fā)射極隔開(kāi)數(shù)mm程度的距離而配置的。該發(fā)射極及拉出電極被排氣到高真空狀態(tài)。利用了該尖銳化W的電場(chǎng)發(fā)射型電子槍?zhuān)c其他熱電子源等相比，顯著地具有電子的能量寬度小、亮度高的特征。能量寬度為200300meV的程度，能降低電子光學(xué)系統(tǒng)中使用的透鏡的色差，所以對(duì)電子顯微鏡的性能提高有很大作用。然而，必須在10—8pa程度的超高真空下使用，而且，定期地對(duì)發(fā)射極進(jìn)行瞬間通電加熱來(lái)除去發(fā)射極上吸附的氣體分子這樣的清凈化作業(yè)(熱閃)是必要而不可缺少的。對(duì)于采用了金剛石的電子槍?zhuān)c現(xiàn)有電子槍相比，可期待高亮度、低能量分散、長(zhǎng)壽命，不過(guò)，特別是在作為熱電場(chǎng)發(fā)射型或電場(chǎng)發(fā)射型電子槍來(lái)使用的情況下，關(guān)于其把持方法有以下課題。艮P，例如在使用LaB6作為電子發(fā)射材料的熱電場(chǎng)發(fā)射型電子槍中，是用金屬等夾住、把持由使前端尖銳化了的LaB6構(gòu)成的芯片的形式，不過(guò)，該方法在把持的區(qū)域上需要某種程度的粗細(xì)。具體而言，斷面積不到0.1mn^的話(huà)，則難以把持。因此，在要把持的區(qū)域上需要斷面積0.1mm2以上的粗細(xì)，不過(guò)，由此向電子發(fā)射部進(jìn)行尖銳化加工的話(huà)，前端就更加難以尖銳化。還有，這樣就需要加大抑制柵極部分的孔徑，這會(huì)對(duì)拉出效率的提高帶來(lái)不良影響。另一方面，在ZrO/W、冷陰極中使用的W電極中，是把使前端尖銳化了的W芯片與W線熔接起來(lái)把持的。根據(jù)該方法，能使用充分尖銳化了的電子發(fā)射陰極，不過(guò)，在把金剛石用作電子發(fā)射陰極的情況下，向金屬線的熔接非常難，這是存在的問(wèn)題。專(zhuān)利文獻(xiàn)l:特開(kāi)平4一67527號(hào)公報(bào)非專(zhuān)利文獻(xiàn)1:F.，T.Himpseletal"Phys.Rev.B.,Vol.20,Number2(1979)624非專(zhuān)利文獻(xiàn)2:丄Risteinetal.,NewDiamondandFrontierCarbonTechnology,Vol.10,No.6，(2000)363非專(zhuān)利文獻(xiàn)3:Y.Nishibayashietal.,SEITechnicalReview,57，(2004)31非專(zhuān)利文獻(xiàn)4:W.B.Choietal.,J.Vac.Sci.Technol.B14,(1996)205
發(fā)明內(nèi)容發(fā)明打算解決的課題因此，本發(fā)明的課題是提供高亮度、低能量分散且長(zhǎng)壽命的電子發(fā)射陰極，提供采用金剛石制造的電子發(fā)射陰極。此時(shí)，目的在于提供可充分穩(wěn)定地把持的，且前端尖銳化了的，提高了電場(chǎng)強(qiáng)度的金剛石電子發(fā)射陰極。用于解決課題的方案因此，本發(fā)明者們?yōu)榱思骖櫚呀饎偸米麟娮影l(fā)射陰極時(shí)的把持方法和前端的尖銳化，進(jìn)而提高前端處的電場(chǎng)強(qiáng)度而反復(fù)深刻研究，完成了本發(fā)明。艮口，本發(fā)明如下。1)提供一種至少一部分上具有單結(jié)晶金剛石的柱狀的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述柱狀的金剛石電子發(fā)射陰極至少包括以電子發(fā)射為目的的前端區(qū)域、以把持為目的的后端區(qū)域、位于上述前端區(qū)域和后端區(qū)域之間的經(jīng)過(guò)細(xì)徑加工的中間區(qū)域，上述前端區(qū)域的前端部經(jīng)過(guò)尖銳化加工。2)提供上述l)中記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述后端區(qū)域的斷面積是0.1mi^以上，且上述中間區(qū)域的斷面積是0.1mm2以下。3)提供上述1)或2)中記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述后端區(qū)域的長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度是0.5mm以上2mm以下，上述中間區(qū)域的長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度是0.5mm以上2mm以下。4)提供上述1)3)中任意一項(xiàng)記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述后端區(qū)域、上述前端區(qū)域、上述中間區(qū)域具有共同的主面，在該共同的主面上的至少一部分上形成了導(dǎo)電層，由該導(dǎo)電層來(lái)確保上述后端區(qū)域和上述前端區(qū)域之間的電導(dǎo)通。5)提供上述4)中記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述共同的主面的面方位是(lll)面或與(lll)面的偏差為8度以?xún)?nèi)。6)提供上述4)中記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述導(dǎo)電層是由呈n型半導(dǎo)電性的金剛石形成的。7)提供上述1)6)中任意一項(xiàng)記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述后端區(qū)域的斷面形狀是大致長(zhǎng)方形或大致正方形。8)提供上述1)7)中任意一項(xiàng)記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述經(jīng)過(guò)細(xì)徑加工的中間區(qū)域的厚度是0.02mm以上0.15mm以下。9)提供一種至少一部分上具有單結(jié)晶金剛石的柱狀的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述柱狀的金剛石電子發(fā)射陰極至少包括以電子發(fā)射為目的的前端區(qū)域、以把持為目的的后端區(qū)域，上述前端區(qū)域的前端部經(jīng)過(guò)細(xì)徑加工。10)提供上述9)中記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述后端區(qū)域的斷面積是0.1mn^以上，上述后端區(qū)域的長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度是0.5mm以上2mm以下，上述前端區(qū)域的長(zhǎng)度是1.0以上3.0mm以下。11)提供上述9)或IO)中記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述后端區(qū)域和上述前端區(qū)域具有共同的主面，在該共同的主面上的至少一部分上形成了導(dǎo)電層，由該導(dǎo)電層來(lái)確保上述后端區(qū)域和上述前端區(qū)域之間的電導(dǎo)通。12)提供上述ll)中記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述共同的主面的面方位是(lll)面或與(lll)面的偏差為8度以?xún)?nèi)。13)提供上述ll)中記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述導(dǎo)電層是由呈n型半導(dǎo)電性的金剛石形成的。14)提供上述9)13)中任意一項(xiàng)記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述后端區(qū)域的斷面形狀是大致長(zhǎng)方形或大致正方形。15)提供一種金剛石電子源，其特征在于，至少具有由上述1)8)中任意一項(xiàng)記載的金剛石電子發(fā)射陰極、絕緣性陶瓷、用于向上述電子發(fā)射陰極供給電流的一對(duì)以上的端子組成的構(gòu)造體。16)提供上述15)中記載的金剛石電子源，其特征在于，具有用于抑制來(lái)自金剛石電子發(fā)射陰極的前端區(qū)域以外的電子發(fā)射的導(dǎo)電性部件，上述金剛石電子發(fā)射陰極的中間區(qū)域貫通于在上述導(dǎo)電性部件上形成的貫通孔中。17)提供一種金剛石電子源，其特征在于，至少具有由上述9)14)中任意一項(xiàng)記載的金剛石電子發(fā)射陰極、絕緣性陶瓷、用于向上述電子發(fā)射陰極供給電流的一對(duì)以上的端子組成的構(gòu)造體。18)提供上述17)中記載的金剛石電子源，其特征在于，具有用于抑制來(lái)自金剛石電子發(fā)射陰極的前端區(qū)域以外的電子發(fā)射的導(dǎo)電性部件，上述金剛石電子發(fā)射陰極的前端區(qū)域貫通于在上述導(dǎo)電性部件上形成的貫通孔中。19)提供一種電子顯微鏡，其特征在于，搭載了上述15)18)中任意一項(xiàng)記載的金剛石電子源。20)提供一種電子束曝光機(jī)，其特征在于，搭載了上述15)18)中任意一項(xiàng)記載的金剛石電子源。圖1是表示本發(fā)明所涉及的電子發(fā)射陰極(第1實(shí)施方式)的立體圖。圖2是表示實(shí)施例所涉及的電子發(fā)射陰極的制造工藝(第1實(shí)施方式)的立體圖。圖3是表示本發(fā)明所涉及的電子槍的概念圖。圖4是表示本發(fā)明所涉及的電子發(fā)射陰極(第2實(shí)施方式)的立體圖。圖5是表示本發(fā)明所涉及的電子發(fā)射陰極的制造工藝(第2實(shí)施方式)的立體圖。符號(hào)說(shuō)明101、501金剛石單結(jié)晶102、502面方位(111)面103、503P摻雜外延金剛石104、504Al的圖形110、400金剛石電子發(fā)射陰極201、401后端區(qū)域202中間區(qū)域203、402前端區(qū)域301電子槍310抑制柵極320端子330絕緣性陶瓷340因科鎳合金制的金屬部件350墊片具體實(shí)施例方式本發(fā)明的第l實(shí)施方式如下。如圖1所示，本實(shí)施方式所涉及的金剛石電子發(fā)射陰極110可沿著長(zhǎng)度方向分為3部分。即，由以把持為目的的后端區(qū)域201、經(jīng)過(guò)細(xì)徑加工的中間區(qū)域202、以電子發(fā)射為目的的前端區(qū)域203構(gòu)成。以電子發(fā)射為目的的前端區(qū)域的前端部經(jīng)過(guò)尖銳化加工。因?yàn)橛幸园殉譃槟康牡暮蠖藚^(qū)域，所以與現(xiàn)有產(chǎn)品一樣，能容易地以機(jī)械方式夾住、把持。還有，與該后端區(qū)域的長(zhǎng)度方向正交的斷面的形狀是長(zhǎng)方形或正方形，這從容易把持的觀點(diǎn)來(lái)看也是優(yōu)選的。中間區(qū)域位于后端區(qū)域和前端區(qū)域的中間，從后端區(qū)域起經(jīng)過(guò)細(xì)徑加工。這里說(shuō)的細(xì)徑加工，在與后端區(qū)域的長(zhǎng)度方向正交的斷面的形狀是長(zhǎng)方形或正方形的情況下，是指使長(zhǎng)方形/正方形的至少1組對(duì)著的邊的長(zhǎng)度減少10%以上的加工。本實(shí)施方式所涉及的金剛石電子發(fā)射陰極可以全部由金剛石形成，也可以與金剛石以外的材料組合起來(lái)形成，不過(guò)，優(yōu)選的是全部由金剛石形成。還有，把由金剛石形成的部分的至少一部分取為單結(jié)晶金剛石，就能獲得穩(wěn)定的電子發(fā)射特性，所以是更優(yōu)選的。特別優(yōu)選的是前端區(qū)域?yàn)閱谓Y(jié)晶金剛石。經(jīng)過(guò)細(xì)徑加工的中間區(qū)域，若其與長(zhǎng)度方向正交的面的斷面積為O.lmm2以下，則對(duì)于使其前端尖銳化而形成以電子發(fā)射為目的區(qū)域有利。還有，因?yàn)槟馨岩种茤艠O的孔徑保持在必要的最小限度，進(jìn)而也能減小拉出電極，因而特別是在需要靠電場(chǎng)的力使電子發(fā)射的情況下有效。另一方面，以把持為目的的后端區(qū)域優(yōu)選的是與其長(zhǎng)度方向正交的斷面積為0.1mn^以上。這樣，機(jī)械地夾住、把持就會(huì)更容易，能充分確保其機(jī)械強(qiáng)度，所以長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)作之后也能保持其強(qiáng)度。還有，以把持為目的的后端區(qū)域的長(zhǎng)度太短則把持力變?nèi)酰L(zhǎng)則成本高。因此，優(yōu)選的是0.5mm以上2mm以下。金剛石是本征半導(dǎo)體，帶隙大，為5eV以上，在室溫下是絕緣體。在用作電子發(fā)射陰極的情況下，在以電子發(fā)射為目的的前端區(qū)域和以把持為目的的后端區(qū)域之間必須有導(dǎo)電性。因此，在本發(fā)明中，優(yōu)選的是前端區(qū)域和后端區(qū)域乃至經(jīng)過(guò)細(xì)徑加工的中間區(qū)域具有共同的主面。并且，這是因?yàn)樵谒鼈兊脑撝髅嫔闲纬蓪?dǎo)電層，就能在后端區(qū)域和前端區(qū)域及中間區(qū)域之間形成電導(dǎo)通。這樣，假如把呈現(xiàn)作為沒(méi)有混入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體的特性的金剛石用作材料的情況下，也能在后端區(qū)域和前端區(qū)域之間保持導(dǎo)通，能提高電子發(fā)射特性。導(dǎo)電層由金剛石構(gòu)成的情況從耐久性等觀點(diǎn)來(lái)看也是優(yōu)選的。金剛石可在其晶格中混入雜質(zhì)而具有半導(dǎo)電性。例如，混入B(硼)則成為p型半導(dǎo)體，混入N(氮)、P(磷)則成為n型半導(dǎo)體。作為電子發(fā)射材料，利用n型半導(dǎo)體則在能量方面有利。n型半導(dǎo)體中的混入了P的東西，與混入了N的東西相比，其激活能量可以小些，能在較低溫度下向?qū)Ч┙o多數(shù)載流子(電子)。然而，為了在金剛石上形成具有混入了P的n型半導(dǎo)電性的金剛石作為導(dǎo)電層，優(yōu)選的是其要形成的面為(lll)面或與(lll)面為8度以下的方位偏差。即，優(yōu)選的是上述共同的主面的面方位也處于該范圍。經(jīng)過(guò)細(xì)徑加工的中間區(qū)域的厚度優(yōu)選的是0.02mm以上0.15mm以下。若超過(guò)0.15mm則難以達(dá)成充分的前端的尖銳化。還有，若薄于0.02mm則機(jī)械強(qiáng)度會(huì)極端降低，在把持工序、作為產(chǎn)品的使用中損壞的可能性變大，而且從安裝在電子槍上之后的耐久性方面來(lái)看不是優(yōu)選的。在這里，經(jīng)過(guò)細(xì)徑加工的中間區(qū)域的厚度是指上述主面的法線方向的厚度。尖銳化的手法例如可采用機(jī)械研磨方法、把光刻法和蝕刻法組合起來(lái)的方法、外延生長(zhǎng)方法等，不過(guò)，從更簡(jiǎn)便地獲得尖銳化的前端的觀點(diǎn)來(lái)考慮，優(yōu)選的是把光刻法和蝕刻法組合起來(lái)的手法。作為用于安裝在電子顯微鏡、電子束曝光機(jī)等上的構(gòu)造體的電子源優(yōu)選的是由本實(shí)施方式中的金剛石電子發(fā)射陰極、絕緣性陶瓷、用于向金剛石電子發(fā)射陰極供給電流的一對(duì)以上的端子構(gòu)成的構(gòu)造體。在該情況下，對(duì)于使用現(xiàn)有陰極材料的電子束機(jī)器中的電源系統(tǒng)不用特別費(fèi)事就能安裝本發(fā)明所涉及的金剛石電子發(fā)射陰極。再有，作為熱電場(chǎng)發(fā)射型而適用本實(shí)施方式的電子發(fā)射陰極時(shí)，需要用于抑制來(lái)自電子發(fā)射部以外的熱電子等的抑制柵極。本實(shí)施方式的電子發(fā)射陰極的經(jīng)過(guò)細(xì)徑加工的區(qū)域或以電子發(fā)射為目的區(qū)域優(yōu)選的是采用貫通于抑制柵極的孔的構(gòu)造。因此，中間區(qū)域的長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度和前端區(qū)域的長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度的和優(yōu)選的是抑制柵極的孔的長(zhǎng)度以上。作為中間區(qū)域的長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度，優(yōu)選的是0.5mm以上。太長(zhǎng)則成本高，因而優(yōu)選的是2mm以下。本實(shí)施方式所涉及的電子顯微鏡的特征在于搭載了上述本實(shí)施方式所涉及的金剛石電子發(fā)射陰極或金剛石電子源。本實(shí)施方式所涉及的金剛石電子發(fā)射陰極或金剛石電子源能獲得高電流密度、高亮度、低能量寬度的電子束，所以與使用現(xiàn)有陰極材料的電子顯微鏡相比，可進(jìn)行高倍率觀察。本實(shí)施方式所涉及的電子束曝光機(jī)的特征在于搭載了上述本實(shí)施方式所涉及的金剛石電子發(fā)射陰極或金剛石電子源。本實(shí)施方式所涉及的金剛石電子發(fā)射陰極或金剛石電子源能獲得高電流密度、高亮度、低能量寬度的電子束，所以與使用現(xiàn)有陰極材料的電子束曝光機(jī)相比，能以高吞吐量來(lái)描繪微細(xì)圖形。本發(fā)明的第2實(shí)施方式如下。如圖4所示，該實(shí)施方式所涉及的金剛石電子發(fā)射陰極400可在長(zhǎng)度方向分為2部分。即，由以把持為目的的后端區(qū)域401和以電子發(fā)射為目的的前端區(qū)域402構(gòu)成。以電子發(fā)射為目的的前端區(qū)域的前端部經(jīng)過(guò)尖銳化加工。因?yàn)橛幸园殉譃槟康牡暮蠖藚^(qū)域，所以與現(xiàn)有產(chǎn)品一樣，能容易地以機(jī)械方式夾住、把持。還有，與該后端區(qū)域的長(zhǎng)度方向正交的斷面的形狀是長(zhǎng)方形或正方形，這從容易把持的觀點(diǎn)來(lái)看也是優(yōu)選的。本實(shí)施方式所涉及的金剛石電子發(fā)射陰極可以全部由金剛石形成，也可以與金剛石以外的材料組合起來(lái)形成，不過(guò)，優(yōu)選的是全部由金剛石形成。還有，把由金剛石形成的部分的至少一部分取為單結(jié)晶金剛石，就能獲得穩(wěn)定的電子發(fā)射特性，所以是更優(yōu)選的。特別優(yōu)選的是前端區(qū)域?yàn)閱谓Y(jié)晶金剛石。另一方面，以把持為目的的后端區(qū)域優(yōu)選的是與其長(zhǎng)度方向正交的斷面積為0.1irn^以上。這樣，機(jī)械地夾住、把持就會(huì)更容易，能充分確保其機(jī)械強(qiáng)度，所以長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)作之后也能保持其強(qiáng)度。還有，以把持為目的的后端區(qū)域的長(zhǎng)度太短則把持力變?nèi)酰L(zhǎng)則成本高。因此，優(yōu)選的是0.5mm以上2mm以下。金剛石是本征半導(dǎo)體，帶隙大，為5eV以上，在室溫下是絕緣體。在用作電子發(fā)射陰極的情況下，在以電子發(fā)射為目的的前端區(qū)域和以把持為目的的后端區(qū)域之間必須有導(dǎo)電性。因此，在本發(fā)明中，優(yōu)選的是前端區(qū)域和后端區(qū)域具有共同的主面。并且，這是因?yàn)樵谒鼈兊脑撝髅嫔闲纬蓪?dǎo)電層，就能在后端區(qū)域和前端區(qū)域之間形成電導(dǎo)通。這樣，假如把呈現(xiàn)作為沒(méi)有混入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體的特性的金剛石用作材料的情況下，也能在后端區(qū)域和前端區(qū)域之間保持導(dǎo)通，能提高電子發(fā)射特性。導(dǎo)電層由金剛石構(gòu)成的情況從耐久性等觀點(diǎn)來(lái)看也是優(yōu)選的。金剛石可在其晶格中混入雜質(zhì)而具有半導(dǎo)電性。例如，混入B(硼)則成為p型半導(dǎo)體，混入N(氮)、P(磷)則成為n型半導(dǎo)體。作為電子發(fā)射材料，利用n型半導(dǎo)體則在能量方面有利。n型半導(dǎo)體中的混入了P的東西，與混入了N的東西相比，其激活能量可以小些，能在較低溫度下向?qū)Ч┙o多數(shù)載流子(電子)。然而，為了在金剛石上形成具有混入了P的n型半導(dǎo)電性的金剛石作為導(dǎo)電層，優(yōu)選的是其要形成的面為(lll)面或與(lll)面為8度以下的方位偏差。即，優(yōu)選的是上述共同的主面的面方位也處于該范圍。作為用于安裝在電子顯微鏡、電子束曝光機(jī)等上的構(gòu)造體的電子源優(yōu)選的是由本實(shí)施方式中的金剛石電子發(fā)射陰極、絕緣性陶瓷、用于向金剛石電子發(fā)射陰極供給電流的一對(duì)以上的端子構(gòu)成的構(gòu)造體。在該情況下，對(duì)于使用現(xiàn)有陰極材料的電子束機(jī)器中的電源系統(tǒng)不用特別費(fèi)事就能安裝本發(fā)明所涉及的金剛石電子發(fā)射陰極。再有，作為熱電場(chǎng)發(fā)射型而適用本實(shí)施方式的電子發(fā)射陰極時(shí)，需要用于抑制來(lái)自電子發(fā)射部以外的熱電子等的抑制柵極。本實(shí)施方式的電子發(fā)射陰極的以電子發(fā)射為目的區(qū)域優(yōu)選的是采用貫通于抑制柵極的孔的構(gòu)造。因此，經(jīng)過(guò)細(xì)徑加工的區(qū)域的長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度優(yōu)選的是抑制柵極的孔的長(zhǎng)度以上，優(yōu)選的是lmm以上。太長(zhǎng)則成本高，因而優(yōu)選的是3mm以下。本實(shí)施方式所涉及的電子顯微鏡的特征在于搭載了上述本實(shí)施方式所涉及的金剛石電子發(fā)射陰極或金剛石電子源。本實(shí)施方式所涉及的金剛石電子發(fā)射陰極或金剛石電子源能獲得高電流密度、高亮度、低能量寬度的電子束，所以與使用現(xiàn)有陰極材料的電子顯微鏡相比，可進(jìn)行高倍率觀察。實(shí)施例以下基于實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的詳細(xì)情況。(實(shí)施例1)如圖2a)所示，備好采用高溫高壓合成法所獲得的單結(jié)晶金剛石AD。還有，同樣也備好采用氣相合成法經(jīng)同質(zhì)外延生長(zhǎng)所獲得的單結(jié)晶金剛石E。關(guān)于面方位，圖中的102的面是(lll)面(面方位的偏差是35度)。如圖2b)所示，在該(lll)面上，采用微波等離子體CVD法以P摻雜外延金剛石103形成3Mm厚的膜。在該膜的面上采用光刻法形成圖2c)所示的Al的圖形104。Al的厚度約310Mm。把該Al作為掩膜，用添加CF4的氧氣進(jìn)行金剛石的反應(yīng)性離子蝕刻(以下記作RIE)。結(jié)果，蝕刻到約60150ym程度的深度，獲得圖2d)所示的形狀。此后，以金屬掩膜從前端起掩蓋數(shù)毫米長(zhǎng)，用添加CF4的氧氛圍氣以RIE法從未形成P摻雜外延層的面開(kāi)始進(jìn)行蝕刻。此時(shí)，也一并適當(dāng)使用激光加工下的面加工蝕刻法。結(jié)果，如圖2e)所示，形成了前端區(qū)域、中間區(qū)域，中間區(qū)域的厚度如表1所示。此時(shí)，前端在達(dá)到圖2d)的階段，以金屬為掩膜對(duì)金剛石進(jìn)行RIE處理時(shí)，如果預(yù)先提高金屬掩膜的尖銳度(曲率半徑)至亞Pm的程度，則金剛石的前端能維持同程度的尖銳度。再有，由于從里面開(kāi)始的RIE,尖銳度多少有些變差，但能維持亞iim程度的曲率半徑。實(shí)際測(cè)量圖2e)中的前端的曲率半徑，如表l所示，為大致lwm以下。表1表示這樣獲得的電子發(fā)射陰極AE的以把持為目的的后端區(qū)域201的斷面積、長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度、中間區(qū)域202的斷面積、長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度。把這樣獲得的電子發(fā)射陰極AE組裝到圖3所示的電子槍301中。即，用因科鎳合金制的金屬部件340夾住上述金剛石電子發(fā)射陰極AllO，從科瓦鐵鎳鈷合金制的端子320供給電流。該端子由絕緣性陶瓷330保持。安裝Mo制的抑制柵極(前端孔徑0.6mm4))310以后，安裝到電子顯微鏡(株式會(huì)社尼里歐尼克斯制，型號(hào)ERA—8900FE)上。這時(shí)，使經(jīng)過(guò)細(xì)徑加工的中間區(qū)域202貫通于抑制柵極310的孔。在安裝到掃描型電子顯微鏡(以下記作SEM)的電子槍部時(shí)，使芯片前端與拉出電極的距離接近至0.3mm的程度。通過(guò)科瓦鐵鎳鈷合金制的端子320向電子發(fā)射陰極AE供給電流，加熱芯片溫度。拉出電壓為5kV，加速電壓為30kV，評(píng)價(jià)了發(fā)射電流。表1中一同表示能量分散評(píng)價(jià)。在SEM觀察方面發(fā)揮了出色的性能。再有，安裝在電子束曝光裝置(日本電子株式會(huì)社，型號(hào)JSM—7000F)上時(shí)，能實(shí)現(xiàn)線寬度100nm以下的描繪。(比較例1)以與實(shí)施例1同樣的手法，制造了表2中記載的電子發(fā)射陰極GL。G是中間區(qū)域的寬度大，斷面積為0.225mm2。結(jié)果，不能貫通到抑制柵極310的孔中，需要用擴(kuò)大了孔的抑制柵極來(lái)組裝電子槍。采用該電子槍?zhuān)c實(shí)施例1同樣地組裝到電子顯微鏡、電子束描繪裝置上時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然發(fā)射電流能充分取出，但是收束性差，為lum4)以上，不能進(jìn)行高分辨率的電子顯微鏡觀察、高精度的圖形描繪。H、I是后端區(qū)域及中間區(qū)域的長(zhǎng)度均長(zhǎng)達(dá)4mm。這樣，素材的尺寸長(zhǎng)達(dá)5mm以上，成本高。J是前端區(qū)域、中間區(qū)域、后端區(qū)域的共同的主面的面方位是(100)。這樣就不能降低在主面上形成的n型金剛石層的電阻，把使用J制造的電子槍組裝到電子顯微鏡上，與實(shí)施例1同樣地測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，發(fā)射電流最大才10"A以下，作為電子顯微鏡、電子束曝光機(jī)不充分。K是中間區(qū)域的厚度厚達(dá)0.3mm。這樣，經(jīng)過(guò)尖銳加工的前端的前端曲率半徑差，為12um。組裝使用它制造的電子槍?zhuān)c實(shí)施例1同樣地測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，雖然發(fā)射電流能取出80"A的程度，但是收束性差，為5um以上，作為電子顯微鏡、電子束曝光機(jī)不充分。L是中間區(qū)域的厚為O.Olmm，不過(guò)，在組裝成電子槍的中途在中間區(qū)域的地方會(huì)斷裂，不能用作電子槍。還有，作為電子發(fā)射陰極F，準(zhǔn)備了采用現(xiàn)有技術(shù)的ZrO/W電子槍(市售品)而不是金剛石的東西。發(fā)射電流能取出約90PA，不過(guò)，為了該量的電子發(fā)射，需要把溫度提高到180(TC的程度，結(jié)果，所獲得的電子束的能量分散大，為0.7eV。<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>(實(shí)施例2)如圖5a)所示，備好采用高溫高壓合成法所獲得的單結(jié)晶金剛石MP。還有，同樣也備好采用氣相合成法經(jīng)同質(zhì)外延生長(zhǎng)所獲得的單結(jié)晶金剛石Q。關(guān)于面方位，圖中的502的面是(lll)面(面方位的偏差是35度)。如圖5b)所示，在該(lll)面上，采用微波等離子體CVD法以P摻雜外延金剛石503形成3/mi厚的膜。在該膜的面上采用光刻法形成圖5c)所示的Al的圖形504。Al的厚度約310|iim。把該Al作為掩膜，用添加CF4的氧氣進(jìn)行金剛石的反應(yīng)性離子蝕刻(以下記作RIE)。結(jié)果，蝕刻到約60150ym程度的深度，獲得圖5d)所示的形狀。此后，以金屬掩膜從前端起掩蓋數(shù)毫米長(zhǎng)，用添加CF4的氧氛圍氣以RIE法從未形成P摻雜外延層的面開(kāi)始進(jìn)行蝕刻。此時(shí)，也一并適當(dāng)使用激光加工下的面加工蝕刻法。結(jié)果，如圖5e)所示，形成了前端區(qū)域。此時(shí)，前端在達(dá)到圖5d)的階段，以金屬為掩膜對(duì)金剛石進(jìn)行RIE處理時(shí)，如果預(yù)先提髙金屬掩膜的尖銳度(曲率半徑)至亞ttm數(shù)um的程度，則金剛石的前端能維持同程度的尖銳度。再有，由于從里面開(kāi)始的RIE，尖銳度多少有些變差，但能維持亞iim程度的曲率半徑。實(shí)際測(cè)量圖5e)中的前端的曲率半徑，如表2所示，為大致lum以下。表2表示這樣獲得的電子發(fā)射陰極MQ的以把持為目的的后端區(qū)域401的斷面積、長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度。把這樣獲得的電子發(fā)射陰極MQ組裝到圖3所示的電子槍301中。即，用因科鎳合金制的金屬部件340夾住上述金剛石電子發(fā)射陰極AllO，從科瓦鐵鎳鈷合金制的端子320供給電流。該端子由絕緣性陶瓷330保持。安裝Mo制的抑制柵極(前端孔徑0.6mm4))310以后，安裝在電子顯微鏡(株式會(huì)社尼里歐尼克斯制，型號(hào)ERA—8900FE)上。這時(shí)，使前端區(qū)域402貫通于抑制柵極310的孔。在安裝到掃描型電子顯微鏡(以下記作SEM)的電子槍部時(shí)，使芯片前端與拉出電極的距離接近至0.3mm的程度。通過(guò)科瓦鐵鎳鈷合金制的端子320向電子發(fā)射陰極MQ供給電流，加熱芯片。拉出電壓為5kV，加速電壓為30kV，評(píng)價(jià)了發(fā)射電流。表2中一同表示能量分散評(píng)價(jià)。在SEM觀察方面發(fā)揮了出色的性能。再有，安裝在電子束曝光裝置(日本電子株式會(huì)社，型號(hào)JSM—7000F)上時(shí)，能實(shí)現(xiàn)線寬度100nm以下的描繪。(比較例2)以與實(shí)施例2同樣的手法，制造了表2中記載的電子發(fā)射陰極R、S。R是后端區(qū)域的長(zhǎng)度長(zhǎng)達(dá)4mm。這樣，素材的尺寸長(zhǎng)達(dá)5mm以上，成本高。S是前端區(qū)域、后端區(qū)域的共同的主面的面方位為(IOO)。這樣就不能降低在主面上形成的n型金剛石層的電阻，把使用S制造的電子槍組裝到電子顯微鏡上，與實(shí)施例2同樣地測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，發(fā)射電流最大才10uA以下，作為電子顯微鏡、電子束曝光機(jī)不充分。[表2]<table>tableseeoriginaldocumentpage23</column></row><table>本發(fā)明是把柱狀的金剛石電子發(fā)射陰極的后端作為可穩(wěn)定把持的后端區(qū)域，并且把前端區(qū)域上的前端部尖銳化，從而可提供由金剛石制造的電子發(fā)射陰極。再有，采用金剛石作為電子發(fā)射陰極，從而與以前利用的電子發(fā)射陰極材料相比，具有能以更低的電場(chǎng)、低的溫度在真空中取出電子的效果。還有，采用單結(jié)晶金剛石，能實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的電子發(fā)射特性。再有，在后端區(qū)域和前端區(qū)域上配置共同的主面，在該主面上形成導(dǎo)電層，從而可提高電子發(fā)射電流。權(quán)利要求1.一種至少一部分上具有單結(jié)晶金剛石的柱狀的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述柱狀的金剛石電子發(fā)射陰極至少包括以電子發(fā)射為目的的前端區(qū)域、以把持為目的的后端區(qū)域、位于上述前端區(qū)域和后端區(qū)域之間的經(jīng)過(guò)細(xì)徑加工的中間區(qū)域，上述前端區(qū)域的前端部經(jīng)過(guò)尖銳化加工。2.根據(jù)權(quán)利要求l記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述后端區(qū)域的斷面積是0.1mn^以上，且上述中間區(qū)域的斷面積是0.1mm2以下03.根據(jù)權(quán)利要求1或2記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述后端區(qū)域的長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度是0.5mm以上2mm以下，上述中間區(qū)域的長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度是0.5mm以上2mm以下。4.根據(jù)權(quán)利要求13中任意一項(xiàng)記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述后端區(qū)域、上述前端區(qū)域、上述中間區(qū)域具有共同的主面，在該共同的主面上的至少一部分上形成了導(dǎo)電層，由該導(dǎo)電層來(lái)確保上述后端區(qū)域和上述前端區(qū)域之間的電導(dǎo)通。5.根據(jù)權(quán)利要求4記載金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述共同的主面的面方位是(lll)面或與(lll)面的偏差為8度以?xún)?nèi)。6.根據(jù)權(quán)利要求4記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述導(dǎo)電層是由呈n型半導(dǎo)電性的金剛石形成的。7.根據(jù)權(quán)利要求16中任意一項(xiàng)記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述后端區(qū)域的斷面形狀是大致長(zhǎng)方形或大致正方形。8.根據(jù)權(quán)利要求17中任意一項(xiàng)記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述經(jīng)過(guò)細(xì)徑加工的中間區(qū)域的厚度是0.02mm以上0.15mm以下。9.一種至少一部分上具有單結(jié)晶金剛石的柱狀的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述柱狀的金剛石電子發(fā)射陰極至少包括以電子發(fā)射為目的的前端區(qū)域、以把持為目的的后端區(qū)域，上述前端區(qū)域的前端部經(jīng)過(guò)細(xì)徑加工。10.根據(jù)權(quán)利要求9記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述后端區(qū)域的斷面積是O.lmm2以上，上述后端區(qū)域的長(zhǎng)度方向的長(zhǎng)度是0.5mm以上2mm以下，上述前端區(qū)域的長(zhǎng)度是1.0以上3.0mm以下。11.根據(jù)權(quán)利要求9或IO記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述后端區(qū)域和上述前端區(qū)域具有共同的主面，在該共同的主面上的至少一部分上形成了導(dǎo)電層，由該導(dǎo)電層來(lái)確保上述后端區(qū)域和上述前端區(qū)域之間的電導(dǎo)通。12.根據(jù)權(quán)利要求11記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述共同的主面的面方位是(lll)面或與(lll)面的偏差為8度以?xún)?nèi)。13.根據(jù)權(quán)利要求11記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述導(dǎo)電層是由呈n型半導(dǎo)電性的金剛石形成的。14.根據(jù)權(quán)利要求913中任意一項(xiàng)記載的金剛石電子發(fā)射陰極，其特征在于，上述后端區(qū)域的斷面形狀是大致長(zhǎng)方形或大致正方形。15.—種金剛石電子源，其特征在于，至少具有由權(quán)利要求18中任意一項(xiàng)記載的金剛石電子發(fā)射陰極、絕緣性陶瓷、用于向上述電子發(fā)射陰極供給電流的一對(duì)以上的端子組成的構(gòu)造體。16.根據(jù)權(quán)利要求15記載的金剛石電子源，其特征在于，具有用于抑制來(lái)自金剛石電子發(fā)射陰極的前端區(qū)域以外的電子發(fā)射的導(dǎo)電性部件，上述金剛石電子發(fā)射陰極的中間區(qū)域貫通于在上述導(dǎo)電性部件上形成的貫通孔中。17.—種金剛石電子源，其特征在于，至少具有由權(quán)利要求914中任意一項(xiàng)記載的金剛石電子發(fā)射陰極、絕緣性陶瓷、用于向上述電子發(fā)射陰極供給電流的一對(duì)以上的端子組成的構(gòu)造體。18.根據(jù)權(quán)利要求17記載的金剛石電子源，其特征在于，具有用于抑制來(lái)自金剛石電子發(fā)射陰極的前端區(qū)域以外的電子發(fā)射的導(dǎo)電性部件，上述金剛石電子發(fā)射陰極的前端區(qū)域貫通于在上述導(dǎo)電性部件上形成的貫通孔中。19.一種電子顯微鏡，其特征在于，搭載了權(quán)利要求1518中任意一項(xiàng)記載的金剛石電子源。20.—種電子束曝光機(jī)，其特征在于，搭載了權(quán)利要求1518中任意一項(xiàng)記載的金剛石電子源。全文摘要本發(fā)明的目的在于提供高亮度、低能量分散且長(zhǎng)壽命的電子發(fā)射陰極，提供采用金剛石制造的電子發(fā)射陰極。因此，本發(fā)明的目的在于提供可充分穩(wěn)定地把持的，且前端尖銳化了的，提高了電場(chǎng)強(qiáng)度的金剛石電子發(fā)射陰極。本發(fā)明所涉及的金剛石電子發(fā)射陰極(110)至少分為3個(gè)區(qū)域，即在柱狀前端以電子發(fā)射為目的的前端區(qū)域(203)、在長(zhǎng)度方向以在對(duì)面上把持為目的的后端區(qū)域(201)、經(jīng)過(guò)細(xì)徑加工的中間區(qū)域(202)，后端區(qū)域的斷面積是0.1mm²以上，前端區(qū)域的前端經(jīng)過(guò)尖銳化加工，經(jīng)過(guò)細(xì)徑加工的中間區(qū)域的斷面積最大為0.1mm²以下。文檔編號(hào)H01L21/027GK101375363SQ20078000370公開(kāi)日2009年2月25日申請(qǐng)日期2007年6月27日優(yōu)先權(quán)日2006年6月28日發(fā)明者今井貴浩,山本喜之,植田曉彥,西林良樹(shù)申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社