DE2345096A1 - METHOD OF MANUFACTURING A FIELD EMISSION CATODE - Google Patents

METHOD OF MANUFACTURING A FIELD EMISSION CATODE

Info

Publication number
DE2345096A1
DE2345096A1 DE19732345096 DE2345096A DE2345096A1 DE 2345096 A1 DE2345096 A1 DE 2345096A1 DE 19732345096 DE19732345096 DE 19732345096 DE 2345096 A DE2345096 A DE 2345096A DE 2345096 A1 DE2345096 A1 DE 2345096A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
tip
wire
current
temperature
metal wire
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE19732345096
Other languages
German (de)
Inventor
Lynwood W Swanson
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linfield Research Institute
Original Assignee
Linfield Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linfield Research Institute filed Critical Linfield Research Institute
Publication of DE2345096A1 publication Critical patent/DE2345096A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02Details
    • H01J37/04Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H01J37/06Electron sources; Electron guns
    • H01J37/073Electron guns using field emission, photo emission, or secondary emission electron sources
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J9/00Apparatus or processes specially adapted for the manufacture, installation, removal, maintenance of electric discharge tubes, discharge lamps, or parts thereof; Recovery of material from discharge tubes or lamps
    • H01J9/02Manufacture of electrodes or electrode systems
    • H01J9/022Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes
    • H01J9/025Manufacture of electrodes or electrode systems of cold cathodes of field emission cathodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06Sources
    • H01J2237/063Electron sources
    • H01J2237/06308Thermionic sources
    • H01J2237/06316Schottky emission

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Cold Cathode And The Manufacture (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Cathode-Ray Tubes And Fluorescent Screens For Display (AREA)

Description

- 519- 519

Linfield Research Institute, Mc Minnville, Oregon, U.S.A.Linfield Research Institute, Mc Minnville, Oregon, U.S.A.

Verfahren zur Herstellung einer FeldemissionskeitodeMethod of making a field emission code

Die Erfindung betrifft "ein Verfahren zur Herstellung einer Feldemissionskatode aus einem Metalldraht und zur Nachformung derselben nach Betrieb.The invention relates to "a method for producing a Field emission cathode made of a metal wire and for reshaping the same after operation.

Der Bedarf nach Elektronenquellen, welche dazu fähig sind, einen fein fokussierten Elektronenstrahl mit einer stabilen und hohen Stromdichte zu erzeugen, wäehst ständig mit der weiteren Verbreitung und Verfeinerung solcher Elektronenstrahlanwendungen wie Tastelektronenmikroskope, Elektronenabtasteinrichtungen, Einrichtungen zur Herstellung von Masken für intregierte Schaltungen, Computerspeichereinrichtungen mit Elektronenstrahlzugriff oder dergl. Demgemäss haben Feldemissionskatoden aufgrund ihrer hohen Stromdichten, welche viel grosser sind als die bei thermionischen Katoden oder Glühkatoden erreichbaren Stromdichten, ein erhöhtes Interesse gefunden. Ferner kann bei einer Feldemissionskatode die schein-The need for electron sources that are capable of a finely focused electron beam with a stable and generating high current density is constantly growing as such electron beam applications become more widespread and refined such as scanning electron microscopes, electron scanning devices, Devices for the production of masks for integrated circuits, computer storage devices with Electron beam access or the like. Accordingly, have field emission cathodes due to their high current densities, which are much greater than those of thermionic cathodes or Hot cathodes achievable current densities, found an increased interest. Furthermore, in the case of a field emission cathode, the apparent

A098U/0867A098U / 0867

bare Elektronenquelle wesentlich kleiner sein, so dass es möglich ist, den Elektronenstrahl in einen entsprechend kleineren Punkt zu fokussieren, ohne dass aufwendige zusätzliche Geräte zur Fokussierung oder Verkleinerung erforderlich sind. Bisher haben jedoch die Feldemissionskatoden keine praktische Anwendung gefunden, da sie recht instabil sind und die Lebensdauer der Katoden unter praktischen Vacuum— bedingungen stark beschränkt ist. Ferner tritt bei praktischen Vacuuabedingungen ein unerwünscht hohes Flicker— rauschen auf, wenn Feldernissionskatoden bei Zimmertemperatur betrieben werden.bare electron source can be much smaller, so that it is possible to use the electron beam accordingly focus smaller point without consuming additional Devices for focusing or zooming are required. So far, however, the field emission cathodes found no practical application, since they are quite unstable and the service life of the cathodes under practical vacuum- conditions is very limited. Furthermore, under practical vacuum conditions, an undesirably high level of flicker occurs. noise when field emission cathodes are at room temperature operate.

Man hat daher die Anwendbarkeit erhitzter Feldemissionskatoden zur Erhöhung der Katodenlebensdauer bei weniger drastischen Vacuurawerten erwogen, wobei theoretisch auch die Stromdichte erhöht werden sollte und andere Charakteristika des Elektronenstrahls verbessert werden sollten. Die erwarteten Verbesserungen der thermischen Feldemissionskatode beruhen auf der Möglichkeit, die Oberflächenspannung mit der durch das elektrische Feld hervorgerufenen mechanischen Spannung ddrart ins Gleichgewicht zu bringen, dass die Katodenspitze zu einer für die Emission besseren Gestalt verformt wird, d.h. zu einer sehr scharfen Spitze. Es wurde jedoch festgestellt, dass bei Herstellung und Verwendung einer derartigen thermischen Feldemissionskatode bestimmte unerwünschte Effekte auftreten. Eine nennenswerte Emission kann nur dann erzielt werden,One therefore has the applicability of heated field emission cathodes to increase the cathode life with less drastic ones Vacuura values were considered, theoretically increasing the current density and other characteristics of the electron beam should be improved. The expected improvements are based on the thermal field emission cathode on the possibility of the surface tension with the mechanical tension caused by the electric field ddrart to equilibrate so that the cathode tip is deformed into a better shape for emission, i.e. to a very sharp point. However, it was found that in the manufacture and use of such a thermal Field emission cathode certain undesirable effects occur. A significant emission can only be achieved if

4098 U/08674098 U / 0867

wenn das elektrische Feld über den Gleichgewichtswert hinaus erhöht wird.when the electric field is above the equilibrium value addition is increased.

Venn jedoch dieser Wert überschritten wird, so ändert sich die Geometrie der Emitterspitze in ungeordneter Veise mit der Zeit, was Stromfluktuationen zur Folge hat.However, if this value is exceeded, it changes the geometry of the emitter tip in a disordered manner the time, which results in current fluctuations.

Änderungen der Emittergeometrie führen ferner zu einer drastischen Änderung der räumlichen Emissions verteilung, was vom Gesichtspunkt einer feinen Fokussierung nicht tolerierbar ist. Somit haben die thermischen Feldemissionskatoden keine praktische Anwendung gefunden, obwohl sie theoretisch zahlreiche Vorteile bieten würden. Es wurde allgemein angenommen, dass eine Endform der Katodenspitze, welche eine hohe Stromdichte und einen schmalen Elektronenstrahlwinkel erlaubt, nicht in einen Gleichgewichtszustand unter Verhinderung weiterer geometrischer Änderungen gebracht werden kann. Ferner bestand die Notwendigkeit, bei extrem niedrigen Drucken zu arbeiten, wodurch die Anwendung umständlich war und teure periphere Einrichtungen erforderlich waren.Changes in the emitter geometry also lead to a drastic one Change in the spatial emission distribution, which is intolerable from the point of view of fine focusing. Thus, the thermal field emission cathodes have found no practical application, although theoretically they are numerous Would offer advantages. It was generally believed that a final shape of the cathode tip exhibiting a high current density and allows a narrow electron beam angle not to be in an equilibrium state preventing further geometric changes can be brought. There was also a need for extremely low pressures to work, making it cumbersome to use and requiring expensive peripheral equipment.

Nichts desto trotz treten während eines Betriebs einer thermischen Feldemissionskatode zwei zusätzliche wesentliche Vorteile in Verbindung mit den zuvor erwähnten Vorteilen ein,und diese Erkenntnis hat Anlass gegeben, die thermischen Feldemissions— katoden als Elektronenstrahlquellen weiter zu untersuchen. Zunächst ist es möglich, Restgase an der Emitterfläche, welche unerwünschte Stromverminderungen bewirken, sowie unerwünschtesNevertheless, occur during an operation of a thermal Field emission cathode has two additional major advantages in conjunction with the aforementioned advantages, and these Knowledge has given rise to the thermal field emission further investigate cathodes as electron beam sources. First of all, it is possible to remove residual gases from the emitter surface cause undesirable current reductions, as well as undesirable

40981 4/086740981 4/0867

Rauseben au eliminieren. Dies geschieht durch thermische Desorption. Zweitens ist es möglich, mikroskopische überflächenrauhigkeiten aufgrund von Ionenbombardierungen, welche eine Instabilität der Oberflächendichte und der räumlichen Verteilung bewirken, zu verhindern, da die Hikrorauhigkeiten aufgrund der Oberflächenspannung der erhitzten Katode unmittelbar wieder geglättet werden.Just out au eliminate. This is done through thermal desorption. Second, it is possible to prevent microscopic surface roughness due to ion bombardment, which causes instability of the surface density and spatial distribution, since the micro-roughness due to the surface tension of the heated cathode is immediately smoothed again.

Somit ist es aufgäbe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Feldemissionskatode und zur Nachformung derselben nach Betrieb zu schaffen, welche bei stabilem Betrieb aufgrund eines kleinenSpitzenradiua eine hohe Stromdichte erlaubt, eine stabile geometrische Konfiguration und eine extrem lange Lebensdauer bei gemässigtem Vacuum hat und einen äusserst fein fokussierbaren Elektronenstrahl erzeugt.It is therefore an object of the invention to provide a method of production a field emission cathode and to reshape the same after operation to create which in stable operation due to a small tip radius allows a high current density, a stable geometric configuration and a has an extremely long service life in a moderate vacuum and generates an extremely finely focusable electron beam.

Diese Aufgabe wird erfindungsgetnäss dadurch gelöst, dass man unter VacuumThis object is achieved according to the invention in that one under vacuum

(a) einen si oo) -orientierten Metalldraht auf eine Temperatur erhitzt, bei der Verunreinigungen aus dem Draht entfernt werden, und dass man(a) a si oo) -oriented metal wire to a temperature heated, during which impurities are removed from the wire, and that one

(b) ein elektrisches Potential an den Draht anlegt, so dass ein Mindestgesatntstrom einsetzt, und dass(b) applying an electrical potential to the wire so that a minimum total current is used, and that

(c) der Strom unter Aufbau der £100/—Ebenen zu einer feinen Spitze aufrecht erhalten wird, bis Stromstabilisierung eintritt,(c) The current building the £ 100 / - levels to a fine one Peak is maintained until current stabilization occurs,

wobei die Stufen (a) und (b) gleichzeitig oder in umgekehrter Reihenfolge vorgenommen werden können.wherein steps (a) and (b) can be carried out simultaneously or in reverse order.

4098U/08674098U / 0867

Erfindungsgemäss wird zum ersten Mal ein erfolgreicher /ioo7-Peldaufbau der Katodenspitze erreicht. Man erzielt Spitzen mit äusserst kleinem Radius und äusserst stabiler Konfiguration. Die Lebensdauer ist extrem lang, selbst wenn man bei weniger drastischen Vacuumwerten, verglichen mit herkömmlichen Verfahren, arbeitet. Der durch die Kathode gebildete Elektronenstrahl ist fein fokussiert und hat eine äusserst grosse Stromdichte, und insbesondere kann dieser Elektronenstrahl durch einfache elektrostatische oder magnetische Linsenexnrxchtungen zu einem feinen Punkt fokussiert werden. Die Katode wird aus einem Material mit einer raumzentrierten kubischen Kristallstruktur, wie Wolfram oder Molybdän oder dergl.,aufgebaut, wobei in axialer Richtung eine <"1oo)>-Orientierung (Miller Indizes) vorliegt. Die erwähnten Eigenschaften werden zuverlässig und reproduzierbar bei erhöhter Temperatur erzielt. V/eder sind extreme Temperaturen noch extreme Vacuumwerte erforderlich, so dass das Verfahren wirtschaftlich durchgeführt werden kann. Man kann mit verschiedenen Gleichströmen oder pulsierten Strömen arbeiten.According to the invention, a successful / ioo7 panel structure is used for the first time reached the cathode tip. Tips with an extremely small radius and an extremely stable configuration are achieved. The lifespan is extremely long, even if you use less drastic vacuum values compared to conventional ones Procedure, works. The electron beam formed by the cathode is finely focused and has an extremely high current density, and in particular, this electron beam can be controlled by simple electrostatic or magnetic lens adjustments be focused to a fine point. The cathode is made of a material with a body-centered cubic crystal structure, such as tungsten or molybdenum or the like in the axial direction a <"1oo)> - orientation (Miller indices) is present. The mentioned properties will be reliable and reproducibly achieved at elevated temperature. Either extreme temperatures or extreme vacuum values are required, see above that the process can be carried out economically. You can work with different direct currents or pulsed currents.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigenIn the following the invention is explained in more detail with reference to drawings. Show it

Figur 1 ein allgemein gehaltenes Fließdiagramui des erfindungsgemässen Verfahrens;Figure 1 is a general flow diagram of the inventive Procedure;

Figur 2 einen raumzentrxerten kubischen Kristall mit Miller, Indizes;Figure 2 with a space-centered cubic crystal Miller, indices;

A098U/0867A098U / 0867

Figur 3 eine stark vergrösserte Ansicht einer Emitterspitze vor Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens;FIG. 3 shows a greatly enlarged view of an emitter tip before carrying out the method according to the invention;

Figur k eine gesamte Haarnadelkatodenstrnktur mit der
Feldemissionsspitze;
Figure k shows an entire hairpin cathode structure with the
Field emission tip;

Figur 5 eine Katodenspitze gemäss Figur 3 nach dem Erhitzen;FIG. 5 shows a cathode tip according to FIG. 3 after heating;

Figur 6 die Katodenspitze gemäss Figur 5 nach dem erfindun^s— geuiässen Feldauf hau;FIG. 6 shows the cathode tip according to FIG. 5 according to the invention outside field;

Figur 7 einen Teil der Katodenspitze gemäss Figur 6,
welcher oberhalb der Ebene 7-7 liegt, in stilisierter Form;
FIG. 7 shows part of the cathode tip according to FIG. 6,
which is above level 7-7, in stylized form;

Figur 0 eine schetuatische Darstellung eines Abtastelektronentnikroskops für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens;FIG. 0 shows a schematic representation of a scanning electron microscope for carrying out the method according to the invention;

Figur 9 ein detailliertes Fließbild zur Veranschaulichung des erf indungsgeuiässen Verfahrens.FIG. 9 shows a detailed flow diagram for illustration of the process according to the invention.

Thermische Feldemissionskatoden werden aus einem Einkristalldraht mit <1 oo)-Orientierung hergestellt. Dies bedeutet, dass die kristallographische Ausrichtung dor Kubusfläche der Ein — kristalleinheitszelle senkrecht zur Achse des Drahtes liegt. Die 1Ci oo^-orientierten Drähte haben genauer gesprochen gem.
der Miller-Indexbe.seichnung die Ebenen (loo), (o1o) oder (ooi) in Richtung der Drahtlänge. Solche -^1 oo) -orientierten Drähte aus Wolfram oder ähnlichem Metall können durch Zonenschmelzverfahren hergestellt werden.
Thermal field emission cathodes are made from a single crystal wire with <1 oo) orientation. This means that the crystallographic alignment of the cube surface of the single crystal unit cell is perpendicular to the axis of the wire. The 1 Ci oo ^ -oriented wires have spoken more precisely according to.
the Miller index designation the levels (loo), (o1o) or (ooi) in the direction of the wire length. Such - ^ 1 oo) -oriented wires made of tungsten or similar metal can be produced by zone melting processes.

409814/0867409814/0867

23450982345098

Zum vollen Verständnis der Erfindung ist eine gewisse Kenntnis der Miller-Indexbezeichnung erforderlich., da diese Dezeichnungsweise zur Charakterisierung von raumzentrierten kubischen Kristallstrukturen wie Wolfram-Kristallen oder Molybdän-Kristallen verwendet wird. Zu diesem Zweck soll die raumzentrierte kubische Struktur der Figur 2 erläutert werden, Die Elementarzelle 1 umfasst neun Atome, acht Atome (3, 4, 5» ü, 9> lo, 11, 12) befinden sich an den Ecken des Kubus und das neunte Atom (2) befindet sich im Zentrum des Kubus. Zur Ableitung der Miller Indizes wird eine Linie zwischen zwei vertikal ausgerichteten Atomen gezogen und als Y-Achse bezeichnet. Ferner wird eine Linie zwischen zwei horizontal ausgerichteten Atomen gezogen und als X-Achse bezeichnet und schliesslich wird eine Linie zwischen zwei horizontal ausgerichteten Atomen gezogen, welche im rechten Winkel zur X-Achse und zur Y-Achse verläuft,und mit Z-Achse bezeichnet. Die drei Achsen kreuzen sich z.B. bei dein Kubus gem. Figur 2 in Atom k. For a full understanding of the invention, a certain knowledge of the Miller index designation is required, since this method of drawing is used to characterize body-centered cubic crystal structures such as tungsten crystals or molybdenum crystals. For this purpose, the body-centered cubic structure of FIG. 2 is to be explained. The unit cell 1 comprises nine atoms, eight atoms (3, 4, 5 »ü, 9> lo, 11, 12) are located at the corners of the cube and the ninth Atom (2) is in the center of the cube. To derive the Miller indices, a line is drawn between two vertically aligned atoms and designated as the Y-axis. Furthermore, a line is drawn between two horizontally oriented atoms and is designated as the X-axis and finally a line is drawn between two horizontally oriented atoms, which runs at right angles to the X-axis and the Y-axis and is designated as the Z-axis. The three axes intersect, for example, in your cube according to Figure 2 in atom k.

Ebenen, welche durch die kubische Struktur hindurchverlaufen, können durch dreistellige Zahlen gekennzeichnet werden. Die erste Zah.1 bezeichnet die Position des Kubus, an welcher die Ebene die X-Achse durchschneidet. Die zweite Zahl bezeichnet die Stelle, an der die Y-Achse durchschnitten wird, und die dritte Zahl bezeichnet die Stelle, an der die Z-Achse durchschnitten wird. Somit durchschneidet gem. Figur 2 die (ioo)-Ebene die X-Achse an der Stelle 1 und umfasst vier Atome.Planes that run through the cubic structure, can be identified by three-digit numbers. The first number 1 denotes the position of the cube where the Plane cuts through the X-axis. The second number indicates the point where the Y-axis is intersected and the third number indicates the point at which the Z-axis is intersected. Thus, according to FIG. 2, the (ioo) plane cuts through the x-axis at position 1 and includes four atoms.

40981 4/086740981 4/0867

23450982345098

")lche eine ..-exte des ii^.'jua bilden, während sowohl die Y-Achse als auch die Z-Achse nicht durchschnitten werden. In ähnlicher ueise kreuzt die Ebene (oio)nur die if-Achse und die Ebene (ooi) nur die Z— Ach.se. Die Bezeichnung dieser Ebenen ist lediglich eine Sache der Nomenklatur, so dass man die Ebenen (loo), (o1o) und (ooi) als die Familie der Jj oo] -Ebenen bezeichnen kann.") lche form a ..- exte of ii ^. 'jua, while both the Y-axis as well as the Z-axis are not intersected. Similarly, the plane (oio) only crosses the if axis and the plane (ooi) only the Z-axis. The name of this Levels is just a matter of nomenclature, so one can use the levels (loo), (o1o) and (ooi) as the family which can denote Jj oo] -planes.

Jede beliebige Ebene, welche durch die Elementarzelle eins verläuft, kann geuiäss den Miller'sehen Indizes bezeichnet werden, indem man den Abstand zwischen zwei benachbarten Atomen entlang den drei Bezugsachsen in Inkremente unterteilt. Beispielsweise befindet sich das Atom 3 auf der X-Achse in "(1)"-Position. Die X-Achse verläuft ebenfalls durch das Atom k. Zwischen diesen beiden Atomen sind Zwischenpositionen "(2)" und "(3)" im Abstand voneinander vorgesehen, und zwar an der Stelle des halben Abstandes zur "(1)"-Position und an der Stelle, welche ein Drittel des Abstandes zur "(1)"-Position bezeichnet. Ähnliche Bezeichnungen sind für die Positionen zwischen den Atomen h und 5 auf der Y-Achse und zwischen den Atomen k und 6 auf der X-Achse vorgesehen. Somit verläuft eine (i12)-Ebene durch das Atom auf der X-Achse, durch das Atom 5 auf der Y-Achse und durch die Position "(2)" zwischen Atom k und Atom 6 auf der Z-Achse. Diese durch die Elementarzelle eins verlaufende Ebene (112) ist in Figur 2 allgemein durch die Linien 7&t 7^ u°d 7° dargestellt .Any plane that passes through unit cell one can be designated using the Miller indices by dividing the distance between two adjacent atoms along the three reference axes into increments. For example, the atom 3 is in the "(1)" position on the X axis. The X-axis also runs through the atom k. Between these two atoms intermediate positions "(2)" and "(3)" are provided at a distance from each other, namely at the point of half the distance to the "(1)" position and at the point which is a third of the distance to the " (1) "position. Similar designations are provided for the positions between atoms h and 5 on the Y-axis and between atoms k and 6 on the X-axis. Thus an (i12) -plane runs through the atom on the X-axis, through the atom 5 on the Y-axis and through the position "(2)" between atom k and atom 6 on the Z-axis. This plane (112) running through unit cell one is shown generally in FIG. 2 by the lines 7 & t 7 ^ u ° d 7 °.

4098H/08674098H / 0867

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

Im folgenden sei ein weiteres Beispiel angegeben. Eine (31o)-Ebene verläuft durch die Position "(3)" zwischen den Atomen 3 und h und durch, das Atom 5» die Z—Achse wird jedoch nicht geschnitten. Diese Ebene, welche parallel zur Z—Achse verläuft, ist in Figur 2 durch die Linien 8a, 8b, oc und Gd bezeichnet. Andere Ebenen durch die Slementarzelle des raumzentrierten Kristallkubus werden in analoger Weise durch Miller Indizes bezeichnet.Another example is given below. A (31o) -plane runs through the position "(3)" between the atoms 3 and h and through, but the atom 5 »the Z axis is not intersected. This plane, which runs parallel to the Z axis, is denoted in FIG. 2 by the lines 8a, 8b, oc and Gd. Other planes through the slement cell of the body-centered crystal cube are denoted in an analogous manner by Miller indices.

Theoretische und empirische Untersuchungen über die Anwendung von Feldemissionskatoden aeigen, dass für einen Katodenpunkt die folgende Beziehung gilt:Theoretical and empirical studies on the application of field emission cathodes aeigen that for a cathode point the following relationship applies:

E = ßV (1).E = βV (1).

In dieser Gleichung bedeutet der Faktur ß den reziproken u'ert des Fünffachen des effektiven Spitzenradius r der Katode. Das Symbol V bezeichnet die Anodenspannung und E bezeichnet die elektrische Feldstärke an der Emissionsfläche. Die Stromdichte, welche bei Zimmertemperatur bei einem gegebenen Krümmungsradius von der Katode ausgehen kann, wird nach folgender Gleichung berechnet:In this equation, the factor ß means the reciprocal value of five times the effective tip radius r of the cathode. The symbol V denotes the anode voltage and E denotes the electric field strength at the emission surface. The current density at room temperature for a given The radius of curvature that can originate from the cathode is calculated using the following equation:

J = aE2 exp Q-B φ 3//2/eJ , (2).J = aE 2 exp QB φ 3 // 2 / eJ, (2).

In dieser Gleichung bedeutet J die Stromdichte in Ampere iuadratzentimeter, E die Intensität des elektrischen Feldes an der Spitze, ausgedrückt in Volt pro Zentimeter, Jj die Arbeitsfunktion des Spitzenmaterials in Elektronenvolt, 13 eineIn this equation, J is the current density in amperes and E is the intensity of the electric field at the top, expressed in volts per centimeter, Jj is the work function of the tip material in electron volts, 13 one

40981 A/0867 '40981 A / 0867 '

Konstante gleich 6,o3 x 10 in den obigen Einheiten und a eine Funktion von (P(a = 3,5 χ 1 O~' A/V , wobei für Wolfram = k,5 eV gilt).Constant equal to 6, o3 x 10 in the above units and a a function of (P (a = 3.5 χ 1 O ~ 'A / V, where for tungsten = k, 5 eV).

Es wird ein größtmögliches Stromdichteniaxiinutn angestrebt. Dieses Stromdichtemaxirnum ist durch die relative Stumpfheit der Spitze begrenzt. Je geringer der effektive Spitzenradius r ist, um so grosser ist die Stromdichte, solange alle anderen Faktoren gleich bleiben.The greatest possible current density axis is aimed for. This current density maximum is due to the relative dullness limited to the top. The smaller the effective tip radius r, the greater the current density, as long as all the others Factors stay the same.

Das beste bekannte Verfahren zur Herstellung einer Feld — emissionskatode mit einer facettierten Gestalt besteht darin, dass man zunächst devi UoIfram-Draht mikropoliert und zur Gestalt gemäss Figur 3 ät::t. Der effektive Spitzenradius im Bereich von 3oo_l - 3ooo ^- "wird dadurch erreicht, dass man die Spitze erhitzt, worauf diese unter dem Einfluss der Ouerflächenspannung abgerundet und geglättet wird. Die Spitze nach dem AbrundungsVorgang ist in Figur 3 dargestellt, wobei der Buchstabe "r" den effektiven Spitzenradius bezeichnet.The best known method of making a field emission cathode with a faceted shape is to that first devi UoIfram wire is micropolished and shaped according to Figure 3 at :: t. The effective tip radius in Range from 3oo_l - 3ooo ^ - "is achieved by the tip heated, whereupon this under the influence of the Surface tension is rounded off and smoothed. The tip after the rounding process is shown in Figure 3, wherein the letter "r" denotes the effective tip radius.

•;renn die ßraissionsspitvie einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, so beginnt die Emission in Bereichen geringer Arbeitsfunktion (oder hohem i3—Vert) des Emitters. Gewöhnlich hält sich die Euission innerhalb eines Gasatntwinkelbereichs von etwa 60 uui den Scheitelpunkt der Emitterflache herum. Uli den Aufbau der Emitterflache zu initiieren uiuss die ßniitter-Le.pjeratur genügend erhüht werden, dawib die Überfläche beweglich wird. Die elektrostatische Kraft des elektrischen Feldes be—•; r hen the ßraissionsspitvie subjected to an electric field, the emission starts in areas a low work function (or high-Vert i3) of the emitter. The emission usually stays within a gas angle range of about 60 uui around the apex of the emitter surface. To initiate the build-up of the emitter surface the ßniitter-Le.pjerature must be increased sufficiently that the surface becomes mobile. The electrostatic force of the electric field is

409814/0867409814/0867

wirkt eine Wanderung der Oberflächenatooe zuia !-/niitterscheitel, wodurch der Enitter aufgebaut wird.acts a migration of the surface atooe zuia! - / niitterscheitel, whereby the enitter is built up.

Die Feldstärke, bei welcher ein Gleichgewicht bestellt z~:i— sehen der Oberflächenspannung, welche zur Abrundung der Spitze führt, und der elektrostatischen -u:if baukraf t, welche zur Bildung einer Spitze führt, ist durch folgende Beziehung gegeben: Z ~ the field strength at which a balance ordered: see i- of the surface tension which results in the rounding of the tip, and the electrostatic -u: if baukraf t, which leads to the formation of a peak, is given by the following relationship:

1/2 (3),1/2 (3),

wobei V die Oberflächenspannung bedeutet. Diese beträgt für i-olfram bei 2ooo K etwa 29oo dyn/crn. Ein Gleichgewichts zustand wird bei E„ erreicht, jedoch ist eine Mindestfeldstärkewhere V is the surface tension. For i-olfram at 2ooo K this is about 29oo dynes / cm. A state of equilibrium is reached at E ", but there is a minimum field strength

'7
von 4 χ 10 V/cui erforderlich, um bei der Kontrolle eine eben noch brauchbare Emission zu erzielen. Somit ergibt sich aus Gleichung (3)» dass r einen Wert von etwa υοο^ nicht übersteigen darf. Sotnit hat diese Methode (nämlich im Gleichgewichtspunkt zu arbeiten, bei deu die J^ittergestalt geu. 2"igur 5 beibehalten wird) eine definitive Begrenzung, welche darin besteht, dass die Stromdichte, welche vor der grundlegenden geometrischen Deformation der Spitze (mit einer entsprechenden drastischen Änderung des örtlichen Radius r) erzielt werden kann, strikt auf einen Wert begrenzt ist, welcher um mehrere Grössenordnungen unterhalb dem erwünschten oder in den ineisten Fällen brauchbaren \7ert liegt. Ferner muss bemerkt werden, dass das elektrische Feld über dem Enritterbereich
'7
of 4 χ 10 V / cui is required in order to achieve a just usable emission during the control. It follows from equation (3) »that r must not exceed a value of about υοο ^. Sotnit has this method (namely to work in the equilibrium point, in which the jitter shape geu. 2 "igur 5 is retained) a definite limitation, which consists in the fact that the current density, which before the fundamental geometrical deformation of the tip (with a corresponding drastic change of the local radius r) can be achieved, is strictly limited to a value which is several orders of magnitude below the desired or in most cases usable \ 7ert

409814/0867409814/0867

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

- i'd- - i'd-

niello." gleichf ürmi-j; ist, so dasb i'iio lledingunfi der Gleichung (*3) nur in eitw.,: lokalen Bereich der ,>i.,issionsi'i;'.clie erfüllt ist. Dies rührt ^u einem im allgeij&iuon instabilen geometri— «ehe■■ Zuptauü, mit Ausnahme der <ioo>-Aufbaumethode.niello. "is equal to ürmi-j; so that i'iio lledingunfi of the equation (* 3) only in eitw.,: local area of the,> i., issionsi'i;'. clie is fulfilled a generally unstable geometri— «before Zuptauü, with the exception of the <ioo> construction method.

Es i.^t beka-.ηΐ, dass das Erhitzen einer· Feldetnissionskatode, welche zuvor auf die Gestalt gem. Figur 3 gebracht wurde, in Gegenwart eines Elektrischen Feldes von etwa k-2 '10 V/cm (d.h. unterhall; des Gleiclycrichtswertes) hu einem Aufbau der lii'iiss ioiisf läclie über Oberfläciienwanderungen an der opitze führt. Danach kann der Emitter in stabiler Weise bei Zimmertemperatur betrieben werden, vorausgesetzt dass ein genügend grosses Vacuum aufrecht erhalten wird.It i ^ t beka-.ηΐ that heating a · Feldetnissionskatode which has been previously placed according to the shape of Figure 3, in the presence of an electric field of about 2 k-'10 V / cm (that is, under hall;.. The Gleiclycrichtswertes ) hu a structure of the lii'iiss ioiisf läclie leads over surface migrations on the opitze. Thereafter, the emitter can be operated in a stable manner at room temperature, provided that a sufficiently large vacuum is maintained.

Die Methode der Herstellung eines aufgebauten Feldemitters und des Betriebs bei Zimmertemperatur (einschl. der damit verbundenen Beschränkungen) ist in einem Artikel von A.V. Grewe, D. N. Eggenberger, J.Wall und L,M. Welter in "The Ileview of Scientific Instruments", Bd. 39, 57'0-5o3, April 19G.J, unter dem Titel "Electron Gun Using a. Field Emission .-Source" abgehandelt.The method of producing a built-up field emitter and operating it at room temperature (including the associated restrictions) is described in an article by AV Grewe, DN Eggenberger, J.Wall and L, M. Welter in "The Ileview of Scientific Instruments", Vol. 39, 57'0-5o3, April 19G.J, under the title "Electron Gun Using a. Field Emission. Source" dealt with.

Der Ausdruck "Aufbau" (Build-up) bezeichnet ein Verfahren, bei dem in der Oberfläche wandernde Atome durch eine von aussen angewandte elektrostatische Kraft in Bereiche geringerer Energie gerichtet werden, was zu einem seitlichenThe term "build-up" refers to a process in which atoms migrating in the surface are replaced by one of externally applied electrostatic force can be directed into areas of lower energy, resulting in a lateral

A098U/0867A098U / 0867

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

Wachstum von Ebenen mit niedrigen Ililler Indices führt und somit iiur Entwicklung grosser Facetten. Hinsichtlich einer umfassenden Diskussion der mit dein "Aufbau und dem Facettieren zusammenhängenden Phänomene sei auf einen Artikel von P.C. Bettler und F. M. Charbonuier, "The Physical Ueviev/" , ISd . i ι j1, Nr. 1 , υ.5-93» I.Juli I9'~o» u'.tec dem Titel " ictivation ßoergy for the Surface Migration of Tungsten in the Presence of a High-Electric Field" verwiesen.Growth of levels with low Ililler indices leads to the development of large facets. For a comprehensive discussion of the phenomena associated with your "structure and faceting", refer to an article by PC Bettler and FM Charbonuier, "The Physical Ueviev /", ISd. I ι j 1 , No. 1, υ.5-93 »I July 19 '~ o »u'.tec referred to the title" ictivation ßoergy for the Surface Migration of Tungsten in the Presence of a High-Electric Field ".

Verschiedene Arten des bpit:*enaufbaues und des Facettierens wurden bei V/olf rarn-Katoden beobachtet. Kin aufbau findet statt, wenn successive kleiner'e sich überlappende Ebenen sich nach auswärts von der iimittersnitze erstrecken. jJin solcher Aufbau ist notwendigerweise mit einer Facettierung anderer Ebenen, welche die Seiten des aufgebauten Zwitters darstellen, verbunden. Bei einer beobachteten Aufbauweise entstehen starke Ewissionsstellen an l112j-Flächen aufgrund einer Facettierung der jj1q}-und |j ooj -Ebenen. Eine andere Aufbauart führt -zu starker iSmission von £5lol -Ebenen, wobei gleichzeitig eine Facettierung der Π ob] , |~11 2j und [^l 1 oj Ebenen stattfindet.Different types of bpit build-up and faceting have been observed in V / olfarn cathodes. Construction takes place as successively smaller overlapping planes extend outward from the imitter slot. Such a construction is necessarily connected with faceting of other planes which represent the sides of the constructed hermaphrodite. In an observed build strong way Ewissionsstellen arise at l 112j surfaces due to faceting of jj1q} -and | j O oj planes. Another Body leads -to strong iSmission of £ 5lol planes at the same time a faceting of the Π whether] | ~ 11 2j and [^ l 1 takes place oj levels.

Eine weitere und sehr wichtige Art und v/eise des Aufbaues bewirkt starke Emissionsstorungen an den [Ίοοΐ-Ebenen durch Facettierung der Ebenen 1.11ο] , j_1 Ί2] und jlo\ . Die bei weitem stärkste Verringerung des effektiven örtlichen Spitzenradius r und damit die grösste Verbesserung der Strahlwinkelbegreo^ungAnother and very important type of structure causes strong emission disturbances at the [Ίοοΐ levels by faceting levels 1.11ο], j_1 Ί2] and jlo \. By far the greatest reduction in the effective local tip radius r and thus the greatest improvement in the beam angle control

409814/0867 · EADOBGINAL 409814/0867 EADOBGINAL

tritt bei einem ^ loo^-iu f bau bei {'( oo^—orientiertem Draht auf, da der primüre vufbau entlang der Emitterachse unter Ausbildung einer Pyramide, auf der ΓΪ od] -Ebene stattfindet. Nur die äusserst kleine Spiti-e der Pyramide wirkt als primäre Eu-issionsotelle, da andere <1 oo7-Auf bausteilen von der Scheitel ^1oo^- auf baustelle um 9o winkeluiässig getrennt sind. Die .Abnahme des elektrischen Feldes mit einem Scheitelwinkel von 9o reicht aus, um eine wesentliche Emission von den 9o ( ! oo) — .iufliaus teilen au verhindern. Im Gegensat;; dazu resultieren andere _αιΓ huuendforiüen in einer Vielzahl von Siiiissionsstellen innerhalb einer iiinkelverte ilung, ■■./eiche genügend nahe an der Longitudinal-Achse des Emitters liegt, i.i-:i eine wesentliche E ission von allen leiten xu erlauben. Dies führt ,u einer iD"!ission in einen breiten v/inkel.occurs in a ^ loo ^ -iu f construction with {'(oo ^ -oriented wire, since the primary build-up takes place along the emitter axis with the formation of a pyramid, on the ΓΪ od] level. Only the extremely small spit of the The pyramid acts as the primary eu-issionotelle, since other <1 oo7 structural parts are angularly separated from the vertex ^ 1oo ^ - on the construction site by 9o. The decrease in the electric field with a vertex angle of 9o is sufficient to generate a substantial emission of the 9o (oo!) -.. .iufliaus share au prevent the Gegensat ;; result to other _αιΓ huuendforiüen in a variety of Siiiissionsstellen within a iiinkelverte ilung, ■■ / oak sufficiently close to the longitudinal axis of the emitter is situated, ii- : i allow a substantial e ission from all directors xu. This leads to u an iD "! ission in a broad range.

Der in hohem ilaiie er^'i Ui sehte <loo> -aufbau wurde bisher nur gelegentlich ;md als ü'iergangszustand beobachtet, wie aus einem Artikel von L. ... Swanson und L. C. Crouser, "Journal of Applied Physics", ßd. ho, Hr. 12, h7k\-h~/k9, November lyop, unter deu Titel ".iiigular Oonfineuient of Field Electron and Ion Emission" hervorgeht;. Bisher wurde jedoch allgemein angenommen, dass unter den Bedingungen der thermischen Felderaission keine iu Feld aufgebauten Endfarmen einschl. des >(loo> -Aufbaue s eines /loo^-orientierten Drahts einen Gleichgewichtszustand erreichen kann, und zwar wegen zwei Faktoren, welche bisher als unvermeidlich angesehen wurden. Einmal ändert sich dio Geometrie der Emitterspitze anscheinend unre-The highly ilaiie er ^ 'i Ui see <loo> structure has so far only been observed occasionally; md as a transition state, as from an article by L. ... Swanson and LC Crouser, "Journal of Applied Physics", p . ho, mr. 12, h7k \ -h ~ / k9, November lyop, under the title ".iiigular Oonfineuient of Field Electron and Ion Emission". So far, however, it has generally been assumed that under the conditions of thermal field emission, no end farms built up in the field, including the>(loo> structure s of a / loo ^ -oriented wire, can reach a state of equilibrium, because of two factors which have hitherto been considered inevitable Once the geometry of the emitter tip changes apparently inappropriately

A098U/0867A098U / 0867

BM ORIGINAL BM ORIGINAL

gellässig mit der Zoit, wodurch starke stromdichte Fluktuationen aufgrund einer Änderung des örtlichen opjtzenradius r stattfinden. Zweitens bewirken diese änderungen der Z-nittergeometrie eine drastische jinderi'ng der ränylic-ien :3r.iissiDi]Sverteilung. Letzteres ist nicht tolerierbar bei .,nwendungen, bei denen eine feine Fokussierung erforderlich ist, so dass der strahl durch Oestimmte Iliutel abgegrenzt seincasual with the zoit, creating strong current density Fluctuations due to a change in the local opjtzenradius r take place. Second, these changes cause the Z-nitter geometry a drastic jinderi'ng of the ränylic-ien : 3r.iissiDi] distribution. The latter is not tolerable at ., Applications that require fine focusing is so that the ray must be delimited by Oestimmte Iliutel

.iiε wurde nun festgestellt, dass entgegen den bisherigen Ergebnissen und entgegen den bisherigen Vorstellungen der Fachveit ^!jittersipit'ienendforyen mit ^Ioo7-orientierteu: Aufbau uiit] urit extretü kleinem effektivem Radius in ; uverlässiger :nd reproduzierbarer ,,eise ar.s einci λΊο·ο7 "^vI .?·.-. tierte ~ . r ·. *:■ ":ierges teilt werden könne j ι. κι iu tue rrnisehe . Feld in etaoiler lieine betrieben werden können.It has now been established that, contrary to the previous results and contrary to the previous ideas of the specialist community, jittersipit'ienendforyen with ^ Ioo7 -orientierteu: structure uiit] urit extretü small effective radius in; more reliable: nd reproducible ,, eise ar.s einci λΊο · ο7 "^ vI.? · .-. tierte ~. r ·. *: ■ ": everything could be divided j ι. κι iu tue r r nisehe. Field can be operated in etaoiler lieine.

Die Grllnde, weshalb ein ^ "i oo^-Felöauf bau unerv/arteterweise unter den Bedingungen, welche weiter unten erläutert werden, sind noch nicbt völlig klar. Cs wird jedoch angenouiuien, da.ss drei Faktoren von grosser Wichtigkeit sind, Uta einen <loo/-Aufbau in zuverlässiger Weise gem. vorliegender Erfindung xu erzielen. Erstens führt die geringste Kohlenstoffverunreinigung, welche bei Arbeitstemperaturen der Spitze von mehr als i.2oo K und unterhalb der Temperatur der thermischen Desorption des Kohlenstoffs fast unvermeidlich ist, schein-The reasons why an unpredictable structure under the conditions which will be explained below are not yet completely clear. It is assumed, however, that three factors are of great importance, Uta one xu achieve loo / -Aufbau reliably acc. to the invention. First, the slightest leads carbon contamination, which is almost inevitable at operating temperatures of the tip of more than i.2oo K and below the temperature of the thermal desorption of the carbon, seemingly

40981 A/086740981 A / 0867

BAD ORIGiNAlORIGINAL BATHROOM

'bar au einer Senkung der freien Oberflächenenergie der £"looj -Ebenen , wodurch ein Nicht-^loo)* — Auf bau stattfindet. Zweitens führt die Anwesenheit einer Oxydoberfläche, welche bei Spitzentemperaturen unterhalb etwa 195ο Κ beobachtet wird, anscheinend zu einer Zunahme der freien Oberflächenenergie der £100] -Ebenen über diejenige der Ebenen £i12jund ^3IcQ hinaus, wodurch ein <1oo>-Aufbau gefördert wird. Drittens macht es das hohe Maß der Feldlokalisierung auf den schmalen Bereich der Spitze, wo ß groß ist, möglich, dass die Gleichgewichtsbedingungen (Gleichung 3) an einer Stelle der Euiitterflache erfüllt werden, wobei andere Bereiche der Oberfläche keinem genügenden Aufbaufeld unterliegen, um weiter deformiert werden zu können.'bar from a reduction in the surface free energy of the £ "looj levels, whereby a non- ^ loo) * structure takes place. Second, leads to the presence of an oxide surface, which is observed at peak temperatures below about 195ο Κ apparently leads to an increase in the surface free energy of the £ 100] planes over that of the £ i12j and planes ^ 3IcQ, which promotes a <1oo> build-up. Thirdly, the high degree of field localization to the narrow area of the tip where ß is large makes it possible that the equilibrium conditions (equation 3) on a Place of the Euiitterflache are met, with other areas the surface is not subject to a sufficient build-up area to be able to be further deformed.

Zunächst soll das Grundkonzept der Erfindung anhand eines vereinfachten Flußdiagramms gem. Figur 1 erläutert werden. Die Ilaarnadelkatodenanordnung gem. Figur h wird nach herkömmlichen Methoden hergestellt. Diese Haarnadelanordnung 2o gem. Figur h kann aus Wolfram hergestellt sein und umfasst einen ^1oo>-orie'ntierten Wolfram-Emitterdraht 21, welcher zu einer Spitze ausläuft, die,in Figur 3 in stark vergrösserter Weise dargestellt ist. Diese Haarnadelanordnung wird in einer teilweise evakuierten Kammer angeordnet und ausreichend erhitzt, um Verunreinigungen zu desorbieren einschl. Kohlenstoff in Form flüchtigen Oxyds. Es wird jedoch sorgfältig darauf geachtet, dass die Temperatur nicht einen Wert erreicht oder überschreitet, bei dem eine dünne restliche Wolfram—Oxyd— schicht thermisch entfernt wird.First, the basic concept of the invention will be explained with the aid of a simplified flow chart according to FIG. The Ilaar needle cathode arrangement according to Figure h is produced according to conventional methods. This hairpin arrangement 2o according to FIG. H can be made of tungsten and comprises a 1oo> -oriented tungsten emitter wire 21 which ends at a point which is shown in FIG. 3 in a greatly enlarged manner. This hairpin assembly is placed in a partially evacuated chamber and heated sufficiently to desorb contaminants, including carbon in the form of volatile oxide. However, care is taken to ensure that the temperature does not reach or exceed a value at which a thin residual tungsten oxide layer is thermally removed.

A098U/0867A098U / 0867

Während nun die Katodenanordnung genügend heisa gehalten wird, so dass eine Oberflächem/anderung an der Spitze möglich ist, wird nun ein relativ starkes elektrisches Feld angelegt, um den {ioo>-Aufbau zu initiieren. In diesem Stadium ist dies der bevorzugte Vorgang, da die effektive freie Oberflächenenergie der £iooj-Ebenen erhöht wurde, während die effektive freie Oberflächenenergie der £"1 1ol , JJ123 und J_31o]—Ebenen gesenkt wurde. Die jTiooJ-Ebenen werden daher bevorzugt aufgebaut und die O3, £i 12J und Q)1 o] —Ebenen bilden bevorzugt Facetten.While the cathode arrangement is now kept sufficiently hot so that a surface change at the tip is possible, a relatively strong electric field is now applied to initiate the build-up. This is the preferred operation at this stage, since the effective surface free energy of the £ iooj planes has been increased while the effective surface free energy of the £ 11ol, JJ123 and J_31o] planes has been decreased. The jTiooJ planes are therefore built up preferentially and the O3, £ i 12J and Q) 10] planes preferably form facets.

In Figur 1 betrifft der erste Block die Herstellung der Katodenanordnung unter Verwendung eines Metalldrahts mit einer <looj>-rautnzentrierten kubischen Kristallstruktur, dessen Ende zu einer Emitterspitze mit einem effektiven Radius zwischen 5oo Λ und 4ooo A geformt ist. Dieser Draht wird durch Punktschweissen mit einem Ilaarnadeldralit, welcher als Halterung dient, verbunden. Im zweiten Block gem. Figur 1, wird die Spitze auf eine derartige Temperatur erhitzt, dass zwar die Verunreinigungen (Kohlenstoff als CO ) desorbiert werden, wobei aber die verbleibende Oxydscliicht auf dem Metalldraht nicht im Bereich der Emitterspitse entfernt wird. Im dritten Block wird die Katode weiter erhitzt, um eine Oberflächenbeweglichkeit an der Einitterspitze aufrecht zu erhalten. Gleichzeitig wird ein elektrisches Feld angelegt, um den <^loo7-Aufbau su beginnen.In Figure 1, the first block relates to the manufacture of the cathode assembly using a metal wire with a <looj> -autnentered cubic crystal structure, the end of which is shaped into an emitter tip with an effective radius between 5oo Λ and 4ooo A. This wire is made by spot welding with an Ilaarnadeldralit, which serves as a bracket, connected. In the second block according to Figure 1, the tip is heated to such a temperature that although the impurities (carbon as CO) are desorbed, but the remaining oxide layer on the metal wire not removed in the area of the emitter tip will. In the third block, the cathode is heated further in order to maintain surface mobility at the single-emitter tip to obtain. At the same time, an electric field is applied to begin the <^ loo7 build-up, see below.

40981 A/086740981 A / 0867

-13--13-

Figur ό zeigt eine Eraitterspitze, welche gemäss vorliegender Erfindung gebildet wurde. Der Pfeil, welcher mit der Achse des Drahts fluchtet, bezeichnet die < 1 oo*)-Richtung, während der zur Drahtachse senkrechte Pfeil die beüeichnet. Zu jeder beliebigen Zeit konvergiert der Scheitel 33 der Euiitterspitze nicht zu einer vollkommenen Spitze, sondern zu einer sehr leicht abgerundeten Gestalt. Die facettierten £"lloj-Ebenen xjo gehen allmählich in vier £Olo~] Aufbauebenen über, welche um $o vom Scheitel 53 des Drahts entfernt sind und in Umfangsrichtung rait einem 'winkelabstand von 9o voneinander an den .ieiten des Drahts angeordnet sind. Diese (olo)-Aufbauebenen sind lediglich kleine Verdickungen an den beiteu des Drahts, da sie uia 9o gegen das achsiale elektrische Feld verdreht sind.Figure ό shows a Eraitter tip, which was formed according to the present invention. The arrow, which is aligned with the axis of the wire, denotes the <1 oo *) direction, while the arrow perpendicular to the wire axis denotes the. At any given time, the vertex 33 of the Euiitter point does not converge to a perfect point, but to a very slightly rounded shape. The faceted £ "lloj planes x jo gradually merge into four £ 0lo ~] structural planes which are spaced $ 0 from the apex 53 of the wire and are arranged in the circumferential direction at an angular distance of 90 from one another at the ends of the wire. These (olo) build-up levels are only small thickenings on the sides of the wire, as they are twisted against the axial electric field.

Figur 7 zeigt ein ideales Bild des Bereichs der Erüitterspit^e oberhalb der Ebene 7-7 in Figur o. Hieraus ist ersichtlich, dass die Zinitterspitae eine allgemein tetrahetrische Gestalt hat mit dein bcheitel 53 i« ^loo)-liichtung und •alt vier schrägen Seitenflächen (^o, 5l) aufgrund der (11o)—Facettierung und mit einer Uasisflache $2, welche durch die (loo)-Ebene 7-7 definiert ist.Figure 7 shows an ideal picture of the area of the Erüitterspit ^ e above the level 7-7 in Figure o. This shows that the Zinitterspitae has a generally tetrahetrical shape with its apex 53 i «^ loo) -lichtung and • old four inclined Lateral surfaces (^ o, 5l) due to the (11o) faceting and with a base surface $ 2, which is defined by the (loo) plane 7-7.

Mit fortschreitendem Aufbau wird das üpit>~enende feiner und der effektive örtliche Spiti;enradius r verringert sich entsprechend. Deujgeiuäss werden die Stromdichte und der Gesaiatrstrom gem. Gleichung (2) erhöht. Es ist souiit erforderlich,As the build-up progresses, the top end becomes finer and the effective local tip radius r decreases accordingly. The current density and the total current become clear according to equation (2) increased. It is necessary

40981 A/086740981 A / 0867

mit fortschreitendem Aufbau die elektrische Feldstärke zu verringern, uta den Gesamtstrotn unterhalb eines Grenzwerts zu halten, bei dem im Vacuum ein sich katastrophal auswirkender Bogen erzeugt würde. Venn der Strom stabilisiert ist, so ist ein ^loo/*- Aufbau zu einer extrem feinen Spitze erreicht und die Katode ist fertig für den Betrieb.to reduce the electric field strength as the build-up progresses , in order to keep the total current below a limit value at which a catastrophic arc would be generated in the vacuum. When the current is stabilized, a ^ loo / * build-up to an extremely fine point is achieved, and the cathode is ready for operation.

Vorstehend wurde nur eine sehr grobe ^eSchreibung der jJrfiu— rl "ng gegeben. Z ir detaillierten Darstellung der Erfindung v;ird iui folgenden die Figur 9 erläutert sowie da« sche:aatiscbe Diagramm der Figur 0, welche ein Abtaotelektronenr.iikroskop darstellt. Vie bereits erwähnt, besteht die erste Stufe darin, eine -< 1oo>-aufgebaute thermische Feldkatode aus einem (loo)-orientierten Draht herzustellen, indem man zunächst die Spitze 22 des Emitters 2 1 gemäss der Konfiguration der Figur 3 nach herkömmlichen Methoden hörstellt. Diese Stufe kann in wirksamer Weise durch die nachfolgende elektrochemische Verfahrensweise erfolgen.Above only a very rough spelling of the jJrfiu- rl "ng given. For a detailed presentation of the invention FIG. 9 is explained in the following, as well as there: aatiscbe Diagram of Figure 0 showing a defrosting electron microscope represents. As already mentioned, the first stage is to have a - < 1oo> -built thermal field cathode from a (loo) -oriented Manufacture wire by first the tip 22 of the emitter 2 1 according to the configuration of the Figure 3 represents hearing according to conventional methods. This stage can be effectively done by the following electrochemical procedure.

Der K1oo>-orientierte Wolfram-Draht Emitter 21 kann einen Durchmesser in der Grüssenordnung von o,o7'6 inta bis ο, 23 ram haben. Dieser Draht ist durch Punktschweissen oder Elektronenstrahlschweissen mit einer haarnadelförmigen aus Wolfram bestehenden Halterung 2o verbunden, welche einen Durchmesser in der Grössenordnung von ο,25 mm haben kann. Gern. Figur ü befindet sich die Katodenstruktur 32 innerhalb eines Rohrs,The K 1oo> -oriented tungsten wire emitter 21 can have a diameter in the order of magnitude of o, o7'6 inta to o.23 ram. This wire is connected by spot welding or electron beam welding to a hairpin-shaped holder 20 made of tungsten, which can have a diameter of the order of magnitude of 0.25 mm. Willingly. Figure ü is the cathode structure 32 within a tube,

4098 1-A/08674098 1-A / 0867

BAD ORiGfNALBAD ORiGfNAL

-2ο--2ο-

welcb.es eine Kammer 3o umschliesst, und welches sodann auf einen Druclc im Dereich von 10 Torr mit einer Vacuumpumpe 31 evakuiert werden kann. Sodann wird die Temperatur der Katode 32 genügend erhöht, so dass die Verunreinigungen verdampfen und die Emitterfläche getn. Figur 5 geglättet wird. Dies wird dadurch erreicht, dass ein Stromimpuls von einer Gleichstromquelle oder einer Wechselstromquelle 35 durch die Wolfram-Haarnadelstruktur 2o geschickt wird, wobei die Katode 32 auf eine Temperatur zwischen 17oo° K und 19-OO K während mehrerer kurzer Teraperaturstöße erhitzt wird, Die Temperatur, auf welche die Katode 32 erhitzt wird, kann leicht durch Einstellung eines Strombegrenzungswiderstandes 3^ geregelt werden. Ziel dieser Stufe ist es, alle Verunreinigungen aus der Einitterspitze 22 (Figur 3) zu entfernen, ausser einer dünnen restlichen Oxydschicht, welche sich auf der Emitterspitze aufgrund der vorherigen Berührung mit freiem Sauerstoff in der Umgebungsatmosphäre befindet.which one encloses a chamber 3o, and which one then to a pressure in the range of 10 Torr with a vacuum pump 31 can be evacuated. Then the temperature of the cathode 32 is increased enough so that the impurities evaporate and the emitter surface getn. Figure 5 smoothed will. This is achieved in that a current pulse from a direct current source or an alternating current source 35 is sent through the tungsten hairpin structure 2o, wherein the cathode 32 is heated to a temperature between 17oo ° K and 19-OO K during several short bursts of temperature, The temperature to which the cathode 32 is heated can can be easily regulated by setting a current limiting resistor 3 ^. The aim of this stage is to remove all impurities to remove from the single point 22 (Figure 3), except for a thin remaining oxide layer, which is on the emitter tip due to previous contact with free oxygen is in the surrounding atmosphere.

Irgendwelche Kohlenstoffeinschlüsse innerhalb des Oberflächenbereichs diffundieren zur Oberfläche und verbinden sich mit dem Sauerstoff in der ursprünglichen Sauerstoffschicht oder mit dem Sauerstoff innerhalb der Kammer 3o zu Kohlenstoffoxyden und in der Hauptsache zu Kohlenmonoxyd. Die Kohlenstoffoxyde werden thermisch desorbiert, und zwar »nit einer Geschwindigkeit, welche von der Temperatur der Katodenstruktur 32 abhängt, so dass eine raschere Desorption eintritt, wenn man die Katode innerhalb des genannten BereichsAny carbon inclusions within the surface area diffuse to the surface and combine with the oxygen in the original oxygen layer or with the oxygen within the chamber 3o to carbon oxides and mainly to carbon monoxide. The carbon oxides are thermally desorbed, namely »N at a speed which depends on the temperature of the cathode structure 32, so that a faster desorption occurs when the cathode is within the stated range

4098U/08674098U / 0867

auf eine höhere Temperatur erhitzt. Die obere Temperaturgrenze,auf welche die Katode 32 während dieser und den nachfolgenden Stufen erhitzt werden darf, wird weiter unten erläutert.heated to a higher temperature. The upper temperature limit, on which cathode 32 is allowed to be heated during this and subsequent steps will be discussed below explained.

Wie Figur 6 zeigt, wird die Spitze 22 halbkugelförmig mit einem effektiven Radius r aufgrund der Oberflächenspannung, welche auf die zunehmend mobile erhitzte Katode 32 eim/irkt. Es muss bemerkt werden, dass - falls in dem\loo7—orientierten Wolf ratndraht genügend Kohlenstoff verunreinigungen vorliegen es erforderlich sein kann, eine gewisse Menge zusätzlichen Sauerstoffs in die Kammer 3» einzuführen, während der Emitter auf Temperaturen zwischen 13oo K und I5oo K erhitzt wird, Uta eine vollständige Verbindung des Kohlenstoffs an der Oberfläche und in der Masse mit Sauerstoff zu bewirken. Falls ein hochreiner Wolframdraht eingesetzt wird, so reicht gewöhnlich der im Ausgangsmaterial befindliche Sauerstoff dazu aus, die Reinigung durchzuführen. In den meisten Fällen ist stets eine genügende Sauerstoffmenge zugegen, und swar entweder in absorbierter elementarer Form oder in Form von iJolf ram-Oxyd, so dass der Kohlenstoff sich mit dieser,! Hauerstoff zu flüchtigen Oxyden verbinden kann. Ferner kann der Kohlenstoff thermisch direkt von der Oberfläche durch Erhitzen auf Temperaturen oberhalb 25oo K desorbiert werden. Hier— : durch wird jedoch eine erhebliche Abstumpfung des Emitters bewirkt, was in vielen Fällen äusserst unerwünscht ist. Das letztere Verfahren kann ferner zusätzliche Stufen zur EinführungAs FIG. 6 shows, the tip 22 becomes hemispherical with an effective radius r due to the surface tension which acts on the increasingly mobile heated cathode 32. It should be noted that if there are enough carbon impurities in the \ loo7-oriented wolf wire, it may be necessary to introduce a certain amount of additional oxygen into the chamber 3 »while the emitter is heated to temperatures between 130K and 150K Uta to bring about a complete combination of the carbon on the surface and in the bulk with oxygen. If a high-purity tungsten wire is used, the oxygen in the starting material is usually sufficient to carry out the cleaning. In most cases there is always a sufficient amount of oxygen present, and it was either in the absorbed elemental form or in the form of iJolf ram oxide, so that the carbon can mix with it! Can combine hydrogen to form volatile oxides. Furthermore, the carbon can be thermally desorbed directly from the surface by heating to temperatures above 250K. Here-: by, however, a significant blunting of the emitter is effected, which very often is undesirable. The latter procedure may also have additional steps to introduce

A098U/0867A098U / 0867

einer kleineu Menge Stuerstoff notwendig wachen, so dass hierdurch die Kosten gesenkt werden.a small amount of oxygen necessary so that this reduces costs.

Um zu bewirken, dass die Verunreinigungen vollständig im Spitzenbereich vergast werden, wird die Katode 32 mehrmals durch Schockerhitzen auf höhere Temperaturen, und zwar im zuvor erwähnten Dereich, gebracht. Die Temperatur darf jedoch einen Wert in der Grössenordnung von 195ο Κ nicht übersteigen. Darüber hinaus darf die Temperatur bei einer jeweiligen spezifischen Atmosphäre einen spezifischen Temperaturgrenzwert nicht übersteigen, bei dem eine sehr dünne Rest— schicht von "wolf rau— Oxyd, welche normalerweise die Katode 32 umgibt, vollständig entfernt wird, so dass eine blanke Wolfram-Spitze verbleibt. Der angestrebte Spitzenzustand ist dann erreicht, wenn alle Kohlenstoffverunreinigungen entfernt sind und eine restliche dünne wolf rani-Oxydschicht verbleibt.In order to cause the impurities to be completely gasified in the tip area, the cathode 32 is opened several times by shock heating to higher temperatures, namely in the previously mentioned Dreich. The temperature is allowed but not a value in the order of magnitude of 195ο Κ exceed. In addition, the temperature may have a specific temperature limit value in a respective specific atmosphere not exceed, in which a very thin residue - layer of "wolf rough" oxide, which normally forms the cathode 32 is completely removed, leaving a bare tungsten tip. The desired top condition is then achieved when all carbon impurities are removed and a residual thin layer of wolf rani oxide remains.

Nun kann das Feld-aiifbauverfahren der Spitze 22 beginnen, indem man eine Spannung zwischen Euiitterspitze 22 und einer nahegelegenen Anode 3^> anlegt. Hierdurch wird eine mechanische Spannung bewirkt. Der B-jxtter ums s ausreichend hoiss gehalten werden (1^00 IC bis Κίοο K) , dauiit eine genügende Oberflächen— Liobilität gewährleistet ist. Die Temperatur darf jedoch den i.;uvor erwähnten oberen Grenzwert, bei deu die tfolfrai,!- üxydschicht entfernt würde, nicht überschreiten.The field-aiifbauverfahren can now begin the tip 22 by applying a voltage between Euiitterspitze 22 and a nearby anode 3 ^>. This creates a mechanical tension. The B-jxtter must be kept sufficiently high (1 ^ 00 IC to Κίοο K), while sufficient surface mobility is guaranteed. The temperature, however, must not exceed the upper limit mentioned above, at which the oxide layer would be removed.

0981 4/08670981 4/0867

D .s elolrtrische Feld wird erhöht, bis ein Gleichgevichtswert überschritten ist, worauf ein überschaubarer stabiler Aufbau der Spitze unter Ausbildung einer sehr feinen Spitze beginnt. Der anfängliche Strom zu Beginn des Spitzenaufbaues beträgt typischerweise etwa 2o«./? . Man beobachtet zunächst, dass der Gesamtstrom während einer bestimmten Zeitdauer zunächst konstant bleibt und danach mit der Zeit rasch erhöht xvird, was einen (l ooi) -Aufbau anzeigt. Nach Eintreten des Spitzenaufbaues ist es erwünscht, das Maximum des Gesamtstrotns auf einen Bereich von üo - 1 oo^ au beschränken,The electrical field is increased until an equilibrium value is exceeded, whereupon a manageable, stable structure of the tip with the formation of a very fine tip begins. The initial current at the beginning of the peak build-up is typically around 2o «./? . One observes first that the total current initially remains constant for a certain period of time and then increases rapidly over time xvird, which indicates a (l ooi) structure. After entering of the tip construction, it is desirable to use the maximum of the total flow to a range from üo - 1 oo ^ au,

/ indem man in geeignetem Maße die Katoden-Anoden-Sjmnnung und somit das elektrische Feld senkt« Die Gesamtstromstabilisierung zeigt an, dass der Aufbau der Katode zu einer extrem feinen achsial ausgerichteten Spitze 23 gem. Figur 6 beendet ist./ by appropriately adjusting the cathode-anode dimensions and thus the electric field lowers «The total current stabilization indicates that the structure of the cathode is extremely fine axially aligned tip 23 according to FIG.

Bei praktischen Anwendungen, wie zB dem Abtastelektroneuniikroskop gem.Figur ο wird ein vollständiger Spitzenaufbau durch eine hoch qualitative Bildübertragung angezeigt. Im allgemeinen ist ein Strahldurchgang durch eine kleine Öffnung das beste Anzeichen für einen (loo)-Aufbau. In ähnlicher Weise wird eine Spitzenverschlechterung durch eine verschlechterte Übertragung angezeigt.In practical applications such as the scanning electron microscope According to Figure ο, a complete tip build-up is achieved indicated by a high quality image transmission. Generally, a beam passage is through a small opening the best sign of a (loo) buildup. In a similar way Thus, peak degradation is indicated by degraded transmission.

Ziel des beschriebenen Spitzenaufbauverfahrens ist es, eine pyramidenförmige Struktur gem. den Figuren 6 und 7 zu erreichen. Bei einem ^loo^-Aufbau des Wolframs bilden dieThe aim of the tip construction method described is to create a pyramid-shaped structure as shown in FIGS reach. With a ^ loo ^ structure of the tungsten, the

4098 U/0867 b*d original4098 U / 0867 b * d original

-2k--2k-

JJooj , Q 12| und (J31oJ -Ebenen große Facetten, wie zD die in Figur 7 allgemein gezeigten Facetten 5o und 51· Da die teilweise aufgebauten^olo) -Ebenen gem. Figur 6 um 9o gegen die Ilauptrichtung des elektrischen Feldes verdreht sind, tragen sie nicht wesentlich zur Elektronenemission bei. Die gesamte in Längsrichtung gerichtete Elektronenemission geht im wesentlichen von der Scheitelspitze 53 aus und ist auf einen schmalen Vinkelbereich beschränkt.JJooj, Q 12 | and (J31oJ planes large facets, such as the facets 5o and 51 generally shown in FIG. 7 · Since the partially built up ^ olo) planes according to FIG Electron emission at. The entire electron emission directed in the longitudinal direction emanates essentially from the apex 53 and is limited to a narrow angular range.

Es wurde festgestellt, dass nach Erreichen der aufgebauten Spitzenendfora gem. Figuren 6 und 7 der Emitter während einer langen Zeitdauer im Temperaturbereich zwischen 12oo K und 17oo K innerhalb eines Gesamtstrombereichs von 1-3oo Ajjfy und unter einem Umgebungsdruck im Bereich von 10 bis 10 υ Torr betrieben werden kann. Falls der Druck im Bereich —9It was found that after reaching the built-up tip end shape according to FIGS. 6 and 7, the emitter for a long period of time in the temperature range between 1200 K and 17oo K within a total current range of 1-3oo Ajjfy and under an ambient pressure in the range of 10 to 10 υ Torr can be operated. If the pressure is in the range -9

von 10 Torr liegt, kann auch ein niedrigerer Temperaturbereich gewählt werden. Kurszeitiger Betrieb ist auch bei noch niedrigeren Temperaturen einschl. Zimmertemperatur möglich, wobei die Dauer der Brauchbarkeit sich umgekehrt zum Umgebungsdruck des Emitters verhält. Die Grenze für die kleinstmögliche Punktgrösse im fokueaierten Strahl hängt teilweise von der chromatischen Aberration ab, welche wiederum zur Breite der Energieverteilung in Beziehung steht. Da die Breite der Energieverteilung mit der Temperatur wächst, kann es in der Tat erwünscht sein, während kurzer Zeitdauer bei derart niedrigen Temperaturen -zu arbeiten.of 10 Torr, a lower temperature range can also be selected. In-course operation is also possible at even lower temperatures, including room temperature, whereby the useful life is inversely related to the ambient pressure of the emitter. The limit for the smallest possible spot size in the focused beam depends in part on the chromatic aberration, which in turn is related to the width of the energy distribution. Since the width of the energy distribution increases with the temperature, it may be desirable, in fact, for a short period to work at such low temperatures -to.

4098U/08674098U / 0867

Falls der Emitter im Hochvacuum auf Temperaturen von mehr als etwa 2ooo K erhitzt wird, so wird die Oxydschicht entfernt. Bei einem derartigen sauberen Emitter, welcher frei von Spuren von Kohlenstoffverunreinigungen ist, kommt es gemäss den Gesetzen der Vah.rscheinlich.keit und als Funktion der Hierarchie der freien Oberflächenenergien der verschiedenen Familien von Ebenen zu einempoo^—Spitzenaufbau, wenn die vorstehenden Bedingungen beachtet werden. Falls jedoch Kohlenstoff zugegen ist, wird ein ^I oo) -Aufbau unter diesen Bedingungen nicht vorhergesagt und tritt natürlich auch nicht auf.If the emitter in high vacuum to temperatures of more than about 2,000 K is heated, the oxide layer is removed. With such a clean emitter, which one is free is made up of traces of carbon impurities, it comes from according to the laws of probability and function the hierarchy of the surface free energies of the different families of planes to a poo ^ -teak structure, if the above conditions are observed. However, if carbon is present, there will be an (I oo) build-up among them Conditions not predicted and of course will not occur.

Während des Betriebs bei niedrigen Temperaturen oder bei einer ungewollten Betriebsweise bei einer zn hohen Temperatur können die Emissionseigenschaften des Emitters verschlechtert werden. Es wurde nun gefunden, dass die ursprünglichen Spitzen— Verhältnisse während des Betriebs wieder hergestellt werden können, indem man das elektrische Feld während 15 bis 3o see. bei einer Temperatur im Bereich von 1ooo K bis 1 /Oo K entspannt oder verringert und sodann eine genügende Spannung anlegt, um einen Gesamtstrom von Io bis 2oi*ft zu verwirklichen. Die Umgebung des Emitters kann natürlich eine bestimmte ausreichende Sauerstoffmenge enthalten, um die Oxydschicht wiederherzustellen und etwaige Kohlenstoffverunreinigungen der Oberfläche, welche aus Einschlüssen oder aus adsorbierten Kohlenstoff quellen stammen, zu entfernen. Eine Strou-Itestabilisieruns i;eigt die Wiederherstellung der Spitze an.During operation at low temperatures or at unwanted operation at a high temperature the emission properties of the emitter can be deteriorated. It has now been found that the original tips— Conditions during operation can be restored by keeping the electric field for 15 to 3o see. relaxed at a temperature in the range from 1ooo K to 1 / Oo K or reduced and then applied a sufficient voltage to realize a total current of Io to 2oi * ft. The surroundings of the emitter can of course contain a certain amount of oxygen sufficient to restore the oxide layer and any carbon contamination of the surface, which originate from inclusions or from adsorbed carbon sources to remove. A Strou-Itestabilization i; tends to restore the top.

409814/0867409814/0867

Im folgenden soll wiederum auf Figur ο Be.jug genommen werden. In dieser Figur ist ein Gerät mit einem tastenden Elektronenstrahl gezeigt, bei de;.i ein schmaler Strahl 4o von der Katode 32 abgegeben wird. Dieser Strahl wird mittels einer einzelne.] elektrostatischen oder elktromagneti— sehen Linse k2 auf eine geerdete Probe fokussiert. Die Katode 32, die Anode 'JL , die Linse 42 und die geerdete Probe 4i werden auf zunehmend höherem Potential gehaltet) (-10.000 Volt, -0.000 Volt, -000 Volt und 0 Volt), was durch die '.Quellen 33» 3<-> und 44 angezeigt ist. Ein Kippgenerator 4;> für eine Anzeigeröhre 46 ist mit einem Ablenksystem 47 verbunden, so dass der Strahl 4o die Probe 41 airtastet. Hinter der Probe 4l ist ein Detektor 4-J vorgesehen und mit dem Detektor 4o ist die Anzeigeröhre 46 verbunden, welche der Darstellung der Probe dient. Falls die L.pit^e fehlerhaft ist oder falls die (loo)- άτι bauenclf orifl sich verschlechtert, kann die Spitze geiJäss oiiigeu Verfahren wiederhergestellt werden, ohne dass die Katode aus dem Apparat entfernt werden muss, v/enn das -i/ütastelek fcroneuuikroskop ge,;. Figur '-'■ abgeschaltet wird, so sollte die Suitterte:lyeratnr :\\-iMoIi^t verri'^-jert i/erden, Lii die Ji.ufbaukoiiiiguration "einzufrieren", wonach erst die inoden/Katoden-^paunuug abgeschaltet wird. Venn das Elektronenmikroskop nun wieder eingesetzt v/erden soll, so wird zunächst die Spannung eingechaltet, und danach wird die Katode auf die Betriebstemperatur erhitzt. Für den Fall, dass die beschriebene Abschaltarbeitsweise nicht befolgt wird, geht der Spitzeuaufbar. verloren. In diesem Fall kann dieser Aufbau jedoch sehr früh wieder hergestellt werden, indem man die Auf-heiz- und Spannungsanlegungsstufen wiederholt.In the following, Figure ο Be.jug should again be used. In this figure, a scanning electron beam device is shown in which a narrow beam 40 is emitted from the cathode 32 . This beam is focused on a grounded sample by means of a single electrostatic or electromagnetic lens k2. The cathode 32, the anode 'JL, the lens 42 and the grounded sample 4i are held at an increasingly higher potential) (-10,000 volts, -0,000 volts, -000 volts and 0 volts), which is indicated by the' sources 33 »3 <-> and 44 is displayed. A tilt generator 4 for a display tube 46 is connected to a deflection system 47 so that the beam 40 scans the sample 41. A detector 4-J is provided behind the sample 4l, and the display tube 46, which is used to display the sample, is connected to the detector 4o. If the L.pit ^ e is faulty or if the (loo) - άτι buildclf orifl deteriorates, the tip can be restored according to the oiiigeu procedure without having to remove the cathode from the apparatus, if the -i / ütastelek fcroneuuikoskop ge,;. Figure '-' ■ is switched off, the Suitterte: lyeratnr : \\ -iMoIi ^ t verri '^ - jert i / earth, Lii the Ji.aufbaukoiiiiguration "freeze", after which the inode / cathode ^ paunuug is switched off . When the electron microscope is now to be put back into place, the voltage is first switched on and then the cathode is heated to the operating temperature. In the event that the described shutdown procedure is not followed, the tip can be used. lost. In this case, however, this structure can be restored very early by repeating the heating and voltage application steps.

409814/0867409814/0867

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

Eine der wesentlichsten Eigenschaften der in erfindungsgöuiässer Weise aufgebauten Spitze, welche während des Betriebs der Spitze beobachtet wird, ist die Fähigkeit, bei extrem hohen Stromdicliten während einer langen Zeitdauer bei Drucken, welche um Grössenordnungen höher sind als bisher bei Feldemissionskatoden für möglich erachtet wurde. Hinsichtlich der Vacuumanlage und anderer peripherer Einrichtungen sowie hinsichtlich der Grundausrüstung können erhebliche Einsparungen gemacht werden, so dass eine grosse Urirtschaf tlichkeit, auch hinsichtlich des Betriebs und insbesondere auch hinsichtlich der anfänglichen Investition erhielt werden kann.One of the most essential properties of the tip constructed in accordance with the invention, which is observed during operation of the tip, is the ability to operate at extremely high current rates for a long period of time at pressures which are orders of magnitude higher than previously thought possible with field emission cathodes. With respect to the vacuum system and other peripheral devices, as well as in terms of basic equipment significant savings can be made so that a large U r irtschaf tlichkeit, also with regard to the operation and particularly with respect to the initial investment can be received.

Wie bereits erwähnt, hat auch Molybdän eine raumaentrierte kubische Kristallinstruktur, und entsprechende Ergebnisse werden mit einem <(l oo) -orientierten Molybdändraht ti it einem ähnlichen Verfahren erzielt, jedoch bei etwas niedrigeren Temperaturen. Die Oberflächenspannung (V') für Molybdän liegt im Bereich von 22oo dyn/cm bei 1700 K. Hierdurch ändert sich die Intensität des elektrischen Feldes,bei welcher der Gleichgewichtspunkt geuiäss Gleichung (3) erzielt wird. Das Verhalten eines gemäss obigem Verfahren hergestellten Molybdän-Emitters ist ähnlich demjenigen eines Wolfram-Emitters. Es ist wiederum Grundvoraussetzung, dass alle Kohlenstoffverunreinigungen entfernt werden und dass eine dünne Restoxydschicht an der Oberfläche verbleibt, so dass die Arbeitsfunktion der i/100] -Ebenen erhöht und diejenige derAs mentioned earlier, molybdenum also has a space-centered cubic crystalline structure, and corresponding results are ti it with a <(l oo) -oriented molybdenum wire similar procedure, but at slightly lower temperatures. The surface tension (V ') for molybdenum is in the range of 22oo dynes / cm at 1700 K. This changes the intensity of the electric field at which the equilibrium point is achieved according to equation (3). The behavior of a molybdenum emitter manufactured according to the above process is similar to that of a tungsten emitter. It is in turn a basic requirement that all carbon impurities are removed and that a thin residual oxide layer remains on the surface, so the work function of the i / 100] levels and that of the

409814/0867409814/0867

_1 1 ο) -, Lj ί 2J - und I3I0J-Ebenen gesenkt wird, wodurch der (1 oo>--iufbau bevorzugt ist. Bestimmte andere Iletalle wie Tantal eignen sich ebenfalls für das erfindungsgemässe Verfahren, wolfram ist jedoch im allgemeinen als Ausgangsmaterial bevorzugt, da es einen hohen Schmelzpunkt hat sowie einen niedrigen Dampfdruck und eine relativ grosse elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie eine grosse mechanische Festigkeit._1 1 ο) - , Lj ί 2J - and I3I0J -planes is lowered, whereby the (1 oo> - iupbau is preferred. Certain other Iletalle such as tantalum are also suitable for the inventive method, but tungsten is generally preferred as starting material , because it has a high melting point and a low vapor pressure and a relatively high electrical and thermal conductivity and high mechanical strength.

4098U/08674098U / 0867

Claims (1)

1Λ - 5191Λ - 519 PatentansprücheClaims Verfahren zur Herstellung einer Feldetnissionskatode aus einem Metalldraht und zur Nachformung derselben nach Betrieb«Method for manufacturing a field emission cathode from a metal wire and for reshaping the same after operation « dadurch gekennzeichnet, dass man unter Vacuumcharacterized in that one under vacuum a) einen /Λoo/-orientierten Metalldraht auf eine Temperatur erhitzt, bei der Verunreinigungen aus dem Draht entfernt werden, und dass mana) a / Λ oo / -oriented metal wire heated to a temperature at which impurities are removed from the wire, and that one b) ein elektrisches Potential an den Draht anlegt, so dass ein Mindestgesanitstrom einsetzt, und dassb) applies an electrical potential to the wire so that a minimum sanitary current begins, and that c) der Strom unter Aufbau der Γΐοοΐ-Sbenen au einer feinen Spitze aufrecht erhalten wird, bis Stromstabilisierung eintritt,c) the current under building the Γΐοοΐ levels au a fine tip is maintained until the current stabilizes, wobei die Stufen (a) und (b) gleichzeitig oder in umgekehrter Reihenfolge vorgenommen werden können. wherein steps (a) and (b) can be carried out simultaneously or in reverse order. 409814/0867409814/0867 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalldraht aus einem Metall mit einer rauiüzeutrierten kubisch—kristallinen Struktur und vorzugsweise aus wolfram oder Molybdän besteht.2. The method according to claim 1, characterized in that that the metal wire is made of a metal with a rough, cubic-crystalline structure and preferably made of tungsten or molybdenum. 3. Verfahren nach ainem der Ansprüche ! oder ?., dadurch gekennzeichnet, dass man einen Metalldraht3. Method according to one of the claims! or ?., characterized in that one is a metal wire und einem halbkugelförmigen mit einer konischen Spitze / Ende mit eineu liadius von weniger als 2'joo 1 einsetzt.and a hemispherical one with a conical tip / end with an ul liadius of less than 2'joo 1. k. Verfahren nach einem der .,nsjrüche I "jxe 3» dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtstrom unterhalb einem vorbestimmten Maximalwert gehalten wird, bei den Bogenentladung stattfindet. k. Method according to one of the claims I "jxe 3", characterized in that the total current is kept below a predetermined maximum value at which the arc discharge takes place. i>. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Stufe (a) unterhalb einem Grenzwert gehalten wird, bei dem im wesentlichen die gesamte überflächenoxydscliicht entfernt wird oder bei dem eine geometrische Deformation der ^pit^e eintritt.i>. Method according to one of Claims 1 to 4, characterized characterized in that the temperature of step (a) is kept below a limit value at which essentially all of the surface oxide layer is removed or where a geometric deformation the ^ pit ^ e enters. ό. Verfahren nach eine*,] der Ansprüche 1 bis j, dadurch gekennzeichnet, dass in der ütufe (a) eine Temperatur gewühlt wird, bei der der Kohlenstoff des Metalldrahts >:ur Oberfläche diffundiert und mit Sauerstoff -zu Kohlenstoffoxyden reagiert, welche thermisch desorbiert werden.ό. A method according to any one of claims 1 to j, characterized in that in stage (a) a temperature is selected at which the carbon of the metal wire diffuses from the surface and reacts with oxygen to form carbon oxides which are thermally desorbed . 4098U/0867 BAD ORIGINAL4098U / 0867 BAD ORIGINAL 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass uian vor, nach oder während der Stufe (b) die Temperatur auf einen v/ert einstellt, bei dein eine Oberflächenmobilität der Drahtspitae gewährleistet ist und vorzugsweise auf einen Wert zwischen 12oo K und 1 9<>o K und insbesondere zwischen 13oo°K bis i5oo°K und i8oo°K.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized marked that uian before, after or during the Step (b) adjusts the temperature to a value at which there is a surface mobility of the wire tip is guaranteed and preferably to a value between 1200 K and 19 <> o K and in particular between 1300 ° K to 1500 ° K and 1800 ° K. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, dass der Draht aus Wolfram besteht und seine Temperatur in der Stufe (a) einen Vert zwischen 12oo K und 19oo K bis 2'ioo H und vorzugsweise einen wert zwischen i4oo iC bis I700 Ii und 19oo°K hat.3. The method according to any one of claims 1 to 7> characterized in that the wire consists of tungsten and its temperature in step (a) has a value between 1200 K and 19oo K to 2'ioo H and preferably a value between 14oo iC to I700 Ii and 1900 ° K. 9. Verfahren nach eineu der Ansprüche 1 bis G, dadurch9. The method according to one of claims 1 to G, characterized -7 gekennzeichnet, dass bei einem Druck von 10 bis-7 marked that at a pressure of 10 to -9
10 Torr gearbeitet wird.
-9
10 Torr is worked.
Io. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9> dadurch gekennzeichnet, dass nach Stufe (a) und gegebenenfalls nach Stufe (b) bzw. vor Stufe (c) Sauerstoff zugeführt wird und/oder dass ein Metalldraht mit einer Oxydschicht bei Stufe (a) eingesetzt wird.Io. Method according to one of Claims 1 to 9> thereby characterized in that after stage (a) and optionally after stage (b) or before stage (c) oxygen is supplied and / or that a metal wire with an oxide layer is used in step (a). 409 814/08 67409 814/08 67 BAD ORIGINALBATH ORIGINAL 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1o, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metalldraht mit einem Durchmesser von o,12 bis ο,25 mm eingesetzt wird.11. The method according to any one of claims 1 to 1o, characterized in that a metal wire with a Diameter from 0.12 to 0.25 mm is used. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stufe (b) ein Anfangsstrorn von 5 bis 25M-B und vorzugsweise 1o bis 2ojt π gewählt wird.12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that in step (b) an initial flow of 5 to 25M-B and preferably 1o to 2ojt π is selected. 13· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass man während der Stufe (c) den Strom mißt und nach einem einen £ioo_)-Aufbau anzeigenden Stromanstieg das anliegende Potential zur Erzielung einer vorbestimmten Stromstärke einstellt.13 · The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that during stage (c) the Measures current and after a £ ioo_) structure indicating Current rise sets the applied potential to achieve a predetermined current strength. 4098U/08674098U / 0867 Le θ rs θ 11eLe θ rs θ 11e
DE19732345096 1972-09-29 1973-09-06 METHOD OF MANUFACTURING A FIELD EMISSION CATODE Pending DE2345096A1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US00293322A US3817592A (en) 1972-09-29 1972-09-29 Method for reproducibly fabricating and using stable thermal-field emission cathodes

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE2345096A1 true DE2345096A1 (en) 1974-04-04

Family

ID=23128615

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19732345096 Pending DE2345096A1 (en) 1972-09-29 1973-09-06 METHOD OF MANUFACTURING A FIELD EMISSION CATODE

Country Status (7)

Country Link
US (1) US3817592A (en)
JP (1) JPS585496B2 (en)
CA (1) CA1014602A (en)
DE (1) DE2345096A1 (en)
FR (1) FR2201533B1 (en)
GB (1) GB1445695A (en)
NL (1) NL7313420A (en)

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3947716A (en) * 1973-08-27 1976-03-30 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Field emission tip and process for making same
JPS5062766A (en) * 1973-10-05 1975-05-28
US3919580A (en) * 1974-09-11 1975-11-11 Us Energy Relativistic electron beam generator
US4324999A (en) * 1980-04-30 1982-04-13 Burroughs Corporation Electron-beam cathode having a uniform emission pattern
US4486684A (en) * 1981-05-26 1984-12-04 International Business Machines Corporation Single crystal lanthanum hexaboride electron beam emitter having high brightness
US4588928A (en) * 1983-06-15 1986-05-13 At&T Bell Laboratories Electron emission system
JPS60225345A (en) * 1984-04-20 1985-11-09 Hitachi Ltd Power supply for electric field emitting cathode
EP0287774A3 (en) * 1987-04-24 1990-03-07 Balzers Aktiengesellschaft Thermionic hair-needle cathode
US5012194A (en) * 1989-09-05 1991-04-30 Raytheon Company Method testing electron discharge tubes
DE4040201C2 (en) * 1990-12-15 1994-11-24 Hell Ag Linotype Method for low-maintenance operation of a device for producing a surface structure and device for carrying out the method
FR2707795B1 (en) * 1993-07-12 1995-08-11 Commissariat Energie Atomique Improvement to a manufacturing process of a microtip electron source.
FR2750785B1 (en) * 1996-07-02 1998-11-06 Pixtech Sa METHOD FOR REGENERATING MICROPOINTS OF A FLAT VISUALIZATION SCREEN
JP2807668B2 (en) * 1997-03-27 1998-10-08 株式会社日立製作所 Electron beam defect inspection method and apparatus
US9159527B2 (en) * 2003-10-16 2015-10-13 Carl Zeiss Microscopy, Llc Systems and methods for a gas field ionization source
JP2006059513A (en) * 2004-07-22 2006-03-02 Kuresutetsuku:Kk Electron beam irradiation device and drawing device
US7888654B2 (en) * 2007-01-24 2011-02-15 Fei Company Cold field emitter
US8736170B1 (en) 2011-02-22 2014-05-27 Fei Company Stable cold field emission electron source
CN102629538B (en) 2012-04-13 2014-03-19 吴江炀晟阴极材料有限公司 Electrode material with low work function and high chemical stability
US9697983B1 (en) * 2016-02-29 2017-07-04 ICT Integrated Circuit Testing Gesellschaft für Halbleiterprüftechnik mbH Thermal field emitter tip, electron beam device including a thermal field emitter tip and method for operating an electron beam device
US11887805B2 (en) 2021-09-30 2024-01-30 Fei Company Filament-less electron source
WO2024018570A1 (en) * 2022-07-20 2024-01-25 株式会社日立ハイテク Charged particle source, charged particle gun, and charged particle beam device

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3374386A (en) * 1964-11-02 1968-03-19 Field Emission Corp Field emission cathode having tungsten miller indices 100 plane coated with zirconium, hafnium or magnesium on oxygen binder
US3356887A (en) * 1965-07-30 1967-12-05 Frederick C W Heil Fe cathode redesign

Also Published As

Publication number Publication date
NL7313420A (en) 1974-04-02
JPS585496B2 (en) 1983-01-31
GB1445695A (en) 1976-08-11
FR2201533A1 (en) 1974-04-26
CA1014602A (en) 1977-07-26
JPS4973967A (en) 1974-07-17
FR2201533B1 (en) 1977-05-13
US3817592A (en) 1974-06-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE2345096A1 (en) METHOD OF MANUFACTURING A FIELD EMISSION CATODE
DE69709554T2 (en) Method for operating an electron source
DE112011104535B4 (en) Device for a beam of charged particles
DE112009001537B4 (en) Charged particle beam device and method of controlling the device
DE3039283C2 (en)
DE102014111372A1 (en) IRIDIUM TIP, FIELD ION SOURCE, FOCUSED ION BEAM SETUP, ELECTRON SOURCE, ELECTRON MICROSCOPE, EQUIPMENT FOR ANALYSIS USING AN ELECTRON BEAM, ION ELECTRON MULTIPLE BEAM INSTALLATION, ABUTATING TAPE MICROSCOPE AND MASK REPAIRING DEVICE
DE102014112044A1 (en) repair device
DE112011102643B4 (en) Gas field ion source, ion beam device and emitter tip and method of manufacturing the same
DE112016007170B4 (en) Electron beam device
DE102011009597A1 (en) discharge lamp
EP0713738A1 (en) Sintered article from high melting metal powder with dopants
DE2644208B2 (en) Process for the production of a monocrystalline layer on a substrate
EP0328757A2 (en) Method for manufacturing thin films from high Tc oxide superconductors
DE69610902T2 (en) FIELD EMISSION CATHODE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF
DE2138339A1 (en) Method and device for finishing, reworking or cleaning tips by electron bombardment
DE60007830T2 (en) SCHOTTKY EMISSION CATHODE WITH EXTENDED LIFE
DE69601767T2 (en) Alloy consisting of tungsten lanthanum in the form of a wire for vibration-resistant filament
DE69518397T2 (en) Electron beam source and manufacturing method thereof, electron beam source device and electron beam apparatus using the same
DE69807266T2 (en) Short arc mercury lamp
DE112012003090T5 (en) Emitter, gas field ion source and ion beam device
US4030963A (en) Arc-melting preparation of single crystal LaB6 cathodes
DE102016101688A1 (en) APPARATUS WITH FOCUSED ION BEAM
DE3150848C3 (en) Electron beam generating system for high brightness
DE3888882T2 (en) Process for producing a replacement cathode.
EP1162647B1 (en) Plasma evaporation source with cathodic electrode for vacuum coating system

Legal Events

Date Code Title Description
OHA Expiration of time for request for examination