DE112012003268T5

DE112012003268T5 - Elektronenquelle vom elektrischen Feldentladungstyp

Info

Publication number: DE112012003268T5
Application number: DE112012003268.3T
Authority: DE
Inventors: Sukehiro Ito; Souichi Katagiri; Takashi Ohshima
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2032-09-25
Also published as: WO2013047397A1; KR101603022B1; CN103765544A; JP2013084550A; KR20140049006A; DE112012003268B4; US20140197725A1; CN103765544B; JP5919049B2; US8866371B2

Abstract

Das Erhöhen des Volumens oder Gewichts von Zirconiumdioxid als Diffusions- und Versorgungsquelle zum Verlängern der Lebensdauer einer Elektronenquelle vom Feldemissionstyp führt zu dem Problem, daß die Diffusions- und Versorgungsquelle oder die Wolframnadel dabei leicht Schaden nimmt. Wenn die Diffusions- und Versorgungsquelle zur Vermeidung dieses Problems als dünne Schicht ausgebildet wird, kann keine Lebensdauer mehr erhalten werden, die 8000 Stunden und mehr beträgt. Es wurde festgestellt, daß mit einer geringen Erhöhung der Menge für die Diffusions- und Versorgungsquelle eine Elektronenquelle vom Feldemissionstyp erhalten werden kann, bei der in der Diffusions- und Versorgungsquelle keine Risse und Abblätterungen auftreten und bei der die Lebensdauer 8000 Stunden und mehr beträgt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektronenquelle für ein Elektronenmikroskop, eine Halbleiter-Untersuchungsvorrichtung, ein Auger-Elektronen-Spektrometer, ein Elektronen-Lithographiegerät und dergleichen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine die Lebensdauer verlängernde Technik für eine Elektronenquelle vom Feldemissionstyp.
Stand der Technik
Bei dem herkömmlichen Raster-Elektronen-Mikroskop und dem herkömmlichen Transmissions-Elektronen-Mikroskop wird der von einer Elektronenkanone mit einer Elektronenquelle vom Kaltkathoden-Feldemissionstyp oder vom Feldemissionstyp emittierte Elektronenstrahl beschleunigt und mit Elektronenlinsen ein feiner Elektronenstrahl ausgebildet, der mittels eines Ablenkdeflektors als primärer Elektronenstrahl über eine Probe geführt wird. Bei einem REM werden die dabei erzeugten Sekundärelektronen oder die reflektierten Elektronen erfaßt und daraus eine Abbildung erstellt. Bei einem TEM wird die Abbildung mit den durch die Probe hindurchgelaufenen Elektronen erzeugt. Bei der Elektronenquelle der Elektronenmikroskope kann auf die Seitenflächen einer Nadel, die durch Schärfen der Spitze eines Stiftes aus einem Einkristall-Wolframdraht erhalten wird, Zirconiumdioxid aufgebracht werden, und an die Nadelspitze kann zur Emission der Elektronen in einem aufgeheizten Zustand ein elektrisches Feld angelegt werden. Dies wird dann eine Elektronenquelle vom Feldemissionstyp oder eine Schottky-Elektronenquelle genannt.
Bei der Elektronenquelle vom Feldemissionstyp wird durch thermische Diffusion auf die Wolfram-Kristallebene (100) Zirconium und Sauerstoff aufgebracht, um einen Bereich mit einer niedrigen Austrittsarbeit auszubilden. Die Aufheiztemperatur liegt im Bereich von 1600 K bis 1900 K. Normalerweise wird die Elektronenquelle vom Feldemissionstyp bei 1700 K bis 1800 K betrieben. Nach der Patent-Druckschrift 1 können durch das Vorsehen der Kristallebene (100) an der Spitze der Wolframnadel und Anlegen eines starken elektrischen Felds Thermoelektronen, die die Potentialbarriere überwinden, und durch den Tunneleffekt durchgelassene Elektronen extrahiert werden.
Der Grundaufbau der Elektronenquelle vom Feldemissionstyp ist derart, daß eine Nadel aus einem Wolfram-Einkristall mit der Kristallorientierung (100) an der Spitze durch Punktschweißen an einer Wolfram-Heizschlinge angebracht wird, wobei ein Teil der Nadel Zirconiumdioxid enthält, das eine Diffusions- und Versorgungsquelle bildet. Beim Blick auf die Spitze der Nadel ist die Diffusions- und Versorgungsquelle um die Nadel herum angeordnet. Aus der Nicht-Patent-Druckschrift 1 ist bekannt, daß Zirconiumdioxid drei Arten von allotropen Modifikationen ausbildet, das heißt je nach Aufheiztemperatur eine monokline, tetragonale oder kubische Struktur aufweist. Die Patent-Druckschrift 2 beschreibt die Ausbildung einer Diffusions- und Versorgungsquelle als dünne Schicht. Die Patent-Druckschrift 3 beschreibt ein Verfahren, bei dem feine Partikel aus Zirconiumhydrid in einem organischen Lösungsmittel mit einem Tropfer auf den äußeren Seitenabschnitt einer Wolframnadel aufgebracht werden und ein Ausheizen und Sintern im Vakuum erfolgt, um die Diffusions- und Versorgungsquelle auszubilden.
Liste der zitierten Druckschriften
Patent-Druckschriften

Patent-Druckschrift 1: JP 59-49065 A
Patent-Druckschrift 2: JP 2003-31170 A
Patent-Druckschrift 3: JP 6-76731 A

Nicht-Patent-Druckschriften

Nicht-Patent-Druckschrift 1: D. Steele und B. E. F. Fender, J. Phys. C: Solid State Phys., 7, 1 (1974)

Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
Technisches Problem
Wenn die Wolframnadel mittels eines Stromflusses durch die Heizschlinge aufgeheizt wird, wird dabei das Zirconiumdioxid, die Diffusions- und Versorgungsquelle, verbraucht. Mit dem allmählichen Verschwinden des Zirconiumdioxids wird es immer schwieriger, Elektronen zu emittieren, wovon die Lebensdauer begrenzt wird. Zum Verlängern der Lebensdauer der Elektronenquelle vom Feldemissionstyp wird normalerweise das Volumen oder das Gewicht des Zirconiumdioxids, der Diffusions- und Versorgungsquelle, erhöht. Dabei treten jedoch aufgrund der Eigenschaften von Zirconiumdioxid die im folgenden beschriebenen Probleme auf.
Beim Erhöhen der Temperatur auf die normale Heiztemperatur der Elektronenquelle vom Feldemissionstyp von 1700 bis 1800 K oder beim Beenden des Aufheizens und dem Rückgang der Temperatur auf die Raumtemperatur durchläuft die Temperatur den Übergangsbereich, in dem bei 1100°C (im Bereich von 1400 K) der Übergang zwischen dem monoklinen Kristall und dem tetragonalen Kristall erfolgt. Dabei ändert sich das Volumen der Diffusions- und Versorgungsquelle (des Zirconiumdioxids), mit der Folge, daß die Diffusions- und Versorgungsquelle oder die Wolframnadel dabei leicht zu Schaden kommt.
Es ist deshalb schwierig, bei einer Elektronenquelle vom Feldemissionstyp eine praktische Lebensdauer von mehr als 8000 Stunden zu erreichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Elektronenquelle vom Feldemissionstyp zu schaffen, bei der die Diffusions- und Versorgungsquelle nicht abblättert oder aufreißt und bei der mit einer geringen Erhöhung der Menge der Diffusions- und Versorgungsquelle eine verlängerte Lebensdauer erreicht wird.
Lösung des Problems
Zur Lösung des genannten Problems umfaßt die vorliegende Erfindung eine Elektronenquelle vom Feldemissionstyp, bei der die Form (Dicke und Länge) der Ausbildung einer Diffusions- und Versorgungsquelle innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt. Das heißt, daß die obige Aufgabe dadurch gelöst wird, daß eine Elektronenquelle vom Feldemissionstyp verwendet wird, bei der dieser vorgegebene Bereich anhand der jeweiligen Verwendungstemperatur bestimmt wird.
Der physikalische und chemische Mechanismus zum Bestimmen des vorgegebenen Bereichs wird im folgenden beschrieben.
Eine Elektronenquelle vom Feldemissionstyp mit Zirconiumdioxid auf der seitlichen Außenfläche einer Wolfram-Einkristall-Nadel wird im Vakuum angeordnet. In diesem Zustand wird die Wolframnadel auf eine Temperatur im Bereich von 1800 K aufgeheizt und dabei Sauerstoff oder Luft zugeführt. Das Zirconiumdioxid nimmt dabei Sauerstoffatome auf, und gleichzeitig beginnt an der Wolframoberfläche eine Diffusion. Bei dieser Oberflächendiffusion befindet sich an der obersten Oberfläche eine einatomige Zirconiumschicht, unter der an der Oberfläche ein Koexistenzbereich aus vielen Sauerstoffatomen und Wolfram liegt. Nach der Aufnahme einer bestimmten Menge an Sauerstoff kann kein weiterer Sauerstoff in das Zirconiumdioxid eindringen, und es erfolgt eine Reaktion, bei der das an die Wolframoberfläche diffundierte Zirconium oxidiert und in merklicher Menge entfernt wird, wodurch wiederum die Diffusion unterdrückt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Zuführung von Sauerstoff oder Luft beendet. Das Aufheizen wird für eine Weile kontinuierlich weitergeführt, damit die Diffusion ausreichend zur (100)-Ebene an der Spitze der Wolframnadel vordringen kann. Dann wird an die Spitze der Wolframnadel ein elektrisches Feld angelegt, durch das die Elektronenemission beginnt. Dies ist der normale Betriebszustand. Die stabile Elektronenemission läuft weiter, bis die Diffusions- und Versorgungsquelle verbraucht ist. Das an die Oberfläche diffundierte Zirconium verdampft oder unterliegt mit den Gasmolekülen usw. aus der Umgebung einer Oxidations-Reduktionsreaktion und verschwindet dadurch. Aus den Löchern, aus denen das Zirconium verschwunden ist, entweicht der Sauerstoff, der verbraucht wird. Die Löcher, aus denen das Zirconium verschwunden ist, werden einzeln von dem an der Oberfläche diffundierenden Zirconium aufgefüllt, so daß sich dadurch keine großen Defekte entwickeln. Dieses Phänomen tritt intermittierend und kontinuierlich auf, so daß das Zirconium allmählich verbraucht wird. Zur Verlängerung der Lebensdauer wird daher ein großes Volumen an Zirconiumdioxid vorgegeben.

(1) Die erfindungsgemäße Elektronenquelle vom Feldemissionstyp umfaßt eine Nadel, die durch Schärfen der Spitze eines stiftförmigen Wolfram-Einkristalls erhalten wird, an deren seitlichen Außenabschnitt als Diffusions- und Versorgungsquelle Zirconiumdioxid in einer vorgegebenen Dicke und einer vorgegebenen Länge aufgebracht ist, wobei die Spitze die Kristallebene (100) aufweist; eine Heizeinrichtung für die Nadel; und eine Unterdrückungselektrode, wobei von der Elektronenquelle vom Feldemissionstyp durch Aufheizen der Nadel und Anlegen eines elektrischen Feldes an die Spitze der Nadel Elektronen emittiert werden, wenn bei einer Länge der Diffusions- und Versorgungsquelle von L und einer maximalen Dicke der Diffusions- und Versorgungsquelle von t t/L < 3/50 ist und die minimale Dicke davon größer oder gleich 10 μm ist.
(2) Die Elektronenquelle vom Feldemissionstyp enthält eine oder mehrere Diffusions- und Versorgungsquellen mit einer Länge L von 500 μm oder mehr.
(3) Die Dicke der Diffusions- und Versorgungsquelle beträgt 40 μm oder weniger.
(4) Die Diffusions- und Versorgungsquelle ist von einer Stelle, die 300 μm von der Spitze der Nadel entfernt ist, in der Richtung zur anderen Spitze der Nadel ausgebildet.
(5) Eine Anzahl von Diffusions- und Versorgungsquellen mit einer Länge von weniger als 500 μm ist miteinander verbunden, wobei der Abstand zwischen den verbundenen Diffusions- und Versorgungsquellen 50 μm oder weniger beträgt und der Querschnitt der Diffusions- und Versorgungsquellen die Form eines Vorsprungs mit einer maximalen Dicke t von 40 μm oder weniger hat.
(6) Eine Anzahl von Diffusions- und Versorgungsquellen ist miteinander verbunden, wobei die minimale Dicke der Diffusions- und Versorgungsquellen im Verbindungsabschnitt 10 μm oder mehr beträgt und der Querschnitt der Diffusions- und Versorgungsquellen die Form eines Vorsprungs mit einer maximalen Dicke t von 40 μm oder weniger hat.
(7) Eine Anzahl von Diffusions- und Versorgungsquellen ist am seitlichen Außenabschnitt in Spiralform um die Nadel gewickelt, wobei der Abstand zwischen benachbarten Windungen der Diffusions- und Versorgungsquellen 50 μm oder weniger beträgt und der Querschnitt der Diffusions- und Versorgungsquellen die Form eines Vorsprungs mit einer maximalen Dicke t von 40 μm oder weniger hat.
(8) Eine Anzahl von Diffusions- und Versorgungsquellen in linearer Form mit einer Länge von 500 μm oder mehr ist am seitlichen Außenabschnitt der Nadel angeordnet, wobei der Abstand zwischen benachbarten Diffusions- und Versorgungsquellen 50 μm oder weniger beträgt und der Querschnitt der Diffusions- und Versorgungsquellen die Form eines Vorsprungs mit einer maximalen Dicke von 40 μm oder weniger hat.
(9) Eine Anzahl von Diffusions- und Versorgungsquellen in linearer Form mit einer Länge von 500 μm oder mehr ist am seitlichen Außenabschnitt der Nadel angeordnet, wobei die minimale Dicke der benachbarten Diffusions- und Versorgungsquellen 10 μm oder mehr beträgt und der Querschnitt der Diffusions- und Versorgungsquellen die Form eines Vorsprungs mit einer maximalen Dicke von 40 μm oder weniger hat.
(10) Eine Anzahl von Diffusions- und Versorgungsquellen ist am seitlichen Außenabschnitt der Nadel angeordnet, wobei der Abstand zwischen der Anzahl von dichten Diffusions- und Versorgungsquellen 50 μm oder weniger beträgt und der Querschnitt der Diffusions- und Versorgungsquellen die Form eines Vorsprungs und Berges mit einer maximalen Dicke von 40 μm oder weniger hat.

Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Elektronenquelle vom Feldemissionstyp (eine Schottky-Elektronenquelle) erhalten, die im fortlaufenden Betrieb mit einer Aufheizung auf 1800 K eine Lebensdauer von 8.000 Stunden und mehr erreicht, wobei das Volumen der Diffusions- und Versorgungsquelle kleiner ist als bei den herkömmlichen Elektronenquellen und bei der sehr viel weniger Abblätterungen und Risse in der Diffusions- und Versorgungsquelle (im Zirconiumdioxid) auftreten und die Wolframnadel nur sehr wenig Schaden nimmt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Darstellung eines repräsentativen Elektronenquellenaufbaus bei der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Darstellung des Aufbaus und der Form eines repräsentativen Konfigurationsbeispiels der vorliegenden Erfindung beim Blick auf die Oberseite.
3 ist eine Darstellung des Aufbaus einer Elektronenquelle vom Feldemissionstyp.
4 ist eine Darstellung des Spitzenabschnitts einer Wolframnadel bei der Elektronenquelle vom Feldemissionstyp.
5 ist eine Darstellung der Standard-Querschnittform einer Diffusions- und Versorgungsquelle.
6 ist eine Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Darstellung einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine Darstellung der Verbrauchseigenschaften einer Zirconiumdioxid-Diffusions- und Versorgungsquelle.
11A ist eine Darstellung der Beziehung zwischen der 2000-K-Aufheizzeit und den Verbrauchseigenschaften in der Längsrichtung von Zirconiumdioxid-Diffusions- und Versorgungsquellen.
11B ist eine Darstellung der Beziehung zwischen der 2000-K-Aufheizzeit und dem Volumen von Zirconiumdioxid-Diffusions- und Versorgungsquellen.
12 ist eine Darstellung der Beziehung zwischen der Dicke, der verbrauchten Länge und dem Volumen von Zirconiumdioxid-Diffusions- und Versorgungsquellen.
13 ist eine Darstellung des Bereichs für die Form einer Zirconiumdioxid-Diffusions- und Versorgungsquelle bei der vorliegenden Erfindung.
14A ist eine Aufsicht zur Beschreibung der Positionsbeziehungen zwischen einer Wolframnadel, einer Zirconiumdioxid-Diffusions- und Versorgungsquelle und einer Unterdrückungselektrode bei der vorliegenden Erfindung.
14B ist eine Seitenansicht zur Beschreibung der Positionsbeziehungen zwischen der Wolframnadel, der Zirconiumdioxid-Diffusions- und Versorgungsquelle und der Unterdrückungselektrode bei der vorliegenden Erfindung.
15 ist eine Darstellung der Dicke und der Länge der Zirconiumdioxid-Diffusions- und Versorgungsquelle bei der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung von Ausführungsformen
Bei der vorliegenden Erfindung wurden aus dem Prozeß, wie das Zirconiumdioxid verbraucht wird, Maßnahmen zum wirkungsvollen Verlängern der Lebensdauer entwickelt.
Durch Aufheizen von Zirconiumdioxid auf eine Temperatur von 2000 K, etwa 200 K mehr als normal, erfolgte experimentell eine beschleunigte Bewertung der Verbrauchsbedingungen für das Zirconiumdioxid. Bei der Bewertung wurde durch Messen der Heizzeit h, des verbrauchten Volumens ΔV (bei einem Gesamtvolumen V) und des Verhältnisses R zwischen den bei 1800 K und den bei 2000 K emittierten Gasmengen die Lebensdauer L bei 1800 K abgeschätzt zu L = V/ΔV × h × R.
Das Aufheizen auf 2000 K erfolgte immer für 5 Stunden bis zu einer Gesamtzeit von 25 Stunden, wobei jeweils die Form der Diffusions- und Versorgungsquelle 1 erfaßt wurde. Es stellte sich heraus, daß wie in der 10 gezeigt die Zufuhr von der Diffusions- und Versorgungsquelle 1 zur Wolframoberfläche hauptsächlich am Rand des Zirconiumdioxids beginnt, das die Diffusions- und Versorgungsquelle 1 ist, und daß sich dabei die Dicke in den anderen Bereichen des Zirconiumdioxids fast überhaupt nicht verändert. Dies wurde auch bei einem anderen Experiment bestätigt, bei dem das gleiche Ergebnis erhalten wurde, als bei 1800 K, der üblichen Aufheiztemperatur, durch Anlegen eines elektrischen Feldes Elektronen emittiert wurden. Damit hat sich gezeigt, daß der Verbrauch durch zum Beispiel Verdampfen von Zirconiumdioxid an sich gering ist und daß der Verbrauch am Rand des Zirconiumdioxids durch die Diffusion des Zirconiums zur Wolframoberfläche dominant ist.
Die Form des Zirconiumdioxids wurde anhand der folgenden drei Probentypen bestimmt. Die zum Vergleich herangezogene Probe wird Bezugsprobe genannt. Bei der Probe vom Typ A wurde das Volumen des Zirconiumdioxids durch Vergrößern der Dicke des Zirconiumdioxids verdoppelt. Bei der Probe vom Typ B wurde das Volumen des Zirconiumdioxids durch Vergrößern der Länge des Zirconiumdioxids verdoppelt. Es wurden dann die Verbrauchseigenschaften bei den drei Probentypen untersucht.
Es zeigte sich, daß wie in der 11A gezeigt das Verschwinden in der Längenrichtung bei 2000 K mit der Zeit eine Tendenz zur Unabhängigkeit von der Dicke zeigt und daß wie in der 11B gezeigt das Verschwinden des Volumens bei 2000 K mit der Zeit eine Tendenz zum schnelleren Verschwinden bei größerer Dicke zeigt.
Zur Untersuchung der Beziehung zwischen der Dicke und der Verbrauchsgeschwindigkeit wurde das im folgenden beschriebene Experiment durchgeführt. Der Querschnitt des Zirconiumdioxids an der Bewertungsprobe ist vor dem Aufheizen am Rand dünn und wird zur Mitte hin dicker. In der 12 sind die Daten dafür entsprechend dem Ausmaß des Verschwindens für jede Dicke angeordnet. Es ist ersichtlich, daß die pro Zeiteinheit verbrauchte Länge zunimmt, wenn die Dicke kleiner ist als 10 μm, und daß die pro Zeiteinheit verbrauchte Länge bei einer Dicke von über 10 μm auf einen bestimmten Wert konvergiert. Andererseits nimmt das pro Zeiteinheit verbrauchte Volumen proportional zur Dicke zu. Bei einem Aufheizen auf 2000 K wird daher eine ausgezeichnete Wirksamkeit erhalten, wenn die minimale Dicke auf 10 μm festgelegt wird, und eine langlebige Elektronenquelle vom Feldemissionstyp erhalten. Der Wert für die minimale Dicke wird von der Aufheiztemperatur bestimmt. In einem anderen Experiment wurde festgestellt, daß die minimale Dicke für 1800 K bei 6 bis 8 μm liegt und für 1700 K bei 4 bis 6 μm. Dies weist darauf hin, daß an der Grenzfläche zwischen dem Wolfram und dem Zirconiumdioxid eine Oxidations-Reduktionsreaktion auftritt und daß die Verdampfung nicht wahrnehmbar ist, wenn das Zirconiumdioxid ausreichend dick ist. Dieses Phänomen läßt sich wie folgt erklären. Die Diffusionslänge von Wolframatomen oder Zirconium in Zirconiumdioxid oder die physikalische Größe der Diffusionsrate hängt von der Temperatur ab. Wenn das Zirconiumdioxid ausreichend dick ist, verhält es sich wie eine kompakte Masse. Wenn die Dicke kleiner ist als ein bestimmter Wert, wird die Verdampfung wahrnehmbar.
Es gibt mehrere bekannte Verfahren zum Aufbringen von Zirconiumdioxid am seitlichen Außenabschnitt einer Wolframnadel. In vielen Fällen wird ein schlammartiges Gel, in dem feine Zirconiumdioxid- oder Zirconiumteilchen oder Zirconiumhydrid mit einem organischen Lösungsmittel und dergleichen vermischt sind, auf den seitlichen Außenabschnitt einer Wolframnadel aufgebracht, wozu ein Werkzeug wie eine Tintenbürste, ein Tropfer oder eine Spritze verwendet wird. Das Ganze wird dann im Vakuumzustand erhitzt und gesintert. Im Fall von Zirconium oder Zirconiumhydrid wird dann der Prozeß für eine Oxidation durch zum Beispiel Aufheizen in Sauerstoffgas ausgeführt. Bei einem solchen Verfahren ergeben sich Abweichungen in der Dicke des Zirconiumdioxids im Bereich von 20 bis 30 μm. In der Praxis liegt daher die Dicke des Zirconiumdioxids bei einem Aufheizen auf 1800 K bei 8 bis 40 μm und bei einem Aufheizen auf 1700 K bei 6 bis 40 μm. Vorzugsweise liegt die Dicke des Zirconiumdioxids in der Praxis bei einem Aufheizen auf 1800 K bei 8 bis 30 μm und bei einem Aufheizen auf 1700 K bei 6 bis 30 μm. Die Dicke ist kleiner als die Dicke des Zirconiumdioxids (im Bereich von 60 μm), die bei den herkömmlichen Elektronenquellen vom Feldemissionstyp mit einer Lebensdauer von 8000 Stunden und mehr bei 1800 Kelvin aufgetragen wird, so daß sich auch der Effekt ergibt, daß das Risiko des Abblätterns und des Auftretens von Rissen wesentlich geringer ist. Für praktische Zwecke reicht es aus, wenn der minimale Wert für die Dicke des Zirconiumdioxids auf 10 μm festgelegt wird. Es wird damit eine Form erhalten, die ein ausreichendes Zirconiumdioxidvolumen für eine hohe Lebensdauer bei jeder Temperatur von 1700 K bis 1800 K aufweist. Auch treten dabei kaum Schäden an der Wolframnadel auf.
Es wird nun die Länge des Zirconiumdioxids beschrieben, die sich auf die Verlängerung der Lebensdauer auswirkt. Es gibt zwei Faktoren, die dabei eine Rolle spielen. Der erste Faktor ist die Menge an Sauerstoffatomen im Zirconiumdioxid, und der zweite Faktor ist die Temperaturverteilung in der aufgeheizten Wolframnadel.
Hinsichtlich der Menge an absorbierbaren Sauerstoffatomen, dem ersten Faktor, hat das Zirconiumdioxid die Eigenschaft, daß es, wenn es zum Sintern erhitzt wird, Sauerstoff abgibt, der dann im Gitter fehlt. Wenn der Sauerstoffgehalt zu sehr abnimmt, erscheint metallisches Zirconium. Es ist dann erforderlich, Sauerstoffgas zuzuführen, damit daraus wieder Zirconiumdioxid wird. Durch das Zuführen von Sauerstoffatomen im Bereich der Diffusions- und Versorgungsquelle wird das Zirconium zu Zirconiumdioxid oxidiert, wobei der Vorgang um so besser vor sich geht, je weiter und dünner der Oberflächenbereich ist. Für die Verlängerung der Lebensdauer ist es daher von Vorteil, wenn durch dünneres Ausbilden und Verlängern der Form des Zirconiumdioxids eine große Oberfläche erhalten wird. Dieser Zusammenhang ergibt sich auch aus dem oben genannten Gasverhältnis R, das bei dem Experiment mit den drei Probenarten erhalten wird. Das Gasverhältnis R ist das Verhältnis des Druckanstiegs zwischen dem von der Elektronenquelle bei 1800 K (der normalen Betriebstemperatur) emittierten Gas und dem bei 2000 K emittierten Gas. Bei 2000 K ist es schwierig, an der Wolframoberfläche eine Diffusionsschicht auszubilden, und das Zirconiumdioxid wird vom Rand her gasförmig und verschwindet unmittelbar nach der Diffusion. Es wird daher zu diesem Zeitpunkt ein numerischer Wert erhalten, der die Gesamtmenge an Substanz darstellt, die das Zirconiumdioxid zuführen kann. Das Gasverhältnis R, das Verhältnis zwischen dem Druck und dem Ausmaß des Druckanstiegs durch die Gasemission bei 1800 K, der in der Praxis verwendeten Temperatur, kann auch als repräsentativer Wert für die Anzahl der Sauerstoffatome in der Elektronenquelle betrachtet werden. Im Vergleich mit der Bezugsprobe wird mit der Probe vom Typ A ein Wert erhalten, der etwa fünfmal so groß ist, und mit der Probe vom Typ B ein Wert, der etwa sechsmal so groß ist. Da gesintertes Zirconiumdioxid porös ist, erhöht sich bei der Probe vom Typ A die Oberfläche entsprechend dem Ausmaß der Dickenzunahme. Bei der Probe vom Typ B ist die Länge zweimal so groß wie bei der Bezugsprobe, so daß die Oberfläche etwa auch doppelt so groß ist, das Gasverhältnis ist jedoch sechsmal so groß. Es wird angenommen, daß die Ursache dafür neben der oben angegebenen Tatsache, daß sich das Zirconium durch die Oxidation aufgrund der Zufuhr von Sauerstoffgas in Zirconiumdioxid umwandelt, das Auftreten des folgenden Phänomens ist. Wie in der Patent-Druckschrift 2 beschrieben, befindet sich an der Wolframoberfläche eine große Menge Sauerstoff, insbesondere beim Vorhandensein von Zirconium in der Nähe der Grenzfläche. Es wird daher angenommen, daß sich auch an der Grenzfläche zwischen dem Zirconiumdioxid, der Diffusions- und Versorgungsquelle, und Wolfram Sauerstoff befindet. Durch die Erweiterung des Bereichs, in dem Sauerstoff vorhanden ist, nimmt die Menge an Sauerstoffatomen pro Flächeneinheit, die aufgenommen werden kann, gegenüber der Bezugsprobe auf etwa das Dreifache zu. Auch daraus ergibt sich, daß eine Vergrößerung der mit Zirconiumdioxid bedeckten Wolframfläche von Vorteil für die Verlängerung der Lebensdauer ist. Im Fall der Probe vom Typ B kann, da das Gasverhältnis R das Sechsfache beträgt und die Länge L der Diffusions- und Versorgungsquelle das Zweifache, insgesamt eine Lebensdauer vom 6 × 2 = dem Zwölffachen der Lebensdauer der Bezugsprobe erhalten werden.
Der zweite Gesichtspunkt hinsichtlich der Länge der Zirconiumdioxidausbildung ist die Temperaturverteilung an der Wolframnadel 2. Der Aufbau einer Elektronenquelle vom Feldemissionstyp ist derart, daß wie in der 3 gezeigt eine Wolframnadel 2 an eine Heizschleife 4 angeschweißt ist. Um die Wolframnadel 2 aufzuheizen, fließt durch die Heizschleife 4 ein konstanter Strom. An der Basis der Nadel ist die Temperatur daher höher als an der Nadelspitze. Normalerweise beträgt bei der Verwendung der Elektronenquelle die Temperatur an der Nadelspitze 1700 bis 1800 K und die Temperatur an der Basis dabei 1750 bis 1880 K. Die Temperaturverteilung von der Basis zur Spitze ist im wesentlichen linear. Je weiter man zur Spitze geht, um so niedriger ist die Temperatur. Wie in der 14B gezeigt, ist die Spitze der Wolframnadel 2 der Elektronenquelle vom Feldemissionstyp so befestigt, daß sie etwa 250 μm über die Unterdrückungselektrode 3 vorsteht. Um einen Kontakt des Zirconiumdioxids mit der Unterdrückungselektrode 3 zu verhindern, ist das Zirconiumdioxid näher an der Heizschleife angeordnet als die Unterdrückungselektrode 3. Das Zirconiumdioxid kann von der Spitze der Wolframnadel 2 300 μm oder mehr entfernt sein.
Die Diffusion des Zirconiumdioxids wird stark von der Temperatur beeinflußt, sie erfolgt bei höherer Temperatur schneller. Man kann auch sagen, daß mit ansteigender Temperatur auch die Verbrauchsgeschwindigkeit zunimmt. Das Ausbilden der Diffusions- und Versorgungsquelle (des Zirconiumdioxids) in der Nähe der Heizschleife verringert daher die Lebensdauer, während das Ausbilden der Diffusions- und Versorgungsquelle in der Nähe der Nadelspitze die Lebensdauer verlängert.
Aus den Untersuchungen geht damit hervor, daß mit der Probe vom Typ B die Lebensdauer weiter verlängert werden kann. Die geschätzte Lebensdauer für die Bezugsprobe (die Länge der Diffusions- und Versorgungsquelle ist 350 μm) bei 1800 K beträgt 0,5 Jahre, die geschätzte Lebensdauer für die Probe vom Typ B (die Länge der Diffusions- und Versorgungsquelle ist 700 μm) beträgt 6 Jahre und die geschätzte Lebensdauer für die Probe vom Typ A (die Länge der Diffusions- und Versorgungsquelle ist 350 μm) beträgt 1 Jahr. Die Lebensdauer der Bezugsprobe beträgt bei einer Aufheiztemperatur von 1700 K 3,5 Jahre, die der Probe vom Typ B 10 Jahre und mehr und die der Probe vom Typ A 7 Jahre.
Die Form der Diffusions- und Versorgungsquelle zum Erhalten einer langlebigen Elektronenquelle vom Feldemissionstyp kann in einer standardisierten Darstellung wie folgt ausgedrückt werden. Wenn wie in der 3 gezeigt die Länge der Diffusions- und Versorgungsquelle 1 gleich L ist und die maximale Dicke davon gleich t, wird die Diffusions- und Versorgungsquelle in einem dünnen und langen Bereich ausgebildet, der die Beziehung t/L < 3/50 erfüllt. Wenn wie in der 13 an der horizontalen Achse die Länge L des Zirconiumdioxids und an der vertikalen Achse die maximale Dicke t des Zirconiumdioxids angetragen ist, liegt die Zirconiumdioxidform, die diese Bedingung erfüllt, in dem schraffierten Bereich 130, das heißt in dem Bereich, der von t < 3/50 × L und dem unteren Grenzwert für t von 10 μm sowie dem oberen Grenzwert für t von 40 μm umgeben ist.
Wenn der untere Grenzwert für die Länge des Zirconiumdioxids auf 500 μm festgelegt wird, kann auch bei einer Aufheiztemperatur von 1800 K eine Lebensdauer erreicht werden, die 8000 Stunden übersteigt. Die 15 zeigt die Form des Zirconiumdioxids auf eine leicht verständliche Weise. Die Länge des Zirconiumdioxids in dem Bereich, in dem die minimale Dicke des Zirconiumdioxids 10 μm oder mehr beträgt, ist gleich L und die maximale Dicke davon gleich t.
Im folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Erste Ausführungsform
Bei dieser Ausführungsform wird eine Elektronenquelle vom Feldemissionstyp erläutert, bei der die vorliegende Erfindung angewendet wird.
Die 1 zeigt den Gesamtaufbau einer Elektronenquelle vom Feldemissionstyp. Die Abschnitte einer Heizschlinge 4 (aus Wolfram) in der Nähe ihrer beiden Enden sind an zwei Stifte 6 angeschweißt, die an einem isolierenden Isolator 7 befestigt sind. Das Ende eines Stiftes aus einem Wolfram-Einkristall, das dem Abschnitt einer Nadel 2 gegenüberliegt, der durch Schärfen der Spitze des Stiftes aus dem Wolfram-Einkristall erhalten wird, ist am gekrümmten mittleren Abschnitt der Heizschlinge 4 angeschweißt. Wie in der 2 gezeigt, weist die Spitze der Nadel eine Öffnung in einer (100)-Ebene auf. Wie in der 3 gezeigt, ist am seitlichen Außenabschnitt der Nadel eine Diffusions- und Versorgungsquelle 1 ausgebildet. Die Einzelheiten der Diffusions- und Versorgungsquelle 1 werden später noch beschrieben. Der isolierende Isolator 7, die Stifte 6, die Heizschlinge 4 und die Wolframnadel 2 werden von einer Unterdrückungselektrode 3 abgedeckt. Die Unterdrückungselektrode 3 hat die Form eines umgedrehten Bechers mit einer kreisförmigen Öffnung 5 in der Mitte des Bodens des Bechers. Der Spitzenabschnitt der Wolframnadel 2 ist so angeordnet, daß er aus der Öffnung 5 hervorsteht.
Bei einer bevorzugten Form der Diffusions- und Versorgungsquelle 1 ist die Diffusions- und Versorgungsquelle 1 wie in der 3 gezeigt am seitlichen Außenabschnitt der Wolframnadel 2 in zylindrischer Form mit gleichmäßiger Dicke angebracht, wobei die Dicke in Abhängigkeit von der verwendeten Aufheiztemperatur eingestellt wird. Zum Beispiel beträgt die Dicke 8 μm, wenn die Diffusions- und Versorgungsquelle 1 bei 1800 K verwendet wird, und 6 μm, wenn sie bei 1700 K verwendet wird. Die Länge der Diffusions- und Versorgungsquelle 1 ist 400 μm, vorzugsweise 500 μm und mehr. In der Praxis treten bei der Dicke der Diffusions- und Versorgungsquelle 1 in Abhängigkeit vom Ausbildungsverfahren Schwankungen auf, weshalb Vorrichtungen dafür erforderlich sind.
Es wird daher der Fall beschrieben, bei dem zur Ausbildung der Diffusions- und Versorgungsquelle 1 ein Verfahren verwendet wird, bei dem eine Lösung, in der feine Zirconiumdioxidteilchen mit einem organischen Lösungsmittel vermischt sind, mit einem Tropfer auf den seitlichen Außenabschnitt der Wolframnadel 2 aufgebracht und im Vakuum aufgeheizt und gesintert wird. Mit dem gleichen Verfahren kann auch eine Lösung aufgebracht werden, in der feine Zirconiumhydridteilchen mit einem organischen Lösungsmittel vermischt sind.
Mit einem solchen Ausbildungsverfahren wird die Diffusions- und Versorgungsquelle 1 in der Form eines Bauchgurtes auf den seitlichen Außenabschnitt der Wolframnadel 2 aufgebracht, und die Querschnittform davon ist bergartig, wie es in der 4 gezeigt ist. Es wird daher das im folgenden dargestellte Verfahren angewendet, damit die Dicke und die Länge in einem bestimmten Bereich liegen. Die Länge nach dem Sintern wird bei einer maximalen Dicke von 30 μm bestimmt. Bei dem vorliegenden Experiment beträgt die Länge der Diffusions- und Versorgungsquelle 1 adhäsionsbedingt 330 μm.
Um eine Länge von 600 μm zu erhalten, werden wie in der 5 gezeigt zwei Adhäsionsbereiche nacheinander im seitlichen Außenabschnitt der Wolframnadel derart aufgesintert, daß sie sich teilweise überlappen. Mit einem solchen Verfahren kann in einem gewünschten Bereich eine Zirconiumdioxid-Diffusions- und Versorgungsquelle 51 mit einer minimalen Dicke von 10 μm und einer maximalen Dicke von 30 μm ausgebildet werden. Der Querschnitt davon ist in der 5 gezeigt, er umfaßt zwei Zyklen mit einer Amplitude von 20 μm und einer Dicke zwischen 10 und 30 μm.
Wie in der 6 gezeigt, können auch zwei Diffusions- und Versorgungsquelle 61 mit einem Abstand von 50 μm oder weniger dazwischen ausgebildet werden. Auch mit einem solchen Abstand kann ein im wesentlichen gleichwertiger Lebensdauer-Verlängerungseffekt erreicht werden. Da das Zirconiumdioxid dünner ausgebildet wird als im herkömmlichen Fall, treten weniger Abblätterungen und Risse und weniger Schäden an der Wolframnadel 2 auf, die durch eine Änderung im Volumen des Zirconiumdioxids (durch thermische Ausdehnung oder eine Änderung in der Kristallstruktur) beim Aufheizen verursacht werden.
Die Diffusions- und Versorgungsquellen 51 und 61 werden am seitlichen Außenabschnitt der Wolframnadel 2 an einer Stelle ausgebildet, die sich 300 μm von der Spitze der Wolframnadel 2 entfernt 600 μm weit erstreckt. Diese Stelle liegt unter der Öffnung 5 der Unterdrückungselektrode 3 der 1 und reicht nicht bis zur freiliegenden Spitze der Wolframnadel 2. Die 14A und 14B zeigen vergrößerte Ansichten. Die 14A ist eine Aufsicht auf die Unterdrückungselektrode 3 beim Blick auf die Spitze der Wolframnadel 2. Die 14B ist eine Seitenansicht der Wolframnadel 2. Die Diffusions- und Versorgungsquellen 51 und 61 können auch an dem seitlichen Außenabschnitt der Nadel angebracht werden, der den freiliegenden Abschnitt der Wolframnadel 2 einschließt. Dadurch steigt jedoch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Abblätterungen an den Diffusions- und Versorgungsquellen 51 und 61 oder die Erzeugung von Fremdstoffen durch den Kontakt der Diffusions- und Versorgungsquellen 51 und 61 mit der Unterdrückungselektrode 3 an, so daß die Diffusions- und Versorgungsquellen 51 und 61 besser nicht außerhalb der Öffnung 5 freiliegen. Die Diffusions- und Versorgungsquellen 51 und 61 werden daher so ausgebildet, daß sie 300 μm oder mehr von der Spitze der Wolframnadel 2 entfernt sind.
Die Unterdrückungselektrode 3 wird an der vorgegebenen Stelle angeordnet und dann an der Wolframnadel 2 befestigt, die auf die oben beschriebene Art ausgebildet wurde, wodurch die Elektronenquelle vom Feldemissionstyp entsteht. Die auf diese Weise ausgebildete Elektronenquelle vom Feldemissionstyp wird an einer Elektronenkanone angebracht und auf 1800 K aufgeheizt, und es wird eine vorgegebene Extraktionsspannung daran angelegt, damit an der Spitze der Wolframnadel 2 das vorgegebene elektrische Feld entsteht. Im Ergebnis werden Elektronen emittiert, und die stabile Elektronenemission hält über 8000 Stunden an. Es gibt dabei keine Risse oder Abblätterungen an den Diffusions- und Versorgungsquellen 51 und 61.
Wenn die Elektronenquelle mit der Diffusions- und Versorgungsquelle der vorliegenden Ausführungsform bei einer Aufheiztemperatur von 1700 K verwendet wird, kann die minimale Dicke auf 6 μm festgelegt werden, und es wird eine extrem lange Lebensdauer von mehr als 10 Jahren erhalten.
Zweite Ausführungsform
Bei dieser Ausführungsform wird eine Ausbildung der Diffusions- und Versorgungsquelle beschrieben, die sich von der der ersten Ausführungsform unterscheidet.
Wenn eine Lösung, in der feine Zirconiumdioxidteilchen mit einem organischen Lösungsmittel vermischt sind, auf die gleiche Weise wie bei der ersten Ausführungsform mit einem Tropfer auf den seitlichen Außenabschnitt der Wolframnadel aufgebracht wird, wird wie in der 7 gezeigt bei der vorliegenden Ausführungsform die Wolframnadel 2 um ihre Achse gedreht, und gleichzeitig wird der Tropfer in der Axialrichtung der Wolframnadel 2 ausgelenkt, wodurch die Diffusions- und Versorgungsquelle 9 in Spiralform ausgebildet wird. Dabei kann das Auslenken des Tropfers derart erfolgen, daß eine minimale Dicke von 10 μm ohne Freiliegen der Wolframoberfläche erhalten wird, wozu zwischen benachbarten Windungen der Diffusions- und Versorgungsquelle 9 kein Abstand vorgesehen wird. Die Auslenkung kann jedoch auch so erfolgen, daß ein Abstand von 50 μm oder weniger erhalten wird. Danach erfolgt das Sintern im Vakuum.
Wie in der 8 gezeigt, kann auch eine Lösung in einer Linie längs der Axialrichtung der Wolframnadel 2 aufgebracht werden, und daneben kann eine weitere Linie aufgebracht werden und daneben wieder eine und so weiter, bis der seitliche Außenabschnitt der Wolframnadel 2 abgedeckt ist. Dabei kann ein Abstand von 50 μm oder weniger vorgesehen werden oder auch kein Abstand, wobei die Diffusions- und Versorgungsquellen 10 einander derart überlappen können, daß die minimale Dicke 10 μm beträgt.
Wie in der 9 gezeigt, kann auch eine Anzahl von bergförmigen Vorsprüngen ausgebildet werden. Hinsichtlich des Raums zwischen den Diffusions- und Versorgungsquellen 11 kann wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ein Abstand von 50 μm oder weniger vorgesehen werden, oder die Diffusions- und Versorgungsquellen 11 überlappen einander derart, daß die minimale Dicke 10 μm beträgt.
Zusätzlich zu den beschriebenen Formen gibt es auch noch andere Ausbildungsbeispiele. Es kann jede Form, etwa eine Ringform oder eine Streifenform, verwendet werden, wobei der gleiche Effekt erhalten wird, solange die Form innerhalb des Bereichs ausgebildet wird, der von der vorliegenden Erfindung vorgegeben wird.
Bezugszeichenliste

1, 51, 61: Diffusions- und Versorgungsquelle
2: Wolframnadel
3: Unterdrückungselektrode
4: Heizschlinge
5: Öffnung der Unterdrückungselektrode
6: Stift
7: isolierender Isolator
8: Diffusions- und Versorgungsquelle
9: Diffusions- und Versorgungsquelle
10: Diffusions- und Versorgungsquelle
11: Diffusions- und Versorgungsquelle

Claims

Elektronenquelle vom Feldemissionstyp mit einer Nadel, die durch Schärfen der Spitze eines stiftförmigen Wolfram-Einkristalls erhalten wird, an deren seitlichem Außenabschnitt als Diffusions- und Versorgungsquelle Zirconiumdioxid in einer vorgegebenen Dicke und in einer vorgegebenen Länge ausgebildet ist, wobei die Spitze die Kristallebene (100) enthält; mit einer Heizeinrichtung für die Nadel; und mit einer Unterdrückungselektrode, wobei die Elektronenquelle vom Feldemissionstyp durch Aufheizen der Nadel und Anlegen eines elektrischen Feldes an die Spitze der Nadel Elektronen emittiert, wobei bei einer Länge L der Diffusions- und Versorgungsquelle und einer maximalen Dicke t der Diffusions- und Versorgungsquelle t/L < 3/50 ist und die Dicke der Diffusions- und Versorgungsquelle im Bereich von größer oder gleich 10 μm liegt.
Elektronenquelle vom Feldemissionstyp nach Anspruch 1, mit einer oder mehreren Diffusions- und Versorgungsquellen mit einer Länge L von 500 μm oder mehr.
Elektronenquelle vom Feldemissionstyp nach Anspruch 1, wobei die maximale Dicke der Diffusions- und Versorgungsquelle 40 μm oder weniger beträgt.
Elektronenquelle vom Feldemissionstyp nach Anspruch 1, wobei die Diffusions- und Versorgungsquelle von einer Stelle, die 300 μm von der Spitze der Nadel entfernt ist, in der Richtung zur anderen Spitze der Nadel ausgebildet ist.
Elektronenquelle vom Feldemissionstyp nach Anspruch 1, wobei mehrere Diffusions- und Versorgungsquellen mit einer Länge von weniger als 500 μm miteinander verbunden sind, wobei der Abstand zwischen den verbundenen Diffusions- und Versorgungsquellen 50 μm oder weniger beträgt und der Querschnitt der Diffusions- und Versorgungsquellen die Form eines Vorsprungs mit einer maximalen Dicke t von 40 μm oder weniger hat.
Elektronenquelle vom Feldemissionstyp nach Anspruch 1, wobei mehrere Diffusions- und Versorgungsquellen miteinander verbunden sind, wobei die minimale Dicke der Diffusions- und Versorgungsquellen im Verbindungsabschnitt 10 μm oder mehr beträgt und der Querschnitt der Diffusions- und Versorgungsquellen die Form eines Vorsprungs mit einer maximalen Dicke t von 40 μm oder weniger hat.
Elektronenquelle vom Feldemissionstyp nach Anspruch 1, wobei mehrere Diffusions- und Versorgungsquellen am seitlichen Außenabschnitt der Nadel in Spiralform umeinander gewickelt sind, wobei der Abstand zwischen benachbarten Windungen der Diffusions- und Versorgungsquellen 50 μm oder weniger beträgt und der Querschnitt der Diffusions- und Versorgungsquellen die Form eines Vorsprungs mit einer maximalen Dicke t von 40 μm oder weniger hat.
Elektronenquelle vom Feldemissionstyp nach Anspruch 1, wobei mehrere Diffusions- und Versorgungsquellen in linearer Form mit einer Länge von 500 μm oder mehr am seitlichen Außenabschnitt der Nadel angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen benachbarten Diffusions- und Versorgungsquellen 50 μm oder weniger beträgt und der Querschnitt der Diffusions- und Versorgungsquellen die Form eines Vorsprungs mit einer maximalen Dicke von 40 μm oder weniger hat.
Elektronenquelle vom Feldemissionstyp nach Anspruch 1, wobei mehrere Diffusions- und Versorgungsquellen in linearer Form mit einer Länge von 500 μm oder mehr am seitlichen Außenabschnitt der Nadel angeordnet sind, wobei die minimale Dicke der benachbarten Diffusions- und Versorgungsquellen 10 μm oder mehr beträgt und der Querschnitt der Diffusions- und Versorgungsquellen die Form eines Vorsprungs mit einer maximalen Dicke von 40 μm oder weniger hat.
Elektronenquelle vom Feldemissionstyp nach Anspruch 1, wobei mehrere Diffusions- und Versorgungsquellen am seitlichen Außenabschnitt der Nadel angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen den dichten Diffusions- und Versorgungsquellen 50 μm oder weniger beträgt und der Querschnitt der Diffusions- und Versorgungsquellen die Form eines Vorsprungs und Berges mit einer maximalen Dicke von 40 μm oder weniger hat.