2019 Fiscal Year Research-status Report
ナノ構造電子源を用いた超高分解能マイクロフォーカスエックス線源に関する研究
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19K04530
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
文 宗鉉 静岡大学, 電子工学研究所, 助教 (30514947)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | MEMS・NEMS / マイクロフォーカスエックス線 / 転写モールド法エミッタ作製方法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
均一性に優れた先鋭なμmからnmサイズの微細構造作製が容易なマイクロエレクトロメカニカルシステム技術の一種、独自の転写モールド法を用いることで、電子放出面積の可変や電子放出点などを可変で、エックス線ビームフォーカスが決める、極微小電子放射源を用い超高精細・高分解能のエックス線発生源を開発する。まず、シリコン単結晶基板を異方性エッチング処理することで、基底部長さ1.6μｍから400nm のシリコン鋳型を作製した。このようにして作製したシリコン鋳型上に高融点・高硬度材料であるアモルファスカーボンを形成し、保持基板を接着した後、シリコン鋳型を溶解除去した。そこで、アモルファスカーボン膜は耐腐食性に優れ、低仕事関数材料として働き、低電圧駆動が可能である。基底部長さ1570nm-370nm、先端曲率半径4-8nmの転写モールド法微小構造エミッタアレイを作製し、今年度目標値10nm以下の先鋭性に優れる転写モールド法微小エミッタアレイの試作に成功した。基底部長さ1570nm から370nmまで微小化した電子源の電界電子放出電流変動率は2.4%から1.7%となり、構造均一性が向上し、電界集中係数のばらつきが減少したため、より低くなった。次に，一段階として基底部長さ1570nmの転写モールド法微小構造エミッタアレイに対してエックス線放射特性を評価するため、韓国KyungHee大学のProf. Kyu-Chang Parkとの共同研究で、電界電子放出特性およびエックス線イメージの評価を行った。1㎜のエミッタとアノード間距離で電界電子放出電流が50μAである。ターゲット角度12°のアノードを用いて放射したエックス線は、焦点サイズが100μmの良好なイメージを持つ転写モールド法微小構造エミッタアレイのエックス線源の開発に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
独自の転写モールド法エミッタ作製技術を用いて、基底部長さ1570nm から370nmまで微小化したエックス線発生源用電子源の試作に成功した。転写モールド法微小電子源のturn-on電界は、14.8-15.3V/μmとなり、電界電子放出電流変動率は、2.4%から1.7%となり、微小化により先端先鋭性および構造均一性が向上し、電界集中係数のばらつきが減少したため、より低くなった。既存のSpindt型微小電子源等のturn-on電界50-600 V/μm、電界電子放出電流変動率数十%~数百%と比較しても低くなった。半導体検査や医療診断分野用次世代高分解能マイクロフォーカスエックス線源の実現のため、焦点サイズが今年度目標値の数百μmレベル以上のエックス線発生源の試作に成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度の研究を更に進め、電子ビーム露光法により鋳型は開口径(正方形開口部一辺の長さ)を400nmから100nmに微小化し、シリコン鋳型の均一形成の作製条件の検討・試作を行い、エックス線発生源用微小電子源を開発する。エミッタ材料として高硬度・高化学安定性なアモルファスカーボン等を候補とする。アモルファスカーボン薄膜は、プラズマCVD 法により、基板印加電圧を変更して、アモルファスカーボンを試作する。平板基板での予備実験の後,結果をフィードバックして最適条件の電極材料を探る。また、現在研究中である、全単体金属中で最も低いが不安定なCsよりも更に低い仕事関数1.8eVを有し、安定な導電性セラミック材料もエミッタ材料に適用することを試みる。
研究協力者(韓国Kyung Hee大学Prof. Kyu-Chang Park)との共同研究協力をより積極活用して、エックス線の安定性と分解能を評価・解析する。電子放出面積や電子ビームの角度・ビームスポットなどとエックス線ビームフォーカシングの関係を探し、分解能を評価する。エックス線焦点サイズを数十～100μm以下レベルの高解像度マイクロフォーカスエックス線源の実現可能性を検証する。また、透過型エックス線源の作製と共に反射型エックス線源も作製し、両方の結果をフィードバックして最適条件を探る。
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| Causes of Carryover |
フォーカス電極と微小電子源アレイ電極間距離などの最適構造を評価するため、フォーカス電極付電流電圧特性計測システムについて2019年度に進まなかった一部を発注・試作するため。これは、エックス線発生源としての寸法最適化を目指し、絶縁体スペーサのサイズを変化させ、フォーカス電極と微小電子源アレイ間距離などの最適構造を探る。絶縁体スペーサの厚さを変えて、最適な電極間距離を探る。また、透過型マイクロエックス線源の作製と共に反射型エックス線源も作製し、両方の結果をフィードバックして最適条件を探し、最適構造を評価する。
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